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明細書 :マニピュレータ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5561624号 (P5561624)
登録日 平成26年6月20日(2014.6.20)
発行日 平成26年7月30日(2014.7.30)
発明の名称または考案の名称 マニピュレータ
国際特許分類 A61B  19/00        (2006.01)
B25J  17/02        (2006.01)
FI A61B 19/00 502
B25J 17/02 A
請求項の数または発明の数 6
全頁数 9
出願番号 特願2011-508393 (P2011-508393)
出願日 平成22年4月9日(2010.4.9)
国際出願番号 PCT/JP2010/056420
国際公開番号 WO2010/117051
国際公開日 平成22年10月14日(2010.10.14)
優先権出願番号 2009095583
優先日 平成21年4月10日(2009.4.10)
優先権主張国 日本国(JP)
審査請求日 平成25年3月28日(2013.3.28)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】304021277
【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学
発明者または考案者 【氏名】荒田 純平
【氏名】藤本 英雄
審査官 【審査官】熊谷 健治
参考文献・文献 特開2000-237987(JP,A)
特開平08-164141(JP,A)
調査した分野 A61B 19/00
B25J 17/02
特許請求の範囲 【請求項1】
リンクと所定方向への屈曲変形が可能な弾性体を受動関節で連結した弾性体-リンク機構を二対有し、該二対の弾性体-リンク機構を駆動手段で駆動することにより、前記二対の弾性体-リンク機構に連結された終端部を屈曲動作させる構成としたマニピュレータであって、前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有していることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項2】
前記弾性体-リンク機構をマニピュレータ外周上へ等分に90度位相で配置することにより、内部に空間を有する構成としたことを特徴とする請求項1に記載のマニピュレータ。
【請求項3】
前記弾性体-リンク機構における弾性体の形状により変形方向を制御し、リンクの動作でマニピュレータの位置決めを行う構成とした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。
【請求項4】
少なくとも一対の弾性体-リンク機構により、屈曲時にばねの内力と駆動力の拮抗により機構内部の応力を高める構成としたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のマニピュレータ。
【請求項5】
所定方向への屈曲変形が可能な弾性体と、前記弾性体よりも屈曲剛性の高いリンクとが直列に連結されて構成された一対の弾性体-リンク機構と、
前記一対の弾性体-リンク機構に連結された終端部と、
前記一対の弾性体-リンク機構を独立して駆動する駆動手段とを備え、
前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有しており、
前記一対の弾性体-リンク機構は、各々の前記弾性体が互いに同一側に位置し且つ各々の前記弾性体の屈曲変形方向が互いに向かい合うように、空隙を介して互いに並列に配置され、
前記終端部は、前記一対の弾性体-リンク機構の各々の前記弾性体のうち前記リンクと反対側の部位に連結され、
前記駆動手段は、前記一対の弾性体-リンク機構の各々の前記リンクを、前記弾性体との直列連結方向に押し引き駆動することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項6】
前記弾性体-リンク機構を二対備え、
一方の対の前記弾性体-リンク機構および他方の対の前記弾性体-リンク機構は、前記弾性体同士が同一側に位置し且つ前記弾性体の屈曲変形方向が直交するように互いに並列に配置され、
前記二対の弾性体-リンク機構における前記弾性体と前記リンクとの連結および前記弾性体と前記終端部との連結は受動関節を用いて行われ、
前記受動関節は、連結させている前記弾性体が、隣り合う前記弾性体の屈曲変形に追従して揺動変位することを許容することを特徴とする請求項5に記載のマニピュレータ。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、マニピュレータに関し、例えば手術用マニピュレータに用いて好適なるものである。
【背景技術】
【0002】
近年、外科手術において、患者への負担を軽減するための低侵襲手術が注目されており、ロボット技術の応用が研究されている。人体に挿入して用いられる低侵襲を目的とする手術用マニピュレータでは、小型、高い自由度が求められる。加えて、高度医療画像技術との連係動作のため、高い位置制御性が求められる。
【0003】
従来のマニピュレータとしては、ワイヤー機構を用いたものが知られている(特許文献1、2参照)。すなわち、駆動装置からの動力伝達手段として、マニピュレータ内部を通るワイヤーが採用されている。
【先行技術文献】
【0004】

