(57)【要約】      （修正有）【課題】ピンセット先端部と同様の平行開閉動作、屈曲軸よりも先端側での回転動作、及び、ワイヤの弛みを防止するための機構を有するマニピュレータを提供する。【解決手段】マニピュレータ１は、パンタグラフ機構を利用した一対の把持片１１a、１１ｂの開閉と、プーリ１とプーリ２を利用した第２軸より先端側に位置する第１軸回りの回転と、第２軸回りの回転、の少なくとも３自由度を有する。そして、駆動部ではスリット孔に沿って第４軸を移動させ、それに伴いカップリング２１を第３軸上を移動させることで、ワイヤの弛みを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の把持片を有し、その把持片が相対的な角度を保ったまま平行開閉動作を行うことを特徴とする、手術用マニピュレータ。
【請求項２】
前記把持片の開閉機構において、4本のリンクおよびピンで構成されるパンタグラフ機構を用い、ピンの移動により平行開閉動作を実現することを特徴とする、請求項1に記載の手術用マニピュレータ。
【請求項３】
前記開閉機構において、前記ピンに駆動用の第1ワイヤが接続され、ワイヤを牽引することで把持片の閉動作を行うこと、及び、前記開閉機構にねじりバネが配置され、ワイヤの張力が減少したときにバネの復元力により把持片の開動作を行うことを特徴とする、請求項２に記載の手術用マニピュレータ。
【請求項４】
マニピュレータ先端側から順に、前記開閉機構による把持自由度、マニピュレータ長軸 (第1軸)まわりの回転自由度、第1軸と垂直な回転軸(第２軸)まわりの回転自由度の、少なくとも３自由度を有することを特徴とする手術用マニピュレータ。
【請求項５】
前記手術用マニピュレータにおいて、第１軸まわりに回転し、前記開閉機構と共に回転するプーリ１と、第２軸に設置され自由に回転するプーリ２と、プーリ１に固定されプーリ2を介して駆動部と接続された第2ワイヤを有し、第２ワイヤを駆動することで、第1軸まわりの回転自由度を動作させることを特徴とする、請求項１から請求項４記載の手術用マニピュレータ。
【請求項６】
駆動部において、駆動手段と、駆動手段の回転軸(第３軸)と、第３軸上で移動可能なカップリングと、一対のかさ歯車片により第3軸と垂直に配置されたワイヤ巻き上げのためのプーリ４を配置した、第３軸方向へ移動可能な第4軸を備え、第４軸とプーリ４と一方のかさ歯車片の第３軸方向への移動、及び、第３軸上でのカップリングと他方のかさ歯車片の移動により、各ワイヤの張力調節ができることを特徴とする手術用マニピュレータ。
【請求項７】
請求項３と請求項５と請求項６に記載の特徴を有する手術用マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脳神経外科手術等に用いられる手術用マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
脳神経外科手術では、5年生存率や予後の向上のため、医師は微細な作業を正確に行う必要がある。しかし、脳神経外科手術では、医師は非常に狭い作業領域の中で極めて微細な作業を行う必要がある。また、困難な姿勢を強いられながら長時間にわたる手術を行う必要がある。そのため近年では、X線CTやMRIなどの画像診断機器と連携した手術支援ロボットが望まれている。
【０００３】
脳神経外科手術では、基本的手技として開頭手術が行われる。開頭手術後に使用される手術器具のうち、ピンセットは特に使用頻度が高く、また使用時間が長い。したがって、術中使用されるピンセットと同様の機能を有するマニピュレータの有用性が高い。
【０００４】
この種のマニピュレータの先行技術としては例えば非特許文献１から２が挙げられる。また、製品としては、Intuitive Surgical社の「da Vinci surgical system」が知られている(非特許文献３参照)。
【非特許文献１】大浦剛、外１０名，「腹腔鏡下手術支援屈曲長鉗子マニピュレータの開発」，日本機械学会 [No．０１−４] ロボティクス・メカトロニクス講演会’ 01講演論文集，２A１−D８，２００１
【非特許文献２】生田幸士、外３名，「遠隔腹腔手術用ハイパーフィンガーの研究」，日本機械学会[No．００−２] ロボティクス・メカトロニクス講演会’ ００講演論文集，２P１−１３−０１９，２０００
