(57)【要約】  対象物を並進移動させるとともに広い可動域で回転動作させることができるパラレルワイヤ装置を提供する。  パラレルワイヤ装置は、動作部と、少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤを具備する。前記回転動作部はパラレルリンクを含み、前記第２のパラレルワイヤは、前記パラレルリンクを構成する各リンクをそれぞれ駆動するパラレルワイヤを含む。
2020044838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備するパラレルワイヤ装置。
【請求項２】
前記回転動作部は、前記動作部に対して２以上の回転自由度を有し、
前記第２のパラレルワイヤは、前記回転動作部を１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤと他の１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤを含む、
請求項１に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項３】
前記回転動作部はシリアルリンクを含み、
前記第２のパラレルワイヤは前記シリアルリンクを駆動するパラレルワイヤを含む、
請求項１に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項４】
前記回転動作部はパラレルリンクを含み、
前記第２のパラレルワイヤは、前記パラレルリンクを構成する各リンクをそれぞれ駆動するパラレルワイヤを含む、
請求項１に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項５】
前記第２のパラレルワイヤは、前記回転動作部を１軸回りに回転駆動するための２本のワイヤを含む、
請求項１に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項６】
前記第２のパラレルワイヤは、前記動作部の並進駆動に兼用されるワイヤを含む、
請求項１に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項７】
前記第２のパラレルワイヤは、長さの変化の差を利用して前記回転動作部を回転駆動するとともに、長さの変化の和を利用して前記動作部を並進駆動する２本のワイヤを含む、
請求項６に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項８】
前記パラレルリンクの先端に取り付けた構造物を駆動するアクチュエータをさらに備える、
請求項４に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項９】
前記回転動作部を１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤと他の１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤは、異なる平面上を通過し、相互に干渉しないように配置される、
請求項２に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項１０】
前記パラレルワイヤ装置をオペレータの正面に設置して使用する際に、回転動作部がオペレータの手の内側になるように配置される、
請求項１に記載のパラレルワイヤ装置。
【請求項１１】
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
前記第１及び第２のパラレルワイヤに含まれる各ワイヤをそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
を具備するパラレルワイヤシステム。
【請求項１２】
スレーブ側に取り付けられた医療用器具をマスタ側から操作するための、マスタスレーブ式の医療用ロボットの操作装置であって、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられたオペレータ用の操作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する医療用ロボットの操作装置。
【請求項１３】
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられた投影装置と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する移動式投影装置。
【請求項１４】
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられたカメラと、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する移動式撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、対象物を並進及び回転動作させるパラレルワイヤ装置、パラレルワイヤシステム、医療用ロボットの操作装置、移動式投影装置、及び移動式撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イナーシャの小さい駆動方式として、パラレルワイヤ方式並びにパラレルリンク方式が知られている。一般には、パラレルワイヤ方式の方が、イナーシャがより小さい。これらパラレル機構は、例えばマスタスレーブ方式のシステムにおいて、マスタ側でオペレータが操作するコントローラや、スレーブ側で出力端のデバイス（エンドエフェクタ）の駆動に使用することができる。【０００３】
例えば、複数の可撓性腱で吊るしたプラットホームからなり、各可撓性腱の伸長長さを制御することによってプラットホームを並進及び回転動作させる、パラレルワイヤ方式の腱吊プラットホームロボットについて提案がなされている（特許文献１を参照のこと）。また、ウェアラブルなパラレルワイヤ方式の力覚提示装置について提案がなされている（特許文献２を参照のこと）。【０００４】
イナーシャの小さいパラレルワイヤ機構を、マスタ側でオペレータが操作するコントローラに適用すると、負荷が小さく、オペレータが疲れにくいというメリットがある。内視鏡外科手術などを行う医療用ロボットのような長時間使用する用途を考えると、コントローラのイナーシャが小さく、操縦者の負荷が軽減されることが好ましい。【０００５】
ところが、パラレルワイヤ機構は、回転可動域が小さいという問題がある。何故ならば、回転時にワイヤ同士が相互干渉を起こしてしまうからである。人間の手首は±９０度程度の可動域を有しており、人が操縦するコントローラは手首に相当する可動域を備えていることが好ましいので、回転可動域が小さいパラレルワイヤ機構を適用しづらい。また、ワイヤと手が干渉してしまうという問題も生じる。【０００６】
他方、撮影用機材をパラレルワイヤにより天吊り式で支持して空中で特殊撮影を行うシステムが既に実用化されている。このように重量物を駆動するために使用する場合には、落下時の危険に備えて、パラレルワイヤ装置の重量を可能な限り減らすことが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５００３３７号公報
【特許文献２】特開２０１６−２０７００５号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１７／１３０５６２
【特許文献４】特開２０００−７９５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書で開示する技術の目的は、対象物を並進移動させるとともに広い可動域で回転動作させることができるパラレルワイヤ装置、パラレルワイヤシステム、医療用ロボットの操作装置、移動式投影装置、及び移動式撮影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で開示する技術は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備するパラレルワイヤ装置である。【００１０】
前記回転動作部は、前記動作部に対して２以上の回転自由度を有し、前記第２のパラレルワイヤは、前記回転動作部を１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤと他の１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤを含んでいる。【００１１】
前記回転動作部はシリアルリンクを含み、前記第２のパラレルワイヤは前記シリアルリンクを駆動するパラレルワイヤを含んでいる。あるいは、前記回転動作部はパラレルリンクを含み、
前記第２のパラレルワイヤは、前記パラレルリンクを構成する各リンクをそれぞれ駆動するパラレルワイヤを含んでいる。【００１２】
また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
前記第１及び第２のパラレルワイヤに含まれる各ワイヤをそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
