JPWO2016174916A1 - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 細身且つ高強度で動作性も良好なマニピュレータを提供する。【解決手段】 前後方向へわたる長尺筒状のハウジング(１０)と、ハウジング(１０)の中心部に回転不能に固定された固定中空シャフト(２０)と、固定中空シャフト(２０)の周囲に環状に設けられるとともに、ハウジング(１０)の内周面に回転自在に支持された筒状回転シャフト(３０)と、ハウジング(１０)内における固定中空シャフト(２０)の周囲に設けられて筒状回転シャフト(３０)を回転駆動する回転駆動機構(４０)と、筒状回転シャフト(３０)の前端側に一体回転可能に接続されるとともにハウジング(１０)の前端側の内周面に回転自在に支持され、且つハウジング(１０)の前端から前方へ突出した筒状接続部材(５０)と、筒状接続部材(５０)の前端側に一体回転可能に接続され、給電配線(１)から供給される電力によって動作する作業ツール部(６０)とを備える。

Description

本発明は、例えば、器官等を挟持したり挟み切ったりするのに用いる鉗子装置や挟み装置、その他の医療機器、理化学機器、産業機器や、ロボット等に用いられるマニピュレータに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるもののように、回動支点部を支点にして回動することで開閉する作業ツール部（把持部材１，２）と、この作業ツール部の前端側を前方へ突出させるようにして支持した筒状のハウジング（固定管１０）と、このハウジングに挿通された複数本のワイヤ（Ｗ）とを備え、ワイヤ（Ｗ）を一方又は他方へ引くことにより作業ツール部を作動させるようにした医療用の鉗子がある。

ところで、このようなワイヤによって動作させる鉗子を、例えば腹腔鏡手術の医療用機器や精密加工装置等に適用するために外径の小さい細長形状に構成する場合、ワイヤも極細いものを選択することになるため、ワイヤの耐久性が低下したり、ワイヤの伸縮により動作性が低下する等のおそれがある。また、ハウジングに対し作業ツール部のみを回転させる構成とする場合には、ワイヤが撚れたり擦れたりして問題を生じることも考えられる。

そこで、ハウジングの前端側に、電動で動作する作業ツール部を設け、この作業ツール部をハウジングの後端側で制御する装置が提案される。しかし、このような構成においては、作業ツール部の給電配線や、作業ツール部を回転させるための機構等により外径が太くなってしまう可能性がある上、作業ツール部とハウジングとの接続部分の強度にも不安があり、工夫を要する。

特許第３０７５４０４号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、細身且つ高強度で動作性も良好なマニピュレータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のマニピュレータは、前後方向へわたる長尺筒状のハウジングと、このハウジングの中心部側に回転不能に固定された固定中空シャフトと、この固定中空シャフトの周囲に環状に設けられるとともに、ハウジングの内周面に回転自在に支持された筒状回転シャフトとを備える。そして、筒状回転シャフトを回転駆動する回転駆動機構が、ハウジング内の固定中空シャフトの周囲に設けられている。また、筒状回転シャフトの前端側に一体回転可能に接続されるとともに、ハウジングの前端側の内周面に回転自在に支持され、且つハウジングの前端から前方へ突出した筒状接続部材と、筒状接続部材の前端側に一体回転可能に接続され、給電配線から供給される電力によって動作する作業ツール部とを備える。そして、作業ツール部の給電配線を、筒状接続部材及び固定中空シャフトの内部に挿通した。

本発明は、以上説明したように構成されているので、細身且つ高強度で動作性も良好なマニピュレータを提供することができる。

本発明に係るマニピュレータの一例を示す斜視図である。 同マニピュレータの要部分解斜視図である。 同マニピュレータの後半部を示す縦断面図である。 作業ツール部の一例を示す要部構造図である。

