JP7470796B2 - プローブ操作装置 - Google Patents

Description

本明細書は、プローブの操作を行うプローブ操作装置に関する。

検査や作業などの自動化、省力化を推進するために、産業用ロボットが広く用いられている。一般的に、産業用ロボットは、対象物にアプローチするエンドエフェクタを備える。産業用ロボットの一例として、エンドエフェクタにプローブを用いた医療用のプローブ駆動装置が実用化されている。医療用のプローブ駆動装置は、医師や臨床検査技師によって操作される。また、プローブは、被検者の体内状態を検査したり、治療作業を行ったりする。この種のプローブ駆動装置の技術例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の超音波スキャンシステムは、超音波トランスジューサ（プローブ）と、超音波トランスジューサに連結されて上下方向に動作可能な支持アームと、支持アームに加わる重力を相殺する抵抗装置とを備え、超音波トランスジューサを小さな圧力で被検者に押し当てられるようにしている。これによれば、超音波トランスジューサを容易に位置決めすることができる、とされている。

特開２０１０－１９４３０７号公報

ところで、特許文献１を始めとするプローブ駆動装置の使用時に、操作を行う医師等の体格に合わせて、被検者が乗るベッドの高さが調整される。換言すると、プローブ駆動装置を基準としたベッドの高さが、医師等の交代によって変化する。このため、プローブの昇降ストローク長は、検査や作業に必要な昇降量だけでは足りず、ベッドの高さの変化に対応する必要があった。したがって、プローブ駆動装置の高さが大きくなり、加えて、昇降機構等の構成部品が大型化して装置コストが増加していた。

なお、プローブは、医療用プローブに限定されない。例えば、超音波プローブやＸ線プローブを用いて検査対象物の内部状態を検査する非破壊検査装置においても、検査対象物を載せる検査台の高さを調整する構成の場合に、同様の問題点が生じる。

それゆえ、本明細書では、プローブの昇降ストローク長を小さくして、装置の低背化を実現したプローブ駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。

本明細書は、基台と、検査または作業を担当するプローブを少なくとも上下方向に駆動するプローブ駆動部と、前記基台に対する前記プローブ駆動部の高さを調整する高さ調整部と、を備えるプローブ操作装置を開示する。

本明細書で開示するプローブ操作装置では、装置の低背化を実現することができる。

第１実施形態のプローブ操作装置の斜視図である。 プローブ操作装置を後方から見た図である。 プローブ操作装置の側面図である。 プローブ操作装置の使用方法を説明する側面図である。 第２実施形態のプローブ操作装置の側面図である。

１．第１実施形態のプローブ操作装置１の構成
第１実施形態のプローブ操作装置１の構成について、図１～図３を参考にして説明する。図中の右上の矢印に示されるように、便宜的にプローブ操作装置１の前後左右を定める。プローブ操作装置１は、プローブ６８を操作して検査や作業を行うものであり、以降では医療用を想定して説明を進める。プローブ操作装置１は、基台２、高さ調整機構３、プローブ駆動部４、および光射出マーカー７１によって本体が構成され、制御部８が付属される。プローブ駆動部４は、昇降駆動機構５および多関節アーム機構６を有する。多関節アーム機構６の先端に、プローブ６８が設けられる。

基台２は、図１に示されるように、４本の角棒材２１が長方形の枠形状に組まれて形成される。なお、基台２は、長方形の板材であってもよい。基台２の底面の前部および後部に、帯状で堅牢な底板２２が左右に架け渡される。前後の底板２２の左右それぞれに、移動用のキャスタ２３が合計で４個設けられる。基台２の上面の前寄りに、長方形で堅牢な支持板２４が左右に架け渡される。支持板２４の上面に、高さ調整機構３が設けられる。

高さ調整機構３は、フレーム３１、ガイド機構３３、台形ねじ調整部３４、調整ハンドル３６、およびストッパ３７などで構成されている。フレーム３１は、支持板２４に固定されて上方に延在する。フレーム３１は、水平断面が矩形溝形状であって、後方に開口する。フレーム３１の上部に、上部板３２が水平に架け渡される。

ガイド機構３３は、図１および図３に示されるように、ガイドレール３３１およびガイド部材３３２からなる。ガイドレール３３１は、フレーム３１の左右両側の後面にそれぞれ設けられ、上下方向に延在する。ガイド部材３３２は、プローブ駆動部４の基体５１（詳細後述）の前面の左右両側に、上下２個設けられる。ガイド機構３３の左右それぞれで、上下２個のガイド部材３３２は、ガイドレール３３１に昇降可能に、かつ離脱不能に係合する。これにより、ガイド機構３３は、フレーム３１に対するプローブ駆動部４の全体の昇降動作を案内する。

