JP2010046197A - 遠隔操作型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を確実に遠隔操作で変更することができる遠隔操作型アクチュエータを提供する。
【解決手段】 パイプ部である細長形状のスピンドルガイド部３と、その先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材２と、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とを備える。先端部材２は、工具１を保持するスピンドル１３を回転自在に支持する。スピンドルガイド部３は、スピンドル１３用の回転軸２２と、両端に貫通したガイド孔３０ａとを内部に有する。先端部材２を姿勢変更させる姿勢操作部材３１をガイド孔３０ａ内に進退自在に挿通し、駆動部ハウジング内の姿勢変更用駆動源を進退させる。姿勢操作部材３１は、一列に配列された複数個の力伝達部材３１ａ，３１ｂからなり、隣合う力伝達部材３１ａ，３１ｂが互いに球面と平面とで接する。
【選択図】 図２

Description

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。

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。

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。

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。

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。
特開２００７−３０１１４９号公報 米国特許第４，４６６，４２９号明細書 米国特許第４，２６５，２３１号明細書 特開２００１−１７４４６号公報

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。

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。

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。

なお、細長いパイプ部を有しない遠隔操作型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。

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、しかもパイプ部が曲がった場合でも確実に姿勢変更させられる遠隔操作型アクチュエータを提供することを課題としている。

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、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とを備え、前記先端部材は、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、前記駆動部ハウジング内に設けられた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、前記姿勢操作部材を進退させる姿勢変更用駆動源を前記駆動部ハウジング内に設け、前記姿勢操作部材は、一列に配列された複数個の力伝達部材からなり、これら各力伝達部材は、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接する形状であることを特徴とする。

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、スピンドルガイド部の基端側の駆動部ハウジング内に設けられており、上記先端部材の姿勢変更は遠隔操作で行われる。

加工中に先端部材に力が作用した際、細長形状であるスピンドルガイド部が大きく撓むことが考えられる。また、スピンドルガイド部は、湾曲部を有する形状となることも考えられる。しかし、姿勢操作部材は、ガイド孔に一列に配列された複数個の力伝達部材からなり、全体で可撓性であるため、スピンドルガイド部の撓みや湾曲形状に合わせて姿勢操作部材も撓む。そのため、スピンドルガイド部が撓んだ場合もしくは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。

また、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接することにより、次の作用が得られる。
第１の作用は、スピンドルガイド部が撓んだ状態もしくは湾曲部を有する場合であっても、常に隣合う力伝達部材のそれぞれの接触面が中央部で接触することである。例えば、隣合う力伝達部材の接触面が共に平面である場合、スピンドルガイド部が撓んだ状態もしくは湾曲部を有する場合では、各力伝達部材の接触面の向きに若干の違いが生じ、対向する一対の接触面が端部しか接触しない。そのため、隣合う力伝達部材間で力を正確に伝達することが難しい。その点、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接していると、常に対向する一対の接触面が中央部で接触するため、隣合う力伝達部材間で力を正確に伝達できる。これにより、姿勢変更用駆動源を小型化することが可能になると共に、姿勢変更用駆動源の消費電力を低減できる。
第２の作用は、姿勢操作部材に力が印加されたときに、隣合う一対の力伝達部材が力伝達部材並び方向と交差する方向にずれにくいことである。力伝達部材はガイド孔内に配置されているが、力伝達部材とガイド孔の内径面との間には若干の隙間がある。例えば、隣合う力伝達部材が互いに球面で接する場合、姿勢操作部材に力が印加されると、隣合う一対の力伝達部材が前記隙間の分だけ互いに逆向きに力伝達部材の並び方向と交差する方向に滑って、前記一対の力伝達部材がガイド孔内径面の周方向反対側の箇所に接する状態となる。その結果、各力伝達部材間の並び方向の距離が狭くなり、姿勢操作部材の全長が変わるため、先端部材の姿勢変更精度が低下する。また、各力伝達部材がガイド孔内径面に接すると、力伝達部材とガイド孔内径面間に摩擦力が発生するため、姿勢変更用駆動源が大きな駆動力を要する。その点、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接していると、隣合う一対の力伝達部材が力伝達部材並び方向と交差する方向にずれにくく、先端部材の姿勢を正確にコントロールでき、かつ姿勢変更用駆動源を小型化し、姿勢変更用駆動源の消費電力を低減できる。

