(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、
前記先端部材は、前記工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記スピンドルガイド部は、前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、先端が前記先端部材に接して進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材は前記姿勢変更用駆動源で進退動作させられ、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設け、前記姿勢操作部材は、前記姿勢操作部材、または前記姿勢変更用駆動源と前記姿勢操作部材間の力伝達部材の変位から前記姿勢操作部材の進退位置を検出するものであり、
前記駆動部ハウジング内に、前記姿勢変更用駆動源により直線方向に進退させられる直動部材の出力を増力して前記姿勢操作部材に伝達するレバー機構からなる増力伝達機構が設けられ、前記位置検出手段は、前記伝達部材である前記増力伝達機構のレバーの変位量を測定する変位量測定手段と、この変位量測定手段の測定値から前記姿勢操作部材の進退位置を推定する変位量推定手段とを有することを特徴とする遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、前記変位量測定手段は、前記増力伝達機構のレバーに設けた被検出部と、前記駆動部ハウジングに対し位置固定で設けられ前記被検出部の変位を検出する検出部とでなる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１において、前記変位量測定手段は、前記増力伝達機構のレバーの回動角を検出する角度センサである遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項４】
細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、
前記先端部材は、前記工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記スピンドルガイド部は、前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、先端が前記先端部材に接して進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材は前記姿勢変更用駆動源で進退動作させられ、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設け、
前記姿勢操作部材は、前記姿勢操作部材、または前記姿勢変更用駆動源と前記姿勢操作部材間の力伝達部材の変位から前記姿勢操作部材の進退位置を検出するものであり、
前記位置検出手段は、前記姿勢操作部材の前記駆動部ハウジング側の端部の進退位置を測定する進退位置測定手段と、この進退位置測定手段の測定値から前記姿勢操作部材の進退位置を推定する進退位置推定手段とを有する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４において、前記進退位置測定手段は、前記姿勢操作部材の前記駆動部ハウジング側の端部に設けられ、姿勢操作部材の長手方向と垂直な平面からなる被検出部と、前記駆動部ハウジングに対し位置固定で設けられ前記被検出部の変位を検出する検出部とでなる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項４において、前記進退位置測定手段は、前記姿勢操作部材の前記駆動部ハウジング側の端部に設けられ、姿勢操作部材の長手方向に被検出用の目盛格子が並ぶリニアエンコーダからなる被検出部と、前記駆動部ハウジングに対し位置固定で設けられ前記被検出部の目盛格子を読み取る検出部とでなる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項７】
細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、
前記先端部材は、前記工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記スピンドルガイド部は、前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、先端が前記先端部材に接して進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材は前記姿勢変更用駆動源で進退動作させられ、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設け、
前記姿勢変更用駆動源は前記駆動部ハウジング外に設けられたロータリアクチュエータであり、この姿勢変更用駆動源の回転を直線方向の進退動作に変換して前記姿勢操作部材に伝達する回転・進退変換伝達機構を前記駆動部ハウジング内に設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項８】
細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、
前記先端部材は、前記工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記スピンドルガイド部は、前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、先端が前記先端部材に接して進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材は前記姿勢変更用駆動源で進退動作させられ、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設け、
前記姿勢変更用駆動源の動作量を測定する動作量測定手段を設け、この動作量測定手段で測定した前記姿勢変更用駆動源の動作量から推定される前記姿勢操作部材の進退位置と、前記位置検出手段から推定される前記姿勢操作部材の進退位置との差より、前記姿勢操作部材が前記先端部材に付与する力の大きさを推定する付与力推定手段とを設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記スピンドルガイド部は湾曲した箇所を有する遠隔操作型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工具の姿勢を遠隔操作で変更可能で、医療用、機械加工等の用途で用いられる遠隔操作型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用として骨の加工に用いられたり、機械加工用としてドリル加工や切削加工に用いられたりする遠隔操作型アクチュエータがある。遠隔操作型アクチュエータは、直線形状や湾曲形状をした細長いパイプ部の先端に設けた工具を遠隔操作で制御する。ただし、従来の遠隔操作用アクチュエータは、工具の回転のみを遠隔操作で制御するだけであったため、医療用の場合、複雑な形状の加工や外からは見えにくい箇所の加工が難しかった。また、ドリル加工では、直線だけではなく、湾曲状の加工が可能なことが求められる。さらに、切削加工では、溝内部の奥まった箇所の加工が可能なことが求められる。以下、医療用を例にとって、遠隔操作型アクチュエータの従来技術と課題について説明する。
【０００３】
整形外科分野において、骨の老化等によって擦り減って使えなくなった関節を新しく人工のものに取り替える人工関節置換手術がある。この手術では、患者の生体骨を人工関節が挿入できるように加工する必要があるが、その加工には、術後の生体骨と人工関節との接着強度を高めるために、人工関節の形状に合わせて精度良く加工することが要求される。
【０００４】
例えば、股関節の人工関節置換手術では、大腿骨の骨の中心にある髄腔部に人工関節挿入用の穴を形成する。人工関節と骨との接触強度を保つには両者の接触面積を大きくとる必要があり、人工関節挿入用の穴は、骨の奥まで延びた細長い形状に加工される。このような骨の切削加工に用いられる医療用アクチュエータとして、細長いパイプ部の先端に工具を回転自在に設け、パイプ部の基端側に設けたモータ等の回転駆動源の駆動により、パイプ部の内部に配した回転軸を介して工具を回転させる構成のものがある（例えば特許文献１）。この種の医療用アクチュエータは、外部に露出した回転部分は先端の工具のみであるため、工具を骨の奥まで挿入することができる。
【０００５】
