(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に対して屈曲可能な屈曲構造体であって、
前記軸方向に複数の巻部を有するコイル状の線材からなる外コイル部と、
前記軸方向に複数の巻部を有するコイル状の線材からなり前記外コイル部内に位置する内コイル部とを備え、
前記外コイル部は、前記軸方向で隣接する巻部間を離間させた複数の隙間を有し、
前記内コイル部は、前記巻部が前記外コイル部の前記隙間に対応して設けられ前記外コイル部の前記隣接する巻部に接触しつつ当該巻部間に嵌合し、
自由状態における前記外コイル部の前記隙間の軸方向の寸法をＰ、前記外コイル部の巻き数をＮ、前記外コイル部の径をＲ、前記内コイル部の線材の線径をｄとしたとき、前記寸法ＰがπＲ／４Ｎ≦Ｐ＜ｄ−πＲ／４Ｎを満たす範囲で設定された、
屈曲構造体。
【請求項２】
請求項１記載の屈曲構造体であって、
前記外コイル部の線材の断面形状は、少なくとも前記コイル状の径方向の内側の断面形状が円弧状であり、
前記内コイル部の線材の断面形状は、少なくとも前記コイル状の径方向の外側の断面形状が円弧状である、
屈曲構造体。
【請求項３】
請求項２記載の屈曲構造体であって、
９０度屈曲時において、屈曲部分に位置する前記外コイル部の巻部及び該巻部に接触する前記内コイル部の巻部間の接触角度は３０度以上であり、
前記接触角度は、前記接触する前記内外コイル部の巻部間の接線と屈曲中心及び前記外コイル部の巻部の中心間を結ぶ線との間の角度である、
屈曲構造体。
【請求項４】
請求項３記載の屈曲構造体であって、
前記自由状態における前記外コイル部の線材と前記内コイル部の線材との前記軸方向での重なり量は、当該重なり量をａ、前記外コイル部の線材の径をＤとしたとき、ａ≦０．３Ｄを満たす範囲で設定される、
屈曲構造体。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の屈曲構造体を適用した関節機能部であって、
基部及び該基部に対して変位する可動部を備え、
前記屈曲構造体は、前記基部と可動部との間に設けられ、前記基部に対する前記可動部の変位に応じて屈曲する、
関節機能部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット等の関節機能部に供される屈曲構造体及びこれを用いた関節機能部に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータ等には、屈曲・伸展を可能とする関節機能部を備えたものがある。このような関節機能部には、例えば、特許文献１のように屈曲構造体としての可撓性部材を用いたものがある。
【０００３】
特許文献１の可撓性部材は、複数のディスク要素を相互に揺動自在に係合して構成され、各ディスク要素の揺動により全体として屈曲動作を行うようになっている。
【０００４】
このため、可撓性部材は、屈曲動作を円滑に行うことができると共に軸方向の圧縮に対する剛性を確保でき、屈曲動作の安定化を図ることができる。
【０００５】
しかし、かかる可撓性部材は、複数のディスク要素を相互に係合するため、構造が煩雑であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５３８１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、屈曲動作の安定化を図るために、構造が煩雑になっていた点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、軸方向に対して屈曲可能な屈曲構造体であって、前記軸方向に複数の巻部を有するコイル状の線材からなる外コイル部と、前記軸方向に複数の巻部を有するコイル状の線材からなり前記外コイル部内に位置する内コイル部とを備え、前記外コイル部は、前記軸方向で隣接する巻部間を離間させた複数の隙間を有し、前記内コイル部は、前記巻部が前記外コイル部の前記隙間に対応して設けられ前記外コイル部の前記隣接する巻部に接触しつつ当該巻部間に嵌合し、自由状態における前記外コイル部の前記隙間の軸方向の寸法をＰ、前記外コイル部の巻き数をＮ、前記外コイル部の径をＲ、前記内コイル部の線材の径をｄとしたとき、前記寸法ＰがπＲ／４Ｎ≦Ｐ＜ｄ−πＲ／４Ｎを満たす範囲で設定されたことを屈曲構造体の最も主な特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記屈曲構造体を適用した関節機能部であって、基部及び該基部に対して変位する可動部を備え、屈曲構造体は、前記基部と可動部との間に設けられ、前記基部に対する前記先端部の変位に応じて屈曲することを関節機能部の最も主な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、屈曲構造体が内コイル部を外コイル部内に位置させることで構成されているため、構造を簡素化することができる。
【００１１】
また、内コイル部の巻部が外コイル部の隣接する巻部に接触しつつそれら隣接する巻部間に嵌合しているので、軸方向の剛性を確保することができる。
【００１２】
結果として、本発明では、屈曲動作の安定化を図りつつ構造を簡素化することが可能となる。
【００１３】
さらに、外コイル部の巻部間の隙間の設定により、屈曲構造体を９０度まで屈曲させた後に元の状態に復元させる際、引っ掛かりがなく円滑に動作を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】屈曲構造体を示す断面図である（実施例１）。
【図２】図１の屈曲構造体の一部を示す拡大図である（実施例１）。
【図３】（Ａ）は、図１の屈曲構造体の屈曲状態を示す断面図、（Ｂ）は屈曲の内側、中央、及び外側の長さを示す断面図である（実施例１）。
【図４】（Ａ）は図３の屈曲の外側の拡大図、（Ｂ）は図３の屈曲の内側の拡大図である（実施例１）。
【図５】屈曲構造体を適用した関節機能部を備えるマニピュレーターの斜視図である（実施例２）
【図６】図５のマニピュレーターの断面図である（実施例２）。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
屈曲動作の安定化を図りつつ構造を簡素化するという目的を、外コイル部内に内コイル部を位置させた二重コイルの屈曲構造体により、動作の円滑化を図りつつ実現した。
【００１６】
屈曲構造体（１）は、軸方向に対して屈曲可能であって、軸方向に複数の巻部（３ｂ）を有するコイル状の線材（３ａ）からなる外コイル部３と、軸方向に複数の巻部（５ｂ）を有するコイル状の線材（５ａ）からなり、外コイル部（３）内に位置する内コイル部（５）とを備える。
【００１７】
なお、屈曲とは、屈曲構造体（１）の軸心（Ｏ）を湾曲又は屈曲させることを意味する。
【００１８】
外コイル部（３）は、軸方向で隣接する巻部（３ｂ）間を離間させた複数の隙間（３ｃ）を有し、内コイル部（５）は、巻部（５ｂ）が外コイル部（３）の隙間（３ｃ）に対応して設けられ、外コイル部（３）の隣接する巻部（３ｂ）に接触しつつ当該巻部（３ｂ）間に嵌合する。
【００１９】
外コイル部（３）は、軸方向で隣接する巻部（３ｂ）の各間に隙間（３ｃ）を有してもよいが、軸方向の一部にのみ隙間（３ｃ）を有する構成とすることも可能である。
【００２０】
かかる屈曲構造体（１）では、自由状態における外コイル部（３）の隙間（３ｃ）の軸方向の寸法をＰ、外コイル部（３）の巻き数をＮ、外コイル部（３）の径をＲ、内コイル部（５）の線材（５ａ）の径をｄとしたとき、寸法ＰがπＲ／４Ｎ≦Ｐ＜ｄ−πＲ／４Ｎを満たす範囲で設定される。
【００２１】
自由状態とは、屈曲構造体（１）が屈曲していない状態をいい、直状やアーク状の基本姿勢をいう。
【００２２】
外コイル部（３）及び内コイル部（５）の線材（３ａ）及び（５ａ）の断面形状は、円形や楕円等の線径を有する適宜の形状を採用することが可能である。ただし、外コイル部（３）の線材（３ａ）は、円形、半円形、半円と半楕円との組み合わせ等のように、少なくともコイル状の径方向の内側の断面形状が円弧状であるのが好ましい。内コイル部（５）の線材（５ａ）の断面形状も同様である。ただし、内コイル部（５）の場合は、少なくともコイル状の径方向の外側の断面形状が円弧状とするのが好ましい。
