(57)【要約】【課題】本発明の目的は、偏荷重による細径アクチュエータの屈曲を防止し、高精度な制御が要求される細径の医療用または工業用マニピュレータを実現するための細径アクチュエータを提供することにある。【解決手段】本発明は、第１および第２のセンサ部により構成された折り返し構造を有する変位センサを具備し、第１のセンサ部がアクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第２のセンサ部が第１のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータを提供する。【選択図】図１
2010156352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のセンサ部により構成された折り返し構造を有する変位センサを具備し、
第１のセンサ部がアクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第２のセンサ部が第１のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータ。
【請求項２】
第１ないし第４のセンサ部により構成された２往復の折り返し構造を有する変位センサを具備し、
第１のセンサ部が細径アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第２のセンサ部が第１のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置され、かつ
第３のセンサ部が細径アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第４のセンサ部が第３のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータ。
【請求項３】
少なくとも３往復以上の折り返し構造を有する、第１および第２の変位センサを具備し、
第１の変位センサが細径アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第２の変位センサが第１の変位センサの各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータ。
【請求項４】
前記折り返し構造を有する変位センサが、電気絶縁性および弾性を有する第１および第２の樹脂部材の間に薄膜状の導電体が狭持された柔軟性を有する第１および第２のセンサ部と、第１および第２のセンサ部の一端を直列に接続する導電性を有する折り返し機構と、第１および第２のセンサ部の各他端に接続された第１および第２の測定用電極と、を含んで構成され、第１および第２の測定用電極が電気回路に接続され、該電極間の電気抵抗値の変化から細径アクチュエータの伸縮量を検出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の細径アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の細径アクチュエータと、
前記細径アクチュエータを内部に備える挿入アームと、
前記挿入アームの先端に取り付けられた操作ツールと
を具備し、
前記操作ツールの駆動が、前記細径アクチュエータの伸縮によって制御されることを特徴とする、細径マニピュレータ。
【請求項６】
前記細径アクチュエータを２以上備え、各アクチュエータが個々に制御されていることを特徴とする、請求項５に記載の細径マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細径アクチュエータに関する。また、本発明は、駆動機構として前記細径アクチュエータを備えた細径マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
離れた場所、とくに狭小な内腔領域に存在する種々の対象物に対して把持、切除、連結、計測、マーキング等の局所的操作を行う上で、細径のアクチュエータを用いることが有効な実現手段となっている。例えば細径アクチュエータとして、空圧制御式のアクチュエータを駆動機構に組み入れるにあたっては、変位検出が不可欠であるが、空圧アクチュエータ自体は、小型・軽量化を図れても、位置検出機構は、レーザ変位計、ポテンショメータ等を外付けする必要があるため、システム全体として、小型・軽量化を図ることが困難であった（特許文献１）。
【０００３】
また、ゴム人工筋アクチュエータを医療用または工業用マニピュレータの駆動機構として使用する場合もあり、この場合には挿入アームの細径化が課題となるが、位置検出機構が外付けされている場合、十分な細径化を実現することは困難であった。特に、医療用マニピュレータの場合には、腹腔内に挿入して使用するため、変位センサや、配線が生体組織に触れにくい構造をとる必要があったが、ポテンショメータなど従来型のセンサでは、直径10mm程度の挿入部に組み込んで、かつ生体組織に触れにくい構造をとることは困難であった。
【特許文献１】特開２００５−９５９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記課題を解決すべく空圧アクチュエータ表面に導電性薄膜を設置してみたところ、アクチュエータ本体に偏荷重がかかり屈曲が生じて精密制御の大きな障害となることが判明した。従って、本発明の目的は、偏荷重によるアクチュエータの屈曲を防止し、高精度な制御が要求される細径の医療用または工業用マニピュレータを実現するための細径アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
