WO2019003717A1 - アームシステム、医療用アームシステム及び回動機構 - Google Patents

アームシステム、医療用アームシステム及び回動機構 Download PDF

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WO2019003717A1
WO2019003717A1 PCT/JP2018/019528 JP2018019528W WO2019003717A1 WO 2019003717 A1 WO2019003717 A1 WO 2019003717A1 JP 2018019528 W JP2018019528 W JP 2018019528W WO 2019003717 A1 WO2019003717 A1 WO 2019003717A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
contact portion
arm system
intermediate body
movable
rotation
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/019528
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
ウィリアム アレクサンドル コヌス
康久 神川
利充 坪井
亘 小久保
Original Assignee
ソニー株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of WO2019003717A1 publication Critical patent/WO2019003717A1/ja

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Classifications

    • 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
    • B25J17/00—Joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H21/00—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/46—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions

Definitions

  • the present disclosure relates to an arm system, a medical arm system, and a pivoting mechanism.
  • the arm system has a multi-link structure in which a plurality of links are connected by a plurality of joints, and accurate and quick operation can be performed by controlling the rotational drive of each joint.
  • various medical units are provided at the tip of the arm to perform various treatments (for example, surgery or examination).
  • a functional unit having an imaging function such as a microscope, an endoscope or an imaging device at the tip of the arm
  • the user can perform various treatments while observing the image of the affected area imaged by the functional unit. It can be performed.
  • Patent Document 1 discloses an arm device in which a plurality of links are connected by a plurality of joints that realize six or more degrees of freedom.
  • Patent Document 1 below discloses the application of whole-body coordinated control and ideal joint control using generalized inverse dynamics in drive control of the arm device.
  • the pivotable angular range is controlled so as not to exceed 0 degree to 360 degrees which is the angular range detectable by the encoder.
  • the joint can not pivot within the angular range in which the stopper is provided. Is greatly limited.
  • electric control such as servo control is used to control the pivotable angle range of the joint, if power is not supplied, the pivoting range of the joint can not be controlled.
  • the present disclosure proposes a new and improved arm system, a medical arm system, and a pivot mechanism that are more convenient for the user (practitioner).
  • a plurality of joints and a plurality of links connected by the plurality of joints are provided, and at least one of the plurality of joints has the first contact portion in a circumferential direction. And has a movable movable portion, a second contact portion contacting with the first contact portion along with the rotation of the movable portion, and one surface provided with the second contact portion
  • An intermediate body having a third contact portion provided on a part of the circumferential direction of the other surface, which is rotatable coaxially with the movable portion, and the third contact when the intermediate body rotates
  • An arm system is provided, which is a pivoting mechanism including a fourth abutting portion that abuts the portion and a circumferentially fixed fixing portion.
  • a plurality of joints and a plurality of links connected by the plurality of joints are provided, and at least one of the plurality of joints is in first contact with a part in the circumferential direction.
  • a medical arm system is provided, which is a pivoting mechanism including a fourth abutting portion that abuts on the abutting portion and a circumferentially fixed fixing portion.
  • a first contact portion in a part of the circumferential direction and a movable portion capable of rotating, and a contact with the first contact portion with rotation of the movable portion.
  • a rotating mechanism comprising: an intermediate body; and a fixing portion fixed in the circumferential direction, the rotating body having a fourth contact portion that contacts the third contact portion along with rotation of the intermediate body. Be done.
  • the pivoting mechanism can be used, for example, as a joint that links links in a multi-link structure including an arm system and an industrial arm device.
  • the rotation mechanism connects the links so that the connected links can rotate relative to each other.
  • the pivoting angle range provided to the multilink structure may be controlled.
  • the pivoting angle is detected and electrically servo-controlled to control the pivotable angular range of the pivoting mechanism by signal processing can do.
  • the pivoting angle is detected and electrically servo-controlled to control the pivotable angular range of the pivoting mechanism by signal processing can do.
  • in order to detect a rotation angle exceeding 360 degrees it is necessary to also detect the number of rotations due to the rotation, which complicates the control.
  • the supply of power to the control device that performs servo control is lost, there is a possibility that contact and interference between the links may occur because the pivotable angle range of the pivot mechanism is not controlled.
  • the pivotable angular range of the pivoting mechanism is physically controlled by a mechanical structure such as a stopper.
  • the pivoting mechanism can not pivot in the angular range in which the stopper is present, so it becomes difficult to pivot by more than 360 degrees.
  • the thickness of the stopper is reduced in order to widen the angle range in which the turning mechanism can turn, it is difficult to widen the turning range while maintaining the strength of the turning mechanism.
  • the technology according to the present disclosure is conceived in view of the above circumstances.
  • the technology according to the present disclosure which will be described in detail below, enables pivoting in a wider (specifically, 360 degrees or more) angular range while controlling the pivotable angular range by a mechanical structure.
  • a pivoting mechanism and an arm system and a medical arm system provided with the pivoting mechanism.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an assembled state of a turning mechanism 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a state before assembling the turning mechanism 10 shown in FIG.
  • the rotating mechanism 10 has a movable portion 100 that can be rotated, an intermediate 110 that can be rotated on the same rotation axis as the movable portion 100, and a circumferential direction so as not to rotate And the fixed portion 120 fixed to the
  • the circumferential direction refers to the circumferential direction of a circle centered on the pivot axis of the pivoting mechanism 10 (more specifically, the movable portion 100), and the radial direction refers to that of the circle. Represents the radial direction.
  • the movable portion 100 has a movable portion main body 101 and a first contact portion 103.
  • the movable portion 100 is a rotatable member having the first contact portion 103 in a part of the circumferential direction.
  • the first contact portion 103 is in contact with the second contact portion 113 of the intermediate body 110 at a side surface as a convex portion that protrudes in the radial direction from the movable portion main body 101 in a part of the angular region in the circumferential direction.
  • the movable portion main body 101 penetrates the openings of the intermediate body 110 and the fixed portion 120 formed in a ring shape, and is connected to a drive device such as a motor and functions as a pivot shaft of the movable portion 100.
  • the movable portion main body 101 supplies motive power for rotation to the movable portion 100.
  • the intermediate 110 has an intermediate body 111, a second contact portion 113, and a third contact portion 115.
  • the intermediate body 110 is a member that has the second contact portion 113 and the third contact portion 115 in a part of the circumferential direction, and is rotatable on the same rotation axis as the movable portion 100.
  • the intermediate body 111 is provided in a ring shape having an opening at the center.
  • the second contact portion 113 is provided so as to protrude from one main surface of the intermediate body 111.
  • the second contact portion 113 is provided as a convex portion in a part in the circumferential direction on one main surface of the intermediate main body 111 on the side where the first contact portion 103 is provided, and is movable With the rotation of the part 100, the part abuts on the side surface of the first contact part 103.
  • the third contact portion 115 is provided so as to protrude from the other main surface of the intermediate main body 111.
  • the third contact portion 115 is provided as a convex portion in a part in the circumferential direction on the other main surface of the intermediate main body 111 on the side where the fourth contact portion 123 is provided, and the intermediate With the rotation of 110, it abuts on the side surface of the fourth contact portion 123.
  • one main surface of the intermediate body 111 is a surface facing the other main surface of the intermediate 110.
  • the second contact portion 113 and the third contact portion 115 may be provided, for example, at point-symmetrical positions with respect to the rotation axis of the intermediate 110.
  • the fixing portion 120 has a fixing portion main body 121 and a fourth contact portion 123.
  • the fixing portion 120 is a member having the fourth contact portion 123 in a part of the circumferential direction and fixed in the circumferential direction so as not to rotate.
  • the fixing portion main body 121 is provided in a ring shape having an opening at a central portion. However, the fixing portion main body 121 is provided in a ring shape having an outer diameter smaller than the intermediate body main body 111 and not in contact with the third contact portion 115.
