位置決めユニット及びこれを用いた位置決めアーム
例えば内視鏡を用いた外科手術において、手術用具を挿入するために人体に開設した穴を押し拡げることなく、かかる手術用具の先端を体内において処置が必要な部位へ位置決めするユニットを提供する。このユニットは手術用具等の可動部材に対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられた第１及び第２の出力軸と、この第１の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、前記第２の出力軸に対しては第１の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段とから構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、可動部材の配設角度を変更すると共に、その先端を所定の位置に位置決めするための位置決めユニットに関するものであり、例えば、内視鏡を用いた外科手術に使用される手術用具を保持すると共に、人体内に差し入れられた前記手術用具の先端を処置部位に対して位置決めする用途に用いられる。
【背景技術】
近年、人体に対する医療外科手術としては、内視鏡と呼ばれるビデオカメラを体内に挿入し、この内視鏡によって映し出される体内映像を頼りに、開腹することなく手術を行う所謂内視鏡術が拡大してきている。この内視鏡術は、例えば患者の腹部に数ｃｍ程度の穴を数箇所設け、この穴から内視鏡と鉗子、レーザメス等の処置具を腹腔内に挿入し、腹腔内の問題箇所に対して外科的治療を施すものであり、患者の腹部を開腹して外科的治療を施す場合と比較して人体のダメージが小さく、術後、患者が早期に社会復帰をなし得ることから、近年急速に普及しつつある。
このような内視鏡術を行うためには、数ｃｍ程度の穴から人体に挿入することができ、しかも人体内では外科医の手に変わって処置作業を行い得る手術用具が必要となる。従来、この種の手術用具としては、特開平７−１９４６０８号公報に開示されるように、体内に挿入されるパイプ部の先端に開閉自在な腕部を設け、体内において前記腕部を開閉させて体組織を押さえる、引っ張る等の処置を行うものが知られている。また、特開平７−１３６１７３号公報には、体内に挿入したパイプ部の先端が人間の手首と同様に前後に屈曲するように構成された手術用マニュピュレータが開示されている。
一方、内視鏡術においては、人体内に挿入した内視鏡を用いて患部を捜索し、また、かかる患部に対して人体内に挿入したレーザメスや鉗子等の手術用具をアプローチさせる必要があることから、人体内において手術用具の先端を縦横に動かす必要が生じる。しかし、内視鏡術は患者の皮膚や筋肉を切開して形成した数ｃｍ程度の穴から手術用具を挿入しており、かかる穴を拡大することは許されない。従って、人体内において手術用具の先端を走査して患部を処置するためには、皮膚組織に形成した穴を中心として手術用具の配設角度を変更し、それによって手術用具の先端を縦横に動かすことが必要となる。
また、内視鏡術は開腹して行う通常の手術と比較すると、施術する医者にある程度の熟練が必要とされ、専門医でないと施術が困難であり、患者にしてみれば、かかる専門医を抱える限られた病院でしか内視鏡術を受けることができないといった実態がある。しかし、内視鏡術はモニタに映し出される体内映像を見ながら手術用具を操って行う手術であり、内視鏡で捉えた映像は電話回線を介して遠方に送信することが可能であるため、手術用具を遠隔操作で適切に動かすことができれば、遠方の専門医が内視鏡術を施術することも可能であり、専門医が不在の地方都市等においても治療方法として内視鏡術を選択することが可能となって有益である。
【発明の開示】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、例えば内視鏡を用いた外科手術において、手術用具を挿入するために人体に開設した穴を押し拡げることなく、かかる手術用具の先端を体内において処置が必要な部位へ位置決めすることが可能であり、しかもそのような手術用具の位置決め動作を遠隔操作によって実現することが可能な位置決めユニットを提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の位置決めユニットは、先端が手術用具等の可動部材に対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられた第１及び第２の出力軸と、この第１の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、前記第２の出力軸に対しては第１の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段とから構成されている。
このように、互いに平行に配置された第１の出力軸及び第２の出力軸の先端に可動部材を枢動自在に接続してリンク機構を構成し、これら第１及び第２の出力軸に対して別々の進退量を与えると、かかる進退量に応じて可動部材の配設角度が変更され、かかる可動部材の先端を位置決めすることが可能となる。このとき、第２の出力軸に対して常に第１の出力軸の進退量と一定比率の進退量を与えるようにすると、三角形の相似則との関係から、可動部材は常に一点を中心として配設角度が変更されることになる。このため、前記可動部材として鉗子等の手術用具を用いた場合を考慮すると、かかる手術用具を本発明の位置決めユニットで保持するに当たり、配設角度を変更する際の中心点が人体を切開して形成した挿入口と重なるようにすれば、譬え手術用具の配設角度を変更しても、手術用具が前記挿入口を押し拡げることなく、かかる手術用具の先端を体内において処置が必要な部位へ位置決めすることができる。従って、手術用具を術者の手を介することなく取り扱うことが可能となり、手術用具の位置決め動作を遠隔操作によって実現することも可能となる。
また、本発明の位置決めユニットは可動部材の配設角度を一方向へ向けて連続的に変化させるものであり、可動部材の先端は直線状にのみ移動することになるが、２基の位置決めユニットを直列的につなぎ合わせて位置決めアームを構成することにより、可動部材の先端を縦横に移動させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の位置決めユニットを用いて行われ内視鏡術の様子を示す概略図である。