本実施の形態の第一の特徴は、前後方向へわたる長尺筒状のハウジングと、このハウジングの中心部側に回転不能に固定された固定中空シャフトと、この固定中空シャフトの周囲に環状に設けられるとともに、ハウジングの内周面に回転自在に支持された筒状回転シャフトとを備える。そして、筒状回転シャフトを回転駆動する回転駆動機構が、ハウジング内の固定中空シャフトの周囲に設けられている。そして、筒状回転シャフトの前端側に一体回転可能に接続されるとともにハウジングの前端側の内周面に回転自在に支持され、且つハウジングの前端から前方へ突出した筒状接続部材と、筒状接続部材の前端側に一体回転可能に接続され、給電配線から供給される電力によって動作する作業ツール部とを備える。そして、作業ツール部の給電配線を、筒状接続部材及び固定中空シャフトの内部に挿通して、マニピュレータを構成したことにある。
この構成によれば、ハウジングの全体構造を比較的細身にすることができる上、接続部分等を高強度に維持でき、動作性も良好である。

第二の特徴は、筒状接続部材がハウジングから抜けるようなことを防ぐために、筒状接続部材の後端側にハウジング内で径外方向へ突出する鍔部を設け、この鍔部よりも前側で前記筒状接続部材の外周面を回転自在に支持する軸受部材をハウジングに固定したことにある。

第三の特徴は、作業ツール部を着脱する際の強度を保持するために、筒状接続部材におけるハウジングよりも前側の外周部に、径外方向へ突出する環状部材を固定し、筒状接続部材における環状部材よりも前側の外周部に、作業ツール部を螺合して締め付けるようにしたことにある。

第四の特徴は、作業ツール部を回転駆動するための具体的態様を得るために、回転機構の駆動源として電動モータを備えており、この電動モータは、筒状回転シャフトよりも後側で固定中空シャフトの周囲に環状に設けられている。そして、ハウジングの内周面に回転自在に支持された筒状モータシャフトと、この筒状モータシャフトの外周部に固定されたロータと、該ロータの周囲に配置されるとともにハウジングに固定されたコイルとを備え、筒状モータシャフトの回転力を筒状回転シャフトに伝達するようにしたことにある。

第五の特徴は、作業ツール部を回転駆動するための具体的態様として、前記筒状回転シャフトと前記筒状モータシャフトとの間に、前記筒状モータシャフトの回転力を変速して前記筒状回転シャフトに伝達するように、遊星歯車機構を設けたことにある。

第六の特徴は、接続部分の強度を効果的に確保できる具体的態様として、ハウジングの外径を５ｍｍ以下に設定したことにある。

次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下の説明中、「径内方向」とは、ハウジング１０の径方向に沿って該ハウジング１０の中心へ向かう方向を意味する。「径外方向」とは、ハウジング１０の径方向に沿って該ハウジング１０の中心から離れる方向を意味する。また、「前方」とは、ハウジング１０の長手方向において作業ツール部６０を有する方向を意味し、「後方」とは「前方」に対する逆方向を意味する。「前後方向」とは「前方から後方」あるいは「後方から前方」に向かう双方向を意味する。

このマニピュレータＡは、前後方向へわたる長尺筒状のハウジング１０と、ハウジング１０の中心部に回転不能に固定された固定中空シャフト２０と、固定中空シャフト２０の周囲に環状に設けられる。そして、ハウジング１０の内周面に回転自在に支持された筒状回転シャフト３０と、ハウジング１０内における固定中空シャフト２０の周囲に設けられて筒状回転シャフト３０を回転駆動する回転駆動機構４０と、筒状回転シャフト３０の前端側に一体回転可能に接続される。そして、ハウジング１０の前端側の内周面に回転自在に支持され、且つハウジング１０の前端から前方へ突出した筒状接続部材５０と、筒状接続部材５０の前端側に一体回転可能に接続され、給電配線１から供給される電力によって動作する作業ツール部６０とを備える。そして、作業ツール部６０の給電配線１を、筒状被接続部材６４、筒状接続部材５０、及び固定中空シャフト２０の内部に挿通してハウジング１０の後方へ導いている。

