JP2015146941A - 牽引バランス調整機構、マニピュレータ及びマニピュレータシステム - Google Patents

牽引バランス調整機構、マニピュレータ及びマニピュレータシステム Download PDF

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Abstract

【課題】 動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させる牽引バランス調整機構、マニピュレータ及びマニピュレータシステムを提供する。【解決手段】 牽引バランス調整機構１は、少なくとも１自由度で動作する可動部２と、可動部２に接続されるワイヤ７と、ワイヤ７の一方を引っ張り、他方を押し出す牽引部６と、を備え、牽引部６が一方のワイヤ７を引っ張る長さは、他方のワイヤ７を押し出す長さよりも長いことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤを引っ張り及び送り出しすることによって先端部材を操作する装置に対するワイヤを牽引する際のバランスを調整する牽引バランス調整機構、マニピュレータ及びマニピュレータシステムに関する。
従来から、ワイヤを引っ張り及び送り出しすることによって先端部の湾曲状態を操作するマニピュレータがある。ワイヤ駆動の場合、引っ張り側のワイヤには伸びが発生する。そのため、引っ張り側と送り出し側を同じストロークで行うと、送り出し側のワイヤに弛みが生じ、経路の逸脱等の不具合が発生するおそれがあった。
特許文献１には、湾曲部を操作する場合に操作ワイヤにたるみが生じることを防止して良好な操作感を得るために、操作ワイヤの基端が固定されたプーリの巻き取り部分の中心軸をプーリの回転中心軸に対して偏心した技術が開示されている。
特開２００８−１４２１９９号公報
特許文献１に記載された技術では、プーリの回転角度が９０°までは、ワイヤが引っ張られる量が送り出される量より多いが、プーリの回転角度が９０°より大きくなると、ワイヤが送り出される量が引っ張られる量より多くなる。したがって、プーリの回転角度が９０°より大きい場合、送り出し側のワイヤに弛みが生じるおそれがあった。
本発明にかかる一実施形態は、上記課題に着目してなされたものであり、動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させる牽引バランス調整機構、マニピュレータ及びマニピュレータシステムを提供することにある。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構は、
少なくとも１自由度で動作する可動部と、
前記可動部に接続される動力伝達部材と、
前記動力伝達部材の一方を引っ張り、他方を押し出す牽引部と、
を備え、
前記牽引部が一方の前記動力伝達部材を引っ張る長さは、他方の前記動力伝達部材を押し出す長さよりも長い
ことを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構では、
前記牽引部が一方の前記動力伝達部材を引っ張る長さの変化量は、一定又は増加する。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構では、
前記変化量は常に増加する。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構では、
前記変化量は一定の割合で増加する。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構では、
前記牽引部は、所定の軸に対して回転可能なプーリからなり、
前記プーリは、
前記動力伝達部材を巻き取る螺旋状の巻取部と、
を有し、
前記巻取部は、
前記軸からの距離が最も短い最小径部と、
前記軸からの距離が最も長い最大径部と、
を有する。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構では、
前記動力伝達部材は、少なくとも一対の第１動力伝達部材及び第２動力伝達部材を含み、
前記可動部は、
前記第１動力伝達部材の一端を接続する第１接続部と、
前記第２動力伝達部材の一端を接続する第２接続部と、
を有し、
前記プーリは、
第１最大径部を有し前記第１動力伝達部材を巻き取る第１巻取部と、
第２最大径部を有し前記第２動力伝達部材を巻き取る第２巻取部と、
を有し、
前記最小径部は、
前記第１巻取部に巻かれた前記第１動力伝達部材の他端を取り付ける第１取付部に隣接した第１最小径部と、
前記第２巻取部に巻かれた前記第２動力伝達部材の他端を取り付ける第２取付部に隣接した第２最小径部と、
を有する。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構では、
前記牽引部は、
所定の軸に対して回転可能な駆動歯車と、
前記駆動歯車に噛み合う第１従動歯車及び第２従動歯車を含み、
前記動力伝達部材は、少なくとも一対の第１動力伝達部材及び第２動力伝達部材を含み、
前記可動部は、
前記第１動力伝達部材の一端を接続する第１接続部と、
前記第２動力伝達部材の一端を接続する第２接続部と、
を有し、
前記第１従動歯車は、前記第１動力伝達部材を巻き取る第１巻取部と、
前記第２従動歯車は、前記第２動力伝達部材を巻き取る第２巻取部と、
を有し、
前記第１巻取部は、前記第１動力伝達部材の他端を取り付ける第１取付部に隣接した第１最小径部と、最も外周に位置する第１最大径部と、を有し、
前記第２巻取部は、前記第２動力伝達部材の他端を取り付ける第２取付部に隣接した第２最小径部と、最も外周に位置する第２最大径部と、を有する。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構では、
