(57)【要約】【課題】  外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイド部の先端に設けられた工具支持用の先端部材の姿勢を遠隔操作で変更できる遠隔操作型アクチュエータに対し、その工具の位置を推定するナビゲーションシステムを提供する。【解決手段】  遠隔操作型アクチュエータ５は、スピンドルガイド部３の先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材２と、この先端部材２に回転自在に支持された工具１とを備える。ナビゲーションシステムは、工具用マーカに対する工具１の加工部の相対位置を記憶する工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４と、先端部材２の回動角度毎に、本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカの相対位置および姿勢を記録した相対関係記憶手段５５と、実操作時の本体マーカ７Ａの姿勢および位置、並びに先端部材２の回動角度とから、工具加工部位置推定手段５６が工具１の加工部の位置を推定する。【選択図】        図１
2010207253.tif 000002
【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の基端を駆動部ハウジングに結合してなるアクチュエータ本体と、前記スピンドルガイド部の先端に回動中心点を中心に回動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支持された工具と、前記駆動部ハウジング内に設けられ前記先端部材の姿勢変更および前記工具の回転をそれぞれ行わせる姿勢変更用駆動源および工具回転用駆動源と、前記駆動部ハウジングに設けられ前記各駆動源の動作を制御して前記先端部材の姿勢および前記工具の回転の操作を行う操作手段とを備えた遠隔操作型アクチュエータに対して、前記工具の加工部の位置を推定するナビゲーションシステムであって、
前記アクチュエータ本体の前記駆動部ハウジングに取付けた本体用マーカ、および前記工具の代わりに前記先端部材に着脱自在に装着されるマーカ取付部材に取付けられ前記先端部材に装着された状態での前記工具に対し所定の相対位置に位置する工具用マーカのそれぞれの位置および姿勢を検出するマーカ検出機と、
前記工具用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具の加工部の相対位置を記憶する工具・工具用マーカ相対位置記憶手段と、
前記アクチュエータ本体に対する前記先端部材の前記回動中心点を中心とする回動角度を検出する工具姿勢検出手段と、
この工具姿勢検出手段で検出された先端部材の回動角度毎に、前記マーカ検出機でそれぞれ検出された前記本体用マーカの位置および姿勢と前記工具用マーカの位置および姿勢とから算出された、前記本体用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具用マーカの相対位置および姿勢を記録した工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段と、
前記マーカ検出機で検出される前記本体用マーカの位置および姿勢と、前記工具姿勢検出手段で検出される前記先端部材の回動角度を前記工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段で照合して得られる前記本体用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具用マーカの相対位置とから、前記マーカ取付部材を介して前記先端部材に取付けられた状態での前記工具用マーカの絶対的な位置および姿勢を推定し、かつその推定結果と前記工具・工具用マーカ相対位置記憶手段の記憶情報とを照合して前記工具の加工部の位置を推定する工具加工部位置推定手段とを有する、
ことを特徴とする遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記マーカ取付部材は、実際の加工に先行して行われる試験時に、前記工具の代わりに前記先端部材に装着され、前記工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段は、前記試験により得られる、前記本体用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具用マーカの相対位置および姿勢を記録したものである遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、校正用マーカが取付けられた校正部材を有し、前記工具・工具用マーカ相対位置記憶手段は、基準となる工具を前記先端部材に装着し、その工具の加工部の基準点を前記校正部材の所定の校正点に接触させた状態で、前記マーカ検出機により検出された前記校正用マーカの位置および姿勢の基準値を記録した基準位置・姿勢記憶部と、加工に使用する工具を前記先端部材に装着し、その工具の加工部の基準点を前記校正部材の前記校正点に接触させた状態で、前記マーカ検出機により検出された前記校正用マーカの位置および姿勢を、前記基準位置・姿勢記憶部に記録されている前記基準値と比較して、前記工具用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具の加工部の相対位置を校正する校正演算部とを有する遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【請求項４】
請求項３において、前記工具の加工部は、前記基準点を含む外面の少なくとも一部が外向きに凸となる曲面状であり、前記校正部材は、前記校正点の周辺の外面形状が、前記工具の加工部の曲面状外面に沿う曲面からなる凹状である遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【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、前記本体用マーカおよび工具用マーカは光を投光または反射するものであり、かつ前記マーカ検出機は前記本体用マーカおよび工具用マーカからの光を受光する光学式のものである遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【請求項６】
請求項３または請求項４において、前記校正用マーカは光を投光または反射するものであり、かつ前記マーカ検出機は前記校正用マーカからの光を受光する光学式のものである遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【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、前記工具姿勢検出手段は、前記姿勢変更用駆動源、または前記姿勢変更用駆動源から前記先端部材に動作を伝える伝達系に設けられて先端部材の姿勢に対応する電気信号を出力するものである遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【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、画面に画像を表示するディスプレイを設け、前記工具加工部位置推定手段に、前記工具の位置の推定に用いられる各入力情報から、前記アクチュエータ本体の位置および姿勢、並びに前記先端部材の姿勢を表示する情報であるアクチュエータ表示情報を演算し前記ディスプレイの画面に表示するアクチュエータ表示情報生成手段を設けた遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【請求項９】
請求項８において、前記アクチュエータ表示情報生成手段で生成するアクチュエータ表示情報は、前記ディスプレイの画面に、前記アクチュエータ本体の位置および姿勢、並びに前記先端部材の姿勢を、複数の点で表示する情報である遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【請求項１０】
請求項８において、前記アクチュエータ表示情報生成手段は、コンピュータグラフィックにより、前記アクチュエータ表示情報として、それぞれ位置および姿勢が反映されたアクチュエータ本体、先端部材、および工具の外形を示す図形を生成し、前記ディスプレイの画面に表示させる遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【請求項１１】
