JP6472624B2 - ロボットマニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、ロボットマニピュレータに関する。

特許文献１には、外科手術を実施する術者の負担を軽減する操縦システム（ロボットマニピュレータ）が記載されている。特許文献１に記載される操縦システムは、マスタマニピュレータに入力された術者の動作がスレーブマニピュレータに反映されるように構成されている。

国際公開番号ＷＯ２００８／１０８２８９号

近年、細い血管やリンパ管の吻合、神経縫合など、顕微鏡を用いることが必要になる手術（マイクロサージェリー）に医療用のロボットマニピュレータを用いることへの研究が盛んになっている。マイクロサージェリーにロボットマニピュレータを使用すると、あごの下など、従来は術者が不安定な姿勢で施術していた手術部位の手術が容易になる。

しかしながら、マイクロサージェリーにロボットマニピュレータを使用する場合、顕微鏡の狭い視野内でピンセット（セッシ）などの医療器具を操作するなどの細かい動作がロボットマニピュレータに要求される。このため、特許文献１に記載される操縦システムのような従来のロボットマニピュレータを細かい動作が要求されるマイクロサージェリーに利用することが困難になっている。

そこで、本発明は、マイクロサージェリーに利用可能なロボットマニピュレータを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、術者の指示が入力されるマスタマニピュレータと、並進ユニット、回転ユニット、及び把持ユニットを備えるスレーブマニピュレータと、を有するロボットマニピュレータとする。そして、前記並進ユニットは、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて前記回転ユニットを互いに直交する３軸方向に姿勢を変化させることなく変位させ、前記把持ユニットは前記回転ユニットに備わる平行リンク機構に取り付けられて、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて被把持物を把持し、前記回転ユニットは、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて、所定の主回転軸周りに前記並進ユニットに対して回転可能であり、前記平行リンク機構はジンバル機構を構成し、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて、前記主回転軸の中心線と直交する基準軸周りに前記把持ユニットを傾動可能であり、前記把持ユニットは、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて、前記主回転軸に直交する副回転軸周りに回転するとともに、自転可能であり、かつ、前記中心線と前記基準軸の交点を通るように前記被把持物を把持可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によると、ジンバル機構を構成する平行リンク機構に取り付けられた把持ユニットで被把持物を把持できる。平行リンク機構がジンバル機構であるため、把持ユニットは所定の基準軸周りに回動可能である。さらに、把持ユニットの回動中心となる基準軸が、平行リンク機構の回転軸となる主回転軸の中心線と直交するように構成されている。そして、把持ユニットは、主回転軸の中心線と基準軸の交点を通るように被把持物を把持可能になっている。したがって、被把持物において主回転軸の中心線と基準軸の交点となる部分は、平行リンク機構の主回転軸周りの回転や平行リンク機構による把持ユニットの回動に対する不動点となる。つまり、把持ユニットが把持する被把持物に不動点を設定できる。この不動点を顕微鏡視野に入れることで、精度の高いマイクロサージェリーが可能になる。

また、前記把持ユニットは、把持部を備える２つの把持ヘッドと、２つの前記把持ヘッドに備わる前記把持部を、互いに近接する方向、及び互いに離反する方向に移動させる駆動手段と、前記駆動手段を駆動するアクチュエータと、を有し、前記把持部は、互いに近接する方向に移動したときに前記被把持物を挟んで把持し、前記把持ヘッドは、前記駆動手段と一体に駆動して前記把持部を移動させることを特徴とする。

本発明によると、把持ユニットは、互いに近接する方向に移動する２つの把持部で被把持物を挟んで把持する。また、把持ユニットには、アクチュエータで駆動する駆動手段が備わり、把持部は駆動手段の駆動に応じて移動する。
アクチュエータの動作を駆動手段の駆動を介して把持部の移動に変換することができ、簡素な構造の把持ユニットとすることができる。

また、前記把持ヘッドが着脱自在に前記把持ユニットに備わり、前記把持ヘッドを除く前記スレーブマニピュレータが消毒されない不潔部となり、前記被把持物及び前記把持ヘッドが消毒された清潔部となって前記不潔部と前記清潔部が隔離シートで隔離されたときに、前記清潔部の側から前記把持ヘッドを前記把持ユニットに取り付け可能であることを特徴とする。

本発明によると、不潔部と清潔部が隔離シートで隔離される状況において、被把持物を把持する把持ヘッドを、清潔部の側から、不潔部の側にある把持ユニットに取り付けることができる。したがって、被把持物が不潔部に接触することが回避される。

また、前記把持部が前記被把持物を把持する把持力を検出する把持力検出手段を備えることを特徴とする。

本発明によると、把持部が被把持物を把持するときの把持力に応じた制御が可能になる。

また、前記アクチュエータが空気圧で駆動する空気圧シリンダであって、前記把持力検出手段は、前記空気圧シリンダに供給される空気圧にもとづいて前記把持力を検出することを特徴とする。

本発明によると、把持力を検出する専用のセンサを備えることなく、空気圧シリンダに供給される空気圧にもとづいて把持力を検出することができる。

また、前記アクチュエータが電動アクチュエータであって、前記把持力検出手段は、前記電動アクチュエータに供給される電力の電圧にもとづいて前記把持力を検出することを特徴とする。

本発明によると、把持力を検出する専用のセンサを備えることなく、電動アクチュエータに供給される電力の電圧にもとづいて把持力を検出することができる。

また、前記被把持物がピンセットであって、前記アクチュエータは、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて前記駆動手段を駆動して前記ピンセットを操作することを特徴とする。

本発明によると、被把持物がピンセットの場合には術者の指示にもとづいたピンセットの操作ができるため、ピンセットを用いたマイクロサージェリーが可能になる。

また、前記把持ユニットは、前記ピンセットの先端が前記中心線と前記基準軸の交点を通るように当該ピンセットを把持可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によると、ピンセットの先端を不動点とすることができる。したがって、ピンセットの先端を顕微鏡視野に入れることで、ピンセットを用いたマイクロサージェリーが容易になる。

また、前記把持ユニットに把持された前記被把持物が、前記中心線と前記基準軸の交点に向かう方向へ移動可能なように、当該把持ユニットをスライド移動可能に支持するスライドレールを有することを特徴とする。

本発明によると、把持ユニットをスライド移動させることで被把持物の位置の微調整が可能になる。さらに、被把持物に不動点を設定した状態での位置の微調整が可能になる。例えば、被把持物に不動点を設定した状態で患者に対する被把持物の位置調整が可能であり、精度の高いマイクロサージェリーが可能になる。

また、前記把持ユニットに把持された前記被把持物を保持可能な保持手段を備えることを特徴とする。

本発明によると、把持ユニットに把持された被把持物を、別の保持手段で保持可能であり、被把持物をより確実に把持ユニットで保持することができる。把持ユニットに対する被把持物の位置変動や振動が抑制されるので、精度の高いマイクロサージェリーが可能になる。

本発明によると、マイクロサージェリーに利用可能なロボットマニピュレータを提供できる。

ロボットマニピュレータの構成図である。 並進ユニットの斜視図である。 スレーブマニピュレータの斜視図である。 （ａ）は回転機構部の斜視図、（ｂ）は把持ユニットの斜視図である。 （ａ）は把持ユニットの上面図、（ｂ）は把持ヘッドを示す図である。 第１プーリ及び把持ヘッドがプーリ取付部に取り付けられる状態を示す図である。 隔離シートを示す図である。 把持駆動部の動作を示す図であり、（ａ）は把持部が近接する動作を示す図、（ｂ）は把持部が離反する動作を示す図である。 把持部がピンセットを把持した状態を示す図である。 平行リンク機構の動作を説明する図である。 （ａ）はモデル化した把持駆動部を示す図、（ｂ）は空気圧シリンダの概略構成図である。 （ａ）は後室の空気圧とロッド変位量の特性の一例を示す図、（ｂ）は把持部に圧力が印加された状態を示す図である。 制御装置が外圧（把持力）を算出する手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

