(57)【要約】【課題】ねじりに強く曲げやすい異形線コイルばね、及び、マニピュレータの低コスト化及び小型化が図られる。【解決手段】所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、コイルばねの軸方向に所定の圧力で押圧する。これにより、コイルばねの巻線の断面形状がコイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工された異形線コイルばね１を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、前記コイルばねの軸方向に所定の圧力で押圧することで、前記コイルばねの巻線の断面形状が前記コイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工された
異形線コイルばね。
【請求項２】
外径は５ｍｍ以上１０ｍ以下である
請求項１に記載の異形線コイルばね。
【請求項３】
塑性加工される前の前記巻線の断面形状は円形である
請求項１又は２に記載の異形線コイルばね。
【請求項４】
塑性加工される前の前記巻線の断面形状は四角形状である
請求項１又は２に記載の異形線コイルばね。
【請求項５】
塑性加工される前の前記巻線は筒状である
請求項１又は２に記載の異形線コイルばね。
【請求項６】
所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、前記コイルばねの軸方向に所定の圧力で押圧することで、前記コイルばねの巻線の断面形状が前記コイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工する工程
を有する異形線コイルばねの製造方法。
【請求項７】
所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、前記コイルばねの軸方向に所定の圧力で押圧することで、前記コイルばねの巻線の断面形状が前記コイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工された異形線コイルばねによって構成された関節部と、
前記関節部の先端側に設けられ、把持動作を行うグリッパーと
を備えるマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節部等に用いられる異形線コイルばね、異形線コイルばねの製造方法、並びに、異形線コイルばねを用いたマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットやマニピュレータの医療分野への適用拡大が進みつつある。例えば、既に実用化されている腹腔鏡手術に用いられる医療用ロボットの代表例として、米国インテュイティヴ・サージカル社が開発したda Vinci Surgical Systemが知られている（非特許文献１参照）。医療用ロボットによる手術は、外科医がカメラを用いて患部を見ながらマニピュレータを操作することで行われる。このような医療用ロボットによる手術では、腹腔部を切り裂く必要がなく、カメラやマニピュレータなどを通すための５点程度の穴を腹腔部に開けるだけですむため、患者への負担を低減できる。
【０００３】
このようなロボットやマニピュレータには、関節が不可避的に存在する。例えば、特許文献１には、可撓性コイルを関節部として用いた外科用器具が記載されている。一方、関節部分の小型化ができれば、腹腔部に開ける穴を小さくすることができ、患者の精神的、肉体的な負担を軽減できるため、関節部の小型化が望まれている。これに対し、近年、マニピュレータの関節部のコンパクト化、多自由度化を目的とした空気圧駆動による手術ロボット（鉗子マニピュレータ）の開発がなされている（非特許文献２参照）。
【０００４】
非特許文献２で提案されている鉗子マニピュレータは、切削加工によって得られた特殊なバネ部材に、空気圧シリンダに接続されたワイヤが挿通されており、空気圧駆動でバネ部材を屈曲させる。この切削加工によって得られた特殊なバネ部材は、ねじりに強く曲げやすいという性質を有するため、このバネ部材を鉗子マニピュレータに用いることにより、バネ部材の部分がコンパクトで自由度が高い関節部として動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３６５４０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】東京医科大学病院、“手術支援ロボット「ダヴィンチ」徹底解剖”、［online］、平成２６年５月５日検索、インターネット（ＵＲＬ：http://hospinfo.tokyo-med.ac.jp/davinci/top）
【非特許文献２】原口大輔：日本フルードパワーシステム学会誌  第４４巻第Ｅ１号、Ｅ４５-Ｅ４８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ねじりに強く曲げやすいという性質は、バネ部材の巻線の断面形状を工夫した、いわゆる異形線コイルばねによって実現できる。非特許文献２で用いられる異形線コイルばねは、巻線の断面形状を矩形状にすることで、ねじりに強く曲げやすい性質を得ている。巻線の断面形状を矩形状とする場合、巻線の断面形状の矩形比とその曲げ方向によっては、曲げ剛性が高くなり、通常のコイリング加工ではコイル状に巻くことができない。
【０００８】
これに対し、非特許文献２で用いられる異形線コイルばねは切削加工によって形成されており、加工費が高いため、この異形線コイルばねの加工費がロボット全体の製造コストを圧迫してしまうという問題がある。また、上記の医療用ロボットに限らず、コンパクトで多自由度な関節を有するロボットを低コストで実用化することが望まれている。
【０００９】
