(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ（１２）を有する少なくとも１つの第１の駆動モジュール（１８）と、
前記駆動モジュール（１８）により一軸線（１６）周りに回転駆動される第１の車（３２）と、
を備える駆動ユニット（８）であって、
前記駆動モジュール（１８）は、磁石環（２２）を有し、前記磁石環（２２）は、前記第１の車（３２）を包囲し、前記第１の車（３２）と磁気的に力を伝達する結合状態にあり、かつ前記モータ（１２）と機械的に力を伝達する結合状態にあり、
前記軸線（１６）に関して同軸に配置される少なくとも１つの第２の駆動モジュール（１８）を備え、前記第２の駆動モジュール（１８）は、別のモータ（１３）により回転駆動される別の磁石環（２３）を有し、前記別の磁石環（２３）は、第２の車（３３）を包囲し、
前記磁石環（２２，２３）により包囲される複数の前記車（３２，３３）は、互いに結合されて１つの構成群を形成しており、前記構成群は、前記磁石環（２２，２３）内に取り外し可能に収容されており、
前記構成群は、２つの当接要素（４５，４６）を有し、前記当接要素（４５，４６）間に前記第１の車（３２）および前記第２の車（３３）が配置されており、前記当接要素（４５，４６）は、前記磁石環（２２，２３）を収容するハウジング（１５）に半径方向で固定されている
ことを特徴とする、駆動ユニット（８）。
【請求項２】
複数の永久磁石（２５）が、前記第１の車（３２）又は前記磁石環（２２）の周囲に分配されている、請求項１に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項３】
前記機械的に力を伝達する結合は、伝動機構（２６）、特にウォーム伝動機構を有する、請求項１又は２に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項４】
前記第１の車（３２）は、前記第２の車（３３）を貫いて延在するシャフト（４２）と機械的に力を伝達する結合状態にある、請求項１から３までのいずれか１項に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項５】
前記第１の車（３２）と前記シャフト（４２）の結合は、形状結合式に相対回動不能かつ軸方向可動である、請求項４に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項６】
前記シャフト（４２）と前記車のうちの１つの車（３３）の結合は、ねじ山結合である、請求項４又は５に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項７】
複数の前記駆動モジュール（１８）が、前記軸線（１６）に沿ってずらされて配置されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項８】
複数の前記駆動モジュール（１８）は、磁石環（２２，２３）と車（３２，３３）との間にそれぞれ１つの中間室を有し、複数の前記駆動モジュール（１８）の前記中間室は、軸方向で互いに一直線に並んでいる、請求項７に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項９】
前記中間室を通して延在する、菌を通さないバリア（５９）を備える、請求項８に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項１０】
前記駆動モジュール（１８）は、１つずつキャリアセグメント（２０）を有し、前記キャリアセグメント（２０）内には、前記駆動モジュール（１８）の前記磁石環（２２，２３）が、少なくとも１つの転がり軸受（２９）により保持されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項１１】
前記磁石環（２２，２３）は、リングギヤ（２８）を支持しており、前記リングギヤ（２８）の外径は、前記転がり軸受（２９）の外径より大きい、請求項１０に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項１２】
複数の駆動モジュール（１８）の前記キャリアセグメント（２０）は、互いに差し込み結合されている、請求項１０又は１１に記載の駆動ユニット（８）。
【請求項１３】
複数の前記車（３２，３３）は、互いに転がり軸受（４７）により回転可能かつ軸方向不動に結合されている、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の駆動ユニット（８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ツールを着脱自在に連結するとともに、ツールを駆動する、磁気式のインターフェースを備える駆動ユニットに関する。
【０００２】
特許出願：国際公開第２００７／０７５８６４号は、外科用器具を外科用ロボットに駆動可能に連結し得る機械式のインターフェースを開示している。このインターフェースは、器具側に４つの回転可能な回転体を有している。これらの回転体は、ロボット側に相補的に形成される４つの回転可能な回転体に形状結合（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：形状による束縛）を介して結合可能である。ロボット側の回転体は、ロボット内に統合された駆動ユニットにより駆動可能である。形状結合により、ロボット側の回転体のそれぞれから、トルクが、それぞれの器具側の回転体に伝達可能である。
【０００３】
