JP2015000448A - 回転中心の独立制御可能な回転パラレル機構 - Google Patents

Abstract

【課題】出力節から離れた静止節上または静止節の近傍にのみアクチュエータを配設することが可能であり、構造が単純で、軽量、コンパクトな回転パラレル機構を提供すること。
【解決手段】回転パラレル機構が、静止節１２と、静止節に対して並進３自由度と回転３自由度を有した出力節１４と、静止節と出力節との間に延設された第１の運動連鎖１６と、静止節と出力節との間に延設された第２の運動連鎖１８と、静止節と出力節との間に延設された第３の運動連鎖２０とを具備し、第１の運動連鎖は静止節に対する出力節の並進３自由度をアクチュエータにより拘束しと、回転１自由度を構造的に拘束する５つの対偶要素から成る直列連鎖であり、第２と第３の運動連鎖は、それぞれ、静止節に対する出力節の回転３自由度のうち、第１の運動連鎖が拘束する回転１自由度とは異なる回転１自由度をアクチュエータにより拘束する６つの対偶要素から成る直列連鎖となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転中心の独立制御可能な回転パラレル機構に関する。

腹腔鏡手術や眼科手術などのための低侵襲性手術、人工関節骨頭や光学部品の加工では、ごく狭い範囲内に限定された回転中心の周囲での精密かつ比較的大きな姿勢角度変化を伴う作業が必要とされている。そうした作業を可能とする装置、機構の開発がなされており、様々なマイクロ手術の支援装置や低侵襲性手術ロボットが提案されている。

非特許文献１には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の並進３自由度と、不動点周りの回転３自由度を有する脳外科および眼科手術支援用ロボットが開示されている。このロボットでは、Ｒガイドを用いて不動点を規定し、このＲガイドを３次元空間内で移動させることによって、不動点を変更できるようになっている。

非特許文献２、３には、処置具動作機構（アクティブ機構）と、位置調整機構（パッシブ機構）とから成る装置が開示されている。処置具動作機構は３本のアームで処置具を保持するパラレル機構に構成されており、不動点を中心とした２自由度、処置具軸方向の並進１自由度、処置具長軸周りの回転１自由度の４自由度を有している。位置調整機構は２本のパッシブアームにより構成されたパラレル機構であり、これを手動操作して各関節を固定することで、並進３自由度の位置決めが可能となっている。

Young Min Baek, Yasuhide Kozuka, Naohiko Sugita, Akio Morita, Shigeo Sora, Ryo Mochizuki, and Mamoru Mitsuishi, 「Highly Precise Master-Slave Robot System for Super Micro surgery」, Proceedings of the 2010 3rd IEEE RAS and EMBS Jumpei Arata, Yasunori Tada, Hiroaki Kozuka, Tomohiro Wada, Yoshitaka Saito, Norio Ikeda, Yuichiro Hayashi, Masazumi Fuhii, Yasukazu Kajita, Masaaki Mizuno, Toshihiko Wakabayashi, Jun Yoshida, Hideo Fujimoto, 「Neurosugical robotic system for brain tumor removal」, Int J CARS, Vol. 6(3), pp. 375, 2011 荒田純平、和田朋広、池本純一、藤本英雄、「ニューロサージカル・モーションベースの開発」、ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集 ２００９

非特許文献１のロボットは、アクチュエータで駆動されるジョイントが直列に配置され可動部の重量が増大し、剛性が低く、大型のアクチュエータを必要とする。また、非特許文献１のロボットでは、可動部のジョイントの全てがアクチュエータを備えているため、例えば術野や加工領域にもアクチュエータが配置されることとなり、そうしたアクチュエータを保護することが困難である。

