JP4701433B2 - 運動伝達機構及び差動駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は運動伝達機構及び差動駆動機構に関する。さらに詳しくは、例えばマニピュレータにおける手元の操作（運動）を先端の操作部に伝達するのに用いることができる運動伝達機構及び差動駆動機構に関する。

医療技術や画像診断装置の発達と、術後の早期回復及び早期退院を求める社会的背景より、患者の身体をできるだけ傷つけずに手術を行う低侵襲手術の実現に期待が寄せられている。この低侵襲手術を実現する一手法として、自動車等の製造現場において長年培われてきたロボット技術を利用した手術用マニピュレータを用いる手術が注目されつつある。
かかる手術用マニピュレータは、手元側の操作部と、先端側の出力端との間に複数の関節部ないしはジョイント（以下、関節部という）を有しており、これら関節部を経由して操作部における駆動力が出力端に伝達される。

ところで、機械的な要素によって駆動力の伝達を行う場合、前記関節部の存在により操作部の操作をそのままの形で出力端に伝達することができない、「干渉」という問題が存在する。
例えば、図２１にモデル化して示されるように、各関節部（回転関節）に駆動源であるモータを配設する場合、手元側のモータＭ_１の回転角をθ_ｍ１、先端側のモータＭ_２の回転角をθ_ｍ２とすると、手元側の関節部の回転角θ_１及び先端側の関節部の回転角θ_２は、モータの減速比が１のとき、それぞれ以下の式（１）に示すようになる。

すなわち、θ_１＝θ_ｍ１、θ_２＝θ_ｍ２となる。このモデルの場合、前述した「干渉」は存在しないが、各関節部にモータを配設することから、関節部の数が多くなると、先端が重くなり、操作性に劣り実用性に乏しいという問題がある。

したがって、現実的には、図２２に示されるように、手元側にモータを集中して配設し、先端側の関節部をワイヤを介して回転駆動させることが行われている。このモデルの場合、手元側の関節部を駆動させるモータＭ_１の回転角をθ_ｍ１、先端側の関節部を駆動させるモータＭ_２の回転角をθ_ｍ２とすると、手元側の関節部の回転角θ_１及び先端側の関節部の回転角θ_２は、モータの減速比が１のとき、それぞれ以下の式（２）に示すようになる。

すなわち、θ_１＝θ_ｍ１、θ_２＝−θ_ｍ１＋θ_ｍ２となり、先端側の関節部の回転角θ_２には、手元側のモータＭ_１の影響（干渉）が現れる。そこで、先端側の関節部を所定角度回転させる場合は、手元側のモータＭ_１の影響分を考慮して、各モータＭ_１、Ｍ_２の回転角度が設定されるが、関節部の数が多くなると、装置のガタやワイヤｗのたわみ等の影響により、式（計算）通りに先端側の関節部を回転させることができないという問題がある。また、構造が複雑になり、組立てやメンテナンスが煩雑になるという問題もある。

そこで、ワイヤにより手元側の駆動力を伝達するタイプの装置において、前述した計算に基づく回転角調整によることなく、非干渉な機構を実現することが提案されている（非特許文献１参照）。
この非特許文献１には、図２３に示されるように、先端側パーツ１００と手元側パーツ１０１とを一定距離を保ったままで転がり接触とし、先端操作用のワイヤｗをガイドプーリ１０２、１０３に沿って２つの転がり接触部の間を交差するように配線することで、先端が首振り動作を行ってもワイヤｗの経路長を一定とすることが開示されている。

具体的には、首振り動作前を示す図２３の（ａ）における点ｃ−ｂ間において、ワイヤｗがガイドプーリ１０２、１０３に接触している円弧の中心角度θ_１、θ_２の合計値は、首振り動作後（図２３の（ｂ））の点ｃ−ｂ間におけるθ_３、θ_４の合計値と常に等しくなる。したがって、首振り動作の角度によらず先端操作用の伝達ワイヤの経路長は常に一定となる。

西澤幸司らの「手術用マニピュレータのための駆動ワイヤ非干渉型関節の開発」、日本機械学会［Ｎｏ．０３−４］ロボティクス・メカトロニクス講演会‘０３講演論文集

しかしながら、非特許文献１記載の機構は、転がり接触を利用していることから、途中の機構が並進動作を行う場合には使用することができず、設計上の制約があり、適用範囲が限定されるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、途中の機構の運動が回転、並進によらず使用することができ、また、多自由度の運動に対しても適用することができる運動伝達機構及び差動駆動機構を提供することを目的としている。

