WO2022230975A1

WO2022230975A1 - 屈曲構造体

Info

Publication number: WO2022230975A1
Application number: PCT/JP2022/019274
Authority: WO
Inventors: 貴史平田; 裕樹保戸田; 正紘稲葉; 悠暉早川
Original assignee: 日本発條株式会社
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2022-11-03
Also published as: TWI806576B; TW202243641A; EP4331783A1; US20240189981A1; JP2022171422A; CN117177844A

Abstract

多関節の屈曲構造体において小回りが利く構造を得ることが可能な屈曲構造体を提供する。軸方向に対して弾性的に屈曲可能な複数の第１屈曲部９及び第２屈曲部１１と、隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１間に位置する中間部１３とを備える。第１屈曲部９及び第２屈曲部１１は、軸方向に一体の可撓部材１７を備える。中間部１３は、隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１間で、可撓部材１７に取り付けられて軸方向に対する可撓部材１７の屈曲を抑制する。

Description

屈曲構造体

　本発明は、ロボットやマニピュレーター等の関節機能部に供される屈曲構造体に関する。

　従来の屈曲構造体としては、例えば、特許文献１のように多関節のものが知られている。

　この屈曲構造体では、複数の湾曲駒の相互間が回動軸部によって回動自在に連結されている。隣接する湾曲駒は、相互に直交する方向に回動するようになっており、屈曲構造体は、全体として自由度の高い屈曲が可能となっている。

　しかし、かかる屈曲構造体は、同一方向へ屈曲する湾曲駒間が、その屈曲に寄与しない湾曲駒が介在することによって長くなり、小回りが利かない構造となっていた。

特開２００８－２３７８１０号公報

　解決しようとする問題点は、多関節の屈曲構造体において小回りが利かなかった点である。

　本発明は、軸方向に対して弾性的に屈曲可能な複数の屈曲部と、隣接する屈曲部間に位置する中間部とを備え、前記複数の屈曲部は、前記軸方向に一体の可撓部材を備え、前記中間部は、前記隣接する屈曲部間で、前記可撓部材に取り付けられて前記軸方向に対する前記可撓部材の屈曲を抑制する屈曲構造体を提供する。

　本発明によれば、隣接する屈曲部間で可撓部材の屈曲を抑制可能である限り、中間部の軸方向の寸法を小さくでき、結果として、屈曲に寄与しない部分を小さくして、小回りが利く構造を得ることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る屈曲構造体を示す斜視図である。図２は、図１の屈曲構造体の非屈曲時の概略縦断面図である。図３は、図２の要部を示す拡大図である。図４は、図１の屈曲構造体の屈曲時の縦断面図である。図５は、変形例に係る屈曲構造体の非屈曲時の縦断面図である。図６は、変形例に係る屈曲構造体の屈曲時の縦断面図である。

　多関節の屈曲構造体において小回りが利く構造を得るという目的を、複数の屈曲部にわたる一体の可撓部材に、隣接する屈曲部間で屈曲を抑制する中間部を取り付けることにより実現した。

　すなわち、屈曲構造体（１）は、複数の屈曲部（９，１１）と、中間部（１３）とを備える。屈曲部（９，１１）は、軸方向に対して弾性的に屈曲可能なものである。これら屈曲部（９，１１）は、軸方向に一体の可撓部材（１７）を備える。中間部（１３）は、隣接する屈曲部（９，１１）間に位置し、これら屈曲部（９，１１）間で可撓部材（１７）に取り付けられて可撓部材（１７）の軸方向に対する屈曲を抑制する。

　中間部（１３）は、種々の形態を採用することが可能であり、可撓部材（１７）を軸方向に挿通する環状部材であってもよい。この場合、中間部（１３）は、内周が可撓部材（１７）に取り付けられる。

　複数の屈曲部（９，１１）は、それぞれ可撓部材（１７）の周囲を囲み、弾性を有するアウター部材（１９，２１）を備えてもよい。

　この場合において、隣接する屈曲部（９，１１）のアウター部材（１９，２１）は、軸方向において中間部（１３）を挟んで相互に対向する端部が中間部（１３）の軸方向の両側にそれぞれ取り付けられた構成としてもよい。

　可撓部材（１７）は、種々の形態を採用可能であるが、内コイル部（２７）及び外コイル部（２９）を有してもよい。この場合、外コイル部（２９）の隣接巻部（２９ａ）間の隙間（２９ｂ）に内コイル部（２７）の対応する巻部（２７ａ）が嵌合する。

