JP4346615B2 - Medical manipulator - Google Patents
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Description
本発明は医療用マニピュレータに係り、特に手術用の鉗子などが具備される医療用マニピュレータに関する。 The present invention relates to a medical manipulator, and more particularly to a medical manipulator provided with surgical forceps and the like.
従来、胆のう摘出手術など腹腔鏡下手術においては図8に示すように患者150の腹部に小さな穴151、152、153を数カ所あけ、それらにトラカール154を取付け、トラカール154を介してそれらの穴に内視鏡161、鉗子171、172等を挿入し、術者(通常、外科医)160が内視鏡161の映像をモニタ162を見ながら手術を行っている(特許文献1参照)。
Conventionally, in laparoscopic surgery such as cholecystectomy, as shown in FIG. 8, several
このような手術は開腹しないので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軽減し、今後、適用分野の拡大が期待されている手術方法である。
しかしながら、上述したような従来の腹腔鏡下手術は患者150への負担が少なく優れた手術方法ではあるが術者160が実際に術部を見れないこと、また、鉗子171、172には通常開閉する把持部しか設けられていないため、把持部の開閉動作以外である把持部の姿勢(方向)を変えることができず操作性が悪くなる可能性があった。
However, the conventional laparoscopic surgery as described above is an excellent surgical method with less burden on the
このような要因により、前述の手術方法で適切な処置を行える術者が限られること、また、熟練するまでに時間がかかることが問題となっている。 Due to such factors, there are problems that the number of operators who can perform appropriate treatments by the above-described surgical method is limited and that it takes time to become skilled.
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遠隔操作型ロボット技術の応用がいくつか研究されている。しかしながら、これらは術者が操作するマスタアームと手術を行う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。 Several applications of remote control robot technology such as master-slave manipulators have been studied to deal with such problems. However, these are robot systems in which the master arm operated by the operator and the slave arm performing the operation are completely separated, and the command value of the master arm is transmitted to the slave arm as an electrical signal.
したがって、通常、マスタ、スレーブともに6自由度以上の関節数を有し構造が複雑であり、それぞれにコントローラが必要なことから電気的にも部品、配線、制御系などが増えた複雑なシステムとなるため信頼性が低下する恐れがある。 Therefore, usually the master and slave both have a number of joints with more than 6 degrees of freedom and a complicated structure, and a controller is required for each. Therefore, the reliability may be reduced.
また、装置自体が大掛かりとなり、購入費用やメンテナンス費用も増大する。 In addition, the apparatus itself becomes large, and the purchase cost and maintenance cost increase.
さらに、術者は離れたところから操作するので万一出血などの緊急自体と成った場合にすぐに患者を処置することができないといった問題が発生する恐れもあった。 Furthermore, since the surgeon operates from a remote location, there is a risk that the patient cannot be treated immediately in the event of an emergency such as bleeding.
そこで本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、作業部を少なくとも2自由度以上の多自由度を有する構成とし操作部にて作業部の位置と姿勢とを操作することによって、作業部の操作性を向上させた医療用マニピュレータの提供を目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the working unit is configured to have at least two degrees of freedom with multiple degrees of freedom, and by operating the position and posture of the working unit at the operation unit, An object of the present invention is to provide a medical manipulator with improved operability of the working unit.
本発明の一態様によれば、少なくとも2自由度を有しており作業対象物に接触する作業部と、術者が把持可能な第1の操作部と、前記作業部の前記2自由度方向の動作を制御するための第2の操作部と、備え、前記第2の操作部は、前記第1および第2の操作部の為す角度が変更可能に取り付けられていることを特徴とする医療用マニピュレータが提供される。 According to one aspect of the present invention, the working unit having at least two degrees of freedom and contacting the work target, the first operation unit that can be grasped by the operator, and the two-degree-of-freedom direction of the working unit And a second operation unit for controlling the operation of the medical device, wherein the second operation unit is attached so that the angle formed by the first and second operation units can be changed. A manipulator is provided.