を具備するパラレルワイヤシステムである。【００１３】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。【００１４】
また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、スレーブ側に取り付けられた医療用器具をマスタ側から操作するための、マスタスレーブ式の医療用ロボットの操作装置であって、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられたオペレータ用の操作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する医療用ロボットの操作装置である。【００１５】
また、本明細書で開示する技術の第４の側面は、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられた投影装置と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する移動式投影装置である。【００１６】
また、本明細書で開示する技術の第５の側面は、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられたカメラと、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する移動式撮影装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本明細書で開示する技術によれば、対象物を並進移動させるとともに広い可動域で回転動作させることができるパラレルワイヤ装置、パラレルワイヤシステム、医療用ロボットの操作装置、移動式投影装置、及び移動式撮影装置を提供することができる。【００１８】
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。【００１９】
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、パラレルワイヤ装置１００の構成を示した図である。
【図２】図２は、パラレルワイヤ装置２００の構成を示した図である。
【図３】図３は、パラレルワイヤ装置３００の構成を示した図である。
【図４】図４は、パラレルワイヤ装置４００の構成を示した図である。
【図５】図５は、パラレルワイヤ装置５００の構成示した図である。
【図６】図６は、パラレルワイヤ装置５００の回転動作部５２０を上方から眺めた様子を示した図である。
【図７】図７は、パラレルワイヤ方式を適用したマスタデバイス７００の構成例を示した図である。
【図８】図８は、パラレルワイヤ方式を適用したマスタデバイス７００の構成例を示した図である。
【図９】図９は、コントローラ７０１を示した図である。
【図１０】図１０は、コントローラ７０１を示した図である。
【図１１】図１１は、オペレータが把持力覚提示装置８７０を使用している様子を示した図である。
【図１２】図１２は、オペレータが把持力覚提示装置８７０を使用している様子を示した図である。
【図１３】図１３は、オペレータが把持力覚提示装置８７０を使用している様子を示した図である。
【図１４】図１４は、球面パラレルリンク装置の構成例を示した図である。
【図１５】図１５は、コントローラ７０１を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、実施例１として、本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ装置に関する５つの基本的構成例をそれぞれ図１乃至図５に示し、各図面を参照しながら説明する。また、実施例２として、本明細書で開示する技術に係るパラレルワイヤ方式をマスタスレーブシステムのマスタデバイスのコントローラに適用した実施例について、主に図７乃至図１０を参照しながら説明する。また、実施例３として、本明細書で開示する技術に係るパラレルワイヤ装置を用いて駆動されるパラレルリンク装置の変形例について、図１４を参照しながら説明する。さらに、実施例４として、本明細書で開示したパラレルワイヤ装置の適用範囲について言及する。
【実施例１】
【００２２】
図１には、本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ装置１００の基本構成例を模式的に示している。紙面をＸＹ平面とするとともに、紙面に垂直な方向にＺ軸を設定する。また、説明の便宜上、図１に示すパラレルワイヤ装置１００は、ＸＹの２方向の並進自由度とＺ軸の１軸回りの回転自由度の合計３自由度を有するものとする。【００２３】
パラレルワイヤ装置１００は、６本の並列するワイヤ１０１〜１０６と、これらワイヤ１０１〜１０６によって支持される動作部１１０を備えている。また、動作部１１０の上面には、回転動作部１２０が、動作部１１０に対して少なくともＺ軸回りに回動可能に取り付けられている。なお、動作部１１０は、台の上（図示しない）など平面上を滑動自在に支持されることを想定している。【００２４】
ワイヤ１０１は、先端部が動作部１１０の端部１１１に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３１に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３１の駆動によって、ワイヤ１０１の長さを制御することができる。図示の例では、ワイヤ１０１を方向変換プーリ１４１に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３１の駆動方向を変換して、ワイヤ１０１の先端部が端部１１１に取り付けられている。ワイヤ１０１の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１１に接合されていることが好ましい。【００２５】
また、ワイヤ１０２は、先端部が動作部１１０の端部１１２に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３２に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３２の駆動によって、ワイヤ１０２の長さを制御することができる。但し、ワイヤ１０２を方向変換プーリ１４２に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３２の駆動方向を変換して、ワイヤ１０２の先端部が端部１１２に取り付けられている。ワイヤ１０２の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１２に接合されていることが好ましい。【００２６】
また、ワイヤ１０３は、先端部が動作部１１０の端部１１３に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３３に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３３の駆動によって、ワイヤ１０３の長さを制御することができる。但し、ワイヤ１０３を方向変換プーリ１４３に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３３の駆動方向を変換して、ワイヤ１０３の先端部が端部１１３に取り付けられている。ワイヤ１０３の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１３に接合されていることが好ましい。【００２７】
また、ワイヤ１０４は、先端部が動作部１１０の端部１１４に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３４に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３４の駆動によって、ワイヤ１０４の長さを制御することができる。但し、ワイヤ１０４を方向変換プーリ１４４に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３４の駆動方向を変換して、ワイヤ１０４の先端部が端部１１４に取り付けられている。ワイヤ１０４の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１４に接合されていることが好ましい。【００２８】
ワイヤ１０５の先端部は回転動作部１２０の側面部に巻き掛けて固定され、また、ワイヤ１０６の先端部はワイヤ１０５とは反対向きに回転動作部１２０の側面部に巻き掛けて固定されている。そして、ワイヤ１０５の根元部はリニアアクチュエータ１３５に取り付けられるとともに、ワイヤ１０６の根元部はリニアアクチュエータ１３６に取り付けられており、各リニアアクチュエータ１３５及び１３６の駆動によって、ワイヤ１０５及び１０６の長さをそれぞれ制御することができる。但し、ワイヤ１０５を方向変換プーリ１４５及び１４６に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３５の駆動方向を変換してから、回転動作部１２０の側面部に巻き掛けられている。また、ワイヤ１０６を方向変換プーリ１４７及び１４８に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３６の駆動方向を変換してから、回転動作部１２０の側面部に巻き掛けられている。【００２９】
