(57)【要約】【課題】軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストにより２自由度で作動させることができ、滅菌消毒性に優れ、対象に過度の負荷を与えない。【解決手段】マニピュレータ１００において、把持部を備えたユニット本体部と、ユニット本体部に対して長手方向に進退自在に支持される第１リンク２５と、第１リンク２５の先端に第１基端ピン４７により回転対偶で接続される第１板ばね２７と、第１リンク２５に並列してユニット本体部に対して長手方向に進退自在に支持される第２リンク２９と、第２リンク２９の先端に第１基端ピン４７と同方向の第２基端ピン４９により回転対偶で接続される第２板ばね３１と、第１板ばね２７の先端が第１基端ピン４７と同方向の第１先端ピン６５により回転対偶で接続され、第２板ばね３１の先端が第２基端ピン４９と同方向の第２先端ピン６７により回転対偶で接続される回転ディスク６３と、を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第１リンクと、
前記第１リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する第１基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第１板ばねと、
前記第１リンクに並列し、前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第２リンクと、
前記第２リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する前記第１基端ピンと同方向の第２基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第２板ばねと、
前記第１板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第１先端ピンにより回転対偶で接続され、更に、前記第２板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第２先端ピンにより回転対偶で接続される従動リンクと、を備える、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項２】
請求項１に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
基端が前記基体に固定され、前記第１リンク及び前記第１板ばねに沿って延在する第１支持杆と、
基端が前記基体に固定され、前記第２リンク及び前記第２板ばねに沿って延在する第２支持杆と、
前記第１支持杆及び前記第２支持杆の先端同士に両端が支持されるピッチ軸と、
直径に平行な方向が前記ピッチ軸に沿って回転自在に支持される揺動ディスクと、
前記揺動ディスクに垂直方向で回転自在に支持されるヨー軸と、
前記ヨー軸の一端に固定され、前記揺動ディスクに対し回転自在となるホルダと、を更に備え、
前記従動リンクが、前記ヨー軸の他端に固定されて前記揺動ディスクに対し回転自在となる回転ディスクである、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項３】
請求項２に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、先端が互いに接近する方向に屈曲したＪ字形状の先端屈曲部を有する、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項５】
請求項２〜４のうちいずれか一項に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
前記ホルダが、超音波プローブを着脱自在に保持する、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、ニッケルチタン合金を用いて形成される、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
前記第１リンク及び前記第２リンクは、平行である、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項８】
請求項１に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
前記基体が人体の関節の周辺部位に取り付け固定され、
前記従動リンクが前記周辺部位の第１箇所と前記周辺部位の第２箇所との間に取り付け固定される、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【請求項９】
請求項８に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
前記人体の関節の周辺部位は前腕であり、
前記第１箇所は手首であり、前記第２箇所は指のつけ根である、
並列ばねによる２自由度回転機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並列ばねによる２自由度回転機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば術中腹腔鏡下超音波診断用に用いられるマニピュレータや、リハビリ効果の向上に用いられる前腕運動支援装置としては、ワイヤー機構やリンク機構等の機械要素を採用するものが知られている。
【０００３】
この種の多自由度マニピュレータの製品としては、例えばインテュイティブ・サージカル社の「 da Vinci surgical system」が知られている（非特許文献１参照）。非特許文献１の多自由度マニピュレータでは、駆動装置からの動力伝達手段としてワイヤーが採用されている。ワイヤーを駆動装置で巻き上げることで、関節の屈曲や把持部の開閉などを実現している。
【０００４】
また、多自由度マニピュレータに関する先行技術としては、例えば特許文献１などが挙げられる。特許文献１に開示される多自由度マニピュレータでは、駆動装置からの動力伝達手段としてリンク機構が採用されている。
【０００５】
また、リハビリ装置に関する先行技術としては、例えば特許文献２などが挙げられる。特許文献２に開示される動作支援装置では、手首の関節をまたいだ掌の位置に装着される複数のカフの間にアクチュエータであるゴム人工筋が配置される。ゴム人工筋は、手首の掌屈方向の動きを補助する。ゴム人工筋としては、例えばマッキベン型の空気圧式ゴム人工筋とも呼ばれる、空気弁を有するシリンダ部とスリーブ部とを有するマッキベン型の空気圧アクチュエータを用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４４６０８９０号公報
【特許文献２】特許第４０６５４５９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Gary S. Guthart and J. Kenneth Salisbury, Jr., "The Intuitive(TM) Telesurgery System: Overview and Application", Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco, CA April 2000, pp. 618-621, 2000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１において採用されている動力伝達の手法としてのワイヤー駆動には次のような問題がある。