そこで、本発明は、ねじりに強く曲げやすい異形線コイルばねの低コスト化及び小型化を図ると共に、その異形線コイルばねを用いたマニピュレータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の異形線コイルばねは、所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、コイルばねの軸方向に所定の圧力で押圧することで、コイルばねの巻線の断面形状がコイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工されている。
【００１１】
本発明では、塑性加工により所望の異形線コイルばねを作製できるため、コストの低減を図ることができる。また、異形線コイルばねは、巻線断面が円形のコイルばねに比較してねじり剛性が大きく、曲げモーメントが小さい。さらに、塑性加工によって得られた異形線コイルばねは、塑性加工されていないコイルばねに比較して弾性変形領域の拡大を図ることができる。
【００１２】
本発明の異形線コイルばねの製造方法は、所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、コイルばねの軸方向に所定の圧力で押圧する。これにより、コイルばねを、そのコイルばねの巻線の断面形状がコイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工する。
【００１３】
本発明の異形線コイルばねの製造方法では、コイルばねが軸方向に押圧されて圧縮されることによって巻線の断面形状がコイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工された異形線コイルばねが作製される。
【００１４】
本発明のマニピュレータは、上述した異形線コイルばねによって構成された関節部と、関節部の先端側に設けられ、把持動作を行うグリッパーとを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ねじりに強く曲げやすい異形線コイルばね、及び、マニピュレータの低コスト化及び小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る異形線コイルばねの概略構成図（一部断面図で示す）である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る異形線コイルばねの製造治具の概略構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る異形線コイルばねの製造に用いられる巻線断面が円形のコイルばねの概略構成図である。
【図４】実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねのねじり剛性の比較結果である。
【図５】実際に作製した第１の実施形態の異形線コイルばねにねじり負荷を与えた様子を示す概略図である。
【図６】図３に示したＦＥＭの結果と、実際に作製された第１の実施形態に係る異形線コイルばねのねじり剛性の実験結果を比較した図である。
【図７】実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねの曲げ特性に関する比較結果である。
【図８】実際に作製した第１の実施形態の異形線コイルばねの曲げ半径を測定した様子を示す概略図である。
【図９】図７に示したＦＥＭの結果と、実際に作製された第１の実施形態に係る異形線コイルばねの曲げ特性の実験結果を比較した図である。
【図１０】図１０Ａはアルミニウムを使用した場合において所定のばね定数を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１０Ｂはアルミニウムを使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］）。
【図１１】図１１ＡはＳＵＳ３０４を使用した場合において所定のばね定数を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１１ＢはＳＵＳ３０４を使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］）。
【図１２】図１２Ａはアルミニウムを使用した場合において所定値以上のねじりトルク強度を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１２Ｂはアルミニウムを使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］）。
【図１３】図１３ＡはＳＵＳ３０４を使用した場合において所定値以上のねじりトルク強度を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１３Ｂは、ＳＵＳ３０４を使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］）。
【図１４】図１０Ｂ及び図１２Ｂを合成して示した図である。
【図１５】図１１Ｂ及び図１３Ｂを合成して示した図である。
【図１６】図１６Ａは第１の実施形態における塑性加工前のコイルばねの巻線断面図であり、図１６Ｂはそのコイルばねを塑性加工することで得られる異形線コイルばねの巻線断面図である。
【図１７】図１７Ａ，Ｂは、変形例１に係る塑性加工前のコイルばね及び塑性加工後の異形線コイルばねのそれぞれの巻線断面を示す図である。
【図１８】図１８Ａ，Ｂは、変形例２に係る塑性加工前のコイルばね及び塑性加工後の異形線コイルばねのそれぞれの巻線断面を示す図である。
【図１９】図１９Ａ，Ｂは、変形例３に係る塑性加工前のコイルばね及び塑性加工後の異形線コイルばねのそれぞれの巻線断面を示す図である。