【００２３】
この場合において、屈曲構造体（１）は、９０度屈曲時において、屈曲部分に位置する外コイル部（３）の巻部（３ｂ）及びこの巻部（３ｂ）に接触する内コイル部（５）の巻部（５ｂ）間の接触角度（θ）が３０度以上であるのが好ましい。接触角度（θ）は、接触する内外コイル部（３，５）の巻部（３ｂ，５ｂ）間の接線と屈曲中心（Ｃ）及び外コイル部（３）の巻部（３ｂ）の中心（ｃ）間を結ぶ線との間の角度である。
【００２４】
９０度屈曲時は、屈曲構造体（１）の屈曲部分（湾曲部分）の中心角が９０度であることをいう。また、屈曲中心（Ｃ）は、屈曲部分の曲率中心をいう。また、巻部（３ｂ）の中心（ｃ）は、巻部（３ｂ）の軸方向に交差する方向における断面中心をいう。接触角度（θ）の上限は、外コイル部（３）の隙間（３ｃ）の軸方向の寸法が上記範囲を満たす限界である。
【００２５】
また、自由状態における外コイル部（３）の線材（３ａ）と内コイル部（５）の線材（５ａ）との軸方向での重なり量は、この重なり量をａ、外コイル部（３）の線材（３ａ）の径をＤとしたとき、ａ≦０．３Ｄを満たす範囲で設定されるのが好ましい。
【００２６】
かかる重なり量の下限は、外コイル部（３）の隙間（３ｃ）の軸方向の寸法が上記範囲を満たす限界である。
【００２７】
屈曲構造体（１）を適用した関節機能部（１１）は、基部（１７）及びこの基部（１７）に対して変位する可動部（１９）を備えた構成としてもよい。この場合、屈曲構造体（１）は、基部（１７）と可動部（１９）との間に設けられ、基部（１７）に対する可動部（１９）の変位に応じて屈曲する。
【実施例１】
【００２８】
［屈曲構造体の構造］
図１は、本発明の実施例１に係る屈曲構造体を示す断面図、図２は、同一部を示す拡大図である。
【００２９】
屈曲構造体１は、例えば産業用や医療用のロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータ等の関節機能部に適用されるものである。
【００３０】
本実施例の屈曲構造体１は、軸方向に対して屈曲自在な二重コイルであり、外コイル部３と、内コイル部５とを備えている。
【００３１】
外コイル部３は、コイルばねであり、軸方向に複数の巻部３ｂを有するコイル状の線材３ａからなる。なお、巻部３ｂは、コイル形状を構成する一巻きを意味し、巻部３ｂの数は、巻き数Ｎを意味する（内コイル部５も同様）。本実施例の外コイル部３は、コイルばねであることにより、コイル状の軸方向に対して湾曲及び復元が可能な弾性を有している。
【００３２】
線材３ａの材質は、金属や樹脂等とすることが可能である。本実施例において、線材３ａの断面形状は、円形となっている。
【００３３】
外コイル部３の径Ｒは、軸方向の一端から他端に至るまで一定となっている。ただし、この外コイル部３の径Ｒは、軸方向で変化させることも可能である。なお、径Ｒは、本実施例において外コイル部３のコイル状の中心径であるが、コイル状の外径又は内径であってもよい。
【００３４】
外コイル部３は、軸方向で隣接する巻部３ｂ間を軸方向で離間させた複数の隙間（ピッチ）３ｃを有している。本実施例の隙間３ｃは、軸方向で隣接する巻部３ｂの各間に形成され、全ての隙間３ｃは、同一の軸方向の寸法Ｐを有している。ただし、隙間３ｃは、軸方向で一部の巻部３ｂ間にのみ設けることも可能である。また、隙間３ｃの軸方向の寸法Ｐを変化させることも可能である。
【００３５】
外コイル部３の自由状態における隙間３ｃの軸方向の寸法Ｐは、外コイル部３の巻き数Ｎ、外コイル部３の径Ｒ、内コイル部５の線材５ａの線径ｄとの関係で、πＲ／４Ｎ≦Ｐ＜ｄ−πＲ／４Ｎを満たす範囲で設定される。寸法Ｐの設定は、外コイル部３の径Ｒ、線材３ｂの線径Ｄ、後述する内コイル部５の径ｒ、並びに線材５ｂの線径ｄによって行うことができる。
【００３６】
内コイル部５は、外コイル部３と同様に、軸方向に複数の巻部５ｂを有するコイル状の線材５ａからなるコイルばねである。従って、内コイル部５は、外コイル部３と共にコイル状の軸方向に対して湾曲及び復元が可能な弾性を有している。
