JP2013545049A - 動力装置システム、動力装置、およびそれらを備えるロボットアーム装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、動力装置システム、動力装置、およびそれらを備えるロボットアーム装置に関する。本発明によれば、複数の係合要素によって係合されることになる周期的表面を有するラックを備える動力装置が提供されることになる。係合要素を表面構造に向かって周期的にかつ時間をずらして前後に駆動することによって、直線運動をもたらすことができる。

Description

本発明は、動力装置システム、動力装置、およびそれらを備えるロボットアーム装置に関する。さらに詳細には、本発明は、直線運動中に高精度をもたらし、医学環境に用いられるのにより適する動力装置に関する。

直線運動用のいくつかの種類の動力装置が、開発されてきている。例えば、半導体産業においてウエハを正確に位置決めするために、リニアモータが用いられている。他の例として、ラックおよびピニオンが挙げられる。ピニオンは、円形であり、その外面に歯を備えている。これらの歯は、直線状バー、すなわち、ラック上に配置された他の歯に係合するようになっている、これによって、ピニオンの回転運動が、ラックの直線運動に変換されることになる。

動力装置およびロボットアーム装置の特に興味深い用途は、磁気共鳴撮像法（ＭＲＩ）を用いる医学撮像の領域である。

人口の高齢化によって、新しい癌発症例の数が増加している。もし癌が早期に発見されたなら、回復の可能性が大きくなる。新しい診断方法によって、癌を極めて早い段階で検出することが可能になっている。

多発する癌の一形態として、前立腺癌が挙げられる。早期検出のための方法は、前立腺の造影ＭＲＩを利用している。これによって、癌を示す可能性のある前立腺の異常が検出されることになる。しかし、確定診断およびこの確定診断による治療の開始のために、生検組織サンプルが必要である。ＭＲＩ検査のますます向上する診断能の課題は、従来の生検技術によって見逃されるほど小さい病変を見出すことである。その結果、生検が何度も繰り返されねばならなく、最悪の場合、病変が生検ニードルによって見落とされ、癌が存在しないという結論が出されることがある。

この理由から、ＭＲＩ撮像に基づいて、生検サンプルを正確に、検証可能に、簡単に、かつ迅速に行うことができる必要がある。もし生検ニードルがＭＲＩ画像に基づいて操作され、ニードルの操作による前立腺の変形が手術中に補償されることができるなら、最適であろう。ニードルが病変内に観察されており、これによって、生検サンプルが疑わしい部位から採取されていることが実証されたときにのみ、癌が存在するか否かに関する確定診断を下すことができる。ＭＲＩに基づくこの方法は、ＭＲＩによってガイドされる方法に代わって、ＭＲＩによって検証される方法であり、それ故に、多大の時間を必要とする。外科医は、ＭＲＩ空間に入って、患者をＭＲＩから引き出し、ニードルを操作し、その後、患者をＭＲＩ内に戻さねばならない。外科医は、ＭＲＩ空間から出て、ＭＲＩの検証を行う。ニードルが所望の位置に達するまで、これが繰り返されることになる。

従って、特に、医学装置の正確な位置決めを可能にする動力装置が必要とされている。

さらに、これらの動力装置は、無菌であることが必要である。

加えて、これらの装置は、ＭＲＩ環境内の操作に適している必要がある。

本発明の目的は、前述の要求の少なくとも１つに対処することにある。

本発明によれば、この目的は、ラック部材を有する動力装置を備える動力装置システムであって、ラック部材は、その表面に構造を備えており、前記構造は、少なくとも１つの方向にギア要素の周期的な配置を有している、動力装置システムによって達成されることになる。ラック部材の一次元の例は、表面構造が歯の周期的な配置から構成されている前述のラックである。しかし、二次元以上の配置、例えば、表面に凹みからなるハニカム式構造を備える金属面の形態にある配置も可能である。このような表面は、ギア要素の周期的配置、ここでは、単一ハニカムセルが特定される２つ以上の方向によって特徴付けられている。

本発明の動力装置は、前記少なくとも１つの方向の１つの方向に配置された一組の多数のアクチュエータを含む歯部材をさらに備えている。前記アクチュエータの各々は、前記ギア要素に係合するように形作られた係合要素と、前記係合要素を前記周期的構造に対して前後に移動させるように、前記係合要素に動力を供給する駆動ユニットと、を備えている。

本発明によれば、一組のアクチュエータは、周期的配置が特定される多数の方向の１つに対して、用いられることになる。種々の方向に対して、多数の組を用いることができる。

係合要素は、ギア要素に係合するように形作られている。好ましくは、係合要素は、ギア要素に接触するための外面を有しており、該外面は、ギア要素自体に対する相補的な形態の少なくとも一部をなしている。周知のラックおよびピニオンの場合、ピニオンの歯は、係合要素をなしており、円形構造体および該円形構造体を回転させる駆動手段は、駆動ユニットをなすと見なすことができる。

本発明によれば、係合要素は、少なくともギア要素に向かう移動中の一部において、前記ギア要素と係合し、前記少なくとも１つの方向の前記１つの方向において前記ラック部材と前記歯部材との間に相対的運動を生じさせることになる。従って、ギア要素と係合要素との係合によって、歯部材とラック部材との間に相対的運動を生じされることになるが、これは、これらの部材の一方が静止しているか、またはこれらの部材の両方が静止していないことを意味している。

一般的に、係合要素は、得られる相対的運動の方向ではない特定の方向からラック部材に係合するようになっている。ラックおよびピニオンでは、直線運動に必要な力は、ピニオンの回転運動によって直接生じるようになっている。本発明によれば、押圧力は、係合要素およびギア要素のそれぞれの形状と係合の方向における力との組合せによって、生じるようになっている。

本発明によれば、前記アクチュエータの各々は、その互いに異なる減位相において前記周期的構造に係合するように、互いに離間して配置されている。ここで、互いに異なる位相における係合は、周期的配置の方向に沿った互いに異なる位置における周期的構造との係合と、解釈されたい。

