(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に延びる複数のシリンダを有するマニホールドと、
前記複数のシリンダのそれぞれに対応して前記第１方向の一方側に延出するロッドと、
を有する医療用ロボットの空気圧駆動機構であって、
それぞれの前記ロッドを進退行させる空気を前記シリンダに送り込む複数の空気供給ポートは、いずれも、前記マニホールドにおける前記第１方向の他方側に設けられ、
前記マニホールドを取り付け基準とする周辺部材を備え、
前記複数のシリンダのそれぞれに対応して、検出部とスケール部分とを備えるリニアエンコーダが設けられ、前記周辺部材は前記検出部を含むことを特徴とする医療用ロボットの空気圧駆動機構。
【請求項２】
前記複数のシリンダは、前記第１方向と直交する第２方向に並ぶ、請求項１記載の医療用ロボットの空気圧駆動機構。
【請求項３】
前記複数の空気供給ポートの１つと前記シリンダの前記一方側との間に位置して前記シリンダの前記一方側にロッド退行用空気を供給するための配管が設けられ、
前記配管は、前記シリンダに並置されて前記第１方向に延びる、請求項１または請求項２に記載の医療用ロボットの空気圧駆動機構。
【請求項４】
前記複数のシリンダのそれぞれに対応して複数の前記配管が設けられ、前記複数の配管は前記第１方向と直交する第２方向に並ぶよう設けられた、請求項３記載の医療用ロボットの空気圧駆動機構。
【請求項５】
複数の前記検出部を実装する基板を前記周辺部材として備え、
前記基板は、前記複数の検出部が前記第１方向と直交する第２方向に並置するように前記マニホールドに設けられる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の医療用ロボットの空気圧駆動機構。
【請求項６】
前記シリンダのロッドの動きを他部材に伝達する伝達部材をさらに備え、前記伝達部材は前記スケール部分に固定され、前記スケール部分と前記検出部とは対向配置される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の医療用ロボットの空気圧駆動機構。
【請求項７】
前記スケール部分を支持する直動ガイドをさらに備え、前記マニホールドは前記直動ガイドに対して位置決めされる、請求項６に記載の医療用ロボットの空気圧駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータによって術具を操作する医療用ロボットの空気圧駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用ロボットを用いた手術は、術者の負担軽減のみならず、高精度かつ安定した処置による患者への負担軽減や遠隔医療の可能性を高める技術として注目されている。このような医療用ロボットにおいて、術具を駆動するための駆動源となるアクチュエータに空気圧を利用した駆動機構が用いられるものがある。【０００３】
特許文献１には、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が開示される。【０００４】
特許文献２には、医療用機器を保持操作する空気圧駆動のロボットアームに対して、空気圧サーボ制御を実行する制御システムにおいて、受動操作モードと能動操作モードを切り替える切替部と、能動操作モードのときには、ロボットアームの現在位置の位置目標に対する誤差を用いた位置制御の結果に基づいて圧力目標を設定し、当該圧力目標に基づいて圧力制御を実行し、受動操作モードのときには、ロボットアームの現在位置から自重補償に必要な圧力目標を設定し、当該圧力目標に基づいて圧力制御を実行する制御部とを備える制御システムが開示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１９−０１３４４５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／０５１４９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
