JP3877921B2

JP3877921B2 - 力伝達機構およびそれを使用した棒状体の挿入操作感覚装置

Info

Publication number: JP3877921B2
Application number: JP34274499A
Authority: JP
Inventors: 幸士生田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP2001157662A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被移動部材に対して並進、回転駆動をさせるための力伝達機構に関するものであり、例えば、医療現場等で使用されている細長い円筒状（あるいは中実で棒状）をした内視鏡等のような被移動部材に対して並進、回転運動をさせるために好適な力伝達機構に関するものであり、またその力伝達機構を使用した棒状体の挿入操作感覚装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、円筒状をした細長い被移動部材（棒状体）に、並進、回転駆動を与える機構として歯車等を利用した機構等が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した歯車機構の場合には、被移動部材に対して力を伝達する機構が大型化するとともに機構そのものが複雑となり、小型、軽量化を図る上で難点がある。また、歯車機構の場合には歯車のバックラッシュの影響で、力伝達の応答性が悪い等の問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、被移動部材に当接する球体と、この球体と接し球体に摩擦力によって回転力を付与できるローラからなる力伝達機構を提案することにより、上記問題点を解決することを目的とする。
【０００５】
本発明は、被移動部材に当接する球体と、この球体と当接し摩擦力によって球体に回転力を与えることができるローラと、このローラを回転するモータとを備え、前記ローラをモータによって回転させ、ローラの回転力を球体との間の摩擦力によって球体に伝達し、さらに球体は被移動部材との間の摩擦力によって被移動部材に対して並進、回転運動力を伝達する。
このような球体とローラからなる力伝達機構を採用することで、力伝達機構の構造が極めてシンプルとなり、その結果、機構の小型、軽量化を実現することができる。また、本発明は被移動部材に並進、回転運動させる機構部分に広く適用することが可能となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
被移動部材に当接し摩擦力によって被移動部材に対して少なくとも並進または回転運動を与えることができる球体と、この球体に当接し摩擦力によって前記球体を回転させる少なくとも２個のローラと、前記各ローラそれぞれに設けたローラ回転用のモータとを備え、前記少なくとも２個のローラは前記球体と被移動部材との接点からの法線に対して垂直な赤道面で球体と当接し、前記ローラの回転力を摩擦力によって球体に伝達して球体を回転させ、さらに前記球体の回転力を被移動部材との間の摩擦力によって被移動部材に伝達し、前記被移動部材を並進または回転運動させるべく構成したことを特徴とする力伝達機構である。
また、前記２個のローラは球体の赤道面において９０度の角度をもって配置されたことを特徴とする力伝達機構である。
また、前記球体およびローラは表面摩擦の大きな硬質ゴムで構成したことを特徴とする力伝達機構である。
また、前記モータはコンピュータによって制御されるべく構成されていることを特徴とする力伝達機構である。
また、前記のいずれかに記載の力伝達機構において、前記被移動部材を挿入操作感覚機構の棒状体としたことを特徴とする内視鏡の挿入操作感覚装置である。
【０００７】
【実施の形態】
以下、本発明における力伝達機構の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は力伝達機構の平面図、図２は図１中のＡ−Ａ断面図、図３（ａ）、（ｂ）は同力伝達機構による力伝達原理および力保持原理の説明図である。
【０００８】
