CN105392602B - 关节机构和医疗设备 - Google Patents

Abstract

关节机构具有：2个直齿轮(9)、(10)；支承部件(11)，其将2个该直齿轮(9)、(10)支承为能够绕2个关节轴(A)、(B)旋转，其中，2个关节轴(A)、(B)相互隔开间隔地配置为扭转的位置关系；以及旋转力传递机构(12)，其在直齿轮(9)、(10)之间传递旋转力，该旋转力传递机构(12)具有：由刚体构成的传递部件(13)，其被支承为仅能够在与分别垂直于2个关节轴(A)、(B)的平面彼此的交叉线平行的方向上移动；以及凸轮机构(14)或者连杆机构，其分别配置在该传递部件(13)和2个直齿轮(9)、(10)之间，将直齿轮(9)、(10)的旋转运动转换为传递部件(13)的直线运动。

Description

关节机构和医疗设备

技术领域

本发明涉及关节机构和医疗设备。

背景技术

已知如下关节机构，该关节机构具有：轴部；2个齿轮，它们以能够绕旋转轴旋转的方式设置在该轴部的两端，其中，所述旋转轴配置为相互扭转的位置关系；以及弹簧连杆，其经由与该齿轮的旋转轴平行的连结销与各齿轮连结(例如，参照专利文献1)。在专利文献1的关节机构中，伴随着一个齿轮的旋转运动，弹簧连杆一边向轴部的轴截面方向弹性变形一边向另一个齿轮传递旋转力，使另一个齿轮旋转。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-91310号公报

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1的关节机构中，由于将齿轮的旋转力向旋转轴不同的齿轮传递的连杆由弹簧部件形成，因此如果对关节机构施加高负荷，则不能承受负荷而弹性变形，不能传递旋转力。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供关节机构以及具有关节机构的医疗设备，能够在2个旋转部件之间传递高负荷的旋转力，所述2个旋转部件被配置为能够绕配置为扭转的位置关系的轴线旋转。

用于解决问题的手段

本发明的一个方式的关节机构具有：2个旋转部件；支承部件，其将2个该旋转部件支承为能够绕2个关节轴旋转，其中，所述2个关节轴相互隔开间隔地配置为扭转的位置关系；以及旋转力传递机构，其在所述旋转部件之间传递旋转力，该旋转力传递机构具有：由刚体构成的传递部件，其被支承为仅能够在与如下的交叉线平行的方向上移动，其中，该交叉线是分别垂直于2个所述关节轴的平面彼此的交叉线；以及凸轮机构或者连杆机构，其分别配置在该传递部件与2个所述旋转部件之间，将所述旋转部件的旋转运动转换为所述传递部件的直线运动。

根据本发明，如果向以能够旋转的方式被支撑在支承部件上的一个旋转部件施加绕一个关节轴的旋转力，则通过旋转力传递机构的动作，该旋转部件的旋转运动被一个凸轮机构或者连杆机构转换为传递部件的直线运动。进而，传递部件的直线运动被另一个凸轮机构或者连杆机构转换为另一个旋转部件的旋转运动。即，绕一个关节轴的一个旋转部件的旋转运动被传递为绕配置为扭转的位置关系的另一个关节轴的另一个旋转部件的旋转运动。其结果，能够将绕一个关节轴的支承部件相对于配置在比支承部件更靠近基端侧的部件的摆动平面、和配置在比支承部件更靠近前端侧的与另一个旋转部件连结的部件相对于支撑部件的摆动平面设定为非平行，通过组合绕2个关节轴的弯曲，能够使前端侧的部件的前端相对于基端侧的部件进行三维移动。

在该情况下，能够通过2个凸轮机构或者连杆机构以及由刚体构成的传递部件，将一个旋转部件的旋转运动可靠地传递作另一个旋转部件的旋转运动。因此，即使向比支承部件更靠近前端侧的部件施加高负荷，也能够在2个旋转部件之间传递高负荷的旋转力，能够承受其高负荷，使前端侧的部件高精度地移动，其中，所述2个旋转部件被配置为能够绕配置为扭转的位置关系的轴线旋转。

在上述方式中，也可以是，在所述支承部件上设置引导部件，所述引导部件将所述传递部件支承为能够直线移动。

由此，传递部件的直线运动被引导部件以不晃动的方式支承，能够使2个凸轮机构或者连杆机构进行高精度的动作。

在上述方式中，也可以是，所述凸轮机构具有：长孔，其设置在所述旋转部件和所述传递部件中的一方，在与所述传递部件的移动方向交叉的方向上延伸；以及可动部，其设置在所述旋转部件和所述传递部件中的另一方，以能够在该长孔的长度方向上移动的方式收纳在该长孔内。

由此，如果使一个旋转部件旋转，则设置在该旋转部件上的长孔或者可动部与旋转部件一起进行圆弧运动。通过使可动部和长孔的内侧面抵靠，将圆弧运动所产生的旋转力中的传递部件的移动方向的分量从旋转部件向传递部件传递。此外，使可动部在长孔的长度方向移动，从而释放与传递部件的移动方向交叉的方向的分量。由此，能够简单地将一个旋转部件的旋转运动转换为传递部件的直线运动。

此外，如果使传递部件进行直线运动，则设置在该传递部件的长孔或者可动部与传递部件一起进行直线运动。通过使可动部和长孔的内侧面抵靠，将直线运动所产生的按压力从传递部件向另一个旋转部件传递。另一个旋转部件通过使可动部在长孔的长度方向移动，从而允许进行圆弧运动。由此，能够简单地将传递部件的直线运动转换为另一个旋转部件的旋转运动。

在上述方式中，也可以是，所述长孔的内侧面和与该内侧面接触的所述可动部的侧面中的至少一方由减小摩擦的材质构成。

由此，在旋转部件和传递部件之间传递力时，即使可动部和长孔相对移动，也能够减小在两者之间产生的摩擦，有效地传递力。

在上述方式中，也可以是，所述连杆机构具有：连杆部件；以及2个摆动轴部，其将该连杆部件的两端以能够绕与所述关节轴平行的2个轴线摆动的方式安装到所述旋转部件和所述传递部件。

由此，如果旋转部件绕关节轴旋转，则被连结为能够绕与关节轴平行的轴线揺动的连杆部件相对于旋转部件和传递部件进行摆动，旋转部件的旋转运动被转换为传递部件的直线运动。该情况下，能够通过连杆机构将旋转运动转换为直线运动，而不会产生部件的挠曲与松动，能够有效地传递力。

在上述方式中，也可以是，所述传递部件由2个活塞构成，所述引动部件由缸部件构成，该缸部件将所述2个活塞收纳为能够直线运动，具有能够在活塞之间封入非压缩性流体的贯通孔。

由此，2个活塞被缸部件支承为能够进行高刚性且高精度的直线运动，能够可靠地从一个旋转部件向另一个旋转部件传递力。

本发明的另一个方式提供一种医疗设备，该医疗设备包括：第1连杆，其在前端具有末端执行器；第2连杆；以及上述各方式中的任意一个方式的关节机构，其连结第1连杆和第2连杆。

在该方式中，如果将2个连杆与关节机构连结，由于相对于第1连杆的支承部件的摆动平面与相对于第2连杆的支承部件的摆动平面处于扭转的位置关系，因此，通过组合2个关节轴的弯曲，能够使末端执行器相对于第2连杆进行三维移动。由此，即使是在动物或者人的体内等难以进行医疗处理的部位，也能够在所希望的位置以及方向配置末端执行器而容易地进行处置和观察。

发明的效果

根据本发明具有如下效果：能够在2个旋转部件之间传递高负荷的旋转力，其中，所述2个旋转部件配置为能够绕配置为扭转的位置关系的轴线旋转。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的医疗设备的概略图。

