(57)【要約】【課題】ＲＣＭ構造を有し、並進と回転を独立に駆動することが可能なパラレルリンク装置を提供する。【解決手段】パラレルリンク装置は、ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記ベース部に搭載された第１のアクチュエータを用いて前記リンク部を駆動して、前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部を具備する。【選択図】  図１
2020069631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記ベース部に搭載された第１のアクチュエータを用いて前記リンク部を駆動して、前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備するパラレルリンク装置。
【請求項２】
前記機構部は回転２自由度を有し、
前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち２箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させる、
請求項１に記載のパラレルリンク装置。
【請求項３】
前記第２のアクチュエータの駆動を伝達する２箇所のリンク部は９０度程度の間隔で配置される、
請求項２に記載のパラレルリンク装置。
【請求項４】
前記動作部がデルタ型パラレルリンク構造を有し、
前記２箇所のリンク部と残りの１つのリンク部は１３５度程度の間隔で配置される、
請求項３に記載のパラレルリンク装置。
【請求項５】
前記機構部は回転３自由度を有し、
前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち３箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させる、
請求項１に記載のパラレルリンク装置。
【請求項６】
前記機構部は、共通の中心からなる球面上を運動するように構成された回転３自由度を持つ球面パラレルリンクからなり、
前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち３箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させる、
請求項１に記載のパラレルリンク装置。
【請求項７】
前記動作部がデルタ型パラレルリンク構造を有し、
前記３箇所のリンク部はそれぞれ１２０度程度の間隔で配置される、
請求項５に記載のパラレルリンク装置。
【請求項８】
前記機構部の姿勢を計測するセンサをさらに備える、
請求項１乃至７のいずれかに記載のパラレルリンク装置。
【請求項９】
前記センサは、前記伝達部によって前記機構部が回転する角度を計測するエンコーダを含む、
請求項８に記載のパラレルリンク装置。
【請求項１０】
前記機構部の加速度又は角加速度を計測するセンサをさらに備える、
請求項１に記載のパラレルリンク装置。
【請求項１１】
前記センサは、慣性計測装置を含む、
請求項１０に記載のパラレルリンク装置。
【請求項１２】
マスタ装置と通信する通信部をさらに備え、
前記動作部は、前記通信部を介して前記マスタ装置から受信した制御情報に基づいて前記第１のアクチュエータ又は前記第２のアクチュエータのうち少なくとも１つを駆動する、
請求項１に記載のパラレルリンク装置。
【請求項１３】
マスタ装置と通信する通信部をさらに備え、
前記通信部は、前記センサの検出信号を前記マスタ装置に送信する、
請求項８に記載のパラレルリンク装置。
【請求項１４】
マスタ装置と、前記マスタ装置により遠隔操作されるスレーブ装置からなり、前記スレーブ装置は、
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記ベース部に搭載された第１のアクチュエータを用いて前記リンク部を駆動して、前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備する、マスタ−スレーブシステム。
【請求項１５】
操作者による医療用器具の操作入力を受け付けるマスタ装置と、
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記エンド部に前記医療用器具を保持し、前記マスタ装置から前記医療用器具前記操作入力を受信して前記医療用器具を制御するスレーブ装置と、
を備え、
前記スレーブ装置は、
前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備する医療用マスタ−スレーブシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、パラレルリンク装置、マスタ−スレーブシステム、並びに医療用マスタ−スレーブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
パラレルリンクロボットは、手先を非常に軽く構成できること、比較的安価に構成できること、選定したモータを根元に配置できるため、それ自体の重量を駆動する必要が無くモータの必要性能を抑えることができること、などを特徴として有している。そのため、近年は産業用ロボットや医療用ロボットなど、多岐に渡って注目を集めている。
【０００３】
例えば、ＲＣＭ（Ｒｅｍｏｔｅ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｏｆ  Ｍｏｔｉｏｎ）構造を有する医療用のパラレルリンク装置が開発されている（特許文献１を参照のこと）。ここで、ＲＣＭ構造は、モータなどの駆動機構の回転中心から離れた位置に回転中心（すなわち、遠隔回転中心）を配置し、ピボット（不動点）運動を実現する構造とする。ＲＣＭ構造は、手術の際に患者の身体に開けた穴の位置（例えば、トロッカ位置）を常に通る構造を実現できることから安全性が高く、既にいくつかのロボットや医療機器において採用されている。一方で、穴の位置の調整のためには並進構造が必要になる。並進と回転が構造的に独立していれば、回転時に並進構造を同時に制御する必要がなく、制御演算が容易になるという点で好ましい。また、アクチュエータの無駄な動作も減り、耐久性も向上できる。しかしながら、すべてのモータがベースに固定され、パラレルメカニズムで構成されたＲＣＭ構造については種類が少ない。また、並進と回転を独立して駆動でき、両方のアクチュエータを根元に搭載するという構造は現実的に困難が多い。
【０００４】
また、デルタ構造を複数組み合わせることによりＲＣＭ構造を実現したパラレルメカニズムからなる手術器具用位置決めシステムが開発されているが（特許文献２を参照のこと）、デルタ構造を活用したためにパラレルリンクの左右の幅が広くなってしまうという課題がある。また、リンク構造を組み合わせて少ない専有面積でピボットを実現した支持アーム装置も開発されているが（特許文献３を参照のこと）、並進駆動はできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１４／１０８５４５
【特許文献２】ＷＯ２０１２／０２０３８６
【特許文献３】ＷＯ２０１７／０７７７５５
【特許文献４】特開２００４−２６１８８６号公報
【特許文献５】特開２００５−１４４６２７号公報
【特許文献６】特開２０１６−２２３４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本明細書で開示する技術は、上記課題を参酌してなされたものであり、ＲＣＭ構造を有するとともに、並進と回転を独立に駆動することが可能で、且つすべてのアクチュエータを根元に搭載する構造を備えたパラレルリンク装置、マスタ−スレーブシステム、並びに医療用マスタ−スレーブシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示する技術の第１の側面は、
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記ベース部に搭載された第１のアクチュエータを用いて前記リンク部を駆動して、前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備するパラレルリンク装置である。
【０００８】
例えば、前記機構部は回転２自由度を有している。そして、前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち２箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させるように構成されている。
【０００９】
あるいは、前記機構部は回転３自由度を有している。そして、前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち３箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させるように構成されている。
【００１０】
あるいは、前記機構部は、共通の中心からなる球面上を運動するように構成された回転３自由度を持つ球面パラレルリンクからなる。そして、前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち３箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させるように構成されている。
【００１１】
また、前記機構部の姿勢や加速度、角加速度などを計測するセンサをさらに備えていてもよい。
【００１２】
また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、
マスタ装置と、前記マスタ装置により遠隔操作されるスレーブ装置からなり、前記スレーブ装置は、
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記ベース部に搭載された第１のアクチュエータを用いて前記リンク部を駆動して、前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備する、マスタ−スレーブシステムである。
【００１３】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない（以下、同様）。
【００１４】
また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、
操作者による医療用器具の操作入力を受け付けるマスタ装置と、
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記エンド部に前記医療用器具を保持し、前記マスタ装置から前記医療用器具前記操作入力を受信して前記医療用器具を制御するスレーブ装置と、
を備え、
前記スレーブ装置は、
前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備する医療用マスタ−スレーブシステムである。
【発明の効果】
【００１５】
本明細書で開示する技術によれば、ＲＣＭ構造を有するとともに、並進と回転を独立に駆動することが可能で、且つすべてのアクチュエータを根元に搭載する構造を備えたパラレルリンク装置、マスタ−スレーブシステム、並びに医療用マスタ−スレーブシステムを提供することができる。
【００１６】
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、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、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。
