JP7526326B2 - 屈曲構造体 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットやマニピュレーター等の関節機能部に供される屈曲構造体に関する。

ロボット、マニピュレーター、或いはアクチュエーター等には、屈曲・伸展を可能とする関節機能部を備えたものがある。このような関節機能部としては、例えば、特許文献１のような屈曲構造体を用いたものがある。

特許文献１の屈曲構造体は、複数のディスク要素を相互に揺動自在に係合して構成され、各ディスク要素の揺動により全体として屈曲動作を行うようになっている。

各ディスク要素には、索状部材である起動ケーブルが挿通されてガイドされている。この起動ケーブルを引張操作することにより、屈曲構造体の屈曲動作が行われる。

しかし、上記従来の屈曲構造体は、複数のディスク要素を結合し、且つ各ディスク要素に起動ケーブルを挿通するため、構造が複雑であった。

特表２００９－５３８１８６号公報

解決しようとする問題点は、屈曲構造体の構造が複雑であった点である。

本発明は、内コイル部及び外コイル部からなり前記外コイル部の隣接巻部間の隙間に前記内コイル部の対応する巻部が嵌合する筒と、前記筒の両端にそれぞれ軸方向で当接した状態で取り付けられた端部部材と、を備え、前記端部部材は、前記内外コイル部の何れか一方に対して取り付けられた、屈曲構造体を提供する。

本発明によれば、屈曲復元が可能な屈曲構造体を簡単な構造で実現できる。しかも、屈曲前後で筒の圧縮を防止して姿勢を安定させることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る屈曲構造体を示す斜視図である。 図２は、図１の屈曲構造体の一部を断面にした斜視断面図である。 図３は、図１の屈曲構造体の端部部材を省略した平面図である。 図４は、図１の屈曲構造体の内筒及び外筒を示す断面図である。 図５は、内筒の動作を示す断面図である。 図６は、本発明の実施例２に係る屈曲構造体の端部部材を省略した平面図である。

屈曲構造体の構造を簡素化するという目的を、内外コイル部からなる内筒及び外筒間の隙間に索状部材を配置することで実現した。

すなわち、屈曲構造体（１）は、内筒（３）と、外筒（５）と、索状部材（９ａ，９ｂ）とを備える。内筒（３）は、第１内コイル部（１５）及び第１外コイル部（１３）からなり、第１外コイル部（１３）の隣接巻部（１３ａ）間の隙間（１３ｂ）に第１内コイル部（１５）の対応する巻部（１５ａ）が嵌合する。外筒（５）は、少なくとも内筒（３）の外周の一部を隙間（２１）を有して覆い、第２内コイル部（１９）及び第２外コイル部（１７）からなり、第２外コイル部（１７）の隣接巻部（１７ａ）間の隙間（１７ｂ）に第２内コイル部（１９）の対応する巻部（１９ａ）が嵌合する。索状部材（９ａ，９ｂ）は、内筒（３）及び外筒（５）間の隙間（２１）を軸方向に挿通してガイドされる。

屈曲構造体（１）は、外筒（５）及び内筒（３）の何れか一方又は双方の両端に取り付けられ、索状部材（９ａ，９ｂ）を第１挿通孔（２５）に挿通する端部部材（７ａ，７ｂ）を備えてもよい。

また、屈曲構造体（１）は、内筒（３）の第１内コイル部（１５）内を挿通する可撓部材（１１）を備え、端部部材（７ａ，７ｂ）は、可撓部材（１１）を挿通する第２挿通孔（２５）を有してもよい。

索状部材（９ａ，９ｂ）は、一方の端部部材（７ａ）に対して他方の端部部材（７ｂ）を駆動するための駆動用索状部材（９ａ）と、駆動用索状部材（９ａ）の周方向の両側に設けられ、駆動用索状部材（９ａ）の経路を限定するガイド用索状部材（９ｂ）とを備えてもよい。

