(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、
前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源の回転を入力しそれを減速して出力する減速機構と、この減速機構の出力を回転運動から進退運動に変換して出力する動作変換機構と、この動作変換機構の出力により前記姿勢操作部材の基端に接する接触部が進退動作することで前記姿勢操作部材を進退動作させる出力部材とを設け、前記動作変換機構は、前記減速機構の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部を前記出力部材とし、前記直動機構は、ねじ機構を用いた機構であ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】
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、
前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源の回転を入力しそれを減速して出力する減速機構と、この減速機構の出力を回転運動から進退運動に変換して出力する動作変換機構と、この動作変換機構の出力により前記姿勢操作部材の基端に接する接触部が進退動作することで前記姿勢操作部材を進退動作させる出力部材とを設け、
前記動作変換機構は、前記減速機構の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部を前記出力部材とし、前記直動機構は、ラックとピニオンの噛み合いによる機構である遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項３】
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、
前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源の回転を入力しそれを減速して出力する減速機構と、この減速機構の出力を回転運動から進退運動に変換して出力する動作変換機構と、この動作変換機構の出力により前記姿勢操作部材の基端に接する接触部が進退動作することで前記姿勢操作部材を進退動作させる出力部材とを設け、
前記動作変換機構は、前記減速機構の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構部と、この直動機構部の出力を増力して出力するレバー機構部とを有し、このレバー機構部の最終出力部を前記出力部材とした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記減速機構は、前記姿勢変更用駆動源からの回転を入力する入力軸と、減速後の回転を出力する出力軸とを有し、これら入力軸および出力軸は共に同一軸上に位置する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記減速機構は、前記姿勢変更用駆動源からの回転を入力する入力軸と、減速後の回転を出力する出力軸とを有し、これら入力軸および出力軸は互いに直交している遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項６】
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、
前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源の回転を入力しそれを減速して出力する減速機構と、この減速機構の出力を回転運動から進退運動に変換して出力する動作変換機構と、この動作変換機構の出力により前記姿勢操作部材の基端に接する接触部が進退動作することで前記姿勢操作部材を進退動作させる出力部材とを設け、
前記減速機構は、前記姿勢変更用駆動源の回転により回転するウォームと、このウォームと噛み合うウォームホイールとを組み合わせた構成であり、前記ウォームホイールを、その一部分である接触部が前記姿勢操作部材と滑り接触して姿勢操作部材を進退動作させる前記出力部材とした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記スピンドルガイド部の基端が結合された駆動部ハウジング内に前記減速機構を設け、前記駆動部ハウジング外に前記姿勢変更用駆動源を設け、前記姿勢変更用駆動源の回転を前記減速機構へ伝達する可撓性ワイヤを設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記減速機構と前記姿勢操作部材間の動力伝達部材に、この動力伝達部材の動作位置を検出する位置検出手段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確実かつ精度良く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させられて、全体構成がコンパクトな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、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源の回転を入力しそれを減速して出力する減速機構と、この減速機構の出力を回転運動から進退運動に変換して出力する動作変換機構と、この動作変換機構の出力により前記姿勢操作部材の基端に接する接触部が進退動作することで前記姿勢操作部材を進退動作させる出力部材とを設けたことを前提構成とする。ここで言う「進退運動」は、直線往復運動の他に、揺動運動も含むものとする。
