JP2010260139A - 遠隔操作型加工ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 遠隔操作型アクチュエータを正確な位置に支持することができ、かつ遠隔操作型アクチュエータ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る遠隔操作型加工ロボットを提供する。
【解決手段】 遠隔操作型アクチュエータ８０とその支持装置８１とでなる。遠隔操作型アクチュエータ８０は、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２と、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４ａとを備える。先端部材２は、工具１を保持するスピンドルを回転自在に支持する。支持装置８１は、ベース部８２に対して遠隔操作型アクチュエータ８０が１方向の自由度を持つ１自由度機構、または２自由度以上の自由度を持つ多自由度機構からなる。自由度機構を駆動する駆動源８４ｂ，８７ａ，８９ａを設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工具の姿勢を遠隔操作で変更可能な遠隔操作型アクチュエータとその支持装置とからなり、医療用、機械加工等の用途で用いられる遠隔操作型加工ロボットに関する。

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 米国特許第５，７６９，０９２号明細書

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、遠隔操作型アクチュエータの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。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。

また、遠隔操作型アクチュエータを人が直接持って操作する場合、手の震え等が被切削物に対する工具の位置決め精度に影響する。そのため、精度良く加工するには、多くの経験が必要である。特に、ガイド部が湾曲形状である場合、ガイド部の先端に設けた工具の位置を予測し難く、操作がより一層に複雑で困難になる。それに伴って、切削時間も長くなる。遠隔操作型アクチュエータを人工関節置換手術の手術用として使用する場合、切削時間が長いと、患者の負担が大きい。

そこで、遠隔操作型アクチュエータを、１自由度または２自由度以上の自由度を持つ支持装置で支持される遠隔操作型加工ロボットとした。それにより、手の震え等の悪影響を排除できる。この種の遠隔操作型加工ロボットとしては、例えば特許文献５に記載のものが知られているが、従来のものは、遠隔操作型アクチュエータが工具の姿勢を変更できなかったため、きめ細かな加工ができなかった。

この発明は、遠隔操作型アクチュエータを正確な位置に支持することができ、かつ遠隔操作型アクチュエータ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る遠隔操作型加工ロボット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加工ロボットは、遠隔操作型アクチュエータと、この遠隔操作型アクチュエータを支持する支持装置とでなる。前記遠隔操作型アクチュエータは、前記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た構成であり、前記支持装置は、この支持装置が設置されるベース部に対して前記遠隔操作型アクチュエータが１方向の自由度を持つ１自由度機構、または２自由度以上の自由度を持つ多自由度機構からなり、この自由度機構の可動部を動作させる駆動源を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、支持装置により遠隔操作型アクチュエータが支持されるため、遠隔操作型アクチュエータの位置および姿勢を安定させられる。支持装置は１自由度機構または多自由度機構であり、この自由度機構の可動部を駆動源で動作させることにより、遠隔操作型アクチュエータの位置および姿勢を任意に変更できる。
遠隔操作型アクチュエータは、先端部材に設けた工具の回転により骨等の切削を行う。その際、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。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。
このように、支持装置によって遠隔操作型アクチュエータを任意の位置および姿勢に安定状態に支持することができ、かつ遠隔操作型アクチュエータの工具の姿勢変更を正確に行えるので、きめ細かな加工ができる。具体的には、狭い部分の加工や精度の良い加工ができる。また、加工時間を短縮できる。それにより、手術用として使用する場合に、患者の負担を軽減できる。

この発明において、前記遠隔操作型アクチュエータおよび前記支持装置をそれぞれ遠隔操作するコントローラを設けるのが良い。
遠隔操作型アクチュエータおよび支持装置をそれぞれ遠隔操作するコントローラを設けて、遠隔操作型加工ロボット全体を遠隔で操作することにより、予め定めたプログラムや状況に合ったナビゲーションにしたがって加工を行わせることができるようになり、より一層きめ細かな加工が可能になる。

この発明において、前記支持装置が多自由度機構からなる場合、この多自由度機構は、入力側および出力側にそれぞれ配された入力部材および出力部材に対して回転可能に端部リンク部材を連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結したリンク機構を３組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一とし、前記入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶のうち、２組以上のリンク機構について、前記出力部材の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源を前記駆動源として設けた構成とすることができる。
その場合、前記支持装置は、その多自由度機構の入力部材を前記ベース部に連結し、かつ出力部材を前記遠隔操作型アクチュエータの駆動部ハウジングに連結する。
あるいは、前記支持装置は、その多自由度機構の入力部材を前記ベース部に連結し、かつ出力部材に、この出力部材に固定の固定部に対し可動部を直線移動させる直動機構を設け、この直動機構の可動部を前記遠隔操作型アクチュエータの駆動部ハウジングに連結してもよい。

この多自由度機構の構成によれば、出力部材の可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材の中心軸と出力部材の中心軸の最大折れ角は約±９０°であり、入力部材に対する出力部材の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶のうち、２組以上のリンク機構について、出力部材の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源を設けたことにより、出力部材を任意の姿勢に容易に決められる。リンク機構用駆動源を設けるリンク機構の回転対偶を２組以上としたのは、入力部材に対する出力部材の姿勢を確定するのに必要なためである。
入力部材をベース部に連結し、かつ出力部材を遠隔操作型アクチュエータの駆動部ハウジングに連結することで、ベース部に対して遠隔操作型アクチュエータの姿勢を定められる。
さらに、出力部材に直動機構を設け、この直動機構の可動部を遠隔操作型アクチュエータの駆動部ハウジングに連結すれば、ベース部に対して遠隔操作型アクチュエータの姿勢を任意に決められると共に、ベース部に対する遠隔操作型アクチュエータの位置を任意に決められる。そのため、出力部材の可動範囲がより一層広がり、遠隔操作型アクチュエータによる加工の自由度が増す。

前記遠隔操作型アクチュエータまたは前記直動機構と前記コントローラとを電気的に繋ぐ配線は、前記３組以上のリンク機構の内側を通して設けるのが良い。
配線を３組以上のリンク機構の内側を通して設けることにより、配線の取り回しが容易となり、配線が邪魔にならない。

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軸受を設ける場合、前記スピンドルガイド部内を通過する冷却液により前記軸受を冷却する冷却手段を設けるのが良い。
工具を回転させるスピンドル、回転軸等の回転する部材は、回転摩擦により発熱する。それに伴い、軸受が加熱される。冷却手段を設ければ、軸受や上記発熱箇所を冷却液により冷却することができる。スピンドルガイド部内に冷却液を通過させれば、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を簡素化および小径化できる。
さらに、前記冷却液により軸受を潤滑する効果も得られる。冷却液を軸受の潤滑に兼用させれば、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。

前記スピンドルガイド部内を通過する冷却液、または外部から供給される冷却液により前記工具を冷却する冷却手段を設けてもよい。
加工時には、工具および被加工物が発熱する。冷却手段を設ければ、工具および被加工物を冷却液により冷却することができる。

前記冷却液は、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。

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加工ロボットは、遠隔操作型アクチュエータと、この遠隔操作型アクチュエータを支持する支持装置とでなり、前記遠隔操作型アクチュエータは、前記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た構成であり、前記支持装置は、この支持装置が設置されるベース部に対して前記遠隔操作型アクチュエータが１方向の自由度を持つ１自由度機構、または２自由度以上の自由度を持つ多自由度機構からなり、この自由度機構の可動部を動作させる駆動源を設けたため、遠隔操作型アクチュエータを正確な位置に支持することができ、かつ遠隔操作型アクチュエータ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る。

