机械手的制作方法

本发明涉及机械手。

背景技术：

以往，在细长的体部与末端执行器之间具有三个关节的机械手被公知(例如参照专利文献1)。基端侧的两个俯仰关节是彼此连动地向相同的方向弯曲的双关节，且具有彼此滚动接触的一对滚动部件。这一对滚动部件能够绕彼此平行的旋转轴旋转，在体部侧的滚动部件被旋转驱动时末端执行器侧的滚动部件也从动地旋转。

专利文献1的机械手具有彼此独立地驱动最前端侧的偏摆关节和两个俯仰关节的机构。具体而言，用于驱动该偏摆关节的驱动线与偏摆关节连接。驱动线穿过俯仰关节的一对滚动部件与同轴的一对线轮之间，并呈交叉状地绕在该一对线轮上。由此，当俯仰关节移动时驱动线在长度方向上不移动，偏摆关节的弯曲角度不发生变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3912251号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

然而，在作为用于使两个俯仰关节连动的构件，而像专利文献1那样使用彼此滚动接触的一对滚动部件的情况下，存在难以准确地控制两个俯仰关节的弯曲角度的问题。即，在利用设置于滚动部件的外周面上齿轮齿彼此的嵌合的情况下，可能会因齿轮齿的欠缺或磨损、跳齿而导致一对滚动部件的旋转角度的比(齿轮比)不稳定。并且，可能会因齿轮齿间的背部碰撞而发生松动，从而期望的定位变得困难。在代替齿轮齿而利用滚动部件的外周面之间的摩擦的情况下，可能会产生外周面之间的打滑。这样在两个俯仰关节的弯曲角度比上产生误差时，在使俯仰关节运动时驱动线会移动，而无法维持偏摆关节和俯仰关节的驱动的独立性。

本发明就是鉴于上述的情况而完成的，其目的在于，在具有彼此连动地向相同的方向弯曲的双关节的机械手中，提供能够得到双关节的稳定的动作性能的机械手。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明提供以下的手段。

本发明提供一种机械手，该机械手具有：细长的体部；末端执行器，其位于该体部的前端侧；以及关节机构，其将所述体部和所述末端执行器连结为能够绕与所述体部的长度轴交叉的弯曲轴摆动，该关节机构具有：从前端侧起依次具有的第一连杆部件和第二连杆部件；第一关节，其将所述末端执行器和所述第一连杆部件连结为能够绕与所述长度轴交叉的第一弯曲轴摆动；第二关节，其将所述第一连杆部件和所述第二连杆部件连结为能够绕与所述长度轴交叉的第二弯曲轴摆动；第三关节，其将所述第二连杆部件和所述体部连结为能够绕与所述第二弯曲轴平行的第三弯曲轴摆动；以及一对约束部件，该一对约束部件跨过所述第二关节和第三关节，从所述第一连杆部件延伸到所述体部，并具有固定的长度尺寸，该一对约束部件在径向上分别夹着所述第二弯曲轴和所述第三弯曲轴，并且在所述第二关节与所述第三关之间通过彼此仅一次交叉而配置成交叉状。

根据本发明，通过驱动串联设置于末端执行器与体部之间的三个关节而能够使末端执行器相对体部在两个方向上摆动。

在这种情况下，利用约束部件连动而驱动三个关节中的基端侧的第二关节和第三关节。

即，由于经由第二连杆部件而拉绕于第一连杆部件与体部之间的约束部件的路径长度是固定的，因此位于第二连杆部件的两侧的第二关节的弯曲角度与第三关节的弯曲角度彼此约束。其结果是，当第二关节和第三关节中的一方弯曲时，另一方也向与一方相同的方向弯曲，由此，第二关节和第三关节作为双关节而发挥作用。这样，通过约束部件的几何配置而使第二关节和第三关节的弯曲角度相互约束，从而能够得到双关节的稳定的动作性能。