図２は本発明を適用した位置決めユニットの外観を示す斜視図である。
図３は図２に示した位置決めユニットの内部構造を示す斜視図である。
図４は実施例に係る接続部の他の例を示す斜視図である。
図５は図２に示した位置決めユニットの内部構造を示す断面図である。
図６は第１及び第２出力軸の進退比と手術用具の配設角度との関係を示す図である。
図７はラック及びピニオンギヤを用いた出力軸の進退機構を示す概略図である。
図８は第１ユニットと第２ユニットとの接続状態を示す平面図である。
図９は本発明の位置決めユニットを用いた部品排出装置の概略構成を示す図である。
図１０は図９に示した部品排出装置の動作状態を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…手術用具、１１…ロッド、２０…第１ユニット、２１…第１出力軸、２２…第２出力軸、２１ａ，２２ａ…雄ねじ溝、２３…ケーシング、２４…第１ボールねじナット、２５…第２ボールねじナット、３０…第２ユニット、５０…中空モータ、Ｐ…患者
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の位置決めユニットを詳細に説明する。
図１は本発明の位置決めユニットを用いて鉗子やレーザメス等の手術用具を保持し、かかる位置決めユニットで手術用具を操作しながら内視鏡術を行う様子を示す図である。この内視鏡術は、施術対象である患者Ｐの皮膚数カ所を２〜３ｃｍ程度切開すると共に、これら切開によって形成された個々の挿入口からビデオスコープである内視鏡１０ａや、鉗子１０ｂ、レーザメス１０ｃといった手術用具１０の先端を人体内に挿入して行われ、術者は内視鏡１０ａが撮影した人体内患部の映像をテレビモニタで観察し、その観察結果を基に、他の手術用具１０ｂ，１０ｃを操作して、患部を摘む、押える、切除する等の適当な処置を行うものである。
この図１に示す例において、各手術用具１０は人体内に挿入されるロッド１１を備えると共に、このロッド１１の先端には各手術用具毎にその用途に応じた機構部１２を備えており、また、ロッド１１の後端には前記機構部１２を動かすための駆動部１３が備えられている。
一方、各手術用具１０は本発明を適用した位置決めユニットによって保持されている。各手術用具１０の駆動部１３を収容するケーシングには第１ユニット２０が接続される一方、この第１ユニット２０には第２ユニット３０が接続され、これら第１及び第２ユニット２０，３０が手術用具１０を縦横に動かす位置決めアーム１を構成している。更に、第２ユニット３０は天井に固定された自在腕２によって保持されており、第１ユニット２０及び第２ユニット３０を患者Ｐに対して所定の高さ、所定の位置に固定することができるようになっている。
図２は前記第１ユニット２０の外観を示すものであり、また、図３はその内部構造を示すものである。この位置決めユニット２０は互いに平行に配設された第１出力軸２１と第２出力軸２２とを備え、各出力軸２１，２２が互いに連動しながらケーシング２３から進退するように構成されている。各出力軸２１，２２の先端には手術用具１０のケーシングに枢支される接続部４０が設けられており、手術用具１０が一点鎖線で示す軸Ｐ，Ｑを中心として揺動し得るように保持されている。尚、前記接続部４０の構造としては、図２の第１出力軸２１の先端に描かれたものであっても差し支えないし、第２出力軸２２の先端に描かれた比較的コンパクトな構造のものであっても差し支えない。また、第１出力軸２１と第２出力軸２２とを進退させて手術用具１０に適当な配設角度を与えた場合に、第１出力軸２１の先端の回転軸Ｐと第２出力軸２２の先端の回転軸Ｑとの距離Ｌが変動することを考慮に入れれば、図４に示すように、かかる変動を吸収するリニアベアリング４１を介して接続部４０を設けるようにしても良い。
図３に示すように、前記第１出力軸２１及び第２出力軸２２には螺旋状の雄ねじ溝２１ａ，２２ａが形成されており、第１出力軸２１の雄ねじ溝２１ａには無限循環する多数のボールを介して第１ボールねじナット２４が、第２出力軸２２の雄ねじ溝２２ａには同様にして第２ボールねじナット２５が夫々螺合している。図５に断面図を示すように、第１出力軸２１に螺合した第１ボールねじナット２４は中空モータ５０内に収容されている。この中空モータ５０は、位置決めユニット２０のケーシング２３に固定されたモータハウジング５１と、このモータハウジング５１に固定されたモータステータ５２と、ベアリング５３を介して前記モータハウジング５１に対して回転自在に支承された略円筒状のモータロータ５４とから構成されており、前記第１出力軸２１がモータロータ５４の中空部内を貫通すると共に、前記第１ボールねじナット２４はモータロータ５４の内周面に嵌合している。従って、モータステータ５２を励起してモータロータ５４を回転させると、このモータロータ５４に固定された第１ボールねじナット２４が回転する。第１出力軸２１はその先端が手術用具１０に固定されていて、それ自体は回転不能なので、モータロータ５４の回転によって第１ボールねじナット２４が回転すると、その回転数に応じて第１出力軸２１が進退することになる。
一方、第２ボールねじナット２５に対しては独立のモータが設けられておらず、かかる第２ボールねじナット２５は第１ボールねじナット２４から動力を伝達されて回転するようになっている。第１ボールねじナット２４の端部にはプーリ２６が固定される一方、第２ボールねじナット２５の端部にもプーリ２７が固定されており、これらのプーリ２６，２７にはタイミングベルト２８がかけ回されている。従って、第１ボールねじナット２４が中空モータ５０によって回転駆動されると、同一の回転数で第２ボールねじナット２５も回転するようになっている。第２出力軸２２はその先端が手術用具１０に固定されていて、それ自体は回転不能なので、このようにして第２ボールねじナット２５が回転すると、その回転数に応じて第２出力軸２２が進退することになる。尚、第２ボールねじナット２５はサポートベアリング２９を介して位置決めユニットのケーシング２３に支承されている。また、図３及び図５に示されるように、第１出力軸２１及び第２出力軸２２のジャーナル部は樹脂製の軸受スリーブ３１によって位置決めユニット２０のケーシング２３に支承されている。
