WO2025057608A1 - Coupling device and medical robot device - Google Patents
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- WO2025057608A1 WO2025057608A1 PCT/JP2024/027789 JP2024027789W WO2025057608A1 WO 2025057608 A1 WO2025057608 A1 WO 2025057608A1 JP 2024027789 W JP2024027789 W JP 2024027789W WO 2025057608 A1 WO2025057608 A1 WO 2025057608A1
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- A61B34/30—Surgical robots
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- A61B34/37—Leader-follower robots
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
Definitions
- the technology disclosed in this specification (hereinafter referred to as "the present disclosure”) relates to a coupling device that connects a driven part equipped with an end effector to a driving part including a motor that drives the end effector, and a medical robot device that uses the coupling device.
- a robot arm (manipulator) is equipped with a driven part consisting of an end effector with one or more degrees of freedom at its distal end, and a driving part consisting of a motor that drives the end effector.
- a coupling structure is required to connect the drive shaft of the power source and the driven shaft on the end effector side.
- a coupling structure has been proposed for a medical manipulator system that connects a surgical tool unit equipped with a surgical tool at its tip to a drive unit that drives the surgical tool (see Patent Document 1).
- the surgical tool unit and drive unit are connected via an adapter.
- the connecting portion uses the attractive force of magnets to connect the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator.
- the connecting portion includes a plurality of first magnets attached to each of the first rotor and the first stator of the driven shaft portion, and a plurality of second magnets attached to each of the second rotor and the second stator of the drive shaft portion, and the second magnets are disposed on the second stator at locations corresponding to the first magnets attached to the first stator.
- one of the first stator and the second stator may have a positioning pin, and the other may have a pin hole that fits with the positioning pin.
- a second aspect of the present disclosure is a first robotic device supporting a surgical tool at a distal end; a second robotic device coupled to the first robotic device; Equipped with a linear motion driven shaft portion of the first robot device and a linear motion drive shaft portion of the second robot device are connected by a surface joint; The first robot device operates the surgical tool by power transmitted from the drive shaft portion to the driven shaft portion. It is a medical robotic device.
- the first robotic device supports the surgical tool so that it has a remote center of motion.
- the second robotic device is detachably connected to the first robotic device.
- a third aspect of the present disclosure is A link mechanism that supports a surgical tool at a distal end; a linear driving shaft portion detachably connected to the linear driving shaft portion by surface contact; Equipped with The linear motion driven shaft drives the link drive unit by power transmitted from the linear motion drive shaft. It is a medical robotic device.
- This disclosure makes it possible to provide a coupling device and a medical robot device that connect a driven part and a driving part while satisfying not only engineering requirements but also medical requirements.
- FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a coupling device 100 according to the present disclosure (a separated state before a driven shaft and a driving shaft are coupled to each other).
- FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of the coupling device 100 according to the present disclosure (in a state in which the driven shaft and the driving shaft are coupled).
- FIG. 3 illustrates a basic configuration (with thrust and load applied) of a coupling device 100 according to the present disclosure.
- FIG. 4 is a diagram for explaining alignment required during coupling in the coupling device 100.
- FIG. 5 is a diagram for explaining a method for automatically coupling a rotor in the coupling device 100.
- FIG. 6 shows a variation of the coupling device 100 with a locating pin.
- FIG. 15 is a diagram showing the operation of connecting the robot arm 700 to the drive unit 1000.
- FIG. 16 is a diagram showing the operation of connecting the robot arm 700 to the drive unit 1000.
- FIG. 17 is a diagram showing a modified example of the coupling device (an example for compensating for the height discrepancy).
- FIG. 18 is a view showing another modified example of the coupling device.
- FIG. 19 is a view showing still another modified example of the coupling device.
- FIG. 20 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a medical robot system 2000.
- FIG. 21 is a diagram showing an example of the functional configuration of a medical robot system 2000.
- FIG. 22 is a diagram showing a general configuration of a linear slider 2200.
- the coupling structure that connects the driven shaft and the drive shaft is required to satisfy engineering requirements such as easy attachment and detachment to easily replace the end effector even during work, good power transmission efficiency, small backlash, and good reproducibility of connection.
- the coupling structure is also required to ensure the cleanliness of the driven part side that is attached, detached, and replaced as a medical requirement.
- the driven shaft side which is equipped with a surgical tool as an end effector, is in a sterilized clean area, while the other drive shaft side is separated from the clean area by being covered with a drape, for example, and it is required to maintain the cleanliness of the driven shaft side. For this reason, the components of the coupling part that connects the driven shaft and drive shaft must be sterilizable.
- FIG. 22 shows a schematic diagram of a general configuration of a linear slider 2200.
- the illustrated linear slider 2200 is composed of the components of a stator 2201 and a rotor 2202.
- the stator 2201 is fixed to a mechanical ground, for example, and has a guide rail (details not shown in FIG. 22) that guides and supports the rotor 2202.
- the rotor 2202 is placed on the stator 2201 and reciprocates along the guide rail in the longitudinal direction of the stator 2201.
- a motor not shown in FIG.
- the rotor 22 that serves as a drive source for operating the rotor 2202, and can also be called a "linear actuator.”
- the linear slider 2200 when the linear slider 2200 is on the driven shaft side, the rotor 2202 moves linearly in the longitudinal direction of the stator 2201 due to the power transmitted from the outside (the driving shaft side).
- the member that moves (linearly or rotatingly) relative to the stator in the linear slider and linear actuator is called the "rotor.”
- One method for fixing the magnets to the rotor and stator components is adhesion.
- a heat-resistant magnet it is possible to use a thermosetting adhesive.
- a high-pressure steam sterilization device it is also possible to use a high-pressure steam sterilization device to sterilize the coupling device 100.
- FIG. 4 shows a side view and a top view of the coupling device 100 when surface jointed.
- magnets 113 and 114 are arranged at both ends of the stator 112 in the longitudinal direction, and magnet 115 is arranged on the top surface of the rotor 111.
- magnets 123 and 124 are arranged at both ends of the stator 122 in the longitudinal direction, and magnet 125 is arranged on the top surface of the rotor 121.
- the polarity of each magnet is set so that an attractive force is generated between the opposing magnets 113 and 123, between magnets 114 and 124, and between magnets 115 and 125.
- the magnetic attraction between the corresponding magnets connects the linear slider 110 and the linear actuator 120 through a surface joint.
- the alignment at this time is only the orientation of one axis of rotation in the longitudinal direction of the stator 112 on the linear slider 110 side and the stator 122 on the linear actuator 120 side, as shown in the top view of Figure 4, and this alignment is achieved by the magnetic attraction.
- the coupling device 100 employs a linear motion method and connects the driven shaft and driving shaft through surface contact, so that only one axis of rotation in the longitudinal direction is required for orientation, and the load of alignment is significantly reduced.
- FIG. 6 shows a modified example of the coupling device 100 with a positioning pin.
- positioning pins 601 and 602 are attached to the stator 122 of the linear actuator 120 on the driving shaft side.
- pin holes 611 and 612 are drilled in the stator 112 of the linear slider 110 on the driven shaft side at locations opposite the positioning pins 601 and 602.
- a positioning pin is attached to the drive shaft side and a pin hole is provided on the driven shaft side, but the opposite may be true, with a positioning pin attached to the driven shaft side and a pin hole provided on the drive shaft side. In this case, however, an additional step of attaching a positioning pin is required each time the driven shaft side is replaced. Therefore, from the perspective of reducing the number of steps, a configuration in which a positioning pin is attached to the drive shaft side and a pin hole is provided on the driven shaft side, as shown in Figure 6, is more preferable.
- the coupling device 100 employs a linear motion system for the drive shaft and driven shaft to be coupled, and is configured to connect the drive shaft and driven shaft by surface contact. This reduces the degree of freedom required for alignment and orientation of the drive shaft and driven shaft, and reduces the workload of attachment and detachment.
- the coupling device 100 is configured to use the attractive force and frictional force of magnets to couple and transmit thrust between the drive shaft and the driven shaft, which enables power to be transmitted from the drive shaft to the driven shaft without backlash, improving the accuracy of driving the driven shaft.
- the coupling device 100 does not use mechanical parts such as screws to connect the drive shaft and the driven shaft. Therefore, the process of replacing the driven shaft on which an end effector such as a surgical tool is mounted can be simplified.
- the structure of the coupling device 100 is generally simplified. Therefore, the manufacturing process is simplified, leading to reduced costs.
- the coupling device 100 has a simple structure that is not complicated, gas can easily penetrate during gas sterilization, facilitating the sterilization process.
- Robot arm configuration Fig. 7 shows the joint link configuration of a robot arm 700 to which the present disclosure can be applied.
- the joint axis is represented by "q” and the link is represented by "l”, and the serial numbers identifying each joint q and each link l are represented by subscripts in the lower left corner.
- joint axes there are two types of joint axes: rotary axes and linear axes.
- the robot arm 700 is assumed to be a medical robot arm applied to surgical operations such as ophthalmic surgery (or fundus surgery), etc. That is, the tip of the end effector l ee, which is the tip (distal end) link, is a surgical tool T such as forceps, and power given to the linear motion shaft q 20 and the linear motion shaft q 21 arranged near the bottom (mechanical ground) is transmitted by a slider link mechanism to give the end effector l ee translational and rotational degrees of freedom.
- ophthalmic surgery or fundus surgery
- the robot arm 700 roughly constitutes a parallel link mechanism, and the position where the longitudinal axis of the end effector l ee intersects with the mechanical ground becomes the remote center of motion RCM of the end effector l ee . Therefore, when the robot arm 700 is applied to ophthalmic surgery, the robot arm 700 is positioned so that the trocar inserted into the sclera (white of the eye) of the eye coincides with this RCM, thereby reducing the load applied to the insertion part when the end effector l ee , which is a surgical tool, is operated or the eye moves, thereby realizing minimally invasive surgery.
- the end effector l ee can be translated in the longitudinal direction (insertion direction) while remaining inserted in the trocar positioned on the RCM, and by moving the linear axis q21 in a straight line, the end effector l ee can be rotated while the position of the trocar is fixed.
- the passive axis q19 has the role of keeping the link l15 and the link l16 (and the link l17 ) on a straight line while the end effector l ee is translated and rotated by the operation of the linear axis q20 and the linear axis q21 , and of connecting the joint axes q10 and q11 at both ends of these links in a freely expandable and contractible manner.
- the passive axis q19 performs linear motion so that the YZ plane passing through the joint axes q10 , q11 , and q14 is constrained.
- the robot arm 700 having the joint link configuration as shown in Fig. 7 can also be assembled like origami paper.
- Figs. 8 and 9 show an example of the configuration of the robot arm 700 using an origami structure.
- Fig. 8 is a side view of the robot arm 700 having an origami structure viewed from the side
- Fig. 9 is a perspective view of the robot arm 700 having an origami structure viewed from the distal end side.
- the linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 move linearly by the transmission of power from an external source, but in Figs. 8 and 9, the linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 are omitted for simplicity.
- the robot arm 700 is a parallel link mechanism that extends in the XZ plane, and includes multiple joint axes and links as shown in FIG. 7.
- This parallel link mechanism has two degrees of freedom in the X-axis and Z-axis directions, but no degree of freedom in the Y-axis direction.
- Joint axes q1 to q21 are illustrated as multiple joint axes of the parallel link mechanism (however, in Figs. 8 and 9, illustration of linear axis q20 and linear axis q21 is omitted). Of these, joint axes q1 , q2 , q7 , and q10 are disposed on the base (mechanical ground) of the robot arm 700. The base of the robot arm 700 is the end opposite to the distal end (however, in Figs. 8 and 9, illustration of the end effector l ee at the distal end is omitted).
- the linear motion of the linear axis q21 is transmitted through link l12 , joint axis q18 , link l11 , and joint axis q17 to rotate link l4 around joint axis q1 .
- the linear motion of the linear axis q20 which is an active axis, is transmitted through link l8 , joint axis q16 , link l7 , and joint axis q15 to rotate link l9 around joint axis q7 .
- the linear axis q20 and the linear axis q21 which are active axes, are each configured as a linear slider on the driven axis side in the coupling device according to the present disclosure, and can be linearly moved by being coupled to a linear actuator on the driving axis side (neither of which is shown in Figs. 7 to 9) installed below the base part of the robot arm 700.
- a linear actuator on the driving axis side either of which is shown in Figs. 7 to 9
- the specific configuration of the linear motion shaft q20 and the linear motion shaft q21 and the details of the coupling with the drive shaft side will be described later.
- a plurality of links l 1 to l 15 and a distal end link (end effector) l ee each extend in the XZ plane direction and connect the joint axes.
- link l 1 connects joint axis q 1 and joint axis q 2.
- Link l 2 connects joint axis q 2 and joint axis q 3.
- Link l 3 connects joint axis q 3 and joint axis q 4.
- Link l 4 connects joint axis q 1 and joint axis q 4.
- Link l 5 connects joint axis q 3 and joint axis q 5.
- Link l 6 connects joint axis q 5 and joint axis q 13.
- Link l 7 connects joint axis q 4 and joint axis q 6.
- Link l 14 connects joint axis q 3 and joint axis q 4 .
- Link l15 connects joint axis q12 and joint axis q13 .
- the robot arm 700 includes a parallel link mechanism pl1 located on the base side, a parallel link mechanism pl2 located on the distal end side, and a parallel link mechanism pl3 located between the parallel link mechanisms pl1 and pl2 .
- the parallel link mechanism pl1 located on the base side is composed of joint axis q1 , joint axis q2 , joint axis q3 , joint axis q4 , link l1 , link l2, link l3 , and link l4 .
- the parallel link mechanism pl2 located on the distal end side is composed of joint axis q11 , joint axis q12 , joint axis q13 , joint axis q14 , link l12 , link l14 , link l6, and link l15 .
- the parallel link mechanism pl3, located between the parallel link mechanism pl1 and the parallel link mechanism pl2 is composed of joint axis q3 , joint axis q4 , joint axis q5 , joint axis q6 , link l3, link l5 , link l6 , and link l7 .
- the operation of each parallel link mechanism is well known in the art.
- Link l14 is a support link that supports an end effector l ee (not shown in Figs. 8 and 9) such as a surgical tool at its distal end.
- the end effector l ee supported by link l14 extends in the direction in which the surgical tool is inserted into the body (or into the eye).
- Link l13 is an opposing link that faces link l14 and moves in parallel with link l14 when the end effector l ee is moved in the direction in which the surgical tool is inserted.
- Joint axis q7 is provided between joint axis q1 and joint axis q2
- joint axis q9 is provided between joint axis q5 and joint axis q6
- Link l9 , joint axis q15 , and link l10 are connected between joint axis q7 and joint axis q9 in this order. As can be seen from Figures 8 and 9 , these components are made by bonding plate-like members together to form a V-shape, and do not interfere with the operation of parallel link mechanism pl1 and parallel link mechanism pl2 .
- linear motion of linear axis q21 which is the active axis, is transmitted via link l12 , joint axis q18 , link l11 , and joint axis q17 , and can rotate link l4 around joint axis q1 .
- parallel link mechanism pl1 located on the base side is operated by the rotation of link l4
- parallel link mechanism pl3 located between parallel link mechanisms pl1 and pl2 and parallel link mechanism pl2 located on the distal end side operate in conjunction with each other, and the end effector lee can be pivoted or moved in the insertion direction with the remote motion center RCM as a fixed point.
- the linear axis q19 is connected between the joint axis q10 and the joint axis q11 via the link l16 and the link l17 so as to linearly move the end effector lee in the insertion direction according to the amount of displacement.
- the linear axis q19 is configured to deform in the surface direction of the YZ plane perpendicular to the XZ plane.
- the linear axis q19 is composed of a link mechanism in which the link l16 and the link l17 deform so as to have a V-shape on the YZ plane.
- the joint link configuration of the linear axis q19 consisting of a V-shaped link mechanism is shown in the lower right of Fig. 8.
- the linear axis q19 is a passive axis, but while the end effector l ee is translated and rotated by the operation of the linear axis q20 and the linear axis q21 , it has the role of keeping the link l15 and the link l16 (and the link l17 ) on a straight line and of connecting the joint axes q10 and q11 at both ends of these links in a freely expandable and contractible manner.
- the linear axis q19 is configured by connecting a parallel link mechanism pl81 consisting of joint axis q22 , joint axis q23 , joint axis q24 , joint axis q25 , link l18 , link l19 , link l20 , and link l21 , and a parallel link mechanism pl82 consisting of joint axis q23 , joint axis q24 , joint axis q26 , joint axis q27 , link l18 , link l19 , link l20 , and link l21 , via link l20 .
- the linear axis q19 has a V-shape in which the parallel link mechanism pl81 and the parallel link mechanism pl82 overlap, with the link l20 as the valley.
- the link l 20 is displaced in the surface direction of the YZ plane, which becomes the displacement amount of the linear motion axis q 19.
- the link l 18 is connected to the link l 16
- the link l 23 is connected to the link l 17 .
- Fig. 10 shows an external configuration (perspective view) of a drive unit 1000 on the drive shaft side that operates each of linear motion shafts q20 and q21 disposed near the bottom of the robot arm 700.
- Fig. 11 shows a schematic diagram of a joint link configuration of the drive unit 1000.
- the drive unit 1000 includes a linear actuator 1010 for driving one linear axis q 20 and a linear actuator 1020 for driving the other linear axis q 21 .
- One linear actuator 1010 includes a stator 1011, a rotor 1012, and a motor q A,1 .
- the stator 1011 has a guide rail (not shown in FIG. 11) that guides and supports the rotor 1012, and is fixed to a mechanical ground.
- the rotor 1012 is placed on the stator 1011, and reciprocates in the longitudinal direction of the stator 1011 along the guide rail by power from the motor q A,1 .
- the motor q A,1 may be either a rotary motor or a linear motor as long as it can be converted into power in the longitudinal direction of the stator 1011.
- the other linear actuator 1020 includes a stator 1021, a rotor 1022, and a motor q A,2 , and is configured so that the rotor 1022 reciprocates in the longitudinal direction of the stator 1011 by power from the motor q A,1 .
- the linear actuator 1010 and the linear actuator 1020 have the stators 1011 and 1021 supported and fixed to the frame 1030 so that their longitudinal directions (i.e., the linear directions of the rotors 1012 and 1022) coincide with the X direction.
- the frame 1030 is formed by assembling a plurality of sheet metal parts by screw fastening, for example, as shown in the figure.
- the frame 1030 also has openings 1031 and 1032 for exposing the upper surfaces of the rotors 1012 and 1022, respectively, over the range of movement in the X direction when the rotors 1012 and 1022 reciprocate in the X direction.
- the upper surface C'1 of the rotor 1012 and the upper surface C'2 of the rotor 1022 are coupling surfaces that couple with the rotors of the linear sliders on the driven shaft side. Therefore, the corresponding rotors on the driving shaft side and the driven shaft side can be coupled to each other through these openings 1031 and 1032.
- the linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 are respectively configured using a linear slider 1210 and a linear slider 1220.
- the linear slider 1210 and the linear slider 1220 are respectively composed of a stator and a rotor, the stator has a guide rail for guiding and supporting the rotor, and the rotor is placed on the stator and can reciprocate along the guide rail in the longitudinal direction of the stator.
- the stators of the linear sliders 1210 and the linear sliders 1220 of the linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 are supported and fixed to the link l1 of the robot arm 700 so that the longitudinal direction (i.e., the rectilinear direction of the rotor) coincides with the X direction.
- the longitudinal movement of the rotor on one linear slider 1210 side is the motion of the linear axis q 20
- the longitudinal movement of the rotor on the other linear slider 1220 side is the motion of the linear axis q 21 .
