(57)【要約】【課題】医療用マニピュレータを小型にするとともに、制御性を向上させる。【解決手段】マニピュレータは、術具部６０とこの術具部に設けた把持部１４を駆動する駆動部６２とを有する。術具部と駆動部との間に術具側結合部６１を設け、駆動部とこの術具側結合部間で術具を分離または連結可能とする。術具部は、把持部を回転させる関節を有する。関節は対向して配置された２個の転がり部材と、一方の転がり部材を他方に対して自転することなく公転させる駆動手段と、２個の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段とを有する。【選択図】　図９
2004122286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の関節を有するマニピュレータにおいて、前記関節の少なくとも１つの関節は対向して配置された２個の転がり部材と、一方の転がり部材を他方に対して転がり運動させる駆動手段と、２個の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段とを設けたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
前記駆動手段は、前記各転がり部材の回転軸に取り付けたガイド手段とこのガイド手段に少なくとも１点を固定されたワイヤとを有することを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
前記関節は先端から２番目以降の関節であり、より先端部に近い関節を駆動するワイヤをこの関節が有するガイド部材間を通して先端部側の関節に導いたことを特徴とする請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
前記転がり部材は、転がり部に複数の歯が形成された歯車と、硬質表面処理された半円部を有する手段と、互いに接触する表面に粘性または粘着性を有する表面加工を施した手段と、対向して配置したワイヤ保持手段と両端部を異なる前記ワイヤ保持手段に固定した２本のワイヤとを有し２本のワイヤをたすき掛けした手段との少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項５】
術具部とこの術具部に設けた把持部を駆動する駆動部とを有するマニピュレータにおいて、前記術具部と駆動部との間に術具側結合部を設け、前記駆動部とこの術具側結合部間で術具を分離または連結可能としたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項６】
前記術具側結合部は把持部を駆動するワイヤをガイドする複数の第１の案内手段と、この第１の案内手段に案内されたワイヤと、このワイヤの一部を保持するプーリが形成された第２の案内手段とを有し、前記駆動部はこの第２の案内手段に接触する第３の案内手段とこの第３の案内手段を駆動する駆動手段とを有することを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータ。
【請求項７】
前記ワイヤの中間に張力検出手段を介装したことを特徴とする請求項６に記載のマニピュレータ。
【請求項８】
前記駆動手段が前記ワイヤを引く引き量を制御する手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
前記術具結合部は端部側に延びるピンを有し、前記駆動部にこのピンに嵌合する穴を形成して前記駆動部と術具結合部とを位置決めすることを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
前記術具結合部と駆動部とを結合するねじ手段を設け、前記術具結合部の中央部にねじ穴を、前記駆動部にこのねじ穴に対応する位置に穴をそれそれ形成したことを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
術具部とこの術具部に設けた把持部を駆動する駆動部とを有するマニピュレータにおいて、前記術具部と駆動部との間に術具側結合部を設け、前記駆動部とこの術具側結合部間で術具を分離または連結可能とし、前記術具部は前記把持部を回転させる関節を有し、この関節は対向して配置された２個の転がり部材と、一方の転がり部材を他方に対して転がり運動させる駆動手段と、２個の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段とを有することを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１２】
