(57)【要約】  医療処置に用いられるようなマニピュレータが提供されている。このマニピュレータは、本体と、第１の取付点において本体に接続されており、少なくとも３自由度で第１の取付点を移動させることができる第１のアクチュエータシステムと、を備えている。第２のアクチュエータシステムが、第２の取付点において本体に接続されており、少なくとも３自由度で第２の取付点を移動させることができるようになっている。第３のアクチュエータシステムが、第３の取付点において本体に接続されており、少なくとも１自由度で第３の取付点を移動させることができるようになっている。
2012525275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、
第１の取付点において前記本体に接続されており、少なくとも３自由度で前記第１の取付点を移動させることができる第１のアクチュエータシステムと、
第２の取付点において前記本体に接続されており、少なくとも３自由度で前記第２の取付点を移動させることができる第２のアクチュエータシステムと、
第３の取付点において前記本体に接続されており、少なくとも１自由度で前記第３の取付点を移動させることができる第３のアクチュエータシステムと、
を備えているマニピュレータ。
【請求項２】
前記第１、第２、および第３の取付点は、共通面内に配置されてい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】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムは、それぞれ、固体マウント上に支持されてい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４】
前記第１および第２の取付点は、各々、それぞれの３自由度継手を備えてい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】
前記第３の取付点は、３自由度継手を備えてい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６】
前記第３のアクチュエータシステムは、少なくとも３自由度で前記第３の取付点を移動させることができるようになってい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７】
前記第３のアクチュエータシステムは、少なくとも２自由度で前記第３の取付点を移動させることができるようになってい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８】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムの各々は、直列アクチュエータシステムから構成されてい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９】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの直線継手／アクチュエータを用いていることを特徴とする請求項８に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの回転継手／アクチュエータを用いていることを特徴とする、請求項８に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムの少なくとも１つは、回転継手／アクチュエータおよび直線継手／アクチュエータの組合せを用いていることを特徴とする、請求項８に記載のマニピュレータ。
【請求項１２】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムは、並列アクチュエータシステムから構成されてい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１３】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの直線継手／アクチュエータを用いていることを特徴とする、請求項１２に記載のマニピュレータ。
【請求項１４】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの回転継手／アクチュエータを用いていることを特徴とする、請求項１２に記載のマニピュレータ。
