JP5855145B2 - 機械アーム - Google Patents

Description

本発明は、機械アームに関し、特に同一の回転中心を有する連接棒式機械アームに関する。

特許文献１に記載の発明では、同一の回転中心を有する五連接棒機構を採用する機械アームを提供している。この機械アームは、四つの互いに連接される湾曲棒を含む。全ての湾曲棒の両端の回転中心は、同じ回転中心を通過する。機械アームは、主に非侵襲的な手術システムに使われ、超小型手術器械を取り付けることができ、且つ超小型手術器械の揺動方向及び角度を極めて正確に制御することができる。

しかしながら、前述の機械アームは、少なくとも四つの湾曲棒を含むため、相当な体積を有する。通常、非侵襲的な手術システムは、多数の機械アームを含み、これらの機械アームによって、異なる功能を備える多数の超小型手術器械を取り付けることができる。従って、相当に限られた手術空間において、機械アームの体積の減少は、非侵襲的な手術システムの空間の配置に有利であり、且つ医務員に障害をもたらすことを避けることができる。

また、前述の機械アームの中に、湾曲棒の作動が互いに制限され、且つ湾曲棒を駆動し回転させる駆動装置が空間の制限を受けるため、各湾曲棒の回転角度が制限されている。よって、機械アームは、超小型手術器械を動かし、相当に限られている作業区間で作動する。

台湾特許出願第１０２１２１１９８号明細書

上述の欠点に対し、本発明の主な目的は、より小さい体積を有し、操作員に障害を与えることなく、より大きな作業区間を提供可能な機械アームを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明の機械アームは、第一湾曲棒、第一回転輪、第二湾曲棒、第二回転輪、第一可撓性ロープ、結合棒、第三回転輪及び第二撓性ロープを備える。第一湾曲棒は、両端に第一接続部及び第二接続部を有し、第一接続部及び第二接続部を通す直線をそれぞれ第一仮想軸線及び第二仮想軸線と定義し、第一仮想軸線と第二仮想軸線とが所定の回転中心で交わり、第一駆動ユニットに駆動され、第一仮想軸線を回転軸として回転する。第一回転輪は、回転中心を通す直線を第三仮想軸線と定義し、第二駆動ユニットに駆動され、第三仮想軸線を回転軸として回転可能である。第二湾曲棒は、両端に第三接続部及び第四接続部を有し、第四接続部及び回転中心を通す直線を第四仮想軸線と定義し、第三接続部が第一湾曲棒の第二接続部に接続されている。第二回転輪は、第二湾曲棒の第三接続部に固定され、第一湾曲棒の第二接続部に接続されている。第一可撓性ロープは、第一回転輪と第二回転輪に設けられ、第二湾曲棒に固定され、第一回転輪が回転する時、第二回転輪及び第二湾曲棒を動かし、第二仮想軸線を回転軸として第二回転輪及び第二湾曲棒を回転させる。結合棒及び第三回転輪は、互いに固定され、且つ第二湾曲棒の第四接続部に接続されている。第二可撓性ロープは、第二回転輪及び第三回転輪に設けられ、第一湾曲棒に固定され、第二回転輪が回転する時、第三回転輪及び結合棒を動かし、第四仮想軸線を回転軸として第三回転輪及び結合棒を回転させる。

よって、機械アームは、結合棒に器械を取り付けるために使われ、器械を極めて正確に制御することができ、器械が回転中心を回転し揺動するようにする。また、同じ功能を持つ常用の機械アームと比較する時、本発明の機械アームは、湾曲棒の数が少ないため、体積が小さいことで、操作員が作業するためのより大きい空間を形成可能であり、各湾曲棒の回転角度が制限されていない。よって、機械アームは、操作員が障害なく操作するようにし、より大きな作業区間を提供することができる。

本発明による機械アームの詳細な構造、特徴、取り付け、あるいは使用方式は、後述の実施方式に詳細に説明されている。しかしながら、本発明の分野に一般的な知識を持つ人は、詳細な説明及び本発明に挙げられている実施形態が本発明を説明するためであり、本発明の特許請求の範囲を制限することではないことを理解するはずである。

本発明の一実施形態による機械アームを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による機械アームを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による機械アームを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による機械アームにおける駆動装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による機械アームにおける駆動装置を示す斜視図である。

