JP2004154877A

JP2004154877A - 多節スライダ・リンクによる屈曲機構

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Publication number: JP2004154877A
Application number: JP2002320931A
Authority: JP
Inventors: Takesumi Doi; 健純土肥; Nobuhiko Namita; 伸彦波多; Hiromasa Yamashita; 紘正山下
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2004-06-03
Also published as: CA2503408A1; WO2004041485A1; US20060096403A1

Abstract

【課題】一組の多節リンクを直接スライドさせる操作のみで１自由度につき±９０°の屈曲駆動を行うことができ、同機構を組み合わせることで多自由度の屈曲を行える屈曲機構を提供する。
【解決手段】第１フレ−ム１、第２フレ−ム３、第３フレ−ム５は、順次第１回転軸２、第２回転軸４により回転可能に枢着され、直列状に配置されている。第１フレーム１の第１回転軸２より右側には、第１駆動用リンク７、第２駆動用リンク９、第３駆動用リンク１２が連結されている。第１フレーム１の第１回転軸２より左側には、第１拘束用リンク１５、第２拘束用リンク１７が連結されている。第３駆動用リンク１２がスライド駆動されると、第１フレ−ム１が左右に回転する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多節スライダ・リンク機構により屈曲動作を実現した多自由度屈曲機構を持つデバイスに関するものである。即ち１自由度につき両側±９０°の屈曲動作機構のフレームを複数個組み合わせる事で多自由度を実現する機構に関するものである。駆動伝達としてはリンク機構を採用し、剛性と耐久性に優れ安定した動きを実現した屈曲２自由度マニピュレータとしたのである。
本発明によって、あらゆる産業分野において利用できるものである。すなわち、内視鏡下外科手術用器具（一般外科・胸部外科・産婦人科・耳鼻科・泌尿器科・形成外科・整形外科・脳外科等の外科領域全般で使用する内視鏡、鉗子、電気メス等の手術器具）、人の手が入り込めない危険区域（例えば原子力発電所、宇宙空間等）における遠隔ロボットマニピュレーション、大型機械（各種エンジン等）の深部の複雑な箇所における分解・組み立てを伴わない検査・修理作業、様々な設備の細い配管内における遠隔作業等、医療分野を初めとし原子力や宇宙空間での機器や配管内での遠隔操作機器その他プラントでの複雑配管内での検査装置等巾広い分野で活躍が期待出来る。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従来は開腹下に行われていた外科手術を内視鏡下で低侵襲に行うという術式がとられている。この術式で使用される鉗子や電気メスなどの手術器具は挿入孔を支点とした低自由度の動きに制限され、患部への柔軟なアプローチが困難となっている。そして、この術式で使用されるものとして、屈曲部は１自由度の回転軸受けをもつリング状の関節を組み合わせることにより２自由度の屈曲を実現し、ワイヤにより駆動する腹部外科手術支援長鉗子マニピュレータはある。（例えば、非特許文献１参照）。しかし、このようなワイヤ駆動のものは（マニピュレータ）細径化、多チャンネル化という面では優れているが、高い剛性が実現しにくい、耐久性が悪く使用しているうちにワイヤが延びてしまう、といった欠点があった。そこで、鉗子の先端に屈曲２自由度、鉗子の軸周りの回転により、合計３自由度を腹腔内で持つ機構とし、高剛性実現のため駆動方法としてリンク機構を採用したものもある。（例えば、非特許文献２参照）
【非特許文献１】
●名称：多自由度長鉗子マニピュレータ文献：中村亮一，小林英津子，他：腹部外科手術支援用長鉗子マニピュレータの開発，第９回日本コンピュータ外科学会大会論文集、第９回日本コンピュータ外科学会大会事務局，６１−６２，２０００
【非特許文献２】
●名称：リンク駆動型高剛性多自由度能動鉗子文献：渡部耕一，岡田昌史，他：リンク駆動型高剛性多自由度能動鉗子の開発，ロボティクス・メカトロニクス講演会’０１講演論文集，日本機械学会，２Ｐ１−Ｄ１Ｏ（１）−（２），２００１
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記のように、従来のものは、ワイヤの取りまわし・高精度なワイヤ駆動を高精度にコントロールのためにアクチュエータ周りの装置が複雑かつ大きい、また、ワイヤ駆動によるスリップスティックと屈曲・伸展動作にバックラッシが生じる、また、デバイスの直径に対して作業空間がやや小さい等の問題点があった。
