JP5213654B2 - 遠隔操作型アクチュエータ - Google Patents
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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。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。
この発明の目的は、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、工具の姿勢変更を手元操作で行える遠隔操作型アクチュエータを提供することである。
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手により保持可能な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ると共に、この姿勢変更用駆動源に入力操作により動作指令信号を直接または間接的に出して前記先端部材の姿勢を変更させる姿勢変更操作具を前記駆動部ハウジングの外部に設け、前記姿勢変更操作具は、前記駆動部ハウジングを保持する手で入力操作可能としたことを特徴とする。
この構成によれば、回転用駆動源の回転が回転軸を介して先端部材のスピンドルに伝達されて、このスピンドルに保持された工具が回転する。また、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て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連結部を介して姿勢変更可能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。
この遠隔操作型アクチュエータは、手で駆動部ハウジングを保持した状態で、回転する工具を骨等の加工箇所に当てることにより、加工箇所の切削を行う。切削加工中、加工箇所の形状等に合わせて、先端部材の姿勢を変更する。この姿勢変更操作は、駆動部ハウジングを保持する手で操作可能な姿勢変更操作具によって行うため、姿勢変更操作具を操作する手元の感覚と実際の先端部材の姿勢変更とを一致させやすく、正確で迅速な姿勢変更を行える。
この発明において、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、維持させるものとすることができる。
この構成とすれば、2本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。
この構成とすれば、2本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。
また、この発明において、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複数箇所に設け、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、前記複数の姿勢操作部材は、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てもよい。
この構成の場合も、2本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。
この構成の場合も、2本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。
上記のように、2本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる場合、前記姿勢変更操作具は、各姿勢変更用駆動源に動作指令信号を出すことで前記先端部材の2方向の姿勢を変更するものであり、前記先端部材の姿勢変更方向に対応する2方向に操作可能であるのが良い。
姿勢変更操作具が先端部材の姿勢変更方向に対応する2方向に操作可能であれば,姿勢変更操作具により、先端部材を任意の姿勢に操作することができる。
姿勢変更操作具が先端部材の姿勢変更方向に対応する2方向に操作可能であれば,姿勢変更操作具により、先端部材を任意の姿勢に操作することができる。
この発明において、前記姿勢変更操作具の入力操作を無効にさせるロック操作具を設けるのが良い。
ロック操作具が設けられていれば、姿勢変更操作具の誤操作による先端部材の姿勢変更を防げる。
ロック操作具が設けられていれば、姿勢変更操作具の誤操作による先端部材の姿勢変更を防げる。
この発明において、前記先端部材の姿勢を検出する姿勢検出手段を設け、この姿勢検出手段で検出された先端部材の姿勢を表示する姿勢表示手段を設けるのが良い。
姿勢表示手段が設けられていれば、先端部材の姿勢を正確に把握することができる。
姿勢表示手段が設けられていれば、先端部材の姿勢を正確に把握することができる。
前記姿勢検出手段は、例えば前記姿勢変更用駆動源の動作位置を検出するエンコーダとすることができる。
エンコーダで姿勢変更用駆動源の動作位置を検出することにより、先端部材の姿勢を正確に検出できる。
エンコーダで姿勢変更用駆動源の動作位置を検出することにより、先端部材の姿勢を正確に検出できる。
この発明において、前記姿勢変更操作具から出された動作指令信号に応じて姿勢変更用駆動源の制御する姿勢制御手段を設けてもよい。
