WO2017213106A1 - 並列ばねによる２自由度回転機構 - Google Patents

並列ばねによる２自由度回転機構 Download PDF

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WO2017213106A1
WO2017213106A1 PCT/JP2017/020881 JP2017020881W WO2017213106A1 WO 2017213106 A1 WO2017213106 A1 WO 2017213106A1 JP 2017020881 W JP2017020881 W JP 2017020881W WO 2017213106 A1 WO2017213106 A1 WO 2017213106A1
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link
degree
rotation mechanism
leaf spring
parallel
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純平 荒田
誠 橋爪
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国立大学法人九州大学
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    • F16H21/10—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane
    • F16H21/16—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for interconverting rotary motion and reciprocating motion

Definitions

  • the present invention relates to a two-degree-of-freedom rotation mechanism using parallel springs.
  • a manipulator used for intraoperative laparoscopic ultrasound diagnosis and a forearm exercise support device used for improving the rehabilitation effect those employing mechanical elements such as a wire mechanism and a link mechanism are known.
  • Non-Patent Document 1 As a product of this kind of multi-degree-of-freedom manipulator, for example, “da Vinci surgical system” of Intuitive Surgical is known (see Non-Patent Document 1).
  • a wire is adopted as a power transmission means from the drive device. By winding the wire with a drive unit, bending of the joint and opening / closing of the gripping part are realized.
  • Patent Document 1 can be cited.
  • a link mechanism is employed as power transmission means from the drive device.
  • Patent Document 2 can be cited.
  • a rubber artificial muscle that is an actuator is disposed between a plurality of cuffs that are attached to a palm position across a wrist joint.
  • the rubber artificial muscle assists the movement of the wrist in the palm flexion direction.
  • a Macchiben type pneumatic actuator having a cylinder portion having an air valve and a sleeve portion, which is also called a Macchiben type pneumatic rubber artificial muscle, is used.
  • Non-Patent Document 1 has the following problems.
  • wires must be replaced frequently because they may “stretch” or “cut”.
  • wires may “stretch” or “cut”.
  • it is necessary to change the wire for about 10 operations.
  • the wire since the wire is wound around a plurality of gears and pulleys, it takes a lot of labor to remove and install. As a result, the running cost and the maintenance load are increased.
  • the wire since the wire expands and contracts, there is a limit to the control accuracy of joints and gripping parts.
  • the wire has a disadvantage that power can be transmitted only in one direction (pulling direction).
  • the bending radius (in other words, the swinging radius) of the capture device increases, and for example, a laparoscopic surgery
  • the bending radius in other words, the swinging radius
  • This problem also occurs in a wire drive mechanism and a pneumatic actuator using gears and pulleys.
  • the present invention has been devised in view of the above-described conventional situation, is lightweight, has a small number of parts, has a simple structure, and can operate a driven link with two degrees of freedom at a low cost.
  • Another object of the present invention is to provide a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring that is excellent in performance and does not give an excessive load to an object.
  • the present invention includes a base, a first link supported so as to be capable of moving forward and backward in the longitudinal direction with respect to the base, and a first base pin having a base in the longitudinal direction penetrating in a thickness direction at a tip of the first link.
  • a rectangular first leaf spring connected by a rotating pair, a second link parallel to the first link and supported so as to be movable forward and backward in the longitudinal direction with respect to the base, and a tip of the second link
  • a rectangular second leaf spring connected in a rotating pair by a second proximal pin in the same direction as the first proximal pin whose longitudinal base end penetrates in the plate thickness direction, and a distal end of the first leaf spring
  • the first tip pin in the same direction as the first base pin is connected in a rotating pair
  • the tip of the second leaf spring is connected in a rotating pair by a second tip pin in the same direction as the first base pin.
  • a two-degree-of-freedom rotation mechanism with a parallel spring comprising a driven link.
  • the base body and the driven link are connected to four members of the first link, the second link, the first plate spring, and the second plate spring, Constructs a circular chain.
  • This chain is connected by a rotating pair of four pins, a first proximal pin, a second proximal pin, a first distal pin, and a second distal pin.
  • This two-degree-of-freedom rotation mechanism using parallel springs can be operated by being incorporated in a device such as a manipulator or by being directly attached to a human forearm or the like.
  • a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring is used for a manipulator or a forearm, thereby deforming the first leaf spring and the second leaf spring by independent parallel linear motions of the pair of first links and second links.
  • a base end is fixed to the base, a first support rod extending along the first link and the first leaf spring, a base end is fixed to the base, and the second link And a second support rod extending along the second leaf spring, a pitch axis at which both ends are supported at the ends of the first support rod and the second support rod, and a direction parallel to the diameter is the pitch.
  • the pair of first support rods and second support rods are protruded and fixed in parallel from the base body.
  • the first support rod and the second support rod are respectively disposed along the first link and the first leaf spring, and the second link and the second leaf spring.
  • the first support rod and the second support rod support the pitch axis across the tips.
  • a swing disk is rotatably supported on the pitch axis.
  • a yaw axis that is rotatable about the center is vertically supported on the oscillating disk.
  • a holder is fixed to one end of the yaw shaft, and a rotating disk is fixed to the other end.
  • the rotating disc is connected to the ends of the first leaf spring and the second leaf spring in a rotating pair by a first tip pin and a second tip pin across the center of rotation.
  • the forward and backward rotation of the driven link is referred to as forward rotation and backward rotation in the case of a manipulator, and is referred to as palm flexion and dorsiflexion in the case of a forearm exercise support device.
  • the rotating disk is integrated with the oscillating disk and rotates backward via the pitch axis. Therefore, the holder also rotates backward.
  • the rotary disk rotates right or left about the yaw axis. Accordingly, the holder also rotates clockwise or counterclockwise. Further, the first link and the second link can be differentiated while moving forward or backward. In this case, the holder can be operated so as to stroke the held ultrasonic probe, for example, while applying contact pressure to the object.
  • the present invention provides a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring, wherein the first leaf spring and the second leaf spring have a J-shaped tip bent portion bent in a direction in which the tips approach each other.
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel spring of this configuration it is possible to avoid contact between the first leaf spring and the second leaf spring when the rotating disk rotates at 90 ° about the yaw axis.
  • the yaw axis rotation angle is 90 °
  • the interference avoidance distance from the first tip pin or the second tip pin (tip passive joint) to the counterpart spring is larger than the spring width
  • the first leaf spring and the second leaf spring can be avoided.
  • the present invention provides a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring in which the first plate spring and the second plate spring have a distance between tips that is smaller than a distance between base ends.
  • the first plate spring and the second plate spring have a distance between the distal ends smaller than a distance between the proximal ends.
  • the first leaf spring and the second leaf spring have a smaller linear movement distance between the first link and the second link than when the distance between the distal ends is larger than the distance between the proximal ends. It can be rotated at a large rotation angle. Further, since the diameter direction can be reduced, the rotating disk and the swing disk can be made compact.
  • the present invention provides a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring in which the holder holds the ultrasonic probe in a detachable manner.
  • the ultrasonic probe is attached to the holder according to the two-degree-of-freedom rotation mechanism with the parallel spring having this configuration. That is, the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel spring can be used for a manipulator for intraoperative laparoscopic ultrasonic diagnosis.
  • the ultrasonic probe mounted on the holder can be rotated with two degrees of freedom around the pitch axis and the yaw axis by the independent linear movement of the first link and the second link.
  • the ultrasonic probe can acquire the internal information in real time by scanning along the surface of the object by this two-degree-of-freedom rotation.
  • the manipulator can absorb the reaction force from the object by the elasticity of the first leaf spring and the second leaf spring, and can bring the ultrasonic probe into contact with the object with an appropriate force without applying an excessive load. It becomes.
  • the present invention provides a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring in which the first leaf spring and the second leaf spring are formed using a nickel titanium alloy.
  • nickel titanium alloy is used for the first leaf spring and the second leaf spring.
  • the nickel titanium alloy is biocompatible and has superelastic properties. Therefore, according to a manipulator for intraoperative laparoscopic ultrasound diagnosis using a two-degree-of-freedom rotation mechanism with a parallel spring, while maintaining biocompatibility, the rotation operation range around the pitch axis is 20 to 90 °, which is ideal. It is possible to simultaneously satisfy the rotational operation range around the yaw axis of ⁇ 90 ° required for a typical ultrasonic diagnosis.
  • the present invention provides a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring in which the first link and the second link are parallel.
  • the long first link and the second link can be arranged without interfering with each other.
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel spring is used in a manipulator for intraoperative laparoscopic ultrasonic diagnosis
  • the first link and the second link are accommodated in the outer cylinder.
  • the outer cylinder is inserted through a trocar that passes through the cut in the abdomen.
  • the manipulator needs to secure a distance (outer cylinder length) from the tip to the manipulator driving unit located outside with a predetermined length.
  • the present invention provides a parallel spring in which the base is attached and fixed to a peripheral part of a joint of a human body, and the driven link is attached and fixed between a first part of the peripheral part and a second part of the peripheral part.
  • a parallel spring in which the base is attached and fixed to a peripheral part of a joint of a human body, and the driven link is attached and fixed between a first part of the peripheral part and a second part of the peripheral part.
  • the base body is attached to the peripheral part of the joint of the human body, and the driven link is attached so as to sandwich the two parts of the peripheral part of the joint.
  • the peripheral portion of the joint bends forward via the joint.
  • the peripheral portion of the joint is dorsiflexed through the joint. If a difference (difference) is caused in the amount of advancement / retraction between the first link and the second link, the peripheral portion of the joint is abducted or adductioned. Further, the first link and the second link can be differentiated while moving forward or backward.
  • the peripheral part of the joint can be operated so as to be stroked while applying contact pressure to the object. That is, the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel spring can be applied to a support device that performs a support operation for smoothly moving a peripheral part of a joint of a human body.
  • the support device using the two-degree-of-freedom rotation mechanism by the parallel spring includes the first leaf spring and the second leaf spring in the chain, the reaction force received from the driven link is generated by the first leaf spring and the second leaf spring. Absorbing by deformation, it is possible to suppress applying an excessive load to the joints of the human body.
  • the present invention also provides a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring in which the base is attached and fixed to the forearm, and the driven link is attached and fixed between the wrist and the base of the finger.
  • the base is attached to the forearm and the driven link is attached to the back of the hand or the like.
  • the first link and the second link move forward, the hand flexes via the wrist.
