带有自重补偿的直线运动机构、操作输入装置及手术支援系统的制作方法
【专利摘要】带有自重补偿的直线运动机构具备保持如下部分的保持部件：第一移动体，其安装有安装对象物；第二移动体，其设有平衡锤；以及连结部，其将第一移动体和第二移动体连结起来，使得平衡锤具有朝向第一移动体的移动方向的相反侧的方向成分而移动。保持部件具有使保持部件能够转动的转动轴，设安装有安装对象物的状态的第一移动体的质量为M1，第二移动体的质量为M2，从转动轴的转动中心向第一移动体的垂线的第一交点和第一移动体的第一重心之间的距离最短时的、第一重心和第一移动体上的第一交点之间的距离为L1，从转动轴的转动中心向第二移动体的垂线的第二交点和第二移动体的第二重心之间的距离最短时的、第二重心和第二移动体上的第二交点之间的距离为L2时，满足M2＝(L1/L2)×M1。
【专利说明】带有自重补偿的直线运动机构、操作输入装置及手术支援 系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及带有自重补偿的直线运动机构、操作输入装置及手术支援系统
[0002] 本申请基于2012年06月13日在日本申请的特愿2012 - 133547号主张优先权， 在此引用其内容。
【背景技术】
[0003] 以往，作为用于进行远程操作的装置，已知主从方式的远程操作装置。主从方式的 远程操作装置一般具备：操作输入装置，其用于操作者进行操作输入；和动作部，其根据来 自操作输入装置的指令进行动作。此时，出于补偿操作输入装置和动作部的自重来减轻动 作时负载的目的，已知使用弹簧、驱动器或者配重等。
[0004] 例如，在专利文献1中，公开了使用恒张力弹簧来补偿自重的结构。并且，在专利 文献2中，公开了使用马达来补偿自重的结构。而且，在专利文献3中，公开了使用连杆及 弹簧来补偿自重的结构。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1 :日本国特开平9-272082号公报 [0008] 专利文献2 :日本国特开2007-98507号公报 [0009] 专利文献3 :日本国特许第4144021号公报
【发明内容】
[0010] 发明所要解决的课题
[0011] 然而，在使用弹簧来补偿自重的结构中，存在由于误差而无法成为所设计的弹性 常数的情况，存在无法高精度地补偿自重的情况。并且，在多轴的远程操作装置中，需要相 对于各轴独立地构成带有自重补偿的直线运动机构。其结果为，装置具有大型化的倾向。
[0012] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，在具有有着俯仰角的旋转轴和与 该旋转轴连接的直线运动轴的机构中，提供能够以简单的结构高精度地补偿自重的带有自 重补偿的直线运动机构、操作输入装置及手术支援系统。
[0013] 用于解决课题的手段
[0014] 为了解决上述课题，本发明提出以下手段。
[0015] 本发明的第一方式的带有自重补偿的直线运动机构具备保持如下部分的保持部 件：第一移动体，其安装有安装对象物；第二移动体，其设有平衡锤；以及连结部，其将所述 第一移动体和所述第二移动体连结起来，使得所述平衡锤具有朝向所述第一移动体的移动 方向的相反侧的方向成分而移动，所述保持部件具有使所述保持部件能够转动的转动轴， 设安装有所述安装对象物的状态的所述第一移动体的质量为M1，所述第二移动体的质量为 M2,从所述转动轴的转动中心向所述第一移动体的垂线的第一交点和所述第一移动体的第 一重心之间的距离最短时的、所述第一重心和所述第一移动体上的所述第一交点之间的距 离为L1，从所述转动轴的转动中心向所述第二移动体的垂线的第二交点和所述第二移动体 的第二重心之间的距离最短时的、所述第二重心和所述第二移动体上的所述第二交点之间 的距离为L2时，满足M2 = (L1/L2) XM1。
[0016] 根据本发明的第二方式，也可以是在上述第一方式中，所述第一移动体和所述第 二移动体相互平行并向相反方向直线移动。
[0017] 根据本发明的第三方式，也可以是在上述第一方式、或上述第二方式中，所述第一 移动体具有沿连结所述第一移动体上的所述第一交点和所述第一重心的直线方向延伸的 第一齿条，所述第二移动体具有沿连结所述第二移动体上的所述第二交点和所述第二重心 的直线方向延伸的第二齿条，所述连结部具有与所述第一齿条及所述第二齿条啮合的齿轮 部。
