(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、マーカ検出機８で検出されるマーカ７Ａの位置および姿勢の情報と、マーカ検出機８で検出されるマーカ７Ｂの位置および姿勢から求められる先端部材２の回動角度の情報と、アクチュエータ形状記憶手段５３に記憶されているマーカ７Ａに対する先端部材２の相対位置、および工具１の形状の情報とから、工具加工部位置推定手段５５が工具１の加工部の位置を推定する。【選択図】        図１
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【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アクチュエータ本体用マーカの位置および姿勢、並びに前記先端部材の前記回動中心点を中心とする回動に連動して動作する回動角度検出用マーカの位置および姿勢を検出するマーカ検出機と、
前記アクチュエータ本体用マーカに対する前記回動中心点の相対位置の情報、および前記回動中心点を基準とする前記工具の形状の情報を記憶するアクチュエータ形状記憶手段と、
前記マーカ検出機で検出される前記アクチュエータ本体用マーカの位置および姿勢、並びに前記回動角度検出用マーカの位置および姿勢の各情報と、前記アクチュエータ形状記憶手段の記憶情報とから、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、前記マーカ検出機は、前記回動角度検出用マーカの姿勢を検出するものであり、前記先端部材の前記回動中心点を中心とする回動に連動して動作するマーカ駆動アクチュエータにより、前記回動角度検出用マーカの姿勢を変更させるようにし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３】
請求項２において、前記マーカ駆動アクチュータは、表面波型の超音波振動を利用した直交する３方向の自由度を有する球面アクチュエータ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４】
請求項２において、前記マーカ駆動アクチュエータは３個のリニアモータからなり、これらリニアモータにより、前記回動角度検出用マーカを支持するマーカ支持部材の角度を変更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５】
請求項１において、前記マーカ検出機は、前記回動角度検出用マーカの位置を検出するものであり、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、この伝達系の動作に連動して位置が変わるように前記回動角度検出用マーカ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、前記スピンドルガイド部の種類が互いに異なる複数種の遠隔操作型アクチュエータに使用可能なナビゲーションシステムであって、前記アクチュエータ形状記憶手段は、前記スピンドルガイド部の種類毎に、前記アクチュエータ本体用マーカに対する前記回動中心点の相対位置の情報を記憶しており、前記工具加工部位置推定手段で推定に使用する前記回動中心点の相対位置の情報を選択するスピンドルガイド部種類選択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、前記工具の種類が互いに異なる複数種の遠隔操作型アクチュエータ、および前記工具を異なる種類のものに交換可能な遠隔操作型アクチュエータに使用可能なナビゲーションシステムであって、前記アクチュエータ形状記憶手段は、前記工具の種類毎に、前記回動中心点を基準とする前記工具の形状の情報を記憶しており、前記工具加工部位置推定手段で推定に使用する前記工具の形状の情報を選択する工具種類選択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、前記アクチュエータ本体用マーカおよび回動角度検出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アクチュエータ本体用マーカおよび回動角度検出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９】
請求項１ないし請求項８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１０】
請求項９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１１】
請求項９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１２】
請求項９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１３】
請求項１ないし請求項１２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
【特許文献８】特開昭６２−２２８３９２号公報
