(57)【要約】【課題】動きの精度を高めやすくするとともに、外乱に起因する不具合の発生を抑制しやすくすることができるマニピュレータシステムを提供する。【解決手段】術具３０およびマニピュレータ部１０には、所定の回転軸線まわりに相対的に回動可能、または、直線に沿って相対的に移動可能とされた複数の可動部１２，１３，１４，１５，３２，３４と、可動部１２，１３，１４，３２，３４における相対的な動きを制御するアクチュエータ部と、が設けられ、術具３０により処置がなされる対象を基準として、遠位に位置する可動部の動きを制御するアクチュエータ部は、電動機により動力を発生させる電動アクチュエータ部２１，２２であり、近位に位置する可動部の動きを制御するアクチュエータ部は外部から供給される気体の圧力により動力を発生させる気圧アクチュエータ部２３，２４であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
術具、および、前記術具を所望の位置および所望の姿勢で保持するマニピュレータ部が設けられたマニピュレータシステムであって、
前記術具および前記マニピュレータ部には、所定の回転軸線まわりに相対的に回転若しくは相対的に回動可能、または、直線若しくは曲線に沿って相対的に移動可能とされた複数の可動部と、前記可動部における相対的な動きを制御するアクチュエータ部と、が設けられ、
前記術具により処置がなされる対象を基準として、遠位に位置する前記可動部の動きを制御する前記アクチュエータ部は、電動機により動力を発生させる電動アクチュエータ部であり、近位に位置する前記可動部の動きを制御する前記アクチュエータ部は外部から供給される気体の圧力により動力を発生させる気圧アクチュエータ部であることを特徴とするマニピュレータシステム。
【請求項２】
前記遠位に位置する前記可動部は、前記マニピュレータ部に設けられた可動部の少なくとも一部であり、
前記近位に位置する前記可動部は、前記術具に設けられた可動部の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータシステム。
【請求項３】
前記術具および前記マニピュレータ部の間には、直線若しくは曲線に沿って相対的に移動を可能とする中間可動部が設けられ、
前記中間可動部には、前記中間可動部の動きを制御する前記気圧アクチュエータ部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のマニピュレータシステム。
【請求項４】
前記術具および前記マニピュレータ部の間には、直線若しくは曲線に沿って相対的に移動を可能とする中間可動部が設けられ、
前記中間可動部には、前記中間可動部の動きを制御する前記電動アクチュエータ部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のマニピュレータシステム。
【請求項５】
前記術具の前記対象側の端部には、前記対象と接触する先端部が設けられ、
前記マニピュレータ部に設けられた前記可動部は、所定の回転軸線まわりに相対的に回転若しくは相対的に回動することにより、前記マニピュレータ部に保持された前記術具の配置位置および姿勢を制御するものであり、
前記術具に設けられた前記可動部は、他の所定の回転軸線まわりに相対的に回転若しくは相対的に回動することにより、前記先端部の配置位置および姿勢を制御するもの、または、前記先端部の駆動に関するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマニピュレータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マスタースレーブ形式による遠隔からの操作が可能な外科手術用マニピュレータにおいて、スレーブマニピュレータを空気圧で駆動する構成を有するとともに、力覚を提示する機能を有するマニピュレータのシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３２７６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の空気圧駆動の外科手術用マニピュレータにおいては、次に説明するような問題があった。
特許文献１に記載された空気圧駆動のマニピュレータは、モータ等を用いた電動駆動のマニピュレータと比較して、マニピュレータの動きの精度や、予期せぬ外乱に対する剛性や安定性等の点において不利になることが知られている。
【０００５】
マニピュレータの動きの精度は、外科手術における手技の正確さや、手術時間に要する時間や、手術の安全性の確保について大きな影響を与える。そのため、マニピュレータの動きの精度確保が大きな問題となる。
【０００６】
