JP6422148B2 - manipulator - Google Patents
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Description
本発明は、ロボットの関節部等に用いられる異形線コイルばねを用いたマニピュレータに関する。 The present invention relates to a manipulator using a deformed wire coil spring used for a joint portion or the like of a robot.
近年、ロボットやマニピュレータの医療分野への適用拡大が進みつつある。例えば、既に実用化されている腹腔鏡手術に用いられる医療用ロボットの代表例として、米国インテュイティヴ・サージカル社が開発したda Vinci Surgical Systemが知られている（非特許文献１参照）。医療用ロボットによる手術は、外科医がカメラを用いて患部を見ながらマニピュレータを操作することで行われる。このような医療用ロボットによる手術では、腹腔部を切り裂く必要がなく、カメラやマニピュレータなどを通すための５点程度の穴を腹腔部に開けるだけですむため、患者への負担を低減できる。 In recent years, application of robots and manipulators to the medical field has been expanding. For example, as a representative example of a medical robot used for laparoscopic surgery that has already been put into practical use, a da Vinci Surgical System developed by Intuitive Surgical Inc. in the United States is known (see Non-Patent Document 1). Surgery with a medical robot is performed by a surgeon operating a manipulator while looking at an affected area using a camera. In such a surgical operation with a medical robot, it is not necessary to cut the abdominal cavity, and it is only necessary to open about 5 holes in the abdominal cavity for passing a camera, a manipulator, and the like, so the burden on the patient can be reduced.
このようなロボットやマニピュレータには、関節が不可避的に存在する。例えば、特許文献１には、可撓性コイルを関節部として用いた外科用器具が記載されている。一方、関節部分の小型化ができれば、腹腔部に開ける穴を小さくすることができ、患者の精神的、肉体的な負担を軽減できるため、関節部の小型化が望まれている。これに対し、近年、マニピュレータの関節部のコンパクト化、多自由度化を目的とした空気圧駆動による手術ロボット（鉗子マニピュレータ）の開発がなされている（非特許文献２参照）。
Such robots and manipulators inevitably have joints. For example,
非特許文献２で提案されている鉗子マニピュレータは、切削加工によって得られた特殊なバネ部材に、空気圧シリンダに接続されたワイヤが挿通されており、空気圧駆動でバネ部材を屈曲させる。この切削加工によって得られた特殊なバネ部材は、ねじりに強く曲げやすいという性質を有するため、このバネ部材を鉗子マニピュレータに用いることにより、バネ部材の部分がコンパクトで自由度が高い関節部として動作する。
In the forceps manipulator proposed in
ところで、ねじりに強く曲げやすいという性質は、バネ部材の巻線の断面形状を工夫した、いわゆる異形線コイルばねによって実現できる。非特許文献２で用いられる異形線コイルばねは、巻線の断面形状を矩形状にすることで、ねじりに強く曲げやすい性質を得ている。巻線の断面形状を矩形状とする場合、巻線の断面形状の矩形比とその曲げ方向によっては、曲げ剛性が高くなり、通常のコイリング加工ではコイル状に巻くことができない。
By the way, the property of being strong against bending and being easily bent can be realized by a so-called deformed wire coil spring in which the cross-sectional shape of the winding of the spring member is devised. The deformed wire coil spring used in Non-Patent
これに対し、非特許文献２で用いられる異形線コイルばねは切削加工によって形成されており、加工費が高いため、この異形線コイルばねの加工費がロボット全体の製造コストを圧迫してしまうという問題がある。また、上記の医療用ロボットに限らず、コンパクトで多自由度な関節を有するロボットを低コストで実用化することが望まれている。
On the other hand, the deformed wire coil spring used in Non-Patent
そこで、本発明は、ねじりに強く曲げやすい異形線コイルばねを用いたマニピュレータを得ることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to obtain a manipulator using a deformed wire coil spring that is strong against torsion and is easily bent.
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のマニピュレータは、所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、コイルばねの軸方向に所定の圧力で押圧することで、コイルばねの巻線の断面形状がコイルばねの半径方向に長い横長形状となるように塑性加工された異形線コイルばねによって構成された関節部と、関節部の先端側に設けられ、把持動作を行うグリッパーとを備える。 In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a manipulator of the present invention has a coil spring formed by winding a metal wire having a predetermined cross-sectional shape in a cylindrical shape in the axial direction of the coil spring. The joint portion is formed by a deformed wire coil spring plastically processed so that the cross-sectional shape of the winding of the coil spring becomes a horizontally long shape in the radial direction of the coil spring by pressing with the pressure of Provided with a gripper for gripping operation.
本発明では、塑性加工により所望の異形線コイルばねを作製できるため、コストの低減を図ることができる。また、異形線コイルばねは、巻線断面が円形のコイルばねに比較してねじり剛性が大きく、曲げモーメントが小さい。さらに、塑性加工によって得られた異形線コイルばねは、塑性加工されていないコイルばねに比較して弾性変形領域の拡大を図ることができる。 In the present invention, since a desired deformed wire coil spring can be produced by plastic working, the cost can be reduced. The deformed wire coil spring has a large torsional rigidity and a small bending moment as compared with a coil spring having a circular winding cross section. Further, the deformed wire coil spring obtained by plastic working can expand the elastic deformation region as compared with a coil spring not subjected to plastic working.
本発明によれば、マニピュレータの低コスト化及び小型化を図ることができる。
According to the present invention, the cost and size of the manipulator can be reduced.
以下、本発明の実施形態に係る異形線コイルばね、異形線コイルばねの製造方法、並びに、マニピュレータの一例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。 Hereinafter, an example of a deformed wire coil spring, a method of manufacturing a deformed wire coil spring, and a manipulator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following examples.