駆動用索状部材（９ａ）及びガイド用索状部材（９ｂ）の何れか一方又は双方を通電経路としてもよい。

また、屈曲構造体（１）では、内筒（３）の第１内外コイル部（１５，１３）と外筒（５）の第２内外コイル部（１９，１７）とが相互に逆巻きであってもよい。

［屈曲構造体］
図１は、本発明の実施例１に係る屈曲構造体を示す斜視図、図２は、同一部を断面にした斜視断面図、図３は、屈曲構造体の端部部材を省略した平面図、図４は、屈曲構造体の内筒及び外筒を示す断面図である。

本実施例の屈曲構造体１は、マニピュレーター、ロボット、アクチュエーター等の医療用や産業用等の各種の機器の関節機能部に適用されるものであり、屈曲・伸展動作によって両側に結合された機器側部材を相対的に変位可能とする。

この屈曲構造体１は、内筒３と、外筒５と、端部部材７ａ，７ｂと、索状部材としての駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂと、可撓部材としての可撓チューブ１１を備えている。

内筒３は、軸方向に対して弾性的に屈曲及び復元可能な二重コイルであり、第１外コイル部１３と、第１内コイル部１５とを備えている。

第１外コイル部１３及び第１内コイル部１５は、それぞれ弾性を有するコイルばねからなる。第１外コイル部１３及び第１内コイル部１５の材質は、いずれも金属や樹脂等とすることが可能である。また、第１外コイル部１３及び第１内コイル部１５の素線の断面形状は、円形となっている。ただし、この断面形状は、円形に限られるものではなく、半円や楕円等とすることも可能である。また、第１内外コイル部１３及び１５の断面形状、線径、材質等は相互に異なってもよい。

第１内コイル部１５は、第１外コイル部１３よりも小さい中心径を有し、第１外コイル部１３内に螺合されている。なお、第１外コイル部１３及び第１内コイル部１５の中心径は、軸方向の一端から他端に至るまで一定となっている。ただし、この第１外コイル部１３の中心径は、軸方向で変化させることも可能である。

第１外コイル部１３は、軸方向で隣接する巻部１３ａ間（隣接巻部１３ａ間）を軸方向で離間させた複数の隙間としてのピッチ１３ｂを有している。この複数のピッチ１３ｂには、第１内コイル部１５の対応する巻部１５ａが内側から嵌合している。この嵌合により、第１内コイル部１５の巻部１５ａは、隣接する第１外コイル部１３の巻部１３ａの双方に接触する。

一方、第１内コイル部１５は、軸方向で隣接する巻部１５ａ間（隣接巻部１５ａ間）を軸方向で離間させた複数の隙間としてのピッチ１５ｂを有している。この複数のピッチ１５ｂには、第１外コイル部１３の対応する巻部１３ａが外側から嵌合している。この嵌合により、第１外コイル部１３の巻部１３ａは、隣接する第１内コイル部１５の巻部１５ａの双方に接触する。

従って、内筒３は、軸方向の圧縮が規制されている。

外筒５は、内筒３と同様、軸方向に対して弾性的に屈曲及び復元自在な二重コイルであり、第２外コイル部１７と、第２内コイル部１９とを備えている。この外筒５は、内筒３の外周を隙間２１を有して覆っている。なお、外筒５は、内筒３よりも短い場合、内筒３を軸方向で部分的に覆うことになる。このため、外筒５は、少なくとも内筒３の外周の一部を隙間２１を有して覆う構成であればよい。

隙間２１は、径方向での外筒５の第２内コイル部１９と内筒３の第１外コイル部１３との間に区画されている。隙間２１の径方向の寸法は、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂの線径より僅かに大きく設定されている。

これにより、内筒３及び外筒５は、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂのガイドとしての役割を果たす。なお、隙間２１の径方向の寸法は、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂのガイドとしての機能を確保する範囲で適宜設定すればよい。

外筒５の第２外コイル部１７及び第２内コイル部１９は、内筒３の第１外コイル部１３及び第１内コイル部１５と同様に構成されている。ただし、外筒５は、巻方向を内筒３の巻方向と同一又は逆の何れとしてもよい。

