(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１駆動源と、
エンドエフェクタと、前記第１駆動源の駆動力が機械的に伝達されることで第１姿勢変更動作をするように構成された第１動作部とを有する先端動作部と、
前記第１駆動源の駆動力を噛み合い部又は係合部を介して機械的に伝達して前記第１動作部を動作させる第１動力伝達機構と、
前記第１駆動源を制御するコントローラと、を備え、
前記噛み合い部又は前記係合部を含む前記第１動力伝達機構には、機械的なガタが存在しており、
前記コントローラは、前記第１姿勢変更動作に係る第１操作指令を受けた場合、第１の補償制御として、前記第１操作指令に基づく第１目標軌道を生成する処理と、前記第１目標軌道に基づく前記第１駆動源の目標値である第１の正規１軸目標値を生成する処理と、前記第１目標軌道に基づき前記第１動力伝達機構に存在する前記ガタの影響をなくす第１補正値を生成する処理と、前記第１の正規１軸目標値と前記第１補正値とに基づいて前記第１駆動源の制御上の目標値である第１の補正１軸目標値を生成する処理と、を行い、前記第１の補正１軸目標値を用いて前記第１駆動源を制御する、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項２】
請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記先端動作部が先端に設けられたシャフトと、第２駆動源と、前記第２駆動源の駆動力を機械的に伝達して第２動作部を動作させる第２動力伝達機構とをさらに備え、
前記先端動作部は、前記シャフトの軸線に対して非平行なヨー軸を基準に傾動する前記第１姿勢変更動作としてのヨー動作と、先端を指向するロール軸を基準に回転する第２姿勢変更動作としてのロール動作とが可能であり、
前記第１動作部は、前記ヨー軸を中心に回動可能な部材であり、
前記第２動作部は、第２姿勢変更動作を行うことが可能なように前記第１動作部により前記ロール軸を中心に回転可能に支持され、
前記コントローラは、前記ロール動作に係る第２操作指令を受けた場合、前記第２操作指令に基づいて前記第２駆動源を制御するとともに、第２の補償制御として、前記ロール動作に起因する前記ヨー動作の発生を防止または抑制するように、前記第１駆動源を制御し、
前記コントローラは、前記第２の補償制御において、前記第２操作指令に基づく第２目標軌道を生成する処理と、前記第２目標軌道に基づく前記第１駆動源の目標値である第２の正規１軸目標値を生成する処理と、前記ロール動作に起因して前記第１動作部が前記第２動作部から受ける力の方向とは逆方向のガタをなくす第２補正値を生成する処理と、前記第２の正規１軸目標値と前記第２補正値とに基づいて前記第１駆動源の制御上の目標値である第２の補正１軸目標値を生成する処理と、を行い、前記第２の補正１軸目標値を用いて前記第１駆動源を制御する、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項３】
請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記先端動作部が先端に設けられたシャフトと、第２駆動源と、前記第２駆動源の駆動力を機械的に伝達して第２動作部を動作させる第２動力伝達機構とをさらに備え、
前記先端動作部は、前記シャフトの軸線に対して非平行なヨー軸を基準に傾動する前記第１姿勢変更動作としてのヨー動作と、先端を指向するロール軸を基準に回転する第２姿勢変更動作としてのロール動作とが可能であり、
前記第１動作部は、前記ヨー軸を中心に回動可能な部材であり、
前記第２動作部は、第２姿勢変更動作を行うことが可能なように前記第１動作部により前記ロール軸を中心に回転可能に支持され、
前記コントローラは、前記ロール動作に係る第２操作指令を受けた場合、前記第２操作指令に基づいて前記第２駆動源を制御するとともに、第２の補償制御として、前記ロール動作に起因する前記ヨー動作の発生を防止または抑制するように、前記第１駆動源を制御し、
前記コントローラは、前記第２の補償制御において、前記第２操作指令に基づく第２目標軌道を生成する処理と、前記第２目標軌道に基づく前記第１駆動源の目標値である第２の正規１軸目標値を生成する処理と、前記第１動力伝達機構の弾性変形に起因する前記第１動作部の動作の発生を防止または抑制する第２補正値を生成する処理と、前記第２の正規１軸目標値と前記第２補正値とに基づいて、前記第１駆動源の制御上の目標値である第２の補正１軸目標値を生成する処理と、を行い、前記第２の補正１軸目標値を用いて前記第１駆動源を制御する、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項４】
請求項３記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記第２の補償制御における前記第２補正値は、前記第２動作部による前記第１動作部への干渉トルクが相対的に高い高トルク状態での前記第１動力伝達機構の弾性変形に起因する前記第１動作部の動作の発生を防止する補正値以上、かつ、前記干渉トルクが相対的に低い低トルク状態での前記第１動力伝達機構の弾性変形に起因する前記第１動作部の動作の発生を防止する補正値以下の値である、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項５】
請求項４記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記コントローラは、前記低トルク状態のときは、前記低トルク状態に対応した補正値で前記第２の補償制御を行い、前記エンドエフェクタが前記高トルク状態のときは、前記高トルク状態に対応した補正値で前記第２の補償制御を行う、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項６】
請求項３記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記コントローラは、計測または推定した前記第２動作部の動作抵抗に応じた補正値で前記第２の補償制御を行う、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、姿勢変更動作が可能なエンドエフェクタを有する先端動作部を備えた医療用マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
内視鏡下外科手術（または腹腔鏡下手術とも呼ばれる。）においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、これらの孔にトラカール（筒状の器具）を挿入した後、各トラカールを通して、腹腔鏡（カメラ）と複数の鉗子を体腔内に挿入する。鉗子の先端部には、エンドエフェクタとして、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。腹腔鏡と鉗子を体腔内に挿入したら、腹腔鏡に接続されたモニタに映る腹腔内の様子を見ながら鉗子を操作して手術を行う。このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は、適用分野の拡大が期待されている。
【０００３】
トラカールから挿入される鉗子として、先端部に関節を持たない一般的な鉗子に加えて、先端部に複数の関節を有して先端部の姿勢を変更できる鉗子、いわゆる医療用マニピュレータの開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。このような医療用マニピュレータによれば、体腔内で自由度の高い動作が可能であり、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなる。
【０００４】
特許文献１にて提案された医療用マニピュレータは、グリップハンドルを有する操作部からシャフトが前方に延出し、このシャフトの先端部にはエンドエフェクタを有する姿勢変更が可能な先端動作部が設けられている。この先端動作部における姿勢変更機構は、ヨー軸を中心に回動動作する主軸部材と、主軸部材に回転自在に支持されてロール軸を中心に回動動作するギア体とを有する。主軸部材およびギア体は、それぞれモータの駆動力が動力伝達機構により伝達されて回転駆動され、主軸部材が回転駆動されることで先端動作部がヨー動作し、ギア体が回転駆動されることで先端動作部がロール動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１０７０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
モータの駆動力を主軸部材に伝達する動力伝達機構には、通常、機械的ガタ（以下、ガタという）が存在するため、ガタの範囲内でモータが動作しても、主軸部材の動作が行われない。したがって、先端動作部の軌跡精度や位置決め精度の低下が懸念される。
【０００７】