〈１．第１の実施形態：異形線コイルばね〉
［１−１．異形線コイルばね、及び、異形線コイルばねの製造方法］
図１は、本実施形態の異形線コイルばねの概略構成図（一部断面図で示す）である。本実施形態の異形線コイルばね１は、後述する医療用ロボットにおけるマニピュレータ（図２０Ａ参照）の関節部に好適に適用されるコイルばねである。
<1. First Embodiment: Deformed Wire Coil Spring>
[1-1. Modified wire coil spring and method of manufacturing deformed wire coil spring]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram (partially shown in a sectional view) of a deformed wire coil spring of the present embodiment. The deformed
図１に示すように、本実施形態の異形線コイルばね１は、金属線材を円筒状に巻回して形成された巻線で構成され、巻線の断面形状はその異形線コイルばね１の半径方向に長い横長形状（本実施形態では矩形状）である。すなわち、図１に示すように、本実施形態１の異形線コイルばね１の巻線断面は、その横幅ａが縦幅ｂよりも大きい。なお、本実施形態では、異形線コイルばね１の半径方向（以下、コイル半径方向）における巻線断面の幅を「横幅」、異形線コイルばね１の軸方向（以下、コイル軸方向）における巻線断面の幅を「縦幅」と記す。また、後述するが、本実施形態の異形線コイルばね１は、所定の断面形状を有する金属線材を円筒状に巻回して形成されたコイルばねを、コイル軸方向に所定の圧力で押圧することで塑性加工されている。
As shown in FIG. 1, the deformed
本実施形態の異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに適用する場合には、異形線コイルばね１の材料として、生体内で安全に使用ができる材料を用いるのが好ましい。生体内で安全に使用ができる材料としては、ステンレス綱、チタン又はチタン合金を用いることができる。その他、本実施形態の異形線コイルばね１の材料としては、アルミニウムやアルミニウム合金などの軽金属を用いることができる。これらの軽金属で形成された異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに適用する場合においては、異形線コイルばね１を樹脂で覆って用いることで、生体内で安全に使用が可能である。
When the deformed
また、本実施形態の異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに用いる場合、生体内で用いられるため、異形線コイルばね１の外径は小さければ小さいほど生体への影響を低減できるというメリットがある。しかしながら、後述するマニピュレータの関節部として本実施形態の異形線コイルばね１を用いた場合、関節部の屈曲可動域を確保しつつ、先端に設けられたグリッパーを支持して動作させることができる強度（剛性）が必要である。すなわち、医療用ロボットのマニピュレータの関節部として異形線コイルばね１を用いる場合には、外径が小さく、かつ、ねじりに強く曲げやすいという特性が必要である。
Further, when the deformed
コイル半径方向に長い横長形状の巻線断面を有する異形線コイルばねを通常のコイリング加工で作製する場合、その曲げ剛性が大きく、外径の小型化が難しい。すなわち、通常のコイリング加工では、外径がより小さく、かつ、ねじりに強く曲げやすい特性を有する巻線断面が横長形状（矩形状）の異形線コイルばねを作製するのは難しい。 When a deformed wire coil spring having a horizontally long winding cross section that is long in the coil radial direction is manufactured by a normal coiling process, its bending rigidity is large and it is difficult to reduce the outer diameter. In other words, in ordinary coiling processing, it is difficult to produce a deformed wire coil spring having a laterally long (rectangular) winding cross section having a smaller outer diameter and a characteristic that is strong against torsion and is easily bent.
一方、巻線断面がコイル半径方向に長い横長形状の異形線コイルばねを作製する方法として切削加工が上げられるが、切削加工はコストが高い。これに対し、本実施形態の異形線コイルばね１は、所定の断面形状の巻線で構成されたコイルばねを、そのコイル軸方向に圧縮することで作製することができる。以下、本実施形態の異形線コイルばね１の製造方法について説明する。
On the other hand, cutting can be raised as a method of producing a horizontally long deformed wire coil spring whose winding cross section is long in the radial direction of the coil, but cutting is expensive. On the other hand, the deformed
図２に、本実施形態の異形線コイルばねの製造治具の概略構成を示す（一部断面図で示す）。本実施形態の異形線コイルの製造治具１０は、図２に示すように、内部に所望のコイルばね２０が設置される容器１３を固定する台１１と、コイルばね２０に当接してコイルばね２０をそのコイル軸方向に押圧する押圧部１２とで構成されている。
FIG. 2 shows a schematic configuration of a manufacturing jig for a deformed wire coil spring of the present embodiment (partially shown in a sectional view). As shown in FIG. 2, the deformed wire
台１１は、耐摩耗性と強度に優れた合金で形成され、本実施形態では、ＳＫＤ１１（ＪＩＳ規格）を用いて形成されている。台１１は、容器１３が載置される側の面に水平面を有する平板状の部材で構成されている。
The table 11 is formed of an alloy having excellent wear resistance and strength. In the present embodiment, the table 11 is formed using SKD11 (JIS standard). The
容器１３は、炭素鋼鋼材で形成され、本実施形態では、Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格）を用いて形成されている。容器１３は、コイルばね２０が設置される孔１３ａを有する円筒形状の部材で構成されており、コイル軸方向の一方の端面は事前に研削加工により平坦化され台１１の上に置かれている。この容器１３の内径（すなわち、孔１３ａの直径）は、異形線コイルばね１のもとになるコイルばね２０の外径よりも大きく形成されており、最終的に得られる異形線コイルばね１の外径とほぼ同じに形成されている。
The
押圧部１２は、押圧軸１２ａと、押圧部本体１２ｂとで構成されている。押圧軸１２ａは、容器１３の孔１３ａに挿入されながら、容器１３の孔１３ａに設置されたコイルばね２０を押圧する棒状の部材である。押圧軸１２ａは、耐摩耗性と強度に優れた超硬合金で形成されている。また、押圧軸１２ａは容器１３の孔１３ａに挿入可能な円柱状の部材で構成されている。押圧部本体１２ｂは、押圧軸１２ａの上部に設けられ、外部からの押圧力を受けると共に押圧軸１２ａにその押圧力を伝達する。押圧部本体１２ｂは、台１１と同様、耐摩耗性と強度に優れた合金で形成され、本実施形態では、ＳＫＤ１１（ＪＩＳ規格）を用いて形成されている。また、押圧部本体１２ｂは、押圧軸１２ａの外径よりも十分に大きい外径を有する円板状の部材で構成され、押圧軸１２ａ側の面が押圧軸１２ａに接合されている。
The
