(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長形状のスピンドルガイドと、このスピンドルガイドの基端を結合した本体ハウジングと、前記スピンドルガイドの先端に回転自在に支持された工具と、前記スピンドルガイド内に挿通された駆動伝達手段を介して前記工具を回転させる工具回転用駆動源と、この工具回転用駆動源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おいて、
前記本体ハウジングの位置および姿勢を検出して、この検出値から前記工具および前記スピンドルガイドに外力が作用していないときの前記工具の先端位置を検出する外力非作用時位置検出手段と、前記スピンドルガイドの歪みを検出する歪み検出手段と、前記外力非作用時位置検出手段で検出された前記工具の先端位置を、前記歪み検出手段の歪み検出値を用いて補正する補正手段とを設け、前記外力非作用時位置検出手段は、前記本体ハウジングに取付けたマーカの位置および姿勢を検出するマーカ検出機と、前記マーカに対する前記工具の先端の相対位置を記憶した相対位置記憶手段と、前記マーカ検出機によって検出されたマーカの位置および姿勢、および前記相対位置記憶手段に記憶された前記マーカに対する前記工具の先端の相対位置から、前記工具の先端位置を推定する推定手段とを備えることを特徴とする遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記スピンドルガイド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工具先端位置検出装置であって、前記補正手段に、前記スピンドルガイドの種類毎に前記歪み検出手段の歪み検出値と前記補正に用いる補正量との関係を記憶する複数の種類別テーブルと、各種類別テーブルの中からスピンドルガイドの種類に応じた種類別テーブルを選択するテーブル選択手段とを設けた遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項３】
細長形状のスピンドルガイドと、このスピンドルガイドの基端を結合した本体ハウジングと、前記スピンドルガイドの先端に回転自在に支持された工具と、前記スピンドルガイド内に挿通された駆動伝達手段を介して前記工具を回転させる工具回転用駆動源と、この工具回転用駆動源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おいて、
前記本体ハウジングの位置および姿勢を検出して、この検出値から前記工具および前記スピンドルガイドに外力が作用していないときの前記工具の先端位置を検出する外力非作用時位置検出手段と、前記スピンドルガイドの歪みを検出する歪み検出手段と、前記外力非作用時位置検出手段で検出された前記工具の先端位置を、前記歪み検出手段の歪み検出値を用いて補正する補正手段とを設け、前記歪み検出手段は、前記スピンドルガイドに取付けた歪みセンサ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工具先端位置検出装置。
【請求項４】
請求項３において、前記歪みセンサを、前記スピンドルガイドの外周面における同一軸方向位置で、かつ円周方向の互いに異なる４箇所以上に取付けた遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、前記歪みセンサは歪みゲージである遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項６】
請求項３または請求項４において、前記歪みセンサは、光ファイバを用いたセンサである遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項７】
請求項３ないし請求項６のいずれか１項において、前記歪み検出手段は、前記歪みセンサの出力を電気信号で工具先端位置検出装置の制御系部分へ送信する遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項８】
請求項３ないし請求項７のいずれか１項において、前記歪みセンサに対するノイズ発生源となる可能性のある機器の作動状態を示す信号を入力し、この信号が前記機器の作動中を示す場合に警報指令信号を出力する補正判定手段と、この補正判定手段の警報指令信号により警報を出力する警報手段とを設けた遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項９】
請求項３ないし請求項７のいずれか１項において、前記歪みセンサとは別に、前記スピンドルガイドに作用する外力に影響されない検査用歪みセンサを設け、この検査用歪みセンサの出力値またはこの出力値に所定の信号処理をした値を入力し、その値が所定の閾値を超えた場合に警報指令信号を出力する補正判定手段と、この補正判定手段の警報指令信号により警報を出力する警報手段とを設けた遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９において、前記補正判定手段が警報指令信号を出力した場合、前記補正手段は、前記補正判定手段が警報指令信号を出力する直前の前記歪み検出手段の歪み検出値を用いて補正を行う遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項１１】
細長形状のスピンドルガイドと、このスピンドルガイドの基端を結合した本体ハウジングと、前記スピンドルガイドの先端に回転自在に支持された工具と、前記スピンドルガイド内に挿通された駆動伝達手段を介して前記工具を回転させる工具回転用駆動源と、この工具回転用駆動源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おいて、
前記本体ハウジングの位置および姿勢を検出して、この検出値から前記工具および前記スピンドルガイドに外力が作用していないときの前記工具の先端位置を検出する外力非作用時位置検出手段と、前記スピンドルガイドの歪みを検出する歪み検出手段と、前記外力非作用時位置検出手段で検出された前記工具の先端位置を、前記歪み検出手段の歪み検出値を用いて補正する補正手段とを設け、画面に画像および位置情報の両方またはいずれか一方を表示するディスプレイを設け、前記外力非作用時位置検出手段で推定され、かつ前記補正手段で補正された前記工具の先端位置の情報を前記ディスプレイの画面に表示する表示情報生成手段を設けたことを特徴とする遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【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、前記スピンドルガイドは、スピンドルガイド本体と、このスピンドルガイド本体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でなり、前記先端部材に前記工具を回転自在に支持し、前記スピンドルガイド本体内に挿通された姿勢操作部材を介して前記先端部材を姿勢変更させる姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源の操作を行う姿勢操作手段とを設けた遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項１３】
請求項１２において、前記先端部材は、工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記工具回転用駆動源の回転が前記駆動伝達手段を介して前記スピンドルに伝達され、前記姿勢操作部材は、可撓性を有し、両端に貫通したガイド孔に挿通され、先端が前記先端部材に接して前記姿勢変更用駆動源の駆動で進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項１４】
請求項１２において、前記先端部材は、工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記工具回転用駆動源の回転が前記駆動伝達手段を介して前記スピンドルに伝達され、前記姿勢操作部材は、ワイヤであって、両端に貫通したガイド孔に挿通され、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で前記姿勢変更用駆動源の駆動で進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させる遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【請求項１５】
細長形状のスピンドルガイドと、このスピンドルガイドの基端を結合した本体ハウジングと、前記スピンドルガイドの先端に回転自在に支持された工具と、前記スピンドルガイド内に挿通された駆動伝達手段を介して前記工具を回転させる工具回転用駆動源と、この工具回転用駆動源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おいて、
前記本体ハウジングの位置および姿勢を検出して、この検出値から前記工具および前記スピンドルガイドに外力が作用していないときの前記工具の先端位置を検出する外力非作用時位置検出手段と、前記スピンドルガイドの歪みを検出する歪み検出手段と、前記外力非作用時位置検出手段で検出された前記工具の先端位置を、前記歪み検出手段の歪み検出値を用いて補正する補正手段とを設け、
前記スピンドルガイドは、スピンドルガイド本体と、このスピンドルガイド本体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でなり、前記先端部材に前記工具を回転自在に支持し、前記スピンドルガイド本体内に挿通された姿勢操作部材を介して前記先端部材を姿勢変更させる姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源の操作を行う姿勢操作手段とを設け、
前記先端部材は、工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記工具回転用駆動源の回転が前記駆動伝達手段を介して前記スピンドルに伝達され、前記姿勢操作部材は、両端に貫通したガイド孔に挿通され、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させるものであり、前記姿勢変更用駆動源の動作を前記姿勢操作部材に伝達する駆動機構部を前記本体ハウジング内に設け、
前記駆動機構部は、前記姿勢操作部材の基端に形成された雄ねじ部と、前記本体ハウジングに固定され前記雄ねじ部に螺合した雌ねじ部とでなるねじ機構を有し、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで前記姿勢操作部材の基端を回転させることにより、前記ねじ機構の作用で前記姿勢操作部材を進退させることを特徴とする遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