人工関節置換手術では、皮膚切開や筋肉の切断を伴う。すなわち、人体に傷を付けなければならない。その傷を最小限に抑えるためには、前記パイプ部は真っ直ぐでなく、適度に湾曲している方が良い場合がある。このような状況に対応するためのものとして、次のような従来技術がある。例えば、特許文献２は、パイプ部の中間部を２重に湾曲させて、パイプ部の先端側の軸心位置と基端側の軸心位置とをずらせたものである。このようにパイプ部の軸心位置が先端側と軸心側とでずれているものは、他にも知られている。また、特許文献３は、パイプ部を１８０度回転させたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０１１４９号公報
【特許文献２】米国特許第４，４６６，４２９号明細書
【特許文献３】米国特許第４，２６５，２３１号明細書
【特許文献４】特開２００１−１７４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
生体骨の人工関節挿入用穴に人工関節を嵌め込んだ状態で、生体骨と人工関節との間に広い隙間があると、術後の接着時間が長くなるため、前記隙間はなるべく狭いのが望ましい。また、生体骨と人工関節の接触面が平滑であることも重要であり、人工関節挿入用穴の加工には高い精度が要求される。しかし、パイプ部がどのような形状であろうとも、工具の動作範囲はパイプ部の形状の制約を受けるため、皮膚切開や筋肉の切断をできるだけ小さくしながら、生体骨と人工関節との間の隙間を狭くかつ両者の接触面が平滑になるように人工関節挿入用穴を加工するのは難しい。
【０００８】
一般に、人工関節置換手術が行われる患者の骨は、老化等により強度が弱くなっていることが多く、骨そのものが変形している場合もある。したがって、通常考えられる以上に、人工関節挿入用穴の加工は難しい。
【０００９】
そこで、本出願人は、人工関節挿入用穴の加工を比較的容易にかつ精度良く行えるようにすることを目的として、先端に設けた工具の姿勢を遠隔操作で変更可能とすることを試みた。工具の姿勢が変更可能であれば、パイプ部の形状に関係なく、工具を適正な姿勢に保持することができるからである。しかし、工具は細長いパイプ部の先端に設けられているため、工具の姿勢を変更させる機構を設ける上で制約が多く、それを克服するための工夫が必要である。また、パイプ部が湾曲部を有することも予想され、その場合でも確実に姿勢変更動作をさせられることが望まれる。
【００１０】
なお、細長いパイプ部を有しない医療用アクチュエータでは、手で握る部分に対して工具が設けられた部分が姿勢変更可能なものがある（例えば特許文献４）が、遠隔操作で工具の姿勢を変更させるものは提案されていない。
【００１１】
この発明は、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で変更することができ、しかもパイプ部としてのスピンドルガイド部が湾曲した状態でも姿勢変更が可能で、姿勢変更の精度が高い遠隔操作型アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明にかかる遠隔操作型アクチュエータは、細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、前記先端部材は、前記工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記スピンドルガイド部は、前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、先端が前記先端部材に接して進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材は前記姿勢変更用駆動源で進退動作させられ、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設けたことを特徴とする。前記姿勢操作部材は、前記姿勢操作部材、または前記姿勢変更用駆動源と前記姿勢操作部材間の力伝達部材の変位から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する。
【００１３】
この構成によれば、先端部材に設けた工具の回転により、骨等の切削加工が行われる。その場合に、姿勢変更用駆動源により姿勢操作部材を進退させると、この姿勢操作部材の先端が先端部材に対し作用することにより、スピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材が姿勢変更する。姿勢変更用駆動源は、先端部材から離れた位置に設けられており、上記先端部材の姿勢変更は遠隔操作で行われる。姿勢操作部材はガイド孔に挿通されているため、姿勢操作部材が長手方向と交差する方向に位置ずれすることがなく、常に先端部材に対し適正に作用することができ、先端部材の姿勢変更動作が正確に行われる。また、姿勢操作部材は可撓性であるため、スピンドルガイド部が湾曲部を有する場合でも姿勢変更動作が確実に行われる。
位置検出手段により検出される姿勢操作部材の進退位置から、先端部材の姿勢を推定することができる。先端部材の姿勢が分かれば、工具の先端位置が分かり、工具による加工を精度良く行える。位置検出手段は姿勢変更用駆動源とは別の箇所、例えば姿勢操作部材、または姿勢変更用駆動源と姿勢操作部材間の力伝達部材に設けられており、姿勢操作部材に近い位置で姿勢操作部材の進退位置を検出するため、検出精度が高い。例えば、姿勢変更用駆動源の動作量から姿勢操作部材の進退位置を推定する場合、姿勢変更用駆動源と姿勢操作部材間の力伝達部材の変形やガタツキが誤差として現れる。しかし、姿勢操作部材に近い位置で検出すれば、上記誤差が小さくなり検出精度が向上する。
【００１４】
前記駆動部ハウジング内に、前記姿勢変更用駆動源により直線方向に進退させられる直動部材の出力を増力して前記姿勢操作部材に伝達するレバー機構からなる増力伝達機構を設けてもよい。その場合、増力伝達機構のレバーを前記伝達部材として、前記位置検出手段は、レバーの変位量を測定する変位量測定手段と、この変位量測定手段の測定値から前記姿勢操作部材の進退位置を推定する変位量推定手段とを有する構成とする。
増力伝達機構を設ければ、姿勢変更用駆動源の出力を増力できるため、姿勢変更用駆動源を小型化できる。増力伝達機構が設けられている場合に、位置検出手段を変位量測定手段と変位量推定手段とを有する構成とすることで、姿勢変更用駆動源と姿勢操作部材間の力伝達部材である増力伝達機構のレバーの変位量を変位量測定手段で測定し、その測定値から変位量推定手段が姿勢操作部材の進退位置を推定することが可能である。
【００１５】
例えば、前記変位量測定手段は、前記増力伝達機構のレバーに設けた被検出部と、前記駆動部ハウジングに対し位置固定で設けられ前記被検出部の変位を検出する検出部とでなる変位センサとすることができる。
増力伝達機構のレバーに設けた被検出部の変位を位置固定の検出部で検出することで、レバーの回動角を推定できる。レバーの回動角が分かれば、姿勢操作部材の進退位置を求められる。
【００１６】
あるいは、前記変位量測定手段は、前記増力伝達機構のレバーの回動角を検出する角度センサであってもよい。
このように増力伝達機構のレバーの回動角を角度センサで直接検出しても、姿勢操作部材の進退位置を求められる。
【００１７】
この発明における他の発明の遠隔操作型アクチュエータは、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設けた構成において、前記姿勢操作部材は、前記姿勢操作部材、または前記姿勢変更用駆動源と前記姿勢操作部材間の力伝達部材の変位から前記姿勢操作部材の進退位置を検出するものであり、前記位置検出手段は、前記姿勢操作部材の前記駆動部ハウジング側の端部の進退位置を測定する進退位置測定手段と、この進退位置測定手段の測定値から前記姿勢操作部材の進退位置を推定する進退位置推定手段とを有する。
この構成によれば、姿勢操作部材の駆動部ハウジング側の端部の進退位置を進退位置測定手段で測定し、その測定値から変位量推定手段が姿勢操作部材の進退位置を推定する。進退位置測定手段は、姿勢操作部材の端部の進退位置を直接検出するため、姿勢変更用駆動源と姿勢操作部材間の力伝達部材の変形やガタツキが誤差として現れることがなく、検出精度が高い。
【００１８】
例えば、前記進退位置測定手段は、前記姿勢操作部材の前記駆動部ハウジング側の端部に設けられ、姿勢操作部材の長手方向と垂直な平面からなる被検出部と、前記駆動部ハウジングに対し位置固定で設けられ前記被検出部の変位を検出する検出部とでなっていてもよい。
姿勢操作部材に設けられた被検出部の変位を位置固定の検出部で検出することで、姿勢操作部材の進退位置が求められる。
【００１９】
あるいは、前記進退位置測定手段は、前記姿勢操作部材の前記駆動部ハウジング側の端部に設けられ、姿勢操作部材の長手方向に被検出用の目盛格子が並ぶリニアエンコーダからなる被検出部と、前記駆動部ハウジングに対し位置固定で設けられ前記被検出部の目盛格子を読み取る検出部とでなっていてもよい。
姿勢操作部材に設けられたリニアエンコーダからなる被検出部の目盛格子を、位置固定の検出部で読み取ることで、姿勢操作部材の進退位置を検出できる。