以上の構成を有する製造治具１０において、容器１３の孔１３ａ内にコイルばね２０をそのコイル軸方向が容器１３の軸方向と平行になるように挿入する。そして、押圧部１２の押圧軸１２ａを孔１３ａに挿入し、外部から押圧部本体１２ｂに圧縮加重を印加することで容器１３の孔１３ａ内に設置されたコイルばね２０をコイル軸方向に圧縮し、巻線断面の形状がコイル半径方向に長い横長形状になるように塑性加工する。これにより本実施形態の異形線コイルばね１を形成することができる。
In the
以下に、上述した製造治具１０を用いた本実施形態の異形線コイルばね１の製造方法について、より詳細に説明する。まず、通常のコイリング加工によって作製された巻線断面が円形のコイルばね２０を準備する。図３に、本実施形態の異形線コイルばね１の製造に用いられる巻線断面が円形のコイルばね２０の概略構成を示す。本実施形態では、人体への影響が少ないステンレス綱（ＳＵＳ３０４）を用い、外径が１２．５ｍｍ、巻線断面の直径が２．０ｍｍ、コイル軸方向の長さが４０ｍｍのコイルばね２０を準備した。このコイルばね２０は、通常のコイリング加工によって容易に形成可能な形状である。
Below, the manufacturing method of the deformed
次に、このコイルばね２０の巻き始めと巻き終わりの巻線を研磨（いわゆる座面研磨）し、コイルばね２０の両端部が面一状になるように平坦化処理をする。コイルばね２０の巻き始め及び巻き終わりの端部を先端に行くにしたがって徐々に薄くなるように研磨することで、コイルばね２０の両端部を面一状にすることができる。
Next, the winding at the beginning and end of winding of the
次に、両端部に平坦化処理が施されたコイルばね２０をそのコイル軸方向が製造治具１０の台１１の表面に対して垂直になるように容器１３の孔１３ａ内に設置する。このとき、コイルばね２０の両端部には平坦化処理が施されているため、コイルばね２０は、容器１３の孔１３ａ内に安定して載置することができる。
Next, the
次に、押圧軸１２ａをコイルばね２０が設置された孔１３ａ内に挿入し、押圧部本体１２ｂが台１１と平行になるように配置する。そして、図示を省略する圧力印加装置によって、約２０ｔの圧力で押圧部本体１２ｂを押圧し、コイルばね２０をコイル軸方向に圧縮した。なお、本実施形態では、圧力印加装置としてアムスラー型油圧万能試験機ＵＨ−１００ｋＮＡを用いた。本実施形態では、コイルばね２０の押圧軸１２ａに当接する側の端部が平坦化処理されているので、安定してコイル軸方向に圧力を印加することができる。
Next, the pressing
なお、押圧部１２に印加する圧力は、形成したい異形線コイルばね１の巻線断面の縦幅ｂを決定し、その縦幅ｂから異形線コイルばね１のコイル軸方向の長さを算出し、その算出された長さになるようにコイルばね２０を圧縮できる圧力とする。このとき、算出される異形線コイルばね１のコイル軸方向の長さは、隣接する巻線と巻線との間に隙間がないものとして計算する。
The pressure applied to the
そして、押圧部１２によってコイルばね２０に所定の圧力を印加し、コイルばね２０を圧縮した後、コイルばね２０を容器内から取り出す。圧縮後、取り出したコイルばね２０は、隣接する巻線と巻線とが互いに圧着した状態である。このため、巻線のコイル軸方向の縦幅ｂと、隣接する巻線と巻線との隙間が１：１になるように、コイルばね２０を軸方向に引張する。これにより、外径Ｄｏが１３．５ｍｍ、軸方向の長さｗが１９ｍｍ、巻線断面の縦幅ｂが１．０５ｍｍ、その短辺に直交する方向の巻線断面の横幅ａが３．１ｍｍである異形線コイルばね１が完成された。
Then, a predetermined pressure is applied to the
本実施形態の異形線コイルばね１は、図１に示すように、巻線断面はコイル半径方向に長い横長形状（矩形状）であり、巻線断面の横幅ａと縦幅ｂとの比がおよそ２．９５：１である。このように、巻線断面が異形線コイルばね１の半径方向に横長の形状であり、横縦比ａ／ｂが高いと、線材の巻き方向に対する曲げ剛度が高くなる。この結果、その横縦比ａ／ｂが高く、かつ、巻線断面の横幅ａに対して製造したい異形線コイルばね１の外径Ｄｏが小さい場合には、異形線コイルばね１を通常のコイリング加工で製造することができない。本実施形態では、通常のコイリング加工で形成できる断面形状が円形のコイルばね２０をコイル軸方向に圧縮加工（塑性加工）することで、横縦比ａ／ｂの高い巻線断面を有する異形線コイルばね１を製造することができる。
As shown in FIG. 1, the deformed
本実施形態の異形線コイルばね１をマニピュレータの関節部に用いる場合には、必要に応じて、関節部を屈曲駆動するための駆動ワイヤを挿通する貫通孔であって、巻線をコイル軸方向に貫通する貫通孔を放電加工により形成する。巻線の断面形状が円形のコイルばねの場合には、そのコイル軸方向に平行な貫通孔を巻線に形成することが難しい。一方、本実施形態の異形線コイルばね１は、所定のコイルばね２０をコイル軸方向に所定の圧力で圧縮加工（塑性加工）することにより形成されるため、異形線コイルばね１において、隣接する巻線と接する面は平坦になる。これにより、本実施形態の異形線コイルばね１では、巻線をコイル軸方向に貫通する貫通孔を容易に形成することができる。
When the deformed
［１−２．異形線コイルばねの特性］
以下、本実施形態で製造される異形線コイルばね１の特性について説明する。まず、本実施形態の製造方法である塑性加工による加工硬化の影響を見積もるため、巻線断面が円形であるコイルばねを簡略化したモデルとして２次元ｙ軸対称のドーナツ型のモデルを作製し、このモデルによって塑性加工を再現した。このモデルに塑性加工を施した場合の解析結果により、塑性加工されたモデルでは、最大で相当塑性ひずみεｐ＝１．０が生じていることがわかった。そこで、塑性加工を考慮するモデルでは、相当塑性ひずみεｐ＝１．０が生じているとして解析を行った。
[1-2. Characteristics of deformed wire coil spring]
Hereinafter, the characteristic of the deformed
本実施形態の異形線コイルばねの製造方法で製造した異形線コイルばね１の特性を有限要素法（Finite Element Method:ＦＥＭ）及び実験により調査した。ＦＥＭによる解析では、実施例、比較例１、比較例２のコイルばねを用いて解析した。実施例のコイルばねは、本実施形態の製造方法で形成される（すなわち、塑性加工で得られる）巻線断面が矩形状の異形線コイルばねである。比較例１のコイルばねは、例えば、切削加工などによって形成される（すなわち、塑性加工することなく得られる）巻線断面が矩形状の異形線コイルばねである。比較例２のコイルばねは、巻線断面が円形（中実円）のコイルばねである。実施例及び比較例１の異形線コイルばねの巻線断面は、コイル軸方向の辺が短辺である矩形状し、その巻線断面の横幅と縦幅との比を２．９５：１とした。なお、実施例、比較例１及び比較例２におけるそれぞれのコイルばねの寸法は以下の通りである。
実施例：外径Ｄｏ＝１３．２ｍｍ、巻線断面の横幅ａ＝２．９５ｍｍ、巻線断面の縦幅ｂ＝１ｍｍ
比較例１：外径Ｄｏ＝１３．２ｍｍ、巻線断面の横幅ａ＝２．９５ｍｍ、巻線断面の縦幅ｂ＝１ｍｍ
比較例２：外径Ｄｏ＝１３．２ｍｍ、巻線断面の直径ｄ＝２ｍｍ
The characteristics of the deformed
Example: Outer diameter Do = 13.2 mm, winding cross section width a = 2.95 mm, winding cross section length b = 1 mm
Comparative Example 1: Outer diameter Do = 13.2 mm, winding cross-section width a = 2.95 mm, winding cross-section length b = 1 mm
Comparative Example 2: Outer diameter Do = 13.2 mm, winding cross section diameter d = 2 mm
また、ＦＥＭでは、モデルとしてそれぞれ３巻き分のコイルばねを作製したが、以下で示す比較結果は固定部を考慮して有効巻数９巻き分に換算したものである。 Moreover, in FEM, the coil spring for 3 turns was produced as a model, respectively, However, The comparison result shown below is converted into 9 effective turns considering the fixed part.
