JP5278909B2 - マニピュレータ及びこれを用いたマニピュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転操作を屈曲動作に変換することが可能なマニピュレータに関するものである。

例えば、内視鏡を用いた手術においては、人体における狭小空間内での微細な作業が必要とされる。このような作業のためには、従来から、複数の自由度を持つマニピュレータを用いている。他にも、人の手を入れることができないほどに狭い空間内での操作や、危険区域（例えば被爆のおそれがある場所）での操作のために、マニピュレータを用いることがある。

このような用途のマニピュレータの主な動作方式としては、従来から、以下の三種類が知られている。
・ワイヤ駆動式、
・リンク駆動式、
・ギヤ駆動式。

ワイヤ駆動式のマニピュレータ（下記特許文献１及び３参照）は、小型化や多自由度化への対応が容易である。しかしながら、この方式においては、ワイヤの延びや断線によって制御困難になる可能性があり、安全確保のための対策が必要になる。このため、この方式では、安全確保のために、動作制御系などの周辺機器が大型化あるいは複雑化するという問題がある。

リンク駆動式のマニピュレータ（下記特許文献５〜７参照）は、リンク機構を用いて動作を行うものである。この方式においては、操作対象に対して強い力を加えることができる。しかしながら、この方式では、リンク機構における関節部が、繰り返し使用によって緩んだり、遊びが生じる可能性があり、特に、小型化した場合に、耐久性を高めることが難しいという問題がある。

ギヤ駆動式のマニピュレータ（下記特許文献１〜４参照）は、駆動方向の設定や多自由度化が比較的容易であり、しかも、小型化が容易であるという利点がある。しかしながら、この方式では、必要な部品要素の数が多くなりがちである。特に、ギヤが多くなると、バックラッシ（backlash）の解消が難しくなり、その結果、精密な動作が困難になるという問題がある。

特開２００４−１２２２８６号公報 特開２００７−１５２０２８号公報 特開２００８−１６１９７０号公報 特開２００８−３０７３１０号公報 特開２００５−１６９０１１号公報 特開２００４−１５４８７７号公報 特開２００３−３８５０１号公報

http://www.intuitivesurgical.com/products/endowrist_instruments/index.aspx

本発明は、以上の現状に鑑みてなされたものである。本発明は、簡易でかつ新規な構造を持つ、屈曲動作が可能なマニピュレータを提供しようとするものである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
回転動作を屈曲動作に変換できるマニピュレータであって、
第１駆動シャフトと、第１フレームと、第１フェースギヤ部材と、第２フレームと、第１ギヤ部材と、第２ギヤ部材と、第３ギヤ部材と、第３フレームとを備えており、
前記第１駆動シャフトは、それ自身の中心軸を中心として回動できる構成となっており、
前記第２フレームは、前記第１フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
前記第１フェースギヤ部材は、前記第１駆動シャフトにより、前記第１駆動シャフトの中心軸を中心として、前記第１フレームに対して、正逆方向に回転駆動される構成となっており、
前記第３フレームは、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
前記第１ギヤ部材は、前記第２フレームに固定されており、
かつ、前記第１ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
前記第２ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
前記第３ギヤ部材は、前記第２ギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
かつ、前記第３ギヤ部材は、前記第３フレームに固定されており、
前記第３フレームは、前記第３ギヤ部材の回動に伴って回動する構成となっている
ことを特徴とするマニピュレータ。

第１駆動シャフトを回転操作すると、第１フェースギヤ部材が回転する。すると、第１ギヤ部材が回転し、これに固定された第２フレームが回転する。さらに、第１フェースギヤ部材の回転に伴って、第２ギヤ部材が回転し、さらに、第３ギヤ部材が回転する。すると、第３ギヤ部材に固定された第３フレームが回転する。したがって、第３フレームに、１自由度での屈曲動作を行わせることができる。また、第１〜第３ギヤ部材のピッチ半径の比を設定することにより、第１駆動シャフトの回転量と第３フレームの移動量（傾き角度）との比を適宜に設定することができる。

（項目２）
前記第２ギヤ部材のピッチ半径は、前記第１ギヤ部材及び前記第３ギヤ部材のピッチ半径よりも小さくされており、
前記第１フェースギヤ部材は、前記第１ギヤ部材とかみ合う第１フェースギヤ部と、前記第２ギヤ部材とかみ合う第２フェースギヤ部とを備えており、
前記第２フェースギヤ部は、前記第１フェースギヤ部よりも、前記第２ギヤ部材の方向に突出されている
項目１に記載のマニピュレータ。

第２ギヤ部材のピッチ半径を小さくすることにより、第２ギヤ部材を小型化でき、第３フレームの回動量（回転角）を大きくすることが容易となる。また、第２ギヤを小型化した分、第２フェースギヤ部を第２ギヤの方向に突出させることで、両者のかみ合いを確保できる。また、第３ギヤのピッチ半径を第２ギヤのピッチ半径より大きくすることにより、第３フレームの傾斜角が過剰になることを防ぎ、第３フレームが他の部材に干渉する可能性を減らすことができる。

（項目３）
前記第２ギヤ部材は、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられている
項目１又は２に記載のマニピュレータ。

