JP2013119151A - 指関節構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ小型の指関節構造を提供すること。
【解決手段】本発明の指関節構造は、遠位端を有する指部、該指部に延設された掌部、および該掌部の近位端に設けられた基部を備え、該指部が、異形断面を有する複数の筒体が端面で連接してなる中空体と該中空体を貫通する少なくとも１本のワイヤとから構成され、該筒体の少なくとも１つが、軸方向に対して垂直でない端面を有し、該ワイヤが、該中空体の内径の短径の８０％以上である長径の異形断面を有し、該中空体の遠位端と該ワイヤの遠位端とが接合されており、該中空体の近位端が該掌部の遠位端に固定され、該ワイヤの少なくとも１本がさらに該掌部を貫通して該基部に到達し、そして該基部において、該ワイヤの近位端を基部側に牽引することによって、該指部が屈曲形状を発現し得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、指関節構造に関する。

ロボットなどの指関節構造は、複数の指部材と各部材同士を回動可能に接続するヒンジ部（関節）とを備えている。

これら複数の関節を回動させる方法として、例えば、各関節にワイヤを巻きつけ、ワイヤを介して駆動手段の動力を各関節に伝達し、関節を回動させる方法（特許文献１）、各関節に直接駆動手段を設け、直接関節を回動させる方法（特許文献２）、１つの駆動手段により３つの関節を駆動させることが可能な指関節構造（特許文献３）が提案されている。

特開２００１−２７７１７５号公報 特開２００２−１１３６８１号公報 国際公開第２００８／０２６５７４号

特許文献１の方法では、関節ごとに駆動手段とワイヤが必要になり、ワイヤは牽引することで関節を回動するため、関節の屈曲動作、伸長動作を行うワイヤがそれぞれ必要になるという問題がある。また、特許文献２の方法では、関節ごとに駆動手段を設ける必要があり、関節構造が大型化するという問題がある。さらに、特許文献３の方法では、１つの駆動手段により３つの関節を駆動させるために、複雑な構造が必要になるという問題がある。

このように、従来の指関節構造においては、複雑な構造、大型の構造が必要であり、構造の簡易化、小型化が困難であった。

本発明は、簡易かつ小型の指関節構造を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討を重ねた結果、遠位端側から近位端側に、指部、掌部、および基部の順で構成される指関節構造において、指部を複数の筒体が端面で連接してなる中空体と、中空体を貫通する少なくとも１本のワイヤとから構成し、中空体の遠位端とワイヤの遠位端とが接合され、中空体の近位端が掌部の遠位端に固定され、ワイヤの少なくとも１本がさらに掌部を貫通して基部に到達することによって、基部において、ワイヤの近位端を基部側に牽引することによって、指部が剛性のある屈曲形状を発現し得ることを見出し、本発明を完成させた。

本発明は、遠位端を有する指部、該指部に延設された掌部、および該掌部の近位端に設けられた基部を備える指関節構造を提供し、該関節構造において、該指部は、異形断面を有する複数の筒体が端面で連接してなる中空体と該中空体を貫通する少なくとも１本のワイヤとから構成され、該筒体の少なくとも１つは、軸方向に対して垂直でない端面を有し、該ワイヤの少なくとも１本は、該中空体の内径の短径の８０％以上である長径の異形断面を有し、該中空体の遠位端と該ワイヤの遠位端とが接合され、該中空体の近位端は該掌部の遠位端に固定され、該ワイヤの少なくとも１本はさらに該掌部を貫通して該基部に到達し、そして該基部において、該ワイヤの近位端を基部側に牽引することによって、該指部が屈曲形状を発現し得る。

１つの実施態様では、２本以上のワイヤが上記中空体を貫通する。

１つの実施態様では、上記筒体の異形断面の形状は、楕円状、レーストラック形状、長方形状、正方形状、三角形状または五角形状である。

１つの実施態様では、上記ワイヤの異形断面の形状は、楕円状、レーストラック形状、長方形状または台形状である。

１つの実施態様では、上記筒体の材質は、ステンレス、チタン、チタン合金、形状記憶合金、超弾性合金またはこれらの複合体から選択される。

１つの実施態様では、上記ワイヤの材質は、ステンレス、チタン、チタン合金、形状記憶合金、超弾性合金またはこれらの複合体から選択される。

１つの実施態様では、上記指部は、樹脂製カバーで被覆されている。

本発明によれば、簡易かつ小型の指関節構造を提供することができる。本発明の指関節構造は、基部の操作により屈曲形状を速やかに発現する。指部を構成する中空体の隣接する筒体の端面の角度を適宜設定することによって、任意の屈曲形状を発現できる。複数の指関節構造を組み合わせることによって、発現した屈曲形状により自在に物を把持することができる。駆動力の伝達にワイヤの弾性を積極的に介在させることによって、把持対象物に対する衝撃を緩和することができる。