姿勢制御手段を設ければ、姿勢変更操作具から出される動作指令信号と姿勢変更用駆動源の動作との関係を各種条件に合わせて変更することが可能になる。
姿勢制御手段を設ければ、姿勢変更操作具から出される動作指令信号と姿勢変更用駆動源の動作との関係を各種条件に合わせて変更することが可能になる。
前記先端部材を所定の初期姿勢にさせる動作指令信号を出す初期姿勢操作具を設けることができる。その場合、前記姿勢制御手段は、前記初期姿勢操作具の動作指令信号に応じて前記姿勢変更用駆動源を制御する初期姿勢制御部を有するものとする。
初期姿勢操作具が設けられ、かつ姿勢制御手段が初期姿勢制御部を有していれば、先端部材を所定の初期姿勢に正確に復帰させることができる。
初期姿勢操作具が設けられ、かつ姿勢制御手段が初期姿勢制御部を有していれば、先端部材を所定の初期姿勢に正確に復帰させることができる。
また、前記先端部材が前記初期姿勢にあるときの前記姿勢変更用駆動源の動作位置を記憶する記憶手段を設け、前記姿勢制御手段の初期姿勢制御部は、前記初期姿勢操作具が操作されたときに、前記記憶手段に記憶されている動作位置になるよう姿勢変更用駆動源を制御するようにしてもよい。
記憶手段を設けることにより、姿勢制御手段の初期姿勢制御部による先端部材の初期姿勢復帰制御が容易になる。
記憶手段を設けることにより、姿勢制御手段の初期姿勢制御部による先端部材の初期姿勢復帰制御が容易になる。
さらに、前記姿勢変更用駆動源の動作位置を検出するエンコーダを設け、このエンコーダの出力を用いて、前記姿勢制御手段の初期姿勢制御部が前記姿勢変更用駆動源を制御するようにしてもよい。
エンコーダの出力を用いることにより、初期姿勢制御部が前記姿勢変更用駆動源を精度良く制御することができる。
エンコーダの出力を用いることにより、初期姿勢制御部が前記姿勢変更用駆動源を精度良く制御することができる。
この発明において、前記スピンドルの回転を操作する回転操作手段を、前記駆動部ハウジングを保持する手で操作可能に設けるのが良い。
回転操作手段が駆動部ハウジングを保持する手で操作可能であれば、スピンドルの回転および回転停止を手元操作で行うことができ、切削加工作業を行い易い。
回転操作手段が駆動部ハウジングを保持する手で操作可能であれば、スピンドルの回転および回転停止を手元操作で行うことができ、切削加工作業を行い易い。
前記回転操作手段を設ける場合、前記スピンドルの回転に必要な条件を表示する回転条件表示手段を設けるのがよい。
回転条件表示手段を設けることにより、好ましくない状況下でスピンドルを回転させることを防げる。
回転条件表示手段を設けることにより、好ましくない状況下でスピンドルを回転させることを防げる。
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手により保持可能な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ると共に、この姿勢変更用駆動源に入力操作により動作指令信号を直接または間接的に出して前記先端部材の姿勢を変更させる姿勢変更操作具を前記駆動部ハウジングの外部に設け、前記姿勢変更操作具は、前記駆動部ハウジングを保持する手で入力操作可能としたため、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、その工具の姿勢変更は、遠隔操作型アクチュエータを持つ人が手元操作で容易に行える。
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ると共に、この姿勢変更用駆動源に入力操作により動作指令信号を直接または間接的に出して前記先端部材の姿勢を変更させる姿勢変更操作具を前記駆動部ハウジングの外部に設け、前記姿勢変更操作具は、前記駆動部ハウジングを保持する手で入力操作可能としたため、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、その工具の姿勢変更は、遠隔操作型アクチュエータを持つ人が手元操作で容易に行える。
この発明の実施形態を図1〜図11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、アクチュエータ本体5と、このアクチュエータ本体5と電気ケーブル6で結ばれた制御ボックス7とでなる。
アクチュエータ本体5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とでなる。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および図3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、内径のスプライン部13aに工具1のシャンク1aが回転不能に嵌合し、抜け止めピン14によりシャンク1aの抜け止めがされている。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、先端部材2の中心線CL1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3、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。回転軸22と突起22aは別部材として構成しても良い。
