WO2023228280A1 - アーム機構 - Google Patents

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WO2023228280A1
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joint
link
rotating shaft
parallel
rotation axis
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Inventor
耕太郎 只野
Original Assignee
リバーフィールド株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/02—Hand grip control means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements

Definitions

  • the present invention relates to an arm mechanism, and for example, to an arm mechanism that can be applied to a medical robot.
  • Patent Document 2 discloses a master manipulator that includes a 3-degree-of-freedom translation section configured with a delta mechanism and a 4-degree-of-freedom attitude section connected to the translation section and configured with a gimbal mechanism. is disclosed.
  • the translation section of this master manipulator has a feature that its posture does not change regardless of the position of the portion connected to the posture section.
  • the present invention has been made in view of these circumstances, and one of its illustrative purposes is to provide a new arm mechanism different from conventional ones.
  • an arm mechanism connects a first joint, a second joint, a third joint, the first joint and the second joint, and connects the first joint and the second joint.
  • a first connecting mechanism configured to be able to move relative to the first joint while maintaining the posture of the second joint, and a first connecting mechanism configured to connect the second joint and the third joint
  • a second connecting mechanism configured to allow relative movement while maintaining the posture of the third joint connects the first joint and the second connecting mechanism, and a third coupling mechanism configured to be able to move relatively while maintaining its posture; a first drive source that generates a force to rotate a first rotation shaft that constitutes the first coupling mechanism; and a second drive source that generates a force to rotate the second rotating shaft constituting the third coupling mechanism.
  • the first rotation axis and the second rotation axis are supported by the first joint.
  • the second drive source that generates a force that rotates in response to the movement of the third joint is combined with the first drive source that generates a force that rotates in response to the movement of the second joint. It can be placed near the first joint. In other words, it is not necessary to arrange the second drive source at the second joint between the first joint and the third joint.
  • the rotation axis may also be referred to as a link joint.
  • the first connection mechanism may include a first parallel link mechanism.
  • the second linkage may include a second parallel linkage.
  • the third linkage mechanism may include a third parallel linkage mechanism.
  • the third parallel link mechanism may share the first link that constitutes the first parallel link mechanism.
  • the third link mechanism may further include a fourth parallel link mechanism that shares the second link that constitutes the third parallel link mechanism.
  • the third rotation axis and the fourth rotation axis may be supported by the second joint, and the third rotation axis may be provided at one end of the second link.
  • the third connecting mechanism connects the first joint and the second connecting mechanism via the two parallel link mechanisms, and maintains the posture of the third joint with respect to the first joint while maintaining the relative position. It is configured so that it can be moved to
  • the fourth rotation axis may be shared with the second parallel link mechanism. Thereby, the force for rotating the second rotating shaft can be directly transmitted to the second parallel link mechanism by the third coupling mechanism.
  • the third parallel link mechanism may include a third link that moves in parallel with the first link that connects the second rotation axis and the third rotation axis.
  • the third link may have a relief portion that does not interfere with the second rotation axis or the third rotation axis when moving in parallel with the first link.
  • the relief portion is, for example, a concave area of a linear link. This allows the first link and the third link to be brought closer together, and the space occupied by each link between the first joint and the second joint can be reduced.
  • the fourth parallel link mechanism may include a fifth link that moves in parallel with the fourth link that connects the third rotation axis and the fourth rotation axis.
  • the fifth link may have an escape portion that does not interfere with the third rotation axis or the fourth rotation axis when moving in parallel with the fourth link.
  • the relief portion is, for example, a concave area of a linear link.
  • the operating unit may be configured to allow movement in at least three degrees of freedom.
  • the operating unit may be configured to allow movement in at least three degrees of freedom.
  • Another aspect of the present invention is also an arm mechanism.
  • This arm mechanism connects a first joint, a second joint, a third joint, the first joint and the second joint, and maintains the posture of the second joint with respect to the first joint.
  • a first coupling mechanism configured to be able to move relative to each other while maintaining the posture of the third joint with respect to the second joint.
  • a second connecting mechanism configured to connect the first joint and the second connecting mechanism, and configured to be able to move relative to the third joint while maintaining the posture of the third joint with respect to the first joint.
  • the first rotation axis and the second rotation axis are supported by the first joint.
  • the second braking section that generates a braking force according to the movement of the third joint is combined with the first braking section that generates a braking force according to the movement of the second joint. It can be placed near the first joint. In other words, it is not necessary to arrange the second brake part at the second joint between the first joint and the third joint.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a master-side manipulator according to a reference example.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the movement of an arm in the translation section shown in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a schematic configuration of an arm mechanism according to the present embodiment.
  • 4 is a schematic diagram for explaining a link mechanism of the arm mechanism shown in FIG. 3.
  • FIG. FIG. 4 is a side view of the arm mechanism shown in FIG. 3 when viewed from direction A.
  • FIG. 4 is a side view of the arm mechanism shown in FIG. 3 when viewed from direction B.
  • the arm mechanism according to this embodiment is used to operate a master-side manipulator in a master-slave surgical support robot.
  • surgical support robots include robots that operate forceps used in endoscopic surgery.
  • the use of the remote control system is not limited to surgical support robots.
  • it may be used as a system for remotely controlling robots used in distribution factories or manufacturing factories.
