JP2017104968A - マニピュレーターおよび多指ハンド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 屈曲や挟み動作等のための動力を効率よく伝達できるマニピュレーターと多指ハンド装置を実現する。【解決手段】 連結された複数のリンクを具備したマニピュレーターにおいて、前記複数のリンクのうちの少なくとも一つに、該リンクの延設方向に対し交差する方向へ並ぶように、回転駆動源２２と送りねじ機構２４が設けられ、回転駆動源２２の出力軸が前記延設方向の一方へ向けられるとともに、送りねじ機構２４のねじ軸２４ａの一端側も同方向へ向けられ、前記出力軸とねじ軸２４ａとの間で回転力を伝達するとともに、ねじ軸２４ａに螺合した直動部材２４ｂによって前記一方に対する他方側に動力を伝達するようにした。そして、このマニピュレーターを指部として配置して多指ハンド装置を構成した。【選択図】 図８

Description

本発明は、例えば、鉗子装置や挟み装置、ＤＣＡ（directional coronary atherectomy：方向性冠動脈粥腫切除術）カテーテル、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography：光干渉断層撮影）カテーテル、その他の医療機器、理化学機器、産業機器や、ロボット等に用いられるマニピュレーターおよび多指ハンド装置に関するものである。

従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるもののように、回動支点部を支点にし回動することで開閉する作業ツール部（把持部材１，２）と、前記作業ツール部（把持部材１，２）の前端側を前方へ突出させるようにして支持した筒状のリンク（固定管１０）と、前記リンク（固定管１０）に挿通された複数本のワイヤ（Ｗ）とを備え、前記ワイヤ（Ｗ）を一方又は他方へ引くことにより作業ツール部（把持部材１，２）を作動させるようにした医療用の鉗子がある。

特許第３０７５４０４号公報

近年、低侵襲手術では、ＭＰＳ（Multi-Port Surgery）からＳＰＳ(Single-Port Surgery)へ急速に移行しつつある。
ＳＰＳ(Single-Port Surgery)では、患者の身体に形成された一つのポートに対し複数の作業ツール部（鉗子等）を挿入するが、患者の身体への悪影響を極力減らすために、前記一つのポートの径をなるべく小さくすることが求められている。そのため、ポートに挿入する鉗子のサイズは、少なくとも外径８ｍｍ以下、好ましくは外径５ｍｍ以下にすることが要求される。
さらに、前記一つのポートに挿入した鉗子を身体内で複雑に移動させる必要があるため、前記作業ツール部を支持するリンク部分は、少なくとも３以上の関節で屈曲することが望ましい。
また、低侵襲手術の中でも、縫合（運針）は最も技量を要し、前端側の前記作業ツール部を回転させる操作（リンク延設方向を軸にした回転操作）が要求される。

しかしながら、前記のように屈曲自由度を大きくしたマニピュレーターでは、複数のリンクの全長を一定とした場合、関節数が多い分、各関節間のリンク長さは短くなる。
このため、比較的短いリンク内で、屈曲や回転、挟み動作等のための動力を効率よく伝達するのに工夫を要する。

このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
連結された複数のリンクを具備したマニピュレーターにおいて、前記複数のリンクのうちの少なくとも一つに、該リンクの延設方向に対し交差する方向へ並ぶように、回転駆動源と送りねじ機構が設けられ、前記回転駆動源の出力軸が前記延設方向の一方へ向けられるとともに、前記送りねじ機構のねじ軸の一端側も同方向へ向けられ、前記出力軸と前記ねじ軸との間で回転力を伝達するとともに、前記ねじ軸に螺合した直動部材によって前記一方に対する他方側に動力を伝達するようにしたマニピュレーター。
また、このマニピュレーターを複数配置して、多指ハンド装置を構成する。

本発明は、以上説明したように構成されているので、各リンクを比較的短く構成した場合でも、屈曲や挟み動作等のための動力を効率よく伝達することができる。

本発明に係るマニピュレーターの一例を示す側面図である。 同マニピュレーターにおける第１の関節機構の構造を示す斜視図である。 第１の関節機構の縦断面図である。 図３における（IV）−（IV）線に沿う断面図である。 回動基部及び出力歯車の一例を示す斜視図である。 回動基部の一例を示す斜視図である。 内歯車１８の一例を示す斜視図である。 同マニピュレーターにおける第２の関節機構の構造を示し、（ａ）は側方から視た図であり、（ｂ）は（ａ）を９０度回転させて視た図である。 同マニピュレーターにおける作業ツール部の構造を示す斜視図である。 同マニピュレーターにおける第１の関節機構を示し、（ａ）は支持軸に対し直交する方向から視た側面図、（ｂ）は（ａ）を９０度回転させて視た図、（ｃ）は（ｂ）について第２のリンクを回転させた状態の側面図である。 第１の関節機構の屈曲動作を（ａ）〜（ｃ）に順次に示す模式図である。 第１の関節機構の回転動作を（ａ）〜（ｃ）に順次に示す模式図である。 同マニピュレーターにおける第２の関節機構の構造の他例を示し、（ａ）は側方から視た図であり、（ｂ）は（ａ）を９０度回転させて視た図である。 本発明に係る多指ハンド装置の一例を示す斜視図である。

