Linear motion mechanism with own weight compensation, operation input device, and surgical operation support system |
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申请号 | JP2012133547 | 申请日 | 2012-06-13 | 公开(公告)号 | JP2013255966A | 公开(公告)日 | 2013-12-26 |
申请人 | Olympus Corp; オリンパス株式会社; | 发明人 | KISHI HIROSUKE; | ||||
摘要 | PROBLEM TO BE SOLVED: To compensate own weight precisely with a simple structure in a mechanism that includes a rotation shaft having an elevation/depression angle and longitudinal motion axes continuing to the rotation shaft.SOLUTION: A linear motion mechanism includes: a first moving body 24 to which a mounting object A is attached; a second moving body 26 provided with a weight 27; and a holding member holding a connection part 29 which couples the first moving body 24 and the second moving body 26 so that the weight 27 moves in a direction component directing an opposite direction to the moving direction of the first moving body 24. The holding member has a rotation shaft 31 capable of rotating the holding member. If M1 represents a mass of the first moving body with the mounting object A attached thereto, M2 a mass of the second moving body, L1 a distance, at the shortest, between an intersection of a line perpendicular to the first moving body 24 drawn from the rotation center of the rotation shaft 31 and the center of gravity of the first moving body 24, and L2 a distance, at the shortest, between an intersection of a line perpendicular to the second moving body 26 drawn from the rotation center of the rotation shaft 31 and the center of gravity of the second moving body 26, then M2=(L1/L2)M1 is satisfied. | ||||||
权利要求 | 取付対象物が取り付けられた第一移動体と、 錘が設けられた第二移動体と、 前記第一移動体の移動方向と反対に向く方向成分を有して前記錘が移動するように前記第一移動体と前記第二移動体とを連結する連結部と、 を保持する保持部材と、 を備え、 前記保持部材は、前記保持部材を回動可能にする回動軸を有し、 前記取付対象物が取り付けられた状態の前記第一移動体の質量をM1、前記第二移動体の質量をM2、前記回動軸の回動中心から前記第一移動体への垂線の交点と前記第一移動体の重心との距離が一番短い時の距離をL1、前記回動軸の回動中心から前記第二移動体への垂線の交点と前記第二移動体の重心との距離が一番短い時の距離をL2、としたときに、M2=(L1/L2)M1を満たす ことを特徴とする自重補償付き直動機構。 請求項1に記載の自重補償付き直動機構であって、 前記第一移動体と前記第二移動体とは、互いに平行であって向きが逆となる方向へと直線移動することを特徴とする自重補償付き直動機構。 