JP5495862B2

JP5495862B2 - 遠隔操作型アクチュエータ

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Publication number: JP5495862B2
Application number: JP2010048645A
Authority: JP
Inventors: 幸宏西尾; 佳孝永野
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-03-05
Also published as: EP2543327A1; JP2011182851A; US20120325508A1; WO2011108623A1; EP2543327A4; US9282976B2

Description

この発明は、細長形状のガイド部の先端に設けた作業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に関する。

医療や機械加工等の分野で切削加工等の作業に用いられる遠隔操作型アクチュエータがある。この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形状のガイド部の先端に工具、把持具等の作業具を設け、この作業具を遠隔操作で制御するようにしたものである。以下、骨の加工に用いられる医療用の遠隔操作型アクチュエータを例にとって、従来技術と課題について説明する。

整形外科において、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。この加工には、細長形状のガイド部の先端に設けた工具を遠隔操作で回転させる遠隔操作型アクチュエータが用いられる。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、前記ガイド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１は、ガイド部の中間部を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。このようにガイド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２は、ガイド部を１８０度回転させたものである。

米国特許第４，４６６，４２９号明細書米国特許第４，２６５，２３１号明細書

上記従来の医療用遠隔操作型アクチュエータは、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、人工関節挿入用の穴の深遠部で工具を正確に位置決めすることや、骨を複雑な形状に加工することが難しかった。そこで、上記問題を解決するために、図９に示すように、ガイド部３の先端に、工具１を回転自在に支持する先端部材２を姿勢変更可能に設け、この先端部材２の姿勢を遠隔操作で変更可能にすることを試みた。具体的には、ガイド部３の内部に両端に貫通したガイド孔（図示せず）を設け、このガイド孔内に姿勢操作部材（図示せず）を進退自在に挿通し、この姿勢操作部材を介して先端部材２に姿勢変更用の作用力を付与して、先端部材２を姿勢変更させることにした。姿勢操作部材をワイヤ等の可撓性を有するものにすれば、ガイド部３およびその内部のガイド孔が湾曲していても、先端部材２に姿勢変更用の作用力を伝達することができる。

上記のように姿勢操作部材を介して先端部材２に姿勢変更用の作用力を付与する遠隔操作型アクチュエータは、先端部材２の姿勢を安定して保持するために、先端部材２が受ける外力に打ち克つだけの予圧を姿勢操作部材により先端部材に与えておく。また、先端部材２の姿勢変更動作は、先端部材２の初期位置姿勢に対する姿勢変更の程度に応じて、姿勢操作部材を進退させて先端部材に作用力を付与することで行う。

通常、先端部材２の初期位置姿勢は、図９（Ａ）のようにガイド部３と先端部材３とが真っ直ぐな状態、すなわちガイド部３の中心線ＣＬ１と先端部材２の中心線ＣＬ２とが合致する状態とされる。しかし、組み立てられた遠隔操作型アクチュエータは、部品の加工精度や組立精度等により製品ごとにガイド部３に対する先端部材３の真直度が若干異なるため、ガイド部３の中心線ＣＬ１と先端部材２の中心線ＣＬ１とが完全には合致しないのが普通である。したがって、先端部材２を目標とする姿勢に正確に変更できるようにするには、製品ごとに先端部材２の初期位置姿勢に応じた姿勢操作部材の基準位置を把握しておき、その基準位置に基づいて先端部材２の姿勢変更制御を行わなければならない。

この発明の目的は、細長形状のガイド部の先端に設けられて作業具を支持する先端部材の姿勢を遠隔操作で精度良く変更することができ、製品ごとに異なる先端部材の初期位置姿勢に応じた姿勢変更制御を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。
この発明の他の目的は、簡単な操作で確実に、先端部材をガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束できる拘束具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、細長形状のガイド部と、このガイド部の先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に設けた作業具と、この作業具を駆動させる作業具用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御装置とを備え、前記ガイド部は、前記作業具用駆動源の駆動力を前記作業具に伝達する駆動軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、前記姿勢変更用駆動源により駆動され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、前記姿勢操作部材の進退位置を検出する進退検出手段と、前記ガイド部の先端部と前記先端部材とにわたって外周に着脱自在に嵌合し前記先端部材を前記ガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束する拘束具とを設け、前記姿勢制御装置で用いる前記先端部材の初期位置姿勢における前記姿勢操作部材の進退位置の情報は、前記拘束具で前記先端部材を拘束し、前記姿勢操作部材により前記先端部材に予圧を付与した状態で取得された前記進退検出手段の検出値であることを特徴とする。