【図２０】図２０Ａは本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータの全体構成を示す概略図であり、図２０Ｂ及び図２０Ｃはそれぞれ、その要部を拡大して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る異形線コイルばね、異形線コイルばねの製造方法、並びに、マニピュレータの一例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
【００１８】
〈１．第１の実施形態：異形線コイルばね〉
［１−１．異形線コイルばね、及び、異形線コイルばねの製造方法］
図１は、本実施形態の異形線コイルばねの概略構成図（一部断面図で示す）である。本実施形態の異形線コイルばね１は、後述する医療用ロボットにおけるマニピュレータ（図２０Ａ参照）の関節部に好適に適用されるコイルばねである。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の異形線コイルばね１は、金属線材を円筒状に巻回して形成された巻線で構成され、巻線の断面形状はその異形線コイルばね１の半径方向に長い横長形状（本実施形態では矩形状）である。すなわち、図１に示すように、本実施形態１の異形線コイルばね１の巻線断面は、その横幅ａが縦幅ｂよりも大きい。なお、本実施形態では、異形線コイルばね１の半径方向（以下、コイル半径方向）における巻線断面の幅を「横幅」、異形線コイルばね１の軸方向（以下、コイル軸方向）における巻線断面の幅を「縦幅」と記す。また、後述するが、本実施形態の異形線コイルばね１は、所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、コイル軸方向に所定の圧力で押圧することで塑性加工されている。
【００２０】
本実施形態の異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに適用する場合には、異形線コイルばね１の材料として、生体内で安全に使用ができる材料を用いるのが好ましい。生体内で安全に使用ができる材料としては、ステンレス綱、チタン又はチタン合金を用いることができる。その他、本実施形態の異形線コイルばね１の材料としては、アルミニウムやアルミニウム合金などの軽金属を用いることができる。これらの軽金属で形成された異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに適用する場合においては、異形線コイルばね１を樹脂で覆って用いることで、生体内で安全に使用が可能である。
【００２１】
また、本実施形態の異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに用いる場合、生体内で用いられるため、異形線コイルばね１の外径は小さければ小さいほど生体への影響を低減できるというメリットがある。しかしながら、後述するマニピュレータの関節部として本実施形態の異形線コイルばね１を用いた場合、関節部の屈曲可動域を確保しつつ、先端に設けられたグリッパーを支持して動作させることができる強度（剛性）が必要である。すなわち、医療用ロボットのマニピュレータの関節部として異形線コイルばね１を用いる場合には、外径が小さく、かつ、ねじりに強く曲げやすいという特性が必要である。
【００２２】
コイル半径方向に長い横長形状の巻線断面を有する異形線コイルばねを通常のコイリング加工で作製する場合、その曲げ剛性が大きく、外径の小型化が難しい。すなわち、通常のコイリング加工では、外径がより小さく、かつ、ねじりに強く曲げやすい特性を有する巻線断面が横長形状（矩形状）の異形線コイルばねを作製するのは難しい。
【００２３】
一方、巻線断面がコイル半径方向に長い横長形状の異形線コイルばねを作製する方法として切削加工が上げられるが、切削加工はコストが高い。これに対し、本実施形態の異形線コイルばね１は、所定の断面形状の巻線で構成されたコイルばねを、そのコイル軸方向に圧縮することで作製することができる。以下、本実施形態の異形線コイルばね１の製造方法について説明する。
【００２４】
図２に、本実施形態の異形線コイルばねの製造治具の概略構成を示す（一部断面図で示す）。本実施形態の異形線コイルの製造治具１０は、図２に示すように、内部に所望のコイルばね２０が設置される容器１３を固定する台１１と、コイルばね２０に当接してコイルばね２０をそのコイル軸方向に押圧する押圧部１２とで構成されている。
【００２５】
台１１は、耐摩耗性と強度に優れた合金で形成され、本実施形態では、ＳＫＤ１１（ＪＩＳ規格）を用いて形成されている。台１１は、容器１３が載置される側の面に水平面を有する平板状の部材で構成されている。
【００２６】
容器１３は、炭素鋼鋼材で形成され、本実施形態では、Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格）を用いて形成されている。容器１３は、コイルばね２０が設置される孔１３ａを有する円筒形状の部材で構成されており、コイル軸方向の一方の端面は事前に研削加工により平坦化され台１１の上に置かれている。この容器１３の内径（すなわち、孔１３ａの直径）は、異形線コイルばね１のもとになるコイルばね２０の外径よりも大きく形成されており、最終的に得られる異形線コイルばね１の外径とほぼ同じに形成されている。
【００２７】
押圧部１２は、押圧軸１２ａと、押圧部本体１２ｂとで構成されている。押圧軸１２ａは、容器１３の孔１３ａに挿入されながら、容器１３の孔１３ａに設置されたコイルばね２０を押圧する棒状の部材である。押圧軸１２ａは、耐摩耗性と強度に優れた超硬合金で形成されている。また、押圧軸１２ａは容器１３の孔１３ａに挿入可能な円柱状の部材で構成されている。押圧部本体１２ｂは、押圧軸１２ａの上部に設けられ、外部からの押圧力を受けると共に押圧軸１２ａにその押圧力を伝達する。押圧部本体１２ｂは、台１１と同様、耐摩耗性と強度に優れた合金で形成され、本実施形態では、ＳＫＤ１１（ＪＩＳ規格）を用いて形成されている。また、押圧部本体１２ｂは、押圧軸１２ａの外径よりも十分に大きい外径を有する円板状の部材で構成され、押圧軸１２ａ側の面が押圧軸１２ａに接合されている。