本発明の動力装置システムは、一組のアクチュエータにおける各アクチュエータの各駆動ユニットを互いに時間をずらして作動させるために、該駆動ユニットを周期的に制御するための制御ユニットをさらに備えている。その結果、任意の組におけるアクチュエータの各々は、単独で周期的に運動することになる。加えて、任意のアクチュエータの運動は、同一組における他のアクチュエータに対して時間をずらして行われることになるが、これは、これらのアクチュエータが同じ位相にないことを意味している。例えば、アクチュエータの１つが周期的構造に向かって移動しているときに、他のアクチュエータが周期的構造から離れる方に移動することになる。これらのアクチュエータは、好ましくは、同一期間内に駆動されるようになっている。

本発明によれば、各駆動ユニットを周期的に制御することによって、複数の制御期間中に、前記少なくとも１つの方向の前記１つの方向における相対的な運動を継続させることができる。ここで、継続的な運動は、運動が常に所定の方向に生じており、反対方向に生じていないことを意味している。

前述のラックおよびピニオンと違って、本発明による動力装置は、複数のアクチュエータが作動するようになっている。各アクチュエータは、係合要素および駆動ユニットを有しており、駆動ユニットは、個別に制御可能になっている。

単一アクチュエータの単一動作に対するラック部材と歯部材との間の相対的運動は、ギア要素の形状および係合要素の形状によって決定されることになる。従って、高精度の直線運動を達成することが可能になる。例えば、比較的多数のアクチュエータと組み合わせて、比較的急勾配の輪郭を用いることができる。この場合、単一アクチュエータによって得られる比較的小さい変位は、単一組における多数のアクチュエータによって補償されることになる。もし同様の精度をラックおよびピニオンによって達成しようとするなら、ピニオンの大きさおよび／または歯の大きさを小さくしなければならないので、その結果、ラックとピニオンとの間の係合の領域が小さくなることによって、システムが安定しないことになる。

好ましくは、前記ギア要素、アクチュエータの組におけるアクチュエータの数、前記制御ユニット、および前記アクチュエータの位置決めは、制御ユニットが前記周期的制御の一期間において前記アクチュエータの各々を制御した後、歯部材とラック部材との間の相対的運動が前記少なくとも１つの方向の前記１つの方向におけるギア要素の長さに等しいかまたは該長さを超えるように、構成されている。有利には、各係合要素は、同じ時間間隔内に駆動されるようになっている。さらに、各係合要素は、好ましくは、ラック部材と歯部材との間に同じ相対的変位をもたらすようになっている。

本発明によれば、互いに異なるアクチュエータから得られる個別の変位の合計は、運動の方向におけるギア要素の長さを超えている。これによって、各係合要素は、後退し、その動作を繰り返し、これによって、相対的な運動を継続させることができる。

好ましくは、アクチュエータの組は、前記少なくとも１つの方向の前記１つの方向に沿って互いに離間して配置されている。アクチュエータを運動の方向に配置することによって、当該運動に関連しない機械的な力を避け、これによって、動力装置自体内の摩耗および摩擦を避けることができる。

ギア要素の配置は、好ましくは、少なくとも二次元において周期的になっており、アクチュエータは、前記少なくとも二次元の各々に対して一組のアクチュエータをさらに備えている。この実施形態では、ラック要素は、周知のラックが多次元に伸張したものとして解釈されてもよい。少なくとも２組が動力装置内に配置されており、これらの組の各々が異なる周期性の方向に対応している。あらゆる有効な周期性の方向が、必ずしも一組のアクチュエータによって対処される必要がない。例えば、２つの互いに異なる方向に対して２組を用いることによって、２つの互いに異なる方向における相対的運動が可能になる。さらに、これらの方向における周期性は、一般的に互いに異なっているので、それに応じて、これらの方向における相対的運動に関連する速度は、互いに異なることになる。

当業者であれば、ギア要素の適切な配置および係合要素の適切な配置を用いることによって、任意の所望の方向における運動が得られることを理解するだろう。実際、この目的のために、配置が周期的になっている任意の方向を用いることができる。さらに、配置が周期的であるという事実は、必ずしも、係合要素が隣接するギア要素と係合するように配置されることを意味するものではない。さらに、係合要素の総数は、ギア要素の形状および係合要素の形状に依存している。これらが一緒になって、相互係合によるラック部材の運動を決定することになる。全ての係合要素による組合せ運動は、ラック部材をギア要素の長さを超えて移動させるのに十分になっているべきである。

この目的を達成するために、もし制御ユニットがある組に属するアクチュエータの制御から別の組に属するアクチュエータの制御に切り換えるように構成されていると、有利である。これによって、個別の運動を連続的に達成することができる。

ギア要素をラック部材の平面または曲面に配置する以外に、ラック部材自体が、ギア要素を有する本体であって、ギア要素が本体の周囲に、好ましくは、全周に周期的に配置されている、本体を備えることもできる。このような動力装置では、相対的な運動によって、ラック部材および歯部材は、互いに対して回転および／または直進運動することができる。ギア要素をラック部材の周りに（連続的な表面構造が形成されるように）巻き付けることによって、完全な一回転のあとに係合要素が同一の減位相に配置されるように、回転を行うことができる。ラック部材に対する係合要素の位置決めおよびギア要素の周期的配置に依存して、この回転は、軸変位を伴うようになっているとよい。すなわち、係合要素の配置およびギア要素の配置に依存して、ラック部材は、回転するか、直進運動するか、または回転しながら直進運動するようになっているとよい。係合要素の種々の配置を選択することによって、種々の方向における運動が可能になる。

ラック部材の適切な特定形状は、実質的に円筒状の形状であって、周期的配置が前記円筒の周面上、すなわち、円筒の軸と平行に延在する面上にある、円筒状の形状である。ここで、歯部材は、前記ラック部材の少なくとも一部を受け入れるための円形開口を有するハウジングを備えており、アクチュエータの組は、前記ラック部材に対して半径方向に配置されている。ここでも、ラック部材または歯部材は、支持フレームにそれを固定することによって、静止させることができる。

