JP7250303B2

JP7250303B2 - ワイヤ駆動マニピュレータ装置

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Publication number: JP7250303B2
Application number: JP2018176855A
Authority: JP
Inventors: 透小俣; 雄樹日下部
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2023-04-03
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JP2020044216A

Description

特許法第３０条第２項適用刊行物：ロボディクス・メカトロニクス講演会講演概要集２０１８１Ｐ１－Ｅ０６一般社団法人日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門北九州国際コンベンションゾーン１

本発明はワイヤ駆動マニピュレータ装置たとえば鉗子マニピュレータ装置に関する。

一般に、外科手術たとえば腹腔鏡手術、ロボット遠隔操作による手術においては、力情報を術者にフィードバックして高度な手術を実現する必要がある。力情報としては、
臓器の弾力等の接触力、縫合時の縫合糸の張力等の鉗子先端に加えられた外力、
血管等の組織を掴んだ際の鉗子グリッパの把持力
がある。

従来の鉗子マニピュレータ装置は、関節、関節に連結されるパイプ、関節を駆動するためのワイヤ、及び関節又はパイプの一端に接続された鉗子によって構成されている（参照：特許文献１）。このような鉗子マニピュレータ装置においては、上述の鉗子先端に加えられた外力や鉗子グリッパの把持力を計測して術者に力覚提示することが行われる。

力覚提示を行う従来の鉗子マニピュレータ装置においては、パイプの体外部分に力センサとしての空気圧アクチュエータを接続している（参照：特許文献２）。これにより、鉗子に加えられた外力を空気圧アクチュエータによって鉗子先端に加えられた外力として計測する。

特開２００７－３０７１８４号公報特開２０１３－２２０２７３号公報

しかしながら、上述の従来の鉗子マニピュレータ装置においては、空気圧アクチュエータをパイプの体外部分に接続しているので、計測されるパイプに加えられた外力は空気圧アクチュエータ自身等の摩擦を受けるので、鉗子に加えられた外力は鉗子先端に加えられた外力を正確に反映していないという課題がある。

また、鉗子グリッパの把持力を上述の空気圧アクチュエータを用いて計測した場合にも同様の課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係るワイヤ駆動マニピュレータ装置は、少なくとも１つの関節と、関節によって連結される少なくとも１つのパイプと、パイプ内に配設され、関節を駆動するためのワイヤと、ワイヤに振動を与えるためのワイヤ振動印加手段と、ワイヤ振動印加手段によって振動されたワイヤの振動周波数を検出するための周波数検出手段と、周波数検出手段によって検出された振動周波数からワイヤのワイヤ張力を演算するための制御ユニットとを具備し、ワイヤ振動印加手段は、パイプの中心部に設けられたシャフトと、シャフトの外周の一部に設けられ、シャフトが回転したときにワイヤに接触可能な突起とを具備するものである。

本発明によれば、計測されるパイプに加えられた外力は空気圧アクチュエータ自身等の摩擦の影響を受けないので、マニピュレータ先端に加えられた外力及びグリッパの把持力を正確に把握できる。

本発明の原理としてのワイヤ張力とワイヤ周波数との関係を示すグラフである。本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第１の実施の形態を説明するための図である。図２の鉗子マニピュレータ装置の拡大図であって、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）の突起の拡大斜視図である。図２のシャフトの組立て方法を説明するための図である。図３の関節近傍を示す分解斜視図である。図２の制御ユニットの動作を説明するためのフローチャートである。本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第２の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第３の実施の形態を説明するための図である。図８の基台の内部構造を示す断面図である。本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第４の実施の形態を説明するための図である。図１０の鉗子マニピュレータ装置の変更例を示す図である。本発明が適用される鉗子マニピュレータ装置を示す図である。

