WO2020209387A1 - 可撓部材 - Google Patents

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WO2020209387A1
WO2020209387A1 PCT/JP2020/016305 JP2020016305W WO2020209387A1 WO 2020209387 A1 WO2020209387 A1 WO 2020209387A1 JP 2020016305 W JP2020016305 W JP 2020016305W WO 2020209387 A1 WO2020209387 A1 WO 2020209387A1
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wave washer
joint
wave
pair
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真平 黒川
洋介 川井
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日本発條株式会社
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B25J18/06—Arms flexible
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
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    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/32—Belleville-type springs
    • F16F1/328—Belleville-type springs with undulations, e.g. wavy springs
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    • A61B34/30—Surgical robots
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2226/00—Manufacturing; Treatments
    • F16F2226/04—Assembly or fixing methods; methods to form or fashion parts

Definitions

  • the present invention relates to a flexible member provided for a joint function part such as a robot.
  • Some robots, manipulators, actuators, etc. in various fields have joint function parts that enable bending motion by using flexible members.
  • a flexible member used for such a joint function portion a coil spring is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-38075.
  • the coil spring can secure a high degree of freedom for the bending motion of the joint function part.
  • there is a limit to the miniaturization of the coil spring due to the need to secure the load capacity and the flexibility.
  • the problem to be solved is that there was a limit to ensuring load capacity and flexibility while trying to reduce the size.
  • the present invention provides a flexible member capable of having excellent load capacity and flexibility while achieving miniaturization.
  • This flexible member has a main body portion in which a plurality of closed annular wave washers are laminated in the axial direction and are joined to each other by a plurality of joint portions so as to be flexible in the axial direction due to elastic deformation of the wave washers.
  • Each of the plurality of joints is composed of a pair of linear welds that are gradually separated from the inner peripheral side to the outer peripheral side of the wave washer in the circumferential direction.
  • the main body of the flexible member can be bent by deforming a plurality of wave washers, it is possible to obtain a flexible member having excellent load capacity and flexibility while reducing the size.
  • the present invention it is possible to suppress a difference in the amount of deformation of the inner and outer circumferences when the wave washer is deformed by the pair of welded portions, and to suppress the bias of the stress acting on the periphery of the joint portion. As a result, the present invention can improve the durability of the flexible member.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a manipulator using the flexible member according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view showing the manipulator of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the manipulator of FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view in which a part of the manipulator of FIG. 1 is omitted and the joint function portion is mainly shown.
  • FIG. 5 is a side view mainly showing the joint functional portion of FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the VI portion of FIG. 7 (A) and 7 (B) are cross-sectional views showing a flexible member of the joint function portion in the line VII-VII of FIG. 4, where FIG. 7 (A) is normal and FIG. 7 (B) is. Indicates the time of bending.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a wave washer having a joint portion.
  • FIG. 9 is an enlarged plan view showing the joint portion of FIG.
  • FIG. 10 is a plan view conceptually showing a welding spot of a welded portion of a joint portion.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a wave washer having a joint according to a comparative example.
  • 12 (A) and 12 (B) show the stress distribution of the wave washer according to the comparative example of FIG. 11,
  • FIG. 12 (A) is a perspective view of the entire wave washer, and
  • FIG. 12 (B) is FIG. 12 (A). It is an enlarged view of the XII part of).
  • 13 (A) and 13 (B) show the stress distribution of the wave washer of FIG. 8, FIG.
  • FIG. 13 (A) is a perspective view of the entire wave washer, and FIG. 13 (B) is the XIII part of FIG. 13 (A). It is an enlarged view of.
  • FIG. 14 is a plan view showing a joint portion according to a modified example.
  • FIG. 15 is a plan view showing a joint portion according to another modified example.
  • FIG. 16 is a plan view showing a joint portion according to another modified example.
  • the flexible member has a main body portion in which a plurality of closed annular wave washers are laminated in the axial direction and are joined to each other by a plurality of joint portions, and can be bent in the axial direction by elastic deformation of the wave washers.
  • Each of the plurality of joints is composed of a pair of linear welds that are gradually separated from the inner peripheral side of the wave washer toward the outer peripheral side in the circumferential direction.
  • the pair of welds is formed on a second line where one weld intersects the first line extending radially from the center of the wave washer and the other weld intersects the second line.
  • the configuration may be formed on a third line extending in the direction of welding.
  • the pair of welded portions may be formed in a continuous linear shape.
  • the pair of welded portions may be V-shaped so as to overlap each other on the inner peripheral side of the wave washer.
  • Each of the plurality of wave washers has a plurality of peaks and valleys between these peaks in the circumferential direction, and the peaks and valleys of adjacent wave washers are in contact with each other, and the peaks and valleys are in contact with each other. May be configured to be joined by a joining portion.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a manipulator using a flexible member according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a front view thereof
  • FIG. 3 is a sectional view thereof.
  • a medical manipulator 5 will be described as an example of a robot, a manipulator, or an actuator having a joint function unit 3 using a flexible member 1.
  • the manipulator 5 constitutes the tip of the robot arm of the surgical robot and is operated by a doctor or the like.
  • the manipulator 5 may be a manual manipulator that is directly operated by a doctor or the like without being attached to the surgical robot.
  • the robot, manipulator, or actuator to which the flexible member 1 can be applied is not limited to the manipulator 5, and may be of other fields such as an industrial robot.
  • the manipulator 5 includes a shaft portion 7, a joint function portion 3, and an end effector 9.
  • the shaft portion 7 is formed in a hollow tubular shape, for example, a cylindrical shape.