【請求項１５】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータシステムの少なくとも１つは、回転継手／アクチュエータと直線継手／アクチュエータとの組合せを用いていることを特徴とする、請求項１２に記載のマニピュレータ。
【請求項１６】
前記第１のアクチュエータシステムは、直列アクチュエータシステムから構成されており、前記第２のアクチュエータシステムは、並列アクチュエータシステムから構成されてい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１７】
前記本体は、ツールマウントを備えてい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１８】
前記本体は、プレートから構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
神経外科手術、脊椎外科手術、耳鼻科手術、頭頸部外科手術、手外科手術、および最小侵襲外科手術のような極めて複雑な外科手術および／または身体的に負担の掛かる外科手術を行うのに用いられている従来の装置は、外科医の巧緻性に関する多くの欠点を有している。例えば、外科医は、外科用装置をその使用中に手で支持する必要があるので、疲れ易い。加えて、外科医は、装置を操作するために、手を不自然な位置に向けねばならないことがある。さらに、このような外科手術に用いられている従来の装置は、誤った動きを角度的に大きくする可能性がある。その結果、外科医は、このような外科用装置によって手術を行う場合、ツールを直接掴む伝統的な技法によって手術を行う場合よりも、著しく低下した巧緻性および正確さしか発揮できないことになる。
【背景技術】
【０００２】
従って、医療処置中に外科用ツールを支持し、かつ操作するためのロボット式マニピュレータおよびマスター／スレーブ式マニピュレータのような動力マニピュレータを用いることへの関心がますます高まっている。このようなマニピュレータは、患者および医療従事者のいずれにとっても多くの利点をもたらすことができる。具体的には、マスター／スレーブ制御式マニピュレータは、外科医が実際に医療ツールを手で保持する場合よりもはるかに器用に医療ツールを操作することが可能になるように、外科医／オペレータの巧緻性を向上させることができる。マニピュレータは、外科医が医療ツールまたは医療装置をその使用中に物理的に支持する必要性をなくすので、外科医が受ける疲労を低減させることもできる。加えて、外科医は、マニピュレータを放すことができるので、医療ツールを動かすことなく、他の作業を行うことができる。これによって、外科医の効率を向上させ、特定の処置を実行するのに必要な担当者の数を減らすことができる。このように、マニピュレータは、医療処置をさらに一層迅速に行うことができ、その結果、患者のストレスを少なくすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、６自由度を有するマニピュレータを含む多くのマニピュレータは、特定の方位において、マニピュレータが加えることのできるトルクの量が制限される点においていくつかの欠点を有している。これは、このような方位においてマニピュレータによって行われる作業を制限することになる。さらに、マニピュレータの中には、その作動範囲内に特異点を有するものがある。これらの特異点では、２つ以上のマニピュレータ継手が、冗長的となり、より少ない数の自由度での運動しか実行できないことになる。これによって、マニピュレータ機構は、係止または妨害され、もはや自由に動くことができなくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、医療処置に用いられるようなマニピュレータを提供するものである。該マニピュレータは、本体と、第１の取付点において本体に接続されており、少なくとも３自由度で第１の取付点を移動させることができる第１のアクチュエータシステムと、を備えている。第２のアクチュエータシステムが、第２の取付点において本体に接続されており、少なくとも３自由度で第２の取付点を移動させることができるようになっている。第３のアクチュエータシステムが、第３の取付点において本体に接続されており、少なくとも１自由度で第３の取付点を移動させることができるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】３つの３自由度直線軸直列アクチュエータを備える本発明による例示的マニピュレータの概略図である。
【図２】３つの３自由度回転軸直列アクチュエータを備える本発明によるマニピュレータの代替的実施形態の概略図である。
