JP2023018451A - 屈曲構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】第１部材の外周を覆う第２部材の外径の小径化や内径の大径化を図ることが可能な屈曲構造体を提供する。【解決手段】屈曲及び伸展が可能な第１部材１１と、この第１部材１１の外周を覆い第１部材１１と共に屈曲及び伸展が可能な第２部材１３と、第２部材１３の内周に設けられた凹部２３と、径方向において凹部２３に少なくとも一部が入れ込まれた状態で第１部材１１及び第２部材１３間に保持されたワイヤー９と、を備えている。【選択図】 図３

Description

本発明は、ロボット等の関節機能を実現す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を備えたものがある。このような関節機能を実現するための屈曲構造体としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。

特許文献１の屈曲構造体は、第１部材としての弾性部材と、その外周を覆う第２部材としての可撓部材を備えている。この屈曲構造体は、駆動ワイヤーの引張に応じて屈曲する。

駆動ワイヤーは、可撓部材を構成する複数のウェーブワッシャーにそれぞれ設けられた挿通孔を挿通することでガイドされ、周方向への変位が規制されている。これにより、屈曲構造体は、動作不良が抑制される。

しかし、かかる構成では、ウェーブワッシャーの挿通孔に対する径方向の内外に所定幅を確保する必要がある。このため、従来の屈曲構造体では、可撓部材の外径の小径化や内径の大径化に限界が生じていた。

こうした問題は、ウェーブワッシャーで構成された可撓部材を有する屈曲構造体に限られず、駆動ワイヤー等の索状部材を挿通孔等でガイドする屈曲構造体に広く生じている。

特開２０２０－１７２００１号公報

解決しようとする問題点は、第１部材の外周を覆う第２部材の外径の小径化や内径の大径化に限界が生じていた点である。

本発明は、屈曲及び伸展が可能な第１部材と、該第１部材の外周を覆い前記第１部材と共に屈曲及び伸展が可能な第２部材と、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方に径方向に設けられた凹部と、前記径方向において前記凹部に少なくとも一部が入れ込まれた状態で前記第１部材及び前記第２部材間に保持された索状部材と、を備えた屈曲構造体を提供する。

本発明によれば、第１部材の外周を覆う第２部材の外径の小径化や内径の大径化を図ることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る屈曲構造体を示す正面図である。 図２は、図１の屈曲構造体の屈曲部を部分的に示す断面図である。 図３は、図１の屈曲構造体の屈曲部を示す平面図である。 図４は、本発明の実施例２に係る屈曲構造体の屈曲部を示す平面図である。 図５は、本発明の実施例３に係る屈曲構造体の屈曲部を示す平面図である。

第１部材の外周を覆う第２部材の外径の小径化や内径の大径化を図るという目的を、第１部材及び第２部材の少なくとも一方に、索状部材の少なくとも一部を入れ込む凹部を設けることにより実現した。

すなわち、屈曲構造体（１）は、第１部材（１１）と、第２部材（１３）と、凹部（２３）と、索状部材（９）とを備えている。第１部材（１１）は、屈曲及び伸展が可能である。第２部材（１３）は、第１部材（１１）の外周を覆い、第１部材（１１）と共に屈曲及び伸展が可能となっている。凹部（２３）は、第１部材（１１）及び第２部材（１３）の少なくとも一方に径方向に設けられている。索状部材（９）は、径方向において凹部（２３）に少なくとも一部が入れ込まれた状態で、第１部材（１１）及び第２部材（１３）間に保持される。

第１部材（１１）及び第２部材（１３）の少なくとも一方は、筒状に形成され、凹部（２３）は、筒状に形成された第１部材（１１）及び第２部材（１３）の少なくとも一方に設けられた凹条としてもよい。

凹部（２３）を凹条とする場合は、第２部材（１３）を複数のウェーブワッシャー（１９）を軸方向に接合した筒状とし、凹部（２３）を軸方向で連続するウェーブワッシャー（１９）にそれぞれ設けてもよい。

