WO2011155071A1

WO2011155071A1 - 多自由度マニピュレータ

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Publication number: WO2011155071A1
Application number: PCT/JP2010/059978
Authority: WO
Inventors: 隆行高橋; 孝太安沢
Original assignee: 国立大学法人福島大学
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-15

Abstract

本発明は、バックラッシュが殆ど生じることのない高精度な動作が可能であり、しかも、さらなる小型化、軽量化を実現することができる多自由度マニピュレータである。本発明の多自由度マニピュレータは、複数のリンク（２１）と、リンク（２１）同士が回動自在に連結する関節部分（２０）と、関節部分（２０）にてリンク（２１）同士を相対的に回転駆動させるアクチュエータ（２２）と、を具備する。関節部分（２０）には、リンク（２１）同士を相対的に屈曲動作させる立体カム機構（２００）を配する。立体カム機構（２００）は、３次元的なカム案内面（３３）を有する立体カム（３１）と、カム案内面（３３）に摺接するフォロア（３２）と、からなる。

Description

多自由度マニピュレータ

　本発明は、複数の関節を有する多自由度マニピュレータに関する。

　近年、手術支援ロボットなどの医療分野、工作機械などの産業分野、といった広範な分野において、多自由度マニピュレータが応用されている。

　例えば日本公開特許第２００７－１５２０２８号公報には、平歯車や傘歯車を多数連結させることで、複数の関節を回動自在に設けた多自由度マニピュレータ（能動鉗子）が記載されている。しかし、この従来の多自由度マニピュレータは、モータからの出力を、多数の歯車を介して各関節に順次伝達する構造であるから、バックラッシュが大きくなるという問題がある。また、小型化、軽量化が困難であるという問題や、関節の数を増減することが困難であるという問題がある。

　一方、例えば日本公開特許第２００４－３３７４７４号公報には、ワイヤやプーリを用いて複数の関節を回動自在に設けた多自由度マニピュレータが記載されている。このタイプの多自由度マニピュレータにおいても、やはり、動作精度が劣化しやすい等の問題がある。

　本発明は前記の問題点を解決するために為されたものであって、バックラッシュが殆ど生じることのない高精度な動作が可能であり、しかも、さらなる小型化、軽量化を実現することができる多自由度マニピュレータを提供することを、目的とする。

　本発明の多自由度マニピュレータは、直列に接続される複数のリンク２１と、隣接するリンク２１同士が回動自在に連結する関節部分２０と、関節部分２０にてリンク２１同士を相対的に回転駆動させるためにリンク２１に配されるアクチュエータ２２と、を具備する。

　前記関節部分２０は、所定のカム回転軸３１Ａまわりに回動自在な立体カム３１と、この立体カム３１の回動により所定のフォロア回転軸３２Ａまわりに回転駆動されるフォロア３２と、からなる立体カム機構２００を有し、アクチュエータ２２から出力される回転力により、立体カム３１およびフォロア３２を回動させ、隣接するリンク２１間で相対的な曲げ動作を行わせる。

　前記構成を具備する本発明の多自由度マニピュレータによれば、バックラッシュが殆ど生じることのない高精度な動作が可能であり、しかも、さらなる小型化、軽量化を実現することができる。

　本発明の多自由度マニピュレータにおいて、アクチュエータ２２は、回転式のモータ１０と、モータ１０の回転力を減速して関節部分に伝達する変形クラウンギア減速機構１００とを有し、この変形クラウンギア減速機構１００は、固定クラウンギア２と、固定クラウンギア２に対して傾斜して噛み合う可動クラウンギア１と、固定クラウンギア２に対して可動クラウンギア１を押し付けた状態でモータ１０により回転駆動される押し付け機構１６と、可動クラウンギア１に可撓的に取り付けられた出力軸部３とから成ることが、好適である。

　また、前記関節部分２０とは別に備えた他の関節部分２０では、前記アクチュエータ２２とは別に備えた他のアクチュエータ２２から出力される回転力により、前記他の関節部分２０を介して隣接するリンク２１間で相対的な捩り動作を行わせることも好適である。

