JP2010518972A - 改良されたマニプレータ - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】医療処置にて使用されるもののようなマニプレータが提供される。該マニプレータは、本体と、第一の装着点にて本体と接続され且つ、第一の装着点を少なくとも３自由度にて動作させることのできる第一のアクチュエータシステムとを含む。第二のアクチュエータシステムは、第二の装着点にて本体と接続され且つ、第二の装着点を少なくとも３自由度にて動作させることができる。第三のアクチュエータシステムは、本体と一体化され且つ、本体の少なくとも一部分を少なくとも１自由度にて動作させることができる。
【選択図】図８

Description

神経外科手術、脊椎外科手術、耳鼻科手術、頭部及び頸部外科手術、手の外科手術及び最小侵襲外科的処置のような、極めて複雑及び（又は）身体への負担が大きい外科的処置を実行するため使用されている従来の装置は、外科医の技量に依存するため、多くの短所を有している。例えば、外科医は、手術用装置の使用中、その装置を手で持たなければならないため疲れ易い。更に、外科医は、装置を操作するため自己の手を妙に不自然な位置に向けなければならないことがある。更に、かかる外科手術的処置にて使用される従来の装置は、角度をつけた動きをさせると手元の誤った動きを先端で拡大してしまう可能性がある。その結果、外科医は、かかる手術用装置を使用して手術を行うとき、外科医が器具を直接掴んで行う伝統的な手法に従って手術を行うときよりも、器用さ及び正確さが著しく低下することになる。

従って、医療処置を行う際、外科用器具を支持し且つ操作するため、ロボット型及びマスタスレーブマニプレータのような動力式マニプレータを使用することへの関心が増している。かかるマニプレータは、患者及び医療従事者の双方にとって多くの有利な効果を提供することができる。特に、マスタ／スレーブ制御式マニプレータは、外科医／操作者の器用さを向上させ、外科医が実際に器具を自分の手で保持することができる場合よりも、外科医が優れた器用さにて医療器具を操作することを許容することができる。マニプレータは、また、外科医が医療器具又は装置を使用する際、その医療器具又は装置を物理的に支持する必要性を解消するので、外科医が経験する疲労を減少させることもできる。更に、外科医は、医療器具を動かすことなく、マニプレータを自由に動かし且つその他の作業を行うことができる。このことは、外科手術の効率を向上させ且つ、特定の方法を実行するのに必要な員数を少なくすることができる。このように、マニプレータは、医療処置を、従来より遥かに迅速に実行することを許容することができ、その結果、患者へのストレスは少なくなる。

しかし、多くのマニプレータ（６自由度を有するものを含む）は、特定の向きのとき、マニプレータが加えることのできるトルクの量が限定される点に関して幾つかの短所を有する。このことは、かかる向きにてマニプレータによって実行可能であるべき作業を制限することになる。更に、幾つかのマニプレータは、その作動可能な範囲内に特異点を有する。これらの特異点にて、２つ以上のマニプレータ継手は、冗長的となり、より小さい自由度での運動が可能ということになる。このことは、マニプレータ機構を係止され又は妨害された状態とし、マニプレータがもはや自由に動くことができなくなることを意味する。

本発明は、本体と、第一の装着点にて本体と接続される第一のアクチュエータシステムにして、第一の装着点を少なくとも３自由度にて動かすことのできる第一のアクチュエータシステムとを含むマニプレータを提供するものである。第二のアクチュエータシステムが、第二の装着点にて本体と接続されており、第二の装着点を少なくとも３自由度にて動かすことができる。第三のアクチュエータシステムが、本体と一体化されており、本体の少なくとも一部分を少なくとも１自由度にて動かすことができる。

３自由度の線形軸線直列アクチュエータを２つ含む、本発明に従った構造とした一例としてのマニプレータの概略図である。 ３自由度の回転軸線直列アクチュエータを２つ含む、本発明に従った１つの代替的な実施の形態によるマニプレータの概略図である。 ３自由度の線形軸線並列アクチュエータを２つ含む、本発明に従った別の代替的な実施の形態によるマニプレータの概略図である。 ３自由度の線形軸線並列アクチュエータと、３自由度の線形軸線直列アクチュエータとを含む、本発明に従ったマニプレータの更なる代替的な実施の形態を示す概略図である。 ３自由度の回転軸線直列アクチュエータと、３自由度の回転軸線並列アクチュエータとを含む、本発明に従ったマニプレータの更なる代替的な実施の形態を示す概略図である。 ３自由度の複合的アーキテクチャの直列アクチュエータと、３自由度の複合的アーキテクチャの並列アクチュエータとを含む、本発明に従ったマニプレータの更なる代替的な実施の形態を示す概略図である。 本発明に従ったマニプレータの別の実施の形態を示す概略図である。 図７に概略図的に示した構成を有する一例としてのマニプレータの斜視図である。

先ず、図面の図１を参照すると、本発明に従った構造としたマニプレータの一例としての実施の形態が示されている。図示したマニプレータ１０は、本体を交換して（取り替えて）支持し且つ本体を６自由度にて動かすことができる。この場合、動作する本体は、例えば、医療器具ホルダ又はマウント１４のようなエンドエフェクタ（端末器具）を保持する支持部材１２を備えることができる。理解し得るように、本発明は、任意の特定型式又は形態の動作本体に限定されるものではない。同様に、本発明は、任意の特定型式の医療器具、器具ホルダ又は支持構造体にのみ限定されるものではなく、任意の適当な器具及び（又は）器具支持体をマニプレータと共に使用することができ、これは、針ホルダ、ステープル又はクランプアプライヤー、プローブ、鋏、鉗子、焼灼器、吸引カッター、切断器、ドリル、鋸、レーザ、超音波装置及び診断装置を含むが、これらにのみ限定されるものではない。器具は、再使用可能、限定的な再使用可能又は使い捨て可能なものとすることができる。医療器具が、従来は人が操作していた動作部品を有する場合、マニプレータ１０は、例えば、電動式、空圧式又は液圧式アクチュエータのような、器具の作動専用とされたアクチュエータを受け入れ可能なものとすることができる。