图2是本发明的实施方式的关节机构的详细图。

图3A是本发明的实施方式的关节机构的基端侧的直齿轮顺时针旋转时的凸轮机构的放大图。

图3B是本发明的实施方式的关节机构的基端侧的直齿轮逆时针旋转时的凸轮机构的放大图。

图4是使用本发明的实施方式的关节机构的医疗设备的整体结构图。

图5是本发明的实施方式的第1变形例的凸轮机构的放大剖面图。

图6是本发明的实施方式的第2变形例的凸轮机构的放大剖面图。

图7是本发明的实施方式的第3变形例的关节机构的概略图。

具体实施方式

以下参考附图说明本发明的一个实施方式的关节机构1以及医疗设备2。

如图1所示，本实施方式的医疗设备2是在前端具有插入到患者P的体内对患处进行处理的钳子那样的末端执行器3的处理器械。医疗设备2具有2个连杆部件4、5和连结这些连杆部件4、5的本实施方式的关节机构1。配置在前端侧的连杆部件4在前端支承末端执行器3。配置在基端侧的连杆部件5在支柱6的上端被支承为能够摆动。在图1中，标号7是驱动连杆部件4的驱动部7，标号8是具有控制驱动部7的操作部81的控制部8。

如图2所示，本实施方式的关节机构1具有：2个直齿轮(旋转部件)9、10；支承部件11，其将这些直齿轮9、10支承为能够绕2个关节轴A、B旋转，所述2个关节轴A、B被配置成相互隔开间隔的扭转的位置关系；以及旋转力传递机构12，其在直齿轮9、10之间传递旋转力。

如图2所示，支承部件11形成为棒状，在其两端一体地具有直齿轮部20、23，所述直齿轮部20、23形成在绕关节轴A、B大致180°的角度范围内。

如图2所示，旋转力传递机构12具有：被支承为能够直线运动的由刚体构成的直棒状的传递部件13；以及凸轮机构14，其对该传递部件13的直线运动和直齿轮9、10的旋转运动进行相互转换。

如图2、图3A或者图3B所示，凸轮机构14具有：长孔15，其设置在传递部件13的两端，在与该传递部件13的移动方向垂直的方向上延伸；以及销(可动部)16，其与关节轴A、B平行地固定在各直齿轮9、10上，以能够在长孔15的长度方向上移动的方式收纳在长孔15内。

如图2所示，传递部件13被支承为，能够通过支承部件11上设置的引导部件17进行不晃动的直线运动。引导部件17以使传递部件13在与分别垂直于2个关节轴A、B的平面的交叉线平行的方向上进行直线运动的方式支承传递部件13。

即，在旋转力传递机构12中，如果直齿轮9绕关节轴A旋转，则固定在该直齿轮9上的销16也进行旋转运动。销16的圆弧运动包含被引导部件17支承为能够在一个方向上进行直线移动的传递部件13的移动方向的分量、以及与传递部件13的移动方向垂直的方向的分量。

在基端侧的凸轮机构14中，销16按压长孔15的内侧面15a，由此，传递部件13的移动方向的分量通过使传递部件13进行直线移动而直接被传递，关于与传递部件13的移动方向垂直的方向的分量，通过使销16在长孔15内进行相对移动而被释放，不会被传递到传递部件13。由此，直齿轮9的旋转运动被转换为传递部件13的直线运动。

在前端侧的凸轮机构14中，通过使传递部件13进行直线移动，使设置于传递部件13的长孔15进行直线移动。收纳在长孔15内的销16被长孔15的内侧面15a按压从而移动。因为销16被固定在被支承为能够绕处于与关节轴A扭转的位置关系的关节轴B旋转的直齿轮10上，所以销16进行具有与传递部件13的移动量相同量的传递部件13的移动方向的分量的旋转运动。关于与传递部件13的移动方向垂直的分量，通过使销16在长孔15内进行相对移动从而被释放。由此，传递部件13的直线运动被转换为直齿轮10的旋转运动，能够传递绕关节轴A的直齿轮9的旋转运动作为绕关节轴A和位于扭转的位置关系的关节轴B的直齿轮10的旋转运动。

