JP2007255577A

JP2007255577A - リンク機構

Info

Publication number: JP2007255577A
Application number: JP2006081072A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Fujie; 正克藤江; Kazutaka Toyoda; 和孝豊田; Hiroshi Kobayashi; 洋小林
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】一対の部材を平行状態のまま３６０度の範囲で相対回転可能にする。
【解決手段】第１及び第２の部材１１，１２と、第１の部材１１の下面側と第２の部材１２の上面側との間にそれぞれ相対回転可能に連結された第１、第２及び第３の連結部材１６，１７，１８とを備えてリンク機構１０が構成されている。ここで、第１の部材１１と第１の連結部材１６との第１の連結点２１、同部材１１と第２の連結部材１７との第３の連結点２３、及び同部材１１と第３の連結部材１８との第３の連結点２５は一直線上に配置されず、第２の部材１２と第１の連結部材１６との第２の連結点２２、同部材１２と第２の連結部材１７との第４の連結点２４、及び同部材１２と第３の連結部材１８との第６の連結点２６も一直線上に配置されず、第１〜第４の連結点２１〜２４が平行四辺形の端点となり、第３〜第６の連結点２３〜２６が平行四辺形の端点となる。
【選択図】図１

Description

本発明はリンク機構に係り、更に詳しくは、マスタースレーブ方式の手術支援ロボットのマスターマニピュレータにおけるアームの回転機構に好適となるリンク機構に関する。

近年、大きな切開を要さずに患者への負担を少なくする低侵襲手術が注目されており、この低侵襲手術を行うための手術支援ロボットが種々研究開発されている。この手術支援ロボットには、内視鏡や処置具等の術具を医師が遠隔操作するマスタースレーブ方式が採用されている。ここで、医師の操作装置となるマスターマニピュレータは、相互に平行となる一対のアームを含み、マスターマニピュレータに所望の回転動作を行わせるために、前記各アームは、その平行状態を維持したまま所定の部位を中心として回転運動可能にすることが要請される。ここで、特許文献１の医療用マニピュレータには、そのマスターマニピュレータの一部に平行リンク機構が設けられている。

図９に概略化して示されるように、この平行リンク機構５０は、相互に平行となる一対のアーム５１，５１と、これらアーム５１，５１の図９中上下二箇所において、当該アーム５１，５１の各下面（図９中奥側の面）間を相対回転可能に連結する連結部材５３，５３とを備えている。
特開平８−２２４２４５号公報

しかしながら、前記平行リンク機構５０にあっては、その構造上、一方のアーム５１を他方のアーム５１に対して３６０度回転させることができない。すなわち、各アーム５１，５１はほぼ同一面上に位置するため、図９の下側の連結部材５３を固定した状態で、各アーム５１，５１を反時計方向に回転させると、図１０に示されるように、回転途中で各アーム５１，５１が干渉してしまい、以降の同方向の回転が不可能になる。

そこで、このような問題に鑑み、本発明者らは、図１１に示されるように、平行リンク機構５０を変形させたリンク機構６０を案出した。このリンク機構６０は、図９の平行リンク機構５０に対して連結部材５３，５３の連結状態を変えたものである。具体的に、ここでの連結部材５３，５３は、図１１中右側のアーム５１の下面（同図中奥側の面）と同図中左側のアーム５１の上面とが、同図中上下二箇所で相対回転可能に連結される。

このリンク機構６０では、各アーム５１，５１が同一面上に位置しなくなったため、一方のアーム５１を他方のアーム５１に対して３６０度回転させることが可能になったが、当該アーム５１，５１の回転過程で思案点が生じ、図１２のような姿勢になることも可能で、このときには、各アーム５１，５１が相互に平行な状態とならない。従って、一方のアーム５１を他方のアーム５１に対して３６０度回転させる際に、各アーム５１，５１の平行状態を確実に維持することができない。

本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、一方の部材が他方の部材に対して３６０度回転させることができ、しかも、当該回転過程において、これら部材の平行状態を確実に維持することができるリンク機構を提供することにある。