≪ロボットマニピュレータの構成≫
図１はロボットマニピュレータの構成図である。
本実施形態のロボットマニピュレータ１は、スレーブマニピュレータ１ａとマスタマニピュレータ１ｂとを有する。スレーブマニピュレータ１ａは、並進ユニット１０と回転ユニット２０を有する。回転ユニット２０には把持ユニット３０が取り付けられている。スレーブマニピュレータ１ａは制御装置２で制御される。マスタマニピュレータ１ｂは操作者（手術を行う術者Ｏｐ）によって操作される。

制御装置２にはマスタコントローラ４０が出力する信号（姿勢制御信号）が入力される。マスタコントローラ４０にはマスタマニピュレータ１ｂが接続されている。スレーブマニピュレータ１ａを操作する術者Ｏｐは、マスタマニピュレータ１ｂを操作してスレーブマニピュレータ１ａを駆動する。マスタマニピュレータ１ｂは、例えば術者Ｏｐの親指と人差し指による把持動作や、左右の腕の動き（伸縮，ねじり等）を姿勢制御信号に変換する。
本実施形態のマスタマニピュレータ１ｂには術者Ｏｐの指示が操作として入力される。そして、マスタコントローラ４０は、術者Ｏｐの指示（操作）を姿勢制御信号に変換して制御装置２に送信する。

制御装置２は、マスタコントローラ４０から入力される姿勢制御信号（術者Ｏｐの指示）をスレーブマニピュレータ１ａの制御信号に変換して出力する。
スレーブマニピュレータ１ａの並進ユニット１０は、互いに直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向に回転ユニット２０を変位させる。例えば、患者Ｐｔが横たわっているベッドの水平面に沿って互いに直交する２軸をＹ軸，Ｚ軸とする。患者Ｐｔの身長方向をＺ軸とした場合、肩幅方向をＹ軸とする。Ｙ軸，及びＺ軸に直交する１軸（鉛直方向の１軸）をＸ軸とする。並進ユニット１０は、患者Ｐｔに対して自在に配置される取付スタンド１００等に固定される。

なお、互いに直交する２軸（例えば、Ｙ軸とＺ軸）方向に回転ユニット２０を変位させる並進ユニット１０であってもよいし、１軸（例えば、Ｙ軸）方向に回転ユニット２０を変位させる並進ユニット１０であってもよい。

回転ユニット２０は、平行リンク機構１４によって把持ユニット３０を駆動する。把持ユニット３０はピンセット（セッシ）５０を被把持物として把持する。術者Ｏｐは、マスタマニピュレータ１ｂを操作して、並進ユニット１０、回転ユニット２０及び把持ユニット３０を駆動し、ピンセット５０を操作して患者Ｐｔを手術する。なお、把持ユニット３０が把持する被把持物はピンセット５０に限定されない。他の医療器具であってもよいし、医療現場以外でロボットマニピュレータ１を使用する場合、被把持物は医療器具でなくてもよい。

≪並進ユニット≫
図２は並進ユニットの斜視図である。
図２に示すように、並進ユニット１０は、円形状の設置板１１１、３台のモータ１１２、３本のリンク１１３、及び三角形状の固定板１１５を備える。３台のモータ１１２は、モータ軸１１２ａが設置板１１１と平行になるように取り付けられている。設置板１１１は、取付スタンド１００にねじ止め等によって固定される。

リンク１１３は、一端（上端）がモータ軸１１２ａに固定される。また、リンク１１３には、他端（下端）に平行リンク１１４が取り付けられている。平行リンク１１４は、２本の平行なリンクアーム１１４ａと、２本のリンク軸１１４ｂと、を有する。一方のリンク軸１１４ｂは、リンク１１３の下端において軸方向が当該リンク１１３と直交する方向で、リンク１１３に対して軸周りに回転可能に備わっている。他方のリンク軸１１４ｂは、固定板１１５において一方のリンク軸１１４ｂと平行で、当該固定板１１５に対して軸周りに回転可能に備わっている。このように、平行リンク１１４は、互いに平行な２本のリンクアーム１１４ａと互いに平行な２本のリンク軸１１４ｂとを有する。
また、２本のリンクアーム１１４ａは、２本のリンク軸１１４ｂに対して直交する回転軸１１４ｃ周りに回転可能に取り付けられている。

また、３台のモータ１１２は、モータ軸１１２ａが設置板１１１と平行で、かつ、互いのモータ軸１１２ａの軸線が６０°の角度で交差するように配置される。これによって、モータ軸１１２ａと直交する方向に延設される３本のリンク１１３は、設置板１１１の平面において１２０°間隔で３方向に広がって配置される。なお、３本のリンク１１３は、それぞれの軸線を設置板１１１に投影したときに、投影した３本の軸線のそれぞれを延長した直線が、円形を呈する設置板１１１の中心で交差するように配置されている。
また、３本のリンク１１３は全て長さが等しく、リンクアーム１１４ａも全て長さが等しくなっている。また、リンクアーム１１４ａの両端に備わるリンク軸１１４ｂも長さが等しくなっている。したがって、設置板１１１に対して固定板１１５が平行に備わる。
なお、モータ１１２は、例えば、ハーモニックギヤとエンコーダを内蔵したＡＣサーボモータが使用される。

このように構成される並進ユニット１０は、リンク１１３がモータ１１２のモータ軸１１２ａを中心に矢印ｑａ１の方向に回転自在となる。また、平行リンク１１４は、リンク１１３の先端を中心としてリンク１１３の回転方向ｑａ１と同じ方向及び回転方向ｑａ１に直交する方向（矢印ｑａ２の方向）に回転自在となる。このように、並進ユニット１０は、全体で３自由度のデルタ機構を構成し、平行リンク１１４に支持される固定板１１５と設置板１１１との平行が維持され、固定板１１５は、位置によらず姿勢が変化しない。
そして、並進ユニット１０は、前記した３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向に３自由度で固定板１１５を変位させる。また、固定板１１５に回転ユニット２０（図１参照）が取り付けられる。したがって、並進ユニット１０は３自由度で回転ユニット２０を変位（動作）させることができる。

マスタマニピュレータ１ｂ（図１参照）は、並進ユニット１０による３自由度の動作を、例えば左手で操作する操作子の３方向の動作（前後左右方向の傾倒動作、ねじり動作など）で操作可能になっている。そして、並進ユニット１０は、マスタマニピュレータ１ｂに入力される術者Ｏｐ（図１参照）の指示（操作）に応じて動作する。つまり、並進ユニット１０は、術者Ｏｐの指示に応じて回転ユニット２０を互いに直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向に変位させる。

≪回転ユニット≫
図３はスレーブマニピュレータの斜視図である。
図３に示すように、スレーブマニピュレータ１ａの回転ユニット２０には把持ユニット３０が取り付けられる。本実施形態の把持ユニット３０は、ピンセット５０を被把持物として把持する。図３を参照して回転ユニット２０の構造を説明する。

本実施形態の回転ユニット２０は、並進ユニット１０の固定板１１５に取付マウント２１を介して取り付けられる。取付マウント２１は、固定板１１５が固定（ねじ止め等）されるマウントヘッド２１ａを有する。マウントヘッド２１ａは、複数のアーム部材２１ｂ及びクランプ部材２１ｃを介して、ブラケット１６ａに接続される。
アーム部材２１ｂは、ブラケット１６ａに対するマウントヘッド２１ａの好適な位置を設定する部材であり、例えば、取付スタンド１００（図１参照）と回転ユニット２０が好適な位置関係になるように適宜配置される。複数のアーム部材２１ｂはクランプ部材２１ｃで連結される。