前記第２ギヤ部材を前記第２フレームに回動可能な状態で取り付けることによって、第２フレームの傾斜角に拘わらず、第２ギヤ部材を回動させることができる。

（項目４）
前記第３ギヤ部材は、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられている
項目１〜３のいずれか１項に記載のマニピュレータ。

前記第３ギヤ部材を前記第２フレームに回動可能な状態で取り付けることによって、第２フレームの傾斜角に拘わらず、第３ギヤ部材を回動させることができる。したがって、第２フレームに対する第３フレームの傾斜角を、第１フレームに対する第２フレームの傾斜角とは独立して設計することができる。

（項目５）
前記第１ギヤ部材の回転軸と、前記第２ギヤ部材の回転軸と、前記第１フレームに対する前記第２フレームの回転軸とは、同軸とされている
項目１〜４のいずれか１項に記載のマニピュレータ。

これらを同軸とすることにより、省スペース化、設計及び製作の容易化、並びに、パーツ数の低減を図ることができる。

（項目６）
回転動作を、複数方向への屈曲動作に変換できるマニピュレータであって、
第１駆動シャフトと、第１フレームと、第１フェースギヤ部材と、第２フレームと、第１ギヤ部材と、第２ギヤ部材と、第３ギヤ部材と、第３フレームと、第２駆動シャフトと、第２フェースギヤ部材と、第４フレームと、第４ギヤ部材と、第５ギヤ部材と、第６ギヤ部材と、第５フレームと、可撓性連結具とを備えており、
前記第１駆動シャフトは、それ自身の中心軸を中心として回動できる構成となっており、
前記第２フレームは、前記第１フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
前記第１フェースギヤ部材は、前記第１駆動シャフトにより、前記第１駆動シャフトの中心軸を中心として、前記第１フレームに対して、正逆方向に回転駆動される構成となっており、
前記第３フレームは、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
前記第１ギヤ部材は、前記第２フレームに固定されており、
かつ、前記第１ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
前記第２ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
前記第３ギヤ部材は、前記第２ギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
かつ、前記第３ギヤ部材は、前記第３フレームに固定されており、
前記第３フレームは、前記第３ギヤ部材の回動に伴って回動する構成となっている
前記第２駆動シャフトは、前記第１駆動シャフトと同軸で回動できる構成となっており、
前記第４フレームは、前記第３フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
前記可撓性連結具は、前記第２駆動シャフトに取り付けられており、
かつ、前記可撓性連結具は、前記第２駆動シャフトの回転に伴って、前記可撓性連結具自体の中心軸を中心として自転する構成となっており、
前記第２フェースギヤ部材は、前記可撓性連結具により、前記第３フレームに対して、正逆方向に回転駆動される構成となっており、
前記第５フレームは、前記第４フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
前記第４ギヤ部材は、前記第４フレームに固定されており、
かつ、前記第４ギヤ部材は、前記第２フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
前記第５ギヤ部材は、前記第２フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
前記第６ギヤ部材は、前記第５ギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
かつ、前記第６ギヤ部材は、前記第５フレームに固定されており、
前記第５フレームは、前記第６ギヤ部材の回動に伴って回動する構成となっている
ことを特徴とするマニピュレータ。

このマニピュレータにおいては、第１駆動シャフトと第２駆動シャフトとをそれぞれ操作することで、第３フレームと第５フレームとを独立に回動させることができる。第３フレームの回動方向と第５フレームの回動方向を異ならせることにより、２自由度での屈曲操作が可能になる。

（項目７）
項目１〜６のいずれか１項に記載のマニピュレータと、少なくとも前記第１駆動シャフトを回転駆動するアクチュエータとを備えたマニピュレーション装置。

本発明によれば、簡易でかつ新規な構造を持つ、屈曲動作が可能なマニピュレータを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るマニピュレータの分解斜視図である。 図１のマニピュレータの斜視図である。 図３（ａ）は、図２の側面図、図３（ｂ）は図２の平面図である。 図１のマニピュレータに用いる第２フレームの拡大斜視図である。 図１のマニピュレータに用いる第１フェースギヤ部材の拡大斜視図である。 図６（ａ）は図１のマニピュレータの要部拡大図、図６（ｂ）は図６（ａ）の側面図、図６（ｃ）は図６（ａ）の背面図である。 図１のマニピュレータに用いる第３フレームの拡大斜視図である。 図８（ａ）は、図６（ａ）に相当する部分を示す動作説明図である。図８（ｂ）は図８（ａ）の背面図である。 図８の斜視図である。 図１のマニピュレータを操作した状態における斜視図である。 図１１（ａ）は図１０の右側面図、図１１（ｂ）は図１０の平面図、図１１（ｃ）は図１０の左側面図である。 図１のマニピュレータを操作した状態における斜視図である。 図１３（ａ）は図１２の右側面図、図１３（ｂ）は図１２の平面図、図１３（ｃ）は図１２の左側面図である。 図１のマニピュレータにおいて、ホルダ及びカバー部材を除外して内部を露出させた状態における斜視図である。 図１４のマニピュレータを操作した状態における斜視図である。 図１４のマニピュレータを操作した状態における斜視図である。 図１７（ａ）は図１５の平面図、図１７（ｂ）は図１４の平面図、図１７（ｃ）は図１６の平面図である。 図１８（ａ）は図１７（ｃ）の背面図、図１８（ｂ）は図１７（ｂ）の背面図、図１８（ｃ）は図１７（ａ）の平面図である。 第１フェースギヤ部材の作製方法の一例を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係るマニピュレータの分解斜視図である。 図２０のマニピュレータの斜視図である。 図２１の側面図である。 図２１の平面図である。 図２１の拡大正面図（先端方向から見た図）である。 図２０のマニピュレータに用いる第３フレームの拡大斜視図である。 図２０のマニピュレータの第１及び第２駆動シャフト部分における拡大横断面図である。 図２７（ａ）は図２０のマニピュレータを操作した状態におけるの要部拡大図、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）におけるトルクコイル（可撓性連結具の一例）のみを取り出した状態での説明図である。 図２６（ａ）に示すマニピュレータにおいて、内部を露出させた状態での斜視図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るマニピュレータを、図１〜図１９を参照しながら説明する。本実施形他のマニピュレータは、回転動作を屈曲動作に変換するためのものである。

