JP2023176465A - 連続体ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】２方向への曲げだけでなく、ねじり運動も含めた３方向への位置・姿勢の変化を可能にする連続体ロボットを提供する。
【解決手段】連続体ロボットは、ベース、出力リンク、中間リンク、弾性棒及び少なくとも３つの弾性駆動要素を有する。弾性棒は、ベース、出力リンク及び中間リンクの各々に対して、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続される。各駆動要素々は、ベースに対して、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続され、出力リンクに対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続され、中間リンクに対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続体ロボットに関する。

連続体ロボットは、その構造的特徴から、柔軟性と安全性を両立させることが可能であると考えられており、狭隘空間での作業、内視鏡等の医療分野での利用、人との接触を伴う作業等への応用が期待されている。例えば、内視鏡等に適用可能な連続体ロボットがねじれた場合に、ロボットの駆動制御の精度低下を抑制する技術や、制御性能の向上を図る技術が提唱されている（例えば特許文献１、２を参照）。

また、複数段のワイヤ駆動式連続体ロボットにおいて、ロボットアームの運動エネルギ、位置エネルギ、及び一般化された力の方程式を組み合わせて、ロボットの動力学モデルを構築する技術も提唱されている（例えば特許文献３を参照）。

特開２０１９－１２２４９１号公報 特開２０２２－０２５３５５号公報 中国特許出願公開第１１２８２８８９３号明細書

連続体ロボットは種々の用途への適用が期待されているが、従来の連続体ロボットの動作には一定の制約がある。例えば、従来の連続体ロボットとして、ベース、中間リンク及び出力リンクに固定される弾性棒と、弾性棒を変形させて出力リンクの位置・姿勢を変更する駆動用ワイヤとを有するものがあり、このような連続体ロボットでは、２方向への曲げ運動を行うことはできるが、（特に出力リンクの法線軸回りの）ねじり運動を行うことはできなかった。

そこで、２方向への曲げだけでなく、ねじり運動も含めた３方向への位置・姿勢の変化を可能にする連続体ロボットが望まれる。

本開示の一態様は、ベースと、前記ベースに接続された一端を有する弾性変形可能な棒状体と、前記棒状体の他端に接続された出力リンクと、前記棒状体の前記一端と前記他端との間の少なくとも１つの中間部の各々に接続された少なくとも１つの中間リンクと、前記ベース、前記出力リンク及び前記中間リンクの各々に対して、互いに離隔しかつ前記棒状体とも離隔するように接続された、弾性変形可能な少なくとも３つの駆動要素と、を備え、前記棒状体は、前記ベース、前記出力リンク及び前記中間リンクの各々に対して、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続され、前記少なくとも３つの駆動要素の各々は、前記ベースに対して、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続され、前記出力リンクに対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続され、前記中間リンクに対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続される、連続体ロボットである。

本開示によれば、ベースに対して駆動要素を軸方向に移動させることで、出力リンクは、２方向への曲げ運動に加え、回転（ねじり）運動もできるようになる。

実施形態に係る連続体ロボットの主要部の概略図である。 図１の主要部をアクチュエータ等とともに示す図である。 弾性棒の取り付け構造例を示す図である。 駆動要素の取り付け構造例を示す図である。 駆動要素の他の取り付け構造例を示す図である。 図５の構造例における駆動要素の動作を説明する図である。 駆動要素のさらなる他の取り付け構造例を示す図である。 図２の部分拡大図である。 リニアアクチュエータの他の例を示す図である。 リニアアクチュエータのさらなる他の例を示す図である。 リニアアクチュエータのまたさらなる他の例を示す図である。 連続体ロボットの初期状態を例示する図である。 図１２の連続体ロボットを模式的に示す図である。 連続体ロボットが初期状態から曲げ動作を行った状態を示す図である。 図１４の連続体ロボットを模式的に示す図である。 曲げ動作における、各駆動腱の長さ変化を示すグラフである。 連続体ロボットが初期状態から回転動作を行った状態を示す図である。 図１７の連続体ロボットを模式的に示す図である。 回転動作における、各駆動腱の長さ変化を示すグラフである。 連続体ロボットが初期状態からねじり動作を行った状態を示す図である。 図２０の連続体ロボットを模式的に示す図である。 ねじり動作における、各駆動腱の長さ変化を示すグラフである。 連続体ロボットが初期状態から複合動作を行った状態を示す図である。 図２３の連続体ロボットを模式的に示す図である。 複合動作における、各駆動腱の長さ変化を示すグラフである。