  • it is suitable as a remote control system for remotely executing processes that require delicate work over a long period of time via a robot.
  • remote refers not only to cases in which the distance between the operator and the object to be operated is physically remote, but also to cases in which the master device operated by the operator and the slave device to be operated are mechanically separated. Also included. In this case, even if the master machine and slave machine are located close to each other, they are still operated remotely.
  • the arm mechanism according to the present embodiment can also be applied to a master-slave type surgical support robot for moving and holding surgical instruments such as forceps and an endoscope of a slave-side manipulator at a surgical site. .
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a master-side manipulator according to a reference example.
  • the master-side manipulator 10 shown in FIG. 1 includes a translation section 12 with three degrees of freedom and a posture section 14 with three degrees of freedom connected to the translation section 12.
  • the posture section 14 is configured so that it can be held by the operator's hand.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the movement of the arm in the translation section shown in FIG. 1.
  • the translation unit 12 shown in FIG. 2 includes a shoulder joint 16 as a first joint, an elbow joint 18 as a second joint, a wrist joint 20 as a third joint, and a shoulder joint 16 and an elbow joint 18.
  • a first coupling mechanism 22 that connects the elbow joint 18 and the wrist joint 20 and is configured to be able to move relative to the shoulder joint 16 while maintaining the posture of the elbow joint 16;
  • a second linking mechanism 24 configured to allow relative movement while maintaining the posture of the joint 20 is provided.
  • the first coupling mechanism 22 includes two rotating shafts 26a and 26b supported by the shoulder joint 16, two rotating shafts 28a and 28b supported by the elbow joint 18, and a rotating shaft 26a and a rotating shaft 28a.
  • the shoulder joint 16 is provided with an actuator 32 as a drive source that generates a force to rotate the rotating shaft 26a.
  • the actuator 32 is a motor, and the rotational force of the motor is transmitted to the rotating shaft 26a via the speed reduction mechanism 34.
  • Another example of the actuator may be one using air pressure.
  • the parallel link mechanism 22a swings up and down about the rotating shaft 26a as shown by the arrow.
  • the elbow joint 18 moves relative to the shoulder joint 16 while maintaining its posture.
  • the second coupling mechanism 24 includes two rotating shafts 36a and 36b supported by the elbow joint 18, two rotating shafts 38a and 38b supported by the wrist joint 20, and a rotating shaft 36a and a rotating shaft 38a.
  • the elbow joint 18 is provided with an actuator 42 as a drive source that generates a force to rotate the rotating shaft 36b.
  • the actuator 42 is a motor, and the rotational force of the motor is transmitted to the rotating shaft 36b via the speed reduction mechanism 44.
  • Another example of the actuator may be one using air pressure.
  • the parallel link mechanism 24a swings up and down about the rotating shaft 36b as shown by the arrow. At this time, the wrist joint 20 moves relative to the elbow joint 18 while maintaining its posture.
  • the actuator 42 that generates a force for rotating (driving) the rotating shaft 36b in order to swing the parallel link mechanism 24a is provided at the elbow joint 18. Therefore, the size of the elbow joint 18 becomes larger and the weight becomes heavier. Therefore, as a result of intensive study, the inventors of the present invention came up with an arm mechanism equipped with a new link mechanism described below.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the general configuration of the arm mechanism according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the link mechanism of the arm mechanism shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a side view of the arm mechanism shown in FIG. 3 viewed from direction A.
  • FIG. 6 is a side view of the arm mechanism shown in FIG. 3 viewed from direction B.
  • configurations similar to those in the reference example will be given the same reference numerals and descriptions will be omitted as appropriate.
  • the arm mechanism 100 includes a third coupling mechanism 46 in addition to the first coupling mechanism 22 and the second coupling mechanism 24 described above.
  • the third connecting mechanism 46 connects the shoulder joint 16 and the second connecting mechanism 24, and is configured to be able to move relative to the shoulder joint 16 while maintaining the posture of the wrist joint 20.
  • the arm mechanism 100 also includes an actuator 48 as a second drive source that generates a force for rotating (driving) the rotating shaft 26b that constitutes the third coupling mechanism 46.
  • Actuator 48 according to this embodiment is a motor, and the rotational force of the motor is transmitted to rotary shaft 26b via deceleration mechanism 50. Further, the rotation shafts 26a and 26b of the arm mechanism 100 are supported by the shoulder joint 16, as shown in FIG.
  • the rotation shaft 36b forming the parallel link mechanism 24a rotates in the direction of arrow R2.
  • the rotating shaft 36b that constitutes a part of the second coupling mechanism 24 also constitutes a part of the third coupling mechanism 46.
  • the rotating shaft 52a constituting the third coupling mechanism 46 is provided on one link 40b together with the rotating shaft 36b and the rotating shaft 38b.
  • the rotating shaft 52b is connected to the rotating shaft 52a via a link 54, and slides (swings) as the rotating shaft 52a moves in the direction of arrow R3.
  • the rotating shafts 52a and 52b are configured to be movable within a certain range relative to the plate 18a that constitutes the elbow joint 18.
  • the rotating shaft 28b rotates in the direction of arrow R4 via the link 56.