  • the first link and the second link are retracted, the hand bends back through the wrist.
  • a difference difference
  • the first link and the second link can be differentiated while moving forward or backward. In this case, the palm can be operated so as to be stroked while applying contact pressure to the object.
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel spring can be used as a forearm motion support device for performing a forearm motion support operation.
  • the forearm motion support device using the two-degree-of-freedom rotation mechanism by the parallel spring includes the first leaf spring and the second leaf spring in the chain, and therefore the reaction force received from the driven link is the first leaf spring and the second leaf spring. It can absorb by deforming and restrain an excessive load on the wrist joint.
  • the driven link can be operated with two degrees of freedom with a small number of parts, a simple structure, and low cost, and is excellent in sterilization and sterilization, and an excessive load is applied to the target. None give.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the manipulator shown in FIG. Perspective view of the manipulator when not operating Schematic view of the manipulator when not operating in plan view
  • Top view of the first leaf spring Schematic diagram explaining spring contact avoidance and singularity avoidance during yaw axis rotation Operation explanatory diagram explaining singularity avoidance when rotating yaw axis 90 °
  • Schematic diagram explaining pitch axis interference avoidance during yaw axis rotation Operation explanatory diagram explaining pitch axis interference avoidance when rotating yaw axis 90 °
  • Perspective view of the manipulator when rotating backward Perspective view of the manipulator when rotating backward left Explanatory drawing showing the result of stiffness evaluation performed on manipulator
  • the perspective view of the forearm exercise support device concerning a 2nd embodiment.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a state where the forearm exercise support device shown in FIG. 15 is attached to the forearm and the hand is bent back.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a state where the forearm exercise support device shown in FIG. 15 is attached to the forearm and the hand is abducted. Explanatory drawing showing the result of the output measurement performed about the forearm exercise support device
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a manipulator device unit according to the first embodiment.
  • the manipulator 100 is attached to the manipulator device unit 11.
  • the manipulator device unit 11 includes a control unit 13 and a manipulator drive unit (not shown).
  • the control unit 13 includes a pitch rotation speed adjustment knob 15, a yaw rotation speed adjustment knob 17, a pitch 0 degree yaw 0 degree attitude switch (initial attitude switch 19), and a pitch 20 degree yaw 0 degree attitude switch (pitch inclination attitude switch 21). Is provided.
  • the manipulator drive unit is provided with a pair of linear motors (not shown) in a unit main body (not shown) provided with a gripping part.
  • a pitch button (not shown) and a yaw button (not shown) for pitch-driving and yaw-driving the manipulator 100 while holding the gripping part are disposed on the gripping part of the unit main body.
  • the linear motion motor is controlled to rotate independently by the control unit 13.
  • the base end of the outer cylinder 23 is fixed to the unit main body.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the manipulator shown in FIG.
  • the manipulator 100 is attached to the tip of the outer cylinder 23 extending from the manipulator drive unit.
  • the manipulator 100 includes a base, a first link 25, a first leaf spring 27, a second link 29, a second leaf spring 31, and a driven link.
  • the manipulator 100 includes a first support rod 33, a second support rod 35, a pitch shaft 37, a swing disk 39, a yaw shaft 41, and a holder.
  • the base body is the unit main body.
  • FIG. 3 is a front view of the manipulator.
  • the outer cylinder 23 is formed in a circular shape.
  • a part of the outer cylinder 23 has a half-moon shape, and a half-moon-shaped short pipe is similarly attached to that portion.
  • Linear bearings are installed inside the short pipe. The linear bearing passes the cable 45 of the ultrasonic probe 43 attached to the holder, thereby supporting the movement of the cable 45 and preventing the insufflation gas from leaking.
  • the manipulator 100 is arranged on the radially inner side of the outer cylinder 23 without the outer shape protruding from the outer cylinder 23 in a front view.
  • the manipulator 100 is inserted through a trocar passed through a small (approximately 1 ⁇ 2 inch) cut in the abdomen.
  • the surgeon operates the manipulator 100 disposed at the internal diagnostic site via the manipulator 100 from the outside of the abdomen.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the manipulator shown in FIG. In the present embodiment, the vertical and horizontal directions follow the direction of the arrows shown in FIG.
  • the first link 25 can be moved back and forth in the longitudinal direction with respect to the unit main body by one linear motion motor of the manipulator driving unit.
  • the first link 25 is transmitted after the rotational motion of the linear motion motor is converted into linear motion by a ball screw mechanism, for example.
  • the first leaf spring 27 is formed in a rectangular shape, for example.
  • the first leaf spring 27 is connected to the distal end of the first link 25 by a rotating pair at the longitudinal base end by the first proximal pin 47.
  • the first base end pin 47 penetrates the longitudinal base end of the first leaf spring 27 in the plate thickness direction.
  • the second link 29 is arranged in parallel with the first link 25.
  • the second link 29 can be moved back and forth in the longitudinal direction with respect to the unit main body by the other linear motion motor of the manipulator drive unit.
  • the second link 29 is transmitted after the rotational motion of the linear motor is converted into linear motion by, for example, a ball screw mechanism.
  • the second leaf spring 31 is formed in the same rectangular shape as the first leaf spring 27.
  • the second leaf spring 31 is connected to the distal end of the second link 29 in a rotational pair by a second proximal end pin 49 whose longitudinal base end is in the same direction as the first proximal end pin 47.
  • the second base pin 49 penetrates the longitudinal base end of the second leaf spring 31 in the plate thickness direction.
  • first link 25 and the second link 29 of the manipulator 100 are parallel.
  • the parallel first link 25 and second link 29 are inserted inwardly of the outer cylinder 23 so that they can freely move linearly independently.
  • the base end of the first support rod 33 is fixed to the unit main body.
  • the first support rod 33 extends along the first link 25 and the first leaf spring 27.
  • the base end of the second support rod 35 is fixed to the unit main body.
  • the second support rod 35 extends along the second link 29 and the second leaf spring 31.
  • the pitch shaft bearings 51 are formed at the tips of the first support rod 33 and the second support rod 35, respectively.
  • the left and right ends of the pitch shaft 37 are supported by pitch shaft bearings 51 at the tips of the first support rod 33 and the second support rod 35.
  • the pitch shaft 37 may be fixedly supported with respect to the pitch shaft bearing 51 or may be rotatably supported.
  • the rocking disc 39 is formed in an annular shape.
  • the oscillating disk 39 is supported so that the direction parallel to the diameter can be rotated along the pitch axis 37.
  • the pitch axis insertion portion 53 in the chord direction is formed on the swing disk 39.
  • a pitch shaft 37 having both ends supported by the pitch shaft bearing 51 is inserted into the pitch shaft insertion portion 53.
  • the swing disk 39 can swing around the pitch axis at the tips of the pair of first support rod 33 and second support rod 35.
  • the yaw shaft 41 is supported by the oscillating disk 39 so as to be rotatable in the vertical direction.
  • the yaw shaft 41 is rotatably fitted in the inner hole of the swing disk 39.
  • the manipulator 100 unscrews the first base end pin 47, the second base end pin 49, and the yaw shaft 41, so that the first link 25, the second link 29, the first support rod 33, and the second support rod 35 are released. It can be easily detached from the tip of the.
  • the holder is fixed to one end of the yaw shaft 41 and is rotatable with respect to the rocking disc 39.
  • the holder is fixed to the end surface on one end side (lower end side) of the yaw shaft 41 with a pair of screws.
  • an annular slide bearing 55 for reducing friction is interposed between the holder and the oscillating disk 39.
  • the holder holds the ultrasonic probe 43 in a detachable manner. That is, in the manipulator 100 of this embodiment, the holder is the ultrasonic probe holder 57.
  • the upper surface of the ultrasonic probe holder 57 is fixed to the yaw shaft 41.
  • a probe locking claw 59 is provided at the tip of the ultrasonic probe holder 57.
  • a slider 61 is provided at the rear end of the ultrasonic probe holder 57 so as to be slidable in the front-rear direction.
  • the ultrasonic probe holder 57 locks the tip of the ultrasonic probe 43 to the probe locking claw 59 while the slider 61 is retracted, and locks the rear end of the ultrasonic probe 43 with the slider 61 slid forward. By doing so, it can be easily mounted.
  • the driven link is the rotating disk 63.
  • the rotating disk 63 is fixed to the other end of the yaw shaft 41 and is rotatable with respect to the swinging disk 39.
  • the rotary disk 63 is fixed to the end face on the other end side (upper end side) of the yaw shaft 41 with a pair of screws.
  • An annular sliding bearing 55 for reducing friction is interposed between the rotating disk 63 and the swinging disk 39.
  • the yaw shaft 41 and the rotating disk 63 support the first tip pin 65 and the second tip pin 67 on both sides of the rotation center.
  • the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 are connected to the yaw shaft 41 and the rotating disk 63 in a rotational pair via the first tip pin 65 and the second tip pin 67.
  • the manipulator 100 has a total length of 370 mm and a diameter of 15 mm of the outer cylinder 23, and an ultrasonic probe 43 (for example, L43K, Hitachi Aloka Medical Ltd., Japan) having a diameter of about 12 mm can be attached to the tip of the manipulator 100.
  • an ultrasonic probe 43 for example, L43K, Hitachi Aloka Medical Ltd., Japan
  • FIG. 5 is a perspective view when the manipulator is not operating.
  • the manipulator 100 assumes an initial posture by the pitch tilt posture switch 21.
  • the first base end pin 47 and the second base end pin 49 are in the same forward / backward position, and the ultrasonic probe 43 is disposed in parallel with the first support rod 33 and the second support rod 35.
  • FIG. 6 is a schematic view of the manipulator when not operating in plan view.
  • the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 have a distance between the distal ends smaller than a distance between the proximal ends.
  • FIG. 7 is a plan view of the first leaf spring.
  • the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 have a J-shaped tip bending portion 69 that is bent in a direction in which the tips approach each other.
  • the first plate spring 27 and the second plate spring 31 have a pitch length P of the pin holes 71 of 13.5 mm, a plate width W of 2.5 mm, and an interval D from the axis to the pin holes 71 of the tip bent portion 69.
  • the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 are formed using, for example, a nickel titanium alloy.
  • the first plate spring 27 and the second plate spring 31 are formed with a plate thickness of about 0.2 mm.
  • the manipulator 100 uses a nickel-titanium alloy with a thickness of 0.2 mm to provide a pitch rotation operating range of 20 to 90 ° and a yaw rotating operating range of ⁇ 90 ° required for ideal ultrasonic diagnosis. It is possible.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining spring contact avoidance and singularity avoidance during yaw axis rotation.