このような本発明によれば、作業部を少なくとも2自由度を有する構造にすることで操作性を向上させると共に高機能化が達成でき、またマスタスレーブマニピュレータに比べて装置全体の不必要な自由度を大幅に減少し機構も単純化されることで信頼性が向上し費用も抑制することができる。また緊急時には術者が患者近傍に存在しているため迅速に患者に対して処置ができ、安全性の高い手術を実現することができる。さらに従来、熟練医しかできなかった手術が簡単に安全に行うことができる。 According to the present invention as described above, it is possible to improve operability and achieve high functionality by making the working unit a structure having at least two degrees of freedom, and unnecessary freedom of the entire apparatus compared to the master-slave manipulator. By greatly reducing the degree and simplifying the mechanism, reliability can be improved and costs can be reduced. Further, since the surgeon is present near the patient in an emergency, the patient can be treated quickly and a highly safe operation can be realized. Furthermore, operations that can only be performed by skilled physicians can be performed easily and safely.
以上述べたような本発明では、位置決め操作と姿勢決め操作との操作部を分離することで、互いの操作による干渉の影響が少なく、微細操作が容易となり、信頼性、安全性の高い医療用マニピュレータを提供することができる。 In the present invention as described above, by separating the operation part of the positioning operation and the posture determination operation, there is little influence of mutual interference, the fine operation becomes easy, and the medical device has high reliability and safety. A manipulator can be provided.
以下、図面を参照して本発明の医療用マニピュレータの実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a medical manipulator of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1乃至図4は本発明の実施の形態による医療用マニピュレータを示す構成概略図である。尚、本発明の医療用マニピュレータは鉗子を想定している。 1 to 4 are schematic structural views showing a medical manipulator according to an embodiment of the present invention. The medical manipulator of the present invention assumes a forceps.
医療用マニピュレータは、作業部である鉗子先端部10には矢印方向に回転可能な第1の回転関節20と第1の回転間接20に対し90度回転軸がずれた位相である矢印方向に回転可能な第2の回転関節30と作業対象物を把持することが可能で開閉することができる把持開閉部40を有し、鉗子後端部50には術者が把持可能な第1の操作部である操作桿60と2つの回転関節を操作する第2の操作部であるジョイスティック70と開閉を操作するためのレバー80を有しており、このような構成からなる。尚、医療用マニピュレータには、医療用マニピュレータの動作を制御するための制御部乃至電源に接続されるコード(図示しない)が設けられている。
The medical manipulator rotates in the direction indicated by the arrow, which is a phase shifted by 90 degrees with respect to the first
このような構成からなる第1の実施の形態の動作について説明する。 The operation of the first embodiment having such a configuration will be described.
ジョイスティック70にはポテンショメータなどの角度検出器が備えられており、上下左右の動きを検出する。その検出角度は図示していない制御装置に電気的に送られる。同様に開閉部操作用のレバーにも変位検出器がある。また、鉗子先端の2つの回転関節と開閉部は後端部側に設置されたモータ90、91、92によりワイヤ、プーリ、歯車などを介して前記制御装置からの駆動信号により駆動される。
The
操作者は操作桿60を握り、親指をジョイスティックの上(平坦部)にかけ、上下左右に動かすことで、その操作量を角度検出器で読み取り、鉗子先端の第1の回転関節と第2の回転関節をそれぞれ操作量に応じて駆動する。同様にレバー80の位置を検出して鉗子先端部10の開閉量を制御する。その他の操作については従来の鉗子の操作と同様である。
