醫(yī)療裝置的操作機構和醫(yī)療機械手的制作方法
【專利摘要】一種醫(yī)療裝置的操作機構包括：第一軸；驅動源，該驅動源生成輔助驅動力；第二軸，該第二軸由輔助驅動力進行操作；連接部，該連接部連接第一動作傳遞部和第二動作傳遞部，將輔助驅動力從第二動作傳遞部傳遞到第一動作傳遞部，其中，連接部的至少一部分能夠彈性變形；檢測單元，該檢測單元檢測第一動作傳遞部和第二動作傳遞部中至少一個的動作量；控制單元，該控制單元基于由檢測單元檢測到的動作量來控制驅動源；以及調節(jié)單元，該調節(jié)單元進行調節(jié)，使得連接部的彈性變形量等于或大于預定量。
【專利說明】醫(yī)療裝置的操作機構和醫(yī)療機械手
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療裝置的操作機構以及包括該操作機構的醫(yī)療機械手，該操作機構具有利用驅動力來輔助負載側操作輸入的輔助驅動力。
[0002]本申請要求2011年7月20日提交的日本專利申請N0.2011-158835的優(yōu)先權，此處以引證的方式并入上述申請的內(nèi)容。
【背景技術】
[0003]常規(guī)地，在手術機器人的操作裝置中，已知一種具有輔助驅動力的操作臂。該操作臂是用諸如馬達等的驅動機構利用驅動力來輔助操作者的操作，并且使操作者的操作感輕松等、改善操作感的構件。
[0004]在具有輔助驅動力的操作臂中，從驅動機構向操作臂施加力矩。然而，如果驅動機構的齒輪中的摩擦或反沖傳遞給操作者，則反而會劣化操作感。由此，已經(jīng)研究了控制從驅動機構向諸如操作臂等的負載側所施加的力矩。
[0005]作為示例，在非專利文獻I中描述了一種控制力矩的機構。在該機構中，力矩傳感器安裝在輸出軸，并且通過將力矩傳感器的輸出反饋到馬達電流來執(zhí)行力矩控制。然而，當力矩傳感器作為輸出軸的一部分時，正在使用的應變儀力矩傳感器在具有穩(wěn)定性、噪聲耐量等的問題。
[0006]為了解決上述問題，非專利文獻I中描述了一種僅利用位置信息的檢測來執(zhí)行力矩控制的機構。在該機構中，彈性體被插入到輸出軸中而不是力矩傳感器中，并且設置對輸出軸在彈性體的馬達側上的旋轉角度和輸出軸在負載側上的旋轉角度進行檢測的編碼器。然后，通過執(zhí)行基于這些旋轉角度的值的反饋，來執(zhí)行力矩控制。
[0007]現(xiàn)有技術文獻
[0008][非專利文獻 I] “Research of Torque control of DC Motor with ReducerlyKazuo Tanie et al, Collection(Edition C)of Papers of Japan Society of MechanicalEngineers, Volume54, N0.503，ppl515_9，July, 1988

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明所要解決的問題
[0010]在非專利文獻I描述的后一機構中，優(yōu)選地使用高柔性彈性體，因為如果彈性體的剛性較高，則無法充分防止上述齒輪的摩擦或反沖。然而，彈性體是柔性構件，即輸出軸的剛性變低。當較大負載錯誤地施加于負載側時，存在彈性體可能造成塑性變形并且可能被損壞的問題。 [0011]鑒于上述情況做出本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種醫(yī)療裝置的操作機構，其中，在利用柔性彈性體控制力矩或力的同時，即使將大負載施加于負載側，也不會輕易損壞彈性體。
[0012]本發(fā)明的另一個目的是提供一種即使向負載側施加大負載時，也不會輕易損壞彈性體的醫(yī)療機械手。
[0013]解決問題的手段
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種醫(yī)療裝置的操作機構包括:第一動作傳遞部，該第一動作傳遞部被固定到負載側構件；驅動源，該驅動源被構造為生成輔助所述第一動作傳遞部的動作的輔助驅動力；第二動作傳遞部，該第二動作傳遞部被構造為由所述輔助驅動力進行動作；連接部，該連接部連接所述第一動作傳遞部和所述第二動作傳遞部，將所述輔助驅動力從所述第二動作傳遞部傳遞到所述第一動作傳遞部，其中，所述連接部的至少一部分能夠彈性變形；檢測單元，該檢測單元被構造為檢測所述第一動作傳遞部和所述第二動作傳遞部中至少一個的所述動作量；控制單元，該控制單元被構造為基于由所述檢測單元檢測到的動作量來控制所述驅動源；以及調節(jié)單元，該調節(jié)單元被構造為進行調節(jié)，使得所述連接部的彈性變形量等于或大于預定量。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在根據(jù)第一方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，所述調節(jié)單元可以被構造為將所述第一動作傳遞部的動作量與所述第二動作傳遞部的動作量之間的差限制為小于預定量。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，在根據(jù)第二方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，所述調節(jié)單元可以是在所述第一動作傳遞部與所述第二動作傳遞部之間的連接位置設置的機械止擋部。