まず、コイルばねのねじり剛性について調査した。ねじり剛性の解析では、実施例、比較例１、比較例２のそれぞれのコイルばねに、コイル軸を軸中心としたねじり負荷を与え、ねじり角度とトルクの関係を求めた。 First, the torsional rigidity of the coil spring was investigated. In the analysis of torsional rigidity, a torsional load about the coil axis was applied to each of the coil springs of Example, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, and the relationship between the torsion angle and torque was obtained.
図４は、実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねのねじり剛性の比較結果である。図４の横軸はねじり角度の角度変位であり、縦軸は、そのねじり角度において発生するトルクである。図４では、傾きが大きいほどねじり剛性が大きいことを示す。実施例や比較例１のように巻線断面が高矩形の矩形状である場合、巻線断面が円形の比較例２に比べてねじり剛性が大きい。また、塑性加工によって加工硬化した実施例の異形線コイルばねは、加工硬化していない比較例１の異形線コイルばねに比べて、弾性限界が角度変位において２倍以上に増加している。 FIG. 4 is a comparison result of the torsional rigidity of the coil spring in the example, comparative example 1 and comparative example 2. The horizontal axis in FIG. 4 is the angular displacement of the twist angle, and the vertical axis is the torque generated at the twist angle. FIG. 4 shows that the torsional rigidity increases as the inclination increases. When the winding cross section is a rectangular shape having a high rectangular shape as in the example and the comparative example 1, the torsional rigidity is larger than that of the comparative example 2 in which the winding cross section is circular. In addition, the deformed wire coil spring of the example that has been work hardened by plastic working has an elastic limit that is more than twice as large in angular displacement as the deformed wire coil spring of Comparative Example 1 that is not work hardened.
図５は、実際に作製した本実施形態の異形線コイルばね１にねじり負荷を与えた様子を示す概略図である。実験では、異形線コイルばね１のねじり試験治具を作製し、実際に得られた異形線コイルばね１にねじり負荷を与えてねじり剛性を調べた。図６は、図３におけるＦＥＭの結果と、実際に作製された本実施形態の異形線コイルばね１のねじり剛性の実験結果を比較した図である。図６に示すように、実験結果も、ＦＥＭの解析で得られた結果（実施例）と同等の性能を得ていることが確認できた。
FIG. 5 is a schematic view showing a state in which a torsional load is applied to the deformed
次に、コイルばねの曲げ特性について調査した。曲げ特性の解析では、実施例、比較例１及び比較例２のそれぞれのコイルばねの巻線端部において、コイル軸方向に荷重を与え、コイル軸の描く円弧の半径を曲げ半径として、荷重と曲げ半径の関係を求めた。 Next, the bending characteristics of the coil spring were investigated. In the analysis of the bending characteristics, a load is applied in the coil axis direction at the winding end of each of the coil springs of Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the radius of the arc drawn by the coil axis is set as the bending radius. The relationship of the bending radius was obtained.
図７は、実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねの曲げ半径［ｍｍ］と荷重［Ｎ］の関係を示す図である。図７の横軸は曲げ半径［ｍｍ］であり、縦軸は荷重［Ｎ］である。実施例及び比較例１の異形線コイルばねは、比較例２のコイルばねに比べて荷重に対する曲げ半径が小さく、曲げモーメントが小さいことがわかる。また、塑性加工によって加工硬化した実施例の異形線コイルばねは、加工硬化していない比較例１の異形線コイルばねに比較して弾性限界が生じる曲げ半径が１／２以下となり、弾性変形領域が拡大している。これにより、実施例におけるコイルばねは、比較例１及び比較例２のコイルばねに比較して「曲げやすくしなやか」であることが確認できる。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the bending radius [mm] and the load [N] of the coil spring in the example, comparative example 1 and comparative example 2. The horizontal axis in FIG. 7 is the bending radius [mm], and the vertical axis is the load [N]. It can be seen that the deformed wire coil spring of Example and Comparative Example 1 has a smaller bending radius with respect to the load and a smaller bending moment than the coil spring of Comparative Example 2. Further, the deformed wire coil spring of the example work-hardened by plastic working has a bending radius that causes an elastic limit to be ½ or less as compared with the deformed wire coil spring of Comparative Example 1 that is not work hardened, and the elastic deformation region Is expanding. Thereby, it can confirm that the coil spring in an Example is "easy to bend and is flexible" compared with the coil spring of the comparative example 1 and the comparative example 2. FIG.