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、互いに120度の位相にある周方向位置に、両端に貫通する3本のガイドパイプ30がそれぞれ設けられている。そして、各ガイドパイプ30の内径孔であるガイド孔30a内に、力伝達部材である複数のボール31aと両端の柱状ピン31bとでなる姿勢操作部材31(31U,31L,31R)が進退自在に挿通されている。ボール31aおよび柱状ピン31bは、ガイド孔30aの長さ方向に沿って一列に配列されて隙間無く並んでいる。先端部材2側の柱状ピン31bの先端は球面状で、その球面状の先端が、ハウジング11の基端面に形成された径方向の溝部11bの底面に当接している。溝部11bおよび柱状ピン31bは回転防止機構37を構成し、溝部11bに挿入された柱状ピン31bの先端部が溝部11b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に対して先端部材2の中心線CL1回りに回転するのを防止している。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の側面に当接している。
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および図4に示すように、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。
また、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。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。各姿勢操作部材31の出力ロッド42aの進退位置、すなわち各姿勢変更用駆動源42の動作位置は、エンコーダからなる姿勢検出手段45(45U,45L,45R)にそれぞれ検出される。
前記増力伝達機構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。
図1および図5に示すように、駆動部ハウジング4aの左右両側面には、左右一対の把手50L,50Rが取付けられている。図5に二点鎖線で示すように、両手で把手50L,50Rをつかんで、アクチュエータ本体5を保持することができる。
左側の把手50Lの先端には、スピンドル13を回転および回転停止させる回転オン・オフ操作具51が設けられている。また、左側の把手50Lの上面には、後記姿勢変更操作具53の機能を停止させるロック操作具52が設けられている。これら回転オン・オフ操作具51およびロック操作具52は押しボタン式スイッチであり、左の把手50Lをつかんだ左手で操作することが可能である。
さらに、右側の把手50Rの先端には、先端部材2の姿勢を変更させる姿勢変更操作具53が設けられている。図6に拡大して示すように、姿勢変更操作具53は十字に配された4つ操作部を有する十字スイッチであり、各操作部がそれぞれ、先端部材2を上向きに傾動させる上傾動操作部53a、下向きに傾動させる下傾動操作部53b、左向きに傾動させる左傾動操作部53c、および右向きに傾動させる右傾動操作部53dになっている。姿勢変更操作具53の各操作部53a,53b,53c,53dは、右の把手50Rをつかんだ右手で操作することが可能である。
姿勢変更操作具53は、図7に示すようなジョイスティックとしてもよい。ジョイスティックである姿勢変更操作具53は、2方向の自由度をもつレバー53eを有し、このレバー53eを上に倒すと先端部材2が上向きに傾動し、下に倒すと先端部材2が下向きに傾動し、左に倒すと先端部材2が左向きに傾動し、右に倒すと先端部材2が右向きに傾動する。
図1に示すように、制御ボックス7の外正面には、回転条件表示手段および姿勢表示手段である液晶表示式等の表示機61、初期姿勢制御表示ランプ62、初期姿勢操作具63、および各種操作具64が設けられている。初期姿勢操作具63および各種操作具64は、例えば押しボタン式スイッチである。これらの機器類の機能については後で説明する。
また、図8に示すように、制御ボックス7は、各種制御を行うコンピュータ70が内蔵されている。コンピュータ70は、工具回転用駆動源41を制御する工具回転制御手段71、および姿勢変更用駆動源42(42U,42L,42R)を制御する姿勢変更制御手段72を備える。
工具回転制御手段71は、前記回転オン・オフ操作具52からの回転指令信号に応じてモータドライバ73に出力し、工具回転用駆動源41をオン・オフする。これにより、スピンドル13が回転および回転停止させられる。例えば、回転オン・オフ操作具51を1回押すとスピンドル13が回転し、再度押すとスピンドル13の回転が停止する。回転条件表示手段としての表示機61には、スピンドル13の回転に必要な条件が表示される。条件とは、例えば先端部材2が正しく固定されていること等である。
姿勢制御手段72は、姿勢変更制御部72aと初期姿勢制御部72bとを備える。
姿勢変更制御部72aは、姿勢変更操作具53の入力操作による動作指令信号に応じてモータドライバ74に出力し、姿勢変更用駆動源42(42U,42L,42R)を駆動する。例えば、姿勢変更用駆動源42の駆動量は、姿勢変更操作具53の操作時間に比例する。操作部53a,53b,53c,53dのどれが操作されたかで、姿勢変更用駆動源42U,42L,42R毎に出力方向および出力の大きさを変えることにより、先端部材2の姿勢を変更する。
