WO2022003860A1

WO2022003860A1 - 姿勢変化機構、鉗子及び姿勢変化方法

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Publication number: WO2022003860A1
Application number: PCT/JP2020/025813
Authority: WO
Inventors: 貴皓菅野; 健嗣川嶋; 哲郎宮嵜; 利弘川瀬; 伽津彦福島
Original assignee: 国立大学法人東京医科歯科大学; リバーフィールド株式会社
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-06

Abstract

姿勢変化機構１０は、関節１２と、関節１２の姿勢を保持する保持部１４と、保持部１４を加熱する加熱部１６と、関節１２を挟んで一方の側から他方の側に向かうように延びるワイヤ２０ａ，２０ｂと、ワイヤを一方の側へ引っ張るアクチュエータ２２と、他方の側に設けられ、ワイヤ２０ａ，２０ｂが引っ張られると関節１２とともに引っ張られる被引張部と、を備える。ワイヤは、被引張部まで延びており、保持部１４は、加熱部１６の加熱によって外力が加わると変形可能な状態になり、アクチュエータの動作によりワイヤ２０ａ，２０ｂが引っ張られることで関節の姿勢が変化するように構成されている。

Description

姿勢変化機構、鉗子及び姿勢変化方法

　本発明は、鉗子や内視鏡といった術具や工具の姿勢を変化させる技術に関する。

　近年、温度によって剛性が変化する材料、例えば形状記憶ポリマ（ＳＭＰ：shape-memory polymer）を用いてロボットの指の動きを実現する研究が行われている（特許文献１参照）。この研究では、ロボットの指の関節に相当する部分のＳＭＰに熱を加え、その部分を柔らかくした状態で空気を指の内部に送ることで、ロボットの指が関節部分で内側に折れ曲がる機構を実現している。

Yang Yang et al.、「Novel design and 3D printing of variable stiffness robotic fingers based on shape memory polymer」、2016 6th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob)、IEEE、2016、ｐ．１９５－２００

　しかしながら、前述の機構では、指を折り曲げるための外力に空気を利用しているため、精度の高い動きは難しい。

　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、術具や工具の姿勢を精度良く変化させる新たな関節の技術を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明のある態様の姿勢変化機構は、関節と、関節の姿勢を保持する保持部と、保持部を加熱する加熱部と、関節を挟んで一方の側から他方の側に向かうように延びるワイヤと、ワイヤを一方の側へ引っ張るアクチュエータと、他方の側に設けられ、ワイヤが引っ張られると関節とともに引っ張られる被引張部と、を備える。ワイヤは、被引張部まで延びており、保持部は、加熱部の加熱によって外力が加わると変形可能な状態になり、アクチュエータの動作によりワイヤが引っ張られることで関節の姿勢が変化するように構成されている。

　この態様によると、通常は関節の姿勢を保持しつつ、保持部を加熱してワイヤを引っ張るだけで関節の姿勢を精度良く変化させることができる。また、ワイヤを引っ張る力、あるいは、ワイヤを引っ張る長さを制御することで、関節の姿勢を段階的に選択できる。

　関節は、第１の関節と第２の関節とを有してもよい。保持部は、第１の関節の姿勢を保持する第１の保持部と、第２の関節の姿勢を保持する第２の保持部とを有してもよい。加熱部は、第１の保持部及び第２の保持部を個別に加熱できるように構成されており、ワイヤは、第１のワイヤと第２のワイヤとを有してもよい。アクチュエータは、第１のワイヤ又は第２のワイヤを一方の側へ引っ張り、第１のワイヤは、引っ張られた状態において第１の関節の一部及び第２の関節の一部に接触するように被引張部まで延びており、第２のワイヤは、引っ張られた状態において第１の関節の他部及び第２の関節の他部に接触するように被引張部まで延びていてもよい。これにより、例えば、第１の保持部を加熱して第１のワイヤや第２のワイヤを引っ張ることで第１の関節の姿勢を変化させ、第２の保持部を加熱して第１のワイヤや第２のワイヤを引っ張ることで第２の関節を変化させることができる。そのため、第１の関節の姿勢と第２の関節の姿勢とを組み合わせることで、多くの姿勢変化を実現できる。

