JP2008036219A - 作業機構及びマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】先端作業部の一対のエンドエフェクタを１つの駆動機構で駆動するとともに、エンドエフェクタの開閉方向を姿勢軸に対して任意の方向とする。
【解決手段】作業部１２は、基準軸Ｃに対して直交する方向に回転する歯車体１６８と、歯車体１６８に対して基端側端面が接触し、回転方向が変換されて基準軸Ｃを中心として回転する歯車リング１５６と、該歯車リング１５６の先端側端面における上方に接触し、回転方向が変換されて基準軸Ｃに対して直交する回転軸Ｏｇを中心として回転する第１エンドエフェクタ体２２０と、歯車リング１５６の先端側端面の下方に接触し、回転方向が変換されて回転軸Ｏｇを中心として、第１エンドエフェクタ体２２０と逆方向に回転する第２エンドエフェクタ体２２２とを有する。第１エンドエフェクタ体２２０と第２エンドエフェクタ体２２２は対称に開閉する。
【選択図】図２

Description

本発明は、動力伝達機構によって先端の一対のエンドエフェクタが開閉動作をして生体等に対して所定の処置を行うための作業機構、及び該作業機構を先端に設け、アーム等を介して他端から操作を行うマニピュレータに関する。

腹腔鏡下手術においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡、マニピュレータ（又は鉗子）等を挿入し、術者が内視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような腹腔鏡下手術は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の開腹や退院までの日数が大幅に低減されることから、適用分野の拡大が期待されている。

一方、腹腔鏡下手術で用いるマニピュレータには、患部の位置及び大きさに応じて迅速且つ適切な手技が可能であることが望まれており、しかも患部切除、縫合及び結紮等の様々な手技が行われる。このため、本出願人は、操作の自由度が高くしかも簡便に操作することのできるマニピュレータの開発及び提案をしている（例えば、特許文献１）。

特許文献１記載のマニピュレータの作業部によれば、先端の一対のエンドエフェクタが基準軸を基準として対称に開閉するため動作範囲が広く、しかも一般的なプライヤ等の工具と同様の動作が得られ、操作がしやすい。

特許第３６３１４５０号公報

本出願人は、特許文献１に係るマニピュレータに関連して図２１に示す作業部９００を開発した。

図２１に示すように、作業部９００は、ワイヤ９０２、ワイヤ９０３及びワイヤ９０４によって駆動され、３自由度を有する。各ワイヤ９０２、９０３及び９０４は、それぞれ対応する筒体９４０ｃ、９４０ｂ、９４０ａに巻き掛けられている。

作業部９００では、ワイヤ９０２及び９０４の作用下に歯車９０５が回転し、図示しないフェイスギアを回転させることによって先端部をロール方向に回転させることができる。また、ワイヤ９０４の作用下に第２歯車９０６が回転し、歯車リング９０７及び歯車９０８を介してグリッパ９０９を開閉させることができる。さらに、ワイヤ９０２、９０３、９０４の作用下に主軸部材９１０を介して先端部をヨー方向に回転させることができる。

ところで、特許文献１記載のマニピュレータの作業部では、一対のエンドエフェクタがそれぞれ独立的な機構によって駆動することにより、グリッパの開閉動作（開閉軸）とグリッパの回転動作（姿勢軸）を行うことができる。すなわち、各グリッパを互いに反対方向に回転させることでグリッパの開閉動作を同方向に回転させることで回転動作をさあえることができる。しかしながら、グリッパの開閉方向と回転動作の方向は同じ平面内に限られる。たとえば、水平方向に開閉するグリッパの場合には、グリッパの回転動作も水平方向になり、上下方向に開閉するグリッパの場合には、グリッパの回転動作も上下方向に限られてしまう。すなわち、グリッパ開閉軸と姿勢軸の配置関係は限定されている。

腹腔縫下手術等においては、処置対象や処置内容によっては、操作性の観点から、グリッパの回転動作を水平方向にし、グリッパの開閉を上下方向にしたい場合や、あるいはその逆にしたい場合がある。さらには、姿勢軸に対して任意の方向に開閉したい場合がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、先端作業部の一対のエンドエフェクタを１つの駆動機構で駆動し、しかもエンドエフェクタの開閉方向を任意の方向に配置できる作業機構及びマニピュレータを提供することを目的とする。

本発明に係る作業機構は、基準軸に対して直交する方向に回転する第１駆動回転体と、前記第１駆動回転体に対して軸方向の基端側端面が接触し、回転方向が変換されて前記基準軸を中心として回転する第１媒介回転体と、前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて一方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する開閉軸を中心として回転する第１エンドエフェクタ駆動部材と、前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて他方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する前記開閉軸を中心として、前記第１エンドエフェクタ駆動部材と逆方向に回転する第２エンドエフェクタ駆動部材とを有することを特徴とする。

また、本発明に係るマニピュレータは、人手によって把持される操作部と、前記操作部に設けられ、人手で操作される入力部と、前記入力部の操作に基づいて回転する回転源と、基準軸に対して直交する方向に回転する第１駆動回転体と、後方部が前記回転源に巻き掛けられ、前方部が前記第１駆動回転体に巻き掛けられた可撓性動力伝達部材と、前記第１駆動回転体に対して軸方向の基端側端面が接触し、回転方向が変換されて前記基準軸を中心として回転する第１媒介回転体と、前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて一方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する開閉軸を中心として回転する第１エンドエフェクタ駆動部材と、前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて他方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する前記開閉軸を中心として、前記第１エンドエフェクタ駆動部材と逆方向に回転する第２エンドエフェクタ駆動部材とを有することを特徴とする。

本発明に係る作業機構及びマニピュレータによれば、先端作業部の一対のエンドエフェクタを１つの駆動機構で駆動し、しかもエンドエフェクタの開閉方向を任意の方向に配置できる。

以下、本発明に係る作業機構及びマニピュレータについて第１、第２、第３及び第４の実施の形態を挙げ、添付の図１〜図２０を参照しながら説明する。第１の実施の形態に係るマニピュレータ１０ａ（図１参照）、第２の実施の形態に係るマニピュレータ１０ｂ（図１４参照）、第３の実施の形態に係るマニピュレータ１０ｃ（図１６参照）及び第４の実施形態に係るマニピュレータ１０ｄ（図２０参照）は、医療用であって腹腔鏡下手術等に用いられるものである。本実施の形態に係る作業部（作業機構）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄは、マニピュレータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄの先端部に設けられた３自由度の機構であり、生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ（持針器）等とも呼ばれる。

図１に示すように、マニピュレータ１０ａは、人手によって把持及び操作される基端部の操作指令部１４と、先端部で作業を行う作業部１２ａと、これらの作業部１２ａと操作指令部１４とを接続する長尺な連結部１６とを有する。作業部１２ａ及び連結部１６は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール２０から体腔２２内に挿入可能であり、操作指令部１４の操作により体腔２２内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。

なお、以下の説明では、図１、図１４、図１６及び図２０における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向及び、連結部１６の延在方向をＺ方向と規定する。また、右方をＸ１方向、左方をＸ２方向、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向、前方をＺ１方向、後方をＺ２方向と規定する。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載はマニピュレータ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが中立姿勢（図２、図１４、図１６及び図２０に示す状態の姿勢）である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、マニピュレータ１０ａ〜１０ｂは任意の向きで（例えば、上下を反転させて）使用可能であることはもちろんである。

操作指令部１４は、人手によって把持されるグリップハンドル２６と、該グリップハンドル２６の上部から延在するアーム２８と、該アーム２８の先端に接続されたアクチュエータブロック３０とを有する。グリップハンドル２６には、指で操作可能なトリガーレバー（入力部）３２、第１指示レバー３４及び第２指示レバー３６が設けられている。トリガーレバー３２は、人差し指による引き寄せ動作が容易な位置に設けられている。

アクチュエータブロック３０には作業部１２ａが有する３自由度の機構に対応して回転源としてのモータ（回転源）４０、モータ４２及びモータ４４が連結部１６の延在方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０、４２及び４４は小型、細径であって、アクチュエータブロック３０はコンパクトな扁平形状に構成されている。アクチュエータブロック３０は、操作指令部１４のＺ１方向端部の下方に設けられている。また、モータ４０、４２及び４４は、操作指令部１４の操作に基づき、コントローラ４５の作用下に回転をする。