　このとき、捩り動作を行わせるための前記他のアクチュエータ２２は、回転式のモータ１０と、モータ１０の回転力を減速して前記他の関節部分２０に伝達する変形クラウンギア減速機構１００とを有し、この変形クラウンギア減速機構１００は、固定クラウンギア２と、固定クラウンギア２に対して傾斜して噛み合う可動クラウンギア１と、固定クラウンギア２に対して可動クラウンギア１を押し付けた状態でモータ１０により回転駆動される押し付け機構１６と、可動クラウンギア１に可撓的に取り付けられた出力軸部３とから成ることが、好適である。

　また、本発明の多自由度マニピュレータでは、立体カム機構２００のカム回転軸３１Ａとフォロア回転軸３２Ａとを、互いの軸方向が略直角となり且つ交差することがないように設けることが好適である。

　また、本発明の多自由度マニピュレータでは、モータ１０の回転軸と、モータ１０の回転力を伝達する変形クラウンギア減速機構１００の出力軸部３の回転軸と、出力軸部３により回転駆動される立体カム３１のカム回転軸３１Ａとを、一致するように或いは略平行となるように設けることが好適である。

　また、変形クラウンギア変速機構１００では、固定クラウンギア２と可動クラウンギア１とは、歯数差を１とし、可動クラウンギア１の傾斜中心線を挟んで左右の２箇所で接触するように設けたものであることが好適である。

本発明の実施形態における第１例の多自由度マニピュレータを用いて構成した内視鏡の斜視図である。同上の多自由度マニピュレータに備えたアクチュエータの一部断面図である。同上のアクチュエータを構成する変形クラウンギア減速機構の斜視図である。同上の変形クラウンギア減速機構の他の方向からみた斜視図である。同上の変形クラウンギア減速機構のモデル図である。同上の変形クラウンギア減速機構の噛み合い歯のモデル図である。同上の変形クラウンギア減速機構の歯の噛み合い状態図である。同上の多自由度マニピュレータに備えた立体カム機構の要部を示す斜視図である。本発明の実施形態における第２例の多自由度マニピュレータを用いて構成した能動鉗子の斜視図である。本発明の実施形態における第３例の多自由度マニピュレータを用いて構成したロボットハンドの斜視図である。

　本発明を、添付の図面に従って詳細に説明する。

　図１には、本発明の実施形態における第１例の多自由度マニピュレータを示している。

　図示の多自由度マニピュレータは、複数（本例では４つ）の関節部分２０と、これら関節部分２０を介して直列に接続される複数（本例では５つ）のリンク２１とを具備した、多関節のマニピュレータである。

　最先のリンク２１を除く他のリンク２１内には、関節部分２０にて隣接するリンク２１同士の相対的な回転動作を行わせるためのアクチュエータ２２を、それぞれ配置している。各アクチュエータ２２は、回転式のモータ１０と、このモータ１０が出力する回転力を減速したうえで伝達する変形クラウンギア減速機構１００と、からなる。

　関節部分２０には、図８に示すような立体カム機構２００を備えている。この立体カム機構２００は、隣接する一方（本例ではマニピュレータ全体の基端側）のリンク２１内のアクチュエータ２２から伝達された回転力により回転駆動される立体カム３１と、この立体カム３１の回転に伴って回転駆動されるフォロア３２とからなる。フォロア３２の先端は、隣接する他方（本例ではマニピュレータ全体の先端側）のリンク２１の端面に固定されており、フォロア３２の回動に伴って各関節部分２０が屈伸される。

　以下においては、まず、前記の変形クラウンギア減速機構１００について詳述する。

　図２～図４に示すように、変形クラウンギア減速機構１００を配置するための外部部材１５は、リンク２１と一体に形成されるものであり、所定距離を隔てて平行に対向配置される前壁部１１と後壁部１２とから成る。前壁部１１には、後壁部１２と対向する面上に固定クラウンギア２を固着しており、この固定クラウンギア２に対して可動クラウンギア１を傾斜状態で噛み合わせている。固定クラウンギア２と可動クラウンギア１とは、互いの外径を等しく設ける一方で歯数差は１となるように設けているので、後述の押し付け機構１６によって可動クラウンギア１を固定クラウンギア２に押し付けることで、両クラウンギア１，２の歯がぴたりと嵌合することなく、必然的に傾斜状態が生じるようになっている。