第１のリンク及び第２のリンクを有する関節と、この第１及び第２のリンクを互いに転がり接触させる転がり接触手段と、各リンクの転がり接触時の回転中心から等距離にワイヤをガイドするガイド手段と、このガイド手段にガイドされるワイヤとを有し、このワイヤは前記ガイド手段間を通して配線されていることを特徴とするマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマニピュレータに係り、特に医療用に好適なマニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の医療用マニピュレータの例が、特許文献１や特許文献２に記載されている。特許文献１に記載の医療用マニピュレータでは、手首関節を動かすのにワイヤを用い、ワイヤの経路長の変化に応じてマニピュレータの先端に位置する術具部を駆動するアクチュエータの位置を制御している。すなわち、アクチュエータ側の第１の関節を曲げると関節の内側と外側でワイヤの経路長が変化すので、反アクチュエータ側の第２の関節を駆動するワイヤを用いて第１の関節の駆動している。特許文献２においても、医療用マニピュレータの先端部関節とこの関節よりもさらに先端部に設けられる術具を、ワイヤを用いて回動及び開閉している。
【特許文献１】
米国特許　第５７９７９００号明細書
【特許文献２】
米国特許　第６３９４９９８号明細書
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
医療用マニピュレータの先端部に位置する術具には、小型で複数の自由度を有する要求が高く、上記各特許文献では、ワイヤを介して駆動部であるアクチュエータから術具へ駆動力を伝達している。しかしながら、マニピュレータまたは術具の開閉をワイヤを用いて駆動しているものでは、関節角度を変化させると先端まで導くワイヤの経路が変化し、関節の首振り動作ができなくなるおそれがあった。この不具合を解消するために、特許文献１では、ワイヤの経路長の変化による駆動力を用いて先端側の関節角度を制御している。このため、アクチュエータを構成するモータ位置を、新たに制御する必要が生じている。
【０００４】
また特許文献２に記載の術具では、アクチュエータ同士の協調制御が必要となるが、協調制御がうまくいかないとワイヤに必要以上の張力が付与されてワイヤの寿命を縮めるおそれがある。
【０００５】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は医療用マニピュレータを小型で制御性に富ませることにある。本発明の他の目的は、マニピュレータへの術具の着脱を容易にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、複数の関節を有するマニピュレータにおいて、関節の少なくとも１つの関節は対向して配置された２個の転がり部材と、一方の転がり部材を他方に対して転がり運動させる駆動手段と、２個の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段とを設けたものである。
【０００７】
そしてこの特徴において、駆動手段は、各転がり部材の回転軸に取り付けたガイド手段（中間プレート）とこのガイド手段に少なくとも１点を固定されたワイヤとを有する；関節は先端から２番目以降の関節であり、より先端部に近い関節を駆動するワイヤをこの関節が有するガイド部材間を通して先端部側の関節に導く；転がり部材は、転がり部に複数の歯が形成された歯車と、硬質表面処理された半円部を有する手段と、互いに接触する表面に粘性または粘着性を有する表面加工を施した手段と、対向して配置したワイヤ保持手段と両端部を異なる前記ワイヤ保持手段に固定した２本のワイヤとを有し２本のワイヤをたすき掛けした手段との少なくともいずれかであることが望ましい。
【０００８】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、術具部とこの術具部に設けた把持部を駆動する駆動部とを有するマニピュレータにおいて、術具部と駆動部との間に術具側結合部を設け、駆動部とこの術具側結合部間で術具を分離または連結可能としたことにある。
【０００９】
そしてこの特徴において、術具側結合部は把持部を駆動するワイヤをガイドする複数の第１の案内手段と、この第１の案内手段に案内されたワイヤと、このワイヤの一部を保持するプーリが形成された第２の案内手段とを有し、駆動部はこの第２の案内手段に接触する第３の案内手段とこの第３の案内手段を駆動する駆動手段とを有することが望ましい。