台形ねじ調整部３４は、図３に示されるように、ねじ軸３４１および昇降ナット３４５からなる。ねじ軸３４１は、フレーム３１の矩形溝形状の内部位置であって、左右方向の中央の位置に配置される。ねじ軸３４１は、上下方向に延在しており、回転可能に支持されている。ねじ軸３４１の外周に、台形雄ねじ３４２が刻まれる。ねじ軸３４１の上部板３２を突き抜けた上端に、従動ギヤ３４３が一体的に回転するように設けられる。昇降ナット３４５は、プローブ駆動部４の基体５１の前面の左右方向の中央に設けられる。昇降ナット３４５に刻まれた台形雌ねじ３４６は、ねじ軸３４１の台形雄ねじ３４２に螺合する。

上部板３２の前寄りに、側面視でクランク形状のハンドル座３５が設けられている。ハンドル座３５は、調整ハンドル３６の回転中心軸を回転可能に支持する。調整ハンドル３６は、回転中心軸の上部から水平方向に延在しており、手動操作されると正回転および逆回転する。調整ハンドル３６の回転中心軸の下部に、駆動ギヤ３６１が一体回転するように設けられている。

駆動ギヤ３６１と、ねじ軸３４１の上端の従動ギヤ３４３との間は、チェーン３６２を用いて回転連結される。駆動ギヤ３６１、従動ギヤ３４３、およびチェーン３６２は、図略の保護カバーで覆われており、防塵性および安全性が確保される。なお、ハンドル座３５の位置を変更して、駆動ギヤ３６１と従動ギヤ３４３とが直接的に噛合する構成としてもよい。さらに、ギヤの歯数差による加減速機能や、中間ギヤ等が設けられてもよい。

調整ハンドル３６が手動操作されたとき、その正回転または逆回転は、駆動ギヤ３６１からチェーン３６２を介して従動ギヤ３４３に伝達される。すると、従動ギヤ３４３およびねじ軸３４１は一体的に回転し、昇降ナット３４５の螺合位置は上昇または下降する。これにより、プローブ駆動部４の全体は、ガイド機構３３に案内されつつ昇降して、その高さが調整される。

ストッパ３７は、調整ハンドル３６とハンドル座３５の間に設けられる。プローブ駆動部４の高さを調整するときに、ストッパ３７は、手動で解除状態に切り換えられる。これにより、調整ハンドル３６の回転動作が許容される。プローブ駆動部４の高さが調整された後に、ストッパ３７は、手動でロック状態に切り換えられる。これにより、調整ハンドル３６の回転動作が禁止される。このようにしてプローブ駆動部４の高さが固定された後に、プローブ６８の操作が行われる。プローブ駆動部４の高さを再調整するときに、ストッパ３７は、再び解除状態に切り換えられて、高さの固定が解除される。

台形ねじ調整部３４は、基台２に対するプローブ駆動部４の高さを調整する高さ調整部に相当する。基台２に対するプローブ駆動部４の高さ調整範囲は、ガイドレール３３１およびねじ軸３４１の長さによって定まる。また、調整ハンドル３６は、台形ねじ調整部３４（高さ調整部）を手動で操作する手動操作部に相当する。ストッパ３７は、台形ねじ調整部３４（高さ調整部）によって調整されたプローブ駆動部４の高さを解除可能に固定する高さ固定部に相当する。

なお、台形雄ねじ３４２および台形雌ねじ３４６に代えて、一般的な三角ねじを用いることができる。さらに、台形ねじ調整部３４に代えて、ボールねじ送り機構やその他の調整機構を用いることができる。本第１実施形態において、台形雄ねじ３４２および台形雌ねじ３４６を含む台形ねじ調整部３４を採用したことにより、三角ねじを用いる構成と比較して螺合の摩擦力が増加するとともに遊び寸法が低減される。したがって、プローブ駆動部４の高さを保持する精度が向上する。換言すると、プローブ駆動部４が動作する際に、振動やがたつき等が抑制される。

プローブ駆動部４を構成する昇降駆動機構５は、プローブ６８とともに多関節アーム機構６の全体を鉛直方向に昇降駆動する。昇降駆動機構５は、基体５１、昇降体５３、ガイド機構５４、およびボールねじ送り機構５５で構成される。基体５１は、前述した高さ調整機構３の後側に配置され、高さ調整機構３によってその高さが調整される。