連結部１６は、アクチュエータブロック３０に対して接続される接続部４６と、該接続部４６からＺ１方向に向かって延在する中空の連結シャフト４８とを有する。接続部４６には、モータ４０、４２及び４４の駆動軸に接続される駆動プーリ５０ａ、駆動プーリ５０ｂ及び駆動プーリ５０ｃが回転自在に設けられている。駆動プーリ５０ａ、駆動プーリ５０ｂ及び駆動プーリ５０ｃには、ワイヤ（可撓性動力伝達部材）５２、５４及び５６が巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分４８ａ（図２参照）を通って作業部１２ａまで延在している。ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６はそれぞれ同種、同径のものを用いることができる。以下、ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６をまとめて、代表的にワイヤ５７ともいう。

連結部１６は、接続部４６における所定の操作によって操作指令部１４から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。また、連結部１６から先の部分は交換可能であって、手技に応じて連結部１６の長さの異なるもの、又は作業部１２ａの機構が異なるものを装着することができる。

図２に示すように、連結部１６の先端部には先端方向に突出している一対の舌片部５８が連結シャフト４８の中心軸に対面して配設されている。連結シャフト４８の中空部分４８ａは、一対の舌片部５８の間の空間部に連通している。この一対の舌片部５８には、対抗する位置に１組の軸孔６０ａ、６０ａが設けられている。舌片部５８の先端はそれぞれ円弧形状に形成されている。また、一対の舌片部５８の対抗する内側面は平行な平面に形成されており、その間隔はＨとなっている。２つの軸孔６０ａ、６０ａは中心軸を挟むように設けられている。

図２に示すように、作業部１２ａはＹ方向の第１回転軸（回動部）Ｏｙを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第１自由度と、Ｘ方向の第２回転軸（回動部）Ｏｐを中心にしてピッチ方向に回動する第２自由度と、第３回転軸Ｏｇを中心として先端のエンドエフェクタ１０４を開閉させる第３自由度とを有する合計３自由度の機構となっている。作業部１２ａは、ワイヤ受動部１００と、駆動機構部１０２と、エンドエフェクタ１０４とを有する。なお、便宜上、駆動機構部１０２とエンドエフェクタ１０４とを分けて説明するが、「エンドエフェクタ」とは、一般的に処置を行う先端部分と解されていることからエンドエフェクタ１０４と駆動機構部１０２とを含むように定義してもよい。

図２〜図５を参照しながら、ワイヤ受動部１００、駆動機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４について詳細に説明する。

ワイヤ受動部１００は、一対の舌片部５８の間に設けられており、ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６のそれぞれの循環動作を回転動作に変換して駆動機構部１０２に伝達する部分である。ワイヤ受動部１００は、軸孔６０ａ、６０ａに挿入されるシャフト１１２とを有する。シャフト１１２は、軸孔６０ａに対して、例えば螺着又は圧入により固定される。シャフト１１２は第１回転軸Ｏｙの軸上に配置される。

ワイヤ受動部１００は、Ｙ１方向からＹ２方向に向かって順に、シャフト１１２に対して回転自在に軸支される歯車体（第２駆動回転体）１２６と、主軸部材１２８と、歯車体（従動筒体）１３０とを有する。

歯車体１２６は、筒体１３２と、該筒体１３２の上部に同心状に設けられた第１歯車１３４とを有する。第１歯車１３４の上面には、シャフト１１２が挿入される孔の周辺に低い環状リブ１３４ａが設けられており、第１歯車１３４の上面が上側の舌片部５８に接触することが防止され摺動抵抗の低減を図っている。

図６に示すように、筒体１３２にはワイヤ固定機構１２０が設けられている。ワイヤ固定機構１２０は、Ｚ２方向の側の略中央部分で横方向（中立時のＸ方向）に延在する溝１２２と、該溝１２２の中央に設けられたテーパ状の固定ピン１２４とを有する。溝１２２の中央部には、固定ピン１２４が挿入される凹部１２２ａが設けられている。溝１２２の向きはワイヤ５７が螺旋状に巻回するのに合わせてやや傾斜していてもよい。

溝１２２の幅及び最大深さは、ワイヤ５７の径と略等しく設定されている。固定ピン１２４には横方向に連通して、ワイヤ５７が貫通可能な孔１２４ａが設けられている。孔１２４ａにワイヤ５７を通しておき、固定ピン１２４を凹部１２２ａに挿入することにより、ワイヤ５７は一部が溝１２２に嵌り、向きが水平に規定されるとともに筒体１３２に対して固定される。

図２〜図５に戻り、歯車体１３０は、歯車体１２６とほぼ同形状であって、該歯車体１２６に対して上下反転に配置されている。歯車体１３０は、筒体１３６と、該筒体１３６の下部に同心状に設けられた第２歯車１３８とを有する。筒体１３６は筒体１３２と同径、同形状である。筒体１３６のＺ２方向の側の面には、筒体１１６と同様のワイヤ固定機構１２０が設けられており、ワイヤ５４を固定している。

主軸部材１２８は、シャフト１１２が挿通する筒体（第２筒体）１４０と、Ｚ１方向に設けられた円柱体１４２と、該円柱体１４２の中心からＺ１方向に延在するピッチベース１４４とを有する。ピッチベース１４４はピッチ動作の基準となる部材であって、ピッチ動作のための平行な左右一対の摺動面１４４ａと、先端に設けられた回転中心となる孔１４４ｂとを有する。

円柱体１４２は上下２つの短いブリッジ１４２ａを介して、筒体１４０の外側面よりもやや離れた位置に設けられており、円柱体１４２と筒体１４０との間にはワイヤ５２が挿通で、Ｙ方向にやや長い縦孔１４６が設けられている。筒体１４０のＺ２方向の側の面には、筒体１１６と同様のワイヤ固定機構１２０が設けられており、ワイヤ５２を固定している。

主軸部材１２８は、ワイヤ５２の循環動作に伴って第１回転軸Ｏｙを中心としたヨー方向に回転し、ピッチベース１４４をＸＺ平面上で揺動させることができる。

筒体１４０、歯車体１２６及び歯車体１３０は、シャフト１１２を軸として積層配置されており、その積層高さはＨと略等しく、一対の舌片部５８の間にほぼ隙間なく設けられている。

次に、駆動機構部１０２は、歯車リング１５２、歯車リング（第２媒介回転体）１５４及び歯車リング（第１媒介回転体）１５６と、カバー１６０と、歯車体１６６及び歯車体（第１駆動回転体）１６８と、エンドエフェクタ主軸部材１７０と、固定ピン１７２とを有する。

フェイスギア１６８は第２歯車１３８に噛合し、駆動ベース１５０は筒体１３６の回転にともなって、第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能である。

歯車リング１５２は薄い筒体であって、Ｚ２方向の面に設けられたフェイスギア１５８と、Ｚ１方向の面に設けられたフェイスギア１５９とを有する。歯車リング１５２は、歯車リング１５４に外挿され、該歯車リング１５４の外周面に対して摺動回転自在となる。フェイスギア１５８は第１歯車１３４に噛合し、歯車リング１５２は歯車体１２６の回転に伴って基準軸Ｃを中心として回転可能である。

歯車リング１５４は薄い筒体であって、Ｚ２方向の面（基端側端面）に設けられたフェイスギア１７４と、Ｚ１方向の面（先端側端面）に設けられたフェイスギア１７６とを有する。歯車リング１５４は円柱体１４２に外挿され、該円柱体１４２の外周面に対して摺動回転自在となる。フェイスギア１７４は第２歯車１３８に噛合し、歯車リング１５４は歯車体１３０の回転に伴って基準軸Ｃを中心として回転可能である。

歯車リング１５４により、歯車体１３０と歯車リング１５６との間にスペースが設けられ、該スペースにピッチ、ヨー又はロール等の駆動機構を設けることができるとともに、これらの動作と後述するエンドエフェクタ開閉動作との両立が可能となる。

カバー１６０は、駆動機構部１０２における各部品を保護及び支持するためのものであって、Ｚ２方向の短筒１８０と、該短筒１８０の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部１８２とを有する。各耳片部１８２には、固定ピン１７２が挿入され固定するための孔１８２ａが設けられている。孔１８２ａの一方は、固定ピン１７２が挿入される孔であり、他方は螺着するための孔である。耳片部１８２の対向する面は平行に形成されており、歯車体１６６、１６８、係合片２００及びピッチベース１４４を摺動自在に保持する幅に設定されている。短筒１８０の内周面は歯車リング１５２の外周面よりやや大径に設定され、隙間が設けられている。

なお、カバー１６０（又は後述のカバー２２４）は、駆動機構部１０２、エンドエフェクタ１０４を動作に支障のない範囲でほぼ全域にわたり覆うように円筒や円錐形のカバーで構成してもよい。

歯車体１６６は、一対の耳片部１８２の間におけるＸ２方向に配置される部品であって、第３歯車１８８と、Ｄカット形状の突起１９０と、を有する。歯車体１６６は、第３歯車１８８がＸ２方向となるように配置され、該第３歯車１８８はフェイスギア１５９と噛合する。歯車体１６６には、中心部に固定ピン１７２が挿入される孔１６６ａが設けられている。

エンドエフェクタ主軸部材１７０は、ベースの円柱体１９６と、該円柱体１９６の中心からＺ１方向に延在するグリッパベース１９８と、円柱体１９６のＺ２方向の面においてＸ２方向にややずれた位置からＺ２方向に突出する係合片２００とを有する。先端部材は円弧形状でもよい。

グリッパベース１９８はグリッパ開閉動作の基準となる部材であって、グリッパの開閉向きに応じた平行な上下一対の摺動面１９８ａと、先端に設けられた回転中心となる孔１９８ｂとを有する。

係合片２００には突起１９０が係合するＤカット形状の孔２００ａが設けられている。エンドエフェクタ主軸部材１７０は、孔２００ａに突起１９０が挿入されることによって、歯車体１６６と一体的且つ安定に組み立てられる。

歯車体１６８は、一対の耳片部１８２の間におけるＸ１方向に配置される部品であって、筒体２０２と、該筒体２０２の一方に同心状に設けられた第４歯車２０４とを有する。歯車体１６８は、第４歯車２０４がＸ１方向となるように配置され、該第４歯車２０４はフェイスギア１７６と噛合する。歯車体１６８には、中心部に固定ピン１７２が挿入される孔１６８ａが設けられている。

歯車体１６８と、ピッチベース１４４と、エンドエフェクタ主軸部材１７０及び歯車体１６６の組立体は一対の耳片部１８２の間にほとんど隙間なく配置され、固定ピン１７２が孔１６６ａ、孔１４４ｂ及び孔１６８ａに挿入され、軸支される。これによりエンドエフェクタ主軸部材１７０と歯車体１６６との組立体は、歯車リング１５２の回転作用下に、第２回転軸Ｏｐを中心として揺動自在となる。また、歯車体１６８は歯車リング１５４の回転作用下に従動的に回転する。

歯車リング１５６は、歯車リング１５４と同形状であって、Ｚ２方向の面に設けられたフェイスギア（基端側端面）２０６と、Ｚ１方向の面に設けられたフェイスギア（先端側端面）２０８とを有する。歯車リング１５６は円柱体１９６に外挿され、該円柱体１９６の外周面に対して摺動回転自在となる。フェイスギア２０６は第４歯車２０４に噛合し、歯車リング１５６は第４歯車２０４の回転に伴って基準軸Ｃを中心として回転可能である。

このような駆動機構部１０２では、歯車体１２６及び第１歯車１３４の回転が、歯車リング１５２及び第３歯車１８８を介してグリッパベース１９８に伝達され、該グリッパベース１９８が第２回転軸Ｏｐを中心として俯仰可能となる。また、歯車体１３０及び第２歯車１３８の回転が、歯車リング１５４及び第４歯車２０４を介して歯車リング１５６をロール方向に回転させる。

次に、エンドエフェクタ１０４は、第１エンドエフェクタ体２２０と、第２エンドエフェクタ体２２２と、カバー２２４と、固定ピン（開閉軸）２２６とを有する。固定ピン２２６は第３回転軸（開閉軸）Ｏｇの軸上に配置される。

カバー２２４は、エンドエフェクタ１０４における各部品を保護及び支持するためのものであって、前記のカバー１６０と同様の形状であり、該カバー１６０に対して９０°傾斜した向きに設けられている。カバー２２４は、Ｚ２方向の短筒２３０と、該短筒２３０の上下両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部２３２とを有する。各耳片部２３２には、固定ピン２２６が挿入され固定するための孔２３２ａが設けられている。

第１エンドエフェクタ体２２０は、歯車体２３６と、作用部２３８とを有する。歯車体２３６は、一対の耳片部２３２の間におけるＹ１方向に配置される部品であって、第５歯車２４０と、該第５歯車２４０の中心からＹ２方向に向かって突出するＤカット形状の突起２４２とを有する。歯車体２３６には、中心部に固定ピン２２６が挿入される孔２３６ａが設けられている。歯車体２３６は、第５歯車２４０がＹ１方向となるように配置され、該第５歯車２４０はフェイスギア２０８のＹ１方向の頂部と噛合する。

作用部２３８は、基端筒２４４と、該基端筒２４４から略径方向に突出するアーム２４６と、該アーム２４６からさらに径方向に向けて突出したグリッパ２４８とを有する。作用部２３８におけるアーム２４６は第１エンドエフェクタ駆動部材として作用する。基端筒２４４の中心には突起２４２が係合するのに適したＤカット形状の孔２４４ａが設けられており、該突起２４２に対する位置決め機能及び回り止め機能を有する。

グリッパ２４８は、基端筒２４４及びアーム２４６よりもややＹ２方向に厚く、グリッパ２４８の中間高さ部が基端筒２４４及びアーム２４６のＹ２方向端面に略等しい。グリッパ２４８は、両端円弧状で内側面２４８ａにＹ方向に延在する筋が全面に設けられており、把持する組織等の滑り止めとなる。グリッパ２４８には、長孔２４８ｂが設けられている。

第２エンドエフェクタ体２２２は、歯車体２５０と、作用部２５２とを有する。作用部２５２は、グリッパ２４８と同形状のグリッパ２５３を有する。作用部２５２におけるアーム２４６は第２エンドエフェクタ駆動部材として作用する。歯車体２５０は、一対の耳片部２３２の間におけるＹ２方向に配置される部品であって、第６歯車２５４を有する。歯車体２５０は、第６歯車２５４がＹ２方向となるように配置され、該第６歯車２５４はフェイスギア２０８のＹ２方向の頂部と噛合する。歯車体２５０は、歯車体２３６と同形状であり、第６歯車２５４は、第５歯車２４０に相当し、その他の部分については、同符号を付して詳細な説明を省略する。

作用部２５２は、作用部２３８と同形状であって歯車体２５０に係合し、作用部２３８に対して上下反転した向きに配置される。作用部２５２の各部については、作用部２３８と同符号を付して詳細な説明を省略する。

第１エンドエフェクタ体２２０のグリッパ２４８はＸ２方向寄りに配置され、第２エンドエフェクタ体２２２のグリッパ２５３はＸ１方向寄りに配置され、グリッパ２４８及び２５３は、内側面２４８ａが対面するように基準軸Ｃに対称配置される。

歯車体２３６と、グリッパベース１９８と、歯車体２５０は一対の耳片部２３２の間にほとんど隙間なく配置され、固定ピン２２６ａが孔２３６ａ、孔１９８ｂ及び孔２３６ａに挿入され、軸支される。

このようなエンドエフェクタ１０４では、歯車リング１５６の回転作用下に第５歯車２４０及び第６歯車２５４は互いに逆方向に回転する。つまり、正面から見て歯車リング１５６が時計方向に回転するときには、上面視で、第５歯車２４０は回転軸Ｏｇを中心として時計方向に回転し、第６歯車２５４は回転軸Ｏｇを中心として反時計方向に回転する。これにより、一対のアーム２４６、２４６及び一対のグリッパ２４８、２５３は、ＸＺ平面上で基準軸に対称に回転し、開閉動作を行うことができる。