本発明は、複雑な医療処置を実行することに関して説明するが、本発明のマニプレータは、かかる用途にのみ限定されるものではない。本発明のマニプレータは、本来は外科医等自身の器用さを必要とする作業を伴う任意の用途にて使用することができる。例えば、該マニプレータは、危険物質の遠隔操作を伴う用途にて使用することができる。該マニプレータは、また、通常、人間が行っている、自主的ではあるが反復的な作業を実施するために、複雑な組み立て又は修理工程にて使用することもできる。

外科的処置及び特定のインターベンショナルラジオロジー法を実行する操作者／外科医の器用さを高めるため、マニプレータ１０は、マスタスレーブロボット型システム内のスレーブロボットとして使用することができる。マニプレータ１０は、かかるシステム内のマスタロボットとして使用することもできる。マスタスレーブロボット型システムにおいて、外科医／操作者は、コントローラ又は制御コンソールを通して動作するマスタ又は接触型インターフェースを介して「スレーブ」マニプレータに対して位置入力信号を提供する。具体的には、本発明のマニプレータ１０がスレーブロボットとして機能する状態にて、外科医は、力フィードバック、ジョイスティック、足踏みペダル又は同様のものと共に、又はこれらを使用せずに、６自由度の器具ハンドルのような、接触型インターフェース上の入力装置を使用することを通じて、マニプレータ１０により保持された器具の所望の動きを指示する。接触型インターフェースは、これらの信号をコントローラに伝達する一方、該コントローラは、信号に対して色々な所望かつ所定の調節を行い、その後、それらの信号をスレーブマニプレータに伝送する。６以上の自由度（ＤＯＦ）を有する任意の接触型インターフェースを使用して、コントローラを介してマニプレータ１０を制御することができる。本発明と共に使用可能な接触型インターフェース又はマスタの例は、カナダ国、モントリオールのＭＰＢテクノロジーズ（ＭＰＢ Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｉｅｓ）から入手可能なフリーダム（Ｆｒｅｅｄｏｍ）６Ｓ及びマサチューセッツ州、ケンブリッジのセンサブルテクノロジー（Ｓｅｎｓａｂｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）及びニューメキシコ州、アルバカーキのマイクロデキストリティシステムズ（ＭｉｃｒｏＤｅｘｔｅｒｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ）から商業的に入手可能なその他の接触型インターフェースを含む。

コントローラにより提供された信号に基づいて、マニプレータ１０は、器具の所望の動き又は作動を実行する。接触型インターフェースから送られた信号に対して適正な調節を行うべくコントローラを設定することにより、任意の所望の器用さ向上を実現することができる。例えば、このことは、コントローラに対して、所望の器用さ向上アルゴリズムを実行するソフトウェアを提供することにより実現することができる。ソフトウェア器用さ向上アルゴリズムは、位置の調整（典型的には下方調整）、力の調整（骨及び軟骨に対し上方調整、柔軟な組織に対して下方調整）、震えのフィルタリング、重力の補償、プログラマブルな位置境界、動作する組織に対する動作の補償、速度の制限（例えば、骨に穴を開けた後、脳、神経又は脊髄組織への急激な動きを防止する）、及び、以下に詳細に説明するように、像の検索を含むことができる。これらの可能なアルゴリズムの上記及びその他の例は、ロボット工学の分野にて周知であり、出版された文献に詳細に記載されている。シンクネット（ＳｙｎｑＮｅｔ）システムを採用し且つ、カリフォルニア州、サンタバーバラのモーションエンジニアリング（Ｍｏｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）から入手可能なＺＭＰシンクネット（ＳｙｎｑＮｅｔ）（登録商標名）シリーズモーションコントローラ（Ｓｅｒｉｅｓ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）は、本発明と共に使用される適正なコントローラの一例である（ｗｗｗ．ｓｙｎｑｎｅｔ．ｏｒｇ及びｗｗｗ．ｍｏｔｉｏｎｅｎｇ．ｃｏｍ参照）。適正なコントローラの別の例は、カリフォルニア州、ノースリッジのデルタトウデータシステムズ（Ｄｅｌｔａ Ｔａｕ Ｄａｔａ Ｓｙｓｔｅｍｓ）から入手可能なターボ（Ｔｕｒｂｏ）ＰＭＡＣである。

支持部材１２を空間内にて動かすため、マニプレータ１０は、第一及び第二のアクチュエータシステム１６、１８を含み、これらアクチュエータシステムの各々は、それぞれの装着点にて支持部材１２と接続する。アクチュエータシステム１６、１８の各々は、別個の独立的な３自由度マニプレータを備えている。第一及び第二のアクチュエータシステム１６、１８は、任意の型式の３自由度のアクチュエータシステムとすることができる。より具体的には、３つの回転又は３つの線形アクチュエータの任意の組み合わせを使用してアクチュエータシステム１６、１８の各々を形成することができる。例えば、図１に示したように、第一及び第二のアクチュエータシステム１６、１８は、簡単な線形の軸線直列アクチュエータを備えることができる。

図１の実施の形態において、第一及び第二のアクチュエータシステム１６、１８の各々は、３つの線形滑り継手又はアクチュエータ２０、２１、２２を備えている。滑り継手／アクチュエータ２０、２１、２２の各々は、それぞれのデカルト座標軸、すなわちｘ、ｙ、ｚに沿って平行移動し又は摺動する。この場合、アクチュエータシステムの各々は、一端が基礎のしっかりしたマウント２４と接続され、第二の端部がｙ軸線形継手／アクチュエータ２１と接続されたｘ軸線形継手／アクチュエータ２０を含む。一方、ｙ軸線線形継手／アクチュエータ２１の他端は、ｚ軸線形継手／アクチュエータ２２と接続されている。第一及び第二のアクチュエータシステム１６、１８の各々のｚ軸線形継手／アクチュエータ２２は、それぞれの装着点にて支持部材１２と接続する。支持部材１２と一体化され且つ支持部材１２に対して器具マウント１４の回転動作を生じさせることのできる回転継手／アクチュエータ２８により「第７」の自由度が提供される。支持部材１２と一体化した回転継手／アクチュエータ２８は、支持部材１２の長さが一定であるために「失われる」であろう、第一及び第二のアクチュエータシステムからの自由度を補償する。

