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JP3268357B2 - 位置と方向を規定するリンク機構 - Google Patents

位置と方向を規定するリンク機構

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JP3268357B2
JP3268357B2 JP2000004945A JP2000004945A JP3268357B2 JP 3268357 B2 JP3268357 B2 JP 3268357B2 JP 2000004945 A JP2000004945 A JP 2000004945A JP 2000004945 A JP2000004945 A JP 2000004945A JP 3268357 B2 JP3268357 B2 JP 3268357B2
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spherical
arm
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清行 鎮西
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は位置と方向を規定する
リンク機構に関するものである。このようなリンク機構
は手術支援機器、ロボット（マニピュレータ）の終端器
等の位置と方向の規定に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】ＭＲＩ画像撮像を行いながら診断又は治
療行為を行うＭＲ／Ｔでは、器具の存在と機能が画像に
アーチファクト（ノイズ、ゴーストなど）を与えてはな
らない。器具とＭＲＩの相性をＭＲ対応性と言う。
【０００３】手術支援ロボットはＭＲ／Ｔにおいても有
望であるが、ロボット機構は通常、鉄鋼他金属材料、電
磁モータ、電気的センサなどを多用することからＭＲ対
応性を実現することが難しい。ことに、患部に近接せざ
るをえない終端器（エンドエフェクタ）は非常に低い磁
化率、低電気ノイズ放射が求められるため、複雑な機
構、モータなどの能動機構素子、各種センサを配置する
ことが難しい。
【０００４】手術支援ロボットはこの制約下に、位置
（ｘｙｚ）と方向を指定する角度θ，φを規定する機構
が必要であり、かつ終端器の洗浄性、滅菌性に優れるこ
とが望ましい。また、終端器は術者の視野と作業領域を
遮らないように簡素小型であることが必要であり、かつ
安全性確保のため、アクチュエータ出力はなるべく小さ
いことが必要である。
【０００５】従来技術でも、位置（ｘ，ｙ，ｚ）と角度
（θ，φ）を決する機構は多数存在する。代表的な機構
としては腕型ロボットアームがある。この腕型ロボット
アームは多数のアームリンクをその間の関節で連結した
ものである。
【０００６】
【解決すべき課題】しかるに、腕型ロボットアームで
は、関節にモータなどアクチュエータを配置するか、ワ
イヤ機構やプロペラシャフト機構などで動力を伝達する
必要がある。前者はアクチュエータを有するためＭＲ対
応性の維持が難しく、また防水処理を厳重に行わない限
り洗浄性、滅菌性を維持できない。後者は多数の動力伝
達部品を要するため機構的に複雑であり動力の損失が無
視できない。
【０００７】ヘキサポッド型ロボットに代表されるパラ
レルリンク機構ではアクチュエータを終端器から遠ざけ
る設計が可能であるが、終端器付近に６本のリンク機構
が集中する構造となるため機構的に複雑である。
【０００８】この外、終端器を長大にすることで従来技
術でもＭＲ対応性、洗浄性、滅菌性の維持が得られる
が、この場合は、精度を損ない、アクチェータ出力を余
計に必要とする。また終端器が複雑かつ大型で術者の視
野を遮ることがあった。
【０００９】このようなことから、位置決め、方向決め
の精度が高く、アクチュエータの出力を余計に必要とす
ることなく、機構的に簡素でＭＲ対応性、洗浄性、滅菌
性の維持が容易である位置と角度を規定するリンク機構
の開発が望まれている。
【００１０】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、位置決め、方向決めの精度が高く、ア
クチュエータの出力を余計に必要とすることなく、機構
的に簡素で、ＭＲ対応性、洗浄性、滅菌性の維持が容易
であり、かつ終端器が術者の視野を遮ることがない位置
と角度を規定するリンク機構を提供することを目的とす
るものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の位置と方向を規定するリンク機構は軸棒Ｒと前
記軸棒Ｒを支持している２つの球面軸受Ｐ1、Ｐ2とを有
し、一方の球面軸受Ｐ 1と前記軸棒Ｒとの前記軸棒の長
手軸方向の相対変位を許容せず、他方の球面軸受Ｐ2と
前記軸棒との前記長手軸方向の相対変位を許容するよう
に構成したことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下この発明の詳細を一実施例を
示す図面について説明する。
【００１３】図１において、１１はロボット終端器であ
る。この発明のリンク機構はロボット終端器１１に組み
込まれている。ロボット終端器１１は一対の長尺のアー
ム１２、１３を有する。一対のアーム１２、１３は協働
して対象物に対して作業するものである。一方のアーム
１２は基端部１４で後述するこの発明のリンク機構１の
球面軸受Ｐ1の外輪３または内輪２に固定し他方のアー
ム１３は基端部１５で球面軸受Ｐ2の外輪３または内輪
２に固定している。
【００１４】１はこの発明のリンク機構である。リンク
機構１は図１、図２及び図３に示すように、２つの球面
軸受Ｐ1、Ｐ2と、両者を連結する剛体要素である軸棒Ｒ
からなる。
【００１５】球面軸受Ｐ1の位置は３次元空間（ないし
はその一部）内で変化し、球面軸受Ｐ2の位置は球面軸
受Ｐ1に相対的に３次元空間または２次元平面（ないし
はその一部）内に拘束される。
【００１６】それぞれ球面軸受Ｐ1、Ｐ2は内輪２と外輪
３からなり、内輪２と外輪３は１点を中心に相対回転運
動する。これはごく普通の球面軸受の仕様と同じであ
る。球面軸受Ｐ1のアーム１２が固定していない方の内
輪２または外輪３と軸棒Ｒは固定し、球面軸受Ｐ2の内
輪２及び外輪３と軸棒Ｒは非固定で、球面軸受Ｐ2の運
動に従って滑ることを可能とする。
【００１７】この本リンク機構１は受動機構素子のみで
構成可能である。位置及び角度を決定するためにはセン
サは必要としないがこのようなセンサはあっても構わな
い。
【００１８】球面軸受Ｐ1とＰ2は駆動装置（図示せず）
によって駆動される。そのような駆動装置及び両球面軸
受Ｐ1、Ｐ2の位置を決める方法としては任意のものを使
用することができる。
【００１９】このように構成されたリンク機構１におい
て軸棒Ｒの位置及び方向を決定するための動作は次の通
りである。
【００２０】球面軸受Ｐ1を駆動して球面軸受Ｐ1の位置
により、本リンク機構１全体の代表的三次元座標（ｘｙ
ｚ）を決し、かつ同時に球面軸受Ｐ2を駆動して球面軸
受Ｐ2の球面軸受Ｐ1に対する相対運動により、軸棒Ｒの
方向（角度θ，φ）を決する。
【００２１】球面軸受Ｐ2を駆動するとき、球面座標Ｐ2
は軸棒Ｒの長手軸方向に相対変位を生じるので、この変
位は球面座標Ｐ2と軸棒Ｒとの滑りによって許容する。
【００２２】図４に球面軸受Ｐ1と球面軸受Ｐ2と軸棒Ｒ
の位置及び方向の関係を示す。φ，θは次の関係を満た
す極座標系をなす。
【００２３】
【数１】 式１中のｘ´，ｙ´，ｚ´，ｒ は次の通り
【００２４】
【数２】ｘ´＝ｘ2−ｘ1 ｙ´＝ｙ2−ｙ1 ｚ´＝ｚ2−ｚ1 ｒ2＝ｘ´2＋ｙ´2＋ｚ´2 軸棒Ｒの長さには以下の満たすべき要件がある。すなわ
ち
【００２５】
【数３】（軸棒Ｒの長さ）≧（ｒの取りうる最大長） これが軸棒Ｒの長さを決める条件になる。実際には、球
面軸受Ｐ1、Ｐ2の軸方向の長さ分余計に必要となる。ｒ
が軸棒Ｒの長さを越えると球面軸受Ｐ2軸棒Ｒから外れ
てしまう。
【００２６】
【発明の効果】本発明のリンク機構は、実質的に２つの
球面関節と１本の軸棒だけで構成可能である。セラミッ
クス、ガラス繊維強化素材、炭素繊維強化素材、木材加
工品、非鉄金属など磁化率の小さな常磁性体にて構成可
能な機構であり、能動機構素子、センサを必要としな
い。これによりＭＲ対応性に優れ、また脱着可能であり
洗浄性、滅菌性に優れる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のリンク機構を組込んだロボット終端
器を示す斜視説明図
【図２】この発明のリンク機構の正面説明図
【図３】球面軸受の動作を示す説明図
【図４】球面軸受Ｐ1と球面軸受Ｐ2と軸棒Ｒの位置及び
方向の関係を示す説明図
【符号の説明】
１ リンク機構 ２ 内輪 ３ 外輪 １１ ロボット終端器 １２ アーム １３ アーム １４ 基端部 １５ 基端部