【０００９】
第一に、ワイヤーは「伸び」や「切れ」等のおそれがあるため、頻繁に交換しなければならない。例えば上述した「 da Vinci surgical system」では、約１０回の手術につきワイヤー交換が必要となる。しかも、ワイヤーは複数のギアやプーリに巻回されているため、取り外しや装着に非常な手間を要する。これにより、ランニングコスト及びメンテナンス負荷の増大を招いている。
【００１０】
第二に、ワイヤーは伸縮するため、関節や把持部の制御精度に限界がある。また、ワイヤーは一方向（引き方向）にしか動力を伝達できないという欠点もある。
【００１１】
第三に、ワイヤーは滅菌・洗浄が難しいという問題がある。このため、従来の多自由度マニピュレータでは、術前、術後の滅菌・洗浄作業が非常に煩雑である。
【００１２】
また、特許文献１において採用されている動力伝達の手法としてのリンク機構には次のような問題がある。
【００１３】
第一に、複数のリンクからなる複数のリンク機構を備えた場合、部品点数が増え、小型化、軽量化が困難となり、製品コストが増大する。この不具合は、特許文献２の空気圧アクチュエータを用いた構成においても同様である。
【００１４】
第二に、複数のリンク機構によって回転動作を行わせると、捕捉器具（例えば特許文献１の第１支持体１６）の屈曲半径（言い換えると、首振り半径）が大きくなり、例えば腹腔鏡下手術における超音波診断のように、限られた狭小な部位に対して行われる手術時の患部に近づくための滑らかな動きが困難となる。この不具合は、ギアやプーリを用いたワイヤー駆動機構、空気圧アクチュエータにおいても同様に生じる。
【００１５】
本発明は、上記した従来の状況に鑑みて案出され、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造で、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない並列ばねによる２自由度回転機構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】
【００１６】
本発明は、基体と、前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第１リンクと、前記第１リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する第１基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第１板ばねと、前記第１リンクに並列し、前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第２リンクと、前記第２リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する前記第１基端ピンと同方向の第２基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第２板ばねと、前記第１板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第１先端ピンにより回転対偶で接続され、更に、前記第２板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第２先端ピンにより回転対偶で接続される従動リンクと、を備える、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００１７】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体と従動リンクとが、第１リンク、第２リンク、第１板ばね及び第２板ばねの４つの部材に接続され、リンク機構における環状の連鎖を構成する。この連鎖は、第１基端ピン、第２基端ピン、第１先端ピン及び第２先端ピンの４つのピンで回転対偶により接続される。これにより、並列ばねによる２自由度回転機構は、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストで機構を構成している。また、少ない部品数で簡単な構造のため、滅菌消毒性に優れる。しかも、連鎖に、第１板ばね及び第２板ばねを要素に含むので、対象に過度の負荷を与えない。この並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータ等の装置に組み込むことや、人体の前腕等に直接装着することにより作動させることができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータや前腕に用いることにより、一対の第１リンク及び第２リンクのそれぞれ独立した平行な直線運動を、第１板ばね及び第２板ばねを変形させることにより、従動リンクの２自由度の動作に変換して取り出すことが可能となる。これにより、例えば省スペースで精密なプローブ走査や、手首関節より先の前腕運動支援動作が実現する。
【００１８】
また、本発明は、基端が前記基体に固定され、前記第１リンク及び前記第１板ばねに沿って延在する第１支持杆と、基端が前記基体に固定され、前記第２リンク及び前記第２板ばねに沿って延在する第２支持杆と、前記第１支持杆及び前記第２支持杆の先端同士に両端が支持されるピッチ軸と、直径に平行な方向が前記ピッチ軸に沿って回転自在に支持される揺動ディスクと、前記揺動ディスクに垂直方向で回転自在に支持されるヨー軸と、前記ヨー軸の一端に固定され、前記揺動ディスクに対し回転自在となるホルダと、を更に備え、前記従動リンクが、前記ヨー軸の他端に固定されて前記揺動ディスクに対し回転自在となる回転ディスクである、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００１９】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体から、一対の第１支持杆及び第２支持杆が並列に突出して固定される。第１支持杆及び第２支持杆は、それぞれが第１リンク及び第１板ばねと、第２リンク及び第２板ばねとに沿って配置される。第１支持杆及び第２支持杆には、先端同士に渡ってピッチ軸が支持される。ピッチ軸には、揺動ディスクが回転自在に支持される。揺動ディスクには、ほぼ中心に回転自在なヨー軸が垂直に支持される。ヨー軸には、一端にホルダが固定され、他端に回転ディスクが固定される。この回転ディスクには、回転中心を挟んで第１板ばね及び第２板ばねの先端が第１先端ピン及び第２先端ピンにより回転対偶で接続される。第１リンク及び第２リンクが前進すると、回転ディスクは揺動ディスクと一体となってピッチ軸を介して前方回転する。従って、ホルダも前方回転する。なお、本明細書中、従動リンクの前後方回転はマニピュレータの場合、前方回転、後方回転と称し、前腕運動支援装置の場合、掌屈、背屈と称す。第１リンク及び第２リンクが後退すると、回転ディスクは揺動ディスクと一体となってピッチ軸を介して後方回転する。従って、ホルダも後方回転する。第１リンクと第２リンクとの進退量に差を生じ（差動）させると、回転ディスクはヨー軸を中心に右回転又は左回転する。従って、ホルダも右回転又は左回転する。また、第１リンク及び第２リンクは、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、ホルダは、保持した例えば超音波プローブを対象に対して接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。