請求項８において、前記アクチュエータ表示情報生成手段で生成するアクチュエータ表示情報は、前記ディスプレイの画面に数字で表示する情報である遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【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、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、前記駆動部ハウジング内の前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、前記駆動部ハウジング内の前記姿勢変更用駆動源により先端が前記先端部材に接する状態で進退動作させられることにより、前記先端部材を姿勢変更させる姿勢操作部材とを内部に有する遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステム。
【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のナビゲーションシステムに関する。
【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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイド部をアクチュエータ本体に設け、このスピンドルガイド部の先端に、工具を回転自在に支持する先端部材を姿勢変更可能に設け、この先端部材の姿勢を遠隔操作で変更可能とすることを試みた。先端部材の姿勢が変更可能であれば、スピンドルガイド部の形状に関係なく、工具を適正な姿勢にすることができるからである。なお、スピンドルガイド部等の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。
【０００９】
遠隔操作型アクチュエータで骨に人工関節挿入用の穴を加工する場合、工具を直接視認できないことが多く、工具の位置を把握するためのナビゲーションシステムが必要である。このナビゲーションシステムとしては、例えば次のようなものが知られている。
【００１０】
特許文献５のものは、骨にマーカを取付け、このマーカを光学式等のセンサで検出することにより、骨の位置を測定する。この手法を用い、その場合に骨、および遠隔操作型アクチュエータの固定部分であるアクチュエータ本体にマーカを取付けることで、骨およびアクチュエータ本体の位置を測定することができる。
【００１１】
特許文献６のものは、点でなく特定のパターンに形成されたマーカをアクチュエータ本体に取付け、マーカ検出機でこのマーカのパターンを検出することで、マーカの位置だけでなく、マーカを取付けたアクチュエータ本体の姿勢も検出する。アクチュエータ本体の姿勢が分かれば、先端部材および工具と、アクチュエータ本体のマーカ取付け箇所との相対的な位置関係から、工具の位置を推定することができる。なお、先端部材および工具と、アクチュエータ本体のマーカ取付け箇所との相対的な位置関係は予め計測しておき、位置関係情報として記録保存しておく。
工具は加工対象物により異なる種類のものに取り替えたり、摩耗等により交換したりすることがあり、その都度、工具位置の推定に用いる前記位置関係情報を変更する必要がある。特許文献６では、工具の取外しに連動して動作するスイッチを設け、このスイッチからの情報により、位置関係情報を変更する必要があることを操作者に知らせるようにしている。
【００１２】
特許文献７のものは、アクチュエータ本体に取付けた第１のマーカとは別に第２のマーカを設置し、この第２のマーカに工具を接触させ、そのときに計測されるアクチュエータ本体と第２のマーカとの位置関係を用いて、加工中に測定されるアクチュエータ本体と第１のマーカとの位置関係を基準にして、工具の位置を推定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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５，２４９，５８９号明細書
【特許文献６】米国特許第６，４３４，５０７号明細書
【特許文献７】米国特許第７，１６６，１１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来のナビゲーションシステムは、工具がアクチュエータ本体に対し固定であることを前提としているため、工具を回転自在に支持する先端部材がアクチュエータ本体に対し姿勢変更可能である遠隔操作型アクチュエータには適用できないという問題があった。
【００１５】
この発明は、外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイド部の先端に設けられた工具支持用の先端部材の姿勢を遠隔操作で変更できる遠隔操作型アクチュエータに対し、その工具の位置を推定するナビゲーションシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明にかかる遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステムは、細長形状のスピンドルガイド部３の基端を駆動部ハウジング４ａに結合してなるアクチュエータ本体１０と、前記スピンドルガイド部３の先端に回動中心点Ｏを中心に回動して姿勢変更自在に取付けられた先端部材２と、この先端部材２に回転自在に支持された工具１と、前記駆動部ハウジング４ａ内に設けられ前記先端部材２の姿勢変更および前記工具１の回転をそれぞれ行わせる姿勢変更用駆動源４２および工具回転用駆動源４１と、前記駆動部ハウジング４ａに設けられ前記各駆動源４２，４１の動作を制御して前記先端部材２の姿勢および前記工具１の回転の操作を行う操作手段５０とを備えた遠隔操作型アクチュエータ５に対して、前記工具１の加工部１ａの位置を推定するナビゲーションシステムであって、前記アクチュエータ本体１０の前記駆動部ハウジング４ａに取付けた本体用マーカ７Ａ、および前記工具１の代わりに前記先端部材２に着脱自在に装着されるマーカ取付部材５８に取付けられ前記先端部材２に装着された状態での前記工具１に対し所定の相対位置に位置する工具用マーカ７Ｃのそれぞれの位置および姿勢を検出するマーカ検出機８と、前記工具用マーカ７Ｃに対する前記先端部材２に装着された状態での前記工具１の加工部１ａの相対位置を記憶する工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４と、前記アクチュエータ本体１０に対する前記先端部材２の前記回動中心点Ｏを中心とする回動角度を検出する工具姿勢検出手段４５と、この工具姿勢検出手段４５で検出された先端部材２の回動角度毎に、前記マーカ検出機８でそれぞれ検出された前記本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と前記工具用マーカ７Ｃの位置および姿勢とから算出された、前記本体用マーカ７Ａに対する前記先端部材２に装着された状態での前記工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を記録した工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５と、前記マーカ検出機８で検出される前記本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と、前記工具姿勢検出手段４５で検出される前記先端部材２の回動角度を前記工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５で照合して得られる前記本体用マーカ７Ａに対する前記先端部材２に装着された状態での前記工具用マーカ７Ｃの相対位置とから、前記マーカ取付部材５８を介して前記先端部材２に取付けられた状態での前記工具用マーカ７Ｃの絶対的な位置および姿勢を推定し、かつその推定結果と前記工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５５の記憶情報とを照合して前記工具１の加工部１ａの位置を推定する工具加工部位置推定手段５６とを有することを特徴とする。