【００３７】
内コイル部５は、線材５ａの材質を金属や樹脂とすることが可能であり、線材５ａの断面形状が円形である。
【００３８】
この内コイル部５は、外コイル部３の内側に同心状に位置し、外コイル部１３内に螺合されている。この螺合により、内コイル部５の巻部５ｂが外コイル部３の隣接する巻部３ｂの各間に位置している。従って、内コイル部５は、巻部５ｂが外コイル部３の隙間３ｃに対応して設けられた構成となっている。
【００３９】
また、内コイル部５の巻部５ｂは、径ｒ及び線材５ａの線径ｄの設定により、外コイル部３の隣接する巻部３ｂに接触しつつ当該巻部３ｂ間に嵌合している。なお、径ｒは、内コイル部５のコイル状の中心径であるが、外コイル部３の径Ｒに応じてコイル状の外径又は内径であってもよい。
【００４０】
かかる嵌合により、外コイル部３の線材３ａと内コイル部５の線材５ａとが軸方向で部分的に重なる。この軸方向での重なり量aは、外コイル部３の線材３aの径Ｄに対し、ａ≦０．３Ｄを満たす範囲で設定される。
【００４１】
なお、内コイル部５の径ｒは、軸方向の一端から他端に至るまで一定となっている。ただし、内コイル部５の径ｒは、外コイル部３の径Ｒに応じて、軸方向で変化させること等も可能である。
【００４２】
また、線材５ａの線径ｄは、外コイル部３の線材３ａの線径Ｄと同一になっている。ただし、線材５ａの線径ｄは、外コイル部３の線材３ａの線径Ｄよりも大きく又は小さく形成してもよい。
【００４３】
内コイル部５は、隣接する巻部５ｂ間を軸方向で離間させた複数の隙間（ピッチ）５ｃを有している。隙間５ｃは、外コイル部３との螺合に応じ、隣接する巻部５ｂの各間に形成され、全ての隙間５ｃは、同一の軸方向の寸法を有している。ただし、隙間５ｃは、外コイル部３の場合と同様、軸方向で一部の巻部５ｂ間にのみ設けたり、軸方向の寸法を異ならせることも可能である。  
【００４４】
なお、外コイル部３及び内コイル部５は、外コイル部３内に内コイル部５が位置していない単独自由状態で、隣接する巻部３ｂ相互及び巻部５ｂ相互の各間に隙間３ｃ，５ｃを有する構成の他、単独自由状態で隣接する巻部３ｂ相互間及び巻部５ｂ相互間が密着した構成（密着ばね）とすることも可能である。さらに、外コイル部３及び内コイル部５の一方のみを密着ばねとすることも可能である。
【００４５】
外コイル部３及び内コイル部５の一方又は双方が単独自由状態で密着ばねである場合は、内コイル部５と外コイル部３とを螺合することにより密着する巻部３ｂ相互間及び巻部５ｂ相互間を離間させ、外コイル部３の隙間３ｃ及び内コイル部５の隙間５ｃの一方又は双方が形成される。この場合、二重コイルの屈曲構造体１に初張力を付与することが可能である。
【００４６】
［屈曲構造体の動作］
図３（Ａ）は、図１の屈曲構造体１の屈曲状態を示す断面図、図３（Ｂ）は、同屈曲の内側及び外側の長さを示す断面図である。図４（Ａ）は、図３の屈曲の外側の拡大図、図４（Ｂ）は、同屈曲の内側の拡大図である。
【００４７】
屈曲構造体１は、図１及び図２のように、軸心Ｏが屈曲していない直状時において、内コイル部５の巻部５ｂが外コイル部３の隣接する巻部３ｂに接触しつつそれら隣接する巻部３ｂ間に嵌合している。
【００４８】
このため、屈曲構造体１は、軸方向での圧縮力が作用しても、内コイル部５の巻部５ｂ及び外コイル部３の巻部３ｂが、それぞれ外コイル部３の隙間３ｃ及び内コイル部５の隙間５ｃが圧縮により小さくなることを規制し、全体としての圧縮が抑制される。
【００４９】
従って、屈曲構造体１は、自身の圧縮を抑制することができる。この結果、軸心Ｏ上の長さＬを一定に保つことができ、内部を挿通する部材への干渉が抑制される。
【００５０】
図３（Ａ）〜図４（Ｂ）のように、屈曲構造体１の軸心Ｏが屈曲すると、屈曲の内側で外コイル部３の隙間３ｃが小さくなり、屈曲の外側で外コイル部３の隙間３ｃが大きくなる。
【００５１】
このとき、屈曲構造体１は、内コイル部５が径方向の外側に変位することにより屈曲を円滑に行うことができる。特に本実施例では、屈曲角度が９０度となるまで屈曲させて復元させる際の一連の動作を円滑に行うことができる。９０度未満の屈曲角度であれば、同様に動作を円滑に行うことができる。