【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。
【００１４】
姿勢変更用駆動源の回転は、減速機構により減速され、さらに動作変換機構により回転運動から進退運動に変換されて、出力部材に伝達される。それにより、出力部材が進退動作する。この出力部材の進退動作が接触部より姿勢操作部材の基端へ伝達されて、姿勢操作部材が進退動作する。減速機構を設けたため、姿勢変更用駆動源の出力するトルクが小さくても、大きなトルクを発生させて、出力部材に大きな作用力を与えることができる。そのため、姿勢操作部材を確実に進退動作させることができ、先端部材に設けた工具の位置決め精度が良い。また、姿勢変更用駆動源の小型化が可能となり、遠隔操作型アクチュエータ全体をコンパクトにできる。
特に、姿勢変更用駆動源にロータリアクチュエータを用い、減速機構と、その出力を進退運動に変換する動作変換機構とを組み合わせ、この動作変換機構により出力部材を介して姿勢操作部材を進退動作させるようにしたため、遠隔操作型アクチュエータ全体をより一層コンパクトにできる。
【００１５】
前記前提構成において、前記動作変換機構は、前記減速機構の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部を前記出力部材とする。例えば、前記直動機構は、ねじ機構を用いた機構や、ラックとピニオンの噛み合いによる機構を採用することができる。
動作変更機構を直動機構とすることで、ロータリアクチュエータである姿勢変更用駆動源の回転で姿勢操作部材を進退させることができる。また、直動機構の最終出力部を出力部材としたことで、部品点数を削減して構成を簡略にできる。
【００１６】
また、前記前提構成において、前記動作変換機構は、前記減速機構の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構部と、この直動機構部の出力を増力して出力するレバー機構部とを有し、このレバー機構部の最終出力部を前記出力部材としてもよい。
この場合も、ロータリアクチュエータである姿勢変更用駆動源の回転を直動機構部で直線往復運動に変換することで、姿勢操作部材を進退させることができる。また、減速機構により姿勢変更用駆動源のトルクを増大させることに加え、レバー機構部により直動機構部の出力が増力されるので、姿勢操作部材をより大きな作用力で進退動作させることができる。レバー機構部を設けたことで、減速比の低い減速機構を用いることが可能となり、減速機構の小型・軽量化を実現できる。レバー機構部の最終出力部を出力部材としたことで、部品点数を削減できる。
【００１７】
この発明において、前記減速機構は、前記姿勢変更用駆動源からの回転を入力する入力軸と、減速後の回転を出力する出力軸とを有する場合、これら入力軸および出力軸は共に同一軸上に位置していてもよく、あるいは互いに直交していてもよい。
入力軸と出力軸が同一軸上に位置する場合、減速機構として例えばハーモニックドライブや遊星歯車機構等を採用することができる。これらの機構は、小型でコンパクトな構造でありながら、大きな減速比をとることができる。また、入力軸と出力軸が互いに直交する場合は、減速機構の出力軸の延長線上に姿勢変更用駆動源を配置しなくてよいので、設計上の自由度が向上する。
【００１８】
前記前提構成において、前記減速機構は、前記姿勢変更用駆動源の回転により回転するウォームと、このウォームと噛み合うウォームホイールとを組み合わせた構成であり、前記ウォームホイールを、その一部分である接触部が前記姿勢操作部材と滑り接触して姿勢操作部材を進退動作させる前記出力部材としてもよい。
減速機構を、ウォームとウォームホイールとを組み合わせた構成としたことで、減速機構に動作変換機能を付加することができる。すなわち、減速機構と動作変換機構を一体化した機構となり、減速および動作変換の機能部分を小型でコンパクトにできる。ウォームとウォームホイールとでなる減速機構は、大きな減速比をとれる。また、ウォームホイールを出力部材としたことで、部品点数を削減できる。
【００１９】
この発明において、前記スピンドルガイド部の基端が結合された駆動部ハウジング内に前記減速機構を設け、前記駆動部ハウジング外に前記姿勢変更用駆動源を設け、前記姿勢変更用駆動源の回転を前記減速機構へ伝達する可撓性ワイヤを設けてもよい。
駆動部ハウジング外に姿勢変更用駆動源を設けることで、駆動ハウジング内にモータのような電子部品を設けずに済む。そのため、遠隔操作型アクチュエータを医療機器として使用する場合に、駆動ハウジングの滅菌処理や洗浄が容易になる。また、駆動部ハウジング外に設けた姿勢変更用駆動源の回転を、可撓性ワイヤを介して、駆動部ハウジング内の減速機構へ伝達することにより、駆動部ハウジング外に設けた姿勢変更用駆動源と駆動部ハウジングとの位置関係についての融通性が高く、遠隔操作型アクチュエータを操作しやすい。
可撓性ワイヤよりも回転伝達下流側に減速機構を設けたため、可撓性ワイヤに捩れが生じても、その捩れによる回転位相差は減速機構の出力側で小さくなる。そのため、可撓性ワイヤの捩れの影響が出力部材に大きく現れることがなく、姿勢操作部材を精度良く進退動作させられる。
【００２０】
この発明において、前記減速機構と前記姿勢操作部材間の動力伝達部材に、この動力伝達部材の動作位置を検出する位置検出手段を設けるのが良い。