ブラケット１６ａには第１ベーンモータ１６が取り付けられる。第１ベーンモータ１６は回転ユニット２０を回転軸（縦方向軸１６ｂ）の軸周りｑ１に回転させる。本実施形態において縦方向軸１６ｂはＸ軸と平行な回転軸（主回転軸）になる。縦方向軸１６ｂには平行リンク機構１４が取り付けられている。なお、縦方向軸１６ｂ（主回転軸）はＸ軸と平行でなくてもよい。所定の角度（オフセット角）でＸ軸に対して傾斜している縦方向軸１６ｂであってもよい。

平行リンク機構１４は、２つのアーム部（第１アーム部１４１，第２アーム部１４２）を有する。第１アーム部１４１は、第１鉛直アーム１４１ａと第１連結アーム１４１ｂを有する。第１鉛直アーム１４１ａはＸ軸（縦方向軸１６ｂ）と平行に備わる。第１鉛直アーム１４１ａの一端はスライドレール１８ａに回動可能に連結される。第１鉛直アーム１４１ａの他端は第１連結アーム１４１ｂの一端に回動可能に連結される。第１連結アーム１４１ｂの他端は、横方向軸１８ｂを介して縦方向軸１６ｂに連結される。第１連結アーム１４１ｂは、縦方向軸１６ｂに対して横方向軸１８ｂ周りに回動可能に連結される。横方向軸１８ｂはＸ軸と直交する方向に延設される。

第２アーム部１４２は、第２鉛直アーム１４２ａと第２連結アーム１４２ｂを有する。第２鉛直アーム１４２ａはＸ軸と平行に備わる。第２連結アーム１４２ｂは第１連結アーム１４１ｂと平行に備わる。第２鉛直アーム１４２ａの一端はスライドレール１８ａに回動可能に連結される。第２鉛直アーム１４２ａの他端は第２連結アーム１４２ｂの一端に回動可能に連結される。第２連結アーム１４２ｂの他端は、回動軸１６ｂ１を介して縦方向軸１６ｂに連結される。第２連結アーム１４２ｂと縦方向軸１６ｂは、回動軸１６ｂ１周りに回動可能に連結される。
また、第１連結アーム１４１ｂと第２鉛直アーム１４２ａは、回動軸１４ａを介して互いに回動可能に連結される。
回動軸１６ｂ１及び回動軸１４ａは横方向軸１８ｂと平行に延設される。

平行リンク機構１４には空気圧シリンダ１２が備わる。空気圧シリンダ１２は可動部（ロッド）の突出量が変化する。空気圧シリンダ１２は第２連結アーム１４２ｂに固定される。また、空気圧シリンダ１２のロッドはスライドレール１８ａに連結される。空気圧シリンダ１２（ロッド）は、スライドレール１８ａに対して、回動軸（シリンダ回動軸１２ａ）周りに回動可能に連結されている。回動軸１２ａは横方向軸１８ｂと平行に延設される。
なお、空気圧シリンダ１２は、図示しないブラケット等で第２連結アーム１４２ｂに固定される。
空気圧シリンダ１２が伸長すると（ロッドの突出量が増えると）、スライドレール１８ａは、ブラケット１６ａに対して回転軸（横方向軸１８ｂ）周りｑ２の一方に回転（図３では右回転）する。また、空気圧シリンダ１２が収縮すると（ロッドの突出量が減少すると）、スライドレール１８ａは、ブラケット１６ａに対して横方向軸１８ｂ周りｑ２の他方に回転（図３では左回転）する。

横方向軸１８ｂは縦方向軸１６ｂに直交する。したがって、スライドレール１８ａは互いに直交する２軸（縦方向軸１６ｂ，横方向軸１８ｂ）周りに２自由度で回転する。

平行リンク機構１４に取り付けられるスライドレール１８ａは長尺の部材であり、スライドレール１８ａには回転機構部３１がスライド移動可能に備わっている。
回転機構部３１はスライド部３１ａを有する。スライド部３１ａはスライドレール１８ａが貫通する貫通部を有する。スライド部３１ａにスライドレール１８ａが貫通して回転機構部３１がスライドレール１８ａをスライド移動可能になっている。スライド部３１ａにはロックねじ３１ｂが備わる。ロックねじ３１ｂはスライド部３１ａにねじ込まれて先端部がスライドレール１８ａに当接する。ロックねじ３１ｂがスライド部３１ａに締め込まれることによってスライドレール１８ａに対するスライド部３１ａのスライド移動が規制される。

回転ユニット２０は、縦方向軸１６ｂ周りｑ１の回転と、横方向軸１８ｂ周りｑ２の回転と、の２自由度で動作する。
マスタマニピュレータ１ｂ（図１参照）は、回転ユニット２０による２自由度の動作を、例えば、術者Ｏｐ（図１参照）が右手で操作する操作子の２次元の動作（前後左右方向の傾倒動作など）で操作可能になっている。そして、回転ユニット２０は、マスタマニピュレータ１ｂに入力される術者Ｏｐの指示（操作）に応じて動作する。つまり、回転ユニット２０は、術者Ｏｐの指示に応じて縦方向軸１６ｂ（主回転軸）周りに、並進ユニット１０に対して回転する。

なお、符号Ｌｖは後記する鉛直基準線であり、縦方向軸１６ｂ（主回転軸）の中心線となる。また、符号Ｌｓは後記する傾動基準軸であり、符号ＲＣＭは後記する動作中心である。

≪把持ユニット≫
図４の（ａ）は回転機構部の斜視図、（ｂ）は把持ユニットの斜視図である。
図４の（ａ）に示すように、スライドレール１８ａには、平行リンク機構１４（図３参照）が取り付けられるマウント（リンクマウント３２）と、空気圧シリンダ１２（図３参照）が取り付けられるマウント（シリンダマウント３３）と、が備わっている。

リンクマウント３２は、シリンダマウント３３よりもスライドレール１８ａの先端側に備わる。リンクマウント３２は、第１回動軸３２ａと、第２回動軸３２ｂと、を有する。第２回動軸３２ｂは第１回動軸３２ａよりもスライドレール１８ａの先端側に配設される。第１回動軸３２ａ及び第２回動軸３２ｂは、スライドレール１８ａに対して直交する方向に延設され、スライドレール１８ａの幅方向両側に備わっている。
第１回動軸３２ａには、第１アーム部１４１の第１鉛直アーム１４１ａ（図３参照）が回動可能に取り付けられる。第２回動軸３２ｂには、第２アーム部１４２の第２鉛直アーム１４２ａ（図３参照）が回動可能に取り付けられる。

また、第１回動軸３２ａから第２回動軸３２ｂに向かう傾斜が、平行リンク機構１４の第１連結アーム１４１ｂ及び第２連結アーム１４２ｂと平行になるように、第１回動軸３２ａと第２回動軸３２ｂが配設される。つまり、第１回動軸３２ａと第２回動軸３２ｂを結ぶ直線（仮想線Ｌ３２）が、第１連結アーム１４１ｂ及び第２連結アーム１４２ｂと平行になる。

シリンダマウント３３には、シリンダ回動軸１２ａが備わる。シリンダ回動軸１２ａは、スライドレール１８ａに対して平行リンク機構１４（図３参照）の側に配設される。シリンダ回動軸１２ａは、スライドレール１８ａと直交する方向に延設され、両端がシリンダマウンド３３に支持されている。シリンダ回動軸１２ａには、空気圧シリンダ１２（図３参照）のロッドが回動可能に取り付けられる。

回転機構部３１には第２ベーンモータ３４が備わる。第２ベーンモータ３４はスライド部３１ａから懸架されるように回転機構部３１に取り付けられている。第２ベーンモータ３４は回転軸３４ａの軸方向がスライドレール１８ａと平行になるように備わっている。
なお、回転機構部３１には第２ベーンモータ３４の回転角度を検出するエンコーダ３５が備わっている。エンコーダ３５は検出軸３５ａの回転数に応じたパルス信号を出力する。エンコーダ３５の検出軸３５ａは、第２ベーンモータ３４の回転軸３４ａとベルト等で接続され、回転軸３４ａとともに回転する。符号ｑ３は、第２ベーンモータ３４の回転軸３４ａの回転方向を示す。