内筒３及び外筒５の巻方向を逆（逆巻）にする場合は、内筒３及び外筒５がそれぞれ逆向きの捩じりに抗することができ、屈曲構造体１全体としての捩じり剛性を向上することができる。

内筒３の第１外コイル部１３及び第１内コイル部１５と同様、第２外コイル部１７及び第２内コイル部１９は、弾性を有するコイルばねからなり、金属や樹脂等によって形成することが可能である。第２外コイル部１７及び第２内コイル部１９の素線の断面形状は、円形であるが、円形に限られるものではない。また、第２内外コイル部１９及び１７の断面形状、材質、線径等は相互に異なってもよい。

第２内コイル部１９は、第２外コイル部１７よりも小さい中心径を有し、第２外コイル部１７内に螺合されている。第２外コイル部１７及び第２内コイル部１９の中心径は、軸方向の一端から他端に至るまで一定となっているが、軸方向で変化させることも可能である。

第２外コイル部１７は、軸方向で隣接する巻部１７ａ間（隣接巻部１７ａ間）を軸方向で離間させた複数のピッチ１７ｂを有し、この複数のピッチ１７ｂには、第２内コイル部１９の対応する巻部１９ａが内側から嵌合している。この嵌合により、第２内コイル部１９の巻部１９ａは、隣接する第２外コイル部１７の巻部１７ａの双方に接触する。

一方、第２内コイル部１９は、軸方向で隣接する巻部１９ａ間（隣接巻部１９ａ間）を軸方向で離間させた複数の隙間としてのピッチ１９ｂを有している。この複数のピッチ１９ｂには、第２外コイル部１７の対応する巻部１７ａが外側から嵌合している。この嵌合により、第２外コイル部１７の巻部１７ａは、隣接する第２内コイル部１９の巻部１９ａの双方に接触する。

これにより、外筒５は、軸方向の圧縮が規制されている。

端部部材７ａ，７ｂは、金属等からなる円柱状である。なお、端部部材７ａ，７ｂは、角柱状等の他の形状としてもよい。これら端部部材７ａ，７ｂは、それぞれ外筒５の軸方向の端部に溶接等の適宜の固着方法によって取り付けられている。また、端部部材７ａ，７ｂは、内筒３の軸方向の端部に取り付けたり、或いは内筒３及び外筒５の双方の軸方向の端部に取り付けてもよい。

端部部材７ａ，７ｂの外筒５への取付けは、第２内外コイル部１９，１７の何れか一方に対して行われる。本実施例では、第２外コイル部１７に対して端部部材７ａ，７ｂが取り付けられている。

この端部部材７ａ，７ｂには、第１挿通孔２３及び第２挿通孔２５が軸方向に貫通して設けられている。第１挿通孔２３は、内外筒３，５間の隙間２１に軸方向で連通し、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂを挿通する。

第２挿通孔２５は、内筒３の内部に軸方向で連通し、可撓チューブ１１を挿通する。本実施例の第２挿通孔２５は、端部部材７ａ，７ｂの軸心部に設けられ、断面円形に形成されている。

かかる端部部材７ａ，７ｂは、屈曲構造体１を介して相対的に変位する機器側部材にそれぞれ取り付けられる。例えば、一方の端部部材７ａは、先端側の機器側部材、他方の端部部材７ｂは、基端側の機器側部材に取り付けられる。これら端部部材７ａ，７ｂは、省略することも可能である。この場合、外筒５の両端を機器側部材に直接取り付ければよい。

駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂは、金属等からなる駆動用索状部材及びガイド用索状部材である。駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂは、屈曲構造体１の屈曲及び復元を妨げない程度の柔軟性を有している。

駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂの断面形状は、第１挿通孔２３と同様の円形とする他、楕円形や矩形等の異なる形状としてもよい。駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂは、索状部材であれば、撚り線、ＮｉＴｉ（ニッケルチタン）単線、ピアノ線、多関節ロッド、鎖、紐、糸、縄等とすることが可能である。