この実施例において、第２出力軸２２に形成された螺旋状の雄ねじ溝２２ａは第１出力軸２１に形成された螺旋状の雄ねじ溝２２ａに対して２倍のリードで形成されている。このため、中空モータ５０が回転して第１出力軸２１が進退すると、第２出力軸２２は常に第１出力軸２１の２倍の進退量で進退することになる。これにより、図６に示すように、第１出力軸２１及び第２出力軸２２の先端に枢動自在に取り付けられた手術用具１０はその配設角度が変更され、かかる手術用具１０の先端に位置する機構部１２を患部に対して位置決めすることが可能となる。
このとき、手術用具１０のロッド１１は一点を中心としてその配設角度を変更することになる。かかる中心点Ｏは第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退量の比率に応じた位置に生じる。実施例の如く、第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比が１：２であれば、第１出力軸２１と第２出力軸２２との間隔をｄとした場合、前記中心点Ｏは第１出力軸２１と手術用具１０を接続する枢軸Ｑから距離ｄの位置に生じる（図６参照）。これは三角形の相似則によるものであり、進退比が１：２であれば、線分ＯＱ：線分ＯＰ＝１：２となる点Ｏを中心として手術用具１０のロッド１１の配設角度が変わるのである。従って、第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比が常に一定であれば、必ずロッド１１の配設角度の変化の中心となる点Ｏが存在することになる。
第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比を一定にするためには、前述の如く第１出力軸２１の雄ねじ溝２１ａのリードを第２出力軸２２の雄ねじ溝２２ａのリードと異なるものにすれば良い。また、リードを同一のものにし、第１ボールねじナット２４の回転数と第２ボールねじナット２５の回転数との間に一定の比率を与えるようにしても良い。タイミングベルトを用いて第１ボールねじナットから第２ボールねじナットへ回転動力を伝達する際に、プーリに形成されている歯数を異ならせれば、そのような回転数比を容易に与えることができる。
そして、中心点Ｏが患者Ｐを切開して形成した挿入口に合致するよう、前記自在腕２を用いて第１ユニット２０の高さを調節すれば、第１ユニット２０を用いて手術用具１０の配設角度を変更しても、手術用具１０のロッド１１が患者Ｐに形成した挿入口を押し拡げてしまうことがなく、挿入口周辺の皮膚組織等にダメージを与えることなく手術用具１０の先端の機構部１２を人体内の患部に対して位置決めすることができるものである。
尚、前記第１ユニット２０において第１出力軸２１及び第２出力軸２２を進退させるための構成としては、前述のボールねじナットと雄ねじ溝の組み合わせに限らず、例えば、図７に示すように、各出力軸２１，２２に形成したラックとピニオンギヤとの組み合わせであっても差し支えない。この場合、第１出力軸２１に形成したラック６０と噛み合う第１ピニオンギヤ６１を設ける一方、第２出力軸２２に形成したラック６２と噛み合う第２ピニオン６３を設け、いずれか一方のピニオンギヤをモータで回転させると共に、このピニオンギヤから他方のピニオンギヤへ回転動力を分配するように構成する。第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比は、第１ピニオンギヤ６１と第２ピニオンギヤ６２の回転数を同一とし、各出力軸２１，２２に形成されたラック６０，６２の基準ピッチを異ならせるようにしても良いし、両ラック６０，６２の基準ピッチを同一とし、第１ピニオンギヤ６１と第２ピニオンギヤ６３の回転数を異ならせるようにしても良い。
また、図３及び図５に示した第１ユニット２０の例では、第１ボールねじナット２４に対してのみ中空モータ５０を設け、この中空モータ５０の動力を第２ボールねじナット２５へ分配するように構成したが、第２ボールねじナット２５に対しても個別にモータを設けるようにして差し支えない。その場合、第１ボールねじナット２４を駆動するモータと第２ボールねじナット２５を駆動するモータは、常に第２出力軸２２の進退量及び進退速度が第１出力軸２１の進退量及び進退速度に対して一定の比率を有するように制御しなければならない。
一方、前記第２ユニット３０も前記第１ユニット２０と全く同一の構造を有しており、互いに平行に配設された第３出力軸６４及び第４出力軸６５を一定の進退比で進退させることができるように構成されている。図８は手術用具と、第１ユニット及び第２ユニットの接続状態を示す平面図である。この図に示されるように、第２ユニット３０の各出力軸６４，６５は第１ユニット２０のケーシングと接続部４０を介して枢動自在に連結されているが、かかる連結状態において、第２ユニット３０の各出力軸６４，６５は第１ユニット２０の各出力軸２１，２２と常に直交している。すなわち、第１ユニット２０の第１出力軸２１及び第２出力軸２２を含む平面が第２ユニット３０の第３出力軸６４及び第４出力軸６５を含む平面と常に直交しているのである。第１ユニット２０の各出力軸２１，２２を進退させると、手術用具１０のロッド１１は図８中の矢線Ｘ方向に沿って配設角度を変化させるが、前述したような連結状態で第２ユニット３０の各出力軸６４，６５を進退させると、手術用具１０のロッド１１はＸ方向と直交するＹ方向に沿って配設角度を変化させることになる。従って、第１ユニット及び第２ユニットを連結して図８に示すような位置決めアームを構成すれば、第１ユニットによって保持した手術用具のロッドに対してＸ方向及びＹ方向の動きを与えることができ、かかるロッド先端に設けられた機構部を人体内において縦横に位置決めすることが可能となる。
つまり、第１ユニット及び第２ユニットのモータに対して任意の回転量を与えることにより、手術用具の先端に位置して人体内に挿入された機構部を処置すべき患部に対して自在に位置決めすることが可能となり、内視鏡が撮影した映像を観察しながら第１ユニット及び第２ユニットのモータを制御することで、遠隔地の専門医が内視鏡術を施術することも可能となるものである。
図９及び図１０は本発明の位置決めユニットを他の用途、具体的には、自動車のボディ部品等の如く加工済みの機械部品８０を治具８１から取り外すと共に、これを排出するための部品排出装置に適用した例を示している。