図８に、実際に作製した本実施形態の異形線コイルばね１の曲げ半径を測定した様子を示す。実験では、実際に得られた本実施形態の異形線コイルばね１をコイル軸方向に垂直に立て先端の一点におもりを吊し、コイル軸の描く円弧Ｒ（曲げ半径）を記録して荷重と曲げ半径の関係を求めた。図９は、図７におけるＦＥＭの結果と、実際に作製された本実施形態の異形線コイルばね１の曲げ特性の実験結果を比較した図である。図９に示すように、実験結果も、ＦＥＭの解析で得られた結果（実施例）と同等の性能を得ていることが確認できた。
FIG. 8 shows a state in which the bending radius of the deformed
以上のように、本実施形態の異形線コイルばね１は、曲げ変形における弾性変形領域が拡大するため、９０度曲げるのに必要なバネの最小長が小さくなる。実施例、比較例１及び比較例２におけるコイルばねにおいて９０度曲げるのに必要な最小長は、以下の通りである。
実施例（塑性加工による巻線断面矩形状の異形線コイルばね）：２９ｍｍ
比較例１（塑性加工によらない巻線断面矩形状の異形線コイルばね）：６５ｍｍ
比較例２（巻線断面円形状のコイルばね）：１２９ｍｍ
As described above, the deformed
Example (a deformed wire coil spring having a rectangular winding cross section by plastic working): 29 mm
Comparative example 1 (irregular wire coil spring having a rectangular winding cross section without plastic working): 65 mm
Comparative Example 2 (coil spring having a circular winding cross section): 129 mm
したがって、本実施形態の異形線コイルばね１をマニピュレータの関節部に用いた場合には、異形線コイルばね１の全長を短くすることができ、関節部のコンパクト化を図ることができる。
Therefore, when the deformed
ところで、前述したように、本実施形態の異形線コイルばね１を医療用ロボットのマニピュレータに用いる場合、異形線コイルばね１の小型化が望まれる一方、屈曲可動域を確保しつつ、グリッパーを支持して動作させることが可能な強度が必要である。
By the way, as described above, when the deformed
これらを考慮し、関節部の屈曲可動域を確保しつつ、グリッパーを支持して動作させることができる異形線コイルばね１を構成する巻線の断面形状の好ましい寸法範囲について検討した。以下では、関節部の屈曲可動域を確保しつつ、グリッパーを支持して動作させることが可能な条件として、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］、ねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］を設定した。
Considering these, the preferred dimension range of the cross-sectional shape of the winding wire constituting the deformed
まず、図１に示す巻線断面が矩形状の異形線コイルばね１について、ばね定数２．５［Ｎ／ｍｍ］を一定にした場合の巻線断面の縦幅ｂを求めた。巻線断面の縦幅ｂを求めるために、以下の表１に示す条件を使用したモデルを作製した。
First, for the deformed
表１の異形線コイルばねは、いずれも、図１に示すように巻線の断面形状がコイル半径方向に横長の矩形状（横長形状）であるものとする。また、ここでは、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）と仮定して理論計算を行った（参考文献 ばね 第４版：日本ばね学会 編）。 As shown in FIG. 1, each of the deformed wire coil springs in Table 1 has a winding cross-sectional shape that is horizontally long in the coil radial direction (horizontally long shape). Further, here, theoretical calculation was performed assuming that the ratio of the transverse width a of the winding cross section to the outer diameter Do a / Do = 0.25 (constant) (reference spring 4th edition: edited by the Japanese Society of Spring Science).
図１０Ａはアルミニウムを使用した場合において所定のばね定数を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１０Ｂはアルミニウムを使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］）。また、図１１ＡはＳＵＳ３０４を使用した場合において所定のばね定数を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１１ＢはＳＵＳ３０４を使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］）。図１０Ａ，Ｂ及び図１１Ａ，Ｂにおいて破線はそれぞれ縦幅ｂ又は横縦比ａ／ｂに対する上下各１０％のずれを示している。ばね定数を一定とした場合、巻線断面の横縦比ａ／ｂの適正値は図１０Ｂ及び図１１Ｂに示す破線間である。 FIG. 10A is a diagram showing a longitudinal width b of a winding cross section of a deformed wire coil spring for obtaining a predetermined spring constant when aluminum is used, and FIG. 10B is a diagram of the deformed wire coil spring when aluminum is used. It is the figure which showed the aspect ratio a / b of the coil | winding cross section (spring constant k = 2.5 [N / mm]). FIG. 11A is a diagram showing a longitudinal width b of a winding cross section of a deformed wire coil spring for obtaining a predetermined spring constant when SUS304 is used, and FIG. 11B is a deformed wire coil when SUS304 is used. It is the figure which showed the aspect ratio a / b of the coil | winding cross section of a spring (spring constant k = 2.5 [N / mm]). In FIGS. 10A and 10B and FIGS. 11A and 11B, broken lines indicate 10% deviations in the vertical direction with respect to the vertical width b or the aspect ratio a / b. When the spring constant is constant, the appropriate value of the aspect ratio a / b of the winding cross section is between the broken lines shown in FIGS. 10B and 11B.
図１０Ａ，図１０Ｂ，図１１Ａ，図１１Ｂに示すように、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］を維持するには、外径Ｄｏの減少に伴い、縦幅ｂ及び横縦比ａ／ｂも減少させる必要がある。しかし、後述する「ねじれにくい特性」を維持するためには縦幅ｂの減少は好ましくない。 As shown in FIG. 10A, FIG. 10B, FIG. 11A, and FIG. 11B, in order to maintain the spring constant k = 2.5 [N / mm], as the outer diameter Do decreases, the vertical width b and aspect ratio a It is also necessary to reduce / b. However, in order to maintain the “characteristic that is difficult to twist”, which will be described later, it is not preferable to reduce the vertical width b.
次に、図１に示す巻線断面が矩形状の異形線コイルばね１について、ねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］を一定にした場合の巻線断面の縦幅ｂを求めた。巻線断面の縦幅ｂを求めるために、以下の表２に示す条件を使用したモデルを作製した。
Next, for the deformed
表２における「塑性加工」を用いたモデルは本実施形態の異形線コイルばねのモデルであり、「機械加工」を用いたモデルは、実際に得るのは難しいが従来のコイリング加工や切削加工によって得られる異形線コイルばねのモデルである。表２の異形線コイルばねは、いずれも、図１に示すように、巻線の断面形状がコイル半径方向に横長の矩形状（横長形状）であるものとする。また、ここでは、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）と仮定して理論計算を行った。 The model using “plastic processing” in Table 2 is a model of the deformed wire coil spring of this embodiment, and the model using “machining” is difficult to obtain in practice, but by conventional coiling processing or cutting processing. It is a model of the deformed wire coil spring obtained. As shown in FIG. 1, each of the deformed wire coil springs in Table 2 has a winding cross-sectional shape that is a horizontally long rectangular shape (a horizontally long shape) in the coil radial direction. Here, theoretical calculation was performed on the assumption that the ratio a / Do = 0.25 (constant) between the width a of the winding cross section and the outer diameter Do.