非特許文献２、３の装置では、処置具動作機構は、位置調整機構上に搭載されており、位置調整機構によって不動点を変更できるようになっている。然しながら、非特許文献２、３の装置では、処置具動作機構と位置調整機構とを重畳配置して、回転中心の位置制御と回転中心周りの回転制御を行うようにしているため、構造が複雑で、更に、回転動作用のアクチュエータが可動部、特にベースおよびその近辺に限定せずに処置具の近辺にも配置されるため、非特許文献１と同様にその保護が困難で可動部の重量が比較的重くなる。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、作業を行う部分の近くの可動部にアクチュエータを配設する必要がなく、構造が単純で、軽量、コンパクトな回転パラレル機構を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明の回転パラレル機構は、静止節と、前記静止節に対して並進３自由度と回転３自由度を有した出力節と、前記静止節と出力節との間に延設された第１の運動連鎖と、前記静止節と出力節との間に延設された第２の運動連鎖と、前記静止節と出力節との間に延設された第３の運動連鎖とを具備し、
前記第１の運動連鎖は、前記静止節に対する前記出力節の回転１自由度を構造的に拘束し、並進３自由度をアクチュエータにより拘束する５つの対偶要素から成る直列連鎖であり、前記第２の運動連鎖は、前記静止節に対する前記出力節の回転３自由度のうち、前記第１の運動連鎖が拘束する回転１自由度とは異なる回転１自由度をアクチュエータにより拘束する６つの対偶要素から成る直列連鎖であり、前記第３の運動連鎖は、前記静止節に対する前記出力節の回転３自由度のうち、前記第１の運動連鎖が拘束する回転１自由度と第２の運動連鎖のアクチュエータが拘束する回転１自由度とは異なる回転１自由度をアクチュエータが拘束する６つの対偶要素から成る直列連鎖であることを特徴とする。

本発明によれば、回転中心制御のための第１の運動連鎖と、回転運動制御のための第２と第３の運動連鎖とを有する５自由度の回転パラレル機構が提供される。該回転パラレル機構は、簡単な構成で高い制御性を有しており、回転運動制御用の第２と第３の運動連鎖内のアクチュエータを駆動することによって、出力節は、機構外の１つの回転中心周りの純粋な回転運動を行い、回転中心制御用の第１の運動連鎖内のアクチュエータを駆動すると、出力リンクは、その姿勢を変化させることなく並進運動を行う。

本発明によれば、第１〜第３の連鎖の各々のアクチュエータを出力節から離れた静止節上または静止節の近傍に配置することができる。これにより、手術ロボットや加工機等において、アクチュエータを術野や加工領域から離して配置することによって、該アクチュエータを術野や加工領域内で飛散する液滴や組織片、加工屑から保護することが可能となる。

また、本発明によれば、可動部を構成する受動的ジョイントまたは受動的対偶として弾性部材を用いることが可能で、低発塵性のロボットを構成することができる。
更に、本発明によれば、可動部にアクチュエータを配設する必要がないので、構造が単純で軽量、コンパクトなロボットを構成可能である。

本発明の概念を示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態の概略図である。

以下、図１を参照して、本発明の１つの実施形態を説明する。
本発明では、静止節と出力節との間に、出力節の回転運動の中心の位置を制御する１つの連鎖（回転中心制御用連鎖）と、出力節の回転運動を制御する２つの連鎖（回転運動制御用連鎖）が配置される。回転中心制御用連鎖は、一例として、回転軸が交差する２つの回転ジョイントまたは回転対偶と、３軸方向に並進運動のみを行うアクチュエータとを備える。回転中心制御用連鎖は、上記３軸方向に直交する直進対偶を備えた構成に限定されず、並進パラレル機構によって構成してもよい。つまり、回転中心制御用連鎖は直列連鎖である必要はなく、また、全てのアクチュエータを静止節に配置してもよい。回転運動制御用連鎖は、６自由度の直列連鎖として、静止節上に配置された１つの能動的回転ジョイントまたは回転対偶と、５つの受動的ジョイントまたは受動的対偶とを備えている。

図１を参照すると、回転パラレル機構１０は、静止節としてのベース１２、出力節としての出力リンク１４、該出力リンク１４のための回転中心制御用連鎖としての第１の運動連鎖１６、出力リンク１４のための回転運動制御用連鎖としての第２と第３の運動連鎖１８、２０を具備している。