【００１０】
また望ましくは、ワイヤの中間に張力検出手段を介装する；駆動手段がワイヤを引く引き量を制御する手段を設ける；術具結合部は端部側に延びるピンを有し、駆動部にこのピンに嵌合する穴を形成して駆動部と術具結合部とを位置決めするものである。さらに、術具結合部と駆動部とを結合するねじ手段を設け、術具結合部の中央部にねじ穴を、駆動部にこのねじ穴に対応する位置に穴をそれそれ形成することが好ましい。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明のさらに他の特徴は、術具部とこの術具部に設けた把持部を駆動する駆動部とを有するマニピュレータにおいて、術具部と駆動部との間に術具側結合部を設け、駆動部とこの術具側結合部間で術具を分離または連結可能とし、術具部は把持部を回転させる関節を有し、この関節は対向して配置された２個の転がり部材と、一方の転がり部材を他方に対して転がり運動させる駆動手段と、２個の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段とを有するものである。
【００１２】
上記目的を達成するためのさらに他の特徴は、マニピュレータが、第１のリンク及び第２のリンクを有する関節と、この第１及び第２のリンクを互いに転がり接触させる転がり接触手段と、各リンクの転がり接触時の回転中心から等距離にワイヤをガイドするガイド手段と、このガイド手段にガイドされるワイヤとを有し、このワイヤは前記ガイド手段間を通して配線されていることにある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るマニピュレータの一実施例を図１ないし図４、及び図８を用いて説明する。図１は、マニピュレータ先端部の斜視図であり、図２は図１に示したマニピュレータの関節部分の分解斜視図である。この図２では、理解を容易にするため、ブレードおよび関節の首振りを駆動するワイヤを省いている。図３は、ワイヤの配線状態を説明する図であり、関節がまっすぐな状態と関節を曲げたときの状態を示している。図４は、マニピュレータの先端部にある術具部の詳細斜視図であり、図８は、アクチュエータ側のワイヤの配線状態を説明する斜視図である。
【００１４】
以下に述べる実施例では、医療用に用いるマニピュレータを例にとり、説明する。医療用マニピュレータは、縫合糸や針等を把持する把持部１４と、図１中把持部１４の下部付近に位置する先端部１５と、先端部１５とともに第２関節を形成する中間部１６と、中間部１６とともに第１関節を形成する根元部１７とを有する。そして、把持部１４と先端部１５と中間部１６を操作するために、駆動ワイヤ３ａ〜３ｄ、５ａ、５ｂも有している。根元部１７のさらに下側には、駆動ワイヤ３ａ〜３ｄ、５ａ、５ｂの引き量を制御する図示しない駆動制御部が設けられている。
【００１５】
把持部１４は、一対のブレード１ａ、１ｂを有し、各ブレード１ａ，１ｂの根元にはブレードプーリ２ａ、２ｂが配置されている。ブレードプーリ２ａ、２ｂには詳細を図４に示すように、ブレードを操作する駆動ワイヤ３ａ〜３ｄが巻きつく溝２２ａ、２２ｂが形成されており、この溝２２ａ，２２ｂに巻きついたワイヤ３ａ〜３ｄをブレードプーリ２ａ，２ｂに保持する保持部２３ａ、２３ｂが形成されている。
【００１６】
先端部１５は、一対のブレード１ａ，１ｂ間に挟まれた平板状の先端基部４と、この先端基部４にほぼ直交する平板であって半円形の歯車部４ａを有する転がり部材４ｂとを有している。先端基部４の中心部には穴が形成されており、この穴とブレードプーリ２ａ，２ｂの中心部に形成された穴とを軸７が貫通する。歯車部４ａの中心部にも穴が形成されており、この穴を貫通する軸８ａが中間部１６に形成された穴を貫通する。なお、手先の最大幅は５ｍｍである。
【００１７】
根元部１７は、円筒状の筒部１３とこの筒部１３の先端部に位置し半円形の歯車部１３ａが形成された転がり部材１３ｂとを有している。転がり部材１３ｂの中央部には穴が形成されている。
【００１８】
先端部１５と根元部１７間には、２本の軸８ａ，８ｂの各軸を中心に先端部１５と根元部１７が回動可能なように、中間部１６が形成されている。すなわち、中間部１６は、軸８ａ、８ｂに取付けられ２個の穴が形成された卵型の中間プレート９ｂ、１２と、この中間プレート９ｂ、１２間に挟まれたワイヤ案内用のプーリ６ｅ〜６ｈと、同様に軸８ａ，８ｂに取り付けられ２個の穴が形成された卵型の中間プレート１１、９ａと、中間プレート１１に隣り合い軸８ｂが貫通する側に円板状の凸部２０が形成された中間プレート１０と、中間プレート１０、９ａ間に挟まれた案内用のプーリ６ａ〜６ｄとを有している。