【００１７】
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、パラレルリンク装置１００の構成例を示した図（斜視図）である。
【図２】図２は、パラレルリンク装置１００の構成例を示した図（側面図）である。
【図３】図３は、パラレルリンク装置１００の構成例を示した図（上面図）である。
【図４】図４は、リンク部１１０に追加して装備される付加リンク機構部の構造を示した図である。
【図５】図５は、ＲＣＭ構造部２００の自由度構成を示した図である。
【図６】図６は、パラレルリンク装置１００がさまざまな姿勢をとった例を示した図である。
【図７】図７は、パラレルリンク装置１００がさまざまな姿勢をとった例を示した図である。
【図８】図８は、パラレルリンク装置１００がさまざまな姿勢をとった例を示した図である。
【図９】図９は、パラレルリンク装置１００がさまざまな姿勢をとった例を示した図である。
【図１０】図１０は、第２の実施例に係るパラレルリンク装置１０００の構成例（斜視図）を示した図である。
【図１１】図１１は、パラレルリンク装置１１００の構成例を示した図（斜視図）である。
【図１２】図１２は、パラレルリンク装置１１００の構成例を示した図（正面図）である。
【図１３】図１３は、パラレルリンク装置１１００の構成例を示した図（上面図）である。
【図１４】図１４は、ＲＣＭ構造部２０００の構成例を示した図（斜視図）である。
【図１５】図１５は、ＲＣＭ構造部２０００の構成例を示した図（正面図）である。
【図１６】図１６は、ＲＣＭ構造部２０００の構成例を示した図（上面図）である。
【図１７】図１７は、パラレルリンク装置１７００の構成例を示した図（斜視図）である。
【図１８】図１８は、パラレルリンク装置１７００の構成例を示した図（正面図）である。
【図１９】図１９は、パラレルリンク装置１７００の構成例を示した図（上面図）である。
【図２０】図２０は、ＲＣＭ構造部３０００の構成例を示した図（斜視図）である。
【図２１】図２１は、ＲＣＭ構造部３０００の構成例を示した図（正面図）である。
【図２２】図２２は、ＲＣＭ構造部３０００の構成例を示した図（上面図）である。
【図２３】図２３は、第２の実施例に係るパラレルリンク装置１０００の構成例（上面図）を示した図である。
【図２４】図２４は、第２の実施例に係るパラレルリンク装置１０００の構成例（上面図）を示した図である。
【図２５】図２５は、マスタ−スレーブ方式のロボットシステム２５００の機能的構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
以下では、まず図１乃至図９を参照しながら、代表例となるパラレルリンク装置の構造を、第１の実施例として説明する。続いて、図１０を参照しながら、変形例に係るパラレルリンク装置の構造を、第２の実施例として説明する。さらに続いて、図１１乃至図１６を参照しながら、さらなる変形例に係るパラレルリンク装置の構造を、第３の実施例として説明する。さらに続いて、図１７乃至２２を参照しながら、さらなる変形例に係るパラレルリンク装置の構造を、第４の実施例として説明する。さらに続いて、第５の実施例として、図２５を参照しながら、パラレルリンク装置スレーブ側に適用したマスタ−スレーブ方式のロボットシステム２５００について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１乃至図３には、第１の実施例に係るパラレルリンク装置１００の構成例を示している。但し、図１は、パラレルリンク装置１００を斜視した様子を示し、図２は、パラレルリンク装置１００を側面から眺めた様子を示し、図３は、パラレルリンク装置１００を上面から見た様子を示している。
【００２２】
図示のパラレルリンク装置１００は、ベース部１０１と、ベース部１０１に対して並進移動するエンド部１０２と、ベース部１０１に連結されるとともにエンド部１０２を支持する複数のリンク部１１０、１２０、１３０を備え、並進３自由度動作を生成するデルタ型パラレルリンクを構成している。また、ベース部１０１には、リンク部１１０、１２０、１３０を駆動するための５台のアクチュエータ１４１〜１４５が搭載されている。なお、図１乃至図３に示す例では、アクチュエータ１４１〜１４５は、ベース部１０１の上面に突設されたリブ状の部材を介して取り付けられているが、特定の取り付け構造には限定されないものとする。さらに、エンド部１０２には、ピボット運動を実現するＲＣＭ構造部２００が搭載されている。本実施例では、ＲＣＭ構造部２００は、２自由度に動作可能であるが、詳細については後述に譲る。
【００２３】
リンク部１１０は、上腕リンク１１１と、一対の前腕リンク１１２及び１１３を備えている。上腕リンク１１１の一端は、ベース部１０１に対して回動可能に連結され、他端は一対の前腕リンク１１２及び１１３と受動関節を介して回動可能に連結している。また、前腕リンク１１２及び１１３は他端でエンド部１０２を支持している。但し、上腕リンク１１１と各前腕リンク１１２及び１１３間、並びに各前腕リンク１１２及び１１３とエンド部１０２間は、例えば球面関節で接続され、傾きを吸収できる構造とすることが好ましい。同様に、リンク部１２０は上腕リンク１２１と一対の前腕リンク１２２及び１２３を備え、リンク部１３０は上腕リンク１３１と一対の前腕リンク１３２及び１３３を備え、各上腕リンク１２１及び１３１の一端はベース部１０１に対して回動可能に連結され、それぞれ一対の前腕リンク１２２及び１２３、１３２及び１３３の他端でエンド部１０２を支持している。
【００２４】
各上腕リンク１１１、１２１、１３１は、ベース部１０１上の中心点から放射状に延びる径方向の外側に延在している。そして、各上腕リンク１１１、１２１、１３１は、それぞれベース部１０１の中心点を含む垂直面内で回動可能となるように、下端付近でベース部１０１に軸支されている。図３を参照すると、ベース部１０１の中心点を基準にして、リンク部１１０とリンク部１２０は９０度の間隔で配置され、リンク部１２０とリンク部１３０は１３５度の間隔で配置されている。ここでは、説明の便宜上、上腕リンク１１１を含む径方向にｘ軸を設定するとともに、上腕リンク１２１を含む径方向にｙ軸を設定する。
【００２５】
上腕リンク１１１は、その一端がベース部１０１に搭載されたアクチュエータ１４１の出力軸に接続されており、アクチュエータ１４１が回転駆動すると上腕リンク１１１の他端が上昇し又は下降するように回動する。同様に、上腕リンク１２１と上腕リンク１３１は、それぞれ一端がベース部１０１に搭載されたアクチュエータ１４２及び１４３の出力軸に接続されており、アクチュエータ１４２及び１４３が回転駆動すると、各上腕リンク１２１と上腕リンク１３１の他端が上下動するように回動する。したがって、３個のアクチュエータ１４１〜１４３を同期的に回転駆動させることによって、各リンク部１１０、１２０、１３０は先端（遠位端）が上下動するように回動し、その結果、前腕リンク１１２及び１１３、１２２及び１２３、１３２及び１３３で支持するエンド部１０２を３次元空間上の任意の位置に並進移動させることができる。
【００２６】
なお、各アクチュエータ１４１〜１４３は、出力軸（若しくは、出力軸にそれぞれ連結された各リンク部１１０、１２０、１３０）の回転位置を検出するエンコーダや、各リンク部１１０、１２０、１３０を介して出力軸に加わる外トルクを検出するトルクセンサなどを内蔵していてもよい。
【００２７】
本実施例に係るパラレルリンク装置１００では、２本のリンク部１１０及び１２０に、エンド部１０２に搭載されたＲＣＭ構造部２００をそれぞれ駆動するための付加リンク機構部が追加されている点に特徴がある。２本のリンク部１１０及び１２０がそれぞれ先端部を駆動する１自由度を有する。したがって、パラレルリンク装置１００全体としては、並進３自由度と回転２自由度の合計５自由度構造を持つことができる。
【００２８】
図４には、リンク部１１０に追加して装備される付加リンク機構部の構造を模式的に示している。リンク部１１０に追加して装備される付加リンク機構部の構造並びに動作について、図４を参照しながら説明する。
【００２９】
上腕リンク１１１には、この上腕リンク１１１とともに４節リンクを構成するリンク４０１、４０２、４０３が付加されている。また、一対の前腕リンク１１２及び１１３にも、４節リンクを構成するように、リンク４１１、４１２、４１３が付加されている。
【００３０】
既に述べたように、上腕リンク１１１は、アクチュエータ１４１の出力軸に接続されており、図４中の参照番号４５１で示す方向に回動する。上腕リンク１１１が回転方向４５１に揺動すると、リンク部１１０の先端が上昇し又は下降する。他方、４節リンクとしては、上腕リンク１１１は静止節に相当し、リンク４０１は原動節に、リンク４０２は中間節に、リンク４０３は従動節に、それぞれ相当する。
【００３１】
アクチュエータ１４１に対向して配置されたアクチュエータ１４４は、図４中の参照番号４５２で示す方向に、原動節４０１を回動する。原動節４０１の回動運動は、中間節４０２を介して従動節４０３に伝達され、従動節４０３は参照番号４５３で示す方向にほぼ同じ回転角度だけ揺動する。
【００３２】
上腕リンク１１１側では４節リンクの従動節として動作するリンク４０３は、前腕リンク１１２及び１１３側では４節リンクの原動節として動作するリンク４１１と一体となっている。図４に示す例では、Ｌ字形状の板材の一方の端部がリンク４０３となり、他方の端部がリンク４１１となる単一の構造体（剛体）として構成されている。
【００３３】
但し、リンク４０３とリンク４１１が一体となって回動するように構成されていればよく、リンク４０３とリンク４１１が１つの構造体として構成されることは必須ではない。例えば、リンク４０３とリンク４１１が別の部材として構成され、トラス構造などによって強固につなぎ合わせた構造形式であってもよい。
【００３４】
既に述べたように、アクチュエータ１４１が回転駆動すると、上腕リンク１１１の他端に連結された前腕リンク１１２及び１１３は、上昇し又は下降するように回動する。他方、４節リンクとしては、前腕リンク１１２及び１１３は静止節に相当し、リンク４１１は原動節に、リンク４１２は中間節に、リンク４１３は従動節に、それぞれ相当する。
【００３５】
また、既に述べたように、アクチュエータ１４４が参照番号４５２で示す方向に原動節としてのリンク４０１を回動すると、従動節の相当するリンク４０３は参照番号４５３で示す方向にほぼ同じ回転角度だけ揺動する。そして、リンク４１１はリンク４０３と一体的であることから、アクチュエータ１４４によるリンク４０の回転駆動は、前腕リンク１１２及び１１３側の４節リンク機構にも伝達される。
【００３６】
原動節としてのリンク４１１がリンク４０３と一体となって回動すると、中間節４１２を介して従動節４１３に伝達され、従動節４１３は参照番号４５４で示す方向にほぼ同じ回転角度だけ揺動する。なお、原動節４１１と中間節４１２の一端との接続部４２１、並びに中間節４１２の他端と従動節４１３との接続部４２２には、傾き吸収を考慮して、球面関節を用いることが望ましい。
【００３７】
従動節４１３の他端は、エンド部１０２に搭載されたＲＣＭ構造部２００に連結されている（図４では図示を省略）。また、図４に示す揺動方向４５４は、図３中のｘ方向と一致する。したがって、参照番号４５４で示したｘ方向の揺動をｙ軸回りの回転に変換して、エンド部１０２に搭載されたＲＣＭ構造部２００に対してｙ軸回りの回転力を加えることができる。
【００３８】