【非特許文献３】Gary S. Guthart and J. Kenneth Salisbury, Jr., “The Intuitive(TM) Telesurgery System: Overview and Application”, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco, CA April 2000, pp. 618-621, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
第一に、従来のマニピュレータでは、回転動作を行う際、マニピュレータシャフトの根元に回転動力を伝達し、マニピュレータ全体が回転する。したがって、マニピュレータが屈曲した姿勢において回転させた場合、マニピュレータ先端部が変位し、脳深部という極めて狭い作業領域においての使用には向かない。そのため、屈曲軸よりも先端側における回転動作が可能な機構が有用である。
【０００６】
第二に、従来の鉗子やマニピュレータでは、先端部が円弧状の軌跡を描くように開閉動作を行う。しかし、ピンセットは持ち手の長さに対して開き幅が小さいため、先端部ではほぼ平行な状態で開閉動作をする。したがって、ピンセット先端部と同様、先端部において平行開閉動作するマニピュレータがより操作性に優れる。
【０００７】
第三に、従来のマニピュレータは動力伝達手段としてワイヤが使用されているため、「伸び」や「弛み」等の問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、駆動手段によって駆動されるマニピュレータを対象とし、特に脳神経外科手術等に用いられるマニピュレータを対象とする。ここで、駆動手段としては、往復運動する出力軸を具備する駆動装置、例えばアクチュエータ等を用いることができる。
【０００９】
本発明のマニピュレータは、一対の把持片の開閉、第1軸まわりの両把持片の回転、及び、第２軸まわりの屈曲、の３自由度を有する。そして、駆動手段からの動力が、ワイヤによってこれら自由度の各運動に変換されるようにする。
【００１０】
本発明のマニピュレータの一態様は、一対の把持片と、両把持片を平行開閉させるための4本のリンク片(リンク片a、リンク片b、リンク片ｃ、リンク片ｄ)で構成されるパンタグラフ機構と、両把持片を回転自在に連結する第１軸と、第１軸まわりで回転するプーリ１と、第1軸に直行する第2軸と、第1軸および第２軸を固定するジョイントと、ジョイント側面に設置した第2軸まわりで回転するプーリ２と、プーリ３と、を備える。また、駆動手段は駆動部に固定し、駆動部には、駆動手段により回転する第３軸と、第３軸上を移動可能なカップリングと、カップリングに固定したかさ歯車片aと、かさ歯車片aと噛み合うかさ歯車片bと、かさ歯車片bに固定したプーリ４と、かさ歯車片ｂ及びプーリ４が回転するための第３軸方向への移動可能な第４軸と、を備える。
【００１１】
この態様では、両把持片を平行開閉させるため、4本のリンク片(リンク片a、リンク片b、リンク片ｃ、リンク片ｄ)によりパンタグラフ機構を構成する。各節点は回転自在となるようピンで固定する。
【００１２】
この態様では、２つの端点に一方の把持片を固定し、一方の点は回転自在に、もう一方の点は移動可能となるようにする。同様に、別の２つの端点にもう一方の把持片を固定し、一方の点は回転自在に、もう一方の点は移動可能とする。
【００１３】
また、中央に位置する一方の点にねじりバネを固定し、ねじりバネの復元力により両把持片が開き、中央に位置するもう一方の点にワイヤを固定し、ワイヤの牽引により両把持片が閉じる。これにより、両把持片の平行開閉動作が可能となる。
【００１４】
この態様では、第１軸まわりに回転するプーリ１と、第２軸まわりに回転するプーリ２を使用することで、第２軸より先端側に存在する第１軸まわりで回転することが可能となる。プーリ１とプーリ２の両プーリを介するようワイヤを一度交差させることで、第１軸まわりで回転することが可能となる。これにより、マニピュレータが屈曲した姿勢において第１軸まわりで回転させても、マニピュレータ先端部の変位なしに回転することができる。