  • a singular point in a robot such as the manipulator 100 of the present embodiment means a position or posture at which one or more degrees of freedom are reduced and the robot (eg, the manipulator 100) becomes inoperable. More specifically, in order to operate a robot (for example, the manipulator 100), it is necessary to replace the mechanism arrangement with a mathematical formula and determine how much the linear motion motor should be moved with respect to the target position. .
  • a singular point means a point where this mathematical formula cannot be solved. For example, a state where joints corresponding to the proximal end and the distal end of the first leaf spring 27 and the distal end of the second leaf spring 31 are arranged in a straight line is a singular point.
  • the first condition is avoidance of spring contact when rotating the yaw axis 90 °. For this reason, when the manipulator 100 rotates the yaw axis by 90 °, the distance d between the center of the first tip pin 65 or the second tip pin 67 and the axis of the adjacent first link 25 or the second link 29 is the plate width. It is set larger than W (d> W).
  • the second condition is avoidance of singular points when rotating the yaw axis 90 °. Therefore, the manipulator 100 connects the straight line fr (x) connecting the first proximal pin 47 and the first distal pin 65 and the second proximal pin 49 and the second distal pin 67 when the yaw axis is rotated by 90 °.
  • the straight line fl (x) is set so that fr (0)> 0 and fl (0)> 0.
  • FIG. 9 is an operation explanatory diagram illustrating singularity avoidance when the yaw axis is rotated 90 °. Thereby, the manipulator 100 can avoid a singular point when the yaw axis is rotated by 90 °.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining pitch axis interference avoidance during yaw axis rotation.
  • the third condition is to avoid interference with the pitch axis 37 when the yaw axis rotates 90 °. Therefore, when the manipulator 100 rotates the yaw axis by 90 °, the distance lrr from the yaw axis 41 to the first tip pin 65 or the second tip pin 67 on the near side is larger than the distance lp to the pitch shaft 37 (lrr> lp) is set.
  • FIG. 11 is an operation explanatory view illustrating pitch axis interference avoidance when the yaw axis is rotated by 90 °.
  • the manipulator 100 can avoid the interference with the pitch axis 37 when the yaw axis is rotated by 90 °.
  • the shapes of the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 that satisfy the above first to third conditions are as shown in FIG.
  • the base and the driven link are four members of a first link 25, a second link 29, a first leaf spring 27, and a second leaf spring 31.
  • This chain is connected by a rotating pair of four pins: a first proximal pin 47, a second proximal pin 49, a first distal pin 65, and a second distal pin 67.
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism with parallel springs is excellent in sterilization and disinfection due to its simple structure with a small number of parts. And since the 1st leaf
  • This two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring can be operated by being incorporated in a device such as the manipulator 100 or by being directly attached to a human forearm or the like.
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel springs is used for the manipulator 100 and the forearm, so that the first plate spring 27 and the second plate spring can perform independent parallel linear motions of the pair of the first link 25 and the second link 29, respectively.
  • a pair of first support rods 33 and second support rods 35 are protruded and fixed in parallel from a unit main body which is a base.
  • the first support rod 33 and the second support rod 35 are disposed along the first link 25 and the first leaf spring 27, and the second link 29 and the second leaf spring 31, respectively.
  • a pitch shaft 37 is supported by the first support rod 33 and the second support rod 35 across the tips.
  • a swing disk 39 is rotatably supported on the pitch shaft 37.
  • a yaw shaft 41 that is rotatable about the center is vertically supported on the swing disk 39.
  • the yaw shaft 41 has a holder fixed at one end and a rotating disk 63 fixed at the other end.
  • the ends of the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 are connected to the rotary disk 63 by a pair of rotations by a first tip pin 65 and a second tip pin 67 across the center of rotation.
  • FIG. 12 is a perspective view when the manipulator rotates backward.
  • the rotating disk 63 rotates together with the swing disk 39 via the pitch shaft 37. Therefore, the holder also rotates forward.
  • the forward and backward rotation of the driven link is referred to as forward rotation and backward rotation in the case of the manipulator 100, and is referred to as palm flexion and dorsiflexion in the case of the forearm exercise support device described later.
  • the rotating disk 63 is rotated together with the swing disk 39 via the pitch shaft 37. Therefore, the holder also rotates backward.
  • FIG. 13 is a perspective view of the manipulator when rotating backward to the left.
  • a difference difference
  • the rotary disk 63 rotates clockwise or counterclockwise about the yaw axis 41. Accordingly, the holder also rotates clockwise or counterclockwise.
  • the first link 25 and the second link 29 can be differentially moved forward or backward. In this case, the holder can be operated so as to stroke the held ultrasonic probe 43 while applying contact pressure to the object.
  • the ultrasonic probe 43 has a protrusion for gripping with a forceps.
  • pitch rotation it is necessary to first perform pitch rotation at 20 ° in order to avoid the interference. This posture is performed by the pitch tilt posture switch 21.
  • the manipulator 100 can avoid contact between the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 when the rotary disk 63 rotates at 90 ° about the yaw axis 41.
  • the yaw axis rotation angle is 90 °
  • the interference avoidance distance from the first tip pin 65 or the second tip pin 67 to the counterpart spring is larger than the spring width
  • the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 Contact can be avoided.
  • the first plate spring 27 and the second plate spring 31 have a distance between the distal ends smaller than a distance between the proximal ends.
  • plate spring 31 have a small linear moving distance of the 1st link 25 and the 2nd link 29 compared with the case where the separation distance of front-end
  • the rotating disk 63 can be rotated at a large rotation angle. Further, since the diameter direction can be reduced, the rotating disk 63 and the swing disk 39 can be made compact.
  • the manipulator 100 can attach the ultrasonic probe 43 to the holder. That is, the manipulator 100 can be used for intraoperative laparoscopic ultrasound diagnosis.
  • the ultrasonic probe 43 attached to the holder can be rotated with two degrees of freedom around the pitch axis 37 and the yaw axis 41 by the independent linear movement of the first link 25 and the second link 29.
  • the ultrasonic probe 43 can acquire the internal information in real time by scanning along the surface of the object by this two-degree-of-freedom rotation.
  • the manipulator 100 using a two-degree-of-freedom rotation mechanism using a parallel spring enables a rotation operation (operation to stroke the target surface) around the target contact point while realizing a compact tip shape, which is ideal. Probe scanning is realized. Further, the manipulator 100 absorbs the reaction force from the object by the elasticity of the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31, and contacts the ultrasound probe 43 with an appropriate force without applying an excessive load. It becomes possible to make it.
  • the manipulator 100 is formed on the first leaf spring 27 and the second leaf spring 31 using a nickel titanium alloy.
  • the nickel titanium alloy is biocompatible and has superelastic properties. For this reason, the manipulator 100 for intraoperative laparoscopic ultrasonic diagnosis using a two-degree-of-freedom rotation mechanism with parallel springs is ideal, with a rotation operation range of 20 to 90 ° around the pitch axis while ensuring biocompatibility. It is possible to simultaneously satisfy the rotational operation range around the yaw axis of ⁇ 90 ° required for simple ultrasonic diagnosis.
  • the long first link 25 and the second link 29 can be arranged without interfering with each other.
  • the first link 25 and the second link 29 are accommodated in the outer cylinder 23.
  • the outer cylinder 23 is inserted through a trocar passed through the abdominal cut. Therefore, the manipulator 100 needs to secure a distance (outer cylinder length) from the tip to the manipulator driving unit located outside with a predetermined length (for example, about 125 to 300 mm).
  • ⁇ Test method> The amount of displacement when a load was applied to the tip of the testing machine rotated to each posture was measured with a motion analysis microscope (for example, VW-6000, KEYENCE), and a stiffness value was calculated. At this time, the pitch axis rotation was measured after changing the posture by 10 ° in the range of 20 to 90 °. In the measurement, the load was always applied in the direction perpendicular to the probe surface, the load was increased by 0.5N from 0 to 1.5N, and then unloaded by 0.5N until 0N.
  • a motion analysis microscope for example, VW-6000, KEYENCE
  • the measurement was performed with the tip of the outer cylinder 23 fixed to obtain an equivalent environment.
  • the measurement accuracy was 50 ⁇ m
  • the sampling rate was 60 FPS
  • measurement was performed three times for each posture.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram showing the result of stiffness evaluation performed on the manipulator.
  • the rigidity value at a representative pitch angle of 20 ° is 1.37 N / mm, which satisfies the rigidity value of 1 to 6 N / mm required for ultrasonic diagnosis. I was able to find out.
  • FIG. 15 is a perspective view of the forearm exercise support device according to the second embodiment.
  • the forearm exercise support device 200 includes a base, a first link 73, a first leaf spring 75, a second link 77, a second leaf spring 79, and a driven link.
  • the base body is the apparatus main body 81.
  • the apparatus main body 81 has a base plate 83 made of ABS resin.
  • a belt hole 85 is formed in the base plate 83.
  • the apparatus main body 81 is attached to the forearm by winding a belt 87 passed through the belt hole 85 of the base plate 83.
  • a linear motion unit 89 is provided on the upper surface of the base plate 83.
  • the linear motion unit 89 has a pair of linear motion motors 91.
  • the linear motion unit 89 supports the first link 73 and the second link 77 so as to freely advance and retract.
  • the first link 73 can be moved back and forth in the longitudinal direction with respect to the apparatus main body 81 by one linear motion motor 91 of the linear motion unit 89.
  • the first link 73 is transmitted after the rotational motion of the linear motion motor 91 is converted into linear motion by, for example, a ball screw mechanism.
  • the first leaf spring 75 is formed in a rectangular shape.
  • the first leaf spring 75 is connected to the distal end of the first link 73 by a rotary pair at the proximal end in the longitudinal direction by the first proximal end pin 93.
  • the first base end pin 93 penetrates the base end in the longitudinal direction of the first leaf spring 75 in the plate thickness direction.
  • the second link 77 is arranged in parallel with the first link 73.
  • the second link 77 is movable in the longitudinal direction with respect to the apparatus main body 81 by the other linear motion motor 91 of the linear motion unit 89.
  • the second link 77 is transmitted after the rotational motion of the linear motor 91 is converted into linear motion by, for example, a ball screw mechanism.
  • the second leaf spring 79 is formed in the same rectangular shape as the first leaf spring 75.