医療用ロボットにおいて術具を駆動するための駆動源として空気圧を利用した駆動機構を用いる場合、駆動機構の小型化が望まれる。特に、術具の動作や向き、角度などを制御が複雑になるほど各動作を独立して駆動するため多数の駆動源が必要となる。駆動源が増えるほど駆動機構の大型化を招くため、駆動機構の小型化を図る技術が重要となる。【０００７】
本発明は、装置構成の小型化を図ることができる医療用ロボットの空気圧駆動機構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】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第１方向に延びる複数のシリンダを有するマニホールドと、複数のシリンダのそれぞれに対応して第１方向の一方側に延出するロッドと、を有する医療用ロボットの空気圧駆動機構であって、それぞれのロッドを進退行させる空気をシリンダに送り込む複数の空気供給ポートは、いずれも、マニホールドにおける第１方向の他方側に設けられることを特徴とする。【０００９】
このような構成によれば、ロッドを進退行させるためシリンダに空気を送り込む複数の空気供給ポートの全てがマニホールドにおける第１方向の他方側に設けられているため、複数の空気供給ポートの配置をマニホールドの片側（後方）に集約して、装置構成の小型化を図ることができる。【００１０】
上記医療用ロボットの空気圧駆動機構において、複数のシリンダは、第１方向と直交する第２方向に並ぶことが好ましい。これにより、マニホールドにおいて複数のシリンダの並ぶ方向（第２方向）とは異なる方向に複数の空気供給ポートが集約されることになる。【００１１】
上記医療用ロボットの空気圧駆動機構において、複数の空気供給ポートの１つとシリンダの一方側との間に位置してシリンダの一方側にロッド退行用空気を供給するための配管が設けられ、配管はシリンダに並置されて第１方向に延びることが好ましい。これにより、マニホールドの他方側に集約された複数の空気供給ポートのうちの１つと連通する配管を第１方向に延ばしてシリンダの一方側まで空気を送ることができる。【００１２】
上記医療用ロボットの空気圧駆動機構において、複数のシリンダのそれぞれに対応して複数の配管が設けられ、複数の配管は第１方向と直交する第２方向に並ぶよう設けられることが好ましい。これにより、複数のシリンダと複数の配管とが第２方向に並ぶことで、シリンダと配管との効率的なレイアウトが実現する。【００１３】
上記医療用ロボットの空気圧駆動機構は、前記マニホールドを取り付け基準とする周辺部材を備えることが好ましい。複数のシリンダのマニホールド化によってマニホールド自体を構造部材として利用することができるため、マニホールドを基準として周辺部材を配置することができる。【００１４】
上記医療用ロボットの空気圧駆動機構において、複数のシリンダのそれぞれに対応してリニアエンコーダが設けられ、周辺部材は、リニアエンコーダの検出部を含むことが好ましい。これにより、空気供給ポートと干渉しない位置にリニアエンコーダの検出部を配置することができる。また、リニアエンコーダのスケール部を支持する直動ガイドと検出部との相対位置を、直動ガイドとマニホールドとの位置決め精度と同等の精度で設定することができる。【００１５】
上記医療用ロボットの空気圧駆動機構において、複数の検出部を実装する基板を周辺部材として備え、基板は、複数の検出部が第１方向と直交する第２方向に並置するようにマニホールドに設けられることが好ましい。これにより、マニホールドに基板を設けることで、複数の検出部を複数のシリンダの並びに揃えて配置することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、装置構成の小型化を図ることができる医療用ロボットの空気圧駆動機構を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】医療用ロボットを例示する斜視図である。
【図２】術具の装着状態を例示する斜視図である。
【図３】本実施形態に係る医療用ロボットの空気圧駆動機構を例示する模式断面図である。
【図４】本実施形態に係る空気圧駆動機構を例示する斜視図である。