そこで、本発明は、回転軸を有するフレームの両側に駆動用リンクと拘束用リンクを設け、直接スライドさせる操作のみで屈曲駆動を行えるようにし、各フレームの動作順制御や動作精度の向上及び剛性と耐久性と広い屈曲範囲を実現し、従来の問題点を克服したものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術手段は、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる１自由度屈曲機構としたことである。
また、前記複数のフレームを、第１フレ−ムと第２フレ−ムと第３フレ−ムから構成し、第１フレ−ムと第２フレ−ムは第１回転軸により、第２フレ−ムと第３フレ−ムは第２回転軸により、それぞれ回転可能に枢着され、第３フレ−ムに対して、第１フレ−ムと第２フレ−ムを屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる１自由度屈曲機構としたことである。
また、第１フレームにおける第１回転軸より一方側には、第１ピンにより第１駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１駆動用リンクの下部は、第２ピンにより第２駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第２ピンは、第２フレ−ムに形成された第１長孔に嵌入され、前記第２駆動用リンクの下部は、第３ピンにより第３駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第３ピンは、第３フレ−ムに形成された第２長孔に嵌入され、第３駆動用リンクの下部は、アクチュエータに直接連結され、前記アクチュエータは動力源に連結され、一方、前記第１フレームにおける第１回転軸より他方側には、第４ピンにより第１拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１拘束用リンクの下部は、第５ピンにより第２拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第５ピンは、第２フレ−ムに形成された第３長孔に嵌入され、前記第２拘束用リンクの下部は、第６ピンにより枢着され、更に、第６ピンは、第３フレ−ムに形成された第４長孔に嵌入されている多節スライダ・リンクによる１自由度屈曲機構としたことである。
【０００５】
また、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる一方の１自由度屈曲機構とし、また、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる他方の１自由度屈曲機構とし、前記一方の１自由度屈曲機構に対して他方の１自由度屈曲機構を９０°位相をずらせて連結して多自由度屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。
また、前記一方の１自由度屈曲機構の複数のフレームを、第１フレ−ムと第２フレ−ムと第３フレ−ムから構成し、第１フレ−ムと第２フレ−ムは第１回転軸により、第２フレ−ムと第３フレ−ムは第２回転軸により、それぞれが回転可能に枢着され、第３フレ−ムに対して、第１フレ−ムと第２フレ−ムを屈曲可能とし、また、前記他方の１自由度屈曲機構の複数のフレームを、第４フレ−ムと第５フレ−ムから構成し、第４フレ−ムと第５フレ−ムは第４回転軸により回転可能に枢着され、前記一方の１自由度屈曲機構の第３フレ−ムに対して、前記他方の１自由度屈曲機構の第４フレ−ムを、第３回転軸により９０°位相をずらせて連結した多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。
【０００６】
また、第１フレームにおける第１回転軸より一方側には、第１ピンにより第１駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１駆動用リンクの下部は、第２ピンにより第２駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第２ピンは、第２フレ−ムに形成された第１長孔に嵌入され、前記第２駆動用リンクの下部は、第３ピンにより第３駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第３ピンは、第３フレ−ムに形成された第２長孔に嵌入され、第３駆動用リンクの下部は、ピンにより複数の駆動用リンクを介してアクチュエータに連結され、前記アクチュエータは動力源に連結され、一方、前記第１フレームにおける第１回転軸より他方側には、第４ピンにより第１拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