　保持部を冷却する冷却部を更に備えてもよい。これにより、ワイヤを引っ張ることで変化した関節の姿勢を、保持部を冷却することで速やかにそのままの状態で保持できる。また、例えば、第１の保持部を冷却することで、変化した第１の関節の姿勢を保持した状態で第２の関節の姿勢のみを変化させることができる。

　冷却部は、冷却媒体が通るチューブを有してもよい。第１の関節及び第２の関節は、第１のワイヤ、第２のワイヤ及びチューブがそれぞれ通る複数の貫通孔が形成されていてもよい。これにより、関節の外側にワイヤやチューブが配置されないため、姿勢変化機構の小径化が可能となる。

　加熱部による保持部の加熱制御、アクチュエータによるワイヤの引っ張り制御、及び、冷却部による保持部の冷却制御を行う制御部を更に備えてもよい。これにより、関節の様々な姿勢変化が可能となる。

　保持部は、形状記憶ポリマで構成されている筒状部分を有し、該筒状部分の一部がワイヤが引っ張られた状態で圧縮されることで関節の姿勢が変化するように構成されていてもよい。これにより、特別な形状や加工を必要とせずに、保持部の変形が可能となる。

　本発明の他の態様は、鉗子である。この鉗子は、上述の姿勢変化機構と、姿勢変化機構の先端部に取付けられた把持部と、把持部の開閉を行うための把持用ワイヤと、を備えてもよい。把持用ワイヤは、関節に形成されている貫通孔を通る。

　この態様によると、簡易な構成の姿勢変化機構を備えた鉗子を実現できる。

　本発明の別の態様は、姿勢変化方法である。この方法は、第１の関節の姿勢を保持する第１の保持部を加熱し、該第１の保持部を外力が加わると変形可能な状態にする第１の加熱工程と、第１の関節を挟んで一方の側から他方の側に向かうように伸びる第１のワイヤを一方の側へ引っ張り、第１の保持部を変形させることで第１の関節の姿勢を変化させる第１の姿勢変化工程と、第２の関節の姿勢を保持する第２の保持部を加熱し、該第２の保持部を外力が加わると変形可能な状態にする第２の加熱工程と、第２の関節を挟んで一方の側から他方の側に向かうように伸びる第２のワイヤを一方の側へ引っ張り、第２の保持部を変形させることで第２の関節の姿勢を変化させる第２の姿勢変化工程と、を有する。

　この態様によると、例えば、第１の保持部を加熱して第１のワイヤや第２のワイヤを引っ張ることで第１の関節の姿勢を変化させ、第２の保持部を加熱して第１のワイヤや第２のワイヤを引っ張ることで第２の関節を変化させることができる。そのため、第１の関節の姿勢と第２の関節の姿勢とを組み合わせることで、多くの姿勢変化を実現できる。

　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明によれば、術具や工具の姿勢を精度良く変化させることができる。

本実施の形態に係る姿勢変化機構の主要部を示す斜視図である。本実施の形態に係る関節の一例を示す斜視図である。本実施の形態に係る姿勢変化機構を備える鉗子の制御ブロック図である。図４（ａ）乃至図４（ｃ）は、本実施の形態に係る姿勢変化機構を用いた姿勢変化を説明するための模式図である。本実施の形態に係る姿勢変化方法を説明するフローチャートを示す図である。図６（ａ）は、参考例に係る腹腔鏡手術ロボットの模式図、図６（ｂ）は、本実施の形態に係る姿勢変化機構を備えた腹腔鏡手術ロボットの模式図である。変形例に係る姿勢変化機構を説明するための模式図である。

　以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。本発明は、例えば、術具である鉗子や内視鏡、工具であるアームやドリルといった機能部品を先端に保持しながら、その姿勢を変化させる機構に適用できる。

