JP4984280B2

JP4984280B2 - 駆動機構

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Publication number: JP4984280B2
Application number: JP2006212396A
Authority: JP
Inventors: 千春石井; 宏輔小林
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Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP2007292276A

Description

本発明は、連結部の屈曲や湾曲により部材の向きを変える駆動機構に関し、例えば、低侵襲外科手術に用いられる鉗子の駆動機構、建築土木工事に用いられる建築土木用機械の駆動機構、玩具に用いられる駆動機構に関する。また、本発明は、前記駆動機構を備えた低侵襲外科手術用マニピュレータに関する。

連結部における屈曲運動を実現するための駆動機構が種々提案されている。例えば、低侵襲外科手術用の鉗子の軸部と先端部との連結部を屈曲させる機構として、特許文献１〜３がある。

特許文献１及び２では、いわゆるスライダ・リンク機構により屈曲運動を実現している。すなわち、鉗子の軸部と先端部とを連結する連結部にはスライダ・リンク機構が設けられるとともに、リンクには、鉗子の軸部に挿通された駆動軸が接続されている。患者の外部からモータにより駆動軸を直動させることにより、鉗子の連結部は屈曲する。なお、駆動軸に代えて、ワイヤーを用いるものも知られている。

特許文献３では、三脚プラットフォーム型と呼ばれる鉗子が開示されている。この鉗子では、鉗子先端に三本の脚部が形成されている。三本の脚部は、患者の外部から内部へ貫通される鉗子軸部に挿通された三本の駆動軸にボールジョイントを介してそれぞれ支持されている。患者の外部からモータにより三本の駆動軸を軸方向にそれぞれ独立に直動させることにより、鉗子の先端部は向きを変える。
特開２００４−１５４８７７号公報特開２００５−１６９０１１号公報特開２００４−１８７７９８号公報

上記の技術は、それぞれの技術に固有の問題を有している。例えば、ワイヤーによりリンクを駆動する場合には、ワイヤーの剛性や耐久性を確保することが難しく、ワイヤーが延びたり切れたりするおそれがあることから、屈曲部を比較的大きな力で屈曲させることが難しい。スライダ・リンク機構により多自由度の屈曲運動を実現する場合には、一方向への屈曲点と、他方向への屈曲点とが軸方向において互いに異なる位置に設けられることから、先端部の一方向への回転軌跡と他方向への回転軌跡は回転半径が異なり、先端部の移動範囲は非球面となる。三脚プラットフォーム型の駆動機構では、当該駆動機構により構成した関節部を複数連結することができないことから、屈曲角度を拡大することができない。

各種の技術分野では、各種の駆動機構の長所短所を考慮して、現在提案されている駆動機構から適切な駆動機構を選択して利用している。従って、他の駆動機構が提案されれば、設計の自由度が向上し、望ましい。ここで、上述の技術は、いずれも鉗子の軸部から連結部へ直動運動を入力するものであり、連結部に回転を入力する駆動機構は未だ提案されていない。

本発明は、連結部に回転を入力して連結部を屈曲又は湾曲させることができる駆動機構及び低侵襲外科手術用マニピュレータを提供することにある。

本発明の第１の観点の駆動機構は、第１被連結部材及び第２被連結部材を連結する連結部を屈曲させる駆動機構であって、前記連結部は、前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を連結する規制用ユニバーサルジョイント及び駆動用ユニバーサルジョイントを備え、前記規制用ユニバーサルジョイントは、前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材に対して軸方向に移動不可能に連結され、前記駆動用ユニバーサルジョイントの一方の軸部には、前記第１被連結部材に形成された第１雌ねじ部に螺合する第１雄ねじ部が形成され、前記駆動用ユニバーサルジョイントの他方の軸部には、前記第２被連結部材に形成された第２雌ねじ部に螺合する第２雄ねじ部が形成され、前記第１雄ねじ部及び前記第２雄ねじ部は、前記駆動用ユニバーサルジョイントを一方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を近接させ、他方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を離間させるように互いに逆方向に形成されるとともに、互いに同一ピッチに形成されている。

本発明の第２の観点の駆動機構は、第１被連結部材と、第２被連結部材と、前記第１被連結部材の第１位置と前記第２被連結部材の第２位置とを近接及び離間を規制可能に連結する規制用リンクと、前記第１被連結部材の前記第１位置とは異なる第３位置と前記第２被連結部材の前記第２位置とは異なる第４位置とを連結する駆動用リンクと、を備え、前記駆動用リンクと前記第１被連結部材との第１接続部及び前記駆動用リンクと前記第２被連結部材との第２接続部のうち少なくとも一方には、前記駆動用リンクを一方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を近接させ、他方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を離間させるように、送りねじ機構が構成され、前記駆動用リンクは回転軸周りの全方向へ屈曲又は湾曲可能である。

好適には、前記送りねじ機構は、前記第１接続部及び前記第２接続部それぞれにおいて構成され、前記第１接続部の送りねじ機構及び前記第２接続部の送りねじ機構は、前記駆動用リンクの一方向への回転に対する送り方向が互いに逆方向、且つ、前記駆動用リンクの回転に対する送り量が互いに同一である。

好適には、前記駆動用リンクは、互いに異なる位置に２つ設けられている。

好適には、前記規制用リンクは、前記駆動用リンクと同一の構成を有する。

好適には、前記第１被連結部材、前記規制用リンク及び前記駆動用リンクを含んで一つの関節部が構成され、一の前記関節部の前記第１被連結部材が、隣接する他の前記関節部の第２被連結部材として機能するように連結された複数の前記関節部と、前記一の関節部の前記駆動用リンクの回転を前記隣接する他の関節部の前記駆動用リンクに伝達する伝達部と、を備える。

好適には、前記伝達部は、前記一の関節部の前記駆動用リンクと、前記隣接する他の関節部の前記駆動用リンクとを、近接及び離間可能に、且つ、相対回転不可能に連結するリンク連結部材を含む。

好適には、前記第１被連結部材、前記規制用リンク及び前記駆動用リンクを含んで一つの関節部が構成され、一の前記関節部の前記第１被連結部材が、隣接する他の前記関節部の第２被連結部材として機能するように連結された複数の前記関節部と、前記複数の関節部の駆動用リンクを互いに独立に回転駆動する複数の駆動源と、を備える。

好適には、前記第２被連結部材には、当該第２被連結部材に対して移動可能な可動部材が設けられ、前記規制用リンクは、前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材に回転可能に軸支され、且つ、回転軸周りの全方向へ屈曲又は湾曲可能であり、前記可動部材は、前記規制用リンクの回転により駆動される。

好適には、前記可動部材は、他の部材と開閉動作可能に前記他の部材に対して所定の回転軸周りに揺動可能に連結されるものであり、前記規制用リンクの回転により開閉駆動される。

好適には、前記可動部材は、開閉動作可能な部材を保持するものであり、前記規制用リンクの回転により前記開閉動作可能な部材と共に第２被連結部材に対して回転駆動される。

好適には、前記第２被連結部材には、当該第２被連結部材に対して移動可能な可動部材が設けられ、前記可動部材は、前記規制用リンクに案内されたワイヤーの張力により駆動される。

本発明の第３の観点の低侵襲外科手術用マニピュレータは、患者の外部から内部へ挿通される中空状軸部材と、前記中空状軸部材の先端に設けられる先端部材と、前記中空状軸部材の第１位置と前記先端部材の第２位置とを近接及び離間を規制可能に連結する規制用リンクと、前記中空状軸部材の前記第１位置とは異なる第３位置と前記先端部材の前記第２位置とは異なる第４位置とを近接又は離間可能に連結する駆動用リンクと、前記中空状軸部材に回転可能に挿通され、前記駆動用リンクを回転可能に前記駆動用リンクに連結される駆動軸と、を備え、前記駆動用リンクと前記第１被連結部材との第１接続部及び前記駆動用リンクと前記第２被連結部材との第２接続部のうち少なくとも一方には、前記駆動用リンクを一方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を近接させ、他方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を離間させるように、送りねじ機構が構成され、前記駆動用リンクは回転軸周りの全方向へ屈曲又は湾曲可能である。

本発明によれば、連結部に回転を入力して連結部を屈曲又は湾曲させることができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の低侵襲外科手術用の鉗子１の外観を示す斜視図である。鉗子１は、ベース２と、ベース２から延びる軸部３と、軸部３の先端に設けられた作業部４とを備えている。