前記牽引部は、
所定の軸に対して回転可能な駆動歯車と、
前記駆動歯車に噛み合う第１従動部材及び第２従動部材を含み、
前記動力伝達部材は、少なくとも一対の第１動力伝達部材及び第２動力伝達部材を含み、
前記可動部は、
前記第１動力伝達部材の一端を接続する第１接続部と、
前記第２動力伝達部材の一端を接続する第２接続部と、
を有し、
前記第１従動部材は、前記第１動力伝達部材を取り付ける第１取付部と、
前記第２従動部材は、前記第２動力伝達部材を取り付ける第２取付部と、
を有し、
前記駆動歯車は、
第１駆動最小径部及び第１駆動最大径部が形成された第１駆動歯車と、
第２駆動最小径部及び第２駆動最大径部が形成された第２駆動歯車と、
からなり、
前記第１動力伝達部材の延伸方向の直線が常に同じ位置にあるように、前記第１従動部材の歯の傾斜割合と前記第１駆動歯車の径の増減割合とを対応させ、
前記第２動力伝達部材の延伸方向の直線が常に同じ位置にあるように、前記第２従動部材の歯の傾斜割合と前記第２駆動歯車の径の増減割合とを対応させる。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構は、
前記可動部を回動可能に支持する連結部と、
前記連結部を支持する支持部材、前記支持部材に対して所定の第１軸に回動可能に取り付けられる第１枠部材、及び前記第１枠部材に対して第１軸とは異なる所定の第２軸に回動可能に取り付けられる第２枠部材を有するジンバル機構と、
を備え、
前記牽引部は、前記第１枠部材に取り付けられる。
本発明の一実施形態に係るマニピュレータは、
前記牽引部を駆動する駆動部と、
前記駆動部を作動することによって前記可動部の向きを操作する操作部と、
前記牽引バランス調整機構と、
を備える
ことを特徴とする。
本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムは、
前記マニピュレータと、
前記マニピュレータを制御するシステム制御部と、
前記マニピュレータにより取得された画像を表示する表示部と、
を備え、
前記マニピュレータは、内視鏡を含み、
前記システム制御部は、前記内視鏡により取得された画像を前記表示部に表示させる
ことを特徴とする。
この態様に係る牽引バランス調整機構、マニピュレータ及びマニピュレータシステムによれば、動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
本実施形態の牽引バランス調整機構１の概略図を示す。 第１実施形態の牽引部６の概略図を示す。 図２を反対側から見た図を示す。 第１実施形態の牽引部６の作動状態の概略図を示す。 第１実施形態の牽引部６の図４とは異なる作動状態の概略図を示す。 第２実施形態の牽引部６の概略図を示す。 第３実施形態の牽引部６の概略図を示す。 第４実施形態の牽引部６の概略図を示す。 第５実施形態の牽引部６の概略図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１０の概略図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１０の可動部２０の拡大図を示す。 本実施形態のマニピュレータシステムの一例を示す図である。 本実施形態のマニピュレータシステムの一例のブロック図である。
以下、実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の牽引バランス調整機構１の概略図を示す。
牽引バランス調整機構１は、可動部２と、連結部３と、操作部４と、駆動部５と、牽引部６と、ワイヤ７と、を備える。
可動部２は、筒状の部材であって、可動部２と連結部３を貫通する軸部材２ｃを中心に回転可能に取り付けられる。可動部２は、ワイヤ７の一端が取り付けられるワイヤ取付部２ａ，２ｂを有する。連結部３は、筒状の部材であって、操作部４と可動部２を連結し、内側にワイヤ７が挿通される。
操作部４は、操作者が手で握るグリップ４１と、グリップ４１に形成され、可動部２の動作を指示するジョイスティック等を有する動作指示部４２と、を有する。
グリップ４１は、本実施形態では、円柱状に形成しているが、握りやすい形状であればどんな形状でもよい。動作指示部４２は、ポテンショメータを使用したジョイスティックのように突出した棒状のレバーを倒すことで、倒した方向に可動部２を屈曲させる。なお、動作指示部４２は、ポインティングデバイス又はタッチパッド等を用いてもよい。
駆動部５は、操作部４のグリップ４１内に内蔵される。駆動部５は、ワイヤ７の他端が取り付けられた牽引部６を駆動し、ワイヤ７を引っ張り及び送り出し可能なアクチュエータ等を有する。
なお、駆動部５は、牽引部６と共に連結部３に内蔵してもよい。第１実施形態の駆動部４を構成するアクチュエータは、ワイヤ７を牽引部６で巻き取り及び送り出し可能にするモータ等を用いればよい。
図２は、第１実施形態の牽引部６の概略図を示す。図３は、図２を反対側から見た図を示す。
第１実施形態の牽引部６は、駆動部５が駆動することによって回転可能なプーリ６１でよい。プーリ６１は、第１ワイヤ７ａの他端を取り付ける第１ワイヤ取付部６１ａ、第２ワイヤ７ｂの他端を取り付ける第２ワイヤ取付部６１ｂ、及び回転中心の中心軸部６１ｃを有する。
また、プーリ６１は、中心軸部６１ｃの軸方向の一方から他方へ順に、第１表面部６１1、第１巻取部６１2、中間部６１3、第２巻取部６１4、及び第２表面部６１5を有する。第１表面部６１1、中間部６１3、及び第２表面部６１5は、円形で板状の部分でよい。
第１巻取部６１2は、第１表面部６１1と中間部６１3の間で第１表面部６１1と中間部６１3より径が小さい部分である。そして、第１ワイヤ取付部６１ａは、第１巻取部６１2の外周６１2aの径が最も小さい第１最小径部６１2min付近に形成される。