また、外科手術が行われる手術室内の広さは限られているため、執刀医、数名の助手、および、多くの他の手術用器具が存在する手術室では、マニピュレータを設置する十分な空間を確保することは難しい。そのため、意図しない接触によってマニピュレータの姿勢が乱れる外乱が発生する可能性を否定しきれず、外乱に起因する不具合の発生を抑制する必要があるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、空気圧駆動による外力検出機能を有する外科手術用マニピュレータにおいて、動きの精度を高めやすくするとともに、外乱に起因する不具合の発生を抑制しやすくすることができるマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のマニピュレータシステムは、術具、および、前記術具を所望の位置および所望の姿勢で保持するマニピュレータ部が設けられたマニピュレータシステムであって、前記術具および前記マニピュレータ部には、所定の回転軸線まわりに相対的に回転若しくは相対的に回動可能、または、直線若しくは曲線に沿って相対的に移動可能とされた複数の可動部と、前記可動部における相対的な動きを制御するアクチュエータ部と、が設けられ、前記術具により処置がなされる対象を基準として、遠位に位置する前記可動部の動きを制御する前記アクチュエータ部は、電動機により動力を発生させる電動アクチュエータ部であり、近位に位置する前記可動部の動きを制御する前記アクチュエータ部は外部から供給される気体の圧力により動力を発生させる気圧アクチュエータ部であることを特徴とする。
【０００９】
本発明のマニピュレータシステムによれば、遠位に電動アクチュエータ部を用いることにより、術具の位置合わせの精度を確保しやすくなり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすくなる。近位に力覚提示機能を実現可能な気圧アクチュエータ部を用いることにより、対象との接触を感知することが容易となる。
【００１０】
上記発明において前記遠位に位置する前記可動部は、前記マニピュレータ部に設けられた可動部の少なくとも一部であり、前記近位に位置する前記可動部は、前記術具に設けられた可動部の少なくとも一部であることが好ましい。
【００１１】
このようにマニピュレータ部に設けられた可動部の動きを制御するアクチュエータ部を電動アクチュエータ部とすることにより、術具の位置合わせの精度を確保しやすくなり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすくなる。電動アクチュエータ部は、近位と比較して、マニピュレータ部および術具の質量や慣性の影響が大きい遠位であるマニピュレータ部に配置されている。このようにマニピュレータ部の可動部に電動マニピュレータ部を配置することにより、気圧マニピュレータ部を配置した場合と比較して位置精度の確保が容易となり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすい。
【００１２】
また、術具に設けられた可動部の動きを制御するアクチュエータ部を気圧アクチュエータ部とすることにより、術具が対象と接触したことを感知しやすくなる。気圧アクチュエータ部は、遠位と比較して、対象に近くて術具の質量や慣性の影響が小さな近位である術具に配置されている。このように術具の可動部に気圧マニピュレータ部を配置することにより、電動マニピュレータ部を配置した場合と比較して、軽量化や小型化が図りやすく、術具が対象と接触したことを感知しやすくなる。
【００１３】
上記発明において前記術具および前記マニピュレータ部の間には、直線若しくは曲線に沿って相対的に移動を可能とする中間可動部が設けられ、前記中間可動部には、前記中間可動部の動きを制御する前記気圧アクチュエータ部が設けられていることが好ましい。
【００１４】
このように中間可動部の動きを制御するアクチュエータ部として気圧アクチュエータ部を用いることにより、電動マニピュレータ部を配置した場合と比較して、軽量化や小型化が図りやすく、術具が対象と接触したことを感知しやすくなる。
【００１５】
上記発明において前記術具および前記マニピュレータ部の間には、直線若しくは曲線に沿って相対的に移動を可能とする中間可動部が設けられ、前記中間可動部には、前記中間可動部の動きを制御する前記電動アクチュエータ部が設けられていることが好ましい。
【００１６】
このように中間可動部の動きを制御するアクチュエータ部として電動アクチュエータ部を用いることにより、気圧マニピュレータ部を配置した場合と比較して術具の位置精度の確保が容易となり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすい。
【００１７】
上記発明においては、前記術具の前記対象側の端部には、前記対象と接触する先端部が設けられ、前記マニピュレータ部に設けられた前記可動部は、所定の回転軸線まわりに相対的に回転若しくは相対的に回動することにより、前記マニピュレータ部に保持された前記術具の配置位置および姿勢を制御するものであり、前記術具に設けられた前記可動部は、他の所定の回転軸線まわりに相対的に回転若しくは相対的に回動することにより、前記先端部の配置位置および姿勢を制御するもの、または、前記先端部の駆動に関するものであることが好ましい。
【００１８】