ハウジング１０は、前側ハウジング１１と後側ハウジング１２とが接続されて長尺円筒状に形成される。

前側ハウジング１１は、金属等の硬質材料によって円筒状に形成される。この前側ハウジング１１の後半部側の内周面には、全周にわたって、後述する複数の遊星歯車機構４２を構成する内歯車部１１ａが形成される。
そして、前側ハウジング１１の後端部側は、後側ハウジング１２の前端側に対し螺合や嵌合、接着等の接続手段により接続固定されている。

後側ハウジング１２は、前側ハウジング１１と略同外径の円筒状部材である。この後側ハウジング１２は、磁性材料から形成されることで、後述する電動モータ４１のステータコアとして機能する。

固定中空シャフト２０は、金属等の硬質材料から、ハウジング１０の全長よりも長い長尺筒状に形成される。この固定中空シャフト２０は、その前端側をハウジング１０の前端から前方へ突出させた状態で、その後端側を、固定中空シャフト２０の内周面に対し、固定基板２を介して回転不能且つ進退不能に固定される。
固定基板２は、環状の部材であり、その外周面を、ハウジング１０の内周面に固定するとともに、内周面を固定中空シャフト２０の外周面に固定している。
この固定基板２は、電動モータ４１のコイル４１ｃの給電配線を外部に導いている。

筒状回転シャフト３０は、金属等の硬質材料から円筒状に形成され、ハウジング１０内において固定中空シャフト２０の外周部を囲むように設けられる。この筒状回転シャフト３０は、固定中空シャフト２０の外周面に対し近接又は摺接するように、その内径寸法が設定されている。
この筒状回転シャフト３０は、複数（図示例によれば２つ）の軸受部材３を介して、前側ハウジング１１の内周面に対し回転自在に支持される。軸受部材３は、図示例によればボールベアリングを用いている。この軸受部材３の前後には、必要に応じて内外輪間に予圧を付与するための付勢部材（例えば、スプリングや弾性体等）が設けられる。なお、軸受部材３の他例としては、ころ軸受や、すべり軸受け等を用いることも可能である。
この筒状回転シャフト３０の後端側は、後述する回転駆動機構４０に接続されている。また、筒状回転シャフト３０の前端側には、スリーブ４を介して筒状接続部材５０が一体回転可能に接続される。スリーブ４は、略角筒状の部材であり、圧入や接着等の接合手段を介して、筒状回転シャフト３０と筒状接続部材５０とを一体的に連結している。

回転駆動機構４０は、ハウジング１０の後半部側に配置された電動モータ４１、及び該電動モータ４１よりも前側に配置された複数の遊星歯車機構４２等によって構成され、電動モータ４１の回転力を複数の遊星歯車機構４２によって多段的に変速して筒状回転シャフト３０に伝達する。

電動モータ４１は、遊星歯車機構４２よりも後側で固定中空シャフト２０の周囲に環状に設けられるとともに後側ハウジング１２の内周面に回転自在に支持された筒状モータシャフト４１ａと、この筒状モータシャフト４１ａの外周部に固定されたロータ４１ｂと、該ロータ４１ｂの周囲に配置されたコイル４１ｃと、このコイル４１ｃを内周面に固定したステータコアとして後側ハウジング１２とを備える。この構成によって、筒状モータシャフト４１ａの回転力を、複数の遊星歯車機構４２を介して、筒状回転シャフト３０に伝達する。

筒状モータシャフト４１ａは、上述した筒状回転シャフト３０と略同様に、金属等の硬質材料から円筒状に形成され、後側ハウジング１２内において固定中空シャフト２０の外周部を囲むように設けられる。この筒状モータシャフト４１ａは、固定中空シャフト２０の外周面に対し近接又は摺接するように、その内径寸法が設定されている。
この筒状モータシャフト４１ａは、ロータ４１ｂ前後に位置する軸受部材３を介して、後側ハウジング１２の内周面に対し回転自在に支持される。
この筒状モータシャフト４１ａの前端側の外周面には、一段目の遊星歯車機構４２を構成する略環状の太陽歯車７が、一体回転可能に固定される。