基体５１は、上下方向に延在しており、水平断面が矩形溝形状であって、後方に開口する。基体５１の高さ方向の中間辺りは、左右方向に拡がる拡幅部５２となっている。拡幅部５２の前面に、前記したガイド部材３３２および昇降ナット３４５が設けられている。昇降体５３は、基体５１よりも低背の概ね矩形板状の部材であり、基体５１の後側に配置される。

ガイド機構５４は、図１および図３に示されるように、ガイドレール５４１およびガイド部材５４２からなる。ガイドレール５４１は、基体５１の左右両側の後面にそれぞれ設けられ、上下方向に延在する。ガイド部材５４２は、昇降体５３の前面の左右両側に、上下２個設けられる。ガイド機構５４の左右それぞれにおいて、上下２個のガイド部材５４２は、ガイドレール５４１に昇降可能に昇降可能に、かつ離脱不能に係合する。これにより、ガイド機構５４は、基体５１に対する昇降体５３の昇降動作を案内する。さらに、補助的に右ガイド部材５４３が設けられる。右ガイド部材５４３は、昇降体５３の右側面から前方に張り出しており、基体５１の右側面を摺動する。

ボールねじ送り機構５５は、ねじ軸５５１、駆動モータ５５２、および昇降ナット５５３からなる。ねじ軸５５１は、基体５１の矩形溝形状の内部位置であって、左右方向の中央の位置に配置される。ねじ軸５５１は、上下方向に延在しており、回転可能に支持されている。ねじ軸５５１の外周に、雄ねじが刻まれる。ねじ軸５５１の下側に、駆動モータ５５２が設けられる。駆動モータ５５２は、制御部８からの指令にしたがい、ねじ軸５５１を回転駆動する。駆動モータ５５２は、正転および逆転の切り換えが可能とされており、これに対応して、ねじ軸５５１は正回転または逆回転する。

昇降ナット５５３は、昇降体５３の前面の左右方向の中央に設けられる。昇降ナット５５３に刻まれた雌ねじは、ボールを介してねじ軸５５１の雄ねじに螺合する。駆動モータ５５２に駆動されてねじ軸５５１が正回転または逆回転すると、昇降ナット５５３の螺合位置が上昇または下降する。これにより、昇降体５３および多関節アーム機構６の全体は、ガイド機構５４に案内されつつ昇降する。基体５１に対する昇降体５３の昇降ストローク長、換言するとプローブ６８の昇降ストローク長は、ガイドレール５４１およびねじ軸５５１の長さによって定まる。以上説明したように、本第１実施形態では、昇降駆動機構５を用いて、プローブ６８を上下方向に駆動する。

プローブ駆動部４を構成する多関節アーム機構６は、プローブ６８の姿勢および水平方向の位置を調整する。多関節アーム機構６は、ベース６１、第１関節軸６２、第１アーム６３、第２関節軸６４、第２アーム６５、姿勢保持軸６６、回転三軸機構６７、およびプローブ６８が記載順に連結されて構成される。ベース６１は、起立した円筒形状の部材であり、昇降体５３の後面に固定されている。

ケーブルをベース６１まで配線するために、複数のケーブルを収容可能な可撓ケーブル保護部６９が設けられる。可撓ケーブル保護部６９は、前方から基体５１の左上方を通り、ベース６１の前面まで達している。可撓ケーブル保護部６９は、昇降体５３の昇降に伴って自在に撓み、ケーブルの断線を防止する。

第１関節軸６２は、ベース６１よりも細い円筒形状の部材であり、ベース６１の上部に自転可能に設けられる。第１アーム６３は、水平方向に延びる四角筒状の部材であり、その基端が第１関節軸６２の上端に固定されている。第１関節軸６２および第１アーム６３は、ベース６１を回転中心にして一体的に回転動作する。第１関節軸６２および第１アーム６３は、制御部８から指令を受けた図略の第１モータによって駆動される。第１アーム６３の先端の上面に、第２関節軸６４が設けられる。

第２関節軸６４は、起立した円筒形状の部材であり、第１アーム６３に自転可能に支持されている。第２アーム６５は、水平方向に延びる円筒形状の部材であり、その基端が第２関節軸６４の円筒面に固定されている。第２関節軸６４および第２アームは、第１アーム６３の先端を回転中心にして一体的に回転動作する。第２関節軸６４および第２アームは、制御部８から指令を受けた図略の第２モータによって駆動される。第２アーム６５の先端に、姿勢保持軸６６が設けられる。第１アーム６３および第２アーム６５の回転動作により、姿勢保持軸６６およびプローブ６８の水平方向の位置が調整される。

