遠隔操作型アクチュエータ
【課題】 細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を、遠隔操作で精度良く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】 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とを備える。スピンドルガイド部３は、スピンドル１３に回転を伝達する回転軸２２と、両端に貫通したガイド孔３０ａとを内部に有する。ガイド孔３０ａ内に進退自在に挿通した姿勢操作部材３１を姿勢変更用駆動源４２で進退動作させて、先端部材２を姿勢変更させる。姿勢変更用駆動源４２を制御する姿勢制御手段５３は、姿勢操作部材３１を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含む。
【解決手段】 細長形状のスピンドルガイド部３と、その先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材２と、先端部材２に回転自在に設けた工具１とを備える。スピンドルガイド部３は、スピンドル１３に回転を伝達する回転軸２２と、両端に貫通したガイド孔３０ａとを内部に有する。ガイド孔３０ａ内に進退自在に挿通した姿勢操作部材３１を姿勢変更用駆動源４２で進退動作させて、先端部材２を姿勢変更させる。姿勢変更用駆動源４２を制御する姿勢制御手段５３は、姿勢操作部材３１を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含む。
【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、従来の遠隔操作型アクチュエータは、工具の回転のみを遠隔操作で制御するだけであったため、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
【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、試作品で試験を行った結果、遠隔操作用の操作部材の動作方向によって操作部材に生じる摩擦抵抗の向きが変わることや、摩擦抵抗で操作部材が弾性変形することにより、操作部材を繰り返し動作する場合に操作部材の動作量に誤差が生じる場合のあることが分かった。
【００１０】
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。
【００１１】
この発明の目的は、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で精度良く変更することができ、特に遠隔操作用の操作部材を繰り返し動作させたときに摩擦抵抗の方向の違いに起因する誤差を低減できる遠隔操作型アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、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可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材を前記姿勢変更用駆動源で進退動作させる。前記姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御手段を設け、この姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、定められた規則に従い、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含むことを特徴とする。前記基準位置は、動作開始位置つまり動作開始直前の現在位置のことであり、原点位置等の特定の位置に限らない。
【００１３】
この構成によれば、工具回転用駆動源の回転が回転軸を介して先端部材のスピンドルに伝達され、このスピンドルに保持された工具が回転することにより、骨等の切削が行われる。このときの先端部材の姿勢は、姿勢操作部材の先端の位置によって決定される。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の位置が変わり、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。また、姿勢操作部材は可撓性であるため、スピンドルガイド部が湾曲した状態でも姿勢変更動作が確実に行われる。
【００１４】
姿勢操作部材は、細長形状のスピンドルガイド部の両端に貫通したガイド孔に挿通されており、細くて長く剛性が低いため、外力の影響を受けて進退方向の長さが変わる。つまり、姿勢操作部材はばね系であると見なせる。姿勢操作部材の進退、すなわち先端部材に対する作用力が増大する側への移動と減少する側への移動とで、姿勢操作部材とガイド孔の内周面との間で生じる摩擦の向きが異なる。また、姿勢操作部材を先端部材に対する作用力が増大する側へ移動させる場合は、姿勢操作部材と先端部材との接触部の摩擦が大きいが、作用力が減少する側へ移動させる場合は、姿勢操作部材と先端部材との接触部の摩擦はほとんど生じない。これらのことから、先端部材の姿勢変更時、姿勢変更用駆動源により姿勢操作部材に付与する駆動力が一定であっても、姿勢操作部材の進退の状況が異なれば、姿勢操作部材の長さが変わり、姿勢操作部材の先端の位置が一定しない。これは、先端部材の姿勢変更制御の精度に影響する。姿勢制御手段が、姿勢操作部材を基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、一時的に姿勢操作部材を目標位置を越えて移動させ、その後戻るように目標位置へ移動させると、上記姿勢操作部材の長さが変わる要因を排除することができる。それにより、常に一定の精度で先端部材の姿勢変更制御を行える。
【００１５】
この発明において、前記姿勢操作部材は、前記先端部材側に配置された剛体の先端力伝達部材と、前記姿勢変更用駆動源側に配置された剛体の基端力伝達部材と、これら先端力伝達部材と基端力伝達部材間で力を伝達する可撓性で長尺な中間力伝達部材とでなっていても良い。
先端力伝達部材および基端力伝達部材を剛体とすることで、姿勢操作部材の作用力を先端部材に確実に伝達することができ、かつ姿勢変更用駆動源の駆動力を姿勢操作部材に確実に伝達することができる。また、中間力伝達部材を可撓性で長尺とすることで、姿勢操作部材全体を可撓性とすることができる。
【００１６】
この発明において、前記姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を基準位置から前記先端部材に対する作用力が減少する側の目標位置へ移動させるとき、目標位置を越えて移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御するのが良い。
姿勢操作部材を先端部材に対する作用力が増大する側へ移動させる場合と減少する側へ移動させる場合とを比較すると、他の部材との摩擦の関係で、減少する側へ移動させる場合の方が、姿勢操作部材の先端の移動量が大きい。すなわち、作用力が増大する側へ移動させる場合と減少する側へ移動させる場合とで、姿勢操作部材の先端の移動量に差が生じる。姿勢操作部材を基準位置から先端部材に対する作用力が減少する側の目標位置へ移動させるとき、目標位置を越えて移動させた後、目標位置まで戻すようにすれば、上記移動量の差を解消して、姿勢操作部材に付与する駆動力が一定である場合には姿勢操作部材の先端の移動量を一定にできる。それにより、先端部材の姿勢変更制御の精度が向上する。
【００１７】
この発明において、前記先端部材は前記先端部材連結部の円筒状または球面状の案内面に沿って姿勢変更するものであり、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、前記案内面の曲率中心の周りの複数箇所に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記複数の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させるものとしても良い。
この構成であると、複数の姿勢操作部材で先端部材に作用力を付与して、先端部材の姿勢を変更、維持させるため、先端部材の姿勢安定性を高めることができる。このように複数の姿勢操作部材で先端部材を姿勢変更させる場合、前記姿勢制御手段を以下のように構成することができる。
【００１８】
すなわち、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材が同じ方向に移動して動作を完了するように前記姿勢変更用駆動源を制御するのが良い。
各姿勢操作部材が同じ方向に移動して動作を完了すれば、他の部材との摩擦の関係が各姿勢操作部材で同じになるため、動作完了時点における各姿勢操作部材の先端の移動量をほぼ同じにできる。
【００１９】
また、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材につき、目標位置を越えた位置まで移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御しても良い。
目標位置を越えた位置を適正に設定することにより、互いに異なる方向に移動する複数の姿勢操作部材について、動作完了時点における各姿勢操作部材の先端の移動量をほぼ同じにできる。
【００２０】
また、前記姿勢制御手段は、各姿勢操作部材を同期して駆動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御するのが良い。
各姿勢操作部材を同期して駆動すれば、先端部材の姿勢変更を短時間で円滑に行える。
【００２１】
上記各姿勢制御手段の思想を組み合わせて、姿勢制御手段を構成しても良い。
例えば、第１の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【００２２】
また、第２の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【００２３】
また、第３の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の第１の手前位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を、目標位置の手前で前記第１の手前位置よりも目標位置に近い第２の手前位置まで移動させ、第３過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【００２４】
また、第４の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する側に移動させる姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【発明の効果】
【００２５】