しかし、ロボットに器具を連結する際、それぞれ対応する回転体が互いに整合していて、ねじれていないことに注意する必要がある。さもなければ、器具の連結は、阻害されてしまう。それゆえ、すべての回転体の相互の位置合わせは、ユーザが手動で実施しなければならないか、又は回転体を自動的に位置合わせする付加的な機構を用意しなければならない。
【０００４】
これにより、本発明の根底にある課題は、形状結合により結合すべき物体の相互の位置合わせが省略されている、ツールを連結する単純化されたインターフェースを備える駆動ユニットを提供することである。
【０００５】
上記課題は、モータを有する少なくとも１つの第１の駆動モジュールと、駆動モジュールにより一軸線周りに回転駆動される第１の車と、を備える駆動ユニットであって、駆動モジュールは、磁石環を有し、磁石環は、第１の車を包囲し、第１の車と磁気的に力を伝達する結合状態にあり、かつモータと機械的に力を伝達する結合状態にある、駆動ユニットにより解決される。
【０００６】
モータとして、好ましくは電気モータが選択される。モータは、機械的に力を伝達する結合を介して磁石環を駆動する。機械的に力を伝達する結合の場合、モータの駆動力あるいはトルクは、結合部の２つの構成部材の機械的な接触により伝達される。機械的に力を伝達する結合として、モータの駆動力あるいはトルクを磁石環に伝達し、磁石環を一軸線周りに回転させる形状結合（例えば歯車伝動機構）及び摩擦結合（ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：摩擦力による束縛、例えばベルト伝動機構）が選択され得る。
【０００７】
他方、磁気的に力を伝達する結合は、非接触にトルクを磁石環から、磁石環により包囲される第１の車に伝達する。第１の車も、前記軸線周りに回転可能に支持されているので、磁気的な相互作用に基づいて、回転する磁石環により連れ動かされ、したがって回転駆動される。したがって、第１の車への駆動力の伝達は、形状結合なしに可能である。
【０００８】
磁石環が車と磁気的な相互作用を働かせることができるように、磁石環の内周部には、複数の永久磁石が装着されている。これらの永久磁石は、車と磁力結合を形成する。反対に、車の外周部に複数の永久磁石が分配され、これらの永久磁石が磁石環と磁力結合を形成するようにしてもよい。永久磁石は、有利には、永久磁石が装着された車あるいは磁石環に対応する構成部材の周囲に分配された強磁性体を磁化する。
【０００９】
真ん中にある１つの磁石に対して両隣の磁石は、車の周囲において循環する複数の磁界を得るために、有利には、真ん中の磁石とは逆の極性を有している。
【００１０】
モータと磁石環との間に生じる機械的に力を伝達する結合は、有利には、伝動機構を有している。伝動機構は、特にウォーム伝動機構として形成されている。ウォーム伝動機構は、高い減速比を可能にする。ウォーム伝動機構の場合、モータによりウォームが駆動されることができ、ウォームは、磁石環の外周部に存在する歯列と噛み合う。
【００１１】
駆動ユニットは、少なくとも２つの駆動モジュールを有し、駆動モジュールは、モータにより一軸線周りに回転駆動されるそれぞれ１つの磁石環を有していてもよい。これらの駆動モジュールは、その軸線でもって互いに同軸に配置され得る。少なくとも第２の駆動モジュールの磁石環は、第２の車を包囲し、第２の車を駆動すべく、第２の車と磁気的に力を伝達する結合状態にあることができる。
【００１２】
好ましくは、これらの駆動モジュールは、互いに同一構造とされており、これにより、安価な製造のために、同一部材の数を増やすことができる。
【００１３】
駆動モジュールにより駆動される車は、他方、別の構成部材を駆動するために使用され得る。例えば第１の車は、シャフトに結合されていることができる。駆動ユニットが、第２の駆動モジュールにより駆動され得る少なくとも１つの第２の車を有している場合、シャフトは、第２の車を貫いて延在することができる。
【００１４】
第２の車は、シャフトスリーブに結合されていることができ、シャフトスリーブは、シャフトを包囲し、シャフトの周りに可動に支持されている。こうして、第１及び第２の車の駆動力は、駆動ユニットの単一の被動側よりアクセス可能かつ取り出し可能である。すなわち、駆動ユニットは、１つの出力部しか必要としない。この出力部を介して両車の駆動力は、駆動ユニットから導出可能である。
【００１５】
シャフトを第１の車に結合するのに、原則、様々な結合が選択可能である。第１の可能性は、車とのシャフトの結合を形状結合により相対回動不能かつ軸方向可動に、例えばキー溝結合（Ｆｅｄｅｒ−Ｎｕｔ−Ｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇ）により形成することにある。而して、車からシャフトにトルクが伝達可能であり、しかも、シャフトは、車に対して相対的に軸方向で自由に可動である。
【００１６】
第２の可能性は、車とのシャフトの結合をねじ機構（Ｓｃｈｒａｕｂｇｅｗｉｎｄｅ）として形成することにある。これにより、車の回転運動は、シャフトの軸方向の調節運動に変換可能である。
【００１７】
第３の可能性は、第１及び第２の可能性を互いに組み合わせ、駆動ユニットが、それぞれ１つの車を駆動する２つの駆動モジュールを有し、シャフトが、両車のうちの一方の車に相対回動不能かつ軸方向可動に結合され、他方の車にねじ機構により結合されているようにすることにある。これによりシャフトは、一方の車により回転調節可能であり、他方の車により軸方向調節可能である。
【００１８】
１つの駆動ユニット内に複数の駆動モジュールが組み付けられている場合、コンパクトな配置を達成すべく、これらの駆動モジュールは、１つの共通の軸線に沿ってずらされて配置されてもよい。
【００１９】