各リニアアクチュエータ１３１〜１３６は、図示しない制御部によって一元的にコントロールされるものとする。【００３０】
４本のワイヤ１０１〜１０４は、動作部１１０をＸＹ平面内で並進運動させるためのパラレルワイヤである。制御部が各ワイヤ１０１〜１０４の根元部のリニアアクチュエータ１３１〜１３４を同期的に駆動して、各ワイヤ１０１〜１０４の長さを変化させることで、動作部１１０をＸＹ平面内で並進移動させることができる。各ワイヤ１０１〜１０４の長さを同期的に変化させることで、動作部１１０をＸＹＺ座標系上である程度の可動範囲でＺ軸回りに回転させることも可能である。【００３１】
具体的には、リニアアクチュエータ１３１及び１３２でワイヤ１０１及び１０２を牽引するとともに、ワイヤ１０１及び１０２の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３３及び１３４でワイヤ１０３及び１０４を伸長させることによって、動作部１１０はＹプラス方向に移動し、リニアアクチュエータ１３３及び１３４でワイヤ１０３及び１０４を牽引するとともに、ワイヤ１０３及び１０４の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３１及び１３２でワイヤ１０１及び１０２を伸長させることによって、動作部１１０はＹマイナス方向に移動する。リニアアクチュエータがワイヤ巻き取り式の場合、ワイヤを巻き取ることによって牽引し、ワイヤを巻き出すことによって伸長する（以下、同様）。【００３２】
一方、リニアアクチュエータ１３１及び１３４でワイヤ１０１及び１０４を牽引するとともに、ワイヤ１０１及び１０４の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３２及び１３３でワイヤ１０２及び１０３を伸長させることによって、動作部１１０はＸマイナス方向に移動し、リニアアクチュエータ１３２及び１３３でワイヤ１０２及び１０３を牽引するとともに、ワイヤ１０２及び１０３の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３１及び１３４でワイヤ１０１及び１０４を伸長させることによって、動作部１１０はＸプラス方向に移動する。【００３３】
また、２本のワイヤ１０５及び１０６は、動作部１１０上の回転動作部１２０をＺ軸回りに回転動作させるためのパラレルワイヤである。制御部がリニアアクチュエータ１３５及び１３６を同期的に駆動して、２本のワイヤ１０５及び１０６のうち一方の長さを短縮するとともに釣り合う長さだけ他方を伸長することによって、回転動作部１２０を動作部１１０に対して（若しくは、ＸＹＺ座標系上で）Ｚ軸回りに回転させることができる。【００３４】
具体的には、リニアアクチュエータ１３５でワイヤ１０５を牽引するとともに、ワイヤ１０５の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３６でワイヤ１０６を伸長させることによって、回転動作部１２０を、図１の時計回りに回転させることができる。一方、リニアアクチュエータ１３６でワイヤ１０６を牽引するとともに、ワイヤ１０６の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３５でワイヤ１０５を伸長させることによって、回転動作部１２０を、図１の反時計回りに回転させることができる。【００３５】
なお、各ワイヤ１０１〜１０４の長さを変化させることで、動作部１１０をＸＹ平面内で並進移動させることに加え、動作部１１０をある程度Ｚ軸回りに回転させることができる。したがって、動作部１１０及び回転動作部１２０の両方の回転機能を駆使することによって、より広い回転可動域を確保することができる。【００３６】
図１では、動作部１１０を並進移動させるために並列に設置されたワイヤ１０１〜１０４を黒で描き、回転動作部１２０を回転させるために並列に設置されたワイヤ１０５及び１０６をグレーで描いている。【００３７】
リニアアクチュエータ１３１〜１３６は、例えば、ボールねじやシャフトモータ、リニアモータ、モータとギア及びラック式の直動構造の組み合わせなどで構成することができる。但し、リニアアクチュエータ１３１〜１３６は、それぞれワイヤ１０１〜１０６の長さを伸縮させる動作を行うことが可能であれば、リニアアクチュエータである必要はない。例えば、回転式のモータと、モータの回転によってワイヤを巻き取る機構と組み合わせることによってリニアアクチュエータと置き換えることも可能である。【００３８】
回転動作部１２０を備えた動作部１１０を４本の並進用のワイヤ１０１〜１０４と２本の回転用のワイヤ１０５及び１０６を取り付けて構成されるパラレルワイヤ装置１００において、ワイヤ１０１〜１０６及び各ワイヤ１０１〜１０６を駆動するリニアアクチュエータ１３１〜１３６の配置は、図１に示した構成例には限定されない。また、各ワイヤ１０５〜１０６を巻き掛ける方向変換プーリ１４１、１４２、…の個数や配置も、図１に示した構成例には限定されない。動作部１１０並びに回転動作部１２０の可動範囲や動作させ易さ、装置１００内の図示しない他の部材との干渉などを考慮して、リニアアクチュエータ１３１〜１３６や方向変換プーリ１４１、１４２、…の配置を決定すればよい。【００３９】
本実施形態に係るパラレルワイヤ装置１００で使用されるワイヤ１０１〜１０６は、例えば金属の紐（ステンレス製の撚り線からなるワイヤロープなど）や化学繊維を用いて製作することができる。金属の紐を用いれば、伸び難いという利点がある。また、化学繊維を用いる場合、伸び易いことが懸念されるが、馴染み易いという利点がある。また、使用されるすべてのワイヤが必ずしも同じ素材で統一される必要もない。【００４０】
図２には、本明細書で開示する技術を適用した、他のパラレルワイヤ装置２００の構成例を模式的に示している。但し、図２では、図１と同様にＸＹＺ軸を設定し、パラレルワイヤ装置２００はＸＹの２方向の並進自由度とＺ軸の１軸回りの回転自由度の合計３自由度を有する。【００４１】
パラレルワイヤ装置２００は、６本の並列するワイヤ２０１〜２０６と、これらワイヤ２０１〜２０６によって支持される動作部２１０を備えている。また、動作部２１０の上面に、Ｚ軸回りに回転可能な回転動作部２２０が取り付けられている。なお、動作部２１０は、台の上（図示しない）など平面上を滑動自在に支持されることを想定している。【００４２】
各ワイヤ２０１〜２０６がそれぞれリニアアクチュエータ２３１〜２３６によって駆動される点、各ワイヤ２０１〜２０６が方向変換プーリ２４１〜２４８に巻き掛けられている点、及びワイヤ２０１〜２０４で動作部２１０を動作させ、ワイヤ２０５、２０６で回転動作部２２０を回転させる点は、図１に示したパラレルワイヤ装置１００と同様である。【００４３】
パラレルワイヤ装置２００とパラレルワイヤ装置１００の主な相違点は、ワイヤ２０１〜２０４を動作部２１０に取り付ける方法が異なる点である。そして、ワイヤ２０１〜２０４を動作部２１０に取り付ける便宜上、各ワイヤ２０１〜２０４を駆動するリニアアクチュエータ２３１〜２３４や、各ワイヤ２０１〜２０４を巻き掛ける方向変換プーリ２４１〜２４４の配置も変更されている。【００４４】
そして、図２に示したパラレルワイヤ装置２００は、ワイヤ２０１〜２０４を駆動させることによって、動作部２１０を回転させ易く構成されており、必然的に、ワイヤ２０１〜２０４の駆動によって回転動作部２２０をも回転させることが容易である。したがって、動作部２１０及び回転動作部２２０の両方の回転機能を駆使することによって、図１に示したパラレルワイヤ装置１００よりもさらに広い回転可動域を確保することができる【００４５】
具体的には、リニアアクチュエータ２３１及び２３３でワイヤ２０１及び２０３を牽引するとともに、ワイヤ２０１及び２０３の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ２３２及び２３４でワイヤ２０２及び２０４を伸長させることによって、動作部２１０を、図２の時計回りに回転させることができる。一方、リニアアクチュエータ２３２及び２３４でワイヤ２０２及び２０４を牽引するとともに、ワイヤ２０２及び２０４の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ２３１及び２３３でワイヤ２０１及び２０３を伸長させることによって、動作部２１０を、図２の反時計回りに回転させることができる。【００４６】
なお、２本のワイヤ２０５及び２０６は、動作部２１０上の回転動作部２２０をＺ軸回りに回転動作させるためのパラレルワイヤであり、リニアアクチュエータ２３５及び２３６を同期的に駆動して、２本のワイヤ２０５及び２０６のうち一方の長さを短縮するとともに釣り合う長さだけ他方を伸長することによって、回転動作部２２０を動作部２１０に対して（若しくは、ＸＹＺ座標系上で）Ｚ軸回りに回転させることができる。【００４７】
図３には、本明細書で開示する技術を適用した、さらに他のパラレルワイヤ装置２００の構成例を模式的に示している。但し、図３では、図１と同様にＸＹＺ軸を設定し、パラレルワイヤ装置３００はＸＹの２方向の並進自由度とＺ軸の１軸回りの回転自由度の合計３自由度を有する。【００４８】
