(57)【要約】  医療用制御装置は、指令値の変化量に基づく判断でモータの停止状態時には外乱特性を高感度に設定し、モータの駆動開始時までの間、外乱オブザーバ部の検知能力を高めておき、モータが動作状態になれば、コントローラのゲインを通常の設定値に戻して、良好な追従特性を維持する。
2010143715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤにより牽引駆動する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、
前記ワイヤを牽引駆動させて、前記湾曲部を湾曲させる駆動部と、
前記駆動部に対して、前記ワイヤの牽引駆動を制御する制御部と、
前記制御部に入力される前記ワイヤの牽引駆動量の変化を検知する検知部と、
前記検知部の検知結果に基づいて、前記駆動部で生じる外乱情報の特性を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする医療用制御装置。
【請求項２】
前記調整部は、前記検知部が前記駆動量の変化から前記駆動部が停止状態であると判断した場合には、前記外乱情報の特性におけるゲインの値を上げるゲイン調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項３】
前記調整部は、前記検知部が前記駆動量の変化から前記駆動部が停止状態であると判断した場合には、前記外乱情報の特性におけるゲインのピークを低い周波数側に移動させるゲイン調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項４】
前記調整部は、前記検知部が前記駆動量の変化から前記駆動部が停止状態であると判断した場合には、前記外乱情報の感度を上げる第１の補償を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項５】
前記調整部は、前記検知部における検知結果によらず、前記入力される駆動量を第２の補償を行うとともに、前記外乱情報の感度を上げる第１の補償を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項６】
前記調整部は、前記検知部が前記駆動量の変化から前記駆動部が停止状態であると判断した場合には、前記外乱情報の特性におけるゲインの値を上げて、外乱特性の感度を高くする調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項７】
前記調整部は、前記検知部が前記駆動量の変化から前記駆動部が停止状態であると判断した場合には、前記外乱情報の特性におけるゲインのピークを低い周波数側に移動させて、周波数に対する外乱特性の感度を高くする調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項８】
前記調整部は、
前記駆動部に入力される駆動量の変化に従って、前記外乱情報の特性におけるゲインの値を上げる補償を行う第１の補償部と、
前記補償部の出力を切り換えにより前記制御部に入力させる切り換え部と、
を具備し、
前記調整部は、前記検知部が前記駆動量の変化から前記駆動部が停止状態であると判断した場合は、前記切り換え部により前記補償部により補償された外乱情報の特性を前記制御部に入力し、外乱特性の感度を高くする調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項９】
前記調整部は、
前記駆動部に入力される駆動量の変化に従って、前記外乱情報の特性におけるゲインの値を上げる第１の補償を行う第１の補償部と、
前記第１の補償部の補償により上げられるゲインの値と同値のゲインを下げる第２の補償を行う第２の補償を行う第２の補償部と、を具備し、
前記第１の補償部は、前記駆動部に入力する前記駆動量に基づく信号に第１の補償を行い、前記制御部にフィードバックし、
前記第２の補償部は、前記入力部による前記湾曲指令値を受けて、前記第２の補償を行い、ゲインの値を下降させ、さらに、前記第１の補償が行われた前記駆動量に基づく信号に前記第１の補償によりゲインの下降を打ち消して、前記制御部に入力し、所望する周波数以上の外乱特性の感度を高くする調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項１０】
前記調整部により行われるゲインの調整は、前記湾曲部を湾曲動作させる際の、位置制御における位置指令と、湾曲動作速度の速度制御における速度指令と、前記位置指令と前記速度指令により生成される前記駆動部を動作させる電流信号の電流制御における電流指令と、に対してそれぞれ調整を施すことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項１１】
先端側内部にそれぞれにワイヤと連結する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、
前記ワイヤを牽引して前記関節を屈曲させて前記挿入部を湾曲させる駆動部と、
前記湾曲部における湾曲指令値を指示する入力部と、
前記入力部による前記湾曲指令値を受けて前記駆動部に対する駆動量を生成し、前記湾曲部の駆動制御を行う制御部と、
前記駆動部に入力される前記駆動量と前記湾曲部に掛かる前記ワイヤの牽引情報とを取得する検知部と、