［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である。図２は、図１の屈曲構造体の非屈曲時の概略縦断面図である。図３は、図２の要部の拡大図である。図４は、図１の屈曲構造体の屈曲時の概略縦断面図である。

　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の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。

　本実施例の屈曲構造体１は、多関節構造であり、基部３と、可動部５と、多関節部７とを備えている。

　基部３は、金属や樹脂等で形成された柱状体、例えば円柱状体からなる。この基部３は、マニピュレーターのシャフトの端部等に取り付けられる。なお、基部３は、柱状体に限られず、屈曲構造体１が適用される機器に応じて適宜の形態とする。

　可動部５は、基部３と同様、柱状体、例えば円柱状体からなる。可動部５には、屈曲構造体１が適用される機器に応じたエンドエフェクタ等が取り付けられる。なお、可動部５も、屈曲構造体１が適用される機器に応じて適宜の形態とされ、柱状体に限られるものではない。

　かかる可動部５は、多関節部７により軸方向に対して変位可能に基部３に支持されている。

［多関節部］
　多関節部７は、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１と、中間部１３とを備えている。

　第１屈曲部９及び第２屈曲部１１は、それぞれ関節として屈曲及び伸展可能な部分である。なお、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１は、弾性的に屈曲及び伸展を可能とする弾性力を有しているが、弾性力を有していなくても機能する。本実施例において、屈曲構造体１は、二つの隣接する屈曲部９，１１を備えた構成となっているが、三つ以上の屈曲部を有してもよい。

　屈曲及び伸展とは、屈曲構造体１の軸心に沿った方向（以下、軸方向と称する）に対して屈曲及び伸展することをいう。なお、軸方向は、屈曲構造体１の軸心に厳密に沿っている必要はない。

　第１屈曲部９は、中間部１３に対して軸方向の一側、例えば可動部５側の屈曲部であり、第２屈曲部１１は、中間部１３に対して軸方向の他側、例えば基部３側の屈曲部である。三つ以上の屈曲部を有する場合は、隣接する屈曲部の内、中間部１３に対する軸方向の一側が第１屈曲部９、軸方向の他側が第２屈曲部１１となる。中間部１３の数は、屈曲部９，１１の数よりも一つ少なくなる。

　第１屈曲部９は、可動部５に接続されたワイヤー１５によって操作されて屈曲する。ワイヤー１５は、第１屈曲部９、中間部１３、及び第２屈曲部１１を挿通して基部３側へ至り、基部３側での引張りにより第１屈曲部９を屈曲可能とする。

　第２屈曲部１１は、第１屈曲部９と同様に、ワイヤー（図示せず）によって操作されて屈曲する。ワイヤーは、中間部１３に取り付けられ、第２屈曲部１１を挿通して基部３側へ至り、基部３側での引張りにより第２屈曲部１１を屈曲可能とする。

　なお、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の屈曲は、ワイヤー以外にも、単線、撚り線、ピアノ線、多関節ロッド、鎖、紐、糸、縄等の適宜の索状体によって行えばよい。

　第１屈曲部９及び第２屈曲部１１は、軸方向の長さが同一に設定されている。ただし、中間部１３の軸方向の位置を変更することで、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の軸方向の長さを異ならせてもよい（図５参照）。

　かかる第１屈曲部９及び第２屈曲部１１は、可撓部材１７と、アウター部材１９，２１とで構成されている。

　可撓部材１７は、軸方向に沿って配置され、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の軸方向への圧縮を抑制する芯材として機能する。この可撓部材１７は、全体として筒状に形成され、内側に挿通孔１７ａを区画する。挿通孔１７ａは、ワイヤーやエアーチューブ等の可撓性を有する部材を挿通するものである。なお、可撓部材１７は、屈曲構造体１が適用される機器に応じて、挿通孔１７ａを区画しない構成としてもよい。

　本実施例の可撓部材１７は、第１屈曲部９から第２屈曲部１１にわたって軸方向に一体に構成されている。本実施例の可撓部材１７は、第１屈曲部９から第２屈曲部１１まで途切れずに連続し、基部３から可動部５まで延設されている。この可撓部材１７は、後述するように中間部１３が取り付けられることで、第１部分２３及び第２部分２５に区画されている。第１部分２３及び第２部分２５は、それぞれ第１屈曲部９及び第２屈曲部１１に対応している。