【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工具先端位置検出装置に関する。
【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駆動伝達手段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】
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、工具先端位置を検出する工具先端位置検出装置が必要である。加工対象が骨である場合における骨の位置等の測定方法として、例えば次のようなものが知られている。
【０００９】
特許文献４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。この手法を用いて、骨および遠隔操作型アクチュエータ本体にマーカを取付けることで、骨および遠隔操作型アクチュエータ本体の位置を測定することができる。
【００１０】
特許文献５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遠隔操作型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、マーカを取付けた遠隔操作型アクチュエータ本体の姿勢も検出する。遠隔操作型アクチュエータ本体の姿勢が分かれば、工具の先端位置と遠隔操作型アクチュエータ本体のマーカ取付箇所との相対的な位置関係から、工具の先端位置を推定することができる。なお、工具の先端位置と遠隔操作型アクチュエータ本体のマーカ取付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、工具先端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５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。
【００１１】
特許文献６のものは、遠隔操作型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のマーカに工具の先端を接触させ、そのときに計測される遠隔操作型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遠隔操作型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、工具の先端位置を推定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【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】米国特許第５，２４９，５８１号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４３４，５０７号明細書
【特許文献６】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】
【００１３】
上記従来の測定方法において、遠隔操作型アクチュエータ本体におけるマーカの取付箇所は特に定められていないが、実際には、工具に直接マーカを取付けることは不可能であるし、また工具の種類や加工対象物等に応じてパイプ部が交換されることから、通常は、パイプ部の基端が結合された本体ハウジングにマーカが取付けられる。しかし、加工時に工具に作用する切削抵抗や、切削箇所の周辺部にパイプ部が当たって受ける外力により、細長形状であるパイプ部は撓む。その撓み量は、パイプ部が長尺であるほど大きい。本体ハウジングにマーカを取付けた場合、上記パイプ部の撓みにより、工具の先端位置を正確に推定することが困難になり、加工精度が低下するという問題がある。
【００１４】
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の先端に工具が設けられた遠隔操作型アクチュエータに対し、スピンドルガイドの撓みによる工具の先端位置の変位を精度良く推定して、常に正確な工具の先端位置を検出できる工具先端位置検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明にかかる遠隔操作型アクチュエータ５の工具先端位置検出装置５３は、細長形状のスピンドルガイド３と、このスピンドルガイド３の基端を結合した本体ハウジング４と、前記スピンドルガイド３の先端に回転自在に支持された工具１と、前記スピンドルガイド３内に挿通された駆動伝達手段２２を介して前記工具１を回転させる工具回転用駆動源４１と、この工具回転用駆動源４１の操作を行う操作手段５１とを備えた遠隔操作型アクチュエータ５において、前記本体ハウジング４の位置および姿勢を検出して、この検出値から前記工具１および前記スピンドルガイド３に外力が作用していないときの前記工具１の先端位置を検出する外力非作用時位置検出手段５４と、前記スピンドルガイド３の歪みを検出する歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙと、前記外力非作用時位置検出手段５４で検出された前記工具１の先端位置を、前記歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値を用いて補正する補正手段５５とを設けた前提構成としている。なお、外力非作用時位置検出手段５４は、スピンドルガイド３に外力が作用していないときに工具１の先端位置を検出してもよいが、その出力する検出値は外力が作用していないときの値とする。
この構成によれば、外力非作用時位置検出手段５４が、本体ハウジング４の位置および姿勢を検出し、この検出値から前記工具１および前記スピンドルガイド３に外力が作用していないときの前記工具１の先端位置を検出する。また、歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙが、スピンドルガイド３の歪みを検出する。補正手段５５は、上記歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値を用いて、外力非作用時位置検出手段５４で検出された工具１の先端位置を補正する。これにより、スピンドルガイド３の撓みによる工具１の先端位置の変位が補正され、正確な工具１の先端位置が検出される。
遠隔操作型アクチュエータ５は、スピンドルガイド３の先端に設けられた工具１の回転により、骨等の切削を行う。工具回転用駆動源４１によりスピンドルガイド３内に挿通された駆動伝達手段２２を介して工具１を回転させるため、遠隔操作で工具１の回転を操作することができる。
【００１６】
この発明において、前記スピンドルガイド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に使用可能にするためには、前記補正手段５５に、前記スピンドルガイド３の種類毎に前記歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値と前記補正に用いる補正量との関係を記憶する複数の種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…と、各種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…の中からスピンドルガイド３の種類に応じた種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…を選択するテーブル選択手段５５ｂとを設けるのが良い。
ある遠隔操作型アクチュエータ５を使用する場合、その遠隔操作型アクチュエータ５に用いられているスピンドルガイド３の種類に対応する種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…をテーブル選択手段５５ｂにより選択する。そして、その選択された種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…に記憶されている歪み検出値と補正量との関係から、歪み検出値に応じた補正量を選択する。これにより、スピンドルガイド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に対しても、歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値に応じた適正な補正量を求めることができる。
【００１７】
この発明における第１の発明の遠隔操作型アクチュエータ５の工具先端位置検出装置５３は、前記前提構成において、前記外力非作用時位置検出手段５４は、前記本体ハウジング４に取付けたマーカ７Ａの位置および姿勢を検出するマーカ検出機８と、前記マーカ７Ａに対する前記工具１の先端の相対位置を記憶した相対位置記憶手段８３と、前記マーカ検出機８によって検出されたマーカ７Ａの位置および姿勢、および前記相対位置記憶手段８３に記憶された前記マーカ７Ａに対する前記工具１の先端の相対位置から、前記工具１の先端位置を推定する推定手段８５とを備えている。
この構成によれば、マーカ検出機８が、本体ハウジング４に取付けたマーカ７Ａの位置および姿勢を検出する。これにより、本体ハウジング４のマーカ取付箇所の位置および本体ハウジング４の姿勢が検出される。このマーカ検出機８の検出結果と、相対位置記憶手段８３に記憶されたマーカ７Ａに対する工具１の先端の相対位置とから、推定手段８５が工具１の先端位置を推定する。
【００１８】
この発明における第２の発明の遠隔操作型アクチュエータ５の工具先端位置検出装置５３は、前記前提構成において、前記歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙは、前記スピンドルガイド３に取付けた歪みセンサ６０を有する構成とする。その場合、前記歪みセンサ６０を、前記スピンドルガイド３の外周面における同一軸方向位置で、かつ円周方向の互いに異なる４箇所以上に取付けるのが望ましい。
スピンドルガイド３に歪みセンサ６０を取付けることにより、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙでスピンドルガイド３の歪みを検出することができる。歪みセンサ６０を円周方向の互いに異なる４箇所以上に取付ければ、２個の歪みセンサ６０を１対としてスピンドルガイドの２軸方向の歪みを検出することができる。歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの一部を構成する歪みセンサ６０は、それ自体が歪み検出手段であるとも言える。
【００１９】
前記歪みセンサは歪みゲージであってよい。