（マニピュレータの構成）
本実施形態のマニピュレータ１００は、第１駆動シャフト１０１と、第１フレーム１０２と、第１フェースギヤ部材１０３と、第２フレーム１０４と、第１ギヤ部材１０５と、第２ギヤ部材１０６と、第３ギヤ部材１０７と、第３フレーム１０８と、カバー部材１０９と、ホルダ１１０と、エンドエフェクタ１１５とを備えている（図１〜図３参照）。

第１駆動シャフト１０１は、それ自身の中心軸を中心として回動できる構成となっている。具体的には、この実施形態では、第１駆動シャフト１０１に駆動部１（図２参照）が接続されており、駆動部１によって、正逆方向に、回転駆動されるようになっている。駆動部１は、第１駆動シャフト１０１を回転させるためのアクチュエータ１１と、アクチュエータ１１の動作を制御する制御部１２とを備えている（図２参照）。制御部１２としては、例えば、アクチュエータ１１との間での適宜なインタフェース（図示せず）を有するパーソナルコンピュータを用いることができる。

第１駆動シャフト１０１の端部（図１において左端）には、第１フェースギヤ部材１０３を回転駆動するための突出部１０１１及び１０１２が形成されている。

第１フレーム１０２の端部には、後述する第１ピン１１１及び第２ピン１１２を取り付けるための挿通孔１０２１及び１０２２が形成されている。

第２フレーム１０４（図４参照）には、第１ピン１１１及び第３ピン１１３を取り付けるためのピン取付穴１０４１及び１０４２が形成されており、これらのピンによって、第１フレーム１０２に、回動可能な状態で取り付けられている。

また、第２フレーム１０４には、第３フレームを取り付けるためのピン取付穴１０４３及び１０４４が形成されている（後述）。

第１フェースギヤ部材１０３（図５参照）は、第１駆動シャフト１０１により、第１駆動シャフト１０１の中心軸を中心として、第１フレーム１０２に対して、正逆方向に回転駆動される構成となっている。

より具体的には、第１フェースギヤ部材１０３は、第１ギヤ部材１０５とかみ合う第１フェースギヤ部１０３１と、第２ギヤ部材１０６とかみ合う第２フェースギヤ部１０３２とを備えている。第２フェースギヤ部１０３２は、第１フェースギヤ部１０３１よりも、第２ギヤ部材１０６の方向に突出されている。

この実施形態では、第２ギヤ部材１０６のピッチ半径は、第１ギヤ部材１０５のピッチ半径の半分となっており、両ピッチ半径における差分だけ、第２フェースギヤ部１０３２が突出させられている。したがって、この実施形態においては、第１フェースギヤ部１０３１と第２フェースギヤ部１０３２との間に段差が形成されている（図５及び図６参照）。第２ギヤ部材１０６のピッチ半径をＲとすると、この実施形態における第１ギヤ部材１０５のピッチ半径は２Ｒであり、両者間の差分はＲとなる。

第３フレーム１０８（図７参照）は、第２フレーム１０４に、回動可能な状態で取り付けられている。具体的には、第３フレーム１０８は、第２ピン１１２及び第４ピン１１４を取り付けるためのピン挿通孔１０８１及び１０８２を備えている。これらのピン挿通孔１０８１及び１０８２は、第２ピン１１２及び第４ピン１１４を介して、前記した第２フレーム１０４のピン取付穴１０４３及び１０４４に取り付けられている。

第１ギヤ部材１０５は、第２フレーム１０４に固定されている。より具体的には、第１ギヤ部材１０５は、ギヤ部１０５１と、二つの貫通孔１０５２及び１０５３を備えている。貫通孔１０５２には、第１ピン１１１が取り付けられ、貫通孔１０５３には、第２ピン１１２が取り付けられている。これら２本のピンにより、第１ギヤ部材１０５が第２フレーム１０４に固定されている。