  • the rotating shaft 52b is connected to a rotating shaft 60 provided at the shoulder joint 16 via a link 58. Further, the rotating shaft 60 is connected via a link 62 to a rotating shaft 26b supported by the plate 16a of the shoulder joint 16. As the rotation shaft 52b moves, the link 58 and the rotation shaft 60 move in the direction of arrow R5, and in conjunction with the movement of the rotation shaft 60, the rotation shaft 26b rotates in the direction of arrow R6 via the link 62. .
  • the movement of the wrist joint 20 is transmitted to the actuator 48 via the third coupling mechanism 46. Therefore, the actuator 48 that generates a rotational force in response to the movement of the wrist joint 20 can be placed near the shoulder joint 16 together with the actuator 32 that generates a rotational force in response to the movement of the elbow joint 18. In other words, in the arm mechanism 100 according to the present embodiment, the actuator 48 does not need to be disposed at the elbow joint 18 between the shoulder joint 16 and the wrist joint 20.
  • the actuator 48 when a rotation detection device such as an encoder detects that the rotation shaft 26b rotates due to the movement of the wrist joint 20, the actuator 48 generates a force in the rotation direction to operate the wrist joint 20. This can reduce the burden on people. Alternatively, by generating a force in the opposite direction to the rotational direction by the actuator 48, the operator operating the wrist joint 20 can feel an appropriate reaction force or holding force.
  • a rotation detection device such as an encoder detects that the rotation shaft 26b rotates due to the movement of the wrist joint 20
  • the actuator 48 generates a force in the rotation direction to operate the wrist joint 20. This can reduce the burden on people.
  • the actuator 48 by generating a force in the opposite direction to the rotational direction by the actuator 48, the operator operating the wrist joint 20 can feel an appropriate reaction force or holding force.
  • the third coupling mechanism 46 includes a rotating shaft 26b supported by the shoulder joint 16, a rotating shaft 28b supported by the elbow joint 18, and a link 30b connected to the rotating shaft 26b and the rotating shaft 28b. , a rotating shaft 60 connected to the rotating shaft 26b via a link 62, a rotating shaft 52b connected to the rotating shaft 28b via a link 56, and a rotating shaft 60 connected to the rotating shaft 52b. It has a link 58, and a parallel link mechanism 46a made up of these parts. Therefore, the parallel link mechanism 46a shares the link 30b that constitutes the parallel link mechanism 22a. Thereby, the wrist joint 20 can be freely moved within a predetermined plane while maintaining the posture of the wrist joint 20 with a simple configuration.
  • the third coupling mechanism 46 has another parallel link mechanism 46b that shares the link 56 that constitutes the parallel link mechanism 46a.
  • the parallel link mechanism 46b includes a rotating shaft 28b supported by the elbow joint 18, a rotating shaft 36b supported by the elbow joint 18, and a plate 18a as a link connected to the rotating shaft 28b and the rotating shaft 36b.
  • a rotating shaft 52b is connected to the rotating shaft 28b via a link 56
  • a rotating shaft 52a is connected to the rotating shaft 36b via a link 64
  • a rotating shaft 52a is connected to the rotating shaft 52b. It has a link 54.
  • the third connecting mechanism 46 connects the shoulder joint 16 and the second connecting mechanism 24 via the parallel link mechanism 46a and the parallel link mechanism 46b, and maintains the posture of the wrist joint 20 with respect to the shoulder joint 16. It is constructed so that it can be moved relatively.
  • rotation axis 36b is shared with the parallel link mechanism 24a. Thereby, the force generated by the actuator 48 to rotate the rotating shaft 26b can be directly transmitted to the parallel link mechanism 24a by the third coupling mechanism 46.
  • the parallel link mechanism 46a has a link 58 that moves in parallel to the link 30b that connects the rotating shaft 26b and the rotating shaft 28b.
  • the link 58 has relief portions 58a and 58b that do not interfere with the rotating shaft 26b or the rotating shaft 28b when moving parallel to the link 30b.
  • the relief portions 58a and 58b according to this embodiment are recessed areas of the linear link 58. This allows the link 30b and the link 58 to be brought closer together, and the space occupied by each link between the shoulder joint 16 and the elbow joint 18 can be reduced.
  • the parallel link mechanism 46b has a link 54 that moves parallel to the plate 18a (18b) as a link that connects the rotating shaft 28b and the rotating shaft 36b.
  • the link 54 has a relief portion 54a that does not interfere with the rotating shaft 28b or the rotating shaft 52a when the link 54 swings and moves parallel to the plate 18a.
  • the relief portion 54a according to this embodiment is a recessed area of the link 54.
  • the link 58 has a U-shaped link at an end 58c connected to the rotating shaft 52b, and the link 54 and the link 56 are rotatably supported by the rotating shaft 52b between the U-shapes.
  • the link 40b has a U-shaped end 40c connected to the rotating shaft 52a, and the link 54 is rotatably supported by the rotating shaft 52a between the U-shapes.
  • the link 62 has a U-shaped end 62a connected to the rotating shaft 60, and the link 58 is rotatably supported by the rotating shaft 60 between the U-shapes.
  • the arm mechanism 100 includes a base 66 to which the actuator 32 and the actuator 48 are fixed together with the shoulder joint 16, and an actuator serving as a third drive source that rotates the base 66. 68.
  • a posture section 14 serving as an operation section is connected to a wrist joint 20.
  • the posture section 14 is configured to be able to move in at least three degrees of freedom.