姿勢保持軸６６は、起立した円筒形状の部材であり、その円筒面が第２アーム６５に固定されている。姿勢保持軸６６の下側に回転三軸機構６７が設けられる。回転三軸機構６７は、直交する三方向の回転軸、および回転軸ごとに設けられた合計で３個のアクチュエータを備える。回転三軸機構６７は、三方向への回転が可能な先端にプローブ６８を交換可能に備える。制御部８からの指令でアクチュエータが動作すると、プローブ６８の姿勢が調整される。

プローブ６８は、所定の検査または作業を担当するものである。プローブ６８として、医療分野の超音波検査に用いる超音波プローブを例示でき、これに限定されない。プローブ６８への電源供給および検出信号の伝送を行うケーブルは、前述した可撓ケーブル保護部６９、および多関節アーム機構６の構成部材の内部空間を利用して配線される。また、第１モータ、第２モータ、および回転三軸機構６７へ電源供給するケーブルも、プローブ６８と同様、可撓ケーブル保護部６９および構成部材の内部空間を利用して配線される。

光射出マーカー７１は、基体５１の右上端に設けられる。光射出マーカー７１は、後方に向けて水平方向に光を射出する。射出する光にレーザー光を用いることができ、これに限定されない。光の高さを確認することによりプローブ駆動部４の高さを認識できるので、光射出マーカー７１は高さの調整に好適である。光射出マーカー７１は、プローブ駆動部４の高さを表す高さマーカーの一形態である。

制御部８は、プローブ操作装置１の本体と別体に構成され、ケーブルまたは無線通信を用いて本体に接続される。制御部８は、コンピュータ装置を用いて構成され、入力部８１および表示部８２を有する。入力部８１は、医師等の入力操作を受け付ける。表示部８２は、プローブ６８の検出信号を図化して表示したり、図略のセンサにより検出されたプローブ操作装置１の現在状態を表示したりする。制御部８は、入力部８１への入力操作にしたがって、プローブ操作装置１の駆動モータ５５２、第１モータ、第２モータ、回転三軸機構６７、およびプローブ６８に指令を発し、それらの動作を制御する。

２．プローブ操作装置１の使用方法
次に、プローブ操作装置１の使用方法について、図４を参考にして説明する。図示されるように、プローブ操作装置１は、マットレス駆動部９１によりマットレス９２の高さを調整するベッド９と組み合わせて使用される。被検者（患者）が乗るマットレス９２の高さは、検査や診察等を行う医師等の体格に合わせて調整される。「ベッド９の高さを調整する」とは、ベッド９全体を昇降することでなく、マットレス９２の高さを調整することを意味する。ベッド９の高さが調整された後に、プローブ操作装置１のプローブ駆動部４の高さの調整が行われる。

この高さ調整において、まず、プローブ操作装置１の後部がベッド９に向かうように配置される。次に、光射出マーカー７１のスイッチがオン操作される。光射出マーカー７１は、ベッド９に向けて水平方向に光９３を射出し、マットレス９２の表面に輝点９４を投射する。医師等は、輝点９４の位置に基づいて、プローブ駆動部４の高さの良否を判定することができる。

プローブ駆動部４の高さが不適正である場合、医師等は、ストッパ３７を解除状態に切り換えて、調整ハンドル３６を操作する。このとき、輝点９４を視認しながら操作できるので、高さ調整の操作は容易である。プローブ駆動部４の高さが適正になると、医師等は、ストッパ３７をロック状態に切り換えて、プローブ駆動部４の高さを固定する。この後、医師等は、入力部８１への入力操作によりプローブ６８を操作して、検査または作業を行う。

検査または作業が終了した後、プローブ操作装置１は、そのままの状態で保管されてもよいし、プローブ駆動部４が最も低い位置に再調整されてから保管されてもよい。後者の場合、プローブ操作装置１は低背化される。

第１実施形態のプローブ操作装置１では、プローブ駆動部４内でのプローブ６８の昇降ストローク長は、昇降駆動機構５によって定まり、検査や作業に必要な最小限の昇降量とすることができる。そして、検査や作業以外の要因、例えばベッド９の高さの変化に対応するために必要となる高さの調整は、高さ調整機構３によって行われる。さらに、高さ調整機構３によりプローブ駆動部４を低く調整した状態で、プローブ操作装置１を保管することができる。したがって、プローブ６８の昇降ストローク長を小さくして、プローブ操作装置１の低背化を実現することができる。加えて、ベッド９の高さの変化に対応するために昇降駆動機構５を大型化する必要が無いので、装置コストの増加が抑制される。

