JP2011045961A - 遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 遠隔操作型アクチュエータ5は、スピンドルガイドの基端を結合した本体ハウジングを備える。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の先端位置を検出する外力非作用時位置検出手段54と、スピンドルガイド3の歪みを検出する歪み検出手段60と、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60の歪み検出値を用いて補正する補正手段55とを設ける。
【選択図】 図1
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
なお、工具回転用駆動機構4bは、前記同様の構成である。
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
Claims (16)
- 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1または請求項2において、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1ないし請求項3のいずれか1項において、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4または請求項5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4または請求項5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4ないし請求項7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4ないし請求項8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4ないし請求項8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9または請求項10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1ないし請求項11のいずれか1項において、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1ないし請求項12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13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13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、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遠隔操作型アクチュエータの工具先端位置検出装置。
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