この部品排出装置７０は、表面が滑らかな板状に形成されると共に加工がなされた機械部品を下方から持ち上げる可動部材としてのシュート７１と、このシュート７１の一端を揺動中心としてその配設角度を変更するアクチュエータユニット７２とから構成されている。かかるアクチュエータユニット７２として図２に示した第１ユニット２０と同じものが使用されており、その第１出力軸２１及び第２出力軸２２の先端はシュート７１の裏面に対して枢支されている。機械部品８０は治具８１によって位置決めされた状態で加工がなされるが、この加工中において、前記シュート７１は図９に示す待機位置、すなわち機械部品８０の下方に設定されている。加工が終了すると、前記機械部品８０を治具８１から取り外して排出するため、アクチュエータユニット７２に内蔵された中空モータ５０が回転を開始し、第１出力軸２１及び第２出力軸２２がケーシング２３から進出する。これにより、図１０に示すように、前記シュート７１は上方へ持ち上げられ、加工済みの機械部品８０は治具８１から取り外される。また、第１出力軸２１及び第２出力軸２２は中空モータ５０が回転した際の進出量が異なるため、前記シュート７１は上方への上昇と同時にその配設角度が変更され、機械部品８０はシュート７１上を滑り落ちるようにして治具から排出される。
このとき、前記アクチュエータユニット７２として本発明の位置決めユニットを用いれば、前記シュート７１はその一端を揺動中心として配設角度を変更させることができ、待機位置に設定されたシュート７１に隣接してベルトコンベヤ等の搬送装置を設けておけば、シュート７１から滑り落ちるようにして治具８１から排出された機械部品８０を円滑に搬送装置に乗り移らせることが可能となる。従って、本発明の位置決めユニットは産業用ロボット等における各種アクチュエータとしても有用である。
【産業上の利用可能性】
以上説明してきたように、本発明の位置決めユニットによれば、互いに平行に配置された第１の出力軸及び第２の出力軸の先端に可動部材を枢動自在に接続してリンク機構を構成すると共に、第２の出力軸に対して常に第１の出力軸の進退量と一定比率の進退量を与え、可動部材の配設角度が常に一点を中心として変化するように構成したので、例えば前記可動部材として手術用具を保持した場合に、かかる手術用具の配設角度を変更しても、手術用具が人体を切開して形成した挿入口を押し拡げることがなく、かかる手術用具の先端を体内において処置が必要な部位へ遠隔操作で位置決めすることが可能となる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【技術分野】
本発明は、可動部材の配設角度を変更すると共に、その先端を所定の位置に位置決めするための位置決めユニットに関するものであり、例えば、内視鏡を用いた外科手術に使用される手術用具を保持すると共に、人体内に差し入れられた前記手術用具の先端を処置部位に対して位置決めする用途に用いられる。
【背景技術】
近年、人体に対する医療外科手術としては、内視鏡と呼ばれるビデオカメラを体内に挿入し、この内視鏡によって映し出される体内映像を頼りに、開腹することなく手術を行う所謂内視鏡術が拡大してきている。この内視鏡術は、例えば患者の腹部に数ｃｍ程度の穴を数箇所設け、この穴から内視鏡と鉗子、レーザメス等の処置具を腹腔内に挿入し、腹腔内の問題箇所に対して外科的治療を施すものであり、患者の腹部を開腹して外科的治療を施す場合と比較して人体のダメージが小さく、術後、患者が早期に社会復帰をなし得ることから、近年急速に普及しつつある。
このような内視鏡術を行うためには、数ｃｍ程度の穴から人体に挿入することができ、しかも人体内では外科医の手に変わって処置作業を行い得る手術用具が必要となる。従来、この種の手術用具としては、特開平７−１９４６０８号公報に開示されるように、体内に挿入されるパイプ部の先端に開閉自在な腕部を設け、体内において前記腕部を開閉させて体組織を押さえる、引っ張る等の処置を行うものが知られている。また、特開平７−１３６１７３号公報には、体内に挿入したパイプ部の先端が人間の手首と同様に前後に屈曲するように構成された手術用マニュピュレータが開示されている。
一方、内視鏡術においては、人体内に挿入した内視鏡を用いて患部を捜索し、また、かかる患部に対して人体内に挿入したレーザメスや鉗子等の手術用具をアプローチさせる必要があることから、人体内において手術用具の先端を縦横に動かす必要が生じる。しかし、内視鏡術は患者の皮膚や筋肉を切開して形成した数ｃｍ程度の穴から手術用具を挿入しており、かかる穴を拡大することは許されない。従って、人体内において手術用具の先端を走査して患部を処置するためには、皮膚組織に形成した穴を中心として手術用具の配設角度を変更し、それによって手術用具の先端を縦横に動かすことが必要となる。
また、内視鏡術は開腹して行う通常の手術と比較すると、施術する医者にある程度の熟練が必要とされ、専門医でないと施術が困難であり、患者にしてみれば、かかる専門医を抱える限られた病院でしか内視鏡術を受けることができないといった実態がある。しかし、内視鏡術はモニタに映し出される体内映像を見ながら手術用具を操って行う手術であり、内視鏡で捉えた映像は電話回線を介して遠方に送信することが可能であるため、手術用具を遠隔操作で適切に動かすことができれば、遠方の専門医が内視鏡術を施術することも可能であり、専門医が不在の地方都市等においても治療方法として内視鏡術を選択することが可能となって有益である。
【発明の開示】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、例えば内視鏡を用いた外科手術において、手術用具を挿入するために人体に開設した穴を押し拡げることなく、かかる手術用具の先端を体内において処置が必要な部位へ位置決めすることが可能であり、しかもそのような手術用具の位置決め動作を遠隔操作によって実現することが可能な位置決めユニットを提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の位置決めユニットは、先端が手術用具等の可動部材に対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられた第１及び第２の出力軸と、この第１の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、前記第２の出力軸に対しては第１の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段とから構成されている。