次に、このように構成されるマニピュレータ１０ａの作用について図７を参照しながら説明する。

先ず、ヨー方向の動作に関しては第１指示レバー３４（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第１指示レバー３４を指で操作することによりモータ４０（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ａ等が回転してワイヤ５２が循環駆動され、主軸部材１２８が第１回転軸Ｏｙを中心として回転する。これにより、主軸部材１２８のピッチベース１４４に接続された駆動機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４がヨー方向に揺動することになる。

第１指示レバー３４は正逆二方向への傾動が可能であり、ヨー方向の動作は第１指示レバー３４の傾動方向に応じて正逆方向へ揺動する。第１指示レバー３４を中立位置に戻すとモータ４０は停止し、ヨー方向の動作もその時点の位置を保持して停止する。あるいは、第１指示レバー３４の回転角度に比例したヨー方向の動作角度を指示する方法でもよい。すなわち、速度指示、位置（角度）指示のどちらでもよい。

ピッチ方向の動作に関しては第２指示レバー３６（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第２指示レバー３６を指で操作することによりモータ４４（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ｃ等が回転してワイヤ５６が循環駆動され、歯車体１２６が回転し、第１歯車１３４、フェイスギア１５８、１５９及び第３歯車１８８を介して歯車体１６６に回転が伝達される。歯車体１６６はグリッパベース１９８と一体的に第２回転軸Ｏｐを中心として俯仰することになる。

ピッチ方向の動作は第２指示レバー３６の傾動方向に応じて正逆方向へ回転する。第２指示レバー３６を中立位置に戻すとモータ４４は停止し、ピッチ方向の動作もその時点の位置を保持して停止する。あるいは、第２指示レバー３６の回転角度に比例したロール方向の動作角度を指示する方法でもよい。すなわち、速度指示、位置（角度）指示のどちらでもよい。

エンドエフェクタ１０４の開閉動作に関してはトリガーレバー３２（図１参照）を指で引き寄せることにより行われる。すなわち、トリガーレバー３２を指で引き寄せることによりモータ４２（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ｂが回転することによってワイヤ５４が循環駆動され、歯車体１３０が回転し、第２歯車１３８、フェイスギア１７４、１７６、第４歯車２０４、フェイスギア２０６により歯車リング１５６に回転が伝達される。歯車リング１５６はフェイスギア２０８を介し、第５歯車２４０及び第１エンドエフェクタ体２２０を所定の方向へ回転させ、第６歯車２５４及び第２エンドエフェクタ体２２２を逆方向へ回転させる。これによりエンドエフェクタ１０４が開閉動作を行うことになる。

トリガーレバー３２は指による引き寄せが可能であり、指を離すことにより弾性体によって元の位置に復帰する。エンドエフェクタ１０４はこのトリガーレバー３２の操作に連動し、トリガーレバー３２の引き寄せの程度に応じて閉じ、指をトリガーレバー３２から離すことによって開状態に復帰する。トリガーレバー３２にはラッチ機構があってもよい。

このように構成される作業部１２ａによれば、エンドエフェクタ１０４自体の動作とは独立的に該エンドエフェクタ１０４をヨー方向とピッチ方向に動かすことができる。

また、作業部１２ａは、作業部９００（図２１参照）と比較して、同じ３自由度の簡便構造であり、小型・軽量に構成可能であることから狭隘部の作業に好適に用いられる。特に、第１エンドエフェクタ体２２０及び第２エンドエフェクタ体２２２を同期動作させるために設けられた歯車リング１５６は、小径の筒形状であることから、作業部１２ａ（及び作業部１２ｂ〜１２ｄ）が拡径することはない。また、歯車リング１５６を設けるスペースが必要であることから作業部１２ａは軸方向にはやや長くなるが、該作業部１２ａは連結シャフト４８によって軸方向に延長した先に設けられる機構であることから、軸方向に多少長くなることに不都合はない。

作業部１２ａは作業部９００と同様に細径に構成することができるため、医療用に用いる場合に腹部・胸部等に設けるトラカール２０（図１参照）を小さくすることが可能であり、患者にとって低侵襲となる。また、歯車リング１５６によれば、第５歯車２４０及び第６歯車２５４に対して、回転が簡便且つ確実に伝達される。

さらに、エンドエフェクタ１０４の開閉動作は、モータ４２のみによる実質的な１自由度であることから、残余のモータ４０及び４４によってさらに２自由度の動作を任意の方向に配置することができ、ヨー方向及びピッチ方向（又はロール方向）の複合した向きにエンドエフェクタ１０４を指向させることができる。すなわち、操作内容に適した軸配置が可能となり、操作性が向上する。

なお、作業部１２ａにおけるエンドエフェクタ１０４の向きは、前記のようにＸＺ平面上で開閉するものに限ることなく、処置対象や操作者の選択によって種々の向きに設定することができる。以下、図８〜図１３を参照しながら、エンドエフェクタ１０４の向きの異なる変形例について説明する。以下、変形例及び他の実施例について、マニピュレータ１０ａ及び作業部１２ａと同様の構成部には同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図８及び図９に示すように、第１の変形例に係る作業部１３ａは、エンドエフェクタ１０４がＹＺ平面上で開閉するものであり、前記の作業部１２ａと比較してエンドエフェクタ主軸部材１７０をエンドエフェクタ主軸部材３００に代えたものである。エンドエフェクタ主軸部材３００におけるグリッパベース３０２は、前記のグリッパベース１９８に相当し、グリッパの開閉向きに応じた平行な左右一対の摺動面３０２ａと、先端に設けられた回転中心となる孔３０２ｂとを有する。

このように、グリッパベース３０２は、前記のグリッパベース１９８に対して９０°傾いた向きに配置されていることから、エンドエフェクタ１０４の第１エンドエフェクタ体２２０及び第２エンドエフェクタ体２２２はＹＺ平面で開閉を行うことになる。

図１０に示すように、第２の変形例に係る作業部１３ｂは、エンドエフェクタ１０４がＸＺ平面に対して４５°傾斜した平面上で開閉するものであり、前記の作業部１２ａと比較してエンドエフェクタ主軸部材１７０をエンドエフェクタ主軸部材３０４に代えたものである。図１１に示すように、エンドエフェクタ主軸部材３０４におけるグリッパベース３０６は、前記のグリッパベース１９８に相当し、グリッパの開閉向きに応じて、ＸＺ平面に対して４５°傾斜した一対の摺動面３０６ａと、先端に設けられた回転中心となる孔３０６ｂとを有する。

このように、グリッパベース３０６は、前記のグリッパベース１９８に対して４５°傾いた向きに配置されていることから、エンドエフェクタ１０４の第１エンドエフェクタ体２２０及び第２エンドエフェクタ体２２２はＸＺ平面に対して４５°傾斜した平面内で開閉を行うことになる。

なお、シャフト１１２や固定ピン１７２に対する固定ピン２２６の角度は４５°に限らず、エンドエフェクタ主軸部材３０４の形状により、設計条件やユーザの要望に応じて任意の角度に設定可能であることはもちろんであり、正面視で平行、直交又はこれ以外のねじれた向きに設定することができる。

図１２に示すように、第３の変形例に係る作業部１３ｃは、前記の作業部１２ａと比較してエンドエフェクタ主軸部材１７０をエンドエフェクタ主軸部材３１０に代えたものである。エンドエフェクタ主軸部材３１０のグリッパベース３１２は、円柱体１９６と別体に設けられている。

エンドエフェクタ主軸部材３１０は、基準軸Ｃに対して直交する平面内で固定ピン２２６を所定の複数の向きに調整する角度調整部３１３を有する。角度調整部３１３は、円柱体１９６の内周面に設けられたボス３１４と、グリッパベース３１２のＺ２方向端部に設けられ、ボス３１４に係合するスプライン３１６と、ボス３１４の底面とスプライン３１６の端面とを図示しない接続部で接続するコイルばね（弾性体）３１８とから構成されている。ボス３１４及びスプライン３１６はスプライン対を構成し、例えば、４５°毎の角度調整が可能である。