【００２０】
この発明におけるさらに他の発明の遠隔操作型アクチュエータは、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設けた構成において、前記姿勢変更用駆動源は前記駆動部ハウジング外に設けられたロータリアクチュエータであり、この姿勢変更用駆動源の回転を直線方向の進退動作に変換して前記姿勢操作部材に伝達する回転・進退変換伝達機構を前記駆動部ハウジング内に設ける。
姿勢変更用駆動源をロータリアクチュエータとすることで、駆動部ハウジング外に姿勢変更用駆動源を設けても、その回転を駆動部ハウジング内の回転・進退変換伝達機構に容易に伝達することができる。姿勢変更用駆動源を駆動部ハウジング外に設ければ、駆動部ハウジングを小型化できる。そのため、駆動部ハウジングを持って遠隔操作型アクチュエータを操作する際の取扱性を向上させられる。
【００２１】
この発明におけるさらに他の発明の遠隔操作型アクチュエータは、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設けた構成において、前記姿勢変更用駆動源の動作量を測定する動作量測定手段を設け、この動作量測定手段で測定した前記姿勢変更用駆動源の動作量から推定される前記姿勢操作部材の進退位置と、前記位置検出手段から推定される前記姿勢操作部材の進退位置との差より、前記姿勢操作部材が前記先端部材に付与する力の大きさを推定する付与力推定手段とを設ける。
姿勢変更用駆動源と姿勢操作部材間の力伝達部材の変形やガタツキは、力伝達部材が姿勢操作部材に付与する力の大きさに応じて変化する。具体的には、姿勢操作部材に付与する力が大きくなると、力伝達部材の変形も大きくなる。つまり、姿勢操作部材に付与する力が大きくなるほど、姿勢変更用駆動源の動作量から推定される姿勢操作部材の進退位置と、位置検出手段から推定される姿勢操作部材の進退位置との差が大きくなる。力伝達部材が姿勢操作部材に付与する力の大きさは、姿勢操作部材が先端部材に付与する力の大きさでもある。よって、前記差の大きさより、姿勢操作部材が先端部材に付与する力の大きさを推定することができる。
【００２２】
この発明において、前記スピンドルガイド部は湾曲した箇所を有していてもよい。
姿勢操作部材は可撓性であるため、スピンドルガイド部に湾曲した箇所があっても、ガイド孔内で進退させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の遠隔操作型アクチュエータは、細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、前記先端部材は、前記工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記スピンドルガイド部は、前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、先端が前記先端部材に接して進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材は前記姿勢変更用駆動源で進退動作させられ、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設け、前記姿勢操作部材は、前記姿勢操作部材、または前記姿勢変更用駆動源と前記姿勢操作部材間の力伝達部材の変位から前記姿勢操作部材の進退位置を検出するものであり、前記駆動部ハウジング内に、前記姿勢変更用駆動源により直線方向に進退させられる直動部材の出力を増力して前記姿勢操作部材に伝達するレバー機構からなる増力伝達機構が設けられ、前記位置検出手段は、前記伝達部材である前記増力伝達機構のレバーの変位量を測定する変位量測定手段と、この変位量測定手段の測定値から前記姿勢操作部材の進退位置を推定する変位量推定手段とを有するため、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で変更することができ、しかもパイプ部としてのスピンドルガイド部が湾曲した状態でも姿勢変更が可能で、姿勢変更の精度が高い。
この発明における他の発明の遠隔操作型アクチュエータは、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設けた構成において、前記姿勢操作部材は、前記姿勢操作部材、または前記姿勢変更用駆動源と前記姿勢操作部材間の力伝達部材の変位から前記姿勢操作部材の進退位置を検出するものであり、前記位置検出手段は、前記姿勢操作部材の前記駆動部ハウジング側の端部の進退位置を測定する進退位置測定手段と、この進退位置測定手段の測定値から前記姿勢操作部材の進退位置を推定する進退位置推定手段とを有するため、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で変更することができ、しかもパイプ部としてのスピンドルガイド部が湾曲した状態でも姿勢変更が可能で、姿勢変更の精度が高い。
この発明におけるさらに他の発明の遠隔操作型アクチュエータは、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設けた構成において、前記姿勢変更用駆動源は前記駆動部ハウジング外に設けられたロータリアクチュエータであり、この姿勢変更用駆動源の回転を直線方向の進退動作に変換して前記姿勢操作部材に伝達する回転・進退変換伝達機構を前記駆動部ハウジング内に設けたため、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で変更することができ、しかもパイプ部としてのスピンドルガイド部が湾曲した状態でも姿勢変更が可能で、姿勢変更の精度が高い。
この発明におけるさらに他の発明の遠隔操作型アクチュエータは、前記姿勢変更用駆動源とは別の箇所から前記姿勢操作部材の進退位置を検出する位置検出手段を設けた構成において、前記姿勢変更用駆動源の動作量を測定する動作量測定手段を設け、この動作量測定手段で測定した前記姿勢変更用駆動源の動作量から推定される前記姿勢操作部材の進退位置と、前記位置検出手段から推定される前記姿勢操作部材の進退位置との差より、前記姿勢操作部材が前記先端部材に付与する力の大きさを推定する付与力推定手段とを設けたため、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で変更することができ、しかもパイプ部としてのスピンドルガイド部が湾曲した状態でも姿勢変更が可能で、姿勢変更の精度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図２】この発明の異なる実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図３】（Ａ）は図１に示す遠隔操作型アクチュエータの先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのIIIＢ−IIIＢ断面図、（Ｃ）は先端部材と回転軸との連結構造を示す図である。
【図４】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の一部断面図に制御系を組み合わせて表示した図、（Ｂ）はそのIVＢ−IVＢ断面図である。
【図５】構成が異なる工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の一部断面図に制御系を組み合わせて表示した図である。
【図６】さらに構成が異なる工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の一部断面図に制御系を組み合わせて表示した図である。
【図７】さらに構成が異なる工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の一部断面図に制御系を組み合わせて表示した図である。
【図８】さらに構成が異なる工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の一部断面図に制御系を組み合わせて表示した図である。
【図９】この発明のさらに異なる実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１０】同遠隔操作型アクチュエータの工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の一部断面図に制御系を組み合わせて表示した図である。
【図１１】同工具回転用駆動機構の工具回転用ケーブルの断面図である。
【図１２】同姿勢変更用駆動機構の姿勢変更用ケーブルの断面図である。