　可動クラウンギア１は、可動クラウンギア１の内周縁から中心側に延設される複数本のスポーク４と、可動クラウンギア１の中央にて全てのスポーク４が連結されるハブ５とを有している。ハブ５には、前壁部１１が軸受けを介して回動自在に支持する出力軸部３の一端側を固着させている。出力軸部３の他端側は、前壁部１１の固定クラウンギア２を固定してある面と反対側の面から突出させている。上記スポーク４は、可動クラウンギア１と出力軸部３を可撓的に連結させる部材であればよく、アームやリブ、ダイアフラムのような板状体であっても構わない。

　押し付け機構１６は、入力軸部６の先端部に固着されて一体に回転する押し付け軸部７と、押し付け軸部７から径方向に延設される十字状のアーム８と、アーム８の先端部に設けた押圧体１７とから成る（図３、図４参照）。押圧体１７は可動クラウンギア１の背面（つまり、固定クラウンギア２側とは反対側を向く面）に対して押圧力を付与し、可動クラウンギア１を固定クラウンギア２に押し付ける。この状態において、軸方向に揺動自在であるアーム８は可動クラウンギア１の背面の傾斜に倣う姿勢となる。なお、アーム８は押し付け安定性を増すために十字状の棒状体としているが、一本の棒状体であってもよい。また、棒状体以外の形状であってもよい。

　アーム８は、押し付け軸部７の軸方向と直交する軸１３（図２参照）を中心として、押し付け軸部７の軸方向に１自由度で揺動自在であり、且つ、回転方向には該押し付け軸部７と一体に回転駆動される構造となっている。可動クラウンギア１と押し付け機構１６とは、このアーム８の揺動方向が可動クラウンギア１の傾斜方向と一致するように組み合わせる。各アーム８先端の押圧体１７は、周方向に回動自在に支持されたローラ９であるが、回動自在な球体であってもよい。また、アーム８に固定されて可動クラウンギア１に摺接するものであってもよい。

　入力軸部６を回転駆動させるモータ１０は、後壁部１２の前壁部１１と対向する面とは反対側の面に取り付けてある。モータ１０に連結される入力軸部６は、後壁部１２の貫通孔を通じて突出され、前壁部１１と後壁部１２の間のスペースにて押し付け軸部７に固着される。

　モータ１０により入力軸部６を回転駆動させると、押し付け機構１６を構成する十字状のアーム８は入力軸部６と一体に回転し、可動クラウンギア１の背面を周方向に転動するローラ９を介して該可動クラウンギア１を固定クラウンギア２に押し付ける。固定クラウンギア２と可動クラウンギア１との間の歯数差は１であるから、可動クラウンギア１は、該可動クラウンギア１の歯数分の１の大きな減速比で回転される。この可動クラウンギア１の回転は、可撓性のスポーク４およびハブ５を介して出力軸部３に取り出される。

　次に、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の噛み合いについて述べる。本発明の変形クラウンギア減速機構では、押し付け機構１６から付与される押し付け力によって可動クラウンギア１が固定クラウンギア２に対して傾斜して噛み合ったとき、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の歯の接触位置がその傾斜中心線を挟んで左右の２箇所に分散するように設けてある。

　図５には、減速機構のモデル図を示している。ここでは可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の歯底の外周縁を参照円と定義する。図５に実線で描いた円は可動クラウンギア１の参照円であり、点線で描いた円は固定クラウンギア２の参照円であり、どちらの参照円の半径もＲである。Σｓは、固定クラウンギア２に固定された座標系である。

　可動クラウンギア１は、その全体をＸｓ－Ｙｓ平面に対して垂直な向きに押し付けられるが、特に図５に矢印Ｆで示す箇所で最も深く押し付けられるものとする。この場所は、Ｘｓ－Ｚｓ平面と可動クラウンギア１の参照円が交わる点である。このとき、可動クラウンギア１は固定クラウンギア２に対して角度ωだけ傾き、いずれかの歯が接触しているとする。また、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の中心は、Ｚｓ軸方向に距離ｈだけ離れているとする。押し付け場所から角度θｒだけ回転した可動クラウンギア１上の点をＰとし、この点ＰをＸｓ－Ｙｓ平面に垂直に写像した点をＰｓとし、Ｐｓの角度をθｓとする。なお、この点Ｐｓは、固定クラウンギア２の参照円上からは中心方向に僅かに離れている。