この発明の一実施形態にかかる遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 同遠隔操作型加工ロボットの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。 （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断面図である。 この発明の異なる実施形態にかかる遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 同遠隔操作型加工ロボットの遠隔操作型アクチュエータの概略構成を示す図である。 異なる遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 さらに異なる遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 さらに異なる遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 リンク作動装置等からなる支持装置を備えた遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 同リンク作動装置の斜視図である。 同リンク作動装置の入力部材、入力側の端部リンク部材、および中間リンク部材を示す断面図である。 図１０のものとは遠隔操作型アクチュエータの取付け向きが異なる遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 異なるリンク作動装置等からなる支持装置を備えた遠隔操作型加工ロボットの概略構成を示す図である。 同リンク作動装置の斜視図である。 同リンク作動装置の入力部材と入力側の端部リンク部材との回転対偶部を示す断面図である。 同リンク作動装置の変形例の斜視図である。 異なるリンク作動装置の斜視図である。 さらに異なるリンク作動装置の斜視図である。 さらに異なるリンク作動装置の斜視図である。 リンク作動装置等からなる支持装置を備え遠隔操作型加工ロボットの異なる実施形態の概略構成を示す図である。 冷却手段を備えた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XXIIIＢ−XXIIIＢ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XXIVＢ−XXIVＢ断面図である。 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XXVＢ−XXVＢ断面図である。 （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XXVIＢ−XXVIＢ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XXVIIＢ−XXVIIＢ断面図、（Ｃ）は先端部材のハウジングを基端側から見た図である。 （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XXVIIIＢ−XXVIIIＢ断面図である。

この発明の一実施形態を図１〜図４と共に説明する。図１に示すように、この遠隔操作型加工ロボットは、遠隔操作型アクチュエータ８０と、この遠隔操作型アクチュエータ８０を支持する支持装置８１とでなる。この例では、支持装置８１は、この支持装置８１が設置されるベース部となる床面８２に対して垂直軸８３回りに回転自在な回転台８４と、この回転台８４に固定された固定リンク８５と、この固定リンク８５の上端に回動中心軸８６により回動自在に連結された回動リンク８７と、この回動リンク８７の先端に回動中心軸８８により回動自在に連結された回動部材８９とで構成され、回動部材８９に取付台９０を介して遠隔操作型アクチュエータ８０が取付けられている。すなわち、支持装置８１は、回転台８４の回転、固定リンク８５と回動リンク８７間に構成された第１関節、および回動リンク８７と回動部材８９間に構成された第２関節が可動であり、３つの自由度を持つ３自由度機構とされている。

詳しくは、前記回転台８４は、床面８２下に埋設した基台８４ａに回転自在に支持され、回転駆動源８４ｂにより、基台８４ａに対して可動部である回転台８４を回転させる。第１関節は、回動駆動源８７ａにより、固定リンク８５に対し可動部である回動リンク８７を回動させる。第２関節は、回動駆動源８９ａにより、回動リンク８７に対し可動部である回動部材８９を回動させる。これら駆動源８４ｂ，８７ａ，８９ａは、支持装置８１の一部を構成する３自由度機構用の支持装置制御コントローラ９１によって制御される。３自由度機構用コントローラ９１は、電子回路と操作スイッチ類を有する。上記電子回路は、例えばマイクロコンピュータ等のコンピュータが含まれる。後で説明する支持装置制御コントローラ９７，９８およびアクチュエータ制御コントローラ５も同様の構成である。

図２に示すように、遠隔操作型アクチュエータ８０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を制御するアクチュエータ制御コントローラ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。前記取付台９０は、駆動部ハウジング４ａに結合されている。

図３は、遠隔操作型アクチュエータ８０の先端部材２およびスピンドルガイド部３の断面図である。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。

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。回転軸２２と突起２２ａは別部材として構成してもよい。

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、ワイヤ３１ａとその両端の柱状ピン３１ｂとでなる姿勢操作部材３１が進退自在に挿通されている。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の姿勢操作部材３１との接触面であるハウジング１１の基端面１１ｂに当接している。ハウジング１１の基端面１１ｂは、外径側ほどスピンドルガイド部３側に近い傾斜面とされている。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。柱状ピン３１ｂを省いて、１本のワイヤ３１ａのみで姿勢操作部材３１を構成してもよい。

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、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。なお、回転軸２２は、後記レバー４３ｂに形成された開口４４を貫通させてある。

姿勢変更用駆動機構４ｃは、姿勢操作部材３１に対応す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。姿勢変更用駆動源４２は、回転モータであってもよい。また、リニア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、各姿勢変更用駆動源４２の動作量をそれぞれ個別に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３）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、アクチュエータ制御コントローラ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それぞれ個別に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、アクチュエータ制御コントローラ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。

アクチュエータ制御コントローラ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。

この実施形態の場合、スピンドルガイド部３と駆動部ハウジング４ａとが次のように結合されている。すなわち、スピンドルガイド部３の基端にフランジ部５０が一体に設けられ、このフランジ部５０を複数本のボルト５１により駆動部ハウジング４ａに結合させてある。位相合わせピン５８により、フランジ部５０と駆動部ハウジング４ａの回転軸２２の軸心回りの位相合わせがされている。また、回転軸２２は、スピンドルガイド部３内のガイド部内部分２２ａと、駆動部ハウジング４ａ内のハウジング内部分２２ｂとでなり、これらガイド部内部分２２ａとハウジング内部分２２ｂとが、カップリンク６０により、軸心方向に分離可能かつ軸心回りに回転伝達可能に連結されている。なお、この図の例では、フランジ部５０は、スピンドルガイド部３の外郭パイプ２５と別部材であるが、外郭パイプ２５に一体に形成されたものであってもよい。

この遠隔操作型アクチュエータ８０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８０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。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。

先端部材２のハウジング１１の基端面１１ｂが外径側ほどスピンドルガイド部３側に近い傾斜面とされているため、姿勢操作部材３１がハウジング１１の基端面１１ｂを押したときに、姿勢操作部材３１に対してハウジング１１の基端面１１ｂが滑りやすく、ハウジング１１の円滑な姿勢変更ができる。

姿勢操作部材３１はガイドパイプ３０のガイド孔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はワイヤからなり可撓性であるため、スピンドルガイド部３が湾曲した状態でも先端部材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。

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。

この遠隔操作型加工ロボットは、例えば人工関節置換手術において骨の髄腔部を削るに使用されるものであり、図１のようにベッド９２の上方に遠隔操作型アクチュエータ８０が位置するように設置され、ベッド９２上の患者に対して施術を行う。施術時には、例えば遠隔操作型アクチュエータ８０の先端部材２およびスピンドルガイド部３を患者の体内に挿入して骨の加工を行う。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。

遠隔操作型アクチュエータ８０は支持装置８１に支持されているため、遠隔操作型アクチュエータ８０の位置および姿勢が安定している。人が遠隔操作型アクチュエータ８０を直接持って操作する場合、手の震え等により工具１の位置決め精度が低下する懸念があるが、この遠隔操作型加工ロボットではそれを排除できる。この実施形態の場合、支持装置８１が３自由度機構からなるため、遠隔操作型アクチュエータ８０の位置および姿勢を任意に変更することができ、きめ細かな加工が可能である。具体的には、狭い部分の加工や精度の良い加工ができる。また、加工時間を短縮できる。それにより、患者の負担を軽減できる。