第１ギヤ部材１０５のギヤ部１０５１は、第１フェースギヤ部材１０３の第１フェースギヤ部１０３１（図５参照）とかみ合っており、これにより、第１ギヤ部材１０５が、第１フェースギヤ部材１０３によって回転駆動されるようになっている。

第２ギヤ部材１０６は、いわゆるピニオンギヤとして用いられるギヤであり、その中心に貫通孔１０６１を備えている。第２ギヤ部材１０６は、その貫通孔１０６１を介して、第３ピン１１３により、第２フレーム１０４に、回転自在に取り付けられている。第２ギヤ部材１０６は、第１フェースギヤ部材１０３の第２フェースギヤ部１０３２（図５参照）とかみ合っている。この構成により、この実施形態では、第２ギヤ部材１０６が第１フェースギヤ部材１０３によって回転駆動されるようになっている。

第３ギヤ部材１０７は、第２ギヤ部材１０６によって回転駆動される構成となっている。より具体的には、第３ギヤ部材１０７は、ギヤ部１０７１と貫通孔１０７２とを備えている。第３ギヤ部材１０７は、貫通孔１０７２を介して、第４ピン１１４により、第２フレーム１０４に回動可能なように取り付けられている。第３ギヤ部材１０７のギヤ部１０７１は、第２ギヤ部材１０６とかみ合っており、第２ギヤ部材１０６によって回転駆動されるようになっている。第３ギヤ部材１０７のピッチ半径は、第１ギヤ部材１０５と同様にＲとされている。つまり、第３ギヤ部材１０７のピッチ半径は、第２ギヤ部材１０６のピッチ半径の２倍となっている。

さらに、第３ギヤ部材１０７は、第３フレーム１０８に固定されている。具体的には、第３ギヤ部材１０７における、ギヤ部１０７１と反対側の端部は、第３フレーム１０８に、適宜な手段で固定されている。ここで固定とは、両者間の相対移動が、回転力の伝達に必要な程度に規制されていることを言い、物理的に厳密な意味で固定されている必要はない。例えば、第３ギヤ部材１０７の端部を収納できる凹部を第３フレーム１０８の内面に形成することにより、このような意味での固定を行うことができる。

このようにして、第３フレーム１０８は、第３ギヤ部材１０７の回動に伴って回動する構成となっている。なお、マニピュレータの動作については追って詳しく説明する。

カバー部材１０９は、第１フレーム１０２を覆うように配置されており、内部機構を見えにくくしている（図３参照）。

ホルダ１１０は、円筒状に形成されており、その内部に第２フレーム１０４を収納できるようになっている。ホルダ１１０の内面には、軸方向に沿って延長された二つの凹部１１０１及び１１０２が形成されており、これらの内部に第１〜第４ピン１１１〜１１４の頭部を収納できるようになっている。

エンドエフェクタ１１５は、第３フレーム１０８に取り付けられている。エンドエフェクタ１１５としては、マニピュレータの用途に応じて、各種のもの、例えば内視鏡、鉗子、電気メス、レーザ、超音波メス、カテーテルなどを用いることができる。また、医療用以外の工具や装置をエンドエフェクタとして用いることも可能である。さらに、本実施形態では、マニピュレータの内部が空洞となっているので、その空洞を利用して、エンドエフェクタの動作に必要な配線を配置することができるという利点もある。

（第１実施形態の動作）
次に、本実施形態に係るマニピュレータ１００の動作をする。まず、駆動部１のアクチュエータ１１により、第１駆動シャフト１０１を軸回りに回転させる（図２参照）。なお、人力により第１駆動シャフト１０１を回転させることも可能である。

すると、第１駆動シャフト１０１に連結された第１フェースギヤ部材１０３が、軸回りに回転する。

すると、第１フェースギヤ部材１０３にかみ合っている第１ギヤ部材１０５と第２ギヤ部材１０６とが、いずれも、第１フェースギヤ部材１０３の回転に同期して回転する（図６参照）。

まず、第１ギヤ部材１０５については、図８（ａ）に示されているように、第１フェースギヤ部材１０３の回転に伴って、角度θだけ回転したとする。このとき、第１ギヤ部材１０５に固定されている第２フレーム１０４は、第１フレーム１０２に対して、角度θだけ傾斜する。

一方、第２ギヤ部材１０６については、図８（ｂ）に示されているように、角度２θだけ回転する。これは、第１ギヤ部材１０５のピッチ半径と第２ギヤ部材１０６のピッチ半径との比を２：１としたためである。もちろん、２：１以外のピッチ円半径比を採用することも可能である。ここで、第２ギヤ部材１０６は、第２フレーム１０４の傾斜とは関係なく、回転することができる。

すると、第２ギヤ部材１０６にかみ合っている第３ギヤ部材１０７は、第２ギヤ部材１０６とは逆方向に、角度θだけ回転する。第３ギヤ部材１０７が角度θだけ回転するのは、第２ギヤ部材１０６のピッチ半径と第３ギヤ部材１０７のピッチ半径との比を１：２としたためである。もちろん、１：２以外の減速比ないしピッチ円半径比を採用することも可能である。