【００２０】
また、本発明は、前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、先端が互いに接近する方向に屈曲したＪ字形状の先端屈曲部を有する、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００２１】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、回転ディスクがヨー軸を中心に９０°で回転したとき、第１板ばね及び第２板ばねの接触回避が可能となる。ヨー軸回転角度が９０°のとき、第１先端ピン又は第２先端ピン（先端受動関節）から相手側ばねまでの干渉回避距離は、ばね幅より大きいとき、第１板ばね及び第２板ばねの接触が回避可能となる。第１板ばね及び第２板ばねの先端に、Ｊ字形状の先端屈曲部を形成することにより、この干渉回避距離がばね幅の制約を受けずに確保可能となる。
【００２２】
また、本発明は、前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００２３】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、第１基端ピンと第２基端ピンとを通る線と、第１先端ピンと第２先端ピンとを通る線が、同一平面上で平行なとき、第１基端ピンと第２基端ピンとの離間距離よりも第１先端ピンと第２先端ピンとの離間距離の方が小さい。つまり、第１板ばね及び第２板ばねは、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい。これにより、第１板ばね及び第２板ばねは、先端同士の離間距離が基端同士の離間距離よりも大きい場合に比べ、第１リンク及び第２リンクの小さい直線移動距離で、回転ディスクを大きな回転角度で回転させることができる。また、直径方向を小さく形成できることにより、回転ディスク及び揺動ディスクをコンパクト化することができる。
【００２４】
また、本発明は、前記ホルダが、超音波プローブを着脱自在に保持する、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００２５】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、ホルダに、超音波プローブが装着される。つまり、並列ばねによる２自由度回転機構は、術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータに用いることができる。ホルダに装着された超音波プローブは、第１リンク及び第２リンクの独立直線動作により、ピッチ軸及びヨー軸を中心とした２自由度での回転が可能となる。超音波プローブは、この２自由度回転により対象の表面に沿って走査することでその内部情報をリアルタイムに取得することが可能となる。特に、並列ばねによる２自由度回転機構を用いたマニピュレータによれば、コンパクトな先端形状を実現しながら、対象の接触点を中心とした回転動作（対象表面を撫でるような動作）が可能となり、理想的なプローブ走査が実現する。また、マニピュレータは、第１板ばね及び第２板ばねの弾性により、対象からの反力を吸収し、過度の負荷を与えずに、超音波プローブを対象に適切な力で接触させることが可能となる。
【００２６】
また、本発明は、前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、ニッケルチタン合金を用いて形成される、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００２７】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、第１板ばね及び第２板ばねに、ニッケルチタン合金が用いられる。ニッケルチタン合金は、生体適合性を有し、且つ超弾性特性を有する。このため、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータによれば、生体適合性を確保しながら、ピッチ軸回りの回転動作範囲２０〜９０°と、理想的な超音波診断のために必要とされるヨー軸回りの回転動作範囲±９０°と、を同時に満たすことができる。
【００２８】
また、本発明は、前記第１リンク及び前記第２リンクは、平行である、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００２９】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、長尺の第１リンク及び第２リンクを、相互に干渉させずに配置することができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータに用いられる場合、第１リンク及び第２リンクが、外筒に収容される。外筒は、腹部の切り口に通したトロッカーを介して挿入が行われる。このため、マニピュレータは、先端から、外部に位置するマニピュレータ駆動ユニットまでの距離（外筒長）が所定長で確保される必要がある。第１リンク及び第２リンクは、平行に配置することにより相互干渉を回避しながらこの外筒長の確保が容易となる。
【００３０】
また、本発明は、前記基体が人体の関節の周辺部位に取り付け固定され、前記従動リンクが前記周辺部位の第１箇所と前記周辺部位の第２箇所との間に取り付け固定される、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００３１】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体が人体の関節の周辺部位に装着され、従動リンクが関節の周辺部位の二箇所を挟むように装着される。第１リンク及び第２リンクが前進すると、関節の周辺部位は関節を介して前屈する。第１リンク及び第２リンクが後退すると、関節の周辺部位は関節を介して背屈する。第１リンクと第２リンクとの進退量に差を生じ（差動）させると、関節の周辺部位は外転又は内転する。また、第１リンク及び第２リンクは、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、関節の周辺部位は、対象に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。つまり、並列ばねによる２自由度回転機構は、人体の関節の周辺部位を滑らかに動かすための支援動作を行う支援装置に適用できる。また、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた上記支援装置は、連鎖に第１板ばね及び第２板ばねを含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね及び第２板ばねの変形により吸収し、人体の関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
【００３２】
また、本発明は、前記基体が前腕に取り付け固定され、前記従動リンクが手首と指のつけ根との間に取り付け固定される、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
【００３３】