位置検出手段によって検出される動力伝達部材の動作位置から、姿勢操作部材の進退位置を推定できる。このように推定された姿勢操作部材の進退位置に関する情報を用いて、姿勢変更用駆動源を制御することができる。位置検出手段を減速機構と前記姿勢操作部材間の動力伝達部材に設けたため、減速機構において、例えばバックラッシュ等を原因とする入力側と出力側の回転のずれが生じても、それが位置検出手段の検出精度に影響を与えない。そのため、姿勢操作部材の進退位置を常に精度良く推定することができ、先端部材の位置決め精度を向上させられる。また、上記理由から、減速機構として比較的安価なものを使用することが可能となり、遠隔操作型アクチュエータのコスト低減を図れる。
姿勢変更用駆動源と減速機構間の動力伝達部材に捩れが生じる部材が用いられている場合であっても、その動力伝達部材の捩れの影響が減速機構の作用で小さくなるため、位置検出手段の分解能を小さくなり、精度の良い先端部材の位置決めが可能である。
【００２１】
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】
【００２２】
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、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源の回転を入力しそれを減速して出力する減速機構と、この減速機構の出力を回転運動から進退運動に変換して出力する動作変換機構と、この動作変換機構の出力により前記姿勢操作部材の基端に接する接触部が進退動作することで前記姿勢操作部材を進退動作させる出力部材とを設け、前記動作変換機構は、前記減速機構の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部を前記出力部材とし、前記直動機構は、ねじ機構を用いた機構であるため、細長形状であるスピンドルガイド部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で確実かつ精度良く変更することができ、しかも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させられて、全体構成をコンパクトにできる。
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、前記直動機構を、ラックとピニオンの噛み合いによる機構としたため、細長形状であるスピンドルガイド部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で確実かつ精度良く変更することができ、しかも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させられて、全体構成をコンパクトにできる。
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、前記前提構成において、前記動作変換機構は、前記減速機構の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構部と、この直動機構部の出力を増力して出力するレバー機構部とを有し、このレバー機構部の最終出力部を前記出力部材としたため、細長形状であるスピンドルガイド部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で確実かつ精度良く変更することができ、しかも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させられて、全体構成をコンパクトにできる。
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、前記前提構成において、前記減速機構は、前記姿勢変更用駆動源の回転により回転するウォームと、このウォームと噛み合うウォームホイールとを組み合わせた構成であり、前記ウォームホイールを、その一部分である接触部が前記姿勢操作部材と滑り接触して姿勢操作部材を進退動作させる前記出力部材としたため、細長形状であるスピンドルガイド部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で確実かつ精度良く変更することができ、しかも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させられて、全体構成をコンパクトにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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断面図、（Ｂ）はそのIVＢ−IVＢ断面図に制御系を組み合わせて表示した図である。
【図５】（Ａ）は工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の異なる構成を示す断面図に制御系を組み合わせて表示した図、（Ｂ）はそのＶＢ−ＶＢ断面図である。
【図６】（Ａ）は工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構のさらに異なる構成を示す断面図に制御系を組み合わせて表示した図、（Ｂ）はそのVIＢ−VIＢ断面図である。
【図７】（Ａ）は図６（Ａ）の部分拡大図、（Ｂ）はそのVIIＢ−VIIＢ断面図である。
【図８】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９】（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断面図、（Ｂ）はそのIXＢ−IXＢ断面図である。
【図１０】同工具回転用駆動機構の工具回転用可撓性ワイヤの断面図である。
【図１１】同姿勢変更用駆動機構の姿勢変更用可撓性ワイヤの断面図である。
【図１２】（Ａ）は工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構のさらに異なる構成を示す断面図、（Ｂ）はそのXIIＢ−XIIＢ断面図である。る。