なお、ガイド用ワイヤー９ｂは、金属等に限らず、樹脂によって形成してもよい。さらに、ガイド用ワイヤー９ｂは、索状部材とせずに、柱状や棒状の部材とすることも可能である。

かかる駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂは、内外筒３，５間の隙間２１を軸方向に挿通してガイドされている。本実施例において、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂは、周方向の所定間隔毎に複数設けられている。なお、駆動用ワイヤー９ａは、軸方向に沿って直状にガイドされる他、軸周りに螺旋状にガイドされてもよい。

駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂの端部２７は、端部部材７ａ，７ｂの第１挿通孔２３を挿通して外部に引き出されている。一方の端部部材７ａから引き出された端部２７は、端部処理によって抜け止めされている。

駆動用ワイヤー９ａは、一方の端部部材７ａに対して他方の端部部材７ｂを駆動可能とする。すなわち、駆動用ワイヤー９ａは、軸方向に引かれることによって屈曲構造体１を屈曲させるものであり、直接又は間接的に図示しない操作機構に接続され、軸方向に操作されるようになっている。

なお、軸方向に操作とは、軸方向で駆動用ワイヤー９ａを進退させることを意味する。駆動用ワイヤー９ａの数は、屈曲構造体１の屈曲動作に応じて適宜設定することが可能である。

ガイド用ワイヤー９ｂは、各駆動用ワイヤー９ａの周方向の両側に設けられ、駆動用ワイヤー９ａの経路を限定する。ガイド用ワイヤー９ｂは、駆動用ワイヤー９ａの周方向へのズレを規制する。本実施例では、ガイド用ワイヤー９ｂ及び駆動用ワイヤー９ａが相互に周方向へのズレを規制することで、結果として駆動用ワイヤー９ａの経路を限定している。

なお、ガイド用ワイヤー９ｂは、駆動用ワイヤー９ａとして機能させることも可能である。また、ガイド用ワイヤー９ｂは、省略することも可能である。さらに、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂの一方又は双方は、通電経路として用いることも可能である。なお、通電経路としては、内筒３を用いることも可能である。

可撓チューブ１１は、樹脂等によって形成された筒状部材であり、内筒３の第１内コイル部１５内を挿通している。この可撓チューブ１１は、屈曲構造体１の屈曲及び復元を妨げない程度の柔軟性を有している。可撓チューブ１１の端部は、端部部材７ａ，７ｂの第２挿通孔２５を挿通して外部に引き出されている。また、索状部材としては、駆動用及びガイド用を設けずに、通電用のもののみを設けてもよい。

この可撓チューブ１１は、端部において第２挿通孔２５に嵌合している。これにより、端部部材７ａ，７ｂに対して可撓チューブ１１を介して内筒３が位置決められる。なお、位置決めの基準は、端部部材７ａ及び７ｂの一方とすればよい。端部部材７ａ，７ｂには、外筒５が取り付けられて位置決められている。

従って、本実施例では、端部部材７ａ，７ｂにより内外筒３，５間が位置決められ、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂを挿通する隙間２１が正確に区画されている。

可撓チューブ１１の内側には、エンドエフェクタ等の駆動するためのエアチューブやプッシュプルケーブル等の駆動部材が挿通される。なお、可撓チューブ１１を省略して、エアチューブやプッシュプルケーブル等の駆動部材や他の可撓性を有する部材を可撓部材としてもよい。可撓チューブ１１や駆動部材等の可撓部材自体を省略してもよい。

［動作］
図５は、屈曲時の内筒３を示す断面図である。なお、外筒５の屈曲は、内筒３の屈曲と同様であるため、図５を参照する。このため、図５では、外筒５の符号を括弧書きで示す。

本実施例の屈曲構造体１は、図４のように、屈曲していない直状時（伸展時）において、内筒３の第１外コイル部１３の隣接巻部１３ａ間に第１内コイル部１５の対応する巻部１５ａが嵌合している。外筒５も、第２外コイル部１７の隣接巻部１７ａ間に第２内コイル部１９の対応する巻部１９ａが嵌合している。