本発明の指関節構造の側面形状の一実施態様を示す模式図である。 本発明の指関節構造の一実施態様を示す模式図である。 本発明の指関節構造の指部の断面形状の一実施態様を示す模式図である。 本発明の指関節構造の側面形状の一実施態様を示す模式図である。 本発明の指関節構造の側面形状（ａ）および平面形状（ｂ）の一実施態様を示す模式図である。

本明細書において、用語「遠位端」とは、操作者から最も遠い部分をいい、そして用語「近位端」とは、操作者に最も近い部分をいう。

本明細書において、用語「屈曲形状」とは、曲線が形成する任意の形状をいい、３次元の形状を含む。

図１および２を参照すると、本発明の指関節構造１は、指部１１、指部１１に延設された掌部１２、および掌部１２の近位端に設けられた基部１３を備える。各部の寸法は、特に限定されない。

指部１１は、屈曲形状を発現しない際は、直線形状をとる（図１（ａ）ならびに図２（ａ−１）および（ａ−１’））。屈曲形状としては、特に限定されず、例えば、円弧状が挙げられる（図１（ｂ）ならびに図２（ａ−２）および（ａ−２’））。

指部１１は、複数の筒体２１が端面で連接してなる中空体２と中空体２を貫通する少なくとも１本のワイヤ３とから構成される。本発明の指関節構造１は、ワイヤ３の断面の長径を小さくすることによって、小型化が可能である。例えば、指部１１の最大外径を３ｍｍ以下にすることができる。

筒体２１は異形断面を有する。ここで、異形とは、標準形とは異なる特殊な形状をいう。筒体２１の断面形状の標準形は円であり、異形としては、例えば、楕円状、レーストラック形状、長方形状、正方形状、三角形状、五角形状が挙げられる。

筒体２１の数としては、上記指部１１を形成することができる限り、特に限定されない。好ましくは、３個以上である。筒体２１の数が多いほど、発現する屈曲形状を滑らかにすることができる。

図２を参照すると、指部１１は、多数の筒体２１を有し、屈曲形状を発現することによって、対象物を把持することができ、または包み込むことができる。

筒体２１の少なくとも１つは、軸方向に対して垂直でない端面を有する。例えば、図３（ａ）のように、筒体２１の断面形状が扁平形状の場合、図１（ａ）に示すように、扁平面を上下にした筒体２１の側面形状において、端面は軸方向に対して垂直な面から一定の角度θ_１〜θ_３をつけて逆Ｖ字型またはＶ字型のノッチを形成する。θ_１の場合は、側面形状の上辺Ｌ_１は下辺Ｌ_２より長いため、逆Ｖ字型のノッチである。θ_２の場合も同様である。一方、θ_３の場合は、側面形状の上辺は下辺より短いため、Ｖ字型のノッチである。角度θ_１〜θ_３の大きさは、それぞれ同じであってもよいし、異なっていてもよい。角度θのノッチは、筒体２１の２つの端面のいずれか一方に形成してもよいし、両方に形成してもよい。両方に形成する場合、両方の角度θは同じであってもよいし、異なっていてもよい。

あるいは、図４（ａ）に示すように、垂直な面から一定の角度θ_１およびθ_２をつけて逆Ｖ字型ノッチおよびＶ字型ノッチを側面形状のそれぞれ上辺側および下辺側の両方に形成してもよい。角度θ_１およびθ_２の大きさは、それぞれ同じであってもよいし、異なっていてもよい。上辺側の逆Ｖ字型ノッチの高さＨ_１と下辺側のＶ字型ノッチの高さＨ_２とは、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、筒体２１の高さＨとＨ_１およびＨ_２とは、Ｈ＝Ｈ_１＋Ｈ_２の関係を満たす。連接する筒体２１の上辺側と下辺側との両方にノッチを設けることにより、指部１１が屈曲する方向を、図４（ｂ）のように下辺側にすることもできるし、図４（ｃ）のように上辺側にすることもできる。