【図１３】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの姿勢変更用駆動機構の構成が異なる例であり、工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の一部断面図に制御系を組み合わせて表示した図、（Ｂ）はそのXIII部拡大図である。
【図１４】図１３（Ｂ）のXIV−XIV断面図である。
【図１５】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構が異なる遠隔操作型アクチュエータの先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのXVＢ−XVＢ断面図である。
【図１６】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構がさらに異なる遠隔操作型アクチュエータの先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのXVIＢ−XVIＢ断面図である。
【図１７】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構がさらに異なる遠隔操作型アクチュエータの先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのXVIIＢ−XVIIＢ断面図である。
【図１８】図１６および図１７に示す遠隔操作型アクチュエータの姿勢変更用駆動機構の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１および図２は、この発明のそれぞれ異なる実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータの概略構成を示す図である。各遠隔操作型アクチュエータは、回転式の工具１を保持する先端部材２と、この先端部材２が先端に姿勢変更自在に取付けられた細長形状のスピンドルガイド部３と、このスピンドルガイド部３の基端が結合された駆動部ハウジング４ａと、この駆動部ハウジング４ａ内の工具回転用駆動機構４ｂおよび姿勢変更用駆動機構４ｃを制御するコントローラ５とを備える。駆動部ハウジング４ａは、内蔵の工具回転用駆動機構４ｂおよび姿勢変更用駆動機構４ｃと共に駆動部４を構成する。
【００２６】
図３と共に、先端部材２およびスピンドルガイド部３の内部構造について説明する。図３は図１の遠隔操作型アクチュエータについて示すが、図１のようにスピンドルガイド部３が真っ直ぐな形状である場合も、図２のようにスピンドルガイド部３が湾曲した形状である場合も、先端部材２およびスピンドルガイド部３の内部構造は基本的に同じである。
【００２７】
先端部材２は、略円筒状のハウジング１１の内部に、一対の軸受１２によりスピンドル１３が回転自在に支持されている。スピンドル１３は、先端側が開口した筒状で、中空部に工具１のシャンク１ａが嵌合状態に挿入され、回り止めピン１４によりシャンク１ａが回転不能に結合される。この先端部材２は、先端部材連結部１５を介してスピンドルガイド部３の先端に取付けられる。先端部材連結部１５は、先端部材２を姿勢変更自在に支持する手段であり、球面軸受からなる。具体的には、先端部材連結部１５は、ハウジング１１の基端の内径縮径部からなる被案内部１１ａと、スピンドルガイド部３の先端に固定された抜け止め部材２１の鍔状部からなる案内部２１ａとで構成される。両者１１ａ，２１ａの互いに接する各案内面Ｆ１，Ｆ２は、スピンドル１３の中心線ＣＬ上に曲率中心Ｏが位置し、基端側ほど径が小さい球面とされている。これにより、スピンドルガイド部３に対して先端部材２が抜け止めされるとともに、姿勢変更自在に支持される。この例は、曲率中心Ｏを通るＸ軸回りに先端部材２が姿勢変更する構成であるため、案内面Ｆ１，Ｆ２が、点Ｏを通るＸ軸を軸心とする円筒面であってもよい。
【００２８】
スピンドルガイド部３は、駆動部ハウジング４ａ内の工具回転用駆動源４１（図４）の回転力を前記スピンドル１３へ伝達する回転軸２２を有する。この例では、回転軸２２はワイヤとされ、ある程度の弾性変形が可能である。ワイヤの材質としては、例えば金属、樹脂、グラスファイバー等が用いられる。ワイヤは単線であっても、撚り線であってもよい。図３（Ｃ）に示すように、スピンドル１３と回転軸２２とは、自在継手等の継手２３を介して回転伝達可能に接続されている。継手２３は、スピンドル１３の閉塞した基端に設けられた溝１３ａと、回転軸２２の先端に設けられ前記溝１３ａに係合する突起２２ａとで構成される。上記溝１３ａと突起２２ａとの連結箇所の中心は、前記案内面Ｆ１，Ｆ２の曲率中心Ｏと同位置である。
【００２９】
スピンドルガイド部３は、このスピンドルガイド部３の外郭となる外郭パイプ２５を有し、この外郭パイプ２５の中心に前記回転軸２２が位置する。回転軸２２は、それぞれ軸方向に離れて配置された複数の転がり軸受２６によって回転自在に支持されている。各転がり軸受２６間には、これら転がり軸受２６に予圧を発生させるためのばね要素２７Ａ，２７Ｂが設けられている。ばね要素２７Ａ，２７Ｂは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受２６の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素２７Ａと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素２７Ｂとがあり、これらが交互に配置されている。前記抜け止め部材２１は、固定ピン２８により外郭パイプ２５のパイプエンド部２５ａに固定され、その先端内周部で転がり軸受２９を介して回転軸２２の先端部を回転自在に支持している。パイプエンド部２５ａは、外郭パイプ２５と別部材とし、溶接等により結合してもよい。
【００３０】
外郭パイプ２５の内径面と回転軸２２の間には、両端に貫通する１本のガイドパイプ３０が設けられ、このガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に、姿勢操作部材３１が進退自在に挿通されている。この例では、姿勢操作部材３１は、ワイヤ３１ａと、その両端に設けた柱状ピン３１ｂとでなる。先端部材２側の柱状ピン３１ｂの先端は球面状で、先端部材２のハウジング１１の基端面に当接している。駆動部ハウジング４ａ側の柱状ピン３１ｂの先端も球面状で、後記レバー４３ｂ（図４）の側面に当接している。
【００３１】
上記姿勢操作部材３１が位置する周方向位置に対し１８０度の位相の位置には、先端部材２のハウジング１１の基端面とスピンドルガイド部３の外郭パイプ２５の先端面との間に、例えば圧縮コイルばねからなる復元用弾性部材３２が設けられている。この復元用弾性部材３２は、先端部材２を所定姿勢側へ付勢する作用をする。
【００３２】
また、外郭パイプ２５の内径面と回転軸２２の間には、前記ガイドパイプ３０とは別に、このガイドパイプ３０と同一ピッチ円Ｃ上に、複数本の補強シャフト３４が配置されている。これらの補強シャフト３４は、スピンドルガイド部３の剛性を確保するためのものである。ガイドパイプ３０と補強シャフト３４の配列間隔は等間隔とされている。ガイドパイプ３０および補強シャフト３４は、外郭パイプ２５の内径面におよび前記転がり軸受２６の外径面に接している。これにより、転がり軸受２６の外径面を支持している。
【００３３】
図４は、駆動部ハウジング４ａ内の工具回転用駆動機構４ｂおよび姿勢変更用駆動機構４ｃを示す。工具回転用駆動機構４ｂは、コントローラ５（図１、図２）により制御される工具回転用駆動源４１を備える。工具回転用駆動源４１は、例えば電動モータであり、その出力軸４１ａが前記回転軸２２の基端に結合させてある。姿勢変更用駆動機構４ｃは、コントローラ５（図１、図２）により制御される姿勢変更用駆動源４２を備える。姿勢変更用駆動源４２は、例えば電動リニアアクチュエータであり、図４（Ａ）の左右方向に進退する直動部材である出力ロッド４２ａの動きが、増力伝達機構４３を介して前記姿勢操作部材３１に伝達される。
【００３４】
増力伝達機構４３はレバー機構からなり、支軸４３ａ回りに回動自在なレバー４３ｂを有し、このレバー４３ｂにおける支軸４３ａからの距離が長い作用点Ｐ１に出力ロッド４２ａの力が作用し、支軸４３ａからの距離が短い力点Ｐ２で姿勢操作部材３１に力を与える構成であり、姿勢変更用駆動源４２の出力が増力して姿勢操作部材３１に伝達される。増力伝達機構４３を設けると、小さな出力のリニアアクチュエータでも姿勢操作部材３１に大きな力を与えることができるので、リニアアクチュエータの小型化が可能になる。前記回転軸２２は、レバー４３ｂに形成された開口４４を貫通させてある。
【００３５】
