遠隔操作型アクチュエータ
【課題】 アクチュエータ本体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、アクチュエータ本体を確実に支持し、かつ位置および姿勢を正確に変更することができる遠隔操作型アクチュエータを提供する。
【解決手段】 アクチュエータ本体５は、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た先端部材２と、先端部材２に回転自在に設けた工具１と、スピンドルガイド部３の基端が結合された本体基端ハウジング４とを備える。アクチュエータ本体５を支持するリンク作動装置７は、ベース部材６側の入力部材１０４に対し本体基端ハウジング４側の出力部材１０５を、３組以上のリンク機構１０１を介して位置および姿勢を変更可能に連結したものとする。工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２の回転力をアクチュエータ本体５へ伝達する可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを設ける。
【解決手段】 アクチュエータ本体５は、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た先端部材２と、先端部材２に回転自在に設けた工具１と、スピンドルガイド部３の基端が結合された本体基端ハウジング４とを備える。アクチュエータ本体５を支持するリンク作動装置７は、ベース部材６側の入力部材１０４に対し本体基端ハウジング４側の出力部材１０５を、３組以上のリンク機構１０１を介して位置および姿勢を変更可能に連結したものとする。工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２の回転力をアクチュエータ本体５へ伝達する可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０１１４９号公報
【特許文献２】米国特許第４，４６６，４２９号明細書
【特許文献３】米国特許第４，２６５，２３１号明細書
【特許文献４】特開２００１−１７４４６号公報
【特許文献５】米国特許第５，７６９，０９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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、パイプ部が湾曲部を有することも予想され、その場合でも確実に姿勢変更動作をさせられることが望まれる。
【００１０】
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。
【００１１】
また、遠隔操作型アクチュエータを人が直接持って操作する場合、手の震え等が被切削物に対する工具の位置決め精度に影響する。そのため、精度良く加工するには、多くの経験が必要である。特に、ガイド部が湾曲形状である場合、ガイド部の先端に設けた工具の位置を予測し難く、操作がより一層に複雑で困難になる。それに伴って、切削時間も長くなる。遠隔操作型アクチュエータを人工関節置換手術の手術用として使用する場合、切削時間が長いと、患者の負担が大きい。
【００１２】
そこで、遠隔操作型アクチュエータを、１自由度または２自由度以上の自由度を持つ支持装置で支持される遠隔操作型アクチュエータとした。それにより、手の震え等の悪影響を排除できる。この種の遠隔操作型アクチュエータとしては、例えば特許文献５に記載のものが知られているが、従来のものは、遠隔操作型アクチュエータが工具の姿勢を変更できなかったため、きめ細かな加工ができなかった。
【００１３】
この発明は、アクチュエータ本体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、アクチュエータ本体を確実に支持し、かつアクチュエータ本体が軽量で、その位置および姿勢を正確に変更することができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明にかかる遠隔操作型アクチュエータは、先端に工具を有するアクチュエータ本体を、ベース部材に対して、リンク作動装置により位置および姿勢を変更可能とした。前記アクチュエータ本体は、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前記工具と、前記スピンドルガイド部の基端が結合された本体基端ハウジングとを備え、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、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、姿勢変更用駆動源の回転を進退動作に変換して前記姿勢操作部材を進退させる動作変換機構を前記本体基端ハウジング内に設けたものとする。前記リンク作動装置は、前記ベース部材に直接または間接的に結合された入力部材に対し、前記本体基端ハウジングに直接または間接的に結合された出力部材を、３組以上のリンク機構を介して位置および姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記入力部材および出力部材に一端が回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンク部材と、これら入力側および出力側の端部リンク部材の他端をそれぞれ回転可能に連結した中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、前記各リンク部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構における２組以上のリンク機構に、これら２組以上の各リンク機構を動作させて前記出力部材の姿勢を制御するリンク機構用駆動源を設けたものとする。そして、前記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前記リンク作動装置の前記入力部材または前記ベース部材に設け、この駆動源の回転力を前記回転軸または前記動作変換機構へ伝達する可撓性ワイヤを設ける。
【００１５】
前記リンク作動装置は、次のように言い換えることができる。すなわち、リンク作動装置は、入力側および出力側のそれぞれに設けた入力部材および出力部材に対して回転可能に端部リンク部材を連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結したリンク機構を３組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一とし、前記入力部材に連結された各リンク機構の回転対偶のうち、２組以上のリンク機構について、前記出力部材の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源を設けたものである。
【００１６】
この構成によれば、先端部材に設けた工具の回転により、骨等の切削加工が行われる。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、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。
【００１７】
リンク作動装置の出力部材にアクチュエータ本体の本体基端ハウジングが固定され、アクチュエータ本体がリンク作動装置により支持されるため、アクチュエータ本体の位置および姿勢が安定する。リンク作動装置は、３組以上のリンク機構と、リンク機構用駆動源とで、出力部材を直交２軸方向に移動自在な２自由度機構が構成される。この２自由度機構は、出力部材の可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材の中心軸と出力部材の中心軸の最大折れ角は約±９０°であり、入力部材に対する出力部材の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶のうち、２組以上のリンク機構について、出力部材の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源を設けたことにより、出力部材を任意の姿勢に容易に決められる。リンク機構用駆動源を設けるリンク機構の回転対偶を２組以上としたのは、入力部材に対する出力部材の姿勢を確定するのに必要なためである。
【００１８】
このように、リンク作動装置によってアクチュエータ本体を任意の位置および姿勢に安定状態に支持することができ、かつスピンドルガイド部に対する先端部材の姿勢変更を正確に行えるので、きめ細かな加工ができる。具体的には、狭い部分の加工や精度の良い加工ができる。また、加工時間を短縮できる。それにより、手術用として使用する場合に、患者の負担を軽減できる。
【００１９】
この発明において、前記回転軸における前記駆動部ハウジング側の端部の軸心を、前記出力部材の球面中心を通る中心軸と平行とするのが良い。
この構成であると、動作変換機構の回転軸と工具回転用の回転軸とを、互いに平行に駆動部ハウジング内に設けることができ、駆動部ハウジング内を簡素な構成にできる。
【００２０】
前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転運動を直線往復運動に変換するねじ機構式の直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部で前記姿勢操作部材に進退動作させてもよい。
動作変換機構がねじ機構式の直動機構であると、小型でコンパクトな構造で大きさ推力を発生することができる。この場合、ねじ機構の回転軸と工具回転用の回転軸とが互いに平行になる。
【００２１】
また、前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転により回転するウォームと、このウォームと噛み合うウォームホイールとを組み合わせた構成であり、前記ウォームホイールの一部分である接触部が前記姿勢操作部材と滑り接触して姿勢操作部材を進退動作させてもよい。
動作変換機構がウォームとウォームホイールとを組み合わせた構成としても、小型でコンパクトな構造で大きさ推力を発生することができる。この場合、ウォームと工具回転用の回転軸とが互いに平行になる。
【００２２】
この発明において、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に前記可撓性ワイヤを通して設けるのが良い。
可撓性ワイヤを入力部材および出力部材の各貫通孔に通して設ければ、各リンク機構がどのような姿勢になっても、可撓性ワイヤが常に各リンク機構の内側を通る。それにより、可撓性ワイヤが他の部材に接触することを防げる。
【００２３】
この発明において、前記可撓性ワイヤは、前記中央リンク部材に固定され各リンク機構の内側に位置するワイヤ案内部材により案内するのが良い。
各リンク機構がどのような姿勢になっても、３つ以上のリンク機構のうち少なくとも２つのリンク機構の中央リンク部材は、１つの軌道円上を通る。そのため、中央リンク部材に固定され各リンク機構の内側に位置するワイヤ案内部材により可撓性ワイヤを案内すれば、可撓性ワイヤと他の部材、例えば中央リンク部材や端部リンク部材との干渉を防止できる。
【００２４】
この発明において、前記可撓性ワイヤは、可撓性を有するアウタチューブの内部に、両端がそれぞれ回転の入力端および出力端となる可撓性のインナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、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構造とするのが良い。
可撓性ワイヤの回転軸となるインナワイヤをアウタチューブの内部に設けることで、インナワイヤを保護することができる。インナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、隣合う転がり軸受間にばね要素を設けることにより、インナワイヤの固有振動数が低くなることを抑えられ、インナワイヤを高速回転させることが可能である。
【００２５】
この発明において、前記可撓性ワイヤの出力側に、この可撓性ワイヤの回転を減速する減速機構を設けるのが良い。
工具回転用駆動源や姿勢変更用駆動源の回転は、減速機構により減速され、動作変換機構の回転軸や工具回転用の回転軸に伝達される。減速機構を設けたため、工具回転用駆動源や姿勢変更用駆動源の出力するトルクが小さくても、動作変換機構の回転軸や工具回転用の回転軸に大きなトルクを発生させることができる。特に、姿勢変更用駆動源の駆動で行われる先端部材の姿勢変更動作は、比較的低い回転数で大きなトルクを必要とするため、減速機構を設けることの効果が大きい。
減速機構を設ければ、上述のように、可撓性ワイヤに作用するトルクが小さくても大きなトルクを発生させられることから、細い可撓性ワイヤを使用できる。その結果、可撓性ワイヤの最小曲率を小さくでき、リンク作動装置の各リンク機構の姿勢の変化に対応しやすい。また、可撓性ワイヤの捩れが小さいため、先端部材に設けた工具の位置決め精度が良い。
【００２６】
前記減速機構と前記姿勢操作部材間の動力伝達部材に、この動力伝達部材の動作位置を検出する位置検出手段を設けるのが良い。
位置検出手段によって検出される動力伝達部材の動作位置から、姿勢操作部材の進退位置を推定できる。このように推定された姿勢操作部材の進退位置に関する情報を用いて、姿勢変更用駆動源をフィードバック制御することができる。そのため、可撓性ワイヤに捩れが生じても、正確に先端部材の位置決め制御を行うことができる。
【００２７】
位置検出手段を有する場合、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に、前記位置検出手段とこの位置検出手段の検出信号を受信する制御部とをつなぐ配線を通して設けるのが良い。
位置検出手段の配線を入力部材および出力部材の各貫通孔に通して設ければ、各リンク機構がどのような姿勢になっても、配線が常に各リンク機構の内側を通る。それにより、配線が他の部材に接触することを防げる。
【００２８】
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にすれば、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。
【００２９】
この発明の遠隔操作型アクチュエータは、上記作用および効果を有するため医療用手術用のアクチュエータとして好適である。
【発明の効果】
【００３０】
この発明の遠隔操作型アクチュエータは、先端に工具を有するアクチュエータ本体を、ベース部材に対して、リンク作動装置により位置および姿勢を変更可能とした遠隔操作型アクチュエータであって、前記アクチュエータ本体は、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前記工具と、前記スピンドルガイド部の基端が結合された本体基端ハウジングとを備え、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、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、姿勢変更用駆動源の回転を進退動作に変換して前記姿勢操作部材を進退させる動作変換機構を前記本体基端ハウジング内に設けたものとし、前記リンク作動装置は、前記ベース部材に直接または間接的に結合された入力部材に対し、前記本体基端ハウジングに直接または間接的に結合された出力部材を、３組以上のリンク機構を介して位置および姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記入力部材および出力部材に一端が回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンク部材と、これら入力側および出力側の端部リンク部材の他端をそれぞれ回転可能に連結した中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、前記各リンク部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構における２組以上のリンク機構に、これら２組以上の各リンク機構を動作させて前記出力部材の姿勢を制御するリンク機構用駆動源を設けたものとし、前記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前記リンク作動装置の前記入力部材または前記ベース部材に設け、この駆動源の回転力を前記回転軸または前記動作変換機構へ伝達する可撓性ワイヤを設けたため、アクチュエータ本体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、アクチュエータ本体を確実に支持し、かつアクチュエータ本体が軽量で、その位置および姿勢を正確に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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。