凹部（２３）は、複数の索状部材（９）を収容して保持してもよい。この場合、凹部（２３）内の複数の索状部材（９）は、凹部（２３）の形状に応じて周方向に沿って配置される構成としてもよい。

［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正面図、図２は、屈曲構造体の屈曲部を部分的に示す断面図、図３は、屈曲構造体の屈曲部を示す平面図である。

屈曲構造体１は、マニピュレーター、ロボット、アクチュエーターのような医療用や産業用等の各種機器の関節機能部に適用されるものである。関節機能部は、屈曲・伸展する関節としての機能を有する装置、機構、デバイス等である。

屈曲・伸展は、軸方向に対する屈曲及び伸展をいう。軸方向は、屈曲構造体１の軸心に沿った方向であるが、厳格に解する必要はなく、屈曲構造体１の軸心に対して僅かに傾斜した方向も含む。

この屈曲構造体１は、基部３及び可動部５と、屈曲部７と、索状部材としてのワイヤー９とを備えている。

基部３及び可動部５は、それぞれ金属や樹脂等の適宜の材料で形成された柱状体、例えば円柱状体からなる。なお、基部３及び可動部５は、柱状体に限られず、屈曲構造体１が適用される機器等に応じて適宜の形態とすればよい。

可動部５は、屈曲部７によって基部３に支持され、軸方向に対して変位可能となっている。

屈曲部７は、第１部材１１及び第２部材１３を備えている。

第１部材１１は、屈曲及び伸展が可能な部材である。この第１部材１１は、芯材として機能し、屈曲部７の軸方向の圧縮を抑制する。

本実施例の第１部材１１は、筒状の二重コイル構造であり、内コイル部１５及び外コイル部１７からなる。この第１部材１１は、弾性的に屈曲及び伸展が可能であり、且つ軸方向の圧縮に耐え得るものとなっている。

なお、第１部材１１としては、例えば、単一の密着コイル、樹脂製の筒状体、その他の軸方向の圧縮に耐え得る可撓性の筒状体等とすることが可能である。この第１部材１１は、屈曲・伸展するための可撓性があれば、弾性まで有する必要はない。

また、第１部材１１は、基部３及び可動部５間の圧縮をある程度抑制することができれば、圧縮コイルばね等のように軸方向の圧縮が可能なものであってよい。

本実施例の内外コイル部１５及び１７は、それぞれ軸方向に対して屈曲可能な弾性を有するコイルばねである。内外コイル部１５及び１７の材質は、屈曲構造体１が適用される機器に応じ、金属や樹脂等の適宜の材質とすればよい。内外コイル部１５及び１７の素線の断面形状は、同一の線径を有する円形となっているが、半円や楕円等とすることも可能である。内外コイル部１５及び１７の断面形状や線径等は相互に異なってもよい。

内コイル部１５は、外コイル部１７よりも小さい中心径を有し、外コイル部１７内に螺合されている。これにより、内コイル部１５の巻部１５ａが、外コイル部１７の隣接する巻部１７ａ間に嵌合している。この嵌合は、第１部材１１が直状時だけでなく屈曲時においても維持され、屈曲部７の軸方向の圧縮を抑制可能とする。

なお、内外コイル部１５及び１７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。

かかる二重コイル構造の第１部材１１は、屈曲時において、屈曲の内側で外コイル部１７の隣接する巻部１７ａ間の隙間が小さくなり、屈曲の外側で外コイル部１７の隣接する巻部１７ｂ間の隙間が大きくなる。

これによって、第１部材１１は、外コイル部１７の屈曲時の軸心における長さが直状時と比較して変化しないようになっている。このため、第１部材１１は、その内周側にプッシュプルケーブル等の可撓部材を軸方向で移動可能にガイドするように用いる場合、可撓部材の経路長を一定に保つことができる。

第２部材１３は、第１部材１１の外周を覆い、第１部材１１と共に屈曲及び伸展可能な部材である。本実施例の第２部材１３は、複数のウェーブワッシャー１９を軸方向で積層して全体として筒状に構成されている。この第２部材１３は、ウェーブワッシャー１９の弾性変形により屈曲可能となっている。