コイルばね３１８は引張ばねであって引き延ばし可能であり、図１３に示すように、カバー２２４を指で把持してＺ１方向に引くことにより伸長してスプライン３１６をボス３１４から引き抜くことができる。また、コイルばね３１８は、捻り方向にも弾性変形可能であることから操作者の判断又は好みに応じて駆動機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４の向きを基準軸Ｃに対して直交する平面内で（例えば、４５°毎に）変化させることができる。この後、Ｚ１方向に引く力を弱めると、コイルばね３１８の弾性作用下に駆動機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４はスプライン３１６とともにＺ２方向に引き寄せられて、スプライン３１６が選択された所定の向きでボス３１４に挿入・係合される。

このような作業部１３ｃによれば、簡便な操作によってエンドエフェクタ１０４の向きを所定の複数の向きに選択的に調整することができる。この調整は、簡便且つ迅速に行うことができる。選択されたエンドエフェクタ１０４の向きは、ボス３１４及びスプライン３１６の係合作用によってずれることがない。また、スプライン３１６はコイルばね３１８によって引き寄せられていることから、ボス３１４から使用中に抜け落ちることが防止される。

コイルばね３１８は捻り方向に弾性を有することから、捻り変位が０となる箇所を初期位置とすればスプライン３１６を該初期位置に容易に戻すことができる。

角度調整部３１３におけるコイルばね３１８は、ボス３１４又はスプライン３１６の少なくとも一方に対して捻り方向に回転可能に構成してもよい。コイルばね３１８が捻り方向に回転可能であると、コイルばね３１８自体が捻られることがなく、より軽い力で調整することができる。

次に、第２の実施形態に係るマニピュレータ１０ｂについて、図１４及び図１５を参照しながら説明する。マニピュレータ１０ｂは前記のマニピュレータ１０ａと比較して操作指令部１４及び連結部１６は共通であり、作業部１２ａを作業部１２ｂに代えた構成となっている。

図１４及び図１５に示すように、作業部１２ｂは、Ｙ方向の第１回転軸Ｏｙを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第１自由度と、Ｚ方向の第２回転軸Ｏｒを中心にしてロール方向に回動する第２自由度と、第３回転軸Ｏｇを中心として且つ基準軸Ｃに対して対称にして先端のエンドエフェクタ１０４を開閉する第３自由度とを有する合計３自由度の機構となっている。第２回転軸Ｏｒと基準軸Ｃは一致している。作業部１２ｂは、ワイヤ受動部４００と、駆動機構部４０２と、エンドエフェクタ１０４とを有する。エンドエフェクタ１０４は前記のものと同構成である。

ワイヤ受動部４００は、ワイヤ受動部１００における主軸部材１２８を主軸部材４０６に代えたものである。主軸部材４０６は、筒体１４０と、該筒体１４０のＺ１方向に設けられた環状座面４０８と、該環状座面４０８の中心からＺ１方向に延在する支持バー４１０とを有する。支持バー４１０は第２回転軸Ｏｒの軸上に配置される。支持バー４１０の先端部には雄ねじが設けられている。

駆動機構部４０２は、駆動ベース（ロール回転体）４１２と、固定ナット４１４と、歯車リング１５６とを有する。固定ナット４１４には、細い回転工具を挿入するための径方向の複数の細孔４１４ａが設けられている。

駆動ベース４１２は、支持バー４１０の基端部に回動自在に挿入される筒体４１６と、該筒体４１６からＺ１方向に向かって突出しているグリッパベース４１８と、筒体４１６とグリッパベース４１８との間に設けられたＹ方向に連通する孔４２０と、筒体４１６のＺ２方向の面に設けられたフェイスギア４２１とを有する。フェイスギア４２１は歯車体１２６の第１歯車１３４に噛合する。

筒体４１６には支持バー４１０が挿入される孔４１６ａが設けられている。筒体４１６には歯車リング１５６が摺動回転自在に外挿される。支持バー４１０の先端部は孔４１６ａから孔４２０内に突出し、該孔４２０内において固定ナット４１４が螺着する。これにより、駆動ベース４１２は支持バー４１０を中心として回転自在に支持される。

グリッパベース４１８は、前記のグリッパベース１９８に相当し、グリッパの開閉向きに応じた平行な上下一対の摺動面４１８ａと、先端に設けられた回転中心となる孔４１８ｂとを有する。孔４１８ｂには固定ピン２２６が挿入され、該固定ピン２２６によって第１エンドエフェクタ体２２０及び第２エンドエフェクタ体２２２が軸支される。

駆動ベース４１２は、フェイスギア４２１が第１歯車１３４に噛合していることから、ワイヤ５６が循環動作して歯車体１２６が回転することにより、基準軸Ｃを中心として従動的にロール回転をする。駆動ベース４１２がロール回転をすることにより、第１エンドエフェクタ体２２０及び第２エンドエフェクタ体２２２もロール回転をする。

このような作業部１２ｂによれば、エンドエフェクタ１０４自体の動作とは独立的に該エンドエフェクタ１０４をヨー方向とロール方向に動かすことができる。また、作業部１２ｂは作業部１２ａと同様に、エンドエフェクタ１０４の広い開閉動作範囲が得られる。

次に、第３の実施形態に係るマニピュレータ１０ｃについて、図１６〜図１９Ｂを参照しながら説明する。マニピュレータ１０ｃは前記のマニピュレータ１０ａと比較して操作指令部１４及び連結部１６は共通であり、作業部１２ａを作業部１２ｃに代えた構成となっている。

図１６及び図１７に示すように、作業部１２ｃは、前記の作業部１２ａと同様にヨー方向、ピッチ方向及びグリッパ開閉の３自由度の機構となっている。このうち、グリッパ開閉動作がリンク機構によって行われる。作業部１２ｃは、ワイヤ受動部１００と、駆動機構部５０２と、エンドエフェクタ５０４とを有する。ワイヤ受動部１００は前記のものと同構成である。

駆動機構部５０２は、駆動機構部１０２におけるエンドエフェクタ主軸部材１７０をエンドエフェクタ主軸部材５０６に代えたものである。エンドエフェクタ主軸部材５０６は、円柱体１９６と、該円柱体１９６の中心からＺ１方向に延在するグリッパベース５０８と、係合片２００とを有する。

グリッパベース５０８は、グリッパベース１９８と比較してＺ方向の距離が長尺に設定されており、グリッパの開閉向きに応じた平行な上下一対の摺動面５０８ａと、Ｚ方向に並列して設けられた第１孔５０８ｂ及び第２孔５０８ｃとを有する。第１孔５０８ｂは第２孔５０８ｃよりもややＺ２方向にずれた位置に設けられている。第２孔５０８ｃはグリッパベース５０８の先端に設けられた第１及び第２エンドエフェクタ体５２０及び５２２の回転中心となる孔である。

エンドエフェクタ５０４は、第１エンドエフェクタ体５２０と、第２エンドエフェクタ体５２２と、カバー５２４と、固定ピン５２６ａ及び固定ピン（ピボット）５２６ｂとを有する。固定ピン５２６ｂは、は第３回転軸Ｏｇの軸上に配置される。

カバー５２４は、カバー２２４に相当し、短筒２３０と、該短筒２３０の上下両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部５３２とを有する。該耳片部５３２は前記の耳片部２３２よりも長い。各耳片部５３２には、固定ピン５２６ａ及び５２６ｂが挿入され固定するための２対の孔５３２ａ及び５３２ｂが設けられている。

第１エンドエフェクタ体５２０は、歯車体５３６と、作用部（第１エンドエフェクタ部材）５３８とを有する。歯車体５３６は、一対の耳片部５３２の間におけるＹ１方向に配置される部品であって、第５歯車５４０と、該第５歯車５４０の中心からＹ２方向に向かって突出する筒体５４２と、該筒体５４２のＹ２方向端部から径方向に突出する短い薄板状のレバーアーム５４３とを有する。歯車体５３６のレバーアーム５４３は第１エンドエフェクタ駆動部材として作用する。