低侵襲手術の際には、軸部３及び作業部４は患者の体内に挿入され、ベース２は患者の体外に配置される。ベース２において生じた駆動力が軸部３を介して作業部４に伝達され、作業部４が動作することにより、臓器の保持等の各種の作業が行われる。

具体的には、ベース２は、並列に配置された第１屈曲モータ４１Ａ、第２屈曲モータ４１Ｂ、把持モータ４１Ｃ（図１では、把持モータ４１Ｃは第１屈曲モータ４１Ａ及び第２屈曲モータ４１Ｂに隠れて不図示。把持モータ４１Ｃは図８参照。以下、単に「モータ４１」といい、これらを区別しないことがある。）と、これらモータ４１の回転をそれぞれ適宜な減速比又は増速比で変速して伝達する不図示の伝達機構とを備えている。

軸部３は、中空状軸部材４３と、中空状軸部材４３に挿通される３本の駆動軸４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ（図１では点線で模式的に示す。以下、単に「駆動軸４４」といい、これらを区別しないことがある）とを備えている。３本の駆動軸４４Ａ〜４４Ｃは、それぞれ独立にモータ４１Ａ〜４１Ｃによって回転駆動される。駆動軸４４の回転が作業部４に伝達されることにより作業部４は動作する。

図２は、作業部４の外観を示す斜視図である。作業部４は、把持部６と、把持部６と軸部３とを連結するとともに、屈曲により把持部６を軸部３に対して任意の方向へ向ける屈曲部７とを備えている。屈曲部７は、３つの関節部９Ｌ、９Ｍ、９Ｎを連結して構成されている。なお、以下、単に「関節部９」といい、これらを区別しないことがある。

図３（ａ）は、関節部９Ｍの外観斜視図であり、図３（ｂ）は、関節部９Ｍの分解斜視図である。なお、後述するように、関節部９Ｌ及び９Ｎの主要な構成は関節部９Ｍと同様であるから、図３の説明において付加記号Ｍは省略する。

関節部９は、ユニバーサルジョイント１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを備えている。なお、以下では、単に、「ユニバーサルジョイント１１」といい、これらを区別しないことがある。ユニバーサルジョイント１１は、第１軸１１ａと第２軸１１ｂとを備え、第１軸１１ａと第２軸１１ｂとは、軸周りの任意の方向に、所定の角度範囲内で任意の角度を成し得るように連結されている。

関節部９は、ユニバーサルジョイント１１Ａ、１１Ｂに対して同軸状に、第１ねじ１２Ａ、１２Ｂ、スプライン中空部材１３Ａ、１３Ｂ、第２ねじ１４Ａ、１４Ｂを備えている。なお、以下では、ユニバーサルジョイント１１Ａ、１１Ｂにそれぞれ対応することを示すＡ、Ｂの付加記号を省略することがある。

第１ねじ１２は、ユニバーサルジョイント１１の第２軸１１ｂに形成された孔部に、雄ねじ部１２ａの先端が挿通されている。第１ねじ１２の雄ねじ部１２ａの先端は回転不可能かつ軸方向に移動不可能に第２軸１１ｂに対して固定されている。例えば、第２軸１１ｂに圧入されることにより固定され、あるいは、接着剤や半田により固定されている。

スプライン中空部材１３は概ね筒状に形成されており、孔部１３ａを有している。孔部１３ａは、第１ねじ１２のボルト頭１２ｂ及び第２ねじ１４のボルト頭１４ｂと嵌合する形状である。換言すれば、スプライン中空部材１３にはキー溝が形成されている。従って、第１ねじ１２及び第２ねじ１４は、ボルト頭１２ｂ、１４ｂがスプライン中空部材１３の孔部１３ａに挿通されることにより、互いに軸方向に近接及び離間可能、かつ、相対回転不可能に連結される。なお、ボルト頭１２ｂ、１４ｂ、孔部１３ａの断面形状は、例えば六角形である。

第２ねじ１４は、隣接する他の関節部９のユニバーサルジョイント１１の第１軸１１ａに形成された孔部に、雄ねじ部１４ａの先端が挿通されている。第２ねじ１４の雄ねじ部１４ａの先端は回転不可能かつ軸方向に移動不可能に第１軸１１ａに対して固定されている。例えば、第１軸１１ａに圧入されることにより固定され、あるいは、接着剤や半田により固定されている。

なお、以下では、第２ねじ１４、ユニバーサルジョイント１１及び第１ねじ１２を互いに固定した部材を、屈曲リンク２１（図４参照）ということがある。

第１ねじ１２と第２ねじ１４とは、同一径、同一長さであり、また、雄ねじ部１２ａと雄ねじ部１４ａとは同一径、同一長さ、同一ピッチである。ただし、雄ねじ部１２ａ、雄ねじ部１４ａの方向は逆方向である（例えば第１ねじ１２が右ねじであれば第２ねじ１２は左ねじ）。すなわち、第１ねじ１２と第２ねじ１４とは、雄ねじの切られる方向以外は同一である。

第１ねじ１２の雄ねじ部１２ａには、ユニバーサルジョイント１１の第２軸１１ｂと第１ねじ１２のボルト頭１２ｂとの間において、第１プレート１６の雌ねじ部１６ａが螺合している。換言すれば、第１ねじ１２及び第１プレート１６は、第１ねじ１２の回転により第１プレート１６を軸方向に送る送りねじ機構を構成している。

また、第２ねじ１４の雄ねじ部１４ａには、隣接する他のユニバーサルジョイント１１の第１軸１１ａと第２ねじ１４のボルト頭１４ｂとの間において、第２プレート１７の雌ねじ部１７ａが螺合している。換言すれば、第２ねじ１４及び第２プレート１７は、第２ねじ１４の回転により第２プレート１７を軸方向に送る送りねじ機構を構成している。

第１プレート１６と第２プレート１７との間には、第１プレート１６と第２プレート１７とを互いに固定する固定部材１５が配置される。固定部材１５は、例えば適宜な断面の柱状に形成されており、一方の端面に第１プレート１６が、他方の端面に第２プレート１７が当接し、第１プレート１６及び第２プレート１７に挿通された不図示のねじが固定部材１５の端面に形成された雌ねじ部に螺合されることにより、第１プレート１６及び第２プレート１７を互いに固定する。

なお、以下では、第１プレート１６、第２プレート１７、固定部材１５を互いに固定した部材を、被連結部材２３ということがある。

固定部材１５は、スプライン中空部材１３等が挿通される半円状の凹部を有している。また、第１プレート１６及び第２プレート１７の互いに対向する面には、スプライン中空部材１３が挿通される軸受孔が雌ねじ部１６ａ、１７ａと同心円状に形成されている。スプライン中空部材１３は、固定部材１５の凹部、第１プレート１６及び第２プレート１７の軸受孔により軸支されている。

関節部９は、ユニバーサルジョイント１１Ｃに対して同軸状に、固定軸１８を備えている。固定軸１８は、例えば、スプライン中空部材１３と同径の大径部１８ａと、大径部１８ａから両側に延び、大径部１８ａよりも小径な第１小径部１８ｂ、第２小径部１８ｃとを備えている。

第１小径部１８ｂは、例えば第１ねじ１２と同等の径であり、ワッシャー１９に挿通されてから、ユニバーサルジョイント１１Ｃの第２軸１１ｂに形成された孔部に挿通され、回転不可能かつ軸方向に移動不可能に第２軸１１ｂに対して固定されている。例えば、第２軸１１ｂに圧入されることにより固定され、あるいは、接着剤や半田により固定されている。

第２小径部１８ｃは、例えば第２ねじ１４と同等の径であり、不図示のワッシャーに挿通されてから、隣接する他の関節部９のユニバーサルジョイント１１Ｃの第１軸１１ａに形成された孔部に挿通され、回転不可能かつ軸方向に移動不可能に第１軸１１ａに対して固定されている。例えば、第１軸１１ａに圧入されることにより固定され、あるいは、接着剤や半田により固定されている。

なお、以下では、固定軸１８の第２小径部１８ｃ、ユニバーサルジョイント１１Ｃ及び固定軸１８の第１小径部１８ｂを互いに固定した部分を、把持リンク２２（図４参照）ということがある。