The operator holds the
したがって従来よりも、先端に2つの回転関節がある分、自在に鉗子先端の方向を指先の操作だけで変えることができ、より縫合作業などの繊細な手術作業を容易に行うことができる。さらに、鉗子の位置決め操作は操作桿60を握り動かし、先端部の姿勢は親指の操作で行うため術者の操作が容易となる。
Therefore, as compared with the prior art, since there are two rotary joints at the tip, the direction of the tip of the forceps can be freely changed only by the operation of the fingertip, and more delicate surgical work such as suturing work can be easily performed. Further, since the forceps positioning operation is performed by grasping and moving the
また、アクチュエータは電磁力モータの他に、形状記憶合金や静電アクチュエータなどでも良い。また操作側にもアクチュエータを設けることで、先端の力を操作者に返すことも可能である。例えば、把持部に掛かる力を歪ゲージなどからなる力センサで検出して、その検出した力に応じた力を操作側のレバーで指に対して発生させることにより、操作者は把持している力を感じることができる。2つの回転関節20、30に対しても同様である。また、鉗子先端部10の開閉動作はレバーでなくとも、ジョイスティック70を上から押すことで機能するスイッチを設けて動作させることもできる。例えばジョイスティック70を一度押すと鉗子先端部10が閉じて再度押すと開くような構成とすることもできる。
In addition to the electromagnetic motor, the actuator may be a shape memory alloy or an electrostatic actuator. Further, by providing an actuator on the operation side, the force at the tip can be returned to the operator. For example, the operator grips by detecting the force applied to the gripping portion with a force sensor such as a strain gauge and generating a force corresponding to the detected force on the finger with the lever on the operation side. I can feel the power. The same applies to the two
さらに、ジョイスティック70は並進や傾きなどの変位量ではなく、多軸方向の力を検出できる力センサにより、術者が動かしたい方向に掛かる力を検出して、この検出された力の方向へ鉗子先端部10を動かすこともできる。
Furthermore, the
操作桿60は図1に示す様に、長手方向と直角方向に取付いていても良いし、図3(a)に示す様に長手方向に取付いていても良いし、角度を付けて取り付けても良い。さらに図3(b)に示す様に鉗子後端部50と操作棹60との間に回転軸100を設け、術者が任意の角度に設定することもできる。手術内容や術者の使用しやすい角度で使用することにより操作性が向上する。
The
このほかに、図4(a)に示す様にジョイスティック70の代わりにスイッチ200でも良く、例えば、左210、右220、上230、下240の4つのボタンスイッチがあり、ボタンを押している間のみ鉗子先端が動くような動作をさせることも可能である。あるいは図4(b)に示す様にダイヤル250、260でも良いし、図4(c)に示す様にパソコンのマウスに使われているようなトラックボール270を取付け操作しても良い。
In addition, as shown in FIG. 4A, a
以上述べたような第1の実施の形態では、作業部を少なくとも2自由度以上の多自由度を有する構成とし操作部にて作業部の位置と姿勢とを操作することによって、作業部の操作性を向上させることができる。 In the first embodiment as described above, the work unit is configured to have at least two degrees of freedom and the operation unit is operated by operating the position and posture of the work unit. Can be improved.
また、作業部を操作する際にはジョイスティック70、レバー80を用いるため、術者が鉗子を手放すことなく位置または姿勢を変更することができ、また術者の手首を回転させたり折り曲げたりせずに位置または姿勢を変更することが可能であるため、作業部と作業部が作業を行う患部との相対的な位置ずれの発生を抑制することができる。
In addition, since the
次に本発明の第2の実施の形態の医療用マニピュレータについて図5を用いて説明する。図5は第2の実施の形態の操作部の説明図である。 Next, a medical manipulator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram of an operation unit according to the second embodiment.