また、ロール動作をさせるためにギア体を回転させようとすると、ギア体を支持する主軸部材がギア体から力を受ける。このとき、ヨー軸駆動系の動力伝達機構に存在するガタにより、あるいはこの動力伝達機構の剛性が低い場合に弾性変形が生じることにより、先端動作部の軌跡精度や位置決め精度の低下が懸念される。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、先端動作部の軌跡精度や位置決め精度を向上できる医療用マニピュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明に係る医療用マニピュレータは、第１駆動源と、エンドエフェクタと、前記第１駆動源の駆動力が機械的に伝達されることで第１姿勢変更動作をするように構成された第１動作部とを有する先端動作部と、前記第１駆動源の駆動力を噛み合い部又は係合部を介して機械的に伝達して前記第１動作部を動作させる第１動力伝達機構と、前記第１駆動源を制御するコントローラと、を備え、前記噛み合い部又は前記係合部を含む前記第１動力伝達機構には、機械的なガタが存在しており、前記コントローラは、前記第１姿勢変更動作に係る第１操作指令を受けた場合、第１の補償制御として、前記第１操作指令に基づく第１目標軌道を生成する処理と、前記第１目標軌道に基づく前記第１駆動源の目標値である第１の正規１軸目標値を生成する処理と、前記第１目標軌道に基づき前記第１動力伝達機構に存在する前記ガタの影響をなくす第１補正値を生成する処理と、前記第１の正規１軸目標値と前記第１補正値とに基づいて前記第１駆動源の制御上の目標値である第１の補正１軸目標値を生成する処理と、を行い、前記第１の補正１軸目標値を用いて前記第１駆動源を制御する、ことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、第１の補償制御により、第１動力伝達機構に存在するガタ分が補償される。このため、第１動作部の姿勢制御を精度良く行うことができ、操作性が向上する。また、第１の正規１軸目標値を、第１動力伝達機構に存在するガタの影響をなくす第１補正値により補正して第１の補正１軸目標値を生成するので、先端動作部の軌跡精度や位置決め精度を効果的に向上できる。
【００１３】
前記医療用マニピュレータは、前記先端動作部が先端に設けられたシャフトと、第２駆動源と、前記第２駆動源の駆動力を機械的に伝達して第２動作部を動作させる第２動力伝達機構とをさらに備え、前記先端動作部は、前記シャフトの軸線に対して非平行なヨー軸を基準に傾動する前記第１姿勢変更動作としてのヨー動作と、先端を指向するロール軸を基準に回転する第２姿勢変更動作としてのロール動作とが可能であり、前記第１動作部は、前記ヨー軸を中心に回動可能な部材であり、前記第２動作部は、第２姿勢変更動作を行うことが可能なように前記第１動作部により前記ロール軸を中心に回転可能に支持され、前記コントローラは、前記ロール動作に係る第２操作指令を受けた場合、前記第２操作指令に基づいて前記第２駆動源を制御するとともに、第２の補償制御として、前記ロール動作に起因する前記ヨー動作の発生を防止または抑制するように、前記第１駆動源を制御し、前記コントローラは、前記第２の補償制御において、前記第２操作指令に基づく第２目標軌道を生成する処理と、前記第２目標軌道に基づく前記第１駆動源の目標値である第２の正規１軸目標値を生成する処理と、前記ロール動作に起因して前記第１動作部が前記第２動作部から受ける力の方向とは逆方向のガタをなくす第２補正値を生成する処理と、前記第２の正規１軸目標値と前記第２補正値とに基づいて前記第１駆動源の制御上の目標値である第２の補正１軸目標値を生成する処理と、を行い、前記第２の補正１軸目標値を用いて前記第１駆動源を制御するとよい。
【００１４】
上記の構成によれば、第２の補償制御により、第２姿勢変更動作に起因する第１姿勢変更動作の発生が防止または抑制される。すなわち、第２姿勢変更動作をさせる際の先端動作部の軌跡精度や位置決め精度を効果的に向上できる。また、第２の正規１軸目標値を、第１動力伝達機構に存在するガタの影響をなくす第２補正値により補正して第２の補正１軸目標値を生成するので、第２動作部に第２姿勢変更動作をさせる際の先端動作部の軌跡精度や位置決め精度を効果的に向上できる。また、第２動作部に第２姿勢変更動作をさせる際に、第１動作部が第２動作部から受ける力の方向とは逆方向に、第１動作部を動作させることで、ガタの影響をなくすので、ガタに起因する第１動作部の動作の発生を効果的に防止できる。
【００１９】
前記先端動作部が先端に設けられたシャフトと、第２駆動源と、前記第２駆動源の駆動力を機械的に伝達して第２動作部を動作させる第２動力伝達機構とをさらに備え、前記先端動作部は、前記シャフトの軸線に対して非平行なヨー軸を基準に傾動する前記第１姿勢変更動作としてのヨー動作と、先端を指向するロール軸を基準に回転する第２姿勢変更動作としてのロール動作とが可能であり、前記第１動作部は、前記ヨー軸を中心に回動可能な部材であり、前記第２動作部は、第２姿勢変更動作を行うことが可能なように前記第１動作部により前記ロール軸を中心に回転可能に支持され、前記コントローラは、前記ロール動作に係る第２操作指令を受けた場合、前記第２操作指令に基づいて前記第２駆動源を制御するとともに、第２の補償制御として、前記ロール動作に起因する前記ヨー動作の発生を防止または抑制するように、前記第１駆動源を制御し、前記コントローラは、前記第２の補償制御において、前記第２操作指令に基づく第２目標軌道を生成する処理と、前記第２目標軌道に基づく前記第１駆動源の目標値である第２の正規１軸目標値を生成する処理と、前記第１動力伝達機構の弾性変形に起因する前記第１動作部の動作の発生を防止または抑制する第２補正値を生成する処理と、前記第２の正規１軸目標値と前記第２補正値とに基づいて、前記第１駆動源の制御上の目標値である第２の補正１軸目標値を生成する処理と、を行い、前記第２の補正１軸目標値を用いて前記第１駆動源を制御するとよい。
【００２０】
上記の構成によれば、正規１軸目標値を、第１動力伝達機構の弾性変形に起因する第１動作部の動作の発生を防止または低減する補正値により補正して補正１軸目標値を生成するので、第２動作部に第２姿勢変更動作をさせる際の、第１動力伝達機構の弾性変形に起因する第１動作部の動作の発生を効果的に防止できる。
【００２１】
前記第２の補償制御における前記第２補正値は、前記第２動作部による前記第１動作部への干渉トルクが相対的に高い高トルク状態での前記第１動力伝達機構の弾性変形に起因する前記第１動作部の動作の発生を防止する補正値以上、かつ、前記干渉トルクが相対的に低い低トルク状態での前記第１動力伝達機構の弾性変形に起因する前記第１動作部の動作の発生を防止する補正値以下の値であるとよい。
【００２２】
上記の構成によれば、第２の補償制御における第２補正値として、低トルク状態に対応する補正値以上、かつ高トルク状態に対応する補正値以下の値を用いることで、エンドエフェクタの状態または第２動作部の動作抵抗を測定または推定しなくても、第２動作部に第２姿勢変更動作をさせる際の先端動作部の軌跡精度や位置決め精度を効果的に向上できる。
【００２３】
前記コントローラは、前記低トルク状態のときは、前記低トルク状態に対応した補正値で前記第２の補償制御を行い、前記エンドエフェクタが前記高トルク状態のときは、前記高トルク状態に対応した補正値で前記第２の補償制御を行うとよい。
【００２４】
上記の構成によれば、低トルク状態と高トルク状態の各状態に応じた補正値で第２の補償制御を行うので、第１動力伝達機構の弾性変形に起因する第１動作部の動作の発生を効果的に防止することができる。
【００２５】
前記コントローラは、計測または推定した前記第２動作部の動作抵抗に応じた補正値で前記第２の補償制御を行うとよい。
【００２６】
上記の構成によれば、計測または推定した第２動作部の動作抵抗に応じた補正値で第２の補償制御を行うので、第１動力伝達機構の弾性変形に起因する第１動作部の動作の発生を効果的に防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る医療用マニピュレータによれば、先端動作部の軌跡精度や位置決め精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータの斜視図である。
【図２】先端動作部の斜視図である。
【図３】作業部と操作部とを分離した状態でのマニピュレータ本体の一部断面側面図である。
【図４】作業部の一部省略断面平面図である。
【図５】駆動部の駆動力を姿勢変更機構に伝達するための機構の模式構造図である。
【図６】作業部を操作部に装着した状態の、第１構成例に係る検出機構を備えた医療用マニピュレータを示す一部省略側面図である。
【図７】第２構成例に係る検出機構を備えた医療用マニピュレータの一部省略側面図である。
【図８】医療用マニピュレータの機能ブロック図である。
【図９】図９Ａは、先端動作部にヨー動作をさせる場合の補正１軸目標値を説明する第１の模式説明図であり、図９Ｂは、先端動作部にヨー動作をさせる場合の補正１軸目標値を説明する第２の模式説明図であり、図９Ｃは、先端動作部にヨー動作をさせる場合の補正１軸目標値を説明する第３の模式説明図である。
【図１０】図１０Ａは、先端動作部にヨー動作をさせる場合の第１モータの正規速度指令値の時間変化を示す図であり、図１０Ｂは、先端動作部にヨー動作をさせる場合の第１モータの速度補正指令値の時間変化を示す図であり、図１０Ｃは、先端動作部にヨー動作をさせる場合の第１モータの速度指令値の時間変化を示す図である。