　（姿勢変化機構）
　図１は、本実施の形態に係る姿勢変化機構の主要部を示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係る関節の一例を示す斜視図である。図３は、本実施の形態に係る姿勢変化機構を備える鉗子の制御ブロック図である。

　図１や図３に示すように、姿勢変化機構１０は、１つ以上の関節１２と、関節１２の姿勢を保持する筒状の保持部１４と、保持部を加熱する加熱部１６と、関節１２同士をつなぐ筒状のフランジ１８と、関節１２を挟んで一方の側Ｄ１から他方の側Ｄ２に向かうように延びるワイヤ２０ａ，２０ｂと、ワイヤ２０ａ，２０ｂを一方の側Ｄ１へ引っ張るアクチュエータ２２と、他方の側Ｄ２に設けられ、ワイヤ２０ａ，２０ｂが引っ張られると関節１２とともに引っ張られる被引張部２４と、保持部１４を冷却する冷却部２６と、を備える。

　また、図３に示すように、本実施の形態に係る鉗子装置１００は、姿勢変化機構１０と、姿勢変化機構の先端部に取付けられた把持部２８ａ，２８ｂと、把持部２８ａ，２８ｂの開閉を行うための把持用ワイヤ３０ａ，３０ｂと、複数の加熱部１６のそれぞれの加熱制御を行う加熱制御部３２と、把持用ワイヤ３０ａ，３０ｂをそれぞれ引っ張るアクチュエータ３４ａ，３４ｂと、冷却部２６が有する冷却チューブ２６ａを循環する冷却媒体（水）を供給するポンプ３６と、を備える。また、制御部３８は、アクチュエータ２２、加熱制御部３２、アクチュエータ３４ａ，３４ｂ、ポンプ３６のそれぞれの動作を制御する。

　関節１２は、本願発明を実現し得る構成であれば特に限定されないが、本実施の形態に係る関節１２は、図２に示すように、一対の円板状の部材からなる。円板状の部材１２ａ，１２ｂは、冷却チューブが通る複数の貫通孔１２ａ１，１２ｂ１と、ワイヤ２０ａ，２０ｂ等が通る貫通孔１２ａ２，１２ｂ２と、把持用ワイヤ３０ａ，３０ｂが通る貫通孔１２ａ３，１２ｂ３と、を有する。また、円板状の部材１２ａ，１２ｂは、互いに対向する面の中央部に、関節１２の姿勢が変化する際の部材同士の摩擦を低減する摺動部１２ａ４，１２ｂ４が設けられている。

　本実施の形態に係る保持部１４は、形状記憶ポリマで構成されている筒状部分を有している。保持部１４は、加熱された筒状部分の一部がワイヤ２０ａやワイヤ２０ｂが引っ張られた状態で圧縮されることで関節１２の姿勢が変化するように構成されている。これにより、特別な形状や加工を必要とせずに、加熱するだけで保持部１４の変形が可能となる。

　本実施の形態に係る加熱部１６は、円筒状の保持部１４の周囲にらせん状に巻かれたニクロム線である。被引張部２４は、円板状の部材であり、ワイヤ２０ａ，２０ｂの一方の端部が互いに離れた場所（中心を挟んで反対の位置）に係止されている。なお、ワイヤ２０ａ，２０ｂが、１本のワイヤで構成され、被引張部２４において折り返されるように被引張部２４の複数箇所で掛け回されていてもよい。

　アクチュエータ２２やアクチュエータ３４ａ，３４ｂとしては、それぞれに繋がるワイヤを引っ張るための力を発生し、その力を制御できるものであればよく、例えば空気圧で駆動するエアシリンダや電気で駆動するモータが挙げられる。また、アクチュエータは、ワイヤごとに設けてもよいし、加熱制御部３２や制御部３８は、演算装置や記憶装置が組み合わされたＣＰＵやＩＣで構成されている。

　次に、本実施の形態に係る姿勢変化機構１０を用いた姿勢変化について説明する。図４（ａ）乃至図４（ｃ）は、本実施の形態に係る姿勢変化機構１０を用いた姿勢変化を説明するための模式図である。なお、各図の説明では、姿勢変化機構１０が関節を２つ有する場合について説明するが、関節が１つであっても３つ以上であってもよい。