さらに、屈曲形状は、同一平面上の形状に限定されない。例えば、図３（ｂ）のように、筒体２１の断面形状が長方形状の場合、図５に示すように、長辺面を上下にした筒体２１の側面形状（ａ）において、端面は軸方向に対して垂直な面から一定の角度θ_１およびθ_２をつけて逆Ｖ字型のノッチを形成し、平面形状（ｂ）において、端面は軸方向に対して垂直な面から一定の角度θ_３をつけて逆Ｖ字型のノッチを形成する。このように、筒体２１によりθを形成する面を変えることによって、３次元の屈曲形状が可能となる。このことは、筒体２１の断面形状が長方形状でない場合も同様である。

複数の筒体２１が端面で連接してなる中空体２は、中空体２を貫通するワイヤ３の形状に従って直線形状をとり得、隣接する筒体２１同士の端面間は角度θを有する逆Ｖ字型のノッチが形成されている。中空体２は、ワイヤ３の基部側への牽引により両端から押圧されると、隣接する筒体２１同士の端面間の角度が０°となるまで、すなわち端面間が密着して接するまで、中空体２を貫通するワイヤ３とともに図１（ｂ）、図２（ａ−２）および（ａ−２’）、ならびに図４（ｂ）および（ｃ）のような屈曲した形状を発現する。

角度θは、発現する屈曲形状に応じて適宜設定される。また、角度θの端面を有する筒体２１をどのように配置するかも、発現する屈曲形状に応じて適宜設定される。

筒体２１の寸法は、特に限定されない。筒体２１の外径における長径に対する短径の比（％）（例えば、扁平率）は、特に限定されない。この比が大きいほど、中空体２の屈曲指向性を大きくすることができるが、大きすぎると中空体２の剛性が低くなる。筒体２１の筒厚は、指部１１の剛性を確保できる限り、特に限定されない。

筒体２１の材質は、特に限定されないが、好ましくは金属である。金属としては、例えば、ステンレス、チタン、チタン合金、形状記憶合金、超弾性合金、これらの複合体が挙げられる。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌが挙げられる。チタン、チタン合金としては、例えば、純チタン、βチタンが挙げられる。形状記憶合金、超弾性合金としては、例えば、ニチノール（ニッケル−チタン合金）が挙げられる。筒体２１の材質としては、剛性である限り、樹脂であってもよい。樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。

ワイヤ３の数は、中空体２およびワイヤ３の剛性に応じて適宜設定される。通常１〜６本であり、好ましくは２〜４本である。

ワイヤ３の少なくとも１本は、中空体２の内径の長径より小さく、かつ短径の８０％以上であり、好ましくは短径より大きい長径の異形断面を有する。ワイヤの断面の標準形は円であり、異形としては、例えば、楕円状、レーストラック形状、長方形状、台形状が挙げられる。図３（ａ）はレーストラック形状の一例を示す。図３（ｂ）は長方形状の一例を示す。図３（ｃ）は台形状の一例を示す。

ワイヤ３の長径を筒体２１の内径の短径の８０％以上、好ましくは短径より大きくすることによって、中空体２の扁平面または長辺面とワイヤ３の異形断面の長径面とを一致させることができ、ワイヤ３が中空体２の中で、軸回りに自由回転することを防止することができる。筒体２１の内径の短径に対する、筒体２１を貫通するすべてのワイヤ３の異形断面の短径の和の比（％）は、特に限定されないが、中空体２の形状維持（ずれ防止）と剛性を確保するため、好ましくは６０％以上、より好ましくは８０％以上である。筒体２１の内径の長径に対する、筒体２１を貫通するワイヤ３のうち最も大きい長径の異形断面を有するワイヤの長径の比（％）も、特に限定されないが、同様に好ましくは６０％以上、より好ましくは８０％以上である。

ワイヤ３の材質は、特に限定されないが、好ましくは金属である。金属としては、例えば、ステンレス、チタン、チタン合金、形状記憶合金、超弾性合金、これらの複合体が挙げられる。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌが挙げられる。チタン、チタン合金としては、例えば、純チタン、βチタンが挙げられる。形状記憶合金、超弾性合金としては、例えば、ニチノール（ニッケル−チタン合金）が挙げられる。ワイヤの形状は、例えば、ばね状やメッシュ状であってもよい。