１拘束用リンクの下部は、第５ピンにより第２拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第５ピンは、第２フレ−ムに形成された第３長孔に嵌入され、前記第２拘束用リンクの下部は、第６ピンにより枢着され、更に、第６ピンは、第３フレ−ムに形成された第４長孔に嵌入され、また、前記第３フレ−ムには、前記第１回転軸と第２回転より９０°位相をずらせた第３回転軸により第４フレ−ムが回転可能に枢着され、第４フレ−ムには、第４回転軸により第５フレ−ムが回転可能に枢着され、直列状に配置され、第３フレームにおける第３回転軸より一方側には、第７ピンにより第４駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、第４駆動用リンクの下部は、第８ピンにより第５駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第８ピンは、第４フレ−ムに形成された第５長孔に嵌入され、第５駆動用リンクの下部は、第９ピンにより第６駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、更に、第９ピンは、第５フレ−ムに形成された第６長孔に嵌入され、第６駆動用リンクの下部は、アクチュエータに直接連結され、動力源からの推力を第５駆動用リンクに伝達するように構成され、一方、前記第４フレームにおける第３回転軸より他方側には、第１０ピンにより第３拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、第３拘束用リンクの下部は、第１１ピンにより第４拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第１１ピンは、第４フレ−ムに形成された第７長孔に嵌入され、第４拘束用リンクの下部は、第１２ピンにより枢着され、更に、第１２ピンは、第５フレ−ムに形成された第８長孔に嵌入されている多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。
【０００７】
また、前記複数のフレームの各々は、そのフレームの中心に貫通孔と、該貫通孔を取り囲むように円周上に４個の貫通孔を設けた多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。
また、前記直列に配置した複数のフレームにおいて、前記フレームの円周上に設けられた４個の貫通孔に、垂直面屈曲用リンクと水平面屈曲用リンクを交互に配設し、更に、先端のフレームの中心の貫通孔には、鉗子、或いは内視鏡等の操作のための器具を装備した多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。
また、前記フレ−ムをスライドするためのアクチュエ−タの動力源は、油圧・水圧・空圧シリンダ等、を用い、前記動力源を制御系にケ−ブル、インタ−フェ−スの有線あるいは無線により接続し遠隔操作も可能にし、用途に応じ最適なものを選択し、各種センサを用いて位置や速度、加速度や力覚のフィ−ドバックを行う多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。
また、前記制御系は、制御用計算機、ＰＣやマイコン等、制御量や計算量、実装環境（電源やスペ−スなど）に応じて選択し、アクチュエ−タの制御、エンドエフェクタの位置、姿勢制御、運動学計算等を行い、また、遠隔制御系は、専用線や既設のネットワ−クを用い、遠隔からの制御も可能とし、更に、インタ−フェ−スは、ハンドヘルドタイプ、ナビゲ−ションタイプ、マスタスレ−ブタイプ等、用途に応じた操作用インタ−フェ−スを使用する多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。
【０００８】
【発明実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、リンク駆動による１自由度屈曲機構の概念図を示す図で、図２は、リンク駆動による１自由度屈曲機構の動く過程を示す図である。
この１自由度屈曲機構において、第１フレ−ム１には、第１回転軸２により第２フレ−ム３が回転可能に枢着され、第２フレ−ム３には、第２回転軸４により第３フレ−ム５が回転可能に枢着され、各フレームが直列状に配置される。