本発明の運動伝達機構は、流体が出入りし得る入力端及び出力端と、この入力端と出力端とを接続する流体経路とを備えており、前記流体を介して駆動力を伝達する運動伝達機構であって、
この運動伝達機構に作用する運動を非干渉化するために、前記流体経路の長さが一定に維持されるように構成されており、
前記非干渉化する運動が多自由度の並進運動であり、前記運動伝達機構が、当該多自由度の並進運動による流体経路長の変化を阻止するために複数の伸縮自在の経路長調整手段を備えており、
前記流体経路の途中に、分岐後に合流する第１分岐路及び第２分岐路が形成されており、この第１分岐路及び第２分岐路のそれぞれに、前記多自由度の並進運動の方向に沿って伸縮し得る複数の経路長調整手段が配設されていることを特徴としている（請求項１）。

本発明の運動伝達機構では、流体を介して駆動力を伝達しており、この流体が流れる流体経路の長さが一定に維持されるように構成されていることから、当該運動伝達機構に並進運動及び／又は回転運動が作用しても、入力端における流体の移動量と、出力端における流体の移動量とを一定に保つことができる。したがって、前記並進運動及び／又は回転運動の作用にもかかわらず、所定の駆動力を伝達することができる。また、駆動力伝達手段である流体が流れる流体経路長を一定に維持するという簡易な構成であるので、回転運動だけでなく並進運動を非干渉化する場合にも適用することができ、また、１自由度だけでなく、２自由度以上の多自由度を備えた運動伝達機構とすることができる。

また、流体経路中に伸縮自在の複数の経路長調整手段が配設されているので、運動伝達機構に多自由度の並進運動が作用しても、前記経路長調整手段が伸縮して当該多自由度の並進運動による経路長の変化を阻止することができる。その結果、前記多自由度の並進運動を非干渉化することができる。

また、第１分岐路及び第２分岐路のそれぞれに、多自由度の並進運動の方向に沿って伸縮し得る複数の経路長調整手段が配設されているので、前記第１分岐路及び第２分岐路に多自由度の並進運動が作用した場合に、一方の分岐路中の経路長調整手段が伸びて、他方の分岐路中の経路長調整手段が縮むことで、流体経路長の変化を阻止することできる。その結果、前記多自由度の並進運動を非干渉化することができる。なお、本明細書において、「経路長」とは、単一の経路の長さだけでなく、経路中に分岐路が存在する場合、かかる分岐路の長さを含めた経路の和も含む概念である。

前記入力端に、機械的運動を流体の移動に変換する入力側運動変換部が結合されており、前記出力端に、流体の移動を機械的運動に変換する出力側運動変換部が結合されており、入力端側の機械的運動が運動伝達機構を介して出力端側の機械的運動として伝達されるように構成することができる（請求項２）。この構成によれば、前記入力端において、並進又は回転の変位に応じて所定の体積の流体を押し出すか、又は引き出すとともに、前記出力端において、押し出されるか又は引き出されることによって移動した流体の体積に応じて並進又は回転の変位を発生させることができる。これにより、流体を介して並進運動又は回転運動を伝達することができる。

前記入力端側の機械的運動と、前記出力端側の機械的運動とを、互いに異なる運動とすることができる（請求項３）。この構成によれば、例えば並進運動を回転運動に変換したり、逆に、回転運動を並進運動に変換することができ、運動伝達機構の利用範囲を広げることができる。

前記入力端側の流体経路の断面積と、前記出力端側の流体経路の断面積とを互いに異なるものとすることができる（請求項４）。この場合、入力端側の流体経路の断面積と前記出力端側の流体経路の断面積とを変えることで、入力端及び出力端における変位が同じ種類（並進又は回転）であるとき、当該変位の程度を変えることができる。例えば、入力端側の流体経路の断面積を出力端側の流体経路の断面積よりも大きくすることで、出力端における変位を大きく（拡大）することができる。

前記流体経路中に、所定値を超える外力が伝達されるのを回避する過大外力回避手段が配設されているのが好ましい（請求項５）。この場合、過大外力回避手段を配設することにより、所定値を超える外力、すなわち所定値を超える流体圧が運動伝達機構を介して伝達されるのが回避されるので、当該運動伝達機構を含むマニピュレータ等を保護することができる。

前記過大外力回避手段を、前記流体経路から分岐した分岐路先端に固設された移動プレートと、この移動プレートの中立位置において、その側面が当該移動プレートの側面と対向するように配設された、静止部材であるプレート状のストッパと、前記移動プレートの表側及び裏側にそれぞれ配設された弾性手段と、各弾性手段の先端に固設された当接体とで構成し、この一対の当接体を、前記移動プレートとストッパとの境界付近において、当該移動プレート及びストッパの両者を押圧しつつ挟持し得るように配設することができる（請求項６）。この構成によれば、静止部材であるプレート状のストッパ及び分岐路先端に固設された移動プレートを、弾性手段の先端に固設された一対の当接体で押圧しつつ挟持しているので、流体の微妙な内圧変動等によって前記移動プレートがふらつくのを防止することができる。また、前記移動プレートに表側及び裏側から弾性手段による押圧力が作用しているので、当該弾性手段による押圧力を超える外力が作用するまで移動プレートを静止状態に保つことができる。換言すれば、所定の外力が作用するまでは、前記過大外力回避手段が機能するのを禁止する「不感帯」を設定することができる。この「不感帯」の幅は、弾性手段を押圧力を調整することで、広くしたり、狭くしたりすることができる。