【００１５】
駆動手段を駆動部後面に固定し、駆動手段には順に第３軸とカップリングと一方のかさ歯車片を固定する。また、駆動部上面と駆動部底面にはスリット孔を設けてあり、第4軸を第３軸方向へ移動可能となるようスリット孔に固定する。第4軸にはもう一方のかさ歯車片とプーリ４を固定する。
【００１６】
この態様では、第4軸をスリット孔の最前方に固定し、ワイヤをプーリ4に巻き上げて固定し、かさ歯車片及びプーリ４を固定した第4軸を移動し、ワイヤの弛みが無くなった時点で第４軸を固定する。第４軸の移動に伴い、かさ歯車片及びカップリングを、第3軸上に移動し、第3軸に固定する。これにより、ワイヤの伸び・弛みをなくす事が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【実施例】
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係るマニピュレータを具備したマニピュレーションシステムを示している。
【００１９】
本システムは、マニピュレータ本体であるマニピュレータ１、マニピュレータ１を駆動する駆動手段である駆動部２、駆動部２を制御するコントロール部３から構成される。このマニピュレーションシステムは、脳神経外科手術等に利用されるものである。
【００２０】
マニピュレータ１は、駆動部２に取り付けられるアーム部１０と、アーム部１０の先端に設けられた把持部１１から構成される。把持部１１には開閉自在の一対の把持片１１a、１１ｂが設けられている。把持部１１は、把持片１１a、１１ｂの平行開閉の１自由度を有する。この１自由度の運動は、駆動部２の動力がアーム部１０内に挿通されたワイヤを介して伝達されることで、実現される。
【００２１】
駆動部２は、DCモータ２０、カップリング２１、かさ歯車片２２a、２２ｂ等を有している。DCモータ２０の発生する動力(回転運動)は、カップリング２１及びかさ歯車片２２a、２２ｂを介してプーリ４に伝達され、ワイヤを巻き上げる。
【００２２】
コントロール部３は、例えばコンピュータとマスタロボット等から構成される。
【００２３】
オペレータ(術者)がマスタロボットを操作すると、その動き情報がコンピュータに入力される。
【００２４】
コンピュータは動き情報に基づいてDCモータ２０の制御信号を生成し出力する。この制御信号にしたがってDCモータ２０が回転し、カップリング２１、かさ歯車片２２a、２２ｂを介してプーリ４に回転が伝達し、プーリ４に巻き上げた各ワイヤに引き方向の動力を与える。これにより、マニピュレータ１の把持部１１が把持、回転、屈曲の所望の動作を行う。
【００２５】
次に、図２から６を参照して、マニピュレータの構成について詳しく説明する。図２はマニピュレータ１の先端部分の斜視図、図３はマニピュレータ１の先端部分の断面図、図４は先端部上面図、図５は先端部側面図、図６は駆動部斜視図である。
【００２６】
これらの図に示すように、マニピュレータ１の把持部１１の先端には一対の把持片１１a、１１ｂが設けられている。両把持片を平行開閉させるためのパンタグラフ機構は次のように構成する。リンク片１２aとリンク片１２ｂと側壁部１３を節点B1においてピンB１で回転自在に固定し、リンク片１２ｃとリンク片１２ｄをそれぞれ節点G１と節点H１においてピンG１とピンH１で回転自在に固定し、リンク片１２ｃとリンク片１２ｄと側壁部１３を節点E１においてピンE１で回転自在かつスライド移動可能となるよう固定することで、パンタグラフ機構を構成する。
【００２７】
節点A１と節点D１にそれぞれピンA１とピンD１で把持片１１aを固定し、節点A１は回転自在に、節点D１はスライド移動可能となるようにする。同様に、節点C１と節点F１にそれぞれピンC１とピンF１で把持片１１ｂを固定し、節点C１は回転自在に、節点F１はスライド移動可能となるようにする。
【００２８】
ピンB１にはねじりバネ１４を固定し、ねじりバネ１４の復元力により両把持片１１が開き、また、ピンE１には第１ワイヤ１６を固定し、第１ワイヤ１６の牽引によりピンE１が移動し、それに伴いピンD１とピンF１も移動し、両把持片１１が閉じる。これにより、両把持片１１の平行開閉動作が可能となる。
【００２９】