図１２Ａはアルミニウムを使用した場合において所定値以上のねじりトルク強度を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂの範囲を示した図であり、図１２Ｂはアルミニウムを使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂの範囲を示した図である（ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］）。また、図１３ＡはＳＵＳ３０４を使用した場合において所定値以上のねじりトルク強度を得るための異形線コイルばねの巻線断面の縦幅ｂを示した図であり、図１３Ｂは、ＳＵＳ３０４を使用した場合の異形線コイルばねの巻線断面の横縦比ａ／ｂを示した図である（ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］）。図１２Ａ，Ｂ及び図１３Ａ，Ｂにおいて、実線はねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］を得るための縦幅ｂ及び横縦比ａ／ｂであり、斜線で示す範囲が、ねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を得るための縦幅ｂ及び横縦比ａ／ｂの範囲である。 FIG. 12A is a diagram showing a range of the longitudinal width b of the winding cross section of the deformed wire coil spring for obtaining a torsion torque strength of a predetermined value or more when aluminum is used, and FIG. 12B is a diagram when aluminum is used. It is the figure which showed the range of the aspect ratio a / b of the coil | winding cross section of a deformed wire coil spring (torsion torque intensity T> = 1.0 [N * m]). FIG. 13A is a view showing the longitudinal width b of the winding cross section of the deformed wire coil spring for obtaining a torsion torque strength of a predetermined value or more when SUS304 is used, and FIG. 13B is a case where SUS304 is used. FIG. 6 is a diagram showing an aspect ratio a / b of a winding cross section of the deformed wire coil spring (torsion torque strength T ≧ 1.0 [N · m]). In FIGS. 12A and 12B and FIGS. 13A and 13B, the solid lines are the vertical width b and aspect ratio a / b for obtaining the torsion torque strength T = 1.0 [N · m], and the range shown by the oblique lines is the torsion torque strength T = 1.0 [N · m]. This is the range of the longitudinal width b and the aspect ratio a / b for obtaining the torque intensity T ≧ 1.0 [N · m].
図１２Ａ，図１２Ｂ，図１３Ａ，図１３Ｂに示すように、異形線コイルばねがねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］に耐えるには、外径Ｄｏが小さくなると、縦幅ｂが大きくならなければならない。図１２Ａ及び図１３Ａでは実線よりも上側が使用可能な範囲であり、図１２Ｂ及び図１３Ｂでは実線よりも下側が使用可能な範囲である。すなわち、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１３Ａ，図１３Ｂにおいて斜線で示す範囲内の寸法の条件がねじりトルク強度Ｔ＝１．０［Ｎ・ｍ］に耐えられる異形線コイルばねであることを示している。 As shown in FIG. 12A, FIG. 12B, FIG. 13A, and FIG. 13B, in order for the deformed wire coil spring to withstand the torsion torque strength T = 1.0 [N · m], when the outer diameter Do decreases, the vertical width b decreases. It must grow. 12A and 13A, the upper side of the solid line is a usable range, and in FIGS. 12B and 13B, the lower side of the solid line is a usable range. 12A, 12B, 13A, and 13B, the dimension within the hatched range is a deformed wire coil spring that can withstand torsional torque strength T = 1.0 [N · m]. Yes.
また、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１３Ａ，図１３Ｂからわかるように、本実施形態の塑性加工によって異形線コイルばねを作製することによって、従来の機械加工によって異形線コイルばねを作製する場合に比較して、巻線断面の横縦比の適用範囲が拡大する。すなわち、本実施形態の塑性加工は、従来の機械加工に比較して、更に厳しい条件に耐えうる異形線コイルばねを製造できる点で優位であると考えられる。 Further, as can be seen from FIGS. 12A, 12B, 13A, and 13B, the deformed wire coil spring is manufactured by plastic working according to the present embodiment, compared with the case of manufacturing the deformed wire coil spring by conventional machining. Thus, the applicable range of the aspect ratio of the winding cross section is expanded. That is, it is considered that the plastic working of the present embodiment is superior in that a deformed wire coil spring that can withstand more severe conditions can be manufactured as compared with conventional machining.
図１４は、図１０Ｂ及び図１２Ｂを合成して示した図である。図１４の斜線部分がアルミニウムで異形線コイルばねを作製する場合に、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる範囲である。アルミニウムを使用する場合には、切削加工でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することはできない。つまり、アルミニウムを使用すると、塑性加工によってのみ、図１４に示す斜線の寸法範囲でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することができる。 FIG. 14 is a view obtained by combining FIGS. 10B and 12B. The range in which the spring constant k = 2.5 [N / mm] and the torsion torque strength T ≧ 1.0 [N · m] can be satisfied when the deformed wire coil spring is made of aluminum with the hatched portion in FIG. It is. When aluminum is used, a deformed wire coil spring that can satisfy the spring constant k = 2.5 [N / mm] and the torsion torque strength T ≧ 1.0 [N · m] by cutting is manufactured. I can't. In other words, when aluminum is used, the spring constant k = 2.5 [N / mm] and the torsion torque strength T ≧ 1.0 [N · m] are satisfied only by plastic working within the hatched dimension range shown in FIG. A deformed wire coil spring can be manufactured.
また、図１５は、図１１Ｂ及び図１３Ｂを合成して示した図である。図１５の斜線部分がＳＵＳ３０４で異形線コイルばねを作製する場合に、ばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる範囲である。図１５に示すように、ＳＵＳ３０４を使用する場合には、機械加工においても斜線Ｓ１で示す寸法範囲でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することはできる。また、ＳＵＳ３０４を使用し塑性加工によって異形線コイルばねを作製する場合には、斜線Ｓ１よりも拡大した斜線Ｓ２で示す寸法範囲でばね定数ｋ＝２．５［Ｎ／ｍｍ］及びねじりトルク強度Ｔ≧１．０［Ｎ・ｍ］を満たすことのできる異形線コイルばねを作製することができる。 FIG. 15 is a view obtained by combining FIGS. 11B and 13B. The range in which the hatched portion in FIG. 15 can satisfy the spring constant k = 2.5 [N / mm] and the torsion torque strength T ≧ 1.0 [N · m] when the deformed wire coil spring is made of SUS304. It is. As shown in FIG. 15, when SUS304 is used, the spring constant k = 2.5 [N / mm] and the torsion torque strength T ≧ 1.0 [N · m] can be produced. When a deformed wire coil spring is produced by plastic working using SUS304, the spring constant k = 2.5 [N / mm] and the torsion torque strength T within the dimension range indicated by the oblique line S2 larger than the oblique line S1. A deformed wire coil spring that can satisfy ≧ 1.0 [N · m] can be produced.