歪みゲージは安価であり、かつ容易にスピンドルガイドに取付けることができる。
【００２０】
前記歪みセンサは、光ファイバを用いたセンサであってもよい。
光ファイバを用いた歪み検出用センサとしては、分布型光ファイバセンサやブラックレーティングセンサ（ＦＢＧ）等が知られている。中でもＦＢＧは、局所的な歪みを高精度かつ動的に計測することが可能で、従来の歪みゲージと同様な使い方が可能である。
【００２１】
前記歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙは、前記歪みセンサ６０の出力を電気信号で工具先端位置検出装置５３の制御系部分へ送信するのが良い。
歪みセンサ６０の出力を電気信号で工具先端位置検出装置５３の制御系部分へ送信すれば、歪みセンサ６０の設けられたスピンドルガイド３と工具先端位置検出装置５３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。
【００２２】
前記歪みセンサ６０に対するノイズ発生源となる可能性のある機器６７，６８の作動状態を示す信号を入力し、この信号が前記機器６７，６８の作動中を示す場合に警報指令信号を出力する補正判定手段６５と、この補正判定手段６５の警報指令信号により警報を出力する警報手段６６とを設けるのが良い。
例えば遠隔操作型アクチュエータ５が医療用である場合、遠隔操作型アクチュエータ５の近くに医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８等の電磁波を発生する機器があることが多い。これらの機器から発せられる電磁波は、微小な信号を扱う遠隔操作型アクチュエータ５の歪みセンサ６０にとってノイズとなる可能性がある。通常、医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８と遠隔操作型アクチュエータ５とが同時に使用されることはないが、誤って遠隔操作型アクチュエータ５を使用中に医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８を作動させた場合、工具先端位置検出装置５３による工具１の先端位置の検出に誤差が含まれることになる。これを防止するために補正判定手段６５と警報手段６６とを設け、医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８が作動中であることを示す信号が補正判定手段６５に入力された場合、補正判定手段６５は警報指令信号を出力して、警報手段６６に警報を出力させる。これにより、補正手段５５による工具１の先端位置の補正が正しくないことを、操作者に知らせることができる。また、このとき検出された工具１の先端位置を、遠隔操作型アクチュエータ５の各種動作制御に用いないようにすることができる。
【００２３】
あるいは、前記歪みセンサ６０とは別に、前記スピンドルガイド３に作用する外力に影響されない検査用歪みセンサ７０を設け、この検査用歪みセンサ７０の出力値またはこの出力値に所定の信号処理をした値を入力し、その値が所定の閾値を超えた場合に警報指令信号を出力する補正判定手段７２と、この補正判定手段７２の警報指令信号により警報を出力する警報手段６６とを設けてもよい。
検査用歪みセンサ７０はスピンドルガイド３に作用する外力に影響されないから、この検査用歪みセンサ７０の出力値またはこの出力値に所定の信号処理をした値が所定の閾値を超えた場合は、医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８の発生する電磁波をノイズとして受けたと考えられる。つまり、医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８が作動中であることを意味する。そこで、前記値が所定の閾値を超えた場合、補正判定手段７２は警報指令信号を出力して、警報手段６６に警報を出力させる。これにより、前記同様、補正手段５５による工具１の先端位置の補正が正しくないことを、操作者に知らせることができる。また、このとき検出された工具１の先端位置を、遠隔操作型アクチュエータ５の各種動作制御に用いないようにすることができる。
【００２４】
前記補正判定手段６５，７２が警報指令信号を出力した場合、前記補正手段５５は、前記補正判定手段６５，７２が警報指令信号を出力する直前の前記歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値を用いて補正を行うのが良い。
補正判定手段６５，７２が警報指令信号を出力する直前の歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値を用いて、補正手段５５が補正を行うことで、歪みセンサ６０のノイズ検出による誤差を排除しつつ、可能な限り最新の歪み検出手段６０，６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値を用いた補正を行える。
【００２５】
この発明における第３の発明の遠隔操作型アクチュエータ５の工具先端位置検出装置５３は、前記前提構成において、画面に画像および位置情報の両方またはいずれか一方を表示するディスプレイ５６を設け、前記外力非作用時位置検出手段５４で推定され、かつ前記補正手段５５で補正された前記工具１の先端位置の情報を前記ディスプレイ５６の画面に表示する表示情報生成手段５７を設ける。
ディスプレイ５６および表示情報生成手段５７を設ければ、ディスプレイ５６の画面に工具１の先端位置の情報を表示することができる。それにより、操作者は、ディスプレイ５６の画面から工具１の先端位置の情報を得ながら、遠隔操作型アクチュエータ５を適正に操作することができる。
【００２６】
この発明において、前記スピンドルガイドは、スピンドルガイド本体と、このスピンドルガイド本体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でなり、前記先端部材に前記工具を回転自在に支持し、前記スピンドルガイド本体内に挿通された姿勢操作部材を介して前記先端部材を姿勢変更させる姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源の操作を行う姿勢操作手段とを設けても良い。
この構成によれば、スピンドルガイドがスピンドルガイド本体と先端部材とでなり、スピンドルガイド本体内に挿通された姿勢操作部材を介して姿勢変更用駆動源で先端部材を姿勢変更させることにより、工具の姿勢を遠隔操作で変更させられる。工具の姿勢が変更可能であれば、スピンドルガイドの形状に関係なく、工具を適正な姿勢に保持することができ、人工関節挿入用穴等の複雑で繊細な穴の加工を比較的容易にかつ精度良く行える。
【００２７】
前記スピンドルガイドの先端部材が姿勢変更自在である場合、前記先端部材は、工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記工具回転用駆動源の回転が前記駆動伝達手段を介して前記スピンドルに伝達され、前記姿勢操作部材は、可撓性を有し、両端に貫通したガイド孔に挿通され、先端が前記先端部材に接して前記姿勢変更用駆動源の駆動で進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させるようにすることができる。
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が先端部材に対し作用することにより、先端部材が姿勢変更する。姿勢操作部材はガイド孔に挿通されているため、姿勢操作部材が長手方向と交差する方向に位置ずれすることがなく、常に先端部材に対し適正に作用することができ、先端部材の姿勢変更動作が正確に行われる。また、姿勢操作部材は可撓性を有するため、スピンドルガイドが湾曲した状態でも姿勢変更動作が確実に行われる。
【００２８】
また、前記スピンドルガイドの先端部材が姿勢変更自在である場合、前記先端部材は、工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記工具回転用駆動源の回転が前記駆動伝達手段を介して前記スピンドルに伝達され、前記姿勢操作部材は、ワイヤであって、両端に貫通したガイド孔に挿通され、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で前記姿勢変更用駆動源の駆動で進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させるようにしてもよい。
この構成も、前記構成と同様に、姿勢操作部材の進退動作で先端部材を姿勢変更させる。この構成の場合、姿勢操作部材をワイヤとしたことにより、姿勢操作部材の確実な進退動作と十分な可撓性が得られる。
【００２９】
この発明における第４の発明の遠隔操作型アクチュエータ５の工具先端位置検出装置５３は、前記前提構成で、さらに、前記スピンドルガイドの先端部材が姿勢変更自在である場合、前記先端部材は、工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記工具回転用駆動源の回転が前記駆動伝達手段を介して前記スピンドルに伝達され、前記姿勢操作部材は、両端に貫通したガイド孔に挿通され、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させるものであり、前記姿勢変更用駆動源の動作を前記姿勢操作部材に伝達する駆動機構部を前記本体ハウジング内に設け、前記駆動機構部は、前記姿勢操作部材の基端に形成された雄ねじ部と、前記本体ハウジングに固定され前記雄ねじ部に螺合した雌ねじ部とでなるねじ機構を有し、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで前記姿勢操作部材の基端を回転させることにより、前記ねじ機構の作用で前記姿勢操作部材を進退させる。
この構成も、前記構成と同様に、姿勢操作部材の進退動作で先端部材を姿勢変更させる。工具や先端部材に外力が作用した場合、先端部材から姿勢操作部材に軸方向の力が作用する。しかし、姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで姿勢操作部材の基端を回転させることにより、ねじ機構の作用で姿勢操作部材を進退させるため、姿勢操作部材は回転方向に回らない限り軸方向に移動しない。そのため、外力に対する先端部材の姿勢安定性が良い。また、姿勢変更用駆動源としてロータリアクチュエータを用いたため、このロータリアクチュエータの回転出力をそのまま姿勢操作部材の基端に伝達すればよく、姿勢変更用の駆動機構部を簡略に構成できる。
【発明の効果】
【００３０】