【００２８】
以上の構成を有する製造治具１０において、容器１３の孔１３ａ内にコイルばね２０をそのコイル軸方向が容器１３の軸方向と平行になるように挿入する。そして、押圧部１２の押圧軸１２ａを孔１３ａに挿入し、外部から押圧部本体１２ｂに圧縮加重を印加することで容器１３の孔１３ａ内に設置されたコイルばね２０をコイル軸方向に圧縮し、巻線断面の形状がコイル半径方向に長い横長形状になるように塑性加工する。これにより本実施形態の異形線コイルばね１を形成することができる。
【００２９】
以下に、上述した製造治具１０を用いた本実施形態の異形線コイルばね１の製造方法について、より詳細に説明する。まず、通常のコイリング加工によって作製された巻線断面が円形のコイルばね２０を準備する。図３に、本実施形態の異形線コイルばね１の製造に用いられる巻線断面が円形のコイルばね２０の概略構成を示す。本実施形態では、人体への影響が少ないステンレス綱（ＳＵＳ３０４）を用い、外径が１２．５ｍｍ、巻線断面の直径が２．０ｍｍ、コイル軸方向の長さが４０ｍｍのコイルばね２０を準備した。このコイルばね２０は、通常のコイリング加工によって容易に形成可能な形状である。
【００３０】
次に、このコイルばね２０の巻き始めと巻き終わりの巻線を研磨（いわゆる座面研磨）し、コイルばね２０の両端部が面一状になるように平坦化処理をする。コイルばね２０の巻き始め及び巻き終わりの端部を先端に行くにしたがって徐々に薄くなるように研磨することで、コイルばね２０の両端部を面一状にすることができる。
【００３１】
次に、両端部に平坦化処理が施されたコイルばね２０をそのコイル軸方向が製造治具１０の台１１の表面に対して垂直になるように容器１３の孔１３ａ内に設置する。このとき、コイルばね２０の両端部には平坦化処理が施されているため、コイルばね２０は、容器１３の孔１３ａ内に安定して載置することができる。
【００３２】
次に、押圧軸１２ａをコイルばね２０が設置された孔１３ａ内に挿入し、押圧部本体１２ｂが台１１と平行になるように配置する。そして、図示を省略する圧力印加装置によって、約２０ｔの圧力で押圧部本体１２ｂを押圧し、コイルばね２０をコイル軸方向に圧縮した。なお、本実施形態では、圧力印加装置としてアムスラー型油圧万能試験機ＵＨ−１００ｋＮＡを用いた。本実施形態では、コイルばね２０の押圧軸１２ａに当接する側の端部が平坦化処理されているので、安定してコイル軸方向に圧力を印加することができる。
【００３３】
なお、押圧部１２に印加する圧力は、形成したい異形線コイルばね１の巻線断面の縦幅ｂを決定し、その縦幅ｂから異形線コイルばね１のコイル軸方向の長さを算出し、その算出された長さになるようにコイルばね２０を圧縮できる圧力とする。このとき、算出される異形線コイルばね１のコイル軸方向の長さは、隣接する巻線と巻線との間に隙間がないものとして計算する。
【００３４】
そして、押圧部１２によってコイルばね２０に所定の圧力を印加し、コイルばね２０を圧縮した後、コイルばね２０を容器内から取り出す。圧縮後、取り出したコイルばね２０は、隣接する巻線と巻線とが互いに圧着した状態である。このため、巻線のコイル軸方向の縦幅ｂと、隣接する巻線と巻線との隙間が１：１になるように、コイルばね２０を軸方向に引張する。これにより、外径Ｄｏが１３．５ｍｍ、軸方向の長さｗが１９ｍｍ、巻線断面の縦幅ｂが１．０５ｍｍ、その短辺に直交する方向の巻線断面の横幅ａが３．１ｍｍである異形線コイルばね１が完成された。
【００３５】
本実施形態の異形線コイルばね１は、図１に示すように、巻線断面はコイル半径方向に長い横長形状（矩形状）であり、巻線断面の横幅ａと縦幅ｂとの比がおよそ２．９５：１である。このように、巻線断面が異形線コイルばね１の半径方向に横長の形状であり、横縦比ａ／ｂが高いと、線材の巻き方向に対する曲げ剛度が高くなる。この結果、その横縦比ａ／ｂが高く、かつ、巻線断面の横幅ａに対して製造したい異形線コイルばね１の外径Ｄｏが小さい場合には、異形線コイルばね１を通常のコイリング加工で製造することができない。本実施形態では、通常のコイリング加工で形成できる断面形状が円形のコイルばね２０をコイル軸方向に圧縮加工（塑性加工）することで、横縦比ａ／ｂの高い巻線断面を有する異形線コイルばね１を製造することができる。
【００３６】
本実施形態の異形線コイルばね１をマニピュレータの関節部に用いる場合には、必要に応じて、関節部を屈曲駆動するための駆動ワイヤを挿通する貫通孔であって、巻線をコイル軸方向に貫通する貫通孔を放電加工により形成する。巻線の断面形状が円形のコイルばねの場合には、そのコイル軸方向に平行な貫通孔を巻線に形成することが難しい。一方、本実施形態の異形線コイルばね１は、所定のコイルばね２０をコイル軸方向に所定の圧力で圧縮加工（塑性加工）することにより形成されるため、異形線コイルばね１において、隣接する巻線と接する面は平坦になる。これにより、本実施形態の異形線コイルばね１では、巻線をコイル軸方向に貫通する貫通孔を容易に形成することができる。
【００３７】
［１−２．異形線コイルばねの特性］
以下、本実施形態で製造される異形線コイルばね１の特性について説明する。まず、本実施形態の製造方法である塑性加工による加工硬化の影響を見積もるため、巻線断面が円形であるコイルばねを簡略化したモデルとして２次元ｙ軸対称のドーナツ型のモデルを作製し、このモデルによって塑性加工を再現した。このモデルに塑性加工を施した場合の解析結果により、塑性加工されたモデルでは、最大で相当塑性ひずみεｐ＝１．０が生じていることがわかった。そこで、塑性加工を考慮するモデルでは、相当塑性ひずみεｐ＝１．０が生じているとして解析を行った。
【００３８】