また、第１フレーム１における第１回転軸２より右側には、第１ピン６により第１駆動用リンク７の上部が回転可能に枢着されている。前記第１駆動用リンク７の下部は、第２ピン８により第２駆動用リンク９の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第２ピン８は、第２フレ−ム３に形成された第１長孔１０に嵌入されている。前記第２駆動用リンク９の下部は、第３ピン１１により第３駆動用リンク１２の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第３ピン１１は、第３フレ−ム５に形成された第２長孔１３に嵌入され、第３駆動用リンク１２の下部は、図示しないアクチュエータに直接連結され、動力源からの推力を第２駆動用リンク９に伝達する。一方、前記第１フレーム１における第１回転軸２より左側には、第４ピン１４により第１拘束用リンク１５の上部が回転可能に枢着されている。前記第１拘束用リンク１５の下部は、第５ピン１６により第２拘束用リンク１７の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第５ピン１６は、第２フレ−ム３に形成された第３長孔１８に嵌入されている。前記第２拘束用リンク１７の下部には、第６ピン１９が設けられ、この第６ピン１９は、第３フレ−ム５に形成された長孔２０に嵌入されている。
【０００９】
次に、上記のように構成された１自由度屈曲機構の動きを、図２に基づいて説明する。
第１フレーム１は、第２フレ−ム３に対して０°の状態（図２（１））にある時、図示しない動力源を駆動する。動力源からの推力は、アクチュエータ（不図）に伝達され、その推力はアクチュエータに直接連結された第３駆動用リンク１２に伝達する。第３駆動用リンク１２の移動に伴い、第３ピン１１が長孔１３に沿い下方に移動し、第３ピン１１の下方に伴い第２駆動用リンク９も下方に移動する。第２駆動用リンク９の下方の移動に伴い、第２ピン８が第１長孔１０に沿い下方に移動し、第２ピン８の下方の移動に伴い第１駆動用リンク７も下方に移動する。第１駆動用リンク７の移動に伴い、第１フレーム１は回転モーメントが与えられ、第１回転軸２を中心にして時計回りに回転をし傾き始め（図２（２））、その回転は第２ピン８が第１長孔１０の下端に当接するまで続き、第２ピン８が第１長孔１０の下端に当接すると、第１フレーム１は、第２フレーム３に対して−４５°回転する（図２（３））。
一方、第１フレーム１の、第１回転軸２より左側に存在する各拘束用リンクは、前記各駆動用リンクの動きに追随して動く。すなわち、第１フレーム１の時計方向の動きに伴い、第１拘束用リンク１５は時計方向に回転しつつ上方に移動することによって第５ピン１６も第３長孔１８に沿って上方に移動する。第５ピン１６の上方の移動に伴い、第２拘束用リンク１７は第６ピン１９と共に、第３フレ−ム５に形成された長孔２０に沿い上方に移動し、第１フレーム１の回転に追随する。
前記のように、第２ピン８が第１長孔１０の下端に当接すると（図２（３））、第２フレーム３は同様に時計方向に回転モーメントが与えられ、第２回転軸４を中心に回転し始め（図２（４））、第３ピン１１が長孔１３に沿って下方に移動する程傾きが大きくなる。第３ピン１１が長孔１３の下端に当接すると（図２（５））、第２フレーム３の回転は止み、第２フレーム３は、第３フレーム５に対して−４５°回転し（図２（５））、トータルで第１フレーム１は、第３フレーム５に対して−９０°回転したことになる。なお、第１フレーム１には、エンドエフェクタ（不図）が搭載されるものである。
また、前記の各フレームには、同形のピン、長孔、リンクが設けられ、それらの部材の配置は回転軸に対して対称的に配置されているので、１本の第３駆動用リンク１２の動きを逆方向に移動させれば、図２（６）〜（１０）に示されているように第１フレーム１は、反時計方向に＋９０°回転されることは理解されると考えるのでその説明は省略する。
【００１０】
（第２の実施の形態）
図３は、リンク駆動による２自由度屈曲機構の概念図を示すもので、（ａ）は平面図で、（ｂ）は側面図であり、同図における符号、名称は、前記第１の実施の形態と同じ機能及び同じ形状を有する場合は同じ符号、名称を用いた。
この２自由度屈曲機構における、第１フレ−ム１に第２フレ−ム３を、第２フレ−ム３に第３フレ−ム５を、それぞれ、第１回転軸２と第２回転軸４により回転可能に枢着、且つ、直列状に配置されていることは、前記第１の実施の形態と同様である。
また、図３（ａ）（ｂ）に示されているように、第３フレ−ム５には、第３回転軸２１により第４フレ−ム２２が回転可能に枢着され、第４フレ−ム２２には、第４回転軸２３により第５フレ−ム２４が回転可能に枢着されている。
前記構成によって、第１フレ−ム１と第２フレ−ム３は、第３フレ−ム５に対して同方向、すなわち、垂直面屈曲（紙面に対して）が可能であり、第４フレ−ム２２と第５フレ−ム２４は、第３フレ−ム５に対して同方向、すなわち、水平面屈曲（紙面に対して）が可能となる。前記のように、第３フレ−ム５に９０°ずらせて第４フレ−ム２２と第５フレ−ム２４を延設したので、第３ピン１１には２本の直交するピンジョイントを介して駆動用リンクを形成した（図３（ｂ））。すなわち、図３（ｂ）に示すように、駆動用リンクは複数のリンクからなり、これらリンクはピンにより回転可能に枢着され、垂直方向（紙面に対して）に折れ曲がることが可能になっている。そして、前記駆動用リンクは、アクチュエータ（不図）に連結され、動力源からの推力でもって、第１フレ−ム１と第２フレ−ム３がは垂直面方向に屈曲可能となることは前述したとおりである。
