JP5500891B2 - Remote control type actuator - 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。 The present invention relates to a remotely operated actuator that can change the posture of a tool by remote operation and is used for medical use, machining, and the like.
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。 There are remote-operated actuators that are used for bone processing for medical purposes and drilling and cutting for mechanical processing. The remote operation type actuator remotely controls a tool provided at the end of a long and narrow pipe portion having a linear shape or a curved shape. However, since the conventional remote control actuator only controls the rotation of the tool by remote control, in the case of medical use, it was difficult to process a complicated shape or a part that is difficult to see from the outside. Further, in drilling, it is required that not only a straight line but also a curved shape can be processed. Furthermore, in the cutting process, it is required that a deep part inside the groove can be processed. Hereinafter, taking the medical use as an example, the prior art and problems of the remote control type actuator will be described.
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。 In the field of orthopedics, there is an artificial joint replacement operation in which a joint that has become worn out due to bone aging or the like is replaced with a new artificial one. In this operation, it is necessary to process the patient's living bone so that the artificial joint can be inserted. In order to increase the adhesive strength between the living bone and the artificial joint after the operation, the shape of the artificial joint is required. It is required to process with high accuracy.
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。 For example, in hip joint replacement surgery, an artificial joint insertion hole is formed in the medullary cavity at the center of the femur bone. In order to maintain the contact strength between the artificial joint and the bone, it is necessary to increase the contact area between them, and the hole for inserting the artificial joint is processed into an elongated shape extending to the back of the bone. As a medical actuator used for such a bone cutting process, a tool is rotatably provided at the distal end of an elongated pipe portion, and by driving a rotational drive source such as a motor provided on the proximal end side of the pipe portion, There exists a thing of the structure which rotates a tool via the rotating shaft arrange | positioned inside (for example, patent document 1). In this type of medical actuator, the rotating part exposed to the outside is only the tool at the tip, so that the tool can be inserted deep into the bone.
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。
Artificial joint replacement surgery involves skin incision and muscle cutting. That is, the human body must be damaged. In order to minimize the scratches, the pipe part may not be straight but may be appropriately curved. In order to cope with such a situation, there are the following conventional techniques. For example, in
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。 If there is a wide gap between the living bone and the artificial joint with the artificial joint inserted in the artificial bone insertion hole of the living bone, the adhesion time after the operation becomes longer, so the gap is as narrow as possible. desirable. It is also important that the contact surface between the living bone and the artificial joint is smooth, and high accuracy is required for processing the hole for inserting the artificial joint. However, no matter what the shape of the pipe part, the operating range of the tool is limited by the shape of the pipe part. It is difficult to process the artificial joint insertion hole so that the gap is narrow and the contact surface of both is smooth.
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。 Generally, bones of patients undergoing artificial joint replacement surgery are often weakened due to aging or the like, and the bones themselves may be deformed. Therefore, it is more difficult to process the artificial joint insertion hole than is normally conceivable.
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。また、加工を精度良く行えるように、常に工具の姿勢が安定していることが望まれる。 Therefore, the present applicant tried to make it possible to remotely change the posture of the tool provided at the tip for the purpose of relatively easily and accurately processing the hole for inserting the artificial joint. . This is because, if the posture of the tool can be changed, the tool can be held in an appropriate posture regardless of the shape of the pipe portion. However, since the tool is provided at the tip of the elongated pipe portion, there are many restrictions in providing a mechanism for changing the posture of the tool, and a device for overcoming it is necessary. Further, it is desirable that the posture of the tool is always stable so that machining can be performed with high accuracy.
なお、細長いパイプ部を有しない遠隔操作型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。 In addition, some remote operation type actuators that do not have an elongated pipe portion can change the posture of the portion where the tool is provided with respect to the portion gripped by the hand (for example, Patent Document 4). No changes have been proposed.
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、常に工具の姿勢が安定した遠隔操作型アクチュエータを提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a remote operation type actuator in which the posture of a tool provided at the tip of an elongated pipe portion can be changed by remote operation, and the posture of the tool is always stable.
