JP2009201607A - マニピュレータ - Google Patents

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弘明 佐野
Shuichi Uenohara
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Abstract

【課題】駆動機構部側から先端動作部側へと迅速且つ高精度に動力伝達を行うことができるマニピュレータを提供する。
【解決手段】マニピュレータは、中空の連結シャフト48と、該連結シャフト48内に挿通され、少なくとも一部に可撓性を有するワイヤ54a、54b及び54cと、連結シャフト48の一端側に設けられ、ワイヤ54a、54b及び54cの一端側が巻き掛けられる駆動プーリ50a、50b及び50cを介して該ワイヤ54a、54b及び54cに駆動力を付与する駆動機構部と、連結シャフト48の他端側に設けられ、ワイヤ54a、54b及び54cの他端側が巻き掛けられる従動プーリ57を介して該ワイヤ54a、54b及び54cにより動作される先端動作部と、ワイヤ54a、54b及び54cの張力を調整する張力調整機構68とを備える。
【選択図】図5

Description

本発明は、動力伝達部材を介して先端動作部を動作させるマニピュレータに関する。
内視鏡下外科手術(又は腹腔鏡下手術とも呼ばれる。)においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、器具の通過ポートとしてトラカール(筒状の器具)を挿入した後、シャフトを有する鉗子の先端部をトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行っている。鉗子の先端部には、作業部として、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。
鉗子による内視鏡下外科手術は、作業空間である体腔内が狭くしかもトラカールを支点として鉗子を操作するため、一定のトレーニングが必要となる。また、従来使用されている鉗子では先端の作業部に関節が無いため、自由度が小さく、先端作業部はシャフトの延長線上での動作しか行うことができない。従って、通常のトレーニングで実施可能な症例には限度があり、他の様々な症例に対して適用するためには相当に高度なトレーニング及び習熟が必要になる。
このような観点から、従来の鉗子を改良し、作業部に複数の関節を有する鉗子の開発が行われている(例えば、引用文献1参照)。このような鉗子、いわゆるマニピュレータでは、従来の鉗子のような制約や不自由がなく、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなる。
前記マニピュレータは、細長いシャフトの先端に設けられた先端動作部(エンドエフェクタとも呼ばれる。)を備える作業部を有し、アクチュエータによって回転駆動される操作部側の駆動プーリと先端動作部側の従動プーリとの間に巻き掛けられたワイヤ(動力伝達部材)を介して当該先端動作部を動作させることができる。
一方、このようなマニピュレータをロボットアームにより駆動する医療用ロボットシステムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。このような医療用ロボットシステムでは、ジョイスティックやマスターアーム等からなる操作部による遠隔操作が可能であると共に、プログラム制御により様々な動作が可能となる。医療用ロボットシステムでは、複数のロボットアームが設けられており、手技に応じてこれらのロボットアームを使い分けることができる。ロボットアームのうち1台には内視鏡が設けられ、体腔内を所定のモニタで確認することができる。
特開2004−105451号公報 米国特許第6331181号明細書
上記のようなマニピュレータ及びロボットアームを駆動してマニピュレータを操作する医療用ロボットシステムでは、正確且つ迅速な手技を確保するため、操作部からの入力に対して反応性よく先端動作部が動作することが望ましい。従って、駆動プーリの駆動力がワイヤを介して高精度に従動プーリ側へと伝達される必要がある。
ところが、動力伝達部材であるワイヤが駆動プーリと従動プーリとの間に十分な張力で巻き掛けられていない場合には、確実な動力伝達ができず、操作部による先端動作部の正確かつ迅速な操作が困難になる可能性がある。
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、駆動機構部側から先端動作部側へと迅速且つ高精度に動力伝達を行うことができるマニピュレータを提供することを目的とする。
