JP2015156944A

JP2015156944A - ワイヤ駆動装置およびマニピュレータ

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Publication number: JP2015156944A
Application number: JP2014032969A
Authority: JP
Inventors: 岸　宏亮; Hirosuke Kishi; 宏亮岸
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2034-02-24
Also published as: US20160345801A1; JP6153484B2; US20190117325A1; CN105960311B; US10575912B2; EP3112097B1; US10188473B2; EP3112097A4; WO2015125955A1; CN105960311A; EP3112097A1

Abstract

【課題】プーリに対してワイヤをスリップさせずに弛みを補償する。
【解決手段】一端が可動部材１６ａに取り付けられ該可動部材を拮抗駆動する一対のワイヤ１７，１８と、各ワイヤの他端が固定されるとともに各ワイヤを巻き付ける一対のプーリ２０，２１と、各プーリにそれぞれ同軸に固定された一対の従動ギヤ２２，２３と、動力を発生する駆動源に接続される駆動ギヤ２４と、駆動ギヤと各従動ギヤとの間にそれぞれ配置され、駆動源の動力を駆動ギヤから従動ギヤに伝達可能な一対の可動ギヤ２５，２６とを備え、可動ギヤは、ワイヤがプーリに巻き取られる方向に駆動ギヤが回転させられるときには、駆動ギヤおよび従動ギヤに噛み合い、ワイヤがプーリから繰り出される方向に駆動ギヤが回転させられるときには、駆動ギヤおよび従動ギヤの少なくとも一方との噛み合いが外れるように移動可能に設けられているワイヤ駆動装置１を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤ駆動装置およびマニピュレータに関するものである。

従来、駆動源と出力軸とをワイヤで接続し、駆動源によってワイヤに付与された張力によって出力軸を駆動するワイヤ駆動装置を有するマニピュレータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このワイヤ駆動装置は、モータに接続された入力プーリと、可動部材に取り付けられた出力プーリと、テンションプーリと、これらのプーリに掛け渡され、出力プーリを拮抗駆動するワイヤとを備えている。
テンションプーリはスプリングによって入力プーリ側においてワイヤにテンションを与え、ワイヤの弛みを無くしている。

特許第４１４５４６４号公報

しかしながら、特許文献１のワイヤ駆動装置は、ワイヤと入力プーリとを摩擦によってモータの動力をワイヤに伝達する一方、ワイヤと入力プーリとを滑らせることによって余剰のワイヤをテンションプーリに巻き取らせているため、ワイヤとプーリとの間の摩擦係数の設定が困難であるという不都合がある。すなわち、摩擦係数を大きくし過ぎると、ワイヤと入力プーリとが滑らずにワイヤに弛みが生じてしまう反面、摩擦係数を小さくし過ぎると、牽引時にワイヤと入力プーリとが滑って大きな張力を伝達することができないという不都合がある。特に軟性内視鏡やその処置具などワイヤ駆動経路長が長い機器では、牽引時にワイヤの伸びが無視できず、拮抗駆動で対になる送り出すワイヤの弛みを補償しながら、精度よく入力することが重要である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、プーリに対してワイヤをスリップさせずに弛みを補償することができるワイヤ駆動装置およびマニピュレータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、一端が可動部材に取り付けられ該可動部材を拮抗駆動する一対のワイヤと、各該ワイヤの他端が固定されるとともに各ワイヤを巻き付ける一対のプーリと、各該プーリにそれぞれ同軸に固定された一対の従動ギヤと、動力を発生する駆動源に接続される駆動ギヤと、該駆動ギヤと各前記従動ギヤとの間にそれぞれ配置され、駆動源の動力を前記駆動ギヤから前記従動ギヤに伝達可能な一対の可動ギヤとを備え、各該可動ギヤは、前記ワイヤが前記プーリに巻き取られる方向に前記駆動ギヤが回転させられるときには、前記駆動ギヤおよび前記従動ギヤに噛み合い、前記ワイヤが前記プーリから繰り出される方向に前記駆動ギヤが回転させられるときには、前記駆動ギヤおよび前記従動ギヤの少なくとも一方との噛み合いが外れるように移動可能に設けられているワイヤ駆動装置を提供する。