これにより、第３ギヤ部材１０７に固定されている第３フレーム１０８は、第２フレーム１０４に対して角度θだけ傾斜する（図８（ｂ）参照）。したがって、第３フレーム１０８に固定されているエンドエフェクタ１１５は、θ＋θ＝２θ分だけ、第１フレーム１０２に対して傾斜することができる。

第１駆動シャフト１０１を逆方向に回転させれば、前記と同様の動作により、エンドエフェクタ１１５は、逆方向に傾斜する。

本実施形態によれば、第１駆動シャフト１０１の回転角を調整することにより、エンドエフェクタ１１５の傾斜角θを調整することができる（図９〜図１８参照）。

本実施形態では、第２ギヤ部材１０６のピッチ半径を、第１ギヤ部材１０５及び第３ギヤ部材１０７のピッチ半径よりも小さくしているので、第２ギヤ部材１０６を小型化することができる。第２ギヤ部材１０６が大きい場合は、第２ギヤ部材１０６と第３フレーム１０８との干渉により、第３フレーム１０８の傾斜角が制約される可能性がある。本実施形態では、第２ギヤ部材１０６の小型化により、第３フレーム１０８、ひいてはエンドエフェクタ１１５が傾斜できる範囲を広くすることができる。

さらに、本実施形態では、第２ギヤ部材１０６を、第２フレーム１０４に、回動可能な状態で取り付けたので、前記したとおり、第２フレーム１０４の傾斜に関係なく、第２ギヤ部材１０６を回転させることができる。このようにして本実施形態では、回転運動を、自由度１の屈曲運動に変換することができる。

また、本実施形態では、第３ギヤ部材１０７を、第２フレーム１０４に、回動可能な状態で取り付けたので、第２フレーム１０４の傾斜に関係なく、第３ギヤ部材１０７を回転させることができる。

さらに、本実施形態では、第１ギヤ部材１０５の回転軸と、第２ギヤ部材１０６の回転軸とを同軸としているので、これらのギヤのためのピンを用いて、第２フレーム１０４を第１フレーム１０２に取り付けることができる。これにより、第１フレーム１０２に対する第２フレーム１０４の回転軸を、これらギヤ部材の回転軸と同軸とすることができる。つまり、本実施形態では、第１ギヤ部材１０５の回転軸と第２フレーム１０４の回転軸とにおいて、一つのピン１１１を共用し、第２ギヤ部材１０６の回転軸と第２フレーム１０４の回転軸とにおいて、他の一つのピン１１３を共用している。この構成により、本実施形態では、省スペース化、すなわち、マニピュレータの小型化を図ることができる。また、このように同軸とすることにより、設計及び製作の容易化、並びに、パーツ数の低減を図ることができる。さらには、本実施形態では、これらの回転軸を同軸としつつ、ピン１１１とピン１１３とを別体としているので、これらのピンの間に、物品を挿通させることができる。上記と同じ目的で、本実施形態では、ピン１１２とピン１１４とを同軸として、複数の回転軸において共用するとともに、これらを別体としている。

また、本実施形態では、動力伝達に要する部品点数が少ないため、製作、組み立て及びメンテナンスを簡便とすることができるという利点もある。しかも、組み立てには特殊の工具を基本的に必要としないので、組み立てが一層容易になる。

さらに、本実施形態では、駆動部１のアクチュエータ１１と第１駆動シャフト１０１との着脱を可能とするための各種の着脱機構（図示せず）を用いることができる。ここで、本実施形態では、第１駆動シャフト１０１を単に回転駆動できればよいため、着脱機構として、各種のものを用いることができ、しかも、その機構を単純とすることができる。また、アクチュエータ１１と第１駆動シャフト１０１との接続を切り離すことにより、例えば非常時における手動での操作を容易に行うことができる。

本実施形態の第１フェースギヤ部材１０３の歯厚あるいは歯幅を大きくすることにより、ギヤのかみ合い部分における伸びや変形を小さく抑えることができる。

さらには、歯車を構成する各部品の材質変更、これらへの焼き入れ処理、あるいは表面処理を行うことにより、部品の性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１駆動シャフト１０１を第１フェースギヤ部材１０３の方向に押しつけながら回転させることにより、駆動時の遊びやバックラッシュを防止でき、エンドエフェクタ１１５の位置精度を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、駆動力を伝達する各要素が基本的には全て同軸上に配置されるため、アクチュエータ１１や制御部１２の構成を小型化あるいは単純化することができる。

なお、前記実施形態では、第１フェースギヤ部材１０３の第１フェースギヤ部１０３１と第２フェースギヤ部１０３２との間に段差を形成しているが、第１ギヤ部材１０５及び第２ギヤ部材１０６のピッチ半径を等しくすれば、段差をなくすことができる。段差が形成されている場合は、第１駆動シャフト１０１の回転角は、最大でも１８０°であるが、段差をなくすことにより、１８０°以上の角度で回転させることができる。ただし、第１ギヤ部材１０５及び第２ギヤ部材１０６のピッチ半径を等しくすると、第２ギヤ部材１０６が大型化するという問題も発生する。