本実施の形態の特徴の一つは、連結された複数のリンクを具備したマニピュレーターにおいて、前記複数のリンクのうちの少なくとも一つに、該リンクの延設方向に対し交差する方向へ並ぶように、回転駆動源と送りねじ機構が設けられ、前記回転駆動源の出力軸が前記延設方向の一方へ向けられるとともに、前記送りねじ機構のねじ軸の一端側も同方向へ向けられ、前記出力軸と前記ねじ軸との間で回転力を伝達するとともに、前記ねじ軸に螺合した直動部材によって前記一方に対する他方側に動力を伝達するようにした（図８及び図９参照）。
この構成によれば、回転駆動源の回転力は、リンク延設方向の一方側で、ねじ軸の基端側に伝達され、ねじ軸の回転により直進運動する直動部材によって、他方側（逆方向側）へ伝達される。

他の特徴として、最先端側の前記リンクは、前記出力軸と前記送りねじ機構のねじ軸の一端側とを後方へ向けるようにして前記回転駆動源及び前記送りねじ機構を備え、前記直動部材の直進運動によって動作して作業対象物に対する作業を行う作業ツール部を構成している（図９参照）。

他の特徴としては、前記作業ツール部は、複数の挟み片を回動させて開閉させる挟み機構であり、前記回転駆動源および前記送りねじ機構が、前記複数の挟み片の各々に対応するように複数設けられ、前記挟み片の各々が、対応する前記直動部材の直進運動により回動するように設けられている（図９参照）。

他の特徴としては、前記複数のリンクのうち、隣接する一組のリンクについて、その一方のリンクに対し他方のリンクが回動するように接続され、前記一方のリンクに前記回転駆動源及び前記送りねじ機構が設けられ、前記直動部材の直進運動によって前記他方のリンクが回動するようにした（図８参照）。

他の特徴としては、前記他方のリンクの回動支点部には、前記他方のリンクと一体に回転する部品として第１の滑車部が設けられ、前記一方のリンクには、第１の滑車部との間に前記直動部材を配置するように第２の滑車部が設けられ、前記直動部材には、ワイヤーの一端側と他端側が止着され、前記ワイヤーは、前記一端側と前記他端側の間の部分を、第１の滑車部と第２の滑車部に掛け回している（図８参照）。

他の特徴としては、前記他方のリンクの回動支点部には、前記他方のリンクと一体に回転する部品として回転連結部品が設けられ、前記直動部材と前記回転連結部品とは、中間連結部品によって繋がれているようにした（図１３参照）。

他の特徴としては、前記他方のリンクに所定の閾値以上の回動負荷が加わった場合に、前記他方のリンクと一体に回転する部品と前記他方のリンクとの連結状態を解除するトルクリミッターを設けた。

他の特徴としては、上記の何れかの特徴を有するマニピュレーターを指部として複数配置して多指ハンド装置を構成した（図１４参照）。

＜第１の実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るマニピュレーターの簡略化して示す側面図である。

このマニピュレーター１は、第１の関節機構１０と、第２の関節機構２０とを備え、これら第１及び第２の関節機構１０，２０の先端側に、作業対象物（例えば、人体の各器官等）に対し作業を行う作業ツール部３０を構成している。

第１の関節機構１０は、図２に示すように、後側のリンク１１（第１のリンク）と、該リンク１１の前端側に、該リンク１１の延設方向に対し直交するように固定基部１２を介して支持された支持軸１３と、支持軸１３に対し回転するように支持された回動基部１４と、支持軸１３に対しそれぞれ回転するように支持された二つの中間歯車１５と、二つの中間歯車１５に対しそれぞれ軸方向を直交させて噛み合うとともにリンク１１に対し回転するように支持された二つの入力歯車１６と、二つの中間歯車１５に対しそれぞれ軸方向を直交させて噛み合うとともに回動基部１４に対し回転するように支持された二つの出力歯車１７と、回動基部１４に対し回転するように支持された内歯車であってその内歯１８ａ（図４参照）に二つの出力歯車１７を噛み合わせるようにした内歯車１８と、内歯車１８に対し一体回転可能に接続された前側のリンク１９（第２のリンク）と、を備えている。
尚、本実施態様の説明に関する記述において、「前側」或いは「前方」の語句に対する「後側」或いは「後方」の語句の記述における位置関係は、基本的に、関節機構１０における出力歯車１７側を「前側」或いは「前方」として捉えたときに、入力歯車１６側が「後側」或いは「後方」となる位置関係である。この位置関係は、例えば、マニピュレーター１の作業ツール部３０側を「前側」として捉えたときに、第１及び第２の関節機構１０，２０側が「後側」となる位置関係でもある。