【図２】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概略構成を示す図である。
【図３】（Ａ）は図１に示す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IIIＢ−IIIＢ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。
【図４】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの本体基端ハウジングの断面図、（Ｂ）はそのIVＢ−IVＢ断面図である。
【図５】同遠隔操作型アクチュエータのリンク作動装置の正面図である。
【図６】同リンク作動装置の異なる状態を示す正面図である。
【図７】同リンク作動装置の斜視図である。
【図８】同リンク作動装置のリンク機構の一つを直線で表現した図である。
【図９】同リンク作動装置の入力部材、入力側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。
【図１０】（Ａ）同遠隔操作型アクチュエータの可撓性ワイヤの断面図、（Ｂ）はＸＢ部拡大図、（Ｃ）はＸＣ部拡大図である。
【図１１】異なるリンク作動装置の正面図である。
【図１２】図１１のXII−XII断面図である。
【図１３】（Ａ）は内部の構成が異なる本体基端ハウジングの断面図、（Ｂ）はそのXIIIＢ−XIIIＢ断面図である。
【図１４】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構が異な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。
【図１５】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構がさらに異な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。
【図１６】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構がさらに異な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XVIＢ−XVIＢ断面図である。
【図１７】（Ａ）は図１５および図１６に示す遠隔操作型アクチュエータの本体基端ハウジングの断面図、（Ｂ）はそのXVIIＢ−XVIIＢ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１および図２は、この発明のそれぞれ異なる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。この遠隔操作型アクチュエータは、先端に回転式の工具１を有するアクチュエータ本体５が、ベース部材である駆動部ハウジング６に対して、リンク作動装置７により位置および姿勢を変更可能とされている。アクチュエータ本体５は、リンク作動装置７の出力部材１０５に取付部材１００を介して取付けられている。駆動部ハウジング６内には、遠隔操作型アクチュエータの各動作部分を動作させる駆動源４１，４２，１２１が設けられている。工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２の回転力は、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを介してそれぞれアクチュエータ本体５へ伝達される。各駆動源４１，４２，１２１は、駆動部ハウジング６に接続のコントローラ８により制御される。図１と図２とは、互いにアクチュエータ本体５が異なるが、他は同じである。
【００３３】
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本体基端ハウジング４とを備える。この本体基端ハウジング４内には、後記動作変換機構４４が設けられている。
【００３４】
図３と共に、先端部材２およびスピンドルガイド部３の内部構造について説明する。図３は図１の遠隔操作型アクチュエータについて示すが、図１のようにスピンドルガイド部３が真っ直ぐな形状である場合も、図２のようにスピンドルガイド部３が湾曲した形状である場合も、先端部材２およびスピンドルガイド部３の内部構造は基本的に同じである。
【００３５】
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。
【００３６】
スピンドルガイド部３は、工具回転用駆動源４１（図１）の回転を前記スピンドル１３へ伝達する回転軸２２を有する。回転軸２２は、スピンドルガイド部３から本体基端ハウジング４にわたって設けられており、その基端が本体基端ハウジング４の基端付近に位置している。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３（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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、ワイヤ３１ａと、その両端に設けた柱状ピン３１ｂとでなる。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の基端面に当接している。本体基端ハウジング４側の柱状ピン３１ｂの先端も球面状で、後記直動部材５１（図４）の前面に当接している。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図４に、本体基端ハウジング４の内部構造を示す。本体基端ハウジング４内には、前記回転軸２２が左右方向に沿って設けられ、その基端が可撓性ワイヤ９Ａのインナワイヤ７２とカップリング４０を介して結合されている。それにより、工具回転用駆動源４１（図１）の回転が、回転軸２２へ伝達される。工具回転用駆動源４１は、例えば電動モータである。また、本体基端ハウジング４には、可撓性ワイヤ９Ｂにより伝達される姿勢変更用駆動源４２（図１）の回転を減速して出力する減速機構４３と、この減速機構４３の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構で動作変換機構４４とが設けられている。姿勢変更用駆動源４２は、ロータリアクチュエータである。ロータリアクチュエータは、電動式であっても、流体圧式であってもよい。可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂについては、後で詳しく説明する。
【００４２】
動作変換機構４４は、ねじ機構を有する直動機構である。具体的には、動作変換機構４４は、両端部が軸受４５で支持され一端が減速機構４３の出力軸４３ａにカップリング４６を介して連結されたボールねじ４７と、このボールねじ４７に螺合するナット４８とでなるボールねじ機構４９を備え、前記ナット４８に、リニアガイド５０によりボールねじ４７の軸方向に移動自在に案内された直動部材５１が固定されている。直動部材５１は、動作変換機構４４の最終出力部であって、この直動部材５１の先端面からなる接触部５１ａに姿勢操作部材３１の基端が当接している。
【００４３】
減速機構４３の出力軸４３ａの回転が、ボールねじ機構４９により直線運動に変換されて、直動部材５１がリニアガイド５０に沿って直線移動する。直動部材５１が図４（Ａ）の左側へ移動するときは、直動部材５１に押された姿勢操作部材３１が前進し、直動部材５１が右側へ移動するときは、前記復元用弾性部材３２の弾性反発力により押し戻されて姿勢操作部材３１が後退する。
【００４４】
直動部材５１にはリニアスケール５２が設置され、このリニアスケール５２の目盛を、本体基端ハウジング４に固定されたリニアエンコーダ５３が読み取る。これらリニアスケール５２とリニアエンコーダ５３とで、姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段５４を構成する。正確には、リニアエンコーダ５３の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段である直動部材５１の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００４５】
進退位置推定手段５５は、姿勢操作部材３１の進退位置とリニアエコンコーダ５３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姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。この進退位置推定手段５５は、コントローラ８（図１）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８は、進退位置推定手段５５の検出値に基づき、姿勢変更用駆動源４２を制御する。
【００４６】
図５および図６は、リンク作動装置の互いに異なる状態を示す正面図、図７はリンク作動装置の斜視図である。リンク作動装置７は、前記駆動部ハウジング６に結合された入力部材１０４に対し前記アクチュエータ本体５の本体基端ハウジング４に取付部材１００を介して結合された出力部材１０５を、３組のリンク機構１０１，１０２，１０３（以下、「１０１〜１０３」と表記する）を介して位置および姿勢を変更可能に連結してある。なお、図５および図６では、３組のリンク機構１０１〜１０３のうち１組のリンク機構１０１のみを表示している。
【００４７】
各リンク機構１０１〜１０３は、入力側の端部リンク部材１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ（以下、「１０１ａ〜１０３ａ」と表記する）、中央リンク部材１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ（以下、「１０１ｂ〜１０３ｂ」と表記する）、および出力側の端部リンク部材１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃ（以下、「１０１ｃ〜１０３ｃ」と表記する）で構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構をなす。具体的には、入力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの一端が入力部材１０４に回転可能に連結され、出力側の端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃの一端が出力部材１０５に回転可能に連結され、入力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａおよび出力側の端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃの他端が中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの両端にそれぞれ回転可能に連結されている。
【００４８】
入力側および出力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃは球面リンク構造で、３組のリンク機構１０１〜１０３における球面リンク中心ＰＡ，ＰＣは一致しており、また、その中心ＰＡ，ＰＣからの距離も同じである。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂとの連結部となる回転対偶軸は、ある交差角をもっていてもよいし、平行であってもよい。
【００４９】
つまり、３組のリンク機構１０１〜１０３は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、各リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｂ〜１０３ｂ，１０１ｃ〜１０３ｃを直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの中央部に対する入力側部分と出力側部分が対称を成す形状であることを言う。図８は、一つのリンク機構１０２を直線で表現した図である。
【００５０】
この実施形態のリンク機構１０１〜１０３は回転対称タイプで、入力部材１０４および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａと、出力部材１０５および端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃとの位置関係が、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの中心線Ａに対して回転対称となる位置構成になっている。図５は、入力部材１０４の中心軸Ｂと出力部材１０５の中心軸Ｃとが同一線上にある状態を示し、図６は、入力部材１０４の中心軸Ｂに対して出力部材１０５の中心軸Ｃが所定の作動角をとった状態を示す。各リンク機構１０１〜１０３の姿勢が変化しても、入力側と出力側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＣ間の距離Ｌは変化しない。
【００５１】
図９に示すように、入力部材１０４は、その中心部に可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔１０６が軸方向に沿って形成され、また、大きな角度がとれるように外形を球面状としたドーナツ形状をなし、さらに、半径方向に軸部材嵌挿用の貫通孔１０８を円周方向等間隔で形成し、その貫通孔１０８に軸受１０９を介して軸部材１１０を嵌挿させた構造を具備する。出力部材１０５も同じ構造で、その中心部に可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔１０６（図７）が軸方向に沿って形成されている。
【００５２】
軸受１０９は、入力部材１０４の貫通孔１０８に内嵌された軸受外輪と、軸部材１１０に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体とからなる。軸部材１１０の外側端部は、入力部材１０４から突出し、その突出部に端部リンク部材１０１ａ，１０２ａ，１０３ａおよびギア部材１１１が結合され、ナット１１３による締付けでもって軸受１０９に所定の予圧量を付与して固定されている。ギア部材１１１は、後述するリンク機構１０１〜１０３の角度制御機構１２０の一部を構成する。入力部材１０４に対して軸部材１１０を回転自在に支承する軸受１０９は、止め輪１１２により入力部材１０４から抜け止めされている。
【００５３】
なお、軸部材１１０と、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａおよびギア部材１１１とは、加締め等により結合される。キーあるいはセレーションにより結合することが可能である。その場合、結合構造の緩みを防止でき、伝達トルクの増加を図ることができる。
【００５４】
上記ギア部材１１１を軸部材１１０の外側端部に設けたことで、この入力部材１０４の可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔１０６とリンク機構１０１〜１０３の内側に広い内側空間Ｓが形成されている。この内側空間Ｓには、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂが通して設けられる。
【００５５】
軸受１０９としては、図示のように２個の玉軸受を配設する以外に、アンギュラ玉軸受、ローラ軸受、あるいは滑り軸受を使用することも可能である。なお、出力部材１０５は、軸部材１１０の外側端部にギア部材１１１が設けられていない点を除いて、入力部材１０４と同一構造である。軸部材１１０の円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、入力部材１０４および出力部材１０５は同じ円周方向の位置関係とする必要がある。これら入力部材１０４および出力部材１０５は、３組のリンク機構１０１〜１０３で共有され、各軸部材１１０に端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃが連結される。
【００５６】