この発明における第１の発明の遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置は、細長形状のスピンドルガイドと、このスピンドルガイドの基端を結合した本体ハウジングと、前記スピンドルガイドの先端に回転自在に支持された工具と、前記スピンドルガイド内に挿通された駆動伝達手段を介して前記工具を回転させる工具回転用駆動源と、この工具回転用駆動源の操作を行う操作手段とを備え、前記本体ハウジングの位置および姿勢を検出して、この検出値から前記工具および前記スピンドルガイドに外力が作用していないときの前記工具の先端位置を推定する外力非作用時位置検出手段と、前記スピンドルガイドの歪みを検出する歪み検出手段と、前記外力非作用時位置検出手段で検出された前記工具の先端位置を、前記歪み検出手段の歪み検出値を用いて補正する補正手段とを設け、前記外力非作用時位置検出手段は、前記本体ハウジングに取付けたマーカの位置および姿勢を検出するマーカ検出機と、前記マーカに対する前記工具の先端の相対位置を記憶した相対位置記憶手段と、前記マーカ検出機によって検出されたマーカの位置および姿勢、および前記相対位置記憶手段に記憶された前記マーカに対する前記工具の先端の相対位置から、前記工具の先端位置を推定する推定手段とを備えるため、外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイドの先端に工具が設けられた遠隔操作型アクチュエータに対し、スピンドルガイドの撓みによる工具の先端位置の変位を精度良く推定して、常に正確な工具の先端位置を検出できる。
この発明における第２の発明の遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置は、前記前提構成において、前記歪み検出手段は、前記スピンドルガイドに取付けた歪みセンサを有する構成としたため、外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイドの先端に工具が設けられた遠隔操作型アクチュエータに対し、スピンドルガイドの撓みによる工具の先端位置の変位を精度良く推定して、常に正確な工具の先端位置を検出できる。
この発明における第３の発明の遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置は、前記前提構成において、画面に画像および位置情報の両方またはいずれか一方を表示するディスプレイを設け、前記外力非作用時位置検出手段で推定され、かつ前記補正手段で補正された前記工具の先端位置の情報を前記ディスプレイの画面に表示する表示情報生成手段を設けるため、外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイドの先端に工具が設けられた遠隔操作型アクチュエータに対し、スピンドルガイドの撓みによる工具の先端位置の変位を精度良く推定して、常に正確な工具の先端位置を検出できる。
この発明における第４の発明の遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置は、前記前提構成において、前記スピンドルガイドは、スピンドルガイド本体と、このスピンドルガイド本体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でなり、前記先端部材に前記工具を回転自在に支持し、前記スピンドルガイド本体内に挿通された姿勢操作部材を介して前記先端部材を姿勢変更させる姿勢変更用駆動源と、この姿勢変更用駆動源の操作を行う姿勢操作手段とを設け、前記先端部材は、工具を保持するスピンドルを回転自在に支持し、前記工具回転用駆動源の回転が前記駆動伝達手段を介して前記スピンドルに伝達され、前記姿勢操作部材は、両端に貫通したガイド孔に挿通され、先端が前記先端部材に直接または間接的に接する状態で進退動作することにより前記先端部材を姿勢変更させるものであり、前記姿勢変更用駆動源の動作を前記姿勢操作部材に伝達する駆動機構部を前記本体ハウジング内に設け、前記駆動機構部は、前記姿勢操作部材の基端に形成された雄ねじ部と、前記本体ハウジングに固定され前記雄ねじ部に螺合した雌ねじ部とでなるねじ機構を有し、前記姿勢変更用駆動源はロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータで前記姿勢操作部材の基端を回転させることにより、前記ねじ機構の作用で前記姿勢操作部材を進退させるため、外郭がパイプ状で細長形状のスピンドルガイドの先端に工具が設けられた遠隔操作型アクチュエータに対し、スピンドルガイドの撓みによる工具の先端位置の変位を精度良く推定して、常に正確な工具の先端位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータとその工具先端位置検出装置の概略構成を示す図である。
【図２】同遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置の構成を示すブロック図である。
【図３】同工具先端位置検出装置の制御のフローチャートである。
【図４】同工具先端位置検出装置の補正手段の一部の構成を示す図である。
【図５】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータのスピンドルガイドの通常時の状態を示す図、（Ｂ）はスピンドルガイドが外力を受けた状態を示す図である。
【図６】異なる工具先端位置検出装置の構成を示すブロック図である。
【図７】同工具先端位置検出装置の制御のフローチャートである。
【図８】この発明の異なる実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータとその工具先端位置検出装置の概略構成を示す図である。
【図９】同遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）はスピンドルガイドの形状の違いを示す図である。
【図１１】スピンドルガイドの異なる構成を示す図である。
【図１２】この発明の異なる実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータとそ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１３】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータのスピンドルガイドの断面図、（Ｂ）はそのXIIIＢ−XIIIＢ断面図、（Ｃ）は先端部材と駆動伝達手段との連結構造を示す図である。
【図１４】（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XIVＢ−XIVＢ断面図である。
【図１５】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１６】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの工具およびスピンドルガイドを示す図、（Ｂ）は工具、および形状が異なるスピンドルガイドを示す図である。
【図１７】同ナビゲーションシステムの相対位置記憶手段の一部の構成を示す図である。
【図１８】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの工具およびスピンドルガイドを示す図、（Ｂ）は種類が異なる工具、およびスピンドルガイドを示す図である。
【図１９】同ナビゲーションシステムの相対位置記憶手段の一部の構成を示す図である。
【図２０】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２１】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２２】（Ａ）は異なる実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータの工具およびスピンドルガイドの断面図、（Ｂ）はそのXXIIＢ−XXIIＢ断面図である。
【図２３】（Ａ）はさらに異なる実施形態にかかる遠隔操作型アクチュエータの工具およびスピンドルガイドの断面図、（Ｂ）はそのXXIIIＢ−XXIIIＢ断面図である。
【図２４】姿勢操作用駆動機構の構成が異なる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破断側面図である。
【図２５】（Ａ）は同遠隔操作型アクチュエータの減速回転伝達機構の正面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図２６】同遠隔操作型アクチュエータの姿勢操作部材と本体ハウジングの連結部の拡大図である。
【図２７】異なる遠隔操作型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図２８】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構成を示す図である。
【図２９】同工具回転用駆動機構の工具回転用ケーブルの断面図である。
【図３０】同姿勢変更用駆動機構の姿勢変更用ケーブルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、この発明にかかる工具先端位置検出装置が設けられた遠隔操作型アクチュエータの一実施形態を示す。この遠隔操作型アクチュエータ５は、本体ハウジング４と、この本体ハウジング４に基端が結合された細長形状のスピンドルガイド３と、このスピンドルガイド３の先端に回転自在に支持された工具１とを備える。本体ハウジング４内には工具回転用駆動源４１が設けられ、この工具回転用駆動源４１の回転がスピンドルガイド３内に挿通された駆動伝達手段２２を介して工具１へ伝達される。工具回転用駆動源４１は、本体ハウジング４外に設けてもよい。本体ハウジング４には、工具回転用駆動源４１のオン・オフ操作や回転速度の調節操作を行う操作手段５１が設けられている。
【００３３】
本体ハウジング４は、ケーブル５２を介してコンピュータ９に接続されている。コンピュータ９は、工具先端位置検出装置５３を構成する外力非作用時位置検出手段５４および補正手段５５を有する。詳しくは、外力非作用時位置検出手段５４は、本体ハウジング４の位置および姿勢を検出する光学式等の検出機５４ａと、コンピュータ９内の記憶・演算部５４ｂとで構成される。コンピュータ９は他に、ディスプレイ５６と、このディスプレイ５６に表示される情報を生成する表示情報生成手段５７とを備える。外力非作用時位置検出手段５４の記憶・演算部５４ｂ、補正手段５５、および表示情報生成手段５７は、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。
【００３４】
スピンドルガイド３の基端の外周には、スピンドルガイド３の歪みを検出する歪みセンサ６０が取付けられている。図例では、４個の歪みセンサ６０が、互いに円周方向に９０度ずつ間隔をあけて取付けられている。歪みセンサ６０としては、例えば歪みゲージが用いられる。歪みゲージは安価であり、かつ容易にスピンドルガイド３に取付けることができる。