各リンク１１，１９は、金属等の硬質材料から円筒状に形成される。
後側のリンク１１（第１のリンク）には、二つの入力歯車１６を回転させるための二つの回転駆動源１６ａが設けられる。
各回転駆動源１６ａは、歯車機構及び回転式モータ（例えば、ブラシレスＤＣモータやステッピングモータ等）を内蔵したφ２のサーボモータである。この回転駆動源１６ａは、前方（リンク１９側）へ向けた出力軸に、入力歯車１６を固定している。
入力歯車１６は、前方側を徐々に縮径した形状のかさ歯車である。

固定基部１２は、リンク１１の前端に圧入固定された略環状の基部１２ａと、
径方向へ間隔を置いて基部１２ａから前方へ突出する二つの軸受片部１２ｂとから一体に構成される。二つの軸受片部１２ｂには、支持軸１３を挿通し支持するための貫通状の支持孔１２ｂ１（図３参照）が設けられる。

支持軸１３は、前記二つの軸受片部１２ｂの間にわたる円柱状の軸であり、リンク１１，１９に対し直交するように設けられる（図３参照）。
この支持軸１３の長手方向の中央側には、二つの中間歯車１５が環状に装着され、さらに、これら中間歯車１５を間に置くようにして、回動基部１４が環状に装着される。
支持軸１３は、固定基部１２の支持孔１２ｂ１に圧入固定される。なお、他例としては、支持軸１３を支持孔１２ｂ１に対し回転可能且つ軸方向移動不能に挿通した態様とすることも可能である。

中間歯車１５は、略円錐台状のかさ歯車であり、支持軸１３に対し回転自在に装着されている。
二つの中間歯車１５は、それぞれ、その後半部側を二つの入力歯車１６に噛み合わせるとともに、前半部側を二つの出力歯車１７に噛み合わせている。

各出力歯車１７は、中間歯車１５に噛み合うかさ歯車部１７ａと、内歯車１８の内歯車１８に噛み合う平歯車部１７ｂとを一体に有する。
かさ歯車部１７ａは、後方（リンク１１側）へ向かって徐々に縮径されたかさ歯車状に形成され、中間歯車１５に対し直交するように噛み合っている。
平歯車１７ｂは、かさ歯車部１７ａの前方側に同芯状に連結され、内歯車１８の内歯１８ａに噛み合っている（図３参照）。
二つの出力歯車１７は、リンク１９の径方向へ間隔を置いて略平行に配設され、回動基部１４によって回転自在に支持されている（図３及び図５参照）。

回動基部１４は、二つの中間歯車１５の両側で、支持軸１３に対し回転自在且つ環状に嵌り合う二つの軸挿通片部１４ａと、これら二つの軸挿通片部１４ａから前方へ延設された環状部１４ｂとを一体に有する（図５及び図６参照）。
環状部１４ｂは、略円盤状の部材であり、その径方向の両側に、それぞれ、軸受部材１４ｃを介して出力歯車１７を回転自在に支持している（図５参照）。

内歯車１８は、略円筒状の部材であり（図７参照）、その後端側の内周面に全周にわたる内歯１８ａを有するとともに、該内歯１８ａよりも前側の内周面に、凹凸のない円筒面状の支持面１８ｂを有する。
内歯車１８ａには、二つの出力歯車１７（詳細には平歯車部１７ｂ）が噛み合わせられている（図４参照）。
支持面１８ｂの後寄りには、環状部１４ｂの外周面が摺接可能に嵌り合っている（図３参照）。すなわち、内歯車１８は、支持面１８ｂを環状部１４ｂの外周面に摺接させて回転することが可能である。
また、支持面１８ｂにおける前側には、環状のスペーサ１８ｃや、後述する作業ツール部３０の基部３６等が嵌合されている。
そして、内歯車１８の外周面には、円筒状のリンク１９が進退不能且つ回転不能に固定されている。

また、第２の関節機構２０は、図８（ａ）（ｂ）に示すように、前側のリンク１１と、後側のリンク２１との間の関節部分を屈曲させるための機構である。
詳細に説明すれば、この第２の関節機構２０は、リンク２１内で出力軸を後方へ向けた回転駆動源２２と、該回転駆動源２２の回転力を伝達する伝動歯車２３と、伝動歯車２３の回転力を受けて動作する送りねじ機構２４と、前側のリンク１１と一体的に回転するように設けられた二つの第１の滑車部２５と、後側のリンク２１の後端側に設けられた第２の滑車部２６と、送りねじ機構２４、第１の滑車部２５及び第２の滑車部２６に掛け回された二本のワイヤー２７とを具備している。
なお、図示例の第２の関節機構２０は、第１の関節機構１０の後側に、二つ連結されるが、他例としては、第２の関節機構２０を単数とした態様や、第２の関節機構２０を三以上連結した態様とすることも可能である。

リンク２１は、上述したリンク１１，１９と同様に、金属等の硬質材料から円筒状に形成される。

回転駆動源２２は、上述した回転駆動源１６ａと同様に、歯車機構及び回転式モータ（例えば、ブラシレスＤＣモータやステッピングモータ等）を内蔵したφ２のサーボモータである。この回転駆動源２２は、後方へ向けた出力軸に、平歯車状の駆動歯車２２ａを固定している。