【００５２】
すなわち、内コイル部５の各巻部５ｂは、屈曲構造体１の屈曲の内側で、外コイル部３の隙間３ｃが小さくなることにより、屈曲半径方向に押し出される。本実施例において、屈曲半径方向は、屈曲構造体１の曲率半径に沿った方向である。
【００５３】
この押し出しは、外コイル部３の径方向内側の断面形状が円弧状であることにより、内外コイル部３，５の巻部３ｂ及び５ｂ間の自由状態での接触角度（自由時接触角度）αが大きく、容易に行うことができる。なお、自由時接触角度αは、外コイル部３の巻部３ｂと軸方向の両側で接触する内コイル部５の巻部５ｂとの接触部分の接線間の角度をいう（図２参照）。
【００５４】
かかる巻部５ｂの押出しに応じ、内コイル部５は、全体として屈曲径方向の外側に変位するが、この変位は、内コイル部５の各巻部５ｂが外コイル部３の大きくなった隙間３ｃに入り込むようにして許容される。
【００５５】
従って、屈曲構造体１は、軸方向の圧縮を規制することができる構成でありながら、可撓性が阻害されることはない。結果として、屈曲構造体１は、屈曲動作の安定化が図られる。
【００５６】
また、屈曲構造体１の屈曲時には、上記のように、屈曲の内側で外コイル部３の隙間３ｃが小さくなり、屈曲の外側で外コイル部３の隙間が大きくなるので、軸心Ｏ上で隙間３ｃの大きさが直状時と比較して変化しないことになる。
【００５７】
従って、屈曲構造体１は、直状時だけでなく屈曲時にも、軸心Ｏ上の長さＬを一定に保つことができ、内部を挿通する部材への干渉が抑制される。
【００５８】
また、本実施例では、屈曲構造体１の湾曲状態から直状状態に戻す場合、外コイル部３及び内コイル部５の復元力によって円滑に動作させることができる。
【００５９】
このように、９０度まで屈曲して復元する際には、外コイル部３の隙間３ｃの寸法Ｐの設定により、内コイル部５が外コイル部３に引っ掛かることなく、屈曲構造体１を円滑に動作させることができる。
【００６０】
内コイル部５が外コイル部３に引っ掛からないようにするには、屈曲の外側で内コイル部５の巻部５ｂが外コイル部３の巻部３ｂと軸方向で一致しないようする必要がある。これは、屈曲構造体１が屈曲状態から復元する際に、外コイル部３の巻部３ｂにより内コイル部５の巻部５ｂを元の位置へと確実に押し戻すことができるようにするためである。
【００６１】
従って、９０度屈曲時の屈曲の外側において、外コイル部３の隙間３ｃの寸法ＰＯは、内コイル部５の線材５ａの線径ｄよりも小さい必要がある（Ｐｏ＜ｄ）。なお、内コイル部５の線材５ａの断面形状が楕円の場合は、軸線Ｏに沿った短径又は長径をｄとすればよい。
【００６２】
寸法ＰＯは、外コイル部３の屈曲の外側での軸方向長さの伸び（ＬＯ−Ｌ）を巻き数Ｎで除して寸法Ｐに加えたものに相当する。Ｌは、９０度屈曲時の軸心Ｏ上での外コイル部３の軸方向の長さであり、ＬＯは、同屈曲の外側での長さであり、ＬＯ＝２π（２Ｌ／π＋Ｒ／２）（１／４）＝Ｌ＋πＲ／４で表すことができる。
【００６３】
そうすると、寸法ＰＯは、ＰＯ＝Ｐ＋（πＲ／４）（１／Ｎ）で表すことができる。従って、屈曲の外側で内コイル部５が外コイル部３に引っ掛からないための条件は、Ｐ＋（πＲ／４Ｎ）＜ｄで表すことができる。この式より寸法Ｐの上限は、Ｐ＜ｄ−（πＲ／４Ｎ）となる。
【００６４】
一方、９０度屈曲時の曲げの内側では、内コイル部５が外コイル部３に引っ掛からないようにするために、寸法Ｐが０以上であればよい（Ｐｉ≧０）。寸法Ｐｉは、外コイル部３の屈曲の内側での軸方向長さの縮み（Ｌi−Ｌ）を巻き数Ｎで除して寸法Ｐに加えたものに相当する。
【００６５】
Ｌｉは、９０度屈曲時の屈曲の内側での外コイル部３の軸方向の長さであり、Ｌｉ＝２π（２Ｌ／π−Ｒ／２）（１／４）＝Ｌ−πＲ／４で表すことができる。
【００６６】
そうすると、寸法Ｐｉは、Ｐｉ＝Ｐ−（πＲ／４）（１／Ｎ）で表すことができる。従って、屈曲の内側で内コイル部５が外コイル部３に引っ掛からないための条件は、Ｐ−（πＲ／４Ｎ）≧０で表すことができる。この式より寸法Ｐの下限は、Ｐ≧πＲ／４Ｎとなる。
