JP7217825B2 - 可撓部材 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット等の関節機能部に供される可撓部材に関する。

各種分野のロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータ等には、可撓部材を用いることで屈曲動作を可能にした関節機能部を有するものがある。このような関節機能部に用いられる可撓部材としては、特許文献１にコイルスプリングが開示されている。

コイルスプリングは、関節機能部の屈曲動作に対して高い自由度を確保できるものの、耐荷重及び屈曲性を確保する必要性から小型化に限界があった。

特開２０１４－３８０７５号公報

解決しようとする問題点は、小型化を図りつつ耐荷重及び屈曲性を確保することに限界があった点である。

本発明は、閉環状の複数のウェーブワッシャーが軸方向に積層されると共に隣接間を複数の接合部によって接合され前記ウェーブワッシャーの弾性変形により前記軸方向に対して屈曲可能な本体部を備え、前記複数の接合部は、それぞれ一対の線状の溶接部を有し、前記一対の溶接部は、一方の溶接部が前記ウェーブワッシャーの中心から放射方向に延びる第１線に対して交差する方向に延びる第２線上に形成され、他方の溶接部が前記第２線に対して交差する方向に延びる第３線上に形成された可撓部材を最も主な特徴とする。

本発明は、複数のウェーブワッシャーの変形により屈曲できるようにしたため、小型化を図りつつ耐荷重及び屈曲性に優れた可撓部材を得ることが可能となる。

しかも、本発明では、接合部周辺に作用する応力の偏りを確実に抑制することができる。

可撓部材を用いたマニピュレーターを示す斜視図である（実施例１）。 図１のマニピュレーターを示す正面図である（実施例１）。 図１のマニピュレーターの断面図である（実施例１）。 図１のマニピュレーターの一部を省略し、関節機能部を主に示す斜視図である（実施例１）。 図４の関節機能部を主に示す側面図である（実施例１）。 図５のＶＩ部の拡大図である（実施例１）。 図４のＶＩＩ－ＶＩＩ線における、関節機能部の可撓部材を示す断面図であり、（Ａ）が平常時、（Ｂ）が屈曲時を示す（実施例１）。 接合部を有するウェーブワッシャーを示す斜視図である（実施例１）。 図８の接合部を拡大して示す平面図である（実施例１）。 接合部の溶接部の溶接スポットを概念的に示す平面図である（実施例１）。 比較例に係り、接合部を有するウェーブワッシャーを示す斜視図である（実施例１）。 図１１の比較例に係るウェーブワッシャーの応力分布を示し、図１２（Ａ）はウェーブワッシャー全体の斜視図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のＸＩＩ部の拡大図である（実施例１）。 図８のウェーブワッシャーの応力分布を示し、図１３（Ａ）はウェーブワッシャー全体の斜視図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＸＩＩＩ部の拡大図である（実施例１）。 変形例に係る接合部を示す平面図である（実施例１）。 他の変形例に係る接合部を示す平面図である（実施例１）。 他の変形例に係る接合部を示す平面図である（実施例１）。

小型化を図りつつ耐荷重及び屈曲性に優れた可撓部材を得ることを可能にするという目的を、耐久性を向上しつつ実現した。

すなわち、可撓部材は、閉環状の複数のウェーブワッシャーが軸方向に積層されると共に隣接間を複数の接合部によって接合され、ウェーブワッシャーの弾性変形により軸方向に対して屈曲可能な本体部を備え、複数の接合部は、それぞれ一対の線状の溶接部を備え、一対の溶接部は、一方の溶接部がウェーブワッシャーの中心から放射方向に延びる第１線に対して交差する方向に延びる第２線上に形成され、他方の溶接部が第２線に対して交差する方向に延びる第３線上に形成される。

一対の溶接部は、それぞれ連続した線状に形成された構成としてもよい。

一対の溶接部は、ウェーブワッシャーの内周側で相互に重なるＶ字状としてもよい。

複数のウェーブワッシャーは、それぞれ周方向に複数の山部及びこれら山部間の谷部を備え、隣接するウェーブワッシャーの山部と谷部とが当接し、山部と谷部との当接部分がそれぞれ接合部により接合された構成としてもよい。

［マニピュレーターの構造］
図１は、本発明の実施例１に係る可撓部材を用いたマニピュレーターを示す斜視図、図２は、同正面図、図３は、同断面図である。

本実施例は、可撓部材１を用いた関節機能部３を有するロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータの一例として、医療用のマニピュレーター５について説明する。