図５および図６に示すように、遠隔操作型アクチュエータ８０として、スピンドルガイド部３が湾曲したものを使用してもよい。スピンドルガイド部３は、全体がほぼ同一曲率の湾曲状であっても、部分的に曲率が異なる形状であってもよい。また、一部分のみが湾曲形状であってもよい。その場合、遠隔操作型アクチュエータ８０全体を交換してもよいが、スピンドルガイド部３から先だけを交換してもよい。この実施形態の場合、駆動部ハウジング４ａに対しスピンドルガイド部３が着脱可能であるため、スピンドルガイド部３から先だけを交換が容易である。

スピンドルガイド部３が湾曲した遠隔操作型アクチュエータ８０も、スピンドルガイド部３の形状の違いを除けば、図３および図４に示すスピンドルガイド部３が直線状のものと基本的に同じ構造である。但し、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。

図７は、支持装置８１の構成が異なる実施形態を示す。この遠隔操作型加工ロボットの支持装置８１は、ベース部となる天井９４に取付けた固定部９５と、この固定部９５の下方に位置し固定部９５に対して上下動自在な直動部９６とで構成され、直動部９６に取付台９０を介して遠隔操作型アクチュエータ８０が取付けられている。すなわち、支持装置８１は、上下方向に１つの自由度を持つ１自由度機構とされている。可動部である直動部９６を駆動する駆動源９６ａは、１自由度機構用の支持装置制御コントローラ９７によって制御される。支持装置８１の固定部９５は、天井９４に直接取付けずに、取付部材（図示せず）を介して天井９４に取付けてもよい。その場合、取付部材がベース部となる。

図８は、支持装置８１の構成がさらに異なる実施形態を示す。この遠隔操作型加工ロボットの支持装置８１は、図１および図５に示す支持装置８１と同じ構成の３自由度機構部８１ａと、この３自由度機構部８１ａの回動部材８９に設けた小型多自由度機構部８１ｂとでなり、この小型多自由度機構部８１ｂに取付台９０を介して遠隔操作型アクチュエータ８０が取付けてある。小型多自由度機構部８１ｂは、複数の自由度を有するものであれば何でもよく、特に限定はしないが、例えば複数のリンク機構からなるパラレルリンク機構（図示せず）や、後で説明するリンク作動装置１００（図１１〜図１３），２００（図１６〜図２１）のような、小さくて動作範囲の広い機構、また自由度が高い機構が適する。小型多自由度機構部８１ｂは、３自由度機構用の支持装置制御コントローラ９１とは別の小型自由度機構用の支持装置制御コントローラ９８によって制御される。

このように、３自由度機構部８１ａと小型多自由度機構部８１ｂとを組み合わせて支持装置８１を構成すれば、３自由度機構部８１ａで遠隔操作型アクチュエータ８０の大まかな位置と姿勢を決め、小型多自由度機構部８１ｂで遠隔操作型アクチュエータ８０の細かな位置決めや姿勢変更を行うことにより、熟練の医者が手動で遠隔操作型アクチュエータ８０を操作する場合のような微妙で繊細な操作を行うことができ、きめ細かな加工が可能になる。

図９は、支持装置８１の構成がさらに異なる実施形態を示す。この遠隔操作型加工ロボットの支持装置８１は、それ自体が図８の前記小型多自由度機構部８１ｂと同様の構成の小型多自由度機構になっており、ベース部である天井９４に支持装置８１を取付け、この支持装置８１に取付台９０を介して遠隔操作型アクチュエータ８０が取付けてある。小型多自由度機構である支持装置８１は、小型多自由度機構用の支持装置制御コントローラ９８によって制御される。支持装置８１は、天井９４に直接取付けずに、取付部材（図示せず）を介して天井９４に取付けてもよい。その場合、取付部材がベース部となる。

小型多自由度機構として用いられるリンク作動装置について説明する。
図１０は、支持装置８１が１つの多自由度機構を有し、その多自由度機構がリンク作動装置で構成された遠隔操作型加工ロボットの概略構成図、図１１はそのリンク作動装置の斜視図である。支持装置８１は、リンク作動装置１００と、このリンク作動装置１００を載せる台座９９とでなる。台座９９は、ベース部である床面８２に設置されている。

リンク作動装置１００は、３組のリンク機構１０１，１０２，１０３（以下、「１０１〜１０３」と表記する）を具備する。なお、図１０は１組のリンク機構１０１のみを表示している。これら３組のリンク装置１０１〜１０３のそれぞれは幾何学的に同一形状をなす。リンク機構１０１〜１０３の入力側は台座９９に装着され、出力側は取付台９０を介して遠隔操作型アクチュエータ８０の駆動部ハウジング４ａに取付けられる。この例では、遠隔操作型アクチュエータ８０の回転軸２２（図３）がリンク作動装置１００の中心軸Ｂと一致するように、遠隔操作型アクチュエータ８０が支持されている。リンク作動装置１００の中心軸Ｂは、後述する入力部材１０４に中心軸Ｂのことである。

各リンク機構１０１，１０２，１０３は、入力側の端部リンク部材１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ（以下、「１０１ａ〜１０３ａ」と表記する）、中央リンク部材１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ（以下、「１０１ｂ〜１０３ｂ」と表記する）、および出力側の端部リンク部材１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃ（以下、「１０１ｃ〜１０３ｃ」と表記する）で構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構をなす。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃは球面リンク構造で、３組のリンク機構１０１〜１０３における球面リンク中心は一致しており、また、その中心からの距離も同じである。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂとの連結部となる回転対偶軸は、ある交差角をもっていてもよいし、平行であってもよい。但し、３組のリンク機構１０１〜１０３における中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの形状は幾何学的に同一である。

１組のリンク機構１０１〜１０３は、前記台座９９に装着された入力部材１０４と、前記取付台９０に装着された出力部材１０５と、これら入力部材１０４および出力部材１０５のそれぞれに回転可能に連結させた２つの端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと、両端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃのそれぞれに回転可能に連結されて両端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃを互いに連結する１つの中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂとを具備する。

この実施形態のリンク機構１０１〜１０３は回転対称タイプで、入力部材１０４および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａと、出力部材１０５および端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃとの位置関係が、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの中心線Ａに対して回転対称となる位置構成になっている。図１１では、入力部材１０４の中心軸Ｂに対して出力部材１０５の中心軸Ｃが所定の作動角をとった状態を示す。

図１２に示すように、入力部材１０４は、その軸方向に配線等の通路用としての中心孔１０６が形成され、大きな角度がとれるように外形を球面状としたドーナツ形状をなし、さらに、半径方向に貫通孔１０８を円周方向等間隔で形成し、その貫通孔１０８に軸受１０９を介して軸部材１１０を嵌挿させた構造を具備する。

軸受１０９は、入力部材１０４の貫通孔１０８に内嵌された軸受外輪と、軸部材１１０に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体とからなる。軸部材１１０の外側端部は、入力部材１０４から突出し、その突出部に端部リンク部材１０１ａ，１０２ａ，１０３ａおよびギア部材１１１が結合され、ナット１１３による締付けでもって軸受１０９に所定の予圧量を付与して固定されている。ギア部材１１１は、後述するリンク機構１０１〜１０３の角度制御機構１２０の一部を構成する。入力部材１０４に対して軸部材１１０を回転自在に支承する軸受１０９は、止め輪１１２により入力部材１０４から抜け止めされている。

なお、軸部材１１０と、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａおよびギア部材１１１とは、加締め等により結合される。キーあるいはセレーションにより結合することが可能である。その場合、結合構造の緩みを防止でき、伝達トルクの増加を図ることができる。