【００６７】
従って、内コイル部５が外コイル部３に引っ掛からないための寸法ＰはπＲ／４Ｎ≦Ｐ＜ｄ−（πＲ／４Ｎ）であるから、本実施例の屈曲構造体１は、かかる寸法Ｐの設定により、９０度まで屈曲して復元する際に円滑な動作が可能となる。
【００６８】
かかる屈曲構造体１の屈曲時に内コイル部５が変位するときは、少なくとも外コイル部３のコイル状の径方向の内側の断面形状が円弧状であることにより、外コイル部３の巻部３ｂを軸方向で大型にしなくても、内コイル部５が外コイル部３から脱落することが抑制される。
【００６９】
屈曲構造体１が９０度屈曲している状態では、屈曲部分に位置する外コイル部３の巻部３ｂ及び該巻部３ｂに接触する内コイル部５の巻部５ｂ間の接触角度（屈曲時接触角度）θは３０度以上となる。
【００７０】
なお、屈曲時接触角度θは、接触する内外コイル部３，５の巻部３ｂ，５ｂ間の接線と屈曲中心Ｃ及び外コイル部３の巻部３ｂの中心ｃ間を結ぶ線との間の角度である。
【００７１】
かかる屈曲時接触角度θにより、屈曲構造体１が屈曲状態から復元する際に、屈曲の外側で内コイル部５の巻部５ｂを外コイル部３の巻部３ｂにより確実に押すことができる。
【００７２】
しかも、本実施例では、外コイル部３の線材３ａと内コイル部５の線材５ａとの軸方向での重なり量ａが、ａ≦０．３Ｄを満たす範囲で設定されており、上記屈曲時接触角度θを確実に３０度以上にして、屈曲構造体１の円滑な動作を確保する。
【００７３】
［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、軸方向に対して屈曲可能であり、軸方向に複数の巻部３ｂを有するコイル状の線材３ａからなる外コイル部３と、軸方向に複数の巻部５ｂを有するコイル状の線材５ａからなり、外コイル部３内に位置する内コイル部５とを備える。
【００７４】
従って、屈曲構造体１は、内コイル部５を外コイル部３内に位置させて構成されていることにより、構造を簡素化することができる。
【００７５】
外コイル部３は、軸方向で隣接する巻部３ｂ間を離間させた複数の隙間３ｃを有し、内コイル部５は、巻部５ａが外コイル部３の隙間５ｃに対応して設けられ、外コイル部３の隣接する巻部３ｂに接触しつつ当該巻部３ｂ間に嵌合する。
【００７６】
また、屈曲構造体１は、軸方向での圧縮力が作用しても、外コイル部３の隙間３ｃ及び内コイル部５の隙間５ｃが圧縮されることを内コイル部５の巻部５ｂ及び外コイル部３ｂの巻部３ｂが規制し、全体としての圧縮が抑制される。
【００７７】
また、屈曲構造体１の屈曲時には、屈曲の内側で外コイル部３の隙間３ｃを小さくしつつ屈曲の外側に内コイル部５を変位させ、屈曲の外側で外コイル部３の隙間を大きくして内コイル部５の変位を許容することで、軸方向の剛性を確保しても十分な可撓性を確保することができる。
【００７８】
結果として、屈曲構造体１は、屈曲動作の安定化を図りつつ構造を簡素化することが可能となるため、ロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータ等の関節機能部を有する機器の動作の安定性を確保することが可能となる。
【００７９】
そして、外コイル部３の隙間３ｃの軸方向の寸法をＰ、外コイル部３の巻き数をＮ、外コイル部３の径をＲ、内コイル部５の線材５ａの線径をｄとしたとき、寸法ＰがπＲ／４Ｎ≦Ｐ＜ｄ−πＲ４Ｎを満たす範囲で設定されている。
【００８０】
従って、本実施例では、外コイル部３の隙間３ｃの寸法Ｐの設定により、９０度まで屈曲して復元する際に内コイル部５が外コイル部３に引っ掛かることなく、円滑に動作することができる。
【００８１】
また、本実施例では、湾曲状態と直状状態との間で、外コイル部３及び内コイル部５の弾性により屈曲構造体１を繰り返し円滑に動作させることができる。
【００８２】
さらに、本実施例の屈曲構造体１は、外コイル部３及び内コイル部５の径方向の復元力により、径方向に作用する外力による潰れや変形が抑制され、内部を挿通する部材を保護することができる。
【００８３】