請求項1または2に記載の自重補償付き直動機構であって、 前記第一移動体は、前記長さL1方向に延びる第一歯竿を有し、 前記第二移動体は、前記長さL2方向に延びる第二歯竿を有し、 前記連結部は、前記第一歯竿及び前記第二歯竿と噛み合う歯車部を有する ことを特徴とする自重補償付き直動機構。 請求項3に記載の自重補償付き直動機構であって、 前記歯車部は、 前記第一歯竿と噛み合う第一歯車と、 前記第二歯竿と噛み合う第二歯車と、 を有し、 前記第一歯車の半径をd1とし、前記第二歯車の半径をd2としたときに、 M2=(L1/L2)M1=(d1/d2)M1を満たす ことを特徴とする自重補償付き直動機構。 請求項1から4のいずれか一項に記載の自重補償付き直動機構であって、 前記回動中心は、前記保持部材の重心近傍であることを特徴とする自重補償付き直動機構。 請求項1から5の何れか一項に記載の自重補償付き直動機構と、 前記自重補償付き直動機構に連結された基台と、 前記基台に設けられ前記第一移動体の一部が当接可能な当接部と、 前記第一移動体、前記第二移動体、および前記連結部の少なくともいずれかの移動量若しくは位置を検知する相対値方式の検知部と、 を備え、 前記第二移動体が前記当接部に当接した位置関係において前記検知部が初期化される ことを特徴とする操作入力装置。 請求項6に記載の操作入力装置と、 患者に対して手術を行うための術具を有し前記操作入力装置と接続され少なくとも前記検知部において検知された移動量若しくは位置に基づいて動作する動作部と、 を備えることを特徴とする手術支援システム。 |
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说明书全文 | 本発明は、自重補償付き直動機構、操作入力装置、及び手術支援システムに関する。 従来、遠隔操作を行うための装置として、マスタスレーブ方式の遠隔操作装置が知られている。 マスタスレーブ方式の遠隔操作装置は、操作者が操作入力をするための操作入力装置と、操作入力装置からの指令によって動作する動作部とを備えるのが一般的である。 このとき、操作入力装置や動作部の自重を補償して動作時の負荷を軽減する目的で、バネ、アクチュエータ、あるいはカウンターウエイト等を使用することが知られている。 しかしながら、バネを用いて自重を補償する構成では、誤差により設計どおりのバネ定数とならない場合があり精度よく自重を補償できない場合がある。 また、多軸の遠隔操作装置においては、各軸に対して個別に自重補償付き直動機構を構成する必要があり、装置が大型化する傾向がある。 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、仰俯角を有する回転軸とその回転軸に連接した直動軸を有する機構において、簡易な構成で精度よく自重を補償できる自重補償付き直動機構、操作入力装置、及び手術支援システムを提供することである。 上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。 また、前記第一移動体と前記第二移動体とは、互いに平行であって向きが逆となる方向へと直線移動することが好ましい。 また、前記第一移動体は、前記長さL1方向に延びる第一歯竿を有し、前記第二移動体は、前記長さL2方向に延びる第二歯竿を有し、前記連結部は、前記第一歯竿及び前記第二歯竿と噛み合う歯車部を有していてもよい。 また、前記歯車部は、前記第一歯竿と噛み合う第一歯車と、前記第二歯竿と噛み合う第二歯車と、を有し、前記第一歯車の半径をd1とし、前記第二歯車の半径をd2としたときに、M2=(L1/L2)M1=(d1/d2)M1を満たしていてもよい。 本発明の操作入力装置は、本発明の自重補償付き直動機構と、前記自重補償付き直動機構に連結された基台と、前記基台に設けられ前記第一移動体の一部が当接可能な当接部と、前記第一移動体、前記第二移動体、および前記連結部の少なくともいずれかの移動量若しくは位置を検知する相対値方式の検知部と、を備え、前記第一移動体が前記当接部に当接した位置関係において前記検知部が初期化されることを特徴とする操作入力装置である。 本発明の手術支援システムは、本発明の操作入力装置と、患者に対して手術を行うための術具を有し前記操作入力装置と接続され少なくとも前記検知部において検知された移動量若しくは位置に基づいて動作する動作部と、を備えることを特徴とする手術支援システムである。 本発明の自重補償付き直動機構、操作入力装置及び手術支援システムによれば、簡易な構成で精度良く自重を補償することができる。 (第1実施形態) 図1に示すように、手術支援システム1は、マスタスレーブ方式の手術支援システムであって、マスタ操作入力装置2(操作入力装置)と、スレーブマニピュレータ50(動作部)と、制御部52とを備える。 