この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体が前腕に装着され、従動リンクが手の甲等に装着される。第１リンク及び第２リンクが前進すると、手は手首を介して掌屈する。第１リンク及び第２リンクが後退すると、手は手首を介して背屈する。第１リンクと第２リンクとの進退量に差を生じ（差動）させると、手は外転又は内転する。また、第１リンク及び第２リンクは、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、掌は、対象に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。つまり、並列ばねによる２自由度回転機構は、前腕運動の支援動作を行うための前腕運動支援装置として用いることができる。また、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた前腕運動支援装置は、連鎖に第１板ばね及び第２板ばねを含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね及び第２板ばねの変形により吸収し、手首関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態に係るマニピュレータ装置ユニットの構成図
【図２】図１に示したマニピュレータの拡大図
【図３】マニピュレータの正面図
【図４】図３に示したマニピュレータの分解斜視図
【図５】マニピュレータの非動作時の斜視図
【図６】非動作時のマニピュレータを平面視した模式図
【図７】第１板ばねの平面図
【図８】ヨー軸回転時におけるばね接触回避、及び特異点回避を説明する模式図
【図９】ヨー軸９０°回転時における特異点回避を説明する動作説明図
【図１０】ヨー軸回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する模式図
【図１１】ヨー軸９０°回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する動作説明図
【図１２】マニピュレータの後方回転時の斜視図
【図１３】マニピュレータの後方左回転時の斜視図
【図１４】マニピュレータについて行った剛性評価の結果を表す説明図
【図１５】第２の実施形態に係る前腕運動支援装置の斜視図
【図１６】図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を背屈させた状態の斜視図
【図１７】図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を外転させた状態の斜視図
【図１８】前腕運動支援装置について行った出力測定の結果を表す説明図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、適宜図面を参照しながら、本発明に係る並列ばねによる２自由度回転機構を具体的に開示した各実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。なお、以下の本実施形態において、本発明に係るマニピュレータは、例えば低侵襲手術手技における腹腔鏡下手術に用いるマニピュレータを例示して説明する。
【００３７】
［第１の実施形態］
第１の実施形態では、本発明に係る並列ばねによる２自由度回転機構を適用した装置として、例えば術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータを例示して説明する。図１は、第１の実施形態に係るマニピュレータ装置ユニットの構成図である。
【００３８】
マニピュレータ１００は、マニピュレータ装置ユニット１１に取り付けられる。マニピュレータ装置ユニット１１は、制御ユニット１３と、マニピュレータ駆動ユニット（図示略）とを有する。制御ユニット１３には、ピッチ回転速度調整摘み１５、ヨー回転速度調整摘み１７、ピッチ０度ヨー０度姿勢スイッチ（初期姿勢スイッチ１９）、ピッチ２０度ヨー０度姿勢スイッチ（ピッチ傾斜姿勢スイッチ２１）が設けられる。
【００３９】
マニピュレータ駆動ユニットは、把持部を備えたユニット本体部（図示略）に一対の直動モータ（図示略）が設けられる。ユニット本体部の把持部には、把持部を握りながらマニピュレータ１００をピッチ駆動、ヨー駆動させるピッチボタン（図示略）、ヨーボタン（図示略）が配置される。直動モータは、制御ユニット１３により独立して回転制御される。ユニット本体部には、外筒２３の基端が固定される。
【００４０】
図２は、図１に示したマニピュレータの拡大図である。マニピュレータ１００は、マニピュレータ駆動ユニットから延出する外筒２３の先端に取り付けられる。マニピュレータ１００は、基体と、第１リンク２５と、第１板ばね２７と、第２リンク２９と、第２板ばね３１と、従動リンクと、を有する。これらに加え、マニピュレータ１００は、第１支持杆３３と、第２支持杆３５と、ピッチ軸３７と、揺動ディスク３９と、ヨー軸４１と、ホルダと、を有する。マニピュレータ１００では、基体が上記のユニット本体部となる。
【００４１】
図３は、マニピュレータの正面図である。外筒２３は、円形状に形成される。なお、外筒２３は、一部が半月形状であり、その部分には同じく半月形状の短パイプが取り付けられている。短パイプの内部にはリニアベアリングが取り付けられている。リニアベアリングは、ホルダに装着される超音波プローブ４３のケーブル４５を通すことで、ケーブル４５の移動を支援するとともに気腹ガスが漏出することを防止する。
【００４２】
マニピュレータ１００は、正面視において、外形が外筒２３からはみ出すことなく外筒２３の半径方向内側に配置される。マニピュレータ１００は、例えば標準の腹腔鏡下手術において、腹部の小さい（およそ１／２インチ）切り口に通したトロッカーを介して挿入が行われる。外科医は、マニピュレータ１００を介して内部の診断部位に配置したマニピュレータ１００を腹部の外側から操作する。
【００４３】
図４は、図３に示したマニピュレータの分解斜視図である。なお、本実施形態において、上下前後左右の方向は、図４に示した矢印の方向に従う。
【００４４】
第１リンク２５は、マニピュレータ駆動ユニットの一方の直動モータによりユニット本体部に対して長手方向に進退自在となる。第１リンク２５は、直動モータの回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
【００４５】
第１板ばね２７は、例えば矩形状に形成される。第１板ばね２７は、長手方向基端が第１基端ピン４７により、第１リンク２５の先端に回転対偶で接続される。第１基端ピン４７は、第１板ばね２７の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
【００４６】
第２リンク２９は、第１リンク２５に並列して配置される。第２リンク２９は、マニピュレータ駆動ユニットの他方の直動モータによりユニット本体部に対して長手方向に進退自在となる。第２リンク２９は、直動モータの回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
【００４７】
第２板ばね３１は、第１板ばね２７と同一の矩形状に形成される。第２板ばね３１は、長手方向基端が第１基端ピン４７と同方向の第２基端ピン４９により、第２リンク２９の先端に回転対偶で接続される。第２基端ピン４９は、第２板ばね３１の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
【００４８】
