WO2025053179A1

WO2025053179A1 - マニピュレータ

Info

Publication number: WO2025053179A1
Application number: PCT/JP2024/031730
Authority: WO
Inventors: 純平荒田; 敢人鶴田
Original assignee: Kyushu University NUC
Current assignee: Kyushu University NUC
Priority date: 2023-09-08
Filing date: 2024-09-04
Publication date: 2025-03-13
Anticipated expiration: 2026-03-08

Abstract

このマニピュレータは、湾曲した可撓部を含む、少なくとも１つの可撓作動体と、前記可撓部に一端が接続された梁部と、前記梁部の他端が接続された軸部と、を備え、前記可撓作動体は、前記梁部及び前記軸部に対し非摺動で動作可能に構成される。

Description

マニピュレータ

　本発明は、マニピュレータに関する。
　本発明は、２０２３年９月８日に、米国に出願された米国仮出願番号６３／５３７，２０３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　近年、低侵襲手術における術者の負担の改善を目的として、手術支援ロボットの導入が進められている。手術支援ロボットに搭載される多自由度ロボット鉗子としては、ワイヤ・プーリ機構やギア機構、リンク機構などの動力伝達機構を持つものが提案されている。
　また、多自由度マニピュレータに関する先行技術としては、例えば特許文献１などが挙げられる。特許文献１に開示されるマニピュレータでは、板ばねの押し引きにより板ばねを変形させて作動部を多自由度で動作させる可撓作動体を有するものが提案されている。この可撓作動体は、矩形状の横板ばねと、横板ばねの板面に垂直な板面を有して起立し横板ばねの長手方向一端に基端が接続され横板ばねの板幅方向の一方に突出するとともに横板ばねの長手方向に沿って延在し延在方向先端が突出の方向と反対方向に曲がる屈曲部となる湾曲縦板ばねと、屈曲部の先端に接続され横板ばねの板面に垂直な回転中心で支持されて回転自在となる軸体と、軸体の外周に回転半径の外側に突出して設けられる作動部と、を含む。

国際公開第２０１７／０５７７６１号

　しかし、特許文献１に開示されるマニピュレータでは、部品同士が擦れ合うことで摩耗が生じるおそれがある。

　そこで本発明は、摩耗を抑制することを目的とする。

　上記課題の解決手段として、本開示の態様は以下の構成を有する。
（１）本開示の態様に係るマニピュレータは、湾曲した可撓部を含む、少なくとも１つの可撓作動体と、前記可撓部に一端が接続された梁部と、前記梁部の他端が接続された軸部と、を備え、前記可撓作動体は、前記梁部及び前記軸部に対し非摺動で動作可能に構成される。

（２）上記（１）に記載のマニピュレータでは、前記可撓作動体、前記梁部及び前記軸部は、同一の部材で一体に形成されてもよい。

（３）上記（２）に記載のマニピュレータでは、前記同一の部材は、高分子材料で形成されてもよい。

（４）上記（１）から（３）のいずれかに記載のマニピュレータでは、前記少なくとも１つの可撓作動体は、前記軸部の径方向一方に間隔をあけて配置された第１可撓作動体と、前記軸部の径方向他方に間隔をあけて配置された第２可撓作動体と、から成る２つの可撓作動体を含んでもよい。

（５）上記（４）に記載のマニピュレータでは、前記２つの可撓作動体は、少なくとも各々の前記可撓部が前記軸部の軸方向に間隔をあけて配置されてもよい。

　上記態様によれば、摩耗を抑制することができる。

実施形態のマニピュレータの斜視図である。実施形態のマニピュレータの屈曲動作を示す斜視図である。実施形態のマニピュレータの開閉動作を示す斜視図である。図１の矢視ＩＶにおける平面図である。図１の矢視Ｖにおける側面図である。図１の矢視ＶＩにおける平面図である。図１の矢視ＶＩＩにおける側面図である。図１の矢視ＶＩＩＩにおける側面図である。図１の矢視ＩＸにおける側面図である。実施例の有限要素解析の結果を示す図である。実施例の実験装置外観を示す図である。実施例の動画解析結果を示す図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、マニピュレータの一例として、コンプライアントメカニズムを応用した、手術支援ロボットに搭載するためのロボット鉗子を構成するマニピュレータを挙げて説明する。コンプライアントメカニズムとは、柔軟要素を運動形態の変換に用いる機構（弾性変形を利用して力や動きを伝える機構）を意味する。このマニピュレータは、例えば低侵襲手術手技における腹腔鏡下手術に用いられる。