図１は本発明の原理としてのワイヤ張力Ｔ（Ｎ）とワイヤ周波数ｆ（Ｈｚ）との関係を示すグラフである。一般に、ワイヤを２点間に張力Ｔ（Ｎ）で張らして発生する音声振動の振る舞いの周波数ｆ（Ｈｚ）は弦理論によって次式（１）で表すことができる。
ｆ＝（ｎ／２Ｌ）√（Ｔ／ρ）（１）
但し、Ｌはワイヤの長さ（ｍ）
ρはワイヤの線密度（ｋｇ／ｍ）
ｎは振動モード次数
Ｌ＝０．２１３ｍ、ρ＝０．５×１０^－３ｋｇ／ｍ、ｎ＝１とした場合の式（１）による理論値ｆ_ｒは図１の実線で示すごとくであり、ワイヤに張力５．３Ｎ、…を与えたときにマイクロフォンによって採取した実験値として音声振動のワイヤ周波数ｆ_ｅ１、ｆ_ｅ２、…は理論値ｆ_ｒとほぼ完全に一致した。従って、音声振動のワイヤ周波数を計測すれば式（１）の逆関数を用いてワイヤ張力を得ることができる。

図２は本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第１の実施の形態を示す図である。

図２において、鉗子マニピュレータ装置は、２自由度鉗子型であって、外径８ｍｍ程度、内径６ｍｍ程度の金属たとえばステンレス製のパイプ１と、パイプ１に連結され、スラスト軸（又はユニバーサルジョイント）によって構成され、θ方向、φ方向の２方向に駆動する関節２と、関節２のパイプ１の反対側に鉗子リンク３を介して接続された鉗子グリッパ４とによって構成されている。パイプ１内及びパイプ１の非鉗子側には、関節２を駆動させるための素線径０．０４ｍｍ程度のワイヤをよったケーブル（このケーブルを慣例的にワイヤと呼んでいるので、以下ワイヤとする）Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４及び鉗子グリッパ４を駆動させるためのワイヤＷ５、Ｗ６が配設されている。この場合、拮抗駆動されるワイヤＷ１、Ｗ２は関節２において接続され、関節２をθ方向に駆動させる。また、拮抗駆動されるワイヤＷ３、Ｗ４は関節２において接続され、関節２をφ方向に駆動させる。さらに、拮抗駆動されるワイヤＷ５、Ｗ６は鉗子グリッパ４において接続され、鉗子グリッパ４を開閉する。

パイプ１内の中心部には、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に振動を与えるための高さ１ｍｍ程度の突起（ピン）５ａを有する金属たとえばステンレス製の外径３ｍｍ程度のシャフト５を設ける。この場合、シャフト５が回転したときに、突起５ａはワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に接触できる位置に設けられている。

パイプ１の非鉗子側には、基台６が設けられ、基台６内にワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を駆動するためのアクチュエータ（モータを含む）６１－１、６１－２、６１－３、６１－４、６１－５、６１－６が設けられ、また、シャフト５を駆動するためのアクチュエータ（モータ）６２が設けられる。この場合、シャフト５は基台６内をも通過する。さらに、基台６の内部にパイプ１のワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の音声振動を入力するためのマイクロフォン７を設ける。アクチュエータ６１－１、６１－２、６１－３、６１－４、６１－５、６１－６、６２及びマイクロフォン７はマイクロコンピュータ等によって構成される制御ユニット８に接続される。尚、マイクロフォン７は音声振動を計測するので、パイプ１内に電気配線を必要とせず、また、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に対してマイクロフォン７は１つでよい。

図３は図２の鉗子マニピュレータ装置の拡大図であって、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）の突起の拡大斜視図である。