マニピュレーター５は、手術ロボットのロボットアーム先端を構成し、医師等によって操作されるものである。なお、マニピュレーター５は、手術ロボットに取り付けずに医師等によって直接操作される手動マニピュレーターであってもよい。また、可撓部材１を適用可能なロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータは、マニピュレーター５に限られず、産業用ロボット等の他の分野のものであってもよい。

マニピュレーター５は、シャフト部７と、関節機能部３と、エンドエフェクタ９とを備えている。

シャフト部７は、中空筒状、例えば円筒状に形成されている。シャフト部７内には、関節機能部３を駆動するための駆動ワイヤ１１やエンドエフェクタ９を駆動するためのプッシュプルケーブル１３が通っている。シャフト部７の先端には、関節機能部３を介してエンドエフェクタ９が設けられている。

関節機能部３は、駆動ワイヤ１１の操作に応じ、軸方向に対して屈曲動作を行う。軸方向とは、後述する可撓部材１の軸心に沿った方向を意味し、軸心に対して厳密に平行な方向である必要はなく、軸心に対して若干傾斜した方向も含む。関節機能部３の詳細は後述する。

エンドエフェクタ９は、関節機能部３の可動部１７に対して取り付けられ、目的に応じた動作を行う機器である。本実施例のエンドエフェクタ９は、鉗子であり、一対の把持部９ａ，９ｂを備えている。このエンドエフェクタ９は、関節機能部３の屈曲動作に応じて所望の方向へ指向可能であり、且つ一対の把持部９ａ，９ｂがプッシュプルケーブル１３の操作に応じて開閉可能になっている。

なお、エンドエフェクタ９は、鉗子に限られず、例えば鋏、把持レトラクタ、針ドライバ、カメラ等とすることも可能である。

［関節機能部の構造］
図４は、図１のマニピュレーター５の一部を省略し、関節機能部３を主に示す斜視図、図５は、同側面図、図６は、図５のＶＩ部の拡大図、図７は、図４のＶＩＩ－ＶＩＩ線における、関節機能部３の可撓部材１を示す断面図であり、図７（Ａ）が平常時、図７（Ｂ）が屈曲時を示す。

図１～図７のように、関節機能部３は、基部１５と、可動部１７と、可撓部材１とを備えている。

基部１５は、金属等によって円柱状に形成され、シャフト部７の先端に取り付けられている。基部１５の軸心部には、プッシュプルケーブル１３が軸方向で挿通し、その周囲には、駆動ワイヤ１１が軸方向で挿通している。

可動部１７は、金属等によって円柱状に形成され、エンドエフェクタ９に取り付けられている。可動部１７の軸心部は、プッシュプルケーブル１３を挿通し、プッシュプルケーブル１３の先端は、エンドエフェクタ９に結合されている。

この可動部１７は、可撓部材１を介して基部１５に支持され、駆動ワイヤ１１の先端部が固定されている。このため、可動部１７は、駆動ワイヤ１１の操作により基部１５に対して変位し、エンドエフェクタ９を所望の方向に指向させることを可能とする。

可撓部材１は、関節機能部３の屈曲動作を可能とするものであり、基部１５と可動部１７との間に介設されている。可撓部材１は、基部１５に対する可動部１７の変位に応じて屈曲する。可撓部材１には、駆動ワイヤ１１及びプッシュプルケーブル１３が軸方向で通されている。

かかる可撓部材１は、本体部１９の両端部がそれぞれ基部１５及び可動部１７に固定されている。なお、この固定は、後述する接合部２１や他の固着手段によって行うことが可能である。

本体部１９は、複数のウェーブワッシャー２３を軸方向で積層すると共に軸方向で隣接するウェーブワッシャー２３の相互間を接合することによって形成されている。この本体部１９は、ウェーブワッシャー２３の弾性変形により屈曲可能となっている。

各ウェーブワッシャー２３は、金属等によって閉環状に形成された板材である。本実施例のウェーブワッシャー２３は、ステンレスからなる円環状の板材であり、内外周２３ｅ，２３ｆ間の径方向の幅及び板厚が一定となっている。

各ウェーブワッシャー２３は、周方向に複数の山部２３ａを有し、隣接する山部２３ａ間に谷部２３ｂを有する。本実施例のウェーブワッシャー２３は、径方向に対向する二つの山部２３ａを有し、山部２３ａ間に径方向に対向する二つの谷部２３ｂを有する。従って、本実施例では、山部２３ａと谷部２３ｂとが周方向において９０度毎に交互に設けられている。