端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃはＬ字状をなし、一辺を入力部材１０４および出力部材１０５から突出する軸部材１１０に結合し、他辺を中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂに連結する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃは、大きな角度がとれるようにリンク中心側に位置する軸部１１５の屈曲基端内側が大きくカットされた形状を有する。
【００５７】
中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂはほぼＬ字状をなし、両辺に貫通孔１１４を有する。この中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂは、大きな角度がとれるようにその周方向側面がカットされた形状を有する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの他辺から一体的に屈曲成形された軸部１１５を、軸受１１６を介して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの両辺の貫通孔１１４に挿通する。
【００５８】
この軸受１１６は、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの貫通孔１１４に内嵌された軸受外輪と、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの軸部１１５に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体とからなる。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃに対して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂを回転自在に支承する軸受１１６は、止め輪１１７により中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂから抜け止めされている。
【００５９】
前記リンク機構１０１〜１０３において、入力部材１０４および出力部材１０５の軸部材１１０の角度、長さ、および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの幾何学的形状が入力側と出力側で等しく、また、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂについても入力側と出力側で形状が等しいとき、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの対称面に対して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂと、入出力部材１０４，１０５と連結される端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃとの角度位置関係を入力側と出力側で同じにすれば、幾何学的対称性から入力部材１０４および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａと、出力部材１０５および端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃとは同じに動き、入力側と出力側は同じ回転角になって等速で回転することになる。この等速回転するときの中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの対称面を等速二等分面という。
【００６０】
このため、入出力部材１０４，１０５を共有する同じ幾何学形状のリンク機構１０１〜１０３を円周上に複数配置させることにより、複数のリンク機構１０１〜１０３が矛盾なく動ける位置として中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂが等速二等分面上のみの動きに限定され、これにより入力側と出力側は任意の作動角をとっても等速回転が得られる。
【００６１】
各リンク機構１０１〜１０３における４つの回転対偶の回転部、つまり、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと入出力部材１０４，１０５の２つの連結部分、および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの２つの連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。
【００６２】
この軸受構造では予圧を付与することにより、ラジアル隙間とスラスト隙間をなくし、連結部でのがたつきを抑えることができ、入出力間の回転位相差がなくなり等速性を維持できると共に振動や異音の発生を抑制できる。特に、前記軸受構造において、軸受隙間を負すきまとすることにより、入出力間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。
【００６３】
このリンク作動装置７は、リンク機構１０１〜１０３の２つ以上のリンク機構について、入力部材１０４に対して入力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度を制御することにより、入力部材１０５の２自由度の姿勢を制御する。図５〜図９の例では、全リンク機構１０１〜１０３の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度を制御する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度制御機構１２０は、図７に示すように、駆動部ハウジング６にリンク機構用駆動源１２１を固定して設け、このリンク機構用駆動源１２１の駆動部ハウジング６から突出する出力軸１２２に傘歯車１２３を取付け、この傘歯車１２３に、入力部材１０４の軸部材１１０に取付けた前記ギア部材１１１のギア部を噛み合わせてある。リンク機構用駆動源１２１は、例えば電動モータである。リンク機構用駆動源１２１を回転させることにより、その回転が傘歯車１２３およびギア部材１１１を介して軸部材１１０に伝えられ、入力部材１０４に対して端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａが角度変更する。
【００６４】
このリンク作動装置７の構成によれば、入力部材１０４に対する出力部材１０５の可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材１０４の中心軸Ｂと出力部材１０５の中心軸Ｃの最大折れ角を約±９０°とすることができる。また、入力部材１０４に対する出力部材１０５の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。入力部材１０４と連結された各リンク機構１０１〜１０３の回転対偶に、出力部材１０５の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源１２１を設けたことにより、出力部材１０５を任意の姿勢に容易に決められる。入力部材１０４から出力部材１０５へ等速で力が伝達されるため、出力部材１０５の動作がスムーズである。この実施形態では、入力部材１０４とリンク機構１０１〜１０３の各組の回転対偶にリンク機構用駆動源１２１を設けてあるが、２組以上にリンク機構用駆動源１２１を設ければ、入力部材１０４に対する出力部材１０５の姿勢を確定することができる。
【００６５】
また、この構成のリンク作動装置７は、入出力部材１０４，１０５に軸受外輪を内包すると共に軸受内輪を端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと結合させて、入出力部材１０４，１０５内に軸受構造を埋設したので、全体の外形を大きくすることなく、入出力部材１０４，１０５の外形を拡大することができる。そのため、入力部材１０４を駆動部ハウジング６に取付けるための取付スペース、並びに出力部材１０５を本体基端ハウジング４に取付けるための取付スペースの確保が容易である。
【００６６】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）に、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂの詳しい構造を示す。可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂは、可撓性のアウタチューブ７１と、このアウタチューブ７１の内部の中心位置に設けられた可撓性のインナワイヤ７２と、このインナワイヤ７２を前記アウタチューブ７１に対して回転自在に支持する複数の転がり軸受７３とを備える。インナワイヤ７２の両端は、それぞれ回転の入力端７２ａおよび出力端７２ｂとなる。アウタチューブ７１は、例えば樹脂製である。インナワイヤ７２としては、例えば金属、樹脂、グラスファイバー等のワイヤが用いられる。ワイヤは単線であっても、撚り線であってもよい。
【００６７】
各転がり軸受７３はアウタチューブ７１の中心線に沿って一定の間隔を開けて配置されており、隣合う転がり軸受７３間に、これら転がり軸受７３に対して予圧を与えるばね要素７４Ｉ，７４Ｏが設けられている。ばね要素７４Ｉ，７４Ｏは、例えば圧縮コイルばねであり、インナワイヤ７２の外周を巻線が囲むように設けられる。ばね要素は、転がり軸受７３の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素７４Ｉと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素７４Ｏとがあり、これらが交互に配置されている。
【００６８】
前記アウタチューブ７１の両端には、このアウタチューブ７１を他の部材に結合する継手７５が設けられている。継手７５は、雄ねじ部材７６と雌ねじ部材７３とで構成される。
雄ねじ部材７６は、内周に貫通孔７７が形成された筒状の部材であって、軸方向中央部の外周に雄ねじ部７８が形成されている。雄ねじ部材７６の軸方向の一方端には、内径および外径が同一径で軸方向に延びる円筒部７９が設けられている。この円筒部７９の外径は、アウタチューブ７１の内径部に嵌合する寸法とされている。また、軸方向の他方端には、外径側に拡がるフランジ部８０が設けられている。このフランジ部８０は他の部材に結合する結合手段であって、円周方向複数箇所に、ボルト等の固定具を挿入するための通孔８１が形成されている。前記貫通孔７７は、円筒部７９側からフランジ部８０側に向かって、小径部７７ａ、中径部７７ｂ、大径部７７ｃの順に段階的に内径が大きくなっている。中径部７７ｂには、インナワイヤ７２を回転自在に支持する転がり軸受８２が嵌め込まれる。
【００６９】
雌ねじ部材８３は、円筒状部８４と、この円筒状部８４の一端から内径側へ延びるつば状部８５とを有する筒状の部材であって、円筒状部８４の内周先端側に、前記雄ねじ部材７６の雄ねじ部７８に螺合する雌ねじ部８６が形成されている。つば状部８５の内径は、アウタチューブ７１が外周に嵌合する寸法とされている。
【００７０】
アウタチューブ７１を他の部材に結合する際には、まず、雄ねじ部材７６の円筒部７９をアウタチューブ７１の内径部に嵌合させ、かつ雌ねじ部材８３のつば状部８５をアウタチューブ７１の同一端の外径部に嵌合させた状態で、雄ねじ部材７６の雄ねじ部７８と雌ねじ部材８３の雌ねじ部８６とを螺合させる。これにより、雄ねじ部材７６の円筒部７９と雌ねじ部材８３のつば状部８５とで、アウタチューブ７１の一端を内外から挟み込んで固定する。インナワイヤ７２は、雄ねじ部材７６の貫通孔７７に挿通し、貫通孔７７の中径部７７ｂに嵌め込んだ転がり軸受８２によって支持させる。次いで、雄ねじ部材７６のフランジ部８０を、結合対象である他の部材に結合する。結合対象である他の部材は、可撓性ワイヤ９Ａの場合、工具回転用駆動源４１のハウジングと本体基端ハウジング４であり、可撓性ワイヤ９Ｂの場合、姿勢変更用駆動源４２と減速機構４３のハウジングである。この結合は、通孔８１に挿通したボルト等の固定具(図示せず)によって行う。以上で、アウタチューブ７１と他の部材との結合が完了し、図１０の状態となる。
【００７１】
この状態から、雄ねじ部７８と雌ねじ部８６の螺合を外すことで、雄ねじ部材７６の円筒部７９および雌ねじ部材８３のつば状部８５による拘束からアウタチューブ７１が解放され、アウタチューブ７１と他の部材との結合が解除される。これらアウタチューブ７１と他の部材との結合操作およびその解除操作は容易である。
【００７２】
また、アウタチューブ７１と継手７５を結合した状態で、雄ねじ部材７６の結合手段（フランジ部８０）により可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂと他の部材との結合操作および解除操作を行っても良い。これら可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂと他の部材との結合操作およびその解除操作はさらに容易となる。
【００７３】
前記インナワイヤ７２の入力端７２ａおよび出力端７２ｂには、回転軸体８８と連結するカップリング８９が設けられている。可撓性ワイヤ９Ａのインナワイヤ７２の入力端７２ａに連結される回転軸体８８は工具回転用駆動源４１の出力軸４１ａ（図５）であり、出力端７２ｂに連結される回転軸体８８は回転軸２２（図４）の基端である。また、可撓性ワイヤ９Ｂのインナワイヤ７２の入力端７２ａに連結される回転軸体８８は姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａ（図５）であり、出力端７２ｂに連結される回転軸体８８は減速機構４３の入力軸４３ｂ（図４）である。
【００７４】
図例のカップリング８９は、軸方向に貫通する貫通孔８９ａを有し、この貫通孔８９ａと外周との間に軸方向に離れて２つのねじ孔８９ｂを設けてある。前記貫通孔８９ａにインナワイヤ７２および回転軸体８８を両側から挿入し、ねじ孔８９ｂに螺着したボルト等のねじ部材（図示せず）の先端をインナワイヤ７２および回転軸体８８に押し付けることで、これらインナワイヤ７２および回転軸体８８をカップリング８９に固定して、インナワイヤ７２と回転軸体８８とを連結する。カップリング８９は、インナワイヤ７２と回転軸体８８とを回転伝達可能に連結できればよく、上記以外の構成であってもよい。
【００７５】
この構成の可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂは、隣合う転がり軸受７３間に、これら転がり軸受７３に対して予圧を与えるばね要素７４Ｉ，７４Ｏを設けたことにより、インナワイヤ７２の固有振動数が低くなることを抑えられ、インナワイヤ７２を高速回転させることが可能である。内輪用ばね要素７４Ｉおよび外輪用ばね要素７４Ｏは、インナワイヤ７２の長さ方向にわたり交互に配置されているため、アウタチューブ７１の径を大きくせずに、ばね要素７４Ｉ，７４Ｏを設けることができる。
【００７６】
また、可撓性ワイヤ９Ｂの場合、インナワイヤ７２の出力側にこのインナワイヤ７２の回転を減速して出力する減速機構４３が設けられる、インナワイヤ７２で伝達するトルクが小さくても、大きなトルクを発生できる。そのため、コンパクトな構造で、可撓性の高い可撓性ワイヤ９Ｂを実現できる。
【００７７】
この遠隔操作型アクチュエータの動作を説明する。
アクチュエータ本体５はリンク作動装置７により支持されており、リンク機構用駆動源１２１の駆動により、アクチュエータ本体５を直交２軸方向に移動させて、適正な位置および姿勢に保持する。リンク作動機構７は、入力部材１０４に対する出力部材１０５の可動範囲が広く、アクチュエータ本体５を任意の姿勢に容易に決められる。また、リンク作動装置７でアクチュエータ本体５を支持しているため、アクチュエータ本体５の位置および姿勢が安定する。
【００７８】
工具回転用駆動源４１を駆動すると、その回転が可撓性ワイヤ９Ａのインナワイヤ７２および回転軸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。この回転する工具１により、骨等を切削加工する。その際、姿勢変更用駆動源４２をコントローラ８により制御して、遠隔操作で先端部材２の姿勢変更を行う。
【００７９】
例えば、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３（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３（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。このとき、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。