また、本発明の差動駆動機構は、請求項２記載の運動伝達機構が並設されるとともに一対の運動伝達機構の入力端側に配設された運動変換部同士及び出力端側に配設された運動変換部同士がそれぞれ接続されており、一方の運動伝達機構の入力と他方の運動伝達機構の入力との差により運動が伝達されるように構成されていることを特徴としている（請求項７）。この構成によれば、一対の運動伝達機構の入力の差を利用して、駆動力を入力端側から出力端側に伝達することができる。

各運動伝達機構における流体経路から分岐した分岐路中に伸縮自在部が設けられており、且つ、各分岐路の先端に、当該分岐路中の流体に与圧を付与する弾性手段が設けられているのが好ましい（請求項８）。前記各分岐路中の流体に与圧を付与することで、運動伝達機構におけるガタを防止することができる。なお、差動駆動機構では、一対の運動伝達機構の入力端又は出力端における力の差が入出力となることから、与圧を加えても、差をとることで与圧による影響をなくすことができる。

前記流体経路中に、所定値を超える外力が伝達されるのを回避する過大外力回避手段が配設されているのが好ましい（請求項９）。この場合、過大外力回避手段を配設することにより、所定値を超える外力、すなわち所定値を超える流体圧が差動駆動機構を介して伝達されるのが回避されるので、当該差動駆動機構を含むマニピュレータ等を保護することができる。

本発明の運動伝達機構及び差動駆動機構によれば、途中の機構の運動が回転、並進によらず使用することができ、また、多自由度の運動に対しても適用することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の運動伝達機構及び差動駆動装置の実施の形態を詳細に説明する。
［運動伝達機構］
図１は、本発明の一実施の形態に係る運動伝達機構をモデル化した説明図である。この運動伝達機構は、流体が出入りし得る入力端１及び出力端２と、この入力端１と出力端２とを接続する流体経路３とを備えており、前記流体を介して入力端１側の駆動力を出力端２側に伝達することができる。この運動伝達機構は、図１において、Ｌで示される直線状の並進運動を非干渉化するものである。

前記流体経路３の途中には、分岐後に合流する第１分岐路４及び第２分岐路５が形成されており、この第１分岐路４及び第２分岐路５に、前記並進運動の方向Ｌに沿って伸縮し得る経路長調整手段６、７がそれぞれ配設されている。なお、８は、経路長調整手段６、７が形成されている分岐路４、５の移動（方向Ｌに沿う移動）をスムーズに行わせるためのガイド部材である。

前記経路長調整手段６、７は、いずれも蛇腹ないしはベローズからなっており、例えば運動伝達機構の出力側においてΔｄの大きさの並進運動が作用した場合に、経路長調整手段６が伸びる一方において、経路長調整手段７が縮むことで、全体としての流体経路長の変化を阻止することができる。具体的には、経路長調整手段６、７が伸縮することで、図１において、ＡＣ間の長さとＢＣ間の長さとの和を一定に維持することができる。その結果、前記並進運動が作用しても、入力端１における流体の移動量と、出力端２における流体の移動量とを一定に保つことができる。したがって、前記並進運動の作用にもかかわらず、当該並進運動に干渉されることなく、入力端１側から出力端２側に所定の駆動力を伝達することができる。

図１に示される実施の形態では、分岐路４、５を左右対称（図１において左右対称）に形成するとともに、各分岐路４、５に経路長調整手段６、７を配設することにより、並進運動の非干渉化を実現している。これに対し、図２に示されるように、並進運動に平行な方向の流体経路中に経路長調整手段３６を１つ設けただけでは、並進運動に対して前記経路長調整手段３６が伸縮するものの、流体経路長を一定に維持することはできないので、当該並進運動を非干渉化することができない。すなわち、並進運動の大きさをΔｄ_ｉ、出力端の移動量をΔｄ_ｏ、入力端における流体移動量をΔＩ_ｉ、出力端における流体移動量をΔＩ_ｏとすると、Δｄ_ｏ及びΔＩ_ｏは、それぞれ以下の式（３）に示すようになる。