図４に示した構造についてまとめると、リンク部１１０に追加される付加リンク機構部は、上腕リンク１１１を組み込んで構成される４節リンク機構と、前腕リンク１１２及び１１３を組み込んで構成される４節リンク機構を備え、且つ、一方の４節リンク機構側の従動節４０３と他方の４節リンク機構側の原動節４１１とが一体となるように構成されている。したがって、リンク部１１０の根元付近に配置されたアクチュエータ１４１によってリンク部１１０の先端（若しくは、先端に連結されたエンド部１０２）を並進移動させることができる一方、リンク部１１０の根元付近に配置された他方のアクチュエータ１４４によって上腕リンク１１１を組み込んだ４節リンク機構を駆動させ、前腕リンク１１２及び１１３を組み込んだ４節リンク機構によってリンク部１１０の先端に駆動力を伝達して、エンド部１０２に搭載されたＲＣＭ構造部２００のｙ軸回りの遠隔回転を実現することができる。リンク部１１０に追加される付加リンク機構は、アクチュエータ１４４の駆動力を、リンク部１１０に沿ってリンク部１１０の先端まで伝達する伝達機構ということもできる。
【００３９】
また、リンク部１２０に追加して装備される付加リンク機構部については、図示及び説明を省略するが、リンク部１１０の付加リンク機構部と同様の構成で且つ同様に動作する。すなわち、上腕リンク１２１を組み込んで構成される４節リンク機構と、前腕リンク１２２及び１２３を組み込んで構成される４節リンク機構を備え、且つ、一方の４節リンク機構側の従動節と他方の４節リンク機構側の原動節とが一体となるように構成されている。そして、リンク部１２０の根元付近に配置されたアクチュエータ１４２によってリンク部１２０の先端（若しくは、先端に連結されたエンド部１０２）を並進移動させることができるとともに、リンク部１１０の根元付近に配置された他方のアクチュエータ１４５によって４節リンク機構を駆動させて、エンド部１０２に搭載されたＲＣＭ構造部２００の遠隔回転を実現することができる。リンク部１２０に追加される付加リンク機構は、アクチュエータ１４５の駆動力を、リンク部１２０に沿ってリンク部１２０の先端まで伝達する伝達機構ということもできる。
【００４０】
図３を参照すると、ベース部１０１の中心点を基準にして、リンク部１１０とリンク部１２０は９０度の間隔で配置されている。したがって、アクチュエータ１４５の駆動によってリンク部１２０に追加された付加リンク機構部の先端で得られる揺動方向は、ｙ方向と一致する。したがって、リンク部１２０によるｙ方向の揺動をｘ軸回りの回転に変換して、ＲＣＭ構造部２００に対してｘ軸回りの回転力を加えることができる。
【００４１】
要するに、本実施例に係るパラレルリンク装置１００では、ＲＣＭ構造は、並進構造と組み合わせられるが、並進構造とは独立して駆動することができ、且つ、すべてのアクチュエータをベース部に搭載した構造を実現することができる。
【００４２】
再び図１を再び参照すると、リンク部１１０は、その先端部分で、ＲＣＭ構造部２００に対して、図中の参照番号２０１で示す回転自由度を与えることができる。回転方向２０１は、図４に示した回転方向４５４、すなわちｙ軸回りの回転と一致する。また、リンク部１２０は、その先端部分で、ＲＣＭ構造部２００に対して、図中の参照番号２０２で示す、ｘ軸回りの回転自由度を与えることができる。したがって、パラレルリンク装置１００は、エンド部１０２に搭載したＲＣＭ構造部２００に対して、直交する２軸の回転自由度を与えることができる。
【００４３】
パラレルリンク装置１００全体としては、並進３自由度と回転２自由度の合計５自由度構造を持つことができる。このうち、並進３自由度により、エンド部１０２をベース部１０１に対して並進移動させることができ、回転２自由度により、エンド部１０２に搭載されたＲＣＭ構造部２００を２軸回りに遠隔回転させることができる。
【００４４】
ここで、ＲＣＭ構造部２００の構成及び動作について説明しておく。
【００４５】
図５には、ＲＣＭ構造部２００の自由度構成を示している。但し、同図中、リンク部分を太線で示すとともに、関節部分を円筒で描いている（各円筒の回転軸は、対応する関節の回転自由度を示す）。また、便宜上、図示の通りのｘｙｚ軸を設定している。
【００４６】
関節５０１〜５０８は、ｘ軸回りの回転自由度を有する関節である。また、関節５０９は、ｙ軸回りの回転自由度を有する関節である。ＲＣＭ構造部２００は、関節５０９を介してエンド部１０２に取り付けられている。したがって、ＲＣＭ構造部２００は、関節５０９の駆動により、エンド部１０２に対してｙ軸回りに姿勢を変化させることができる。パラレルリンク装置１００側からは、リンク部１１０に装備された付加リンク機構部を使って得られる回転力２０２（図１を参照のこと）（若しくは、図４中の回転力４５４）により、関節５０９をｙ軸回りに回転させることができる。回転力２０２は、ベース部１０１のリンク部１０２の根元付近に搭載されたアクチュエータ１４４（図５では図示しない）を駆動することによって得られる。したがって、ＲＣＭ構造部２００は、アクチュエータ１４５の回転中心から離間した位置にｙ軸回りの回転中心が配置されたＲＣＭ構造ということができる。
【００４７】
また、パラレルリンク装置１００側から、リンク部１２０に装備された付加リンク機構部を使って得られる回転力２０１（図１を参照のこと）により、関節５０１をｘ軸回りに回転させることができる。ここで、ｘ軸回りに回動可能な関節５０１〜５０８を介して連結されるリンク５１１〜５１５によって、４節リンク機構を構成している。具体的には、リンク５１１を原動節とし、エンド部１０２を静止節とし、リンク５１４又は５１５を中間節とし、リンク５１２又は５１３を従動軸とする４節リンク機構が構成される。そして、リンク部１２０の付加リンク機構部の先端のｙ方向の揺動によって、原動節５１１がｘ軸回りに回動すると、中間節５１４又は５１５を介して従動節５１２又は５１３に伝達され、従動節５１２又は５１３は原動節５１１に追従してほぼ同じ回転角度だけ揺動する。
【００４８】
例えばパラレルリンク装置１００が外科手術や診断、検査に用いられる医療用ロボットに適用される場合、従動節５１３の先端には、鉗子や攝子、切断器具などの術具や、顕微鏡や内視鏡（腹腔鏡や関節鏡などの硬性内視鏡、消化管用内視鏡や気管支鏡などの軟性内視鏡）などの医療用観察装置といった医療用器具がエンドエフェクタ５２０として取り付けられる。従動節５１３若しくはエンドエフェクタ５２０の姿勢は、ベース部１０１上で各リンク部１０１及び１０２の根元付近に搭載されたアクチュエータ１４４及び１４５（図５では図示しない）を駆動することによって得られる。したがって、従動節５１３若しくはエンドエフェクタ５２０は、アクチュエータ１４４の回転中心から離間した位置に回転中心が配置されたＲＣＭ構造ということができる。また、鉗子の開閉といったエンドエフェクタ５２０を駆動するためのアクチュエータ（図５には図示しない）を、従動節５１３の先端付近に搭載していてもよい。
【００４９】
図１乃至図５に示したパラレルリンク装置１００についてまとめると、ベース部１０１に搭載されたアクチュエータ１４１、１４２、１４３を用いて各リンク部１１０、１２０、１３０を駆動させることによりエンド部１０２の並進構造を実現する一方、リンク部１１０及び１２０の根元にそれぞれ配設されたアクチュエータ１４４及び１４５により各リンク部１１０及び１２０の先端を駆動する機構を装備して、エンド部１０２に搭載された構造物を２軸回転可能なＲＣＭ構造を実現することができる。そして、パラレルリンク装置１００は、ＲＣＭ構造と並進構造をそれぞれ独立に駆動できるように組み合わせながら、これらを駆動するアクチュエータをすべてベース部１０１に搭載した構成であり、ＲＣＭ構造を搭載するエンド部１０２を小型且つ軽量化することができる。
【００５０】
なお、エンド部１０２上のＲＣＭ構造部２００をベース部１０１に搭載されたアクチュエータ１４４及び１４５で駆動する際、リンク機構のみでは撓みやガタに起因して、変位量が理想モデルから乖離したモデル誤差を生じる可能性が高い。そこで、ＲＣＭ構造部２００のうち、パラレルリンク装置１００によって直接駆動される関節５０１や関節５０９内にエンコーダを搭載して、ＲＣＭ構造部２００の姿勢をより正確に測定して、モデル誤差の影響を軽減して、精密制御を行うようにしてもよい。また、ＲＣＭ構造部２００にＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ）を搭載して、実際の加速度や角加速度を検出できるようにしてもよい。
【００５１】
図１乃至図５に示したパラレルリンク装置１００は、実際の制御において、エンド部１０２の並進と、ＲＣＭ構造部２００の回転が完全に独立した構造とすることができる。並進用のアクチュエータ１４１〜１４３に電磁ブレーキなどのブレーキング機構を搭載しておき、並進を用いないときはブレーキング機構によりアクチュエータ１４１〜１４３を固定しておけば、間違って並進してしまうリスクを抑制することができる。また、並進の位置が確定した際には、アクチュエータ１４１〜１４３を固定しておくことで電力が不要となり、自重保持にも活用することができる。もちろん、ＲＣＭ用のアクチュエータ１４４及び１４５についても同様であり、ＲＣＭ構造部２００の回転（遠隔回転）を行わないときにはブレーキング機構によりアクチュエータ１４４及び１４５を固定しておけば、間違って回転してしまうリスクを抑制することができる。このようなブレーキング機構は、例えば、前述の医療用ロボットに適用した場合などは、操作中に不必要な動作を防ぐことが可能となり、治療の安全性を確保するためにも有用である。また、不必要な動作からのリカバリ時間が発生しないため、効率的な治療を行うことが期待できる。
【００５２】
図６乃至図９には、パラレルリンク装置１００がさまざまな姿勢をとった例を示している。各図から、エンド部１０２がベース部１０１に対して並進移動するとともに、ＲＣＭ構造部２００がベース部１０１に搭載されたアクチュエータ１４４及び１４５の回転中心から離れた位置に回転中心を配置している点、ＲＣＭ構造部２００がパラレルリンク装置１００の並進構造と組み合わせつつ、独立に駆動できる点を理解できよう。
【００５３】
なお、パラレルリンク装置１００に含まれる各回転摺動部は、可能な限りベアリングを用いることが好ましい。但し、ＲＣＭ構造部２００に関しては、駆動をシンプルにするためには、ユニバーサルジョイントを用いて、リンク部１１０やリンク部１２０から回転を伝達することも好ましい。
【００５４】
また、リンク部１１０やリンク部１２０に追加して装備した付加リンク機構部は、２自由度に揺動するため、ユニバーサルジョイントや球面軸受を用いることも好ましい。
【００５５】
リンク部材などの構造体は、なるべく棒状やＬ字形状などのシンプルな形状で構成することが、安価に製作する上で好ましい。
【００５６】
リンク部１１０の根元付近に対向して配置するアクチュエータ１４１とアクチュエータ１４４の回転軸は一致するように組み立てられる。精度を確保するためには、一度の機械加工で完結できる同一フレームにて位置決めされることが望ましい。リンク部１２０の根元付近に対向して配置するアクチュエータ１４２とアクチュエータ１４５に関しても、同様のことが該当する。回転軸や、リンク間を回動可能に接続する各関節は、剛性を高めるために両持ち構造とすることが好ましい。
【００５７】
第１の実施例についてまとめると、パラレルリンク装置１００は、ＲＣＭ構造部２００のエンドエフェクタ５２０として鉗子を取り付けた場合、鉗子先端中心に回転させることが可能であり、且つ、このような回転（ＲＣＭ）とは完全に独立して鉗子を並進させることができる。また、パラレルリンク装置１００は、並進及び回転駆動に用いるすべてのアクチュエータ１４１〜１４５がベース部１０１上に搭載されるので、安価で且つ小型に構成することができる、複合型のパラレルリンク構造ということができる。
【００５８】