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，在根據(jù)第三方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，所述止擋部可以具有制動單元，該制動單元被構造為對所述第一動作傳遞部和所述第二動作傳遞部中的至少一個進行制動。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，在根據(jù)第二方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，動作檢測單元可以具有檢測所述第一動作傳遞部的動作量的第一檢測器和檢測所述第二動作傳遞部的動作量的第二檢測器，并且所述調節(jié)單元可以被構造為基于所述第一檢測器和所述第二檢測器的檢測值，將所述差限制為小于預定量。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的第六方面，根據(jù)第五方面的醫(yī)療裝置的操作機構可以還包括判定單元，該判定單元基于所述第一檢測器和所述第二檢測器的檢測值，來判定是否使所述調節(jié)單元進行動作。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第七方面，在根據(jù)第六方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，所述調節(jié)單元可以基于所述判定單元的判定，在從所述驅動源向所述第二動作傳遞部的所述輔助驅動力傳遞的開啟狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間進行切換。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第八方面，在根據(jù)第六方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，所述調節(jié)單元可以包括制動單元，該制動單元被構造為基于所述判定單元的判定對所述第一動作傳遞部和所述第二動作傳遞部中的至少一個進行制動。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第九方面，在根據(jù)第六方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，所述控制單元可以基于所述判定單元的判定來控制所述驅動源的動作，并且起到所述調節(jié)單元的作用。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的第十方面，在根據(jù)第六方面的醫(yī)療裝置的操作機構中，所述調節(jié)單元可以基于所述判定單元的判定， 在從所述控制單元向所述驅動源的動作信號傳輸?shù)拈_啟狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間進行切換。[0024]根據(jù)本發(fā)明的第十一方面，一種醫(yī)療機械手可以包括根據(jù)第一方面至第十方面中任意一個方面的醫(yī)療裝置的操作機構。
[0025]發(fā)明的效果
[0026]根據(jù)上述醫(yī)療裝置的操作機構和主從機械手，在利用柔性彈性體來控制力矩或力的同時，即使將大負載施加于負載側時，也可以提供不輕易損壞彈性體的操作機構。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是示出本發(fā)明的第一實施方式的醫(yī)療裝置的操作機構所應用于的醫(yī)療機械手的圖。
[0028]圖2是示出本發(fā)明的第一實施方式的醫(yī)療機械手的第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0029]圖3A是本發(fā)明的第一實施方式的醫(yī)療機械手的第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0030]圖3B是沿圖3A的A-A線的截面圖。
[0031]圖4是示出本發(fā)明的第一實施方式的醫(yī)療機械手的修改例中第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0032]圖5A是本發(fā)明的第一實施方式的醫(yī)療機械手的第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0033]圖5B是沿圖5A的B-B線的截面圖。
[0034]圖6是示出本發(fā)明的第`二實施方式的醫(yī)療裝置的操作機構所應用于的醫(yī)療機械手的第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0035]圖7是本發(fā)明的第二實施方式的醫(yī)療機械手的第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0036]圖8是示出本發(fā)明的第三實施方式的醫(yī)療裝置的操作機構所應用于的醫(yī)療機械手的第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0037]圖9是示出本發(fā)明的第三實施方式的醫(yī)療機械手的修改例中第