  • the fourth contact portion 123 is provided to protrude from the side surface in the circumferential direction of the fixing portion main body 121. Specifically, the fourth contact portion 123 is provided as a protrusion on a part of the side surface in the circumferential direction of the fixing portion main body 121, and contacts the side surface of the third contact portion 115 of the rotating intermediate 110. Provided as. As a result, the third contact portion 115 provided so as to project toward the fixed portion 120 does not contact the fixed portion main body 121, but contacts only the fourth contact portion 123 by the rotation of the intermediate 110. become.
  • FIG. 3 is a flow chart for explaining the turning operation of the turning mechanism 10 in the clockwise direction.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing a change in the positional relationship associated with the rotation of the rotation mechanism 10 of the contact portion of each of the movable portion 100, the intermediate body 110, and the fixed portion 120. As shown in FIG. The rotation in the counterclockwise direction is substantially the same as the rotation in the clockwise direction except that the rotation direction is different, so the description will be omitted.
  • the movable portion 100 is rotated clockwise about the movable portion main body 101 as a rotation axis (S101).
  • the intermediate body 110 does not rotate until the first contact portion 103 contacts the second contact portion 113.
  • fixed part 120 since the fixing
  • the first contact portion 103 of the movable portion 100 abuts on the second contact portion 113 of the intermediate body 110 by the rotation of the movable portion 100 (S103).
  • the intermediate body 110 Since the intermediate body 110 is rotatable on the same rotational axis as the movable portion 100, after the second contact portion 113 abuts on the first contact portion 103, the intermediate body 110 rotates the movable portion 100. Along with the movement, the movable portion 100 is rotated clockwise with the movable portion 100 (S105). After that, the third contact portion 115 of the intermediate body 110 abuts on the fourth contact portion 123 of the fixed portion 120 by the rotation of the intermediate body 110 (S107). At this time, the first contact portion 103 and the second contact portion 113 contact in the clockwise direction, and the third contact portion 115 and the fourth contact portion 123 contact. Since the fixing portion 120 is fixed in the circumferential direction so as not to rotate, the rotation mechanism 10 stops the rotation in the clockwise direction.
  • the pivotable angle range of the entire pivoting mechanism 10 according to the present embodiment is the sum of the angular range in which the movable portion 100 can pivot and the angular range in which the intermediate 110 can pivot.
  • the turning mechanism 10 according to the present embodiment can make the turnable angle range 360 degrees or more.
  • the first contact portion 103, the second contact portion 113, the third contact portion 115, and the fourth contact portion 123 have an angle range in which the rotation mechanism 10 can rotate from 720 degrees. It becomes what subtracted the angle for the thickness of the circumferential direction to occupy. Therefore, even when the pivoting mechanism 10 realizes a pivotable range of 360 degrees or more, a mechanical structure (first contact portion 103, second contact portion 113, third contact) that controls the pivotable range It is possible to give the portion 115 and the fourth contact portion 123) a thickness capable of securing sufficient strength.
  • the user in the arm system, the user can freely move the multi link structure of the arm system, so that the work efficiency of the user can be improved.
  • the pivotable ranges of the pivoting mechanism 10 are arranged symmetrically to correspond to the left and right dominant arms of the user.
  • Each rotatable range can be 180 degrees or more. According to such an arm system, similar operability can be maintained even when the orientation or arrangement of the multilink structure is reversed.
  • the rotation mechanism 10 according to the present embodiment can calculate an absolute rotation angle in the entire rotation mechanism 10 by providing a detection unit described below.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of a pivoting mechanism 10A capable of detecting a pivoting angle
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of a pivoting mechanism 10B capable of detecting a pivoting angle.
  • Cross-sectional view. 5 and 6, the movable portion 100, the intermediate 110, and the fixed portion 120 are illustrated with an interval provided for easy viewing.
  • the rotation mechanism 10A capable of detecting the rotation angle further includes a detection unit 140 for detecting the rotation state of each of the movable unit 100 and the intermediate body 110 in the fixed unit 120.
  • the detection unit 140 is an angle sensor that detects the rotation angle of each of the movable unit 100 and the intermediate body 110.
  • the detection unit 140 is provided to the fixing unit 120 fixed in the circumferential direction so as not to rotate.
  • the detection unit 140 may be provided at any appropriate position of the fixed unit 120 according to the method of detecting the rotation angle of each of the movable unit 100 and the intermediate body 110.
  • one angle sensor may detect the rotation angle of each of the movable unit 100 and the intermediate 110, and a plurality of angle sensors may respectively detect the rotation angles of the movable unit 100 and the intermediate 110. It may be detected.
  • the detection unit 140 may be any known angle sensor, for example, a conductive encoder, an optical encoder, a magnetic encoder, and a capacitance. It is possible to use an angle sensor capable of measuring the rotational angle or rotational displacement amount of an object such as a capacitive encoder.
  • the rotation mechanism 10B capable of detecting the rotation angle is configured such that the first detection unit 141 and the first detection unit 141 detect the rotation states of the movable unit 100 and the intermediate 110 in the fixed unit 120.
  • the second detection unit 143 may be further provided.
  • the first detection unit 141 is an angle sensor that detects the rotation angle of the movable unit 100
  • the second detection unit 143 is in which angle range the rotation angle of the intermediate 110 is included Is a switch that outputs
  • the first detection unit 141 and the second detection unit 143 are respectively provided in the fixing unit 120 fixed in the circumferential direction so as not to rotate.
  • the first detection unit 141 and the second detection unit 143 may be provided at the same position or may be provided at different positions. That is, the first detection unit 141 and the second detection unit 143 may be provided at any appropriate position of the fixing unit 120 according to the respective detection methods.
  • the first detection unit 141 may be any known angle sensor capable of measuring the rotation angle or the amount of rotation displacement of an object.
  • a conductive encoder such as a conductive encoder, an optical type, or the like may be used.
  • Angle sensors such as encoders, magnetic encoders and capacitive encoders can be used.
  • the second detection unit 143 may be any switch whose on / off is controlled by the presence or absence or position displacement of an object, for example, a conductive switch, an optical switch, and a magnetic switch. Switches such as magnetic switches, capacitive switches and mechanical switches can be used.
  • a sensor capable of detecting in which angle range the rotation angle of the intermediate 110 is included is also a second detection unit It can be used as 143.
  • FIG. 7 is a flow chart for explaining an example of the calculation operation for calculating the rotation angle of the entire rotation mechanism 10A.
  • the arithmetic operation for calculating the pivot angle of the entire pivoting mechanism 10A based on the information detected by the detection unit 140 or the like includes, for example, arithmetic processing units such as a central processing unit (CPU) and a micro processing unit (MPU). It can be executed by an operation unit (not shown).
  • the calculation unit may further include various memory devices such as a read only memory (ROM) and a random access memory (RAM).
  • the rotation angle of the movable portion 100 and the rotation angle of the intermediate 110 are detected by the detection unit 140 (S201). Subsequently, based on the rotation angle of the movable portion 100 and the rotation angle of the intermediate body 110, an angle range including the rotation angle of the entire rotation mechanism 10A is determined (S203). After that, based on the determined angle range, the rotation angle of the movable mechanism 100 is calculated to calculate the rotation angle of the entire rotation mechanism 10A (S205).
  • the second detection unit 143 detects in which angle range the pivoting angle of the intermediate 110 is included, so by performing the operations of S203 and S205.
  • the rotation angle of the entire rotation mechanism 10B can be calculated.
  • the rotation angle of the movable unit 100 detected by the detection unit 140 is X degrees
  • the rotation angle of the intermediate 110 detected by the detection unit 140 is Z degrees
  • the rotation angle at which the movable portion 100 contacts the intermediate 110 is Y degrees
  • the rotation angle at which the intermediate 110 contacts the fixed portion 120 is U degrees.