本発明に係るマニピュレータは、中空のシャフトと、前記シャフト内に挿通され、少なくとも一部に可撓性を有する動力伝達部材と、前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材の一端側が巻き掛けられる回転源を介して該動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材の他端側が巻き掛けられる従動回転体を介して該動力伝達部材により動作される先端動作部と、前記回転源と前記従動回転体との間に巻き掛けられる前記動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構とを備えることを特徴とする。
このような構成によれば、例えばワイヤからなる動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構を備えたことにより、回転源と従動回転体との間に当該動力伝達部材を適度な張力を持って巻き掛けておくことができる。従って、駆動機構部から発せられた駆動力が、動力伝達部材でほとんど吸収されず、反応性よく高精度に先端動作部へと伝達されるため、先端動作部を一層正確且つ迅速に動作させることができる。
この場合、前記張力調整機構は、前記回転源と前記従動回転体との間に巻き掛けられた前記動力伝達部材の一部を押圧するアイドル回転体を備えると、前記押圧時の摩擦抵抗、すなわちアイドル回転体と動力伝達部材との間の摩擦抵抗を可及的に小さくすることができる。これにより、回転源と従動回転体との間での動力伝達部材の円滑な移動を確保することができる。
また、前記張力調整機構は、前記アイドル回転体を前記動力伝達部材に対して弾性的に押圧する弾性部材を備えると、動力伝達部材を回転源及び従動回転体に巻き掛けた際の長さの違いを吸収可能であり、動力伝達部材が経年劣化等によって伸長した際にも、所定の張力を維持することができる。
さらに、前記回転源及び前記従動回転体はプーリであって、前記アイドル回転体は動力伝達部材を、前記プーリの回転軸に直交する平面上で、且つ、前記シャフトの延在方向と交差する向きに押圧可能に配置されると、動力伝達部材の駆動不良を防止して一層円滑な駆動が可能となる。
一方、前記張力調整機構は、前記動力伝達部材の一部を連結するねじ機構を備えて構成されると、ねじ機構を螺回させるだけで回転源と従動回転体との間に巻き掛けられた動力伝達部材の張力及び全長を簡便に調整することができる。
この場合、前記ねじ機構は、前記動力伝達部材の連結される部分の一方に設けられるねじ部と、前記連結される部分の他方に回転自在に設けられ、前記ねじ部に螺合する受け部とを備えてもよい。
また、前記ねじ機構は、前記動力伝達部材の連結される部分の一方に設けられる順ねじ部、及び、他方に設けられる逆ねじ部と、前記順ねじ部及び前記逆ねじ部が両端側から螺合可能な連結部材とを備えてもよい。
本発明によれば、動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構を備えたことにより、回転源と従動回転体との間に当該動力伝達部材を適度な張力を持って巻き掛けておくことができる。これにより、駆動機構部から発せられた駆動力が動力伝達部材でほとんど吸収されず、反応性よく高精度に先端動作部へと伝達されるため、先端動作部を一層正確且つ迅速に動作させることができる。
以下、本発明に係るマニピュレータについて実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、本実施の形態に係るマニピュレータ10は、先端動作部12に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医療用であり、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。
マニピュレータ10は、人手によって把持及び操作される操作指令部14と、該操作指令部14に対して着脱自在な作業部16とを有する。
以下の説明では、図1における幅方向をX方向、高さ方向をY方向、及び、連結シャフト48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10が基準姿勢(中立姿勢)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10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。
作業部16は、作業を行う先端動作部12と、操作指令部14のアクチュエータブロック30に対して接続される接続部15と、これらの先端動作部12と接続部15とを連接する長尺で中空の連結シャフト(シャフト)48とを有する。作業部16は、アクチュエータブロック30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。
先端動作部12及び連結シャフト48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。