  • the second leaf spring 79 is connected to the distal end of the second link 77 in a rotational pair by a second proximal pin 95 whose longitudinal base end is in the same direction as the first proximal pin 93.
  • the second base end pin 95 penetrates the longitudinal base end of the second leaf spring 79 in the plate thickness direction.
  • the first leaf spring 75 and the second leaf spring 79 are 50 mm in the longitudinal direction (pitch length of the pin hole 71), 10 mm in width, and 0 in thickness in consideration of realization of operation and rigidity of the mechanism. It can be a dimension of about 5 mm.
  • the first plate spring 75 and the second plate spring 79 can be made of hardened carbon steel.
  • the driven link is a hold plate 97 made of ABS resin.
  • the hold plate 97 is mounted by winding a belt 87 around the back of the hand.
  • the front ends of the first plate spring 75 and the second plate spring 79 are connected to the hold plate 97 as a rotating pair.
  • the distal end of the first leaf spring 75 is connected to the hold plate 97 in a rotational pair by the first distal end pin 99 in the same direction as the first proximal end pin 93.
  • the tip of the second leaf spring 79 is connected to the hold plate 97 by a second pair of pins 101 in the same direction as the first base end pin 93 in a rotational pair.
  • the apparatus main body 81 as a base is attached and fixed to the forearm, and the hold plate 97 as a follower link is attached and fixed between the wrist and the base of the finger.
  • FIG. 16 is a perspective view showing a state where the forearm exercise support device shown in FIG. 15 is attached to the forearm and the hand is bent back.
  • the apparatus main body 81 is attached to the forearm, and the hold plate 97 is attached to the back of the hand or the like.
  • FIG. 17 is a perspective view of a state where the forearm exercise support device shown in FIG. 15 is attached to the forearm and the hand is abducted.
  • the forearm exercise support device 200 makes a difference (differential) in the advance / retreat amount of the first link 73 and the second link 77, the hand abducts or inwardly rotates.
  • the first link 73 and the second link 77 can be differentially moved forward or backward.
  • the palm can be operated so as to be stroked while applying a contact pressure to an object (for example, an article held by the palm or a portion touched by the palm).
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel spring can be used as the forearm motion support device 200 for performing the forearm motion support operation. Since the forearm motion support device 200 using the two-degree-of-freedom rotation mechanism by the parallel spring includes the first leaf spring 75 and the second leaf spring 79 in the chain, the reaction force received from the driven link is received by the first leaf spring 75 and the second leaf spring. It can absorb by deform
  • the forearm exercise support device 200 can realize a two-degree-of-freedom operation by the movement of the two linear motors 91.
  • the palmar dorsiflexion operation can be activated, and the abduction internal movement can be supported.
  • the wrist joint moves at the center of rotation. Since the forearm exercise support device 200 has two degrees of freedom, the follower link can be driven in accordance with the movement of the rotation center. In addition, since the chain element in the link mechanism has a spring, it is possible to support the operation without putting a physical load on the wearer. In addition, the forearm exercise support device 200 is thin particularly at the spring use site, and can transmit power along the body surface of the wearer. For this reason, the forearm exercise support device 200 also has an advantage of being able to suppress the hindering of the wearer's operation.
  • the forearm exercise support device 200 by using two spring elements in the chain, it is possible to perform motion support with a single joint with two degrees of freedom while being small, light, and safe.
  • the forearm exercise support device 200 also has advantages such as simplification of the mechanism, reduction in the number of parts, and acceptance of motion deviation between the apparatus human bodies by using the spring element for the mechanism joint.
  • test results of the forearm exercise support device 200 are manufactured and the output measurement is performed for the evaluation.
  • ⁇ Test method> Using FEM analysis, the assist torque obtained at the wrist joint was analyzed by a testing machine. The analysis was performed when the hand was in the normal position (the posture in which the long axis of the middle finger and the forearm was parallel).
  • FIG. 18 is an explanatory diagram showing the result of output measurement performed on the forearm exercise support device.
  • the test machine gave a rated output to the linear motor 91, an output of 0.77 Nm for abduction and adduction and 1.18 Nm for palm flexion and dorsiflexion was confirmed.
  • the torque at the wrist joint required to lift the average hand of an elderly Japanese man was 0.54 Nm for both movements, and it was revealed that the hand can be lifted by a testing machine.
  • the weight is light, the number of parts, the simple structure, and the cost of the driven link can be reduced by two.
  • the ultrasonic probe holder is fixed to the yaw axis.
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel spring is used for other end effectors on the yaw axis.
  • the holder may be fixed.
  • examples of the end effector include a clamp, a capturing device, scissors, and a stapler.
  • the apparatus main body 81 is mounted near the heel of the leg, and the hold plate 97 is attached and fixed between the ankle and the base of the finger.
  • the first link 73 and the second link 77 are retracted, the foot bends forward through the ankle.
  • the first link 73 and the second link 77 are retracted, the foot is bent back via the ankle.
  • the first link 73 and the second link 77 can be differentially moved forward or backward.
  • the foot can be operated so as to be stroked while applying a contact pressure to an object (for example, an article pressed by the foot or a portion touched by the foot).
  • the two-degree-of-freedom rotation mechanism using the parallel springs can perform the motion support operation with respect to one leg or both legs.