図１に示した実施の形態において、第一及び第二のアクチュエータシステムの装着点の各々は、３回転自由度を有する球面継手のような継手２６、２７を備えている。しかし、１つの好ましい構成に従い、図７及び図８の実施の形態に関して以下に説明するように、アクチュエータシステムの１つに対する装着点は、２回転自由度の継手（例えば、ジンバル継手）を備えることができる一方、その他の装着点は、３回転自由度を有する継手（例えば、球面継手）を備えている。かかる構成は、３自由度の球面継手が２つ使用された場合に生じるであろう支持部材の自由回転を解消する。かかる構成によってさえ、第一及び第二のアクチュエータシステム１６、１８の動きは、支持部材１２の多少の回転を引き起こすであろうが、この回転は予見可能であり、また、第一及び第二のアクチュエータシステム及び回転継手／アクチュエータ２８の相応する動作により対処することができる。継手は、必要な回転自由度を提供する任意の所望の構造を有することができる。更に、装着点における単一の継手は、等価的な自由度を集合的に提供する多くの継手にて置換することができる。

線形継手／アクチュエータではなく、３つの回転継手／アクチュエータ１３０、１３１、１３２が第一及び第二のアクチュエータシステム１１６、１１８にて採用される１つの代替的な実施の形態が図２に示されている。図２の実施の形態において、図１の実施の形態にて見られるものと同様の要素は、１００番台の相応する参照番号が与えられている。図１の実施の形態の場合のように、回転継手／アクチュエータ１３０、１３１、１３２は、回転継手／アクチュエータの各々がデカルト座標の軸、すなわちｘ、ｙ、ｚの回りを回転する、直列の構成である。図２に示した構成において、第一及び第二のアクチュエータシステム１１６、１１８の各々は、基礎のしっかりしたマウント１２４と接続されたｚ軸回転継手／アクチュエータ１３２を含む。ｚ軸回転継手／アクチュエータ１３２の出力軸は、ｙ軸回転継手／アクチュエータ１３１まで延びる第一のリンク１３４と接続されている。一方、ｙ軸回転継手／アクチュエータ１３１の出力軸は、第二のリンク１３５を介してｘ軸の回転継手／アクチュエータ１３０と接続し、この回転継手／アクチュエータ１３０は、第三のリンク１３６と接続する出力軸を有し、該第三のリンク１３６は、それぞれの装着点にて支持部材１１２と接続する。アクチュエータシステム１１６、１１８の各々について、３つの回転継手／アクチュエータ１３０、１３１、１３２の角度は、２つの装着点の位置を画定する。この場合、双方の装着点は、３自由度の球面継手１２６、１２７を備えている。図１の実施の形態の場合と同様、器具マウント１１４を支持部材に対して回転させるため、支持部材１１２と一体化した回転継手／アクチュエータ１２８が第７の自由度を与えている。

第一及び第二のアクチュエータシステムのように、直列アクチュエータではなく、３自由度の並列アクチュエータを採用する更なる実施の形態が図３に示されている。図３において、図１及び図２の実施の形態にて見られるものと同様の要素は、２００番台の相応する参照番号が与えられている。具体的には、図３の実施の形態にて、第一及び第二のアクチュエータシステム２１６、２１８の各々は、並列に配置された３つの線形継手／アクチュエータ２３８を備えている。線形継手／アクチュエータ２３８の各々は、一端にて、それぞれ３自由度の球面継手２３９を介して基礎のしっかりしたマウント２２４と接続されている。線形継手アクチュエータ２３８の各々の他端は、固定の球２４０と接続されている。固定の球２４０に接続された線形継手アクチュエータ２３８の各々の他端は、先端、すなわち固定の球２４０を空間にて動かすことのできる三脚台の構成を形成し得る。固定の球は、支持部材２１２に対する装着点を画定する球面継手２２６、２２７の一部分である。この場合、アクチュエータシステム２１６、２１８の３つの線形継手アクチュエータ２３８の１つは、固定の球と堅固に接続される一方、その他の２つは、各々が３自由度にて球の回りを回転できるような態様にて、球と接続されている。この場合にも、器具マウント２１４を支持部材１２２に対して回転させるべく、支持部材２１２と一体化した回転継手／アクチュエータ２２８によって第７の自由度が提供される。

図４−図５に示すように、第一及び第二のアクチュエータシステムは、異なる構成を有するものとすることができる。より具体的には、図４に示した本発明の実施の形態において、第一のアクチュエータシステム３１６は、図３の実施の形態にて第一及び第二のアクチュエータシステムに対して使用されるものと同様の三脚台の構成を有する３自由度の並列線形アクチュエータを備えている。図４において、図１−図３の実施の形態にて見られるものと同様の要素は、３００番台の相応する参照番号が与えられている。図４の実施の形態において、第二のアクチュエータシステム３１８は、図１の実施の形態にて使用されるものと同様の３自由度の直列線形アクチュエータ（線形アクチュエータ３２０、３２１、３２２）を備えている。この場合にも、アクチュエータシステム３１６、３１８の各々は、球面継手３２６、３２７を備えるそれぞれの装着点にて支持部材３１２と接続し、回転継手／アクチュエータ３２８は、器具マウント３１４を支持部材に対して回転させ、第７の自由度を提供し得るよう支持部材３１２と一体化されている。