前記ワイヤの牽引情報及び前記外乱情報に基づいて、前記駆動部で生じる外乱情報の特性を調整し前記制御部にフィードバックする調整部と、
を備え、
前記調整部から出力された、調整された外乱情報の特性が反映された前記湾曲指令値が前記制御部に入力されることを特徴とする医療用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体腔内に挿入して医療対象箇所の画像情報の取得又は、医療処置を施す処置具を用いる医療用制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、体腔内に挿入して患部等を観察するための内視鏡装置が知られている。内視鏡装置における体腔内に挿入される挿入部は、体腔内の曲がりに沿って前後進できるように、また観察したい箇所を撮影するために、先端部分が自在に湾曲できる構成となっている。【０００３】
この湾曲機構は、先端部分が複数の短いロッドに分割されて、それらのロッド間が関節によって連結された構成となっている。これらの関節には、個々にワイヤが接続されており、基端側に設けられたアングルノブと接続している。このアングルノブを操作することにより、ワイヤの牽引の程度が加減されて、自在に屈曲させることができる。【０００４】
この湾曲機構においては、術者（観察者）が自身の手動操作により、挿入部を湾曲させているため、術者に操作の大きな負担が掛かっている。このような負担軽減のために、モータを用いた電動式が考えられている。具体的には、ワイヤにモータ等の電気駆動源を連結して、操作部に設けられたスイッチの指示操作によりワイヤを牽引させて、関節を屈曲させる。このように操作補助を行うことにより、術者に掛かる負荷を軽減する技術が提案されている。【０００５】
挿入部を微妙に屈曲させる操作は、スイッチ操作による電気的な駆動手段が介在するため、操作者の感覚が手動操作異なり、その加減が難しくなっている。例えば、特許文献１には、挿入部の変化量（屈曲の程度）を検出するためのセンサを設けて、検出された変化量から湾曲駆動部を受動的に制御している。このセンサには、例えばポテンションメータとエンコーダを用いて、検出された変化量と、スイッチ（アングルノブ）による指示入力に基づき、湾曲駆動部における湾曲動作の制御量を決定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１３７７０１号公報
【特許文献２】特開平０８−２９３０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したモータ等の電気駆動源によりワイヤを牽引する構成では、ワイヤに伝達される動力のトルク等を上げるために、ギヤ等の伝達機構を介在させている。この場合、トルクが得られる反面、伝達機構がワイヤとモータとの間に設けられているため、内視鏡の湾曲の力量による反作用が検知しにくくなっている。【０００８】
そこで、この伝達機構を排除すると、ワイヤとモータ（回転軸）とを直結させることになる。しかし、低速回転で十分なトルク性能を持つモータは大型化するため、複数個のモータを搭載する操作部は、内視鏡装置の小型化や軽量化を図る上で問題となる。さらに、湾曲状態を示すためのワイヤに掛かるテンション量を検知して、動作量を制御するためには、多数のセンサを設ける必要があり、挿入部が大型化される。このように、操作部の大型化は、操作性に影響を与え、操作者に負担を与えることとなる。また、挿入部の大型化は、患者への負担の軽減を図る上で解決すべき問題となってしまう。【０００９】
さらに、これらのセンサは、内視鏡内に設けられているため、挿入部の消毒及び滅菌処理を行う際に、圧力や温度による負荷が掛かるため、十分にセンサ耐性を考慮しなくてはならない。  
そこで本発明は、電動により屈曲する挿入部を有する内視鏡に対して、湾曲動作を制御するための湾曲指示値と挿入部の変化量による制御に、正確に外乱情報を反映させた医療用制御装置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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、ワイヤにより牽引駆動する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、前記ワイヤを牽引駆動させて、前記湾曲部を湾曲させる駆動部と、前記駆動部に対して、前記ワイヤの牽引駆動を制御する制御部と、前記制御部に入力される前記ワイヤの牽引駆動量の変化を検知する検知部と、前記検知部の検知結果に基づいて、前記駆動部で生じる外乱情報の特性を調整する調整部と、を備える医療用制御装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電動により屈曲する挿入部を有する内視鏡に対して、湾曲動作を制御するための湾曲指示値と挿入部の変化量による制御に、正確に外乱情報を反映させた医療用制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る医療用制御装置内のモータユニットの内部構成を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る医療用制御装置の概略的な全体構成を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態におけるモータユニット３内に設けられるモータ駆動系の信号処理に基づくコントローラの構成例を示している。
