JPWO2011155070A1 - 手術支援ロボット用のパラレルマニピュレータ - Google Patents

Abstract

本発明のパラレルマニプレータは、エンドエフェクタ（１）と、エンドエフェクタ（１）を一端部で支持する複数本のリンク（３）と、リンク（３）の他端部に連結された複数の立体カム機構（１０）と、を具備する。立体カム機構（１０）は、回転式のアクチュエータ（２２）によってカム回転軸（１１Ａ）まわりに回転駆動される立体カム（１１）と、フォロア回転軸（１２Ａ）まわりに回動自在に支持され且つリンク（３）に連結されるフォロア（１２）とを有する。立体カム（１１）には３次元的なカム案内面（１３）を形成し、カム回転軸（１１Ａ）とフォロア回転軸（１２Ａ）を捩れの位置の関係に設ける。立体カム（１１）がカム回転軸（１１Ａ）まわりに回転すると、フォロア（１２）がカム案内面（１３）にガイドされながらフォロア回転軸（１２Ａ）まわりに揺動する。

Description

本発明は、立体カム機構を用いたパラレルマニピュレータに関する。

近年、工作機械などの産業分野、手術支援ロボットなどの医療分野といった広範な分野において、パラレルマニピュレータが応用されている。パラレルマニピュレータは、エンドエフェクタを複数のリンクで支持する構造であり、高剛性を有するという特徴や、関節の誤差を累積しないので高精度化が可能であるという特徴を有している。

パラレルマニピュレータは、原動節の駆動方式によって、リニア型と回転型に分類される。図７には、日本公開特許第２００４−１８７７９８号公報に記載の、リニア型のパラレルマニピュレータを示している。図７に示すリニア型のパラレルマニピュレータにおいては、複数の進退移動部材１００をそれぞれ軸方向Ｚに進退駆動させることで、リンク１０１を介してエンドエフェクタ１０２を軸方向Ｚへ平行移動やピッチ・ヨー角で揺動させることができる。しかし、このリニア型のパラレルマニピュレータでは、直動運動を行うアクチュエータの選定が限定されてしまう。

これに対して、駆動部に回転要素を用いた回転型のパラレルマニピュレータによれば、アクチュエータに用いるモータとして、回転型の多様なモータを利用することができる。また、エンドエフェクタの挙動としても、軸方向Ｚの平行移動とピッチ・ヨー角の広範囲での回転とを組み合わせた多様な挙動が、駆動部の回転によって速やかに実現される。

一方、回転型のパラレルマニピュレータにおいては、複数の回転型のモータを収容するためにベース部分が大型化しやすくなり、パラレルマニピュレータ全体をコンパクト化することが困難になるという問題がある。

図８には、従来型の回転型のパラレルマニピュレータの構成を、概略的に示している。図示のように、エンドエフェクタ１１１には複数のリンク１１０が回転自在に連結されており、各リンク１１０は、回転式のモータからなるアクチュエータ１１２によってそれぞれ揺動駆動される。ここで、各アクチュエータ１１２は、エンドエフェクタ１１１が平行移動する軸方向Ｚ（図中上下方向）に対してその回転軸が直角となるように（つまり横置きで寝かせるように）配置される。アクチュエータ１１２をなす回転式のモータは、軸方向に長いサーボモータであることが一般的であり、また、アクチュエータ１１２においてはモータにさらに減速機構を連結して設けることも一般的である。そのため、図８のようにアクチュエータ１１２が横置きの配置となるのでは、必然的に、これらアクチュエータ１１２を収容するベース部分１１３が大径化するのである。

本発明は上記問題点を解決するために為されたものであって、回転型のパラレルマニピュレータの更なる小径化を実現することを、目的とする。

本発明のパラレルマニピュレータは、エンドエフェクタ１と、エンドエフェクタ１をその一端部にて回動自在に支持する複数本のリンク３と、リンク３の他端部にそれぞれ回動自在に連結された複数の立体カム機構１０と、を具備したパラレルマニピュレータである。