図３に示すように、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６はベアリング固定部材１ａの穴から基台６内のプーリ６３－１、６３－２、６３－３、６３－４、６３－５、６３－６を介してアクチュエータ（モータ）６１－１、６１－２、６１－３、６１－４、６１－５、６１－６によって巻取られ又は弛められる。この場合、プーリ６３－１、６３－２、６３－３、６３－４、６３－５、６３－６はワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動の振動固定端（以下、単に振動固定端）として作用する。他方、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を通すためのベアリング固定部材１ａの穴の直径はワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の直径より十分大きく、従って、ベアリング固定部材１ａはワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動に干渉しない。これにより、突起５ａによるワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動はプーリ６３－１、６３－２、６３－３、６３－４、６３－５と関節２との間で閉じ込まれて弦振動する。

シャフト５は、回転し易くするために、パイプ１の鉗子リンク３側に設けられたワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を通過させるベアリング固定部材１ａにフランジ付ベアリング１ｂによって回転可能に支持され、他方、基台６内に設けられたワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を通過させるベアリング固定部材６ａにベアリング６ｂによって支持される。また、パイプ１は基台６のパイプ固定部材６ｃに支持される。たとえば、図４に示すように、シャフト５はフランジ付ベアリング１ｂを挿入した上でベアリング固定部材１ａに挿入される。

また、図３の（Ｃ）に示すように、突起５ａは、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を巻き込まずに回転しかつワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に緩やかに接触するために円弧断面形状にする。この場合、突起５ａの材料としては、加工し易くかつ耐衝撃性の樹脂たとえばアクリロニトリル－ブタジエン－スチレン重合体（ＡＢＳ）樹脂を用い、ステンレス製のシャフト５に形成された溝に嵌め込み、接着剤によって固定する。

図５は図３の関節近傍の分解斜視図である。

図５に示すように、関節２は拮抗駆動されるワイヤＷ１、Ｗ２が１本のワイヤとして巻回されるプーリ２ａ及び拮抗駆動されるワイヤＷ３、Ｗ４が１本のワイヤとして巻回されるプーリ２ｂよりなり、θ方向、φ方向の２方向に回転するスラスト形関節（又はユニバーサルジョイント）を構成する。

関節２部分の組立ては、鉗子リンク３のサポータ部にプーリ２ｂを固定したフレーム２ｃを挿入し、平行ピン２ｄによってプーリ２ｂを回転可能に支持する。そして、ワイヤＷ３、Ｗ４（図示せず）をプーリ２ｂに通す。次に、プーリ２ａを回転可能に支持したハンド２ｅをフレーム２ｃに固定することによりプーリ２ａはパイプ１の先端部に回転可能に挿入される。このとき、ワイヤＷ１、Ｗ２をプーリ２ａに通す。尚、図示しないが、鉗子グリッパ４用のワイヤＷ５、Ｗ６（図示せず）は予め通しておく。

図２の制御ユニット８の動作を図６を参照して説明する。

始めに、ステップ６０１にてアクチュエータ（モータ）６１－１、６１－２、６１－３、６１－４、６１－５、６１－６を初期設定する。この結果、各ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６のワイヤ張力は初期設定される。

次に、ステップ６０２にて、アクチュエータ（モータ）６２の回転角度を制御することによってシャフト５を駆動する。この場合、アクチュエータ（モータ）６２の回転速度の周波数は各ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の音声振動の周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５、ｆ_６より十分小さく設定される。これにより、各ワイヤの加振と次の加振との間のワイヤの自由振動状態がサンプリングされるようにする。

次に、ステップ６０３にて、シャフト５の回転角度に同期してワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６が発生する各音声振動をマイクロフォン７からサンプリングする。このとき、各ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６毎に音声振動の周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５、ｆ_６を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を用いて演算し、各周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５、ｆ_６から式（１）の逆関数を用いて各ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６のワイヤ張力Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５、Ｔ_６を演算する。