　なお、可撓部材１７は、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１間で分離して形成され、且つ中間部１３の軸方向の範囲内に分離した端部が位置することで、実質的に一体に構成されたものであってもよい。

　本実施例において、可撓部材１７は、二重コイル構造であり、内コイル部２７及び外コイル部２９を有している。なお、可撓部材１７は、種々の形態が可能であり、単一の密着コイルばねや可撓性を有する筒体等によって構成してもよい。

　内コイル部２７及び外コイル部２９は、それぞれ金属や樹脂等からなり、軸方向に対して屈曲及び伸展が可能な可撓性を有するコイルばねである。内コイル部２７は、外コイル部２９よりも小さい中心径を有し、外コイル部２９内に螺合されている。これにより、外コイル部２９の隣接巻部２９ａ間の隙間２９ｂに、内コイル部２７の対応する巻部２７ａが嵌合している。

　この二重コイル形状の可撓部材１７は、全体として軸方向に対して屈曲及び伸展可能であって、軸心の長さが屈曲前後及び屈曲中においてほぼ一定となっている。

　すなわち、外力により屈曲する際に、可撓部材１７は、屈曲の内側が収縮しかつ屈曲の外側が伸長することにより、非屈曲時に対して軸心の長さが変化しないようになっている。このため、挿通孔１７ａを挿通する部材の経路長を一定にすることができる。

　また、可撓部材１７は、外コイル部２９の隣接巻部２９ａ間の隙間２９ｂに内コイル部２７の対応する巻部２７ａが嵌合することによって、軸方向への圧縮を抑制する構成となっている。

　アウター部材１９，２１は、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１にそれぞれ設けられた弾性を有する部材である。これらアウター部材１９，２１は、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１に屈曲後に復元（伸展）を可能とする弾性を付与する。従って、可撓部材１７は、弾性を低く、柔軟性を高く設定することができる。なお、アウター部材１９，２１は省略することも可能である。この場合、可撓部材１７自身が屈曲後に復元を可能とする弾性を有すればよい。

　これらアウター部材１９，２１は、可撓部材１７の周囲を囲む環状であり、それぞれ可動部５と中間部１３との間及び中間部１３と基部３との間に取り付けられている。この取付けにより、アウター部材１９，２１は、可撓部材１７に対して位置決められている。なお、本実施例において、アウター部材１９，２１は、可撓部材１７と同心に位置決められるが、可撓部材１７と同心でなくてもよい。

　なお、アウター部材１９，２１は、可動部５と中間部１３との間及び中間部１３と基部３との間に介在させるだけでもよい。

　本実施例のアウター部材１９，２１は、金属や樹脂等からなる複数のウェーブワッシャー３１を軸方向で積層して構成されている。これらアウター部材１９，２１は、ウェーブワッシャー３１の弾性変形により屈曲可能となっている。

　なお、アウター部材１９，２１は、ウェーブワッシャー３１を積層したものに限らず、他の部材によって構成することが可能である。例えば、アウター部材１９，２１は、コイルばね、断面波形状の管体からなるベローズ、可撓部材１７と同様の二重コイルによって構成すること等が可能である。

　中間部１３は、隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１間で、可撓部材１７に取り付けられて軸方向に対する可撓部材１７の屈曲を抑制するものである。本実施例において、屈曲の抑制は、屈曲しないようにすることを意味する。ただし、屈曲の抑制は、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の動作に影響がない範囲で、中間部１３が可撓部材１７の屈曲を僅かに許容するものであってもよい。

　本実施例の中間部１３は、可撓部材１７を軸方向に挿通する環状部材となっている。環状部材である中間部１３は、中心部に可撓部材１７の挿通孔１３ａを有する板状に形成されている。

　ただし、中間部１３の形状は任意であり、挿通孔１３ａを有する板状の他、筒状、或いは複数の分離した板状体等の部材を可撓部材１７に環状に取り付けたものや周方向の一部に切欠きを有する環状部材等であってもよい。また、中間部１３の平面形状は、本実施例において円形であるが、他の幾何学形状に形成してもよい。

　この中間部１３は、可撓部材１７を挿通した状態で、内周が可撓部材１７に取り付けられている。この中間部１３の内周の可撓部材１７への取付けは、中間部１３の内周の一部又は全部において行うことが可能である。取付け方法は、溶接、接着、カシメ等を適宜採用すればよい。中間部１３の取付位置は、本実施例において多関節部７の軸方向の中心部となっている。ただし、中間部１３は、かかる中心部に対して軸方向に変位して取り付けてもよい。

