[go: up one dir, main page]

TWI756035B - 屈曲構造體及關節功能部 - Google Patents

屈曲構造體及關節功能部 Download PDF

Info

Publication number
TWI756035B
TWI756035B TW110102880A TW110102880A TWI756035B TW I756035 B TWI756035 B TW I756035B TW 110102880 A TW110102880 A TW 110102880A TW 110102880 A TW110102880 A TW 110102880A TW I756035 B TWI756035 B TW I756035B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
coil portion
coil
outer coil
axial direction
buckling
Prior art date
Application number
TW110102880A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202130327A (zh
Inventor
大塚幹之
平田貴史
黒川真平
保戶田裕樹
Original Assignee
日商日本發條股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商日本發條股份有限公司 filed Critical 日商日本發條股份有限公司
Publication of TW202130327A publication Critical patent/TW202130327A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI756035B publication Critical patent/TWI756035B/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • A61B34/71—Manipulators operated by drive cable mechanisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/104—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with cables, chains or ribbons
    • 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
    • F16F3/00—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic
    • F16F3/02—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic with springs made of steel or of other material having low internal friction
    • F16F3/04—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic with springs made of steel or of other material having low internal friction composed only of wound springs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/00234—Surgical instruments, devices or methods for minimally invasive surgery
    • A61B2017/00292—Surgical instruments, devices or methods for minimally invasive surgery mounted on or guided by flexible, e.g. catheter-like, means
    • A61B2017/003—Steerable
    • A61B2017/00318—Steering mechanisms
    • A61B2017/00323—Cables or rods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/28—Surgical forceps
    • A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery
    • A61B2017/2901—Details of shaft
    • A61B2017/2905—Details of shaft flexible
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/28—Surgical forceps
    • A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery
    • A61B2017/2926—Details of heads or jaws
    • A61B2017/2927—Details of heads or jaws the angular position of the head being adjustable with respect to the shaft
    • 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
    • A61B2034/301—Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes
    • 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
    • A61B2034/305—Details of wrist mechanisms at distal ends of robotic arms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M25/00—Catheters; Hollow probes
    • A61M25/01—Introducing, guiding, advancing, emplacing or holding catheters
    • A61M25/0105—Steering means as part of the catheter or advancing means; Markers for positioning
    • A61M25/0133—Tip steering devices
    • A61M25/0138—Tip steering devices having flexible regions as a result of weakened outer material, e.g. slots, slits, cuts, joints or coils
    • 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
    • F16F2228/00—Functional characteristics, e.g. variability, frequency-dependence
    • F16F2228/001—Specific functional characteristics in numerical form or in the form of equations
    • 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
    • F16F2236/00—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements
    • F16F2236/02—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements the stressing resulting in flexion of the spring
    • F16F2236/025—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements the stressing resulting in flexion of the spring radial flexion of ring-type springs
    • 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
    • F16F3/00—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic
    • F16F3/02—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic with springs made of steel or of other material having low internal friction
    • F16F3/04—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic with springs made of steel or of other material having low internal friction composed only of wound springs
    • F16F3/06—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic with springs made of steel or of other material having low internal friction composed only of wound springs of which some are placed around others in such a way that they damp each other by mutual friction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Endoscopes (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)
  • Springs (AREA)

Abstract

提供一種屈曲構造體及關節功能部，可謀求屈曲動作的穩定化並簡化構造。屈曲構造體具備：外線圈部3，由在軸方向具有複數個卷部3b之線圈狀的線材3a組成；及內線圈部5，由在軸方向具有複數個卷部5b之線圈狀的線材5a組成，且位於外線圈部3內；外線圈部3具有使在軸方向相鄰之卷部3b間分開的複數個間隙3c；於內線圈部5中，卷部5b設置為對應於外線圈部3的間隙3c，且接觸外線圈部3之相鄰的卷部3b，並嵌合於該等卷部3b之間；將自由狀態下之外線圈部3的間隙3c的軸方向的尺寸設為P，將外線圈部3的圈數設為N，將外線圈部3的直徑設為R，將內線圈部5的線材5a的線徑設為d時，尺寸P設定在滿足πR/4N≦P<d-πR/4N的範圍。