【図３】３つの３自由度直線軸並列アクチュエータを備える本発明によるマニピュレータの他の代替的実施形態の概略図である。
【図４】１つの３自由度直線軸並列アクチュエータおよび２つの３自由度直線軸直列アクチュエータを備える本発明によるマニピュレータのさらに他の代替実施形態の概略図である。
【図５】２つの３自由度回転軸直列アクチュエータおよび１つの３自由度回転軸並列アクチュエータを備える本発明によるマニピュレータの代替実施形態の概略図である。
【図６】２つの３自由度複合アーキテクチャ直列アクチュエータおよび１つの３自由度複合アーキテクチャ並列アクチュエータを備える本発明によるマニピュレータのさらに他の代替的実施形態の概略図である。
【図７】２つの３自由度直線軸直列アクチュエータおよび１つの第３の２自由度直線軸直列アクチュエータを備える本発明によるマニピュレータのさらに他の代替的実施形態の概略図である。
【図８】２つの３自由度直線軸直列アクチュエータおよび１つの第３の１自由度直線アクチュエータを備える本発明によるマニピュレータのさらに他の代替的実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、図面の図１をより詳細に参照すると、本発明によって構成されたマニピュレータの例示的な実施形態が示されている。図示されているマニピュレータ１０は、６自由度で本体を交換可能に支持し、かつ移動させることができるようになっている。この場合、可動本体は、エンドエフェクタ、例えば、医療ツールホルダーまたは医療ツールマウント１４を保持する支持部材１２として構成することができる。参照し易いように、図示されている実施形態における支持部材１２は、三角形状を有している。しかし、明らかに、本発明は、可動本体のどのような特定の形式、特定の形態、または特定の形状にも制限されるものではない。これに関連して、本発明は、医療ツール、ツールホルダー、または支持構造体のどのような特定の形式にも制限されるものではなく、むしろ、どのような適切なツールおよび／またはツール支持体、例えば、制限されるものではないが、ニードルホルダ、ステープル／留め具アプライヤー、プローブ、鋏、鉗子、焼灼器、吸引カッター、解剖用器具、ドリル、鋸、レーザ、超音波装置、および診断装置が、マニピュレータと共に用いられてもよい。ツールは、再使用可能なものであってもよいし、限定的に再使用可能なものであってもよいし、または使い捨て可能なものであってもよい。もし医療ツールが、従来式の人力による可動部品を有している場合、マニピュレータ１０は、ツールに動力を供給するように専用化されたアクチュエータ、例えば、電動式アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、また油圧式アクチュエータを受け入れように適合されていてもよい。
【０００７】
本発明は、複雑な医療処置の実行に関連して説明されることになるが、本発明のマニピュレータは、このような用途に制限されるものではない。それどころか、本発明のマニピュレータは、巧緻性を必要とする作業を含むどのような用途に用いられてもよい。例えば、該マニピュレータは、危険物質の遠隔操作を含む用途に用いられてもよい。また、該マニピュレータは、一般的には外力を用いずに人によって行われている反復的な作業を実行する複雑な組立または修理工程に用いられてもよい。
【０００８】
外科手術および特定のインターベンショナル・ラジオロジー処置を行う上でのオペレータ／外科医の巧緻性を高めるために、マニピュレータ１０は、マスター／スレーブロボットシステム内のスレーブロボットとして用いられてもよい。マニピュレータ１０は、このようなシステム内のマスターロボットとして用いられてもよい。マスター／スレーブロボットシステムでは、外科医／オペレータは、制御装置または制御コンソールを通して操作されるマスターまたは触覚インターフェースを介して、「スレーブ」マニピュレータに対して位置入力信号を供給するようになっている。具体的には、本発明のマニピュレータ１０をスレーブロボットとして用いる場合、外科医は、触覚インターフェース上の入力装置、例えば、（フォースフィードバック、ジョイスティック、足踏みペダルなどを有していてもよいし、または有していなくてもよい）６自由度のツールハンドルを介して、マニピュレータ１０によって保持されたツールの所望の運動を指示する。触覚インターフェースは、これらの信号を制御装置に伝送する。制御装置は、信号に種々の望ましい所定の調節を施し、その後、該信号をスレーブマニピュレータに伝送する。マニピュレータ１０を制御装置によって制御するのに、６以上の自由度（ＤＯＦ）を有するどのような触覚インターフェースが用いられてもよい。本発明と共に用いることができる触覚インターフェースまたはマスターの例として、カナダ、モントリオールのMPB Technologiesから市販されている「Freedom 6S」、およびマサチューセッツ州、ケンブリッジのSensable Technologiesおよびニューメキシコ州、アルバカーキのMicroDexterity Systemsから市販されている他の触覚インターフェースが挙げられる。
