JP4125311B2 - ロボットおよびマニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、可撓性動力伝達部材を介して動力を伝達するロボットおよびマニピュレータに関する。

手術用の鉗子を遠隔操作できるようにしたロボット鉗子等の医療用マニピュレータが提案されている（特許文献１参照）。また、縫合結紮作業に適した医療用マニピュレータも提案されている（特許文献２参照）。

この種の従来の医療用マニピュレータは、熟練者が手動で行う素早い操作が可能で、かつマニピュレータの利点である微細な作業や難しい角度からの操作を可能としている。特に、マニピュレータの先端部には曲げや回転を行う関節が備わっているため、自由自在に先端部を動かすことができ、これまでの鉗子では難しかった種々の方向からの縫合作業や結紮作業も容易に行うことができる。

また、右手にロボット鉗子、左手に従来の鉗子という具合に、従来の手術機器と併用することも可能である。さらには、ロボット鉗子自体はそれほど構造が複雑でなく、高価な部品も必要としないため、低コストで導入できるという長所もある。

この種の医療用マニピュレータは、医療用以外の用途にも応用でき、作業者がその場で作業できないような場所、例えばエネルギー機器などの狭隘部の補修修理にも適している。
特開2000-350735公報 特開2002-102248公報

しかしながら、上述した特許文献１，２のマニピュレータは、操作部と鉗子先端部が一体化されており、操作部と鉗子先端部との間の動力伝達機構の形状、寸法および配置が制限されてしまう。

動力伝達機構としては、ワイヤ、プーリまたはリンクを用いるのが一般的である。例えば、ワイヤとプーリを用いた従来の動力伝達機構において、ワイヤ径が細い場合や駆動側プーリと従動側プーリ間の距離が長い場合には、ワイヤの弾性変形（伸び）が大きくなり、十分な動力伝達ができないという問題がある。また、駆動側プーリを固定した保持状態やサーボロック状態では、従動軸（出力軸）側に十分な回転剛性が得られないという問題がある。所望の回転剛性が得られない場合、意図通りの作業ができず、操作性および作業性が悪くなる。

さらに、過大な負荷トルクが加わった場合、ワイヤや締結部を破損するおそれがある。また、プーリ径をワイヤ径に対して十分に大きくしなければ、十分な寿命を得ることができず、疲労破断を招くおそれがある。また、プーリ径をワイヤ径に対して十分に大きくすると、動力伝達機構の大型化や低剛性につながる。

一方、ワイヤとリンクを用いた従来の動力伝達機構では、リンクの座屈を考慮する必要があり、リンクを十分に太くしたり、リンクを２本並列に配置する等の対策が必要である。これにより、重量が増加するという問題の他に、リンクを並列配置するには高い部品精度や組立精度が求められるという問題がある。また、リンクを用いた従来の動力伝達機構では、リンクを±９０°まで回転させることができず、十分な動作範囲を確保できないという問題もある。

本発明は、小型軽量化が可能で、簡易な機構でありながら高信頼性、高剛性および広動作範囲で動力を伝達可能なロボットおよびマニピュレータを提供するものである。

本発明の一態様によれば、可撓性動力伝達部材と、
動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
前記可撓性動力伝達部材の両端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
前記可撓性動力伝達部材が掛け渡される従動側プーリと、を備え、
前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするロボットが提供される。

本発明の一態様によれば、可撓性動力伝達部材と、
動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
前記可撓性動力伝達部材の一端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
前記可撓性動力伝達部材の他端に接続され前記駆動側リンクとは異なるリンク長を持つ従動側リンクと、を備え、
前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするロボットが提供される。

本発明の一態様によれば、可撓性動力伝達部材と、
動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
前記可撓性動力伝達部材が掛け渡され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側プーリと、
前記可撓性動力伝達部材の両端に接続される従動側リンクと、を備え、
前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするロボットが提供される。

本発明の一態様によれば、２軸方向に駆動可能な処置部と、
前記処置部を少なくとも２軸方向に駆動させる作業部と、
前記作業部に動力を伝達する動力伝達部と、
前記動力伝達部に動力を供給する駆動部と、を備え、
前記動力伝達部は、
可撓性動力伝達部材と、
動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
前記可撓性動力伝達部材の両端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
前記可撓性動力伝達部材が掛け渡される従動側プーリと、を備え、
前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするマニピュレータが提供される。

本発明の一態様によれば、２軸方向に駆動可能な処置部と、
前記処置部を少なくとも２軸方向に駆動させる作業部と、
前記作業部に動力を伝達する動力伝達部と、
前記動力伝達部に動力を供給する駆動部と、を備え、
前記動力伝達部は、
可撓性動力伝達部材と、
動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
前記可撓性動力伝達部材の一端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
前記可撓性動力伝達部材の他端に接続され前記駆動側リンクとは異なるリンク長を持つ従動側リンクと、を備え、
前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするマニピュレータが提供される。

本発明の一態様によれば、２軸方向に駆動可能な処置部と、
前記処置部を少なくとも２軸方向に駆動させる作業部と、
前記作業部に動力を伝達する動力伝達部と、
前記動力伝達部に動力を供給する駆動部と、を備え、
前記動力伝達部は、
可撓性動力伝達部材と、
動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
前記可撓性動力伝達部材が掛け渡され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側プーリと、
前記可撓性動力伝達部材の両端に接続される従動側リンクと、を備え、
前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするマニピュレータが提供される。

