WO2004041485A1

WO2004041485A1 - 多節スライダ・リンクによる屈曲機構

Info

Publication number: WO2004041485A1
Application number: PCT/JP2003/005522
Authority: WO
Inventors: Takeyoshi Dohi; Nobuhiko Hata; Hiromasa Yamashita
Original assignee: Japan Science And Technology Agency
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2004-05-21
Also published as: JP2004154877A; CA2503408A1; US20060096403A1

Abstract

本発明は、一組の多節リンクを直接スライドさせる操作のみで1自由度につき±90゜の屈曲駆動を行うことができ、同機構を組み合わせることで多自由度の屈曲を行える屈曲機構を提供する。このため、本発明は、第1フレーム1、第2フレーム3、第3フレーム5は、順次第1回転軸2、第2回転軸4により回転可能に枢着され、直列状に配置されている。第1フレーム1の第1回転軸2より右側には、第1駆動用リンク7、第2駆動用リンク9、第3駆動用リンク12が連結されている。第1フレーム1の第1回転軸2より左側には、第1拘束用リンク15、第2拘束用リンク17が連結されている。第3駆動用リンク12がスライド駆動されると、第1フレーム1が左右に回転する。

Description

明細書多節スライダ ' リンクによる屈曲機構技術分野

本発明は、多節スライダ · リンク機構により屈曲動作を実現した多自由度屈曲機構を持つデバイスに関するものである。即ち 1 自由度につき両側 ± 9 0 ° の屈曲動作機構のフレームを複数個組み合わせる事で多自由度を実現する機構に関するものである。駆動伝達としてはリンク機構を採用し、剛性と耐久性に優れ安定した動きを実現した屈曲 2自由度マニピュレータとしたのである。

本発明は、あらゆる産業分野において利用できるものである。すなわち、内視鏡下外科手術用器具（一般外科 ·胸部外科 ·産婦人科 ·耳鼻科 ·泌尿器科 ·形成外科 ·整形外科 ·脳外科等の外科領域全般で使用する内視鏡、鉗子、電気メス等の手術器具）、人の手が入り込めない危険区域（例えば原子力発電所、宇宙空間等）における遠隔ロボットマニピュレーション、大型機械（各種エンジン等）の深部の複雑な箇所における分解 ·組み立てを伴わない検査 ·修理作業、様々な設備の細い配管内における遠隔作業等、さらには、医療分野を初めとし原子力や宇宙空間での機器や配管内での遠隔操作機器その他、プラントでの複雑配管内での検査装置等巾広い分野で活用が期待出来る。背景技術

近年になって、従来は開腹下に行われていた外科手術を内視鏡下で低侵襲に行うという術式がとられている。この術式で使用される鉗子や電気メスなどの手術器具は揷入孔を支点とした低自由度の動きに制限され、患部への柔軟なァプロ一チが困難となっている。このため、腹部外科手術支援長鉗子マニピュレータとして、屈曲部は 1自由度の回転軸受けをもつリング状め関節を組み合わせることにより 2自由度の屈曲を実現し、ワイヤにより駆動する構成のもめが提案されている（例えば、非特許文献 1参照）。

し力、し、このようなワイヤ駆動のものはマニピュレータの細径化、多チャンネル化という面では優れているが、高い剛性が実現しにくい、耐久性が悪く使用しているうちにワイヤが延びてしまう、といった欠点があった。

そこで、鉗子の先端に屈曲 2自由度、鉗子の軸周りの回転により、合計 3自由度を腹腔内で持つ機構とし、高剛性実現のため駆動方法としてリンク機構を採用したものが提案されている（例えば、非特許文献 2参照）

非特許文献 1 ：名称：多自由度長鉗子マニピュレータ文献：中村亮一，小林英津子，他：腹部外科手術支援用長鉗子マニピュレータの開発，第 9回日本コンビュ一タ'外科学会大会論文集、第 9回日本コンピュータ外科学会大会事務局， 6 1 - 6 2 , 2 0 0 0

非特許文献 2 ；名称：リンク駆動型高剛性多自由度能動鉗子文献：渡部耕一，岡田昌史，他：リンク駆動型高剛性多自由度能動鉗子の開発，ロボテイクス ·メ力トロニクス講演会' 0 1講演論文集，日本機械学会， 2 P 1 _ D 1 0 ( 1 ) - ( 2 ) , 2 0 0 1

しかしながら、前記のように、従来のものは、ワイヤの取りまわし ·高精度なワイャ駆動を高精度にコントロールのためにァクチユエ一夕周りの装置が複雑かつ大きくなる、また、ワイヤ駆動によるスリップスティックと屈曲 ·伸展動作にバックラッシが生じる、また、デバイスの直径に対して作業空間がやや小さい等の問題点があった。

そこで、本発明は、回転軸を有するフレームの両側に駆動用リンクと拘束用リンクを設け、直接スライドさせる操作のみで屈曲駆動を行えるようにし、各フレ —ムの動作順制御や動作精度の向上及び剛性と耐久性と広い屈曲範囲を実現し、従来の問題点を克服することを目的とする。発明の開示