【００１１】
次に、水平面方向に屈曲する第４フレ−ム２２と第５フレ−ム２４の構成について図３（ａ）に基づいて説明する。
第３フレ−ム５には、第３回転軸２１により第４フレ−ム２２が回転可能に枢着され、第４フレ−ム２２には、第４回転軸２３により第５フレ−ム２４が回転可能に枢着され、直列状に配置される。また、第３フレーム５における第３回転軸２１より下側（図３（ａ））には、第７ピン２５により第４駆動用リンク２６の上部が回転可能に枢着されている。前記第４駆動用リンク２６の下部は、第８ピン２７により第５駆動用リンク２８の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第８ピン２７は、第４フレ−ム２２に形成された第５長孔２９に嵌入されている。前記第５駆動用リンク２８の下部は、第９ピン３０により第６駆動用リンク３１の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第９ピン３０は、第５フレ−ム２４に形成された第６長孔３２に嵌入され、第６駆動用リンク３１の下部は、図示しないアクチュエータに直接連結され、動力源からの推力を第５駆動用リンク２８に伝達する。
一方、前記第４フレーム２２における第３回転軸２１より上側（図３（ａ））には、第１０ピン３３により第３拘束用リンク３４の上部が回転可能に枢着されている。前記第３拘束用リンク３４の下部は、第１１ピン３５により第４拘束用リンク３６の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第１１ピン３５は、第４フレ−ム２２に形成された第７長孔３７に嵌入されている。前記第４拘束用リンク３６の下部は、第１２ピン３８により枢着され、更に、第１２ピン３８は、第５フレ−ム２４に形成された第８長孔３９に嵌入されている。
【００１２】
次に、上記のように構成された２自由度屈曲機構の動きについて説明する。
この動きは、図２に基づいて説明した前記第１の実施の形態の１自由度屈曲機構の動きと同様の動きをするものである。すなわち、図３（ａ）において、図示しない動力源からの推力は、アクチュエータに伝達され、その推力はアクチュエータに直接連結された第６駆動用リンク３１に伝達する。第６駆動用リンク３１の移動に伴い、第９ピン３０が第６長孔３２に沿い左方に移動し、第９ピン３０の左方の移動に伴い第５駆動用リンク２８も左方に移動する。第５駆動用リンク２８の左方の移動に伴い、第８ピン２７が第５長孔２９に沿い左方に移動し、第８ピン２７の左方の移動に伴い第４駆動用リンク２６も左方に移動する。第４駆動用リンク２６の移動に伴い、第３フレーム５は回転モーメントが与えられ、第３回転軸２１を中心にして時計回りに回転をし傾き始め、その回転は第８ピン２７が第５長孔２９の左端に当接するまで続き、第８ピン２７が第５長孔２９の左端に当接すると、第３フレーム５は、第４フレーム２２に対して−４５°回転する。以下、第４フレーム２２が、第５フレ−ム２４に対して−４５°回転し、結果的には、第３フレーム５が第５フレ−ム２４に対して−９０°回転していく過程は前記した図２の動きと同様である。更に、水平面上で−９０°回転し傾いた第３フレーム５に対して、第１フレ−ム１と第２フレ−ム３が垂直面に回転をし傾く過程は前述のとおりである。この場合、水平面屈曲と垂直面屈曲をおこなうリンク機構、長孔、ピン等の位置は９０°位相がずれているので、それら部材は干渉することなくスムーズに動くことができる。
【００１３】
（具体的実施例１）
図４（ａ）は、本発明の、１自由度屈曲機構を２個組み合わせた２自由度屈曲機構に内視鏡を搭載した「２自由度屈曲内視鏡」の先端部の外観を示すもので、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ矢視図で、図４（ｃ）は、各フレ−ムの断面図である。図４（ｃ）に示すように、フレーム１からフレーム５のそれぞれのフレームは、中心に貫通孔、該貫通孔を取り囲むように円周状に４個の貫通孔を設ける。前記中心の貫通孔はＣＣＤカメラ用とし、前記円周状の貫通孔のうち２個は水平面屈曲用のリンクが通る貫通孔、残り２個は垂直面屈曲用のリンクが通る貫通孔とし、それらは垂直面屈曲用と水平面屈曲用と交互に配置している。また、垂直面屈曲用リンクにおける拘束用リンク１（図４（ｂ）のまる数字１２）及び拘束用リンク２（図４（ｂ）のまる数字１３）は、▲６▼駆動用リンク１及び▲７▼駆動用リンク２と対称的な配置になっている。また、前記フレームの胴部には、適宜切欠部を設け、この切欠部を利用して各リンク等の組み立て、或いはリンクの作動時のフレームへの干渉防止をする。また、各フレーム間の連結及び各リンク間の連結にはピンジョイントを用いている。なお、製作した屈曲機構のフレームの径は９ｍｍであり、さらに、シールドで覆うことで直径１０ｍｍの内視鏡となる。しかも直径１０ｍｍ内にＣＣＤカメラ機構を組み込んだり、把持機構を組み込んだりした内視鏡下外科手術製品の高精度化に目処をたてるに至った。即ち１自由度あたり±８０°の屈曲範囲を繰り返し誤差平均が±０．９ °という高精度が実現できた。以下に、各部材の働きを表にして説明するが、その動きは前記１自由度屈曲機構と２自由度屈曲機構と同様の動きをするものである。