　以下の説明において、例えば「平行」や「直交」、「中心」、「同軸」等の相対的又は絶対的な配置を示す表現は、厳密にそのような配置や状態を意味するのみならず、公差や同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している配置や状態をも含むものとする。以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更して示す場合がある。

＜マニピュレータ＞
　図１は、実施形態のマニピュレータ１の斜視図である。図２は、実施形態のマニピュレータ１の屈曲動作を示す斜視図である。図３は、実施形態のマニピュレータ１の開閉動作を示す斜視図である。
　図１から図３を併せて参照し、マニピュレータ１は、湾曲した可撓部２１Ａ，２１Ｂを含む、少なくとも１つの可撓作動体２Ａ，２Ｂと、可撓部２１Ａ，２１Ｂに一端が接続された梁部３Ａ，３Ｂと、梁部３Ａ，３Ｂの他端が接続された軸部４と、を備える。

　マニピュレータ１は、モータ等のアクチュエータ（不図示）に接続される機構末端部５Ａ，５Ｂを備える。機構末端部５Ａ，５Ｂは、軸部４の軸方向に間隔をあけて２つ設けられる。各々の機構末端部５Ａ，５Ｂは、直方体形状に形成されている。マニピュレータ１は、アクチュエータの駆動により、機構末端部５Ａ，５Ｂに対して軸長手方向（図２、図３に示す矢印方向）の変位を与えることが可能に構成されている。

＜可撓作動体＞
　可撓作動体２Ａ，２Ｂは、梁部３Ａ，３Ｂ及び軸部４に対し非摺動で動作可能に構成される。可撓作動体２Ａ，２Ｂの先端部（長手方向において機構末端部５Ａ，５Ｂとは反対側の端部）を含む作動部２２Ａ，２２Ｂは、エンドエフェクタを構成する。エンドエフェクタとは、手術器具の実際の作業部分を意味する。エンドエフェクタは、例えばクランプ、捕捉器具、はさみ、ホッチキス、持針器を含む。

　可撓作動体２Ａ，２Ｂ、梁部３Ａ，３Ｂ及び軸部４は、同一の部材で一体に形成される。同一の部材は、高分子材料で形成される。高分子材料としては、例えばＴＰＵ（熱可塑性ポリウレタンエラストマー）が挙げられる。

　その他の高分子材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。高分子材料としては、例えば生体適合性、広い弾性域、耐腐食性に優れる材料を用いることが好ましい。なお、高分子材料は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。

　図４は、図１の矢視ＩＶにおける平面図である。図５は、図１の矢視Ｖにおける側面図である。図６は、図１の矢視ＶＩにおける平面図である。図７は、図１の矢視ＶＩＩにおける側面図である。図８は、図１の矢視ＶＩＩＩにおける側面図である。図９は、図１の矢視ＩＸにおける側面図である。
　図４から図９を併せて参照し、少なくとも１つの可撓作動体２Ａ，２Ｂは、軸部４の径方向一方に間隔をあけて配置された第１可撓作動体２Ａと、軸部４の径方向他方に間隔をあけて配置された第２可撓作動体２Ｂと、から成る２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂを含む。

　第１可撓作動体２Ａは、一方の機構末端部５Ａ（以下「第１末端部５Ａ」ともいう。）から一側方に延びて軸部４の径方向一方に間隔をあけて配置され平面視でＬ字状に形成された第１連結部２０Ａと、第１連結部２０Ａの先端側（平面視で第１末端部５Ａとは反対側）から先端側に更に延びた後に内方に向かって平面視で弧状に湾曲して形成された第１可撓部２１Ａと、第１可撓部２１Ａの先端側から更に先端側に延び平面視で先細り形状に形成された第１作動部２２Ａ（一方のエンドエフェクタとして機能する部分）と、を含んで構成される（図４参照）。

　第２可撓作動体２Ｂは、他方の機構末端部５Ｂ（以下「第２末端部５Ｂ」ともいう。）から他側方に延びて軸部４の径方向他方に間隔をあけて配置され平面視で逆Ｌ字状（第１連結部２０Ａとは逆のＬ字状）に形成された第２連結部２０Ｂと、第２連結部２０Ｂの先端側（平面視で第２末端部５Ｂとは反対側）から先端側に更に延びた後に内方に向かって弧状に湾曲して形成された第２可撓部２１Ｂと、第２可撓部２１Ｂの先端側から更に先端側に延び平面視で先細り形状に形成された第２作動部２２Ｂ（他方のエンドエフェクタとして機能する部分）と、を含んで構成される（図６参照）。

