CN115776931A

CN115776931A - 关节功能部

Info

Publication number: CN115776931A
Application number: CN202180048499.1A
Authority: CN
Inventors: 平田贵史; 保戸田裕树; 稲叶正纮
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2023-03-10
Also published as: WO2022014628A1; JP2022018904A; TW202216082A; JP7498611B2; EP4183534A4; US20230256625A1; EP4183534A1

Abstract

本发明的课题在于提供一种能够抑制可动侧构件的无意图的位移的关节功能部。一种关节功能部1，其中，可动部13被基部11支撑为能够相对于轴向位移，且所述关节功能部1包括：多个驱动线19，轴向的其中一侧是固定于可动部13的固定部27，轴向的另一侧是被基部11支撑的被支撑部29；及弹性体21，将多个驱动线19的被支撑部29支撑于基部11，对被支撑部29相对于固定部27在轴向上施力，从而对驱动线19施加张力。

Description

关节功能部

技术领域

本发明涉及一种提供给机器人或机械手等的关节功能部。

背景技术

在机器人、机械手或致动器等中，有包括能够进行屈曲/伸展的关节功能部的机器人、机械手或致动器等。作为此种关节功能部，例如有应用于专利文献1中记载的外科用器具中的关节功能部。

所述关节功能部中，作为可动侧构件的末端执行器通过能够弯曲的构件而与作为固定侧构件的管结合。

在末端执行器上固定有作为索状构件的起动线缆的一侧。通过对所述起动线缆的另一侧进行拉伸操作，能够使能弯曲的构件屈曲，从而使末端执行器相对于轴位移。

但是，所述现有的关节功能部中，若对末端执行器等施加外力，则能够弯曲的构件被强制弯曲，有时会产生末端执行器的无意图的位移。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特表2009-538186号公报

发明内容

发明所要解决的问题

欲解决的问题点是因外力而可动侧构件产生无意图的位移。

解决问题的技术手段

本发明是一种可动侧构件被固定侧构件支撑为能够在屈曲位置及伸展位置间位移的关节功能部，且所述关节功能部的最主要的特征在于包括：多个索状构件，所述轴向的其中一侧是固定于所述可动侧构件的固定部，所述轴向的另一侧是被所述固定侧构件支撑的被支撑部；及弹性体，将所述多个索状构件的所述被支撑部支撑于所述固定侧构件，对所述被支撑部向相对于所述固定部的所述轴向的相反侧施力，从而对所述索状构件施加张力。

发明的效果

根据本发明，通过由弹性体施加的张力而在索状构件中松弛消失，关节功能部的弯曲刚性提高，因此即便外力作用于可动侧构件，也可抑制可动侧构件的无意图的位移。

附图说明

[图1]图1是表示应用了本发明的实施例1的关节功能部的机械手的主要部分的立体图。

[图2]图2是图1的机械手的剖面图。

[图3]图3是表示图2的主要部分的概略图。

[图4]图4(A)及图4(B)是图1的机械手的概念图，图4(A)表示平常时，图4(B)表示屈曲时。

[图5]图5是表示相对于外力的位移量与弹性体的载荷的关系的图表。

[图6]图6是表示关节功能部的载荷与屈曲角度的关系的图表。

[图7]图7是表示应用了本发明的实施例2的关节功能部的机械手的概念图。

[图8]图8是表示应用了本发明的实施例3的关节功能部的机械手的概念图。

[图9]图9是表示应用了本发明的实施例4的关节功能部的机械手的概念图。

[图10]图10(A)是表示应用了本发明的实施例4的变形例的关节功能部的机械手的概念图，图10(B)是从相差90度的方向观察图10(A)的概念图。

[图11]图11是表示应用了本发明的实施例5的关节功能部的机械手的概念图。

具体实施方式

通过利用弹性体对用于使可动侧构件位移的索状构件赋予张力，来实现抑制可动侧构件的无意图的位移的目的。

即，关节功能部(1)中，可动侧构件(13)被固定侧构件(11)支撑为能够在屈曲位置及伸展位置间位移，且所述关节功能部(1)包括多个索状构件(19)及弹性体(21)。索状构件(19)的轴向的一侧是固定于可动侧构件(13)的固定部27，轴向的另一侧是被固定侧构件(11)支撑的被支撑部(29)。弹性体(21)将多个索状构件(19)的被支撑部(29)支撑于所述固定侧构件(11)，对被支撑部(29)相对于固定部(27)在轴向上施力，从而对索状构件施加张力。