【００１４】
【表１】

【００１５】
（具体的実施例２）
図５は、２自由度屈曲機構の先端フレームに把持機構を設けた２自由度屈曲把持鉗子について示す。基本的な屈曲機構は、図４の２白由度屈曲内視鏡と同様である。ワーキングチャンネルは、内視鏡ではリード線を通すのに対し，把持鉗子では把持の開閉用金属ワイヤを通す。ワイヤとスプリングにより図５で示す把持機構を駆動する。ワイヤを引くと上歯が閉じ、ワイヤの牽引を緩めるとスプリングの復元力で上歯が開く。
次に、図６を用いて、エンドエフェクタの作業範囲について説明する。
図４における、２自由度屈曲機構の先端側の垂直屈曲用回転軸から、１０ｍｍの距離にエンドエフェクタを搭載し、フレーム２、フレーム３及びフレーム４の長さをそれぞれ７．９２ｍｍ、１２．５４ｍｍ、および１３．４ｍｍで製作した場合の２自由度屈曲機構によるエンドエフェクタの作業範囲は図６で示す空間となる。なお、原点（０，０，０）には水平屈曲用のアクチュエータ側回転軸が位置するとしてグラフを表している。
【００１６】
（具体的実施例３）
図７は、本発明を様々な機器に組み込んだ場合のシステム構成の例を示すものである。各部材の機能について説明する。▲１▼屈曲部は、１自由度ないし２自由度で、工夫次第でそれ以上の付加も可能であり、１自由度あたり最大で±９０°の屈曲範囲の実現が可能である。▲２▼エンドエフェクタは、カメラや各種鉗子、電気メス、レ−ザ等多様なデバイスの搭載が可能である。▲３▼駆動源は、リンク駆動のためのアクチュエ−タや油圧・水圧・空圧シリンダ等、仕様用途に応じ最適なものを選択し、各種センサを用いて位置や速度、加速度や力覚のフィ−ドバックを行う。▲４▼制御系は、制御用計算機、ＰＣやマイコン等、制御量や計算量、実装環境（電源やスペ−スなど）に応じて選択する。また、アクチュエ−タの制御、エンドエフェクタの位置、姿勢制御、運動学計算等を行う。▲５▼遠隔制御系は、専用線や既設のネットワ−クを用い、遠隔からの制御も可能である。▲６▼インタ−フェ−スは、ハンドヘルドタイプ、ナビゲ−ションタイプ、マスタスレ−ブタイプ等、用途に応じた操作用インタ−フェ−スを使用することが可能である。
以上、本発明の実施例では、２自由度屈曲機構を鉗子、内視鏡などに利用したが、他の医療分野、例えば、内視鏡下外科手術用器具（一般外科・胸部外科・産婦人科・耳鼻科・泌尿器科・形成外科・整形外科・脳外科等の外科領域全般で使用する内視鏡、鉗子、電気メス等の手術器具）や、人の手が入り込めない危険区域（例えば原子力発電所、宇宙空間等）における遠隔ロボットマニピュレーション、大型機械（各種エンジン等）の深部の複雑な箇所における分解・組み立てを伴わない検査・修理作業、様々な設備の細い配管内における遠隔作業など、あらゆる分野で利用できるものである。
【００１７】
【発明の効果】
前記したように、本発明は、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる１自由度屈曲機構としたために、１自由度につき両側±９０°の屈曲動作の操作を１本のリンクの直接スライド駆動のみで行うことができ、広いワーキングスペースが実現できる。また同機構を複数組み合せることで多自由度の屈曲機構をもつ小型デバイスの製作が可能となる。また、本発明の上記構成によって、バックラッシ及びスリップスティックのない、高い屈曲再現性を得ることができ、また、リンクを直接駆動することで屈曲動作に大きな発生力を与えることができ、更に、剛性と耐久性に優れ安定した動きができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、リンク駆動による１自由度屈曲機構の概念図を示すものである。
【図２】本発明の、リンク駆動による１自由度屈曲機構の動く過程を示す図である。
【図３】本発明の、リンク駆動による２自由度屈曲機構の概念図を示すもので、（ａ）は平面図で（ｂ）は側面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の、リンク駆動による２自由度屈曲内視鏡先端部を示す外観図で、（ｂ）は、Ａ矢視図で、（ｃ）は、２自由度屈曲内視鏡の断面チャンネルである。