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、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、前記先端部材は、前記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、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と、両端に貫通した内径孔がガイド孔となるガイドパイプとを、前記スピンドルガイド部の外郭の内部に有し、これら複数の転がり軸受の外径面の一部を前記ガイドパイプで支持し、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で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、前記姿勢変更用駆動源の動作を前記姿勢操作部材に伝達する駆動機構部を設け、前記駆動機構部は、前記姿勢操作部材の基端に形成された雄ねじ部と、駆動機構部を収容する駆動部ハウジングに固定され前記雄ねじ部に螺合した雌ねじ部とでなるねじ機構を有し、前記駆動部ハウジングは前記スピンドルガイド部の基端に結合され、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで前記姿勢操作部材の基端を回転させることにより、前記ねじ機構の作用で前記姿勢操作部材を進退させることを特徴とする。 A remote operation type actuator according to the present invention includes an elongated spindle guide part, a tip member attached to the tip of the spindle guide part via a tip member connecting part so that the posture can be freely changed, and the tip member being rotatable. A tool rotation drive source for rotating the tool; and a posture change drive source for operating the posture of the tip member. The tip member rotatably supports a spindle that holds the tool. The spindle guide portion penetrates at both ends, a rotation shaft for transmitting the rotation of the tool rotation drive source to the spindle, and a plurality of rolling bearings for rotatably supporting the rotation shaft in the spindle guide portion . and a guide pipe inner diameter hole is a guide hole having the inside of the outer shell of the spindle guide part, the gas part of the outer surface of the plurality of rolling bearings Supported by Dopaipu, tip inserted retractably attitude operation member changing the position the tip member by advancing and retracting operation in a state of being in contact directly or indirectly to the tip member into the guide hole, for the posture change Provided is a drive mechanism portion that transmits the operation of the drive source to the posture operation member, and the drive mechanism portion is fixed to a male screw portion formed at a base end of the posture operation member and a drive portion housing that houses the drive mechanism portion. A screw mechanism including a female screw portion screwed into the male screw portion, the drive portion housing is coupled to a proximal end of the spindle guide portion, and the posture changing drive source is a rotary actuator, By rotating the base end of the posture operation member with an actuator, the posture operation member is advanced and retracted by the action of the screw mechanism.
この構成によれば、先端部材に設けられ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直接または間接的に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。
工具や先端部材に外力が作用した場合、先端部材から姿勢操作部材に軸方向の力が作用する。しかし、姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで姿勢操作部材の基端を回転させることにより、ねじ機構の作用で姿勢操作部材を進退させるため、姿勢操作部材は回転方向に回らない限り軸方向に移動しない。そのため、外力に対する先端部材の姿勢安定性が良い。
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を遠隔操作で行える。また、姿勢変更用駆動源としてロータリアクチュエータを用いたため、このロータリアクチュエータの回転出力をそのまま姿勢操作部材の基端を伝達すればよく、姿勢変更用の駆動機構部を簡略に構成できる。
According to this configuration, bone or the like is cut by the rotation of the tool provided on the tip member. In this case, when the posture operation member is advanced or retracted by the posture change drive source, the tip of the posture operation member directly or indirectly acts on the tip member, so that the tip member connecting portion is attached to the tip of the spindle guide portion. The tip member attached so as to be freely changeable via the posture changes its posture. Since the posture operation member is inserted into the guide hole, the posture operation member does not shift in the direction intersecting the longitudinal direction, and can always act properly on the tip member, and the posture change operation of the tip member Is done accurately.
When an external force is applied to the tool or the tip member, an axial force is applied from the tip member to the posture operation member. However, the posture change drive source is a rotary actuator, and by rotating the base end of the posture operation member with this rotary actuator, the posture operation member is moved forward and backward by the action of the screw mechanism. Does not move in the axial direction unless it rotates. Therefore, the posture stability of the tip member with respect to external force is good.
The posture changing drive source is provided at a position away from the tip member, and the posture of the tip member can be changed by remote control. Further, since the rotary actuator is used as the posture changing drive source, it is only necessary to transmit the rotation output of the rotary actuator as it is to the base end of the posture operating member, and the posture changing drive mechanism can be simply configured.
この発明において、前記駆動部ハウジング内に前記工具回転用駆動源および前記姿勢変更用駆動源の両方またはいずれか一方を設けてもよい。
工具回転用駆動源および姿勢変更用駆動源の両方またはいずれか一方を駆動部ハウジング内に設ければ、駆動部ハウジングの外部に設けられる部品点数を減らして、遠隔操作型アクチュエータ全体の構成を簡略にできる。
In the present invention, both or one of the tool rotation drive source and the attitude change drive source may be provided in the drive unit housing.
If either or both of the tool rotation drive source and the attitude change drive source are provided in the drive unit housing, the number of parts provided outside the drive unit housing is reduced, and the overall configuration of the remote operation type actuator is simplified. Can be.