Description

屈曲構造體及關節功能部
本發明關於一種提供給機器人等之關節功能部的屈曲構造體，以及使用該屈曲構造體的關節功能部。
於機器人(Robot)、機械手臂(Manipulator)或致動機構等中，已有具備可屈曲/伸展的關節功能部者。於此種關節功能部中，例如，有如專利文獻1般用作屈曲構造體的可撓性構件者。
專利文獻1的可撓性構件係使複數個圓盤元件彼此擺動自在地卡合而構成，並藉由各圓盤元件的擺動而使整體進行屈曲動作。
因此，可撓性構件可順暢地進行屈曲動作，並可確保對於軸方向壓縮的剛性，可謀求屈曲動作的穩定化。
然而，該可撓性構件係將複數個圓盤元件彼此地卡合，故存在構造複雜的問題。
[習知技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特表第2009-538186號公報。
本發明所欲解決的問題點為：為了謀求屈曲動作的穩定化，則構造會變得複雜。
本發明為一種屈曲構造體，係可相對於軸方向屈曲，且屈曲構造體最主要的特徵在於，具備：外線圈部，由在前述軸方向具有複數個卷部之線 圈狀的線材組成；以及內線圈部，由在前述軸方向具有複數個卷部之線圈狀的線材組成，且位於前述外線圈部內；前述外線圈部具有使在前述軸方向相鄰之卷部間分開的複數個間隙；於前述內線圈部中，前述卷部設置為對應於前述外線圈部的前述間隙，且接觸前述外線圈部的前述相鄰的卷部，並嵌合於該等卷部之間；將自由狀態下之前述外線圈部的前述間隙的軸方向的尺寸設為P，將前述外線圈部的圈數設為N，將前述外線圈部的直徑設為R，將前述內線圈部的線材的線徑設為d時，前述尺寸P設定在滿足πR/4N≦P<d-πR/4N的範圍。
又，本發明為應用上述屈曲構造體的關節功能部，關節功能部最主要的特徵在於，具備基部及相對於該基部位移的可動部，屈曲構造體設置在前述基部與可動部之間，並因應前述可動部相對於前述基部的位移而屈曲。
根據本發明，使內線圈部位於外線圈部內而構成屈曲構造體，故可簡化構造。
又，使內線圈部的卷部接觸外線圈部之相鄰的卷部，並嵌合於此等相鄰的卷部間，故可確保軸方向的剛性。
其結果為，本發明可謀求屈曲動作的穩定化並可簡化構造。
再者，藉由設定外線圈部的卷部間的間隙，在使屈曲構造體屈曲直至90度後復原為原本的狀態時，可順暢地使動作進行而不卡住。
1:屈曲構造體
3:外線圈部
3a:線材
3b:卷部
3c:間隙
5:內線圈部
5a:線材
5b:卷部
5c:間隙
7:機械手臂
9:軸
11:關節功能部
13:末端作用器
13a:握持部
15:驅動引線
17:基部
17a:貫通孔
17b:插通孔
19:可動部
19b:插通孔
20:可撓構件
21:可撓導管
a:重疊量
C:屈曲中心
c:外線圈部的卷部的中心
D:外線圈部的線材的線徑
d:內線圈部的線材的線徑
L,Li,Lo:長度
N:圈數
O:軸心
P,Pi,Po:間隙3c的尺寸
R:外線圈部的直徑
r:內線圈部的直徑
θ,α:角度
圖1係表示屈曲構造體的剖面圖(實施例1)。
圖2係表示圖1之屈曲構造體局部的放大圖(實施例1)。
圖3(A)係表示圖1之屈曲構造體的屈曲狀態的剖面圖，圖3(B)係表示屈曲的內側、中央及外側的長度的剖面圖(實施例1)。
圖4(A)係圖3之屈曲的外側的放大圖，圖4(B)係圖3之屈曲的內側的放大圖(實施例1)。
圖5係具備應用屈曲構造體之關節功能部的機械手臂的立體圖(實施例2)
圖6係圖5之機械手臂的剖面圖(實施例2)。
藉由使內線圈部位於外線圈部內而成之雙重線圈的屈曲構造體，謀求動作的順暢化，並實現謀求屈曲動作的穩定化且簡化構造的目的。
屈曲構造體(1)可相對於軸方向屈曲，且具備：外線圈部(3)，由在軸方向具有複數個卷部(3b)之線圈狀的線材(3a)組成；以及內線圈部(5)，由在軸方向具有複數個卷部(5b)之線圈狀的線材(5a)組成，且位於外線圈部(3)內。
另外，屈曲意指使屈曲構造體(1)的軸心(O)彎曲或屈曲。
外線圈部(3)具有使在軸方向相鄰之卷部(3b)間分開的複數個間隙(3c)，而於內線圈部(5)中，卷部(5b)設置為對應於外線圈部(3)的間隙(3c)，且接觸外線圈部(3)之相鄰的卷部(3b)，並嵌合於該等卷部(3b)之間。
外線圈部(3)可於在軸方向相鄰的各卷部(3b)之間具有間隙(3c)，但亦可為僅在軸方向的一部分具有間隙(3c)的構成。
於屈曲構造體(1)，將自由狀態下之外線圈部(3)的間隙(3c)的軸方向的尺寸設為P，將外線圈部(3)的圈數設為N，將外線圈部(3)的直徑設為R，將內線圈部(5)的線材(5a)的線徑設為d時，尺寸P設定在滿足πR/4N≦P<d-πR/4N的範圍。