第１の運動連鎖１６は、３つのアクチュエータとして能動的直進対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、２つの受動的回転対偶１６ｄ、１６ｅを備えている。第１の運動連鎖１６は、その一端において、３つの能動的直進対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃのうち１つの能動的直進対偶１６ａがベース１２に連結されており、他端において、２つの受動的回転対偶１６ｄ、１６ｅの一方の受動的回転対偶１６ｅが出力リンク１４に連結されている。

３つの能動的直進対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃの対偶軸W11、W12、W13は異なる３軸の各々に沿って延びている。能動的直進対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、例えばエアシリンダー、リニアモーター、ボールねじとナット等によって構成することができる。２つの受動的回転対偶１６ｄ、１６ｅは、転がり軸受やジャーナル軸受のような軸受、捻転可能な弾性手段、例えば板バネやコイルばね或いは円柱状のゴムまたはエラストマー部材から構成することができ、各々の対偶軸W14、W15が互いに交差するように配向されている。このように、２つの回転対偶軸W14、W15が互いに交差するように回転対偶１６ｄ、１６ｅを配向することによって、対偶軸W14、W15の交点Ｏpが出力リンク１４の回転中心となる。また、出力リンク１４は、対偶軸W14、W15の双方に垂直な空間ベクトルにより定められる軸線（拘束軸）周りの回転動作が拘束される。能動的直進対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃを各々の対偶軸W11、W12、W13方向に駆動することによって、交点Ｏpが三軸方向に並進移動する。その間、出力リンク１４は拘束軸周りに回転しない。

回転パラレル機構１０では、出力リンク１４の運動は並進３自由度と、回転２自由度の５自由度となっている。第２と第３の運動連鎖１８、２０は、この出力リンク１４の並進運動に対応しつつ、回転運動を創成するため、１つの能動対偶と５つの受動対偶から成る６自由度の連鎖となっている。すなわち、第２の運動連鎖１８は、ベース１２に固定された１つの能動的回転対偶１８ａと、５つの受動的回転対偶または直進対偶１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆとを備えて、６自由度の直列連鎖を形成している。第３の運動連鎖２０も第２の運動連鎖１８と同様に、ベース１２に固定された１つの能動的回転対偶２０ａと、５つの受動的回転対偶または直進対偶２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆとを備えて、６自由度の直列連鎖を形成している。

本発明では、２つの回転運動制御用連鎖の各々の能動的回転対偶を固定したときに、出力節の１軸周りの回転運動が拘束される。回転パラレル機構１０では、ベース１２と出力リンク１４とを連結する第１の運動連鎖１６は、各々その構造から出力リンク１４の特定の方向の回転運動を拘束し、第１〜第３の運動連鎖内のアクチュエータ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１８ａ、２０ａを固定したときに、出力リンク１４の特定の方向の運動を拘束するようになっている。

出力リンク１４の並進の３自由度は第１の運動連鎖により完全に拘束（＝制御）される、つまり、第１の連鎖の全ての能動的直進対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃを固定することによって、出力リンク１４の並進３自由度が拘束される。一方、第１の運動連鎖１６は、回転対偶１６ｄ、１６ｅの対偶軸W14、W15の双方に垂直な方向に出力リンク１４の回転運動を拘束する。既述したように、本発明では、２つの回転運動制御用連鎖の各々の能動的回転対偶を固定したときに、出力節の１軸周りの回転運動が拘束される。また、出力節の位置が変化しても、この条件が満足されるような対偶および方向が選択される。従って、第１の運動連鎖１６の能動的直進対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび第２と第３の運動連鎖１８、２０の能動的回転対偶１８ａ、２０ａの変位を決定したときに、出力リンク１４の位置および姿勢が一意に決定されるようにするためには、第２と第３の運動連鎖１８、２０の能動的回転対偶１８ａ、２０ａを固定した時に、出力リンク１４の回転の２自由度が拘束されるようにすればよい。そのように、第２と第３の運動連鎖１８、２０の受動的対偶１８ｂ〜１８ｆおよび２０ｂ〜２０ｆを決定することによって、５つの能動的対偶１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１８ａ、２０ａによって、出力リンク１４の並進３自由度、回転２自由度の計５自由度の運動が制御可能となる。そのような、第２と第３の運動連鎖１８、２０を実現する対偶の組合せを表１に示す。