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ブリッジ28と、該ブリッジ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。
操作指令部14のグリップハンドル26は、ブリッジ28の端部からY2方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、該グリップハンドル26の近傍には先端動作部12の動作等に供される入力手段が設けられている。すなわち、このような入力手段として、グリップハンドル26に近接したZ1方向にトリガーレバー32及びスイッチ36が設けられ、Y1方向に複合入力部34及び作動スイッチ35が設けられている。
作動スイッチ35のZ1方向でブリッジ28の上面における視認しやすい箇所にはLED29が設けられている。グリップハンドル26の下端部には調圧機構として機能する複数の通気孔41が設けられている。グリップハンドル26の下端には、コントローラ45に接続されるケーブル62が設けられている。グリップハンドル26とケーブル62とはコネクタにより接続されていてもよい。
次に、接続部15及びアクチュエータブロック30の構成及び作用について説明する。
図1及び図2に示すように、接続部15は、樹脂のカバー37に覆われており、支持ブロック17により駆動プーリ50a、50b及び50cを回転自在に保持している。駆動プーリ50a、50b及び50cは、アクチュエータブロック30に設けられたモータ40a、40b及び40cに係合することで回転源(回転駆動源)として機能する。駆動プーリ50a、50b及び50cには、それぞれワイヤ54a、54b及び54cが、例えば1.5回以上巻き掛けられ、これらワイヤ54a〜54cは連結シャフト48の中空部分を通って先端動作部12まで延在している。
図3に示すように、連結シャフト48内を挿通したワイヤ54a、54b及び54cは、グリッパ60を備えた先端動作部12の従動プーリ(従動回転体)57等に、例えば1.5回以上巻き掛けられている。先端動作部12内には、各ワイヤ54a〜54cにそれぞれ対応する複数の従動プーリ57が設けられている。ワイヤ54a〜54cは同種・同径のものを用いることができ、少なくとも駆動プーリ50a〜50c側及び従動プーリ57側に巻き掛けられる部分に可撓性を有する線材からなる。
従って、駆動プーリ50aと従動プーリ57との間にワイヤ54aが巻き掛けられた状態で駆動プーリ50a(モータ40a)が回転駆動されると、その回転駆動力がワイヤ54aを介して従動プーリ57へと伝達され、該従動プーリ57を回転させる。そうすると、従動プーリ57の回転が、例えば歯車55、歯車リング64及び歯車66へと順次伝達され、グリッパ60を開閉させることができる。マニピュレータ10では、このような駆動プーリ50a〜50c、ワイヤ54a〜54c及び従動プーリ57を備えた動力伝達機構により、先端動作部12をロール方向(軸回転方向)、ヨー方向(左右方向)及びグリッパ開閉からなる3自由度の機構として構成することができる。
なお、図5Bに示すように、各プーリとの間での滑りによる駆動不良を防止するため、駆動プーリ50a(50b、50c)と従動プーリ57との間に巻き掛けられたワイヤ54a(54b、54c)の一部は、駆動プーリ50a(50b、50c)及び従動プーリ57に対して図示しないピンや溝等から構成されるワイヤ固定機構59により固定される。
アクチュエータブロック30には、先端動作部12が有する3自由度の機構に対応し、モータ40a、40b及び40cが接続部15の延在方向に沿って駆動プーリ50a、50b及び50cに係合可能に並列されている。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おり、モータ40a、40b及び40cは、トリガーレバー32や複合入力部34の操作に基づき、コントローラ45の作用下に回転をする。これにより、上記したように、モータ40a、40b及び40cで発生した駆動力が駆動プーリ50a、50b及び50cに伝達され、ワイヤ54a、54b及び54cが往復移動されることで先端動作部12が動作される。このように、アクチュエータブロック30及び接続部15、すなわち、モータ40a、40b及び40cや駆動プーリ50a、50b及び50cは、動力伝達部材であるワイヤ54a、54b及び54cに駆動力を付与し、先端動作部12を動作させる駆動機構部として機能する。
図2に示すように、アクチュエータブロック30は、作業部16の接続部15を保持する2つの独立した係合部210と、該接続部15の位置決め機能及び保持機構を有する3本のアライメントピン212とを有する。アライメントピン212は、接続部15側に設けられた嵌合孔206に対向する位置で、例えば3本設けられ、それぞれY1方向に延在している。このように、アライメントピン212は3本設けられていることから、接続部15は3点で支持され、簡便且つ確実に位置決めを行うことができる。