伝動歯車２３は、リンク２１に対し基部２８を介して回転自在に支持され、駆動歯車２２ａに対し回転力を受けるように噛み合っている。
基部２８は、リンク２１内の後端側に圧入された円柱状の部材であり、その後部側に、二つの第１の滑車部２５をそれぞれ支持する二つの支持片部２８ａを有する。伝動歯車２３は、軸状部材を介して、基部２８の前端面に支持されている。
なお、図示例によれば、この基部２８は、リンク１１の後端側にも設けられている（図８参照）。

送りねじ機構２４は、一端側を後方へ向けるようにして回転駆動源２２の回転軸に対し平行に設けられたねじ軸２４ａと、ねじ軸２４ａの前記一端側に固定されて伝動歯車２３に噛み合う入力歯車２４ｄと、ねじ軸２４ａの他端側に螺合した直動部材２４ｂとを備え、ねじ軸２４ａの回転により直動部材２４ｂを直進運動させるようにした機構である。なお、図示例では、送りねじ機構２４としてすべりねじ機構を用いているが、このすべりねじ機構に代えてボールねじ機構を用いることも可能である。

ねじ軸２４ａの前端側は、リンク２１内面に固定された軸受部材２４ｃによって回転自在に支持されている。また、同ねじ軸２４ａの後端側は、基部２８の前端部によって回転自在に支持されている。
直動部材２４ｂは、ねじ軸２４ａに螺合したナット状の部材であり、後述するワイヤー２７の一端側と他端側が止着されている。

二つの第１の滑車部２５は、前側のリンク１１の回動支点部に配設され、リンク１１と一体に回転するように設けられる。
詳細に説明すれば、各第１の滑車部２５は、リンク１１の後端側に固定された基部２８の各支持片部２８ａに対し、一体回転可能に連結されている。これら第１の滑車部２５及び支持片部２８ａは、リンク２１前端側の基部２９に支持された軸部材２９ｃにより回転自在に支持されている。

基部２９は、リンク２１の前端側に圧入された環状部２９ａと、該環状部２９ａの前端から前方へ突出する二つの支持片部２９ｂとを一体に有する。
環状部２９ａは、その後端部に、上述した回転駆動源２２や軸受部材２４ｃ等を支持している。
二つの支持片部２９ｂは、リンク２１の中心軸に対し直交するように軸部材２９ｃを圧入している。なお、軸部材２９ｃは、回転不能に固定されているが、軸方向へ移動しないようにすれば回転可能であってもよい。

また、第１の滑車部２５と支持片部２９ｂの間には、所定の閾値以上の回動負荷が加わった場合に、これらの間の連結状態を解除するトルクリミッター（図示せず）が設けられている。このトルクリミッターは、例えば、凹凸を有する入力ディスクと前記凹凸に嵌り合う出力ディスクとを備え、所定の閾値以上の回動負荷が加わった場合に前記凹凸による嵌り合いが外れるようにした態様や、その他の周知のトルクリミッターを用いればよい。

また、第２の滑車部２６は、第１の滑車部２５との間に直動部材２４ｂを配置するようにして、リンク２１内の後端側に固定されている。
この第２の滑車部２６は、図示例によれば、円柱軸状の部材であり、その外周面の後半部側にワイヤー２７を掛け、該ワイヤー２７をその長手方向へ滑らせる。第２の滑車部２６の他例としては、リンク２１に対し回転自在に支持された円柱状部材等とすることも可能である。

ワイヤー２７は、例えば金属製ワイヤー等、適宜な引張強さを有する紐状の部材であり、リンク２１内において径方向に間隔を置いて二本設けられる。
各ワイヤー２７の一端側と他端側は、直動部材２４ｂに止着されている。そして、各ワイヤー２７の一端側と他端側の間の部分は、第１の滑車部２５に一周だけ巻き付けられ、第２の滑車部２６の後半部側に掛けられている。
なお、本実施態様によれば、ワイヤー２７、第１の滑車部２５及び第２の滑車部２６をリンク径方向に並ぶように二組設けているが、単数組や三組以上とすることも可能である。

以上、前側のリンク１１と、後側のリンク２１との間の関節部分を屈曲させるための機構として、ワイヤー２７を用いた構造について説明したが、図１３（ａ）（ｂ）に示す機構によっても、前側のリンク１１と、後側のリンク２１との間の関節部分を屈曲させて第２の関節機構２０を動作させることができる。以下、図１３を用いて詳細に説明するが、図１３において図８と同一の構成要素については、図８と同じ符号を付している。また、図８と同一の構成要素、機能に関しては、その説明を一部省略している。

図１３（ａ）は第２の関節機構２０の構造を側方から視た図であって、図１３（ｂ）で指示しているＸ−Ｘの断面図で示している。図１３（ｂ）は図１３（ａ）を９０度回転させて視た図である。
この図１３に示す第２の関節機構２０は、リンク２１内で出力軸を後方へ向けた回転駆動源２２と、該回転駆動源２２の回転力を伝達する伝動歯車２３と、伝動歯車２３の回転力を受けて動作する送りねじ機構５１と、中間連結部品５２と、回転連結部品５３とを具備している。

