JP6714059B2 - ３軸運動装置 - Google Patents

Description

本発明は、多軸運動装置に関し、詳しくは高精度移動、体積の軽量化および小型化を実現させることができる３軸運動装置に関するものである。

手術用ロボットはすでに外科の様々な手術に汎用されている。手術用ロボットのサポートによって手術に関わる医療行為（病変部位置の判断またはメスの届く深さのコントロールなど）を精密に把握できるだけでなく、人為的な操作ミスが原因で医療事故を引き起こすリスクを大幅に減少させることができる。しかしながら、手術用ロボットの体積は厖大であるため、手術用ロボットを操作するには比較的大きい空間が必要である。

特開平４−１５２０９０号公報

本発明は、多自由度の高精度運動を達成し、手術用ロボットの軽量化および小型化を実現させることができる３軸運動装置を提供することを主な目的とする。

上述した課題を解決するため、３軸運動装置は第一ベース、中空回転軸、第一動力源、第二ベース、第二動力源、第三ベースおよび旋転機構を備える。第一動力源は第一ベースに配置され、第一駆動軸を有する。中空回転軸は第一動力源の第一駆動軸に連結および駆動されることで第一駆動軸と同調回転することができる。第二ベースは中空回転軸に連結および駆動されることで第一軸方向を中心に第一ベースに向かって回転することができる。第二動力源は第一ベースに配置され、第二駆動軸を有する。第二駆動軸は中空回転軸を回転可能に貫通する。第三ベースは第二動力源の第二駆動軸に連結および駆動されることで第一軸方向に垂直な第二軸方向を中心に第二ベースに向かって回転することができる。旋転機構は第三ベースに配置され、工具固定部材を有する。工具固定部材は第二軸方向に垂直な第三軸方向を中心に第三ベースに向かって回転する。

上述した構造特徴により、本発明による３軸運動装置は多自由度の高精度運動を達成できるため、最小侵襲耳鼻手術に対応する手術用ロボットに適用することができる。また本発明は手術用ロボットの軽量化および小型化を実現させるため、体積が厖大で重さが大きいという従来技術の問題を改善できる。

比較的好ましい場合、第一駆動軸は第一軸方向に平行である。第二駆動軸および第一軸方向は相互に対応するように同軸に位置するため、動力を伝達する際、動力の損耗を減少させることができる。

比較的好ましい場合、第一動力源および第二動力源は第一ベースの同じ側に配置されるため、体積の大きい部品をまとめて体積を軽量化および小型化することができる。

比較的好ましい場合、第一ベースは第一アームおよび第二アームを有する。第一アームおよび第二アームは一端が相互に連結され、その間の夾角が９０〜１８０度であるため、作動過程において第一ベースに下方の物体、例えば患者の頭部または別の部位を避けさせる空間が充分になる。

本発明による３軸運動装置の詳細な構造、特徴、組み立てまたは使用方法を、以下の実施形態の詳細な説明を通して明確にする。なお、以下の詳細な説明および本発明により提示された実施形態は本発明を説明するための一例に過ぎず、本発明の請求範囲を限定できないことは、本発明にかかわる領域において常識がある人ならば理解できるはずである。

本発明の一実施形態による３軸運動装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による３軸運動装置のハウジングが取り外された状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による３軸運動装置を示す正面図である。 本発明の一実施形態による３軸運動装置を示す背面図である。 本発明の一実施形態による３軸運動装置の一部分を示す断面図である。 本発明の一実施形態による３軸運動装置を示す側面図である。 本発明の一実施形態による３軸運動装置において第三ベースおよび旋転機構が結合した状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による３軸運動装置の旋転機構を示す分解斜視図である。 図７中の９−９線に沿った断面図、即ち押しボダンが第一位置に据えられた状態を示す断面図である。 図７中の９−９線に沿った断面図、即ち押しボダンが第二位置に据えられた状態を示す断面図である。