次に、ステップ６０４にて、関節２のワイヤＷ１、Ｗ２による発生トルクτ_１を、
τ_１＝ｒ_１（Ｔ_１－Ｔ_２）（２）
但し、ｒ_１はワイヤＷ１、Ｗ２に対する関節２のプーリ２ａの半径
を演算する。また、関節２のワイヤＷ３、Ｗ４による発生トルクτ_２を
τ_２＝ｒ_２（Ｔ_３－Ｔ_４）（３）
但し、ｒ_２はワイヤＷ３、Ｗ４に対する関節２のプーリ２ｂの半径
を演算する。さらに、鉗子グリッパ４の把持力τ_３を、
τ_３＝ｒ_３（Ｔ_５－Ｔ_６）（４）
但し、ｒ_３はワイヤＷ５、Ｗ６に対する鉗子グリッパ４のプーリ（図示せず）の半径
を演算する。

次に、ステップ６０５にて、鉗子グリッパ４の先端に加えられた外力ベクトルＦを次式に基づいて演算する。
Ｆ＝Ｊ^－Ｔτ （５）
但し、τはトルクベクトル（τ_１、τ_２）
Ｊは２×２のヤコビ行列
Ｊ^－ＴはＪの逆行列
である。一般に、ヤコビ行列は関節２の回転角つまり鉗子グリッパ４の方向であり、アクチュエータ（モータ）６１－５、６１－６のワイヤＷ５、Ｗ６に対する鉗子リンク３の回転角度で決定される。

最後に、ステップ６０６にて、術者によってアクチュエータ（モータ）６１－１、６１－２、６１－３、６１－４、６１－５、６１－６が再設定され、ステップ６０２～６０５のフローが繰返される。

図７は本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第２の実施の形態を説明するための図である。

図７においては、図２の突起５ａを有するシャフト５の代りに、パイプ１の内側に突起１１ａを有するステンレス製の厚さ１ｍｍ程度の内パイプ１１を設け、内パイプ１１を回転駆動するためのアクチュエータ（モータ）６２’及びベルト６２”を基台６内の内パイプ１１の端部に設ける。この場合、内パイプ１１はパイプ１より短く、突起１１ａはパイプ１内の内パイプ１１の内側かつ先端側に設けられると共に、内パイプ１１が回転したときに突起１１ａはワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に接触できる位置に設けられている。尚、突起１１ａも第１の実施の形態の突起５ａと同一形状、同一材料とする。

図７の鉗子マニピュレータ装置の制御ユニット８も、図６のフローチャートに従って動作する。

図２に示す第１の実施の形態及び図７に示す第２の実施の形態においては、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６のワイヤ振動印加手段である突起５ａ、１１ａを有するシャフト５、内パイプ１１はパイプ１内に設けられている。このため、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動部分は比較的長くなる。この結果、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の発生する音声振動の周波数が小さくなり、つまり、低周波数化してノイズの帯域と重複する可能性がある。このため、以下の第３、第４の実施の形態においては、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に対する突起を有するワイヤ振動印加手段をパイプ１を固定する基台に設け、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動部分を短くすることによりワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６が発生する音声振動の周波数をより大きくし、ノイズの帯域に重複しないようにする。

図８は本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第３の実施の形態を説明するための図である。

図８においては、図７の内パイプ１１より短い内パイプ１１’を基台６内に設け、内パイプ１１’の突起１１’ａを基台６内のパイプ１の延長上に設ける。

図８の鉗子マニピュレータ装置においては、突起１１’ａによるワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動を基台６内に閉じ込める必要がある。このため、たとえば、図９の（Ａ）に示すごとく、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の突起１１’ａの両側の基台６の固定部材６ａ’、６ｃ’を振動固定端とする（参照：図１０の部材６ａ、６ｃ相当）。また、図９の（Ｂ）に示すごとく、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の突起１１’ａの両側に振動固定端としてのプーリ６３－１－ａ’、６３－１－ｂ’を設ける（参照：図１１のプーリ６３－１－ａ、６３－２－ａ、６３－３－ａ、６３－４－ａ、６３－５－ａ、６３－６－ａ；６３－１－ｂ、６３－２－ｂ、６３－３－ｂ、６３－４－ｂ、６３－５－ｂ、６３－６－ｂ相当）。さらに、図９の（Ｃ）、（Ｄ）に示すごとく、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の突起１１’ａの一方側の固定部材を振動固定端とし、突起１１’ａの他方側に振動固定端としてのプーリを設ける。これにより、突起１１’ａによるワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動は２つの振動固定端の間に閉じ込められて弦振動する。尚、振動固定端をなす固定部材とは、後述のごとく、固定部材の穴の直径がワイヤの直径より僅かに大きい程度の場合である。