即ち、本発明は、第１および第２のセンサ部により構成された折り返し構造を有する変位センサを具備し、第１のセンサ部がアクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第２のセンサ部が第１のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータを提供する。
【０００６】
また、本発明は、前記細径アクチュエータと、前記細径アクチュエータを内部に備える挿入アームと、前記挿入アームの先端に取り付けられた操作ツールとを具備し、前記操作ツールの駆動が、前記細径アクチュエータの伸縮によって制御されることを特徴とする、細径マニピュレータを提供する。
【０００７】
さらにまた、本発明は、前記細径アクチュエータを２以上備え、各アクチュエータが個々に制御されていることを特徴とする、細径マニピュレータを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の細径アクチュエータによって、偏荷重による屈曲が抑制され、細径の医療用または工業用マニピュレータを高精度に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の構成を詳細に説明するために、細径アクチュエータの一例であるゴム人工筋肉を用いて例示的に示したものに過ぎない。従って、本発明は、以下の実施形態に記載された説明に基づいて限定解釈されるべきではない。本発明の範囲には、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内にある限り、以下の実施形態の種々の変形、改良形態を含む全ての実施形態が含まれる。
【００１０】
＜第１の実施形態＞
図１
図１は、第１の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図である。ゴム人工筋アクチュエータ１は、両端に係止部材２，３を備えた管状弾性体４および編み上げ補強部材５により構成され、管状弾性体４内部の空圧を制御することによって管状弾性体４を長手軸方向（図中、中心軸Ｘ方向）に伸縮させ、係止部材２，３間の距離を変化させる駆動機構である。代表的なゴム人工筋アクチュエータとして、例えばマッキベン（McKibben）型アクチュエータが知られている。係止部材２は給気用配管と接続され、係止部材２に予め設けられた空圧印加用穴６を通して管状弾性体４内部への空気の給気および排気が行われる。
【００１１】
編み上げ補強部材５の表面には変位センサが長手軸方向（図中、中心軸Ｘ方向）に配置されている。その詳細については後述する。変位センサは、第１のセンサ部７と第２のセンサ部８により構成され、第１のセンサ部７の一端と第２のセンサ部８一端とが導電性を有する折り返し機構９により直列に接続されている。そして、第１および第２のセンサ部７，８の他端は、それぞれリード線を介して第１および第２の測定用電極１０，１１に接続されている。第１および第２の測定用電極１０および１１は電源に接続され、変位センサ６全体に所定の電圧を印加することができる。第１の測定用電極１０と第２の測定用電極１１との間の電気抵抗値の変化量は、変位計によって計測することができる。変位センサはゴム人工筋アクチュエータ１の伸縮量に同調して伸縮し、その伸縮量に対応した電気抵抗値の変化を示すので、この電気抵抗値の変化量からアクチュエータの伸縮量を同定することができる。
【００１２】
なお、折り返し構造を有する変位センサを配置すると、センサの配線（すなわち、測定用電極１０および１１）をゴム人工筋アクチュエータ１の片側のみから取り出すことができるため、配線を折り返す必要が無くなる。従って、配線空間の確保が不要となり、それに伴い狭小領域に複数のアクチュエータを過密配置することが可能となり、マニピュレータの細径化が実現される。また、折り返し構造をとることにより変位感度が２倍になるため、高感度な変位センサとして機能しうる。
【００１３】
図２
図２は、図１に示した斜視図の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【００１４】
ゴム人工筋アクチュエータ１の寸法には特に制限はないが、細径マニピュレータの駆動機構として使用する場合、その全長は、例えば50mm以上、好ましくは50mm〜300mm、最も好ましくは100mm〜200mmであり、その直径は、例えば2mm以下、好ましくは0.5〜2mm、最も好ましくは1〜1.5mmである。
【００１５】
管状弾性体４は、内空を有する弾性部材によって構成され、その材質に特に制限はないが、例えばニトリルゴム、シリコーンゴム、ブチルゴムなどの合成ゴム弾性体が使用される。
【００１６】
管状弾性体４は編み上げ補強部材５によって被覆されている。編み上げ補強部材５は、管状弾性体４の円周方向の膨張力を長手軸方向（図中、中心軸Ｘ方向）の収縮に変換する役割を果たす。編み上げ補強部材５の材質に特に制限はないが、例えばポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの高弾性率繊維が使用される。