本実施形態において、マニピュレータ１００の第１リンク２５及び第２リンク２９は、平行である。この平行な第１リンク２５及び第２リンク２９が、外筒２３の内方に挿通されて、独立に直線運動自在となる。
【００４９】
第１支持杆３３は、基端がユニット本体部に固定される。第１支持杆３３は、第１リンク２５及び第１板ばね２７に沿って延在する。
【００５０】
第２支持杆３５は、基端がユニット本体部に固定される。第２支持杆３５は、第２リンク２９及び第２板ばね３１に沿って延在する。
【００５１】
第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端には、ピッチ軸用軸受５１がそれぞれに形成される。
【００５２】
ピッチ軸３７は、第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端同士のピッチ軸用軸受５１に左右の両端が支持される。ピッチ軸３７は、ピッチ軸用軸受５１に対して固定支持であっても、回転自在に支持されてもよい。
【００５３】
揺動ディスク３９は、円環状に形成される。揺動ディスク３９は、直径に平行な方向がピッチ軸３７に沿って回転自在に支持される。本実施形態では、揺動ディスク３９に、弦方向のピッチ軸挿通部５３が形成される。ピッチ軸挿通部５３には、ピッチ軸用軸受５１に両端が支持されたピッチ軸３７が挿通される。その結果、揺動ディスク３９は、一対の第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端において、ピッチ軸回りに揺動自在となる。
【００５４】
ヨー軸４１は、揺動ディスク３９に垂直方向で回転自在に支持される。本実施形態において、ヨー軸４１は、揺動ディスク３９の内穴に回転自在に嵌合する。マニピュレータ１００は、第１基端ピン４７、第２基端ピン４９及びヨー軸４１を螺合解除することにより、第１リンク２５、第２リンク２９、第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端から容易に脱着が可能となる。
【００５５】
ホルダは、ヨー軸４１の一端に固定されて揺動ディスク３９に対し回転自在となる。ホルダは、ヨー軸４１の一端側（下端側）の端面に一対のビスにより固定される。ホルダと揺動ディスク３９との間には、摩擦低減用の環状すべり軸受５５が挟入される。ホルダは、超音波プローブ４３を着脱自在に保持する。すなわち、本実施形態のマニピュレータ１００において、ホルダは、超音波プローブホルダ５７となる。
【００５６】
超音波プローブホルダ５７は、上面がヨー軸４１に固定される。超音波プローブホルダ５７の先端には、プローブ係止爪５９が設けられる。超音波プローブホルダ５７の後端には、スライダ６１が前後方向にスライド自在に設けられる。超音波プローブホルダ５７は、スライダ６１を後退させた状態で、超音波プローブ４３の先端をプローブ係止爪５９に係止し、超音波プローブ４３の後端を前方にスライドしたスライダ６１で係止することにより容易に装着が可能となる。
【００５７】
マニピュレータ１００において、従動リンクは、回転ディスク６３となる。回転ディスク６３は、ヨー軸４１の他端に固定されて、揺動ディスク３９に対し回転自在となる。回転ディスク６３は、ヨー軸４１の他端側（上端側）の端面に一対のビスにより固定される。回転ディスク６３と揺動ディスク３９との間には、摩擦低減用の環状すべり軸受５５が挟入される。
【００５８】
このヨー軸４１及び回転ディスク６３には、上記の第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７が回転中心を挟む両側に支持される。第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、この第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７を介して、ヨー軸４１及び回転ディスク６３に対して回転対偶で接続される。
【００５９】
マニピュレータ１００は、外筒２３の全長３７０ｍｍ、直径１５ｍｍであり、その先端には直径１２ｍｍほどの超音波プローブ４３（例えばＬ４３Ｋ，Ｈｉｔａｃｈｉ  Ａｌｏｋａ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｌｔｄ．，Ｊａｐａｎ）を装着することができる。
【００６０】
図５は、マニピュレータの非動作時の斜視図である。マニピュレータ１００は、ピッチ傾斜姿勢スイッチ２１により初期姿勢となる。初期姿勢では、第１基端ピン４７及び第２基端ピン４９が同一の進退位置となり、第１支持杆３３及び第２支持杆３５に対して超音波プローブ４３が平行に配置される。
【００６１】
図６は、非動作時のマニピュレータを平面視した模式図である。初期姿勢において、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい。
【００６２】
図７は、第１板ばねの平面図である。第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、先端が互いに接近する方向に屈曲したＪ字形状の先端屈曲部６９を有する。具体的に第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、ピン孔７１のピッチ長Ｐを１３．５ｍｍ、板幅Ｗを２．５ｍｍ、軸線から先端屈曲部６９のピン孔７１までの間隔Ｄを１．５ｍｍ、両端の面取半径Ｒを１．８ｍｍ、Ｊ字屈曲角度θを６０°程度で形成できる。
【００６３】
第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、例えばニッケルチタン合金を用いて形成される。また、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、板厚が０．２ｍｍ程度で形成される。マニピュレータ１００は、板厚０．２ｍｍのニッケルチタン合金を使用することによりピッチ回転の動作域２０〜９０°と理想的な超音波診断のために必要とされるヨー回転の動作域±９０°を可能としている。
【００６４】
図８は、ヨー軸回転時におけるばね接触回避、及び特異点回避を説明する模式図である。本実施形態のマニピュレータ１００等のロボットにおける特異点とは、例えば１つ以上の自由度が縮退し、ロボット（例えばマニピュレータ１００）が動作不能になる位置又は姿勢を意味する。より具体的には、ロボット（例えばマニピュレータ１００）を動作させるためには、機構配置を数式に置き換え、目標位置に対してどれだけ直動モータをどのように動かせば良いかを決定する必要がある。しかし、特異点とは、この数式が解けない点を意味する。例えば、第１板ばね２７の基端及び先端、並びに第２板ばね３１の先端にそれぞれ相当する関節が一直線上に並んだ状態が特異点となる。
【００６５】
第１板ばね２７及び第２板ばね３１の形状を決定するには３つの条件を満たす必要がある。第１条件は、ヨー軸９０°回転時のばね接触回避である。このため、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時、第１先端ピン６５又は第２先端ピン６７の中心と、近接する第１リンク２５又は第２リンク２９の軸線との距離ｄが、板幅Ｗより大きく（ｄ＞Ｗ）設定される。
【００６６】
第２条件は、ヨー軸９０°回転時の特異点回避である。このため、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時、第１基端ピン４７と第１先端ピン６５を結んだ直線ｆｒ（ｘ）、第２基端ピン４９と第２先端ピン６７を結んだ直線ｆｌ（ｘ）が、ｆｒ（０）＞０、ｆｌ（０）＞０に設定される。