パラレルワイヤ装置３００は、６本の並列するワイヤ３０１〜３０６と、これらワイヤ３０１〜３０６によって支持される動作部３１０を備えている。また、動作部３１０の上面に、Ｚ軸回りに回転可能な回転動作部３２０が取り付けられている。なお、動作部３１０は、台の上（図示しない）など平面上を滑動自在に支持されることを想定している。【００４９】
各ワイヤ３０１〜３０６がそれぞれリニアアクチュエータ３３１〜３３６によって駆動される点、各ワイヤ３０１〜３０６が方向変換プーリ３４１〜３４８に巻き掛けられている点、及びワイヤ３０１〜３０４で動作部３１０を動作させ、ワイヤ３０５、３０６で回転動作部３２０を回転させる点は、図１に示したパラレルワイヤ装置１００と同様である。【００５０】
パラレルワイヤ装置３００とパラレルワイヤ装置１００の主な相違点は、回転動作部３２０の回転駆動用の各ワイヤ３０５及び３０６が、それぞれ動作部３１０上に配設された方向変換プーリ３５１及び３５２にそれぞれ巻き掛けられた後に、各々の先端部が回転動作部３２０の側面部に互いに反対方向に巻き掛けられている点である。【００５１】
ワイヤ３０１〜３０４の駆動によって動作部３１０が並進移動したり、回転動作部３２０が回転したりして、動作部３１０の位置や姿勢が変化し、又は方向変換プーリ３４６及び３４７に対する動作部３１０の相対位置が変化しても、各ワイヤ３０５及び３０６は、方向変換プーリ３５１及び３５２を介することで常に一定の接点位置で回転動作部３２０の側面と接触することができる。したがって、回転動作部３２０は、常に同じ方向からワイヤ３０５及び３０６の張力を受けることになる。このような構成によれば、回転動作部３２０をＺ軸回りに回転させる可動範囲を広げることができる。【００５２】
もちろん、各ワイヤ３０１〜３０４の長さを変化させることで、動作部３１０をＸＹ平面内で並進移動させることに加え、動作部３１０をある程度Ｚ軸回りに回転させることができる。したがって、動作部３１０及び回転動作部３２０の両方の回転機能を駆使することによって、より広い回転可動域を確保することができる。【００５３】
図４には、本明細書で開示する技術を適用した、さらに他のパラレルワイヤ装置２００の構成例を模式的に示している。但し、図４では、図１と同様にＸＹＺ軸を設定し、パラレルワイヤ装置４００はＸＹの２方向の並進自由度とＺ軸の１軸回りの回転自由度の合計３自由度を有する。【００５４】
パラレルワイヤ装置４００は、４本の並列するワイヤ４０１、４０４、４０５、４０６と、これらワイヤ４０１…によって支持される動作部４１０を備えている。また、動作部４１０の上面に、Ｚ軸回りに回転可能な回転動作部４２０が取り付けられている。なお、動作部４１０は、台の上（図示しない）など平面上を滑動自在に支持されることを想定している。【００５５】
ワイヤ４０１及び４０４は、主に動作部４１０を並進移動させるためのパラレルワイヤである。ワイヤ４０１は、先端部が動作部４１０の端部４１１に固定され、方向変換プーリ４４１に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ４３１に取り付けられている。また、ワイヤ４０４は、先端部が動作部４１０の端部４１４に固定され、方向変換プーリ４４４に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ４３４に取り付けられている。【００５６】
ワイヤ４０５及び４０６は、回転動作部４２０を回転させるとともに、動作部４１０の並進移動にも兼用されるパラレルワイヤである。ワイヤ４０５は、先端部が回転動作部４２０の側面部に巻き掛けて固定され、方向変換プーリ４４５及び４４６に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ４３５に取り付けられている。また、ワイヤ４０６は、先端部が回転動作部４２０の側面部に巻き掛けて固定され、方向変換プーリ４４７及び４４８に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ４３６に取り付けられている。【００５７】
リニアアクチュエータ４３１及び４３４でワイヤ４０１及び４０４を牽引するとともに、ワイヤ４０１及び４０４の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ４３５及び４３６でワイヤ４０５及び４０６を伸長させることによって、動作部４１０はＸマイナス方向に移動する。一方、リニアアクチュエータ４３５及び４３６でワイヤ４０５及び４０６を牽引するとともに、ワイヤ４０５及び４０６の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ４３１及び４３４でワイヤ４０１及び４０４を伸長させることによって、動作部４１０はＸプラス方向に移動する。【００５８】
また、リニアアクチュエータ４３１及び４３５でワイヤ４０１及び４０５を牽引するとともに、ワイヤ４０１及び４０５の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ４３５及び４３６でワイヤ４０５及び４０６を伸長させることによって、動作部４１０はＹプラス方向に移動する。一方、リニアアクチュエータ４３４及び４３６でワイヤ４０４及び４０６を牽引するとともに、ワイヤ４０４及び４０６の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ４３１及び４３５でワイヤ４０１及び４０５を伸長させることによって、動作部４１０はＹマイナス方向に移動する。【００５９】
また、リニアアクチュエータ４３５でワイヤ４０５を牽引するとともに、ワイヤ４０５の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ４３６でワイヤ４０６を伸長させることによって、回転動作部４２０を、図４の時計回りに回転させることができる。一方、リニアアクチュエータ４３６でワイヤ４０６を牽引するとともに、ワイヤ４０６の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ４３５でワイヤ４０５を伸長させることによって、回転動作部４２０を、図４の反時計回りに回転させることができる。【００６０】
図４に示したパラレルワイヤ装置４００と、図１〜図３に示した各パラレルワイヤ装置１００、２００、３００との主な相違点は、回転動作部４２０の回転用のワイヤ４０５及び４０６を、動作部４１０の並進用のワイヤとして兼用した点にある。上述したように、回転動作部４２０の回転用のワイヤ４０５及び４０６の一方を牽引し他方を伸長させれば、回転動作部４２０を回転させることができるが、ワイヤ４０５及び４０６を同時に牽引し又は伸長させることにより、動作部４１０を並進移動させることができる。すなわち、ワイヤ４０５とワイヤ４０６の長さの変化の差を利用して回転動作部４２０を回転させるとともに、ワイヤ４０５とワイヤ４０６の長さの変化の和を動作部４１０の並進移動に利用する訳である。図４と、図１〜図３を比較して分かるように、１対のワイヤを回転と並進に兼用することにより、ワイヤの総数とリニアアクチュエータの個数を削減することができる。但し、動作部４１０の回転の可動域は小さくなる。【００６１】
図５には、本明細書で開示する技術を適用した、さらに他のパラレルワイヤ装置２００の構成例を模式的に示している。【００６２】
パラレルワイヤ装置５００は、８本の並列するワイヤ５０１〜５０８と、これらワイヤ５０１〜５０８によって支持される動作部５１０を備えている。図面の簡素化のため、動作部５１０は、単純な平板形状をなしている。そして、図５では、この平板と平行な平面上にＸＹ軸を設定するとともに、ＸＹ平面と垂直な方向にＺ軸を設定している。なお、動作部５１０は、台の上（図示しない）など平面上を滑動自在に支持されることを想定している。【００６３】
４本のワイヤ５０１〜５０４は、動作部５１０を並進移動させるためのパラレルワイヤである。ワイヤ５０１は、先端部が動作部５１０の端部５１１に固定され、方向変換プーリ５４１に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３１に取り付けられている。また、ワイヤ５０２は、先端部が動作部５１０の端部に固定され、方向変換プーリ５４２に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３２に取り付けられている。また、ワイヤ５０３は、先端部が動作部５１０の端部に固定され、方向変換プーリ５４３に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３３に取り付けられている。また、ワイヤ５０４は、先端部が動作部５１０の端部に固定され、方向変換プーリ５４４に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３４に取り付けられている。４本からなるパラレルワイヤを用いて動作部５１０を並進移動させる仕組みは、図１に示したパラレルワイヤ装置１００と同様なので、ここでは詳細な説明を省略する。【００６４】