また、本実施例の屈曲構造体１は、屈曲の内側で外コイル部３の隙間３ｃが小さくなり、屈曲の外側で外コイル部３の隙間３ｃが大きくなるので、外コイル部３の軸心Ｏにおける長さが直状時と比較して変化せず、内部を挿通する部材への干渉を抑制できる。
【００８４】
本実施例の外コイル部３は、少なくともコイル状の径方向の内側の断面形状が円弧状であるので、内外コイル部３，５の巻部３ｂ及び５ｂ間の自由時接触角度αを大きくして、湾曲時における内コイル部５の変位を容易に行うことができる。
【００８５】
しかも、内コイル部５が変位するときは、少なくとも外コイル部３の線材３aのコイル状の径方向の内側の断面形状が円弧状であることにより、外コイル部３の巻部３ｂを軸方向で大型にすることなく、内コイル部５が外コイル部３から脱落することを抑制できる。
【００８６】
本実施例では、少なくとも内コイル部５の線材５ａのコイル状の径方向の外側の断面形状が円弧状であることにより、確実に内外コイル部３，５の巻部３ｂ及び５ｂ間の自由時接触角度αを大きくできる。
【００８７】
また、本実施例の屈曲構造体１は、９０度屈曲時において、屈曲部分に位置する外コイル部３の巻部３ｂ及びこの巻部３ｂに接触する内コイル部５の巻部５ｂ間の屈曲時接触角度θが３０度以上である。
【００８８】
従って、本実施例では、屈曲の外側で内コイル部５の巻部５ｂを外コイル部３の巻部３ｂにより確実に押し戻すことができ、より円滑に屈曲構造体１を動作させることができる。
【００８９】
また、本実施例では、外コイル部３の線材３ａと内コイル部５の線材５ａとの軸方向での重なり量ａが、外コイル部３の線材３ａの径Ｄに対し、ａ≦０．３Ｄを満たす範囲で設定される。
【００９０】
これにより、本実施例では、屈曲時接触角度θを確実に３０度以上とし、屈曲構造体１の円滑な動作を確保できる。
【実施例２】
【００９１】
図５は、本発明の実施例２に係り、屈曲構造体を適用した関節機能部を備えるマニピュレーターの斜視図である。図６は、図５のマニピュレーターの断面図である。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。
【００９２】
本実施例は、実施例１の屈曲構造体１を用いてマニピュレーター７の関節機能部１１を構成するものである。
【００９３】
なお、マニピュレーター７は、関節機能部を有する機器の一例である。すなわち、関節機能部を有する機器としては、屈曲動作を行う関節機能部を有するものであれば、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とすることができる。また、医療用マニピュレーターの場合は、手術ロボットに取り付ける鉗子の他、手術ロボットに取り付けない内視鏡カメラや手動鉗子等も含まれる。
【００９４】
本実施例のマニピュレーター７は、シャフト９、関節機能部１１、エンドエフェクタ１３によって構成されている。
【００９５】
シャフト９は、例えば円筒形状に形成されている。シャフト９内には、関節機能部１１を駆動するための駆動ワイヤー１５やエンドエフェクタ１３を駆動するためのプッシュプルケーブルからなる可撓部材２０が通っている。シャフト９の先端側には、関節機能部１１を介してエンドエフェクタ１３が設けられている。
【００９６】
関節機能部１１は、基部１７と、可動部１９と、可撓チューブ２１と、屈曲構造体１とを備えている。
【００９７】
基部１７は、樹脂や金属等によって形成された円柱体であり、シャフト９の先端に取り付けられている。基部１７には、貫通孔１７ａにより駆動ワイヤー１５を軸方向に挿通し、軸心部の挿通孔１７ｂにより可撓部材２０を挿通している。
【００９８】
可動部１９は、樹脂や金属等によって形成された円柱体であり、エンドエフェクタ１３に取り付けられている。可動部１９には、駆動ワイヤー１５の先端部が固定されている。このため、可動部１９は、駆動ワイヤー１５の操作により、基部１７に対して変位し、エンドエフェクタ１３を所望の方向に指向させる。可動部１９の軸心部には、挿通孔１９ｂが設けられ、可撓部材２０を挿通している。
【００９９】