【０００９】
制御装置から供給された信号に基づいて、マニピュレータ１０は、ツールの所望の運動または操作を実行することになる。このようにして、触覚インターフェースから送られた信号に適正な調節を行うように制御装置を設定することによって、任意の望ましい巧緻性向上を達成することができる。例えば、これは、所望の巧緻性向上アルゴリズムを実行するソフトウェアを制御装置に備えさせることによって、達成されてもよい。ソフトウェア巧緻性向上アルゴリズムは、位置の拡大縮小（典型的には縮小）、力の拡大縮小（骨および軟骨の場合には拡大、軟組織の場合には縮小）、振戦フィルタリング、重力補償、プログラム可能な位置境界、移動する組織に対する運動補償、速度制限（例えば、骨を穿孔した後、脳、神経または脊髄組織への急激な動きを防止するための速度制限）、および、以下に詳細に説明するような画像参照を含むことができる。これらのアルゴリズムおよび他の有力なアルゴリズムの例は、ロボット工学の分野では周知であり、出版されている文献に詳細に記載されている。カリフォルニア州、サンタバーバラのMotion Engineeringから市販されている、SynqNet Systemを用いている「ZMP SynqNet（登録商標）系列Motion Controller」は、本発明と共に用いられる適切な制御装置の一例である（www.synqnet.org およびwww.motioneng.com参照）。適切なコントローラの他の例は、カリフォルニア州、ノースリッジのDelta Tau Data Systemsから市販されている「Turbo PMC」である。
【００１０】
支持部材１２を空間内で移動させるために、マニピュレータ１０は、第１および第２の互いに独立した個別の３自由度アクチュエータシステム１６，１８を備えている。これらのアクチュエータシステム１６，１８の各々は、それぞれの取付点において支持部材１２に接続されている。マニピュレータは、別個の第３のアクチュエータシステム１９をさらに備えている。第３のアクチュエータシステム１９は、少なくとも１自由度を有しており、第１および第２のアクチュエータシステムの取付点と同一平面にある別個の第３の取付点において支持部材１２に取り付けられている。第１、第２、および第３のアクチュエータシステム１６，１８，１９は、各々、固体マウント（ｓｏｌｉｄ  ｍｏｕｎｔ）上に支持されている。第１および第２のアクチュエータシステム１６，１８は、どのような形式の３自由度アクチュエータシステムであってもよい。同様に、第３のアクチュエータシステム１９も、所望の自由度をもたらすどのような形式のアクチュエータシステムであってもよいが、３以上の自由度のアクチュエータを有するアクチュエータシステムがここでは好ましい。３自由度アクチュエータを用いることによって、総計で９自由度を有するマニピュレータが得られることになる。このようなマニピュレータの一例が、図１に示されている。
【００１１】
当業者には明らかなように、６自由度は、空間内で支持部材の位置を画定するのに必要な全てである。従って、本発明の好ましい実施形態によってもたらされる第７の自由度、第８の自由度、および第９の自由度は、冗長自由度である。冗長自由度は、６自由度しか有していない（すなわち、冗長自由度を有していない）マニピュレータと比較して、さまざまな方位において良好なトルク送達をもたらすことができ、多くの６自由度マニピュレータが達成し得る操作範囲を拡げることができる。特に、全てのハイブリッド直列／並列機構の運動範囲は、マニピュレータが固定されてもはや自由に移動することができない一連の特異点によって、限定されている。例えば、これらの特異点は、マニピュレータが完全に延び切ったときに生じる可能性がある。このとき、（ツールは、操作されているにも関わらず）、マニピュレータがそれ自体を移動させるのに十分な力またはトルクをもたらすことができない程度まで、マニピュレータの機械要素が互いに拘束することになる。冗長自由度は、この問題を解消するのに役立つことになる。
【００１２】