このため、屈曲構造体１では、軸方向での圧縮力が作用しても、内筒３の第１内外コイル部１５，１３及び外筒５の第２内外コイル部１９，１７の圧縮が防止され、全体としての圧縮も防止される。このように圧縮が防止されることにより、中心部の長さが変わらずに姿勢が安定する。

また、内筒３及び外筒５が逆巻の場合は、内筒３及び外筒５のそれぞれが逆向きの捩じりに抗することができる。このため、捩じり方向の力が作用しても、全体としての捩じりが抑制されて姿勢が安定する。

このように屈曲構造体１は、耐圧縮性や耐捩じり性が高く、姿勢が安定するので、安定した内筒３及び外筒５間の隙間２１を得ることができ、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂを隙間２１により確実にガイドできる。

この屈曲構造体１は、操作者が何れか一つの駆動用ワイヤー９ａを引くことによって屈曲し、異なる対の駆動用ワイヤー９ａを組み合わせて引くことによって３６０度全方位に屈曲することが可能となる。この屈曲により、屈曲構造体１が適用された機器であるマニピュレーターのエンドエフェクタ等を所望の方向に指向させることができる。

何れか一つの駆動用ワイヤー９ａが引かれると、図５のように、屈曲の内側では、内筒３及び外筒５の第１及び第２外コイル部１３，１７の隣接巻部１３ａ，１７ａ間のピッチ１３ｂ，１７ｂが小さくなり、屈曲の外側では、内筒３及び外筒５の第１及び第２外コイル部１３，１７の隣接巻部１３ａ，１７ａ間のピッチ１３ｂ，１７ｂが大きくなる。これにより、内筒１５の中心部の長さは屈曲時も変わらずに姿勢が安定する。

このとき、内筒３及び外筒５の第１及び第２内コイル部１５，１９が屈曲の外側へ向けて押し出される。この第１及び第２内コイル部１５，１９の押出しは、屈曲の外側で内筒３及び外筒５の第１及び第２外コイル部１３，１７の隣接巻部１３ａ，１７ａ間の大きくなったピッチ１３ｂ，１７ｂによって許容される。このため、円滑に屈曲動作を行わせることができる。

しかも、屈曲時には、内筒３及び外筒５の第１及び第２外コイル部１３，１７の隣接巻部１３ａ，１７ａ間に第１及び第２内コイル部１５，１９の対応する巻部１５ａ，１９ａが嵌合し続けている。

このため、直状時と同様に、屈曲構造体１は、軸方向の圧縮が抑制され、この点からも中心部の長さの変動が抑制され、姿勢が安定する。従って、安定した内筒３及び外筒５間の隙間２１を得ることができ、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂが隙間２１により確実にガイドされる。

また、外筒５の第２内コイル部１９が押し出される際には、屈曲の内側で内筒３及び外筒５間の隙間２１が小さくなり、屈曲の外側で内筒３及び外筒５間の隙間２１が大きくなる。

屈曲後は、内筒３及び外筒５が共に第１及び第２外コイル部１３，１７の隣接巻部１３ａ，１７ａ間に第１及び第２内コイル部１５，１９が嵌合した圧縮されていない屈曲前の直状時の状態に確実に戻る。このため、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂが内筒３及び外筒５間の隙間２１により屈曲前と同じように確実にガイドされる。

［実施例１の効果］
以上説明したように、本実施例では、第１内コイル部１５及び第１外コイル部１３からなり、第１外コイル部１３の隣接巻部１３ａ間のピッチ１３ｂに第１内コイル部１５の対応する巻部１５ａが嵌合する内筒３と、内筒３の外周を隙間２１を有して覆い、第２内コイル部１９及び第２外コイル部１７からなり、第２外コイル部１７の隣接巻部１７ａ間のピッチ１７ｂに第２内コイル部１９の対応する巻部１９ａが嵌合する外筒５と、内筒３及び外筒５間の隙間２１を軸方向に挿通してガイドされる周方向に複数の駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂと、を備えた。