  • a drive wire 11 for driving the joint function portion 3 and a push-pull cable 13 for driving the end effector 9 pass through the shaft portion 7.
  • An end effector 9 is provided at the tip of the shaft portion 7 via the joint function portion 3.
  • the joint function unit 3 bends in the axial direction in response to the operation of the drive wire 11.
  • the axial direction means a direction along the axial center of the flexible member 1 described later. However, the axial direction does not have to be exactly parallel to the axial center. Therefore, the axial direction also includes a direction slightly inclined with respect to the axial center. Details of the joint function unit 3 will be described later.
  • the end effector 9 is a device that is attached to the movable portion 17 of the joint function portion 3 and performs an operation according to a purpose.
  • the end effector 9 of this embodiment is a forceps and includes a pair of gripping portions 9a and 9b.
  • the end effector 9 can be directed in a desired direction according to the bending motion of the joint function portion 3. Further, the pair of grip portions 9a and 9b can be opened and closed according to the operation of the push-pull cable 13.
  • the end effector 9 is not limited to forceps, and can be, for example, scissors, a gripping retractor, a needle driver, a camera, or the like.
  • FIG. 4 is a perspective view in which a part of the manipulator 5 in FIG. 1 is omitted and the joint function portion 3 is mainly shown
  • FIG. 5 is a side view thereof
  • FIG. 6 is an enlarged view of the VI portion in FIG. (A) and 7 (B) are cross-sectional views showing the flexible member 1 of the joint function portion 3 in the line VII-VII of FIG. 4, where FIG. 7 (A) is normal and FIG. 7 (B) is. Indicates the time of bending.
  • the joint function portion 3 includes a base portion 15, a movable portion 17, and a flexible member 1.
  • the base portion 15 is formed in a columnar shape made of metal or the like, and is attached to the tip of the shaft portion 7.
  • a push-pull cable 13 is inserted through the axial center of the base 15 in the axial direction.
  • a drive wire 11 is axially inserted through the base 15.
  • the movable portion 17 is formed in a columnar shape made of metal or the like, and is attached to the end effector 9.
  • a push-pull cable 13 is inserted through the axial center of the movable portion 17. The tip of the push-pull cable 13 is coupled to the end effector 9.
  • the movable portion 17 is supported by the base portion 15 via the flexible member 1.
  • the tip of the drive wire 11 is fixed to the movable portion 17. Therefore, the movable portion 17 is displaced with respect to the base portion 15 by the operation of the drive wire 11, and the end effector 9 can be directed in a desired direction.
  • the flexible member 1 enables the joint function portion 3 to flex.
  • the flexible member 1 is interposed between the base portion 15 and the movable portion 17.
  • the flexible member 1 bends according to the displacement of the movable portion 17 with respect to the base portion 15.
  • a drive wire 11 and a push-pull cable 13 are passed through the flexible member 1 in the axial direction.
  • both ends of the main body 19 are fixed to the base 15 and the movable portion 17, respectively.
  • This fixing can be performed by the joint portion 21 or other fixing means described later.
  • the main body 19 has a plurality of wave washers 23.
  • the wave washers 23 are laminated in the axial direction and are joined to each other in the adjacent wave washers 23 in the axial direction.
  • the main body 19 can be bent by elastic deformation of the wave washer 23.
  • Each wave washer 23 is a plate material formed in a closed ring shape by metal or the like.
  • the wave washer 23 of this embodiment is an annular plate material made of stainless steel.
  • the radial width and plate thickness between the inner and outer circumferences 23e and 23f of the wave washer 23 are constant in the circumferential direction. However, the width and plate thickness of the wave washer 23 do not have to be constant in the circumferential direction.
  • Each wave washer 23 has a plurality of peaks 23a and valleys 23b in the circumferential direction.
  • the valley portions 23b are provided between the mountain portions 23a adjacent to each other in the circumferential direction.
  • the wave washer 23 of this embodiment has two peaks 23a facing each other in the radial direction, and has two valleys 23b facing each other in the radial direction between the peaks 23a. Therefore, in this embodiment, the peaks 23a and the valleys 23b are alternately provided at 90 degree intervals in the circumferential direction.
  • the mountain portion 23a and the valley portion 23b extend from the inner circumference 23e of the wave washer 23 to the outer circumference 23f. These peaks 23a and valleys 23b are formed by being curved in an arc shape opposite in the axial direction. In the wave washer 23 adjacent in the axial direction, the peak portion 23a of one wave washer 23 is in contact with the valley portion 23b of the other wave washer. Due to the expansion and contraction of the peaks 23a and the valleys 23b, each wave washer 23 can be deformed by elastic expansion and contraction in the axial direction.
  • the peak portion 23a and the valley portion 23b that are in contact with each other are joined by the joint portion 21 at the contact portions. As a result, the laminated state of the main body 19 of the flexible member 1 is maintained. Details of the joint portion 21 will be described later.
  • each wave washer 23 the mountain portion 23a and the valley portion 23b are continuous by the inclined portion 23c.
  • the inclined portion 23c is inclined in the circumferential direction and has a slightly twisted shape between the inner circumference 23e and the outer circumference 23f.
  • the inclined portion 23c is provided with an insertion hole 23d as a through portion through which the drive wire 11 is passed.
  • a plurality of insertion holes 23d are provided in the circumferential direction of the main body portion 19.
  • the four insertion holes 23d in each wave washer 23 are provided at 90 degree intervals in the circumferential direction. It is provided.
  • the insertion hole 23d communicates in the axial direction between the inclined portions 23c of the wave washer 23 adjacent in the axial direction.
