JP2010167123A - 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遠隔操作で変更することができ、しかも常に最適な加工条件で加工することが可能な遠隔操作型アクチュエータを提供する。
【解決手段】 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工具を回転自在に支持する先端部材と、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４ａとを備える。スピンドルガイド部３は内部に、駆動部ハウジング４ａ内の工具回転用駆動源４１の回転を工具に伝達する回転軸２２と、駆動部ハウジング４ａ内の姿勢変更用駆動源４２の駆動により先端部材を姿勢変更させる姿勢操作部材３１とを有する。工具が被加工物に与える切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定する切削力推定手段６を設ける。
【選択図】 図３

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。さらに、工具の姿勢を遠隔操作する場合でも、常に被加工物の状態に合った最適な加工条件で加工できることが求められる。

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、しかも常に最適な加工条件で加工することが可能な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、前記工具が被加工物に与える切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定する切削力推定手段を設けたことを特徴とする。

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。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。

切削力推定手段により、切削力における主分力Ｆｃ、背分力Ｆｒ、および送り分力Ｐｆのうち少なくとも１つ分力の大きさを推定する。この推定された分力の大きさに応じて、工具の回転数、送り速度等の加工条件を最適に設定することにより、被加工物の状態に合ったきめ細かい加工を実現できる。例えば、骨の切削加工では、被切削面の温度が５０℃以上になると骨組織が壊れると言われている。そこで、医療用として骨の加工に用いる場合、切削力推定手段により切削力を監視しながら加工条件を変更することで、被切削面の温度が高くなるのを抑えることができる。

この発明において、前記工具回転用駆動源の駆動電力および回転数をそれぞれ測定する駆動電力測定手段および回転数測定手段を設け、前記切削力推定手段は、前記駆動電力測定手段で測定された駆動電力と、前記回転数測定手段で測定された回転数とから、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定するものとするのが良い。

この場合、切削力推定手段により、切削力における工具の接線方向の力である主分力Ｆｃ［Ｎ］の大きさが推定される。駆動電力をＰ［Ｗ］、工具の回転数をＮ［ｒｐｍ］、工具に作用するトルクをＴ［Ｎｍ］とした場合、Ｐ＝（２πＮＴ）／６０の関係式であらわされる。工具の半径をｒ［ｍ］とすると、Ｔ＝ｒＦｃであるため、Ｆｃ＝（６０Ｐ）／（２πＮｒ）となり、これより主分力Ｆｃの大きさを推定できる。主分力Ｆｃ、背分力Ｆｒ、および送り分力Ｐｆの各大きさの比率が決まっている場合には、主分力Ｆｃの大きさが求められれば、他の分力Ｆｒ，Ｐｆの大きさも推定できる。各分力の大きさの比率が変動する場合は、他の分力Ｆｒ，Ｐｆの大きさを推定する切削力推定手段を併用するのが良い。

この発明において、前記スピンドルガイド部の撓み量を測定する撓み量測定手段を設け、前記切削力推定手段は、前記撓み量測定手段で測定された撓み量から、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定するものとしても良い。

この場合、切削力推定手段により、主に切削力における工具の径方向の力である背分力Ｆｒの大きさが推定される。工具から被加工物に背分力Ｆｒが作用するとスピンドルガイド部が撓むため、撓み量測定手段でスピンドルガイド部の撓み量を測定することにより、背分力Ｆｒの大きさを推定することができるのである。主分力Ｆｃ、背分力Ｆｒ、および送り分力Ｐｆの各大きさの比率が決まっている場合には、背分力Ｆｒの大きさが求められれば、他の分力Ｆｃ，Ｐｆの大きさも推定できる。各分力の大きさの比率が変動する場合は、他の分力Ｆｃ，Ｐｆの大きさを推定する切削力推定手段を併用するのが良い。

前記撓み量測定手段は、前記スピンドルガイド部の周面に貼った１つ以上の歪みセンサとすることができる。
スピンドルガイド部が撓むとスピンドルガイド部の周面に歪みが生じるため、歪みセンサの検出値からスピンドルガイド部の撓み量を測定することができる。撓み量測定手段として歪みセンサを使用した場合、工具から被加工物に背分力Ｆｒが作用すると、スピンドルガイド部の周面にある歪みセンサの検出信号が、撓み方向に応じて圧縮方向や引張方向に変動するため、背分力Ｆｒの大きさが推定できる。また、工具から被加工物に送り分力Ｐｆが作用すると、スピンドルガイド部の周面のどの周方向位置にある歪みセンサも検出信号が圧縮方向に変動するため、送り分力Ｐｆの大きさも推定できる。