第１巻取部６１2の外周６１2aの径は、最も径の小さい第１最小径部６１2minから最も径の大きい第１最大径部６１2maxにかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。このような構成とすることで、安定して作動させることが可能となる。
特に、第１巻取部６１2の外周６１2aの径は、最も径の小さい第１最小径部６１2minから最も径の大きい第１最大径部６１2maxにかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。このような構成とすることで、より安定して作動させることが可能となる。
第２巻取部６１4は、中間部６１3と第２表面部６１5との間で中間部６１3と第２表面部６１5より径が小さい部分である。そして、第２ワイヤ取付部６１ｂは、第２巻取部６１4の外周６１4aの径が最も小さい第２最小径部６１4min付近に形成される。
第２巻取部６１4の外周６１4aの径は、最も径の小さい第２最小径部６１4minから最も径の大きい第２最大径部６１4maxにかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。このような構成とすることで、安定して作動させることが可能となる。
特に、第２巻取部６１4の外周６１4aの径は、最も径の小さい第２最小径部６１4minから最も径の大きい第２最大径部６１4maxにかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。このような構成とすることで、より安定して作動させることが可能となる。
図４は、第１実施形態の牽引部６の作動状態の概略図を示す。図５は、第１実施形態の牽引部６の図４とは異なる作動状態の概略図を示す。
図２に示した状態から図４に示す状態のように、第１ワイヤ７ａを巻き取る方向にプーリ６１を回転させると、第１ワイヤ７ａは、第１巻取部６１2の外周６１2aに巻き取られ、第２ワイヤ７ｂは、第２巻取部６１4の外周６１4aから送り出される。図２の状態から図４の状態へプーリ６１が回転する過程では、第１ワイヤ７ａを巻き取る第１巻取部６１2の外周６１2aの径は、第２ワイヤ７ｂを送り出す第２巻取部６１4の外周６１4aの径よりも大きいため、第１ワイヤ７ａが巻き取られる長さは、第２ワイヤ７ｂが送り出される長さよりも長い。
同様に、図４の状態から図５の状態へプーリ６１が回転する過程では、第１ワイヤ７ａを巻き取る第１巻取部６１2の外周６１2aの径は、第２ワイヤ７ｂを送り出す第２巻取部６１4の外周６１4aの径よりも大きいため、第１ワイヤ７ａが巻き取られる長さは、第２ワイヤ７ｂが送り出される長さよりも長い。
したがって、送り出される第２ワイヤ７ｂが弛むことなく、可動部２を作動させることができ、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
図６は、第２実施形態の牽引部６の概略図を示す。
第２実施形態の牽引部６は、図６に示すように、円筒の軸方向中央部分の径が両端の径より小さい糸巻き状のプーリ６２である。プーリ６２は、駆動部５が駆動させることによって中心軸６２ｃを中心に回転可能である。プーリ６２の外周面には、螺旋状の溝からなる巻取部６２ａが形成される。
巻取部６２ａの径は、軸方向の中心に位置する最も径の小さい最小径部６２ａminから両端の最も径の大きい最大径部６２ａmaxにかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。特に、巻取部６２ａの径は、最も径の小さい最小径部６２ａminから第１ワイヤ部７ａ側で最も径の大きい第１最大径部６２ａmax1及び第２ワイヤ部７ｂ側で最も径の大きい第２最大径部６２ａmax2にかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
巻取部６２ａには、ワイヤ７が巻かれる。図１に示したように、ワイヤ７の端部は、可動部のワイヤ取付部２ａ，２ｂに取り付けられる。この際、プーリ６２の最小径部６２ａminの位置にワイヤ７の中間点７ｃが配置され、一方を第１ワイヤ部７ａ、他方を第２ワイヤ部７ｂとして巻かれることが好ましい。
なお、ワイヤ７は、巻取部６２ａ上で滑らないように巻かれることが好ましい。一例として、所定の箇所にガイドを設けたり、ワイヤ７と巻取部６２ａの摩擦力を大きくするとよい。
また、ワイヤ７を第１ワイヤ７ａと第２ワイヤ７ｂで２本に分けてもよい。ワイヤ７を２本に分けた場合、それぞれのワイヤ７の端部は、プーリ６２の最小径部６２ａminの位置に取り付ける必要はない。例えば、第１ワイヤ７ａは最小径部６２ａminから第１最大径部６２ａmax1までに形成された第１巻取部６２ａ1の任意の位置に設定された図示しない第１ワイヤ取付部に取り付けられ、第２ワイヤ７ｂは最小径部６２ａminから第２大径部６２ａmax2までに形成された第２巻取部６２ａ2の任意の位置に設定された図示しない第２ワイヤ取付部に取り付けられてもよい。
次に、第２実施形態の牽引部６の作動について説明する。
第１ワイヤ７ａを巻き取る方向にプーリ６２を回転させると、第１ワイヤ７ａは、第１巻取部６２ａ1に巻き取られ、第２ワイヤ７ｂは、第２巻取部６２ａ2から送り出される。第１ワイヤ７ａを巻き取る第１巻取部６２ａ1の径は、大きくなり、第２ワイヤ７ｂを送り出す第２巻取部６２ａ2の径は小さくなるため、第１ワイヤ７ａが巻き取られる長さは、第２ワイヤ７ｂが送り出される長さよりも長い。
したがって、送り出される第２ワイヤ７ｂが弛むことなく、図１に示した可動部２を作動させることができ、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
図７は、第３実施形態の牽引部６の概略図を示す。