図１０は本発明に係る鉗子マニピュレータ装置の第４の実施の形態を説明するための図である。

図１０においては、図２の突起５ａを有するパイプ１内のシャフト５の代りに、突起５’ａを有するシャフト５’を基台６内に設ける。シャフト５’は基台６のベアリング固定部材６ａのベアリング６ｂに回転可能に支持される。また、基台６のパイプ固定部材６ｃはパイプ１の内側にフランジ付ベアリング６ｄを固定し、シャフト５’はフランジ付ベアリング６ｄによって回転可能に支持される。尚、シャフト５’はパイプ１内に存在しない。この場合も、シャフト５’が回転したときに突起５’ａはワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に接触できる位置に設けられている。尚、突起５’ａも第１の実施の形態の突起５ａと同一形状、同一材料とする。

図１０においては、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を通すためのパイプ固定部材６ｃの穴の直径はワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の直径より僅かに大きい程であり、従って、パイプ固定部材６ｃはワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動固定端として作用する。同様に、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を通すためのベアリング固定部材６ａの穴の直径はワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の直径より僅かに大きい程であり、従って、ベアリング固定部材６ａもワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動固定端として作用する。これにより、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動はパイプ固定部材６ｃとベアリング固定部材６ａとの間で閉じ込められて弦振動する。

図１０の鉗子マニピュレータ装置の制御ユニット（図示せず）も、図６のフローチャートに従って動作する。

図１１は図１０の鉗子マニピュレータ装置の変更例を示す図である。

図１１においては、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を通すためのパイプ固定部材６ｃの穴の直径はワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の直径より十分大きく、従って、パイプ固定部材６ｃはワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動に干渉しない。つまり、振動はベアリング固定部材６ｃを介して散逸する。同様に、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を通すためのベアリング固定部材６ａの穴の直径はワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の直径より十分大きく、従って、ベアリング固定部材６ａもワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動に干渉しない。つまり、振動はベアリング固定部材６ａを介して散逸する。このため、基台６内にワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動を基台６内に閉じ込めさせるために、プーリ６３－１－ａ、６３－１－ｂ；６３－２－ａ、６３－２－ｂ；６３－３－ａ、６３－３－ｂ；６３－４－ａ、６３－４－ｂ；６３－５－ａ、６３－５－ｂ；６３－６－ａ、６３－６－ｂを設ける。この結果、プーリ６３－１－ａ、６３－２－ａ、６３－３－ａ、６３－４－ａ、６３－５－ａ、６３－６－ａはワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動固定端として作用し、同様に、プーリ６３－１－ｂ、６３－２－ｂ、６３－３－ｂ、６３－４－ｂ、６３－５－ｂ、６３－６－ｂもワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動固定端として作用する。これにより、ワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の振動はプーリ６３－１－ａ、６３－２－ａ、６３－３－ａ、６３－４－ａ、６３－５－ａ、６３－６－ａとプーリ６３－１－ｂ、６３－２－ｂ、６３－３－ｂ、６３－４－ｂ、６３－５－ｂ、６３－６－ｂとの間に閉じ込められて弦振動する。

尚、図１０又は図１１においては、突起５’ａを含むワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の両側に振動固定端としての固定部材又はプーリを設けているが、突起５’ａを含むワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６の一方側を振動固定端としての固定部材を設け、他方側に振動固定端としてのプーリを設けてもよい。

