(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続された作業部とを備えたマニピュレータを、少なくとも第１の回転軸及び第２の回転軸の２軸回りに回転自在に支持するマニピュレータの支持装置において、
固定部に対し前記第１の回転軸回りに支持された第１アームと、
前記第１アームの先端部に回転自在に支持された第２アームと、
前記第２アーム先端部に設けられた受動回転部と、
前記受動回転部に固定された連結支持部と、
前記受動回転部を、前記第１アームに減速比が１より大きい状態で連結する可撓性連結部材と、
を備え、
前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とが交わる
ことを特徴とするマニピュレータの支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータの支持装置に係り、とりわけ、機構が単純化され、軽量、コンパクトであると共に動作範囲が広い医療用マニピュレータの支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、胆のう摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、図１６に示すように、患者１５０の腹部に小さな六１５１，１５２，１５３をいくつかあけ、それらにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を介して、それらの孔に内視鏡１６１、鉗子１７１、１７２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行っている。
【０００３】
このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は、適用分野の拡大が期待されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の腹腔鏡下手術は、患者の腹部１５０への負担が少ないという点で優れた手術方法であるが、術者１６０が実際に術部を見られないという点が、場合によって問題となりえる。
【０００５】
また、鉗子１７１，１７２には、開閉するクリッパしか設けられておらず、クリッパの姿勢を自在に変えることは困難で、操作性に乏しい。
【０００６】
以上の要因により、前述の手術方法で適切な処置を行えるのは、熟練した術者に限られている。また、手術方法に熟練するまでには、非常に長期間を要する。
【０００７】
このような課題に対して、マスタスレーブマニピュレータなどの遠隔操作型ロボット技術を、医療分野へ応用する研究が行われている。
【０００８】
遠隔操作型ロボット技術は、術者が操作するマスタアームと、実際に術部に操作を施すスレーブアームとが、完全に分離したロボットシステムであり、マスタアームの指令値が電気信号としてスレーブアームに伝わるものである。したがって、通常、マスタアームとスレーブアームとは６自由度以上の関節数を有しており、それぞれの自由度に対応してコントローラが設けられており、電気的に多数の制御系、部品、配線を有する複雑なシステムとなっている。
【０００９】
複雑であるがゆえに、マスタスレープマニピュレータシステムの操作に関する信頼性は、未だ十分に高いと言えるレベルにはない。また、システム自体が大掛かりであるため、購入費用やメンテナンス費用も高価である。さらに、マスタスレーブマニピュレーダシステムでは、術者は患者から離れたところでマスタアームを操作するので、緊急時に直ちに患者に直接処置を施すことができない、という問題がある。
【００１０】
このような問題点を解決するために、発明者らは、図１７に示すような、操作指令部１０２と、一端側が前記操作指令部１０２に接続された連結部１０３と、前記連結部１０３の他端側に接続され、作業部１０１と、を備えた医療用マニピュレータ１００を提案している（特願平１１−１６５９６１号）。医療用マニピュレータ１００は、不動点２３を有するように、支持装置１によって、支持されている。すなわち、医療用マニピュレータ１００は、水平回転部１０５および円弧ガイド１０６により、連結支持部１６を介して、２軸回りに回転自在に支持されている。
【００１１】
このほか、従来の医療用マスタスレーブマニピュレータシステムなどで用いられている支持装置には、図１８〜図２０に示すような構成のものがある。図１８は、回転軸１０５と円弧ガイド１０６を組合せた方式を示し、図１９は、回転軸１０５と平行リンク１０７を組合せた方式を示し、図２０は、円弧ガイド１０６ａと円弧ガイド１０６ｂを組合せた方式を示す。
【００１２】