ラック部材の円筒状実施形態を備える本発明の前述の実施形態では、円形開口は、前記ハウジングの円形の貫通孔によって形成されていてもよい。これによって、運動の動的範囲を大きくすることができる。例えば、もし歯部材が静止しているなら、ラック部材は、実質的に歯部材の全長を超えて移動することができる。ラック部材が歯部材から離脱しないように防ぐために、移動ストッパがラック部材および／または歯部材に配置されていてもよい。

付加的または代替的に、ギア要素は、前記円筒形状の周りに螺旋経路に沿って配置されている。この場合、運動の方向は、螺旋経路に対する接線ベクトルである。アクチュエータが相対的な運動の方向に配置される場合、すなわち、アクチュエータが、半径方向においては同一であるが、軸方向および周方向において互いに異なる位置に配置される場合、後者の位置は、当該接線ベクトルに対応することになる。

動力装置の安定性を改良するために、ラック部材および歯部材は、表面構造と直交する方向において互いに対して一定とすることができる。例えば、円筒状ラック部材の実施形態では、ラック部材と歯部材との間の半径方向距離は、半径方向が表面構造と直交しているので、一定になっている。歯部材およびラック部材の一方を固定するために、支持部材が用いられてもよく、この場合、他の部材は、前記少なくとも１つの方向の１つの方向に自在に運動するようになっている。

有利には、動力装置は、ラック部材および／または歯部材内に配置されたガイド要素をさらに備えている。ガイド要素は、ラック部材および／または歯部材の他方を案内するためにものである。円筒状実施形態の場合、このようなガイドは、歯部材をその軸に沿って案内する円形開口または貫通開口によって形成されている。

動力装置のどのような隙間も回避するために、少なくとも１つの動力が供給された係合要素が動力装置の操作中の各点において表面構造と係合すべく、アクチュエータの組内の駆動ユニットを制御するように、制御ユニットが構成されていると有利である。これによって、常に、係合要素とギア要素との間に直接係合が存在することになる。非静止部品の１つ、例えば、円筒状ラック要素に加えられる突発的な外部からの押力は、必ずしもラック要素の変位を生じさせるとは限らない。何故なら、この外部からの押力は、係合要素と歯部材との間の連続的な係合によって相殺されるからである。

付加的または代替的に、各アクチュエータの駆動ユニットは、動力供給状態では、前記係合要素を前記ラック要素に向かって移動させるために、前記係合要素に動力を供給するように作動し、動力停止状態では、前記係合要素をラック部材から離れる方に移動させるべく、作動するように構成されている。前記駆動ユニットは、前記動力停止状態において少なくとも作用可能になる弾性部材であって、係合要素をラック部材から離れる方に付勢するように構成されている、弾性部材を備えており、および／または駆動ユニットは、動力停止状態において、係合要素に本質的に力を加えることなく、係合要素をラック部材から離れる方に移動させることが可能となるように構成されている。従って、係合要素は、ラック部材に係合している位置から能動的に引き上げられるか、または反力を本質的に存在させることなく、戻ることが可能になる。後者の場合、移動しているラック部材が、動力停止状態にある係合要素を押しのけるようになっている。いずれにしても、周期的構造から離れる方に移動するアクチュエータによってラック部材が受ける抵抗は、回避されるべきである。

制御ユニットは、アクチュエータの組におけるアクチュエータを連続的に制御するように構成されていると好ましい。

ギア要素は、好ましくは、前記アクチュエータから見て対称的になっている。制御ユニットは、好ましくは、前記少なくとも１つの方向の前記１つの方向と反対の方向において前記ラック部材と歯部材との間に相対的運動をもたらすように、前記組の前記アクチュエータをさらに制御することが可能になっている。

対照的なギア要素を有することによって、すなわち、同一の構造が特定の方向およびその反対の方向において運動を受けるようにすることによって、２つの互いに反対の方向、例えば、左から右におよび右から左への相対的運動を得ることができる。制御ユニットは、制御スキームを個々のアクチュエータに適用することによって、どの方向が用いられるかを決定するようになっている。

本発明の文脈内において、ある方向およびその方向と反対の方向は、互いに異なる方向として解釈されたい。これらの方向の各々には、可能であれば、互いに異なる組のアクチュエータが割り当てられるとよい。しかし、対称的なギア要素を設けることによって、これらの方向のいずれに対しても、同一の組のアクチュエータを用いることが可能である。

好ましくは、ギア要素は、前記ラック部材の表面の円錐空洞から構成されており、係合要素は、対応する円錐突起を有している。表面構造と直交する方向において回転対称となる円錐形状または他の形状は、係合要素とギア要素との間に自己芯出し係合をもたらすことになる。これによって、システムの摩耗を低減させ、アクチュエータの位置決めに必要な精度を改良することになる。

一実施形態では、周期性を有する所定の方向におけるアクチュエータの組は、少なくともｎ個のアクチュエータを備えている。ただし、ｎは、２よりも大きいかまたは２に等しく、それぞれのアクチュエータは、略ｍ×３６０／ｎ（ただし、ｍ＝１、・・・、ｎ）の減位相で前記表面構造に係合するように配置され、ここで、減位相は、含まれる整数の周期に対して補正された周期構造のある位置の位相を意味している。例えば、４８０°の絶対位相の場合、４８０―３６０＝１２０°の減位相がもたらされることになる。

周期性を係合の方向から計算することが重要である。もし係合要素が、例えば、ある角度で周期的構造に係合しているなら、係合要素から見た場合、ギア要素の相対長さは、直交係合の場合におけるものと異なる可能性がある。この場合、計算の目的のために、前者の長さを用いることが推奨される。

互いに異なっているが、互いに等距離にある減位相におけるアクチュエータは、好ましくは、互いに異なるギア要素に対して真っ直ぐに並ぶようになっている。これによって、アクチュエータが互いの運動を阻害するほど互いに近接して配置されることが防がれることになる。さらに、アクチュエータは、好ましくは、係合要素が表面構造に直交して係合するように、配置されている。