マスタ操作入力装置2は、操作者Opの動きをスレーブマニピュレータ50に伝達するマスタとして機能するものであって、表示部3と操作部4とを備える。 表示部3は、図示しないカメラによって撮影される患者Pの術部及びその近傍の映像を表示するものである。 表示部3としては、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの公知のディスプレイ装置を適宜選択して採用することができる。 図1に示すように、操作部4は、制御部52と通信可能に接続されており、操作者Opが表示部3を見ながら操作できるように表示部3の前側に配置されている。 図示してしないが、本実施形態では、操作部4は、操作者Opの右手側と左手側とにそれぞれ設けられている。 操作部4は、グリップ部40を操作者Opが把持して位置姿勢情報を入力するもので、一般的に6自由度を有していることが望ましい。 なお、位置情報を入力するだけであれば、操作部4は、3自由度でも構わない。 第一関節6は、水平方向に延びる回転軸回りに基台5に対して第一アーム8を回転可能とする関節である。 図2及び図3に示すように、また、第一関節6及び第二関節9には、各関節の回転時に若干の抵抗を付与するブレーキ7,10が設けられている。 例えば、図3に示すように、第二関節9に設けられたブレーキ10は、第一アーム8に固定された第一の押圧板8aと、保持部材21に固定された第二の押圧板11aとを有し、第一の押圧板8aと第二の押圧板11aとがフェルトやゴム等のパッドXを介して接して摺動抵抗を発生させるようになっている。 第二関節9に設けられたブレーキ10も、第一関節6に設けられたブレーキ7と同様の原理にて摺動抵抗がかかるようになっている。 なお、各ブレーキ7,10は、摺動抵抗の大きさを調整できるようになっていてもよい。 図4に示すように、保持部材21は、第二関節9と第四関節12との間の距離を変化させる第三関節11を備えている。 第三関節11は、第一移動体24と、第二移動体26と、連結部29とを備えている。 保持部材21は、第二関節9を介して第一アーム8と連結された中空部材であり、第一移動体24及び第二移動体26の一部、並びに連結部29が内部に配されている。 また、保持部材21内には、第一移動体24を進退自在に保持する第一ガイド22と、第二移動体26を進退自在に保持する第二ガイド23とが設けられている。 本実施形態では、第一ガイド22と第二ガイド23とは、ともに保持部材21の内面に固定されている。 また、第一ガイド22と第二ガイド23とは互いに平行に配されている。 第一移動体24は、棒状に形成されており、保持部材21から一端が突出された状態で設けられている。 第一移動体24の突出端には上述の第四関節12が取り付けられている。 第二アーム13からグリップ部40に至るまでの各構成要素(図2参照)が、本実施形態において第一移動体24に取り付けられる取付対象物Aである。 第二移動体26は、棒状に形成されており、第一移動体24と平行に配されている。 第二移動体26には、所定の質量を有する錘27が固定されている。 錘27は、取付対象物Aに対するカウンターウエイトである。 第二移動体26は、第二移動体26の長さ方向に延びるラック28(第二歯竿)を有している。 連結部29は、第一移動体24の移動方向と反対に向く方向成分を有して錘27が移動するように第一移動体24と第二移動体26とを連結する。 本実施形態の連結部29は、第一移動体24のラックに噛み合い、且つ第二移動体26のラックに噛み合うピニオン30(歯車部)と、ピニオン30を回転自在に支持する軸体31とを備える。 ピニオン30は、軸体31によって保持部材21に支持されている。 すなわち、本実施形態では、第一移動体24と第二移動体26と連結部29は、平行軸の歯車を有して構成されている。 このように第一移動体24と第二移動体26とがピニオン30を介して連結されているので、第一移動体24と第二移動体26とは、互いに平行であって向きが逆となる方向へと直線移動する。 本実施形態では、第一移動体24の直線移動量の絶対値と第二移動体26の直線移動量の絶対値は等しい。 図5は、保持部材21に設けられた第三関節11の模式図である。 本実施形態では、直動機構20には、必要に応じて、第一移動体24の進退移動に若干の抵抗を付与するブレーキが設けられていてもよい。 ブレーキは、例えば、保持部材21(図4参照)若しくは第一ガイド22と第一移動体24との間に摺動抵抗を発生させるブレーキ、ピニオン30と軸体31との間に摺動抵抗を発生させるブレーキ、保持部材21若しくは第二ガイド23と第二移動体26との間に摺動抵抗を発生させるブレーキ、あるいは第一移動体24と第二移動体26との間に摺動抵抗を発生させるブレーキ、スリップクラッチなどを適宜選択して採用することができる。 