【図１１】図１１Ａは、先端動作部にロール動作をさせる際のヨー動作に対する影響を説明する第１の模式説明図であり、図１１Ｂは、先端動作部にロール動作をさせる際のヨー動作に対する影響を説明する第２の模式説明図であり、図１１Ｃは、先端動作部にロール動作をさせる際のヨー動作に対する影響を説明する第３の模式説明図である。
【図１２】図１２Ａは、先端動作部にロール動作をさせる場合の１軸補正値を説明する第１の模式説明図であり、図１２Ｂは、先端動作部にロール動作をさせる場合の１軸補正値を説明する第２の模式説明図であり、図１２Ｃは、先端動作部にロール動作をさせる場合の１軸補正値を説明する第３の模式説明図である。
【図１３】図１３Ａは、先端動作部にロール動作をさせる場合の第２モータの正規速度指令値の時間変化を示す図であり、図１３Ｂは、先端動作部にロール動作をさせる場合の第１モータの速度指令値（速度補正値）の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係る医療用マニピュレータ（以下、マニピュレータという。）について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
【００３０】
まず、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータ１０の全体構成について説明する。マニピュレータ１０は、先端に設けられた先端動作部１２で生体の一部を把持し又は生体に触れて、所定の処置を行うための医療用の器具であり、通常、把持鉗子やニードルドライバ（持針器）等とも呼ばれる。
【００３１】
マニピュレータ１０は、医療用器具を構成するマニピュレータ本体１１と、マニピュレータ本体１１にケーブル２８を介して接続されたコントローラ２９とを備える。マニピュレータ本体１１は、ボディ２１と、ボディ２１から延出するシャフト１８と、シャフトの先端に設けられた先端動作部１２とを有する。
【００３２】
以下の説明では、シャフト１８の延在方向をＺ方向と規定し、さらに、シャフト１８の前方（先端側）をＺ１方向、後方（根元側）をＺ２方向と規定する。また、Ｚ方向に直角な方向であって、マニピュレータ本体１１を図１の姿勢にしたときのマニピュレータ本体１１を基準とした左右方向をＸ方向とし、特に、マニピュレータ本体１１の左側方向をＸ１方向、右側方向をＸ２方向と規定する。また、Ｚ方向に直角な方向であって、マニピュレータ本体１１を図１の姿勢にしたときのマニピュレータ本体１１の上下方向をＹ方向とし、特に、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向と規定する。
【００３３】
なお、特に断りのない限り、これらの方向の記載はマニピュレータ本体１１が基準姿勢（中立姿勢）である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、マニピュレータ本体１１は任意の向きで（例えば、上下を反転させて）使用可能であることは勿論である。
【００３４】
マニピュレータ本体１１は、人手によって把持及び操作される操作部１４と、該操作部１４に対して着脱自在な作業部１６とを有する。操作部１４は、上述したボディ２１の一部を構成し、筐体を構成しＺ１方向及びＹ２方向に略Ｌ字状に延在する左右一対の上部カバー２５ａ、２５ｂと、上部カバー２５ａ、２５ｂ内に収容された駆動部３０と、人手によって操作される複合入力部２４とを有する。
【００３５】
駆動部３０は、先端動作部１２の姿勢を変更させるための駆動源５０として第１モータ（第１駆動源）５０ａ及び第２モータ（第２駆動源）５０ｂを有し、駆動源５０の駆動力が先端動作部１２に機械的に伝達されることで、先端動作部１２の姿勢を変更できるように構成されている。
【００３６】
第１モータおよび第２モータには、それぞれエンコーダ５１ａ、５１ｂが付帯して設けられており、各エンコーダ５１ａ、５１ｂにより第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂの動作角度（回転角度）が検出され、その検出角度をフィードバック信号として、コントローラ２９により第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂがフィードバック制御される。
【００３７】
操作部１４の基端側でＹ２方向に延びた部分は、人手によって把持されるグリップハンドル２６として構成されている。グリップハンドル２６の上部に設けられた複合入力部２４は、回転操作部９０および傾動操作部９２とを有する。回転操作部９０に対する左右方向への回動操作及び傾動操作部９２に対する傾動操作を単独又は複合的に行うことで、その操作に応じた信号がコントローラ２９に送信され、コントローラ２９が第１モータおよび第２モータの駆動を制御することにより、先端動作部１２の姿勢変更が行われる。
【００３８】
作業部１６は、Ｚ方向で略対称に分割された一対の下部カバー３７ａ、３７ｂを筐体としており、上記の先端動作部１２と、この先端動作部１２を先端に設けた長尺且つ中空のシャフト１８と、このシャフト１８の基端側が固定され、下部カバー３７ａ、３７ｂ内に収容されたプーリボックス３２と、プーリボックス３２の後方に設けられ、トリガ軸３９を支点としてＸ方向の軸心を中心に回動可能に軸支されたトリガレバー３６とを有する。下部カバー３７ａ、３７ｂ、プーリボックス３２及びトリガレバー３６は、上述したボディ２１の一部を構成する。
【００３９】
作業部１６は、操作部１４に設けられた左右一対の着脱レバー４０、４０によって当該操作部１４と連結・固定されると共に、着脱レバー４０の開放操作によって操作部１４から分離可能であり、特別な器具を用いることなく、手術現場で容易に交換作業等を行うことができる。
【００４０】
トリガレバー３６は、操作者の手指が引っ掛けられるように構成されたトリガ操作子３６ｂと、トリガ操作子３６ｂの上部に設けられたアーム部３６ａとを有し、アーム部３６ａの箇所でトリガ軸３９に軸支されることで、Ｘ方向の軸線を中心として前後方向（Ｚ方向）に揺動可能に配置されている。
【００４１】
図２は、先端動作部１２の斜視図である。先端動作部１２は、開閉動作するエンドエフェクタ１９と、エンドエフェクタ１９の姿勢を変化させる姿勢変更機構１３とを有する。エンドエフェクタ１９は、例えば、生体の一部や縫合用の針を把持するグリッパ、生体の一部を切断するハサミ等として、所定の開閉動作軸を基準に開閉動作可能に構成される。図示例のエンドエフェクタ１９は、グリッパ１９Ａとして構成されている。
【００４２】
エンドエフェクタ１９は、人手によるトリガレバー３６の操作（押し引き操作）に基づく力が機械的に伝達されることで開閉動作する。具体的には、作業部１６の内部には、ロッド８３ａ、８３ｂ（図３及び図４参照）、動力伝達部材としてのワイヤ８２ａ、８２ｂ（図３及び図４参照）、プーリ等から構成される伝達機構が設けられており、トリガレバー３６の押し引き操作が、伝達機構によりエンドエフェクタ１９の開閉動作に変換されるようになっている。
【００４３】
なお、トリガレバー３６の操作をエンドエフェクタ１９の開閉動作に変換する機構としては、例えば、特開２００８−１０４８５５号公報や特開２００９−１０６６０６号公報に記載された構成と同様の構成を採用してよい。
【００４４】
姿勢変更機構１３は、Ｙ方向のヨー軸Ｏｙを基準に傾動するヨー動作（第１姿勢変更動作）と、先端を指向するロール軸Ｏｒ（中立姿勢時にはＺ軸）を基準に回転するロール動作（第２姿勢変更動作）とが可能である。ヨー動作は、シャフト１８の軸線に対して傾斜した方向へ動作することから、傾動動作ということもできる。姿勢変更機構１３は、ロール動作とヨー動作とを選択的に又は複合的に行うことが可能である。
【００４５】
本実施形態の場合、エンドエフェクタ１９の姿勢変更の動作（ヨー動作及びロール動作）は、複合入力部２４の操作に基づいて駆動源５０が駆動し、この駆動源５０の駆動力が先端動作部１２に機械的に伝達されることで行われる。
【００４６】
先端動作部１２及びシャフト１８は細径に構成されており、患者の腹部等に装着された円筒形状のトラカール２０を通して体腔２２内に挿入可能であり、複合入力部２４及びトリガレバー３６の操作によって体腔２２内で患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。
【００４７】
図１に示すコントローラ２９は、マニピュレータ本体１１を総合的に制御する制御部であって、グリップハンドル２６の下端部から延在するケーブル２８と接続される。コントローラ２９の機能の一部又は全部は、例えば操作部１４に一体的に搭載することもできる。コントローラ２９は、複数（図示例では、３個）の接続ポート２７ａ〜２７ｃを備えており、３台のマニピュレータ本体１１を独立的に同時に制御することができる。
【００４８】
次に、駆動源５０の駆動力を先端動作部１２に機械的に伝達する機構について説明する。ここで、図３は、作業部１６と操作部１４とを分離した状態でのマニピュレータ本体１１の一部断面側面図であり、図４は、作業部１６の一部省略断面平面図である。作業部１６には、上述したトリガレバー３６に入力された操作力をエンドエフェクタ１９に伝達する機構の構成要素である２本のロッド８３ａ、８３ｂがＹ方向に並んで、それぞれＺ方向に延在し、ロッド８３ａ、８３ｂの先端部（Ｚ１方向側の端部）は、プーリボックス３２を構成する空洞部６６まで達している。