　本例では、簡単のため可動クラウンギア１および固定クラウンギア２の歯の形状を三角形状としている。この接触モデルを図６に示している。この図は、接触状態を参照円の外側からΣｓの原点方向に見た図である。実際には円筒形の曲面であるが、平面に近似している。

　固定クラウンギア２の歯丈をｈｔ、歯の圧力角をα、歯数をｎとし、隙間なく歯を配置すると仮定すれば、この歯のピッチは２πＲ／ｎとなり、歯丈は
　　　ｈｔ＝πＲ／（ｎｔａｎα）　　　　　　　　　　　　　　　（１）
となる。可動クラウンギア１の歯を同一形状とし、歯数を（ｎ－１）とすれば、可動クラウンギア１のピッチは２πＲ／（ｎ－１）となる。なお、歯数を（ｎ＋１）とすることもできるが、ここでは（ｎ－１）を用いて説明する。座標系Σｓでみた点Ｐの高さＰｚと、Ｘｓ軸を基準とした円周方向の点Ｐｓの位置は、それぞれ
　　　Ｐｚ＝ｈ－Ｒｓｉｎωｃｏｓθｒ　　　　　　　　　　　　　（２）
　　　Ｐｓ＝Ｒａｒｃｔａｎ２（ｓｉｎθｒ，ｃｏｓωｃｏｓθｒ）（３）
となる。なお、式（３）のａｒｃｔａｎ２は、ａｒｃｔａｎの定義域を[－π，π]に拡張した関数である。

　図６のＱの位置は、Ｐと角度βから求められる。なお、このβは次式
　　　ｓｉｎβ＝ｄ／ｄθｒ×Ｐｚ／Ｒ＝ｓｉｎωｓｉｎθｒ　　　（４）
より求められる。また、Ａ、Ｂはピッチと歯数から容易に求められる。これらＡ，Ｂ，Ｐ，Ｑにより、接触状態を判定する。

　ところで、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の相対位置を決定する変数はｈとωである。この機構は歯数が１枚異なることから、固定クラウンギア２の歯数が奇数のときθｒ＝θｓ＝πで歯は頂点が向かい合い、干渉しない。この条件より、
　　　ｈ＋Ｒｓｉｎω≧２ｈｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
という関係がある。なお固定クラウンギア２の歯数が偶数のときはθｒ＝θｓ＝πで谷と谷が向かい合うが、解析は同様にできるので、ここでは固定クラウンギア２の歯数が奇数として解析を行う。ところで、ωが大きいと明らかに可動クラウンギア１の振動が大きくなり、またスポーク４を変形させるロスも増えるので、ωはできるだけ小さくしたい。そこで、式（５）より
　　　ｈ＋Ｒｓｉｎω＝２ｈｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
とした。これは、θｒ＝θｓ＝πで固定クラウンギア２と可動クラウンギア１の歯の先が接するという条件である。これにより、ωとｈは従属関係にある。そこで、接触する位置を探すために、ωのみを変化させることとする。

　歯の形状を決めるパラメータはαとｎであり、また、大きさはＲで決定される。これらの選択は適宜行われるものであるが、ここでは試作の都合によりα＝２０ｄｅｇ，ｎ＝５１枚，Ｒ＝５０ｍｍとした。そして、計算機でωを０．０００００１ｒａｄおきに変化させ、接触する位置を模索した結果、ω＝３．２９ｄｅｇで接触することがわかった。

　この場合の接触状態を、図７に示している。可動クラウンギア１の歯先と固定クラウンギア２との距離（以下「歯間距離」という。）を見ると、接触している場所は固定クラウンギア２の３２番目の歯であることがわかる。この前後の歯間距離は、計算上、１１番目の歯が０．００２０１７ｍｍ、３３番目の歯が０．００８６５４ｍｍであり、極めて微小な歯間距離となっている。

　この結果は、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の噛み合わせが、可動クラウンギア１の傾斜中心線（図５中の線Ａ参照）を挟んで左右の２箇所に分散していることを意味している。また、接触している歯の近傍にある歯においても限りなく接触に近い状態にあることがわかる。

