JP2024503132A - 多重ヘリックスフレキシブルメカニズム - Google Patents

Abstract

多数のフレキシブルチューブを含み、前記多数のフレキシブルチューブのそれぞれは、長さ方向の一端に加えられる操作力を、長さ方向の他端に連結されるエンドエフェクタに伝達するために、少なくとも２本以上の操向ワイヤを、内部に長さ方向に直線配置し、前記フレキシブルチューブは、少なくとも２本以上設けられ、前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、長さ方向に沿って螺旋状に撚れて、フレキシブルチューブ群をなす。【選択図】図３

Description

本発明は、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムに関し、より詳しくは、ワイヤの弛み(slack)を防止し、末端に装着されたエンドエフェクタの動作を円滑に制御できるようにし、少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、長さ方向に沿って螺旋状に撚れ、各フレキシブルチューブ内には、操向ワイヤが長さ方向に沿って直線配置される、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムに関する。

フレキシブルメカニズムは、屈曲のある狭い空間を観察又は治療するための医療用途、又はロボットのエンドエフェクタを制御するためのロボット用途として活用される。

従来のフレキシブルメカニズムをより具体的に説明するために、図１及び図２を参照する。

図１に示しているように、従来のフレキシブルメカニズム１０は、バックボーン１１と、多数の操向ワイヤ(W1、W2、W3)１２と、操向操作装置の役割を果たすハンドラー１４と、エンドエフェクタ１５とを含む。前記バックボーン１１は、所定の経路内に引き込まれ、その経路に沿って曲がることになる。前記操向ワイヤ１２は、前記バックボーン１１の長さ方向に沿って配置され、前記ハンドラー１４から提供された操作力を、前記エンドエフェクタ１５に伝達する。

このように、操向ワイヤ１２により、操作力を、ハンドラー１４からエンドエフェクタ１５に伝達する場合、バックボーンの姿勢、すなわち、バックボーンが通過する経路のずれによって、不要な操作力が発生する。

より具体的な説明のために、図１を参照すると、前記バックボーン１１が直線状の場合、前記バックボーン１１の第１の断面(ES1)と第２の断面(ES2)の間の距離は、Ｌである。この場合、前記バックボーン１１内に設けられた前記操向ワイヤ(W1、W2、W3)の前記第１の断面(ES1)と前記第２の断面(ES2)の間の距離もＬと同一である。この場合、バックボーン１１と前記操向ワイヤ(W1、W2、W3)の長さが互いに同一であるので、相対的な変位は、０と理解される。

この際、図２に示しているように、前記フレキシブルメカニズム１０にずれが発生した場合、前記バックボーン１１と操向ワイヤ１２の間の相対的な変位が生じる。例えば、図２におけるＡ領域を参照すると、第１の操向ワイヤ(W1)は、前記第１の断面(ES1)と前記第２の断面(ES2)を過ぎて突出することになる。一方、図２におけるＢ領域を参照すると、第３の操向ワイヤ(W3)は、前記第１の断面(ES1)から前記第２の断面(ES2)の間に至らなくなる。

この場合、操向ワイヤ１２がエンドエフェクタ１５に及ぶ張力に不要な変化が生じるため、不要な操作が発生する問題があり、これにより、エンドエフェクタ５の動作制御が容易でないだけでなく、操向ワイヤ１２が切れる現象が頻繁に発生する不都合があった。

一方、応用分野の特性上、フレキシブルメカニズムの径が小さくなければならない場合、多数の操向ワイヤを１つのフレキシブルメカニズムに挿入するには、困難がある。このような場合は、多数のフレキシブルメカニズムを螺旋状に巻いた構造を用いることができる。

ここで、従来の場合、それぞれのフレキシブル構造物内に挿入される操向ワイヤも、螺旋通路を介して挿入されて、螺旋状に巻いた構造をなすことになる。

しかし、この場合でも、フレキシブルメカニズムにずれが発生すると、操向ワイヤが引かれ又は緩み、不要な操作が発生する問題を解決するには、限界があった。

本発明の目的は、ワイヤの弛み(slack)を防止し、末端に装着されたエンドエフェクタの動作を円滑に制御することができる、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムを提供することにある。

本発明の目的は、前述したことに限定されない。

前記目的を達成するために、本発明は、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムを提供する。

前記多重ヘリックスフレキシブルメカニズムは、長さ方向に延在する多数のフレキシブルチューブを含み、前記多数のフレキシブルチューブのそれぞれは、長さ方向の一端に加えられる操作力を、長さ方向の他端に連結されるエンドエフェクタに伝達するために、少なくとも２本以上の操向ワイヤを、内部に長さ方向に直線配置し、前記フレキシブルチューブは、少なくとも２本以上設けられ、前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、長さ方向に沿って螺旋状に撚れて、フレキシブルチューブ群をなすことを特徴とする。