自由狀態係指屈曲構造體(1)未屈曲的狀態，並指直線形或弧形的基本姿態。
外線圈部(3)及內線圈部(5)的線材(3a)和(5a)的剖面形狀可採用具有圓形或橢圓等線徑之適當的形狀。然而，外線圈部(3)的線材(3a)較佳為如同圓形、半圓形、半圓與半橢圓的組合等，至少線圈狀的徑方向的內側的剖面形狀為圓弧狀。內線圈部(5)之線材(5a)的剖面形狀亦相同。然而，在內線圈部(5)的情形下，較佳為至少將線圈狀的徑方向的外側的剖面形狀設成圓弧狀。
在此情況中，屈曲構造體(1)於90度屈曲時，位於屈曲部分之外線圈部(3)的卷部(3b)與接觸此卷部(3b)之內線圈部(5)的卷部(5b)間的接觸角度(θ)較佳為30度以上。接觸角度(θ)係接觸之內外線圈部(3、5)的卷部(3b、5b)之間的切線與將屈曲中心(C)和外線圈部(3)的卷部(3b)的中心(c)間連結的線之間的角度。
90度屈曲時，係指屈曲構造體(1)的屈曲部分(彎曲部分)的中心角為90度。又，屈曲中心(C)係指屈曲部分的曲率中心。又，卷部(3b)的中心(c)係指卷部(3b)在與軸方向交叉的方向上的剖面中心。接觸角度(θ)的上限係外線圈部(3)的間隙(3c)的軸方向的尺寸滿足上述範圍的極限。
又，自由狀態下之外線圈部(3)的線材(3a)與內線圈部(5)的線材(5a)在軸方向的重疊量較佳為：將此重疊量設為a，將外線圈部(3)的線材(3a)的線徑設為D時，設定在滿足a≦0.3D的範圍。
該重疊量的下限係外線圈部(3)之間隙(3c)的軸方向的尺寸滿足上述範圍的極限。
應用屈曲構造體(1)的關節功能部(11)可為具備基部(17)及相對於此基部(17)位移的可動部(19)的構成。此時，屈曲構造體(1)設置在基部(17)與可動部(19)之間，並因應可動部(19)相對於基部(17)的位移而屈曲。
[實施例1] [屈曲構造體的構造]
圖1係表示本發明實施例1之屈曲構造體的剖面圖，圖2係表示其局部的放大圖。
屈曲構造體1係例如應用於工業用或醫療用的機器人、機械手臂或致動機構等的關節功能部。
本實施例的屈曲構造體1係可相對於軸方向屈曲自在的雙重線圈，且具備外線圈部3及內線圈部5。
外線圈部3為線圈彈簧，由在軸方向具有複數個卷部3b之線圈狀的線材3a組成。另外，卷部3b意指構成線圈形狀的一個旋圈；卷部3b的數量意指圈數N(內線圈部5亦相同)。本實施例的外線圈部3為線圈彈簧，藉此具有可相對於線圈狀的軸方向彎曲及復原的彈性。
線材3a的材質可為金屬或樹脂等。於本實施例中，線材3a的剖面形狀成為圓形。
外線圈部3的直徑R從軸方向的一端至另一端為不變。然而，亦可使此外線圈部3的直徑R在軸方向改變。另，直徑R於本實施例中為外線圈部3的線圈狀的中心徑，但亦可為線圈狀的外徑或內徑。
外線圈部3具有使在軸方向相鄰之卷部3b間在軸方向分開的複數個間隙(間距)3c。本實施例的間隙3c形成於在軸方向相鄰的各卷部3b間，所有間隙3c皆具有相同的軸方向的尺寸P。然而，間隙3c亦可僅設置於軸方向的一部分的卷部3b間。又，亦可使間隙3c的軸方向的尺寸P改變。
外線圈部3的自由狀態下之間隙3c的軸方向的尺寸P，係以與外線圈部3的圈數N、外線圈部3的直徑R、內線圈部5之線材5a的線徑d的關係，設定在滿足πR/4N≦P<d-πR/4N的範圍。尺寸P的設定，可藉由外線圈部3的直徑R、線材3a的線徑D、後述內線圈部5的直徑r及線材5a的線徑d進行。
內線圈部5和外線圈部3同樣地係由在軸方向具有複數個卷部5b之線圈狀的線材5a組成的線圈彈簧。因而，內線圈部5具有可與外線圈部3一同相對於線圈狀的軸方向彎曲及復原的彈性。
內線圈部5可使線材5a的材質為金屬或樹脂，線材5a的剖面形狀為圓形。
此內線圈部5呈同心圓狀地位於外線圈部3的內側，並螺合於外線圈部3內。藉由此螺合，內線圈部5的卷部5b位於外線圈部3之各個相鄰的卷部3b之間。因而，內線圈部5成為以下構成：卷部5b設置為對應於外線圈部3的間隙3c。
又，內線圈部5的卷部5b藉由直徑r及線材5a的線徑d的設定，而接觸外線圈部3之相鄰的卷部3b，並嵌合於該等卷部3b之間。另，直徑r係內線圈部5的線圈狀的中心徑，但亦可因應外線圈部3的直徑R而為線圈狀的外徑或內徑。
藉由該嵌合，外線圈部3的線材3a與內線圈部5的線材5a在軸方向局部地重疊。此軸方向的重疊量a為：相對於外線圈部3的線材3a的線徑D，設定在滿足a≦0.3D的範圍。
另，內線圈部5的直徑r從軸方向的一端至另一端為不變。然而，亦可使內線圈部5的直徑r因應外線圈部3的直徑R而在軸方向改變等。