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、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可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材を前記姿勢変更用駆動源で進退動作させるものであって、前記姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御手段を設け、この姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、定められた規則に従い、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含むため、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で精度良く変更することができ、特に遠隔操作用の姿勢操作部材を繰り返し動作させたときに摩擦抵抗の方向の違いに起因する誤差を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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全体構成を示す図である。
【図２】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのIIＢ−IIＢ断面図、（Ｃ）は先端部材と回転軸との連結構造を示す図、（Ｄ）は先端部材のハウジングを基端側から見た図である。
【図３】図２（Ａ）とは異なる状態を示す先端部材およびスピンドルガイド部の断面図である。
【図４】図１のIV−IV断面図である。
【図５】姿勢操作部材の異なる２つ状態を模式化して表した図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は姿勢変更制御の第１の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図７】姿勢変更制御の第１の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図８】姿勢変更制御の第１の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【図９】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は姿勢変更制御の第２の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図１０】姿勢変更制御の第２の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図１１】姿勢変更制御の第２の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【図１２】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は姿勢変更制御の第３の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図１３】姿勢変更制御の第３の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図１４】姿勢変更制御の第３の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【図１５】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は姿勢変更制御の第４の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図１６】姿勢変更制御の第４の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図１７】姿勢変更制御の第４の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
図２および図３に示すように、先端部材２は、略円筒状のハウジング１１の内部に、一対の軸受１２によりスピンドル１３が回転自在に支持されている。スピンドル１３は、先端側が開口した筒状で、内径のスプライン部１３ａに工具１のシャンク１ａが回転不能の嵌合し、抜け止めピン１４によりシャンク１ａの抜け止めがなされている。この先端部材２は、先端部材連結部１５を介してスピンドルガイド部３の先端に取付けられる。先端部材連結部１５は、先端部材２を姿勢変更自在に支持する手段であり、球面軸受からなる。
【００２９】
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ＣＬ１上に曲率中心Ｏが位置し、基端側ほど径が小さい球面とされている。これにより、スピンドルガイド部３に対して先端部材２が抜け止めされるとともに、姿勢変更自在に支持される。図２は、スピンドル１３の中心線ＣＬ１とスピンドルガイド部３の中心線ＣＬ２が同一線である状態を示し、図３は両中心線ＣＬ１，ＣＬ２が互いに交差して角度θを持った状態を示す。
【００３０】
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１）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。
【００３１】
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、互いに回転伝達可能に連結されている。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と動位置である。回転軸２２と突起２２ａとは別部材で構成してもよい。
【００３２】
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。転がり軸受２６は、スピンドルガイド３内の回転軸２２を回転自在に支持する回転支持部材である。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。
【００３３】
外郭パイプ２５の内径面と回転軸２２の間には、互いに１２０度の位相にある周方向位置に、両端に貫通する３本のガイドパイプ３０が設けられている。そして、各ガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に、姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が進退自在に挿通されている。この例では、姿勢操作部材３１は、ワイヤからなり可撓性で長尺な中間力伝達部材３１ａと、その両端にそれぞれ配置され柱状の剛体からなる先端力伝達部材３１ｂおよび基端力伝達部材３１ｃとで構成される。
【００３４】
先端力伝達部材３１ｂの先端は球面状で、その球面状の先端が、ハウジング１１の基端面１１に形成された径方向の溝部１１ｂの底面に当接している。溝部１１ｂおよび先端力伝達部材３１ｂは回転防止機構３７を構成し、溝部１１ｂに挿入された先端力伝達部材３１ｂの先端部が溝部１１ｂの側面に当たることで、先端部材２がスピンドルガイド部３に対してスピンドル１３の中心線ＣＬ１回りに回転するのを防止している。基端力伝達部材３１ｃの基端も球面状で、その球面状の基端が、後記レバー４３ｂの側面に当接している。
【００３５】
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。
【００３６】
図１および図４に示すように、工具回転用駆動機構４ｂは、工具回転用駆動源４１を備える。工具回転用駆動源４１は、例えば電動モータであり、その出力軸４１ａが前記回転軸２２の基端に結合させてある。また、姿勢制御用駆動機構４ｃは、各姿勢変更部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）（図２（Ｂ））にそれぞれ対応する３個の姿勢制御用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を備える。姿勢制御用駆動源４２は、例えば電動リニアアクチュエータであり、内蔵されている回転モータ（図示せず）の回転運動を、逆入力防止機構を兼ねる回転・直線運動変換機構４５を介して直線運動に変換し、出力ロッド４２ａに伝達する。出力ロッド４２ａは図１の左右方向に移動し、その出力ロッド４２ａの移動量すなわち姿勢制御用駆動源４２の動作量が、動作量検出器４６によって検出される。
【００３７】
上記回転・直線運動変換機構４５としては、三角ねじや台形ねじ等の滑りねじ型の送りねじ機構を採用できる。このような滑りねじ型の送りねじ機構を設けたことにより、姿勢制御用駆動源４２は、姿勢操作部材３１からの力で動作するのを防止する逆入力防止機能を有する。回転・直線運動変換機構４５としては、滑りねじ型の他に、ボールねじやラック・ピニオン機構等を用いてもよい。その場合は、逆入力防止機構を別に設けるのが望ましい。この場合の逆入力防止機構としては、ウォームギア等が採用できる。その他、減速比の大きい減速機構も採用できる。
なお、逆入力防止機構は、必ずしも姿勢制御用駆動源４２に設ける必要はなく、姿勢制御用駆動機構４ｃのどこか、すなわち姿勢制御用駆動源４２と姿勢操作部材３１との間に設ければよい。
【００３８】
出力ロッド４２ａの直線運動は、増力伝達機構４３を介して姿勢操作部材３１に伝達される。増力伝達機構４３は、支軸４３ａ回りに回動自在なレバー４３ｂを有し、このレバー４３ｂにおける支軸４３ａからの距離が長い作用点Ｐ１に出力ロッド４２ａの力が作用し、支軸４３ａからの距離が短い力点Ｐ２で姿勢操作部材３１に力を与える構成であり、姿勢制御用駆動源４２の出力が増力して姿勢操作部材３１に伝達される。レバー４３ｂの中間部には肉厚の薄い起歪部４３ｂａが設けられ、この起歪部４３ｂａの両側に起歪部４３ｂａに発生する歪みを検出する歪みセンサ４７が取付けられている。なお、回転軸２２は、レバー４３ｂに形成された開口４４を貫通させてある。
【００３９】
コントローラ５は、コンピュータおよびこれに実行されるプログラムからなる制御装置５Ａと、上記コンピュータに対して入力する手動操作式の回転速度設定手段５０および姿勢設定手段５１とを備える。回転速度設定手段５０は、スピンドル１３の回転速度を設定するものである。姿勢設定手段５１は、先端部材２のスピンドルガイド部３に対する目標姿勢を設定するものである。また、コントローラ５における制御装置５Ａは、上記コンピュータとプログラムとで、工具回転用駆動源４１を制御する工具回転制御手段５２と、各姿勢制御用駆動源４２を制御する姿勢制御手段５３と、先端部材２に作用する外力を推定する外力推定手段５４とが構成されている。
【００４０】
工具回転制御手段５２は、前記回転速度設定手段５０からの入力に応じてモータドライバ５５に出力し、工具回転用駆動源４１を駆動させる。
【００４１】
姿勢制御手段５３は、初期姿勢保持制御部５３ａと姿勢変更制御部５３ｂとでなる。これら初期姿勢保持制御部５３ａおよび姿勢変更制御部５３ｂは、前記姿勢設定手段５１からの入力等に応じてモータドライバ５６に出力し、姿勢制御用駆動源４２を駆動させる。
【００４２】
初期姿勢保持制御部５３ａは、先端部材２を定められた初期姿勢で姿勢保持可能とする初期姿勢保持力を各姿勢操作部材３１に与えるように各姿勢制御用駆動源４２を制御する。初期姿勢は、例えばスピンドル１３の中心線ＣＬ１とスピンドルガイド部３の中心線ＣＬ２とが同一線となる姿勢である。先端部材２の姿勢は、先端部材２に作用する外力と各姿勢制御用駆動源４２の推力とのバランスによって決定される。そこで、初期姿勢保持力を姿勢操作部材３１に与えるように各姿勢制御用駆動源４２を制御することで、先端部材２を初期姿勢に保持する。姿勢制御用駆動源４２の推力によって、先端部材２の姿勢の維持、すなわち先端部材２の剛性確保を行うのである。