【００１７】
係止部材２，３は、金属材料または樹脂材料等で構成される。係止部材２，３と管状弾性体４の両端は接着固定または係止機構によって固定される。係止部材２は、空圧印加用穴６を備えている。給気用配管から供給された空気は空気印加用穴６を通して管状弾性体４内空に供給され、あるいは管状弾性体４内空の空気が空気印加用穴６を通して給気用配管へ排気される。一方、係止部材３は、密閉構造をとり、管状弾性体４内の空気が外部へ漏れ出ることを防ぐ。
【００１８】
第１および第２のセンサ部７，８は、その両端部が編み上げ補強部材５に固定されている。固定方法に特に制限はないが、例えば接着固定が挙げられる。第１および第２のセンサ部７，８は、柔軟性を有するセンサであり、弾性管状体４および編み上げ補強部材５の伸縮に同調して伸縮することができる。第１のセンサ部７と第２のセンサ部８は、原則として同一形状および同一構造をとり、その構成材料も同一である。但し、後述する偏荷重の発生を抑制するという本発明の課題を解決しうる範囲において適宜差異を設けることは可能である。
【００１９】
図３
図３は、第１のセンサ部７（第２のセンサ部８も同じ）の断面を示した斜視図である。第１のセンサ部７は、薄膜上の導電体３１が第１および第２の樹脂部材３２，３３に狭持された構造をとる。
【００２０】
導電体３１は、導電性フィラー、例えば炭素、銀、銅、ニッケルなどを熱可塑性樹脂、エラストマーまたは熱硬化性樹脂に分散させ、適宜、各種溶剤および添加剤を添加することによって作製される。導電体３１は、好ましくは炭素コーティングによって形成される。
【００２１】
樹脂部材３２，３３は、天然ゴム、または合成ゴム、例えばシリコーンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、もしくはブタジエンゴム等に、適宜、各種溶剤および添加剤を添加することによって作製される。樹脂部材３２，３３は、好ましくはシリコーンゴムによって形成される。樹脂部材３２，３３は、導電体３１の薄膜を形成するための母材としての役割を果たし、また、導電体３１の薄膜を被覆するための被覆材としての役割を果たす。
【００２２】
第１のセンサ部７の製法、構造および形状には特に制限はなく、適宜、設計変更が可能である。例えば、図３に示すようにシリコーンゴム製の第１の樹脂部材３３上に導電体３１をコーティングし（例えば、炭素コーティング）、その上にシリコーンゴム製の第２の樹脂部材３２を貼り合わせてもよいし、あるいは、内空を有する樹脂部材に導電体３１を注入固定してもよい。この場合、導電体３１は１つの樹脂部材内に内包された構造となる。また、センサの形状は、円柱形状、多角柱形状等、任意の形状とすることができる。
【００２３】
例えば、導電性塗料を塗布したシリコーンゴムを長手方向に伸ばすと塗料中に含まれるカーボンの密度が減少して、電気抵抗値が増加する。電気抵抗値の変化は、シリコーンゴムの長手方向への伸縮量と正確に対応するため、電気抵抗値の変化量を検出することによってシリコーンゴムの伸縮量を同定することができる。
【００２４】
第１のセンサ部７の一端は、導電性を有する折り返し機構９によって第２のセンサ部８の一端と電気的に接続されている。折り返し機構９は、例えば、絶縁樹脂部材で被覆された銅線コードであり、アクチュエータ１の伸縮運動を障害しないようにたわみをもって両センサ部を接続する。また、第１のセンサ部７の他端は、リード線を介して第１の測定用電極１０に接続される。
【００２５】
図４
図４は、図１の線Ｂ-Ｂに沿った断面の斜視図である。第１のセンサ部７がゴム人工筋アクチュエータ１の中心軸Ｘに対して平行に配置され、第２のセンサ部８が第１のセンサ部７の任意の位置Ｚ１から前記中心軸Ｘに対して垂直に交わる線分Ｙ１−Ｙ２上で前記中心軸Ｘに対して軸対称となるように配置される。
【００２６】
先ず、第１のセンサ部７および第２のセンサ部８がアクチュエータの中心軸Ｘに対して平行に配置されることによって、各センサ部の伸縮をアクチュエータの伸縮に連動させることができるので、各センサ部の伸縮量をアクチュエータの伸縮量とみなすことができる。ここで、各センサ部の伸縮量は電気抵抗値の変化量を検出することによって同定することができるので、結果として、アクチュエータの伸縮量を電気抵抗値の変化量から同定することができる。
【００２７】
次に、第２のセンサ部８が第１のセンサ部７の任意の位置Ｚ１から前記中心軸Ｘに対して垂直に交わる線分Ｙ１−Ｙ２上で前記中心軸Ｘに対して軸対称となるように配置されることによって、偏荷重の発生を抑制することができる。ゴム人工筋アクチュエータ１にとって、折り返し構造を有するセンサは異物であり、該センサをアクチュエータ表面に取り付けると、アクチュエータの重心軸とアクチュエータの中心軸との間にずれが生じ、この重心軸の「ずれ」によってアクチュエータの引きつりや屈曲が生じる。細径の医療用または工業用マニピュレータを提供するためには、マニピュレータの駆動制御単位となるアクチュエータ自体を細径化する必要があるが、極細のアクチュエータにおける上述した重心軸の「ずれ」は、アクチュエータの伸縮運動に伴う引きつりや屈曲の問題を一層深刻化させる。この点、第１の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１は、折り返し構造を有する変位センサを中心軸Ｘに対して軸対称に配置しているので、各位置における重心の「ずれ」は相殺され、全体として重心は中心軸上に維持される。この結果、アクチュエータの偏荷重の発生が抑制され、アクチュエータの伸縮運動に伴う引きつりや屈曲の生じにくい直動アクチュエータを提供することができる。