【図５】本発明の、リンク駆動による２自由度屈曲機構の先端フレームに把持機構を設けた２自由度屈曲把持鉗子を示す図である。
【図６】本発明の、リンク駆動による２自由度屈曲機構によるエンドエフェクタの作業範囲を示す図である。
【図７】本発明の、様々な機器に組み込んだ場合のシステム構成の例の図であるである。
【符号の説明】
１第１フレーム
２第１回転軸
３第２フレ−ム
４第２回転軸
５第３フレ−ム
６第１ピン
７第１駆動用リンク
８第２ピン
９第２駆動用リンク
１０第１長孔
１１第３ピン
１２第３駆動用リンク
１３第２長孔
１４第４ピン
１５第１拘束用リンク
１６第５ピン
１７第２拘束用リンク
１８第３長孔
１９第６ピン
２０第４長孔
２１第３回転軸
２２第４フレ−ム
２３第４回転軸
２４第５フレ−ム
２５第７ピン
２６第４駆動用リンク
２７第８ピン
２８第５駆動用リンク
２９第５長孔
３０第９ピン
３１第６駆動用リンク
３２第６長孔
３３第１０ピン
３４第３拘束用リンク
３５第１１ピン
３６第４拘束用リンク
３７第７長孔
３８第１２ピン
３９第８長孔

Claims

直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能としたことを特徴とする多節スライダ・リンクによる１自由度屈曲機構。
前記複数のフレームを、第１フレ−ムと第２フレ−ムと第３フレ−ムから構成し、第１フレ−ムと第２フレ−ムは第１回転軸により、第２フレ−ムと第３フレ−ムは第２回転軸により、それぞれ回転可能に枢着され、第３フレ−ムに対して、第１フレ−ムと第２フレ−ムを屈曲可能としたことを特徴とする請求項１記載の多節スライダ・リンクによる１自由度屈曲機構。
第１フレームにおける第１回転軸より一方側には、第１ピンにより第１駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１駆動用リンクの下部は、第２ピンにより第２駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第２ピンは、第２フレ−ムに形成された第１長孔に嵌入され、前記第２駆動用リンクの下部は、第３ピンにより第３駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第３ピンは、第３フレ−ムに形成された第２長孔に嵌入され、第３駆動用リンクの下部は、アクチュエータに直接連結され、前記アクチュエータは動力源に連結され、一方、前記第１フレームにおける第１回転軸より他方側には、第４ピンにより第１拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１拘束用リンクの下部は、第５ピンにより第２拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第５ピンは、第２フレ−ムに形成された第３長孔に嵌入され、前記第２拘束用リンクの下部は、第６ピンにより枢着され、更に、第６ピンは、第３フレ−ムに形成された第４長孔に嵌入されていることを特徴とする請求項１〜２のうちの１記載の多節スライダ・リンクによる１自由度屈曲機構。
直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる一方の１自由度屈曲機構とし、また、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ・リンクによる他方の１自由度屈曲機構とし、前記一方の１自由度屈曲機構に対して他方の１自由度屈曲機構を９０°位相をずらせて連結して多自由度屈曲可能としたことを特徴とする多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構。
前記一方の１自由度屈曲機構の複数のフレームを、第１フレ−ムと第２フレ−ムと第３フレ−ムから構成し、第１フレ−ムと第２フレ−ムは第１回転軸により、第２フレ−ムと第３フレ−ムは第２回転軸により、それぞれが回転可能に枢着され、第３フレ−ムに対して、第１フレ−ムと第２フレ−ムを屈曲可能とし、また、前記他方の１自由度屈曲機構の複数のフレームを、第４フレ−ムと第５フレ−ムから構成し、第４フレ−ムと第５フレ−ムは第４回転軸により回転可能に枢着され、前記一方の１自由度屈曲機構の第３フレ−ムに対して、前記他方の１自由度屈曲機構の第４フレ−ムを、第３回転軸により９０°位相をずらせて連結したことを特徴とする請求項４記載の多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構。