本発明によれば、小型軽量化が可能で、簡易な機構でありながら高信頼性、高剛性および広動作範囲で動力を伝達することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るロボットに内蔵される動力伝達機構を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。

図１の動力伝達機構は、医療用マニピュレータなどのロボットに用いられる。図２は図１の動力伝達機構を有する医療用マニピュレータを備えたロボット（以下、医療用マニピュレータシステム）の外観図であり、図３は図２の医療用マニピュレータシステムの内部構成の一例を示すブロック図である。なお、本実施形態に係る動力伝達機構は、上述の医療用マニピュレータに限定するものではなく、幅広く他の構成のマニピュレータの動力伝達機構にも適用できるものである。

図１の動力伝達機構を詳細に説明する前に、図２および図３を用いて医療用マニピュレータの構成および動作を説明する。医療用マニピュレータシステムは、医療用マニピュレータ本体１と制御装置２とを備えており、マニピュレータ本体１は、操作者が操作する操作部３と、図１の動力伝達機構の一部が内蔵される連結部４と、被作業部（術部）で作業を行う作業部５とを備えている。操作部３には操作者の操作量と操作方向を検出する角度検出器１１が設けられ、作業部５には後述する処置部の角度を検出する角度検出器１２と、処置部を駆動するモータ１３とが設けられている。

制御装置２は、モータの駆動制御を行うモータ駆動回路部１４と、角度検出器１１，１２の検出信号に基づいてモータの駆動量や駆動方向を計算する演算部１５と、状況に応じてモータ電流を遮断する安全保護装置１６と、電源部１７と、各種操作指令を行うスイッチ１８とを有する。ここで、状況に応じてとは、例えば制御装置２に設けられた非常停止スイッチが操作された場合等、ロボットの破損防止や被操作部に作業される作業対象の保護をする必要がある場合である。

図４は図１のマニピュレータを用いて胆嚢摘出手術などの腹腔鏡下手術を行う様子を示す図である。図示のように、患者の腹部２１に小さな孔を複数あけてトラカール２２を取り付け、トラカール２２を介して各孔に内視鏡２３やマニピュレータ１などを挿入し、操作者（通常は外科医）が内視鏡の映像をモニタ装置２４で確認しながら手術を行う。このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に削減される。

図５はマニピュレータ本体１の詳細な構造を示す斜視図である。作業部５は、術部に処置を施す処置部３１と、支持部３２，３３とを有する。支持部３２は、連結部４の中心軸方向に対して直交する方向（ｙ１方向）に処置部３１を回転させる回転軸（第１の回転軸ａ１）をもつ。支持部３３は、第１の回転軸に対して直交する方向、すなわち連結部４の中心軸方向（ｙ２方向）に処置部３１を回転させる回転軸（第２の回転軸ａ２）をもつ。これら回転軸により、処置部３１は互いに９０度異なる２軸方向に回転可能とされる。この他、処置部３１は後述するようにｙ３方向に把持動作を行うことができる。

操作部３は、操作者が手で操作する部分であり、姿勢操作部３４と処置操作部３５を有する。姿勢操作部３４は、連結部４の中心軸方向に対して直交する方向の第３の回転軸ａ３と、第３の回転軸に対して直交する方向の第４の回転軸ａ４をもつ。操作者は、処置操作部３５を指で操作して、第３および第４の回転軸方向への回転操作と把持動作とを行う。

操作者の操作方向と処置部３１の回転方向は一致しており、操作者は違和感なく処置部３１を回転させることができる。

操作者による処置操作部３５の操作情報は、角度検出器１１で検出されて制御装置２に送られる。制御装置２は、処置操作部３５の操作情報に基づいて駆動部３６〜３８を駆動して、動力伝達機構を動作させる。動力伝達機構は、駆動部３６〜３８の上部の連結端部４０、連結部４および作業部５に設けられている。

連結部４は支持機構３９により支持されている。支持機構３９は、基部に対して上下左右動する位置調整機構４１と、基部と同じ鉛直軸上を移動するとともに連結部４上を移動する円弧アーム４２とを有する。

次に、図１を参照して動力伝達機構の構造および動作を説明する。図１の動作伝達機構は、可撓性動力伝達機構５１と、入力回転軸５２と、駆動側リンク５３と、従動側プーリ５４とを有する。駆動側リンク５３は図５の連結端部４０に設けられ、可撓性動力伝達機構５１は連結部４に設けられ、従動側プーリ５４は作業部５または支持部３２に設けられる。