【図４】図４は、第１の実施形態に適用しているモータモデルのブロック線図である。
【図５】図５は、図３に示したモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す図である。
【図６】図６は、従来のゲインと周数数の関係における追従特性と外乱特性を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【図８】図８は、第２の実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【図９】図９は、第３の実施形態のモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第３の実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【図１１】図１１は、第４の実施形態のモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す図である。
【図１２】図１２は、第４の実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態に係る医療用制御装置内のモータユニットの内部構成を示す図である。図２には、第１の実施形態に係る医療用制御装置の概略的な全体構成を示す図であり、以下の第１の実施形態の各構成部は、本発明の要旨の説明に必要なもののみを示しており、一般的な内視鏡装置が備えている構成部、例えば、フットスイッチ等は、備えているものとし、図示及びその説明は省略している。
【００１４】
本実施形態の医療用制御装置１は、内視鏡本体２の挿入部２ａ内に設けられた複数の関節部をワイヤの牽引による湾曲動作を行うマスタスレーブ医療用制御装置である。この医療用制御装置１は、挿入部［挿入部］２ａが湾曲する内視鏡本体２と、内視鏡本体２の基端側に設けられたモータユニット［駆動部］３と、システム全体を制御するシステム制御部４と、システム制御部４に挿入部２ａの湾曲指示を行う操作部５と、撮像された画像を表示するモニタ部６とで構成される。
【００１５】
システム制御部４は、制御として、モータユニット３に駆動制御信号を送出して駆動制御を行い、且つ挿入部２の先端に設けられた撮像部２ｂにより撮像された画像に対して画像処理を行う。
【００１６】
モータユニット３は、モニタユニットケーブル７によりシステム制御部４とコネクタ接続される。同様に、操作部５とモニタ部６は、それぞれに、操作部ケーブル８とモニタケーブル９によりシステム制御部４とコネクタ接続されている。また、撮像部２ｂを設けた構成であれば、モータユニット３内には、図示していないが撮像素子により撮像された画像データをシステム制御部４に送出する画像送出ラインが設けられている。さらに、図示していないが挿入部２内には、患部に対して処置を行う処置具等を貫装させるために、基端側に開口された挿入口から先端部まで貫通する穴、所謂、鉗子チャンネルと、ライトガイド又は照明用ＬＥＤ等が設けられている。
【００１７】
図１には、 モータユニット３の構成例を示す。  
モータユニット３には、前述したシステム制御部４からのモニタユニットケーブル７が電源ラインと操作部ラインに分岐して接続する電源コネクタ１３と操作部コネクタ１４とが設けられている。尚、本実施形態では、理解しやすいように、コネクタを２つに分けて図示しているが、実際のケーブルにおいては、１つのコネクタ内の端子を電源用端子と操作部用端子に分けて用いている場合がある。
【００１８】
このモータユニット３は、駆動部１１と駆動制御部１２とに大別される。  
駆動部１１は、屈曲部２ａ内に配置の複数の関節２１に連結された各ワイヤ２２を牽引するための複数のモータ２４と、モータ２４と各ワイヤ２２に介在し、モータ２４が出力するトルクを上げるための駆動ギヤ機構２３と、駆動ギヤ機構２３と各ワイヤ２２との駆動力の伝達を連結又は遮断するためのクラッチ部２５と、クラッチ部２５の連結（ＯＮ）／遮断（ＯＦＦ）状態を検出するスイッチ構造のクラッチセンサ２６と、モータ２４の電流値の絶対値を検出するためのポテンションメータ２７と、ポテンションメータ２７が絶対値を検出するためにワイヤ２２に設けられたギヤ２８と、モータ２４（又は、図示しないプーリ）に設けられてワイヤ牽引情報を取得するエンコーダ２９と、を備えている。
【００１９】
また、駆動制御部１１は、例えば、ＬＳＩ（大規模集積回路）チップに形成される電子回路である。この駆動制御部１１には、システム制御部４との通信を行う通信回路３１と、後述する信号を受けてサーボ演算等を行う処理部（ＦＰＧＡ）３２と、電源供給部となる制御電源３３及び駆動電源３４と、が設けられている。さらに、駆動制御部１１には、エンコーダ２９からの出力信号が入力するフィードバック（Ｆ／Ｂ）信号入力部３５と、モータ２４に加えられている電流信号が入力するアナログ入力（ＡＩ）信号入力部３６と、クラッチセンサ２６からの絶対値を示す信号が入力するデジタル入力（ＤＩ）信号入力部３７と、が設けられている。
【００２０】
さらに、制御電源３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介して、処理部１６の仕様にあった直流電圧に昇降した駆動電源を供給する。駆動電源１８は、処理部１６からの制御信号に基づき、モータ２４を駆動するモータドライブ２０に駆動電源を供給する。