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0038]圖1OA是本發(fā)明的第四實施方式的醫(yī)療裝置的操作機構所應用于的醫(yī)療機械手中第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0039]圖1OB是本發(fā)明的第四實施方式的醫(yī)療裝置的操作機構所應用于的醫(yī)療機械手中第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0040]圖1lA是本發(fā)明的第四實施方式的醫(yī)療機械手的修改例中第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0041]圖1lB是本發(fā)明的第四實施方式的醫(yī)療機械手的修改例中第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0042]圖12是示出本發(fā)明的第四實施方式的醫(yī)療機械手的另一個修改例中第四關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0043]圖13是示出與本發(fā)明的實施方式的修改例有關的醫(yī)療機械手中第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。[0044]圖14是示出與本發(fā)明的實施方式的另一個修改例有關的醫(yī)療機械手中第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0045]圖15是示出與本發(fā)明的實施方式的另一個修改例有關的醫(yī)療機械手中第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0046]圖16是與本發(fā)明的實施方式的另一個修改例有關的醫(yī)療機械手的平面圖。
[0047]圖17是與本發(fā)明的實施方式的另一個修改例有關的醫(yī)療機械手中第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿與第一軸的軸線正交的方向的截面圖。
[0048]圖18是示出與本發(fā)明的實施方式的另一個修改例有關的醫(yī)療機械手中第一關節(jié)部的結構的示意性立體圖。
[0049]圖19A是本發(fā)明的實施方式的另一個修改例的醫(yī)療機械手的第一關節(jié)部的第一軸與第二軸之間的連接部沿第一軸的軸線的方向的截面圖。
[0050]圖19B是沿圖19A的C-C線的截面圖。
【具體實施方式】
[0051]下面將描述本發(fā)明的第一實施方式。圖1是示出本實施方式的操作機構所應用于的醫(yī)療主從機械手I的示意性構造的圖。主從機械手I包括由手術者Op操作的主臂2和與主臂2同步操作的從臂3。手術工具4被附接到從臂3的遠端，并且利用該手術工具對患者P執(zhí)行各種手術。
[0052]主臂2具有第一臂21、第二臂22和第三臂23。第一臂21和第二臂22由第一關節(jié)部41可相對旋轉地連接，并且第二臂22和第三臂23由第二關節(jié)部42可相對旋轉地連接。第三臂23由基關節(jié)部43可相對旋轉地連接到支撐主臂2的基座24。主臂2被構造為能夠整體執(zhí)行多軸旋轉操作。
[0053]從臂3具有一號臂31、二號臂32和三號臂33。一號臂31和二號臂32由第一關節(jié)部51可相對旋轉地連接，并且二號臂32和三號臂33由第二關節(jié)部52可相對旋轉地連接。三號臂33由基關節(jié)部53可相對旋轉地連接到包括驅動力傳遞構件等的殼體部34。
[0054]當手術者Op操作主臂2并且用從臂3執(zhí)行醫(yī)療動作時，從臂3的各個關節(jié)部51、52和53接收已經(jīng)對向主臂2的操作輸入執(zhí)行了預定處理的動作信號并且進行動作。作為處理操作輸入的方法的示例，可以將利用關節(jié)部中安裝的齒輪來改變齒數(shù)比大小的角度用作動作信號，并且主臂與從臂之間的動作比例可以改變。
[0055]在本實施方式中，主臂2和從臂3的臂數(shù)量分別是三。然而，實際上，臂的數(shù)量可以分別是一個或更多個，主臂2和從臂3的臂數(shù)量可以不相同，并且旋轉軸的方向可以不同。
[0056]雖然主臂2的所有關節(jié)部41、42和43各包括本發(fā)明的實施方式的操作機構，但是因為其結構是幾乎相同的，所以下面將僅詳細描述第一關節(jié)部41的結構。
[0057]圖2是示出第一關節(jié)部41的結構的示意性立體圖。第一關節(jié)部(操作機構)41包括:第一軸部60，該第一軸部60被固定到作為負載側構件的第一臂21 ;第二軸部70，該第二軸部70使輔助驅動力作用在第一軸部60上，輔助負載側操作；以及控制單元80，該控制單元80控制第二軸部70的輔助動作。
[0058]第一軸部60包括第一軸(第一動作傳遞部)61和檢測第一軸61的動作量的第一檢測器(檢測單元)62。第一軸61的一端部被固定到第一臂21。[0059]第二軸部70包括第二軸(第二動作傳遞部)71和利用輔助驅動力來使第二軸71旋轉的驅動源73。第二軸71的一端部由第二臂22可旋轉地支撐。另外，作為驅動源73，例如可以使用能夠正常旋轉和反向旋轉的馬達等，并且還包括安裝了齒輪等的馬達。