  • the first plate spring 75 and the second plate spring 79 are included in the chain, so that the reaction force received from the driven link is caused by the deformation of the first plate spring 75 and the second plate spring 79. Absorbing and suppressing an excessive load on the ankle joint.
  • the forearm exercise support device 200 may be attached and fixed to the peripheral part of the joint of the human body (animals other than the human body; the same shall apply hereinafter).
  • joints of the human body include parts such as shoulders, fingers, elbows, knees, necks, spines (spine), and ankle joints.
  • the hold plate 97 is attached and fixed between two locations sandwiching the peripheral portion of the joint of the human body described above.
  • the handicapped person can support the movement around the joint part.
  • the present invention is lightweight, has a small number of parts, has a simple structure, and can operate a driven link with two degrees of freedom at low cost, and is excellent in sterilization and disinfection, and gives an excessive load to an object. This is useful as a two-degree-of-freedom rotation mechanism using parallel springs.

Abstract

マニピュレータ（１００）において、把持部を備えたユニット本体部と、ユニット本体部に対して長手方向に進退自在に支持される第１リンク（２５）と、第１リンク（２５）の先端に第１基端ピン（４７）により回転対偶で接続される第１板ばね（２７）と、第１リンク（２５）に並列してユニット本体部に対して長手方向に進退自在に支持される第２リンク（２９）と、第２リンク（２９）の先端に第１基端ピン（４７）と同方向の第２基端ピン（４９）により回転対偶で接続される第２板ばね（３１）と、第１板ばね（２７）の先端が第１基端ピン（４７）と同方向の第１先端ピン（６５）により回転対偶で接続され、第２板ばね（３１）の先端が第２基端ピン（４９）と同方向の第２先端ピン（６７）により回転対偶で接続される回転ディスク（６３）と、を設けた。

Description

並列ばねによる２自由度回転機構
　本発明は、並列ばねによる２自由度回転機構に関する。
　例えば術中腹腔鏡下超音波診断用に用いられるマニピュレータや、リハビリ効果の向上に用いられる前腕運動支援装置としては、ワイヤー機構やリンク機構等の機械要素を採用するものが知られている。
　この種の多自由度マニピュレータの製品としては、例えばインテュイティブ・サージカル社の「da Vinci surgical system」が知られている（非特許文献１参照）。非特許文献１の多自由度マニピュレータでは、駆動装置からの動力伝達手段としてワイヤーが採用されている。ワイヤーを駆動装置で巻き上げることで、関節の屈曲や把持部の開閉などを実現している。
　また、多自由度マニピュレータに関する先行技術としては、例えば特許文献１などが挙げられる。特許文献１に開示される多自由度マニピュレータでは、駆動装置からの動力伝達手段としてリンク機構が採用されている。
　また、リハビリ装置に関する先行技術としては、例えば特許文献２などが挙げられる。特許文献２に開示される動作支援装置では、手首の関節をまたいだ掌の位置に装着される複数のカフの間にアクチュエータであるゴム人工筋が配置される。ゴム人工筋は、手首の掌屈方向の動きを補助する。ゴム人工筋としては、例えばマッキベン型の空気圧式ゴム人工筋とも呼ばれる、空気弁を有するシリンダ部とスリーブ部とを有するマッキベン型の空気圧アクチュエータを用いている。
日本国特許第４４６０８９０号公報 日本国特許第４０６５４５９号公報
Gary S. Guthart and J. Kenneth Salisbury, Jr., "The Intuitive(TM) Telesurgery System: Overview and Application", Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco, CA April 2000, pp. 618-621, 2000
　しかしながら、非特許文献１において採用されている動力伝達の手法としてのワイヤー駆動には次のような問題がある。
　第一に、ワイヤーは「伸び」や「切れ」等のおそれがあるため、頻繁に交換しなければならない。例えば上述した「da Vinci surgical system」では、約１０回の手術につきワイヤー交換が必要となる。しかも、ワイヤーは複数のギアやプーリに巻回されているため、取り外しや装着に非常な手間を要する。これにより、ランニングコスト及びメンテナンス負荷の増大を招いている。
　第二に、ワイヤーは伸縮するため、関節や把持部の制御精度に限界がある。また、ワイヤーは一方向（引き方向）にしか動力を伝達できないという欠点もある。
　第三に、ワイヤーは滅菌・洗浄が難しいという問題がある。このため、従来の多自由度マニピュレータでは、術前、術後の滅菌・洗浄作業が非常に煩雑である。
　また、特許文献１において採用されている動力伝達の手法としてのリンク機構には次のような問題がある。
　第一に、複数のリンクからなる複数のリンク機構を備えた場合、部品点数が増え、小型化、軽量化が困難となり、製品コストが増大する。この不具合は、特許文献２の空気圧アクチュエータを用いた構成においても同様である。
　第二に、複数のリンク機構によって回転動作を行わせると、捕捉器具（例えば特許文献１の第１支持体１６）の屈曲半径（言い換えると、首振り半径）が大きくなり、例えば腹腔鏡下手術における超音波診断のように、限られた狭小な部位に対して行われる手術時の患部に近づくための滑らかな動きが困難となる。この不具合は、ギアやプーリを用いたワイヤー駆動機構、空気圧アクチュエータにおいても同様に生じる。
　本発明は、上記した従来の状況に鑑みて案出され、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造で、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない並列ばねによる２自由度回転機構を提供することを目的とする。
　本発明は、基体と、前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第１リンクと、前記第１リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する第１基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第１板ばねと、前記第１リンクに並列し、前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第２リンクと、前記第２リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する前記第１基端ピンと同方向の第２基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第２板ばねと、前記第１板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第１先端ピンにより回転対偶で接続され、更に、前記第２板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第２先端ピンにより回転対偶で接続される従動リンクと、を備える、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体と従動リンクとが、第１リンク、第２リンク、第１板ばね及び第２板ばねの４つの部材に接続され、リンク機構における環状の連鎖を構成する。この連鎖は、第１基端ピン、第２基端ピン、第１先端ピン及び第２先端ピンの４つのピンで回転対偶により接続される。これにより、並列ばねによる２自由度回転機構は、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストで機構を構成している。また、少ない部品数で簡単な構造のため、滅菌消毒性に優れる。しかも、連鎖に、第１板ばね及び第２板ばねを要素に含むので、対象に過度の負荷を与えない。この並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータ等の装置に組み込むことや、人体の前腕等に直接装着することにより作動させることができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータや前腕に用いることにより、一対の第１リンク及び第２リンクのそれぞれ独立した平行な直線運動を、第１板ばね及び第２板ばねを変形させることにより、従動リンクの２自由度の動作に変換して取り出すことが可能となる。これにより、例えば省スペースで精密なプローブ走査や、手首関節より先の前腕運動支援動作が実現する。
　また、本発明は、基端が前記基体に固定され、前記第１リンク及び前記第１板ばねに沿って延在する第１支持杆と、基端が前記基体に固定され、前記第２リンク及び前記第２板ばねに沿って延在する第２支持杆と、前記第１支持杆及び前記第２支持杆の先端同士に両端が支持されるピッチ軸と、直径に平行な方向が前記ピッチ軸に沿って回転自在に支持される揺動ディスクと、前記揺動ディスクに垂直方向で回転自在に支持されるヨー軸と、前記ヨー軸の一端に固定され、前記揺動ディスクに対し回転自在となるホルダと、を更に備え、前記従動リンクが、前記ヨー軸の他端に固定されて前記揺動ディスクに対し回転自在となる回転ディスクである、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体から、一対の第１支持杆及び第２支持杆が並列に突出して固定される。第１支持杆及び第２支持杆は、それぞれが第１リンク及び第１板ばねと、第２リンク及び第２板ばねとに沿って配置される。第１支持杆及び第２支持杆には、先端同士に渡ってピッチ軸が支持される。ピッチ軸には、揺動ディスクが回転自在に支持される。揺動ディスクには、ほぼ中心に回転自在なヨー軸が垂直に支持される。ヨー軸には、一端にホルダが固定され、他端に回転ディスクが固定される。この回転ディスクには、回転中心を挟んで第１板ばね及び第２板ばねの先端が第１先端ピン及び第２先端ピンにより回転対偶で接続される。第１リンク及び第２リンクが前進すると、回転ディスクは揺動ディスクと一体となってピッチ軸を介して前方回転する。従って、ホルダも前方回転する。なお、本明細書中、従動リンクの前後方回転はマニピュレータの場合、前方回転、後方回転と称し、前腕運動支援装置の場合、掌屈、背屈と称す。第１リンク及び第２リンクが後退すると、回転ディスクは揺動ディスクと一体となってピッチ軸を介して後方回転する。従って、ホルダも後方回転する。第１リンクと第２リンクとの進退量に差を生じ（差動）させると、回転ディスクはヨー軸を中心に右回転又は左回転する。従って、ホルダも右回転又は左回転する。また、第１リンク及び第２リンクは、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、ホルダは、保持した例えば超音波プローブを対象に対して接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。
　また、本発明は、前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、先端が互いに接近する方向に屈曲したＪ字形状の先端屈曲部を有する、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、回転ディスクがヨー軸を中心に９０°で回転したとき、第１板ばね及び第２板ばねの接触回避が可能となる。ヨー軸回転角度が９０°のとき、第１先端ピン又は第２先端ピン（先端受動関節）から相手側ばねまでの干渉回避距離は、ばね幅より大きいとき、第１板ばね及び第２板ばねの接触が回避可能となる。第１板ばね及び第２板ばねの先端に、Ｊ字形状の先端屈曲部を形成することにより、この干渉回避距離がばね幅の制約を受けずに確保可能となる。
　また、本発明は、前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、第１基端ピンと第２基端ピンとを通る線と、第１先端ピンと第２先端ピンとを通る線が、同一平面上で平行なとき、第１基端ピンと第２基端ピンとの離間距離よりも第１先端ピンと第２先端ピンとの離間距離の方が小さい。つまり、第１板ばね及び第２板ばねは、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい。これにより、第１板ばね及び第２板ばねは、先端同士の離間距離が基端同士の離間距離よりも大きい場合に比べ、第１リンク及び第２リンクの小さい直線移動距離で、回転ディスクを大きな回転角度で回転させることができる。また、直径方向を小さく形成できることにより、回転ディスク及び揺動ディスクをコンパクト化することができる。