この発明において、前記力伝達部材は柱状体およびボールであり、これら２種の力伝達部材を交互に配置して前記姿勢操作部材とすることができる。または、前記力伝達部材は、一方の端面が球面に加工され、もう一方の端面が平面に加工された柱状体であり、この力伝達部材を同じ向きに並べて前記姿勢操作部材としてもよい。
いずれの場合も、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接するため、前記作用が得られる。

この発明において、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された姿勢操作部材を１箇所のみに設け、前記先端部材を所定姿勢側へ付勢する復元用弾性部材を設け、前記姿勢操作部材は前記復元用弾性部材の付勢力に抗して前記先端部材を姿勢変更させることができる。また、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された姿勢操作部材を２箇所に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記２箇所の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させてもよい。これらの場合、１本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。後者は、２つの姿勢操作部材で先端部材に加圧されるため、１つ姿勢操作部材だけで加圧される前者に比べ、先端部材の姿勢安定性を高めることができる。

さらに、前記先端部材連結部が、前記先端部材を任意方向に傾動可能に支持するものであり、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された姿勢操作部材を、前記先端部材の傾動中心の周りの３箇所以上に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記３箇所以上の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させてもよい。この場合、２本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。この構成では、３つ以上の姿勢操作部材で先端部材に加圧されるため、さらに先端部材の姿勢安定性を高めることができる。

この発明において、前記姿勢変更用駆動源の動作量を検出する動作量検出器を設け、この動作量検出器の検出値から前記先端部材の姿勢を検出する姿勢検出手段を設けると良い。
この構成によれば、姿勢検出手段の検出結果に基づき適正な先端部材姿勢制御を行うことができる。

前記姿勢変更用駆動源が電動アクチュエータである場合には、この電動アクチュエータへの供給電力を計測して前記先端部材に作用する荷重を検出する荷重検出手段を設けるのが良い。
この構成によれば、荷重検出手段の検出結果に基づき、遠隔操作型アクチュエータ全体の送り量や先端部材の姿勢変更を制御することにより、先端部材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。

この発明において、前記スピンドルガイド部が、このスピンドルガイド部の外郭となる外郭パイプを有し、前記ガイド孔を、前記外郭パイプ内に設けられたガイドパイプの内径孔とすることができる。
この構成であれば、外郭パイプによりスピンドルガイド部の内部を保護しつつ、スピンドルガイド部を中空状にして軽量化を図れる。

上記構成とする場合、前記外郭パイプ内の中心に前記回転軸を配置し、この回転軸と外郭パイプの内径面との間に、複数本の補強シャフトと前記ガイドパイプとを円周方向に並べて設けるのが良い。
このように補強シャフトとガイドパイプとを設けることにより、これらをスピンドルガイド部内にバランス良く配置して、スピンドルガイド部の剛性向上を図れる。

上記構成において、前記スピンドルガイド部内の前記回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受を設ける場合、これら複数の転がり軸受の外径面を、前記複数本の補強シャフトと前記ガイドパイプとで支持することができる。
補強シャフトとガイドパイプとを利用することで、余分な部材を用いずに転がり軸受の外径面を支持できる。

また、前記スピンドルガイド部内の前記回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受を設ける場合、隣合う転がり軸受間に、これら転がり軸受に対して予圧を与えるばね要素を設けるのが望ましい。
加工の仕上がりを良くするには、スピンドルを高速回転させて加工するのがよい。スピンドルを高速回転させると、工具に作用する切削抵抗を低減させる効果もある。スピンドルはワイヤ等からなる細い回転軸を介して回転力が伝達されるので、スピンドルの高速回転を実現させるため、回転軸を支持する転がり軸受に予圧をかけておくことが必要となる。この予圧のためのばね要素を隣合う転がり軸受間に設ければ、スピンドルガイド部の径を大きくせずにばね要素を設けられる。

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。

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、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とを備え、前記先端部材は、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、前記駆動部ハウジング内に設けられた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、前記姿勢操作部材を進退させる姿勢変更用駆動源を前記駆動部ハウジング内に設け、前記姿勢操作部材は、一列に配列された複数個の力伝達部材からなり、これら各力伝達部材は、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接する形状であるため、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変更することができ、しかもスピンドルガイド部が曲がった場合でも確実に姿勢変更させられる。

この発明の実施形態を図１〜図３と共に説明する。図１において、この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。

図２に示すように、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。

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３）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２（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。