【００１９】
中間プレート１０は、凸部２０の回りが低くなっており、軸８ａが貫通する穴の周りが凸部２０と同じ高さに形成されている。このように形成したプレート１０とプレート１１とを接合して、ワイヤ５ａ，５ｂの案内路を形成する。プレート１１、１２間には、転がり部材４ｂ、１３ｂが挟まれている。プレート９ａ，９ｂ，１０〜１２とプーリ６ａ〜６ｇに形成された穴を、軸８ａ，８ｂが貫通する。各プーリ６ａ〜６ｇは、軸８ａ，８ｂ回りに回転自在であり、転がり部材４ｂ、１３ｂは歯車部４ａ，１３ａにおいて転がり接触している。これらの部材は、さび等の発生を防止し、軽量で高剛性であるチタン合金製である。
【００２０】
図８にワイヤの装架状態を示す。中間プレート１０の凸部２０の周上であって２本の軸８ａ，８ｂの中心を結ぶ線との交点Ｐｅに、ワイヤ５ａ、５ｂを固定し、凸部２０の外周部に装架する。ワイヤ５ａ、５ｂは、筒部１３内部を通って、首振り駆動モータ５４の軸端に取付けたプーリ５５に装架され、プーリ５５の外周上の１点にる。ワイヤ５ｂの間には、張力検出手段５８が取付けられている。ワイヤ５ａとワイア５ｂは一本の連続するワイヤでも良いし、２本のワイヤであってもよい。
【００２１】
図４に示すように、ブレードプーリ２ａ、２ｂには、ワイヤを装架する溝２２ａ、２２ｂが設けられている。プーリ２ａ，２ｂの外周の一部には、ワイヤ固定部２３ａ、２３ｂが取付けられている。ワイヤ３ａ，３ｂの一部は、固定部２３ａ，２３ｂで接着、溶接、ロウ付けあるいはカシメにより固定される。
【００２２】
図８に示すように、ブレードプーリ２ａに１点を固定されたワイヤ３ａは、プーリ６ａ、次いでプーリ６ｃへ導かれた後、ブレード駆動モータ５２の軸端に設けたモータプーリ５３の外周上の１点で固定される。同様に、プーリ２ｂに１点を固定されたワイヤ３ｂはプーリ６ｆ、次いでプーリ６ｈへ導かれる。そしてブレード駆動モータ５２軸端に取付けたモータプーリ５３の外周上の１点で固定される。ワイヤ３ａの中間には、張力検出手段５７が設けられている。本実施例では、ワイヤ３ａとワイヤ３ｂを１本の連続するワイヤとしたが、ブレードプーリ２ａ，２ｂに固定される２本のワイヤとしてもよい。
【００２３】
ブレード１ｂ側も、ブレード１ａ側と同様にワイヤ３ｃ、３ｄが装架される。つまり、ブレードプーリ２ｂに１点をを固定されたワイヤ３ｃは、プーリ６ｂ、次いでプーリ６ｄへ導かれる。このとき、ワイヤ３ｃはワイヤ３ａと交差する方向からプーリ６ｂ、６ｄ間を横切るが、ワイヤ３ａとワイヤ３ｃが装架されるプーリの高さを互いに異ならせたので、ワイヤ同士は接触しない。
【００２４】
ワイヤ３ｃは、プーリ６ｄからブレード駆動モータ５０に取付けたモータプーリ５１に導かれ、モータプーリ５１の外周上の１点で固定される。ブレードプーリ２ｂに１点を固定されたワイヤ３ｄは、プーリ６ｅ、６ｇへ導かれる。プーリ６ｅ、６ｆとプーリ６ｇ、６ｈの高さ位置を変えているので、ワイヤ３ｄはワイヤ３ｂに接触しない。ワイヤ３ｄは、プーリ６ｇからブレード駆動モータ５０に取付けたモータプーリ５１に導かれ、モータプーリ５１の外周上の１点で固定される。ワイヤ３ｄの中間には、張力検出手段５６が設けられている。
【００２５】
このように構成した本実施例のマニピュレータの動作を以下に説明する。把持部１４は先端部１５に対して軸７回りに回転する。その際、軸７とブレード１ａ，１ｂとの回転方向が同じであれば、把持部１４の向きが変わり、ブレード１ａ，１ｂが軸７とは逆方向に回転すれば、把持部１４は開閉動作する。具体的には、ブレード駆動モータ５２を駆動してモータプーリ５３を回転させワイヤ３ｂを引くと、ブレード１ａは閉じる方向に動く。逆に、ワイヤ３ａを引くとブレード１ａは開く方向に動く。ブレード駆動モータ５０を駆動してモータプーリ５１を回転させワイヤ３ｃを引くと、ブレード１ｂは閉じ、ワイヤ３ｄを引くとブレード１ｂは開く。ワイヤ３ａとワイヤ３ｃを一緒に引くあるいはワイヤ３ｂとワイヤ３ｄを一緒に引けば、把持部１４が軸７回りに回転して把持方向が変わる。これを把持部関節の首振り動作と呼ぶ。
【００２６】