本実施形態の異形線コイルばねの製造方法で製造した異形線コイルばね１の特性を有限要素法（Finite Element Method:ＦＥＭ）及び実験により調査した。ＦＥＭによる解析では、実施例、比較例１、比較例２のコイルばねを用いて解析した。実施例のコイルばねは、本実施形態の製造方法で形成される（すなわち、塑性加工で得られる）巻線断面が矩形状の異形線コイルばねである。比較例１のコイルばねは、例えば、切削加工などによって形成される（すなわち、塑性加工することなく得られる）巻線断面が矩形状の異形線コイルばねである。比較例２のコイルばねは、巻線断面が円形（中実円）のコイルばねである。実施例及び比較例１の異形線コイルばねの巻線断面は、コイル軸方向の辺が短辺である矩形状し、その巻線断面の横幅と縦幅との比を２．９５：１とした。なお、実施例、比較例１及び比較例２におけるそれぞれのコイルばねの寸法は以下の通りである。
実施例：外径Ｄｏ＝１３．２ｍｍ、巻線断面の横幅ａ＝２．９５ｍｍ、巻線断面の縦幅ｂ＝１ｍｍ
比較例１：外径Ｄｏ＝１３．２ｍｍ、巻線断面の横幅ａ＝２．９５ｍｍ、巻線断面の縦幅ｂ＝１ｍｍ
比較例２：外径Ｄｏ＝１３．２ｍｍ、巻線断面の直径ｄ＝２ｍｍ
【００３９】
また、ＦＥＭでは、モデルとしてそれぞれ３巻き分のコイルばねを作製したが、以下で示す比較結果は固定部を考慮して有効巻数９巻き分に換算したものである。
【００４０】
まず、コイルばねのねじり剛性について調査した。ねじり剛性の解析では、実施例、比較例１、比較例２のそれぞれのコイルばねに、コイル軸を軸中心としたねじり負荷を与え、ねじり角度とトルクの関係を求めた。
【００４１】
図４は、実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねのねじり剛性の比較結果である。図４の横軸はねじり角度の角度変位であり、縦軸は、そのねじり角度において発生するトルクである。図４では、傾きが大きいほどねじり剛性が大きいことを示す。実施例や比較例１のように巻線断面が高矩形の矩形状である場合、巻線断面が円形の比較例２に比べてねじり剛性が大きい。また、塑性加工によって加工硬化した実施例の異形線コイルばねは、加工硬化していない比較例１の異形線コイルばねに比べて、弾性限界が角度変位において２倍以上に増加している。
【００４２】
図５は、実際に作製した本実施形態の異形線コイルばね１にねじり負荷を与えた様子を示す概略図である。実験では、異形線コイルばね１のねじり試験治具を作製し、実際に得られた異形線コイルばね１にねじり負荷を与えてねじり剛性を調べた。図６は、図３におけるＦＥＭの結果と、実際に作製された本実施形態の異形線コイルばね１のねじり剛性の実験結果を比較した図である。図６に示すように、実験結果も、ＦＥＭの解析で得られた結果（実施例）と同等の性能を得ていることが確認できた。
【００４３】
次に、コイルばねの曲げ特性について調査した。曲げ特性の解析では、実施例、比較例１及び比較例２のそれぞれのコイルばねの巻線端部において、コイル軸方向に荷重を与え、コイル軸の描く円弧の半径を曲げ半径として、荷重と曲げ半径の関係を求めた。
【００４４】
図７は、実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねの曲げ半径［ｍｍ］と荷重［Ｎ］の関係を示す図である。図７の横軸は曲げ半径［ｍｍ］であり、縦軸は荷重［Ｎ］である。実施例及び比較例１の異形線コイルばねは、比較例２のコイルばねに比べて荷重に対する曲げ半径が小さく、曲げモーメントが小さいことがわかる。また、塑性加工によって加工硬化した実施例の異形線コイルばねは、加工硬化していない比較例１の異形線コイルばねに比較して弾性限界が生じる曲げ半径が１／２以下となり、弾性変形領域が拡大している。これにより、実施例におけるコイルばねは、比較例１及び比較例２のコイルばねに比較して「曲げやすくしなやか」であることが確認できる。
【００４５】
図８に、実際に作製した本実施形態の異形線コイルばね１の曲げ半径を測定した様子を示す。実験では、実際に得られた本実施形態の異形線コイルばね１をコイル軸方向に垂直に立て先端の一点におもりを吊し、コイル軸の描く円弧Ｒ（曲げ半径）を記録して荷重と曲げ半径の関係を求めた。図９は、図７におけるＦＥＭの結果と、実際に作製された本実施形態の異形線コイルばね１の曲げ特性の実験結果を比較した図である。図９に示すように、実験結果も、ＦＥＭの解析で得られた結果（実施例）と同等の性能を得ていることが確認できた。
【００４６】
以上のように、本実施形態の異形線コイルばね１は、曲げ変形における弾性変形領域が拡大するため、９０度曲げるのに必要なバネの最小長が小さくなる。実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねにおいて９０度曲げるのに必要な最小長は、以下の通りである。
実施例（塑性加工による巻線断面矩形状の異形線コイルばね）：２９ｍｍ
比較例１（塑性加工によらない巻線断面矩形状の異形線コイルばね）：６５ｍｍ
比較例２（巻線断面円形状のコイルばね）：１２９ｍｍ
【００４７】
したがって、本実施形態の異形線コイルばね１をマニピュレータの関節部に用いた場合には、異形線コイルばね１の全長を短くすることができ、関節部のコンパクト化を図ることができる。
【００４８】
ところで、前述したように、本実施形態の異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに用いる場合、異形線コイルばね１の小型化が望まれる一方、屈曲可動域を確保しつつ、グリッパーを支持して動作させることが可能な強度が必要である。
【００４９】
これらを考慮し、関節部の屈曲可動域を確保しつつ、グリッパーを支持して動作させることができる異形線コイルばね１を構成する巻線の断面形状の好ましい寸法範囲について検討した。以下では、関節部の屈曲可動域を確保しつつ、グリッパーを支持して動作させることが可能な条件として、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］、ねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］を設定した。