磁石環と、磁石環により包囲される車とは、好ましくは、空隙あるいは中間室を有しており、空隙あるいは中間室を介して磁力が伝達され得る。複数の駆動モジュールがずらされて配置されている場合、個々の駆動モジュールの中間室は、好ましくは、軸方向で互いに一直線に並んでいるように設計されている。このために、複数の車の外径は、相互に、かつ複数の磁石環の内径は、相互に、例えばそれぞれ同じ大きさに設計され得る。
【００２０】
中間室を通して、例えばスリーブの形態の、菌を通さないバリア（ｋｅｉｍｄｉｃｈｔｅ  Ｂａｒｒｉｅｒｅ）が延在していてもよい。スリーブは、好ましくは、磁化不能な材料から製造されており、これにより、磁石環又は車と磁気的な結合を生じないようになっている。しかし、スリーブは、磁石環と車との間の磁気的に力を伝達する結合を許容する。
【００２１】
菌を通さない特性は、滅菌状態を保たなければならない作業室を汚染から保護する機能を果たす。而してこの駆動ユニットは、例えばＯＰ室内で外科用のツールを駆動するために使用可能である。
【００２２】
各駆動モジュールは、好ましくは、１つずつキャリアセグメントを有し、キャリアセグメント内には、駆動モジュールの磁石環が、少なくとも１つの転がり軸受により保持されている。キャリアセグメントは、駆動ユニットのハウジングに堅固に結合されていることができる。而して磁石環は、駆動ユニットのハウジングに対して前記軸線周りに回転可能に支持され得る。
【００２３】
単数又は複数の磁石環は、好ましくは、リングギヤを支持しており、リングギヤの外径は、転がり軸受の外径より大きい。而して、すなわち、例えばウォーム伝動機構として形成される機械的に力を伝達する結合のウォームは、磁石環の外周部に配置されることができ、磁石環のリングギヤと噛み合うことができる。加えて大きなリングギヤは、伝動機構の高い減速比を実現する。
【００２４】
複数の駆動モジュールのキャリアセグメントは、互いに差し込み結合されていてもよい。この種の差し込み結合は、組み立てを容易にし、すべての駆動モジュールが、駆動ユニットのハウジングに対して固定されて結合されることを可能にする。
【００２５】
磁石環により包囲される複数の車は、互いに結合されて１つの構成群を形成しており、構成群は、磁石環内に取り外し可能に収容されていてもよい。構成群は、例えば、回転可能な車が、特定のツール機能の制御、例えば、ツールに存在するエンドエフェクタの操作のための制御駆動部として利用される、ツールの操作ユニットであり得る。
【００２６】
車と対応する磁石環との間の磁気的に力を伝達する結合は、磁石環に対する車の位置合わせに注意する必要なく、構成群が磁石環に出し入れされ得るので、構成群あるいはツールの簡単な交換を可能にする。すなわち、形状結合とは異なり、力を伝達する要素、つまり、ここでは車及び磁石環の、相互の位置合わせは、不要である。
【００２７】
複数の車は、互いに、好ましくは転がり軸受により回転可能かつ軸方向不動に結合されている。このことは、特に１つの構成群を形成するために、複数の車を磁石環と同様にずらして配置し、１つの共通の長手方向軸線周りに互いに回転可能に配置する、簡単な構造を実現する。
【００２８】
構成群は、２つの当接要素を有し、当接要素間に車が配置されており、当接要素は、磁石環を収容するハウジングに半径方向で固定されている。これらの当接要素は、円錐形に形成され、対応するようにハウジング内に形成された当接面に支持され得る。これにより、構成群の複数の車は、磁石環の共通の軸線に関して同軸にハウジング内で支持されており、その周囲に一定の空隙を、対応する磁石環に対して維持する。
【００２９】
本発明のさらなる特徴及び利点は、添付図を参照しながら行う以下の実施例の説明から看取可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】器具が装着されたロボットを示す図である。
【図２】器具が導入された状態の駆動ユニットの断面図である。
【図３】器具なしの駆動ユニットの断面図である。
【図４】器具を示す図である。
【図５】駆動ユニットの駆動モジュールの断面図である。
【図６】器具の近位の端部に設けられた操作ユニットの断面図である。
【図７】揺動機構とエンドエフェクタとを有する器具の遠位の端部を伸展位置で示す図である。
【図８】図７に示した器具の遠位の端部を屈曲位置で示す図である。
【図９】器具の遠位の端部の断面図である。
【図１０】器具の操作可能性の一覧表である。
【図１１】エンドエフェクタのグリッパが開放位置にある器具の遠位の端部を示す図である。
【図１２】エンドエフェクタが揺動機構に対して回動した器具の遠位の端部を示す図である。
【図１３】器具の長手方向軸線周りに回転した遠位の端部を示す図である。
【図１４】第２の形態の揺動機構を有する遠位の端部を示す図である。
【図１５】第３の形態の揺動機構を有する遠位の端部を示す図である。
【図１６】第４の形態の揺動機構を有する遠位の端部を示す図である。
【００３１】
図１は、ロボット１０と、ロボット１０に連結された器具３０とを示している。ロボット１０は、ロボット１０を任意の対象物に取り付けるために用いられる取り付け要素１を有している。取り付け要素１には、継手２が接続している。継手２は、アーム要素５を取り付け要素１に回転可能に結合している。アーム要素５には、継手３を介して第２のアーム要素６が回転可能に結合されている。アーム要素６には、別の継手４を介して入力装置７が接続している。入力装置７は、ユーザによるロボット１０及び／又は器具３０の制御を可能にする。
【００３２】
３つの継手２，３及び４の各々は、互いに垂直な２つの回転軸線を有しているので、各継手の両接続側にて、回転運動が可能である。これによりロボット１０は、６自由度で可動である。ロボット１０の相応の制御のために、入力装置７は、好ましくは、同様に６自由度で手動式に可動なキャップを有している。この種のロボット制御のより詳細な説明は、本件出願時には未公開の、本件出願人の特許出願：ＤＥ１０２０１３０１９８６９号に看取可能である。
