JP4504000B2 - 屈曲動作部材、アクチュエータおよびマニピュレータ - Google Patents

Description

この発明は、屈曲動作部材、アクチュエータおよびマニピュレータに関し、特に、低侵襲外科手術などの医療用に用いられるマニピュレータに適用して好適なものである。

近年、外科手術の発達の一分野として重要なものの一つに低侵襲外科手術を挙げることができる。

すなわち、通常、外科手術においては、治療を行う際に治療を施す部位のみならず、この治療部位に到達するまでのアプローチパスの確保および手術作業領域の確保のために、正常な組織の切開などが必要となる。たとえば、胆嚢を摘出する場合においては、おなかの皮および筋肉を切り、腹腔内にハサミなどの手術器具を挿入する必要がある。

そこで、手術時において患者に対するダメージ、およびダメージを与える可能性を低減した手術が必要となり、このようなダメージを抑制することができる手術として、低侵襲手術が採用されている。

しかしながら、患者に対するダメージの低減という利点を有する低侵襲手術においては、低侵襲性の実現のため、種々の問題を有している。その問題点は、主として、手術に用いられる腹腔鏡や長鉗子などの手術器具の有する自由度の低さが原因である。

具体的には、これらの手術器具が腹壁上の切開孔やトロカールを通じて腹腔内に導入されるため、切開孔などの点がほぼ固定されていることを考慮すると、患部へのアプローチは限られた方向からのみとなる。これによって、手術手技の制限をもたらす結果となり、手術の難易度が上がってしまうという問題があった。

そこで、このような問題を解決するため、従来の手術器具に新たな自由度を付加したマニピュレータの開発が進められ、種々の提案がされている。

このようなマニピュレータに関する開発に伴って、多節スライダ・リンク機構を用いた鉗子マニピュレータが提案されている。この鉗子マニピュレータの多節スライダ・リンク機構の部分を図６に示す。

図６に示すように、この従来技術による鉗子マニピュレータにおいては、スライダ・リンク機構の１自由度の屈曲機構が、３つのフレーム１０１，１０２，１０３と、±４５度に回転可能な２ピンの回転軸１０４，１０５（２ピンジョイント）と、駆動用リンク節１０６，１０７，１０８と、拘束用リンク節１０９，１１０とから構成されている。

そして、駆動用リンク節１０８を所定方向にスライドさせることによって、それぞれのフレーム１０１，１０２，１０３に対して、回転軸１０４，１０５の周りのモーメントを与える。また、拘束用リンク節１０９，１１０は、先端側のフレーム１０１が±４５度回転した後に、初めて２番目のフレームが回転動作を開始するように、動作に制限をかけるためのリンク節である。

このような構成によって、１自由度について両側±９０度の屈曲が可能となる。そして、この１自由度屈曲機構を、その屈曲する方向において互いに９０度になるように前後に２つ連結させることにより、互いに独立して９０度まで屈曲可能なマニピュレータを構成
することができる。
特開平９−２７６２８９号公報 山下、他３名、"多節スライダ・リンク機構を用いた内視鏡下外科手術用屈曲鉗子マニピュレータの開発"：第１２回コンピュータ支援画像診断学会大会・第１１回日本コンピュータ外科学会大会合同論文集，p.129-130,2002 山下、他３名、"多節スライダ・リンク機構を用いた内視鏡下外科手術用多自由度マニピュレータの開発"：第４１回日本エム・イー学会大会抄録論文集，p.66

しかしながら、従来のマニピュレータにおいては、次のような問題があった。

すなわち、外科手術においては、手術用具を頻繁に交換する必要がある。また、特に低侵襲外科手術においては、手術用具として用いられるマニピュレータを体内に低侵襲状態で進入させつつ稼動させる必要があるので、大型になる。そのため、このような大型なマニピュレータを頻繁に交換するのは極めて煩雑であり、さらには手術自体の遅延も招いてしまう。

また、このような手術に使用される手術用具は、洗浄作業や滅菌作業を行う必要がある。しかしながら、このような大型の手術用具で、かつ可動系や動力系が混在するようなマニピュレータの洗浄作業や滅菌作業を行うのは、極めて煩雑であり、困難であった。