【００６７】
図９は、ヨー軸９０°回転時における特異点回避を説明する動作説明図である。これにより、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時において、特異点を回避することができる。
【００６８】
図１０は、ヨー軸回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する模式図である。第３条件は、ヨー軸９０°回転時におけるピッチ軸３７との干渉回避である。このため、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時、ヨー軸４１から近接側の第１先端ピン６５又は第２先端ピン６７までの距離ｌｒｒがピッチ軸３７までの距離ｌｐよりも大きく（ｌｒｒ＞ｌｐ）設定される。
【００６９】
図１１は、ヨー軸９０°回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する動作説明図である。これにより、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時において、ピッチ軸３７との干渉を回避することができる。以上の第１条件〜第３条件を満足した第１板ばね２７及び第２板ばね３１の形状が、図７に示したものとなる。
【００７０】
次に、上記した構成の作用を説明する。
【００７１】
本実施形態に係る基本構成の並列ばねによる２自由度回転機構は、基体と従動リンクとが、第１リンク２５、第２リンク２９、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の４つの部材に接続され、リンク機構における環状の連鎖となる。この連鎖は、第１基端ピン４７、第２基端ピン４９、第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７の４つのピンで回転対偶により接続される。これにより、並列ばねによる２自由度回転機構は、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストで機構を構成している。
【００７２】
また、並列ばねによる２自由度回転機構は、少ない部品数で簡単な構造のため、滅菌消毒性に優れる。しかも、連鎖に、第１板ばね２７及び第２板ばね３１を要素に含むので、対象に過度の負荷を与えない。
【００７３】
この並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータ１００等の装置に組み込むことや、人体の前腕等に直接装着することにより作動させることができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータ１００や前腕に用いることにより、一対の第１リンク２５及び第２リンク２９のそれぞれ独立した平行な直線運動を、第１板ばね２７及び第２板ばね３１を変形させることにより、従動リンクの２自由度の動作に変換して取り出すことが可能となる。これにより、例えば省スペースで精密なプローブ走査や、手首関節より先の前腕運動支援動作が実現する。
【００７４】
上記した構成例のマニピュレータ１００は、基体であるユニット本体部から、一対の第１支持杆３３及び第２支持杆３５が並列に突出して固定される。第１支持杆３３及び第２支持杆３５は、それぞれが第１リンク２５及び第１板ばね２７と、第２リンク２９及び第２板ばね３１とに沿って配置される。第１支持杆３３及び第２支持杆３５には、先端同士に渡ってピッチ軸３７が支持される。ピッチ軸３７には、揺動ディスク３９が回転自在に支持される。揺動ディスク３９には、ほぼ中心に回転自在なヨー軸４１が垂直に支持される。ヨー軸４１には、一端にホルダが固定され、他端に回転ディスク６３が固定される。この回転ディスク６３には、回転中心を挟んで第１板ばね２７及び第２板ばね３１の先端が第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７により回転対偶で接続される。
【００７５】
図１２は、マニピュレータの後方回転時の斜視図である。第１リンク２５及び第２リンク２９が前進すると、回転ディスク６３は揺動ディスク３９と一体となってピッチ軸３７を介して前方回転する。従って、ホルダも前方回転する。なお、本明細書中、従動リンクの前後方回転はマニピュレータ１００の場合、前方回転、後方回転と称し、後述の前腕運動支援装置の場合、掌屈、背屈と称す。第１リンク２５及び第２リンク２９が後退すると、回転ディスク６３は揺動ディスク３９と一体となってピッチ軸３７を介して後方回転する。従って、ホルダも後方回転する。
【００７６】
図１３は、マニピュレータの後方左回転時の斜視図である。第１リンク２５と第２リンク２９との進退量に差を生じ（差動）させると、回転ディスク６３はヨー軸４１を中心に右回転又は左回転する。従って、ホルダも右回転又は左回転する。また、第１リンク２５及び第２リンク２９は、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、ホルダは、保持した超音波プローブ４３を、対象に対して接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。
【００７７】
なお、超音波プローブ４３には鉗子で把持するための突起が付いている。ヨー回転を行うときはその干渉を回避するために、はじめにピッチ回転を２０°で行う必要がある。この姿勢は、ピッチ傾斜姿勢スイッチ２１によって行われる。
【００７８】
マニピュレータ１００は、回転ディスク６３がヨー軸４１を中心に９０°で回転したとき、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の接触回避が可能となる。ヨー軸回転角度が９０°のとき、第１先端ピン６５又は第２先端ピン６７から相手側ばねまでの干渉回避距離は、ばね幅より大きいとき、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の接触が回避可能となる。第１板ばね２７及び第２板ばね３１の先端に、Ｊ字形状の先端屈曲部６９を形成することにより、この干渉回避距離がばね幅の制約を受けずに確保が容易となる。
【００７９】
また、マニピュレータ１００は、第１基端ピン４７と第２基端ピン４９とを通る線と、第１先端ピン６５と第２先端ピン６７とを通る線が、同一平面上で平行なとき、第１基端ピン４７と第２基端ピン４９との離間距離よりも第１先端ピン６５と第２先端ピン６７との離間距離の方が小さい。つまり、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい。これにより、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、先端同士の離間距離が基端同士の離間距離よりも大きい場合に比べ、第１リンク２５及び第２リンク２９の小さい直線移動距離で、回転ディスク６３を大きな回転角度で回転させることができる。また、直径方向を小さく形成できることにより、回転ディスク６３及び揺動ディスク３９をコンパクト化することができる。
【００８０】
マニピュレータ１００は、ホルダに、超音波プローブ４３を装着することができる。つまり、マニピュレータ１００は、術中腹腔鏡下超音波診断用として用いることができる。ホルダに装着された超音波プローブ４３は、第１リンク２５及び第２リンク２９の独立直線動作により、ピッチ軸３７及びヨー軸４１を中心とした２自由度での回転が可能となる。超音波プローブ４３は、この２自由度回転により対象の表面に沿って走査することでその内部情報をリアルタイムに取得することが可能となる。