更に、前記フレキシブルチューブの長さ方向に延在するフレキシブル軸を含み、前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、前記フレキシブル軸の外周面の長さ方向に沿って螺旋状に撚れる。

前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、互いに交互に同一の周期に撚れる。

前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブの撚れ周期は、３６０度の倍数である。

前記フレキシブルチューブは、内側に長さ方向に設けられる少なくとも１つの直線トンネルを含み、いずれか１つの前記操向ワイヤは、いずれか１つの前記直線トンネルに貫挿される。

更に、ハウジングチューブを含み、前記ハウジングチューブは、長さ方向に延在し、前記フレキシブルチューブ群は、前記ハウジング内に長さ方向に配置される。

前記ハウジングチューブ内には、前記フレキシブルチューブ群の螺旋状経路を提供するための螺旋状レールが設けられる。

ウォームと、前記ウォームと噛合して回転するウォームホイールとからなるウォームギアと、前記ウォームホイールの内径側に設けられ、前記ウォームホイールの内径を貫通する前記フレキシブルチューブ群の長さ方向の一端側の外周面に締め付けられるクランプ部材と、前記フレキシブルチューブ群が前記ウォームホイールの回転により、３６０度の倍数で撚れた場合、前記ウォームホイールの外径一側に対する押圧により、前記ウォームホイールの回転を拘束して、前記フレキシブルチューブ群の撚れ構造を維持させるウォームホイール固定ピンと、前記ウォームホイール固定ピンを支持するマウント部とを含む。

前記クランプ部材は、前記ウォームホイールの内径側に固定される第１のクランプと、前記フレキシブルチューブ群を挟んで、前記第１のクランプと対称をなすように配置される第２のクランプと、前記第２のクランプに連結され、前記ウォームホイールに締め付けられる締結力により、前記第１のクランプ側に前記第２のクランプを押圧して、前記第１のクランプ及び第２のクランプにより抱き込まれた前記フレキシブルチューブ群を固定するクランプ加圧ピンとを含む。

前記フレキシブルチューブ群の長さ方向の一端と他端には、前記フレキシブルチューブ群が３６０度の倍数で撚れているか否かを見込む整列目盛が、同一線上にそれぞれ表示されている。

本発明によると、長さ方向に延在する多数のフレキシブルチューブを含み、前記多数のフレキシブルチューブのそれぞれは、長さ方向の一端に加えられる操作力を、長さ方向の他端に連結されるエンドエフェクタに伝達するために、少なくとも２本以上の操向ワイヤを、内部に長さ方向に直線配置し、前記フレキシブルチューブは、少なくとも２本以上設けられ、前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、長さ方向に沿って、螺旋状に撚れて、フレキシブルチューブ群をなす。

これにより、ワイヤの弛み(slack)を防止する多重ヘリックスフレキシブルメカニズムが提供され、結果として、末端に装着されたエンドエフェクタに対する円滑な動作制御が可能となる。

すなわち、本発明によると、エンドエフェクタに及ぶ張力に不要な変化が生じて、エンドエフェクタに対する不要な操作が発生することを防止又は最小化することができる、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムを提供することができる。

また、本発明によると、内視鏡に適用する場合、内視鏡の末端に連結されたエンドエフェクタの操向動作をより円滑にするだけでなく、寿命を延ばすことができる、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムを提供することができる。

更に、本発明によると、単一チャンネルの腹腔鏡手術に使用される手動型道具に適用可能な、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムを提供することができる。

また、本発明によると、屈曲した人体内に挿入される様々な人体挿入型診断及び治療機器に広く適用可能な、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムを提供することができる。

更に、本発明によると、屈曲したパイプライン内を診断する産業用内視鏡、長くて屈曲が生じる娯楽用装置、及び災難現場での救助作業のために投入される長くて屈曲した装置などに容易に適用可能な、多重ヘリックスフレキシブルメカニズムを提供することができる。

図１は、従来のフレキシブルメカニズムを説明するための図である。 図２は、従来のフレキシブルメカニズムを説明するための図である。 図３は、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムのフレキシブルチューブ群を説明するための図である。 図４は、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムのフレキシブルチューブを説明するための図である。 図５は、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムを示す断面図である。 図６は、末端にエンドエフェクタが連結された、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムを示す図である。 図７は、本発明の他の実施例に係るフレキシブルメカニズムを説明するための図である。 図８は、本発明の更に他の実施例に係るフレキシブルメカニズムを説明するための図である。 図９は、本発明の実施例と比較例に対する実験結果を説明するための図である。 図１０は、本発明の実施例と比較例に対する実験結果を説明するための図である。 図１１は、本発明の実施例と比較例に対する実験結果を説明するための図である。 図１２は、本発明の変形実施例によるフレキシブルメカニズムを説明するための図である。 図１３は、本発明の変形実施例によるフレキシブルメカニズムを説明するための図である。 図１４は、本発明の変形実施例によるフレキシブルメカニズムを説明するための図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳しく説明する。しかし、本発明の技術思想は、ここで説明される実施例に限定されず、他の形態に具体化することもできる。むしろ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底的で完全となるように、また、当業者に本発明の思想が十分伝達されるように提供される。