従って、本実施例では、内外コイル部１３，１５，１７，１９からなる内筒３及び外筒５間の隙間２１に駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂを配置するだけで、駆動用ワイヤー９ａの操作で屈曲復元が可能な屈曲構造体１を簡単な構造で実現できる。

しかも、本実施例の屈曲構造体１では、屈曲前後で内筒３及び外筒５の圧縮を防止できる。このため、内筒３及び外筒５間の隙間２１を介して駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂを確実にガイドすることができ、駆動用ワイヤー９ａの操作に基づく動作を安定させることができる。

また、本実施例の屈曲構造体１は、外筒５の両端に取り付けられ、駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂをそれぞれ第１挿通孔２３に挿通する端部部材７ａ，７ｂを備えている。

このため、屈曲構造体１は、両端において駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂ間を位置決めることができ、より確実に駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂをガイドすることができる。

また、本実施例の屈曲構造体１は、内筒３の第１内コイル部１５内を挿通する可撓チューブ１１を備え、端部部材７ａ，７ｂが軸心部に可撓チューブ１１を挿通する第２挿通孔２５を有する。

従って、本実施例では、内筒３の第１内コイル部１５内を可撓チューブ１１を挿通する経路として利用できる。しかも、可撓チューブ１１を介して端部部材７ａ，７ｂに内筒３が位置決められ、且つ端部部材７ａ，７ｂに外筒５が取り付けによって位置決められるため、内外筒３，５間を確実に位置決めて屈曲動作を円滑に行うことができる。しかも、内外筒３，５間の隙間２１を正確に区画でき、より確実に駆動用ワイヤー９ａ及びガイド用ワイヤー９ｂをガイドすることができる。

また、本実施例では、内筒３の第１内外コイル部１５，１３と外筒５の第２内外コイル部１９，１７とが相互に逆巻きである場合、内筒３及び外筒５とで異なる方向の捩じりに抗することができ、全体としての捩じり剛性を向上できる。

図６は、本発明の実施例２に係る屈曲構造体の端部部材を省略した平面図である。なお、実施例２では、実施例１と対応する構成に同符号を付して重複した説明を省略する。

実施例２では、内筒３及び外筒５の中心をずらしたものである。その他は実施例１と同一である。

本実施例では、内筒３及び外筒５の中心Ｏ及びＯ’をずらしたことで、ずらし方向の一方で隙間２１が他方よりも狭くなっている。このずらし方向の一方での隙間２１は、駆動用ワイヤー９ａを配置できない程度まで狭くなっている。そして、ずらし方向の他方側の隙間２１にのみ、駆動用ワイヤー９ａを配置している。

従って、実施例２では、駆動用ワイヤー９ａを省略したことで小型化（小径化）を図ることができる。その他、実施例２でも、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

１ 屈曲構造体
３ 内筒
５ 外筒
７ａ，７ｂ 端部部材
９ａ 駆動用ワイヤー（索状部材）
９ｂ ガイド用ワイヤー（索状部材）
１１ 可撓チューブ（可撓部材）
１３ 第１外コイル部
１３ａ 巻部
１５ 第１内コイル部
１５ａ 巻部
１７ 第２外コイル部
１７ａ 巻部
１９ 第２内コイル部
１９ａ 巻部
２１ 隙間
２３ 第１挿通孔
２５ 第２挿通孔

Claims (2)

1. 内コイル部及び外コイル部からなり前記外コイル部の隣接巻部間の隙間に前記内コイル部の対応する巻部が嵌合する筒と、
   前記筒の両端にそれぞれ軸方向で当接した状態で取り付けられた端部部材と、を備え、
   前記端部部材は、前記内外コイル部の何れか一方に対して取り付けられた、
   屈曲構造体。
2. 請求項１の屈曲構造体であって、
   前記端部部材は、前記外コイル部に対して取り付けられた、
   屈曲構造体。
   

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