また、前記駆動部ハウジング外に前記工具回転用駆動源および前記姿勢変更用駆動源を設けてもよい。
工具回転用駆動源および姿勢変更用駆動源を駆動部ハウジング外に設ければ、駆動部ハウジングを小型化できる。そのため、駆動部ハウジングを持って遠隔操作型アクチュエータを操作する際の取扱性を向上させられる。
Further, the tool rotation drive source and the posture change drive source may be provided outside the drive unit housing.
If the tool rotation drive source and the posture change drive source are provided outside the drive unit housing, the drive unit housing can be reduced in size. Therefore, the handleability when operating the remote control type actuator with the drive unit housing can be improved.
前記工具回転用駆動源および前記姿勢変更用駆動源の両方またはいずれか一方を前記駆動部ハウジング外に設ける場合、前記工具回転用駆動源および前記姿勢変更用駆動源のうち前記駆動部ハウジング外に設けた駆動源の駆動力を、前記回転軸または前記姿勢操作部材へ可撓性ケーブルで伝達するのがよい。
駆動部ハウジング外に設けた駆動源の駆動力を、回転軸または姿勢操作部材へ可撓性ケーブルで伝達すれば、駆動部ハウジング外に設けた駆動源と駆動部ハウジングとの位置関係についての融通性が高く、遠隔操作型アクチュエータを操作しやすい。
When both or one of the tool rotation drive source and the posture change drive source is provided outside the drive unit housing, the tool rotation drive source and the posture change drive source are outside the drive unit housing. It is preferable that the driving force of the provided driving source is transmitted to the rotating shaft or the posture operation member with a flexible cable.
If the driving force of the drive source provided outside the drive unit housing is transmitted to the rotary shaft or the attitude control member with a flexible cable, the flexibility of the positional relationship between the drive source provided outside the drive unit housing and the drive unit housing The remote control type actuator is easy to operate.
前記姿勢操作部材は、前記先端部材を押付ける側に動作することにより先端部材を姿勢変更させるものであってもよく、あるいは前記先端部材を引っ張る側に動作することにより先端部材を姿勢変更させるものであってもよい。
いずれであっても、姿勢操作部材で先端部材を良好に姿勢変更させることができる。
The posture operation member may change the posture of the tip member by operating on the side pressing the tip member, or change the posture of the tip member by operating on the side of pulling the tip member. It may be.
In any case, the posture of the tip member can be favorably changed by the posture operation member.
この発明において、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1箇所のみに設け、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ことができる。また、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2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2箇所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、維持させてもよい。これらの場合、1本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。後者は、2つの姿勢操作部材で先端部材に加圧されるため、1つ姿勢操作部材だけで加圧される前者に比べ、先端部材の姿勢安定性を高めることができる。 In the present invention, the guide hole and the posture operation member inserted into the guide hole are provided in only one place, a restoring elastic member for urging the tip member toward a predetermined posture is provided, and the posture operation member is The posture of the tip member can be changed against the biasing force of the restoring elastic member. Further, the guide hole and the posture operation member inserted into the guide hole are provided at two positions, the posture change drive source is provided individually for each posture operation member, and the posture control members of the two positions are provided. You may change and maintain the attitude | position of the said front-end | tip member by the balance of the acting force to a front-end | tip member. In these cases, the posture of the tip member can be changed around one posture changing axis. In the latter, since the tip member is pressurized by two posture operation members, the posture stability of the tip member can be improved as compared with the former in which pressure is applied by only one posture operation member.
さらに、前記先端部材連結部が、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、維持させてもよい。この場合、2本の姿勢変更軸回りに先端部材の姿勢を変更できる。この構成では、3つ以上の姿勢操作部材で先端部材に加圧されるため、さらに先端部材の姿勢安定性を高めることができる。 Further, the tip member connecting portion supports the tip member so that the tip member can tilt in an arbitrary direction, and the guide hole and the posture operation member inserted into the guide hole are arranged around the tilt center of the tip member. The posture changing drive source is provided individually for each posture operation member, and the posture of the tip member is adjusted by balancing the acting forces of the posture operation members of the three or more locations on the tip member. It may be changed and maintained. In this case, the posture of the tip member can be changed around the two posture change axes. In this configuration, since the tip member is pressurized by three or more posture operation members, the posture stability of the tip member can be further improved.
この発明において、前記ロータリアクチュエータの回転を減速して前記姿勢操作部材の基端に伝達する減速回転伝達機構を設けてもよい。
減速回転伝達機構を設けると、高速回転する小型のロータリアクチュエータでも姿勢操作部材の基端を低速で回転させることができるので、小型のロータリアクチュエータを使用することが可能になる。
In this invention, you may provide the deceleration rotation transmission mechanism which decelerates rotation of the said rotary actuator and transmits to the base end of the said attitude | position operation member.