上記ギア部材１１１を軸部材１１０の外側端部に設けたことで、この入力部材１０４の中心孔１０６とリンク機構１０１〜１０３の内側に広い内側空間Ｓが形成されている。この内側空間Ｓは、入出力間で制御媒体を流通させる通路の設置スペースを確保する手段として有効に利用される。具体的には、遠隔操作型アクチュエータ８０とアクチュエータ制御コントローラ５とを繋ぐ配線１３０が、内側空間Ｓを通して設けられる。図１０では、便宜上、配線１３０が内側空間Ｓの外に図示されているが、実際には符号１３０Ａで示す位置に配置される。

軸受１０９としては、図示のように２個の玉軸受を配設する以外に、アンギュラ玉軸受、ローラ軸受、あるいは滑り軸受を使用することも可能である。なお、出力部材１０５は、軸部材１１０の外側端部にギア部材１１１が設けられていない点を除いて、入力部材１０４と同一構造である。軸部材１１０の円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、入力部材１０４および出力部材１０５は同じ円周方向の位置関係とする必要がある。これら入力部材１０４および出力部材１０５は、３組のリンク機構１０１〜１０３で共有され、各軸部材１１０に端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃが連結される。

端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃはＬ字状をなし、一辺を入力部材１０４および出力部材１０５から突出する軸部材１１０に結合し、他辺を中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂに連結する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃは、大きな角度がとれるようにリンク中心側に位置する軸部１１５の屈曲基端内側が大きくカットされた形状を有する。

中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂはほぼＬ字状をなし、両辺に貫通孔１１４を有する。この中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂは、大きな角度がとれるようにその周方向側面がカットされた形状を有する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの他辺から一体的に屈曲成形された軸部１１５を、軸受１１６を介して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの両辺の貫通孔１１４に挿通する。

この軸受１１６は、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの貫通孔１１４に内嵌された軸受外輪と、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの軸部１１５に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体とからなる。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃに対して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂを回転自在に支承する軸受１１６は、止め輪１１７により中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂから抜け止めされている。

前記リンク機構１０１〜１０３において、入力部材１０４および出力部材１０５の軸部材１１０の角度、長さ、および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの幾何学的形状が入力側と出力側で等しく、また、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂについても入力側と出力側で形状が等しいとき、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの対称面に対して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂと、入出力部材１０４，１０５と連結される端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃとの角度位置関係を入力側と出力側で同じにすれば、幾何学的対称性から入力部材１０４および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａと、出力部材１０５および端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃとは同じに動き、入力側と出力側は同じ回転角になって等速で回転することになる。この等速回転するときの中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの対称面を等速二等分面という。

このため、入出力部材１０４，１０５を共有する同じ幾何学形状のリンク機構１０１〜１０３を円周上に複数配置させることにより、複数のリンク機構１０１〜１０３が矛盾なく動ける位置として中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂが等速二等分面上のみの動きに限定され、これにより入力側と出力側は任意の作動角をとっても等速回転が得られる。

各リンク機構１０１〜１０３における４つの回転対偶の回転部、つまり、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと入出力部材１０４，１０５の２つの連結部分、および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの２つの連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。

この軸受構造では予圧を付与することにより、ラジアル隙間とスラスト隙間をなくし、連結部でのがたつきを抑えることができ、入出力間の回転位相差がなくなり等速性を維持できると共に振動や異音の発生を抑制できる。特に、前記軸受構造において、軸受隙間を負すきまとすることにより、入出力間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。

このリンク作動装置１００は、リンク機構１０１〜１０３の２つ以上のリンク機構について、入力部材１０４に対して入力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度を制御することにより、入力部材１０５の２自由度の姿勢を制御する。図１０〜図１２の例では、全リンク機構１０１〜１０３の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度を制御する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度制御機構１２０は、図１１に示すように、台座９９の上フランジ部９９ａにリンク機構用駆動源１２１を下向きに設け、このリンク機構用駆動源１２１の上フランジ部９９ａ上に突出する出力軸１２２に傘歯車１２３を取付け、この傘歯車１２３に、入力部材１０４の軸部材１１０に取付けた前記ギア部材１１１のギア部を噛み合わせてある。リンク機構用駆動源１２１は、例えば電動モータである。リンク機構用駆動源１２１を回転させることにより、その回転が傘歯車１２３およびギア部材１１１を介して軸部材１１０に伝えられ、入力部材１０４に対して端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａが角度変更する。

このリンク作動装置１００の構成によれば、入力部材１０４に対する出力部材１０５の可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材１０４の中心軸Ｂと出力部材１０５の中心軸Ｃの最大折れ角を約±９０°とすることができる。また、入力部材１０４に対する出力部材１０５の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。入力部材１０４と連結された各リンク機構１０１〜１０３の回転対偶に、出力部材１０５の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源１２１を設けたことにより、出力部材１０５を任意の姿勢に容易に決められる。入力部材１０４から出力部材１０５へ等速で力が伝達されるため、出力部材１０５の動作がスムーズである。この実施形態では、入力部材１０４とリンク機構１０１〜１０３の各組の回転対偶にリンク機構用駆動源１２１を設けてあるが、２組以上にリンク機構用駆動源１２１を設ければ、入力部材１０４に対する出力部材１０５の姿勢を確定することができる。

また、リンク機構１０１〜１０３とリンク機構用駆動源１２１とが分離して設けられているため、リンク機構１０１〜１０３の部分の重量を低減させることができる。リンク機構用駆動源１２１はリンク機構１０１〜１０３よりも遠隔操作型アクチュエータ８０から離れているので、この遠隔操作型加工ロボットを医療用として使用する場合に、リンク機構用駆動源１２１を患者から離して設置することができる。そのため、リンク機構用駆動源１２１をカバー等で覆えば、リンク機構用駆動源１２１を滅菌処理する必要がない。つまり、リンク機構用駆動源１２１に複雑な密閉構造を設けなくてすみ、構造を簡単にできる。

さらに、この構成のリンク作動装置１００は、入出力部材１０４，１０５に軸受外輪を内包すると共に軸受内輪を端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと結合させて、入出力部材１０４，１０５内に軸受構造を埋設したので、装置全体の外形を大きくすることなく、入出力部材１０４，１０５の外形を拡大することができ、入力側および出力側での台座９９および取付台９０に対する取付スペースの確保が容易である。また、リンク機構１０１〜１０３の内側空間Ｓに、遠隔操作型アクチュエータ８０とアクチュエータ制御コントローラ５とを繋ぐ配線１３０を通して設けることにより、配線１３０の取り回しが容易となり、配線１３０が邪魔にならないようにできる。

図１０では、遠隔操作型アクチュエータ８０の回転軸２２（図３）の方向をリンク作動装置１００の中心軸（入力部材１０４の中心軸）Ｂと一致させているが、図１３に示すように、回転軸２２がリンク作動装置１００の中心線Ｂと直交するように、遠隔操作型アクチュエータ８０を支持させてもよい。また、取付台９０を介在させずに、出力部材１０５に遠隔操作型アクチュエータ８０の駆動部ハウジング４ａを直接取付けてもよい。

図１４は、支持装置が１つの多自由度機構を有し、その多自由度機構が前記と異なるリンク作動装置等で構成された遠隔操作型加工ロボットの概略構成図、図１５はそのリンク作動装置の斜視図である。支持装置８１は、リンク作動装置２００と、このリンク作動装置２００を載せる台座９９とでなる。台座９９は、ベース部である床面８２に設置されている。

リンク作動装置２００は、３組のリンク機構２０１，２０２，２０３（以下、「２０１〜２０３」と表記する）を具備する。なお、図１４は１組のリンク機構２０１のみを表示している。これら３組のリンク装置２０１〜２０３のそれぞれは幾何学的に同一形状をなす。リンク機構２０１〜２０３の入力側は台座９９に装着され、出力側は取付台９０を介して遠隔操作型アクチュエータ８０の駆動部ハウジング４ａに取付けられる。この例では、遠隔操作型アクチュエータ８０は、回転軸２２（図３）がリンク作動装置２００の中心軸（入力部材２０４の中心軸）Ｂと一致するように支持されている。