レバーアーム５４３のＹ１方向の面の先端部には断面円形の小突起５４３ａが設けられている。歯車体５３６は、第５歯車５４０がＹ１方向となるように配置され、該第５歯車５４０はフェイスギア２０８のＹ１方向の頂部と噛合する。

作用部５３８は、薄板形状のリンク部５４４と、該リンク部５４４から突出するアーム５４６と、該アーム５４６からさらに突出したグリッパ２４８とを有する。グリッパ２４８（及び２５３）は前記のものと同構成である。

リンク部５４４には、固定ピン５２６ｂが挿入される孔５４４ａと、小突起５４３ａが摺動自在に挿入される長孔５４４ｂが長尺方向に並んで設けられている。孔５４４ａは、リンク部５４４におけるアーム５４６との接続部の近傍に設けられ、長孔５４４ｂは孔５４４ａの近傍からリンク部５４４の端部に向かって延在している。

作用部５３８は、孔５４４ａに固定ピン５２６ｂが挿入されることによって第３回転軸Ｏｇを中心として揺動自在となり、且つ、リンク部５４４のＹ２方向の面とレバーアーム５４３のＹ１方向の面が当接して、長孔５４４ｂに小突起５４３ａが挿入されることにより、歯車体５３６とともにリンク機構の第１接続部を構成する。リンク部５４４とレバーアーム５４３との積層厚さは、筒体５４２の厚さと略等しい。小突起５４３ａは、リンク部５４４からほとんど突出しない高さ又はそれより低く設定されている。

第２エンドエフェクタ体５２２は、歯車体５５０と、作用部（第２エンドエフェクタ部材）５５２とを有する。歯車体５５０は、一対の耳片部５３２の間におけるＹ２方向に配置される部品であって、第６歯車５５４を有する。歯車体５５０は、第６歯車５５４がＹ２方向となるように配置され、該第６歯車５５４はフェイスギア２０８のＹ２方向の頂部と噛合する。歯車体５５０は、歯車体５３６と同形状であり、第６歯車５５４は、第５歯車５４０に相当し、その他の部分については、同符号を付して詳細な説明を省略する。歯車体５５０のレバーアーム５４３は第２エンドエフェクタ駆動部材として作用する。

作用部５５２は、作用部５３８と同様の形状であって、上下反転した向きに配置される。作用部５５２の各部については、作用部５３８と同符号を付して詳細な説明を省略する。第２エンドエフェクタ体５２２における長孔５４４ｂと小突起５４３ａは歯車体５５０とともにリンク機構の第２接続部を構成する。

作用部５３８及び作用部５５２は平面視で双方の孔５４４ａの部分が一致し、該孔５４４ａに固定ピン５２６ｂが挿入されることによって、基準軸Ｃを中心として対称に開閉する動作を行う。

歯車体５３６と、グリッパベース５０８と、歯車体５５０は一対の耳片部５３２の間にほとんど隙間なく配置され、固定ピン２２６ｂが孔５３６ａ、孔１９８ｃ及び孔５３６ａに挿入され、軸支される。

図１８Ａに示すように、作用部５３８について、歯車体５３６のレバーアーム５４３がＸ２方向に回動しているときには、作用部５３８のグリッパ２４８はＸ１方向に回動する。一方、作用部５５２について、歯車体５５０のレバーアーム５４３がＸ１方向に回動しているときには、作用部５５２のグリッパ２５３はＸ２方向に回動し、エンドエフェクタ５０４は開状態となる。なお、平面視で歯車体５３６が時計方向に回転し、歯車体５５０が反時計方向に回転し、それぞれの小突起５３４ａが長孔５４４ｂのＺ２方向端部に当接するときに、エンドエフェクタ５０４は最大開度となる。図１８Ａから明らかなように、最大開度におけるエンドエフェクタ５０４の開度は相当に広く、操作性が高い。

図１８Ｂに示すように、歯車体５３６及び５５０のそれぞれのレバーアーム５４３が略Ｚ１方向に指向したときには、グリッパ２４８及び２５３はやや閉じ気味となる。このとき、小突起５３４ａと長孔５５４ｂのＺ１方向端面との間には遊びの隙間が確保されている。

図１８Ｃに示すように、作用部５３８について、歯車体５３６のレバーアーム５４３がＸ１方向に回動して、歯車体５５０のレバーアーム５４３がＸ２方向に回動しているときにはグリッパ２４８及び２５３がＺ１方向を指向し、エンドエフェクタ５０４は閉状態となる。なお、それぞれのグリッパ２４８及び２５３の内側面２４８ａが互いに当接するときには、小突起５３４ａと長孔５５４ｂのＺ２方向端面との間には遊びの隙間が確保されており、それぞれのグリッパ２４８を確実に閉じさせることができる。

次に、作業部１２ｃにおけるエンドエフェクタ５０４の開閉の駆動力について図１９Ａ及び図１９Ｂを参照しながら説明する。ここで、固定ピン５２６ｂの中心をＯ１、固定ピン５２６ｂの中心をＯ２、小突起５４３ａの中心をＯ３、グリッパ２４８の先端部をＯ４として以下のパラメータを定義する。

Ｌ_A：Ｏ２〜Ｏ３までの距離
Ｌ_B：Ｏ１〜Ｏ２までの距離
Ｌ_C：Ｏ１〜Ｏ４までの距離
Ｌ_D：Ｏ１〜Ｏ２までの距離
θ_b：∠Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３
θ_d：∠Ｏ１、Ｏ３、Ｏ２
θ_f：∠Ｏ２、Ｏ１、Ｏ３
Ｔ_A：レバーアーム５４３の基端部に付与される、Ｏ２周りのトルク（図１９Ａ、図１９Ｂ中、矢印方向を正とする）
Ｔ_B：リンク部５４４の基端部に付与される、Ｏ１周りのトルク（図１９Ａ、図１９Ｂ中、矢印方向を正とする）
Ｆ_A：Ｏ２に生じる、レバーアーム５４３の長手方向に直交する方向の力（図１９Ａ、図１９Ｂ中、矢印方向を正とする）
Ｆ_B：Ｏ２の基端部に生じる、リンク部５４４の長手方向に直交する方向の力（図１９Ａ、図１９Ｂ中、矢印方向を正とする）
Ｆ_C：Ｏ４に生じる、グリッパ２４８の長手方向に直交する方向の力（図１９Ａ、図１９Ｂ中、矢印方向を正とする）

トルクと力との間には、以下の式（１）及び式（２）が成り立つ。
Ｔ_A＝Ｌ_AＦ_A … （１）
Ｔ_B＝Ｌ_BＦ_B＝Ｌ_CＦ_C … （２）

また、幾何学的に、以下の式（３）が成り立つ。
Ｆ_A＝Ｆ_Bｓｉｎ（θ_d−π／２） … （３）

式（１）乃至（３）から、以下の式（４）及び式（５）が導かれる。
Ｆ_C＝Ｆ_A（Ｌ_B／Ｌ_C）（１／ｓｉｎ（θ_d−π／２）） … （４）
Ｔ_B＝Ｔ_A（Ｌ_B／Ｌ_A）（１／ｓｉｎ（θ_d−π／２）） … （５）

距離Ｌ_B、角度θ_dは、距離Ｌ_A、距離Ｌ_D、角度θ_bによって、以下の式（６）及び式（７）から求められる。
Ｌ_B ²＝Ｌ_A ²＋Ｌ_D ²−２Ｌ_AＬ_Dｃｏｓθ_b … （６）
Ｌ_D ²＝Ｌ_B ²＋Ｌ_A ²−２Ｌ_AＬ_Bｃｏｓθ_d … （７）
なお、角度θ_fについては、
Ｌ_A ²＝Ｌ_B ²＋Ｌ_D ²−２Ｌ_BＬ_Dｃｏｓθ_f … （８）
から求めることができる。

式（４）を参照し、距離Ｌ_Bが距離Ｌ_Cよりも大きい場合には、増力効果が生じることが理解される。式（６）を参照し、距離Ｌ_Bは、角度θ_bが最大の場合、即ち、グリッパ２４８が最大限閉じられた場合に最大となる。このため、少なくともグリッパ２４８及び２５３が最大限閉じられた場合に、距離Ｌ_Bが距離Ｌ_Cよりも大きくなれば、増力効果が認められることとなり、本実施形態ではかかる関係が成立している。