Providing the decelerating rotation transmission mechanism allows the base end of the posture operation member to be rotated at a low speed even with a small rotary actuator that rotates at high speed, so that a small rotary actuator can be used.
この発明において、前記外郭が外郭パイプであっても良い。
この構成であれば、外郭パイプによりスピンドルガイド部の内部を保護しつつ、スピンドルガイド部を中空状にして軽量化を図れる。
In the present invention, the outer shell may be an outer pipe.
With this configuration, it is possible to reduce the weight by making the spindle guide hollow while protecting the inside of the spindle guide by the outer pipe.
上記構成とする場合、前記外郭パイプ内の中心に前記回転軸を配置し、この回転軸と外郭パイプの内径面との間に、複数本の補強シャフトと前記ガイドパイプとを円周方向に並べて設けるのが良い。
このように補強シャフトとガイドパイプとを設けることにより、これらをスピンドルガイド部内にバランス良く配置して、スピンドルガイド部の剛性向上を図れる。
In the case of the above configuration, the rotating shaft is arranged at the center in the outer pipe, and a plurality of reinforcing shafts and the guide pipe are arranged in a circumferential direction between the rotating shaft and the inner diameter surface of the outer pipe. It is good to provide.
By providing the reinforcing shaft and the guide pipe in this manner, they can be arranged in a well-balanced manner in the spindle guide portion, and the rigidity of the spindle guide portion can be improved.
上記構成において、前記複数の転がり軸受の外径面を、前記複数本の補強シャフトと前記ガイドパイプとで支持することができる。
補強シャフトとガイドパイプとを利用することで、余分な部材を用いずに転がり軸受の外径面を支持できる。
In the above structure, the outer surface of the plurality of rolling bearings can be supported by the plurality of reinforcing shafts and said guide pipe.
By using the reinforcing shaft and the guide pipe, the outer diameter surface of the rolling bearing can be supported without using an extra member.
また、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。
Moreover, when providing the several rolling bearing which supports the said rotating shaft in the said spindle guide part rotatably, it is desirable to provide the spring element which gives a preload with respect to these rolling bearings between adjacent rolling bearings.
In order to improve the finish of processing, it is preferable to rotate the spindle at high speed. When the spindle is rotated at a high speed, there is an effect of reducing cutting resistance acting on the tool. Since the rotational force is transmitted to the spindle through a thin rotating shaft made of a wire or the like, it is necessary to preload the rolling bearing that supports the rotating shaft in order to realize high-speed rotation of the spindle. If a spring element for this preload is provided between adjacent rolling bearings, the spring element can be provided without increasing the diameter of the spindle guide portion.
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。
In the present invention, the spindle guide portion may have a curved portion.
Since the posture operation member is flexible, even if there is a curved portion in the spindle guide portion, it can be advanced and retracted in the guide hole.
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、この先端部材に回転自在に設けた工具と、この工具を回転させる工具回転用駆動源と、前記先端部材の姿勢を操作する姿勢変更用駆動源とを備え、前記先端部材は、前記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、、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と、両端に貫通した内径孔がガイド孔となるガイドパイプとを、前記スピンドルガイド部の外郭の内部に有し、これら複数の転がり軸受の外径面の一部を前記ガイドパイプで支持し、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で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、前記姿勢変更用駆動源の動作を前記姿勢操作部材に伝達する駆動機構部を設け、前記駆動機構部は、前記姿勢操作部材の基端に形成された雄ねじ部と、駆動機構部を収容する駆動部ハウジングに固定され前記雄ねじ部に螺合した雌ねじ部とでなるねじ機構を有し、前記駆動部ハウジングは前記スピンドルガイド部の基端に結合され、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで前記姿勢操作部材の基端を回転させることにより、前記ねじ機構の作用で前記姿勢操作部材を進退させるため、細長形状であるスピンドルガイド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、常に工具の姿勢が安定する。 A remote control type actuator according to the present invention is provided with an elongated spindle guide portion, a tip member attached to the tip of the spindle guide portion via a tip member connecting portion so that the posture can be freely changed, and rotatably provided on the tip member. A tool rotation drive source for rotating the tool, and a posture change drive source for manipulating the posture of the tip member. The tip member rotatably supports a spindle holding the tool. The spindle guide portion penetrates at both ends, a rotation shaft for transmitting the rotation of the tool rotation drive source to the spindle, a plurality of rolling bearings rotatably supporting the rotation shaft in the spindle guide portion . and a guide pipe inner diameter hole is a guide hole having the inside of the outer shell of the spindle guide part, a portion of the outer surface of the plurality of rolling bearings the guide Supported by the type, the tip is inserted retractably attitude operation member changing the position the tip member by advancing and retracting operation in a state of being in contact directly or indirectly to the tip member into the guide hole, for the posture change Provided is a drive mechanism portion that transmits the operation of the drive source to the posture operation member, and the drive mechanism portion is fixed to a male screw portion formed at a base end of the posture operation member and a drive portion housing that houses the drive mechanism portion. A screw mechanism including a female screw portion screwed into the male screw portion, the drive portion housing is coupled to a proximal end of the spindle guide portion, and the posture changing drive source is a rotary actuator, By rotating the proximal end of the posture operation member with an actuator, the posture operation member is advanced and retracted by the action of the screw mechanism. The attitude of the tool provided at the distal end of the guide portion can be changed by remote control, always pose of the tool is stable.