也可设为如下结构：弹性体(21)与多个索状构件(19)并列配置。

也可设为如下结构：多个索状构件(19)分别在固定部(27)与被支撑部(29)之间插通固定侧构件(11)，弹性体(21)介设于多个索状构件(19)的被支撑部(29)与固定侧构件(11)之间。

也可设为如下结构：弹性体(21)分别插通多个索状构件(19)并设置于同轴上。

也可设为如下结构：关节功能部(1)包括跨越多个索状构件(19)的被支撑部(29)间的支撑构件(35)，弹性体(21)介设于支撑构件(35)与固定侧构件(11)之间。

也可设为如下结构：关节功能部(1)包括引导部(33)，所述引导部(33)引导多个索状构件(19)的其中一者而使多个索状构件(19)的被支撑部(29)位于同轴上，弹性体(21)将多个索状构件(19)的被支撑部(29)间连接。

也可设为如下结构：固定侧构件(11)包括支撑部(41)，所述支撑部(41)在轴向上隔着多个索状构件(19)的被支撑部(29)位于与固定部(27)相反的一侧，弹性体(21)介设于支撑部(41)与多个索状构件(19)的被支撑部(29)之间。

弹性体(21)也可设为线圈弹簧。

索状构件(19)也可设为为了使可动侧构件(13)相对于固定侧构件(11)位移而在轴向上操作被支撑部(29)的驱动线。其中，索状构件也可与驱动线分开设置。

实施例1

[机械手]

图1是表示应用了本发明的实施例1的关节功能部的机械手的主要部分的立体图，图2是图1的剖面图，图3是表示图2的主要部分的概略图。

在本实施例中，作为具有关节功能部1的机器，以机械手3为例进行说明。机械手3是医疗用的钳子，且除安装于手术机器人上的钳子以外，还用作不安装于手术机器人上的内窥镜照相机或手动钳子等。

再者，作为具有关节功能部1的机器，只要是需要关节功能的机器即可，能够设为各种领域的机器人、机械手或致动器等。

机械手3包含轴5、关节功能部1及末端执行器7。

轴5例如呈圆筒形状形成。在轴5的前端侧经由关节功能部1而可动支撑有末端执行器7。关于关节功能部1，将在下文叙述。

末端执行器7是医疗用的钳子，且被后述的关节功能部1的可动部13轴支撑为一对把持部7a能够开闭。所述末端执行器7与插通了轴5及关节功能部1的推拉线缆9连接。构成为通过所述推拉线缆9的轴向移动(进退动作)而使把持部7a开闭。

再者，把持部7a的驱动也可利用空气等来进行。另外，末端执行器7例如也能够设为如剪刀、把持牵引器及针驱动器等那样钳子以外的末端执行器7。

[关节功能部]

关节功能部1包括基部11、可动部13、挠性构件15、挠性管17、驱动线19及弹性体21。

基部11是由树脂或金属等形成的柱状体，特别是圆柱体。所述基部11安装于轴5的前端，构成固定侧构件。再者，轴5也构成固定侧构件的一部分。

基部11并不限于柱状体，也可设为板状体等，只要是插通后述的驱动线19的壁状即可。另外，基部11能够根据应用关节功能部1的机器而设为适宜的形态。

可动部13是由树脂或金属等形成的柱状体，特别是圆柱体。可动部13安装于末端执行器7，构成可动侧构件。再者，末端执行器7也构成可动侧构件的一部分。

可动部13也并不限于柱状体，也可设为板状体等，只要是能够安装末端执行器7的构件即可。另外，可动部13也能够根据应用关节功能部1的机器而设为适宜的形态。

所述可动部13被基部11支撑为通过挠性构件15而能够相对于轴向在屈曲位置及伸展位置间位移。再者，在简称为轴向时，是指沿着关节功能部1的轴心的方向，除严格地与轴心平行的方向以外，也还包括稍微倾斜的方向。所谓屈曲位置，是可动部13的轴与轴向交叉，关节功能部1的屈曲成为最大的位置。所谓伸展位置，是可动部13的轴沿着轴向的位置。在伸展位置，可动部13的轴无需严格地沿着轴向，也包括稍微偏移的情况。