第７の自由度が可動本体と一体の第３のアクチュエータシステムによってもたらされるようになっている７自由度マニピュレータシステムの種々の実施形態が、２００７年２月２３日に出願された共有の米国特許出願第１１／７１０，０２３号明細書に開示されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。これらのシステムと比較して、本発明の構成は、完全な６自由度の運動が、可動本体に取り付けられた第３のアクチュエータシステムの使用によるのではなく、移動本体に直接送達されることが可能になっているという利点をもたらしている。具体的には、前述したように、本発明の構成は、支持部材１２に一体に取り付けられずに別個の第３の取付点において支持部材１２に取り付けられた第３のアクチュエータシステム１９を備えている。これは、本発明の構成が、第３のアクチュエータシステムに関連する重量のあるモータおよび減速機構を可動本体から離れた点に移動させることができることを意味している。殆どの場合、これによっては、マニピュレータに関連する慣性力が有利に低減されることになる。
【００１３】
従来のプラットホームマニピュレータは、典型的には、６つのアクチュエータを用いており、該アクチュエータの各々は、互いに異なる取付点においてプラットホームに接続されている。これらのアクチュエータは、種々の形態を有することができる。プラットホームマニピュレータは、プラットホームが、アクチュエータリンクとプラットホームの取付点とが同一平面またはその近傍の位置に移動したときに、問題を生じることがある。このような位置では、アクチュエータは、役に立たず、マニピュレータは、固定されることになる。これは、アクチュエータが前進するかまたは回転するしかできず、前進すると共に回転することができないからである。もしこれらの単一自由度アクチュエータを本発明の好ましい実施形態におけるような３つの３自由度アクチュエータと取り換えたなら、３自由度の作動空間内において任意の力ベクトルを生じさせる能力を得ることになるだろう。例えば、３自由度アクチュエータは、支持部材の並進または回転を生じさせるように、一緒に作動されてもよい。仮に取付点およびアクチュエータが同一平面に位置したとしても、アクチュエータは、取付点の位置をなお制御することができる力ベクトルを生じさせることができる。その結果、本発明のマニピュレータは、極めて巧緻性に富み、従来の６自由度プラットホームマニピュレータよりも作業空間内の特異点を少なくすることができる。好ましい９自由度の実施形態を用いたときの特異点は、殆ど、アクチュエータリンクが互いに接触する点または継手／リンクがそれらの運動限界に達した点によって、範囲が定められることになる。加えて、余分の自由度によって、マニピュレータに関連する原動力の減速または変調が可能になり、これによって、電力消費および熱の調整が良好に調整されることになる。
【００１４】
図１の実施形態では、第１、第２、および第３のアクチュエータシステム１６，１８，１９は、単純な直線軸直列アクチュエータを備えている。具体的には、各アクチュエータシステムは、３つの直線滑り継手またはアクチュエータ２０，２１，２２を備えている。滑り継手／アクチュエータ２０，２１，２２の各々は、それぞれの直角座標軸、すなわち、ｘ、ｙ、ｚに沿って並進または摺動するようになっている。この場合、アクチュエータシステムの各々は、ｘ軸直線継手／アクチュエータ２０を備えており、該継手／アクチュエータ２０は、固体マウント２４に接続された一端およびｙ軸直線継手／アクチュエータ２１に接続された他端を有している。ｙ軸直線継手／アクチュエータ２１の他端は、ｚ軸直線継手／アクチュエータ２２に接続されている。第１、第２、および第３のアクチュエータシステム１６，１８，１９のｚ軸直線継手／アクチュエータ２２は、それぞれの取付点において支持部材１２に接続されている。
【００１５】
図１に示されている実施形態では、第１および第２のアクチュエータシステムの取付点は、各々、３回転自由度を有する球継手またはその等価物のような継手２６，２７から構成されている。２つの球継手２６，２７によって、支持部材１２は、第３のアクチュエータシステムが存在していない場合、不完全に拘束されていることになる。具体的には、支持部材１２は、２つの球継手２６，２７の中心を結ぶ線の周りに自由に回転することになる。第３のアクチュエータシステム１９は、２つの球継手２６，２７の中心および該中心を結ぶ線によって画定されている面内にある支持部材１２上の第３の点に接続される少なくとも１自由度アクチュエータ、この場合、３自由度のアクチュエータを設けることによって、この自由な回転を拘束するようになっている。支持部材１２への第３のアクチュエータシステム１９の取付けは、球継手またはその等価物のような第３の３自由度回転継手２９を介して行われてもよい。これらの継手は、必要な回転自由度をもたらすどのような所望の構成を有していてもよい。さらに取付点における単一継手は、連係して等価自由度をもたらす多重継手に置き換えられてもよい。