【００３３】
ロボット１０の遠位の端部は、駆動ユニット８により形成されている。駆動ユニット８は、フランジ９を介して堅固に入力装置７に結合されている。器具３０は、交換可能に駆動ユニット８に連結され、駆動ユニット８により駆動あるいは操作され得る。
【００３４】
図２は、器具３０が導入された状態の駆動ユニット８を断面図で示しており、図３は、器具なしの駆動ユニット８を断面図で示しており、図４は、駆動ユニット８から取り外した器具３０を示している。
【００３５】
器具３０は、操作ユニット１９を有している。操作ユニット１９は、４つの車３１，３２，３３及び３４と、左外の車３１の左横に隣接するベース要素４６と、右外の車３４の右横に隣接する当接要素４５とを有している。車３１，３２，３３及び３４は、互いに対してかつベース要素４６及び当接要素４５に対して回転可能であり、これにより、揺動機構７９によりシャフトスリーブ４４に結合されたエンドエフェクタ６０を駆動することができる。ベース要素４６及び当接要素４５は、円錐形にエンドエフェクタ６０に向かって先細りするように成形されている。
【００３６】
駆動ユニット８は、ハウジング１５を有している。ハウジング１５は、フランジ９に堅固に結合されている。駆動ユニット８は、軸線１６に沿って連続して中空であるので、器具３０を駆動ユニット８に連結すべく、器具３０は、一方の側より駆動ユニット８内に軸線１６に沿って導入可能である。
【００３７】
当接要素４５は、器具３０の連結状態において、駆動ユニット８のハウジング１５内に対応するように形成されたストッパ３９に当接している。ストッパ３９は、ばねを介してハウジング１５内に弾性支持されており、プリロード力を器具３０に対して及ぼす。
【００３８】
ハウジング１５には、ストッパ３９とは反対側に、別のストッパ４０が設けられている。ストッパ４０には、器具３０のベース要素４６が、連結状態において当接する。ストッパ４０も同様に、好ましくは、ベース要素４６に対応するように円錐形に形成されている。
【００３９】
ストッパ３９及び４０は、器具３０が軸方向で抜け落ちることを防止する。両ストッパ３９及び４０並びに器具３０の当接要素４５及びベース要素４６に、それぞれ円錐形の形状を付与したことで、軸方向及び軸線１６を中心とする半径方向での、確定的に規定される器具３０の差し込み位置が定まる。これにより、図２に示すように、駆動ユニット８を通る軸線１６に関して同軸の、器具３０を通る長手方向軸線３８の方向付けが達成され得る。
【００４０】
ハウジング１５には、好ましくは、保持要素５８が存在している。保持要素５８は、器具３０をハウジング１５に着脱自在に固定する。これにより、連結状態において、ハウジング１５に対するベース要素４６の回動又は駆動ユニット８内での軸線１６に沿った軸方向の滑動を防止することができる。保持要素５８は、磁石を有し、この磁石が、強磁性材料からなるベース要素４６に保持力を働かせるようにしてもよい。
【００４１】
駆動ユニット８内には、４つの同種の駆動モジュール１８が組み付けられている。第１の駆動モジュールは、モータ１１により駆動される磁石環２１を有し、第２の駆動モジュールは、モータ１２により駆動される磁石環２２を有し、第３の駆動モジュールは、モータ１３により駆動される磁石環２３を有し、第４の駆動モジュールは、モータ１４により駆動される磁石環２４を有している。磁石環は、それぞれ、磁石２５が装着された中空円筒状の内側の部分と、内側の部分から半径方向に突出したリングギヤ２８の形態の外側の部分とを有している。全４つの磁石環２１，２２，２３及び２４は、ハウジング１５内にそれぞれ少なくとも１つの転がり軸受２９、本実施の形態では外側の部分の両側に設けられた２つの転がり軸受２９により支持されている。
【００４２】
図５には、全４つの駆動モジュール１８のうち、第２の駆動モジュール１８を例にとり、その構造及び機能形式を示してある。駆動モジュール１８は、安定したキャリアセグメント２０を有している。モータ１２は、堅固にキャリアセグメント２０に結合されており、伝動機構２６を駆動する。
【００４３】
伝動機構２６は、本実施の形態では、ウォーム伝動機構として形成されており、ウォーム２７を有している。ウォーム２７は、リングギヤ２８と噛み合う。ウォーム２７は、キャリアセグメント２０に対して軸受１７により回転可能に支持されており、モータ１２により発生されたトルクを磁石環２２に伝達し、これにより、磁石環２２を軸線１６周りに回転駆動することができる。これにより磁石環２２は、ウォームホイールとして機能し、モータ１２と、機械的に力を伝達する結合状態にある。
【００４４】
図３に看取できるように、個々の駆動モジュール１８は、それぞれのキャリアセグメント２０を介して互いに差し込み結合されている。差し込み結合は、各キャリアセグメント２０が、各キャリアセグメント２０の図３で見て右側に凸部を有し、凸部が、右隣のキャリアセグメント２０の相補的な凹部に係合することでなされており、その結果、リングギヤ２８の側面は、左右で異なるキャリアセグメント２０により覆われている。差し込み結合は、一方では、モジュール状の構造と、キャリアセグメント２０相互の確定的な方向付けとを可能にする。他方、キャリアセグメント２０は、駆動ユニット８のハウジング１５への取り付けに用いられ、ハウジング１５に例えばねじ止めされているか、又は同じく差し込み結合されていることができる。
【００４５】
４つの駆動モジュール１８は、隣り合うように配置されており、かつ互いに同軸に方向付けられている。その結果、各磁石環２１，２２，２３及び２４は、共通の軸線１６周りに回転可能である。４つの駆動モジュール１８のモータは、個別に制御可能であり、その結果、磁石環２１，２２，２３及び２４は、互いに独立的に回転可能である。