第３実施形態の牽引部６は、図７に示すように、外周の径が１周で異なる異形歯車６３を用いる。第１駆動歯車６３ａ1及び第２駆動歯車６３ｂ1は、駆動部５が駆動させることによって共通の中心軸６３ｃを中心に回転可能である。
第１駆動歯車６３ａ1の径は、最も径の小さい第１駆動歯車最小径部６３ａmin1から最も径の大きい第１駆動歯車最大径部６３ａmax1にかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。特に、第１駆動歯車６３ａ1の径は、最も径の小さい第１駆動歯車最小径部６３ａmin1から最も径の大きい第１駆動歯車最大径部６３ａmax1にかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
第２駆動歯車６３ｂ1の径は、最も径の小さい第２駆動歯車最小径部６３ｂmin1から最も径の大きい第２駆動歯車最大径部６３ｂmax1にかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。特に、第２駆動歯車６３ｂ1の径は、最も径の小さい第２駆動歯車最小径部６３ｂmin1から最も径の大きい第２駆動歯車最大径部６３ｂmax1にかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
第１従動歯車６３ａ2は、第１駆動歯車６３ａ1に噛み合い、第１駆動歯車６３ａ1が駆動されることによって、駆動中心軸６３ｃと平行な第１従動中心軸６３ａｃを中心に回転する。第１従動歯車６３ａ2の径の増加割合は、第１駆動歯車６３ａ1の径と対応して形成される。一例として、第１駆動歯車６３ａ1の中心軸６３ｃから第１従動歯車６３ａ2の第１従動中心軸６３ａｃまでの距離が一定のままで噛み合い回転することが好ましい。
第１従動歯車６３ａ2の歯には、溝からなる第１巻取部６３ａ3が形成される。第１巻取部６３ａ3の径は、最も径の小さい第１巻取部最小径部６３ａmin3から最も径の大きい第１巻取部最大径部６３ａmax3にかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない。特に、第１巻取部６３ａ3の径は、最も径の小さい第１巻取部最小径部６３ａmin3から最も径の大きい第１巻取部最大径部６３ａmax3にかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
第１従動歯車６３ａ2は、一端が図１に示した可動部２に取り付けられた第１ワイヤ７ａの他端を取り付ける第１ワイヤ取付部６３ａ4を有する。第１ワイヤ７ａは、第１巻取部６３ａ3に巻き掛けられる。
第２従動歯車６３ｂ2は、第２駆動歯車６３ｂ1に噛み合い、第２駆動歯車６３ｂ1が駆動されることによって、駆動中心軸６３ｃと平行な第２従動中心軸６３ｂｃを中心に回転する。第２従動歯車６３ｂ2の径の増加割合は、第２駆動歯車６３ｂ1の径と対応して形成される。一例として、第２駆動歯車６３ｂ1の中心軸６３ｃから第２従動歯車６３ｂ2の第２従動中心軸６３ｂｃまでの距離が一定のままで噛み合い回転することが好ましい。
第２従動歯車６３ｂ2の歯には、溝からなる第２巻取部６３ｂ3が形成される。第２巻取部６３ｂ3の径は、最も径の小さい第２巻取部最小径部６３ｂmin3から最も径の大きい第２巻取部最大径部６３ｂmax3にかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない。特に、第２巻取部６３ｂ3の径は、最も径の小さい第２巻取部最小径部６３ｂmin3から最も径の大きい第２巻取部最大径部６３ｂmax3にかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
第２従動歯車６３ｂ2は、一端が図１に示した可動部２に取り付けられた第２ワイヤ７ｂの他端を取り付ける第２ワイヤ取付部６３ｂ4を有する。第２ワイヤ７ｂは、第２巻取部６３ｂ3に巻き掛けられる。
次に、第３実施形態の牽引部６の作動について説明する。
第１ワイヤ７ａを巻き取る方向に第１駆動歯車６３ａ1を回転させ、第２ワイヤ７ｂを送り出す方向に第２駆動歯車６３ｂ1を回転させると、第１ワイヤ７ａは、第１従動歯車６３ａ2の第１巻取部６３ａ3に巻き取られ、第２ワイヤ７ｂは、第２従動歯車６３ｂ2の第２巻取部６３ｂ3から送り出される。第１ワイヤ７ａを巻き取る第１巻取部６３ａ3の径は、大きくなり、第２ワイヤ７ｂを送り出す第２巻取部６３ｂ3の径は小さくなるため、第１ワイヤ７ａが巻き取られる長さは、第２ワイヤ７ｂが送り出される長さよりも長い。
したがって、送り出される第２ワイヤ７ｂが弛むことなく、図１に示した可動部２を作動させることができ、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
図８は、第４実施形態の牽引部６の概略図を示す。
第４実施形態の牽引部６は、図８に示すように、外周の径が異なる異形のピニオン部材と歯の部分が傾斜したラック部材を用いる異形ラックアンドピニオン機構。異形のピニオン部材としての第１駆動歯車６４ａ1及び第２駆動歯車６４ｂ1は、図１に示した駆動部５が駆動させることによって共通の中心軸６４ｃを中心に回転可能である。歯の部分が傾斜したラック部材としての第１従動部材６４ａ2及び第２従動部材６４ｂ2は、それぞれ第１駆動歯車６４ａ1及び第２駆動歯車６４ｂ1と噛み合う。
第１駆動歯車６４ａ1の径は、最も径の小さい第１駆動歯車最小径部６４ａmin1から最も径の大きい第１駆動歯車最大径部６４ａmax1にかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。特に、第１駆動歯車６４ａ1の径は、最も径の小さい第１駆動歯車最小径部６４ａmin1から最も径の大きい第１駆動歯車最大径部６４ａmax1にかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