本態様によれば、駆動源を一方向に駆動させると駆動源に取り付けられた駆動ギヤが一方向に作動させられる。このとき、駆動ギヤは、一方のプーリに固定されている一方のワイヤをプーリに巻き取る方向に回転させられるので、一方の可動ギヤが当該一方のワイヤを巻き取るプーリに固定された一方の従動ギヤおよび駆動ギヤに噛み合う方向に移動する。これにより、駆動源の動力が、駆動ギヤ、可動ギヤおよび従動ギヤを介して一方のプーリに伝達され、ワイヤがプーリに巻き取られることによりワイヤの張力が増加して、ワイヤの一端が取り付けられている可動部材が一方向に駆動される。

一方、他方のプーリに固定されている他方のワイヤに対しては、駆動ギヤは、ワイヤをプーリから繰り出す方向に回転させられるので、他方の可動ギヤが他方の従動ギヤおよび駆動ギヤの少なくとも一方との噛み合いが外れる方向に移動させられる。したがって、駆動ギヤ、可動ギヤおよび従動ギヤの噛み合いによる他方のワイヤの強制的な繰り出しは行われず、他方のワイヤはその張力に従って受動的に繰り出される。

すなわち、一方のワイヤが牽引されることによって伸び、可動部材の移動量より大きく一方のプーリに巻き取られるように駆動ギヤが駆動させられても、他方のワイヤは可動部材の移動量分だけ繰り出されるので、弛みの発生を防止することができる。
その結果、ワイヤの牽引と弛み防止が、従来のようにワイヤとプーリを滑らせることにより行われるのではなく、ギヤの噛み合いによって行われるので、不確実な摩擦係数の調整によることなく、より確実に弛み補償を行いつつ、可動部材を拮抗駆動することができる。

上記態様においては、前記プーリに加わるトルクが所定値以下の場合に、該プーリの回転を静止状態に維持する制動手段を備えていてもよい。
このようにすることで、駆動ギヤと、可動ギヤおよび従動ギヤの少なくとも一方との噛み合いが外れたときに、制動手段によりプーリが静止状態に維持されるので、プーリが意図せず回転して、ワイヤが繰り出されてしまう不都合を防止することができる。

また、上記態様においては、前記ワイヤを巻き取る方向に各前記プーリを付勢する巻取付勢手段を有していてもよい。
このようにすることで、駆動ギヤと、可動ギヤおよび従動ギヤの少なくとも一方との噛み合いが外れたときに、巻取付勢手段によりワイヤを巻き取る方向に付勢されているプーリによってワイヤが巻き取られるので、ワイヤが意図せずプーリから繰り出されてしまう不都合を防止することができる。

また、上記態様においては、前記可動ギヤを、前記駆動ギヤおよび前記従動ギヤと噛み合わせる方向に付勢する可動ギヤ付勢手段を備えていてもよい。
このようにすることで、可動ギヤ付勢手段によって付勢された可動ギヤは駆動ギヤおよび従動ギヤと噛み合い状態となって、ワイヤを巻き取る方向に駆動ギヤが回転されたときには迅速に可動ギヤを介して従動ギヤに動力を伝達し、ワイヤを繰り出す方向に駆動ギヤが回転されたときには、可動ギヤの移動により噛み合いが外れる、いわゆる「歯飛び」によって動力の伝達を切断することができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかのワイヤ駆動装置と、前記可動部材を移動可能に支持する関節とを備えるマニピュレータを提供する。
本態様によれば、ワイヤ駆動装置によってワイヤの弛みが防止されているので、可動部材の移動方向が逆転する際に、弛みを消滅させる時間だけ可動部材の動作が停止してしまう不都合の発生を防止することができ、ヒステリシスなく迅速に動作させることができる。