可撓チューブ２１は、基部１７と可動部１９との間に介設され、基部１７に対する可動部１９の変位に応じて屈曲する。可撓チューブ２１は、駆動ワイヤー１５及び屈曲構造体１を軸方向に通している。
【０１００】
本実施例の可撓チューブ２１は、断面波形状の管体からなるベローズによって構成されている。ただし、可撓チューブ２１は、コイルばね、筒体等を用いることも可能であり、可撓性を有するチューブ状を呈していれば、特に限定されるものではない。
【０１０１】
屈曲構造体１は、実施例１と同一構成である。この屈曲構造体１は、可撓チューブ２１の軸心部に沿って配置され、基部１７と可動部１９との間に設けられている。
【０１０２】
屈曲構造体１は、内部に可撓部材２０を挿通した状態で、両端が基部１７及び可動部１９の挿通孔１７ｂ及び１９ｂにそれぞれ取り付けられている。これにより、屈曲構造体１は、基部１７に対して可動部１９を軸方向移動不能に支持し、基部１７に対する可動部１９の変位に応じて可撓部材２０と共に屈曲するようになっている。
【０１０３】
可撓部材２０は、屈曲構造体１を軸方向に移動可能に挿通し、内外コイル部３，５の径方向へのずれを規制する。これに応じて、屈曲構造体１は、可撓部材２０を軸方向へガイドする機能も有している。
【０１０４】
本実施例のエンドエフェクタ１３は、医療用の鉗子であり、関節機能部１１の可動部１９に対して一対の把持部１３ａが開閉可能に軸支されている。このエンドエフェクタ１３は、関節機能部１１を貫通した可撓部材２０が接続され、可撓部材２０の軸方向移動（進退動作）により、把持部１３ａが開閉するように構成されている。
【０１０５】
なお、エンドエフェクタ１３は、例えば、鋏、把持レトラクタ、及び針ドライバ等のように、鉗子以外のものとすることも可能である。また、エンドエフェクタ１３は、医療用に限らず、産業用としてもよい。
【０１０６】
かかる構成のマニピュレーター７では、医師等の操作者が可撓部材２０を進退させることによりエンドエフェクタ１３の把持部１３ａに開閉動作を行わせることができる。
【０１０７】
また、操作者が何れか一つ或は複数の駆動ワイヤー１５を引くことにより、関節機能部１１が屈曲してシャフト９に対してエンドエフェクタ１３を所望の方向に指向させることができる。この状態で、可撓部材３を進退させれば、エンドエフェクタ１３の把持部１３ａに開閉動作を行わせることができる。
【０１０８】
かかる開閉動作は、可撓部材２０が屈曲構造体１の軸心Ｏ上を通るため、軸心Ｏ上の屈曲構造体１の長さＬに応じて可撓部材２０の移動量が一定となり、安定して正確に行わせることができる。
【０１０９】
その他、本実施例では、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  屈曲構造体
３  外コイル部
３ａ  線材
３ｂ  巻部
３ｃ  隙間
５  内コイル部
５ａ  線材
５ｂ  巻部
５ｃ  隙間
１１  関節機能部
１７  基部
１９  可動部
【要約】
【課題】屈曲動作の安定化を図りつつ構造を簡素化することが可能な屈曲構造体及び関節機能部を提供する。
【解決手段】軸方向に複数の巻部３ｂを有するコイル状の線材３ａからなる外コイル部３と、軸方向に複数の巻部５ｂを有するコイル状の線材５ａからなり、外コイル部３内に位置する内コイル部５とを備え、外コイル部３は、軸方向で隣接する巻部３ｂ間を離間させた複数の隙間３ｃを有し、内コイル部５は、巻部５ａが外コイル部３の隙間３ｃに対応して設けられ、外コイル部３の隣接する巻部３ｂに接触しつつ当該巻部３ｂ間に嵌合し、自由状態における外コイル部３の隙間３ｃの軸方向の寸法をＰ、外コイル部３の巻き数をＮ、外コイル部３の径をＲ、内コイル部５の線材５ａの線径をｄとしたとき、寸法ＰがπＲ／４Ｎ≦Ｐ＜ｄ−πＲ／４Ｎを満たす範囲で設定されている。
【選択図】  図１【図１】
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【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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