可撓性動力伝達機構５１は例えばワイヤ５１である。駆動側リンク５３の長手方向の両端部にはワイヤ５１を貫通するための孔部５５が形成されており、これら孔部５５にワイヤ５１を貫通させて、カシメ部材５６でワイヤ５１を固定している。駆動側リンク５３の中央部には入力回転軸５２が取り付けられており、この回転軸の回転により駆動側リンク５３も回転し、ワイヤ５１を左右方向に引っ張る張力が得られる。孔部５５の内周縁部は、ワイヤ５１の損傷を防止してワイヤ５１の滑りをよくするためにテーパ状やＲ状に面取りされている。孔部５５にワイヤ５１を掛け渡すことで、ワイヤ５１が二重に配置され、ワイヤ５１にかかる応力を駆動に必要な張力の半分にすることができる。このため、ワイヤ５１を二重にしない場合に比べて、ワイヤ５１の疲労寿命を長くでき、ワイヤ５１の強度および信頼性が高くなる。また、プーリにワイヤを掛け渡した場合は、プーリに掛け渡されたワイヤ部分に繰り返しの曲げ応力を受け、その疲労寿命が問題となる場合があるが、本構成の場合、ワイヤ５１の入力回転軸５２側は繰り返しの曲げ応力を受けないため、ワイヤ５１の信頼性が高くなる。

入力回転軸５２は、不図示のモータ軸や減速機の出力軸に直結されるか、あるいはカップリング部５０によりモータ軸等に接続される。入力回転軸５２の回転トルクは直接駆動側リンク５３に伝達される。

従動側プーリ５４にはワイヤ５１が掛け渡されている。カシメ部材５６から従動側プーリ５４の方向には一本のワイヤ５１だけが配置されるの対し、カシメ部材５６から駆動側リンク５３の方向にはワイヤ５１が二重に配置されている。

図６はカシメ部材５６の平面図である。カシメ部材５６はワイヤ５１を挿入する孔部を有し、これらの孔部にワイヤ５１を挿入して固定する。カシメ部材５６を設けることで、カシメ部材５６から駆動側リンク５３の方向のワイヤ５１の長さが一定にすることができる。

図７は従動側プーリ５４の拡大斜視図である。図示のように、従動側プーリ５４の外周面には孔部５７が形成されており、この孔部５７にワイヤ５１を貫通させたピン５８が挿入される（図７（ａ）（ｂ））。これにより、くさび効果が得られ、ワイヤ５１は従動側プーリ５４に強固に固定される。

図８は図１の動力伝達機構の動作を説明する図である。図８（ａ）に示すように、入力回転軸５２を図示矢印のＡ方向に回転させると、駆動側リンク５３もＡ方向に回転し、その動力がワイヤ５１を介して従動側プーリ５４に伝達され、処置部３１がＡ方向に回転する。また、図８（ｂ）に示すように、入力回転軸５２を図示矢印のＢ方向に回転させると、処置部３１はＢ方向に回転する。

図８の場合、駆動側リンク５３の回転に伴うワイヤ５１の長さは幾何学的には厳密一定ではなく、張力により多少変化するが、プーリ径やリンク長に比べて、駆動側リンク５３と従動側プーリ５４の間の距離（軸間）が十分に長い場合には、ワイヤ５１の長さの変化はほとんど無視できる長さであり、性能にはほとんど影響しない。

例えば、図９に示すように、駆動側リンク５３のリンク長が１０mm、従動側プーリ５４の直径が６mm、軸間が４００mmとした場合に、駆動側リンク５３の回転角度とワイヤ５１の長さの変化の関係は図１０のようになり、駆動側リンク５３と従動側プーリ５４の回転角度の関係は図１１のようになる。

これらの図に示すように、駆動側リンク５３が６０度回転する間にワイヤ５１の長さは０．０１mm変化する。プーリ径（ワイヤ５１の曲げ半径）から決まるワイヤ５１の径やワイヤの弾性係数、すなわちワイヤの弾性変形を考慮すると、ワイヤ５１の長さの変化は動力伝達において特に障害となる長さの変化ではない。

また、駆動側リンク５３の回転角度±６０度に対して、従動側プーリ５４を約±１００度弱の広い回転角度で回転させることができる。この回転角度の比は、駆動側リンク５３のリンク長と従動側プーリ５４の直径との比に概ね一致している。したがって、駆動側リンク５３のリンク長を従動側プーリ５４の直径よりも大きくすることで、従動側プーリ５４の動作範囲を十分に確保できることがわかる。

図１２は駆動側リンク５３と入力回転軸５２との係合部分の構造を示す図であり、図１２（ａ）は入力回転軸５２の平面図および正面図、図１２（ｂ）は駆動側リンク５３の平面図および正面図、図１２（ｃ）はワイヤ５１を掛け渡した状態の平面図および正面図を示している。図示のように、駆動側リンク５３の孔部５５の内周面はＲ状に面取りされている。

入力回転軸５２には切り欠き部５９が形成され、駆動側リンク５３にも切り欠き部６０が形成されている。

図１３は入力回転軸５２の切り欠き部５９と駆動側リンク５３の切り欠き部６０とを互いに係合させた状態を示す図であり、切り欠き部５９，６０の端面を点線で示している。ワイヤ５１には、初期状態においても弾性変形による復元力が働くため、駆動側リンク５３の切り欠き部６０を入力回転軸５２の切り欠き部５９に強固に押し付けることができ、単に両者を係合させただけでも、安定に回転トルクを伝達できる。