従って、接続部15をアクチュエータブロック30に接続する際には、3つの嵌合孔206にアライメントピン212が挿入されるようにしてY2方向に移動させる。これにより、係合部210が先端のテーパ形状によってやや外方向に押されて変位して、接続部15側の係合片207に対して摺動した後、係合し、接続部15をアクチュエータブロック30に装着することができる。なお、接続部15を取り外す際には、係合片207を開方向に操作して接続部15をY1方向に持ち上げればよい。
次に、マニピュレータ10の先端動作部12を動作させる入力手段である操作指令部14について説明する。
作動スイッチ35は、マニピュレータ10の動作状態の有効又は無効を設定するための入力手段である。LED29は、マニピュレータ10の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。LED29は、ブリッジ28の上面における略中央部で、視認性のよい位置に設けられており、作動スイッチ35と並んで配置されていることから、例えば、作動スイッチ35によるON操作に同期して点灯等をするため、操作者は作動スイッチ35の操作をしながらその入力状態をLED29により確実に認識することができる。
複合入力部34は、先端動作部12に対してロール方向(軸回転方向)及びヨー方向(左右方向)の回転指令を与える複合的な入力手段である。
図4に示すように、複合入力部34は、正面視で円形で、グリップハンドル26の上端部とブリッジ28との接続部の平面部39に設けられており、親指による操作が容易な位置に配置されている。平面部39は、複合入力部34の径よりもやや大きい径の略円環形であり、複合入力部34の操作をしないときには親指を当てておき、複合入力部34に触れることなくグリップハンドル26を確実に保持することができる。平面部39及び複合入力部34の表面部は、その法線がZ2方向とY1方向の略中間の方向を指向しており、親指の腹部Tを自然に当てることができる。
複合入力部34は、シャトルリング200と、該シャトルリング200の内周側に設けられ、外部へと突出したパッド202とを有する。
シャトルリング200は、左右対称位置に設けられた指当て部であるノブ201a、201bを有し、先端動作部12に対してロール方向の回転指令を与える入力手段であり、シャトルリング200の操作量が大きいほど、先端動作部12の回転速度が速まるように設定されている。また、シャトルリング200の非操作時には、先端動作部12はロール方向に関して停止している。
シャトルリング200の動作範囲は、基準位置(中立位置、原点位置)を基準として、例えば±10°に設定されている。シャトルリング200の動作範囲は、操作性を考慮して(例えば、微妙な操作が可能なように)ある程度の移動距離を確保すると共に、無理なく操作可能なように腹部Tの動作範囲に収めることが好ましい。
一方、パッド202は、先端動作部12に対してヨー方向の傾動指令を与える入力手段であり、パッド202の操作量が大きいほど、先端動作部12の傾動速度が速まるように設定されている。また、パッド202の非操作時には、先端動作部12はヨー方向に関して停止している。パッド202は、正面視で上面及び下面が平行で左右両端が円弧形状の突起である。左右の円弧形状はシャトルリング200の内面に対応した径に設定されている。
パッド202は、左右端面を指で操作することにより、左右押し込み方向に容易に傾動可能である。また、パッド202は、非操作時には、図示しない弾性部材の弾性力により基準位置に自動的に復帰可能である。
このようなシャトルリング200及びパッド202による入力操作は、操作指令部14の筐体内部に設けられた図示しない感圧センサ等によって検出され、これにより、図示しない基板等の制御手段を介してモータ40a(駆動プーリ50a)等を駆動し、ワイヤ54a等が駆動されることにより先端動作部12を動作させることができる。
次に、トリガーレバー32の構成及び作用について説明する。
図1に示すように、トリガーレバー32は、ブリッジ28のやや下方でZ1方向にやや突出したレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。
トリガーレバー32は、グリップハンドル26に対してアーム91により接続されており、該グリップハンドル26に対して進退するように構成されている。アーム91はグリップハンドル26内で図示しないセンサに接続されており、トリガーレバー32の進退量が該センサによって計測されてコントローラ45に供給される。トリガーレバー32は、先端動作部12のグリッパ60の開閉指令を与える入力手段である。すなわち、トリガーレバー32は、指を当て、グリップハンドル26の方向(つまり、Z2方向)に向かって引き込む操作と、グリップハンドル26からZ1方向に押し出す操作とが可能に構成され、これにより、グリッパ60へと開閉指令を与えることができる。