図１は、好適な実施形態に係る連続体ロボット１０の主要部の概略図である。連続体ロボット１０は、ベース１２と、ベース１２に接続された一端１６を有する弾性変形可能な棒状体（弾性棒）１４と、弾性棒１４の他端１８に接続された出力リンク２０と、弾性棒１４の一端１６と他端１８との間の少なくとも１つの中間部２２の各々に接続された少なくとも１つの中間リンク２４と、ベース１２、出力リンク２０及び中間リンク２４の各々に対して、互いに離隔しかつ弾性棒１４とも離隔するように接続された、弾性変形可能な少なくとも３つの駆動要素２６とを有する。

弾性棒１４は、ベース１２、出力リンク２０及び中間リンク２４のいずれに対しても、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続される。一方、各駆動要素２６は、ベース１２に対しては、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続され、出力リンク２０に対しては、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続され、かつ、中間リンク２４に対しては、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続される。これらの動作を実現する具体的手段については後述する。

なお本実施形態では、弾性棒１４は、ベース１２、出力リンク２０及び中間リンク２４の各々の略中央に接続され、３つの駆動要素２６は、弾性棒１４の接続位置を中心とする円周上に互いに１２０°の間隔で接続されるが、本開示はこれに限られない。但し、弾性棒１４及び２つの駆動要素２６の接続部位は一直線上に並ばないようにする。

図２は、ベース１２をロボット本体２８（一部のみ図示）に取り付けた状態を示す概略図である。ロボット本体２８は、ロボット基部等の固定部でもよいし、ロボットアーム等の可動部でもよい。各駆動要素２６は、ベース１２を貫通して中間リンク２４の反対側に延び、本体２８に設けられたアクチュエータ３０によって、ベース１２に対して軸方向に移動可能である。但しアクチュエータ３０の設置場所は図示例に限られず、各駆動要素２６を駆動可能な任意の場所に設置可能である。

アクチュエータ３０やロボットの各部の動作は、ロボット本体２８に有線又は無線で接続された、プロセッサやメモリ等を有する制御装置３２によって制御可能である。なお出力リンク２０には、ロボットが種々の作業を行うためのハンドやツール等のエンドエフェクタ（図示せず）が取り付け可能である。

弾性棒１４は、具体的には弾性変形可能なロッド等の棒状部材であり、例えばポリアセタールの樹脂又は金属から作製可能であるが、その材料に特段の制約はない。各駆動要素２６は、具体的には弾性変形可能なロッド又はワイヤ等の棒状部材又は線条体であり、例えばポリアセタールの樹脂又は金属から作製可能であるが、その材料に特段の制約はない。但し各駆動要素２６は、ベース１２に対して軸方向に移動可能であること、具体的にはアクチュエータ３０によってベース１２に対して押す動作及び引く動作の双方が可能であることが求められるので、ひも等の可撓性が極めて高い材料から作製することは望ましくない。

図３は、弾性棒１４をベース１２、出力リンク２０及び中間リンク２４の各々に対して、１つの軸線回りに回転可能とし、該軸線方向に移動不能とする構造の一例を示す。この例では、弾性棒１４にＣ型止め輪３４を取り付けて、１軸回りの回転を許容する１軸回転要素（軸受）３６を介してベース１２、出力リンク２０及び中間リンク２４の各々に取り付けることにより、上述の動作を実現することができる。但し本開示はこれに限られず、上述の動作を実現可能な他の任意の構造が使用可能である。