ワイヤ３が２本以上ある場合、各ワイヤの断面形状は同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、３本の長径が小さい同じ断面形状のワイヤ３１と１本の長径が大きい異なる断面形状のワイヤ３２とから構成されるワイヤ１組の場合には、ワイヤ３１は剛性が高いため直線指向性が高く、ワイヤ３２は剛性が低いため屈曲指向性が高いので、屈曲形状発現性および直線形状復元性を制御することができる。

ワイヤ３が２本以上ある場合、各ワイヤの材質は同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、図３（ａ）に示す４本のワイヤ３のうち２本が高強度のステンレスであり、他の２本が超弾性ニッケル−チタン合金であるワイヤ１組の場合には、ステンレスは剛性が高いため直線指向性が高い一方屈曲形状発現時の剛性が高く、ニッケル−チタン合金は剛性が低くかつ超弾性のため屈曲指向性が高い一方屈曲形状発現時の柔軟性（直線形状復元性）が高い。

このように、ワイヤ３の本数、各ワイヤの断面形状および材質を適宜選択し、複合することによって、屈曲形状発現性、屈曲形状発現時の剛性、直線形状復元性といった特性のバランスを最適に制御することができる。

指部１１を上記の構成とすることによって、筒体２１の屈曲方向を一定にすることができ、指部１１は中空体２の扁平面側または長辺面側、すなわちワイヤ３の異形断面の短径方向に屈曲指向性が高まり、屈曲形状発現性および屈曲形状発現時の剛性が高くなる。

中空体２の遠位端とワイヤ３の遠位端とは接合部材４により接合され、中空体２の近位端は掌部１２の遠位端に固定部材５により固定されている。接合部には、接合を補強する接合部材４があってもなくてもよいし、固定部には、固定を補強する固定部材５があってもなくてもよい。

ワイヤ３の少なくとも１本はさらに掌部１２を貫通し、一端が基部１３に到達する。掌部１２を貫通するワイヤ３の断面形状は、掌部１２における断面形状と指部１１における断面形状とが同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、掌部１２における断面形状は円であってもよい。掌部１２を貫通するワイヤ３の材質は、掌部１２における材質と指部１１における材質とが同じであってもよいし、異なっていてもよい。掌部１２を貫通しない残りのワイヤ３の近位端は掌部１２の遠位端に固定されていてもよいし、固定されていなくてもよいが、好ましくは固定されていない。

指部１１は、通常、中空体２を貫通するワイヤ３の形状に従って直線形状であるが、基部１３において、掌部１２を貫通するワイヤ３の近位端を基部側に牽引することによって、中空体２が両端から押圧され、各筒体２１の端面間が密着して屈曲形状を発現し得る。牽引力を緩めることによって、押圧力を弱め、屈曲形状の発現を解除する。

掌部１２を貫通し、近位端を基部側に牽引して指部１１の形状発現を制御するワイヤ３は２本以上であってもよい。２本以上の場合、例えば、図４のような連接する筒体２１の上辺側と下辺側との両方にノッチが設けられている指部１１であっても、制御に用いるワイヤ３を選択することによって、指部１１の屈曲方向を決定することができる。例えば、屈曲方向側に最も近いワイヤ３を制御に用いる。

掌部１２を貫通するワイヤ３の長さは、指関節構造１の長さに応じて適宜設定される。

掌部１２は中空筒状で、筒内をワイヤ３の少なくとも１本が貫通する。掌部１２の材質としては、剛性である限り、特に限定されず、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂、樹脂をコーティングしたステンレスが挙げられる。

指部１１および掌部１２は、好ましくは平滑な表面を有する。特に、指部１１は樹脂製カバー６で被覆されていてもよい（図２（ａ−２）および（ａ−２’））。好ましくは、指部１１の遠位端から近位端までの領域、および指部１１と掌部１２との境界領域が樹脂製カバー６に密着して被覆されている。樹脂製カバー６は、指部１１が物を把持する際に把持対象物に対する衝撃を緩和するだけでなく、指関節構造を保護することができる。樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリオレフィン、フッ素系樹脂（ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標）ＦＥＰ、フルオン（登録商標）ＰＦＡなど）、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート（ダクロン（登録商標））が挙げられる。樹脂製カバー６の厚みとしては、好ましくは１０〜２５０μｍである。

指部１１および掌部１２は、滑り止めのために、凹凸のある表面を有していてもよい。

基部１３は、指部１１の形状を変化させるように操作可能である。指部１１の形状を変化させる方法は、上記のように、掌部１２を貫通するワイヤ３の近位端を基部１３側に牽引する方法である。