【００４６】
磁石環２１，２２，２３，２４が回転すると、それぞれの磁石環に取り付けられた磁石２５が連れ回る。磁石２５として、好ましくは、永久磁石が設けられている。択一的には、電磁石が設けられていてもよい。
【００４７】
器具３０の操作ユニット１９の４つの車３１，３２，３３，３４は、それぞれ、器具３０の長手方向軸線３８周りに同心に配置されており、器具３０が駆動ユニット８に連結されると、それぞれ１つの磁石環２１，２２，２３，２４により包囲される。すなわち、車３１の周りに磁石環２１が同心に配置され、車３２の周りに磁石環２２が同心に配置され、以下同様に配置される（図２及び４参照）。
【００４８】
各車３１，３２，３３，３４は、周囲に、複数の強磁性体３６の形態の、駆動力を伝達する構造を有している。強磁性体３６は、磁石２５と磁力結合を生じる。それゆえ、モータにより駆動される磁石環２１，２２，２３及び２４は、一方では、器具３０を駆動ユニット８に着脱自在に連結するために用いられ、他方では、トルクを、器具３０の操作ユニット１９の、それぞれの磁石環２１，２２，２３及び２４に対応する車３１，３２，３３及び３４に伝達するために用いられる。すなわち、各磁石環２１，２２，２３，２４は、対応する車３１，３２，３３，３４と、磁気的に力を伝達する結合状態にある。
【００４９】
図６は、器具３０の操作ユニット１９を断面図で示している。４つの車３１，３２，３３，３４の各２つは、それぞれ１つの転がり軸受４７を介して互いに長手方向軸線３８周りに回転可能に結合されており、かつ隣り合うように決まった間隔を置いて配置されている。左外の車３１は、ベース要素４６の外部にプレスばめされた軸受４７により回転可能にベース要素４６に支持されている。右外の車３４は、当接要素４５の内部にプレスばめされた軸受４７により当接要素４５に支持されている。
【００５０】
２つの車３１，３２，３３，３４間に配置される軸受４７の場合、軸受４７の外レースが、一方の車３１，３２，３３，３４の内部にプレスばめされており、軸受４７の内レースが、他方の車３１，３２，３３，３４の外部にプレスばめされている。
【００５１】
それぞれ、車３１，３２，３３，３４の両側に配置される軸受４７は、軸受４７に結合される構成要素の、軸方向での一体保持を提供する。
【００５２】
図６に示すように、強磁性体３６は、軸方向で軸受４７にオーバラップしていることができ、これにより、車の周囲に提供される面積を最適に利用することができる。
【００５３】
左側の車３１に隣接する車３２は、相対回動不能に第１のシャフト４２に結合されている。この相対回動不能な結合は、キー溝結合として、第１のシャフト４２に結合されるキー５５と、車３２内に設けられた溝５４とにより形成されており、第１のシャフト４２と車３２との間で、軸方向の相対運動及びトルクの伝達を実現する。キー５５は、本実施の形態のように、第１のシャフト４２が堅固に結合されている右側のスリーブ５２の構成部分であってもよい。キー溝結合の代わりに、例えばスプライン軸結合が選択されてもよい。
【００５４】
第１のシャフト４２は、雄ねじ山５６でもって、右側の車３４に隣接する車３３の雌ねじ山５３に係合する。雄ねじ山５６は、堅固に第１のシャフト４２に結合されるスリーブ５２に存在している。
【００５５】
雄ねじ山５６及び雌ねじ山５３は、第２の車３３の回転運動を、第１のシャフト４２の、長手方向軸線３８に沿った並進運動に変換するねじ機構を形成している。ねじ山のピッチは、ねじ山の変換比、ひいては、１回転当たりの送り量を決定する。
【００５６】
溝５４及びキー５５の長さの差は、第１のシャフト４２の軸方向の運動自由度を決定する。これとは異なり、別の回転／並進変換伝動機構、例えばボールねじ伝動機構が選択されてもよい。
【００５７】
両車３２，３３が協働することで、第１のシャフト４２は、両車３２，３３の一方の回転時、長手方向軸線３８に沿った並進運動あるいは軸方向運動を実施し、両車３２，３３の同時の回転時、長手方向軸線３８周りの回転運動を実施する。
【００５８】
車３４は、堅固にシャフトスリーブ４４に結合されている。シャフトスリーブ４４は、第１のシャフト４２に対して同軸に配置されており、第１のシャフト４２を包囲している。第３の車３４の回転により、シャフトスリーブ４４は、駆動され、第１のシャフト４２に対して相対的に長手方向軸線３８周りに回転する。その際、揺動機構７９によりシャフトスリーブ４４に結合されたエンドエフェクタ６０が、同じく長手方向軸線３８周りに回転される。
【００５９】
本実施の形態では連続して中空である第１のシャフト４２内には、第２のシャフト４１が長手方向軸線３８に関して同軸に配置されている。第２のシャフト４１は、（転がり）軸受４９により第１のシャフト４２に回転可能にかつ軸方向では不動に結合されている。すなわち、第１及び第２のシャフト４１，４２間の相対運動は、回転運動によるもののみ可能であり、軸方向運動によるものは不可能である。つまり、第２のシャフト４１は、第１のシャフト４２に対して相対的に、共通の長手方向軸線３８周りに回転可能であり、第１のシャフト４２の軸方向運動時、第１のシャフト４２により連れ動かされる。その結果、第２のシャフト４１は、軸方向では、常に第１のシャフト４２と連動するが、第１のシャフト４２とは独立的に回転可能である。
【００６０】
第２のシャフト４１は、相対回動不能に車３１に結合されている。相対回動不能な結合は、キー溝結合として、第２のシャフト４１に結合されるキー５０と、車３１内に設けられた溝４８とにより形成されており、第２のシャフト４１と車３１との間で、軸方向の相対運動及びトルクの伝達を実現する。第２のシャフト４１が、第１のシャフト４２の軸方向運動時、第１のシャフト４２により連れ動かされる限りにおいて、第２のシャフト４１は、車３１内を自由に軸方向で動くことができる。