【図１３】工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構のさらに異なる構成を示す断面図である。
【図１４】（Ａ）は図１３の部分拡大図、（Ｂ）はそのXIVＢ−XIVＢ断面図に制御系を組み合わせて表示した図である。
【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】（Ａ）は図１６に示す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構成を示す断面図、（Ｂ）はそのXVIIIＢ−XVIIIＢ断面図である。
【図１９】（Ａ）は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構成を示す断面図、（Ｂ）はそのXIXＢ−XIXＢ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、後記直動部材５１（図４）の前面に当接している。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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はロータリアクチュエータであって、減速機構４３が一体に設けられている。なお、ロータリアクチュエータは、電動式であっても、流体圧式であってもよいが、この実施形態では電動式のアクチュエータを用いている。減速機構４３は、姿勢変更用駆動源４２の回転を減速して出力するものであり、その出力軸４３ａに動作変換機構４４Ａが直結されている。動作変換機構４４Ａは、減速機構４３の出力を回転運動から進退運動に変換する機構である。この図例の動作変換機構４４Ａは、減速機構４３の出力を回転運動から直線往復運動に変換して出力する直動機構とされている。
【００３３】
直動機構である動作変換機構４４Ａは、具体的には、両端部が軸受４５で支持され一端が減速機構４３の出力軸４３ａにカップリング４６を介して連結されたボールねじ４７と、このボールねじ４７に螺合するナット４８とでなるボールねじ機構４９を備え、前記ナット４８に、リニアガイド５０によりボールねじ４７の軸方向に移動自在に案内された直動部材５１が固定されている。直動部材５１は、動作変換機構４４Ａの出力部材であって、この直動部材５１の先端面からなる接触部５１ａに姿勢操作部材３１の基端が当接している。
【００３４】
減速機構４３の出力軸４３ａの回転が、ボールねじ機構４９により直線運動に変換されて、直動部材５１がリニアガイド５０に沿って直線移動する。直動部材５１が図４（Ａ）の左側へ移動するときは、直動部材５１に押された姿勢操作部材３１が前進し、直動部材５１が右側へ移動するときは、前記復元用弾性部材３２の弾性反発力により押し戻されて姿勢操作部材３１が後退する。
【００３５】
直動部材５１にはリニアスケール５２が設置され、このリニアスケール５２の目盛を、駆動部ハウジング４ａに固定されたリニアエンコーダ５３が読み取る。これらリニアスケール５２とリニアエンコーダ５３とで、姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段５４を構成する。正確には、リニアエンコーダ５３の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段である直動部材５１の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００３６】
進退位置推定手段５５は、姿勢操作部材３１の進退位置とリニアエコンコーダ５３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の進退位置を推定する。この進退位置推定手段５５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。コントローラ５は、進退位置推定手段５５の検出値に基づき、姿勢変更用駆動源４２を制御する。
【００３７】
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。この回転する工具１により、骨等を切削加工する。その際、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。このとき、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。
【００３８】
姿勢操作部材３１の進退は、詳しくは次のようにして行われる。すなわち、前記姿勢変更用駆動源４２の回転が、減速機構４３により減速され、さらに動作変換機構４４Ａにより回転運動から直線進退運動に変換されて、出力部材である直動部材５１に伝達される。この直動部材５１の進退動作が接触部５１ａより姿勢操作部材３１の基端へ伝達されて、姿勢操作部材３１が進退動作する。減速機構４３が設けられているため、姿勢変更用駆動源４２の出力するトルクが小さくても、大きなトルクを発生させて、直動部材５１に大きな作用力を与えることができる。そのため、姿勢操作部材３１を確実に進退動作させることができ、先端部材２に設けた工具１を正確に位置決めできる。また、姿勢変更用駆動源４２の小型化が可能となり、遠隔操作型アクチュエータ全体をコンパクトにできる。
特に、姿勢変更用駆動源４２にロータリアクチュエータを用い、減速機構４３と、その出力を進退運動に変換する動作変換機構４４Ａとを組み合わせ、この動作変換機構４４Ａにより直動部材５１を介して姿勢操作部材３１を進退動作させるようにしたため、遠隔操作型アクチュエータ全体をより一層コンパクトにできる。