この発明の実施形態を図1〜図4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。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIG. 1, the remote control type actuator includes a
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
The
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26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を別部材とし、溶接等により結合してもよい。
The
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、姿勢操作部材31が進退自在に挿通されている。この例では、姿勢操作部材31は、姿勢操作ワイヤ31aと、この姿勢操作ワイヤ31aの先端側に設けた柱状ピン31bとでなる。柱状ピン31bの先端は球面状で、先端部材ハウジング11の基端面に当接している。
Between the inner diameter surface of the
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、圧縮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。
A compression spring is positioned between the proximal end surface of the
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。
In addition to the
姿勢操作ワイヤ31aの基端には雄ねじ部36aが形成されており、この雄ねじ部36aは、駆動部ハウジング4aに形成された雌ねじ部36bと螺合している。これら雄ねじ部36aと雌ねじ部36bとでねじ機構36を構成している。姿勢変更用駆動源42(図3)の駆動で姿勢操作ワイヤ31aの基端を回転させることにより、ねじ機構36の作用で姿勢操作ワイヤ31aが進退する。
A
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。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、例えば電動ロータリアクチュエータであり、その出力軸42aの回転が減速回転伝達機構43を介して前記姿勢操作ワイヤ31aの基端に減速して伝達される。姿勢変更用駆動機構4cは、上記姿勢変更用駆動源42と駆動機構部83とで構成される。駆動機構部83は、前記ねじ機構36と減速回転伝達機構43とで構成される。
FIG. 3 shows a tool
図3および図4に示すように、減速回転伝達機構43は、姿勢変更用駆動源42の出力軸42aに取付けられた円形平歯車43aと、駆動部ハウジング4aに固定された支持部材60に回転自在に支持され前記円形平歯車43aと噛み合う扇形平歯車43bとでなり、この扇形平歯車43bの回転中心軸61上に設けた回転摺動部62で、扇形平歯車43bから姿勢操作ワイヤ31aの基端側延長部63へ回転を伝達する。円形平歯車43aよりも扇形平歯車43bの方が、ピッチ円直径が大きく、出力軸42aの回転が減速して姿勢操作ワイヤ31aの基端に伝達される。上記回転摺動部62は、扇形平歯車43bに形成された溝付き孔62aと、前記基端側延長部63の突起付き軸62bとで構成され、溝付き孔62aに対し突起付き軸62bが回転拘束された状態で軸方向に移動可能に嵌合している。減速回転伝達機構43を設けると、高速回転する小型のロータリアクチュエータでも姿勢操作ワイヤ31aの基端を低速で回転させることができるので、姿勢変更用駆動源42として小型のロータリアクチュエータを使用することが可能になる。また、姿勢変更用駆動源42としてロータリアクチュエータを用いたため、このロータリアクチュエータの回転出力をそのまま姿勢操作ワイヤ31aの基端に伝達すればよく、姿勢変更用駆動機構4cを簡略にできる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the reduced
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。
The posture
また、姿勢変更用駆動機構4cには、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、この供給電力計47の検出値が荷重検出手段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。
Further, the posture changing
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。
The
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。
The operation of this remote control type actuator will be described.