パラレルリンク装置１００は、並進と回転のパラレルリンクを直列化しつつ、すべてのアクチュエータをベース部１０１に配置したことで、低慣性の構造を実現している。パラレルリンクで構成されるので、アクチュエータには出力の小さいモータを採用することができ、これらよって、安全性を向上させることができ、且つ、高分解能の力制御が可能である。また、上段の回転機構と下段の並進機構を構造的に分離できるので、制御演算が容易になり、実仕様における各部の動作頻度が減少するので摩耗量が減少する。
【００５９】
なお、図１乃至図９に示したパラレルリンク装置１００では、エンド部１０２に搭載したＲＣＭ構造部２００を遠隔回転させるために、リンク部１１０及び１２０の各々に４節リンク機構からなる付加リンク機構を配設したが、ＲＣＭ構造部２００を駆動する機構は４節リンク機構に限定されない。例えば、アクチュエータ１４４及び１４５による駆動力をベルトや歯車を用いて各リンク部１１０及び１２０の先端まで伝達する機構などで代替することができる。
【００６０】
また、図１乃至図９に示したパラレルリンク装置１００では、付加リンク機構が追加されたリンク部１１０とリンク部１２０は９０度の間隔で配置されているが（図３を参照のこと）、必ずしもこのような配置には限定されない。例えば、リンク部１１０とリンク部１２０は６０度程度、あるいは１２０度程度の間隔で配置されてもよいし、リンク部１２０と付加リンク機構を含まないリンク部１３０は１２０度程度の間隔で配置されてもよい。但し、エンド部１０２上に搭載されたＲＣＭ構造部２００への駆動力の伝達効率や、構成部材の点数削減などの観点から、付加リンク機構が追加されたリンク部１１０とリンク部１２０は９０度の間隔で配置されることが望ましい。
【００６１】
また、図１乃至図９に示したパラレルリンク装置１００では、付加リンク機構が追加されたリンク部１２０と付加リンク機構を含まないリンク部１３０は１３５度の間隔で配置されているが（図３を参照のこと）、これは、ＲＣＭ構造部２００を搭載したエンド部１０２を支持する際の力のバランスや、ガタや撓みの減少を考慮した好適な配置である。但し、厳密に１３５度の間隔である必要はなく、また、大きく異なる角度であってもよい。
【００６２】
また、図１乃至図９に示したパラレルリンク装置１００では、各リンク部１１０、１２０、１３０は、ベース部１０１の中心点から回転させただけの位置にそれぞれ配置されているが、必ずしもこのような配置には限定されない。例えば、いずれかのリンク部がベース部１０１の中心点に寄ったり、逆に離間したりしてもよい。
【実施例２】
【００６３】
図１０、図２３及び図２４には、第２の実施例に係るパラレルリンク装置１０００の構成例を示している。但し、図１０は、パラレルリンク装置１０００を斜視した様子を示し、図２３は、パラレルリンク装置１０００を側面から眺めた様子を示し、図２４は、図１０とは反対側から眺めたパラレルリンク装置１０００の側面を示している。図示のパラレルリンク装置１０００は、ベース部１００１と、ベース部１００１に対して並進移動するエンド部１００２と、ベース部１００１に連結されるとともにエンド部１００２を支持する４本のリンク部１０１０、１０２０、１０３０、１０４０を備えている。また、ベース部１００１には、リンク部１０１０、１０２０、１０３０、１０４０を駆動するための６台のアクチュエータ１０５１〜１０５６が搭載されている。
【００６４】
第１の実施例に係るパラレルリンク装置１００（前述）と同様に、並進構造を有するパラレルリンク装置１０００のエンド部１００２には、２軸回りのピボット運動を実現するＲＣＭ構造部を搭載することができる。例えば図５に示したＲＣＭ構造部２００を、そのままパラレルリンク装置１０００のエンド部１００２にも搭載することができる。
【００６５】
リンク部１０１０は、上腕リンク１０１１と、一対の前腕リンク１０１２及び１０１３を備えている。上腕リンク１０１１の一端は、ベース部１００１に対して回動可能に連結され、他端は一対の前腕リンク１０１２及び１０１３と受動関節を介して回動可能に連結している。また、前腕リンク１０１２及び１０１３は他端でエンド部１００２を支持している。但し、上腕リンク１０１１と各前腕リンク１０１２及び１０１３間、並びに各前腕リンク１０１２及び１０１３とエンド部１００２間は、例えば球面関節で接続され、傾きを吸収できる構造とすることが好ましい。
【００６６】
同様に、リンク部１０２０は上腕リンク１０２１と一対の前腕リンク１０２２及び１０２３を備え、リンク部１０３０は上腕リンク１０３１と一対の前腕リンク１０３２及び１０３３を備え、リンク部１０４０は上腕リンク１０４１と一対の前腕リンク１０４２及び１０４３を備えている。そして、各上腕リンク１０２１、１０３１、１０４１の一端はベース部１００１に対して回動可能に連結され、それぞれ一対の前腕リンク１０２２及び１０２３、１０３２及び１０３３、１０４２及び１０４３の他端でエンド部１００２を支持している。
【００６７】
各上腕リンク１０１１、１０２１、１０３１、１０４１は、ベース部１００１上の中心点Ｃから放射状に延びる径方向の外側に延在している。そして、各上腕リンク１０１１、１０２１、１０３１は、それぞれベース部１００１の中心点Ｃを含む垂直面内で回動可能となるように、下端付近でベース部１Ｃ０１に軸支されている。図１０から分かるように、ベース部１００１の中心点Ｃを基準にして、各リンク部１０１０、１０２０、１０３０、１０４０は９０度毎に等間隔で配置されている。ここでは、説明の便宜上、上腕リンク１１１を含む径方向にｘ軸を設定するとともに、上腕リンク１２１を含む径方向にｙ軸を設定する。
【００６８】
上腕リンク１０１１は、その一端がベース部１００１に搭載されたアクチュエータ１０５１の出力軸に接続されており、アクチュエータ１０５１が回転駆動すると上腕リンク１１１の他端が上下動するように回動する。同様に、他の上腕リンク１０２１、１０３１、及び１０４１も、それぞれ一端がベース部１００１に搭載された各アクチュエータ１０５２、１０５３、及び１０５４の出力軸に接続されており、各アクチュエータ１０５２、１０５３、及び１０５４が回転駆動すると、各腕リンク１０２１、１０３１、及び１０４１他端が上下動するように回動する。
【００６９】
したがって、４個のアクチュエータ１０５１〜１０５４を同期的に回転駆動させることによって、各リンク部１０１０、１０２０、１０３０、及び１０４０は先端（遠位端）が上下動するように回動し、その結果、前腕リンク１０１２及び１０１３、１０２２及び１０２３、１０３２及び１０３３、１０４２及び１０４３で支持するエンド部１００２を３次元空間上の任意の位置に並進移動させることができる。なお、各アクチュエータ１０５１〜１０５４は、出力軸の回転位置を検出するエンコーダや、出力軸に加わる外トルクを検出するトルクセンサなどを内蔵していてもよい。
【００７０】
パラレルリンク装置１０００は、４つのアクチュエータ１０５１〜１０５４で３自由度並進を制御することから、第１の実施例に係るパラレルリンク装置１００と比較して、内力によるガタを低減することができ、より高精度な動作が可能である。
【００７１】
４本以上のリンクからなるパラレルリンク構造については、当業界で既に知られている。本実施例に係るパラレルリンク装置１０００では、少なくとも２本のリンク部１０１０及び１０２０に、エンド部１００２に搭載されたＲＣＭ構造部（図示しない）をそれぞれ駆動するための付加リンク機構部が追加されている点に主な特徴がある。２本のリンク部１０１０及び１０２０がそれぞれ先端部を駆動する１自由度を有する。したがって、パラレルリンク装置１０００としては、並進３自由度と回転２自由度の合計５自由度構造を持つことができる。
【００７２】
リンク部１０１０の付加リンク機構部として、上腕リンク１０１１とともに４節リンクを構成するリンク１０１４、１０１５、１０１６が付加され、且つ、一対の前腕リンク１０１２及び１０１３にも、４節リンクを構成するように、リンク１０１７、１０１８、１０１９が付加されている。
【００７３】
ここで、上腕リンク１０１１は静止節に相当し、リンク１０１４は原動節に、リンク１０１５は中間節に、リンク１０１６は従動節に、それぞれ相当する。また、前腕リンク１０１２及び１０１３は静止節に相当し、リンク１０１７は原動節に、リンク１０１８は中間節に、リンク１０１９は従動節に、それぞれ相当する。そして、上腕リンク１０１１側では４節リンクの従動節として動作するリンク１０１６は、前腕リンク１０１２及び１０１３側では４節リンクの原動節として動作するリンク１０１７と一体となっている。リンク１０１６と１０１７は、例えばＬ字形状などの一体的な構造であってもよいし、トラス構造などで強固につなぎ合わせた構造形式であってもよい。
【００７４】
アクチュエータ１０５１に対向して配置されたアクチュエータ１０５５は、原動節１０１４を回動する。原動節１０１４の回動運動は、中間節１０１５を介して従動節１０１６に伝達され、従動節１０１６と一体の原動節１０１７はほぼ同じ回転角度だけ揺動する。そして、中間節１０１８を介して従動節１０１９が揺動する。従動節１０１９の先端は、図１０中のｘ方向に揺動するが、ｙ軸回りに回転に変換して、エンド部１００２に搭載されたＲＣＭ構造部（図示しない）に対してｙ軸回りの回転力を加えることができる。
【００７５】
リンク部１０２０にも同様に、付加リンク機構部として、上腕リンク１０２１とともに４節リンクを構成するリンク１０２４、１０２５、１０２６が付加され、且つ、一対の前腕リンク１０２２及び１０２３にも、４節リンクを構成するように、リンク１０２７、１０２８、１０２９が付加されている。そして、上腕リンク１０２１側で４節リンクの従動節として動作するリンク１０２６は、前腕リンク１０２２及び１０２３側で４節リンクの原動節として動作するリンク１０２７と一体となっている。
【００７６】
アクチュエータ１０５２に対向して配置されたアクチュエータ１０５６は、原動節１０２４を回動する。原動節１０２４の回動運動は、中間節１０２５を介して従動節１０２６に伝達され、従動節１０２６と一体の原動節１０２７はほぼ同じ回転角度だけ揺動する。そして、中間節１０２８を介して従動節１０２９が揺動する。従動節１０２９の先端は、図１０中のｙ方向に揺動するが、ｘ軸回りに回転に変換して、エンド部１００２に搭載されたＲＣＭ構造部（図示しない）に対してｘ軸回りの回転力を加えることができる。
【００７７】
エンド部１００２に搭載されるＲＣＭ構造部が、図５に示したような自由度構成を備えている場合、リンク部１０１０の根元に装備されたアクチュエータ１０５５により発生する回転力を、付加リンク機構部を介して伝達して、関節５０９をｙ軸回りに回転させることができる。また、リンク部１０２０の根元に装備されたアクチュエータ１０５６により発生する回転力を、付加リンク機構部を介して伝達して、関節５０１をｘ軸回りに回転させることができる。したがって、ＲＣＭ構造部は、アクチュエータ１０５５及び１０５６の回転中心から離間した位置にｘｙの２軸回りの回転中心が配置されたＲＣＭ構造ということができる。
【００７８】
リンク部１０１０及び１０２０の各々に追加される付加リンク機構は、それぞれベース部１００１に搭載されたアクチュエータ１０５５及び１０５６の駆動力を、リンク部１０１０及び１０２０の各々に沿ってリンク部１０１０及び１０２０の各々の先端まで伝達する伝達機構ということもできる。
【００７９】
なお、図１０では、残りのリンク部１０３０及び１０４０には付加リンク機構部を描いていないが、リンク部１０３０及び１０４０にリンク部１０１０及び１０２０と同様の付加リンク機構部が装備されていてもよい。
【００８０】