  • the pivotable angle range of the entire pivoting mechanism 10A is 0 degree to 500 degrees, Y and U are 250 degrees, X is 50 degrees, Z is 160 degrees. It is assumed that In this case, since each of the above parameters satisfies the above equation 1, it is assumed that the pivoting angle of the entire pivoting mechanism 10A falls within the range of 250 degrees to 500 degrees of the latter half of the pivotable angle range. It can be judged. Therefore, the pivoting mechanism 10A can calculate that the pivoting angle of the entire pivoting mechanism 10A is 410 degrees obtained by adding 360 degrees (one rotation) to X degrees.
  • the angular range which can be turned by the whole turning mechanism 10A is 0 degree to 450 degrees, Y is 200 degrees, U is 250 degrees, X is 50 degrees, Z is 210 degrees.
  • the pivoting mechanism 10A can calculate that the pivoting angle of the entire pivoting mechanism 10A is 410 degrees obtained by adding 360 degrees (one rotation) to X degrees.
  • the angular range which can be turned by the whole turning mechanism 10A is 0 degree to 450 degrees, Y is 200 degrees, U is 250 degrees, X is 50 degrees, Z is 250 degrees.
  • the pivoting mechanism 10A can calculate that the pivoting angle of the entire pivoting mechanism 10A is 410 degrees obtained by adding 360 degrees (one rotation) to X degrees.
  • the angle range which can be rotated by the whole rotation mechanism 10A is 0 degree to 450 degrees, Y is 200 degrees, U is 250 degrees, X is 50 degrees, Z is 100 degrees.
  • the pivoting mechanism 10A can calculate that the pivoting angle of the entire pivoting mechanism 10A is 50 degrees, which is the same as X degrees.
  • the angle range which can be rotated by the whole rotation mechanism 10A is 0 degree to 450 degrees, Y is 200 degrees, U is 250 degrees, X is 50 degrees, Z is 0 degrees.
  • the pivoting mechanism 10A can calculate that the pivoting angle of the entire pivoting mechanism 10A is 50 degrees, which is the same as X degrees.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the arm system 1 according to the present embodiment.
  • the arm system 1 includes a base 200, a multilink structure 210, and a functional unit 230.
  • the base unit 200 is a base that supports the entire arm system 1.
  • the multi link structure 210 includes a plurality of links and a plurality of joints connecting the plurality of links to each other, and includes a functional unit at one end.
  • the links 211, 212, 213, 214, 215, and 216 are rod-like members extending in one direction.
  • One end of the link 211 is connected to the base 200 by a joint 220, and the other end of the link 211 is connected to one end of the link 212 by a joint 221.
  • the other end of link 212 is connected to one end of link 213 by joint 222, and the other end of link 213 is connected to one end of link 214 by joint 223.
  • the other end of the link 214 is connected to one end of the link 215 by the pivot mechanism 30, and the other end of the link 215 is connected to one end of the link 216 by a joint 225.
  • the multi-link structure 210 is formed as an arm shape extending from the base portion 200 by connecting the plurality of link ends with each other at the plurality of joints.
  • the functional unit 230 is connected to the link 216 at the tip of the multi link structure 210.
  • the functional unit 230 is controlled in position, attitude, and the like by controlling driving of the multi-link structure 210.
  • the functional unit 230 may be, for example, various medical instruments, or may be an imaging device for imaging a surgical field which is a treatment site of a patient. According to the arm system 1 according to the present embodiment, it is possible to support medical treatment such as treatment.
  • surgical instruments such as a scalpel, forceps and forceps, an endoscope, a microscope and the like can be exemplified.
  • a cylindrical aperture instrument called a trocar used in endoscopic surgery a barrel of an endoscope, an insufflation tube, an energy treatment instrument, forceps, forceps and A retractor etc. can be illustrated.
  • the energy treatment tool is a treatment tool that performs incision and peeling of tissue, sealing of a blood vessel, and the like by high-frequency current or ultrasonic vibration.
  • the turning mechanism 30 may be the turning mechanism 10 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the arm system 1 can perform more free drive by applying the pivoting mechanism 10 according to the first embodiment of the present disclosure to at least any joint.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the pivoting mechanism 30 extracted from the arm system shown in FIG.
  • FIG. 10 is a perspective view showing only the movable portion 300 and the intermediate body 310 in the pivoting mechanism 30 shown in FIG. 9, and
  • FIG. 11 is an intermediate body 310 and a fixing portion 320 in the pivoting mechanism 30 shown in FIG. It is a perspective view which shows only.
  • the pivoting mechanism 30 is configured by stacking the movable portion 300, the intermediate body 310, and the fixed portion 320.
  • the movable portion 300 is provided so as to be pivotable about a pivot axis extending in the stacking direction of the intermediate body 310 and the fixed portion 320.
  • the intermediate body 310 is provided rotatably around the same rotation axis as the movable portion 300, and the fixing portion 320 is provided so as to be fixed in the circumferential direction so as not to rotate.
  • the movable portion 300 includes a movable portion main body 301 and a first contact portion 303.
  • the movable portion main body 301 is provided through the respective openings of the intermediate body 310 and the fixed portion 320 formed in a ring shape, and functions as a pivot axis of the movable portion 300.
  • the first contact portion 303 is provided as a protrusion on the surface of the movable portion main body 301 in contact with the intermediate body 310.
  • the 1st contact part 303 may be provided with two or more, at least one should just be provided.
  • the intermediate body 310 includes an intermediate body 311, a second contact portion 313, and a third contact portion 315.
  • the intermediate body 311 is provided in a ring shape having an opening at the central portion, and the movable portion main body 301 penetrates through the opening at the central portion.
  • the second contact portion 313 is provided in the intermediate body main body 311 as an opening having a shape along a trajectory along which the first contact portion 303 moves with the rotation of the movable portion 300.
  • the third contact portion 315 is provided as a protrusion on the main surface of the intermediate body 311 in contact with the fixing portion 320.
  • the intermediate body 310 can be rotated together with the movable portion 300 after the contact between the first contact portion 303 and the second contact portion 313.
  • the fixing portion 320 includes a fixing portion main body 321 and a fourth contact portion 323.
  • the fixed portion main body 321 is provided in a ring shape having an opening at the central portion, and the movable portion main body 301 penetrates through the central portion opening.
  • the fourth contact portion 323 is provided on the same circumference as the third contact portion 315 as a convex portion protruding from the side surface in the circumferential direction in the opening of the fixing portion main body 321.
  • the third contact portion 315 and the fourth contact portion 323 are provided on the same circumference, the third contact portion 315 and the fourth contact portion 323 have the diameters of each other by the rotation of the intermediate body 310.
  • the intermediate body 310 stops rotating.
  • the pivoting mechanism 30 according to the second embodiment configured as described above can perform the same pivoting operation as the pivoting mechanism 10 according to the first embodiment.
  • the first contact portion 303 contacts the inner side surface of the opening of the second contact portion 313 by the movable portion 300 pivoting with the movable portion main body 301 as a pivot. Since the intermediate body 310 is rotatable on the same rotational axis as the movable portion 300, after the first contact portion 303 abuts on the inner side surface of the opening of the second contact portion 313, the intermediate body 310 is With the rotation of the movable portion 300, the movable portion 300 is rotated together with the movable portion 300. After that, the third contact portion 315 of the intermediate body 310 contacts the side surface of the fourth contact portion 323 of the fixed portion 320 by the rotation of the intermediate body 310.
  • the fixing portion 320 is fixed in the circumferential direction so as not to rotate, whereby the rotation mechanism 30 stops rotating.