先端部１５の首振り角度αは、根元部１７と中間部１６とが成す角度θ１と、中間部１６と先端部１５が成す角度θ２の和で表される。首振り駆動モータ５４を駆動してモータプーリ５５を回転させワイヤ５ａを引くと、中間プレート１０は軸８ｂ回りに図３中のＡ方向へ回転する。同時に軸８ａ、先端部４、プーリ６ａ、６ｂ、６ｅ、６ｆ、中間プレート９ａ、９ｂも軸８ｂ回りに図３中のＡ方向へ回転する。このとき、歯車部４ａ、１３ａが転がり接触しながら噛み合い動作する。
【００２７】
歯車部４ａと歯車部１３ａが同じ大きさの歯車のときは、中間プレート１０が軸８ｂ回りにθ１だけ回転すると、先端部１５は軸８ｂ回りにθ１だけ回転しそれとともに軸８ａ回りにθ２＝θ１だけ回転する。これにより、先端部１５が根元部１７に対して首を振る角度αは、中間プレート１０が軸８ｂ回りに回転する角度の２倍となる。駆動モータ５４を駆動してモータプーリ５５を回転させワイヤ５ｂを引くと、先端部１４は図３のＢ方向に首を振る。このときもＡ方向への首振りと同様であり、先端部１５が根元部１７に対して首を振る角度αは中間プレート１０が軸８ｂ回りに回転した角度の２倍となる。
【００２８】
歯車部４ａの半径が歯車部１３ａの半径のＲ倍のときは、中間プレート１０が軸８ｂ回りにθ１だけ回転すると、先端部１５は軸８ａ回りにθ２＝θ１／Ｒだけ回転する。したがって、先端部１５は根元部１７に対して角度α＝θ１（１＋１／Ｒ）だけ首を振る。
【００２９】
ワイヤ３ａ、３ｂが、各プーリに接触している部分のプーリの中心角度は、首振り角度αにより変化する。例えば，ワイヤ３ａは２個のプーリ６ａ，６ｃと接触する。この２個のプーリ６ａ，６ｃにワイヤ３ａが接触する部分の中心角度の和は、図３（ａ）ではｄ１＋ｄ２であり、同図（ｂ）ではｄ３＋ｄ４となる。この値は歯車部４ａと歯車部１３ａが噛み合い接触しているので、常に一定であり、根元部１７と先端部１５がなす先端部関節の首振り角度αによらない。したがって、点Ｐａと点Ｐｄ間のワイヤの経路長さおよび点Ｐｃと点Ｐｂ間のワイヤの経路長さは、角度αによらず不変であり、ワイヤの位相も変化しない。
【００３０】
ここで、ワイヤの位相はブレード１ａ，１ｂの開閉角度であるが、この開閉角度に応じたワイヤの位置、つまり駆動部がワイヤを引く量にも相当する。ワイヤの位相が変化しないので、先端部１４の関節が動いてもブレード１ａ，１ｂは開閉しない。これにより、先端部１４の関節の角度αが変化しても、この関節のさらに先に設けたブレード１ａ，１ｂを制御するワイヤの経路長や位相や張力が影響されない。その結果、張力検出手段５６、５７、５８は、可動部を駆動するのに要する張力のみを検出できる。互いの関節動作を独立させたので、張力検出手段５６はブレード１ａの回転トルクを独立に測定する。また、張力検出手段５７はブレード１ｂの回転トルクを独立に測定し、張力検出手段５８は凸部２０の回転トルクを独立に測定する。各モータ５０、５２、５４は制御装置５９により制御される。また、張力検出手段５５〜５７が検出した張力は、制御装置５９に入力される。
【００３１】
本実施例によれば、首振り動作時はワイヤ５ａ、５ｂだけ操作してブレード１ａ，１ｂの開閉角度を一定に保持するから、ワイヤ３ａ〜３ｄの引き量を制御する必要がない。また、首振り角度が変化してもワイヤの経路長が変化しないので、ワイヤが引かれて首振り角度を変化させられない事態を防止できる。また、首振り角度が変化したときにワイヤがたるむ事態が発生しないので、ブレードを操作するのに必要な一定の張力を得るまで、駆動部のワイヤを空回りさせることを防止できる。これにより、首振り動作時にもブレード開閉時にもアクチュエータの位置を変化させる必要がない。
【００３２】
本実施例によれば、１自由度ごとに２個のアクチュエータを備えてワイヤ長を調整する必要が無く、アクチュエータの個数は自由度の個数と同数でよい。１自由度毎に１個のアクチュエータを使用するので、関節動作が滑らかになり、作業が安定する。また、張力を正確に把握できるので医療現場において血管や組織を把持して縫合する場合など、把持している対象物を適切な力で把持できる。これにより、低侵襲の治療が可能になる。
【００３３】
首振りワイヤと、把持部開閉ワイヤを独立に制御するので、制御が容易になると共に動作が安定する。可動範囲内の任意の首振り角度でのブレードの開閉動作やブレードで対象物を把持したまま行う首振り動作を正確に行える。また２個の回転中心を有する中間部１６を設けたので、先端部１５の根元部１７に対する首振り可能範囲を大きくすることができる。そのため、臓器の陰に隠れた患部に対しても、マニピュレータを用いて処置できる。
【００３４】