第１フレームにおける第１回転軸より一方側には、第１ピンにより第１駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１駆動用リンクの下部は、第２ピンにより第２駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第２ピンは、第２フレ−ムに形成された第１長孔に嵌入され、前記第２駆動用リンクの下部は、第３ピンにより第３駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第３ピンは、第３フレ−ムに形成された第２長孔に嵌入され、第３駆動用リンクの下部は、ピンにより複数の駆動用リンクを介してアクチュエータに連結され、前記アクチュエータは動力源に連結され、一方、前記第１フレームにおける第１回転軸より他方側には、第４ピンにより第１拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第１拘束用リンクの下部は、第５ピンにより第２拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第５ピンは、第２フレ−ムに形成された第３長孔に嵌入され、前記第２拘束用リンクの下部は、第６ピンにより枢着され、更に、第６ピンは、第３フレ−ムに形成された第４長孔に嵌入され、また、前記第３フレ−ムには、前記第１回転軸と第２回転軸より９０°位相をずらせた第３回転軸により第４フレ−ムが回転可能に枢着され、第４フレ−ムには、第４回転軸により第５フレ−ムが回転可能に枢着され、直列状に配置され、第３フレームにおける第３回転軸より一方側には、第７ピンにより第４駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、第４駆動用リンクの下部は、第８ピンにより第５駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第８ピンは、第４フレ−ムに形成された第５長孔に嵌入され、第５駆動用リンクの下部は、第９ピンにより第６駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、更に、第９ピンは、第５フレ−ムに形成された第６長孔に嵌入され、第６駆動用リンクの下部は、アクチュエータに直接連結され、動力源からの推力を第５駆動用リンクに伝達するように構成され、一方、前記第４フレームにおける第３回転軸より他方側には、第１０ピンにより第３拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、第３拘束用リンクの下部は、第１１ピンにより第４拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第１１ピンは、第４フレ−ムに形成された第７長孔に嵌入され、第４拘束用リンクの下部は、第１２ピンにより枢着され、更に、第１２ピンは、第５フレ−ムに形成された第８長孔に嵌入されていることを特徴とする請求項４〜５のうちの１記載の多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構。
前記複数のフレームの各々は、そのフレームの中心に貫通孔と、該貫通孔を取り囲むように円周上に４個の貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１〜６のうちの１記載の多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構。
前記直列に配置した複数のフレームにおいて、前記フレームの円周上に設けられた４個の貫通孔に、垂直面屈曲用リンクと水平面屈曲用リンクを交互に配設し、更に、先端のフレームの中心の貫通孔には、鉗子、或いは内視鏡等の操作のための器具を装備したことを特徴とする請求項１〜７のうちの１記載の多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構。
前記フレ−ムをスライドするためのアクチュエ−タは、モ−タ、油圧・水圧・空圧シリンダ等、を用い、前記アクチュエ−タを制御系にケ−ブル、インタ−フェ−スの有線あるいは無線により接続し遠隔操作も可能にし、用途に応じ最適なものを選択し、各種センサを用いて位置や速度、加速度や力覚のフィ−ドバックを行うことを特徴とする請求項１〜８のうちの１記載の多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構。
前記制御系は、制御用計算機、ＰＣやマイコン等、制御量や計算量、実装環境（電源やスペ−スなど）に応じて選択し、アクチュエ−タの制御、エンドエフェクタの位置、姿勢制御、運動学計算等を行い、また、遠隔制御系は、専用線や既設のネットワ−クを用い、遠隔からの制御も可能とし、更に、インタ−フェ−スは、ハンドヘルドタイプ、ナビゲ−ションタイプ、マスタスレ−ブタイプ等、用途に応じた操作用インタ−フェ−スを使用することを特徴とする請求項１〜９のうちの１記載の多節スライダ・リンクによる多自由度屈曲機構。