【００２８】
なお、当然ながら、「中心軸」、「平行」、「垂直に交わる線分」および「軸対称」とは、数学的定義に厳密に従うものではなく、偏荷重の発生が抑制されるという作用効果を奏する限りにおいて、実際の各個別の具体的アクチュエータの事情に応じて拡張されうる概念である。
【００２９】
＜第２の実施形態＞
図５
図５は、第２の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図である。
【００３０】
第２の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１は、第１のセンサ部５１および第２のセンサ部５２により構成された折り返し構造を有する第１の変位センサ５０と、同じく第１のセンサ部５５および第２のセンサ部５６により構成された折り返し構造を有する第２の変位センサ６０とを具備する。そして、第１の変位センサ５０がゴム人工筋アクチュエータ１の中心軸Ｘに対して平行に配置され、第２の変位センサ６０が第１の変位センサ５０の各位置から前記中心軸Ｘに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Ｘに対して軸対称となるように配置される。
【００３１】
図６
図６は、図５に示した斜視図の線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【００３２】
第１の変位センサ５０の第１のセンサ部５１は、第２の変位センサ６０の第２のセンサ部５６と線分Ｙ１−Ｙ１上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。また、第１の変位センサ５０の第２のセンサ部５２は、第２の変位センサ６０の第１のセンサ部５５と線分Ｙ２−Ｙ２上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。
【００３３】
折り返し構造を有する独立した２つの変位センサをアクチュエータの中心軸に対して軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、断線等の故障に強いアクチュエータを提供することができる。すなわち、細径アクチュエータにおいて、それに取り付けられた変位センサは極細の形状をなすため、断線等による故障が懸念される。特に、医療用または工業用の細径マニピュレータは、その使用に際し、恒常的な精密制御が要求されるため、耐用年数前に断線等による故障が生じた場合、製品としての信頼性が損われる蓋然性が高い。この点、第２の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータは、独立した２つの変位センサが設置されているため、仮に、耐用年数前に片方の変位センサが断線等による故障に陥った場合であっても、他方の変位センサによってアクチュエータの伸縮量を引き続き精密制御することができるので、極めて信頼性の高い細径マニピュレータを提供することができる。
【００３４】
＜第３の実施形態＞
また、第２の実施形態の応用として、折り返し構造を有する独立した３つ以上の変位センサを中心軸Ｘに対して平行に全体として偏荷重が抑制されるように配置することによって、一層故障に強いアクチュエータを提供することができる。この場合、故障に強いことにより、アクチュエータ自体の耐用年数を長く設定することも一層可能になり、製品寿命を長期化することができる。
【００３５】
具体的には、３つの変位センサを配置する場合、各変位センサをゴム人工筋アクチュエータ１の円周上で120度間隔で中心軸に対して平行に配置することにより、アクチュエータの偏荷重を抑制することができる。
【００３６】
＜第４の実施形態＞
図７
図７は、第４の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図である。
【００３７】
第４の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１は、第１のセンサ部７１、第２のセンサ部７２、第３のセンサ部７３、および第４のセンサ部７４により構成された２往復の折り返し構造を有する変位センサを具備する。そして、第１のセンサ部７１がゴム人工筋アクチュエータ１の中心軸Ｘに対して平行に配置され、第２のセンサ部７２が第１のセンサ部７１の各位置から前記中心軸Ｘに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Ｘに対して軸対称となるように配置される。さらに、第３のセンサ部７３が、ゴム人工筋アクチュエータ１の中心軸Ｘに対して平行に配置され、第４のセンサ部７４が第３のセンサ部７３の各位置から前記中心軸Ｘに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Ｘに対して軸対称となるように配置される。
【００３８】