- Link l1 is made of a flat part made of sheet metal or the like, and has openings 1231 and 1232 for exposing the upper surfaces of the rotors of linear slider 1210 and linear slider 1220 over the range of motion when the rotors reciprocate in the X direction.
- the upper surfaces C1 and C2 of each rotor are connecting surfaces for connecting with the upper surface C'1 of rotor 1012 of linear actuator 1010 on the drive shaft side and the upper surface C'2 of rotor 1022 of linear actuator 1020, respectively.
- the frame portion 1030 has openings 1031 and 1032 for exposing the top surfaces of the rotors 1012 and 1022 over the range of motion when the rotors 1012 and 1022 reciprocate in the X direction.
- the top surface C'1 of the rotor 1012 and the top surface C'2 of the rotor 1022 are coupling surfaces that couple with the rotors of the linear sliders on the driven shaft side.
- the corresponding rotors on the driving shaft side and the driven shaft side can be brought into contact with each other via openings 1231 and 1232 provided in link l1 on the robot arm 700 side and openings 1031 and 1032 provided in frame portion 1030 on the drive unit 1000 side.
- the robot arm 700 and the drive unit 1000 are connected using the attraction force of a magnet.
- magnets 1251 and 1252 are arranged on the upper surface C1 of the rotor of the linear slider 1210, and magnets 1253 and 1254 are arranged on the upper surface C2 of the rotor of the linear slider 1220.
- magnets 1255 to 1258 are arranged on the link l1 that supports and fixes the stators of the linear slider 1210 and the linear slider 1220.
- magnets 1351 and 1352 are arranged on the upper surface C'1 of the rotor 1012 of the linear actuator 1010, and magnets 1353 and 1354 are arranged on the upper surface C'2 of the rotor 1022 of the linear actuator 1020.
- magnets 1355 to 1358 are arranged on the upper surface of the frame part 1030 that supports and fixes the stator 1011 of the linear actuator 1010 and the stator 1021 of the linear actuator 1020. The positions of these magnets 1355 to 1358 correspond to the positions of the four magnets 1255 to 1258 arranged in the link l1 on the robot arm 700 side.
- each magnet is set so that an attractive force is generated between opposing magnets 1251 and 1351, between magnets 1252 and 1352, between magnets 1253 and 1353, between magnets 1254 and 1354, between magnets 1255 and 1355, between magnets 1256 and 1356, between magnets 1257 and 1357, and between magnets 1258 and 1358.
- magnets 1251 to 1258 arranged on the robot arm 700 side are all set to S poles
- magnets 1351 to 1358 arranged on the drive unit 1000 are all set to N poles.
- the polarity combinations are not limited to these, and other polarity combinations may be used as long as an attractive force acts between opposing magnets.
- magnets 1251-1258 and magnets 1351-1358 can be fixed by adhesion, and the use of heat-resistant magnets makes it possible to use a thermosetting adhesive (ibid.).
- the positions of the corresponding rotors on the linear slider and linear actuator may not match, resulting in the rotors not being connected to each other.
- the magnetic attraction will connect the rotors to each other (see FIG. 5, for example).
- the alignment required when connecting the robot arm 700 and the drive unit 1000 is only the orientation of one axis of rotation in the longitudinal direction. This alignment can be made even easier by using a positioning pin.
- the positioning pins 1341 and 1342 are attached to the frame part 1030 of the drive unit 1000, which is the drive shaft side, while the link l1 , which is the bottom surface of the robot arm 700, which is the driven shaft side, has pin holes 1241 and 1242 drilled at locations facing the positioning pins 1341 and 1342. Therefore, by connecting the linear slider 110 and the linear actuator 120 so that the positioning pins 1341 and 1342 are fitted into the pin holes 1241 and 1242, respectively, the alignment between the stators 112 and 122 can be easily achieved.
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Abstract
Description
本明細書で開示する技術(以下、「本開示」とする)は、エンドエフェクタを備えた被駆動部とエンドエフェクタを駆動するモータを含む駆動部とを連結するカップリング装置、並びにカップリング装置を利用した医療ロボット装置に関する。 The technology disclosed in this specification (hereinafter referred to as "the present disclosure") relates to a coupling device that connects a driven part equipped with an end effector to a driving part including a motor that drives the end effector, and a medical robot device that uses the coupling device.
現在、医療を始めさまざまな産業分野でロボット技術が深く浸透してきている。一般に、ロボットアーム(マニピュレータ)は、遠位端に1又は複数の自由度を持つエンドエフェクタなどからなる被駆動部と、エンドエフェクタを駆動するモータなどからなる駆動部を備える。また、1つのマニピュレータを複数の用途に適合させるために、エンドエフェクタは交換可能であることが好ましく、この場合、動力源の駆動軸とエンドエフェクタ側の被駆動軸とを連結するためのカップリング構造が必要になる。 Currently, robotics technology is making inroads in various industrial fields, including medicine. In general, a robot arm (manipulator) is equipped with a driven part consisting of an end effector with one or more degrees of freedom at its distal end, and a driving part consisting of a motor that drives the end effector. In order to adapt a single manipulator to multiple applications, it is preferable for the end effector to be interchangeable. In this case, a coupling structure is required to connect the drive shaft of the power source and the driven shaft on the end effector side.
例えば、医療用マニピュレータシステムにおいて先端に術具を備えた術具ユニットと術具を駆動する駆動ユニットとを連結させるカップリング構造について提案されている(特許文献1を参照のこと)。この医療用マニピュレータシステムでは、アダプタを介して術具ユニットと駆動ユニットが接続される構成となっている。 For example, a coupling structure has been proposed for a medical manipulator system that connects a surgical tool unit equipped with a surgical tool at its tip to a drive unit that drives the surgical tool (see Patent Document 1). In this medical manipulator system, the surgical tool unit and drive unit are connected via an adapter.
被駆動部と駆動部を連結するカップリング構造には、エンドエフェクタの交換のため着脱が容易であること、動力の伝達効率が良いこと、バックラッシュが小さいこと、再現性よく連結できることといった工学的要件を満たすことが求められる。医療分野に適用される場合には、さらに医療的要件として、着脱交換される被駆動部側の清潔性を担保できることも求められる。 The coupling structure that connects the driven part and the driving part must satisfy engineering requirements, such as easy attachment and detachment for replacing the end effector, good power transmission efficiency, little backlash, and the ability to connect with good reproducibility. When applied to the medical field, an additional medical requirement is that the cleanliness of the driven part that is detached and replaced must be guaranteed.
本開示の目的は、工学的要件を満たしながら、エンドエフェクタを備えた被駆動部とエンドエフェクタを駆動するモータを含む駆動部とを連結するカップリング装置、並びにカップリング装置を利用した医療ロボット装置を提供することにある。 The objective of this disclosure is to provide a coupling device that connects a driven part equipped with an end effector to a driving part including a motor that drives the end effector while satisfying engineering requirements, as well as a medical robot device that utilizes the coupling device.
本開示は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、
直動方式の被駆動軸部と、
直動方式の駆動軸部と、
前記被駆動軸部と前記駆動軸部を面接合によって連結する連結部と、
を具備するカップリング装置である。
The present disclosure has been made in consideration of the above problems, and a first aspect thereof is:
A linear driven shaft portion;
A linear drive shaft portion;
a connecting portion that connects the driven shaft portion and the driving shaft portion by surface joining;
A coupling device comprising:
前記被駆動軸部は、第1のロータと第1のステータを含むリニアスライダを備え、前記駆動軸部は、第2のロータと第2のステータを含むリニアアクチュエータを備える。そして、前記連結部は、前記第1のロータと前記第2のロータの移動方向が一致するように、前記第1のロータと前記第2のロータ間、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ間をそれぞれ面接合によって連結する。 The driven shaft portion includes a linear slider including a first rotor and a first stator, and the driving shaft portion includes a linear actuator including a second rotor and a second stator. The connecting portion connects the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator, respectively, by surface joints so that the moving directions of the first rotor and the second rotor are the same.
前記連結部は、磁石の吸着力を利用して、前記第1のロータと前記第2のロータ同士、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ同士を連結する。具体的には、前記連結部は、前記被駆動軸部の前記第1のロータ及び前記第1のステータの各々に取り付けた複数の第1の磁石と、前記駆動軸部の前記第2のロータと前記第2のステータの各々に取り付けた複数の第2の磁石を含み、前記第2のステータには、前記第1のステータに取り付けた第1の磁石に対応する場所に、前記第2の磁石が配置される。さらに、前記第1のステータ及び前記第2のステータのうち一方が位置決めピンを有するとともに他方が前記位置決めピンと嵌合するピン穴を有していてもよい。 The connecting portion uses the attractive force of magnets to connect the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator. Specifically, the connecting portion includes a plurality of first magnets attached to each of the first rotor and the first stator of the driven shaft portion, and a plurality of second magnets attached to each of the second rotor and the second stator of the drive shaft portion, and the second magnets are disposed on the second stator at locations corresponding to the first magnets attached to the first stator. Furthermore, one of the first stator and the second stator may have a positioning pin, and the other may have a pin hole that fits with the positioning pin.
また、本開示の第2の側面は、
遠位端で術具を支持する第1のロボット装置と、
前記第1のロボット装置と連結する第2のロボット装置と、
を具備し、
前記第1のロボット装置側の直動方式の被駆動軸部と前記第2のロボット装置側の直動方式の駆動軸部が面接合によって連結され、
前記第1のロボット装置は、前記駆動軸部から前記被駆動軸部に伝達される動力によって前記術具を動作させる、
医療ロボット装置である。
In addition, a second aspect of the present disclosure is
a first robotic device supporting a surgical tool at a distal end;
a second robotic device coupled to the first robotic device;
Equipped with
a linear motion driven shaft portion of the first robot device and a linear motion drive shaft portion of the second robot device are connected by a surface joint;
The first robot device operates the surgical tool by power transmitted from the drive shaft portion to the driven shaft portion.
It is a medical robotic device.
前記第1のロボット装置は、遠隔運動中心を有するように前記術具を支持する。また、前記第2のロボット装置は、前記第1のロボット装置とは着脱可能に連結する。 The first robotic device supports the surgical tool so that it has a remote center of motion. The second robotic device is detachably connected to the first robotic device.
また、本開示の第3の側面は、
遠位端で術具を支持するリンク機構部と、
直動方式の駆動軸部と面接合によって着脱可能に連結する直動方式の被駆動軸部と、
を具備し、
前記直動方式の被駆動軸部は、前記直動方式の駆動軸部から伝達される動力によって前記リンク駆動部を駆動する、
医療ロボット装置である。
In addition, a third aspect of the present disclosure is
A link mechanism that supports a surgical tool at a distal end;
a linear driving shaft portion detachably connected to the linear driving shaft portion by surface contact;
Equipped with
The linear motion driven shaft drives the link drive unit by power transmitted from the linear motion drive shaft.
It is a medical robotic device.
本開示によれば、工学的要件を満たすとともに、さらに医学的要件を満たしながら被駆動部と駆動部とを連結するカップリング装置並びに医療ロボット装置を提供することができる。 This disclosure makes it possible to provide a coupling device and a medical robot device that connect a driven part and a driving part while satisfying not only engineering requirements but also medical requirements.
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。 Note that the effects described in this specification are merely examples, and the effects brought about by this disclosure are not limited to these. Furthermore, this disclosure may have additional effects in addition to the effects described above.
本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 Further objects, features and advantages of the present disclosure will become apparent from the following detailed description based on the embodiments and the accompanying drawings.
以下、図面を参照しながら本開示の実施形態について、以下の順に従って説明する。 The following describes the embodiments of the present disclosure with reference to the drawings in the following order:
A.概要
B.基本構成
C.実装例
C-1.ロボットアームの構成
C-2.ロボットアームに適用されるカップリング構造
C-3.特徴
D.カップリング装置の変形例
E.医療ロボットシステムへの応用例
E-1.医療ロボットシステムの概略構成
E-2.医療ロボットシステムの機能構成
E-3.特徴
A. Overview B. Basic configuration C. Implementation example C-1. Configuration of robot arm C-2. Coupling structure applied to robot arm C-3. Features D. Modified example of coupling device E. Application example to medical robot system E-1. Schematic configuration of medical robot system E-2. Functional configuration of medical robot system E-3. Features
A.概要
メカトロニクス領域において、モータの駆動軸からエンドエフェクタ側の被駆動軸への動力伝達は、重要な課題の1つである。被駆動軸と駆動軸を連結するカップリング構造には、作業中においてもエンドエフェクタの交換を簡便に行うために着脱が容易であること、動力の伝達効率が良いこと、バックラッシュが小さいこと、再現性よく連結できることといった工学的要件を満たすことが求められる。さらに医療領域においては、工学的要件に加えて、医療的要件として着脱交換される被駆動部側の清潔性を担保できることも、カップリング構造に求められる。
A. Overview In the mechatronics field, the transmission of power from the drive shaft of a motor to the driven shaft on the end effector side is one of the important issues. The coupling structure that connects the driven shaft and the drive shaft is required to satisfy engineering requirements such as easy attachment and detachment to easily replace the end effector even during work, good power transmission efficiency, small backlash, and good reproducibility of connection. Furthermore, in the medical field, in addition to the engineering requirements, the coupling structure is also required to ensure the cleanliness of the driven part side that is attached, detached, and replaced as a medical requirement.
医療分野に適用される場合には、エンドエフェクタとしての術具を搭載した被駆動軸側は滅菌された清潔領域にあり、他方の駆動軸側は例えばドレープによって覆われることにより清潔領域と分離して、被駆動軸側の清潔性を保つことが求められる。このため、被駆動軸と駆動軸を連結するカップリング部分の構成部品は滅菌対応でなければならない。 When applied to the medical field, the driven shaft side, which is equipped with a surgical tool as an end effector, is in a sterilized clean area, while the other drive shaft side is separated from the clean area by being covered with a drape, for example, and it is required to maintain the cleanliness of the driven shaft side. For this reason, the components of the coupling part that connects the driven shaft and drive shaft must be sterilizable.
また、一般的な外科手術では、複数の術具を用いて手術が執り行われるので、術具交換を円滑に行う必要がある。このため、被駆動軸と駆動軸の着脱が容易で再現性が高いカップリング構造であることが求められる。例えば、ネジを用いて被駆動軸を駆動軸に取り付けるカップリング構造の場合、術者や助手などの非エンジニアが精密にネジ止めすることは困難であり、また、手術中に術具を円滑に交換することは難しくなる。 Moreover, in general surgical procedures, multiple surgical tools are used, so the surgical tools must be replaced smoothly. For this reason, a coupling structure that allows easy attachment and detachment of the driven shaft and driving shaft and is highly reproducible is required. For example, in the case of a coupling structure in which the driven shaft is attached to the driving shaft using a screw, it is difficult for non-engineers such as the surgeon or assistant to precisely screw it in place, and it also becomes difficult to smoothly replace surgical tools during surgery.
駆動軸及び被駆動軸ともに回転方式を採用するカップリング構造の場合、回転モータによって発生させた駆動軸の回転力が、カップリング構造を介して被駆動軸に伝達される。この場合、駆動軸と被駆動軸とを同軸状に連結させる必要がある。したがって、回転2軸(例えば、パン及びチルト)のオリエンテーションと、回転軸と直交する並進2軸のアライメントを行わなければならず、精密性を担保するのが難しい。また、回転方式の場合、駆動軸側又は被駆動軸側の少なくとも一方に減速機を使用するためバックラッシュが発生し、バックラッシュレスで動力を伝達するのが難しい。当業界では低バックラッシュのカプラが知られているが、構造が複雑であるため、部品点数増加によるコスト増や故障リスクへの影響が懸念される。また、このようなカプラは入り組んだ複雑な構造であるため、滅菌処理が容易でない(例えば、ガス滅菌時にガスが浸透し難く、十分に滅菌できない)。 In the case of a coupling structure in which both the driving shaft and the driven shaft adopt a rotational system, the rotational force of the driving shaft generated by the rotary motor is transmitted to the driven shaft via the coupling structure. In this case, it is necessary to connect the driving shaft and the driven shaft coaxially. Therefore, it is necessary to perform the orientation of the two rotational axes (e.g., pan and tilt) and the alignment of the two translational axes perpendicular to the rotational axes, making it difficult to ensure precision. In addition, in the case of the rotational system, a backlash occurs because a reducer is used on at least one of the driving shaft side or the driven shaft side, making it difficult to transmit power without backlash. Low-backlash couplers are known in the industry, but their structure is complex, and there are concerns about the impact on costs and risk of failure due to the increased number of parts. In addition, such couplers have a complicated structure, making them difficult to sterilize (for example, gas does not easily penetrate during gas sterilization, making them unable to be sterilized sufficiently).
本開示は、上述した課題を鑑みて、医療領域(医療ロボットシステムなど)にも適用可能な、駆動軸と被駆動軸を精密に連結することができるカップリング装置を提案する。本開示に係るカップリング装置は、駆動軸及び被駆動軸ともに直動方式を採用し、駆動軸と被駆動軸とを面接合によって連結するという構成を採用する。 In consideration of the above-mentioned problems, the present disclosure proposes a coupling device that can precisely connect a driving shaft and a driven shaft and can also be applied to the medical field (medical robot systems, etc.). The coupling device according to the present disclosure employs a linear motion system for both the driving shaft and the driven shaft, and adopts a configuration in which the driving shaft and the driven shaft are connected by a surface joint.
駆動軸及び被駆動軸はともに、リニアスライダを用いて直動方式を実現する。リニアスライダ自体は、当業界において周知の機械部品である。図22にはリニアスライダ2200の一般的な構成を模式的に示している。図示のリニアスライダ2200は、ステータ2201とロータ2202の各部材からなる。ステータ2201は例えばメカニカルグランドに固定され、ロータ2202を案内支持するガイドレール(図22では詳細な図示を省略)を有する。ロータ2202は、ステータ2201に載せられて、ガイドレールに沿ってステータ2201の長手方向に往復動作する。リニアスライダ2200が駆動軸側の場合、ロータ2202を動作させる駆動源となるモータ(図22では図示を省略)がさらに備えられており、「リニアアクチュエータ」と言うこともできる。一方、リニアスライダ2200が被駆動軸側の場合、ロータ2202は外部(駆動軸側)から伝達される動力によって、ステータ2201の長手方向に直進動作する。なお、本明細書では、リニアスライダ及びリニアアクチュエータにおいて、ステータに対して(直進又は回転して)動作する部材のことを「ロータ」と呼ぶ。 Both the driving shaft and the driven shaft use linear sliders to achieve a linear motion system. The linear slider itself is a mechanical component well known in the industry. FIG. 22 shows a schematic diagram of a general configuration of a linear slider 2200. The illustrated linear slider 2200 is composed of the components of a stator 2201 and a rotor 2202. The stator 2201 is fixed to a mechanical ground, for example, and has a guide rail (details not shown in FIG. 22) that guides and supports the rotor 2202. The rotor 2202 is placed on the stator 2201 and reciprocates along the guide rail in the longitudinal direction of the stator 2201. When the linear slider 2200 is on the driving shaft side, it is further equipped with a motor (not shown in FIG. 22) that serves as a drive source for operating the rotor 2202, and can also be called a "linear actuator." On the other hand, when the linear slider 2200 is on the driven shaft side, the rotor 2202 moves linearly in the longitudinal direction of the stator 2201 due to the power transmitted from the outside (the driving shaft side). In this specification, the member that moves (linearly or rotatingly) relative to the stator in the linear slider and linear actuator is called the "rotor."