又，線材5a的線徑d與外線圈部3的線材3a的線徑D相同。然而，線材5a的線徑d亦可形成為大於或小於外線圈部3的線材3a的線徑D。
內線圈部5具有使相鄰之卷部5b間在軸方向分開的複數個間隙(間距)5c。間隙5c因應與外線圈部3的螺合而形成於各個相鄰的卷部5b之間，所有間隙5c具有相同的軸方向的尺寸。然而，間隙5c與外線圈部3的情形相同， 亦可僅設置在軸方向的一部分的卷部5b間，或使軸方向的尺寸不同。
另，在內線圈部5不位於外線圈部3內之單獨自由狀態下，外線圈部3及內線圈部5除了為在各個相鄰的卷部3b相互之間和卷部5b相互之間具有間隙3c、5c的構成以外，亦可為在單獨自由狀態下相鄰的卷部3b相互之間和卷部5b相互之間密接的構成(密接彈簧)。再者，也可僅使外線圈部3及內線圈部5的一者為密接彈簧。
外線圈部3及內線圈部5的一者或兩者在單獨自由狀態下為密接彈簧時，藉由螺合內線圈部5與外線圈部3而使密接的卷部3b相互之間和卷部5b相互之間分開，來形成外線圈部3的間隙3c及內線圈部5的間隙5c的一者或兩者。此時，可對雙重線圈的屈曲構造體1施加初張力。
[屈曲構造體的動作]
圖3(A)係表示圖1之屈曲構造體1的屈曲狀態的剖面圖，圖3(B)係表示該屈曲的內側及外側的長度的剖面圖。圖4(A)係圖3之屈曲的外側的放大圖，圖4(B)係該屈曲的內側的放大圖。
如圖1和圖2所示，屈曲構造體1在軸心O未屈曲的直線狀時，內線圈部5的卷部5b接觸外線圈部3之相鄰的卷部3b，並嵌合於其等相鄰的卷部3b間。
因此，屈曲構造體1即便作用有軸方向的壓縮力，內線圈部5的卷部5b及外線圈部3的卷部3b會分別限制外線圈部3的間隙3c及內線圈部5的間隙5c因壓縮而變小，可抑制整體的壓縮。
因而，屈曲構造體1可抑制本身的壓縮。此結果，可將軸心O上的長度L保持為不變，抑制對於插通內部之構件的干涉。
如圖3(A)~圖4(B)所示，當屈曲構造體1的軸心O屈曲時，在屈曲的內側外線圈部3的間隙3c變小，在屈曲的外側外線圈部3的間隙3c變大。
此時，藉由內線圈部5往徑方向的外側位移，屈曲構造體1可順暢地進行屈曲。尤其在本實施例中，可順暢地進行使屈曲角度屈曲直至成為90度並復原之際的一連串動作。若為未滿90度的屈曲角度，則同樣地可順暢地進行動作。
亦即，在屈曲構造體1的屈曲的內側，外線圈部3的間隙3c會變小，藉此將內線圈部5的各卷部5b往屈曲半徑方向擠出。在本實施例中，屈曲半 徑方向係沿著屈曲構造體1的曲率半徑的方向。
藉由外線圈部3的徑方向內側的剖面形狀為圓弧狀，而內外線圈部3、5的卷部3b和5b間的自由狀態下的接觸角度(自由時接觸角度)α變大，可容易地進行此擠出。另外，自由時接觸角度α係指外線圈部3的卷部3b與在軸方向兩側接觸之內線圈部5的卷部5b的接觸部分的切線間的角度(參考圖2)。
因應卷部5b的擠出，內線圈部5的整體往屈曲徑方向的外側位移，而此位移容許內線圈部5的各卷部5b進入至外線圈部3之變大的間隙3c之中。
因而，屈曲構造體1為可限制軸方向的壓縮的構成，且不阻礙可撓性。結果而言，屈曲構造體1可謀求屈曲動作的穩定化。
又，在屈曲構造體1屈曲時，如上所述，在屈曲的內側外線圈部3的間隙3c變小，在屈曲的外側外線圈部3的間隙3c變大，故在軸心O上間隙3c的大小相較於直線狀時無變化。
因而，屈曲構造體1不僅在直線狀時、在屈曲時亦可將軸心O上的長度L保持為不變，抑制對於插通內部之構件的干涉。
又，在本實施例中，在屈曲構造體1從彎曲狀態返回直線狀狀態的情形下，可藉由外線圈部3及內線圈部5的復原力而順暢地動作。
如此一來，在屈曲直至90度並復原之際，藉由外線圈部3的間隙3c的尺寸P的設定，而能夠在內線圈部5不卡在外線圈部3的狀況下，使屈曲構造體1順暢地動作。
為了使內線圈部5不卡在外線圈部3，必須在屈曲的外側使內線圈部5的卷部5b和外線圈部3的卷部3b於軸方向不一致。此係為了在屈曲構造體1從屈曲狀態復原之際，可藉由外線圈部3的卷部3b將內線圈部5的卷部5b確實地往原本的位置推回。
因而，於90度屈曲時之屈曲的外側中，外線圈部3的間隙3c的尺寸Po必須小於內線圈部5的線材5a的線徑d(Po<d)。另外，在內線圈部5的線材5a的剖面形狀為橢圓的情形下，將沿著軸心O的短徑或長徑設為d即可。
尺寸Po相當於將外線圈部3的在屈曲的外側之軸方向長度的伸長量(Lo-L)除以圈數N再加上尺寸P的值。L為90度屈曲時在軸心O上的外線圈部3之軸方向的長度；Lo為該屈曲的外側的長度；可由Lo=2π(2L/π+R/2)(1/4)=L+πR/4表示。