この構成によれば、先端部材に設けた作業具により、所定の作業が行われる。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、この姿勢操作部材が先端部材に対し作用することにより、ガイド部の先端に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、先端部材から離れた位置に設けられており、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。

組立てられた遠隔操作型アクチュエータは、部品の加工精度や組立精度等により製品ごとにガイド部に対する先端部材の真直度が若干異なる。つまり、製品ごとに先端部材の初期位置姿勢が異なる。そこで、先端部材をガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束具で拘束した状態で、姿勢操作部材により先端部材に予圧を与え、そのときの姿勢操作部材の進退位置を進退検出手段で検出する。この進退検出手段の検出値を、先端部材の初期位置姿勢における姿勢操作部材の進退位置として、姿勢制御装置による先端部材の姿勢変更制御に用いる。それにより、製品ごとに異なる先端部材の初期位置姿勢に応じた適正な姿勢変更制御を行える。

前記拘束具は、例えば、互いに円周方向に離れた複数の分割体からなり前記ガイド部の先端部と前記先端部材とにわたって外周に配置される内周部材と、この内周部材の外周に配置される筒状の外周部材とを有し、前記内周部材の外周面および前記外周部材の内周面は、互いに対応するテーパ状であり、互いに螺合する雄ねじおよび雌ねじがそれぞれ形成されていてもよい。
この構成の拘束具は、ガイド部の先端部と先端部材とにわたって外周に被せ、雄ねじと雌ねじとが互いに締まる方向に外周部材を回転させる。すると、内周部材に対して外周部材がテーパの大径側へ軸方向移動し、それに伴い内周部材が縮径して、各分割体がガイド部の先端部および先端部材に押し付けられる。それにより、先端部材の中心線とガイド部の中心線が合致していなかった場合でも、両中心線が合致するように揃えられて、先端部材がガイド部に対して真っ直ぐな状態に拘束される。

この発明において、前記姿勢操作部材の進退位置の情報の取得時に、前記拘束具で前記先端部材を拘束した状態で、前記姿勢変更用駆動源を定められた大きさの出力で駆動して、前記姿勢操作部材を介して前記先端部材に定められた大きさの予圧を付与するのが良い。
姿勢変更用駆動源の出力を定められた大きさとすることで、先端部材の初期位置姿勢における姿勢操作部材の進退位置の検出を一定条件で行え、精度の良い検出結果が得られる。

この発明において、前記姿勢操作部材が前記先端部材に作用する力と前記先端部材からの反力とが釣り合うまで前記姿勢操作部材を進退させ、姿勢操作部材が停止した進退位置を、前記先端部材の初期位置姿勢における姿勢操作部材の基準位置として記憶する基準位置記憶手段を設けるのが良い。さらに、前記姿勢操作部材の進退と、前記姿勢操作部材の基準位置の前記基準位置記憶手段への記憶を一連の動作で行うように制御する初期姿勢制御手段を設けるのが良い。
基準位置記憶手段を設ければ、先端部材の初期位置姿勢における姿勢操作部材の基準位置を基準位置記憶手段に記憶させておくことにより、先端部材の姿勢変更時に、前記姿勢操作部材の基準位置を用いて、先端部材の初期位置姿勢に応じた適正な姿勢変更制御を行える。また、初期姿勢制御手段を設ければ、姿勢操作部材の基準位置を基準位置記憶手段に記憶させる動作を自動的に行うことができる。

この発明において、前記先端部材は、前記ガイド部に対し任意方向に姿勢変更自在に取付けられたものであり、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された前記姿勢操作部材を、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が前記先端部材に与える力のバランスによって前記先端部材の姿勢を直交２軸方法に変更ならびに維持させるようにしてもよい。
先端部材の姿勢を直交２軸方法に変更ならびに維持させることができれば、先端部材に設けた作業具を精度良く位置決めすることができる。また、３つ以上の姿勢操作部材から先端部材に対して姿勢を変更、維持させる力が与えられるため、先端部材の姿勢安定性を高めることができる。