本発明によれば、プーリに対してワイヤをスリップさせずに弛みを補償することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータが適用される治療用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。本発明の一実施形態に係るマニピュレータを示す概略図である。図２のマニピュレータのエンドエフェクタが一方向に駆動開始された状態を示す概略図である。図２のマニピュレータのエンドエフェクタが図３と同一方向にさらに駆動された状態を示す概略図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置においてワイヤが巻き取られる状態を示す部分的な拡大図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置においてワイヤが繰り出される状態を示す部分的な拡大図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置に設けられた可動ギヤと中間プーリとを示す拡大縦断面図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置の第１の変形例においてワイヤが巻き取られる状態を示す部分的な拡大図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置の第１の変形例においてワイヤが繰り出される状態を示す部分的な拡大図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置の第２の変形例を示す概略図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置の第３の変形例を示す概略図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置の第４の変形例を示す概略図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置の第５の変形例を示す概略図である。図２のマニピュレータのワイヤ駆動装置の第６の変形例の（ａ）構成を示す概略図、（ｂ）駆動ギヤが一方向に回転したときのギヤの動作を示す概略図である。

本発明の一実施形態に係るワイヤ駆動装置１およびマニピュレータ２について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータ２は、例えば、内視鏡３の挿入部４に備えられた鉗子チャネル（図示略）等を介して体内に導入され患部等の処置を行う処置具であり、図１に示される治療用マニピュレータシステム５において使用されるものである。

治療用マニピュレータシステム５は、図１に示されるように、体内に挿入される挿入部４を有する内視鏡３と、術者などの操作者Ｏが操作し操作指示を出力する操作部６と、内視鏡３により取得された画像を表示するための表示部７と、操作指示に従って内視鏡３およびマニピュレータ２を制御する制御部８とを備えている。

操作部６は、図１に示すように、操作台９に取り付けられた一対の操作アーム１０，１１と、床面Ｆ上に配置されたフットスイッチ１２とを有している。操作アーム１０，１１は多関節構造を有している。操作アーム１０は、内視鏡３の挿入部４の湾曲部を湾曲操作するためのものであり、操作アーム１１はマニピュレータ２を湾曲操作するためのものである。

介助者（不図示。）は、操作部６が側に配置されている手術台１３上に患者Ｐを寝かせ、消毒、麻酔などの適切な処理を行う。
操作者Ｏは、介助者に指示して患者Ｐの肛門から大腸内に挿入部４を導入させる。操作者Ｏは、操作アーム１０を操作して挿入部４先端の湾曲部を適宜湾曲させる、マニピュレータ２の先端が突出する先端面を患部に対向させるようになっている。

本実施形態に係るマニピュレータ２は、図２に示されるように、挿入部４の鉗子チャネル内に挿入状態に配置され、挿入部４の湾曲に倣って湾曲する細長い軟性部１４の先端に、少なくとも１つの関節１５を有するエンドエフェクタ１６を備えている。また、マニピュレータ２は、軟性部１４の基端側に関節１５を動作させるワイヤ１７，１８を駆動するワイヤ駆動装置１と、制御部８からの指令信号に基づいてワイヤ駆動装置１に動力を供給する駆動部１９とを備えている。

エンドエフェクタ１６の関節１５は、軟性部１４の長手軸に直交する軸線回りに先端部（可動部材）１６ａを揺動させるものであり、先端部１６ａには、軟性部１４に対して軸線回りに回転可能に支持された先端プーリ１６ｂが固定されている。図中、関節１５は１つのみ示しているが、複数備えられていてもよい。

本実施形態に係るワイヤ駆動装置１は、一端が先端プーリ１６ｂに固定された一対のワイヤ１７，１８と、各ワイヤ１７，１８の他端が固定されるとともに各ワイヤ１７，１８を巻き付ける一対の巻取プーリ２０，２１と、各巻取プーリ２０，２１にそれぞれ同軸に固定された一対の従動ギヤ２２，２３と、駆動部１９に接続され両方向に回転駆動される単一の駆動ギヤ２４と、該駆動ギヤ２４と各従動ギヤ２２，２３との間にそれぞれ配置された一対の可動ギヤ２５，２６とを備えている。

駆動部１９は、例えば、図示しないモータを備え、駆動ギヤ２４に直結あるいはプーリ・ベルト等の伝達機構を介する方法によって動力を駆動ギヤ２４に入力することができるようになっている。
各ワイヤ１７，１８は、その先端部が先端プーリ１６ｂに固定され、各固定点１７ａ，１８ａから逆方向に先端プーリ１６ｂに巻かれていて、各ワイヤ１７，１８に牽引力が加えられることにより、先端プーリ１６ｂを時計回りまたは反時計回りにそれぞれ拮抗駆動させることができるようになっている。