　姿勢変化機構１０のワイヤ２０ａや２０ｂは、引っ張られた状態において関節１２の一部に接触するように被引張部２４まで延びている。保持部１４は、加熱部１６の加熱によって外力が加わると変形可能な状態になり、アクチュエータ２２の動作によりワイヤ２０ａが引っ張られることで関節１２Ｘの姿勢が変化するように構成されている（図４（ａ）参照）。

　このように、姿勢変化機構１０は、通常は関節１２の姿勢を保持しつつ、保持部１４を加熱してワイヤ２０ａを引っ張るだけで関節１２の姿勢を精度良く変化させることができる。また、ワイヤ２０ａを引っ張る力、あるいは、ワイヤ２０ａを引っ張る長さを制御することで、関節１２Ｘの姿勢を段階的に選択できる。

　また、図４に示す姿勢変化機構１０は、関節１２Ｘと関節１２Ｙとを有している。また、保持部１４は、関節１２Ｘの姿勢を保持する保持部１４Ｘと、関節１２Ｙの姿勢を保持する保持部１４Ｙとを有している。加熱部１６は、保持部１４Ｘ及び保持部１４Ｙを個別に加熱できるように構成されている。これにより、図４（ａ）の状態で保持部１４Ｙを加熱してワイヤ２０ａを更に引っ張ると、図４（ｂ）に示すように関節１２Ｙの姿勢が変化し、姿勢変化機構１０は、関節１２Ｘの姿勢変化と組み合わせて、より大きな曲げを実現できる。なお、各関節の曲げ方向が同じ場合、各保持部の加熱は同時であってもよい。

　一方、図４（ａ）に示す姿勢で冷却部により保持部１４Ｘを冷却し、保持部１４Ｘのそれ以上の姿勢変化を抑制した後、保持部１４Ｙだけ加熱してワイヤ２０ｂを引っ張ると、図４（ｃ）に示すように関節１２Ｙの姿勢が変化する。その結果、姿勢変化機構１０は、関節１２Ｘの姿勢変化と関節１２Ｙの姿勢変化とを組み合わせて、クランク状（Ｓ字状）の曲げを実現できる。

　このように、本実施の形態に係る姿勢変化機構１０は、保持部１４Ｘを加熱してワイヤ２０ａを引っ張ることで関節１２Ｘの姿勢を変化させ、保持部１４Ｙを加熱してワイヤ２０ｂを引っ張ることで関節１２Ｙを変化させることができる。そのため、関節１２Ｘの姿勢と関節１２Ｙの姿勢とを組み合わせることで、多くの姿勢変化を実現できる。

　また、ワイヤ２０ａを引っ張ることで変化した関節１２Ｘの姿勢を、保持部１４Ｘを冷却することで速やかにそのままの状態で保持できる。また、保持部１４Ｘを冷却することで、変化した関節１２Ｘの姿勢を保持した状態で関節１２Ｙの姿勢のみを変化させることができる。

　なお、制御部３８は、加熱部１６による保持部１４の加熱制御、アクチュエータ２２によるワイヤ２０ａ，２０ｂの引っ張り制御、及び、冷却部２６による保持部１４の冷却制御を行う。これにより、１つ以上の関節１２の様々な姿勢変化が簡易な構成で可能となる。

　また、本実施の形態に係る関節１２は、図２に示すように、ワイヤ２０ａ，２０ｂ、冷却チューブ２６ａがそれぞれ通る複数の貫通孔が形成されている。これにより、関節１２の外側にワイヤやチューブが配置されないため、姿勢変化機構１０の小径化が可能となる。

　このような姿勢変化機構１０による姿勢変化は、術具の先端に取付けられた鉗子や内視鏡の姿勢変化方法と捉えることができる。図５は、本実施の形態に係る姿勢変化方法を説明するフローチャートを示す図である。