【００４３】
姿勢変更制御部５３ｂは、各姿勢操作部材３１が互いに連係して進退して先端部材２を姿勢変更させるように各姿勢制御用駆動源４２を制御する。
例えば、図２における上側の１つの姿勢操作部材３１Ｕを先端側へ進出させ、かつ他の２つの姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを後退させると、上側の姿勢操作部材３１Ｕによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は図２（Ａ）において先端側が下向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。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。
【００４４】
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２（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。
【００４５】
上記先端部材２の姿勢変更制御において、先端部材２の姿勢は、先端部材２が初期姿勢にあるときの姿勢操作部材３１の位置を原点位置として、この原点位置に対する姿勢操作部材３１の進退量に応じて決定される。具体的には、姿勢変更制御部５３ｂは、姿勢設定手段５１で設定された先端部材２の目標姿勢をそれに相当する姿勢操作部材３１の進退量に変換し、その変換した進退量に応じて姿勢制御用駆動源４２の動作量を変化させる。このように、姿勢操作部材３１の進退量に応じて姿勢制御用駆動源４２の動作量を変化させれば、先端部材２の姿勢変更制御が単純化されて容易である。
【００４６】
ところで、姿勢操作部材３１の中間力伝達部材３１ａは、細くて長く可撓性であるため、外力によって進退方向に伸縮する。つまり、姿勢操作部材３１は、図５に示すようなばね系であると見なせる。同図において、中間力伝達部材３１ａは、剛体３１ａａおよび一対のばね３１ａｂ，３１ａｃで表してある。図５のＡ部は、姿勢操作部材３１が基端側（右側）へ移動後、静止した状態を示す。また、図５のＢ部は、姿勢操作部材３１が先端側（左側）へ移動後、静止した状態を示す。姿勢操作部材３１を駆動する駆動力の大きさはどちらも同じである。図中のｆ１は先端力伝達部材３１ｂとガイド孔３０ａの内周面との間に生じる摩擦力、ｆ２は中間力伝達部材３１ａとガイド孔３０ａの内周面との間に生じる摩擦力、ｆ３は基端力伝達部材３１ｃとガイド孔３０ａの内周面との間に生じる摩擦力、Ｋはばね３１ａｂ，３１ａｃのばね定数である。
【００４７】
姿勢操作部材３１を駆動する駆動力の大きさが同じであっても、図示のように、姿勢操作部材３１が基端側へ移動する場合の方が、先端側へ移動する場合よりも、姿勢操作部材３１の先端の移動量が大きくなる。これは、姿勢操作部材３１の進退の方向によって前記摩擦力ｆ１，ｆ２，ｆ３の向きが変わることによるもので、移動量の差ΔＬは、ΔＬ＝｛２（ｆ２＋２・ｆ１）｝／Ｋで表される。
【００４８】
また、姿勢操作部材３１が基端側へ移動する場合は、先端部材２に対する作用力が減少するため、姿勢操作部材３１と先端部材２との接触部の摩擦がほとんど無いが、姿勢操作部材３１が先端側へ移動する場合は、先端部材２に対する作用力が増大するため、姿勢操作部材３１と先端部材２との接触部の摩擦が大きい。このことも、姿勢操作部材３１の先端の移動量に差ΔＬが生じる要因になる。
【００４９】
先端部材２の姿勢は、各姿勢操作部材３１の先端の相対位置によって決定される。上記のように、姿勢操作部材３１の進退状況によって姿勢操作部材３１の先端の移動量に差ΔＬがあると、先端部材２の姿勢変更制御の精度に影響する。そこで、姿勢変更制御部５３ｂでは、後段で説明するように、先端部材２の姿勢変更のため姿勢操作部材３１を基準位置から目標位置へ移動させるとき、定められた規則Ｒに従い、一時的に姿勢操作部材３１を目標位置から遠ざかる側に移動させるようにしている。基準位置は、動作開始位置つまり動作開始直前の現在位置のことであり、原点位置とは限らない。これにより、上記姿勢操作部材３１の先端の移動量に差が生じる要因が排除され、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。この姿勢変更制御には幾通りかの手法がある。以下に説明する各手法では、先端部材２をＸ軸（図２（Ｂ））回りに上向きに屈曲させて、図２（Ａ）の初期姿勢状態から図３の状態にする場合を例にする。前記定められた規則Ｒは、以下の何れかの手法で制御するものとされる。
【００５０】
図６〜図８と共に、姿勢変更制御の第１の手法を説明する。
図６（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図６（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２の手前の位置Ｐ２ａまでとする。上記位置Ｐ１ａ，Ｐ２ａは、試験または計算により求められる。次に、図６（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１に停止させ、かつ姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを前進させて目標位置Ｐ２に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。なお、図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図２（Ｂ）のVI−ＣＬ２−VI断面を簡略化して表した図である。図９、図１２、図１５についても同様である。
【００５１】
図７は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図８は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻である。
【００５２】
この手法によれば、第１の過程で姿勢操作部材３１Ｕを目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させることで、姿勢操作部材３１Ｕと姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒとの変位差を一時的に大きくする。その後、第２の過程により、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒが同じ方向に移動して動作を完了する。このように、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒを同じ方向に移動して動作を完了させれば、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定になり、摩擦力による各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの伸縮量も一定になる。そのため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００５３】
なお、姿勢操作部材３１Ｕの後退量が大きくなると、姿勢操作部材３１Ｕの先端が先端部材２に付与する予圧が低下し、先端部材２の姿勢保持力が低下する。そのため、姿勢操作部材３１Ｕを後退させる位置Ｐ１ａは、上記予圧の低下を考慮して設定する。
【００５４】
図９〜図１１と共に、姿勢変更制御の第２の手法を説明する。
図９（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図９（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２まで前進させる。上記位置Ｐ１ａは、試験または計算により求められる。次に、図９（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。
【００５５】
図１０は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図１１は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻である。
【００５６】
この手法が前記第１の手法と異なる点は、第１の過程で姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを目標位置Ｐ２まで移動させることである。そのため、第１の手法と比較して、先端部材２の予圧低下を緩和しつつ、姿勢操作部材３１Ｕと姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒとの変位差を大きくすることができる。また、第１の手法と同様に、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定にできる。したがって、第２の手法によっても、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００５７】
図１２〜図１４と共に、姿勢変更制御の第３の手法を説明する。
図１２（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図１２（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２の手前の位置Ｐ２ａまでとする。次に、図１２（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１の手前の位置Ｐ１ｂまで前進させ、かつ姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを前進させて目標位置Ｐ２に停止させる。上記位置Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ２ａは、試験または計算により求められる。さらに、第３の過程により、姿勢操作部材３１Ｕだけを前進させて目標位置Ｐ１に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。
【００５８】
図１３は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図１４は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻、ｔ３は第３過程終了時刻である。
【００５９】
この手法は、前記第１の手法と第２の手法の中間的な制御手法であり、作用・効果も中間的である。この場合も、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定にできるため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００６０】
図１５〜図１７と共に、姿勢変更制御の第４の手法を説明する。
図１５（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図１５（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２を越えた位置Ｐ２ｂで前進させる。上記位置Ｐ１ａ，Ｐ２ｂは、試験または計算により求められる。次に、図１５（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１に停止させ、かつ姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを後退させて目標位置Ｐ２に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。