  • the present invention has been described above with reference to the above-described embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may also be applied to combinations or substitutions of the configurations of the embodiments as appropriate. It is included in the present invention. Furthermore, it is possible to appropriately rearrange the combinations and order of processing in the embodiments based on the knowledge of those skilled in the art, and to make various modifications to the embodiments, such as various design changes. Such embodiments may also be included within the scope of the present invention.
  • the above-described arm mechanism 100 has been described using the rotary shaft 26a and the rotary shaft 26b, which are input shafts, as drive (input) shafts, and an actuator as a drive source.
  • an arm mechanism using a braking member (brake) instead of the actuator 32 or actuator 48 will be explained.
  • the arm mechanism according to the modified example connects a brake to the rotating shaft 26a or the rotating shaft 26b, normally uses the braking force to maintain the posture, and in an emergency, releases the brake to maintain the wrist joint 20. It is also possible to easily retreat a surgical end effect (for example, an intraocular endoscope) connected to the surgical site from the surgical site. Thereby, a braking member that generates a braking force in accordance with the movement of the wrist joint 20 can be placed near the shoulder joint 16 together with another braking member.
  • a surgical end effect for example, an intraocular endoscope
  • the present invention can be used in manipulators for medical treatment, transportation, etc.

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Abstract

アーム機構１００は、第１の関節と、第２の関節と、第３の関節と、第１の関節と第２の関節を連結し、第１の関節に対する第２の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第１の連結機構２２と、第２の関節と第３の関節を連結し、第２の関節に対する第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第２の連結機構２４と、第１の関節と第２の連結機構２４を連結し、第１の関節に対する第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第３の連結機構４６と、第１の連結機構２２を構成する第１の回転軸２６ａを回転する力を発生する第１の駆動源と、第３の連結機構４６を構成する第２の回転軸２６ｂを回転する力を発生する第２の駆動源と、を備える。第１の回転軸２６ａ及び第２の回転軸２６ｂは、第１の関節に支持されている。

Description

アーム機構
　本発明は、アーム機構に関し、例えば、医療用ロボットに適用できるアーム機構に関する。
　現在の医療現場において、手術中の術者への負担を低減させることを目的とした手術ロボット（マニピュレータ）が普及してきている。例えば、術者が１つまたは複数のマスタ入力装置を制御することによって、対応する遠隔操作ツールの動きで患者に手術処置を施す低侵襲のコンピュータ支援遠隔操作手術システムが考案されている（特許文献１参照）。
　一方、これらの手術ロボットを使用する際に術者が操作するマスタ入力装置は、術者が直接操作する操作子を有する姿勢部の姿勢が位置によらず変化しないように構成されているとよい。このように構成されている場合、遠隔操作の際の各部の動きや姿勢の、演算や制御が容易となる。このような装置として、特許文献２には、デルタ機構で構成された３自由度の並進部と、並進部に連結され、ジンバル機構で構成された４自由度の姿勢部とを備えたマスタマニピュレータが開示されている。このマスタマニピュレータの並進部は、姿勢部と接続される部分の位置によらず姿勢が変化しないという特徴を有している。
特開２０２２－４８１７３号 国際公開第０８／１０８２８９号