  • the drive wire 11 is inserted through these communicating insertion holes 23d.
  • the flexible member 1 functions as a guide for passing the drive wire 11 in the axial direction as a passing portion and holding the drive wire 11 at a predetermined position.
  • the shape of the insertion hole 23d is substantially circular and has a diameter larger than the diameter of the drive wire 11. This difference in diameter allows the tilt and displacement of the tilted portion 23c.
  • the shape of the insertion hole 23d is not limited to a circular shape, and may be another shape such as a rectangle.
  • the shape, material, etc. of the wave washer 23 can be appropriately changed according to the characteristics required for the flexible member 1.
  • the number of peaks 23a and valleys 23b, the radius of curvature, the inclination angle of the inclined portion 23c, and the like can be appropriately changed according to the characteristics required for the flexible member 1.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a wave washer having the joint portion 21
  • FIG. 9 is an enlarged plan view of the joint portion 21 of FIG. 8
  • FIG. 10 is a welding spot of the welded portions 25a and 25b of the joint portion 21. It is a top view which shows 27 conceptually.
  • the joints 21 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the wave washer 23.
  • the joint portion 21 is arranged every 90 degrees with respect to each wave washer 23.
  • Each joint portion 21 is composed of a pair of linear welded portions 25a and 25b.
  • the pair of welded portions 25a and 25b are gradually separated from the inner peripheral 23e side of the wave washer 23 toward the outer peripheral 23f side in the circumferential direction.
  • the joint portion 21 suppresses a difference in the amount of deformation between the inner circumference 23e and the outer circumference 23f of the wave washer 23 when the main body portion 19 of the flexible member 1 is bent.
  • the pair of welded portions 25a and 25b are formed in a continuous linear shape, respectively, and have a V shape that overlaps with each other on the inner peripheral 23e side of the wave washer 23.
  • the welded portions 25a and 25b are formed by spot welding.
  • the welded portions 25a and 25b have a continuous linear shape when adjacent welding spots 27 overlap or come into contact with each other in a plan view. In this embodiment, adjacent welding spots 27 overlap.
  • one welded portion 25a is formed on the second line L2, and the other welded portion 25b is formed on the third line L3.
  • the second line L2 extends in a direction intersecting the first line L1 extending in the radial direction which is the radial direction from the center of the wave washer 23.
  • the third line L3 extends in a direction intersecting the second line L2.
  • the second line L2 and the third line L3 are arranged symmetrically with respect to the first line L1.
  • the angle ⁇ between the second line L2 and the third line L3 is about 35 degrees.
  • the welded portions 25a and 25b are formed in a straight line so that the center of the welding spot 27 is located on the second line L2 and the third line L3, respectively.
  • the opening angle of the welded portions 25a and 25b is about 35 degrees, which coincides with the angle ⁇ formed by the second line L2 and the third line L3.
  • the shapes of the welded portions 25a and 25b can be appropriately set according to the difference in the amount of deformation of the inner and outer circumferences 23e and 23f of the wave washer 23, as in the deformation example described later.
  • joint function unit 3 when the doctor operates the manipulator 5, the flexible member 1 is bent by pulling any one of the drive wires 11.
  • the joint function unit 3 can be bent 360 degrees in all directions by pulling a combination of several drive wires 11.
  • the flexible member 1 When at least one of the drive wires 11 is pulled and bent, the flexible member 1 has a mountain portion 23a and a valley portion 23b compressed and middle at the bending inner portion with respect to the neutral axis as shown in FIG. 7 (B).
  • the peak portion 23a and the valley portion 23b are extended at the bent outer portion with respect to the vertical axis.
  • this embodiment realizes a bending operation in which the load characteristics of the bending angle and the load are highly linear.
  • the joint portion 21 is prevented from causing a difference in the amount of deformation of the inner and outer circumferences 23e and 23f of each wave washer 23 of the flexible member 1.
  • the pair of welded portions 25a and 25b of the joint portion 21 are gradually separated from the inner peripheral 23e side toward the outer peripheral 23f side in the circumferential direction. Therefore, the outer circumference 23f of the wave washer 23 is suppressed from being deformed at the portion corresponding between the welded portions 25a and 25b.
  • the inner circumference 23e of the wave washer 23 is close to the welded portions 25a and 25b and overlaps in this embodiment, so that the deformation is not suppressed as in the outer circumference 23f.
  • each wave washer 23 the amount of deformation of the inner and outer circumferences 23e and 23f is adjusted, and it is suppressed that a difference in the amount of deformation of the inner and outer circumferences 23e and 23f of the wave washer 23 occurs.
  • the bias of the stress acting around the joint portion 21 is suppressed, the maximum stress is reduced, and the durability of the flexible member 1 is improved.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a wave washer 23A having a joint portion 21A according to a comparative example.
  • 12 (A) and 12 (B) show the stress distribution of the wave washer 23A according to the comparative example
  • FIG. 12 (A) is a perspective view of the entire wave washer 23A
  • FIG. 12 (B) is FIG. 12 (A).
  • It is an enlarged view of the XII part of. 13 (A) and 13 (B) show the stress distribution of the wave washer 23 according to the first embodiment
  • FIG. 13 (A) is a perspective view of the entire wave washer 23, and
  • FIG. 13 (B) is FIG. 13 (A).
  • the stress distribution at the time of bending was compared between the wave washer 23A used for the flexible member (not shown) of the comparative example and the wave washer 23 used for the flexible member 1 of the first embodiment.