以下、本発明による３軸運動装置を図面に基づいて説明する。図中の同じ符号は同じ部品または類似した部品の構造特徴を示す。

（一実施形態）
図１に示すように、本発明の一実施形態による３軸運動装置１０はハウジング１２内に装着され、手術用ロボット１４に応用される。
図２および図３に示すように、ハウジング１２が取り外された際、本発明の一実施形態による３軸運動装置１０は第一ベース２０、第一動力源３０、中空回転軸４０、第二ベース５０、第二動力源６０、第三ベース７０および旋転機構８０を備える。

第一ベース２０は、第一アーム２１および第二アーム２２を有する。第一アーム２１は末端部が第二アーム２２の先端部と連結されて一体になる。第一アーム２１および第二アーム２２は９０〜１８０度の夾角θをなすため、図４に示すように、操作過程において第一ベース２０に下方の物体、例えば患者の頭部または別の部位を避けさせる空間を充分に確保できる。従って、本発明は最小侵襲耳鼻手術に対応する手術用ロボットに適用できる。
図２および図４に示すように、コントローラー９０は第一アーム２１に装着および固定される。第二アーム２２は上から順に配列する第一板状支持部２３、第二板状支持部２４および第三板状支持部２５を有する。

第一動力源３０は、第一モーター３１、第一減速機３３および第一駆動軸３５を有する。第一モーター３１は第一ベース２０の第二アーム２２の第一板状支持部２３に装着され、第一出力軸３２を有する。第一減速機３３は第一ベース２０の第二アーム２２の第二板状支持部２４に装着され、第一伝動軸３４を有する。
図３および図６に示すように、第一モーター３１の第一出力軸３２は第一減速機３３に連結される。第一減速機３３の第一伝動軸３４は第一駆動軸３５と同軸上に連結されるため、第一駆動軸３５は第一モーター３１の駆動力によって回転できる。

中空回転軸４０は、第一ベース２０の第二アーム２２の第三板状支持部２５を回転可能に貫通し、第一伝動機構４１によって第一動力源３０の第一駆動軸３５に連結される。詳しく言えば、図２、図３および図６に示すように、第一伝動機構４１は第一伝動輪４２、第二伝動輪４３および第一伝動ベルト４４を有する。
第一伝動輪４２は第一ベース２０の第二アーム２２の第三板状支持部２５に配置され、第一駆動軸３５と同軸上に連結される。第二伝動輪４３は第一ベース２０の第二アーム２２の第三板状支持部２５に配置され、中空回転軸４０と同軸上に連結される。第一伝動ベルト４４は第一伝動輪４２および第二伝動輪４３を囲んで第一伝動輪４２および第二伝動輪４３を同調回転させる。

上述した構造により、第一動力源３０の第一駆動軸３５が第一伝動輪４２を回転させれば、第一伝動輪４２は第一伝動ベルト４４によって第二伝動輪４３を回転させると同時に中空回転軸４０を第二伝動輪４３とともに回転させる。

図３および図５に示すように、第二ベース５０は第一ベース２０の下方に位置し、第四板状支持部５１、第五板状支持部５２および円盤部５３を有する。第四板状支持部５１は第二ベース５０の先端部に位置する。第五板状支持部５２は第四板状支持部５１の下方に位置する。円盤部５３は第二ベース５０の末端部に位置する。
図３および図６に示すように、第二ベース５０の第四板状支持部５１は中空回転軸４０の底部と同軸上に連結されるため、第二ベース５０は中空回転軸４０に駆動され、第一軸方向Ａ１を中心に第一ベース２０に向かって回転することができる。第一軸方向Ａ１は第一動力源３０の第一駆動軸３５に平行である。第二ベース５０の旋転角度は第一角度センサー９１によって検知される。
図２に示すように、第一角度センサー９１は第一ベース２０の第二アーム２２の第三板状支持部２５に装着され、コントローラー９０に電気的に接続されるため、コントローラー９０に検知結果を伝送して判断させることができる。