図１において、１は硬質ゴム等の表面摩擦の大きい材質からなる球体であり、球体１は図２に示すように被移動部材としての円筒状部材６に１点で接している。この球体には４個のローラ２、３、４、５が当接（摩擦接触）しており、４個のローラ２、３、４、５は球体と同様に硬質ゴム等の表面摩擦の大きい材質で形成され、前記球体１と円筒状部材６との接点からの法線に対して垂直な赤道上で９０°間隔で配置されている。夫々のローラ２、３、４、５にはローラを回転するためのモータ２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａが取りつけられており、モータは使用形態に合わせてコンピュータ等のソフトを組み換えることにより種々の制御態様を実現可能な構成としてあり、ソフトの変更のみで種々の力伝達が可能となる。
【０００９】
円筒状部材６の軸方向内で対向する一組のローラ３、５は円筒状部材６に対して並進運動を与える機能を有しており、また残りの一組のローラ２、４は円筒状部材６に対して回転運動を与える機構を有している。なお、この例では４個のローラを使用しているが、隣あう２個のローラ３、４のみでも円筒状部材に並進、回転運動を与えることができる。
【００１０】
上記構成からなる力伝達機構の作動を説明する。
〔モータの駆動力により円筒状部材に並進、回転運動を与える力伝達〕
図３（ａ）において、モ−タからの入力Ｔによりローラ３が回転すると、図示のようにローラ３と当接している球体１の重心には下向きの力Ｆ１とモ−メントＭ１が働く。この時発生する下向きの力Ｆ１により円筒状部材６と球体１との間の垂直抗力が増加する。またこのとき円筒状部材６と球体１間の摩擦力の反作用で球体重心には右向きの力Ｆ２が働き、これにより球体１とロ−ラ３との垂直抗力が増加する。すなわち、垂直効力の増加により、球体１と円筒状部材６との間には滑りが発生しなくなり、モ−タの出力を効率よく円筒状部材６に伝達することができる。さらに球体１の赤道面を図１に示すように４個のロ−ラ２、３、４、５で囲んでいるためすべての方向への駆動時に同様の効果が生まれ、優れた円筒状部材駆動力が得られた。その結果、歯車機構のものに比較して駆動速度を大幅に向上することができた。
【００１１】
なお、上記力伝達機構は、モータを停止した時に、その状態で円筒状部材６を保持する機能を有している。即ち、モータ停止時に、円筒状部材６に図３（ｂ）に示す軸方向の力（反力）Ｆが作用すると、球体１の重心には右向きの力Ｆ４とモーメントＭ２が働く。このとき、上記説明の場合と逆に、まず力Ｆ４によりロ−ラ３と球体１間の垂直抗力が増す。このときの摩擦力の反作用により球体には下向きの力Ｆ３が働き、内視鏡６とボ−ル１間の垂直抗力が増す結果、球体１と円筒状部材６との間に滑りの発生がなくなり、この効果により、円筒状部材６に力Ｆが作用しても、円筒状部材６と球体１とが滑ることがなくなり、強い保持力を確保することができる。
上記形態では、被移動部材として円筒状部材を使用したものについて説明したが、被移動部材は円筒状部材に限定することなく、中実の棒状体のもの、さらに剛性のある棒状体、あるいは可撓性のある棒状体等を含み、本明細書中の棒状体とは上記のような部材の総称として用いている。
【００１２】
〔実施例〕
上記力伝達機構を内視鏡（またはカテーテル）の挿入操作感覚を得るための力覚表示装置に適用した例を説明する。
現在の医療現場では、患者への負担が少ない低浸襲・無浸襲の検査・手術が多く行われるようになっている。その代表的な物に内視鏡を用いた内視鏡下検査・手術がある。しかし、これらに対する効果的な訓練法は確立されておらず、実際に検査・手術中に臓器に損傷を与えてしまうという症例も報告されている。そこで、上記力伝達機構を内視鏡の挿入操作感覚を得るための力覚表示装置に適用した例について説明する。
【００１３】
本力覚表示装置では実際の内視鏡挿入操作時と同様な感覚を医師にフィ−ドバックする必要があるため、内視鏡挿入時の抵抗感覚を表す仮想フリ−状態と、腸壁などに接触した時の感覚を表す仮想バネ状態を表現する実験を行った。
図４において１０が内視鏡であり、この内視鏡には上記の構成からなる力伝達機構１１が取りつけられており、力伝達機構１１内のモータには制御装置１２が連結され、制御装置１２内にはモータを駆動するプログラムが内蔵されている。
この実験では仮想フリ−状態では内視鏡への反力が常に０になるように力伝達機構１１内のモータを制御する。
【００１４】
例えば、挿入時、反力が０の時にはモータによって円筒状部材が並進して送り込まれ、また円筒状部材に反力が発生した時には、反力が０になるようにモータを制御する。この制御は制御装置内に予め組み込まれたプログラムによって行う。