基部１３の形状および構造は、上記のような機能を有する限り、特に限定されない。操作者が取り扱いやすく、当該技術分野で通常採用されるサイズおよび形状であり得る。

本発明の指関節構造１は、指部１１が屈曲形状を発現する。この指部１１は、基部１３による操作により対象物を把持する。

本発明によれば、簡易かつ小型の指関節構造を提供することができる。本発明の指関節構造は、基部の操作により屈曲形状を速やかに発現する。指部を構成する中空体の隣接する筒体の端面の角度を適宜設定することによって、任意の屈曲形状を発現できる。複数の指関節構造を組み合わせることによって、発現した屈曲形状により自在に物を把持することができる。駆動力の伝達にワイヤの弾性を積極的に介在させることによって、把持対象物に対する衝撃を緩和することができる。

本発明の指関節構造は、線状体先端部を遠隔操作により変形するための構造であり、ロボットの指関節構造や医療器具として利用可能である。ロボットとしては、例えば、災害ロボットなどの人が作業することが困難な場所で活躍するロボットが挙げられる。医療器具としては、例えば、リトラクタが挙げられる。本発明の指関節構造はまた、電解加工の電極、工業用内視鏡としても利用可能である。

本発明の指関節構造は、構造が簡易であり、安価に供給することができる。

１ 指関節構造
１１ 指部
１２ 掌部
１３ 基部
２ 中空体
２１ 筒体
３ ワイヤ
３１ 長径が小さい断面形状のワイヤ
３２ 長径が大きい断面形状のワイヤ
４ 接合部材
５ 固定部材
６ 樹脂製カバー
Ｌ_１ 扁平面を上下にした筒体２１の側面形状の長辺
Ｌ_２ 扁平面を上下にした筒体２１の側面形状の短辺
Ｌ_３ 長辺面を上下にした筒体２１の平面形状の長辺
Ｌ_４ 長辺面を上下にした筒体２１の平面形状の短辺
Ｈ 扁平面または長辺面を上下にした筒体２１の形状の高さ（Ｈ≦Ｗ）
Ｗ 扁平面または長辺面を上下にした筒体２１の形状の幅（Ｈ≦Ｗ）
Ｈ_１ 扁平面または長辺面を上下にした筒体２１の形状の上辺側の逆Ｖ字型ノッチの高さ
Ｈ_２ 扁平面または長辺面を上下にした筒体２１の形状の下辺側のＶ字型ノッチの高さ
θ_１、θ_２、θ_３ 筒体２１の端面と軸方向に対して垂直な面とが形成する角度

Claims (7)

1. 遠位端を有する指部、該指部に延設された掌部、および該掌部の近位端に設けられた基部を備える指関節構造であって、
   該指部が、異形断面を有する複数の筒体が端面で連接してなる中空体と該中空体を貫通する少なくとも１本のワイヤとから構成され、
   該筒体の少なくとも１つが、軸方向に対して垂直でない端面を有し、
   該ワイヤが、該中空体の内径の短径の８０％以上である長径の異形断面を有し、
   該中空体の遠位端と該ワイヤの遠位端とが接合されており、
   該中空体の近位端が該掌部の遠位端に固定され、
   該ワイヤの少なくとも１本がさらに該掌部を貫通して該基部に到達し、そして
   該基部において、該ワイヤの近位端を基部側に牽引することによって、該指部が屈曲形状を発現し得る、
   指関節構造。
2. ２本以上のワイヤが前記中空体を貫通する、請求項１に記載の指関節構造。
3. 前記筒体の異形断面の形状が、楕円状、レーストラック形状、長方形状、正方形状、三角形状または五角形状である、請求項１または２に記載の指関節構造。
4. 前記ワイヤの異形断面の形状が、楕円状、レーストラック形状、長方形状または台形状である、請求項１から３のいずれかの項に記載の指関節構造。
5. 前記筒体の材質が、ステンレス、チタン、チタン合金、形状記憶合金、超弾性合金またはこれらの複合体から選択される、請求項１から４のいずれかの項に記載の指関節構造。
6. 前記ワイヤの材質が、ステンレス、チタン、チタン合金、形状記憶合金、超弾性合金またはこれらの複合体から選択される、請求項１から５のいずれかの項に記載の指関節構造。
7. 前記指部が、樹脂製カバーで被覆されている、請求項１から６のいずれかの項に記載の指関節構造。

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