本発明に係るマニピュレータの変形例を、図５により説明する。本変形例では上記実施例と異なり、歯車部４ａ，１３ａを有する転がり部材４ｂ、１３ｂの代わりに硬質表面処理された半円部を有する転がり部材２６、２７を用いている。転がり部材２６、２７は、互いに接触する表面の面粗さを荒くして静止摩擦係数を増大させている。転がり部材２６、２７は、回転中心部に穴３４ａ、３５ａが形成されており、この穴に軸８ａ、８ｂを挿入する。転がり部材２６、２７の回転中心間距離は一定に保たれる。
【００３５】
本変形例によれば、接触点で発生する静止摩擦により転がり部材を滑ることなく転がらせることができる。静止摩擦係数を増大させるために、表面粗さを粗くする表面処理や、粘性や粘着性の高い膜等の表面処理や、高硬度膜の表面処理を施すようにしてもよい。また、上記実施例に比べてバックラッシュによるガタ等を低減できる。
【００３６】
本発明の他の変形例を、図６を用いて説明する。本変形例では、転がり部材４ｂ、１３ｂの代わりに、半円部を有する転がり部材４ｅ，１３ｅとそれぞれの転がり部材４ｅ，１３ｅに端部を固定された２本の紐状部材２８、２９とを用いている。紐状部材２８、２９の端部は、互い他の転がり部材４ｅ，１３ｅの側面に固定部３１〜３３で固定されている。２本の紐状部材２８、２９は、互いにたすき掛けされており、たるみや伸びが無く固定部３１〜３３で固定される。なお、転がり部材４ｅ，１３ｅ間には僅かに隙間が形成されている。
【００３７】
本変形例によれば、中間部１６において先端部１５と根元部１７が滑ることなく回転するだけでなく、滑る方向への変位が物理的に制限されるので回転角度を容易に制御可能になる。つまり、本変形例によれば歯車かみ合いや転がり接触と同様の効果が得られる。また、歯車噛み合いに比べてバックラッシュを小さくでき、転がり接触させた場合に比べて軸間８ａ，８ｂ間の距離の公差を緩めることができる。
【００３８】
本発明に係るマニピュレータの他の変形例を、図７により説明する。本変形例では、中間部１６ａを構成する転がり部材４ｂ、１３ｂと中間プレート１２との間に中心孔４５、４６を有するプーリ４１、４２を配置し、このプーリ４１、４２にワイヤ４４を介装している。そして、図１に示した中間プレート１０を省いている。なお、本変形例ではプーリ４１を転がり部材４ｂと、プーリ４２を転がり部材１３ｂと一体で形成している。
【００３９】
さらに、根元側のプーリ４２は上下に２段の溝が形成されており、上段側の溝には駆動部から延びるワイヤ４３が巻きつけられている。このワイヤ４３は、プーリ４２の外周部の１点で固定されている。プーリ４２の下段側の溝には、上述したワイヤ４４が巻きつけられている。ワイヤ４４は、プーリ４１、４２のいずれかと、プーリの外周部の１点で固定されている。
【００４０】
このように構成した本変形例においては、ワイヤ４３をＣ１方向に引くと、プーリ４２が軸８ｂ回りにＣ１方向に回転する。この回転は、ワイヤ４４を介して先端プーリ４１に伝達される。その結果、転がり部材４ｂが軸８ａ回りに回転する。転がり部材４ｂ、１３ｂは、歯車部４ａ，１３ａにおいて噛み合っているから、中間部１６ａが筒部１３に対して、軸８ｂ回りに回転する。ワイヤ４３をＣ２方向へ引けば、中間部１６ａはＢ方向へ首振り動作する。
【００４１】
本変形例によっても、上記実施例及び各変形例と同様に先端関節を首振り動作させることができる。転がり部材は、歯車部を有するものの他、表面粗さの粗い部材、粘性や粘着性を増大させた部材、あるいは動作平面内でのすべりを抑制する手段有するものでもよい。さらに、把持部首振り方向と先端部首振り方向が９０度交差するものであれば、ブレード１ａ、１ｂを制御するワイヤ３ａ〜３ｄが、互いのすべりを抑制する手段を兼ねることができる。
【００４２】
先端部を首振りさせるのに、駆動ワイヤを用いる代わりに、例えば、リンクや、先端部と中間部と根元部のいずれかにモータを設けるようにしてもよい。本変形例においても、先端側に位置する関節を駆動するワイヤまたはワイヤ状可撓性部材を根元側関節を経由して配線するときに、それらの経路長と位相を補償することができる。
【００４３】
図９及び図１０を用いて、本発明に係るマニピュレータの他の実施例を説明する。図９は、マニピュレータの斜視図であり、図１０は図９で示した分離機構におけるワイヤの配線状態を説明するための斜視図である。本実施例では、マニピュレータの先端部１４から筒部１３までの他に、マニピュレータの先端側を駆動する術具結合部６１、駆動部６２および固定ねじ６３を含んでいる。本実施例では、術具部分と駆動部が分離可能になっている。
【００４４】