姿勢変更制御部72aは、姿勢変更操作具53の入力操作による動作指令信号に応じてモータドライバ74に出力し、姿勢変更用駆動源42(42U,42L,42R)を駆動する。例えば、姿勢変更用駆動源42の駆動量は、姿勢変更操作具53の操作時間に比例する。操作部53a,53b,53c,53dのどれが操作されたかで、姿勢変更用駆動源42U,42L,42R毎に出力方向および出力の大きさを変えることにより、先端部材2の姿勢を変更する。
例えば、操作部53aを入力操作した場合、各姿勢変更用駆動源42U,42L,42Rに出力して、図2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。すると、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。操作部53bを入力操作した場合、各姿勢操作部材31が上記と逆に進退し、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。
また、操作部53cを入力操作した場合、左右の各姿勢変更用駆動源42L,42Rに出力して、右側の姿勢操作部材31Rを先端側へ進出させ、かつ左側の姿勢操作部材31Lを後退させる。すると、右側の姿勢操作部材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、すなわち図2(A)において紙面の表側向きとなる側へ案内面F1,F2に沿って姿勢変更する。操作部53dを入力操作した場合、姿勢操作部材31L,31Rが上記と逆に進退し、左の姿勢操作部材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は右向きとなる側へ案内面F1,F2に沿って姿勢変更する。
姿勢操作部材31が円周方向の3箇所に設けられているため、上記のように、先端部材2を上下左右の2軸方向に姿勢変更することができる。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。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。
先端部材2の姿勢は、姿勢表示制御手段75の制御により、姿勢表示手段としての表示機61に表示される。図9(A),(B)はその表示例である。(A)は、先端部材2の2軸方向の傾動角度を、それぞれ数値で表示している。例えば、「α」は上下方向の傾動角度を示し、「β」は左右方向の傾動角度を示す。(B)は、先端部材2の傾動方向と傾動角度とをグラフに点Pで表示している。これらの表示方法のどちらかを選択的に表示するようにしてもよい。その場合、各種操作具64で姿勢表示制御手段75に対し表示方向切替指令を与えることにより、表示方法を切り替えようにすればよい。
前記ロック操作具52が1回押された状態では、上記姿勢変更制御部72aの機能が停止される。そのため、姿勢変更操作具53を操作しても、姿勢変更用駆動源42が駆動せず、先端部材2が一定姿勢に固定される。ロック操作具52を再度押すと、姿勢変更制御部72aの機能停止が解除されて、先端部材2を姿勢変更可能になる。
上記のようにロック操作具52により姿勢変更制御部72aの機能停止状態と機能停止解除状態とに切り替えるのに代えて、ロック操作具52を押しながらでないと姿勢変更操作具53の操作が無効になるようにしてもよい。逆に、ロック操作具52を押しているときだけ姿勢変更操作具53の操作が無効になるようにしてもよい。
初期姿勢制御部72bは、前記初期姿勢操作具63から出される動作指令信号により、先端部材2を所定の初期姿勢にさせる制御を行う。例えば、遠隔操作型アクチュエータに電源を投入した直後や、工具1交換後の初動操作時には、図10(A)に示すように、先端部材2のハウジング11の基端面と、姿勢操作部材31の柱状ピン31bとの間に隙間Sが生じている可能性がある。そのため、一度先端部材2を初期姿勢に戻して、前記隙間Sを無くす必要があるのである。初期姿勢は、例えば図10(B)に示すように、先端部材2の中心線CL1とスピンドルガイド部3の中心線CL2とが一致する姿勢である。この初期姿勢における各姿勢変更用駆動源42の動作位置は、記憶手段76に記憶させてある。なお、図10(A),(B)は、図2(B)のX−CL2−X断面に相当する断面を簡略化して表してある。
初期姿勢制御は、具体的には図11のフローチャートに示す順序で行う。初期姿勢操作具62が操作されて初期姿勢位置への動作指令を受けると(S1)、各姿勢変更用駆動源42を後退させる(S2)。各姿勢変更用駆動源42の動作位置は、前記姿勢検出手段45で検出する。全姿勢変更用駆動源42が進退範囲の後退端まで後退すると(S3)、今度は各姿勢変更用駆動源42を前進させる(S4)。各姿勢変更用駆動源42の初期姿勢位置への移動が完了したなら(S5)、各姿勢変更用駆動源42の前進を停止させて、初期姿勢位置移動を完了する(S6)。各姿勢変更用駆動源42が初期姿勢位置へ移動したことは、姿勢検出手段45の出力が示す実際の各姿勢変更用駆動源42の動作位置が、記憶手段76に記憶されている初期姿勢における各姿勢変更用駆動源42の動作位置と一致したことで確認する。この初期姿勢制御の進行具合は、前記初期姿勢制御表示ランプ62に段階的に表示され、例えば動作未完了で消灯、初期姿勢位置へ移動中は点滅、初期姿勢位置へ動作完了で点灯させる。ここで、未完了とは、遠隔操作型アクチュエータに電源を投入した直後や、工具1交換後に1度も初期姿勢操作具62を用いて初期姿勢位置へ移動操作させていない場合や、初期姿勢位置への移動において記憶手段76に記憶されている初期姿勢における各姿勢変更用駆動源42の動作位置との不一致が発生したときなどが該当する。