互いに異なる組がそれぞれの周期性の方向に配置されるようになっているが、これは、少なくとも１つのアクチュエータが互いに異なる２つのアクチュエータの組に属する可能性を排除するものではない。例えば、もし５つのアクチュエータが十字状構造に配置されたなら、十字の中央にあるアクチュエータは、十字によって示される両方向の運動に含まれるだろう。

駆動ユニットの有利な実施形態は、作動可能なピストン式シリンダを備えている。前記作動可能なシリンダは、シリンダハウジングおよび該シリンダハウジング内において移動可能なピストンを有している。前記係合要素は、前記ピストンの端部によって形成されており、および／または該端部に配置されている。ここでは、シリンダハウジングは、係合の方向において、ギア要素に対して静止している。

駆動ユニットは、係合要素を駆動するための他の適切な手段を備えていてもよい。前述のシリンダに加えて、例えば、油圧式または空圧式または電動式の動力装置、例えば、リニアモータが用いられてもよい。

このような作動可能なシリンダは、好ましくは、単動式である。これは、ギア要素に向かうピストンの運動がシリンダの作動によるものであり、これによって、大きな力がギア要素に加えられ、その一方、ギア要素から離れる方への反転運動は、シリンダまたはその外部のある種の弾性によって生じるようになっていることを意味している。例えば、シリンダが作動されていないときにピストンを後退させるように付勢するバネまたは流体圧のような他の弾性要素が、シリンダハウジング内に配置されていてもよい。ギア要素から離れる方への移動中、ピストンは、ギア要素に全くまたは殆ど力を加えないようになっている。

特に医学環境の場合、空圧シリンダを作動可能なシリンダとして用いると好ましい。油圧シリンダまたは他のシリンダは、漏れの危険性がある。空圧シリンダの作動は、好ましくは、圧縮空気を用いて行われるが、負圧を用いることも可能である。

空圧シリンダは、好ましくは、操作中にパルス作動されるようになっている。シリンダは、ここでは、短時間作動されることになる。歯部材およびラック部材の相対的運動の速度は、空圧シリンダが作動される速度および用いられる圧縮空気圧によって決定されることになる。

本発明の動力装置を医学環境、特に、ＭＲＩ環境にさらに適するようにするために、動力装置を非導電性、非磁化性、または非磁化容易性の材料によって作製すると、好都合である。

第２の態様によれば、本発明は、ロボットアーム装置を提供することになる。ロボットアーム装置は、ロボットアーム装置用の支持体に取付け可能または載置可能になっている第１のフレーム部と、第１のフレーム部に連結された第２のフレーム部とを備えている。ここでは、本発明による動力装置は、第１のフレーム部および第２のフレーム部の相互配向および／または距離を変更させるために用いられることになる。この目的を達成するために、前記動力装置の歯部材は、前記第１および第２のフレームの一方に連結され、ラック部材は、前記第１および第２のフレーム部の他方に連結されるようになっている。この連結は、直接的な連結である必要がなく、ヒンジまたは他の中間構造を介して行われるようになっていてもよい。

第１および／または第２のフレーム部は、構成部品をそれらの上に容易に載置させるために、平板部から構成されているとよい。第１のフレーム部は、例えば、患者が横たわるベッドに取り付けられ、これによって、全体を安定させるようになっているとよい。

第１および第２のフレーム部間に配置される動力装置は、ロボットアーム装置の構造部を形成することになる。

好ましい実施形態では、例えば、前述のシリンダの形態にあるラック部材は、第２のフレーム部に接続されることになる。従って、歯部材は、第１のフレーム部に接続されることになる。動力装置は、その逆に取り付けられてもよい。複数の動力装置がフレーム部間に配置される場合、前述の２つの取付け方法の組合せが得られるように、これらの動力装置を互いに異なって配置させることができる。

ロボットアーム装置は、好ましくは、スチュワート・プラットフォームを形成するように配置された本発明による少なくとも６つの動力装置を備えている。この種のプラットフォームは、６自由度の運動、すなわち、全ての方向における直動、傾動、および回転をもたらすようになっている。第１および第２のフレーム部における動力装置間の連結は、これらの３つの自由度を支えねばならなく、ヒンジがそれに応じて設けられていなけばならない。

ロボットアーム装置または動力装置自体をＭＲＩ環境内で用いることを可能にするために、非磁性、非磁化性、および非導電性の材料、例えば、プラスチック、カーボン、ガラス、またはセラミック材料を用いると好ましい。

ロボットアーム装置は、もし第１および／または第２のフレーム部が動力装置の歯部材またはラック部材を受け入れるための貫通孔を備えているなら、さらに改良されることになる。これは、もし歯部材またはラック部材自体が歯部材またはラック部材の他方を収容するための貫通孔を備えているなら、特に興味深い。貫通孔によって、歯部材またはラック部材は、他の部材内を通って移動することができ、これによって、動力装置の動的範囲を拡げることができる。このような動力装置を第１または第２のフレーム部の貫通孔内に配置することによって、２つのフレーム部間の最小距離を縮小することができる。何故なら、動力装置の大部分が、第１および第２のフレーム部間の空間の外側に配置されるからである。

ロボットアーム装置をさらに一層改良するために、ロボットアーム装置は、ヒンジ、好ましくは、ボールジョイントを備えているとよい。ヒンジは、貫通孔を有しており、該貫通孔内において、前記歯部材または前記ラック部材が前記ヒンジに固定して接続されることになる。ヒンジは、前記歯部材または前記ラック部材を前記第１および／または第２のフレーム部にヒンジ接合するために配置されるものである。この構成は、第１および第２の部分の間の最小距離を縮小することを可能にするのみならず、動力装置の回転を可能にすることになる。ボールジョイトが用いられる場合、この回転は、複数の軸を中心とすることができる。

さらに他の態様によれば、本発明は、前述の動力装置を提供することになる。この動力装置の駆動ユニットは、外部から制御可能になっている。

次に、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明によるロボットアーム装置の好ましい実施形態を示す図である、 ３つの係合要素を有する本発明による動力装置の原理を示す図である。 ２つの係合要素を有する図２Ａの動力装置の変更形態を示す図である。 二次元的周期的構造を有するラック部材の実施形態を示す図である。 本発明による動力装置のアクチュエータを示す図である。 図１のロボットアーム装置の変更形態を示す図である。 本発明によるロボットアーム装置の用途を示す図である。