表１において、Ｒは回転対偶、Ｐは直進対偶を示し、最も左側の対偶がベース１２に連結されている能動的回転対偶１８ａ、２０ａを表し、最も右側の対偶が出力リンク１４に連結されている対偶１８ｆ、２０ｆを示している。また、「′」或いは「″」の記号が付されている複数の回転対偶Ｒは、同じ記号の付されている回転対偶同士（その対偶軸）が互いに平行となるように配向されていることを示している。また、「′」或いは「″」の記号が付されている回転対偶Ｒおよびこうした記号が付されていない回転対偶Ｒは、互いに非平行に配向されていることを示している。

次に、図２を参照して、本発明の回転パラレル機構の具体的な一例として、表１の組合せ１（ＲＲ′Ｒ′Ｒ′Ｒ″Ｒ″）による第２と第３の運動連鎖を有した回転パラレル機構１００を説明する。

図２において、回転パラレル機構１００は、静止節としてのベース１０２、出力節としての出力リンク１０４、該出力リンク１０４の回転中心の位置制御用の第１の運動連鎖１０６、出力リンク１０４の回転運動を制御するための第２と第３の運動連鎖１０８、１１０を具備している。

第１の運動連鎖１０６は、３つの能動的直進対偶１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃと、２つの受動的回転対偶１０６ｄ、１０６ｅを備えた直列連鎖を構成している。第１の運動連鎖１０６は、その一端において、３つの直進対偶１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃのうち１つの直進対偶１０６ａがベース１０２に連結されており、他端において、２つの回転対偶１０６ｄ、１０６ｅの一方の回転対偶１０６ｅが出力リンク１０４に連結されている。

３つの直進対偶１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの対偶軸W11、W12、W13は平行ではない異なる３軸（直交３軸を含む）の各々に沿って延びている。能動的直進対偶１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは、例えばエアシリンダー、リニアモーター、ボールねじとナット等によって構成することができる。２つの回転対偶１０６ｄ、１０６ｅは、転がり軸受やジャーナル軸受のような軸受、捻転可能な弾性手段、例えば板バネやコイルばね或いは円柱状のゴムまたはエラストマー部材から構成することができ、各々の対偶軸W14、W15が互いに交差するように配向されている。このように、２つの回転対偶軸W14、W15が互いに交差するように回転対偶１０６ｄ、１０６ｅを配向することによって、対偶軸W14、W15の交点Ｏpが出力リンク１０４の回転中心となる。また、出力リンク１０４は、対偶軸W14、W15の双方に垂直な空間ベクトルにより定められる軸線（拘束軸）周りの回転動作が拘束される。能動的直進対偶１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを各々の対偶軸W11、W12、W13方向に駆動することによって、交点Ｏpが三軸方向に並進移動する。その間、出力リンク１０４は拘束軸周りには回転しない。

第２の運動連鎖１０８は、ベース１０２に固定された１つの能動的回転対偶１０８ａと、５つの受動的回転対偶１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、１０８ｆとを備えて、６自由度の直列連鎖を形成している。能動的回転対偶１０８ａは、電動モーター、油圧モーター、エアモーター等から構成することができ、５つの受動的回転対偶１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、１０８ｆは、転がり軸受やジャーナル軸受のような軸受、捻転可能な弾性手段、例えば板バネやコイルばね或いは円柱状のゴムまたはエラストマー部材から構成することができる。

本実施形態では、ベース１０２側に配設されている３つの受動的回転対偶１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄは、その対偶軸W22、W23、W24が互いに平行で、かつ、能動的回転対偶１０８ａの対偶軸W21とは非平行となるように配向されている。出力リンク１０４側の２つの受動的回転対偶１０８ｅ、１０８ｆは、その対偶軸W25、W26が互いに平行で、かつ、能動的回転対偶１０８ａの対偶軸W21および受動的回転対偶１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄの対偶軸W22、W23、W24とは非平行となるように配向されている。