【００４９】
また、ロッド８３ａ、８３ｂの先端部には、それぞれ、シャフト１８に挿通されて先端動作部１２（図１参照）まで延在するワイヤ８２ａ、８２ｂ（索体）が連結されている。ワイヤ８２ａ、８２ｂのＺ１方向側の端部は、先端動作部１２のエンドエフェクタ１９を駆動するための図示しない開閉機構に係合しており、トリガレバー３６を押し引き操作することによるワイヤ８２ａ、８２ｂの進退動作により前記開閉機構が駆動され、エンドエフェクタ１９が開閉動作するようになっている。
【００５０】
図３及び図４に示すように、プーリボックス３２のＺ２側には、Ｚ方向を基準として対称な一対のピン穴８４、８４が形成されている。各ピン穴８４、８４には、作業部１６と操作部１４との装着時、ブラケット５２の底面からＹ１方向に突出した一対のガイドピン８６、８６が挿入され、これにより、操作部１４と作業部１６とが位置決めされ且つ高い剛性で装着される。
【００５１】
駆動部３０は、上述した第１及び第２モータ５０ａ、５０ｂと、第１及び第２モータ５０ａ、５０ｂを支持するブラケット５２と、第１及び第２モータ５０ａ、５０ｂの回転方向を変換して作業部１６側に伝達するギア機構部５４とを有する。ギア機構部５４は、第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂの出力軸５６ａ、５６ｂにそれぞれ固定された駆動傘歯車５８ａ、５８ｂと、駆動傘歯車５８ａ、５８ｂと噛み合う従動傘歯車６２ａ、６２ｂとを有する。
【００５２】
従動傘歯車６２ａ、６２ｂには、それぞれ駆動軸６０ａ、６０ｂが固定されている。駆動軸６０ａ、６０ｂは、Ｘ方向に離間して互いに平行に配置されるとともに、図示しないベアリングによってブラケット５２に回転可能に軸支されている。駆動軸６０ａ、６０ｂの下端部には、係合凸部６４ａ、６４ｂがそれぞれ設けられている。係合凸部６４ａ、６４ｂは、例えば、断面波形六角形状で先細りのテーパ形状に形成され得る。
【００５３】
作業部１６に設けられたプーリボックス３２は、Ｘ方向両側が開口した空洞部６６と、該空洞部６６に収納された駆動プーリ（従動軸）７０ａ、７０ｂ及びガイド部材７２ａ、７２ｂとを有し、空洞部６６のＺ１側に貫通した孔部でシャフト１８が固定・支持されている。
【００５４】
駆動プーリ７０ａ、７０ｂは、Ｘ方向に離間して互いに平行に配置されており、その上端部には、駆動軸６０ａ、６０ｂ側の係合凸部６４ａ、６４ｂと係合可能な係合凹部７４ａ、７４ｂが設けられている。係合凹部７４ａ、７４ｂは、前記係合凸部６４ａ、６４ｂが係合（嵌合）可能であり、例えば断面波形六角形状で奥細りのテーパ形状の凹部を有する。
【００５５】
操作部１４に作業部１６を装着した状態では、係合凸部６４ａ、６４ｂと係合凹部７４ａ、７４ｂとが係合する。これにより、駆動軸６０ａ、６０ｂの回転駆動力は、係合凸部６４ａ、６４ｂおよび係合凹部７４ａ、７４ｂを介して、駆動プーリ７０ａ、７０ｂに伝達される。なお、係合凸部６４ａや係合凹部７４ａの係合構造は他の構造であってもよい。
【００５６】
図４に示すように、ガイド部材７２ａ、７２ｂは、駆動プーリ７０ａ、７０ｂのＺ１側に配設されると共に、互いの外周面の間隔が、駆動プーリ７０ａ、７０ｂの外周面間の間隔よりも狭く設定されている。ワイヤ（索体）８０ａ、８０ｂは、駆動プーリ７０ａ、７０ｂに巻き掛けられるとともに、ガイド部材７２ａ、７２ｂによりガイドされて、シャフト１８内に挿通されている。
【００５７】
図５は、姿勢変更機構１３、第１動力伝達機構および第２動力伝達機構の模式構造図である。姿勢変更機構１３は、シャフト１８の軸線と非平行なヨー軸（傾動軸）Ｏｙを中心に回動可能な主軸部材（第１動作部）１００と、主軸部材の軸線と一致するロール軸Ｏｒを中心に回転自在に主軸部材に支持されたギア体１０２（第１動作部）と、ギア体１０２と噛み合いヨー軸Ｏｙを中心に回転自在に支持された歯車体１０４とを有する。
【００５８】
主軸部材１００は、シャフト１８の先端部に設けられた軸１０６によってヨー軸Ｏｙを中心に回転可能である。主軸部材１００の前部は、円筒形の筒部１００ａとして構成されており、主軸部材１００の基端部には、ワイヤ８０ａが巻き掛けられた従動プーリ１００ｂが一体的に設けられている。ワイヤ８０ａは、その一部が所定の固定手段によって従動プーリ１００ｂに固定されることで、従動プーリ１００ｂとの間ですべりが生じることが防止されている。
【００５９】
主軸部材１００は、ヨー軸Ｏｙを中心に回動することが可能であるため、従動プーリ１００ｂがワイヤ８０ａにより回転駆動されることで、従動プーリ１００ｂが一体的に設けられた主軸部材１００がヨー軸Ｏｙを中心に回動する。
【００６０】
ギア体１０２は、先端カバー１０８に固定されるとともに、ロール軸Ｏｒを中心として回転可能かつロール軸Ｏｒ方向には移動が拘束された状態で主軸部材１００の筒部１００ａの外周に支持されている。ギア体１０２のＺ２方向端面には、歯車１０４ｂと噛み合うフェイスギア１１０が設けられている。
【００６１】
歯車体１０４は、ワイヤ８０ｂが巻き掛けられ従動プーリ１０４ａと、該従動プーリ１０４ａの上部に同心状に設けられた歯車１０４ｂとを有し、軸１０６により回転可能に支持されている。従動プーリ１０４ａに巻き掛けられたワイヤ８０ｂは、その一部が所定の固定手段によって従動プーリ１０４ａに固定されることで、従動プーリ１０４ａとの間ですべりが生じることが防止されている。
【００６２】
上記のように構成された姿勢変更機構１３において、従動プーリ１００ｂを回転させると、従動プーリ１００ｂが一体的に設けられた主軸部材１００がヨー軸Ｏｙを中心に回動するとともに、ギア体１０２、先端カバー１０８及びエンドエフェクタ１９が主軸部材１００と一体的にヨー軸Ｏｙを中心として傾動する。すなわち、姿勢変更機構１３のヨー動作が行われる。
【００６３】
一方、歯車体１０４を回転させると、歯車体１０４によりギア体１０２がロール軸Ｏｒを中心に回転するとともに、先端カバー１０８及びエンドエフェクタ１９がギア体１０２と一体的にロール軸Ｏｒを中心として回転する。すなわち、姿勢変更機構１３のロール動作が行われる。
【００６４】
第１動力伝達機構１１２ａは、第１モータ５０ａの駆動力を、主軸部材１００を動作させるように、主軸部材１００に機械的に伝達する機構である。したがって、上述した駆動傘歯車５８ａ、従動傘歯車６２ａ、係合凸部６４ａ、係合凹部７４ａ、駆動プーリ７０ａおよびワイヤ８０ａは、第１動力伝達機構１１２ａの構成要素である。第１動力伝達機構１１２ａにおける動力伝達経路上にはガタが存在する。図示例の第１動力伝達機構１１２ａの場合、図示しない減速機、ギア機構部５４を構成する駆動傘歯車５８ａと従動傘歯車６２ａとの噛み合い部、および係合凸部６４ａと係合凹部７４ａとの係合部にそれぞれ僅かにガタが存在するため、これらのガタの大きさを合算したものが、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタである。
【００６５】
第２動力伝達機構１１２ｂは、第２モータ５０ｂの駆動力を、ギア体１０２を回転させるように、ギア体１０２に機械的に伝達する機構である。したがって、上述した駆動傘歯車５８ｂ、従動傘歯車６２ｂ、係合凸部６４ｂ、係合凹部７４ｂ、駆動プーリ７０ｂおよびワイヤ８０ｂは、第２動力伝達機構１１２ｂの構成要素である。なお、第２動力伝達機構１１２ｂの動力伝達経路上には、第１動力伝達機構１１２ａと同様にガタが存在する。
【００６６】
図６に示すように、マニピュレータ本体１１は、トリガレバー３６の操作状態を検出する第１構成例に係る検出機構１２０をさらに備える。図６に示す検出機構１２０は、トリガレバー３６が引き位置に達したことを検出するように構成されている。すなわち、検出機構１２０は、エンドエフェクタ１９であるグリッパ１９Ａが閉じた状態または殆ど閉じた状態に対応する動作位置にトリガレバー３６が達したことを検出するものである。
【００６７】
なお、トリガレバー３６に関し、「押出し位置」とは、トリガレバー３６を十分に押し出した位置（トリガレバー３６の可動範囲のうち最もＺ１方向側に回動した位置）またはその近傍位置を意味する。また、トリガレバー３６に関し、「引き位置」とは、トリガレバー３６を十分に引いた位置（トリガレバー３６の可動範囲のうち最もＺ２方向側に回動した位置）またはその近傍位置を意味する。図６では、押出し位置にあるときのトリガレバー３６を実線で描いており、引き位置にあるときのトリガレバー３６を二点鎖線で描いている。
【００６８】
検出機構１２０は、トリガレバー３６に設けられたカム体（検出用突出片）１２２と、操作部１４に設けられた検出部１２４とを有する。カム体１２２は、トリガレバー３６のアーム部３６ａに固定され（設けられ）、図示例では、Ｚ２方向に突出するように設けられおり、トリガレバー３６と一体的に動作する。すなわち、トリガレバー３６が前後方向（Ｚ方向）に揺動すると、カム体１２２も、トリガ軸３９を回転支点として揺動する。
【００６９】
検出部１２４は、作業部１６を操作部１４に装着した状態での操作部１４における、カム体１２２に対向する位置に設けられており、作業部１６が操作部１４に装着された状態でカム体１２２を検出することによりトリガレバー３６が上記の引き位置に達したことを検出する。