挠性构件15配置于关节功能部1的轴心部，将可动部13以能够位移的方式支撑于基部11。本实施例的挠性构件15包含内挠性管16及外挠性管17。

内挠性管16是相对于轴向屈曲自如的双重线圈，且包括外线圈部23及内线圈部25。再者，内挠性管16只要可将可动部13以能够位移的方式支撑于基部11，则并不限于使用双重线圈的内挠性管16。

外线圈部23及内线圈部25是线圈弹簧。外线圈部23及内线圈部25的材质均能够设为金属或树脂等。另外，外线圈部23及内线圈部25的裸线的剖面形状成为圆形。其中，所述剖面形状并不限于圆形。

内线圈部25的直径小于外线圈部23的直径，且螺合于外线圈部23内。外线圈部23及内线圈部25的直径从轴向的一端至另一端恒定。其中，所述外线圈部23的直径也能够在轴向上变化。

外线圈部23具有使在轴向上邻接的卷部间在轴向上分离的多个间隙(间距)。内线圈部25的卷部从内侧嵌合于所述多个间隙中。

所述挠性构件15具有其中外线圈部23及内线圈部25能够相对于线圈状的轴向弯曲及复原的弹性，且具有整体能够相对于轴向弯曲及复原的弹性。

挠性构件15的周围由介设于基部11与可动部13之间的外挠性管17覆盖。

外挠性管17包括包含剖面波形状的管体的波纹管。挠性管17包含金属或树脂等。再者，外挠性管17也能够使用线圈弹簧或其他筒体等，只要呈具有弹性的管状，则并无特别限定。

所述外挠性管17根据可动部13相对于基部11的位移而弹性屈曲及复原。由此，外挠性管17对关节功能部1赋予载荷根据屈曲角度的增加而增加的线形载荷特性。关于载荷特性，将在下文叙述。

因此，挠性构件15通过自身的弯曲及复原而使可动部13及末端执行器7相对于基部11及轴5位移。所述位移是通过驱动线19来进行。

驱动线19是包含金属等的索状构件，在本实施例中，以90度为单位设置于关节功能部1的周向上的4个位置。在关节功能部1的径向上相向的驱动线19成对。因此，在本实施例中，包括两对驱动线19。

其中，也能够省略一对驱动线19，关节功能部1只要包括多个驱动线19即可。例如，驱动线19也可设置三根。在所述情况下，驱动线19优选为在周向上以120度为单位进行配置。另外，驱动线19若为索状构件，则能够设为绞线、镍钛(NiTi)单线、钢琴线、多关节杆、链、带、线、绳等。

这些驱动线19通过在轴向上被拉动而使关节功能部1屈曲，且与未图示的操作机构直接或间接连接，并在轴向上被操作。再者，所谓在轴向上操作，是指在轴向上使驱动线19进退。

各驱动线19的一侧成为固定于可动部13的固定部27。再者，应用于固定部27的固定手段不限。

各驱动线19从固定部27沿着轴向延伸，插通挠性管17及基部11，另一侧穿过轴5的内部。所述各驱动线19的另一侧成为被支撑部29。

被支撑部29设置于驱动线19的另一侧，且是被基部11支撑的部分。本实施例的被支撑部29是驱动线19的另一端的铆接部，通过铆接而与连接线31的端部结合。经由所述连接线31而将成对的驱动线19的被支撑部29间连接。再者，成对的驱动线19也能够呈环状一体地设置。

连接线31经由引导部33而两端部分别与成对的驱动线19的另一端配置于同轴上并到达被支撑部29。本实施例的引导部33是滑轮，且被轴5或操作机构等支撑。再者，也能够省略连接线31及引导部33而将被支撑部29与操作机构结合。

弹性体21将驱动线19的被支撑部29支撑于基部11，并对被支撑部29相对于同一驱动线19的固定部27向轴向的相反侧施力。由此，弹性体21对各驱动线19赋予张力，提高各驱动线19的弯曲刚性。