  • the flexible member of the comparative example has a main body portion in which a wave washer 23A is laminated in the same manner as in the first embodiment and joined to each other, and has the same configuration as that of the first embodiment except for the shape of the joint portion 21A. ..
  • Each of the joints 21A is composed of a single weld 25A formed along the radial direction of the wave washer 23A.
  • the difference in the amount of deformation of the inner and outer circumferences 23e and 23f at the time of bending is suppressed. Therefore, it can be seen that the stress is made uniform from the inner circumference 23e side to the outer circumference 23f side in the region along the joint portion 21.
  • the maximum stress at this time was 997 MPa, and a decrease of about 16% was observed as compared with the comparative example.
  • Example 1 when the opening angles between the welded portions 25a and 25b were changed to 30 degrees, 35 degrees, and 40 degrees, the maximum stresses were 1061 MPa, 997 MPa, and 1184 MPa, respectively.
  • the preferable opening angles of the welded portions 25a and 25b differ depending on the width and shape of the wave washer 23 and the like.
  • a plurality of closed annular wave washers 23 are laminated in the axial direction and are joined to each other by a plurality of joint portions 21, and the wave washers 23 are elastically deformed.
  • a pair of linear welded portions 25a are provided with a main body portion 19 that can be bent in the axial direction, and the plurality of joint portions 21 are gradually separated from the inner peripheral 23e of the wave washer 23 toward the outer peripheral 23f. , 25b.
  • the pair of welded portions 25a and 25b are formed on a second line L2 in which one welded portion 25a extends in a direction intersecting the first line L1 extending in the radial direction from the center of the wave washer 23 and the other welded portion.
  • 25b is formed on the third line L3 extending in the direction intersecting the second line L2.
  • the bias of the stress acting around the joint portion 21 of each wave washer 23 can be reliably suppressed.
  • the stress can be made uniform along the welded portions 25a and 25b.
  • the pair of welded portions 25a and 25b are V-shaped so as to overlap each other on the inner circumference 23e side of the wave washer 23, the amount of deformation is not inadvertently suppressed by the inner circumference 23e of the wave washer 23. .. Therefore, the pair of welded portions 25a and 25b can reduce the adjustment of the amount of deformation of the outer circumference 23f of the wave washer 23.
  • the bending operation can be reliably performed by expanding and contracting the mountain portion 23a and the valley portion 23b of the main body portion 19.
  • the flexible member 1 having excellent torsional rigidity can be obtained by joining the mountain portions 23a and the valley portions 23b that come into contact with each other.