前記マーカ取付部材５８は、実際の加工に先行して行われる試験時に、前記工具１の代わりに前記先端部材２に装着される。前記工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５は、前記試験により得られる、前記本体用マーカ７Ａに対する前記先端部材２に装着された状態での前記工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を記録したものである。
【００１７】
この構成のナビゲーションシステムは、加工前に、実際に加工に使用する遠隔操作型アクチュエータ５を用いて、次の試験を行う。すなわち、先端部材２から工具１を取外し、工具１の代わりに工具用マーカ７Ｃを、マーカ取付部材５８を介して先端部材２に取付ける。工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置は、工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４に記憶されている。この状態で、操作手段５０を操作してアクチュエータ本体１０に対して先端部材２を姿勢変更させ、そのときの先端部材２の回動角度を工具姿勢検出手段４５で検出するとともに、そのときの本体用マーカ７Ａおよび工具用マーカ７Ｃのそれぞれの位置および姿勢をマーカ検出機８で検出する。そして、本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と工具用マーカ７Ｃの位置および姿勢とから、本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を算出する。この作業を、先端部材２の姿勢を変えて任意回数行い、先端部材２の回動角度毎に、本体用マーカ７Ａに対する前記工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５に記録しておく。
【００１８】
加工時には、マーカ取付部材５８および工具用マーカ７Ｃを先端部材２から取外し、工具１を装着する。工具姿勢検出手段４５で検出される先端部材２の回動角度と、マーカ検出機８で検出される本体マーカ７Ａの位置および姿勢とが、工具加工部位置推定手段５６に入力される。これらの情報は、遠隔操作型アクチュエータ５の操作に伴い刻々と変化する。工具加工部位置推定手段５６では、上記本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と、上記先端部材２の回動角度を工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５で照合して得られる本体用マーカ７Ａに対する先端部材２に装着された状態での工具用マーカ７Ｃの相対位置とから、その時々の先端部材２に装着された状態での工具用マーカ７Ｃの絶対的な位置および姿勢を推定する。さらに、その推定結果と前記工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４の記憶情報とを照合して前記工具１の加工部１ａの位置を推定する。これにより、スピンドルガイド部３の先端に設けられた工具支持用の先端部材２の姿勢変更を遠隔操作できる遠隔操作型アクチュエータ５に対して、加工時における工具１の加工部１ａの位置を推定することができる。
【００１９】
この発明において、校正用マーカ７Ｄが取付けられた校正部材５９を有し、前記工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４は、基準となる工具１を前記先端部材２に装着し、その工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を前記校正部材５９の所定の校正点Ｑ３に接触させた状態で、前記マーカ検出機８により検出された前記校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢の基準値を記録した基準位置・姿勢記憶部５４ａと、加工に使用する工具１を前記先端部材２に装着し、その工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を前記校正部材５９の前記校正点Ｑ３に接触させた状態で、前記マーカ検出機８により検出された前記校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢を、前記基準位置・姿勢記憶部５４ａに記録されている前記基準値と比較して、前記工具用マーカ７Ｃに対する前記先端部材２に装着された状態での前記工具１の加工部１ａの相対位置を校正する校正演算部５４ｂとを有する構成としてもよい。
【００２０】
この構成によれば、基準となる工具１を先端部材２に装着し、その工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を校正部材５９の所定の校正点Ｑ３に接触させた状態で、マーカ検出機８により校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢を検出する。この検出結果を、校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢の基準値として、基準位置・姿勢記憶部５４ａに記憶させる。基準となる工具１以外の工具１を使用する場合は、その工具１を先端部材２に装着し、その工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を校正部材５９の校正点Ｑ３に接触させた状態で、マーカ検出機８により校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢を検出する。校正演算部５４ｂは、この検出結果を、基準位置・姿勢記憶部５４ａに記録されている基準値と比較して、工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置を校正する。
【００２１】
工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置は、使用する工具１の種類や型式によって異なる。そのため、通常は、工具１の種類等毎に、上記相対位置を試験等により求め、それを工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４で記憶しておく必要がある。しかし、基準位置・姿勢記憶部５４ａおよび校正演算部５４ｂを設けることにより、校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢の基準値さえ記憶させてあれば、工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を校正部材５９の校正点Ｑ３に接触させた状態で、マーカ検出機８により校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢を検出するという簡単な操作を行うだけで、種類等が異なる工具１に対応できる。このため、事前に、工具１の種類等毎に、工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置を検出する試験等を行う必要がない。
【００２２】
前記工具１の加工部１ａは、前記基準点Ｑ１を含む外面の少なくとも一部が外向きに凸となる曲面状である場合、前記校正部材５９は、前記校正点Ｑ３の周辺の外面形状が、前記工具１の加工部１ａの曲面状外面に沿う曲面５９ａからなる凹状であるのが望ましい。
工具１の基準点Ｑ１を校正部材５９の校正点Ｑ３に接触させる際、校正部材５９における校正点Ｑ３の周辺の外面形状が、工具１の加工部１ａの曲面状外面に沿う曲面５９ａからなる凹状であれば、工具１の基準点Ｑ１を校正部品５９の校正点Ｑ３に精度良く接触させることができ、工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置の校正精度を高めることができる。
【００２３】
この発明において、前記本体用マーカ、工具用マーカ、および校正用マーカは光を投光または反射するものであり、かつ前記マーカ検出機は前記本体用マーカ、工具用マーカ、および校正用マーカからの光を受光する光学式のものとすることができる。光学式のマーカ検出機は、構成が簡易である。
【００２４】
この発明において、前記工具姿勢検出手段４５は、前記姿勢変更用駆動源４２、または前記姿勢変更用駆動源４２から前記先端部材２に動作を伝える伝達系に設けられて先端部材２の姿勢に対応する電気信号を出力するものとしてもよい。