[0060]在本實施方式中，因為使第一軸61和第二軸71這兩者繞軸線旋轉，所以公知的旋轉編碼器等可以用作第一檢測器62。第一檢測器62被設在第一軸61的附近，以便不與第一軸61 —起旋轉。另外，第一檢測器62由被固定到第二臂22的支撐物63來支撐。
[0061]相對于第一軸61和第二軸71，第一軸61的端部同軸地(包括大致相同的軸，以下相同)連接到第二軸71，使得輔助驅動力可以從第二軸71被傳遞到第一軸61。
[0062]圖3A是第一軸61與第二軸71之間的連接部沿與第一軸61的軸線正交的方向的截面圖，并且圖3B是沿圖3A的A-A線的截面圖。如圖3A和圖3B所示，第一軸61的端部形成有沿軸線方向延伸的凹部64和扇形凸緣65，并且第二軸71的端部也形成有扇形凸緣75。
[0063]通過第二軸71的端部進入第一軸61的凹部64，來同軸定位第一軸61和第二軸
71。在第二軸71的端部71a已經(jīng)進入凹部64的狀態(tài)下，凸緣65和75各形成為沿第一軸61的軸線方向交疊，即，使得它們的至少一部分位于相同高度。另外，各凸緣65和75的中心角度被分別設置為180°或更小，并且確保在周向上一個凸緣的兩側與另一個凸緣之間的作為緩沖區(qū)的間隙G。
[0064]能夠彈性變形的彈性體(連接部)66分別設置在兩個間隙G中，并且凸緣65和75由兩個彈性體66連接。由此，連接第一軸61和第二軸71，并且輔助驅動力從第二軸71傳遞給第一軸61。作為彈性體66，可以適當選擇并使用公知的螺旋彈簧、橡膠等。
[0065]而且，凸緣75設置有分別突出到間隙G中的兩個突起(調節(jié)單元)76。在這樣的程度上設置各個突起76的尺寸:在壓縮力沒有作用于彈性體66上的狀態(tài)下，這些突起不接觸凸緣65。
[0066]控制單元80基于來自第一檢測器62的信息來指定第一軸61的旋轉角度(動作量)和旋轉方向(動作方向)，并且基于預定計算來計算要在驅動源73中產(chǎn)生的輔助驅動力的大小和方向。而且，控制單元80控制驅動源73，以使驅動源73產(chǎn)生輔助驅動力并且使第二軸71沿與第一軸61相同的方向旋轉。這輔助第一軸61的旋轉動作。作為計算輔助驅動力的大小和方向的方法的示例，首先，將由第一檢測器62檢測到的旋轉角度或者變?yōu)樾D角度的微分值或時間變化量的旋轉速度以及根據(jù)該微分值或時間變化量計算出的旋轉加速度乘以根據(jù)期望輔助量的系數(shù)。接著，獲得上述值中的某些值或所有值之和。
[0067]將描述如上述構造的主從機械手I的操作。
[0068]如果手術者Op向第一臂21執(zhí)行操縱輸入，則被固定到第一臂21的第一軸61旋轉。第一軸61的旋轉角度和旋轉方向由第一檢測器62檢測，并傳遞給控制單兀80。 [0069]控制單元80基于來自第一檢測器62的輸入來確定要在驅動源73中產(chǎn)生的驅動力的大小和方向，并將動作信號發(fā)送給驅動源73。如果對驅動源73進行驅動，則產(chǎn)生輔助驅動力，并沿與第一檢測器62檢測到的第一軸61的旋轉方向相同的方向可旋轉地驅動第二軸71。通過連接凸緣65和75的彈性體66將第二軸71的驅動力傳遞到第一軸61。由此，第一軸61的旋轉動作被輔助，且手術者Op的操作感是輕松的。另外，彈性體66緩和了驅動源中固有的摩擦、嘎嘎聲、反沖等的給予操作感的負影響。[0070]如果停止第一軸61的旋轉，則停止被傳遞給控制單元80，并且也停止驅動源73的動作。然而，因為第一軸61的旋轉停止與驅動源73的動作停止之間存在輕微的時間滯差，所以在該時間滯差期間，僅第二軸71旋轉。因為僅第二軸71旋轉，所以兩個間隙G中的一個變小，并且凸緣65和75往往彼此接觸。此時，因為間隙G中設置的彈性體66可以被壓縮和彈性變形，所以抑制了凸緣65和75彼此接觸并產(chǎn)生強撞擊的現(xiàn)象。然而，如果過度壓縮彈性體66，則彈性體可能造成彈性變形范圍之外的塑性變形等，并且可能被損壞。
[0071 ] 在本實施方式的第一關節(jié)部41中，凸緣75設置有突起76，作為機械止擋部。由此，由于突起76在間隙G具有預定尺寸的情況下緊靠凸緣65，所以減小了凸緣75與凸緣65之間的距離，并且彈性體66的大于預定量的彈性變形量(即，彈性體過度變形)受到控制。這有利地抑制由彈性體66的塑性變形造成的損壞等。
[0072]如上所述，根據(jù)本實施方式的操作機構所應用于的本實施方式的主從機械手1，突起76限制耦接第一軸61與第二軸71的彈性體66的過度變形。這可以在依靠彈性體66抑制操作感的下降的同時提供不輕易損壞彈性體66的結構。
[0073]在本實施方式中，凸緣75設置有兩個突起76。然而，凸緣65可以設置有突起。另外，兩個突起76中的一個可以設置在凸緣75上，而另一個可以設置在凸緣65上。
[0074]雖然本實施方式中描述了第一軸與第二軸之間的連接部這兩者都是大致扇形的凸緣的示例，但是連接部的結構不限于此。例如，如圖4、圖5A和圖5B所示的修改例中，一個軸(這里，是第二軸71A)的端部可以設置有沿周向形成在兩側的間隙處的兩個大致扇形的凸緣75A，另一個軸(這里，是第一軸61A)的端部可以設置有從外周面突出的一對突起部67，并且可以耦接這兩個軸，使得突起部67分別進入間隙G。在該修改例中，彈性體66在圍繞各個突起部67的軸線的方向上設置在兩側，并且第一軸61A和第二軸71A經(jīng)由總共四個彈性體66來耦接。即，提供第一軸61A被彈性體66擠壓的結構。出于這個原因，存在的優(yōu)點在于不容易造成由第一軸61A與第二軸71A之間作用的力而產(chǎn)生的偏心，并且提供了機械穩(wěn)定的結構。