上述の実施の形態は１つのパイプ、１つの関節を有する２自由度鉗子マニピュレータ装置を示しているが、本発明は図１２に示す種々の鉗子マニピュレータ装置に適用できる。たとえば、図１２の（Ａ）はパイプ１－１、１－２、１－３及び関節２－１、２－２及び２関節型を示し、図１２の（Ｂ）、（Ｃ）はパイプ１－１、１－２、１－３、１－４及び関節２－１、２－２、２－３を有する３関節型を示し、図１２の（Ｄ）は３関節型であるが、１つの関節２’－１は柔軟関節である。いずれにおいても、基台６、マイクロフォン７及び制御ユニット８は非先端側のパイプ１－１に設けられる。

また、上述の実施の形態においては、ワイヤ拮抗駆動鉗子マニピュレータ装置を示しているが、本発明はワイヤ閉ループ駆動鉗子マニピュレータ装置にも適用できる。尚、ワイヤ閉ループ駆動鉗子マニピュレータ装置においては、１本のワイヤを関節に掛るので、１つの関節に対してアクチュエータ（モータ）は１つで済む。

さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

本発明は鉗子マニピュレータ装置以外に、ロボット等のマニピュレータ装置にも利用できる。

１：パイプ
１ａ：ベアリング固定部材
１ｂ：ベアリング
２：関節
２ａ、２ｂ：プーリ
２ｃ：フレーム
２ｄ：平行ピン
２ｅ：ハンド
３：鉗子リンク
４：鉗子グリッパ
５、５’：シャフト
５ａ、５’ａ：突起（ピン）
６：基台
６１－１、６１－２、６１－３、６１－４、６１－５、６１－６、６２、６２’：アクチュエータ（モータ）
６２”：ベルト
６３－１、６３－２、６３－３、６３－４、６３－５、６３－６：プーリ
６３－１－ａ、６３－１－ｂ；６３－２－ａ、６３－２－ｂ；６３－３－ａ、６３－３－ｂ；６３－４－ａ、６３－４－ｂ；６３－５－ａ、６３－５－ｂ；６３－６－ａ、６３－６－ｂ：プーリ
６ａ：ベアリング固定部材
６ｂ：ベアリング
６ｃ：パイプ固定部材
６ｄ：ベアリング
７：マイクロフォン
８：制御ユニット
１１、１１’：内パイプ
１１ａ、１１’ａ：突起
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６：ワイヤ