図４の（ｂ）に示すように、把持ユニット３０は、基部６０と把持駆動部７０を有する。基部６０はスライドレール１８ａに沿って取り付けられる長尺の部材であり、一方の端部（後端部）に取付孔６１が形成されている。取付孔６１は基部６０の軸方向に開口している。取付孔６１には第２ベーンモータ３４の回転軸３４ａが嵌合する。このように基部６０が第２ベーンモータ３４に取り付けられ、第２ベーンモータ３４の駆動で把持ユニット３０が回転軸３４ａの軸周りｑ３に回転する。
このように、把持ユニット３０は、スライドレール１８ａ、及び回転機構部３１を介して平行リンク機構１４（図３参照）に取り付けられる。

把持ユニット３０は、回転軸３４ａ周りｑ３の１自由度で動作する。
マスタマニピュレータ１ｂ（図１参照）は、把持ユニット３０における１自由度の動作を、例えば、術者Ｏｐ（図１参照）が右手で操作する操作子の１次元の動作（ねじり動作など）で操作可能になっている。そして、把持ユニット３０は、マスタマニピュレータ１ｂに入力される術者Ｏｐの指示（操作）に応じて動作する。

把持駆動部７０は、空気圧シリンダ７１（アクチュエータ）とプーリ機構７２と、把持ヘッド７３と、を有する。ピンセット５０は把持ヘッド７３によって把持される。把持ヘッド７３は、把持部７３ｂでピンセット５０を把持する。把持ヘッド７３の詳細は後記する。
なお、把持ユニット３０には、把持ユニット３０が把持しているピンセット５０を磁力で保持する磁石７４（保持手段）も備わっている。磁石７４によって、把持ユニット３０からのピンセット５０の脱落が防止される。また、把持ユニット３０に対するピンセット５０の変位が抑制される。
なお、保持手段は磁石７４に限定されない。例えば、ピンセット５０や他の被把持物を真空吸着する吸盤構造の保持手段であってもよい。

図５の（ａ）は把持ユニットの上面図であり、（ｂ）は把持ヘッドを示す図である。
図５の（ａ）に示すように、空気圧シリンダ７１は、ロッド７１ａが基部６０の軸線方向に変位するように配置される。ロッド７１ａにはベルト固定ヘッド７１ｂが備わる。
プーリ機構７２は、第１プーリ７２ａ（駆動手段）と、第２プーリ７２ｂ（補助プーリ）と、駆動ベルト７２ｃを有する。第１プーリ７２ａ及び第２プーリ７２ｂはプーリ取付部６０ａに取り付けられる。

プーリ取付部６０ａは基部６０の上方（空気圧シリンダ７１の側）に取り付けられ、当該基部６０よりも幅広に形成される。第１プーリ７２ａ及び第２プーリ７２ｂは、プーリ取付部６０ａにおいて基部６０よりも幅広に形成される部分に取り付けられる。

第１プーリ７２ａ及び第２プーリ７２ｂは、Ｘ軸方向の回転軸周りに回転可能に備わっている。第１プーリ７２ａと第２プーリ７２ｂは基部６０の長手方向に沿って配置され、第１プーリ７２ａは第２プーリ７２ｂよりも基部６０の先端側に配置される。第１プーリ７２ａと第２プーリ７２ｂは駆動ベルト７２ｃで連結されて同じタイミングで駆動（回転駆動）する。第１プーリ７２ａ、第２プーリ７２ｂ、及び駆動ベルト７２ｃは、基部６０の幅方向両側に配置される。

空気圧シリンダ７１のベルト固定ヘッド７１ｂは、基部６０の幅方向両側に配置される駆動ベルト７２ｃの間に配置される。駆動ベルト７２ｃはベルト固定ヘッド７１ｂに固定される。駆動ベルト７２ｃがベルト固定ヘッド７１ｂに固定される方法は限定されない。例えば、ベルト固定ヘッド７１ｂが駆動ベルト７２ｃを挟みこんで固定する構成とすればよい。
また、把持ヘッド７３は第１プーリ７２ａと同軸に回動可能に取り付けられる。そして、把持ヘッド７３は把持ユニット３０に対して着脱可能となっている。
なお、把持ヘッド７３が取り付けられる駆動手段はプーリ（第１プーリ７２ａ）に限定されず、回転アーム（図示せず）など、プーリ以外の回転体であってもよい。

また、把持ユニット３０にはロッド７１ａの変位量を検出するセンサ（ストロークセンサ７１Ｓ）が備わっている。ストロークセンサ７１Ｓは、ロッド７１ａの変位に応じて回転する回転子（図示せず）を備え、回転子の回転数に応じた信号を出力する。ストロークセンサ７１Ｓが出力する信号は制御装置２（図１参照）に入力される。制御装置２は、ストロークセンサ７１Ｓから入力される信号にもとづいてロッド７１ａの変位量を算出する。

図５の（ｂ）に示すように、把持ヘッド７３は、ベース７３ａと把持部７３ｂを有する。ベース７３ａには、取付孔７３ｃが開口している。取付孔７３ｃはＸ軸方向に開口している。また、取付孔７３ｃと直交する方向に固定用ねじ孔７３ｄが開口している。固定用ねじ孔７３ｄは取付孔７３ｃと連通している。

把持部７３ｂは、ベース７３ａに対してＸ軸方向の回転軸７３ｂ１周りに回動可能に取り付けられている。把持部７３ｂの回転軸７３ｂ１は取付孔７３ｃから所定距離だけ離間した位置に配置されている。
また、把持部７３ｂにはピンセット５０（図３参照）に接触する接触面７３ｅが形成されている。なお、ピンセット５０の脱落及び位置ずれを防止する係合部７３ｅ１が接触面７３ｅに形成されていてもよい。係合部７３ｅ１は、例えば、接触面７３ｅに対して凸状に形成され、ピンセット５０の長手方向に係合するような形状を呈する。
図５の（ｂ）には１つの係合部７３ｅ１が図示されているが、２つの係合部７３ｅ１が対向するように形成されていてもよい。

把持ユニット３０には２種類の把持ヘッド７３（左把持ヘッド７３Ｌ，右把持ヘッド７３Ｒ）が取り付けられる。把持ユニット３０は、２つの把持ヘッド７３（左把持ヘッド７３Ｌ，右把持ヘッド７３Ｒ）でピンセット５０を挟んで把持する。
左把持ヘッド７３Ｌと右把持ヘッド７３Ｒは基部６０を中心とする対称な形状を呈する。そして、左把持ヘッド７３Ｌが基部６０の延伸方向を中心とする一方（例えば左側）に配置される場合、右把持ヘッド７３Ｒは基部６０の延伸方向を中心とする他方（例えば右側）に配置される。
また、基部６０において、左把持ヘッド７３Ｌの接触面７３ｅと右把持ヘッド７３Ｒの接触面７３ｅが対向するように把持ヘッド７３が取り付けられる。

把持ユニット３０は、把持ヘッド７３の把持部７３ｂでピンセット５０（図４の（ｂ）参照）を挟んで把持する。したがって、把持部７３ｂは、樹脂など摩擦係数の大きな素材で形成されていることが好ましい。

図６は第１プーリ及び把持ヘッドがプーリ取付部に取り付けられる状態を示す図である。
例えば、図６に示すように、第１プーリ７２ａには一体に回転する回転軸７５が備わる。回転軸７５はプーリ取付部６０ａの軸受部材６０ｂに取り付けられて先端がプーリ取付部６０ａの下方に突出する。
プーリ取付部６０ａから突出した回転軸７５の先端が把持ヘッド７３の取付孔７３ｃに挿入される。固定用ねじ孔７３ｄに固定ねじ７６がねじ込まれたときに固定ねじ７６の先端が回転軸７５に当接し、把持ヘッド７３が第１プーリ７２ａの回転軸７５に固定される。