また、第１のセンサ部７１および第２のセンサ部７２は、各一端が導電性を有する折り返し機構７６によって直列に接続され、第２のセンサ部７２および第３のセンサ部７３は、各一端が導電性を有する折り返し機構７７によって直列に接続され、かつ、第３のセンサ部７３および第４のセンサ部７４は、各一端が導電性を有する折り返し機構７８によって直列に接続されている。各折り返し機構は、アクチュエータの伸縮の障害とならないようにたわみをもって両センサ部を接続している。また、第１のセンサ部７１および第４のセンサ部７４の各他端は、それぞれリード線を介して測定用電極１０，１１に接続されている。
【００３９】
図８
図８は、図７に示した斜視図の線Ｄ−Ｄに沿った断面図である。
【００４０】
第１のセンサ部７１は、第２のセンサ部７２と線分Ｙ１−Ｙ１上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。また、第３のセンサ部７３は、第４のセンサ部７４と線分Ｙ２−Ｙ２上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。
【００４１】
２往復の折り返し構造を有する変位センサをアクチュエータの中心軸に対して軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、検出感度の高いアクチュエータを提供することができる。すなわち、変位センサを構成する４つのセンサ部は、各々中心軸に対して平行に配置されているので、アクチュエータの伸縮に応じて電気抵抗値が変化する。４つのセンサ部は折り返し機構によって直列に接続されているので、電機抵抗値の変化量は、２つのセンサ部で構成された１往復の変位センサと比較して約２倍になる。従って、２往復構造の変位センサの感度は、１往復構造の変位センサと比較して約２倍に向上し、アクチュエータのわずかな伸縮量も確実かつ正確に検出することができる。
【００４２】
医療用または工業用の細径マニピュレータは、微細かつ複雑な操作を要求される。例えば、医療用マニピュレータは、生体組織内の入り組んだ複雑な空間内において精密かつ自在なマニピュレーション操作を要求される。２往復構造を有する位置センサを備えたアクチュエータをマニピュレータの駆動機構として使用することによって、マニピュレータの駆動限界距離を小さくすることができ、より微細かつ複雑な操作が可能な高機能性の細径マニピュレータを提供することができる。
【００４３】
＜第５の実施形態＞
図９
図９は、第５の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図である。
【００４４】
第５の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１は、第１のセンサ部８１、第２のセンサ部８２、第３のセンサ部８３、および第４のセンサ部８４により構成された２往復の折り返し構造を有する第１の変位センサ８５と、同じく第１のセンサ部９１、第２のセンサ部９２、第３のセンサ部９３、および第４のセンサ部９４により構成された２往復の折り返し構造を有する第２の変位センサ９５と、を具備する。そして、第１の変位センサ８５がゴム人工筋アクチュエータの中心軸Ｘに対して平行に配置され、第２の変位センサ９５が第１の変位センサの各位置から前記中心軸Ｘに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Ｘに対して軸対称となるように配置される。
【００４５】
図１０
図１０は、図９に示した斜視図の線Ｅ−Ｅに沿った断面図である。
【００４６】
第１の変位センサ８５の第１のセンサ部８１は、第２の変位センサ９５の第４のセンサ部９４と線分Ｙ１−Ｙ１上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。また、第１の変位センサ８５の第２のセンサ部８２は、第２の変位センサ９５の第３のセンサ部９３と線分Ｙ２−Ｙ２上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。また、第１の変位センサ８５の第３のセンサ部８３は、第２の変位センサ９５の第２のセンサ部９２と線分Ｙ３−Ｙ３上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。さらにまた、第１の変位センサ８５の第４のセンサ部８４は、第２の変位センサ９５の第１のセンサ部９１と線分Ｙ４−Ｙ４上で中心軸Ｘに対して軸対称に配置されている。
【００４７】
２往復の折り返し構造を有する独立した２つの変位センサをアクチュエータの中心軸に対して軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、検出感度が高く、かつ断線等の故障に強いアクチュエータを提供することができる。すなわち、第５の実施形態におけるアクチュエータを、医療用または工業用の細径マニピュレータの駆動制御機構として使用することによって、駆動限界距離が極めて小さく、かつ耐用年数の長い、高機能かつ高耐性の細径マニピュレータを提供することができる。
【００４８】
＜第６の実施形態＞
また、第５の実施形態の応用として、２往復の折り返し構造を有する独立した３つ以上の変位センサを中心軸Ｘに対して平行に全体として偏荷重が抑制されるように配置することによって、一層検出感度が高く、かつ故障に強いアクチュエータを提供することができる。
【００４９】