山部２３ａ及び谷部２３ｂは、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅから外周２３ｆにわたる領域が軸方向で逆向きの円弧状に湾曲して形成されている。軸方向で隣接するウェーブワッシャー２３間では、一方のウェーブワッシャー２３の山部２３ａが他方のウェーブワッシャーの谷部２３ｂに当接している。これら山部２３ａ及び谷部２３ｂの伸縮により、各ウェーブワッシャー２３は、軸方向での弾性的な伸縮による変形が可能となっている。

相互に当接する山部２３ａ及び谷部２３ｂは、両者の当接部分が接合部２１によって接合されている。これにより、可撓部材１の本体部１９は、積層状態が保持されている。接合部２１の詳細は、後述する。

各ウェーブワッシャー２３において、山部２３ａと谷部２３ｂとの間は、傾斜部２３ｃによって連続している。傾斜部２３ｃは、周方向に傾斜し、且つ内周２３ｅと外周２３ｆとの間で僅かにねじれた形状となっている。

傾斜部２３ｃには、駆動ワイヤ１１を通す通し部としての挿通孔２３ｄが設けられている。挿通孔２３ｄは、本体部１９の周方向に複数設けられている。本実施例では、駆動ワイヤ１１が周方向に９０度毎に４本設けられていることから、これに応じて挿通孔２３ｄも周方向に９０度毎に４つ設けられている。

軸方向に隣接するウェーブワッシャー２３の傾斜部２３ｃ間では、挿通孔２３ｄが軸方向に連通し、これら連通する挿通孔２３ｄにより駆動ワイヤ１１を挿通する。この挿通により、可撓部材１は、駆動ワイヤ１１を通し部として軸方向に通すと共に所定位置に保持するガイドとして機能する。

挿通孔２３ｄの形状は、ほぼ円形であり、駆動ワイヤ１１の径よりも大きくなっている。この径の差は、傾斜部２３ｃの傾斜及び変位を許容する。なお、挿通孔２３ｄの形状は、円形に限られるものではなく、矩形等の他の形状としても良い。

なお、ウェーブワッシャー２３の形状や材質等は、可撓部材１に要求される特性等に応じて適宜変更することが可能である。山部２３ａ及び谷部２３ｂの数や曲率半径、傾斜部２３ｃの傾斜角度等も、可撓部材１に要求される特性等に応じて適宜変更することが可能である。

［接合部］
図８は、接合部２１を有するウェーブワッシャーを示す斜視図、図９は、図８の接合部２１を拡大して示す平面図、図１０は、接合部２１の溶接部２５ａ，２５ｂの溶接スポット２７を概念的に示す平面図である。

接合部２１は、ウェーブワッシャー２３の周方向で等間隔で配置されている。本実施例では、９０度毎に接合部２１が配置されている。

各接合部２１は、一対の線状の溶接部２５ａ，２５ｂからなっている。これら一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ側から外周２３ｆ側に向かって漸次周方向に離間している。これにより、接合部２１は、可撓部材１の本体部１９が屈曲する際に、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ及び外周２３ｆ間の変形量に差が生じることを抑制する。

本実施例において、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、それぞれ連続した直線状に形成され、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ側で相互に重なるＶ字状となっている。

具体的には、溶接部２５ａ，２５ｂは、スポット溶接によって形成され、隣接する溶接スポット２７が平面視において相互に重なるか或いは接触することによって連続した線状となっている。本実施例では、隣接する溶接スポット２７が重なっている。

これら一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、一方の溶接部２５ａがウェーブワッシャー２３の中心から放射方向である径方向に延びる第１線Ｌ１に対して交差する方向に延びる第２線Ｌ２上に形成され、他方の溶接部２５ｂが第２線Ｌ２に対して交差する方向に延びる第３線Ｌ３上に形成されている。

本実施例では、第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３が第１線Ｌ１を中心に対称であり、第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３の角度θが約３５度となっている。溶接部２５ａ，２５ｂは、それぞれ溶接スポット２７の中心が第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３上に位置するように直線状に形成され、開き角度が第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３とでなす角度θと一致する約３５度となっている。

なお、溶接部２５ａ，２５ｂの形状は、後述する変形例等のように、ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量の差に応じて適宜設定することが可能である。

［関節機能部の屈曲動作］
関節機能部３では、医師がマニピュレーター５を操作する際、何れか一つの駆動ワイヤ１１を引くことにより可撓部材１が屈曲する。この関節機能部３は、いくつかの駆動ワイヤ１１を組み合わせて引くことにより、３６０度全方位に屈曲することが可能となる。