本明細書において、ある構成要素が他の構成要素上にあるとする場合、それは、他の構成要素上に直接形成されるか、又は、それらの間に第３の構成要素が介在されることもできることを意味する。また、図面において、形状及びサイズは、技術的内容の効果的な説明のために誇張されている。

また、本明細書の様々な実施例において、第１、第２、第３などの用語が多様な構成要素を記述するために使用されているが、これらの構成要素が、このような用語により限定されてはいけない。これらの用語は、単に、ある構成要素を他の構成要素と区別するために使われている。そこで、いずれか１つの実施例において、第１の構成要素として言及したものが、他の実施例では、第２の構成要素として言及されることもできる。ここで説明され例示される各実施例は、その相補的な実施例も含む。また、本明細書において、「及び/又は」は、前後に並べた構成要素のうち、少なくとも１つを含む意味として使用されている。

明細書において、単数の表現は、文脈上、明白に異なることを意図しない限り、複数の表現をも含む。また、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、構成要素、又はこれらを組み合わせたことが存在することを指定しようとすることであり、１つ又はそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、構成要素、又はこれらを組み合わせたものの存在又は付加可能性を排除することと理解されてはいけない。また、本明細書において、「連結」は、複数の構成要素を間接的に連結すること、及び直接的に連結することをいずれも含む意味として使用される。

また、下記で本発明を説明することに当たり、関連する公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を濁していると判断される場合は、その詳細な説明は、省略する。

図３は、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムのフレキシブルチューブ群を説明するための図であり、図４は、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムのフレキシブルチューブを説明するための図であり、図５は、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムを示す断面図であり、図６は、末端にエンドエフェクタが連結された、本発明の一実施例に係るフレキシブルメカニズムを示す図である。

図３乃至図５に示しているように、本発明の一実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズム１００は、フレキシブルチューブ１１０と、ワイヤ(W)とを含む。

フレキシブルチューブ１１０は、所定の経路を提供する。例えば、多重ヘリックスフレキシブルメカニズム１００が医療用に使われる場合、フレキシブルチューブ１１０は、人体内の例えば、大腸、食道などに沿って移動することができる。ここで、フレキシブルチューブ１１０は、人体内の屈曲によって曲がるフレキシブルな材質からなる。

前記フレキシブルチューブ１１０が人体内の経路を移動するため、身体にやさしい物質からなることは言うまでもない。例えば、フレキシブルチューブ１１０がロボット用の目的に使われる場合でも、フレキシブルな素材からなる。

このようなフレキシブルチューブ１１０は、長さ方向に延在する円筒状である。フレキシブルチューブ１１０には、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向の一端及び他端にそれぞれ連結される操向操作装置、及びエンドエフェクタ(図６の１８０)を連結する操向ワイヤ(W)が配置される。

図４に示しているように、このために、フレキシブルチューブ１１０は、操向ワイヤ(W)の数に対応する直線トンネル１１１を含む。

直線トンネル１１１は、フレキシブルチューブ１１０の内側に長さ方向に設けられる。直線トンネル１１１は、円筒状であり、長さ方向の両端部は、開放される。これにより、フレキシブルチューブ１１０の内側に設けられるいずれか１つの直線トンネル１１１には、いずれか１つの操向ワイヤ(W)が貫挿される。

一方、本発明の一実施例によると、フレキシブルチューブ１１０は、少なくとも２本以上設けられる。例えば、フレキシブルチューブ１１０は、２本、３本、４本、・・・ｎ本の選択された数で設けられる。ここで、フレキシブルチューブ１１０は、最大１２本まで設けられるのが望ましい。

これにより、本発明の一実施例に係るフレキシブルチューブ１１０は、第１のフレキシブルチューブ１１０ａと、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂと、第３のフレキシブルチューブ１１０ｃとを含む。

このように、本発明の一実施例では、説明の便宜のために、フレキシブルチューブ１１０が、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃを含むことと想定したが、本発明は、これに限定されるものではない。

本発明の一実施例によると、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃは、長さ方向に沿って螺旋状に撚れ、換言すると、ＤＮＡ構造と同様に、１つのフレキシブルチューブ群１０１をなす。