【００３５】
図２は工具先端位置検出装置５３の構成を示すブロック図である。前記外力非作用時位置検出手段５４は、検出機５４ａ（図１）により本体ハウジング４の位置および姿勢を検出して、この検出値から、工具１およびスピンドルガイド３に外力が作用していないときの工具１の先端位置を求める。なお、外力非作用時位置検出手段５４は、スピンドルガイド３に外力が作用していないときに工具１の先端位置を検出してもよいが、その出力する検出値は外力が作用していないときの値とする。検出機５４ａとしては、光学式のもの他に、電磁式のもの等を用いることができる。外力非作用時位置検出手段５４によって求められた本体ハウジング４のＸ、Ｙ、Ｚ軸位置（ｘ１，ｙ１，ｚ１）の信号、および工具１の先端のＸ、Ｙ、Ｚ軸位置（ｘ２，ｙ２，ｚ２）の信号は、補正手段５５へ送信される。
【００３６】
前記４個の歪みセンサ６０は、互いに対向するもの同士が対になっていて、それぞれ２個ずつのＸ軸歪み検出用センサ６０ＸとＹ軸歪み検出用センサ６０Ｙとでなる。一対のＸ軸歪み検出用センサ６０Ｘは、２個の抵抗６１と組み合わされてブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路は、スピンドルガイド３のＸ軸歪みを検出する歪み検出手段６２Ｘである。同様に、一対のＹ軸歪み検出用センサ６０Ｙは、２個の抵抗６１と組み合わされてブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路は、スピンドルガイド３のＹ軸歪みを検出する歪み検出手段６２Ｙである。歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの一部を構成する歪みセンサ６０は、それ自体が歪み検出手段であると言うこともできる。これら歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値Δｘ，Δｙは、それぞれアンプ６３で増幅されて補正手段５５へ送信される。歪みセンサ６０の出力は、ケーブル５２を介して電気信号でコンピュータ９内に設けられた工具先端位置検出装置５３の制御系部分へ送信されるので、この実施形態のように、歪みセンサ６０の設けられたスピンドルガイド３とコンピュータ９とが離れて位置している場合でも、両者間の情報伝達が容易である。
【００３７】
補正手段５５は、図３に示す工具先端位置検出装置の制御のフローチャートにおける第３過程Ｓ３と第４過程Ｓ４の処理を行う。すなわち、第３過程Ｓ３では、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値Δｘ，Δｙからスピンドルガイド３の撓みによる工具１の先端位置の変位量を推定する。第４過程Ｓ４では、外力非作用時位置検出手段５４で検出された外力非作用時の工具１の先端位置（ｘ２，ｙ２，ｚ２）に対して、本体ハウジング４の姿勢に応じた方向に前記変位量を加算して補正処理をする。それにより、スピンドルガイド３の撓みによる工具１の先端位置の変位が補正されて、正確な工具１の先端位置（ｘ，ｙ，ｚ）（図２）が得られる。第５過程Ｓ５により、得られた工具１の先端位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、表示情報生成手段５７（図１）に送信されて適切な数値または図形等に処理され、ディスプレイ５６（図１）の画面に表示される。
【００３８】
上記工具１の先端位置の変位量は、以下のように推定する。例えば、工具１およびスピンドルガイド３に外力が作用していない状態を図５（Ａ）とした場合、工具１またはスピンドルガイド３の先端にスピンドルガイド３の長手方向と直交する方向の外力Ｆが作用すると、スピンドルガイド３は図５（Ｂ）のようには撓んで、工具１の先端位置が距離ｄだけ変位する。このとき、スピンドルガイド３の撓み側（図の上側）に位置する歪みゲージからなる歪みセンサ６０は縮み、伸び側（図の下側）の歪みセンサ６０は伸びる。したがって、スピンドルガイド３の撓みに応じて、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値Δｘ，Δｙが異なる。歪み検出値Δｘ，Δｙと工具１の変位量との関係を予め実験やシミュレーションで求め、この関係を、図４のようにテーブル５５ａに記録保存しておく。歪み検出値Δｘ，Δｙが出力された場合に、その歪み検出値Δｘ，Δｙをテーブル５５ａの記録内容と照合させることで、工具１の先端位置の変位量を推定することができる。
【００３９】
図４の例では、テーブル５５ａが複数の種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…からなり、スピンドルガイド３の種類毎に、歪み検出値Δｘ，Δｙと工具１の変位量との関係が各種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…に記録保存されている。ある遠隔操作型アクチュエータ５を使用する場合、その遠隔操作型アクチュエータ５に用いられているスピンドルガイド３の種類に対応する種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…をテーブル選択手段５５ｂにより選択する。その選択された種類別テーブル５５ａＡ，５５ａＢ，…に記憶されている歪み検出値Δｘ，Δｙと補正量との関係から、歪み検出値Δｘ，Δｙに応じた補正量を選択する。これにより、スピンドルガイド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に対しても、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値Δｘ，Δｙに応じた適正な補正量を求めることができる。なお、テーブル選択手段５５ｂは、例えばコンピュータ９の入力手段（図示せず）からのオペレータの操作による入力に従って前記選択を行う。
【００４０】
この遠隔操作型アクチュエータ５による骨等の加工方法を説明する。工具回転用駆動源４１を駆動すると、その回転力が駆動伝達手段２２を介して工具１へ伝達されて、工具１が回転する。この回転する工具１により、骨等の切削を行う。工具１の回転のオン・オフ操作や回転速度調節操作は、操作手段５１により遠隔操作で行うことができる。加工時には、ディスプレイ５６に正確な工具１の先端位置の情報を表示されるため、このディスプレイ５６から得られる情報に基づき適切な操作をすることができる。
【００４１】
上記実施形態では歪みセンサ６０として歪みゲージを用いたが、歪みセンサ６０は光ファイバを用いたセンサであってもよい。光ファイバを用いた歪み検出用センサとしては、分布型光ファイバセンサやブラックレーティングセンサ（ＦＢＧ）等が知られている。中でもＦＢＧは、局所的な歪みを高精度かつ動的に計測することが可能で、従来の歪みゲージと同様な使い方が可能である。
【００４２】
図６は、上記の例とは異なる工具先端位置検出装置のブロック図である。この工具先端位置検出装置５３は、図２の工具先端位置検出装置の構成に加えて、補正手段５５に接続された補正判定手段６５と、この補正判定手段６５に接続された警報手段６６とが設けられている。補正判定手段６５は、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。補正判定手段６５は、歪みセンサ６０のノイズ発生源となる可能性のある機器、この例では医療用電気メス６７および超音波凝固切開装置６８に接続されており、これらの機器から供給される作動状態を示す信号に基づき、前記補正手段５５による補正の適否を判定する。警報手段６６は、音、光、ディスプレイ５６の画面表示等により操作者に対して警報を発するものである。
【００４３】
図７のフローチャートに示すように、補正判定手段６５が医療用電気メス６７および超音波凝固切開装置６８の作動状態を示す信号を読み込み（Ｓ１）、医療用電気メス６７および超音波凝固切開装置６８のいずれも停止中である場合は（Ｓ２）、何も行わず次へ進む。そして、前記同様に、補正手段５５が、外力非作用時位置検出手段５４で検出される本体ハウジング４の姿勢と、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値Δｘ，Δｙより求められる工具１の先端位置の変位量とから、外力非作用時位置検出手段５４で検出された外力非作用時の工具１の先端位置に対して補正を行う（Ｓ６）。
【００４４】
医療用電気メス６７および超音波凝固切開装置６８の両方または少なくともいずれか一方が作動中である場合は（Ｓ２）、補正判定手段６５が警報指令信号を出力する（Ｓ８）。それにより、警報手段６６が警報を出力する（Ｓ９）。補正判定手段６５が警報指令信号を出力した場合、補正手段５５は、補正判定手段６５が警報指令信号を出力する直前の歪み検出値Δｘ，Δｙを用いて補正を行う（Ｓ１０、Ｓ１１）。
【００４５】
例えば遠隔操作型アクチュエータ５が医療用である場合、遠隔操作型アクチュエータ５の近くに医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８等の電磁波を発生する機器があることが多い。これらの機器から発せられる電磁波は、微小な信号を扱う遠隔操作型アクチュエータ５の歪みセンサ６０にとってノイズとなる可能性がある。通常、医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８と遠隔操作型アクチュエータ５とが同時に使用されることはないが、誤って遠隔操作型アクチュエータ５を使用中に医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８を作動させた場合、工具先端位置検出装置による工具先端位置の検出に誤差が含まれることになる。
そこで、ノイズ発生源となる可能性のある医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８が作動中である場合、補正判定手段６５は警報指令信号を出力して、警報手段６６に警報を出力させる。それにより、補正手段５５による工具先端位置の補正が正しくないことを、操作者に知らせることができる。また、補正判定手段６５が警報指令信号を出力した場合、補正手段５５は、補正判定手段６５が警報指令信号を出力する直前の歪み検出値Δｘ，Δｙを用いて補正を行うことにより、歪みセンサ６０のノイズ検出による誤差を排除しつつ、可能な限り最新の歪み検出値Δｘ，Δｙを用いた補正を行える。
【００４６】
図８はさらに異なる工具先端位置検出装置が設けられた遠隔操作型アクチュエータの概略構成を示す図、図９はその工具先端位置検出装置の構成を示すブロック図である。図８に示すように、この工具先端位置検出装置５３は、スピンドルガイド３の歪みを検出する歪み検出センサ６０とは別に、ダミーの検査用歪みセンサ７０が設けられている。検査用歪みセンサ７０は、スピンドルガイド３に作用する外力に影響されない箇所、例えば本体ハウジング４に設けられる。