少なくとも何れか一つの駆動ワイヤ１１を引いて屈曲する際、可撓部材１は、図７（Ｂ）のように、中立軸に対する屈曲内側部分で山部２３ａ及び谷部２３ｂが圧縮されると共に屈曲外側部分で山部２３ａ及び谷部２３ｂが伸張される。

このように変形することで、操作された駆動ワイヤ１１を挿通している傾斜部２３ｃ相互間が近接し、可撓部材１が全体として屈曲することになる。これにより、屈曲角度と荷重との荷重特性の線形性が高い屈曲動作を実現する。

かかる屈曲時には、可撓部材１の各ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量に差が生じることを接合部２１によって抑制される。

具体的には、接合部２１の一対の溶接部２５ａ，２５ｂが内周２３ｅ側から外周２３ｆ側に向かって漸次周方向に離間していることにより、ウェーブワッシャー２３の外周２３ｆは、溶接部２５ａ，２５ｂ間に対応する部分で変形が抑制される。

一方で、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅは、溶接部２５ａ，２５ｂ間が近接し、本実施例では重なっていることにより、外周２３ｆのような変形の抑制はない。

従って、各ウェーブワッシャー２３では、内外周２３ｅ，２３ｆの変形量が調整され、ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量に差が生じることを抑制される。

これにより、接合部２１周辺に作用する応力の偏りを抑制されて最大応力が低減され、可撓部材１の耐久性を向上される。

［応力分布］
図１１は、比較例に係り、接合部２１Ａを有するウェーブワッシャー２３Ａを示す斜視図である。図１２は、比較例に係るウェーブワッシャー２３Ａの応力分布を示し、図１２（Ａ）はウェーブワッシャー２３Ａ全体の斜視図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のＸＩＩ部の拡大図である。図１３は、実施例１に係るウェーブワッシャー２３の応力分布を示し、図１３（Ａ）はウェーブワッシャー２３全体の斜視図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＸＩＩＩ部の拡大図である。

比較例の可撓部材（図示せず）に用いられるウェーブワッシャー２３Ａと実施例１の可撓部材１に用いられるウェーブワッシャー２３とで屈曲時の応力分布を比較した。

比較例の可撓部材は、ウェーブワッシャー２３Ａを実施例１と同様に積層して隣接間を接合したものであり、接合部２１Ａの形状以外は実施例１と同一に構成されている。接合部２１Ａは、それぞれウェーブワッシャー２３Ａの径方向に沿って形成された単一の溶接部２５Ａからなっている。

かかる比較例のウェーブワッシャー２３Ａでは、屈曲時に内外周２３Ａｅ，２３Ａｆの変形量に差が生じており、その結果、接合部２１Ａに沿った領域において内周２３Ａｅ側に局所的に応力が高い部分が存在していることが分かる。このときの最大応力は、１１８６ＭＰａであった。なお、図１２では、色が濃いほど応力が高いことを示す（図１３も同じ。）。

これに対し、実施例１のウェーブワッシャー２３では、屈曲時に内外周２３ｅ，２３ｆの変形量の差が抑制されていることにより、接合部２１に沿った領域において内周２３ｅ側から外周２３ｆ側にわたって応力の均一化が図られていることが分かる。このときの最大応力は、９９７ＭＰａであり、約１６％の減少が見られた。

また、実施例１では、溶接部２５ａ，２５ｂ間の開き角度を３０度、３５度、４０度と変更した場合、それぞれ最大応力が１０６１ＭＰａ、９９７ＭＰａ、１１８４ＭＰａとなった。

従って、本実施例では、溶接部２５ａ，２５ｂの開き角度を、３０度～４０度、特に３５度に設定するのが好ましいことが分かる。

なお、溶接部２５ａ，２５ｂの好ましい開き角度は、ウェーブワッシャー２３の幅や形状などによって異なる。

［実施例１の効果］
以上説明したように、本実施例の可撓部材１は、閉環状の複数のウェーブワッシャー２３が軸方向に積層されると共に隣接間を複数の接合部２１によって接合され、ウェーブワッシャー２３の弾性変形により軸方向に対して屈曲可能な本体部１９を備え、複数の接合部２１は、それぞれウェーブワッシャー２３の内周２３ｅから外周２３ｆに向かって漸次周方向に離間する一対の線状の溶接部２５ａ，２５ｂからなる。