如此一來，尺寸Po可由Po=P+(πR/4)(1/N)表示。因而，在屈曲的外側使內線圈部5不卡在外線圈部3的條件下，可由P+(πR/4N)<d表示。藉由此式，尺寸P的上限為P<d-(πR/4N)。
另一方面，在90度屈曲時之屈曲的內側，為了不使內線圈部5卡在外線圈部3，尺寸Pi為0以上即可(Pi≧0)。尺寸Pi相當於將外線圈部3的在屈曲之內側的軸方向長度的壓縮量(Li-L)除以圈數N再加上尺寸P的值。
Li係90度屈曲時在屈曲之內側的外線圈部3的軸方向的長度，可由Li=2π(2L/π-R/2)(1/4)=L-πR/4表示。
如此一來，尺寸Pi可由Pi=P-(πR/4)(1/N)表示。因而，在屈曲的內側使內線圈部5不卡在外線圈部3的條件下，可由P-(πR/4N)≧0表示。藉由此式，尺寸P的下限為P≧πR/4N。
因而，用以使內線圈部5不卡在外線圈部3的尺寸P係πR/4N≦P<d-(πR/4N)，故藉由該尺寸P的設定，本實施例的屈曲構造體1成為在屈曲直至90度並復原之際可進行順暢之動作。
藉由至少外線圈部3的線圈狀的徑方向之內側的剖面形狀為圓弧狀，於屈曲構造體1之屈曲時而內線圈部5位移時，即便不將外線圈部3的卷部3b在軸方向大型化，仍可抑制內線圈部5從外線圈部3脫落。
在屈曲構造體1屈曲90度的狀態下，位於屈曲部分之外線圈部3的卷部3b與接觸該卷部3b之內線圈部5的卷部5b間的接觸角度(屈曲時接觸角度)θ成為30度以上。
另外，屈曲時接觸角度θ係接觸之內外線圈部3、5的卷部3b、5b之間的切線與將屈曲中心C及外線圈部3的卷部3b的中心c間連結的線之間的角度。
藉由該屈曲時之接觸角度θ，在屈曲構造體1從屈曲狀態復原之際，在屈曲的外側可藉由外線圈部3的卷部3b確實地推壓內線圈部5的卷部5b。
且在本實施例中，將外線圈部3的線材3a與內線圈部5的線材5a在軸方向的重疊量a，設定在滿足a≦0.3D的範圍，並確實地將上述屈曲時接觸角度θ設為30度以上，以確保屈曲構造體1的順暢的動作。
[實施例1的效果]
如以上說明，本實施例的屈曲構造體1可相對於軸方向屈曲，且具備：外線 圈部3，由在軸方向具有複數個卷部3b之線圈狀的線材3a組成；以及內線圈部5，由在軸方向具有複數個卷部5b之線圈狀的線材5a組成，且位於外線圈部3內。
因而，使內線圈部5位於外線圈部3內而構成屈曲構造體1，藉此可簡化構造。
外線圈部3具有使在軸方向相鄰之卷部3b間分開的複數個間隙3c；於內線圈部5中，卷部5b設置為對應於外線圈部3的間隙3c，且接觸外線圈部3之相鄰的卷部3b，並嵌合於該等卷部3b之間。
又，屈曲構造體1中即便作用有軸方向的壓縮力，內線圈部5的卷部5b及外線圈部3b的卷部3b會限制外線圈部3的間隙3c和內線圈部5的間隙5c被壓縮，可抑制整體的壓縮。
又，在屈曲構造體1的屈曲時，於屈曲的內側外線圈部3的間隙3c變小且使內線圈部5往屈曲的外側位移，於屈曲的外側外線圈部3的間隙變大而容許內線圈部5的位移，藉此即便確保軸方向的剛性，仍可確保足夠的可撓性。
結果而言，屈曲構造體1成為可謀求屈曲動作的穩定化並簡化構造，故可確保機器人、機械手臂或致動機構等具有關節功能部之機器的動作的穩定性。
然後，將外線圈部3的間隙3c之軸方向的尺寸設為P，將外線圈部3的圈數設為N，將外線圈部3的直徑設為R，將內線圈部5的線材5a的線徑設為d時，尺寸P設定在滿足πR/4N≦P<d-πR4N的範圍。
因而，在本實施例中，藉由外線圈部3的間隙3c的尺寸P的設定，在屈曲直至90度並復原之際，能夠在內線圈部5不卡在外線圈3的的狀況下順暢地動作。
又，在本實施例中，於彎曲狀態與直線狀狀態之間，藉由外線圈部3及內線圈部5的彈性而可使屈曲構造體1重複順暢地動作。
再者，本實施例的屈曲構造體1藉由外線圈部3及內線圈部5的徑方向的復原力，而可抑制因作用在徑方向之外力所產生的壓扁或變形，以保護插通內部的構件。
又，本實施例的屈曲構造體1，係在屈曲的內側外線圈部3的間隙3c變小，在屈曲的外側外線圈部3的間隙3c變大，故外線圈部3的軸心O中的長度相較於直線狀時無變化，可抑制對於插通內部之構件的干涉。
本實施例的外線圈部3係至少線圈狀之徑方向的內側的剖面形狀為圓弧狀，故可增大內外線圈部3、5之卷部3b和5b間的自由時接觸角度α，而容易地進行彎曲時之內線圈部5的位移。
且藉由至少外線圈部3之線材3a的線圈狀的徑方向的內側的剖面形狀為圓弧狀，在內線圈部5位移時，能夠在不將外線圈部3的卷部3b在軸方向大型化的狀況下，抑制內線圈部5從外線圈部3脫落。