【００５０】
まず、図１に示す巻線断面が矩形状の異形線コイルばね１について、ばね定数２．５［Ｎ／ｍｍ］を一定にした場合の巻線断面の縦幅ｂを求めた。巻線断面の縦幅ｂを求めるために、以下の表１に示す条件を使用したモデルを作製した。
【００５１】
【表１】
2015218849.tif 000003
【００５２】
表１の異形線コイルばねは、いずれも、図１に示すように巻線の断面形状がコイル半径方向に横長の矩形状（横長形状）であるものとする。また、ここでは、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）と仮定して理論計算を行った（参考文献  ばね  第４版：日本ばね学会  編）。
【００５３】
図１０Ａはアルミニウムを使用した場合において所定のばね定数を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１０Ｂはアルミニウムを使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］）。また、図１１ＡはＳＵＳ３０４を使用した場合において所定のばね定数を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１１ＢはＳＵＳ３０４を使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］）。図１０Ａ，Ｂ及び図１１Ａ，Ｂにおいて破線はそれぞれ縦幅ｂ又は横縦比ａ／ｂに対する上下各１０％のずれを示している。ばね定数を一定とした場合、巻線断面の横縦比ａ／ｂの適正値は図１０Ｂ及び図１１Ｂに示す破線間である。
【００５４】
図１０Ａ，図１０Ｂ，図１１Ａ，図１１Ｂに示すように、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］を維持するには、外径Ｄｏの減少に伴い、縦幅ｂ及び横縦比ａ／ｂも減少させる必要がある。しかし、後述する「ねじれにくい特性」を維持するためには縦幅ｂの減少は好ましくない。
【００５５】
次に、図１に示す巻線断面が矩形状の異形線コイルばね１について、ねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］を一定にした場合の巻線断面の縦幅ｂを求めた。巻線断面の縦幅ｂを求めるために、以下の表２に示す条件を使用したモデルを作製した。
【００５６】
【表２】
2015218849.tif 000004
【００５７】
表２における「塑性加工」を用いたモデルは本実施形態の異形線コイルばねのモデルであり、「機械加工」を用いたモデルは、実際に得るのは難しいが従来のコイリング加工や切削加工によって得られる異形線コイルばねのモデルである。表２の異形線コイルばねは、いずれも、図１に示すように、巻線の断面形状がコイル半径方向に横長の矩形状（横長形状）であるものとする。また、ここでは、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）と仮定して理論計算を行った。
【００５８】
図１２Ａはアルミニウムを使用した場合において所定値以上のねじりトルク強度を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂの範囲を示した図であり、図１２Ｂはアルミニウムを使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂの範囲を示した図である（ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］）。また、図１３ＡはＳＵＳ３０４を使用した場合において所定値以上のねじりトルク強度を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１３Ｂは、ＳＵＳ３０４を使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］）。図１２Ａ，Ｂ及び図１３Ａ，Ｂにおいて、実線はねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］を得るための縦幅ｂ及び横縦比ａ／ｂであり、斜線で示す範囲が、ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を得るための縦幅ｂ及び横縦比ａ／ｂの範囲である。
【００５９】
図１２Ａ，図１２Ｂ，図１３Ａ，図１３Ｂに示すように、異形線コイルばねがねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］に耐えるには、外径Ｄｏが小さくなると、縦幅ｂが大きくならなければならない。図１２Ａ及び図１３Ａでは実線よりも上側が使用可能な範囲であり、図１２Ｂ及び図１３Ｂでは実線よりも下側が使用可能な範囲である。すなわち、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１３Ａ，図１３Ｂにおいて斜線で示す範囲内の寸法の条件がねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］に耐えられる異形線コイルばねであることを示している。
【００６０】
また、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１３Ａ，図１３Ｂからわかるように、本実施形態の塑性加工によって異形線コイルばねを作製することによって、従来の機械加工によって異形線コイルばねを作製する場合に比較して、巻線断面の横縦比の適用範囲が拡大する。すなわち、本実施形態の塑性加工は、従来の機械加工に比較して、更に厳しい条件に耐えうる異形線コイルばねを製造できる点で優位であると考えられる。