このように、対偶軸W22、W23、W24および対偶軸W25、W26を非平行とすることによって、出力リンク１０４は、能動的回転対偶１０８ａを拘束したときに、対偶軸W22、W23、W24および対偶軸W25、W26の双方に垂直な空間ベクトルにより定められる軸線（拘束軸）周りの回転運動が拘束される。

第３の運動連鎖１１０も第２の運動連鎖１０８と同様に、ベース１０２に固定された１つの能動的回転対偶１１０ａと、５つの受動的回転対偶１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆとを備えて、６自由度の連鎖を形成している。能動的回転対偶１１０ａは、電動モーター、油圧モーター、エアモーター等から構成することができ、５つの受動的回転対偶１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆは、転がり軸受やジャーナル軸受のような軸受、捻転可能な弾性手段、例えば板バネやコイルばね或いは円柱状のゴムまたはエラストマー部材から構成することができる。

ベース１０２側に配設されている３つの受動的回転対偶１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは、その対偶軸W32、W33、W34が互いに平行で、かつ、能動的回転対偶１１０ａの対偶軸W31とは非平行となるように配向されている。出力リンク１０４側の２つの受動的回転対偶１１０ｅ、１１０ｆは、その対偶軸W35、W36が互いに平行で、かつ、能動的回転対偶１１０ａの対偶軸W31および受動的回転対偶１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄの対偶軸W32、W33、W34とは非平行となるように配向されている。

このように、対偶軸W32、W33、W34および対偶軸W35、W36を非平行とすることによって、出力リンク１０４は、能動的回転対偶１１０ａを拘束したときに、対偶軸W32、W33、W34および対偶軸W35、W36の双方に垂直な軸線（拘束軸）周りの回転運動が拘束される。

図２において、第１の運動連鎖の拘束軸（対偶軸W14、W15の双方に垂直な軸線）、第２の運動連鎖１０８の拘束軸（対偶軸W22、W23、W24および対偶軸W25、W26の双方に垂直な軸線）および第３の運動連鎖１１０の拘束軸（対偶軸W32、W33、W34および対偶軸W35、W36の双方に垂直な軸線）を定める空間ベクトルは互いに線形独立であり、該３つの空間ベクトルの始点を同一点にしたときに、該３の空間ベクトルは同一平面内には存在しない。こうした条件下において、回転パラレル機構１００は機能を発揮し、条件を満たさなくなると回転パラレル機構１００は動作不能となる。従って、回転パラレル機構１００の制御においては、上記の条件が満たされなくなる場合を除外するようなプログラムまたはインターロックを組むことが好ましい。

１０ 回転パラレル機構
１２ ベース
１４ 出力リンク
１６ 第１の運動連鎖
１６ａ 能動的直進対偶
１６ｂ 能動的直進対偶
１６ｃ 能動的直進対偶
１６ｄ 受動的回転対偶
１６ｅ 受動的回転対偶
１８ 第２の運動連鎖
１８ａ 能動的回転対偶
１８ｂ 受動的回転対偶または直進対偶
１８ｃ 受動的回転対偶または直進対偶
１８ｄ 受動的回転対偶または直進対偶
１８ｅ 受動的回転対偶または直進対偶
１８ｆ 受動的回転対偶または直進対偶
２０ 第３の運動連鎖
２０ａ 能動的回転対偶
２０ｂ 受動的回転対偶または直進対偶
２０ｃ 受動的回転対偶または直進対偶
２０ｄ 受動的回転対偶または直進対偶
２０ｅ 受動的回転対偶または直進対偶
２０ｆ 受動的回転対偶または直進対偶
１００ 回転パラレル機構
１０２ ベース
１０４ 出力リンク
１０６ 第１の運動連鎖
１０６ａ 能動的直進対偶
１０６ｂ 能動的直進対偶
１０６ｃ 能動的直進対偶
１０６ｄ 受動的回転対偶
１０６ｅ 受動的回転対偶
１０８ 第２の運動連鎖
１０８ａ 能動的回転対偶
１０８ｂ 受動的回転対偶
１０８ｃ 受動的回転対偶
１０８ｄ 受動的回転対偶
１０８ｅ 受動的回転対偶
１０８ｆ 受動的回転対偶
１１０ 第３の運動連鎖
１１０ａ 能動的回転対偶
１１０ｂ 受動的回転対偶
１１０ｃ 受動的回転対偶
１１０ｄ 受動的回転対偶
１１０ｅ 受動的回転対偶
１１０ｆ 受動的回転対偶