【００７０】
図示例の検出部１２４は、検出部１２４は、カム体１２２により押圧されてＺ方向に移動する作動ロッド１２６と、作動ロッド１２６が挿通されて作動体の移動をガイドする筒状ガイド部材１２８と、作動ロッド１２６により押圧されるタクトスイッチ１３０とを有する。作動ロッド１２６のＺ１側の端部は、カム体１２２側に突出するとともに、図示しないバネによりＺ１方向に付勢され、図示しない係止部材によりカム体１２２側に抜け出ることが防止されている。タクトスイッチ１３０は、操作部１４の内部に設けられたスイッチ基板１３２に固定され、このスイッチ基板１３２はケーブル２８を介してコントローラ２９に電気的に接続されており、スイッチ基板１３２から出力される信号がコントローラ２９に送信される。
【００７１】
上記のように構成された検出機構１２０において、トリガレバー３６が押出し位置にあるときには、カム体１２２が作動ロッド１２６をＺ２方向に押し込まないので、タクトスイッチ１３０は作動ロッド１２６に押圧されない。一方、トリガレバー３６が図６でＺ２方向に回動操作され、引き位置まで達すると、カム体１２２が作動ロッド１２６をＺ２方向に押圧して移動させ、作動ロッド１２６によりタクトスイッチ１３０が押圧される。そして、押圧されたことに対応する信号がタクトスイッチ１３０から出力され、この信号がコントローラ２９に送信されることで、コントローラ２９において、トリガレバー３６が引き位置に達したことが認識（検出）される。
【００７２】
図示例の検出機構１２０は、トリガレバー３６が引き位置に達したことを検出するように構成されているが、これに代えて、トリガレバー３６が押出し位置に達したことを検出するように構成されてもよい。また、検出機構１２０は、トリガレバー３６が、引き位置に達しときと押出し位置に達したときの両方を検出するように構成されてもよい。検出機構１２０において、カム体１２２をトリガ操作子３６ｂに設け、上記の検出部１２４をグリップハンドル２６に設けてもよい。
【００７３】
このようにマニピュレータ１０では、検出機構１２０により、トリガレバー３６が引き位置または押出し位置に達したことを検出するので、トリガレバー３６の使用状態を把握することが可能である。例えば、トリガレバー３６が引き位置にあることを検出した場合、コントローラ２９は、エンドエフェクタ１９が把持対象物（例えば、生体組織の一部、湾曲針等）を把持した「把持状態」であると認識してもよい。また、トリガレバー３６が引き位置にあることを検出しない場合、コントローラ２９は、エンドエフェクタ１９が対象物を把持しない「非把持状態」であると認識してもよい。
【００７４】
なお、検出機構１２０の検出部１２４において、タクトスイッチ１３０に代えて、投光器と受光器とにより構成されるフォトセンサを設けてもよい。このようなフォトセンサを設ける場合、トリガレバー３６が引き位置に来たときに作動ロッド１２６が投光器と受光器との間に入って投光器からの光を遮断するように、投光器および受光器を配置することで、トリガレバー３６が引き位置に達したことを検出できる。また、タクトスイッチ１３０に代わる他の感知手段として、磁気センサ、近接センサ等を用いてもよい。
【００７５】
次に、図７を参照し、第２構成例に係る検出機構１４０について説明する。検出機構１４０は、トリガレバー３６の動作方向、つまり回動方向の位置を検出するように構成されている。図７に示すように、トリガレバー３６は、最もＺ１側に回動した最進出位置Ｐ１から、最もＺ２側に回動した最後退位置Ｐ２までの角度θの可動範囲を有する。
【００７６】
検出機構１４０は、トリガレバー３６と一体的に動作する駆動要素１４２と、操作部１４に設けられ作業部１６が操作部１４に装着された状態で駆動要素１４２に連動する従動要素１４４と、従動要素１４４の動作方向の位置を検出する検出部１４６とを有する。図示例において、駆動要素１４２は、トリガレバー３６の回動軸心回りに周方向に延在する歯を有する第１ギア部１４２Ａであり、従動要素１４４は、操作部１４に回動自在に設けられ作業部１６が操作部１４に装着された状態で第１ギア部１４２Ａと噛み合う第２ギア部１４４Ａであり、検出部１４６は、第２ギア部１４４Ａの回転角度を検出する回転検出器１４６Ａである。
【００７７】
第１ギア部１４２Ａは、トリガレバー３６と一体的に回転するように設けられている。すなわち、第１ギア部１４２Ａは、トリガレバー３６と一体的に回転するトリガ軸３９に固定されており、トリガレバー３６が前後方向（Ｚ方向）に回動すると、第１ギア部１４２Ａも、トリガ軸３９を回転支点として回動する。なお、図示例の第１ギア部１４２Ａでは、全周に歯が形成されているが、トリガレバー３６の可動範囲の全範囲で第２ギア部１４４Ａと噛み合うことができれば、外周の一部のみに歯が形成されてもよい。
【００７８】
第２ギア部１４４Ａは、上部カバー２５ｂの側面に設けられている。回転検出器１４６Ａは、上部カバー２５ａ、２５ｂの内部に設けられている。第２ギア部１４４Ａと回転検出器１４６Ａとは、上部カバー２５ａ、２５ｂを貫通する軸１４８を介して連結されている。上部カバー２５ａ、２５ｂと軸との間には、図示しないシール部材（例えば、Ｏリング）が配置され、シール部材により、外部から上部カバー２５ａ、２５ｂの内部２３への液体や塵埃の進入が防止される。
【００７９】
回転検出器１４６Ａとしては、例えば、ロータリエンコーダ、ポテンショメータ、レゾルバ等を用いることができる。ロータリエンコーダとしては、インクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダとがあるが、いずれを用いてもよい。回転検出器１４６Ａは、ケーブル２８を介してコントローラ２９に電気的に接続されており、回転検出器１４６Ａから出力される信号は、コントローラ２９に送信されるようになっている。
【００８０】
上記のように構成された検出機構１４０では、トリガレバー３６が回動操作されると、トリガレバー３６に設けられた第１ギア部１４２Ａがトリガレバー３６と一体的にトリガ軸３９を中心に回転する。また、第１ギア部１４２Ａの回転に伴い、第１ギア部１４２Ａと噛み合う第２ギア部１４４Ａが回転し、第２ギア部１４４Ａの回転角度が回転検出器１４６Ａにより検出され、トリガレバー３６の動作角度が検出される。すなわち、回転検出器１４６Ａから回転角度に対応する信号が出力され、この信号がコントローラ２９に送信され、コントローラ２９において、回転検出器１４６Ａからの信号に基づいてトリガレバー３６の動作角度が演算される。
【００８１】
なお、回転検出器１４６Ａがインクリメンタルエンコーダである場合、インクリメンタルエンコーダからは回転角度の変化に応じてパルスが出力されるだけであり、トリガレバー３６の絶対角度を直接検出することはできない。一方、トリガレバー３６の可動範囲（最大回転角度）θは既知であるので、使用時の回転角度範囲からトリガレバー３６の絶対角度を推測することが可能である。そこで、回転検出器１４６Ａがインクリメンタルエンコーダである場合、コントローラ２９は、マニピュレータ本体１１の使用時において、トリガレバー３６の可動範囲θと回転検出器１４６Ａで検出した回転角度範囲とに基づいて、トリガレバー３６の絶対角度を推定（演算）する。このように、インクリメンタルエンコーダの検出信号からトリガレバー３６の絶対角度を推定することで、簡素な構成で、トリガレバー３６の動作角度の検出を行うことができる。
【００８２】
検出機構１４０を搭載したマニピュレータ１０では、マニピュレータ本体１１の使用中、所定のサンプリングタイム毎に、トリガレバー３６の動作角度が検出される。したがって、トリガレバー３６が押出し位置（Ｐ１またはその近傍）、引き位置（Ｐ２またはその近傍）、または押出し位置と引き位置の間の位置にあることを検出することができる。コントローラ２９は、トリガレバー３６が引き位置にあることを検出した場合には、エンドエフェクタ１９が「把持状態」であると認識し、トリガレバー３６が引き位置以外の位置にあることを検出した場合には、エンドエフェクタ１９が「非把持状態」であると認識してもよい。
【００８３】
なお、トリガレバー３６の回転を回転検出器１４６Ａに伝達する機構として、磁気カップリングを採用してもよい。すなわち、トリガレバー３６に設けられる駆動要素１４２と、操作部１４に設けられる従動要素１４４のうち少なくとも一方を永久磁石が配置された円板として構成し、他方を永久磁石が配置された円板または強磁性体からなる円板として構成し、このように構成した駆動要素１４２と従動要素１４４とにより磁気カップリングを構成してもよい。
【００８４】
ところで、上述したように、第１モータ５０ａの駆動力を主軸部材１００に伝達する第１動力伝達機構１１２ａ（図５参照）には、通常、ガタが存在するため、ガタの範囲内で第１モータ５０ａが動作しても、主軸部材１００がヨー軸Ｏｙを中心に回動動作せず、結局、先端動作部１２のロール動作が行われない。このため、回転操作部９０への入力操作に対してロール動作が遅れることがあり、先端動作部１２の軌跡精度や位置決め精度の低下が懸念される。
【００８５】