以下の実施形態の説明では、歯部材が静止しているかのような条件下で動力装置の操作について述べることにする。しかし、当業者であれば、ラック部材を静止状態に保つことも可能であることを理解するべきである。

図１は、本発明によるロボットアーム装置１の実施形態を示している。ロボットアーム装置１は、第１のフレーム部２および第２のフレーム部３を備えている。フレーム部２，３は、動力装置４によって互いに接続されている。医療補助具が、第２のフレーム部３の上に取り付けられている。図１では、この医療補助具は、アームによって取り付けられたニードルガイド５である。

動力装置の配置は、スチュワート・プラットフォーム原理に従っている。動力装置４は、ここでは、回転可能な継手（図示せず）、例えば、ボール（およびソケット）継手によって、フレーム部２，３に接続されている。動力装置４は、動力装置ハウジング６の形態にある歯部材を備えており、この動力装置ハウジング６内に、ピストン７の形態にあるラック部材が移動可能に受け入れられている。

動力装置ハウジング６およびピストン７の組合せは、望遠鏡のように動作するものであり、以下、肢と呼ぶことにする。ロボットアーム装置の高さ、平行変位、回転、および傾動は、種々の肢の長さを変化させることによって決定されることになる。

図２Ａ〜図２Ｄは、本発明による動力装置４の好ましい実施形態を概略的に示している。３つのピストン式シリンダが、歯部材内に配置されている。これらのシリンダは、いずれも、歯８，９，１０の形態にある係合要素と、駆動ユニット（図示せず）またはその部品とを備えている。シリンダは、好ましくは、空圧シリンダである。歯８，９，１０は、歯付きホイールの歯と同じように形成されている。３つの歯は、ラック部材１１の周期的構造に対して１２０°位相がシフトしている。この周期的構造は、三角歯１２の形態にある一連のギア要素からなっている。図から分かるように、種々の歯は、各々、周期的構造の異なる減位相に配置されている。図２Ａにおいて、各三角１２の頂点を０°とすると、歯８は、１８０°の減位相を有し、歯９は、６０°の減位相を有し、歯１０は、３００°の減位相を有している。

図２Ａに示されている状態から開始すると、歯９が作動されたとき、歯８は、作動停止されるようになっている。歯の作動は、駆動ユニットが歯をラック部材に向かって移動させるように作動させることを意味している。作動停止は、歯が引き上げられることを意味している。これは、駆動ユニット自体、例えば、歯を駆動する空圧ピストン内のバネによる正味の力またはラック部材との相互作用のいずれかによって達成されることになる。後者の場合、他の係合要素に係合されたラック部材が、作動停止された係合要素をラック部材から離れる方に押し出すようになっている。いずれにしても、作動停止された係合要素によってラック部材に加えられる力を可能な限り抑えることが重要である。

歯９の係合によって、ラック部材１１は、横方向に摺動することになる。歯８は、これによって、能動的に引き上げられることになる（図２Ｂおよび図２Ｃ参照）。歯１０が、ギア要素の頂点の左側から右側に摺動している。従って、歯９が完全にラック部材１１内に完全に延びると、歯１０は、ラック部材１１と係合する正確な位置に配置されることになる。

従って、もし歯が交互にまたは連続的に作動されるなら、ラック部材１１の段階的な変位が可能になる。これらの歯の律動を変化させることによって、この段階的な変位を任意の所望速度でもたらすことができる。もしいずれの歯も作動されないなら、ラック部材１１は、歯８，９，１０に対して自在に移動することができる。もし少なくとも１つの歯が連続的に作動されるなら、ラック部材１１は、ブロックされることになる。少なくとも１つの歯、一般的には、少なくとも１つの係合要素を連続的に作動させる利点は、動力装置の隙間の縮小を達成することができることである。連続的な係合によって、動力装置は、ラック部材に加えられる力に対して感受性が低下することになる。

図３は、２つのピストン型シリンダを利用する本発明による動力装置の一般的な操作原理を示している。

図３は、次々に配置された一連の歯１２を備えるラック部材を示している。また、図２Ａの実施形態と同じように、個々のピストン式シリンダ（図示せず）に接続された２つの歯１３，１４も示されている。これらの歯の運動は、矢印１５，１６によって示されている方向に沿って可能になっている。

図３では、歯１３がラック部材１１、さらに具体的には、ラック部材１１の表面の周期的構造に係合している。対応するシリンダが作動し、歯１３がさらに下方に移動すると、ラック部材１１は、矢印１７によって示されているように移動することになる。ここでは、その位置が破線によって示されている。図３から推察されるように、歯１４は、ここでラック部材１１に係合することができる。この歯に対応するシリンダがここで作動され、歯１３に対応するシリンダが作動停止され、または能動的に引き上げられることになる。その結果、歯１３は、例えば、（単動式）シリンダ自体内に配置されたバネに関連するバネ力によって、後退することになる。

歯１４がその外向きの運動を行った時点で、ラック部材１１は、開始位置に相当する位置に到達し、手順を繰り返すことが可能になる。すなわち、作動停止された歯１４のシリンダに代わって、歯１３のシリンダが再び作動されることになる。

ギアラック１１と直交する方向から見た場合のギアラック１１の周期性は、（矢印１５，１６にそれぞれ対応する）歯１３，１４の係合の方向から見た場合のギアラック１１の周期性と異なっていることに留意されたい。辺１８の長さは、歯に関連している。

歯１３，１４は、図３において、互いに異なる減位相に配置されている。例えば、歯１３をラック部材１１の位置１９に対応させ、歯１４を位置２０に対応させるようにすることができる。これら２つの位置は、辺１８をギア要素の関連寸法として計算した場合、１８０°の位相差を有している。明らかに、これは、矢印２１によって示される長さに基づく減位相の計算によるものと異なっている。