基本的には、回転軸、円弧ガイド、平行リンクを組合せた方式が採用されている。しかし、円弧ガイド１０６を用いた構成では、円弧ガイド１０６を限られた範囲にしか設けることができないので、動作範囲が狭く、重量が重いなどの問題がある。また、平行リンク１０７を複数段用いた方法は、同様に動作範囲が狭く、また、複数の平行リンクを形成する必要があるため機構が複雑になりガタがあり、高い組み立て精度が要求されるなどの問題がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、機構が単純化され、軽量、コンパクトであると共に動作範囲が広く、さらには、操作性の良いマニピュレータシステムを可能にするマニピュレータシステムの支持装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明のマニピュレータシステムの支持装置は、作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続された作業部とを備えたマニピュレータを、少なくとも第１の回転軸及び第２の回転軸の２軸回りに回転自在に支持するマニピュレータの支持装置において、固定部に対し前記第１の回転軸回りに支持された第１アームと、前記第１アームの先端部に回転自在に支持された第２アームと、前記第２アーム先端部に設けられた受動回転部と、前記受動回転部に固定された連結支持部と、前記受動回転部を、前記第１アームに減速比が１より大きい状態で連結する可撓性連結部材と、を備え、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とが交わることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、マニピュレータの支持装置は円弧ガイドを用いないで構成されているため、動作範囲を広くとることが可能になり、重量を軽量化することが可能である。また、平行リンクを複数段用いないため、機構が単純化され、ガタの問題も少なく、複数段のリンク構成ほどの組み立て精度を要求されることはない。動作範囲が広く、また、軽量化されているため、本発明の支持装置により支持されるマニピュレータの操作性は従来に比べて極めて高くなる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の構成によれば、マニピュレータの支持装置は円弧ガイドを用いないで構成されているため、動作範囲を広くとることが可能になり、重量を軽量化することが可能である。また、平行リンクを複数段用いないため、機構が単純化され、ガタの問題も少なく、複数段のリンク構成ほどの組み立て精度を要求されることはない。動作範囲が広く、また、軽量化されているため、本支持装置により、支持されたマニピュレータの操作性は従来に比べて極めて高くなる。
【００１７】
また、従来の剛性の高い支持装置では、患者に関係なく機構的に不動点が決まり、患者の腹部と不動点が若干ずれている場合には、患者側の腹部に非常に負担がかかるという問題があったが、可撓性連結部材弾性を利用して、マニピュレータを柔軟に支持し、患者の腹部と不動点が若干ずれている場合でも、患者側の腹部に負担があまりかからない構成とすることが可能である。
【００１８】
また、患者の腹部内の術部の領域に適した理想的なマニピュレータの動作領域を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
図１、図２は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の構成を示す斜視図と側面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の動作を説明する図である。
【００２０】
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１は、操作指令部１０２と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部１０３と、連結部１０３の他端側に接続された作業部１０１とを備えた医療用マニピュレータ１００を少なくとも２軸回り、即ち第１の回転軸１０の回りと第２の回転軸２０の回りに回転自在に支持する支持装置である。
【００２１】
支持装置１は、固定部２０１に対して回転自在に支持された第１の回転軸１０と、第１の回転軸１０の出力軸側１１に回転自在に支持された第１アーム１２と、第１アーム１２の先端部１２ａに設けられた第１の受動回転部１３（図中、受動回転部１３ａと受動回転部１３ｂとは一体関係にある）と、第１の受動回転部１３に固定された第２アーム１４と、第２アーム１４の先端部１４ｂに設けられた第２の受動回転部１５と、第２の受動回転部１５に固定された連結支持部１６とを有する。第１の受動回転部１３は、第１の回転軸１０の出力軸側１１（第１アーム１２の固定側の部分）に、減速比が１の状態で可撓性連結部材１７を介して連結され、かつ、第２の受動回転部１５は、第１アーム１２に、減速比が１の状態で可撓性連結部材１８を介して連結されている。ここで、減速比が１であるように、第１の受動回転部１３の回転直径と出力軸側１１の回転直径とは等しく設定され、可撓性連結部材１７は、第１の受動回転部１３と出力軸側１１とを介していわば平行リンク的な動作を行う。同様に、可撓性連結部材１８は、第１の受動回転部１５と第１アーム１２とを介していわば平行リンク的な動作を行う。第１の回転軸１０の概略延長線上に第２の回転軸２０が配置され、第１の回転軸１０と第２の回転軸２０とは、ほぼ不動点２３またはその近傍で交差している。
【００２２】
可撓性連結部材１７、１８を備える減速機構としては、１対１のプーリとベルトを組合せて構成することができる。歯付ベルトやスチールベルトなどのように、基本的にすべりを生じない動力伝達機構を利用すれば良く、また、摩擦駆動ベルトにより、通常時はすべらず、過負荷時にすべる構成とすることで、安全機構（過負荷防止機構）を兼ねることも可能である。