パラレルワイヤ装置５００は、動作部５１０の上面に、ＸＹＺのうち少なくとも２軸回りの回転自由度を持つ回転動作部５２０が取り付けられている点で、図１〜図４にそれぞれ示したパラレルワイヤ装置１００〜４００とは大きく異なる。図５に示す例では、回転動作部５２０は、棒状の構造体であり、その根元部分の接続部５２１は、例えばボールジョイントやユニバーサルジョイントを用いて構成され、少なくとも２軸回りの回転自由度を回転動作部５２０に付与している。【００６５】
４本のワイヤ５０５〜５０８は、回転動作部５２０を、動作部５１０に対して少なくとも２軸回りに回転させるためのパラレルワイヤである。ワイヤ５０５は、先端部が棒状の回転動作部５２０の側面に固定され、動作部５１０に穿設された貫挿孔を介して動作部５１０の下面側に通され、さらに方向変換プーリ５４５及び５４６に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３５に取り付けられている。また、ワイヤ５０６は、先端部が棒状の回転動作部５２０の側面に固定され、動作部５１０に穿設された貫挿孔を介して動作部５１０の下面側に通され、さらに方向変換プーリ５４７及び５４８に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３６に取り付けられている。また、ワイヤ５０７は、先端部が棒状の回転動作部５２０の側面に固定され、動作部５１０に穿設された貫挿孔を介して動作部５１０の下面側に通され、さらに方向変換プーリ５４９及び５５０に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３７に取り付けられている。また、ワイヤ５０８は、先端部が棒状の回転動作部５２０の側面に固定され、動作部５１０に穿設された貫挿孔を介して動作部５１０の下面側に通され、さらに方向変換プーリ５５１及び５５２に巻き掛けられた後、根元部はリニアアクチュエータ５３８に取り付けられている。【００６６】
図６には、回転動作部５２０を上方から眺めた様子を示している。リニアアクチュエータ５３５及び５３６でワイヤ５０５及び５０６を牽引するとともに、ワイヤ５０５及び５０６の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ５３７及び５３８でワイヤ５０７及び５０８を伸長させることによって、回転動作部５２０は、動作部５１０に対して（若しくは、ＸＹＺ座標系上で）接続部５２１でＹ軸回りに回転して、Ｘプラス方向に倒れ込む。また、リニアアクチュエータ５３７及び５３８でワイヤ５０７及び５０８を牽引するとともに、ワイヤ５０７及び５０８の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ５３５及び５３６でワイヤ５０５及び５０６を伸長させることによって、回転動作部５２０は、接続部５２１でＹ軸回りに回転して、Ｘマイナス方向に倒れ込む。【００６７】
一方、リニアアクチュエータ５３５及び５３７でワイヤ５０５及び５０７を牽引するとともに、ワイヤ５０５及び５０７の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ５３６及び５３８でワイヤ５０６及び５０８を伸長させることによって、回転動作部５２０は、動作部５１０に対して（若しくは、ＸＹＺ座標系上で）接続部５２１でＸ軸回りに回転して、Ｙマイナス方向に倒れ込む。また、リニアアクチュエータ５３６及び５３８でワイヤ５０６及び５０８を牽引するとともに、ワイヤ５０６２及び５０８の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ５３５及び５３７でワイヤ５０５及び５０７を伸長させることによって、回転動作部５２０は、接続部５２１でＸ軸回りに回転して、Ｙプラス方向に倒れ込む。【００６８】
上述したように、図１〜図５に示した各パラレルワイヤ装置１００〜５００は、並列する複数のワイヤで支持する動作部１１０、２１０、…を並進移動させるとともに、動作部１１０、２１０、…に取り付けられた回転動作部１２０、２２０、…を回転させることができる。そして、動作部１１０、２１０、…に取り付けられる複数のワイヤは、並進移動用のパラレルワイヤと回転用のパラレルワイヤを含むが、並進移動時、回転時、及び並進移動と回転動作を同時に行う際のいずれにおいてもワイヤ同士が干渉し合うことはない。【００６９】
また、図１〜図５に示したパラレルワイヤ装置１００〜５００のいずれも、並進移動用及び回転用のリニアアクチュエータはすべて各ワイヤの根元部に設置されている。したがって、パラレルワイヤによって並進及び回転する動作部１１０、２１０、…には駆動用のアクチュエータはまったく搭載されておらず、動作部１１０、２１０、…を小型且つ軽量に製作することが可能である。軽量であることから、動作部１１０、２１０、…を比較的小さいワイヤの牽引力で並進移動又は回転動作させることが可能である。また、万一動作部１１０、２１０、…が落下する事故が発生した場合も、小型で軽量であることから、被害を最小限に抑えることができる。【００７０】
図１〜図５に示したパラレルワイヤ装置１００〜５００の実施形態では、動作部１１０、２１０、…はＸＹ平面を並進する２自由度を有しているが、さらにＺ方向に牽引する２本のワイヤを追加することにより、３方向の並進自由度を実現することができる。また、図１〜図４に示したパラレルワイヤ装置１００〜４００の実施形態では、動作部１１０、２１０、…には１軸回りにのみ回転可能な回転動作部１２０、２２０、…が取り付けられ１軸の回転自由度を有しているが、回転動作部１２０、２２０、…に２軸以上の回転自由度を装備させ、且つ各軸回りに回転させるためのワイヤを２本ずつ追加することにより、２以上の回転自由度を実現することもできる。例えば、パラレルワイヤで並進移動可能な動作部の上にパラレルリンク装置を搭載し、各リンクを駆動するワイヤを２本ずつ追加すればよい。【００７１】
ところで、ワイヤは張力のみしか発生できないので、ワイヤのみにより６自由度の物体を任意の位置へ操作するためには、少なくとも７本のワイヤが必要であることが、当業界で知られている（例えば、特許文献４を参照のこと）。つまり、最低７本のワイヤがあれば、対象とする物体の位置（角度）を制御することが可能である。また、６自由度を位置（角度）及び力（トルク）ともに完全に制御するには、１２本のワイヤが必要である。【００７２】
さらに、本実施形態に係るパラレルワイヤ装置１００のように、動作部１１０に取り付けられた回転動作部１２０を駆動するために２本のワイヤが必要であり、パラレルワイヤ装置５００のように回転動作部５２０が２以上の回転自由度を有する場合には、１自由度毎に２本ずつワイヤが必要である。したがって、本実施形態のように、動作部の並進と回転動作部の回転を実現するパラレルワイヤ装置においては、ワイヤは最小１１本、最大で１６本必要ということになる。【００７３】
ワイヤの本数が増えると、各ワイヤの配置が煩雑になるとともに、ワイヤを牽引するリニアアクチュエータなどの駆動装置の台数が増えるので、総重量が増すとともにコストも増大する。これに対し、ワイヤの本数を削減する仕組みをパラレルワイヤ装置に採り入れるようにしてもよい。例えば、２本のワイヤの長さの変化の差を回転動作部の回転に利用するとともに、長さの変化の和を動作部の並進移動に利用することによって、パラレルワイヤ装置を駆動する最低７本のワイヤのうち１本を兼用することができる。上述したように、図４に示したパラレルワイヤ装置４００では、回転動作部４２０の回転用のワイヤ４０５及び４０６を、動作部４１０の並進用のワイヤとして兼用しており、ワイヤ４０５とワイヤ４０６の長さの変化の差を利用して回転動作部４２０を回転させるとともに、ワイヤ４０５とワイヤ４０６の長さの変化の和によって動作部４１０を並進移動させている。【００７４】
図１〜図５に示したパラレルワイヤ装置１００〜５００は、以下のような効果を有する。【００７５】
（１）パラレルワイヤ本来の低イナーシャを実現しつつ、広い回転可動域を実現することができる。
（２）パラレルワイヤ本来の広い並進可動域を持つことができる。
（３）並進用のワイヤと回転用のワイヤを一部共用することで、ワイヤ及びワイヤ駆動用のアクチュエータの数を削減することができる。
（４）ユニバーサルジョイントをワイヤの取り付け点に用いる場合は、取り付け点の変更が容易となり、回転中心がワイヤの向きによってずれることがなく、モデルとの誤差を抑制することができる。
【実施例２】
【００７６】
図７及び図８には、マスタスレーブシステムのマスタデバイス７００において、パラレルワイヤ方式を適用した例を示している。但し、図７は、オペレータによって操作されているマスタデバイス７００をオペレータの前方から斜視した様子を示し、図８は、オペレータが操作中のマスタデバイス７００を俯瞰した様子を示している。マスタデバイス７００は、図示しないスレーブデバイスと双方向通信し、例えばバイラテラル方式によって、マスタからスレーブを操作すると同時にスレーブの状態をマスタにフィードバックするものとする。【００７７】
マスタデバイス７００本体は、上面が開いた箱状の構造体である。その箱の側面から箱内部に向かって複数本のワイヤが並列に延設されている。そして、これらのワイヤによって、左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒをそれぞれ空中に支持している。また、マスタデバイス７００には、各ワイヤを根元側で牽引する複数のリニアアクチュエータが取り付けられている。【００７８】