なお、トリガーレバー32のY2方向に設けられたスイッチ36は、オルタネート式であって、該スイッチ36を操作することによりトリガーレバー32により所定の開閉状態とされたグリッパ60の状態、例えば、閉じ状態を保持しておくことができる。
ところで、以上のように駆動プーリ50a〜50c、ワイヤ54a〜54c及び従動プーリ57からなる動力伝達機構を有するマニピュレータ10では、正確且つ迅速な手技を確保するため、操作指令部14からの入力に対して反応性よく高精度に先端動作部12が動作することが必要である。例えば、トリガーレバー32の引き込み量に対して、グリッパ60の開度が正確に対応することが望ましい。
トリガーレバー32や複合入力部34の操作に正確に対応して先端動作部12を動作させるためには、少なくともワイヤ54a〜54cが適度な張力(テンション)を持って駆動プーリ50a〜50cと従動プーリ57との間に巻き掛けられている必要がある。ワイヤ54a〜54cの張力が不足していると、駆動プーリ50a〜50cからの駆動力が当該ワイヤ54a〜54cで吸収され、従動プーリ57の動作が緩慢となり、入力手段による先端動作部12の正確な操作が困難となるからである。
そこで、図5Bに示すように、本実施形態に係るマニピュレータ10では、駆動プーリ50a(50b、50c)と従動プーリ57との間に巻き掛けられたワイヤ54a(54b、54c)の張力を調整する張力調整機構68を備えている。なお、張力調整機構68は、各ワイヤ54a〜54cに対してそれぞれ設けられ(図2参照)、いずれも同様な構成及び作用であることから、以下ではワイヤ54aに適用する場合についての説明を行い、ワイヤ54b、54cに適用する場合についての説明は省略する。
図5B、図6及び図7に示すように、張力調整機構68には、駆動プーリ50aと従動プーリ57との間にリング状に巻き掛けられたワイヤ54aの一部を、リングの外周側から内周側に向かう方向(この場合、X1方向)に押圧するアイドルプーリ(アイドル回転体)70が備えられる。さらに、張力調整機構68には、支持ブロック17の内壁面側に開口形成されたねじ孔72に対して螺着される基体74と、周囲にばね(弾性部材)76が配設されることで、基体74からワイヤ54a側に向けてX方向に弾性的に移動自在に突出する軸部材78とが設けられる。アイドルプーリ70は、駆動プーリ50aや従動プーリ57と同様に、軸部材78の先端にY方向を回転軸として回転自在に支承されている。このような張力調整機構68は、連結シャフト48内に設けることもできる。
従って、上記のように巻き掛けられたワイヤ54aは、その一部がアイドルプーリ70によって押圧されることにより、図5Aに示す楕円形の状態(張力調整機構68がない状態)から、一部が内周方向に湾曲された図5Bに示す一部が凹んだ楕円形の状態となる。これにより、ワイヤ54aに適度な張力が付与される。この場合、ばね76のばね定数は、駆動プーリ50aと従動プーリ57との間に巻き掛けられたワイヤ54aを適度に押圧し、ワイヤ54aの円滑な移動を確保した状態で適度な張力を付与できる程度に設定されるとよい。また、アイドルプーリ70のワイヤ54aへの当接面(外周面)に該ワイヤ54aが入る図示しない環状溝を形成しておくと、押圧時のずれを防止して一層簡便にアイドルプーリ70でワイヤ54aを押圧することができる。
図8に示すように、アイドルプーリ70によるワイヤ54aの押圧方向は、当該ワイヤ54aのリングの内周側から外周側に向かう方向(X2方向)とすることもできる。この場合、基体74は、例えばワイヤ54aのリング内に設けた支持部材80によって固定すればよい。
以上のように、本実施形態に係るマニピュレータ10では、動力伝達部材であるワイヤの張力を調整する張力調整機構68を備えたことにより、ワイヤ54a(54b、54c)を駆動プーリ50a(50b、50c)と従動プーリ57との間に適度な張力を持って巻き掛けておくことができる。従って、トリガーレバー32や複合入力部34の操作による駆動プーリ50a〜50c(モータ40a〜40c)の駆動力が、ワイヤ54a〜54cでほとんど吸収されず、反応性よく高精度に先端動作部12へと伝達される。このため、先端動作部12を一層正確且つ迅速に動作させることができ、トリガーレバー32等による先端動作部12の操作感を向上させることができる。
