JP2010149210A - 能動マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れた細径かつ高出力のマニピュレータを提供する。
【解決手段】能動マニピュレータ１０は、操作部４０と、操作部４０から延びている挿入部３０と、挿入部３０の先端に設けられた駆動機構２０と、挿入部３０の内部に設けられたゴム人工筋アクチュエータと、ゴム人工筋アクチュエータへの圧力供給を制御する圧力制御装置４６とを有している。ゴム人工筋アクチュエータは、駆動機構２０と連結されており、圧力供給を受けて縮んで駆動機構２０を動作させる。圧力制御装置４６は、ゴム人工筋アクチュエータとの相対的位置が不動に保たれるように配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マニピュレータに関する。

医療用マニピュレータは、腹腔鏡下手術に適用する場合においては、可動範囲が制約されること、低侵襲化を図ることなどの観点から、できるだけ細径・軽量・高出力であることが望ましい。このような要請に対応すべく、ワイヤ駆動方式のマニピュレータが多数提案されている。

しかし、ワイヤ駆動方式のマニピュレータは、高い剛性が実現しにくく、また、ワイヤに伸びが発生して耐久性の面で不具合が生じることもある。

ワイヤの伸びを避けるため、関節機構を電動モータなどで直接駆動する方式が考えられる。しかし、十分な大きさのトルクを発生する電動モータを使用すると、電動モータ自体が大きくなるために細径化が図れず、逆に、細径化を図ろうとすると、十分なトルクが得られない。

特許文献１は、ゴム人工筋アクチュエータを使用したロボットを開示し、特許文献２は、ゴム人工筋アクチュエータを使用した内視鏡装置を開示している。
特許第２５８３２７２号明細書 特許第３９４２５５７号明細書

このように、ワイヤ駆動方式のマニピュレータは耐久性の面で問題があり、電動モータ駆動方式のマニピュレータは細径化と高出力を両立できない。

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、耐久性に優れた細径かつ高出力のマニピュレータを提供することである。

本発明による能動マニピュレータは、操作部と、操作部から延びている挿入部と、挿入部の先端に設けられた駆動機構と、挿入部の内部に設けられたゴム人工筋アクチュエータと、ゴム人工筋アクチュエータへの圧力供給を制御する圧力制御装置とを有している。ゴム人工筋アクチュエータは、駆動機構と連結されており、圧力供給を受けて縮んで駆動機構を動作させる。圧力制御装置は、ゴム人工筋アクチュエータとの相対的位置が不動に保たれるように配置されている。

本発明によれば、耐久性に優れた細径かつ高出力のマニピュレータが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本実施形態による能動マニピュレータは医療用マニピュレータとして設計されている。

図１に示すように、能動マニピュレータ１０は、操作部４０と、操作部４０から延びている細径の挿入部３０と、挿入部３０の先端に設けられた駆動機構２０とを有している。

駆動機構２０は、対象物を把持する把持部を少なくとも有している。駆動機構２０はさらに、把持部を挿入部３０の中心軸に直交する二方向へ湾曲させる機能と、把持部を中心軸の周りに回転する機能とを有している。

挿入部３０の内部には、図２に示すように、複数のゴム人工筋アクチュエータ３２が設けられている。ゴム人工筋アクチュエータ３２は、挿入部３０のほぼ全長にわたって延びている。つまり、ゴム人工筋アクチュエータ３２の両端部はそれぞれ挿入部３０の先端と後端の近くに位置している。各ゴム人工筋アクチュエータ３２は、駆動機構２０側の端部がワイヤ３４を介して駆動機構２０と連結されており、操作部４０側の端部にはゴム人工筋アクチュエータ３２に圧力を供給するためのチューブ３６が接続されている。ゴム人工筋アクチュエータ３２は、圧力の供給に対して縮み、圧力の解放に対して伸びる。例えば、ゴム人工筋アクチュエータ３２は、その全長が、例えば５０ｍｍ以上、好ましくは５０ｍｍ〜３００ｍｍ、最も好ましくは１００ｍｍ〜２００ｍｍであり、その直径が、例えば２ｍｍ以下、好ましくは０．５〜２ｍｍ、最も好ましくは１〜１．５ｍｍであり、その伸縮特性が、例えば０．７メガパスカルの圧力供給に対して１０％程度縮むような特性を有する。

操作部４０は、図１に示すように、操作者が把持するためのグリップ４２を有している。グリップ４２には、駆動機構２０を操作するための複数の操作ノブ４４が設けられている。操作ノブ４４は操作に応じた電気信号を出力する。操作部４０には、圧力供給源５０が取り付けられる。圧力供給源５０は例えば圧縮気体を収容したボンベで構成される。操作部４０はさらに、その内部に、圧力制御装置４６と、演算装置４８と、これらを駆動するためのバッテリーとを有している。

圧力制御装置４６は、チューブ３６を介してゴム人工筋アクチュエータ３２と流体的に接続され、また（図示しない）チューブを介して圧力供給源５０と流体的に接続されている。圧力制御装置４６は、例えば、ゴム人工筋アクチュエータ３２にそれぞれ連結された複数のバルブを有し、圧力供給源５０からゴム人工筋アクチュエータ３２への圧力の供給と、ゴム人工筋アクチュエータ３２に供給された圧力の解放とを行なう。