したがって、この発明の目的は、屈曲動作部材の交換を効率よく短時間で行うことができるとともに、屈曲動作部材を手術などの用途に用いる場合に、その洗浄作業や滅菌作業を簡略化することができる屈曲動作部材、アクチュエータおよびマニピュレータを提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、
先端側の部分が屈曲可能に構成された可動手段と、
上記可動手段に駆動力を伝達可能な少なくとも１つのリンク部材から構成された駆動力伝達手段とを有し、
上記リンク部材における上記先端側と反対側の一端により第１の連結部が構成されると共に、該第１の連結部はジョイントケース内に設けられる構成で、該ジョイントケースは駆動力発生手段側に設けられるアウタケースに対して中心軸周りの回転方向に結合、分離することで着脱可能に構成され、
上記第１の連結部は中心軸周りに配置され、上記ジョイントケースとアウタケースの結合位置にて、駆動力を発生する駆動力発生手段側に設けられる第２の連結部が駆動力の伝達方向に直線的に進行して連結可能に構成されているとともに、上記駆動力伝達手段が上記駆動力発生手段からの駆動力を上記可動手段に伝達可能に構成され、
上記ジョイントケースとアウタケースの分離方向の回転動作によって第１の連結部が上記第２の連結部から分離可能に構成されていることを特徴とする屈曲動作部材である。

この第１の発明において、典型的には、可動手段が複数の関節部を有し、複数の関節部における、互いに同一側に屈曲可能に構成され、かつ隣り合う先端側の第１関節部および後端側の第２関節部において、第１関節部における屈曲動作の終了後に第２関節部における屈曲動作が開始するように構成されている。

この第１の発明において、典型的には、上記第１の連結部が凸部を有し、上記凸部が、嵌合穴が形成されているとともに上記駆動力の伝達方向に対してほぼ垂直な方向に付勢する弾性体からなる第２の連結部における上記嵌合穴に、嵌入可能に構成され、上記第２の連結部が進行した際に、上記第１の連結部の凸部に対し上記弾性体による付勢力を及ぼしつつ上記凸部に上記嵌合穴を嵌合させることにより、上記第１の連結部が第２の連結部と連結され、上記アウタケースとジョイントケースの分離方向の回転動作によって第２の連結部の嵌合穴から第１の連結部の凸部が外れて分離する構成となっている。

この発明の第２の発明は、
可動手段を動作させるための駆動力を発生可能に構成された駆動力発生手段を有するとともに、先端側の部分に可動手段を有する屈曲動作部材と着脱可能に構成されている
ことを特徴とするアクチュエータである。

この第２の発明において、典型的には、駆動力発生手段が第２の連結部を有すると共に、該第２の連結部はアウタケース内に設けられる構成で、該アウタケースは上記屈曲動作部材側に設けられるジョイントケースに対して中心軸周りの回転方向に結合、分離するこ
とで着脱可能に構成される。

この第２の発明において、典型的には、アクチュエータにおける第２の連結部は、中心軸周りに配置され、上記アウタケースとジョイントケースの結合位置にて、上記第２の連結部が、駆動力の伝達方向に沿ってほぼ直線的に進行し上記第１の連結部と連結可能に構成され、上記アウタケースとジョイントケースの分離方向の回転動作によって第２の連結部から第１の連結部が分離可能に構成される。
この第２の発明において、典型的には、上記第２の連結部が、上記駆動力の伝達方向に対してほぼ垂直な方向に付勢する、嵌合穴が形成された弾性体を有し、上記第２の連結部が、上記駆動力の伝達方向に沿ってほぼ直線的に進行し、上記嵌合穴に嵌合可能な凸部を有する上記第１の連結部に対し、上記弾性体による付勢力を及ぼしつつ上記凸部に上記嵌合穴を嵌合させることにより、上記第１の連結部と連結可能に構成され、上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの相対回転による分離動作に伴って、上記凸部が嵌合穴から外れて分離するように構成される。

この発明の第３の発明は、
先端側の部分が屈曲可能に構成された可動手段および、上記可動手段に外部から作用される駆動力を伝達可能に構成された駆動力伝達手段を有する屈曲動作部材と、
上記可動手段を動作させる駆動力を発生可能に構成された駆動力発生手段を有するアクチュエータとを有し、
上記屈曲動作部材に設けられたジョイントケースと上記アクチュエータに設けられたアウタケースとが中心軸周りの回転方向に結合、分離することで着脱可能に構成されているとともに、上記ジョイントケースとアウタケースの結合位置にて上記駆動力伝達手段に設けられた上記ジョイントケース内の第１の連結部と、上記駆動力発生手段に設けられた上記アウタケース内の第２の連結部とが駆動力の伝達方向に進行して連結可能で、かつ連結された第１連結部と第２連結部は、上記ジョイントケースとアウタケースの分離方向の回転動作によって分離可能に構成されている
ことを特徴とするマニピュレータである。

この第３の発明において、典型的には、連結時は、上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの結合後に、上記第１の連結部と上記第２の連結部との連結動作が実行され、分離時には上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの相対回転による分離動作に伴って、上記連結された第１の連結部と上記第２の連結部とが分離するように構成されている。