在基端侧的连杆部件5设置有被支承为能够绕与直齿轮9的关节轴A平行的轴线旋转的2个驱动用直齿轮18、19。一个驱动用直齿轮18与设置在关节机构1的支承部件11的直齿轮部20啮合。另一个驱动用直齿轮19与能够旋转地被支承在关节机构1的支承部件11上的直齿轮9啮合。这些驱动用直齿轮18、19构成为通过未图示的传递机构与驱动部7连结，分别被驱动旋转。

如果通过驱动部7的动作使一个驱动用直齿轮18旋转，则与驱动用直齿轮18啮合的直齿轮部20绕关节轴A旋转，其结果，能够使从设置有直齿轮部20的支承部件11到末端执行器3为止的前端侧部绕关节轴A摆动。

如果通过驱动部7的动作使另一个驱动用直齿轮19旋转，则与驱动用直齿轮19啮合的直齿轮9绕关节轴A旋转。

在前端侧的连杆部件4中，在其基端侧设置有直齿轮部21和直齿轮22，所述直齿轮部21和直齿轮22形成在绕与关节轴B平行的轴线大致180°的角度范围内。直齿轮部21与设置在关节机构1的支承部件11上的直齿轮部23啮合。此外，直齿轮22与被支承在关节机构1的轴部上的直齿轮10啮合。

如果直齿轮10被驱动旋转，则与直齿轮10啮合的直齿轮22绕关节轴B旋转，其结果，从连杆部件4到末端执行器3为止的前端侧部绕关节轴B摆动。

由于关节轴A、B配置为相互扭转的位置关系，因此关节机构1的支承部件11相对于连杆部件4绕关节轴A摆动，连杆部件5相对于关节机构1的支承部件11绕关节轴B摆动，从而配置在连杆部件5的前端处的末端执行器3能够进行三维地移动。

以下说明这样构成的本实施方式的关节机构1以及医疗设备2的作用。

使用本实施方式的医疗设备2对患者P的体内的患处进行处置时，如图1所示，设置在医疗设备2的前端的末端执行器3经由贯通患者P的体壁而形成的贯通孔插入到体内，使控制部8动作。

关于医疗设备2，如图4所示，用户经由操作部81通过控制部8使驱动部7驱动，在患者P的体内的所希望的位置配置末端执行器3并使其动作，从而能够进行患处的治疗。

在该情况下，根据本实施方式的关节机构1，为了使支承部件11相对于连杆部件5进行摆动，通过来自控制部8的信号使驱动部7动作，使驱动用直齿轮18旋转，从而使支承部件11的直齿轮部20旋转。由此，使支承部件11相对于连杆部件5绕关节轴A沿与关节轴A垂直的摆动平面C摆动。另一方面，为了使连杆部件4相对于支承部件11摆动，通过来自控制部8的信号使驱动部7动作，使设置在基端侧的连杆部件5上的驱动用直齿轮19旋转。

驱动用直齿轮19的旋转作为绕关节轴A的旋转而被传递到与驱动用直齿轮19啮合的直齿轮9。如果使直齿轮9旋转，则通过旋转力传递机构12的动作，将该直齿轮9的旋转运动通过基端侧的凸轮机构14转换为传递部件13的直线运动。并且，传递部件13的直线运动被引导部件17支承为不晃动，并将传递部件13的直线运动传递到前端侧的凸轮机构14，被传递到前端侧的凸轮机构14的直线运动被转换为直齿轮10的旋转运动。即，绕关节轴A的直齿轮9的旋转运动被传递为绕配置在扭转的位置的关节轴B的直齿轮10的旋转运动。

如果使直齿轮10绕关节轴B旋转，则与直齿轮10啮合的直齿轮22绕关节轴B旋转，其结果，固定有直齿轮22的连杆部件4绕关节轴B，沿与关节轴B垂直的摆动平面D摆动。

其结果，绕关节轴A的支承部件11相对于配置在比支承部件11更靠近基端侧的连杆部件5的摆动平面C、和配置在比支承部件11更靠近前端侧的与直齿轮10连接的连杆部件4相对于支承部件11的摆动平面D为非平行。因此，通过组合沿不同摆动平面C、D的摆动，能够使与前端侧的连杆部件4的前端连结的末端执行器3相对于基端侧的连杆部件5进行三维移动。