ロータ４１ｂは、径方向の片半部側をＮ極とするとともに他半部側をＳ極とした長尺円筒状のマグネット（永久磁石）により構成される。

コイル４１ｃは、導電性繊維を略円筒コイル状に構成されている。このコイル４１ｃは、ロータ４１ｂ外周面に対し所定のクリアランスを確保した状態で、ステータコアとなる後側ハウジング１２の内周面に固定されている。
このコイル４１ｃの給電配線（図示せず）は、固定基板２に接続されたフラットケーブル６（図１〜図３参照）により、外部に導かれている。

なお、図３中、符号５は、軸受部材３の内外輪間に予圧を付与するためのコイルスプリングである。

また、複数の遊星歯車機構４２は、前側ハウジング１１の内歯車部１１ａ内に、太陽歯車７、複数の遊星歯車４２ａ、及び支持回転体４２ｂ，４２ｂ"等を多段状に配置して、多段式遊星歯車機構を構成している。この構成によって、筒状モータシャフト４１ａ側の回転力を段階的に減速して、筒状回転シャフト３０へ伝達するようにしている。

内歯車部１１ａは、歯先及び歯底等を構成する凸部と凹部を周方向へ交互に配置しており、これら凹凸部を前後方向へ連続するように形成している。そして、この内歯車部１１ａは、前後方向へ並ぶ複数の遊星歯車４２ａに対し噛み合う。

遊星歯車４２ａは、平歯車状の歯車であり、周方向に複数配設されるとともに、前後方向にも複数配設される。周方向に配設される複数の遊星歯車４２ａは、それぞれ、支持回転体４２ｂ（又は４２ｂ"）によって回転自在に支持される。
これら複数の遊星歯車４２ａのうち、最も電動モータ４１側の遊星歯車４２ａ"は、筒状モータシャフト４１ａ前端側の太陽歯車７に噛み合って、該太陽歯車７から回転力を受ける。

最も前側の支持回転体４２ｂ"は、周方向に並ぶ複数の遊星歯車４２ａをそれぞれ回転自在に支持する略円板状に形成され、筒状回転シャフト３０の後端側に一体回転可能に接続されている。
支持回転体４２ｂ"よりも後側に複数（図示例によれば三つ）の支持回転体４２ｂが設けられる。各支持回転体４２ｂは、周方向に並ぶ複数の遊星歯車４２ａをそれぞれ回転自在に支持する略円板状に形成され、固定中空シャフト２０の周囲で自在に回転するように、固定中空シャフト２０周りに環状に装着されている。

また、筒状接続部材５０は、金属等の硬質材料から略円筒状に形成される。
この筒状接続部材５０の後端側には、径外方向へ突出する鍔部５１が設けられる。この鍔部５１の外周面は、前側ハウジング１１内周面に対し近接又は摺接する。この鍔部５１は、前側の軸受部材８と後側の軸受部材３との間の空間に嵌るようにして配置される。

そして、筒状接続部材５０外周面において、鍔部５１よりも前側の部分は、軸受部材８によって回転自在に支持される。軸受部材８は、前端側に環状の鍔部８ａを有する略円筒状に形成され、鍔部８ａを前側ハウジング１１前端に当接させるようにして、前側ハウジング１１内周面に対し回転不能に固定されている。

筒状接続部材５０の外周部における軸受部材８よりも前側の部分には、筒状接続部材５０の外周面から径外方向へ突出するように環状部材９が設けられている。この環状部材９は、筒状接続部材５０に対し、回転不能且つ進退不能に固定される。
この筒状接続部材５０は、治具等により挟んで固定されるように、外周部に平行な複数の平坦面部を有する（図１及び図２参照）。

また、筒状接続部材５０の外周部における環状部材９よりも前側の部分には、作業ツール部６０が螺合され締め付けられるように雄ネジ部５２が形成される。
なお、図２及び図３中の符号９ａは、環状部材９後端面と、軸受部材８前端面との摩擦抵抗を軽減するためのワッシャ―状部材である。