すなわち、Δｄ_ｏ＝Δｄ_ｉ、ΔＩ_ｏ＝ΔＩ_ｉ＋αΔｄ_ｉとなり、ΔＩ_ｏは並進運動による干渉を受けることになる。

図３は曲線経路に沿った運動を非干渉化するモデルの説明図である。図１に示される実施の形態では、直線状の並進運動Ｌを非干渉化しているが、本発明の運動伝達機構においては、直線状以外の、例えば曲線経路に沿った運動を非干渉化することもできる。図３において、第１分岐路１４及び第２分岐路１５は、それぞれ、直線状の分岐路１４ａ、１５ａ及び曲線状の分岐路１４ｂ、１５ｂからなっており、このうち曲線状の分岐路１４ｂ、１５ｂに蛇腹ないしはベローズからなる経路長調整手段１６、１７が配設されている。また、分岐路１４ｂ、１５ｂに沿って、当該分岐路１４ｂ、１５ｂの移動をスムーズに行わせるためのガイド部材１８が配設されている。図３に示される実施の形態においても、運動伝達機構の出力側においてΔＳの大きさの曲線経路に沿った運動が作用した場合に、経路長調整手段１６が伸びて、経路長調整手段１７が縮むことで、円弧状の流体経路長の変化を阻止することができる。具体的には、経路長調整手段１６、１７が伸縮することで、図３において、Ａ´Ｃ´間の長さとＢ´Ｃ´間の長さとの和を一定に維持することができる。

図４は、本発明の他の実施の形態に係る運動伝達機構をモデル化した説明図である。この実施の形態では、出力端２２付近の流体経路２３ｂが、入力端２１付近の流体経路２３ａに対して、前記流体経路２３ｂの長手軸Ｎを含む平面内において点Ｏを中心として揺動する揺動運動し、運動伝達機構は、前記揺動運動を許容しつつ流体の移動を可能にする自在継手機構２４を含んでいる。この場合、揺動運動を許容しつつ流体の移動を可能にする自在継手機構２４が設けられているので、運動伝達機構の出力端２２側にΔθの大きさの揺動運動が作用した場合でも、当該揺動運動に干渉されることなく流体を介して駆動力を伝達することができる。

図５は、本発明のさらに他の実施の形態に係る運動伝達機構をモデル化した説明図である。この実施の形態では、出力端３２付近の流体経路３３ｂが、入力端３１付近の流体経路３３ａに対して、流体経路３３ｂの長手軸Ｍの廻りに相対回転し、運動伝達機構は、前記相対回転を許容しつつ流体の移動を可能にする回転継手機構３４を含んでいる。この場合、相対回転を許容しつつ流体の移動を可能にする回転継手機構３４が設けられているので、運動伝達機構の出力端３２側にΔθの大きさの回転運動が作用した場合でも、当該回転運動に干渉されることなく流体を介して駆動力を伝達することができる。

図４〜５に示される実施の形態において、Δθが変化しても、流体経路長は変化しない。すなわち、自在継手機構２４（図４）及び回転継手機構３４（図５）内の流体の量は、Δθが変化しても一定であるので、前記揺動運動又は回転運動に干渉されることなく、流体を介して駆動力を伝達することができる。

図６は、２自由度用の運動伝達機構をモデル化した説明図である。第１分岐路４は、互いに直交する３つの分岐路部分４ａ、４ｂ、４ｃを有しており、また第２分岐路５も、互いに直交する３つの分岐路部分５ａ、５ｂ、５ｃを有している。分岐路部分４ａと分岐路部分５ａは、ｙ軸方向に沿うように配置されており、分岐路部分４ｂと分岐路部分５ｂは、ｘ軸方向に沿うように配置されている。また、分岐路部分４ａ、４ｂには、それぞれ経路長調整手段６ａ、６ｂが配設されており、分岐路部分５ａ、５ｂには、それぞれ経路長調整手段７ａ、７ｂが配設されている。なお、４８は、前記分岐路部分４ａ及び分岐路部分５ａのｙ軸方向に沿う移動、並びに前記分岐路部分４ｂ及び分岐路部分５ｂのｘ軸方向に沿う移動をガイドするためのガイド機構である。

この実施の形態では、ｘ軸方向及びｙ軸方向の２方向の並進運動を非干渉化することができる。具体的には、前記経路長調整手段６ｂ、７ｂの伸縮により、ｘ軸方向の並進運動に対し、Ｂ１Ｂ２間の長さとＡ１Ａ２間の長さの和を一定に維持することができ、また、前記経路長調整手段６ａ、７ａの伸縮により、ｙ軸方向の並進運動に対し、Ｂ１Ｃ間の長さとＡ１Ｃ間の長さの和を一定に維持することができる。すなわち、ｘ軸方向及びｙ軸方向の変位に対し、Ｂ２Ｂ１Ｃの長さとＡ２Ａ１Ｃの長さの和、つまりは流体経路長を一定に維持することができる。

