CN113677487A - 可挠构件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可挠构件，可实现小型化且使耐负荷及屈曲性优异。可挠构件1具有下述结构，即包括：本体部19，具有沿轴向层叠且相互间经接合的多个波形垫圈23，能够通过波形垫圈23的弹性变形而相对于轴向屈曲；以及结合构件21a、21b，能够弹性变形，设于所述本体部19的端部，且结合于基部15及可动部17，其中，在本体部19的屈曲时，结合构件21a的变形量小于波形垫圈23的变形量。
Description
技术领域
本发明涉及一种可挠构件，用于机器人(robot)等的关节功能部。
背景技术
在各种领域的机器人、机械手(manipulator)或致动器(actuator)等中，具有通过使用可挠构件从而可进行屈曲动作的关节功能部。作为用于此种关节功能部的可挠构件，在日本专利特开2014-38075号公报中公开了线圈弹簧(coil spring)。
线圈弹簧可对关节功能部的屈曲动作确保高自由度。但是，线圈弹簧由于需要确保耐负荷及屈曲性，因而在小型化方面存在极限。
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明所要解决的问题点在于，在实现小型化且确保耐负荷及屈曲性的方面存在极限。
[解决问题的技术手段]
本发明提供一种可挠构件，可实现小型化且具有优异的耐负荷及屈曲性。所述可挠构件包括：本体部，具有沿轴向层叠且相互间经接合的多个波形垫圈，能够通过所述波形垫圈的弹性变形而相对于所述轴向屈曲；以及结合构件，能够弹性变形，设于所述本体部的端部，且结合于其他构件，其中，在所述本体部的屈曲时，所述结合构件的变形量小于所述波形垫圈的变形量。
[发明的效果]
本发明可通过多个波形垫圈的变形而使可挠构件的本体部屈曲，因而可获得一种实现小型化且耐负荷及屈曲性优异的可挠构件。
而且，本发明中，在本体部的屈曲时结合构件变形，由此可缓和作用于本体部的端部的波形垫圈的应力。其结果为，本发明可提高可挠构件的耐久性。
附图说明
图1为表示使用本发明的实施例1的可挠构件的机械手的立体图。
图2为表示图1的机械手的正面图。
图3为图1的机械手的截面图。
图4为省略图1的机械手的一部分，而主要表示关节功能部的立体图。
图5为主要表示图4的关节功能部的侧面图。
图6为图5的VI部的放大图。
图7的(A)及(B)为表示图4的VII-VII线的、关节功能部的可挠构件的截面图，图7的(A)表示平常时，图7的(B)表示屈曲时。
图8的(A)为表示可挠构件的本体部所用的波形垫圈的平面图，图8的(B)为表示可挠构件的结合部所用的平垫圈的平面图。
图9为将使用本发明的实施例2的可挠构件的机械手的一部分省略，而主要表示关节功能部的侧面图。
图10为将使用本发明的实施例3的可挠构件的机械手的一部分省略，而主要表示关节功能部的侧面图。
图11为将使用本发明的实施例4的可挠构件的机械手的一部分省略，而主要表示关节功能部的侧面图。
图12的(A)为表示本发明的实施例5的可挠构件的本体部所用的波形垫圈的平面图，图12的(B)为表示可挠构件的结合部所用的平垫圈的平面图。
图13的(A)为表示实施例5的变形例的可挠构件的本体部所用的波形垫圈的平面图，图13的(B)为表示可挠构件的结合部所用的平垫圈的平面图。
具体实施方式
本发明提高了耐久性，并且实现了下述目的，即：获得一种可实现小型化且具有优异的耐负荷及屈曲性的可挠构件。
即，可挠构件成为下述结构，即包括：本体部，具有沿轴向层叠且相互间经接合的多个波形垫圈，能够通过波形垫圈的弹性变形而相对于轴向屈曲；以及结合构件，能够弹性变形，设于所述本体部的端部，且结合于其他构件，其中，在本体部的屈曲时，结合构件的变形量小于波形垫圈的变形量。
结合构件可采用各种弹性构件，也可设为弹簧常数较本体部的波形垫圈更大的、环状的板材。
此时，结合构件也可为下述结构，即：包含沿轴向层叠且相互经接合的多个平垫圈。
多个波形垫圈也可分别在圆周方向包括多个山部及分别设于这些山部间的谷部，邻接的波形垫圈的山部与谷部以抵接的状态经接合，多个平垫圈在与波形垫圈的接合部分对应的位置，邻接间相互接合。