上記目的を達成するために、本発明が採用した技術解決手段は、

直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ · リンクによる 1自由度屈曲機構としたことである。

また、前記複数のフレームを、第 1フレームと第 2フレームと第 3フレ—ムから構成し、第 1フレームと第 2フレームは第 1回転軸により、第 2フレームと第 3フレームは第 2回転軸により、それぞれ回転可能に枢着され、第 3フレームに対して、第 1フレームと第 2フレームを屈曲可能とした多節スライダ' リンクによる 1自由度屈曲機構としたことである。

また、前記第 1フレームにおける第 1回転軸より一方側には、第 1ピンにより第 1駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1駆動用リンクの下部は、第 2ピンにより第 2駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 2ピンは、第 2フレームに形成された第 1長孔に嵌入され、前記第 2駆動用リンクの下部は、第 3ピンにより第 3駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 3ピンは、第 3フレームに形成された第 2長孔に嵌入され、第 3駆動用リンクの下部は、ァクチユエ一夕に直接連結され、前記ァクチユエ一夕は動力源に連結され、一方、前記第 1フレームにおける第 1回転軸より他方側には、第 4ピンにより第 1拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1拘束用リンクの下部は、第 5ピンにより第 2拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 5ピンは、第 2フレームに形成された第 3長孔に嵌入され、前記第 2拘束用リンクの下部は、第 6 ピンにより枢着され、更に、第 6ピンは、第 3フレームに形成された第 4長孔に嵌入されている多節スライダ · リンクによる 1自由度屈曲機構としたことである。

また、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ · リンクによる一方の 1自由度屈曲機構とし、また、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ · リンクによる他方の 1自由度屈曲機構とし、前記一方の 1自由度屈曲機構に対して他方の 1自由度屈曲機構を 9 0 ° 位相をずらせて連結して多自由度屈曲可能とした多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。

また、前記一方の 1自由度屈曲機構の複数のフレームを、第 1フレ—ムと第 2 フレームと第 3フレ—ムから構成し、第 1フレームと第 2フレームは第 1回転軸により、第 2フレームと第 3フレームは第 2回転軸により、それぞれが回転可能に枢着され、第 3フレームに対して、第 1フレームと第 2フレームを屈曲可能とし、また、前記他方の 1自由度屈曲機構の複数のフレームを、第 4フレームと第 5フレームから構成し、第 4フレ—ムと第 5フレ—ムは第 4回転軸により回転可能に枢着され、前記一方の 1自由度屈曲機構の第 3フレ-ムに対して、前記他方の 1自由度屈曲機構の第 4フレームを、第 3回転軸により 9 0 ° 位相をずらせて連結した多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。また、第 1フレームにおける第 1回転軸より一方側には、第 1ピンにより第 1 駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1駆動用リンクの下部は、第 2ピンにより第 2駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 2ピンは、第 2フレームに形成された第 1長孔に嵌入され、前記第 2駆動用リンクの下部は、第 3ピンにより第 3駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 3ピンは、第 3フレームに形成された第 2長孔に嵌入され、第 3駆動用リンクの下部は、ピンにより複数の駆動用リンクを介してァクチユエ一タに連結され、'前記ァクチユエ一タは動力源に連結され、一方、前記第 1フレームにおける第 1回転軸より他方側には、第 4ピンにより第 1拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1拘束用リンクの下部は、第 5ピンにより第 2拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 5ピンは、第 2フレームに形成された第 3長孔に嵌入され、前記第 2拘束用リンクの下部は、第 6ピンにより枢着され、更に、第 6ピンは、第 3フレームに形成された第 4長孔に嵌入され、また、前記第 3フレームには、前記第 1回転軸と第 2回転より 9 0 ° 位相をずらせた第 3回転軸により第 4フレームが回転可能に枢着され、第 4フレームには、第 4回転軸により第 5フレームが回転可能に枢着され、直列状に配置され、第 3フレームにおける第 3回転軸より一方側には、第 7ピンにより第 4駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、第 4駆動用リンクの下部は、第 8ピンにより第 5駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 8ピンは、第 4フレームに形成された第 5長孔に嵌入され、第 5駆動用リンクの下部は、第 9ピンにより第 6 駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、更に、第 9ピンは、第 5フレームに形成された第 6長孔に嵌入され、第 6駆動用リンクの下部は、ァクチユエ一夕に直接連結され、動力源からの推力を第 5駆動用リンクに伝達するように構成され、一方、前記第 4フレームにおける第 3回転軸より他方側には、第 1 0ピンにより第 3拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、第 3拘束用リンクの下部は、第 1 1ピンにより第 4拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 1 1 ピンは、第 4フレームに形成された第 7長孔に嵌入され、第 4拘束用リンクの下部は、第 1 2ピンにより枢着され、更に、第 1 2ピンは、第 5フレームに形成された第 8長孔に嵌入されている多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。