第２駆動歯車６４ｂ1の径は、最も径の小さい第２駆動歯車最小径部６４ｂmin1から最も径の大きい第２駆動歯車最大径部６４ｂmax1にかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。特に、第２駆動歯車６４ｂ1の径は、最も径の小さい第２駆動歯車最小径部６４ｂmin1から最も径の大きい第２駆動歯車最大径部６４ｂmax1にかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
第１従動部材６４ａ2は、図１に示した可動部２に一端が取り付けられた第１ワイヤ７ａの他端を取り付ける第１ワイヤ取付部６４ａ4を有する。第１従動部材６４ａ2は、第１駆動歯車６４ａ1に噛み合い、第１駆動歯車６４ａ1が駆動されることによって、駆動中心軸６４ｃに直交する方向の面内で直線上を移動する。一例として、第１ワイヤ７ａの延伸方向の直線７ａｃが常に同じ位置にあるように、第１従動部材６４ａ2の歯の傾斜割合と第１駆動歯車６３ａ1の径の増減割合とを対応させて形成することが好ましい。そのため、第１従動部材６４ａ2を第１ワイヤ７ａの延伸方向の直線７ａｃ上で移動させるための図示しないガイド部材を用いてもよい。
第２従動部材６４ｂ2は、図１に示した可動部２に一端が取り付けられた第２ワイヤ７ｂの他端を取り付ける第２ワイヤ取付部６４ｂ4を有する。第２従動部材６４ｂ2は、第２駆動歯車６４ｂ1に噛み合い、第２駆動歯車６４ｂ1が駆動されることによって、駆動中心軸６４ｃに直交する方向の面内で直線上を移動する。一例として、第２ワイヤ７ｂの延伸方向の直線７ｂｃが常に同じ位置にあるように、第２従動部材６４ｂ2の歯の傾斜割合と第２駆動歯車６３ｂ1の径の増減割合とを対応させて形成することが好ましい。そのため、第２従動部材６４ｂ2を第２ワイヤ７ｂの延伸方向の直線７ｂｃ上で移動させるための図示しないガイド部材を用いてもよい。
次に、第４実施形態の牽引部６の作動について説明する。
第１ワイヤ７ａが第１従動部材６４ａ2側に引っ張られる方向に、第１駆動歯車６４ａ1及び第２駆動歯車６４ｂ1をそれぞれ回転させると、第２従動部材６４ｂ2は第２ワイヤ７ｂによって引っ張られる。第１ワイヤ７ａを引っ張る側の第１駆動歯車６４ａ1の径は、回転するほど小さくなり、第２ワイヤ７ｂを送り出す第２巻取部６３ｂ3の径は小さくなるため、第１ワイヤ７ａが引っ張られる長さは、第２ワイヤ７ｂが送り出される長さよりも長い。
したがって、送り出される第２ワイヤ７ｂが弛むことなく、図１に示した可動部２を作動させることができ、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
図９は、第５実施形態の牽引部６の概略図を示す。
第５実施形態の牽引部６は、図９に示すように、図２に示した第１実施形態の１つのプーリ６１を１本のワイヤ７にそれぞれ対応して２つに分割すると共に、ジンバル機構を用いて図１に示した可動部２が２自由度で作動できる構造としたものである。
第５実施形態の牽引部６は、第１プーリ６５ａ、第２プーリ６５ｂ、第３プーリ６６ａ、及び第４プーリ６６ｂを有する。第１プーリ６５ａと第２プーリ６５ｂは、対向する位置に設けられる。図１に示した可動部２は、第１プーリ６５ａに巻かれた第１ワイヤ７１ａと第２プーリ６５ｂに巻かれた第２ワイヤ７１ｂをそれぞれ押し引きすることで、反対の方向に移動することが可能となる。
なお、第１プーリ６５ａ、第２プーリ６５ｂ、第３プーリ６６ａ、及び第４プーリ６６ｂは、同様の構造をしているので、ここでは、第１プーリ６５ａの構造のみを説明し、その他の説明を省略する。
第１プーリ６５ａは、中心軸部６５ａｃの軸方向の一方から他方へ順に、第１表面部６５ａ1、第１巻取部６５ａ2、及び第２表面部６５ａ3を有する。
第１巻取部６５2は、第１表面部６５1と第２表面部６５ａ3の間で第１表面部６５1と第２表面部６５ａ3より径が小さい部分である。そして、第１ワイヤ取付部６５ａ21は、第１巻取部６５2の外周６５2aの径が最も小さい第１最小径部６５ａ2min付近に形成される。
第１巻取部６５2の外周６５2aの径は、最も径の小さい第１最小径部６５2minから最も径の大きい第１最大径部６５2maxにかけて、少なくとも同じ又は増加し、減少しない構造である。特に、第１巻取部６５2の外周６５2aの径は、最も径の小さい第１最小径部６５2minから最も径の大きい第１最大径部６５2maxにかけて、徐々に増加することが好ましい。さらに、一定の割合で増加することが好ましい。
第５実施形態の牽引部６は、ジンバル機構８に取り付けられる。ジンバル機構８は、支持部材８０と、支持部材８０に対して所定の軸に回動可能に取り付けられる第１枠部材８１と、第１枠部材８１に対して所定の軸に回動可能に取り付けられる第２枠部材８２と、を有する。
第１枠部材８１は、支持部材８０に対して所定の軸に揺動可能に支持される。また、第１枠部材８１は、牽引部６を回転可能に支持する。第５実施形態では、第１枠部材８１に第１プーリ６５ａから第４プーリ６６ｂがそれぞれ９０°毎に取り付けられている。なお、第１プーリ６５ａから第４プーリ６６ｂは、図示しない駆動部によってそれぞれ駆動される。
第２枠部材８２は、第１枠部材８１の内側に、第１枠部材８１が支持部材８０に支持される軸に対して直交する軸に揺動可能に支持される。第２枠部材８２には、連結部３及び操作部４の少なくとも１つが取り付けられる。したがって、連結部３及び操作部４は、支持部材８０に対して２自由度で作動することが可能となる。
第１プーリ６５ａから第４プーリ６６ｂに巻かれた各ワイヤ７は、方向転換のためのプーリ又はガイド等を介して連結部３の内側を経て可動部２へ導かれる。