本実施例に係るパラレルリンク装置１０００は、実際の制御において、エンド部１００２の並進と、エンド部１００２に搭載したＲＣＭ構造部（図示しない）の回転が完全に独立した構造とすることができる。並進用のアクチュエータ１０５１〜１０５４に電磁ブレーキなどのブレーキング機構を搭載しておき、並進を用いないときはブレーキング機構によりアクチュエータ１０５１〜１０５４を固定しておけば、間違って並進してしまうリスクを抑制することができる。また、並進の位置が確定した際には、アクチュエータ１０５１〜１０５４を固定しておくことで電力が不要となり、自重保持にも活用することができる。もちろん、ＲＣＭ用のアクチュエータ１０５５及び１０５６についても同様であり、ＲＣＭ構造部の回転（遠隔回転）を行わないときにはブレーキング機構によりアクチュエータ１０５５及び１０５６を固定しておけば、間違って回転してしまうリスクを抑制することができる。このようなブレーキング機構は、例えば、前述の医療用ロボットに適用した場合などは、操作中に不必要な動作を防ぐことが可能となり、治療の安全性を確保するためにも有用である。また、不必要な動作からのリカバリ時間が発生しないため、効率的な治療を行うことが期待できる。
【００８１】
パラレルリンク装置１０００は、並進と回転のパラレルリンクを直列化しつつ、すべてのアクチュエータをベース部１００１に配置したことで、低慣性の構造を実現している。パラレルリンクで構成されるので、アクチュエータには出力の小さいモータを採用することができ、これらよって、安全性を向上させることができ、且つ、高分解能の力制御が可能である。また、上段の回転機構と下段の並進機構を構造的に分離できるので、制御演算が容易になり、実仕様における各部の動作頻度が減少するので摩耗量が減少する。
【００８２】
なお、図１０に示したパラレルリンク装置１０００に含まれる各回転摺動部は、可能な限りベアリングを用いることが好ましい。但し、ＲＣＭ構造部に関しては、駆動をシンプルにするためには、ユニバーサルジョイントを用いて、リンク部１０１０やリンク部１０２０から回転を伝達することも好ましい。また、リンク部１０１０やリンク部１０２０に追加して装備した付加リンク機構部は、２自由度に揺動するため、ユニバーサルジョイントや球面軸受を用いることも好ましい。リンク部材などの構造体は、なるべく棒状やＬ字形状などのシンプルな形状で構成することが、安価に製作する上で好ましい。
【００８３】
また、図１０に示したパラレルリンク装置１０００では、エンド部１００２に搭載したＲＣＭ構造部を遠隔回転させるために、リンク部１０１０及び１０２０の各々に４節リンク機構からなる付加リンク機構を配設したが、ＲＣＭ構造部を回転駆動する機構は４節リンク機構に限定されない。例えば、アクチュエータ１０５５及び１０５６による駆動力をベルトや歯車を用いて各リンク部１０１０及び１０２０の先端まで伝達する機構などで代替することができる。
【実施例３】
【００８４】
図１１乃至図１３には、第３の実施例に係るパラレルリンク装置１１００の構成例を示している。但し、図１１は、パラレルリンク装置１１００を斜視した様子を示し、図１２は、パラレルリンク装置１１００を正面から眺めた様子を示し、図１３は、パラレルリンク装置１１００を上面から見た様子を示している。
【００８５】
図示のパラレルリンク装置１１００は、ベース部１１０１と、ベース部１１０１に対して並進移動するエンド部１１０２と、ベース部１１０１に連結されるとともにエンド部１１０２を支持する３本のリンク部１１１０、１１２０、１１３０を備え、並進３自由度動作を生成するデルタ型パラレルリンクを構成している。また、ベース部１１０１には、リンク部１１１０、１１２０、１１３０を駆動するための６台のアクチュエータ１１４１〜１１４６が搭載されている。なお、図１１乃至図１３に示す例では、アクチュエータ１１４１〜１１４６は、ベース部１１０１の上面に突設されたリブ状の部材を介して取り付けられているが、特定の取り付け構造には限定されないものとする。さらに、エンド部１１０２には、回転３自由度を持つＲＣＭ構造部２０００が搭載されている。
【００８６】
リンク部１１１０は、上腕リンク１１１１と、一対の前腕リンク１１１２及び１１１３を備えている。上腕リンク１１１１の一端は、ベース部１１０１に対して回動可能に連結され、他端は一対の前腕リンク１１１２及び１１１３と受動関節を介して回動可能に連結している。また、前腕リンク１１１２及び１１１３は他端でエンド部１１０２を支持している。但し、上腕リンク１１１１と各前腕リンク１１１２及び１１１３間、並びに各前腕リンク１１１２及び１１１３とエンド部１１０２間は、例えば球面関節で接続され、傾きを吸収できる構造とすることが好ましい。同様に、リンク部１１２０は上腕リンク１１２１と一対の前腕リンク１１２２及び１１２３を備え、リンク部１１３０は上腕リンク１１３１と一対の前腕リンク１１３２及び１１３３を備え、各上腕リンク１１２１及び１１３１の一端はベース部１１０１に対して回動可能に連結され、それぞれ一対の前腕リンク１１２２及び１１２３、１１３２及び１１３３の他端でエンド部１１０２を支持している。
【００８７】
各上腕リンク１１１１、１１２１、１１３１は、ベース部１１０１上の中心点から放射状に延びる径方向の外側に延在している。そして、各上腕リンク１１１１、１１２１、１１３１は、それぞれベース部１１０１の中心点を含む垂直面内で回動可能となるように、下端付近でベース部１１０１に軸支されている。図１３を参照すると、ベース部１００１の中心点を基準にして、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０はそれぞれ１２０度の間隔で配置されている。
【００８８】
上腕リンク１１１１は、その一端がベース部１１０１に搭載されたアクチュエータ１１４１の出力軸に接続されており、アクチュエータ１１４１が回転駆動すると上腕リンク１１１の他端が上下動するように回動する。同様に、上腕リンク１１２１と上腕リンク１１３１は、それぞれ一端がベース部１１０１に搭載されたアクチュエータ１１４２及び１１４３の出力軸に接続されており、アクチュエータ１１４２及び１１４３が回転駆動すると、各上腕リンク１１２１と上腕リンク１１３１の他端が上下動するように回動する。したがって、３個のアクチュエータ１１４１〜１１４３を同期的に回転駆動させることによって、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０は先端（遠位端）が上下動するように回動し、その結果、前腕リンク１１１２及び１１１３、１１２２及び１１２３、１１３２及び１１３３で支持するエンド部１１０２を３次元空間上の任意の位置に並進移動させることができる。
【００８９】
なお、各アクチュエータ１１４１〜１１４３は、出力軸の回転位置を検出するエンコーダや、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０を介して出力軸に加わる外トルクを検出するトルクセンサなどを内蔵していてもよい。
【００９０】
本実施例に係るパラレルリンク装置１１００では、３本すべてのリンク部１１１０、１１２０、１１３０に、回転３自由度を持つＲＣＭ構造部２０００の各回転軸を駆動するための付加リンク機構部が追加されている点に特徴がある。したがって、パラレルリンク装置１１００全体としては、並進３自由度と回転３自由度の合計３自由度構造を持つことができる。
【００９１】
リンク部１１１０の付加リンク機構部として、上腕リンク１１１１とともに４節リンクを構成するリンク１１１４、１１１５、１１１６が付加され、且つ、一対の前腕リンク１１１２及び１１１３にも、４節リンクを構成するように、リンク１１１７、１１１８、１１１９が付加されている。
【００９２】
ここで、上腕リンク１１１１は静止節に相当し、リンク１１１４は原動節に、リンク１１１５は中間節に、リンク１１１６は従動節に、それぞれ相当する。また、前腕リンク１１１２及び１１１３は静止節に相当し、リンク１１１７は原動節に、リンク１１１８は中間節に、リンク１１１９は従動節に、それぞれ相当する。そして、上腕リンク１１１１側では４節リンクの従動節として動作するリンク１１１６は、前腕リンク１１１２及び１１１３側では４節リンクの原動節として動作するリンク１１１７と一体となっている。リンク１１１６と１１１７は、例えばＬ字形状などの一体的な構造であってもよいし、トラス構造などで強固につなぎ合わせた構造形式であってもよい。
【００９３】
アクチュエータ１１４１に対向して配置されたアクチュエータ１１４４は、原動節１１１４を回動する。原動節１１１４の回動運動は、中間節１１１５を介して従動節１１１６に伝達され、従動節１１１６と一体の原動節１１１７はほぼ同じ回転角度だけ揺動する。そして、中間節１１１８を介して従動節１１１９が揺動する。従動節１１１９の先端の揺動運動を回転に変換して、回転３自由度を持つＲＣＭ構造部２０００の１軸回りの回転力を加えることができる。
【００９４】
リンク部１１２０にも同様に、付加リンク機構部として、上腕リンク１１２１とともに４節リンクを構成するリンク１１２４、１１２５、１１２６が付加され、且つ、一対の前腕リンク１１２２及び１１２３にも、４節リンクを構成するように、リンク１１２７、１１２８、１１２９が付加されている。そして、上腕リンク１１２１側で４節リンクの従動節として動作するリンク１１２６は、前腕リンク１１２２及び１１２３側で４節リンクの原動節として動作するリンク１１２７と一体となっている。
【００９５】
アクチュエータ１１４２に対向して配置されたアクチュエータ１１４５は、原動節１１２４を回動する。原動節１１２４の回動運動は、中間節１１２５を介して従動節１１２６に伝達され、従動節１１２６と一体の原動節１１２７はほぼ同じ回転角度だけ揺動する。そして、中間節１１２８を介して従動節１１２９が揺動する。従動節１１２９の先端の揺動運動を回転に変換して、回転３自由度を持つＲＣＭ構造部２０００の他の１軸回りの回転力を加えることができる。
【００９６】
また、リンク部１１３０にも同様に、付加リンク機構部として、上腕リンク１１３１とともに４節リンクを構成するリンク１１３４、１１３５、１１３６が付加され、且つ、一対の前腕リンク１１３２及び１１３３にも、４節リンクを構成するように、リンク１１３７、１１３８、１１３９が付加されている。そして、上腕リンク１１３１側で４節リンクの従動節として動作するリンク１１３６は、前腕リンク１１３２及び１１３３側で４節リンクの原動節として動作するリンク１１３７と一体となっている。
【００９７】
アクチュエータ１１４３に対向して配置されたアクチュエータ１１４６は、原動節１１３４を回動する。原動節１１３４の回動運動は、中間節１１３５を介して従動節１１３６に伝達され、従動節１１３６と一体の原動節１１３７はほぼ同じ回転角度だけ揺動する。そして、中間節１１３８を介して従動節１１３９が揺動する。従動節１１３９の先端の揺動運動を回転に変換して、回転３自由度を持つＲＣＭ構造部２０００の残りの１軸回りの回転力を加えることができる。
【００９８】
リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々に追加される付加リンク機構は、それぞれベース部１１０１に搭載されたアクチュエータ１１４４、１１４５、１１４６の駆動力を、リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々に沿ってリンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々の先端まで伝達する伝達機構ということもできる。
【００９９】
続いて、ＲＣＭ構造部２０００の構成について説明する。
【０１００】
図１４乃至図１６には、ＲＣＭ構造部２０００を拡大して示している。但し、図１４は、ＲＣＭ構造部２０００を斜視した様子を示し、図１５は、ＲＣＭ構造部２０００を正面から眺めた様子を示し、図１６は、ＲＣＭ構造部２０００を上面から見た様子を示している。
【０１０１】
ＲＣＭ構造部２０００は、エンド部１１０２を基端側とし、３本のＲＣＭリンク部２０１０、２０２０、２０３０でＲＣＭエンド部２００２を支持するパラレルリンク構造を備えている。