また、前記複数のフレームの各々は、そのフレームの中心に貫通孔と、該貫通孔を取り囲むように円周上に 4個の貫通孔を設けた多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。

また、前記直列に配置した複数のフレームにおいて、前記フレームの円周上に設けられた 4個の貫通孔に、垂直面屈曲用リンクと水平面屈曲用リンクを交互に配設し、更に、先端のフレームの中心の貫通孔には、鉗子、或いは内視鏡等の操作のための器具を装備した多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構としたことでめる。

また、前記フレームをスライドするためのァクチユエ一夕の動力源は、油圧 ' 水圧 .空圧シリンダ等、を用い、前記動力源を制御系にケーブル、インターフヱースの有線あるいは無線により接続し遠隔操作も可能にし、用途に応じ最適なものも選択し、各種センサを用いて位置や速度、加速度ゃカ覚のフィ一ドバックを行う多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。

また、前記制御系は、制御用計算機、 P Cやマイコン等、制御量や計算量、実装環境（電源やスペースなど）に応じて選択し、ァクチユエ一夕の制御、エンドエフヱクタの位置、姿勢制御、運動学計算等を行い、また、遠隔制御系は、専用線や既設のネットワークを用い、遠隔からの制御も可能とし、更に、インターフエースは、ハンドヘルドタイプ、ナビゲ一シヨンタイプ、マスタスレーブタイプ等、用途に応じた操作用インタ—フヱースを使用する多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構としたことである。図面の簡単な説明

図 1は本発明の、リンク駆動による 1自由度屈曲機構の概念図を示すものであ図 2は本発明の、リンク駆動による 1自由度屈曲機構の動く過程を示す図である o

図 3は本発明の、リンク駆動による 2自由度屈曲機構の概念図を示すもので、 ( a ) は平面図で（b ) は側面図である。

図 4 ( a ) は、本発明の、リンク駆動による 2自由度屈曲内視鏡先端部を示す外観図で、（b ) は、 A矢視図で、（c ) は、 2自由度屈曲内視鏡の断面チャンネルである。

図 5は本発明の、リンク駆動による 2自由度屈曲機構の先端フレームに把持機構を設けた 2自由度屈曲把持鉗子を示す図である。

図 6は本発明の、リンク駆動による 2自由度屈曲機構によるェンドエフニクタの作業範囲を示す図である。

図 7は本発明の、様々な機器に組み込んだ場合のシステム構成の例の図である C、あ。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について説明する。

(第 1の実施の形態）

図 1は、リンク駆動による 1自由度屈曲機構の概念図を示す図で、図 2は、リンク駆動による 1自由度屈曲機構の動く過程を示す図である。

この 1自由度屈曲機構において、第 1フレーム 1には、第 1回転軸 2により第 2フレーム 3が回転可能に枢着され、第 2フレーム 3には、第 2回転軸 4により第 3フレーム 5が回転可能に枢着され、各フレームが直列状に配置される。

また、第 1フレーム 1における第 1囪転軸 2より右側には、第 1 ピン 6により第 1駆動用リンク 7の上部が回転可能に枢着されている。前記第 1駆動用リンク 7の下部は、第 2 ピン 8により第 2駆動用リンク 9の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 2ピン 8は、第 2フレーム 3に形成された第 1長孔 1 0に嵌入されている。前記第 2駆動用リンク 9の下部は、第 3ピン 1 1により第 3駆動用リンク 1 2の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 3ピン 1 1は、第 3フレーム 5に形成された第 2長孔 1 3に嵌入され、第 3駆動用リンク 1 2の下部は、図示しないァクチユエ一夕に直接連結され、動力源からの推力を第 2駆動用リンク 9に伝達する。

一方、前記第 1フレーム 1における第 1回転軸 2より左側には、第 4ピン 1 4 により第 1拘束用リンク 1 5の上部が回転可能に枢着されている。前記第 1拘束用リンク 1 5の下部は、第 5ピン 1 6により第 2拘束用リンク 1 7の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 5ピン 1 6は、第 2フレ—ム 3に形成された第 3 長孔 1 8に嵌入されている。前記第 2拘束用リンク 1 7の下部には、第 6ピン 1 9が設けられ、この第 6ピン 1 9は、第 3フレーム 5に形成された長孔 2 0に嵌入されている。