送りねじ機構５１は、一端側を後方へ向けるようにして回転駆動源２２の回転軸に対し平行に設けられたねじ軸５１ａと、ねじ軸５１ａの前記一端側に固定されて伝動歯車２３に噛み合う入力歯車２４ｄと、ねじ軸５１ａの他端側に螺合した直動部材５１ｂとを備え、ねじ軸５１ａの回転により直動部材５１ｂを直進運動させるようにした機構である。

回転連結部品５３は２枚の円盤状の部材で構成された部品で、前側のリンク１１の回動支点部に配設され、リンク１１と一体に回転するように設けられる。
詳細に説明すれば、回転連結部品５３は、リンク１１の後端側に固定された基部２８の各支持片部２８ａに対し、一体で回転可能に連結されている。回転連結部品５３及び支持片部２８ａは、リンク２１前端側の基部２９に支持された軸部材２９ｃにより回転自在に支持されている。

中間連結部品５２は、送りねじ機構５１と回転連結部品５３とを繋いでいる。より具体的には、この中間連結部品５２は、略円弧状に湾曲した形状をしており、円弧形状両側の一方側が直動部材５１ｂの先端部５１ｂｓで回動可能に軸支されている。また、中間連結部品５２の前記一方側に対する他方側は、回転連結部品５３を構成する２枚の円盤に挟まれた状態で、２枚の円盤に固定されたピン５３ａに回動可能に軸支されている。

この構成によって、回転駆動源２２への電力供給により駆動歯車２２ａが回転すると、その回転力は、伝動歯車２３及び入力歯車２４ｄ等を介して、送りねじ機構５１のねじ軸５１ａに伝達される。そして、ねじ軸５１ａの回転により直動部材５１ｂがリンク２１中心線と平行に直進運動する。

このとき、中間連結部品５２を介して回転連結部品５３に動力を伝達して、前側のリンク１１と、後側のリンク２１との間の関節部分を屈曲させる。この構成では、比較的コンパクトな機構によって、関節を屈曲させることができる。

以上、前側のリンク１１と、後側のリンク２１との間の関節部分を屈曲させるための機構として、中間連結部品５２を用いた構造について説明したが、各構成部品の形状等は必ずしも図１３に示すものと同一でなくともよい。例えば、回転連結部品５３は円盤形状でなくともよく、中間連結部品５２も略円弧状に湾曲した形状のものでなくともよく、送りねじ機構５１による直進運動による力を、中間の連結部品を用いて伝達することにより、関節部分を屈曲動作を行えればよい。

また、作業ツール部３０は、複数（図示例によれば二つ）の挟み片３１を回動させて開閉させる挟み機構（詳細には、医療用の鉗子）であり、回転駆動源３３および送りねじ機構３４を、複数の挟み片３１の各々に対応するように複数設けることで、挟み片３１の各々が、対応する送りねじ機構３４の直動部材の直進運動により回動するようにしている。

この作業ツール部３０の駆動源側の機構は、上述した第２の関節機構２０の駆動源側機構と基本構造が略同じである。
すなわち、作業ツール部３０の駆動源側機構は、円筒状のリンク１９内で出力軸を後方へ向けた回転駆動源３３と、該回転駆動源３３の回転力を伝達する伝動歯車３５と、伝動歯車３５の回転力を入力歯車３４ｂにより受けて動作する送りねじ機構３４とをリンク径方向に並ぶように線対象に二組備え、各送りねじ機構３４におけるねじ軸３４ａに螺合した直動部材（図示せず）によって前方側の対応する挟み片３１に、動力を伝達するようにしている。

各回転駆動源３３は、上述した回転駆動源１６ａ，２２，と略同様に、歯車機構及び回転式モータ（例えば、ブラシレスＤＣモータやステッピングモータ等）を内蔵したφ２のサーボモータである。この回転駆動源３３は、後方へ向けた出力軸に、平歯車状の駆動歯車３３ａを固定している。

各伝動歯車３５は、リンク１９の後端部に対し基部３６を介して回転自在に支持され、駆動歯車３３ａに対し回転力を受けるように噛み合っている。
基部３６は、リンク１９内の後端側に圧入された円柱状の部材であり、その前端面に支持された軸部材よって、伝動歯車３５及びねじ軸３４ａ等をそれぞれ回転自在に支持している。

各送りねじ機構３４は、上述した送りねじ機構２４と同様に、一端側を後方へ向けたねじ軸３４ａの回転により直動部材（図示せず）を直進運動させるようにした機構である。

二つの挟み片３１は、前端側を開閉するように、その基端側がリンク１９の前端側に枢支されている。
詳細に説明すれば、各挟み片３１の後端側には、リンク１９の前端側に支持された軸部材３２が挿通され、各挟み片３１は軸部材３２を回転中心にして回転する。軸部材３２の外周部には、二つの挟み片３１を開方向へ付勢するように、ねじりバネ状の付勢部材３２ａが環状に装着されている。
また、挟み片３１における軸部材３２よりも後側の部分は、略Ｌ字状に外側へ曲げられ、その後端側が、リンク部材３２ｂ等を介して、送りねじ機構３４の前記直動部材（図示せず）に接続されている。したがって、回転駆動源３３の駆動により前記直動部材を前進させれば、挟み片３１が付勢部材３２ａの付勢力に抗して閉鎖方向へ回動する。