  • the pivotable angle range is set to 360 degrees or more, as in the pivoting mechanism 10 according to the first embodiment. Is possible. Therefore, the arm system 1 and the pivoting mechanism 30 according to the second embodiment can widen the pivotable angle range, so that the work efficiency of the user (practitioner) can be improved, which is convenient. Can be improved.
  • the pivoting mechanism according to an embodiment of the present disclosure controls an angular range that can be pivoted by a mechanical structure, while a wider (specifically, 360 degrees or more) angular range Rotation can be made possible. Therefore, according to the rotation mechanism according to the embodiment of the present disclosure, the arm system 1 can be driven more freely, so that the work efficiency and convenience of the user (practitioner) can be improved.
  • rotation in a wider angle range is attained, maintaining the intensity
  • turning in a wider (specifically, 360 degrees or more) angle range is possible, and it is absolute even in an angle range of 360 degrees or more. It is possible to detect a pivot angle.
  • the pivoting mechanism according to an embodiment of the present disclosure can be applied to, for example, a medical arm system.
  • the technology according to the present disclosure is not limited to this, and may be applied to industrial arm devices such as vertical articulated arms or horizontal articulated arms.
  • the pivoting mechanism according to each embodiment of the present disclosure can also be applied to an arm device for pick-and-place use that is regularly arranged after taking out randomly arranged members of arbitrary shapes. .
  • a plurality of links connected by the plurality of joints Equipped with At least one of the plurality of joints is: A rotatable movable portion having a first contact portion at a part in the circumferential direction; A second contact portion that contacts the first contact portion as the movable portion rotates, and a portion of the other surface facing the one surface provided with the second contact portion in the circumferential direction; An intermediate body having a third contact portion and rotatable coaxially with the movable portion; A fixing portion fixed in the circumferential direction and having a fourth contact portion that contacts the third contact portion as the intermediate body rotates; An arm system, which is a pivoting mechanism comprising (2) The arm system according to (1), wherein the rotation mechanism further includes a detection unit that detects a rotation state of each of the movable unit and the intermediate body.
  • the arm system according to (2) further including: a calculation unit that calculates a rotation angle of the entire rotation mechanism based on the detected rotation conditions of the movable unit and the intermediate body.
  • a rotation angle of the entire rotation mechanism is 360 degrees or more.
  • the detection unit includes an angle sensor that detects a rotation angle of each of the movable unit and the intermediate.
  • the detection unit according to any one of (2) to (4) including: an angle sensor that detects a rotation angle of the movable portion; and a switch that switches an output based on a rotation angle of the intermediate body. Arm system.
  • the plurality of joints and the plurality of links constitute a multi-link structure,
  • a plurality of links connected by the plurality of joints; Equipped with At least one of the plurality of joints is: A rotatable movable portion having a first contact portion at a part in the circumferential direction; A second contact portion that contacts the first contact portion as the movable portion rotates, and a portion of the other surface facing the one surface provided with the second contact portion in the circumferential direction; An intermediate body having a third contact portion and rotatable coaxially with the movable portion; A fixing portion fixed in the circumferential direction and having a fourth contact portion that contacts the third contact portion as the intermediate body rotates; A medical arm system, which is a pivoting mechanism including: (14) A rotatable movable portion having a first contact portion at a part in the circumferential direction; A second contact portion that contacts the first contact portion as the movable portion rotates, and a portion of the other surface facing the one surface provided with the second contact portion in the circumferential direction An intermediate body having a third contact portion and rotatable