各リンク機構２０１，２０２，２０３は、円板状の入力部材２０４に回動自在に連結された入力側の端部リンク部材２０１ａ，２０２ａ，２０３ａ（以下、「２０１ａ〜２０３ａ」と表記する）と、円板状の出力部材２０５に回動自在に連結された出力側の端部リンク部材２０１ｃ，２０２ｃ，２０３ｃ（以下、「２０１ｃ〜２０３ｃ」と表記する）と、両端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｃ〜２０３ｃのそれぞれに回動自在に連結されて両端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｃ〜２０３ｃを互いに連結する中央リンク部材２０１ｂ，２０２ｂ，２０３ｂ（以下、「２０１ｂ〜２０３ｂ」と表記する）とで構成され、４つの回転対偶部２０６ａ，２０７ａ，２０８ａ（以下、「２０６ａ〜２０８ａ」と表記する），２０６ｂ_１，２０７ｂ_１，２０８ｂ_１（以下、「２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１」と表記する），２０６ｂ_２，２０７ｂ_２，２０８ｂ_２（以下、「２０６ｂ_２〜２０８ｂ_２」と表記する），２０６ｃ，２０７ｃ，２０８ｃ（以下、「２０６ｃ〜２０８ｃ」と表記する）からなる３節連鎖構造をなす。なお、図１５には、回転対偶部２０８ａ，２０８ｃは隠れていて図示されていない。回転対偶部２０８ａは、図１６に図示されている。回転対偶部２０８ｃは、どの図にも図示されていないが、説明の都合上、明細書中では符号を付けてある。

端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｃ〜２０３ｃは球面リンク構造で、３組のリンク機構２０１〜２０３における球面リンク中心は一致しており、また、その中心からの距離も同じである。端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｃ〜２０３ｃと中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂとの回転対偶部２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１，２０６ｂ_２〜２０８ｂ_２の連結軸は、ある交差角をもっていてもよいし、平行であってもよい。但し、３組のリンク機構２０１〜２０３における中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの形状は幾何学的に同一である。

この実施形態のリンク機構２０１〜２０３は鏡像対称タイプで、入力側部材２０４および入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａと、出力部材２０５および出力側の端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃとの位置関係が、中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの中心線に対して鏡像対称となる位置構成になっている。図１５では、入力部材２０４に対して出力部材２０５が所定の作動角をとった状態を示す。

図１６は、入力部材２０４と入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの回動対偶部２０６ａ〜２０８ａを示す。円板状をなす入力部材２０４の上面には、各リンク機構２０１〜２０３について一対の支持部材２１１ａ，２１２ａ，２１３ａ（以下、「２１１ａ〜２１３ａ」と表記する）が設置されている。支持部材２１１ａ〜２１３ａは、入力部材２０４に対してねじ等により着脱自在な構造となっているが、入力部材２０４と一体的に形成することも可能である。一対の支持部材２１１ａ〜２１３ａにはそれぞれ軸受２１７ａ，２１８ａ，２１９ａ（以下、「２１７ａ〜２１９ａ」と表記する）が取付けられており、この一対の軸受２１７ａ〜２１９ａ間に回転自在に支承された支持棒２１４ａ，２１５ａ，２１６ａ（以下、「２１４ａ〜２１６ａ」と表記する）に、Ｌ字状をなす端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの一方のアーム端部が一対の支持部材２１１ａ〜２１３ａ間に挿入配置されて連結されている。また、支持棒２１４ａ〜２１６ａにおける一対の支持部材２１１ａ〜２１３ａの外側に、後述する角度制御機構２３０の一部を構成するギア部材２３４が結合されている。これら端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａのアーム端部およびギア部材２３４は、例えば止めねじにより支持棒２１４ａ〜２１６ａに固定されている。

さらに、支持棒２１４ａ〜２１６ａの外端部にはナット２２０ａ，２２１ａ，２２２ａ（以下、「２２０ａ〜２２２ａ」と表記する）が螺着され、このナット２２０ａ〜２２２ａの締付けでもって間座等を介在させることにより前記軸受２１７ａ〜２１９ａに所定の予圧量を付与して調整可能となっている。

支持部材２１１ａ〜２１３ａの円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、入力部材２０４と出力部材２０５では同じ円周方向の位置関係とする必要がある。この入力部材２０４と出力部材２０５は、３組のリンク機構２０１〜２０３で共有され、各支持部材２１１ａ〜２１３ａ，２１１ｃ〜２１３ｃに端部リンク部材２１１ａ〜２１３ａ，２１１ｃ〜２１３ｃが連結される。支持部材２１１ａ〜２１３ａ，２１１ｃ〜２１３ｃが取付けられる入力部材２０４および出力部材２０５は、図では円板状の部材を示しているが、支持部材２１１ａ〜２１３ａ，２１１ｃ〜２１３ｃの取付けスペースを確保することができるのであれば、どのような形状であってもよい。この実施形態では、入力部材２０４および出力部材２０５共に、中心部に貫通孔２０４ａ（出力部材２０５の貫通孔は図示せず）を有する孔開きの円板状とされ、入力部材２０４および出力部材２０５の貫通孔２０４ａおよびリンク機構２０１〜２０３の内側空間Ｓを通して、遠隔操作型アクチュエータ８０とアクチュエータ制御コントローラ５とを繋ぐ配線１３０（図１４）が設けられている。図１４では、便宜上、配線１３０が内側空間Ｓの外に図示されているが、実際には符号１３０Ａで示す位置に配置されている。

出力部材２０５と出力側の端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃとの連結部分である回転対偶部２０６ｃ〜２０８ｃは、前述の入力部材２０４と入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａとの連結部分である回転対偶部２０６ａ〜２０８ａと同一構造であるため、重複説明は省略する。

入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａと中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの一方の端部との回転対偶部２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１では、入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの他方のアーム端部は、ほぼＬ字状をなす中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの一方の端部に連結されている。この中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの一方の端部には、一対の支持部材２１１ｂ_１〜２１３ｂ_１が設けられている。この一対の支持部材２１１ｂ_１〜２１３ｂ_１には軸受（図示せず）が取付けられており、この一対の軸受間に回転自在に支承された支持棒２１４ｂ_１，２１５ｂ_１，２１６ｂ_１（以下、「２１４ｂ_１〜２１６ｂ_１」と表記する）に、Ｌ字状をなす端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの他方のアーム端部が一対の支持部材２１１ｂ_１〜２１３ｂ_１間に挿入配置されて連結されている。この支持部材２１１ｂ_１〜２１３ｂ_１は、中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂに対してねじ等により着脱自在な構造、あるいは一体構造のいずれであってもよい。

なお、端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａのアーム端部は、止めねじにより支持棒２１４ｂ_１〜２１６ｂ_１に固定されている。その固定方法は、止めねじ以外にもキーやＤカット等でもよい。また、支持棒２１４ｂ_１〜２１６ｂ_１の端部は、ナットによる締付けでもって間座等を介在させることにより軸受に所定の予圧量を付与して調整可能となっている。

出力側の端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃの他方のアーム端部と中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの他方の端部との連結部分である回転対偶部２０６ｂ_２〜２０８ｂ_２は、前述の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの他方のアーム端部と中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの一方の端部との回転対偶部２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１と同一構造であるため、重複説明は省略する。