本实施例的弹性体21包含线圈弹簧，特别是具有间距的压缩弹簧。再者，弹性体21可包含金属或树脂等，能够根据弹性系数等来采用适宜的形状。例如，在橡胶等的情况下，可将弹性体设为柱状或筒状等。

所述弹性体21介设于驱动线19的被支撑部29与基部11之间。具体而言，弹性体21按照每个驱动线19设置，分别插通驱动线19并配置于同轴上。弹性体21的两端分别与基部11及被支撑部29抵接。

因此，弹性体21成为如下结构：相对于驱动线19并列配置，以使弹性力在轴向上发挥作用。所谓此处的并列，是指以使轴向与弹性力发挥作用的方向平行的方式配置弹性体21。其中，无需两方向严格平行，两方向的其中一者相对于另一者稍微倾斜的情况也包含于并列中。再者，也可设为如下结构：省略被支撑部29与基部11之间的弹性体21，并利用弹性体21来拉伸引导部33。

各弹性体21的自由状态下的轴向尺寸设定为小于被支撑部29与基部11之间的轴向尺寸。因此，各弹性体21在被支撑部29和基部11之间与尺寸差相应地被压缩。通过所述压缩，对各弹性体21施加载荷，对驱动线19赋予与载荷相应的张力。

所述弹性体21可与挠性构件15一起对关节功能部1赋予载荷根据屈曲角度的增加而增加的线形载荷特性。关于载荷特性，将在下文叙述。

[动作]

图4(A)及图4(B)是图1的机械手的概念图，图4(A)表示平常时，图4(B)表示屈曲时。

在本实施例中，在未操作驱动线19的平常时，驱动线19被弹性体21施加张力而松弛消失，弯曲刚性提高。

因此，即便对作为可动侧构件的末端执行器7或关节功能部1的可动部13在相对于轴向的交叉方向(图4(A)的左右方向)上施加外力F，也可抑制可动部13及末端执行器7的无意图的位移。

当医生等操作者操作机械手3时，通过拉动任一根驱动线19而关节功能部1屈曲。而且，通过组合拉动不同对的驱动线19，关节功能部1能够360度全方位屈曲。由此，可使末端执行器7指向所期望的方向。

当拉动任一根驱动线19而使关节功能部1屈曲时，如图4(B)所示，在屈曲内侧部分，驱动线19(称为内线19)的被支撑部29在轴向上以扩大与基部11之间的方式位移。相应地，内线19的固定部27被拉向基部11侧。

此时，就使关节功能部1屈曲并维持此情况的关系考虑，对内线19施加大于平常时的张力。其结果，内线19成为弯曲刚性提高的状态。

另一方面，在屈曲外侧部分，与内线19成对的驱动线19(称为外线19)伴随屈曲而被拉动至固定部27，并且被支撑部29在轴向上以缩窄与基部11之间的方式位移并被按压。

此时，与外线19同轴的弹性体21克服自身的弹性力并被压缩，弹性体21通过自身的弹性力而在被支撑部29与基部11之间伸长。因此，即便被支撑部29向失去张力的方向的基部11侧位移，外线19也不松弛地被赋予张力。结果，外线19也与内线19一起成为弯曲刚性提高的状态。

如上所述，在本实施例的机械手3中，即便在操作驱动线19的屈曲时，在屈曲的内外，驱动线19的弯曲刚性均提高。

因此，即便对末端执行器7或关节功能部1的可动部13在相对于轴向的交叉方向(图4(A)的上下方向)上施加外力F，也可抑制末端执行器7的无意图的位移。

再者，压缩与外线19同轴的弹性体21的操作力可通过与内线19同轴的弹性体21伸长的弹性力来辅助。因此，可抑制用于使关节功能部1屈曲的整体的操作力的增加，并容易地进行关节功能部1的屈曲。

[位移特性]

图5是表示相对于外力的位移量与弹性体的载荷的关系的图表。

图5是在平常时对末端执行器7在相对于轴向的交叉方向上施加2N的外力F，并测定此时的末端执行器7的位移量的图。图5的载荷表示在平常时对弹性体21施加的载荷。

如图5所示，从未对弹性体21施加载荷的状态至弹性体21的载荷的大小与外力F相等为止，末端执行器7的位移量的减低的比例大。另一方面，即便弹性体21的载荷超过外力F，位移量的减低的比例也变小。另外，越增大弹性体21的载荷，驱动线19的弯曲刚性越提高，越难以弯曲关节功能部1。因此，优选为将各弹性体21的载荷设定为与所假设的外力F同等。