入力回転軸５２の切り欠き部５９と駆動側リンク５３の切り欠き部６０の少なくとも一方の切り欠き深さを適切に調整することで、所定量以上の過大トルクが加わった時に互いの係合が解除されるメカニカルヒューズとして利用することができる。

図１４は入力回転軸５２の切り欠き部５９よりも駆動側リンク５３の切り欠き部６０を深くした例を示す図であり、図１４（ａ）は入力回転軸５２の平面図および正面図、図１４（ｂ）は駆動側リンク５３の平面図および正面図を示している。

図１４の入力回転軸５２の切り欠き部５９と駆動側リンク５３の切り欠き部６０を互いに係合させると、図１５のようになる。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は入力回転軸５２をロックした状態で従動側プーリ５４に過大な負荷が加わった状態を示している。この場合、所定の負荷までは入力回転軸５２も駆動側リンク５３も静止（ワイヤの弾性変形による微小動作程度の動作をする場合も含む）しているが、負荷が所定量を超えると、入力回転軸５２は回転せずに駆動側リンク５３だけが回転し、メカニカルヒューズが動作した状態になる。

一方、図１６（ａ）および図１６（ｂ）は従動側プーリ５４をロックした状態で入力回転軸５２が回転する場合を示している。この場合、所定の回転負荷までは入力回転軸５２は静止（ワイヤの弾性変形による微小動作程度の動作をする場合も含む）しているが、所定の回転負荷を超えると駆動側リンク５３は回転せずに入力回転軸５２だけが回転し、やはりメカニカルヒューズが動作した状態になる。

このようなメカニカルヒューズは、過負荷がかからなくなると、元の状態に容易に復帰でき、過負荷がかかっても装置が破壊するおそれがなくなり、安全性および信頼性の高い動力伝達機構を実現できる。また、従動側プーリ５４がロック状態のときに駆動側リンク５３に過負荷がかかっても、その影響で従動側プーリ５４が異常な動作をすることがなく、被作業部５に悪影響を与えることもなくなり、高い安全性が保証される。

なお、メカニカルヒューズが作用し始める負荷トルクは、駆動側リンク５３や入力回転軸５２の切り欠き部の形状、切り欠き深さ、ワイヤ５１の支持位置、引っ張り剛性および初期張力などにより設定可能である。

図１では、駆動側リンク５３と従動側プーリ５４の間に位置するカシメ部材５６を中央よりも駆動側リンク５３寄りに配置している。これに対して図１７はカシメ部材５６を従動側プーリ５４寄りに配置した例を示している。この場合、ワイヤ５１が二重になっている領域がより増大し、図１よりも引っ張り剛性が高くなり、結果として、従動側プーリ５４の間接剛性も高くすることができる。

図１では、処置部３１を１軸方向にしか回転できないが、図５のような医療用マニピュレータの処置部３１は２軸方向への回転と把持動作が可能である。図１８は図５の処置部３１に動力を伝達可能な動力伝達機構を示す図であり、図１８（ａ）は平面図、図１８（ｂ）は正面図である。

図１８の動力伝達機構は、処置部３１を図５に示した矢印ｙ１の向き、矢印ｙ２の向き、矢印ｙ３の向きに回転させる従動側プーリ５４、６１、６２とを有する。これら３つの従動側プーリ５４、６１、６２にはそれぞれ別個にワイヤ５１が掛け渡され、これらワイヤ５１の一端は対応する駆動側リンク５３，６３，６４に接続されている。駆動側リンク５３に取り付けられた入力回転軸５２は、それぞれ別個に回転駆動される。このため、３つの従動側プーリ５４、６１、６２は個別独立に回転動作を行う。

ワイヤ５１に取り付けられるカシメ部材５６を左右方向の同一位置に配置すると、カシメ部材５６同士が接触するおそれがあるため、図１８（ａ）に示すように、上下方向に隣接するカシメ部材５６は左右方向の位置を互いにずらすのが望ましい。可能であれば、隣接するカシメ部材だけでなく、全てのカシメ部材を左右方向の位置を互いにずらすのが望ましい。

図１８では省略しているが、これら３つの従動側プーリ５４、６１、６２と処置部３１の間には駆動方向を切り替える機構が設けられている。図１９は従動側プーリ５４と処置部３１の間の詳細構造を示す平面図である。図示のように、従動側プーリ５４は回転軸７１に回転自在に支持され、かつ、回転軸７４が固定されているこの回転軸７１回転に合わせて、処置部３１は図５の矢印ｙ１の向きに回転する。

従動側プーリ６１は回転軸７１に対して回転自在に支持されている。従動側プーリ６１にはピニオンギア７２が同軸上に固定されており、このピニオン７２には直交する方向に配置されたフェイスギア７３が噛み合っている。このフェイスギア７３は、回転軸７４に対して回転自在に支持されており、また、処置部３１の一方７８が固定されている。

従動側プーリ６２も回転軸７１に対して回転自在に支持されている。従動側プーリ５４にはピニオンギア７５が同軸上に固定されており、このピニオンギア７５には直交する方向に配置されたフェイスギア７６が噛み合っている。このフェイスギア７６は、回転軸７４に対して回転自在に支持されており、また、処置部３１のもう一方７７が固定されている。