本開示に係るカップリング装置は、駆動軸側のリニアアクチュエータと被駆動軸側のリニアスライダ同士を、長手方向(すなわち、互いのロータの移動方向)が一致するように対向して配置し、且つ、互いに面接合によって連結させて構成される。したがって、駆動軸側のロータを長手方向に往復動作させると、被駆動軸側のロータも一体となって移動することにより、駆動軸から被駆動軸への動力伝達が実現する。 The coupling device according to the present disclosure is configured by arranging the linear actuator on the drive shaft side and the linear slider on the driven shaft side facing each other so that their longitudinal directions (i.e., the direction of movement of each rotor) are aligned, and connecting them to each other by surface bonding. Therefore, when the rotor on the drive shaft side is reciprocated in the longitudinal direction, the rotor on the driven shaft side also moves together with it, thereby achieving power transmission from the drive shaft to the driven shaft.
B.基本構成
図1及び図2には、本開示に係るカップリング装置100の基本構成を模式的に示している。カップリング装置100は、被駆動軸側のリニアスライダ110と、駆動軸側のリニアアクチュエータ120で構成される。図1は、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120が連結する前の分離状態を示し、図2は、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120が面接合により連結した連結状態を示している。
B. Basic Configuration Figures 1 and 2 show a schematic diagram of the basic configuration of a coupling device 100 according to the present disclosure. The coupling device 100 is composed of a linear slider 110 on the driven shaft side and a linear actuator 120 on the driving shaft side. Figure 1 shows a separated state before the linear slider 110 and the linear actuator 120 are coupled, and Figure 2 shows a coupled state in which the linear slider 110 and the linear actuator 120 are coupled by surface bonding.
被駆動軸側のリニアスライダ110は、可動部分であるロータ111と、ロータ111を長手方向に案内支持するステータ112を備えている。リニアスライダ110には、術具などのエンドエフェクタ(図1には図示しない)が取り付けられる。 The linear slider 110 on the driven shaft side has a rotor 111, which is the movable part, and a stator 112 that guides and supports the rotor 111 in the longitudinal direction. An end effector such as a surgical tool (not shown in FIG. 1) is attached to the linear slider 110.
一方、駆動軸側のリニアアクチュエータ120は、可動部分であるロータ121と、ロータ121を長手方向に案内支持するステータ122と、ロータ121を動作させる駆動源であるモータ(図1では図示しない)を備えている。 On the other hand, the linear actuator 120 on the drive shaft side includes a rotor 121, which is the movable part, a stator 122 that guides and supports the rotor 121 in the longitudinal direction, and a motor (not shown in FIG. 1) that is the drive source that operates the rotor 121.
カップリング装置100は、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120とを、長手方向(すなわち、ロータ111及びロータ121の移動方向)が一致するように対向して配置し、且つ、互いに面接合によって連結させて構成される。 The coupling device 100 is configured by arranging the linear slider 110 and the linear actuator 120 facing each other so that their longitudinal directions (i.e., the directions of movement of the rotor 111 and the rotor 121) are aligned, and connecting them to each other by surface bonding.
リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120の面接合には、磁石による吸着力が利用される。図1に示すように、リニアスライダ110側では、ステータ112の長手方向の両端にそれぞれ磁石113及び磁石114が配置されるとともに、ロータ111の上面に磁石115が配置されている。また、リニアアクチュエータ120側では、ステータ122の長手方向の両端にそれぞれ磁石123及び磁石124が配置されるとともに、ロータ121の上面に磁石125が配置されている。そして、対向する磁石113及び磁石123間、磁石114及び磁石124間、磁石115及び磁石125間の各々で吸着力が発生するように、各磁石の極性が設定されている。したがって、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120を対向させて接近させるだけで、対応する磁石同士の吸着力によって、図2に示すようにリニアスライダ110とリニアアクチュエータ120の連結、すなわち被駆動軸と駆動軸の面接合による連結が実現する。
The surface-to-surface connection between the linear slider 110 and the linear actuator 120 utilizes the attraction force of magnets. As shown in FIG. 1, on the linear slider 110 side,
なお、磁石をロータ及びステータの各部品に固定する固定方法の1つとして接着が挙げられる。耐熱磁石を用いることで、熱硬化接着剤の使用が可能である。この場合、カップリング装置100の滅菌に高圧蒸気滅菌装置を使用することも可能になる。 One method for fixing the magnets to the rotor and stator components is adhesion. By using a heat-resistant magnet, it is possible to use a thermosetting adhesive. In this case, it is also possible to use a high-pressure steam sterilization device to sterilize the coupling device 100.
図2に示すような、被駆動軸側のロータ111と駆動軸側のロータ121の連結状態では、ロータ121を駆動させたときに、磁石115と磁石125間の吸着力に応じた摩擦力が、推力方向に発生する。推力方向は、ロータ121がステータ122上で長手方向に移動する方向である。磁石115と磁石125間の吸着力をF、摩擦係数をμとすると、推力方向に発生する摩擦力NはN=μFである。図3に示すように、ロータ121の推力方向とは逆向きの負荷がロータ111に加わっているとすると、推力方向において、「推力≧負荷」の関係があるときに、駆動軸側(リニアアクチュエータ120)から被駆動軸側(リニアスライダ110)へバックラッシュレスで動力を伝達することができる。 In the connected state of the rotor 111 on the driven shaft side and the rotor 121 on the driving shaft side as shown in FIG. 2, when the rotor 121 is driven, a frictional force corresponding to the adhesive force between the magnets 115 and 125 is generated in the thrust direction. The thrust direction is the direction in which the rotor 121 moves longitudinally on the stator 122. If the adhesive force between the magnets 115 and 125 is F and the friction coefficient is μ, the frictional force N generated in the thrust direction is N = μF. As shown in FIG. 3, if a load in the opposite direction to the thrust direction of the rotor 121 is applied to the rotor 111, when the relationship of "thrust ≧ load" exists in the thrust direction, power can be transmitted from the driving shaft side (linear actuator 120) to the driven shaft side (linear slider 110) without backlash.
カップリング装置100において、被駆動軸と駆動軸を連結させる際のアライメント調整について、図4を参照しながら説明する。上述したように、被駆動軸側のリニアスライダ110と駆動軸側のリニアアクチュエータ120は、磁石の吸着力を利用した面接合により連結する。図4には、面接合時のカップリング装置100の側面図及び上面図を示している。 The alignment adjustment when connecting the driven shaft and the driving shaft in the coupling device 100 will be explained with reference to FIG. 4. As described above, the linear slider 110 on the driven shaft side and the linear actuator 120 on the driving shaft side are connected by a surface joint that utilizes the attractive force of magnets. FIG. 4 shows a side view and a top view of the coupling device 100 when surface jointed.
リニアスライダ110側では、ステータ112の長手方向の両端にそれぞれ磁石113及び114が配置されるとともに、ロータ111の上面に磁石115が配置されている。また、リニアアクチュエータ120側では、ステータ122の長手方向の両端にそれぞれ磁石123及び124が配置されるとともに、ロータ121の上面に磁石125が配置されている。そして、対向する磁石113及び123間、磁石114及び124間、磁石115及び125間の各々で吸着力が発生するように、各磁石の極性が設定されている。
On the linear slider 110 side,
リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120を対向させて接近させると、対応する磁石同士の吸着力によって、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120は面接合により連結する。その際のアライメントは、図4中の上面図に示すように、リニアスライダ110側のステータ112とリニアアクチュエータ120側のステータ122の各々の長手方向の回転1軸のオリエンテーションのみであり、しかも磁石の吸着力によってこのアライメントがなされる。 When the linear slider 110 and the linear actuator 120 are brought close to each other facing each other, the magnetic attraction between the corresponding magnets connects the linear slider 110 and the linear actuator 120 through a surface joint. The alignment at this time is only the orientation of one axis of rotation in the longitudinal direction of the stator 112 on the linear slider 110 side and the stator 122 on the linear actuator 120 side, as shown in the top view of Figure 4, and this alignment is achieved by the magnetic attraction.
回転方式を採用するカップリング構造の場合、連結時には、駆動部側の出力軸と被駆動部側の入力軸の回転2軸のオリエンテーションと、回転軸と直交する並進2軸のアライメントを行わなければならない(前述)。これに対し、本開示に係るカップリング装置100は、直動方式を採用するとともに、被駆動軸と駆動軸を面接触により連結するため、長手方向の回転1軸のみが必要なオリエンテーションであり、アライメントの負荷が大幅に軽減される。 In the case of a coupling structure that employs a rotational method, when coupling, it is necessary to perform the orientation of the two rotational axes of the output shaft on the driving side and the input shaft on the driven side, and the alignment of the two translational axes that are perpendicular to the rotational axes (as described above). In contrast, the coupling device 100 according to the present disclosure employs a linear motion method and connects the driven shaft and driving shaft through surface contact, so that only one axis of rotation in the longitudinal direction is required for orientation, and the load of alignment is significantly reduced.
また、リニアスライダ110のステータ112とリニアアクチュエータ120のステータ122の互いの長手方向のオリエンテーションを揃えて連結させた場合に、図5(a)に示すように、互いのロータ111及びロータ121の位置がずれているために、ロータ111とロータ121が連結しない場合がある。このような場合であっても、図5(b)に示すように、リニアアクチュエータ120側のロータ121を、例えば原点復帰動作などによりステータ122の長手方向に移動させていくことによって、ロータ111及びロータ121の自動連結を実現することができる。図5(c)に示すように、ちょうど他方のロータ111と位置が一致した時点で、互いの磁石115及び125の吸着力によって、ロータ111とロータ121が連結するからである。 In addition, when the stator 112 of the linear slider 110 and the stator 122 of the linear actuator 120 are connected with their longitudinal orientations aligned, as shown in FIG. 5(a), the rotors 111 and 121 may not be connected because the positions of the rotors 111 and 121 are misaligned. Even in such a case, as shown in FIG. 5(b), the rotor 121 on the linear actuator 120 side can be moved in the longitudinal direction of the stator 122, for example, by a return-to-origin operation, thereby realizing automatic connection of the rotors 111 and 121. This is because, as shown in FIG. 5(c), when the rotors 111 and 121 are aligned with the other rotor 111, the magnetic attraction of the magnets 115 and 125 connects the rotors 111 and 121.
図4を参照しながら説明したように、本開示に係るカップリング装置100は、連結時に必要なアライメントは、長手方向の回転1軸のオリエンテーションのみである。位置決めピンを利用することによって、このアライメントをさらに容易にすることができる。図6には、位置決めピンを伴うカップリング装置100の変形例を示している。図示の例では、駆動軸側であるリニアアクチュエータ120のステータ122に位置決めピン601及び位置決めピン602が取り付けられている。他方、被駆動軸側であるリニアスライダ110のステータ112には、上記の位置決めピン601及び位置決めピン602の各々と対向する場所にピン穴611及び612が穿設されている。したがって、位置決めピン601及び位置決めピン602がそれぞれピン穴611及びピン穴612と嵌合するようにして、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120を連結させることによって、ステータ112及び122間のアライメントを容易に実現することができる。図6上には、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120を連結する前の分離状態を示し、図6下には、置決めピン601及び位置決めピン602とピン穴611及びピン穴612との嵌合を利用してリニアスライダ110とリニアアクチュエータ120を連結させた状態を示している。 As described with reference to FIG. 4, the coupling device 100 according to the present disclosure requires only one axis of rotation in the longitudinal direction for alignment during coupling. This alignment can be made even easier by using a positioning pin. FIG. 6 shows a modified example of the coupling device 100 with a positioning pin. In the illustrated example, positioning pins 601 and 602 are attached to the stator 122 of the linear actuator 120 on the driving shaft side. On the other hand, pin holes 611 and 612 are drilled in the stator 112 of the linear slider 110 on the driven shaft side at locations opposite the positioning pins 601 and 602. Therefore, by coupling the linear slider 110 and the linear actuator 120 so that the positioning pins 601 and 602 are fitted into the pin holes 611 and 612, respectively, alignment between the stators 112 and 122 can be easily achieved. The top of Figure 6 shows the linear slider 110 and the linear actuator 120 in a separated state before they are connected, and the bottom of Figure 6 shows the linear slider 110 and the linear actuator 120 in a connected state using the engagement of the positioning pin 601 and the positioning pin 602 with the pin hole 611 and the pin hole 612.
なお、図6に示した例では、駆動軸側に位置決めピンを取り付けるとともに被駆動軸側にピン穴を設けるように構成されているが、逆に、被駆動軸側に位置決めピンを取り付けるとともに駆動軸側にピン穴を設けるように構成してもよい。但し、この場合は被駆動軸側を交換する度に位置決めピンを取り付ける工程が増えてしまう。したがって、工程削減の観点から、図6に示したように、駆動軸側に位置決めピンを取り付けるとともに被駆動軸側にピン穴を設ける構成がより好ましい。 In the example shown in Figure 6, a positioning pin is attached to the drive shaft side and a pin hole is provided on the driven shaft side, but the opposite may be true, with a positioning pin attached to the driven shaft side and a pin hole provided on the drive shaft side. In this case, however, an additional step of attaching a positioning pin is required each time the driven shaft side is replaced. Therefore, from the perspective of reducing the number of steps, a configuration in which a positioning pin is attached to the drive shaft side and a pin hole is provided on the driven shaft side, as shown in Figure 6, is more preferable.
本開示に係るカップリング装置100の特徴について、以下にまとめておく。 The features of the coupling device 100 disclosed herein are summarized below.
(1)カップリング装置100は、カップリング対象となる駆動軸及び被駆動軸に直動方式を採用し、且つ、駆動軸と被駆動軸を面接合によって連結するように構成されている。これによって、駆動軸と被駆動軸とのアライメント及びオリエンテーションが必要な自由度が少なくなり、着脱の作業負担が軽減される。
(2)カップリング装置100は、駆動軸と被駆動軸間の連結及び推力伝達に磁石の吸着力と摩擦力を用いるように構成されている。これによって駆動軸から被駆動軸へバックラッシュレスで動力を伝達することが可能となり、被駆動軸を駆動する精度が向上する。
(3)カップリング装置100は、駆動軸と被駆動軸の連結に、ネジ締結などの機械部品を用いない。したがって、術具などのエンドエフェクタを搭載した被駆動軸側を交換する工程を簡略化することができる。また、術者や助手などの非エンジニアであっても再現性が高いカップリングを実現することができる。
(4)総じてカップリング装置100は構造が簡略化されている。したがって、製造工程が簡略化され、低コスト化にもつながる。また、カップリング装置100は、入り組んでいない簡素な構造であるため、ガス滅菌時に浸透し易く、滅菌処理を容易化することができる。
(1) The coupling device 100 employs a linear motion system for the drive shaft and driven shaft to be coupled, and is configured to connect the drive shaft and driven shaft by surface contact. This reduces the degree of freedom required for alignment and orientation of the drive shaft and driven shaft, and reduces the workload of attachment and detachment.
(2) The coupling device 100 is configured to use the attractive force and frictional force of magnets to couple and transmit thrust between the drive shaft and the driven shaft, which enables power to be transmitted from the drive shaft to the driven shaft without backlash, improving the accuracy of driving the driven shaft.
(3) The coupling device 100 does not use mechanical parts such as screws to connect the drive shaft and the driven shaft. Therefore, the process of replacing the driven shaft on which an end effector such as a surgical tool is mounted can be simplified. In addition, even non-engineers such as surgeons and assistants can realize coupling with high reproducibility.
(4) The structure of the coupling device 100 is generally simplified. Therefore, the manufacturing process is simplified, leading to reduced costs. In addition, since the coupling device 100 has a simple structure that is not complicated, gas can easily penetrate during gas sterilization, facilitating the sterilization process.
C.実装例
このC項では、本開示に係る、直動方式のカップリング装置を適用したロボットアームの実装例について説明する。
C. Implementation Example In this section C, an implementation example of a robot arm to which a linear motion coupling device according to the present disclosure is applied will be described.
C-1.ロボットアームの構成
図7には、本開示を適用可能なロボットアーム700の関節リンク構成を示している。同図において、関節軸を「q」で表すとともにリンクを「l(エル)」で表し、各関節q及び各リンクlを識別する通し番号をそれぞれ左下の添え字で表している。但し、関節軸は、回転軸と直動軸の2種類が混在する。
C-1. Robot arm configuration Fig. 7 shows the joint link configuration of a robot arm 700 to which the present disclosure can be applied. In the figure, the joint axis is represented by "q" and the link is represented by "l", and the serial numbers identifying each joint q and each link l are represented by subscripts in the lower left corner. However, there are two types of joint axes: rotary axes and linear axes.
ロボットアーム700は、例えば眼科手術(又は眼底手術)などの外科手術に適用される医療用ロボットアームであることを想定している。すなわち、先端(遠位端)リンクであるエンドエフェクタleeの先端は鉗子などの術具Tであり、底部(メカニカルグランド)付近に配置された直動軸q20及び直動軸q21に与えられた動力をスライダリンク機構により伝達して、エンドエフェクタleeに並進と回転の自由度を与える。 The robot arm 700 is assumed to be a medical robot arm applied to surgical operations such as ophthalmic surgery (or fundus surgery), etc. That is, the tip of the end effector l ee, which is the tip (distal end) link, is a surgical tool T such as forceps, and power given to the linear motion shaft q 20 and the linear motion shaft q 21 arranged near the bottom (mechanical ground) is transmitted by a slider link mechanism to give the end effector l ee translational and rotational degrees of freedom.
ロボットアーム700は、大まかには平行リンク機構を構成しており、エンドエフェクタleeの長手軸とメカニカルグランドが交差する位置がエンドエフェクタleeの遠隔運動中心RCM(Remote Center of Motion)となる。したがって、ロボットアーム700を眼科手術に適用する場合には、眼球の強膜(白目)に刺入された外套管(トロッカー)がこのRCMと一致するようにロボットアーム700を配置することによって、術具であるエンドエフェクタleeを操作したときや眼球が動いたときに刺入部に加わる負荷が低減されるので、低侵襲手術を実現することができる。すなわち、直動軸q20を直進動作させることにより、エンドエフェクタleeをRCMに位置決めされたトロッカーに挿通されたまま状態のまま長手方向(挿入方向)に並進運動させることができ、直動軸q21を直進動作させることにより、トロッカーの位置を固定したままエンドエフェクタleeを回転運動させることができる。 The robot arm 700 roughly constitutes a parallel link mechanism, and the position where the longitudinal axis of the end effector l ee intersects with the mechanical ground becomes the remote center of motion RCM of the end effector l ee . Therefore, when the robot arm 700 is applied to ophthalmic surgery, the robot arm 700 is positioned so that the trocar inserted into the sclera (white of the eye) of the eye coincides with this RCM, thereby reducing the load applied to the insertion part when the end effector l ee , which is a surgical tool, is operated or the eye moves, thereby realizing minimally invasive surgery. In other words, by moving the linear axis q20 in a straight line, the end effector l ee can be translated in the longitudinal direction (insertion direction) while remaining inserted in the trocar positioned on the RCM, and by moving the linear axis q21 in a straight line, the end effector l ee can be rotated while the position of the trocar is fixed.
直動軸q20及び直動軸q21は、それぞれ本開示に係るカップリング装置における被駆動軸側のリニアスライダとして構成することができ、ロボットアーム700の外部(具体的には、ロボットアーム700を搭載したロボット装置本体側)に設置された駆動軸側のリニアアクチュエータ(いずれも図示しない)と連結することにより、直動動作させることができる。但し、直動軸q20及び直動軸q21の具体的構成や駆動軸側とのカップリングの詳細については、後述に譲る。 The linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 can each be configured as a linear slider on the driven shaft side in the coupling device according to the present disclosure, and can be linearly operated by connecting them to a linear actuator (neither shown) on the driving shaft side installed outside the robot arm 700 (specifically, on the robot device main body side on which the robot arm 700 is mounted). However, the specific configuration of the linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 and details of the coupling with the driving shaft side will be described later.