【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に取付けたアクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢、並びに前記先端部材２の前記回動中心点Ｏを中心とする回動に連動して動作する回動角度検出用マーカ７Ｂの位置および姿勢を検出するマーカ検出機８と、前記アクチュエータ本体用マーカ７Ａに対する前記回動中心点Ｏの相対位置の情報、および前記回動中心点Ｏを基準とする前記工具１の形状の情報を記憶するアクチュエータ形状記憶手段５３と、前記マーカ検出機８で検出される前記アクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢、並びに前記回動角度検出用マーカ７Ｂの位置および姿勢の各情報と、前記アクチュエータ形状記憶手段５３の記憶情報とから、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５５とを有することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、マーカ検出機８は、アクチュエータ本体１０の駆動部ハウジング４ａに取付けたアクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢、並びに前記先端部材２の前記回動中心点Ｏを中心とする回動に連動して動作する回動角度検出用マーカ７Ｂの位置および姿勢を検出する。アクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢から、アクチュエータ本体１０の基準部の位置および姿勢が検出される。また、回動角度検出用マーカ７Ｂの位置および姿勢と、先に取得したアクチュエータ本体１０の基準部の位置および姿勢との関係から、先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動角度を求める。
【００１８】
工具加工部位置推定手段５５は、マーカ検出機８で検出されるアクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢、並びに回動角度検出用マーカ７Ｂの位置および姿勢の各情報と、前記アクチュエータ形状記憶手段５３の記憶情報とから、工具１の加工部１ａの位置を推定する。
換言すれば、工具加工部位置推定手段５５は、マーカ検出機８で検出されるアクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢の情報、すなわちアクチュエータ本体１０の基準部の位置および姿勢の情報と、アクチュエータ形状記憶手段５３に記憶されたアクチュエータ本体用マーカ７Ａに対する先端部材２の回動中心点Ｏの相対位置の情報とから、回動中心点Ｏの絶対的な位置を推定することができる。また、マーカ検出機８で検出される回動角度検出用マーカ７Ｂの位置および姿勢の情報、すなわち先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動角度の情報と、アクチュエータ形状記憶手段５３に記憶された工具１の形状の情報とから、回動中心点Ｏに対する工具１の加工部１ａの相対位置を推定できる。
このように推定される先端部材２の回動中心点Ｏの絶対的な位置と、この回動中心点Ｏの位置を基準とする工具１の加工部１ａの相対位置とから、工具１の加工部１ａの絶対的な位置を推定することができる。そのため、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、その工具１の加工部１ａの位置の位置を推定することができる。
【００１９】
上記したように、アクチュエータ本体１０の基準部の位置および姿勢、並びに先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動角度がマーカ検出機８で検出される。つまり、工具１の加工部１ａの位置の推定に必要な情報のうち遠隔操作型アクチュエータ５におけるアクチュエータ機構部５ａに関する情報を、アクチュエータ機構部５ａから離れた別の箇所で検出することができる。そのため、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、その制御をするコンピュータ９とが分離されている場合、両者を情報伝達のためにケーブル等で接続する必要がなく、アクチュエータ機構部５ａの操作性が良い。特に、制御系を含むアクチュエータ本体１０が小型バッテリ等を備え、単体で駆動できる場合に、上記利点が効果的に得られる。また、アクチュエータ機構部５ａに関する情報を無線でコンピュータ９に伝えることも可能であるが、その場合、通信障害の影響を受ける可能性がある。この発明のようにマーカ７Ａ，７Ｂおよびマーカ検出機８を用いれば、通信障害の影響を受けにくい。
【００２０】
この発明において、前記マーカ検出機が、前記回動角度検出用マーカの姿勢を検出するものである場合、前記先端部材の前記回動中心点を中心とする回動に連動して動作するマーカ駆動アクチュエータにより、前記回動角度検出用マーカの姿勢を変更させるのがよい。
マーカ駆動アクチュエータを使用することにより、先端部材の前記回動中心点を中心とする回動に連動して回動角度検出用マーカの姿勢を確実に変更させることができる。
【００２１】
例えば、前記マーカ駆動アクチュエータは、表面波型の超音波振動を利用した直交する３方向の自由度を有する球面アクチュエータを採用できる。表面波型の超音波振動を利用した球面アクチュエータについては、特許文献８に記載がある。あるいは、前記マーカ駆動アクチュエータは３個のリニアモータからなり、これらリニアモータにより、前記回動角度検出用マーカを支持するマーカ支持部材の角度を変更させる構成としてもよい。
【００２２】
この発明において、前記マーカ検出機が、前記回動角度検出用マーカの位置を検出するものである場合、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、この伝達系の動作に連動して位置が変わるように前記回動角度検出用マーカを設けることができる。
前記伝達系に回動角度検出用マーカを設ければ、回動角度検出用マーカの位置を検出するための部材を別に設けなくて済むので、構成を簡略にできる。
【００２３】