図１４及び図１５のそれぞれの右側に示した材料形態（中空線材又は中実線材）は、塑性加工する前のコイルばねの巻線断面の形状を示したものである。塑性加工によって形成する異形線コイルばねの横縦比を大きくしていくと、図１３に示した断面が中実円である巻線からなるコイルばねではなく、後述する断面が中空円である巻線からなるコイルばね（図１８Ａ，Ｂ参照）を使用する必要がある。 The material form (hollow wire or solid wire) shown on the right side of each of FIG. 14 and FIG. 15 shows the shape of the winding cross section of the coil spring before plastic working. When the aspect ratio of the deformed wire coil spring formed by plastic working is increased, the coil spring having a cross section shown in FIG. It is necessary to use a coil spring made of wire (see FIGS. 18A and B).
以上の結果をまとめると、横幅ａと外径Ｄｏとの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）とした条件では、材料にアルミニウムを用いる場合には、塑性加工で作製される異形線コイルばねの巻線断面は横縦比ａ／ｂが３．５以上４以下の矩形状とするのが好ましい。また、材料にＳＵＳ３０４を用いる場合には、塑性加工で作製される異形線コイルばねの巻線断面は横縦比ａ／ｂが３．５以上５．７以下の矩形状とするのが好ましい。さらに、図１５から、横幅ａと外径Ｄｏとの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）とした条件では塑性加工における異形線コイルばねの外径Ｄｏは、Ｄｏ＝５ｍｍまで作製可能であることがわかる。また、従来マニピュレータに用いられている異形線コイルばねの外径はおよそ１０ｍｍであることから、本実施形態の異形線コイルばねの外径の好ましい範囲は５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。 To summarize the above results, under the condition that the ratio of the lateral width a to the outer diameter Do is a / Do = 0.25 (constant), when using aluminum as the material, the deformed wire coil spring produced by plastic working It is preferable that the winding cross section has a rectangular shape with an aspect ratio a / b of 3.5 or more and 4 or less. Further, when SUS304 is used as the material, the winding cross section of the deformed wire coil spring produced by plastic working is preferably rectangular with an aspect ratio a / b of 3.5 or more and 5.7 or less. Further, from FIG. 15, the outer diameter Do of the deformed wire coil spring in plastic processing can be produced up to Do = 5 mm under the condition that the ratio of the lateral width a to the outer diameter Do is a / Do = 0.25 (constant). I understand that. Moreover, since the outer diameter of the deformed wire coil spring conventionally used for the manipulator is about 10 mm, the preferable range of the outer diameter of the deformed wire coil spring of this embodiment is 5 mm or more and 10 mm or less.
なお、図１０〜図１５に示した異形線コイルばねの特性は、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏとの比ａ／Ｄｏ＝０．２５（一定）と仮定して行った。これに対し、巻線断面の横幅ａと外径Ｄｏとの比を、例えば比ａ／Ｄｏ＝０．３０に変更すると、傾向は同じであるが、図１０Ｂや図１１Ｂの破線領域は下側に移動する（すなわち、横縦比ａ／ｂは小さくなる）。したがって、本実施形態の異形線コイルばね１における巻線断面の横縦比ａ／ｂの好ましい範囲は、上述した限りではない。
Note that the characteristics of the deformed wire coil spring shown in FIGS. 10 to 15 were performed on the assumption that the ratio of the lateral width a of the winding cross section to the outer diameter Do was a / Do = 0.25 (constant). On the other hand, if the ratio between the width a of the winding cross section and the outer diameter Do is changed to, for example, the ratio a / Do = 0.30, the tendency is the same, but the broken line regions in FIG. 10B and FIG. (That is, the aspect ratio a / b becomes smaller). Therefore, the preferable range of the aspect ratio a / b of the winding cross section in the deformed
［１−３．変形例］
上述した本実施形態では、巻線断面が中実円のコイルばね２０を塑性加工することで巻線断面が矩形状の異形線コイルばね１を形成する例を説明したが、塑性加工前のコイルばねの巻線断面を変えることで、塑性加工によって得られる異形線コイルばねの更なる特性の改善が可能になる。以下の変形例において、塑性加工前のコイルばねの形状を本実施形態とは異ならせる例を説明する。
[1-3. Modified example]
In the present embodiment described above, an example in which the deformed
図１６Ａは上述した本実施形態における塑性加工前のコイルばね２０の巻線断面図であり、図１６Ｂはそのコイルばねを塑性加工することで得られる異形線コイルばね１の巻線断面図である。図１６Ａ，図１６Ｂに示すように、巻線断面が中実円のコイルばね２０の場合、隣接する巻線同士の接触面積は小さいため、コイルばね２０をコイル軸方向に押圧した場合、押圧力の伝達方向が不安定になりやすく、図１６Ｂに示すように、上下の巻線間に中心軸からの位置ずれが生じる場合がある。
FIG. 16A is a winding cross-sectional view of the
図１７Ａ，Ｂは、変形例１に係る塑性加工前のコイルばね４０及び塑性加工後の異形線コイルばね４１のそれぞれの巻線断面を示す図である。図１７Ａに示すように、塑性加工前のコイルばねとして、巻線断面が矩形状のコイルばね４０を用いると、隣接する巻線同士の接触面積が大きいため、コイルばね４０をコイル軸方向に押圧した場合、押圧力の伝達方向が安定する。このため、コイルばね４０を圧縮する工程で生じる巻線間のずれを低減することができる。これにより、図１７Ｂに示すように塑性加工後の異形線コイルばね４１は上下の巻線間の中心軸に対する位置ずれを低減することができる。なお、図１７Ａに示す塑性加工前の巻線断面が矩形状のコイルばね４０は、その巻線断面の横縦比がそれほど高くなく、通常のコイリング加工によって作製可能なコイルばねであるものとする。
17A and 17B are diagrams showing winding cross sections of the
