JP2023168932A

JP2023168932A - エンドエフェクタおよびマニピュレータ

Info

Publication number: JP2023168932A
Application number: JP2022080324A
Authority: JP
Inventors: 誠神野; Makoto Jinno; ユリアンアイ．ヨーダキタ; Iordachita Lulian
Original assignee: Kokushikan University
Current assignee: Kokushikan University
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-11-29

Abstract

【課題】小型化に適し、操作性の改善されたエンドエフェクタを提供する。【解決手段】エンドエフェクタは、それぞれが近位端側と遠位端側とを連通する第１の連通部および第２の連通部を有し、近位端側がマニピュレータの先端に固定される固定部材と、第１の連通部を通り近位端側から遠位端側へ出る弾性部材と、第２の連通部を通り遠位端側から近位端側へ出るワイヤと、弾性部材とワイヤを鋭角に配置するガイド部とを有し、弾性部材とワイヤを介して固定部材の遠位端側に接続される可動部材と、を備える。可動部材は、第２の連通部において近位端側へ向かう引張力をワイヤに加えることにより第１の回動状態へ回動する。第１の回動状態において第１の連通部とガイド部の間の所定位置で弾性部材が曲げられ、可動部材は、引張力が解放されると、所定位置における弾性部材の曲げに対する弾性力により第２の回動状態へ回動する。【選択図】図４

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り ▲１▼ ウェブサイトの掲載日：令和４年４月１５日ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｅｖｅｎｔｓ．ｉｎｆｏｖａｙａ．ｃｏｍ／ｕｐｌｏａｄｓ／ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／ｐｄｆｖｉｅｗｅｒ／４８／８ｂ／５７３８５－０１９０．ｐｄｆ公開者：神野誠、ヨーダキタユリアンアイ． ▲２▼ウェブサイトの掲載日：令和４年４月１５日ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｅｖｅｎｔｓ．ｉｎｆｏｖａｙａ．ｃｏｍ／ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ？ｉｄ＝７８５４４公開者：神野誠、ヨーダキタユリアンアイ．

本発明は、エンドエフェクタおよび該エンドエフェクタを用いたマニピュレータに関する。

網膜手術は、高度な外科的スキルを習得した外科医により行われる難しい外科手術の１つである。網膜手術では、狭い限られた眼球内空間で器具を使用して作業する必要がある。したがって、網膜手術を支援するために、シャフトの先端に様々なエンドエフェクタやツールが装着された多くのロボット鉗子が開発されてきた。一般的なロボット鉗子は、まっすぐで剛性のあるシャフトの先端にエンドエフェクタやツールを実装するように設計されており、眼球内空間における作業が制限される。網膜手術に用いられる典型的なエンドエフェクタまたはツールには、例えば、針、ライトパイプ、ピペット、およびグリッパなどがある。

眼球内空間におけるより自由度の高い操作性を得ることを可能にするために、シャフトの先端部分が湾曲するように設計されたロボット鉗子が研究、開発されている（非特許文献１～３）。これらのロボット鉗子によれば、網膜剥離などの手術を行うために網膜の前部にアクセスするときに、適切な方向から網膜上のターゲットに適切にアクセスすることができる。

2020 International Symposium on Medical Robotics (ISMR) Atlanta, GA, USA, November 18-20, 2020, "Improved Integrated Robotic Intraocular Snake", Makoto Jinno, Iulian Iordachita 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2021) May 31 - June 4, 2021, Xi'an, China, "An Integrated High-dexterity Cooperative Robotic Assistant for Intraocular Micromanipulation", Makoto Jinno, Gang Li, Niravkumar Patel, Iulian Iordachita Journal of Medical Robotics Research, (2021) 2140001 (13 pages) "Improved Integrated Robotic Intraocular Snake: Analyses of the Kinematics and Drive Mechanism of the Dexterous Distal Unit", Makoto Jinno, Iulian Iordachita

網膜手術などを行うロボット鉗子では、使用されるシャフトには１ｍｍ未満の直径が要求され、このようなサブミリメートルのスケールでエンドエフェクタを実現することは困難を伴う。特に、対象の把持や解放を行うグリッパをこのようなサブミリメートルのスケールで実現することは困難であった。例えば、一般的な腹腔鏡手術に用いられるロボット鉗子におけるグリッパの開閉機構には、複数のリンクとヒンジから構成されるリンク機構やワイヤ・プーリー機構が用いられる。しかしながら、そのようなリンク機構やワイヤ・プーリー機構を、サブミリメートルのスケールのグリッパに用いるのは、強度や組み立ての観点からほぼ不可能に等しい。