（１）前記目的を達成するため、本発明は、第１及び第２の部材と、これら第１及び第２の部材を連結する連結手段とを備えたリンク機構において、
前記連結手段は、前記第１の部材の下面側と前記第２の部材の上面側との間にそれぞれ連結される第１、第２及び第３の連結部材を備え、
前記第１の連結部材は、前記第１の部材との第１の連結点で相対回転可能に連結されるとともに、前記第２の部材との第２の連結点で相対回転可能に連結され、
前記第２の連結部材は、前記第１の部材との第３の連結点で相対回転可能に連結されるとともに、前記第２の部材との第４の連結点で相対回転可能に連結され、
前記第３の連結部材は、前記第１の部材との第５の連結点で相対回転可能に連結されるとともに、前記第２の部材との第６の連結点で相対回転可能に連結され、
前記各連結点は、前記第１、第３及び第５の連結点が一直線上に配置されず、且つ、前記第２、第４及び第６の連結点が一直線上に配置されず、且つ、前記第１〜第４の連結点が所定の平行四辺形の端点となり、且つ、前記第３〜第６の連結点が所定の平行四辺形の端点となるように位置設定される、という構成を採っている。

（２）また、前記第１、第３及び第５の連結点は、前記第１及び第３の連結点を結ぶ直線と前記第３及び第５の連結点を結ぶ直線とのなす角度がほぼ９０度となるように位置設定される、という構成を採ることが好ましい。

なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、特に明示しない限り、「上面」は、図１における手前側の面を意味し、「下面」は、同図における奥行側の面を意味する。

前記（１）の構成によれば、第１若しくは第２の部材のうち一方の部材が他方の部材に対してスムーズに３６０度回転させることができ、しかも、思案点を生じずに、常時、第１及び第２の部材を相互に平行な状態で相対回転させることができ、当該回転過程で各部材の平行状態を確実に維持することができる。

前記（２）のように構成することで、最も回転を安定的に行うことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明に係るリンク機構は、マスタースレーブ方式の手術支援ロボットにおけるマスターマニピュレータの一部分に用いられるが、当該マスターマニピュレータの構造自体は、本発明の要旨ではないため説明を省略する。従って、以下においては、前記マスターマニピュレータに適用される本発明のリンク機構に焦点を絞り、概略化した図を用いて説明する。

図１には、本実施形態に係るリンク機構の概略斜視図が示されている。この図において、リンク機構１０は、ほぼＬ字状の角材からなる図１中手前側の第１の部材１１と、この第１の部材１１の図１中奥側に配置され、第１の部材１１とほぼ同一形状に設けられた第２の部材１２と、これら第１及び第２の部材１１，１２を相対回転可能に連結する連結手段１４とを備えて構成されている。

前記連結手段１４は、第１の部材１１の下面側と第２の部材１２の上面側との間にそれぞれ連結される第１、第２及び第３の連結部材１６，１７，１８を備えており、これら連結部材１６〜１８は、特に限定されるものではないが、角部分が面取りされた角材により形成されている。

前記第１の連結部材１６は、第１及び第２の部材１１，１２の図１中各左端側間にピン等により回転可能に連結される。ここで、第１の部材１１と第１の連結部材１６との連結部位が第１の連結点２１となり、また、第２の部材１２と第１の連結部材１６との連結部位が第２の連結点２２となる。

前記第２の連結部材１７は、第１及び第２の部材１１，１２の各屈曲部分間にピン等により回転可能に連結される。ここで、第１の部材１１と第２の連結部材１７との連結部位が第３の連結点２３となり、また、第２の部材１２と第２の連結部材１７との連結部位が第４の連結点２４となる。

前記第３の連結部材１８は、第１及び第２の部材１１，１２の図１中各上端側間にピン等により回転可能に連結される。ここで、第１の部材１１と第３の連結部材１８との連結部位が第５の連結点２５となり、また、第２の部材１２と第３の連結部材１８との連結部位が第６の連結点２６となる。