術具部６０は、把持部１４と先端部１５と中間部１６と筒部１３とを有している。術具部６０には、上記実施例や変形例に記載のものを用いている。術具結合部６１は、円筒形のケース部６４とこのケース部６４より大径の円柱状のベース部６４ｂとを有している。ケース部６４には、ローラー６５ａ〜６５ｆが収容されており、その外周側には後述するワイヤ装架のための切り欠き部が複数箇所形成されている。
【００４５】
ベース部６４ｂには溝部が形成されており、溝部の中央部は空洞になっている。空洞部の上方を覆いローラー６６ａ〜６６ｃを取付けるブロック６４ｃが、溝部に取付けられている。ローラー６６ａ〜６６ｃの一方側にはワイヤ３ａ〜３ｄ，５ａ，５ｄを装架する溝が形成されている。この溝径は、ワイヤ３ａ〜３ｄ，５ａ，５ｄを装架した後でもローラー径より小径となる大きさである。ブロック６４ｃには、駆動部６２を固定ねじ６３で固定するためのねじ穴７２が形成されている。ブロック６４ｃの上面側には、駆動部６２を術具結合部６１に固定するときの位置決め用ピン７１が取付けられている。
【００４６】
駆動部６２は円柱状の駆動部基部７０と、この駆動部基部７０の下面側に突出した矩形状の位置決め部７０ａと３個のモータ固定部６９ａ〜６９ｃとを有している。位置決め部７０ａには、術具結合部６１のピン７１が嵌合する穴７３および固定ねじ６３用の穴７４が、駆動部基部７０まで貫通して形成されている。位置決め部７０ａの高さは、モータ固定部６９ａ〜６９ｃにモータ５０、５２、５４を取付け、各モータ５０、５２、５４の軸端にローラー６７ａ〜６７ｃを取付けたときに、ローラー６６ａ〜６６ｃがローラー６７ａ〜６７ｃに転がり接触する高さである。なお、ローラー６６ａ〜６６ｃ、６７ａ〜６７ｃの代わりに、互いに噛み合う歯車を用いてもよい。
【００４７】
図１０に示すように、筒部１３から導かれた各ワイヤ３ａ〜３ｄ，５ａ，５ｄは、ローラ６５ａ〜６５ｆをガイドとして、ローラ６６ａ〜６６ｃに形成された溝部に装架される。これらのローラ６６ａ〜６６ｃはローラ６７ａ〜６７ｃと転がり接触するので、モータ５０、５２、５４からの駆動力が各ワイヤ３ａ〜３ｄ，５ａ，５ｂに伝えられ，各ワイヤ３ａ〜３ｄ，５ａ，５ｂの引き量が制御される。
【００４８】
本実施例では、関節動作を制御する３個の独立に駆動可能なワイヤ駆動システムを有しているので、相互の干渉が無く、互いの動作の影響を補償する必要がない。その結果、関節機構を簡素化できる。また、駆動部６２には駆動モータとそのモータに取付けたローラまたは歯車しかなく、ワイヤを駆動部までは導いていないので、固定ねじの結合を外すだけで駆動部と術具部とを分離できる。さらに、ピン７１を穴７３に嵌合させて位置決めし、固定ねじ６３で固定するだけで駆動部と術具部とを容易に連結でき、種々の術具をスピーディに交換できる。
【００４９】
本実施例によれば、簡単な構造で駆動部と術具部とを連結または分離することができ、分離機構の小型化、軽量化および簡素化が図られる。その結果、マニピュレータの信頼性および安全性を向上できる。また複雑な調整が不要なので、メンテナンス性にすぐれ故障や不具合が発生する確率を低減できる。マニピュレータ及び術具を小型軽量にできるので、操作性に優れるとともに、生産コストを低減できる。
【００５０】
図１１に、上記実施例で示したマニピュレータを搭載したマニピュレータシステムの一例を斜視図で示す。マニピュレータシステムは、マニピュレータ本体８５とこの本体８５に取り付けたアーム８２を有している。図９に示したマニピュレータの固定ねじ６３と駆動部６２間に術具装備関節８１を挟んで、アーム８２への術具６０の取り付けを可能にしている。
【００５１】
アーム８２の軸方向中間部及び術具装備関節８１の反対端に、ジンバル部８４、８３を設けている。アーム８２の中間のジンバル部８３は、保持アーム８６で本体８５に固定されている。アーム８２端側のジンバル部８４は、本体８５に対して併進方向Ｄ４〜Ｄ６にアームが移動することを可能にしている。また、アーム８２中間のジンバル部８３は、アーム８２の軸回りＤ３の移動を可能にしている。
【００５２】
アーム８２端のジンバル部８４が動作すると、アーム８２はジンバル部８３を支点にして、アーム８２先端の術具装備関節８１を移動させる。このとき、アーム８２軸方向であるＤ４方向には、ジンバル部８４と術具装備関節８２とが一緒に動く。アーム８２軸に直角な２方向であるＤ５、Ｄ６方向については、ジンバル部８３を中心にしてジンバル部８４と術具装備関節８１とが逆方向に動作する。アーム８２を軸回りに回転させる（Ｄ３方向）と、術具装備関節８１はアーム８２軸に直角な方向回り（Ｄ２方向）に回転する。これは、術具６０の首振り動作である。なお、術具装備関節８１は、術具６０を筒部１４の軸回り（Ｄ１方向）に回転させる機構を有している。これらの各方向Ｄ１〜Ｄ３方向のマニピュレータの回転は、マニピュレータ本体８５またはアーム８２に内蔵された図示しないアクチュエータ及び制御装置ににより制御される。