【００６１】
キー５０は、本実施の形態のように、第２のシャフト４１が堅固に結合されている左側のスリーブ５１の構成部分であってもよい。キー溝結合の代わりに、例えばスプライン軸結合が選択されてもよい。溝４８及びキー５０の長さの差は、第２のシャフト４１の軸方向の運動自由度を決定する。第１のシャフト及び第２のシャフトは、軸方向で一緒に動くため、溝４８及びキー５０の長さの差は、溝５４及びキー５５の長さの差と同じである。
【００６２】
器具３０の遠位の端部に存在するエンドエフェクタ６０は、揺動機構７９を介してシャフトスリーブ４４に揺動可能に結合されている。揺動機構７９は、近位のメンバ６１を有しており、近位のメンバ６１は、堅固にシャフトスリーブ４４に結合されている。本発明の一形態において、近位のメンバ６１及びシャフトスリーブ４４は、一体に形成されていてもよい。
【００６３】
近位のメンバ６１には、揺動機構７９の遠位のメンバ６２が揺動可能に結合されており、遠位のメンバ６２は、エンドエフェクタ６０のベース６３に連結されている。
【００６４】
近位のメンバ６１と遠位のメンバ６２との揺動可能な結合は、任意に形成される揺動支持部であってよい。揺動支持部において、近位のメンバ６１は、遠位のメンバ６２の受けとして用いられる。図７（隠れ線あり）及び図８（隠れ線なし）に示すように、本実施例では、揺動支持部としてスロットガイド（Ｋｕｌｉｓｓｅｎｆｕｅｈｒｕｎｇ）が選択されている。スロットガイドにおいて、スロット７２が近位のメンバ６１に、スロット７５が遠位のメンバ６２に設けられている。
【００６５】
一方のメンバ６１，６２のスロット７２，７５は、その都度他方のメンバ６２，６１に取り付けられたピン７３，７４と協働するようになっており、スロット７２，７５の延びは、ピン７３，７４のためのガイドとして用いられる。スロット７２，７５の少なくとも一方は、器具３０の長手方向軸線３８に対して非平行の延びを示している。延びは、好ましくは、直線状であるが、これとは異なり、曲線状であってもよい。
【００６６】
遠位のメンバ６２の相対運動時、スロット７２，７５内で案内されるピン７３，７４は、スロットの延びにしたがい、遠位のメンバ６２は、相応に揺動される。長手方向でエンドエフェクタ６０を通るエンドエフェクタ軸線７６は、器具３０の長手方向軸線３８に対して屈曲する。図９に示すように、揺動運動は、長手方向軸線３８に対して垂直に延びる揺動軸線７８周りに実施される。遠位のメンバ６２に連結されたエンドエフェクタ６０は、相応に一緒に揺動する。
【００６７】
エンドエフェクタ６０は、図９に示した方向又はこれとは逆方向（図８に示した）に揺動可能である。一方向又は逆方向への揺動運動は、それぞれ、長手方向軸線３８の平行線に対して垂直に延びる揺動軸線周りに実施される。エンドエフェクタ６０は、図９では、揺動軸線７８周りに揺動し、図８では、揺動軸線７８に対して間隔を置いて平行に延びる揺動軸線（図示せず）周りに揺動している。
【００６８】
本発明の別の実施の形態において、揺動機構は、単一のスロットガイドのみを有して実現されてもよく、この場合、１つのスロットが近位のメンバ又は遠位のメンバに設けられ、その都度他方のメンバのピンと協働するようになっており、ピンは、スロットの方向で縦長の、スロット内に相対回動不能に係合する横断面を有している。
【００６９】
第１のシャフト４２及び第２のシャフト４１は、少なくとも１つの屈曲可能な部分領域を有している。この部分領域は、揺動機構７９を通るように延在しており、第１のシャフト４２及び第２のシャフト４１が、遠位のメンバ６２の揺動運動時に、相応に一緒に揺動可能であるようにする。屈曲可能な部分領域は、両シャフト４１，４２において、好ましくは弾性変形可能である。
【００７０】
図９に示すように、第１のシャフト４２の遠位の端部は、エンドエフェクタ６０のベース６３に堅固に結合されている。これにより、エンドエフェクタ６０のベース６３は、第１のシャフト４２により調節可能である。第１のシャフト４２が回転駆動されれば、ベース６３は、エンドエフェクタ軸線７６周りに揺動機構７９に対して相対的に回動される。
【００７１】
第１のシャフト４２が軸方向で駆動されると、エンドエフェクタ６０のベース６３も、軸方向で調節され、揺動機構７９の、ベース６３に結合された遠位のメンバ６２が、同時にスロット７２あるいは７５に沿って摺動され、揺動軸線７８周りの揺動運動を実施する。すなわち、エンドエフェクタ６０は、第１のシャフト４２の軸方向の調節により揺動され得る。
【００７２】
シャフトスリーブ４４が回転駆動されると、揺動機構７９は、エンドエフェクタ６０とともに長手方向軸線３８周りに回転する。
【００７３】
エンドエフェクタは、器具３０の使用目的（例えば産業用途又は外科用途）に応じて形成されており、例えばカメラ、光源、刃物、溶接電極又は何らかの別の任意のツールを有している。本実施例では、エンドエフェクタ６０は、把持ツールとして形成されており、２つのグリッパ６４及び６５を有している。グリッパ６４及び６５は、ベース６３にそれぞれ１つのグリッパ軸線６８周りに回動可能に結合されている。
【００７４】
ベース６３は、軸受７１により揺動機構７９の遠位のメンバ６２に、遠位のメンバ６２及びベース６３を通るエンドエフェクタ軸線７６周りに回転可能に結合されている。
【００７５】
グリッパ６４及び６５のそれぞれは、１つの作動体６６に結合されている。この結合は、スロットガイドとして形成されており、好ましくは、各グリッパ６４及び６５は、スロット７０を有し、作動体６６は、対応するピン６９を有している。択一的には、これとは反対の配置を選択してもよい。