【特許文献1】特表2006-508765号公報
【特許文献2】米国特許第5797900号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記従来技術のようなワイヤー駆動には次のような問題がある。第一に、ワイヤーは「伸び」「切れ」等のおそれがあるため、頻繁に交換しなければならず、ひいてはランニングコスト及びメンテナンス負荷の増大を招いている。第二に、ワイヤーは伸縮するため、関節や把持部の制御精度に限界がある。第三に、マニピュレータ内部を通るワイヤーのため、マニピュレータ内部に処置具や装置を内蔵することは困難である。
【0006】
本発明は上記点に鑑みて、ワイヤー機構を用いずに、弾性体-リンク機構を用いてマニピュレータを構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明は、リンクと所定方向への屈曲変形が可能な弾性体を受動関節で連結した弾性体-リンク機構を二対有し、該二対の弾性体-リンク機構を駆動手段で駆動することにより、前記二対の弾性体-リンク機構に連結された終端部を屈曲動作させる構成としたマニピュレータであって、前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有していることを第1の特徴とする。
【0008】
これによると、二対の弾性体-リンク機構を駆動することで終端部の屈曲動作が可能である。このため、ワイヤー機構を用いずに、弾性体-リンク機構を用いてマニピュレータを構成することができる。
【0009】
また、本発明は、所定方向への屈曲変形が可能な弾性体と、弾性体よりも屈曲剛性の高いリンクとが直列に連結されて構成された一対の弾性体-リンク機構と、
一対の弾性体-リンク機構に連結された終端部と、
一対の弾性体-リンク機構を独立して駆動する駆動手段とを備え、
前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有しており、
一対の弾性体-リンク機構は、各々の弾性体が互いに同一側に位置し且つ各々の弾性体の屈曲変形方向が互いに向かい合うように、空隙を介して互いに並列に配置され、
終端部は、一対の弾性体-リンク機構の各々の弾性体のうちリンクと反対側の部位に連結され、
駆動手段は、一対の弾性体-リンク機構の各々のリンクを、弾性体との直列連結方向に押し引き駆動することを第2の特徴とする。
【0010】
これによると、一対の弾性体-リンク機構の各々のリンクを独立して押し引き駆動することで、各々の弾性体が同方向に屈曲する。このため、ワイヤー機構を用いずに、弾性体-リンク機構を用いてマニピュレータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータを示す図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータのばね-リンク機構におけるばね変形容態を示したモデル図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータの4つのばね-リンク機構を先端方向へ繰り出したときの斜視図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータのモデル図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータの屈曲時のモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
(第1実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係わる手術用マニピュレータを示している。図2と図3と図4と図5を参照して、手術用マニピュレータの構成について詳しく説明する。なお、図2はばね-リンク機構におけるばね変形容態を示したモデル図、図3は手術用マニピュレータの4つのばね-リンク機構を先端方向へ繰り出したときの斜視図、図4は手術用マニピュレータのモデル図、図5は屈曲動作を行った場合の手術用マニピュレータのモデルを示す図である。

【0013】
手術用マニピュレータ1は、終端部9がマニピュレータの外筒管4に対して、2自由度の屈曲動作が可能であり、それぞれの屈曲の中心点(仮想点)の移動が可能となっている。この手術用マニピュレータ1は、円筒状の外筒管4と、外筒管4の周方向に90度ずれて配置された二対(すなわち4つ)のばね-リンク機構5、6、7(弾性体-リンク機構)と、各ばね-リンク機構5、6、7を独立して駆動する駆動手段3と、受動関節8によりばね-リンク機構5、6、7と連結された円筒状の終端部9とから構成されている。終端部9には処置具が実装可能となっている。

【0014】
ばね-リンク機構5、6、7は、図2に示すように、所定方向(図2では上下方向)への屈曲変形が可能な弾性体であるばね7と、ばね7よりも屈曲剛性の高いリンク5とが受動関節6で直列に連結された構成となっている。ばね7は、図2に示すように、溝付きの板ばね形状となっており、このような形状とすることで、変形の単一方向性が増加し、またねじれが抑制され、より高い位置決め精度で手術用マニピュレータ1を動作させることが可能である。つまり、ばね7の形状により変形方向を制御し、リンク5の動作で手術用マニピュレータ1の位置決めが可能である。

【0015】
なお、リンク5は、図3等に示すように、4つのリンク5a、5b、5c、5dからなり、同様に、ばね7も、4つのばね7a、7b、7c、7dからなり、受動関節6も、4つの受動関節6a、6b、6c、6dからなる。また、終端部受動関節8も、4つの終端部受動関節8a、8b、8c、8dからなる。

【0016】
手術用マニピュレータ1は、ばね-リンク機構5、6、7をマニピュレータ本体の外周部へ配置することが可能であり、内部に装置を内蔵するための空間を確保することが可能である。