　２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂは、少なくとも各々の可撓部２１Ａ，２１Ｂが軸部４の軸方向に間隔をあけて配置される。２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂにおいて、各々の連結部２０Ａ，２０Ｂ、各々の可撓部２１Ａ，２１Ｂ、及び、各々の作動部２２Ａ，２２Ｂは、それぞれ軸部４の軸方向に間隔をあけて配置されることが好ましい（図５、図７参照）。

　２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂにおいて、各々の連結部２０Ａ，２０Ｂ、及び、各々の可撓部２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ側面視で軸部４の軸方向に直交する方向において一様な厚みを有してもよい（図５、図７参照）。２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂにおいて、各々の連結部２０Ａ，２０Ｂ、及び、各々の可撓部２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ側面視で機構末端部５Ａ，５Ｂの厚みよりも薄く形成されてもよい。

　２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂが閉じた状態（図１に示す状態）で、各々の作動部２２Ａ，２２Ｂは、側面視で互いに重なり合う部分を含んでもよい（図５、図７参照）。２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂが閉じた状態で、各々の作動部２２Ａ，２２Ｂは、互いに対向する内側面同士が離間していてもよい（図８参照）。

＜梁部＞
　２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂが閉じた状態で、梁部３Ａ，３Ｂは、平面視で直線状に延びている（図４、図６参照）。梁部３Ａ，３Ｂは、軸部４の軸方向に間隔をあけて２つ設けられる。２つの梁部３Ａ，３Ｂは、第１可撓部２１Ａに一端が接続された第１梁部３Ａ，３Ｂと、第２可撓部２１Ｂに一端が接続された第２梁部３Ａ，３Ｂと、からなる。２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂが閉じた状態で、第１梁部３Ａ，３Ｂ及び第２梁部３Ａ，３Ｂは、平面視で互いに重なる。

＜軸部＞
　軸部４は、平面視で２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂにより囲まれる空間に１つ設けられる（図４、図６参照）。軸部４は、円柱状に形成されている。軸部４の直径は、梁部３Ａ，３Ｂの厚みよりも大きい。軸部４の軸方向一方側には、第１梁部３Ａ，３Ｂの他端が接続されている。軸部４の軸方向他方側には、第２梁部３Ａ，３Ｂの他端が接続されている。軸部４は、不図示のシャフトに固定されていてもよい。

　なお、マニピュレータ１を構成する可撓作動体２Ａ，２Ｂ（湾曲した可撓部２１Ａ，２１Ｂを含む）、梁部３Ａ，３Ｂ、軸部４の態様（配置や形状、大きさなど）は、上記に限らず、設計仕様に応じて変更することができる。

＜マニピュレータの動作の一例＞
　図２及び図３を併せて参照し、マニピュレータ１は、アクチュエータ（不図示）の駆動により、機構末端部５Ａ，５Ｂに対して軸長手方向（図２、図３に示す矢印方向）の変位を与えることが可能に構成されている。

　機構末端部５Ａ，５Ｂに対して軸長手方向の変位が与えられると、湾曲した可撓部２１Ａ，２１Ｂを通じて梁部３Ａ，３Ｂへ曲げモーメントが伝達され、先端部で屈曲運動が生ずる。例えば、２つの機構末端部５Ａ，５Ｂに逆方向の変位を与えることで、マニピュレータ１の屈曲動作が行われる（図２参照）。一方、２つの機構末端部５Ａ，５Ｂに同方向の変位を与えることで、マニピュレータ１の開閉動作が行われる（図３参照）。

　可撓作動体２Ａ，２Ｂが湾曲した可撓部２１Ａ，２１Ｂを含むことで、直動変位が軸部４を中心とした回転運動へ変換され、マニピュレータ１の屈曲動作又は開閉動作が行われる。マニピュレータ１は、可撓部２１Ａ，２１Ｂに一端が接続された梁部３Ａ，３Ｂと、梁部３Ａ，３Ｂの他端が接続された軸部４とからなる梁疑似回転機構（疑似回転関節）を備える。この疑似回転関節により、摩擦を生じさせることなく、湾曲した可撓部２１Ａ，２１Ｂによる運動の変換が行われる。マニピュレータ１は、疑似回転関節を用いた柔軟ロボット鉗子機構を構成している。