この発明において、前記スピンドルガイド部３の種類が互いに異なる複数種の遠隔操作型アクチュエータ５に使用可能にするには、前記アクチュエータ形状記憶手段５３は、前記スピンドルガイド部３の種類毎に、前記アクチュエータ本体用マーカ７Ａに対する前記回動中心点Ｏの相対位置の情報を記憶しており、前記工具加工部位置推定手段５５で推定に使用する前記回動中心点Ｏの相対位置の情報を選択するスピンドルガイド部種類選択手段５３ａを設けるのが良い。
【００２４】
ある遠隔操作型アクチュエータ５を使用する場合、アクチュエータ形状記憶手段５３に記憶されているアクチュエータ本体用マーカ７Ａに対する回動中心点Ｏの相対位置の情報の中から、その遠隔操作型アクチュエータ５のスピンドルガイド部３の種類に対応する情報をスピンドルガイド部種類選択手段５３ａにより選択する。それにより、スピンドルガイド部３の種類が互いに異なる複数種の遠隔操作型アクチュエータ５に対して、ナビゲーションシステムが使用可能となる。
【００２５】
この発明において、前記工具１の種類が互いに異なる複数種の遠隔操作型アクチュエータ５、および前記工具１を異なる種類のものに交換可能な遠隔操作型アクチュエータ５に使用可能にするためには、前記アクチュエータ形状記憶手段５３は、前記工具１の種類毎に、前記回動中心点Ｏを基準とする前記工具１の形状の情報を記憶しており、前記工具加工部位置推定手段５５で推定に使用する前記工具１の形状の情報を選択する工具種類選択手段５３ｂを設けるのが良い。
【００２６】
ある遠隔操作型アクチュエータ５を使用する場合、アクチュエータ形状記憶手段５３に記憶されている回動中心点Ｏを基準とする工具１の形状の情報の中から、その遠隔操作型アクチュエータ５の工具１に対応する情報を工具種類選択手段５３ｂにより選択する。それにより、工具１の種類が互いに異なる複数種の遠隔操作型アクチュエータ５に対して、ナビゲーションシステムが使用可能となる。
【００２７】
この発明において、前記アクチュエータ本体用マーカおよび回動角度検出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アクチュエータ本体用マーカおよび回動角度検出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。
【００２８】
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５５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５５ａを設けるのが良い。
【００２９】
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５５ａ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。
【００３０】
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５５ａを設ける場合、前記アクチュエータ表示情報生成手段５５ａ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５５ａでの計算が簡単である。
【００３１】
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。
【００３２】
さらに、前記アクチュエータ表示情報生成手段５５ａ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。
【００３３】
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。
【００３４】
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】
【００３５】
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アクチュエータ本体用マーカの位置および姿勢、並びに前記先端部材の前記回動中心点を中心とする回動に連動して動作する回動角度検出用マーカの位置および姿勢を検出するマーカ検出機と、前記アクチュエータ本体用マーカに対する前記回動中心点の相対位置の情報、および前記回動中心点を基準とする前記工具の形状の情報を記憶するアクチュエータ形状記憶手段と、前記マーカ検出機で検出される前記アクチュエータ本体用マーカの位置および姿勢、並びに前記回動角度検出用マーカの位置および姿勢の各情報と、前記アクチュエータ形状記憶手段の記憶情報とから、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】
【００３６】
【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概略構成を示す図である。
【図２】（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】（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断面図、（Ｂ）はそのIIIＢ−IIIＢ断面図である。
【図４】回動角度検出用マーカのマーカ支持機構を示す図である。
【図５】（Ａ）は回動角度検出用マーカのさらに異なるマーカ支持機構の断面図、（Ｂ）はそのＶＢ矢視図、（Ｃ）そのＶＣ−ＶＣ断面図である。
【図６】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７】（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）はスピンドルガイド部の形状が異なる図である。