図５実施形態の牽引バランス調整機構１では、第１ワイヤ７１ａを巻き取る方向に第１プーリ６５ａを回転させると、第１ワイヤ７１ａは、第１巻取部６５ａ2の外周６５ａ2aに巻き取られ、第２ワイヤ７１ｂは、第２プーリ６５ｂから送り出される。この場合、第１ワイヤ７１ａを巻き取る第１巻取部６５ａ2の外周６５ａ2aの径は、第２ワイヤ７１ｂを送り出す図示しない第２巻取部の外周の径よりも大きいため、第１ワイヤ７１ａが巻き取られる長さは、第２ワイヤ７１ｂが送り出される長さよりも長い。
したがって、送り出される第２ワイヤ７１ｂが弛むことなく、可動部２を作動させることができ、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、操作性が向上し、的確に作動させることが可能となる。
なお、第１プーリ６５ａ、第２プーリ６５ｂ、第３プーリ６６ａ、及び第４プーリ６６ｂは、同様の構造をしているので、各ワイヤ７についても同様に作動させることが可能である。
以下、本実施形態のマニピュレータ１０について説明する。
図１０は、本実施形態のマニピュレータ１０の概略図を示す。
本実施形態の内視鏡１０は、可動部２０と、連結部３０と、操作部４０と、を備える。マニピュレータ１０は、先端側に可動部２０、基端側に操作部４０を備える。可動部２０は、体腔内に挿入される部分であって、先端側から順に、先端部２１と、湾曲部２２と、を備える。連結部３０は、可動部２０と操作部４０を連結する部分であって、ワイヤ等が内蔵される。操作部４０は、可動部２０の動き等を操作する。
図１１は、本実施形態のマニピュレータ１０の可動部２０の拡大図を示す。
本実施形態のマニピュレータ１０は、一例として、内視鏡を構成する。先端部２１は、マニピュレータ１０の先端に設けられる円柱状の処置部２１ａと、処置部２１ａに内蔵される処置具２１ｂ及び撮像部２１ｃと、を有する。なお、処置具２１ｂは、対象物を処置する鉗子、電子メス等である。撮像部２１ｂは、対象物を撮像する部分である。また、対象物を照明する図示しない照明部を有してもよい。
湾曲部２２は、略円柱状のコマ部２２ａと、隣り合うコマ部２２ａを所定の角度範囲内で回転可能に連結する関節部２２ｂと、を有する。図１１に示すように、隣り合うコマ部２２ａ及び関節部２２ｂの各組は、真っ直ぐに伸ばした状態での湾曲部２２の軸、すなわち連結部３０の中心軸Ｃを中心に９０°回転させて配設されると好ましい。
湾曲部２２の最も先端側に用いられるコマ部２２ａには、関節部２２ｂを介して先端部２１が取り付けられる。また、湾曲部２２の最も基端側に用いられるコマ部２２ａは、関節部２２ｂを介して連結部３０に連結される。
なお、可動部２０の構造は、これに限らず、種々の変形を加えてもよい。
このような構造によって、本実施形態のマニピュレータ１０では、操作者が操作部４０を操作すると、図１に示した牽引部６に巻き掛けられた各ワイヤ７の一方が牽引される。そして、可動部２０は、ワイヤ７が牽引された側に湾曲し、先端部２１を対象物の方向に向けることが可能となる。
次に、本実施形態のマニピュレータ１０を適用したマニピュレータシステムの一例として手術支援システム９０について説明する。
図１２は、本実施形態のマニピュレータ１を適用した手術支援システム９０を示す。図１３は、本実施形態のマニピュレータ１を適用した手術支援システム９０のシステム構成図を示す。
本実施形態に係る手術支援システム９０は、図１２に示したマニピュレータ１０を適用する。手術支援システム９０は、操作者Ｏにより操作される操作部４０と、、手術台ＢＤ上の患者Ｐの体内、例えば、大腸等の柔らかい臓器内に挿入可能であって、図１１に示した内視鏡等の処置部２１ａが先端に設置された可動部２０を有するマニピュレータ１０と、マニピュレータ１０を制御する制御部９１と、マニピュレータ１０に内蔵された内視鏡等の撮像部２１ｃより取得された画像を表示する表示部９２と、を備えている。
操作部４０は、図１２に示すように、操作台に取り付けられた一対の操作ハンドルと、床面上に配置されたフットスイッチ等を有している。操作部４０は、多関節構造を有してもよい。操作した操作部４０の角度は、エンコーダ等の角度取得部から取得し、その取得した信号によって、図１３に示すように、制御部９１は、ドライバ９１ａを介して処置部２１ａの先端に配設された処置具２１ｂ等を作動させる。
また、撮像部２１ｃによって取得された画像は、制御部９１内の画像処理部９１ｂに出力される。画像処理部９１ｂで処理された画像は、表示部９２に表示される。そして、操作者Ｏは、表示部９２に表示された画像を見ながらマニピュレータ１０を操作する。
このような手術支援システム９０によれば、牽引バランス調整機構１の効果を有すると共に、操作者が求める的確な画像を表示させることができ、操作者がマニピュレータ１０をさらに的確に作動させることが可能となる。
以上、本実施形態に係る牽引バランス調整機構１によれば、少なくとも１自由度で動作する可動部２と、可動部２に接続されるワイヤ７と、ワイヤ７の一方を引っ張り、他方を押し出す牽引部６と、を備え、牽引部６が一方のワイヤ７を引っ張る長さは、他方のワイヤ７を押し出す長さよりも長いので、ワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
本実施形態に係る牽引バランス調整機構１では、牽引部６が一方のワイヤ７を引っ張る長さの変化量は、一定又は増加するので、安定して作動させることが可能となる。
本実施形態に係る牽引バランス調整機構１では、変化量は常に増加するので、より安定して作動させることが可能となる。