図５の実施の形態において、図１−図４の実施の形態にて見られるものと同様の要素は、４００番台の相応する参照番号が与えられている。図５において、第一のアクチュエータシステム４１６は、図２の実施の形態にて使用されるものと同様の３自由度の直列回転アクチュエータ（回転アクチュエータ４３０、４３１、４３２）を備えており、第二のアクチュエータシステム４１８は、３自由度の並列の回転アクチュエータを備えている。この３自由度の並列の回転アクチュエータは、図３の３自由度の並列の三脚台アクチュエータと全体として類似しているが、線形継手／アクチュエータに代えて、回転継手／アクチュエータ４４５を有している。特に、３自由度の並列の第二の回転アクチュエータシステム４１８は、３つの脚部を含み、その各々はそれぞれの回転継手／アクチュエータ４４５と接続されている。回転継手／アクチュエータ４４５の各々は、基礎のしっかりしたマウント４２４と接続され且つ、デカルト座標軸、すなわち、ｘ、ｙ及びｚ軸のそれぞれ１つの回りを回転する。この場合にも、アクチュエータシステム４１６、４１８の各々は、球面継手４２６、４２７を備えるそれぞれの装着点にて支持部材４１２と接続し、また、回転継手／アクチュエータ４２８は、器具マウント４１４を支持部材に対して回転させて第７の自由度を提供し得るよう支持部材４１２と一体化されている。

図６の実施の形態にて示すように、個々の第一及び第二のアクチュエータシステム５１６、５１８は、線形及び回転継手／アクチュエータの双方を含む複合的なアーキテクチャを有するものとすることができる。図６において、図１−図５の実施の形態について見られるものと同様の要素は、５００番台の相応する参照番号が与えられている。図６の実施の形態において、第一のアクチュエータシステム５１６は直列的構成である。この直列的構成は、ｚ軸回転継手／アクチュエータ５４７を含む。ｚ軸回転継手／アクチュエータ５４７は、線形継手／アクチュエータ５４８と接続するリンクと接続する出力軸を有する。線形継手／アクチュエータ５４８と接続するリンクは、ｙ軸の回転継手／アクチュエータ５４９と接続されている。第二のアクチュエータシステム５１８は、回転継手／アクチュエータ５５１を有する１つの脚部と、線形継手／アクチュエータ５５２を有する２つの脚部とから成る並列の三脚台の構成である。この場合にも、アクチュエータのシステム５１６、５１８の各々は、球面継手５２６、５２７を備えるそれぞれの装着点にて支持部材５１２と接続し、また、回転継手／アクチュエータ５２８は、器具マウント５１４を支持部材に対して回転させて第７の自由度を提供し得るよう、支持部材５１２と一体化されている。図６の実施の形態は、所望の３自由度を提供する回転及び線形アクチュエータの任意の組み合わせを使用して第一及び第二のアクチュエータシステムを形成することができることを示す。

好ましいハイブリッドの直列／並列のマニプレータの構成が、図７に概略図的に示されている。図７において、図１−図６の実施の形態にて見られるものと同様の要素は、６００番台の相応する参照番号が与えられている。図７の実施の形態において、第一及び第二のアクチュエータシステム６１６、６１８の各々は、回転継手／アクチュエータを使用する３自由度の直列の構成である。特に、図７を参照すると、第一及び第二のアクチュエータシステム６１６、６１８の各々は、基礎のしっかりしたマウント６２４と接続された第一の回転継手６５４を含む。第一の回転継手６５４の出力軸は、第二の回転継手６５６と接続する第一のリンク６５５を備えている。第二の回転継手６５６は、第一の回転継手６５４の回転軸線に対して垂直に延びる回転軸線を有している。第二の回転継手６５６の出力部は、４バー機械的連結機構６６０の側脚部の１つを画定する第二のリンク６５７を備えている。アクチュエータシステムの各々の４バー連結機構６６０は、２つの側脚部６５７、６６１と、上方及び下方アーム６６２、６６３とを含む。４バー機械的連結機構６６０の４つのバー、すなわち２つの側部脚、上方及び下方アーム６５７、６６１、６６２、６６３は、各々が１回転自由度を有する回転継手６６４、例えば、ピン止めしたピボットを介して相互に接続されている。４バー連結機構６６０の４つの回転継手６６４の回転軸線は、互いに且つ、第二の回転継手６５６の回転軸線に対して平行に延びている。

４バー連結機構６６０の各々の下方アーム６６３は、それぞれ接続点にて支持部材６１２と接続する。この場合、上方接続点は、２回転自由度を有する接続点を提供し得るように互いに垂直に延びる回転軸線を有する２つの回転ピボット６６６、６６７を含み、また、下方接続点は、３回転自由度を有する球面継手６２７を含む。図１−図６の実施の形態におけるように、第一及び第二のアクチュエータシステム６１６、６１８は、合計６自由度を提供することができ、また、器具マウント６１４を支持部材に対して回転させ得るよう支持部材６１２と一体化した回転継手／アクチュエータ６２８により第７の自由度が提供される。

図７に概略的に示した構成を有するマニプレータのより具体的な実施の形態を示す図８を参照することにより、図７の配置は一層良く理解される。図８において、図１−図７の実施の形態にて見られるものと同様の要素は、７００番台の相応する参照番号が与えられている。図８の実施の形態は、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８を共に接続する基礎のしかりしたマウントとして作用するヘッダ７２４を含む。特に、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の双方は、この場合、ヘッダ７２４から下方に延びる回転可能な第一のリンク７５５を含む第一の回転継手／アクチュエータ７７０を有している。図示した実施の形態において、第一のリンク７５５は、ヘッダ７２４に対して垂直に延びるその長手方向軸線の回りを回転する。この目的のため、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の各々の第一の回転継手／アクチュエータ７７０は、回転ピボット７５４を含む。第一の回転継手／アクチュエータ７７０は、それぞれの第一のリンク７５５をヘッダ７２４に対して回転駆動する機構を更に含む。この場合、回転機構は、歯車付き出力軸を有するモータ７７１を含む歯車駆動装置を備え、歯車付き出力軸は、ヘッダ７２４に取り付けられており、また、該出力軸は第一のリンク７５５上にて支持された歯車７７２に作用する。