従来の眼科用鉗子のグリッパとして、弾性変形グリッパが知られている。従来の弾性変形グリッパでは、図９（ａ）に示されるように、アウターチューブ９０１に対してグリッパを形成する弾性部材９０２を相対的にスライドさせることによりグリッパの開閉が行われる。しかし、この従来のグリッパには次の課題がある。まず、グリッパの開閉を行うために弾性部材９０２またはアウターチューブ９０１をスライドさせる場合、比較的長い直線のストローク９０３またはストローク９０５が必要となる（図９（ｂ）、（ｃ））。グリッパの開閉操作に長いストロークの操作が要求されることにより、湾曲機構部より先端側が長尺化し、眼球内でのグリッパの動作領域が減少するとともに操作性が低下する。また、弾性部材９０２の移動によりグリッパを開閉する場合、グリッパの握り位置にずれ９０４が発生する（図９（ｃ））。このようなずれが生じると、目標とする対象を的確に把持することができない。さらに、グリッパの顎部分が弾性曲げによって閉じられるため、得られる把持力が小さい。また、非特許文献１～３により提案されているような、湾曲機構を備えたロボット鉗子には適用することは困難である。

本発明は、小型化に適するとともに、操作性が改善されたエンドエフェクタを提供する。

本発明の一態様によるエンドエフェクタは以下の構成を備える。すなわち、
マニピュレータの先端に装着されるエンドエフェクタであって、
それぞれが近位端側と遠位端側とを連通する第１の連通部および第２の連通部を有し、前記近位端側が前記マニピュレータの先端に固定される固定部材と、
前記第１の連通部を通り前記近位端側から前記遠位端側へ出る１つ以上の弾性部材と、
前記第２の連通部を通り前記遠位端側から前記近位端側へ出るワイヤと、
前記弾性部材と前記ワイヤを鋭角に配置するガイド手段を有し、前記弾性部材と前記ワイヤを介して前記固定部材の前記遠位端側に接続される可動部材と、を備え、
前記可動部材は、前記第２の連通部において前記ワイヤに前記近位端側へ向かう引張力を加えることにより第１の回動状態へ回動し、前記第１の回動状態において前記第１の連通部と前記ガイド手段の間の所定位置で前記弾性部材が曲げられ、
前記可動部材は、前記引張力を解放すると前記所定位置における前記弾性部材の曲げに対する弾性力により第２の回動状態へ回動する。

本発明によれば、小型化に適し、且つ、操作性の改善されたエンドエフェクタを提供することができる。

実施形態によるロボット鉗子の外観を示す図である。ロボット鉗子の湾曲機構を説明する図である。ロボット鉗子のグリッパ部の構造を説明する図である。グリッパ部の動作を説明する図である。グリッパ部を駆動するための操作機構を示す図である。グリッパ部を駆動するための操作機構の、他の例を示す図である。２つの可動部材によりグリッパ部を構成する例を示す図である。エンドエフェクタの変形例を示す図である。従来の眼科用鉗子のグリッパを説明する図である。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本実施形態によるロボット鉗子の外観例を示す図である。ロボット鉗子１０はマニピュレータの一例であり、本実施形態では作業ユニット１１とハンドユニット１２から構成されている。また、作業ユニット１１の先端には、エンドエフェクタの一例であるグリッパ部１００が装着されている。

図１（ａ）は、作業ユニット１１とハンドユニット１２が分離された状態を示し、図１（ｂ）は、作業ユニット１１とハンドユニット１２が接続された状態を示す。作業ユニット１１は、ユニット基部１３０、シャフト１４０、湾曲機構１２０、グリッパ部１００を有する。シャフト１４０は中空構造であり、一方の端部はユニット基部１３０と接続され、他方の端部は湾曲機構１２０に接続される。さらに、湾曲機構１２０の先端にエンドエフェクタの一例であるグリッパ部１００が接続、固定される。ハンドユニット１２は、ユーザが把持するための本体２００を有し、本体２００には、ハンドユニット１２と作業ユニット１１を接続し、その状態を維持するためのラチェットレバー２０１が設けられている。ラチェットレバー２０１が作業ユニット１１のラチェット嵌合部１３１（図５（ａ）（ｂ））に嵌ることにより、ハンドユニット１２と作業ユニット１１が接続され、その状態が維持される。

図２は、湾曲機構１２０の外観例および詳細な構成例を示す図である。湾曲機構１２０は、複数の円盤部材１２４を積層することにより構成される湾曲部１２３を有する。積層された円盤部材１２４の穴１２７ａと穴１２７ｂに第１の湾曲用ワイヤ１２５が通されている。また、穴１２７ｃと穴１２７ｄに第２の湾曲用ワイヤ１２６が通されている。第１の湾曲用ワイヤ１２５と第２の湾曲用ワイヤ１２６を操作することにより湾曲機構１２０を任意の方向に湾曲させることができる。なお、円盤部材１２４の中央に設けられている穴１２７ｅは、グリッパ部１００を開閉駆動するためのワイヤ（後述する）を通す穴である。湾曲部１２３の遠位端側に設けられている部材（第１端部１２１）は、湾曲機構１２０とグリッパ部１００を接続し、グリッパ部１００の凹部１０４（図３により後述）と嵌合するための凸部を有する。また、湾曲部１２３の近位端側に設けられている部材（第２端部１２２）は、湾曲機構１２０とシャフト１４０を接続し、シャフト１４０の中空部と嵌合するための凸部を有する。