【００５３】
本実施例によれば、マニピュレータを干渉することなく各方向Ｄ１〜Ｄ３方向に動かせるので、マニピュレータシステムの制御が容易になる。さらに、術具部の複数の自由度に加えてマニピュレータアームの６個の自由度を制御するので、複雑な治療動作を容易に行える。
【００５４】
上記実施例では、異なる方向の自由度が連続するマニピュレータシステムをについて説明したが、同じ方向の自由度が連続するマニピュレータシステムでも本発明を適用できる。また、把持部は鉗子を例にとり説明したが、鉗子以外の種々のエンドエフェクタや治療具を使用できる。つまり、先端側の自由度をそれよりも基部側の自由度を通して制御するものであれば、上記各実施例と同様の効果が得られる。また、術具以外にも、ロボットの肩、手首、指、膝や足首の関節、あるいは多関節からなるマスタスレーブマニピュレータなどに適用できる
なお、上記各実施例では信号検出用の配線や動力線の記載を省いているが、これらもワイヤの経路と同様に配線すれば、余計なたるみを関節部に持たせる必要がなくなる。また、関節部での信号線や動力線の挟み込みや巻き込みを防止できる。さらに、光ファイバを用いたセンサや軟性内視鏡などの観察手段をロボットの先端に取り付けるときに、ワイヤの配線経路に沿ってファイバや軟性内視鏡を這わせれば、関節の動作による余計な外力がファイバや軟性内視鏡に加わらないので、安定した画像が得られるとともに、内視鏡やファイバの寿命を向上できる。
【００５５】
上記各実施例及び変形例によれば、中間部に設けた２個の転がり部材は一方が他方の周りを公転するだけであるから、アクチュエータの相対位置が変化せず、制御が容易になる。また、人の手のようなコンパクトな構造で複雑な作業を実行でき、アプローチしにくい位置でも処置可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、マニピュレータの関節部を形成する隣り合うプーリに、駆動ワイヤをクロスしてかけるようにしたので、駆動ワイヤの経路長および位相を関節の角度変化によらず一定に保持できるので、マニピュレータを小型化できるとともに制御性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマニピュレータの一実施例の斜視図。
【図２】図１に示したマニピュレータに用いる関節部の分解斜視図。
【図３】本発明に係るマニピュレータのワイヤの配線状態を説明する図。
【図４】図１に示したマニピュレータの先端部の詳細斜視図。
【図５】本発明に係るマニピュレータの変形例の斜視図。
【図６】本発明に係るマニピュレータの他の変形例の斜視図。
【図７】本発明に係るマニピュレータのさらに他の変形例の斜視図。
【図８】本発明に係るマニピュレータのワイヤの配線状態を説明する図。
【図９】本発明に係るマニピュレータの他の実施例の斜視図。
【図１０】図９におけるワイヤの配線状態を説明する図。
【図１１】本発明に係るマニピュレータを用いたマニピュレータシステムの一実施例の斜視図。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…ブレード、２ａ、２ｂ…ブレードプーリ、３ａ〜３ｄ…駆動ワイヤ、４…先端基部、４ａ…歯車部、４ｂ…転がり部材、５ａ、５ｂ…駆動ワイヤ、６ａ〜６ｈ…プーリ（ガイド手段）、７、８ａ、８ｂ…軸、９ａ、９ｂ、１０〜１２…中間プレート、１３…筒部、１３ａ…歯車部、１３ｂ…転がり部材、１４…把持部、１５…先端部、１６…中間部、１７…根元部、２０…凸部、２２ａ、２２ｂ…溝、２３ａ、２３ｂ…固定部、２４ａ、２４ｂ…穴、５０、５２…ブレード駆動モータ、５４…首振り駆動モータ、５１、５３、５５…モータプーリ、５６、５７、５８…張力検出手段、６５ａ〜６５ｆ…ローラ（第１の案内手段）、６６ａ〜６６ｃ…ローラ（第２の案内手段）、６７ａ〜６７ｃ…ローラ（第３の案内手段）。
【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】
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【図１１】
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