単なる例示として示されている歯２２は、歯１４と同じ減位相を有していることにも留意されたい。

このシステムは、一方向における移動を可能にするものである。他の方向における移動のために、鏡面位置に配置された第２のシステムが用いられてもよい。

図４Ａの実施形態は、ラック部材２３の二次元的な周期的構造を示している。この周期的構造は、平面における円錐孔２４の二次元配置からなっている。最適な係合を確実にするために、係合要素は、円錐孔の形状に対応する形状、すなわち、円錐状突起を有している。この配置によって、周期的構造をもたらすいくつかの方向を特定することができる。図４Ｂにおいて、いくつかの方向２５，２６，２７は、これらの方向の例である。

ラック部材２３に対して係合要素を適切に配置することによって、方向２５，２６，２７のいずれかに沿ったラック部材２３の変位を達成することができる。例えば、図４Ｂは、ドットによって、ラック部材２３に対する各係合要素の頂点の位置を示している。図４Ｂでは、２組のアクチュエータが示されている。係合要素の頂点がドット２８によって示されているアクチュエータを備える第１の組、および係合要素の頂点がドット２９によって示されているアクチュエータを備える第２の組である。第１の組は、方向２５に沿ったラック部材の移動に用いられ、第２の組は、方向２７に沿った移動に用いられるようになっている。もし２つの組が互いに交差する形態で配置されている場合には、アクチュエータの一方を両方の移動に用いることが可能となるので、コストおよび空間を節約することができるだろう。

方向２５，２６，２７は、唯一可能性のある方向ではないことに留意されたい。例えば、１つの方向における１つの円錐孔および該方向と直交する方向における２つの円錐孔に対応するさらに他の方向を特定することができる。チェスゲームにおけるナイトの動きに対応するこの方向も、ギア要素の配置の周期性を特定することができる方向を表すことになる。この方向を用いるとき、係合要素は、隣接する円錐孔に係合するように配置されないことになる。前述したように、ギア要素の長さは、選択された方向に依存する。例えば、前述のナイトのような方向の場合、ギア要素の長さは、円錐孔の直径の２乗の５倍の平方根である。ラック部材がギア要素の長さの全体にわたって移動することを確実にするために、十分な係合要素が配置されるべきである。係合要素の配置は、必ずしも、図４Ｂに描かれているようになっている必要がないことにさらに留意されたい。例えば、係合要素は、運動の線上に位置しないようにおよび／または互いに隣接しないように、分布されていてもよい。しかし、各係合要素は、所定の方向における運動を可能にするために、下方のギア要素に対して所定の位相差を有していなければならない。

図２、図３および図４の実施形態では、ラック部材１１，２３は、一連の歯／孔から構成されている。従って、単一の係合要素の各作動に対するラック部材１１，２３の変位は、主にラック部材の歯の横方向寸法によって決定されることになる。残念ながら、このようなステップの大きさは、用途によっては、大きすぎる場合がある。特に、医学用途では、ニードルガイドのような医療補助具の正確な配置は、極めて重要である。従って、用途によっては、減速を達成することが望ましい。

減速は、図５Ａおよび図５Ｂに示されているようなラック部材によって、実現することができる。円筒状のラック部材３０は、周期的構造を形成するために、螺旋状に配置された円錐孔２４を備えている。ラック部材３０は、動力装置ハウジング３２からなる歯部材内を通って移動するようになっている。動力装置ハウジング３２は、好ましくは、プラスチックから作製されており、菅状要素として具体化されている。この管状要素は、動力装置ハウジング３２の区画３３内に配置された３つのピストン式シリンダを収容している。これらのシリンダは、図４の実施形態と同様、ラック部材の表面３１の円錐孔２４内に嵌合する円錐歯に接続されている。これらのシリンダは、管状要素の長手方向における片側に配置されている。これは、種々の部品を移動可能とするのに必要な隙間をなくすためになされており、これによって、アームに隙間が生じなくなる。

二方向におけるラック部材の移動は、歯が作動されたときに行われることになる。これらのシリンダは、ラック部材３０が、作動されたとき、直線方向に移動せず、円筒状ラック部材３０の周りを円錐孔２４の螺旋経路に従って螺旋運動するように、配置されている。従って、ラック部材３０が一回転した後に得られる軸方向変位は、軸方向における円錐孔２４の正味の距離３４に対応することになる。ラック部材３０の直径、従って、孔の数を変更することによって、極めて多くの異なる運動を得ることができる。

図４Ａに関連して説明したように、円錐孔および係合要素の配置は、種々の方向における運動を可能にするように、種々に選択することができる。例えば、孔は、螺旋状配置に代わって、円状に配置されてもよい。この場合も、周期性をなす多数の方向が存在するので、回転および直進が同時に得られることになる。

図５Ｃは、ラック部材３０の周りの螺旋３５を誇張して描いている円錐孔３４の概略図である。この螺旋は、図５Ｃでは、平面に描かれている。個々のアクチュエータ、特に、その係合要素は、螺旋３５上の（ラック部材３０の周期的構造に対して１２０°の相互位相差をなす）位置において、ラック部材３０に係合するよう配置されている。ドット３６は、ここでは、ギアラックの表面３１の歯の係合の方向に沿った歯端の突起に対応している。これらの点は、各々、歯と関連する螺旋上に位置していることに留意されたい。

動力装置は、例えば、ラック部材３０の軸方向に沿って配置される第２の組のアクチュエータをさらに備えていてもよい。これらのシリンダを用いて、ラック部材３０は、回転することなく、前述した第１の組のアクチュエータを用いるよりも迅速に軸方向に移動することができる。このように、種々の組を用いることによって、種々の運動、すなわち、回転、直動、およびそれらの組合せを達成することができる。

図５の実施形態は、ラック部材３０が動力装置ハウジング３２の貫通孔内に配置されるように修正されてもよいことに留意されたい。その結果、ラック部材３０は、動力装置ハウジング３２内を通って移動し、他の側に出ることができる。従って、ラック部材３０の動的範囲、すなわち、その軸方向変位の範囲が大きく改良されることになる。