立体カム機構１０は、回転式のアクチュエータ２２によって所定のカム回転軸１１Ａまわりに回転駆動される立体カム１１と、所定のフォロア回転軸１２Ａまわりに回動自在に支持され且つリンク３の他端部に回動自在に連結されるフォロア１２と、を有する。

立体カム１１に、カム回転軸１１Ａからの半径とカム回転軸１１Ａ方向の高さが周方向に沿って変化する３次元的なカム案内面１３を形成し、カム回転軸１１Ａとフォロア回転軸１２Ａを捩れの位置の関係に設けることで、立体カム１１がカム回転軸１１Ａまわりに回転すると、フォロア１２がカム案内面１３にガイドされながらフォロア回転軸１２Ａまわりに揺動するように設ける。

前記構成からなる本発明のパラレルマニピュレータによれば、カム回転軸１１Ａがフォロア回転軸１２Ａに対して捩れの位置（つまり、交差することなく且つ平行とならない位置）にあるので、複数のアクチュエータ２２を横置きの配置にせずとも、これらアクチュエータ２２によって立体カム１１をカム回転軸１１Ａまわりに回転させることができる。これにより、アクチュエータ２２を配置する部分の大径化が抑制される。また、立体カム機構１０自体も、曲面同士で運動を伝達するものであるため、小型・高強度のシンプルな機構であり且つ高い動作精度を有するものとして提供可能となる。

つまり、本発明のパラレルマニピュレータによれば、パラレルマニピュレータの特長部分と、立体カム１０自体の特長部分とを相互に活かすことができる。そのため、高い動作精度、高剛性および高出力を実現するとともに、パラレルマニピュレータ全体の小径化を実現することができる。また、立体カム機構１０を用いたことから、組み立て性も良好となる。

本発明のパラレルマニピュレータにおいては、複数の立体カム機構１０のカム回転軸１１Ａの軸方向を、略平行に設けることが好適である。

このとき、リンク３と、リンク３に連結される立体カム機構１０と、立体カム機構１０の立体カム１１を回転駆動させるアクチュエータ２２と、からなる駆動ブロック５０を複数設け、複数の駆動ブロック５０同士を、束状に密接配置することが好適である。

さらにこのとき、駆動ブロック５０を３つ設け、同心円上に密接配置することが好適である。

また、本発明のパラレルマニピュレータにおいては、カム回転軸１１Ａの軸方向と、フォロア回転軸１２Ａの軸方向を、直角をなす方向に設けることが好適である。

本発明の実施形態における一例のパラレルマニピュレータの一部を断面とした側面図である。 同上のパラレルマニピュレータの斜視図である。 同上のパラレルマニピュレータに備える立体カム機構の要部斜視図である。 立体カムの回転角度が０°のときの立体カム機構の要部側面図である。 立体カムの回転角度が７０°のときの立体カム機構の要部側面図である。 立体カムの回転角度が１４０°のときの立体カム機構の要部側面図である。 従来のリニア型のパラレルマニピュレータの説明図である。 従来の回転型のパラレルマニピュレータの説明図である。

本発明を、添付の図面に従って詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態における一例のパラレルマニピュレータの一部を断面とした側面図であり、図２は斜視図である。なお、図２は、図１に備えたベースプレート５を外した状態である。

本例のパラレルマニピュレータは、図３〜図６に示す立体カム機構１０を原動節に用いたものであり、立体カム機構１０を駆動するためのアクチュエータ２２を横配置せずとも、また複雑な機構を要さずとも、リンク３を揺動駆動することが可能になっている。以下、具体的な構造について述べる。