前記撓み量測定手段は、前記スピンドルガイド部の任意箇所の変位を測定する変位センサとすることもできる。
スピンドルガイド部が撓むとスピンドルガイド部の各部が変位するため、変位センサの検出値からスピンドルガイド部の撓み量を測定することができる。歪みセンサには光学式、渦電流式、磁気式等の種類があるが、いずれであってもよい。

この発明において、前記姿勢変更用駆動源の駆動力を測定する駆動力測定手段を設け、前記切削力推定手段は、前記駆動力測定手段で測定された駆動力から、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定するものとしても良い。

この場合、切削力推定手段により、主に切削力における工具の径方向の力である背分力Ｆｒの大きさが推定される。工具から被加工物に背分力Ｆｒが作用すると、姿勢操作部材を介して姿勢変更用駆動源にも力が伝達され、姿勢変更用駆動源の駆動力が増減するため、駆動力測定手段で駆動力を測定することにより、背分力Ｆｒの大きさを推定することができるのである。

前記姿勢変更用駆動源の駆動力を前記姿勢操作部材へ伝達するレバー機構を有する場合、このレバー機構の歪みを検出する歪み検出手段を設け、前記切削力推定手段は、前記歪み検出手段の検出値から、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定するものとすることができる。

この場合、切削力推定手段により、主に切削力における工具の径方向の力である背分力Ｆｒの大きさが推定される。工具から被加工物に背分力Ｆｒが作用すると、姿勢操作部材を介してレバー機構にも力が伝達され、レバー機構に歪みが生じるため、歪み検出手段で歪みを検出することにより、背分力Ｆｒの大きさを推定することができるのである。

この発明において、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、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。

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転がり軸受を設ける場合、前記スピンドルガイド部の内部を通過する冷却液により前記転がり軸受を冷却する冷却手段を設けてもよい。
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、転がり軸受が加熱される。冷却手段を設ければ、転がり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の内部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、前記冷却液により転がり軸受を潤滑する効果も得られる。冷却液を転がり軸受の潤滑に兼用させれば、転がり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。

また、前記スピンドルガイド部の内部を通過する冷却液、またはスピンドルガイド部に対する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、水また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。
姿勢操作部材を可撓性とすることにより、スピンドルガイド部に湾曲した箇所があっても、姿勢操作部材を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、前記工具が被加工物に与える切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定する切削力推定手段を設けたため、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、しかも常に最適な加工条件で加工することが可能である。

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。 （Ａ）は切削加工時の工具と被加工物の斜視図、（Ｂ）はそのIVＢ矢視図である。 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）は切削力推定手段の異なる例を示す遠隔操作型アクチュエータの部分図、（Ｂ）はそのVIＢ−VIＢ断面図である。 （Ａ）は切削力推定手段のさらに異なる例を示す遠隔操作型アクチュエータの部分図、（Ｂ）はそのVIIＢ−VIIＢ断面図である。 （Ａ）は切削力推定手段のさらに異なる例を示す遠隔操作型アクチュエータの部分図、（Ｂ）はそのVIIIＢ−VIIIＢ断面図である。 切削力推定手段のさらに異なる例を示す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である。 （Ａ）は切削力推定手段のさらに異なる例を示す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ＸＢ−ＸＢ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XIＢ−XIＢ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XIIＢ−XIIＢ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正面図に制御系を組み合わせて表示した図である。 （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XIVＢ−XIVＢ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XVＢ−XVＢ断面図である。 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。

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、加工時の切削力を推定する切削力推定手段６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、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のハウジング１１の基端面１１ｂに当接している。先端部材２のハウジング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３）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。