　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、従来と異なる新たなアーム機構を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様のアーム機構は、第１の関節と、第２の関節と、第３の関節と、第１の関節と第２の関節を連結し、第１の関節に対する第２の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第１の連結機構と、第２の関節と第３の関節を連結し、第２の関節に対する第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第２の連結機構と、第１の関節と第２の連結機構を連結し、第１の関節に対する第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第３の連結機構と、第１の連結機構を構成する第１の回転軸を回転する力を発生する第１の駆動源と、第３の連結機構を構成する第２の回転軸を回転する力を発生する第２の駆動源と、を備える。第１の回転軸及び第２の回転軸は、第１の関節に支持されている。
　この態様によると、第３の関節の動きに応じて回転する力を発生する第２の駆動源を、第２の関節の動きに応じて回転する力を発生する第１の駆動源と一緒に第１の関節の近くに配置できる。換言すると、第２の駆動源を第１の関節と第３の関節との間にある第２の関節に配置せずにすむ。なお、回転軸はリンクのジョイントと称することもある。
　第１の連結機構は、第１の平行リンク機構を有してもよい。第２の連結機構は、第２の平行リンク機構を有してもよい。第３の連結機構は、第３の平行リンク機構を有してもよい。第３の平行リンク機構は、第１の平行リンク機構を構成する第１のリンクを共有していてもよい。これにより、簡易な構成で第３の関節の姿勢を維持しながら所定の平面内で第３の関節を自由に動かせる。
　第３の連結機構は、第３の平行リンク機構を構成する第２のリンクを共有する第４の平行リンク機構を更に有してもよい。第４の平行リンク機構は、第３の回転軸及び第４の回転軸が第２の関節に支持されており、第３の回転軸は、第２のリンクの一端に設けられていてもよい。これにより、第３の連結機構は、２つの平行リンク機構を介して、第１の関節と第２の連結機構を連結し、第１の関節に対する第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成される。
　第４の回転軸は、第２の平行リンク機構と共有されていてもよい。これにより、第２の回転軸を回転する力を第３の連結機構により直接第２の平行リンク機構に伝達できる。
　第３の平行リンク機構は、第２の回転軸と第３の回転軸とを連結する第１のリンクに対して平行移動する第３のリンクを有してもよい。第３のリンクは、第１のリンクに対して平行移動する際に第２の回転軸又は第３の回転軸と干渉しない逃げ部を有してもよい。逃げ部とは、例えば直線状のリンクの凹んだ領域である。これにより、第１のリンクと第３のリンクとをより近づけることが可能となり、第１の関節と第２の関節との間の各リンク全体が占めるスペースを小さくできる。
　第４の平行リンク機構は、第３の回転軸と第４の回転軸とを連結する第４のリンクに対して平行移動する第５のリンクを有してもよい。第５のリンクは、第４のリンクに対して平行移動する際に第３の回転軸又は第４の回転軸と干渉しない逃げ部を有してもよい。逃げ部とは、例えば直線状のリンクの凹んだ領域である。これにより、第４のリンクと第５のリンクとをより近づけることが可能となり、第２の関節や第４の平行リンク機構を含むスペースを小さくできる。
　第３の関節に連結される操作部と、第１の駆動源及び第２の駆動源が第１の関節とともに固定される台部と、台部を回転する第３の駆動源と、を更に備えてもよい。操作部は、少なくとも３自由度の動きが可能なように構成されていてもよい。これにより、このようなアーム機構を遠隔操作システムのマスタ側マニピュレータアームとして利用する場合、並進３自由度を実現する３つの駆動源を第１の関節近傍に集められるため、操作部を操作する際のアームの慣性（慣性モーメント）を小さくできる。
　本発明の別の態様もまた、アーム機構である。このアーム機構は、第１の関節と、第２の関節と、第３の関節と、第１の関節と第２の関節を連結し、第１の関節に対する第２の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第１の連結機構と、第２の関節と第３の関節を連結し、第２の関節に対する第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第２の連結機構と、第１の関節と第２の連結機構を連結し、第１の関節に対する第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第３の連結機構と、第１の連結機構を構成する第１の回転軸を制動する力を発生する第１の制動部と、第３の連結機構を構成する第２の回転軸を制動する力を発生する第２の制動部と、を備える。第１の回転軸及び第２の回転軸は、第１の関節に支持されている。
　この態様によると、第３の関節の動きに応じて制動する力を発生する第２の制動部を、第２の関節の動きに応じて制動する力を発生する第１の制動部と一緒に第１の関節の近くに配置できる。換言すると、第２の制動部を第１の関節と第３の関節との間にある第２の関節に配置せずにすむ。
　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、従来と異なる新たなアーム機構を実現できる。
参照例に係るマスタ側マニピュレータを説明するための模式図である。 図１に示す並進部のうちアームの動きを説明するための模式図である。 本実施の形態に係るアーム機構の概略構成を説明するための模式図である。 図３に示すアーム機構のリンク機構を説明するための模式図である。 図３に示すアーム機構をＡ方向から見た側面図である。 図３に示すアーム機構をＢ方向から見た側面図である。