　上記構成からなる変形クラウンギア減速機構１００によれば、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の歯数差が１であるから、高い減速比が実現できる。なお、可動クラウンギア１の歯数をＮとすると減速比は１／Ｎとなる。また、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２が実質的に噛み合う位置は、傾斜中心線を挟む左右２箇所に分散されるため、バックラッシも生じにくくなる。そして、接触している歯の近傍にある歯においても限りなく接触に近い状態にあることから回転の滑らかさが確保される。さらに、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２は共に薄型であるとともに、僅かに傾いて自然に噛み合った状態で組み合わさるので、特に軸方向の寸法が非常にコンパクト化される（図２参照）。また、大きな起動トルクが必要とされないため、モータ１０として小型のものが使用可能となる。そのため、機構全体のコンパクト化や軽量化が実現される。

　つまり、上記構成の変形クラウンギア減速機構１００では、高い減速比を実現することと、回転の滑らかさを確保してバックラッシが生じにくくすることと、機構全体のコンパクト化や軽量化を図ることとが、両立される。そのため、多自由度マニピュレータのアクチュエータ２２として、好適に利用することができる。

　可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の少なくとも一方を可撓性材料で形成した場合には、噛み合う歯近傍の他の歯でも噛み合いが生じるようになるので、回転がさらに滑らかとなって一層の低振動、低バックラッシが実現される。可撓性材料としては、ポリアセタール、ナイロン等が挙げられるが、他の材料も採用可能である。

　可動クラウンギア１と固定クラウンギア２の歯型は、図示の三角形状に限定されず、台形状であってもよいし、或いは各種曲面を有するような他の歯形状であってもよい。また、可動クラウンギア１の背面に押し付けられるアーム８は、部材の加工精度が十分に高精度のときには揺動自在である必要はなく、固定クラウンギア２に対して傾斜した姿勢となるように押し付け軸部７に固定されていてもよい。この場合、可動クラウンギア１と押し付け機構１６とは、このアーム８の傾斜方向が可動クラウンギア１の傾斜方向と一致するように組み合わせる。

　次に、前記関節部分２０に配する立体カム機構２００について、詳述する。

　図８には、立体カム機構２００の要部を示している。この立体カム機構２００は、所定のカム回転軸３１Ａのまわりに回動自在に支持される立体カム３１と、所定のフォロア回転軸３２Ａまわりに回転自在に支持されるフォロア３２とを有している。立体カム３１には、略円弧状の立体的なカム案内面３３を、一対形成している。フォロア３２には、一対のフォロアアーム３４を、各カム案内面３３に１対１で対応するように形成している。立体カム３１とフォロア３２には、少なくともカム案内面３３とフォロアアーム３４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３３に対してフォロアアーム３４が摺接しながらフォロア３２を揺動させるが、フォロアアーム３４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３２を揺動させるような構成であってもよい。また、本例では、カム案内面３３とこれに押圧されるフォロアアーム３４を一対ずつ設け、一対のフォロアアーム３４で一対のカム案内面３３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３３とフォロアアーム３４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３３とこれに摺接するフォロアアーム３４を一つずつ設けた場合には、カム案内面３３に対してフォロアアーム３４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３３は、互いに３次元的に独立した形状であり、立体カム３１の、カム回転軸３１Ａの軸方向側を向く面に形成される。カム案内面３３はそれぞれ、カム回転軸３１Ａからの半径と、カム回転軸３１Ａ方向の高さが共に、カム回転軸３１Ａ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。立体カム３１がカム回転軸３１Ａまわりに回転をすると、立体カム３１のカム案内面３３とフォロアアーム３４の互いの接触位置が変更されてゆき、フォロア３２全体が揺動駆動される。

　ここで、立体カム３１の回転中心をなすカム回転軸３１Ａと、フォロア３２の回転中心をなすフォロア回転軸３２Ａ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３１のカム回転軸３１Ａまわりの回転運動が、フォロア３２のフォロア回転軸３２Ａ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３１Ａとフォロア回転軸３２Ａ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３１Ａ，３２Ａが位置することはない。

　そして、本例の多自由度マニピュレータでは、カム回転軸３１Ａの軸方向と、フォロア回転軸３２Ａの軸方向を、略直角（好ましくは直角）をなす方向に設定している。つまり、カム回転軸３１Ａとフォロア回転軸３２Ａとは、略直角を成す方向を互いの軸方向とし、且つ、交差することはない関係にある。