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。

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。姿勢操作部材３１は、力伝達部材であるボール３１ａおよび柱状体３１ｂを交互にガイド孔３０ａの長さ方向に沿って一列に配列し、両端に柱状ピン３１ｃを配してある。ボール３１ａと柱状体３１ｂ、およびボール３１ａと柱状ピン３１ｃは、互いに球面と平面とで接している。先端部材２側の柱状ピン３１ｃの先端は球面状で、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３１ｃの先端も球面状で、後記レバー４３ｂ（図３）の側面に当接している。

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。

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。

図３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３（Ａ）の左右方向に移動する出力ロッド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。増力伝達機構４３は、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。なお、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。なお、ロータリアクチュエータ等を設ける代わりに、手動により先端部材２の姿勢を遠隔操作してもよい。

姿勢変更用駆動機構４ｃには、姿勢変更用駆動源４２の動作量を検出する動作量検出器４５が設けられている。この動作量検出器４５の検出値は、姿勢検出手段４６に出力される。姿勢検出手段４６は、動作量検出器４５の出力により、先端部材２のＸ軸（図２）回りの傾動姿勢を検出する。姿勢検出手段４６は、上記傾動姿勢と動作量検出器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傾動姿勢を検出する。この姿勢検出手段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。

また、姿勢変更用駆動機構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４７が設けられている。この供給電力計４７の検出値は、荷重検出手段４８に出力される。荷重検出手段４８は、供給電力計４７の出力により、先端部材２に作用する荷重を検出する。荷重検出手段４８は、上記荷重と供給電力計４７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検出する。この荷重検出手段４８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、前記姿勢検出手段４６および荷重検出手段４８の検出値に基づき、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。

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４７の検出値から、荷重検出手段４８によって検出される。このように検出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。

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２（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２（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。先端部材２の姿勢は、動作量検出器４５の検出値から、姿勢検出手段４６によって検出される。そのため、遠隔操作で先端部材２の姿勢を適正に制御できる。

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、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。

加工中に先端部材２に力が作用した際、細長形状であるスピンドルガイド部３が大きく撓むことがあり得る。また、スピンドルガイド部３は、湾曲部を有する形状となることも考えられる。しかし、姿勢操作部材３１は、ガイド孔３０ａ内に一列に配列された複数個の力伝達部材であるボール３１ａおよび柱状体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のガイドパイプ３０の撓みもしくは湾曲形状に合わせて姿勢操作部材３１も撓む。そのため、スピンドルガイド部３が撓んだ場合もしくは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。

また、ボール３１ａと柱状体３１ｂとを交互に配置したことにより、隣合う力伝達部材３１ａ，３１ｂ同士が互いに球面と平面とで接する。このことにより、次の作用が得られる。
第１の作用は、スピンドルガイド部３のガイドパイプ３０が撓んだ状態もしくは湾曲部を有する場合であっても、常に隣合う力伝達部材３１ａ，３１ｂのそれぞれの接触面が中央部で接触することである。例えば、図１０のように全ての力伝達部材が柱状体３１ｂであり、隣合う力伝達部材（柱状体）３１ｂ同士が互いに平面で接する場合、同図（Ｂ）に示すガイドパイプ３０が撓んだ状態では、各力伝達部材３１ｂの接触面の向きに若干の違いが生じ、対向する一対の接触面が端部しか接触しない。そのため、隣合う力伝達部材３１ｂ間で力を正確に伝達することが難しい。その点、隣合う力伝達部材３１ａ，３１ｂが互いに球面と平面とで接していると、常に対向する一対の接触面が中央部で接触するため、隣合う力伝達部材３１ａ，３１ｂ間で力を正確に伝達できる。これにより、姿勢変更用駆動源４２を小型化することが可能になると共に、姿勢変更用駆動源４２の消費電力を低減できる。