次に、上記のように構成された 1 自由度屈曲機構の動きを、図 2に基づいて説明する。

第 1フレーム 1は、第 2フレーム 3に対して 0 ° の状態（図 2 ( 1 ) ) にある時、図示しない動力源を駆動する。動力源からの推力は、ァクチユエ一タ（不図 ) に伝達され、その推力はァクチユエ一夕に直接連結された第 3駆動用リンク 1 2に伝達する。第 3駆動用リンク 1 2の移動に伴い、第 3ピン 1 1が長孔 1 3に沿い下方に移動し、第 3ピン 1 1の下方に伴い第 2駆動用リンク 9も下方に移動する。第 2駆動用リンク 9の下方の移動に伴い、第 2 ピン 8が第 1長孔 1 0に沿い下方に移動し、第 2ピン 8の下方の移動に伴い第 1駆動用リンク 7も下方に移動する。第 1駆動用リンク 7の移動に伴い、第 1フレーム 1は回転モ一メントが与えられ、第 1回転軸 2を中心にして時計回りに回転をし傾き始め（図 2 ( 2 )) 、その回転は第 2ピン 8が第 1長孔 1 0の下端に当接するまで続き、第 2ピン 8 が第 1長孔 1 0の下端に当接すると、第 1フレーム 1 は、第 2フレーム 3に対して一 4 5 ° 回転する（図 2 ( 3 ))。

一方、第 1フレーム 1の、第 1回転軸 2より左側に存在する各拘束用リンクは、前記各駆動用リンクの動きに追随して動く。すなわち、第 1フレーム 1の時計方向の動きに伴い、第 1拘束用リンク 1 5は時計方向に回転しつつ上方に移動することによって第 5ピン 1 6も第 3長孔 1 8に沿って上方に移動する。第 5ピン 1 6の上方の移動に伴い、第 2拘束用リンク 1 7は第 6ピン 1 9と共に、第 3フレーム 5に形成された長孔 2 0に沿い上方に移動し、第 1フレーム 1の回転に追随する。

前記のように、第 2ピン 8が第 1長孔 1 0の下端に当接すると（図 2 ( 3 ) ) 、第 2フレーム 3は同様に時計方向に回転モーメントが与えられ、第 2回転軸 4 を中心に回転し始め（図 2 ( 4 ))、第 3ピン 1 1が長孔 1 3に沿って下方に移動する程傾きが大きくなる。第 3ピン 1 1が長孔 1 3の下端に当接すると（図 2 ( 5 ) ) 、第 2フレーム 3の回転は止み、第 2フレーム 3は、第 3フレ一厶 5に対して— 4 5。回転し（図 2 ( 5 ))、トータルで第 1フレーム 1は、第 3フレーム 5に対して— 9 0 ° 回転したことになる。なお、第 1フレーム 1には、ェンドエフエクタ（不図）が搭載されるものである。

また、前記の各フレームには、同形めピン、長孔、リンクが設けられ、それらの部材の配置は回転軸に対して対称的に配置されているので、 1本の第 3駆動用リンク 1 2の動きを逆方向に移動させれば、図 2 ( 6 ) ~ ( 1 0 ) に示されているように第 1フレーム 1は、反時計方向に + 9 0 ° 回転されることは理解されると考えるのでその説明は省略する。

(第 2の実施の形態）

図 3は、リンク駆動による 2自由度屈曲機構の概念図を示すもので、（a ) は平面図で、（b ) は側面図であり、同図における符号、名称は、前記第 1の実施の形態と同じ機能及び同じ形状を有する場合は同じ符号、名称を用いた。

この 2自由度屈曲機構における、第 1フレーム 1に第 2フレーム 3を、第 2フレーム 3に第 3フレーム 5を、それぞれ、第 1回転軸 2と第 2回転軸 4により回転可能に枢着、且つ、直列状に配置されていることは、前記第 1の実施の形態と I口 j様 ^める o

また、図 3 ( a ) ( b ) に示されているように、第 3フレーム 5には、第 3回転軸 2 1により第 4フレーム 2 2が回転可能に枢着され、第 4フレーム 2 2には、第 4回転軸 2 3により第 5フレーム 2 4が回転可能に枢着されている。

前記構成によって、第 1フレーム 1と第 2フレーム 3は、第 3フレ—ム 5に対して同方向、すなわち、垂直面屈曲（紙面に対して）が可能であり、第 4フレーム 2 2と第 5フレ—ム 2 4は、第 3フレ—ム 5に対して同方向、すなわち、水平面屈曲（紙面に対して）が可能となる。前記のように、第 3フレ—ム 5に 9 0 ° ずらせて第 4フレーム 2 2と第 5フレーム 2 4を延設したので、第 3 ピン 1 1には 2本の直交するピンジョイントを介して駆動用リンクを形成した（図 3 ( b ) ) 。すなわち、図 3 ( b ) に示すように、駆動用リンクは複数のリンクからなり、これらリンクはピンにより回転可能に枢着され、垂直方向（紙面に対して）に折れ曲がることが可能になっている。そして、前記駆動用リンクは、ァクチユエ一タ（不図）に連結され、動力源からの推力でもって、第 1フレーム 1と第 2フレ —ム 3がは垂直面方向に屈曲可能となることは前述したとおりである。