本実施形態に係る牽引バランス調整機構１では、変化量は一定の割合で増加するので、より安定して作動させることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る牽引バランス調整機構１では、牽引部６は、所定の軸に対して回転可能なプーリ６１，６２からなり、プーリ６１は、ワイヤ７を巻き取る螺旋状の巻取部６１2，６１4，６２ａ1，６２ａ2を有し、巻取部６１2，６１4，６２ａ1，６２ａ2は、軸６１ｃ，６２ｃからの距離が最も短い最小径部６１2min，６１4min，６２ａminと、軸６１ｃ，６２ｃからの距離が最も長い最大径部６１2max、６１4max，６２ａmax1，６２ａmax2と、を有するので、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
本実施形態に係る牽引バランス調整機構１では、ワイヤ７は、少なくとも一対の第１ワイヤ７ａ及び第２ワイヤ７ｂを含み、可動部２は、第１ワイヤ７の一端を接続する第１接続部２ａと、第２ワイヤ７ｂの一端を接続する第２接続部２ｂと、を有し、プーリ６１は、第１最大径部６１2maxを有し第１ワイヤ７ａを巻き取る第１巻取部６１2と、第２最大径部６１4maxを有し第２ワイヤ７ｂを巻き取る第２巻取部６１4と、を有し、最小径部６１2min，６１4minは、第１巻取部６１2に巻かれた第１ワイヤ７ａの他端を取り付ける第１取付部６１ａに隣接した第１最小径部６１2minと、第２巻取部６１4に巻かれた前記第２ワイヤ７ｂの他端を取り付ける第２取付部６１ｂに隣接した第２最小径部６１4minと、を有するので、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分を迅速に除去し、的確に作動させることが可能となる。
本実施形態に係る牽引バランス調整機構１では、牽引部６は、所定の軸に対して回転可能な駆動歯車６３ａ1，６３ｂ1と、駆動歯車６３ａ1，６３ｂ1に噛み合う第１従動歯車６３ａ2及び第２従動歯車６３ｂ2を含み、ワイヤ７は、少なくとも一対の第１ワイヤ７ａ及び第２ワイヤ７ｂを含み、可動部２は、第１ワイヤ７ａの一端を接続する第１接続部２ａと、第２ワイヤ７ｂの一端を接続する第２接続部２ｂと、を有し、第１従動歯車６３ａ2は、第１ワイヤ７ａを巻き取る第１巻取部６３ａ3を有し、第２従動歯車６３ｂ2は、第２ワイヤ７ｂを巻き取る第２巻取部６３ｂ3を有し、第１巻取部６３ａ3は、第１ワイヤ７ａの他端を取り付ける第１最小径部６３ａmin3と、最も外周に位置する第１最大径部６３ａmax3と、を有し、第２巻取部６３ｂ3は、第２ワイヤ７ｂの他端を取り付ける第２最小径部６３ｂmin3と、最も外周に位置する第２最大径部６３ｂmax3と、を有するので、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
本実施形態に係る牽引バランス調整機構１では、牽引部６は、所定の軸６４ｃに対して回転可能な駆動歯車６４ａ1，６４ｂ1と、駆動歯車６４ａ1，６４ｂ1に噛み合う第１従動部材６４ａ2及び第２従動部材６４ｂ2を含み、ワイヤ７は、少なくとも一対の第１ワイヤ７ａ及び第２ワイヤ７ｂを含み、可動部２は、第１ワイヤ７ａの一端を接続する第１接続部２ａと、第２ワイヤ７ｂの一端を接続する第２接続部２ｂと、を有し、第１従動部材６４ａ2は、第１ワイヤ７ａを取り付ける第１取付部６４ａ4を有し、第２従動部材６４ｂ2は、第２ワイヤ７ｂを取り付ける第２取付部６４ｂ4を有し、駆動歯車６４ａ1，６４ｂ1は、第１駆動最小径部６４ａmin1及び第１駆動最大径部６４ａmax1が形成された第１駆動歯車６４ａ1と、第２駆動最小径部６４ｂmin1及び第２駆動最大径部６４ｂmax1が形成された第２駆動歯車６４ｂ1と、からなり、第１ワイヤ７ａの延伸方向の直線が常に同じ位置にあるように、第１従動部材６４ａ2の歯の傾斜割合と第１駆動歯車６４ａ1の径の増減割合とを対応させ、第２ワイヤ７ｂの延伸方向の直線が常に同じ位置にあるように、第２従動部材６４ｂ2の歯の傾斜割合と第２駆動歯車６４ｂ1の径の増減割合とを対応させるので、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、的確に作動させることが可能となる。
本実施形態に係る牽引バランス調整機構１は、可動部２を回動可能に支持する連結部３と、連結部３を支持する支持部材８０、支持部材８０に対して所定の第１軸に回動可能に取り付けられる第１枠部材８１、及び第１枠部材８１に対して第１軸とは異なる所定の第２軸に回動可能に取り付けられる第２枠部材８２を有するジンバル機構と、を備え、牽引部６は、第１枠部材８１に取り付けられるので、簡単な構造でワイヤ７の動的な余剰部分が発生しないように、操作性が向上し、的確に作動させることが可能となる。
本実施形態に係るマニピュレータ１０は、牽引部６を駆動する駆動部５と、駆動部５を作動することによって可動部２の向きを操作する操作部４０と、牽引バランス調整機構１と、を備えるので、牽引バランス調整機構１の効果に加え、ワイヤ７が牽引された側に可動部２０が迅速に湾曲し、先端部２１を的確に対象物の方向に向けることが可能となる。
本実施形態に係る手術支援システム９０は、マニピュレータ１０と、マニピュレータ１０を制御するシステム制御部９１と、マニピュレータ１０により取得された画像を表示する表示部９２と、を備え、マニピュレータ１０は、撮像部２１ｃを含み、システム制御部９１は、撮像部２１ｃにより取得された画像を表示部９２に表示させるので、牽引バランス調整機構１の効果を有すると共に、操作者が求める的確な画像を表示させることができ、操作者がマニピュレータ１０をさらに的確に作動させることが可能となる。
なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。
１…牽引バランス調整機構
２…可動部
３…連結部
４…操作部
５…駆動部
６…牽引部
６１，６２…プーリ
６３…異形歯車
６４…連動プーリ用ガイド
７…ワイヤ（動力伝達部材）
８…余剰吸収部
１０…マニピュレータ
２０…可動部
２１…先端部
２２…湾曲部