在上述发明中，也可以是，所述机械手具有：驱动线，其从所述第一关节延伸到所述体部，通过在其长度方向上被牵扯来驱动所述第一关节；以及一对线轮，该一对线轮以能够分别绕所述第二弯曲轴和所述第三弯曲轴旋转的方式设置于所述第二关节和所述第三关节，且排列成在径向上空出所述驱动线的直径尺寸以上的间隙，所述驱动线穿过所述一对线轮之间的间隙并呈交叉状地绕在该一对线轮的外周面上。

这样，在第二关节和第三关节弯曲时，不使呈交叉状地绕在一对线轮上的驱动线产生长度方向的位移，其中，该一对线轮设置于该第二关节和第三关节。因此，能够彼此独立地驱动第一关节、第二和第三关节。

在上述发明中，所述一对约束部件是供所述驱动线以能够在长度方向上移动的方式插入的筒状的护套。

这样，由于用于设置约束部件的空间微小即可，因此能够使关节机构小型。

在上述发明中，所述一对约束部件可以前端固定于所述第一连杆部件，基端固定于所述体部。

这样，能够稳定护套的位置。

在上述发明中，所述一对约束部件优选具有彼此相同的所述长度方向的尺寸。

在上述发明中，所述一对约束部件可以在所述体部上彼此连接，并且具有张力调整构件，该张力调整构件设置于所述体部，能够对所述约束部件施加张力并且调整该张力的大小。

这样，在约束部件的张力降低时，能够再次将张力调整到较高的状态。并且，由于一对约束部件中的一个与体部连接，因此能够同时且均等地调整一对约束部件的张力。并且，能够实现组装容易且品质稳定的处置器具，从而能够提高控制性。

在上述发明中，也可以是，所述机械手具有一对引导部件，该一对引导部件具有分别以所述第二弯曲轴和所述第三弯曲轴为中心，在所述长度轴方向上彼此对置的大致圆弧状的外周面，在该一对引导部件的所述外周面彼此之间设置有宽度尺寸为所述约束部件的直径尺寸以上的间隙，所述约束部件穿过所述间隙并呈交叉状地绕在所述一对引导部件的所述大致圆弧状的外周面上。