  • the plurality of wave washers 23 have an insertion hole 23d through which the drive wire 11 is inserted. Therefore, the main body 19 can be used as a guide for the drive wire 11, the drive wire 11 can be held at an appropriate position, and a more stable and accurate bending operation can be performed.
  • the welded portions 25a and 25b are separated from each other in the circumferential direction without overlapping on the inner peripheral 23e side.
  • the third line L3 overlaps with the first line L1, and the other welded portion 25b is along the radial direction accordingly.
  • the welded portions 25a and 25b are formed in a curved shape.
  • the shape of the joint portion 21 can be appropriately set according to the difference in the amount of deformation of the inner and outer circumferences 23e and 23f of the wave washer 23.
  • the welded portions 25a and 25b may have a broken line shape by separating adjacent welding spots 27.
  • the opening angle and length of the welded portions 25a and 25b can be changed.
  • the joint portion 21 of the first embodiment has a gap with respect to the inner circumference 23e and the outer circumference 23f of the wave washer 23 in a plan view
  • the joint portion 21 may have a shape extending from the inner circumference 23e to the outer circumference 23f. Is.

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Abstract

小型化を図りつつ優れた耐荷重及び屈曲性を有することが可能な可撓部材を提供する。可撓部材は、閉環状の複数のウェーブワッシャー２３が軸方向に積層されると共に相互間を複数の接合部２１によって接合され、ウェーブワッシャー２３の弾性変形により軸方向に対して屈曲可能な本体部１９を備え、複数の接合部２１は、それぞれウェーブワッシャー２３の内周２３ｅから外周２３ｆに向かって漸次周方向に離間する一対の線状の溶接部２５ａ，２５ｂからなる。

Description

可撓部材
　本発明は、ロボット等の関節機能部に供される可撓部材に関する。
　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には、可撓部材を用いることで屈曲動作を可能にした関節機能部を有するものがある。このような関節機能部に用いられる可撓部材としては、特開２０１４－３８０７５号公報にコイルスプリングが開示されている。
　コイルスプリングは、関節機能部の屈曲動作に対して高い自由度を確保できる。しかし、コイルスプリングは、耐荷重及び屈曲性を確保する必要性のため、小型化に限界があった。
　解決しようとする問題点は、小型化を図りつつ耐荷重及び屈曲性を確保することに限界があった点である。
　本発明は、小型化を図りつつ優れた耐荷重及び屈曲性を有することが可能な可撓部材を提供する。この可撓部材は、閉環状の複数のウェーブワッシャーが軸方向に積層されると共に相互間を複数の接合部によって接合され前記ウェーブワッシャーの弾性変形により前記軸方向に対して屈曲可能な本体部を備え、前記複数の接合部は、それぞれ前記ウェーブワッシャーの内周側から外周側に向かって漸次周方向に離間する一対の線状の溶接部からなる。
　本発明は、複数のウェーブワッシャーの変形により可撓部材の本体部を屈曲できるようにしたため、小型化を図りつつ耐荷重及び屈曲性に優れた可撓部材を得ることが可能となる。
　しかも、本発明では、一対の溶接部によりウェーブワッシャーが変形する際の内外周の変形量に差が生じることを抑制し、接合部周辺に作用する応力の偏りを抑制できる。結果として、本発明は、可撓部材の耐久性を向上することができる。
図１は、本発明の実施例１に係る可撓部材を用いたマニピュレーターを示す斜視図である。 図２は、図１のマニピュレーターを示す正面図である。 図３は、図１のマニピュレーターの断面図である。 図４は、図１のマニピュレーターの一部を省略し、関節機能部を主に示す斜視図である。 図５は、図４の関節機能部を主に示す側面図である。 図６は、図５のＶＩ部の拡大図である。 図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、図４のＶＩＩ－ＶＩＩ線における、関節機能部の可撓部材を示す断面図であり、図７（Ａ）が平常時、図７（Ｂ）が屈曲時を示す。 図８は、接合部を有するウェーブワッシャーを示す斜視図である。 図９は、図８の接合部を拡大して示す平面図である。 図１０は、接合部の溶接部の溶接スポットを概念的に示す平面図である。 図１１は、比較例に係り、接合部を有するウェーブワッシャーを示す斜視図である。 図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）は、図１１の比較例に係るウェーブワッシャーの応力分布を示し、図１２（Ａ）はウェーブワッシャー全体の斜視図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のＸＩＩ部の拡大図である。 図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、図８のウェーブワッシャーの応力分布を示し、図１３（Ａ）はウェーブワッシャー全体の斜視図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＸＩＩＩ部の拡大図である。 図１４は、変形例に係る接合部を示す平面図である。 図１５は、他の変形例に係る接合部を示す平面図である。 図１６は、他の変形例に係る接合部を示す平面図である。
　小型化を図りつつ優れた耐荷重及び屈曲性を有することが可能な可撓部材を得るという目的を、耐久性を向上しつつ実現した。