この遠隔操作型アクチュエータは、先に説明したように、両手で左右の把手50L,50Rをつかんでアクチュエータ本体5を保持する。そして、回転オン・オフ操作具51の操作により、スピンドル13を回転させて、工具1により骨等の切削を行う。回転条件表示手段としての表示機61に、スピンドル13の回転に必要な条件が表示されているため、不適切な条件下でスピンドル13を回転させることを防げる。
加工中は、加工箇所の形状や加工の進行に応じて、姿勢変更操作具53を操作することで、先端部材2の姿勢を遠隔操作で2軸の方向に変更させる。ロック操作具52を操作することで、先端部材2を一定姿勢に保ったまま加工を行うこともできる。回転オン・オフ操作具51、姿勢変更操作具53、およびロック操作具52は、左右の把手50L,50Rをつかんだまま手元操作できるので、操作者本人の感覚で操作を行え、作業がやり易い。特に、姿勢変更操作具53は、十字スイッチであり、操作部53a,53b,53c,53dの配置と先端部材2の姿勢変更方向とが同じであるので、手元の感覚と実際の先端部材2の姿勢変更とを一致させやすく、正確で迅速な姿勢変更を行える。
先端部材2がスピンドルガイド部3に対して先端部材2の中心線CL1回りに回転するのを防止する回転防止機構37が設けられているため、姿勢変更用駆動機構4cや姿勢制御手段72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CL1回りに回転して加工箇所の周りを傷つけたり、先端部材2自体が破損したりすることを防止できる。
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、複数のボール31aおよび柱状ピン31bからなり、全体で可撓性の性質を有するため、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。
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。
図12は異なる実施形態の先端部材およびスピンドルガイド部を示す。この遠隔操作型アクチュエータは、ガイドパイプ30および姿勢操作部材31が互いに90度をなす円周方向の2箇所に設けられている。これら2つの姿勢操作部材31X,31Yは、2つの姿勢変更用駆動源(図示せず)によりそれぞれ個別に進退駆動させられる。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。
この構成では、図12の上側の姿勢操作部材31Yを先端側へ進出させると、姿勢操作部材31Y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12(A)において先端側が下向きとなる側へ案内面F1,F2に沿って姿勢変更し、姿勢操作部材31Yを後退させると、対応する復元用弾性部材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12(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。この姿勢変更動作時、先端部材連結部15には姿勢操作部材31X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。
また、図12の右側の姿勢操作部材31Xを先端側へ進出させると、姿勢操作部材31X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は先端側が左向きとなる側へ案内面F1,F2に沿って姿勢変更し、姿勢操作部材31Xを後退させると、対応する復元用弾性部材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は先端側が右向きとなる側へ案内面F1,F2に沿って姿勢変更する。この姿勢変更動作時、先端部材連結部15には姿勢操作部材31Y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。
このように姿勢操作部材31X,31Yと復元用弾性部材32とを併用することによっても、先端部材2を2軸方向に姿勢変更することができる。この場合も、姿勢変更用駆動機構(図示せず)および姿勢制御手段(図示せず)は前記同様の構成である。
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ので、スピンドルガイド部3を初期状態で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。
