(57)【要約】手掌に対して関節により接続された基節と、該基節に対して関節により直接または間接的に接続された末節とを有する複数の指を備えたロボットハンドであって、前記手掌及び各指に沿って張設され、各指について、前記関節によって相互に接続される節を貫通し、該関節のうち末端に位置する節に固定されたワイヤと、このワイヤにテンションを付与することにより前記関節を屈曲するための制御手段とを備える。また、このロボットハンドを操作するために操作者の手の動作を計測するマスタであって、手掌及び各指に沿って張られたワイヤの先端を、各指について少なくとも前記基節及び末節に固定し、該ワイヤの変位により操作者の手の動作を計測する。
2017038836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手掌と、該手掌に対して関節により接続された基節と、該基節に対して関節により直接または間接的に接続された末節とを有する複数の指を備えたロボットハンドであって、
前記手掌及び各指に沿って張設され、各指について、前記関節によって相互に接続される節を貫通し、該関節のうち末端に位置する節に固定されたワイヤと、
このワイヤにテンションを付与することにより前記関節を屈曲させる駆動手段とを備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
手掌、拇指、及び該拇指以外の指を備えたロボットハンドであって、
前記手掌の面内において前記拇指以外の指が伸びる方向をｘ軸、同面内においてｘ軸と直交する方向をｙ軸、前記手掌の面と直交する方向をｚ軸としたとき、前記手掌に対して、前記拇指は、前記ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸周りの自由度を有する関節を備え、前記拇指以外の指は、前記ｙ軸及びｚ軸周りの自由度を有する関節を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記拇指は、前記ｘ軸周りの１自由度と前記ｚ軸周りの１自由度をもつＣＭ関節と、該ＣＭ関節に従動し、それぞれが前記ｙ軸周りの１自由度をもつＩＰ関節とＭＰ関節とを備えることを特徴とする請求項２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記拇指以外の指は、好ましくは４本であり、前記ｙ軸周り及びｚ軸周りの２自由度をもつＭＰ関節と、該ＭＰ関節に従動し、それぞれが少なくとも前記ｙ軸周りの１自由度をもつＰＩＰ、ＤＩＰ関節とを備えることを特徴とする請求項２に記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記関節は、円弧状の凹凸を積み重ねることにより形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のロボットハンド。
【請求項６】
人の手指の動作を計測する装置であって、グローブの手掌及び各指に沿って張られたワイヤの先端を、各指について少なくとも前記基節及び末節に固定し、該ワイヤの変位により手指の動作を計測することを特徴とするセンサグローブ。
【請求項７】
前記センサグローブの手掌及び各指の上部に、前記ワイヤが挿通されるチューブを設けたことを特徴とする請求項６に記載のセンサグローブ。
【請求項８】
前記センサグローブに張られた複数の前記ワイヤをまとめてカメラで撮像し、得られた画像から前記ワイヤの変位を検出することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のセンサグローブ。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載のセンサグローブを備えたマスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットハンドと、これを操作するために操作者の手の動作を計測するマスタに係り、特に医療用ロボット、とりわけ、１２ｍｍポートから体内に挿入可能なマスタスレーブ式腹腔鏡手術用１５自由度５本指ロボットハンドとマスタの開発に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の外科手術では，体表に小さな穴を数か所開け，５−１０ｍｍ径のカメラと細長い鉗子を挿入して行う腹腔鏡手術が増えている。開腹するよりも短期間で退院・社会復帰できる等、多くの患者メリットがある一方、医師には高度な技術の習得が求められる。この腹腔鏡手術をより簡単、安全、微細にするため、直観的な操作が可能なマスタスレーブ型の鉗子ロボット（例えば、特許文献１を参照）が普及しており、あたかも鉗子の先端をつまんでいるかのような操作感を実現している。【０００３】