先ず、ここに出願人が説明しなければならないのは、以下に紹介された実施形態及び図面の中に、同じ参考番号が同じ、あるいは類似の部材、あるいは構造特徴を表示することである。部材が他部材の上に設置されているのは、前述の部材が直接に、あるいは間接に他部材の上に設置されていることを意味している。つまり、二つの部材の間に、一つあるいは多数の他部材が設置されている。

図１〜図４を参考する。本発明の一実施形態による機械アーム１０は、同一の回転中心を有する連接棒式機械アームであり、駆動装置２０及び同一の回転中心を有する駆動装置３０を備える。

ここで、「同一の回転中心を有する連接棒式機械アーム」及び「同一の回転中心を有する駆動装置」の「同一の回転中心を有する」とは、全ての回転可能な部位の回転軸の中心（つまり、後述の第一仮想軸線Ｌ１、第二仮想軸線Ｌ２、第三仮想軸線Ｌ３、第四仮想軸線Ｌ４）が回転中心Ｃ（ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎ）で交わることを意味する。よって、作動時において、各回転可能な部位が回転中心Ｃを中心にする仮想の球面で移動すると考えられる。

機械アーム１０は、駆動装置３０に器械装置を設置するために使われる（図に示さない）。器械装置は、特定功能を持つ器械、たとえば、超小型手術器械を含む。また、通常、回転中心Ｃを指す、あるいは通過するよう器械が設置されている。駆動装置３０は、器械装置を動かし、器械装置が実質的に回転中心Ｃを中心として回転するようにし、器械の揺動方向及び角度を正確に制御することができる。機械アーム１０の構造を、以下に詳細に述べる。

駆動装置２０は、固定座２２、固定座２０に設置されている第一駆動ユニット２４及び第二駆動ユニット２６を含む。第一駆動ユニット２４は、モータ（図に示さない）、モータが出力した回転運動エネルギーを駆動装置３０に伝達できる両プーリー２４４、２４５、及びベルト２４６を含む。第二駆動ユニット２６は、モータ２６２、モータ２６２が出力した回転運動エネルギーを駆動装置３０に伝達できる伝動輪２６４を含む。

駆動装置３０は、第一湾曲棒３１、第一回転輪３２、第二湾曲棒３４、結合棒３５、第三比例棒３６、第一可撓性ロープ３７及び第二可撓性ロープ３８を含む。

第一湾曲棒３１は、同調で作動する二つの棒部材３１Ａ、３１Ｂ、及び一つの棒部材３１Ａに設置されている張力調整装置３１Ｃを含む。各棒部材３１Ａ、３１Ｂの両端は、それぞれ第一接続部３１１及び第二接続部３１２を有する。二つの第一接続部３１１を通過する直線を第一仮想軸線Ｌ１と定義し、二つの第二接続部３１２を通過する直線を第二仮想軸線Ｌ２と定義することができる。第一仮想軸線Ｌ１は、第二仮想軸線Ｌ２と回転中心Ｃで交わる。二つの第一接続部３１１は、第一駆動ユニット２４のプーリー２４５と同軸に設置され、プーリーにより動かされ、回転する。つまり、第一湾曲棒３１は、第一駆動ユニット２４に駆動され、第一仮想軸線Ｌ１を回転軸心として回転する。

第一回転輪３２は、第一湾曲棒３１の二つの棒部材３１Ａと３１Ｂの間に設けられている。第一回転輪３２には、回転中心Ｃを通過する直線である第三仮想軸線Ｌ３が定義されている。本実施形態に、第一回転輪３２は、第一湾曲棒３１の第一接続部３１１と同軸に設置されている。よって、第三仮想軸線Ｌ３は、第一仮想軸線Ｌ１と重なる。しかしながら、第一回転輪３２と第一湾曲棒３１の第一接続部３１１とを同軸に設置しなくてもよいため、第三仮想軸線Ｌ３は、第一仮想軸線Ｌ１と重ならない。第５図に示している。

第二湾曲棒３３は、第一湾曲棒３１の二つの棒部材３１Ａと３１Ｂの間に設置されている棒部材３３Ａ及び棒部材３３Ａに設置されている張力調整装置３３Ｂを含む。棒部材３３Ａの両端は、それぞれ第三接続部３３１及び第四接続部３３２を有する。第三接続部３３１は、第一湾曲棒３１の第二接続部３１２に接続され、且つ第二接続部３１２対して、第二仮想軸線Ｌ２を回転軸心として回転することができる。第二湾曲棒３３は、第四接続部３３２を通過する直線を第四仮想軸線Ｌ４と定義することができる。また、第四仮想軸線Ｌ４は、回転中心Ｃを通過する。