姿勢変更用機構４ｃには、電動アクチュエータである姿勢変更用駆動源４２に供給される電力量を検出する供給電力計４５が設けられている。この供給電力計４５の検出値は、荷重推定手段４６に出力される。荷重推定手段４６は、供給電力計４５の出力から、先端部材２に作用する荷重を推定する。具体的には、荷重推定手段４６は、上記荷重と供給電力計４５の出力信号との関係を演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段（図示せず）を有し、入力された出力信号から前記関係設定手段を用いて荷重を推定する。この荷重推定手段４６は、コントローラ５に設けられたものであっても、あるいは外部の制御装置に設けられたものであってもよい。
【００３６】
また、姿勢変更用駆動機構４ｃには、姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段４７が設けられている。位置検出手段４７で検出される姿勢操作部材３１の進退位置から、先端部材２のＸ軸（図３）回りの傾動姿勢を求める。図４の例では、位置検出手段４７は、増力伝達機構４３のレバー４３ｂの変位量を測定する変位量測定手段４８と、この変位量測定手段４８の測定値から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する変位量推定手段４９とを有する。レバー４３ｂは、姿勢変更用駆動源４２と姿勢操作部材３１間の力伝達部材である。変位量測定手段４８はそれ自体が位置検出手段４７でもあるため、この例では、位置検出手段４７が姿勢変更用駆動源４２と姿勢操作部材３１との間に設けられていると言える。
【００３７】
さらに詳しくは、変位量測定手段４８は、レバー４３ｂの側面の一部分からなる被検出部４８ａと、駆動部ハウジング４ａに位置固定で設けられ前記被検出部４８ａの変位を検出する検出部４８ｂとでなる変位センサである。検出部４８ｂは、例えば、検知用光を被検出部４８ａに向けて照射し、その反射光を受光する光学式のものである。被検出部４８ａであるレバー４３ｂの側面部分は、検出部４８ｂと対向する平面である。図例では、レバー４３ｂの姿勢操作部材３１と反対側の側面に被検出部４８ａが設けられているが、姿勢操作部材３１側の側面に被検出部４８ａを設けてもよい。
【００３８】
変位量推定手段４９は、姿勢操作部材３１の進退位置と変位量測定手段４８の検出部４８ｂの出力信号との関係を演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段（図示せず）を有し、入力された出力信号から前記関係設定手段を用いて姿勢操作部材３１の進退位置を検出する。この変位量推定手段４９は、コントローラ５に設けられたものであっても、あるいは外部の制御装置に設けられたものであってもよい。
【００３９】
コントローラ５（図１、図２）には、工具１の回転指令信号を出力する工具回転用操作具（図示せず）と、先端部材２の姿勢変更指令信号を出力する姿勢変更用操作具（図示せず）とが設けられている。コントローラ５は、電子演算回路（図示せず）と制御プログラム（図示せず）とを内蔵し、前記工具回転用操作具および姿勢変更用操作具からの指令信号と、前記荷重推定手段４６および変位量推定手段４９からの出力信号とに基づき、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２を制御する。
【００４０】
この遠隔操作型アクチュエータの動作を説明する。
工具回転用駆動源４１を駆動すると、その回転力が回転軸２２を介してスピンドル１３に伝達されて、スピンドル１３と共に工具１が回転する。工具１を回転させて骨等を切削加工する際に先端部材２に作用する荷重は、供給電力計４５の検出値から、荷重推定手段４６によって推定される。このように推定される荷重の値に応じて遠隔操作型アクチュエータ全体の送り量や後記先端部材２の姿勢変更を制御することにより、先端部材２に作用する荷重を適正に保った状態で骨の切削加工を行える。
【００４１】
使用時には、姿勢変更用駆動源４２を駆動させて、遠隔操作で先端部材２の姿勢変更を行う。例えば、姿勢変更用駆動源４２により姿勢操作部材３１を先端側へ進出させると、姿勢操作部材３１によって先端部材２のハウジング１１が押されて、先端部材２は図３（Ａ）において先端側が下向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。逆に、姿勢変更用駆動源４２により姿勢操作部材３１を後退させると、復元用弾性部材３２の弾性反発力によって先端部材２のハウジング１１が押し戻され、先端部材２は図３（Ａ）において先端側が上向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。その際、先端部材連結部１５には、姿勢操作部材３１の圧力、復元用弾性部材３２の弾性反発力、および抜け止め部材２１からの反力が作用しており、これらの作用力の釣り合いにより先端部材２の姿勢が決定される。
【００４２】
先端部材２の姿勢は、位置検出手段４７により検出される姿勢操作部材３１の進退位置から求められる。具体的には、変位センサである変位量測定手段４８により、増力伝達機構４３のレバー４３ｂに設けた被検出部４８ａの変位を測定する。そして、その測定値から、変位量推定手段４９がレバー４３ｂの回動角を推定する。レバー４３ｂの回動角が分かれば、姿勢操作部材３１の進退位置が分かる。このようにして検出された姿勢操作部材３１の進退位置から、先端部材２の姿勢を求める。
【００４３】
位置検出手段４７は、姿勢変更用駆動源４２と姿勢操作部材３１間の力伝達部材であるレバー４３ｂに設けられており、姿勢操作部材３１に近い位置で姿勢操作部材３１の進退位置を検出するため、検出精度が高い。例えば、姿勢変更用駆動源４２の動作量から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する場合、姿勢変更用駆動源４２と姿勢操作部材３１との間の増力伝達機構４３の変形やガタツキが誤差として現れる。しかし、姿勢操作部材３１に近い位置で検出すれば、上記誤差を小さくでき検出精度が向上する。
このように先端部材２の姿勢を精度良く求めることができるため、工具１の先端位置を正確に位置決めすることができ、工具１による加工を精度良く行える。
【００４４】
姿勢操作部材３１はガイド孔３０ａに挿通されているため、姿勢操作部材３１が長手方向と交差する方向に位置ずれすることがなく、常に先端部材２に対し適正に作用することができ、先端部材２の姿勢変更動作が正確に行われる。また、姿勢操作部材３１はワイヤ３１ａおよび柱状ピン３１ｂからなり、全体で可撓性であるため、スピンドルガイド部３が湾曲部を有する場合でも先端部材２の姿勢変更動作が確実に行われる。さらに、スピンドル１３と回転軸２２との連結箇所の中心が案内面Ｆ１，Ｆ２の曲率中心Ｏと同位置であるため、先端部材２の姿勢変更によって回転軸２２に対して押し引きする力がかからず、先端部材２が円滑に姿勢変更できる。
【００４５】
この遠隔操作型アクチュエータは、例えば人工関節置換手術において骨の髄腔部を削るのに使用されるものであり、施術時には、先端部材２の全部または一部が患者の体内に挿入して使用される。このため、上記のように先端部材２の姿勢を遠隔操作で変更できれば、常に工具１を適正な姿勢に保持した状態で骨の加工をすることができ、人工関節挿入用穴を精度良く仕上げることができる。
【００４６】
細長形状であるスピンドルガイド部３には、回転軸２２および姿勢操作部材３１を保護状態で設ける必要があるが、外郭パイプ２５の中心部に回転軸２２を設け、外郭パイプ２５と回転軸２２との間に、姿勢操作部材３１を収容したガイドパイプ３０と補強シャフト３４とを円周方向に並べて配置した構成としたことにより、回転軸２２および姿勢操作部材３１を保護し、かつ内部を中空して軽量化を図りつつ剛性を確保できる。また、全体のバランスも良い。
【００４７】
回転軸２２を支持する転がり軸受２６の外径面を、ガイドパイプ３０と補強シャフト３４とで支持させたため、余分な部材を用いずに転がり軸受２６の外径面を支持できる。また、ばね要素２７Ａ，２７Ｂにより転がり軸受２６に予圧がかけられているため、ワイヤからなる回転軸２２を高速回転させることができる。そのため、スピンドル１３を高速回転させて加工することができ、加工の仕上がりが良く、工具１に作用する切削抵抗を低減させられる。ばね要素２７Ａ，２７Ｂは隣合う転がり軸受２６間に設けられているので、スピンドルガイド部３の径を大きくせずにばね要素２７Ａ，２７Ｂを設けることができる。
【００４８】
この実施形態では、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２が共通の駆動部ハウジング４ａ内に設けられている。そのため、遠隔操作型アクチュエータ全体の構成を簡略にできる。工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２のいずれか一方だけを駆動部ハウジング４ａ内に設けてもよい。また、後で説明するように、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２を駆動部ハウジング４ａの外に設けてもよい。
【００４９】