在本實施例中，藉由至少內線圈部5之線材5a的線圈狀的徑方向外側的剖面形狀為圓弧狀，而可確實地將內外線圈部3、5的卷部3b和5b間的自由時接觸角度α增大。
又，本實施例的屈曲構造體1於90度屈曲時，在位於屈曲部分之外線圈部3的卷部3b與接觸此卷部3b之內線圈部5的卷部5b之間的屈曲時的接觸角度θ為30度以上。
因而，在本實施例中，可在屈曲的外側藉由外線圈部3的卷部3b確實地將內線圈部5的卷部5b推回，可使屈曲構造體1更順暢地動作。
又，在本實施例中，外線圈部3的線材3a與內線圈部5的線材5a在軸方向的重疊量a，係相對於外線圈部3的線材3a的線徑D而設定在滿足a≦0.3D的範圍。
藉此，在本實施例中，可確實地將屈曲時的接觸角度θ設為30度以上，確保屈曲構造體1之順暢的動作。
[實施例2]
圖5係本發明的實施例2，具備應用屈曲構造體之關節功能部的機械手臂的立體圖。圖6係圖5之機械手臂的剖面圖。另外，在實施例2中，對於與實施例1對應之構成給予相同符號並省略重複的說明。
本實施例係使用實施例1的屈曲構造體1而構成機械手臂7的關節功能部11者。
另，機械手臂7係具有關節功能部之機器的一例。亦即，作為具有關節功能部的機器，只要為具有進行屈曲動作之關節功能部者，則可為各種領域的機器人、機械手臂或致動機構等。此外，為醫療用機械手臂的情形下，除了包含安裝於手術機器人的鉗子以外，亦包含未安裝於手術機器人的內視鏡攝影機及手動鉗子等。
本實施例的機械手臂7係由軸9、關節功能部11及末端作用器13構成。
軸9例如形成為圓筒形狀。驅動引線15及可撓構件20通過軸9內，所述驅動引線15用於驅動關節功能部11，可撓構件20由用於驅動末端作用器13的推拉索組成。於軸9的前端側，隔著關節功能部11設置末端作用器13。
關節功能部11具備：基部17、可動部19、可撓導管21、以及屈曲構造體1。
基部17係由樹脂或金屬等所形成的圓柱體，並安裝於軸9的前端。在基部17，藉由貫通孔17a將驅動引線15插通軸方向，並藉由軸心部的插通孔17b將可撓構件20插通。
可動部19係由樹脂或金屬等所形成的圓柱體，並安裝於末端作用器13。驅動引線15的前端部固定於可動部19。因此，藉由驅動引線15的操作，可動部19相對於基部17位移，使末端作用器13指向期望的方向。於可動部19的軸心部設置有插通孔19b，並將可撓構件20插通。
可撓導管21夾設於基部17與可動部19之間，並因應可動部19相對於基部17的位移而屈曲。可撓導管21使驅動引線15及屈曲構造體1在軸方向通過。
本實施例的可撓導管21係以由剖面波浪形的管體形成的伸縮管構成。然而，可撓導管21亦可使用線圈彈簧、筒體等，只要呈具有可撓性的管狀，則無特別限定。
屈曲構造體1與實施例1為相同構成。此屈曲構造體1配置為沿著可撓導管21的軸心部，並設置在基部17與可動部19之間。
屈曲構造體1在可撓構件20插通內部的狀態下，將兩端分別安裝於基部17及可動部19的插通孔17b和19b。藉此，屈曲構造體1相對於基部17以不可沿著軸方向移動的方式支撐可動部19，致使因應可動部19相對於基部17的位移而與可撓構件20一同屈曲。
可撓構件20以可沿著軸方向移動的方式插通屈曲構造體1，限制內外線圈部3、5往徑方向的偏移。與此相應，屈曲構造體1亦具有將可撓構件20往軸方向引導的功能。
本實施例的末端作用器13係醫療用的鉗子，並相對於關節功能部 11的可動部19以可開閉的方式軸支撐一對握持部13a。此末端作用器13連接貫通關節功能部11的可撓構件20，構成為藉由可撓構件20的軸方向移動(進退動作)而使握持部13a開閉。
另，末端作用器13亦可為鉗子以外的器具，例如剪刀、握持型牽開器、及持針器等。又，末端作用器13不限於醫療用，亦可為工業用。
在該構成的機械手臂7中，醫師等操作者使可撓構件20進退，藉此可使末端作用器13的握持部13a進行開閉動作。
又，藉由操作者拉動任何一條或複數條驅動引線15，關節功能部11會屈曲，並可使末端作用器13相對於軸9指向期望的方向。在此狀態下，只要使可撓構件20進退，則可使末端作用器13的握持部13a進行開閉動作。
由於可撓構件20通過屈曲構造體1的軸心O上，故可撓構件20因應軸心O上之屈曲構造體1的長度L的移動量為不變，而可穩定並正確地進行該開閉動作。
其他，在本實施例中，可達到與實施例1同樣的作用效果。
1:屈曲構造體
3:外線圈部
3a:線材
3b:卷部
3c:間隙
5:內線圈部
5a:線材
5b:卷部
5c:間隙
N:圈數
O:軸心
R:外線圈部的直徑
r:內線圈部的直徑