この第３の発明において、典型的には、アクチュエータにおける第２の連結部が、上記駆動力の伝達方向に対してほぼ垂直な方向に付勢する、嵌合穴が形成された弾性体を有し、上記第１の連結部が、上記嵌合穴に嵌合可能な凸部を有し、上記駆動力発生手段によって上記第２の連結部が駆動力の伝達方向に沿ってほぼ直線的に進行されて、上記凸部に対して付勢力を生じつつ上記嵌合穴と嵌合することにより、上記第１の連結部と上記第２の連結部とが連結して、上記駆動力伝達手段と上記駆動力発生手段とが接続され、上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの相対回転による分離動作に伴って、上記凸部が嵌合穴から外れて分離するように構成されている。

この発明の技術的思想は、必ずしも上述の組み合わせに限定されるものではなく、上述した複数の発明を、適宜、任意に組み合わせることにより実現される技術的思想をも包含するものである。

以上説明したように、この発明によれば、屈曲動作部材の交換を効率よく短時間で行うことができるとともに、屈曲動作部材を手術などの用途に用いる場合に、その洗浄作業や滅菌作業を簡略化することができるとともに、安全性を維持しつつ、術者による低侵襲手術の容易化を図ることが可能となる。

以下、この発明の一実施形態によるマニピュレータについて図面を参照しつつ説明する。図１に、この一実施形態によるマニピュレータの全体構造を示す。

（マニピュレータ）
図１Ａに示すように、この一実施形態によるマニピュレータは、駆動力発生手段としてのアクチュエータ部１と、ジョイント式屈曲鉗子部２とから構成されている。

アクチュエータ部１は、主にステンレス綱（ＳＵＳ３０４）から構成され、筐体としてのアウターケース１１、３つのモータベース１２ａに備えられた３個の減速機付モータ１２、連結プレート１３ａおよび連結スプリング１３ｂを備えた、第２の連結部としての３本のジョイントアーム１３、ジョイントアーム１３をガイドするためのアームガイド１４、ベアリングベース１５、ガイドベース１６、ベアリングケース１７および、カップリング１８を有して構成されている。

また、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、アクチュエータ部１のアウターケース１１におけるジョイント部１９の側には、ジョイント式屈曲鉗子部２のジョイント部１９と連結させるための連結ガイド溝１１ａが、例えばＬ字状に形成されている。

このアクチュエータ部１においては、減速機付モータ１２により駆動力が発生されるように構成されている。そして、この駆動力が、ベアリングケース１７およびカップリング１８を通じて、ジョイントアーム１３に伝達される。

このジョイントアーム１３は、駆動力を、ジョイント式屈曲鉗子部２の先端の可動手段である鉗子部に伝達するためのものである。また、ジョイントアーム１３は、駆動力の発生に伴う駆動に応じて、アクチュエータ部１の長手方向に移動可能に構成されている。

ジョイント式屈曲鉗子部２は、先端側の、多節スライダ・リンク機構からなる鉗子部材としての把持部を有する屈曲鉗子部３０と、他端側の、アクチュエータ部１と連結するためのジョイント部１９とが、中空部を有するフレーム２４により、連結されて構成されている。

これらのうちのジョイント部１９は、ジョイントケース１９ａおよびグリップベース１９ｂと、アクチュエータ部１との着脱時において留め具として連結ガイド溝１１ａに嵌め合わされる着脱ピン２０とを有して構成されている。

ジョイントケース１９ａの内部には、第１の連結部として、上述した３本のジョイントアーム１３とそれぞれ連結可能に構成された３組の連結ピン２１およびロケートベース２２が設けられている。これらの３組の連結ピン２１およびロケートベース２２は、それぞれ駆動力を先端側の屈曲鉗子部３０に伝達する３本のリンク部材２３におけるジョイント部１９側の一端にそれぞれ設けられている。

ここで、この連結ピン２１およびロケートベース２２とジョイントアーム１３との連結に関して、図面を参照しつつ説明する。図２Ａに、この一実施形態によるジョイントアーム１３を示し、図２Ｂに、この一実施形態によるリンク部材２３の一端の連結ピン２１およびロケートベース２２を示し、図２Ｃに、分離時と結合時とにおける、連結ピン２１およびロケートベース２２と、ジョイントアーム１３との位置関係の、図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す。

図２Ａに示すように、この一実施形態によるジョイントアーム１３は、連結プレート１３ａとアーム本体１３ｅとから構成されている。連結プレート１３ａは、ジョイントケース１９ａ側の一端の近傍に開口１３ｃが形成されているとともに、アーム本体１３ｅの外側が山型になるように「く字形」に折れ曲がった、板状の部材からなる。また、連結プレート１３ａは、板状の面に対してほぼ垂直な方向に、付勢力を有しつつたわむように構成されている。