次に上記構成のマニピュレーター１について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
先ず、第１の関節機構１０の動作について説明する。
図１１〜図１２は、第１の関節機構１０を模式的に示している。
二つの回転駆動源１６ａの回転力により二つの入力歯車１６を同じ回転速度で逆方向（換言すれば時計方向と反時計方向）に回転させれば（図１１（ａ）参照）、これらに噛み合っている二つの中間歯車１５は、同一方向へ回転する（図１１（ｂ）参照）。
すると、二つの中間歯車１５に噛み合っている二つの出力歯車１７（かさ歯車部１７ａ及び平歯車部１７ｂ）には、互いに逆方向の回転力が作用する。
このため、内歯車１８は、図１１（ｃ）に示すように回転できず、支持軸１３を支点にして回動基部１４が回動し、これに伴ってリンク１９も一体的に回動する。すなわち、図１０（ｂ）（ｃ）に示すように、リンク１１に対しリンク１９が屈曲運動することになる。
なお、図示を省略するが、二つの回転駆動源１６ａを、それぞれ前記と逆に回転させれば、リンク１１に対しリンク１９が逆方向へ屈曲することになる。

また、二つの回転駆動源１６ａの回転力により二つの入力歯車１６を、同じ回転速度で同方向へ回転させれば（図１２（ａ）参照）、これらに噛み合っている二つの中間歯車１５は、互いに逆となる方向へ回転する（図１２（ｂ）参照）。
すると、二つの中間歯車１５に噛み合っている二つの出力歯車１７（かさ歯車部１７ａ及び平歯車部１７ｂ）は、同回転方向となるように回転する。
このため、内歯車１８は、二つの出力歯車１７から回転力を受け、回動基部１４における環状部１４ｂの外周面に摺接して、一方向へ回転運動（自転）することになり、この回転に伴って内歯車１８と一体のリンク１９も同方向へ回転運動する。
なお、図示を省略するが、二つの回転駆動源１６ａを、それぞれ前記と逆に回転させれば、回動基部１４及びリンク１９の自転方向が逆になる。

また、二つの回転駆動源１６ａをそれぞれ個別に回転数制御して、二つの入力歯車１６の回転方向及び回転速度を適宜に調整すれば、リンク１９を自転させながら屈曲運動させることも可能である。

次に、第２の関節機構２０の動作について説明する。第２の関節機構２０を動作させる機構の構造例として、ワイヤーを介して動力を伝達する機構（図８参照）と、中間連結部品を介して動力を伝達する機構（図１３参照）などがある。

まず、図８を用いて、ワイヤーを介して動力を伝達する機構による第２の関節機構２０の動作について説明する。
回転駆動源２２への電力供給により駆動歯車２２ａが回転すると、その回転力は、伝動歯車２３及び入力歯車２４ｄ等を介して、送りねじ機構２４のねじ軸２４ａに伝達される。そして、ねじ軸２４ａの回転により直動部材２４ｂがリンク２１中心線と平行に直進運動する。すると、直動部材２４ｂに止着されているワイヤー２７が長手方向へ移動するため、該ワイヤー２７が巻かれた第１の滑車部２５が回転し、該第１の滑車部２５と一体的に基部２８及びリンク１１が回動する。すなわち、リンク２１に対しリンク１１が屈曲運動する。リンク１１の屈曲方向を逆にする場合は、回転駆動源２２への供給電力を制御して、回転駆動源２２の回転方向を逆にすればよい。

更に、図１３を用いて、中間連結部品５２を介して動力を伝達する機構による第２の関節機構２０の動作について説明する。
回転駆動源２２への電力供給により駆動歯車２２ａが回転すると、その回転力は、伝動歯車２３及び入力歯車２４ｄ等を介して、送りねじ機構５１のねじ軸５１ａに伝達される。そして、ねじ軸５１ａの回転により直動部材５１ｂがリンク２１中心線と平行に直進運動する。すると、直動部材５１ｂと回転連結部品５３とを繋ぐ中間連結部品５２が長手方向へ移動するため、回転連結部品５３が回転し、該回転連結部品５３と一体的に基部２８及びリンク１１が回動する。すなわち、リンク２１に対しリンク１１が屈曲運動する。リンク１１の屈曲方向を逆にする場合は、回転駆動源２２への供給電力を制御して、回転駆動源２２の回転方向を逆にすればよい。

