腹腔鏡下手術用ロボット・デバイスの機構およびそのシステム

国士舘大学
機械工学系

理工学部 理工学科教授 神野 誠
2022年8月9日

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発表者のこれまでの研究開発実績(1) 総合電機メーカーにて、特殊ロボットシステム（宇宙・原子力）や手術支援用ロボット鉗子の研究開発に従事(2) 医療機器メーカーにて手術支援用ロボット鉗子の製品開発に従事(3) 国士舘大学 理工学部 機械工学系にて教育と、医療関連を中心に様々なロボット・メカトロ機器の研究開発に従事

・企業目線での研究開発
・幅広い分野への適用を視野に入れた研究開発
2背 景
腹腔鏡下手術(低侵襲手術)の利点

課 題
うまく動かない！

外科医
鉗子外科医

鉗子

腹腔鏡トロッカー
外科医

モニター

患者

・手術の翌日から歩行可 ・退院後もすぐ社会復帰
・入院期間の大幅短縮 ・小さな傷口・操作性向上
・手術時間短縮・手術成績向上など・・・

・コスト低減・入院期間短縮手術支援ロボット・デバイスへの期待3

総症例数の推移（件）（年）
領域別の内視鏡外科手術総症例数の推移日本内視鏡外科学会雑誌vol.23 No.6 2018
内視鏡外科手術に関するアンケート調査－第14回集計報告－4

手術支援ロボットの代表例
da Vinci (Intuitive Surgical)
5腹腔鏡下手術支援ロボット
多自由度鉗子の研究開発(当該分野の発表者のこれまでの取り組み)

外科医
鉗子外科医

鉗子

腹腔鏡トロッカー
外科医

モニター

患者

多関節ロボット（+直動軸）のメリット
・不動点を制御的に決定可能
・腹腔内外で広い動作領域を確保
・拡張性や汎用性

ハンドヘルド多自由度鉗子のメリット
・シンプルなシステム
・低コスト
・従来の機器との互換性

Makoto Jinno. "Master–slave manipulator forlaparoscopic surgery using a 6-axis vertical articulated
robot," Jinno ROBOMECH Journal 2014, 1:23,
http://www.robomechjournal.com/content/1/1/23

Kymerax® by Terumo

6腹腔鏡下手術支援ロボット・多自由度鉗子の先端機構例

マスタスレーブ型
マニピュレータ
操作性 vs. コスト
力覚、把持力の提示
マニュアル駆動式
モータ駆動式
従来品との互換性
多自由度鉗子多自由度鉗子

ハイブリット型
多自由度鉗子KYMERAX®
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技術的課題：機構干渉問題
干渉駆動機構、非干渉駆動機構とは（動画による比較）

一つの軸を動かしたとき、他の軸が干渉して動いてしまう。
ダビンチでは、モーターで複数軸を制御して干渉を防ぐ。

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機構干渉のデメリット(1) 干渉動作によるアクチュエータの動作角度の増加(2) 干渉トルクによる駆動トルク増大や他軸への制御困難な動作（意図しない動作）(3) 把持力の手動機械駆動が不可能（把持力の微妙な調整が不可能）

従来機構

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：
マニピュレータおよび手術支援ロボットシステム• 出願番号 ：特願2019-550409
U.S. Patent Application No. 16/860,199• 公開番号：WO2019/088094, US2020/0235677 A1• 登録番号：7008924• 出願人：国士舘大学
• 発明者
：神野誠
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本発明のポイント
ポイント：(1) 非干渉機構→ 制御容易、高制御性
モータ駆動・手動のハイブリット駆動子が可能(操作者による把持力の調整が可能)(2) 部品点数大幅削減→ 部品コスト低減、組立容易(人件費削減)、高信頼性ロボットとしての基本的なメリット(1) 標準作業姿勢が特異姿勢から遠い(2) 姿勢軸のオフセットが小さい

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本発明外観第１ワイヤ

𝜃𝜃𝑝𝑝 ピッチ軸

第３ワイヤ

第２ワイヤ接続部

𝜃𝜃𝑔𝑔 グリッパ軸𝜃𝜃𝑦𝑦 ヨー軸

手首部材

エンドエフェクタ

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本発明外観
𝜃𝜃𝑦𝑦

𝜃𝜃𝑔𝑔

接続部

手首部材

𝜃𝜃𝑝𝑝 （ピッチ軸）

ワイヤガイド穴

エンドエフェクタ
ピッチ軸と支持部中心軸を含む面の上下面に円弧ガイドを設け、ワイヤの曲げ半径を確保させるとともに、円弧ガイドの最適設計
により、ピッチ軸が回転してもヨー軸、グリッパ軸の駆動ワイヤの経路長変化を最小限にすることで、非干渉機構を実現