また、作業ツール部６０は、図４に示すように、回動支点部ｘを支点にし回動することで開閉する複数（図示例によれば二つ）の挟み片６１と、挟み片６１の前端側を前方へ突出させるようにして回動支点部ｘを支持した筒状ハウジング６２と、該筒状ハウジング６２内で直動部材６３ａを進退させる進退機構６３とを備える。この構成によって、進退機構６３により進退する直動部材６３ａを挟み片６１に係合させて、挟み片６１を回動するようにした挟み装置である。
この作業ツール部６０は、進退機構６３を、複数の挟み片６１にそれぞれ対応するように複数具備するとともに、各進退機構６３を挟み片６１の後方側に直線的に配置しており、これら複数の進退機構６３がそれぞれ独立して制御されるようにしている。

筒状ハウジング６２は、長尺円筒状の部材であり、その前端側における径方向の両側に、前方へ突出する支持片部６２ａを有し、これら両側の支持片部６２ａの間に、挟み片６１の基端側を軸支している。
この筒状ハウジング６２内には、進退機構６３、および進退機構６３の給電配線や制御基板等が収納される。
なお、図示例の筒状ハウジング６２は、周壁の一部に切欠部を設けることで、内部の進退機構６３等に対するメンテナンス性を向上しているが、他例としては、この切欠部を省いてもよい。

また、筒状ハウジング６２後端側には、筒状接続部材５０に接続される筒状被接続部材６４が設けられる。
この筒状被接続部材６４は、金属等の硬質材料により略円筒状に形成され、その後端側に径外方向へ突出する環状の鍔部６４ａを有する（図２参照）。
この筒状被接続部材６４の内周面には、筒状接続部材５０の雄ネジ部５２に螺合するための雌ネジ部（図示せず）が形成される。
この筒状被接続部材６４は、前側の筒状部分を筒状ハウジング６２後端に挿入し、圧入や接着等の接続手段により、筒状ハウジング６２に対し進退不能且つ回転不能に固定され、鍔部６４ａの外周面を外部に露出している。

各挟み片６１は、図４に示すように、その後端側が、筒状ハウジング６２の径内方向へ突出するように略Ｌ字状に形成される。この挟み片６１は、この略Ｌ字状部分が筒状ハウジング６２の支持片部６２ａにより軸支され、この軸支部分（回動支点部ｘ）に対し、筒状ハウジング６２の径外方向へ離れた部分が、直動部材６３ａに軸支されている。

また、各進退機構６３は、ギヤモータ６３ｂの回転軸６３ｂ１の回転により、直動部材６３ａを進退させる機構である。
ギヤモータ６３ｂは、電動モータの回転力を遊星歯車により適宜な回転速度に調整して出力する構成とすればよい。このギヤモータ６３ｂにおける出力軸の前端側には、送りネジ６３ｂ１が設けられ、この送りネジ６３ｂ１には直動部材６３ａが螺合している（図４参照）。
複数のギヤモータ６３ｂの給電配線１は、図２に示すように、筒状ハウジング６２後端側の筒状被接続部材６４内を通って後方へ延設されており、上述した固定中空シャフト２０内に挿通される。

上記構成のマニピュレータＡによれば、作業ツール部６０の二つのギヤモータ６３ｂをそれぞれ独立して制御すれば、複数の挟み片６１を開閉したり、片側へ寄せたり等の動作を行うことができる。また、回転駆動機構４０の電動モータ４１を制御すれば、作業ツール部６０を双方向へ回転させることができる。

また、筒状接続部材５０を上述した筒状接続部材５０及び軸受部材８等によってハウジング１０に対し頑強に接続しているため、回転駆動機構４０と作業ツール部６０の接続部分が曲がったり、作業ツール部６０が回転駆動機構４０から外れたりするようなことを防ぐことができる。
特に、マニピュレータが小型で細身になるほど、回転駆動機構と作業ツール部の接続部分等の強度を確保することが困難となるが、上記実施例の構成によればハウジング１０の外径で５ｍｍ以下といった小径サイズでも接続部分の強度を確保することができる。ハウジング１０の外径は、例えば、１ｍｍ程度であっても、上記実施例の構成を適用して、その強度を確保することができる。

