JPS598516B2 - 多節機能索状装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、索状の多節構造をして、その各節が柔軟で
且つ能動的に屈曲運動をするようにした多節機能索状装
置に関する。

多節機能索状装置は、生物界における蛇の体幹のように
、任意の姿勢形状を形成する装置であり、例えば原子炉
供用期間中検査、複雑な装置内部の検査、水車のフレー
ド検査等の各種検査用口ポットの腕として使用され、ま
た能動的な内視鏡としても応用できるものである。

このような多節型機能体は、その各節を充分に軽量とす
ると共に、高出力で且つ堅牢な駆動装置が要求されるも
のであり、充分に実用可能な装置は実現されていない。

しかし、この種の装置としては、例えば次のようなもの
が考えられる。

すなわち、第１図に示すように、複数の節Ｉｌａ、Ｉｌ
ｂ・・・を直列状に配・ 置すると共に、この各節Ｉｌ
ａ、Ｉｌｂ・・・相互間を、屈曲運動用のアクチエータ
１２ａ、１２ｂ・・・で順次結合するもので、このアク
チエータ１２ａ、１２ｂ・・・の屈曲方向を、例えば順
次９０度方向を異ならせ、索状体の立体運動を可能とす
るものでフ ある。しかしながら、このような装置では
、出力対重量の比率が低く、自重を支えるのが限界の状
態のアクチエータしか実現することができず、実質的に
、検査その他の作業を行なうロボットを構成することが
困難である。５ また、第２図に示すように複数の円盤
体１３ａ、１３ｂ・・・、それぞれの中心軸部に取り付
けた節１４ａ、１４ｂ・・・を順次ユニバーサルジョイ
ント１５ａ，１５ｂ・・・で結合し、立体的に運動可能
な索状体とする。

そして、複数の各円盤体１３ａ，１３ｂ・・・それぞれ
の相互間を軸対称的に配置したベローズのような複数の
空気圧シリンダ１６ａ，１６ｂ・・・で連結し、その各
空気圧シリンダ１６ａ，１６ｂ・・・に対してパイプ１
Ｔａ，１７ｂ・・・を配管し、シリンダ１６ａ，１６ｂ
・・・内の空気を吸排気制御し、ユニバーサルジョイン
ト１５ａ，１５ｂ・・・を支点に屈曲動作し得るように
するものである。したがつて、このようにすれば例えば
節駆動のための力学的干渉は無いが、複数の円盤体１３
ａ，１３ｂ・・・それぞれの相互間に、それぞれ複数の
小型空気圧シリンダ１６ａ，１６ｂ・・・を設置する必
要があり、設置機構上に大きな問題がある。また、多数
組必要となる空気圧シリンダ１６ａ，１６ｂ・・・それ
ぞれに対して、空気圧伝送用のパイプ１７ａ，１ｒｂ・
・・をそれぞれ配管する必要があるため、そのための容
積が大きくなり、多節化した索状体を小型化して構成す
ることが困難となる。この発明は上記のような点に鑑み
なされたもので、索状体状に多数配置される各節が効果
的に独立して屈曲制御することができ、且つ充分に単純
化して軽量堅牢にして、高い屈曲運動性を有するように
した多節機能索状装置を提供しようとするものである。

以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

この発明に係る索状装置２０は、第３図に示すように屈
曲自在に構成され、その先端部に検査その他の作業を行
なう作業器２１が取り付けられる。そして、この腕状と
なる索状装置２０の基端部は、制御駆動機構２２に取り
付けられ、この機構２２からの動作指令に基いて、索状
装置２０が任意屈曲運動するものである。第４図は上記
索状装置２０の一部を取り出し、断面して示したもので
、複数個のフランジ２３ａ，２３ｂ・・・を有する。

このフランジ２３ａ，２３ｂ・・・は、それぞれ中空部
を有するリング状に構成され、このフランジ２３ａ，２
３ｂ・・・のそれぞれ相互間は、上記中空部に同軸的に
なるようにしたコイルスプリング２４ａ，２４ｂ・・・
で順次結合するようにしてなる。この場合、この各コイ
ルスプリング２４ａ，２４ｂ・・・は、隣接するフラン
ジを押し開くように弾性作用するもので、同様に作用す
るベローズ等による弾性体によつて構成してもよい。そ
してこのコイルスプリング２４ａ，２４ｂ・・・部は、
索状装置２０の複数の節として屈曲動作可能に構成する
ものである。この索状装置の各節における屈曲運動機構
は、フランジ２３ａと２３ｂとの間の節で代表して示す
ように、先端方向に相当するフランジ２３ａに対して、
例えば３本のインナワイヤ２５ａ〜２５ｃを連結する。