図７は、３自由度用の運動伝達機構をモデル化した説明図であり、ｙ軸方向に沿って配設された分岐路部分４ａ、５ａ並びにｘ軸方向に沿って配設された分岐路部分４ｂ、５ｂに加え、ｚ軸方向に沿って配設された分岐路部分４ｃ、５ｃにも経路長調整手段６ｃ、７ｃがそれぞれ設けられている。なお、５８は、前記分岐路部分４ａ及び分岐路部分５ａのｙ軸方向に沿う移動、前記分岐路部分４ｂ及び分岐路部分５ｂのｘ軸方向に沿う移動、並びに前記分岐路部分４ｃ及び分岐路部分５ｃのｚ軸方向に沿う移動をガイドするためのガイド機構である。図７に示される運動伝達機構においても、図６に示される２自由度用の運動伝達機構と同様にして、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の変位に対し、Ｂ３Ｂ２Ｂ１Ｃの長さとＡ３Ａ２Ａ１Ｃの長さの和、つまりは流体経路長を一定に維持することができる。

図８は、３自由度用の運動伝達機構をモデル化した説明図である。この実施の形態では、非干渉化する運動が、出力端４２付近の流体経路４３ｂが、当該流体経路４３ｂの長手軸Ｐ１、この長手軸Ｐ１と直交する第１軸Ｐ２、並びに前記長手軸Ｐ１及び第１軸Ｐ２と直交する第２軸Ｐ３の廻りを回転する回転運動であり、運動伝達機構は、前記回転運動を許容しつつ流体の移動を可能にする自在継手機構４４を含んでいる。この自在継手機構４４は、３軸廻りに回動自在の球面継手であり、これにより、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の各軸廻りの回転運動を非干渉化することができる。つまり、点Ｏ廻りのロール、ピッチ及びヨー角に干渉されることなく、入力端４１側の駆動力を出力端４２側に伝達することができる。

図９は、本発明の他の実施の形態に係る運動伝達機構をモデル化した説明図である。この実施の形態では、入力端５１に、機械的運動を流体の移動に変換する入力側運動変換部５３が結合されており、出力端５２に、流体の移動を機械的運動に変換する出力側運動変換部５４が結合されている。そして、入力端側の機械的運動ΔＩ_ｉは、運動伝達機構を介して出力端側の機械的運動ΔＩ_ｏとして伝達される。すなわち、以上の運動伝達機構によれば、入力端５１において、並進又は回転の変位に応じて所定の体積の流体を押し出すか、又は引き出すとともに、出力端５２において、押し出されるか又は引き出されることによって移動した流体の体積に応じて並進又は回転の変位を発生させることができる。これにより、流体を介して並進運動又は回転運動を伝達することができる。なお、図９において、５６、５７は例えば図１を用いて説明をした経路長調整手段である。

例えば、入力側運動変換部５３として、風船状の球体を設け、出力側運動変換部５４として、開閉自在の洗濯バサミ状のグリップ機構を設け、手元側の球体を縮ませることで、前記グリップ機構を開放又は閉止させる機構を構成することができる。

前記入力側運動変換部５３のうち、並進運動を流体の移動に変換するものとしては、例えば蛇腹ないしはベローズなどを用いることができ、また、回転運動を流体の移動に変換するものとしては、例えば外周にネジを有するピストンなど、回転運動を、液体を押し引きするための並進運動に変換するものを用いることができる。また、出力側運動変換部５４のうち、流体の移動を並進運動に変換するものとしては、例えば蛇腹ないしはベローズなどを用いることができ、また、流体の移動を回転運動に変換するものとしては、例えば外周にネジを有するピストンなど、回転運動を、液体を押し引きするための並進運動に変換するものを用いることができる。

このような入力側運動変換部及び出力側運動変換部を備えた運動伝達機構は、用途に応じて、図１０に示されるように直列に２以上接続させてもよく、また、図１１に示されるように並列に２以上接続させてもよい。さらには、直列接続と並列接続を混用してもよい。なお、図１０〜１１において、５８は、前述した並進運動又は回転運動を非干渉化するための経路長調整手段を含む運動伝達機構である。

なお、図９〜１１に例示した運動伝達機構において、前記入力端５１側の機械的運動と、前記出力端５２側の機械的運動とを、互いに異なる運動とすることができる。例えば、入力端５１側の機械的運動を並進運動とし、出力端５２側の機械的運動を回転運動とすることができる。また、逆に、入力端５１側の機械的運動を回転運動とし、出力端５２側の機械的運動を並進運動とすることができる。これにより、運動伝達機構の利用範囲を広げることができる。

また、入力端５１側の流体経路の断面積と、出力端５２側の流体経路の断面積とを互いに異なるものとすることができる。入力端５１側の流体経路の断面積と出力端５２側の流体経路の断面積とを変えることで、当該入力端５１及び出力端５２における変位が同じ種類（並進又は回転）であるとき、当該変位の程度を変えることができる。例えば、入力端５１側の流体経路の断面積を出力端５２側の流体経路の断面積よりも大きくすることで、出力端における変位を大きく（拡大）することができる。逆に、入力端５１側の流体経路の断面積を出力端５２側の流体経路の断面積よりも小さくすることで、出力端における変位を小さく（縮小）することができる。