【００４７】
図９に示すように、検査用歪みセンサ７０の検出値は、アンプ７１で増幅されて補正判定手段７２へ送信される。この補正判定手段７２も、前記補正判定手段６５と同様に、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。補正判定手段７２は、検査用歪みセンサ７０の出力値またはこの出力値に所定の信号処理をした値が所定の閾値内にある場合は補正手段５５による補正が適正で、前記閾値を超えた場合は前記補正が不適正であると判定する。検査用歪みセンサ７０はスピンドルガイド３に作用する外力に影響されないから、この検査用歪みセンサ７０の出力値またはこの出力値に所定の信号処理をした値が所定の閾値を超えた場合は、医療用電気メス６７（図６）や超音波凝固切開装置６８（図６）等の発生する電磁波をノイズとして受けたと考えられる。つまり、医療用電気メス６７や超音波凝固切開装置６８が作動中であることを意味する。よって、前記値が閾値を超えた場合、補正手段５５による補正が不適正であると判定する。
【００４８】
補正手段５５による補正が不適正であると判定した場合、補正判定手段７２は警報指令信号を出力して、警報手段６６に警報を出力させる。それにより、前記同様、補正手段５５による工具先端位置の補正が正しくないことを、操作者に知らせることができる。また、補正判定手段７２が警報指令信号を出力した場合、補正手段５５は、補正判定手段７２が警報指令信号を出力する直前の歪み検出値Δｘ，Δｙを用いて補正を行うことにより、歪みセンサ６０のノイズ検出による誤差を排除しつつ、可能な限り最新の歪み検出値Δｘ，Δｙを用いた補正を行える。
【００４９】
前記実施形態の遠隔操作型アクチュエータ５は、スピンドルガイド３が図１０（Ａ）のような直線状であるが、スピンドルガイド３が図１０（Ｂ）のような曲線状であってもよい。また、スピンドルガイド３の先端に工具１を直接設けた構成に限らない。例えば、図１１に示すように、スピンドルガイド３は、スピンドルガイド本体３ａと、このスピンドルガイド本体３ａの先端に姿勢変更自在に取付けられた先端部材２とでなり、この先端部材２に工具１を回転自在に支持した構成であってもよい。この構成であれば、加工対象物に合わせて工具１の姿勢を自在に変えられる。
【００５０】
以下、図１２〜図２１と共に、工具の姿勢を変更可能な遠隔操作型アクチュエータとそのナビゲーションシステムを具体的に説明する。ここで言うナビゲーションシステムは、工具先端位置検出装置５３と、この工具先端位置検出装置５３より得られる情報を表示する表示装置８０（図１５）とを合わせたシステムのことである。
【００５１】
遠隔操作型アクチュエータ５は、図１３および図１４に示すアクチュエータ機構部５ａと、操作システム部５ｂ（図１５）とで構成される。図１２および図１３では、スピンドルガイド本体３ａが直線状のものを示しているが、スピンドルガイド本体３ａが曲線状であっても基本的構造は同じである。
【００５２】
図１２において、アクチュエータ機構部５ａ（図１５）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本体３ａと、このスピンドルガイド本体３ａの基端が結合された本体ハウジング４とを備える。先端部材２とスピンドルガイド本体３ａで、スピンドルガイド３を構成する。本体ハウジング４は、工具回転用駆動機構４ｂ（図１４）および姿勢変更用駆動機構４ｃ（図１４）を内蔵する。また、スピンドルガイド本体３ａと本体ハウジング４とでアクチュエータ本体１０を構成する。本体ハウジング４には、操作手段５１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手段５１ａ（図１５）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手段５１ｂ（図１５）とが設けられている。
【００５３】
図１３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。加工部１ａは、工具１の先端部分である。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本体３ａ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、スピンドルガイド本体３ａの先端に固定された抜け止め部材２１の鍔状部からなる案内部２１ａとで構成される。両者１１ａ，２１ａの互いに接する各案内面Ｆ１，Ｆ２は、スピンドル１３の中心線ＣＬ上に回動中心点Ｏ１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、スピンドルガイド本体３ａ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。
【００５４】
スピンドルガイド本体３ａは、本体ハウジング４内の工具回転用駆動源４１（図１４）の回転力を前記スピンドル１３へ伝達する駆動伝達手段２２を有する。この例では、駆動伝達手段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１３（Ｃ）に示すように、スピンドル１３と駆動伝達手段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、駆動伝達手段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Ｏ１と同位置である。案内面Ｆ１，Ｆ２は回動中心点Ｏ１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。
【００５５】
スピンドルガイド本体３ａは、このスピンドルガイド本体３ａの外郭となる外郭パイプ２５を有し、この外郭パイプ２５の中心に前記駆動伝達手段２２が位置する。駆動伝達手段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を介して駆動伝達手段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。
【００５６】
外郭パイプ２５の内径面と駆動伝達手段２２の間における互いに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。これらガイドパイプ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。本体ハウジング４側の柱状ピン３１ｂの先端も球面状で、後記レバー４３ｂ（図１４）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。
【００５７】
また、外郭パイプ２５の内径面と駆動伝達手段２２の間には、前記ガイドパイプ３０と同一ピッチ円Ｃ上に、ガイドパイプ３０と交互に３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、スピンドルガイド本体３ａ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。
【００５８】
図１４は、本体ハウジング４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。なお、回転軸２２は、後記レバー４３ｂＵに形成された開口４４を貫通させてある。
【００５９】
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１４（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５２（図１２）を介して、ナビゲーション用コンピュータ９の推定手段５５（図１５）へ送られる。
【００６０】
レバー機構４３は、支軸４３ａ回りに回動自在なレバー４３ｂ（４３ｂＵ，４３ｂＬ，４３ｂＲ）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。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。
【００６１】
図１５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。
【００６２】
図１５において、前述したように、ナビゲーションシステムは、工具先端位置検出装置５３と表示装置８０とでなる。また、工具先端位置検出装置５３は、外力非作用時位置検出手段５４と、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙと、補正手段５５とでなる。表示装置８０は、コンピュータ９のディスプレイ５６と、アクチュエータ表示情報生成手段８６および加工対象物表示情報生成手段８７とでなる。
【００６３】
外力非作用時位置検出手段５４は、遠隔操作型アクチュエータ５に取付けたマーカ７Ａの位置および姿勢を検出するマーカ検出機８を備える。このマーカ検出機８は、前記実施形態で説明した検出機５４ａに相当する。さらに、この実施形態のマーカ検出機８は、加工対象物６に取付けたマーカ７Ｂの位置および姿勢も検出する。
【００６４】
図１２に示すように、マーカ検出機８は、検出機支持体８ａに支持された個別検出機８ｂと、コンピュータ９内のマーカ位置・姿勢演算部８４Ａ，８４Ｂ（図１５）とで構成される。アクチュエータ用マーカ７Ａは、アクチュエータ本体１０の一部である本体ハウジング４に取付けられている。加工対象物用マーカ７Ｂは、骨等の加工対象物６に取付けられている。マーカ検出機８の各個別検出機８ｂに対応して、マーカ７Ａ，７Ｂ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８１を介して、コンピュータ９のマーカ位置・姿勢演算部８４Ａ，８４Ｂ（図１５）にそれぞれ送られる。マーカ７Ａ，７Ｂ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。
【００６５】
図１５に示すように、コンピュータ９は、ナビゲーションシステム部８２と、ディスプレイ５６とを備える。ナビゲーションシステム部８２は、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。
【００６６】
ナビゲーションシステム部８２は、工具先端位置検出装置５３のうちの外力非作用時位置検出手段５４の構成要素として、相対位置記憶手段８３と、マーカ位置・姿勢演算部８４Ａ，８４Ｂと、推定手段８５とを有する。相対位置記憶手段８３は、スピンドルガイド部種類選択手段８３ａおよび工具種類選択手段８３ｂを含む。これら相対位置記憶手段８３、マーカ位置・姿勢演算部８４Ａ，８４Ｂ、および推定手段８５は、前記実施形態における外力非作用時位置検出手段５４の記憶・演算部５４ｂに相当する。また、工具先端位置検出装置５３のうちの外力非作用時位置検出手段５４以外の構成要素として、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙと、補正手段５５とを有する。さらに、表示装置８０の構成要素として、アクチュエータ表示情報生成手段８６と、加工対象物表示情報生成手段８７とを有する。これら表示情報生成手段８６，８７は、前記実施形態における表示情報生成手段５７に相当する。