第二回転輪３４は、第一湾曲棒３１の二つの棒部材３１Ａと３１Ｂの間に設けられ、第二湾曲棒３３の第三接続部３３１を通過する。第二回転輪３４は、第一湾曲棒３１の第二接続部３１２に接続され、且つ第二湾曲棒３３の第三接続部３３１に固定されるため、第三接続部３３１と同調で回転することができる。

結合棒３５の両端は、第五接続部３５１及び取り付け部３５２を有する。第五接続部３５１は、第二湾曲棒３３の第四接続部３３２に接続され、且つ第四接続部３３２を相対し、第四仮想軸線Ｌ４を中心に回転することができる。取り付け部３５２は、器械装置と連接するために使われている。

第三回転輪３６は、第二湾曲棒３３の第四接続部３３２に接続され、第四接続部３３２と結合棒３５の第五接続部３５１の間に位置されている。また、第三回転輪３６は、第五接続部３５１に固定されているため、第五接続部３５１と同調で回転することができる。

各可撓性ロープ３７，３８は、鋼索（限らない）でもよい。第一可撓性ロープ３７は、第二駆動装置２６の２６４、第一回転輪３２及び第二回転輪３４に設けられ、第二湾曲棒３３の張力調整装置３３Ｂに固定されている。第二可撓性ロープ３８は、第二回転輪３４及び第三回転輪３６に設けられ、第一湾曲棒３１の張力調整装置３１Ｃに固定されている。伝動輪２６４がモータ２６２に駆動され、回転する時に、第一可撓性ロープ３７は、伝動輪２６４とともに回転し、第一回転輪３２を動かし回転させ、且つ第二回転輪３４及び第二湾曲棒３３を動かし第二仮想軸線Ｌ２を中心に回転させる。同時に、第二可撓性ロープ３８は、第二回転輪３４と一緒に回転し、第三回転輪３６及び結合棒３５を動かし第四仮想軸線Ｌ４を中心に回転させる。また、等回転輪３２、３４、３６の回転角度は、これらの外径の比率によって、特定的な比例関係を有する。従って、第二駆動ユニット２６により第一回転輪３２の回転角度を制御することによって、第二湾曲棒３３及び結合棒３５の回転角度を制御することができる。

使用者が両張力調整装置３１Ｃ、３３Ｂによって、第二可撓性ロープ３８及び第一可撓性ロープ３７の張力を調整することができる。第一湾曲棒３１及び第二湾曲棒３３に、張力調整装置３１Ｃ，３３Ｂが設けなくてもよいため、可撓性ロープ３７，３８は、棒部材３３Ａ及び３１Ａに固定されている。

本実施形態に、第一湾曲棒３１の長さは、実質的に第二湾曲棒３３の長さと同じである。第一回転輪３２の外径は、第三回転輪３６の外径に等しく、且つ第二回転輪３４の外径の二倍である。つまり、第一、二、三回転輪の外径の比率は、２：１：２である。よって、結合棒３５がどんな状況であっても、第五接続部３５１が第一湾曲棒３１の第一接続部３１１に向く一方、取り付け部３５２が第一接続部３１１から離れる方向に向く。従って、器械装置と駆動装置３０、あるいは駆動装置２０との間の互いの衝突を避けることができ、駆動装置３０の制御方程式の計算を簡単にすることができる。しかしながら、本発明による機械アームは、前述に限らない特徴を有する。

本発明の「第一湾曲棒の長さは、実質的に第二湾曲棒の長さと同じである」の中で、第一湾曲棒３１の長さは、第一、二接続部３１１，３１２が位置する仮想球面上の第一、二仮想軸線Ｌ１，Ｌ２間の距離と定義されている。つまり、第一湾曲棒３１の長さは、第一、二接続部３１１、３１２の中心点が位置する仮想球面上において、第一、二接続部３１１、３１２の中心点により形成された弧線の長さを指す。同様に、第二湾曲棒３３の長さは、第三、四接続部３３１，３３２が位置する仮想球面上の第二、四仮想軸線Ｌ２，Ｌ４間の距離と定義されている。つまり、第二湾曲棒３３の長さは、第三、四接続部３３１、３３２の中心点が位置する仮想球面上において、第三、四接続部３３１、３３２の中心点により形成された弧線の長さを指す。また、本発明で述べた第一、二、三回転輪３２，３４，３６の外径は、可撓性ロープ３７，３８が各回転輪３２，３４，３６に巻きつく外周面の曲率の半径と定義されている。