リンク１１が作業ツール部３０側から過剰な力を受けた場合には、支持片部２８ａと第１の滑車部２５（図８参照）の間のトルクリミッター（図示せず）又は回転連結部品５３（図１３参照）の間のトルクリミッター（図示せず）を配置することで、この作用により、基部２８及びリンク１１が、第１の滑車部２５又は回転連結部品５３に対し回転するため、マニピュレーター１の各部及びマニピュレーター１が接する周囲の物体の損傷を防ぐことができる。
なお、図８、図１３の例によれば、マニピュレーター１の後部側に第２の関節機構２０を二つ直列状に設けているため、これら二つの関節部分について、それぞれ上記動作が可能である。

次に、作業ツール部３０の動作について説明する（図９参照）。
各回転駆動源３３に対し電力が供給されて駆動歯車３３ａが回転すると、その回転力は、伝動歯車３５及び入力歯車３４ｂを介してねじ軸３４ａに伝達され、ねじ軸３４ａが一方向へ回転する。したがって、ねじ軸３４ａに螺合した直動部材（図示せず）が、リンク１９中心線と平行に直進運動し、この直進運動が、リンク部材３２ｂ等を介して各挟み片３１に伝達され、各挟み片３１が回動することになる。
尚、駆動歯車３３ａ、伝動歯車３５、入力歯車３４ｂの歯幅寸法は、リンク１９の内部で送りねじ機構３４の軸方向の位置がずれた場合にも、各歯車が互いに噛み合った状態を維持できるように設定されている。
二つの回転駆動源３３は、それぞれ独立して制御することが可能になっている。したがって、二つの回転駆動源３３を適宜に制御すれば、二つの挟み片３１を付勢部材３２ａの付勢力に抗して閉鎖したり、逆に開放したり、あるいは、二つの挟み片３１を閉じた状態まま一方へ傾けるように回動したり等、様々な動作を行うことができる。

よって、上記構成のマニピュレーター１によれば、外径８ｍｍ以下や、外径５ｍｍ以下に構成することが可能な上、複数もしくは３以上の関節により複雑な屈曲動作が可能であり、さらに、作業ツール部３０については、第１の関節機構１０によって回転運動と屈曲運動を組み合わせた複雑な動作が可能である。
したがって、このマニピュレーター１は、ＳＰＳ(Single-Port Surgery)に用いる鉗子として特に有用である。

なお、上記実施態様によれば、二つの中間歯車１５における軸方向の両側に二つの入力歯車１６及び二つの出力歯車１７を配置したが、他例としては、二つの中間歯車１５の間側に、二つの入力歯車１６及び／又は二つの出力歯車１７を配置し噛み合わせる構成とすることも可能である。

また、上記実施態様によれば、入力歯車１６、中間歯車１５、出力歯車１７の後側部分（かさ歯車部１７ａ）をそれぞれかさ歯車により構成したが、これらは軸方向を交差させて噛み合う歯車であればよく、例えば、冠歯車（フェースギヤ）やその他の歯車を用いた構成とすることも可能である。

また、上記第２の関節機構２０では、回転駆動源２２の出力軸等を後方へ向け、その逆側（前方）のリンク１１を屈曲させるようにしたが、他例としては、前後方向の構成を逆にして、すなわち、回転駆動源２２の出力軸等を前方へ向け、その逆側（後方）のリンクを屈曲させる構造とすることも可能である。

また、上記実施態様によれば、屈曲運動及び回転運動する第１の関節機構１０を一つ、屈曲運動のみする第２の関節機構２０を二つ備える構成としたが、他例としては、全ての関節を第１の関節機構１０によって構成した態様や、全ての関節を第２の関節機構２０によって構成した態様、第１の関節機構１０と第２の関節機構２０を図示以外の数や組み合わせにした態様等とすることが可能である。

また、上記実施態様によれば、作業ツール部３０を医療用挟み装置（鉗子）として構成したが、この作業ツール部の他例としては、ＤＣＡカーテルや、ＯＣＴ、その他の医療機器、理化学機器、産業機器、ロボット等の作業部分の装置として構成することが可能である。
より具体的に説明すれば、作業ツール部３０の他例としては、作業対象物を挟み切る装置や、作業対象物にドリルで孔をあける装置、作業対象物に塗装を行う装置等とすることも可能である。

＜第２の実施態様＞
上記構成のマニピュレーター１を複数使用して多指ハンド装置を構成することができる。
この多指ハンド装置について、図１４を用いて説明する。

図１４に示す多指ハンド装置Ａは、基体６１に複数（図示例によれば４本）のマニピュレーター１が配置されている。すなわち、各マニピュレーター１が、多指ハンド装置Ａにおいて、指部として機能する。

基体６１は、２枚の板状部材６１ａと、これら板状部材間に挟持されて先端側を放射状に突出させた複数の支持部材６１ｂとを一体に備える。
各マニピュレーター１の基端側の第２の関節機構２０におけるリンク２１が、各支持部材６１ｂ内に回転駆動可能な状態で接続されている。各支持部材６１ｂ内には、接続したリンク２１を回転駆動する駆動源（図示せず）及び駆動機構（図示せず）が設けられる。