Claims (5)

1. 静止節と、
   前記静止節に対して並進３自由度と回転３自由度を有した出力節と、
   前記静止節と出力節との間に延設された第１の運動連鎖と、
   前記静止節と出力節との間に延設された第２の運動連鎖と、
   前記静止節と出力節との間に延設された第３の運動連鎖とを具備し、
   前記第１の運動連鎖は、前記静止節に対する前記出力節の並進３自由度をアクチュエータにより制御し、回転１自由度を構造により拘束する５つの対偶要素から成る直列連鎖であり、
   前記第２の運動連鎖は、前記静止節に対する前記出力節の回転３自由度のうち、前記第１の運動連鎖が拘束する回転１自由度とは異なる回転１自由度をアクチュエータにより拘束する６つの対偶要素から成る直列連鎖であり、
   前記第３の運動連鎖は、前記静止節に対する前記出力節の回転３自由度のうち、前記第１と第２の運動連鎖が拘束する回転２自由度とは異なる回転１自由度をアクチュエータにより拘束する６つの対偶要素から成る直列連鎖であることを特徴とした回転パラレル機構。
2. 前記第１の運動連鎖が、異なる３軸方向に配向された３つの能動的直進対偶と、対偶軸が互いに交差するように配向された２つの受動的回転対偶とを具備する請求項１に記載の回転パラレル機構。
3. 前記第２と第３の運動連鎖の各々は、前記静止節に連結された１つの能動的回転対偶を具備する請求項１または２に記載の回転パラレル機構。
4. 前記第２の運動連鎖は、前記静止節に連結された能動的回転対偶の対偶軸とは異なる方向に互いに平行に延びる対偶軸を有した連続する３つの受動的回転対偶と、前記能動的回転対偶の対偶軸および３つの受動的回転対偶の対偶軸に対して非平行な方向に互いに平行に延びる対偶軸を有した連続する２つの受動的回転対偶とを更に具備し、
   前記第３の運動連鎖は、前記静止節に連結された１つの能動的回転対偶の対偶軸とは異なる方向に互いに平行に延びる対偶軸を有した連続する３つの受動的回転対偶と、前記能動的回転対偶の対偶軸および３つの受動的回転対偶の対偶軸に対して非平行な方向に互いに平行に延びる対偶軸を有した連続する２つの受動的回転対偶とを更に具備し、
   前記第２の運動連鎖の互いに平行な対偶軸を有した連続する３つの受動的回転対偶の対偶軸と、互いに平行な対偶軸を有した連続する２つの受動的回転対偶の対偶軸との双方に垂直な空間ベクトルによって定められる拘束軸は、前記第３の運動連鎖の互いに平行な対偶軸を有した連続する３つの受動的回転対偶の対偶軸と、互いに平行な対偶軸を有した連続する２つの受動的回転対偶の対偶軸との双方に垂直な空間ベクトルによって定められる拘束軸とが互いに非平行である請求項３に記載の回転パラレル機構。
5. 前記第１の運動連鎖の２つの受動的回転対偶の対偶軸に対して垂直な空間ベクトルは、前記第２と第３の運動連鎖の拘束軸を定める空間ベクトルに対して線形独立となっている請求項４に記載の回転パラレル機構。

Images