図４は、各駆動要素２６を出力リンク２０に対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能とする構造の一例を示す。この例では、駆動要素２６にＣ型止め輪３８を取り付けて、互いに直交する３軸回りの回転を許容する、自動調心軸受４０等の３軸回転要素（軸受）を介して出力リンク２０に取り付けることにより、上述の動作を実現することができる。但し本開示はこれに限られず、上述の動作を実現可能な他の任意の構造が使用可能であり、例えば自動調心軸受の代わりに、球面軸受を使用してもよい。なお図４では明瞭化のため、本来は出力リンク２０に形成された穴４２に嵌合すべき軸受４０を穴４２から離隔させて図示している。

各駆動要素２６を中間リンク２４に対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能とする構造としては、例えば、図４の構造のうちＣ型止め輪３８を使用せずに自動調心軸受４０又は球面軸受のみを用いる構造が挙げられる。これにより、各駆動要素２６は中間リンク２４に対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能とすることができる。

図５は、各駆動要素２６を中間リンク２４に接続する他の構造例を示す。この例では、Ｃ型止め輪３８及び自動調心軸受４０等を使用せず、駆動要素２６との接続部位において中間リンク２４の軸方向断面が、径方向外側から径方向内側に向かって先細となる（すなわち駆動要素２６に向かって薄肉となる）テーパ形状４４を有する。このような構造により、駆動要素２６は中間リンク２４に対して任意の方向に傾斜することができる。その結果、図６に示すように、駆動要素２６は中間リンク２４に対して、互いに直交する３軸回りに回転可能であるとともに、軸方向にも移動可能となる。

図７は、各駆動要素２６を出力リンク２０に接続する構造例を示す。この例では、Ｃ型止め輪３８及び自動調心軸受４０等を使用せず、出力リンク２０との接続部位４６において駆動要素２６が他の部分より小径となっている。このような構造によれば、特に小径部分は弾性変形しやすくなるので、駆動要素２６は出力リンク２０に対して任意の方向に傾斜することができ、結果として駆動要素２６は出力リンク２０に対して、互いに直交する３軸回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能となる。なお図５－図７の実施例は、自動調心軸受や球面軸受を使用する必要がないので、連続体ロボットを手術用カテーテルに使用したり、狭隘空間で使用したりする等、小型化（小径化）が要求される用途に特に適している。

図８は、図２に示すアクチュエータ３０の詳細を示す部分拡大図である。アクチュエータ３０は、モータ５０によって回転駆動する駆動ローラ５２と、駆動ローラ５２の回転に伴って回転する従動ローラ５４とを有し、駆動ローラ５２と従動ローラ５４との間に駆動要素２６が挟持される。モータ５０を駆動することにより、各駆動要素２６はベース１２に対して軸方向（図８では上下方向）に移動可能となる。

図８の例では、各駆動要素２６を軸方向に移動させるリニアアクチュエータとしてモータ及びローラの組み合わせを説明したが、本開示はこれに限られない。例えば図９に示すように、対向配置された磁石５６を有するリニアモータ５８をリニアアクチュエータとして使用してもよい。或いは、図１０に示すような、圧電素子６０を有する超音波リニアモータ６２や、図１１に示すような、ピストン６４及びシリンダ６６を有する複動形エアシリンダ６８を、リニアアクチュエータとして使用してもよい。