[载荷特性]

图6是表示关节功能部的载荷与屈曲角度的关系的图表。在表6中示出操作成对的驱动线19，并使关节功能部1从屈曲角度0度屈曲至90度，然后恢复至0度时的关节功能部1、挠性构件15及驱动线19的载荷。

在本实施例中，弹性体21及挠性构件15具有载荷随着屈曲角度的增加而增加的线形载荷特性，关节功能部1具有将弹性体21及挠性构件15合并的线形载荷特性。

因此，关节功能部1的耐载荷性及弯曲性优异。另外，通过调整弹性体21及挠性构件15的载荷特性，可调整/设定关节功能部1的载荷特性。

[实施例1的效果]

如以上说明那样，在本实施例中，一种关节功能部1，其中，可动部13被基部11支撑为能够在屈曲位置及伸展位置间位移，且所述关节功能部1包括：多个驱动线19，轴向的其中一侧是固定于可动部13的固定部27，轴向的另一侧是被基部11支撑的被支撑部29；及弹性体21，将多个驱动线19的被支撑部29支撑于基部11，对被支撑部29向相对于固定部27的轴向的相反侧施力，从而对驱动线19施加张力。

因此，在本实施例中，根据由弹性体21施加的张力，驱动线19的松弛消失，弯曲刚性提高，因此即便外力F作用于可动部13或末端执行器7，也可抑制可动部13或末端执行器7的无意图的位移。

弹性体21与多个驱动线19并列配置，因此可容易且确实地对驱动线19施加张力。

多个驱动线19分别在固定部27与被支撑部29之间插通基部11，弹性体21介设于多个驱动线19的被支撑部29与基部11之间。

因此，在本实施例中，可以简单的结构对驱动线19施加张力。

另外，弹性体21分别插通多个驱动线19并设置于同轴上，因此可以简单的结构保持于被支撑部29与基部11之间。

实施例2

图7是表示应用了本发明的实施例2的关节功能部的机械手的概念图。再者，在实施例2中，对与实施例1对应的结构标注相同符号并省略重复的说明。

在实施例2中，相对于关节功能部1的成对的驱动线19使用单一的弹性体21。具体而言，包括跨越成对的驱动线19的被支撑部29间的支撑构件35，弹性体21介设于支撑构件35与基部11之间。其他与实施例1相同。

支撑构件35是跨越成对的驱动线19的被支撑部29间而设置的板状体。在支撑构件35中插通有驱动线19。所述支撑构件35被弹性体21按压至被支撑部29。

在实施例2中，也可起到与实施例1相同的作用效果。

实施例3

图8是表示应用了本发明的实施例3的关节功能部的机械手的概念图。再者，在实施例3中，对与实施例1对应的结构标注相同符号并省略重复的说明。

在实施例3中，利用弹性体21来连接关节功能部1的成对的驱动线19。具体而言，包括引导成对的驱动线19的其中一者而使成对的驱动线19的被支撑部29位于同轴上的引导部33，弹性体21将成对的驱动线19的被支撑部29间连接。其他与实施例1相同。

引导部33与实施例1同样地构成。成对的驱动线19的其中一者形成为长于成对的驱动线19的另一者，以两驱动线19的被支撑部29位于同轴上的方式卷绕于引导部。

本实施例的弹性体21设置有一对，分别与被支撑部29结合。弹性体21间由一对连结构件37连结。连结构件37是将弹性体21一体地结合的构件。这些连结构件37通过夹持部37a夹持驱动轴39来卡合。

弹性体21对连结构件37向利用夹持部37a夹持驱动轴39的方向施力，并保持基于夹持部37a的驱动轴39的夹持状态。驱动轴39与操作机构连结，并根据操作机构的操作而在轴向上位移。