【図５】本実施形態に係る空気圧駆動機構を例示する斜視図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る空気圧駆動機構の動作を例示する模式断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、リニアエンコーダを備えた空気圧駆動機構について例示する模式断面図である。
【図８】複数のシリンダを有するマニホールドに設けられる検出部のレイアウトを例示する斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。【００１９】
（空気圧駆動機構の構成）
図１は、医療用ロボットを例示する斜視図である。
図２は、術具の装着状態を例示する斜視図である。
図３は、本実施形態に係る医療用ロボットの空気圧駆動機構を例示する模式断面図である。【００２０】
図１および図２に示すように、医療用ロボット５００は、遠隔操作可能なマニピュレータである多自由度アーム５１０を有する。多自由度アーム５１０の先端部分には術具１００を取り付ける装着部５２０が設けられる。術具１００は、ドレープユニット２００を介して多自由度アーム５１０に取り付けられる。【００２１】
ドレープユニット２００は、術具１００を保持する医療用ロボット５００と術具１００との間に配置されて術具１００と医療用ロボット５００とを分離する役目を果たす。また、ドレープユニット２００は、術具１００に設けられた可動部１５０（図３参照）に、医療用ロボット５００が備える動力伝達部５５０からの進退方向の動力を伝達する役目も果たす。【００２２】
多自由度アーム５１０の先端部分（装着部５２０）は延在方向の軸回りに回転可能となっている。さらに、多自由度アーム５１０のアーム部も軸回転可能となっている。したがって、医療用ロボット５００に取り付けられた術具１００は、多自由度アーム５１０によって様々な角度から患者にアプローチすることができる。【００２３】
図２に示すように、術具１００は、本体１１０と、本体１１０から延在するシャフト１２０と、シャフト１２０の先端（本体１１０とは反対側の端部）に設けられる処置部１３０とを備える、処置部１３０は例えば鉗子である。【００２４】
医療用ロボット５００には、動力伝達部５５０を駆動するための空気圧駆動機構１が設けられる。空気圧駆動機構１は、多自由度アーム５１０（図１参照）の筐体内に組み込まれている。【００２５】
図３に示すように、空気圧駆動機構１は、シリンダ１０を有するマニホールド１５と、シリンダ１０の延びる方向に進退するロッド１１とを有する。ここで、本実施形態において、シリンダ１０の延びる方向（ロッド１１の進退方向）をＺ方向、Ｚ方向と直交する方向の一つをＸ方向、Ｚ方向およびＸ方向と直交する方向をＹ方向ということにする。Ｚ方向は第１方向の例、Ｚ方向と直交するＸ方向およびＹ方向のいずれかは第２方向の例である。【００２６】
空気圧駆動機構１と術具１００との間には、空気圧駆動機構１の駆動力で動作する操作部材２０と、空気圧駆動機構１と操作部材２０との間に位置する伝達部材３０と、が設けられる。【００２７】
空気圧駆動機構１は、図示しない制御部から出力される制御信号に基づいて、シリンダ１０に空気を送り、シリンダ１０内の空気圧のバランスによってロッド１１を進退方向（Ｚ方向）に直動させる。ロッド１１の進退動作は伝達部材３０から操作部材２０に伝わり、動力伝達部５５０を駆動して術具１００に伝えられる。術具１００に伝わった駆動力は動力伝達部５５０から可動部１５０に伝えられ、可動部１５０の動作によって処置部１３０が動作することになる。【００２８】
（空気圧駆動機構の具体例）
図４および図５は、本実施形態に係る空気圧駆動機構を例示する斜視図である。図４には、ロッド１１側からみた空気圧駆動機構１の斜視図が示され、図５には、ロッド１１とは反対側からみた空気圧駆動機構１の斜視図が示される。なお、説明の便宜上、Ｚ方向においてロッド１１が延出する側を一方側、Ｚ方向においてロッド１１が延出する側とは反対側を他方側ということにする。【００２９】