上記のように３つ以上の姿勢操作部材により先端部材の姿勢が直交２軸方法に変更可能である場合、前記３箇所以上に設けられる各姿勢操作部材を順番に進退させる全ての組合せについて、各姿勢操作部材を順番に進退させて進退停止位置を検出し、姿勢操作部材ごとに各検出値に定められた統計的処理をした統計処理値を求め、この統計処理値を前記先端部材の初期位置姿勢における各姿勢操作部材の基準位置とするのが良い。前記統計処理値は、例えば各検出値の算術平均値とする。
上記のようにして各姿勢操作部材の基準位置を決定すれば、各姿勢操作部材の動作順の違いによる検出値の偏差を極力排除することができ、正確な値が得られる。

また、この発明における別発明の遠隔操作型アクチュエータは、細長形状のガイド部と、このガイド部の先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に設けた作業具と、この作業具を駆動させる作業具用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御装置とを備え、前記ガイド部は、前記作業具用駆動源の駆動力を前記作業具に伝達する駆動軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、前記姿勢変更用駆動源により駆動され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、前記姿勢操作部材の進退位置を検出する進退検出手段と、前記姿勢制御装置で用いる前記先端部材の初期位置姿勢における前記姿勢操作部材の進退位置の情報は、前記先端部材を前記ガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束し、前記姿勢操作部材により前記先端部材に予圧を付与した状態で取得された前記進退検出手段の検出値であることを特徴とする。
この場合、前記発明と同様の作用および効果を奏する。

上記各発明において、前記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れば、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。

この発明にかかる拘束具は、前記先端部材を前記ガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束するものであって、互いに円周方向に離れた複数の分割体からなり前記ガイド部の先端部と前記先端部材とにわたって外周に配置される内周部材と、この内周部材の外周に配置される筒状の外周部材とを有し、前記内周部材の外周面および前記外周部材の内周面は、互いに対応するテーパ状であり、互いに螺合する雄ねじおよび雌ねじがそれぞれ形成されていることを特徴とする。
この構成の拘束具は、内周部材の各分割体がガイド部の先端部と先端部材とにわたって外周に被せ、雄ねじと雌ねじとが互いに締まる方向に外周部材を回転させる。すると、内周部材に対して外周部材がテーパの大径側へ軸方向移動し、それに伴い内周部材が縮径して、各分割体がガイド部の先端部および先端部材に押し付けられる。それにより、先端部材の中心線とガイド部の中心線が合致していなかった場合でも、両中心線が合致するように揃えられて、先端部材がガイド部に対して真っ直ぐな状態に拘束される。これらの操作は簡単である。

この発明の遠隔操作型アクチュエータは、細長形状のガイド部と、このガイド部の先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に設けた作業具と、この作業具を駆動させる作業具用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御装置とを備え、前記ガイド部は、前記作業具用駆動源の駆動力を前記作業具に伝達する駆動軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、前記姿勢変更用駆動源により駆動され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、前記姿勢操作部材の進退位置を検出する進退検出手段と、前記ガイド部の先端部と前記先端部材とにわたって外周に着脱自在に嵌合し前記先端部材を前記ガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束する拘束具とを設け、前記姿勢制御装置で用いる前記先端部材の初期位置姿勢における前記姿勢操作部材の進退位置の情報は、前記拘束具で前記先端部材を拘束し、前記姿勢操作部材により前記先端部材に予圧を付与した状態で取得された前記進退検出手段の検出値であるため、細長形状のガイド部の先端に設けられて作業具を支持する先端部材の姿勢を遠隔操作で精度良く変更することができ、製品ごとに異なる先端部材の初期位置姿勢に応じた姿勢変更制御を行える。

この発明の拘束具は、前記ガイド部の先端部および前記先端部材の外周に配置され、互いに円周方向に離して分割された複数の分割体からなる内周部材と、この内周部材の外周に嵌合する外周部材とを有し、前記内周部材の各分割体の外周面はテーパ状であって雄ねじ部が形成され、前記外周部材の内周面に前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部が形成されているため、簡単な操作で確実に、先端部材をガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束できるができる。