第２の作用は、姿勢操作部材３１に力が印加されたときに、隣合う一対の力伝達部材３１ａ，３１ｂが力伝達部材並び方向と交差する方向にずれにくいことである。力伝達部材３１ａ，３１ｂはガイド孔３０ａ内に配置されているが、力伝達部材３１ａ，３１ｂとガイド孔３０ａの内径面との間には若干の隙間がある。例えば、図１１のように全ての力伝達部材がボール３１ａであり、隣合う力伝達部材３１ａが互いに球面で接する場合、同図（Ｂ）のように姿勢操作部材３１に力Ｆが印加されると、隣合う一対の力伝達部材３１ａが前記隙間の分だけ互いに逆向きに力伝達部材並び方向と交差する方向に滑って、前記一対の力伝達部材３１ａがガイド孔３０ａ内径面の周方向反対側の箇所に接する状態となる。その結果、各力伝達部材３１ａ間の並び方向の距離が狭くなり（Ｌ１＞Ｌ２）、姿勢操作部材３１の全長が変わるため、先端部材２の姿勢変更精度が低下する。また、各力伝達部材３１ａがガイド孔３１ａ内径面に接すると、力伝達部材３１ａとガイド孔３０ａ内径面間に摩擦力が発生するため、姿勢変更用駆動源４２が大きな駆動力を要する。その点、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接していると、隣合う一対の力伝達部材３１ａ，３１ｂが力伝達部材並び方向と交差する方向にずれにくく、先端部材２の姿勢を正確にコントロールでき、かつ姿勢変更用駆動源４２を小型化し、姿勢変更用駆動源４２の消費電力を低減できる。

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。

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。

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。

この遠隔操作型アクチュエータは、スピンドルガイド部３が中空状であることを利用して、工具１等を冷却する冷却手段５０を図４のように設けることができる。すなわち、冷却手段５０は、遠隔操作型アクチュエータの外部に設けた冷却液供給装置５１と、この冷却液供給装置５１から駆動部ハウジング４ａ、スピンドルガイド部３、および先端部材２の内部を通って工具１に冷却液を導く冷却液供給管５２とでなり、冷却液供給管５２におけるスピンドルガイド部３を通る部分５２ａは外郭パイプ２５自体が冷却液供給管５２であり、外郭パイプ２５の内部を冷却液が通過するようにしてある。工具１まで導かれた冷却液は、工具１の外周へ吐出される。このような冷却手段５０を設ければ、冷却液により、工具１、被加工物、スピンドル１３、回転軸２２等の発熱箇所を冷却することができる。外郭パイプ２５内に冷却液を通過させるため、冷却液供給用の管を別に設ける必要がなく、スピンドルガイド部３を簡素化および小径化できる。また、前記冷却液を転がり軸受２６，２９の潤滑に兼用させてもよい。そうすれば、軸受に一般的に使用されているグリス等を使用しなくてもよく、しかも別に潤滑装置を設けなくて済む。なお、工具１まで導かれた冷却液を工具１の外周へ吐出させずに、冷却液供給装置５１へ戻す循環型の構成としてもよい。ただし、外郭パイプ２５内に通過させる冷却液の流量が少ない場合は、さらに外部から冷却液を供給し、工具１や被加工物を冷却してもよい。

上記冷却液は、水もしくは生理食塩水であるのが望ましい。冷却液が水もしくは生理食塩水であれば、先端部材２を生体内に挿入して加工を行う場合に冷却液が生体に悪影響を与えないからである。冷却液を水もしくは生理食塩水とする場合、冷却液と接する部品の材質は、耐腐食性に優れたステンレスであるのが望ましい。この遠隔操作型アクチュエータを構成する他の各部品も、ステンレス製であってもよい。

図５は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。

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５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５（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５（Ａ）において先端側が上向きとなる側へ案内面Ｆ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。

図６は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。

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８）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６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６（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６（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６（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。

図７は、姿勢操作部材の構成が異なる実施形態を示す。この実施形態の姿勢操作部材３１も、一列に配列された複数個の力伝達部材からなるが、全ての力伝達部材が、一方の端面が球面に加工され、もう一方の端面が平面に加工された柱状体３１ｄであり、この柱状体３１ｄを同じ向きに並べて配置してある。この場合も、隣合う力伝達部材３１ｄが互いに球面と平面とで接するため、ボール３１ａと柱状体３１ｂを交互に配置した場合と同様の作用が得られる。図例は、姿勢操作部材３１を互いに１２０度の位相にある３箇所の周方向位置に設けた例であるが、姿勢操作部材３１を互いに１８０度の位相にある２箇所の周方向位置に設けた構成や、周方向の１箇所に設けた姿勢操作部材３１とこれに対応する復元用弾性部材３２とを組み合わせた構成にも適用できる。

図６および図７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、姿勢変更駆動機構４ｃを例えば図８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。

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が曲がってい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９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。

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。姿勢操作部材３１は、複数のボールからなるものの他に、ガイドパイプ３０の湾曲形状に合わせて湾曲させた複数の柱状体からなるものとしてもよい。その場合、湾曲させた柱状体は、長さが短めであり、面取り等により角部が落とされた形状であるのが好ましい。