図５は、姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段４７の異なる構成を示す。この位置検出手段４７は、変位量測定手段４８を磁気式の変位センサとしたもので、増力伝達機構４３のレバー４３ｂに設けた磁石からなる被検出部４８ａと、駆動部ハウジング４ａに位置固定で設けたホールＩＣからなる検出部４８ｂとでなる。検出部４８ｂで検出される磁束の変化から、被検出部４８ａの変位が分かる。図例では、レバー４３ｂの姿勢操作部材３１と反対側の側面に被検出部４８ａが設けられているが、姿勢操作部材３１側の側面に被検出部４８ａを設けてもよい。
【００５０】
図６は、位置検出手段４７のさらに異なる構成を示す。この位置検出手段４７は、変位量測定手段４８を増力伝達機構４３のレバー４３ｂの回動角を検出する角度センサとしたものである。具体的には、変位量測定手段４８は、レバー４３ｂと一体に回動し支軸４３ａと同心の円周上に複数の目盛格子が等間隔で付けられたロータリエンコーダからなる被検出部４８ａと、駆動部ハウジング４ａに位置固定で設けられ前記目盛格子を読み取る検出部４８ｂとでなる。この角度センサは、光学式であっても磁気式であってもよい。変位量推定手段４９は、検出部４８ｂの読取値からレバー４３ｂの回動角を推定し、さらにレバー４３ｂの回動角から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。そして、推定された姿勢操作部材３１の進退位置から、先端部材２の姿勢を求める。図例では、駆動部ハウジング４ａの姿勢操作部材３１と反対側の面に検出部４８ｂが設けられているが、姿勢操作部材３１側の面に検出部４８ｂを設けてもよい。
【００５１】
図７は、位置検出手段４７のさらに異なる構成を示す。この位置検出手段４７は、図４〜図６の各例とは異なり、姿勢操作部材３１の駆動部ハウジング４ａ側の端部の進退位置を測定する進退位置測定手段５１と、この進退位置測定手段５１の測定値から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する進退位置推定手段５２とを有する。進退位置測定手段５１はそれ自体が位置検出手段４７でもあるため、この例では、位置検出手段４７が姿勢操作部材３１に設けられていると言える。
【００５２】
さらに詳しくは、進退位置測定手段５１は、姿勢操作部材３１の駆動部ハウジング４ａ側の端部に設けられ姿勢操作部材３１の長手方向と垂直な平面を有する被検出部５１ａと、駆動部ハウジング４ａに対し位置固定で設けられ前記被検出部５１ａの変位を検出する検出部５１ｂとでなる。検出部５１ｂは、例えば、検知用光を被検出部５１ａに向けて照射し、その反射光を受光する光学式のものである。この例では、検出部５１ｂは駆動部ハウジング４ａのスピンドルガイド部３とは反対側の側面に取付けられ、増力伝達機構４３のレバー４３ｂに設けた連通孔４３ｃを貫通してスピンドルガイド部３側へ延び、その先端を被検出部５１ａに対向させてある。また、この例では、被検出部５１ａを姿勢操作部材３１のピン３１ｂと一体構造にしたが、被検出部５１ａは、ピン３１ｂと別部材にして、姿勢操作部材３１のワイヤ３１ａまたはピン３１ｂに対して溶接や圧入により固定してもよい。
【００５３】
進退位置推定手段５２は、姿勢操作部材３１の進退位置と進退位置測定手段５１の検出部５１ｂの出力信号との関係を演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段（図示せず）を有し、入力された出力信号から前記関係設定手段を用いて姿勢操作部材３１の進退位置を検出する。この進退位置推定手段５２は、コントローラ５に設けられたものであっても、あるいは外部の制御装置に設けられたものであってもよい。
【００５４】
進退位置測定手段５１の測定値から、進退位置推定手段５２が姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。そして、推定された姿勢操作部材３１の進退位置から、先端部材２の姿勢を求める。このように、姿勢操作部材３１の進退位置を直接測定すれば、増力伝達機構４３の変形やガタツキが誤差として現れることがなく、検出精度が高い。そのため、先端部材２の姿勢をより一層精度良く求めることができる。
【００５５】
図８は、姿勢操作部材３１の進退位置を直接測定する位置検出手段４７の異なる例を示す。この位置検出手段４７は、姿勢操作部材３１の駆動部ハウジング４ａ側の端部に設けられ、姿勢操作部材３１の長手方向に被検出用の目盛格子が並ぶリニアエンコーダからなる被検出部５１ａと、駆動部ハウジング４ａに対し位置固定で設けられ前記被検出部５１ａの目盛格子を読み取る検出部５１ｂとでなる。この場合も、前記同様、姿勢操作部材３１の進退位置の検出精度が高く、先端部材２の姿勢を精度良く求めることができる。
【００５６】
図９〜図１２は、工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の構成が異なる実施形態を示す。前記各実施形態は、工具回転用駆動機構４ｂの工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動機構４ｃの姿勢変更用駆動源４２が駆動部ハウジング４ａ内に設けられているのに対し、図９〜図１２の実施形態は、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２が駆動部ハウジング４ａとは別の駆動源ハウジング６０に設けられている。
【００５７】
この実施形態の工具回転用駆動機構６１は、駆動源ハウジング６０に設けた工具回転用駆動源４１の出力軸４１ａの回転を、工具回転用ケーブル６２のインナワイヤ６４（図１１）により、駆動部ハウジング４ａ内の回転軸２２の基端へ伝達する。工具回転用ケーブル６２は、例えば図１１に示す構造をしている。すなわち、可撓性のアウタチューブ６３の中心に、可撓性のインナワイヤ６４が、複数の転がり軸受６６によって回転自在に支持されている。そして、インナワイヤ６４の両端が、工具回転用駆動源４１の出力軸４１ａおよび回転軸２２の基端にそれぞれ繋がれている。各転がり軸受６６間には、これら転がり軸受６６に予圧を発生させるためのばね要素６７Ａ，６７Ｂが設けられている。ばね要素６７Ａ，６７Ｂは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受６６の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素６７Ａと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素６７Ｂとがあり、これらが交互に配置されている。このように、ばね要素６７Ａ，６７Ｂにより転がり軸受６６に予圧をかけることにより、インナワイヤ６４を高速回転させることができる。市販されているフレキシブルシャフトを使用してもよい。
【００５８】
また、この実施形態の姿勢変更用駆動機構７１は、駆動源ハウジング６０に設けた姿勢変更用駆動源４２がロータリアクチュエータであり、この姿勢変更用駆動源４２の回転を、姿勢変更用ケーブル７２のインナワイヤ７４（図１２）により、駆動部ハウジング４ａ内の回転・進退変換伝達機構８０へ伝達する。回転・進退変換伝達機構８０については、後で説明する。
【００５９】
姿勢変更用ケーブル７２は、前記工具回転用ケーブル６２と同じ構造であり、例えば図１２に示す構造をしている。すなわち、可撓性のアウタチューブ７３の中心に、可撓性のインナワイヤ７４が、複数の転がり軸受７６によって回転自在に支持されている。そして、インナワイヤ７４の両端が、姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａおよび進退部材８１にそれぞれ繋がれている。各転がり軸受７６間には、これら転がり軸受７６に予圧を発生させるためのばね要素７７Ａ，７７Ｂが設けられている。ばね要素７７Ａ，７７Ｂは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受７６の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素７７Ａと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素７７Ｂとがあり、これらが交互に配置されている。このように、ばね要素７７Ａ，７７Ｂにより転がり軸受７６に予圧をかけることにより、インナワイヤ７４を高速回転させることができる。市販されているフレキシブルシャフトを使用しても良い。
【００６０】
図１０に示すように、回転・進退変換伝達機構８０は、回転・進退変換部８０ａと増力伝達部８０ｂとでなる。回転・進退変換部８０ａは、インナワイヤ７４を介して伝達される姿勢変更用駆動源４２の回転を直線方向の進退動作に変換する機構であり、例えばボールねじ等のねじ機構からなる。具体的には、インナワイヤ７４と一体に回転する進退部材８１の回転を、ねじ機構の作用で、駆動部ハウジング４ａに対する進退動作に変換する。増力伝達部８０ｂは、前記実施形態の増力伝達機構４３に相当し、そのレバー４３ｂの側面に、上記進退部材８１の球面状の先端が当接している。増力伝達部８０ｂの各部には、増力伝達機構４３と同一符号を付してある。