前記リンク機構２０１〜２０３において、入力部材２０４および出力部材２０５の支持棒２１４ａ〜２１６ａ，２１４ｃ〜２１６ｃの角度、長さ、および端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの幾何学的形状が入力側と出力側で等しく、また、中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂについても入力側と出力側で形状が等しいとき、中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの対称面に対して中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂと入力部材２０４および出力部材２０５と連結される端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｃ〜２０３ｃとの角度位置関係を入力側と出力側とで同じにすれば、幾何学的対称性から入力部材２０４および入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａと、出力部材２０５および出力側の端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃとは同じに動き、入力側と出力側は同じ回転角になって等速回転することになる。この等速回転するときの中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの対称面を等速二等分面という。

このため、入力部材２０４および出力部材２０５を共有する同じ幾何学形状のリンク機構２０１〜２０３を円周上の複数配置させることより、複数のリンク機構２０１〜２０３が矛盾無く動ける位置として中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂが等速二等分面上のみの動きに限定され、これにより入力側と出力側は任意の作動角をとっても等速回転が得られる。

このリンク作動装置２００は、リンク機構２０１〜２０３の２つ以上のリンク機構について、入力部材２０４に対して入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの角度を制御することにより、出力部材２０５の２自由度の姿勢を制御する。図１４〜図１６の例では、全リンク機構２０１〜２０３の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの角度を制御する。端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの角度制御機構２３０は、図１４に示すように、台座９９の上フランジ部９９ａにリンク機構用駆動源２３１を下向きに設け、このリンク機構用駆動源２３１の上フランジ部９９ａ上に突出する出力軸２３２に傘歯車２３３を取付け、この傘歯車２３３に、入力部材２０４の支持棒２１４ａ〜２１６ａに取付けた前記ギア部材２３４のギア部を噛み合わせてある。リンク機構用駆動源２３１は、例えば電動モータである。リンク機構用駆動源２３１を回転させることにより、その回転が傘歯車２３３およびギア部材２３４を介して支持棒２１４ａ〜２１６ａに伝えられ、入力部材２０４に対して端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａが角度変更する。

このリンク作動装置２００の構成によれば、入力部材２０４に対する出力部材２０５の可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材２０４の中心軸Ｂと出力部材２０５の中心軸Ｃの最大折れ角を約±９０°とすることができる。また、入力部材２０４に対する出力部材２０５の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。入力部材２０４と各リンク機構２０１〜２０３の回転対偶部２０６ａ〜２０８ａに、出力部材２０５の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源２３１を設けたことにより、出力部材２０５を任意の姿勢に容易に決められる。入力部材２０４から出力部材２０５へ等速で力が伝達されるため、出力部材２０５の動作がスムーズである。この実施形態では、入力部材２０４とリンク機構２０１〜２０３の回転対偶部２０６ａ〜２０８ａにリンク機構用駆動源２３１を設けてあるが、２組以上にリンク機構用駆動源２３１を設ければ、入力部材２０４に対する出力部材２０５の姿勢を確定することができる。

また、リンク機構２０１〜２０３とリンク機構用駆動源２３１とが分離して設けられているため、リンク機構２０１〜２０３の部分の重量を低減させることができる。リンク機構用駆動源２３１はリンク機構２０１〜２０３よりも遠隔操作型アクチュエータ８０から離れているので、この遠隔操作型加工ロボットを医療用として使用する場合に、リンク機構用駆動源２３１を患者から離して設置することができる。そのため、リンク機構用駆動源２３１をカバー等で覆えば、リンク機構用駆動源２３１を滅菌処理する必要がない。つまり、リンク機構用駆動源２３１に複雑な密閉構造を設けなくてすみ、構造を簡単にできる。

また、リンク機構１０１〜１０３の内側空間Ｓに、遠隔操作型アクチュエータ８０とアクチュエータ制御コントローラ５とを繋ぐ配線１３０を通して設けることにより、配線１３０の取り回しが容易となり、配線１３０が邪魔にならないようにできる。

各リンク機構２０１〜２０３における４つの回転対偶部２０６ａ〜２０８ａ，２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１，２０６ｂ_２〜２０８ｂ_２，２０６ｃ〜２０８ｃ、つまり、入力部材２０４と入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａとの連結部分、入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａと中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂとの連結部分、中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂと出力側の端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃとの連結部分、および出力側の端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃと出力部材２０５との連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。

さらに、リンク機構２０１〜２０３の各回転対偶部２０６ａ〜２０８ａ，２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１，２０６ｂ_２〜２０８ｂ_２，２０６ｃ〜２０８ｃを両端支持するように前記各回転対偶部２０６ａ〜２０８ａ，２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１，２０６ｂ_２〜２０８ｂ_２，２０６ｃ〜２０８ｃに軸受を配置していることから、軸受剛性の向上が図れる。また、回転対偶部以外の部分で部品同士の着脱が可能となるので、組立性の向上が図れる。この組立性の向上により、リンク機構２０１〜２０３の小型化も実現容易となる。

図１５の実施形態のリンク機構２０１〜２０３は鏡像対称タイプであるが、図１７に示すような回転対称タイプとしてもよい。回転対称タイプのリンク機構２０１〜２０３は、入力部材２０４および端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａと、出力部材２０５および端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃとの位置関係が、中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの中心線に対して互いに回転対称となる位置構成になっている。図１７では、入力部材２０４に対して出力部材２０５が所定の作動角をとった状態を示す。なお、図１７は、入力部材２０４に支持された支持棒２１４ａ〜２１６ａにギア部材２３４が設けられていないリンク作動装置２００を示している。

図１８および図１９は、入力部材２０４の上にリンク機構用駆動源２３１を設置したリンク作動装置２００を示す。これらの例では、２つのリンク機構用駆動源２３１が設置され、これらリンク機構用駆動源２３１の出力軸を、入力側の２つの端部リンク部材２０１ａ，２０３ａのアーム端部と連結された支持棒２１４ａ〜２１６ａに、同軸的に連結させてある。リンク機構用駆動源２３１により、端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの回転角位置を制御することで、出力部材２０５に取付けられた遠隔操作型アクチュエータ８０の姿勢を制御する。

これらリンク作動装置２００のリンク機構２０１〜２０３は鏡像対称タイプであり、入力部材２０４と入力側の回転対偶部２０６ａ〜２０８ａ、出力部材２０５と出力側の回転対偶部２０６ｃ〜２０８ｃを円周方向へ移動させ（幅方向に大きくし）、出力側の端部リンク部材２０１ｃ〜２０３ｃと中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂの回転対偶部２０６ｂ_１〜２０８ｂ_１，２０６ｂ_２〜２０８ｂ_２の回転軸が入力部材２０４の中心軸に向いている。そのため、アーム角度（端部リンク部材のアーム両端部における両軸線がなす角度）が９０°でなくても、入力側と出力側は幾何学的に同一形状となる。この結果、中央リンク部材２０１ｂ〜２０３ｂと端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｃ〜２０３ｃとの干渉を防ぐことができる。特に、図１９の例は、リンク機構２０１〜２０３の内部空間Ｓが広く、リンク機構用駆動源２３１や回転角検出手段（図示せず）等の設置が容易となり、安定する重心の範囲が広くなるという利点がある。

図２０はさらに異なる実施形態を示し、このリンク作動装置２００は、リンク機構２０１，２０２，２０３，２０１´，２０２´，２０３´を６組としたことで、安定する重心の範囲を広くし、かつ剛性を高めることができる。