ここで、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃは、互いに交互に同一の周期に撚れる。ここで、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの撚れ周期は、３６０度の倍数である。

一実施例によると、第１のフレキシブルチューブ１１０ａは、時計方向に回転しながら、螺旋状に撚れる。また、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂは、反時計方向に回転しながら、第１のフレキシブルチューブ１１０ａの外周面に、長さ方向に螺旋状に巻かれる。そして、第３のフレキシブルチューブ１１０ｃは、時計方向に回転しながら、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ及び第２のフレキシブルチューブ１１０ｂの外周面に、長さ方向に螺旋状に巻かれる。

ここで、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃは、同じ周期及び周期内の位相を有する。すなわち、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの節と腹は、同一である。

ここで、フレキシブルチューブ群１０１のＤＮＡと同様な形状は、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃを、長さ方向に沿って螺旋状に撚れた後、これを紫外線硬化物質に含浸し、その後、これを取り出して紫外線照射することで、維持される。しかし、本発明は、これに制限されるものではない。

図５に示しているように、操向ワイヤ(W)は、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に沿って、一直線に配置される。具体的に、操向ワイヤ(W)は、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に形成されている直線トンネル１１１に貫挿され、これにより、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に直線配置される。

操向ワイヤ(W)は、長さ方向の一端に連結された操向操作装置に加えられた操作力で張力が調節されることで、長さ方向の他端に連結されたエンドエフェクタ(図６の１８０)を制御する駆動力を伝達することができる。

このような操向ワイヤ(W)は、複数設けられる。例えば、操向ワイヤ(W)がｎ本設けられる場合、ｎ本の操向ワイヤ(W)は、エンドエフェクタ(図６の１８０)のｎ－１本の自由度を制御することができる。ここで、前記ｎは、自然数である。

本発明の一実施例によると、操向ワイヤ(W)は、第１の操向ワイヤ(W1)と、第２の操向ワイヤ(W2)と、第３の操向ワイヤ(W3)とを含む。これにより、操向ワイヤ(W)は、エンドエフェクタ(図６の１８０)の２自由度を制御することができる。

このように、本発明の一実施例では、説明の便宜のために、操向ワイヤ(W)が、第１の操向ワイヤ(W1)、第２の操向ワイヤ(W2)、及び第３の操向ワイヤ(W3)を含むことを想定しているが、本発明は、これに限定されるものではない。

第１の操向ワイヤ(W1)、第２の操向ワイヤ(W2)、及び第３の操向ワイヤ(W3)は、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃのそれぞれの内側に配置される。この時、第１の操向ワイヤ(W1)、第２の操向ワイヤ(W2)、及び第３の操向ワイヤ(W3)は、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃのそれぞれの内側に、直線に配置される。

すなわち、第１の操向ワイヤ(W1)、第２の操向ワイヤ(W2)、及び第３の操向ワイヤ(W3)は、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃのそれぞれの内側で長さ方向に平行配置される。

本発明の一実施例において、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃは、ＤＮＡ構造と同様に、長さ方向に沿って、螺旋状に撚れる形状に配置される。これにより、第１の操向ワイヤ(W1)、第２の操向ワイヤ(W2)、及び第３の操向ワイヤ(W3)は、互いに平行を維持したまま、螺旋状に撚れる。

本発明の一実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズム１００は、長さ方向に沿って、螺旋状に撚れる少なくとも２本以上のフレキシブルチューブ１１０を有すると共に、それぞれのフレキシブルチューブ１１０内に直線方向に配置される操向ワイヤ(W)を有するため、フレキシブルチューブ１１０にずれが発生した場合でも、図２で説明した操向ワイヤが、バックボーン(フレキシブルチューブ)の一端から不要に突出又は引き込まれることで、エンドエフェクタが不要に制御されることを最小化することができる。

より具体的に、内側に直線方向に操向ワイヤ(W)が配置される少なくとも２本以上のフレキシブルチューブ１１０が、長さ方向に沿って螺旋状に撚れる、すなわち、ＤＮＡ構造と同様な構造を有するため、フレキシブルメカニズム１００にずれが生じた場合でも、前記操向ワイヤ(W1、W2、W3)の経路は、一定に維持される。

前記フレキシブルチューブ１１０がずれると、前記フレキシブルチューブ１１０の内側領域は、初期状態よりも長さが短くなり、外側領域は、初期状態よりも長さが長くなる。ここで、前記操向ワイヤ(W1、W2、W3)は、それぞれのフレキシブルチューブ１１０の内側で直線配置されるため、前記フレキシブルチューブ１１０の内側領域と外側領域で発生する長さ変化にいずれも影響を受ける。