Claims

少なくとも１つの関節と、
前記関節に連結される少なくとも１つのパイプと、
前記パイプ内に配設され、前記関節を駆動するためのワイヤと、
前記ワイヤに振動を与えるためのワイヤ振動印加手段と、
前記ワイヤ振動印加手段によって振動された前記ワイヤの振動周波数を検出するための周波数検出手段と、
前記周波数検出手段によって検出された振動周波数から前記ワイヤのワイヤ張力を演算するための制御ユニットと
を具備し、
前記ワイヤ振動印加手段は、前記パイプの中心部に設けられたシャフトと、前記シャフトの外周の一部に設けられ、該シャフトが回転したときに前記ワイヤに接触可能な突起とを具備するワイヤ駆動マニピュレータ装置。
少なくとも１つの関節と、
前記関節に連結される少なくとも１つのパイプと、
前記パイプ内に配設され、前記関節を駆動するためのワイヤと、
前記ワイヤに振動を与えるためのワイヤ振動印加手段と、
前記ワイヤ振動印加手段によって振動された前記ワイヤの振動周波数を検出するための周波数検出手段と、
前記周波数検出手段によって検出された振動周波数から前記ワイヤのワイヤ張力を演算するための制御ユニットと、
前記パイプの非先端側に設けられた基台と
を具備し、
前記ワイヤは前記基台内にも配設され、
前記ワイヤ振動印加手段は、前記基台内に設けられたシャフトと、前記シャフトの外周の一部に設けられ、該シャフトが回転したときに前記ワイヤに接触可能な突起とを具備するワイヤ駆動マニピュレータ装置。
さらに、前記基台内に設けられ、前記ワイヤの振動を閉じ込めるための第１、第２の固定部材を具備し、
前記第１の固定部材は、前記シャフトの非先端側に設けられ、前記ワイヤを前記基台内に通すために前記ワイヤの直径より僅かに大きい直径の第１の穴を有し、前記ワイヤが前記第１の穴に存在するときに該第１の穴が前記ワイヤの振動の第１の振動固定端として作用し、
前記第２の固定部材は、前記シャフトの先端側に設けられ、前記ワイヤを前記基台内に通すために前記ワイヤの直径より僅かに大きい直径の第２の穴を有し、前記ワイヤが前記第２の穴に存在するときに該第２の穴が前記ワイヤの振動の第２の振動固定端として作用し、
前記ワイヤは前記第１の固定部材の前記第１の穴と前記第２の固定部材の前記第２の穴との間を通過し、
前記突起は前記第１の固定部材と前記第２の固定部材との間に位置する請求項２に記載のワイヤ駆動マニピュレータ装置。
さらに、前記基台内に設けられ、前記ワイヤの振動を閉じ込めるための第１、第２のプーリを具備し、
前記第１のプーリは、前記シャフトの非先端側に設けられ、前記ワイヤが前記第１のプーリに当接したときに前記ワイヤと前記第１のプーリとの当接部が前記ワイヤの振動の第１の振動固定端として作用し、
前記第２のプーリは、前記シャフトの先端側に設けられ、前記ワイヤが前記第２のプーリに当接したときに前記ワイヤと前記第２のプーリとの当接部が前記ワイヤの振動の第２の振動固定端として作用し、
前記ワイヤは前記第１のプーリと前記第２のプーリとの間を該第１、第２のプーリを当接しながら通過し、
前記突起は前記第１のプーリと前記第２のプーリとの間に位置する請求項２に記載のワイヤ駆動マニピュレータ装置。
さらに、
前記基台内に設けられ、前記ワイヤの振動を閉じ込めるための固定部材及びプーリを具備し、
前記固定部材は、前記シャフトの非先端側又は先端側の一方に設けられ、前記ワイヤを前記基台内に通すために前記ワイヤの直径より僅かに大きい直径の穴を有し、前記ワイヤが前記穴に存在するときに該穴が前記ワイヤの振動の第１の振動固定端として作用し、
前記プーリは、前記シャフトの非先端側又は先端側の他方に設けられ、前記ワイヤが前記プーリに当接したときに前記ワイヤと前記プーリとの当接部が前記ワイヤの振動の第２の振動固定端として作用し、
前記ワイヤは前記固定部材の前記穴と前記プーリとの間を該プーリを当接しながら通過し、
前記突起は前記固定部材と前記プーリとの間に位置する請求項２に記載のワイヤ駆動マニピュレータ装置。
少なくとも１つの関節と、
前記関節に連結される少なくとも１つのパイプと、