　すなわち、可撓部材は、閉環状の複数のウェーブワッシャーが軸方向に積層されると共に相互間を複数の接合部によって接合され、ウェーブワッシャーの弾性変形により軸方向に対して屈曲可能な本体部を備え、複数の接合部は、それぞれウェーブワッシャーの内周側から外周側に向かって漸次周方向に離間する一対の線状の溶接部からなる。
　一対の溶接部は、一方の溶接部がウェーブワッシャーの中心から放射方向に延びる第１線に対して交差する方向に延びる第２線上に形成され、他方の溶接部が第２線に対して交差する方向に延びる第３線上に形成された構成としてもよい。
　一対の溶接部は、それぞれ連続した線状に形成された構成としてもよい。
　一対の溶接部は、ウェーブワッシャーの内周側で相互に重なるＶ字状としてもよい。
　複数のウェーブワッシャーは、それぞれ周方向に複数の山部及びこれら山部間の谷部を備え、隣接するウェーブワッシャーの山部と谷部とが当接し、山部と谷部との当接部分がそれぞれ接合部により接合された構成としてもよい。
　　［マニピュレーターの構造］
　図１は、本発明の実施例１に係る可撓部材を用いたマニピュレーターを示す斜視図、図２は、同正面図、図３は、同断面図である。
　本実施例は、可撓部材１を用いた関節機能部３を有するロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータの一例として、医療用のマニピュレーター５について説明する。
　マニピュレーター５は、手術ロボットのロボットアーム先端を構成し、医師等によって操作されるものである。なお、マニピュレーター５は、手術ロボットに取り付けずに医師等によって直接操作される手動マニピュレーターであってもよい。また、可撓部材１を適用可能なロボット、マニピュレーター、或はアクチュエータは、マニピュレーター５に限られず、産業用ロボット等の他の分野のものであってもよい。
　マニピュレーター５は、シャフト部７と、関節機能部３と、エンドエフェクタ９とを備えている。
　シャフト部７は、中空筒状、例えば円筒状に形成されている。シャフト部７内には、関節機能部３を駆動するための駆動ワイヤ１１やエンドエフェクタ９を駆動するためのプッシュプルケーブル１３が通っている。シャフト部７の先端には、関節機能部３を介してエンドエフェクタ９が設けられている。
　関節機能部３は、駆動ワイヤ１１の操作に応じ、軸方向に対して屈曲動作を行う。軸方向とは、後述する可撓部材１の軸心に沿った方向を意味する。ただし、軸方向は、軸心に対して厳密に平行な方向である必要はない。従って、軸方向は、軸心に対して若干傾斜した方向も含む。関節機能部３の詳細は後述する。
　エンドエフェクタ９は、関節機能部３の可動部１７に対して取り付けられ、目的に応じた動作を行う機器である。本実施例のエンドエフェクタ９は、鉗子であり、一対の把持部９ａ，９ｂを備えている。このエンドエフェクタ９は、関節機能部３の屈曲動作に応じて所望の方向へ指向可能である。また、一対の把持部９ａ，９ｂがプッシュプルケーブル１３の操作に応じて開閉可能になっている。
　なお、エンドエフェクタ９は、鉗子に限られず、例えば鋏、把持レトラクタ、針ドライバ、カメラ等とすることも可能である。
　　［関節機能部の構造］
　図４は、図１のマニピュレーター５の一部を省略し、関節機能部３を主に示す斜視図、図５は、同側面図、図６は、図５のＶＩ部の拡大図、図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、図４のＶＩＩ－ＶＩＩ線における、関節機能部３の可撓部材１を示す断面図であり、図７（Ａ）が平常時、図７（Ｂ）が屈曲時を示す。
　図１～図７（Ｂ）のように、関節機能部３は、基部１５と、可動部１７と、可撓部材１とを備えている。
　基部１５は、金属等によって円柱状に形成され、シャフト部７の先端に取り付けられている。基部１５の軸心部には、プッシュプルケーブル１３が軸方向で挿通している。プッシュプルケーブル１３の周囲において、基部１５には、駆動ワイヤ１１が軸方向で挿通している。
　可動部１７は、金属等によって円柱状に形成され、エンドエフェクタ９に取り付けられている。可動部１７の軸心部は、プッシュプルケーブル１３を挿通している。プッシュプルケーブル１３の先端は、エンドエフェクタ９に結合されている。
　この可動部１７は、可撓部材１を介して基部１５に支持されている。可動部１７には、駆動ワイヤ１１の先端部が固定されている。このため、可動部１７は、駆動ワイヤ１１の操作により基部１５に対して変位し、エンドエフェクタ９を所望の方向に指向させることを可能とする。
　可撓部材１は、関節機能部３の屈曲動作を可能とするものである。可撓部材１は、基部１５と可動部１７との間に介設されている。可撓部材１は、基部１５に対する可動部１７の変位に応じて屈曲する。可撓部材１には、駆動ワイヤ１１及びプッシュプルケーブル１３が軸方向で通されている。
　かかる可撓部材１は、本体部１９の両端部がそれぞれ基部１５及び可動部１７に固定されている。なお、この固定は、後述する接合部２１や他の固着手段によって行うことが可能である。
　本体部１９は、複数のウェーブワッシャー２３を有している。ウェーブワッシャー２３は、軸方向で積層すると共に軸方向で隣接するウェーブワッシャー２３の相互間を接合されている。本体部１９は、ウェーブワッシャー２３の弾性変形により屈曲可能となっている。
　各ウェーブワッシャー２３は、金属等によって閉環状に形成された板材である。本実施例のウェーブワッシャー２３は、ステンレスからなる円環状の板材である。ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆ間の径方向の幅及び板厚は周方向で一定となっている。ただし、ウェーブワッシャー２３の幅及び板厚は、周方向で一定でなくてもよい。
　各ウェーブワッシャー２３は、周方向に複数の山部２３ａ及び谷部２３ｂを有する。谷部２３ｂは、周方向に隣接する山部２３ａの間にそれぞれ設けられている。本実施例のウェーブワッシャー２３は、径方向に対向する二つの山部２３ａを有し、山部２３ａ間に径方向に対向する二つの谷部２３ｂをそれぞれ有する。従って、本実施例では、山部２３ａと谷部２３ｂとが周方向において９０度毎に交互に設けられている。
　山部２３ａ及び谷部２３ｂは、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅから外周２３ｆにわたる。これら山部２３ａ及び谷部２３ｂは、軸方向で逆向きの円弧状に湾曲して形成されている。軸方向で隣接するウェーブワッシャー２３では、一方のウェーブワッシャー２３の山部２３ａが他方のウェーブワッシャーの谷部２３ｂに当接している。これら山部２３ａ及び谷部２３ｂの伸縮により、各ウェーブワッシャー２３は、軸方向での弾性的な伸縮による変形が可能となっている。
　相互に当接する山部２３ａ及び谷部２３ｂは、両者の当接部分が接合部２１によって接合されている。これにより、可撓部材１の本体部１９の積層状態が保持されている。接合部２１の詳細は、後述する。