この際、少なくとも２本以上のフレキシブルチューブ１１０が、長さ方向に沿って螺旋状に撚れた構造をなすため、操向ワイヤ(W)の緩む領域ときつい領域が互いに相殺することになる。これにより、操向ワイヤ(W1、W2、W3)は、フレキシブルメカニズム１００にずれが発生した場合でも、前記フレキシブルチューブ１１０の長さ方向の一端と他端の間での長さは、同一に維持される。

このような効果を奏するために、少なくとも２本以上のフレキシブルチューブ１１０が巻かれる周期は、３６０度の倍数となり、各フレキシブルチューブ１１０の内側に配置される操向ワイヤ(W)は、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に沿って、直線状をなす。

ここで、各フレキシブルチューブ１１０は、互いに反対方向の螺旋方向に配置される。これとは異なり、各フレキシブルチューブ１１０が互いに同一の螺旋方向に配置される場合、フレキシブルチューブ１１０が一直線状の初期状態では問題がないが、操向ワイヤ(W)に張力が与えられた場合、フレキシブルチューブ１１０の形状が一直線を維持せず、捻れることになる。

これは、操向ワイヤ(W)を引く場合、フレキシブルチューブ１１０により螺旋状に配置された操向ワイヤ(W)が一直線に広がろうとする力により、フレキシブルチューブ１１０の形状の変形を招くことと理解される。

このように、本発明の一実施例によると、各フレキシブルチューブ１１０が互いに反対方向の螺旋に配置され、各フレキシブルチューブ１１０の内側に、操向ワイヤ(W)が一直線に配置されるため、操向ワイヤ(W)の張力が増加しても、フレキシブルチューブ１１０の形状変形を最小化することができる。

これにより、本発明の一実施例によると、操向ワイヤ(W)の弛みを防止することができ、その結果、末端に連結されるエンドエフェクタ(図６の１８０)の動作を円滑に制御することができる。

すなわち、本発明の一実施例によると、エンドエフェクタ(図６の１８０)に及ぶ張力に不要な変化が発生して、エンドエフェクタ(図６の１８０)に対する不要な操作が発生することを防止又は最小化することができる。

これにより、例えば、本発明の一実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズム１００が内視鏡に適用されると、この末端に連結されたエンドエフェクタの操向動作をより円滑にするだけでなく、寿命を延ばすことができ、単一チャンネルの腹腔鏡手術に使われる手動型道具にも適用することができる。

すなわち、本発明の一実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズム１００は、前記のような効果を奏することで、屈曲した人体内に挿入される様々な人体挿入型診断及び治療機器に広く適用することができる。

更に、本発明の一実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズム１００は、屈曲したパイプライン内を診断する産業用内視鏡、長くて屈曲が生じる娯楽用装置、及び災難現場での救助作業のために投入される長くて屈曲のある装置などに容易に適用可能である。

図６は、本発明の一実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズム１００が、ロボット用ハンドに適用された姿を示している。

図６に示しているように、フレキシブルチューブ１１０は、第１のフレキシブルチューブ１１０ａと、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂと、第３のフレキシブルチューブ１１０ｃとからなる。

第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃは、長さ方向に沿って、螺旋状に撚れて、フレキシブルチューブ群１０１をなす。

ここで、フレキシブルチューブ群１０１は、回転自由度を提供するジンバル１４０を貫通して、エンドエフェクタ１８０に接続される。ジンバル１４０は、図面を基準に、水平軸及び垂直軸方向の回転２自由度を、エンドエフェクタ１８０に提供する。

本発明の一実施例によると、内側に操向ワイヤが直線配置されている第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃが互いに螺旋状に巻かれた状態で、ジンバル１４０を貫通することによって、ジンバル１４０が回転しても、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃのそれぞれの内側に配置されている操向ワイヤの張力状態は、そのまま維持される。

以下、本発明の他の実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズムについて、図７を参照して説明する。

図７は、本発明の他の実施例に係るフレキシブルメカニズムを説明するための図である。

図７に示しているように、本発明の他の実施例に係るフレキシブルメカニズム２００は、フレキシブルチューブ１１０と、フレキシブル軸１２０と、操向ワイヤＷ(図５参照)とを含む。

本発明の他の実施例は、本発明の一実施例と比較して、フレキシブル軸を更に備えているので、残りの同一の構成要素に対しては、同一の図面符号を付し、これらに関する詳細な説明は、省略することにする。

本発明の他の実施例によると、フレキシブル軸１２０は、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に延在する。

フレキシブル軸１２０は、円筒状である。フレキシブル軸１２０は、フレキシブルな材質からなる。このようなフレキシブル軸１２０は、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの巻取経路を提供する。

すなわち、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃは、フレキシブル軸１２０の外周面の長さ方向に沿って、螺旋状に撚れることになる。