工具回転用駆動源４１の駆動電力および回転数は、駆動電力測定手段６０および回転数測定手段６１でそれぞれ測定される。駆動電力測定手段６０は、工具回転用駆動源４１の電源系（図示せず）に設けられた電力計等からなる。回転数測定手段６１は、ロータリエンコーダやタコジェネレータ等からなる。これら駆動電力測定手段６０および回転数測定手段６１の出力信号は、切削力推定手段６に送信される。切削力推定手段６は、上記駆動電力測定手段６０および回転数測定手段６１の出力信号から、工具１の切削力を推定する。この切削力推定手段６は、マイクロコンピュータ等のコンピュータや電子回路等により構成されて、各入力信号と出力信号となる推定値との関係を演算式またはテーブル等により定めた関係設定手段（図示せず）を有し、入力信号を上記関係設定手段に照らして推定値を推定する。なお、この明細書で以下に述べる各種の切削力推定手段６も、上記と同様に関係設定手段を用いて推定を行うコンピュータや電子回路等により構成される。

この実施形態の場合、切削力推定手段６により、工具１が被加工物Ｗに与える切削力Ｆにおける工具１の接線方向の力である主分力Ｆｃ［Ｎ］の大きさが推定される（図４参照）。駆動電力をＰ［Ｗ］、工具１の回転数をＮ［ｒｐｍ］、工具１に作用するトルクをＴ［Ｎｍ］とした場合、Ｐ＝（２πＮＴ）／６０の関係式であらわされる。工具１の半径をｒ［ｍ］とすると、Ｔ＝ｒＦｃであるため、Ｆｃ＝（６０Ｐ）／（２πＮｒ）となり、これより主分力Ｆｃの大きさを推定できる。主分力Ｆｃ、背分力Ｆｒ、および送り分力Ｐｆの各大きさの比率が決まっている場合には、主分力Ｆｃの大きさが求められれば、他の分力Ｆｒ，Ｐｆの大きさも推定できる。各分力の大きさの比率が変動する場合は、他の分力Ｆｒ，Ｐｆの大きさを推定する切削力推定手段を併用するのが良い。切削力推定手段６は、図１のようにコントローラ５の外部に設けても、あるいは内部に設けてもよい。

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、レバー機構４３を介して前記姿勢操作部材３１に伝達される。姿勢変更用駆動源４２は、回転モータであってもよい。

レバー機構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。レバー機構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。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、姿勢変更用駆動源４２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の検出値に基づき姿勢変更用駆動源４２を制御するとともに、前記切削力推定手段６の出力に基づき工具回転用駆動源４１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。

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。ハウジング１１の基端面１１ｂは、傾斜面でなく、姿勢操作部材３１の進退方向と垂直な面であってもよい。

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は主にワイヤ３１ａ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。

また、切削加工時、切削力推定手段６により、切削力Ｆにおける主分力Ｆｃの大きさを推定する。この推定された主分力Ｆｃの大きさに応じて、工具１の回転数、送り速度等の加工条件を最適に設定することにより、被加工物Ｗ（図４）の状態に合ったきめ細かい加工を実現できる。例えば、骨の切削加工では、被切削面の温度が５０℃以上になると骨組織が壊れると言われている。そこで、医療用として骨の加工に用いる場合、切削力推定手段６により切削力を監視しながら加工条件を変更することで、被切削面の温度が高くなるのを抑えることができる。

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５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からスピンドルガイド部３の基端に続き、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とでなる。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。スピンドルガイド部３と駆動部ハウジング４ａとの間には、駆動部ハウジング４ａ内への冷却液の浸入を防止するシール手段（図示せず）を設けるのが良い。

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Ｗ、スピンドル１３、回転軸２２、転がり軸受２６，２９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、さらにスピンドルガイド部３の外部から冷却液を供給し、工具１や被加工物Ｗを冷却してもよい。

上記冷却液は、水また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６は切削力推定の異なる例を示す。この例は、スピンドルガイド部３の撓み量を測定する撓み量測定手段６３が設けられており、切削力推定手段６は、前記撓み量測定手段６３で測定された撓み量から、切削力における主に背分力Ｆｒ（図４）の大きさを推定する。工具１から被加工物に背分力Ｆｒが作用すると、スピンドルガイド部３が撓むため、撓み量測定手段６３でスピンドルガイド部３の撓み量を測定することにより、背分力Ｆｒの大きさを推定することができるのである。