（第１フェースギヤ部材の作製方法）
ここで、第１フェースギヤ部材１０３の作製方法の一例を、図１９を参照しながら説明する。この第１フェースギヤ部材１０３は、円筒状のベース１０３３と、ラック部材１０３４とから構成されている。ラック部材１０３４は、第１フェースギヤ部１０３１と、第２フェースギヤ部１０３２とを備えている。

この作製方法においては、金属板を加工することにより、平板状のラック部材１０３４を作成する。ついで、ラック部材１０３４を、円筒状のベース１０３３の外周に巻き付ける。これにより、第１実施形態における第１フェースギヤ部材１０３を得ることができる。

この作製方法によれば、ラック部材１０３４の作製が容易であるという利点がある。また、ラック部材１０３４をベース１０３３に取り付けることによって第１フェースギヤ部材１０３を得ることができるので、第１フェースギヤ部材１０３の作製が容易である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るマニピュレータ２００を、図２０〜図２８を参照しながら説明する。第２実施形態のマニピュレータ２００は、第１実施形態におけるマニピュレータ構造を同軸で接続することにより、２自由度での屈曲を達成するものである。なお、第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。

本実施形態のマニピュレータ２００は、図２０〜図２４に示されるように、第１実施形態のマニピュレータ１００と同様に、第１駆動シャフト１０１と、第１フレーム１０２と、第１フェースギヤ部材１０３と、第２フレーム１０４と、第１ギヤ部材１０５と、第２ギヤ部材１０６と、第３ギヤ部材１０７と、カバー部材１０９と、ホルダ１１０と、エンドエフェクタ１１５とを備えている（図２０参照）。これらの要素は、基本的に、第１実施形態と同様である。

さらに、本実施形態のマニピュレータ２００では、第１実施形態の第３フレーム１０８に代えて、第３フレーム２０８（図２５参照）が用いられている。第３フレーム２０８は、既に説明したピン挿通孔１０８１及び１０８２（図７参照）とは反対側の位置に、ピン挿通孔２０８３及び２０８４を備えている。ピン挿通孔２０８３及び２０８４は、ピン挿通孔１０８１及び１０８２に対して、軸回りに９０°回転した位置に形成されている。

さらに、本実施形態のマニピュレータ２００は、第２駆動シャフト２０１と、第２フェースギヤ部材２０２と、第４フレーム２０３と、第４ギヤ部材２０４と、第５ギヤ部材２０５と、第６ギヤ部材２０６と、第５フレーム２０７と、トルクコイル（可撓性連結具の一例）２０９と、ホルダ２１０を備えている（図２０〜図２４参照）。

第２駆動シャフト２０１は、第１駆動シャフト１０１の内部に配置されており、これと同軸で回動できる構成となっている（図２６参照）。第２駆動シャフト２０１の回動は、第１実施形態と同様に駆動部１で行うこともできるし、操作者の手動によって行うこともできる。第２駆動シャフト２０１の内径φ（図２６参照）は、この実施形態では、例えば１ｍｍとされているが、これに限るものではない。この内径を利用して、配線その他の部品を、第２駆動シャフト２０１の内部に配置することができる。

第４フレーム２０３は、第３フレーム２０８に、回動可能な状態で取り付けられている。より詳しくは、第４フレーム２０３は、第２フレーム１０４と同様に、ピン取付穴２０３１〜２０３４を備えている。そして、第４フレーム２０３のピン取付穴２０３１及び２０３２は、第５ピン２１１及び第７ピン２１３を介して、第３フレーム２０８のピン挿通孔２０８３及び２０８４に取り付けられている。

トルクコイル２０９は、第２駆動シャフト２０１の先端に取り付けられている。トルクコイル２０９は、第２駆動シャフト２０１の回転に伴って、トルクコイル２０９自体の中心軸を中心として自転する構成となっている。トルクコイル２０９は、湾曲した状態で、それ自身の中心軸を中心として回転することができるものである。

第２フェースギヤ部材２０２は、トルクコイル２０９により、第３フレーム２０８に対して、正逆方向に回転駆動される構成となっている。第２フェースギヤ部材２０２の具体的な構成は、前記した第１フェースギヤ部材１０３と同様なので、これについての詳しい説明は省略する。

第５フレーム２０７は、第４フレーム２０３に、回動可能な状態で取り付けられている。具体的には、第５フレーム２０７は、対向して形成された二つのピン挿通孔２０７１（図２０においては一つのみ示している）を備えている。そして、これらのピン挿通孔２０７１は、第６ピン２１２及び第８ピン２１４を介して、第４フレーム２０３のピン取付穴２０３３及び２０３４に取り付けられている。

第４ギヤ部材２０４は、第５ピン２１１及び第６ピン２１２により、第４フレーム２０３に固定されている。さらに、第４ギヤ部材２０４は、第２フェースギヤ部材２０２によって回転駆動される構成となっている。具体的には、第４ギヤ部材２０４は、第２フェースギヤ部材２０２にかみ合うギヤ部２０４１を備えている。

第５ギヤ部材２０５は、第２フェースギヤ部材２０２とかみ合っており、これによって回転駆動される構成となっている。

第６ギヤ部材２０６は、第５ギヤ部材２０５によって回転駆動される構成となっている。具体的には、第６ギヤ部材２０６は、第５ギヤ部材２０５とかみ合うギヤ部２０６１を備えている。