このように、互いに平行に配置された第１の出力軸及び第２の出力軸の先端に可動部材を枢動自在に接続してリンク機構を構成し、これら第１及び第２の出力軸に対して別々の進退量を与えると、かかる進退量に応じて可動部材の配設角度が変更され、かかる可動部材の先端を位置決めすることが可能となる。このとき、第２の出力軸に対して常に第１の出力軸の進退量と一定比率の進退量を与えるようにすると、三角形の相似則との関係から、可動部材は常に一点を中心として配設角度が変更されることになる。このため、前記可動部材として鉗子等の手術用具を用いた場合を考慮すると、かかる手術用具を本発明の位置決めユニットで保持するに当たり、配設角度を変更する際の中心点が人体を切開して形成した挿入口と重なるようにすれば、譬え手術用具の配設角度を変更しても、手術用具が前記挿入口を押し拡げることなく、かかる手術用具の先端を体内において処置が必要な部位へ位置決めすることができる。従って、手術用具を術者の手を介することなく取り扱うことが可能となり、手術用具の位置決め動作を遠隔操作によって実現することも可能となる。
また、本発明の位置決めユニットは可動部材の配設角度を一方向へ向けて連続的に変化させるものであり、可動部材の先端は直線状にのみ移動することになるが、２基の位置決めユニットを直列的につなぎ合わせて位置決めアームを構成することにより、可動部材の先端を縦横に移動させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の位置決めユニットを用いて行われ内視鏡術の様子を示す概略図である。
図２は本発明を適用した位置決めユニットの外観を示す斜視図である。
図３は図２に示した位置決めユニットの内部構造を示す斜視図である。
図４は実施例に係る接続部の他の例を示す斜視図である。
図５は図２に示した位置決めユニットの内部構造を示す断面図である。
図６は第１及び第２出力軸の進退比と手術用具の配設角度との関係を示す図である。
図７はラック及びピニオンギヤを用いた出力軸の進退機構を示す概略図である。
図８は第１ユニットと第２ユニットとの接続状態を示す平面図である。
図９は本発明の位置決めユニットを用いた部品排出装置の概略構成を示す図である。
図１０は図９に示した部品排出装置の動作状態を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…手術用具、１１…ロッド、２０…第１ユニット、２１…第１出力軸、２２…第２出力軸、２１ａ，２２ａ…雄ねじ溝、２３…ケーシング、２４…第１ボールねじナット、２５…第２ボールねじナット、３０…第２ユニット、５０…中空モータ、Ｐ…患者
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の位置決めユニットを詳細に説明する。
図１は本発明の位置決めユニットを用いて鉗子やレーザメス等の手術用具を保持し、かかる位置決めユニットで手術用具を操作しながら内視鏡術を行う様子を示す図である。この内視鏡術は、施術対象である患者Ｐの皮膚数カ所を２〜３ｃｍ程度切開すると共に、これら切開によって形成された個々の挿入口からビデオスコープである内視鏡１０ａや、鉗子１０ｂ、レーザメス１０ｃといった手術用具１０の先端を人体内に挿入して行われ、術者は内視鏡１０ａが撮影した人体内患部の映像をテレビモニタで観察し、その観察結果を基に、他の手術用具１０ｂ，１０ｃを操作して、患部を摘む、押える、切除する等の適当な処置を行うものである。
この図１に示す例において、各手術用具１０は人体内に挿入されるロッド１１を備えると共に、このロッド１１の先端には各手術用具毎にその用途に応じた機構部１２を備えており、また、ロッド１１の後端には前記機構部１２を動かすための駆動部１３が備えられている。
一方、各手術用具１０は本発明を適用した位置決めユニットによって保持されている。各手術用具１０の駆動部１３を収容するケーシングには第１ユニット２０が接続される一方、この第１ユニット２０には第２ユニット３０が接続され、これら第１及び第２ユニット２０，３０が手術用具１０を縦横に動かす位置決めアーム１を構成している。更に、第２ユニット３０は天井に固定された自在腕２によって保持されており、第１ユニット２０及び第２ユニット３０を患者Ｐに対して所定の高さ、所定の位置に固定することができるようになっている。
図２は前記第１ユニット２０の外観を示すものであり、また、図３はその内部構造を示すものである。この位置決めユニット２０は互いに平行に配設された第１出力軸２１と第２出力軸２２とを備え、各出力軸２１，２２が互いに連動しながらケーシング２３から進退するように構成されている。各出力軸２１，２２の先端には手術用具１０のケーシングに枢支される接続部４０が設けられており、手術用具１０が一点鎖線で示す軸Ｐ，Ｑを中心として揺動し得るように保持されている。尚、前記接続部４０の構造としては、図２の第１出力軸２１の先端に描かれたものであっても差し支えないし、第２出力軸２２の先端に描かれた比較的コンパクトな構造のものであっても差し支えない。また、第１出力軸２１と第２出力軸２２とを進退させて手術用具１０に適当な配設角度を与えた場合に、第１出力軸２１の先端の回転軸Ｐと第２出力軸２２の先端の回転軸Ｑとの距離Ｌが変動することを考慮に入れれば、図４に示すように、かかる変動を吸収するリニアベアリング４１を介して接続部４０を設けるようにしても良い。
図３に示すように、前記第１出力軸２１及び第２出力軸２２には螺旋状の雄ねじ溝２１ａ，２２ａが形成されており、第１出力軸２１の雄ねじ溝２１ａには無限循環する多数のボールを介して第１ボールねじナット２４が、第２出力軸２２の雄ねじ溝２２ａには同様にして第２ボールねじナット２５が夫々螺合している。図５に断面図を示すように、第１出力軸２１に螺合した第１ボールねじナット２４は中空モータ５０内に収容されている。この中空モータ５０は、位置決めユニット２０のケーシング２３に固定されたモータハウジング５１と、このモータハウジング５１に固定されたモータステータ５２と、ベアリング５３を介して前記モータハウジング５１に対して回転自在に支承された略円筒状のモータロータ５４とから構成されており、前記第１出力軸２１がモータロータ５４の中空部内を貫通すると共に、前記第１ボールねじナット２４はモータロータ５４の内周面に嵌合している。従って、モータステータ５２を励起してモータロータ５４を回転させると、このモータロータ５４に固定された第１ボールねじナット２４が回転する。第１出力軸２１はその先端が手術用具１０に固定されていて、それ自体は回転不能なので、モータロータ５４の回転によって第１ボールねじナット２４が回転すると、その回転数に応じて第１出力軸２１が進退することになる。