操作部は第1の操作部である操作桿300と第2の操作部であるつまみ部310からなる。操作桿300を把持すると指がつまみ部310にかかり、つまみ部310は直交する2つの回転軸320、330で支持されている。つまみ部310で鉗子先端のロール軸320、ヨー軸330の操作が可能であり、先端の姿勢操作は、操作桿300を動かして行う位置決め操作とは異なった操作部で行うので微細な操作が実現できる。ここでつまみ部を支持する関節の順序は問わない。
The operation unit includes an
図6(a)は図5の関節配置を示し、ヨー軸330a、ロール軸320aの順でつまみ部310に接続されている。図6(b)は逆の順の関節配置を示し、ロール軸320b、ヨー軸330bの順でつまみ部310に接続されている。ともにつまみ部の中心340は、マニピュレータ長手方向350、ロール軸320、ヨー軸330が交わった点となっている。
FIG. 6A shows the joint arrangement of FIG. 5, and the
つまみ部310によりロール軸を操作するとその角度を検出して、制御部を介してモータが駆動され、それに対応する角度に先端部が動作する。同様にヨー軸を操作すると、先端のヨー軸が対応する角度だけ動作する。先端の関節は必ずしも操作部と同じ関節に対応している必要はなく、座標変換を介して操作性が良くなる様に自由に対応させることができる。
When the roll shaft is operated by the
また、つまみ部310には押しスイッチ360があり、押し込めば鉗子把持部が閉じ再度押せば把持部が開く。あるいは指を挿入することが可能な部材が設けられ、この部分に指を挿入して指を開閉させることにより開閉量を検出しこの開閉量に対応するように把持部を開閉させることもできる。
The
以上述べたような第2の実施の形態では、作業部を少なくとも2自由度以上の多自由度を有する構成とし操作部にて作業部の位置と姿勢とを操作することによって、作業部の操作性を向上させることができる。 In the second embodiment as described above, the work unit is configured to have at least two degrees of freedom and the operation unit is operated by operating the position and posture of the work unit. Can be improved.
また関節にはモータなどアクチュエータを取り付けることで、第1の実施の形態と同様に操作時の反力を操作者に返すことができ、より操作性を向上させることができる。 Further, by attaching an actuator such as a motor to the joint, the reaction force during operation can be returned to the operator as in the first embodiment, and the operability can be further improved.
また、作業部の位置と姿勢の操作を別々の操作部で行うことができるため、従来では位置操作部と姿勢操作部とが同じであったために姿勢操作を行った場合に作業部の位置が多少なりともその影響を受けて動いてしまい先端部の微細な作業が困難であったが本形態によれば簡単に実施することができる。 In addition, since the operation of the position and posture of the work unit can be performed by separate operation units, the position operation unit and the posture operation unit are conventionally the same, so the position of the work unit is changed when the posture operation is performed. Although it is affected by the effect to some extent, it is difficult to carry out fine work on the tip, but according to this embodiment, it can be easily implemented.
次に本発明の第3の実施の形態の医療用マニピュレータについて図7を用いて説明する。図7は第3の実施の形態の操作部の説明図である。 Next, the medical manipulator of the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated using FIG. FIG. 7 is an explanatory diagram of an operation unit according to the third embodiment.
操作者の手首(もしくは腕)は第1の操作部として鉗子後端部400にベルトなどの固定部410で固定され、指先で同じく後端部400に固定された第2の操作部であるジョイスティック420を操作する。手首を動かすことでマニピュレータ全体を動かし、指先でジョイスティック410を操作することで鉗子先端の姿勢を変えることができる。また、このような方式では長手方向に長くなり操作性が低下する可能性があり、折り曲がる関節部430を設けて任意の位置で固定することで長手方向は短くなり操作が容易となる。この場合、固定機構440は電磁ブレーキでも良いし、ねじやロック機構などで機械的に固定しても良い。400aは関節部430を回転した形態を示す。 The wrist (or arm) of the operator is fixed to the rear end portion 400 of the forceps by a fixing portion 410 such as a belt as a first operation portion, and a joystick that is a second operation portion that is also fixed to the rear end portion 400 with a fingertip. 420 is operated. The entire manipulator is moved by moving the wrist, and the posture of the forceps tip can be changed by operating the joystick 410 with the fingertip. Further, in such a system, the length may be longer in the longitudinal direction and the operability may be lowered. By providing a joint portion 430 that is bent and fixed at an arbitrary position, the longitudinal direction is shortened and the operation is facilitated. In this case, the fixing mechanism 440 may be an electromagnetic brake, or may be mechanically fixed with a screw or a lock mechanism. Reference numeral 400a denotes a form in which the joint 430 is rotated.