図７は隔離シートを示す図である。
図６に示すように、本実施形態の把持ヘッド７３はプーリ取付部６０ａへ着脱可能になっている。
ピンセット５０（図４の（ｂ）参照）は患者Ｐｔに接触する部位であり滅菌消毒された清潔な状態に維持されることが要求される。つまり、ピンセット５０は滅菌消毒された清潔部となることが必要になる。一方、把持ヘッド７３を除くスレーブマニピュレータ１ａは清潔な状態に維持される必要がない。つまり、把持ヘッド７３を除くスレーブマニピュレータ１ａは消毒されない不潔部であってもよい。

このため、図７に示すように、不潔部となるスレーブマニピュレータ１ａは隔離シート９０で覆われて、清潔部となるピンセット５０から隔離される。つまり、隔離シート９０によって、不潔部と清潔部が隔離される。このとき、ピンセット５０に触れる把持ヘッド７３は清潔部となることが必要になる。

本実施形態のスレーブマニピュレータ１ａは、把持ヘッド７３がプーリ取付部６０ａに対して着脱可能に構成されている。したがって、滅菌消毒された把持ヘッド７３を、スレーブマニピュレータ１ａを覆う隔離シート９０の外側（清潔部側）から取り付けて、滅菌消毒された固定ねじ７６で固定することが可能であり、把持ヘッド７３を清潔部とすることができる。
なお、隔離シート９０において、プーリ取付部６０ａの軸受部材６０ｂ（図６参照）に対応する位置が開口していれば、当該開口を介して把持ヘッド７３の取り付けが可能になる。また、把持ヘッド７３及び固定ねじ７６は加熱消毒される場合があるため、把持ヘッド７３及び固定ねじ７６は耐熱性のある素材（金属素材、耐熱樹脂等）で形成されることが好ましい。

≪把持駆動部の動作≫
図８は把持駆動部の動作を示す図であり、（ａ）は把持部が近接する動作を示す図、（ｂ）は把持部が離反する動作を示す図である。
図６に示すように、把持ヘッド７３は第１プーリ７２ａの回転軸７５に固定される。したがって、把持ヘッド７３は第１プーリ７２ａと一体に駆動（回動）する。
また、図８の（ａ）に示すように、空気圧シリンダ７１のベルト固定ヘッド７１ｂは基部６０の幅方向両側に配置される駆動ベルト７２ｃの間に配置されて駆動ベルト７２ｃに固定される。

したがって、図８の（ａ）に示すように、ロッド７１ａが空気圧シリンダ７１に収容される側に変位すると、２つの第１プーリ７２ａは、把持ヘッド７３が基部６０に向かう側に、回転軸７５周りｑ４に回転して２つの把持ヘッド７３（左把持ヘッド７３Ｌ，右把持ヘッド７３Ｒ）の把持部７３ｂが互いに近接する。
また、図８の（ｂ）に示すように、ロッド７１ａが空気圧シリンダ７１から突出する側に変位すると、２つの第１プーリ７２ａは把持ヘッド７３が基部６０から離反する側に、回転軸７５周りｑ４に回転して２つの把持ヘッド７３（左把持ヘッド７３Ｌ，右把持ヘッド７３Ｒ）の把持部７３ｂが互いに離反する。
このように、把持駆動部７０は、空気圧シリンダ７１の動作（ロッド７１ａの変位）で２つの第１プーリ７２ａを回転させて、２つの把持ヘッド７３の把持部７３ｂを、互いに近接する方向、及び互いに離反する方向に移動させる。

把持駆動部７０は、第１プーリ７２ａの回転軸７５周りｑ４の１自由度（把持部７３ｂが近接・離反する１自由度）で動作する。
マスタマニピュレータ１ｂ（図１参照）は、把持駆動部７０による１自由度の動作を、例えば、術者Ｏｐ（図１参照）が右手で操作する操作子の１方向の動作（親指と人差し指による把持動作等）で操作可能になっている。そして、把持駆動部７０は、マスタマニピュレータ１ｂに入力される術者Ｏｐの指示（操作）に応じて動作する。

図９は把持部がピンセットを把持した状態を示す図である。
図９に示すように、把持ユニット３０は、互いに近接する方向に移動する把持部７３ｂでピンセット５０（被把持物）を把持する。また、把持ヘッド７３における把持部７３ｂ間の距離の変化（実線→二点鎖線）に応じてピンセット５０の開度が調節される。つまり、本実施形態のスレーブマニピュレータ１ａ（図１参照）は、把持ユニット３０が把持する被把持物がピンセット５０の場合、空気圧シリンダ７１（図８参照）の動作（ロッド７１ａの変位）によってピンセット５０の開度の調節が可能になっている。

また、把持ユニット３０における把持部７３ｂの移動は、マスタマニピュレータ１ｂの動作に追従していることが好ましい。例えば、術者Ｏｐ（図１参照）がマスタマニピュレータ１ｂのハンドル４１の動作角度θｈを変える操作をしたときに（実線→二点鎖線）、動作角度θｈの変化に応じて把持部７３ｂが移動する構成（実線→二点鎖線）とすれば、術者Ｏｐはマスタマニピュレータ１ｂを操作してピンセット５０の開度を調節できる。
この場合、ハンドル４１の動作角度θｈと第１プーリ７２ａの回転角度θｐが等しくなる構成であってもよい。
このように、把持ユニット３０は、術者Ｏｐの指示に応じて把持ヘッド７３が動作してピンセット５０（被把持物）を把持する。このとき、把持ユニット３０は、把持部７３ｂが互いに近接する方向に移動したときに、２つの把持部７３ｂでピンセット５０を挟んで把持する。
さらに、把持ユニット３０は、術者Ｏｐの指示に応じて把持ヘッド７３が動作して把持部７３ｂが移動し、ピンセット５０の開度を調節する。これによって、術者Ｏｐの指示に応じたピンセット５０の操作が可能になる。

マスタマニピュレータ１ｂの形状は図９に示す形状に限定されない。図示はしないがジョイスティックを軸周りにねじり操作するときのねじり角が動作角度θｈとなるマスタマニピュレータ１ｂであってもよい。また、その他の形状のマスタマニピュレータ１ｂであってもよい。

なお、ピンセット５０は磁石７４によって基部６０（図８の（ａ）参照）に吸着される。したがって、把持ユニット３０は長尺のピンセット５０を確実に保持できる。

≪平行リンク機構の動作≫
図１０は、平行リンク機構の動作を説明する図である。
図１０は、実線が第１状態を示し、破線が第２状態を示し、一点鎖線（太い一点鎖線）が第３状態を示している。第１状態（実線）から空気圧シリンダ１２（図２参照）が伸長すると第２状態（破線）に移行する。第１状態から第２状態に移行すると、第２連結アーム１４２ｂが回動軸１６ｂ１周りに回動し、第１連結アーム１４１ｂが横方向軸１８ｂ周りに回動する。第２連結アーム１４２ｂ及び第１連結アーム１４１ｂと回動可能に連結される第２鉛直アーム１４２ａが平行移動する。第２鉛直アーム１４２ａの移動にともなってリンクマウント３２（図４の（ａ）参照）の第２回動軸３２ｂ及び第１回動軸３２ａが変位する。
また、第１鉛直アーム１４１ａは、第１連結アーム１４１ｂと回動可能に連結され、さらに、第１回動軸３２ａに回動可能に連結される。このため、第１連結アーム１４１ｂが横方向軸１８ｂ周りに回動すると第１鉛直アーム１４１ａが平行移動する。
このような第１鉛直アーム１４１ａと第２鉛直アーム１４２ａの平行移動にともなって、第１回動軸３２ａから第２回動軸３２ｂに向かう傾斜が変化する。つまり、第１回動軸３２ａと第２回動軸３２ｂを結ぶ仮想線Ｌ３２の傾斜が変化する。