【００３９】
先端部材２の姿勢は、位置検出手段５４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。位置検出手段５４の検出値、正確にはリニアエンコーダ５３の検出値をコントローラ５にフィードバックさせて、姿勢変更用駆動源４２の出力量を制御するフィードバック制御を行えば、工具１の位置決め精度を向上させることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。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。
【００４５】
図５は、動作変換機構の異なる例を示す。この動作変換機構４４Ｂは、回転運動を進退運動に変換する機能と、減速機能とを兼ね備えたものである。よって、姿勢変更用駆動源４２に、前記減速機構４３が付設されていない。動作変換機構４４Ｂは、両端部が軸受４５で支持され一端が姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａにカップリング４６を介して連結されたウォーム５７と、支持軸５９に支持され前記ウォーム５７と噛み合うウォームホイール５８とを備える。ウォームホイール５８は動作変換機構４４Ｂの出力部材であって、このウォームホイール５８の先端面からなる接触部５８ａに姿勢操作部材３１の基端が当接している。なお、ウォームホイール５８は、円周の一部にだけ歯が設けられ形状をしており、回転軸２２が挿通される開口５８ｂを有している。
【００４６】
姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａの回転が、ウォーム５７とウォームホイール５８とでなる減速機構により減速されて、出力部材であるウォームホイール５８へ伝達される。ウォームホイール５８の接触部５８ａが姿勢操作部材３１に対して滑り接触しながら、ウォームホイール５８が揺動することにより、姿勢操作部材３１に進退動作を与える。すなわち、接触部５８ａが図５（Ａ）の左側へ回動するときは、接触部５８ａに押された姿勢操作部材３１が前進し、接触部５８ａが右側へ回動するときは、前記復元用弾性部材３２の弾性反発力により押し戻されて姿勢操作部材３１が後退する。
【００４７】
姿勢操作部材３１の進退位置は、位置検出手段５４により検出される。この図例の場合、位置検出手段５４は、ウォームホイール５８の背面に設けた被検出部５９と、駆動部ハウジング４ａに固定して設けられ前記被検出部５９の変位を検出する検出部６０とでなる。位置検出手段５４は、光学式であっても磁気式であってもよい。正確には、検出部６０の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段であるウォームホイール５８の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００４８】
この動作変換機構４４Ｂは減速機構を兼ねる。換言すれば、ウォーム５７とウォームホイール５８とを組み合わせた機構は、動作変換機能を付加した減速機構であると言える。このように、減速機構と動作変換機構を一体化とすることで、減速および動作変換の機能部分を小型でコンパクトにできる。ウォームホイール５８を出力部材としたことで、部品点数を削減にできる。また、ウォーム５７とウォームホイール５８とでなる減速機構は、大きな減速比をとれる。
【００４９】
図６および図７は、動作変換機構のさらに異なる例を示す。この動作変換機構４４Ｃは、姿勢変更用駆動源４２に付設した減速機構４３の出力軸４３ａの回転を直線往復運動に変換する直動機構部６２と、この直動機構部６２の出力を姿勢操作部材３１に増力伝達するレバー機構部６３とでなる。
【００５０】
直動機構部６２は、図７（Ａ）に拡大して示すように、駆動部ハウジング４ａに進退自在に設けられた進退部材６５と、この進退部材６５の雄ねじ部６５ａに螺合する雌ねじ部材６６と、この雌ねじ部材６６の外周に結合ピン６７により結合された連結部材６８とを備える。図７（Ｂ）に示すように、進退部材６５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６９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６において、雌ねじ部材６６は軸受７０を介して駆動部ハウジング４ａに、連結部材６８は軸受７１を介して駆動部ハウジング４ａに固定の支持部材７２にそれぞれ回転自在に支持されている。連結部材６８は、カップリング４６を介して減速機構４３の出力軸４３ａに結合されている。
【００５１】
レバー機構部６３は、支軸７４回りに回動自在なレバー７５を有し、このレバー７５における支軸７４からの距離が長い作用点Ｐ１に進退部材６５の力が作用し、支軸７４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、進退部材６５の出力を増力して姿勢操作部材３１に伝達する。レバー７５は、この動作変換機構４４Ｃの出力部材である。レバー７５には、回転軸２２が挿通される開口７５ａが設けられている。
【００５２】
姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段５４は、この図例の場合、レバー７５の背面に設けた被検出部５９と、駆動部ハウジング４ａに固定して設けられ前記被検出部５９の変位を検出する検出部６０とでなる。位置検出手段５４は、光学式であっても磁気式であってもよい。前記同様、検出部６０の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段であるレバー７５の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００５３】