【００２１】
図３は、本実施形態におけるモータユニット３内に設けられるモータ駆動系の信号処理に基づくコントローラの構成例を示している。  
このコントローラ４０は、位置制御部４１と、速度制御部４２と、電流制御部４３と、微分回路４４と、外乱オブザーバ部４５とで構成される。
【００２２】
このような構成のうち、位置制御部４１は、操作部５から入力された指令値（［１］コマンド）に基づく位置コマンドを生成し、位置指令として速度制御部４２に出力する。速度制御部４２では、位置コマンド及びフィードバックされたモータ２４に入力される電流信号に基づき生成した速度コマンドを速度指令として電流制御部４３に出力する。電流制御部４３では、速度コマンドに基づき、ワイヤに対する牽引駆動量となる電流コマンドを生成して、電流指令としてモータ２４に出力し駆動させる。モータ２４は、この電流コマンドが示唆する目標位置［２］になるようにワイヤを牽引駆動する。
【００２３】
モータ２４から目標位置に基づく位置情報が、微分回路４４及び位置制御部４１にフィードバックするように入力する。微分回路４４では、時系列的に入力する位置情報に微分処理を施して、その微分信号（モータの位置決め）を速度制御部４２及び外乱オブザーバ部４５に出力する。また、外乱オブザーバ部４５は、モータ２４に入力されている電流信号と、微分回路４４から出力された微分信号とが入力され、後述するテンション推定値を出力する。
【００２４】
また、モータ２４の駆動時には、機械的な構成によりモータ２４のモータ軸には負荷外乱［３］が加わっている。この負荷外乱は、ワイヤ牽引の反力と同等であるため、ワイヤに掛かる負荷として検知することができる。このため、テンションセンサ等のセンサを設けなくとも、この外乱負荷における外乱量からワイヤに掛かる負荷（テンション量）を推定することができる。
【００２５】
外乱オブザーバ自体は、既に公知であり、種々の制御に用いられている。本実施形態の外乱オブザーバ部４５は、例えば、システム制御部４内に設けられたＣＰＵ等の演算処理部内に、アプリケーションプログラムとして存在している。
【００２６】
図４は、本実施形態に適用しているモータモデルのブロック線図である。  
モータドライブからモータに印加される入力指令（ワイヤ牽引駆動量：トルクコマンド）は、電流指令である。この電流指令に応じて、モータにおける回転及び位置決めが行われる。また図４に示した入力する外乱ｄは、モータ軸に掛かる外乱負荷とする。
【００２７】
本実施形態の実際のモータモデルにおいて、モータドライブ３９からフィードバックされて入力される入力指令ｕ（トルクコマンド）は、電流指令である。この電流指令に基づき、モータトルク定数Ｋｔが出力される。次に、このモータトルク定数Ｋｔと外乱負荷ｄとが加算されて、その加算値がモータ慣性モーメントｊ及びラプラス演算子ｓの積により割り算される。その割り算による商が速度指令、即ちモータの回転数情報（スピード情報）となり、再度、ラプラス演算子ｓにより割り算されて、モータ目標位置として出力される。
【００２８】
外乱オブザーバ部は、この実際のモータモデルと同じ物理モデルを並列するように配置される。これは、モータドライブ３９からの入力指令ｕに基づくモータトルク定数Ｋｔ'（カタログ値）と、モータの回転数情報にモータ慣性モーメントｊn（カタログ値）とラプラス演算子ｓの積（ｊn・ｓ）と、を掛けて観測外乱を得る。即ち、外乱オブザーバ部は、逆ダイナミクスを求めて、その逆ダイナミクスの情報からモータ軸に掛かる外乱（テンション）を推定する。
【００２９】
図５は、図３に示したモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成として示す。図６には、従来のゲインと周数数の関係を示す図であり、追従特性と外乱特性を示している。図７には、本実施形態のコントローラ４０におけるゲインと周数数の関係を示す図であり、位置の伝達即ち、追従特性と外乱特性を示している。
【００３０】
図５においては、モータの目標位置を示唆する電流値が帰還ループを通じて、コントローラ４０の入力側にフィードバックして、指令値と共に、コントローラ４０に入力される。指令値［１］からモータの目標位置［２］まで伝達は、追従特性として示す。この追従特性は、Ｃ(s)Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）により表すことができる。但し、Ｃ(s)：コントローラの伝達特性、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性とする。また、負荷外乱［３］からモータの目標位置［２］まで伝達は、外乱特性として示す。この外乱特性は、Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）により表すことができる。但し、Ｃ(s)：コントローラの伝達特性、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性とする。
【００３１】
これらの追従特性と外乱特性は、個別に設定を変更できず、周波数におけるゲインについて相補する関係を有している。例えば、外乱特性のゲインを上げる、つまり感度を上げると、追従特性のゲインも高くなるという関係がある。追従特性のゲインの設定が高すぎると、入力信号に変化があった際に、オーバーシュート等が発生して１つの値に収束するまでに時間を要するなどの問題が生じる。即ち、追従性が悪くなる。