实施例1
[机械手的结构]
图1为表示使用本发明的实施例1的可挠构件的机械手的立体图，图2为其正面图，图3为其截面图。
本实施例中，作为具有使用可挠构件1的关节功能部3的机器人、机械手或致动器的一例，对医疗用的机械手5进行说明。
机械手5构成手术机器人的机械臂(robot arm)前端，由医生等操作。此外，机械手5也可为不安装于手术机器人而由医生等直接操作的手动机械手。而且，可应用可挠构件1的机器人、机械手或致动器，不限于机械手5，也可为工业机器人等其他领域。
机械手5包括主轴部7、关节功能部3、及末端执行器(end effector)9。
主轴部7形成为中空筒状，例如，形成为圆筒状。在主轴部7内，穿插用于驱动关节功能部3的驱动线11或用于驱动末端执行器9的推拉线缆(push-pull cable)13。在主轴部7的前端，经由关节功能部3设有末端执行器9。
关节功能部3根据驱动线11的操作，相对于轴向进行屈曲动作。所谓轴向，是指沿着后述的可挠构件1的轴心的方向。但是，轴向无需为相对于轴心而严格地平行的方向。因此，轴向也包含相对于轴心而稍倾斜的方向。关节功能部3的详情，将在下文描述。
末端执行器9为安装于关节功能部3的可动部17，进行与目标相应的动作的机器。本实施例的末端执行器9为钳子，包括一对握持部9a、9b。所述末端执行器9可根据关节功能部3的屈曲动作而指向所需的方向。而且，一对握持部9a、9b可根据推拉线缆13的操作而开闭。
此外，末端执行器9不限于钳子，例如，也可设为剪刀、握持牵引器(retractor)、持针器(needle driver)、摄像机(camera)等。
[关节功能部的结构]
图4为省略图1的机械手5的一部分而主要表示关节功能部3的立体图，图5为其侧面图，图6为图5的VI部的放大图，图7的(A)及(B)为表示图4的VII-VII线的、关节功能部3的可挠构件1的截面图，图7的(A)表示平常时，图7的(B)表示屈曲时。图8的(A)为表示可挠构件的本体部所用的波形垫圈的平面图，图8的(B)为表示可挠构件的结合部所用的平垫圈的平面图。
如图1～图8的(B)那样，关节功能部3包括：基部15、可动部17及可挠构件1。
基部15由金属等形成为圆柱状，安装于主轴部7的前端。在基部15的轴心部，推拉线缆13沿轴向穿插。在推拉线缆13的周围，在基部15中驱动线11沿轴向穿插。
可动部17由金属等形成为圆柱状，安装于末端执行器9。在可动部17的轴心部，穿插推拉线缆13。推拉线缆13的前端结合于末端执行器9。
所述可动部17经由可挠构件1支撑于基部15。在可动部17，固定有驱动线11的前端部。因此，可动部17可通过驱动线11的操作而相对于基部15移位，使末端执行器9指向所需的方向。
可挠构件1使关节功能部3可进行屈曲动作。可挠构件1设于基部15与可动部17之间。可挠构件1根据可动部17相对于基部15的移位而屈曲。在可挠构件1中，驱动线11及推拉线缆13沿轴向穿过。
所述可挠构件1包含：本体部19及结合构件21a、21b。
本体部19具有多个波形垫圈23。波形垫圈23沿轴向层叠，并且将在轴向邻接的波形垫圈23的相互间接合。本体部19可通过波形垫圈23的弹性变形而屈曲。
各波形垫圈23为由金属等形成为闭环状的板材。本实施例的波形垫圈23为包含不锈钢的圆环状的板材。波形垫圈23的内外周间的径向的宽度及板厚在圆周方向成为一定。但是，波形垫圈23的宽度及板厚也可在圆周方向并非一定。
各波形垫圈23在圆周方向具有多个山部23a及谷部23b。谷部23b分别设于在圆周方向邻接的山部23a之间。本实施例的波形垫圈23具有在径向相向的两个山部23a，并且，在山部23a间分别具有在径向相向的两个谷部23b。因此，本实施例中，在圆周方向每隔90度交替设有山部23a和谷部23b。
山部23a及谷部23b在径向从波形垫圈23的内周横跨至外周。这些山部23a及谷部23b在轴向弯曲地形成为反向的圆弧状。在轴向邻接的波形垫圈23中，其中一个波形垫圈23的山部23a抵接于另一个波形垫圈的谷部23b。通过这些山部23a及谷部23b的伸缩，各波形垫圈23可通过轴向的弹性伸缩而变形。