【００１６】
種々の回転継手２６，２７，２８、従って、支持部材１２および／またはツールマウントの位置を検出するために、回転継手の全てまたは一部が、位置センサを備えていてもよい。マニピュレータの駆動システムの各々は、制御装置に連通していてもよく、この場合、位置センサは、位置情報を制御装置にフィードバックループでもたらすことができる。どのような数の種々の従来式位置センサ、例えば、光学式エンコーダが用いられてもよいことは、明らかである。さらに、種々の駆動システムが、支持部材および／またはツールマウントに加えられる力またはトルクを測定するために、アクチュエータに加えられる力またはトルクを検出するための力センサを備えていてもよい。この情報は、例えば、触覚インターフェースの入力装置に力をフィードバックするために、制御装置にフィードバック制御ループで再び供給されるようになっていてもよい。勿論、力および／またはトルクを測定するためのどのような周知の方法、例えば、箔式または半導体式歪ゲージまたはロードセルが用いられてもよい。
【００１７】
前述したように、第１、第２、および第３のアクチュエータシステム１６，１８，１９は、どのような形式の３つ以上の自由度を有するアクチュエータシステムであってもよい。例えば、直線継手／アクチュエータではなく、３つの回転継手／アクチュエータ１３０，１３１，１３２が、第１、第２、および第３のアクチュエータシステム１１６，１１８，１１９に用いられている代替的実施形態が、図２に示されている。図２の実施形態では、図１の実施形態における要素と同様の要素には、１００番台の対応する参照番号が付されている。図１の実施形態の場合と同じように、回転継手／アクチュエータ１３０，１３１，１３２は、互いに直列に配置されており、これらの各々は、それぞれの直角座標軸、すなわち、ｘ，ｙ，ｚの周りに回転するようになっている。図２に示されている構成では、第１、第２、および第３のアクチュエータシステム１１６，１１８，１１９の各々は、固体マウント１２４に接続されたｚ軸回転継手／アクチュエータ１３２を備えている。ｚ軸回転継手／アクチュエータ１３２の出力シャフトは、ｙ軸回転継手／アクチュエータ１３１まで延在している第１のリンク１３４に接続されている。ｙ軸回転継手／アクチュエータ１３１の出力シャフトは、第２のリンク１３５を介して、ｘ軸回転継手／アクチュエータ１３０に接続されている。ｘ軸回転継手／アクチュエータ１３０は、第３のリンク１３６に接続された出力シャフトを有している。第３のリンク１３６は、それぞれの取付点において支持部材１１２に接続されている。各アクチュエータシステム１１６，１１８，１１９に対して、３つの回転継手／アクチュエータ１３０，１３１，１３２の角度が、それぞれの取付点の位置を画定している。これらの取付点は、ここでは、３回転自由度の球継手１２６，１２７，１２９から構成されている。
【００１８】
直列ではなく、並列に配置された３自由度アクチュエータを第１、第２、および第３のアクチュエータシステムとして用いているさらに他の実施形態が、図３に示されている。図３では、図１，２における要素と同様の要素には、２００番台の対応する参照番号が付されている。具体的には、図３の実施形態では、第１、第２、および第３のアクチュエータシステム２１６，２１８，２１９の各々は、並列に配置された３つの直線継手／アクチュエータ２３８を備えている。直線継手／アクチュエータ２３８の各々は、その一端において、それぞれの３回転自由度球継手２３９に介して固体マウント２２４に接続されている。直線継手アクチュエータ２３８の各々の他端は、三脚配列を形成するように、固定球２４０に接続されている。この三脚配列では、先端、すなわち、固定球が空間において移動することができるようになっている。固定球は、支持部材２１２への取付点を画定している球継手２２６，２２７，２２９の一部である。この場合、各アクチュエータシステム２１６，２１８，２１９の３つの直線継手アクチュエータ２３８の１つは、固定球に剛性的に接続されており、他の２つは、各々が３自由度で球を中心に回転できるように、球に接続されている。
【００１９】