第２状態（破線）から空気圧シリンダ１２（図２参照）が伸長すると第３状態（太い一点鎖線）に移行する。第１状態から第２状態に移行するときと同様に平行移動する第１鉛直アーム１４１ａと第２鉛直アーム１４２ａの動作にともなって、第１回動軸３２ａと第２回動軸３２ｂを結ぶ仮想線Ｌ３２の傾斜が変化する。

このように第１状態（実線）から第２状態（破線）を経由して第３状態（太い一点鎖線）に移行すると、仮想線Ｌ３２の傾斜が変化する。このとき、仮想線Ｌ３２は、図１０に示すように、所定の定点（動作中心ＲＣＭ）を通って回動軸１６ｂ１及び横方向軸１８ｂと平行な基準軸（傾動基準軸Ｌｓ）を中心として回動するように傾動する。
つまり、平行リンク機構１４は、動作中心ＲＣＭを通る傾動基準軸Ｌｓを中心に仮想線Ｌ３２が回動するジンバル機構を構成する。
また、動作中心ＲＣＭは、回動軸１６ｂ１（の中心）と横方向軸１８ｂ（の中心）を結び縦方向軸１６ｂ（主回転軸）の中心線となる鉛直基準線Ｌｖ上に設定される。つまり、傾動基準軸Ｌｓと鉛直基準線Ｌｖは直交し、動作中心ＲＣＭは傾動基準軸Ｌｓと鉛直基準線Ｌｖの交点になる。

なお、平行リンク機構１４によって、仮想線Ｌ３２が傾動基準軸Ｌｓを中心に回動することから、平行リンク機構１４は、傾動基準軸Ｌｓ周りに把持ユニット３０（図３参照）を傾動可能になっている。

そして、本実施形態においては、動作中心ＲＣＭが縦方向軸１６ｂ（図３参照）の延長上になるように、平行リンク機構１４が構成される。換言すると、動作中心ＲＣＭを通る鉛直基準線Ｌｖが縦方向軸１６ｂの中心線となるように平行リンク機構１４が構成される。これによって、動作中心ＲＣＭは、図３に示す縦方向軸１６ｂ（主回転軸）の中心線上の点になる。
また、先端が動作中心ＲＣＭの位置になるように、ピンセット５０（図３参照）が把持ユニット３０（図３参照）に把持される。つまり、先端が動作中心ＲＣＭの位置になるようにピンセット５０を把持可能な把持ユニット３０となっている。

具体的には、先端が動作中心ＲＣＭの位置にあるピンセット５０（図９参照）を把持可能な位置に把持ヘッド７３の把持部７３ｂ（図９参照）が配設されている把持ユニット３０（図９参照）とする。
なお、被把持物はピンセット５０などの長尺物に限定されない。また、ピンセット５０の先端が動作中心ＲＣＭから離れた位置にあることが好ましい状況にも対応可能であることが好適である。
したがって、把持ユニット３０は、被把持物（ピンセット５０）が動作中心ＲＣＭを通るように、当該被把持物（ピンセット５０）を把持可能に構成されていればよい。例えば、把持ユニット３０は、先端が動作中心ＲＣＭを通るようにピンセット５０を把持可能に構成されていればよい。

また、図３に示すように把持ユニット３０は回転機構部３１を介してスライドレール１８ａで支持される。回転機構部３１はスライドレール１８ａをスライド移動可能になっている。つまり、把持ユニット３０はスライド移動可能にスライドレール１８ａに支持されている。そして、把持ユニット３０がスライドレール１８ａをスライド移動したときに、把持ユニット３０に把持されている被把持物の一部（例えば、ピンセット５０の先端）が動作中心ＲＣＭを通るように、スライドレール１８ａが備わっていることが好適である。
このような構成であれば、術者Ｏｐ（図１参照）等が、把持ユニット３０をスライドレール１８ａに沿ってスライド移動させて、患者Ｐｔ（図１参照）に対するピンセット５０の位置を微調整できる。さらに、微調整によって、ピンセット５０の先端を動作中心ＲＣＭの位置に合わせることができる。

動作中心ＲＣＭが縦方向軸１６ｂ（図３参照）の延長上にある場合（動作中心ＲＣＭを通る鉛直基準線Ｌｖが縦方向軸１６ｂの中心線となる場合）、平行リンク機構１４が縦方向軸１６ｂ周りに回転しても動作中心ＲＣＭは移動しない。さらに、平行リンク機構１４の動作によって仮想線Ｌ３２の傾斜が変化しても動作中心ＲＣＭは移動しない。つまり、動作中心ＲＣＭは、平行リンク機構１４における縦方向軸１６ｂ周りの回転や、平行リンク機構１４の動作による仮想線Ｌ３２の傾斜の変化（傾動）に対する不動点となる。
したがって、ピンセット５０の先端が動作中心ＲＣＭにある場合、平行リンク機構１４が縦方向軸１６ｂ周りに回動し、かつ、平行リンク機構１４の動作によって仮想線Ｌ３２の傾斜が変化してもピンセット５０の先端は移動しない。つまり、ピンセット５０の先端は不動点になる。

例えば、マイクロサージェリーの場合、ピンセット５０の先端を顕微鏡視野に入れて施術するが、顕微鏡視野は非常に狭いためピンセット５０の先端が移動すると顕微鏡視野から外れてしまう。
ピンセット５０の先端が動作中心ＲＣＭにあると不動点になり、平行リンク機構１４（図３参照）の動作で先端が移動しない。したがって、ピンセット５０の先端が顕微鏡視野に入った状態を維持したままでのマイクロサージェリーが可能になる。

≪感圧機能≫
また、本実施形態のロボットマニピュレータ１（図１参照）は、把持ユニット３０（図３参照）に備わる把持ヘッド７３の把持部７３ｂ（図３参照）がピンセット５０（図３参照）を把持するときの把持力を検出可能に構成されている。
本実施形態では、把持ヘッド７３（図９参照）に把持されたピンセット５０から把持部７３ｂに入力される圧力（外圧Ｐｘ）を把持力として検出可能に構成されている（感圧機能を有する）。
図８の（ａ），（ｂ）に示すように、把持ヘッド７３（把持部７３ｂ）は空気圧シリンダ７１のロッド７１ａの変位によって動作（移動）する。したがって、ロッド７１ａの変位量（ベルト固定ヘッド７１ｂの移動量）は把持部７３ｂの移動量に対応する。
図１１の（ａ）はモデル化した把持駆動部を示す図、（ｂ）は空気圧シリンダの概略構成図である。

図１１の（ａ）に示すように、把持部７３ｂと、取付孔７３ｃと、の距離を把持ヘッド７３の動作半径Ｒｈとする。具体的には、把持部７３ｂがベース７３ａ（図５の（ｂ）参照）に対して回転するときの中心となる回転軸７３ｂ１と、取付孔７３ｃの中心７３ｃ１と、の距離を動作半径Ｒｈとする。つまり、本実施形態の把持ヘッド７３は、把持部７３ｂ（回転軸７３ｂ１）と取付孔７３ｃ（中心７３ｃ１）が動作半径Ｒｈに相当する所定長だけ離間している。
第１プーリ７２ａの半径（プーリ半径Ｒｐ）と、把持ヘッド７３の動作半径Ｒｈと、ベルト固定ヘッド７１ｂの移動量と、把持ヘッド７３（把持部７３ｂ）の移動量（ヘッド移動量Ｄｈ）と、の関係が次式（１）で示される。
なお、ベルト固定ヘッド７１ｂの移動量はロッド７１ａ（図８の（ａ）参照）の変位量に相当する量であり、式（１）ではロッド変位量Ｄｒで示している。