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Abstract

複数の関節と、前記複数の関節にて連結された複数のリンクと、を備え、前記複数の関節の少なくともいずれかは、周方向の一部に第１当接部（１０３）を有し、回動可能な可動部と、前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部（１１３）、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部（１１５）を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部（１２３）を有し、周方向に固定された固定部と、を備える回動機構である、アームシステム。

Description

アームシステム、医療用アームシステム及び回動機構
　本開示は、アームシステム、医療用アームシステム及び回動機構に関する。
　近年、医療分野では、より正確に、より素早く作業を行うためにアームシステムを用いることが一般的になっている。アームシステムは、複数の関節によって複数のリンクを連結した多リンク構造を備え、各関節の回動駆動を制御することで、正確かつ素早い動作を行うことができる。
　また、アームシステムでは、各種の施術（例えば、手術又は検査など）を行うためにアームの先端に様々な医療用のユニット（機能ユニットとも称する）が設けられる。例えば、顕微鏡、内視鏡又は撮像装置等の撮像機能を有する機能ユニットをアームの先端に設けることで、ユーザ（施術者）は、該機能ユニットによって撮像された患部の画像を観察しながら各種施術を行うことができる。
　例えば、下記の特許文献１には、６自由度以上の自由度を実現する複数の関節によって複数のリンクを連結したアーム装置が開示されている。下記特許文献１には、該アーム装置の駆動制御において、一般化逆動力学を用いた全身協調制御及び理想関節制御を適用することが開示されている。
国際公開第２０１５／０４６０８１号
　ここで、アームシステムに用いられる関節では、エンコーダによって検出可能な角度範囲である０度～３６０度を超えないように、回動可能な角度範囲が制御されていた。
　しかし、ストッパーなどの機械的構造を用いて、関節の回動可能な角度範囲を制御する場合、ストッパーが設けられた角度範囲には回動することができないため、関節の回動可能な角度範囲が大きく制限されてしまう。一方、サーボ制御などの電気的制御を用いて、関節の回動可能な角度範囲を制御する場合、電力が供給されなくなると関節の回動範囲を制御できなくなってしまう。
　そのため、関節の回動可能な角度範囲がより広く、ユーザ（施術者）にとってより利便性が高いアームシステムが求められていた。本開示では、ユーザ（施術者）にとってより利便性が高い、新規かつ改良されたアームシステム、医療用アームシステム及び回動機構を提案する。
　本開示によれば、複数の関節と、前記複数の関節にて連結された複数のリンクと、を備え、前記複数の関節の少なくともいずれかは、周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、を備える回動機構である、アームシステムが提供される。
　また、本開示によれば、複数の関節と、前記複数の関節にて連結された複数のリンクと、を備え、前記複数の関節の少なくともいずれかは、周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、を備える回動機構である、医療用アームシステムが提供される。
　また、本開示によれば、周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、を備える回動機構が提供される。
　本開示によれば、関節が回動可能な角度範囲を機械的構造によって制御しつつ、関節が回動可能な角度範囲を３６０度以上に広げることが可能である。
　以上説明したように本開示によれば、ユーザにとってより利便性が高いアームシステムを提供することができる。
　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示本の第１の実施形態に係る回動機構の組み立て状態を示した斜視図である。 図１に示す回動機構の組み立て前の状態を示した斜視図である。 回動機構の時計回りでの回動動作を説明するフローチャート図である。 可動部、中間体及び固定部の各々の当接部の回動機構の回動に伴う位置関係の変化を示した説明図である。 回動角度を検出可能な回動機構の一例を示す模式的な断面図である。 回動角度を検出可能な回動機構の他の例を示す模式的な断面図である。 回動機構全体での回動角度を算出する演算動作の一例を説明するフローチャート図である。 本開示の第２の実施形態に係るアームシステムの構成を示す斜視図である。 図８に示すアームシステムから回動機構を抽出して示した斜視図である。 図９に示す回動機構のうち可動部及び中間体のみを示す斜視図である。 図９に示す回動機構のうち中間体及び固定部のみを示す斜視図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　１．第１の実施形態
　　１．１．回動機構の概要
　　１．２．回動機構の構成
　　１．３．回動機構の回動角度の検出
　２．第２の実施形態
　３．まとめ
　＜１．第１の実施形態＞
　（１．１．回動機構の概要）
　まず、本開示に係る技術が適用される回動機構の概要について説明する。回動機構は、例えば、アームシステム及び産業用アーム装置などが備える多リンク構造体において、リンク同士を連結する関節として用いられ得る。例えば、回動機構は、連結したリンク同士が互いに回動可能となるように、リンク同士を連結する。
　ここで、多リンク構造体に備えられる回動機構は、構成によっては、回動可能な角度範囲が制御されることがあり得る。
　例えば、全周に亘って自由に回動可能な回動機構では、回動角度を検出し、電気的にサーボ制御することで、回動機構の回動可能な角度範囲を信号処理にて制御することができる。しかし、このような制御では、３６０度を超える回動角度を検出するためには、回動による回転数も検出する必要が生じるため、制御が複雑になってしまう。また、サーボ制御を行う制御装置への電力の供給が無くなった場合、回動機構の回動可能な角度範囲が制御されなくなるため、リンク同士の接触及び干渉が生じる可能性があった。
　一方、電気的なサーボ制御を使用しない回動機構では、ストッパーなどの機械的構造によって、回動機構の回動可能な角度範囲を物理的に制御することが行われる。しかし、このような制御では、回動機構は、ストッパーが存在する角度範囲に回動できなくなるため、３６０度を超える回動をすることが困難になってしまう。また、回動機構が回動可能な角度範囲を広げるにはストッパーの厚みを薄くすることになるため、回動機構の強度を維持しつつ、回動範囲を広げることが困難であった。
　特に、医療用アームシステムでは、定型的な動きが求められる産業用アーム装置よりも、自由かつ複雑な動きが求められるため、回動機構の回動可能な角度範囲を拡大したいという要望が強かった。また、医療用アームシステムでは、ユーザ（施術者）の利き腕、又は施術対象となる術野によっては、医療用アームシステムを構成する多リンク構造体の向き又は配置を反転させることがあり得る。このような場合に対応するために回動可能な角度範囲がより広い（具体的には、３６０度以上）回動機構が求められていた。
　本開示に係る技術は、上記事情に鑑みて想到されたものである。以下で詳細を説明する本開示に係る技術は、機械的構造によって回動可能な角度範囲を制御しつつ、より広い（具体的には、３６０度以上）角度範囲での回動を可能とする回動機構、並びに該回動機構を備えるアームシステム及び医療用アームシステムを提供する。
　（１．２．回動機構の構成）
　まず、図１及び図２を参照して、本開示の第１の実施形態に係る回動機構の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る回動機構１０の組み立て状態を示した斜視図である。図２は、図１に示す回動機構１０の組み立て前の状態を示した斜視図である。
　図１及び図２に示すように、回動機構１０は、回動可能な可動部１００と、可動部１００と同じ回動軸で回動可能な中間体１１０と、回動しないように周方向に固定された固定部１２０と、を積み重ねることで構成される。
　なお、本明細書において、周方向とは、回動機構１０（より具体的には、可動部１００）の回動軸を中心とする円の周方向を表し、径方向とは、該円の径方向を表す。
　可動部１００は、可動部本体１０１と、第１当接部１０３と、を有する。可動部１００は、周方向の一部に第１当接部１０３を有し、回動可能な部材である。
　第１当接部１０３は、周方向の角度領域の一部にて可動部本体１０１から径方向に突出する凸部として、中間体１１０が有する第２当接部１１３と側面で当接するように設けられる。可動部本体１０１は、リング状形状に形成された中間体１１０及び固定部１２０の開口を貫通してモータなどの駆動装置と接続し、可動部１００の回動軸として機能する。可動部本体１０１は、回動のための動力を可動部１００に供給する。
　中間体１１０は、中間体本体１１１と、第２当接部１１３と、第３当接部１１５と、を有する。中間体１１０は、周方向の一部に第２当接部１１３及び第３当接部１１５を有し、可動部１００と同じ回動軸にて回動可能な部材である。