在该情况下，能够通过2个凸轮机构14以及由刚体构成的传递部件13，可靠地将直齿轮9的旋转运动传递为直齿轮10的旋转运动。因此，即使向比支承部件11更靠近前端侧的连杆部件4施加高负荷，也能够在2个直齿轮9、10之间传递高负荷的旋转力，能够承受其高负荷，能够使末端执行器3高精度地移动，其中，所述2个直齿轮9、10配置为能够绕配置为扭转的位置关系的轴线旋转。

传递部件13的直线运动被引导部件17以不晃动的方式支承，能够使2个凸轮机构14进行高精度的动作。

在上述实施方式中，如图5所示，对于关节机构1，长孔15的内侧面15a和与该内侧面15a接触的销16的侧面16a中的至少一方可以由减小摩擦的材质(例如，聚四氟乙烯(PTFE)，白色金属，黄铜)构成。

由此，在直齿轮9、10和传递部件13之间传递力时，即使销16和长孔15相对移动，也能够减小在两者之间产生的摩擦，有效地传递力。

如图6所示，在上述实施方式中，在关节机构1中，也可以是，凸轮机构14可以具有低摩擦部件24，该低摩擦部件24被销16支承，介于直齿轮9、10和传递部件13之间，由摩擦系数比直齿轮9、10和销16低的材质(例如，聚四氟乙烯(PTFE)，白色金属，黄铜)形成。

由此，通过设置低摩擦部件24，减小了伴随直齿轮9、10的旋转运动而通过传递部件13与直齿轮9、10接触所产生的摩擦力。由此，凸轮机构14减小了在对旋转运动和直线运动进行转换时所产生的摩擦力引起的负荷，能够进一步减小对关节机构1施加的负荷。

在上述关节机构1中，凸轮机构14的可动部不是必须由销16构成，取而代之，也可以是从直齿轮9、10与关节轴A、B平行地延伸的突起。

在上述凸轮机构14中，可以如图2、图3A以及图3B所示贯通传递部件13而形成长孔15，也可以如图5、6所示不贯通传递部件13。

在本实施方式中，也可以代替低摩擦部件24，通过轴承支承销16来作为减小传递部件13与直齿轮9、10之间的摩擦的结构。

在本实施方式中，例示了由长孔15和销16构成凸轮机构14，但是，只要是在直齿轮9、10和传递部件13之间的连接部中对旋转运动和直线运动进行转换的结构即可，并不限于此。作为凸轮机构14，只要将长孔15设置在直齿轮9、10或者传递部件13中的一方，将销16设置在直齿轮9、10或者传递部件13中的另一方即可。

在上述的医疗设备2中，代替钳子，末端执行器3也可以是内窥镜。

在上述医疗设备2中，在关节机构1和前端侧的连杆部件4之间，还可以追加关节机构1或者关节机构1的直齿轮9、10的关节轴A、B是平行结构的其他关节机构。

由此，能够增加弯曲的部位，使末端执行器3相对于基端侧的连杆部件5的摆动角度范围增大，能够扩大末端执行器3的动作范围。

如图7所示，在本实施方式中，也可以采用2个活塞27、28代替上述传递部件13，采用连杆机构29代替凸轮机构14，采用将活塞27、28收纳为能够直线移动的缸部件34作为引导部件32。

连杆机构29具有由刚体形成的连杆部件30以及2个摆动轴部31，所述2个摆动轴部31将该连杆部件30的两端以能够绕与关节轴A、B平行的2个轴线摆动的方式安装到直齿轮9、10和活塞27、28。