Ｄｈ＝Ｄｒ×Ｒｈ／Ｒｐ ・・・（１）

また、空気圧シリンダ７１は図１１の（ｂ）に示すように構成されている。
空気圧シリンダ７１は、ロッド７１ａを駆動するピストンを基本的な構造としている。空気圧シリンダ７１の筺体７１０の内部は、ロッド７１ａに接続されるピストンヘッド７１１によって前室７１２ａと後室７１２ｂに区画されている。前室７１２ａがロッド７１ａ側に形成されている。

空気圧シリンダ７１には、サーボバルブ８１を介して空気圧供給装置８０が接続されている。空気圧供給装置８０はコンプレッサ等であって圧縮した空気を出力する。空気圧供給装置８０は、例えば、制御装置２で制御され、出力する空気の圧力（空気圧Ｐａ）が調節可能になっている。
空気圧シリンダ７１（前室７１２ａ，後室７１２ｂ）には圧縮された空気の空気圧Ｐａが供給される。サーボバルブ８１は、伸長状態と、中立状態と、収縮状態と、が切り替わる。伸長状態では、空気圧供給装置８０が後室７１２ｂに接続される。収縮状態では、空気圧供給装置８０が前室７１２ａに接続される。また、中立状態では、空気圧供給装置８０が前室７１２ａと後室７１２ｂのいずれにも接続されない。

サーボバルブ８１は制御装置２が出力する制御信号によって、伸長状態と中立状態と収縮状態が切り替わるように動作する。なお、サーボバルブ８１は、伸長状態のときに前室７１２ａを大気に開放し、中立状態のときに前室７１２ａ及び後室７１２ｂを大気に開放し、収縮状態のときに後室７１２ｂを大気に開放するように構成されている。

前室７１２ａに供給される空気圧Ｐａは第１空気圧センサ８２ａで計測され、後室７１２ｂに供給される空気圧Ｐａは第２空気圧センサ８２ｂで計測される。第１空気圧センサ８２ａ，第２空気圧センサ８２ｂは計測した空気圧Ｐａを計測信号に変換して出力する。第１空気圧センサ８２ａ，第２空気圧センサ８２ｂが出力する計測信号はそれぞれ制御装置２に入力される。制御装置２は、第１空気圧センサ８２ａが出力する計測信号にもとづいて前室７１２ａに供給される空気圧Ｐａを取得し、第２空気圧センサ８２ｂが出力する計測信号にもとづいて後室７１２ｂに供給される空気圧Ｐａを算出する。

サーボバルブ８１が伸長状態に切り替わると、空気圧供給装置８０から後室７１２ｂに空気圧Ｐａが供給される。また、前室７１２ａが大気に開放される。後室７１２ｂの圧力が前室７１２ａの圧力より高くなってピストンヘッド７１１が前室７１２ａの側に押圧される。これによって、ロッド７１ａが前室７１２ａの側（空気圧シリンダ７１から突出する側）に変位し、空気圧シリンダ７１が伸長する。
サーボバルブ８１が収縮状態に切り替わると、空気圧供給装置８０から前室７１２ａに空気圧Ｐａが供給される。また、後室７１２ｂが大気に開放される。前室７１２ａの圧力が後室７１２ｂの圧力より高くなってピストンヘッド７１１が後室７１２ｂの側に押圧される。これによって、ロッド７１ａが後室７１２ｂの側（空気圧シリンダ７１に収納される側）に変位し、空気圧シリンダ７１が収縮する。

また、サーボバルブ８１が中立状態に切り替わると、空気圧供給装置８０から空気圧シリンダ７１（前室７１２ａ，後室７１２ｂ）への空気圧Ｐａの供給が停止されロッド７１ａの動作が停止する。

空気圧シリンダ７１の後室７１２ｂに供給される空気圧Ｐａとロッド変位量Ｄｒの関係は、把持駆動部７０（図８の（ａ）参照）の特性として決定される。
図１２の（ａ）は後室に供給される空気圧とロッド変位量の特性の一例を示す図、（ｂ）は把持部に圧力が印加された状態を示す図である。図１２の（ａ）に示すマップは縦軸がロッド変位量Ｄｒを示し横軸が空気圧Ｐａを示す。
図１２の（ａ）に示すように、後室７１２ｂに供給される空気圧Ｐａが高いほどロッド変位量Ｄｒが大きくなる。そして、式（１）に示すように、ロッド変位量Ｄｒに応じたヘッド移動量Ｄｈが生じる。つまり、後室７１２ｂに供給される空気圧Ｐａが高いほど大きなヘッド移動量Ｄｈが生じる。

なお、把持ヘッド７３（図８の（ａ）参照）で把持される被把持物がピンセット５０（図３参照）の場合、把持ヘッド７３にはピンセット５０の弾性力が印加される。したがって、後室７１２ｂに供給される空気圧Ｐａとロッド変位量Ｄｒの特性は、把持ヘッド７３が把持するピンセット５０の弾性力によって変化する。図１２の（ａ）に示す特性は、把持ヘッド７３が把持するピンセット５０の弾性力に対応してピンセット５０ごとに設定されることが好ましい。

把持ヘッド７３（図８の（ａ）参照）で把持されたピンセット５０が対象物を挟むと、ピンセット５０に圧力（外圧Ｐｘ）が発生し、この圧力（外圧Ｐｘ）が、図１２の（ｂ）に示すように、把持部７３ｂに入力される。把持部７３ｂに入力される外圧Ｐｘによって把持部７３ｂの移動が阻害される。例えば、把持部７３ｂが破線で示す位置まで移動するところ、外圧Ｐｘが入力されると把持部７３ｂは実線で示す位置までしか移動しない。そして、把持部７３ｂの移動が阻害されるとロッド７１ａの変位が阻害される。つまり、ロッド７１ａが破線で示す位置まで変位するところ、把持部７３ｂに入力される外圧Ｐｘによってロッド７１ａは実線で示す位置までしか変位しない。
図１２の（ｂ）に示すように、後室７１２ｂに供給される空気圧Ｐａが「ｐａ１」のときに、「ｐｘ１」の大きさの外圧Ｐｘが把持部７３ｂに入力されてロッド変位量Ｄｒが「ｄｒ２」になった場合、外圧Ｐｘが入力されない状態でのロッド変位量Ｄｒ「ｄｒ１」と偏差「ΔＤｒ」が発生する。

図１２の（ａ）に示す特性から、ロッド変位量Ｄｒが「ｄｒ２」である場合に、後室７１２ｂに供給されるべき空気圧Ｐａが算出される（図１２の（ａ）に示す一例では「ｐａ２」が算出される）。

後室７１２ｂに実際に供給されている空気圧Ｐａ（ｐａ１）と、ロッド変位量Ｄｒから算出される空気圧Ｐａ（ｐａ２）の圧力差（ΔＰａ）は、把持部７３ｂに入力される外圧Ｐｘによって生じる。

そこで、本実施形態の制御装置２（図１参照）は、第２空気圧センサ８２ｂ（図１１の（ｂ）参照）が出力する計測信号にもとづいて算出する空気圧Ｐａと、ロッド変位量Ｄｒから算出する空気圧Ｐａと、の圧力差（ΔＰａ）にもとづいて把持部７３ｂに入力された外圧Ｐｘを算出する。そして、制御装置２は算出した外圧Ｐｘを把持力とする。

図１３は、制御装置が外圧（把持力）を算出する手順を示すフローチャートである。
制御装置２は、所定のインターバルで図１３に示す手順で外圧Ｐｘ（把持力）を算出する。図１３を参照して、制御装置２が外圧Ｐｘを算出する手順を説明する（適宜図１〜図１２参照）。