　また、本発明は、前記ホルダが、超音波プローブを着脱自在に保持する、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、ホルダに、超音波プローブが装着される。つまり、並列ばねによる２自由度回転機構は、術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータに用いることができる。ホルダに装着された超音波プローブは、第１リンク及び第２リンクの独立直線動作により、ピッチ軸及びヨー軸を中心とした２自由度での回転が可能となる。超音波プローブは、この２自由度回転により対象の表面に沿って走査することでその内部情報をリアルタイムに取得することが可能となる。特に、並列ばねによる２自由度回転機構を用いたマニピュレータによれば、コンパクトな先端形状を実現しながら、対象の接触点を中心とした回転動作（対象表面を撫でるような動作）が可能となり、理想的なプローブ走査が実現する。また、マニピュレータは、第１板ばね及び第２板ばねの弾性により、対象からの反力を吸収し、過度の負荷を与えずに、超音波プローブを対象に適切な力で接触させることが可能となる。
　また、本発明は、前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、ニッケルチタン合金を用いて形成される、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、第１板ばね及び第２板ばねに、ニッケルチタン合金が用いられる。ニッケルチタン合金は、生体適合性を有し、且つ超弾性特性を有する。このため、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータによれば、生体適合性を確保しながら、ピッチ軸回りの回転動作範囲２０～９０°と、理想的な超音波診断のために必要とされるヨー軸回りの回転動作範囲±９０°と、を同時に満たすことができる。
　また、本発明は、前記第１リンク及び前記第２リンクは、平行である、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、長尺の第１リンク及び第２リンクを、相互に干渉させずに配置することができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータに用いられる場合、第１リンク及び第２リンクが、外筒に収容される。外筒は、腹部の切り口に通したトロッカーを介して挿入が行われる。このため、マニピュレータは、先端から、外部に位置するマニピュレータ駆動ユニットまでの距離（外筒長）が所定長で確保される必要がある。第１リンク及び第２リンクは、平行に配置することにより相互干渉を回避しながらこの外筒長の確保が容易となる。
　また、本発明は、前記基体が人体の関節の周辺部位に取り付け固定され、前記従動リンクが前記周辺部位の第１箇所と前記周辺部位の第２箇所との間に取り付け固定される、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体が人体の関節の周辺部位に装着され、従動リンクが関節の周辺部位の二箇所を挟むように装着される。第１リンク及び第２リンクが前進すると、関節の周辺部位は関節を介して前屈する。第１リンク及び第２リンクが後退すると、関節の周辺部位は関節を介して背屈する。第１リンクと第２リンクとの進退量に差を生じ（差動）させると、関節の周辺部位は外転又は内転する。また、第１リンク及び第２リンクは、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、関節の周辺部位は、対象に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。つまり、並列ばねによる２自由度回転機構は、人体の関節の周辺部位を滑らかに動かすための支援動作を行う支援装置に適用できる。また、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた上記支援装置は、連鎖に第１板ばね及び第２板ばねを含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね及び第２板ばねの変形により吸収し、人体の関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
　また、本発明は、前記基体が前腕に取り付け固定され、前記従動リンクが手首と指のつけ根との間に取り付け固定される、並列ばねによる２自由度回転機構を提供する。
　この構成の並列ばねによる２自由度回転機構によれば、基体が前腕に装着され、従動リンクが手の甲等に装着される。第１リンク及び第２リンクが前進すると、手は手首を介して掌屈する。第１リンク及び第２リンクが後退すると、手は手首を介して背屈する。第１リンクと第２リンクとの進退量に差を生じ（差動）させると、手は外転又は内転する。また、第１リンク及び第２リンクは、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、掌は、対象に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。つまり、並列ばねによる２自由度回転機構は、前腕運動の支援動作を行うための前腕運動支援装置として用いることができる。また、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた前腕運動支援装置は、連鎖に第１板ばね及び第２板ばねを含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね及び第２板ばねの変形により吸収し、手首関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
　本発明によれば、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない。
第１の実施形態に係るマニピュレータ装置ユニットの構成図 図１に示したマニピュレータの拡大図 マニピュレータの正面図 図３に示したマニピュレータの分解斜視図 マニピュレータの非動作時の斜視図 非動作時のマニピュレータを平面視した模式図 第１板ばねの平面図 ヨー軸回転時におけるばね接触回避、及び特異点回避を説明する模式図 ヨー軸９０°回転時における特異点回避を説明する動作説明図 ヨー軸回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する模式図 ヨー軸９０°回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する動作説明図 マニピュレータの後方回転時の斜視図 マニピュレータの後方左回転時の斜視図 マニピュレータについて行った剛性評価の結果を表す説明図 第２の実施形態に係る前腕運動支援装置の斜視図 図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を背屈させた状態の斜視図 図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を外転させた状態の斜視図 前腕運動支援装置について行った出力測定の結果を表す説明図
　以下、適宜図面を参照しながら、本発明に係る並列ばねによる２自由度回転機構を具体的に開示した各実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。なお、以下の本実施形態において、本発明に係るマニピュレータは、例えば低侵襲手術手技における腹腔鏡下手術に用いるマニピュレータを例示して説明する。
［第１の実施形態］
　第１の実施形態では、本発明に係る並列ばねによる２自由度回転機構を適用した装置として、例えば術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータを例示して説明する。図１は、第１の実施形態に係るマニピュレータ装置ユニットの構成図である。
　マニピュレータ１００は、マニピュレータ装置ユニット１１に取り付けられる。マニピュレータ装置ユニット１１は、制御ユニット１３と、マニピュレータ駆動ユニット（図示略）とを有する。制御ユニット１３には、ピッチ回転速度調整摘み１５、ヨー回転速度調整摘み１７、ピッチ０度ヨー０度姿勢スイッチ（初期姿勢スイッチ１９）、ピッチ２０度ヨー０度姿勢スイッチ（ピッチ傾斜姿勢スイッチ２１）が設けられる。
　マニピュレータ駆動ユニットは、把持部を備えたユニット本体部（図示略）に一対の直動モータ（図示略）が設けられる。ユニット本体部の把持部には、把持部を握りながらマニピュレータ１００をピッチ駆動、ヨー駆動させるピッチボタン（図示略）、ヨーボタン（図示略）が配置される。直動モータは、制御ユニット１３により独立して回転制御される。ユニット本体部には、外筒２３の基端が固定される。
　図２は、図１に示したマニピュレータの拡大図である。マニピュレータ１００は、マニピュレータ駆動ユニットから延出する外筒２３の先端に取り付けられる。マニピュレータ１００は、基体と、第１リンク２５と、第１板ばね２７と、第２リンク２９と、第２板ばね３１と、従動リンクと、を有する。これらに加え、マニピュレータ１００は、第１支持杆３３と、第２支持杆３５と、ピッチ軸３７と、揺動ディスク３９と、ヨー軸４１と、ホルダと、を有する。マニピュレータ１００では、基体が上記のユニット本体部となる。
　図３は、マニピュレータの正面図である。外筒２３は、円形状に形成される。なお、外筒２３は、一部が半月形状であり、その部分には同じく半月形状の短パイプが取り付けられている。短パイプの内部にはリニアベアリングが取り付けられている。リニアベアリングは、ホルダに装着される超音波プローブ４３のケーブル４５を通すことで、ケーブル４５の移動を支援するとともに気腹ガスが漏出することを防止する。
　マニピュレータ１００は、正面視において、外形が外筒２３からはみ出すことなく外筒２３の半径方向内側に配置される。マニピュレータ１００は、例えば標準の腹腔鏡下手術において、腹部の小さい（およそ１／２インチ）切り口に通したトロッカーを介して挿入が行われる。外科医は、マニピュレータ１００を介して内部の診断部位に配置したマニピュレータ１００を腹部の外側から操作する。
　図４は、図３に示したマニピュレータの分解斜視図である。なお、本実施形態において、上下前後左右の方向は、図４に示した矢印の方向に従う。
　第１リンク２５は、マニピュレータ駆動ユニットの一方の直動モータによりユニット本体部に対して長手方向に進退自在となる。第１リンク２５は、直動モータの回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
　第１板ばね２７は、例えば矩形状に形成される。第１板ばね２７は、長手方向基端が第１基端ピン４７により、第１リンク２５の先端に回転対偶で接続される。第１基端ピン４７は、第１板ばね２７の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
　第２リンク２９は、第１リンク２５に並列して配置される。第２リンク２９は、マニピュレータ駆動ユニットの他方の直動モータによりユニット本体部に対して長手方向に進退自在となる。第２リンク２９は、直動モータの回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
　第２板ばね３１は、第１板ばね２７と同一の矩形状に形成される。第２板ばね３１は、長手方向基端が第１基端ピン４７と同方向の第２基端ピン４９により、第２リンク２９の先端に回転対偶で接続される。第２基端ピン４９は、第２板ばね３１の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
　本実施形態において、マニピュレータ１００の第１リンク２５及び第２リンク２９は、平行である。この平行な第１リンク２５及び第２リンク２９が、外筒２３の内方に挿通されて、独立に直線運動自在となる。
　第１支持杆３３は、基端がユニット本体部に固定される。第１支持杆３３は、第１リンク２５及び第１板ばね２７に沿って延在する。
　第２支持杆３５は、基端がユニット本体部に固定される。第２支持杆３５は、第２リンク２９及び第２板ばね３１に沿って延在する。
　第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端には、ピッチ軸用軸受５１がそれぞれに形成される。
　ピッチ軸３７は、第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端同士のピッチ軸用軸受５１に左右の両端が支持される。ピッチ軸３７は、ピッチ軸用軸受５１に対して固定支持であっても、回転自在に支持されてもよい。
　揺動ディスク３９は、円環状に形成される。揺動ディスク３９は、直径に平行な方向がピッチ軸３７に沿って回転自在に支持される。本実施形態では、揺動ディスク３９に、弦方向のピッチ軸挿通部５３が形成される。ピッチ軸挿通部５３には、ピッチ軸用軸受５１に両端が支持されたピッチ軸３７が挿通される。その結果、揺動ディスク３９は、一対の第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端において、ピッチ軸回りに揺動自在となる。
　ヨー軸４１は、揺動ディスク３９に垂直方向で回転自在に支持される。本実施形態において、ヨー軸４１は、揺動ディスク３９の内穴に回転自在に嵌合する。マニピュレータ１００は、第１基端ピン４７、第２基端ピン４９及びヨー軸４１を螺合解除することにより、第１リンク２５、第２リンク２９、第１支持杆３３及び第２支持杆３５の先端から容易に脱着が可能となる。
　ホルダは、ヨー軸４１の一端に固定されて揺動ディスク３９に対し回転自在となる。ホルダは、ヨー軸４１の一端側（下端側）の端面に一対のビスにより固定される。ホルダと揺動ディスク３９との間には、摩擦低減用の環状すべり軸受５５が挟入される。ホルダは、超音波プローブ４３を着脱自在に保持する。すなわち、本実施形態のマニピュレータ１００において、ホルダは、超音波プローブホルダ５７となる。
　超音波プローブホルダ５７は、上面がヨー軸４１に固定される。超音波プローブホルダ５７の先端には、プローブ係止爪５９が設けられる。超音波プローブホルダ５７の後端には、スライダ６１が前後方向にスライド自在に設けられる。超音波プローブホルダ５７は、スライダ６１を後退させた状態で、超音波プローブ４３の先端をプローブ係止爪５９に係止し、超音波プローブ４３の後端を前方にスライドしたスライダ６１で係止することにより容易に装着が可能となる。
　マニピュレータ１００において、従動リンクは、回転ディスク６３となる。回転ディスク６３は、ヨー軸４１の他端に固定されて、揺動ディスク３９に対し回転自在となる。回転ディスク６３は、ヨー軸４１の他端側（上端側）の端面に一対のビスにより固定される。回転ディスク６３と揺動ディスク３９との間には、摩擦低減用の環状すべり軸受５５が挟入される。