【００８１】
特に、並列ばねによる２自由度回転機構を用いたマニピュレータ１００では、コンパクトな先端形状を実現しながら、対象の接触点を中心とした回転動作（対象表面を撫でるような動作）が可能となり、理想的なプローブ走査が実現する。また、マニピュレータ１００は、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の弾性により、対象からの反力を吸収し、過度の負荷を与えずに、超音波プローブ４３を対象に適切な力で接触させることが可能となる。
【００８２】
また、マニピュレータ１００は、第１板ばね２７及び第２板ばね３１に、ニッケルチタン合金を用いて形成される。ニッケルチタン合金は、生体適合性を有し、且つ超弾性特性を有する。このため、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータ１００では、生体適合性を確保しながら、ピッチ軸回りの回転動作範囲２０〜９０°と、理想的な超音波診断のために必要とされるヨー軸回りの回転動作範囲±９０°と、を同時に満たすことができる。
【００８３】
また、マニピュレータ１００では、長尺の第１リンク２５及び第２リンク２９を、相互に干渉させずに配置することができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータ１００に用いられる場合、第１リンク２５及び第２リンク２９が、外筒２３に収容される。外筒２３は、腹部の切り口に通したトロッカーを介して挿入が行われる。このため、マニピュレータ１００は、先端から、外部に位置するマニピュレータ駆動ユニットまでの距離（外筒長）が所定長（例えば１２５〜３００ｍｍ程度）で確保される必要がある。第１リンク２５及び第２リンク２９は、平行に配置することにより相互干渉を回避しながらこの外筒長の確保が容易となる。
【００８４】
次に、マニピュレータ１００の試験機を製作してその剛性評価を行うことにより、試験機が超音波診断を行うために必要な剛性を有しているかを評価した結果を説明する。
【００８５】
なお、試験では体表面における超音波診断に必要とされる接触力を参考とし、ピッチ軸９０°回転時姿勢における剛性値が１〜６Ｎ／ｍｍ程度であれば超音波診断に必要な剛性を有していると判断した。
【００８６】
＜試験方法＞
それぞれの姿勢まで回転した試験機先端に荷重が与えられたときの変位量を動き解析マイクロスコープ（例えばＶＷ-６０００，ＫＥＹＥＮＣＥ）により測定し、剛性値を算出した。このとき、ピッチ軸回転は、２０〜９０°の範囲で１０°ずつ姿勢を変えた後に測定を行った。なお、測定では、常にプローブ面垂直方向に荷重が作用するよう配慮し、荷重を０〜１．５Ｎまで０．５Ｎずつ増加させた後、０Ｎまで０．５Ｎずつ除荷を行った。
【００８７】
また、試験機は、トロッカーに挿入して使用されるため、同等な環境が得られるよう外筒２３の先端を固定して測定を行った。測定精度は５０μｍ、サンプリングレートは６０ＦＰＳとして、各姿勢に対して３回ずつ測定を行った。
【００８８】
図１４は、マニピュレータについて行った剛性評価の結果を表す説明図である。ピッチ軸回転の結果は、図１４に示すように、代表ピッチ角度２０°における剛性値が１．３７Ｎ／ｍｍとなり、超音波診断に必要とされる剛性値１〜６Ｎ／ｍｍを満足することが知見できた。
【００８９】
［第２の実施形態］
第２の実施形態では、本発明に係る並列ばねによる２自由度回転機構を適用した装置として、前腕運動支援装置を例示して説明する。図１５は、第２の実施形態に係る前腕運動支援装置の斜視図である。
【００９０】
前腕運動支援装置２００は、基体と、第１リンク７３と、第１板ばね７５と、第２リンク７７と、第２板ばね７９と、従動リンクと、を有する。
【００９１】
前腕運動支援装置２００は、基体が装置本体８１となる。装置本体８１は、ＡＢＳ樹脂製のベースプレート８３を有する。ベースプレート８３には、ベルト穴８５が形成される。装置本体８１は、ベースプレート８３のベルト穴８５に通したベルト８７を巻き付けることにより前腕に装着される。ベースプレート８３の上面には直動ユニット８９が設けられる。直動ユニット８９は、一対の直動モータ９１を有する。直動ユニット８９は、第１リンク７３及び第２リンク７７を進退自在に支持する。
【００９２】
第１リンク７３は、直動ユニット８９の一方の直動モータ９１により装置本体８１に対して長手方向に進退自在となる。第１リンク７３は、直動モータ９１の回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
【００９３】
第１板ばね７５は、矩形状に形成される。第１板ばね７５は、長手方向基端が第１基端ピン９３により、第１リンク７３の先端に回転対偶で接続される。第１基端ピン９３は、第１板ばね７５の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
【００９４】
第２リンク７７は、第１リンク７３に並列して配置される。第２リンク７７は、直動ユニット８９の他方の直動モータ９１により装置本体８１に対して長手方向に進退自在となる。第２リンク７７は、直動モータ９１の回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
【００９５】
第２板ばね７９は、第１板ばね７５と同一の矩形状に形成される。第２板ばね７９は、長手方向基端が第１基端ピン９３と同方向の第２基端ピン９５により、第２リンク７７の先端に回転対偶で接続される。第２基端ピン９５は、第２板ばね７９の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
【００９６】
前腕運動支援装置２００において、第１板ばね７５及び第２板ばね７９は、動作の実現や機構の剛性を考慮して長手方向に５０ｍｍ（ピン孔７１のピッチ長）、幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ程度の寸法とすることができる。また、前腕運動支援装置２００の場合、第１板ばね７５及び第２板ばね７９には、焼入れ炭素鋼を用いることができる。
【００９７】
前腕運動支援装置２００は、従動リンクが、ＡＢＳ樹脂製のホールドプレート９７となる。ホールドプレート９７は、手の甲にベルト８７を巻き付けることにより装着される。ホールドプレート９７には、第１板ばね７５及び第２板ばね７９の先端が回転対偶で接続される。すなわち、ホールドプレート９７には、第１板ばね７５の先端が第１基端ピン９３と同方向の第１先端ピン９９により回転対偶で接続される。また、ホールドプレート９７には、第２板ばね７９の先端が第１基端ピン９３と同方向の第２先端ピン１０１により回転対偶で接続される。
【００９８】
前腕運動支援装置２００は、基体である装置本体８１が前腕に取り付け固定され、従動リンクであるホールドプレート９７が手首と指のつけ根との間に取り付け固定される。
【００９９】
次に、上記した構成の作用を説明する。
【０１００】
図１６は、図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を背屈させた状態の斜視図である。前腕運動支援装置２００では、装置本体８１が前腕に装着され、ホールドプレート９７が手の甲等に装着される。第１リンク７３及び第２リンク７７が前進すると、手は手首を介して掌屈する。第１リンク７３及び第２リンク７７が後退すると、手は手首を介して背屈する。