また、ワイヤ54a〜54cが適度な張力で張られることから、駆動時の張力不足による振動、すなわちワイヤ54a〜54cのばたつき、揺動、無駄な応答遅れ、不感帯の発生やヒステリシス等を抑えて、先端動作部12の一層円滑な駆動が可能となると共に、マニピュレータ10の駆動音や振動等を低減することができる。さらに、アイドルプーリ70は、ばね76を介して押圧方向に弾性的に支持されているため、ワイヤ54a〜54cの駆動プーリ50a〜50c及び従動プーリ57への巻き掛ける時における長さの違いを吸収可能であり、また、経年劣化等によってワイヤ54a〜54cが伸長した際にも、所定の張力を維持することができる。
張力調整機構68では、ワイヤ54a〜54cの押圧手段としてアイドルプーリ70を用いているので、押圧時の摩擦抵抗、すなわちアイドルプーリ70とワイヤ54a〜54cとの間の摩擦抵抗を可及的に小さくすることができる。これにより、ワイヤ54a〜54cの円滑な移動を確保しながらも、当該ワイヤ54a〜54cを適度な張力に維持することができる。しかも、アイドルプーリ70がばね76によって弾性的に支持されているため、ワイヤ54a〜54cの一層円滑な移動を確保することができる。なお、アイドルプーリ70を省略し、図示しない滑り部材等によってワイヤ54a〜54cを押圧するように構成することもできるが、この場合には、前記滑り部材をPTFE(四フッ化エチレン樹脂)等の摩擦抵抗が小さい材質やそのコーティング等により構成しておくことが好ましい。
また、ワイヤ54a〜54cを駆動プーリ50a〜50cと従動プーリ57との間に巻き掛ける際、張力調整機構68による作用を考慮して、適度に余裕のある張力で当該巻き掛け作業を行うことができるため、ワイヤの巻き掛け作業が容易となり、マニピュレータ10の組立性を向上させることができる。この場合、アイドルプーリ70がばね76によって弾性支持されていることから、巻き掛け時にはアイドルプーリ70の位置を避けておくことができ、巻き掛け後には簡便にテンションを付与することができるため、ワイヤ54a〜54cの巻き掛けの作業性を一層向上させることができる。
図5B及び図8に示すように、マニピュレータ10では、アイドルプーリ70によるワイヤ54a〜54cの押圧方向は矢印Xに沿う方向、すなわち、平面視(図5B及び図8参照)でワイヤ54a〜54cの移動方向(略Z方向)に交差(直交)する方向に設定している。換言すれば、アイドルプーリ70はワイヤ54a〜54cを、駆動プーリ50a〜50c及び従動プーリ57の回転軸に直交するXZ平面上で、且つ、連結シャフト48の延在方向(Z方向)と交差(直交)する向きに押圧可能に配置されている。さらに換言すれば、アイドルプーリ70はワイヤ54a〜54cを、駆動プーリ50a〜50c及び従動プーリ57の径方向に沿った方向であり且つ巻き掛けられたワイヤ54a〜54cの延在方向(Z方向)に直交する方向となるX方向に押圧可能に配置されているとも言える。
これにより、ワイヤ54a〜54cは、駆動プーリ50a〜50cや従動プーリ57に対し、さらに巻き掛けられる方向(図5B参照)又は引き剥がされる方向(図8参照)に押圧されるため、ワイヤ54a〜54cの駆動不良を防止して、より円滑に移動させることができる。なお、前記押圧方向は、もちろん他の方向であってもよく、要はワイヤ54a〜54cを押圧し当該ワイヤ54a〜54cに適度なテンションを付与することができるものであればよい。
この場合、上記した連結シャフト48又はワイヤ54a〜54cの延在方向と交差(直交)する向きに押圧可能に配置されるとは、図5Bでは単にアイドルプーリ70を連結シャフト48又はワイヤ54a〜54cの延在方向に直交する方向に当接可能に配置しているが、例えば、アイドルプーリ70のワイヤ54a〜54cへの実際の当接方向が連結シャフト48又はワイヤ54a〜54cの延在方向に直交する以外の斜方向(例えば、XZ方向の中間方向)で交差する場合であっても、結果的にワイヤ54a〜54cがその延在方向に直交する方向に押圧力を受けるような配置であればよい。
図9に示すように、張力調整機構68は、ワイヤ54a、54b及び54cにそれぞれ対応する板ばね71a、71b及び71cを備え、支持ブロック17(又は連結シャフト48)の内壁面に固定される基体73を備える張力調整機構69として構成することもできる。このような張力調整機構69によれば、一層簡便な構成で上記した張力調整機構68と略同様の作用効果を得ることができる。もちろん、張力調整機構69においても、ワイヤ54a〜54cに当接される板ばね71a〜71cの先端にアイドルプーリ70を設けてもよく、また、各板ばね71a〜71cをそれぞれ分割した構成としてもよい。
図10及び図11に示すように、上記した張力調整機構68を用いる以外にも、駆動プーリ50a(50b、50c)と従動プーリ57との間に巻き掛けたワイヤ54a(54b、54c)の一部をねじ機構82により連結する構成からなる張力調整機構84を用いることもできる。