　本実施の形態に係る姿勢変化方法は、関節１２Ｘの姿勢を保持する保持部１４Ｘを加熱し、保持部１４Ｘを外力が加わると変形可能な状態にする第１の加熱工程（Ｓ１０）と、関節１２Ｘを挟んで一方の側から他方の側に向かうように伸びるワイヤ２０ａ又はワイヤ２０ｂを一方の側へ引っ張り、保持部１４Ｘを変形させることで関節１２Ｘの姿勢を変化させる第１の姿勢変化工程（Ｓ１２）と、関節１２Ｙの姿勢を保持する保持部１４Ｙを加熱し、保持部１４Ｙを外力が加わると変形可能な状態にする第２の加熱工程（Ｓ１４）と、関節１２Ｙを挟んで一方の側から他方の側に向かうように伸びるワイヤ２０ａ又はワイヤ２０ｂを一方の側へ引っ張り、保持部１４Ｙを変形させることで関節１２Ｙの姿勢を変化させる第２の姿勢変化工程（Ｓ１６）と、・・・、第ｎの関節の姿勢を保持する第ｎの保持部を加熱し、第ｎの保持部を外力が加わると変形可能な状態にする第ｎの加熱工程（Ｓ１８）と、第ｎの関節を挟んで一方の側から他方の側に向かうように伸びるワイヤ２０ａ又はワイヤ２０ｂを一方の側へ引っ張り、第ｎの保持部を変形させることで第ｎの関節の姿勢を変化させる第ｎの姿勢変化工程（Ｓ２０）と、を備える。

　これにより、例えば、保持部１４Ｘを加熱してワイヤ２０ａやワイヤ２０ｂを引っ張ることで関節１２Ｘの姿勢を変化させ、保持部１４Ｙを加熱してワイヤ２０ａやワイヤ２０ｂを引っ張ることで関節１２Ｙを変化させ、第ｎの保持部を加熱してワイヤ２０ａやワイヤ２０ｂを引っ張ることで第ｎの関節を変化させることができる。そのため、第１の関節の姿勢～第ｎの関節の姿勢を組み合わせることで、より多くの姿勢変化を実現できる。

　（手術への応用）
　図６（ａ）は、参考例に係る腹腔鏡手術ロボットの模式図、図６（ｂ）は、本実施の形態に係る姿勢変化機構を備えた腹腔鏡手術ロボットの模式図である。従来、胸腔鏡手術では肋骨４０の隙間にポートを設置しなければならず、図６（ａ）に示すように、鉗子４２が臓器にアプローチできる角度に制約があった。一方、本実施の形態に係る姿勢変化機構１０を備えた多関節鉗子４４を用いることで、図６（ｂ）に示すように、ロボット配置の自由度を向上できる。

　以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

　例えば、３本のワイヤを姿勢変化機構の軸を中心に周方向に１２０°間隔で配置してもよい。あるいは、４本のワイヤを姿勢変化機構の軸を中心に周方向に９０°間隔で配置してもよい。２本のワイヤの場合、屈曲する方向が限られるが、３本や４本のワイヤを用いて各ワイヤを引っ張る力や引っ張る長さを制御することで、屈曲角度や屈曲方向の自由度が高まる。

　図７は、変形例に係る姿勢変化機構を説明するための模式図である。上述の姿勢変化機構１０は、関節１２を構成する円板状の部材１２ａ，１２ｂの内部をワイヤ２０ａ，２０ｂが通っている。そのため、各ワイヤ２０ａ，２０ｂは、引っ張られた状態において関節１２の一部に接触するように被引張部２４まで延びている。これに対して、変形例に係る姿勢変化機構１１０は、関節１１２Ｘ，１１２Ｙの姿勢を保持する筒状（錐状）の保持部１１４Ｘ，１１４Ｙの外側にワイヤ１２０ａ，１２０ｂが配置されている。そのため、各ワイヤ１２０ａ，１２０ｂは、引っ張られた状態においても関節１１２Ｘ，１１２Ｙに接触せずに被引張部１２４まで延びている。