また、式（５）を参照し、距離Ｌ_Bが距離Ｌ_Aよりも大きい場合には、増力効果が生じることが理解される。上述したように、式（６）を参照し、距離Ｌ_Bは、グリッパ２４８及び２５３が最大限閉じられた場合に最大となるため、少なくともグリッパ２４８及び２５３が最大限閉じられた場合に、距離Ｌ_Bが距離Ｌ_Aよりも大きい場合には、増力効果が認められることとなり、本実施形態ではかかる関係が成立している。

さらに、式（４）及び式（５）を参照し、角度θ_dがπでない場合には、リンク角度による増力効果が生じることが理解される。グリッパ２４８及び２５３が最大限閉じられた場合に、増力効果が認められることが好ましいため、グリッパ２４８及び２５３が最大限閉じられた場合に、角度θ_dがπでないことが好ましい。特に、角度θ_dがπ／２の近傍の角度である場合に増力効果が極めて大きくなることが理解される。よって、本実施形態では、グリッパ２４８及び２５３が最大限閉じられた場合に、角度θ_dがπ／２にできるだけ近い事が望ましい。

ここで、角度θ_dがπ／２の近傍の角度のみならず、２π／３（６０°）〜４π／３（１２０°）であると、レバーアーム５４３先端で発生する力Ｆ_Aに対し、リンク部５４４先端に作用するＦ_Bは理論的には２倍以上となる。この様に、増力効果（トグル機構の効果）が顕著に現れるため、本実施の形態では角度θ_dを２π／３（６０°）〜４π／３（１２０°）としている。

さらに、最大限閉じられた場合のみならず、最大限開いた場合に、同様の条件となる場合にも、同様のリンク角度による増力効果（トグル機構の効果）が得られる。たとえば、生体組織の剥離作業のような場合には、開く動作において力（剥離力と呼ぶ）が必要となる。なお、図１９Ｂに示す時の状態は、最大限開いた場合にも、角度θ_dは２π／３（６０°）〜４π／３（１２０°）であり、剥離力も大きくなる様な構成としている。

なお、図１９Ａ及び図１９Ｂでは、第１エンドエフェクタ体５２０を例にして説明をしたが、第２エンドエフェクタ体５２２については、第１エンドエフェクタ体５２０と対称構成であることから同様の増力効果が得られることは容易に理解されよう。

次に、第４の実施形態に係るマニピュレータ１０ｄについて、図２０を参照しながら説明する。マニピュレータ１０ｄは前記のマニピュレータ１０ａと比較して操作指令部１４及び連結部１６は共通であり、作業部１２ａを作業部１２ｄに代えた構成となっている。

図２０に示すように、作業部１２ｃは、前記の作業部１２ｂと同様にヨー方向、ロール方向及びグリッパ開閉の３自由度の機構となっており、第２の実施例に係る作業部１２ｂのロール回転の機構と、第３の実施例に係る作業部１２ｃのトグル機構による増力効果とを併せ持つものである。作業部１２ｄは、ワイヤ受動部６００と、駆動機構部６０２と、エンドエフェクタ５０４とを有する。エンドエフェクタ５０４は前記のものと同構成である。

ワイヤ受動部６００は、前記のワイヤ受動部４００に相当する部分であり、該ワイヤ受動部４００に対して補助歯車体６１４が加えられたものである。補助歯車体６１４は、歯車体１２６、主軸部材４０６及び歯車体１３０に対してＺ２方向にオフセットした位置に平行に配置されており、シャフト６０８によって回転自在に軸支されている。シャフト６０８は、各舌片部５８に設けられた孔６１０に挿入されている。

補助歯車体６１４は、筒体６１６と、該筒体６１６の上部に同心状に設けられた補助歯車６１８とを有する。補助歯車６１８は筒体６１６よりも大径である。補助歯車体６１４は高さが略Ｈであって、一対の舌片部５８の間に回転自在に配置される。補助歯車６１８の厚さＤ１は高さＨと比較して十分に薄く、筒体６１６の高さ（つまり、Ｈ−Ｄ１）は舌片部５８の間の高さＨのうち相当程度を占める。補助歯車６１８の上面には、シャフト６０８が挿入される孔の周辺に低い環状リブ６１８ａが設けられており、補助歯車６１８の上面が上側の舌片部５８に接触することが防止され摺動抵抗の低減を図っている。

補助歯車６１８は第１歯車１３４と同じ厚さで、該第１歯車１３４と噛合するように設定されている。ワイヤ受動部６００では、ワイヤ５６が筒体６１６に巻き掛けられており、補助歯車６１８の回転が歯車体１２６に伝達される。第１歯車１３４は補助歯車１１８よりも歯数が多く、補助歯車１１８の回転が減速して（トルクが増大して）伝達することができる。もちろん、設計条件に応じて同速又は増速するように伝達してもよい。

このようなワイヤ受動部６００では、筒体６１６よりも前方でワイヤ５２及びワイヤ５６の巻数や主軸部材４０６や歯車体１３０の大きさ等は筒体６１６に対するワイヤ５６の巻回に影響がなく、ワイヤ５６を筒体６１６の多くの領域に巻き掛けることが可能となり、補助歯車体６１４の回転量を大きくすることができるため、歯車体１２６の回転量及び回転トルクを大きく設定できる。したがって、エンドエフェクタ６０４のロール動作の回転動作量を大きくし、且つ確実に動作させることができる。

駆動機構部６０２は、駆動ベース６２２と、固定ナット４１４と、歯車リング１５６とを有する。駆動ベース６２２は、筒体４１６と、該筒体４１６からＺ１方向に向かって突出しているグリッパベース６２８と、筒体４１６とグリッパベース６２８との間に設けられたＹ方向に連通する孔４２０とを有する。

グリッパベース６２８は、前記のグリッパベース１９８に相当し、グリッパの開閉向きに応じた平行な上下一対の摺動面６２８ａと、Ｚ方向に並列して設けられた第１孔６２８ｂ及び第２孔６２８ｃとを有する。第１孔６２８ｂは第２孔５０８ｃよりもややＺ２方向にずれた位置に設けられている。第２孔５０８ｃはグリッパベース６２８の先端に設けられた回転中心となる孔である。

グリッパベース６２８、第１孔６２８ｂ及び第２孔６２８ｃは、前記のグリッパベース５０８、第１孔５０８ｂ及び第２孔５０８ｃに相当し、第１孔６２８ｂと第２孔６２８ｃとの距離は、第１孔５０８ｂと第２孔５０８ｃとの距離（つまり、固定ピン５２６ａと固定ピン５２６ｂとの距離）に等しい。

このような作業部１２ｄによれば、エンドエフェクタ５０４をヨー方向及びロール方向に動作させることができるとともに、グリッパ２４８の開閉の増力効果（図１９Ａ及び図１９Ｂ参照）が得られる。

上述したように、マニピュレータ１０ａ〜１０ｄ、作業部１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｃによれば、エンドエフェクタ自体の開閉動作とは独立的に該エンドエフェクタをヨー方向、ピッチ方向又はロール方向に動かすことができる。

また、作業部１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄは、作業部９００（図２１参照）と比較して、同じ３自由度の簡便構造であり、小型・軽量に構成可能であることから狭隘部の作業に好適に用いられる。また、簡便構造であることから廉価である。

歯車リング１５６は、小径の筒形状であることから、作業部１２ａ〜１２ｄが拡径することはない。さらに、歯車リング１５６を設けるスペースが必要であることから作業部１２ａ〜１２ｄは軸方向にはやや長くなるが、該作業部１２ａ〜１２ｄは連結シャフト４８によって軸方向に延長した先に設けられる機構であることから、軸方向に長くなることに不都合はない。

さらにまた、エンドエフェクタの開閉動作は、モータ４２のみによる実質的な１自由度であることから、残余のモータ４０及び４４によってさらに２自由度の動作を任意の方向に配置することができ、ヨー方向及びピッチ方向（又はロール方向）の複合した向きにエンドエフェクタを指向させることができる。すなわち、操作内容に適した軸配置が可能となり、操作性が向上する。