相互抵接的山部23a及谷部23b可通过焊接或粘接等适当的方法而接合。由此，保持可挠构件1的本体部19的层叠状态。
此外，山部23a及谷部23b也可不相互抵接。例如，山部23a及谷部23b也可设为下述形态，即：相互稍在圆周方向偏离，抵接于倾斜部23c。
各波形垫圈23中，山部23a与谷部23b之间通过倾斜部23c而连续。倾斜部23c在圆周方向倾斜，且具有在内周与外周之间稍扭转的形状。
在倾斜部23c设有穿插孔23d，作为使驱动线11穿过的穿过部。其结果为，穿插孔23d在本体部19的圆周方向设有多个。本实施例中，四条驱动线11分别在圆周方向每隔90度而设置，因而与此相应地，在各波形垫圈23中四个穿插孔23d分别在圆周方向每隔90度而设置。
在轴向邻接的波形垫圈23的倾斜部23c间，穿插孔23d在轴向连通。通过这些连通的穿插孔23d而穿插驱动线11。通过所述穿插，可挠构件1作为将驱动线11在穿过部中沿轴向穿过并且保持于规定位置的导件(guide)而发挥功能。
穿插孔23d的形状为大致圆形，具有较驱动线11的直径更大的直径。所述直径之差允许倾斜部23c的倾斜及移位。此外，穿插孔23d的形状不限于圆形，也可设为矩形等其他形状。
波形垫圈23的形状或材质等，可根据可挠构件1所要求的特性等适当变更。山部23a及谷部23b的数量或曲率半径、倾斜部23c的倾斜角度等也可根据可挠构件1所要求的特性等适当变更。
所述本体部19的两端部，分别经由结合构件21a、21b而接合于基部15及可动部17。
即，结合构件21a、21b设于本体部19的两端部。结合构件21a、21b为可弹性变形的构件，结合于作为其他构件的基部15及可动部17。此外，结合构件21a、21b分别设于本体部19的两端部。但是，也可仅设置本体部19的一端部的结合构件21a或另一端部的结合构件21b。
本实施例的结合构件21a、21b呈相同结构。因此，基本上仅对其中一个结合构件21a进行说明。因此，图7中仅图示结合构件21a。
结合构件21a包含：变形量较本体部19的波形垫圈23的变形量更小(弹簧常数更大)的、环状的多个板材。本实施例的结合构件21a包含一对平垫圈25a、25b。平垫圈25a、25b沿轴向相互层叠且相互经接合。此外，结合构件21a也可由三个以上的平垫圈或其他弹性构件形成。而且，也可代替环状的板材，而将多个构件配置成环状，制成结合构件21a。
各平垫圈25a、25b由与波形垫圈23相同的材料，形成为具有相同的内外周直径及板厚且平坦。因此，在本体部19屈曲时，平垫圈25a、25b以两者间打开的方式与波形垫圈23一起变形。但是，此时的波形垫圈25a、25b的变形量小于波形垫圈23的变形量。即，成为以下的结构：在本体部19的屈曲时，结合构件21a的变形量小于波形垫圈23的变形量。此外，平垫圈25a、25b也可使用与波形垫圈23不同的材料来形成。
在平垫圈25a、25b中，与波形垫圈23的穿插孔23d对应地设有穿插孔25aa、25ba。穿插孔25aa、25ba的形状为与波形垫圈23的穿插孔23d同样地构成，且直径大于驱动线11的直径的大致圆形。
这些穿插孔25aa、25ba与波形垫圈23的穿插孔23d在轴向连通，供驱动线11穿插。因此，穿插孔23aa、23ba与穿插孔23d一起作为穿过部发挥功能。
本实施例的平垫圈25a、25b在与本体部19的波形垫圈23的接合部分对应的位置，相互接合。因此，结合构件21a可与本体部19同样地顺利变形。
具体而言，其中一个平垫圈25a在轴向抵接并且通过焊接等而接合于本体部19的一端部(另一个结合构件21b中为另一端部)的波形垫圈23的谷部23b。
其中一个平垫圈25a与另一个平垫圈25b之间，在与一端部的波形垫圈23的山部23a对应的、圆周方向的位置，相互通过焊接等而接合。
另一个平垫圈25b抵接于关节功能部3的基部15(另一个结合构件21b中为可动部17)，在与一端部的波形垫圈23的谷部23b对应的、圆周方向的位置，通过焊接等而接合。
[关节功能部的屈曲动作]