【００６７】
相対位置記憶手段８３は、本体ハウジング４に取付けたアクチュエータ用マーカ７Ａに対する先端部材２の回動中心点Ｏ１の相対位置の情報、および回動中心点Ｏ１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Ｏ１に対する加工部１ａの中心Ｏ２（図１３）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Ｏ１と加工部１ａの中心Ｏ２間の距離であってもよい。
【００６８】
相対位置記憶手段８３について、さらに詳しく説明する。
アクチュエータ用マーカ７Ａに対する先端部材２の回動中心点Ｏ１の相対位置は、スピンドルガイド本体３ａの形状によって異なる。例えば、図１６（Ａ）のようにスピンドルガイド本体３ａ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。スピンドルガイド本体３ａ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。相対位置記憶手段８３には、図１７に示すような、スピンドルガイド本体３ａの種類と相対位置の関係を記憶保存するテーブル８３ｃが格納されており、このテーブル８３ｃ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、スピンドルガイド本体種類選択手段８３ａが適正な１つの関係を選択する。スピンドルガイド本体３ａ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。
【００６９】
また、回動中心点Ｏ１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１８（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は、上記相対位置が異なる。相対位置記憶手段８３には、図１９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８３ｄが格納されており、このテーブル８３ｄ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８３ｂ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。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Ｏ１に対する加工部１ａの加工端Ｑ（図１３）の相対位置の情報を用いてもよい。上記加工端Ｑは、工具１の回転中心線（スピンドル１３の中心線）ＣＬ上の先端であり、主に加工時に加工対象物６に当てる部位である。
【００７０】
マーカ位置・姿勢演算部８４Ａは、マーカ検出機８の個別検出機８ｂの検出信号から、本体ハウジング４に取付けたアクチュエータ用マーカ７Ａの位置および姿勢を演算する。マーカ７Ａ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８４Ａ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、後記推定手段８５での計算の基準となる部分のことである。
同様に、マーカ位置・姿勢演算部８４Ｂは、マーカ検出機８の個別検出機８ｂの検出信号から、加工対象物６に取付けた加工対象物用マーカ７Ｂの位置および姿勢を演算する。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。
【００７１】
推定手段８５は、マーカ位置・姿勢演算部８４Ａにより求められたアクチュエータ用マーカ７Ａの位置および姿勢の情報、相対位置記憶手段８３により選択されたアクチュエータ用マーカ７Ａに対する先端部材２の回動中心点Ｏ１の相対位置の情報および回動中心点Ｏ１を基準とする工具１の形状の情報、並び工具姿勢検出手段４５で検出される先端部材２の姿勢の情報から、工具１の加工部１ａの位置、すなわち工具１の先端位置を推定する。
【００７２】
換言すれば、推定手段８５は、マーカ検出機８で検出されたアクチュエータ用マーカ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、相対位置記憶手段８３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Ｏ１の相対位置の情報とから、回動中心点Ｏ１の絶対的な位置を推定することができる。また、工具姿勢検出手段４５で検出されたアクチュエータ本体１０に対する先端部材２の姿勢の情報と、相対位置記憶手段８３に記憶された工具１の形状の情報とから、回動中心点Ｏ１に対する工具１の加工部１ａの相対位置を推定できる。
【００７３】
このように推定される先端部材２の回動中心点Ｏ１の絶対的な位置と、この回動中心点Ｏ１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、スピンドルガイド本体３ａ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の位置を推定することができる。
【００７４】
歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙは、それぞれスピンドルガイド３のＸ方向歪みおよびＹ方向歪みを検出する手段であり、前記実施形態と同様、スピンドルガイド３の基端に設けた一対の歪みセンサ６０（図２）と２個の抵抗６１（図２）とを組み合わせたブリッジ回路で構成される。補正手段５５も、前記実施形態と同様、外力非作用時位置検出手段５４で検出された工具１の先端位置を、歪み検出手段６２Ｘ，６２Ｙの歪み検出値を用いて補正する。それにより、スピンドルガイド３の撓みによる工具１の先端位置の変位が補正されて、正確な工具１の先端位置が検出される。
【００７５】
アクチュエータ表示情報生成手段８６は、推定手段８５で工具１の先端位置の推定に用いられる各入力情報、および補正手段５５により補正された正確な工具１の先端位置の情報から、アクチュエータ本体１０の位置および姿勢、スピンドルガイド本体３ａの形状、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５６の画面に表示する。また、加工対象物表示情報生成手段８７は、マーカ位置・姿勢演算部８４Ｂ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５６の画面に表示する。
【００７６】
具体的には、図２０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、スピンドルガイド本体３ａの形状、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９０で表示する。図は、スピンドルガイド本体３ａおよび先端部材２の中心線の位置を一定間隔ごとに点９０で表示している。あるいは、図２１に示すように、コンピュータグラフィックにより、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、工具１、および加工対象物６の外形を示す図形９１として表示する。また、図２０および図２１に示すように、点９０や図形９１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９２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。
【００７７】
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、その回転力が駆動伝達手段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、回転操作手段５１ａにより任意に調節することができる。
【００７８】
使用時には、３つの姿勢変更用駆動源４２（４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ）を駆動し、各姿勢操作部材３１（３１Ｕ，３１Ｌ，３１Ｒ）を互いに連係させて進退させることで、先端部材２の姿勢変更を遠隔操作で行う。この姿勢変更操作は、姿勢操作手段５１ｂで行う。
例えば、図１３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１３（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１３（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１３（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、先端部材２の姿勢安定性が高い。
【００７９】
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、スピンドルガイド本体３ａ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と駆動伝達手段２２との連結箇所の中心が案内面Ｆ１，Ｆ２の回動中心点Ｏ１と同位置であるため、先端部材２の姿勢変更によって駆動伝達手段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。
【００８０】
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。
【００８１】
細長形状であるスピンドルガイド本体３ａには、駆動伝達手段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の中心部に駆動伝達手段２２を設け、外郭パイプ２５と駆動伝達手段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、駆動伝達手段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。
【００８２】
駆動伝達手段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、ワイヤからなる駆動伝達手段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、スピンドルガイド本体３ａ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。
【００８３】