なお、直動軸q20及び直動軸q21が駆動軸との連結により駆動する能動軸であるのに対し、もう1つの直動軸q19は受動軸である。この受動軸q19は、リンクleeとリンクl17の間に挿設されて、関節軸q10及びq11間を接続している。受動軸q19は、上記の直動軸q20及び直動軸q21の動作によりエンドエフェクタleeを並進及び回転動作させている間に、リンクl15とリンクl16(及びリンクl17)を一直線上に保つとともに、これらの両端の関節軸q10及びq11間を伸縮自在に接続するという役割を持つ。受動軸q19は、関節軸q10、関節軸q11、及び関節軸q14を通るYZ平面が拘束されるように直動動作する。 While the linear axis q20 and the linear axis q21 are active axes that are driven by being connected to the drive axis, the other linear axis q19 is a passive axis. This passive axis q19 is inserted between the link l ee and the link l17 , and connects the joint axes q10 and q11 . The passive axis q19 has the role of keeping the link l15 and the link l16 (and the link l17 ) on a straight line while the end effector l ee is translated and rotated by the operation of the linear axis q20 and the linear axis q21 , and of connecting the joint axes q10 and q11 at both ends of these links in a freely expandable and contractible manner. The passive axis q19 performs linear motion so that the YZ plane passing through the joint axes q10 , q11 , and q14 is constrained.
図7に示したような関節リンク構成からなるロボットアーム700を、折り紙のように組み立てることもできる。図8及び図9には、折り紙構造を利用したロボットアーム700の構成例を示している。図8は、折り紙構造からなるロボットアーム700を真横から眺めた側面図であり、図9は折り紙構造からなるロボットアーム700を遠位端側から眺めた斜視図である。直動軸q20及び直動軸q21は外部からの動力の伝達により直動動作するが、図8及び図9では、簡素化のため直動軸q20及び直動軸q21の図示を省略している。 The robot arm 700 having the joint link configuration as shown in Fig. 7 can also be assembled like origami paper. Figs. 8 and 9 show an example of the configuration of the robot arm 700 using an origami structure. Fig. 8 is a side view of the robot arm 700 having an origami structure viewed from the side, and Fig. 9 is a perspective view of the robot arm 700 having an origami structure viewed from the distal end side. The linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 move linearly by the transmission of power from an external source, but in Figs. 8 and 9, the linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 are omitted for simplicity.
まず、折り紙構造について説明する。折り紙構造からなるロボットアーム700は、ヒンジ構造を有するように折り曲げ可能な板状部材を用いて構成される。板状部材における折り曲げ部分が(回転方式の)関節軸として機能し、折り曲げ部分同士を連結する部分がリンクとして機能する。板状部材の関節部分は、可撓性を有し、弾性変形可能に構成され、ヒンジ構造として機能する。板状部材のうち関節部分はリンク部分よりも柔らかく、逆に言えば、板状部材のうちリンク部分は関節部分より高い剛性を有する。例えば、板状部材のうち関節部分の厚さはリンク部分の厚さより小さい。関節部分は、さらに1つ以上の孔(微細孔)を含んでもよい。板状部材のうち関節部分の厚さが小さかったり孔を含んでいたりすることにより、関節部分をリンク部分よりも柔らかくして、折り曲げ易くすることができる。 First, the origami structure will be described. The robot arm 700 having the origami structure is constructed using plate-like members that can be bent to have a hinge structure. The bent portions of the plate-like members function as (rotational) joint axes, and the portions connecting the bent portions function as links. The joint portions of the plate-like members are flexible and configured to be elastically deformable, and function as a hinge structure. The joint portions of the plate-like members are softer than the link portions, and conversely, the link portions of the plate-like members have higher rigidity than the joint portions. For example, the thickness of the joint portions of the plate-like members is smaller than the thickness of the link portions. The joint portions may further include one or more holes (micropores). By having the joint portions of the plate-like members be thinner or include holes, the joint portions can be made softer than the link portions, making them easier to bend.
板状部材は、カーボンや鉄、複合材料などの素材を用いて製作することができる。関節部分とリンク部分とで異なる材料を用いてもよく、関節部分はリンク部分よりも柔らかい材料(異なるヤング率を有する材料)で構成されてもよい。関節部分に用いられる柔らかい材料として、例えばポリイミド、ゴム、シリコーン、エラストマーなどが挙げられる。 The plate-like member can be made of materials such as carbon, iron, or composite materials. Different materials may be used for the joint and link parts, and the joint parts may be made of a softer material (a material with a different Young's modulus) than the link parts. Examples of soft materials used for the joint parts include polyimide, rubber, silicone, and elastomers.
続いて、ロボットアーム700のリンク構造について説明する。ロボットアーム700は、XZ平面方向に延在する平行リンク機構であり、図7にも示したように複数の関節軸及びリンクを含む。この平行リンク機構はX軸方向及びZ軸方向の2自由度を有するがY軸方向の自由度はない。 Next, the link structure of the robot arm 700 will be described. The robot arm 700 is a parallel link mechanism that extends in the XZ plane, and includes multiple joint axes and links as shown in FIG. 7. This parallel link mechanism has two degrees of freedom in the X-axis and Z-axis directions, but no degree of freedom in the Y-axis direction.
平行リンク機構の複数の関節軸として、関節軸q1~関節軸q21が例示されている(但し、図8及び図9では直動軸q20及び直動軸q21の図示を省略している)。このうち、関節軸q1、関節軸q2、関節軸q7、関節軸q10は、ロボットアーム700の基盤部(メカニカルグランド)に配置される。ロボットアーム700の基盤部は、遠位端側とは反対側の端部である(但し、図8及び図9では、遠位端のエンドエフェクタleeの図示を省略している)。 Joint axes q1 to q21 are illustrated as multiple joint axes of the parallel link mechanism (however, in Figs. 8 and 9, illustration of linear axis q20 and linear axis q21 is omitted). Of these, joint axes q1 , q2 , q7 , and q10 are disposed on the base (mechanical ground) of the robot arm 700. The base of the robot arm 700 is the end opposite to the distal end (however, in Figs. 8 and 9, illustration of the end effector l ee at the distal end is omitted).
図7に示すように、能動軸である直動軸q21の直動動作が、リンクl12、関節軸q18、リンクl11、及び関節軸q17を介して伝達されて、リンクl4を関節軸q1回りに回転動作させるようになっている。また、能動軸である直動軸q20の直動動作が、リンクl8、関節軸q16、リンクl7、及び関節軸q15を介して伝達されて、リンクl9を関節軸q7回りに回転動作させるようになっている。能動軸である直動軸q20及び直動軸q21は、それぞれ本開示に係るカップリング装置における被駆動軸側のリニアスライダとして構成され、ロボットアーム700の基盤部の下方に設置された駆動軸側のリニアアクチュエータ(いずれも図7~図9には図示しない)と連結することにより、直動動作させることができる。但し、直動軸q20及び直動軸q21の具体的構成や駆動軸側とのカップリングの詳細については、後述に譲る。 As shown in Fig. 7, the linear motion of the linear axis q21 , which is an active axis, is transmitted through link l12 , joint axis q18 , link l11 , and joint axis q17 to rotate link l4 around joint axis q1 . The linear motion of the linear axis q20 , which is an active axis, is transmitted through link l8 , joint axis q16 , link l7 , and joint axis q15 to rotate link l9 around joint axis q7 . The linear axis q20 and the linear axis q21 , which are active axes, are each configured as a linear slider on the driven axis side in the coupling device according to the present disclosure, and can be linearly moved by being coupled to a linear actuator on the driving axis side (neither of which is shown in Figs. 7 to 9) installed below the base part of the robot arm 700. However, the specific configuration of the linear motion shaft q20 and the linear motion shaft q21 and the details of the coupling with the drive shaft side will be described later.
複数のリンクl1~l15及び遠位端のリンク(エンドエフェクタ)lee(但し、leeは図8~図9には図示しない)は、それぞれXZ平面方向に延在し、関節軸の間を接続する。具体的には、リンクl1は関節軸q1と関節軸q2間を接続する。リンクl2は関節軸q2と関節軸q3間を接続する。リンクl3は関節軸q3と関節軸q4間を接続する。リンクl4は関節軸q1と関節軸q4間を接続する。リンクl5は関節軸q3と関節軸q5間を接続する。リンクl6は関節軸q5と関節軸q13間を接続する。リンクl7は関節軸q4と関節軸q6間を接続する。リンクl14は関節軸q3と関節軸q4間を接続する。リンクl15は関節軸q12と関節軸q13間を接続する。 A plurality of links l 1 to l 15 and a distal end link (end effector) l ee (however, l ee is not shown in FIGS. 8 and 9 ) each extend in the XZ plane direction and connect the joint axes. Specifically, link l 1 connects joint axis q 1 and joint axis q 2. Link l 2 connects joint axis q 2 and joint axis q 3. Link l 3 connects joint axis q 3 and joint axis q 4. Link l 4 connects joint axis q 1 and joint axis q 4. Link l 5 connects joint axis q 3 and joint axis q 5. Link l 6 connects joint axis q 5 and joint axis q 13. Link l 7 connects joint axis q 4 and joint axis q 6. Link l 14 connects joint axis q 3 and joint axis q 4 . Link l15 connects joint axis q12 and joint axis q13 .
ロボットアーム700は、基盤部側に位置する平行リンク機構pl1と、遠位端側に位置する平行リンク機構pl2と、平行リンク機構pl1と平行リンク機構pl2の間に位置する平行リンク機構pl3を含む。基盤部側に位置する平行リンク機構pl1は、関節軸q1、関節軸q2、関節軸q3、関節軸q4、リンクl1、リンクl2、リンクl3、リンクl4で構成される。遠位端側に位置する平行リンク機構pl2は、関節軸q11、関節軸q12、関節軸q13、関節軸q14、リンクl12、リンクl14、リンクl6、リンクl15で構成される。平行リンク機構pl1と平行リンク機構pl2の間に位置する平行リンク機構pl3は、関節軸q3、関節軸q4、関節軸q5、関節軸q6、リンクl3、リンクl5、リンクl6、リンクl7で構成される。各平行リンク機構の動作自体は、当業界において周知である。 The robot arm 700 includes a parallel link mechanism pl1 located on the base side, a parallel link mechanism pl2 located on the distal end side, and a parallel link mechanism pl3 located between the parallel link mechanisms pl1 and pl2 . The parallel link mechanism pl1 located on the base side is composed of joint axis q1 , joint axis q2 , joint axis q3 , joint axis q4 , link l1 , link l2, link l3 , and link l4 . The parallel link mechanism pl2 located on the distal end side is composed of joint axis q11 , joint axis q12 , joint axis q13 , joint axis q14 , link l12 , link l14 , link l6, and link l15 . The parallel link mechanism pl3, located between the parallel link mechanism pl1 and the parallel link mechanism pl2 , is composed of joint axis q3 , joint axis q4 , joint axis q5 , joint axis q6 , link l3, link l5 , link l6 , and link l7 . The operation of each parallel link mechanism is well known in the art.
リンクl14は、遠位端側で、術具などのエンドエフェクタlee(図8及び図9では図示しない)を支持する支持リンクである。リンクl14で支持されたエンドエフェクタleeは、体内(又は、眼球内)への術具の挿入方向に延在する。リンクl13は、リンクl14に対向する対向リンクであり、エンドエフェクタleeを術具の挿入方向に移動させる際に、リンクl14とともに平行移動する。 Link l14 is a support link that supports an end effector l ee (not shown in Figs. 8 and 9) such as a surgical tool at its distal end. The end effector l ee supported by link l14 extends in the direction in which the surgical tool is inserted into the body (or into the eye). Link l13 is an opposing link that faces link l14 and moves in parallel with link l14 when the end effector l ee is moved in the direction in which the surgical tool is inserted.
関節軸q7は関節軸q1と関節軸q2の間に設けられ、関節軸q9は関節軸q5と関節軸q6の間に設けられる。関節軸q7と関節軸q9の間には、リンクl9、関節軸q15、リンクl10がこの順で接続される。これらの構成要素は、図8及び図9から分かるようにV字形状となるように板状部材同士を張り合わせたものであり、平行リンク機構pl1及び平行リンク機構pl2の動作を妨げるものではない。 Joint axis q7 is provided between joint axis q1 and joint axis q2 , and joint axis q9 is provided between joint axis q5 and joint axis q6 . Link l9 , joint axis q15 , and link l10 are connected between joint axis q7 and joint axis q9 in this order. As can be seen from Figures 8 and 9 , these components are made by bonding plate-like members together to form a V-shape, and do not interfere with the operation of parallel link mechanism pl1 and parallel link mechanism pl2 .
能動軸である直動軸q21の直動動作は、リンクl12、関節軸q18、リンクl11、及び関節軸q17を介して伝達されて、リンクl4を関節軸q1回りに回転動作することができる。リンクl4の回転により基盤部側に位置する平行リンク機構pl1を動作させると、平行リンク機構pl1と平行リンク機構pl2の間に位置する平行リンク機構pl3、遠位端側に位置する平行リンク機構pl2が連動して動作して、エンドエフェクタleeを、遠隔運動中心RCMを不動点として、ピボット動作させたり挿入方向に移動させたりすることができる。 The linear motion of linear axis q21 , which is the active axis, is transmitted via link l12 , joint axis q18 , link l11 , and joint axis q17 , and can rotate link l4 around joint axis q1 . When parallel link mechanism pl1 located on the base side is operated by the rotation of link l4 , parallel link mechanism pl3 located between parallel link mechanisms pl1 and pl2 and parallel link mechanism pl2 located on the distal end side operate in conjunction with each other, and the end effector lee can be pivoted or moved in the insertion direction with the remote motion center RCM as a fixed point.
能動軸である直動軸q20の直動動作は、リンクl8、関節軸q16、リンクl7、関節軸q15、及び関節軸q15を介して伝達されて、リンクl9を関節軸q7回りに回転動作させることができる。ここで、受動軸である直動軸q19は、リンクl16とリンクl17の間に挿設されて、関節軸q10及びq11間を接続している。直動軸q19は、上記の各直動軸q20の動作によりリンクl9が関節軸q7回りに回転動作する間に、リンクl15とリンクl16(及びリンクl17)を一直線上に保つとともに、これらの両端の関節軸q10及びq11間を伸縮自在に接続している。直動軸q20の直動動作によって直動軸q19が変位すると、遠位端側に位置する平行リンク機構pl2において、リンクl15が延在方向に移動し、したがって、リンクl14に支持されたエンドエフェクタleeは挿入方向に移動する。 The linear motion of linear axis q20 , which is an active axis, is transmitted via link l8 , joint axis q16 , link l7 , joint axis q15 , and joint axis q15 , and can rotate link l9 around joint axis q7 . Here, linear axis q19 , which is a passive axis, is inserted between link l16 and link l17 , and connects joint axes q10 and q11 . While link l9 rotates around joint axis q7 due to the motion of each linear axis q20 , linear axis q19 keeps link l15 and link l16 (and link l17 ) on a straight line, and connects joint axes q10 and q11 at both ends of these links in a freely expandable and contractible manner. When linear axis q19 is displaced due to the linear motion of linear axis q20 , link l15 in the parallel link mechanism pl2 located at the distal end moves in the extension direction, and therefore the end effector lee supported by link l14 moves in the insertion direction.
要するに、直動軸q19は、変位量に応じてエンドエフェクタleeを挿入方向に直動動作させるように、リンクl16とリンクl17を介して関節軸q10と関節軸q11の間に接続されている。折り紙構造の実装例においては、直動軸q19は、XZ平面と直交するYZ平面の面方向に変形するように構成されている。図8の左下、及び図9に示すように、直動軸q19は、YZ平面上でリンクl16とリンクl17がV字形状を有するように変形するリンク機構からなる。 In short, the linear axis q19 is connected between the joint axis q10 and the joint axis q11 via the link l16 and the link l17 so as to linearly move the end effector lee in the insertion direction according to the amount of displacement. In the implementation example of the origami structure, the linear axis q19 is configured to deform in the surface direction of the YZ plane perpendicular to the XZ plane. As shown in the lower left of Figure 8 and Figure 9, the linear axis q19 is composed of a link mechanism in which the link l16 and the link l17 deform so as to have a V-shape on the YZ plane.
図8の右下には、V字形状を有するリンク機構からなる直動軸q19の関節リンク構成を示している。直動軸q19は受動軸であるが、直動軸q20及び直動軸q21の動作によりエンドエフェクタleeを並進及び回転動作させている間に、リンクl15とリンクl16(及びリンクl17)を一直線上に保つとともに、これらの両端の関節軸q10及びq11間を伸縮自在に接続するという役割を持つ。 The joint link configuration of the linear axis q19 consisting of a V-shaped link mechanism is shown in the lower right of Fig. 8. The linear axis q19 is a passive axis, but while the end effector l ee is translated and rotated by the operation of the linear axis q20 and the linear axis q21 , it has the role of keeping the link l15 and the link l16 (and the link l17 ) on a straight line and of connecting the joint axes q10 and q11 at both ends of these links in a freely expandable and contractible manner.
図8の右下示に示す例では、直動軸q19は、関節軸q22、関節軸q23、関節軸q24、関節軸q25、リンクl18、リンクl19、リンクl20、リンクl21からなる平行リンク機構pl81と、関節軸q23、関節軸q24、関節軸q26、関節軸q27、リンクl18、リンクl19、リンクl20、リンクl21からなる平行リンク機構pl82とを、リンクl20で結合して構成される。したがって、直動軸q19は、リンクl20を谷として平行リンク機構pl81と平行リンク機構pl82が折り重なるV字形状を有する。平行リンク機構pl81と平行リンク機構pl82が折り畳まれると、リンクl20がYZ平面の面方向に変位し、これが直動軸q19の変位量となる。なお、リンクl18がリンクl16に接続され、リンクl23がリンクl17に接続されている。 8, the linear axis q19 is configured by connecting a parallel link mechanism pl81 consisting of joint axis q22 , joint axis q23 , joint axis q24 , joint axis q25 , link l18 , link l19 , link l20 , and link l21 , and a parallel link mechanism pl82 consisting of joint axis q23 , joint axis q24 , joint axis q26 , joint axis q27 , link l18 , link l19 , link l20 , and link l21 , via link l20 . Therefore, the linear axis q19 has a V-shape in which the parallel link mechanism pl81 and the parallel link mechanism pl82 overlap, with the link l20 as the valley. When the parallel link mechanism pl 81 and the parallel link mechanism pl 82 are folded, the link l 20 is displaced in the surface direction of the YZ plane, which becomes the displacement amount of the linear motion axis q 19. In addition, the link l 18 is connected to the link l 16 , and the link l 23 is connected to the link l 17 .
C-2.ロボットアームに適用されるカップリング構造
上記C-1項で述べたように、2個の直動軸q20及び直動軸q21は、それぞれ本開示に係るカップリング装置における被駆動軸側のリニアスライダとして構成することができ、ロボットアーム700の外部(具体的には、ロボットアーム700を搭載したロボット装置本体側)に設置された駆動軸側のリニアアクチュエータと連結することにより、直動動作させることができる。このC-2項では、直動軸q20及び直動軸q21の具体的構成と、駆動軸側とのカップリングについて詳細に説明する。
C-2. Coupling structure applied to robot arm As described in C-1 above, the two linear axes q20 and q21 can each be configured as a linear slider on the driven shaft side in the coupling device according to the present disclosure, and can be linearly operated by connecting to a linear actuator on the driving shaft side installed outside the robot arm 700 (specifically, on the robot device main body side on which the robot arm 700 is mounted). In this C-2, the specific configuration of the linear axes q20 and q21 and the coupling with the driving shaft side will be described in detail.