这样，能够进一步稳定约束部件的位置。

在上述发明中，优选所述间隙的宽度尺寸与所述约束部件的直径尺寸相等。

这样，由于约束部件的拉绕路径唯一确定，因此相对于第三关节的弯曲角度第二关节的弯曲角度唯一确定。由此，能够进一步提高第一关节与第二和第三关节的驱动的独立性。

在上述发明中，也可以是，所述一对引导部件中的前端侧的一方在所述第一连杆部件的基端与该第一连杆部件一体设置，基端侧的另一方在所述体部的前端与该体部一体设置。

这样，能够减少部件数量和组装工时，从而降低成本。

发明效果

根据本发明实现了如下效果：在具有彼此连动地向相同的方向弯曲的双关节的机械手中，能够得到双关节的稳定的动作性能。

附图说明

图1是应用了本发明的第一和第二实施方式的机械手的医疗系统的整体结构图。

图2是示意性地示出本发明的第一实施方式的机械手的整体结构的图。

图3A是主要对图2的机械手的关节机构所具有的第二关节、第三关节以及约束线进行说明的结构图，示出第三关节的弯曲角度为0°的情况。

图3B是主要对图2的机械手的关节机构所具有的第二关节、第三关节以及约束线进行说明的结构图，示出第三关节的弯曲角度为45°的情况。

图4A是示出图3A的张力调整构件的动作的结构图，示出约束线松弛的状态。

图4B是示出图3A的张力调整构件的动作的结构图，示出约束线张紧的状态。

图5A是主要对图2的机械手的关节机构所具有的第一关节和驱动线进行说明的结构图，示出第三关节的弯曲角度为0°的情况。

图5B是主要对图2的机械手的关节机构所具有的第一关节和驱动线进行说明的结构图，示出第三关节的弯曲角度为45°的情况。

图6A是本发明的第二实施方式的机械手所具有的关节机构的结构图，示出第三关节的弯曲角度为0°的情况。

图6B是本发明的第二实施方式的机械手所具有的关节机构的结构图，示出第三关节的弯曲角度为45°的情况。

图7A是示出引导部件的变形例的结构图，示出省略了驱动线和护套的状态。

图7B是示出安装有驱动线和护套的状态下的图7A的引导部件的结构图。

图8是示出代替驱动杆而具有驱动线的变形例的结构图。

具体实施方式

首先，参照图1对应用了本发明的实施方式的机械手1的医疗系统100进行说明。

如图1所示，本实施方式的医疗系统100具有：内窥镜40，其插入到体内来使用；显示部60，其显示由该内窥镜40获取的影像；以及控制部80，其控制整个医疗系统100。

内窥镜40具有：细长的插入部41，其插入到患者的体内，至少一个通道41a，该通道41a在长度方向上贯穿形成于该插入部41的内部；弯曲部42，其设置于插入部41的前端部分；以及操作部45，其具有角度杆43、44，该角度杆43、44用于分别对该弯曲部42向上下方向和左右方向进行弯曲操作。标号46表示用于获取内窥镜影像的照相机。

后述的机械手1以插入到内窥镜40的通道41a内的状态使用。

(第一实施方式)

接下来，参照图2至图5B对本发明的第一实施方式的机械手1进行说明。

如图2所示，本实施方式的机械手1具有：细长的体部2，其能够插入到体内；末端执行器3，其位于该体部2的前端侧；关节机构4，其连结体部2和末端执行器3；以及驱动部5，其连接于体部2的基端，驱动关节机构4。

图2是对机械手1的整体结构进行说明的图，图3A至图5B是主要对关节机构4进行说明的图。尤其是，图3A至图4B是对第二关节12、第三关节13以及约束线7进行说明的图。图5A和图5B是对第一关节11和驱动线9进行说明的图。在图3A至图5B中，省略了一部分结构的图示。

在所参照的附图中，作为末端执行器3的一例而示出了具有一对把持片3a的钳子，末端执行器3也可以是剪刀或电手术刀等。

如图3A所示，关节机构4从前端侧依次具有：第一连杆部件61和第二连杆部件62；第一关节11，其将末端执行器3的基端部和第一连杆部件61的前端部连结为能够绕第一弯曲轴A1摆动；第二关节12，其将第一连杆部件61的基端部和第二连杆部件62的前端部连结为能够绕第二弯曲轴A2摆动；第三关节13，其将第二连杆部件62的基端部和体部2的前端部连结为能够绕第三弯曲轴A3摆动；约束线(约束部件)7，其从第一连杆部件61延伸到体部2；张力调整构件8，其调整该约束线7的张力；以及驱动线9(参照图5A和图5B)，其驱动第一关节11。

第一弯曲轴A1是与机械手1的长度轴B垂直的方向上的轴。第二弯曲轴A2和第三弯曲轴A3是与长度轴B和第一弯曲轴A1这两方垂直的方向上的轴，且彼此平行。

在第二关节12和第三关节13上分别设置有用于规定约束线7的拉绕路径的一对引导轮(引导部件)21、22。前端侧的一方的引导轮21被第一连杆部件61和第二连杆部件62支承为能够绕第二弯曲轴A2旋转。基端侧的另一方的引导轮22被第二连杆部件62和体部2支承为能够绕第三弯曲轴A3旋转。

一对引导轮21、22排列成在作为其径向的长度轴B方向上空出宽度尺寸与约束线7的直径尺寸相等或比之大的间隙。即，第二弯曲轴A2与第三弯曲轴A3的距离，与一方的引导轮21的半径、另一方的引导轮22的半径、约束线7的直径的和相等或比该和大。