【００３２】
この追従特性は、理論的には、図７に破線ｍで示すように、低い周波数からある周波数Ｔまでは、ゲインがある値で一定で推移し、その周波数Ｔを超えた時点から徐々に直線的に下降するように減衰する。また、実線ｎで示す外乱特性は、低い周波数からある周波数Ｔまではゲインが直線的に増加し、追従特性と交差する周波数Ｔを超えた時点から、ゲインがある値で一定で推移する。
【００３３】
前述したように、外乱に対する感度を高くして検知性能を高めるためには、外乱特性のゲインを高く設定し、且つ追従特性のゲインを通常の値に保持させることが望まれる。
【００３４】
そこでは、本実施形態では、指令値の変化量を検知して、モータが動作状態か停止状態かを判断する。この判断で停止状態であれば、図７の実線ｐで示すように、コントローラのゲインを通常の設定値から、外乱特性のゲインとして所望する値まで高く設定する（ダンピングファクタを小さくする）。この時、コントローラのゲインを高く設定した場合の追従特性は、図７の太い破線ｑで示すように、ゲインが周波数Ｔの手前で一旦、ひと波の上下変化があり、その波の頂部から下降したまま周波数Ｔを越えて、線形的に減衰する特性となる。このゲインの上下変化により、モータが駆動する際にスムーズ回転せず、振動を伴って回転する場合がある。尚、コントローラのゲインとは、図３に示した位置制御部、速度制御部及び電流制御部のそれぞれに設定されるパラメータである。例えば、電流制御部であれば、入力値（速度指令）に対する出力値（電流指令）を設定するために任意に設定されたパラメータである。これらのパラメータは、図２に示した駆動制御部１２内に設けられたメモリ（図示せず）に予め設定されており、必要により読み出されて、それぞれの構成部位に書き換え可能に設定される。
【００３５】
その後、指令値の変化量の判断に基づき、モータが動作状態と判断された場合には、コントローラのゲインを通常の設定値に戻す設定を行う。このようなゲインの設定切り換えにより、停止時に負荷外乱を感度よく取り込むことができ、モータの駆動開始時までの間、外乱オブザーバ部の検知能力を高めておくことができる。さらに、モータの駆動開始と共に、外乱特性の高く設定されているゲインを元の設定値に戻す。
【００３６】
以上のことから、本実施形態によれば、モータが停止状態の時に、ゲインを高く設定しておくことにより、外乱特性の感度が高く設定された状態で外乱を取り込むことができる。また、モータの動作開始と共に、外乱特性のゲインを通常の設定値に戻すことにより、追従特性に対して影響を与えない。
【００３７】
従って、外乱オブザーバ部によって精度の高い外乱量を得ることができるため、モータに掛かる適正なテンションを推定することができ、屈曲部を駆動させるためのワイヤに掛かる張力を適正にすることにより、操作者に対して、微妙な位置操作が容易になる。さらに、テンションを検出するための専用のセンサを省くことができ、モータユニットの小型軽量化に寄与することができる。
【００３８】
次に、第２の実施形態について説明する。  
前述した第１の実施形態では、モータの停止状態の時に外乱特性のゲインを高く設定したが、本実施形態では、停止状態の時に外乱特性の感度を高めるために、周波数における帯域を広くなるように切り換えを行う例である。尚、本実施形態の構成は、前述した第１の実施形態と同等であり、構成部位に同じ参照符号を用いて、その説明を省略する。
【００３９】
図８には、本実施形態のコントローラ４０におけるゲインと周数数の関係を示す図であり、追従特性と外乱特性を切り換えた状態を示している。  
本実施形態においても、指令値［１］からモータの目標位置［２］まで伝達は、前述したと同じ、追従特性Ｃ(s)Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）であり、負荷外乱［３］からモータの目標位置［２］まで伝達は、外乱特性Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）である。
【００４０】
そこで本実施形態では、指令値の変化量を検知して、モータが動作状態か停止状態かを判断する。判断が停止状態であれば、外乱特性を、図８の太い実線ｐ１で示すように、コントローラのゲインが変化する周波数Ｔの通常の設定値（細い実線ｐ２）から、所望する周波数Ｔ１まで低くなるように切り換えて設定する（カットオフ周波数を下げる）。この時、追従特性においても、図８で示す細い破線の周波数ＴからＴ１に下げられる。
【００４１】
その後、指令値の変化量の判断に基づき、モータが動作状態であると判断された場合には、設定された周波数Ｔ１から周波数Ｔに切り換えて、通常の状態に復帰させる。
【００４２】
つまり、モータの停止状態時に検査帯域の低い周波数に換えることにより、ゲインを高くすることができ、負荷外乱を感度よく取り込み、モータの駆動開始時までの間、外乱オブザーバ部の検知能力を高めておくことができる。さらに、モータの駆動開始と共に、低く設定された周波数を通常状態に復帰させる。
【００４３】
以上のことから、本実施形態によれば、モータの停止状態の時に、ゲインを高く設定しておくことにより、外乱特性の感度が高く設定された状態で、モータの動作を開始することができる。また、動作開始と共に、外乱特性のゲインを通常の設定周波数に切り換えにより復帰させることにより、追従特性に対しても影響を与えていない。
【００４４】