この場合、このインナワイヤ２５ａ〜２５ｃのフランジ
２３ａに対する連結位置は、フランジ２３ａの外周に近
接する同心円上に、中心軸に対して等角度対称位置とな
る１２０度間隔で取り付け固定される。このインナワイ
ヤ２５ａ〜２５ｃは、それぞれ索状装置２０の基端方向
に、各フランジの中空部を介して導出される中空パイプ
状のアウタワイヤ２６ａ〜２６ｃ内に挿通されるもので
、このアウタワイヤ２６ａ〜２６ｅは、上記代表される
節の基端側のフランジ２３ｂの外周部に先端を同じく１
２０度間隔で取り付け固定する。そして、アウタワイヤ
２６ａ〜２６ｃの基端側から導出するインナワイヤ２５
ａ〜２５ｃの引き出し量Ｌを変化調節することにより、
フランジ２３ａと２３ｂとの間のインナワイヤ２５ａ〜
２５ｃの長さを変化させ、フランジ２３ａ，２３ｅ間で
構成する屈曲角度を可変設定し得るようにしてなる。こ
のような屈曲角度を調節するインナワイヤおよびアウタ
ワイヤに関連する機構は、図では省略しているが、各フ
ランジ２３ａ，２３ｂ・・・それぞれに対して設けられ
るもので、例えばフランジ２３ａ，２３ｂの数がｎ個で
構成される場合には、３ｎ本のアウタワイヤが索状装置
２０の基端部から取り出され、制御駆動機構２２内に導
かれる。

制御駆動機構２２内においては、上記３ｎ本のインナお
よびアウタワイヤそれぞれに対応して、インナワイヤ引
張機構が設けられる。

第５図はこの引張機構２７の１つを取り出して示したも
ので、インナワイヤ２５の先端には摺動体２８が一体に
取り付けられている。そして、この摺動体２８は、プロ
ツク体２９内で矢印３０で示すように、適宜歯車機構、
あるいは磁気的機構によつて摺動移動されるようにして
なる。ここで、アウタワイヤ２６の先端は、プロツク体
２９に固定連結し、第４図に示したＬを可変調節するよ
うにしてなる。そして、この各節に対応するワイヤを協
調的に駆動すれば、腕状の索状装置２０は任意の屈曲姿
勢を取ることができるようになる。この場合、駆動機構
２２の引張機構２７内で生ずる力は、アウタワイヤ２６
とインナワイヤ２５の間の相対力として作用するもので
、ワイヤ部先端の駆動すべき節に至るまでには、たとえ
大きな力が伝播している場合でも、アウタワイヤ２６は
柔軟であり、これらワイヤが通過する基端部側の節の運
動を防げることはない。

尚、ワイヤによる各節に対する力学的な非干渉性をさら
に与えるためには、各ワイヤに対する引張機構２７自体
を、レール３１にプーリ３２を介して設置し、アウタワ
イャ２６の動きに対しては、引張機構２７が自由に追従
運動できるようにすると効果的である。

次に、このインナワイヤ２６、アウタワイヤ２７を囲い
る機構の駆動原理を説明する。

今、第１節が任意の屈曲方向τｉに屈曲角θｉだけ屈曲
させるためには、第１節のｊ番目（ｊ＝１〜３）のイン
ナワイヤの長さＴｉｊは、． ．． ２．．．
ρ１ ｔｉｊ＝ＴｉＯ−γＩｓｉｎ（了πｊ＋τｉ）Ｓｉｎｉ
とすればよい。

ただし、この時第１節の中心軸の長さはＴｉＯに保つこ
ととしている。

またγｉはワイヤＴｉｊから対応するフランジの中心ま
での距離を示す。第６図は引張機構２７の他の構成例を
示すもので、スプール３３によつてインナワイャ２５引
張するように構成する。３４はアウタワイヤ２６の基端
部を連結固定するプロツクである。

そして、スプール３３は例えばパルスモータ等で回転角
度量を微調設定して回転させるようにすればよい。この
ような駆動機構２２では、各節のコイルスプリング２４
ａ，２４ｂ・・・それぞれの伸張力に抗して、３本のイ
ンナワイヤ２５ａ〜２５ｃを常時引き付ける状態が生ず
る。したがつて、引張機構２７部では、常時このコイル
スプリングによる張力のもとに、インナワイャ２５ａ〜
２５ｃを索引するようにしなければならなぃ。このため
、節部におけるコイルスプリングを広げる方向の変化は
容易に行なえるが、逆に節部を圧縮し屈曲させようとす
るためには、大きな引張駆動力を必要とする。したがつ
て、この定常的に作用する張力を打消すための補償スプ
リングを引張機構２７に付加つすることが必要となる。