しかし、上述した鉗子ロボットのエンドエフェクタの形状は２本の爪からなる鉗子であるため、患部や針糸のマニピュレーションは鉗子に特化した態様となる。本発明者は、マスタスレーブ系における直観的な操作感を極限まで追求したスレーブの形態は人の手と同一形状であると考え、本発明は、これを腹腔鏡手術用のロボットにおいて検証することを目的としてる。このように、本発明は、腹腔鏡手術で体内に挿入可能な程度に小さく、多自由度を持ち、人の手の形状にできるだけ近いロボットハンドの手指部、および同自由度を検出可能なグローブ式マスタの試作に関する。【０００４】
これまでのロボットハンドの先行研究（例えば、特許文献２〜特許文献５）は、その多くが人の手と同じ大きさである。従来技術にあっても、ミニチュアロボットハンドの研究は存在する（例えば、特許文献６）が、１指あたりせいぜい１自由度が限界であった。本発明では、１指あたりに多自由度をもつ世界最小のマスタスレーブ型ロボットハンドを提供することを目的とする。これによりあたかも腹腔内に両手を突っ込んで手術しているように感じられる手術ロボットが実現することが期待できる。【０００５】
［非特許文献］
【非特許文献１】Ｇ．Ｓ．Ｇｕｒｔｈａｒｔ  ｅｔ  ａｌ．：“Ｔｈｅ  ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ  ｔｅｌｅｓｕｒｇｅｒｙ  ｓｙｓｔｅｍ：ｏｖｅｒｖｉｅｗ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，”Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．６１８−６２１，２０００
【非特許文献２】Ｍ．Ａ．Ｄｉｆｔｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．：″Ｒｏｂｏｎａｕｔ  ２−Ｔｈｅ  ｆｉｒｓｔ  ｈｕｍａｎｏｉｄ  ｒｏｂｏｔ  ｉｎ  ｓｐａｃｅ，″Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏ−ｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．２１７８−２１８３，２０１１
【非特許文献３】Ｋ．Ｋｏｊｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．：“Ｓｅｎｓｏｒ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｇｒａｓｐ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｅｖａｌｕ−ａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｉｎ−Ｈａｎｄ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ，”Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＩＥＥＥ／ＲＳＪ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｒｏｂｏｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｐ．２４７９−２４８４，２０１３
【非特許文献４】Ｍ．Ｓ．Ｊｏｈａｎｎｅｓ  ｅｔ  ａｌ．：″Ａｎ  ｏｖｅｒｖｉｅｗ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｏｄｕｌａｒ  ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ  ｌｉｍｂ．″Ｊｏｈｎｓ  Ｈｏｐｋｉｎｓ  ＡＰＬ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ３０．３，ｐｐ．２０７−２１６，２０１１
【非特許文献５】Ｍ．Ｇｒｅｂｅｎｓｔｅｉｎ  ｅｔ  ａｌ．：″Ｔｈｅ  ＤＬＲ  ｈａｎｄ  ａｒｍ  ｓｙｓｔｅｍ．″Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．３１７５−３１８２，２０１１
【非特許文献６】Ｋ．Ｓｈｉｎｙａ  ｅｔ  ａｌ．：″Ｆｌｕｉｄ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｂｅｎｄｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒ  ｈａｖｉｎｇ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ  ｗｉｔｈ  ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  ｂａｌｌｏｏｎ  ａｃｔｕ−ａｔｏｒ，″Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｐ．６１５−６１８，２００７