第１プレート１６の２つの雌ねじ部１６ａと、第１小径部１８ｂを軸支する孔部とは、例えば正三角形を形成するように配置されている。第２プレート１７の２つの雌ねじ部１７ａ及び第２小径部１８ｃを軸支する孔部も同様である。すなわち、２つの屈曲リンク２１、把持リンク２２は、均等な位置に配置されている。

図２に示すように、関節部９Ｌは、図３に示した関節部９の構成要素を全て備えている。ただし、関節部９Ｌのユニバーサルジョイント１１Ａ及び１１Ｂには、把持部６の把持プレート２５に形成された雌ねじ部に螺合する第２ねじ１４が挿通されて固定されている。また、関節部９Ｌのユニバーサルジョイント１１Ｃには、把持プレート２５に回転可能かつ軸方向に移動不可能に軸支された把持駆動軸２６が挿通されて固定されている。

関節部９Ｎは、図３に示した関節部９の構成要素のうち、ユニバーサルジョイント１１と、第１ねじ１２と、スプライン中空部材１３（図２では不図示）と、第１プレート１６とを備えている。第１プレート１６は、中空状軸部材４３の先端に設けられている。関節部９Ｎのユニバーサルジョイント１１Ａ及び１１Ｂに対応する２つのスプライン中空部材１３Ａ、１３Ｂは、それぞれ駆動軸４４Ａ、４４Ｂ（図１参照）に対して固定されており、駆動軸４４Ａ、４４Ｂの回転によりそれぞれ駆動される。関節部９Ｎのユニバーサルジョイント１１Ｃには、関節部９Ｎの第１プレート１６に軸支された軸部材４６が挿通されて固定されている。軸部材４６は、駆動軸４４Ｃに対して固定されており、駆動軸４４Ｃの回転により駆動される。

なお、図３においては、ユニバーサルジョイント１１から、第１ねじ１２、スプライン中空部材１３を経由して、第２ねじ１４までを１関節部として定義して説明した。しかし、図３では、図示の都合上、固定軸１８の長さ相当を含むように１関節部を定義したに過ぎず、同一の部品の組が繰り返し連続する屈曲部７において、いずれの部品からいずれの部品までを１関節部として定義するかは適宜になし得る。例えば、第２ねじ１４から、ユニバーサルジョイント１１、第１ねじ１２を経由して、スプライン中空部材１３までを、換言すれば、屈曲リンク２１からスプライン中空部材１３までを１関節部として定義することもできる。本実施形態では、基本的に、図３に示した範囲を１関節部として説明するが、便宜的に、一の関節部９の第２ねじ１４と、他の関節部９のユニバーサルジョイント１１及び第１ねじ１２とにより構成される屈曲リンク２１を、前記他の関節部９（ユニバーサルジョイント１１を含む関節部９）の屈曲リンク２１として説明することがある。

図４は、関節部９の動作を説明する図であり、ユニバーサルジョイント１１Ａと１１Ｂとが重なる方向に関節部９を見た側面図である。図４（ａ）は関節部９が真直ぐになる中立状態を、図４（ｂ）は関節部９が最大屈曲角度σ_maxまで曲がっている屈曲状態を示している。なお、図４では、ワッシャー１９を省略して示している。

図４（ａ）に示すように、中立状態では、ユニバーサルジョイント１１Ａ〜１１Ｃは真直ぐになっており、また、第１プレート１６と第２プレート１７とは平行である。第１ねじ１２の第１プレート１６に対する位置及び第２ねじ１４の第２プレート１７に対する位置は、ユニバーサルジョイント１１Ａ〜１１Ｃの第１軸１１ａと第２軸１１ｂとの交点を含む平面（直線Ｌｃで示す）が、真直ぐな状態のユニバーサルジョイント１１Ａ〜１１Ｃに直交するとともに、第１プレート１６と第２プレート１７との中間位置に位置するように、設定されている。

図４（ａ）の中立状態から、ユニバーサルジョイント１１Ａ及び１１Ｂを一方向へ回転させると、第１ねじ１２と第２ねじ１４とは雄ねじが互いに逆方向に形成されていることから、図４（ｂ）に示すように、第１プレート１６と第２プレート１７とは、ユニバーサルジョイント１１Ａ及び１１Ｂの位置において近接する。一方、ユニバーサルジョイント１１Ｃの位置では、第１プレート１６と第２プレート１７とは、互いの近接及び離間が規制されている。従って、関節部９は、ユニバーサルジョイント１１Ａ及び１１Ｂ側（図４の右側）へ屈曲することになる。

この際、第１ねじ１２と、第２ねじ１４とは、同一ピッチで雄ねじが形成されており、屈曲リンク２１の回転に対する送り量が同一であることから、屈曲に応じて直線Ｌｃは屈曲角σを２分割するように移動する。すなわち、ユニバーサルジョイント１１Ａ〜１１Ｃは、屈曲後も第１軸１１ａ同士及び第２軸１１ｂ同士が互いに平行に保たれる。なお、第１ねじ１２及び第２ねじ１４の送り量が同一でない場合には、ユニバーサルジョイント１１Ａ〜１１Ｃは、第１軸１１ａ同士及び第２軸１１ｂ同士が互いに平行に保たれないことから、第１ねじ１２及び第２ねじ１４と、第１プレート１６及び第２プレート１７との嵌合ガタによって生じる傾斜量しか屈曲できない。

図示は省略するが、図４（ａ）の中立状態から、ユニバーサルジョイント１１Ａ及び１１Ｂを他方向へ回転させた場合には、第１プレート１６と第２プレート１７とは、ユニバーサルジョイント１１Ａ及び１１Ｂの位置において離間し、関節部９は図４（ｂ）とは反対側へ屈曲する。また、ユニバーサルジョイント１１Ａの回転量と、ユニバーサルジョイント１１Ｂの回転量とを互いに異ならせれば、関節部９はユニバーサルジョイント１１Ａ寄り、又は、ユニバーサルジョイント１１Ｂ寄りに屈曲する。すなわち、関節部９は、ユニバーサルジョイント１１周りの全方向へ屈曲可能である。

関節部９の最大屈曲角度σ_maxは、ユニバーサルジョイント１１の最大屈曲角度により規定される。また、図４（ｂ）においてユニバーサルジョイント１１Ａが第１プレート１６や第２プレート１７に当接し、第１ねじ１２及び第２ねじ１４の送りが規制されていることからも理解されるように、第１ねじ１２及び第２ねじ１４の第１プレート１６や第２プレート１７に対する可動範囲によっても規定される。従って、関節部９の最大屈曲角度σ_maxを大きくするためには、第１ねじ１２及び第２ねじ１４の可動範囲を、ユニバーサルジョイント１１の最大屈曲角度相当に設定しておくことが望ましい。なお、第１ねじ１２及び第２ねじ１４の可動範囲は、第１ねじ１２の雄ねじ部１２ａ及び第２ねじ１４の雄ねじ部１４ａのユニバーサルジョイント１１から突出する長さ、図４（ａ）に示す中立位置における第１ねじ１２及び第２ねじ１４の第１プレート１６及び第２プレート１７に対する螺合位置等により決定される。

図５は、屈曲部７全体の動作を説明する図である。駆動軸４４Ａ（図５では不図示）の回転は、図２〜図４においても示したように、第１ねじ１２Ａ、ユニバーサルジョイント１１Ａ、第２ねじ１４、スプライン中空部材１３、再び第１ねじ１２Ａ、ユニバーサルジョイント１１Ａ、…の順で伝達されていくことにより、関節部９Ｎから関節部９Ｌまで順次伝達される。駆動軸４４Ｂの回転も同様である。従って、関節部９Ｌ〜９Ｎは、互いに同一の方向へ同一の屈曲角度で屈曲する。そして、エンドエフェクタである把持部６は、軸部３に対して、関節部９Ｌ〜９Ｎの屈曲角度の総和に相当する角度だけ向きを変えつつ揺動する。

なお、屈曲部７全体の屈曲角度θは、以下のようになる。図４に示すように関節部９を見たとき、リンク間が最も離れている距離をｘ、第１ねじ１２又は第２ねじ１４の送り量をｙとすると、各関節部９の屈曲角度σは、
σ＝２tan^-1（ｙ／ｘ） …（１）
となる。