図１２は、本発明の運動伝達機構のさらに他の実施の形態をモデル化した説明図である。この実施の形態では、所定値を超える過大な外力が作用したとき、すなわち流体経路内の流体の圧力が所定の範囲外の大きさになったときに、当該流体圧が運動伝達機構を介して伝達されるのを防止するために、流体経路中に、所定値を超える外力が伝達されるのを回避する過大外力回避手段６０が配設されている。過大外力回避手段６０を配設することにより、所定値を超える外力、すなわち流体圧が運動伝達機構を介して伝達されるのが回避されるので、当該運動伝達機構を含むマニピュレータ等を保護することができる。

具体的には、図１２に示されるように、前記過大外力回避手段６０は、流体経路から分岐した分岐路６１の先端に固設された移動プレート６２と、この移動プレート６２の中立位置において、その側面６３ａが当該移動プレート６２の側面６２ａと対向するように配設された、静止部材であるプレート状のストッパ６３と、前記移動プレート６２の表側及び裏側にそれぞれ配設された弾性手段であるバネ６４、６５と、各バネの先端に固設された当接体６６、６７とで構成されている。この一対の当接体６６、６７は、前記移動プレート６２とストッパ６３との境界付近において、当該移動プレート６２及びストッパ６３の両者を押圧しつつ挟持し得るように配設されている。この構成によれば、静止部材であるプレート状のストッパ６３及び分岐路６１の先端に固設された移動プレート６２を、バネ６４、６５の先端に固設された一対の当接体６６、６７で押圧しつつ挟持しているので、流体の微妙な内圧変動等によって前記移動プレート６２がふらつくのを防止することができる。また、前記移動プレート６２に表側及び裏側からバネ６４、６５による押圧力が作用しているので、当該バネ６４、６５による押圧力を超える外力が作用するまで移動プレート６２を静止状態に保つことができる。換言すれば、所定の外力（閾値）が作用するまでは、前記過大外力回避手段６０が機能するのを禁止する「不感帯」を設定することができる。図１３は、この「不感帯」を説明する図であり、縦軸が移動プレート６２の変位量Δｘであり、横軸が外力（流体圧）の大きさｆ_ｏである。外力ｆ_ｏが閾値εよりも小さいときは、移動プレート６２は変位せず、閾値εを超える外力ｆ_ｏが作用すると、当該外力ｆ_ｏの大きさに比例して移動プレート６２が変位することで、過大な外力が伝達されるのが回避される。前記「不感帯」は、バネの押圧力を調整することで、広くしたり、狭くしたりすることができる。

図１４は、図１２に示される実施の形態の変形例を示しており、この例では、前記「不感帯」の範囲を全体としてプラス方向又はマイナス方向にずらすために、前記移動プレート６２にバイアス力ｆ_ｂを付与している。このバイアス力ｆ_ｂは、前記移動プレート６２をバネ６８で押圧することで付与することができる。図１５は、バイアス力ｆ_ｂを付与することで、「不感帯」が全体としてプラス方向にシフトされることを示している。このように、バイアス力を付与することで、また、このバイアス力の大きさを調整することで、「不感帯」の特性を変えることができる。

［差動駆動機構］
図１６は、本発明の一実施の形態に係る差動駆動機構をモデル化した説明図である。図１６に示される差動駆動機構は、図９を用いて説明した運動伝達機構が併設されている。また、一対の運動伝達機構Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｂの入力端側に配設された運動変換部７０_Ａ、７０_Ｂ同士及び出力端側に配設された運動変換部７１_Ａ、７１_Ｂ同士がそれぞれ接続されており、一方の運動伝達機構Ｔ_Ａの入力と他方の運動伝達機構Ｔ_Ｂの入力との差により運動が伝達されるように構成されている。この構成によれば、一対の運動伝達機構Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｂの入力の差を利用して、駆動力を入力端側から出力端側に伝達することができる。図示した例では、入力端側に配設されたプーリ７２の回転を、出力端側に配設されたプーリ７３に伝達している。なお、図１６において、Ｗ_ｉは、入力端側の運動変換部７０_Ａ、７０_Ｂに両端部がそれぞれ接続されるとともに、プーリ７２に巻回されたワイヤであり、Ｗ_ｏは、出力端側の運動変換部７１_Ａ、７１_Ｂに両端部がそれぞれ接続されるとともに、プーリ７３に巻回されたワイヤである。また、５８は、前述した並進運動又は回転運動を非干渉化するための経路長調整手段である。図１６及び後出する図１７〜１８において、ワイヤに引張り力が作用するように経路内の液圧は負圧にされている。