可動ギヤ２５，２６は、図５に示されるように、駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２（２３）の両方に噛み合う位置と、図６に鎖線で示されているように、駆動ギヤ２４および従動ギヤ２３（２２）との噛み合いが外れる位置との間で移動可能に支持されている。具体的には、図７に示されるように、可動ギヤ２５，２６はブラケット２７に回転可能に支持されており、ブラケット２７には可動ギヤ２５，２６の軸２５ａ，２６ａを貫通させる長孔２８が設けられている。

これにより、可動ギヤ２５，２６は、軸２５ａ，２６ａが長孔２８内で移動可能な範囲にわたって軸２５ａ，２６ａに交差する方向に移動することができるようになっている。長孔２８による軸２５ａ，２６ａの移動量は、可動ギヤ２５，２６と駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２，２３の少なくとも一方との噛み合いが外れる（歯飛びする）ことができる程度でよい。

ブラケット２７の長孔２８は、例えば、駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２（２３）の両方に噛み合っている状態の可動ギヤ２５（２６）の中心と駆動ギヤ２４の中心とを結ぶ直線に対して、該直線に交差しかつ従動ギヤ２２（２３）から離れる方向に延びている。これにより、可動ギヤ２５（２６）はその軸２５ａ（２６ａ）が長孔２８の一端側に配置されたときには駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２（２３）の両方と噛み合い、長孔２８の他端側に配置されたときには、駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２（２３）の両方から離れる位置に移動させられるようになっている。

また、可動ギヤ２５，２６の軸２５ａ，２６ｂには、先端プーリ１６ｂと巻取プーリ２０，２１との間においてワイヤ１７，１８を掛ける中間プーリ２９，３０が可動ギヤ２５，２６とは独立して回転可能に同軸に取り付けられている。ワイヤ１７，１８は中間プーリ２９，３０の駆動ギヤ２４とは反対側の側面に掛けられており、ワイヤに張力がかかることにより、可動ギヤ２５，２６を駆動ギヤ２４と噛み合わせる方向に押さえるようになっている。

また、本実施形態に係るワイヤ駆動装置１には、従動ギヤ２２，２３を静止状態に維持するための制動手段３１が設けられている。制動手段３１は、例えば、図２に示す例では、従動ギヤ２２，２３の歯溝に配置される係合部３１ａと、該係合部３１ａを歯溝内に付勢する板バネ３１ｂとを備えている。これにより、可動ギヤ２５，２６が駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２，２３と噛み合って、従動ギヤ２２，２３が回転駆動されるときには、板バネ３１ｂが変形して係合部３１ａが歯溝内から外れ、従動ギヤ２２，２３が回転させられるようになっている。一方、可動ギヤ２５，２６と駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２，２３との噛み合いが外れたときには、ワイヤ１７，１８に所定以上の張力が作用しない限り、係合部３１ａが歯溝内に位置し、従動ギヤ２２，２３をその位置に静止状態に維持するようになっている。つまり、巻取プーリ２０，２１に加わるトルクが所定値以下の場合に、巻取プーリ２０，２１の回転が静止状態に維持されるようになっている。

このように構成された本実施形態に係るワイヤ駆動装置１およびマニピュレータ２の作用について以下に説明する。
治療用マニピュレータシステム５において、操作部６の操作アーム１１が操作されることにより、操作指示が制御部８に入力されると、制御部８がマニピュレータ２の駆動部１９を作動させ、駆動部１９からの動力がワイヤ駆動装置１に入力される。

マニピュレータ２の先端のエンドエフェクタ１６を先端プーリ１６ｂの軸線回りに一方向に揺動させるように操作指示が入力された場合には、駆動部１９から伝達されてきた動力によって駆動ギヤ２４が一方向（図３に示される矢印Ａの方向）に回転させられる。このとき、ワイヤ１７，１８にはある程度の張力がかかっているので、両方の可動ギヤ２５，２６は、ワイヤ１７，１８の張力によって発生する力によって駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２，２３に噛み合う位置に移動しており、駆動ギヤ２４の回転によって、矢印Ｂの方向にそれぞれ回転駆動されようとする。