先端部材２の動作を電気信号で出力すれば、遠隔操作型アクチュエータ５とナビゲーションシステムの制御系部分とが離れて位置している場合に、両者間の情報伝達が容易である。
【００２５】
この発明において、画面に画像を表示するディスプレイ５２を設け、前記工具加工部位置推定手段５６に、前記工具１の位置の推定に用いられる各入力情報から、前記アクチュエータ本体１０の位置および姿勢、並びに前記先端部材２の姿勢を表示する情報であるアクチュエータ表示情報を演算し前記ディスプレイ５２の画面に表示するアクチュエータ表示情報生成手段５６ａを設けるのが良い。
【００２６】
ディスプレイ５２およびアクチュエータ表示情報生成手段５６ａを設ければ、ディスプレイ５２の画面に、アクチュエータ本体１０の位置および姿勢、並びに先端部材２の姿勢を表示する情報であるアクチュエータ表示情報を表示することができ、操作者が遠隔操作型アクチュエータ５の操作時にその情報を容易に知ることができる。
【００２７】
ディスプレイ５２およびアクチュエータ表示情報生成手段５６ａを設ける場合、前記アクチュエータ表示情報生成手段５６ａで生成するアクチュエータ表示情報は、前記ディスプレイの５２画面に、前記アクチュエータ本体１０の位置および姿勢、並びに前記先端部材２の姿勢を、複数の点６０で表示する情報とすることができる。
点６０による表示とすれば、操作者が視覚的に認識でき、かつアクチュエータ表示情報生成手段５６ａでの計算が簡単である。
【００２８】
また、前記アクチュエータ表示情報生成手段５６ａは、コンピュータグラフィックにより、前記アクチュエータ表示情報として、それぞれ位置および姿勢が反映されたアクチュエータ本体１０、先端部材２、および工具１の外形を示す図形６１を生成し、前記ディスプレイ５２の画面に表示させてもよい。
外形を示す図形６１で表示すれば、より一層視覚的に認識しやすい。
【００２９】
さらに、前記アクチュエータ表示情報生成手段５６ａで生成するアクチュエータ表示情報は、前記ディスプレイ５２の画面に数字で表示する情報であってもよい。
いずれの場合も、ディスプレイ５２の画面に、アクチュエータ本体１０の位置および姿勢、並びに先端部材２の姿勢を表示する情報であるアクチュエータ表示情報を表示して、その情報を操作者に知らせることができる。
【００３０】
前記遠隔操作型アクチュエータは、以下の構成とするのがよい。すなわち、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、前記駆動部ハウジング内の前記工具回転用駆動源の回転を前記スピンドルに伝達する回転軸と、前記駆動部ハウジング内の前記姿勢変更用駆動源により先端が前記先端部材に接する状態で進退動作させられることにより、前記先端部材を姿勢変更させる姿勢操作部材とを内部に有する構成とする。
【００３１】
遠隔操作型アクチュエータが上記構成であると、駆動部ハウジング内の工具回転用駆動源の回転をスピンドルガイド部の内部に配した回転軸を介してスピンドルに伝達し、かつ駆動部ハウジング内の姿勢変更用駆動源でスピンドルガイド部の内部に配した姿勢操作部材を進退動作させて、先端部材の姿勢を変更する。このため、工具の回転、および先端部材の姿勢変更を遠隔操作で行われる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明の遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステムは、細長形状のスピンドルガイド部の基端を駆動部ハウジングに結合してなるアクチュエータ本体と、前記スピンドルガイド部の先端に回動中心点を中心に回動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支持された工具と、前記駆動部ハウジング内に設けられ前記先端部材の姿勢変更および前記工具の回転をそれぞれ行わせる姿勢変更用駆動源および工具回転用駆動源と、前記駆動部ハウジングに設けられ前記各駆動源の動作を制御して前記先端部材の姿勢および前記工具の回転の操作を行う操作手段とを備えた遠隔操作型アクチュエータに対して、前記工具の加工部の位置を推定するナビゲーションシステムであって、前記アクチュエータ本体の前記駆動部ハウジングに取付けた本体用マーカ、および前記工具の代わりに前記先端部材に着脱自在に装着されるマーカ取付部材に取付けられ前記先端部材に装着された状態での前記工具に対し所定の相対位置に位置する工具用マーカのそれぞれの位置および姿勢を検出するマーカ検出機と、前記工具用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具の加工部の相対位置を記憶する工具・工具用マーカ相対位置記憶手段と、前記アクチュエータ本体に対する前記先端部材の前記回動中心点を中心とする回動角度を検出する工具姿勢検出手段と、この工具姿勢検出手段で検出された先端部材の回動角度毎に、前記マーカ検出機でそれぞれ検出された前記本体用マーカの位置および姿勢と前記工具用マーカの位置および姿勢とから算出された、前記本体用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具用マーカの相対位置および姿勢を記録した工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段と、前記マーカ検出機で検出される前記本体用マーカの位置および姿勢と、前記工具姿勢検出手段で検出される前記先端部材の回動角度を前記工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段で照合して得られる前記本体用マーカに対する前記先端部材に装着された状態での前記工具用マーカの相対位置とから、前記マーカ取付部材を介して前記先端部材に取付けられた状態での前記工具用マーカの絶対的な位置および姿勢を推定し、かつその推定結果と前記工具・工具用マーカ相対位置記憶手段の記憶情報とを照合して前記工具の加工部の位置を推定する工具加工部位置推定手段とを有するため、外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイド部の先端に設けられた工具支持用の先端部材の姿勢を遠隔操作で変更できる遠隔操作型アクチュエータに対し、その工具の位置を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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ナビゲーションシステムの加工時の状態を示す概略構成図である。
【図２】（Ａ）は同ナビゲーションシステムの試験時の状態を示す概略構成図、（Ｂ）はその部分拡大図である。
【図３】（Ａ）は遠隔操作型アクチュエータの一実施形態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工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の正面図、（Ｂ）はそのIVＢ−IVＢ断面図である。
【図５】同ナビゲーションシステムの制御系のブロック図である。
【図６】同ナビゲーションシステムの工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段の構成を示す図である。
【図７】同ナビゲーションシステムの工具・工具用マーカ相対位置記憶手段の構成を示す図である。
【図８】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの工具、先端部材、およびスピンドルガイド部を示す図、（Ｂ）は工具、先端部材、および形状が異なるスピンドルガイド部を示す図である。
【図９】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの工具、先端部材、およびスピンドルガイド部を示す図、（Ｂ）は種類が異なる工具、先端部材、およびスピンドルガイド部を示す図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は先端部材に異なる工具を装着した場合における工具の基準点と工具用マーカの基準点との位置関係を示す説明図である。
【図１１】同ナビゲーションシステムのディスプレイの画面表示例を示す図である。
【図１２】同ナビゲーションシステムのディスプレイの異なる画面表示例を示す図である。