约束线7由能够沿引导轮21、22的外周面弯曲的具有挠性的、并且在其长度方向上不伸缩而具有固定的尺寸的一根线构成。如图3A所示，约束线7的两端配置于在径向上夹着第二弯曲轴A2的两侧，且分别固定于第一连杆部件61。约束线7的两端固定于第一连杆部件61的固定方法能够采用任意方法，例如可以使用未图示的铆接部件，也可以将约束线7的端部连结到第一连杆部件61。下面，将约束线7的从一端延伸到基端的部分称作第一部分71、将从另一端延伸到基端的部分称作第二部分72。

约束线7的一对第一部分71和第二部分72在一对引导轮21、22的间隙以彼此仅一次交叉的方式呈交叉状地绕在引导轮21、22的外周面上，而形成单个环部73。即，如图3A所示，在第二关节12和第三关节13的弯曲角度为0°的状态下，第一部分71和第二部分72在各引导轮21、22的外周面上架设约四分之一周。约束线7在环部73上经由张力调整构件8而固定于体部2。

张力调整构件8具有设置于体部2的可动板8a。可动板8a能够绕与第三弯曲轴A3平行的旋转轴C旋转。并且，旋转轴C设置于从该旋转轴C至可动板8a的周缘的距离不为固定的位置。在图中所示的例子中，可动板8a是椭圆形，旋转轴C设置在可动板8a偏心的位置。

约束线7的环部73绕在可动板8a的外周面上。由于可动板8a对约束线7的牵引力根据该可动板8a绕旋转轴C的旋转角度而发生变化，因而张力调整构件8施加给约束线7的张力发生变化。因此，在进行约束线7的组装时，首先，像图4A所示那样，在将可动板8a配置成使约束线7松弛的角度的状态下，将约束线7绕在该可动板8a的外周面上，接下来，像图4B所示那样，使可动板8a向约束线7的张力增大的方向旋转，并通过未图示的挡块等可解除地卡定可动板8a，以使得可动板8a不绕旋转轴C旋转。由此，能够消除约束线7的松弛，使约束线7成为高张力的状态。

利用这样设置的约束线7，第二关节12和第三关节13像图3B所示那样作为彼此连动地向相同的方向弯曲的双关节而发挥作用(下面也可以称作双关节12、13)。标号10是用于驱动第二关节12和第三关节13的驱动杆。驱动杆10沿长度轴B方向配置于体部2的内部，前端固定于第二连杆部件62，基端与驱动部5连接。

驱动部5是操作人员操作该驱动部5来驱动机械手1的各部的结构，且该驱动部5具有用于驱动关节机构4的操纵杆51。在末端执行器3是电手术刀的情况下，在驱动部5还设置有用于接通/切断高频电流的供给的开关52。

当驱动部5根据输入给操纵杆51的操作而使驱动杆10在长度轴B方向上移动时，第二连杆部件62绕第三弯曲轴A3旋转，使第三关节13弯曲。此时，由于连接第一连杆部件61和体部2的约束线7的第一部分71和第二部分72的路径长度是固定的，因此，第一连杆部件61也从动于第二连杆部件62的旋转，而以与第二连杆部件62绕第三弯曲轴A3的旋转角度θ₃对应的旋转角度θ₂绕第二弯曲轴A2旋转。由此，第二关节12和第三关节13连动地弯曲。此时，尤其在一对引导轮21、22之间的间隙的宽度尺寸与约束线7的直径尺寸相等的情况下，第三关节13的弯曲角度θ₃与第二关节12的弯曲角度θ₂的关系唯一确定。

如图5A所示，在第一关节11上设置有能够绕第一弯曲轴A1旋转的一对驱动轮14。一对驱动轮14在它们之间夹着长度轴B而设置于两侧，在各驱动轮14上架设用于驱动第一关节11的驱动线9。在图5A和图5B中，为了简化图，而省略了第二连杆部件62、约束线7以及张力调整构件8。

驱动线9在长度方向的中途位置固定于驱动轮14，两端穿过体部2延伸到驱动部5。通过驱动部5来推出驱动线9的两端中的一方，而牵引另一方，从而驱动轮14旋转，使第一关节11的弯曲角度发生变化。