因此，在实施例3中，也可起到与实施例1相同的作用效果。

实施例4

图9是表示应用了本发明的实施例4的关节功能部的机械手的概念图，图10(A)是表示其变形例的概念图，图10(B)是从相差90度的方向观察图10(A)的概念图。再者，在实施例4中，对与实施例1对应的结构标注相同符号并省略重复的说明。

在实施例4中，关节功能部1的挠性构件15包含万向接头。其他与实施例1相同。再者，挠性构件15若为相互连结多个摇动自如的构件而成的挠性构件15，则并不限于万向接头。例如，如图10(A)及图10(B)所示，也能够相对于基部11摇动自如地连结第一摇动构件40a，相对于所述第一摇动构件40a在直行方向上摇动自如地连结摇动构件40b，并将可动部13与摇动构件40b结合。

在实施例4中，也可起到与实施例1相同的作用效果。另外，在实施例4中，相对于不具有线形载荷特性的关节功能部1，可通过弹性体21来赋予线形载荷特性。

实施例5

图11是表示应用了本发明的实施例5的关节功能部的机械手的概念图。再者，在实施例5中，对与实施例1对应的结构标注相同符号并省略重复的说明。

在实施例5中，弹性体21设置于作为固定侧构件的轴5的支撑部41与驱动线19的被支撑部29之间。具体而言，轴5包括在轴向上隔着各驱动线19的被支撑部29位于与固定部27相反的一侧的支撑部41，弹性体21介设于支撑部41与被支撑部29之间。再者，在实施例5中，省略连接线31及引导部33，将被支撑部29与操作机构结合。在本实施例中，通过所述结合而对驱动线19赋予张力T。其中，也可与实施例1同样地包括连接线31及引导部33。其他与实施例1相同。

支撑部41可设置于轴5的端部或轴5内。支撑部41的形状只要是能够支撑弹性体20的形状即可。本实施例的弹性体21成为拉伸弹簧。

在所述实施例5中，也可起到与实施例1相同的作用效果。

符号的说明

1：关节功能部

3：机械手

5：轴

7：末端执行器(可动侧构件)

11：基部(固定侧构件)

13：可动部(可动侧构件)

19：驱动线(索状构件)

21：弹性体

27：固定部

29：被支撑部

33：引导部

35：支撑构件

41：支撑部

Claims

1.一种关节功能部，其中，可动侧构件被固定侧构件支撑为能够在屈曲位置及伸展位置间位移，且所述关节功能部包括：

多个索状构件，所述轴向的其中一侧是固定于所述可动侧构件的固定部，所述轴向的另一侧是被所述固定侧构件支撑的被支撑部；及

弹性体，将所述多个索状构件的所述被支撑部支撑于所述固定侧构件，对所述被支撑部向相对于所述固定部的所述轴向的相反侧施力，从而对所述索状构件施加张力。

2.根据权利要求1所述的关节功能部，其中，

所述弹性体与所述多个索状构件并列配置。

3.根据权利要求1或2所述的关节功能部，其中，

所述多个索状构件分别在所述固定部与所述被支撑部之间插通所述固定侧构件，

所述弹性体介设于所述多个索状构件的所述被支撑部与所述固定侧构件之间。

4.根据权利要求3所述的关节功能部，其中，

所述弹性体分别插通所述多个索状构件并设置于同轴上。

5.根据权利要求3所述的关节功能部，其包括支撑构件，

所述支撑构件跨越所述多个索状构件的所述被支撑部间，

所述弹性体介设于所述支撑构件与所述固定侧构件之间。

6.根据权利要求1或2所述的关节功能部，其包括引导部，

所述引导部引导所述多个索状构件的其中一者而使所述多个索状构件的所述被支撑部位于同轴上，

所述弹性体将所述多个索状构件的所述被支撑部间连接。

7.根据权利要求1或2所述的关节功能部，其中，

所述固定侧构件包括支撑部，所述支撑部在所述轴向上隔着所述多个索状构件的所述被支撑部位于与所述固定部相反的一侧，

所述弹性体介设于所述支撑部与所述多个索状构件的所述被支撑部之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的关节功能部，其中，

所述弹性体为线圈弹簧。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的关节功能部，其中，

所述索状构件是为了使所述可动侧构件相对于所述固定侧构件位移而在所述轴向上操作所述被支撑部的驱动线。