このように、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び 第３のフレキシブルチューブ１１０ｃが、フレキシブル軸１２０を中心に螺旋状に撚れることになると、螺旋状に撚れる形状が、フレキシブル軸１２０により支持されて、より安定した形状が維持される。

以下、本発明の更に他の実施例に係る多重ヘリックスフレキシブルメカニズムについて、図８を参照して説明する。

図８は、本発明の更に他の実施例に係るフレキシブルメカニズムを説明するための図である。

図８に示しているように、本発明の更に他の実施例に係るフレキシブルメカニズム３００は、フレキシブルチューブ１１０と、ハウジングチューブ１３０と、操向ワイヤＷ(図５参照)とを含む。

本発明の更に他の実施例は、本発明の一実施例と比較して、ハウジングチューブをさらに備えているので、残りの同一の構成要素に対しては、同一の図面符号を付し、これらに関する詳細な説明は、省略することにする。

本発明の更に他の実施例に係るハウジングチューブ１３０は、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に延在する。

ハウジングチューブ１３０は、円筒状である。ハウジングチューブ１３０は、フレキシブルな材質からなる。例えば、ハウジングチューブ１３０は、フレキシブルチューブ１１０と同一の材質からなる。

このようなハウジングチューブ１３０は、内側にフレキシブルチューブ１１０、より詳しくは、複数のフレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃが、長さ方向に螺旋状に撚れてなすフレキシブルチューブ群１０１の装着空間を提供する。

このために、ハウジングチューブ１３０内には、フレキシブルチューブ群１０１の螺旋状経路を提供するための螺旋状レールが設けられる。

このように、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び 第３のフレキシブルチューブ１１０ｃが螺旋状に撚れてなすフレキシブルチューブ群１０１が、ハウジングチューブ１３０内に配置されると、フレキシブルチューブ群１０１がハウジングチューブ１３０により支持されて、より安定した形状を維持することができる。

以下、本発明の実施例による多重ヘリックスフレキシブルメカニズムの特性について、図９乃至図１１を参照して説明する。

図９乃至図１１は、本発明の実施例１と比較例１に対する実験結果を説明するための図である。

図９に示しているように、実施例１では、３本のフレキシブルチューブ１１０(フレキシブルチューブ１、フレキシブルチューブ２、フレキシブルチューブ３)が、長さ方向に沿って、螺旋状に３６０度の周期で撚れた構造をなし、各フレキシブルチューブ１１０の内側に、４本の操向ワイヤＷ(W1、W2、W3、W4)が、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に沿って、一直線に配置された手首モジュールを製作した。

比較例１では、３本のフレキシブルチューブ１１０(フレキシブルチューブ１、フレキシブルチューブ２、フレキシブルチューブ３)が、長さ方向に沿って、螺旋状に３６０度の周期で撚れた構造をなし、各フレキシブルチューブ１１０の内側に、４本の操向ワイヤＷ(W1、W2、W3、W4)が、フレキシブルチューブ１１０の長さ方向に沿って、同様に螺旋状に３６０度の周期で撚れた構造で配置された手首モジュールを製作した。

ここで、通路(lumen)(操向ワイヤが配置されるフレキシブルチューブの内側トンネル)の長さを求めるために、離散長さ積分方式を用いており、これによるシミュレーション結果を、図１０及び図１１、表１乃至表６に示した。

図１０、図１１及び前記表１乃至表６から分かるように、実施例１と比較例１のそれぞれの手首モジュールに対して、手首モジュールが広がり状態とずれ状態となったとき、それぞれの通路(lumen)の長さ変化を比較したところ、実施例１の場合、手首モジュールが直線の場合とずれた場合の各ワイヤの長さ変化は、－０.０９６乃至－０.０１５ｍｍであると測定された。

一方、比較例１の場合は、手首モジュールが直線の場合とずれた場合の各ワイヤの長さ変化は、－０.６０６乃至０.６０６ｍｍあると測定された。

そこで、フレキシブルチューブが長さ方向に沿って螺旋状に撚れ、各フレキシブルチューブの内側には、一直線状の操向ワイヤが配置される実施例１は、フレキシブルチューブと操向ワイヤがいずれも、螺旋状に撚れた比較例１に比べて、手首モジュールがずれても、各操向ワイヤからエンドエフェクタに及ぶ張力が一定に維持され、その結果、操向ワイヤの弛みを効率よく防止することができると確認された。

実施例１のように、複数のフレキシブルチューブが長さ方向に沿って螺旋状に撚れ、各フレキシブルチューブの内側に配置される操向ワイヤが一直線に配置される構造は、ロボットハンド設計において、それぞれの指駆動のために使われる操向ワイヤの長さが、手首の回転により引かれるか緩む影響を受けなくするために使用される。