図３は、グリッパ部１００を各部材へ分解した外観例を示す図である。図３に示されるグリッパ部１００は、固定部材１０１と可動部材１０２とワイヤ１０３で構成されている。ワイヤ１０３は、曲げに対する弾性を有する弾性ワイヤであり、例えば、超弾性特性を有するワイヤ（直線状態での記憶品）であるニチノールワイヤを用いることができる。本実施例における試作では、眼科手術用のマニピュレータに要求されるサイズ（例えば、直径０．９ｍｍのシャフト１４０が用いられる）に適応するべく、大同特殊鋼株式会社から入手可能な、直径０．１２５ｍｍのNi-Ti 合金(KIOKALLOY-R)が用いられた。しかし、これは例示に過ぎず、ワイヤ１０３のサイズや特性が限定されるものではないことは言うまでもない。例えば、直径０．０８～０．１８ｍｍ程度のニチノールワイヤが好適に用いられ得る。固定部材１０１は、湾曲機構１２０の第１端部１２１の凸部が嵌め込まれる凹部１０４と、グリッパの一方の顎として機能する顎部１０５ａを有する。また固定部材１０１には、遠位端側と近位端側を連通する第１の連通部１１１と第２の連通部１１２を有する。ワイヤ１０３は、第１の連通部１１１を通って固定部材１０１の近位端側から遠位端側へ抜けて、第２の連通部１１２を通って固定部材１０１の遠位端側から近位端側へ戻るように配されている。

可動部材１０２は、グリッパの他方の顎として機能する顎部１０５ｂを有する。可動部材１０２が回動することにより、固定部材１０１の顎部１０５ａと可動部材１０２の顎部１０５ｂが開閉する。可動部材１０２は、ワイヤ１０３を通すためのワイヤ通路１１３～１１４を有する。ワイヤ通路１１３～１１４は、固定部材１０１の遠位端側において、ワイヤ１０３を鋭角に曲げることによりワイヤ１０３が第１の連通部１１１と第２の連通部１１２へ向かうようにガイドするガイド部として機能する（図４により後述する）。試作では、上述のように直径０．１２５ｍｍのワイヤ１０３を用い、固定部材１０１と可動部材１０２に設けられたワイヤ１０３が通るための穴（第１の連通部１１１、第２の連通部１１２、ワイヤ通路１１３～１１４）は、直径０．１５ｍｍとした。もちろん、各寸法はこれに限られるものではないが、微細手術用のサブミリ～ミリオーダーのマニピュレータへ適用する場合、例えば、ワイヤ径が、０．１２５ｍｍ±０．０５５ｍｍ（０．０８～０．１８ｍｍ）、穴径が０．０９～０．２２ｍｍの範囲であることが望ましい。

湾曲機構１２０の第１端部１２１は、固定部材１０１に形成された凹部１０４に嵌め込まれ、湾曲機構１２０と固定部材１０１とが固定される。第１端部１２１には溝部１２８が設けられており、第１端部１２１が凹部１０４に嵌めこまれた状態で、溝部１２８と凹部１０４の内面により第１の連通部１１１に接続する円筒形の穴が形成されるようになっている。ワイヤ１０３の一端が、この円筒形の穴に固定される。第１端部１２１が固定部材１０１に固定された状態で、溝部１２８と第１の連通部１１１は同軸に並び、溝部１２８で端部が固定されたワイヤ１０３は、第１の連通部１１１を通って固定部材１０１の遠位端側へ抜ける。ワイヤ通路１１３～１１４を有するガイド部により、ワイヤ１０３は鋭角に曲げられた後、第２の連通部１１２を通って固定部材１０１の近位端側へ抜ける。第１端部１２１が固定部材１０１に固定された状態において、第１端部１２１のワイヤ通路１２９と第２の連通部１１２は同軸に並び、第２の連通部１１２を抜けたワイヤ１０３は、湾曲機構１２０の穴１２７ｅを通ってシャフト１４０の中空部へ抜ける。

固定部材１０１の凹部１０４（円筒穴）を第１端部１２１の側面（円筒面）に取り付けることにより、グリッパ部１００は曲げモーメント３０２の作用に対する耐性が得られる。さらに、ワイヤ１０３の端を第１端部１２１の溝部１２８と凹部１０４の内面により形成される円筒形の穴に挿入することにより、グリッパ部１００のねじりモーメント３０１の作用に対する耐性が得られる。