図１７は、図１６に示される差動駆動機構の応用例をモデル化した説明図である。この応用例では、各運動伝達機構における流体経路から分岐した分岐路８１、８２中に伸縮自在部８３、８４が設けられており、且つ、各分岐路８１、８２の先端に、当該分岐路８１、８２中の流体に与圧を付与する弾性手段８５が設けられている。図示した例において、前記弾性手段８５は、各分岐路８１、８２の先端に当接するように配設された当接プレート８５ｂと、この当接プレート８５ｂを介して各分岐路８１、８２中の流体に与圧を付与するバネ体８５ａとで構成されている。

前記各分岐路８１、８２中の流体に与圧を付与することで、運動伝達機構におけるガタを防止することができる。なお、図１７に示される応用例では、２つの分岐路８１、８２に対し等しい与圧（ｆ_φ／２）が付与されるように、バネ体８５ａの位置が調整されている。また、差動駆動機構では、一対の運動伝達機構の入力端又は出力端における力の差が入出力となることから、２つの分岐路８１、８２に与圧ｆ_φ／２をそれぞれ加えても、差をとることで与圧による影響をなくすことができる。すなわち、差動駆動機構を干渉することなく、当該差動駆動機構に与圧を付与することが可能となる。

図１８は、図１６に示される差動駆動機構の他の応用例をモデル化した説明図である。この応用例では、差動駆動機構に、図１２を用いて説明した過大外力回避手段９０が付加されている。図１８において、過大外力回避手段９０は、差動駆動機構を構成する一対の運動伝達機構９８_Ａ、９８_Ｂの各流体経路から分岐した分岐路９１_Ａ、９１_Ｂの先端に固設された移動プレート９２と、この移動プレート９２の中立位置において、その側面９３ａが当該移動プレート９２の側面９２ａと対向するように配設された、静止部材であるプレート状のストッパ９３と、前記移動プレート９２の表側及び裏側にそれぞれ配設された弾性手段であるバネ９４、９５と、各バネの先端に固設された当接体９６、９７とで構成されている。この一対の当接体９６、９７は、前記移動プレート９２とストッパ９３との境界付近において、当該移動プレート９２及びストッパ９３の両者を押圧しつつ挟持し得るように配設されている。なお、５８は、前述した並進運動又は回転運動を非干渉化するための経路長調整手段である。

この例においても、図１２と同様に「不感帯」が形成されている。すなわち、図１９に示されるように、一対の運動伝達機構９８_Ａ、９８_Ｂの各流体経路内の出力側流体圧の差（ｆ_ｏ１−ｆ_ｏ２）が上限値（ｆ_ｍａｘ）と下限値（ｆ_ｍｉｎ）の間にあるときは、過大外力回避手段９０は作動せず、前記差（ｆ_ｏ１−ｆ_ｏ２）が上限値（ｆ_ｍａｘ）を超えるか、又は下限値（ｆ_ｍｉｎ）を下回ると、過大外力回避手段９０が作動して、所定値を超える外力、すなわち流体圧が運動伝達機構を介して伝達されるのが回避されるので、当該運動伝達機構を含むマニピュレータ等を保護することができる。

図２０は、図１７に示される応用例における与圧付与と、図１８に示される応用例における過大外力回避とを、同時に差動駆動機構に適用することができることを説明する図である。図２０において、出力側流体圧の差（ｆ_ｏ１−ｆ_ｏ２）が１０［Ｎ］を超えるか、又は−１０［Ｎ］よりも小さくなると、過大外力回避手段が作動するものとする。つまり、過大外力回避手段によって、出力側流体圧ｆ_ｏ１、ｆ_ｏ２のとり得る値の境界が設定される。

また、与圧を付与しても各出力側流体圧の和は一定である（与圧に等しい）ことから、この与圧を定数Ｃとすると、ｆ_ｏ１＋ｆ_ｏ２＝Ｃとなる。いま、Ｃ＝１０［Ｎ］と仮定して、これをグラフ化すると図２０においてｈで示される右下がりの直線になる。そして、ｆ_ｏ１とｆ_ｏ２は、この直線ｈ上を動くことになる。そして、与圧を高くする、例えば２０［Ｎ］にすると、前記直線ｈは全体に斜め上方に移動し、ｆ_ｏ１＋ｆ_ｏ２＝２０で示される直線ｉになり、ｆ_ｏ１とｆ_ｏ２は、この直線ｉ上を動くことになる。このように、過大外力回避手段によって、動き得る範囲の境界が設定され、与圧の付与によって動き得る直線が規定される。