図７及び図８に示すように、オペレータは、箱の中に左右の手を入れた状態で、左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒを操作することができる。後述するように、コントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒは、把持力覚提示装置を搭載しており、オペレータは、左右それぞれの手で把持力覚提示装置を掴んでコントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒを操作する。各コントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒは、ワイヤ牽引用のリニアアクチュエータなどの動力源を含まず、したがって小型且つ軽量、低イナーシャに構成することができ、オペレータによる操作性もよい。左手用のコントローラ７０１Ｌと右手用のコントローラ７０１Ｒは、基本的には左右対称的な形状及び構造を備えている。以下では、右手用のコントローラ７０１に統一して説明することにする。【００７９】
コントローラ７０１は、パラレルワイヤによって３次元空間を並進移動するコントローラ本体部と、コントローラ本体に対し少なくとも１軸回りに回転可能に取り付けられてパラレルワイヤによって回転動作する回転動作部を備えている。言い換えれば、コントローラ７０１を空中で支持するパラレルワイヤは、コントローラ本体を並進移動させるパラレルワイヤと、回転動作部を回転させるパラレルワイヤを含んでいる。また、図７及び図８では、コントローラ７０１の本体部を並進移動させるのに使用するワイヤを実線で描き、本体内の回転動作部を回転動作させるのに使用するワイヤを破線で描いている。但し、コントローラ７０１を並進移動及び回転動作させる仕組みの詳細については、後述に譲る。各ワイヤは、それぞれの根元部のリニアアクチュエータで牽引される。【００８０】
いずれのワイヤも、各々の根元部で対応するリニアアクチュエータの並進方向を向いている一方、先端部では並進移動又は回転動作させる対象物の動作方向を向いている。各ワイヤは、途中で１又は２以上のプーリ（図７及び図８では図示しない）に巻き掛けられて、適宜折り返され又は方向変換され、且つ、ワイヤ同士で干渉し合わないように配置されている。【００８１】
マスタデバイス７００で用いられるワイヤは、例えば金属の紐（ステンレス製の撚り線からなるワイヤロープなど）や化学繊維を用いて製作することができる。金属の紐を用いれば、伸び難いという利点がある。また、化学繊維を用いる場合、伸び易いことが懸念されるが、馴染み易いという利点がある。また、使用されるすべてのワイヤが必ずしも同じ素材で統一される必要もない。通常、１０ｋｇｆ程度までの張力がワイヤに作用することが想定される。但し、瞬間最大張力は個の値に留まらないことがある。【００８２】
図９、図１０、及び図１５には、マスタデバイス７００のうち、コントローラ７０１を拡大して示している。なお、説明の便宜上、図９及び図１０において、図示の通りＸＹＺ軸を設定する。図示のコントローラ７０１は、パラレルワイヤによって３次元空間を並進移動するコントローラ本体部と、コントローラ本体に対し少なくとも１軸回りに回転可能に取り付けられてパラレルワイヤによって回転動作する回転動作部を備えている。【００８３】
コントローラ本体部は、Ｚ軸方向を法線とする底板部８０１と、Ｙ軸方向を法線とする側壁部８０２と、Ｘ軸方向を法線とする側壁部８０３の３枚の板材が一体となって構成される。【００８４】
底板部８０１は、複数のワイヤを並列に取り付けるための４個のユニバーサルジョイント８１１〜８１４を備えてもよい。各ユニバーサルジョイント８１１〜８１４に、並進移動用のパラレルワイヤを取り付けて（図９及び図１０では図示を省略）、底板部８０１を牽引することで、図７及び図８に示したようにコントローラ７０１はマスタデバイス７００の箱内で空中浮遊するように支持され、且つ、コントローラ７０１をＸＹＺ各軸方向に並進移動させることができる。【００８５】
なお、ユニバーサルジョイント８１１〜８１４は、角度が自由に変化する継手であり、それぞれワイヤで牽引された際に回転中心を常に一定にするために使用される。すなわち、底板部８０１が並進移動した位置に応じて各ワイヤが底板部８０１に入射する角度が変化するが、ユニバーサルジョイント８１１〜８１４が常にワイヤの回転中心位置を保つことによって、パラレルワイヤ機構の理想的なモデルとの誤差を抑制し、ワイヤへのダメージ低減にも貢献する。また、ユニバーサルジョイントを用いれば、取り付け点の変更がネジで実現できるため、ワイヤにダメージを与えずに変更することが容易になる。【００８６】
コントローラ７０１の本体部に取り付けられた回転動作部は、第１のシリアルリンク８５１と第２のシリアルリンク８５２を含む２自由度のパラレルリンク構造である。また、このパラレルリンクには、オペレータが手で把持して直接操作する把持力覚提示装置８７０が搭載されている。そして、このパラレルリンクが底板部８０１と２つの側壁部８０２及び８０３からなるコントローラ本体部の空間内にパラレルリンクが収容される構成となっている。【００８７】
側壁部８０２の内壁面には、Ｙ軸回りに回転可能なプーリ８２１が取り付けられている。また、第１のシリアルリンク８５１は、プーリ８２１と一体となってＹ軸回りに回転する。そして、このプーリ８２１の外周には、２本のワイヤ８６１及び８６２の各々の先端側が、互いに逆向きとなるように巻き掛けられている。【００８８】
これらワイヤ８６１及び８６２の他端側は、側壁部８０３に穿設された２つの挿通孔８０３ａ及び８０３ｂの各々を介してコントローラ本体部の外部に放出され、それぞれリニアアクチュエータ（図９及び図１０では図示を省略）によって牽引される。したがって、ワイヤ８６１を他端側から牽引するとともに、ワイヤ８６１の牽引と釣り合うようにワイヤ８６２を伸長させることによって、第１のシリアルリンク８５１は、プーリ８２１と一体となってＹ軸回りに時計方向に回転する。また、ワイヤ８６２を他端側から牽引するとともに、ワイヤ８６２の牽引と釣り合うようにワイヤ８６１を伸長させることによって、第１のシリアルリンク８５１は、プーリ８２１と一体となってＹ軸回りに反時計方向に回転する。【００８９】
側壁部８０３の内壁面には、Ｘ軸回りに回転可能なプーリ８２２が取り付けられている。また、第２のシリアルリンク８５２は、プーリ８２２と一体となってＸ軸回りに回転する。そして、このプーリ８２２の外周には、２本のワイヤ８６３及び８６４の各々の先端側が、互いに逆向きとなるように巻き掛けられている。【００９０】
これらワイヤ８６３及び８６４の他端側は、側壁部８０２に穿設された２つの挿通孔８０２ａ及び８０２ｂの各々を介してコントローラ本体部の外部に放出され、それぞれリニアアクチュエータ（図９及び図１０では図示を省略）によって牽引される。したがって、ワイヤ８６３を他端側から牽引するとともに、ワイヤ８６３の牽引と釣り合うようにワイヤ８６４を伸長させることによって、第２のシリアルリンク８５２は、プーリ８２２と一体となってＸ軸回りに時計方向に回転する。また、ワイヤ８６４を他端側から牽引するとともに、ワイヤ８６４の牽引と釣り合うようにワイヤ８６３を伸長させることによって、第２のシリアルリンク８５２は、プーリ８２２と一体となってＸ軸回りに反時計方向に回転する。【００９１】
ここで、側壁部８０２側の１組の挿通孔８０２ａ及び８０２ｂと、側壁部８０３側の１組の挿通孔８０３ａ及び８０３ｂは、図９からも分かるように、高低差を以って（すなわち、Ｚ方向の位置が重なり合わないように）、穿設されている。したがって、挿通孔８０３ａ及び８０３ｂに挿通されたワイヤ８６１及び８６２と、挿通孔８０２ａ及び８０２ｂに挿通されたワイヤ８６３及び８６４は、異なる平面上を通過することとなり、互いに干渉し合わないようにそれぞれプーリ８２１及び８２２の回転を牽引することができる。【００９２】
プーリ８２２は、Ｙ軸回りに回転するプーリ８２１とは、回転軸が直交するように配置されている。また、第１のシリアルリンク８５１と第２のシリアルリンク８５２からなるパラレルリンクは、直交する２軸回りの回転自由度を実現している。例えば、第１のシリアルリンク８５１及び第２のシリアルリンク８５２を、それぞれの回転軸回りに±８０度程度回転が可能である。したがって、パラレルリンクに搭載された把持力覚提示装置８７０に対して回転２自由度を付与することができる。さらに、フラットタイプのモータ８８１を搭載してもよく、このモータ８８１の回転軸回りの±９０度以上の広い回転が可能な３つ目の自由度を把持力覚提示装置８７０に付与することができる。モータ８８１としてフラットタイプを使用することにより、回転時に周囲との衝突を起こし難いシンプルな構造を実現することができる。【００９３】
図７〜図１０から分かるように、マスタデバイス７００は、パラレルワイヤ方式によって、コントローラ７０１を駆動する。パラレルワイヤは、低イナーシャである。また、並進用のワイヤでコントローラ７０１を３方向に並進移動させるとともに、コントローラ７０１内の把持力覚提示装置８７０を回転用のワイヤで２軸回りに回転させるというパラレルワイヤ機構によれば、オペレータに対して力提示が可能であり、マスタからスレーブを操作すると同時にスレーブの状態をマスタにフィードバックして、好適にバイラテラル制御を実現することができる。【００９４】