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】軸棒Ｒと前記軸棒Ｒを支持している位置可
    変の２つの球面軸受Ｐ１，Ｐ２とを有し、一方の球面軸
    受Ｐ１と前記軸棒Ｒとの前記軸棒Ｒの長手軸方向の相対
    変位を許容せず、他方の球面軸受Ｐ２と前記軸棒Ｒとの
    前記長手軸方向の相対変位を許容するように構成すると
    ともに、前記球面軸受Ｐ１，Ｐ２の外輪または内輪にア
    ームを固定したことを特徴とする位置と方向を規定する
    リンク機構
  2. 【請求項２】軸棒Ｒと前記軸棒Ｒを支持している位置可
    変の２つの球面軸受Ｐ１，Ｐ２とを有し、一方の球面軸
    受Ｐ１と前記軸棒Ｒとの前記軸棒Ｒの長手軸方向の相対
    変位を許容せず、他方の球面軸受Ｐ２と前記軸棒Ｒとの
    前記長手軸方向の相対変位を許容するように構成すると
    ともに、前記球面軸受Ｐ１，Ｐ２の外輪または内輪にア
    ームを固定し、前記一方の球面軸受Ｐ１の座標と前記他
    方の球面軸受Ｐ２の前記一方の球面軸受Ｐ１ に対する
    相対位置を規定することによって前記軸棒Ｒの位置と角
    度を決定することを特徴とする請求項１記載の位置と方
    向を規定するリンク機構
  3. 【請求項３】 前記リンク機構はロボットアーム用リン
    ク機構であることを特徴とする請求項１または２記載の
    位置と方向を規定するリンク機構
JP2000004945A 2000-01-13 2000-01-13 位置と方向を規定するリンク機構 Expired - Lifetime JP3268357B2 (ja)

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