【０１０２】
ＲＣＭリンク部２０１０は、基端側の端部リンク２０１１と、先端すなわちＲＣＭエンド部２００２側の端部リンク２０１２と、中央リンク２０１３で構成される。端部リンク２０１１及び２０１２、並びに中央リンク２０１３は、それぞれＬ字形状をなしている。端部リンク２０１１及び２０１２は、一端がそれぞれエンド部１１０２及びＲＣＭエンド部２００２に回転可能に連結されている。そして、中央リンク２０１３は、両端に、端部リンク２０１１及び２０１２の他端がそれぞれ回転可能に連結されている。
【０１０３】
端部リンク２０１１は、基端側の一端にて、リンク部１１１０に追加された付加リンク機構部の従動節１１１９の先端付近とリンク２０１４を介して結合している。したがって、リンク部１１１０の根元付近に配置されたアクチュエータ１１４４（前述）が回転駆動すると、リンク部１１１０の付加リンク機構部によって伝達されて、従動節１１１９が揺動し、これに伴って、端部リンク２０１１が基端側の一端を中心軸にして回動する。そして、端部リンク２０１１が回動すると、他方の端部リンク２０１２の先端が上昇し又は下降するように回動し、この結果ＲＣＭエンド部２００２の姿勢を変化させる。
【０１０４】
また、ＲＣＭリンク部２０２０は、それぞれＬ字形状をした端部リンク２０２１と、端部リンク２０２２と、中央リンク２０２３で構成される。端部リンク２０２１及び２０２２は、一端がそれぞれエンド部１１０２及びＲＣＭエンド部２００２に回転可能に連結されている。そして、中央リンク２０２３は、両端に、端部リンク２０２１及び２０２２の他端がそれぞれ回転可能に連結されている。
【０１０５】
端部リンク２０２１は、基端側の一端にて、リンク部１１２０に追加された付加リンク機構部の従動節１１２９の先端付近とリンク２０２４を介して結合している。リンク部１１２０の根元付近に配置されたアクチュエータ１１４５（前述）が回転駆動すると、リンク部１１２０の付加リンク機構部によって伝達されて、従動節１１２９が揺動し、これに伴って、端部リンク２０２１が基端側の一端を中心軸にして回動する。そして、端部リンク２０２１が回動すると、他方の端部リンク２０２２の先端が上下動するように回動し、この結果ＲＣＭエンド部２００２の姿勢を変化させる。
【０１０６】
また、ＲＣＭリンク部２０３０は、それぞれＬ字形状をした端部リンク２０３１と、端部リンク２０３２と、中央リンク２０３３で構成される。端部リンク２０３１及び２０３２は、一端がそれぞれエンド部１１０２及びＲＣＭエンド部２００２に回転可能に連結されている。そして、中央リンク２０３３は、両端に、端部リンク２０３１及び２０３２の他端がそれぞれ回転可能に連結されている。
【０１０７】
端部リンク２０３１は、基端側の一端にて、リンク部１１３０に追加された付加リンク機構部の従動節１１３９の先端付近とリンク２０３４を介して結合している。リンク部１１２０の根元付近に配置されたアクチュエータ１１４６（前述）が回転駆動すると、リンク部１１３０の付加リンク機構部によって伝達されて、従動節１１３９が揺動し、これに伴って、端部リンク２０３１が基端側の一端を中心軸Ｒ３にして回動する。そして、端部リンク２０３１が回動すると、他方の端部リンク２０３２の先端が上下動するように回動し、この結果ＲＣＭエンド部２００２の姿勢を変化させる。
【０１０８】
このように、ベース部１１０１に配置された３台のアクチュエータ１１４４、１１４５、１１４６によって各ＲＣＭリンク部２０１０、２０２０、２０３０が駆動して、最上端のＲＣＭエンド部２００２の姿勢を３軸回りに変化させることができ、ＲＣＭ構造部２０００は回転３自由度を有する。
【０１０９】
エンド部１１０２上のＲＣＭ構造部２０００をベース部１１０１に搭載されたアクチュエータ１１４４、１１４５、１１４６で駆動する際、リンク機構のみでは撓みやガタに起因して、変位量が理想モデルから乖離したモデル誤差を生じる可能性が高い。そこで、ＲＣＭ構造部２０００のうち、パラレルリンク装置１１００によって直接駆動されるＲＣＭリンク部２０１０、２０２０、２０３０の各々にエンコーダを搭載して、ＲＣＭ構造部２０００の姿勢をより正確に測定して、モデル誤差の影響を軽減して、精密制御を行うようにしてもよい。また、ＲＣＭ構造部２０００にＩＭＵを搭載して、実際の加速度や角加速度を検出できるようにしてもよい。
【０１１０】
本実施例に係るパラレルリンク装置１１００は、下段のデルタ型パラレルリンク構造の上に、回転３自由度を有するパラレルリンク構造からなるＲＣＭ構造部２０００が搭載された構造ということができる。下段のデルタ型パラレルリンク構造によるエンド部１１０２の並進３自由度と、その上に搭載したＲＣＭ構造部２０００の回転３自由度は、完全に独立した構造とすることができる。
【０１１１】
なお、図１１乃至図１３に示したパラレルリンク装置１１００の下段のデルタ型パラレルリンク構造の上に搭載するＲＣＭ構造部２０００は、図１４乃至図１６に示したものに必ずしも限定されない。回転３自由度を有するさまざまなタイプのパラレルリンク構造をＲＣＭ構造部２０００として適用することができる。例えば、特許文献４や特許文献５に開示されているリンク作動装置などをＲＣＭ構造部２０００として適用してもよい。
【０１１２】
本実施例に係るパラレルリンク装置１１００は、実際の制御において、エンド部１１０２の並進と、エンド部１１０２に搭載したＲＣＭ構造部２０００の回転が完全に独立した構造とすることができる。並進用のアクチュエータ１１４１〜１１４３に電磁ブレーキなどのブレーキング機構を搭載しておき、並進を用いないときはブレーキング機構によりアクチュエータ１１４１〜１１４３を固定しておけば、間違って並進してしまうリスクを抑制することができる。また、並進の位置が確定した際には、アクチュエータ１１４１〜１１４３を固定しておくことで電力が不要となり、自重保持にも活用することができる。もちろん、ＲＣＭ用のアクチュエータ１１４４〜１１４６についても同様であり、ＲＣＭ構造２０００の回転（遠隔回転）を行わないときにはブレーキング機構によりアクチュエータ１１４４〜１１４６を固定しておけば、間違って回転してしまうリスクを抑制することができる。このようなブレーキング機構は、例えば、前述の医療用ロボットに適用した場合などは、操作中に不必要な動作を防ぐことが可能となり、治療の安全性を確保するためにも有用である。また、不必要な動作からのリカバリ時間が発生しないため、効率的な治療を行うことが期待できる。
【０１１３】
パラレルリンク装置１１００は、並進と回転のパラレルリンクを直列化しつつ、すべてのアクチュエータをベース部１１０１に配置したことで、低慣性の構造を実現している。パラレルリンクで構成されるので、アクチュエータには出力の小さいモータを採用することができ、これらよって、安全性を向上させることができ、且つ、高分解能の力制御が可能である。また、上段の回転機構と下段の並進機構を構造的に分離できるので、制御演算が容易になり、実仕様における各部の動作頻度が減少するので摩耗量が減少する。
【０１１４】
なお、図１１乃至図１６に示したパラレルリンク装置１１００に含まれる各回転摺動部は、可能な限りベアリングを用いることが好ましい。但し、ＲＣＭ構造部２０００に関しては、駆動をシンプルにするためには、ユニバーサルジョイントを用いて、リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々から回転を伝達することも好ましい。また、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０に追加して装備した付加リンク機構部は、２自由度に揺動するため、ユニバーサルジョイントや球面軸受を用いることも好ましい。リンク部材などの構造体は、なるべく棒状やＬ字形状などのシンプルな形状で構成することが、安価に製作する上で好ましい。
【０１１５】
また、図１１乃至図１６に示したパラレルリンク装置１１００では、エンド部１１０２に搭載した回転３自由度を有するＲＣＭ構造部２０００を遠隔回転させるために、リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々に４節リンク機構からなる付加リンク機構を配設したが、ＲＣＭ構造部２０００を回転駆動する機構は４節リンク機構に限定されない。例えば、アクチュエータ１１４４〜１１４６による駆動力をベルトや歯車を用いて各リンク部１１１０、１１２０、１１３０の先端まで伝達する機構などで代替することができる。
【０１１６】
また、図１１乃至図１６に示したパラレルリンク装置１１００では、付加リンク機構が追加された各リンク部１１１０、１１２０、１１３０はそれぞれ１２０度の間隔で配置されている。ＲＣＭ構造部２０００を搭載したエンド部１１０２を支持する際の力のバランスや、ガタや撓みの減少を考慮した好適な配置ということができる。但し、厳密に１２０度の間隔である必要はなく、また、大きく異なる角度であってもよい。また、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０は、ベース部１１０１の中心点から回転させただけに位置にそれぞれ配置されているが、必ずしもこのような配置には限定されない。例えば、いずれかのリンク部がベース部１１０１の中心点に寄ったり、逆に離間したりしてもよい。
【実施例４】
【０１１７】
図１７乃至図１９には、第４の実施例に係るパラレルリンク装置１７００の構成例を示している。但し、図１７は、パラレルリンク装置１７００を斜視した様子を示し、図１８は、パラレルリンク装置１７００を正面から眺めた様子を示し、図１９は、パラレルリンク装置１７００を上面から見た様子を示している。
【０１１８】
図示のパラレルリンク装置１７００は、ベース部１１０１と、ベース部１１０１に対して並進移動するエンド部１１０２と、ベース部１１０１に連結されるとともにエンド部１１０２を支持する３本のリンク部１１１０、１１２０、１１３０を備え、並進３自由度動作を生成するデルタ型パラレルリンクを構成している。また、ベース部１１０１には、リンク部１１１０、１１２０、１１３０を駆動するための６台のアクチュエータ１１４１〜１１４６が搭載されている。なお、図１１乃至図１３に示す例では、アクチュエータ１１４１〜１１４６は、ベース部１１０１の上面に突設されたリブ状の部材を介して取り付けられているが、特定の取り付け構造には限定されないものとする。さらに、エンド部１１０２には上記のデルタ型パラレルリンクによって回転動作させることが可能なＲＣＭ構造部３０００が搭載されている。
【０１１９】
リンク部１１１０、１１２０、１１３０は、それぞれ付加リンク機構部が装備されている。各リンク部１１１０、１１２０、１１３０はそれぞれアクチュエータ１１４１、１１４２、１１４３によって駆動させて、エンド部１１０２を並進移動させることができる。また、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０に装備された付加リンク機構部は、それぞれアクチュエータ１１４６、１１４７、１１４８によって駆動され、ＲＣＭ構造部３０００を駆動する。
【０１２０】
リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々に追加される付加リンク機構は、それぞれベース部１１０１に搭載されたアクチュエータ１１４４、１１４５、１１４６の駆動力を、リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々に沿ってリンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々の先端まで伝達する伝達機構ということもできる（同上）。但し、ベース部１１０１とエンド部１１０２、及び３本のリンク部１１１０、１１２０、１１３０によって構成されるデルタ型パラレルリンク構造部分に関しては、図１１乃至１３に示したものと同様なので、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１２１】