把持力覚提示装置８７０は、コントローラ７０１に搭載された、オペレータが手で把持して操作するＵＩ（Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）である。図７及び図８には、オペレータが左右の手で、左右のコントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒにそれぞれ搭載された把持力覚提示装置を操作している様子を示している。なお、把持力覚提示装置８７０の根元側に、６軸力センサ（図示しない）を搭載してもよい。６軸力センサとモータ８８１を配置する順番は任意である。ケーブルの配線設計を考慮して、力センサをモータ８８１よりも根元側に配置した方がよい場合もある。【００９５】
例えば、特許文献３に開示されている技術を把持力覚提示装置８７０に適用することができる。ここでは把持力覚提示装置８７０の構成について、簡単に説明しておく。【００９６】
図１１〜図１３には、オペレータが把持力覚提示装置８７０を使用している様子を示している。把持力覚提示装置８７０は、棒状の本体部１１０１と、本体部１１０１の先端付近の軸受部１１０２で回転中心１１０３回りに回動可能に支持されたリンク部１１０４と、リンク部１１０４の先端上面の指接触部１１０５と、リンク部１１０４先端下面のレール部１１０６を備えている。【００９７】
オペレータは、親指と中指で本体部１１０１を挟持するようにして把持力覚提示装置８７０を保持することができる。また、人差し指を指接触部１１０５に当接させ、さらに押し込むことで、本体部１１０１に対してリンク部１１０４を開閉操作することができる。また、リンク部１１０４の開閉操作に伴って、レール部１１０６が本体部１１０１から出没する。【００９８】
図示を省略するが、本体部１１０１内には、リンク部１１０４の回転角度を計測するエンコーダや、リンク部１１０４の開閉操作に対して負荷を加えるアクチュエータ並びにその駆動力を伝達する伝達機構が収容されている。詳細については、特許文献３を参照されたい。【００９９】
マスタスレーブシステムが外科手術（例えば、内視鏡、顕微鏡、又はカテーテルを用いた外科手術）などを行う医療用ロボットに適用される場合、スレーブ側に取り付けられた医療用器具をマスタ側から操作するサージョンコンソールとして、左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒを設置すべきである。また、人間工学を考慮すると、オペレータが左右それぞれの腕及び手で操作し易くなる姿勢で左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒが取り付けられていることが好ましい。適切な角度で左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒがそれぞれ取り付けられていると、オペレータは操作し易くなり、高い精度で作業を行なうことができるとともに、腕や手の疲労を感じ難くなるので、長時間の作業にも耐えられるようになる。【０１００】
一般には、人間は、手が上から下に向かう状態では疲れ難い。そこで、図７及び図８に示す例では、オペレータの左右の手が上から下に向かう状態を想定して、把持力覚提示装置８７０が上向きとなるように、左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒの各々が取り付けられている。【０１０１】
また、肘をある程度曲げた方が、人は操作し易く、瞬時に対応することができるとともに、肘を痛め難い。人間工学的には、オペレータの左右の手の指が、それぞれ左右の外側から体の正面に向かってくる姿勢であることが好ましい。そこで、図７及び図８に示す例では、側壁部８０２及び８０３に支持されたプーリ８２１及び８２２が両手の内側となるとともに把持力覚提示装置８７０が左右の外側を向くように、左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒがそれぞれ配置される。パラレルワイヤ装置をオペレータの正面に設置して使用する際に、回転動作部がオペレータの手の内側になるように配置されるということもできる。このようにすれば、オペレータは、左右の腕の肘をある程度曲げた状態で、且つ左右の手がそれぞれ外側から身体の正面に向かってくる姿勢で把持力覚提示装置８７０を掴むことができるので、操作し易く、瞬時に対応することができるとともに、肘を痛め難く、手術プロシージャをスムースに進めることができる。【０１０２】
図７及び図８に示したようなコントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒの配置によれば、オペレータは、人間の腕が本来持つ広い可動域を利用してコントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒを操作することができる。逆に言えば、人間工学を考慮せず、人間の手が向けづらい方向にコントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒが配置されると、オペレータは、自分の腕が持つ可動域の一部しかコントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒの操作に利用することができず、疲労し易く、肘を痛め易くなる。
【実施例３】
【０１０３】
図７〜図１０に示した実施例では、コントローラ７０１の本体部に取り付けられる回転動作部は２軸のパラレルリンク構造であったが、これに限定されるものではない。３軸以上のパラレルリンク装置をコントローラ７０１の本体部に搭載し、且つ、各リンクを２本ずつのワイヤで駆動するようにすればよい。【０１０４】
例えば、「Ａｇｉｌｅ  ｅｙｅ」とも呼ばれる、回転３自由度を持つ球面パラレルリンク装置をコントローラ７０１の本体部に搭載することもできる。球面パラレルリンク装置は、各リンクが共通の中心からなる球面上を運動するように構成されたパラレルリンク装置である。【０１０５】
図１４には、球面パラレルリンク装置の構成例を示している。図示の球面パラレルリンク装置１４００は、ベース部１４０１と、ベース部１４０１に並列に取り付けられた３本のシリアルリンクと、これら３本のシリアルリンクの先端部で支持されたエンドエフェクタ部１４０２で構成される。【０１０６】
図示の球面パラレルリンク装置１４００では、並列する３本のシリアルリンクはほぼ同一の構成であり、ベース部１４０１に対して１軸の回転自由度を以って取り付けられた根元部１４１１と、根元部１４１１と一体となって回転する駆動リンク１４１２と、駆動リンク１４１２の先端部と連結するとともに先端部でエンドエフェクタ部１４０２を支持する従動リンク１４１３からなる。【０１０７】
各リンクの根元部１４１１は、例えばプーリとして構成され、外周に２本のワイヤ１４２１及び１４２２を互いに逆向きに巻き付けて、ワイヤ１４２１及び１４２２の一方を牽引するとともに他方を伸長させることで、根元部１４１１及び駆動リンク１４１２を回転駆動させることができる。そして、３本のシリアルリンクを同期駆動させることによって、ベース部１４０１に対するエンドエフェクタ部１４０２の３次元姿勢を変化させることができる。【０１０８】
球面パラレルリンク装置１４００は、広い可動域を持つとともに、高速且つ高加速度で駆動するという特徴がある。例えば、エンドエフェクタ部１４０２にカメラを搭載すれば、人の眼よりも広い視野角を持つとともに、人の眼よりも高速且つ高加速度で視線を変更することができる。
【実施例４】
【０１０９】
本明細書で開示したパラレルワイヤ装置の適用範囲は、マスタデバイスのコントローラには限定されない。例えば、スレーブデバイス側のマニピュレータなどの遠隔操作対象の並進並びに回転動作のために、上述したようなパラレルワイヤ装置を適用してもよい。【０１１０】
また、本明細書で開示したパラレルワイヤ装置の適用範囲は、マスタスレーブシステムには限定されない。【０１１１】
例えば、ムービングプロジェクタを本明細書で開示したパラレルワイヤ装置で空中浮遊させることにより、ムービングプロジェクタを３次元空間上で並進移動させ、さらに移動した場所毎に映像の投影方向を広い可動域で変更することができる。具体的には、動作部上に図１４に示したようなパラレルリンク構造からなる回転動作部を搭載するとともにそのパラレルリンクにプロジェクタを取り付け、ワイヤの牽引により３次元空間上でプロジェクタを並進移動させるとともに各移動場所で投射方向を変更することができ、広い並進可動域並びに広い回転可動域を有するムービングプロジェクタを実現することができる。【０１１２】
また、カメラなどの撮影機材を本明細書で開示したパラレルワイヤ装置で空中浮遊させることにより、カメラを３次元空間上で並進移動させて視点位置を変えたり、さらに移動した視点位置毎にカメラの視線方向を広い可動域で変更したりすることができる。例えば、サッカーなどの球技や陸上競技などが実施されるスタジアムで天吊り式のカメラを用いる場合には、競技会場の天井若しくは上空に複数の並列するワイヤを架設して、ワイヤの牽引により天吊り式のカメラを移動させたり、広い範囲でパン又はチルトを調整したりすることができる。具体的には、動作部上に図１４に示したようなパラレルリンク構造からなる回転動作部を搭載するとともにそのパラレルリンクに天吊り式のカメラを取り付け、ワイヤの牽引により３次元空間上でカメラの視点位置を並進移動させるとともに各移動場所でカメラの視線方向を変更することができ、広い並進可動域並びに広い回転可動域を有するムービングカメラを実現することができる。【０１１３】