従って、前述した第１の実施形態における効果と同等の効果を得ることができる。即ち、モータに掛かる適正なテンションを推定して、屈曲部を適正に駆動させることができ、微妙な位置操作が容易になる。さらに、テンションを検出するための専用のセンサを省くことができ、モータユニットの小型軽量化に寄与することができる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。  
前述した第１，２の実施形態では、モータの停止状態又は動作状態の切り換わり時に、ゲインの切り換えを行ったが、本実施形態では、モータの停止状態の時に、ゲインの書き換えに加えて、切り換えにより補償要素（ＦＢ）を帰還ループに挿入する構成である。
【００４６】
図９は、モータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す。図１０は、本実施形態のコントローラ４０における追従特性と外乱特性を示す図である。
【００４７】
本実施形態は、前述したコントローラ（Ｃ）４０とモータ（Ｐ）２６に加えて、モータ（Ｐ）２６からコントローラ（Ｃ）４０への帰還ループに補償要素（ＦＢ）５１と切り換えスイッチ５２を配置した構成例である。補償要素（ＦＢ）５１は、プログラム（又は、アプリケーションソフトウエア）上に設けられた処理部であり、具体的には、ある周波数帯域、本実施形態においては周波数Ｔ以上で上限の周波数Ｔ２までの帯域において、ゲインを高く設定して、外乱の感度を上げるように設定するプログラムで構築される。また、切り換えスイッチ５２においても、同様に切り換え動作を行うプログラムにより構築されている。
【００４８】
本実施形態においては、モータが通常に動作している場合には、切り換えスイッチ５２は、端子１に接続されており、前述した第１の実施形態における追従特性の時と同等な接続構成となっている。一方、モータが停止状態であると判断された時には、切り換えスイッチ５２は端子１から端子２へ切り換え、補償要素（ＦＢ）５１を帰還ループ内に挿入する。この補償要素（ＦＢ）５１を取り込むことにより、図１０に示すように、周波数Ｔから上限の周波数Ｔ２までの帯域において、通常時よりもゲインが山なりに弧を描くように高く設定する。
【００４９】
また、モータが停止状態から動作状態に切り替わったと判断された場合には、モータの動作が開始されると共に、切り換えスイッチ５２は端子２から端子１へ切り換えて、補償要素（ＦＢ）５１を外した通常の構成となる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の構成によれば、前述した第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、モータからコントローラにフィードバックするための帰還ループに、補償要素（ＦＢ）５１を切り換えスイッチ５２により挿入したり外したりする。この挿脱により、コントローラ内の複数のゲインをそれぞれに変更することなく、補償要素（ＦＢ）５１のパラメータ（又は、係数）により一元的に切り換えができるため、ゲイン変更における設定が容易になる。また、補償要素（ＦＢ）５１においてもプログラム等により構築しているため、装置内の実質的なスペースを使用することなく、大型化等の問題は発生しない。
【００５１】
次に、第４の実施形態について説明する。  
図１１は、本実施形態におけるモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す。図１２は、本実施形態のコントローラ４０における追従特性と外乱特性を示す図である。  
前述した第３の実施形態では、切り換えスイッチにより補償要素（ＦＢ）５１を帰還ループ内への挿脱を行っていたが、本実施形態は、コントローラ（Ｃ）４０の前段に補償要素（ＦＦ）を配置し、モータ（Ｐ）２６からコントローラ（Ｃ）４０への帰還ループに補償要素（ＦＢ）を配置した構成例である。
【００５２】
これらの補償要素（ＦＦ）及び補償要素（ＦＢ）は、プログラム（又は、アプリケーションソフトウエア）上に設けられた処理部である。補償要素（ＦＢ）は、図１０に示すように、外乱特性のゲインを上げる補償を行うように作用する。補償要素（ＦＦ）は、補償要素（ＦＢ）による補償を通常時の外乱特性のゲインに戻す補償を行うように作用する。
【００５３】
図１１において、指令値［１］からモータの目標位置［２］まで伝達は、追従特性として示す。この追従特性は、Ｃ(s)・Ｐ(s)・ＦＦ(s)／（１＋Ｃ(s)・Ｐ(s)・ＦＢ(s)）により表すことができる。但し、Ｃ(s)：コントローラの伝達特性、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性、ＦＦ(s)：補償要素（ＦＦ）の伝達特性、及びＦＢ(s)：補償要素（ＦＢ）の伝達特性とする。また、負荷外乱［３］からモータの目標位置［２］まで伝達は、外乱特性として示す。この外乱特性は、Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)・Ｐ(s)・ＦＢ(s)）により表すことができる。但し、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性、ＦＦ(s)：補償要素（ＦＦ）の伝達特性、及びＦＢ(s)：補償要素（ＦＢ）の伝達特性とする。
【００５４】