关节功能部3中，当医生操作机械手5时，通过牵拉任一个驱动线11从而可挠构件1屈曲。所述关节功能部3可通过将若干驱动线11组合牵拉，从而360度全方位地屈曲。
在牵拉至少任一个驱动线11而屈曲时，可挠构件1如图7的(B)那样，在相对于中立轴的屈曲内侧部分，山部23a及谷部23b被压缩，并且在相对于中立轴的屈曲外侧部分，使山部23a及谷部23b伸张。
通过这样变形，从而穿插着***作的驱动线11的倾斜部23c相互间接近，可挠构件1总体屈曲。由此，本实施例实现屈曲角度与负荷的负荷特性的线形性高的屈曲动作。
此时，本实施例中，可挠构件1的两端部的结合构件21a、21b，以平垫圈25a、25b在可挠构件1的本体部19与基部15及可动部17之间打开的方式变形。
因此，与位于可挠构件1的本体部19的两端部的波形垫圈23直接接合于基部15及可动部17的情况相比较，变形量减小。因此，结合构件21a、21b可缓和作用于可挠构件1的本体部19的两端部的波形垫圈23的应力，可提高可挠构件1的耐久性。
而且，结合构件21a、21b的变形量小于本体部19的变形量，因而，结合构件21a、21b将本体部19的两端部可靠地支撑于基部15及可动部17。因此，结合构件21a、21b使本体部19进行可靠的屈曲，并且抑制本体部19的反复屈曲所致的疲劳破坏。
[实施例1的效果]
如以上所说明，本实施例的可挠构件1具有下述结构，即包括：本体部19，具有沿轴向层叠且相互间经接合的多个波形垫圈23，能够通过波形垫圈23的弹性变形而相对于轴向屈曲；以及结合构件21a、21b，能够弹性变形，设于所述本体部19的端部，且结合于作为其他构件的基部15及可动部17，其中，在本体部19的屈曲时，结合构件21a的变形量小于波形垫圈23的变形量。
因此，本实施例中，可提高屈曲角度与负荷的负荷特性的线形性，可获得实现小型化且耐负荷及屈曲性优异的可挠构件1。
而且，本实施例中，在本体部19的屈曲时，结合构件21a、21b在可挠构件1的本体部19与基部15及可动部17之间变形，由此可缓和作用于可挠构件1的本体部19的两端部的波形垫圈23的应力。其结果为，本实施例中，可提高可挠构件1的耐久性。
而且，结合构件21a、21b由于变形量小于本体部19的变形量，因而，可将本体部19的两端部可靠地支撑于基部15及可动部17。因此，本实施例中，能可靠地进行本体部19的屈曲，并且可抑制本体部19的反复屈曲所致的疲劳破坏。
结合构件21a、21b为弹簧常数较本体部19的波形垫圈23更大的、环状的板材，因而，能可靠地使变形量较本体部19更小。
结合构件21a、21b包含：沿轴向层叠且相互经接合的多个平垫圈25a、25b，因而，可容易地实现较本体部19更小的变形量。
多个波形垫圈23分别在圆周方向包括多个山部23a及这些山部23a间的谷部23b。邻接的波形垫圈23的山部23a与谷部23b以抵接的状态接合。另一方面，多个平垫圈25a、25b在与波形垫圈23的接合部分对应的位置，邻接间相互接合。
因此，结合构件21a可与本体部19同样地，与本体部19一起顺利变形。
而且，本实施例中，可通过本体部19的山部23a及谷部23b的伸缩，来可靠地进行屈曲动作。
进而，本实施例中，通过将抵接的山部23a及谷部23b间接合，从而可获得扭转刚性优异的可挠构件1。
而且，本实施例中，多个波形垫圈23具有供穿插驱动线11的穿插孔23d，因而，可将本体部19用作驱动线11的导件，可将驱动线11保持于适当的位置，进行更稳定且准确的屈曲动作。
实施例2
图9为将使用本发明的实施例2的可挠构件的机械手的一部分省略，而主要表示关节功能部的侧面图。此外，实施例2中，以相同符号表示与实施例1对应的结构，省略重复的说明。
本实施例中，分别利用弹性体等树脂制的一片平垫圈，来构成关节功能部3的可挠构件1的结合构件21a、21b。所述结合构件21a、21b通过设定材质及截面形状等，而将变形量设定得较本体部19更小。其他结构与实施例1的结构相同。
此外，结合构件21a、21b也可代替弹性体等树脂制的平垫圈，而设为弹性粘接剂层。
所述实施例2中，也可发挥与实施例1同样的作用效果。
实施例3