　中間体本体１１１は、中心部に開口を有するリング状形状にて設けられる。第２当接部１１３は、中間体本体１１１の一主面から突出して設けられる。具体的には、第２当接部１１３は、第１当接部１０３が設けられた側の中間体本体１１１の一主面上にて、周方向の一部に凸部として設けられ、可動部１００の回動に伴って第１当接部１０３の側面と当接する。一方、第３当接部１１５は、中間体本体１１１の他主面から突出して設けられる。具体的には、第３当接部１１５は、第４当接部１２３が設けられた側の中間体本体１１１の他主面にて、周方向の一部に凸部として設けられ、中間体１１０の回動に伴って第４当接部１２３の側面と当接する。なお、中間体本体１１１の一主面は、中間体１１０の他主面と互いに対向する面である。第２当接部１１３及び第３当接部１１５は、例えば、中間体１１０の回動軸に対して、互いに点対称の位置に設けられてもよい。
　固定部１２０は、固定部本体１２１と、第４当接部１２３と、を有する。固定部１２０は、周方向の一部に第４当接部１２３を有し、回動しないように周方向に固定された部材である。
　固定部本体１２１は、中心部に開口を有するリング状形状にて設けられる。ただし、固定部本体１２１は、中間体本体１１１よりも小さく、第３当接部１１５と当接しない外径のリング状形状で設けられる。第４当接部１２３は、固定部本体１２１の周方向の側面から突出して設けられる。具体的には、第４当接部１２３は、固定部本体１２１の周方向の側面の一部に凸部として設けられ、回動する中間体１１０の第３当接部１１５の側面と当接するように設けられる。これにより、固定部１２０側に突出するように設けられた第３当接部１１５は、固定部本体１２１と接触せず、中間体１１０の回動によって第４当接部１２３にのみ当接するようになる。
　続いて、図３及び図４を参照して、上記の構造を有する回動機構１０の回動動作について説明する。具体的には、図１で示す状態から、回動機構１０が時計回りに回動する場合について説明する。図３は、回動機構１０の時計回りでの回動動作を説明するフローチャート図である。図４は、可動部１００、中間体１１０及び固定部１２０の各々の当接部の回動機構１０の回動に伴う位置関係の変化を示した説明図である。なお、反時計回りでの回動については、回動方向が異なる以外は、時計回りでの回動と実質的に同様であるため、説明を省略する。
　図３及び図４に示すように、まず、可動部１００が可動部本体１０１を回動軸として時計回りに回動する（Ｓ１０１）。第１当接部１０３が第２当接部１１３と当接するまでは、中間体１１０は回動しない。なお、固定部１２０は、周方向に固定されているため、回動しない。その後、可動部１００の回動によって、可動部１００の第１当接部１０３が中間体１１０の第２当接部１１３に当接する（Ｓ１０３）。中間体１１０は、可動部１００と同じ回動軸で回動可能であるため、第２当接部１１３が第１当接部１０３に当接した後、中間体１１０は、可動部１００の回動に伴って可動部１００と共に時計回りに回動する（Ｓ１０５）。その後、中間体１１０の回動によって、中間体１１０の第３当接部１１５が固定部１２０の第４当接部１２３に当接する（Ｓ１０７）。このとき、時計回り方向に、第１当接部１０３と第２当接部１１３とが当接し、第３当接部１１５と第４当接部１２３とが当接する。固定部１２０は、回動しないように周方向に固定されているため、これにより、回動機構１０は時計回りでの回動を停止する。
　したがって、本実施形態に係る回動機構１０の全体での回動可能な角度範囲は、可動部１００が回動可能な角度範囲と、中間体１１０が回動可能な角度範囲との合計となる。これによれば、本実施形態に係る回動機構１０は、回動可能な角度範囲を３６０度以上とすることが可能である。
　具体的には、回動機構１０が回動可能な角度範囲は、７２０度から、第１当接部１０３、第２当接部１１３、第３当接部１１５及び第４当接部１２３が占める周方向の厚み分の角度を減算したものとなる。よって、回動機構１０は、３６０度以上の回動可能範囲を実現した場合でも、回動可能範囲を制御する機械構造（第１当接部１０３、第２当接部１１３、第３当接部１１５及び第４当接部１２３）に十分な強度を確保可能な厚みを持たせることが可能である。
　本実施形態に係る回動機構１０によれば、アームシステムにおいて、ユーザがアームシステムの多リンク構造体をより自由に動かすことが可能となるため、ユーザの作業効率を向上させることができる。また、本実施形態に係る回動機構１０によれば、アームシステムにおいて、ユーザの左右の各々の利き腕に対応するために回動機構１０の回動可能範囲を対称に配置した場合であっても、それぞれの回動可能範囲を１８０度以上にすることができる。このようなアームシステムによれば、多リンク構造体の向き又は配置を反転させた場合でも同様の作業性を維持することができる。
　（１．３．回動機構の回動角度の検出）
　続いて、図５～図７を参照して、本実施形態に係る回動機構１０の回動角度を検出する構成について説明する。本実施形態に係る回動機構１０は、以下で説明する検出部を備えることによって、回動機構１０全体での絶対的な回動角度を算出することが可能である。
　図５は、回動角度を検出可能な回動機構１０Ａの一例を示す模式的な断面図であり、図６は、回動角度を検出可能な回動機構１０Ｂの他の例を示す模式的な断面図である。なお、図５及び図６では、見やすさのために、可動部１００、中間体１１０及び固定部１２０の間に間隔を設けて示した。
　図５に示すように、回動角度を検出可能な回動機構１０Ａは、固定部１２０に、可動部１００及び中間体１１０の各々の回動状況を検出する検出部１４０をさらに備える。
　具体的には、検出部１４０は、可動部１００及び中間体１１０の各々の回動角度を検出する角度センサである。例えば、検出部１４０は、回動しないように周方向に固定された固定部１２０に設けられる。ただし、検出部１４０は、可動部１００及び中間体１１０の各々の回動角度の検出方法に応じて、固定部１２０のいずれかの適切な位置に設けられていればよい。なお、検出部１４０は、１つの角度センサが可動部１００及び中間体１１０の各々の回動角度を検出してもよく、複数の角度センサがそれぞれ可動部１００及び中間体１１０の回動角度を検出してもよい。
　検出部１４０は、公知の角度センサであればいかなるものでも用いることができるが、例えば、導電性エンコーダ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　ｅｎｃｏｄｅｒ）、光学式エンコーダ（ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｎｃｏｄｅｒ）、磁気式エンコーダ（ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｃｏｄｅｒ）及び静電容量式エンコーダ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｅｎｃｏｄｅｒ）などの対象の回動角度又は回動変位量を測定可能な角度センサを用いることができる。
　または、図６に示すように、回動角度を検出可能な回動機構１０Ｂは、固定部１２０に、可動部１００及び中間体１１０の各々の回動状況を検出する第１検出部１４１及び第２検出部１４３をさらに備えてもよい。
　具体的には、第１検出部１４１は、可動部１００の回動角度を検出する角度センサであり、第２検出部１４３は、中間体１１０の回動角度がどの角度範囲に含まれているかを出力するスイッチである。例えば、第１検出部１４１及び第２検出部１４３は、回動しないように周方向に固定された固定部１２０にそれぞれ設けられる。第１検出部１４１及び第２検出部１４３は、同じ位置に設けられていてもよく、異なる位置に設けられていてもよい。すなわち、第１検出部１４１及び第２検出部１４３は、それぞれの検出方法に応じて、固定部１２０のいずれかの適切な位置に設けられていればよい。
　第１検出部１４１は、対象の回動角度又は回動変位量を測定可能な公知の角度センサであればいかなるものも用いることができるが、例えば、導電型（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）エンコーダ、光学型（ｏｐｔｉｃａｌ）エンコーダ、磁気型（ｍａｇｎｅｔｉｃ）エンコーダ及び静電容量型（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）エンコーダなどの角度センサを用いることができる。
　第２検出部１４３は、物体の有無又は位置変位等によってオンオフが制御されるスイッチであればいかなるものも用いることができるが、例えば、導電型（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）スイッチ、光学型（ｏｐｔｉｃａｌ）スイッチ、磁気型（ｍａｇｎｅｔｉｃ）スイッチ、静電容量型（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）スイッチ及び機械型（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）スイッチなどのスイッチを用いることができる。また、中間体１１０の回動角度がどの角度範囲に含まれるのかを検出可能なセンサ（ただし、中間体１１０の回動角度を具体的な数値で出力可能なセンサを除く）も第２検出部１４３として用いることができる。
　次に、図７を参照して、検出部１４０（または第１検出部１４１及び第２検出部１４３）が検出した情報に基づいて、回動機構１０Ａ全体での回動角度を算出する演算動作について説明する。図７は、回動機構１０Ａ全体での回動角度を算出する演算動作の一例を説明するフローチャート図である。
　検出部１４０等が検出した情報に基づいて回動機構１０Ａ全体での回動角度を算出する演算動作は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）及びＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）などの演算処理装置を含む演算部（図示せず）にて実行することができる。演算部は、さらにＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）などの各種メモリ装置を含んでもよい。