【図８】同ナビゲーションシステムのアクチュエータ形状記憶手段の構成を示す図である。
【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）は工具の種類が異なる図、（Ｃ）はさらに工具の種類が異なる図である。
【図１０】同ナビゲーションシステムのアクチュエータ形状記憶手段の一部の構成を示す図である。
【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駆動部ハウジングの斜視図である。
【図１４】同ナビゲーションシステムの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断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１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。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に設けたマーカ７Ａ，７Ｂおよび加工対象物６に設けたマーカ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を行うナビゲーションコンピュータ９とを備える。
【００３８】
遠隔操作型アクチュエータ５は、図２および図３に示すアクチュエータ機構部５ａと、操作システム部５ｂ（図６）とで構成される。操作システム部５ｂは、アクチュエータ機構部５ａと一体に設けても、別体として設けてもよい。以下、アクチュエータ機構部５ａについて、図１〜図３と共に説明する。なお、図２はスピンドルガイド部３が直線状のものを示すが、図１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。
【００３９】
図１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３）および姿勢変更用駆動機構４ｃ（図３）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６）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６）とが設けられている。
【００４０】
図２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が半球状である。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。
【００４１】
スピンドルガイド部３は、駆動部ハウジング４ａ内の工具回転用駆動源４１（図３）の回転力を前記スピンドル１３へ伝達する回転軸２２を有する。この例では、回転軸２２はワイヤとされ、ある程度の弾性変形が可能である。ワイヤの材質としては、例えば金属、樹脂、グラスファイバー等が用いられる。ワイヤは単線であっても、撚り線であってもよい。図２（Ｃ）に示すように、スピンドル１３と回転軸２２とは、自在継手等の継手２３を介して回転伝達可能に接続されている。継手２３は、スピンドル１３の閉塞した基端に設けられた溝１３ａと、回転軸２２の先端に設けられ前記溝１３ａに係合する突起２２ａとで構成される。上記溝１３ａと突起２２ａとの連結箇所の中心は、前記案内面Ｆ１，Ｆ２の回動中心点Ｏと同位置である。回転軸２２と突起２２ａは別部材として構成してもよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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がそれぞれ設けられている。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、力伝達部材である複数のボール３１ａと両端の柱状ピン３１ｂとでなる姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）が進退自在に挿通されている。ボール３１ａおよび柱状ピン３１ｂは、ガイド孔３０ａの長さ方向に沿って一列に配列されて隙間無く並んでいる。先端部材２側の柱状ピン３１ｂの先端は球面状で、その球面状の先端が、ハウジング１１の基端面に形成された径方向の溝部１１ｂの底面に当接している。溝部１１ｂおよび柱状ピン３１ｂは回転防止機構３７を構成し、溝部１１ｂに挿入された柱状ピン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に対して先端部材２の中心線ＣＬ回りに回転するのを防止している。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の側面に当接している。なお、姿勢操作部材３１はワイヤで構成してもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
図３は、駆動部ハウジング４ａ内の工具回転用駆動機構４ｂおよび姿勢変更用駆動機構４ｃを示す。
工具回転用駆動機構４ｂは、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。
【００４６】
また、姿勢変更用駆動機構４ｃは、各姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）にそれぞれ対応する３個の姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）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３（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。