従って、屈曲部７全体の屈曲角度θは、屈曲部７の関節部９の数をＮとすると、
θ＝σ×Ｎ …（２）
となる。

一例として、３つの関節部９を有する屈曲部７において、最大屈曲角度θ_max＝９０°とするためには、関節部９の最大屈曲角度σ_max＝３０°である必要がある。図４の紙面上方側から見て、２つの屈曲リンク２１及び把持リンク２２を直径６ｍｍの円状に１２０°刻みで配置した場合、２つの屈曲リンク２１及び把持リンク２２がなす正三角形の一辺の距離は５．２ｍｍ、頂点から対面の辺までの距離は４．５ｍｍである。（１）式にσ_max＝３０°、ｘ_max＝５．２ｍｍを代入すると、ｙ_maxは約１．４ｍｍとなる。すなわち、第１ねじ１２（第２ねじ１４）が第１プレート１６（第２プレート１７）に対して１．４ｍｍ移動したとき、３つの関節部９からなる屈曲部７の最大屈曲角度θ_maxは９０°となる。

以下では、鉗子１の屈曲部７の任意の屈曲状態における屈曲角度θと屈曲方向φから、屈曲リンク２１の回転量を求める逆運動学について述べる。

図６は、屈曲部７における座標系の定義を示している。把持部６の把持プレート２５（図２も参照）には、関節部９Ｌの屈曲リンク２１が螺合する雌ねじ部２５ａ、２５ｂが設けられるとともに、把持駆動軸２６を軸支する軸受孔２５ｃが設けられている。雌ねじ部２５ａ、２５ｂ、軸受孔２５ｃは例えば正三角形を成す。座標系の原点Ｏは把持プレート２５の中央（雌ねじ部２５ａ、２５ｂ、軸受孔２５ｃの中央）とする。屈曲部７の屈曲方向φは、中立状態の屈曲部７の軸線方向に平行な軸Ｚ１回りに、原点Ｏから軸受孔２５ｃ方向へ延びる軸Ｘ１の位置を基準として定義する。屈曲部７の屈曲角度θは、軸Ｚ１から屈曲方向φへの傾斜角により定義する。

雌ねじ部２５ａ、２５ｂに螺合する第２ねじ１４や各関節部９の第１ねじ１２及び第１ねじ１４のピッチをｐ、屈曲角度θのときの最大移動距離をｙ_θmaxとすると、屈曲角度θのときの最大回転量δは、
δ＝ｙ_θmax／ｐ …（３）
となる。

（１）式及び（２）式より、最大移動距離をｙ_θmaxは、
ｙ_θmax＝ｘ_maxtan（σ／２）＝ｘ_maxtan（θ／２／Ｎ） …（４）
となる。

２つの屈曲リンク２１の回転量はそれぞれ、
α＝δcos（φ−３０°） …（５）
β＝δcos（φ＋３０°） …（６）
となる。従って、屈曲角度θと屈曲方向φが決まれば、屈曲リンク２１の回転量α、βが求まる。

図７は、把持部６の構成を示す透視図であり、図７（ａ）は把持部６の閉状態を、図７（ｂ）は把持部６の開状態を示している。

把持部６は、第１把持片２８及び第２把持片２９を備えている。第１把持片２８及び第２把持片２９は、軸部材３０が挿通されることにより、軸部材３０を回転軸として回動可能に連結されている。

第１把持片２８及び第２把持片２９は、スライダ・リンク機構により開閉方向に駆動される。具体的には、第１把持片２８及び第２把持片２９のうち、軸部材３０よりも把持プレート２５側の部分には、スリットがそれぞれ形成されている（第２把持片２９のスリット２９ａのみ図示）。スリットは、把持プレート２５側ほど内側（第１把持片２８では図７の紙面下方側、第２把持片２９では図７の紙面上方側）へ位置するように、第１把持片２８、第２把持片２９の長手方向に対してそれぞれ傾斜している。スリットには、リンク部材３１に設けられた摺動軸３１ａが挿入されている。従って、リンク部材３１が軸方向（図７の紙面左右方向）に移動することにより、摺動軸３１ａがスリット内を摺動し、第１把持片２８及び第２把持片２９は開閉する。

リンク部材３１は、把持駆動軸２６の回転運動が送りねじ機構により並進運動に変換されてリンク部材３１に伝達されることにより駆動される。具体的には、リンク部材３１に対して固定され、雌ねじ部が形成された雌ねじ部材３２と、把持駆動軸２６に対して同軸状に固定され、雌ねじ部材３２に螺合する送りねじ３３とにより、送りねじ機構が構成されている。

なお、把持駆動軸２６は、駆動軸４４Ｃ（図１参照）の回転が、軸部材４６（図２参照）、ユニバーサルジョイント１１Ｃ、固定軸１８（図３参照）、再びユニバーサルジョイント１１Ｃ、…の順で、関節部９Ｎから関節部９Ｌまで伝達されることにより、駆動される。

図８は、鉗子１を含む手術システム５１の信号処理系の構成を示すブロック図である。ただし、各種信号に付したαやβ等の記号は、信号の含む情報を概念的に説明するために付したものであり、各要素から入出力される信号を正確に示したものではない。

手術システム５１は、鉗子１の動作を制御するための操作装置５２を備えている。操作装置５２は鉗子１と電気的に接続されている。例えば、操作装置５２は、基台を備え、その基台に鉗子１のベース２が固定されるなど、鉗子１と一体的に構成されて鉗子１と接続されている。あるいは、操作装置５２は、操作装置５２の一部又は全部が鉗子１とは離れた場所に設けられ、インターネット等のネットワークを介して鉗子１と接続されている。

操作装置５２は、ユーザの操作を受け付ける操作部５４、操作部５４から出力される信号に基づいて鉗子１に制御信号を出力する制御部５５、制御部５５からの信号に基づいて所定の情報を表示する表示部５６を備えている。

図９（ａ）は、操作部５４の外観を示す側面図である。操作部５４は、ジョイスティック５８と、ジョイススティック５８のレバー５８ａに設けられ、通常の（マニピュレータ鉗子でない）鉗子のレバー側の部分を模したコントローラ鉗子５９とを備えている。なお、コントローラ鉗子５９は、通常の鉗子をレバー５８ａに挿入することにより構成してよい。

ユーザは、レバー５８ａを倒す程度により屈曲部７の屈曲角度θを指定することができ、レバー５８ａを倒す方向により屈曲部７の屈曲方向φを指定することができ、コントローラ鉗子５９の開閉度により把持部６の開閉度を指定することができる。

すなわち、図８に示すように、操作部５４は、レバー５８ａの傾斜角に応じた信号を屈曲角度θを指定する情報として、レバー５８ａの傾斜方向に応じた信号を屈曲方向φを指定する情報として、コントローラ鉗子５９の開閉度に応じた信号を把持部６の開閉度（例えば軸心からの変位ｄ）を指定する情報として、制御部５５へ出力する。

制御部５５は、例えばコンピュータにより構成されており、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、外部記憶装置等を含んで構成されている。制御部５５は、（４）式、（３）式、（５）式及び（６）式に基づいて、操作部５４からの信号から特定される屈曲角度θ及び屈曲方向φに対応する回転量α、βを算出する。また、変位ｄに対応する把持部６の送りねじ３３の回転量γを送りねじ３３のピッチ等に基づいて算出する。そして、回転量α、β、γを、あるいは、回転量α、β、γを伝達機構の増速比又は減速比等を考慮してモータ４１Ａ〜４１Ｃの回転量に変換したものを第１屈曲駆動部６１Ａ、第２屈曲駆動部６１Ｂ、把持駆動部６１Ｃ（以下、単に「駆動部６１」といい、これらを区別しないことがある）にそれぞれ出力する。

駆動部６１は、入力された信号に応じた駆動電力をモータ４１に出力する。また、モータ４１に設けられた不図示のエンコーダにより検出される回転数に基づいて、モータ４１の回転量が目標値に収束するようにフィードバック制御を行う。フィードバック制御は、例えば、ＰＩ制御である。

表示部５６は、例えばＣＲＴや液晶表示ディスプレイにより構成されている。制御部５５は、算出したθ、φ、ｄに基づいて画像データを生成し、当該画像データを映像信号に変換して表示部５６に出力する。表示部５６は制御部５５からの映像信号に基づく画像を表示する。