【００７６】
作動体６６は、エンドエフェクタ軸線７６に沿って軸方向で摺動可能に支持されている。作動体６６は、第２のシャフト４１により駆動される。このためにシャフト４１の遠位の端部に駆動要素７７が付設されており、駆動要素７７は、ねじ機構６７により作動体６６に係合している。ねじ機構６７は、第２のシャフト４１の回転運動を、作動体６６の、エンドエフェクタ軸線７６に沿った軸方向運動に変換する。
【００７７】
作動体６６の摺動により、ピン６９は、エンドエフェクタ軸線７６に沿って調節され、スロット７０により設けられた軌道に沿って滑動する。その際、ピン６９は、側面でスロット７０を押圧し、その結果、作動体６６の運動方向次第でグリッパ６４及び６５は、拡開又は縮閉される。有利には、スロット７０は、ピン６９からグリッパ６４，６５に作用する力が、グリッパ６４，６５の閉鎖時に、できる限り大きな締め付け力に変換されるように、作動体６６がベース６３から離れるように動かされるときに、グリッパ６４及び６５が縮閉され、作動体６６がベース６３に近付くように動かされるときに、グリッパ６４及び６５が拡開されるように形成されている。
【００７８】
グリッパ６４，６５に割り当てられたスロット７０及びそのグリッパ軸線６８は、グリッパ軸線６８がスロットガイドのスロット７０外を延びているように配置されている。これにより、グリッパ６４，６５のそれぞれのスロット７０内で案内されるピン６９が、グリッパ６４，６５のグリッパ軸線６８と一致する位置を占め得ることは、阻止される。すなわち、グリッパ軸線６８とピン６９とは、常に互いに離間しており、その結果、ピンに作用する力は、連続的にグリッパ軸線６８周りのトルクを発生させる。
【００７９】
図９に示すように、スロット７０は、エンドエフェクタ軸線７６に対して垂直に延びる平面であって、グリッパ６４，６５のグリッパ軸線６８を含む平面の横に、この平面と交わることなく延びていることができる。本実施例において、スロット７０は、グリッパ６４，６５の存在する構成スペースを最良に利用すべく、この平面と、それぞれのグリッパ６４，６５のクランプゾーンあるいは先端との間で延びている。
【００８０】
グリッパ６４，６５に、締め付け時に、できる限り大きなトルクが作用するように、ピン６９は、グリッパ６４，６５が閉鎖された状態において、スロット７０内で、ピン６９とグリッパ６４，６５のグリッパ軸線６８との間の間隔が最大となる位置を占めなければならない。この目的で各グリッパ６４，６５のスロット７０は、スロット７０の、グリッパ軸線６８側の端部と、エンドエフェクタ軸線７６との間の間隔が、スロット７０の、グリッパ軸線６８とは反対側の端部と、エンドエフェクタ軸線７６との間の間隔より小さいように形成されている。而して、すなわちグリッパ６４，６５は、ピン６９がグリッパ軸線６８から離れるようにグリッパ６４，６５のクランプゾーンに向かって動かされたときに、締め付けられる。
【００８１】
エンドエフェクタ６０に対し、コンパクト性に加え、良好な安定性も付与すべく、図１１に示すように、作動体６６内に、各グリッパ６４，６５のために、それぞれ１つの切欠き８０が設けられている。一方では、ピン６９は、それぞれの切欠き８０の両側で作動体６６内に保持されており、その結果、切欠き８０は、ピン６９のための収容部を形成している。他方、グリッパ６４，６５は、閉鎖された状態において、切欠き８０の側方の当接面に支持され得る。これにより、グリッパ６４，６５が、重量物を保持したときに側方に曲がることは、防止される。加えて、グリッパ６４，６５のこの収容部は、ピン６９がそのスロット７０から滑り抜けることを防止する。
【００８２】
器具３０内には、貫通した通路４３が統合されていることができ、通路４３は、媒体を案内、例えばエンドエフェクタ６０又はエンドエフェクタ６０により把持すべき対象物を洗浄すべく、媒体を案内するために、又はガスを案内するために利用可能である。通路４３は、図６及び９に示すように、好ましくは、第２のシャフト４１内の中空室により形成される。
【００８３】
さらに器具３０は、近位の端部に、第２のシャフト４１に相対回動不能に結合されるつまみ３７を有していてもよい（図４及び６参照）。このつまみ３７は、器具３０を駆動ユニット８内に導入したり、駆動ユニット８から取り出したりするために使用可能である。つまみ３７を手動で回転させることで、上述したようにグリッパを制御する第２のシャフト４１を操作することができる。このことは、モータ式の駆動部に何らかの障害が起きたときに、ユーザが駆動ユニット８を介してグリッパ６４，６５を手動開放することを可能にする。
【００８４】
図１０は、個々の操作可能性を表にまとめたものであり、再度、車３１，３２，３３及び３４、シャフトスリーブ４４、シャフト４１及び４２の働きと、これらがエンドエフェクタ６０の操作に及ぼす効果とを説明している。操作は、以下のように分類される：グリッパ６４，６５の操作（図１１参照）；揺動軸線７８周りのエンドエフェクタ６０の揺動（図８及び９参照）；エンドエフェクタ軸線７６周りのエンドエフェクタ６０の回転（図１２参照）及び長手方向軸線３８周りのエンドエフェクタ６０を含めた揺動機構７９の回転（図１３参照）。それぞれの操作を実施するために必然的に駆動しなければならない車は、「Ｘ」で示してある。駆動される車により引き起こされるシャフトスリーブあるいはシャフトの運動は、「Ｒ」又は「Ａ」で示してあり、ここで「Ｒ」は、回転運動を、「Ａ」は、軸方向運動を表している。
【００８５】
それによれば、第４の車３１の単独回転により、第２のシャフト４１が回転される。第２のシャフト４１の回転方向は、作動体６６がベース６３に近付くように動かされるか、ベース６３から離れるように動かされるかを決定し、それに応じて、グリッパ６４及び６５の拡開が強制されるか、縮閉が強制されるかを決定する。