【００８０】
姿勢操作部材３１の進退は、詳しくは次のようにして行われる。すなわち、前記姿勢変更用駆動源４２の回転が、可撓性ワイヤ９Ｂのインナワイヤ７２を介して減速機構４３に伝達され、減速機構４３により減速される。さらに、減速機構４３の出力軸４３ｂの回転運動が動作変換機構４４により直線往復運動に変換されて、出力部材である直動部材５１に伝達される。この直動部材５１の進退動作が接触部５１ａより姿勢操作部材３１の基端へ伝達されて、姿勢操作部材３１が進退動作する。減速機構４３が設けられているため、姿勢変更用駆動源４２の出力するトルクが小さくても、大きなトルクを発生させて、直動部材５１に大きな作用力を与えることができる。そのため、姿勢操作部材３１を確実に進退動作させることができ、先端部材２に設けた工具１を正確に位置決めできる。また、アクチュエータ本体５に工具回転用駆動源４１や姿勢変更用駆動源４２を設けないため、アクチュエータ本体５の重量を軽くできる。その結果、リンク機構１０１〜１０３に作用する慣性モーメントが小さくなり、リンク機構用駆動源１２１の小型化が可能になる。
【００８１】
先端部材２の姿勢は、位置検出手段５４により検出される姿勢操作部材３１の進退位置から求められる。位置検出手段５４の検出値、正確にはリニアエンコーダ５３の検出値をコントローラ８にフィードバックさせて、姿勢変更用駆動源４２の出力量を制御するフィードバック制御を行えば、工具１の位置決め精度を向上させることができる。
【００８２】
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。
【００８３】
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。また、アクチュエータ本体５が安定状態に支持されるので、操作がし易く、加工時間を短縮できる。それにより、手術用として使用する場合に、患者の負担を軽減できる。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
以上、アクチュエータ本体５のスピンドルガイド部３が直線形状である図１の例について説明したが、姿勢操作部材３１が可撓性であるため、図２のようにスピンドルガイド部３が湾曲していても、先端部材２の姿勢変更動作を確実に行える。スピンドルガイド部３の一部分のみが湾曲形状であってもよい。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。
【００８７】
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。
【００８８】
図１１および図１２はリンク作動装置の異なる構成を示す。このリンク作動装置７は、１つのリンク機構１０１の中央リンク部材１０１ｂにワイヤ案内部材１４１を固定して設け、このワイヤ案内部材１４１により可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを案内するようにしたものである。ワイヤ案内部材１４１は、基端が中央リンク部材１０１ｂに固定された支持部１４１ａと、この支持部１４１ａの先端に一体に設けたＣ字状の案内部１４１ｂとでなる。案内部１４１ｂの切れ目１４１ｂａは可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂの直径よりも小さい寸法であり、中央に可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを通す円形の開口１４１ｃが形成されている。この開口１４１ｃの中心は、中央リンク部材１０１ｂの軌道円１４３の中心１４４と合致する位置とされている。
【００８９】
各リンク機構１０１〜１０３がどのような姿勢になっても、３つ以上のリンク機構のうち少なくとも２つのリンク機構の中央リンク部材は、１つの軌道円１４３上を通る。そのため、中央リンク部材１０１ｂに固定したワイヤ案内部材１４１により可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを案内すれば、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂと他の部材、例えば他の中央リンク部材１０２ｂ，１０３ｂや端部リンク部材１０２ａ，１０２ｃ，１０３ａ，１０３ｃとの干渉を防止できる。また、中央リンク部材１０１ｂの軌道円１４３の中心１４４は、常に入力側と出力側の球面リンク中心を結ぶ直線上に位置し、球面リンク中心間の距離Ｌは、各リンク機構１０１〜１０３の姿勢が変化しても一定であるため、上記のようにワイヤ案内部材１４１の案内部１４１ｂの中心を中央リンク部材１０１ｂの軌道円１４３の中心１４４と合致する位置としたことで、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを最短距離で距離変動のない位置に配置することができる。
【００９０】
図１３は、動作変換機構の異なる例を示す。この動作変換機構４４は、ウォーム５７とウォームホイール５８とを組み合わせた構成である。具体的には、動作変換機構４４は、両端部が軸受４５で支持され一端が減速機構４３の出力軸４３ａにカップリング４６を介して連結されたウォーム５７と、支持軸５９に支持され前記ウォーム５７と噛み合うウォームホイール５８とを備える。ウォームホイール５８は動作変換機構４４の最終出力部であって、このウォームホイール５８の先端面からなる接触部５８ａに姿勢操作部材３１の基端が当接している。なお、ウォームホイール５８は、円周の一部にだけ歯が設けられ形状をしており、回転軸２２が挿通される開口５８ｂを有している。
【００９１】
姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａの回転が、減速機構４３で減速され、さらにウォーム５７とウォームホイール５８とでなる減速機構により減速されて、ウォームホイール５８へ伝達される。ウォームホイール５８の接触部５８ａが姿勢操作部材３１に対して滑り接触しながら、ウォームホイール５８が揺動することにより、姿勢操作部材３１に進退動作を与える。すなわち、接触部５８ａが図１２（Ａ）の左側へ回動するときは、接触部５８ａに押された姿勢操作部材３１が前進し、接触部５８ａが右側へ回動するときは、前記復元用弾性部材３２の弾性反発力により押し戻されて姿勢操作部材３１が後退する。
【００９２】
姿勢操作部材３１の進退位置は、位置検出手段５４により検出される。この図例の場合、位置検出手段５４は、ウォームホイール５８の背面に設けた被検出部６０と、本体基端ハウジング４に固定して設けられ前記被検出部６０の変位を検出する検出部６１とでなる。位置検出手段５４は、光学式であっても磁気式であってもよい。正確には、検出部６１の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段であるウォームホイール５８の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００９３】
図１４は、先端部材２の姿勢を変更させる構成が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ワイヤ３１ａおよび柱状ピン３１ｂからなる姿勢操作部材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。
【００９４】
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１４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１４（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１４（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。
【００９５】
図１５は、先端部材２の姿勢を変更させる構成が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。
【００９６】
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（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。
【００９７】
例えば、図１５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１５（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１５（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。
【００９８】
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１５（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。
【００９９】
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。
【０１００】
図１６は図１５に示すものと比べてスピンドルガイド部３の内部構造が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（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が収容されている。
【０１０１】
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を厚くなり、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の位置決め精度を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。
【０１０２】
図１５や図１６のように姿勢操作部材３１が周方向の３箇所に設けられている場合、動作変換機構４４を例えば図１７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（図示せず）にそれぞれ対応させて、３つの動作変換機構４４（４４Ｕ，４４Ｌ，４４Ｒ）を設ける。各姿勢変更用駆動源は駆動部ハウジング（図示せず）に設けられ、その回転が、可撓性ワイヤ９Ｂを介して減速機構４３へ伝達され、減速機構４３により減速されてから、動作変換機構４４へ伝達される。図１７は、動作変換機構を直動機構型とした例である。各動作変換機構４４は、回転軸２２を中心にして放射状に配置してある。
【符号の説明】
【０１０３】
１…工具
２…先端部材
３…スピンドルガイド部
４…本体基端ハウジング
５…アクチュエータ本体
６…駆動部ハウジング（ベース部材）
７…リンク作動装置
８…コントローラ
９Ａ，９Ｂ…可撓性ワイヤ
１３…スピンドル
１５…先端部材連結部
２２…回転軸
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…減速機構
４４…動作変換機構
４９…ボールねじ機構
５４…位置検出手段
５７…ウォーム
５８…ウォームホイール
７１…アウタチューブ
７２…インナワイヤ
７３…転がり軸受
７４Ｉ…内輪用ばね要素
７４Ｏ…外輪用ばね要素
１０１，１０２，１０３…リンク機構
１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ…入力側の端部リンク部材
１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ…中央リンク部材
１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃ…出力側の端部リンク部材
１０４…入力部材
１０５…出力部材
１０６…可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔
１２１…リンク機構用駆動源
１４１…ワイヤ案内部材
１４３…中央リンク部材の軌道円
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０１１４９号公報
【特許文献２】米国特許第４，４６６，４２９号明細書
【特許文献３】米国特許第４，２６５，２３１号明細書
【特許文献４】特開２００１−１７４４６号公報
【特許文献５】米国特許第５，７６９，０９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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、パイプ部が湾曲部を有することも予想され、その場合でも確実に姿勢変更動作をさせられることが望まれる。
【００１０】
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。
【００１１】
また、遠隔操作型アクチュエータを人が直接持って操作する場合、手の震え等が被切削物に対する工具の位置決め精度に影響する。そのため、精度良く加工するには、多くの経験が必要である。特に、ガイド部が湾曲形状である場合、ガイド部の先端に設けた工具の位置を予測し難く、操作がより一層に複雑で困難になる。それに伴って、切削時間も長くなる。遠隔操作型アクチュエータを人工関節置換手術の手術用として使用する場合、切削時間が長いと、患者の負担が大きい。
【００１２】
そこで、遠隔操作型アクチュエータを、１自由度または２自由度以上の自由度を持つ支持装置で支持される遠隔操作型アクチュエータとした。それにより、手の震え等の悪影響を排除できる。この種の遠隔操作型アクチュエータとしては、例えば特許文献５に記載のものが知られているが、従来のものは、遠隔操作型アクチュエータが工具の姿勢を変更できなかったため、きめ細かな加工ができなかった。
【００１３】
この発明は、アクチュエータ本体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、アクチュエータ本体を確実に支持し、かつアクチュエータ本体が軽量で、その位置および姿勢を正確に変更することができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明にかかる遠隔操作型アクチュエータは、先端に工具を有するアクチュエータ本体を、ベース部材に対して、リンク作動装置により位置および姿勢を変更可能とした。前記アクチュエータ本体は、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前記工具と、前記スピンドルガイド部の基端が結合された本体基端ハウジングとを備え、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、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、姿勢変更用駆動源の回転を進退動作に変換して前記姿勢操作部材を進退させる動作変換機構を前記本体基端ハウジング内に設けたものとする。前記リンク作動装置は、前記ベース部材に直接または間接的に結合された入力部材に対し、前記本体基端ハウジングに直接または間接的に結合された出力部材を、３組以上のリンク機構を介して位置および姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記入力部材および出力部材に一端が回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンク部材と、これら入力側および出力側の端部リンク部材の他端をそれぞれ回転可能に連結した中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、前記各リンク部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構における２組以上のリンク機構に、これら２組以上の各リンク機構を動作させて前記出力部材の姿勢を制御するリンク機構用駆動源を設けたものとする。そして、前記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前記リンク作動装置の前記入力部材または前記ベース部材に設け、この駆動源の回転力を前記回転軸または前記動作変換機構へ伝達する可撓性ワイヤを設ける。
【００１５】