本実施形態に係る空気圧駆動機構１において、マニホールド１５には複数のシリンダ１０が設けられる。各シリンダ１０はＺ方向に延び、互いにＸ方向に並置される。すなわち、複数のシリンダ１０は互いにＺ方向に配置される。図４および図５に示す例では３つのシリンダ１０が互いにＸ方向に並置されるとともに、Ｚ方向に平行に配置される。３つのシリンダ１０にはそれぞれロッド１１がＺ方向に進退可能に設けられる。３つのシリンダ１０のそれぞれのロッド１１の動作は独立しており、それぞれのシリンダ１０に送り込まれる空気によってロッド１１のＺ方向の位置（進退動作）が個別に制御される。【００３０】
マニホールド１５には、各シリンダ１０に空気を送り込むための空気供給ポート１７が設けられる。なお、空気供給ポート１７は、シリンダ１０内へ空気を供給するためのポートとして用いられるだけでなく、シリンダ１０外へ空気を排出するためのポートとしても用いられるが、便宜上、空気供給ポート１７と称して説明する。【００３１】
１つのシリンダ１０に対してロッド１１を進退行させるために少なくとも２つの空気供給ポート１７が設けられる。本実施形態では、１つのシリンダ１０に対して２つの空気供給ポート１７が対応しているため、３つのシリンダ１０で合計６つの空気供給ポート１７が設けられる。これら６つの空気供給ポート１７は、いずれも、マニホールド１５のＺ方向の他方側（ロッド１１とは反対側）に設けられる。【００３２】
このように、複数のシリンダ１０をマニホールド化することで、装置の小型化に寄与できるようになる。すなわち、複数のシリンダ１０の単体での剛性は高くなく、シリンダ１０を構造部材として利用しにくい。もしシリンダ１０を構造部材として利用する場合には、剛性を高めるために大型化してしまう。本実施形態では、複数のシリンダ１０のマニホールド化によってマニホールド１５の剛性が高まり、マニホールド１５自体を構造部材として利用できる。また、マニホールド１５の剛性を利用してマニホールド１５を周辺部材の取り付け基準として利用することもできる。これらによって、装置の小型化に寄与できることになる。また、複数の空気供給ポート１７の全てがマニホールド１５における他方側に設けられることで、複数の空気供給ポート１７の配置をマニホールド１５の片側（後方）に集約することができ、装置構成の小型化を図ることができる。また、マニホールド１５において複数のシリンダ１０をＸ方向に並置し、Ｚ方向の他方側に全ての空気供給ポート１７を集約することで、１つのマニホールドに複数のシリンダ１０、およびこれらに空気を供給する複数の空気供給ポート１７を備える空気圧駆動機構１であっても効率的なレイアウトによって装置の小型化が達成される。【００３３】
（空気圧駆動機構の動作）
図６（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る空気圧駆動機構の動作を例示する模式断面図である。
空気圧駆動機構１のマニホールド１５には、空気供給ポート１７の１つと連通する配管１８が設けられる。配管１８は、空気供給ポート１７の１つとシリンダ１０の一方側との間に位置してシリンダ１０の一方側にロッド退行用空気を供給するために設けられる。配管１８はマニホールド１５においてシリンダ１０に並置されてＺ方向に延びるよう設けられる。この配管１８によって、マニホールド１５の他方側に空気供給ポート１７が集約されていても、その空気供給ポート１７からシリンダ１０の一方側まで空気を送ることができる。【００３４】
図６（ａ）および（ｂ）には示されないが、配管１８は複数のシリンダ１０のそれぞれに対応して設けられる。複数の配管１８のそれぞれは、対応するシリンダ１０に沿ってＺ方向に延び、また、複数の配管１８のそれぞれは互いにＸ方向に並ぶようにマニホールド１５に設けられる。また、複数の配管１８は、マニホールド１５のＹ方向の一方側（シリンダ１０に対してＹ方向の片側）に設けられることが好ましい。これにより、複数の配管１８の全てがシリンダ１０のＹ方向の片側に集約され、シリンダ１０のＹ方向の両側に配管１８が設けられる場合と比べて、マニホールド１５のＹ方向の長さ（厚さ）を抑制することができる。【００３５】
ここで、１つのシリンダ１０に対して設けられる２つの空気供給ポート１７のうち、ロッド１１を進行させるための空気（進行用空気Ａ１）を供給するポートを空気供給ポート１７ａ、ロッド１１を退行させるための空気（退行用空気Ａ２）を供給するポートを空気供給ポート１７ｂとする。【００３６】