図１８Ａ，Ｂは、変形例２に係る塑性加工前のコイルばね４２及び塑性加工後の異形線コイルばね４３のそれぞれの巻線断面を示す図である。変形例２は、図１８Ａに示すように、巻線断面が中空円のコイルばね４２をコイル軸方向に圧縮して、巻線の断面形状がコイル半径方向に長い横長形状である異形線コイルばね４３を形成する例である。図１８Ａに示すように、塑性加工前のコイルばねとして巻線断面が中空円のコイルばね４２を用いることによって、図１８Ｂに示すように、より高い横縦比を有する異形線コイルばね４３を得ることができる。また、変形例２のように、塑性加工前のコイルばね４２を中空円とすることで、図１８Ｂに示すように塑性加工するために必要な軸方向からの圧縮力が低減するので、図１６Ａ，Ｂに示す例に比較して上下の巻線間のコイル軸に対する位置ずれを低減できる。
18A and 18B are views showing cross sections of windings of the
図１９Ａ，Ｂは、変形例３に係る塑性加工前のコイルばね４４及び塑性加工後の異形線コイルばね４５のそれぞれの巻線断面を示す図である。変形例３は、図１９Ａに示すように、巻線断面が中空の矩形状のコイルばね４４をコイル軸方向に圧縮して、コイル軸方向の巻線断面の形状が横長形状である異形線コイルばね４５を形成する例である。図１９Ａに示すように、塑性加工前のコイルばねとして、巻線断面が中空の矩形状のコイルばね４４を用いることによって、図１９Ｂに示すように、塑性加工時における巻線間のずれを低減すると共に、より高い横縦比を有する異形線コイルばね４５を得ることができる。
19A and 19B are diagrams showing winding cross sections of the
〈２．第２の実施形態：マニピュレータ〉
次に、本発明の第２の実施形態として、上述した第１の実施形態における異形線コイルばねを用いたマニピュレータについて説明する。図２０は、本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータの概略構成図である。
<2. Second Embodiment: Manipulator>
Next, as a second embodiment of the present invention, a manipulator using the deformed wire coil spring in the above-described first embodiment will be described. FIG. 20 is a schematic configuration diagram of a manipulator according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態のマニピュレータ３０は、腹腔鏡手術を行う医療用ロボットに用いられるものである。図２０に示すように、本実施形態のマニピュレータ３０は、関節部３１と、グリッパー３２と、アーム部３３と、駆動部３４とを備える。
The
関節部３１は、上述した第１の実施形態で示した図１の異形線コイルばね１で構成されており、その異形線コイルばね１に設けられた４つの貫通孔３１ａに駆動ワイヤ３５が挿通されている。貫通孔３１ａは、異形線コイルばね１の巻線をコイル軸方向に貫通する孔であり、異形線コイルばね１のコイル軸方向と直交する面において等間隔に４つの貫通孔３１ａが設けられている。そして、関節部３１では、異形線コイルばね１の貫通孔３１ａに挿通された駆動ワイヤ３５は後述する駆動部３４に設けられた空気圧シリンダ（図示を省略する）に接続されている。本実施形態では、４つの空気圧シリンダによる拮抗駆動により関節部３１の曲げ伸ばしを行うことができる。そして、本実施形態の関節部３１では、４つの空気シリンダによる拮抗駆動により２自由度の屈曲が可能である。
The
グリッパー３２は、対象物を把持したり抑えたりすることが可能な鉗子であり、関節部３１を構成する異形線コイルばね１の一端側に取り付けられている。グリッパー３２は、関節部３１を構成する異形線コイルばね１の軸孔３１ｂ及びアーム部３３を通って駆動部３４に接続されるエアチューブ３６に接続されておりエアチューブ３６を介して駆動部３４により把持動作が成される。
The
アーム部３３は、関節部３１の外径とほぼ同程度の外径の円柱部材で構成されており、先端に関節部３１が接続され、後端に駆動部３４が接続されている。関節部３１を駆動する駆動ワイヤ３５やグリッパー３２に接続されるエアチューブ３６は、円柱部材で構成されるアーム部３３の内部を通って駆動部３４に接続されている。
The
駆動部３４は、関節部３１を駆動する４つの空気圧シリンダとグリッパー３２を駆動する空気圧シリンダとを備える。駆動部３４では、４つの空気圧シリンダによって各駆動ワイヤの張力を制御することで関節部３１を屈曲動作させる。また、本実施形態では、関節部３１の屈曲とグリッパー３２の把持動作とは個別に駆動されるので、関節部３１の動作とグリッパー３２の動作とは互いに干渉することはない。
The
本実施形態では、関節部３１に塑性加工により加工硬化された異形線コイルばね１を用いることによって関節部３１の小型化が可能になるため、マニピュレータ３０全体の小型化が可能になる。さらに、関節部３１に用いられる異形線コイルばね１は、通常のコイリング加工よって形成可能なコイルばねを塑性加工することによって作製することができるため、コストの低減を図ることができる。
In the present embodiment, the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。また、上述の実施の形態では、異形線コイルばねをマニピュレータの関節部として用いる例を説明したが、その他、小型化が要求されるロボットの関節部として使用することも可能である。本実施形態の異形線コイルばねは、例えば、小型のユニバーサルジョイント、先端が曲がるドライバー、回転曲げ加工機の変形可能なマンドレル等に適用できる。また、本実施形態の異形線コイルばねは小型化が可能であるため、小型ダンバーや、短尺なバネしか用いることのできない場所への適用が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. In the above-described embodiment, the example in which the deformed wire coil spring is used as the joint portion of the manipulator has been described. However, it is also possible to use the deformed wire coil spring as a joint portion of a robot that is required to be downsized. The deformed wire coil spring of this embodiment can be applied to, for example, a small universal joint, a screwdriver with a bent tip, a deformable mandrel of a rotary bending machine, and the like. Moreover, since the deformed wire coil spring of this embodiment can be reduced in size, it can be applied to a place where only a small damper or a short spring can be used.
１・・・異形線コイルばね、１０・・・製造治具、１１・・・台、１２・・・押圧部、１２ａ・・・押圧軸、１２ｂ・・・押圧部本体、１３・・・容器、１３ａ・・・孔、１３ｂ・・・押圧部本体、３０・・・マニピュレータ、３１・・・関節部、３１ａ・・・貫通孔、３１ｂ・・・軸孔、３２・・・グリッパー、３３・・・アーム部、３４・・・駆動部、３５・・・駆動ワイヤ、３６・・・エアチューブ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記関節部の先端側に設けられ、把持動作を行うグリッパーと
を備えるマニピュレータ。 A coil spring formed by winding a metal wire having a predetermined cross-sectional shape into a cylindrical shape is pressed in the axial direction of the coil spring with a predetermined pressure, so that the cross-sectional shape of the coil spring winding is changed to the coil. A joint part constituted by a deformed wire coil spring plastically processed so as to have a horizontally long shape in the radial direction of the spring;
A manipulator comprising: a gripper that is provided on a distal end side of the joint portion and performs a gripping operation.
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