[0075]不是使第一軸設置有檢測動作量的第一檢測器，而是第二軸可以設置有檢測單元。在這種情況下，控制單元可以被構造為基于由于第一軸的旋轉動作而旋轉的第二軸的動作量來確定輔助驅動力的大小和方向。
[0076]接著，將參照圖6和圖7描述本發(fā)明的第二實施方式。本實施方式的主從機械手101與上述主從機械手I之間的區(qū)別在于調節(jié)單元設置在控制單元中。另外，在以下描述中，與已經(jīng)描述的構件共有的組件將由相同的附圖標記來指定，并且將省略重復的描述。
[0077]圖6是示出主從機械手101的第一關節(jié)部102的結構的示意性立體圖，并且圖7是第一關節(jié)部102中第一軸61與第二軸71之間的連接部沿與第一軸61的軸線正交的方向的截面圖。截面的高度等于圖3A的截面高度。
[0078]如圖6所示，檢測第二軸71的動作量的第二檢測器72被附到第二軸71。作為第二檢測器72，可以使用與第一檢測器62相同的旋轉編碼器等。
[0079]如圖7所示，第一軸61和第二軸71分別包括與第一實施方式相同的凸緣65和75，但是不設置突起76。代替這一點，因為控制單元103以預定形態(tài)控制驅動源73的動作，所以彈性體66的變形被限制為不會過度變形。下面將進行詳細描述。[0080]首先，控制單元103基于來自第一檢測器62的輸入來確定要在驅動源73中產(chǎn)生的驅動力的大小和方向，并且將動作信號發(fā)送到驅動源73。該點與第一實施方式中的幾乎相同。
[0081]如果第二軸71旋轉，則第二軸71的動作量由第二檢測器72來檢測，并且被傳遞給控制單元103。在開始了從第二檢測器72的傳遞之后，控制單元103計算從第一檢測器62發(fā)送的第一軸61的旋轉角度01與從第二檢測器72發(fā)送的第二軸71的旋轉角度02之間的差Λ θ，并且基于Λ θ來確定驅動源73的動作量im的方向和大小。
[0082]控制單元103在向驅動源73發(fā)送動作信號之前，基于Λ Θ的絕對值是否小于預定值ed來判定是否發(fā)送動作信號。如果該判定為“是”，則控制單元103向驅動源73發(fā)送動作信號。另一方面，如果該判定為“否”(即，如果不再滿足表達式-ed〈 Λ e〈0d)，則因為凸緣65和凸緣75靠得太近并且彈性體66可能過度變形，所以控制單元103將動作量im更新為零。因此，接收到動作信號的驅動源73被停止，并且不再執(zhí)行經(jīng)由驅動源73對第二軸71的旋轉。出于該原因，第一檢測器62和第二檢測器72的檢測分辨率被設置為小于Θ d，并且第一檢測器62和第二檢測器72具有足夠的分辨率，以操縱普通的主從機械手。
[0083]在本實施方式的主從機械手101中，如果作為第一軸61的動作量與第二軸71的動作量之間的差Λ Θ的值從預定范圍偏離，則控制單元103將驅動源73的動作量更新為零。即，控制單元103充當判定是否使調節(jié)單元進行動作的判定單元以及調節(jié)單元，由此第一軸61的動作量與第二軸71的動作量之間的差被限制為小于預定值，防止彈性體66的過度變形。
[0084]因此，與第一實施方式類似，在經(jīng)由彈性體抑制操作感下降的同時，可以提供不輕易損壞彈性體的結構。
[0085]因為不需要設置諸如突起76等的機械止擋部，所以可以簡化第一軸61與第二軸71之間的連接部的結構。`
[0086]接著，將參照圖8和圖9描述本發(fā)明的第三實施方式。本實施方式的主從機械手111與上述各個實施方式的主從機械手之間的區(qū)別在于包括切換單元，該切換單元在從驅動源向第二軸的驅動力傳遞的開啟狀態(tài)與斷開狀態(tài)之間進行切換。
[0087]圖8是示出主從機械手111的第一關節(jié)部112的結構的示意性立體圖。第一軸61與第二軸71之間的連接部的結構與第二實施方式中連接部的結構相同。切換單元(調節(jié)單元)114設置在控制單元80與驅動源73之間。切換單元114包括:判定單元115，該判定單元115判定第一軸61的動作量與第二軸71的動作量之間的差；以及開關116，該開關116由判定單元115接通和斷開。
[0088]判定單元115具有運算電路或運算程序，并且連接到第一檢測器62和第二檢測器
72。判定單元115具有與第二實施方式的控制單元103幾乎相同的形態(tài)，并且判定第一軸61的動作量與第二軸71的動作量之間的差Λ Θ的絕對值是否小于預定值0d。
[0089]開關116是公知的電開關，并且被操作為在從控制單元80向驅動源73的動作信號傳輸?shù)拈_啟狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間進行切換。
[0090]將描述如上述構造的主從機械手111的操作。與第一實施方式類似，控制單元80根據(jù)來自第一檢測器62的輸入來生成用于驅動源73的動作信號，并且持續(xù)朝向驅動源73發(fā)送。
[0091]與此并行，在切換單元114中，判定單元115以預定間隔重復判定Λ Θ的絕對值是否小于預定值ed。如果該判定為“是”，則由調節(jié)單元進行的限制被判定為是不需要的，并且維持開關116的接通狀態(tài)。另一方面，如果該判定為“否”，則由調節(jié)單元的限制被判定為是需要的，由判定單元115來操作開關116，以便實現(xiàn)斷開狀態(tài)，并且中斷從控制單元80向驅動源73發(fā)送動作信號。因此，驅動源73停止。