【００６１】
この姿勢変更用駆動機構７１には、姿勢変更用駆動源４２の動作量を測定する動作量測定手段８２が設けられている。この例の場合、動作量測定手段８２は、ロータリアクチュエータである姿勢変更用駆動源４２の回転量を測定する回転センサであり、姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａの外周に設けた被検出部８２ａとしてのロータリエンコーダと、駆動源ハウジング６０に位置固定で設けられ前記ロータリエンコーダの目盛格子を読み取る検出部８２ｂとでなる。
【００６２】
また、姿勢変更用駆動機構７１には、姿勢変更用駆動源４２と姿勢操作部材３１間の力伝達部材の変位量を測定する変位量測定手段８３が設けられている。変位量測定手段８３は、力伝達部材の変位量から姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段である。この例の場合、変位量測定手段８３は、力伝達部材である進退部材８１の回転量を検出する回転センサであり、進退部材８１の外周に設けた被検出部８３ａとしてのロータリエンコーダと、駆動部ハウジング４ａに位置固定で設けられ前記ロータリエンコーダの目盛格子を読み取る検出部８３ｂとでなる。
【００６３】
上記動作量測定手段８２および変位量測定手段８３の測定値は、付与力推定手段８４に送信される。付与力推定手段８４は、動作量測定手段８２によって測定される姿勢変更用駆動源４２の動作量から推定される姿勢操作部材３１の進退位置と、変位量測定手段８３の測定値から推定される姿勢操作部材３１の進退位置との差より、姿勢操作部材３１が先端部材２に付与する力の大きさを推定する。
【００６４】
詳しくは、付与力推定手段８４は、姿勢変更用駆動源４２の側定値および変位量測定手段８３の測定値と、姿勢操作部材３１が先端部材２に付与する力の大きさとの関係を演算式またはテーブル等により設定した関係設定手段（図示せず）を有し、入力された測定値から前記関係設定手段を用いて姿勢操作部材３１が先端部材２に付与する力の大きさを検出する。推定された付与力の大きさに応じて、姿勢変更用駆動源４２の出力を制御することにより、先端部材２の姿勢変更を安全かつ精度良く行える。付与力推定手段８４は、コントローラ５に設けられたものであっても、あるいは外部の制御装置に設けられたものであってもよい。
【００６５】
姿勢変更用駆動源４２と姿勢操作部材３１間の力伝達部材の変形やガタツキは、力伝達部材が姿勢操作部材３１に付与する力の大きさに応じて変化する。具体的には、姿勢操作部材３１に付与する力が大きくなると、力伝達部材の変形も大きくなる。つまり、姿勢操作部材３１に付与する力が大きくなるほど、姿勢変更用駆動源４２の動作量から推定される姿勢操作部材３１の進退位置と、変位量測定手段８３の測定値から推定される姿勢操作部材３１の進退位置との差が大きくなる。力伝達部材が姿勢操作部材３１に付与する力の大きさは、姿勢操作部材３１が先端部材２に付与する力の大きさでもある。よって、上記進退位置の差の大きさより、姿勢操作部材３１が先端部材２に付与する力の大きさを推定することができる。
【００６６】
特に、力伝達部材として可撓性の姿勢変更用ケーブル７２が用いられているこの実施形態の場合、同ケーブル７２のインナワイヤ７４が捩れることにより、インナワイヤ７４の入力側と出力側とで位相差が生じる。インナワイヤ７４の捩れによる位相差は、他の力伝達部材、例えばレバー４３ｂの変形による変位よりも顕著に現れるため、上記位相差を用いれば、姿勢操作部材３１が先端部材２に付与する力の大きさを推定しやすい。
【００６７】
なお、変位量測定手段としては、図１０の例の代わりに、図４〜図８に示す位置検出手段４７の変位量測定手段４８のいずれかを用いてもよい（図示せず）。また、図１０の変位量測定手段８３とは別に、図４〜図８に示す位置検出手段４７の変位量測定手段４８のいずれかを設け、動作量測定手段８２の測定値から推定される姿勢操作部材３１の進退位置を、変位量測定手段４８の測定値を用いて補正するようにしてもよい（図示せず）。このような補正を行えば、動作量測定手段８２の測定値から推定される姿勢操作部材３１の進退位置の精度を高めることができる。
【００６８】
図９に示すように、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２を制御するコントローラ５は、駆動源ハウジング６０に接続されている。先端部材２およびスピンドルガイド部３は、前記各実施形態のいずれかと同じ構成である。
【００６９】
この実施形態のように、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２を駆動部ハウジング４ａの外部に設けることにより、駆動部ハウジング４ａを小型化することができる。そのため、駆動部ハウジング４ａを持って遠隔操作型アクチュエータを操作する際の取扱性を向上させることができる。工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２は共にロータリアクチュエータであるため、駆動部ハウジング４ａ外の工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２の回転を、駆動部ハウジング４ａ内の回転軸２２や回転・進退変換伝達機構８０へ容易に伝達することができる。
【００７０】
回転・進退変換伝達機構８０の回転・進退変換部８０ａは、図１３に示す構成としてもよい。すなわち、この回転・進退変換部８０ａは、駆動部ハウジング４ａに進退自在に設けられた進退部材８１と、この進退部材８１の雄ねじ部８１ａに螺合する雌ねじ部材８５と、この雌ねじ部材８５の外周に結合ピン８６により結合された連結部材８７とを備える。図１４に示すように、進退部材８１は両側面が平面状に切り落とされた断面形状であり、同じ断面形状をした駆動部ハウジング４ａの貫通孔８８に嵌合することで、中心軸方向に進退自在ではあるが、中心軸回りに回転不能となっている。図１３において、雌ねじ部材８５は軸受８９を介して駆動部ハウジング４ａに、連結部材８７は軸受９０を介して駆動部ハウジング４ａに固定の支持部材９１にそれぞれ回転自在に支持されている。連結部材８７は、姿勢変更用ケーブル７２のインナワイヤ７４に結合されている。姿勢変更用駆動源４２と姿勢操作部材３１間の変位量を測定する変位量測定手段８３は、例えば図例のように、連結部材８７の外周に被検出部８３ａとしてのロータリエンコーダを設け、駆動部ハウジング４ａに位置固定で設けられた検出部８３ｂで前記ロータリエンコーダの目盛格子を読み取るようにするのがよい。
【００７１】
この構成によれば、インナワイヤ７４と一体に連結部材８７および雌ねじ部材８５が回転し、雌ねじ部材８５と進退部材８１のねじ部８１ａの螺合により、進退部材８１が進退させられる。進退部材８１は中心軸回りに回転不能に支持されているため、進退部材８１が増力伝達部８０ｂのレバー４３ｂに対して押圧力以外の力を付与することがなく、増力伝達部８０ｂが動作不良を起しにくい。
【００７２】
図１５は、先端部材２の姿勢を変更させる構成が異なる実施形態を示す。この遠隔操作型アクチュエータ３は、外郭パイプ２５内の互いに１８０度の位相にある周方向位置に２本のガイドパイプ３０を設け、そのガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に、前記同様のワイヤ３１ａおよび柱状ピン３１ｂからなる姿勢操作部材３１が進退自在に挿通してある。２本のガイドパイプ３０間には、ガイドパイプ３０と同一ピッチ円Ｃ上に複数本の補強シャフト３４が配置されている。復元用弾性部材３２は設けられていない。案内面Ｆ１，Ｆ２は、曲率中心が点Ｏである球面、または点Ｏを通るＸ軸を軸心とする円筒面である。
【００７３】
駆動部４（図示せず）には、２つの姿勢操作部材３１をそれぞれ個別に進退操作させる２つの姿勢変更用駆動源４２（図示せず）が設けられており、これら２つの姿勢変更用駆動源４２を互いに逆向きに駆動することで先端部材２の姿勢変更を行う。例えば、図１５における上側の姿勢操作部材３１を先端側へ進出させ、かつ下側の姿勢操作部材３１を後退させると、上側の姿勢操作部材３１によって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は図１５（Ａ）において先端側が下向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。逆に、両姿勢操作部材３１を逆に進退させると、下側の姿勢操作部材３１によって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は図１５（Ａ）において先端側が上向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。その際、先端部材連結部１５には、上下２つの姿勢操作部材３１の圧力、および抜け止め部材２１からの反力が作用しており、これらの作用力の釣り合いにより先端部材２の姿勢が決定される。この構成では、２つの姿勢操作部材３１で先端部材２のハウジング１１に加圧されるため、１つ姿勢操作部材３１だけで加圧される前記実施形態に比べ、先端部材２の姿勢安定性を高めることができる。