図10には、ロボットアーム700の底部付近に配置された直動軸q20及び直動軸q21の各々を動作させる、駆動軸側である駆動ユニット1000の外観構成(斜視図)を示している。また、図11には、駆動ユニット1000の関節リンク構成を概略的に示している。
Fig. 10 shows an external configuration (perspective view) of a
図11に示すように、駆動ユニット1000は、一方の直動軸q20を駆動するためのリニアアクチュエータ1010と、他方の直動軸q21を駆動するためのリニアアクチュエータ1020を含んでいる。
As shown in FIG. 11, the
一方のリニアアクチュエータ1010は、ステータ1011と、ロータ1012と、モータqA,1を含む。ステータ1011は、ロータ1012を案内支持するガイドレール(図11では図示を省略)を有し、メカニカルグランドに固定されている。ロータ1012は、ステータ1011に載せられて、モータqA,1からの動力によって、ガイドレールに沿ってステータ1011の長手方向に往復動作する。モータqA,1は、ステータ1011の長手方向の動力に変換することができれば、回転モータ及び直動モータのいずれであってもよい。 One linear actuator 1010 includes a stator 1011, a rotor 1012, and a motor q A,1 . The stator 1011 has a guide rail (not shown in FIG. 11) that guides and supports the rotor 1012, and is fixed to a mechanical ground. The rotor 1012 is placed on the stator 1011, and reciprocates in the longitudinal direction of the stator 1011 along the guide rail by power from the motor q A,1 . The motor q A,1 may be either a rotary motor or a linear motor as long as it can be converted into power in the longitudinal direction of the stator 1011.
同様に、他方のリニアアクチュエータ1020は、ステータ1021と、ロータ1022と、モータqA,2を含み、ロータ1022がモータqA,1からの動力によってステータ1011の長手方向に往復動作するように構成されている。 Similarly, the other linear actuator 1020 includes a stator 1021, a rotor 1022, and a motor q A,2 , and is configured so that the rotor 1022 reciprocates in the longitudinal direction of the stator 1011 by power from the motor q A,1 .
図10を参照すると、リニアアクチュエータ1010及びリニアアクチュエータ1020は、それぞれの長手方向(すなわち、ロータ1012及びロータ1022の直進方向)がX方向と一致するように、ステータ1011及びステータ1021がフレーム部1030に支持固定されている。フレーム部1030は、例えば図示のように複数の板金部品をネジ締結などにより組み立てて構成されている。また、フレーム部1030は、ロータ1012及びロータ1022がX方向に往復動作する際のX方向の可動域にわたって、ロータ1012及びロータ1022の上面をそれぞれ露出させるための開口部1031及び開口部1032を有する。ロータ1012の上面C´1及びロータ1022の上面C´2は、被駆動軸側の各リニアスライダのロータと連結する結合面である。したがって、これら開口部1031及び開口部1032を介して、駆動軸側及び被駆動軸側の対応するロータ同士を連結させることができる。
10, the linear actuator 1010 and the linear actuator 1020 have the stators 1011 and 1021 supported and fixed to the frame 1030 so that their longitudinal directions (i.e., the linear directions of the rotors 1012 and 1022) coincide with the X direction. The frame 1030 is formed by assembling a plurality of sheet metal parts by screw fastening, for example, as shown in the figure. The frame 1030 also has
続いて、ロボットアーム700と駆動ユニット1000の連結方法について説明する。ロボットアーム700と駆動ユニット1000の連結には、本開示に係るカップリング装置の原理が適用される。
Next, a method for connecting the robot arm 700 and the
図12には、被駆動軸側であるロボットアーム700の底面図を示している。直動軸q20及び直動軸q21は、それぞれリニアスライダ1210及びリニアスライダ1220を用いて構成される。図22を参照しながら既に説明したように、リニアスライダ1210及びリニアスライダ1220は、それぞれステータとロータの各部材からなり、ステータはロータを案内支持するガイドレールを有し、ロータはステータに載せられてガイドレールに沿ってステータの長手方向に往復動作することができる。ここでは、直動軸q20及び直動軸q21の各リニアスライダ1210及びリニアスライダ1220は、長手方向(すなわち、ロータの直進方向)がX方向と一致するように、ステータがロボットアーム700のリンクl1に支持固定されている。一方のリニアスライダ1210側のロータの長手方向の移動が直動軸q20の動作となり、他方のリニアスライダ1220側のロータの長手方向の移動が直動軸q21の動作となる。 12 shows a bottom view of the robot arm 700 on the driven shaft side. The linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 are respectively configured using a linear slider 1210 and a linear slider 1220. As already described with reference to FIG. 22, the linear slider 1210 and the linear slider 1220 are respectively composed of a stator and a rotor, the stator has a guide rail for guiding and supporting the rotor, and the rotor is placed on the stator and can reciprocate along the guide rail in the longitudinal direction of the stator. Here, the stators of the linear sliders 1210 and the linear sliders 1220 of the linear motion axis q20 and the linear motion axis q21 are supported and fixed to the link l1 of the robot arm 700 so that the longitudinal direction (i.e., the rectilinear direction of the rotor) coincides with the X direction. The longitudinal movement of the rotor on one linear slider 1210 side is the motion of the linear axis q 20 , and the longitudinal movement of the rotor on the other linear slider 1220 side is the motion of the linear axis q 21 .
リンクl1は、板金などによって製作された平板部品からなるが、リニアスライダ1210及びリニアスライダ1220の各ロータがX方向に往復動作する際の可動域にわたって、各ロータの上面を露出させるための開口部1231及び開口部1232を有する。各ロータの上面C1及びC2は、駆動軸側のリニアアクチュエータ1010のロータ1012の上面C´1及びリニアアクチュエータ1020のロータ1022の上面C´2とそれぞれ連結するための連結面である。
Link l1 is made of a flat part made of sheet metal or the like, and has
また、図13には、駆動軸側である駆動ユニット1000の上面図を示している。図10を参照しながら既に説明した通り、フレーム部1030は、ロータ1012及びロータ1022がX方向に往復動作する際の可動域にわたって、ロータ1012及びロータ1022の上面を露出させるための開口部1031及び開口部1032を有する。ロータ1012の上面C´1及びロータ1022の上面C´2は、被駆動軸側の各リニアスライダのロータと連結する結合面である。
13 shows a top view of the
図12及び図13から分かるように、ロボットアーム700側のリンクl1に設けられた開口部1231及び開口部1232と、駆動ユニット1000側のフレーム部1030に設けられた開口部1031及び開口部1032を介して、駆動軸側及び被駆動軸側の対応するロータ同士を接触させることができる。
As can be seen from Figures 12 and 13, the corresponding rotors on the driving shaft side and the driven shaft side can be brought into contact with each other via
ロボットアーム700と駆動ユニット1000の連結には、磁石による吸着力が利用される。
The robot arm 700 and the
ロボットアーム700側では、リニアスライダ1210のロータの上面C1には磁石1251及び磁石1252が配置され、リニアスライダ1220のロータの上面C2には磁石1253及び磁石1254が配置されている。また、リニアスライダ1210及びリニアスライダ1220の各ステータを支持固定するリンクl1には4個の磁石1255~1258が配置されている。
On the robot arm 700 side,
一方、駆動ユニット1000側では、リニアアクチュエータ1010のロータ1012の上面C´1には磁石1351及び磁石1352が配置され、リニアアクチュエータ1020のロータ1022の上面C´2には磁石1353及び磁石1354が配置されている。リニアアクチュエータ1010のステータ1011及びリニアアクチュエータ1020のステータ1021を支持固定するフレーム部1030の上面には、4個の磁石1355~1358が配置されている。これらの磁石1355~1358の位置は、ロボットアーム700側のリンクl1に配置された4個の磁石1255~1258の位置とそれぞれ対応関係にある。
On the other hand, on the
そして、対向する磁石1251及び磁石1351間、磁石1252及び磁石1352間、磁石1253及び磁石1353間、磁石1254及び磁石1354間、磁石1255及び磁石1355間、磁石1256及び磁石1356間、磁石1257及び磁石1357間、磁石1258及び磁石1358間の各々で吸着力が発生するように、各磁石の極性が設定されている。図12及び図13に示す例では、ロボットアーム700側に配置される磁石1251~1258をすべてS極にするとともに、駆動ユニット1000に配置される磁石1351~1358をすべてN極に設定している。但し、このような極性の組み合わせに限定されるものではなく、対向する磁石間で吸着力が作用するのであればその他の極性の組み合わせであってもよい。また、磁石1251~1258、及び磁石1351~1358の固定方法は接着でよく、耐熱性磁石を用いることで熱硬化接着剤の使用が可能になる(同上)。
The polarity of each magnet is set so that an attractive force is generated between opposing
したがって、図14~図16に示すような、ロボットアーム700を駆動ユニット1000に載せるという簡便な作業だけで、対応する磁石同士の吸着力によって両者の連結が実現する。その際のアライメントは、図4を参照しながら既に説明したように、リニアスライダ及びリニアアクチュエータのスライダの長手方向(すなわち、X方向)の回転1軸のオリエンテーションのみであるが、しかも磁石の吸着力によって、このアライメントがなされる。
Therefore, as shown in Figures 14 to 16, by simply placing the robot arm 700 on the
また、ロボットアーム700と駆動ユニット1000の互いの長手方向の長手方向のオリエンテーションを揃えて連結させた場合に、対応するリニアスライダ側のロータとリニアアクチュエータ側のロータの位置が一致しないために、互いのロータ同士が連結しない場合がある。このような場合には、例えば原点復帰動作などによりリニアアクチュエータ側のロータを長手方向(X方向)に移動させていくと、対応するリニアスライダ側のロータと位置が一致した時点で、磁石の吸着力によってロータ同士の連結も実現される(例えば、図5を参照のこと)。
In addition, when the robot arm 700 and the
ロボットアーム700と駆動ユニット1000の連結時に必要なアライメントは、長手方向の回転1軸のオリエンテーションのみである。位置決めピンを利用することによって、このアライメントをさらに容易にすることができる。図12及び図13に示す例では、駆動軸側である駆動ユニット1000のフレーム部1030に位置決めピン1341及び位置決めピン1342が取り付けられる一方、被駆動軸側であるロボットアーム700の底面であるリンクl1には上記の位置決めピン1341及び位置決めピン1342の各々と対向する場所にピン穴1241及び1242が穿設されている。したがって、位置決めピン1341及び位置決めピン1342がそれぞれピン穴1241及び1242と嵌合するようにして、リニアスライダ110とリニアアクチュエータ120を連結させることによって、ステータ112及び122間のアライメントを容易に実現することができる。
The alignment required when connecting the robot arm 700 and the
C-3.特徴
このC項で紹介した、本開示の実装例に係るロボットアーム700の特徴についてまとめておく。
C-3. Features The features of the robot arm 700 according to the implementation example of the present disclosure introduced in this section C will be summarized.
磁石の吸着力と位置決めピンを利用したカップリング構造を採用しているので、ロボットアーム700を駆動ユニット1000に取り付ける際のアライメント作業が容易である。また、磁石の吸着力に抗って引っ張るだけでロボットアーム700を駆動ユニット1000から取り外すことができるので、着脱の作業負担が軽減され、ロボットアーム700の交換が容易である。したがって、術者や助手などの非エンジニアが、作業中にロボットアーム700を交換することができ、再現性が高いカップリングを実現することができる。
The adoption of a coupling structure that utilizes the magnetic attraction and positioning pins makes it easy to perform alignment work when attaching the robot arm 700 to the
ロボットアーム700と駆動ユニット1000の連結及び推力伝達に磁石の吸着力と摩擦力を用いるように構成されている。したがって、駆動ユニット1000側でアクチュエータqA,1及びアクチュエータqA,2の各々で生成した動力を、バックラッシュレスでロボットアーム700側の直動軸q20及び直動軸q21に伝達することが可能であり、その結果、ロボットアーム700の遠位端のエンドエフェクタ(術具)leeを高精度で動作させることができる。
The robot arm 700 and the
図12から分かるように、ロボットアーム700の、駆動ユニット1000との連結部分は構造が簡略化されている。したがって、製造工程が簡略化され、低コスト化にもつながる。また、ロボットアーム700は、駆動ユニット1000との連結部分を含めて全体として入り組んでいない簡素な構造であるため、ガス滅菌時に浸透し易く、滅菌処理を容易化することができる。
As can be seen from FIG. 12, the structure of the connection portion of the robot arm 700 with the
D.カップリング装置の変形例
上記B項では、本開示に係るカップリング装置の基本構成について説明した。このD項では、カップリング装置の変形例(又は改善例)について説明する。
D. Modifications of the Coupling Device The basic configuration of the coupling device according to the present disclosure was described above in Section B. In this Section D, modifications (or improvements) of the coupling device will be described.
図17には、変形例に係るカップリング装置1700の構成を示している。カップリング装置1700は、被駆動軸側のリニアスライダ1710と、駆動軸側のリニアアクチュエータ1720を対向して配置して構成される。 FIG. 17 shows the configuration of a modified coupling device 1700. The coupling device 1700 is configured by arranging a linear slider 1710 on the driven shaft side and a linear actuator 1720 on the driving shaft side facing each other.
リニアスライダ1710は、ロータ1711と、ロータ1711を長手方向に案内支持するステータ1712を備えている。一方、リニアアクチュエータ1720は、ロータ1721と、ロータ121を長手方向に案内支持するステータ1722を備え、ロータ1721はモータ(図示しない)から得られる動力によってステータ1722の長手方向に直動動作する。 The linear slider 1710 includes a rotor 1711 and a stator 1712 that guides and supports the rotor 1711 in the longitudinal direction. On the other hand, the linear actuator 1720 includes a rotor 1721 and a stator 1722 that guides and supports the rotor 1721 in the longitudinal direction, and the rotor 1721 moves linearly in the longitudinal direction of the stator 1722 by power obtained from a motor (not shown).
リニアスライダ1710とリニアアクチュエータ1720の面接合には、磁石による吸着力が利用される。リニアスライダ1710側では、ステータ1712の長手方向の両端にそれぞれ磁石1713及び磁石1714が配置されるとともに、ロータ1711の上面に磁石1715が配置されている。また、リニアアクチュエータ1720側では、ステータ1722の長手方向の両端にそれぞれ磁石1723及び磁石1724が配置されるとともに、ロータ1721の上面に磁石1725が配置されている。そして、対向する磁石1713及び磁石1723間、磁石1714及び磁石1724間、磁石1715及び磁石1725間の各々で吸着力が発生するように、各磁石の極性が設定されている。 The surface joining of the linear slider 1710 and the linear actuator 1720 utilizes the attractive force of magnets. On the linear slider 1710 side, magnets 1713 and 1714 are arranged at both ends of the longitudinal direction of the stator 1712, and magnet 1715 is arranged on the top surface of the rotor 1711. On the linear actuator 1720 side, magnets 1723 and 1724 are arranged at both ends of the longitudinal direction of the stator 1722, and magnet 1725 is arranged on the top surface of the rotor 1721. The polarity of each magnet is set so that an attractive force is generated between the opposing magnets 1713 and 1723, between magnets 1714 and 1724, and between magnets 1715 and 1725.
機械加工の精度誤差により、例えばリニアスライダ1710側において、ステータ1712に配置された磁石1713及び磁石1714の高さと、ロータ1711に配置された磁石1715の高さに乖離が生じる場合がある。ロータ1711やステータ1712などの部品は切削加工により製作されることが想定され、加工誤差は無視し難い。同様に、リニアアクチュエータ1720側でも、ステータ1712に配置された磁石1713及び磁石1714の高さと、ロータ1711に配置された磁石1715の高さに乖離が生じ得る。 Due to precision errors in machining, for example, on the linear slider 1710 side, there may be a discrepancy between the height of magnets 1713 and 1714 arranged on stator 1712 and the height of magnet 1715 arranged on rotor 1711. Components such as rotor 1711 and stator 1712 are expected to be manufactured by cutting, and machining errors are difficult to ignore. Similarly, on the linear actuator 1720 side, there may be a discrepancy between the height of magnets 1713 and 1714 arranged on stator 1712 and the height of magnet 1715 arranged on rotor 1711.
磁石間の高さの乖離より、被駆動軸側のロータ1711と駆動軸側のロータ1721同士の密着が十分でない場合には、磁石の吸着力低下を招来する。その結果、駆動軸側のロータ1721から被駆動軸側のロータ1711へ動力を伝達する際に、推力方向の摩擦力が弱くなるため伝達効率が低下するという問題を生じる。 If the rotor 1711 on the driven shaft side and the rotor 1721 on the driving shaft side are not in close contact with each other due to a difference in height between the magnets, the magnetic attraction force of the magnets will decrease. As a result, when transmitting power from the rotor 1721 on the driving shaft side to the rotor 1711 on the driven shaft side, the friction force in the thrust direction will be weakened, resulting in a problem of reduced transmission efficiency.
そこで、図17に示す変形例では、高さの乖離を補償する手段を介して磁石を取り付けるように構成されている。具体的には、ステータ1712には、磁石1713及び磁石1714がそれぞれバネ1731及びバネ1732を介して取り付けられている。ステータ1712に取り付けられた磁石1713及び磁石1714の方がロータ1711に取り付けられた磁石1715よりも高い場合には、バネ1731及びバネ1732が収縮して磁石1713及び磁石1714の高さを低くすることにより、高さの乖離を補償する。その結果、被駆動軸側のロータ1711と駆動軸側のロータ1721同士の密着が十分となり、磁石の吸着力の低下、及び駆動軸側のロータ1721から被駆動軸側のロータ1711への動力伝達効率の低下を防ぐことができる。 Therefore, in the modified example shown in FIG. 17, the magnets are attached via a means for compensating for the height discrepancy. Specifically, magnets 1713 and 1714 are attached to stator 1712 via springs 1731 and 1732, respectively. When magnets 1713 and 1714 attached to stator 1712 are higher than magnet 1715 attached to rotor 1711, springs 1731 and 1732 contract to lower the heights of magnets 1713 and 1714, thereby compensating for the height discrepancy. As a result, rotor 1711 on the driven shaft side and rotor 1721 on the driving shaft side are in sufficient contact with each other, preventing a decrease in the magnetic attraction force and a decrease in the efficiency of power transmission from rotor 1721 on the driving shaft side to rotor 1711 on the driven shaft side.
図18には、高さの乖離を補償する手段を介して磁石を取り付けるように構成された、他の変形例を示している。図18に示す変形例に係るカップリング装置1800では、磁石1715が取り付けられたロータ1711が、バネ1801及びバネ1802で支持される台座1803を介してステータ1712に取り付けられている。ステータ1712には、台座1803が高さ方向に移動可能な凹みが設けられており、台座1803はバネ1801及びバネ1802を介してくぼみに取り付けられている。バネ1801とバネ1802は同じ部品であることが好ましい。バネ1801及びバネ1802は、ロータ1711(及び磁石1715)に対し、高さ方向のプリロードを付与する。したがって、ロータ1711に取り付けられた磁石1715が、ステータ1712に取り付けられた磁石1713及び磁石1714よりも低くならないように、高さの乖離を補償する。その結果、被駆動軸側のロータ1711と駆動軸側のロータ1721同士の密着が十分となり、磁石の吸着力の低下、及び駆動軸側のロータ1721から被駆動軸側のロータ1711への動力伝達効率の低下を防ぐことができる。 Figure 18 shows another modified example configured to attach a magnet via a means for compensating for height discrepancy. In coupling device 1800 relating to the modified example shown in Figure 18, rotor 1711 having magnet 1715 attached thereto is attached to stator 1712 via base 1803 supported by springs 1801 and 1802. Stator 1712 is provided with a recess in which base 1803 can move in the height direction, and base 1803 is attached to the recess via springs 1801 and 1802. Springs 1801 and 1802 are preferably the same part. Springs 1801 and 1802 apply a preload in the height direction to rotor 1711 (and magnet 1715). Therefore, the height difference is compensated for so that the magnet 1715 attached to the rotor 1711 is not lower than the magnets 1713 and 1714 attached to the stator 1712. As a result, the rotor 1711 on the driven shaft side and the rotor 1721 on the driving shaft side are in sufficient contact with each other, preventing a decrease in the magnetic attraction force and a decrease in the efficiency of power transmission from the rotor 1721 on the driving shaft side to the rotor 1711 on the driven shaft side.