図９（ｂ）は、表示部５６の画面の一部又は全部に表示される画像Ｉ１の例を示している。画像Ｉ１にはベクトルＩ２が表示されている。ベクトルＩ２は、長さによって操作部５４に入力された屈曲角度θを、指し示す方向によって操作部５４に入力された屈曲方向φを示している。ベクトルＩ２の表示領域には、ベクトルＩ２の長さ及び方向を測るための目盛Ｉ３が表示されている。また、操作部５４に入力されたθ、φ、ｄを数字で示すテーブルＩ４も画像Ｉ１に表示されている。

以上の第１の実施形態によれば、図４に示したように、把持リンク２２が一の関節部９の被連結部材２３と他の関節部９の被連結部材２３との近接及び離間を規制する一方で、屈曲リンク２１が一の関節部９の被連結部材２３及び他の関節部９の被連結部材２３にそれぞれ螺合して送りねじ機構を構成するとともに全方向に屈曲可能であることから、屈曲リンク２１を回転させることにより、関節部９を屈曲させることができる。すなわち、関節部９に回転を入力して関節部９を屈曲又は湾曲させることができる。

屈曲リンク２１の送りねじ機構は、ユニバーサルジョイント１１の第１軸１１ａ側及び第２軸１１ｂ側のそれぞれにおいて構成されるとともに、これら送りねじ機構は、屈曲リンク２１の一方向への回転に対する送り方向が互いに逆方向、且つ、屈曲リンク２１の回転に対する送り量が互いに同一であることから、図４において示したように、ユニバーサルジョイント１１Ａ〜１１Ｃは、第１軸１１ａ同士及び第２軸１１ｂ同士が互いに平行に保たれる。従って、屈曲リンク２１の嵌合ガタを小さくしても屈曲可能であり、エンドエフェクタである把持部６の精密な位置制御が可能となる。

屈曲リンク２１は、互いに異なる位置に２つ設けられていることから、２つの屈曲リンク２１をそれぞれ独立に制御することにより、全方向への屈曲、すなわち、多自由度の屈曲が可能となる。多自由度の屈曲は、屈曲リンク２１を３つ以上設けても可能であるが、２つとするのが最も部品点数を少なくすることができるとともに、制御も最も簡単である。また、従来のように、スライダ・リンク機構により多自由度の屈曲を実現した場合、一方向への屈曲と、当該一方向へ直交する方向への屈曲とは互いに異なる位置を支点として行われ、エンドエフェクタを球面状に移動させることができないが、本実施形態の関節部９では、一方向への屈曲も、当該一方向へ直交する方向への屈曲も同一位置（把持リンク２２のユニバーサルジョイント１１Ｃの第１軸１１ａと第２軸１１ｂとの交点）を支点として行なわれるから、球面状にエンドエフェクタ等を移動させることが可能である。球面状にエンドエフェクタを移動させることができることから、例えば、屈曲部７を患者に挿入した状態で、屈曲部７の患者に対する姿勢を同一に保ちつつベース２を回転させることができる。

関節部９を複数連結し、一の関節部９の屈曲リンク２１と、他の関節部９の屈曲リンク２１とを、近接及び離間可能に、且つ、相対回転不可能にスプライン中空部材１３により連結していることから、連結した関節部９を同時に屈曲させ、屈曲部７全体における屈曲角度θを大きくすることができる。すなわち、エンドエフェクタである把持部６の位置や向きを大きく変化させることができる。

把持部６は、把持リンク２２の回転により開閉駆動されることから、屈曲を実現するための把持リンク２２を、把持部６の駆動機構の一部として兼用できる。すなわち、部材点数の削減、構成の簡素化が図られる。また、ワイヤーの張力により開閉する場合に比較して、把持に必要な剛性、耐久性を得ることが容易である。エンドエフェクタとしての把持部６に送りねじ機構を設けていることから、把持リンク２２の回転をエンドエフェクタに入力して適宜な動作を行うことができる。

本実施形態の駆動軸４４は回転駆動される。従来の低侵襲手術用のマニピュレータでは駆動軸は軸方向に直動されていた。直動される駆動軸と、回転駆動される駆動軸とは要求される強度が異なることから、駆動軸の材質や径の選定範囲が広がり、設計の自由度が向上する。また、例えば、モータ４１等の回転を並進運動に変換して駆動軸４４に伝達する機構を省略することができる。

なお、第１の実施形態において、本発明の第１の観点の駆動機構に関し、屈曲部７を構成する機構は、駆動機構の一例であり、屈曲リンク２１は、駆動用ユニバーサルジョイントの一例であり、把持リンク２２は、規制用ユニバーサルジョイントの一例であり、屈曲リンク２１及び把持リンク２２の組合せは連結部の一例であり、第１ねじ１２の雄ねじ部１２ａ及び第２ねじ１４の雄ねじ部１４ａは第１雄ねじ部及び第２雄ねじ部の一例である。

第１の実施形態において、本発明の第２の観点の駆動機構に関し、屈曲部７を構成する機構は、駆動機構の一例であり、屈曲リンク２１は、駆動用リンクの一例であり、把持リンク２２は、規制用リンクの一例であり、把持リンク２２と被連結部材２３との連結位置は、第１位置及び第２位置の一例であり、屈曲リンク２１と被連結部材２３との連結位置は、第３位置及び第４位置の一例であり、第１ねじ１２と第１プレート１６とにより構成される送りねじ機構及び第２ねじ１４と第２プレート１７とにより構成される送りねじ機構は、第１接続部及び第２接続部に構成された送りねじ機構の一例であり、被連結部材２３、屈曲リンク２１、把持リンク２２の組合せは関節部の一例であり、スプライン中空部材１３は伝達部及びリンク連結部材の一例であり、把持部６の第１把持片２８及び第２把持片２９は、可動部材の一例である。

第１の実施形態において、本発明の第３の観点の低侵襲外科手術用マニピュレータに関し、鉗子１は、低侵襲外科手術用マニピュレータの一例であり、把持部６の把持プレート２５は、先端部材の一例である。

（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態の鉗子１０１の作業部１０４の外観を示す側面図である。作業部１０４は、第１の実施形態と同様に、把持部１０６と、屈曲部１０７とを備えており、屈曲部１０７は、３つの関節部１０９を連結して構成されている。関節部１０９を屈曲させる原理も第１の実施形態と同様である。すなわち、関節部１０９は、全方向に屈曲可能であるとともに送りねじとして機能し、被連結部材１２３同士を近接又は離間させる屈曲リンク１２１と、被連結部材１２３同士の近接又は離間を規制する規制リンク（不図示）とを備えている。

ただし、第２の実施形態では、屈曲リンク１２１の構成及び被連結部材１２３の構成の簡素化や部品点数の削減を図っている。なお、規制リンクの構成は第１の実施形態と同様としてよい。

図１１は、関節部１０９の一部分解斜視図である。なお、規制リンク等の一部の部材については図示を省略し、また、便宜的に他の関節部１０９の部材を一部示している。

屈曲リンク１２１は、いわば第１の実施形態の第２ねじ１４、ユニバーサルジョイント１１、第１ねじ１２を一体化した構成となっている。すなわち、屈曲リンク１２１は第１軸１２１ａと第２軸１２１ｂとを有し、第１軸１２１ａと第２軸１２１ｂとは、全方向に屈曲可能に連結されてユニバーサルジョイントを構成しているとともに、第１軸１２１ａ及び第２軸１２１ｂにはそれぞれ、ねじ溝の方向が互いに逆方向でピッチが同一の第１雄ねじ部１２１ｃ、第２雄ねじ部１２１ｄが形成されている。第１雄ねじ部１２１ｃ及び第２雄ねじ部１２１ｄにはそれぞれ、軸方向に延びる第１スプライン溝１２１ｅ、第２スプライン溝１２１ｆが３本ずつ形成されている。

被連結部材１２３は、第１プレート１１６と、第２プレート１１７とを有し、第１プレート１１６と、第２プレート１１７とは互いに当接して固定されている。すなわち、第１の実施形態の固定部材１１５は省略されている。第１プレート１１６には、他の関節部９の第２雄ねじ部１２１ｄに螺合する雌ねじ部１１６ａが、第２プレート１１７には、第１雄ねじ部１２１ｃに螺合する雌ねじ部（不図示）が形成されている。すなわち、送りねじ機構が構成されている。