また、図２Ｂに示すように、この一実施形態によるロケートベース２２は、板状に構成されているとともに、連結ピン２１の設けられた部分が段差形状となり、凸状に形成されている。また、この板状のロケートベース２２の一端部がリンク部材２３の一端部を固定するようにして折り曲げられて、リンク部材２３の一端部と接続されている。また、この一実施形態においては、連結ピン２１は、ロケートベース２２の段差状に形成された面のほぼ中央部分に設けられている。すなわち、この連結ピン２１は、上述したジョイントアーム１３の連結プレート１３ａの開口１３ｃと嵌合可能な位置に設けられている。

（アクチュエータ部とジョイント式屈曲鉗子部との連結）
次に、これらの連結ピン２１と開口１３ｃとの嵌合について説明する。

まず、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２とを連結させる。すなわち、ジョイント式屈曲鉗子部２の着脱ピン２０を、アクチュエータ部１の連結ガイド溝１１ａ（図１Ｂ参照）に嵌入させることにより、ジョイントアーム１３がジョイント式屈曲鉗子部２のジョイント部１９の内部に進入していく。このとき、連結ピン２１およびロケートベース２２と、ジョイントアーム１３との最初の位置関係は、図２Ｃにおける点線部（分離時側）となる。

その後、連結ガイド溝１１ａの形状に沿って嵌入を進めると、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２とが中心軸の周りに互いに相対的に回転される。これにより、連結ピン２１およびロケートベース２２とジョイントアーム１３との断面側からの位置関係は、図２Ｃにおける実線部（接合側）となる。このアクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２とが中心軸の周りに互いに相対的に回転されて連結されたのみでは、連結ピン２１と開口１３ｃとの嵌合がされていない状態となる。このときの状態を図３Ａに示す。

図３Ａに示すように、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２とが連結された当初の状態では、連結ピン２１および開口１３ｃはほぼ同一の面内に位置しているが、いずれも嵌合していない状態となる。

その後、図３Ｂに示すように、減速機付モータ１２を駆動させることによって、ジョイントアーム１３を連結ピン２１側に進行させる。このジョイントアーム１３の進行に伴って、アーム本体１３ｅの連結プレート１３ａ側の部分が、ロケートベース２２の段差状の部分によって案内されるように進行する。これとともに、連結プレート１３ａの先端部分が連結ピン２１の上端を摺接するように持ち上げられ、弾性力を発生しつつたわむように変形される。

その後、ジョイントアーム１３をさらに進行させると、図３Ｃに示すように、開口１３ｃと連結ピン２１とが合致して、さらに連結プレート１３ａに生じていた弾性力により、連結プレート１３ａの開口１３ｃと連結ピン２１とが嵌合される。

これらの一連の動作によって、連結ピン２１と開口１３ｃとが嵌合されて、ジョイントアーム１３とロケートベース２２とが連結される。これにより、減速機付モータ１２により発生される駆動力を、ジョイントアーム１３およびロケートベース２２を通じて、リンク部材２３に伝達させることが可能となる。

なお、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２とを取り外す際には、上述の結合と逆の動作を行う。すなわち、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２とをそれらの中心軸の周りに、図２Ｃに示す分離時側に回転させる。これにより、ジョイントアーム１３は、ロケートベース２２における連結ピン２１の突出側に持ち上げられ、連結ピ
ン２１と開口１３ｃとの嵌合が外される。その後、連結ガイド溝１１ａの形状に沿って、着脱ピン２０を外す方向に移動させる。以上により、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２とが分離される。

通常、手術においては、手術用具を頻繁に交換する必要があるが、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２との構成を、上述のように連結可能および取り外し可能に構成することによって、重量があるアクチュエータ部１を交換することなく、エンドエフェクタ部としてのジョイント式屈曲鉗子部２のみを交換することができるので、必要な用具を効率よく短時間で交換することが可能となる。

また、ジョイント式屈曲鉗子部２などのエンドエフェクタ部におけるジョイント部１９を、上述のように構成することによって、アクチュエータ部１を複数種類のエンドエフェクタ部で共用することが可能となるため、低コスト化を図ることができる。また、エンドエフェクタ部とアクチュエータ部１とを分離可能に構成することにより、洗浄や滅菌なども容易に行うことが可能となる。

また、アクチュエータ部１とジョイント式屈曲鉗子部２との連結状態下において、減速機付モータ１２の駆動力を伝達する３本のリンク部材２３は、円筒状で中空部分を有するフレーム２４に収納されている。