　このヨー軸４１及び回転ディスク６３には、上記の第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７が回転中心を挟む両側に支持される。第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、この第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７を介して、ヨー軸４１及び回転ディスク６３に対して回転対偶で接続される。
　マニピュレータ１００は、外筒２３の全長３７０ｍｍ、直径１５ｍｍであり、その先端には直径１２ｍｍほどの超音波プローブ４３（例えばＬ４３Ｋ，Ｈｉｔａｃｈｉ　Ａｌｏｋａ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｌｔｄ．，Ｊａｐａｎ）を装着することができる。
　図５は、マニピュレータの非動作時の斜視図である。マニピュレータ１００は、ピッチ傾斜姿勢スイッチ２１により初期姿勢となる。初期姿勢では、第１基端ピン４７及び第２基端ピン４９が同一の進退位置となり、第１支持杆３３及び第２支持杆３５に対して超音波プローブ４３が平行に配置される。
　図６は、非動作時のマニピュレータを平面視した模式図である。初期姿勢において、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい。
　図７は、第１板ばねの平面図である。第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、先端が互いに接近する方向に屈曲したＪ字形状の先端屈曲部６９を有する。具体的に第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、ピン孔７１のピッチ長Ｐを１３．５ｍｍ、板幅Ｗを２．５ｍｍ、軸線から先端屈曲部６９のピン孔７１までの間隔Ｄを１．５ｍｍ、両端の面取半径Ｒを１．８ｍｍ、Ｊ字屈曲角度θを６０°程度で形成できる。
　第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、例えばニッケルチタン合金を用いて形成される。また、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、板厚が０．２ｍｍ程度で形成される。マニピュレータ１００は、板厚０．２ｍｍのニッケルチタン合金を使用することによりピッチ回転の動作域２０～９０°と理想的な超音波診断のために必要とされるヨー回転の動作域±９０°を可能としている。
　図８は、ヨー軸回転時におけるばね接触回避、及び特異点回避を説明する模式図である。本実施形態のマニピュレータ１００等のロボットにおける特異点とは、例えば１つ以上の自由度が縮退し、ロボット（例えばマニピュレータ１００）が動作不能になる位置又は姿勢を意味する。より具体的には、ロボット（例えばマニピュレータ１００）を動作させるためには、機構配置を数式に置き換え、目標位置に対してどれだけ直動モータをどのように動かせば良いかを決定する必要がある。しかし、特異点とは、この数式が解けない点を意味する。例えば、第１板ばね２７の基端及び先端、並びに第２板ばね３１の先端にそれぞれ相当する関節が一直線上に並んだ状態が特異点となる。
　第１板ばね２７及び第２板ばね３１の形状を決定するには３つの条件を満たす必要がある。第１条件は、ヨー軸９０°回転時のばね接触回避である。このため、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時、第１先端ピン６５又は第２先端ピン６７の中心と、近接する第１リンク２５又は第２リンク２９の軸線との距離ｄが、板幅Ｗより大きく（ｄ＞Ｗ）設定される。
　第２条件は、ヨー軸９０°回転時の特異点回避である。このため、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時、第１基端ピン４７と第１先端ピン６５を結んだ直線ｆｒ（ｘ）、第２基端ピン４９と第２先端ピン６７を結んだ直線ｆｌ（ｘ）が、ｆｒ（０）＞０、ｆｌ（０）＞０に設定される。
　図９は、ヨー軸９０°回転時における特異点回避を説明する動作説明図である。これにより、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時において、特異点を回避することができる。
　図１０は、ヨー軸回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する模式図である。第３条件は、ヨー軸９０°回転時におけるピッチ軸３７との干渉回避である。このため、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時、ヨー軸４１から近接側の第１先端ピン６５又は第２先端ピン６７までの距離ｌｒｒがピッチ軸３７までの距離ｌｐよりも大きく（ｌｒｒ＞ｌｐ）設定される。
　図１１は、ヨー軸９０°回転時におけるピッチ軸干渉回避を説明する動作説明図である。これにより、マニピュレータ１００は、ヨー軸９０°回転時において、ピッチ軸３７との干渉を回避することができる。以上の第１条件～第３条件を満足した第１板ばね２７及び第２板ばね３１の形状が、図７に示したものとなる。
　次に、上記した構成の作用を説明する。
　本実施形態に係る基本構成の並列ばねによる２自由度回転機構は、基体と従動リンクとが、第１リンク２５、第２リンク２９、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の４つの部材に接続され、リンク機構における環状の連鎖となる。この連鎖は、第１基端ピン４７、第２基端ピン４９、第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７の４つのピンで回転対偶により接続される。これにより、並列ばねによる２自由度回転機構は、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストで機構を構成している。
　また、並列ばねによる２自由度回転機構は、少ない部品数で簡単な構造のため、滅菌消毒性に優れる。しかも、連鎖に、第１板ばね２７及び第２板ばね３１を要素に含むので、対象に過度の負荷を与えない。
　この並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータ１００等の装置に組み込むことや、人体の前腕等に直接装着することにより作動させることができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、マニピュレータ１００や前腕に用いることにより、一対の第１リンク２５及び第２リンク２９のそれぞれ独立した平行な直線運動を、第１板ばね２７及び第２板ばね３１を変形させることにより、従動リンクの２自由度の動作に変換して取り出すことが可能となる。これにより、例えば省スペースで精密なプローブ走査や、手首関節より先の前腕運動支援動作が実現する。
　上記した構成例のマニピュレータ１００は、基体であるユニット本体部から、一対の第１支持杆３３及び第２支持杆３５が並列に突出して固定される。第１支持杆３３及び第２支持杆３５は、それぞれが第１リンク２５及び第１板ばね２７と、第２リンク２９及び第２板ばね３１とに沿って配置される。第１支持杆３３及び第２支持杆３５には、先端同士に渡ってピッチ軸３７が支持される。ピッチ軸３７には、揺動ディスク３９が回転自在に支持される。揺動ディスク３９には、ほぼ中心に回転自在なヨー軸４１が垂直に支持される。ヨー軸４１には、一端にホルダが固定され、他端に回転ディスク６３が固定される。この回転ディスク６３には、回転中心を挟んで第１板ばね２７及び第２板ばね３１の先端が第１先端ピン６５及び第２先端ピン６７により回転対偶で接続される。
　図１２は、マニピュレータの後方回転時の斜視図である。第１リンク２５及び第２リンク２９が前進すると、回転ディスク６３は揺動ディスク３９と一体となってピッチ軸３７を介して前方回転する。従って、ホルダも前方回転する。なお、本明細書中、従動リンクの前後方回転はマニピュレータ１００の場合、前方回転、後方回転と称し、後述の前腕運動支援装置の場合、掌屈、背屈と称す。第１リンク２５及び第２リンク２９が後退すると、回転ディスク６３は揺動ディスク３９と一体となってピッチ軸３７を介して後方回転する。従って、ホルダも後方回転する。
　図１３は、マニピュレータの後方左回転時の斜視図である。第１リンク２５と第２リンク２９との進退量に差を生じ（差動）させると、回転ディスク６３はヨー軸４１を中心に右回転又は左回転する。従って、ホルダも右回転又は左回転する。また、第１リンク２５及び第２リンク２９は、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、ホルダは、保持した超音波プローブ４３を、対象に対して接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。
　なお、超音波プローブ４３には鉗子で把持するための突起が付いている。ヨー回転を行うときはその干渉を回避するために、はじめにピッチ回転を２０°で行う必要がある。この姿勢は、ピッチ傾斜姿勢スイッチ２１によって行われる。
　マニピュレータ１００は、回転ディスク６３がヨー軸４１を中心に９０°で回転したとき、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の接触回避が可能となる。ヨー軸回転角度が９０°のとき、第１先端ピン６５又は第２先端ピン６７から相手側ばねまでの干渉回避距離は、ばね幅より大きいとき、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の接触が回避可能となる。第１板ばね２７及び第２板ばね３１の先端に、Ｊ字形状の先端屈曲部６９を形成することにより、この干渉回避距離がばね幅の制約を受けずに確保が容易となる。
　また、マニピュレータ１００は、第１基端ピン４７と第２基端ピン４９とを通る線と、第１先端ピン６５と第２先端ピン６７とを通る線が、同一平面上で平行なとき、第１基端ピン４７と第２基端ピン４９との離間距離よりも第１先端ピン６５と第２先端ピン６７との離間距離の方が小さい。つまり、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい。これにより、第１板ばね２７及び第２板ばね３１は、先端同士の離間距離が基端同士の離間距離よりも大きい場合に比べ、第１リンク２５及び第２リンク２９の小さい直線移動距離で、回転ディスク６３を大きな回転角度で回転させることができる。また、直径方向を小さく形成できることにより、回転ディスク６３及び揺動ディスク３９をコンパクト化することができる。
　マニピュレータ１００は、ホルダに、超音波プローブ４３を装着することができる。つまり、マニピュレータ１００は、術中腹腔鏡下超音波診断用として用いることができる。ホルダに装着された超音波プローブ４３は、第１リンク２５及び第２リンク２９の独立直線動作により、ピッチ軸３７及びヨー軸４１を中心とした２自由度での回転が可能となる。超音波プローブ４３は、この２自由度回転により対象の表面に沿って走査することでその内部情報をリアルタイムに取得することが可能となる。
　特に、並列ばねによる２自由度回転機構を用いたマニピュレータ１００では、コンパクトな先端形状を実現しながら、対象の接触点を中心とした回転動作（対象表面を撫でるような動作）が可能となり、理想的なプローブ走査が実現する。また、マニピュレータ１００は、第１板ばね２７及び第２板ばね３１の弾性により、対象からの反力を吸収し、過度の負荷を与えずに、超音波プローブ４３を対象に適切な力で接触させることが可能となる。
　また、マニピュレータ１００は、第１板ばね２７及び第２板ばね３１に、ニッケルチタン合金を用いて形成される。ニッケルチタン合金は、生体適合性を有し、且つ超弾性特性を有する。このため、並列ばねによる２自由度回転機構を用いた術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータ１００では、生体適合性を確保しながら、ピッチ軸回りの回転動作範囲２０～９０°と、理想的な超音波診断のために必要とされるヨー軸回りの回転動作範囲±９０°と、を同時に満たすことができる。
　また、マニピュレータ１００では、長尺の第１リンク２５及び第２リンク２９を、相互に干渉させずに配置することができる。並列ばねによる２自由度回転機構は、術中腹腔鏡下超音波診断用のマニピュレータ１００に用いられる場合、第１リンク２５及び第２リンク２９が、外筒２３に収容される。外筒２３は、腹部の切り口に通したトロッカーを介して挿入が行われる。このため、マニピュレータ１００は、先端から、外部に位置するマニピュレータ駆動ユニットまでの距離（外筒長）が所定長（例えば１２５～３００ｍｍ程度）で確保される必要がある。第１リンク２５及び第２リンク２９は、平行に配置することにより相互干渉を回避しながらこの外筒長の確保が容易となる。
　次に、マニピュレータ１００の試験機を製作してその剛性評価を行うことにより、試験機が超音波診断を行うために必要な剛性を有しているかを評価した結果を説明する。
　なお、試験では体表面における超音波診断に必要とされる接触力を参考とし、ピッチ軸９０°回転時姿勢における剛性値が１～６Ｎ／ｍｍ程度であれば超音波診断に必要な剛性を有していると判断した。
＜試験方法＞
　それぞれの姿勢まで回転した試験機先端に荷重が与えられたときの変位量を動き解析マイクロスコープ（例えばＶＷ-６０００，ＫＥＹＥＮＣＥ）により測定し、剛性値を算出した。このとき、ピッチ軸回転は、２０～９０°の範囲で１０°ずつ姿勢を変えた後に測定を行った。なお、測定では、常にプローブ面垂直方向に荷重が作用するよう配慮し、荷重を０～１．５Ｎまで０．５Ｎずつ増加させた後、０Ｎまで０．５Ｎずつ除荷を行った。
　また、試験機は、トロッカーに挿入して使用されるため、同等な環境が得られるよう外筒２３の先端を固定して測定を行った。測定精度は５０μｍ、サンプリングレートは６０ＦＰＳとして、各姿勢に対して３回ずつ測定を行った。
　図１４は、マニピュレータについて行った剛性評価の結果を表す説明図である。ピッチ軸回転の結果は、図１４に示すように、代表ピッチ角度２０°における剛性値が１．３７Ｎ／ｍｍとなり、超音波診断に必要とされる剛性値１～６Ｎ／ｍｍを満足することが知見できた。
［第２の実施形態］
　第２の実施形態では、本発明に係る並列ばねによる２自由度回転機構を適用した装置として、前腕運動支援装置を例示して説明する。図１５は、第２の実施形態に係る前腕運動支援装置の斜視図である。
　前腕運動支援装置２００は、基体と、第１リンク７３と、第１板ばね７５と、第２リンク７７と、第２板ばね７９と、従動リンクと、を有する。