これに対処するため、本実施形態に係るマニピュレータ１０では、コントローラ２９は、傾動操作部９２からのヨー軸操作指令（第１姿勢変更動作に係る第１操作指令）を受けた場合、第１の補償制御として、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタ分を補償するように、第１モータ５０ａを制御する。すなわち、コントローラ２９は、より精密なヨー動作の姿勢制御を行うため、フィードフォワード制御などにより、ガタ分を補償する制御を行う。
【００８６】
図８を参照し、第１の補償制御について説明する。図８は、マニピュレータ１０の機能ブロック図である。ヨー動作をさせるため、傾動操作部９２を操作すると、その操作量に応じたヨー軸操作指令ｃ１が出力され、出力されたヨー軸操作指令ｃ１は、コントローラ２９に設けられたヨー軸目標軌道生成手段１５０に入力される。ヨー軸目標軌道生成手段１５０は、ヨー軸操作指令ｃ１に応じたヨー軸（主軸部材１００）の目標値（以下、ヨー軸目標値ｖ１という）を生成し、生成されたヨー軸目標値ｖ１は、第１補正値生成手段１５６と正規１軸・２軸目標軌道生成手段１５４に入力される。
【００８７】
正規１軸・２軸目標軌道生成手段１５４は、ヨー軸目標値ｖ１とロール軸（ギア体１０２）の目標値（以下、ロール軸目標値ｖ２という）に基づいて、干渉行列を解くことにより、第１モータ５０ａと第１モータ５０ｂの制御上の目標値（以下、それぞれ、正規１軸目標値ｖ３、正規２軸目標値ｖ４という）を生成する手段である。姿勢変更機構１３において、ヨー軸動作を行うための機構とロール動作を行うための機構との間には機構的な干渉があるため、互いに動作干渉を生じないように第１モータ５０ａおよび第１モータ５０ｂを制御することが必要である。
【００８８】
例えば、ギア体１０２をロール軸Ｏｒを中心に回転させることなく、主軸部材１００をヨー軸Ｏｙを中心に回転させるには、第１モータ５０ａを駆動して主軸部材１００を回転させるだけでなく、第２モータ５０ｂを駆動して歯車体１０４を主軸部材１００と同方向かつ同じ角度で回転させることが必要である。また、ロール動作とヨー動作を複合して行う際に、回転操作部９０に対する入力操作で指示した回転方向および回転量でロール動作をさせるためには、ヨー動作による干渉分を見込んで第２モータ５０ｂを回転させることが必要である。
【００８９】
第１補正値生成手段１５６は、ヨー動作を行うに際して第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタの影響をなくす補正値（以下、第１補正値ｖ５という）を生成する。生成された第１補正値ｖ５と、正規１軸目標値ｖ３は、補正１軸目標軌道生成手段１６０に入力される。補正１軸目標軌道生成手段１６０は、第１補正値ｖ５と正規１軸目標値ｖ３から、補正１軸目標値ｖ７（正規１軸目標値ｖ３を第１補正値ｖ５によって補正した目標値）を生成する。
【００９０】
生成された補正１軸目標値ｖ７は、第１モータ制御手段１６２に入力される。一方、正規１軸・２軸目標軌道生成手段１５４により生成された正規２軸目標値ｖ４は、第２モータ制御手段１６４に入力される。第１モータ制御手段１６２および第２モータ制御手段１６４は、それぞれ、第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂを駆動制御するモータドライバである。
【００９１】
操作部１４に設けられた第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂは、第１モータ制御手段１６２および第２モータ制御手段１６４により、動作角度がそれぞれ補正１軸目標値ｖ７および正規２軸目標値ｖ４となるようにフィードバック制御される。この場合、第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂにそれぞれ付設されたエンコーダ５１ａ、５１ｂ（図１参照）からの出力信号が、フィードバック制御におけるフィードバック信号となる。このように第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂが駆動制御されることにより、第１モータ５０ａの駆動に基づいて第１動力伝達機構１１２ａ（図５参照）を介して主軸部材１００が回動駆動されるとともに、第２モータ５０ｂの駆動に基づいて第２動力伝達機構１１２ｂを介して歯車体１０４が回動駆動される。この場合、第１モータ５０ａの補正１軸目標値ｖ７は、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタの影響をなくすように補償された目標値であるため、先端動作部１２において、精度の高い姿勢制御がなされたヨー動作が行われる。
【００９２】
以下の説明では、図８を参照する場合にのみ、上述したヨー軸目標値、ロール軸目標値、正規１軸目標値、正規２軸目標値、第１補正値、第２補正値および補正１軸目標値に、それぞれ参照符号ｖ１〜ｖ７を付すものとする。
【００９３】
次に、図９Ａ〜図９Ｃを参照し、先端動作部１２にヨー動作をさせる場合の第１補正標値の生成方法について説明する。図９Ａに示すように、正規１軸目標値の正方向および負方向にそれぞれ同一の大きさのガタが存在すると考える。
【００９４】
この場合に、第１モータ５０ａの動作角度を図９Ａ中の正方向に移動するとき（正方向の速度指令があったとき）の補正１軸目標値（すなわち、第１モータ５０ａの制御上の目標値）は、正規１軸目標値に第１補正値最終値を加算したものとなる。ここで、第１補正値最終値は、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタの大きさ（正規１軸目標値に対して正方向および負方向のガタの大きさ）に対応する。一方、第１モータ５０ａの動作角度を負方向に移動するとき（負方向の速度指令があったとき）の補正１軸目標値は、正規１軸目標値から第１補正値最終値を減算したものとなる。
【００９５】
このように、正規１軸目標値を、第１モータ５０ａの動作方向に応じてガタの大きさに相当する分だけ正方向または負方向に補正することで、ガタ分が補償されたヨー動作が行われる。。
【００９６】
図９Ａに示した例は、第１の補償制御の基本的な考え方を説明するものであるが、実際の制御では、所定のサンプリングタイム毎に制御上の目標値が変わり、第１補正値もサンプリングタイム毎に生成（計算）される。このため、制御上は、現在の第１補正値に対して、補正するべき第１補正値の補正量を加算または減算して、補正１軸目標値を得る。
【００９７】
例えば、図９Ｂに示すように、第１モータ５０ａの動作角度を正方向に移動するときの補正１軸目標値は、現在の第１補正値（負の補正値）に、補正するべき第１補正値の補正量を加算したもの（＝正規１軸目標値＋第１補正値最終値）となる。図９Ｃに示すように、第１モータ５０ａの動作角度を負方向に移動するときの補正１軸目標値は、現在の第１補正値（負の補正値）から、補正するべき第１補正値の補正量を減算したもの（＝正規１軸目標値−第１補正値最終値）となる。
【００９８】
なお、通常、現在の第１補正値は、正または負の第１補正値最終値となる。現在の第１補正値が正の第１補正値最終値のときに正方向の速度指令が出た場合、第１補正値は、正の第１補正値最終値で変化しない。一方、現在の第１補正値が正の第１補正値最終値のときに負方向の速度指令が出た場合、第１補正値の変化量は、−２×第１補正値最終値となり、結局、第１補正値は、負の第１補正値最終値となる。
【００９９】
以上のように本実施形態に係るマニピュレータ１０によれば、コントローラ２９が第１の補償制御を行うことにより、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタをなくしたのと同様の状態で主軸部材１００を動作させることができる。このため、主軸部材１００の位置精度が向上し、操作性が向上する。また、第１の補償制御では、正規１軸目標値を、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタの影響をなくす第１補正値により補正して補正１軸目標値を生成するので、先端動作部１２の軌跡精度や位置決め精度を効果的に向上できる。
【０１００】
次に、図１０Ａ〜図１０Ｃを参照し、ヨー動作をさせる場合の第１モータ５０ａの速度指令値の生成方法について説明する。
【０１０１】
図１０Ａは第１モータ５０ａの正規速度指令値の時間変化を示している。第１モータ５０ａの正規速度指令値は、正規１軸目標値に対応する指令値であり、傾動操作部９２（図１参照）からのヨー軸操作指令に基づいて生成される。傾動操作部９２からの指令がスイッチのオンオフのようなステップ状の場合、フィルタリング処理等を施すことにより、図１０Ａに示すような滑らかな速度指令信号とすることが好ましい。
【０１０２】
図１０Ｂは第１モータ５０ａの速度補正指令値の時間変化を示している。第１モータ５０ａの速度補正指令値は、第１補正値に対応する速度指令値であり、図１０Ａに示した正規速度指令値を変数とする関数により生成される。この関数は、例えば、第１モータ５０ａの正規速度指令値に比例した速度補正指令値を算出するものであるとよい。このような関数を用いることにより、正規速度指令値による加速と同期して速度補正指令値による加速が行われるので、第１動力伝達機構１１２ａのガタをなくす補正を無理なくスムーズに行うことができる。
【０１０３】