したがって、従動側プーリ６１、６２を反対方向に駆動させれば、処置部３１は、矢印ｙ２の向きに回転し、同じ方向に回転させれば、把持動作を行うことができる。

図１８では、３つの従動側プーリ５４，６１，６２をそれぞれ別個の駆動側リンク５３，６３，６４で駆動する例を示したが、少なくとも一部の従動側プーリを駆動側プーリで駆動してもよい。図２０は３つの従動側プーリ５４のうち２つをそれぞれ駆動側プーリ８１，８２で駆動し、１つの従動側プーリ５４を駆動側リンク５３で駆動する例を示している。駆動側にリンクを用いた方がワイヤ５１を二重にできるためワイヤ５１の寿命が長くなるが、その分、プーリを用いるよりも構造が複雑になる。このため、図２０の動力伝達機構の場合、負荷が小さい駆動部に対してはプーリを用い、負荷が大きい駆動部に対してはリンクを用いるのが望ましい。

図１等では、駆動側リンク５３に形成した孔部５５にワイヤ５１を掛け渡してワイヤ５１の二重に配置する例を説明したが、ワイヤ５１の一端にカシメ部８３を取り付け、このカシメ部８３を駆動側リンク５３に係合する係合部材８４を設けてもよい。

図２１は固定部材８４とカシメ部材５６の連結部４の構造を示す図であり、図２１（ａ）はこの構造の正面図と二方向の平面図、図２１（ｂ）はワイヤ５１に負荷がかかった状態を示す正面図である。

固定部材８４は、カシメ部８３を有し、別方向の挿入口に挿入されたピン８５により回転自在に連結される。固定部材８４はピン８５の周りを回転できるため、図２１（ｂ）のようにワイヤ５１に負荷がかかった場合には、固定部材８４は、駆動側リンク５３回りに相対的に回転し、固定部材８４に無理な張力がかかるおそれがなく、破壊を防止できる。

このように、第１の実施形態では、駆動側リンク５３と従動側プーリ５４とをワイヤ５１で接続し、駆動側リンク５３とワイヤ５１との接続を二重にするか、あるいはカシメ部８３と固定部材８４で固定するため、駆動側リンク５３に多大な負荷がかかってもワイヤ５１が切れにくくなり、信頼性および安全性が高くなる。また、駆動側リンク５３と入力回転軸５２との係合部分にメカニカルヒューズを設けるため、被作業部５に異常な負荷がかかるおそれがなくなり、安全性が高くなる。さらには、本実施形態の動力伝達機構は上下方向に複数重ね合わせることが可能なため、異なる複数方向の回転動作や把持動作を行うマニピュレータに容易に適用できる。さらには、小型化も可能なため、医療用マニピュレータのように細密な作業を行うことも可能である。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、従動側プーリ５４の直径よりも駆動側リンク５３のリンク長の方が長い例を説明したが、両者の長短には特に制限はなく、必要に応じて長さを変更してもよい。

例えば、図２２は従動側プーリ５４の直径と駆動側リンク５３のリンク長が略等しい、すなわち減速比が１の動力伝達機構を示し、図２３は減速比が１より大きい動力伝達機構を示している。いずれの場合も減速比が異なる他は第１の実施形態と同様の構造を有する。減速比は、処置部３１の作業内容や動作伝達機構のサイズ、動作範囲、ワイヤ５１等の剛性等の種々の条件に応じて適切な値を設定すればよい。

上述した図１等では、駆動側リンク５３と従動側プーリ５４を備えた動力伝達機構について説明したが、本発明は駆動側プーリと従動側リンクを備えた動力伝達機構にも適用可能である。

図２４、図２５および図２６は駆動側プーリ９１と従動側リンク９２を備えた動力伝達機構の一例を示す正面図であり、図２４は減速比が１未満、図２５は減速比が１、図２６は減速比が１より大きい場合を示している。従動側リンク９２とワイヤ５１との接続箇所の構造は図１等と同様であり、その接続箇所付近ではワイヤ５１は二重になっている。駆動側プーリ９１は入力回転軸５２に固定され、入力回転軸５２の回転に合わせて駆動側プーリ９１も回転する。また、従動側リンク９２とワイヤ５１との接続箇所にカシメ部材を用いる場合、図１７と同様にカシメ部材を中央よりも駆動側プーリ９１寄りに配置することができる。さらに、従動側リンク９２とワイヤ５１との接続箇所には、図２１と同様にカシメ部材を用いることができる。

プーリは、リンクよりも回転範囲が広いため、図２４〜図２６の方が図１等よりも、駆動部側の回転範囲の制約を少なくできる。

一方、図２７および図２８は駆動側と従動側の双方にリンクを用いた動力伝達機構の一例を示す正面図であり、図２７は減速比が１未満の場合、図２８は減速比が１より大きい場合を示している。図２７および図２８の場合、駆動側リンク５３と従動側リンク９２の双方ともワイヤ５１が二重に接続されているため、ワイヤ５１がよりいっそう切れにくくなり、安全性および信頼性が高くなる。また、プーリを用いないため、ワイヤは繰り返しの曲げ応力を受けないことから、ワイヤ５１の信頼性がより高くなる。