（Ａ）は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、（Ｂ）はその異なる状態を示す部分図である。（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの先端部材およびガイド部の断面図、（Ｂ）はそのIIＢ−IIＢ断面図、（Ｃ）は先端部材と駆動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。（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの作業具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IIIＢ−IIIＢ断面図である。（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの拘束具の正面図、（Ｂ）はそのIVＢ−Ｏ−IVＢ断面図である。同遠隔操作型アクチュエータの制御系の概略構成を示すブロック図である。初期姿制御手段のフローチャートその１である。初期姿制御手段のフローチャートその２である。（Ａ）は異なる拘束具の正面図、（Ｂ）はその側面図である。（Ａ）、（Ｂ）は先端部材の初期位置姿勢を示す説明図である。

この発明の実施形態を図１〜図７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に付属の拘束具６と、アクチュエータ本体５を制御するコントローラ７とでなる。アクチュエータ本体５とコントローラ７とは、電気ケーブル（図示せず）で結ばれている。なお、図１（Ａ）は拘束具６を使用していない状態を示す全体図、図１（Ｂ）は拘束具６を使用している状態を示す部分図である。

アクチュエータ本体５は、作業具である回転式の工具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湾曲した細長形状のガイド部３と、このガイド部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、内蔵の作業具用駆動機構４ｂおよび姿勢変更用駆動機構４ｃを共に駆動部４を構成する。この例では、ガイド部３は、各部の曲率がほぼ一律な円弧状であるが、直線状であってもよい。

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、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、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、任意方向に姿勢変更自在に支持される。

ガイド部３は、駆動部ハウジング４ａ内の作業具用駆動源４１（図１、図３）の回転力を前記スピンドル１３へ伝達する駆動軸２２を有する。この例では、駆動軸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と駆動軸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、駆動軸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。駆動軸２２と突起２２ａとは別部材として構成してもよい。

ガイド部３は、このガイド部３の外郭となる外郭パイプ２５を有し、この外郭パイプ２５の中心に前記駆動軸２２が位置する。駆動軸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を介して駆動軸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の内径面と駆動軸２２の間には、互いに１２０度の位相にある周方向位置に、外郭パイプ２５と同じ湾曲形状で両端に貫通する３本のガイドパイプ３０が設けられている。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、姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が進退自在に挿通されている。姿勢操作部材３１は、ワイヤ３１ａと両端の柱状ピン３１ｂとでなる。ワイヤ３１ａの材料としては、前記駆動軸２２と同様に、金属、樹脂、グラスファイバー等が用いられる。ワイヤ３１ａは単線であっても、撚り線であってもよい。また、形状記憶合金を用いても良い。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および姿勢操作部材３１は回転防止機構３７を構成し、溝部１１ｂに挿入された姿勢操作部材３１の先端部が溝部１１ｂの側面に当たることで、先端部材２がガイド部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。

また、外郭パイプ２５の内径面と駆動軸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、ガイド部３の剛性を確保するためのものであり、ガイドパイプ３０と同外径で同じ湾曲形状である。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（Ａ）は駆動部４の拡大断面図、同（Ｂ）はそのIIIＢ−IIIＢ断面図である。図示のように、作業具用駆動機構４ｂは、例えば電動モータからなる作業具用駆動源４１を備える。作業具用駆動源４１は、駆動部ハウジング４ａと、その内部壁４ａａに取付けた支持部材４ａｂに支持され、後部が駆動部ハウジング４ａから突出した状態で設けられている。作業具用駆動源４１の出力軸４１ａは、前記支持部材４ａｂに転がり軸受４２により回転自在に支持されており、その先端が前記駆動軸２２の基端に結合させてある。なお、駆動軸２２は、ガイド部内部分２２ａと駆動部内部分２２ｂとでなり、両部分２２ａ，２２ｂがカップリング２２ｃにより連結されている。

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姿勢変更用駆動源４３（４３Ｕ，４３Ｌ，４３Ｒ）を備える。各姿勢変更用駆動源４３は、前記内部壁４ａａに取付けられている。姿勢変更用駆動源４３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４３ａの動きが、増力伝達機構４４を介して前記姿勢操作部材３１に伝達される。出力ロッド４３ａの動作位置、すなわち姿勢操作部材３１の進退位置は、進退検出手段４５（４５Ｕ，４５Ｌ，４５Ｒ）にそれぞれ検出される。進退検出手段４５は、例えば、光学式の回転センサ４５ａで、姿勢変更用駆動源４３の回転部に設けた被検出部分４５ｂの回転量から出力ロッド４３ａの進退量を測定する構成である。