張力調整機構84は、リング状に巻き掛けられるワイヤ54a(54b、54c)の連結部を、雄ねじが形成されたねじ部86と、雌ねじが形成されたナット(受け部)88とを備えるねじ機構82で構成している。ナット88では、基端側の孔部90から挿通されたワイヤ54aの先端に保持球92が固着されている。これにより、ナット88をねじ部86に対して螺回しても、該ナット88に連結されたワイヤ54aが回転することが防止される。ねじ部86とナット88とをより確実に締結固定するため、別のナット89を設けてダブルナットにしてもよい。又は、緩み防止剤等を塗布することで、ねじ部86とナット89とをより確実に固定することもできる。
従って、張力調整機構84によれば、駆動プーリ50aと従動プーリ57との間にワイヤ54aを巻き掛けた後、ねじ部86とナット88とを螺合させることによりワイヤ54aをリング状に連結することができるため、マニピュレータ10の組立性を一層向上させることができ、さらに、ワイヤの交換も容易となる。しかも、ねじ部86とナット88との間の螺回量を適宜調整することで、ワイヤ54aの張力及び全長を容易に調整可能である。
換言すれば、張力調整機構84では、ワイヤ54aの連結される部分の一方にねじ部86が固定され、他方にナット88が当該ワイヤ54aの軸線方向に回転自在に支承されている。このため、ねじ部86とナット88との螺合量(送り量)でワイヤ54aの全長を設定し、所望のテンションに設定することができる。また、ねじ部86とナット88とを螺合させる際には、保持球92がナット88内で滑るため、ワイヤ54aを回転させることなくねじ機構82の締結ができ、ワイヤ54aにねじれを生じることを有効に防止することができる。もちろん、ねじ部86とナット88の間の雄ねじと雌ねじの関係を逆転してもよい。
図12に示すように、ねじ機構94を備える張力調整機構96を用いることもできる。
ねじ機構94では、ワイヤ54aの連結される部分の一方に順ねじ部86が設けられ、他方に逆ねじ部98が設けられ、両ねじ部86、98共に雄ねじとされている。すなわち、ねじ部86及び98は、互いに逆ねじに形成されている。従って、ねじ機構94では、軸方向の両端側に互いに逆ねじからなる雌ねじが形成されたナット(連結部材)99を設け、両ねじ部86及び98を該ナット99の両端から螺合させることにより、前記ねじ機構82を有する張力調整機構84と略同様な作用効果を得ることができる。なお、ねじ部86及び98とナット99とをより確実に締結固定するため、別のナット89、97を設けてダブルナットにしてもよい。又は、緩み防止剤等を塗布することで、ねじ部86及び98とナット89とをより確実に固定することもできる。
上記実施形態は、例えば図13に示すような医療用ロボットシステム300に適用してもよい。
医療用ロボットシステム300は、多関節型のロボットアーム302と、コンソール304とを有し、作業部306はロボットアーム302の先端に接続されている。ロボットアーム302の先端には前記のマニピュレータ10と同様な機構を有するマニピュレータ308が設けられている。ロボットアーム302は、作業部306を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール304は、テーブル型、制御盤型等の構成を採りうる。
ロボットアーム302は、独立的な6以上の関節(回転軸やスライド軸等)を有すると、作業部306の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ308は、ロボットアーム302の先端部310と一体化している。マニピュレータ308は、前記のアクチュエータブロック30(図1参照)の代わりに、基端側が前記先端部310に連結されると共に、内部にモータ40a、40b及び40c(図13では図示せず)を収納したアクチュエータブロック312を有する。
ロボットアーム302は、コンソール304の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール304に設けられたジョイスティック314に倣った操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール304は、前記のコントローラ45(図1参照)の機能を含んでいる。作業部306には、前記の先端動作部12が設けられている。
コンソール304には、操作指令部としての2つのジョイスティック314と、モニタ316が設けられている。図示を省略するが、2つのジョイスティック314により、2台のロボットアーム302を個別に操作が可能である。2つのジョイスティック314は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ316には、内視鏡による画像等の情報が表示される。
ジョイスティック314は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム302を動かすことができる。ジョイスティック314はマスターアームであってもよい。ロボットアーム302とコンソール304との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組合わせでよい。