この動作変更機構４４Ｃも、減速機構４３の回転を直動機構部６２で直線往復運動に変換することで、姿勢操作部材３１を進退させることができる。減速機構４３により姿勢変更用駆動源４２のトルクを増大させることに加え、レバー機構部６３により直動機構部６２の出力が増力されるので、姿勢操作部材３１をより大きな作用力で進退動作させることができる。また、レバー機構部６３を設けたことで、減速比の低い減速機構４３を用いることが可能となり、減速機構４３の小型・軽量化を実現できる。レバー機構部６３の最終出力部を出力部材としたことで、部品点数を削減できる。
【００５４】
図８および図９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８、図９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８０に設けられている。
【００５５】
この実施形態の工具回転用駆動機構８１は、駆動源ハウジング８０に設けた工具回転用駆動源４１の出力軸４１ａの回転を、工具回転用可撓性ワイヤ８２のインナワイヤ８４（図１０）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。工具回転用可撓性ワイヤ８２は、例えば図１０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８３の中心に、可撓性のインナワイヤ８４が、複数の転がり軸受８６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８４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８６間には、これら転がり軸受８６に予圧を発生させるためのばね要素８７Ａ，８７Ｂが設けられている。ばね要素８７Ａ，８７Ｂは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受８６の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素８７Ａと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素８７Ｂ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８７Ａ，８７Ｂにより転がり軸受８６に予圧をかけることにより、インナワイヤ８４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。
【００５６】
また、この実施形態の姿勢変更用駆動機構９１は、駆動源ハウジング８０に設けた姿勢変更用駆動源４２の回転を、姿勢変更用可撓性ワイヤ９２のインナワイヤ９４（図１１）により、駆動部ハウジング４ａに設置した減速機構４３へ伝達し、さらに減速機構４３から駆動部ハウジング４ａの動作変換機構４４へ伝達する。この図例の動作変換機構４４は、図４の動作変換機構４４Ａと同じ構成であって、インナワイヤ９４の回転を直線往復運動に変換して出力する直動機構とされている。図４と同じ構成の箇所を、その一部に付き同一符号を付して示してある。動作変換機構４４として、他の動作変換機構すなわち前記動作変換機構４４Ｂ，４４Ｃや後記動作変換機構４４Ｄを採用してもよい。
【００５７】
姿勢変更用可撓性ワイヤ９２は、前記工具回転用可撓性ワイヤ８２と同じ構造であり、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９３の中心に、可撓性のインナワイヤ９４が、複数の転がり軸受９６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９４の両端が、姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａおよび減速機構４３の入力軸４３ｂにそれぞれ繋がれている。各転がり軸受９６間には、これら転がり軸受９６に予圧を発生させるためのばね要素９７Ａ，９７Ｂが設けられている。ばね要素９７Ａ，９７Ｂは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受９６の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素９７Ａと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素９７Ｂ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９７Ａ，９７Ｂにより転がり軸受９６に予圧をかけることにより、インナワイヤ９４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。
【００５８】
姿勢変更用可撓性ワイヤ９２のインナワイヤ９４は回転伝達時に捩れて、その回転伝達上流側と下流側とで回転位相差が生じる。しかし、可撓性ワイヤ９２よりも下流側に減速機構４３が設けられているため、上記回転位相差は減速機構４３の出力側で小さくなる。そのため、可撓性ワイヤ９２の捩れの影響が出力部材である直動部材５１に大きく現れることがなく、姿勢操作部材３１を精度良く進退動作させられる。
【００５９】