这里，在第二关节12和第三关节13上设置有用于规定驱动线9的拉绕路径的另一对引导轮(线轮)31、32。前端侧的一方的引导轮31能够绕第二弯曲轴A2旋转，基端侧的另一方的引导轮32能够绕第三弯曲轴A3旋转。一对引导轮31、32排列成在长度轴B方向上空出宽度尺寸与驱动线9的直径尺寸相等的间隙。

两根驱动线9从驱动轮14沿长度轴B方向延伸到一方的引导轮31，且穿过一对引导轮31、32的间隙，从另一方的引导轮32沿长度轴B方向延伸到驱动部5。由此，两根驱动线9在一对引导轮31、32的间隙以彼此仅一次交叉的方式呈交叉状地绕在一对线轮31、32的外周面上。

这样，通过拉绕驱动线9而使第一关节11、第二和第三关节12、13彼此独立地驱动。即，图5A和图5B所示，当第二和第三关节12、13的弯曲角度θ₂、θ₃发生变化时，各驱动线9的与一对引导轮31、32的外周面接触的部分的长度尺寸的和，即驱动线9的路径长度不发生变化。即，由于不发生驱动线9在长度方向上的移动，因此第一关节11的弯曲角度不发生变化。

接下来，对这样构成的本实施方式的机械手1的作用进行说明。

根据本实施方式的机械手1，通过驱动部5来推出驱动线9的一端，而牵引另一端，从而第一关节11弯曲，使末端执行器3向与第一弯曲轴A1交叉的方向摆动。并且，通过驱动部5来推出或牵引驱动杆10，从而双关节12、13弯曲，使末端执行器3在与第二和第三弯曲轴A2、A3交叉的方向上摆动。

在这种情况下，根据本实施方式，利用约束线7而相对于双关节12、13中的一方的弯曲角度θ₂约束另一方的弯曲角度θ₃，其中，该约束线7夹着第二弯曲轴A2和第三弯曲轴A3而呈交叉状地拉绕于第一连杆部件61与体部2之间。由此，具有能够准确地控制双关节12、13的弯曲角度θ₂、θ₃，使末端执行器3以期望的角度摆动的优点。并且，根据约束线7的几何配置来确定双关节12、13的两个弯曲角度θ₂、θ₃彼此之间的关系，从而只要约束线7的配置是固定的，弯曲角度θ₂、θ₃彼此之间的关系也是固定的。因此，具有能够得到双关节12、13的稳定的动作性能的优点。

并且，由于在引导轮21、22之间不产生打滑，因此具有如下优点：能够确保第一关节11与双关节12、13的弯曲动作的独立性，而驱动线9在进行双关节12、13的弯曲动作时在长度方向上不发生位移。并且，具有以下优点：在因反复进行双关节12、13的弯曲动作等而使约束线7产生松弛的情况下，具有能够通过解除可动板8a的卡定，并调整可动板8a绕旋转轴C的旋转角度而使约束线7的张力增大，由此再次使约束线7恢复到高张力的状态，从而也恢复了第一关节11与双关节12、13的弯曲动作的独立性。并且，由于关节机构4不需要精细的加工或组装，因此具有能够适用于小型的机械手1的优点。

另外，在本实施方式中，使用一根约束线7，并通过将环部73绕在张力调整构件8的可动板8a上来使约束线7固定于体部2，但也可以取而代之，使用一对的两根约束线7，并使各约束线7的基端固定于体部2，以使得约束线7成为高张力的状态。作为固定方法，能够利用上述的铆接部件或连结、焊接等任意手段。

(第二实施方式)

接下来，参照图6A和图6B对本发明的第二实施方式的机械手进行说明。

本实施方式的机械手与第一实施方式的不同在于，关节机构4’具有能够供驱动线9插入的护套(约束部件)15来代替约束线7。因此，在本实施方式中主要对护套15进行说明，对其他的与第一实施方式共同的结构标注相同的标号而省略其说明。