　各ウェーブワッシャー２３において、山部２３ａと谷部２３ｂとの間は、傾斜部２３ｃによって連続している。傾斜部２３ｃは、周方向に傾斜し、且つ内周２３ｅと外周２３ｆとの間で僅かにねじれた形状を有する。
　傾斜部２３ｃには、駆動ワイヤ１１を通す通し部としての挿通孔２３ｄが設けられている。この結果、挿通孔２３ｄは、本体部１９の周方向に複数設けられている。本実施例では、４本の駆動ワイヤ１１がそれぞれ周方向に９０度毎に設けられていることから、これに応じて各ウェーブワッシャー２３において４つの挿通孔２３ｄがそれぞれ周方向に９０度毎に設けられている。
　軸方向に隣接するウェーブワッシャー２３の傾斜部２３ｃ間では、挿通孔２３ｄが軸方向に連通する。これら連通する挿通孔２３ｄにより駆動ワイヤ１１を挿通する。この挿通により、可撓部材１は、駆動ワイヤ１１を通し部として軸方向に通すと共に所定位置に保持するガイドとして機能する。
　挿通孔２３ｄの形状は、ほぼ円形であり、駆動ワイヤ１１の径よりも大きい径を有する。この径の差は、傾斜部２３ｃの傾斜及び変位を許容する。なお、挿通孔２３ｄの形状は、円形に限られるものではなく、矩形等の他の形状としても良い。
　なお、ウェーブワッシャー２３の形状や材質等は、可撓部材１に要求される特性等に応じて適宜変更することが可能である。山部２３ａ及び谷部２３ｂの数や曲率半径、傾斜部２３ｃの傾斜角度等も、可撓部材１に要求される特性等に応じて適宜変更することが可能である。
　　［接合部］
　図８は、接合部２１を有するウェーブワッシャーを示す斜視図、図９は、図８の接合部２１を拡大して示す平面図、図１０は、接合部２１の溶接部２５ａ，２５ｂの溶接スポット２７を概念的に示す平面図である。
　接合部２１は、ウェーブワッシャー２３の周方向に等間隔で配置されている。本実施例では、各ウェーブワッシャー２３に対し９０度毎に接合部２１が配置されている。
　各接合部２１は、一対の線状の溶接部２５ａ，２５ｂからなっている。これら一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ側から外周２３ｆ側に向かって漸次周方向に離間している。これにより、接合部２１は、可撓部材１の本体部１９が屈曲する際に、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ及び外周２３ｆ間の変形量に差が生じることを抑制する。
　本実施例において、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、それぞれ連続した直線状に形成され、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ側で相互に重なるＶ字状となっている。
　具体的には、溶接部２５ａ，２５ｂは、スポット溶接によって形成されている。溶接部２５ａ，２５ｂは、隣接する溶接スポット２７が平面視において相互に重なるか或いは接触することによって連続した線状となっている。本実施例では、隣接する溶接スポット２７が重なっている。
　これら一対の溶接部２５ａ，２５ｂにおいて、一方の溶接部２５ａが第２線Ｌ２上に形成され、他方の溶接部２５ｂが第３線Ｌ３上に形成されている。第２線Ｌ２は、ウェーブワッシャー２３の中心から放射方向である径方向に延びる第１線Ｌ１に対して交差する方向に延びる。第３線Ｌ３は、第２線Ｌ２に対して交差する方向に延びる。
　本実施例では、第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３が第１線Ｌ１を中心に対称に配置されている。第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３間の角度θが約３５度となっている。溶接部２５ａ，２５ｂは、それぞれ溶接スポット２７の中心が第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３上に位置するように直線状に形成されている。溶接部２５ａ，２５ｂの開き角度が第２線Ｌ２及び第３線Ｌ３とでなす角度θと一致する約３５度となっている。
　なお、溶接部２５ａ，２５ｂの形状は、後述する変形例等のように、ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量の差に応じて適宜設定することが可能である。
　　［関節機能部の屈曲動作］
　関節機能部３では、医師がマニピュレーター５を操作する際、何れか一つの駆動ワイヤ１１を引くことにより可撓部材１が屈曲する。この関節機能部３は、いくつかの駆動ワイヤ１１を組み合わせて引くことにより、３６０度全方位に屈曲することが可能となる。
　少なくとも何れか一つの駆動ワイヤ１１を引いて屈曲する際、可撓部材１は、図７（Ｂ）のように、中立軸に対する屈曲内側部分で山部２３ａ及び谷部２３ｂが圧縮されると共に中立軸に対する屈曲外側部分で山部２３ａ及び谷部２３ｂが伸張される。
　このように変形することで、操作された駆動ワイヤ１１を挿通している傾斜部２３ｃ相互間が近接し、可撓部材１が全体として屈曲することになる。これにより、本実施例は、屈曲角度と荷重との荷重特性の線形性が高い屈曲動作を実現する。
　かかる屈曲時には、接合部２１が、可撓部材１の各ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量に差が生じることを抑制される。
　具体的には、上記のとおり、接合部２１の一対の溶接部２５ａ，２５ｂが内周２３ｅ側から外周２３ｆ側に向かって漸次周方向に離間している。このため、ウェーブワッシャー２３の外周２３ｆは、溶接部２５ａ，２５ｂ間に対応する部分で変形が抑制される。
　一方で、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅは、溶接部２５ａ，２５ｂ間が近接し、本実施例では重なっていることにより、外周２３ｆのような変形の抑制はない。
　従って、各ウェーブワッシャー２３では、内外周２３ｅ，２３ｆの変形量が調整され、ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量に差が生じることを抑制される。
　これにより、本実施例は、接合部２１周辺に作用する応力の偏りを抑制されて最大応力が低減され、可撓部材１の耐久性を向上される。
　　［応力分布］
　図１１は、比較例に係り、接合部２１Ａを有するウェーブワッシャー２３Ａを示す斜視図である。図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）は、比較例に係るウェーブワッシャー２３Ａの応力分布を示し、図１２（Ａ）はウェーブワッシャー２３Ａ全体の斜視図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のＸＩＩ部の拡大図である。図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、実施例１に係るウェーブワッシャー２３の応力分布を示し、図１３（Ａ）はウェーブワッシャー２３全体の斜視図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＸＩＩＩ部の拡大図である。