このとき、一方の可動ギヤ２５は、図５に示されるように、駆動ギヤ２４から矢印Ｃの方向の力を受けるので、同方向に移動するように付勢され、駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２との噛み合いが強められる。さらに、駆動ギヤ２４から受ける動力が可動ギヤ２５を回転させることで、従動ギヤ２２に回転力が伝達される。

従動ギヤ２２を回転させる動力が、制動手段３１の制動力を超える所定値以上となると、制動手段３１による静止状態が解除されて、従動ギヤ２２が回転させられる。これにより、従動ギヤ２２に同軸に固定されている巻取プーリ２０が、ワイヤ１７を巻き取る方向に回転させられる。

そして、巻取プーリ２０が回転させられると、ワイヤ１７の張力が増大し、可動ギヤ２５を駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２に噛み合わせる方向に付勢する力が増大するので、これらのギヤ２２，２４，２５の噛み合いが維持される。ワイヤ１７の張力が増大すると、ワイヤ１７の先端が固定されている先端プーリ１６ｂが回転させられ、先端プーリ１６ｂに固定されているエンドエフェクタ１６の先端部１６ａが一方向に揺動させられる。

駆動ギヤ２４が上記の方向Ａに回転駆動されたときに、他方の可動ギヤ２６は、図６に示されるように、駆動ギヤ２４から矢印Ｄの方向の力を受けるので、同方向に移動するように付勢され、図４に示されるように、駆動ギヤ２４および従動ギヤ２３との噛み合いが外れる方向Ｇに移動させられる。
駆動ギヤ２４と可動ギヤ２６および従動ギヤ２３が噛み合っている状態では、従動ギヤ２３はワイヤ１８を巻取プーリ２１から繰り出す方向に回転させられるので、ワイヤ１８の張力が弱められ、図６に鎖線で示されるように、可動ギヤ２６が駆動ギヤ２４および従動ギヤ２３との噛み合いから外れる方向に移動し易くなる。

この場合において、巻き取られる側のワイヤ１７（１８）に大きな張力が作用する場合には、張力によってワイヤ１７（１８）が伸びるので、エンドエフェクタ１６の関節１５の揺動角度がワイヤ１７（１８）の巻取量に比例せず、所望の角度を揺動させるために必要な巻取量を超えて余分にワイヤ１７（１８）を巻き取る必要が生ずる。したがって、駆動ギヤ２４はワイヤ１７（１８）を巻き取る巻取プーリ２０（２１）が固定されている従動ギヤ２２（２３）を余分に回転させる。

このとき、ワイヤ１８（１７）を繰り出す側の巻取プーリ２１（２０）が固定されている従動ギヤ２３（２２）は、可動ギヤ２６（２５）を介して駆動ギヤ２４と噛み合っている状態では、駆動ギヤ２４の回転に従って回転させられて巻取プーリ２１（２０）からワイヤ１８（１７）を強制的に繰り出させる。そして、ワイヤ１８（１７）が、エンドエフェクタ１６の関節１５を所望の揺動角度だけ揺動させるために必要な繰出量を超えると、ワイヤ１８（１７）の張力が低くなって可動ギヤ２６（２５）が軸２６ａ（２５ａ）に交差する方向に移動する。これにより、可動ギヤ２６（２５）と駆動ギヤ２４および従動ギヤ２３（２２）との噛み合いが外れて歯飛びするので、駆動ギヤ２４が必要量を超えて余分に回転しても、巻取プーリ２１（２０）からワイヤ１８（１７）が余分に繰り出されることがなく、ワイヤ１８（１７）の弛みを防止することができる。

この場合において、本実施形態に係るワイヤ駆動装置１およびマニピュレータ２によれば、従来のワイヤ駆動装置とは異なり、プーリとワイヤとをスリップさせるのではなく、可動ギヤ２５（２６）と駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２（２３）との噛み合いを外すことによりワイヤ１７，１８の弛みを防止するので、より確実に弛みを防止することができるという利点がある。