図１、図２に示すように、本例のパラレルマニピュレータは、円板状のエンドエフェクタ１を備え、このエンドエフェクタ１の背面側に、複数（本例では３つ）のボールジョイント２を、互いに等間隔を隔てて形成している。各ボールジョイント２には、棒状のリンク３の軸方向の一端側を、それぞれ全方向に回動自在に連結させている。つまり、エンドエフェクタ１の背面には、都合３本のリンク３の一端部を全方向に回動自在に連結させており、リンク３の姿勢に応じてエンドエフェクタ１の姿勢および位置が変更自在となっている。

なお、本文中においては、リンク３に対してエンドエフェクタ１が位置する側を正面側、その逆側を背面側とする。

リンク３の他端部（つまり、前記一端部とは反対側の軸方向端部）には、立体カム機構１０が有するフォロア１２の先端部分を、所定の連結軸３Ａまわりに回動自在に連結させている。各リンク３には、それぞれ対応する立体カム機構１０を１対１で連結させており、リンク３と立体カム機構１０とこれらを駆動させるアクチュエータ２２とからなる駆動ブロック５０が、都合３つパラレルに配置されている。

図３にも示すように、立体カム機構１０は、所定のカム回転軸１１Ａのまわりに回動自在に支持される立体カム１１と、所定のフォロア回転軸１２Ａまわりに回動自在に支持されるフォロア１２と、を有している。立体カム１１には、略円弧状の立体的なカム案内面１３を一対形成しており、フォロア１２には、一対のフォロアアーム１４を、各カム案内面１３に１対１で対応するように形成している。立体カム１１とフォロア１２には、少なくともカム案内面１３とフォロアアーム１４を覆うようにＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）等のコーティングを施し、低摩擦と低摩耗性を実現することが好ましい。

本例では、各カム案内面１３に対してフォロアアーム１４が摺接しながらフォロア１２を揺動させるように設けているが、フォロアアーム１４にガイドローラを設けておき、このガイドローラが転動しながらフォロア１２を揺動させるように設けてもよい。また、本例では、カム案内面１３とこれに押圧されるフォロアアーム１４を一対ずつ設け、一対のフォロアアーム１４で一対のカム案内面１３を挟み込んで常時摺接するように設けているが、カム案内面１３とフォロアアーム１４を１対１で対応するように一つずつ、或いは３以上の複数ずつ設けてあってもよい。特に、カム案内面１３とこれに摺接するフォロアアーム１４を一つずつ設けた場合には、カム案内面１３に対してフォロアアーム１４を押し付けるスプリング等の付勢手段を設けておくことが好ましい。

一対のカム案内面１３は、互いに３次元的に独立した形状であり、立体カム１１の軸方向Ｚ側を向く面に形成される。カム案内面１３はそれぞれ、カム回転軸１１Ａからの半径と、カム回転軸１１Ａ方向の高さが共に、カム回転軸１１Ａまわりの周方向に沿って漸次変化するように形成している。そのため、立体カム１１がカム回転軸１１Ａまわりに回転をすると、立体カム１１のカム案内面１３とフォロアアーム１４の互いの接触位置が変更され、フォロア１２全体が揺動駆動される。

ここで、立体カム１１の回転中心をなすカム回転軸１１Ａと、フォロア１２の回転中心をなすフォロア回転軸１２Ａとは、交差することなく且つ平行とはならない位置関係（以下、これを「捩れ位置」の関係という。）に設けている。前記捩れの位置の関係にあることで、立体カム１１のカム回転軸１１Ａまわりの回転運動が、フォロア１２のフォロア回転軸１２Ａまわりの揺動運動に変換される。なお、前記捩れの位置の関係にあるカム回転軸１１Ａとフォロア回転軸１２Ａとは、立体交差するような位置関係にあり、同一平面上に両軸１１Ａ、１２Ａが位置することはない。

そして、本例のパラレルマニピュレータでは、カム回転軸１１Ａの軸方向と、フォロア回転軸１２Ａの軸方向を、直角をなす方向に設定している。つまり、カム回転軸１１Ａとフォロア回転軸１２Ａとは、直角を成す方向をその軸方向とし、且つ、交差することはない関係にある。なお、カム回転軸１１Ａとフォロア回転軸１２Ａの軸方向は、略直角をなす方向であればよい。