以上述べたような第3の実施の形態では、作業部を少なくとも2自由度以上の多自由度を有する構成とし操作部にて作業部の位置と姿勢とを操作することによって、作業部の操作性を向上させることができる。 In the third embodiment as described above, the work unit is configured to have at least two degrees of freedom and the operation unit is operated by operating the position and posture of the work unit. Can be improved.
また、術者は位置操作を操作桿を握る動作を意識せずに、腕を動かすことで自然と位置操作が可能になるため、より先端部の姿勢操作に集中でき微細作業が容易になる。 In addition, the operator can naturally perform the position operation by moving the arm without being conscious of the operation of grasping the operation rod, so that it is possible to concentrate on the posture operation of the distal end portion and facilitate the fine work.
尚、本発明は上記各実施の形態には限定されず種々変形して実施できることは言うまでもない。例えば、鉗子先端部の自由度は2自由度の場合を説明したが、必要に応じて3自由度以上の自由度を有しても良い。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be variously modified. For example, although the case where the degree of freedom of the forceps tip is 2 degrees of freedom has been described, it may have 3 degrees of freedom or more as required.
また、医療分野だけでなく、精密作業を行う装置にも適用することができる。 Moreover, it can be applied not only to the medical field but also to an apparatus that performs precision work.
また、鉗子は術者によって支持されているが必要に応じて鉗子を支持する支持手段を設けることも可能である。 Moreover, although the forceps are supported by the operator, it is possible to provide support means for supporting the forceps as required.
10 鉗子先端部
20 第1の回転軸
30 第2の回転軸
40 開閉部
50 鉗子後端部
60 操作桿
70 ジョイスティック
80 レバー
90 モータ
100 回転軸
200 スイッチ
210、220、230、240 押しボタンスイッチ
250、260 ダイヤル
270 トラックボール
300 操作桿
310 つまみ部
320、320a、320b ロール軸
330、330a、330b ヨー軸
340 つまみ部中心
350 マニピュレータ長手方向
360 押しスイッチ
400 後端部
410 固定部
420 ジョイスティック
430 回転軸
440 固定機構
400a 回転後の後端部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
術者が把持可能な第1の操作部と、
前記第1の操作部に取り付けられ、前記作業部の前記2自由度方向の動作を制御するための第2の操作部と、
一端側に前記作業部が接続され、他端側に前記第1の操作部が接続され、前記作業部を少なくとも2自由度方向に駆動するための駆動力を発生する複数のモータを有する駆動力発生部と、
前記第1の操作部に取り付けられ、前記第2の操作部とは異なる方向に前記作業部の動作を制御するための第3の操作部と、を具備し、
前記第1の操作部は、前記駆動力発生部の長手方向と直交する回転軸回りに回転可能に設けられ、前記2自由度方向は、前記駆動力発生部の長手方向と直交する方向であることを特徴とする医療用マニピュレータ。 A working part having at least two degrees of freedom and contacting the work object;
A first operation unit that can be grasped by an operator;
A second operation unit attached to the first operation unit, for controlling the operation of the working unit in the direction of two degrees of freedom;
A driving force having a plurality of motors connected to the one end side, the first operation unit connected to the other end side, and generating a driving force for driving the working unit in at least two directions of freedom. Generating part;
A third operation unit attached to the first operation unit and for controlling the operation of the working unit in a direction different from the second operation unit;
The first operation unit is provided to be rotatable around a rotation axis orthogonal to the longitudinal direction of the driving force generation unit, and the two degrees of freedom direction is a direction orthogonal to the longitudinal direction of the driving force generation unit. A medical manipulator characterized by that.
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