図６の場合、撓み量測定手段６３は歪みセンサであり、スピンドルガイド部３の外郭パイプ２５の根元部外周面に周方向等配で４箇所に貼られている。外郭パイプ２５の歪みは根元部で最も大きくなるため、歪みセンサを外郭パイプ２５の根元部に貼り付けるのが良い。撓み量測定手段６３として歪みセンサを使用した場合、工具１から被加工物Ｗに背分力Ｆｒが作用すると、スピンドルガイド部３の周面にある歪みセンサの検出信号が、撓み方向に応じて圧縮方向や引張方向に変動するため、背分力Ｆｒの大きさが推定できる。また、工具１から被加工物Ｗに送り分力Ｐｆ（図４）が作用すると、外郭パイプ２５の周面のどの周方向位置にある歪みセンサも検出信号が圧縮方向に変動するため、送り分力Ｐｆの大きさも推定できる。

主分力Ｆｃ、背分力Ｆｒ、および送り分力Ｐｆの各大きさの比率が決まっている場合には、背分力Ｆｒの大きさが求められれば、他の分力Ｆｃ，Ｐｆの大きさも推定できる。各分力の大きさの比率が変動する場合は、他の分力Ｆｃ，Ｐｆの大きさを推定する切削力推定手段を併用するのが良い。

図７に示すように、撓み量測定手段６３が、スピンドルガイド部３の任意箇所の変位を測定する変位センサであってもよい。その場合も、上記同様、切削力推定手段６により背分力Ｆｒの大きさを推定することができる。図７の例は、スピンドルガイド部３の根元部の外周に円筒状のセンサハウジング６４を設け、このセンサハウジング６４の内周に周方向等配で４箇所に、光学式の変位センサからなる撓み量測定手段６３を設けている。撓み量測定手段６３により、スピンドルガイド部３の外郭パイプ２５の変位を測定する。

また、図８に示すように、撓み量測定手段６３が、被検出部としてのエンコーダ６３ａとホールセンサ６３ｂとでなる磁気式の変位センサであってもよい。図８の例は、スピンドルガイド部３の外郭パイプ２５の根元部に円環状のエンコーダ６３ａを嵌合させ、前記同様のセンサハウジング６４の内周に周方向等配で４箇所にホールセンサ６３ｂを設けている。ホールセンサ６３ｂの個数は限定しない。撓み量測定手段６３により、スピンドルガイド部３の外郭パイプ２５の変位を測定する。
撓み量測定手段６３は、渦電流式の変位センサとしてもよい。

図９は切削力推定手段のさらに異なる例を示す。この例は、姿勢変更用駆動源４２の駆動力を測定する駆動力測定手段６５が設けられており、切削力推定手段６は、前記駆動力測定手段６５で測定された駆動力から、切削力における主に背分力Ｆｒの大きさを推定する。駆動力測定手段６５として、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（図３）を利用してもよい。

工具１から被加工物に背分力Ｆｒが作用すると、姿勢操作部材３１を介して姿勢変更用駆動源４２に力が伝達され、姿勢変更用駆動源４２の駆動力が増減するため、駆動力測定手段４２で駆動力を測定することにより、背分力Ｆｒの大きさを推定することができる。

図１０は切削力推定手段のさらに異なる例を示す。この例は、姿勢変更用駆動源４２の駆動力を姿勢操作部材３１へ伝達するレバー機構４３の歪みを検出する歪み検出手段６６が設けられており、切削力推定手段６は、前記歪み検出手段６６の検出値から、切削力における主に背分力Ｆｒの大きさを推定する。図例の歪み検出手段６６は、レバー機構４３のレバー４３ｂの中間部に肉厚の薄い起歪部４３ｂａを設け、この起歪部４３ｂａの両側に起歪部４３ｂａに発生する歪みを検出する歪みセンサを貼り付けてある。

工具から被加工物に背分力Ｆｒが作用すると、その力が姿勢操作部材３１を介してレバー機構４３に伝わり、レバー機構４３のレバー４３ｂに歪みが生じるため、歪み検出手段６６で歪みを検出することにより、背分力Ｆｒの大きさを推定することができる。

図１１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１１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１１（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１１（Ａ）において先端側が上向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。その際、先端部材連結部１５には、上下２つの姿勢操作部材３１の圧力、および抜け止め部材２１からの反力が作用しており、これらの作用力の釣り合いにより先端部材２の姿勢が決定される。
この構成では、２つの姿勢操作部材３１で先端部材２のハウジング１１に加圧されるため、１つ姿勢操作部材３１だけで加圧される前記実施形態に比べ、先端部材２の姿勢安定性を高めることができる。