一方、第２ボールねじナット２５に対しては独立のモータが設けられておらず、かかる第２ボールねじナット２５は第１ボールねじナット２４から動力を伝達されて回転するようになっている。第１ボールねじナット２４の端部にはプーリ２６が固定される一方、第２ボールねじナット２５の端部にもプーリ２７が固定されており、これらのプーリ２６，２７にはタイミングベルト２８がかけ回されている。従って、第１ボールねじナット２４が中空モータ５０によって回転駆動されると、同一の回転数で第２ボールねじナット２５も回転するようになっている。第２出力軸２２はその先端が手術用具１０に固定されていて、それ自体は回転不能なので、このようにして第２ボールねじナット２５が回転すると、その回転数に応じて第２出力軸２２が進退することになる。尚、第２ボールねじナット２５はサポートベアリング２９を介して位置決めユニットのケーシング２３に支承されている。また、図３及び図５に示されるように、第１出力軸２１及び第２出力軸２２のジャーナル部は樹脂製の軸受スリーブ３１によって位置決めユニット２０のケーシング２３に支承されている。
この実施例において、第２出力軸２２に形成された螺旋状の雄ねじ溝２２ａは第１出力軸２１に形成された螺旋状の雄ねじ溝２２ａに対して２倍のリードで形成されている。このため、中空モータ５０が回転して第１出力軸２１が進退すると、第２出力軸２２は常に第１出力軸２１の２倍の進退量で進退することになる。これにより、図６に示すように、第１出力軸２１及び第２出力軸２２の先端に枢動自在に取り付けられた手術用具１０はその配設角度が変更され、かかる手術用具１０の先端に位置する機構部１２を患部に対して位置決めすることが可能となる。
このとき、手術用具１０のロッド１１は一点を中心としてその配設角度を変更することになる。かかる中心点Ｏは第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退量の比率に応じた位置に生じる。実施例の如く、第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比が１：２であれば、第１出力軸２１と第２出力軸２２との間隔をｄとした場合、前記中心点Ｏは第１出力軸２１と手術用具１０を接続する枢軸Ｑから距離ｄの位置に生じる（図６参照）。これは三角形の相似則によるものであり、進退比が１：２であれば、線分ＯＱ：線分ＯＰ＝１：２となる点Ｏを中心として手術用具１０のロッド１１の配設角度が変わるのである。従って、第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比が常に一定であれば、必ずロッド１１の配設角度の変化の中心となる点Ｏが存在することになる。
第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比を一定にするためには、前述の如く第１出力軸２１の雄ねじ溝２１ａのリードを第２出力軸２２の雄ねじ溝２２ａのリードと異なるものにすれば良い。また、リードを同一のものにし、第１ボールねじナット２４の回転数と第２ボールねじナット２５の回転数との間に一定の比率を与えるようにしても良い。タイミングベルトを用いて第１ボールねじナットから第２ボールねじナットへ回転動力を伝達する際に、プーリに形成されている歯数を異ならせれば、そのような回転数比を容易に与えることができる。
そして、中心点Ｏが患者Ｐを切開して形成した挿入口に合致するよう、前記自在腕２を用いて第１ユニット２０の高さを調節すれば、第１ユニット２０を用いて手術用具１０の配設角度を変更しても、手術用具１０のロッド１１が患者Ｐに形成した挿入口を押し拡げてしまうことがなく、挿入口周辺の皮膚組織等にダメージを与えることなく手術用具１０の先端の機構部１２を人体内の患部に対して位置決めすることができるものである。
尚、前記第１ユニット２０において第１出力軸２１及び第２出力軸２２を進退させるための構成としては、前述のボールねじナットと雄ねじ溝の組み合わせに限らず、例えば、図７に示すように、各出力軸２１，２２に形成したラックとピニオンギヤとの組み合わせであっても差し支えない。この場合、第１出力軸２１に形成したラック６０と噛み合う第１ピニオンギヤ６１を設ける一方、第２出力軸２２に形成したラック６２と噛み合う第２ピニオン６３を設け、いずれか一方のピニオンギヤをモータで回転させると共に、このピニオンギヤから他方のピニオンギヤへ回転動力を分配するように構成する。第１出力軸２１と第２出力軸２２との進退比は、第１ピニオンギヤ６１と第２ピニオンギヤ６２の回転数を同一とし、各出力軸２１，２２に形成されたラック６０，６２の基準ピッチを異ならせるようにしても良いし、両ラック６０，６２の基準ピッチを同一とし、第１ピニオンギヤ６１と第２ピニオンギヤ６３の回転数を異ならせるようにしても良い。
また、図３及び図５に示した第１ユニット２０の例では、第１ボールねじナット２４に対してのみ中空モータ５０を設け、この中空モータ５０の動力を第２ボールねじナット２５へ分配するように構成したが、第２ボールねじナット２５に対しても個別にモータを設けるようにして差し支えない。その場合、第１ボールねじナット２４を駆動するモータと第２ボールねじナット２５を駆動するモータは、常に第２出力軸２２の進退量及び進退速度が第１出力軸２１の進退量及び進退速度に対して一定の比率を有するように制御しなければならない。