　図５及び図６は、変形例に係る屈曲構造体１の非屈曲時及び屈曲時の縦断面図である。なお、図６では、第１屈曲部９のみが屈曲した状態を示す。

　図５及び図６の変形例は、多関節部７の軸方向の中心部に対し、中間部１３が基部３側に変位して可撓部材１７に取り付けられたものである。この変形例では、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の長さを変更して、特性を変更することができる。例えば、第１屈曲部９の屈曲開始位置、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の屈曲角度、屈曲半径等を変更することができる。

　なお、図５の変形例とは逆に、中間部１３を可動部５側に変位させて可撓部材１７に取り付けられてもよい。このように中間部１３の取付位置を変更することで、特性を容易に調整できる。

　また、中間部１３は、可撓部材１７に対してスライド可能に嵌合して取り付けることも可能である。この場合、中間部１３の位置を調整することで、隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の長さを変更して特性を変化させることができる。ただし、中間部１３の位置の調整に応じて、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１が軸方向に伸縮する必要がある。

　中間部１３の軸方向の両側には、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１のアウター部材１９，２１の端部がそれぞれ取り付けられている。この取付けは、本実施例において溶接や接着等の固着であるが、アウター部材１９，２１の端部を中間部１３に固着せずに単に当接させるだけでもよい。

　これにより、中間部１３は、軸方向の両側からアウター部材１９，２１によって保持される。

　中間部１３の内外径は、アウター部材１９，２１の内外径と同等となっている。このため、中間部１３は、アウター部材１９，２１に対する径方向への突出が抑制されるので、不用意に外力が作用することが防止される。

　なお、中間部１３の内外径は、アウター部材１９，２１の内外径に対して大きく又は小さく設定してもよい。ただし、中間部１３の内径は、可撓部材１７への取付が可能な範囲とする。

　中間部１３の軸方向の寸法は、可撓部材１７の屈曲を抑制することができる範囲で設定する。従って、屈曲構造体１は、中間部１３の軸方向の寸法を、可撓部材１７の屈曲を抑制することができる限りにおいて最小化できる。なお、中間部１３の軸方向の寸法は、第２屈曲部１１を操作するワイヤーを固定可能である最小サイズとしてもよい。

　本実施例の中間部１３の軸方向の寸法は、中間部１３の径方向の寸法（内外径の差）よりも小さくなっている。可撓部材１７との関係においては、中間部１３の軸方向の寸法が可撓部材１７の外コイル部２９の３巻分程度となっている。

　ただし、中間部１３の軸方向の寸法は、可撓部材１７の柔軟性等に応じて適宜設定することが可能であり、より小さく或いは大きくしてもよい。この場合、可撓部材１７は、その柔軟性等に応じて、中間部１３に取り付ける巻部２９ａの数を調整するように構成することも可能である。

　中間部１３の材質は、可撓部材１７の材質や屈曲構造体１に要求される特性等に応じて、金属や樹脂等を適宜採用すればよい。

［動作］
　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１５及びワイヤー（図示せず）を引張ることで、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１を３６０度全方位の何れかに向けて屈曲させることができる。

　第１屈曲部９が屈曲する際は、アウター部材１９，２１の複数のウェーブワッシャー３１が中立軸に対する屈曲の内側で圧縮されると共に屈曲の外側で伸張される。

　同時に、可撓部材１７の第１部分２３が、屈曲の内側で収縮し且つ屈曲の外側で伸長する。本実施例では、屈曲の内側で外コイル部２９の隙間２９ｂが小さくなって屈曲の外側に向けて内コイル部２７を変位させ、屈曲の外側で外コイル部２９の隙間２９ｂが大きくなって内コイル部２７の変位を許容する。

　このとき、中間部１３は、その取付部分において可撓部材１７の屈曲を抑制する。中間部１３は、その可動部５側に可撓部材１７の第１部分２３を区画し、且つ第１屈曲部９のアウター部材１９が可動部５側に取り付けられている。

　このため、中間部１３は、第１屈曲部９の基部として機能する。従って、第１屈曲部９は、中間部１３に対して全体として屈曲し、可動部５を所望の方向に指向させることができる。

　第２屈曲部１１が屈曲する際は、同様にして、中間部１３を第２屈曲部１１の可動部として機能させ、第２屈曲部１１が基部３に対して全体として屈曲し、中間部１３を所望の方向に指向させることができる。

