JP5213654B2 - 遠隔操作型アクチュエータ - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、（Ｄ）は先端部材のハウジングを基端側から見た図である。 同遠隔操作型アクチュエータの主に駆動部ハウジング内の構造を示す断面図である。 図３のIV−IV断面図である。 図１のＶ矢視図である。 同遠隔操作型アクチュエータの姿勢変更操作具を示す図５の部分拡大図である。 姿勢変更操作具の別例を示す図である。 同遠隔操作型アクチュエータの制御系のブロック図である。 （Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの表示機の一表示状態を示す図、（Ｂ）は異なる表示状態を示す図である。 初期姿勢制御の説明図で、（Ａ）は先端部材およびスピンドルガイド部の初期姿勢制御前の状態を示し、（Ｂ）は初期姿勢制御後の状態を示す。 同遠隔操作型アクチュエータの初期姿勢制御のフローチャートである。 （Ａ）はこの発明の異なる実施形態にかかる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XIIＢ−XIIＢ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。

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…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)

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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。

Images