　以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　本実施の形態に係るアーム機構は、マスタスレーブ方式の手術支援ロボットにおけるマスタ側マニピュレータの操作に用いられる。手術支援ロボットとしては、例えば、内視鏡外科手術に用いられる鉗子の操作を行うものが挙げられる。なお、遠隔操作システムの用途は手術支援ロボットに限らない。例えば、物流工場や製造工場において用いられるロボットを遠隔操作する際のシステムとして用いてもよい。特に、繊細な作業を長時間行う必要のある工程を、ロボットを介して遠隔で実行する際の遠隔操作システムとして好適である。
　なお、遠隔とは、操作者と操作対象との距離が物理的に遠隔である場合だけでなく、操作者が操作するマスタ機と操作対象であるスレーブ機とが機構的に分離されている場合も含まれる。この場合、マスタ機とスレーブ機とが近くに配置されていても遠隔操作であることに違いはない。
　また、本実施の形態に係るアーム機構は、マスタスレーブ方式の手術支援ロボットにおけるスレーブ側マニピュレータの鉗子や内視鏡といった術具を手術部位で移動したり保持したりする用途にも適用可能である。
　はじめに、マスタ側マニピュレータの概略構成を説明する。図１は、参照例に係るマスタ側マニピュレータを説明するための模式図である。図１に示すマスタ側マニピュレータ１０は、３自由度の並進部１２と、並進部１２と連結された３自由度の姿勢部１４とを備える。姿勢部１４は、操作者が手で把持できるように構成されている。
　図２は、図１に示す並進部のうちアームの動きを説明するための模式図である。図２に示す並進部１２は、第１の関節としての肩関節１６と、第２の関節としての肘関節１８と、第３の関節としての手首関節２０と、肩関節１６と肘関節１８を連結し、肩関節１６に対する肘関節１８の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第１の連結機構２２と、肘関節１８と手首関節２０を連結し、肘関節１８に対する手首関節２０の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第２の連結機構２４と、を備える。
　第１の連結機構２２は、肩関節１６に支持されている２つの回転軸２６ａ，２６ｂと、肘関節１８に支持されている２つの回転軸２８ａ，２８ｂと、回転軸２６ａと回転軸２８ａとに接続されているロッド状のリンク３０ａと、回転軸２６ｂと回転軸２８ｂとに接続されているロッド状のリンク３０ｂとを備えており、これら各部から構成された平行リンク機構２２ａを有している。肩関節１６には、回転軸２６ａを回転する力を発生する駆動源としてのアクチュエータ３２が設けられている。
　参照例に係るアクチュエータ３２はモータであり、モータの回転力が減速機構３４を介して回転軸２６ａに伝達される。アクチュエータの他の例としては空気圧を用いたものであってもよい。平行リンク機構２２ａは、アクチュエータ３２の回転によって、矢印のように回転軸２６ａを支点として上下に揺動する。その際、肘関節１８は、肩関節１６に対して姿勢を維持しながら相対的に移動することになる。
　第２の連結機構２４は、肘関節１８に支持されている２つの回転軸３６ａ，３６ｂと、手首関節２０に支持されている２つの回転軸３８ａ，３８ｂと、回転軸３６ａと回転軸３８ａとに接続されているロッド状のリンク４０ａと、回転軸３６ｂと回転軸３８ｂとに接続されているロッド状のリンク４０ｂとを備えており、これら各部から構成された平行リンク機構２４ａを有している。肘関節１８には、回転軸３６ｂを回転する力を発生する駆動源としてのアクチュエータ４２が設けられている。
　参照例に係るアクチュエータ４２はモータであり、モータの回転力が減速機構４４を介して回転軸３６ｂに伝達される。アクチュエータの他の例としては空気圧を用いたものであってもよい。平行リンク機構２４ａは、アクチュエータ４２の回転によって、矢印のように回転軸３６ｂを支点として上下に揺動する。その際、手首関節２０は、肘関節１８に対して姿勢を維持しながら相対的に移動することになる。
　このように、参照例に係る並進部１２では、平行リンク機構２４ａを揺動するために回転軸３６ｂを回転（駆動）する力を発生するアクチュエータ４２を肘関節１８に設けている。そのため、肘関節１８のサイズが大きくなりまた重量も重くなる。そこで、本発明者が鋭意検討した結果、以下に述べる新たなリンク機構を備えるアーム機構に想到した。
　図３は、本実施の形態に係るアーム機構の概略構成を説明するための模式図である。図４は、図３に示すアーム機構のリンク機構を説明するための模式図である。図５は、図３に示すアーム機構をＡ方向から見た側面図である。図６は、図３に示すアーム機構をＢ方向から見た側面図である。以下では、参照例と同様の構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。
　本実施の形態に係るアーム機構１００は、前述の第１の連結機構２２や第２の連結機構２４に加えて第３の連結機構４６を備える。第３の連結機構４６は、肩関節１６と第２の連結機構２４を連結し、肩関節１６に対する手首関節２０の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成されている。また、アーム機構１００は、第３の連結機構４６を構成する回転軸２６ｂを回転（駆動）する力を発生する、第２の駆動源としてのアクチュエータ４８を備える。本実施の形態に係るアクチュエータ４８はモータであり、モータの回転力が減速機構５０を介して回転軸２６ｂに伝達される。また、アーム機構１００の回転軸２６ａ，２６ｂは、図３に示すように、肩関節１６に支持されている。
　これにより、手首関節２０が矢印Ｒ１の方向に回転すると、平行リンク機構２４ａを構成する回転軸３６ｂが矢印Ｒ２の方向に回転する。第２の連結機構２４の一部を構成する回転軸３６ｂは、第３の連結機構４６の一部も構成している。第３の連結機構４６を構成する回転軸５２ａは、回転軸３６ｂ及び回転軸３８ｂとともに１本のリンク４０ｂ上に設けられている。そして、肘関節１８に支持されている回転軸３６ｂが矢印Ｒ２の方向に回転すると、回転軸５２ａは回転軸３６ｂを支点として矢印Ｒ３の方向に移動する。