第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の各々の第一のリンクは、第二のリンク７５７と接続し、この場合、該第二のリンクはＬ字形の形状をしており且つ、４バー機械的連結機構７６０の一部分を形成する。第一のリンク７５５は、第二の回転継手／アクチュエータ７７４を介して第二のリンク７５７と接続する。該第二の回転継手／アクチュエータ７７４は、第一のピン止めピボット７５６を含み、該ピン止めピボット７５６は、第二のリンク７５７が第一のリンク７５５の回転軸線に対して垂直に延びる軸線の回りにて第一のリンク７５５に対して回転するのを許容する。第二の回転継手／アクチュエータ７７４は、第二のリンク７５７を第一のリンク７５５に対して回転させる機構を更に含み、該第一のリンク７５５は、第二のリンク７５７に取り付けられ且つ、第一のリンク７５５上に支持された歯車７７６に作用する歯車付き出力軸を有するモータ７７５を備えている。

Ｌ字形の第二のリンクは、第一のリンク７５５と接続する上方部分７７８と、上述したように、４バー機械的連結機構７６０の一部を形成する下方部分７７９とを含む。図示した実施の形態において、４バー連結機構７６０は、連結機構の１つの側脚部、すなわち第二の側脚部７６１を画定する第二のリンク７５７の下方部分７７９と、上方及び下方アーム７６２、７６３とを備えている。第二の側脚部７６１は、第二のリンク７５７の下方部分７７９に対して平行に延び且つ、上方アーム７６２及び下方アーム７６３により下方部分と接続されている。より具体的に、上方アーム７６２は、それぞれのピン止めしたピボット７６４により第二のリンク７５７の下方部分７７９と、第二の側脚部７６１とに回動可能に接続されている。同様に、下方アーム７６３は、それぞれのピン止めしたピボット７６４により第二のリンク７５７の下方部分７７９と、第二の側脚部７６１とに回動可能に接続されている。４バー機械的連結機構７６０の４つのピン止めしたピボット７６４の回転軸線は、互いに平行に延びると共に、第一及び第二のリンク７５５、７５７を接続するピン止めしたピボット７５６の回転軸線に対して平行に延び、且つ、第一のリンク７５５及びヘッダ７２４を接続する回転ピボット７５４の回転軸線を保持する平面に対して垂直な平面内を延びている。

図示した実施の形態において、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の各々の４バー連結機構７６０は、第二のリンク７５７の下方部分７７９と上方アーム７６２との間のピン止めしたピボット７６４を備える第三の回転継手／アクチュエータ７８２と、モータ７８３を含む歯車駆動装置とにより駆動され、該モータは、第二のリンク７５７の下方部分７７９上に取り付けられた歯車付き出力軸を有している。モータ７８３の歯車付き出力軸は、上方アーム７６２上に取り付けられた歯車７８４上に作用し、第二のリンク７５７の下方部分７７９を上方アーム７６２に対して回動動作を駆動する一方、４バー連結機構７６０の全体の動作を駆動する。４バー連結機構７６０に対する駆動装置は、連結機構の４つのピボット７６４の任意に配置することができるが、駆動装置を図８の実施の形態にて示した位置に配置することは、色々なモータを中心点の近い位置に保つことによりマニプレータの回転慣性力を最小にするのを助ける。このように、その他のモータを動作させ且つ（又は）これらのモータを特定の位置に保持するため個々のモータの各々に必要とされるトルクは少なくて済む。

第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８によって、上方アーム７６２及び第二のリンク７５７の下方部分７７９を接続するピン止めしたピボット７６４に歯車駆動装置を含む第三の回転継手／アクチュエータ７８２は、全体として、下方アーム７６３の傾きを制御する。第一及び第二のリンク７５５、７５７を接続するピン止めしたピボット７５６に歯車を含む第二の回転継手／アクチュエータ７７４は、全体として、４バー連結機構７６０の被駆動のピン止めしたピボット７６４の位置を含んで、それぞれのアクチュエータシステムの下方部分全体の傾きを制御する。このように、図８に示した平面内にて下方アーム７６３が直線方向（すなわち、その長手方向軸線と一致する方向）に向けて動作させるため、第二及び第三の回転継手／アクチュエータ７７４、７８２の２つの歯車駆動装置は、これらが連動して共に作用するように制御しなければならない。例えば、下方アーム７６３の直線状の動作を生じさせるためには、第二の回転継手／アクチュエータ７７４の歯車装置を使用して、第二のリンク７５７を第一のリンク７５５に対して回動させ、これにより、下方アーム７６３を全体として、あちこちの方向に掃引することができ、その間、第三の回転継手／アクチュエータ７８２の歯車駆動装置は第二の回転継手／アクチュエータのピン止めしたピボット７５６にて生じた方向と反対方向に向けて上方アーム７６３を第二のリンク７５７に対して回転させ、下方アーム７６３を水平状態に保つ。下方アーム７６３を図８に示したものと異なる平面内にて直線方向に向けて動作させるためには、それぞれのアクチュエータシステム７１６、７１８における回転継手／アクチュエータの３つの全ての駆動モータを操作することを必要とする。

第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の各々の下方アーム７６３は、支持部材７１２まで延び、該下方アームは該支持部分と接続される。図示した実施の形態において、第一のアクチュエータシステム７１６の下方アーム７６３は、２回転自由度を提供し得るように回転ピボット７６６及びピン止めしたピボット７６７を介して支持部材７１２と接続されている。一方、第二のアクチュエータシステム７１８の下方アーム７６３は、３回転自由度を提供する球面継手７２７を介して支持部材７１２と接続する。上述したように、図８の実施の形態にて第一のアクチュエータシステム７１６の場合と同様に、第一及び第二のアクチュエータシステムの接続点の１つを２自由度の継手システムに制限することは、３自由度の球面継手が２つ使用された場合に生じるであろう、支持部材７１２の自由回転を防止するのを助ける。