従って、本実施例では、屈曲角度と荷重との荷重特性の線形性を高くすることができ、小型化を図りつつ耐荷重及び屈曲性に優れた可撓部材を得ることが可能となる。

しかも、本実施例では、一対の溶接部２５ａ，２５ｂによりウェーブワッシャー２３が変形する際の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量に差が生じることを抑制し、接合部２１周辺に作用する応力の偏りを抑制して最大応力が低減され、可撓部材１の耐久性を向上することができる。

一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、一方の溶接部２５ａがウェーブワッシャー２３の中心から径方向に延びる第１線Ｌ１に対して交差する方向に延びる第２線Ｌ２上に形成され、他方の溶接部２５ｂが第２線Ｌ２に対して交差する方向に延びる第３線Ｌ３上に形成されている。

このため、本実施例では、接合部２１周辺に作用する応力の偏りを確実に抑制することができる。

また、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、それぞれ連続した線状に形成されたため、溶接部２５ａ，２５ｂに沿って応力を均一化することができる。

また、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ側で相互に重なるＶ字状であるため、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅで不用意に変形量が抑制されることがない。このため、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、ウェーブワッシャー２３の外周２３ｆの変形量の調整を少なくすることができる。

また、本実施例では、本体部１９の山部２３ａ及び谷部２３ｂの伸縮により、屈曲動作を確実に行わせることができる。

さらに、本実施例では、当接する山部２３ａ及び谷部２３ｂ間が接合されていることにより、ねじり剛性において優れた可撓部材１を得ることができる。

また、本実施例では、複数のウェーブワッシャー２３が駆動ワイヤ１１を挿通する挿通孔２３ｄを有するので、本体部１９を駆動ワイヤ１１のガイドとして利用することができ、駆動ワイヤ１１を適切な位置に保持し、より安定且つ正確な屈曲動作を行わせることができる。

［変形例］
接合部２１の形状の変形例を図１４～図１６に示す。

図１４の変形例では、溶接部２５ａ，２５ｂを内周２３ｅ側で重ねず周方向に離間させている。

図１５の変形例では、第３線Ｌ３が第１線Ｌ１と重なっており、それに伴って他方の溶接部２５ｂが径方向に沿ったものとなっている。

図１６の変形例は、溶接部２５ａ，２５ｂが曲線状に形成されたものである。

その他、接合部２１の形状は、上記のように、ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量の差に応じて適宜設定することが可能である。例えば、溶接部２５ａ，２５ｂは、隣接する溶接スポット２７を離間させることで破線状としてもよい。また、溶接部２５ａ，２５ｂの開き角度や長さも変更可能である。さらに、溶接部２５ａ，２５ｂの何れか一方のみの形状を変更することも可能である。また、実施例１の接合部２１は、平面視においてウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ及び外周２３ｆに対して隙間を有しているが、内周２３ｅから外周２３ｆにまで至る形状とすることも可能である。

１ 可撓部材
１５ 基部
１７ 可動部
１９ 本体部
２１ 接合部
２３ ウェーブワッシャー
２３ａ 山部
２３ｂ 谷部
２３ｅ 内周
２３ｆ 外周
２５ａ、２５ｂ 溶接部
Ｌ１ 第１線
Ｌ２ 第２線
Ｌ３ 第３線

Claims (4)

1. 閉環状の複数のウェーブワッシャーが軸方向に積層されると共に隣接間を複数の接合部によって接合され前記ウェーブワッシャーの弾性変形により前記軸方向に対して屈曲可能な本体部を備え、
   前記複数の接合部は、それぞれ一対の線状の溶接部を備え、
   前記一対の溶接部は、一方の溶接部が前記ウェーブワッシャーの中心から放射方向に延びる第１線に対して交差する方向に延びる第２線上に形成され、他方の溶接部が前記第２線に対して交差する方向に延びる第３線上に形成された、
   可撓部材。
2. 請求項１の可撓部材であって、
   前記一対の溶接部は、それぞれ連続した線状に形成された、
   可撓部材。
3. 請求項２の可撓部材であって、
   前記一対の溶接部は、前記ウェーブワッシャーの内周側で相互に重なるＶ字状である、
   可撓部材。
4. 請求項１～３の何れか一項の可撓部材であって、
   前記複数のウェーブワッシャーは、それぞれ周方向に複数の山部及び該山部間の谷部を備え、隣接するウェーブワッシャーの山部と谷部とが当接し該山部と谷部との当接部分がそれぞれ前記接合部により接合された、
   可撓部材。
   

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