【００６１】
図１６は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図１７は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻である。ここで、図１７では、先端位置の変位量がｔ１からｔ２までの間、ｈのまま変化していないが、Ｐ１ａ，Ｐ２ｂの設定が適切でない場合、時間とともに変位量が増加または増加することもある。
【００６２】
この手法は、前記第２の手法と異なり、第１の過程で姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを目標位置Ｐ２を越えた位置Ｐ２ｂまで前進させる。そのため、第２の手法と比較して、先端部材２の予圧の減衰量を抑えつつ、姿勢操作部材３１Ｕと姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒとの変位差を大きくすることができ、先端部材２の角度屈曲量を大きくできる。この場合も、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定にできるため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００６３】
なお、第１の過程終了時における姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒの前進量が大きすぎると、先端部材２が一時的に目標とする角度θを大きく越えて屈曲する可能性がある。そのため、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを前進させる位置Ｐ２ｂは、上記先端部材２の一時的な変位の増大を考慮して設定する。なお、角度θは、先端部材２の先端の変位量がｈであるときの、先端部材２の角度である。
【００６４】
上記姿勢変更制御の際、動作量検出器４６によって検出された姿勢制御用駆動源４２の動作量を姿勢変更制御部５３ｂにフィードバックして、制御を行う。動作量検出器４６が設けられていると、姿勢制御用駆動源４２の動作量を正確に検出することができ、その出力を姿勢変更制御部５３ｂにフィードバックすることで、姿勢変更制御を精度良く行うことができる。
【００６５】
外力推定手段５４は、先端部材２に作用する外力と前記歪みセンサ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、歪みセンサ４７から入力された信号から前記関係設定手段を用いて先端部材２に作用する外力を推定する。
【００６６】
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。この回転する工具１により、骨等を切削が行われる。先端部材２が静止状態の初期姿勢にあるときは、初期姿勢保持制御部５３ａにより各姿勢制御用駆動源４２を制御し、各姿勢操作部材３１に初期姿勢保持力を与える。それにより、先端部材２に作用する力のバランスが保たれて、先端部材２の姿勢が維持される。
【００６７】
使用時には、姿勢変更制御部５３ｂにより姿勢変更用駆動源４２を制御して、先端部材２の姿勢変更を行う。この先端部材２の姿勢変更制御には前記第１〜第４の手法のうちいずれかが適用されるが、どの手法であっても、各姿勢操作部材３１の先端の移動量に差が生じないため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。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。
【００６８】
切削加工中に工具１や先端部材２に外力が作用すると、その力が姿勢操作部材３１を介して増力伝達機構４３のレバー４３ｂに伝わり、レバー４３ｂの脆弱部である起歪部４３ｂａに歪みが生じる。この歪みが歪みセンサ４７に検出され、その出力信号が外力推定手段５４に送信される。外力推定手段５４は、この歪みセンサ４７の出力信号から先端部材２に作用する外力を推定する。このように推定される外力の大きさに応じて遠隔操作型アクチュエータ全体の送り量や先端部材２の姿勢変更を制御することにより、先端部材２に作用する外力を適正に保った状態で、安全かつ正確に骨の切削加工を行える。
【００６９】
また、先端部材２がスピンドルガイド部３に対して先端部材２の中心線ＣＬ１回りに回転するのを防止する回転防止機構３７が設けられているため、姿勢操作部材３１の進退を制御する姿勢操作用駆動機構４ｃや姿勢制御手段５３の故障等により工具１を保持する先端部材２が制御不能となった場合でも、先端部材２が中心線ＣＬ１回りに回転して加工箇所の周りを傷つけたり、先端部材２自体が破損したりすることを防止できる。
【００７０】
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を構成する姿勢操作ワイヤ３１ａ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。
【００７１】
この遠隔操作型アクチュエータを、例えば人工関節置換手術に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。
【００７２】
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、かつ内部を中空化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。
【００７３】
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。
【００７４】
上記実施形態は、ガイドパイプ３０および姿勢操作部材３１を円周方向の３箇所に設けた構成であるが、外郭パイプ２５内の互いに１８０度の位相にある２箇所にガイドパイプ３０および姿勢操作部材３１を設けた構成としてもよい（図示せず）。その場合、先端部材２は、１軸回りにのみ姿勢変更可能である。
【００７５】
上記実施形態はスピンドルガイド部３が直線形状であるが、この発明の遠隔操作型アクチュエータは、姿勢操作部材３１が可撓性であり、スピンドルガイド部３が湾曲した状態でも先端部材２の姿勢変更動作が確実に行われるので、スピンドルガイド部３を初期状態で湾曲形状としてもよい。あるいは、スピンドルガイド部３の一部分のみを湾曲形状としてもよい。スピンドルガイド部３が湾曲形状であれば、直線形状では届きにくい骨の奥まで先端部材２を挿入することが可能となる場合があり、人工関節置換手術における人工関節挿入用穴の加工を精度良く仕上げることが可能になる。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は弾性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。
【符号の説明】
【００７６】
１…工具
２…先端部材
３…スピンドルガイド部
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
３０ａ…ガイド孔
３１…姿勢操作部材
３１ａ…中間力伝達部材
３１ｂ…先端力伝達部材
３１ｃ…基端力伝達部材
４１…工具回転用駆動源
４２…姿勢変更用駆動源
５３…姿勢制御手段
５３ｂ…姿勢変更制御部
ＣＬ１…スピンドルの中心線
ＣＬ２…回転軸の中心線
Ｆ１，Ｆ２…案内面
Ｏ…曲率中心
Ｐ０…基準位置
Ｐ１…目標位置
Ｐ２…目標位置
【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、従来の遠隔操作型アクチュエータは、工具の回転のみを遠隔操作で制御するだけであったため、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
【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、試作品で試験を行った結果、遠隔操作用の操作部材の動作方向によって操作部材に生じる摩擦抵抗の向きが変わることや、摩擦抵抗で操作部材が弾性変形することにより、操作部材を繰り返し動作する場合に操作部材の動作量に誤差が生じる場合のあることが分かった。
【００１０】
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。
【００１１】
この発明の目的は、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で精度良く変更することができ、特に遠隔操作用の操作部材を繰り返し動作させたときに摩擦抵抗の方向の違いに起因する誤差を低減できる遠隔操作型アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、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可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材を前記姿勢変更用駆動源で進退動作させる。前記姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御手段を設け、この姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、定められた規則に従い、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含むことを特徴とする。前記基準位置は、動作開始位置つまり動作開始直前の現在位置のことであり、原点位置等の特定の位置に限らない。
【００１３】
この構成によれば、工具回転用駆動源の回転が回転軸を介して先端部材のスピンドルに伝達され、このスピンドルに保持された工具が回転することにより、骨等の切削が行われる。このときの先端部材の姿勢は、姿勢操作部材の先端の位置によって決定される。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の位置が変わり、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。また、姿勢操作部材は可撓性であるため、スピンドルガイド部が湾曲した状態でも姿勢変更動作が確実に行われる。
【００１４】
姿勢操作部材は、細長形状のスピンドルガイド部の両端に貫通したガイド孔に挿通されており、細くて長く剛性が低いため、外力の影響を受けて進退方向の長さが変わる。つまり、姿勢操作部材はばね系であると見なせる。姿勢操作部材の進退、すなわち先端部材に対する作用力が増大する側への移動と減少する側への移動とで、姿勢操作部材とガイド孔の内周面との間で生じる摩擦の向きが異なる。また、姿勢操作部材を先端部材に対する作用力が増大する側へ移動させる場合は、姿勢操作部材と先端部材との接触部の摩擦が大きいが、作用力が減少する側へ移動させる場合は、姿勢操作部材と先端部材との接触部の摩擦はほとんど生じない。これらのことから、先端部材の姿勢変更時、姿勢変更用駆動源により姿勢操作部材に付与する駆動力が一定であっても、姿勢操作部材の進退の状況が異なれば、姿勢操作部材の長さが変わり、姿勢操作部材の先端の位置が一定しない。これは、先端部材の姿勢変更制御の精度に影響する。姿勢制御手段が、姿勢操作部材を基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、一時的に姿勢操作部材を目標位置を越えて移動させ、その後戻るように目標位置へ移動させると、上記姿勢操作部材の長さが変わる要因を排除することができる。それにより、常に一定の精度で先端部材の姿勢変更制御を行える。