また、駆動ギヤ２４の回転方向を逆転させた場合には、駆動ギヤ２４および、それまで繰り出し側であった従動ギヤ２３（２２）に対して可動ギヤ２６（２５）が噛み合う方向に移動するので、駆動ギヤ２４から可動ギヤ２６（２５）を介して従動ギヤ２３（２２）に動力が伝達され、従動ギヤ２３（２２）が巻取プーリ２１（２０）を巻き取り方向に回転させてワイヤ１８（１７）が巻き取られ、マニピュレータ２の関節１５が逆方向に揺動させられる。この場合に、回転方向の逆転前の揺動動作において、ワイヤ１８（１７）の弛みが防止されているので、駆動ギヤ２４の回転方向の逆転後、迅速にワイヤ１８（１７）の巻き取りが開始される。すなわち、ヒステリシスによる遅れを生じさせることなく関節１５を逆方向に揺動させることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、可動ギヤ２５，２６を支持するブラケット２７に設けた長孔２８が、可動ギヤ２５（２６）の駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２（２３）の両方との噛み合いが外れる方向に延びていることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、駆動ギヤ２４のみから外れる方向あるいは従動ギヤ２２，２３のみから外れる方向に移動可能に設けられていてもよい。

特に、図８および図９に示されるように、長孔２８が駆動ギヤ２４の接線に平行な方向あるいは駆動ギヤ２４の中心を中心とする円弧状に設けられていることが好ましい。この場合には、駆動ギヤ２４と可動ギヤ２５，２６との噛み合いは常に維持され、可動ギヤ２５，２６の位置によって可動ギヤ２５，２６と従動ギヤ２２，２３とが噛み合ったり噛み合わなかったりする。

図８に示されるように、ワイヤ１７（１８）を巻き取る方向Ａに駆動ギヤ２４が駆動されると、駆動ギヤ２４から受ける矢印Ｃの方向の力によって可動ギヤ２５（２６）が長孔２８に沿って従動ギヤ２２（２３）に向かう方向に移動させられる。これにより、可動ギヤ２５（２６）が従動ギヤ２２（２３）と噛み合って、駆動ギヤ２４から従動ギヤ２２（２３）に動力が伝達されワイヤ１７（１８）が巻き取られていく。なお、矢印Ｃの方向とは、正確には接線方向にギヤの圧力角を追加した方向だが、ここでは略接線方向として説明しており、以降も同様である。

一方、図９に示されるように、ワイヤ１７（１８）を繰り出す方向Ｅに駆動ギヤ２４が駆動されると、当初は、駆動ギヤ２４からの動力によって従動ギヤ２２（２３）が回転させられることにより、ワイヤ１７（１８）が強制的に繰り出される。そして、ワイヤ１７（１８）の張力が低下すると、駆動ギヤ２４から受ける矢印Ｆの方向の力によって可動ギヤ２５（２６）が長孔２８に沿って従動ギヤ２２（２３）から離れる方向に移動させられる。これにより、可動ギヤ２５（２６）と従動ギヤ２２（２３）との噛み合いが外れ、駆動ギヤ２４による強制的なワイヤ１７（１８）の繰り出しが停止させられる。

すなわち、巻き取り側の巻取プーリ２２（２３）によってワイヤ１７（１８）が余分に巻き取られても、繰り出し側の巻取プーリ２３（２２）からワイヤ１８（１７）が余分に繰り出されることは防止されるので、繰り出し側のワイヤ１８（１７）の弛みの発生を防止することができる。可動ギヤ２５，２６と駆動ギヤ２４との噛み合いが常に維持され、噛み合いの切断は可動ギヤ２５（２６）と従動ギヤ２２（２３）との間のみで行われるので、ワイヤ１７（１８）の巻き取りと、弛みのない繰り出しとをより確実に切り替えて行うことができるという利点がある。

この場合に、駆動ギヤ２４と可動ギヤ２５（２６）の中心間を結ぶ直線と、可動ギヤ２５（２６）と従動ギヤ２２（２３）の中心間を結ぶ直線のなす角度θは９０°以上１３５°以下であることが望ましい。角度θが９０°より小さいと、ワイヤ１７（１８）にかかる張力が大きくなった場合に、従動ギヤ２２（２３）からの反力によって可動ギヤ２５（２６）が長孔２８に沿って歯飛びする方向に移動し易くなる。また、角度θが１３５°より大きいと、ワイヤ１７（１８）を繰り出す際に可動ギヤ２５（２６）と従動ギヤ２２（２３）との噛み合いが外れ難くなる。