【００８６】
第２の車３３の回転により、第１のシャフト４２が軸方向で調節される。第２のシャフト４１は、第１のシャフト４２に連れ動かされ、これにより、同じく軸方向で調節される。第１のシャフト４２の軸方向の調節は、エンドエフェクタ６０のベースの移動を引き起こし、この移動は、揺動機構７９の、ベース６３に結合された遠位のメンバ６２の、揺動軸線７８周りの揺動運動と重なる。
【００８７】
エンドエフェクタ６０を揺動機構７９に対してエンドエフェクタ軸線７６周りに回動させるには、第１のシャフト４２が、第１及び第２の車３２及び３３の同期回転により回転される。その際、グリッパ６４及び６５の操作を引き起こしてしまうことになる、作動体６６の、第１及び第２のシャフト４１，４２間の回転数差により惹起される作動運動を回避するために、第２のシャフト４１も、第４の車３１の駆動により第１のシャフト４２と同期回転される。
【００８８】
第３の車３４の駆動により、シャフトスリーブ４４、ひいては、シャフトスリーブ４４に結合された揺動機構７９は、長手方向軸線３８周りに回転される。エンドエフェクタ６０も揺動機構７９と一緒に回転させるべく、すべての車３１乃至３４は、同時に駆動されることができ、その結果、両シャフト４１及び４２は、シャフトスリーブ４４と一緒に回転する。
【００８９】
図１４乃至１６は、揺動機構７９の別の実施の形態を示している。図７の形態では、近位のメンバ６１のスロット７２は、器具３０の長手方向軸線３８に対して非平行にあるいは傾いて延びており、遠位のメンバ６２のスロット７５は、エンドエフェクタ軸線７６に対して非平行にあるいは傾いて延びている。これに対して図１４は、スロット７２，７５の一方が、軸線３８，７６の一方に対して平行に、つまり、本実施の形態では、遠位のメンバ６２のスロット７５が、エンドエフェクタ軸線７６に対して平行に延びている揺動機構７９を示している。
【００９０】
図７とは異なり、図１５は、ピン７３及び７４が一方のメンバ６２に、スロット７２及び７５が他方のメンバ６１に配置されている揺動機構７９を示している。これにより、両ピン７３及び７４は、本変化形態では、互いに常に同じ間隔で位置している。
【００９１】
図１６は、スロット７２及びピン７３を１つしか有しない揺動機構７９を示している。本実施の形態では、ピン７３は、図７に示したものより広幅に構成されているので、相対回動不能にのみスロット７２に対して支持されていることができる。すなわち、遠位のメンバ６２のトルクを近位のメンバ６１において支持する第２のスロットガイドは、これにより省略可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１  取り付け要素
２  継手
３  継手
４  継手
５  アーム要素
６  アーム要素
７  入力装置
８  駆動ユニット
９  フランジ
１０  ロボット
１１  モータ
１２  モータ
１３  モータ
１４  モータ
１５  ハウジング
１６  軸線
１７  軸受
１８  駆動モジュール
１９  操作ユニット
２０  キャリアセグメント
２１  第１の磁石環
２２  第２の磁石環
２３  第３の磁石環
２４  第４の磁石環
２５  磁石
２６  （ウォーム）伝動機構
２７  ウォーム
２８  リングギヤ
２９  転がり軸受
３０  器具
３１  第４の車
３２  第１の車
３３  第２の車
３４  第３の車
３５  （付さず）
３６  強磁性体
３７  つまみ
３８  長手方向軸線
３９  ストッパ
４０  ストッパ
４１  第２のシャフト
４２  第１のシャフト
４３  通路
４４  シャフトスリーブ
４５  当接要素
４６  ベース要素
４７  （転がり）軸受
４８  溝
４９  軸受
５０  キー
５１  スリーブ
５２  スリーブ
５３  雌ねじ山
５４  溝
５５  キー
５６  雄ねじ山
５７  エジェクタ
５８  保持要素
５９  バリア
６０  エンドエフェクタ
６１  近位のメンバ
６２  遠位のメンバ
６３  ベース
６４  第１のグリッパ
６５  第２のグリッパ
６６  作動体
６７  ねじ機構
６８  グリッパ軸線
６９  ピン
７０  スロット
７１  軸受
７２  スロット
７３  ピン
７４  ピン
７５  スロット
７６  エンドエフェクタ軸線
７７  駆動要素
７８  揺動軸線
７９  揺動機構
８０  切欠き
【図１】
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【図２】
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【図３】
0006632599.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006632599.tif 000006
【図６】
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【図７】
0006632599.tif 000008
【図８】
0006632599.tif 000009
【図９】
0006632599.tif 000010
【図１０】
0006632599.tif 000011
【図１１】
0006632599.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0006632599.tif 000014
【図１４】
0006632599.tif 000015
【図１５】
0006632599.tif 000016
【図１６】
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