　立体カム３１は、カム回転軸３１Ａの軸方向を厚み方向とした底壁部３６と、この底壁部３６から前記軸方向に延設した円弧状の周壁部３７とからなる。この周壁部３７の先端部の内周側と外周側に、径方向に所定距離だけ隔てて、一対の円弧状のカム案内面３３を形成している。

　立体カム３１の底壁部３６には、変形クラウンギア減速機構１００の前記出力軸部３の先端部分を、直接又は間接的に連結固定する。回転軸部３は、その回転軸が、立体カム３１のカム回転軸３１Ａと一致するように設ける。モータ１０が出力する回転力は、変形クラウンギア減速機構１００を介して減速されたうえで、立体カム３１をカム回転軸３１Ａまわりに回転させ、これに伴ってフォロア３２をフォロア回転軸３２Ａまわりに回転駆動させる。

　立体カム３１は、関節部分２０の外殻をなすケーシング３５内に収容される。このケーシング３５は、関節部分２０を挟んで隣接する一対のリンク２１のうち、一方（基端側）のリンク２１の端部に固定される。前記立体カム３１に摺接するフォロア３２は、ケーシング３５によってフォロア回転軸３２Ａまわりに回転自在に支持される。フォロア３２の先端部は、前記一対のリンク２１のうち他方（先端側）のリンク２１の端部に固定される。

　立体カム３１やフォロア３２の寸法形状等は、図示のものに限定されず、その関節部分２０にて要求される曲げ運動等の各種条件に応じて、適宜設計変更が可能である。いずれにせよ、立体カム機構２００全体を、非常に小型であり且つ軽量のものとすることができる。

　以上述べたように、本例の多自由度マニピュレータにおいては、モータ１０と、変形クラウンギア減速機構１００と、立体カム機構２００とを、これらが配置されるリンク２１の軸方向に沿って一列に配置することができる。そのため、複数のリンク２１や関節部分２０からなる多自由度マニピュレータ全体を、極力小径の範囲内に納めることができる。

　しかも、本例の多自由度マニピュレータでは、モータ１０に接続される減速機構として変形クラウンギア減速機構１００を備えているので、アクチュエータ２２全体の小型化、軽量化、高精度化等が実現される。これは、可動クラウンギア１と固定クラウンギア２が、互いの歯が噛み合った状態で組み合わされるので、特に軸方向の寸法がコンパクト化されるという特長や、大きな起動トルクが必要とされないためにモータ１０として極力小型のものが使用可能になるという特長や、回転の滑らかさが確保されるとともにバックラッシも生じにくいという特長による。

　さらに、本例の多自由度マニピュレータでは、関節部分２０に設けた立体カム機構２００によって隣接するリンク２１間での相対的な回転運動を生じさせることから、高い姿勢保持機能と、高い動作精度と、高剛性と、高出力とが、いずれも実現される。これは、フォロア３２のフォロアアーム３４が常にカム案内面３３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。

　つまり、本例の多自由度マニピュレータは、変形クラウンギア変速機構１００の特長部分と、立体カム機構２００の特長部分とを、相互に活かしたものである。それゆえ、この多自由度マニピュレータは、バックラッシュが殆ど生じることのない高精度な動作をすることができ、しかも、小型化、軽量化されるものとなる。特に、モータ１０の回転軸と、モータ１０の回転力を伝達する変形クラウンギア減速機構１００の出力軸部３の回転軸と、出力軸部３により回転駆動される立体カム３１のカム回転軸３１Ａとが、一致するように（或いは略平行となるように）設けることで、機構全体が一層小型化（小径化）される。そのため、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。

　なお、本例では、直列に接続される多数のリンク２１のうち最先のリンク２１にビデオスコープ等の撮像手段４０や各種センサを設けることで、この多自由度マニピュレータを、内視鏡（腹腔鏡）として利用している。この内視鏡では、複数設けた関節部分２０を、隣接するリンク２１内に備えたモータ１０によってそれぞれ独立に回動させることで、内視鏡全体の自在な屈曲動作が実現され、しかも各関節部分２０の立体カム機構２００が高い姿勢保持機能を発揮する。本例では関節部分２０を４つ設けているが、この構成によれば、関節部分２０の数（ひいてはマニピュレータの自由度）を増減させることも容易である。