[0092]在本實施方式的主從機械手111中，如果作為第一軸61的動作量與第二軸71的動作量之間的差Λ Θ的值從預定范圍偏離，則由切換單元114中斷從控制單元80向驅動源73的動作信號發(fā)送。這將第一軸61的動作量與第二軸71的動作量之間的差限制為小于預定量，從而防止了彈性體66過度變形。
[0093]因此，與第一實施方式類似，在依靠彈性體抑制操作感下降的同時，可以提供不輕易損壞彈性體的結構。
[0094]雖然本實施方式中已經(jīng)描述了利用開關116來電切換從驅動源73向第二軸71的驅動力傳遞的開啟狀態(tài)和斷開狀態(tài)的示例，但是切換單元的切換形態(tài)不限于此。
[0095]圖9是示出本實施方式的修改例中第一關節(jié)部112Α的圖。離合器117被附接到驅動源73，并且驅動源73的驅動力經(jīng)由離合器117被傳遞給第二軸71。切換單元118不連接到控制單元80。而且，切換單元118不包括開關116，并且連接到離合器117。
[0096]在第一關節(jié)部112Α中，如果判定單元115中的上述判定為“否”，則離合器117由判定單元115操縱，以便實現(xiàn)斷開狀態(tài)，并且機械地中斷從驅動源73向第二軸71傳遞驅動力。雖然這是示例，但是這樣可以機械地切換從驅動源向第二軸的驅動力傳遞的開啟狀態(tài)和斷開狀態(tài)。
[0097]在本實施方式中，在包括修改例的所有情況下，切換單元與控制單元分開設置。因此，例如，在控制單元已經(jīng)造 成故障的情況下，也可以可靠地防止由彈性體的變形造成的損壞等。
[0098]接著，將參照圖10Α、圖10Β、圖1lA和圖1lB描述本發(fā)明的第四實施方式。本實施方式的主從機械手121與上述各個實施方式的主從機械手之間的區(qū)別在于包括制動單元，該制動單元制動第二軸的動作。
[0099]圖1OA和圖1OB是示出主從機械手121的第一關節(jié)部122中第一軸61與第二軸71之間的連接部的截面圖。第二軸71的凸緣75設置有突出到凸緣75與凸緣65之間的間隙G中的制動關起(制動單兀)123。
[0100]制動突起123包括例如螺線管等，并且可以經(jīng)由電信號使得被突出到間隙G中，或如圖1OB所示容納在凸緣75內(nèi)。制動突起123連接到切換單元124。切換單元124的構造與切換單元118的構造相同，并且只包括判定單元115。離合器未附接到驅動源73。
[0101]在本實施方式的主從機械手121中，如果判定單元115中的上述判定為“否”，則制動關起123由判定單兀115 ?呆縱，并且關出到間隙G中。制動關起123進彳丁制動，以便利用突出動作使第一軸61的凸緣65搖擺(roll)。在制動突起123已經(jīng)突出到預定長度之后，突起緊靠在凸緣65上，這與第一實施方式類似抑制了彈性體66的過度變形。因此，與第一實施方式類似，在依靠彈性體抑制操作感下降的同時，可以提供不輕易損壞彈性體的結構。
[0102]另外，因為作為調節(jié)單元的制動突起123起作用，以便在初期制動第一軸61的旋轉驅動，所以在凸緣65和制動突起123彼此強有力地碰撞之前，可以稍稍減小第一軸61的旋轉速度。因此，可以更可靠地抑制向負載側傳遞強撞擊。[0103]雖然本實施方式中已經(jīng)描述了制動突起從凸緣突出或縮回的示例，但是取代該示例，如圖1lA和圖1lB所示，制動突起123可以被構造為從作為設置在凸緣75上的調節(jié)單元的突起76突出和縮回。在該構造中，通過適當設置判定單元的操作形態(tài)，可以改變產(chǎn)生制動力的制動范圍，或者可以改變作為剛性突起(即，充當物理止擋部)的突起76的突出長度。這可以不同地設置第二軸71的制動或彈性體的變形抑制的形態(tài)。因此，即使根據(jù)機械手的使用環(huán)境、待處理的組織等將彈性體改變?yōu)榫哂胁煌瑥椥阅Ａ康男螒B(tài)，也可以根據(jù)變化后的彈性體執(zhí)行適當控制。
[0104]制動突起可以設置在第一軸側上。在這種情況下，通過制動由驅動源驅動的第二軸，可以更有效地抑制向負載側傳遞強撞擊。
[0105]而且，兩個制動突起中的一個可以設置在第二軸上，而另一個可以設置在第一軸上。
[0106]另外，如在圖12所示的修改例中，作為制動單元的制動器125可以被附接到第一軸61和第二軸71。作為制動器125，可以適當選擇并采用具有各種公知機構的那些制動器，諸如機械摩擦式的、流體阻力式的等。
[0107]雖然上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的各個實施方式，但是本發(fā)明的技術范圍不限于上述實施方式，并且在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對各個組成元件或省略進行各種改變或省略，或者可以組合各個實施方式的構成要素。
[0108]例如，在圖13所示的修改例中，第一軸61B和第二軸71B不需要同軸連接。在該修改例中，第一軸61B和第二軸71B的端部分別形成為盤形，并且充當滑輪61b和71b。具有彈性變形區(qū)域127A的傳送構件(連接部)(諸如導線或帶)圍繞滑輪61b和71b而掛，并且第一軸61B和第二軸 71B連接，以便能夠傳遞輔助驅動力。
[0109]限制導線128的各端部128A和128B被附接到彈性變形區(qū)域127A兩側的傳送構件127。限制導線128具有預定值或更大的剛性，并且在彈性變形區(qū)域127A未變形的狀態(tài)下比傳送構件127上的、在連接端部128A和128B的連接點之間的距離長。出于該原因，限制導線128在彈性變形區(qū)域127A未變形的狀態(tài)下是松弛的。因此，限制導線128允許彈性變形區(qū)域127A可以被拉伸直到該區(qū)域變直為止，但是在該區(qū)域變直之后，限制彈性變形區(qū)域127A的變形，抑制了塑性變形、發(fā)生損壞等。如果彈性變形區(qū)域127A被壓縮至預定長度，則由于彈性變形區(qū)域127A自身的剛性抑制了進一步變形。這抑制了充當彈性體的彈性變形區(qū)域127A的過度變形。