如图6A和图6B所示，护套15是具有挠性且在长度方向上不伸缩的圆筒状的部件。护套15例如是将金属的单线紧密地卷绕成线圈状而成的线圈护套。护套15设置于两根驱动线9各自的两个位置，且将驱动线9的长度尺寸的一部分收纳为长度方向上可移动。

在本实施方式中，两根驱动线9和设置于各驱动线9的两个护套15与第一实施方式的驱动线9和约束线7同样地呈交叉状地绕在公共的一对引导轮21、22上。但是，一对引导轮21、22之间的间隙的宽度尺寸与护套15的直径尺寸相等或比护套15的直径尺寸大。即，护套15用的引导轮21、22兼作上述的驱动线9用的引导轮31、32。

各护套15为了不松弛，前端固定于第一连杆部件61，基端固定于体部2。护套15固定于第一连杆部件61和体部2的固定方法例如能够采用焊接等任意方法。

根据本实施方式，具有如下优点：通过将作为约束部件的护套15与驱动线9一体设置，能够使关节机构4’的组装变得容易，并且防止驱动线9从引导轮21、22脱离。并且，由于护套15与驱动线9配置成同轴，因此具有因设置护套15而导致的尺寸的增加是极小的，能够适用于小型的机械手的优点。由于本实施方式的其他效果与第一实施方式相同，因此省略其说明。

另外，在本实施方式中，护套15的两端分别固定于第一连杆部件61和体部2，但也可以取而代之，护套15的两端不被固定。即使护套15的两端不被固定，由于相对于第三关节13的弯曲角度θ₃的第二关节12的弯曲角度θ₂被具有固定的长度尺寸的护套15约束，因此能够使这两个关节12、13连动。

并且，在第一和第二实施方式中，利用一对引导轮21、22来规定约束线7的拉绕路径，但也可以取而代之，使用其他的引导部件。

例如，引导部件21’、22’可以像图7A和图7B所示那样分别与体部2的前端和第一连杆部件61的基端一体设置，且该引导部件21’、22’可以是分别以第二弯曲轴A2和第三弯曲轴A3为中心的具有大致圆弧状的外周面的半圆状的部件。图7A示出省略了驱动线9和护套15的状态，图7B示出将驱动线9和护套15安装于引导部件21’、22’的状态。这样，通过一体设置前端侧的引导部件21’和第一连杆部件61，并一体设置基端侧的引导部件22’和体部2，能够减少部件数量和组装工时，从而降低成本。另外，在图7A和图7B中，例示了具有第二实施方式的护套15的结构，但可以在具有第一实施方式的约束线7的结构上应用引导部件21'、22’。

并且，在第一和第二实施方式中，对通过驱动杆10来驱动双关节12、13的结构进行了说明，但也可以像图8所示那样，代替驱动杆10而使用与第二连杆部件62连接的驱动线10’。驱动线10’在长度方向的中途位置固定于第二连杆部件62’，且与上述的驱动线9同样地，通过驱动部5来牵扯两端，从而能够使第二连杆部件62’绕第三弯曲轴A3旋转。与驱动杆10相比驱动线10’具有更高的挠性。因此，在要求体部2具有较高的挠性的情况下，与驱动杆10相比，优选采用驱动线10’。

标号说明

1：机械手；2：体部；3：末端执行器；3a：把持片；4、4’：关节机构；5：驱动部；61：第一连杆部件；62：第二连杆部件；7：约束线(约束部件)；8：张力调整构件；8a：可动板；9：驱动线；10：驱动杆；10’：驱动线；11：第一关节；12：第二关节；13：第三关节；14：驱动轮；15：护套(约束部件)；21、22：引导轮(引导部件)；21’、22’：引导部件；31、32：引导轮(线轮)；A1：第一弯曲轴；A2：第二弯曲轴；A3：第三弯曲轴；B：体部的长度轴。