【００６１】
図１４は、図１０Ｂ及び図１２Ｂを合成して示した図である。図１４の斜線部分がアルミニウムで異形線コイルばねを作製する場合に、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる範囲である。アルミニウムを使用する場合には、切削加工でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することはできない。つまり、アルミニウムを使用すると、塑性加工によってのみ、図１４に示す斜線の寸法範囲でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することができる。
【００６２】
また、図１５は、図１１Ｂ及び図１３Ｂを合成して示した図である。図１５の斜線部分がＳＵＳ３０４で異形線コイルばねを作製する場合に、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる範囲である。図１５に示すように、ＳＵＳ３０４を使用する場合には、機械加工においても斜線Ｓ１で示す寸法範囲でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することはできる。また、ＳＵＳ３０４を使用し塑性加工によって異形線コイルばねを作製する場合には、斜線Ｓ１よりも拡大した斜線Ｓ２で示す寸法範囲でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することができる。
【００６３】
図１４及び図１５のそれぞれの右側に示した材料形態（中空線材又は中実線材）は、塑性加工する前のコイルばねの巻線断面の形状を示したものである。塑性加工によって形成する異形線コイルばねの横縦比を大きくしていくと、図１３に示した断面が中実円である巻線からなるコイルばねではなく、後述する断面が中空円である巻線からなるコイルばね（図１８Ａ，Ｂ参照）を使用する必要がある。
【００６４】
以上の結果をまとめると、横幅ａと外径Ｄｏとの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）とした条件では、材料にアルミニウムを用いる場合には、塑性加工で作製される異形線コイルばねの巻線断面は横縦比ａ／ｂが３．５以上４以下の矩形状とするのが好ましい。また、材料にＳＵＳ３０４を用いる場合には、塑性加工で作製される異形線コイルばねの巻線断面は横縦比ａ／ｂが３．５以上５．７以下の矩形状とするのが好ましい。さらに、図１５から、横幅ａと外径Ｄｏとの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）とした条件では塑性加工における異形線コイルばねの外径Ｄｏは、Ｄｏ＝５ｍｍまで作製可能であることがわかる。また、従来マニピュレータに用いられている異形線コイルばねの外径はおよそ１０ｍｍであることから、本実施形態の異形線コイルばねの外径の好ましい範囲は５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【００６５】
なお、図１０〜図１５に示した異形線コイルばねの特性は、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏとの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）と仮定して行った。これに対し、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏとの比を、例えば比ａ／Ｄｏ＝０．３０に変更すると、傾向は同じであるが、図１０Ｂや図１１Ｂの破線領域は下側に移動する（すなわち、横縦比ａ／ｂは小さくなる）。したがって、本実施形態の異形線コイルばね１における巻線断面の横縦比ａ／ｂの好ましい範囲は、上述した限りではない。
【００６６】
［１−３．変形例］
上述した本実施形態では、巻線断面が中実円のコイルばね２０を塑性加工することで巻線断面が矩形状の異形線コイルばね１を形成する例を説明したが、塑性加工前のコイルばねの巻線断面を変えることで、塑性加工によって得られる異形線コイルばねの更なる特性の改善が可能になる。以下の変形例において、塑性加工前のコイルばねの形状を本実施形態とは異ならせる例を説明する。
【００６７】
図１６Ａは上述した本実施形態における塑性加工前のコイルばね２０の巻線断面図であり、図１６Ｂはそのコイルばねを塑性加工することで得られる異形線コイルばね１の巻線断面図である。図１６Ａ，図１６Ｂに示すように、巻線断面が中実円のコイルばね２０の場合、隣接する巻線同士の接触面積は小さいため、コイルばね２０をコイル軸方向に押圧した場合、押圧力の伝達方向が不安定になりやすく、図１６Ｂに示すように、上下の巻線間に中心軸からの位置ずれが生じる場合がある。
【００６８】
図１７Ａ，Ｂは、変形例１に係る塑性加工前のコイルばね４０及び塑性加工後の異形線コイルばね４１のそれぞれの巻線断面を示す図である。図１７Ａに示すように、塑性加工前のコイルばねとして、巻線断面が矩形状のコイルばね４０を用いると、隣接する巻線同士の接触面積が大きいため、コイルばね４０をコイル軸方向に押圧した場合、押圧力の伝達方向が安定する。このため、コイルばね４０を圧縮する工程で生じる巻線間のずれを低減することができる。これにより、図１７Ｂに示すように塑性加工後の異形線コイルばね４１は上下の巻線間の中心軸に対する位置ずれを低減することができる。なお、図１７Ａに示す塑性加工前の巻線断面が矩形状のコイルばね４０は、その巻線断面の横縦比がそれほど高くなく、通常のコイリング加工によって作製可能なコイルばねであるものとする。
【００６９】