基体６１の掌側には、センサ６３が固定されている。例えば、多指ハンド装置Ａが対象物を把持して、対象物の向きを変えたり、持ち替える動作を行う際、センサ６３による検知信号に基づき、多指ハンド装置Ａの各マニピュレーター１の動作を制御する。センサ６３は、単数又は複数の撮像素子（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等）などが用いられる。

マニピュレーター１は、単独でも、回転、屈曲、伸展や挟みなどの動作を行えるが、複数のマニピュレーター１を用いて多指ハンド装置Ａとすることで、より多彩な動作が可能となる。

具体的には、例えば、多指ハンド装置Ａにおいて複数配置して各々が指部となっているマニピュレーター１の内、一本のマニピュレーター１の作業ツール部３０の挟み片３１によって対象物を把持して、対象物の向きを意図する方向に変える。その後、対象物を把持していない残りのマニピュレーター１の内の１本又は２本以上のマニピュレーター１の作業ツール部３０の挟み片３１によって、対象物を把持し直すといった動作を行うことができる。すなわち、多指ハンド装置Ａによれば、ハンド掌側の各指が届く範囲の中で、対象物の向きを変えて持ち替えるといった作業を行うことができる。

多指ハンド装置Ａにより、工業製品の生産現場において作業ロボットに適用することで、スペースの限られた狭い範囲の中で、小さい対象物を適切に、持ち替え、並べ替えるなどの作業を行うことができる。或いは、外科手術用ロボットに適用して、適切に、縫合（運針）の処置を行うことができる。

また、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１：マニピュレーター
１０：第１の関節機構
１１：リンク（第１のリンク）
１３：支持軸
１４：回動基部
１５：中間歯車
１６：入力歯車
１７：出力歯車
１７ａ：かさ歯車部
１７ｂ：平歯車部
１８：内歯車
１９：リンク（第２のリンク）
２０：第２の関節機構
２１：リンク
１６ａ，２２，３３：回転駆動源（電動モータ）
２４，３４：送りねじ機構
２３，３５：伝動歯車
２４：送りねじ機構
２４ａ：ねじ軸
２４ｂ：直動部材
２５：第１の滑車部
２６：第２の滑車部
２７：ワイヤー
２９：基部
３０：作業ツール部
３１：挟み片
５１：送りねじ機構
５２：中間連結部品
５３：回転連結部品
６１：基体
６３：センサ
Ａ：多指ハンド装置

Claims (8)

1. 連結された複数のリンクを具備したマニピュレーターにおいて、
   前記複数のリンクのうちの少なくとも一つに、該リンクの延設方向に対し交差する方向へ並ぶように、回転駆動源と送りねじ機構が設けられ、
   前記回転駆動源の出力軸が前記延設方向の一方へ向けられるとともに、前記送りねじ機構のねじ軸の一端側も同方向へ向けられ、前記出力軸と前記ねじ軸との間で回転力を伝達するとともに、前記ねじ軸に螺合した直動部材によって前記一方に対する他方側に動力を伝達するようにしたマニピュレーター。
2. 最先端側の前記リンクは、前記出力軸と前記送りねじ機構のねじ軸の一端側とを後方へ向けるようにして前記回転駆動源及び前記送りねじ機構を備え、前記直動部材の直進運動によって動作して作業対象物に対する作業を行う作業ツール部を構成していることを特徴とする請求項１記載のマニピュレーター。
3. 前記作業ツール部は、複数の挟み片を回動させて開閉させる挟み機構であり、
   前記回転駆動源および前記送りねじ機構が、前記複数の挟み片の各々に対応するように複数設けられ、
   前記挟み片の各々が、対応する前記直動部材の直進運動により回動するように設けられていることを特徴とする請求項２記載のマニピュレーター。
4. 前記複数のリンクのうち、隣接する一組のリンクについて、その一方のリンクに対し他方のリンクが回動するように接続され、前記一方のリンクに前記回転駆動源及び前記送りねじ機構が設けられ、前記直動部材の直進運動によって前記他方のリンクが回動するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載のマニピュレーター。
5. 前記他方のリンクの回動支点部には、前記他方のリンクと一体に回転する部品として第１の滑車部が設けられ、
   前記一方のリンクには、第１の滑車部との間に前記直動部材を配置するように第２の滑車部が設けられ、
   前記直動部材には、ワイヤーの一端側と他端側が止着され、
   前記ワイヤーは、前記一端側と前記他端側の間の部分を、第１の滑車部と第２の滑車部に掛け回していることを特徴とする請求項４記載のマニピュレーター。
6. 前記他方のリンクの回動支点部には、前記他方のリンクと一体に回転する部品として回転連結部品が設けられ、
   前記直動部材と前記回転連結部品とは、中間連結部品によって繋がれていることを特徴とする請求項４記載のマニピュレーター。
7. 前記他方のリンクに所定の閾値以上の回動負荷が加わった場合に、
   前記他方のリンクと前記他方のリンクと一体に回転する部品との連結状態を解除するトルクリミッターを設けたことを特徴とする請求項５又は６記載のマニピュレーター。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のマニピュレーターを指部として複数配置したことを特徴とする多指ハンド装置。

Images