被連結部材１２３内部には、スプライン中空部材１１３が収納される。なお、紙面下方に示したのは、隣接する他の関節部９のスプライン中空部材１１３である。スプライン中空部材１１３は、第１雄ねじ部１２１ｃ、第２雄ねじ部１２１ｄを挿通可能な筒状に形成されており、内周面には、第１スプライン溝１２１ｅ、第２スプライン溝１２１ｆに嵌合する突条部１１３ａが形成されている。従って、第１雄ねじ部１２１ｃと、隣接する他の関節部９の第２雄ねじ部１２１ｄとは、スプライン中空部材１１３によって、互いに近接及び離間可能に、かつ、相対回転不可能に連結される。

以上の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、部品点数の削減等によりコスト低減が期待される。

（第３の実施形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態の鉗子３０１の外観を示す図であり、図１４（ａ）は斜視図、図１４（ｂ）は側面図、図１４（ｃ）は図１４（ｂ）とは異なる方向から見た側面図である。鉗子３０１は、第１の実施形態や第２の実施形態と同様に、ベース３０２と、軸部３０３と、作業部３０４とを備えている。作業部３０４は、第１の実施形態や第２の実施形態と同様に、把持部３０６と、屈曲部３０７とを備えており、屈曲部３０７は、３つの関節部３０９を連結して構成されている。関節部３０９を屈曲させる原理も第１の実施形態や第２の実施形態と同様である。すなわち、関節部３０９は、全方向に屈曲可能であるとともに送りねじとして機能し、被連結部材３２３同士を近接又は離間させる屈曲リンク３２１と、被連結部材３２３同士の近接又は離間を規制する把持リンク３２２とを備えている。

ただし、第３の実施形態では、把持部３０６が回転軸ＲＡ周りに回転可能に構成されている点、把持部３０６の開閉動作がワイヤー３３１の張力によって行われる点が第１の実施形態や第２の実施形態と異なる。

図１５（ａ）は把持部３０６を開状態で示す斜視図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＸＶｂ−ＸＶｂ線矢視方向における断面図である。

把持部３０６は、把持片３２８と、把持片３２８を揺動可能に軸支する把持基部３２９と、把持基部３２９を回転軸ＲＡ周りに回転可能に保持する連結基体３３５及び支持基体３２５とを備えている。

図１６（ａ）は把持片３２８を示す斜視図、図１６（ｂ）は把持基部３２９を示す斜視図、図１６（ｃ）は連結基体３３５を示す斜視図、図１６（ｄ）は支持基体３２５を示す斜視図である。

把持片３２８及び把持基部３２９は、いわゆる片ばさみ構造により構成されており、把持片３２８は、揺動可能に把持基部３２９に保持されている。具体的には以下のとおりである。

図１６（ａ）に示すように、把持片３２８は、全体として長尺状（例えば半円柱形状）に形成されている。把持片３２８の一端には軸支孔３２８ａが形成されている。一方、図１６（ｂ）に示すように、把持基部３２９は、概略円筒状に形成された支持部３２９ｂと、支持部３２９ｂの先端に形成され、把持片３２８と同様に長尺状（例えば半円筒形状）に形成された把持突起３２９ｃとを備えている。支持部３２９ｂの側面には互いに対向する２つの支持孔３２９ａが形成されている。

そして、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、把持片３２８は軸支孔３２８ａ側の部分が支持部３２９ｂの内部に挿入され、軸支孔３２８ａ及び支持孔３２９ａには支持軸３３０が挿通されている。支持軸３３０は、軸支孔３２８ａ及び支持孔３２９ａの少なくとも一方に対して回転可能に軸支されている。従って、把持片３２８は把持基部３２９に対して支持軸３３０周りに揺動可能に軸支され、把持片３２８の揺動により、把持片３２８及び把持突起３２９ｃの開閉動作が行われる。

把持基部３２９は、回転軸ＲＡ周りに回転可能に連結基体３３５及び支持基体３２５に保持される。具体的には、以下のとおりである。

図１６（ｂ）に示すように、把持基部３２９の支持部３２９ｂには、把持突起３２９ｃとは反対側の端部に外周側に突出するフランジ部３２９ｄが形成されている。フランジ部３２９ｄの外周縁は円形である。

一方、図１６（ｄ）に示すように、支持基体３２５は、先端側（図１６（ｄ）の紙面上方側）に縮径部３２５ｃを有しており、縮径部３２５ｃには、フランジ部３２９ｄを収容可能な凹部３２５ａが形成されている。凹部３２５ａの内周面は円形である。底面は例えば平面である。ただし、支持基体３２５には、屈曲リンク３２１や把持リンク３２２等が挿入される穴部が３つ形成されており、凹部３２５ａの内周面は３つに分割されている。

また、図１６（ｃ）に示すように、連結基体３３５は、概ね円筒状に形成されている。連結基体３３５の内径は、支持基体３２５の縮径部３２５ｃの外径と同等である。連結基体３３５の一方の端面（図１６（ｃ）の紙面下方側）は開放されており、他方の端面には、フランジ部３２９ｄの外径よりも小さく、支持部３２９ｂの外径よりも大きい開口部３３５ａが形成されている。

そして、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、把持基部３２９のフランジ部３２９ｄは支持基体３２５の凹部３２５ａに挿入される。従って、把持基部３２９は回転軸ＲＡ周りに回転可能に支持基体３２５に支持される。なお、回転軸ＲＡは、屈曲リンク３２１や把持リンク３２２の支持基体３２５への挿入方向と平行であり、また、２本の屈曲リンク３２１及び把持リンク３２２の中心に位置する。

把持基部３２９の把持突起３２９ｃ及び支持部３２９ｂは、連結基体３３５の開口部３３５ａに挿通され、把持基部３２９のフランジ部３２９ｄは、連結基体３３５の開口部３３５ａの外周部分に係合する。また、支持基体３２５の縮径部３２５ｃは連結基体３３５に嵌合挿入される。従って、把持基部３２９の凹部３２５ａからの抜け止めがなされる。

連結基体３３５と支持基体３２５との固定は、例えば、ねじ等の固定を解除可能な連結部材により行う。例えば、連結基体３３５のうち、支持基体３２５の縮径部３２５ｃを覆う側面に雌ねじ部３３５ｂ（図１６（ｃ）参照）を、縮径部３２５ｃの側面に雌ねじ部３３５ｂと略同径の穴部３２５ｂ（図１６（ｄ）参照）を形成し、雄ねじ３３９を雌ねじ部３３５ｂに螺合しつつ穴部３２５ｂに挿通することにより、連結基体３３５と支持基体３２５とを固定する。

把持基部３２９は、把持リンク３２２の回転により回転駆動される。具体的には以下のとおりである。

図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、支持基体３２５には、第１の実施形態の把持プレート２５と同様に、被連結部材を近接又は離間させるための屈曲リンク３２１が螺合され、また、被連結部材の近接又は離間を規制するための把持リンク３２２が回転可能に且つ軸方向に移動不可能に軸支されている。

図１５（ｂ）に示すように、把持リンク３２２の支持基体３２５に挿入されている軸部には、ギア３３６が固定されている。また、把持基部３２９の穴部には、ギア３３６に噛合するギア３３７が挿入及び固定されている。従って、把持リンク３２２の回転は、ギア３３６及びギア３３７からなる歯車装置（歯車列）により把持基部３２９に伝達され、把持基部３２９は回転軸ＲＡ周りに回転する。なお、把持リンク３２２は、第１の実施形態と同様に、ベース３０２に設けられたモータの回転が伝達されて回転する。

把持片３２８は、ワイヤー３３１の張力によって駆動される。具体的には以下のとおりである。

図１６（ａ）に示すように、把持片３２８の軸支孔３２８ａ側の端部には、把持片３２８の長手方向に対して若干把持突起３２９ｃ側（図１６（ａ）の紙面下方側）に突出する閉動作用突起３２８ｂと、把持片３２８の長手方向に対して把持突起３２９ｃとは反対側に突出する開動作用突起３２８ｃとが設けられている。閉動作用突起３２８ｂ及び開動作用突起３２８ｃには、例えば、ワイヤー３３１を固定し易いように、ワイヤー３３１を挿通可能な孔部が設けられている。