図４には、立体カム１１とフォロア１２の回転角度がともに０°の状態を示している。このとき、フォロア１２から延設したフォロアアーム１４は、対応する略円弧状のカム案内面１３のうち一方の周方向端部に当接している。図５は、立体カム１１をカム回転軸１１Ａまわりに７０°回転させた状態であり、フォロア１２はフォロア回転軸１２Ａまわりに５０°回転している。このとき、フォロア１２から延設したフォロアアーム１４は、対応する略円弧状のカム案内面１３のうち周方向中央部分に当接している。図６は、立体カム１１をカム回転軸１１Ａまわりに１４０°回転させた状態であり、フォロア１２はフォロア回転軸１２Ａまわりに１００°回転している。このとき、フォロア１２から延設したフォロアアーム１４は、対応する略円弧状のカム案内面１３のうち他方の周方向端部に当接している。このように、立体カム１１の回転位置を０°〜１４０°の範囲内で選択すれば、これに対応してフォロア１２の回転位置は０°〜１００°の範囲内で１対１に決定される。ここで、カム機構１０のカム１１とフォロア１２の入出力関係はこれに限定されることなく、任意に設定することができる。

また、本例のパラレルマニピュレータでは、３つ配してある立体カム機構１０の各カム回転軸１１Ａを、その軸方向が互いに平行となるように設けている。各カム回転軸１１Ａの軸方向は、互いに略平行となるものであればよい。

これら各カム回転軸１１Ａと直角な軸方向を有する各フォロア回転軸１２Ａは、各カム回転軸１１Ａと直交する同一平面内に位置するように設けている。この同一平面内において、フォロア回転軸１２Ａ同士は、正多角形（本例の場合は正三角形）を形成するように交差する。各リンク３の連結軸３Ａは、そのリンク３が軸支されるフォロア１２のフォロア回転軸１２Ａと平行に設けている。

立体カム機構１０が収納されるケーシング１５は、カム回転軸１１Ａを中心とした円筒状をなしている。立体カム１１は、カム回転軸１１Ａの軸方向を厚み方向とした底壁部１６と、この底壁部１６から前記軸方向に延設した円弧状の周壁部１７とからなる。この周壁部１７の先端部の内周側と外周側に、所定距離だけ隔てて、一対の円弧状のカム案内面１３を形成している。

立体カム１１の底壁部１６には、回転動作を行うアクチュエータ２２が固定されている。アクチュエータ２２は、その回転軸がカム回転軸１１Ａと一致するように、ケーシング１５内に収容されている。

アクチュエータ２２は、立体カム１１をカム回転軸１１Ａまわりに回転させ、これに伴ってフォロア１２をフォロア回転軸１２Ａまわりに揺動させる。フォロア１２は、フォロア回転軸１２Ａまわりに回転自在となるようケーシング１５によって支持されている。

駆動ブロック５０ごとに独立してフォロア１２を揺動駆動することで、各フォロア１２に連結されるリンク３は、エンドエフェクタ１を介して影響を及ぼし合いながら、その位置および姿勢を変更する。これにより、エンドエフェクタ１の挙動として、軸方向Ｚの平行移動とピッチ・ヨーの３０°程度の回転とを組み合わせた多様な挙動が、速やかに実現される。

しかも、本例のパラレルマニピュレータによれば、立体カム１１を回転駆動させるためのアクチュエータ２２を、互いの中心軸（つまりカム回転軸１１Ａ）が平行となる縦配置にすることができる。ひいては、リンク３と立体カム機構１０とアクチュエータ２２とからなる一連の駆動ブロック５０同士を、束状に密接させた状態でパラレルに配置することができる。そのため、複数の立体カム機構１０やアクチュエータ２２を配置するベース部分を、極力小径化することができる。