【００４７】
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。
【００４８】
図６に示すように、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】
マーカ検出機８は、マーカ７Ａ，７Ｂ，７Ｃを検出対象とする。アクチュエータ本体用マーカ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７Ｃは骨等の加工対象物６に、それぞれ固定状態で取付けられている。回動角度検出用マーカ７Ｂは、例えば図４に示すように、マーカ支持機構７１を介して駆動部ハウジング４ａに設けられている。マーカ支持機構７１は、球面に沿って任意方向に回転自在な球状のマーカ支持部材７２を有し、このマーカ支持部材７２をマーカ駆動アクチュエータ７３で任意方向に回転駆動するようになっている。回動角度検出用マーカ７Ｂは、マーカ支持部材７２に支持されている。マーカ駆動アクチュエータ７３は、先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動に連動して動作し、それにより回動角度検出用マーカ７Ｂが、例えば先端部材２と同じ角度だけ同じ方向に姿勢を変える。先端部材２の角度変位とマーカ７Ｂの角度変位の関係が常に一定であれば、先端部材２と逆向きにマーカＢが姿勢変更してもよい。マーカ駆動アクチュエータ７３としては、例えば、表面波型の超音波振動を利用した直交する３方向の自由度を有する球面アクチュエータを採用できる。表面波型の超音波振動を利用した球面アクチュエータについては、特許文献８に記載がある。
【００５０】
マーカ駆動アクチュエータ７３の先端部材２に対する連動は、例えば姿勢操作具５０ｂから姿勢変更用駆動源４２に与える指令に同期した指令をマーカ駆動アクチュエータ７３に出力する連動制御機構（図示せず）によって行われる。この連動制御機構は、例えば駆動部ハウジング４ａ内に設けられる。
【００５１】
マーカ支持機構７１は、図５に示す構成としてもよい。すなわち、このマーカ支持機構７１のマーカ支持部材７２は半球状で、その球面部分に回動角度検出用マーカ７Ｂが支持されている。マーカ支持部材７２の平面部分には、３方向のガイド溝７６が形成されており、各ガイド溝７６に、マーカ駆動アクチュエータ７３を構成する３個のリニアモータ７７の各出力軸７７ａの先端がそれぞれ係合している。先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動に連動させて、各リニアモータ７７を出力することにより、回動角度検出用マーカ７Ｂの姿勢を変えさせることができる。
【００５２】
この場合も、図４のマーカ支持機構７１と同様に、マーカ支持部材７２の回転中心を中心とする回動が、回動中心点Ｏを中心とする先端部材２の回動と同じ方向（または反対方向）に同じ回動角度になるよう制御する。具体的には、先端部材２の姿勢検出手段（図示せず）からの情報に基づき、リニアモータ制御手段（図示せず）で各リニアモータ７７の移動量を計算し、その計算された移動量で各リニアモータ７７を駆動させる。
【００５３】
マーカ検出機８は、検出機支持体８ａに支持された３個の個別検出機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５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ（図６）とで構成される。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５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ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。
【００５４】
図６に示すように、ナビゲーションコンピュータ９は、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。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。
【００５５】
ナビゲーションシステム部５１は、アクチュエータ形状記憶手段５３と、本体アクチュエータ用、回動角度検出用、および加工対象物用の各マーカ位置・姿勢演算部５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃと、工具加工部位置推定手段５５とを有する。アクチュエータ形状記憶手段５３は、スピンドルガイド部種類選択手段５３ａおよび工具種類選択手段５３ｂを含む。工具加工部位置推定手段５５は、アクチュエータ表示情報生成手段５５ａ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５６を有する。
【００５６】
アクチュエータ形状記憶手段５３は、駆動部ハウジング４ａに取付けたアクチュエータ本体用マーカ７Ａに対する先端部材２の回動中心点Ｏの相対位置の情報、および回動中心点Ｏを基準とする工具１の形状の情報を記憶するものである。工具１の形状の情報として、例えば先端部材２の姿勢が中立状態にあるときの回動中心点Ｏに対する加工部１ａの先端Ｑ（図２）の相対位置の情報を用いることができる。この相対位置の情報は、単に先端部材２の回動中心点Ｏと加工部１ａの先端Ｑ間の距離であってもよい。
【００５７】
アクチュエータ形状記憶手段５３について、さらに詳しく説明する。