　本発明は、鉗子や内視鏡といった術具や工具に利用できる。

　１０…姿勢変化機構、　１２…関節、　１４…保持部、　１６…加熱部、　１８…フランジ、　２０ａ…ワイヤ、　２０ｂ…ワイヤ、　２２…アクチュエータ、　２４…被引張部、　２６…冷却部、　３２…加熱制御部、　３６…ポンプ、　３８…制御部、　１００…鉗子装置。

Claims

　関節と、
　前記関節の姿勢を保持する保持部と、
　前記保持部を加熱する加熱部と、
　前記関節を挟んで一方の側から他方の側に向かうように延びるワイヤと、
　前記ワイヤを前記一方の側へ引っ張るアクチュエータと、
　前記他方の側に設けられ、前記ワイヤが引っ張られると前記関節とともに引っ張られる被引張部と、を備え、
　前記ワイヤは、前記被引張部まで延びており、
　前記保持部は、前記加熱部の加熱によって外力が加わると変形可能な状態になり、前記アクチュエータの動作により前記ワイヤが引っ張られることで前記関節の姿勢が変化するように構成されていることを特徴とする姿勢変化機構。
　前記関節は、第１の関節と第２の関節とを有し、
　前記保持部は、前記第１の関節の姿勢を保持する第１の保持部と、前記第２の関節の姿勢を保持する第２の保持部とを有し、
　前記加熱部は、前記第１の保持部及び前記第２の保持部を個別に加熱できるように構成されており、
　前記ワイヤは、第１のワイヤと第２のワイヤとを有し、
　前記アクチュエータは、前記第１のワイヤ又は前記第２のワイヤを前記一方の側へ引っ張り、
　前記第１のワイヤは、引っ張られた状態において前記第１の関節の一部及び前記第２の関節の一部に接触するように前記被引張部まで延びており、
　前記第２のワイヤは、引っ張られた状態において前記第１の関節の他部及び前記第２の関節の他部に接触するように前記被引張部まで延びていることを特徴とする請求項１に記載の姿勢変化機構。
　前記保持部を冷却する冷却部を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の姿勢変化機構。
　前記冷却部は、冷却媒体が通るチューブを有し、
　前記第１の関節及び前記第２の関節は、前記第１のワイヤ、前記第２のワイヤ及び前記チューブがそれぞれ通る複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の姿勢変化機構。
　前記加熱部による前記保持部の加熱制御、前記アクチュエータによる前記ワイヤの引っ張り制御、及び、前記冷却部による前記保持部の冷却制御を行う制御部を更に備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の姿勢変化機構。
　前記保持部は、形状記憶ポリマで構成されている筒状部分を有し、該筒状部分の一部が前記ワイヤが引っ張られた状態で圧縮されることで前記関節の姿勢が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の姿勢変化機構。
　前記保持部を冷却する冷却部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の姿勢変化機構。
　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の姿勢変化機構と、
　前記姿勢変化機構の先端部に取付けられた把持部と、
　前記把持部の開閉を行うための把持用ワイヤと、を備え、
　前記把持用ワイヤは、前記関節に形成されている貫通孔を通ることを特徴とする鉗子。
　第１の関節の姿勢を保持する第１の保持部を加熱し、該第１の保持部を外力が加わると変形可能な状態にする第１の加熱工程と、
　前記第１の関節を挟んで一方の側から他方の側に向かうように伸びる第１のワイヤを前記一方の側へ引っ張り、前記第１の保持部を変形させることで前記第１の関節の姿勢を変化させる第１の姿勢変化工程と、
　第２の関節の姿勢を保持する第２の保持部を加熱し、該第２の保持部を外力が加わると変形可能な状態にする第２の加熱工程と、
　前記第２の関節を挟んで一方の側から他方の側に向かうように伸びる第２のワイヤを前記一方の側へ引っ張り、前記第２の保持部を変形させることで前記第２の関節の姿勢を変化させる第２の姿勢変化工程と、
　を有することを特徴とする姿勢変化方法。