前記第１〜第４の連結点２１〜２４は、所定の平行四辺形の端点となり、且つ、前記第３〜第６の連結点２３〜２６は、所定の平行四辺形の端点となるように設定されている。

次に、前記リンク機構１０の動作について、図１〜図８により説明する。

先ず、第２の部材１２を固定し、図１の状態から、第１の部材１１を第２の部材１２に対して反時計方向に４５度回転させると、図２のような状態になる。更に、第１の部材１１を第２の部材１２に対して４５度づつ反時計方向に回転させると、図３〜図８に示されるような状態となり、その後、図１の状態に戻る。このように、第１の部材１１は、第２の部材１２に対して常時平行な状態のまま全周回転（３６０度回転）させることができる。

なお、第１及び第２の部材１１，１２や第１〜第３の連結部材１６〜１８は、前記実施形態の形状に限定されず様々な形状を採用することができる。要するに、各連結点２１〜２６の位置関係として、第１の部材１１上の各連結点すなわち第１、第３及び第５の連結点２１，２３，２５が一直線上に配置されず、且つ、第２の部材１２上の各連結点すなわち第２、第４及び第６の連結点２２，２４，２６が一直線上に配置されず、且つ、第１〜第４の連結点２１〜２４が所定の平行四辺形の端点となり、且つ、第３〜第６の連結点２３〜２６が所定の平行四辺形の端点となっていればよい。

その他、本発明における各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

本発明は、マスタースレーブ方式の手術支援ロボットのマスターマニピュレータの一部構造として適用可能である他、スレーブマニピュレータの構造等の手術支援ロボットの他の構造、更には、マスタースレーブ式の他の操作装置、多関節ロボットの作業装置、重機、車両、家具等の各種装置器具の回転機構の一部としても適用可能である。

本実施形態に係るリンク機構の概略斜視図。図１の状態から第１の部材を反時計方向に４５度回転させた状態を示す概略斜視図。図２の状態から第１の部材を反時計方向に４５度回転させた状態を示す概略平面図。図３の状態から第１の部材を反時計方向に４５度回転させた状態を示す概略平面図。図４の状態から第１の部材を反時計方向に４５度回転させた状態を示す概略平面図。図５の状態から第１の部材を反時計方向に４５度回転させた状態を示す概略平面図。図６の状態から第１の部材を反時計方向に４５度回転させた状態を示す概略平面図。図７の状態から第１の部材を反時計方向に４５度回転させた状態を示す概略平面図。従来の平行リンク機構の概略斜視図。図９の平行リンク機構で問題となる状態を示す概略斜視図。図９の平行リンク機構を変形したリンク機構の概略斜視図。図１１のリンク機構で問題となる状態を示す概略斜視図。

符号の説明

１０リンク機構
１１第１の部材
１２第２の部材
１４連結手段
１６第１の連結部材
１７第２の連結部材
１８第３の連結部材
２１第１の連結点
２２第２の連結点
２３第３の連結点
２４第４の連結点
２５第５の連結点
２６第６の連結点

Claims

第１及び第２の部材と、これら第１及び第２の部材を連結する連結手段とを備えたリンク機構において、
前記連結手段は、前記第１の部材の下面側と前記第２の部材の上面側との間にそれぞれ連結される第１、第２及び第３の連結部材を備え、
前記第１の連結部材は、前記第１の部材との第１の連結点で相対回転可能に連結されるとともに、前記第２の部材との第２の連結点で相対回転可能に連結され、
前記第２の連結部材は、前記第１の部材との第３の連結点で相対回転可能に連結されるとともに、前記第２の部材との第４の連結点で相対回転可能に連結され、
前記第３の連結部材は、前記第１の部材との第５の連結点で相対回転可能に連結されるとともに、前記第２の部材との第６の連結点で相対回転可能に連結され、
前記各連結点は、前記第１、第３及び第５の連結点が一直線上に配置されず、且つ、前記第２、第４及び第６の連結点が一直線上に配置されず、且つ、前記第１〜第４の連結点が所定の平行四辺形の端点となり、且つ、前記第３〜第６の連結点が所定の平行四辺形の端点となるように位置設定されていることを特徴とするリンク機構。
前記第１、第３及び第５の連結点は、前記第１及び第３の連結点を結ぶ直線と前記第３及び第５の連結点を結ぶ直線とのなす角度がほぼ９０度となるように位置設定されていることを特徴とする請求項１記載のリンク機構。