上記遠隔操作型アクチュエータ５の動作時、ナビゲーションシステムによって工具１および加工対象物６の位置が検出され、かつディスプレイ５６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５６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、あるいは外形を示す図形で表示した場合、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。
【００８４】
スピンドルガイド本体３ａを異なる種類のものに交換したり、スピンドルガイド本体３ａの形状を変形させたりした場合、相対位置記憶手段８３のテーブル８３ｃに記憶されているスピンドルガイド本体３ａ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８３ａ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、相対位置記憶手段８３のテーブル８３ｄ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。
【００８５】
姿勢操作部材３１は、図２２および図２３に示すように、ガイド孔３０ａの長さ方向に隙間無く並ぶ複数の力伝達部材３１ｃ，３１ｄで構成してもよい。図２２の例は、複数の力伝達部材３１ｃがボールであり、そのボールの並びの先端側に柱状ピン３１ｂが設けられている。図２３の例は、複数の力伝達部材３１ｄが円柱等の柱状体であり、その柱状体の並びの先端側に柱状ピン３１ｂが設けられている。柱状ピン３１ｃは前記同様のものであり、ハウジング１１の基端面１１ｂに当接している。この場合も、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、全体で可撓性の性質を有する構造であり、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。
【００８６】
図１３、図２２、および図２３の各構成において、ガイド部３を湾曲形状とする場合、外郭パイプ２５、ガイドパイプ３０、および補強シャフト３４を湾曲形状とする必要がある。また、回転軸２２は変形しやすい材質を用いるのが良く、例えば形状記憶合金が適する。
【００８７】
姿勢操作用駆動機構は図２４〜図２６の構成としてもよい。この姿勢変更用駆動機構４ｃは、姿勢変更用駆動源４２と、この姿勢変更用駆動源４２の動作を姿勢操作部材３１に伝達する駆動機構部１００とでなる。姿勢変更用駆動源４２は、例えば電動ロータリアクチュエータからなる。駆動機構部１００は、減速回転伝達機構１０１とねじ機構３６とで構成される。
【００８８】
図２５に示すように、減速回転伝達機構１０１は、姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａに取付けられた円形平歯車１０１ａと、本体ハウジング４に固定の支持部材１０２（図２４）に回転自在に支持され前記円形平歯車１０１ａと噛み合う扇形平歯車１０１ｂとを有し、扇形平歯車１０１ｂの回転中心軸１０３上に設けた回転摺動部１０４により、扇形平歯車１０１ｂから姿勢操作部材３１の基端側延長部１０５へ回転を伝達する構成である。回転摺動部１０４は、扇形平歯車１０１に形成された溝付き孔１０４ａと、前記基端側延長部１０５の突起付き軸１０４ｂとで構成され、溝付き孔１０４ａに対し突起付き軸１０４ｂが回転拘束された状態で軸方向に移動可能に嵌合している。円形平歯車１０１ａよりも扇形平歯車１０１ｂの方が、ピッチ円直径が大きいため、出力軸４２ａの回転が減速して姿勢操作ワイヤ３１の基端に伝達される。
【００８９】
図２６に示すように、ねじ機構３６は、ワイヤからなる姿勢操作部材３１の基端に形成された雄ねじ部３６ａと、本体ハウジング４に形成され前記雄ねじ部３６ａと螺合する雌ねじ部３６ｂとで構成される。姿勢変更用駆動源４２（図２４）の駆動で姿勢操作部材３１の基端を回転させることにより、ねじ機構３６の作用で姿勢操作部材３１が進退する。このように、ねじ機構３６の作用で姿勢操作部材３１を進退させると、工具１や先端部材２に外力が作用した場合、先端部材２から姿勢操作部材３１に軸方向の力が作用するが、ねじ機構３６で姿勢操作部材３１を進退させる構成であるため、姿勢操作部材３１は回転方向に回らない限り軸方向に移動しない。そのため、先端部材２の外力に対する姿勢安定性が良い。
【００９０】
減速回転伝達機構１０１が設けられているため、姿勢変更用駆動源４２が高速回転する小型のロータリアクチュエータであっても、姿勢操作ワイヤ３１の基端を低速で回転させることができる。そのため、姿勢変更用駆動源４２として小型のロータリアクチュエータを使用することが可能になる。また、姿勢変更用駆動源４２としてロータリアクチュエータを用いたため、このロータリアクチュエータの回転出力をそのまま姿勢操作ワイヤ３１ａの基端に伝達すればよく、駆動機構部１００を簡略にできる。
なお、工具回転用駆動機構４ｂは、前記同様の構成である。
【００９１】
図２７〜図３０は、工具回転用駆動機構および姿勢変更用駆動機構の構成が異なる実施形態を示す。前記実施形態は、工具回転用駆動機構４ｂの工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動機構４ｃの姿勢変更用駆動源４２が駆動部ハウジング４ａ内に設けられているのに対し、図２７〜図３０の実施形態は、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２が駆動部ハウジング４ａとは別の駆動源ハウジング１１０に設けられている。
【００９２】
この実施形態の工具回転用駆動機構１１１は、駆動源ハウジング１１０に設けた工具回転用駆動源４１の出力軸４１ａの回転を、工具回転用ケーブル１１２のインナワイヤ１１４（図２９）により、駆動部ハウジング４ａ内の回転軸２２の基端へ伝達する。工具回転用ケーブル１１２は、例えば図２９に示す構造をしている。すなわち、可撓性のアウタチューブ１１３の中心に、可撓性のインナワイヤ１１４が、複数の転がり軸受１１６によって回転自在に支持されている。そして、インナワイヤ１１４の両端が、工具回転用駆動源４１の出力軸４１ａおよび回転軸２２の基端にそれぞれ繋がれている。各転がり軸受１１６間には、これら転がり軸受１１６に予圧を発生させるためのばね要素１１７Ａ，１１７Ｂが設けられている。ばね要素１１７Ａ，１１７Ｂは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受１１６の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素１１７Ａと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素１１７Ｂとがあり、これらが交互に配置されている。このように、ばね要素１１７Ａ，１１７Ｂにより転がり軸受１１６に予圧をかけることにより、インナワイヤ１１４を高速回転させることができる。市販されているフレキシブルシャフトを使用しても良い。
【００９３】
また、この実施形態の姿勢変更用駆動機構１２１は、駆動源ハウジング１１０に設けた姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａの回転を、姿勢変更用ケーブル１２２を介して駆動部ハウジング４ａ内の駆動機構部１００へ伝達する。駆動機構部１００は図２４〜図２６のものと同じ構成であり、同じ構成の箇所には同一符号を付してある。減速回転伝達機構１０１の円形平歯車１０１ａは、転がり軸受１２５ａにより駆動部ハウジング４ａに回転自在に支持された歯車取付軸１２５に取付けられている。姿勢変更用駆動源４２はロータリアクチュエータであって、この姿勢変更用駆動源４２の回転を、姿勢変更用ケーブル１２２のインナワイヤ１２４（図３０）により歯車取付軸１２５へ伝達する。
【００９４】
姿勢変更用ケーブル１２２は、前記工具回転用ケーブル１１２と同じ構造であり、例えば図３０に示す構造をしている。すなわち、可撓性のアウタチューブ１２３の中心に、可撓性のインナワイヤ１２４が、複数の転がり軸受１２６によって回転自在に支持されている。そして、インナワイヤ１２４の両端が、姿勢変更用駆動源４２の出力軸４２ａおよび歯車取付軸１２５にそれぞれ繋がれている。各転がり軸受１２６間には、これら転がり軸受１２６に予圧を発生させるためのばね要素１２７Ａ，１２７Ｂが設けられている。ばね要素１２７Ａ，１２７Ｂは、例えば圧縮コイルばねである。転がり軸受１２６の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素１２７Ａと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素１２７Ｂとがあり、これらが交互に配置されている。このように、ばね要素１２７Ａ，１２７Ｂにより転がり軸受１２６に予圧をかけることにより、インナワイヤ１２４を高速回転させることができる。
【００９５】
図２７に示すように、工具回転用駆動源４１および姿勢変更用駆動源４２を制御するコントローラ５は、駆動源ハウジング１１０に接続されている。先端部材２およびスピンドルガイド部３は、前記各実施形態のいずれかと同じ構成である。
【００９６】
以上、医療用の遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置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工具先端位置検出装置にも適用できる。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】
【００９７】
１…工具
３…スピンドルガイド
４…本体ハウジング
５…遠隔操作型アクチュエータ
６…加工対象物
７Ａ，７Ｂ…マーカ
８…マーカ検出機
９…コンピュータ
１０…アクチュエータ本体
１３…スピンドル
２２…駆動伝達手段
３１…姿勢操作部材
３１ａ…ワイヤ
３６…ねじ機構
３６ａ…雄ねじ部
３６ｂ…雌ねじ部
４１…工具回転用駆動源
４２…姿勢変更用駆動源
４５…工具姿勢検出手段
５１…操作手段
５１ｂ…姿勢操作手段
５２…ケーブル
５３…工具先端位置検出装置
５４…外力非作用時位置検出手段
５５…補正手段
５５ａＡ，５５ａＢ…種類別テーブル
５５ｂ…テーブル選択手段
５６…ディスプレイ
５７…表示情報生成手段
６０…歪みセンサ（歪み検出手段）
６２Ｘ，６２Ｙ…歪み検出手段
６５，７２…補正判定手段
６６…警報手段
６７…医療用電気メス（機器）
６８…超音波凝固切開装置（機器）
７０…検査用歪みセンサ
８３…相対位置記憶手段
８５…推定手段
１００…駆動機構部
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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