【００１５】
この発明において、前記姿勢操作部材は、前記先端部材側に配置された剛体の先端力伝達部材と、前記姿勢変更用駆動源側に配置された剛体の基端力伝達部材と、これら先端力伝達部材と基端力伝達部材間で力を伝達する可撓性で長尺な中間力伝達部材とでなっていても良い。
先端力伝達部材および基端力伝達部材を剛体とすることで、姿勢操作部材の作用力を先端部材に確実に伝達することができ、かつ姿勢変更用駆動源の駆動力を姿勢操作部材に確実に伝達することができる。また、中間力伝達部材を可撓性で長尺とすることで、姿勢操作部材全体を可撓性とすることができる。
【００１６】
この発明において、前記姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を基準位置から前記先端部材に対する作用力が減少する側の目標位置へ移動させるとき、目標位置を越えて移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御するのが良い。
姿勢操作部材を先端部材に対する作用力が増大する側へ移動させる場合と減少する側へ移動させる場合とを比較すると、他の部材との摩擦の関係で、減少する側へ移動させる場合の方が、姿勢操作部材の先端の移動量が大きい。すなわち、作用力が増大する側へ移動させる場合と減少する側へ移動させる場合とで、姿勢操作部材の先端の移動量に差が生じる。姿勢操作部材を基準位置から先端部材に対する作用力が減少する側の目標位置へ移動させるとき、目標位置を越えて移動させた後、目標位置まで戻すようにすれば、上記移動量の差を解消して、姿勢操作部材に付与する駆動力が一定である場合には姿勢操作部材の先端の移動量を一定にできる。それにより、先端部材の姿勢変更制御の精度が向上する。
【００１７】
この発明において、前記先端部材は前記先端部材連結部の円筒状または球面状の案内面に沿って姿勢変更するものであり、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、前記案内面の曲率中心の周りの複数箇所に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記複数の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させるものとしても良い。
この構成であると、複数の姿勢操作部材で先端部材に作用力を付与して、先端部材の姿勢を変更、維持させるため、先端部材の姿勢安定性を高めることができる。このように複数の姿勢操作部材で先端部材を姿勢変更させる場合、前記姿勢制御手段を以下のように構成することができる。
【００１８】
すなわち、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材が同じ方向に移動して動作を完了するように前記姿勢変更用駆動源を制御するのが良い。
各姿勢操作部材が同じ方向に移動して動作を完了すれば、他の部材との摩擦の関係が各姿勢操作部材で同じになるため、動作完了時点における各姿勢操作部材の先端の移動量をほぼ同じにできる。
【００１９】
また、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材につき、目標位置を越えた位置まで移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御しても良い。
目標位置を越えた位置を適正に設定することにより、互いに異なる方向に移動する複数の姿勢操作部材について、動作完了時点における各姿勢操作部材の先端の移動量をほぼ同じにできる。
【００２０】
また、前記姿勢制御手段は、各姿勢操作部材を同期して駆動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御するのが良い。
各姿勢操作部材を同期して駆動すれば、先端部材の姿勢変更を短時間で円滑に行える。
【００２１】
上記各姿勢制御手段の思想を組み合わせて、姿勢制御手段を構成しても良い。
例えば、第１の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【００２２】
また、第２の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【００２３】
また、第３の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の第１の手前位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を、目標位置の手前で前記第１の手前位置よりも目標位置に近い第２の手前位置まで移動させ、第３過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【００２４】
また、第４の手法にかかる姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する側に移動させる姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する。
【発明の効果】
【００２５】
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、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可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材を前記姿勢変更用駆動源で進退動作させるものであって、前記姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御手段を設け、この姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、定められた規則に従い、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含むため、細長いパイプ部の先端に設けられた工具の姿勢を遠隔操作で精度良く変更することができ、特に遠隔操作用の姿勢操作部材を繰り返し動作させたときに摩擦抵抗の方向の違いに起因する誤差を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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全体構成を示す図である。
【図２】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの先端部材およびスピンドルガイド部の断面図、（Ｂ）はそのIIＢ−IIＢ断面図、（Ｃ）は先端部材と回転軸との連結構造を示す図、（Ｄ）は先端部材のハウジングを基端側から見た図である。
【図３】図２（Ａ）とは異なる状態を示す先端部材およびスピンドルガイド部の断面図である。
【図４】図１のIV−IV断面図である。
【図５】姿勢操作部材の異なる２つ状態を模式化して表した図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は姿勢変更制御の第１の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図７】姿勢変更制御の第１の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図８】姿勢変更制御の第１の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【図９】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は姿勢変更制御の第２の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図１０】姿勢変更制御の第２の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図１１】姿勢変更制御の第２の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【図１２】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は姿勢変更制御の第３の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図１３】姿勢変更制御の第３の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図１４】姿勢変更制御の第３の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【図１５】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は姿勢変更制御の第４の手法による先端部材の姿勢変更における姿勢操作部材の位置の変化を段階的に示す図である。
【図１６】姿勢変更制御の第４の手法による先端部材の姿勢変更時における各姿勢操作部材の基端位置の変化を示すタイムチャートである。
【図１７】姿勢変更制御の第４の手法による先端部材の姿勢変更時における先端部材の変位量の変化を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
図２および図３に示すように、先端部材２は、略円筒状のハウジング１１の内部に、一対の軸受１２によりスピンドル１３が回転自在に支持されている。スピンドル１３は、先端側が開口した筒状で、内径のスプライン部１３ａに工具１のシャンク１ａが回転不能の嵌合し、抜け止めピン１４によりシャンク１ａの抜け止めがなされている。この先端部材２は、先端部材連結部１５を介してスピンドルガイド部３の先端に取付けられる。先端部材連結部１５は、先端部材２を姿勢変更自在に支持する手段であり、球面軸受からなる。
【００２９】
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ＣＬ１上に曲率中心Ｏが位置し、基端側ほど径が小さい球面とされている。これにより、スピンドルガイド部３に対して先端部材２が抜け止めされるとともに、姿勢変更自在に支持される。図２は、スピンドル１３の中心線ＣＬ１とスピンドルガイド部３の中心線ＣＬ２が同一線である状態を示し、図３は両中心線ＣＬ１，ＣＬ２が互いに交差して角度θを持った状態を示す。
【００３０】
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１）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。
【００３１】
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、互いに回転伝達可能に連結されている。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と動位置である。回転軸２２と突起２２ａとは別部材で構成してもよい。