また、ワイヤ１７（１８）を巻き取る際に可動ギヤ２５（２６）をより確実に従動ギヤ２２（２３）に噛み合わせるために、長孔２８に沿って従動ギヤ２２（２３）に近接する方向に可動ギヤ２５（２６）を付勢するバネ等の可動ギヤ付勢手段（図示略）を配置することにしてもよい。

また、図４に鎖線で示されるように、可動ギヤ２５，２６の軸２５ａ，２６ａどうしをリンク３２によって連結することにしてもよい。このようにすることで、一方の可動ギヤ２５（２６）が駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２（２３）と噛み合う位置に配置されたときには、必ず、他方の可動ギヤ２６（２５）が駆動ギヤ２４および従動ギヤ２３（２２）との噛み合いが外れる位置に配置されるようにすることができる。

また、制動手段３１として、係合部３１ａと板バネ３１ｂとを有するものを例示したが、これに代えて、図１０に示されるように、従動ギヤ２２，２３を常時、ワイヤ１７，１８の巻き取り方向に付勢するバネ３３のような付勢手段を採用してもよい。

また、図８および図９においては、駆動ギヤ２４の接線に平行な方向または駆動ギヤ２４の中心を中心とする円弧状の長孔２８によって、可動ギヤ２５，２６を移動可能に支持することとしたが、これに代えて、図１１に示されるように、２つの可動ギヤ２５，２６を、駆動ギヤ２４の中心軸回りに揺動可能に取り付けられたリンク３４によって連結してもよい。これにより、一方の可動ギヤ２５（２６）が従動ギヤ２２（２３）に噛み合っているときには、他方の可動ギヤ２６（２５）と従動ギヤ２３（２２）との噛み合いを外すことができワイヤ１７（１８）の巻き取りと、弛みのない繰り出しとをより確実に切り替えて行うことができるという利点がある。

また、本実施形態においては、駆動ギヤ２４として円板状のギヤを例示したが、これに代えて、図１２に示されるように駆動ギヤ２４を長手方向に往復移動可能なラックギヤにより構成してもよい。この場合には、可動ギヤ２５，２６は駆動ギヤ２４および従動ギヤ２２，２３に噛み合い可能な歯形のものを採用し、ラックギヤの長手方向に移動可能に設ければよい。これにより、可動ギヤ２５，２６は駆動ギヤ２４と常時噛み合った状態に維持したまま、従動ギヤ２２，２３との噛み合い状態を切り替えることができる。

また、本実施形態においては、駆動部１９が駆動ギヤ２４に動力を供給するモータを有する電動式のマニピュレータ２を例示したが、これに代えて、図１３に示されるように、駆動源として、手動操作されるハンドル３５と、駆動ギヤ２４およびハンドル３５に設けたプーリ３６，３７と、これらのプーリ３６，３７に掛け渡されるベルト３８とを備える手動式のものを採用してもよい。

また、本実施形態においては、図１４（ａ）に示されるようにワイヤ１７，１８を取り回すことにしてもよい。すなわち、このワイヤ駆動装置１では、駆動ギヤ２４と可動ギヤ２５，２６との軸どうしを別個の独立したリンク３９，４０で駆動ギヤ２４の軸回りに揺動可能に接続し、可動ギヤ２５，２６と同軸の中間プーリ２９，３０の軸を挟んで巻取プーリ２０，２１とは反対側に略１８０°にわたって回し掛けたワイヤを先端プーリ１６ｂに導いている。

図１４（ａ）に示されるように、可動ギヤ２５と従動ギヤ２２とが噛み合っている状態で、駆動ギヤ２４が時計回りに回転させられると、図１４（ｂ）に示されるように、巻取プーリ２０が時計回りに回転させられてワイヤ１７が繰り出されるので、ワイヤ１７の張力が急激に低下する。

ワイヤ１７の張力によって生じていた可動ギヤ２５と従動ギヤ２２を押し付ける力が、ワイヤ１７の張力の低下により、駆動ギヤ２４が可動ギヤ２５を従動ギヤ２２から遠ざける方向にかける力より下回ると、リンク３９に支持された可動ギヤ２５は、駆動ギヤ２４の軸を中心として時計回りに揺動し、従動ギヤ２２との噛み合いが外れるので、それ以上のワイヤ１７の繰り出しが停止される。