ムービングプロジェクタやカメラなどの機材を本明細書で開示したパラレルワイヤ装置で空中浮遊させる場合、ワイヤ駆動用のリニアアクチュエータは各ワイヤの根元付近に配設されるので、機材を搭載する動作部を小型且つ軽量に製作することができる。したがって、比較的小さい牽引力で機材を並進移動又は回転動作させることが可能である。また、万一機材を載せた動作部が落下した事故が発生した場合であっても、小型で軽量であることから、被害を最小限に抑えることができる。【０１１４】
なお、図７〜図１０に示したマスタデバイス７００に適用されるパラレルワイヤ装置は、実施例１で説明したパラレルワイヤ装置と同様の効果を有することを理解されたい。パラレルワイヤ装置は、低イナーシャで、且つ広い並進可動域及び回転可動域を持つ。このようなパラレルワイヤ装置を用いてコントローラ７０１を駆動することで、オペレータに対して力提示が可能であり、マスタからスレーブを操作すると同時にスレーブの状態をマスタにフィードバックして、好適にバイラテラル制御を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。【０１１６】
本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ装置は、例えばマスタスレーブシステムにおいて、マスタデバイス側のコントローラの並進及び回転動作や、スレーブデバイス側のマニピュレータなどの操作対象の並進及び回転動作に利用することができる。本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ装置の用途は、マスタスレーブシステムには限定されない。また、本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ装置を用いて、ムービングプロジェクタやカメラを始めさまざまな機材を空中浮遊させて並進及び回転動作させることができる。【０１１７】
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。【０１１８】
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備するパラレルワイヤ装置。
（２）前記回転動作部は、前記動作部に対して２以上の回転自由度を有し、
前記第２のパラレルワイヤは、前記回転動作部を１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤと他の１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤを含む、
上記（１）に記載のパラレルワイヤ装置。
（３）前記回転動作部はシリアルリンクを含み、
前記第２のパラレルワイヤは前記シリアルリンクを駆動するパラレルワイヤを含む、
上記（１）に記載のパラレルワイヤ装置。
（４）前記回転動作部はパラレルリンクを含み、
前記第２のパラレルワイヤは、前記パラレルリンクを構成する各リンクをそれぞれ駆動するパラレルワイヤを含む、
上記（１）に記載のパラレルワイヤ装置。
（５）前記第２のパラレルワイヤは、前記回転動作部を１軸回りに回転駆動するための２本のワイヤを含む、
上記（１）に記載のパラレルワイヤ装置。
（６）前記第２のパラレルワイヤは、前記動作部の並進駆動に兼用されるワイヤを含む、
上記（１）に記載のパラレルワイヤ装置。
（７）前記第２のパラレルワイヤは、長さの変化の差を利用して前記回転動作部を回転駆動するとともに、長さの変化の和を利用して前記動作部を並進駆動する２本のワイヤを含む、
上記（６）に記載のパラレルワイヤ装置。
（８）前記パラレルリンクの先端に取り付けた構造物を駆動するアクチュエータをさらに備える、
上記（４）に記載のパラレルワイヤ装置。
（９）前記回転動作部を１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤと他の１軸回りに回転駆動するパラレルワイヤは、異なる平面上を通過し、相互に干渉しないように配置される、
上記（２）に記載のパラレルワイヤ装置。
（１０）前記パラレルワイヤ装置をオペレータの正面に設置して使用する際に、回転動作部がオペレータの手の内側になるように配置される、
上記（１）乃至（９）のいずれかに記載のパラレルワイヤ装置。
（１１）動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
前記第１及び第２のパラレルワイヤに含まれる各ワイヤをそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
を具備するパラレルワイヤシステム。
（１２）スレーブ側に取り付けられた医療用器具をマスタ側から操作するための、マスタスレーブ式の医療用ロボットの操作装置であって、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられたオペレータ用の操作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する医療用ロボットの操作装置。
（１２−１）マスタスレーブ式の医療用ロボットの操作装置であって、スレーブ側に取り付けられた医療用器具を操作するマスタ側に、
動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられたオペレータ用の操作部と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する操作装置を有するマスタスレーブ式の医療用ロボット。
（１３）動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられた投影装置と、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する移動式投影装置。
（１４）動作部と、
少なくとも１軸回りに回転可能に前記動作部に取り付けられた回転動作部と、
前記回転可動部に取り付けられたカメラと、
前記動作部を並進駆動する第１のパラレルワイヤと、
前記回転動作部を回転駆動する第２のパラレルワイヤと、
を具備する移動式撮影装置。
【符号の説明】
【０１１９】
１００…パラレルワイヤ装置、１０１〜１０６…ワイヤ
１１０…動作部、１２０…回転動作部
１３１〜１３６…リニアアクチュエータ
１４１〜１４８…方向変換プーリ
２００…パラレルワイヤ装置、２０１〜２０６…ワイヤ
２１０…動作部、２２０…回転動作部
２３１〜２３６…リニアアクチュエータ
２４１〜２４８…方向変換プーリ
３００…パラレルワイヤ装置、３０１〜３０６…ワイヤ
３１０…動作部、３２０…回転動作部
３３１〜３３６…リニアアクチュエータ
３４１〜３４８…方向変換プーリ、３５１、３５２…方向変換プーリ
４００…パラレルワイヤ装置
４０１、４０４、４０５、１０６…ワイヤ
４１０…動作部、４２０…回転動作部
４３１、４３４、４３５、４３６…リニアアクチュエータ
４４１、４４４〜１４８…方向変換プーリ
５００…パラレルワイヤ装置、１０１〜１０６…ワイヤ
５１０…動作部、５２０…回転動作部、５２１…接続部
５３１〜５３８…リニアアクチュエータ
５４１〜５５２…方向変換プーリ
７００…マスタデバイス、７０１…コントローラ
８０１…底板部、８０２…側壁部、８０２ａ、８０２ｂ…挿通孔
８０３…側壁部、８０３ａ、８０３ｂ…挿通孔
８１１〜８１４…ユニバーサルジョイント、８２１、８２２…プーリ
８５１…第１のシリアルリンク、８５２…第２のシリアルリンク
８６１〜８６４…ワイヤ、８７０…把持力覚提示装置、８８１…モータ
１１０１…本体部、１１０２…軸受部、１１０３…回転中心
１１０４…リンク部、１１０５…指接触部、１１０６…レール部
１４００…球面パラレルリンク装置、１４０１…ベース部
１４０２…エンドエフェクタ部、１４１１…根元部（プーリ）
１４１２…駆動リンク、１４１３…従動リンク
１４２１、１４２２…ワイヤ
【図１】
2020044838.tif 000003
【図２】
2020044838.tif 000004
【図３】
2020044838.tif 000005
【図４】
2020044838.tif 000006
【図５】
2020044838.tif 000007
【図６】
2020044838.tif 000008
【図７】
2020044838.tif 000009
【図８】
2020044838.tif 000010
【図９】
2020044838.tif 000011
【図１０】
2020044838.tif 000012
【図１１】
2020044838.tif 000013
【図１２】
2020044838.tif 000014
【図１３】
2020044838.tif 000015
【図１４】
2020044838.tif 000016
【図１５】
2020044838.tif 000017
【国際調査報告】
2020044838.tif 000018
2020044838.tif 000019