このようにマニピュレータ部および術具に設けられた可動部を所定の回転軸線まわりに相対的に回転若しくは相対的に回動する可動部とすることにより、マニピュレータ部および術具に所望の動きをさせることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のマニピュレータシステムによれば、遠位に電動アクチュエータ部を用い、近位に力覚提示機能を実現可能な気圧アクチュエータ部を用いることにより動きの精度を高めやすくするとともに、外乱に起因する不具合の発生を抑制しやすくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステムの構成を説明する正面視図である。
【図２】図１のマニピュレータシステムの上面視図である。
【図３】図１のマニピュレータシステムにおける動作を説明する図である。
【図４】図１の術具における動作を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータシステムの構成を説明する正面視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔第１の実施形態〕
この発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステム１について、図１から図４を参照ながら説明する。本実施形態では本発明をマスタースレーブ形式による遠隔からの操作が可能な外科手術で用いられるものであって、図１に示すように、術具３０、および、術具３０を所望の位置および所望の姿勢で保持するマニピュレータ部１０が設けられたマニピュレータシステム１に適用して説明する。
【００２２】
マニピュレータ部１０には、図１から図３に示すように、術具３０から離れた遠位から術具３０に近い近位に向かって順に、第１アーム部１１と、第２アーム部（可動部）１２と、第３アーム部（可動部）１３と、関節部（可動部）１４と、第４アーム部（中間可動部）１５と、保持部（中間可動部）１６と、から主に構成されている。
【００２３】
第１アーム部１１は、棒状または柱状に形成された部分であり、水平方向に延びる棒状または円柱状に形成された基部１９から上下方向に下向き延びるものである。なお、第１アーム部１１は上下方向に延びる回転軸線まわりに、基部１９に対して相対的に回動可能とされてもよい。
【００２４】
第２アーム部１２は、棒状または柱状に形成された部分であり、第１アーム部１１の下端から延びるものでる。さらに第２アーム部１２は、水平方向に延びる第１回転軸線Ｌ１まわりに、第１アーム部１１に対して相対的に回動可能に接続されたものである。本実施形態では、第２アーム部１２が下に向かって後方向に傾斜した姿勢を取っている状態を例に挙げて説明する。
【００２５】
第３アーム部１３は、棒状または柱状に形成された部分であり、第２アーム部１２の端部から第２アーム部１２の長手方向と同じ方向に延びるものである。さらに第３アーム部１３は、第２アーム部１２の長手方向に沿った回転軸線であるヨー回転軸線（所定の回転軸線）ＬＹまわりに、第２アーム部１２に対して相対的に回動可能に接続されたものである。
【００２６】
関節部１４は、第３アーム部１３と第４アーム部１５との間を接続するものである。本実施形態では、関節部１４がピッチ回転軸線（所定の回転軸線）ＬＰまわりに回動可能な平行リンク機構を用いたＲＣＭ（Ｒｅｍｏｔｅ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｏｆ  Ｍｏｔｉｏｎ）機構である例に適用して説明する。本実施形態ではＲＣＭ機構が、術具３０が患者に挿入される位置、言い換えると術具３０におけるトロッカに挿入される位置が、関節部１４の動きに伴い術具３０の姿勢が変化してもその点のみが動かない不動点（回転中心）ＣＰとなる機構である例に適用して説明する。なお、関節部１４における具体的な機構は、不動点ＣＰが実現可能な構成であればよい。
【００２７】
第４アーム部１５と、棒状または柱状に形成された部分であり、関節部１４の近位側の端部から延びて配置されたものである。また、第４アーム部１５は保持部１６を相対的にスライド移動可能に保持するものである。
【００２８】
保持部１６は術具３０を保持する部分であり、第４アーム部１５の長手方向に沿って相対的にスライド移動するものである。保持部１６の形状は、術具３０が保持できる形状であればよく、特に限定するものではない。
【００２９】
術具３０には、図１、図３および図４に示すように、本体３１と、軸部（可動部）３２と、先端部（可動部）３３と、が主に設けられている。本体３１は、保持部１６に保持される部分であるとともに先端部３３の駆動機構などが収納されるものである。軸部３２は、本体３１から外科手術の患者（対象）に向かって延びる棒状の部材である。軸部３２は、軸線に沿って延びる回転軸線であるロール回転軸線（他の所定の回転軸線）ＬＲまわりに回動可能に構成されている。
【００３０】
先端部３３は、軸部３２の先端に設けられる部分であり、患者に対して処置を行うものである。本実施形態では先端部３３が開閉可能とされた鉗子である例に適用して説明する。先端部３３と軸部３２との間には、ロール回転軸線ＬＲに対して直交するとともに、互いに直交する方向に回動可能とする手首部（可動部）３４が設けられている。
【００３１】