【図１３】異なるナビゲーションシステムのナビゲーションシステム部の一部の構成を示す図である。
【図１４】（Ａ）は同ナビゲーションシステムの校正時の状態を示す概略構成図、（Ｂ）はその部分拡大図である。
【図１５】（Ａ）は遠隔操作型アクチュエータの異なる実施形態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）は遠隔操作型アクチュエータのさらに異なる実施形態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】同遠隔操作型アクチュエータの工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１および図２は、この発明にかかる遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステムの概略構成を示す図である。図１は加工時の状態を示し、図２は加工前に行う試験時の状態を示す。このナビゲーションシステムは、工具１の回転および姿勢を遠隔操作可能な遠隔操作型アクチュエータ５に対するものであり、遠隔操作型アクチュエータ５および加工対象物６にそれぞれ取付けたマーカ７Ａ，７Ｂ、並びに工具１の代わりに先端部材２に装着されるマーカ取付部材５８（図２）に取付けられたマーカ７Ｃの位置および姿勢を検出するマーカ検出機８と、ナビゲーションシステムの制御および遠隔操作型アクチュエータ５の動作の制御を兼ねるナビゲーションコンピュータ９とを備える。
【００３５】
遠隔操作型アクチュエータ５は、図３および図４に示すアクチュエータ機構部５ａと、操作システム部５ｂ（図５）とで構成される。以下、アクチュエータ機構部５ａについて、図１〜図４と共に説明する。なお、図３はスピンドルガイド部３が直線状のものを示すが、図１および図２のようなスピンドルガイド部３が曲線状のものも、形状の違いの他は、基本的に同じ構造である。
【００３６】
図１および図２において、このアクチュエータ機構部５ａ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外郭がパイプ状で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（図４）および姿勢変更用駆動機構４ｃ（図４）と共に駆動部４を構成する。また、スピンドルガイド部３と駆動部４とでアクチュエータ本体１０を構成する。駆動部ハウジング４ａには、操作手段５０として、工具回転用駆動機構４ｂの動作を制御して前記工具１の回転操作を行う回転操作具５０ａ（図５）と、姿勢変更用駆動機構４ｃの動作を制御して前記先端部材２の姿勢変更操作を行う姿勢操作具５０ｂ（図５）とが設けられている。
【００３７】
図３に示すように、工具１は、加工部１ａとシャンク部１ｂとでなる。この実施形態では、加工部１ａが球状である。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のシャンク部１ｂが嵌合状態に着脱自在に挿入され、回り止めピン１４によりシャンク部１ｂ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、工具１およびスピンドル１３の中心線ＣＬ上に回動中心点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、回動中心点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、回動中心点Ｏを通るＸ軸を軸心とする円筒面であってもよい。
【００３８】
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４）の回転力を前記スピンドル１３へ伝達する回転軸２２を有する。この例では、回転軸２２はワイヤとされ、ある程度の弾性変形が可能である。ワイヤの材質としては、例えば金属、樹脂、グラスファイバー等が用いられる。ワイヤは単線であっても、撚り線であってもよい。図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の回動中心点Ｏと同位置である。
【００３９】
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。
【００４０】
外郭パイプ２５の内径面と回転軸２２の間には、両端に貫通する１本のガイドパイプ３０が設けられ、このガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に、ワイヤ３１ａとその両端の柱状ピン３１ｂとでなる姿勢操作部材３１が進退自在に挿通されている。先端部材２側の柱状ピン３１ｂの先端は球面状で、先端部材２の姿勢操作部材３１との接触面であるハウジング１１の基端面１１ｂに当接している。駆動部ハウジング４ａ側の柱状ピン３１ｂの先端も球面状で、後記レバー４３ｂ（図４）の側面に当接している。柱状ピン３１ｂを省いて、１本のワイヤ３１ａのみで姿勢操作部材３１を構成してもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
図４は、駆動部ハウジング４ａ内の工具回転用駆動機構４ｂおよび姿勢変更用駆動機構４ｃを示す。
工具回転用駆動機構４ｂは、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。
【００４４】
姿勢変更用駆動機構４ｃは、姿勢変更用駆動源４２を備える。姿勢変更用駆動源４２は、例えば電動リニアアクチュエータであり、図４（Ａ）の左右方向に移動する出力ロッド４２ａの動きが、レバー機構４３を介して前記姿勢操作部材３１に伝達される。姿勢変更用駆動源４２は、回転モータであってもよい。姿勢変更用駆動源４２の動作量は、工具姿勢検出手段４５によって検出される。この工具姿勢検出手段４５の検出信号は、アクチュエータ用電気ケーブル４６（図１、図２）を介して、ナビゲーションコンピュータ９の工具加工部位置推定手段５６（図５）に送られる。
【００４５】
レバー機構４３は、支軸４３ａ回りに回動自在なレバー４３ｂを有し、このレバー４３ｂにおける支軸４３ａからの距離が長い作用点Ｐ１に出力ロッド４２ａの力が作用し、支軸４３ａからの距離が短い力点Ｐ２で姿勢操作部材３１に力を与える構成であり、姿勢変更用駆動源４２の出力が増力して姿勢操作部材３１に伝達される。レバー機構４３を設けると、小さな出力のリニアアクチュエータでも姿勢操作部材３１に大きな力を与えることができるので、リニアアクチュエータの小型化が可能になる。回転軸２２は、レバー４３ｂに形成された開口４４を貫通させてある。なお、姿勢変更用駆動源４２等を設ける代わりに、手動により先端部材２の姿勢を遠隔操作してもよい。
【００４６】
マーカ検出機８は、前記マーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃを検出対象とし、検出機支持体８ａに支持された個別検出機８ｂと、ナビゲーションコンピュータ９内のマーカ位置・姿勢演算部５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ（図５）とで構成される。本体用マーカ７Ａはアクチュエータ本体１０の一部である駆動部ハウジング４ａに、加工対象物用マーカ７Ｂは骨等の加工対象物６にそれぞれ取付けられている。工具用マーカ７Ｃの取付け方法については後で説明する。マーカ検出機８の各個別検出機８ｂに対応して、各マーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃには、それぞれ３個の光反射部７ａが設けられている。３個の光反射部７ａは、位置をそれぞれ異ならせてある。各個別検出機８ｂは光学式のものであり、それぞれマーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃの光反射部７ａに向けて検知用光を投光し、その反射光を受光する。各個別検出機８ｂの検出信号は、検出機支持体８ａに内蔵した配線（図示せず）およびマーカ検出機用電気ケーブル４７を介して、ナビゲーションコンピュータ９のマーカ位置・姿勢演算部５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃにそれぞれ送られる。マーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃにそれぞれ３個の投光部（図示せず）を設け、これら投光部から投光される検知用光を各個別検出機８ｂが受光するようにしてもよい。このように各個別検出機８ｂを光学式のものとすれば、マーカ検出機８を簡易に構成できる。各個別検出機８ｂは、光学式のものでなくてもよく、例えば磁気式のものであってもよい。