　このように本実施例の屈曲構造体１では、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の屈曲により、可動部５を所望の方向に指向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、軸方向に対して弾性的に屈曲可能な複数の第１屈曲部９及び第２屈曲部１１と、隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１間に位置する中間部１３とを備える。第１屈曲部９及び第２屈曲部１１は、軸方向に一体の可撓部材１７を備える。中間部１３は、隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１間で、可撓部材１７に取り付けられて軸方向に対する屈曲を抑制する。

　従って、隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１間で可撓部材１７の屈曲を抑制可能である限り、中間部１３の軸方向の寸法を小さくできる。結果として、屈曲構造体１は、屈曲に寄与しない部分を小さくして、小回りが利く構造を得ることができる。

　中間部１３は、可撓部材１７を軸方向に挿通する環状部材であり、内周が可撓部材１７に取り付けられている。

　従って、中間部１３は、可撓部材１７を挿通させて取り付けることで、簡単な構造で容易且つ確実に可撓部材１７の屈曲を抑制することができる。

　中間部１３は、可撓部材１７に固着されているので、より確実に可撓部材１７の屈曲を抑制できる。中間部１３を可撓部材１７にスライド可能に嵌合させて取り付ける場合でも、可撓部材１７の屈曲は抑制可能である。

　第１屈曲部９及び第２屈曲部１１は、それぞれ可撓部材１７の周囲を囲み弾性を有するアウター部材１９，２１を備えている。

　従って、本実施例では、アウター部材１９，２１によって第１屈曲部９及び第２屈曲部１１に弾性を付与することができ、可撓部材１７の弾性を低くすることができる。

　隣接する第１屈曲部９及び第２屈曲部１１のアウター部材１９，２１は、軸方向において中間部１３を挟んで相互に対向する端部が、中間部１３の軸方向の両側にそれぞれ取り付けられている。

　従って、中間部１３は、可撓部材１７の屈曲を抑制する部材とアウター部材１９，２１の支持部材を兼用することができる。このため、屈曲構造体１では、屈曲に寄与しない部分をより小さくして、より小回りが利く構造を得ることができる。

　可撓部材１７は、内コイル部２７及び外コイル部２９を有し、外コイル部２９の隣接巻部２９ａ間の隙間２９ｂに内コイル部２７の対応する巻部２７ａが嵌合している。

　従って、可撓部材１７は、第１屈曲部９及び第２屈曲部１１の軸方向の圧縮を抑制することができると共に内部を通る部材の経路長を一定にすることができる。また、可撓部材１７は、中間部１３に取り付ける巻部２９ａの数を調整することで、容易に屈曲の抑制を調整することができる。

１　屈曲構造体
９　第１屈曲部
１１　第２屈曲部
１３　中間部
１７　可撓部材
１９，２１　アウター部材
２７　内コイル部
２７ａ　巻部
２９　外コイル部
２９ａ　巻部
２９ｂ　隙間
３１　ウェーブワッシャー

Claims

　軸方向に対して弾性的に屈曲可能な複数の屈曲部と、
　隣接する屈曲部間に位置する中間部とを備え、
　前記複数の屈曲部は、前記軸方向に一体の可撓部材を備え、
　前記中間部は、前記隣接する屈曲部間で、前記可撓部材に取り付けられて前記可撓部材の前記軸方向に対する屈曲を抑制する、
　屈曲構造体。
　請求項１記載の屈曲構造体であって、
　前記中間部は、前記可撓部材を軸方向に挿通する環状部材であり、内周が前記可撓部材に取り付けられた、
　屈曲構造体。
　請求項１又は２に記載の屈曲構造体であって、
　前記中間部は、前記可撓部材に固着された、
　屈曲構造体。
　請求項１～３の何れか一項に記載の屈曲構造体であって、
　前記複数の屈曲部は、それぞれ前記可撓部材の周囲を囲み、弾性を有するアウター部材を有する、
　屈曲構造体。
　請求項４記載の屈曲構造体であって、
　前記複数の屈曲部の前記アウター部材は、前記軸方向において前記中間部を挟んで相互に対向する端部が前記中間部の前記軸方向の両側にそれぞれ取り付けられた、
　屈曲構造体。
　請求項１～５の何れか一項に記載の屈曲構造体であって、
　前記可撓部材は、内コイル部及び外コイル部を有し、前記外コイル部の隣接巻部間の隙間に前記内コイル部の対応する巻部が嵌合した、
　屈曲構造体。