また、仮想バネ状態は６軸力センサから読み込んだ力の現在位置から線形バネモデルを用いて位置の理論位置を算出し、それとエンコ−ダでセンシングした位置の現在位置との差分からモ−タの出力を決定する比例制御を行なう。
この結果、並進方向のフリ−状態では誤差を１０〔ｇｆ〕程度に抑えられており非常に良好な結果が得られた。また、回転方向に関しても同様に良い結果が得られている。
なお、内視鏡の挿入操作感覚を得るための力覚表示装置に適用する場合には、使用対象となる臓器（腸、食道、胃、気管など）に対応したソフト（モータ制御用のプログラム）を制御機器（コンピュータ等）に組み込むことであらゆる臓器に対応した抵抗感覚を得ることができる。
【００１５】
以上、本発明の実施の形態は球体が１個、この球体に当接するローラが４個の場合について説明してきたが、この力伝達機構によって、被移動部材に対して並進運動、あるいは回転運動のみを与える場合にはローラは１個でもよい。また被移動部材が角材等の場合には、並進運動のみを伝達する機構として利用することも可能である。さらに上記実施形態においてローラを４個設けた例を説明しているが、隣合う２個のローラとすることも可能である。たとえば、上記機構では並進・回転駆動用にそれぞれ２つ、合計４つのモ−タを用いているが、各駆動を行う際に２つのモ−タに与える出力電圧は同一であるため、モ−タを２つのみ用いて行うことができる。この場合にも同様に容易な制御で被移動部材の駆動を行なうことができる。また、上記実施例では本力伝達機構を内視鏡の力覚表示装置に採用した例を説明しているが、他の装置にも適用できることは当然であり、さらに本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１６】
【発明の効果】
以上の詳細に説明した如く、本発明によれば、
モ−タの出力を被移動部材に伝達するのは表面摩擦の大きい硬質ゴムボ−ルのみであり、歯車等を用いてないため力伝達機構を非常にシンプルかつ効率の良いものとすることあでき、同時に大幅な小型・軽量化が達成できた。特にギア等を用いていないため、バックラッシがなくなり、非常にダイレクトドライブに近い力伝達を実現でき応答性を向上することができた。
また、内視鏡の駆動機構に採用した場合には駆動力・駆動速度の向上を図ることができ、また内視鏡保持力を向上することができた。さらに内視鏡を用いた検査、手術の効果的な訓練装置としても優れた効果を上げることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る力伝達機構の平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は同力伝達機構による力伝達原理および力保持原理の説明図である。
【図４】内視鏡を移動させるための移動機構の斜視図である。
【符号の説明】
１球体
２〜５ローラ
２Ａ〜５Ａモータ
６被移動部材（円筒状部材）
１０内視鏡
１１力伝達機構
１２制御装置

Claims

被移動部材に当接し摩擦力によって被移動部材に対して少なくとも並進または回転運動を与えることができる球体と、この球体に当接し摩擦力によって前記球体を回転させる少なくとも２個のローラと、前記各ローラそれぞれに設けたローラ回転用のモータとを備え、前記少なくとも２個のローラは前記球体と被移動部材との接点からの法線に対して垂直な赤道面で球体と当接し、前記ローラの回転力を摩擦力によって球体に伝達して球体を回転させ、さらに前記球体の回転力を被移動部材との間の摩擦力によって被移動部材に伝達し、前記被移動部材を並進または回転運動させるべく構成したことを特徴とする力伝達機構。
前記２個のローラは球体の赤道面において９０度の角度をもって配置されたことを特徴とする請求項１に記載の力伝達機構。
前記球体およびローラは表面摩擦の大きな硬質ゴムで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の力伝達機構。
前記モータはコンピュータによって制御されるべく構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の力伝達機構。
前記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の力伝達機構において、前記被移動部材を挿入操作感覚機構の棒状体としたことを特徴とする内視鏡の挿入操作感覚装置。