シリンダ１０にはピストン１２設けられ、シリンダ１０内を移動するピストン１２によってロッド１１が進退動作することになる。シリンダ１０の他方側にはシリンダ１０におけるピストン１２の他方側の空間Ｓ１と連通する連通孔１９が設けられる。連通孔１９は、空間Ｓ１からＺ方向にシリンダ１０の他方端まで設けられる。連通孔１９はロッド１１のＺ方向の延長上（シリンダ１０の中心軸の延長上）に設けられているとよい。この連通孔１９に空気供給ポート１７ａが設けられる。【００３７】
配管１８は、シリンダ１０におけるピストン１２の一方側の空間Ｓ２と連通し、シリンダ１０と平行にＺ方向に延び、シリンダ１０の他方端まで設けられる。この配管１８に空気供給ポート１７ｂが設けられる。これにより、空気供給ポート１７ａおよび１７ｂはシリンダ１０の他方側に集約され、並置される。【００３８】
図６（ａ）に示すように、空気供給ポート１７ａから進行用空気Ａ１を空間Ｓ１に供給すると、空間Ｓ１の空気圧が空間Ｓ２の空気圧よりも高くなり、ピストン１２をＺ方向の一方側に移動させる。これによりロッド１１が進行動作する（矢印Ｄ１参照）。この際、空間Ｓ２の空気を配管１８を介して空気供給ポート１７ｂからピストン１２の外部へ排出したり、空気供給ポート１７ｂから吸引したりするようにしてもよい。【００３９】
一方、図６（ｂ）に示すように、空気供給ポート１７ｂから退行用空気Ａ２を空間Ｓ２に供給すると、空間Ｓ２の空気圧が空間Ｓ１の空気圧よりも高くなり、ピストン１２をＺ方向の他方側に移動させる。これによりロッド１１が退行動作する（矢印Ｄ２参照）。この際、空間Ｓ１の空気を連通孔１９を介して空気供給ポート１７ａからピストン１２の外部へ排出したり、空気供給ポート１７ａから吸引したりするようにしてもよい。【００４０】
本実施形態に係る空気圧駆動機構１のように、複数のシリンダ１０のそれぞれに対応して複数の配管１８が設けられ、複数の配管１８をＸ方向に並ぶよう設けることで、複数のシリンダ１０と複数の配管１８とがＸ方向に並ぶようになり、シリンダ１０と配管１８との効率的なレイアウトが実現する。また、すべての空気供給ポート１７がマニホールド１５の他方側に集約されるため、マニホールド１５のＸ方向やＹ方向に突出するような部材がなく、装置の小型化が達成される。これにより、医療用ロボット５００の多自由度アーム５１０内に空気圧駆動機構１を組み込む際の設計自由度が高まるとともに、医療用ロボット５００全体の小型化を達成しやすくなる。【００４１】
（リニアエンコーダを備えた構成）
次に、本実施形態に係る空気圧駆動機構１におけるリニアエンコーダを備えた構成について説明する。
図７（ａ）および（ｂ）は、リニアエンコーダを備えた空気圧駆動機構について例示する模式断面図である。
ロッド１１と操作部材２０との間に設けられる伝達部材３０のＹ方向の一端部分は、直動ガイド５０に支持されたリニアエンコーダ６１のスケール部６０に固定される。直動ガイド５０はスケール部６０をＺ方向に移動可能に支持する。したがって、伝達部材３０は、スケール部６０を介して直動ガイド５０に支持される状態になり、スケール部６０とともにＺ方向に直動可能に支持される。【００４２】
図７（ａ）に示す状態から図７（ｂ）に示す状態のように、空気圧駆動機構１によってロッド１１をＺ方向に駆動すると、ロッド１１のＺ方向の移動に伴い、伝達部材３０を介してスケール部６０が直動ガイド５０に沿ってＺ方向に移動する。スケール部６０と対向するマニホールド１５にはリニアエンコーダ６１の検出部６５を搭載した基板６３が取り付けられている。この検出部６５を搭載した基板６３は、マニホールド１５を取り付け基準としてマニホールド１５に設けられた周辺部材である。これにより、スケール部６０と検出部６５とが対向配置されることになる。リニアエンコーダ６１が適切に機能するためには、可動部品としてのスケール部６０を支持する直動ガイド５０と、検出部６５との相対位置を正確に設定する必要がある。マニホールド１５は構造部材であることから、直動ガイド５０に対して正確に位置決めすることは容易である。このため、直動ガイド５０とマニホールド１５との位置決め精度と同等の精度で、直動ガイド５０と検出部６５との相対位置を設定することができる。また、スケール部６０は可動であって検出部６５は固定であるから、検出部６５の配線も固定となり、配線の取り回しが容易となり、配線の耐久性も向上させることができる。【００４３】