【発明の開示】
【０００６】
本発明に係るロボットハンドは、手掌と、該手掌に対して関節により接続された基節と、該基節に対して関節により直接または間接的に接続された末節とを有する複数の指を備えたロボットハンドであって、前記手掌及び各指に沿って張設され、各指について、前記関節によって相互に接続される節を貫通し、該関節のうち末端に位置する節に固定されたワイヤと、このワイヤにテンションを付与することにより前記関節を屈曲させる駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
ここで、本発明に係るロボットハンドは、手掌、拇指、及び該拇指以外の指を備えたロボットハンドであって、前記手掌の面内において前記拇指以外の指が伸びる方向をｘ軸、同面内においてｘ軸と直交する方向をｙ軸、前記手掌の面と直交する方向をｚ軸としたとき、前記手掌に対して、前記拇指は、前記ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸周りの自由度を有する関節を備え、前記拇指以外の指は、前記ｙ軸及びｚ軸周りの自由度を有する関節を備えることが好ましい。さらに、本発明のロボットハンドは、前記拇指は、前記ｘ軸周りの１自由度と前記ｚ軸周りの１自由度をもつＣＭ関節と、該ＣＭ関節に従動し、それぞれが前記ｙ軸周りの１自由度をもつＩＰ関節とＭＰ関節とを備えることを特徴としたり、前記拇指以外の指は、好ましくは４本であり、前記ｙ軸周り及びｚ軸周りの２自由度をもつＭＰ関節と、該ＭＰ関節に従動し、それぞれが少なくとも前記ｙ軸周りの１自由度をもつＰＩＰ、ＤＩＰ関節とを備えることが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明に係るロボットハンドは、前記関節は、円弧状の凹凸を積み重ねることにより形成されていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係るセンサグローブは、人の手指の動作を計測する装置であって、グローブの手掌及び各指に沿って張られたワイヤの先端を、各指について少なくとも前記基節及び末節に固定し、該ワイヤの変位により手指の動作を計測することを特徴とする。ここで、本発明のセンサグローブは、前記センサグローブの手掌及び各指の上部に、前記ワイヤが挿通されるチューブを設けることが好ましく、前記センサグローブに張られた複数の前記ワイヤをまとめてカメラで撮像し、得られた画像から前記ワイヤの変位を検出することがさらに好ましい。
【００１０】
そして、本発明に係るマスタは、上記いずれかのセンサグローブを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、１指あたり多自由度をもつ極小サイズのロボットハンドが実現し、加えて低コストで多自由度のグローブ型センサが実現した。本発明のロボットハンドを用いて、ジェスチャおよび把持形態の再現実験を施行したところ、極少サイズに関わらず、所望の形状、把持が可能であった。
【００１２】
今後引き続き、腕（手首・肘・肩関節）を開発し、本発明に係るロボットハンドとの統合を試みる。あわせて腕用のマスタを開発し、最終的には２本の手と３Ｄカメラを備えた手術システムを目指す。長期的な目的である直観的な操作感の検証については、身体所有感の評価法（Ｊ．Ａｒａｔａ  ｅｔ  ａｌ．：“Ｒｏｂｏｔｉｃａｌｌｙ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒｕｂｂｅｒ  Ｈａｎｄ  Ｉｌｌｕ−ｓｉｏｎ，″ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔ）からのアプローチにより新たな知見を得ることができよう。
【００１３】
腹腔内に挿入可能な高自由度のロボットハンドのアプリケーションとして、例えば手術器具としては、別々の指に電気メス、糸切りはさみ、持針用指先等の機能を割り当てることができる。また、把持形態の自由度が増すことから、センサを付加し触診を試みることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
図１：  スレーブ指の自由度配置を示す図である。
図２：  スレーブ示指の構造を示す分解斜視図である。
図３：  本発明の実施例によるスレーブロボットの全体外観図である。
図４：  本発明の実施例による１５自由度グローブ型マスタを示す図である。
図５：  マスタのワイヤ配線を示す機構概念図である。
図６：  ワイヤ断端のイメージを示すカメラの撮像イメージ図である。