【0017】
手術用マニピュレータ1を駆動するための駆動手段3は、すべてマニピュレータ終端部9、外筒管4より遠隔に配置可能であり、手術時でも体外からの駆動動力の供給が可能である。

【0018】
手術用マニピュレータ1の構成をさらに具体的に説明する。ばね7は平面形状が矩形状の薄い板ばねである。ばね7の材料としては、焼き入れ鋼が好ましい。ばね7の溝は、ばね7の長手方向と直交する方向に延びて形成されている。このように、ばね7は、所定方向(図2では上下方向)への屈曲変形以外の変形(伸縮、ねじれ等)を抑制する構造を有している。

【0019】
リンク5は平面形状が矩形状で所定の厚みを有する棒部材である。ばね7およびリンク5は、その長手方向一端部同士が受動関節6によって連結されている。

【0020】
各一対のばね-リンク機構5、6、7は、ばね7同士が同一側に位置し且つばね7の屈曲変形方向(図2では上下方向)が互いに向かい合うように空隙を介して互いに並列に配置されている。ばね-リンク機構5、6、7の各々のばね7のうちリンク5と反対側の端部は、終端部受動関節8によって終端部9に連結されている。

【0021】
一方の対のばね-リンク機構および他方の対のばね-リンク機構は、ばね7同士が同一側(図4、図5では左方側)に位置し且つばね7の屈曲変形方向が直交するように互いに並列に配置されている。図4、図5の例では、一方の対のばね-リンク機構のばね7a、7bの屈曲変形方向が上下方向になり、他方の対のばね-リンク機構のばね7c、7dの屈曲変形方向が紙面垂直方向(上下方向と直交する方向)になっている。

【0022】
二対のばね-リンク機構5、6、7の長手方向中間部は外筒管4の内部に挿入されている。受動関節6および終端部受動関節8は、ばね7の板面に直交する方向(ばね7同士が向かい合う方向)まわりの回転の1自由度を許容する。

【0023】
外筒管4のうち終端部9側の端部には、外筒管4の軸方向に延びる切り欠き形状が、ばね-リンク機構5、6、7同士の間に位置するように形成されている。同様に、終端部9のうち外筒管4側の端部には、終端部9の軸方向に延びる4つの切り欠き形状が、ばね-リンク機構5、6、7同士の間に位置するように形成されている。

【0024】
次に、手術用マニピュレータ1の駆動手段を制御するコントロール部2について説明する。手術用マニピュレータ1の屈曲角度を変化させるには、外筒管4の長手方向における4つのリンク5a、5b、5c、5dの位置をそれぞれ制御する。これらのリンク5a、5b、5c、5dは駆動手段3に連結されており、駆動手段3はコントロール部2からの指令に基づき動作する。

【0025】
次に、上記した構成の作動について説明する。手術用マニピュレータ1は、終端部9が外筒管4に対して、2自由度の屈曲動作が可能であり、またそれぞれの対となるばね-リンク機構5、6、7におけるリンク繰り出し量の比率を変更することで、図5に示す屈曲の中心点10(仮想点)の移動が可能である。

【0026】
目標屈曲角度に対して、制御コンピュータ2aで手術用マニピュレータ1の機構学演算により、リンク5a、5b、5c、5dそれぞれの目標値を求め、モータドライバ2bから制御信号を送信し、駆動手段3において、DCモータ3aによりボールねじ3bを駆動することで、手術用マニピュレータ1を動作させる。

【0027】
DCモータ3aおよびボールねじ3bは、4つのリンク5a、5b、5c、5dに対応して4つずつ設けられている。4組のDCモータ3aおよびボールねじ3bにより、リンク5a、5b、5c、5dはそれぞれ、その長手方向(ばね7a、7b、7c、7dとの直列連結方向)に押し引き駆動される。

【0028】
このことから手術用マニピュレータ1の先端を図4に示す状態から2自由度で屈曲動作させることができる。例えば、互いに対向するリンク5a、5bを異なる方向へ動作させることで、図5に示すように、互いに対向するばね7a、7bが同方向に屈曲し、手術用マニピュレータ1の先端(終端部9)が、両リンク5a、5bが存在する面上(リンク5aとリンク5bとを結ぶ方向に延びる面上)での屈曲動作を行う。両リンク5a、5bの移動量の比率を制御することにより、屈曲の中心点10の位置を変更することが可能である。

【0029】
同様に、両リンク5a、5bから外筒管4の周方向における位置を90度ずらして配置されたリンク5c、5dを動作させることにより、手術用マニピュレータ1の先端が、両リンク5c、5dが存在する面上(リンク5cとリンク5dとを結ぶ方向に延びる面上)での屈曲動作を行う。