このような医療用ロボットシステム300においても、上記の張力調整機構68、69、84又は96を備えることにより、操作部であるジョイスティック314の操作に対して先端動作部12を反応性よく高精度に動作させることができる。
本発明に係るマニピュレータは、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。 作業部と操作指令部とを分離したマニピュレータの一部断面側面図である。 先端動作部の斜視図である。 複合入力部の表面部を示す図である。 図5Aは、張力調整機構を設けない状態での動力伝達機構を模式的に示した図2中の矢視V−V線に沿う一部省略断面図であり、図5Bは、張力調整機構を設けた状態での動力伝達機構を模式的に示した図2中の矢視V−V線に沿う一部省略断面図である。 張力調整機構を設けた状態での動力伝達機構を模式的に示した図5B中の矢視VI方向での一部省略側面図である。 図5Bに示す張力調整機構の拡大平面図である。 図5Bに示す張力調整機構の第1変形例を示す一部省略断面図である。 図5Bに示す張力調整機構の第2変形例を示す斜視図である。 第3変形例に係る張力調整機構を示す図2中の矢視V−V線に沿う一部省略断面図である。 図10に示す張力調整機構の拡大平面図である。 図10に示す張力調整機構の変形例を示す拡大平面図である。 マニピュレータをロボットアームの先端に接続した医療用ロボットシステムの斜視図である。
符号の説明
10、308…マニピュレータ 12…先端動作部
14…操作指令部 15…接続部
30、312…アクチュエータブロック 40a〜40c…モータ
48…連結シャフト 50a〜50c…駆動プーリ
54a〜54c…ワイヤ 57…従動プーリ
60…グリッパ 68、69、84、96…張力調整機構
70…アイドルプーリ 71a〜71b…板ばね
76…ばね 82、94…ねじ機構
86、98…ねじ部 88、89、97、99…ナット
300…医療用ロボットシステム

Claims (7)

  1. 中空のシャフトと、
    前記シャフト内に挿通され、少なくとも一部に可撓性を有する動力伝達部材と、
    前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材の一端側が巻き掛けられる回転源を介して該動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、
    前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材の他端側が巻き掛けられる従動回転体を介して該動力伝達部材により動作される先端動作部と、
    前記回転源と前記従動回転体との間に巻き掛けられる前記動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構と、
    を備えることを特徴とするマニピュレータ。
  2. 請求項1記載のマニピュレータにおいて、
    前記張力調整機構は、前記回転源と前記従動回転体との間に巻き掛けられた前記動力伝達部材の一部を押圧するアイドル回転体を備えることを特徴とするマニピュレータ。
  3. 請求項2記載のマニピュレータにおいて、
    前記張力調整機構は、前記アイドル回転体を前記動力伝達部材に対して弾性的に押圧する弾性部材を備えることを特徴とするマニピュレータ。
  4. 請求項2又は3記載のマニピュレータにおいて、
    前記回転源及び前記従動回転体はプーリであって、前記アイドル回転体は動力伝達部材を、前記プーリの回転軸に直交する平面上で、且つ、前記シャフトの延在方向と交差する向きに押圧可能に配置されることを特徴とするマニピュレータ。
  5. 請求項1記載のマニピュレータにおいて、
    前記張力調整機構は、前記動力伝達部材の一部を連結するねじ機構を備えることを特徴とするマニピュレータ。
  6. 請求項5記載のマニピュレータにおいて、
    前記ねじ機構は、前記動力伝達部材の連結される部分の一方に設けられるねじ部と、
    前記連結される部分の他方に回転自在に設けられ、前記ねじ部に螺合する受け部と、
    を備えることを特徴とするマニピュレータ。
  7. 請求項5記載のマニピュレータにおいて、
    前記ねじ機構は、前記動力伝達部材の連結される部分の一方に設けられる順ねじ部、及び、他方に設けられる逆ねじ部と、
    前記順ねじ部及び前記逆ねじ部が両端側から螺合可能な連結部材と、
    を備えることを特徴とするマニピュレータ。
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