（気体漏出防止機構）
このフレーム２４とジョイント部１９との連結部分の内部には、リンク部材２３を保持する、例えばポリカーボネート（ＰＣ）からなるリンクベース２５が設けられている。

また、図４に示すように、フレーム２４の内部におけるグリップベース１９ｂから先端側に向かって途中部分まで、リンクガイド部２６が封入されている。このリンクガイド部２６は、リンク部材２３ａ，２３ｂ，２３ｃをそれぞれ保持するためのものであるとともに、先端側の屈曲鉗子部３０から進入してくる気体などの流体を遮断するためのものである。これにより、気体がフレーム２４およびジョイント部１９を通じて外部に漏出するのを、フレーム２４の内部において防止することが可能となる。

そして、リンク部材２３ａ，２３ｂ，２３ｃがフレーム２４の長手方向に沿って駆動力を伝達する際には、これらのリンク部材２３ａ，２３ｂ，２３ｃとリンクガイド部２６とが摺接する。そのため、このリンクガイド部２６の材料としては、リンク部材２３との摺接耐久性が高く、かつ気体の透過性（通気性）の低い材料、例えばポリカーボネート（ＰＣ）などが採用される。

（多節スライダ・リンク機構）
このような気密性が向上されたフレーム２４内に収納されたリンク部材２３によって、駆動力が伝達される可動側の屈曲鉗子部３０は、多節スライダ・リンク機構となっている。すなわち、リンク部材２３により駆動力が伝達されることにより、フレーム２４の内部において気体の透過を防止して、気密性を維持しつつ、先端側の屈曲鉗子部３０が屈曲可能に構成されている。

具体的に、この一実施形態によるマニピュレータによる屈曲鉗子部３０においては、第１のフレーム３１、第２のフレーム３２、第３のフレーム３３、第４のフレーム３４、および第５のフレーム３５が同軸に沿って直列に連結されて構成されている。

第１のフレーム３１と第２のフレーム３２とは、第１のフレームピン３６により連結され、第１関節部５０を構成している。また、第２のフレーム３２と第３のフレーム３３と
は、第２のフレームピン３７により連結され、第２関節部５１を構成している。そして、これらの第１関節部５０および第２関節部５１は、同一面に沿った方向に屈曲するように構成されている。

具体的に、第１関節部５０が、第１のフレームピン３６を回転軸として、例えば４５度の角度まで屈曲可能に構成されているとともに、第２関節部５１が、第１関節部５０の屈曲と同じ向きに、例えば４５度の角度まで屈曲可能に構成されている。

したがって、第１関節部５０と第２関節部５１とにより、第３のフレーム３３から第１のフレーム３１は、例えば９０度の角度まで屈曲可能に構成されている。また、これらの第１関節部５０および第２関節部５１は、多節スライダ・リンク機構を構成しているため、第１関節部５０の屈曲動作が終了するまで、第２関節部５１の屈曲動作が開始しないようになっている。

また、後端側の、第３のフレーム３３と第４のフレーム３４とは、第３のフレームピン３８により連結されている。第４のフレーム３４と第５のフレーム３５とは、ガイドピン３９により連結されている。そして、これらの第３のフレーム３３、第４のフレーム３４および第５のフレーム３５は、それぞれの接合部において、それぞれ第３のフレームピン３８とガイドピン３９とを回転軸として、同一面内に沿った方向に屈曲可能に構成されている。

すなわち、第３のフレーム３３から第５のフレーム３５においても、第１のフレーム３１から第３のフレーム３３の場合と同様に、第１関節部５０と第２関節部５１とを有する多節スライダ・リンク機構から構成されている。

そして、この第３のフレーム３３から第５のフレーム３５により構成される多節スライダ・リンク機構の屈曲方向と、第１のフレーム３１から第３のフレーム３３により構成される多節スライダ・リンク機構の屈曲方向とは、互いに垂直方向になるように構成されている。

これにより、屈曲鉗子部３０の先端における所定面に沿った屈曲と、この面に直交する面内に沿った屈曲とを組み合わせて、屈曲動作に関する自由度の増加が図られている。

（第２関節部の接合部構造）
以上の第１関節部５０および第２関節部５１を有する多節スライダ・リンク機構は、上述したように、第２関節部５１の屈曲動作が、第１関節部５０の屈曲動作完了まで開始されないとともに、第１関節部５０の屈曲する向きと第２関節部５１の屈曲向きとが同じ向きになる構成である。ところが、屈曲鉗子部３０が、それ自体の自重やそのほかの外力の作用を外部から受けることによって、第１関節部５０の屈曲動作終了前に、第２関節部５１が屈曲してしまったり、第１関節部５０における屈曲動作に対して、第２関節部５１が本来の屈曲の向きとは反対の向きに若干屈曲してしまったりすることがある。