特に、本例では３つの駆動ブロック５０同士を、正面側視における同心円上の位置にて密接するように、束状に配置している。そのため、密接配置された３つの駆動ブロック５０全体を、正面視におけるφ２６ｍｍ程度の外接円の範囲内に収めることが可能となっている。なお、本例のパラレルマニピュレータの駆動ブロック５０は、φ１２ｍｍ程度の寸法で形成している。

以上のように、本例のパラレルマニピュレータによれば、カム回転軸１１Ａに対して直角なフォロア回転軸１２Ａまわりにフォロア１２を回動させることができ、複数の立体カム機構１０を駆動させるアクチュエータ２２同士を、カム回転軸１１Ａと平行な縦配置にすることができる。そのため、パラレルマニピュレータ全体（特にアクチュエータ２２を配置するベース部分）を、極力小径の範囲内に納めることができる。

しかも、本例のパラレルマニピュレータは、複数の立体カム機構１０によってそれぞれリンク３を駆動させることから、高い動作精度と、高剛性と、高出力が、ともに実現される。これは、立体カム機構１０自体の特長によるものであり、具体的には、フォロア１２のフォロアアーム１４が常にカム案内面１３に接触した状態で移動するため、バックラッシュが殆ど生じない（０°〜０．００９°程度）という特長や、小型化や高剛性化が容易であるという特長や、小型であっても大きな力を伝達できるという特長による。また、この立体カム機構１０によれば、カム１１とフォロア１２の位置関係が幾何学的に一意に決定されるため、組み立ても容易となる。

なお、パラレルマニピュレータ自体にも、複数のアクチュエータ２２を利用することで高出力が可能になるという特長や、複数のリンク３で支持することで高剛性になるという特長や、慣性モーメントの低減により高速での挙動が実現されるという特長や、誤差を累積しないので高精度になるという特長がある。

つまり、立体カム機構１０を原動節に適用した本例のパラレルマニピュレータは、立体カム機構１０の特長部分と、パラレルマニピュレータの特長部分とを、相互に活かしたものである。それゆえ、手術支援ロボットなどの精密な動作が要求される装置や、更には工業、民生用途の装置にも、好適に応用されるものとなる。

以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の意図する範囲内であれば、適宜の設計変更を行うことが可能である。

本発明のパラレルマニピュレータにおいては、さらに、前記複数の立体カム機構１０の前記立体カム１１同士を、互いの前記カム回転軸１１Ａが略平行となるように隣接配置し、前記複数の立体カム１１の底壁部１６にそれぞれ連結される前記回転式のアクチュエータ２２同士についても、互いの中心軸同士が略平行となるように隣接配置している。

さらにこのとき、駆動ブロック５０を３つ設け、密接配置することが好適である。

本発明は、手術支援ロボット用のパラレルマニピュレータに関する。

近年、手術支援ロボットの分野において、パラレルマニピュレータが応用されている。パラレルマニピュレータは、エンドエフェクタを複数のリンクで支持する構造であり、高剛性を有するという特徴や、関節の誤差を累積しないので高精度化が可能であるという特徴を有している。

本発明は上記問題点を解決するために為されたものであって、手術支援ロボット用の回転型のパラレルマニピュレータの更なる小径化を実現することを、目的とする。

本発明の手術支援ロボット用のパラレルマニピュレータは、エンドエフェクタ１と、エンドエフェクタ１をその一端部にて回動自在に支持する複数本のリンク３と、リンク３の他端部にそれぞれ回動自在に連結された複数の立体カム機構１０と、を具備したパラレルマニピュレータである。