ＲＣＭ構造部３０００は、３本のＲＣＭリンク部３０１０、３０２０、３０３０を備え、各ＲＣＭリンク部３０１０、３０２０、３０３０が共通の中心からなる球面上を運動するように構成された、回転３自由度を持つ球面パラレルリンク装置であり、「Ａｇｉｌｅ  ｅｙｅ」とも呼ばれる。球面パラレルリンク装置は、広い可動域を持つとともに、高速且つ高加速度で駆動するという特徴がある。
【０１２２】
図２０乃至図２２には、ＲＣＭ構造部３０００を拡大して示している。但し、図２０は、ＲＣＭ構造部３０００を斜視した様子を示し、図２１は、ＲＣＭ構造部３０００を正面から眺めた様子を示し、図２２は、ＲＣＭ構造部３０００を上面から見た様子を示している。
【０１２３】
ＲＣＭリンク部３０１０は、基端側の端部リンク３０１１と、先端側の端部リンク３０１２で構成されている。端部リンク３０１１は、基端側の一端にて、リンク部１１１０に追加された付加リンク機構部の従動節１１１９の先端付近とリンク２０１４を介して結合している。また、端部リンク３０１２の先端でＲＣＭエンド部３００２を支持している。
【０１２４】
リンク部１１１０の根元付近に配置されたアクチュエータ１１４４（前述）が回転駆動すると、リンク部１１１０の付加リンク機構部によって伝達されて、従動節１１１９が揺動し、これに伴って、端部リンク３０１１が基端側の一端を中心軸にして回動する。そして、端部リンク３０１１が回動すると、他方の端部リンク３０１２の先端は、上述した共通の中心回りに回動し、この結果ＲＣＭエンド部３００２の姿勢を変化させる。
【０１２５】
また、ＲＣＭリンク部３０２０は、基端側の端部リンク３０２１と、先端側の端部リンク３０２２で構成されている。端部リンク３０２１は、基端側の一端にて、リンク部１１２０に追加された付加リンク機構部の従動節１１２９の先端付近とリンク２０２４を介して結合している。また、端部リンク３０２２の先端でＲＣＭエンド部３００２を支持している。
【０１２６】
リンク部１１２０の根元付近に配置されたアクチュエータ１１４５（前述）が回転駆動すると、リンク部１１２０の付加リンク機構部によって伝達されて、従動節１１２９が揺動し、これに伴って、端部リンク３０２１が基端側の一端を中心軸にして回動する。そして、端部リンク３０２１が回動すると、他方の端部リンク３０２２の先端は、上述した共通の中心回りに回動し、この結果ＲＣＭエンド部３００２の姿勢を変化させる。
【０１２７】
また、ＲＣＭリンク部３０３０は、基端側の端部リンク３０３１と、先端側の端部リンク３０３２で構成されている。端部リンク３０３１は、基端側の一端にて、リンク部１１３０に追加された付加リンク機構部の従動節１１３９の先端付近とリンク２０２４を介して結合している。また、端部リンク３０３２の先端でＲＣＭエンド部３００２を支持している。
【０１２８】
リンク部１１３０の根元付近に配置されたアクチュエータ１１４６（前述）が回転駆動すると、リンク部１１３０の付加リンク機構部によって伝達されて、従動節１１３９が揺動し、これに伴って、端部リンク３０３１が基端側の一端を中心軸Ｒ３にして回動する。そして、端部リンク３０３１が回動すると、他方の端部リンク３０２２の先端は、上述した共通の中心回りに回動し、この結果ＲＣＭエンド部３００２の姿勢を変化させる。
【０１２９】
このように、ベース部１１０１に配置された３台のアクチュエータ１１４４、１１４５、１１４６によって各ＲＣＭリンク部３０１０、３０２０、３０３０が駆動して、最上端のＲＣＭエンド部３００２の上記球面の中心回りに回転させることができ、ＲＣＭ構造部３０００は回転３自由度を有する。
【０１３０】
エンド部１１０２上のＲＣＭ構造部３０００をベース部１１０１に搭載されたアクチュエータ１１４４、１１４５、１１４６で駆動する際、リンク機構のみでは撓みやガタに起因して、変位量が理想モデルから乖離したモデル誤差を生じる可能性が高い。そこで、ＲＣＭ構造部３０００のうち、パラレルリンク装置１１００によって直接駆動されるＲＣＭリンク部３０１０、３０２０、３０３０の各々にエンコーダを搭載して、ＲＣＭ構造部３０００の姿勢をより正確に測定して、モデル誤差の影響を軽減して、精密制御を行うようにしてもよい。また、ＲＣＭ構造部３０００にＩＭＵを搭載して、実際の加速度や角加速度を検出できるようにしてもよい。
【０１３１】
本実施例に係るパラレルリンク装置１７００は、下段のデルタ型パラレルリンク構造の上に、回転３自由度を有するパラレルリンク構造からなるＲＣＭ構造部３０００が搭載された構造ということができる。下段のデルタ型パラレルリンク構造によるエンド部１１０２の並進３自由度と、その上に搭載したＲＣＭ構造部３０００の回転３自由度は、完全に独立した構造とすることができる。
【０１３２】
なお、図１７乃至図１９に示したパラレルリンク装置１７００の下段のデルタ型パラレルリンク構造の上に搭載するＲＣＭ構造部３０００は、図２０乃至図２２に示したものに必ずしも限定されない。回転３自由度を有するさまざまなタイプのパラレルリンク構造をＲＣＭ構造部３０００として適用することができる。例えば、特許文献６に開示されているリンク機構などをＲＣＭ構造部３０００として適用してもよい。
【０１３３】
本実施例に係るパラレルリンク装置１７００は、実際の制御において、エンド部１１０２の並進と、エンド部１１０２に搭載したＲＣＭ構造部３０００の回転が完全に独立した構造とすることができる。並進用のアクチュエータ１１４１〜１１４３に電磁ブレーキなどのブレーキング機構を搭載しておき、並進を用いないときはブレーキング機構によりアクチュエータ１１４１〜１１４３を固定しておけば、間違って並進してしまうリスクを抑制することができる。また、並進の位置が確定した際には、アクチュエータ１１４１〜１１４３を固定しておくことで電力が不要となり、自重保持にも活用することができる。もちろん、ＲＣＭ用のアクチュエータ１１４４〜１１４６についても同様であり、ＲＣＭ構造３０００の回転（遠隔回転）を行わないときにはブレーキング機構によりアクチュエータ１１４４〜１１４６を固定しておけば、間違って回転してしまうリスクを抑制することができる。このようなブレーキング機構は、例えば、前述の医療用ロボットに適用した場合などは、操作中に不必要な動作を防ぐことが可能となり、治療の安全性を確保するためにも有用である。また、不必要な動作からのリカバリ時間が発生しないため、効率的な治療を行うことが期待できる。
【０１３４】
パラレルリンク装置１７００は、並進と回転のパラレルリンクを直列化しつつ、すべてのアクチュエータをベース部１１０１に配置したことで、低慣性の構造を実現している。パラレルリンクで構成されるので、アクチュエータには出力の小さいモータを採用することができ、これらよって、安全性を向上させることができ、且つ、高分解能の力制御が可能である。また、上段の回転機構と下段の並進機構を構造的に分離できるので、制御演算が容易になり、実仕様における各部の動作頻度が減少するので摩耗量が減少する。
【０１３５】
なお、図１７乃至図２２に示したパラレルリンク装置１７００に含まれる各回転摺動部は、可能な限りベアリングを用いることが好ましい。但し、ＲＣＭ構造部３０００に関しては、駆動をシンプルにするためには、ユニバーサルジョイントを用いて、リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々から回転を伝達することも好ましい。また、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０に追加して装備した付加リンク機構部は、２自由度に揺動するため、ユニバーサルジョイントや球面軸受を用いることも好ましい。リンク部材などの構造体は、なるべく棒状やＬ字形状などのシンプルな形状で構成することが、安価に製作する上で好ましい。
【０１３６】
また、図１７乃至図２２に示したパラレルリンク装置１７００では、エンド部１１０２に搭載した回転３自由度を有するＲＣＭ構造部３０００を遠隔回転させるために、リンク部１１１０、１１２０、１１３０の各々に４節リンク機構からなる付加リンク機構を配設したが、ＲＣＭ構造部３０００を回転駆動する機構は４節リンク機構に限定されない。例えば、アクチュエータ１１４４〜１１４６による駆動力をベルトや歯車を用いて各リンク部１１１０、１１２０、１１３０の先端まで伝達する機構などで代替することができる。
【０１３７】
また、図１７乃至図２２に示したパラレルリンク装置１７００では、付加リンク機構が追加された各リンク部１１１０、１１２０、１１３０はそれぞれ１２０度の間隔で配置されている。ＲＣＭ構造部３０００を搭載したエンド部１１０２を支持する際の力のバランスや、ガタや撓みの減少を考慮した好適な配置ということができる。但し、厳密に１２０度の間隔である必要はなく、また、大きく異なる角度であってもよい。また、各リンク部１１１０、１１２０、１１３０は、ベース部１１０１の中心点から回転させただけに位置にそれぞれ配置されているが、必ずしもこのような配置には限定されない。例えば、いずれかのリンク部がベース部１１０１の中心点に寄ったり、逆に離間したりしてもよい。
【実施例５】
【０１３８】
図２５には、マスタ−スレーブ方式のロボットシステム２５００の機能的構成を模式的に示している。ロボットシステム２５００は、オペレータが操作するマスタ装置２５１０と、オペレータによる操作に従ってマスタ装置２５１０から遠隔制御されるスレーブ装置２５２０で構成される。マスタ装置２５１０とスレーブ装置２５２０間は、無線又は有線のネットワークを経由して相互接続されている。マスタ−スレーブ方式のロボットシステム２５００が外科手術や患者の診断又は検査といった医療に適用される場合には、スレーブ装置２５２０は医療用器具を保持し、マスタ装置２５１０は操作者による医療用器具の操作入力を受け付ける。そして、スレーブ装置２５２０は、マスタ装置から医療用器具の操作入力を受信して、医療用器具を操作する。
【０１３９】
マスタ装置２５１０は、操作部２５１１と、変換部２５１２と、通信部２５１３と、力覚提示部２５１４を備えている。
【０１４０】
操作部２５１１は、オペレータがスレーブ装置２５２０を遠隔操作するためのマスタ・アームなどからなる。変換部２５１２は、オペレータが操作部１４１１に対して行なった操作内容を、スレーブ装置２５２０側（より具体的には、スレーブ装置２５２０内の駆動部２５２１）の駆動を制御するための制御情報に変換する。
【０１４１】
通信部２５１３は、スレーブ装置２５２０側（より具体的には、スレーブ装置１４２０内の通信部２５２３）と、無線又は有線のネットワークを経由して相互接続されている。通信部２５１３は、変換部２５１２から出力される制御情報を、スレーブ装置２５２０に送信する。
【０１４２】
一方、スレーブ装置２５２０は、駆動部２５２１と、検出部２５２２と、通信部２５２３を備えている。
【０１４３】
スレーブ装置２５２０の駆動部２５２１は、上述した第１乃至第４の実施例のうちいずれかのパラレルリンク装置に想定している。また、ＲＣＭ構造には、エンドエフェクタとして、鉗子や攝子、切断器具などの術具や、顕微鏡や内視鏡（腹腔鏡や関節鏡などの硬性内視鏡、消化管用内視鏡や気管支鏡などの軟性内視鏡）などの医療用観察装置といった医療用器具を搭載していることを想定している。そして、駆動部２５２１は、パラレルリンク装置のベース部に配置された各アクチュエータを駆動させて、ＲＣＭ構造を並進移動させたり、この並進移動とは独立して、ＲＣＭ構造に搭載された医療用術具を遠隔回転させたりすることができる。
【０１４４】