一方、前記第２ユニット３０も前記第１ユニット２０と全く同一の構造を有しており、互いに平行に配設された第３出力軸６４及び第４出力軸６５を一定の進退比で進退させることができるように構成されている。図８は手術用具と、第１ユニット及び第２ユニットの接続状態を示す平面図である。この図に示されるように、第２ユニット３０の各出力軸６４，６５は第１ユニット２０のケーシングと接続部４０を介して枢動自在に連結されているが、かかる連結状態において、第２ユニット３０の各出力軸６４，６５は第１ユニット２０の各出力軸２１，２２と常に直交している。すなわち、第１ユニット２０の第１出力軸２１及び第２出力軸２２を含む平面が第２ユニット３０の第３出力軸６４及び第４出力軸６５を含む平面と常に直交しているのである。第１ユニット２０の各出力軸２１，２２を進退させると、手術用具１０のロッド１１は図８中の矢線Ｘ方向に沿って配設角度を変化させるが、前述したような連結状態で第２ユニット３０の各出力軸６４，６５を進退させると、手術用具１０のロッド１１はＸ方向と直交するＹ方向に沿って配設角度を変化させることになる。従って、第１ユニット及び第２ユニットを連結して図８に示すような位置決めアームを構成すれば、第１ユニットによって保持した手術用具のロッドに対してＸ方向及びＹ方向の動きを与えることができ、かかるロッド先端に設けられた機構部を人体内において縦横に位置決めすることが可能となる。
つまり、第１ユニット及び第２ユニットのモータに対して任意の回転量を与えることにより、手術用具の先端に位置して人体内に挿入された機構部を処置すべき患部に対して自在に位置決めすることが可能となり、内視鏡が撮影した映像を観察しながら第１ユニット及び第２ユニットのモータを制御することで、遠隔地の専門医が内視鏡術を施術することも可能となるものである。
図９及び図１０は本発明の位置決めユニットを他の用途、具体的には、自動車のボディ部品等の如く加工済みの機械部品８０を治具８１から取り外すと共に、これを排出するための部品排出装置に適用した例を示している。
この部品排出装置７０は、表面が滑らかな板状に形成されると共に加工がなされた機械部品を下方から持ち上げる可動部材としてのシュート７１と、このシュート７１の一端を揺動中心としてその配設角度を変更するアクチュエータユニット７２とから構成されている。かかるアクチュエータユニット７２として図２に示した第１ユニット２０と同じものが使用されており、その第１出力軸２１及び第２出力軸２２の先端はシュート７１の裏面に対して枢支されている。機械部品８０は治具８１によって位置決めされた状態で加工がなされるが、この加工中において、前記シュート７１は図９に示す待機位置、すなわち機械部品８０の下方に設定されている。加工が終了すると、前記機械部品８０を治具８１から取り外して排出するため、アクチュエータユニット７２に内蔵された中空モータ５０が回転を開始し、第１出力軸２１及び第２出力軸２２がケーシング２３から進出する。これにより、図１０に示すように、前記シュート７１は上方へ持ち上げられ、加工済みの機械部品８０は治具８１から取り外される。また、第１出力軸２１及び第２出力軸２２は中空モータ５０が回転した際の進出量が異なるため、前記シュート７１は上方への上昇と同時にその配設角度が変更され、機械部品８０はシュート７１上を滑り落ちるようにして治具から排出される。
このとき、前記アクチュエータユニット７２として本発明の位置決めユニットを用いれば、前記シュート７１はその一端を揺動中心として配設角度を変更させることができ、待機位置に設定されたシュート７１に隣接してベルトコンベヤ等の搬送装置を設けておけば、シュート７１から滑り落ちるようにして治具８１から排出された機械部品８０を円滑に搬送装置に乗り移らせることが可能となる。従って、本発明の位置決めユニットは産業用ロボット等における各種アクチュエータとしても有用である。
【産業上の利用可能性】
以上説明してきたように、本発明の位置決めユニットによれば、互いに平行に配置された第１の出力軸及び第２の出力軸の先端に可動部材を枢動自在に接続してリンク機構を構成すると共に、第２の出力軸に対して常に第１の出力軸の進退量と一定比率の進退量を与え、可動部材の配設角度が常に一点を中心として変化するように構成したので、例えば前記可動部材として手術用具を保持した場合に、かかる手術用具の配設角度を変更しても、手術用具が人体を切開して形成した挿入口を押し拡げることがなく、かかる手術用具の先端を体内において処置が必要な部位へ遠隔操作で位置決めすることが可能となる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部材を保持すると共にその配設角度を変更し、前記可動部材の先端を位置決めするユニットであって、
先端が上記可動部材に対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられた第１及び第２の出力軸と、この第１の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、上記第２の出力軸に対しては第１の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段とを備えたことを特徴とする位置決めユニット。
【請求項２】
上記駆動手段は、第１及び第２の出力軸に夫々形成された雄ねじと、これら雄ねじに対して夫々螺合する第１ナット及び第２ナットと、これら第１ナット及び第２ナットを回転させるモータとから構成されることを特徴とする請求項１記載の位置決めユニット。
【請求項３】
第１の出力軸に形成された雄ねじのリードが第２の出力軸に形成された雄ねじのリードと異なっていることを特徴とする請求項２記載の位置決めユニット。
【請求項４】
第１ナットの回転数と第２ナットの回転数とを異ならせたことを特徴とする請求項２記載の位置決めユニット。
【請求項５】
上記駆動手段は、第１及び第２の主力軸に夫々形成されたラックと、これらラックと夫々噛み合う第１ピニオン及び第２ピニオンと、これら第１ピニオン及び第２ピニオンを回転させるモータとから構成されることを特徴とする請求項１記載の位置決めユニット。
【請求項６】
第１の出力軸に形成されたラックの基準ピッチが第２の出力軸に形成されたラックの基準ピッチと異なっていることを特徴とする請求項５記載の位置決めユニット。
【請求項７】
第１ピニオンの回転数と第２ピニオンの回転数とを異ならせたことを特徴とする請求項５記載の位置決めユニット。
【請求項８】
前記可動部材が医療用手術用具であり、かかる手術用具の先端を処置部位に対して位置決めすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の位置決めユニット。
【請求項９】
可動部材を保持すると共にその配設角度を変更し、前記可動部材の先端を位置決めするアームであって、
上記可動部材を保持する第１ユニットと、この第１ユニットを保持する第２ユニットとから構成され、