なお、第２部材１３は、二重コイル構造、ベローズ、その他の筒状体等で構成することが可能である。また、第２部材１３は、圧縮コイルばね等でもよい。

各ウェーブワッシャー１９は、環状に形成されている。軸方向で隣接するウェーブワッシャー１９間では、一方のウェーブワッシャー１９の山部１９ａが他方のウェーブワッシャー１９の谷部１９ｂに当接する。これら当接する山部１９ａ及び谷部１９ｂ間が、溶接や接着等の適宜の手段によって結合されている。

第２部材１３の軸方向の両端部には、ウェーブワッシャー１９よりも変形量が小さい複数の平ワッシャー２１が取り付けられている。この平ワッシャー２１を介し、第２部材１３の両端部には、基部３及び可動部５が結合されている。この結合は、溶接等の適宜の手段によって行われている。なお、平ワッシャー２１は省略することも可能である。

かかる第２部材１３には、ワイヤー９をそれぞれガイドする複数の凹部２３が径方向に形成されている。径方向とは、屈曲構造体１の径に沿った方向をいうが、屈曲構造体１の径に対して僅かに傾斜する方向も含む。

複数の凹部２３は、第２部材１３の内周に、周方向等間隔で配置されている。本実施例の凹部２３は、周方向で９０度毎に設けられている。ただし、凹部２３は、周方向で６０度毎、１２０度毎、１８０度毎等のように数を変更することが可能である。また、複数の凹部２３間の間隔は、等間隔ではなく、ばらつきがあってもよい。周方向とは、屈曲構造体１の外周に沿った方向をいう。

これら凹部２３は、軸方向で連続する各ウェーブワッシャー１９に設けられている。従って、凹部２３は、径方向でウェーブワッシャー１９を薄肉にし、ウェーブワッシャー１９及び第２部材１３の剛性を小さくする。

本実施例では、軸方向で連続する全てのウェーブワッシャー１９及び平ワッシャー２１に凹部２３が設けられている。ただし、一部のウェーブワッシャー１９にのみ凹部２３を設けてもよい。従って、凹部２３は、第２部材１３の軸方向の一部又は全体に設けることが可能である。なお、凹部２３を第２部材１３の軸方向の一部に設ける場合は、凹部２３を有さないウェーブワッシャーの内径を凹部２３を有するウェーブワッシャー１９の内径よりも大きくすればよい。

ウェーブワッシャー１９間で対応する凹部２３は、軸方向で相互に連通し、全体として筒状の第２部材１３の内周に設けられた軸方向に沿った凹条となっている。

ただし、ウェーブワッシャー１９間で対応する凹部２３は、周方向にずらすことで、全体として螺旋状の凹条等としてもよい。

各凹部２３は、第２部材１３のウェーブワッシャー１９の内周で開口し、第１部材１１及び第２部材１３間に臨んでいる。本実施例の凹部２３は、平面視において、径方向に沿った内周側のストレート部２３ａとストレート部２３ａに連続する外周側の半円部２３ｂとで構成されている。

なお、凹部２３は、少なくとも一部が径方向で凹形状となっていればよく、全体が径方向に沿って凹形状である必要はない。従って、凹部２３は、全体として径方向に対して傾斜した方向に沿って設けられてもよい。

また、凹部２３は、第１部材１１及び第２部材１３の少なくとも一方に設ければよいので、第２部材１３の内周だけでなく、第１部材１１の外周や第１部材１１の外周及び第２部材１３の内周の双方に設けることも可能である。

第１部材１１の外周及び第２部材１３の内周の双方に凹部を設ける場合は、第１部材１１及び第２部材１３の凹部が径方向で向かい合って一つの凹部を構成し、或いは、第１部材１１及び第２部材１３の凹部が周方向でずれてそれぞれが一つの凹部を構成してもよい。