図示した実施の形態において、支持部材７１２は、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の下方アーム７６３が接続される第一のより長い脚と、器具マウント７１４が接続される第二のより短い脚とを含むＬ字形の形状をしている。器具マウント７１４を支持部材に対して回転させるため、回転継手／アクチュエータ７２８は、支持部材７１２と一体化されている。支持部材７１２と一体化された回転継手／アクチュエータ７２８は、器具マウント７１４を支持部材７１２と接続する回転ピボット７８６を含む。この場合、回転ピボット７８６は、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の第一のリンク７５５をヘッダ７２４と接続する回転ピボット７５４の回転軸線に対し平行に延びる回転軸線を有している。器具マウント７１４を支持部材７１２に対し回転駆動するため、回転継手／アクチュエータ７２８は、モータ７８７を含む歯車駆動装置を有し、該モータは、器具マウント７１４と接続された歯車７８８に作用する歯車付きの出力軸を有している。歯車駆動装置及び回転ピボット７８６を介して発生された器具支持体７１２の回転は、第一及び第二の３自由度のアクチュエータシステム７１６、７１８を介して生じさせることのできる器具支持体７１２のすべての回転と独立的である。

図８の実施の形態において、第一及び第二のアクチュエータシステムの作用を受ける負荷は、支持部材７１２と、器具マウント７１４と、器具マウント７１４に取り付けられた器具とを含む。必要とされるモータの寸法及びマニプレータを所定の位置に維持するため加えなければならない動力を最小にするのを助けるべく、第一及び第二のアクチュエータシステムは、この負荷を均衡させるのを助けるような構成とすることができる。特に、個々のアクチュエータシステムは、負荷すなわちアクチュエータシステムのその他の部分が配置される側と反対側にて回転継手／アクチュエータにより画定される回転軸線の側にそれぞれのアクチュエータシステムの回転継手／アクチュエータ部分の１つ以上が配置されるような配置又は構成とすることができる。

例えば、図８の実施の形態に関して、４バー機構は、アクチュエータシステムの各々の３自由度を実現するため不要である。その代わり、第二のリンク７５７の下方部分７７９と上方アーム７６２との間のピン止めしたピボット７６４における第三の回転継手／アクチュエータ７８２の歯車駆動装置は、下方部分７７９と下方アーム７６３との間の継手７６４に配置変えすることができ、この場合、上方アーム７６２及び第二の側脚７６１は廃止してもよい。しかし、支持部材７１２、器具支持体７１４及び器具の重量は下方アーム７６３の末端にて下方に引っ張るモーメントを発生させるため、かかる構成は、十分に釣合いがとれないであろう。図８の実施の形態における４バー連結機構は、第三の回転継手／アクチュエータにより画定された回転軸線の反対側に配置されているため、このモーメントに対する均衡力を提供し、このことは、歯車駆動装置に加わる全体的な負荷を減少させることになる。同様の態様にて、軸線の前方に配置された負荷（支持部材７１２、器具マウント７１４及び器具）に対する均衡力を提供するため第一の回転継手／アクチュエータ７７０により画定された回転軸線の後方に一部が配置されるようにアクチュエータシステムを配置することができる（第一のアクチュエータシステム７１６を使用する場合のように）。

図８に示した実施の形態において、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の各々は、３つの回転継手／アクチュエータ７７０、７７４、７８２（すなわち、回転継手と歯車駆動装置との組み合わせ）を含み、このため、そのそれぞれの下方アーム７６３の端部点を３自由度にて動かすことができる。このように、第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８は、合計６自由度を提供する。支持部材７１２と一体化された回転継手／アクチュエータ７２８は、第７の自由度を提供する。マニプレータは、７自由度を有する一方、１自由度は、一定長さの支持部材７１２を含むマニプレータの構造体により冗長的とされる。このように、形成される７自由度のマニプレータは、６自由度の空間内にて器具マウント７１４の調和した動きを提供する。歯車駆動装置は、図８の実施の形態にて回転継手／アクチュエータの各々に対して示されているが、その他の駆動システムを使用してもよい。例えば、それぞれの回転継手にて回転を生じさせる別の好ましい駆動システムは、摩擦ケーブル又はチェーン駆動装置である。ベルト駆動装置のようなその他の摩擦駆動装置を使用してもよい。駆動システムにより発生される減速比は、１：１から１０，０００：１の範囲とすることができる。

当該技術の当業者により理解されるように、６自由度は、空間内にて器具マウントの位置を画定するため要求されるものの全てである。このように、図１−図８に示した一例としてのマニプレータにより提供される第７の自由度は、冗長的な自由度である。冗長的な第７の自由度は、僅かに６自由度を有する（すなわち、冗長的な自由度なし）マニプレータと比較したとき、より広い多様な方向に向けて優れたトルクの供給を実現し且つ、作用可能な範囲を多くの６自由度マニプレータが実現可能なものを超えて拡大する。全てのハイブリッドの直列／並列機構の動作範囲は、マニプレータが係止され且つ、最早、自由に動くことができない一連の特異点により画定される。これらの特異点にて、マニプレータは、係止され且つ、最早、自由に動くことはできない。これらの特異点は、マニプレータがそれ自体を動作させ、また、どの器具が操作されようとも十分なトルク又は力を提供することができないような仕方にてマニプレータが完全に延びて、マニプレータの機械的要素が互いに噛み合うときに生ずる。