When the tool rotation drive
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。
At the time of use, the posture changing
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、姿勢操作ワイヤ31aおよび柱状ピン31bからなり、全体で可撓性であるため、スピンドルガイド部3が湾曲部を有する場合でも先端部材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。姿勢変更用駆動源42は先端部材1から離れた位置に設けられており、上記先端部材1の姿勢変更を遠隔操作で行える。
Since the
工具1や先端部材2に外力が作用した場合、先端部材2から姿勢操作部材31に軸方向の力が作用するが、ねじ機構36で姿勢操作部材31を進退させる構成であるため、姿勢操作部材31は回転方向に回らない限り軸方向に移動しない。そのため、先端部材2の外力に対する姿勢安定性が良い。
When an external force is applied to the
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。
This remote control type actuator is used, for example, for cutting the medullary cavity of bone in artificial joint replacement surgery. During the operation, all or part of the
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。
The elongated
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。
Since the outer diameter surface of the rolling
この実施形態では、工具回転用駆動源41および姿勢変更用駆動源42が共通の駆動部ハウジング4a内に設けられている。そのため、遠隔操作型アクチュエータ全体の構成を簡略にできる。工具回転用駆動源41および姿勢変更用駆動源42のいずれか一方だけを駆動部ハウジング4a内に設けてもよい。また、後で説明するように、工具回転用駆動源41および姿勢変更用駆動源42を駆動部ハウジング4aの外に設けてもよい。
In this embodiment, a tool rotation drive
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から駆動部ハウジング4a、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とでなり、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。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、スピンドル13、回転軸22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の外周に吐出させずに、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。
This remote control type actuator can be provided with a cooling means 50 for cooling the
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各部品も、ステンレス製であってもよい。
The cooling liquid is preferably water or physiological saline. This is because if the coolant is water or physiological saline, the coolant does not adversely affect the living body when the
上記例では、姿勢操作部材31が姿勢操作ワイヤ31aと柱状ピン31bとでなり、柱状ピン31bで先端部材2のハウジング11を押して先端部材2を姿勢変更させるが、図6のように、姿勢操作ワイヤ31aのみで姿勢操作部材31を構成し、姿勢操作ワイヤ31aの先端でハウジング11を直接押すようにしてもよい。その場合、姿勢操作ワイヤ31aの先端は球面状とするのが好ましい。
In the above example, the
また、上記各例では、姿勢操作部材31がハウジング11を押すことにより先端部材2の姿勢変更を行うが、図7のように、姿勢操作部材31を、姿勢操作ワイヤ31aと、この姿勢操作ワイヤ31aの先端とハウジング11とを連結する連結部材31cとで構成し、姿勢変更用駆動源42(図3)により姿勢操作ワイヤ31aを基端側へ後退させることで、姿勢操作ワイヤ31aがハウジング11を引っ張って先端部材2の姿勢変更を行うようにしてもよい。この場合、復元用弾性部材32は引っ張りコイルばねとする。
In each of the above examples, the
図8は、図2のものとは異なる構成のねじ機構を示す。このねじ機構36は、雌ねじ部36bがガイドパイプ30の基端内周に形成されている。雄ねじ部36aは、前記同様、姿勢操作ワイヤ31aの基端に形成されている。この場合も、前記同様、姿勢変更用駆動源42(図3)の駆動で姿勢操作ワイヤ31aの基端を回転させることにより、ねじ機構36の作用で姿勢操作ワイヤ31aが進退させることができる。
FIG. 8 shows a screw mechanism having a configuration different from that of FIG. In the
図9および図10は、それぞれ前記のものと異なる減速回転伝達機構を示す。図9の減速回転伝達機構43は、姿勢変更用駆動源(図示せず)の出力軸42aに取付けられたギア43cと、支持部材(図示せず)に回転自在に支持され前記ギア43cと噛み合うウォーム43dとでなるウォームギア機構とされている。また、図10の減速回転伝達機構43は、姿勢変更用駆動源(図示せず)の出力軸42aに取付けられた第1傘歯車43eと、支持部材(図示せず)に回転自在に支持され前記第1傘歯車43eと噛み合う第2傘歯車43fとでなる傘歯車機構とされている。いずれについても、ウォーム43dまたは第2傘歯車43fの回転中心軸61上に設けた前記同様の回転摺動部62で、ウォーム43dまたは第2傘歯車43fから姿勢操作ワイヤ31aの基端側延長部63へ回転を伝達する。
FIG. 9 and FIG. 10 each show a reduced rotation transmission mechanism different from the above. 9 is provided with a
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内に姿勢操作部材31が進退自在に挿通してある。図は、姿勢操作部材31が姿勢操作ワイヤ31aおよび柱状ピン31bで構成された例を示している。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。
FIG. 11 shows a different embodiment. In this remote operation type actuator, two
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。