以下、本発明の変形実施例によるフレキシブルメカニズムについて、図１２乃至図１４を参照して説明する。

図１２乃至図１４は、本発明の変形実施例によるフレキシブルメカニズムを説明するための図である。

図１２に示しているように、本発明の変形実施例によるフレキシブルメカニズムは、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃを、長さ方向に沿って螺旋状に撚れて、フレキシブルチューブ群１０１を形成し、これを維持するための手段を含む。

これにより、本発明の変形実施例によるフレキシブルメカニズムは、ウォームギア１４０、クランプ部材１５０、ウォームホイール固定ピン１６０と、マウント部１７０とを含む。

ウォームギア１４０は、ウォーム１４１と、前記ウォーム１４１と噛合して回転するように、前記ウォーム１４１とギア結合するウォームホイール１４２とからなる。本発明の変形実施例によると、このようなウォームホイール１４２の内径中心で、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの長さ方向の一端が貫通される。

クランプ部材１５０は、ウォームホイール１４２の内径側に設けられる。クランプ部材１５０は、ウォームホイール１４２の内径中心を貫通する第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの長さ方向の一端側外周面に締め付けられて、これらを一体に固定する。

本発明の変形実施例によると、このようなクランプ部材１５０は、第１のクランプ１５１と、第２のクランプ１５２と、クランプ加圧ピン１５３とを含む。

第１のクランプ１５１は、ウォームホイール１４２の内径側に固定される。第１のクランプ１５１は、ウォームホイール１４２の内径側に固定した状態で、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの下側(図面基準)を支持する。

第２のクランプ１５２は、積層されている第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃを挟んで、第１のクランプ１５１と対称をなすように、これらのフレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの上側(図面基準)を支持する。すなわち、これらのフレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、この上下側に配置される第１のクランプ１５１と第２のクランプ１５２により、押圧支持される。

クランプ加圧ピン１５３は、第２のクランプ１５２を加圧する。このために、クランプ加圧ピン１５３は、第２のクランプ１５２に連結される。クランプ加圧ピン１５３は、ウォームホイール１４２の半径方向外側から内側方向にボルト結合される。

クランプ加圧ピン１５３の長さ方向の下端は、ウォームホイール１４２にボルト結合に際して下降し、第２のクランプ１５２の上側(図面基準)に接触することになる。ここで、クランプ加圧ピン１５３のボルト結合が続く場合、クランプ加圧ピン１５３の長さ方向の下端から第２のクランプ１５２の上端に加えられるクランプ加圧ピン１５３の加圧力は、増加し続け、これにより、第１のクランプ１５１と第２のクランプ１５２により外周面を円周方向に抱き込まれたフレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、これらにより押圧固定される。

このように、クランプ加圧ピン１５３は、ウォームホイール１４２に締め付けられる締結力により、第１のクランプ１５１側に第２のクランプ１５２を付勢し、これにより、フレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、第１のクランプ１５１と第２のクランプ１５２の間に押圧固定される。

ウォームホイール固定ピン１６０は、ウォームホイール１４２の外径一側に対する押圧により、ウォームホイール１４２の回転を拘束することができる。フレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃがウォームホイール１４２の回転により、３６０度の倍数で撚れてフレキシブルチューブ群１０１をなす場合、ウォームホイール固定ピン１６０は、ウォームホイール１４２の更なる回転を拘束して、フレキシブルチューブ群１０１の撚れ構造が維持されるようにする。

このようなウォームホイール固定ピン１６０は、マウント部１７０に装着され、マウント部１７０により支持される。ここで、ウォームホイール固定ピン１６０は、マウント部１７０にボルト結合される方式で結合されることで、ウォームホイール１４２の外周面を押圧することができる。すなわち、ウォームホイール固定ピン１６０は、クランプ加圧ピン１５３と同一のメカニズムにより、ウォームホイール１４２の回転を拘束することができる。

図１３に示しているように、初期セットに際して、ウォームホイール１４２の中心部分に、直線状に相互積層されている第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの長さ方向の一端が貫通される。

これらのフレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの長さ方向の一端は、クランプ部材１５０により押圧支持され、ウォームホイール１４２の中心部分に貫通した形状に位置される。ここで、これらのフレキシブルチューブ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの長さ方向の他端は、固定した状態をなす。

図１４に示しているように、この状態で、ウォームギア１４０を動作させると、長さ方向の他端が固定した第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの長さ方向の一端が、ウォームギア１４０のウォームホイール１４２と一体に回転することになり、これにより、長さ方向に沿って螺旋状に撚れたフレキシブルチューブ群１０１が形成される。