以下、連続体ロボット１０を構成する各部の機能を説明する。図１又は図２に例示するように、ベース１２、弾性棒１４、出力リンク２０、中間リンク２４及び駆動要素２６は、連続体ロボット１０の基本的構成要素であり、このうちベース１２、出力リンク２０及び中間リンク２４は、弾性棒１４と各駆動要素２６との位置関係を拘束する機能も具備する。また弾性棒１４は、弾性を有する材料から作製され、無負荷のときは初期状態（ここでは直線状）に戻るような抵抗力を発揮する。駆動要素２６は、弾性を有する材料から作製され、引張力及び圧縮力の双方に抵抗可能であり、アクチュエータ３０の押し動作又は引き動作によってベース１２に対して軸方向に変位し、連続体ロボット１０を駆動（より具体的には、弾性棒１４を弾性変形させて出力リンク２０の位置及び姿勢を変化）させる。

図３に例示するように、１軸回転要素（軸受）３６は、弾性棒１４をベース１２、出力リンク２０及び中間リンク２４の各々に１軸回転可能に連結するとともに、弾性棒１４にねじりモーメントが作用しないようにする機能を有する。また１軸回転要素（軸受）３６は、駆動要素２６をベース１２に１軸回転可能に連結するとともに、駆動要素２６にねじりモーメントが作用しないようにする機能を有する。一方、図４－図６に例示するように、３軸回転要素（軸受）４０又は３軸回転構造４４、４６は、駆動要素２６を出力リンク２０及び中間リンクの各々に３軸回転可能に連結する機能を有し、駆動要素２６に拘束モーメントが作用しないようにする機能を有する。

以下、連続体ロボット１０の動作の具体例を説明する。ここでは、図１２及び図１３に示す連続体ロボット１０の位置及び姿勢を初期状態とし、この初期状態から曲げ動作、回転動作、ねじり動作、及びこれら３つの動作の複合動作をそれぞれ行うものとする。なお図１３は、図１２の構成を模式的に表したものであり、明瞭化のため、出力リンク２０は各駆動要素２６との接続部を頂点とする三角形で示す。後述する図１５、図１８、図２１及び図２４についても同様である。

表１は、連続体ロボット１０に曲げ動作を行わせた場合の、各駆動要素（ここでは３つの駆動腱（Tendon）Ｔ１、Ｔ２及びＴ３）の、ベース１２に対する変位量を表す。各変位量は、図２に示すように各駆動腱がベース１２に対して垂直に直立している状態をゼロ（基準位置）とし、各駆動腱がアクチュエータ３０によってベース１２側に押し込まれたときの変位量を正の値で、逆にアクチュエータ３０によってベース１２から引き込まれたときの変位量を負の値で表すものとし、各数値の単位はｍｍである。なお表１における位置番号１が、図１２及び図１３の状態に相当し、位置番号１１が、図１４及び図１５の状態に相当し、位置番号２－１０はそれらの中間の状態に相当する。また、表１をグラフ化したものが図１６である。

表１及び図１６に示すように各駆動腱の変位量を変化させることで、一平面内での曲げ運動を実現することができる。

表２は、連続体ロボット１０に回転動作を行わせた場合の、各駆動要素のベース１２に対する変位量を表す。各変位量が示す数値の意味は、表１と同様である。また表２における位置番号１が、図１２及び図１３の状態に相当し、位置番号１１が、図１７及び図１８の状態に相当し、位置番号２－１０はそれらの中間の状態に相当する。また、表２をグラフ化したものが図１９である。

表２及び図１９に示すように各駆動腱の変位量を変化させることで、１軸（ここではベース１２に垂直なＺ軸）回りの回転運動を実現することができる。

表３は、連続体ロボット１０にねじり動作を行わせた場合の、各駆動要素のベース１２に対する変位量を表す。各変位量が示す数値の意味は、表１と同様である。また表３における位置番号１が、図１２及び図１３の状態に相当し、位置番号１１が、図２０及び図２１の状態に相当し、位置番号２－１０はそれらの中間の状態に相当する。また、表３をグラフ化したものが図２２である。