また、回転駆動機構４０から作業ツール部６０を着脱する際には、回転駆動機構４０前端側の環状部材９と、作業ツール部６０後端側の筒状被接続部材６４の鍔部６４ａとを、それぞれ治具等によって掴み回転させればよいので、当該着脱作業によって回転駆動機構４０及び作業ツール部６０の本体部分を損傷するようなことを防ぐことができる。

なお、上記実施例によれば、作業ツール部６０を電動でハサミ動作する機構としたが、作業ツール部６０の他例としては、電動で曲げ運動する機構、電動で伸縮運動する機構、その他の電動で動作する機構とすることが可能である。

なお、上記実施例によれば、回転駆動機構４０の駆動源として、円筒状径方向の片半分で互いに極性の異なる２極のマグネットロータを有する電磁式のモータを電動モータ４１として用いたが、この電動モータ４１には、あらゆる形式の電動駆動のモータを使用できる。例えば、ロータを４極のマグネットにするなど更に多極にした電磁式のモータはもちろん、圧電素子の超音波振動を用いて回転出力を得るモータなど様々な形式の電動モータを適用できる。また、空圧で駆動するアクチュエータ等も適用可能である。

本発明のマニピュレータは、外科手術用の鉗子装置や手術支援ロボット、電子部品のハンドリング等を行う各種産業用ロボット、その他、各種医療機器、理化学機器、産業機器の作業部分の装置として有効に適用できる。

１：給電配線
３，８：軸受部材
４：スリーブ
９：環状部材
１０：ハウジング
２０：固定中空シャフト
３０：筒状回転シャフト
４０：回転駆動機構
４１：電動モータ
４１ａ：筒状モータシャフト
４１ｂ：ロータ
４１ｃ：コイル
４２：遊星歯車機構
５０：筒状接続部材
５１：鍔部
６０：作業ツール部
Ａ：マニピュレータ

Claims (6)

1. 前後方向へわたる長尺筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの中心部側に回転不能に固定された固定中空シャフトと、
   前記固定中空シャフトの周囲に環状に設けられるとともに、前記ハウジングの内周面に回転自在に支持された筒状回転シャフトと、
   前記ハウジング内における前記固定中空シャフトの周囲に設けられて前記筒状回転シャフトを回転駆動する回転駆動機構と、
   前記筒状回転シャフトの前端側に一体回転可能に接続されるとともに前記ハウジングの前端側の内周面に回転自在に支持され、且つ前記ハウジングの前端から前方へ突出した筒状接続部材と、
   前記筒状接続部材の前端側に一体回転可能に接続され、給電配線から供給される電力によって動作する作業ツール部とを備え、
   前記作業ツール部の給電配線を、前記筒状接続部材及び前記固定中空シャフトの内部に挿通したことを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記筒状接続部材の後端側に、前記ハウジング内で径外方向へ突出する鍔部を設け、
   前記鍔部よりも前側で前記筒状接続部材の外周面を回転自在に支持する軸受部材を、前記ハウジングに固定したことを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
3. 前記筒状接続部材における前記ハウジングよりも前側の外周部に、径外方向へ突出する環状部材を固定し、
   前記筒状接続部材における前記環状部材よりも前側の外周部に、前記作業ツール部を螺合して締め付けるようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のマニピュレータ。
4. 前記回転駆動機構の駆動源として電動モータを備え、
   前記電動モータは、前記筒状回転シャフトよりも後側で前記固定中空シャフトの周囲に環状に設けられるとともに、前記ハウジングの内周面に回転自在に支持された筒状モータシャフトと、前記筒状モータシャフトの外周部に固定されたロータと、前記ロータの周囲に配置されるとともに前記ハウジングに固定されたコイルとを備え、前記筒状モータシャフトの回転力を前記筒状回転シャフトに伝達するようにしたことを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載のマニピュレータ。
5. 前記筒状回転シャフトと前記筒状モータシャフトとの間に、前記筒状モータシャフトの回転力を変速して前記筒状回転シャフトに伝達するように、遊星歯車機構を設けたことを特徴とする請求項４記載のマニピュレータ。
6. 前記ハウジングの外径を５ｍｍ以下に設定したことを特徴とする請求項１〜５何れか１項記載のマニピュレータ。

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