前記リンク作動装置は、次のように言い換えることができる。すなわち、リンク作動装置は、入力側および出力側のそれぞれに設けた入力部材および出力部材に対して回転可能に端部リンク部材を連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結したリンク機構を３組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一とし、前記入力部材に連結された各リンク機構の回転対偶のうち、２組以上のリンク機構について、前記出力部材の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源を設けたものである。
【００１６】
この構成によれば、先端部材に設けた工具の回転により、骨等の切削加工が行われる。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、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。
【００１７】
リンク作動装置の出力部材にアクチュエータ本体の本体基端ハウジングが固定され、アクチュエータ本体がリンク作動装置により支持されるため、アクチュエータ本体の位置および姿勢が安定する。リンク作動装置は、３組以上のリンク機構と、リンク機構用駆動源とで、出力部材を直交２軸方向に移動自在な２自由度機構が構成される。この２自由度機構は、出力部材の可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材の中心軸と出力部材の中心軸の最大折れ角は約±９０°であり、入力部材に対する出力部材の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶のうち、２組以上のリンク機構について、出力部材の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源を設けたことにより、出力部材を任意の姿勢に容易に決められる。リンク機構用駆動源を設けるリンク機構の回転対偶を２組以上としたのは、入力部材に対する出力部材の姿勢を確定するのに必要なためである。
【００１８】
このように、リンク作動装置によってアクチュエータ本体を任意の位置および姿勢に安定状態に支持することができ、かつスピンドルガイド部に対する先端部材の姿勢変更を正確に行えるので、きめ細かな加工ができる。具体的には、狭い部分の加工や精度の良い加工ができる。また、加工時間を短縮できる。それにより、手術用として使用する場合に、患者の負担を軽減できる。
【００１９】
この発明において、前記回転軸における前記駆動部ハウジング側の端部の軸心を、前記出力部材の球面中心を通る中心軸と平行とするのが良い。
この構成であると、動作変換機構の回転軸と工具回転用の回転軸とを、互いに平行に駆動部ハウジング内に設けることができ、駆動部ハウジング内を簡素な構成にできる。
【００２０】
前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転運動を直線往復運動に変換するねじ機構式の直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部で前記姿勢操作部材に進退動作させてもよい。
動作変換機構がねじ機構式の直動機構であると、小型でコンパクトな構造で大きさ推力を発生することができる。この場合、ねじ機構の回転軸と工具回転用の回転軸とが互いに平行になる。
【００２１】
また、前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転により回転するウォームと、このウォームと噛み合うウォームホイールとを組み合わせた構成であり、前記ウォームホイールの一部分である接触部が前記姿勢操作部材と滑り接触して姿勢操作部材を進退動作させてもよい。
動作変換機構がウォームとウォームホイールとを組み合わせた構成としても、小型でコンパクトな構造で大きさ推力を発生することができる。この場合、ウォームと工具回転用の回転軸とが互いに平行になる。
【００２２】
この発明において、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に前記可撓性ワイヤを通して設けるのが良い。
可撓性ワイヤを入力部材および出力部材の各貫通孔に通して設ければ、各リンク機構がどのような姿勢になっても、可撓性ワイヤが常に各リンク機構の内側を通る。それにより、可撓性ワイヤが他の部材に接触することを防げる。
【００２３】
この発明において、前記可撓性ワイヤは、前記中央リンク部材に固定され各リンク機構の内側に位置するワイヤ案内部材により案内するのが良い。
各リンク機構がどのような姿勢になっても、３つ以上のリンク機構のうち少なくとも２つのリンク機構の中央リンク部材は、１つの軌道円上を通る。そのため、中央リンク部材に固定され各リンク機構の内側に位置するワイヤ案内部材により可撓性ワイヤを案内すれば、可撓性ワイヤと他の部材、例えば中央リンク部材や端部リンク部材との干渉を防止できる。
【００２４】
この発明において、前記可撓性ワイヤは、可撓性を有するアウタチューブの内部に、両端がそれぞれ回転の入力端および出力端となる可撓性のインナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、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構造とするのが良い。
可撓性ワイヤの回転軸となるインナワイヤをアウタチューブの内部に設けることで、インナワイヤを保護することができる。インナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、隣合う転がり軸受間にばね要素を設けることにより、インナワイヤの固有振動数が低くなることを抑えられ、インナワイヤを高速回転させることが可能である。
【００２５】
この発明において、前記可撓性ワイヤの出力側に、この可撓性ワイヤの回転を減速する減速機構を設けるのが良い。
工具回転用駆動源や姿勢変更用駆動源の回転は、減速機構により減速され、動作変換機構の回転軸や工具回転用の回転軸に伝達される。減速機構を設けたため、工具回転用駆動源や姿勢変更用駆動源の出力するトルクが小さくても、動作変換機構の回転軸や工具回転用の回転軸に大きなトルクを発生させることができる。特に、姿勢変更用駆動源の駆動で行われる先端部材の姿勢変更動作は、比較的低い回転数で大きなトルクを必要とするため、減速機構を設けることの効果が大きい。
減速機構を設ければ、上述のように、可撓性ワイヤに作用するトルクが小さくても大きなトルクを発生させられることから、細い可撓性ワイヤを使用できる。その結果、可撓性ワイヤの最小曲率を小さくでき、リンク作動装置の各リンク機構の姿勢の変化に対応しやすい。また、可撓性ワイヤの捩れが小さいため、先端部材に設けた工具の位置決め精度が良い。
【００２６】
前記減速機構と前記姿勢操作部材間の動力伝達部材に、この動力伝達部材の動作位置を検出する位置検出手段を設けるのが良い。
位置検出手段によって検出される動力伝達部材の動作位置から、姿勢操作部材の進退位置を推定できる。このように推定された姿勢操作部材の進退位置に関する情報を用いて、姿勢変更用駆動源をフィードバック制御することができる。そのため、可撓性ワイヤに捩れが生じても、正確に先端部材の位置決め制御を行うことができる。
【００２７】
位置検出手段を有する場合、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に、前記位置検出手段とこの位置検出手段の検出信号を受信する制御部とをつなぐ配線を通して設けるのが良い。
位置検出手段の配線を入力部材および出力部材の各貫通孔に通して設ければ、各リンク機構がどのような姿勢になっても、配線が常に各リンク機構の内側を通る。それにより、配線が他の部材に接触することを防げる。
【００２８】
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にすれば、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。
【００２９】
この発明の遠隔操作型アクチュエータは、上記作用および効果を有するため医療用手術用のアクチュエータとして好適である。
【発明の効果】
【００３０】
この発明の遠隔操作型アクチュエータは、先端に工具を有するアクチュエータ本体を、ベース部材に対して、リンク作動装置により位置および姿勢を変更可能とした遠隔操作型アクチュエータであって、前記アクチュエータ本体は、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前記工具と、前記スピンドルガイド部の基端が結合された本体基端ハウジングとを備え、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、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、姿勢変更用駆動源の回転を進退動作に変換して前記姿勢操作部材を進退させる動作変換機構を前記本体基端ハウジング内に設けたものとし、前記リンク作動装置は、前記ベース部材に直接または間接的に結合された入力部材に対し、前記本体基端ハウジングに直接または間接的に結合された出力部材を、３組以上のリンク機構を介して位置および姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記入力部材および出力部材に一端が回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンク部材と、これら入力側および出力側の端部リンク部材の他端をそれぞれ回転可能に連結した中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、前記各リンク部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構における２組以上のリンク機構に、これら２組以上の各リンク機構を動作させて前記出力部材の姿勢を制御するリンク機構用駆動源を設けたものとし、前記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前記リンク作動装置の前記入力部材または前記ベース部材に設け、この駆動源の回転力を前記回転軸または前記動作変換機構へ伝達する可撓性ワイヤを設けたため、アクチュエータ本体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、アクチュエータ本体を確実に支持し、かつアクチュエータ本体が軽量で、その位置および姿勢を正確に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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。
【図２】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概略構成を示す図である。
【図３】（Ａ）は図１に示す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IIIＢ−IIIＢ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。
【図４】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの本体基端ハウジングの断面図、（Ｂ）はそのIVＢ−IVＢ断面図である。
【図５】同遠隔操作型アクチュエータのリンク作動装置の正面図である。
【図６】同リンク作動装置の異なる状態を示す正面図である。
【図７】同リンク作動装置の斜視図である。
【図８】同リンク作動装置のリンク機構の一つを直線で表現した図である。
【図９】同リンク作動装置の入力部材、入力側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。
【図１０】（Ａ）同遠隔操作型アクチュエータの可撓性ワイヤの断面図、（Ｂ）はＸＢ部拡大図、（Ｃ）はＸＣ部拡大図である。
【図１１】異なるリンク作動装置の正面図である。
【図１２】図１１のXII−XII断面図である。
【図１３】（Ａ）は内部の構成が異なる本体基端ハウジングの断面図、（Ｂ）はそのXIIIＢ−XIIIＢ断面図である。
【図１４】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構が異な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。
【図１５】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構がさらに異な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。
【図１６】（Ａ）は先端部材の姿勢を変更する機構がさらに異な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XVIＢ−XVIＢ断面図である。
【図１７】（Ａ）は図１５および図１６に示す遠隔操作型アクチュエータの本体基端ハウジングの断面図、（Ｂ）はそのXVIIＢ−XVIIＢ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１および図２は、この発明のそれぞれ異なる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。この遠隔操作型アクチュエータは、先端に回転式の工具１を有するアクチュエータ本体５が、ベース部材である駆動部ハウジング６に対して、リンク作動装置７により位置および姿勢を変更可能とされている。アクチュエータ本体５は、リンク作動装置７の出力部材１０５に取付部材１００を介して取付けられている。駆動部ハウジング６内には、遠隔操作型アクチュエータの各動作部分を動作させる駆動源４１，４２，１２１が設けられている。工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２の回転力は、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを介してそれぞれアクチュエータ本体５へ伝達される。各駆動源４１，４２，１２１は、駆動部ハウジング６に接続のコントローラ８により制御される。図１と図２とは、互いにアクチュエータ本体５が異なるが、他は同じである。
【００３３】
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本体基端ハウジング４とを備える。この本体基端ハウジング４内には、後記動作変換機構４４が設けられている。
【００３４】
図３と共に、先端部材２およびスピンドルガイド部３の内部構造について説明する。図３は図１の遠隔操作型アクチュエータについて示すが、図１のようにスピンドルガイド部３が真っ直ぐな形状である場合も、図２のようにスピンドルガイド部３が湾曲した形状である場合も、先端部材２およびスピンドルガイド部３の内部構造は基本的に同じである。
【００３５】
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。
【００３６】
スピンドルガイド部３は、工具回転用駆動源４１（図１）の回転を前記スピンドル１３へ伝達する回転軸２２を有する。回転軸２２は、スピンドルガイド部３から本体基端ハウジング４にわたって設けられており、その基端が本体基端ハウジング４の基端付近に位置している。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３（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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、ワイヤ３１ａと、その両端に設けた柱状ピン３１ｂとでなる。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の基端面に当接している。本体基端ハウジング４側の柱状ピン３１ｂの先端も球面状で、後記直動部材５１（図４）の前面に当接している。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図４に、本体基端ハウジング４の内部構造を示す。本体基端ハウジング４内には、前記回転軸２２が左右方向に沿って設けられ、その基端が可撓性ワイヤ９Ａのインナワイヤ７２とカップリング４０を介して結合されている。それにより、工具回転用駆動源４１（図１）の回転が、回転軸２２へ伝達される。工具回転用駆動源４１は、例えば電動モータである。また、本体基端ハウジング４には、可撓性ワイヤ９Ｂにより伝達される姿勢変更用駆動源４２（図１）の回転を減速して出力する減速機構４３と、この減速機構４３の出力を回転運動から直線往復運動に変換する直動機構で動作変換機構４４とが設けられている。姿勢変更用駆動源４２は、ロータリアクチュエータである。ロータリアクチュエータは、電動式であっても、流体圧式であってもよい。可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂについては、後で詳しく説明する。