図４は、エンドエフェクタの一例としてのグリッパ部１００の断面図である。グリッパ部１００では、ワイヤ１０３を介して、可動部材１０２が固定部材１０１に対して回動可能に接続され、可動部材１０２の回動により、グリッパの顎部の開閉が実現される。図４（ａ）に示されるように、ワイヤ１０３の一方の端部は、固定位置４０１で固定される。固定方法としては、圧着、接着、溶接などが考えられる。但し、折り返し部４０２によりワイヤ１０３が鋭角に曲げられることで、第１の連通部１１１からワイヤ１０３を抜く方向の力はワイヤ１０３にかからない。したがって、ワイヤ１０３を積極的に固定せず、溝部１２８と凹部１０４の内面により形成される円筒形の穴に挿入するのみでも、グリッパ機能を維持することは可能である。第１の連通部１１１を通って固定部材１０１の遠位端側へ抜けたワイヤ１０３は、ワイヤ通路１１３とワイヤ通路１１４により形成されるガイド部により折り返し部４０２で鋭角に曲げられる。折り返し部４０２で鋭角に曲げられたワイヤ１０３は、ワイヤ通路１１４を通って第２の連通部１１２へ向かい、第２の連通部１１２を抜けることにより固定部材１０１の近位端側へ戻る。

ワイヤ１０３の第２の連通部１１２を通る部分に、ワイヤ１０３の軸方向への引張力（矢印４２１の方向の力）が作用すると、可動部材１０２が固定部材１０１に対して矢印４２２の方向へ回動して図４（ｂ）の状態（以下、第１の回動状態）となる。この第１の回動状態において、ワイヤ通路１１４と第２の連通部１１２は同軸に並び、ワイヤ１０３はほぼ直線状態となる。なお、本実施形態において、第２の連通部１１２の軸は、シャフト１４０の中心軸に一致するように配置されるものとするが、これに限られるものではない。第２の連通部１１２の軸とシャフト１４０の中心軸がずれていても構わない。

引張力によりワイヤ１０３が矢印４２１の方向へ引っ張られて、可動部材１０２が第１の回動状態となっている間、グリッパ部１００の顎部１０５ａ、１０５ｂは閉じた状態となる。このときのグリッパ部１００の把持力は、所定位置４０３周りのモーメントの釣り合いから算出することが可能であり、ワイヤ１０３の引張力に概ね比例した把持力が得られることが分かっている。固定部材１０１と可動部材１０２は、第１の回動状態において、第１の連通部１１１とガイド部の入口（ワイヤ通路１１３の入口）の間の一カ所（所定位置４０３）でワイヤ１０３が曲がるように構成されている。上述したようにワイヤ通路１１４と第２の連通部１１２は、可動部材１０２が第１の回動状態にある場合に同軸上に配置され、ワイヤ１０３は直線状に伸びた状態となる。ワイヤ１０３の所定位置４０３における部分は、可動部材１０２を固定部材１０１に対して回動させるヒンジ部として機能し、可動部材１０２は、ワイヤ１０３の長手方向に直交する方向を軸として回動する。所定位置４０３におけるワイヤ１０３の曲がりは、ワイヤ１０３の弾性限界の範囲内である。または、ワイヤ１０３が超弾性ワイヤであれば、荷重解放時に超弾性特性により初期状態に戻る超弾性限界の範囲内である。従って、第１の回動状態において、可動部材１０２はワイヤ１０３の弾性力により、ワイヤ１０３が直線状に伸びる方向へ付勢されている。

ワイヤ１０３が上記の引張力（矢印４２１方向への力）から解放されると、ワイヤ１０３の曲げに対する弾性力により、所定位置４０３におけるワイヤ１０３の部分が直線状に伸びるように動作する。これにより、可動部材１０２は図４（ａ）の状態へ回動する（以下、第２の回動状態）。第２の回動状態では、第１の連通部とワイヤ通路１１３が同軸に並び、所定位置４０３においてワイヤ１０３は直線状に伸び、グリッパ部１００の顎部１０５ａ、１０５ｂは開いた状態となる。なお、第１の回動状態で所定位置４０３におけるワイヤ１０３の曲がりの大きさは、第２の回動状態で折り返し部４０２から第２の連通部１１２までの間（位置４０４から位置４０５の間）のワイヤ１０３の曲がりよりも大きい。これにより所定位置４０３におけるワイヤ１０３の弾性力により可動部材１０２ａが十分に回動することができ、十分なグリッパの開き角度が得られる。また、張力のない初期状態において位置４０４近傍部で図４（ａ）に示すように曲がった形状となるように変形された、または、初期状態において位置４０３近傍部が外側に曲がった形状となるように変形された超弾性のワイヤ１０３が用いられてもよい。このようなワイヤ１０３を用いることにより、矢印４２１の方向への張力が無い状態で、可動部材１０２（グリッパ）の図４（ａ）に示されるような開き角度、或いはより大きい開き角度がより確実に得られる。また、ワイヤ１０３を基端部側から押す機能（ワイヤ１０３に矢印４２１と反対方向の力を加える機能）を備え、かつ、可動部材１０２（グリッパ）が抜け出ないように、例えば、ワイヤ１０３が位置４０１近傍で固定部材１０１に固定されていれば、可動部材１０２（グリッパ）の図４（ａ）に示されるような開き角度、或いはより大きい開き角度がより確実に得られる。