立体カム１１に、カム回転軸１１Ａからの半径とカム回転軸１１Ａ方向の高さが周方向に沿って変化する３次元的なカム案内面１３を形成し、カム回転軸１１Ａとフォロア回転軸１２Ａを捩れの位置の関係に設けることで、立体カム１１がカム回転軸１１Ａまわりに回転すると、フォロア１２がカム案内面１３にガイドされながらフォロア回転軸１２Ａまわりに揺動するように設ける。そして、複数の立体カム１０の底壁部１６にそれぞれ回転式のアクチュエータ２２を連結させることで、リンク３と、リンク３に連結される立体カム機構１０と、立体カム機構１０の立体カム１１を回転駆動させるアクチュエータ２２と、からなる一連の駆動ブロック５０を複数設け、複数の駆動ブロック５０同士を、先端にエンドエフェクタ１を支持するように束状に配置する。

前記構成からなる本発明の手術支援ロボット用のパラレルマニピュレータによれば、カム回転軸１１Ａがフォロア回転軸１２Ａに対して捩れの位置（つまり、交差することなく且つ平行とならない位置）にあるので、複数のアクチュエータ２２を横置きの配置にせずとも、これらアクチュエータ２２によって立体カム１１をカム回転軸１１Ａまわりに回転させることができる。これにより、アクチュエータ２２を配置する部分の大径化が抑制される。また、立体カム機構１０自体も、曲面同士で運動を伝達するものであるため、小型・高強度のシンプルな機構であり且つ高い動作精度を有するものとして提供可能となる。

つまり、本発明の手術支援ロボット用のパラレルマニピュレータによれば、パラレルマニピュレータの特長部分と、立体カム１０自体の特長部分とを相互に活かすことができる。そのため、高い動作精度、高剛性および高出力を実現するとともに、手術支援ロボット用のパラレルマニピュレータ全体の小径化を実現することができる。また、立体カム機構１０を用いたことから、組み立て性も良好となる。

このとき、複数の立体カム機構１０の前記立体カム１１同士を、互いのカム回転軸１１Ａが平行となるように配置し、立体カム１１の底壁部１６にそれぞれ連結される回転式のアクチュエータ２２同士についても、互いの中心軸同士が平行となるように配置することが好適である。

さらにこのとき、駆動ブロック５０を３つ設け、同心円上に密接配置することが好適である。

また、本発明の手術支援ロボット用のパラレルマニピュレータにおいては、カム回転軸１１Ａの軸方向と、フォロア回転軸１２Ａの軸方向を、直角をなす方向に設けることが好適である。

Claims (5)

1. エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタをその一端部にて回動自在に支持する複数本のリンクと、前記リンクの他端部にそれぞれ回動自在に連結された複数の立体カム機構と、を具備したパラレルマニピュレータであって、前記立体カム機構は、回転式のアクチュエータによって所定のカム回転軸まわりに回転駆動される立体カムと、所定のフォロア回転軸まわりに回動自在に支持され且つ前記リンクの前記他端部に回動自在に連結されるフォロアと、を有し、前記立体カムに、前記カム回転軸からの半径と前記カム回転軸方向の高さが周方向に沿って変化する３次元的なカム案内面を形成し、前記カム回転軸と前記フォロア回転軸を捩れの位置の関係に設けることで、前記立体カムが前記カム回転軸まわりに回転すると、前記フォロアが前記カム案内面にガイドされながら前記フォロア回転軸まわりに揺動するように設けたことを特徴とするパラレルマニピュレータ。
2. 前記複数の立体カム機構の前記カム回転軸の軸方向を、略平行に設けたことを特徴とする請求項１に記載のパラレルマニピュレータ。
3. 前記リンクと、前記リンクに連結される前記立体カム機構と、前記立体カム機構の前記立体カムを回転駆動させる前記アクチュエータと、からなる駆動ブロックを複数設け、前記複数の駆動ブロック同士を、束状に密接配置したことを特徴とする請求項２に記載のパラレルマニピュレータ。
4. 前記駆動ブロックを３つ設け、同心円上に密接配置したことを特徴とする請求項３に記載のパラレルマニピュレータ。
5. 前記カム回転軸の軸方向と、前記フォロア回転軸の軸方向を、略直角をなす方向に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のパラレルマニピュレータ。

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