さらに、第６ギヤ部材２０６は、第５フレーム２０７に固定されている。この構成により、第５フレーム２０７は、第６ギヤ部材２０６の回動に伴って回動する構成となっている。

ホルダ２１０は、第４フレーム２０３の外側に配置されている。ホルダ２１０の内面には、凹部２１０１及び２１０２が形成されている。これら凹部２１０１及び２１０２の内部には、前記した第５〜第８ピン２１１〜２１４の頭部が収納されている。

さらに、本実施形態のエンドエフェクタ１１５は、第５フレーム２０７に取り付けられている。

前記した組み立て状態は、トルクコイル２０９を用いる点を除き、第１実施形態のマニピュレータと基本的に同様である。

（第２実施形態の動作）
つぎに、第２実施形態に係るマニピュレータの動作を説明する。

第１駆動シャフト１０１を回転させると、第１実施形態において既に説明したように、第３フレーム２０８が正逆方向に回動する。したがって、第１駆動シャフト１０１を所定角度だけ回転させることにより、第３フレーム２０８を介して、エンドエフェクタ１１５を傾斜させることができる。これにより、第１駆動シャフト１０１の回転動作を、エンドエフェクタ１１５の屈曲動作に変換することができる。これによって１自由度を得ることができる。

一方、第２駆動シャフト２０１を回転させると、トルクコイル２０９を介して、第２フェースギヤ部材２０２を回転させることができる。この実施形態では、可撓性のあるトルクコイル２０９によって第２駆動シャフト２０１と第２フェースギヤ部材２０２とを接続しているので、第３フレーム２０８が傾斜した状態であっても、第２フェースギヤ部材２０２を回転させることができる。

第２フェースギヤ部材２０２が回転すると、これにかみ合う第４ギヤ部材２０４と第５ギヤ部材２０５とが回転する。すると、第４ギヤ部材２０４に固定された第４フレーム２０３を傾斜させることができる。さらに、第５ギヤ部材２０５にかみ合う第６ギヤ部材２０６の回転により、第５フレーム２０７を傾斜させることができる。これにより、第５フレーム２０７に取り付けられたエンドエフェクタ１１５を傾斜させることができる。すなわち、第２駆動シャフト２０１の回転動作を、エンドエフェクタ１１５の屈曲動作に変換することができる。この屈曲動作における屈曲の方向（回転平面）は、第１駆動シャフト１０１の回転によるものとは異なるので、これによって、他の１自由度を得ることができる。すなわち、第２実施形態のマニピュレータ２００では、２自由度の屈曲動作を達成することができる。

つまり、第２実施形態では、エンドエフェクタ１１５を、独立した二つの方向に屈曲させることができる。

また、第２実施形態では、第３フレーム２０８におけるピン挿通孔２０８３及び２０８４の位置を調整することにより、二つの屈曲方向における回転平面のなす角度を、０°〜１８０°の間で適宜に調整することができるという利点もある。

さらに、第２実施形態では、第１駆動シャフト１０１と第２駆動シャフト２０１とを独立して操作することにより、第１〜第５フレームの屈曲姿勢として、比較的に複雑なもの、例えばＳ字姿勢を取らせることも可能である。

第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上の説明は省略する。

なお、前記した各実施形態の構成は、本発明の例示に過ぎず、本発明の内容を制限する趣旨のものではない。

例えば、前記した第２実施形態では、屈曲方向についての２自由度を得ているが、同様の構造を接続することで、３以上の自由度を得ることができる。しかも、基本的に同様の部品を追加することによって自由度を追加することができるので、製作コストを低く抑えることができ、しかも、組み立てを容易に行うことができる。また、予備部品の管理が容易であり、メンテナンスコストの低減を図ることができる。

また、前記した第２実施形態では、可撓性連結具としてトルクコイルを用いたが、これに限るものではない。要するに、第２駆動シャフトの回転力を、傾斜した状態の第２フェースギヤ部材に伝達できる部材であれば、各種のものを用いることができる。例えば、トルクコイルと同じようにトルクを伝達できる可撓性連結具としてトルクロープを用いることができる。通常のステンレスワイヤなどは、捻るとそのまま撚れてしまうが、トルクロープでは、特殊な編み方をしているため、回転トルクをそのまま伝達できる。但し、トルクロープは、中空ではなく中実なので、エンドエフェクタ用の配線をその内部に収納することが難しい。但し、エンドエフェクタ部分に特に機能を持たせず、屈曲だけを実現するのであれば、トルクロープを用いることによって可撓性連結具を細くすることができ、小型化を図ることができる。