また、図19には、高さの乖離を補償する手段を介して磁石を取り付けるように構成された、さらに他の変形例を示している。図19に示す変形例に係るカップリング装置1900では、磁石1715が取り付けられたロータ1711が、エアギャップ1901を介してステータ1712に取り付けられている。ステータ1712には、台座1902が高さ方向に移動可能な凹みが設けられている。台座1902は、ロータ1711を支持するとともに、エアギャップ1901を介してステータ1712に取り付けられている。エアギャップ1901は、ロータ1711(及び磁石1715)に対し、高さ方向のプリロードを付与する。したがって、ロータ1711に取り付けられた磁石1715が、ステータ1712に取り付けられた磁石1713及び磁石1714よりも低くならないように、高さの乖離を補償する。その結果、被駆動軸側のロータ1711と駆動軸側のロータ1721同士の密着が十分となり、磁石の吸着力の低下、及び駆動軸側のロータ1721から被駆動軸側のロータ1711への動力伝達効率の低下を防ぐことができる。 FIG. 19 shows yet another modified example in which the magnet is attached via a means for compensating for the height discrepancy. In the coupling device 1900 according to the modified example shown in FIG. 19, the rotor 1711 to which the magnet 1715 is attached is attached to the stator 1712 via an air gap 1901. The stator 1712 has a recess that allows the base 1902 to move in the height direction. The base 1902 supports the rotor 1711 and is attached to the stator 1712 via the air gap 1901. The air gap 1901 applies a preload in the height direction to the rotor 1711 (and the magnet 1715). Thus, the height discrepancy is compensated for so that the magnet 1715 attached to the rotor 1711 is not lower than the magnets 1713 and 1714 attached to the stator 1712. As a result, the rotor 1711 on the driven shaft side and the rotor 1721 on the driving shaft side are in close contact with each other, preventing a decrease in the magnetic attraction force and a decrease in the efficiency of power transmission from the rotor 1721 on the driving shaft side to the rotor 1711 on the driven shaft side.
高さの乖離を補償する手段としては、バネやエアギャップ以外にも、磁石を高さ方向のプリロードが働くさまざまな可撓性部品を使用することができる。図17~図19では、リニアスライダ1710側に高さの乖離を補償する手段を装備した変形例を示したが、リニアアクチュエータ1720側に高さの乖離を補償する手段を装備するように構成してもよい。 In addition to springs and air gaps, various flexible parts that act as a preload in the height direction of the magnet can be used as a means for compensating for the height discrepancy. In Figs. 17 to 19, a modified example is shown in which the linear slider 1710 is equipped with a means for compensating for the height discrepancy, but the linear actuator 1720 may also be configured to be equipped with a means for compensating for the height discrepancy.
なお、図17~図19では図示を省略したが、いずれの変形例においても、リニアアクチュエータ側のステータに位置決めピンを取り付けるとともにリニアスライダ側のステータに嵌合用のピン穴を設けることを組み合わせて(例えば、図6を参照のこと)、長手方向の回転1軸のオリエンテーションの調整を容易にすることができる。 Although not shown in Figures 17 to 19, in all of the modified examples, by combining a positioning pin on the stator on the linear actuator side with a pin hole for fitting on the stator on the linear slider side (see Figure 6, for example), it is possible to easily adjust the orientation of one axis of rotation in the longitudinal direction.
E.医療ロボットシステムへの応用例
このE項では、本開示に係るカップリング装置の原理を医療ロボットシステムに適用した応用例について説明する。
E. Application Example to Medical Robot System In this section E, an application example in which the principle of the coupling device according to the present disclosure is applied to a medical robot system will be described.
E-1.医療ロボットシステムの概略構成
図20には、外科手術に用いられる医療ロボットシステム2000の概略構成例を示している。ここで言う手術は、腹腔鏡手術、体空鏡手術、脳表手術、眼科(眼球又は眼底)手術などさまざまであるが、以下では主に眼科手術を想定して説明する。
E-1. Schematic configuration of a medical robot system Fig. 20 shows a schematic configuration example of a medical robot system 2000 used for surgical operations. The type of surgery referred to here includes laparoscopic surgery, laparoscopic surgery, superficial surgery, ophthalmic (eyeball or fundus) surgery, and the following description will be mainly based on ophthalmic surgery.
医療ロボットシステム2000は、マスタスレーブ方式であり、術者などのユーザが術具の操作を指示するマスタ装置2010と、マスタ装置2010側からの指示に従って術具を駆動するスレーブ装置2020からなる。マスタ装置2010とスレーブ装置2020間は、例えば光ファイバなどの伝送路2030を経由して相互接続されている。 The medical robot system 2000 is of a master-slave type and is composed of a master device 2010 that instructs a user such as a surgeon to operate a surgical tool, and a slave device 2020 that drives the surgical tool according to instructions from the master device 2010. The master device 2010 and the slave device 2020 are interconnected via a transmission path 2030 such as an optical fiber.
マスタ装置2010は、手術室外又は手術室内で手術台から離間した場所に配置される。マスタ装置2010側では、スレーブ装置2020から送られてきた術野画像などがモニタ2011の画面に表示され、術者などのユーザはこの術野画像を観察しながら、操作入力装置2012を手動操作して、術具の操作を遠隔から指示する。操作入力装置2012は、例えば、術具Tの並進移動を指示するための並進3自由度と、術具Tの姿勢変更を指示するための回転3自由度と、鉗子の開閉動作などの把持1自由度の操作を行うことができるマニピュレータである。 The master device 2010 is placed outside the operating room or in a location away from the operating table inside the operating room. On the master device 2010 side, surgical field images and the like sent from the slave device 2020 are displayed on the screen of a monitor 2011, and a user such as a surgeon manually operates an operation input device 2012 while observing the surgical field image to remotely instruct the operation of surgical tools. The operation input device 2012 is, for example, a manipulator that can perform operations with three translational degrees of freedom to instruct the translational movement of the surgical tool T, three rotational degrees of freedom to instruct a change in the posture of the surgical tool T, and one degree of freedom of grasping, such as opening and closing forceps.
一方、スレーブ装置2020は、手術台の近傍に配置されて、マスタ装置2010からの指示に従って術具を駆動して、手術台に横たえられた患者の手術を実施する。また、スレーブ装置2020は、カメラで撮像した術野画像やその他のセンサ情報をマスタ装置2010に伝送し、マスタ装置2010側では術者などのユーザにフィードバックする。 On the other hand, the slave device 2020 is placed near the operating table and drives surgical tools according to instructions from the master device 2010 to perform surgery on a patient lying on the operating table. The slave device 2020 also transmits images of the surgical field captured by a camera and other sensor information to the master device 2010, which then provides feedback to a user such as a surgeon.
スレーブ装置2020は、第1のロボット装置2021と、第2のロボット装置2022と、顕微鏡2023を含む。顕微鏡2023は、術野を観察する。顕微鏡2023の視野は、眼球E及び眼球E内の術具Tを含み得る。術者などのユーザは、顕微鏡2023の接眼レンズから術野を直接観察するようにしてもよい。あるいは、顕微鏡2023を介してカメラ(図示しない)で撮影された術野画像がマスタ装置2010側に伝送され、モニタ2011の画面に表示され、ユーザは表示画面から術野を観察するようにしてもよい。 The slave device 2020 includes a first robotic device 2021, a second robotic device 2022, and a microscope 2023. The microscope 2023 observes the surgical field. The field of view of the microscope 2023 may include the eyeball E and the surgical tool T inside the eyeball E. A user such as a surgeon may directly observe the surgical field through the eyepiece of the microscope 2023. Alternatively, an image of the surgical field taken by a camera (not shown) may be transmitted to the master device 2010 via the microscope 2023 and displayed on the screen of the monitor 2011, allowing the user to observe the surgical field from the display screen.
第1のロボット装置2021と第2のロボット装置2022は、手術台の近傍に配置される。 The first robotic device 2021 and the second robotic device 2022 are positioned near the operating table.
第1のロボット装置2021は、遠位端で鉗子などの術具を支持している。第1のロボット装置2021は、例えば図7~図9に示したような、複数の平行リンク機構を組み合わせて構成されるロボットアームであり、遠位端で支持する術具Tを、遠隔運動中心RCMを不動点として、ピボット動作させたり挿入方向に移動させたりすることができる。但し、図20中では、図面の錯綜を防ぐために、第1のロボット装置2021の構造を簡素化して描いている。 The first robot device 2021 supports a surgical tool such as forceps at its distal end. The first robot device 2021 is a robot arm configured by combining multiple parallel link mechanisms, for example as shown in Figures 7 to 9, and can pivot and move the surgical tool T supported at its distal end in the insertion direction with the remote motion center RCM as a fixed point. However, in Figure 20, the structure of the first robot device 2021 is simplified to avoid cluttering the drawing.
一方、第2のロボット装置2022は、例えば、複数のリンクを関節軸で直列的に接続して構成される、3以上の自由度を有するシリアルリンクロボットである。但し、第2のロボット装置2022は、シリアルリンク以外の任意の構成からなるロボット装置であってもよい。また、第2のロボット装置2022は、術者や助手などのユーザが直接的に力を加えて手動操作することを想定しているが、もちろん一部の関節軸が能動関節で、マスタ装置2010から能動関節の動作をコントロールできるようにしてもよい。第2のロボット装置2022は、根元側がメカニカルグランドに固定されるとともに、遠位端で第1のロボット2021を支持している。なお、第2のロボット装置2022は、メカニカルグランドに直接固定される以外に、メカニカルグランド上に敷設されたレール(図示しない)に案内支持されて、レールに沿って手術室内を移動できるようにしてもよい。レールは、例えば、患者の頭部の周囲に円弧形状に敷設されていてもよい。 On the other hand, the second robot device 2022 is, for example, a serial link robot having three or more degrees of freedom, configured by connecting multiple links in series with joint axes. However, the second robot device 2022 may be a robot device having any configuration other than a serial link. In addition, the second robot device 2022 is assumed to be manually operated by a user such as an operator or an assistant by directly applying force, but of course some of the joint axes may be active joints, and the operation of the active joints may be controlled from the master device 2010. The second robot device 2022 is fixed to a mechanical ground at its base side and supports the first robot 2021 at its distal end. In addition to being directly fixed to the mechanical ground, the second robot device 2022 may be guided and supported by rails (not shown) laid on the mechanical ground so that it can move within the operating room along the rails. The rails may be laid in an arc shape around the patient's head, for example.
第1のロボット装置2021を第2のロボット装置2022の遠位端に連結するのに、本開示に係るカップリング装置の原理が適用される。第1のロボット装置2021が被駆動軸側であり、第2のロボット装置2022が駆動軸側である。第1のロボット装置2021は、第2のロボット装置2022から伝達される動力によって、術具Tのピボット動作及び並進動作を実現する。第1のロボット装置2021は、第2のロボット装置2022に対し、着脱及び交換可能に取り付けられる。術具Tを交換したい際には、第1のロボット装置2021ごと第2のロボット装置2022から取り外して、新しい術具T´を支持する他の第1のロボット装置2021を第2のロボット装置2022に取り付けるようにすればよい。第1のロボット装置2021はディスポーザブルであってもよい。 The principle of the coupling device according to the present disclosure is applied to connect the first robot device 2021 to the distal end of the second robot device 2022. The first robot device 2021 is the driven shaft side, and the second robot device 2022 is the driving shaft side. The first robot device 2021 realizes the pivot movement and translation movement of the surgical tool T by the power transmitted from the second robot device 2022. The first robot device 2021 is attached to the second robot device 2022 in a detachable and replaceable manner. When it is desired to replace the surgical tool T, the first robot device 2021 is removed from the second robot device 2022, and another first robot device 2021 supporting a new surgical tool T' is attached to the second robot device 2022. The first robot device 2021 may be disposable.
第1のロボット装置2021は、図7~図9に示したような、複数の平行リンクを組み合わせて構成される、折り紙構造からなるロボットアームである。第1のロボット装置2021は、遠位端で術具Tを支持するとともに、底面部には術具Tのピボット動作及び並進動作にそれぞれ関わる直動軸q20及び直動軸q21に動力を伝達するための各リニアスライダのロータが配置されている(例えば、図12を参照のこと)。 The first robot device 2021 is a robot arm having an origami structure formed by combining multiple parallel links as shown in Figures 7 to 9. The first robot device 2021 supports a surgical tool T at its distal end, and rotors of linear sliders for transmitting power to linear motion shafts q20 and q21 , which are respectively involved in the pivot motion and translation motion of the surgical tool T, are arranged on the bottom surface (see, for example, Figure 12).
一方、第2のロボット装置2022の遠位端には、図10及び図11に示したような、第1のロボット装置2021側の直動軸q20及び直動軸q21の各々を動作させるための駆動ユニットが搭載されている。この駆動ユニットは、直動軸qA,1及びqA,2によってそれぞれ駆動される各リニアアクチュエータを含み、これらのリニアアクチュエータのロータが第1のロボット装置2021の底面のロータ(前述)と連結することで、第1のロボット装置2021へ動力を伝達することが可能となる。 On the other hand, a drive unit for operating each of the linear axes q and q of the first robot device 2021, as shown in Figures 10 and 11 , is mounted on the distal end of the second robot device 2022. This drive unit includes linear actuators driven by linear axes q and q , respectively, and the rotors of these linear actuators are connected to the rotor (described above) on the bottom surface of the first robot device 2021, making it possible to transmit power to the first robot device 2021.
第1のロボット装置2021側の直動軸q20及び直動軸q21が被駆動軸であり、第2のロボット装置2022側の直動軸qA,1及びqA,2が駆動軸である。これら駆動軸と被駆動軸に直動方式を採用し、且つ、磁石の吸着力を利用した面接合によって駆動軸と被駆動軸を連結している。したがって、第1のロボット装置2021と第2のロボット装置2022間で複雑なアライメントやオリエンテーションは不要である。すなわち、図14~図16に示したのと同様に、第2のロボット装置2022の遠位端に第1のロボット装置2021を載せるという簡便な作業だけで両者の連結が実現する。また、連結した後は、磁石の吸着力と摩擦力を用いて、第2のロボット装置2022側から第1のロボット装置2021へ、バックラッシュレスで精密に動力を伝達することができる。 The linear axis q 20 and the linear axis q 21 on the first robot device 2021 side are driven axes, and the linear axis q A,1 and the linear axis q A,2 on the second robot device 2022 side are driving axes. A linear motion system is adopted for these driving axes and driven axes, and the driving axes and driven axes are connected by surface joining using the magnetic attraction force. Therefore, complicated alignment and orientation are not required between the first robot device 2021 and the second robot device 2022. That is, as shown in FIG. 14 to FIG. 16, the connection between the two is realized by a simple operation of placing the first robot device 2021 on the distal end of the second robot device 2022. In addition, after the connection, the magnetic attraction force and friction force can be used to precisely transmit power from the second robot device 2022 to the first robot device 2021 without backlash.
第1のロボット装置2021は、リニアアクチュエータによって駆動し、例えば10ミクロン程度の精密な操作が可能であり、「微動ロボット」と言うことができる。これに対し、第2のロボット装置2022は、手動で操作される観点から、「粗動ロボット」と言うこともできる。なお、手術中は、第2のロボット装置2022をドレーピングして、清潔領域と非清潔領域を効果的に分離することができる。 The first robot device 2021 is driven by a linear actuator and is capable of precise manipulation of, for example, about 10 microns, and can be called a "fine-motion robot." In contrast, the second robot device 2022 can also be called a "coarse-motion robot" since it is manually operated. During surgery, the second robot device 2022 can be draped to effectively separate clean and non-clean areas.
手術を開始する場合、まず、術者などのユーザは、術具Tを眼球Eに挿入するように、第2のロボット装置2022を手動で移動させる。その際、眼球Eへの術具Tの挿入位置にはトロッカー(図示を省略)が刺入される。続いて、ユーザは、術具Tが有する遠隔運動中心RCMを挿入位置に位置合わせするように、第2のロボット装置2022を指導で移動させる。術具Tの挿入位置と遠隔運動中心RCMが同じ位置にある状態では、術具Tをピボット動作及び並進動作させたときに挿入位置に加わる負荷が低減されるので、低侵襲手術を実現することができる。 When starting surgery, first, a user such as a surgeon manually moves the second robot device 2022 so as to insert the surgical tool T into the eyeball E. At that time, a trocar (not shown) is inserted at the insertion position of the surgical tool T into the eyeball E. Next, the user instructs the second robot device 2022 to move so as to align the remote motion center RCM of the surgical tool T with the insertion position. When the insertion position of the surgical tool T and the remote motion center RCM are in the same position, the load applied to the insertion position when the surgical tool T is pivoted and translated is reduced, thereby achieving minimally invasive surgery.
第1のロボット装置2021はマスタ装置2010側から遠隔操作可能である。術者などのユーザは、操作入力装置2012を手動操作することによって、術具Tのピボット動作及び並進動作を指示することができる。また、術具Tに加わった外力などのセンサ情報はマスタ装置2021にフィードバックされる。マスタ装置2010とスレーブ装置2020間の双方向通信を利用して、マスタ装置2010とスレーブ装置2020間で変位量及び力が対応するようにバイラテラル制御が実施される。 The first robot device 2021 can be remotely controlled from the master device 2010. A user such as a surgeon can instruct the pivot and translational movements of the surgical tool T by manually operating the operation input device 2012. In addition, sensor information such as external forces applied to the surgical tool T is fed back to the master device 2021. Bilateral control is performed by utilizing two-way communication between the master device 2010 and the slave device 2020 so that the displacement and force correspond between the master device 2010 and the slave device 2020.
ユーザが操作入力装置2012を手動操作する物理的な変位量を、術具Tの物理的な変位量に適合するようにモーションスケーリングを用いてもよい。これによって、マスタ装置2010側からの微細な遠隔操作が可能となり、遠隔手術を行い易くなる。なお、操作入力装置2012を手動操作するユーザと、第2のロボット装置2022を手動操作するユーザは、同じであっても、異なっていてもよい。例えば、操作入力装置2012を手動操作するユーザは術者であり、第2のロボット装置2022を手動操作するユーザは助手であってもよい。 Motion scaling may be used so that the physical displacement amount with which the user manually operates the operation input device 2012 matches the physical displacement amount of the surgical tool T. This enables fine remote operation from the master device 2010, making remote surgery easier. Note that the user who manually operates the operation input device 2012 and the user who manually operates the second robotic device 2022 may be the same or different. For example, the user who manually operates the operation input device 2012 may be the surgeon, and the user who manually operates the second robotic device 2022 may be an assistant.