例えば、図８のマニプレータの上方の第一のアクチュエータシステム７１６が２自由度のアクチュエータシステムに制限される場合、冗長的な自由度は、廃止され、アクチュエータシステムの自由度は、装着点の継手７２６、７２７にて利用可能な自由度と適合することになろう。回転継手／アクチュエータ７２８が支持部材７１２により保持された状態にて、マニプレータは、合計６自由度を有することになろう。しかし、かかるマニプレータが支持部材７１２上にてトルクを発生させる能力は、第一及び第二のアクチュエータシステムの装着点を支持部材と接続する線が垂直からより水平の方向に変化するとき、減少する。具体的には、トルクを発生させる能力は、２つの装着点を接続する線が水平面と形成する角度の正弦値だけ減少する。この角度、及びその角度の正弦値が零に近づくに伴い、支持アーム内にてトルクを発生させるため使用することのできるレバーアームは、零長さに近づく。かかる状況にて、力は、装着点を接続する線に対し軸方向にのみ支持部材に加えることができる。このことは、マニプレータにより行うことのできる作業を制限することになる。

第一のアクチュエータシステム７１６に３自由度を加えることは、この問題点を緩和するのを助ける。特に、追加的な自由度は、装着点７２６、７２７を接続する線に対し垂直に又は多少のその他の角度の方向に向けて力を発生させることを許容する。このように、支持部材７１２の任意の方向に向けてトルクを発生させることができる。

マニプレータ、また、支持部材７１２及び器具マウント７１４における色々な回転継手７５４、７５６、７６４の位置を検知するため、回転継手の全て又は幾つかには、位置センサを設けることができる。マニプレータの駆動システムの各々は、コントローラと連通した状態にすることができ、また、位置センサは、位置情報をフィードバックループにてコントローラに提供することができる。例えば、光エンコーダのような異なる従来の位置センサを任意の数、使用することができることが理解されよう。更に、色々な駆動システムには、また、支持部材及び（又は）器具マウントに加えられた力及びトルクを決定することを可能にし得るようアクチュエータにより加えられた力又はトルクを検知する力センサを設けることもできる。この情報は、この場合にも、フィードバック制御ループにてコントローラに提供され、例えば、接触型インターフェースの入力装置に対して力をフィードバックすることを許容することができる。勿論、例えば、箔型又は半導体歪み計又はロードセルを含んで、力及び（又は）トルクを測定する任意の既知の方法を使用することができる。

第一及び第二のアクチュエータシステム７１６、７１８の継手／アクチュエータ７７０、７７４、７８２の２つ以上の駆動システムが機構を駆動すべく冗長的な用途を通して互いに並列に結合されているとき、特殊な制御技術が必要である。かかる状況にて、２つ以上の駆動システムがマニプレータ機構の同一の要素に動力を提供し、同一の動作を実現することができる。これらの状況は、第７の冗長的な自由度のため生じる。必要とされる特殊な制御技術は、例えば、２つの駆動システムのような多くの駆動システムがマニプレータの１つの要素に対してトルクを同時に供給するとき、トルク及び位置を制御する方法を含む。これらの方法は、デカルト空間内の負荷を継手のトルクに関連づける複雑なヤコビ変換に従って、２つの駆動システム間にて負荷を共用する工程を含むことができる。これと代替的に、負荷を比例的に分割し、１つの駆動システムが位置制御マスタとして作用し、他方の駆動システムが力を付与するスレーブ要素として作用するようにしてもよい。また、冗長的な駆動システムの１つは、その動作がマニプレータ機構の特定の要素を動作させるときに関係するその他の駆動システムの動作と不調和とならないように休止することを許容してもよい。支持部材７１２及び器具マウント７１４がマニプレータ機構の平面の水平線及び中心線に対してある角度を成すときに色々な駆動システム間の最も複雑な相互作用が生じる。この特定の状態において、駆動システムの全ては、互いに相互作用する。ヤコビ変換法は、これらの複雑な相互作用を取り扱うための好ましい方法である。

上記に鑑みて、本発明は、７自由度を提供するマニプレータを提供することが理解されよう。冗長的な第７の自由度は、トルクを供給する特定の向き改善し且つ、特定の特異点を廃止するのを助けることにより、改良された性能を提供する。特定の構成の第一及び第二のアクチュエータシステムを有するマニプレータが図面に示され且つ、本明細書にて説明されている。勿論、その他の型式の３自由度のアクチュエータシステムを使用してもよい。例えば、第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、２自由度のラジアル座標エンジンである、いわゆるｒ−θ機構に基づくものとすることができる。その場合、更なるアクチュエータをｒ−θ機構の各々と接続することができ、該ｒ−θ機構は、相応するｒ−θ機構をそのそれぞれの回転面外にて独立的に動作させることができる。その結果は、第一及び第二のアクチュエータシステムは、２つの独立的な３自由度のアクチュエータシステムとなることである。その他の配置も可能である。

本明細書にて引用した出版物、特許出願及び特許を含む全ての参考文献は、その参考文献の各々が参考として個々に且つ特別に含められ、また、その全体が本明細書に記載されているのと同程度に、参考として引用し本明細書に含められるものとする。

本発明を説明する文章（特に、特許請求の範囲の文章）にて部材を示す語は、本明細書にて別段の表示又は文章により明確に反対の記載がされていない限り、単一及び複数の部材双方を含むものと解釈すべきである。「有する」、「含む」及び「包含する」という語は、別段の記載がない限り、非制限的な語として（例えば、「含むが、これにのみ限定されるものではない」ことを意味すると）解釈すべきである。本明細書にて値の範囲に言及することは、単に、本明細書にて別段の記載がない限り、この範囲に属する別個の値の各々に言及する簡単な方法として機能することを意図するものであり、別個の値の各々は、それが本明細書にて個々に言及されているかのように、本明細書に含まれるものである。本明細書に記載した全ての方法は、本明細書にて別段の記載がなく、又は、文章上、明確に反対の記載がない限り、任意に適宜な順序にて実行することができる。本明細書に記載にした任意の且つ全ての例又は一例としての文言（例えば「のような」）は、単に本発明を一層良く説明することを意図するものであり、また、別段の記載がない限り、本発明の範囲に限定を付すものではない。請求の範囲に記載されていないいかなる事項も本発明の実施にとって必須のものを表すと本明細書におけるいかなる文言も解釈されるべきではない。