　回転軸５２ｂは、回転軸５２ａとリンク５４を介して接続されており、回転軸５２ａの矢印Ｒ３の方向の移動とともにスライド（揺動）する。なお、回転軸５２ａ，５２ｂは肘関節１８を構成するプレート１８ａに対して一定の範囲で動けるように構成されている。回転軸５２ｂが矢印Ｒ３の方向に動くと、リンク５６を介して回転軸２８ｂが矢印Ｒ４の方向に回転する。
　回転軸５２ｂは、リンク５８を介して肩関節１６に設けられている回転軸６０と連結されている。また、回転軸６０は、リンク６２を介して肩関節１６のプレート１６ａに支持されている回転軸２６ｂと連結されている。そして、回転軸５２ｂの移動に伴い、リンク５８及び回転軸６０が矢印Ｒ５の方向に移動し、回転軸６０の移動に連動してリンク６２を介して回転軸２６ｂが矢印Ｒ６の方向に回転する。
　このように、本実施の形態に係るアーム機構１００は、手首関節２０の動きが、第３の連結機構４６を介してアクチュエータ４８まで伝達される。したがって、手首関節２０の動きに応じて回転する力を発生するアクチュエータ４８を、肘関節１８の動きに応じて回転する力を発生するアクチュエータ３２と一緒に肩関節１６の近くに配置できる。換言すると、本実施の形態に係るアーム機構１００においては、アクチュエータ４８を肩関節１６と手首関節２０との間にある肘関節１８に配置せずにすむ。
　また、例えば、手首関節２０の動きによって回転軸２６ｂが回転したことをエンコーダ等の回転検出装置で検出した場合、その回転方向への力をアクチュエータ４８によって発生することで手首関節２０を操作する操作者の負担を軽減することができる。あるいは、回転方向と反対方向への力をアクチュエータ４８によって発生することで手首関節２０を操作する操作者へ適度な反力や保持力を感じさせることができる。
　第３の連結機構４６は、肩関節１６に支持されている回転軸２６ｂと、肘関節１８に支持されている回転軸２８ｂと、回転軸２６ｂと回転軸２８ｂとに接続されているリンク３０ｂと、回転軸２６ｂとリンク６２を介して接続されている回転軸６０と、回転軸２８ｂとリンク５６を介して接続されている回転軸５２ｂと、回転軸６０と回転軸５２ｂとに接続されているリンク５８とを備えており、これら各部から構成された平行リンク機構４６ａを有している。したがって、平行リンク機構４６ａは、平行リンク機構２２ａを構成するリンク３０ｂを共有している。これにより、簡易な構成で手首関節２０の姿勢を維持しながら所定の平面内で手首関節２０を自由に動かせる。
　また、第３の連結機構４６は、平行リンク機構４６ａを構成するリンク５６を共有する、もう一つの平行リンク機構４６ｂを有している。平行リンク機構４６ｂは、肘関節１８に支持されている回転軸２８ｂと、肘関節１８に支持されている回転軸３６ｂと、回転軸２８ｂと回転軸３６ｂとに接続されているリンクとしてのプレート１８ａと、回転軸２８ｂとリンク５６を介して接続されている回転軸５２ｂと、回転軸３６ｂとリンク６４を介して接続されている回転軸５２ａと、回転軸５２ａと回転軸５２ｂとに接続されているリンク５４とを有している。
　平行リンク機構４６ｂは、回転軸２８ｂ及び回転軸３６ｂが肘関節１８を構成するプレート１８ａに支持されており、回転軸２８ｂは、リンク５６の一端に設けられている。これにより、第３の連結機構４６は、平行リンク機構４６ａ及び平行リンク機構４６ｂを介して、肩関節１６と第２の連結機構２４を連結し、肩関節１６に対する手首関節２０の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成されている。
　また、回転軸３６ｂは、平行リンク機構２４ａと共有されている。これにより、アクチュエータ４８によって発生する回転軸２６ｂを回転する力を第３の連結機構４６により直接平行リンク機構２４ａに伝達できる。
　次に、図４乃至図６を参照して、各リンクの形状やレイアウトについて更に詳述する。平行リンク機構４６ａは、回転軸２６ｂと回転軸２８ｂとを連結するリンク３０ｂに対して平行移動するリンク５８を有している。リンク５８は、リンク３０ｂに対して平行移動する際に回転軸２６ｂや回転軸２８ｂと干渉しない逃げ部５８ａ，５８ｂを有している。本実施の形態に係る逃げ部５８ａ，５８ｂは、直線状のリンク５８の凹んだ領域である。これにより、リンク３０ｂとリンク５８とをより近づけることが可能となり、肩関節１６と肘関節１８との間の各リンク全体が占めるスペースを小さくできる。
　平行リンク機構４６ｂは、回転軸２８ｂと回転軸３６ｂとを連結するリンクとしてのプレート１８ａ（１８ｂ）に対して平行移動するリンク５４を有している。リンク５４は、プレート１８ａに対して揺動しながら平行移動する際に回転軸２８ｂや回転軸５２ａと干渉しない逃げ部５４ａを有している。本実施の形態に係る逃げ部５４ａは、リンク５４の凹んだ領域である。これにより、プレート１８ａとリンク５４とをより近づけることが可能となり、肘関節１８や平行リンク機構４６ｂを含むスペースを小さくできる。
　本実施の形態に係るリンク５８は、回転軸５２ｂと接続される側の端部５８ｃがＵ字型リンクであり、Ｕ字の間にリンク５４とリンク５６が回転軸５２ｂで回転可能に支持されている。また、リンク４０ｂは、回転軸５２ａと接続される側の端部４０ｃがＵ字型のリンクであり、Ｕ字の間にリンク５４が回転軸５２ａで回転可能に支持されている。また、リンク６２は、回転軸６０と接続される側の端部６２ａがＵ字型のリンクであり、Ｕ字の間にリンク５８が回転軸６０に回転可能に支持されている。
　次に、アーム機構１００全体の回転機構について説明する。図３に示すように、本実施の形態に係るアーム機構１００は、アクチュエータ３２及びアクチュエータ４８が肩関節１６とともに固定される台部６６と、台部６６を回転する第３の駆動源としてのアクチュエータ６８とを備える。また、アーム機構１００は、医療用のマスタ側マニピュレータとしては、操作部としての姿勢部１４が手首関節２０に連結されている。姿勢部１４は、前述のように、少なくとも３自由度の動きが可能なように構成されている。これにより、アーム機構１００を遠隔操作システムのマスタ側マニピュレータアームとして利用する場合、並進３自由度を実現する３つの駆動源（モータ等のアクチュエータ）を肩関節１６近傍に集められるため、姿勢部１４を操作する際のアームの慣性（慣性モーメント）を小さくできる。
　以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
　（変形例）