次に、水平面方向に屈曲する第 4フレ—ム 2 2と第 5フレーム 2 4の構成について図 3 ( a ) に基づいて説明する。

第 3フレーム 5には、第 3回転軸 2 1により第 4フレーム 2 2が回転可能に枢着され、第 4フレ—ム 2 2には、第 4回転軸 2 3により第 5フレ—ム 2 4が回転可能に枢着され、直列状に配置される。また、第 3フレーム 5における第 3回転軸 2 1より下側（図 3 ( a ) ) には、第 7ピン 2 5により第 4駆動用リンク 2 6 の上部が回転可能に枢着されている。前記第 4駆動用リンク 2 6の下部は、第 8 ピン 2 7により第 5駆動用リンク 2 8の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 8ピン 2 7は、第 4フレーム 2 2に形成された第 5長孔 2 9に嵌入されている。前記第 5駆動用リンク 2 8の下部は、第 9 ピン 3 0により第 6駆動用リンク 3 1の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 9ピン 3 0は、第 5フレーム 2 4 に形成された第 6長孔 3 2に嵌入され、第 6駆動用リンク 3 1の下部は、図示しないァクチユエ一夕に直接連結され、動力源からの推力を第 5駆動用リンク 2 8 に伝達する。

一方、前記第 4フレーム 2 2における第 3回転軸 2 1より上側（図 3 ( a ) ) には、第 1 0ピン 3 3により第 3拘束用リンク 3 4の上部が回転可能に枢着されている。前記第 3拘束用リンク 3 4の下部は、第 1 1 ピン 3 5により第 4拘束用リンク 3 6の上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 1 1ピン 3 5は、第 4フレーム 2 2に形成された第 7長孔 3 7に嵌入されている。前記第 4拘束用リンク 3 6の下部は、第 1 2ピン 3 8により枢着され、更に、第 1 2ピン 3 8は、第 5 フレーム 2 4に形成された第 8長孔 3 9に嵌入されている。

次に、上記のように構成された 2自由度屈曲機構の動きについて説明する。この動きは、図 2に基づいて説明した前記第 1の実施の形態の 1自由度屈曲機構の動きと同様の動きをするものである。すなわち、図 3 ( a ) において、図示しない動力源からの推力は、ァクチユエ一夕に伝達され、その推力はァクチユエ一夕に直接連結された第 6駆動用リンク 3 1に伝達する。第 6駆動用リンク 3 1の移動に伴い、第 9 ピン 3 0が第 6長孔 3 2に沿い左方に移動し、第 9ピン 3 0の左方の移動に伴い第 5駆動用リンク 2 8も左方に移動する。第 5駆動用リンク 2 8の左方の移動に伴い、第 8ピン 2 7が第 5長孔 2 9に沿い左方に移動し、第 8 ピン 2 7の左方の移動に伴い第 4駆動用リンク 2 6も左方に移動する。第 4駆動用リンク 2 6の移動に伴い、第 3フレーム 5は回転モ一メントが与えられ、第 3 回転軸 2 1を中心にして時計回りに回転をし傾き始め、その回転は第 8ピン 2 7 が第 5長孔 2 9の左端に当接するまで続き、第 8ピン 2 7が第 5長孔 2 9の左端に当接すると、第 3フレーム 5は、第 4フレーム 2 2に対して一 4 5 ° 回転する。以下、第 4フレーム 2 2力第 5フレ—ム 2 4に対して一 4 5 ° 回転し、結果的には、第 3フレーム 5が第 5フレーム 2 4に対して一 9 0 ° 回転していく過程は前記した図 2の動きと同様である。更に、水平面上で一 9 0 ° 回転し傾いた第 3フレーム 5に対して、第 1フレ—ム 1と第 2フレーム 3が垂直面に回転をし傾く過程は前述のとおりである。この場合、水平面屈曲と垂直面屈曲をおこなうリンク機構、長孔、ピン等の位置は 9 0 ° 位相がずれているので、それら部材は干渉することなくスムーズに動くことができる。

(具体的実施例 1 ) 図 4 (a) は、本発明の、 1 自由度屈曲機構を 2 個組み合わせた 2 自由度屈曲機構に内視鏡を搭載した「2 自由度屈曲内視鏡」の先端部の外観を示すもので、図 4 (b) は、図 4 (a) の A矢視図で、図 4 (c) は、各フレームの断面図である。

図 4 (c) 中で符号 1〜 5で示すフレーム 1からフレーム 5のそれぞれのフレ —ムには、中心に貫通孔 5 0、該貫通孔を取り囲むように円周状に 4個の貫通孔 5 1、 52を設ける（図 4 (c) 参照）。前記中心の貫通孔 5 0は C CDカメラ用とし、前記円周状の貫通孔のうち 2個は水平面屈曲用のリンクが通る貫通孔 5 1、残り 2個は垂直面屈曲用のリンクが通る貫通孔 5 2とし、それらは垂直面屈曲用と水平面屈曲用と交互に配置している。また、垂直面屈曲用リンクにおける拘束用リンク⑫ （図中では隠れてみえない）及び拘束用リンク⑬ （図中では隠れてみえない）は、駆動用リンク⑥及び駆動用リンク⑦と対称的な配置になっている。また、前記フレームの胴部には、適宜切欠部を設け、この切欠部利用じて' 各リンク等の組み立て、或いはリンクの作動時のフレームへの干渉防止をする。また、各フレーム間の連結及び各リンク間の連結にはピンジョイントを用いている。なお、製作した屈曲機構のフレームの径は 9 mmであり、さらに、シールドで覆うことで直径 1 O mmの内視鏡となる。しかも直径 1 Omm内に CCDカメラ機構を組み込んだり、把持機構を組み込んだりした内視鏡下外科手術製品の高精度化に目処をたてるに至った。即ち 1自由度あたり ±80° の屈曲範囲を繰り返し鹳差平均が ±0.9 ° という高精度が実現できた。以下に、各部材の働きを表にして説明するが、その動きは前記 1自由度屈曲機構と 2自由度屈曲機構と同様の動きをするものである。