図８および図９の例は、減速機構４３の入力軸４３ｂと出力軸４３ａとが同一軸上に位置しているが、図１２のように入力軸４３ｂと出力軸４３ａとを互いに直交させて設けてもよい。入力軸４３ｂと出力軸４３ａが同一軸上に位置する場合、減速機構と４３して例えばハーモニックドライブや遊星歯車機構等を採用することができる。これらの機構は、小型でコンパクトな構造でありながら、大きな減速比をとることができる。また、入力軸４３ｂと出力軸４３ａが互いに直交する場合は、減速機構４３の出力軸４３ａの延長線上に姿勢変更用駆動源４２を配置しなくてよいので、設計上の自由度が向上する。
【００６０】
図１３および図１４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８０に設けられた工具回転用駆動部４ｂおよび姿勢変更用駆動部４ｃにおいて、動作変換機構の構成が上記各実施形態と異なる例を示す。この動作変換機構４４Ｄは、ラックとピニオンを用いてなる直動機構であり、駆動部ハウジング４ａに設置した減速機構４３の出力軸４３ａに、カップリング４６を介してピニオン１００が連結されている。ピニオン１００は、軸受１０１により回転自在に支持されている。このピニオン１００に、ラック１０２が噛み合っている。ラック１０２は出力部材１０３に一体に形成されたものであり、その出力部材１０３は、リニアガイド１０４により姿勢操作部材３１の長さ方向に移動自在に支持されている。そして、出力部材１０３の先端面からなる接触部１０３ａに姿勢操作部材３１の基端が当接している。
【００６１】
減速機構４３の出力軸４３ａの回転が、ラック１０２とピニオン１００とにより直線往復運動に変換されて、出力部材１０３へ伝達される。出力部材１０３が図１３（Ａ）の左側へ移動するときは、出力部材１０３に押された姿勢操作部材３１が前進し、出力部材１０３が右側へ移動するときは、前記復元用弾性部材３２の弾性反発力により押し戻されて姿勢操作部材３１が後退する。
【００６２】
出力部材１０３にはリニアスケール１０５が設置され、このリニアスケール１０５の目盛を、駆動部ハウジング４ａに固定されたリニアエンコーダ１０６が読み取る。これらリニアスケール１０５とリニアエンコーダ１０６とで、姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段５４を構成する。前記同様、リニアエンコーダ１０６の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段である出力部材１０３の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００６３】
このラック１０２とピニオン１００とでなる動作変換機構４４Ｄの構成は、姿勢変更用駆動源４２を駆動部ハウジング４ａに設けた遠隔操作型アクチュエータに適用してもよい。また、この図例では、減速機構４３の入力軸４３ｂと出力軸４３ａとが同一軸上に設けられているが、入力軸４３ｂと出力軸４３ａを互いに直交させて設けてもよい。
【００６４】
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、前記同様の姿勢操作ワイヤ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、図１９）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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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、スピンドルガイド部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。
【００７３】
図１６や図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または図１９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）を設置すると共に、各姿勢変更用駆動源４２に対応する３つの動作変換機構４４Ａ（４４ＡＵ，４４ＡＬ，４４ＡＲ），４４Ｃ（４４ＣＵ，４４ＣＬ，４４ＣＲ）を設ける。図１８は、動作変換機構を、図４に示す直動機構型の動作変換機構４４Ａとした例である。各動作変換機構４４Ａは、回転軸２２を中心にして放射状に配置してある。また、図１９は、動作変換機構を、図６および図７に示す直動機構部６２とレバー機構部６３とでなる動作変換機構４４Ｃとした例である。動作変換機構４４Ｃは左右並列に配置してある。
【００７４】
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。
【００７５】
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】
【００７６】
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
３０…ガイドパイプ
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
４３…減速機構
４３ａ…出力軸
４３ｂ…入力軸
４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ…動作変換機構
４９…ボールねじ機構
５１…直動部材（出力部材）
５１ａ…接触部
５４…位置検出手段
５７…ウォーム
５８…ウォームホイール（出力部材）
５８ａ…接触部
６２…直動機構部
６３…レバー機構部
７５…レバー（出力部材）
７５ａ…開口
９２…姿勢変更用可撓性ワイヤ
１００…ピニオン
１０２…ラック
１０３…出力部材
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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