前記増力伝達機構４４は、支軸４４ａ回りに回動自在なレバー４４ｂ（４３ｂＵ，４３ｂＬ，４３ｂＲ）を有し、このレバー４４ｂにおける支軸４４ａからの距離が長い作用点Ｐ１（Ｐ１Ｕ，Ｐ１Ｌ，Ｐ１Ｒ）に出力ロッド４３ａの力が作用し、支軸４４ａからの距離が短い力点Ｐ２（Ｐ２Ｕ，Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒ）で姿勢操作部材３１に力を与える構成であり、姿勢変更用駆動源４３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４４を設けると、小さな出力のリニアアクチュエータでも姿勢操作部材３１に大きな力を与えることができるので、リニアアクチュエータの小型化が可能になる。なお、駆動軸２２は、レバー４４ｂに形成された開口４６を貫通させてある。

拘束具６は、先端部材２をガイド部３に対し真っ直ぐな状態となるように拘束するのに用いられる。図４に示すように、拘束具６は、内周部材５１と外周部材５２とでなる。内周部材５１は、互いに円周方向に離れた複数の分割体５１ａに分割されている。内周部材５１の内径は、先端部材２およびガイド部３の外周に嵌合する程度とされる。その嵌合した状態で、各分割体５１ａ間に隙間５３が存在する。分割体５１ａの外周面はテーパ状で、そのテーパ状の外周面には各分割体５１ａにわたる雄ねじ５４が形成されている。外周部材５２は、内周面が前記内周部材５１の外周面に対応するテーパ状で、そのテーパ状の内周面に前記雄ねじ５４に螺合する雌ねじ部５５が形成されている。

内周部材５１および外周部材５２のねじ５４，５５が緩まった状態で、拘束具６をガイド部３の先端部と先端部材２とにわたって外周に被せ、ねじ５４，５５が締まる方向に外周部材５２を回転させる。すると、内周部材５１に対して外周部材５２がテーパ面の大径側へ軸方向に移動し、それに伴い内周部材５１が縮径して、各分割体５１ａがガイド部３の先端部および先端部材２に押し付けられる。それにより、先端部材２の中心線ＣＬ１とガイド部３の中心線ＣＬ２が合致していなかった場合でも、両中心線ＣＬ１，ＣＬ２が合致するように揃えられて、図４（Ｂ）のように先端部材２がガイド部３に対し真っ直ぐな状態に拘束される。これらの操作は簡単である。

図５に示すように、コントローラ７は、各種制御を行うコンピュータ６０が内蔵されている。コンピュータ６０は、工具回転用駆動源４１を制御する回転制御装置６１と、姿勢変更用駆動源４３（４３Ｕ，４３Ｌ，４３Ｒ）を制御する姿勢制御装置６２とを備える。また、姿勢制御装置６２は、姿勢変更制御手段６２ａと初期姿勢制御手段６２ｂとを備える。

回転制御装置６１は、回転操作具６３からの回転指令信号に応じてドライバ６４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。回転操作具６３は、コントローラ７に設けられていてもよく、あるいは駆動源ハウジング４ａに設けられていてもよい。

姿勢制御装置６２の姿勢変更制御手段６２ａは、姿勢変更操作具６５からの姿勢変更指令信号に応じてドライバ６６に出力し、姿勢変更用駆動源４３を駆動する。姿勢変更操作具６５は、先端部材２を図２（Ｂ）におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の直交２軸方法の姿勢変更操作と、その姿勢変更の程度の設定とを行えるものである。姿勢変更操作具６５は、コントローラ７に設けられていてもよく、あるいは駆動源ハウジング４ａに設けられていてもよい。