【００４７】
図５に示すように、ナビゲーションコンピュータ９は、前記操作システム部５ｂと、ナビゲーションシステム部５１と、ディスプレイ５２とを備える。操作システム部５ｂおよびナビゲーションシステム部５１は、ナビゲーションコンピュータ９のハードウェアと、これに実行されるプログラムとで構成され、またはさらに電子回路を加えて構成される。
【００４８】
操作システム部５ｂは、工具回転制御手段５ｂａと姿勢制御手段５ｂｂとでなる。操作システム部５ｂは、コンピュータハードウェアと、これに実行されるプログラムとで構成され、またはさらに電子回路を加えて構成される。工具回転制御手段５ｂａは、回転操作具５０ａからの入力に応じてモータドライバ（図示せず）に出力し、工具回転用駆動源４１を駆動する。姿勢制御手段５２ｂは、姿勢操作具５０ｂからの入力に応じてモータドライバ（図示せず）に出力し、姿勢変更用駆動源４２を駆動する。
【００４９】
ナビゲーションシステム部５１は、本体マーカ用、工具用、および加工対象物用の各マーカ位置・姿勢演算部５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃと、工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４と、工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５と、工具加工部位置推定手段５６とを有する。工具加工部位置推定手段５６は、アクチュエータ表示情報生成手段５６ａを含む。また、これらとは別に、加工対象物表示情報生成手段５７を有する。
【００５０】
マーカ位置・姿勢演算部５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃは、マーカ検出機８の個別検出機８ｂの検出信号から、各マーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃの位置および姿勢を演算する。マーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃの光反射部７ａおよびマーカ検出機８の個別検出機８ｂを各３個、またはそれ以上設けることにより、マーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃの３次元の位置および姿勢を求めることが可能である。本体用マーカ７Ａの位置および姿勢は、アクチュエータ本体１０の位置および姿勢と同義である。加工対象物用マーカ７Ｂの位置および姿勢は、加工対象物６の位置および姿勢と同義である。
【００５１】
工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５は、図６に示すように、工具姿勢検出手段４５で検出される先端部材２の回動角度毎に、本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を記録したものである。本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢は、マーカ検出機８でそれぞれ検出される本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と工具用マーカ７Ｃの位置および姿勢とから算出される。
【００５２】
上記工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５に記録される先端部材２の回動角度、並び本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢は、実際に加工に使用するアクチュエータ機構部５ａを用いた試験により求められる。具体的には、図２のように試験を行う。すなわち、先端部材２から工具１を取外し、工具１の代わりに工具用マーカ７Ｃを、マーカ取付部材５８を介して先端部材２に取付ける。この状態で、姿勢操作具５０ｂを操作してアクチュエータ本体１０に対して先端部材２を姿勢変更させ、そのときの先端部材２の回動角度を工具姿勢検出手段４５で検出するとともに、そのときの本体用マーカ７Ａおよび工具用マーカ７Ｃのそれぞれの位置および姿勢をマーカ検出機８で検出する。そして、本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と工具用マーカ７Ｃの位置および姿勢とから、本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を算出する。この作業を、先端部材２の姿勢を変えて任意回数行い、先端部材２の回動角度毎に、本体用マーカ７Ａに対する前記工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５に記録する。
【００５３】
本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と工具用マーカ７Ｃの位置および姿勢との関係は、スピンドルガイド部３の形状によって異なる。例えば、図８（Ａ）のようにスピンドルガイド部３が曲線状のものを使用する場合と、同図（Ｂ）のように直線状のものを使用する場合とで異なる。スピンドルガイド部３を人為的等に変形させた場合も、変形前と変形後とで異なる。同様に、使用する工具１の種類によっても、上記関係が異なる。例えば、図９（Ａ）のように加工部１ａが球状のものを使用する場合と、同図（Ｂ）のように柱状のものを使用する場合とで異なる。そのため、スピンドルガイド部３や工具１を交換した場合や、スピンドルガイド部３を変形させた場合は、前記同様の方法で再度試験を行って、本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置および姿勢を求める。
【００５４】
工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４は、図７に示すように、工具１の種類等毎に、工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置を記憶するものである。具体的には、図１０（Ａ）のような球状の工具１の場合と、同図（Ｂ）のような柱状の工具１の場合とで、工具１の基準点Ｑ１と工具用マーカ７Ｃの基準点Ｑ２との相対位置関係が異なる。この相対位置関係の違いを、工具１の種類等毎に記憶している。例えば、加工部１ａの基準点Ｑ１は、加工部１ａの外周面の回転中心線ＣＬとの交点とする。
【００５５】
工具加工部位置推定手段５６は、マーカ検出機８で検出される本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と、工具姿勢検出手段４５で検出される先端部材２の回動角度を前記工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５で照合して得られる本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置とから、工具用マーカ７Ｃの絶対的な位置および姿勢を推定し、かつその推定結果と前記工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４の記憶情報とを照合して工具１の加工部１ａの位置を推定する。
【００５６】