　前述のアーム機構１００は、入力軸である回転軸２６ａや回転軸２６ｂを駆動（入力）軸とし、駆動源としてアクチュエータを例に説明した。以下では、アクチュエータ３２やアクチュエータ４８の代わりに制動部材（ブレーキ）を用いたアーム機構について説明する。変形例に係るアーム機構は、例えば、ブレーキを回転軸２６ａや回転軸２６ｂに連結することで、通常は制動力を利用して姿勢を維持し、緊急時にはブレーキを解除することで、手首関節２０に接続された手術用のエンドエフェクト（例えば、眼内内視鏡）を術部から退避させやすくすることもできる。これにより、手首関節２０の動きに応じて制動する力を発生する制動部材を、もう一つの制動部材と一緒に肩関節１６の近くに配置できる。
　１０　マスタ側マニピュレータ、　１２　並進部、　１４　姿勢部、　１６　肩関節、　１８　肘関節、　２０　手首関節、　２２　第１の連結機構、　２２ａ　平行リンク機構、　２４　第２の連結機構、　２４ａ　平行リンク機構、　２６ａ　回転軸、　２６ｂ　回転軸、　２８ａ　回転軸、　２８ｂ　回転軸、　３０ａ　リンク、　３０ｂ　リンク、　３２　アクチュエータ、　３６ａ　回転軸、　３６ｂ　回転軸、　３８ａ　回転軸、　３８ｂ　回転軸、　４０ａ　リンク、　４０ｂ　リンク、　４２　アクチュエータ、　４６　第３の連結機構、　４６ａ　平行リンク機構、　４６ｂ　平行リンク機構、　５２ａ　回転軸、　５２ｂ　回転軸、　５４　リンク、　５４ａ　逃げ部、　５６　リンク、　５８　リンク、　５８ａ　逃げ部、　６０　回転軸、　６２　リンク、　６４　リンク、　６６　台部、　１００　アーム機構。
　本発明は、医療や運搬等のマニピュレータに利用できる。

Claims (8)

  1. 　第１の関節と、
    　第２の関節と、
    　第３の関節と、
    　前記第１の関節と前記第２の関節を連結し、前記第１の関節に対する前記第２の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第１の連結機構と、
    　前記第２の関節と前記第３の関節を連結し、前記第２の関節に対する前記第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第２の連結機構と、
    　前記第１の関節と前記第２の連結機構を連結し、前記第１の関節に対する前記第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第３の連結機構と、
    　前記第１の連結機構を構成する第１の回転軸を回転する力を発生する第１の駆動源と、
    　前記第３の連結機構を構成する第２の回転軸を回転する力を発生する第２の駆動源と、を備え、
    　前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸は、前記第１の関節に支持されていることを特徴とするアーム機構。
  2. 　前記第１の連結機構は、第１の平行リンク機構を有し、
    　前記第２の連結機構は、第２の平行リンク機構を有し、
    　前記第３の連結機構は、第３の平行リンク機構を有し、
    　前記第３の平行リンク機構は、前記第１の平行リンク機構を構成する第１のリンクを共有していることを特徴とする請求項１に記載のアーム機構。
  3. 　前記第３の連結機構は、前記第３の平行リンク機構を構成する第２のリンクを共有する第４の平行リンク機構を更に有し、
    　前記第４の平行リンク機構は、第３の回転軸及び第４の回転軸が前記第２の関節に支持されており、
    　前記第３の回転軸は、前記第２のリンクの一端に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のアーム機構。
  4. 　前記第４の回転軸は、前記第２の平行リンク機構と共有されていることを特徴とする請求項３に記載のアーム機構。
  5. 　前記第３の平行リンク機構は、前記第２の回転軸と前記第３の回転軸とを連結する前記第１のリンクに対して平行移動する第３のリンクを有し、
    　前記第３のリンクは、前記第１のリンクに対して平行移動する際に前記第２の回転軸又は前記第３の回転軸と干渉しない逃げ部を有することを特徴とする請求項３に記載のアーム機構。
  6. 　前記第４の平行リンク機構は、前記第３の回転軸と前記第４の回転軸とを連結する第４のリンクに対して平行移動する第５のリンクを有し、
    　前記第５のリンクは、前記第４のリンクに対して平行移動する際に前記第３の回転軸又は前記第４の回転軸と干渉しない逃げ部を有することを特徴とする請求項３に記載のアーム機構。
  7. 　前記第３の関節に連結される操作部と、
    　前記第１の駆動源及び前記第２の駆動源が前記第１の関節とともに固定される台部と、
    　前記台部を回転する第３の駆動源と、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアーム機構。
  8. 　第１の関節と、
    　第２の関節と、
    　第３の関節と、
    　前記第１の関節と前記第２の関節を連結し、前記第１の関節に対する前記第２の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第１の連結機構と、
    　前記第２の関節と前記第３の関節を連結し、前記第２の関節に対する前記第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第２の連結機構と、
    　前記第１の関節と前記第２の連結機構を連結し、前記第１の関節に対する前記第３の関節の姿勢を維持しながら相対的に移動できるように構成された第３の連結機構と、
    　前記第１の連結機構を構成する第１の回転軸を制動する力を発生する第１の制動部と、
    　前記第３の連結機構を構成する第２の回転軸を制動する力を発生する第２の制動部と、を備え、
    　前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸は、前記第１の関節に支持されていることを特徴とするアーム機構。
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