表３及び図２２に示すように各駆動腱の変位量を変化させることで、弾性棒１４を中心としたねじり運動を実現することができる。

表４は、連続体ロボット１０に複合動作を行わせた場合の、各駆動要素のベース１２に対する変位量を表す。各変位量が示す数値の意味は、表１と同様である。また表４における位置番号１が、図１２及び図１３の状態に相当し、位置番号１１が、図２３及び図２４の状態に相当し、位置番号２－１０はそれらの中間の状態に相当する。また、表４をグラフ化したものが図２５である。

表４及び図２５に示すように各駆動腱の変位量を変化させることで、曲げ運動、回転運動及びねじり運動を組み合わせた複雑な複合動作を実現することができる。なお曲げ運動、回転運動及びねじり運動のうちの２つを組み合わせた運動も勿論可能である。

このように本実施形態では、少なくとも３つの駆動要素２６をベース１２に対して軸方向に移動（変位）させるだけで、曲げ動作、回転動作、ねじり動作、及びこれらのうちの少なくとも２つの複合動作を実現できる。この恩恵は特に、各駆動要素２６が出力リンク２０及び中間リンク２４に対して３軸回転が可能であることから得られる。また各駆動要素２６の変位量と、連続体ロボット１０の挙動との関係は、運動力学的計算から求めることができる。よって本実施形態によれば、従来では実現できなかった出力リンク２０の位置・姿勢も実現することができる。

本開示によれば、連続体ロボットが本来的に備える柔軟性、これに伴う高い安全性、軽量性、力計測・制御に関する良好な特性、アクチュエータ等をリモート配置できる等の優れた特性とともに、ねじり運動も実現可能となる。故に本開示に係る連続体ロボットは、低侵襲外科手術用のロボット以外にも、狭隘空間での作業や、人と作業空間を共有する協働ロボットへの適用等、幅広い分野での応用が期待できる。

１０ 連続体ロボット
１２ ベース
１４ 弾性棒
２０ 出力リンク
２４ 中間リンク
２６ 駆動要素
２８ 本体
３０ アクチュエータ
３２ 制御装置
３４、３８ Ｃ型止め輪
３６ １軸回転軸受
４０ ３軸回転軸受
４４ テーパ部
４６ 小径部
５０ モータ
５２ 駆動ローラ
５４ 従動ローラ
５８ リニアモータ
６２ 超音波リニアモータ
６８ 複動形エアシリンダ

Claims (5)

1. ベースと、
   前記ベースに接続された一端を有する弾性変形可能な棒状体と、
   前記棒状体の他端に接続された出力リンクと、
   前記棒状体の前記一端と前記他端との間の少なくとも１つの中間部の各々に接続された少なくとも１つの中間リンクと、
   前記ベース、前記出力リンク及び前記中間リンクの各々に対して、互いに離隔しかつ前記棒状体とも離隔するように接続された、弾性変形可能な少なくとも３つの駆動要素と、
   を備え、
   前記棒状体は、前記ベース、前記出力リンク及び前記中間リンクの各々に対して、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続され、
   前記少なくとも３つの駆動要素の各々は、前記ベースに対して、１つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続され、前記出力リンクに対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動不能に接続され、前記中間リンクに対して、互いに直交する３つの軸線回りに回転可能であるとともに、軸方向に移動可能に接続される、
   連続体ロボット。
2. 前記少なくとも３つの駆動要素の各々を、前記ベースに対して軸方向に移動させるアクチュエータを有する、請求項１に記載の連続体ロボット。
3. 前記少なくとも３つの駆動要素の各々は、前記出力リンク及び前記中間リンクの各々に対して、自動調心軸受又は球面軸受を介して接続される、請求項１又は２に記載の連続体ロボット。
4. 前記中間リンクは、前記少なくとも３つの駆動要素の各々との接続部位における軸方向断面において、径方向外側から径方向内側に向かって先細となるテーパ形状を有する、請求項１又は２に記載の連続体ロボット。
5. 前記少なくとも３つの駆動要素の各々は、前記出力リンクとの接続部位において、他の部分より小径となっている、請求項１又は２に記載の連続体ロボット。

Images