例えば、先端部材２を図２（Ａ）において先端が下向きとなる側に姿勢変更する場合は、拘束具６が取外された状態で、各姿勢変更用駆動源４３Ｕ，４３Ｌ，４３Ｒに出力して、上側の姿勢操作部材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。それにより、姿勢操作部材３１Ｕによって先端部材２のハウジング１１が押されて、先端部材２は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が押されて、先端部材２は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、先端部材２を図２（Ａ）において先端が右向き、すなわち紙面の裏側向きとなる側に姿勢変更する場合は、姿勢変更用駆動源４３Ｌ，４３Ｒに出力して、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。それにより、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が押されて、先端部材２は案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って右向きに姿勢変更する。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。

姿勢制御装置６２の初期姿勢制御手段６２ｂは、製品組立完成時や先端部材２の交換時に、先端部材２が初期位置姿勢にあるときの姿勢操作部材３１の進退位置である基準位置を検出および記憶する初期姿制御手段を行う。初期位置姿勢とは、先端部材２がガイド部３に対し真っ直ぐな姿勢、すなわち先端部材２の中心線ＣＬ１とガイド部３の中心線ＣＬ２とが合致する姿勢を言う。各姿勢変更用駆動源４３が中立位置にあり、各姿勢操作部材３１の先端が先端部材２のハウジング１１に当接する状態で、先端部材２の中心線ＣＬ１とガイド部３の中心線ＣＬ２とが合致するように設計されている。しかし、実際に組み立てられた遠隔操作型アクチュエータは、部品の加工精度や組立精度等により製品ごとにガイド部３に対する先端部材２の真直度が若干異なるため、図１（Ａ）のように、両中心線ＣＬ１，ＣＬ２が完全には合致しないのが普通である。そこで、製品ごとに先端部材２の初期位置姿勢における姿勢操作部材３１の進退位置である基準位置を把握しておき、その基準位置に基準にして各姿勢変更用駆動源４３の出力を決定することで、先端部材２を目標とする姿勢に正確に変更させるのである。

初期姿勢制御手段６２ｂには、初期姿勢制御手段実行操作具６７と基準位置記憶手段６８とが接続されている。初期姿勢制御手段実行操作具６７は、後で説明する初期姿勢制御を実行させる操作具である。基準位置記憶手段６８は、書き換え可能な記憶手段である

初期姿勢制御手段は行う時には、図１（Ｂ）のように、拘束具６を用いて先端部材２をガイド部３に対して真っ直ぐな状態に拘束する。先端部材２と姿勢操作部材３１との間に予圧があり、先端部材２がガイド部３に対して角度を持った状態で固定されている場合は、姿勢操作部材３１を後退させて先端部材２が自由に姿勢変更可能な状態にしてから、拘束具６で先端部材２を拘束する。

表１に示す進退順の組合せで各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基準位置を取得する場合を例にとって、図６および図７のフローチャートと共に、初期姿制御手段を具体的に説明する。初期姿制御手段実行操作具５７を操作すると、初期姿制御手段が開始する。

まず、組合せＡにて、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基準位置を取得する（Ｓ１）。その検出方法は、図７に示されている。すなわち、姿勢変更用駆動源４３Ｕにより、任意の定められた大きさの出力で上側の姿勢操作部材３１Ｕを前進させ、姿勢操作部材３１Ｕで先端部材２を押す（Ｓ１０１）。先端部材２は拘束具６により拘束されているため、姿勢変更することができず、予圧が蓄えられる。そして、その予圧が一定の大きさになると、先端部材２からの反力と姿勢操作部材３１の推力とが釣り合って、それ以上姿勢操作部材３１は前進できなくなる（Ｓ１０２）。このときの進退検出手段４５Ｕの検出値を一時的に記憶する（Ｓ１０３）。以下同様に、左側の姿勢操作部材３１Ｌおよび右側の姿勢操作部材３１Ｒについても、基準位置の検出とその記憶とを行う（Ｓ１０４〜Ｓ１０９）。その後、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒを後退させて、以降の動作に備える（Ｓ１１０）。

上記組合せＡの場合と同様にして、組合せＢ〜Ｆについても各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基準位置を検出および一時的に記憶する（Ｓ２〜Ｓ６）。そして、組合せＡ〜Ｆで得られた各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒそれぞれ各６個の検出値に統計的処理をして統計処理値を求め（Ｓ７）、その統計処理値を基準位置記憶手段６８に記憶する（Ｓ８）。統計処理値は、例えば全検出値の算術平均値とする。統計処理値は、各検出値のうち最大値および最小値を除いた残りの検出値の平均値であってもよい。また、統計処理値は、各検出値の中央値であってもよい。