【００２３】
連結支持部１６は、医療用マニピュレータ１００を、連結部１０３に対して挿入方向２１に直動可能であって軸回り２２に回転可能な状態で支持する機能を有している。連結支持部１６の機能は、医療用マニピュレータ１００そのものの自由度数や自由配置によって決定されるものである。
【００２４】
図３により、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の動作を説明する。  
操作者は、操作指令部１０２を操作して、作業部１０１を患者腹部内の術部への位置決めを行う。例えば、図中矢印の方向に操作した場合、支持装置１は、パッシブに駆動される。第２アーム１４は、第２アーム１４が連結されている第１の受動回転部１３が第１の回転軸の出力軸側１１（第１アーム１２の固定側）に減速比が１の状態で可撓性連結部材１７を介して連結されているため、平行移動する。さらに、連結支持部１６は、連結支持部１６が連結されている第２の受動回転部１５が第１アーム１２に減速比が１の状態で可撓性連結部材１８を介して連結されているため、第１アーム１２に対して平行移動する。したがって、手術用マニピュレータ１００は、第２の回転軸２０に対して回転操作することが可能である。一方、紙面に対して垂直方向に操作指令部１０２を操作することで、第１の回転軸１０に対して回転操作することが可能である。
【００２５】
また、必要に応じて、重力補償機構を付加しても良い。図２および図３では、重力補償機構の一例としてカウンタウェイト２４を利用した構成を点線で示している。さらに、操作指令部１０２の操作（位置）に応じて、カウンタウェイトを機械的または電気的（例えばモータ）に上下方向に駆動して、バランスをとる方法も考えられる。もちろん、回転部分にねじりバネを配置しても良い。倒立（中立）状態を、ねじりバネの中立点とすれば、角度に応じて自重による荷重が大きくなるのに対応して、ねじりバネの復元力も大きくなる。
【００２６】
図４、図５は、本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の構成を示す斜視図と側面図である。
【００２７】
本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１は、支持装置１の固定部２０１に対して回転自在に支持された第１の回転軸１０と、第１の回転軸１０の出力軸側１１に回転自在に支持された第１アーム１２と、第１アーム１２に対して構成される平行リンク機構３０と、平行リンク機構３０の第１の回転軸の出力軸側１１に対して平行駆動されるリンク（第１リンク）３１に固定された第２アーム１４と、第２アーム先端部１４ｂに設けられた受動回転部１５と、受動回転部１５に固定された連結支持部１６とを有する。平行リンク機構３０は出力軸側１１と第１アーム１２とリンク３１とリンク（第２リンク）３２とを有する。受動回転部１５は、第１アーム１２または前記第１アーム１２と平行駆動されるリンク３２に、減速比が１の状態で可撓性連結部材１８を介して連結されている。第１の回転軸１０の概略延長線上に第２の回転軸２０が配置され、第１の回転軸１０と第２の回転軸２０とは、ほぼ不動点２３またはその近傍で交差している。
【００２８】
本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の動作を図５により説明する。  
第１の実施例と同様に、操作者は、操作指令部１０２を操作して、作業部１０１を患者腹部内の術部への位置決めを行う。例えば、図中矢印の方向に操作した場合、第２アーム１４は、平行リンク機構３０によって、平行移動する。さらに、連結支持部１６は、連結支持部１６が連結されている第２の受動回転部１５が、第１アーム１２（または、リンク３２）に減速比が１の状態で、可撓性連結部材１８を介して連結されているため、第１アーム１２に対して平行移動する。したがって、手術用マニピュレータ１００は、第２の回転軸２０に対して回転操作することが可能である。一方、紙面に対して垂直方向に操作指令部１０２を操作することで、第１の回転軸１０に対して回転操作することが可能である。
【００２９】
図６は、第１の回転軸１０を鉛直方向にした場合を示す図である。なお、第１の回転軸１０の方向は、水平、鉛直に限定されるものではない。
【００３０】
また、上述の説明においては、支持装置１は固定部２０１に固定される場合を例にしたが、図１４に示すように、不動点２３の位置を任意に移動できるようにしてもよい。図１４において、第１の回転軸１０は固定部２０１に代えて３次元移動機構２０２に取り付けられており、３次元移動機構２０２は、上下移動機構４１と回転機構４２と伸縮機構４３とを備えている。支持装置１における不動点２３は、３次元移動機構２０２によって所望の位置に設定することが可能になる。
【００３１】
以上、説明したように、本発明の第１および第２の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１によれば、例えば図１７に示すような円弧ガイド１０６を用いないで医療用マニピュレータを支持できるため、動作範囲が広くなり、重量を軽量化することが可能になる。また、例えば図１９に示すような複数段の平行リンク１０７を用いないで医療用マニピュレータを支持できるため、機構が単純化され、ガタの問題も少なく、複数段のリンク構成ほどの組み立て精度を要求されることはない。