検出部２５２２は、ベース部に配置された各アクチュエータに内蔵されたエンコーダやトルクセンサ、ＲＣＭ構造の姿勢や加速度、角加速度などを計測するセンサなどからなる。また、ＲＣＭ構造に鉗子のような把持機構を搭載している場合には、検出部２５２２は、把持力を検知するセンサを含んでいてもよい。
【０１４５】
通信部２５２３は、マスタ装置２５１０側（より具体的には、マスタ装置２５２０内の通信部２５１３）と、無線又は有線のネットワークを経由して相互接続されている。上記の駆動部２５２１は、通信部２５２３がマスタ装置２５１０側から受信した制御情報に従って、パラレルリンク装置のベース部に配置された各アクチュエータの駆動を制御する。また、上記の検出部２５２２による検出結果は、通信部２５２３からマスタ装置２５１０側に送信される。
【０１４６】
マスタ装置２５１０側では、力覚提示部２５１４は、通信部２５１３がスレーブ装置２５２０からフィードバック情報として受信した検出結果に基づいて、オペレータに対する力覚提示を実施する。
【０１４７】
マスタ装置２５１０を操作するオペレータは、力覚提示部２５１４を通じて、スレーブ装置２５２０側の駆動部２５２１に加わる接触力を認識することができる。例えば、スレーブ装置２５２０が医療用ロボットの場合には、外科手術の術者などのオペレータは、鉗子などのＲＣＭ構造に搭載された医療用術具に作用する手ごたえなどの触感を得ることにより、縫合糸の操作時における手加減を適切に行ない、縫合を完全に終えることができ、生体組織への侵襲を防止して効率よく作業することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術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。
【０１４９】
本明細書では、主にデルタ型のパラレルリンク構造を適用した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではない。並進と回転の６自由度動作を生成可能なヘキサ型パラレルリンクや、４本以上のリンクを備えたパラレルリンクなど、デルタ型以外のパラレルリンク構造も同様に適用して、ベース部にほとんどのアクチュエータを搭載するとともに２箇所以上のリンク部の先端を駆動する機構を装備して、並進構造と組み合わせて独立に駆動できるＲＣＭ構造を実現することができる。
【０１５０】
また、本明細書で提案するパラレルリンク装置は、例えば外科手術に用いられる医療用ロボットに適用することが想定される。この場合、エンド部にＲＣＭ構造を搭載し、さらにＲＣＭ構造の先端には、エンドエフェクタとして、鉗子や攝子、切断器具などの術具や、顕微鏡や内視鏡（腹腔鏡や関節鏡などの硬性内視鏡、消化管用内視鏡や気管支鏡などの軟性内視鏡）などの医療用観察装置といった医療用器具を搭載して用いられる。そして、エンド部の並進移動とは独立して医療用術具を遠隔回転させることができるので、手術の際に医療用器具が患者の身体に開けた穴の位置（例えば、トロッカ位置）を常に通る構造を実現し、安全性を高めることができる。もちろん、本明細書で提案するパラレルリンク装置を、産業用ロボットなど、医療以外のさまざまな産業用途に適用することができる。
【０１５１】
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術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。本明細書で開示する技術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。
【０１５２】
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記ベース部に搭載された第１のアクチュエータを用いて前記リンク部を駆動して、前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備するパラレルリンク装置。
（２）前記機構部は回転２自由度を有し、
前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち２箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させる、
上記（１）に記載のパラレルリンク装置。
（３）前記第２のアクチュエータの駆動を伝達する２箇所のリンク部は９０度程度の間隔で配置される、
上記（２）に記載のパラレルリンク装置。
（４）前記動作部がデルタ型パラレルリンク構造を有し、
前記２箇所のリンク部と残りの１つのリンク部は１３５度程度の間隔で配置される、
上記（３）に記載のパラレルリンク装置。
（５）前記機構部は回転３自由度を有し、
前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち３箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させる、
上記（１）に記載のパラレルリンク装置。
（６）前記機構部は、共通の中心からなる球面上を運動するように構成された回転３自由度を持つ球面パラレルリンクからなり、
前記伝達部は、前記複数のリンク部のうち３箇所の各々に沿って前記第２のアクチュエータの駆動を伝達して、前記機構部を各軸回りに回転させる、
上記（１）に記載のパラレルリンク装置。
（７）前記動作部がデルタ型パラレルリンク構造を有し、
前記３箇所のリンク部はそれぞれ１２０度程度の間隔で配置される、
上記（５）又は（６）のいずれかに記載のパラレルリンク装置。
（８）前記機構部の姿勢を計測するセンサをさらに備える、
上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のパラレルリンク装置。
（９）前記センサは、前記伝達部によって前記機構部が回転する角度を計測するエンコーダを含む、
上記（８）に記載のパラレルリンク装置。
（１０）前記機構部の加速度又は角加速度を計測するセンサをさらに備える、
上記（１）乃至（９）のいずれかに記載のパラレルリンク装置。
（１１）前記センサは、慣性計測装置を含む、
上記（１０）に記載のパラレルリンク装置。
（１２）マスタ装置と通信する通信部をさらに備え、
前記動作部は、前記通信部を介して前記マスタ装置から受信した制御情報に基づいて前記第１のアクチュエータ又は前記第２のアクチュエータのうち少なくとも１つを駆動する、
上記（１）乃至（１１）のいずれかに記載のパラレルリンク装置。
（１３）マスタ装置と通信する通信部をさらに備え、
前記通信部は、前記センサの検出信号を前記マスタ装置に送信する、
上記（８）乃至（１１）のいずれかに記載のパラレルリンク装置。
（１４）マスタ装置と、前記マスタ装置により遠隔操作されるスレーブ装置からなり、前記スレーブ装置は、
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記ベース部に搭載された第１のアクチュエータを用いて前記リンク部を駆動して、前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備する、マスタ−スレーブシステム。
（１５）操作者による医療用器具の操作入力を受け付けるマスタ装置と、
ベース部と、エンド部と、前記ベース部と前記エンド部間を連結する複数のリンク部を備え、前記エンド部に前記医療用器具を保持し、前記マスタ装置から前記医療用器具前記操作入力を受信して前記医療用器具を制御するスレーブ装置と、
を備え、
前記スレーブ装置は、
前記ベース部に対して前記エンド部を動作させる動作部と、
前記ベース部に搭載された第２のアクチュエータによる駆動を、前記複数のリンク部のうち少なくとも２箇所の各々に沿って前記エンド部に搭載された機構部まで伝達する伝達部と、
を具備する医療用マスタ−スレーブシステム。
【符号の説明】
【０１５３】
１００…パラレルリンク装置、１０１…ベース部、１０２…エンド部
１１０…リンク部
１１１…上腕リンク、１１２及び１１３…前腕リンク
１２０…リンク部
１２１…上腕リンク、１２２及び１２３…前腕リンク
１３０…リンク部
１３１…上腕リンク、１３２及び１３３…前腕リンク
１４１〜１４３…アクチュエータ（並進移動用）
１４４及び１４５…アクチュエータ（ＲＣＭ構造用）
２００…ＲＣＭ構造部
４０１…リンク（原動節）、４０２…リンク（中間節）
４０３…リンク（従動節）
４１１…リンク（原動節）、４１２…リンク（中間節）
４１３…リンク（従動節）
５０１〜５０８…関節（ｘ軸回り）、５０９…関節（ｙ軸回り）
１１００…パラレルリンク装置
１１０１…ベース部、１１０２…エンド部
１１１０…リンク部
１１１１…上腕リンク、１１１２及び１１１３…前腕リンク
１１１４…リンク（原動節）、１１１５…リンク（中間節）
１１１６…リンク（従動節）、１１１７…リンク（原動節）
１１１８…リンク（中間）、１１１９…リンク（従動節）
１１２０…リンク部
１１２１…上腕リンク、１１２２及び１１２３…前腕リンク
１１２４…リンク（原動節）、１１２５…リンク（中間節）
１１２６…リンク（従動節）、１１２７…リンク（原動節）
１１２８…リンク（中間）、１１２９…リンク（従動節）
１１３０…リンク部
１１３１…上腕リンク、１１３２及び１１３３…前腕リンク
１１３４…リンク（原動節）、１１３５…リンク（中間節）
１１３６…リンク（従動節）、１１３７…リンク（原動節）
１１３８…リンク（中間）、１１３９…リンク（従動節）
１１４１〜１１４３…アクチュエータ（並進移動用）
１１４４及び１１４６…アクチュエータ（ＲＣＭ構造用）
２０００…ＲＣＭ構造部
２０１０…ＲＣＭリンク部、２０１１…端部リンク（基端側）
２０１２…端部リンク（ＲＣＭエンド側）、２０１３…中央リンク
２０２０…ＲＣＭリンク部、２０２１…端部リンク（基端側）
２０２２…端部リンク（ＲＣＭエンド側）、２０２３…中央リンク
２０３０…ＲＣＭリンク部、２０３１…端部リンク（基端側）
２０３２…端部リンク（ＲＣＭエンド側）、２０３３…中央リンク
２５００…ロボットシステム、２５１０…マスタ装置
２５１１…操作部、２５１２…変換部、２５１３…通信部
２５１４…力覚提示部、２５２０…スレーブ装置、２５２１…駆動部
２５２２…検出部、２５２３…通信部
【図１】
2020069631.tif 000003
【図２】
2020069631.tif 000004
【図３】
2020069631.tif 000005
【図４】
2020069631.tif 000006
【図５】
2020069631.tif 000007
【図６】
2020069631.tif 000008
【図７】
2020069631.tif 000009
【図８】
2020069631.tif 000010
【図９】
2020069631.tif 000011
【図１０】
2020069631.tif 000012
【図１１】
2020069631.tif 000013
【図１２】
2020069631.tif 000014
【図１３】
2020069631.tif 000015
【図１４】
2020069631.tif 000016
【図１５】
2020069631.tif 000017
【図１６】
2020069631.tif 000018
【図１７】
2020069631.tif 000019
【図１８】
2020069631.tif 000020
【図１９】
2020069631.tif 000021
【図２０】
2020069631.tif 000022
【図２１】
2020069631.tif 000023
【図２２】
2020069631.tif 000024
【図２３】
2020069631.tif 000025
【図２４】
2020069631.tif 000026
【図２５】
2020069631.tif 000027