　比較例の可撓部材（図示せず）に用いられるウェーブワッシャー２３Ａと実施例１の可撓部材１に用いられるウェーブワッシャー２３とで屈曲時の応力分布の比較を行った。
　比較例の可撓部材は、ウェーブワッシャー２３Ａを実施例１と同様に積層して相互間を接合した本体部を有し、接合部２１Ａの形状以外は実施例１と同一構成を有している。接合部２１Ａは、それぞれウェーブワッシャー２３Ａの径方向に沿って形成された単一の溶接部２５Ａからなっている。
　かかる比較例のウェーブワッシャー２３Ａでは、屈曲時に内外周２３Ａｅ，２３Ａｆの変形量に差が生じている。その結果、接合部２１Ａに沿った領域において内周２３Ａｅ側に局所的に応力が高い部分が存在していることが分かる。このときの最大応力は、１１８６ＭＰａであった。なお、図１２では、色が濃いほど応力が高いことを示す（図１３も同じ。）。
　これに対し、実施例１のウェーブワッシャー２３では、屈曲時に内外周２３ｅ，２３ｆの変形量の差が抑制されている。このため、接合部２１に沿った領域において内周２３ｅ側から外周２３ｆ側にわたって応力の均一化が図られていることが分かる。このときの最大応力は、９９７ＭＰａであり、比較例との比較で約１６％の減少が見られた。
　また、実施例１では、溶接部２５ａ，２５ｂ間の開き角度を３０度、３５度、４０度と変更した場合、それぞれ最大応力が１０６１ＭＰａ、９９７ＭＰａ、１１８４ＭＰａとなった。
　従って、本実施例では、溶接部２５ａ，２５ｂの開き角度を、３０度～４０度、特に３５度に設定するのが好ましいことが分かる。
　なお、溶接部２５ａ，２５ｂの好ましい開き角度は、ウェーブワッシャー２３の幅や形状などによって異なる。
　　［実施例１の効果］
　以上説明したように、本実施例の可撓部材１は、閉環状の複数のウェーブワッシャー２３が軸方向に積層されると共に相互間を複数の接合部２１によって接合され、ウェーブワッシャー２３の弾性変形により軸方向に対して屈曲可能な本体部１９を備え、複数の接合部２１は、それぞれウェーブワッシャー２３の内周２３ｅから外周２３ｆに向かって漸次周方向に離間する一対の線状の溶接部２５ａ，２５ｂからなる。
　従って、本実施例では、屈曲角度と荷重との荷重特性の線形性を高くすることができ、小型化を図りつつ耐荷重及び屈曲性に優れた可撓部材を得ることが可能となる。
　しかも、本実施例では、一対の溶接部２５ａ，２５ｂによりウェーブワッシャー２３が変形する際の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量に差が生じることを抑制する。従って、本実施例では、各ウェーブワッシャー２３の接合部２１周辺に作用する応力の偏りを抑制して最大応力が低減され、可撓部材１の耐久性を向上することができる。
　一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、一方の溶接部２５ａがウェーブワッシャー２３の中心から径方向に延びる第１線Ｌ１に対して交差する方向に延びる第２線Ｌ２上に形成され、他方の溶接部２５ｂが第２線Ｌ２に対して交差する方向に延びる第３線Ｌ３上に形成されている。
　このため、本実施例では、各ウェーブワッシャー２３の接合部２１周辺に作用する応力の偏りを確実に抑制することができる。
　また、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、それぞれ連続した線状に形成されたため、溶接部２５ａ，２５ｂに沿って応力を均一化することができる。
　また、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ側で相互に重なるＶ字状であるため、ウェーブワッシャー２３の内周２３ｅで不用意に変形量が抑制されることがない。このため、一対の溶接部２５ａ，２５ｂは、ウェーブワッシャー２３の外周２３ｆの変形量の調整を少なくすることができる。
　また、本実施例では、本体部１９の山部２３ａ及び谷部２３ｂの伸縮により、屈曲動作を確実に行わせることができる。
　さらに、本実施例では、当接する山部２３ａ及び谷部２３ｂ間が接合されていることにより、ねじり剛性において優れた可撓部材１を得ることができる。
　また、本実施例では、複数のウェーブワッシャー２３が駆動ワイヤ１１を挿通する挿通孔２３ｄを有する。従って、本体部１９を駆動ワイヤ１１のガイドとして利用することができ、駆動ワイヤ１１を適切な位置に保持し、より安定且つ正確な屈曲動作を行わせることができる。
　　［変形例］
　接合部２１の形状の変形例を図１４～図１６に示す。
　図１４の変形例では、溶接部２５ａ，２５ｂを内周２３ｅ側で重ねず周方向に離間させている。
　図１５の変形例では、第３線Ｌ３が第１線Ｌ１と重なっており、それに伴って他方の溶接部２５ｂが径方向に沿ったものとなっている。
　図１６の変形例は、溶接部２５ａ，２５ｂが曲線状に形成されたものである。
　その他、接合部２１の形状は、上記のように、ウェーブワッシャー２３の内外周２３ｅ，２３ｆの変形量の差に応じて適宜設定することが可能である。　例えば、溶接部２５ａ，２５ｂは、隣接する溶接スポット２７を離間させることで破線状としてもよい。また、溶接部２５ａ，２５ｂの開き角度や長さも変更可能である。さらに、溶接部２５ａ，２５ｂの何れか一方のみの形状を変更することも可能である。また、実施例１の接合部２１は、平面視においてウェーブワッシャー２３の内周２３ｅ及び外周２３ｆに対して隙間を有しているが、内周２３ｅから外周２３ｆにまで至る形状とすることも可能である。
 
 

Claims (5)

  1. 　閉環状の複数のウェーブワッシャーが軸方向に積層されると共に相互間を複数の接合部によって接合され前記ウェーブワッシャーの弾性変形により前記軸方向に対して屈曲可能な本体部を備え、
    　前記複数の接合部は、それぞれ前記ウェーブワッシャーの内周側から外周側に向かって漸次周方向に離間する一対の線状の溶接部からなる、
    　可撓部材。
  2. 　請求項１の可撓部材であって、
    　前記一対の溶接部は、一方の溶接部が前記ウェーブワッシャーの中心から放射方向に延びる第１線に対して交差する方向に延びる第２線上に形成され、他方の溶接部が前記第２線に対して交差する方向に延びる第３線上に形成された、
    　可撓部材。
  3. 　請求項１又は２の可撓部材であって、
    　前記一対の溶接部は、それぞれ連続した線状に形成された、
    　可撓部材。
  4. 　請求項３の可撓部材であって、
    　前記一対の溶接部は、前記ウェーブワッシャーの内周側で相互に重なるＶ字状である、
    　可撓部材。
  5. 　請求項１～４の何れか一項の可撓部材であって、
    　前記複数のウェーブワッシャーは、それぞれ周方向に複数の山部及び該山部間の谷部を備え、隣接するウェーブワッシャーの山部と谷部とが当接し該山部と谷部との当接部分がそれぞれ前記接合部により接合された、
    　可撓部材。

     
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