【００４２】
動作変換機構４４は、ねじ機構を有する直動機構である。具体的には、動作変換機構４４は、両端部が軸受４５で支持され一端が減速機構４３の出力軸４３ａにカップリング４６を介して連結されたボールねじ４７と、このボールねじ４７に螺合するナット４８とでなるボールねじ機構４９を備え、前記ナット４８に、リニアガイド５０によりボールねじ４７の軸方向に移動自在に案内された直動部材５１が固定されている。直動部材５１は、動作変換機構４４の最終出力部であって、この直動部材５１の先端面からなる接触部５１ａに姿勢操作部材３１の基端が当接している。
【００４３】
減速機構４３の出力軸４３ａの回転が、ボールねじ機構４９により直線運動に変換されて、直動部材５１がリニアガイド５０に沿って直線移動する。直動部材５１が図４（Ａ）の左側へ移動するときは、直動部材５１に押された姿勢操作部材３１が前進し、直動部材５１が右側へ移動するときは、前記復元用弾性部材３２の弾性反発力により押し戻されて姿勢操作部材３１が後退する。
【００４４】
直動部材５１にはリニアスケール５２が設置され、このリニアスケール５２の目盛を、本体基端ハウジング４に固定されたリニアエンコーダ５３が読み取る。これらリニアスケール５２とリニアエンコーダ５３とで、姿勢操作部材３１の進退位置を検出する位置検出手段５４を構成する。正確には、リニアエンコーダ５３の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段である直動部材５１の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００４５】
進退位置推定手段５５は、姿勢操作部材３１の進退位置とリニアエコンコーダ５３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姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。この進退位置推定手段５５は、コントローラ８（図１）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８は、進退位置推定手段５５の検出値に基づき、姿勢変更用駆動源４２を制御する。
【００４６】
図５および図６は、リンク作動装置の互いに異なる状態を示す正面図、図７はリンク作動装置の斜視図である。リンク作動装置７は、前記駆動部ハウジング６に結合された入力部材１０４に対し前記アクチュエータ本体５の本体基端ハウジング４に取付部材１００を介して結合された出力部材１０５を、３組のリンク機構１０１，１０２，１０３（以下、「１０１〜１０３」と表記する）を介して位置および姿勢を変更可能に連結してある。なお、図５および図６では、３組のリンク機構１０１〜１０３のうち１組のリンク機構１０１のみを表示している。
【００４７】
各リンク機構１０１〜１０３は、入力側の端部リンク部材１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ（以下、「１０１ａ〜１０３ａ」と表記する）、中央リンク部材１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ（以下、「１０１ｂ〜１０３ｂ」と表記する）、および出力側の端部リンク部材１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃ（以下、「１０１ｃ〜１０３ｃ」と表記する）で構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構をなす。具体的には、入力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの一端が入力部材１０４に回転可能に連結され、出力側の端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃの一端が出力部材１０５に回転可能に連結され、入力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａおよび出力側の端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃの他端が中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの両端にそれぞれ回転可能に連結されている。
【００４８】
入力側および出力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃは球面リンク構造で、３組のリンク機構１０１〜１０３における球面リンク中心ＰＡ，ＰＣは一致しており、また、その中心ＰＡ，ＰＣからの距離も同じである。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂとの連結部となる回転対偶軸は、ある交差角をもっていてもよいし、平行であってもよい。
【００４９】
つまり、３組のリンク機構１０１〜１０３は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、各リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｂ〜１０３ｂ，１０１ｃ〜１０３ｃを直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの中央部に対する入力側部分と出力側部分が対称を成す形状であることを言う。図８は、一つのリンク機構１０２を直線で表現した図である。
【００５０】
この実施形態のリンク機構１０１〜１０３は回転対称タイプで、入力部材１０４および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａと、出力部材１０５および端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃとの位置関係が、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの中心線Ａに対して回転対称となる位置構成になっている。図５は、入力部材１０４の中心軸Ｂと出力部材１０５の中心軸Ｃとが同一線上にある状態を示し、図６は、入力部材１０４の中心軸Ｂに対して出力部材１０５の中心軸Ｃが所定の作動角をとった状態を示す。各リンク機構１０１〜１０３の姿勢が変化しても、入力側と出力側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＣ間の距離Ｌは変化しない。
【００５１】
図９に示すように、入力部材１０４は、その中心部に可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔１０６が軸方向に沿って形成され、また、大きな角度がとれるように外形を球面状としたドーナツ形状をなし、さらに、半径方向に軸部材嵌挿用の貫通孔１０８を円周方向等間隔で形成し、その貫通孔１０８に軸受１０９を介して軸部材１１０を嵌挿させた構造を具備する。出力部材１０５も同じ構造で、その中心部に可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔１０６（図７）が軸方向に沿って形成されている。
【００５２】
軸受１０９は、入力部材１０４の貫通孔１０８に内嵌された軸受外輪と、軸部材１１０に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体とからなる。軸部材１１０の外側端部は、入力部材１０４から突出し、その突出部に端部リンク部材１０１ａ，１０２ａ，１０３ａおよびギア部材１１１が結合され、ナット１１３による締付けでもって軸受１０９に所定の予圧量を付与して固定されている。ギア部材１１１は、後述するリンク機構１０１〜１０３の角度制御機構１２０の一部を構成する。入力部材１０４に対して軸部材１１０を回転自在に支承する軸受１０９は、止め輪１１２により入力部材１０４から抜け止めされている。
【００５３】
なお、軸部材１１０と、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａおよびギア部材１１１とは、加締め等により結合される。キーあるいはセレーションにより結合することが可能である。その場合、結合構造の緩みを防止でき、伝達トルクの増加を図ることができる。
【００５４】
上記ギア部材１１１を軸部材１１０の外側端部に設けたことで、この入力部材１０４の可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔１０６とリンク機構１０１〜１０３の内側に広い内側空間Ｓが形成されている。この内側空間Ｓには、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂが通して設けられる。
【００５５】
軸受１０９としては、図示のように２個の玉軸受を配設する以外に、アンギュラ玉軸受、ローラ軸受、あるいは滑り軸受を使用することも可能である。なお、出力部材１０５は、軸部材１１０の外側端部にギア部材１１１が設けられていない点を除いて、入力部材１０４と同一構造である。軸部材１１０の円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、入力部材１０４および出力部材１０５は同じ円周方向の位置関係とする必要がある。これら入力部材１０４および出力部材１０５は、３組のリンク機構１０１〜１０３で共有され、各軸部材１１０に端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃが連結される。
【００５６】
端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃはＬ字状をなし、一辺を入力部材１０４および出力部材１０５から突出する軸部材１１０に結合し、他辺を中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂに連結する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃは、大きな角度がとれるようにリンク中心側に位置する軸部１１５の屈曲基端内側が大きくカットされた形状を有する。
【００５７】
中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂはほぼＬ字状をなし、両辺に貫通孔１１４を有する。この中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂは、大きな角度がとれるようにその周方向側面がカットされた形状を有する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの他辺から一体的に屈曲成形された軸部１１５を、軸受１１６を介して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの両辺の貫通孔１１４に挿通する。
【００５８】
この軸受１１６は、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの貫通孔１１４に内嵌された軸受外輪と、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの軸部１１５に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体とからなる。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃに対して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂを回転自在に支承する軸受１１６は、止め輪１１７により中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂから抜け止めされている。
【００５９】
前記リンク機構１０１〜１０３において、入力部材１０４および出力部材１０５の軸部材１１０の角度、長さ、および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃの幾何学的形状が入力側と出力側で等しく、また、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂについても入力側と出力側で形状が等しいとき、中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの対称面に対して中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂと、入出力部材１０４，１０５と連結される端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃとの角度位置関係を入力側と出力側で同じにすれば、幾何学的対称性から入力部材１０４および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａと、出力部材１０５および端部リンク部材１０１ｃ〜１０３ｃとは同じに動き、入力側と出力側は同じ回転角になって等速で回転することになる。この等速回転するときの中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの対称面を等速二等分面という。
【００６０】
このため、入出力部材１０４，１０５を共有する同じ幾何学形状のリンク機構１０１〜１０３を円周上に複数配置させることにより、複数のリンク機構１０１〜１０３が矛盾なく動ける位置として中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂが等速二等分面上のみの動きに限定され、これにより入力側と出力側は任意の作動角をとっても等速回転が得られる。
【００６１】
各リンク機構１０１〜１０３における４つの回転対偶の回転部、つまり、端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと入出力部材１０４，１０５の２つの連結部分、および端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと中央リンク部材１０１ｂ〜１０３ｂの２つの連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。
【００６２】
この軸受構造では予圧を付与することにより、ラジアル隙間とスラスト隙間をなくし、連結部でのがたつきを抑えることができ、入出力間の回転位相差がなくなり等速性を維持できると共に振動や異音の発生を抑制できる。特に、前記軸受構造において、軸受隙間を負すきまとすることにより、入出力間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。
【００６３】
このリンク作動装置７は、リンク機構１０１〜１０３の２つ以上のリンク機構について、入力部材１０４に対して入力側の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度を制御することにより、入力部材１０５の２自由度の姿勢を制御する。図５〜図９の例では、全リンク機構１０１〜１０３の端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度を制御する。端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａの角度制御機構１２０は、図７に示すように、駆動部ハウジング６にリンク機構用駆動源１２１を固定して設け、このリンク機構用駆動源１２１の駆動部ハウジング６から突出する出力軸１２２に傘歯車１２３を取付け、この傘歯車１２３に、入力部材１０４の軸部材１１０に取付けた前記ギア部材１１１のギア部を噛み合わせてある。リンク機構用駆動源１２１は、例えば電動モータである。リンク機構用駆動源１２１を回転させることにより、その回転が傘歯車１２３およびギア部材１１１を介して軸部材１１０に伝えられ、入力部材１０４に対して端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａが角度変更する。
【００６４】