次に、グリッパ部１００を閉じるのに必要なワイヤ１０３のストロークの大きさについて説明する。図４（ａ）と図４（ｂ）に示されるように、第２の回動状態から第１の回動状態へ遷移するために必要な可動部材１０２の回動量を角度θ_Ｇとする。このように可動部材１０２が角度θ_Ｇだけ回動すると、第２の連通部１１２から折り返し部４０２までのワイヤ１０３の長さは、図４（ａ）に示されるＬ_ｗ（位置４０４と位置４０５の間の距離）から図４（ｂ）に示されるＬ_ｗｉに変化する。すなわち、ワイヤ１０３を長さＬ_Ｎ＝Ｌ_ｗ－Ｌ_ｗｉだけストロークさせることにより、可動部材１０２を角度θ_Ｇ回動させることができる。従って、非常に小さい操作量（ストローク）でグリッパの開閉を行えることが分かる。

上述の様な、ワイヤ１０３に対する小さい操作量によってグリッパ部１００の開閉を行えるという特性を活用した操作機構について例示する。

図５は、実施形態のロボット鉗子１０によるグリッパ部１００の開閉操作を行うための操作機構の例を説明する図である。図１で説明したように、ハンドユニット１２と作業ユニット１１は、ラチェットレバー２０１とラチェット嵌合部１３１を有するラチェット機構により接続する。なお、シャフト１４０の先端の湾曲機構１２０を湾曲させるための、第１の湾曲用ワイヤ１２５および第２の湾曲用ワイヤ１２６を駆動する機構は、例えば非特許文献１～３に記載されたとおりであり、詳細な説明および図示を省略する。図５では、ハンドユニット１２と作業ユニット１１がラチェット機構により接続された状態が断面図により示されている。ラチェットレバー２０１はバネ２１２ａにより付勢され、作業ユニット１１とハンドユニット１２が接続された状態を維持する。作業ユニット１１は、ワイヤ１０３を通過させるための穴２１７を有するロッド部材２１５とワイヤ１０３をユニット基部１３０に対して固定するためのワイヤ固定部２１６を有する。ロッド部材２１５は、操作レバー２１１の先端が入るように形成された凹部を有するリンク部材２１４と接続されている。

作業ユニット１１とハンドユニット１２がラチェット機構により接続された状態において、図５（ａ）に示されるように、ハンドユニット１２に設けられた操作レバー２１１の一方の端部（第１の端部）はリンク部材２１４の凹部と係合する。操作レバー２１１の他方の端部（第２の端部）は、バネ２１２ｂにより図中の上方向へ押し上げられており、ユーザが操作するための操作部を提供する。図５（ａ）の状態で、ロッド部材２１５に設けられた穴２１７、シャフト１４０の中空部、ワイヤ固定部２１６は同軸に並び、ワイヤ１０３は直線状に伸びている。

ユーザが操作レバー２１１の第２の端部（操作部）をバネ２１２ｂの付勢力に逆らって押し下げることにより、操作レバー２１１は支点２１３を軸として回動する。その結果、図５（ｂ）に示されるように、操作レバー２１１の第１の端部は図中の上方へ移動し、リンク部材２１４及びこれに接続されているロッド部材２１５を上方へ移動させる。ロッド部材２１５の移動により穴２１７がシャフト１４０およびワイヤ固定部２１６との同軸位置から移動することで、直線状に伸びていたワイヤ１０３に、その一部を引き上げる操作力が加わる。その結果、ワイヤ１０３に矢印５０１の方向の力（すなわち、第２の連通部１１２における引張力）が加わり、グリッパ部１００は閉じた状態となる。操作レバー２１１の第２の端部への押圧が除かれると、バネ２１２ｂの付勢力により操作レバー２１１は図５（ａ）の状態に戻る。すなわち、穴２１７、シャフト１４０の中空部、ワイヤ固定部２１６が同軸に並び、ワイヤ１０３に加わっていた矢印５０１の方向の引張力は消滅し、グリッパ部１００は開いた状態（図５（ａ））となる。上述したように、ワイヤ１０３の小さいストロークでグリッパ部１００の開閉を行えるため、ワイヤ１０３の一部を軸方向から外す方向へ移動する操作機構によりグリッパを開閉することができる。結果、ユーザ操作に対して反応良く開閉するグリッパが提供され得る。また、操作レバー２１１にラチェット機能などを付加することで、グリッパを閉状態に維持することが容易となり、作業や手技によっては操作性が向上する。さらに、本実施形態では、通常時、グリッパは開状態となっているが、バネ２１２と押圧部を支点２１３の遠位側に配置することで、通常時、グリッパを閉状態とすることも可能である。