図５Ｄ〜図５Ｇは、図５Ａの実施形態の一部を透視した斜視図を示している。ここでは、操作を良好に示すために、種々のアクチュエータの位置が、周方向にずらされている。

図５Ｄでは、３６−３６’’で示されている係合要素のいずれも、円錐孔２４に係合していない。このようなモードでは、係止手段が存在していないなら、ラック部材３０は、動力装置ハウジング３２に対して軸方向に移動することができる。

図５Ｅでは、他の係合要素と同様、空圧シリンダまたは油圧シリンダ（図示せず）のピストンロッドに接続された係合要素３６が、円錐孔２４内に押し込まれている。この孔は、係合要素３６と完全に真っ直ぐに並んでいないので、正味の力が周方向および／または軸方向に生じ、これによって、ラック部材３０を矢印によって示されている方向に移動させている。

次に、係合要素３６に対応する空圧シリンダまたは油圧シリンダが作動停止されるか、または係合要素３６を能動的に引き上げることになる。後者の場合、種々のアクチュエータを制御する制御ユニットは、油圧シリンダまたは空圧シリンダの作動を逆転させることが可能になっている必要がある。換言すれば、伸張ストロークの制御に加えて、他のアクチュエータを制御するタイミングを考慮しながら、伸張ストロークの制御と同じように後退ストロークを周期的に制御することが可能になっている必要がある。

係合要素３６を関連する円錐孔から後退させた後または後退と同時に、係合要素３６’’が円錐孔に係合されることになる（図５Ｆ参照）。ここでも、この係合によって、軸方向および／周方向運動が生じることになる。図５Ｇに示されているように、前述したのと同じことが、係合要素３６’に対して繰り返されることになる。

係合要素３６’が向き合っている円錐孔内に完全に挿入された時点で、円錐孔に対する係合要素３６の位置は、図５Ｄに示されている位置と同じになる。これによって、同じ一連の運動を繰り返し、その結果として、単一の連続運動を得ることができる。

図６は、図１のロボットアーム装置の一変形形態を示している。ここでは、第１のフレーム部２は、貫通孔３７を備えており、該貫通孔内に、ボールジョイント３８が取り付けられている。ボールジョイント３８は、歯部材３２と第１のフレーム部２との間の接続を容易にするものである。この目的を達成するために、ボールジョイント３８は、それ自体、貫通孔３９を備えており、該貫通孔３９内に、歯部材３２が固定して接続されている。特に、もし歯部材３２にも前述したような貫通孔が配置されている場合には、多目的ロボットアーム装置が達成されることになる。第１のフレーム部２と第２のフレーム部３との間の脚、すなわち、動力装置は、極めて小形化することができるので、ロボットアーム装置は、極めて高い動的範囲を有することになる。

図７は、本発明によるロボットアーム装置の用途を示している。ここでは、この装置は、ベッド上の患者４０の近傍に取り付けられている。ロボットアーム装置およびそこに配置されたニードルガイドは、初期位置に配置され、次いで、ＭＲＩスキャナー４１を用いて、ＭＲＩ画像が記録されることになる。

ＭＲＩスキャナーの近傍にどのような金属物も配置されてはならないことに留意することが重要である。これによって、ロボットアーム装置を実現するための構成要素および材料の選択肢が狭められることになる。図７では、空圧シリンダが動力装置のアクチュエータとして用いられており、ロボットアーム装置の各構成要素は、非磁性、非磁化性、および非導電性の材料から作製されている。

空圧シリンダの作動は、電空弁によって遠隔的に行われるようになっている。外科医がロボットアーム装置を患者の近くに配置し、大まかに設定したとき、そこからロボットアーム装置の遮断および解除を調整することができるようになっていると望ましい。これは、装置自体に配置された制御キーによって行われることになる。これらは、キーの形態にある弁であり、弁に接続された導管に圧力が加えられるかまたは該導管から圧力が排除されることになる。導管内の圧力は、遠隔的に、すなわち、ＭＲＩ環境から離れて検出されるようになっており、検出結果を用いて、圧縮空気を空圧シリンダに供給するようになっている。

空圧シリンダは、好ましくは、圧縮空気によって駆動されるようになっている。シリンダ当たりわずかに約３ｍｍの変位しか必要とされないので、空気消耗は、ゼロである。従って、小型の静粛な圧縮機で十分である。各シリンダは、それ自体の細い圧縮空気ラインを有しており、これらの圧縮空気ラインは、束ねられ、圧縮空気ユニットに接続されている。このユニットは、圧縮機、圧力調整器、圧力センサ、真空ポンプ、電空弁、およびコンピュータ信号を電空弁の使用可能な作動に変換するための電子機器を備えている。

所望の運動を得るために、電空弁が圧縮空気ユニットによって作動されるようになっている。脚の長さを変化させることによって生じるロボットアーム装置の運動は、直線的ではない。すなわち、決定された脚の伸張は、他の脚の位置に依存して、ロボットアーム装置の位置に種々の影響を及ぼすことになる。しかし、この非直線性は、数学的に予測可能であり、ソフトウエアによって補償されることになる。変位の距離は、本発明による動力装置を用いることによって、予想可能である。従って、ロボットアーム装置によって、定義可能な経路を規定することが可能である。ＭＲＩとロボットアーム装置を連結させることによって、ロボットアーム装置の位置および状態が確立された時点で、対象物を決定された区域に存在させることが可能である。もしＭＲＩ上に認識可能な構造体（例えば、ニードルガイド）が、ロボットアーム装置によって制御され、スクリーンに表示されている場合には、圧縮空気ユニットによって作動される一連の動力装置が、ロボットアーム装置が位置し、かつ延長部、すなわち、アームを用いることができる場所を正確に決定することができる。

ロボットアーム装置を手動操作した後では、ロボットアーム装置の位置および状態は、例えば、もはや既知のものではない。従って、認識手順が必要である。１つまたは複数の動力装置は、例えば、決定された方向において、２０回のパルスを受けることになる。第１のフレーム部の正確な位置およびロボットアーム装置の状態は、ニードルガイドの変位から、第２のフレーム部およびアームの相対的な位置として導くことができる。いったんこれが既知のものとなれば、ニードルガイドのどのような変位も、圧縮空気ユニットによって予測可能になり、かつ調整可能にある。