これら一連の動作は、初期姿勢制御手段６２ｂにより自動的に行われる。その際、姿勢変更用駆動源４３の出力を任意の定められた大きさとすることで、先端部材２の初期位置姿勢における姿勢操作部材３１の進退位置の検出を一定条件で行え、精度の良い検出結果が得られる。

このようにして基準位置記憶手段６８に記憶された値を、先端部材２の初期位置姿勢における姿勢操作部材３１の進退位置として、姿勢変更制御手段６２ａによる先端部材２の姿勢変更制御に用いる。それにより、製品ごとに異なる先端部材２の初期位置姿勢に応じた適正な姿勢変更制御を行える。

この遠隔操作型アクチュエータの動作を説明する。
回転操作具５３を操作して工具回転用駆動源４１を駆動させると、その回転力が駆動軸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。回転する工具１により、骨等の切削を行う。加工中は、加工箇所の形状や加工の進行に応じ、姿勢変更用操作具５６の操作により姿勢変更用駆動源４３を駆動させて、姿勢操作部材３１を介して、先端部材２の姿勢を直交２軸方向に変更する。

姿勢変更用駆動源４３は、先端部材２から離れた位置に設けられており、上記先端部材２の姿勢変更は遠隔操作で行われる。姿勢操作部材３１はガイド孔３０ａに挿通されているため、姿勢操作部材３１が長手方向と交差する方向に位置ずれすることがなく、常に先端部材２に対し適正に作用することができ、先端部材２の姿勢変更動作が正確に行われる。また、スピンドル１３と駆動軸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駆動軸２２に対して押し引きする力がかからず、先端部材２を円滑に姿勢変更できる。

また、先端部材２がガイド部３に対して先端部材２の中心線Ｃ１Ｌ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や姿勢制御装置６２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。

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。

細長形状であるガイド部３には、駆動軸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の中心部に駆動軸２２を設け、外郭パイプ２５と駆動軸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、駆動軸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。

駆動軸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、ワイヤからなる駆動軸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、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。

拘束具６は、図４とは異なる構成であってもよい。例えば、図８に示す拘束具６は、円筒を軸心と通る面で半割りした形状である一対の半割部材５６を有し、これら一対の半割部材５６の一端同士をヒンジ５７により回動自在に連結し、他端同士をボルト５８により互いに固定可能としたものである。同図（Ｂ）のように各半割部材５６をガイド部３の先端部と先端部材２とにわたって外周に被せ、ボルト５８により各半割部材５６の他端同士を締め付け固定する。これにより、各半割部材５６がガイド部３の先端部および先端部材２に押し付けられ、先端部材２の中心線ＣＬ１とガイド部３の中心線ＣＬ２が合致するように揃えられて、先端部材２がガイド部３に対し真っ直ぐな状態に拘束される。
また、拘束具６以外の手段を用いて、先端部材２をガイド部３に対し真っ直ぐな状態に拘束してもよい。

上記実施形態は、作業具が回転する工具１である例を示すが、作業具は把持具等の他の作業具であってもよい。また、この発明は、医療用の遠隔操作型アクチュエータに限らず、機械加工等の他の分野で用いられる遠隔操作型アクチュエータにも適用できる。

１…工具（作業具）
２…先端部材
３…ガイド部
４ａ…駆動部ハウジング
６…拘束具
２２…駆動軸
３０…ガイドパイプ
３０ａ…ガイド孔
３１…姿勢操作部材
４１…作業具用駆動源
４３…姿勢変更用駆動源
４５…進退検出手段
５１…内周部材
５１ａ…分割体
５２…外周部材
５４…雄ねじ
５５…雌ねじ
６２…姿勢制御装置
６２ｂ…初期姿勢制御手段