[0018] 根据本发明的第四方式，也可以是在上述第三方式中，所述齿轮部具有：与所述第 一齿条啮合的第一齿轮；和与所述第二齿条啮合的第二齿轮，设所述第一齿轮的第一半径 为dl，所述第二齿轮的第二半径为d2时，满足M2 = (L1/L2) XMl = (dl/d2) XM1。
[0019] 根据本发明的第五方式，也可以是在上述第一方式至上述第四方式的任意一种方 式中，所述转动中心是所述保持部件的重心附近。
[0020] 本发明的第六方式的操作输入装置具备：上述第一方式至第五方式中任意一项所 述的带有自重补偿的直线运动机构；基台，其连结于所述带有自重补偿的直线运动机构； 抵接部，其设于所述基台并能够供所述第一移动体的一部分抵接；以及相对值方式的检测 部，其对所述第一移动体、所述第二移动体及所述连结部中至少任意一方的移动量或位置 进行检测，在所述第一移动体与所述抵接部抵接的位置关系下，所述检测部被初始化。
[0021] 本发明的第七方式的手术支援系统具备：上述第六方式所述的操作输入装置；和 动作部，其具有用于对患者进行手术的手术工具，所述动作部与所述操作输入装置连接，并 至少根据所述检测部中检测到的移动量或位置进行动作。
[0022] 发明效果
[0023] 根据上述带有自重补偿的直线运动机构、操作输入装置及手术支援系统，能够以 简单的结构高精度地补偿自重。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是示出本发明第1实施方式的手术支援系统的整体图。
[0025] 图2是示出设于本发明第1实施方式的手术支援系统的主操作输入装置中的操作 部的结构的立体图。
[0026] 图3是示出本发明第1实施方式的直线运动机构的一部分的放大图。
[0027] 图4是示出本发明第1实施方式的操作部中的直线运动机构的内部结构的图。
[0028] 图5是设于本发明第1实施方式的直线运动机构的带有自重补偿的直线运动机构 的示意图。
[0029] 图6是示出本发明第1实施方式的实施方式的变形例的结构的示意图。
[0030] 图7是示出本发明第2实施方式的操作输入装置的示意图。
【具体实施方式】
[0031] (第1实施方式）
[0032] 对本发明第1实施方式的带有自重补偿的直线运动机构（以下简单称作"直线运 动机构"。）、操作输入装置及手术支援系统进行说明。图1是示出本实施方式的手术支援 系统的整体图。图2是示出设于手术支援系统的主操作输入装置中的操作部的结构的立体 图。图3是示出直线运动机构的一部分的放大图。图4是示出直线运动机构的内部结构的 图。
[0033] 如图1所示，手术支援系统1是主从方式的手术支援系统，具备主操作输入装置 2 (操作输入装置）、从机械手50 (动作部）和控制部52。
[0034] 主操作输入装置2作为将操作者Op的动作向从机械手50传递的主结构发挥功 能，具备显示部3和操作部4。
[0035] 显示部3显示由未图示的照相机拍摄的患者P的手术部及其附近的图像。作为显 示部3,可以适当选择采用液晶显示器或有机EL显示器等公知的显示器装置。
[0036] 如图1所示，操作部4以能够通信的方式与控制部52连接，并且配置在显示部3的 前侧以使操作者Op能够一边看显示部3 -边进行操作。虽然未图示，但在本实施方式中， 操作部4分别设于操作者Op的右手侧和左手侧。通过操作者Op把持操作部4的夹部40, 操作部4的位置姿势信息被输入到后述的位置姿势检测部53。操作部4 一般期望具有6个 自由度。如果仅将位置信息输入位置姿势检测部53,则操作部4也可以是3个自由度。
[0037] 如图2所示，操作部4具备：基台5 ;第一臂8,其经由第一关节6连结于基台5 ;保 持部件21，其经由第二关节9连结于第一臂8 ;第一移动体24,其借助第三关节11相对于保 持部件21进行直线运动；第二臂13,其经由第四关节12连结于第一移动体24 ;第三臂15， 其经由第五关节14连结于第二臂13 ;以及夹部40,其经由第六关节16连结于第三臂15。
[0038] 第一关节6是能够使第一臂8相对于基台5绕沿水平方向延伸的旋转轴旋转的关 节。
[0039] 第二关节9是能够使保持部件21相对于第一臂8绕与第一关节6的旋转轴垂直 的旋转轴旋转的关节。
[0040] 第三关节11是沿与第二关节9及第一关节6的旋转轴垂直的方向使第一移动体 24相对于保持部件21进退的直线运动关节。