これにより、力のモーメントN1、N2のバランスが若干ずれていても、誤差を吸収できる。 図1及び図2に示すように、グリップ部40は、操作者Opが把持する把持部41と、後述する術具51の操作に用いる開閉スイッチ部42とを有する。 開閉スイッチ部42は、例えば術具51として鉗子が取り付けられた場合に鉗子片を開閉させたり、術具51として高周波ナイフが取り付けられた場合に通電制御をしたりするなど、術具に対応した操作入力がなされる。 また、操作部4には、各関節及び第三関節11の移動量及び位置を検出するためのセンサーが取り付けられている。 例えば、図4に示すように、第一関節6には、基台5に対する第一アーム8の回転量を検出するためのエンコーダ6aが設けられている。 また、第三関節11には、保持部材21に対する第一移動体24の移動量を検出するためのエンコーダ20aが設けられている。 図1に示すように、スレーブマニピュレータ50は、制御部52を介してマスタ操作入力装置2と接続され、少なくとも操作部4に設けられた各エンコーダ(例えば図4に示すエンコーダ6a、20a)において検知された移動量若しくは位置に基づいて動作する。 スレーブマニピュレータ50は、マスタ操作入力装置2における操作に従って動作する術具51を備えている。 術具51は、例えば内視鏡、内視鏡用処置具、その他患者Pに対して手術を行なうための医療機器あるいは医療器具等を必要に応じて適宜選択して採用することができる。 図1に示すように、制御部52は、マスタ操作入力装置2に設けられたマスタ側制御部52a及びスレーブマニピュレータ50に設けられたスレーブ側制御部52bを有している。 次に、本実施形態の第三関節11、マスタ操作入力装置2及び手術支援システム1の作用について説明する。 以上説明したように、本実施形態の自重補償付き直動機構、操作入力装置、及び手術支援システム1によれば、第二関節9の位置によらず、第三関節11において第一移動体24が直動位置にもよらず、力のモーメントがつりあった状態が維持される。 さらに、第二関節9回りの回転と直動機構20の伸縮との両方に対して1つの錘27でバランスを取ることができるので、構成が簡易なものとなっており、精度良く自重を補償可能でありながら操作入力装置を小型軽量とすることができる。 また、第一移動体24と第二移動体26とが互いに平行であって向きが逆となる方向へ直線移動するので、第一移動体24と第二移動体26との移動時に第一移動体24と第二移動体26とが干渉しない。 また、第一移動体24と第二移動体26と連結部29とによって所謂ラックアンドピニオン機構が構成されているので、第一移動体24の移動が確実に第二移動体26へと伝達され、精度良く自重が補償される。 (変形例) M1 g sinφ d1=M2 g sinφ d2・・・(式1) 上記式1、2より、第二移動体26に取り付けられる錘27の質量は、M2=(L1/L2)M1=(d1/d2)M1を満たしていればよい。 (第2実施形態) 本実施形態では、第1実施形態で説明した絶対値型の位置姿勢検知部53に代えて、相対値型の移動量検知部53Aを備えている。 すなわち、第三関節11に設けられたエンコーダ6a、20aを移動量検知部53Aが参照することにより、移動量検知部53Aの初期化時を基準とした移動量が検知される。 なお、第一移動体24、第二移動体26、及び連結部29は互いに連結されているので、移動量検知部53Aは、エンコーダ20aを用いて第一移動体24の移動量を直接検知するものでなくてもよい。 例えば、第二移動体26や連結部29の移動量を検知するエンコーダを用いていてもよい。 このような構成であると、第一移動体24の突出端24aが当接部5aに接している状態では、基台5と直動機構20との相対位置、つまり第一関節6及び第二関節9の関節値、及び第三関節11における第一移動体24の位置が一意に定まる。 第一移動体24が当接部5aに当接した位置関係において移動量検知部53Aが初期化されると、第一移動体24が当接部5aに当接した位置関係を原点として移動量検知部53Aにより第三関節11の姿勢及び伸縮量を算出することができる。 (変形例) 以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 1 手術支援システム 2,2A 操作入力装置 3 表示部 4 操作部 5 基台 5a 当接部 6 第一関節 7 ブレーキ 8 第一アーム 9 第二関節 10 ブレーキ 11 第三関節 12 第四関節 13 第二アーム 14 第五関節 15 第三アーム 16 第六関節 20 直動機構 21 保持部材 22 第一ガイド 23 第二ガイド 24 第一移動体 25 ラック(第一歯竿) |