【００３２】
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。転がり軸受２６は、スピンドルガイド３内の回転軸２２を回転自在に支持する回転支持部材である。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。
【００３３】
外郭パイプ２５の内径面と回転軸２２の間には、互いに１２０度の位相にある周方向位置に、両端に貫通する３本のガイドパイプ３０が設けられている。そして、各ガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に、姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が進退自在に挿通されている。この例では、姿勢操作部材３１は、ワイヤからなり可撓性で長尺な中間力伝達部材３１ａと、その両端にそれぞれ配置され柱状の剛体からなる先端力伝達部材３１ｂおよび基端力伝達部材３１ｃとで構成される。
【００３４】
先端力伝達部材３１ｂの先端は球面状で、その球面状の先端が、ハウジング１１の基端面１１に形成された径方向の溝部１１ｂの底面に当接している。溝部１１ｂおよび先端力伝達部材３１ｂは回転防止機構３７を構成し、溝部１１ｂに挿入された先端力伝達部材３１ｂの先端部が溝部１１ｂの側面に当たることで、先端部材２がスピンドルガイド部３に対してスピンドル１３の中心線ＣＬ１回りに回転するのを防止している。基端力伝達部材３１ｃの基端も球面状で、その球面状の基端が、後記レバー４３ｂの側面に当接している。
【００３５】
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。
【００３６】
図１および図４に示すように、工具回転用駆動機構４ｂは、工具回転用駆動源４１を備える。工具回転用駆動源４１は、例えば電動モータであり、その出力軸４１ａが前記回転軸２２の基端に結合させてある。また、姿勢制御用駆動機構４ｃは、各姿勢変更部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）（図２（Ｂ））にそれぞれ対応する３個の姿勢制御用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を備える。姿勢制御用駆動源４２は、例えば電動リニアアクチュエータであり、内蔵されている回転モータ（図示せず）の回転運動を、逆入力防止機構を兼ねる回転・直線運動変換機構４５を介して直線運動に変換し、出力ロッド４２ａに伝達する。出力ロッド４２ａは図１の左右方向に移動し、その出力ロッド４２ａの移動量すなわち姿勢制御用駆動源４２の動作量が、動作量検出器４６によって検出される。
【００３７】
上記回転・直線運動変換機構４５としては、三角ねじや台形ねじ等の滑りねじ型の送りねじ機構を採用できる。このような滑りねじ型の送りねじ機構を設けたことにより、姿勢制御用駆動源４２は、姿勢操作部材３１からの力で動作するのを防止する逆入力防止機能を有する。回転・直線運動変換機構４５としては、滑りねじ型の他に、ボールねじやラック・ピニオン機構等を用いてもよい。その場合は、逆入力防止機構を別に設けるのが望ましい。この場合の逆入力防止機構としては、ウォームギア等が採用できる。その他、減速比の大きい減速機構も採用できる。
なお、逆入力防止機構は、必ずしも姿勢制御用駆動源４２に設ける必要はなく、姿勢制御用駆動機構４ｃのどこか、すなわち姿勢制御用駆動源４２と姿勢操作部材３１との間に設ければよい。
【００３８】
出力ロッド４２ａの直線運動は、増力伝達機構４３を介して姿勢操作部材３１に伝達される。増力伝達機構４３は、支軸４３ａ回りに回動自在なレバー４３ｂを有し、このレバー４３ｂにおける支軸４３ａからの距離が長い作用点Ｐ１に出力ロッド４２ａの力が作用し、支軸４３ａからの距離が短い力点Ｐ２で姿勢操作部材３１に力を与える構成であり、姿勢制御用駆動源４２の出力が増力して姿勢操作部材３１に伝達される。レバー４３ｂの中間部には肉厚の薄い起歪部４３ｂａが設けられ、この起歪部４３ｂａの両側に起歪部４３ｂａに発生する歪みを検出する歪みセンサ４７が取付けられている。なお、回転軸２２は、レバー４３ｂに形成された開口４４を貫通させてある。
【００３９】
コントローラ５は、コンピュータおよびこれに実行されるプログラムからなる制御装置５Ａと、上記コンピュータに対して入力する手動操作式の回転速度設定手段５０および姿勢設定手段５１とを備える。回転速度設定手段５０は、スピンドル１３の回転速度を設定するものである。姿勢設定手段５１は、先端部材２のスピンドルガイド部３に対する目標姿勢を設定するものである。また、コントローラ５における制御装置５Ａは、上記コンピュータとプログラムとで、工具回転用駆動源４１を制御する工具回転制御手段５２と、各姿勢制御用駆動源４２を制御する姿勢制御手段５３と、先端部材２に作用する外力を推定する外力推定手段５４とが構成されている。
【００４０】
工具回転制御手段５２は、前記回転速度設定手段５０からの入力に応じてモータドライバ５５に出力し、工具回転用駆動源４１を駆動させる。
【００４１】
姿勢制御手段５３は、初期姿勢保持制御部５３ａと姿勢変更制御部５３ｂとでなる。これら初期姿勢保持制御部５３ａおよび姿勢変更制御部５３ｂは、前記姿勢設定手段５１からの入力等に応じてモータドライバ５６に出力し、姿勢制御用駆動源４２を駆動させる。
【００４２】
初期姿勢保持制御部５３ａは、先端部材２を定められた初期姿勢で姿勢保持可能とする初期姿勢保持力を各姿勢操作部材３１に与えるように各姿勢制御用駆動源４２を制御する。初期姿勢は、例えばスピンドル１３の中心線ＣＬ１とスピンドルガイド部３の中心線ＣＬ２とが同一線となる姿勢である。先端部材２の姿勢は、先端部材２に作用する外力と各姿勢制御用駆動源４２の推力とのバランスによって決定される。そこで、初期姿勢保持力を姿勢操作部材３１に与えるように各姿勢制御用駆動源４２を制御することで、先端部材２を初期姿勢に保持する。姿勢制御用駆動源４２の推力によって、先端部材２の姿勢の維持、すなわち先端部材２の剛性確保を行うのである。
【００４３】
姿勢変更制御部５３ｂは、各姿勢操作部材３１が互いに連係して進退して先端部材２を姿勢変更させるように各姿勢制御用駆動源４２を制御する。
例えば、図２における上側の１つの姿勢操作部材３１Ｕを先端側へ進出させ、かつ他の２つの姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを後退させると、上側の姿勢操作部材３１Ｕによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は図２（Ａ）において先端側が下向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。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。
【００４４】
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２（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。
【００４５】
上記先端部材２の姿勢変更制御において、先端部材２の姿勢は、先端部材２が初期姿勢にあるときの姿勢操作部材３１の位置を原点位置として、この原点位置に対する姿勢操作部材３１の進退量に応じて決定される。具体的には、姿勢変更制御部５３ｂは、姿勢設定手段５１で設定された先端部材２の目標姿勢をそれに相当する姿勢操作部材３１の進退量に変換し、その変換した進退量に応じて姿勢制御用駆動源４２の動作量を変化させる。このように、姿勢操作部材３１の進退量に応じて姿勢制御用駆動源４２の動作量を変化させれば、先端部材２の姿勢変更制御が単純化されて容易である。
【００４６】
ところで、姿勢操作部材３１の中間力伝達部材３１ａは、細くて長く可撓性であるため、外力によって進退方向に伸縮する。つまり、姿勢操作部材３１は、図５に示すようなばね系であると見なせる。同図において、中間力伝達部材３１ａは、剛体３１ａａおよび一対のばね３１ａｂ，３１ａｃで表してある。図５のＡ部は、姿勢操作部材３１が基端側（右側）へ移動後、静止した状態を示す。また、図５のＢ部は、姿勢操作部材３１が先端側（左側）へ移動後、静止した状態を示す。姿勢操作部材３１を駆動する駆動力の大きさはどちらも同じである。図中のｆ１は先端力伝達部材３１ｂとガイド孔３０ａの内周面との間に生じる摩擦力、ｆ２は中間力伝達部材３１ａとガイド孔３０ａの内周面との間に生じる摩擦力、ｆ３は基端力伝達部材３１ｃとガイド孔３０ａの内周面との間に生じる摩擦力、Ｋはばね３１ａｂ，３１ａｃのばね定数である。
【００４７】
姿勢操作部材３１を駆動する駆動力の大きさが同じであっても、図示のように、姿勢操作部材３１が基端側へ移動する場合の方が、先端側へ移動する場合よりも、姿勢操作部材３１の先端の移動量が大きくなる。これは、姿勢操作部材３１の進退の方向によって前記摩擦力ｆ１，ｆ２，ｆ３の向きが変わることによるもので、移動量の差ΔＬは、ΔＬ＝｛２（ｆ２＋２・ｆ１）｝／Ｋで表される。
【００４８】
また、姿勢操作部材３１が基端側へ移動する場合は、先端部材２に対する作用力が減少するため、姿勢操作部材３１と先端部材２との接触部の摩擦がほとんど無いが、姿勢操作部材３１が先端側へ移動する場合は、先端部材２に対する作用力が増大するため、姿勢操作部材３１と先端部材２との接触部の摩擦が大きい。このことも、姿勢操作部材３１の先端の移動量に差ΔＬが生じる要因になる。
【００４９】
先端部材２の姿勢は、各姿勢操作部材３１の先端の相対位置によって決定される。上記のように、姿勢操作部材３１の進退状況によって姿勢操作部材３１の先端の移動量に差ΔＬがあると、先端部材２の姿勢変更制御の精度に影響する。そこで、姿勢変更制御部５３ｂでは、後段で説明するように、先端部材２の姿勢変更のため姿勢操作部材３１を基準位置から目標位置へ移動させるとき、定められた規則Ｒに従い、一時的に姿勢操作部材３１を目標位置から遠ざかる側に移動させるようにしている。基準位置は、動作開始位置つまり動作開始直前の現在位置のことであり、原点位置とは限らない。これにより、上記姿勢操作部材３１の先端の移動量に差が生じる要因が排除され、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。この姿勢変更制御には幾通りかの手法がある。以下に説明する各手法では、先端部材２をＸ軸（図２（Ｂ））回りに上向きに屈曲させて、図２（Ａ）の初期姿勢状態から図３の状態にする場合を例にする。前記定められた規則Ｒは、以下の何れかの手法で制御するものとされる。
【００５０】
図６〜図８と共に、姿勢変更制御の第１の手法を説明する。
図６（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図６（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２の手前の位置Ｐ２ａまでとする。上記位置Ｐ１ａ，Ｐ２ａは、試験または計算により求められる。次に、図６（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１に停止させ、かつ姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを前進させて目標位置Ｐ２に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。なお、図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図２（Ｂ）のVI−ＣＬ２−VI断面を簡略化して表した図である。図９、図１２、図１５についても同様である。