在被收纳在缸部件34的贯通孔33内的2个活塞27、28之间封入有非压缩性流体。

通过这样的结构，如果使直齿轮9绕关节轴A旋转，则通过安装在直齿轮9上的连杆机构29，连杆部件30的两端绕与关节轴A平行的轴线摆动，从而释放直齿轮9的旋转运动中的与活塞27的移动方向垂直的方向的分量。此外，直齿轮9的旋转运动中的活塞27的移动方向的分量，被以连杆部件30的两端的位移量的差分的量转换为活塞27的直线运动量。由此，通过连杆机构29能够将直齿轮9的旋转运动转换为活塞27的直线运动，而不会产生部件的挠曲与松动，能够有效地传递力。

作为摆动轴部31优选采用球形接头。由此，能够进一步有效地传递力。

如果来自活塞27的直线运动被传递到引导部件32内的非压缩性流体，则通过非压缩性流体的流体压力(例如，液压)向活塞28传递与活塞27的移动量相应的直线运动。由此，传递到活塞28的直线运动被转换为直齿轮10的旋转运动。其结果，2个活塞27、28被缸部件34支承为能够高刚性且高精度地进行直线移动，能够可靠地从直齿轮9向直齿轮10传递力。

在上述关节机构25中，贯通孔33的内侧面以及与该内侧面接触的活塞27、28的侧面27a、28a的至少一方由减小摩擦的材质构成(例如，聚四氟乙烯(PTFE)，白色金属，黄铜)。

由此，在活塞27、28和缸部件34之间传递力时，即使活塞27、28和贯通孔33相对移动，也能够减小在两者之间产生的摩擦，能够有效地传递力。

标号说明

1、25 关节机构

2 医疗设备

3 末端执行器

4、5 连杆部件

9、10、22 直齿轮(旋转部件)

11 支承部件

12、26 旋转力传递机构

13 传递部件

14 凸轮机构

15 长孔

16 销(可动部)

17、32 引导部件

27、28 活塞(传递部件)

29 连杆机构

30 连杆部件

31 摆动轴部

33 贯通孔

34 缸部件

Claims (7)

1.一种关节机构，该关节机构具有：

2个旋转部件；

支承部件，其将2个该旋转部件支承为能够绕2个关节轴旋转，其中，所述2个关节轴相互隔开间隔地配置为扭转的位置关系；以及

旋转力传递机构，其在所述旋转部件之间传递旋转力，

该旋转力传递机构具有：

由刚体构成的传递部件，其被支承为仅能够在与如下的交叉线平行的方向上移动，其中，该交叉线是分别垂直于2个所述关节轴的平面彼此的交叉线；以及

凸轮机构或者连杆机构，其分别配置在该传递部件与2个所述旋转部件之间，将所述旋转部件的旋转运动转换为所述传递部件的直线运动。

2.根据权利要求1所述的关节机构，其中，

在所述支承部件上设置有引导部件，该引导部件将所述传递部件支承为能够直线移动。

3.根据权利要求1或2所述的关节机构，其中，

所述凸轮机构具有：

长孔，其设置在所述旋转部件和所述传递部件中的一方，在与所述传递部件的移动方向交叉的方向上延伸；以及

可动部，其设置在所述旋转部件和所述传递部件中的另一方，以能够在该长孔的长度方向上移动的方式收纳在该长孔内。

4.根据权利要求3所述的关节机构，其中，

所述长孔的内侧面和所述可动部的与该内侧面接触的侧面中的至少一方由减小摩擦的材质构成。

5.根据权利要求2所述的关节机构，其中，

所述连杆机构具有：

连杆部件；以及

2个摆动轴部，其将该连杆部件的两端以能够绕与所述关节轴平行的2个轴线摆动的方式安装到所述旋转部件和所述传递部件。

6.根据权利要求5所述的关节机构，其中，

所述传递部件由2个活塞构成，所述引导部件由缸部件构成，该缸部件具有贯通孔，该贯通孔将所述2个活塞收纳为能够直线运动，且能够在活塞间封入非压缩性流体。

7.一种医疗设备，该医疗设备具有：

第1连杆，其在前端具有末端执行器；

第2连杆；以及

权利要求1至6中的任意一项所述的关节机构，其连结这些连杆。