３０…連結部
４０…操作部
９０…手術支援システム（マニピュレータシステム）
９１…制御部
９２…表示部

Claims (11)

  1. 少なくとも１自由度で動作する可動部と、
    前記可動部に接続される動力伝達部材と、
    前記動力伝達部材の一方を引っ張り、他方を押し出す牽引部と、
    を備え、
    前記牽引部が一方の前記動力伝達部材を引っ張る長さは、他方の前記動力伝達部材を押し出す長さよりも長い
    ことを特徴とする牽引バランス調整機構。
  2. 前記牽引部が一方の前記動力伝達部材を引っ張る長さの変化量は、一定又は増加する
    請求項１に記載の牽引バランス調整機構。
  3. 前記変化量は常に増加する
    請求項２に記載の牽引バランス調整機構。
  4. 前記変化量は一定の割合で増加する
    請求項３に記載の牽引バランス調整機構。
  5. 前記牽引部は、所定の軸に対して回転可能なプーリからなり、
    前記プーリは、
    前記動力伝達部材を巻き取る螺旋状の巻取部と、
    を有し、
    前記巻取部は、
    前記軸からの距離が最も短い最小径部と、
    前記軸からの距離が最も長い最大径部と、
    を有する
    請求項１乃至４のいずれか１つに記載の牽引バランス調整機構。
  6. 前記動力伝達部材は、少なくとも一対の第１動力伝達部材及び第２動力伝達部材を含み、
    前記可動部は、
    前記第１動力伝達部材の一端を接続する第１接続部と、
    前記第２動力伝達部材の一端を接続する第２接続部と、
    を有し、
    前記プーリは、
    第１最大径部を有し前記第１動力伝達部材を巻き取る第１巻取部と、
    第２最大径部を有し前記第２動力伝達部材を巻き取る第２巻取部と、
    を有し、
    前記最小径部は、
    前記第１巻取部に巻かれた前記第１動力伝達部材の他端を取り付ける第１取付部に隣接した第１最小径部と、
    前記第２巻取部に巻かれた前記第２動力伝達部材の他端を取り付ける第２取付部に隣接した第２最小径部と、
    を有する
    請求項５に記載の牽引バランス調整機構。
  7. 前記牽引部は、
    所定の軸に対して回転可能な駆動歯車と、
    前記駆動歯車に噛み合う第１従動歯車及び第２従動歯車を含み、
    前記動力伝達部材は、少なくとも一対の第１動力伝達部材及び第２動力伝達部材を含み、
    前記可動部は、
    前記第１動力伝達部材の一端を接続する第１接続部と、
    前記第２動力伝達部材の一端を接続する第２接続部と、
    を有し、
    前記第１従動歯車は、前記第１動力伝達部材を巻き取る第１巻取部と、
    前記第２従動歯車は、前記第２動力伝達部材を巻き取る第２巻取部と、
    を有し、
    前記第１巻取部は、前記第１動力伝達部材の他端を取り付ける第１取付部に隣接した第１最小径部と、最も外周に位置する第１最大径部と、を有し、
    前記第２巻取部は、前記第２動力伝達部材の他端を取り付ける第２取付部に隣接した第２最小径部と、最も外周に位置する第２最大径部と、を有する
    請求項１乃至４のいずれか１つに記載の牽引バランス調整機構。
  8. 前記牽引部は、
    所定の軸に対して回転可能な駆動歯車と、
    前記駆動歯車に噛み合う第１従動部材及び第２従動部材を含み、
    前記動力伝達部材は、少なくとも一対の第１動力伝達部材及び第２動力伝達部材を含み、
    前記可動部は、
    前記第１動力伝達部材の一端を接続する第１接続部と、
    前記第２動力伝達部材の一端を接続する第２接続部と、
    を有し、
    前記第１従動部材は、前記第１動力伝達部材を取り付ける第１取付部と、
    前記第２従動部材は、前記第２動力伝達部材を取り付ける第２取付部と、
    を有し、
    前記駆動歯車は、
    第１駆動最小径部及び第１駆動最大径部が形成された第１駆動歯車と、
    第２駆動最小径部及び第２駆動最大径部が形成された第２駆動歯車と、
    からなり、
    前記第１動力伝達部材の延伸方向の直線が常に同じ位置にあるように、前記第１従動部材の歯の傾斜割合と前記第１駆動歯車の径の増減割合とを対応させ、
    前記第２動力伝達部材の延伸方向の直線が常に同じ位置にあるように、前記第２従動部材の歯の傾斜割合と前記第２駆動歯車の径の増減割合とを対応させる
    請求項１乃至４のいずれか１つに記載の牽引バランス調整機構。
  9. 前記可動部を回動可能に支持する連結部と、
    前記連結部を支持する支持部材、前記支持部材に対して所定の第１軸に回動可能に取り付けられる第１枠部材、及び前記第１枠部材に対して第１軸とは異なる所定の第２軸に回動可能に取り付けられる第２枠部材を有するジンバル機構と、
    を備え、
    前記牽引部は、前記第１枠部材に取り付けられる
    請求項１乃至８のいずれか１つに記載の牽引バランス調整機構。
  10. 前記牽引部を駆動する駆動部と、
    前記駆動部を作動することによって前記可動部の向きを操作する操作部と、
    請求項１乃至９のいずれか１つに記載の牽引バランス調整機構と、
    を備える
    ことを特徴とするマニピュレータ。
  11. 請求項１０に記載のマニピュレータと、
    前記マニピュレータを制御するシステム制御部と、
    前記マニピュレータにより取得された画像を表示する表示部と、
    を備え、
    前記マニピュレータは、内視鏡を含み、
    前記システム制御部は、前記内視鏡により取得された画像を前記表示部に表示させる
    ことを特徴とするマニピュレータシステム。
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