手術中に、他の術具T´を使用しなければならなくなった場合には、現在刺入している術具Tを眼球Eから抜き取ってから、第1のロボット装置2021及び第2のロボット装置2022を患部から退避させた後、安全な場所で第1のロボット装置2021を第2のロボット装置2022から取り外す。第1のロボット装置2021と第2のロボット装置2022は磁石の吸着力で連結しているだけなので、第1のロボット装置2021を持ち上げるだけでこの取り外し作業を行うことができる。その後は、他の術具T´を支持する他の第1のロボット装置2021を、上記(すなわち、図14~図16に示した場合)と同様に、第2のロボット装置2022の遠位端に第1のロボット装置2021を載せるという簡便な作業だけで、術具交換が完了する。また、上記と同様に、清潔領域と非清潔領域を効果的に分離することができる。そして、術者などのユーザは、新しい術具T´を使って手術を再開することができる。 If it becomes necessary to use another surgical tool T' during surgery, the currently inserted surgical tool T is removed from the eyeball E, the first robotic device 2021 and the second robotic device 2022 are withdrawn from the affected area, and the first robotic device 2021 is removed from the second robotic device 2022 in a safe location. Since the first robotic device 2021 and the second robotic device 2022 are only connected by the magnetic attraction force, this removal operation can be performed simply by lifting the first robotic device 2021. Thereafter, the surgical tool replacement is completed by simply placing the other first robotic device 2021 supporting the other surgical tool T' on the distal end of the second robotic device 2022, as described above (i.e., the case shown in Figures 14 to 16). Also, as described above, the clean area and the non-clean area can be effectively separated. Then, the user such as the surgeon can resume the surgery using a new surgical tool T'.
E-2.医療ロボットシステムの機能構成
このE-2項では、上記E-1項で説明した医療ロボットシステム2000の機能構成について説明する。
E-2. Functional Configuration of Medical Robot System In this section E-2, the functional configuration of the medical robot system 2000 described in section E-1 above will be described.
図21には、医療ロボットシステム2000の機能構成例を示している。上述したように、医療ロボットシステム2000は、マスタスレーブ方式であり、術者などのユーザが術具の操作を指示するマスタ装置2010と、マスタ装置2010側からの指示に従って術具を駆動するスレーブ装置2020とからなり、マスタ装置2010とスレーブ装置2020は伝送路2030を介して双方向通信が可能である。マスタ装置2010とスレーブ装置2020間では、双方向通信を利用して変位量及び力が対応するようにバイラテラル制御が実施される。 FIG. 21 shows an example of the functional configuration of a medical robot system 2000. As described above, the medical robot system 2000 is of a master-slave type and is composed of a master device 2010, which is used by a user such as a surgeon to instruct the operation of a surgical tool, and a slave device 2020, which drives the surgical tool according to instructions from the master device 2010, and the master device 2010 and the slave device 2020 are capable of bidirectional communication via a transmission path 2030. Bilateral control is performed between the master device 2010 and the slave device 2020, using bidirectional communication to correspond to the amount of displacement and the force.
マスタ装置2010は、マスタ側制御部2111と、入力部2112と、提示部2113と、マスタ側通信部2114を備えている。マスタ装置2010は、マスタ側制御部2111による統括的な制御下で動作する。 The master device 2010 includes a master-side control unit 2111, an input unit 2112, a presentation unit 2113, and a master-side communication unit 2114. The master device 2010 operates under the overall control of the master-side control unit 2111.
入力部2112は、図20中の操作入力装置2012を含み、術者などのユーザがスレーブ装置2020側の術具Tを遠隔操作するために使用される。操作入力装置2012は、例えば、術具Tの並進移動を指示するための並進3自由度と、術具Tの姿勢変更を指示するための回転3自由度と、鉗子の開閉動作(但し、術具Tが鉗子の場合)などの把持1自由度の操作を行うことができるマニピュレータである。入力部2112は、操作入力装置2012以外の入力デバイスをさらに備えていてもよい。例えば、入力部2112は、ジョイスティックやフットスイッチ、画面上で3D操作を行うその他の入力デバイスをさらに備えていてもよい。 The input unit 2112 includes the operation input device 2012 in FIG. 20, and is used by a user such as a surgeon to remotely operate the surgical tool T on the slave device 2020 side. The operation input device 2012 is, for example, a manipulator that can perform operations with three translational degrees of freedom for instructing translational movement of the surgical tool T, three rotational degrees of freedom for instructing a change in the posture of the surgical tool T, and one degree of freedom for grasping, such as opening and closing the forceps (when the surgical tool T is forceps). The input unit 2112 may further include an input device other than the operation input device 2012. For example, the input unit 2112 may further include a joystick, a foot switch, or another input device for performing 3D operations on the screen.
提示部2113は、主にスレーブ装置2020側のセンサ部2123(後述)で取得されるセンサ情報に基づいて、ユーザに対して、スレーブ装置2020において実施されている手術に関する情報を提示する。提示部2113は、図20中のモニタ2011を含む。顕微鏡2023を用いて撮影された術野画像が低遅延でスレーブ装置2020から送られてくる場合には、提示部2113はリアルタイムの術野画像をモニタ2011の画面に表示する。 The presentation unit 2113 presents to the user information related to the surgery being performed in the slave device 2020, mainly based on sensor information acquired by a sensor unit 2123 (described later) on the slave device 2020 side. The presentation unit 2113 includes the monitor 2011 in FIG. 20. When an operative field image captured using a microscope 2023 is sent from the slave device 2020 with low latency, the presentation unit 2113 displays the operative field image in real time on the screen of the monitor 2011.
提示部2113は、操作入力装置2012に組み込まれて実装された力覚提示機能を備えていてもよい。力覚提示機能は、例えば、並進3自由度と回転自由度と把持自由度を有するマニピュレータ(前述)の少なくとも一部の軸をモータで駆動することによって実現される。スレーブ装置2020側のセンサ部2123が術具Tに作用する外力やモーメントなどの力覚を計測する機能を装備し、且つ力覚情報が低遅延でスレーブ装置2020から送られてくる場合には、提示部2113は、マニピュレータのモータを駆動することによってユーザにリアルタイムで力覚フィードバックを行う。 The presentation unit 2113 may have a force feedback function that is incorporated and implemented in the operation input device 2012. The force feedback function is realized, for example, by driving at least some of the axes of a manipulator (described above) having three translational degrees of freedom, a rotational degree of freedom, and a grasping degree of freedom with a motor. When the sensor unit 2123 on the slave device 2020 side is equipped with a function for measuring forces such as external forces and moments acting on the surgical tool T, and force feedback information is sent from the slave device 2020 with low latency, the presentation unit 2113 provides force feedback to the user in real time by driving the motor of the manipulator.
マスタ側通信部2114は、マスタ側制御部2111による制御下で、伝送路2030を介したスレーブ装置2020との信号の送受信処理を行う。例えば伝送路2030が光ファイバからなる場合、マスタ側通信部2114は、マスタ装置2010から送出する電気信号を光信号に変換する電光変換部と、伝送路2030から受信した光信号を電気信号に変換する光電変換部を備えている。マスタ側通信部2114は、ユーザ(術者)が操作入力装置2012を介して入力した、手術ロボット2122に対する操作コマンドを、伝送路2030を介してスレーブ装置2020に転送する。また、マスタ側通信部2114は、スレーブ装置2020から送られてくるセンサ情報を、伝送路2030を介して受信する。 The master-side communication unit 2114 performs signal transmission and reception processing with the slave device 2020 via the transmission path 2030 under the control of the master-side control unit 2111. For example, if the transmission path 2030 is made of optical fiber, the master-side communication unit 2114 includes an electrical-to-optical conversion unit that converts an electrical signal sent from the master device 2010 into an optical signal, and an optical-to-electrical conversion unit that converts an optical signal received from the transmission path 2030 into an electrical signal. The master-side communication unit 2114 transfers operation commands for the surgical robot 2122 input by the user (surgeon) via the operation input device 2012 to the slave device 2020 via the transmission path 2030. The master-side communication unit 2114 also receives sensor information sent from the slave device 2020 via the transmission path 2030.
一方、スレーブ装置2020は、スレーブ側制御部2121と、手術ロボット2122と、センサ部2123と、スレーブ側通信部2124を備えている。スレーブ装置2020は、スレーブ側制御部2121による統括的な制御下で、マスタ装置2010からの指示に応じた動作を行う。 On the other hand, the slave device 2020 includes a slave-side control unit 2121, a surgical robot 2122, a sensor unit 2123, and a slave-side communication unit 2124. The slave device 2020 performs operations according to instructions from the master device 2010 under the overall control of the slave-side control unit 2121.
手術ロボット2122は、図20中の第1のロボット装置2021及び第2のロボット装置2022を含む。第2のロボット装置2022は先端で第1のロボット装置2021と連結し、第1のロボット装置2021は遠位端で術具Tを支持している。上述したように、第1のロボット装置2021と第2のロボット装置2022の連結には、本開示に係るカップリング装置の原理が適用されている。スレーブ側制御部2121は、伝送路2030を介してマスタ装置2010から送られてきた操作コマンドを解釈して、術具Tをピボット動作及び並進動作させるための駆動軸の駆動信号に変換して出力して、第2のロボット装置2022側の駆動軸を直動動作する。そして、磁石の吸着力と摩擦力によってバックラッシュレスで第1のロボット装置2021側の被駆動軸に動力が伝達されると、平行リンク機構を介して遠位端の術具がピボット動作及び並進動作する。 The surgical robot 2122 includes a first robot device 2021 and a second robot device 2022 in FIG. 20. The second robot device 2022 is connected to the first robot device 2021 at its tip, and the first robot device 2021 supports a surgical tool T at its distal end. As described above, the principle of the coupling device disclosed herein is applied to the connection between the first robot device 2021 and the second robot device 2022. The slave side control unit 2121 interprets the operation command sent from the master device 2010 via the transmission path 2030, converts it into a drive signal for a drive shaft for pivoting and translating the surgical tool T, and outputs it to linearly move the drive shaft on the second robot device 2022 side. Then, when power is transmitted to the driven shaft on the first robot device 2021 side without backlash due to the magnetic attraction force and friction force, the surgical tool at the distal end pivots and translates via the parallel link mechanism.
センサ部2123は、手術ロボット2122自体の状況や手術中の患部における状況を検出する複数のセンサを備え、さらに手術室内に設置された各種センサ装置からセンサ情報を取り込むためのインターフェースを装備している。例えば、センサ部2123は、手術中に術具Tに作用する外力やモーメントを計測するための力覚センサ(Force Torque Sensor:FTS)を備えている。また、センサ部2123は、顕微鏡2023による患部の観察画像を取り込むインターフェースを装備している。 The sensor unit 2123 is equipped with multiple sensors that detect the status of the surgical robot 2122 itself and the status of the affected area during surgery, and is further equipped with an interface for acquiring sensor information from various sensor devices installed in the operating room. For example, the sensor unit 2123 is equipped with a force torque sensor (FTS) for measuring the external force and moment acting on the surgical tool T during surgery. The sensor unit 2123 is also equipped with an interface for acquiring an observation image of the affected area obtained by the microscope 2023.
スレーブ側通信部2124は、スレーブ側制御部2121による制御下で、伝送路2030を介したマスタ装置2010との送受信処理を行う。例えば伝送路2030が光ファイバからなる場合、スレーブ側通信部2124は、スレーブ装置2020から送出する電気信号を光信号に変換する電光変換部と、伝送路2030から受信した光信号を電気信号に変換する光電変換部を備えている。 The slave-side communication unit 2124 performs transmission and reception processing with the master device 2010 via the transmission path 2030 under the control of the slave-side control unit 2121. For example, if the transmission path 2030 is made of optical fiber, the slave-side communication unit 2124 includes an electrical-to-optical conversion unit that converts an electrical signal sent from the slave device 2020 into an optical signal, and an optical-to-electrical conversion unit that converts an optical signal received from the transmission path 2030 into an electrical signal.
スレーブ側通信部2124は、センサ部2123によって取得される術具の力覚データや顕微鏡2023で観察した術野画像を、伝送路2030を介してマスタ装置2010に転送する。また、スレーブ側通信部2124は、マスタ装置2010から送られてくる手術ロボット2122に対する操作コマンドを、伝送路2030を介して受信する。 The slave-side communication unit 2124 transfers the force data of the surgical tools acquired by the sensor unit 2123 and the surgical field image observed by the microscope 2023 to the master device 2010 via the transmission path 2030. The slave-side communication unit 2124 also receives operation commands for the surgical robot 2122 sent from the master device 2010 via the transmission path 2030.
E-3.特徴
このE項で紹介した、本開示の応用例に係る医療ロボットシステム2000の特徴についてまとめておく。
E-3. Features The features of the medical robot system 2000 according to the application example of the present disclosure introduced in this section E will be summarized below.
被駆動軸側となる第1のロボット装置2021と駆動軸側となる第2のロボット装置2022の連結には磁石の吸着力と位置決めピンを利用したカップリング構造を採用しているので、取り付ける際のアライメント作業が容易である。また、磁石の吸着力に抗って引っ張るだけで第1のロボット装置2021を第2のロボット装置2022から取り外すことができるので、着脱の作業負担が軽減され、第1のロボット装置2021と一体として術具Tを容易に交換することができる。したがって、術者や助手などの非エンジニアが、手術中に術具Tを交換することができ、再現性が高いカップリングを実現することができる。 A coupling structure that utilizes the magnetic attraction and positioning pins is used to connect the first robot device 2021, which is the driven shaft side, and the second robot device 2022, which is the driving shaft side, making alignment work easy when attaching them. In addition, the first robot device 2021 can be removed from the second robot device 2022 simply by pulling against the magnetic attraction, reducing the workload of attachment and detachment, and the surgical tool T can be easily replaced as a unit with the first robot device 2021. Therefore, non-engineers such as surgeons and assistants can replace the surgical tool T during surgery, achieving a coupling with high reproducibility.
被駆動軸側となる第1のロボット装置2021と駆動軸側となる第2のロボット装置2022の連結及び推力伝達に磁石の吸着力と摩擦力を用いるように構成されている。したがって、バックラッシュレスで動力を伝達して、第1のロボット装置2021の遠位端の術具Tを高精度で動作させることができる。 The first robot device 2021, which is the driven shaft side, and the second robot device 2022, which is the driving shaft side, are connected and thrust is transmitted using magnetic attraction and friction. Therefore, power can be transmitted without backlash, and the surgical tool T at the distal end of the first robot device 2021 can be operated with high precision.
第1のロボット装置2021は、図12に示したように、連結部分の構造が簡略化されたロボットアームからなる。したがって、製造工程が簡略化され、低コスト化にもつながる。また、第1のロボット装置2021は、第2のロボット装置2022との連結部分を含めて全体として入り組んでいない簡素な構造であるため、ガス滅菌時に浸透し易く、滅菌処理を容易化することができる。 As shown in FIG. 12, the first robot device 2021 is made of a robot arm with a simplified structure at the connecting portion. This simplifies the manufacturing process, leading to reduced costs. In addition, the first robot device 2021 has a simple structure overall that is not complicated, including the connecting portion with the second robot device 2022, which allows easy penetration during gas sterilization and facilitates the sterilization process.
上記B項では、本開示に係るカップリング装置によれば、駆動軸側から伝達される推力とは逆向きの負荷が被駆動軸側に加わる場合、推力方向において「推力≧負荷」の関係があるときに、駆動軸側から被駆動軸側へバックラッシュレスで動力を伝達することができる、ということを説明した。医療ロボットシステム2000が眼科手術に適用される場合、患部(眼底など)から術具Tすなわち被駆動軸側に加わる負荷は小さいことが想定され、「推力≧負荷」の関係が成立するので、精密に動力を伝達することができる。したがって、医療ロボットシステム2000によれば、精密で低侵襲な手術を実現することができる。 In section B above, it was explained that with the coupling device of the present disclosure, when a load in the opposite direction to the thrust transmitted from the drive shaft is applied to the driven shaft, and there is a relationship of "thrust ≧ load" in the thrust direction, power can be transmitted from the drive shaft to the driven shaft without backlash. When the medical robot system 2000 is applied to ophthalmic surgery, it is assumed that the load applied from the affected area (such as the fundus) to the surgical tool T, i.e., the driven shaft, is small, and the relationship of "thrust ≧ load" is established, so power can be transmitted precisely. Therefore, with the medical robot system 2000, precise and minimally invasive surgery can be realized.
以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示は上述した実施形態に限定して解釈されるべきでなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。また、本明細書に記載した効果はあくまで例示であって、本開示がもたらす効果は限定されるものではなく、本明細書に記載されていない付加的な効果があってもよい。 The present disclosure has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, the present disclosure should not be interpreted as being limited to the above-described embodiments, and it is self-evident that a person skilled in the art can modify or substitute the embodiments without departing from the gist of the present disclosure. Furthermore, the effects described in this specification are merely examples, and the effects brought about by the present disclosure are not limited, and there may be additional effects not described in this specification.
本明細書では、医療分野(例えば医療用マニピュレータシステムなど)で使用されるカップリング装置に本開示を適用した実施形態を中心に説明してきたが、本開示の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような、人間の産業活動や生産活動上のさまざまな難作業や危険作業を実施するロボット又はマニピュレータシステムにも、本開示に係るカップリング装置を同様に適用することができる。 Although the present specification has mainly described an embodiment in which the present disclosure is applied to a coupling device used in the medical field (such as a medical manipulator system), the gist of the present disclosure is not limited to this. For example, the coupling device according to the present disclosure can also be applied to a robot or manipulator system that performs various difficult or dangerous tasks in human industrial or production activities, such as maintenance work in nuclear power plants, thermal power plants, and petrochemical plants, transporting and assembling parts in manufacturing plants, cleaning in high-rise buildings, and rescue at fire scenes and other locations.
要するに、例示という形態により本開示について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。 In short, this disclosure has been described in the form of examples, and the contents of this specification should not be interpreted in a restrictive manner. The claims should be taken into consideration in determining the gist of this disclosure.
なお、本開示は、以下のような構成をとることも可能である。 In addition, this disclosure can also be configured as follows:
(1)直動方式の被駆動軸部と、
直動方式の駆動軸部と、
前記被駆動軸部と前記駆動軸部を面接合によって連結する連結部と、
を具備するカップリング装置。
(1) a linear driven shaft portion;
A linear drive shaft portion;
a connecting portion that connects the driven shaft portion and the driving shaft portion by surface joining;
A coupling device comprising:
(2)前記被駆動軸部は、第1のロータと第1のステータを含むリニアスライダを備え、
前記駆動軸部は、第2のロータと第2のステータを含むリニアアクチュエータを備え、
前記連結部は、前記第1のロータと前記第2のロータの移動方向が一致するように、前記第1のロータと前記第2のロータ間、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ間をそれぞれ面接合によって連結する、
上記(1)に記載のカップリング装置。
(2) The driven shaft portion includes a linear slider including a first rotor and a first stator,
the drive shaft includes a linear actuator including a second rotor and a second stator;
the connecting portion connects the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator by surface joining, respectively, so that the moving directions of the first rotor and the second rotor are aligned with each other.
A coupling device as described in (1) above.
(3)前記第1のステータ及び前記第2のステータのうち一方が位置決めピンを有するとともに他方が前記位置決めピンと嵌合するピン穴を有する、
上記(2)に記載のカップリング装置。
(3) One of the first stator and the second stator has a positioning pin, and the other has a pin hole into which the positioning pin is fitted.
A coupling device as described in (2) above.
(4)前記連結部は、磁石の吸着力を利用して、前記第1のロータと前記第2のロータ同士、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ同士を連結する、
上記(2)又は(3)のいずれか1つに記載のカップリング装置。
(4) The connecting portion connects the first rotor and the second rotor, and connects the first stator and the second stator, by utilizing an attractive force of a magnet.
A coupling device according to any one of (2) or (3) above.