【００５１】
図７は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図８は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻である。
【００５２】
この手法によれば、第１の過程で姿勢操作部材３１Ｕを目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させることで、姿勢操作部材３１Ｕと姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒとの変位差を一時的に大きくする。その後、第２の過程により、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒが同じ方向に移動して動作を完了する。このように、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒを同じ方向に移動して動作を完了させれば、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定になり、摩擦力による各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの伸縮量も一定になる。そのため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００５３】
なお、姿勢操作部材３１Ｕの後退量が大きくなると、姿勢操作部材３１Ｕの先端が先端部材２に付与する予圧が低下し、先端部材２の姿勢保持力が低下する。そのため、姿勢操作部材３１Ｕを後退させる位置Ｐ１ａは、上記予圧の低下を考慮して設定する。
【００５４】
図９〜図１１と共に、姿勢変更制御の第２の手法を説明する。
図９（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図９（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２まで前進させる。上記位置Ｐ１ａは、試験または計算により求められる。次に、図９（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。
【００５５】
図１０は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図１１は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻である。
【００５６】
この手法が前記第１の手法と異なる点は、第１の過程で姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを目標位置Ｐ２まで移動させることである。そのため、第１の手法と比較して、先端部材２の予圧低下を緩和しつつ、姿勢操作部材３１Ｕと姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒとの変位差を大きくすることができる。また、第１の手法と同様に、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定にできる。したがって、第２の手法によっても、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００５７】
図１２〜図１４と共に、姿勢変更制御の第３の手法を説明する。
図１２（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図１２（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２の手前の位置Ｐ２ａまでとする。次に、図１２（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１の手前の位置Ｐ１ｂまで前進させ、かつ姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを前進させて目標位置Ｐ２に停止させる。上記位置Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ２ａは、試験または計算により求められる。さらに、第３の過程により、姿勢操作部材３１Ｕだけを前進させて目標位置Ｐ１に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。
【００５８】
図１３は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図１４は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻、ｔ３は第３過程終了時刻である。
【００５９】
この手法は、前記第１の手法と第２の手法の中間的な制御手法であり、作用・効果も中間的である。この場合も、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定にできるため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００６０】
図１５〜図１７と共に、姿勢変更制御の第４の手法を説明する。
図１５（Ａ）は、屈曲動作前の状態を示す。このときの先端部材２の姿勢は初期姿勢であり、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端は基準位置Ｐ０にある。この状態から、第１過程により、姿勢操作部材３１Ｕを先端部材２に対する作用力が減少する側に後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを先端部材２に対する作用力が増大する側に前進させる。図１５（Ｂ）のように、姿勢操作部材３１Ｕについては、目標位置Ｐ１を越えた位置Ｐ１ａまで後退させ、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒについては、目標位置Ｐ２を越えた位置Ｐ２ｂで前進させる。上記位置Ｐ１ａ，Ｐ２ｂは、試験または計算により求められる。次に、図１５（Ｃ）のように、第２過程により、姿勢操作部材３１Ｕを前進させて目標位置Ｐ１に停止させ、かつ姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを後退させて目標位置Ｐ２に停止させる。これで、姿勢変更が完了する。
【００６１】
図１６は、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒの基端位置の変化を示すタイムチャートである。また、図１７は、先端部材２の先端の変位量を示すタイムチャートである。ｈは目標とする先端部材２の変位量である。これらの図におけるｔ１は第１過程終了時刻であり、ｔ２は第２過程終了時刻である。ここで、図１７では、先端位置の変位量がｔ１からｔ２までの間、ｈのまま変化していないが、Ｐ１ａ，Ｐ２ｂの設定が適切でない場合、時間とともに変位量が増加または増加することもある。
【００６２】
この手法は、前記第２の手法と異なり、第１の過程で姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを目標位置Ｐ２を越えた位置Ｐ２ｂまで前進させる。そのため、第２の手法と比較して、先端部材２の予圧の減衰量を抑えつつ、姿勢操作部材３１Ｕと姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒとの変位差を大きくすることができ、先端部材２の角度屈曲量を大きくできる。この場合も、各姿勢操作部材３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒに作用する摩擦力の方向が一定にできるため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。
【００６３】
なお、第１の過程終了時における姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒの前進量が大きすぎると、先端部材２が一時的に目標とする角度θを大きく越えて屈曲する可能性がある。そのため、姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを前進させる位置Ｐ２ｂは、上記先端部材２の一時的な変位の増大を考慮して設定する。なお、角度θは、先端部材２の先端の変位量がｈであるときの、先端部材２の角度である。
【００６４】
上記姿勢変更制御の際、動作量検出器４６によって検出された姿勢制御用駆動源４２の動作量を姿勢変更制御部５３ｂにフィードバックして、制御を行う。動作量検出器４６が設けられていると、姿勢制御用駆動源４２の動作量を正確に検出することができ、その出力を姿勢変更制御部５３ｂにフィードバックすることで、姿勢変更制御を精度良く行うことができる。
【００６５】
外力推定手段５４は、先端部材２に作用する外力と前記歪みセンサ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、歪みセンサ４７から入力された信号から前記関係設定手段を用いて先端部材２に作用する外力を推定する。
【００６６】
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。この回転する工具１により、骨等を切削が行われる。先端部材２が静止状態の初期姿勢にあるときは、初期姿勢保持制御部５３ａにより各姿勢制御用駆動源４２を制御し、各姿勢操作部材３１に初期姿勢保持力を与える。それにより、先端部材２に作用する力のバランスが保たれて、先端部材２の姿勢が維持される。
【００６７】
使用時には、姿勢変更制御部５３ｂにより姿勢変更用駆動源４２を制御して、先端部材２の姿勢変更を行う。この先端部材２の姿勢変更制御には前記第１〜第４の手法のうちいずれかが適用されるが、どの手法であっても、各姿勢操作部材３１の先端の移動量に差が生じないため、常に一定の精度で先端部材２の姿勢変更制御を行える。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。
【００６８】
切削加工中に工具１や先端部材２に外力が作用すると、その力が姿勢操作部材３１を介して増力伝達機構４３のレバー４３ｂに伝わり、レバー４３ｂの脆弱部である起歪部４３ｂａに歪みが生じる。この歪みが歪みセンサ４７に検出され、その出力信号が外力推定手段５４に送信される。外力推定手段５４は、この歪みセンサ４７の出力信号から先端部材２に作用する外力を推定する。このように推定される外力の大きさに応じて遠隔操作型アクチュエータ全体の送り量や先端部材２の姿勢変更を制御することにより、先端部材２に作用する外力を適正に保った状態で、安全かつ正確に骨の切削加工を行える。
【００６９】