具体的には、３つの２往復構造の変位センサを配置する場合、各変位センサをゴム人工筋アクチュエータ１の円周上で120度間隔で中心軸Ｘに対して平行に配置することにより、アクチュエータの偏荷重を抑制することができる。
【００５０】
＜第７の実施形態＞
第７の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１は、少なくとも３往復以上の折り返し構造を有する変位センサを具備し、前記変位センサを構成する各センサ部がゴム人工筋アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、かつ各往復構造を構成する２つのセンサ部が相互にゴム人工筋アクチュエータの中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されている。
【００５１】
例えば、３往復構造の変位センサは、６つのセンサ部と、５つの折り返し機構と、始端および終端に接続された２つの測定用電極により構成される。３往復構造の変位センサは、理論上は検出感度が１往復構造と比較して３倍に増幅される。６つのセンサ部は、互いにペアを構成し、軸対称に配置されるので（すなわち、３組のセンサ部が異なる線分Ｙ−Ｙ上で軸対称に配置される）、アクチュエータ全体として偏荷重の発生が抑制される。
【００５２】
＜第８の実施形態＞
第８の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１は、少なくとも３往復以上の折り返し構造を有する、第１および第２の変位センサを具備し、第１の変位センサがゴム人工筋アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第２の変位センサが第１の変位センサの各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されている。
【００５３】
例えば、３往復構造の独立した２つの変位センサを軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、検出感度が高く、かつ断線等の故障に強いアクチュエータを提供することができる。
【００５４】
＜第９の実施形態＞
また、第８の実施形態の応用として、３往復の折り返し構造を有する独立した３つ以上の変位センサを中心軸Ｘに対して平行に全体として偏荷重が抑制されるように配置することによって、一層検出感度が高く、かつ故障に強いアクチュエータを提供することができる。
【００５５】
具体的には、３つの３往復構造の変位センサを配置する場合、各変位センサをゴム人工筋アクチュエータ１の円周上で120度間隔で中心軸Ｘに対して平行に配置することにより、アクチュエータの偏荷重を抑制することができる。
【００５６】
以下の表１は、第１〜第９の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１の関係を示すものである。第１〜第９の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１は、センサ構造内の往復数およびセンサの搭載数によって分類される。これらの共通の作用効果は偏荷重の抑制である。センサ構造内の往復数はセンサの感度を向上させ、センサの搭載数はセンサの耐性を向上させる（故障に強くなる）。
【表１】
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【００５７】
理論上、往復数および搭載数が多いほど高品質のアクチュエータを提供することができるが、１往復構造のアクチュエータを１つ搭載する第１の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータであっても、細径マニピュレータに搭載する極細のアクチュエータに必要な精度と耐性を十分に提供することができる。そして、極細のアクチュエータは表面積が小さいので、変位センサの往復数および搭載数を増やすと、各センサ部の導電体面積が小さくなることにより、各センサ部の伸縮度と電気抵抗値の変化との間の厳密な相関関係が減退する懸念がある。また、極細の導電体はその分だけ断線し易い。従って、極細のアクチュエータに限定した場合、理想的には、２往復構造以下の変位センサを２つ以下で搭載したものが最も好ましい。
【００５８】
図１１
図１１は、上述した第１〜第９の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１（以下、ゴム人工筋アクチュエータ101, 102などという）を２つ使用した駆動機構100の模式図である。
【００５９】
駆動機構100は、２つのゴム人工筋アクチュエータ101, 102が固定基板190に固定されている。係止部材103, 104はワイヤ105に接続され、ワイヤ105がプーリ106にかけられている。プーリ106には、操作ツール110が固定されており、プーリ106の回転運動によって操作ツール110が上下に回動する。従って、ゴム人工筋アクチュエータ101, 102の伸縮を制御することによって操作ツール110に所望の上下への回動を与えることができる。ゴム人工筋アクチュエータ101, 102はそれぞれ給気用配管111, 112を介して圧力制御手段120に接続されている。圧力制御手段120は、電空レギュレータ130およびコンプレッサー140により構成される。
【００６０】