Claims (5)

  1. 一種屈曲構造體，係可相對於軸方向屈曲，具備：外線圈部，由在前述軸方向具有複數個卷部之線圈狀的線材組成；以及內線圈部，由在前述軸方向具有複數個卷部之線圈狀的線材組成，且位於前述外線圈部內；其中，前述外線圈部具有使在前述軸方向相鄰的卷部間分開的複數個間隙，於前述內線圈部中，前述卷部設置為對應於前述外線圈部的前述間隙，且接觸前述外線圈部的前述相鄰的卷部，並嵌合於該等卷部之間，將自由狀態下之前述外線圈部的前述間隙的軸方向的尺寸設為P，將前述外線圈部的圈數設為N，將前述外線圈部的直徑設為R，將前述內線圈部的線材的線徑設為d時，前述尺寸P設定在滿足πR/4N≦P<d-πR/4N的範圍。
  2. 如請求項1之屈曲構造體，其中，前述外線圈部的線材的剖面形狀中，至少前述外線圈部的徑方向的內側的剖面形狀為圓弧狀，前述內線圈部的線材的剖面形狀中，至少前述內線圈部的徑方向的外側的剖面形狀為圓弧狀。
  3. 如請求項2之屈曲構造體，其中，於90度屈曲時，位於屈曲部分之前述外線圈部的卷部與接觸該卷部之前述內線圈部的卷部間的接觸角度為30度以上，前述接觸角度係前述接觸之前述內外線圈部的卷部間的切線與將屈曲中心和前述外線圈部的卷部的中心間連結的線之間的角度。
  4. 如請求項3之屈曲構造體，其中，前述自由狀態下之前述外線圈部的線材與前述內線圈部的線材在前述軸方向的重疊量為：將該重疊量設為a，將前述外線圈部的線材的線徑為D時，設定在滿足a≦0.3D的範圍。
  5. 一種關節功能部，係應用如請求項1至請求項4中任一項之屈曲構造體，其中，前述關節功能部具備基部及相對於該基部位移的可動部， 前述屈曲構造體設置在前述基部與可動部之間，並因應前述可動部相對於前述基部的位移而屈曲。
TW110102880A 2020-02-13 2021-01-26 屈曲構造體及關節功能部 TWI756035B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020-022901 2020-02-13
JP2020022901A JP6913775B1 (ja) 2020-02-13 2020-02-13 屈曲構造体及び関節機能部