換言すると、先端部材２の回動角度を工具姿勢検出手段４５で検出し、その回動角度を工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５で照合することにより、本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置を求める。その際、工具姿勢検出手段４５による先端部材２の回動角度の実測値は、工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５に記録されている先端部材２の回動角度と完全には一致しないが、最も近い値を用いて本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置を求めるか、あるいは実測値に近似する複数の数値からそれぞれ導かれる本体用マーカ７Ａに対する工具用マーカ７Ｃの相対位置を基にして計算で求めてもよい。このようにして求めた上記相対位置と、マーカ検出機８で検出される本体用マーカ７Ａの位置および姿勢とを照合することで、工具用マーカ７Ｃの絶対的な位置および姿勢が推定できる。工具用マーカ７Ｃの基準点Ｑ２に対し先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１は所定の相対位置にあるから、工具用マーカ７Ｃの絶対的な位置および姿勢が分かれば、工具１の加工部１ａの位置が分かる。これにより、スピンドルガイド部３の先端に設けられた工具支持用の先端部材２の姿勢変更を遠隔操作できる遠隔操作型アクチュエータ５に対して、加工時における工具１の加工部１ａの位置を推定することができる。
【００５７】
アクチュエータ表示情報生成手段５６ａは、上記工具１の加工部１ａの位置の推定に用いられる各入力情報から、アクチュエータ本体１０の位置および姿勢、並びに先端部材２の姿勢を表示する情報であるアクチュエータ表示情報を演算し、その演算結果をディスプレイ５２の画面に表示する。また、加工対象物表示情報生成手段５７は、マーカ位置・姿勢演算部５４Ｂにより求められた加工対象物用マーカ７Ｂの位置および姿勢の情報である加工対象物表示情報を演算し、その演算結果をディスプレイ５２の画面に表示する。
【００５８】
具体的には、図１１に示すように、前記アクチュエータ表示情報および加工対象物表示情報は、アクチュエータ本体１０の位置および姿勢、先端部材２の姿勢、並びに加工対象物６の位置および姿勢を、複数の点６０で表示する。図は、スピンドルガイド部３および先端部材２の中心線の位置を一定間隔ごとに点６０で表示している。あるいは、図１２に示すように、コンピュータグラフィック等を用い、既にナビゲーションコンピュータ９に登録されているアクチュエータ本体１０各部の形状情報に基づき、それぞれ位置および姿勢が反映されたスピンドルガイド部３、先端部材２、工具１、および加工対象物６の外形を示す図形６１として表示する。また、図１１および図１２に示すように、点６０や図形６１による表示に併せて、アクチュエータ表示情報や加工対象物表示情報を数字による表示部６２で表示してもよい。図例は、先端部材２の姿勢を表示部６２で表示している状態を示す。先端部材２の姿勢以外の情報も選択的に表示できるようにするのが好ましい。
【００５９】
遠隔操作型アクチュエータ５の動作を説明する。
加工時には、工具用マーカ７Ｃ付きのマーカ取付部材５７を先端部材２から外して、工具１を装着する。その状態で、工具回転用駆動源４１を駆動すると、その回転力が回転軸２２を介してスピンドル１３に伝達されて、スピンドル１３と共に工具１が回転する。この回転する工具１により、骨等の切削が行われる。工具１の回転速度は、回転設定具５０ａにより任意に設定することができる。
【００６０】
姿勢変更用駆動源４２を駆動させて、遠隔操作で先端部材２の姿勢変更を行う。例えば、姿勢変更用駆動源４２により姿勢操作部材３１を先端側へ進出させると、姿勢操作部材３１によって先端部材２のハウジング１１が押されて、先端部材２は図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、姿勢変更用駆動源４２により姿勢操作部材３１を後退させると、復元用弾性部材３２の弾性反発力によって先端部材２のハウジング１１が押し戻され、先端部材２は図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。その際、先端部材連結部１５には、姿勢操作部材３１の圧力、復元用弾性部材３２の弾性反発力、および抜け止め部材２１からの反力が作用しており、これらの作用力の釣り合いにより先端部材２の姿勢が決定される。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。
【００６１】
姿勢操作部材３１はガイド孔３０ａに挿通されているため、姿勢操作部材３１が長手方向と交差する方向に位置ずれすることがなく、常に先端部材２に対し適正に作用することができ、先端部材２の姿勢変更動作が正確に行われる。また、姿勢操作部材３１は主にワイヤ３１ａからなり可撓性であるため、スピンドルガイド部３が湾曲した状態でも先端部材２の姿勢変更動作が確実に行われる。さらに、スピンドル１３と回転軸２２との連結箇所の中心が案内面Ｆ１，Ｆ２の回動中心点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。
【００６２】
この遠隔操作型アクチュエータ５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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
上記遠隔操作型アクチュエータ５の動作時、工具１および加工対象物６の位置がナビゲーションシステムによって推定され、ディスプレイ５２の画面に表示される。そのため、工具１が骨等の加工対象物６の内部にあって直接視認できない場合でも、操作者は、ディスプレイ５２の画面で工具１および加工対象物６の位置を確認しながら操作を行うことができる。また、アクチュエータ本体１０、先端部材２、工具１および加工対象物６の位置や姿勢を、複数の点６０、あるいは外形を示す図形６１で表示した場合、加工対象物６に対する工具１の位置を感覚的に把握しやすい。
【００６６】
工具１やスピンドルガイド部３を交換した場合、交換後のアクチュエータ機構部５ａを用いて図２に示す試験を行い、工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段５５の記録内容を書き換える。これにより、工具１やスピンドルガイド部３の交換に対応できる。
【００６７】
遠隔操作型アクチュエータ５のアクチュエータ機構部５ａとナビゲーションコンピュータ９とは離れて位置しているが、アクチュエータ機構部５ａに設けた工具姿勢検出手段４５で検出される先端部材２の姿勢を示す電気信号がアクチュエータ用電気ケーブル４６を介してナビゲーションコンピュータ９の工具加工部位置推定手段５５に伝えられるため、アクチュエータ機構部５ａとナビゲーションコンピュータ９間の情報伝達が容易である。
【００６８】
図１３は、工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４の異なる構成を示す。この工具・工具用マーカ相対位置記憶手段５４は、前記実施形態のように、工具１に対する工具用マーカ７Ｃの相対位置についての情報を、事前に工具１の種類等毎に記憶しているのではなく、基準となる工具１の情報だけを基準位置・姿勢記憶部５４ａに記憶しておき、個々の工具１に関する上記情報については、図１４に示す校正作業に基づき、校正演算部５４ｂで校正するようにしたものである。
【００６９】
具体的には、校正用マーカ７Ｄが取付けられた校正部材５９を用いて、前記校正作業を行う。すなわち、基準となる工具１を先端部材２に装着し、その工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を校正部材５９の所定の校正点Ｑ３に接触させた状態で、マーカ検出機８により校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢を検出する。この検出結果を、校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢の基準値として、基準位置・姿勢記憶部５４ａ（図１３）に記憶させる。
【００７０】
基準となる工具１以外の工具１を使用する場合は、その工具１を先端部材２に装着し、その工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を校正部材５９の校正点Ｑ３に接触させた状態で、マーカ検出機８により校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢を検出する。校正演算部５４ｂ（図１３）が、この検出結果を、基準位置・姿勢記憶部５４ａに記録されている基準値と比較して、工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置を校正する。
【００７１】