　図７に示すように、まず、検出部１４０によって可動部１００の回動角度及び中間体１１０の回動角度が検出される（Ｓ２０１）。続いて、可動部１００の回動角度及び中間体１１０の回動角度に基づいて、回動機構１０Ａ全体での回動角度を含む角度範囲が判断される（Ｓ２０３）。その後、判断された角度範囲に基づいて、可動部１００の回動角度を演算することで、回動機構１０Ａ全体での回動角度が算出される（Ｓ２０５）。
　なお、図６に示す回動機構１０Ｂでは、第２検出部１４３にて中間体１１０の回動角度がどの角度範囲に含まれているかが検出されるため、Ｓ２０３及びＳ２０５の動作を行うことで、回動機構１０Ｂ全体での回動角度を算出することができる。
　さらに、具体例を挙げて、検出部１４０（または第１検出部１４１及び第２検出部１４３）が検出した情報に基づいて、回動機構１０Ａ全体での回動角度を算出する方法について説明する。ただし、以下の角度は、いずれも所定の基準方位に対する絶対的な角度を示すものであるとする。
　具体的には、検出部１４０にて検出された可動部１００の回動角度がＸ度であり、検出部１４０にて検出された中間体１１０の回動角度がＺ度であるとする。また、可動部１００が中間体１１０と当接する回動角度がＹ度であり、中間体１１０が固定部１２０と当接する回動角度がＵ度であるとする。このとき、上記の各パラメータの関係式が以下の式１又は式２を満たす場合、回動機構１０Ａ全体での回動角度は、回動機構１０Ａ全体で回動可能な角度範囲の前半部に含まれると判断することができる。
　　Ｘ＋ｎ×３６０－Ｚ＝Ｙ　　・・・式１
　　Ｚ＝Ｕ　　・・・式２
　一方、上記の各パラメータの関係式が以下の式３又は式４を満たす場合、回動機構１０Ａ全体での回動角度は、回動機構１０Ａ全体で回動可能な角度範囲の後半部に含まれると判断することができる。
　　Ｚ－Ｘ＝Ｕ－Ｙ　　・・・式３
　　Ｚ＝０　　・・・式４
　具体的数値を挙げると、例えば、回動機構１０Ａ全体で回動可能な角度範囲が０度～５００度であり、Ｙ及びＵが２５０度であり、Ｘが５０度であり、Ｚが１６０度であるとする。この場合、上記の各パラメータは上記式１を満たすため、回動機構１０Ａ全体での回動角度は、回動可能な角度範囲のうち後半部の２５０度～５００度の範囲内に含まれると判断され得る。したがって、回動機構１０Ａは、回動機構１０Ａ全体での回動角度がＸ度に３６０度（１周分）を加算した４１０度であると算出することができる。
　例えば、回動機構１０Ａ全体で回動可能な角度範囲が０度～４５０度であり、Ｙが２００度であり、Ｕが２５０度であり、Ｘが５０度であり、Ｚが２１０度であるとする。この場合、上記の各パラメータは上記式１を満たすため、回動機構１０Ａ全体での回動角度は、回動可能な角度範囲のうち後半部の２２５度～４５０度の範囲内に含まれると判断され得る。したがって、回動機構１０Ａは、回動機構１０Ａ全体での回動角度がＸ度に３６０度（１周分）を加算した４１０度であると算出することができる。
　例えば、回動機構１０Ａ全体で回動可能な角度範囲が０度～４５０度であり、Ｙが２００度であり、Ｕが２５０度であり、Ｘが５０度であり、Ｚが２５０度であるとする。この場合、上記の各パラメータは上記式２を満たすため、回動機構１０Ａ全体での回動角度は、回動可能な角度範囲のうち後半部の２２５度～４５０度の範囲内に含まれると判断され得る。したがって、回動機構１０Ａは、回動機構１０Ａ全体での回動角度がＸ度に３６０度（１周分）を加算した４１０度であると算出することができる。
　例えば、回動機構１０Ａ全体で回動可能な角度範囲が０度～４５０度であり、Ｙが２００度であり、Ｕが２５０度であり、Ｘが５０度であり、Ｚが１００度であるとする。この場合、上記の各パラメータは上記式３を満たすため、回動機構１０Ａ全体での回動角度は、回動可能な角度範囲のうち前半部の０度～２２５度の範囲内に含まれると判断され得る。したがって、回動機構１０Ａは、回動機構１０Ａ全体での回動角度がＸ度と同じ５０度であると算出することができる。
　例えば、回動機構１０Ａ全体で回動可能な角度範囲が０度～４５０度であり、Ｙが２００度であり、Ｕが２５０度であり、Ｘが５０度であり、Ｚが０度であるとする。この場合、上記の各パラメータは上記式４を満たすため、回動機構１０Ａ全体での回動角度は、回動可能な角度範囲のうち前半部の０度～２２５度の範囲内に含まれると判断され得る。したがって、回動機構１０Ａは、回動機構１０Ａ全体での回動角度がＸ度と同じ５０度であると算出することができる。
　＜２．第２の実施形態＞
　続いて、図８～図１１を参照して、本開示の第２の実施形態に係るアームシステムの構成について説明する。図８は、本実施形態に係るアームシステム１の構成を示す斜視図である。
　図８に示すように、アームシステム１は、ベース部２００と、多リンク構造体２１０と、機能ユニット２３０と、を備える。
　ベース部２００は、アームシステム１全体を支える基台である。
　多リンク構造体２１０は、複数のリンクと、該複数のリンクを互いに連結する複数の関節と、から構成され、一方の端部に機能ユニットを備える。
　具体的には、リンク２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６は、一方向に延伸した棒状の部材である。リンク２１１の一端は関節２２０によってベース部２００と連結され、リンク２１１の他端は関節２２１によってリンク２１２の一端と連結される。リンク２１２の他端は関節２２２によってリンク２１３の一端と連結され、リンク２１３の他端は関節２２３によってリンク２１４の一端と連結される。リンク２１４の他端は回動機構３０によってリンク２１５の一端と連結され、リンク２１５の他端は関節２２５によってリンク２１６の一端と連結される。このように、多リンク構造体２１０は、複数のリンク端を複数の関節にて互いに連結することで、ベース部２００から延伸するアーム形状として形成される。
　機能ユニット２３０は、多リンク構造体２１０の先端のリンク２１６に連結される。機能ユニット２３０は、多リンク構造体２１０の駆動が制御されることによって、位置及び姿勢等が制御される。機能ユニット２３０は、例えば、各種医療用器具であってもよく、患者の施術部位である術野を撮像する撮像装置であってもよい。本実施形態に係るアームシステム１によれば、施術等の医療処置を支援することが可能である。
　例えば、各種医療用器具としては、メス、鑷子及び鉗子等の手術用の器具、内視鏡、並びに顕微鏡などを例示することができる。より詳細には、各種医療用器具としては、例えば、内視鏡手術で用いられるトロッカと呼ばれる筒状の開孔器具、内視鏡の鏡筒、気腹チューブ、エネルギー処置具、鉗子、攝子及びレトラクタ等などを例示することができる。なお、エネルギー処置具とは、高周波電流又は超音波振動により、組織の切開及び剥離、又は血管の封止等を行う処置具である。
　ここで、回動機構３０は、本開示の第１の実施形態に係る回動機構１０であり得る。アームシステム１は、少なくともいずれかの関節に本開示の第１の実施形態に係る回動機構１０を適用することによって、より自由な駆動を行うことができる。
　次に、図９～図１１を参照して、回動機構３０の構成について説明する。図９は、図８に示すアームシステムから回動機構３０を抽出して示した斜視図である。図１０は、図９に示す回動機構３０のうち可動部３００及び中間体３１０のみを示す斜視図であり、図１１は、図９に示す回動機構３０のうち中間体３１０及び固定部３２０のみを示す斜視図である。
　図９に示すように、回動機構３０は、可動部３００と、中間体３１０と、固定部３２０と、積み重ねることで構成される。第１の実施形態と同様に、可動部３００は、中間体３１０及び固定部３２０の積み重ね方向に延伸した回動軸を中心に回動可能に設けられる。また、中間体３１０は、可動部３００と同じ回動軸を中心に回動可能に設けられ、固定部３２０は、回動しないように周方向に固定されて設けられる。
　具体的には、図１０に示すように、可動部３００は、可動部本体３０１と、第１当接部３０３と、を備える。可動部本体３０１は、リング状形状に形成された中間体３１０及び固定部３２０の各々の開口を貫通して設けられ、可動部３００の回動軸として機能する。第１当接部３０３は、中間体３１０と接する可動部本体３０１の面上に凸部として設けられる。なお、図１０に示すように、第１当接部３０３は、複数設けられていてもよいが、少なくとも１つ設けられていればよい。
　図１０及び図１１に示すように、中間体３１０は、中間体本体３１１と、第２当接部３１３と、第３当接部３１５と、を備える。中間体本体３１１は、中心部に開口を有するリング状形状にて設けられ、中心部の開口を介して可動部本体３０１が貫通する。第２当接部３１３は、可動部３００の回動に伴って第１当接部３０３が移動する軌跡に沿った形状の開口として中間体本体３１１に設けられる。第３当接部３１５は、固定部３２０と接する中間体本体３１１の主面上に凸部として設けられる。
　第１当接部３０３及び第２当接部３１３は、中間体３１０に対して可動部３００が回動することによって、互いの径方向の側面が当接する。これにより、中間体３１０は、第１当接部３０３と、第２当接部３１３との当接後、可動部３００の回動に伴って共に回動することが可能となる。
　図１１に示すように、固定部３２０は、固定部本体３２１と、第４当接部３２３と、を備える。固定部本体３２１は、中心部に開口を有するリング状形状にて設けられ、中心部の開口を介して可動部本体３０１が貫通する。第４当接部３２３は、固定部本体３２１の開口内の周方向の側面から突出する凸部として、第３当接部３１５と同一円周上に設けられる。
　第３当接部３１５及び第４当接部３２３は、同一円周上に設けられるため、中間体３１０の回動によって、第３当接部３１５及び第４当接部３２３は、互いの径方向の側面が当接する。これにより、第３当接部３１５と、第４当接部３２３とが当接することで、中間体３１０は回動を停止する。
　以上のような構成の第２の実施形態に係る回動機構３０は、第１の実施形態に係る回動機構１０と同様の回動動作を行うことができる。