このリンク作動装置７の構成によれば、入力部材１０４に対する出力部材１０５の可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材１０４の中心軸Ｂと出力部材１０５の中心軸Ｃの最大折れ角を約±９０°とすることができる。また、入力部材１０４に対する出力部材１０５の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。入力部材１０４と連結された各リンク機構１０１〜１０３の回転対偶に、出力部材１０５の姿勢を任意に制御するリンク機構用駆動源１２１を設けたことにより、出力部材１０５を任意の姿勢に容易に決められる。入力部材１０４から出力部材１０５へ等速で力が伝達されるため、出力部材１０５の動作がスムーズである。この実施形態では、入力部材１０４とリンク機構１０１〜１０３の各組の回転対偶にリンク機構用駆動源１２１を設けてあるが、２組以上にリンク機構用駆動源１２１を設ければ、入力部材１０４に対する出力部材１０５の姿勢を確定することができる。
【００６５】
また、この構成のリンク作動装置７は、入出力部材１０４，１０５に軸受外輪を内包すると共に軸受内輪を端部リンク部材１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｃ〜１０３ｃと結合させて、入出力部材１０４，１０５内に軸受構造を埋設したので、全体の外形を大きくすることなく、入出力部材１０４，１０５の外形を拡大することができる。そのため、入力部材１０４を駆動部ハウジング６に取付けるための取付スペース、並びに出力部材１０５を本体基端ハウジング４に取付けるための取付スペースの確保が容易である。
【００６６】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）に、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂの詳しい構造を示す。可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂは、可撓性のアウタチューブ７１と、このアウタチューブ７１の内部の中心位置に設けられた可撓性のインナワイヤ７２と、このインナワイヤ７２を前記アウタチューブ７１に対して回転自在に支持する複数の転がり軸受７３とを備える。インナワイヤ７２の両端は、それぞれ回転の入力端７２ａおよび出力端７２ｂとなる。アウタチューブ７１は、例えば樹脂製である。インナワイヤ７２としては、例えば金属、樹脂、グラスファイバー等のワイヤが用いられる。ワイヤは単線であっても、撚り線であってもよい。
【００６７】
各転がり軸受７３はアウタチューブ７１の中心線に沿って一定の間隔を開けて配置されており、隣合う転がり軸受７３間に、これら転がり軸受７３に対して予圧を与えるばね要素７４Ｉ，７４Ｏが設けられている。ばね要素７４Ｉ，７４Ｏは、例えば圧縮コイルばねであり、インナワイヤ７２の外周を巻線が囲むように設けられる。ばね要素は、転がり軸受７３の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素７４Ｉと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素７４Ｏとがあり、これらが交互に配置されている。
【００６８】
前記アウタチューブ７１の両端には、このアウタチューブ７１を他の部材に結合する継手７５が設けられている。継手７５は、雄ねじ部材７６と雌ねじ部材７３とで構成される。
雄ねじ部材７６は、内周に貫通孔７７が形成された筒状の部材であって、軸方向中央部の外周に雄ねじ部７８が形成されている。雄ねじ部材７６の軸方向の一方端には、内径および外径が同一径で軸方向に延びる円筒部７９が設けられている。この円筒部７９の外径は、アウタチューブ７１の内径部に嵌合する寸法とされている。また、軸方向の他方端には、外径側に拡がるフランジ部８０が設けられている。このフランジ部８０は他の部材に結合する結合手段であって、円周方向複数箇所に、ボルト等の固定具を挿入するための通孔８１が形成されている。前記貫通孔７７は、円筒部７９側からフランジ部８０側に向かって、小径部７７ａ、中径部７７ｂ、大径部７７ｃの順に段階的に内径が大きくなっている。中径部７７ｂには、インナワイヤ７２を回転自在に支持する転がり軸受８２が嵌め込まれる。
【００６９】
雌ねじ部材８３は、円筒状部８４と、この円筒状部８４の一端から内径側へ延びるつば状部８５とを有する筒状の部材であって、円筒状部８４の内周先端側に、前記雄ねじ部材７６の雄ねじ部７８に螺合する雌ねじ部８６が形成されている。つば状部８５の内径は、アウタチューブ７１が外周に嵌合する寸法とされている。
【００７０】
アウタチューブ７１を他の部材に結合する際には、まず、雄ねじ部材７６の円筒部７９をアウタチューブ７１の内径部に嵌合させ、かつ雌ねじ部材８３のつば状部８５をアウタチューブ７１の同一端の外径部に嵌合させた状態で、雄ねじ部材７６の雄ねじ部７８と雌ねじ部材８３の雌ねじ部８６とを螺合させる。これにより、雄ねじ部材７６の円筒部７９と雌ねじ部材８３のつば状部８５とで、アウタチューブ７１の一端を内外から挟み込んで固定する。インナワイヤ７２は、雄ねじ部材７６の貫通孔７７に挿通し、貫通孔７７の中径部７７ｂに嵌め込んだ転がり軸受８２によって支持させる。次いで、雄ねじ部材７６のフランジ部８０を、結合対象である他の部材に結合する。結合対象である他の部材は、可撓性ワイヤ９Ａの場合、工具回転用駆動源４１のハウジングと本体基端ハウジング４であり、可撓性ワイヤ９Ｂの場合、姿勢変更用駆動源４２と減速機構４３のハウジングである。この結合は、通孔８１に挿通したボルト等の固定具(図示せず)によって行う。以上で、アウタチューブ７１と他の部材との結合が完了し、図１０の状態となる。
【００７１】
この状態から、雄ねじ部７８と雌ねじ部８６の螺合を外すことで、雄ねじ部材７６の円筒部７９および雌ねじ部材８３のつば状部８５による拘束からアウタチューブ７１が解放され、アウタチューブ７１と他の部材との結合が解除される。これらアウタチューブ７１と他の部材との結合操作およびその解除操作は容易である。
【００７２】
また、アウタチューブ７１と継手７５を結合した状態で、雄ねじ部材７６の結合手段（フランジ部８０）により可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂと他の部材との結合操作および解除操作を行っても良い。これら可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂと他の部材との結合操作およびその解除操作はさらに容易となる。
【００７３】
前記インナワイヤ７２の入力端７２ａおよび出力端７２ｂには、回転軸体８８と連結するカップリング８９が設けられている。可撓性ワイヤ９Ａのインナワイヤ７２の入力端７２ａに連結される回転軸体８８は工具回転用駆動源４１の出力軸４１ａ（図５）であり、出力端７２ｂに連結される回転軸体８８は回転軸２２（図４）の基端である。また、可撓性ワイヤ９Ｂのインナワイヤ７２の入力端７２ａに連結される回転軸体８８は姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａ（図５）であり、出力端７２ｂに連結される回転軸体８８は減速機構４３の入力軸４３ｂ（図４）である。
【００７４】
図例のカップリング８９は、軸方向に貫通する貫通孔８９ａを有し、この貫通孔８９ａと外周との間に軸方向に離れて２つのねじ孔８９ｂを設けてある。前記貫通孔８９ａにインナワイヤ７２および回転軸体８８を両側から挿入し、ねじ孔８９ｂに螺着したボルト等のねじ部材（図示せず）の先端をインナワイヤ７２および回転軸体８８に押し付けることで、これらインナワイヤ７２および回転軸体８８をカップリング８９に固定して、インナワイヤ７２と回転軸体８８とを連結する。カップリング８９は、インナワイヤ７２と回転軸体８８とを回転伝達可能に連結できればよく、上記以外の構成であってもよい。
【００７５】
この構成の可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂは、隣合う転がり軸受７３間に、これら転がり軸受７３に対して予圧を与えるばね要素７４Ｉ，７４Ｏを設けたことにより、インナワイヤ７２の固有振動数が低くなることを抑えられ、インナワイヤ７２を高速回転させることが可能である。内輪用ばね要素７４Ｉおよび外輪用ばね要素７４Ｏは、インナワイヤ７２の長さ方向にわたり交互に配置されているため、アウタチューブ７１の径を大きくせずに、ばね要素７４Ｉ，７４Ｏを設けることができる。
【００７６】
また、可撓性ワイヤ９Ｂの場合、インナワイヤ７２の出力側にこのインナワイヤ７２の回転を減速して出力する減速機構４３が設けられる、インナワイヤ７２で伝達するトルクが小さくても、大きなトルクを発生できる。そのため、コンパクトな構造で、可撓性の高い可撓性ワイヤ９Ｂを実現できる。
【００７７】
この遠隔操作型アクチュエータの動作を説明する。
アクチュエータ本体５はリンク作動装置７により支持されており、リンク機構用駆動源１２１の駆動により、アクチュエータ本体５を直交２軸方向に移動させて、適正な位置および姿勢に保持する。リンク作動機構７は、入力部材１０４に対する出力部材１０５の可動範囲が広く、アクチュエータ本体５を任意の姿勢に容易に決められる。また、リンク作動装置７でアクチュエータ本体５を支持しているため、アクチュエータ本体５の位置および姿勢が安定する。
【００７８】
工具回転用駆動源４１を駆動すると、その回転が可撓性ワイヤ９Ａのインナワイヤ７２および回転軸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。この回転する工具１により、骨等を切削加工する。その際、姿勢変更用駆動源４２をコントローラ８により制御して、遠隔操作で先端部材２の姿勢変更を行う。
【００７９】
例えば、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３（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３（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。このとき、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。
【００８０】
姿勢操作部材３１の進退は、詳しくは次のようにして行われる。すなわち、前記姿勢変更用駆動源４２の回転が、可撓性ワイヤ９Ｂのインナワイヤ７２を介して減速機構４３に伝達され、減速機構４３により減速される。さらに、減速機構４３の出力軸４３ｂの回転運動が動作変換機構４４により直線往復運動に変換されて、出力部材である直動部材５１に伝達される。この直動部材５１の進退動作が接触部５１ａより姿勢操作部材３１の基端へ伝達されて、姿勢操作部材３１が進退動作する。減速機構４３が設けられているため、姿勢変更用駆動源４２の出力するトルクが小さくても、大きなトルクを発生させて、直動部材５１に大きな作用力を与えることができる。そのため、姿勢操作部材３１を確実に進退動作させることができ、先端部材２に設けた工具１を正確に位置決めできる。また、アクチュエータ本体５に工具回転用駆動源４１や姿勢変更用駆動源４２を設けないため、アクチュエータ本体５の重量を軽くできる。その結果、リンク機構１０１〜１０３に作用する慣性モーメントが小さくなり、リンク機構用駆動源１２１の小型化が可能になる。
【００８１】
先端部材２の姿勢は、位置検出手段５４により検出される姿勢操作部材３１の進退位置から求められる。位置検出手段５４の検出値、正確にはリニアエンコーダ５３の検出値をコントローラ８にフィードバックさせて、姿勢変更用駆動源４２の出力量を制御するフィードバック制御を行えば、工具１の位置決め精度を向上させることができる。
【００８２】
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。
【００８３】
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。また、アクチュエータ本体５が安定状態に支持されるので、操作がし易く、加工時間を短縮できる。それにより、手術用として使用する場合に、患者の負担を軽減できる。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
以上、アクチュエータ本体５のスピンドルガイド部３が直線形状である図１の例について説明したが、姿勢操作部材３１が可撓性であるため、図２のようにスピンドルガイド部３が湾曲していても、先端部材２の姿勢変更動作を確実に行える。スピンドルガイド部３の一部分のみが湾曲形状であってもよい。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。
【００８７】
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。
【００８８】
図１１および図１２はリンク作動装置の異なる構成を示す。このリンク作動装置７は、１つのリンク機構１０１の中央リンク部材１０１ｂにワイヤ案内部材１４１を固定して設け、このワイヤ案内部材１４１により可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを案内するようにしたものである。ワイヤ案内部材１４１は、基端が中央リンク部材１０１ｂに固定された支持部１４１ａと、この支持部１４１ａの先端に一体に設けたＣ字状の案内部１４１ｂとでなる。案内部１４１ｂの切れ目１４１ｂａは可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂの直径よりも小さい寸法であり、中央に可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを通す円形の開口１４１ｃが形成されている。この開口１４１ｃの中心は、中央リンク部材１０１ｂの軌道円１４３の中心１４４と合致する位置とされている。
【００８９】
各リンク機構１０１〜１０３がどのような姿勢になっても、３つ以上のリンク機構のうち少なくとも２つのリンク機構の中央リンク部材は、１つの軌道円１４３上を通る。そのため、中央リンク部材１０１ｂに固定したワイヤ案内部材１４１により可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを案内すれば、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂと他の部材、例えば他の中央リンク部材１０２ｂ，１０３ｂや端部リンク部材１０２ａ，１０２ｃ，１０３ａ，１０３ｃとの干渉を防止できる。また、中央リンク部材１０１ｂの軌道円１４３の中心１４４は、常に入力側と出力側の球面リンク中心を結ぶ直線上に位置し、球面リンク中心間の距離Ｌは、各リンク機構１０１〜１０３の姿勢が変化しても一定であるため、上記のようにワイヤ案内部材１４１の案内部１４１ｂの中心を中央リンク部材１０１ｂの軌道円１４３の中心１４４と合致する位置としたことで、可撓性ワイヤ９Ａ，９Ｂを最短距離で距離変動のない位置に配置することができる。
【００９０】
図１３は、動作変換機構の異なる例を示す。この動作変換機構４４は、ウォーム５７とウォームホイール５８とを組み合わせた構成である。具体的には、動作変換機構４４は、両端部が軸受４５で支持され一端が減速機構４３の出力軸４３ａにカップリング４６を介して連結されたウォーム５７と、支持軸５９に支持され前記ウォーム５７と噛み合うウォームホイール５８とを備える。ウォームホイール５８は動作変換機構４４の最終出力部であって、このウォームホイール５８の先端面からなる接触部５８ａに姿勢操作部材３１の基端が当接している。なお、ウォームホイール５８は、円周の一部にだけ歯が設けられ形状をしており、回転軸２２が挿通される開口５８ｂを有している。
【００９１】
姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａの回転が、減速機構４３で減速され、さらにウォーム５７とウォームホイール５８とでなる減速機構により減速されて、ウォームホイール５８へ伝達される。ウォームホイール５８の接触部５８ａが姿勢操作部材３１に対して滑り接触しながら、ウォームホイール５８が揺動することにより、姿勢操作部材３１に進退動作を与える。すなわち、接触部５８ａが図１２（Ａ）の左側へ回動するときは、接触部５８ａに押された姿勢操作部材３１が前進し、接触部５８ａが右側へ回動するときは、前記復元用弾性部材３２の弾性反発力により押し戻されて姿勢操作部材３１が後退する。
【００９２】