ゴム人工筋アクチュエータ101, 102は、それぞれその表面に変位センサを備えている。変位センサとして、上述した第１〜第９の実施形態のいずれかの変位センサが適宜選択される。アクチュレータ101, 102の各伸縮量は、それぞれ回路150および160によって電気抵抗値の変化量として出力される。演算手段（ＰＣ）170は、出力された電気抵抗値の変化量から各アクチュエータの伸縮量を同定する。ＰＣ170は、操作手段180から入力された操作ツール110の所望の上下への回動に必要な各アクチュエータの伸縮量と、現時点の各アクチュエータの伸縮量との差分を算出し、算出された差分データに基づき、操作ツール110の所望の上下への回動を実行するための制御指令を圧力制御手段120に送信する。圧力制御手段120は、該制御指令に基づいてアクチュエータ内部の空気圧を制御し、各アクチュエータの伸縮量が適切に制御されることによって所望の操作ツール110の上下への回動が実行される。このようなフィードバックグループを組むことにより、プーリ106に取り付けた操作ツール110の位置決めが容易にできる。
【００６１】
変位センサがアクチュエータと一体に形成されることにより、システム全体（特に、アクチュエータおよび回動部）を小型化することが可能となる。また、各アクチュエータの変位センサが折り返し構造をとることにより、測定用電極（配線）がアクチュエータの一端から取り出せるため、配線を折り返す必要が無く、システム全体の細径化を一層可能にする。
【００６２】
図１１では、２つのゴム人工筋アクチュエータ101, 102がそれぞれ独立した制御機構を有し、それぞれを別個に制御することができる。しかし、各アクチュエータは必ずしも個々に独立して制御される必要はなく、各アクチュエータの制御機構を連動させてもよい。例えば、ゴム人工筋アクチュエータ101のみに変位センサを設け、変動する電気抵抗値を出力することによって２つのゴム人工筋アクチュエータ101, 102を制御することができる。この場合、アクチュエータ102上の変位センサおよび該変位センサによって検出される電気抵抗値を出力する回路160を省略することができるので、低コスト化および省スペース化が実現できる。
【００６３】
図１２
図１２は、第１〜９の実施形態のいずれかのゴム人工筋アクチュエータ１を使用した医療用処置具200の模式図である。
【００６４】
医療用処置具200は、細径マニピュレータ210と、細径マニピュレータ210を駆動させる操作手段220と、操作手段220で入力した駆動信号に基づき、ゴム人工筋アクチュエータの内圧を制御する演算手段230と、演算手段230による指令に基づき、ゴム人工筋アクチュエータ内部に空気を印加する圧力制御手段とを具備する。圧力制御手段は、電空レギュレータ240およびコンプレッサー250により構成される。
【００６５】
細径マニピュレータ210は、複数のゴム人工筋アクチュエータ201と、ゴム人工筋アクチュエータ201を内部に備える挿入アーム260と、挿入アーム260の先端に取り付けられた操作ツール270とを具備する。
【００６６】
各アクチュエータ201の表面には上述した第１〜第９の実施形態のいずれかの変位センサが設置され、各アクチュエータ201の伸縮量を電気抵抗値の変化量として検出することができる。
【００６７】
また、挿入アーム260の先端には、屈曲駆動手段280が設けられていてもよい。屈曲駆動手段280は、例えば、それぞれ異なる屈曲運動をする第１〜第３の関節281, 282, 283によって構成され、第３の関節283の先端に操作ツール270が中心軸に固定されたプーリ271が取り付けられている。
【００６８】
第１〜第３の関節281, 282, 283およびプーリ271は、それぞれ２本１組のゴム人工筋アクチュエータ201によって制御されているので、合計８本４組のゴム人工筋アクチュエータ201が挿入アーム260内に搭載されている（図では便宜的に２本のみ表示）。これら８本４組のゴム人工筋アクチュエータは、それぞれその表面に上述した第１〜第９の実施形態のいずれかの変位センサを備え、アクチュエータの伸縮量が電気抵抗値の変化量として出力される。なお、上述したように、２本１組のアクチュエータの一方のみが抵抗体を内蔵する態様であっても同様の制御が可能になる。
【００６９】
図１３
図１３は、図１２の屈曲駆動手段280の駆動機構を説明するための模式図である。第１の関節281は、２本のゴム人工筋アクチュエータ201によって制御される。第１の関節281の両端部にそれぞれゴム人工筋アクチュエータ201がワイヤ205を介して接続されている。２本のアクチュエータ201の伸縮運動によって関節281を図の矢印の方向に回動させることができる。同じように、第２の関節282の両端部にもそれぞれゴム人工筋アクチュエータ201がワイヤ205を介して接続されており、２本のアクチュエータ201の伸縮運動によって第２の関節282を図の矢印の方向に回動させることができる。
【００７０】
図１４
図１４は、図１２および１３の屈曲駆動手段280の駆動機構をさらに説明するための模式図である。
【００７１】
第１の関節281は、２本のアクチュエータ201によって図中Ｚ軸に対して回動する。次に、第２の関節282は、第１の関節281の回動を制御するアクチュエータとは異なる別個の２本のアクチュエータ201によって、図中Ｙ軸に対して回動する。最後に、第３の関節283は、第１および第２の関節281, 282の回動を制御するアクチュエータとは異なる別個の２本のアクチュエータ201によって、図中Ｘ軸に対して回動する。