アクチュエータ本体用マーカ７Ａに対する先端部材２の回動中心点Ｏの相対位置は、スピンドルガイド部３の形状によって異なる。例えば、図７（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は、上記相対位置が異なる。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、上記相対位置が異なる。アクチュエータ形状記憶手段５３には、図８に示すような、スピンドルガイド部３の種類と相対位置の関係を記憶保存するテーブル５３ｃが格納されており、このテーブル５３ｃに記憶保存されている複数の関係の中から、外部から入力される情報等に応じて、スピンドルガイド部種類選択手段５３ａが適正な１つの関係を選択する。スピンドルガイド部３の種類毎の相対位置は、予め計測または設計データにより求めておく。
【００５８】
また、回動中心点Ｏを基準とする工具１の形状は、使用する工具１の種類により異なる。例えば、図９（Ａ）のように加工部１ａが半球状のものを使用する場合と、同図（Ｂ）のように球状のものを使用する場合と、同図（Ｃ）のように柱状のものを使用する場合とでは、上記相対位置が異なる。アクチュエータ形状記憶手段５３には、図１０に示すような、工具１の種類と相対位置の関係を記憶保存するテーブル５３ｄが格納されており、このテーブル５３ｄに記憶保存されている複数の関係の中から、外部から入力される情報等に応じて、工具種類選択手段５３ｂが適正な１つの関係を選択する。工具１の種類毎の相対位置は、予め計測または設計データより求めておく。
【００５９】
マーカ位置・姿勢演算部５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃは、マーカ検出機８の３個の個別検出機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。アクチュエータ本体用マーカ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。つまり、マーカ位置・姿勢演算部５４Ａにより、アクチュエータ本体１０の基準部の位置および姿勢が検出される。ここで言う基準部は、後記工具加工部位置推定手段５５での計算の基準となる部分のことである。加工対象物用マーカ７Ｃ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。マーカ位置・姿勢演算部５３Ｂは、回動角度検出用マーカ７Ｂの姿勢と、アクチュエータ本体１０の位置および姿勢とから先端部材２の回動角度を演算するものである。
【００６０】
工具加工部位置推定手段５５は、マーカ検出機８で検出されるアクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢、並びに回動角度検出用マーカ７Ｂの姿勢の各情報と、アクチュエータ形状記憶手段５３の記憶情報とから、工具１の加工部１ａの先端Ｑの位置を推定する。
換言すれば、工具加工部位置推定手段５５は、マーカ検出機８Ａで検出されるアクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢の情報、すなわちアクチュエータ本体１０の基準部の位置および姿勢と、アクチュエータ形状記憶手段５３に記憶されたマーカ７Ａに対する先端部材２の回動中心点Ｏの相対位置の情報とから、回動中心点Ｏの絶対的な位置を推定することができる。また、マーカ検出機８で検出される回動角度検出用マーカ７Ｂの姿勢の情報、すなわち先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動角度の情報と、アクチュエータ形状記憶手段５３に記憶された工具１の形状の情報とから、回動中心点Ｏに対する工具１の加工部１ａの先端Ｑの相対位置を推定できる。
【００６１】
このように推定される先端部材２の回動中心点Ｏの絶対的な位置と、この回動中心点Ｏの位置を基準とする工具１の加工部１ａの先端Ｑの相対位置とから、工具１の加工部１ａの先端Ｑの絶対的な位置を推定することができる。そのため、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、その工具１の加工部１ａの位置の位置を推定することができる。
【００６２】
アクチュエータ表示情報生成手段５５ａ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５６は、マーカ位置・姿勢演算部５４Ｃにより求められた加工対象物用マーカ７Ｃ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。
【００６３】
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・操作コンピュータ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。
【００６４】
遠隔操作型アクチュエータ５の動作を説明する。
工具回転用駆動源４１を駆動すると、その回転力が回転軸２２を介してスピンドル１３に伝達されて、スピンドル１３と共に工具１が回転する。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。
【００６５】
使用時には、姿勢操作具５０ｂの操作により、各姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を互いに連係させて駆動することで、各姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）を進退させて、先端部材２の姿勢変更を行う。
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。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。