　前腕運動支援装置２００は、基体が装置本体８１となる。装置本体８１は、ＡＢＳ樹脂製のベースプレート８３を有する。ベースプレート８３には、ベルト穴８５が形成される。装置本体８１は、ベースプレート８３のベルト穴８５に通したベルト８７を巻き付けることにより前腕に装着される。ベースプレート８３の上面には直動ユニット８９が設けられる。直動ユニット８９は、一対の直動モータ９１を有する。直動ユニット８９は、第１リンク７３及び第２リンク７７を進退自在に支持する。
　第１リンク７３は、直動ユニット８９の一方の直動モータ９１により装置本体８１に対して長手方向に進退自在となる。第１リンク７３は、直動モータ９１の回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
　第１板ばね７５は、矩形状に形成される。第１板ばね７５は、長手方向基端が第１基端ピン９３により、第１リンク７３の先端に回転対偶で接続される。第１基端ピン９３は、第１板ばね７５の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
　第２リンク７７は、第１リンク７３に並列して配置される。第２リンク７７は、直動ユニット８９の他方の直動モータ９１により装置本体８１に対して長手方向に進退自在となる。第２リンク７７は、直動モータ９１の回転運動が例えばボールねじ機構により直線運動に変換されて伝達される。
　第２板ばね７９は、第１板ばね７５と同一の矩形状に形成される。第２板ばね７９は、長手方向基端が第１基端ピン９３と同方向の第２基端ピン９５により、第２リンク７７の先端に回転対偶で接続される。第２基端ピン９５は、第２板ばね７９の長手方向基端を板厚方向で貫通する。
　前腕運動支援装置２００において、第１板ばね７５及び第２板ばね７９は、動作の実現や機構の剛性を考慮して長手方向に５０ｍｍ（ピン孔７１のピッチ長）、幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ程度の寸法とすることができる。また、前腕運動支援装置２００の場合、第１板ばね７５及び第２板ばね７９には、焼入れ炭素鋼を用いることができる。
　前腕運動支援装置２００は、従動リンクが、ＡＢＳ樹脂製のホールドプレート９７となる。ホールドプレート９７は、手の甲にベルト８７を巻き付けることにより装着される。ホールドプレート９７には、第１板ばね７５及び第２板ばね７９の先端が回転対偶で接続される。すなわち、ホールドプレート９７には、第１板ばね７５の先端が第１基端ピン９３と同方向の第１先端ピン９９により回転対偶で接続される。また、ホールドプレート９７には、第２板ばね７９の先端が第１基端ピン９３と同方向の第２先端ピン１０１により回転対偶で接続される。
　前腕運動支援装置２００は、基体である装置本体８１が前腕に取り付け固定され、従動リンクであるホールドプレート９７が手首と指のつけ根との間に取り付け固定される。
　次に、上記した構成の作用を説明する。
　図１６は、図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を背屈させた状態の斜視図である。前腕運動支援装置２００では、装置本体８１が前腕に装着され、ホールドプレート９７が手の甲等に装着される。第１リンク７３及び第２リンク７７が前進すると、手は手首を介して掌屈する。第１リンク７３及び第２リンク７７が後退すると、手は手首を介して背屈する。
　図１７は、図１５に示した前腕運動支援装置が前腕に取り付けられて手を外転させた状態の斜視図である。前腕運動支援装置２００は、第１リンク７３と第２リンク７７との進退量に差を生じ（差動）させると、手は外転又は内転する。
　また、第１リンク７３及び第２リンク７７は、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、掌は、対象物（例えば掌によって把持される物品又は掌により接触される部位）に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。このように、並列ばねによる２自由度回転機構は、前腕運動の支援動作を行うための前腕運動支援装置２００として用いることができる。並列ばねによる２自由度回転機構を用いた前腕運動支援装置２００は、連鎖に第１板ばね７５及び第２板ばね７９を含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね７５及び第２板ばね７９の変形により吸収し、手首関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
　前腕運動支援装置２００は、２つの直動モータ９１の動きにより２自由度動作を実現できる。２本の第１板ばね７５及び第２板ばね７９を同方向に動作させることで掌屈背屈動作を、作動させることで外転内典動作を支援できる。
　手首関節は回転中心の移動が生じることが知られている。前腕運動支援装置２００は、２自由度を有していることから、回転中心の移動に合わせて従動リンクを駆動することが可能となる。また、リンク機構における連鎖の要素にばねを有しているので、装着者に身体的負荷をかけることなく動作支援が可能となる。加えて、前腕運動支援装置２００は、特にばね使用部位では薄型であり、装着者の体表に沿うようにして動力を伝達できる。このことから、前腕運動支援装置２００は、装着者動作の妨げを抑制できる利点も有する。
　また、前腕運動支援装置２００によれば、連鎖に２つのばね要素を用いることにより、小型、軽量、安全でありながら単関節２自由度の動作支援を行うことができる。そして、前腕運動支援装置２００は、ばね要素を機構関節部に用いることにより機構の簡易化、部品点数の減少、装置人体間での動作ずれの受容等の利点も有する。
　次に、前腕運動支援装置２００の試験機を製作しその評価のために出力に関する測定を行った結果を示す。
＜試験方法＞
　ＦＥＭ解析を用い、試験機により手首関節に得られる支援トルクの解析を行った。解析は、手が正常位（中指と前腕の長軸が平行となる姿勢）にある場合について行った。
　図１８は、前腕運動支援装置について行った出力測定の結果を表す説明図である。試験機は、直動モータ９１に、定格出力を与えたとき、外転、内転では０．７７Ｎｍ、掌屈、背屈では１．１８Ｎｍの出力が確認された。日本人高齢者男性の平均的な手の持ち上げに必要な手首関節でのトルクは、両動作ともに０．５４Ｎｍであり、試験機により手の持ち上げが可能であることが明らかとなった。
　従って、本実施形態に係る並列ばねによる２自由度回転機構（マニピュレータ１００、前腕運動支援装置２００）によれば、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない。
　以上、図面を参照しながら実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記第１の実施形態における構成例では、ヨー軸に超音波プローブホルダを固定する場合を例に説明したが、並列ばねによる２自由度回転機構は、ヨー軸にその他のエンドエフェクタ用のホルダを固定するものであってもよい。この場合、エンドエフェクタとしては、例えばクランプ、捕捉器具、はさみ、ホッチキスを挙げることができる。
　また、上記第２の実施形態では前腕運動支援装置２００を手首に固定して使用する例を説明したが、手首に固定する例に限らず、例えば足首に固定して使用しても構わない。この場合には、装置本体８１が脚の踝付近に装着され、ホールドプレート９７が足首と指のつけ根との間に取り付け固定される。第１リンク７３及び第２リンク７７が後退すると、足は足首を介して前屈する。第１リンク７３及び第２リンク７７が後退すると、足は足首を介して背屈する。
　第１リンク７３及び第２リンク７７は、前進又は後退しながら差動させることも可能となる。この場合は、足は、対象物（例えば足が押圧する物品又は足により接触される部位）に接触圧を加えながら撫でるように動作させることが可能となる。このように、並列ばねによる２自由度回転機構は、片足又は両足に関して運動の支援動作を行うことができる。並列ばねによる２自由度回転機構によれば、連鎖に第１板ばね７５及び第２板ばね７９を含むので、従動リンクから受ける反力を第１板ばね７５及び第２板ばね７９の変形により吸収し、足首関節に過度の負荷を与えることを抑制できる。
　また、足首に固定して使用する例以外に、前腕運動支援装置２００が人体（人体以外の動物でも可。以下同様。）の関節の周辺部位に取り付け固定されても構わない。人体の関節には、例えば肩、手指、肘、膝、首、背骨（脊椎）、足関節等の部位が含まれる。この場合、ホールドプレート９７は上述した人体の関節の周辺部位を挟む二箇所の間に取り付け固定される。これにより、前腕運動支援装置２００を手首に固定した場合と同様の効果が期待でき、例えば身障者にとって関節部位周辺の動きの支援を行うことができる。
　なお、本出願は、２０１６年６月７日出願の日本特許出願（特願２０１６－１１３８８０）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
　本発明は、軽量であり、少ない部品数、簡単な構造で、且つ低コストにより従動リンクを２自由度で作動させることができるとともに、滅菌消毒性に優れ、しかも、対象に過度の負荷を与えることがない並列ばねによる２自由度回転機構として有用である。
２５、７３　第１リンク
２７、７５　第１板ばね
２９、７７　第２リンク
３１、７９　第２板ばね
３３　第１支持杆
３５　第２支持杆
３７　ピッチ軸
３９　揺動ディスク
４１　ヨー軸
４３　超音波プローブ
４７　第１基端ピン
４９　第２基端ピン
５７　超音波プローブホルダ（ホルダ）
６３　回転ディスク（従動リンク）
６５、９９　第１先端ピン
６７、１０１　第２先端ピン
６９　先端屈曲部
８１　装置本体（基体）
９３　第１基端ピン
９５　第２基端ピン
９７　ホールドプレート（従動リンク）
１００　マニピュレータ（並列ばねによる２自由度回転機構）
２００　前腕運動支援装置（並列ばねによる２自由度回転機構）
 

Claims (9)

  1. 　基体と、
    　前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第１リンクと、
    　前記第１リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する第１基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第１板ばねと、
    　前記第１リンクに並列し、前記基体に対して長手方向に進退自在に支持される第２リンクと、
    　前記第２リンクの先端に、長手方向基端が板厚方向で貫通する前記第１基端ピンと同方向の第２基端ピンにより回転対偶で接続される矩形状の第２板ばねと、
    　前記第１板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第１先端ピンにより回転対偶で接続され、更に、前記第２板ばねの先端が前記第１基端ピンと同方向の第２先端ピンにより回転対偶で接続される従動リンクと、を備える、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  2. 　請求項１に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　基端が前記基体に固定され、前記第１リンク及び前記第１板ばねに沿って延在する第１支持杆と、
    　基端が前記基体に固定され、前記第２リンク及び前記第２板ばねに沿って延在する第２支持杆と、
    　前記第１支持杆及び前記第２支持杆の先端同士に両端が支持されるピッチ軸と、
    　直径に平行な方向が前記ピッチ軸に沿って回転自在に支持される揺動ディスクと、
    　前記揺動ディスクに垂直方向で回転自在に支持されるヨー軸と、
    　前記ヨー軸の一端に固定され、前記揺動ディスクに対し回転自在となるホルダと、を更に備え、
    　前記従動リンクが、前記ヨー軸の他端に固定されて前記揺動ディスクに対し回転自在となる回転ディスクである、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  3. 　請求項２に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、先端が互いに接近する方向に屈曲したＪ字形状の先端屈曲部を有する、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  4. 　請求項２又は３に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、基端同士の離間距離よりも先端同士の離間距離が小さい、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  5. 　請求項２～４のうちいずれか一項に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　前記ホルダが、超音波プローブを着脱自在に保持する、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  6. 　請求項１～５のうちいずれか一項に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　前記第１板ばね及び前記第２板ばねは、ニッケルチタン合金を用いて形成される、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  7. 　請求項１～６のうちいずれか一項に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　前記第１リンク及び前記第２リンクは、平行である、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  8. 　請求項１に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　前記基体が人体の関節の周辺部位に取り付け固定され、
    　前記従動リンクが前記周辺部位の第１箇所と前記周辺部位の第２箇所との間に取り付け固定される、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
  9. 　請求項８に記載の並列ばねによる２自由度回転機構であって、
    　前記人体の関節の周辺部位は前腕であり、
    　前記第１箇所は手首であり、前記第２箇所は指のつけ根である、
    　並列ばねによる２自由度回転機構。
     
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