【００７２】
第１〜第３の関節281, 282, 283は、それぞれ３次元空間上の各軸に対して回動するので、全体として３次元空間上の全方向への指向が可能となり、例えば、生体組織内の入り組んだ複雑な空間内において精密かつ自在なマニピュレーション操作が可能となる。また、腹腔内などに挿入される医療用処置具（医療用マニピュレータ）の先端に変位センサ一体型のゴム人工筋アクチュエータを搭載することによって、センサ、および配線が腹腔内の生体組織に直接触れることがなくなり安全性が向上する。
【００７３】
以上のように、本発明によれば、狭小な挿入スペース、とくに腹腔のような生体内の各種対象物（臓器、血管等）への局所的操作を正確に把握しながら、多機能または多次元な動作を自在に制御できる。とくに医療用マニピュレータの先端部に配置された多関節な駆動軸のそれぞれに対応する複数対のアクチュエータを連動して駆動させる場合に、個々のアクチュエータによる多機能または複雑な動作の適否をリアルタイム且つ正確に確認することが可能である。
【００７４】
なお、本発明は上述した実施形態で説明したようなゴム人工筋肉または空圧制御式のアクチュエータに限定されず、上述した要旨の範囲において他の細径アクチュエータ（例えばワイヤ駆動式）にも同様に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図
【図２】図１に示した斜視図の線Ａ−Ａに沿った断面図
【図３】第１のセンサ部７（第２のセンサ部８も同じ）の断面を示した斜視図
【図４】図１の線Ｂ-Ｂに沿った断面の斜視図
【図５】第２の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図
【図６】図５に示した斜視図の線Ｃ−Ｃに沿った断面図
【図７】第４の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図
【図８】図７に示した斜視図の線Ｄ−Ｄに沿った断面図
【図９】第５の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ１を模式的に示した斜視図
【図１０】図９に示した斜視図の線Ｅ−Ｅに沿った断面図
【図１１】第１〜第９の実施形態のいずれかのゴム人工筋アクチュエータ１を２つ使用した駆動機構100の模式図
【図１２】第１〜第９の実施形態のいずれかのゴム人工筋アクチュエータ１を使用した医療用処置具200の模式図
【図１３】図１２の屈曲駆動手段280の駆動機構を説明するための模式図
【図１４】図１２および１３の屈曲駆動手段280の駆動機構をさらに説明するための模式図
【符号の説明】
【００７６】
１・・・ゴム人工筋アクチュエータ、２・・・係止部材、３・・・係止部材、４・・・管状弾性体、５・・・編み上げ補強部材、６・・・空気印加用穴、７・・・第１のセンサ部、８・・・第２のセンサ部、９・・・折り返し機構、１０・・・測定用電極、１１・・・測定用電極、３１・・・導電体、３２・・・樹脂部材、３３・・・樹脂部材、５０・・・第１の変位センサ、５１・・・第１のセンサ部、５２・・・第２のセンサ部、５５・・・第１のセンサ部、５６・・・第２のセンサ部、６０・・・第２の変位センサ、７１・・・第１のセンサ部、７２・・・第２のセンサ部、７３・・・第３のセンサ部、７４・・・第４のセンサ部、７６・・・第１の折り返し機構、７７・・・第２の折り返し機構、７８・・・第３の折り返し機構、８１・・・第１のセンサ部、８２・・・第２のセンサ部、８３・・・第３のセンサ部、８４・・・第４のセンサ部、８５・・・第１の変位センサ、９１・・・第１のセンサ部、９２・・・第２のセンサ部、９３・・・第３のセンサ部、９４・・・第４のセンサ部、９５・・・第２の変位センサ、100・・・駆動機構、101, 102・・・ゴム人工筋アクチュエータ、103, 104・・・係止部材、105・・・ワイヤ、106・・・プーリ、110・・・操作ツール、111, 112・・・給気用配管、120・・・圧力制御手段、130・・・電空レギュレータ、140・・・コンプレッサー、150,160・・・回路、170・・・演算手段、180・・・操作手段、190・・・固定基板、200・・・医療処置具、201・・・ゴム人工筋アクチュエータ、210・・・細径マニピュレータ、220・・・操作手段、230・・・演算手段、240・・・電空レギュレータ、250・・・コンプレッサー、260・・・挿入アーム、270・・・操作ツール、271・・・プーリ、280・・・屈曲駆動手段、281・・・第１の関節、282・・・第２の関節、283・・・第３の関節。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010156352.tif 000010
【図８】
2010156352.tif 000011
【図９】
2010156352.tif 000012
【図１０】
2010156352.tif 000013
【図１１】
2010156352.tif 000014
【図１２】
2010156352.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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