この第２関節部５１に、このような現象が生じると、多節スライダ・リンク機構のリンク部分に、引っかかり、いわゆる「かじり」と称される現象が発生する場合があり、場合によっては屈曲鉗子部３０自体が動かなくなる。

通常、このような「かじり」を防止するためには、潤滑剤を用いる方法が考えられるが、この一実施形態によるマニピュレータを、たとえば低侵襲外科手術に用いる場合には、これらの第１関節部５０や第２関節部５１などの可動部分に、潤滑剤を用いることができず、いわゆる無潤滑動作させる必要がある。

そこで、この一実施形態による第２関節部５１においては、潤滑剤を用いることなく、多節スライダ・リンク機構のかじり現象を防止する構成について説明する。図５Ａに、この第２関節部５１を示し、この第２関節部５１の接合部５１ａにおけるＢ−Ｂ線に沿った部分断面図を、図５Ｂに示す。なお、以下の説明においては、第２のフレーム３２および第３のフレーム３３とから構成される第２関節部５１を例に説明するが、第４のフレーム３４と第５のフレーム３５とから構成される第２関節部５１においても同様の構成が採用される。

図５Ａに示すように、この一実施形態による第２関節部５１においては、それぞれの第２のフレーム３２および第３のフレーム３３の間の連結する側の一端がリング状に形成されており、互いに第２のフレームピン３７によって連結されて、接合部５１ａが構成されている。

そして、図５Ｂに示すように、この接合部５１ａにおいては、第２のフレーム３２および第３のフレーム３３における第２のフレームピン３７により連結されているリング状の部分が、互いにテーパ状に構成されている。

具体的には、第２のフレーム３２における、第３のフレーム３３との接合部５１ａの内側接触面が、根本になるほど厚みが大きい順テーパ形状に形成されているとともに、第３のフレーム３３の接合部５１ａと接する外側接触面が、屈曲されていない状態下で第２のフレーム３２の接合部５１ａにおける順テーパ形状に倣うようにして、順テーパ形状に形成されている。

そして、２つのフレームの順テーパ形状に形成された接合部５１ａにおいては、第２のフレームピン３７が軸となって第２関節部５１が屈曲されると、屈曲動作の進行に伴って、第２のフレーム３２および第３のフレーム３３における順テーパ形状のより厚みの大きい部分同士が重なり合うようになる。

このような屈曲動作に伴って、順テーパ形状の厚みの大きい部分同士が重なり合うようになると、屈曲していない状態（屈曲角度：０°）において接合部５１ａの２つの部材間で作用しあう力に比して、その力は大きくなり、力学的に不安定な状態になる。

すなわち、第２関節部５１の屈曲動作が進むのに伴って、第２のフレーム３２の接合部５１ａにおける内側に作用する力が大きくなるとともに、第３のフレーム３３の接合部５１ａにおける外側に作用する力が大きくなる。これにより、接合部５１ａにおける力が大きくなって、力学的エネルギーが増加し、力学的に不安定な状態になる。

通常、力学的エネルギーは、その大きさが極小になるように力が作用される。そのため、第２関節部５１が屈曲している状態において、接合部５１ａには、相互作用する力が最小になる方向にモーメントが作用するため、第２関節部５１の屈曲動作に要するモーメントの大きさが、第１関節部５０を屈曲させるモーメントの大きさに比して大きくなる。

これとともに、第２関節部５１には、屈曲していない状態に復帰する方向に力が生じる。これにより、第２関節部５１において、所望としない屈曲動作が発生しにくくなり、外部から所定以上の力を作用させない限り屈曲動作を開始させないようにすることができる。

したがって、第２のフレーム３２と第３のフレーム３３との接合部５１ａにおける接合面（接触面）を、屈曲されていない状態で互いの形状に倣うように、互いに順テーパ形状
とすることにより、第２関節部５１において、所望しない屈曲動作の発生を抑制することができるので、第２関節部５１での引っかかりを防止することができ、これによって、屈曲鉗子部３０の動作を円滑、かつ安定させることが可能となる。

また、上述したような第２関節部５０の接合部５１ａの接合面（接触面）を順テーパ形状にする方法以外にも、第２関節部５１の屈曲に要する力の大きさを第１関節部５０の屈曲に要する力の大きさより大きくなるように構成しつつ、第２関節部５１を、その屈曲角度が０°の状態を維持しようとする力を作用させる種々の方法を採用することが可能である。