速度補正指令値の積分値（図１０Ｂ中、符号Ｓ１で示す部分の面積）が第１補正値最終値に達したら、速度指令はゼロとする。第１モータ５０ａの速度指令値（補正後の速度指令値）である１軸速度指令値は、図１０Ｃに示すように、正規速度指令値に速度補正指令値を加算したものとなる。
【０１０４】
上記では、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタに起因する先端動作部１２の軌跡精度や位置決め精度の低下の懸念について説明したが、ロール動作時には以下のようなヨー動作の発生が懸念される。すなわち、ロール動作をさせるためにギア体１０２（図５参照）を回転させようとすると、ギア体１０２を支持する主軸部材１００がギア体１０２から力を受け、このとき、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタにより、先端動作部１２がヨー動作をすることがある。また、このようなヨー動作は、以下の理由により、第１動力伝達機構１１２ａの剛性が十分でない場合にも発生し得る。
【０１０５】
例えば、トリガレバー３６を引き位置まで引いた状態では、ギア体１０２が主軸部材１００に軸方向（Ｚ２方向）に押し付けられるため、ギア体１０２の回転抵抗（動作抵抗）が大きくなる。トリガレバー３６を押出し位置まで押し出した状態では、ギア体１０２が主軸部材１００に軸方向（Ｚ１方向）に押し付けられるため、ギア体１０２の回転抵抗が大きくなる。
【０１０６】
歯車体１０４（図５参照）を回転させ、歯車体１０４と噛み合うギア体１０２を回転させることでエンドエフェクタ１９をロール動作させようとするとき、ロール軸Ｏｒを中心にギア体１０２が回転しようとするだけでなく、ヨー軸Ｏｙを中心に主軸部材１００を回動させようとするトルク（以下、これを干渉トルクという）としても作用する。そして、ヨー軸Ｏｙを中心に主軸部材１００を回動させようとするトルクは、第１動力伝達機構１１２ａが受けることになる。このため、第１動力伝達機構１１２ａの剛性が十分でない場合は、第１動力伝達機構１１２ａの構成要素（ワイヤ等）が弾性変形することで、ヨー動作を発生する場合がある。
【０１０７】
これに対処するため、本実施形態に係るマニピュレータ１０では、コントローラ２９は、回転操作部９０からのロール操作指令（第２姿勢変更動作に係る第２操作指令）を受けた場合、第２の補償制御として、ロール動作に起因するヨー動作の発生を防止または抑制するように第１モータ５０ａを制御する。すなわち、コントローラ２９は、より精密な姿勢制御を行うため、フィードフォワード制御などにより、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタや第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形による影響を補償する制御を行う。
【０１０８】
このような第２の補償制御について、まず図８を参照し、その概要について説明する。ロール動作をさせるため、回転操作部９０を操作すると、その操作量に応じたロール軸操作指令ｃ２が出力され、出力されたロール軸操作指令ｃ２は、コントローラ２９に設けられたロール軸目標軌道生成手段１５２に入力される。ロール軸目標軌道生成手段１５２は、ロール軸操作指令ｃ２に応じたロール軸（ギア体１０２）の目標軌道（目標値）を生成し、生成された目標軌道は、正規１軸・２軸目標軌道生成手段１５４と第２補正値生成手段１５８に入力される。正規１軸・２軸目標軌道生成手段１５４では、正規１軸目標値ｖ３と、正規２軸目標値ｖ４が生成される。
【０１０９】
第２補正値生成手段１５８は、コントローラ２９がロール軸操作指令ｃ２を受けた場合に、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタと、干渉トルクによる第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形の影響をなくす補正値（以下、第２補正値ｖ６という）を生成する。生成された第２補正値ｖ６と、正規１軸目標値ｖ３は、補正１軸目標軌道生成手段１６０に入力される。補正１軸目標軌道生成手段１６０は、第１補正値ｖ５と正規１軸目標値ｖ３から、補正１軸目標値ｖ７（この場合、正規１軸目標値ｖ３を第２補正値ｖ６によって補正した目標値）を生成する。
【０１１０】
生成された補正１軸目標値ｖ７は、第１モータ制御手段１６２に入力される。一方、正規１軸・２軸目標軌道生成手段１５４により生成された正規２軸目標値ｖ４は、第２モータ制御手段１６４に入力される。
【０１１１】
操作部１４に設けられた第１モータ５０ａおよび第２モータ５０ｂは、第１モータ制御手段１６２および第２モータ制御手段１６４により、動作角度がそれぞれ補正１軸目標値ｖ７および正規２軸目標値ｖ４となるようにフィードバック制御される。このように第２モータ５０ｂが駆動制御されることにより、第２モータ５０ｂの駆動に基づいて第２動力伝達機構１１２ｂを介して歯車体１０４が回動駆動されるとともに、第１モータ５０ａの駆動に基づいて第１動力伝達機構１１２ａを介して主軸部材１００が回動駆動される。
【０１１２】
この場合、第１モータ５０ａの補正１軸目標値ｖ７は、第１動力伝達機構１１２ａのガタおよび弾性変形の影響をなくすように補償された目標値であるため、先端動作部１２においては、ロール動作に起因するヨー動作が発生せず、精度の高い姿勢制御の作用下にロール動作が行われる。
【０１１３】
次に、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照し、先端動作部１２にロール動作をさせる際のヨー動作に対する影響を説明する。なお、ここでは、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタの影響のみに着目し、干渉トルクによる第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形の影響については考慮しないものとする。第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形の影響を考慮した補償については、後述する。
【０１１４】
先端動作部１２に正方向のロール動作をさせるとき（ギア体１０２を正方向に回転させるとき）、主軸部材１００も正方向の干渉トルクを受ける。これにより、干渉トルクの大小にかかわらず、図１１Ａの下側に示すように、主軸部材１００が正方向にガタ分だけ動かされる。すなわち、正方向にロール動作に起因するヨー動作が発生する。
【０１１５】
ロール動作の方向が正方向である場合において、図１１Ｂに示すように、仮に、負方向にガタ分だけ第１モータ５０ａの目標値である１軸目標値が補正されているとき（ガタが消されているとき）は、ガタの影響を受けないため、主軸部材１００が正方向に動かされず、ロール動作に起因するヨー動作は発生しない。
【０１１６】
ロール動作の方向が正方向である場合において、図１１Ｃに示すように、仮に、正方向にガタ分だけ１軸目標値が補正されているとき（ガタが反対側に消されているとき）は、正方向および負方向の２つのガタ分だけ主軸部材１００が正方向に動かされる。すなわち、正方向にロール動作に起因するヨー動作が発生する。
【０１１７】
次に、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照し、先端動作部１２にロール動作をさせる場合の第２補正値の生成方法について説明する。なお、図１２Ａ〜図１２Ｃでは、ロール動作の方向が正方向である場合を想定する。
【０１１８】
図１２Ａは、図１１Ａの場合に対応する補正方法であり、現在の第２補正値が０の場合、補正後の第２補正値は、負の第２補正値最終値となる。この場合、補正の変化量は、第２補正値最終値と同じである。ここで、第２補正値最終値は、第１動力伝達機構１１２ａに存在するガタの大きさ（正規１軸目標値に対して正方向および負方向のガタの大きさ）に対応する。このように、第２補正値は、主軸部材１００がギア体１０２から受ける力の方向とは逆方向に主軸部材１００の目標値を補正する補正値である。
【０１１９】
図１２Ｂは、図１１Ｂの場合に対応する補正方法であり、現在の第２補正値が負の第２補正値最終値の場合、補正後の第２補正値は、正の第２補正値最終値のままで変化しない。この場合、補正の変化量はゼロである。
【０１２０】
図１２Ｃは、図１１Ｃの場合に対応する補正方法であり、現在の第２補正値が正の第２補正値最終値の場合、補正後の第２補正値は、負の第２補正値最終値となる。この場合、補正の変化量は、第２補正値最終値の２倍である。
【０１２１】
以上のように本実施形態に係るマニピュレータ１０によれば、コントローラ２９が第２の補償制御を行うことにより、ロール動作を行う際に、第１動力伝達機構１１２ａのガタの影響をなくすことで、ロール動作に起因するヨー動作の発生を防止または抑制することができ、操作性を向上することができる。また、第２の補償制御では、正規１軸目標値を、第１動力伝達機構１１２ａの影響をなくす補正値により補正して補正１軸目標値を生成するので、先端動作部１２にロール動作をさせる際の、ガタおよび弾性変形に起因するヨー動作の発生を効果的に防止できる。さらに、第２の補償制御では、主軸部材１００がギア体１０２から受ける力の方向とは逆方向に、主軸部材１００を動作させることで、ガタの影響をなくすので、ロール動作に起因するヨー動作の発生を一層効果的に防止できる。