[0110]這里，雖然已經(jīng)描述了將充當機械止擋部的限制導線128作為調節(jié)單元而被包括的示例，但是如上述第二實施方式中，可以與電調節(jié)單元組合，這是毋庸置言的。
[0111]除了第一軸與第二軸之間的連接部，纏繞傳送構件以傳遞旋轉的機構可以如圖14所示的修改例中設置在負載側上的第一軸部70A處。這里，纏繞有傳送構件129的區(qū)域也可以是第一軸與負載(第一臂21)之間的連接部，或者還可以是第一軸的兩個分離軸的連接部。
[0112]而且，這種傳送機構可以設置在相對側上的第二軸部處，這是毋庸置言的。
[0113]雖然在上述各個實施方式中已經(jīng)描述了第一軸和第二軸進行動作以繞軸線旋轉的示例，但是第一軸和第二軸的操作形態(tài)不限于此。
[0114]圖15所示的修改例示出與本發(fā)明的實施方式的修改例有關的主從機械手中的關節(jié)部(操作機構)130。在關節(jié)部130中，通過使第一臂131沿縱向移動，第一軸132和第二軸133沿縱向線性移動。第二軸133由包括例如線性驅動器等的驅動源134來驅動，并且通過借助彈性體140向第一軸132傳遞驅動力，來輔助第一臂131的動作。[0115]圖16是當從第一臂131側看關節(jié)部130時的平面圖。如圖15和圖16所示，設置在第一軸132的滑塊132A和設置在第二軸133的滑塊133A分別與固定到支撐物135的軌道135A和135B (未示出)嚙合。通過該構造，軌道135A和135B作為導軌，第一軸132和第二軸133與支撐物135平行地(包括大致平行)線性移動。
[0116]雖然第一檢測器136和第二檢測器137分別是利用載子冷光(carrierluminescence)的反射線性編碼器,但這是示例。如果可以檢測對第一軸132和第二軸133的線性移動動作量的檢測，則不特別限制第一檢測器和第二檢測器。
[0117]調節(jié)單元138被附接到第一軸132的外表面，并且朝向第二軸133延伸。一對突起138A和138B在調節(jié)單元138的在第二軸133側的端部，彼此相隔設置。將突起138A和138B定位為使得沿第一軸132的線性移動方向擠壓從第二軸133的外表面突出的限制突起139。如果第一軸132與第二軸133之間的距離在預定范圍之外，則突起138A和138B中的任意一個和限制突起139彼此干擾。這將第一軸132與第二軸133之間的距離保持在固定范圍內(nèi)，抑制了彈性體140的過度變形。
[0118]由此可見，與本發(fā)明的實施方式有關的操作機構也可以應用于使第一軸和第二軸線性移動的情況。當然，即使在本修改例中，也可以使用電調節(jié)單元，來代替像調節(jié)單元138那樣的機械調節(jié)單元。
[0119]而且，如圖17所示的修改例中，可以與連接第一軸61和第二軸71的彈性體66分開，獨立設置比突起76更早地接觸凸緣65的限制彈性體145。然后，首先壓縮彈性體66，隨后壓縮彈性體66和限制彈性體145。出于該原因，當壓縮彈性體66和限制彈性體145時，因為其彈性模量與僅壓縮彈性體66時的彈性模量不同，所以要從第一軸61傳遞給負載的反作用力也變化并且操作感變化。因此，手術者可以識別出施加于負載等的操作輸入的大小落入不合適的范圍內(nèi)，并且可以促使手術者進行適當?shù)男Ｕ?，諸如使操作輸入變小，從而進一步提聞操作性。
[0120]在圖17所示的修改例中，限制彈性體145僅設置在圖中凸緣75的右邊。然而，限制彈性體可以設置在圖中左邊，并且可以設置在凸緣65偵U。
[0121]而且，如圖18和圖19所示，第一軸61和第二軸71可以通過中間軸150而連接，該中間軸150在軸線方向上的兩端具有大致扇形的凸緣155。在這種情況下，如圖19A和圖19B所示，第一軸61和中間軸150經(jīng)由彈性體66連接，并且中間軸150和第二軸71經(jīng)由彈性體66連接。在這種結構中，具有不同彈性模量的彈性體可以用在第一軸側和第二軸偵U。因此，還可以考慮到各個軸的材料的質量，來選擇最合適的彈性體。此時，諸如突起76等的調節(jié)單元可以設置在多個位置。在機械調節(jié)單元的情況下，突起可以設置在第一軸61、第二軸71和中間軸150中的任意一個軸處。
[0122]另外，在該修改例中，如上所述，第一軸和第二軸可以通過中間軸連接。另外，第一軸和第二軸可以經(jīng)由彈性體連接，而不通過中間軸，并且第一軸或第二軸可以內(nèi)部具有彈性連接部。
[0123]在與本發(fā)明的實施方式有關的主從機械手中，具有這種操作機構的關節(jié)部可以設置在從臂側。通常，在從臂的情況下，負載側機械輸入也由驅動源執(zhí)行。因此，除了例如手術者暫時直接控制從臂的情況之外，不容易獲得操作感方面改善的效果。然而，因為輔助驅動源的過度反沖等充當損壞關節(jié)部本身的原因，所以優(yōu)點是可以構造不容易損壞關節(jié)部的從臂。
[0124]另外，除了主從機械手之外，具有與本發(fā)明的實施方式有關的操作機構的關節(jié)部可以應用于具有握住治療工具、內(nèi)窺鏡、其它醫(yī)療器械的臂或操作機構的裝置。