【００３２】
また、本実施形態による支持装置１は、動作範囲が広く、また、軽量化されているため、支持装置１により医療用マニピュレータの操作性は、従来に比べて極めて高くなる。
【００３３】
また、従来の剛性の高い支持装置では、患者に関係なく機構的に不動点２３が決まり、患者の腹部と不動点２３が若干ずれている場合には、患者側の腹部に非常に負担がかかるという問題があった。これに対し、本発明の第１および第２の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１によれば、可擦性連結部材１７，１８の弾性を利用して、医療用マニピュレータ１００を柔軟に支持することができ、患者の腹部と不動点２３が若干ずれている場合でも、患者側の腹部に負担があまりかからない構成とすることが可能である。
【００３４】
図７は、本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の構成を示す斜視図である。
【００３５】
本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１は、支持装置１の固定部２０１に対して回転自在に支持された第１の回転軸１０と、第１の回転軸１０の出力軸側１１に固定支持された第１アーム１２と、第１アーム１２の先端部１２ａに回転自在に支持された第２アーム１４と、第２アーム先端部１４ｂに設けられた受動回転部１５と、受動回転部１５に固定された連結支持部１６とを有する。受動回転部１５は、第１アーム１２に、減速比が１より大きい状態で、可撓性連結部材１０を介して連結されている。第１の回転軸１０の概略延長線上に第２の回転軸２０が配置され、第１の回転軸１０と第２の回転軸２０とは、ほぼ不動点２３またはその近傍で交差している。受動回転部１５が第１アーム１２に減速比が１より大きい状態で連結されるための減速機構は、第１および第２の実施例と同様に、通常のベルトとプーリなどによるもので構成することができる。
【００３６】
図８に、本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の変形例を示す。この実施例での減速機構は、遊星歯車減速機構１９とベルトとプーリを組合せたもので構成されている。もちろん他の減速機構を利用しても良い。
【００３７】
図９、図１０は、本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１の動作を示す図である。  
減速比に注目して説明する。減速比Ｒが１の場合（本実施例ではない）には、第２アーム１４をθ度回転させると、連結支持部１５は、第２アーム１４に対して−θ度回転させられるため、結果として連結支持部１５は平行移動させられる。したがって、連結部１０３は、下向きのまま姿勢を変化させない。ところが、図９に示すように、減速比Ｒを２とすると、第２アーム１４を第１アーム１２に対してθ度回転させると、連結支持部１６は、第２アーム１４の回転角度に対して−θ／２しか回転できないため、結果として、連結支持部１５はθ−θ／２＝θ／２回転することになる。したがって、つねにθ／２ずつ回転することになり、第２アーム１４の長さをＬとすると、第２アーム１４の回転中心から同じ距離Ｌの位置に第２の回転軸２０が位置することになる。
【００３８】
さらに、図１０に示すように、減速比Ｒを３とすると、回転中心の位置ｘはｘ＜Ｌ（ｘ≒０．５Ｌ）となり、第２アーム１４の根元側１４ａ側に近づく。ただし、第２の回転軸２０は、固定した位置ではなく、若干、移動することになる。第２の回転軸２０は、不動点２３の概略近傍を通る。
【００３９】
第２アームの回転角をθ、減速比をＲ、第２アーム１４の長さＬとすると、回転中心の位置ｘは、図１１に示すように、
ｘ＝Ｌｓｉｎθ／ｔａｎ（θ−θ／Ｒ）−Ｌｃｏｓ        （１）
と表せる。式（１）を図に示すと図１２のように表せる。回転中心の位置ｘは、減速比を大きくしたほうが、第２アーム１４の回転中心１４ａに近づく。このため、θに対して、振れる角度の大きさ（第２の回転軸２０の回転角度）θ−θ／Ｒは、大きくなる。
【００４０】
第２の回転軸２０の移動量は、たとえば、減速比Ｒ＝３の場合、θ＝０［゜］のときｘ／Ｌ＝０．５、θ＝９０［゜］のときｘ／Ｌ＝０．５７７となる。したがって、Ｌ＝１００［ｍｍ］とした場合、移動量は±４［ｍｍ］程度となる。なお、回転中心位置ｘの移動量が、数ｍｍ程度以内であれば、特に患者の負担にならないし、術者の操作上も問題とはならない。減速比Ｒ、第２アームの長さＬは、第２の回転軸２０の位置と動作範囲、許容移動利用に応じて、適宜、決定すれば良い。
【００４１】
また、本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置は、第２の回転軸２０の回転角度と、作業部１０１の到達位置（挿入方向の動作範囲）との関係にも特徴がある。第１、第２の実施例では、図３、図５で示したように作業部１０１の到達位置（挿入方向の動作範囲）は、第２の回転軸２０を中心とした円弧状（扇形状）になる。一方、第３の実施例においては、図９や図１０に示すように、円弧状（扇形状）にはならず、θが大きくなるほど、作業部１０１の到達位置（挿入方向の動作範囲）は深くなる。
【００４２】