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。
【００６６】
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ＣＬ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変更用駆動機構４ｃやその制御装置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ＣＬ回りに回転して加工対象物６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。
【００６７】
姿勢操作部材３１はガイドパイプ３０のガイド孔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は複数のボール３１ａおよび柱状ピン３１ｂからなり、全体的に可撓性であるため、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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
スピンドルガイド部３を異なる種類のものに交換したり、スピンドルガイド部３の形状を変形させたりした場合、アクチュエータ形状記憶手段５３のテーブル５３ｃに記憶されているスピンドルガイド部３の種類と先端部材２の相対位置の関係の中から、スピンドルガイド部種類選択手段５３ａで適正な１つの関係を選択することで対応できる。同様に、工具１を形状が異なる種類のものに交換した場合も、アクチュエータ形状記憶手段５３のテーブル５３ｄに記憶されている工具１の種類と加工部１ａの相対位置の関係の中から、工具種類選択手段５３ｂで適正な１つの関係を選択することで対応できる。
【００７３】
工具１の位置を推定するナビゲーションの制御につき、アクチュエータ本体１０の基準部の位置および姿勢、並びに先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動角度がマーカ検出機８で検出される。つまり、工具１の加工部１ａの位置の推定に必要な情報のうち遠隔操作型アクチュエータ５におけるアクチュエータ機構部５ａに関する情報を、アクチュエータ機構部５ａから離れた別の箇所で検出することができる。そのため、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、その制御をするナビゲーション・操作用コンピュータ９とをケーブル等で接続する必要がなく、アクチュエータ機構部５ａの操作性が良い。
【００７４】
図１３および図１４は、異なるナビゲーションシステムの駆動部ハウジング４ａを示す。このナビゲーションシステムは、マーカ検出機８で回動角度検出用マーカ７Ｂの位置を検出することで、先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動角度を検出する構成である。このナビゲーションシステムの場合、回動角度検出用マーカ７Ｂは３つの光反射部７ａがそれぞれ独立しており、各光反射部７ａは、駆動部ハウジング４ａに設けた開口８０を貫通する支持部材７ｂを介して、それぞれ姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）と姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）間の各レバー機構４３のレバー４３ｂに取付けられている。各光反射部７ａは、マーカ検出機８の各個別検出機８ｂにより、それぞれ位置が検出される。
【００７５】
先端部材２が姿勢を変更する場合、各レバー４３ｂがそれぞれ個別に回動するため、回動角度検出用マーカ７Ｂの各光反射部７ａの位置をマーカ検出機８で検出することで各レバー４３ｂの回動量が分かり、それから先端部材２の回動中心点Ｏを中心とする回動角度を推定できる。工具加工部位置推定手段５５は、こうして得られる上記回動角度と、マーカ検出機８で検出されるアクチュエータ本体用マーカ７Ａの位置および姿勢と、アクチュエータ形状記憶手段５３の記憶情報とから、工具１の加工部１ａの先端Ｑの位置を推定する。
【００７６】
このように、姿勢変更用駆動源４２から先端部材２に動作を伝える伝達系に回動角度検出用マーカ７Ｂを設ければ、回動角度検出用マーカ７Ｂの位置を検出するための部材を別に設けなくて済むので、構成を簡略にできる。姿勢変更用駆動源４２の動作部、例えば出力ロッド４２ａに回動角度検出用マーカ７Ｂを設けてもよい。
【００７７】
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】
【００７８】
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…アクチュエータ本体用マーカ
７Ｂ…回動角度検出用マーカ
７Ｃ…加工対象物用マーカ
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
５０…操作手段
５２…ディスプレイ
５３…アクチュエータ形状記憶手段
５３ａ…スピンドル形状選択手段
５３ｂ…工具種類選択手段
５５…工具加工部位置推定手段
５５ａ…アクチュエータ表示情報生成手段
７２…マーカ支持部材
７３…マーカ駆動アクチュエータ
７７…リニアモータ
Ｏ…回動中心点
【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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