図７：  グローブの具体的構成を示す図であり、図７Ａは平面図、図７Ｂは図７Ａの側面図である。
図８：  本発明の実施例による１５自由度スレーブロボットにより米粒を把持している様子を示す図である。
図９：  マーカの位置の変位からモータに指示するデータの具体的算出方法を示すフロー図である。
図１０（図１０−１〜図１０−３）：  本発明の実施例によるスレーブロボットのジェスチャおよび把持実験を示す図である。図１０−１のＡ〜Ｃはじゃんけんジェスチャ、図１０−１のＤ〜ＥはＭＰ関節とＰＩＰ＋ＤＩＰ関節を独立して動作させている様子、図１０−２のＦは内径１２ｍｍの円筒に挿入している様子、図１０−２のＧ〜Ｊ及び図１０−３のＫ及びＬはＳｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒの把持６形態を実現している様子、図１０−３のＭ〜Ｏは指の背後にある糸を引っ掛けて手繰り寄せる動作をそれぞれ示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る医療用ロボットの好適な実施例について、操作者の動きに合わせて操作される機構であるスレーブとなるロボットハンド１と、このロボットハンド１の操作を制御するマスタ３とに分けて詳述する。本発明のロボットハンド及びその動作を計測するは、上記実施例のものに限定されず、また、医療用ロボットのロボットハンドに係るものに限定されない。【００１６】
腹腔鏡手術では、体表にトロッカーと呼ばれるパイプが設置され、ここが鉗子の出入り口となる。本出願時におけるトロッカーの一般的なサイズは、最大内径が１２ｍｍである。そこで、本実施例においては、スレーブとなるロボットハンドのサイズ要求仕様として、断面が１２ｍｍ径の円に収まることとした。そして、本実施例のロボットハンドは、人の手の形状・動作にできるだけ似せるため、５本指を備えることとした。図１、２に本発明に係るスレーブロボットの外観、図３にマスタ（制御手段）の外観を示す。【００１７】
＝スレーブ＝
実際の人の片手の中には多数の自由度が存在するが、これを全部実現するのは困難であるため、本実施例のスレーブとなるロボットハンド１は、最低限の自由度を配置することとした。中期的には術中に発生する複雑な作業の代表である糸結びを目標としているため、本実施例では、図１に示されるように、例えば、各指の先端を３次元空間内で任意の位置に位置決め可能な自由度である各指能動３自由度、計１５自由度を持たせることとした。自由度配置の実施例を図１に示す。拇指１ＡはＣＭ関節のｘ軸周り（内転）とｚ軸周りに１自由度ずつ、ＩＰ関節とＭＰ関節を従動とし各１自由度配置し、計４自由度、能動３自由度とした。示指〜小指の４本１Ｂ〜１Ｅは、ＭＰ関節にてｙ、ｚ２軸の屈曲が可能なヒンジを設け能動２自由度、ＰＩＰ、ＤＩＰ関節は従動とし各１自由度配置し、同じく計４自由度、能動３自由度とした。【００１８】
本実施例では、指の径が２．３ｍｍと微小であるため複雑な機構を搭載できない。またアクチュエータを遠位に配置するため、図２に示されるように、ワイヤＷによる駆動を採用するとともに、関節に用いるヒンジは円弧状の凹凸を積み重ねる形状とした。すなわち、本実施例では、図２に示指を例として示されるように、ＭＰ関節、ＰＩＰ関節及びＤＩＰ関節は、当該関節によって相互に連結される節の一方（末節側の手掌側に位置するヒンジ面）にｙ方向に延びる凹溝１ａが形成され、他方（手掌側の末節側に位置するヒンジ面）に凹溝１ａと係合する凸部１ｂが形成されている。また、ワイヤＷの一端部Ｗａは末節に固定され、ワイヤＷの他端部は図３に示されるように、それぞれが独立して設けられたモータＭに連結されている。このようにすることによって、モータＭを駆動することによって、ワイヤＷにテンションを加えることにより回転中心にピンを設けなくとも、ヒンジが構成できる。図２は説明のため各リンクを離して図示してある。【００１９】
ＭＰ関節はヒンジ面のうち一方をさらにｚ軸周りの円弧状とすることで、ｙ、ｚ軸の２自由度を持っている。図２に示される同じ線種のワイヤＷは一対の拮抗駆動をなす。図２中、破線及び実線で示す２組のワイヤによりＰＩＰ、ＤＩＰ関節の曲げとＭＰ関節のｚ軸周りの２自由度を駆動し、一点鎖線で示すワイヤによりＭＰ関節のｙ軸周りの１自由度を駆動する。なお、拇指の内転機構１軸のみは、ピンでヒンジを構成し、ワイヤは手掌の表裏に設けた穴を経由させて直角に方向変換させた。拇指先端２自由度のワイヤ牽引力を内転用ヒンジで支えると、ピンヒンジの剛性が足りないため、この２自由度の駆動ワイヤのみ蛇管ワイヤ方式とし、コイルチューブで内転用ヒンジとモータユニットを接続している。素材は切削加工の容易さから金属ではなく樹脂（ＰＥＥＫ）を用いた。ワイヤは細径であって、非常に小さな半径で曲げられ、かつ伸びが少なく、さらに摩擦が小さい必要がある。金属ロープは伸びが少ない一方、指の屈曲半径になじまない。このため、本実施例では、釣り糸等に使用される高強度の合成繊維を用いた。【００２０】