もちろん、コイルスプリングの伸張力に対して充分の強
度の引張機構２７を用いれば、この補償スプリングは必
要なく、このようにすればより単純化した構成とするこ
とが可能となる。しかし、小型化した機構によつて、索
状腕部を１駆動しようとし、且つ多数の節を設定し、多
数の引張機構を必要とする場合には、補償スプリング機
構の設置が有効である。この補償スプリングについて論
すると次のようになる。すなわち、コイルスプリングに
抗するインナワイヤの変位ｘと、ワイヤに生ずる張力Ｆ
との関係は第７図に示すようになる。つまり、フツクの
法則にしたがい、張力Ｆは変位ｘと共に一次関数的に増
大する。ここで、インナワイヤの長さをＸ１からＸ２の
間に変位させ、通常はＸ。の長さに保つものとする。こ
の時、コイルスプリングに抗する補償スプリングを入れ
るとすると、この補償スプリングの特性は、第８図にＡ
で示すように、少なくともＸ１からＸ２の区間で負性ば
ね的な特性をもつた力Ｆｃを生ずるとすれば、引張機構
２７が．生ずべき力は「Ｆ−Ｆｃ」であるから、変位Ｘ
１からＸ２の区間においては、生ずべき力は理論的に零
でよいことになる。もちろん、この時にはインナワイヤ
とアウタワイヤとの間等の摩擦に抗する力は必要である
が、それでもこの補償スプリングの導入によつて、大幅
に引張機構２７で生ずべき出力の低減化が計れることに
なる。このような負性特性を有するスプリング機構は、
例えば第５図で示したような直線駆動の場合には、例え
ば第９図のような２つのリンク３５ａ，３５ｂの先端部
にそれぞれ回転キヤスタ３６ａ〜３６ｄを設け、スプリ
ング３７によつて矢印で示す方向に力を作用させるよう
にした機構を用いるようにするとよい。

また、第６図で示したようにスプールを用いてインナワ
イヤ２５を引張制御する場合には、このスプール３３の
回転駆動モーメントを打消すように補償スプリングを用
いるようにすればよい。

第１０図はこれを単純化した場合の構成例を示すもので
、インナワイヤ２５を回転軸３８の偏心した円形プーリ
３９に巻き付け、ワイヤの端部に単純な直線的な補償ス
プリング４０を連結するものである。プーリ３９は図で
は省略してあるが、回転軸３８１１Ｃ同軸に設けた歯車
を、パルスモータ等で回転されるスクリユ一で回転させ
るようにする。すなわち、偏心した回転軸３８に生ずべ
き駆動トルクを、節部による張力に抗してバランスさせ
、軽減するものである。

第１１図は上記のような機構にした場合の゛コイルスプ
リングによる特性Ａと、補償スプリングによる特性Ｂと
から、補償後の発生トルクＣの関係を示す。

このようにすれば、機構的にも非常に単純であり、実測
データ上でも補償なしの場合の約５倍程度の出力の増大
が確認された。また、第１２図に示すように半径が回転
と共に減少するようなスプール４１を用い、このスプー
ル４１の回転軸４２部に補償スプリング４３を取り付け
るようにしてもよい。

このようにすＴｌｌｌ汽節部のコイルスプリングに抗す
るためのスプール４１の回転モーメントは、「張力×ス
プール半径」であるため、略一定のものとなる。スプー
ル４１の回転角に対する半径の減少率を大きくすれば、
スプール４１の回転と共に回転モーメントが減少する傾
向が可能となる。したがつて、補償スプリング４３を図
のように渦巻きばねで略一定の回転力を発生するように
構成すれば、回転軸４２部で生ずる１駆動トルクは略零
に補償することが可能となる。以上のようにこの発明に
よれば、コイルスプリング、ベローズ等からなる弾性体
とフランジとによつて索状の腕部を構成し、インナワイ
ヤとアウタワイヤとの組み合わせからなる各節部の屈曲
状態を可変駆動するものであり、効果的な操作性の非常
に良好であり且つ小型化する多節機能制御できる索状装
置が得られる。

もちろん、この索状腕部の先端の作業器２１も、上記同
様のワイヤ機構によつて遠隔的に操作制御できる。実際
に実施テストした機構は、８節で構成した ・もので、
コイルスプリングの外径は６８ｍｎ１基本全長は８００
ｒｍであり、１つの節の最大屈曲角は６０度である。

この場合、リング状のフランジの中央部には、直径４０
ｍ程の中空部があり、先端作業部駆動用のワイヤ、ある
いはエンドスコープ４等を導くことも容易である。そし
て、ワイヤを全体的に充分牽引し、コイルスプリング部
を堅くした状態で駆動することによつて、片持梁的に空
中に浮かした動作が可能であつる。