【０１０１】
図１７は、図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を外転させた状態の斜視図である。前腕運動支援装置２００は、第１リンク７３と第２リンク７７との進退量に差を生じ（差動）させると、手は外転又は内転する。
【０１０２】
また、第１リンク７３及び第２リンク７７は、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、掌は、対象物（例えば掌によって把持される物品又は掌により接触される部位）に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。このように、並列ばねによる２自由度回転機構は、前腕運動の支援動作を行うための前腕運動支援装置２００として用いることができる。並列ばねによる２自由度回転機構を用いた前腕運動支援装置２００は、連鎖に第１板ばね７５及び第２板ばね７９を含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね７５及び第２板ばね７９の変形により吸収し、手首関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
【０１０３】
前腕運動支援装置２００は、２つの直動モータ９１の動きにより２自由度動作を実現できる。２本の第１板ばね７５及び第２板ばね７９を同方向に動作させることで掌屈背屈動作を、作動させることで外転内典動作を支援できる。
【０１０４】
手首関節は回転中心の移動が生じることが知られている。前腕運動支援装置２００は、２自由度を有していることから、回転中心の移動に合わせて従動リンクを駆動することが可能となる。また、リンク機構における連鎖の要素にばねを有しているので、装着者に身体的負荷をかけることなく動作支援が可能となる。加えて、前腕運動支援装置２００は、特にばね使用部位では薄型であり、装着者の体表に沿うようにして動力を伝達できる。このことから、前腕運動支援装置２００は、装着者動作の妨げを抑制できる利点も有する。
【０１０５】
また、前腕運動支援装置２００によれば、連鎖に２つのばね要素を用いることにより、小型、軽量、安全でありながら単関節２自由度の動作支援を行うことができる。そして、前腕運動支援装置２００は、ばね要素を機構関節部に用いることにより機構の簡易化、部品点数の減少、装置人体間での動作ずれの受容等の利点も有する。
【０１０６】
次に、前腕運動支援装置２００の試験機を製作しその評価のために出力に関する測定を行った結果を示す。
【０１０７】
＜試験方法＞
ＦＥＭ解析を用い、試験機により手首関節に得られる支援トルクの解析を行った。解析は、手が正常位（中指と前腕の長軸が平行となる姿勢）にある場合について行った。
【０１０８】
図１８は、前腕運動支援装置について行った出力測定の結果を表す説明図である。試験機は、直動モータ９１に、定格出力を与えたとき、外転、内転では０．７７Ｎｍ、掌屈、背屈では１．１８Ｎｍの出力が確認された。日本人高齢者男性の平均的な手の持ち上げに必要な手首関節でのトルクは、両動作ともに０．５４Ｎｍであり、試験機により手の持ち上げが可能であることが明らかとなった。
【０１０９】
従って、本実施形態に係る並列ばねによる２自由度回転機構（マニピュレータ１００、前腕運動支援装置２００）によれば、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない。
【０１１０】
以上、図面を参照しながら実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１１１】
例えば、上記第１の実施形態における構成例では、ヨー軸に超音波プローブホルダを固定する場合を例に説明したが、並列ばねによる２自由度回転機構は、ヨー軸にその他のエンドエフェクタ用のホルダを固定するものであってもよい。この場合、エンドエフェクタとしては、例えばクランプ、捕捉器具、はさみ、ホッチキスを挙げることができる。
【０１１２】
また、上記第２の実施形態では前腕運動支援装置２００を手首に固定して使用する例を説明したが、手首に固定する例に限らず、例えば足首に固定して使用しても構わない。この場合には、装置本体８１が脚の踝付近に装着され、ホールドプレート９７が足首と指のつけ根との間に取り付け固定される。第１リンク７３及び第２リンク７７が後退すると、足は足首を介して前屈する。第１リンク７３及び第２リンク７７が後退すると、足は足首を介して背屈する。
【０１１３】
第１リンク７３及び第２リンク７７は、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、足は、対象物（例えば足が押圧する物品又は足により接触される部位）に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。このように、並列ばねによる２自由度回転機構は、片足又は両足に関して運動の支援動作を行うことができる。並列ばねによる２自由度回転機構によれば、連鎖に第１板ばね７５及び第２板ばね７９を含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね７５及び第２板ばね７９の変形により吸収し、足首関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
【０１１４】
また、足首に固定して使用する例以外に、前腕運動支援装置２００が人体（人体以外の動物でも可。以下同様。）の関節の周辺部位に取り付け固定されても構わない。人体の関節には、例えば肩、手指、肘、膝、首、背骨（脊椎）、足関節等の部位が含まれる。この場合、ホールドプレート９７は上述した人体の関節の周辺部位を挟む二箇所の間に取り付け固定される。これにより、前腕運動支援装置２００を手首に固定した場合と同様の効果が期待でき、例えば身障者にとって関節部位周辺の動きの支援を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造で、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない並列ばねによる２自由度回転機構として有用である。
【符号の説明】
【０１１６】
２５、７３  第１リンク
２７、７５  第１板ばね
２９、７７  第２リンク
３１、７９  第２板ばね
３３  第１支持杆
３５  第２支持杆
３７  ピッチ軸
３９  揺動ディスク
４１  ヨー軸
４３  超音波プローブ
４７  第１基端ピン
４９  第２基端ピン
５７  超音波プローブホルダ（ホルダ）
６３  回転ディスク（従動リンク）
６５、９９  第１先端ピン
６７、１０１  第２先端ピン
６９  先端屈曲部
８１  装置本体（基体）
９３  第１基端ピン
９５  第２基端ピン
９７  ホールドプレート（従動リンク）
１００  マニピュレータ（並列ばねによる２自由度回転機構）
２００  前腕運動支援装置（並列ばねによる２自由度回転機構）
【図１】
2017217729.tif 000003
【図２】
2017217729.tif 000004
【図３】
2017217729.tif 000005
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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