ワイヤー９は、先端部が可動部５に取り付けられ、屈曲部７を通って、基端部が図示しない操作機構等に接続される。このワイヤー９が軸方向に引かれることによって、可動部５を駆動して屈曲構造体１を屈曲させる。

本実施例のワイヤー９は、複数設けられ、１又は複数が引かれることで、平面視において３６０°の全方位に対して屈曲部１を屈曲させることを可能とする。なお、可動部５を駆動ワイヤー９の数は、屈曲構造体１の要求される屈曲動作に応じて適宜設定することが可能である。

かかるワイヤー９は、屈曲部７において凹部２３によりガイドされ、周方向の変位が規制される。すなわち、ワイヤー９は、径方向において少なくとも一部が凹部２３に入れ込まれた状態で第１部材１１及び第２部材１３間に保持されている。

このように第１部材１１及び第２部材１３間に臨む凹部２３によってワイヤー９をガイドすることで、従来の挿通孔の場合と比較して、第２部材１３の外径をそのままに内径を大きくでき、或いは第２部材１３の内径をそのままに外径を小さくすることを可能とする。

本実施例のワイヤー９は、断面形状が円形であり、その円形の全部が凹部２３内に入れ込まれている。第１部材１１及び第２部材１３間の径方向の隙間Ｓがワイヤー９の径よりも小さく形成されており、凹部２３内に入れ込まれたワイヤー９の周方向への変位が抑制される。

なお、ワイヤー９は、周方向の変位を抑制するように径方向で少しでも凹部２３に入れ込まれていればよい。このため、凹部２３は、ワイヤー９の入れ込み量に応じた適宜の形状を有すればよい。また、凹部２３によって周方向の変位を抑制できれば、ワイヤー９の断面形状は、楕円形や矩形等とすることも可能である。

ワイヤー９は、屈曲構造体１の屈曲及び伸展を妨げない程度の柔軟性を有するのが好ましい。ワイヤー９は、絶縁コーティングを施した金属製とすることで、通電経路を構成することも可能である。索状部材としては、ワイヤー９に限られず、撚り線、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。

［動作等］
本実施例の屈曲構造体１は、操作者が何れか一つ又は複数のワイヤー９を引き、可動部５を所望の方向に指向させることができる。

このとき、ワイヤー９は、凹部２３に一部が入れ込まれた状態で第１部材１１及び第２部材１３間で保持されているため、周方向の変位が規制される。結果として、ワイヤー９が適切な位置で引かれることになり、屈曲構造体１の動作不良を抑制し、動作が安定する。

ワイヤー９が引かれて屈曲構造体１が屈曲する際には、第１部材１１の中心部の長さが変わらないので、内部を挿通する部材の経路長及び屈曲構造体１の動作がより安定する。

また、屈曲前後にわたり、第１部材１１の外コイル部１７の隣接巻部１７ａ間に内コイル部１５の対応する巻部１５ａが嵌合し続けることで、屈曲構造体１の軸方向の圧縮が抑制され、内部を挿通する部材の経路長及び屈曲構造体１の動作がより安定する。

第２部材１３は、ウェーブワッシャー１９が弾性変形することで第１部材１１と共に屈曲する。このとき、第２部材１３は、凹部２３によって各ウェーブワッシャー１９の剛性が小さくなっているので、より小さい力で屈曲構造体を屈曲させることができる。

［実施例１の効果］
以上説明したように、本実施例の屈曲構造体１は、屈曲及び伸展が可能な第１部材１１と、この第１部材１１の外周を覆い第１部材１１と共に屈曲及び伸展が可能な第２部材１３と、第２部材１３の内周に設けられた凹部２３と、径方向において凹部２３に少なくとも一部が入れ込まれた状態で第１部材１１及び第２部材１３間に保持されたワイヤー９と、を備えている。

従って、屈曲構造体１では、凹部２３によってワイヤー９をガイドすることで、動作が安定する。しかも、屈曲構造体１では、従来の挿通孔でガイドする場合と比較して、第１部材１１の外周を覆う第２部材１３の外径の小径化や内径の大径化を図ることができる。