図６は、実施形態による、グリッパ部１００の開閉操作を行うための他の機構例を説明する図である。ロボット鉗子１０ａは、ハンドユニット１２ａと作業ユニット１１ａを備える。作業ユニット１１ａにおいて、グリッパ部１００とシャフト１４０とが接続部材６４０を介して接続され、シャフト１４０がユニット基部１３０ａに接続されている。図６に示されるロボット鉗子１０ａは、上述したような湾曲機構１２０の代わりに、接続部材６４０が用いられている。また、ロボット鉗子１０ａは、第１基部６０１が第２基部６０２に対して回転可能であり、第１基部６０１の回転操作によりグリッパ部１００を回転させることができる（後述）。接続部材６４０の近位端側は、シャフト１４０の中空部に嵌る径の円筒形を有する。接続部材６４０の遠位端側は、第１端部１２１の凹部１０４に嵌る部分と同様である。

ユニット基部１３０ａは、回転可能に連結された第１基部６０１と第２基部６０２を有する。第１基部６０１と第２基部６０２とが連結される部分において、第１基部６０１は円筒状の凹部を有し、第２基部６０２は円筒状の凸部を有する。第１基部６０１の凹部の内面と第２基部６０２の側面との間に、軸受６１１ａと軸受６１１ｂが配置され、それらの間にスペーサー６２１が配置されている。圧入などにより、第１基部６０１が第２基部６０２から抜けないように支持されるとともに、第１基部６０１が第２基部６０２に対して回転可能に連結される。第２基部６０２は、ハンドユニット１２ａの本体２００ａと接続される。これにより、第１基部６０１に接続される遠位端側の構成（シャフト１４０、接続部材６４０、グリッパ部１００）は、第２基部６０２（および本体２００ａ）に対して、シャフト１４０の軸回りに回転可能となる。例えば、ユーザは、本体２００ａを把持しながら第１基部６０１を人差し指などで回転操作することにより、グリッパ部１００を回転させることができる。なお、本例では、シャフト１４０の軸と、第１基部６０１の回転軸とは同軸である。また、グリッパ部１００を本体２００ａに対して回転自在に支持する方法は、上記の構成に限られたものではない。また、第１基部６０１によりグリッパ部１００の回転操作を可能とする上記の構成は、シャフト１４０とグリッパ部１００の間に湾曲機構１２０が設けられた場合にも適用できる。

第２基部６０２には、矢印６３１の方向へスライド可能なロッド部材６２２が設けられている。ロッド部材６２２は、ワイヤ１０３を通すための穴６２３を有し、第２基部から露出した部分はユーザが操作するための操作部を提供する。穴６２３を通ったワイヤ１０３は、第２基部６０２の底部に設けられた穴６２４を通った後、穴６２４から抜けないように止め部材６２５に固定される。ロッド部材６２２を矢印６３２の方向へ押すことにより、穴６２３の位置が変わり、図６（ｂ）に示されるように、ワイヤ１０３に、矢印６３２の方向へ押す操作力が加わる。これにより、ワイヤ１０３に矢印６３３の方向の力が加わり、グリッパ部１００が閉じる。

ロッド部材６２２を押圧状態から解放すると、ワイヤ１０３は、その弾性力により直線状に戻り、穴６２３と穴６２４の間を直線状に戻すように作用する。結果、ロッド部材６２２が矢印６３２と反対の方向へ移動し、シャフト１４０の中空部、穴６２３および穴６２４が同軸に並ぶ図６（ａ）の状態に戻る。また、矢印６３３の方向の力（引張力）は消滅し、グリッパ部１００は開いた状態になる。なお、ロッド部材６２２をワイヤ１０３の弾性力により戻す構成としているがこれに限られるものではない。例えば、バネ等によりロッド部材６２２を矢印６３２と反対の方向へ付勢するようにしてもよい。また、矢印６３２の方向への力が加わっていない状態では、シャフト１４０、第１基部６０１の回転軸、ロッド部材６２２の穴６２３、第２基部６０２の底部の穴６２４は同軸に並ぶ。また、ワイヤ１０３を固定する止め部材６２５は第２基部６０２に対して固定されていない。そのため、ロッド部材６２２を押下していない図６（ａ）の状態において、ユーザは第１基部６０１を第２基部６０２に対して回転させることができる。止め部材６２５は第２基部６０２に対して固定されていないので、第１基部６０１を第２基部６０２に対して回転させてもワイヤ１０３はねじれない。このように、第１基部６０１を第２基部６０２に対して回転可能とすることで、グリッパ部１００およびシャフト１４０を本体２００ａに対して、長手方向を軸として回転させることができ、使い勝手が向上する。なお、ワイヤ１０３の長さを十分に確保でき、ワイヤ１０３のねじれを許容できる場合は、ワイヤ１０３を第２基部６０２の基端部などに対して固定しても良い。それにより、部品点数の削減や組立性が向上する。