また、可動ギヤ２５と従動ギヤ２３とが噛み合っている状態で、駆動ギヤ２４が時計回りに回転させられると、巻取プーリ２１が時計回りに回転させられてワイヤ１８が巻き取られるので、ワイヤ１８の張力が増加する。さらに、リンク４０に支持された可動ギヤ２６は、従動ギヤ２３に近づく方向に駆動ギヤ２５から力を受けるので、駆動ギヤ２４の軸を中心として時計回りに揺動し、従動ギヤ２２との噛み合いを強める。

特に、このようなワイヤ駆動装置１によれば、ワイヤ１８が中間プーリ３０によって折り返されているので、中間プーリ３０には２倍の張力が作用し、巻取時の可動ギヤ２６と従動ギヤ２３との歯飛びを起き難くすることができる。
駆動ギヤ２４が逆転したときには、上記と逆の動作が行われるが、噛み合っている状態の可動ギヤ２５（２６）と従動ギヤ２２（２３）とを切り離し、離れている状態の可動ギヤ２６（２５）と従動ギヤ２３（２２）とを、逆転後迅速に噛み合わせる必要があるので、リンク３９，４０を開く方向に付勢するトーションバネ（図示略）のような付勢手段を設けることにしてもよい。

なお、リンク３９，４０に支持された可動ギヤ２５，２６が、ワイヤ１７，１８の張力により従動ギヤ２２，２３に押し付けられ過ぎないように、つまり、可動ギヤ２５，２６の軸と従動ギヤ２２，２３との軸の軸間距離がそれぞれのピッチ円半径の総和よりも圧縮されないように、物理的なストッパー（図示略）を設けることにしてもよい。

１ワイヤ駆動装置
２マニピュレータ
１５関節
１６ａ先端部（可動部材）
１７，１８ワイヤ
１９駆動部（駆動源）
２０，２１巻取プーリ（プーリ）
２２，２３従動ギヤ
２４駆動ギヤ
２５，２６可動ギヤ
２９，３０中間プーリ（可動プーリ）
３１制動手段
３３バネ（巻取付勢手段）

Claims

一端が可動部材に取り付けられ該可動部材を拮抗駆動する一対のワイヤと、
各該ワイヤの他端が固定されるとともに各ワイヤを巻き付ける一対のプーリと、
各該プーリにそれぞれ同軸に固定された一対の従動ギヤと、
動力を発生する駆動源に接続される駆動ギヤと、
該駆動ギヤと各前記従動ギヤとの間にそれぞれ配置され、駆動源の動力を前記駆動ギヤから前記従動ギヤに伝達可能な一対の可動ギヤとを備え、
各該可動ギヤは、前記ワイヤが前記プーリに巻き取られる方向に前記駆動ギヤが回転させられるときには、前記駆動ギヤおよび前記従動ギヤに噛み合い、前記ワイヤが前記プーリから繰り出される方向に前記駆動ギヤが回転させられるときには、前記駆動ギヤおよび前記従動ギヤの少なくとも一方との噛み合いが外れることができるように移動可能に設けられているワイヤ駆動装置。
前記プーリに加わるトルクが所定値以下の場合に、該プーリの回転を静止状態に維持する制動手段を備える請求項１に記載のワイヤ駆動装置。
前記ワイヤを巻き取る方向に各前記プーリを付勢する巻取付勢手段を有する請求項１または請求項２に記載のワイヤ駆動装置。
前記可動ギヤを、前記駆動ギヤおよび前記従動ギヤと噛み合わせる方向に付勢する可動ギヤ付勢手段を備える請求項１または請求項２に記載のワイヤ駆動装置。
前記可動ギヤに同軸に可動プーリが配置され、
前記ワイヤが、前記可動プーリに、前記可動ギヤの前記駆動ギヤおよび前記従動ギヤの少なくとも一方との噛み合い位置とは軸を挟んで反対側に掛けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載のワイヤ駆動装置。
請求項１から請求項５のいずれかに記載のワイヤ駆動装置と、
前記可動部材を移動可能に支持する関節とを備えるマニピュレータ。