また、歯車リング１５６は基準軸Ｃを中心として回転する構成であって回転することに障害がないことから、多回転が可能であって、第１エンドエフェクタ駆動部材及び第２エンドエフェクタ駆動部材の可動範囲を広く設定することができる。

なお、マニピュレータ１０ａ〜１０ｄ及び作業部１２ａ〜１２ｄは、医療用のものとして説明したが、使用用途はこれに限らず、例えば、エネルギー機器等の狭隘部補修の用途や、患者から離れた箇所から電気通信手段等を介して手技を行う遠隔操作機構に好適に適用可能であることはもちろんである。また、作業部１２ａ〜１２ｄは、グリッパ２４８及び２５３の形状、構成を変えることにより鋏、ペンチ、ニッパ、エンドニッパ等を構成可能であることは容易に理解されよう。各実施例における平歯車とフェイスギアとの組合わせは、相互に接触して回転の向きを変えて動力を伝達することのできるものであればよく、例えば、傘歯車対であってもよい。

本発明に係る作業機構及びマニピュレータは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係るマニピュレータの斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部（作業機構）の一部断面斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の分解斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の断面側面図である。 第１の実施の形態に係る作業部の断面平面図である。 ワイヤ固定機構の分解斜視図である。 第１の実施形態に係るマニピュレータの駆動系統の基本構成図である。 第１の実施の形態に係る作業部の第１変形例の斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の第１変形例の分解斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の第２変形例の斜視図である。 図１０の変形例で用いられるエンドエフェクタ主軸部材の斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の第３変形例の分解斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の第３変形例で、エンドエフェクタをワイヤ受動部から引き抜いた状態の側面図である。 第２の実施の形態に係る作業部の一部断面斜視図である。 第２の実施の形態に係る作業部の分解斜視図である。 第３の実施の形態に係る作業部の一部断面斜視図である。 第３の実施形態に係る作業部の分解斜視図である。 図１８Ａは、第３実施形態のマニピュレータの作業部を第１及び第２のエンドエフェクタ部が最大限開かれた状態で示す平面図であり、図１８Ｂは、第３実施形態のマニピュレータの作業部を第１及び第２のエンドエフェクタ部が開閉作動の中間位置にある状態で示す平面図であり、図１８Ｃは、第３実施形態のマニピュレータの作業部を第１及び第２のエンドエフェクタ部が最大限閉じられた状態で示す平面図である。 図１９Ａは、第３実施形態のマニピュレータの作業部の増力機構を、第１及び第２のエンドエフェクタ部が最大限閉じた状態で示す説明図であり、図１９Ｂは、第３実施形態のマニピュレータの作業部の増力機構を、第１及び第２のエンドエフェクタ部が最大限閉じられる前の状態で示す説明図である。 第４の実施形態に係る作業部の分解斜視図である。 作業部の一部分解斜視図である。

符号の説明

１０ａ〜１０ｄ…マニピュレータ
１２、１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄ…作業部
５０ａ〜５０ｃ…駆動プーリ ５２、５４、５６、５７…ワイヤ
１００、４００、６００…ワイヤ受動部
１０２、４０２、５０２、６０２…駆動機構部
１０４、５０４、６０４…エンドエフェクタ
１２６、１３０、１６６、１６８、２３６、２５０、５３６、５５０…歯車体
１１６、１３２、１３６、１４０、２０２、４１６、５４２、６１６…筒体
１３４、１３８、１８８、２０４、２４０、２５４、５４０、５５４…歯車
１２８、４０６…主軸部材
１７０、３００、３０４、３１０、５０６…エンドエフェクタ主軸部材
１５８、１５９、１７４、１７６、２０６、２０８…フェイスギア
２２０、２２２、５２０、５２２…エンドエフェクタ体
２４８、２５３…グリッパ
２８、２４６…アーム（エンドエフェクタ駆動部材)

Claims (9)

1. 基準軸に対して直交する方向に回転する第１駆動回転体と、
   前記第１駆動回転体に対して軸方向の基端側端面が接触し、回転方向が変換されて前記基準軸を中心として回転する第１媒介回転体と、
   前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて一方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する開閉軸を中心として回転する第１エンドエフェクタ駆動部材と、
   前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて他方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する前記開閉軸を中心として、前記第１エンドエフェクタ駆動部材と逆方向に回転する第２エンドエフェクタ駆動部材と、
   を有することを特徴とする作業機構。
2. 請求項１記載の作業機構において、
   前記第１駆動回転体の位置を含む基端側で、前記開閉軸と平行な向きか、又は、前記開閉軸及び前記基準軸に直交する向きの少なくとも１つの回動部を有することを特徴とする作業機構。
3. 請求項１記載の作業機構において、
   前記基準軸に対して直交する方向に回転する第２駆動回転体と、
   前記第２駆動回転体に対して軸方向の基端側端面が接触し、回転方向が変換されて前記基準軸を中心として回転するロール回転体と、
   を有し、
   前記第１エンドエフェクタ駆動部材及び前記第２エンドエフェクタ駆動部材は、前記ロール回転体に取り付けられて、前記第２駆動回転体の回転作用下に、前記基準軸を中心として回動することを特徴とする作業機構。
4. 請求項１記載の作業機構において、
   前記第１駆動回転体の回転軸と、前記開閉軸は平行又は直交を除くねじれた向きに設定されていることを特徴とする作業機構。
5. 請求項１記載の作業機構において、
   前記基準軸に対して直交する平面内で前記開閉軸を所定の複数の向きに調整する角度調整部を有することを特徴とする作業機構。
6. 請求項５記載の作業機構において、
   前記角度調整部は、スプライン対と、該スプライン対の軸がボスに挿入されるように引き寄せる弾性体と、
   を有し、
   前記弾性体は軸方向に引き延ばし可能であるとともに、捻り方向に弾性変形可能であり又は回転可能であることを特徴とする作業機構。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の作業機構において、
   前記第１エンドエフェクタ駆動部材及び前記前記第２エンドエフェクタ駆動部材によって駆動される第１エンドエフェクタ部材及び第２エンドエフェクタ部材と、
   前記第１エンドエフェクタ部材と前記第２エンドエフェクタ部材とを回動自在に軸支する前記基準軸上のピボットと、
   を有し、
   前記第１エンドエフェクタ駆動部材と前記第２エンドエフェクタ駆動部材は、前記基準軸を基準に対称に回転し、
   前記第１エンドエフェクタ駆動部材と前記第１エンドエフェクタ部材との第１接続部、及び前記第２エンドエフェクタ駆動部材と前記第２エンドエフェクタ部材との第２接続部は、それぞれピンと、該ピンを摺動しながら案内する長孔とによって構成されていることを特徴とする作業機構。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の作業機構において、
   可撓性動力伝達部材が巻き掛けられて回転する従動筒体と、
   前記従動筒体に対して軸方向の基端側端面が接触し、回転方向が変換されて前記基準軸を中心として回転する第２媒介回転体と、
   を有し、
   前記第１駆動回転体は、前記第２媒介回転体の軸方向の先端側端面に接触して回転することを特徴とする作業機構。
9. 人手によって把持される操作部と、
   前記操作部に設けられ、人手で操作される入力部と、
   前記入力部の操作に基づいて回転する回転源と、
   可撓性動力伝達部材を介して前記回転源から回転が伝達されて、基準軸に対して直交する方向に回転する第１駆動回転体と、
   前記第１駆動回転体に対して軸方向の基端側端面が接触し、回転方向が変換されて前記基準軸を中心として回転する第１媒介回転体と、
   前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて一方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する開閉軸を中心として回転する第１エンドエフェクタ駆動部材と、
   前記第１媒介回転体の軸方向の先端側端面における中心からみて他方に接触し、回転方向が変換されて前記基準軸に対して直交する前記開閉軸を中心として、前記第１エンドエフェクタ駆動部材と逆方向に回転する第２エンドエフェクタ駆動部材と、
   を有することを特徴とするマニピュレータ。
   
   

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