Claims

細長形状のガイド部と、このガイド部の先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に設けた作業具と、この作業具を駆動させる作業具用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御装置とを備え、
前記ガイド部は、前記作業具用駆動源の駆動力を前記作業具に伝達する駆動軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、前記姿勢変更用駆動源により駆動され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、
前記姿勢操作部材の進退位置を検出する進退検出手段と、前記ガイド部の先端部と前記先端部材との外周にわたって着脱自在に嵌合し前記先端部材を前記ガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束する拘束具とを設け、前記姿勢制御装置で用いる前記先端部材の初期位置姿勢における前記姿勢操作部材の進退位置の情報は、前記拘束具で前記先端部材を拘束し、前記姿勢操作部材により前記先端部材に予圧を付与した状態で取得された前記進退検出手段の検出値である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、前記拘束具は、互いに円周方向に離れた複数の分割体からなり前記ガイド部の先端部と前記先端部材とにわたって外周に配置される内周部材と、この内周部材の外周に配置される筒状の外周部材とを有し、前記内周部材の外周面および前記外周部材の内周面は、互いに対応するテーパ状であり、互いに螺合する雄ねじおよび雌ねじがそれぞれ形成されている遠隔操作型アクチュエータ。
請求項１または請求項２において、前記姿勢操作部材の進退位置の情報の取得時に、前記拘束具で前記先端部材を拘束した状態で、前記姿勢変更用駆動源を定められた大きさの出力で駆動して、前記姿勢操作部材を介して前記先端部材に定められた大きさの予圧を付与する遠隔操作型アクチュエータ。
請求項３において、前記姿勢操作部材が前記先端部材に作用する力と前記先端部材からの反力とが釣り合うまで前記姿勢操作部材を進退させ、姿勢操作部材が停止した進退位置を、前記先端部材の初期位置姿勢における姿勢操作部材の基準位置として記憶する基準位置記憶手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
請求項４において、前記姿勢操作部材の進退と、前記姿勢操作部材の基準位置の前記基準位置記憶手段への記憶を一連の動作で行うように制御する初期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、前記先端部材は、前記ガイド部に対し任意方向に姿勢変更自在に取付けられたものであり、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された前記姿勢操作部材を、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、前記各姿勢操作部材が前記先端部材に与える力のバランスによって前記先端部材の姿勢を直交２軸方法に変更ならびに維持させるようにし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、前記先端部材は、前記ガイド部に対し任意方向に姿勢変更自在に取付けられたものであり、前記ガイド孔およびこのガイド孔内に挿通された前記姿勢操作部材を、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、前記各姿勢操作部材が前記先端部材に与える力のバランスによって前記先端部材の姿勢を直交２軸方法に変更ならびに維持させるものとし、前記３箇所以上に設けられる各姿勢操作部材を順番に進退させる全ての組合せについて、各姿勢操作部材を順番に進退させて進退停止位置を検出し、姿勢操作部材ごとに各検出値に定められた統計的処理をした統計処理値を求め、この統計処理値を前記先端部材の初期位置姿勢における各姿勢操作部材の基準位置とする遠隔操作型アクチュエータ。
請求項７において、前記統計処理値は、各検出値の算術平均値である遠隔操作型アクチュエータ。
細長形状のガイド部と、このガイド部の先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、この先端部材に設けた作業具と、この作業具を駆動させる作業具用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御装置とを備え、
前記ガイド部は、前記作業具用駆動源の駆動力を前記作業具に伝達する駆動軸と、両端に貫通したガイド孔とを内部に有し、前記姿勢変更用駆動源により駆動され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、
前記姿勢操作部材の進退位置を検出する進退検出手段と、前記姿勢制御装置で用いる前記先端部材の初期位置姿勢における前記姿勢操作部材の進退位置の情報は、前記先端部材を前記ガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束し、前記姿勢操作部材により前記先端部材に予圧を付与した状態で取得された前記進退検出手段の検出値であることを特徴とする遠隔操作型アクチュエータ。
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記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。
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の遠隔操作型アクチュエータにおける、前記先端部材を前記ガイド部に対して真っ直ぐになるように拘束する拘束具であって、互いに円周方向に離れた複数の分割体からなり前記ガイド部の先端部と前記先端部材とにわたって外周に配置される内周部材と、この内周部材の外周に配置される筒状の外周部材とを有し、前記内周部材の外周面および前記外周部材の内周面は、互いに対応するテーパ状であり、互いに螺合する雄ねじおよび雌ねじがそれぞれ形成されていることを特徴とする拘束具。