当業者であれば、以下の請求項に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書において説明した実施形態に対して、種々の修正を行うことができることを理解するべきである。

Claims (17)

1. 動力装置システムにおいて、
   動力装置であって、
   −表面に構造を備えるラック部材であって、前記構造は、少なくとも１つの方向においてギア要素の周期的な配置を有しているラック部材と、
   −前記少なくとも１つの方向の１つの方向に対して配置された多数のアクチュエータの組を含む歯部材であって、前記アクチュエータの各々は、前記ギア要素に係合するように形作られた係合要素と、前記係合要素を前記周期的構造に対して前後に移動させるように駆動するための駆動ユニットとを備えており、前記係合要素は、少なくとも前記ギア要素に向かう前記移動中の一部において、前記ギア要素に係合し、前記少なくとも１つの方向の前記１つの方向において、前記ラック部材と前記歯部材との間に相対的運動を生じさせるようになっており、前記アクチュエータの各々は、その互いに異なる減位相において前記周期的構造に係合するように、互いに離間して配置されている歯部材と、
   を有している動力装置と、
   前記アクチュエータの組における各アクチュエータの各駆動ユニットを互いに時間をずらして作動するように周期的に制御するための制御ユニットと、
   を備えていることを特徴とする、動力装置システム。
2. 前記ギア要素、前記アクチュエータの組におけるアクチュエータの数、前記制御ユニット、および前記アクチュエータの位置決めは、前記制御ユニットが前記周期的制御の一期間にわたって前記アクチュエータの各々を制御した後、前記歯部材と前記ラック部材との間の相対的運動が前記少なくとも１つの方向の前記１つの方向における前記ギア要素の長さに等しいかまたは該長さを超えるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の動力装置システム。
3. 前記ギア要素の配置は、少なくとも二次元において周期的になっており、前記アクチュエータは、前記少なくとも二次元の各々に対して一組のアクチュエータをさらに備えていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
4. 前記ラック部材は、前記ギア要素を有する本体を備えており、前記ギア要素は、前記本体の全周に周期的に配置されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
5. 前記ラック部材は、実質的に円筒形状を有しており、前記円筒形状は、前記円筒の周面に前記周期的配置を備えており、前記歯部材は、前記ラック部材の少なくとも一部を受け入れるための円形開口を有するハウジングを備えており、前記アクチュエータの組は、前記ラック部材に対して半径方向に配置されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
6. 前記円形開口は、前記ハウジングの円形の貫通孔によって形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の動力装置システム。
7. 前記ギア要素は、前記円筒形状の周りに螺旋経路に沿って分配されていることを特徴とする、請求項５または６に記載の動力装置システム。
8. 前記制御ユニットは、少なくとも１つの動力が供給された係合要素が前記動力装置の操作中の各点において前記表面構造に係合すべく、前記アクチュエータの組内の前記駆動ユニットを制御するように構成されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
9. 各アクチュエータの前記駆動ユニットは、動力供給状態では、前記係合要素を前記ラック部材に向かって移動させるために、前記係合要素に動力を供給するように作動し、動力停止状態では、前記係合要素を前記ラック部材から離れる方に移動させるように作動するように構成されており、前記駆動ユニットは、前記動力停止状態において少なくとも作用可能になる弾性部材であって、前記係合要素を前記ラック部材から離れる方に付勢するように構成されている弾性部材を備えており、および／または前記駆動ユニットは、前記動力停止状態において、前記係合要素に本質的に力を加えることなく、前記係合要素が前記ラック部材から離れる方に移動することを可能にするように構成されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
10. 前記ギア要素は、前記ラック部材の表面の円錐空洞から構成されており、前記係合要素は、対応する円錐突起を有していることを特徴とする先行する、請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
11. 前記組に属する少なくともｎ個のアクチュエータを備えており、ｎは、２を超えるかまたは２と等しく、前記それぞれのアクチュエータは、略ｍ×３６０／ｎ（ただし、ｍ＝１、・・・、ｎ）の減位相で前記表面構造に係合するように配置されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
12. 前記駆動ユニットは、作動可能なピストン式シリンダを備えており、前記作動可能なシリンダは、シリンダハウジングおよび該シリンダハウジング内において移動可能なピストンを有しており、前記係合要素は、前記ピストンの端に配置されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の動力装置システム。
13. ロボットアーム装置において、
    前記ロボットアーム装置用の支持体に取付け可能または載置可能になっている第１のフレーム部と、
    前記第１のフレーム部に連結された第２のフレーム部と、
    前記第１および第２のフレーム部の相互配向および／または距離を変更させるための先行する請求項のいずれかに記載の動力装置であって、前記動力装置の前記歯部材が前記第１および第２のフレームの一方に連結されており、前記ラック部材は、前記第１および第２のフレーム部の他方に連結されている動力装置と、
    先行する請求項のいずれかに記載の制御ユニットと、
    を備えていることを特徴とする、ロボットアーム装置。
14. 前記ロボットアーム装置は、スチュワート・プラットフォームを形成するように配置された請求項１〜１２のいずれかに記載の少なくとも６つの動力装置を備えていることを特徴とする、請求項１３に記載のロボットアーム装置。
15. 前記第１および／または第２のフレーム部は、前記動力装置の前記歯部材または前記ラック部材を受け入れるための貫通孔を備えていることを特徴とする、請求項５に依存している限りにおいて、請求項１３または１４に記載のロボットアーム装置。
16. ヒンジ、好ましくは、ボールジョイントを備えており、前記ヒンジは、貫通孔を有しており、前記貫通孔内において、前記歯部材または前記ラック部材が前記ヒンジに固定して接続されており、前記ヒンジは、前記歯部材または前記ラック部材を前記第１および／または第２のフレーム部にヒンジ接続するように構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載のロボットアーム装置。
17. 請求項１〜１２のいずれかに記載の動力装置であって、前記駆動ユニットが外部から制御可能になっていることを特徴とする、動力装置。

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