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…アクチュエータ本体
7…制御ボックス
13…スピンドル
15…先端部材連結部
22…回転軸
25…外郭パイプ
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
45…姿勢検出手段
50L,50R…把手
51…回転オン・オフ操作具
52…ロック操作具
53…姿勢変更操作具
61…表示機(回転条件表示手段、姿勢表示手段)
63…初期姿勢操作具
71…工具回転制御手段
72…姿勢変更制御手段
72a…姿勢変更制御部
72b…初期姿勢制御部
76…記憶手段
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…アクチュエータ本体
7…制御ボックス
13…スピンドル
15…先端部材連結部
22…回転軸
25…外郭パイプ
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
45…姿勢検出手段
50L,50R…把手
51…回転オン・オフ操作具
52…ロック操作具
53…姿勢変更操作具
61…表示機(回転条件表示手段、姿勢表示手段)
63…初期姿勢操作具
71…工具回転制御手段
72…姿勢変更制御手段
72a…姿勢変更制御部
72b…初期姿勢制御部
76…記憶手段
Claims (13)
- 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手により保持可能な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ると共に、この姿勢変更用駆動源に入力操作により動作指令信号を直接または間接的に出して前記先端部材の姿勢を変更させる姿勢変更操作具を前記駆動部ハウジングの外部に設け、
前記姿勢変更操作具は、前記駆動部ハウジングを保持する手で入力操作可能としたことを特徴とする遠隔操作型アクチュエータ。 - 請求項1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。
- 請求項1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複数箇所に設け、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、前記複数の姿勢操作部材は、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。
- 請求項2または請求項3において、前記姿勢変更操作具は、各姿勢変更用駆動源に動作指令信号を出すことで前記先端部材の2方向の姿勢を変更するものであり、前記先端部材の姿勢変更方向に対応する2方向に操作可能である遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記姿勢変更操作具の入力操作を無効にさせるロック操作具を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記先端部材の姿勢を検出する姿勢検出手段を設け、この姿勢検出手段で検出された先端部材の姿勢を表示する姿勢表示手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項6において、前記姿勢検出手段は、前記姿勢変更用駆動源の動作位置を検出するエンコーダである遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記姿勢変更操作具から出された動作指令信号に応じて姿勢変更用駆動源の制御する姿勢制御手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項8において、前記先端部材を所定の初期姿勢にさせる動作指令信号を出す初期姿勢操作具を設け、前記姿勢制御手段は、前記初期姿勢操作具の動作指令信号に応じて前記姿勢変更用駆動源を制御する初期姿勢制御部を有するものとした遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項9において、前記先端部材が前記初期姿勢にあるときの前記姿勢変更用駆動源の動作位置を記憶する記憶手段を設け、前記姿勢制御手段の初期姿勢制御部は、前記初期姿勢操作具が操作されたときに、前記記憶手段に記憶されている動作位置になるよう姿勢変更用駆動源を制御するようにした遠隔操作型アクチュータ。
- 請求項10において、前記姿勢変更用駆動源の動作位置を検出するエンコーダを設け、このエンコーダの出力を用いて、前記姿勢制御手段の初期姿勢制御部が前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項1ないし請求項11のいずれか1項において、前記スピンドルの回転を操作する回転操作手段を、前記駆動部ハウジングを保持する手で操作可能に設けた遠隔操作型アクチュエータ。
- 請求項12において、前記スピンドルの回転に必要な条件を表示する回転条件表示手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
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