第二動力源６０および第一動力源３０は第一ベース２０の同じ側に配置される。第二動力源６０は第二モーター６１、第二減速機６３および第二駆動軸６５を有する。第二モーター６１は第一ベース２０の第二アーム２２の第一板状支持部２３に装着され、第一出力軸６２を有する。第一減速機６３は第一ベース２０の第二アーム２２の第二板状支持部２４に装着され、第二伝動軸６４を有する。
図３および図６に示すように、第二モーター６１の第二出力軸６２は第二減速機６３に連結される。第二減速機６３の第二伝動軸６４は第二駆動軸６５と同軸上に連結される。第二駆動軸６５は第一軸方向Ａ１と同軸上に位置し、かつ中空回転軸４０を貫通するため、第二駆動軸６５は第二モーター６１に駆動され、中空回転軸４０に向かって回転することができる。

第三ベース７０は軸部７１を有する。第三ベース７０の軸部７１は第二ベース５０の円盤部５３に差し込まれ、第二伝動機構７５によって第二動力源６０の第二駆動軸６５に連結される。詳しく言えば、図４および図６に示すように、第二伝動機構７５は第三伝動輪７６、第四伝動輪７７および第二伝動ベルト７８を有する。
第三伝動輪７６は第二ベース５０の第五板状支持部５２に装着され、第二動力源６０の第二駆動軸６５と同軸上に連結される。第四伝動輪７７は第二ベース５０の円盤部５３の背面に装着され、第三ベース７０の軸部７１と同軸上に連結される。第二伝動ベルト７８は第三伝動輪７６および第四伝動輪７７を連結して第三伝動輪７６および第四伝動輪７７を同調回転させる。

上述した構造により、第二動力源６０の第二駆動軸６５が第三伝動輪７６を回転させれば、第三伝動輪７６は第二伝動ベルト７８によって第四伝動輪７７を回転させる。第三ベース７０は第四伝動輪７７に駆動され、第一軸方向Ａ１に垂直な第二軸方向Ａ２を中心に第二ベース５０に向かって回転する。一方、第三ベース７０の旋転角度は第二角度センサー９２によって検知される。
図２および図３に示すように、第二角度センサー９２は第二ベース５０の円盤部５３に装着され、コントローラー９０に電気的に接続されるため、コントローラー９０に検知結果を伝送して判断させることができる。

図７および図８に示すように、第三ベース７０はさらに軸部７１に連結された台座７２、台座７２に形成された格納溝７３および格納溝７３の壁面に形成された複数の固定溝７４を有する。
旋転機構８０はベアリング８１、キャップ８２、工具固定部材８５、二つの押しボタン８７および二つの弾性部材８８を有する。ベアリング８１は格納溝７３内に格納される。キャップ８２は格納溝７３に被さり、先端孔部８３および二つの穿孔８４を有する。先端孔部８３は軸方向に沿って格納溝７３に繋がる。二つの穿孔８４は径方向に沿って相対的に格納溝７３に繋がる。工具固定部材８５はねじなどの固定ユニット８６によってキャップ８２に締め付けられる。内視鏡などの作業工具は工具固定部材８５に装着および固定される。工具固定部材８５は先端部が先端孔部８３に突出し、末端部が嵌合リング８９によってベアリング８１に固定される。二つの押しボタン８７はキャップ８２内に配置され、それぞれ押し部８７２および固定部８７４を有する。押し部８７２はキャップ８２の穿孔８４に差し込まれる。固定部８７４は第三ベース７０の一つの固定溝７４に対応する。
図９に示すように、押しボタン８７の押し部８７２が外力を受ける前に、押しボタン８７は第一位置Ｐ１に据えられる。押しボタン８７の固定部８７４は第三ベース７０一つの固定溝７４に嵌まり込む。このとき旋転機構８０は第三ベース７０に向かって回転することができない。
図１０に示すように、押しボタン８７の押し部８７２が外力を受けた場合、押しボタン８７は第二位置Ｐ２に据えられる。押しボタン８７の固定部８７４は固定溝７４から逸脱する。このとき旋転機構８０は第二軸方向Ａ２に垂直な第三軸方向Ａ３を中心に第三ベース７０に向かって回転することができる。二つの弾性部材８８は工具固定部材８５と押しボタン８７との間に配置され、図９に示すように押しボタン８７を第一位置Ｐ１に維持する。