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。 （Ａ）は同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IIＢ−IIＢ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。 （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正面図に制御系を組み合わせて表示した図、（Ｂ）はそのIIIＢ−IIIＢ断面図である。 同遠隔操作型アクチュエータに冷却手段を設けた場合の概略構成を示す図である。 （Ａ）は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先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのＶＢ−ＶＢ断面図である。 （Ａ）は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先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのVIＢ−VIＢ断面図である。 （Ａ）は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先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのVIIＢ−VIIＢ断面図である。 図６および図７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破断側面図である。 スピンドルガイド部の形状が異な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。 （Ａ）は全ての力伝達部材が柱状体からなる姿勢操作部材の真っ直ぐな状態を示す断面図、（Ｂ）は撓んだ状態を示す断面図である。 （Ａ）は全ての力伝達部材がボールからなる姿勢操作部材に力が印加されていない状態を示す断面図、（Ｂ）は力が印加されている状態を示す断面図である。

符号の説明

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
２５…外郭パイプ
２６，２９…転がり軸受
２７Ａ，２７Ｂ…ばね要素
３０…ガイドパイプ
３０ａ…ガイド孔
３１…姿勢操作部材
３１ａ…ボール（力伝達部材）
３１ｂ…柱状体（力伝達部材）
３１ｄ…柱状体（力伝達部材）
３２…復元用弾性部材
３４…補強シャフト
４１…工具回転用駆動源
４２…姿勢変更用駆動源

Claims (13)

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、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とを備え、
   前記先端部材は、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、前記駆動部ハウジング内に設けられた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、前記姿勢操作部材を進退させる姿勢変更用駆動源を前記駆動部ハウジング内に設け、
   前記姿勢操作部材は、一列に配列された複数個の力伝達部材からなり、これら各力伝達部材は、隣合う力伝達部材が互いに球面と平面とで接する形状であることを特徴とする遠隔操作型アクチュエータ。
2. 請求項１において、前記力伝達部材は柱状体およびボールであり、これら２種の力伝達部材を交互に配置して前記姿勢操作部材とした遠隔操作型アクチュエータ。
3. 請求項１において、前記力伝達部材は、一方の端面が球面に加工され、もう一方の端面が平面に加工された柱状体であり、この力伝達部材を同じ向きに並べて前記姿勢操作部材とした遠隔操作型アクチュエータ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された姿勢操作部材を１箇所のみに設け、前記先端部材を所定姿勢側へ付勢する復元用弾性部材を設け、前記姿勢操作部材は前記復元用弾性部材の付勢力に抗して前記先端部材を姿勢変更させるものとした遠隔操作型アクチュエータ。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された姿勢操作部材を２箇所に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記２箇所の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させるものとした遠隔操作型アクチュエータ。
6. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記先端部連結部材が、前記先端部材を任意方向に傾動可能に支持するものであり、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された姿勢操作部材を、前記先端部材の傾動中心の周りの３箇所以上に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記３箇所以上の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させるものとした遠隔操作型アクチュエータ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記姿勢変更用駆動源の動作量を検出する動作量検出器を設け、この動作量検出器の検出値から前記先端部材の姿勢を検出する姿勢検出手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記姿勢変更用駆動源は電動アクチュエータであり、この電動アクチュエータへの供給電力を計測して前記先端部材に作用する荷重を検出する荷重検出手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
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が、このスピンドルガイド部の外郭となる外郭パイプを有し、前記ガイド孔が、前記外郭パイプ内に設けられたガイドパイプの内径孔である遠隔操作型アクチュエータ。
10. 請求項９において、前記外郭パイプ内の中心に前記回転軸を配置し、この回転軸と外郭パイプの内径面との間に、複数本の補強シャフトと前記ガイドパイプとを円周方向に並べて設けた遠隔操作型アクチュエータ。
11. 請求項１０において、前記スピンドルガイド部内の前記回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受を設け、これら複数の転がり軸受の外径面を、前記複数本の補強シャフトと前記ガイドパイプとで支持した遠隔操作型アクチュエータ。
12. 請求項９ないし請求項１１のいずれか１項において、前記スピンドルガイド部内の前記回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受を設け、隣合う転がり軸受間に、これら転がり軸受に対して予圧を与えるばね要素を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
13. 請求項１ないし請求項１８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。

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