[0125]工業(yè)用途
[0126]根據(jù)上述醫(yī)療裝置的操作機構和主從機械手，在利用柔性彈性體控制力矩或力的同時，即使將大負載施加于負載側時，也可以提供不輕易損壞彈性體的操作機構。
[0127]附圖標記列表
[0128]1、101、111、121:主從機械手
[0129]21、131:主臂(負載側部件)
[0130]41、102、112、112A、122:第一關節(jié)部(操作機構)
[0131]61、61A、61B、132:第一軸(第一動作傳遞部)
[0132]62、136:第一檢測器(檢測單元)
[0133]66、140:彈性體(連接部)
[0134]71、71A、71B、133:第`二軸(第二動作傳遞部)
[0135]72、137:第二檢測器
[0136]73、134:驅動源
[0137]76:突起(調節(jié)單元)
[0138]80:控制單元
[0139]103:控制單元(判定單元、調節(jié)單元)
[0140]114:切換單元(調節(jié)單元)
[0141]115:判定單元
[0142]123:制動突起(制動單元)
[0143]125:制動器(制動單元)
[0144]127:傳送構件(連接部)
[0145]128:限制導線(調節(jié)單元)
[0146]130:關節(jié)部(調節(jié)機構)
[0147]138:調節(jié)單元
【權利要求】
1.一種醫(yī)療裝置的操作機構，該操作機構包括: 第一動作傳遞部，該第一動作傳遞部被固定到負載側構件； 驅動源，該驅動源被構造為生成輔助所述第一動作傳遞部的動作的輔助驅動力； 第二動作傳遞部，該第二動作傳遞部被構造為經(jīng)由所述輔助驅動力進行動作； 連接部，該連接部連接所述第一動作傳遞部與所述第二動作傳遞部，將所述輔助驅動力從所述第二動作傳遞部傳遞到所述第一動作傳遞部，其中，所述連接部的至少一部分能夠彈性變形； 檢測單元，該檢測單元被構造為檢測所述第一動作傳遞部和所述第二動作傳遞部中至少一個的動作量； 控制單元，該控制單元被構造為基于由所述檢測單元檢測到的動作量來控制所述驅動源；以及 調節(jié)單元，該調節(jié)單元被構造為進行調節(jié)，使得所述連接部的彈性變形量等于或大于預定量。
2.根據(jù)權利要求1所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述調節(jié)單元被構造為將所述第一動作傳遞部的動作量與所述第二動作傳遞部的動作量之間的差限制為小于預定量。
3.根據(jù)權利要求2所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述調節(jié)單元是在所述第一動作傳遞部與所述第二動作傳遞部之間的連接部中設置的機械止擋部。
4.根據(jù)權利要求3所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述止擋部包括制動單元，該制動單元被構造為對所述第一動作傳遞部和所述第二動作傳遞部中的至少一個進行制動。
5.根據(jù)權利要求2所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述檢測單元具有檢測所述第一動作傳遞部的動作量的第一檢測器和檢測所述第二動作傳遞部的動作量的第二檢測器，并且 其中，所述調節(jié)單元被構造為基于所述第一檢測器和所述第二檢測器的檢測值，將所述差限制為小于預定量。
6.根據(jù)權利要求5所述的醫(yī)療裝置的操作機構，所述操作機構還包括判定單元，該判定單元基于所述第一檢測器和所述第二檢測器的檢測值，來判定是否使所述調節(jié)單元進行動作。
7.根據(jù)權利要求6所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述調節(jié)單元基于所述判定單元的判定，在從所述驅動源向所述第二動作傳遞部的輔助驅動力傳遞的開啟狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間進行切換。
8.根據(jù)權利要求6所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述調節(jié)單元包括制動單元，該制動單元被構造為基于所述判定單元的判定對所述第一動作傳遞部和所述第二動作傳遞部中的至少一個進行制動。
9.根據(jù)權利要求6所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述控制單元基于所述判定單元的判定來控制所述驅動源的動作，并且起到所述調節(jié)單元的作用。
10.根據(jù)權利要求6所述的醫(yī)療裝置的操作機構， 其中，所述調節(jié)單元基于所述判定單元的判定，在從所述控制單元向所述驅動源的動作信號傳輸?shù)拈_啟狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間進行切換。
11.一種醫(yī)療機械手，該醫(yī)療機械手包括根據(jù)權利要求1至權利要求10中任意一項所述的操作機構。`
【文檔編號】A61B19/00GK103687563SQ201280035262
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年7月19日 優(yōu)先權日:2011年7月20日
【發(fā)明者】柳原勝 申請人:奧林巴斯株式會社