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202130327A TW202130327A (zh) 2021-08-16
TWI756035B true TWI756035B (zh) 2022-02-21

Family

ID=77057450

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110102880A TWI756035B (zh) 2020-02-13 2021-01-26 屈曲構造體及關節功能部

Country Status (6)

Country Link
US (1) US12459139B2 (zh)
EP (1) EP4104983B1 (zh)
JP (1) JP6913775B1 (zh)
CN (1) CN115103742B (zh)
TW (1) TWI756035B (zh)
WO (1) WO2021162089A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7641870B2 (ja) * 2021-09-29 2025-03-07 日本発條株式会社 引張ばね
JP7741706B2 (ja) * 2021-11-26 2025-09-18 日本発條株式会社 屈曲構造体及びその半製品
WO2024089879A1 (ja) * 2022-10-28 2024-05-02 日本発條株式会社 引張ばね

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5279947U (zh) * 1975-12-12 1977-06-15
JPH07265323A (ja) * 1993-12-06 1995-10-17 Ethicon Inc 手術用留め具及びステープル装置
JP2008178656A (ja) * 2006-12-28 2008-08-07 Terumo Corp ガイドワイヤ
TW201424958A (zh) * 2012-12-24 2014-07-01 Delta Robot Automatic Co Ltd 平面關節型機器人驅動機構及其驅動方法
JP2018193832A (ja) * 2017-05-22 2018-12-06 大成建設株式会社 削孔装置および削孔方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2183100A (en) * 1938-05-02 1939-12-12 Holland Co Spring dampener
EP0613650A3 (en) * 1989-10-13 1995-01-18 Machida Endoscope Co Ltd Bending device.
JPH1170488A (ja) * 1997-08-28 1999-03-16 Fujitsu Ltd 柔軟湾曲駆動モジュール
US8105350B2 (en) 2006-05-23 2012-01-31 Cambridge Endoscopic Devices, Inc. Surgical instrument
US7744545B2 (en) 2006-12-28 2010-06-29 Terumo Kabushiki Kaisha Guide wire
JP4889062B2 (ja) 2010-02-19 2012-02-29 朝日インテック株式会社 ガイドワイヤ
JP5690305B2 (ja) * 2012-06-08 2015-03-25 アイシン精機株式会社 スプリング組立体
JP6165080B2 (ja) * 2014-02-21 2017-07-19 オリンパス株式会社 マニピュレータシステムの初期化方法
JP6177259B2 (ja) * 2015-01-13 2017-08-09 日本ライフライン株式会社 ステントおよびステントグラフト
WO2018100607A1 (ja) * 2016-11-29 2018-06-07 オリンパス株式会社 屈曲機構および医療用マニピュレータ
WO2019073859A1 (ja) 2017-10-12 2019-04-18 日本発條株式会社 医療用マニピュレーターの可撓チューブ及び屈曲構造体
JP7491503B2 (ja) 2018-08-14 2024-05-28 日本発條株式会社 手術支援ロボット用インスツルメント

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5279947U (zh) * 1975-12-12 1977-06-15
JPH07265323A (ja) * 1993-12-06 1995-10-17 Ethicon Inc 手術用留め具及びステープル装置
JP2008178656A (ja) * 2006-12-28 2008-08-07 Terumo Corp ガイドワイヤ
TW201424958A (zh) * 2012-12-24 2014-07-01 Delta Robot Automatic Co Ltd 平面關節型機器人驅動機構及其驅動方法
JP2018193832A (ja) * 2017-05-22 2018-12-06 大成建設株式会社 削孔装置および削孔方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4104983A4 (en) 2023-08-09
JP6913775B1 (ja) 2021-08-04
EP4104983A1 (en) 2022-12-21
WO2021162089A1 (ja) 2021-08-19
US20230339124A1 (en) 2023-10-26
EP4104983B1 (en) 2025-04-16
US12459139B2 (en) 2025-11-04
JP2021126334A (ja) 2021-09-02
CN115103742A (zh) 2022-09-23
TW202130327A (zh) 2021-08-16
CN115103742B (zh) 2025-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7373613B2 (ja) 屈曲構造体及びこれを用いた関節機能部
TWI756035B (zh) 屈曲構造體及關節功能部
JP2024001322A (ja) 可撓チューブ及び屈曲構造体
JP2019034081A (ja) 医療用マニピュレーターの屈曲構造体
WO2019073859A1 (ja) 医療用マニピュレーターの可撓チューブ及び屈曲構造体
US20250195098A1 (en) Bending structure and joint function part
JP7761415B2 (ja) 屈曲構造体
JP7526326B2 (ja) 屈曲構造体
JP7559157B2 (ja) 挿入体用の管部
JP2019034083A (ja) 医療用マニピュレーターの可撓チューブ及び屈曲構造体
WO2019039362A1 (ja) 医療用マニピュレーターの屈曲構造体
JP2019034082A (ja) 医療用マニピュレーターの可撓チューブ及び屈曲構造体
JP2025167880A (ja) ケーブルの進退機構及びこれを用いたエンドエフェクターアッセンブリー
JP2005319083A (ja) 内視鏡用処置具の巻き取りリール及び内視鏡用処置具並びに内視鏡用処置具システム