このように、第２の実施形態では、駆動側プーリ９１または駆動側リンク５３と、従動側プーリ５４または従動側リンク９２とを任意に組み合わせ、かつ減速比を適切に設定することにより、安全性および信頼性が高い動力伝達機構を実現可能である。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、図１５に示したメカニカルヒューズ機構を備えた駆動側リンク５３に適用されるものであり、メカニカルヒューズが作動しているかどうかを外部から容易に検出できるようにしたものである。

図２９は第３の実施形態による入力回転軸５２と駆動側リンク５３の構造を示す図であり、図２９（ａ）は入力回転軸５２の平面図および正面図を示し、図２９（ｂ）は駆動側リンク５３の平面図および正面図を示している。

図２９（ａ）に示すように、入力回転軸５２の切り欠き部５９には、駆動側リンク５３の切り欠き部６０との接触状態を検出するスイッチ９３が設けられている。このスイッチ９３は駆動側リンク５３の切り欠き部６０が接触している場合にはオンし、接触していない場合、すなわちメカニカルヒューズが作動している場合にはオフする。このスイッチ９３の状態信号は、図５に示した制御装置２に送信される。制御装置２は、スイッチ９３のオン／オフ状態を図４に示したモニタ装置２４に表示する。これにより、操作者は、入力回転軸５２と駆動側リンク５３が正常に係合しているかどうかを簡易かつ迅速に把握できる。

なお、スイッチ９３は、入力回転軸５２の切り欠き部５９ではなく、駆動側リンク５３の切り欠き部６０に設けてもよい。また、スイッチ９３の具体的な形態は特に問わず、例えば機械的な接点方式のスイッチ９３や、感圧式のセンサなど、種々のスイッチ９３やセンサが適用可能である。

このように、第３の実施形態では、駆動側リンク５３と入力回転軸５２との係合部分にスイッチ９３を配置するため、両者の係合状態に異常がないかどうかを簡易かつ迅速に検出でき、誤動作を未然に防止できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、駆動側リンク５３と入力回転軸５２との係合力を高めるものである。

図３０は第４の実施形態による入力回転軸５２と駆動側リンク５３の構造を示す図であり、図３０（ａ）は入力回転軸５２の平面図および正面図を示し、図３０（ｂ）は駆動側リンク５３の平面図および正面図を示している。

入力回転軸５２の切り欠き部５９と駆動側リンク５３の切り欠き部６０の双方には、互いに対向する位置に電磁石９４が配置されている。これら電磁石９４の極性は互いに逆であり、双方の切り欠き部を対向配置させると、互いを近づける方向に磁力が働き、入力回転軸５２と駆動側リンク５３の吸引力が増大する。

電磁石９４は不図示のコイルにより磁力を発生させるため、コイルに流れる電流を遮断することで磁力による吸引力をゼロにすることが可能である。この場合は、機械的な吸引力のみになる。また、コイルに流れる電流量を変えることで、磁力による吸引力を調整することができる。さらには、互いの電磁石の極を同極とすることで反発力が生じ、より吸引力を弱めることもできる。加えて、係合部に伸びバネを接続し、機械的な吸引力よりも小さな吸引力の状態を実現できるようにしつつ、電磁石により吸引力を強める機能と併用することで、所望の吸引力の調整範囲を得ることができる。

このように、本実施形態は、入力回転軸５２と駆動側リンク５３との吸引力を段階的に調整することができる。例えば、先端に多大な負荷がかかる作業を行う医療用マニピュレータや、大きな把持力を必要とする作業を行う医療用マニピュレータでは、入力回転軸５２に大きなトルクがかかる状態が頻繁に発生するため、あまり負荷のかからない作業を行う他のマニピュレータと同程度の構造や吸引力では仕様を満足させることができない。上述した第１の実施形態で説明したように、切り欠き部５９，６０の深さを変えることで吸引力を変化させることも可能であるが、負荷が変化するたびに切り欠き部５９，６０の深さを変えることは不可能である。また、作業の種類に応じてマニピュレータを取り替えるのも煩雑である。このため、本実施形態のように、入力回転軸５２と駆動側リンク５３の吸引力を電気的に調整できれば、負荷に応じて吸引力を切り替えることができ、種々の用途に利用可能なマニピュレータを実現可能である。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、駆動側リンク５３または駆動側プーリ９１と、従動側リンク９２または従動側プーリ５４とを接続するワイヤ５１の張力を簡易かつ正確に測定するものである。

図３１は第５の実施形態による入力回転軸５２と駆動側リンク５３の構造を示す図であり、図３１（ａ）は入力回転軸５２の平面図および正面図を示し、図３１（ｂ）は駆動側リンク５３の平面図および正面図を示している。

入力回転軸５２の構造は第１の実施形態と同様であるが、駆動側リンク５３にはひずみゲージ９５が取り付けられている。このひずみゲージ９５は、駆動側リンク５３の上面、下面または側面などに取り付けられる。駆動側リンク５３の孔部５５に掛け渡されたワイヤ５１が外れると、駆動側リンク５３にかかる張力が急激に減少するため、ひずみゲージ９５で測定される張力も大きく変化する。したがって、ひずみゲージ９５で測定される張力により、リンクが外れたことを認識できる。これにより、ワイヤ５１の断線などの不具合を簡易かつ迅速に検出でき、安全性の高い動力伝達機構を実現可能である。