図１３に示すように、患者の腹部内１５０の動作領域を考慮すると、点線で示した円弧状の動作領域２０３に比べ、より広い領域まで到達することを意味しており、理想的な動作領域であるといえる。また、支持装置の動作領域に関しての制約をより少なくすることができる。
【００４３】
また、上述の説明においては、支持装置１は固定部２０１に固定される場合を例にしたが、図１５に示すように、不動点２３の位置を任意に移動できるようにしてもよい。なお、第１の実施例及び第２の実施例では、図１４に示したように、不動点２３の位置を任意に設定できるようにするためには第１の回転軸１０の固定位置を３次元的に移動させる必要があり、このため、設置スペースが増大したり患者と支持機構との干渉などの問題が生じ得る。
【００４４】
これに対し、図１５に示す第３の実施例の変形例の場合においては、第１の回転軸１０はその位置を上下動自在に上下機構４１によって支持されるととも、回転自在に回転機構４２によって支持されており、また、第１アーム１２はスライド自在に伸縮機構４３によって支持されている。図１５に示す例によれば、図１４に示す場合に比べて、設置スペースが増大したり患者と支持機構との干渉などの問題を解消することができ、不動点２３の位置を任意に移動して設定することが可能になる。
【００４５】
以上説明したように、本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置１によれば、第１および第２の実施例の基本的な特徴を有すると共に、より機構が単純化されており、また、患者の腹部内１５０の術部の領域に適した理想的な動作領域を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置を示す概略斜視図。
【図２】第１の実施例の側面図。
【図３】第１の実施例の動作を説明する側面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置を示す概略斜視図。
【図５】第２の実施例の側面図。
【図６】第２の実施例の変形例。
【図７】本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置を示す概略斜視図とその変形例。
【図８】本発明の第３の実施の形態による医療用マニピュレータの支持装置を示す概略斜視図とその変形例。
【図９】第３の実施例の動作を説明する側面図。
【図１０】第３の実施例の動作を説明する側面図。
【図１１】第３の実施例における第２の回転軸の位置を説明する図。
【図１２】第３の実施例における、第２アーム長Ｌと第２の回転軸の位置ｘと第２アームの回転角度θとの関係を示す図。
【図１３】第３の実施例における、第２アームの回転角度θと挿入方向の到達領域を説明する図。
【図１４】第１の実施例及び第２の実施例において不動点の位置を任意の位置に設定可能にすることを示す図。
【図１５】第３の実施例において不動点の位置を任意の位置に設定可能にすることを示す図。
【図１６】従来の医療マニピュレータ（鉗子）を示す概略図。
【図１７】従来の医療マニピュレータを示す概略図。
【図１８】従来の医療マニピュレータの支持装置を示す概略図であり、（ａ）と（ｂ）は回転軸の位置が異なる位置にある場合を示す。
【図１９】従来の医療マニピュレータの支持装置を示す概略図であり、（ａ）と（ｂ）は回転軸の位置が異なる位置にある場合を示す。
【図２０】従来の医療マニピュレータの支持装置を示す概略図。
【符号の説明】
【００４７】
１  医療マニピュレータの支持装置
１０  第１の回転軸
１１  第１の回転軸１出力軸側
１２  第１アーム
１３  第１の受動回転部
１４  第２アーム
１５  第２の受動回転部
１６  支持連結部
１７，１８  可撓性連結部材
１９  遊星歯車減速機構
２０  第２の回転軸
２３  不動点
２４  カウンタウェイト
１００  医療マニピュレータ
１０１  作業部
１０２  操作指令部
１０３  連結部
１０５  水平回動部
１０６  円弧アーム
１００  医療マニピュレータ
１０１  作業部
１０２  操作指令部
１０３  連結部
１０５  水平回動部
１０６  円弧アーム
【図１】
0004131731.tif 000002
【図２】
0004131731.tif 000003
【図３】
0004131731.tif 000004
【図４】
0004131731.tif 000005
【図５】
0004131731.tif 000006
【図６】
0004131731.tif 000007
【図７】
0004131731.tif 000008
【図８】
0004131731.tif 000009
【図９】
0004131731.tif 000010
【図１０】
0004131731.tif 000011
【図１１】
0004131731.tif 000012
【図１２】
0004131731.tif 000013
【図１３】
0004131731.tif 000014
【図１４】
0004131731.tif 000015
【図１５】
0004131731.tif 000016
【図１６】
0004131731.tif 000017
【図１７】
0004131731.tif 000018
【図１８】
0004131731.tif 000019
【図１９】
0004131731.tif 000020
【図２０】
0004131731.tif 000021