また、先端部材２がスピンドルガイド部３に対して先端部材２の中心線ＣＬ１回りに回転するのを防止する回転防止機構３７が設けられているため、姿勢操作部材３１の進退を制御する姿勢操作用駆動機構４ｃや姿勢制御手段５３の故障等により工具１を保持する先端部材２が制御不能となった場合でも、先端部材２が中心線ＣＬ１回りに回転して加工箇所の周りを傷つけたり、先端部材２自体が破損したりすることを防止できる。
【００７０】
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を構成する姿勢操作ワイヤ３１ａ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。
【００７１】
この遠隔操作型アクチュエータを、例えば人工関節置換手術に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。
【００７２】
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、かつ内部を中空化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。
【００７３】
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。
【００７４】
上記実施形態は、ガイドパイプ３０および姿勢操作部材３１を円周方向の３箇所に設けた構成であるが、外郭パイプ２５内の互いに１８０度の位相にある２箇所にガイドパイプ３０および姿勢操作部材３１を設けた構成としてもよい（図示せず）。その場合、先端部材２は、１軸回りにのみ姿勢変更可能である。
【００７５】
上記実施形態はスピンドルガイド部３が直線形状であるが、この発明の遠隔操作型アクチュエータは、姿勢操作部材３１が可撓性であり、スピンドルガイド部３が湾曲した状態でも先端部材２の姿勢変更動作が確実に行われるので、スピンドルガイド部３を初期状態で湾曲形状としてもよい。あるいは、スピンドルガイド部３の一部分のみを湾曲形状としてもよい。スピンドルガイド部３が湾曲形状であれば、直線形状では届きにくい骨の奥まで先端部材２を挿入することが可能となる場合があり、人工関節置換手術における人工関節挿入用穴の加工を精度良く仕上げることが可能になる。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は弾性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。
【符号の説明】
【００７６】
１…工具
２…先端部材
３…スピンドルガイド部
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
３０ａ…ガイド孔
３１…姿勢操作部材
３１ａ…中間力伝達部材
３１ｂ…先端力伝達部材
３１ｃ…基端力伝達部材
４１…工具回転用駆動源
４２…姿勢変更用駆動源
５３…姿勢制御手段
５３ｂ…姿勢変更制御部
ＣＬ１…スピンドルの中心線
ＣＬ２…回転軸の中心線
Ｆ１，Ｆ２…案内面
Ｏ…曲率中心
Ｐ０…基準位置
Ｐ１…目標位置
Ｐ２…目標位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、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、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可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材を前記姿勢変更用駆動源で進退動作させる遠隔操作型アクチュエータであって、
前記姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御手段を設け、この姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、定められた規則に従い、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含む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、前記姿勢操作部材は、前記先端部材側に配置された剛体の先端力伝達部材と、前記姿勢変更用駆動源側に配置された剛体の基端力伝達部材と、これら先端力伝達部材と基端力伝達部材間で力を伝達する可撓性で長尺な中間力伝達部材とでなる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を基準位置から前記先端部材に対する作用力が減少する側の目標位置へ移動させるとき、目標位置を越えて移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記先端部材は前記先端部材連結部の円筒状または球面状の案内面に沿って姿勢変更するものであり、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、前記案内面の曲率中心の周りの複数箇所に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記複数の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させるものとした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材が互いに同じ方向に移動して動作を完了するように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材につき、目標位置を越えた位置まで移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれか１項において、前記姿勢制御手段は、各姿勢操作部材を同期して駆動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項８】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項９】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の第１の手前位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を、目標位置の手前で前記第１の手前位置よりも目標位置に近い第２の手前位置まで移動させ、第３過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する側に移動させる姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１】
細長形状のスピンドルガイド部と、このスピンドルガイド部の先端に先端部材連結部を介して姿勢変更自在に取付けられた先端部材と、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、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可撓性の姿勢操作部材を前記ガイド孔内に進退自在に挿通し、この姿勢操作部材を前記姿勢変更用駆動源で進退動作させる遠隔操作型アクチュエータであって、
前記姿勢変更用駆動源を制御する姿勢制御手段を設け、この姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を動作開始位置である基準位置から目標位置へ移動させる制御を行うとき、定められた規則に従い、一時的に姿勢操作部材を目標位置から遠ざかる側に移動させる過程を含む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、前記姿勢操作部材は、前記先端部材側に配置された剛体の先端力伝達部材と、前記姿勢変更用駆動源側に配置された剛体の基端力伝達部材と、これら先端力伝達部材と基端力伝達部材間で力を伝達する可撓性で長尺な中間力伝達部材とでなる遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記姿勢制御手段は、前記姿勢操作部材を基準位置から前記先端部材に対する作用力が減少する側の目標位置へ移動させるとき、目標位置を越えて移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記先端部材は前記先端部材連結部の円筒状または球面状の案内面に沿って姿勢変更するものであり、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、前記案内面の曲率中心の周りの複数箇所に設け、前記姿勢変更用駆動源を各姿勢操作部材に対して個別に設け、前記複数の姿勢操作部材の前記先端部材への作用力の釣り合いにより前記先端部材の姿勢を変更、維持させるものとした遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材が互いに同じ方向に移動して動作を完了するように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、各姿勢操作部材につき、目標位置を越えた位置まで移動させた後、目標位置まで戻すように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれか１項において、前記姿勢制御手段は、各姿勢操作部材を同期して駆動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項８】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項９】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置の手前の第１の手前位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を、目標位置の手前で前記第１の手前位置よりも目標位置に近い第２の手前位置まで移動させ、第３過程で、前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢制御部材を目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項４において、前記姿勢制御手段は、前記複数の姿勢操作部材を基準位置からそれぞれの目標位置へ移動させるとき、第１過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、かつ前記先端部材に対する作用力が減少する側に移動させる姿勢操作部材を目標位置を越えた位置まで移動させ、第２過程で、前記先端部材に対する作用力が増大する側に移動させる姿勢操作部材および減少する側に移動させる姿勢制御部材を、それぞれの目標位置まで移動させるように前記姿勢変更用駆動源を制御する遠隔操作型アクチュエータ。
【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２０１２−３４８８３（Ｐ２０１２−３４８８３Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７８４０６（Ｐ２０１０−１７８４０６）
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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