＜作用効果＞
　以上説明したように、上記実施形態のマニピュレータ１は、湾曲した可撓部２１Ａ，２１Ｂを含む、少なくとも１つの可撓作動体２Ａ，２Ｂと、可撓部２１Ａ，２１Ｂに一端が接続された梁部３Ａ，３Ｂと、梁部３Ａ，３Ｂの他端が接続された軸部４と、を備える。可撓作動体２Ａ，２Ｂは、梁部３Ａ，３Ｂ及び軸部４に対し非摺動で動作可能に構成される。
　この構成によれば、可撓作動体２Ａ，２Ｂは、梁部３Ａ，３Ｂ及び軸部４に対し非摺動で動作可能に構成されることで、摩擦を生じさせることなく動作を行うことができる。したがって、摩耗を抑制することができる。
　例えば、部品同士が擦れ合う構成の場合、摺動部で摩耗粉が発生し、生体適合性、耐久性の面で課題が生じる。これに対し本構成によれば、非摺動で動作可能に構成されることで摩耗が抑制されるため、生体適合性、耐久性を向上させることができる。

　上記実施形態では、可撓作動体２Ａ，２Ｂ、梁部３Ａ，３Ｂ及び軸部４は、同一の部材で一体に形成される。
　この構成によれば、可撓作動体、梁部及び軸部が異なる部材で一体に形成される場合と比較して、構造を単純化し、部品点数を削減することができる。

　上記実施形態では、同一の部材は、高分子材料で形成される。
　この構成によれば、同一の部材が金属材料（例えばＮｉ－Ｔｉなど）で形成される場合と比較して、材料コスト、製造コストを削減することができる。したがって、ディスポーザブル化に寄与する。

　上記実施形態では、少なくとも１つの可撓作動体２Ａ，２Ｂは、軸部４の径方向一方に間隔をあけて配置された第１可撓作動体２Ａと、軸部４の径方向他方に間隔をあけて配置された第２可撓作動体２Ｂと、から成る２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂを含む。
　この構成によれば、２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂの各々において、摩擦を生じさせることなく動作を行うことができる。

　上記実施形態では、２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂは、少なくとも各々の可撓部２１Ａ，２１Ｂが軸部４の軸方向に間隔をあけて配置される。
　この構成によれば、２つの可撓作動体２Ａ，２Ｂの各々の可撓部２１Ａ，２１Ｂの間で摩擦が生じさせることなく動作を行うことができる。

＜変形例＞
　なお、上記実施形態では、可撓作動体、梁部及び軸部は、同一の部材で一体に形成される例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、可撓作動体、梁部及び軸部は、異なる部材で一体に形成されてもよい。可撓作動体、梁部及び軸部の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。

　上記実施形態では、同一の部材は、高分子材料で形成される例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、同一の部材は、金属材料（例えばＮｉ－Ｔｉなど）で形成されてもよい。同一の部材の形成材料は、設計仕様に応じて変更することができる。

　上記実施形態では、少なくとも１つの可撓作動体は、軸部の径方向一方に間隔をあけて配置された第１可撓作動体と、軸部の径方向他方に間隔をあけて配置された第２可撓作動体と、から成る２つの可撓作動体を含む例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、少なくとも１つの可撓作動体は、軸部の径方向一方に間隔をあけて配置された第１可撓作動体のみで構成されてもよい。例えば、少なくとも１つの可撓作動体は、軸部の径方向外方に間隔をあけて配置された３つ以上の可撓作動体を含んで構成されてもよい。少なくとも１つの可撓作動体の構成態様は、設計仕様に応じて変更することができる。

　上記実施形態では、２つの可撓作動体は、少なくとも各々の可撓部が軸部の軸方向に間隔をあけて配置される例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、２つの可撓作動体の各々の可撓部は、軸部の軸方向において互いに接していてもよい。２つの可撓作動体の各々の可撓部の配置態様は、設計仕様に応じて変更することができる。

　以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であり、上述した実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

　以下、本発明の上記実施形態に係るマニピュレータについて、実施例を示して具体的に説明する。なお、下記の実施例は、本発明が適用された具体的な一例であり、本発明を限定するものではない。