３．第２実施形態のプローブ操作装置１Ａ
次に、第２実施形態のプローブ操作装置１Ａの構成について、図５を参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。プローブ操作装置１Ａは、高さマーカーとしての光射出マーカー７１を備えず、代わりに目盛り板７２および高さ指示部材７３を備える。プローブ操作装置１Ａの高さマーカー以外の構成は、第１実施形態と同じである。

図５に示されるように、目盛り板７２は、高さ調整機構３のフレーム３１の右側面に設けられる。目盛り板７２は、上下方向に延在しており、プローブ駆動部４の高さを表す複数の目盛りをもつ。一方、高さ指示部材７３は、プローブ駆動部４の基体５１の右側面に設けられており、基体５１と一体的に昇降する。高さ指示部材７３は、横向きの矢印形状に形成されており、目盛り板７２の目盛りを指し示すことにより、プローブ駆動部４の高さを指し示す。

第２実施形態において、医師等は、目盛り板７２および高さ指示部材７３を視認しながら調整ハンドル３６を操作することができ、高さ調整の操作は容易である。また、プローブ６８の昇降ストローク長を小さくして、装置の低背化を実現するという効果も、第１実施形態と同様である。

４．実施形態の応用および変形
なお、高さマーカーとして、第１および第２実施形態と異なる構成、例えばリニアスケールセンサを用いることができる。リニアスケールセンサは、高さ調整機構３のフレーム３１に設けられてプローブ駆動部４の高さを検出するものであり、検出結果が表示部８２に表示される。また、プローブ駆動部４の構成は、第１実施形態で説明した昇降駆動機構５と多関節アーム機構６の組み合わせに限定されず、公知の様々な機構を適用することが可能である。例えば、プローブ駆動部４は、プローブ６８を斜め方向に昇降駆動するものであってもよい。その他にも、第１および第２実施形態は、様々な応用や変形が可能である。

第１および第２実施形態のプローブ操作装置（１、１Ａ）は、医療用に限定されず、検査用プローブを備える非破壊検査装置に利用することが可能であり、さらに、プローブ６８をエンドエフェクタに置き換えて各種の産業用ロボットに利用することが可能である。

１、１Ａ：プローブ操作装置 ２：基台 ３：高さ調整機構 ３１：フレーム ３３：ガイド機構 ３４：台形ねじ調整部 ３４１：ねじ軸 ３４２：台形雄ねじ ３４５：昇降ナット ３４６：台形雌ねじ ３６：調整ハンドル ３７：ストッパ ４：プローブ駆動部 ５：昇降駆動機構 ５１：基体 ５３：昇降体 ５４：ガイド機構 ５５：ボールねじ送り機構 ６：多関節アーム機構 ６８：プローブ ７１：光射出マーカー ７２：目盛り板 ７３：高さ指示部材 ８：制御部 ８１：入力部 ８２：表示部 ９：ベッド ９２：マットレス ９３：光 ９４：輝点

Claims (7)

1. 基台と、
   検査または作業を担当するプローブを少なくとも上下方向に駆動するプローブ駆動部と、
   前記基台に対する前記プローブ駆動部の高さを調整する高さ調整部と、
   前記プローブ駆動部に設けられて前記高さを表す光を射出する光射出マーカーであって、前記検査または前記作業の対象となる被検者が乗る支持台に向けて前記光を射出する前記光射出マーカーと、
   を備えるプローブ操作装置。
2. 前記プローブ駆動部は、前記プローブを鉛直方向に昇降駆動する昇降駆動機構を有する、請求項１に記載のプローブ操作装置。
3. 前記プローブ駆動部は、前記プローブの姿勢および水平方向の位置の少なくとも一方を調整する多関節アーム機構を有する、請求項１または２に記載のプローブ操作装置。
4. 前記高さ調整部は、前記基台および前記プローブ駆動部にそれぞれ設けられた台形ねじが螺合するとともに、螺合位置の変化により前記プローブ駆動部の前記高さを調整する台形ねじ調整部である、請求項１～３のいずれか一項に記載のプローブ操作装置。
5. 前記高さ調整部によって調整された前記プローブ駆動部の前記高さを解除可能に固定する高さ固定部をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のプローブ操作装置。
6. 前記高さ調整部を手動で操作する手動操作部をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のプローブ操作装置。
7. 前記プローブは、医療用プローブであり、
   前記光射出マーカーは、前記被検者が乗るベッドに向けて前記光を射出し、前記ベッドに輝点を投射する、
   請求項１～６のいずれか一項に記載のプローブ操作装置。
   

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