１ 駆動部
１１ アクチュエータ
１２ 制御部
１００ マニピュレータ
１０１ 駆動シャフト
１０２ 第１フレーム
１０３ 第１フェースギヤ部材
１０３１ 第１フェースギヤ部
１０３２ 第２フェースギヤ部
１０４ 第２フレーム
１０５ 第１ギヤ部材
１０６ 第２ギヤ部材
１０７ 第３ギヤ部材
１０８ 第３フレーム
１０９ カバー部材
１１０ ホルダ
１１１ 第１ピン
１１２ 第２ピン
１１３ 第３ピン
１１４ 第４ピン
１１５ エンドエフェクタ
２００ マニピュレータ
２０１ 第２駆動シャフト
２０２ 第２フェースギヤ部材
２０３ 第４フレーム
２０４ 第４ギヤ部材
２０５ 第５ギヤ部材
２０６ 第６ギヤ部材
２０７ 第５フレーム
２０８ 第３フレーム
２０９ トルクコイル（可撓性連結具の一例）
２１０ ホルダ
２１１ 第５ピン
２１２ 第６ピン
２１３ 第７ピン
２１４ 第８ピン

Claims (7)

1. 回転動作を屈曲動作に変換できるマニピュレータであって、
   第１駆動シャフトと、第１フレームと、第１フェースギヤ部材と、第２フレームと、第１ギヤ部材と、第２ギヤ部材と、第３ギヤ部材と、第３フレームとを備えており、
   前記第１駆動シャフトは、それ自身の中心軸を中心として回動できる構成となっており、
   前記第２フレームは、前記第１フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
   前記第１フェースギヤ部材は、前記第１駆動シャフトにより、前記第１駆動シャフトの中心軸を中心として、前記第１フレームに対して、正逆方向に回転駆動される構成となっており、
   前記第３フレームは、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
   前記第１ギヤ部材は、前記第２フレームに固定されており、
   かつ、前記第１ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   前記第２ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   前記第３ギヤ部材は、前記第２ギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   かつ、前記第３ギヤ部材は、前記第３フレームに固定されており、
   前記第３フレームは、前記第３ギヤ部材の回動に伴って回動する構成となっている
   ことを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記第２ギヤ部材のピッチ半径は、前記第１ギヤ部材及び前記第３ギヤ部材のピッチ半径よりも小さくされており、
   前記第１フェースギヤ部材は、前記第１ギヤ部材とかみ合う第１フェースギヤ部と、前記第２ギヤ部材とかみ合う第２フェースギヤ部とを備えており、
   前記第２フェースギヤ部は、前記第１フェースギヤ部よりも、前記第２ギヤ部材の方向に突出されている
   請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記第２ギヤ部材は、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられている
   請求項１又は２に記載のマニピュレータ。
4. 前記第３ギヤ部材は、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
5. 前記第１ギヤ部材の回転軸と、前記第２ギヤ部材の回転軸と、前記第１フレームに対する前記第２フレームの回転軸とは、同軸とされている
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
6. 回転動作を、複数方向への屈曲動作に変換できるマニピュレータであって、
   第１駆動シャフトと、第１フレームと、第１フェースギヤ部材と、第２フレームと、第１ギヤ部材と、第２ギヤ部材と、第３ギヤ部材と、第３フレームと、第２駆動シャフトと、第２フェースギヤ部材と、第４フレームと、第４ギヤ部材と、第５ギヤ部材と、第６ギヤ部材と、第５フレームと、可撓性連結具とを備えており、
   前記第１駆動シャフトは、それ自身の中心軸を中心として回動できる構成となっており、
   前記第２フレームは、前記第１フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
   前記第１フェースギヤ部材は、前記第１駆動シャフトにより、前記第１駆動シャフトの中心軸を中心として、前記第１フレームに対して、正逆方向に回転駆動される構成となっており、
   前記第３フレームは、前記第２フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
   前記第１ギヤ部材は、前記第２フレームに固定されており、
   かつ、前記第１ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   前記第２ギヤ部材は、前記第１フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   前記第３ギヤ部材は、前記第２ギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   かつ、前記第３ギヤ部材は、前記第３フレームに固定されており、
   前記第３フレームは、前記第３ギヤ部材の回動に伴って回動する構成となっており、
   前記第２駆動シャフトは、前記第１駆動シャフトと同軸で回動できる構成となっており、
   前記第４フレームは、前記第３フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
   前記可撓性連結具は、前記第２駆動シャフトに取り付けられており、
   かつ、前記可撓性連結具は、前記第２駆動シャフトの回転に伴って、前記可撓性連結具自体の中心軸を中心として自転する構成となっており、
   前記第２フェースギヤ部材は、前記可撓性連結具により、前記第３フレームに対して、正逆方向に回転駆動される構成となっており、
   前記第５フレームは、前記第４フレームに、回動可能な状態で取り付けられており、
   前記第４ギヤ部材は、前記第４フレームに固定されており、
   かつ、前記第４ギヤ部材は、前記第２フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   前記第５ギヤ部材は、前記第２フェースギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   前記第６ギヤ部材は、前記第５ギヤ部材によって回転駆動される構成となっており、
   かつ、前記第６ギヤ部材は、前記第５フレームに固定されており、
   前記第５フレームは、前記第６ギヤ部材の回動に伴って回動する構成となっている
   ことを特徴とするマニピュレータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のマニピュレータと、少なくとも前記第１駆動シャフトを回転駆動するアクチュエータとを備えたマニピュレーション装置。

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