前記パイプ内に配設され、前記関節を駆動するためのワイヤと、
前記ワイヤに振動を与えるためのワイヤ振動印加手段と、
前記ワイヤ振動印加手段によって振動された前記ワイヤの振動周波数を検出するための周波数検出手段と、
前記周波数検出手段によって検出された振動周波数から前記ワイヤのワイヤ張力を演算するための制御ユニットと、
前記パイプの非先端側に設けられた基台と
を具備し、
前記ワイヤ振動印加手段は、
前記パイプの内側かつ前記ワイヤの外側に設けられた前記パイプより短い内パイプと、
前記内パイプの先端側内周の一部に設けられ、前記内パイプが回転したときに前記ワイヤに接触可能な突起とを具備し、前記内パイプの非先端側は前記基台内に設けられたワイヤ駆動マニピュレータ装置。
少なくとも１つの関節と、
前記関節に連結される少なくとも１つのパイプと、
前記パイプ内に配設され、前記関節を駆動するためのワイヤと、
前記ワイヤに振動を与えるためのワイヤ振動印加手段と、
前記ワイヤ振動印加手段によって振動された前記ワイヤの振動周波数を検出するための周波数検出手段と、
前記周波数検出手段によって検出された振動周波数から前記ワイヤのワイヤ張力を演算するための制御ユニットと、
前記パイプの非先端側に設けられた基台と
を具備し、
前記ワイヤは前記パイプの非先端側の延長上の前記基台内にも配設され、
前記ワイヤ振動印加手段は、前記基台内に設けられた内パイプと、前記内パイプの内周の一部に設けられ、前記内パイプが回転したときに前記ワイヤに接触可能な突起とを具備するワイヤ駆動マニピュレータ装置。
さらに、前記基台内に設けられ、前記ワイヤの振動を閉じ込めるための第１、第２の固定部材を具備し、
前記第１の固定部材は、前記内パイプの非先端側に設けられ、前記ワイヤを前記基台内に通すために前記ワイヤの直径より僅かに大きい直径の第１の穴を有し、前記ワイヤが前記第１の穴に存在するときに該第１の穴が前記ワイヤの振動の第１の振動固定端として作用し、
前記第２の固定部材は、前記内パイプの先端側に設けられ、前記ワイヤを前記基台内に通すために前記ワイヤの直径より僅かに大きい直径の第２の穴を有し、前記ワイヤが前記第２の穴に存在するときに該第２の穴が前記ワイヤの振動の第２の振動固定端として作用し、
前記ワイヤは前記第１の固定部材の前記第１の穴と前記第２の固定部材の前記第２の穴との間を通過し、
前記突起は前記第１の固定部材と前記第２の固定部材との間に位置する請求項７に記載のワイヤ駆動マニピュレータ装置。
さらに、前記基台内に設けられ、前記ワイヤの振動を閉じ込めるための第１、第２のプーリを具備し、
前記第１のプーリは、前記内パイプの非先端側に設けられ、前記ワイヤが前記第１のプーリに当接したときに前記ワイヤと前記第１のプーリとの当接部が前記ワイヤの振動の第１の振動固定端として作用し、
前記第２のプーリは、前記内パイプの先端側に設けられ、前記ワイヤが前記第２のプーリに当接したときに前記ワイヤと前記第２のプーリとの当接部が前記ワイヤの振動の第２の振動固定端として作用し、
前記ワイヤは前記第１のプーリと前記第２のプーリとの間を該第１、第２のプーリを当接しながら通過し、
前記突起は前記第１のプーリと前記第２のプーリとの間に位置する請求項７に記載のワイヤ駆動マニピュレータ装置。
さらに、
前記基台内に設けられ、前記ワイヤの振動を閉じ込めるための固定部材及びプーリを具備し、
前記固定部材は、前記内パイプの非先端側又は先端側の一方に設けられ、前記ワイヤを前記基台内に通すために前記ワイヤの直径より僅かに大きい直径の穴を有し、前記ワイヤが前記穴に存在するときに該穴が前記ワイヤの振動の第１の振動固定端として作用し、
前記プーリは、前記内パイプの非先端側又は先端側の他方に設けられ、前記ワイヤが前記プーリに当接したときに前記ワイヤと前記プーリとの当接部が前記ワイヤの振動の第２の振動固定端として作用し、
前記ワイヤは前記固定部材の前記穴と前記プーリとの間を該プーリを当接しながら通過し、
前記突起は前記固定部材と前記プーリとの間に位置する請求項７に記載のワイヤ駆動マニピュレータ装置。