図１２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１３）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１２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。
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１２（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。

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１３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。

また、レバー機構４３の歪みを検出する歪み検出手段６６を設ける場合、各レバー４３（４３ｂＵ，４３ｂＬ，４３ｂＲ）に、それぞれのレバー４３ｂに発生する歪みを検出する歪み検出手段６６としての歪みセンサを貼り付ける。切削力推定手段６は、各歪みセンサの検出値から、切削力における主に背分力Ｆｒの大きさを推定する。

図１４はさらに異なる実施形態を示す。この実施形態は、先端部材２のハウジング１１の基端面に径方向の溝部１１ｃ（同図（Ｃ））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で回転防止機構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に対して先端部材２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。

この実施形態は、姿勢操作部材３１を周方向の１箇所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、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構成にも適用できる。

図１５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のスピンドルガイド部３は、外郭パイプ２５の中空孔２４が、中心部の円形孔部２４ａと、この円形孔部２４ａの外周における互いに１２０度の位相をなす周方向位置から外径側へ凹んだ３つの溝状部２４ｂとでなる。溝状部２４ｂの先端の周壁は、断面半円形である。そして、円形孔部２４ａに回転軸２２と転がり軸受２６とが収容され、各溝状部２４ｂに姿勢操作部材３１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が厚くなり、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の位置決め精度が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をそれぞれ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。

この実施形態は、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。例えば、姿勢操作部材３１を周方向の１箇所に設けた構成において、図１５の外郭パイプ２５と同様に中空孔２４の溝状部２４ｂを周方向の３箇所に設け、１つの溝状部２４ｂには姿勢操作部材３１を収容し、他の溝状部２４ｂには補強シャフト３４（図２等を参照）を収容してもよい。

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、図１６のように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。

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、ワイヤ３１ａからなるものの他に、複数のボールからなるものとしてもよく、あるいはガイドパイプ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。後者の場合、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。

以上、医療用の遠隔操作型アクチュエータ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アクチュエータにも適用できる。例えば、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…コントローラ
６…切削力推定手段
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
４１…工具回転用駆動源
４２…姿勢変更用駆動源
４３…レバー機構
４３ｂ…レバー
５０…冷却手段
４５…動作量検出器
４６…姿勢検出手段
６０…駆動電力測定手段
６１…回転数測定手段
６３…撓み量測定手段
６５…駆動力測定手段
６６…歪み検出手段

Claims (12)

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、
   前記工具が被加工物に与える切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定する切削力推定手段を設け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、前記工具回転用駆動源の駆動電力および回転数をそれぞれ測定する駆動電力測定手段および回転数測定手段を設け、前記切削力推定手段は、前記駆動電力測定手段で測定された駆動電力と、前記回転数測定手段で測定された回転数とから、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定するものとした遠隔操作型アクチュエータ。
3. 請求項１または請求項２において、前記スピンドルガイド部の撓み量を測定する撓み量測定手段を設け、前記切削力推定手段は、前記撓み量測定手段で測定された撓み量から、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定するものとした遠隔操作型アクチュエータ。
4. 請求項３において、前記撓み量測定手段は、前記スピンドルガイド部の周面に貼った１つ以上の歪みセンサである遠隔操作型アクチュエータ。
5. 請求項３において、前記撓み量測定手段は、前記スピンドルガイド部の任意箇所の変位を測定する変位センサである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、前記姿勢変更用駆動源の駆動力を測定する駆動力測定手段を設け、前記切削力推定手段は、前記駆動力測定手段で測定された駆動力から、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定す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駆動力を前記姿勢操作部材へ伝達するレバー機構を有し、このレバー機構の歪みを検出する歪み検出手段を設け、前記切削力推定手段は、前記歪み検出手段の検出値から、前記切削力における主分力、背分力、および送り分力のうち少なくとも１つの分力の大きさを推定するものとし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。
9. 請求項８において、前記スピンドルガイド部の内部を通過する冷却液により前記転がり軸受を冷却する冷却手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記スピンドルガイド部の内部を通過する冷却液、またはスピンドルガイド部に対する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アクチュエータ。
11. 請求項９または請求項１０において、前記冷却液が、水または生理食塩水であ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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