図１２に示す追従特性は、補償要素の伝達特性と補償要素（ＦＢ）を共に挿入することにより、コントローラ４０に入力する時点で、それぞれの補償が打ち消されて、前述した第１の実施形態と同等の特性となる。また、外乱特性は、補償要素（ＦＢ）を用いることにより、停止又は動作状態に関係なく、周波数に応じて検知感度が上げられている。外乱特性は、図１２の太い実線ｐ１で示すように、周波数Ｔ以上の周波数の帯域において、コントローラのゲインを上げる補償を行う。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、外乱特性のゲイン即ち、感度は補償要素（ＦＢ）を用いて、停止又は動作状態に関係なく、周波数に応じて検知感度が上げられ、追従特性は補償要素（ＦＢ）により生じた補償を、補償要素（ＦＦ）の補償によって打ち消す、即ち、通常時のゲインに戻されるため、モータの停止・動作状態の判定を必要とせず、又帰還ループにおけるスイッチ等の切り換え部は不要である。
【００５６】
従って、本実施形態は前述した第１の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態は、モータの停止・動作状態の判断が不要となり、外乱特性においては、感度を上げたい周波数帯域については、フィードバックされる信号に任意の補償を施してゲインを上げ、追従特性においては、外乱特性に関わる補償を打ち消すことで、追従性の性能の劣化を防止することができる。  
尚、前述した各実施形態による発明は、各実施形態を組み合わせて実施することも可能であり、各実施形態の要旨以外の構成部位を削除したとしても、実現可能であり、本発明の作用及び効果を得ることができる。
【００５７】
以上説明した各実施形態によれば、以下の本発明を含んでいる。  
（１）体腔内に挿入するとともに内部にワイヤが設けられた挿入手段と、
前記ワイヤを駆動させて前記挿入手段を湾曲させる駆動手段と、
前記ワイヤに対して湾曲指示量を入力する指示入力手段と、
前記指示入力手段からの湾曲指示量に基づいて前記挿入手段における駆動制御を行う制御手段と、
前記指示入力手段に入力される湾曲指示量の変化を検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果に基づいて前記湾曲駆動量の変化から停止状態と判断した場合に、前記駆動手段で生じる外乱情報の取得感度を調整して外乱量を推定する外乱推定手段と、を備え、
前記外乱推定手段により推定された外乱量に基づいて前記挿入手段の駆動制御を行うことを特徴とする医療用制御装置。
【００５８】
（２）前記外乱推定手段は、前記制御手段において周波数に対するゲインを上げることを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。  
（３）前記外乱推定手段は、前記制御手段において周波数に対するゲインを下げることを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。  
（４）前記外乱推定手段は、周波数に対するゲインの追従特性から前記外乱情報の感度を上げる補償を行うことを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。  
（５）前記外乱推定手毅は、前記検知手段における検知結果によらず前記入力される駆動量を補償するとともに、前記外乱情報の感度を上げる補償を行うことを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。
【図１】
2010143715.tif 000003
【図２】
2010143715.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年12月7日(2010.12.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤにより牽引駆動する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、
駆動指令信号に応じて回転する回転軸を備えた駆動部と、
前記回転軸に連結され、該回転軸の回転速度に対して速度を変更するために複数のギアを噛合わせて構成された減速機と、
前記湾曲部を操作するために前記ワイヤと前記減速機とを連結する連結部と、
前記駆動指令信号に応じて回転駆動された前記回転軸の回転角度を検知する検知部と、
前記検知部で検知される回転角度の変化に基づき前記駆動部の駆動状態を判別する判別部と、
所定の前記駆動状態にある前記駆動部に対する前記駆動指令信号を生成するコントローラゲインを、複数の前記駆動状態に応じて複数記憶したゲイン記憶部と、
前記判別部において判別された前記駆動状態に応じた前記コントローラゲインを前記ゲイン記憶部から取得するゲイン調整部と、
前記ゲイン調節部で取得された前記コントローラゲインによって決定される前記駆動指令信号により前記駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする医療用制御装置。
【請求項２】
前記ゲイン記憶部に記憶されるコントローラゲインの１つは、前記判別部が前記回転角度に変化があると判別する場合に比べて、前記判別部が前記回転角度に変化がないと判別する場合には、前記挿入部に付加される外乱に対して外乱抑制制御を行いにくくするように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項３】