姿勢操作部材３１の進退位置は、位置検出手段５４により検出される。この図例の場合、位置検出手段５４は、ウォームホイール５８の背面に設けた被検出部６０と、本体基端ハウジング４に固定して設けられ前記被検出部６０の変位を検出する検出部６１とでなる。位置検出手段５４は、光学式であっても磁気式であってもよい。正確には、検出部６１の出力は進退位置推定手段５５に送信され、この進退位置推定手段５５により姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。つまり、位置検出手段５４は、減速機構４３と姿勢操作部材３１間の動力伝達手段であるウォームホイール５８の動作位置を検出し、この検出結果から姿勢操作部材３１の進退位置を推定する。
【００９３】
図１４は、先端部材２の姿勢を変更させる構成が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ワイヤ３１ａおよび柱状ピン３１ｂからなる姿勢操作部材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。
【００９４】
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１４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１４（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１４（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。
【００９５】
図１５は、先端部材２の姿勢を変更させる構成が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。
【００９６】
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（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。
【００９７】
例えば、図１５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１５（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１５（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。
【００９８】
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１５（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。
【００９９】
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。
【０１００】
図１６は図１５に示すものと比べてスピンドルガイド部３の内部構造が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（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が収容されている。
【０１０１】
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を厚くなり、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の位置決め精度を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。
【０１０２】
図１５や図１６のように姿勢操作部材３１が周方向の３箇所に設けられている場合、動作変換機構４４を例えば図１７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（図示せず）にそれぞれ対応させて、３つの動作変換機構４４（４４Ｕ，４４Ｌ，４４Ｒ）を設ける。各姿勢変更用駆動源は駆動部ハウジング（図示せず）に設けられ、その回転が、可撓性ワイヤ９Ｂを介して減速機構４３へ伝達され、減速機構４３により減速されてから、動作変換機構４４へ伝達される。図１７は、動作変換機構を直動機構型とした例である。各動作変換機構４４は、回転軸２２を中心にして放射状に配置してある。
【符号の説明】
【０１０３】
１…工具
２…先端部材
３…スピンドルガイド部
４…本体基端ハウジング
５…アクチュエータ本体
６…駆動部ハウジング（ベース部材）
７…リンク作動装置
８…コントローラ
９Ａ，９Ｂ…可撓性ワイヤ
１３…スピンドル
１５…先端部材連結部
２２…回転軸
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…減速機構
４４…動作変換機構
４９…ボールねじ機構
５４…位置検出手段
５７…ウォーム
５８…ウォームホイール
７１…アウタチューブ
７２…インナワイヤ
７３…転がり軸受
７４Ｉ…内輪用ばね要素
７４Ｏ…外輪用ばね要素
１０１，１０２，１０３…リンク機構
１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ…入力側の端部リンク部材
１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ…中央リンク部材
１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃ…出力側の端部リンク部材
１０４…入力部材
１０５…出力部材
１０６…可撓性ワイヤ挿通用の貫通孔
１２１…リンク機構用駆動源
１４１…ワイヤ案内部材
１４３…中央リンク部材の軌道円
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に工具を有するアクチュエータ本体を、ベース部材に対して、リンク作動装置により位置および姿勢を変更可能とした遠隔操作型アクチュエータであって、
前記アクチュエータ本体は、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前記工具と、前記スピンドルガイド部の基端が結合された本体基端ハウジングとを備え、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、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、姿勢変更用駆動源の回転を進退動作に変換して前記姿勢操作部材を進退させる動作変換機構を前記本体基端ハウジング内に設けたものとし、
前記リンク作動装置は、前記ベース部材に直接または間接的に結合された入力部材に対し、前記本体基端ハウジングに直接または間接的に結合された出力部材を、３組以上のリンク機構を介して位置および姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記入力部材および出力部材に一端が回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンク部材と、これら入力側および出力側の端部リンク部材の他端をそれぞれ回転可能に連結した中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、前記各リンク部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構における２組以上のリンク機構に、これら２組以上の各リンク機構を動作させて前記出力部材の姿勢を制御するリンク機構用駆動源を設けたものとし、
前記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前記リンク作動装置の前記入力部材または前記ベース部材に設け、この駆動源の回転力を前記回転軸または前記動作変換機構へ伝達する可撓性ワイヤを設けたことを特徴とする遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、前記回転軸における前記駆動部ハウジング側の端部の軸心を、前記出力部材の球面中心を通る中心軸と平行とした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２において、前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転運動を直線往復運動に変換するねじ機構式の直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部で前記姿勢操作部材に進退動作させる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項２において、前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転により回転するウォームと、このウォームと噛み合うウォームホイールとを組み合わせた構成であり、前記ウォームホイールの一部分である接触部が前記姿勢操作部材と滑り接触して姿勢操作部材を進退動作させる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に前記可撓性ワイヤを通して設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記可撓性ワイヤは、前記中央リンク部材に固定され各リンク機構の内側に位置するワイヤ案内部材により案内される遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記可撓性ワイヤは、可撓性を有するアウタチューブの内部に、両端がそれぞれ回転の入力端および出力端となる可撓性のインナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、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構造とした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記可撓性ワイヤの出力側に、この可撓性ワイヤの回転を減速する減速機構を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項９】
請求項８において、前記減速機構と前記姿勢操作部材間の動力伝達部材に、この動力伝達部材の動作位置を検出する位置検出手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９において、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に、前記位置検出手段とこの位置検出手段の検出信号を受信する制御部とをつなぐ配線を通して設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０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。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、医療用手術用である遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１】
先端に工具を有するアクチュエータ本体を、ベース部材に対して、リンク作動装置により位置および姿勢を変更可能とした遠隔操作型アクチュエータであって、
前記アクチュエータ本体は、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前記工具と、前記スピンドルガイド部の基端が結合された本体基端ハウジングとを備え、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、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、姿勢変更用駆動源の回転を進退動作に変換して前記姿勢操作部材を進退させる動作変換機構を前記本体基端ハウジング内に設けたものとし、
前記リンク作動装置は、前記ベース部材に直接または間接的に結合された入力部材に対し、前記本体基端ハウジングに直接または間接的に結合された出力部材を、３組以上のリンク機構を介して位置および姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記入力部材および出力部材に一端が回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンク部材と、これら入力側および出力側の端部リンク部材の他端をそれぞれ回転可能に連結した中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、前記各リンク部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構における２組以上のリンク機構に、これら２組以上の各リンク機構を動作させて前記出力部材の姿勢を制御するリンク機構用駆動源を設けたものとし、
前記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前記リンク作動装置の前記入力部材または前記ベース部材に設け、この駆動源の回転力を前記回転軸または前記動作変換機構へ伝達する可撓性ワイヤを設けたことを特徴とする遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、前記回転軸における前記駆動部ハウジング側の端部の軸心を、前記出力部材の球面中心を通る中心軸と平行とした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２において、前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転運動を直線往復運動に変換するねじ機構式の直動機構であって、この直動機構である動作変換機構の最終出力部で前記姿勢操作部材に進退動作させる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項２において、前記動作変換機構は、前記可撓性ワイヤの回転により回転するウォームと、このウォームと噛み合うウォームホイールとを組み合わせた構成であり、前記ウォームホイールの一部分である接触部が前記姿勢操作部材と滑り接触して姿勢操作部材を進退動作させる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に前記可撓性ワイヤを通して設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記可撓性ワイヤは、前記中央リンク部材に固定され各リンク機構の内側に位置するワイヤ案内部材により案内される遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記可撓性ワイヤは、可撓性を有するアウタチューブの内部に、両端がそれぞれ回転の入力端および出力端となる可撓性のインナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、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構造とした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記可撓性ワイヤの出力側に、この可撓性ワイヤの回転を減速する減速機構を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項９】
請求項８において、前記減速機構と前記姿勢操作部材間の動力伝達部材に、この動力伝達部材の動作位置を検出する位置検出手段を設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９において、前記入力部材および出力部材にそれぞれ貫通孔を設け、各貫通孔に、前記位置検出手段とこの位置検出手段の検出信号を受信する制御部とをつなぐ配線を通して設けた遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０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。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、医療用手術用である遠隔操作型アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−２４５０７５（Ｐ２０１１−２４５０７５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２２３９５（Ｐ２０１０−１２２３９５）
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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