回転動作は、第1軸と、第１軸まわりに回転するプーリ１と、第1軸を固定するジョイント１５と、第２軸まわりに回転するジョイント１５とは独立して回転可能なプーリ２を使用することで、第２軸より先端側に存在する第１軸まわりで回転することが可能となる。
【００３０】
プーリ１とプーリ２の両プーリを介するよう第２ワイヤ１７を一度交差させて、ワイヤ経路を順に点A2、点B2、点C2、点D2、点B2、点E2と通すことで、第１軸まわりで回転することが可能となる。これにより、マニピュレータが屈曲した姿勢において第１軸まわりで回転させても、マニピュレータ先端部の変位なしに回転することができる。
【００３１】
屈曲動作は、第2軸と、第２軸まわりに回転するジョイント１５と、ジョイント１５に固定した第２軸まわりに回転するプーリ３を使用することで行う。第３ワイヤ１８経路を、プーリ３の周囲に順に点A3、点B3、点C3ととり、第３ワイヤ１８の牽引により屈曲を行う。
【００３２】
各ワイヤの弛みの防止は次のように行う。駆動手段を駆動部後面に固定し、駆動手段には順に第３軸とカップリング２１とかさ歯車片２２aを固定する。また、駆動部上面と駆動部底面にはスリット孔２３を設けてあり、第4軸を第３軸方向へ移動可能となるようスリット孔２３に固定する。第4軸にはかさ歯車片２２ｂとプーリ４を固定する。
【００３３】
この態様では、第4軸をスリット孔２３の最前方に固定し、ネジ２４は弛めた状態にしておく。ワイヤをプーリ4に巻き上げて固定し、かさ歯車片２２ｂ及びプーリ４を固定した第4軸をスリット孔２３に沿って移動し、ワイヤの弛みが無くなった時点で第４軸を固定する。第４軸の移動に伴い、かさ歯車片２２a、及び、カップリング２１を、第3軸上で移動し、弛めておいたネジ２４を締めて第3軸に固定する。これにより、ワイヤの伸び・弛みをなくす事が可能となる。
【００３４】
以上述べた構成によれば、把持部１１における平行開閉動作機構による把持、第１軸まわりでの回転、第２軸まわりでの屈曲動作を実現することができる。また、駆動部２においてワイヤの弛みを防止することが可能となる。
【００３５】
なお、上記実施形態は本発明の一具体例を例示したものにすぎない。本発明の範囲は上記実施形態に限られるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係るマニピュレータを具備したマニピュレーションシステムを示す図である。
【図２】マニピュレータの先端部分の斜視図である。
【図３】マニピュレータの先端部分の断面図である。
【図４】マニピュレータの先端部分の上面図である。
【図５】マニピュレータの先端部分の側面図である。
【図６】マニピュレータの駆動部分の斜視図である。
【図７】把持動作を示す図である。
【図８】回転動作を示す図である。
【図９】屈曲動作を示す図である。
【図１０】マニピュレータの駆動部分のワイヤの弛みの防止を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  ：マニピュレータ
２  ：駆動部(駆動手段)
３  ：コントロール部
１０：アーム部
１１：把持部  １１a、１１ｂ：把持片
１２：リンク  １２a、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ：リンク片
１３：側壁部
１４：ねじりバネ
１５：ジョイント
１６：第１ワイヤ
１７：第２ワイヤ
１８：第３ワイヤ
２０：DCモータ
２１：カップリング
２２：かさ歯車  ２２a、２２ｂ：かさ歯車片
２３：スリット孔
２４：ネジ
３１：ピン  ３１Ａ1、３１Ｂ1、３１Ｃ1、３１Ｄ1、
３１Ｅ1、３１Ｆ1、３１Ｇ1、３１Ｈ1
３２：プーリ１
３３：プーリ２
３４：プーリ３
３５：プーリ４
３６：第1軸
３７：第２軸
３８：第３軸
３９：第４軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008212451.tif 000009
【図８】
2008212451.tif 000010
【図９】
2008212451.tif 000011
【図１０】
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