[0041] 第四关节12是能够使第二臂13以第三关节11的直线运动轴向为旋转轴旋转的 关节。
[0042] 第五关节14是能够使第三臂15相对于第二臂13绕与第四关节12的旋转轴垂直 的旋转轴旋转的关节。
[0043] 第六关节16是能够使夹部40相对于第三臂15绕与第五关节14的旋转轴垂直的 旋转轴旋转的关节。
[0044] 通过使用第一关节6、第二关节9及第三关节11，能够以第一关节6和第二关节9 的旋转轴相交的点为中心，构建三维极坐标系，能够确定第一移动体24的末端部的位置。
[0045] 通过在第四关节12、第五关节14、第六关节16的旋转轴相交的位置付近配置夹部 40来形成万向接头结构，能够相对于第四关节12位置不变化地输入姿势。
[0046] S卩，在通过第一关节6和第二关节9的旋转轴的交点、并与第三关节的直线运动轴 平行的轴上，以与第四关节12、第五关节14、第六关节16的旋转轴相交的方式配置夹部40。 由此，能够根据第一关节6、第二关节9、第三关节11的移动量计算夹部40的位置。
[0047] 本实施方式的带有自重补偿的直线运动机构构成为，即便夹部40的位置移动，无 论各关节的移动量如何都补偿自重，不会损失夹部40的操作性。
[0048] 如图2及图3所示，在第一关节6及第二关节9设有在各关节的旋转时付与若干 阻力的制动器7、10。例如，如图3所示，设于第二关节9的制动器10具有：固定于第一臂 8的第一按压板8a ;和固定于保持部件21的第二按压板11a，通过第一按压板8a和第二按 压板Ila隔着膜、橡胶等的垫X接触，而产生滑动阻力。设于第一关节6的制动器7也是以 与设于第二关节9的制动器10相同的原理产生滑动阻力的结构。另外，各制动器7、10也 可以形成为能够调整滑动阻力的大小。
[0049] 如图4所示，保持部件21具备使第二关节9和第四关节12之间的距离变化的第 三关节11。第三关节11具备第一移动体24、第二移动体26和连结部29。
[0050] 保持部件21是经由第二关节9而与第一臂8连结的中空部件。在保持部件21的 内部配置有第一移动体24及第二移动体26的一部分以及连结部29。并且，在保持部件21 内设有进退自如地保持第一移动体24的第一引导件22、和进退自如地保持第二移动体26 的第二引导件23。在本实施方式中，第一引导件22和第二引导件23均固定于保持部件21 的内表面。并且，第一引导件22和第二引导件23相互平行地配置。
[0051] 保持部件21能够以第二关节9为转动轴转动。所述转动轴在保持部件21上的位 置是保持部件21的重心附近。如果用于使保持部件21转动的转动轴的位置在利用保持部 件21和第一臂8的摩擦力保持平衡的范围内，例如距离保持部件21的重心1或2厘米左 右，则即使偏离也无妨。
[0052] 第一移动体24形成为棒状，并设成第一移动体24的一端从保持部件21突出的状 态。在第一移动体24的突出端安装有上述第四关节12。从第二臂13至夹部40的各结构 要素（参照图2)在本实施方式中是安装于第一移动体24的安装对象物A。
[0053] 如图4所示，第一移动体24具有沿第一移动体24的长度方向延伸（沿连结第一 移动体24的后述的第一交点和第一重心的直线方向延伸）的齿条25 (第一齿条）。
[0054] 第二移动体26形成为棒状，并且与第一移动体24平行地配置。在第二移动体26 固定有具有规定质量的平衡锤27。平衡锤27是相对于安装对象物A的配重。第二移动体 26具有沿第二移动体26的长度方向延伸（沿连结第二移动体26的后述的第二交点和第二 重心的直线方向延伸）的齿条28 (第二齿条）。
[0055] 连结部29具有朝向第一移动体24的移动方向的相反侧的方向成分并以平衡锤27 移动的方式将第一移动体24和第二移动体26连结起来。本实施方式的连结部29具备与 第一移动体24的齿条啮合、且与第二移动体26的齿条啮合的小齿轮30 (齿轮部）、和将小 齿轮30支承成旋转自如的轴体31。小齿轮30借助轴体31支承于保持部件21。即，在本 实施方式中，第一移动体24、第二移动体26和连结部29以具有平行轴的齿轮的方式构成。 这样，第一移动体24和第二移动体26经由小齿轮30连结，因此第一移动体24和第二移动 体26彼此平行，并向相反的方向直线移动。在本实施方式中，第一移动体24的直线移动量 的绝对值与第二移动体26的直线移动量的绝对值相等。