従来技術の常用の機械アームと比較する時に、本発明の機械アーム１０は、同じ功能を備えるだけではなく、湾曲棒の数が少ない、体積がより小さいため、非侵襲的な手術システムに使用される場合、空間の配置に有利であり、操作員の動作のためのより大きな空間を形成することができる。更に、左利き及び右利きの操作員は、スムーズに動作することができる。また、機械アーム１０は、湾曲棒の数が少ない、各湾曲棒の回転角度があまり制限されないため、より大きな作業区間を形成することができる。

最後に、再び説明しなければならないことがある。本発明の前述の実施形態に説明した構成部材は、例挙するためであり、本発明の範囲を制限することではない。他の等効能の部材の代用、変化は、本発明の特許請求の範囲に含まれる。

１０ 機械アーム
２０ 駆動装置
２２ 固定座
２４ 第一駆動ユニット
２４４、２４５ プーリー
２４６ ベルト
２６ 第二駆動ユニット
２６２ モータ
２６４ 伝動輪
３０ 駆動装置
３１ 第一湾曲棒
３１Ａ、３１Ｂ 棒部材
３１Ｃ 張力調整装置
３１１ 第一接続部
３１２ 第二接続部
３２ 第一回転輪
３３ 第二湾曲棒
３３Ａ 棒部材
３３Ｂ 張力調整装置
３３１ 第三接続部
３３２ 第四接続部
３４ 第二回転輪
３５ 結合棒
３５１ 第五接続部
３５２ 取り付け部
３６ 第三回転輪
３７ 第一可撓性ロープ
３８ 第二可撓性ロープ
Ｃ 回転中心
Ｌ１ 第一仮想軸線
Ｌ２ 第二仮想軸線
Ｌ３ 第三仮想軸線
Ｌ４ 第四仮想軸線

Claims (4)

1. 両端に第一接続部及び第二接続部を有し、前記第一接続部及び前記第二接続部を通す直線をそれぞれ第一仮想軸線及び第二仮想軸線と定義し、前記第一仮想軸線と前記第二仮想軸線とが所定の回転中心で交わり、第一駆動ユニットに駆動され、前記第一仮想軸線を回転軸として回転する第一湾曲棒と、
   前記回転中心を通す直線を第三仮想軸線と定義し、第二駆動ユニットに駆動され、前記第三仮想軸線を回転軸として回転可能である第一回転輪と、
   両端に第三接続部及び第四接続部を有し、前記第四接続部及び前記回転中心を通す直線を第四仮想軸線と定義し、前記第三接続部が前記第一湾曲棒の前記第二接続部に接続されている第二湾曲棒と、
   前記第二湾曲棒の前記第三接続部に固定され、前記第一湾曲棒の前記第二接続部に接続されている第二回転輪と、
   前記第一回転輪と前記第二回転輪に設けられ、前記第二湾曲棒に固定され、前記第一回転輪が回転する時、前記第二回転輪及び前記第二湾曲棒を動かし、前記第二仮想軸線を回転軸として前記第二回転輪及び前記第二湾曲棒を回転させる第一可撓性ロープと、
   互いに固定され、且つ前記第二湾曲棒の前記第四接続部に接続されている結合棒及び第三回転輪と、
   前記第二回転輪及び前記第三回転輪に設けられ、前記第一湾曲棒に固定され、前記第二回転輪が回転する時、前記第三回転輪及び前記結合棒を動かし、前記第四仮想軸線を回転軸として前記第三回転輪及び前記結合棒を回転させる第二可撓性ロープとを備え、
   前記第三仮想軸線は、前記第一仮想軸線と重なることを特徴とする機械アーム。
2. 前記第一湾曲棒の長さは、実質的に前記第二湾曲棒の長さと同じであることを特徴とする請求項１に記載の機械アーム。
3. 前記第一回転輪は、前記第三回転輪の外径と同じであり、前記第二回転輪の外径の二倍である外径を有することを特徴とする請求項３に記載の機械アーム。
4. 前記第一湾曲棒は、同調で作動する二つの棒部材を有し、
   前記第二湾曲棒、前記第一回転輪、及び前記第二回転輪は、二つの前記棒部材の間に位置していることを特徴とする請求項１に記載の機械アーム。

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