具体的には、第２関節部５１における接合部５１ａを、フレーム同士のしまりバメにより構成して、屈曲に要する力を大きくしたり、第２関節部５１の接合部５１ａを、ばね座金を用いて構成したりする方法を採用することも可能である。

また、かじり現象の原因自体を抑制するために、第２関節部５１を構成する第２のフレーム３２と、この第２関節部５１を屈曲させるための可動用リンクまたは拘束用リンク（いずれも図示せず）との接触部分の摩擦力を最小限にする方法を採用することも可能である。具体的には、可動用リンクまたは拘束用リンクを構成する材料を、フレームを構成する材料より硬度の大きい材料としたり、リンク部材に表面処理を施したりすることも可能である。

また、屈曲鉗子部３０の先端には、例えば６０度の角度に開き、開閉可能で所定の大きさの有体物を把持可能な可動鉗子４０が設けられている。この可動鉗子４０は、固定把持歯４０ａと移動把持歯４０ｂとからなる。

固定把持歯４０ａは、第１のフレーム３１の先端側に固定されている。他方、移動把持歯４０ｂは、図示省略したばねなどの弾性体と、上述した３本のリンク部材２３のうちの１本のリンク部材（例えばリンク部材２３ｃ）を通じた操作とにより、所定角度θ（例えば６０°程度）まで開閉可能に構成されている。

以上により、この一実施形態によるマニピュレータが構成されている。

なお、この発明は、必ずしもマニピュレータのみならず、多節スライダ・リンク機構を有し、アクチュエータ部を有するあらゆる装置に適用することが可能である。

この発明の一実施形態によるマニピュレータを示す断面図および側面図である。 この発明の一実施形態によるマニピュレータにジョイントアーム、ジョイントアームと連結する連結ピン、およびアクチュエータ部とジョイント部との接合および分離における位置関係を示す図である。 この発明の一実施形態によるマニピュレータにおけるアクチュエータ部とジョイント部との連結方法を示す斜視図である。 この発明の一実施形態によるマニピュレータにおけるフレーム内のリンクガイド部を示す斜視切断面図である。 この発明の一実施形態によるマニピュレータに備えられた第２関節部および接合部を示す図である。 従来技術による多節スライダ・リンク機構を説明するための略線図である。

符号の説明

１ アクチュエータ部
２ ジョイント式屈曲鉗子部
１１ アウターケース
１１ａ 連結ガイド溝
１２ 減速機付モータ
１２ａ モータベース
１３ ジョイントアーム
１３ａ 連結プレート
１３ｂ 連結スプリング
１３ｃ 開口
１３ｅ アーム本体
１４ アームガイド
１５ ベアリングベース
１６ ガイドベース
１７ ベアリングケース
１８ カップリング
１９ ジョイント部
１９ａ ジョイントケース
１９ｂ グリップベース
２０ 着脱ピン
２１ 連結ピン
２２ ロケートベース
２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ リンク部材
２４ フレーム
２５ リンクベース
２６ リンクガイド部
３０ 屈曲鉗子部
３１ 第１のフレーム
３２ 第２のフレーム
３３ 第３のフレーム
３４ 第４のフレーム
３５ 第５のフレーム
３６ 第１のフレームピン
３７ 第２のフレームピン
３８ 第３のフレームピン
３９ ガイドピン
４０ 可動鉗子
４０ａ 固定把持歯
４０ｂ 移動把持歯
５０ 第１関節部
５１ 第２関節部
５１ａ 接合部
１０１，１０２，１０３ フレーム
１０４，１０５ 回転軸
１０６，１０７，１０８ 駆動用リンク節
１０８ 駆動用リンク節
１０９，１１０ 拘束用リンク節

Claims (7)