图10为将使用本发明的实施例3的可挠构件的机械手的一部分省略，而主要表示关节功能部的侧面图。此外，实施例3中，以相同符号表示与实施例1对应的结构，省略重复的说明。
本实施例中，利用波形垫圈27a、27b，来构成关节功能部3的可挠构件1的结合构件21a、21b。关于这些波形垫圈27a、27b，将板厚形成得较本体部19的波形垫圈23更厚而抑制变形量。其他结构与实施例1的结构相同。
此外，结合构件21a、21b也可设为下述波形垫圈，即：使板厚与本体部19的波形垫圈23相同，且包含弹性系数更大的材质或波形量更小。
所述实施例3中，也可发挥与实施例1同样的作用效果。
实施例4
图11为将使用本发明的实施例4的可挠构件的机械手的一部分省略，而主要表示关节功能部的侧面图。此外，实施例4中，以相同符号表示与实施例1对应的结构，省略重复的说明。
本实施例中，在关节功能部3的可挠构件1的轴心部，配置有弹性构件29。其他结构与实施例1的结构相同。
弹性构件29为金属制的线圈弹簧，特别是密接线圈弹簧。此外，密接线圈弹簧是指：线圈相互间在自由状态下密接的线圈弹簧。作为弹性构件29，也可使用自由状态下在线圈相互间具有间隙的非密接线圈弹簧。
关于本实施例的弹性构件29，线圈弹簧的原线的截面呈圆形。但是，线圈弹簧的原线的截面，也可如矩形或椭圆等那样设为其他形状。
弹性构件29也可在内周侧穿插推拉线缆13，且外周相对于可挠构件1的内周具有间隙地配置。
在轴向，弹性构件29至少跨可挠构件1的全域延伸，且针对压缩的刚性设定得高于可挠构件1。由此，弹性构件29可抑制可挠构件1在轴向被不慎地压缩。
而且，弹性构件29可根据可挠构件1而屈曲，且具有根据屈曲方向的负荷特性而调整可挠构件1的负荷特性的功能。
所述实施例4中，也可发挥与实施例1同样的作用效果。
实施例5
图12的(A)为表示本发明的实施例5的可挠构件的本体部所用的波形垫圈的平面图，图12的(B)为表示其结合部所用的平垫圈的平面图。此外，实施例5中，以相同符号表示与实施例1对应的结构，省略重复的说明。
本实施例中，相对于实施例1，变更可挠构件1的本体部19的波形垫圈23的平面形状及结合构件21a的平垫圈25a、25b的平面形状。其他结构与实施例1的结构为相同形状。
本体部19的各波形垫圈23将外周设为正八边形形状。山部23a及谷部23b分别从正八边形的对应的边的中间部设置至内周。波形垫圈23的内周的形状与实施例1同样地为圆形形状。
结合构件21a、21b与波形垫圈23同样地，将外周设为正八边形形状，将内周设为圆形形状。
图13的(A)及(B)为变形例，图13的(A)为表示波形垫圈23的平面图，图13的(B)为表示平垫圈25a(25b)的平面图。
图13的变形例中，本体部19的各波形垫圈23的外周成为正八边形形状，但山部23a及谷部23b分别从正八边形的角部设置至内周。其他结构与图12的(A)及(B)的实施例5的结构相同。
本实施例及变形例中，也可发挥与实施例1同样的作用效果。此外，本实施例及变形例中，相对于实施例1而变更了波形垫圈23的外周的形状，但也可相对于实施例1而变更内周的形状。
Claims (4)
1.一种可挠构件，其特征在于，包括：
本体部，具有沿轴向层叠且相互间经接合的多个波形垫圈，能够通过所述波形垫圈的弹性变形而相对于所述轴向屈曲；以及
结合构件，能够弹性变形，设于所述本体部的端部，且结合于其他构件，
其中，在所述本体部的屈曲时，所述结合构件的变形量小于所述波形垫圈的变形量。
2.根据权利要求1所述的可挠构件，其特征在于，
所述结合构件为变形量小于所述本体部的所述波形垫圈的变形量的、环状的板材。
3.根据权利要求1或2所述的可挠构件，其特征在于，
所述结合构件包含：沿所述轴向层叠且相互经接合的多个平垫圈。
4.根据权利要求3所述的可挠构件，其特征在于，
所述多个波形垫圈分别在圆周方向包括多个山部及分别设于所述山部间的谷部，邻接的波形垫圈的山部与谷部以抵接的状态接合，
所述多个平垫圈在与所述波形垫圈的接合部分对应的位置，相互接合。
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