P T/JP2003/005522 なお、図 4中の構成要素と〇印の符号および各構成要素の働きを表 1に示す c

構成要はたらき

CCDカメラ ①. フレーム 1前方の映像を撮る.

垂直面屈曲用回転軸 1⑱⑰⑮⑯ ⑭⑬⑰⑪⑩ ⑨⑦ ⑥③④ ② この軸周りにフレーム 1が回転する,

垂直面屈曲用回転軸 2 この軸周 yにフレーム 2が回転する.

水平面屈曲用回転 $ 1 この軸周り (こフレーム 3が回転する.

水平面屈曲用回転軸 2: この軸周りに 7レーム 4が回転する.

垂直面屈曲用リンク

駆動角リンク 1 フレーム 1に回転軸周りのモーメントを与え回転させる，

駆動用リンク 2 . フレーム 2に回転軸.2周りのモーメントを与え回転させる.

駆動用リンク 3 フレーム 3内で駆動用リンク 2と 4を連結する.ュニバ一ザルジョイントの役 i

§ .

駆動用リンク 4 駆動用リンク 5からの動力を駆動用リンク 3に伝える.

区動用リンク 5 駆動用リンク 6力、らの動力を'駆動用リンク 4に伝える.

駆動用リンク 6 動力源からの推力を駆動用リンク 5 に伝達する.ァクチユエ一タと直接連結される.

拘束用リンク 1 駆動用リンク 1と同形で対称的な動作をし，フレーム 1 ' 2を一定の順序で回転させるための拘束となる.

拘束用リンク 2 駆動用リンク 2と同形で対称的 ¾¾¾作をし，フレーム 1 ' 2を一定の—順序で回:

転させるための拘束となる.

水平面屈曲用リンク

;駆動用リンク 1 ！フレーム 3に回転軸 3.周りのモーメントを与え回転させる.

· . 動用リンク, 2 フレーム 4に回転軸 4周りのモーメントを与え回転させる.

'駆動用リンク 3 動力源からの推力を駆動用リンク 3 に伝達する.ァクチユエ一タと直接連結

'される.

•拘束用リンク 1 駆動用リンク 1と同形で対称的な動作をし，フレーム 3' 4を一定の順序で回転させるため'の拘束となる.

'拘束用リンク 2 駆動用リンク 2と同形で対称的な動作をし，フレーム 3 '4を一定の順序で回転させるための拘束となる.

(具体的実施例 2 )

図 5は、 2 自由度屈曲機構の先端フレームに把持機構を設けた 2 自由度屈曲把持鉗子について示す。基本的な屈曲機構は、図 4の 2白由度屈曲内視鏡と同様である。ヮ一キングチャンネルは、内視鏡ではリード線を通すのに対し，把持鉗子では把持の開閉用金属ワイヤ 6 1を通す。金属ワイヤ 6 1とスプリング 6 2により図 5で示す把持機構を駆動する。ワイヤ 6 1を引くと把持リンク 6 4、把持リング 6 3を介して上歯 6 5が閉じて下歯 6 6との把持作動を行い、ワイヤ 6 1の牽引を緩めるとスプリング 6 2の復元力で上歯 6 5が開く。

次に、図 6を用いて、エンドエフヱクタの作業範囲について説明する。

図 4における、 2 自由度屈曲機構の先端側の垂直屈曲用回転軸から、 1 O mm の距離にエンドェフエクタを搭載し、フレーム 2、フレーム 3及びフレーム 4の長さをそれぞれ 7 . 9 2 mm、 1 2 . 5 4 mm、および 1 3 . 4 mmで製作した場合の 2自由度屈曲機構によるェンドエフユクタの作業範囲は図 6 で示す空間となる。なお、'原点（0， 0， 0 ) には水平屈曲用のァクチユエ一夕側回転軸が位置するとしてグラフを表している。

(具体的実施例 3 )