　次に、図９に基づいて、本発明の実施形態における第２例の多自由度マニピュレータについて説明する。なお、第１例にて説明したものと同様の構成については詳しい説明を省略し、本例特有の構成について詳しく述べる。

　本例の多自由度マニピュレータは、第１例と同様に、直列に接続される複数のリンク２１と、隣接するリンク２１同士が回動自在に連結する関節部分２０と、関節部分２０にてリンク２１同士を相対的に回転駆動させるためにリンク２１に配されるアクチュエータ２２とを具備している。最先のリンク２１には一対の鉗子片５０を設け、一方の鉗子片５０を固定側、他方の鉗子片５０を可動側としている。つまり、本例の多自由度マニピュレータでは、これを利用して医療用の能動鉗子を構成している。

　この能動鉗子においては、関節部分２０として、第１例と同様の曲げ動作を行う関節部分２０ａと、相対的な捩り動作を行わせる関節部分２０ｂとを、別々の関節として備えている。この関節部分２０ｂでは、曲げ動作用の関節部分２０ａとは異なり、関節部分２０に立体カム機構２００やこれを配するケーシング３５を備えることなく、モータ１０からの回転力を減速して伝達する変形クラウンギア減速機構１００を介して、隣接するリンク２１間を捩り回転自在に連結させている。この関節部分２０ｂでは、一方（基端側）のリンク２１内にて固定クラウンギア２を固定するとともに可動クラウンギア１を回動自在に配し、この可動クラウンギア１から延設される出力軸部３を、他方（先端側）のリンク２１側に固定している。

　これにより、変形クラウンギア減速機構１００の出力軸部３から出力される回転力により、隣接するリンク２１の一方に対して他方が軸中心に回転駆動され、リンク２１間での捩り動作が実現される。

　さらに、この能動鉗子では、最先のリンク２１にも曲げ動作用の関節部分２０ａとこの関節部分２０ａを回転駆動するアクチュエータ２２とを配し、この関節部分２０ａを介して可動側の鉗子片５０を連結させている。具体的には、関節部分２０ａに配した立体カム機構２００のフォロア３２から可動側の鉗子片５０を一体に延設し、立体カム３１の回転に伴って、可動側の鉗子片５０の先端が固定側の鉗子片５０の先端に対して近接離間されるように設けている。

　したがって、本例の多自由度マニピュレータを利用して構成した能動鉗子では、各関節にて独立して行われる曲げ動作や捩り動作を組み合わせ、能動鉗子全体を自在に操作することができ、さらに先端の鉗子片５０による大きな把持力と保持力を実現することができる。

　次に、図１０に基づいて、本発明の実施形態における第３例の多自由度マニピュレータについて説明する。なお、第１例や第２例にて説明したものと同様の構成については詳しい説明を省略し、本例特有の構成について詳しく述べる。

　本例の多自由度マニピュレータは、第１例と同様に、直列に接続される複数のリンク２１と、隣接するリンク２１同士が回動自在に連結する関節部分２０と、関節部分２０にてリンク２１同士を相対的に回転駆動させるためにリンク２１に配されるアクチュエータ２２とを具備した構成であり、それぞれが人間の指の機能を発揮するように複数設け、これを利用して３本指のロボットハンドを構成している。

　指をなす多自由度マニピュレータは、それぞれ２箇所の関節に、立体カム機構２００を有する関節部分２０を設けている。ロボットハンドの掌部分６０には、各多自由度マニピュレータの最も基端側のリンク２１を平行に収容している。また、本例の多自由度マニピュレータでは、複数ある関節部分２０の立体カム機構２００のフォロア回転軸３２Ａの軸方向を、９０度だけ相違させている。

　具体的には、一対の関節部分２０のうち、基端側の関節部分２０のフォロア回転軸３２Ａの軸方向を、掌部分６０の厚み方向と略平行に設け、先端側の関節部分２０のフォロア回転軸３２Ａの軸方向を、掌部分６０の幅方向と略平行に設けている。これにより、実際の人間の指に近似した動作を可能としている。