上記第１ユニットは、先端が上記可動部材に対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられた第１及び第２の出力軸と、この第１の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、上記第２の出力軸に対しては第１の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段と、この駆動手段を収容するケーシングとを備える一方、
上記第２ユニットは、先端が上記第１ユニットのケーシングに対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられ、しかも第１ユニットの各出力軸に対して直交する第３及び第４の出力軸と、この第３の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、上記第４の出力軸に対しては第３の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段とを備えたことを特徴とする位置決めアーム。
【請求項１０】
前記可動部材が医療用手術用具であり、かかる手術用具の先端を処置部位に対して位置決めすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の位置決めアーム。
【請求項１】
可動部材を保持すると共にその配設角度を変更し、前記可動部材の先端を位置決めするユニットであって、
先端が上記可動部材に対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられた第１及び第２の出力軸と、この第１の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、上記第２の出力軸に対しては第１の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段とを備えたことを特徴とする位置決めユニット。
【請求項２】
上記駆動手段は、第１及び第２の出力軸に夫々形成された雄ねじと、これら雄ねじに対して夫々螺合する第１ナット及び第２ナットと、これら第１ナット及び第２ナットを回転させるモータとから構成されることを特徴とする請求項１記載の位置決めユニット。
【請求項３】
第１の出力軸に形成された雄ねじのリードが第２の出力軸に形成された雄ねじのリードと異なっていることを特徴とする請求項２記載の位置決めユニット。
【請求項４】
第１ナットの回転数と第２ナットの回転数とを異ならせたことを特徴とする請求項２記載の位置決めユニット。
【請求項５】
上記駆動手段は、第１及び第２の主力軸に夫々形成されたラックと、これらラックと夫々噛み合う第１ピニオン及び第２ピニオンと、これら第１ピニオン及び第２ピニオンを回転させるモータとから構成されることを特徴とする請求項１記載の位置決めユニット。
【請求項６】
第１の出力軸に形成されたラックの基準ピッチが第２の出力軸に形成されたラックの基準ピッチと異なっていることを特徴とする請求項５記載の位置決めユニット。
【請求項７】
第１ピニオンの回転数と第２ピニオンの回転数とを異ならせたことを特徴とする請求項５記載の位置決めユニット。
【請求項８】
前記可動部材が医療用手術用具であり、かかる手術用具の先端を処置部位に対して位置決めすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の位置決めユニット。
【請求項９】
可動部材を保持すると共にその配設角度を変更し、前記可動部材の先端を位置決めするアームであって、
上記可動部材を保持する第１ユニットと、この第１ユニットを保持する第２ユニットとから構成され、
上記第１ユニットは、先端が上記可動部材に対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられた第１及び第２の出力軸と、この第１の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、上記第２の出力軸に対しては第１の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段と、この駆動手段を収容するケーシングとを備える一方、
上記第２ユニットは、先端が上記第１ユニットのケーシングに対して枢動自在に接続されると共に互いに平行に且つ往復動自在に設けられ、しかも第１ユニットの各出力軸に対して直交する第３及び第４の出力軸と、この第３の出力軸に対して任意の進退量を与えると共に、上記第４の出力軸に対しては第３の出力軸の進退量と常に一定比率（≠１）の進退量を与える駆動手段とを備えたことを特徴とする位置決めアーム。
【請求項１０】
前記可動部材が医療用手術用具であり、かかる手術用具の先端を処置部位に対して位置決めすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の位置決めアーム。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０３５２７０
【国際公開日】平成１６年４月２９日（２００４．４．２９）
【発行日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５４４９６８（Ｐ２００４−５４４９６８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１３２４９
【国際出願日】平成１５年１０月１６日（２００３．１０．１６）
【出願人】（５９５０４６４６９）
【出願人】（５００１６０５０５）
【出願人】（５０２３８１５９７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年４月２９日（２００４．４．２９）
【発行日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１３２４９
【国際出願日】平成１５年１０月１６日（２００３．１０．１６）
【出願人】（５９５０４６４６９）
【出願人】（５００１６０５０５）
【出願人】（５０２３８１５９７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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