以上の設計手法により、例えば１２ｍｍの円筒に収まるサイズの全２０自由度、能動１５自由度のロボットハンドの試作に成功した。【００２１】
＝マスタ＝
手指の動作を多自由度で計測する手袋型のセンサはデータグローブと呼ばれ、多数が市販されている（例えば、Ｄ．Ｌａｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．：″Ａ  ｓｕｒｖｅｙ  ｏｆ  ｇｌｏｖｅ−ｂａｓｅｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．″ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍａｎ，ａｎｄ  Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，Ｐａｒｔ  Ｃ，ｖｏｌ．３８，ｎｏ．４，ｐｐ．４６１−４８２，２００８を参照）。従来のデータグローブには、屈曲すると側面より光が漏れる光ファイバを各関節に配置して光量の減少を計測するもの、屈曲により抵抗値の変化する半導体圧力センサを用いるものなどがあるが、本発明の実施に必要な１指あたり多自由度のセンシングが可能なものは非常に高価である。また半導体圧力センサでは例えば指を屈曲させているのか逸らせているのかは判別できない。ほかに、２眼赤外線カメラにより手の立体情報を取得する安価な手指用のモーションキャプチャが市販されているが、オクルージョンの問題が解決できない。そこで、本発明のロボットハンドに用いて好適な各指３自由度、計１５自由度をもつ高精度、低コストのデータグローブを新たに開発した。【００２２】
基本原理はこれまでに存在するデータグローブとは異なり、図４に示されるように、手袋５上の指の各リンク間にワイヤＷとチューブＴを張り、関節の屈曲によるワイヤＷのチューブＴに対する変位を計測するものである。図５に例として示指の構成を示した。ワイヤＷ▲２▼（破線図示）は末節に断端が固定され、中節、基節に固定されたガイド用のパイプ（ハッチングを付した）を通る。ワイヤＷ▲１▼（一点鎖線図示）の断端は基節に固定される。これらのワイヤはそれぞれ手掌の甲に固定された柔軟チューブに入り、柔軟チューブの反対端から突出する。この突出の変位を計測することで、関節の角度が求まる。ワイヤＷ▲２▼の変位はＤＩＰ、ＰＩＰ、ＭＰ関節の３つの合計角度に依存する。ワイヤＷ▲１▼はＭＰ間接の角度のみに依存するため、ＭＰの角度が求まり、ワイヤＷ▲２▼の変位からワイヤＷ▲１▼の変位を減じることで、ＤＩＰ、ＰＩＰ関節の合計角を分離できる。ワイヤＷ▲３▼（実線図示）は基節の側面に固定される。ＭＰ関節のｚ軸周りの角度はワイヤＷ▲１▼、Ｗ▲３▼の変位の差から求まり、この差は同関節のｙ軸周りの角度に寄らず一定である。中指、薬指、小指のワイヤ配置は示指に同様である。拇指は内転の動きを計測するために手掌から拇指方向に梁を伸ばし、柔軟チューブ断端を固定している。拇指の３軸のワイヤは、互いに干渉の最も小さくなる配置とした。【００２３】
本実施例では、ワイヤに超弾性と呼ばれるＮｉ−Ｔｉ合金線を用いた。糸やロープのように曲げ剛性の低いものは基端（手首）側で牽引しないと圧縮時に座屈してしまうが、Ｎｉ−Ｔｉ剛金線は適度な剛性により座屈せずにチューブＴからの引き出し・押し戻しが可能であった。また、本実施例では、チューブＴに摩擦の少ない柔軟なＰＴＦＥを用いた。手袋５はワイヤＷ等を損傷しないよう伸びが少ない皮製が好ましく、かつ手の表面形状を反映するよう薄いものが良い。本実施例では、野球の皮製バッティンググローブを採用した。【００２４】
１５本のワイヤＷの変位の計測方法には、プーリ式のエンコーダや直線状の可変抵抗などが考えられるが、摩擦抵抗を極力排除すること、コストを抑えることを要求仕様とし、カメラでまとめて計測することとした。図６に示されるように、柔軟チューブＴから出たワイヤＷの両端をチューブＴで拘束し、ワイヤの１点に色を付けることで、１５本ワイヤＷの直線上を点が移動する画像が得られ、これをカメラでまとめて撮影することによりワイヤの変位が得られる。この利点は、ワイヤの本数が増えてもコストが変わらないこと、さらに全ての構成品が入手・加工容易であり、試作改良が実験室レベルですぐにできることである。本実施例では、カメラの仕様は６０ｆｐｓ、魚眼レンズ、ＵＳＢ２．０接続でＰＣへの取り込み画像サイズ６４０ｘ４８０である。画像処理はひずみ補正、２値化の後、ワイヤ毎のＲＯＩ内でマーカの右端を検出する。ワイヤ１本あたり撮像面上１０ピクセル幅を割り当てて誤検知を経験しなかった。よって少なくとも４８本まではワイヤの同時計測が可能である。画像の取込みによるレイテンシ、画像処理のフレームレート等による時間遅れの合計は最大時に１９０ｍｓであった。マスタのコストの殆どはカメラのコストであり、安価な多自由度データグローブが実現した。【００２５】