　具体的には、まず、可動部３００が可動部本体３０１を回動軸として回動することで、第１当接部３０３が第２当接部３１３の開口の内側面と当接する。中間体３１０は、可動部３００と同じ回動軸で回動可能であるため、第１当接部３０３が第２当接部３１３の開口の内側面と当接した後、中間体３１０は、可動部３００の回動に伴って可動部３００と共に回動する。その後、中間体３１０の回動によって、中間体３１０の第３当接部３１５が固定部３２０の第４当接部３２３の側面と当接する。固定部３２０は、回動しないように周方向に固定されているため、これにより、回動機構３０は回動を停止する。
　よって、第２の実施形態に係るアームシステム１及び回動機構３０であっても、第１の実施形態に係る回動機構１０と同様に、回動可能な角度範囲を３６０度以上とすることが可能である。したがって、第２の実施形態に係るアームシステム１及び回動機構３０は、回動可能な角度範囲をより広くすることができるため、ユーザ（施術者）の作業効率を向上させることで、利便性を向上させることができる。
　＜３．まとめ＞
　以上にて説明したように、本開示の一実施形態に係る回動機構は、機械的構造によって回動可能な角度範囲を制御しつつ、より広い（具体的には、３６０度以上）角度範囲での回動を可能とすることができる。したがって、本開示の一実施形態に係る回動機構によれば、アームシステム１をより自由に駆動させることができるため、ユーザ（施術者）の作業効率及び利便性を向上させることができる。
　また、本開示の一実施形態に係る回動機構によれば、回動可能な角度範囲を制御する機械的構造の強度を維持しつつ、より広い角度範囲での回動が可能となる。さらに、本開示の一実施形態に係る回動機構によれば、より広い（具体的には、３６０度以上）角度範囲での回動を可能とし、かつ３６０度以上の角度範囲でも絶対的な回動角度を検出することが可能である。
　本開示の一実施形態に係る回動機構は、例えば、医療用アームシステムに適用することができる。ただし、本開示に係る技術は、これに限定されず、垂直多関節アーム又は水平多関節アームなどの産業用アーム装置に適用することも可能である。例えば、本開示の各実施形態に係る回動機構は、ばらばらに配置された任意の形状の部材を取り出した後、規則的に並べるピックアンドプレイス用途のアーム装置などに適用することも可能である。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　複数の関節と、
前記複数の関節にて連結された複数のリンクと、
を備え、
　前記複数の関節の少なくともいずれかは、
　周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、
　前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、
　前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、
を備える回動機構である、アームシステム。
（２）
　前記回動機構は、前記可動部及び前記中間体の各々の回動状況を検出する検出部をさらに備える、前記（１）に記載のアームシステム。
（３）
　検出された前記可動部及び前記中間体の各々の回動状況に基づいて、前記回動機構全体での回動角度を算出する演算部をさらに備える、前記（２）に記載のアームシステム。
（４）
　前記回動機構全体での回動角度は、３６０度以上である、前記（３）に記載のアームシステム。
（５）
　前記検出部は、前記可動部及び前記中間体の各々の回動角度を検出する角度センサを含む、前記（２）～（４）のいずれか一項に記載のアームシステム。
（６）
　前記検出部は、前記可動部の回動角度を検出する角度センサ及び前記中間体の回動角度に基づいて出力が切り替わるスイッチを含む、前記（２）～（４）のいずれか一項に記載のアームシステム。
（７）
　前記回動機構は、前記固定部、前記中間体及び前記可動部を互いに積み重ねることで構成される、前記（１）～（６）のいずれか一項に記載のアームシステム。
（８）
　前記中間体及び前記固定部は、リング状形状であり、
　前記可動部は、前記リング状形状の開口を貫通する回動軸、及び径方向に突出した前記第１当接部を有する、前記（７）に記載のアームシステム。
（９）
　前記第２当接部及び前記第３当接部は、前記回動軸の軸方向に突出した凸部である、前記（８）に記載のアームシステム。
（１０）
　前記第４当接部は、径方向に突出した凸部である、前記（９）に記載のアームシステム。
（１１）
　前記複数の関節、及び前記複数のリンクは、多リンク構造体を構成し、
　前記多リンク構造体の先端は、機能ユニットを保持可能に設けられる、前記（１）～（１０）のいずれか一項に記載のアームシステム。
（１２）
　前記機能ユニットをさらに備える、前記（１１）に記載のアームシステム。
（１３）
　複数の関節と、
前記複数の関節にて連結された複数のリンクと、
を備え、
　前記複数の関節の少なくともいずれかは、
　周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、
　前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、
　前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、
を備える回動機構である、医療用アームシステム。
（１４）
　周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、
　前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、
　前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、
を備える回動機構。
　１　　　　アームシステム
　１０、１０Ａ、１０Ｂ、３０　　回動機構
　１００　　可動部
　１０１　　可動部本体
　１０３　　第１当接部
　１１０　　中間体
　１１１　　中間体本体
　１１３　　第２当接部
　１１５　　第３当接部
　１２０　　固定部
　１２１　　固定部本体
　１２３　　第４当接部
　１４０　　検出部
　１４１　　第１検出部
　１４３　　第２検出部
　２００　　ベース部
　２１０　　多リンク構造体
　２３０　　機能ユニット

Claims (14)

  1. 　複数の関節と、
    前記複数の関節にて連結された複数のリンクと、
    を備え、
    　前記複数の関節の少なくともいずれかは、
    　周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、
    　前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、
    　前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、
    を備える回動機構である、アームシステム。
  2. 　前記回動機構は、前記可動部及び前記中間体の各々の回動状況を検出する検出部をさらに備える、請求項１に記載のアームシステム。
  3. 　検出された前記可動部及び前記中間体の各々の回動状況に基づいて、前記回動機構全体での回動角度を算出する演算部をさらに備える、請求項２に記載のアームシステム。
  4. 　前記回動機構全体での回動角度は、３６０度以上である、請求項３に記載のアームシステム。
  5. 　前記検出部は、前記可動部及び前記中間体の各々の回動角度を検出する角度センサを含む、請求項２に記載のアームシステム。
  6. 　前記検出部は、前記可動部の回動角度を検出する角度センサ及び前記中間体の回動角度に基づいて出力が切り替わるスイッチを含む、請求項２に記載のアームシステム。
  7. 　前記回動機構は、前記固定部、前記中間体及び前記可動部を互いに積み重ねることで構成される、請求項１に記載のアームシステム。
  8. 　前記中間体及び前記固定部は、リング状形状であり、
    　前記可動部は、前記リング状形状の開口を貫通する回動軸、及び径方向に突出した前記第１当接部を有する、請求項７に記載のアームシステム。
  9. 　前記第２当接部及び前記第３当接部は、前記回動軸の軸方向に突出した凸部である、請求項８に記載のアームシステム。
  10. 　前記第４当接部は、径方向に突出した凸部である、請求項９に記載のアームシステム。
  11. 　前記複数の関節、及び前記複数のリンクは、多リンク構造体を構成し、
    　前記多リンク構造体の先端は、機能ユニットを保持可能に設けられる、請求項１に記載のアームシステム。
  12. 　前記機能ユニットをさらに備える、請求項１１に記載のアームシステム。
  13. 　複数の関節と、
    前記複数の関節にて連結された複数のリンクと、
    を備え、
    　前記複数の関節の少なくともいずれかは、
    　周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、
    　前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、
    　前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、
    を備える回動機構である、医療用アームシステム。
  14. 　周方向の一部に第１当接部を有し、回動可能な可動部と、
    　前記可動部の回動に伴って前記第１当接部と当接する第２当接部、及び前記第２当接部が設けられた一面と対向する他面の周方向の一部に設けられた第３当接部を有し、前記可動部と同軸で回動可能である中間体と、
    　前記中間体の回動に伴って前記第３当接部と当接する第４当接部を有し、周方向に固定された固定部と、
    を備える回動機構。
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