円弧ガイド部

接続部13円弧ガイド部の配置最適化(解析モデル)

ピッチ軸
動作範囲±90°

円弧ガイド部
ヨー軸・グリッパ軸
ワイヤ

ピッチ軸回転中心

14ワイヤ長誤差e [mm]

円弧ガイド部の配置最適化(解析結果)

ピッチ軸動作角度[°]𝑥𝑥𝑎𝑎 = 1.6𝑥𝑥𝑎𝑎 = 1.4𝑥𝑥𝑎𝑎 = 1.2𝑥𝑥𝑎𝑎 = 1.0𝑥𝑥𝑎𝑎 = 0.8𝑥𝑥𝑎𝑎 = 0.6𝑥𝑥𝑎𝑎 = 0.4𝑥𝑥𝑎𝑎 = 0.2𝑥𝑥𝑎𝑎 = 0

ワイヤ長誤差eの二乗平均平方根(RMS)[mm]

ピッチ軸動作角度とワイヤ長誤差e

lar2lbr1ybxa1
円弧ガイド部位置𝑥𝑥𝑎𝑎 [mm]

円弧ガイド部位置𝑥𝑥𝑎𝑎 とワイヤ長誤差eの二乗平均平方根(RMS)

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ピッチ動作時のワイヤ経路
ピッチ軸の動作が、ヨー軸・グリッパ軸動作に影響を与えない非干渉駆動機構
貫通穴

制御性向上
ロボット鉗子の把持操作のマニュアル操作化
貫通穴

ガイド部

ガイド部

貫通穴ガイド部

16オフセット量低減させ有効動作領域の拡大
𝜃𝜃𝑝𝑝

従来機構

𝜃𝜃𝑦𝑦

𝜃𝜃𝑔𝑔
本発明

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少部品点数の比較（半減）
部品名称

従来機構

本発明

接続部
手首部材
グリッパ軸プーリ
ワイヤ

1
1248
3

1
12203合 計

19

9
組立が容易
低コスト
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主要術具の開発(1) 把持鉗子(3) メリーランド(2) ニードルドライバ(4) はさみ19ハンドヘルドデバイスの開発
ピッチ軸駆動モータ
ピッチ軸駆動プーリ（メカニカルストッパ付）
右指駆動プーリ
左指駆動プーリ

アイドルプーリ
駆動ワイヤ

ハンドル(回転フリー）
ピッチ軸駆動バッテリー(内部)

ヨー軸・グリッパ軸（右指・左指）操作インタフェース(マニュアル駆動)
ピッチ軸操作インタフェース(タクタイルスイッチ)20

ハンドヘルドデバイスのファントム評価

21

ハンドヘルドデバイスの開発

22

手術支援ロボットの開発（直動機構・駆動機構）
鉗子駆動
モータユニット
カップリングワイヤ
鉗子シャフト

着脱レバー
出力移動ベース
中間移動ベース駆動プーリ
固定ベース

直動機構
駆動モータ

ガイドレール23

手術支援ロボットの開発（直動機構・駆動機構）

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手術支援ロボットの開発

6軸垂直
多関節型ロボット

1軸直動・4軸鉗子ユニット

25実用化に向けた課題• ハンドヘルドデバイス：
マーケティングにより、製品要求仕様と製品開発仕様を確定し、医療機器としての製品開発システムの則った製品開発• 手術支援ロボット：
手術支援ロボットシステム全体の開発戦略と開発。

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企業への期待• 手術機器・医療機器の製品とその開発技術を持つ企業、または、今後、その方針を検討している企業への技術移管または共同研究。
• 医療分野以外への製品への適用も大歓迎。

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お問い合わせ先
国士舘大学
教務部学術研究支援課
ＴＥＬ ０３－５４８１ －３３０６
ＦＡＸ ０３－５４８１ －５６０１
e-mail kenkyu@kokushikan.ac.jp
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