本発明の運動伝達機構の一実施の形態をモデル化した説明図である。 非干渉化機能を有しないモデルの説明図である。 曲線経路に沿った運動を非干渉化するモデルの説明図である。 本発明の運動伝達機構の他の実施の形態をモデル化した説明図である。 本発明の運動伝達機構のさらに他の実施の形態をモデル化した説明図である。 ２自由度用の運動伝達機構をモデル化した説明図である。 ３自由度用の運動伝達機構をモデル化した説明図である。 ３自由度用の運動伝達機構をモデル化した説明図である。 本発明の運動伝達機構の他の実施の形態をモデル化した説明図である。 図９に示される運動伝達機構を直列に２つ接続したモデルの説明図である。 図９に示される運動伝達機構を並列に２つ接続したモデルの説明図である。 本発明の運動伝達機構のさらに他の実施の形態をモデル化した説明図である。 不感帯を説明する図である。 図１２に示される実施の形態の変形例を示す図である。 図１２に示される例において、移動プレートにバイアス力を付与した場合の不感帯のシフトを説明する図である。 本発明の差動駆動機構の一実施の形態をモデル化した説明図である。 図１６に示される差動駆動機構の応用例をモデル化した説明図である。 図１６に示される差動駆動機構の他の応用例をモデル化した説明図である。 図１８に示される例における不感帯を説明する図である。 与圧付与と過大外力回避が共存可能であることを説明する図である。 従来の運動伝達機構をモデル化した説明図である。 従来の他の運動伝達機構をモデル化した説明図である。 従来のさらに他の運動伝達機構をモデル化した説明図である。

符号の説明

１ 入力端
２ 出力端
３ 流体経路
４ 第１分岐路
５ 第２分岐路
６、７ 経路長調整手段
８ ガイド部材
１４、 第１分岐路
１５ 第２分岐路
１６、１７ 経路長調整手段
１８ ガイド部材
２４ 自在継手機構
３４ 回転継手機構
４４ 自在継手機構
６０ 過大外力回避手段
６１ 分岐路
６２ 移動プレート
６３ ストッパ
６４、６５ バネ
６６、６７ 当接体
６８ バネ
７０、７１ 運動変換部
８１、８２ 分岐路
８３、８４ 伸縮自在部
８５ 弾性手段
８６ 経路長調整手段
９０ 過大外力回避手段

Claims (9)

1. 流体が出入りし得る入力端及び出力端と、この入力端と出力端とを接続する流体経路とを備えており、前記流体を介して駆動力を伝達する運動伝達機構であって、
   この運動伝達機構に作用する運動を非干渉化するために、前記流体経路の長さが一定に維持されるように構成されており、
   前記非干渉化する運動が多自由度の並進運動であり、前記運動伝達機構が、当該多自由度の並進運動による流体経路長の変化を阻止するために複数の伸縮自在の経路長調整手段を備えており、
   前記流体経路の途中に、分岐後に合流する第１分岐路及び第２分岐路が形成されており、この第１分岐路及び第２分岐路のそれぞれに、前記多自由度の並進運動の方向に沿って伸縮し得る複数の経路長調整手段が配設されていることを特徴とする運動伝達機構。
2. 前記入力端に、機械的運動を流体の移動に変換する入力側運動変換部が結合されており、前記出力端に、流体の移動を機械的運動に変換する出力側運動変換部が結合されており、入力端側の機械的運動が運動伝達機構を介して出力端側の機械的運動として伝達される請求項１に記載の運動伝達機構。
3. 前記入力端側の機械的運動と、前記出力端側の機械的運動とが、互いに異なる運動である請求項２に記載の運動伝達機構。
4. 前記入力端側の流体経路の断面積と、前記出力端側の流体経路の断面積とが互いに異なる請求項２又は３に記載の運動伝達機構。
5. 前記流体経路中に、所定値を超える外力が伝達されるのを回避する過大外力回避手段が配設されている請求項２〜４のいずれかに記載の運動伝達機構。
6. 前記過大外力回避手段が、前記流体経路から分岐した分岐路先端に固設された移動プレートと、この移動プレートの中立位置において、その側面が当該移動プレートの側面と対向するように配設された、静止部材であるプレート状のストッパと、前記移動プレートの表側及び裏側にそれぞれ配設された弾性手段と、各弾性手段の先端に固設された当接体とで構成されており、この一対の当接体が、前記移動プレートとストッパとの境界付近において、当該移動プレート及びストッパの両者を押圧しつつ挟持し得るように配設されている請求項５に記載の運動伝達機構。
7. 請求項２記載の運動伝達機構が並設されるとともに一対の運動伝達機構の入力端側に配設された運動変換部同士及び出力端側に配設された運動変換部同士がそれぞれ接続されており、一方の運動伝達機構の入力と他方の運動伝達機構の入力との差により運動が伝達されるように構成されていることを特徴とする差動駆動機構。
8. 各運動伝達機構における流体経路から分岐した分岐路中に伸縮自在部が設けられており、且つ、各分岐路の先端に、当該分岐路中の流体に与圧を付与する弾性手段が設けられている請求項７に記載の差動駆動機構。
9. 前記流体経路中に、所定値を超える外力が伝達されるのを回避する過大外力回避手段が配設されている請求項７又は８に記載の差動駆動機構。
   

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