図４および図５に示されているように、第１、第２、および第３のアクチュエータシステムは、種々の形態を有していてもよい。さらに具体的に、図４に示されている本発明の実施形態では、第１のアクチュエータシステム３１６は、図３の実施形態において第１および第２のアクチュエータシステムに用いられているものと同様の三脚形態を有する３自由度並列直線アクチュエータを備えている。図４では、図１〜図３の実施形態における要素と同様の要素には、３００番台の対応する参照番号が付されている。図４の実施形態では、第２および第３のアクチュエータシステム３１８，３１９は、図１の実施形態に用いられているものと同様の（直線アクチュエータ３２０，３２１，３２２を有する）３自由度直列直線アクチュエータを備えている。ここでも、アクチュエータシステム３１６，３１８，３１９の各々は、球継手３２６，３２７，３２９から構成されているそれぞれの取付点において、支持部材３１２に接続されている。
【００２０】
図５の実施形態では、図１〜図４の実施形態における要素と同様の要素には、４００番台の対応する参照番号が付されている。図５では、第１および第３のアクチュエータシステム４１６，４１９は、図２の実施形態に用いられているものと同様の（回転アクチュエータ４３０，４３１，４３２を有する）３自由度直列回転アクチュエータを備えており、第２のアクチュエータシステム４１８は、（図３の３自由度並列三脚アクチュエータと概して類似しているが、直線継手／アクチュエータが回転継手／アクチュエータ４４５に置き換えられている）３自由度並列回転アクチュエータを備えている。具体的には、３自由度並列回転式の第２のアクチュエータシステム４１８は、３つの脚を備えており、該脚の各々は、それぞれの回転継手／アクチュエータ４４５に接続されている。各回転継手／アクチュエータ４４５は、固体マウント４２４に接続されており、直角座標軸、すなわち、ｘ，ｙ，ｚ軸の各１つを中心に回転するようになっている。ここでも、アクチュエータシステム４１６，４１８，４１９は、球継手４２６，４２７，４２９から構成されているそれぞれの取付点において、支持部材４１２に接続されている。
【００２１】
図６の実施形態に示されているように、個々の第１、第２、および第３のアクチュエータシステム５１６，５１８、５１９は、直線継手／アクチュエータおよび回転継手／アクチュエータを備える混合アーキテクチャを有していてもよい。図６では、図１〜図５の実施形態における要素と同様の要素には、５００番台の参照番号が付されている。図６の実施形態では、第１および第３のアクチュエータシステム５１６，５１９は、ｚ軸回転継手／アクチュエータ５４７を備える直列配列を有している。ｚ軸回転継手アクチュエータ５４７は、直線継手／アクチュエータ５４８に接続されたリンクに接続されている出力シャフトを有している。直線継手／アクチュエータ５４８は、ｙ軸回転継手／アクチュエータ５４９に接続されている。第２のアクチュエータシステム５１８は、回転継手／アクチュエータ５５１を有する１つの脚および直線継手／アクチュエータ５５２を有する２つの脚からなる並列三脚配列を有している。ここでも、アクチュエータシステム５１６，５１８，５１９は、球継手５２６，５２７，５２９から構成されているそれぞれの取付点において、支持部材５１２に接続されている。図６の実施形態は、所望の３つ以上の自由度をもたらす回転アクチュエータおよび直線アクチュエータのどのような組合せを用いて、第１、第２、および第３のアクチュエータシステムを形成してもよいことを示している。
【００２２】
図１〜図６の９自由度構成は、比較的少ない特異点しかもたらさないが、マニピュレータは、第１、第２および第３のアクチュエータシステムの１つを１自由度または２自由度のものとして構成することによって、７自由度または８自由度を有するように構成されてもよい。例えば、図７の実施形態では、第１および第２のアクチュエータシステム６１６，６１８の各々は、図１の実施形態と同様の３つの直線継手／アクチュエータ６２０，６２１，６２２を有する単純な直線軸３自由度直列アクチュエータを備えている。図７の実施形態の第３のアクチュエータシステム６１９は、２自由度アクチュエータ、この場合、固体マウント６２４に接続された一端および支持部材６１２に接続された第２の端を有して直列に配置された２つの直線アクチュエータ６２０,６２１を備えている。ここでも、全ての取付点は、それぞれの球継手６２６，６２７，６２９から構成されている。従って、マニピュレータは、総計で８つの自由度を有している。
【００２３】