他の実施形態
なお、以上では、固定部材１０１がグリッパの一方の顎部として機能し、可動部材１０２がグリッパの他方の顎部として機能する例を示したが、これに限られるものではない。複数の可動部材１０２が設けられてもよい。例えば、図７に示されるように、可動部材１０２とワイヤ１０３のセットを２セット用いて、グリッパ部１００ａの２つの顎部を２つの可動部材１０２ａ，１０２ｂで構成するようにしてもよい。この場合、固定部材１０１ａには、２つのワイヤ１０３ａ、１０３ｂに対応するように、第１の連通部１１１と第２の連通部１１２のセットが２セット設けられる。ワイヤ１０３ａとワイヤ１０３ｂのそれぞれに矢印４２１ａ、４２１ｂの方向への力を加えると、可動部材１０２ａ、１０２ｂが第１の回動状態となり、グリッパ部１００ａは閉じた状態となる（図７（ｂ））。矢印４２１ａ、４２１ｂの力を解放すると、ワイヤ１０３ａ、１０３ｂのそれぞれの弾性力により可動部材１０２ａ、１０２ｂが第２の回動状態となり、グリッパ部１００ａは開いた状態となる（図７（ａ））。なお、ワイヤ１０３ａ、１０３ｂのそれぞれに個別に第２の連通部を設けたが、ワイヤ１０３ａ、１０３ｂにより第２の連通部が共用されるようにしてもよい。

以上説明したように、上記実施形態のエンドエフェクタ（グリッパ）によれば、少ない操作量で可動部を動かすことができ、操作性が向上する。また、上記実施形態のエンドエフェクタは、ワイヤ１０３を引っ張る力によりグリッパが閉じるので、十分な把持力が得られる。また、上記実施形態のエンドエフェクタは、固定部材１０１と可動部材１０２という少ない部品点数で実現できるため小型化に優れている。また、上記実施形態のマニピュレータによれば、グリッパを開閉するためのユーザの操作方向がシャフト１４０の軸方向に対して略直交している。このように、図９で説明したような操作に比べて、操作方向がグリッパの開閉方向に近いため、より直感的な操作が可能となる。さらに、グリッパの開閉時にグリッパの先端位置が動くことはないため、操作性が向上する。また、本実施形態のエンドエフェクタの可動部材１０２を駆動するワイヤ１０３をシャフト１４０の中空部で往復させる必要が無く、湾曲機構１２０を備えたマニピュレータへの装着にも適している。なお、上記実施形態ではエンドエフェクタとしてグリッパを例示したが、はさみやクリップアプライヤーなど、開閉機能や屈曲機能を有するエンドエフェクタであれば、グリッパに限られるものではない。

また、上記実施形態では、グリッパの駆動機構について、操作者がマニピュレータを直接、操作するための機構を説明したが、これに限られるものではない。例えば、遠隔操作型のマニピュレータや自動運転マニピュレータなどにも、本発明のエンドエフェクタを適用できることは明らかである。例えば、図１に示されるような作業ユニット１１を遠隔操作型のマニピュレータに適用する場合は、湾曲機構１２０をモータ駆動する駆動機構と、グリッパ部１００をモータ駆動する駆動機構が本体２００に実装される。湾曲機構１２０の駆動機構は、第１の湾曲用ワイヤ１２５と第２の湾曲用ワイヤ１２６を駆動し、グリッパ部１００の駆動機構は、ワイヤ１０３を駆動する。なお、この場合、図５に示されるワイヤ固定部２１６はワイヤ１０３を本体２００へ通す連通部として機能し、駆動機構に接続される。

更に、上記実施形態においては、ワイヤ１０３は１本の連通した構成である場合を示したが、必ずしも連通している必要はない。例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、固定部材１０１の第１の連通部１１１を通り近位端側から遠位端側へ出るように配置された少なくとも１本の第１のワイヤ１０３ａと、第２の連通部１１２を通り遠位端側から近位端側へ戻るように配置された第２のワイヤ１０３ｂとからワイヤ１０３が構成されていても良い。この場合、第１のワイヤはワイヤ通路１１３で固定され、第２のワイヤはワイヤ通路１１４で固定される。また、ワイヤ通路１１３とワイヤ通路１１４は、第１のワイヤ１０３ａと第２のワイヤ１０３ｂとを鋭角に配置するガイドとしても機能している。なお、第１のワイヤ１０３ａと第２のワイヤ１０３ｂとは、異なる弾性特性を有していてよい。また、第１のワイヤ１０３ａに代えて、板状の弾性部材が用いられてもよい。さらに、図９（ｃ）に示されるように、第１の連通部１１１とワイヤ通路１１３が、それぞれ可動部材１０２の回動面と略垂直に複数配置され、複数の第１のワイヤが設けられてもよい。或いは、図４で説明したような１本のワイヤ１０３が用いられる構成において、第１の連通部１１１とワイヤ通路１１３を余分に設けて上記第１のワイヤ１０３ａを配置することで、ヒンジ部の曲げに対する戻り力を補強してもよい。