また、他の実施形態として、入力側の端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａを支承する支持棒２１４ａ〜２１６ａに回転角度センサ（図示せず）を設けるようにしてもよい。このようにすれば、リンク機構用駆動源２３１にサーボ機構を取付けなくてもよくなり，リンク機構用駆動源２３１のコンパクト化が図れ、また、電源投入時の原点出しも不要となる。

前述の支持棒２１４ａ〜２１６ａは軸受２１７ａ〜２１９ａの回転軌道輪で支持され、その軸受２１７ａ〜２１９ａの固定軌道輪は入力部材２０４の支持部材２１１ａ〜２１３ａに固定されている。回転角度センサは、支持棒２１４ａ〜２１６ａの内側一端部に設けた被検出部と、この被検出部に対向して入力部材２０４に取付けられた検出部とで構成されている。なお、被検出部を回転側、検出部を固定側に設置しているが、被検出部が±４５°程度しか回転しないため、逆に、検出部を回転側、被検出部を固定側に設置してもよい。

この被検出部はラジアル型で環状のものであり、例えば、環状のバックメタルと、その外周側に設けられ、磁極Ｎ，Ｓが交互に着磁された磁気発生部材とからなり、バックメタルを介して支持棒２１４ａ〜２１６ａに固着されている。磁気発生部材は、例えばゴム磁石をバックメタルに加硫接着したものを用いればよく、また、この磁気発生部材は、プラスチック磁石や焼結磁石で形成されたものでもよく、その場合には、バックメタルは必ずしも必要ない。

検出部は、磁束密度に対応した出力信号を発生させる片側磁界動作型あるいは交番磁界動作型の矩形出力の磁気センサからなる。この磁気センサは、磁気検出回路基板（図示せず）に搭載され、この磁気検出回路基板と共に樹脂ケース内に挿入した後に樹脂モールドされる。この樹脂ケースを入力部材２０４に固定することにより、磁気センサおよび磁気検出回路基板が入力部材２０４に取付けられる。磁気検出回路基板は、磁気センサへの電力供給及び磁気センサの出力信号を処理して外部に出力するための回路を実装した基板である。配線等は、リンク機構２０１〜２０３の内部空間Ｓを利用すればよい。

したがって、支持棒２１４ａ〜２１６ａの回転により被検出部が回転すると、検出部により磁気発生部材の磁束密度に対応した出力信号が発生し、支持棒２１４ａ〜２１６ａの回転角度、つまり、端部リンク部材２０１ａ〜２０３ａの回転角度を検出することが可能となる。なお、検出部を構成する磁気センサだけではＡ相あるいはＺ相出力のエンコーダとして機能するが、磁気センサ以外に別の磁気センサを設ければ、ＡＢ相出力のエンコーダとすることが可能である。また、被検出部および検出部を絶対回転角度の検出ができる手段、例えば特開２００３−１４８９９９号公報に開示された方法や、その他光学式やレゾルバ等の巻線型検出器とした方法を採用することができる。

図２１に示す遠隔操作型加工ロボットは、図１４に示す遠隔操作型加工ロボットの変形例である。図１４の遠隔操作型加工ロボットは、リンク作動装置２００の出力部材２０５に、取付台９０を介して遠隔操作型アクチュータ８０を固定してあるのに対し、図２１の遠隔操作型加工ロボットは、直動機構２４０により、リンク作動装置２００の出力部材２０５に対して、遠隔操作型アクチュータ８０がリンク作動装置２００の中心軸と同一方向に直線移動可能に設けられている。すなわち、この遠隔操作型加工ロボットの支持装置８１は、リンク作動装置２００と直動機構２４０とを備える。他は、図１４のものと同じ構成である。

直動機構２４０は、具体的には、出力部材２０５にモータ取付台２４１を設置し、このモータ取付台２４１にリニアモータからなる駆動源２４２を取付け、この駆動源２４２の進退部２４２ａを遠隔操作型アクチュエータ８０の駆動部ハウジング４ａに連結してある。駆動部ハウジング４ａは、直動ガイド部２４３により、駆動源２４２の進退部２４２ａの進退方向に沿って移動自在にモータ取付台２４１に支持されている。図の駆動源２４２はリニアモータであるが、回転モータであってもよい。

この構成によれば、リンク作動装置２００により遠隔操作型アクチュータ８０の位置決めと姿勢変更を行うと共に、直動機構２４０により遠隔操作型アクチュータ８０をリンク作動装置２００の中心軸方向の位置変更を行う。リンク作動装置２００は、その機構上、出力部材２０５を略楕円球面を描く軌道上で位置変更させる。そのため、遠隔操作型アクチュータ８０をリンク作動装置２００の中心軸方向に位置変更させる場合、前記中心軸方向とは異なる方向への動作を伴うため位置決めが難しく、また使用状況によっては中心軸方向の可動域が不足する可能性がある。直動機構２４０による位置変更を併用すれば、リンク作動装置２００の中心軸方向の位置決めが容易で、十分な可動域も得られるので、工具１による正確できめ細かな加工が可能になる。

直動機構２４０の駆動源２４２は、１自由度機構用の支持装置制御コントローラ９７によって制御される。駆動源２４２と支持装置制御コントローラ９７とを繋ぐ配線１３１は、遠隔操作型アクチュエータ８０とアクチュエータ制御コントローラ５とを繋ぐ配線１３０と同様に、リンク機構２０１〜２０３の内側空間Ｓを通して設けられる。図２１では、便宜上、配線１３１が内側空間Ｓの外に図示されているが、実際には符号１３１Ａで示す位置に配置されている。このように、配線１３１を内側空間Ｓに通して設けることにより、配線１３１の取り回しが容易となり、配線１３１が邪魔にならないようにできる。

この発明の遠隔操作型アクチュエータ８０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７０を図２２のように設けることができる。すなわち、冷却手段７０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７１と、この冷却液供給装置７１から供給される冷却液をスピンドルガイド部３、および先端部材２の内部を通して先端側に導く冷却液供給管７２とでなり、先端部材２の先端から工具１に向けて軸方向に冷却液を吐出させる。冷却液供給管７２は、冷却液供給装置７１からスピンドルガイド部３までの外部分７２ａと、スピンドルガイド部３および先端部材２の内部を通る内部分７２ｂとでなり、内部分７２ｂでは、スピンドルガイド部３の外郭パイプ２５（図３）および先端部材２のハウジング１１（図３）が冷却液供給管７２になっている。

冷却液がスピンドルガイド部３および先端部材２の内部を通過する際に、回転軸２２、転がり軸受２６，２９、およびスピンドル１３を冷却する。これらの回転する部分は、回転摩擦により発熱する。また、先端部材２から吐出される冷却液により、工具１および被加工物が冷却される。このように、スピンドルガイド部３および先端部材２の内部に冷却液を通したことにより、冷却液供給用の管を外部に設けなくて済み、スピンドルガイド部３および先端部材２を簡素化ならびに小径化できる。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。なお、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。

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部品も、ステンレス製であってもよい。

図２３は遠隔操作型アクチュエータの異なる実施形態を示す。この遠隔操作型アクチュエータ８０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２３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２３（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２３（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つの姿勢操作部材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２４は遠隔操作型アクチュエータの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８０は、外郭パイプ２５内の互いに１２０度の位相をなす周方向位置に３本のガイドパイプ３０が設けられ、各ガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が進退自在に挿通してある。ガイドパイプ３０と同一ピッチ円Ｃ上には、ガイドパイプ３０と交互に補強シャフト３４が配置されている。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。