マニピュレータ部１０には、図１に示すように、第１アクチュエータ部（電動アクチュエータ部）２１、第２アクチュエータ部（電動アクチュエータ部）２２、および、第３アクチュエータ部（気圧アクチュエータ部）２３が設けられている。さらに術具３０には、第４アクチュエータ部（気圧アクチュエータ部）２４が設けられている。
【００３２】
第１アクチュエータ部２１および第２アクチュエータ部２２は、電動機によって駆動される電動アクチュエータであり、第３アクチュエータ部２３および第４アクチュエータ部２４は、外部から供給される空気の圧力によって駆動される空気圧アクチュエータである。電動アクチュエータおよび空気圧アクチュエータの構成としては、公知の構成を用いることができ、その構成を特に限定するものではない。
【００３３】
また、第３アクチュエータ部２３および第４アクチュエータ部２４には、マニピュレータシステム１の外部から加えられる力を検出可能な力覚提示機能（図示せず）が設けられている。検出部における外部の力を検出する方法や構成としては、公知の方法や構成を用いることができる。
【００３４】
第１アクチュエータ部２１は第２アーム部１２に配置されるものであり、第３アーム部１３におけるヨー回転軸線ＬＹまわりの相対的な回動を駆動制御するものである。第２アクチュエータ部２２は第３アーム部１３に配置されるものであり、関節部１４におけるピッチ回転軸線ＬＰまわりの相対的な回動を駆動制御するものである。
【００３５】
第３アクチュエータ部２３は第４アーム部１５に配置されるものであり、保持部１６における第４アーム部１５の長手方向に沿う方向への相対的なスライド移動を駆動制御するものである。
【００３６】
第４アクチュエータ部２４は本体３１に配置されるものであり、軸部３２におけるロール回転軸線ＬＲまわりの相対的な回動を駆動制御するものである。さらに、本体３１には、先端部３３である鉗子における開閉の駆動制御や、手首部３４における回動の駆動制御を行う第４アクチュエータ部２４が設けられている。
【００３７】
次に、上記の構成からなるマニピュレータシステム１における動作について図３および図４を参照しながら説明する。まず、術具３０を所定の位置姿勢に配置させるマニピュレータ部１０の動作について説明する。
【００３８】
マニピュレータ部１０におけるヨー回転軸線ＬＹまわりの回動は、第１アクチュエータ部２１により駆動制御される。第１アクチュエータ部２１は、第２アーム部１２に対して第３アーム部１３をヨー回転軸線ＬＹまわりに回動駆動させる。この時、第３アーム部１３から近位に配置されている関節部１４、第４アーム部１５、保持部１６および術具３０もヨー回転軸線ＬＹまわりに回動駆動される。
【００３９】
マニピュレータ部１０におけるピッチ回転軸線ＬＰまわりの回動は、第２アクチュエータ部２２により駆動制御される。第２アクチュエータ部２２は、第３アーム部１３に対して関節部１４をピッチ回転軸線ＬＰまわりに回動駆動させる。この時、関節部１４から近位に配置されている第４アーム部１５、保持部１６および術具３０もピッチ回転軸線ＬＰまわりに回動駆動される。
【００４０】
マニピュレータ部１０におけるスライド方向の駆動は、第３アクチュエータ部２３により駆動制御される。第３アクチュエータ部は、第４アーム部１５に対して保持部１６を、第４アーム部１５の長手方向に沿ってスライド移動させる。この時、保持部１６に保持されている術具３０もスライド移動される。
【００４１】
次に、術具３０における動作について説明する。
術具３０におけるロール回転軸線ＬＲまわりの回動は、第４アクチュエータ部２４により駆動制御される。第４アクチュエータ部２４は、本体３１に対して軸部３２をロール回転軸線ＬＲまわりに回転駆動させる。この時、軸部３２の先端に配置された手首部３４や先端部３３もロール回転軸線ＬＲまわりに回転駆動される。第４アクチュエータ部２４は、他にも手首部３４を回動駆動させるとともに、先端部３３を開閉駆動させる。
【００４２】
上記の構成のマニピュレータシステム１によれば、遠位に配置される第１アクチュエータ部２１および第２アクチュエータ部２２に、電動アクチュエータを用いることにより、術具３０の位置合わせの精度を確保しやすくなり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすくなる。近位に配置される第３アクチュエータ部２３および第４アクチュエータ部２４に、力覚提示機能を実現可能な空気圧アクチュエータを用いることにより、患者との接触を感知することが容易となる。
【００４３】
具体的には、マニピュレータ部１０の第３アーム部１３および関節部１４の動きを制御する第１アクチュエータ部２１および第２アクチュエータ部２２に、電動アクチュエータを用いることにより、術具３０の位置合わせの精度を確保しやすくなり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすくなる。電動アクチュエータである第１アクチュエータ部２１および第２アクチュエータ部２２は、近位と比較して、マニピュレータ部１０および術具３０の質量や慣性の影響が大きい遠位に配置されている。このように遠位に電動マニピュレータである第１アクチュエータ部２１および第２アクチュエータ部２２を配置することにより、空気圧マニピュレータを配置した場合と比較して位置精度の確保が容易となり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすい。