またワイヤをゆるめた状態においては、自重を横たえな
がら、且つ屈曲部で体間を屈曲させるような特性を発揮
することができ、これにより狭隘な間げきに能動的且つ
受動的になれて変化する動作が実現することができる。
この場合、各引張機構は２．５Ｗ、出力のＤＣモータ、
各節の制御にはマイクロコンピユータを用いた。

また、各節の弾性体であるコイルスプリングも、荷重の
軽減する先端方向に近ずくにしたがつて、その弾性を小
さく設定すると効果的である。そして、このように構成
される装置は、充分小型化が可能であるため、例えば胃
カメラや大腸鏡を内蔵器の形状に応じて能動的に変形し
、体内深く挿入するようにして使用可能となる。この際
、各節の自由度はワイヤによつて完全に拘束されておら
ず、通常は一応の姿勢を保つとしても節を構成する弾性
体の強度に応じて外部の荷重に反応し変形する受動的柔
軟さを有している。これは例えば体腔内に進入して行く
内視鏡等の用途の場合には、この適度の自動的変形特性
が有効に適応性を高め、それ自身の有する能動的な屈曲
特性と相助け合うことになる。そして、生体内に対し整
合性よく進入する効果的な特性が発揮できる。この受動
的柔軟性は、ワイヤの張力を増やし、節を構成する弾性
体を圧縮した状態で使用する場合には、かなり減少でき
る。

そして、この場合にも補償用スプリングの作用により、
駆動パワーは充分少なくてすむ。そして、当然のことな
がら、前述したような各種検査用、作業用等のロボツト
装置として、効果的に機能を発揮することができる。

尚実施例では、弾性体による各節を連続させるフランジ
をリング状に構成し、ワイヤ等はその中空部を通して制
御駆動機構に導くようにした。

しかし、フランジの外周部に対して、各ワイヤにそれぞ
れ対応してガイド孔を形成し、インナおよびアウタワイ
ヤを駆動機構に導くようにすれば、中空部はより有効に
使用し、各種検査、作業用の情報伝達系等を効果的に収
納することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれこれまで考えられた索状
装置を説明する図、第３図はこの発明の一実施例に係る
索状装置を概略的に示す図、第４図は上記装置の一部を
拡大し断面して示した図、第５図および第６図はそれぞ
れ上記装置におけるワイヤ引張機構の例を示す図、第７
図および第８図はそれぞれ上記引張機構にお仔る補償ス
プリング特性を説明する図、第９図は上記補償スプリン
グの構成例を説明する図、第１０図は上記引張機構の他
の例を示す構成図、第１１図は補償スプリングに対する
補償特性を説明する図、第１２図は引張機構のさらに他
の例を説明する図である。 ２０・・・・・・索状装置、２１・・・・・・作業器、
２２・・・・・・制御駆動機構、２３ａ，２３ｂ・・・
・・・フランジ、２４ａ，２４ｂ・・・・・・コイルス
プリング、２５，２５ａ〜２５ｃメ・・・・・・インナ
ワイヤ、２６，２６ａ〜２６ｃ・・・・・・アウタワイ
ヤ、２７・・・・・・引張機構、３３，３９，４１・・
・・・・スプール、３７，４０，４２・・・・・・補償
スプリング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 順次弾性状体を介して連結され索状体を形成する複
   数のフランジと、この複数のフランジそれぞれの軸対称
   的な少なくとも３点に結合された多数のインナワイヤと
   、上記複数の各フランジそれぞれに結合されたインナワ
   イヤそれぞれをガイドしそれぞれ基端側の隣接フランジ
   に結合されたアウタワイヤとを具備し、このアウタワイ
   ヤそれぞれは索状体基端部に導出し、選択的にインナワ
   イヤを引張制御するようにしたことを特徴とする多節機
   能索状装置。 ２ 上記フランジはそれぞれリング状に構成し、その中
   央孔部を介してアウタワイヤを索状体基端部に導くよう
   にした特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 上記フランジはそれぞれリング状に構成すると共に
   、そのリング部に上記アウタワイヤそれぞれを挿通する
   透孔を形成してその透孔をそれぞれ介してアウタワイヤ
   をそれぞれ基端部に導くようにした特許請求の範囲第１
   項記載の装置。 ４ 上記複数のフランジそれぞれの相互間を結合する弾
   性状体は、それぞれ両端を隣接フランジに結合するコイ
   ルスプリングでなる特許請求の範囲第１項記載の装置。 ５ 上記複数のフランジ相互間を結合する弾性状体は、
   ベローズで構成した特許請求の範囲第１項記載の装置。