【０１２２】
次に、図１３Ａおよび図１３Ｂを参照し、第２の補償制御をする場合の第１モータ５０ａおよび第１モータ５０ｂの速度指令値の生成方法について説明する。
【０１２３】
図１３Ａは、第２モータ５０ｂの制御上の目標値である正規２軸目標値に対応する指令値（２軸速度指令値）の時間変化を示している。回転操作部９０からの指令がスイッチのオンオフのようなステップ状の場合、フィルタリング処理等を施すことにより、図１３Ａに示すような滑らかな速度指令信号とすることが好ましい。
【０１２４】
図１３Ｂは、傾動操作部９２からのヨー動作指令がなく、回転操作部９０からのロール動作指令のみがあった場合の第１モータ５０ａの速度指令値を示している。この場合の速度指令値は、第２補正値に対応した速度補正指令値のみとなる。図１３Ｂに示すように、第１モータ５０ａの速度補正指令値は、第２モータ５０ｂの速度指令値を変数とする関数により生成される。
【０１２５】
この関数は、例えば、第１モータ５０ａの速度指令値に比例した速度補正指令値を算出するものであるとよい。このような関数を用いることにより、ロール動作の開始と同期して第１動力伝達機構１１２ａのガタをなくす補正が行われるため、適切なタイミングで補正を行うことができる。
【０１２６】
速度補正指令値の積分値（図１３Ｂ中、符号Ｓ２で示す部分の面積）が第２補正値最終値に達したら、速度指令はゼロとする。これにより、第２補正値最終値の分だけ主軸部材１００を移動させることができる。
【０１２７】
なお、回転操作部９０からのロール動作指令と同時並行的に、傾動操作部９２からのヨー動作指令があった場合、第１モータ５０ａの速度指令値は、図１０Ａに示した正規速度指令値に、図１３Ｂに示す速度補正指令値を加算した指令値となる。
【０１２８】
上記では、第２補正値は、第１動力伝達機構１１２ａのガタ分を補正するものとして説明したが、ガタは第１動力伝達機構１１２ａの剛性がある範囲でゼロであることと等価であると考えることができる。換言すれば、干渉トルクによる第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形を、ある大きさのガタと等価と考えることができる。したがって、第２補正値は、第１動力伝達機構１１２ａの剛性が低い場合の干渉トルク補償、すなわち、干渉トルクによる第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形の影響をなくす補正値としても同様に適用できる。
【０１２９】
そこで、第２補正値生成手段１５８は、第１動力伝達機構１１２ａのガタの影響を考慮した補正値に、第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形に起因する主軸部材１００のヨー動作の発生を防止または低減する補正値を加えたものを、第２補正値として生成するとよい。これにより、ガタに起因するヨー動作のみならず、第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形に起因するヨー動作の発生についても防止または抑制することができ、先端動作部１２の姿勢制御を一層精度良く行うことができる。
【０１３０】
エンドエフェクタ１９を閉じた状態（トリガレバー３６を引き位置まで引いた「引き状態」）では、把持対象物（例えば、生体組織の一部、湾曲針等）を強く把持している状態（把持状態）であると考えられ、ギア体１０２の回転抵抗が大きく、干渉トルクが大きい。また、エンドエフェクタ１９を大きく開いた状態（トリガレバー３６を押出し位置まで押し出した「押出し状態」）では、なんらかの物を広げている状態（拡張状態）であると考えられ、干渉トルクが大きい。このような高トルク状態のとき、ヨー動作の影響が大きくなる。一方、エンドエフェクタ１９が引き位置にも押出し位置にもない場合、干渉トルクが小さい。このような低トルク状態のとき、ヨー動作の影響が小さい。
【０１３１】
このように、エンドエフェクタ１９の状態によって干渉トルクが異なる場合には、それぞれの状態の干渉トルクの大きさに応じて、第１動力伝達機構１１２ａの弾性変形を加味した第２補正値を生成するとよい。上述したように、本実施形態に係るマニピュレータ１０の場合、検出機構１２０、１４０によりトリガレバー３６が引き位置にあること（高トルク状態）を検出することができる。そこで、高トルク状態での最適な第２補正値を「第２補正値Ｃ１」とし、低トルク状態での最適な第２補正値を「第２補正値Ｃ２」として、状態に応じて適切な補正値を生成するように第２補正値生成手段１５８を構成するとよい。ただし、第２補正値Ｃ２≦第２補正値Ｃ１である。
【０１３２】
これにより、高トルク状態の場合には、第２補正値Ｃ１により正規１軸目標値を補正し、低トルク状態の場合には、第２補正値Ｃ２により正規１軸目標値を補正することが可能となる。したがって、エンドエフェクタ１９の状態に応じて変化する干渉トルクに対応した補正が可能となり、先端動作部１２の姿勢制御を一層精度良く行うことができる。なお、検出機構１２０、１４０によりトリガレバー３６が引き位置にあることが検出できるが、押出し位置にあることを検出できない場合には、トリガレバー３６が引き位置にないときを「低トルク状態」とみなして、上記のような補正を行う。
【０１３３】
マニピュレータ１０において、上述した検出機構１２０、１４０が設けられていない場合には、高トルク状態に適した第２補正値Ｃ１と、低トルク状態に適した第２補正値Ｃ２とを求め、その中間値を第２補正値として第２補正値生成手段１５８により生成してもよい。この場合の第２補正値は、下記の（１）式または（２）式を満たすものであればよい。
第２補正値Ｃ２≦第２補正値≦第２補正値Ｃ１        ・・・（１）
第２補正値＝（第２補正値Ｃ１＋第２補正値Ｃ２）／２・・・（２）
【０１３４】
上記の（１）式または（２）式に従って生成した第２補正値を用いて第１モータ５０ａを制御することにより、検出機構１２０、１４０が設けられていない場合でも、干渉トルクによるヨー動作の発生を抑制することができる。
【０１３５】
また、トリガレバー３６の引き状態と押出し状態（ともに高トルク状態）とで、干渉トルクが異なる場合には、それぞれ、第２補正値Ｃ１（ａ）、第２補正値Ｃ１（ｂ）として区別してもよい。検出機構１２０、１４０が設けられていないマニピュレータ１０において、このように干渉トルクが異なる場合には、第２補正値生成手段１５８で生成される第２補正値は、下記の（３）式〜（５）式のいずれか１つを満たすものであればよい。ただし、（３）式は、第２補正値Ｃ１（ａ）＞第２補正値Ｃ１（ｂ）の場合であり、（４）式は、第２補正値Ｃ１（ａ）＜第２補正値Ｃ１（ｂ）の場合である。
第２補正値Ｃ２≦第２補正値ｖ６≦第２補正値Ｃ１（ａ）・・・（３）
第２補正値Ｃ２≦第２補正値ｖ６≦第２補正値Ｃ１（ｂ）・・・（４）
第２補正値＝（第２補正値Ｃ１（ａ）＋第２補正値Ｃ１（ｂ）＋第２補正値Ｃ２）／３・・・（５）
【０１３６】
上記の（３）式〜（５）式のいずれか１つに従って生成した第２補正値を用いて第１モータ５０ａを制御することにより、検出機構１２０、１４０が設けられていない場合でも、干渉トルクによるヨー動作の発生を抑制することができる。
【０１３７】
なお、マニピュレータ１０において、ロール動作時の干渉トルク（主軸部材１００に作用するヨー軸Ｏｙ周りのトルク）を検出または推定できる機構が設けられる場合には、使用状況によって変化する干渉トルクに応じた第２補正値を用いて、第１モータ５０ａの正規１軸目標値を補正するようにしてもよい。このような補正を行うことで、先端動作部１２の姿勢制御をより精度良く行うことができる。
【０１３８】
上記では、第１補正値と第２補正値の生成手段が異なるため、ヨー動作をする場合の１軸補正値（第１モータ５０ａの正規目標値に対する補正値）を第１補正値、ロール動作をする場合の１軸補正値を第２補正値として説明した。しかし、制御時には、１軸補正値として、ひとつの補正値として扱ってよい。すなわち、１軸補正値＝第１補正値＋第２補正値、として扱ってよい。ただし、１軸補正値≦第１補正値最終値＝第２補正値最終値、である。
【０１３９】
上記において、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１４０】
１０…医療用マニピュレータ            １２…先端動作部
１３…姿勢変更機構                    １４…操作部
１６…作業部                          １９…エンドエフェクタ
２９…コントローラ                    ５０…駆動源
５０ａ…第１モータ                    ５０ｂ…第２モータ
１００…主軸部材                      １０２…ギア体
【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】
0005636239.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0005636239.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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