【0030】
2自由度の屈曲動作において、外筒管4の周方向における位置を90度ずらして配置された二対のばね-リンク機構5、6、7の動作には依存関係が存在し、一方の対のばね-リンク機構で生ずるその面上の移動量は、他方の対のばね-リンク機構の受動関節6、終端部受動関節8の動作で相殺される。

【0031】
すなわち、図5に示すように、一方の対のばね-リンク機構のばね7a、7bが屈曲変形した場合には、他方の対のばね-リンク機構のばね7c、7dがばね7a、7bの屈曲変形に追従して受動関節6c、6dおよび終端部受動関節8c、8dを中心に揺動変位するので、一方の対のばね-リンク機構の屈曲動作が他方の対のばね-リンク機構に妨げられない。

【0032】
外筒管4の端部および終端部9の端部に形成された切り欠き形状は、受動関節6および終端部受動関節8を中心に揺動変位したばね7c、7dが外筒管4および終端部9に干渉しないようするための逃がし部として機能する。

【0033】
上記した構成によれば、手術用マニピュレータ1の2自由度の屈曲動作に関して、任意の角度に制御することができる。また、手術用マニピュレータ1では、屈曲時に、ばねの内力と駆動力との拮抗により、内部応力が高まることから、剛性が向上する。

【0034】
以上説明した実施形態によれば、先端(終端部9)に処置具が実装可能であり、機構の剛性が高く、高精度の位置決めが可能な先端に動作自由度を有する手術用マニピュレータを提供することができる。この手術用マニピュレータを用いることにより、小型、多自由度、高精度、滅菌・消毒が容易であり、内部に処置具を実装する空間を有するなどの特徴を有する手術ロボットが可能となる。

【0035】
すなわち、本実施形態では、ばねとリンクとが直列に連結されて構成されたばね-リンク機構が互いに並列に配置されている。このため、従来のワイヤー機構を用いたマニピュレータと同様に小型化できる。

【0036】
また、従来のワイヤー機構の代わりにばね-リンク機構が用いられているので、従来のワイヤー機構を用いたマニピュレータと比較して耐久性および位置決め精度を高めることができる。

【0037】
また、ばね-リンク機構が空隙を介して互いに並列に配置されているので、内部に装置等を実装するための空間を有することができる。

【0038】
さらに、本実施形態では、一方の対のばね-リンク機構および他方の対のばね-リンク機構が、ばねの屈曲変形方向が直交するように互いに並列に配置され、二対のばね-リンク機構におけるばねとリンクとの連結およびばねと終端部との連結は受動関節を用いて行われ、受動関節は、連結させているばねが、隣り合うばねの屈曲変形に追従して揺動変位することを許容する。

【0039】
このため、一方の対のばね-リンク機構による1自由度の屈曲動作と他方の対のばね-リンク機構による1自由度の屈曲動作とが90度ずれて組み合わされるとともに、隣り合うばね同士、すなわち屈曲変形方向が90度異なるばね同士が屈曲変形を妨げ合うことを回避できるので、二対のばね-リンク機構の屈曲動作を組み合わせて2自由度の屈曲動作を行うことができる。

【0040】
また、本実施形態では、ばねが、所定方向への屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有しているので、ばね-リンク機構による屈曲動作の単一方向性を増加させることができ、ばねのねじれ等が抑制されるので、位置決め精度を一層高めることができる。

【0041】
(他の実施形態)
なお、本発明は上記した実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用することができる。例えば、ばね7としては、変形方向を制御するために溝付きの板ばね形状とするものを示したが、必ずしもそのような形状になっていなくてもよく、溝なしの板ばね形状としてもよい。また、ばね7は矩形状以外の形状(台形状等)になっていてもよい。

【0042】
また、上記した実施形態では、二対のばね-リンク機構5、6、7を備えることで2自由度のマニピュレータを構成しているが、ばね-リンク機構5、6、7を一対のみ備えることで1自由度のマニピュレータを構成してもよい。

【0043】
また、本発明に係るマニピュレータとしては、手術用のものに限らず、手術用以外の用途に用いるものであってもよく、例えば工業用内視鏡に適用可能である。
【符号の説明】
【0044】
1 手術用マニピュレータ
2 コントロール部
2a 制御コンピュータ
2b モータドライバ
3 駆動手段
3a DCモータ
3b ボールねじ
4 外筒管
5 リンク
6 受動関節
7 ばね(弾性体)
8 終端部受動関節(受動関節)
9 終端部
10 屈曲の中心点
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4