以下、グローブの具体的構成について述べる。図７（図７Ａは平面図、図７Ｂは図７Ａの側面図である。）を参照してグローブ５の構成を説明する。ワイヤＷは末節のワイヤ端固定部１にてグローブ５に固定され、ガイドチューブＴに挿通される。ガイドチューブＴはグローブ５に固定される。ワイヤＷ１の反対側の端は手首付近で束ねられたガイドチューブＴから突出し、変位検出部へと延びる。人差し指の場合、ワイヤＷの端は末節に固定され、ＤＩＰ関節、ＰＩＰ関節、ＭＰ関節の折り曲げ角度の合計によりワイヤ長が変化する。ワイヤＷ６の端は基節の甲側に固定され、ＭＰ関節の折り曲げ角度のみよりワイヤ長が変化する。ワイヤＷ５、Ｗ６の長さの差よりＤＩＰ関節、ＰＩＰ関節の折り曲げ角度の合計が求まる。ワイヤＷ４の端は基節の、ワイヤＷ６の端から離れた場所に固定される。ＭＰ関節の折り曲げ角度によりワイヤＷ４，Ｗ６の長さは同じ変化をする一方、同関節の左右方向への曲げによりワイヤＷ４、Ｗ６は逆向きに長さが変化するため、ワイヤＷ４、Ｗ６の長さの差により指の左右への曲げ角度が求まる。人差し指から小指までの４指のワイヤ配置は人差し指と同様である。親指の場合、ワイヤＷ１は末節に固定され、ＩＰ関節とＭＰ関節の合計の曲げ角度によりワイヤ長が変化する。親指の開き角は、中手骨上に端が固定されたワイヤＷ３の長さにより求まる。ワイヤＷ２を除く１４本のワイヤＷ及び対応するチューブＴは全て手の甲側表面内に配置される。ワイヤＷ２は親指の内転角を測るため、図７Ｂに示すように、手の甲に固定された梁により手の甲面から離れた場所に固定されたチューブＴから突出して中手骨に固定される。【００２６】
次いで、マーカの位置の変位からモータに指示するデータの具体的算出方法について述べる。図７ＡにおけるワイヤＷ１〜Ｗ１５にそれぞれ付けられたマーカの位置をカメラで撮像し、基準点（手をじゃんけんのパーの状態にしたときのマーカ位置）からの変位を画像処理により求める。この変位をｘ１〜ｘ１５とする。それぞれの関節角度は下記のように求まる。
人差し指のＭＰ関節の折り曲げ角・・・ｋ６・ｘ６
人差し指のＤＩＰ関節とＰＩＰ関節の折り曲げ角の合計・・・ｋ５・（ｘ５−ｘ６）
人差し指のＭＰ関節の左右曲げ角・・・ｋ４・（ｘ６−ｘ４）
中指から小指は人差し指に同様
親指の内転角・・・ｋ２・ｘ２
親指のＩＰ関節とＭＰ関節の折り曲げ角の合計・・・ｋ１・ｘ１
親指の開き角・・・ｋ３・ｘ３
ｋ１〜１５はワイヤ長さ変位から関節角度への変換係数
ロボットハンドを操作する場合は、上記により検出したグローブの１５関節の角度から、ロボットの関節への変換を行い、各モータへの指令値を求めることができる。以上の全体の処理の流れを図８にフローで示す。【００２７】
＝性能評価＝
本マスタ、スレーブを用いた全体のシステムを構築し、各種のジェスチャおよび各種の把持形態を実現する実験を行った。実験の様子を図９及び１０に示す。図９は、本発明に係るロボットハンド１が米粒を把持している様子を示している。図１０Ａ〜Ｃはじゃんけんジェスチャ、図１０Ｄ〜Ｅは示指のＭＰ関節とＰＩＰ＋ＤＩＰ関節を独立して動作させることが可能であることを示している。図１０Ｆは内径１２ｍｍの腹腔鏡手術用ポートの内部を通過可能であることを示している。図１０Ｇ〜Ｌはハンドの評価でしばしば用いられるＳｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒの把持６形態の全て（順にＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｇｒａｓｐ，Ｔｉｐ，Ｈｏｏｋ，Ｐａｌｍａｒ，Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｇｒａｓｐ，Ｌａｔｅｒａｌ）を実現している様子である。最後に、外科結紮の動作には手掌を動かさずに指だけで糸を引っ掛ける動作が頻繁に現れるが、図１０Ｍ〜Ｏは指の背後にある糸を引っ掛けて手繰り寄せる動作が可能であることを検証した様子である。【００２８】
産業上の利用可能性
本発明は、ロボットハンドと、これを操作するために操作者の手の動作を計測するマスタに係り、特に医療用ロボット、とりわけ、１２ｍｍポートから体内に挿入可能なマスタスレーブ式腹腔鏡手術用１５自由度５本指ロボットハンドとマスタの開発に関する。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１０−３】
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【国際調査報告】
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