1. 先端側の部分が屈曲可能に構成された可動手段と、
   上記可動手段に駆動力を伝達可能な少なくとも１つのリンク部材から構成された駆動力伝達手段とを有し、
   上記リンク部材における上記先端側と反対側の一端により第１の連結部が構成されると共に、該第１の連結部はジョイントケース内に設けられる構成で、該ジョイントケースは駆動力発生手段側に設けられるアウタケースに対して中心軸周りの回転方向に結合、分離することで着脱可能に構成され、
   上記第１の連結部は中心軸周りに配置され、上記ジョイントケースとアウタケースの結合位置にて、駆動力を発生する駆動力発生手段側に設けられる第２の連結部が駆動力の伝達方向に直線的に進行して連結可能に構成されているとともに、上記駆動力伝達手段が上記駆動力発生手段からの駆動力を上記可動手段に伝達可能に構成され、
   上記ジョイントケースとアウタケースの分離方向の回転動作によって第１の連結部が上記第２の連結部から分離可能に構成されていることを特徴とする屈曲動作部材。
2. 上記可動手段が複数の関節部を有し、
   上記複数の関節部における、互いに同一側に屈曲可能に構成され、かつ隣り合う先端側の第１関節部および後端側の第２関節部において、第１関節部における屈曲動作の終了後に第２関節部における屈曲動作が開始するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の屈曲動作部材。
3. 上記第１の連結部が凸部を有し、上記凸部が、嵌合穴が形成されているとともに上記駆動力の伝達方向に対してほぼ垂直な方向に付勢する弾性体からなる第２の連結部における上記嵌合穴に、嵌入可能に構成され、
   上記第２の連結部が進行した際に、上記第１の連結部の凸部に対し上記弾性体による付勢力を及ぼしつつ上記凸部に上記嵌合穴を嵌合させることにより、上記第１の連結部が第２の連結部と連結され、
   上記アウタケースとジョイントケースの分離方向の回転動作によって第２の連結部の嵌合穴から第１の連結部の凸部が外れて分離する構成となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の屈曲動作部材。
4. 可動手段が先端側の部分に設けられているとともに第１の連結部を有する屈曲動作部材
   と着脱可能に構成され、
   上記可動手段を動作させるための駆動力を発生可能に構成された駆動力発生手段を有し、
   上記駆動力発生手段が、上記駆動力の伝達方向に対してほぼ垂直な方向に付勢する、嵌合穴が形成された弾性体を有する第２の連結部を有すると共に、該第２の連結部はアウタケース内に設けられる構成で、該アウタケースは上記屈曲動作部材側に設けられるジョイントケースに対して中心軸周りの回転方向に結合、分離することで着脱可能に構成され、
   上記第２の連結部は中心軸周りに配置され、上記アウタケースとジョイントケースの結合位置にて、上記第２の連結部が、上記駆動力の伝達方向に沿ってほぼ直線的に進行し上記第１の連結部と連結可能に構成され、
   上記アウタケースとジョイントケースの分離方向の回転動作によって第２の連結部から第１の連結部が分離可能に構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
5. 先端側の部分が屈曲可能に構成された可動手段および、上記可動手段に外部から作用される駆動力を伝達可能に構成された駆動力伝達手段を有する屈曲動作部材と、
   上記可動手段を動作させる駆動力を発生可能に構成された駆動力発生手段を有するアクチュエータとを有し、
   上記屈曲動作部材に設けられたジョイントケースと上記アクチュエータに設けられたアウタケースとが中心軸周りの回転方向に結合、分離することで着脱可能に構成されているとともに、上記ジョイントケースとアウタケースの結合位置にて上記駆動力伝達手段に設けられた上記ジョイントケース内の第１の連結部と、上記駆動力発生手段に設けられた上記アウタケース内の第２の連結部とが駆動力の伝達方向に進行して連結可能で、かつ連結された第１連結部と第２連結部は、上記ジョイントケースとアウタケースの分離方向の回転動作によって分離可能に構成され、
   連結時は、上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの結合後に、上記第１の連結部と上記第２の連結部との連結動作が実行され、
   分離時には、上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの相対回転による分離動作に伴って、上記連結された第１の連結部と上記第２の連結部とが分離するように構成されていることを特徴とするマニピュレータ。
6. 上記第２の連結部が、上記駆動力の伝達方向に対してほぼ垂直な方向に付勢する、嵌合穴が形成された弾性体を有し、
   上記第１の連結部が、上記嵌合穴に嵌合可能な凸部を有し、
   上記駆動力発生手段によって上記第２の連結部が駆動力の伝達方向に沿ってほぼ直線的に進行されて、上記凸部に対して付勢力を生じつつ上記嵌合穴と嵌合することにより、上記第１の連結部と上記第２の連結部とが連結して、上記駆動力伝達手段と上記駆動力発生手段とが接続され、
   上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの相対回転による分離動作に伴って、上記凸部が嵌合穴から外れて分離するように構成されていることを特徴とする請求項５記載のマニピュレータ。
7. 上記第２の連結部が、上記駆動力の伝達方向に対してほぼ垂直な方向に付勢する、嵌合穴が形成された弾性体を有し、
   上記第２の連結部が、
   上記駆動力の伝達方向に沿ってほぼ直線的に進行し、上記嵌合穴に嵌合可能な凸部を有する上記第１の連結部に対し、上記弾性体による付勢力を及ぼしつつ上記凸部に上記嵌合穴を嵌合させることにより、上記第１の連結部と連結可能に構成され、
   上記屈曲動作部材のジョイントケースと上記アクチュエータのアウタケースとの相対回転による分離動作に伴って、上記凸部が嵌合穴から外れて分離するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。

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