演算装置４８は、操作ノブ４４から入力される電気信号を受けて制御信号に変換し、圧力制御装置４６に制御信号を出力する。

圧力制御装置４６は、ゴム人工筋アクチュエータ３２との相対的位置が不動に保たれ、さらに、ゴム人工筋アクチュエータ３２への圧力供給経路の長さが最短になるように配置されている。圧力供給源５０は、圧力制御装置４６との相対的位置が不動に保たれ、さらに、圧力制御装置４６への圧力供給経路の長さが最短になるように配置されている。

圧力制御装置４６の重さは、例えば、モータ駆動タイプのマニピュレータに使用されているモータ１個分程度である。

能動マニピュレータ１０は次のように動作する。操作ノブ４４の操作は電気信号に変換されて演算装置４８に送られる。演算装置４８は操作ノブ４４の操作に応じた制御信号を生成してこれを圧力制御装置４６に供給する。圧力制御装置４６は供給された制御信号にしたがって、操作された操作ノブ４４に対応するゴム人工筋アクチュエータ３２への圧力供給またはゴム人工筋アクチュエータ３２の圧力解放を行なう。ゴム人工筋アクチュエータ３２は圧力供給に対して縮んで駆動機構２０を動作させる。またゴム人工筋アクチュエータ３２は圧力解放に対して元の長さに伸び、駆動機構２０はこのゴム人工筋アクチュエータ３２に連結された部分が元の姿勢に戻る。

本実施形態の能動マニピュレータ１０では、圧力制御装置４６とゴム人工筋アクチュエータ３２は、それらの相対的位置が不動に保たれ、両者間の圧力供給経路が最短となるように配置されている。さらに、圧力制御装置４６と圧力供給源５０は、それらの相対的位置が不動に保たれ、両者間の圧力供給経路を最短となるように配置されている。これにより、圧力供給経路内の体積が少なく抑えられるとともに圧力供給経路の曲がりに変化が生じないので、医療用マニピュレータとして特に求められる応答性と操作性に優れている。

例えば、比較例として、圧力制御装置と圧力供給源をマニピュレータの外部に配置し、圧力制御装置とマニピュレータをチューブでつないだ構成を考える。この比較例では、マニピュレータからチューブが延びており、チューブは長く、マニピュレータの使用の最中に曲がり具合に変化が生じる。このため応答性と操作性が悪い。これに比べて本実施形態の能動マニピュレータ１０ではこのような事態が生じないので、
ゴム人工筋アクチュエータ３２の端部が挿入部３０の先端の近くに位置しているので、ワイヤ３４の長さが短く抑えられている。これにより、ワイヤ３４の伸びが最小限に抑えられるため、耐久性に優れている。

ゴム人工筋アクチュエータ３２は主にシリコンゴムチューブなどから作られるため、電動モータを使用したマニピュレータに比べて小型化・軽量化が容易に図れる。

圧力供給源５０が操作部４０に取り付けられているため、圧縮気体を外部から供給する必要がないので能動マニピュレータ１０から外部に延びる配管がない。このため、能動マニピュレータ１０は省スペースであり、また操作性に優れている。

本実施形態の能動マニピュレータは、医療用マニピュレータとして設計されているが、他の分野のマニピュレータ、例えば工業用マニピュレータとしても設計されても同様の効果を奏する。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

本発明の実施形態の能動マニピュレータの全体構成を概略的に示している。 図１に示した能動マニピュレータの挿入部の内部と駆動機構とを概略的に示している。

符号の説明

１０…能動マニピュレータ、２０…駆動機構、３０…挿入部、３２…ゴム人工筋アクチュエータ、３４…ワイヤ、３６…チューブ、４０…操作部、４２…グリップ、４４…操作ノブ、４６…圧力制御装置、４８…演算装置、５０…圧力供給源。

Claims (4)

1. 操作部と、
   前記操作部から延びている挿入部と、
   前記挿入部の先端に設けられた駆動機構と、
   前記挿入部の内部に設けられたゴム人工筋アクチュエータであって、前記駆動機構と連結されており、圧力供給を受けて縮んで前記駆動機構を動作させるゴム人工筋アクチュエータと、
   前記ゴム人工筋アクチュエータとの相対的位置が不動に保たれるように配置された、前記ゴム人工筋アクチュエータへの圧力供給を制御する圧力制御装置とを有している、能動マニピュレータ。
2. 圧力を供給する圧力供給源が、前記圧力制御装置との相対的位置が不動に保たれるように前記操作部に取り付けられる、請求項１の能動マニピュレータ。
3. 前記ゴム人工筋アクチュエータと前記圧力制御装置は、両者間の圧力供給経路が最短となるように配置されている、請求項１の能動マニピュレータ。
4. 前記圧力制御装置と前記圧力供給源は、両者間の圧力供給経路を最短となるように配置されている、請求項２の能動マニピュレータ。

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