図 7は、本発明を様々な機器に組み込んだ場合のシステム構成の例を示すものである。各部材の機能について説明する。 ①屈曲部は、 1自由度ないし 2自由度で、工夫次第でそれ以上の付加も可能であり、 1自由度あたり最大で ± 9 0 ° の屈曲範囲の実現が可能である。 ②エンドエフヱクタは、カメラや各種鉗子、電気メス、レーザ等多様なデバイスの搭載が可能である。 ③駆動源は、リンク駆動のためのァクチユエ一夕や油圧 ·水圧 ·空圧シリンダ等、仕様用途に応じ最適なものを選択し、各種センサを用いて位置や速度、加速度ゃカ覚のフィ一ドバックを行う。 ④制御系は、制御用計算機、 P Cやマイコン等、制御量や計算量、実装環境（電源やスペースなど）に応じて選択する。また、ァクチユエ一夕の制御、ェンドエフニクタの位置、姿勢制御、運動学計算等を行う。 ⑤遠隔制御系は、専用線や既設のネッ卜ワークを用い、遠隔からの制御も可能である。 ⑥インターフエースは、ハンドへルドタイプ、ナビゲ―シヨンタイプ、マスタスレーブタイプ等、用途に応じた操作用インターフヱ—スを使用することが可能である。以上、本発明の実施例では、 2 自由度屈曲機構を鉗子、内視鏡などに利用したが、他の医療分野、例えば、内視鏡下外科手術用器具（一般外科 ·胸部外科 ·産婦人科 ·耳鼻科 ·泌尿器科 ·形成外科 ·整形外科 ·脳外科等の外科領域全般で使用する内視鏡、鉗子、電気メス等の手術器具）や、人の手が入り込めない危険区域（例えば原子力発電所、宇宙空間等）における遠隔ロボットマニピユレーション、大型機械（各種エンジン等）の深部の複雑な箇所における分解 '組み立てを伴わない検査 ·修理作業、様々な設備の細い配管内における遠隔作業など、あらゆる分野で利用できるものである。

さらに、本発明はその精神または主要な特徵から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。産業上での利用可能性

本発明によれば、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側に'は駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレ —ムを屈曲可能とした多節スライダ · リンクによる 1自由度屈曲機構としたために、 1 自由度につき両側 ± 9 0 ° の屈曲動作の操作を 1 本のリンクの直接スライド駆動のみで行うことができ、広いワーキングスペースが実現できる。また同機構を複数組み合せることで多自由度の屈曲機構をもつ小型デバィスの製作が可能となる。また、本発明の上記構成によって、ノくックラッシ及びスリップステイツクのない、高い屈曲再現性を得ることができ、また、リンクを直接駆動することで屈曲動作に大きな発生力を与えることができ、更に、剛性と耐久性に優れ安定した動きができる、等の優れた効果を奏することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能としたことを特徵とする多節スライダ · リンクによる 1自由度屈曲機構。

2 . 前記複数のフレームを、第 1フレームと第 2フレ—ムと第 3フレームから構成し、第 1フレームと第 2フレームは第 1回転軸により、第 2フレームと第 3フレームは第 2回転軸により、それぞれ回転可能に枢着され、第 3フレームに対して、第 1フレ—ムと第 2フレームを屈曲可能としたことを特徵とする請求項 1記載の多節スライダ · リンクによる 1自由度屈曲機構。

3 . 第 1フレームにおける第 1回転軸より一方側には、第 1ピンにより窠 1躯動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1駆動用リンクの下部は、第 2ピンにより第 2駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 2ピンは、第 2フレームに形成された第 1長孔に嵌入され、前記第 2駆動用リンクの下部は、第 3ピンにより第 3駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 3ピンは、第 3フレームに形成された第 2長孔に嵌入され、第 3駆動用リンクの下部は、ァクチユエ一夕に直接連結され、前記ァクチユエ一夕は動力源に連結され、一方、前記第 1フレームにおける第 1回転軸より他方側には、第 4ピンにより第 1拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1拘束用リンクの下部は、第 5ピンにより第 2拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 5ピンは、第 2フレームに形成された第 3長孔に嵌入され、前記第 2拘束用リンクの下部は、第 6ピンにより枢着され、更に、第 6ピンは、第 3フレームに形成された第 4長孔に嵌入されていることを特徵とする請求項 1〜2のうちの 1 記載の多節スライダ · リンクによる 1自由度屈曲機構。

4 . 直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、.その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ · リンクによる一方の 1自由度屈曲機構とし、また、直列状に配置した複数のフレーム間を、順次回転軸により互いに回転可能に枢着し、また、前記複数のフレーム間には前記回転軸を中心にして、その一方側には駆動用リンクを、他方側には拘束用リンクを互いに回転可能に枢着し、前記駆動用リンクを直列方向にスライドさせることにより複数のフレームを屈曲可能とした多節スライダ · リンクによる他方の 1自由度屈曲機構とし、前記一方の 1自由度屈曲機構に対して他方の 1自由度屈曲機構を 9 0 ° 位相をずらせて連結して多自由度屈曲可能としたことを特徵とする多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構