この構成によれば、校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢の基準値さえ記憶させてあれば、工具１の加工部１ａの基準点Ｑ１を校正部材５９の校正点Ｑ３に接触させた状態で、マーカ検出機８により校正用マーカ７Ｄの位置および姿勢を検出するという簡単な操作を行うだけで、種類等が異なる工具１に対応できる。このため、事前に、工具１の種類等毎に、工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置を検出する試験等を行う必要がない。
【００７２】
校正部材５９は、校正点Ｑ３の周辺の外面形状が、工具１の加工部１ａの曲面状外面に沿う曲面５９ａからなる凹状とされている。この実施形態の場合、曲面５９ａは球面である。このため、工具１の基準点Ｑ１を校正部材５９の校正点Ｑ３に接触させる際、工具１の基準点Ｑ１を校正部品５９の校正点Ｑ３に精度良く接触させることができ、工具用マーカ７Ｃに対する先端部材２に装着された状態での工具１の加工部１ａの相対位置の校正精度を高めることができる。
【００７３】
図１５は遠隔操作型アクチュエータ５のアクチュエータ機構部５ａの異なる実施形態を示す。このアクチュエータ機構部５ａは、外郭パイプ２５内の互いに１８０度の位相にある周方向位置に２本のガイドパイプ３０を設け、そのガイドパイプ３０の内径孔であるガイド孔３０ａ内に前記同様の姿勢操作部材３１が進退自在に挿通してある。２本のガイドパイプ３０間には、ガイドパイプ３０と同一ピッチ円Ｃ上に複数本の補強シャフト３４が配置されている。復元用弾性部材３２は設けられていない。案内面Ｆ１，Ｆ２は、曲率中心が点Ｏである球面、または点Ｏを通るＸ軸を軸心とする円筒面である。
【００７４】
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１５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。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。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。
【００７５】
図１６は遠隔操作型アクチュエータ５のアクチュエータ機構部５ａのさらに異なる実施形態を示す。このアクチュエータ機構部５ａ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が進退自在に挿通させてある。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は回動中心点Ｏを中心とする球面であり、先端部材２は任意方向に傾動可能である。
【００７６】
駆動部４には、３つの姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）をそれぞれ個別に進退操作させる３つの姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）（図１７）が設けられており、これら３つの姿勢変更用駆動源４２を互いに連係させて駆動することで先端部材２の姿勢変更を行う。
例えば、図１６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１６（Ａ）において先端側が下向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。このとき、各姿勢操作部材３１の進退量が適正になるよう、各姿勢変更用駆動源４２が制御される。各姿勢操作部材３１を逆に進退させると、左右の姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は図１６（Ａ）において先端側が上向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。
また、上側の姿勢操作部材３１Ｕは静止させた状態で、左側の姿勢操作部材３１Ｌを先端側へ進出させ、かつ右側の姿勢操作部材３１Ｒを後退させると、左側の姿勢操作部材３１Ｌによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は右向き、すなわち図１６（Ａ）において紙面の裏側向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。左右の姿勢操作部材３１Ｌ，３１Ｒを逆に進退させると、右の姿勢操作部材３１Ｒによって先端部材２のハウジング１１が押されることにより、先端部材２は左向きとなる側へ案内面Ｆ１，Ｆ２に沿って姿勢変更する。
このように姿勢操作部材３１を円周方向の３箇所に設けることにより、先端部材２を上下左右の２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）の方向に姿勢変更することができる。その際、先端部材連結部１５には、３つの姿勢操作部材３１の圧力、および抜け止め部材２１からの反力が作用しており、これらの作用力の釣り合いにより先端部材２の姿勢が決定される。この構成では、３つの姿勢操作部材３１で先端部材２のハウジング１１に加圧されるため、さらに先端部材２の姿勢安定性を高めることができる。姿勢操作部材３１の数をさらに増やせば、先端部材２の姿勢安定性をより一層高めることができる。
【００７７】
先端部材２が２軸方向に姿勢変更である場合、３つの姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）のうち、少なくとも２つの動作量をそれぞれ動作量検出器（図示せず）で検出することにより、先端部材２の前記２軸方向の姿勢を検出することができる。この場合、各動作量検出器の集合体が工具姿勢検出手段４５となる。
【００７８】
姿勢操作部材３１が周方向の３箇所に設けられている場合、姿勢変更駆動機構４ｃを例えば図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４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を左右並列に配置すると共に、各姿勢変更用駆動源４２に対応するレバー４３ｂ（４３ｂＵ，４３ｂＬ，４３ｂＲ）を共通の支軸４３ａ回りに回動自在に設け、各レバー４３ｂにおける支軸４３ａからの距離が長い作用点Ｐ１（Ｐ１Ｕ，Ｐ１Ｌ，Ｐ１Ｒ）に各姿勢変更用駆動源４２の出力ロッド４２ａ（４２ａＵ，４２ａＬ，４２ａＲ）の力が作用し、支軸４３ａからの距離が短い力点Ｐ２（Ｐ２Ｕ，Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒ）で姿勢操作部材３１に力を与える構成としてある。これにより、各姿勢変更用駆動源４２の出力が増力して対応する姿勢操作部材３１に伝達させることができる。なお、回転軸２２は、上側の姿勢操作部材３１Ｕ用のレバー４３ｂＵに形成された開口４４を貫通させてある。
【００７９】
以上、医療用の遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステムについて説明したが、この発明はそれ以外の用途の遠隔操作型アクチュエータのナビゲーションシステムにも適用できる。例えば、機械加工用の遠隔操作型アクチュエータの場合、湾曲状をした孔のドリル加工や、溝内部の奥まった箇所の切削加工が可能でなる。
【符号の説明】
【００８０】
１…工具
１ａ…加工部
２…先端部材
３…スピンドルガイド部
４ａ…駆動部ハウジング
５…遠隔操作型アクチュエータ
６…加工対象物
７Ａ…本体用マーカ
７Ｂ…加工対象物用マーカ
７Ｃ…工具用マーカ
７Ｄ…校正用マーカ
８…マーカ検出機
９…ナビゲーションコンピュータ
１０…アクチュエータ本体
１３…スピンドル
２２…回転軸
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
４５…工具姿勢検出手段
５０…操作手段
５２…ディスプレイ
５４…工具・工具用マーカ相対位置記憶手段
５４ａ…基準位置・姿勢記憶部
５４ｂ…校正演算部
５５…工具用マーカ相対位置・姿勢記憶手段
５６…工具加工部位置推定手段
５６ａ…アクチュエータ表示情報生成手段
５８…マーカ取付部材
５９…校正部材
５９ａ…曲面
Ｑ１…工具の基準点
Ｑ２…工具用マーカの基準点
Ｑ３…校正点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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