【００４４】
また、術具３０の軸部３２、先端部３３、および手首部３４の動きを制御する第４アクチュエータ部２４を空気圧アクチュエータとすることにより、術具３０が患者などと接触したことを感知しやすくなる。第４アクチュエータ部２４は、遠位と比較して、患者に近くて術具３０の質量や慣性の影響が小さな近位である術具３０に配置されている。このように術具３０の本体３１に空気圧アクチュエータである第４アクチュエータ部２４を配置することにより、電動マニピュレータを配置した場合と比較して、軽量化や小型化が図りやすく、術具３０が患者などと接触したことを感知しやすくなる。
【００４５】
保持部１６の動きを制御する第３アクチュエータ部２３として空気圧アクチュエータを用いることにより、電動マニピュレータを配置した場合と比較して、軽量化や小型化が図りやすく、術具３０が患者などと接触したことを感知しやすくなる。
【００４６】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図５を参照しながら説明する。本実施形態のマニピュレータシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第３アクチュエータ部が異なっている。よって、本実施形態においては、図５を用いて第３アクチュエータ部周辺のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
【００４７】
本実施形態のマニピュレータシステム１０１におけるマニピュレータ部１１０には、図５に示すように、第１アクチュエータ部２１、第２アクチュエータ部２２、および、第３アクチュエータ部（電動アクチュエータ部）１２３が設けられている。さらに術具３０には、第４アクチュエータ部２４が設けられている。
【００４８】
第３アクチュエータ部１２３は、第１アクチュエータ部２１および第２アクチュエータ部２２と同様に、電動機によって駆動される電動アクチュエータである。第３アクチュエータ部１２３の構成としては、公知の構成を用いることができ、その構成を特に限定するものではない。また、外部から加えられる力を検出可能な力覚提示機能は、第４アクチュエータ部２４にのみ設置可能とされている。
【００４９】
第３アクチュエータ部１２３は第４アーム部１５に配置されるものであり、保持部１６における第４アーム部１５の長手方向に沿う方向への相対的なスライド移動を駆動制御するものである。
【００５０】
上記の構成からなるマニピュレータシステム１０１におけるマニピュレータ部１０および術具３０の動作は、第１の実施形態のマニピュレータシステム１と同様であるため、その説明を省略する。
【００５１】
上記の構成によれば、保持部１６の動きを制御する第３アクチュエータ部１２３として電動アクチュエータを用いることにより、空気圧マニピュレータを配置した場合と比較して術具３０の位置精度の確保が容易となり、かつ、外乱を受けた際の剛性や安定性を確保しやすい。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施形態においては、マニピュレータシステム１が、第１アーム部１１、第２アーム部１２、第３アーム部１３、関節部１４、第４アーム部１５、および、保持部１６を有するマニピュレータ部１０を有する例に適用して説明したが、その他の構成を有するマニピュレータ部から構成されていても良い。
【００５３】
また、上記の実施の形態においては、空気を利用したアクチュエータである空気圧アクチュエータを用いた例に適用して説明したが、空気以外の気体または流体を利用したアクチュエータを用いても良い。
【００５４】
その他に上記の実施形態では、保持部１６が第４アーム部１５の長手方向に沿って直線的にスライド移動する例に適用して説明したが、第４アーム部１５に曲線状のガイドを設けて当該ガイドに沿ってスライド移動させても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１，１０１…マニピュレータシステム、１０，１１０…マニピュレータ部、１２…第２アーム部（可動部）、１３…第３アーム部（可動部）、１４…関節部（可動部）、１５…第４アーム部（中間可動部）、１６…保持部（中間可動部）、２１…第１アクチュエータ部（電動アクチュエータ部）、２２…第２アクチュエータ部（電動アクチュエータ部）、２３…第３アクチュエータ部（気圧アクチュエータ部）、２４…第４アクチュエータ部（気圧アクチュエータ部）、３０…術具、３２…軸部（可動部）、３３…先端部（可動部）、３４…手首部（可動部）、１２３…第３アクチュエータ部（電動アクチュエータ部）、ＬＹ…ヨー回転軸線（所定の回転軸線）、ＬＰ…ピッチ回転軸線（所定の回転軸線）、ＬＲ…ロール回転軸線（他の所定の回転軸線）
【図１】
2019013445.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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