5 . 前記一方の 1自由度屈曲機構の複数のフレームを、第 1フレームと第 2フレ —ムと第 3フレ—ムから構成し、第 1フレームと第 2フレームは第 1回転軸により、第 2フレームと第 3フレームは第 2回転軸により、それぞれが回転^能に枢着され、窠 3フレームに対して、第 1フレームと第 2フレームを屈曲可能とし、また、前記他方の 1自由度屈曲機構の複数のフレームを、第 4フレームと第 5フレームから構成し、第 4フレームと第 5フレームは第 4回転軸により回転可能に枢着され、前記一方の 1自由度屈曲機構の第 3フレームに対して、前記他方の 1 自由度屈曲機構の第 4フレームを、第 3回転軸により 9 0 ° 位相をずらせて連結したことを特徵とする請求項 4記載の多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構。

6 . 第 1フレームにおける第 1回転軸より一方側には、第 1ピンにより第 1駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1駆動用リンクの下部は、第 2ピンにより第 2駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 2 ピンは、第 2フレームに形成された第 1長孔に嵌入され、前記第 2駆動用リンクの下部は、第 3ピンにより第 3駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 3ピンは、第 3フレームに形成された第 2長孔に嵌入され、第 3駆動用リンクの下部は、ピンにより複数の駆動用リンクを介してァクチユエ一タに連結され、前記ァクチユエ一タは動力源に連結され、一方、前記第 1フレームにおける第 1 回転軸より他方側には、第 4ピンにより第 1拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、前記第 1拘束用リンクの下部は、第 5ピンにより第 2拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 5ピンは、第 2フレ—ムに形成された第 3長孔に嵌入され、前記第 2拘束用リンクの下部は、第 6ピンにより枢着され、更に、第 6ピンは、第 3フレームに形成された第 4長孔に嵌入され、また、前記第 3フレームには、前記第 1回転軸と第 2回転軸より 9 0 ° 位相をずらせた第 3 回転軸により第 4フレ—ムが回転可能に枢着され、第 4フレームには、第 4回転軸により第 5フレームが回転可能に枢着され、直列状に配置され、第 3フレームにおける第 3回転軸より一方側には、第 7ピンにより第 4駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、第 4駆動 fflリンクの下部は、第 8ピンにより第 5駆動用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 8ピンは、第 4フレームに形成された第 5長孔に嵌入され、第 5駆動用リンクの下部は、第 9 ピンにより第 6駆動用リンクの上部が回転可能に枢着され、更に、第 9 ピンは、第 5フレームに形成された第 6長孔に嵌入され、.第 6駆動用リンクの下部は、ァクチユエ一夕に直接連結され、動力源からの推力を第 5駆動用リンクに伝達するように構成され、一方、前記第 4フレームにおける第 3回転軸より他方側には、第 1 0ピンにより第 3拘束用リンクの上部が回転可能に枢着され、第 3拘束用リンクの下部は、第 1 1 ピンにより第 4拘束用リンクの上部と共に回転可能に枢着され、更に、第 1 1ピンは、第 4フレームに形成された第 7長孔に嵌入され、第 4拘束用リンクの下部は、第 1 2ピンにより枢着され、更に、第 1 2ピンは、第 5フレームに形成された第 8長孔に嵌入されていることを特徵とする請求項 4〜 5のうちの 1記載の多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構。

7 . 前記複数のフレームの各々は、そのフレームの中心に貫通孔と、該貫通孔を取り囲むように円周上に 4個の貫通孔を設けたことを特徵とする請求項 1〜 6のうちの 1記載の多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構。

8 . 前記直列に配置した複数のフレームにおいて、前記フレームの円周上に設けられた 4個の貫通孔に、垂直面屈曲用リンクと水平面屈曲用リンクを交互に配設し、更に、先端のフレームの中心の貫通孔には、鉗子、或いは内視鏡等の操作のための器具を装備したことを特徴とする請求項 1〜 7のうちの 1記載の多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構。

9 . 前記フレームをスライドするためのァクチユエ一夕は、モータ、油圧 ·水圧 •空圧シリンダ等、を用い、前記ァクチユエ—タを制御系にケ—ブル、インタ— フェースの有線あるいは無線により接続し遠隔操作も可能にし、用途に応じ最適なものを選択し、各種センサを用いて位置や速度、加速度ゃカ覚のフィ一ドバックを行うことを特徵とする請求項 1〜8のうちの 1記載の多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構。

1 0 . 前記制御系は、制御用計算機、 P Cやマイコン等、制御量や計算量、実装環境（電源やスペースなど）に応じて選択し、ァクチユエ—夕の制御、エンドェフニクタの位置、姿勢制御、運動学計算等を行い、また、遠隔制御系は、専用線や既設のネットワークを用い、遠隔からの制御も可能とし、更に、インターフエースは、ハンドへルドタイプ、ナビゲ―シヨンタイプ、マスタスレーブタイプ等、用途に応じた操作用ィンタ—フヱ—スを使用することを特徵とする請求項 1〜 9のうちの 1記載の多節スライダ · リンクによる多自由度屈曲機構。