＜有限要素解析による評価＞
　高分子材料によりマニピュレータを製作した場合を有限要素解析により評価した。解析は、６０度屈曲動作と１２０度開閉動作について行い、評価にはフォンミーゼス応力を用いた。このとき、軸部の両端を固定し、機構末端部に対して軸長手方向に直動変位を与え、鉗子先端（作動部先端）が所定の角度に達した時の最大応力と応力分布を観察した。なお、解析には、ＡＮＳＹＳ　ＭＯＴＩＯＮ　２０２１　Ｒ１(ANSYS Inc，US) を、モデルのメッシュ生成にはＦＥＭＡＰ　２０２０．２ＳＴＵＤＥＮＴ(Siemens Inc., Germany) を使用した。使用する高分子材料としては、柔軟性と機械的強度の高さからＴＰＵ（ヤング率９．４ＭＰａ，引張強度２９．０ＭＰａ，ポアソン比０．４９）を選定した。

　図１０は、実施例の有限要素解析の結果を示す図である。
　図１０に示すように、６０度屈曲時の最大応力は１．８３Ｍｐａ、１２０度開閉時の最大応力は１．３４ＭＰａであった。これは、ＴＰＵの引張強度２９．０ＭＰａに対して十分に小さい値である。

＜プロトタイプによる評価＞
　有限要素解析とプロトタイプでの鉗子先端角度の差を評価することを目的として、プロトタイプの実装と試験を行った。
　図１１は、実施例の実験装置外観を示す図である。図１２は、実施例の動画解析結果を示す図である。
　プロトタイプの鉗子部分はＦＤＭ式３Ｄプリンタ（AnkerMakeM5，Anker，China）を用いて作成し、材質としてＴＰＵ（PolyFlex TPU95，Polymaker，China）を用いた。シャフトには外径１０ｍｍ、内径８ｍｍのアクリルパイプを加工したものを用いた。機構末端部に直動変位を与えるために、直動モータ（L12-R，Actuonix，Canada）を二つ用いた。

　実験は、両方向の屈曲動作と開閉動作の３つに分けて行った。以下に実験の手順を示す。
（１）プロトタイプの刃先にビジュアルマーカを貼り付けた。
（２）有限要素解析の結果から求めた、±６０度の回転運動を生み出すために必要な末端部の直動変位をモータにより生成し、屈曲動作と開閉動作をそれぞれ１０回ずつ行った。
（３）動作を撮影し、動画解析ソフトウェアにより各マーカの軌跡を追尾し鉗子の先端角度を求めた。
（４）得られた角度から、屈曲角度、開き角度の平均と標準偏差を算出した。

　動画撮影に用いたカメラはα　９９ＩＩ（Sony Inc.，Japan）、レンズはＳＡＬ１００Ｍ２８（Sony Inc.，Japan）、動画解析ソフトウェアはＶＷ－Ｈ２ＭＡ（KEYENCE Inc.，Japan）である。

　表１に解析結果を示す。

　本実験では、±６０度の回転に相当する入力を与えたため、開閉動作においては開き角度１２０度を期待していた。しかし、実際の開き角度は１０１．５度にとどまった。これは、末端部を先端側へモータで押した際に、入力部においてたわみが発生したためと考えられる。実際に、動画においてもそのたわみが確認できる（図１２（２）参照）。屈曲角度については、開閉動作よりも想定していた値である６０度に近い値であった。開閉動作よりも有限要素解析に近い結果が得られたのは、押込側の入力部でたわみによる損失が発生しながらも、もう一方の入力部では、押込側とは反対方向の入力であるためたわみが発生しなかったためと考えられる。

　１　マニピュレータ
　２Ａ　第１可撓作動体（可撓作動体）
　２Ｂ　第２可撓作動体（可撓作動体）
　３Ａ，３Ｂ　梁部
　４　軸部
　２１Ａ，２１Ｂ　可撓部

Claims

　湾曲した可撓部を含む、少なくとも１つの可撓作動体と、
前記可撓部に一端が接続された梁部と、
前記梁部の他端が接続された軸部と、を備え、
前記可撓作動体は、前記梁部及び前記軸部に対し非摺動で動作可能に構成される、
　マニピュレータ。
　前記可撓作動体、前記梁部及び前記軸部は、同一の部材で一体に形成される、
　請求項１に記載のマニピュレータ。
　前記同一の部材は、高分子材料で形成される、
　請求項２に記載のマニピュレータ。
　前記少なくとも１つの可撓作動体は、
　前記軸部の径方向一方に間隔をあけて配置された第１可撓作動体と、
　前記軸部の径方向他方に間隔をあけて配置された第２可撓作動体と、から成る２つの可撓作動体を含む、
　請求項１に記載のマニピュレータ。
　前記２つの可撓作動体は、少なくとも各々の前記可撓部が前記軸部の軸方向に間隔をあけて配置される、
　請求項４に記載のマニピュレータ。