(5)前記連結部は、前記被駆動軸部の前記第1のロータ及び前記第1のステータの各々に取り付けた複数の第1の磁石と、前記駆動軸部の前記第2のロータと前記第2のステータの各々に取り付けた複数の第2の磁石を含み、
前記第2のステータには、前記第1のステータに取り付けた第1の磁石に対応する場所に、前記第2の磁石が配置される、
上記(4)に記載のカップリング装置。
(5) The coupling portion includes a plurality of first magnets attached to each of the first rotor and the first stator of the driven shaft portion, and a plurality of second magnets attached to each of the second rotor and the second stator of the drive shaft portion,
The second magnet is disposed on the second stator at a position corresponding to the first magnet attached to the first stator.
A coupling device as described in (4) above.
(6)前記第1のロータ及び前記第1のステータの少なくとも一方に高さの乖離を緩和する緩和部材を介して前記第1の磁石が取り付けられ、又は、前記第2のロータ及び前記第2のステータの少なくとも一方に高さの乖離を緩和する緩和部材を介して前記第2の磁石が取り付けられる、
上記(5)に記載のカップリング装置。
(6) The first magnet is attached to at least one of the first rotor and the first stator via a relaxation member that relaxes the height difference, or the second magnet is attached to at least one of the second rotor and the second stator via a relaxation member that relaxes the height difference.
A coupling device as described in (5) above.
(6-1)前記緩和部材は、バネ、エアギャップ、又は前記磁石を高さ方向のプリロードを作用させるその他の可撓性部品からなる、
上記(6)に記載のカップリング装置。
(6-1) The buffer member is a spring, an air gap, or other flexible part that applies a preload to the magnet in the height direction.
A coupling device as described in (6) above.
(7)前記連結部は、前記第1のステータと前記第2のステータが連結した後に、前記第2のロータを前記第2のステータ上で移動させる動作を通じて、前記第1のロータを前記第2のロータに連結させる、
上記(4)乃至(6)のいずれか1つに記載のカップリング装置。
(7) After the first stator and the second stator are connected to each other, the connecting portion connects the first rotor to the second rotor through an operation of moving the second rotor on the second stator.
A coupling device according to any one of (4) to (6) above.
(8)遠位端で術具を支持する第1のロボット装置と、
前記第1のロボット装置と連結する第2のロボット装置と、
を具備し、
前記第1のロボット装置側の直動方式の被駆動軸部と前記第2のロボット装置側の直動方式の駆動軸部が面接合によって連結され、
前記第1のロボット装置は、前記駆動軸部から前記被駆動軸部に伝達される動力によって前記術具を動作させる、
医療ロボット装置。
(8) a first robotic device supporting a surgical tool at a distal end;
a second robotic device coupled to the first robotic device;
Equipped with
a linear motion driven shaft portion of the first robot device and a linear motion drive shaft portion of the second robot device are connected by a surface joint;
The first robot device operates the surgical tool by power transmitted from the drive shaft portion to the driven shaft portion.
Medical robotic device.
(9)前記第1のロボット装置は、遠隔運動中心を有するように前記術具を支持する、
上記(8)に記載の医療ロボット装置。
(9) The first robotic device supports the surgical tool so as to have a remote center of motion.
The medical robot device described in (8) above.
(10)前記第2のロボット装置は、前記第1のロボット装置とは着脱可能に連結する、
上記(8)又は(9)のいずれか1つに記載の医療ロボット装置。
(10) The second robotic device is detachably connected to the first robotic device.
A medical robot device according to any one of (8) or (9) above.
(11)前記被駆動軸部は、第1のロータと第1のステータを含むリニアスライダを備え、
前記駆動軸部は、第2のロータと第2のステータを含むリニアアクチュエータを備え、
前記第1のロータと前記第2のロータの移動方向が一致するように、前記第1のロータと前記第2のロータ間、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ間がそれぞれ面接合によって連結される、
上記(8)乃至(10)のいずれか1つに記載の医療ロボット装置。
(11) The driven shaft portion includes a linear slider including a first rotor and a first stator,
the drive shaft includes a linear actuator including a second rotor and a second stator;
the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator are connected by surface contact, respectively, such that the first rotor and the second rotor move in the same direction;
A medical robot device according to any one of (8) to (10) above.
(12)前記第1のステータ及び前記第2のステータのうち一方が位置決めピンを有するとともに他方が前記位置決めピンと嵌合するピン穴を有する、
上記(11)に記載の医療ロボット装置。
(12) One of the first stator and the second stator has a positioning pin, and the other has a pin hole into which the positioning pin fits.
The medical robot device described in (11) above.
(13)磁石の吸着力を利用して、前記第1のロータと前記第2のロータ同士、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ同士がそれぞれ連結される、
上記(11)又は(12)のいずれか1つに記載の医療ロボット装置。
(13) The first rotor and the second rotor are connected to each other, and the first stator and the second stator are connected to each other, respectively, by utilizing an attractive force of a magnet.
The medical robot device according to any one of (11) or (12) above.
(14)前記第1のロボット装置は前記被駆動軸部の前記第1のロータ及び前記第1のステータの各々に取り付けた複数の第1の磁石を含むとともに、前記第2のロボット装置は前記駆動軸部の前記第2のロータと前記第2のステータの各々に取り付けた複数の第2の磁石を含み、
前記第2のステータには、前記第1のステータに取り付けた第1の磁石に対応する場所に、前記第2の磁石が配置される、
上記(13)に記載の医療ロボット装置。
(14) The first robot device includes a plurality of first magnets attached to each of the first rotor and the first stator of the driven shaft, and the second robot device includes a plurality of second magnets attached to each of the second rotor and the second stator of the drive shaft,
The second magnet is disposed on the second stator at a position corresponding to the first magnet attached to the first stator.
The medical robot device described in (13) above.
(15)前記第1のロボット装置は、前記第1のロータ及び前記第1のステータの少なくとも一方に高さの乖離を緩和する緩和部材を介して前記第1の磁石を取り付け、又は、前記第2のロボット装置は、前記第2のロータ及び前記第2のステータの少なくとも一方に高さの乖離を緩和する緩和部材を介して前記第2の磁石が取り付ける、
上記(14)に記載の医療ロボット装置。
(15) The first robot device attaches the first magnet to at least one of the first rotor and the first stator via a relaxation member that relaxes a height difference, or the second robot device attaches the second magnet to at least one of the second rotor and the second stator via a relaxation member that relaxes a height difference.
A medical robot device as described in (14) above.
(16)前記第1のステータと前記第2のステータが連結した後に、前記第2のロボット装置が前記第2のロータを前記第2のステータ上で移動させる動作を通じて、前記第1のロータを前記第2のロータに連結させる、
上記(13)乃至(15)のいずれか1つに記載の医療ロボット装置。
(16) After the first stator and the second stator are coupled to each other, the second robot device couples the first rotor to the second rotor by moving the second rotor on the second stator.
The medical robot device according to any one of (13) to (15) above.
(17)遠位端で術具を支持するリンク機構部と、
直動方式の駆動軸部と面接合によって着脱可能に連結する直動方式の被駆動軸部と、
を具備し、
前記直動方式の被駆動軸部は、前記直動方式の駆動軸部から伝達される動力によって前記リンク駆動部を駆動する、
医療ロボット装置。
(17) A link mechanism part that supports a surgical tool at a distal end;
a linear driving shaft portion detachably connected to the linear driving shaft portion by surface contact;
Equipped with
The linear motion driven shaft drives the link drive unit by power transmitted from the linear motion drive shaft.
Medical robotic device.
(17-1)前記リンク機構部は、遠隔運動中心を有するように前記術具を支持する、
上記(17)に記載の医療ロボット装置。
(17-1) The link mechanism supports the surgical tool so as to have a remote center of motion.
The medical robot device described in (17) above.
(18)前記被駆動軸部は、第1のロータと第1のステータを含むリニアスライダを備え、
前記駆動軸部は、第2のロータと第2のステータを含むリニアアクチュエータを備え、
前記第1のロータと前記第2のロータの移動方向が一致するように、前記第1のロータと前記第2のロータ間、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ間がそれぞれ面接合によって連結される、
上記(17)に記載の医療ロボット装置。
(18) The driven shaft portion includes a linear slider including a first rotor and a first stator,
the drive shaft includes a linear actuator including a second rotor and a second stator;
the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator are connected by surface contact, respectively, such that the first rotor and the second rotor move in the same direction;
The medical robot device described in (17) above.
(19)前記第1のステータは、前記駆動軸部側の前記第2のステータに設けられた位置決めピンと嵌合するピン穴を有する、
上記(18)に記載の医療ロボット装置。
(19) The first stator has a pin hole into which a positioning pin provided in the second stator on the drive shaft portion side is fitted.
The medical robot device described in (18) above.
(20)前記第1のロータ及び前記第1のステータは、磁石の吸引力を利用して、前記駆動軸部側の前記第2のロータ及び前記第2のステータとそれぞれ連結される、
上記(18)又は(19)のいずれか1つに記載の医療ロボット装置。
(20) The first rotor and the first stator are respectively connected to the second rotor and the second stator on the drive shaft side by utilizing an attractive force of a magnet.
A medical robot device according to any one of (18) or (19) above.
(20-1)前記被駆動軸部の前記第1のロータ及び前記第1のステータの各々に取り付けた複数の第1の磁石をさらに含み、
前記第1のステータに取り付けられた第1の磁石は、前記駆動軸部の前記第2のステータに取り付けられた第2の磁石に対応する場所に配置される、
上記(20)に記載の医療ロボット装置。
(20-1) The driving mechanism further includes a plurality of first magnets attached to each of the first rotor and the first stator of the driven shaft portion,
a first magnet attached to the first stator is disposed at a position corresponding to a second magnet attached to the second stator of the drive shaft;
A medical robot device as described in (20) above.
(20-2)前記第1のロータ及び前記第1のステータの少なくとも一方に高さの乖離を緩和する緩和部材を介して前記第1の磁石が取り付けられている、
上記(20-1)に記載の医療ロボット装置。
(20-2) The first magnet is attached to at least one of the first rotor and the first stator via a relaxation member that relaxes a height difference.
The medical robot device described in (20-1) above.
100…カップリング装置、110…リニアスライダ、111…ロータ
112…スライダ、113~115…磁石
120…リニアアクチュエータ、121…ロータ、122…スライダ
123~125…磁石
601、602…位置決めピン、611、612…ピン穴
700…ロボットアーム
1000駆動ユニット、1010…リニアアクチュエータ
1011…ステータ、1012…ロータ
1020…リニアアクチュエータ、1021…ステータ
1022…ロータ、1030…フレーム部
1031、3032…開口部
1210、1220…リニアスライダ、1231、1232…開口部
1241、1242…ピン穴、1251~1258…磁石
1341、1342…位置決めピン、1351~1358…磁石
1700…カップリング装置(変形例)、1710…リニアスライダ
1711…ロータ、1712…ステータ、1713~1715…磁石
1720…リニアアクチュエータ、1721…ロータ
1722…ステータ、1731、1732…バネ
1800…カップリング装置(変形例)、1801、1802…バネ
1803…台座
1900…カップリング装置(変形例)、1901…エアギャップ
1902…台座
2000医療ロボットシステム、2010…マスタ装置
2011…モニタ、2012…操作入力装置、2020…スレーブ装置
2021…第1のロボット装置、2022…第2のロボット装置
2023…顕微鏡、2030…伝送路
2111…マスタ側制御部、2112…入力部、2113…提示部
2114…マスタ側通信部
2121…スレーブ側制御部、2122…手術ロボット
2123…センサ部、2124…スレーブ側通信部
2200…リニアスライダ、2201…ステータ、2202…ロータ
100...coupling device, 110...linear slider, 111...rotor 112...slider, 113 to 115...magnet 120...linear actuator, 121...rotor, 122...slider 123 to 125...magnet 601, 602...positioning pin, 611, 612...pin hole 700...robot arm 1000 drive unit, 1010...linear actuator 1011...stator, 1012...rotor 1020...linear actuator, 1021...stator 1022...rotor, 1030...frame portion 1031, 3032...opening 1210, 1220...linear slider, 1231, 1232...opening 1241, 1242...pin hole, 1251 to 1258...magnet 1341, 1342...positioning pins, 1351 to 1358...magnets 1700...coupling device (modified example), 1710...linear slider 1711...rotor, 1712...stator, 1713 to 1715...magnets 1720...linear actuator, 1721...rotor 1722...stator, 1731, 1732...spring 1800...coupling device (modified example), 1801, 1802...spring 1803...base 1900...coupling device (modified example), 1901...air gap 1902...base 2000 medical robot system, 2010...master device 2011...monitor, 2012...operation input device, 2020...slave device 2021...first robot device, 2022...second robot device 2023...microscope, 2030...transmission path 2111: Master side control unit, 2112: Input unit, 2113: Presentation unit, 2114: Master side communication unit, 2121: Slave side control unit, 2122: Surgical robot, 2123: Sensor unit, 2124: Slave side communication unit, 2200: Linear slider, 2201: Stator, 2202: Rotor
Claims (20)
直動方式の駆動軸部と、
前記被駆動軸部と前記駆動軸部を面接合によって連結する連結部と、
を具備するカップリング装置。 A linear driven shaft portion;
A linear drive shaft portion;
a connecting portion that connects the driven shaft portion and the driving shaft portion by surface joining;
A coupling device comprising:
前記駆動軸部は、第2のロータと第2のステータを含むリニアアクチュエータを備え、
前記連結部は、前記第1のロータと前記第2のロータの移動方向が一致するように、前記第1のロータと前記第2のロータ間、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ間をそれぞれ面接合によって連結する、
請求項1に記載のカップリング装置。 the driven shaft portion includes a linear slider including a first rotor and a first stator;
the drive shaft includes a linear actuator including a second rotor and a second stator;
the connecting portion connects the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator by surface joining, respectively, so that the moving directions of the first rotor and the second rotor are aligned with each other.
2. The coupling device of claim 1.
請求項2に記載のカップリング装置。 one of the first stator and the second stator has a positioning pin, and the other has a pin hole into which the positioning pin is fitted;
3. A coupling device according to claim 2.
請求項2に記載のカップリング装置。 the connecting portion connects the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator, by utilizing an attractive force of a magnet;
3. A coupling device according to claim 2.
前記第2のステータには、前記第1のステータに取り付けた第1の磁石に対応する場所に、前記第2の磁石が配置される、
請求項4に記載のカップリング装置。 the coupling portion includes a plurality of first magnets attached to each of the first rotor and the first stator of the driven shaft portion, and a plurality of second magnets attached to each of the second rotor and the second stator of the drive shaft portion,
The second magnet is disposed on the second stator at a position corresponding to the first magnet attached to the first stator.
5. A coupling device according to claim 4.
請求項5に記載のカップリング装置。 The first magnet is attached to at least one of the first rotor and the first stator via a relaxation member that relaxes the height difference, or the second magnet is attached to at least one of the second rotor and the second stator via a relaxation member that relaxes the height difference.
6. A coupling device according to claim 5.
請求項4に記載のカップリング装置。 the coupling unit couples the first rotor to the second rotor through an operation of moving the second rotor on the second stator after the first stator and the second stator are coupled to each other;
5. A coupling device according to claim 4.
前記第1のロボット装置と連結する第2のロボット装置と、
を具備し、
前記第1のロボット装置側の直動方式の被駆動軸部と前記第2のロボット装置側の直動方式の駆動軸部が面接合によって連結され、
前記第1のロボット装置は、前記駆動軸部から前記被駆動軸部に伝達される動力によって前記術具を動作させる、
医療ロボット装置。 a first robotic device supporting a surgical tool at a distal end;
a second robotic device coupled to the first robotic device;
Equipped with
a linear motion driven shaft portion of the first robot device and a linear motion drive shaft portion of the second robot device are connected by a surface joint;
The first robot device operates the surgical tool by power transmitted from the drive shaft portion to the driven shaft portion.
Medical robotic device.
請求項8に記載の医療ロボット装置。 the first robotic device supports the surgical tool so as to have a remote center of motion;
The medical robotic device according to claim 8.
請求項8に記載の医療ロボット装置。 the second robotic device is detachably connected to the first robotic device;
The medical robotic device according to claim 8.
前記駆動軸部は、第2のロータと第2のステータを含むリニアアクチュエータを備え、
前記第1のロータと前記第2のロータの移動方向が一致するように、前記第1のロータと前記第2のロータ間、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ間がそれぞれ面接合によって連結される、
請求項8に記載の医療ロボット装置。 the driven shaft portion includes a linear slider including a first rotor and a first stator;
the drive shaft includes a linear actuator including a second rotor and a second stator;
the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator are connected by surface contact, respectively, such that the first rotor and the second rotor move in the same direction;
The medical robotic device according to claim 8.
請求項11に記載の医療ロボット装置。 one of the first stator and the second stator has a positioning pin, and the other has a pin hole into which the positioning pin is fitted;
The medical robotic device of claim 11.
請求項11に記載の医療ロボット装置。 The first rotor and the second rotor are connected to each other, and the first stator and the second stator are connected to each other, respectively, by utilizing an attractive force of a magnet.
The medical robotic device of claim 11.
前記第2のステータには、前記第1のステータに取り付けた第1の磁石に対応する場所に、前記第2の磁石が配置される、
請求項13に記載の医療ロボット装置。 the first robotic device includes a plurality of first magnets attached to each of the first rotor and the first stator of the driven shaft, and the second robotic device includes a plurality of second magnets attached to each of the second rotor and the second stator of the drive shaft,
The second magnet is disposed on the second stator at a position corresponding to the first magnet attached to the first stator.
The medical robotic device of claim 13.
請求項14に記載の医療ロボット装置。 the first robot device attaches the first magnet to at least one of the first rotor and the first stator via a relaxation member that relaxes a height difference, or the second robot device attaches the second magnet to at least one of the second rotor and the second stator via a relaxation member that relaxes a height difference;
The medical robotic device of claim 14.
請求項13に記載の医療ロボット装置。 After the first stator and the second stator are coupled, the second robot device couples the first rotor to the second rotor by moving the second rotor on the second stator.
The medical robotic device of claim 13.
直動方式の駆動軸部と面接合によって着脱可能に連結する直動方式の被駆動軸部と、
を具備し、
前記直動方式の被駆動軸部は、前記直動方式の駆動軸部から伝達される動力によって前記リンク駆動部を駆動する、
医療ロボット装置。 A link mechanism that supports a surgical tool at a distal end;
a linear driving shaft portion detachably connected to the linear driving shaft portion by surface contact;
Equipped with
The linear motion driven shaft drives the link drive unit by power transmitted from the linear motion drive shaft.
Medical robotic device.
前記駆動軸部は、第2のロータと第2のステータを含むリニアアクチュエータを備え、
前記第1のロータと前記第2のロータの移動方向が一致するように、前記第1のロータと前記第2のロータ間、及び、前記第1のステータと前記第2のステータ間がそれぞれ面接合によって連結される、
請求項17に記載の医療ロボット装置。 the driven shaft portion includes a linear slider including a first rotor and a first stator;
the drive shaft includes a linear actuator including a second rotor and a second stator;
the first rotor and the second rotor, and the first stator and the second stator are connected by surface contact, respectively, such that the first rotor and the second rotor move in the same direction;
The medical robotic device of claim 17.
請求項18に記載の医療ロボット装置。 the first stator has a pin hole into which a positioning pin provided in the second stator on the drive shaft portion side is fitted;
20. The medical robotic device of claim 18.
請求項18に記載の医療ロボット装置。 The first rotor and the first stator are respectively connected to the second rotor and the second stator on the drive shaft side by utilizing magnetic attraction.
20. The medical robotic device of claim 18.
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| JP2007029274A (en) * | 2005-07-25 | 2007-02-08 | Hitachi Ltd | Surgical device |
| JP2018191881A (en) * | 2017-05-16 | 2018-12-06 | リバーフィールド株式会社 | Power transmission adapter and medical manipulator system |
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- 2024-08-02 WO PCT/JP2024/027789 patent/WO2025057608A1/en active Pending
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