また、大きな部材であるスケール部６０の剛性により伝達部材３０のＸ方向およびＹ方向への移動が抑えられる。これにより、伝達部材３０はＺ方向に正確に移動できるようになる。また、操作部材２０の直動の精度は、スケール部６０を支持する直動ガイド５０で担保される。したがって、空気圧駆動機構１は駆動ができればよく、ロッド１１の駆動方向の多少のブレは問題にならない。【００４４】
図８は、複数のシリンダを有するマニホールドに設けられる検出部のレイアウトを例示する斜視図である。
複数のシリンダ１０を有するマニホールド１５においては、複数のシリンダ１０のそれぞれに対応してスケール部６０が設けられる。そして、各スケール部６０に対向した検出部６５は基板６３に実装され、基板６３を介してマニホールド１５の上に設けられる。【００４５】
基板６３は、複数の検出部６５を互いにＸ方向に並置するようにマニホールド１５の上に取り付けられる。これにより、マニホールド１５に基板６３を設けることで、複数の検出部６５を複数のシリンダ１０の並びに揃えて配置することができる。【００４６】
本実施形態では、マニホールド１５の他方側に複数の空気供給ポート１７が集約されているため、マニホールド１５の上に基板６３を取り付ける十分な領域（複数の空気供給ポート１７と干渉しない位置）があり、１つの基板６３を介して複数の検出部６５をＸ方向に並置した状態で各スケール部６０に対向配置しやすくなる。【００４７】
このように、本実施形態によれば、医療用ロボット５００の空気圧駆動機構１において、複数のシリンダ１０を有する構成であっても装置の小型化を図ることが可能となる。【００４８】
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、１つのマニホールド１５に３つのシリンダ１０およびロッド１１を備える例を示したが、３つに限定されない。また、術具１００の処置部１３０として鉗子の例を示したが、鉗子以外の処置部１３０であってもよい。検出部６５を搭載した基板６３を周辺部材の具体例として説明したが、検出部６５がマニホールド１５に直接設けられていてもよい。この場合には、検出部６５が単独で周辺部材となる。また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【符号の説明】
【００４９】
１…空気圧駆動機構
１０…シリンダ
１１…ロッド
１２…ピストン
１５…マニホールド
１７，１７ａ，１７ｂ…空気供給ポート
１８…配管
１９…連通孔
２０…操作部材
３０…伝達部材
５０…直動ガイド
６０…スケール部
６１…リニアエンコーダ
６３…基板
６５…検出部
１００…術具
１１０…本体
１２０…シャフト
１３０…処置部
１５０…可動部
２００…ドレープユニット
５００…医療用ロボット
５１０…多自由度アーム
５２０…装着部
５５０…動力伝達部
Ａ１…進行用空気
Ａ２…退行用空気
Ｄ１，Ｄ２…矢印
Ｓ１，Ｓ２…空間
【要約】
本発明の一態様は、第１方向に延びる複数のシリンダを有するマニホールドと、複数のシリンダのそれぞれに対応して第１方向の一方側に延出するロッドと、を有する医療用ロボットの空気圧駆動機構であって、それぞれのロッドを進退行させる空気をシリンダに送り込む複数の空気供給ポートが、マニホールドにおける第１方向の他方側に設けられることを特徴としているため、複数の空気供給ポートの配置をマニホールドの片側（後方）に集約して、装置構成の小型化を図ることができる。【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】
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【図８】
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