The drive unit 4 (not shown) is provided with two posture change drive sources 42 (not shown) for individually moving the two
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。
FIG. 12 shows a further different embodiment. This remote control type actuator is provided with three
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(図示せず)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。
The
For example, when the upper one
Further, when the left
Thus, by providing the
姿勢操作部材31は、図13および図14に示すように、複数の力伝達部材31dで構成してもよい。図13は力伝達部材31dがボールである例であり、図14は力伝達部材31dが円柱等の柱状体である例である。各力伝達部材31dは、ガイド孔30aの長さ方向に沿って隙間無く並んでいる。これらの例では、力伝達部材31dの並びの先端側に柱状ピン31bが設けられている。また、力伝達部材31dの並びの基端側には雄ねじ部材31eが設けられる。そして、複数の力伝達部材31d、柱状ピン31b、および雄ねじ部材31eで姿勢操作部材31を構成している。
As shown in FIGS. 13 and 14, the
前記雄ねじ部材31eの外周には雄ねじ部36aが形成され、この雄ねじ部36aに、駆動部ハウジング4aに形成された雌ねじ部36bと螺合している。これら雄ねじ部36aと雌ねじ部36bとでねじ機構36を構成している。姿勢変更用駆動源42(図3)の駆動で雄ねじ部材31eを回転させることにより、ねじ機構36の作用で雄ねじ部材31eが進退し、それに伴い姿勢操作部材31全体が進退する。ねじ機構36以外の姿勢操作駆動機構4cの構成は、図3のものと同じである。
A
このように、姿勢操作部材31が複数の力伝達部材31dで構成されている場合は、姿勢操作部材31の先端で先端部材2を押付ける側に動作する際にだけ先端部材2を姿勢変更させる。姿勢操作部材31が複数の力伝達部材31dで構成されていても、先端部材2に対して確実に作用を及ぼすことができる。力伝達部材31dはガイド孔30a内に配列されているため、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、個々の力伝達部材31dは剛体であっても、姿勢操作部材31全体では可撓性であるため、曲がったスピンドルガイド部3に設けられる場合でも先端部材2の姿勢変更動作が確実に行われる。
As described above, when the
図13および図14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を示しているが、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場合や、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とを組み合わせた場合にも、複数の力伝達部材31dで構成した姿勢操作部材31を適用できる。
FIGS. 13 and 14 show examples in which the
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が曲がっている場合でも先端部材2の姿勢変更動作が確実に行われるので、図15のようにスピンドルガイド部3を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。
In each of the above embodiments, the
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。
When the
図16〜図19は、工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の構成が異なる実施形態を示す。前記実施形態は、工具回転用駆動機構4bの工具回転用駆動源41および姿勢変更用駆動機構4cの姿勢変更用駆動源42が駆動部ハウジング4a内に設けられているのに対し、図16〜図19の実施形態は、工具回転用駆動源41および姿勢変更用駆動源42が駆動部ハウジング4aとは別の駆動源ハウジング70に設けられている。
16 to 19 show embodiments in which the configurations of the tool rotation drive mechanism and the posture change drive mechanism are different. In the above embodiment, the tool rotation drive
この実施形態の工具回転用駆動機構71は、駆動源ハウジング70に設けた工具回転用駆動源41の出力軸41aの回転を、工具回転用ケーブル72のインナワイヤ74(図18)により、駆動部ハウジング4a内の回転軸22の基端へ伝達する。工具回転用ケーブル72は、例えば図18に示す構造をしている。すなわち、可撓性のアウタチューブ73の中心に、可撓性のインナワイヤ74が、複数の転がり軸受76によって回転自在に支持されている。そして、インナワイヤ74の両端が、工具回転用駆動源41の出力軸41aおよび回転軸22の基端にそれぞれ繋がれている。各転がり軸受76間には、これら転がり軸受76に予圧を発生させるためのばね要素77A,77Bが設けられている。ばね要素77A,77Bは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受76の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素77Aと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素77Bとがあり、これらが交互に配置されている。このように、ばね要素77A,77Bにより転がり軸受76に予圧をかけることにより、インナワイヤ74を高速回転させることができる。市販されているフレキシブルシャフトを使用しても良い。
In the tool
また、この実施形態の姿勢変更用駆動機構81は、駆動源ハウジング70に設けた姿勢変更用駆動源42の出力軸42aの回転を、姿勢変更用ケーブル82を介して駆動部ハウジング4a内の駆動機構部83へ伝達する。駆動機構部83は、前記実施形態の姿勢変更用駆動機構4cから姿勢変更用駆動源42を除いたものに相当し、姿勢変更用駆動機構4cにおける姿勢変更用駆動源42の出力軸42aの代わりに、円形平歯車43aを取付けた歯車取付軸85が設けられている。歯車取付軸85は、転がり軸受85aにより、駆動部ハウジング4aに回転自在に支持されている。姿勢変更用駆動源42はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源42の回転を、姿勢変更用ケーブル82のインナワイヤ84(図19)により歯車取付軸85へ伝達する。
Further, the posture changing