なお、駆動側リンク５３にひずみゲージ９５を取り付ける代わりに、ワイヤ５１に直接ひずみゲージ９５を取り付けてもよい。この場合、ワイヤ５１の張力をより迅速かつ正確に検出でき、入力回転軸５２を駆動する不図示のモータのトルクを正確に見積もることができる。例えば、入力回転軸５２と駆動側リンク５３が係合されている状態では、モータの回転に応じてモータトルクはある範囲内で変動する。モータトルクはモータ電流を計測することで計測可能である。入力回転軸５２と駆動側リンク５３との係合が外れると、モータトルクは規定値よりも小さくなり、モータ電流値も正常値から外れた値になる。したがって、モータ電流の変動を逐次監視することで、入力回転軸５２と駆動側リンク５３の係合状態を正確に監視できる。

ひずみゲージ９５は、駆動側リンク５３の代わりに駆動側プーリ９１を用いる場合には、駆動側プーリ９１に取り付ければよい。

上述した第１〜第５の実施形態では、医療用マニピュレータに用いられる動力伝達機構について説明したが、本発明の動力伝達機構は、医療用マニピュレータ以外の各種のロボットに適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係るロボットに内蔵される動力伝達機構を示す図。 図１の動力伝達機構を有する医療用マニピュレータを備えたロボットの外観図。 図２の医療用マニピュレータシステムの内部構成の一例を示すブロック図。 図１のマニピュレータを用いて胆嚢摘出手術などの腹腔鏡下手術を行う様子を示す図。 マニピュレータ本体１の詳細な構造を示す斜視図。 カシメ部材５６の平面図。 従動側プーリ５４の拡大斜視図。 図１の動力伝達機構の動作を説明する図。 駆動側リンクのサイズの一例を説明する図。 駆動側リンク５３の回転角度とワイヤ５１の長さの変化の関係を示す図。 駆動側リンク５３と従動側プーリ５４の回転角度の関係を示す図。 駆動側リンク５３と入力回転軸５２との係合部分の構造を示す図。 入力回転軸５２の切り欠き部５９と駆動側リンク５３の切り欠き部６０とを互いに係合させた状態を示す図。 入力回転軸５２の切り欠き部５９よりも駆動側リンク５３の切り欠き部６０を深くした例を示す図。 図１５（ａ）および図１５（ｂ）は駆動側リンク５３をロックした状態で従動側プーリ５４に過大な負荷が加わった状態を示す図。 図１６（ａ）および図１６（ｂ）は従動側プーリ５４をロックした状態で入力回転軸５２が回転する場合を示す図。 カシメ部材５６を従動側プーリ５４寄りに配置した例を示す図。 図５の処置部３１に動力を伝達可能な動力伝達機構を示す図。 従動側プーリ５４と処置部３１の間の詳細構造を示す平面図。 ３つの従動側プーリ５４、６１、６２のうち２つ（６１、６２）をそれぞれ駆動側プーリ８１，８２で駆動し、１つの従動側プーリ５４を駆動側リンク５３で駆動する例を示す図。 固定部材８４とカシメ部材５６の連結部４の構造を示す図。 減速比が１の動力伝達機構を示す図。 減速比が１より大きい動力伝達機構を示す図。 減速比が１未満の場合の駆動側プーリ９１と従動側リンク９２を備えた動力伝達機構の一例を示す正面図。 減速比が１の場合の駆動側プーリ９１と従動側リンク９２を備えた動力伝達機構の一例を示す正面図。 減速比が１より大きい場合の駆動側プーリ９１と従動側リンク９２を備えた動力伝達機構の一例を示す正面図。 減速比が１未満の場合の駆動側と従動側の双方にリンクを用いた動力伝達機構の一例を示す正面図。 減速比が１より大きい場合の駆動側と従動側の双方にリンクを用いた動力伝達機構の一例を示す正面図。 第３の実施形態による入力回転軸５２と駆動側リンク５３の構造を示す図。 第４の実施形態による入力回転軸５２と駆動側リンク５３の構造を示す図。 第５の実施形態による入力回転軸５２と駆動側リンク５３の構造を示す図。

符号の説明

１ マニピュレータ本体
２ 制御装置
３ 操作部
４ 連結部
５ 作業部
５１ 可撓性動力伝達機構
５２ 入力回転軸
５３，６３，６４ 駆動側リンク
５４，６１，６２ 従動側プーリ
５５ 孔部
５６ カシメ部材
５９，６０ 切り欠き部

Claims (14)