本発明の好ましい実施の形態は、本発明を実施するため当該発明者らにとって既知の最良のモードを含んで、本明細書に記載されている。これらの好ましい実施の形態の変形例は、上記の説明を読んだとき、当該技術の当業者に明らかになるであろう。当該発明者らは、当業者が適宜にかかる変形例を採用するものと期待し、また、発明者らは、本発明が本明細書に具体的に記載された以外の形態にて実施することを意図するものである。従って、本発明は、適用可能な法律によって許容されるように、特許請求の範囲に記載された主題事項の全ての改変例及び等価物を包含するものである。更に、その全ての可能な変形例における上述した要素の任意の組み合わせは、本明細書に別段の記載がなく又は文章上、明確に反対の記載がない限り、本発明に包含されるものである。

Claims (29)

1. マニプレータにおいて、
   本体と、
   第一の装着点にて本体と接続される第一のアクチュエータシステムにして、該第一の装着点を少なくとも３自由度にて動作させることのできる第一のアクチュエータシステムと、
   第二の装着点にて本体と接続される第二のアクチュエータシステムにして、該第二の装着点を少なくとも３自由度にて動作させることのできる第二のアクチュエータシステムと、
   前記本体と一体化される第三のアクチュエータシステムにして、該本体の少なくとも一部分を少なくとも１自由度にて動作させることのできる第三のアクチュエータシステムとを備える、マニプレータ。
2. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記第一の装着点は、３自由度の継手を備える、マニプレータ。
3. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記第一の装着点は、２自由度の継手を備える、マニプレータ。
4. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記第一の装着点は、２自由度の継手を備え、前記第二の装着点は、３自由度の継手を備える、マニプレータ。
5. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記第三のアクチュエータシステムは、前記本体の少なくとも一部分を回転軸線の回りにて回転させ得るように前記本体上に支持された回転アクチュエータである、マニプレータ。
6. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、直列のアクチュエータシステムである、マニプレータ。
7. 請求項６に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの線形継手／アクチュエータを採用する、マニプレータ。
8. 請求項６に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの回転継手／アクチュエータを採用する、マニプレータ。
9. 請求項６に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの少なくとも１つは、回転及び線形継手／アクチュエータの組み合わせを採用する、マニプレータ。
10. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの双方は、直列のアクチュエータシステムである、マニプレータ。
11. 請求項１０に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの線形継手／アクチュエータを採用する、マニプレータ。
12. 請求項１０に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、少なくとも３つの回転継手／アクチュエータを採用する、マニプレータ。
13. 請求項１０に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの少なくとも１つは、回転及び線形継手／アクチュエータの組み合わせを採用する、マニプレータ。
14. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記第一のアクチュエータシステムは、直列のアクチュエータシステムであり、前記第二のアクチュエータシステムは、並列のアクチュエータシステムである、マニプレータ。
15. 請求項１０に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、複数の回転継手／アクチュエータを含むマニプレータ。
16. 請求項１０に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、直列に配置された第一及び第二の回転継手／アクチュエータを含む、マニプレータ。
17. 請求項１６に記載のマニプレータにおいて、前記第一及び第二のアクチュエータシステムの各々は、２つの回転継手／アクチュエータと共に直列に配置された４バー連結機構を含む、マニプレータ。
18. 請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記４バー連結機構の１つの隅部は、前記４バー連結機構の動作を駆動し得るよう第三の回転継手／アクチュエータを備える、マニプレータ。
19. 請求項１８に記載のマニプレータにおいて、前記第三の回転継手アクチュエータを備える前記４バー連結機構の前記隅部は、それぞれのアクチュエータシステムの回転慣性力を最小にし得るよう、前記第一及び第二の回転継手／アクチュエータに最も近い隅部である、マニプレータ。
20. 請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記４バー連結機構は、それぞれの装着点にて前記支持部材と接続するアームを含む、マニプレータ。
21. 請求項２１に記載のマニプレータにおいて、前記第三の回転継手アクチュエータは、第三の回転軸線を画定し、前記４バー連結機構の一部分は、前記第三の回転軸線の対向した第二の側部に配置された本体及びそれぞれのアクチュエータシステムの別の部分を均衡させるのを助け得るように前記第三の回転軸線の第一の側部上に配置される、マニプレータ。
22. 請求項１６に記載のマニプレータにおいて、前記複数の回転継手／アクチュエータの１つは、第一の回転軸線を画定し、前記第一及び第二のアクチュエータシステムは、前記それぞれのアクチュエータシステムの一部分が前記回転軸線の反対側の第二の側部に配置された本体及びアクチュエータシステムの別の部分を均衡させるのを助け得るように該回転軸線の第一の側部上に配置される構成とされる、マニプレータ。
23. 請求項１６に記載のマニプレータにおいて、前記複数の回転継手／アクチュエータは、それぞれの歯車駆動装置を介して駆動される、マニプレータ。
24. 請求項１６に記載のマニプレータにおいて、前記複数の回転継手／アクチュエータは、それぞれのケーブル駆動装置を介して駆動される、マニプレータ。
25. 請求項１６に記載のマニプレータにおいて、前記複数の回転継手／アクチュエータは、それぞれのチェーン駆動装置を介して駆動される、マニプレータ。
26. 請求項１６に記載のマニプレータにおいて、前記複数の回転継手／アクチュエータは、それぞれの摩擦駆動装置を介して駆動される、マニプレータ。
27. 請求項２５に記載のマニプレータにおいて、前記摩擦駆動装置はベルト駆動装置である、マニプレータ。
28. 請求項２５に記載のマニプレータにおいて、前記摩擦駆動装置はケーブル駆動装置である、マニプレータ。
29. 請求項１に記載のマニプレータにおいて、前記本体は器具マウントを含み、該器具マウントは、前記第三のアクチュエータシステムにより動作される本体の部分を備える、マニプレータ。

Images