[0056] 图5是设于保持部件21的第三关节11的示意图。
[0057] 固定于第二移动体26的平衡锤27的位置及质量以使图5所示意地示出的力的力 矩N1、N2平衡的方式设定。即，设
[0058] 安装有安装对象物A的状态的第一移动体24的质量为Ml，
[0059] 包括平衡锤27的第二移动体26的质量为M2，
[0060] 从第二关节9的旋转中心向第一移动体24的直线运动轴的垂线的垂足位置为 Pl (第一交点），
[0061] 安装对象物A和第一移动体24的重心位置为P2 (第一重心），
[0062] 从第二关节9的旋转中心向第二移动体26的直线运动轴的垂线的垂足位置为 P3 (第二交点），
[0063] 包括平衡锤27的第二移动体26的重心位置为P4 (第二重心），
[0064] 第一移动体24处于初始位置状态时的位置Pl和位置P2的距离（在从转动轴的 转动中心向第一移动体24的垂线的第一交点和第一移动体24的第一重心的距离为后述的 最短时的、第一重心和第一移动体24的第一交点之间的距离）为L1，
[0065] 第二移动体26处于初始位置状态时的位置P3和位置P4的距离（在从转动轴的 转动中心向第二移动体26的垂线的第二交点和第二移动体26的第二重心的距离为后述的 最短时的、第二重心和第二移动体26的第二交点之间的距离）为L2时，
【权利要求】
1. 一种带有自重补偿的直线运动机构，其具备保持如下部分的保持部件： 第一移动体，其安装有安装对象物； 第二移动体，其设有平衡锤；以及 连结部，其将所述第一移动体和所述第二移动体连结起来，使得所述平衡锤具有朝向 所述第一移动体的移动方向的相反侧的方向成分而移动， 所述保持部件具有使所述保持部件能够转动的转动轴， 设安装有所述安装对象物的状态的所述第一移动体的质量为M1，所述第二移动体的质 量为M2,从所述转动轴的转动中心向所述第一移动体的垂线的第一交点和所述第一移动体 的第一重心之间的距离最短时的、所述第一重心和所述第一移动体上的所述第一交点之间 的距离为L1，从所述转动轴的转动中心向所述第二移动体的垂线的第二交点和所述第二移 动体的第二重心之间的距离最短时的、所述第二重心和所述第二移动体上的所述第二交点 之间的距离为L2时，满足M2 = (L1/L2) XM1。
2. 根据权利要求1所述的带有自重补偿的直线运动机构，其中， 所述第一移动体和所述第二移动体相互平行并向相反方向直线移动。
3. 根据权利要求1或2所述的带有自重补偿的直线运动机构，其中， 所述第一移动体具有沿连结所述第一移动体上的所述第一交点和所述第一重心的直 线方向延伸的第一齿条， 所述第二移动体具有沿连结所述第二移动体上的所述第二交点和所述第二重心的直 线方向延伸的第二齿条， 所述连结部具有与所述第一齿条及所述第二齿条啮合的齿轮部。
4. 根据权利要求3所述的带有自重补偿的直线运动机构，其中， 所述齿轮部具有： 与所述第一齿条哨合的第一齿轮；和 与所述第二齿条啮合的第二齿轮， 设所述第一齿轮的第一半径为dl，所述第二齿轮的第二半径为d2时， 满足 M2 = (L1/L2) XM1 = (dl/d2) XM1。
5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的带有自重补偿的直线运动机构，其中， 所述转动中心是所述保持部件的重心附近。
6. -种操作输入装置，其具备： 权利要求1至5中任意一项所述的带有自重补偿的直线运动机构； 基台，其连结于所述带有自重补偿的直线运动机构； 抵接部，其设于所述基台并能够供所述第一移动体的一部分抵接；以及 相对值方式的检测部，其对所述第一移动体、所述第二移动体及所述连结部中至少任 意一方的移动量或位置进行检测， 在所述第二移动体与所述抵接部抵接的位置关系下，所述检测部被初始化。
7. -种手术支援系统，其具备： 权利要求6所述的操作输入装置；和 动作部，其具有用于对患者进行手术的手术工具，所述动作部与所述操作输入装置连 接，并至少根据所述检测部中检测到的移动量或位置进行动作。
【文档编号】B25J13/02GK104364060SQ201380030550
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年6月13日 优先权日:2012年6月13日
【发明者】岸宏亮 申请人:奥林巴斯株式会社