総計で７つの自由度を有するマニピュレータが図８に示されている。図８の実施形態では、第１および第２のアクチュエータシステム７１６，７１８は、各々、図１の実施形態と同様の３つの直線継手／アクチュエータ７２０，７２１，７２２を有する単純な直線軸３自由度の直列アクチュエータを備えている。第３のアクチュエータシステム７１９は、１自由度アクチュエータ、この場合、固体マウント７２４に接続された一端と、支持部材７１２に接続された第２の端を有する単一の直線アクチュエータ７２５を備えている。支持部材への取付点は、ここでも、３自由度球継手７２６，７２７，７２９から構成されている。
【００２４】
上記に鑑みて、本発明は、９つ以下または９つ以上の自由度をもたらすマニピュレータを提供していることが明らかである。冗長的自由度は、特定の方位におけるトルク送達を改良し、かつ特定の特異点をなくすように働くことによって、改良された性能をもたらすことになる。本明細書では、特定の形態の第１、第２、および第３のアクチュエータシステムを有するマニピュレータが、図示され、かつ記載されている。勿論、他の形式の３自由度アクチュエータシステムが、第１、第２、および第３のアクチュエータシステムとして用いられてもよい。例えば、アクチュエータシステムの１つ以上が、２自由度の動径座標機である、所謂、ｒ−θ機構に基づいていてもよい。この場合、さらに他のアクチュエータを各ｒ−θ機構に接続させ、対応するｒ−θ機構をその回転面外に独立して移動させるようになっていてもよい。その結果、アクチュエータシステムは、独立した３自由度アクチュエータシステムを構成することになる。他の構成も可能である。
【００２５】
本明細書において引用されている刊行物、特許出願、および特許を含む全ての参考文献は、あたかも各参考文献が、参照することによって個々にかつ具体的に含まれるように指摘され、その全体が本明細書に記載されているかのように、参照することによって本明細書に含まれるものとする。
【００２６】
本発明を説明している文脈（特に、請求項の文脈）における「a」、「an」、「the」という用語およびその指示物の使用は、本明細書に別段の指示がない限り、または明らかに文脈と矛盾していない限り、単数形および複数形の両方を含んでいると解釈されたい。「〜を備える（comprising）」、「〜を有する（having）」、「〜を備える（including）」、および「〜を含む（containing）」という用語は、別段の記載がない限り、非制限的な用語（すなわち、「〜を含むが、これに制限されるものではない」ことを意味する用語）として解釈されたい。本明細書に値の範囲を列挙するのは、本明細書に別段の記載がない限り、この範囲に属する値の各々を個別に参照する簡単な方法として役立つことを単に意図しているにすぎず、値の各々は、本明細書において個々に列挙されているかのように、本明細書に含まれるものである。本明細書に記載されている全ての方法は、本明細書に別段の記載がない限り、または明らかに文脈と矛盾していない限り、どのような適切な順序によって行われてもよい。本明細書に記載されているあらゆる例または例示的な文言（例えば、「〜のような（such as）」）の使用は、本発明を一層良く説明することを単に意図しているにすぎず、別段の記載がない限り、本発明の範囲を制限するものではない。本明細書におけるいかなる文言も、請求項に記載されてない本発明の実施に不可欠な要素を示していると解釈されてはならない。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態が、本発明を実施するための本発明者らにとって周知の最良
の形態を含めて、本明細書に記載されている。当業者であれば、前述の説明を読むことによって、これらの好ましい実施形態の変形形態が明らかになるだろう。本発明者らは、当業者がこのような変形形態を必要に応じて用いることを見込んでおり、本発明が本明細書に具体的に記載されている以外の形態で実施されることも予定している。従って、本発明は、準拠法によって許されているように、添付の請求項に記載の内容の全ての修正形態および均等物を含むものである。さらに、本明細書に別段の記載がない限り、または明らかに文脈と矛盾していない限り、前述の要素を任意に組み合わせた全ての可能な変形形態も本発明に包含されるものである。
【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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【国際調査報告】
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