上述をまとめてみると、本発明による３軸運動装置１０は第二ベース５０、第三ベース７０および旋転機構８０がそれぞれ異なる軸方向を中心に回転することによって実際の状況に応じて作業工具の位置を調整するため、最小侵襲耳鼻手術に対応する手術用ロボットに適用することができる。
また本発明による３軸運動装置１０は体積の大きい部品（例えば第一動力源３０および第二動力源６０）が同じ側にまとめられるため、本発明を応用した手術用ロボットの軽量化および小型化を実現させることができる。

１０ ３軸運動装置
１２ ハウジング
１４ 手術用ロボット
２０ 第一ベース
２１ 第一アーム
２２ 第二アーム
２３ 第一板状支持部
２４ 第二板状支持部
２５ 第三板状支持部
３０ 第一動力源
３１ 第一モーター
３２ 第一出力軸
３３ 第一減速機
３４ 第一伝動軸
３５ 第一駆動軸
４０ 中空回転軸
４１ 第一伝動機構
４２ 第一伝動輪
４３ 第二伝動輪
４４ 第一伝動ベルト
５０ 第二ベース
５１ 第四板状支持部
５２ 第五板状支持部
５３ 円盤部
６０ 第二動力源
６１ 第二モーター
６２ 第二出力軸
６３ 第二減速機
６４ 第二伝動軸
６５ 第二駆動軸
７０ 第三ベース
７１ 軸部
７２ 台座
７３ 格納溝
７４ 固定溝
７５ 第二伝動機構
７６ 第三伝動輪
７７ 第四伝動輪
７８ 第二伝動ベルト
８０ 旋転機構
８１ ベアリング
８２ キャップ
８３ 先端孔部
８４ 穿孔
８５ 工具固定部材
８６ 固定ユニット
８７ 押しボタン
８７２ 押し部
８７４ 固定部
８８ 弾性部材
８９ 嵌合リング
９０ コントローラー
９１ 第一角度センサー
９２ 第二角度センサー
Ａ１ 第一軸方向
Ａ２ 第二軸方向
Ｐ１ 第一位置
Ｐ２ 第二位置
θ 夾角

Claims (4)

1. 第一ベース、第一動力源、中空回転軸、第二ベース、第二動力源、第三ベースおよび旋転機構を備え、
   前記第一ベースは、第一アームおよび第二アームを有し、前記第一アームおよび前記第二アームは一端が相互に連結され、前記第二アームは上から順に配列する第一板状支持部、第二板状支持部および第三板状支持部を備え、
   前記第一動力源は、第一モーター、第一減速機および第一駆動軸を有し、前記第一モーターは前記第一板状支持部に配設され、第一出力軸を備え、前記第一減速機は前記第二板状支持部に配設され、第一伝動軸を備え、前記第一出力軸は前記第一減速機に連結され、前記第一伝動軸は前記第一駆動軸と同軸上に連結され、
   前記中空回転軸は、前記第三板状支持部を回転可能に貫通し、前記第一動力源の前記第一駆動軸に連結および駆動されることで前記第一駆動軸と同調回転することができ、
   前記第二ベースは、前記中空回転軸に連結および駆動されることで第一軸方向を中心に前記第一ベースに向かって回転することができ、
   前記第二動力源は、前記第一ベースに配置され、第二駆動軸を有し、前記第二駆動軸は前記中空回転軸を回転可能に貫通し、
   前記第三ベースは、前記第二動力源の前記第二駆動軸に連結および駆動されることで前記第一軸方向に垂直な第二軸方向を中心に前記第二ベースに向かって回転することができ、
   前記旋転機構は、前記第三ベースに配置され、工具固定部材を有し、前記工具固定部材は前記第二軸方向に垂直な第三軸方向を中心に前記第三ベースに向かって回転することを特徴とする、
   ３軸運動装置。
2. 前記第一動力源および前記第二動力源は前記第一ベースの同じ側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の３軸運動装置。
3. 前記第二駆動軸および前記第一軸方向は相互に対応するように同軸に位置することを特徴とする請求項１に記載の３軸運動装置。
4. 前記第一アームと第二アームとの間の夾角が９０〜１８０度であり、前記第一動力源および前記第二動力源は前記第二アームに配置されることを特徴とする請求項１に記載の３軸運動装置。

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