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

１０：マニピュレータ、１１：作業ユニット、１２：ハンドユニット、１００：グリッパ部、１２０：湾曲機構、１３０：ユニット基部、１４０：シャフト、１０１：固定部材、１０２：可動部材、１０３：ワイヤ、１１１：第１の連通部、１１２：第２の連通部、１１３，１１４:ワイヤ通路

Claims

マニピュレータの先端に装着されるエンドエフェクタであって、
それぞれが近位端側と遠位端側とを連通する第１の連通部および第２の連通部を有し、前記近位端側が前記マニピュレータの先端に固定される固定部材と、
前記第１の連通部を通り前記近位端側から前記遠位端側へ出る１つ以上の弾性部材と、
前記第２の連通部を通り前記遠位端側から前記近位端側へ出るワイヤと、
前記弾性部材と前記ワイヤを鋭角に配置するガイド手段を有し、前記弾性部材と前記ワイヤを介して前記固定部材の前記遠位端側に接続される可動部材と、を備え、
前記可動部材は、前記第２の連通部において前記ワイヤに前記近位端側へ向かう引張力を加えることにより第１の回動状態へ回動し、前記第１の回動状態において前記第１の連通部と前記ガイド手段の間の所定位置で前記弾性部材が曲げられ、
前記可動部材は、前記引張力を解放すると前記所定位置における前記弾性部材の曲げに対する弾性力により第２の回動状態へ回動することを特徴とするエンドエフェクタ。
１つの前記弾性部材と前記ワイヤは、１本のワイヤで構成され、前記１本のワイヤは前記ガイド手段により鋭角に曲げられることを特徴とする請求項１に記載のエンドエフェクタ。
前記可動部材は、前記所定位置における前記弾性部材の長手方向に対して直交する方向を軸として回動することを特徴とする請求項１または２に記載のエンドエフェクタ。
前記固定部材がグリッパの第１の顎部として機能し、前記可動部材が前記グリッパの第２の顎部として機能することを特徴とする請求項１または２に記載のエンドエフェクタ。
前記第１の回動状態は前記第１の顎部と前記第２の顎部が閉じた状態であり、前記第２の回動状態は前記第１の顎部と前記第２の顎部が開いた状態であることを特徴とする請求項４に記載のエンドエフェクタ。
前記第１の回動状態における前記弾性部材の前記所定位置における曲がりの大きさは、前記弾性部材の弾性限界もしくは超弾性限界の範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンドエフェクタ。
前記第１の回動状態における前記弾性部材の前記所定位置における曲がりの大きさは、前記ガイド手段と前記第２の連通部との間に生じる前記ワイヤの曲がりの大きさより大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のエンドエフェクタ。
前記固定部材は、前記第１の連通部と前記第２の連通部の複数のセットを有し、複数の前記可動部材が前記固定部材に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のエンドエフェクタ。
請求項１または２に記載されたエンドエフェクタと、
一方の端部が前記固定部材に接続されるシャフトであって、前記第２の連通部と前記シャフトの中空部を前記ワイヤが通るように前記固定部材と接続される前記シャフトと、
前記シャフトの他方の端部と接続し、前記ワイヤの前記中空部を通り抜けた部分において、前記引張力を前記ワイヤに加えるための操作力を加える操作機構を有するユニット基部と、を備えることを特徴とするマニピュレータ。
前記操作機構は、前記部分において前記ワイヤを前記シャフトの軸方向からずらす力を前記操作力として加えることを特徴とする請求項９に記載のマニピュレータ。
前記操作機構は、前記ワイヤが通る連通部を有する部材を有し、
前記操作力を加えない状態において、前記シャフトの前記中空部と前記ワイヤと前記部材の前記連通部が同軸に並ぶことを特徴とする請求項１０に記載のマニピュレータ。
前記ユニット基部と接続する本体を備え、
前記本体は、ユーザが操作する操作部を有し、
前記本体と前記ユニット基部が接続された状態で、前記操作部に対してなされたユーザの操作を前記操作機構へ伝えるようにリンクされていることを有することを特徴とする請求項９に記載のマニピュレータ。
前記ユニット基部は、
前記シャフトが固定される第１基部と、
前記シャフトの長手方向を軸とした回転が可能なように前記第１基部と連結し、前記操作機構を有する第２基部とを有することを特徴とする請求項９に記載のマニピュレータ。
前記エンドエフェクタは、前記シャフトと湾曲機構を介して接続されていることを特徴とする請求項９に記載のマニピュレータ。