図１８Ａ，Ｂは、変形例２に係る塑性加工前のコイルばね４２及び塑性加工後の異形線コイルばね４３のそれぞれの巻線断面を示す図である。変形例２は、図１８Ａに示すように、巻線断面が中空円のコイルばね４２をコイル軸方向に圧縮して、巻線の断面形状がコイル半径方向に長い横長形状である異形線コイルばね４３を形成する例である。図１８Ａに示すように、塑性加工前のコイルばねとして巻線断面が中空円のコイルばね４２を用いることによって、図１８Ｂに示すように、より高い横縦比を有する異形線コイルばね４３を得ることができる。また、変形例２のように、塑性加工前のコイルばね４２を中空円とすることで、図１８Ｂに示すように塑性加工するために必要な軸方向からの圧縮力が低減するので、図１６Ａ，Ｂに示す例に比較して上下の巻線間のコイル軸に対する位置ずれを低減できる。
【００７０】
図１９Ａ，Ｂは、変形例３に係る塑性加工前のコイルばね４４及び塑性加工後の異形線コイルばね４５のそれぞれの巻線断面を示す図である。変形例３は、図１９Ａに示すように、巻線断面が中空の矩形状のコイルばね４４をコイル軸方向に圧縮して、コイル軸方向の巻線断面の形状が横長形状である異形線コイルばね４５を形成する例である。図１９Ａに示すように、塑性加工前のコイルばねとして、巻線断面が中空の矩形状のコイルばね４４を用いることによって、図１９Ｂに示すように、塑性加工時における巻線間のずれを低減すると共に、より高い横縦比を有する異形線コイルばね４５を得ることができる。
【００７１】
〈２．第２の実施形態：マニピュレータ〉
次に、本発明の第２の実施形態として、上述した第１の実施形態における異形線コイルばねを用いたマニピュレータについて説明する。図２０は、本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータの概略構成図である。
【００７２】
本実施形態のマニピュレータ３０は、腹腔鏡手術を行う医療用ロボットに用いられるものである。図２０に示すように、本実施形態のマニピュレータ３０は、関節部３１と、グリッパー３２と、アーム部３３と、駆動部３４とを備える。
【００７３】
関節部３１は、上述した第１の実施形態で示した図１の異形線コイルばね１で構成されており、その異形線コイルばね１に設けられた４つの貫通孔３１ａに駆動ワイヤ３５が挿通されている。貫通孔３１ａは、異形線コイルばね１の巻線をコイル軸方向に貫通する孔であり、異形線コイルばね１のコイル軸方向と直交する面において等間隔に４つの貫通孔３１ａが設けられている。そして、関節部３１では、異形線コイルばね１の貫通孔３１ａに挿通された駆動ワイヤ３５は後述する駆動部３４に設けられた空気圧シリンダ（図示を省略する）に接続されている。本実施形態では、４つの空気圧シリンダによる拮抗駆動により関節部３１の曲げ伸ばしを行うことができる。そして、本実施形態の関節部３１では、４つの空気シリンダによる拮抗駆動により２自由度の屈曲が可能である。
【００７４】
グリッパー３２は、対象物を把持したり抑えたりすることが可能な鉗子であり、関節部３１を構成する異形線コイルばね１の一端側に取り付けられている。グリッパー３２は、関節部３１を構成する異形線コイルばね１の軸孔３１ｂ及びアーム部３３を通って駆動部３４に接続されるエアチューブ３６に接続されておりエアチューブ３６を介して駆動部３４により把持動作が成される。
【００７５】
アーム部３３は、関節部３１の外径とほぼ同程度の外径の円柱部材で構成されており、先端に関節部３１が接続され、後端に駆動部３４が接続されている。関節部３１を駆動する駆動ワイヤ３５やグリッパー３２に接続されるエアチューブ３６は、円柱部材で構成されるアーム部３３の内部を通って駆動部３４に接続されている。
【００７６】
駆動部３４は、関節部３１を駆動する４つの空気圧シリンダとグリッパー３２を駆動する空気圧シリンダとを備える。駆動部３４では、４つの空気圧シリンダによって各駆動ワイヤの張力を制御することで関節部３１を屈曲動作させる。また、本実施形態では、関節部３１の屈曲とグリッパー３２の把持動作とは個別に駆動されるので、関節部３１の動作とグリッパー３２の動作とは互いに干渉することはない。
【００７７】
本実施形態では、関節部３１に塑性加工により加工硬化された異形線コイルばね１を用いることによって関節部３１の小型化が可能になるため、マニピュレータ３０全体の小型化が可能になる。さらに、関節部３１に用いられる異形線コイルばね１は、通常のコイリング加工よって形成可能なコイルばねを塑性加工することによって作製することができるため、コストの低減を図ることができる。
【００７８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。また、上述の実施の形態では、異形線コイルばねをマニピュレータの関節部として用いる例を説明したが、その他、小型化が要求されるロボットの関節部として使用することも可能である。本実施形態の異形線コイルばねは、例えば、小型のユニバーサルジョイント、先端が曲がるドライバー、回転曲げ加工機の変形可能なマンドレル等に適用できる。また、本実施形態の異形線コイルばねは小型化が可能であるため、小型ダンバーや、短尺なバネしか用いることのできない場所への適用が可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１・・・異形線コイルばね、１０・・・製造治具、１１・・・台、１２・・・押圧部、１２ａ・・・押圧軸、１２ｂ・・・押圧部本体、１３・・・容器、１３ａ・・・孔、１３ｂ・・・押圧部本体、３０・・・マニピュレータ、３１・・・関節部、３１ａ・・・貫通孔、３１ｂ・・・軸孔、３２・・・グリッパー、３３・・・アーム部、３４・・・駆動部、３５・・・駆動ワイヤ、３６・・・エアチューブ
【図１】
2015218849.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2015218849.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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