ここで、ウォームギア１４０は、フレキシブルチューブ群１０１の撚れ周期が、３６０度の倍数となるように、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの長さ方向の一端を回転することができ、完了に際して、ウォームホイール固定ピン１６０により、更なる回転を拘束することができる。

ここで、フレキシブルチューブ群１０１の長さ方向の一端と他端、より詳しくは、第１のフレキシブルチューブ１１０ａの長さ方向の一端と他端には、整列目盛(G)が同一線上にそれぞれ表示される。

これにより、ウォームホイール１４２の回転により、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの長さ方向の一端を回転させて、これらを螺旋状に撚れて、フレキシブルチューブ群１０１をなす場合、フレキシブルチューブ群１０１の撚れ周期が３６０度の倍数をなすか否かを、容易に見込むことができる。

すなわち、ウォームホイール１４２を回転させる場合、第１のフレキシブルチューブ１１０ａの長さ方向の一端と他端にそれぞれ表示されている整列目盛(G)が、同一線上に位置するかを確認し、ウォームホイール１４２の回転程度を適切に制御することができる。

第１のフレキシブルチューブ１１０ａの長さ方向の一端と他端にそれぞれ表示されている整列目盛(G)が同一線上に位置するとは、フレキシブルチューブ群１０１をなすために、第１のフレキシブルチューブ１１０ａ、第２のフレキシブルチューブ１１０ｂ、及び第３のフレキシブルチューブ１１０ｃの撚れ周期が３６０度の倍数をなすことを意味する。

以上、本発明を好適な実施例を用いて詳しく説明したが、本発明の範囲は、特定の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲により解析されるべきである。また、当該技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、修正と変形が可能であることを理解するだろう。

Claims (10)

1. 長さ方向に延在する多数のフレキシブルチューブを含み、
   前記多数のフレキシブルチューブのそれぞれは、長さ方向の一端に加えられる操作力を、長さ方向の他端に連結されるエンドエフェクタに伝達するために、内部に長さ方向に直線配置される少なくとも２つ以上の操向ワイヤを有し、
   前記フレキシブルチューブは、少なくとも２本以上設けられ、
   前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、長さ方向に沿って螺旋状に撚れて、フレキシブルチューブ群をなす、多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
2. 更に、前記フレキシブルチューブの長さ方向に延在するフレキシブル軸を含み、
   前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、前記フレキシブル軸の外周面の長さ方向に沿って螺旋状に撚れる、請求項１に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
3. 前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブは、互いに交互に同一の周期に撚れる、請求項１に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
4. 前記少なくとも２本以上のフレキシブルチューブの撚れ周期は、３６０度の倍数である、請求項３に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
5. 前記フレキシブルチューブは、内側に長さ方向に設けられる少なくとも１つの直線トンネルを含み、
   いずれか１つの前記操向ワイヤは、いずれか１つの前記直線トンネルに貫挿される、請求項１に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
6. 更に、ハウジングチューブを含み、
   前記ハウジングチューブは、長さ方向に延在し、
   前記フレキシブルチューブ群は、前記ハウジング内に長さ方向に配置される、請求項１に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
7. 前記ハウジングチューブ内には、前記フレキシブルチューブ群の螺旋状経路を提供するための螺旋状レールが設けられる、請求項６に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
8. ウォームと、前記ウォームと噛合して回転するウォームホイールとからなるウォームギアと、
   前記ウォームホイールの内径側に設けられ、前記ウォームホイールの内径を貫通する前記フレキシブルチューブ群の長さ方向の一端側の外周面に締め付けられるクランプ部材と、
   前記フレキシブルチューブ群が前記ウォームホイールの回転により、３６０度の倍数で撚れた場合、前記ウォームホイールの外径一側に対する押圧により、前記ウォームホイールの回転を拘束して、前記フレキシブルチューブ群の撚れ構造を維持させるウォームホイール固定ピンと、
   前記ウォームホイール固定ピンを支持するマウント部とを含む、請求項１に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
9. 前記クランプ部材は、
   前記ウォームホイールの内径側に固定される第１のクランプと、
   前記フレキシブルチューブ群を挟んで、前記第１のクランプと対称をなすように配置される第２のクランプと、
   前記第２のクランプに連結され、前記ウォームホイールに締め付けられる締結力により、前記第１のクランプ側に前記第２のクランプを押圧して、前記第１のクランプ及び第２のクランプにより抱き込まれた前記フレキシブルチューブ群を固定するクランプ加圧ピンとを含む、請求項８に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。
10. 前記フレキシブルチューブ群の長さ方向の一端と他端には、前記フレキシブルチューブ群が３６０度の倍数で撚れているか否かを見込む整列目盛が、同一線上にそれぞれ表示されている、請求項８に記載の多重ヘリックスフレキシブルメカニズム。