制御装置２は、ストロークセンサ７１Ｓが出力する信号にもとづいてロッド変位量Ｄｒを算出し（ステップＳ１）、手順をステップＳ２に進める。
制御装置２は、第２空気圧センサ８２ｂが出力する計測信号にもとづいて後室７１２ｂに供給されている空気圧Ｐａを算出し（ステップＳ２）、手順をステップＳ３に進める。
制御装置２は、ストロークセンサ７１Ｓが出力する信号にもとづいて算出したロッド変位量Ｄｒに対応する空気圧Ｐａを算出し（ステップＳ３）、手順をステップＳ４に進める。このとき、制御装置２は、図１２の（ａ）に示すマップに基づいて、ロッド変位量Ｄｒに対応する空気圧Ｐａを算出する。
制御装置２は、第２空気圧センサ８２ｂが出力する計測信号にもとづいて算出した空気圧Ｐａと、ロッド変位量Ｄｒに対応する空気圧Ｐａと、の圧力差（ΔＰａ）を算出し（ステップＳ４）、手順をステップＳ５に進める。
制御装置２は、算出した圧力差（ΔＰａ）を外圧Ｐｘに設定する。そして、制御装置２は設定した外圧Ｐｘを、把持ヘッド７３がピンセット５０を把持する把持力とする。つまり、制御装置２は、算出した圧力差（ΔＰａ）を把持力に設定する。

このように、ロボットマニピュレータ１の制御装置２（図１参照）は、図１３のフローチャートに示す５つの手順で、把持部７３ｂに入力される外圧Ｐｘ（把持力）を検出可能に構成される。そして、制御装置２は、本実施形態において把持力検出手段として機能する。

なお、制御装置２は検出した外圧Ｐｘを図１に示すマスタコントローラ４０に送信し、マスタコントローラ４０がモニタ装置（図示せず）等に外圧Ｐｘを表示する構成であってもよい。又は、マスタコントローラ４０が、送信された外圧Ｐｘに応じた刺激（マスタマニピュレータ１ｂの操作に対する抵抗力や振動等）を術者Ｏｐに付与する構成であってもよい。

本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更が可能である。
図２に示す並進ユニット１０は、モータ１１２が３本のリンク１１３を駆動する。この構成に限定されず、例えば、モータ１１２に替えて、空気圧シリンダ等で３本のリンク１１３を駆動する構成であってもよい。
また、３本のリンク１１３と３組の平行リンク１１４からなるデルタ機構を有する並進ユニット１０に限定されない。例えば、互いに直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向に延設される３本のガイドレール（図示せず）と、各ガイドレールに案内されて走行する３つの走行ヘッド（図示せず）からなる並進ユニット（図示せず）であってもよい。

また、図８の（ａ）に示すように、把持駆動部７０は空気圧シリンダ７１が第１プーリ７２ａを回転させて把持ヘッド７３を動作させる。この構成に限定されず、例えば、空気圧シリンダ７１に替えて、電力で駆動する電動アクチュエータ（図示せず）で把持ヘッド７３を動作させる構成であってもよい。
把持駆動部７０の第１プーリ７２ａを回転させるアクチュエータが電動アクチュエータである場合、制御装置２（図１参照）は、図１３に示すフローチャートにおいて、空気圧シリンダ７１の後室７１２ｂ（図１１の（ｂ）参照）に供給される空気圧Ｐａを、電動アクチュエータに供給される電力の電圧に置き換えることによって外圧Ｐｘ（把持力）を検出可能である。この場合、図１２の（ａ）に示すマップに替わって、電動アクチュエータに供給される電圧とロッド変位量Ｄｒの特性を示すマップが設定されていることが好ましい。

また、第１プーリ７２ａを電動モータ（図示せず）で直接回転させる構成であってもよい。つまり、把持駆動部７０の第１プーリ７２ａを回転させるアクチュエータが電動モータであってもよい。
また、空気圧シリンダ７１や電動アクチュエータが把持ヘッド７３を直接動作する構成であってもよい。

１ ロボットマニピュレータ
１ａ スレーブマニピュレータ
１ｂ マスタマニピュレータ
２ 制御装置（把持力検出手段）
１０ 並進ユニット
１４ 平行リンク機構
１６ｂ 縦方向軸（主回転軸）
２０ 回転ユニット
３０ 把持ユニット
５０ ピンセット（被把持物）
７１ 空気圧シリンダ（アクチュエータ）
７２ プーリ機構
７２ａ 第１プーリ（駆動手段）
７３ 把持ヘッド
７３ｂ 把持部
９０ 隔離シート
Ｌｓ 傾動基準軸（基準軸）
Ｌｖ 鉛直基準線（主回転軸の中心線）
Ｏｐ 術者
ＲＣＭ 動作中心（主回転軸の中心線と基準軸の交点）

Claims (10)

1. 術者の指示が入力されるマスタマニピュレータと、
   並進ユニット、回転ユニット、及び把持ユニットを備えるスレーブマニピュレータと、を有し、
   前記並進ユニットは、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて前記回転ユニットを互いに直交する３軸方向に姿勢を変化させることなく変位させ、
   前記把持ユニットは前記回転ユニットに備わる平行リンク機構に取り付けられて、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて被把持物を把持し、
   前記回転ユニットは、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて、所定の主回転軸周りに前記並進ユニットに対して回転可能であり、
   前記平行リンク機構はジンバル機構を構成し、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて、前記主回転軸の中心線と直交する基準軸周りに前記把持ユニットを傾動可能であり、
   前記把持ユニットは、
   前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて、前記主回転軸に直交する副回転軸周りに回転するとともに、自転可能であり、かつ、
   前記中心線と前記基準軸の交点を通るように前記被把持物を把持可能に構成されている
   ことを特徴とするロボットマニピュレータ。
2. 前記把持ユニットは、
   把持部を備える２つの把持ヘッドと、
   ２つの前記把持ヘッドに備わる前記把持部を、互いに近接する方向、及び互いに離反する方向に移動させる駆動手段と、
   前記駆動手段を駆動するアクチュエータと、を有し、
   前記把持部は、互いに近接する方向に移動したときに前記被把持物を挟んで把持し、
   前記把持ヘッドは、前記駆動手段と一体に駆動して前記把持部を移動させることを特徴とする請求項１に記載のロボットマニピュレータ。
3. 前記把持ヘッドが着脱自在に前記把持ユニットに備わり、
   前記把持ヘッドを除く前記スレーブマニピュレータが消毒されない不潔部となり、前記被把持物及び前記把持ヘッドが消毒された清潔部となって前記不潔部と前記清潔部が隔離シートで隔離されたときに、
   前記清潔部の側から前記把持ヘッドを前記把持ユニットに取り付け可能であることを特徴とする請求項２に記載のロボットマニピュレータ。
4. 前記把持部が前記被把持物を把持する把持力を検出する把持力検出手段を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のロボットマニピュレータ。
5. 前記アクチュエータが空気圧で駆動する空気圧シリンダであって、
   前記把持力検出手段は、前記空気圧シリンダに供給される空気圧にもとづいて前記把持力を検出することを特徴とする請求項４に記載のロボットマニピュレータ。
6. 前記アクチュエータが電動アクチュエータであって、
   前記把持力検出手段は、前記電動アクチュエータに供給される電力の電圧にもとづいて前記把持力を検出することを特徴とする請求項４に記載のロボットマニピュレータ。
7. 前記被把持物がピンセットであって、
   前記アクチュエータは、前記マスタマニピュレータに入力される指示に応じて前記駆動手段を駆動して前記ピンセットを操作することを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載のロボットマニピュレータ。
8. 前記把持ユニットは、
   前記ピンセットの先端が前記中心線と前記基準軸の交点を通るように当該ピンセットを把持可能に構成されていることを特徴とする請求項７に記載のロボットマニピュレータ。
9. 前記把持ユニットに把持された前記被把持物が、前記中心線と前記基準軸の交点に向かう方向へ移動可能なように、当該把持ユニットをスライド移動可能に支持するスライドレールを有することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のロボットマニピュレータ。
10. 前記把持ユニットに把持された前記被把持物を保持可能な保持手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のロボットマニピュレータ。

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