【００７４】
図１６は先端部材２の姿勢を変更させる構成がさらに異なる実施形態を示す。この遠隔操作型アクチュエータは、外郭パイプ２５内の互いに１２０度の位相にある周方向位置に３本のガイドパイプ３０を設け、そのガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に前記同様の姿勢操作部材３１が進退自在に挿通してある。３本のガイドパイプ３０間には、ガイドパイプ３０と同一ピッチ円Ｃ上に複数本の補強シャフト３４が配置されている。復元用弾性部材３２は設けられていない。案内面Ｆ１，Ｆ２は曲率中心が点Ｏである球面であり、先端部材２は任意方向に傾動可能である。
【００７５】
駆動部４には、３つの姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）をそれぞれ個別に進退操作させる３つの姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）（図１８）が設けられており、これら３つの姿勢変更用駆動源４２を互いに連係させて駆動することで先端部材２の姿勢変更を行う。
例えば、図１６における上側の１つの姿勢操作部材３１Ｕを先端側へ進出させ、かつ他の２つの姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを後退させると、上側の姿勢操作部材３１Ｕによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は図１６（Ａ）において先端側が下向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。このとき、各姿勢操作部材３１の進退量が適正になるよう、各姿勢変更用駆動源４２が制御される。各姿勢操作部材３１を逆に進退させると、左右の姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は図１６（Ａ）において先端側が上向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。
また、上側の姿勢操作部材３１Ｕは静止させた状態で、左側の姿勢操作部材３１Ｌを先端側へ進出させ、かつ右側の姿勢操作部材３１Ｒを後退させると、左側の姿勢操作部材３１Ｌによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は右向き、すなわち図１６（Ａ）において紙面の裏側向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。左右の姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを逆に進退させると、右の姿勢操作部材３１Ｒによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は左向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。
このように姿勢操作部材３１を円周方向の３箇所に設けることにより、先端部材２を上下左右の２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）の方向に姿勢変更することができる。その際、先端部材連結部１５には、３つの姿勢操作部材３１の圧力、および抜け止め部材２１からの反力が作用しており、これらの作用力の釣り合いにより先端部材２の姿勢が決定される。この構成では、３つの姿勢操作部材３１で先端部材２のハウジング１１に加圧されるため、さらに先端部材２の姿勢安定性を高めることができる。姿勢操作部材３１の数をさらに増やせば、先端部材２の姿勢安定性をより一層高めることができる。
【００７６】
図１７は図１６にものと比べてスピンドルガイド部３の内部構造が異なる実施形態を示す。この遠隔操作型アクチュエータのスピンドルガイド部３は、外郭パイプ２５の中空孔２４が、中心部の円形孔部２４ａと、この円形孔部２４ａの外周における互いに１２０度の位相をなす周方向位置から外径側へ凹んだ３つの溝状部２４ｂとでなる。溝状部２４ｂの先端の周壁は、断面半円形である。そして、円形孔部２４ａに回転軸２２と転がり軸受２６とが収容され、各溝状部２４ｂに姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が収容されている。
【００７７】
外郭パイプ２５を上記断面形状としたことにより、外郭パイプ２５の溝状部２４ｂ以外の箇所の肉厚ｔを厚くなり、外郭パイプ２５の断面２次モーメントが大きくなる。すなわち、ガイド部３の剛性が高まる。それにより、先端部材２の位置決め精度を向上させられるとともに、切削性を向上させられる。また、溝状部２４ｂにガイドパイプ３０を配置したことにより、ガイドパイプ３０の円周方向の位置決めを容易に行え、組立性が良好である。
【００７８】
図１６および図１７のように姿勢操作部材３１が周方向の３箇所に設けられている場合、姿勢変更用駆動機構４ｃを例えば図１８のように構成することができる。すなわち、各姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）をそれぞれ個別に進退操作させる３つの姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を左右並列に配置すると共に、各姿勢変更用駆動源４２に対応するレバー４３ｂ（４３ｂＵ，４３ｂＬ，４３ｂＲ）を共通の支軸４３ａ回りに回動自在に設け、各レバー４３ｂにおける支軸４３ａからの距離が長い作用点Ｐ１（Ｐ１Ｕ，Ｐ１Ｌ，Ｐ１Ｒ）に各姿勢変更用駆動源４２の出力ロッド４２ａ（４２ａＵ，４２ａＬ，４２ａＲ）の力が作用し、支軸４３ａからの距離が短い力点Ｐ２（Ｐ２Ｕ，Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒ）で姿勢操作部材３１に力を与える構成としてある。これにより、各姿勢変更用駆動源４２の出力が増力して対応する姿勢操作部材３１に伝達させることができる。なお、回転軸２２は、上側の姿勢操作部材３１Ｕ用のレバー４３ｂＵに形成された開口４４を貫通させてある。
【００７９】
上記各実施形態はスピンドルガイド部３が直線形状であるが、この発明の遠隔操作型アクチュエータは、姿勢操作部材３１が可撓性であり、スピンドルガイド部３が湾曲部を有する場合でも先端部材２の姿勢変更動作が確実に行われるので、図２のようにスピンドルガイド部３を湾曲形状としてもよい。あるいは、スピンドルガイド部３の一部分のみを湾曲形状としてもよい。スピンドルガイド部３が湾曲形状であれば、直線形状では届きにくい骨の奥まで先端部材２を挿入することが可能となる場合があり、人工関節置換手術における人工関節挿入用穴の加工を精度良く仕上げることが可能になる。
【００８０】
スピンドルガイド部３を湾曲形状とする場合、外郭パイプ２５、ガイドパイプ３０、および補強シャフト３４を湾曲形状とする必要がある。また、回転軸２２は変形しやすい材質を用いるのが良く、例えば形状記憶合金が適する。
【符号の説明】
【００８１】
１…工具
２…先端部材
３…スピンドルガイド部
４ａ…駆動部ハウジング
５…コントローラ
１３…スピンドル
１５…先端部材連結部
２２…回転軸
３０ａ…ガイド孔
３１…姿勢操作部材
４１…工具回転用駆動源
４２…姿勢変更用駆動源
４２ａ…出力ロッド
４３…増力伝達機構
４３ｂ…レバー（力伝達部材）
４７…位置検出手段
４８…変位量測定手段
４８ａ…被検出部
４８ｂ…検出部
４９…変位量推定手段
５１…進退位置測定手段
５１ａ…被検出部
５１ｂ…検出部
５２…進退位置推定手段
７２…姿勢変更用ケーブル（力伝達部材）
８０…回転・進退変換伝達機構
８１…進退部材（力伝達部材）
８２…動作量測定手段
８３…変位量測定手段（位置検出手段）
８４…付与力推定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0005538795.tif 000016
【図１６】
0005538795.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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