姿勢変更用ケーブル82は、前記工具回転用ケーブル72と同じ構造であり、例えば図19に示す構造をしている。すなわち、可撓性のアウタチューブ83の中心に、可撓性のインナワイヤ84が、複数の転がり軸受86によって回転自在に支持されている。そして、インナワイヤ84の両端が、姿勢変更用駆動源42の出力軸42aおよび歯車取付軸85にそれぞれ繋がれている。各転がり軸受86間には、これら転がり軸受86に予圧を発生させるためのばね要素87A,87Bが設けられている。ばね要素87A,87Bは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受86の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素87Aと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素87Bとがあり、これらが交互に配置されている。このように、ばね要素87A,87Bにより転がり軸受86に予圧をかけることにより、インナワイヤ84を高速回転させることができる。
The
図16に示すように、工具回転用駆動源41および姿勢変更用駆動源42を制御するコントローラ5は、駆動源ハウジング60に接続されている。先端部材2およびスピンドルガイド部3は、前記各実施形態のいずれかと同じ構成である。
As shown in FIG. 16, the
この実施形態のように、工具回転用駆動源41および姿勢変更用駆動源42を駆動部ハウジング4aの外部に設けることにより、駆動部ハウジング4aを小型化することができる。そのため、駆動部ハウジング4aを持って遠隔操作型アクチュエータを操作する際の取扱性を向上させることができる。
By providing the tool rotation drive
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
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
31a…姿勢操作ワイヤ
31d…力伝達部材
32…復元用弾性部材
34…補強シャフト
36…ねじ機構
36a…雄ねじ部
36b…雌ねじ部
41…工具回転用駆動源
42…姿勢変更用駆動源
43…減速回転伝達機構
83…駆動機構部
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記先端部材は、前記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、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と、両端に貫通した内径孔がガイド孔となるガイドパイプとを、前記スピンドルガイド部の外郭の内部に有し、これら複数の転がり軸受の外径面の一部を前記ガイドパイプで支持し、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で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、前記姿勢変更用駆動源の動作を前記姿勢操作部材に伝達する駆動機構部を設け、
前記駆動機構部は、前記姿勢操作部材の基端に形成された雄ねじ部と、駆動機構部を収容する駆動部ハウジングに固定され前記雄ねじ部に螺合した雌ねじ部とでなるねじ機構を有し、前記駆動部ハウジングは前記スピンドルガイド部の基端に結合され、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで前記姿勢操作部材の基端を回転させることにより、前記ねじ機構の作用で前記姿勢操作部材を進退させることを特徴とする遠隔操作型アクチュエータ。 An elongated spindle guide portion, a tip member attached to the tip of the spindle guide portion via a tip member connecting portion so that the posture can be freely changed, a tool rotatably provided on the tip member, and a tool for rotating the tool A tool rotation drive source; and a posture change drive source for operating the posture of the tip member;
The tip member rotatably supports a spindle that holds the tool, the spindle guide portion includes a rotation shaft that transmits the rotation of the tool rotation drive source to the spindle, and the rotation shaft in the spindle guide portion. A plurality of rolling bearings that support the outer periphery of the spindle guide portion and guide pipes having inner diameter holes penetrating at both ends as guide holes, and the outer diameter surfaces of the plurality of rolling bearings. A posture operation member that changes a posture of the tip member by advancing and retreating with a part of the guide pipe supported by the guide pipe and having the tip directly or indirectly in contact with the tip member is inserted into the guide hole so as to freely advance and retract. Providing a drive mechanism unit that transmits the operation of the posture changing drive source to the posture operation member;
The drive mechanism has a screw mechanism including a male screw formed at a base end of the posture operation member, and a female screw fixed to a drive housing that houses the drive mechanism and screwed into the male screw. The drive housing is coupled to a proximal end of the spindle guide portion, and the attitude changing drive source is a rotary actuator, and the screw mechanism is rotated by rotating the proximal end of the attitude operating member with the rotary actuator. A remote operation type actuator characterized in that the posture operation member is advanced and retracted by the action of.
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