また、屈曲構造体１では、凹部２３により第２部材１３の剛性を小さくでき、より小さい力で屈曲構造体を屈曲させることができる。

凹部２３は、筒状に形成された第２部材１３の内周に設けられた凹条であるため、ワイヤー９を確実にガイドすることができる。

第２部材１３は、複数のウェーブワッシャー１９を軸方向に積層した筒状であり、凹部２３は、軸方向で連続するウェーブワッシャー１９に設けられる。

従って、本実施例では、プレス等によってウェーブワッシャー１９に対して容易に凹部２３を形成することができ、凹部２３を有するウェーブワッシャー１９を積層することで、第２部材１３の軸方向の所望の位置で容易に凹条の凹部２３を形成することができる。

図４は、本発明の実施例２に係る屈曲構造体を示す平面図である。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。

本実施例では、凹部２３を第１部材１１に設けたものである。このため、第２部材は、凹部２３のない環状のウェーブワッシャー１９を積層することで構成されている。その他は、実施例１と同一である。

第１部材１１は、筒状の可撓部材であり、外周に複数の凹部２３を備えている。凹部２３は、第１部材１１の断面形状に応じて設定されている。本実施例の凹部２３は、第１部材１１の凹曲面によって形成されている。凹部２３に隣接して、第１部材１１には、凸曲面からなる凸部２５が設けられている。凸部２５と第２部材１３の内周との間が、ワイヤー９の径よりも小さい隙間Ｓとなっている。

かかる実施例２においても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。また、実施例では、第１部材１１に凹部２３を設けたので、第２部材１３の径方向の幅を自由に設定でき、第２部材１３の外径の小径化又は内径の大径化を図ることができる。

図５は、本発明の実施例３に係る屈曲構造体を示す平面図である。なお、実施例３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。

本実施例では、凹部２３を第２部材１３に設け、この凹部２３に複数のワイヤー９を収容して保持したものである。その他は、実施例１と同一である。

各凹部２３は、扇形の凹形状を有し、複数のワイヤー９は、この凹部２３の形状に応じて周方向に沿って配置されている。

本実施例の凹部２３は、周方向に沿って配置された２つのワイヤー９を収容し、これらのワイヤー９の径方向の一部、本実施例では径方向の半分程度を入れ込ませるようになっている。

各凹部２３内の複数のワイヤー９は、可動部５を操作する複数の操作用のワイヤーの組み合わせ、或いは操作用のワイヤー９とそのガイド用のワイヤーや通電経路用のワイヤー等の組み合わせである。

かかる実施例３では、実施例１に対して凹部２３を大きくし、複数のワイヤー９によって屈曲構造体１の機能を向上できる。その他、実施例３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
９ ワイヤー（索状部材）
１１ 第１部材
１３ 第２部材
１９ ウェーブワッシャー
２３ 凹部

Claims (5)

1. 屈曲及び伸展が可能な第１部材と、
   該第１部材の外周を覆い前記第１部材と共に屈曲及び伸展が可能な第２部材と、
   前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方に径方向に設けられた凹部と、
   前記径方向において前記凹部に少なくとも一部が入れ込まれた状態で前記第１部材及び前記第２部材間に保持された索状部材と、
   を備えた屈曲構造体。
2. 請求項１記載の屈曲構造体であって、
   前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方は、筒状に形成され、
   前記凹部は、筒状に形成された前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方に設けられた凹条である、
   屈曲構造体。
3. 請求項１又は２記載の屈曲構造体であって、
   前記第２部材は、複数のウェーブワッシャーを軸方向に積層した筒状であり、
   前記凹部は、前記軸方向で連続するウェーブワッシャーに設けられる、
   屈曲構造体。
4. 請求項１～３の何れか一項に記載の屈曲構造体であって、
   前記凹部は、複数の索状部材を収容して保持する、
   屈曲構造体。
5. 請求項４記載の屈曲構造体であって、
   前記凹部内の前記複数の索状部材は、前記凹部の形状に応じて前記周方向に沿って配置される、
   屈曲構造体。
   

Images