図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）に示すように、ワイヤー３３１は、一端がベース３０２に設けられた閉動作用モータ３３２の出力軸に固定され、閉動作用突起３２８ｂ及び開動作用突起３２８ｃ（図１６（ａ））を経由して、他端がベース３０２に設けられた開動作用モータ３３３の出力軸に固定されている。

具体的には、ワイヤー３３１は、閉動作用モータ３３２の出力軸から、滑車などに案内されつつ、軸部３０３の内部へ挿通され、軸部３０３の内部を通って屈曲部３０７に到達し、屈曲部３０７では、被連結部材３２３の中心に設けられた孔部などに案内されて把持部３０６に到達している。把持部３０６内では、ワイヤー３３１は、図１５（ｂ）に示すように、支持基体３２５に設けられた不図示の穴部やギア３３７の中心穴を通って把持片３２８に到達する。そして、把持片３２８の閉動作用突起３２８ｂに固定された後、開動作用突起３２８ｃにも固定される。その後、ワイヤー３３１は、往路と同様に、屈曲部３０７、軸部３０３を経由して開動作用モータ３３３の出力軸に固定されている。

従って、閉動作用モータ３３２の駆動によりワイヤー３３１が巻き取られると、ワイヤー３３１の張力により閉動作用突起３２８ｂが引っ張られ、把持片３２８は軸支孔３２８ａを中心として閉方向へ回転する。逆に、開動作用モータ３３３の駆動によりワイヤー３３１が巻き取られると、ワイヤー３３１の張力により開動作用突起３２８ｃが引っ張られ、把持片３２８は軸支孔３２８ａを中心として開方向へ回転する。

以上の実施形態によれば、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、把持リンク３２２の回転により把持部３０６を回転させることから、把持部３０６の姿勢変更が容易になるとともに、把持リンク３２２の有効利用が図られる。

把持部３０６の開閉をワイヤー３３１によって行っていることから、開閉動作の応答性を向上させることができる。また、連結基体３３５と支持基体３２５とを分離することにより把持片３２８を含む先端部だけを取り外すことができることから、ワイヤー３３１の交換等が容易である。
なお、第３の実施形態において、把持基部３２９は、本発明の開閉動作可能な部材（一例として把持片３２８）と共に第２被連結部材に対して回転可能な可動部材の一例である。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施してよい。

本発明の駆動機構が適用される技術分野は、低侵襲手術用のマニピュレータに限定されず、あらゆる技術分野に亘る。例えば、建築土木工事において地面を掘りおこして土砂を運搬するのに用いられるパワーショベル等、土木建築用機械に適用されてもよいし、人間の手を模したマジックハンドの指、象のロボットの鼻等、玩具に用いられてもよい。また、マニピュレータに適用される場合には、低侵襲手術用のものに限定されず、原子炉に対する各種の作業や人工衛星における作業を行うマニピュレータなど、各種の分野のマニピュレータに適用されてよい。低侵襲手術用のマニピュレータに適用される場合には、その適用対象は鉗子に限定されず、例えば剪刀、ナイフ、キュレット、持針器に適用されてもよい。

本発明の駆動機構は、第１被連結部材と第２被連結部材とが相対運動をすればよく、エンドエフェクタを適宜な位置、向きにするものに限定されない。上述のマジックハンドの指や象のロボットの鼻のように、駆動機構自体が最終的な制御対象であってもよい。

駆動用リンクの本数は適宜に設定してよく、２本に限定されない。２本の屈曲リンク２１が重なる方向の図である図４からも理解されるように、１自由度の屈曲を得るだけであれば、駆動用リンクは１本でもよい。また、多自由度の屈曲を得るために３本以上の駆動用リンクを設けてもよい。

送りねじ機構は駆動用リンクの両端のうち、一方のみに設けられていてもよい。

図１２（ａ）は、駆動用リンクの両端のうち、一方のみに送りねじ機構を設けた変形例を示している。この変形例では、駆動用リンク２０１の第１軸２０１ａ及び第２軸２０１ｂのうち、第１軸２０１ａのみに送りねじ機構が設けられている。この変形例においても、駆動用リンク２０１を回転させて、被連結部材２０３及び２０４を近接又は離間させる一方で、規制用リンク２０２により被連結部材２０３及び２０４の近接及び離間を規制することにより、屈曲動作を実現できる。

ただし、図１２（ａ）の変形例では、例えば、規制用リンク２０２をユニバーサルジョイントにより構成すると、駆動用リンクと規制用リンクとを平行に保つことができないことから（図４参照）、ガタ等に相当する傾きしか屈曲させることができない。そこで、規制用リンク２０２は、例えば、蛇腹管等の屈曲点が複数ある部材、換言すれば、適宜な形状に湾曲できる部材により構成する。図１２（ａ）の変形例は、例えば、象のロボット玩具の鼻など、精密な制御を必要としない技術分野において利用できる。

規制用リンクは、駆動用リンクと同一の構成であってもよい。換言すれば、規制用リンクを設けない一方で、駆動用リンクを複数設け、１の駆動用リンクを他の駆動用リンクに対して規制用リンクとして機能させるようにしてもよい。

図１２（ｂ）は、規制用リンクを、駆動用リンクと同一の構成とした変形例を示している。この変形例では、２つの駆動用リンク２０６により１自由度の屈曲機構が構成されている。一方の駆動用リンク２０６を規制用リンクとして機能させることにより、すなわち、一方の駆動用リンク２０６の回転を規制することにより、屈曲動作が行われる。

さらに、この変形例では、一方の駆動用リンク２０６を、被連結部材２０７、２０８を近接させる方向に、他方の駆動用リンク２０６を、被連結部材２０７、２０８を離間させる方向に回転させれば、２倍の速度で屈曲動作を行うことができるとともに、駆動用リンク２０６、２０７の中央を屈曲点とすることができる。また、双方の駆動用リンク２０６を、被連結部材２０７、２０８を近接させる方向に、又は、双方の駆動用リンクを、被連結部材２０７、２０８を離間させる方向に回転させれば、屈曲させずに被連結部材２０７、２０８間の距離を変化させることができる。なお、駆動用リンクを３つ以上設けて多自由度の屈曲機構とした場合も同様である。

一の関節部の駆動用リンクの回転を他の関節部の駆動用リンクに伝達する伝達部は、駆動用リンク同士を同一方向へ回転させるものに限定されない。例えば、駆動用リンク間にディファレンシャルギアを設け、一の関節部の駆動用リンクの回転を逆方向の回転に変換して他の関節部の駆動用リンクに伝達してもよい。

複数の関節部を連結する場合、駆動用リンクは、互いに独立に回転可能であってもよい。

図１３（ａ）は、２つの関節部２１１の駆動用リンク２１２を互いに独立に回転可能とした変形例を示している。各関節部２１１の被連結部材２１３には、駆動用リンク２１２を回転駆動するモータ２１４がそれぞれ設けられている。各モータ２１４は、駆動用リンク２１２等により案内されるケーブル等を介して駆動電力が供給され、それぞれ独立に制御される。図１３（ａ）の変形例では、複数の被連結部材２１３を互いに異なる方向へ向けるなど、複雑な動作が可能となる。

可動部材（実施形態の把持片など）は、規制用リンクの回転によって駆動されるものに限定されない。

図１３（ｂ）は、規制用リンク２１６に案内されるワイヤー２１７の張力によって把持片２１８が被連結部材２２０に対して回転軸２２１回りに回転駆動され、把持片２１８及び把持片２１９の閉動作が行われる変形例を示している。なお、把持片２１８及び把持片２１９の開動作はバネ等の不図示の付勢手段により行われる。規制用リンク２１６は、例えば、筒状の第１軸２１６ａ及び第２軸２１６ｂを含んで構成されており、ワイヤー２１７は、規制用リンク２１６に挿通されて案内されており、規制用リンク２１６の屈曲に応じて屈曲する。この変形例では、規制用リンク２１６がワイヤー２１７を案内する案内部材として兼用されており、部品点数の削減が図られる。なお、規制用リンク２１６によるワイヤー２１７の案内は、規制用リンク２１６の内部においてワイヤー２１７を案内するものに限定されず、規制用リンク２１６の外部にワイヤー２１７が挿通されるリングを形成するなどして、規制用リンク２１６の外部においてワイヤー２１７を案内するものでもよい。