1. 可撓性動力伝達部材と、
   動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
   前記可撓性動力伝達部材の両端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
   前記可撓性動力伝達部材が掛け渡される従動側プーリと、を備え、
   前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
   前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするロボット。
2. 可撓性動力伝達部材と、
   動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
   前記可撓性動力伝達部材の一端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
   前記可撓性動力伝達部材の他端に接続され前記駆動側リンクとは異なるリンク長を持つ従動側リンクと、を備え、
   前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
   前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするロボット。
3. 可撓性動力伝達部材と、
   動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
   前記可撓性動力伝達部材が掛け渡され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側プーリと、
   前記可撓性動力伝達部材の両端に接続される従動側リンクと、を備え、
   前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
   前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするロボット。
4. 前記可撓性動力伝達部材は、前記駆動側リンクに形成された孔部を貫通して前記駆動側リンクに掛け渡され、
   前記駆動側リンクと前記従動側プーリとの間で、前記駆動側リンクの孔部を貫通する前記可撓性動力伝達部材を固定するカシメ部材を備え、
   前記カシメ部材と前記駆動側リンクとの間は二重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、前記カシメ部材と前記従動側プーリとの間は一重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、
   前記カシメ部材は、前記駆動側リンクと前記従動側プーリとの中間位置よりも前記従動側プーリ寄りに配置されることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
5. 前記可撓性動力伝達部材は、前記従動側リンクに形成された孔部を貫通して前記駆動側リンクに掛け渡され、
   前記駆動側プーリと前記従動側リンクとの間で、前記従動側リンクの孔部を貫通する前記可撓性動力伝達部材を固定するカシメ部材を備え、
   前記カシメ部材と前記駆動側プーリとの間は一重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、前記カシメ部材と前記従動側リンクとの間は、二重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、
   前記カシメ部材は、前記駆動側プーリと前記従動側リンクとの中間位置よりも前記駆動側プーリ側に配置されることを特徴とする請求項３に記載のロボット。
6. 前記第１切り欠き部と前記第２切り欠き部との係合状態を検知する接触検知器を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のロボット。
7. 前記第１切り欠き部と前記第２切り欠き部との間に少なくとも吸引力または反発力のいずれか一方を発生させるための電磁石を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のロボット。
8. ２軸方向に駆動可能な処置部と、
   前記処置部を少なくとも２軸方向に駆動させる作業部と、
   前記作業部に動力を伝達する動力伝達部と、
   前記動力伝達部に動力を供給する駆動部と、を備え、
   前記動力伝達部は、
   可撓性動力伝達部材と、
   動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
   前記可撓性動力伝達部材の両端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
   前記可撓性動力伝達部材が掛け渡される従動側プーリと、を備え、
   前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
   前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするマニピュレータ。
9. ２軸方向に駆動可能な処置部と、
   前記処置部を少なくとも２軸方向に駆動させる作業部と、
   前記作業部に動力を伝達する動力伝達部と、
   前記動力伝達部に動力を供給する駆動部と、を備え、
   前記動力伝達部は、
   可撓性動力伝達部材と、
   動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
   前記可撓性動力伝達部材の一端に接続され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側リンクと、
   前記可撓性動力伝達部材の他端に接続され前記駆動側リンクとは異なるリンク長を持つ従動側リンクと、を備え、
   前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
   前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするマニピュレータ。
10. ２軸方向に駆動可能な処置部と、
    前記処置部を少なくとも２軸方向に駆動させる作業部と、
    前記作業部に動力を伝達する動力伝達部と、
    前記動力伝達部に動力を供給する駆動部と、を備え、
    前記動力伝達部は、
    可撓性動力伝達部材と、
    動力発生源により回転駆動される入力回転軸と、
    前記可撓性動力伝達部材が掛け渡され前記入力回転軸の回転トルクを前記可撓性動力伝達部材に伝達する駆動側プーリと、
    前記可撓性動力伝達部材の両端に接続される従動側リンクと、を備え、
    前記入力回転軸は第１の切り欠き部を有し、
    前記駆動側リンクは、前記第１の切り欠き部に係合可能な第２の切り欠き部を有することを特徴とするマニピュレータ。
11. 前記可撓性動力伝達部材は、前記駆動側リンクに形成された孔部を貫通して前記駆動側リンクに掛け渡され、
    前記駆動側リンクと前記従動側プーリとの間で、前記駆動側リンクの孔部を貫通する前記可撓性動力伝達部材を固定するカシメ部材を備え、
    前記カシメ部材と前記駆動側リンクとの間は二重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、前記カシメ部材と前記従動側プーリとの間は一重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、
    前記カシメ部材は、前記駆動側リンクと前記従動側プーリとの中間位置よりも前記従動側プーリ寄りに配置されることを特徴とする請求項８に記載のマニピュレータ。
12. 前記可撓性動力伝達部材は、前記従動側リンクに形成された孔部を貫通して前記駆動側リンクに掛け渡され、
    前記駆動側プーリと前記従動側リンクとの間で、前記従動側リンクの孔部を貫通する前記可撓性動力伝達部材を固定するカシメ部材を備え、
    前記カシメ部材と前記駆動側プーリとの間は一重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、前記カシメ部材と前記従動側リンクとの間は、二重の前記可撓性動力伝達部材にて接続され、
    前記カシメ部材は、前記駆動側プーリと前記従動側リンクとの中間位置よりも前記駆動側プーリ側に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のマニピュレータ。
13. 前記第１切り欠き部と前記第２切り欠き部との係合状態を検知する接触検知器を備えることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のマニピュレータ。
14. 前記第１切り欠き部と前記第２切り欠き部との間に少なくとも吸引力または反発力のいずれか一方を発生させるための電磁石を備えることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のマニピュレータ。

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