　各多自由度マニピュレータは、その関節部分２０の数を増減させてもよい。また、多自由度マニピュレータの数自体を増減させて、例えば四本指のロボットハンド等を構成してもよい。

　このロボットハンドにおいては、各多自由度マニピュレータに複数設けた関節部分２０を、隣接するリンク２１内に備えたモータ１０によってそれぞれ独立に回動させることができ、各関節部分２０が高い姿勢保持機能を発揮する。

　そして、本例の多自由度マニピュレータを利用して構成したロボットハンドによれば、幅を小さく（例えば掌部分６０が人間の手の半分程度のサイズとなるように）設けても、高い動作精度や高い保持力を発揮することができる。

　そのため、このロボットハンドは、例えばフュージョンテクニック等の手術方法で好適に利用できると考えられる。ここでのフュージョンテクニックとは、直腸下手術を行う際に、患者の下腹を切開して挿入した手によって臓器を直接扱う方法である。小型のロボットハンドでこれを行えば、切開量が小さくて済み、患者の負担を軽減することができる。

　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。いずれの実施形態の多自由度マニピュレータにおいても、バックラッシュが殆ど生じることのない高精度な動作が可能であり、しかも、さらなる小型化、軽量化を実現することができる。なお、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、適宜の設計変更は可能である。

Claims

直列に接続される複数のリンクと、
隣接する前記リンク同士が回動自在に連結する関節部分と、
前記関節部分にて前記リンク同士を相対的に回転駆動させるために前記リンクに配されるアクチュエータと、
を具備する多自由度マニピュレータであって、
前記関節部分は、
所定のカム回転軸まわりに回動自在な立体カムと、この立体カムの回動により所定のフォロア回転軸まわりに回転駆動されるフォロアと、からなる立体カム機構を有し、
前記アクチュエータから出力される回転力により、前記立体カムおよび前記フォロアを回動させ、隣接する前記リンク間で相対的な曲げ動作を行わせる
ことを特徴とする多自由度マニピュレータ。
前記アクチュエータは、
回転式のモータと、前記モータの回転力を減速して前記関節部分に伝達する変形クラウンギア減速機構とを有し、
前記変形クラウンギア減速機構は、
固定クラウンギアと、前記固定クラウンギアに対して傾斜して噛み合う可動クラウンギアと、前記固定クラウンギアに対して前記可動クラウンギアを押し付けた状態で前記モータにより回転駆動される押し付け機構と、可動クラウンギアに可撓的に取り付けられた出力軸部とから成る
ことを特徴とする請求項１記載の多自由度マニピュレータ。
前記関節部分とは別に備えた他の関節部分では、
前記アクチュエータとは別に備えた他のアクチュエータから出力される回転力により、前記他の関節部分を介して隣接する前記リンク間で相対的な捩り動作を行わせる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の多自由度マニピュレータ。
前記捩り動作を行わせるための前記他のアクチュエータは、回転式のモータと、前記モータの回転力を減速して前記他の関節部分に伝達する変形クラウンギア減速機構とを有し、
前記変形クラウンギア減速機構は、
固定クラウンギアと、前記固定クラウンギアに対して傾斜して噛み合う可動クラウンギアと、前記固定クラウンギアに対して前記可動クラウンギアを押し付けた状態で前記モータにより回転駆動される押し付け機構と、可動クラウンギアに可撓的に取り付けられた出力軸部とから成る
ことを特徴とする請求項３に記載の多自由度マニピュレータ。
前記立体カム機構の前記カム回転軸と前記フォロア回転軸とを、互いの軸方向が略直角となり且つ交差することがないように設ける
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の多自由度マニピュレータ。
前記モータの回転軸と、前記モータの回転力を伝達する前記変形クラウンギア減速機構の出力軸部の回転軸と、前記出力軸部により回転駆動される前記立体カムの前記カム回転軸とを、一致するように或いは略平行となるように設ける
ことを特徴とする請求項２に記載の多自由度マニピュレータ。
前記固定クラウンギアと前記可動クラウンギアとは、
歯数差を１とし、前記可動クラウンギアの傾斜中心線を挟んで左右の２箇所で接触するように設けたものである
ことを特徴とする請求項２又は４に記載の多自由度マニピュレータ。