可動部材が規制用リンクの回転によって駆動されるものである場合、可動部材は、開閉動作を行うものや第２被連結部材に対して回転動作を行うものに限定されない。例えば、単に第２被連結部材に揺動するもの、第２被連結部材に対して規制用リンクの軸方向に進退動作するものであってもよい。

可動部材が規制用リンクの回転によって開閉駆動されるものである場合、可動部材は、他の部材と開閉動作可能に他の部材に対して所定の回転軸周りに揺動可能に連結されるものであればよい。従って、第１の実施形態のように両開きになるものであってもよいし、第３の実施形態のように片開きになるものであってもよい。また、可動部材は、駆動用リンクや規制用リンクの伸長方向の先端側を開閉するもの、換言すれば、揺動の回転軸が駆動用リンクや規制用リンクに直交するものに限定されない。例えば揺動の回転軸が駆動用リンクや規制用リンクの伸長方向に沿っていてもよい。可動部材は把持部を構成するものに限定されず、例えば剪刀であってもよい。

可動部材が規制用リンクの回転によって回転駆動されるものである場合、可動部材は、開閉動作可能な部材を保持して当該部材の姿勢を変更するものに限定されない。例えば、可動部材は、当該可動部材自体がエンドエフェクタである、ドリル等の部材であってもよい。また、可動部材が他の部材を保持して当該他の部材の姿勢を変更するものである場合、他の部材は、開閉動作可能な部材に限定されず、例えば単に揺動する部材や進退動作する部材であってもよい。可動部材が開閉動作可能な部材を保持して当該部材の姿勢を変更するものである場合、開閉動作可能な部材は、上述のように、開閉方向の向きや種類（用途）は適宜に選択可能である。

駆動用リンクは、全方向へ屈曲又は湾曲することができればよく、ユニバーサルジョイントを含んで構成されるものに限定されない。すなわち、駆動用リンクは、軸方向の剛性が比較的高く、曲げ剛性が比較的低ければ、被連結部材と被連結部材とを近接又は離間させるとともに、被連結部材と被連結部材との相対角度の変化に応じて屈曲又は湾曲し、屈曲動作を実現できる。従って、駆動用リンクは、例えば、ユニバーサルジョイントに代えてボールジョイントを含んで構成されてもよい。図１２（ａ）において規制用リンクとして例示したような蛇腹管を含んで構成されてもよい。比較的硬質のゴムを含んで構成されてもよい。

規制用リンクは、駆動用リンクによる連結位置とは異なる位置において、第１被連結部材と第２被連結部材との近接及び離間を規制できればよく、回転できなくてもよいし、屈曲できなくてもよい。例えば、一の軸状部材により規制用リンクを形成し、その両端に球体を設けて、当該球体を第１被連結部材及び第２被連結部材により、ボールジョイントのように支持してもよい。

送りねじ機構は、駆動用リンクに雄ねじ部が、被連結部材に雌ねじ部が形成されるものに限定されず、駆動用リンクに雌ねじ部が、被連結部材に雄ねじ部が形成されてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る鉗子の外観斜視図。図１の鉗子の作業部の外観斜視図。図２の作業部の関節部の外観斜視図。図３の関節部の動作を説明する図。図２の作業部の屈曲部の動作を説明する図。図２の作業部の屈曲部の座標系の定義を示す図。図２の作業部の把持部の構成を示す透視図。図１の鉗子を含む手術システムの信号処理系の構成を示すブロック図。図８の手術システムのインターフェースを説明する図。本発明の第２の実施形態の鉗子の作業部の外観を示す側面図。図１０の作業部の関節部の一部分解斜視図。本発明の変形例を示す図。本発明の他の変形例を示す図。本発明の第３の実施形態の鉗子の外観を示す図。図１４の把持部を示す図。図１５の把持部の一部の部品を示す図。

符号の説明

１…鉗子、１１ａ…第１軸（軸部）、１１ｂ…第２軸（軸部）、１２ａ…雄ねじ部（第１雄ねじ部又は第２雄ねじ部）、１４ａ…雄ねじ部（第１雄ねじ部又は第２雄ねじ部）、２１…屈曲リンク（駆動用ユニバーサルジョイント、駆動用リンク）、２２…把持リンク（規制用ユニバーサルジョイント、規制用リンク）、２３…被連結部材。

Claims

第１被連結部材と、
第２被連結部材と、
前記第１被連結部材の第１位置と前記第２被連結部材の第２位置とを近接及び離間を規制可能に連結する規制用リンクと、
前記第１被連結部材の前記第１位置とは異なる第３位置と前記第２被連結部材の前記第２位置とは異なる第４位置とを連結する駆動用リンクと、
を備え、
前記駆動用リンクと前記第１被連結部材との第１接続部及び前記駆動用リンクと前記第２被連結部材との第２接続部のうち少なくとも一方には、前記駆動用リンクを一方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を近接させ、他方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を離間させるように、送りねじ機構が構成され、
前記駆動用リンクは回転軸周りの全方向へ屈曲又は湾曲可能であり、
前記送りねじ機構は、前記第１接続部及び前記第２接続部それぞれにおいて構成され、
前記第１接続部の送りねじ機構及び前記第２接続部の送りねじ機構は、前記駆動用リンクの一方向への回転に対する送り方向が互いに逆方向、且つ、前記駆動用リンクの回転に対する送り量が互いに同一である
駆動機構。
第１被連結部材と、
第２被連結部材と、
前記第１被連結部材の第１位置と前記第２被連結部材の第２位置とを近接及び離間を規制可能に連結する規制用リンクと、
前記第１被連結部材の前記第１位置とは異なる第３位置と前記第２被連結部材の前記第２位置とは異なる第４位置とを連結する駆動用リンクと、
を備え、
前記駆動用リンクと前記第１被連結部材との第１接続部及び前記駆動用リンクと前記第２被連結部材との第２接続部のうち少なくとも一方には、前記駆動用リンクを一方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を近接させ、他方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を離間させるように、送りねじ機構が構成され、
前記駆動用リンクは回転軸周りの全方向へ屈曲又は湾曲可能であり、
前記規制用リンクは、前記駆動用リンクと同一の構成を有する
駆動機構。
第１被連結部材と、
第２被連結部材と、
前記第１被連結部材の第１位置と前記第２被連結部材の第２位置とを近接及び離間を規制可能に連結する規制用リンクと、
前記第１被連結部材の前記第１位置とは異なる第３位置と前記第２被連結部材の前記第２位置とは異なる第４位置とを連結する駆動用リンクと、
を備え、
前記駆動用リンクと前記第１被連結部材との第１接続部及び前記駆動用リンクと前記第２被連結部材との第２接続部のうち少なくとも一方には、前記駆動用リンクを一方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を近接させ、他方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を離間させるように、送りねじ機構が構成され、
前記駆動用リンクは、屈曲点を最大一つのみ有し、当該屈曲点は、回転軸周りの全方向へ屈曲可能であり、
前記規制用リンクは、屈曲点を最大一つのみ有するか、あるいは回転軸回りの全方向へ湾曲可能であり、
前記第１位置、前記第２位置、前記第３位置及び前記第４位置、並びに、前記第１位置と前記第３位置との間及び前記第２位置と前記第４位置との間には屈曲点は設けられていない
駆動機構。
第１被連結部材と、
第２被連結部材と、
前記第１被連結部材の第１位置と前記第２被連結部材の第２位置とを近接及び離間を規制可能に連結する規制用リンクと、
前記第１被連結部材の前記第１位置とは異なる第３位置と前記第２被連結部材の前記第２位置とは異なる第４位置とを連結する駆動用リンクと、
を備え、
前記駆動用リンクと前記第１被連結部材との第１接続部及び前記駆動用リンクと前記第２被連結部材との第２接続部のうち少なくとも一方には、前記駆動用リンクを一方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を近接させ、他方向へ回転させたときに前記第１被連結部材及び前記第２被連結部材を離間させるように、送りねじ機構が構成され、
前記駆動用リンクは、回転軸周りの全方向へ湾曲可能であり、
前記規制用リンクは、屈曲点を最大一つのみ有するか、あるいは回転軸回りの全方向へ湾曲可能であり、
前記第１位置、前記第２位置、前記第３位置及び前記第４位置、並びに、前記第１位置と前記第３位置との間及び前記第２位置と前記第４位置との間には屈曲点は設けられていない
駆動機構。