図２５は、この遠隔操作型アクチュエータ８０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、図４のものと同じ構成である。姿勢変更用駆動機構４ｃは、各姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）にそれぞれ対応する３個の姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を備える。各姿勢変更用駆動源４２の出力ロッド４２ａの動きが、増力伝達機構４３を介してそれぞれ個別に各姿勢操作部材３１に伝達される。増力伝達機構４３は、支軸４３ａ回りにそれぞれ独立して回動自在なレバー４３ｂ（４３ｂＵ，４３ｂＬ，４３ｂＲ）を有する。また、各姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）に、姿勢変更用駆動源４２の動作量をそれぞれ個別に検出する動作量検出器４５（４５Ｕ，４５Ｌ，４５Ｒ）と、姿勢変更用駆動源４２に供給される電力量をそれぞれ個別に検出する供給電力計４７（４７Ｕ，４７Ｌ，４７Ｒ）とが設けられている。

使用時には、３つの姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を駆動し、各姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）を互いに連係させて進退させることで、先端部材２の姿勢変更を遠隔操作で行う。
例えば、図２４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２４（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２４（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２４（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、先端部材２の姿勢安定性が高い。

図２６は遠隔操作型アクチュエータの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８０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。

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。

図２７に示す遠隔操作型アクチュエータは、先端部材２のハウジング１１の基端面１１ｂ（同図（Ｃ））に径方向の溝部１１ｃを形成し、この溝部１１ｃの底面に、姿勢操作部材３１の球面状をした先端を当接させている。溝部１１ｃおよび姿勢操作部材３１は回転防止機構３７を構成し、溝部１１ｃに挿入された姿勢操作部材３１の先端部が溝部１１ｃの側面に当たることで、先端部材２がスピンドルガイド部３に対してスピンドル１３の中心線ＣＬ回りに回転するのを防止している。

このような回転防止機構３７を設けることにより、姿勢操作部材３１の進退を制御する姿勢操作用駆動機構４ｃ（図４）やその制御装置の故障等により工具１を保持する先端部材２が制御不能となった場合でも、先端部材２が中心線ＣＬ回りに回転して加工箇所の周りを傷付けたり、先端部材２自体が破損したりすることを防止できる。なお、図２７は姿勢操作部材３１が１本である場合の例を示しているが、姿勢操作部材３１が複数本である場合にも同様のことが言える。

上記各実施形態は、先端部材２のハウジング１１の基端面１１ｂにおける姿勢操作部材３１が接する箇所が、外径側ほどスピンドルガイド部３側に近い傾斜面とされ、その傾斜面は断面直線状とされているが、図２８に示すように、断面曲線状、例えば円弧状としてもよい。場合によっては、先端部材２のハウジング１１の基端面１１ｂを傾斜面とせずに、姿勢操作部材３１の進退方向と垂直な面としてもよい。なお、図２８は姿勢操作部材３１が１本である場合の例を示しているが、姿勢操作部材３１が複数本である場合にも同様のことが言える。

また、上記各実施形態は、姿勢操作部材３１がワイヤ３１ａとその両端の柱状ピン３１ｂとでなるが、柱状ピン３１ｂを省いてワイヤ３１ａだけで姿勢操作部材３１を構成してもよい。また、ワイヤ３１ａに代えて、比較的長手方向に短い柱状体や球体（図示せず）を複数並べて、姿勢操作部材３１を構成してもよい。

以上、医療用の遠隔操作型加工ロボットについて説明したが、この発明はそれ以外の用途の遠隔操作型加工ロボットにも適用できる。例えば、マシニング加工等の機械加工用とした場合、湾曲状をした孔のドリル加工や、溝内部の奥まった箇所の切削加工が可能になる。

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…アクチュエータ制御コントローラ
１３…スピンドル
１５…先端部材連結部
２２…回転軸
２６，２９…転がり軸受
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
７０…冷却手段
８０…遠隔操作型アクチュエータ
８１…支持装置
８１ａ…３自由度機構部
８１ｂ…小型多自由度機構部
８２…床面（ベース部）
８４ｂ，８７ａ，８９ａ，９６ａ，２４２…駆動源
９１…３自由度機構用の支持装置制御コントローラ
９４…天井（ベース部）
９７…１自由度機構用の支持装置制御コントローラ
９８…小型多自由度機構用の支持装置制御コントローラ
１００…リンク作動装置
１０１，１０２，１０３…リンク機構
１０４…入力部材
１０５…出力部材
１２１…リンク機構用駆動源
１３０，１３１…配線
２００…リンク作動装置
２０１，２０２，２０３…リンク機構
２０１´，２０２´，２０３´…リンク機構
２０４…入力部材
２０５…出力部材
２０６ａ，２０７ａ，２０８ａ…回転対偶部
２０６ｂ_１，２０７ｂ_１，２０８ｂ_１…回転対偶部
２０６ｂ_２，２０７ｂ_２，２０８ｂ_２…回転対偶部
２０６ｃ，２０７ｃ，２０８ｃ…回転対偶部
２３１…リンク機構用駆動源
２４０…直動機構
Ｓ…内側空間

Claims (11)

1. 遠隔操作型アクチュエータと、この遠隔操作型アクチュエータを支持する支持装置とでなる遠隔操作型加工ロボットであって、
   前記遠隔操作型アクチュエータは、前記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た構成であり、
   前記支持装置は、この支持装置が設置されるベース部に対して前記遠隔操作型アクチュエータが１方向の自由度を持つ１自由度機構、または２自由度以上の自由度を持つ多自由度機構からなり、この自由度機構の可動部を動作させる駆動源を設けたことを特徴とする遠隔操作型加工ロボット。
2. 請求項１において、前記遠隔操作型アクチュエータおよび前記支持装置をそれぞれ遠隔操作するコントローラを設けた遠隔操作型加工ロボット。
3. 請求項１または請求項２において、前記支持装置は多自由度機構からなり、この多自由度機構は、入力側および出力側にそれぞれ配された入力部材および出力部材に対して回転可能に端部リンク部材を連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結したリンク機構を３組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一とし、前記入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶のうち、２組以上のリンク機構について、前記出力部材の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源を前記駆動源として設けた構成である遠隔操作型加工ロボット。
4. 請求項３において、前記支持装置は、その多自由度機構の入力部材を前記ベース部に連結し、かつ出力部材を前記遠隔操作型アクチュエータの駆動部ハウジングに連結してある遠隔操作型加工ロボット。
5. 請求項３において、前記支持装置は、その多自由度機構の入力部材を前記ベース部に連結し、かつ出力部材に、この出力部材に固定の固定部に対し可動部を直線移動させる直動機構を設け、この直動機構の可動部を前記遠隔操作型アクチュエータの駆動部ハウジングに連結してある遠隔操作型加工ロボット。
6. 請求項３または請求項４において、前記遠隔操作型アクチュエータと前記コントローラとを電気的に繋ぐ配線を、前記３組以上のリンク機構の内側を通して設けた遠隔操作型加工ロボット。
7. 請求項５において、前記遠隔操作型アクチュエータおよび前記直動機構の少なくとも何れかと前記コントローラとを電気的に繋ぐ配線を、前記３組以上のリンク機構の内側を通して設けた遠隔操作型加工ロボット。
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軸受を設け、前記スピンドルガイド部内を通過する冷却液により前記軸受を冷却する冷却手段を設けた遠隔操作型加工ロボット。
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内を通過する冷却液、または外部から供給される冷却液により前記工具を冷却する冷却手段を設けた遠隔操作型加工ロボット。
10. 請求項８または請求項９において、前記冷却液は、水もしくは生理食塩水である遠隔操作型加工ロボット。
11. 請求項１ないし請求項１０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加工ロボット。

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