前記ゲイン記憶部に記憶されるコントローラゲインの１つは、前記判別部が前記回転角度に変化があると判別する場合に比べて、前記判別部が前記回転角度に変化がないと判別する場合には、カットオフ周波数が下がるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項４】
ワイヤにより牽引駆動する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、
駆動指令信号に応じて回転する回転軸を備えた駆動部と、
前記回転軸に連結され、該回転軸の回転速度に対して速度を変更するために複数のギアを噛合わせて構成された減速機と、
前記湾曲部を操作するために前記ワイヤと前記減速機とを連結する連結部と、
前記駆動指令信号に応じて回転駆動された前記回転軸の回転角度を検知する検知部と、
前記回転軸の周波数を取得する周波数取得部と、
前記周波数が所定の周波数以上である場合に、前記所定の周波数以下である場合に比べて、前記挿入部に付加される外乱に対して外乱抑制制御を行いにくくするように前記検知部で検知される前記回転角度に補償を行う補償部と、
前記補償部で補償された回転角度を用いて前記駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする医療用制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、ワイヤにより牽引駆動する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、駆動指令信号に応じて回転する回転軸を備えた駆動部と、前記回転軸に連結され、該回転軸の回転速度に対して速度を変更するために複数のギアを噛合わせて構成された減速機と、前記湾曲部を操作するために前記ワイヤと前記減速機とを連結する連結部と、前記駆動指令信号に応じて回転駆動された前記回転軸の回転角度を検知する検知部と、前記検知部で検知される回転角度の変化に基づき前記駆動部の駆動状態を判別する判別部と、所定の前記駆動状態にある前記駆動部に対する前記駆動指令信号を生成するコントローラゲインを、複数の前記駆動状態に応じて複数記憶したゲイン記憶部と、前記判別部において判別された前記駆動状態に応じた前記コントローラゲインを前記ゲイン記憶部から取得するゲイン調整部と、前記ゲイン調節部で取得された前記コントローラゲインによって決定される前記駆動指令信号により前記駆動部を制御する制御部と、を備える医療用制御装置を提供する。
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月11日(2011.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤにより牽引駆動する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、
電流指令信号に応じて回転する回転軸を有する駆動部と、
前記回転軸に連結され、前記駆動部で発生するトルクに比べて大きい駆動トルクを前記ワイヤに伝達する駆動ギア機構と、
前記湾曲部を操作するために前記ワイヤと前記駆動ギア機構とを連結する連結部と、
前記回転軸の回転角度を検知する検知部と、
前記湾曲部の湾曲指示として入力される目標湾曲指示信号から前記回転軸の目標回転角度に対応する目標回転角度信号を生成する操作部と、
前記操作部からの目標回転角度信号の変化に基づき、前記回転軸を回転させるのか、前前記回転軸の回転角度を維持させるのか判断する判断部と、
前記目標回転角度信号に基づき、前記駆動部に出力され、前記回転軸を前記目標回転角度に到達させる前記電流指令信号を生成するコントローラと、
前記判別部において前記回転軸を回転させると判断した場合に、前記湾曲部から前記ワイヤと、前記連結部と、前記駆動ギア機構を介して前記回転軸に負荷される外乱に対して予め設定された第１の外乱特性を有する前記コントローラを設定し、前記判別部において前記回転軸の回転角度を維持させると判断した場合に、前記外乱に対して予め設定された第２の外乱特性を有する前記コントローラを設定するコントローラ設定部と、
前記コントローラ設定部により設定されたコントローラに基づき生成される前記電流指令信号を前記駆動部に出力する制御部と、
を備えることを特徴とする医療用制御装置。
【請求項２】
前記第２の外乱特性は、前記第１の外乱特性よりも感度を高くしたことを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【請求項３】
前記第２の外乱特性は、前記外乱に対して前記回転軸に振動を伴う特性を有することを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体腔内に挿入して医療対象箇所の画像情報の取得又は、医療処置を施す処置具を用いる医療用制御装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
一般に、体腔内に挿入して患部等を観察するための内視鏡装置が知られている。内視鏡装置における体腔内に挿入される挿入部は、体腔内の曲がりに沿って前後進できるように、また観察したい箇所を撮影するために、先端部分が自在に湾曲できる構成となっている。  
【０００３】
この湾曲機構は、先端部分が複数の短いロッドに分割されて、それらのロッド間が関節によって連結された構成となっている。これらの関節には、個々にワイヤが接続されており、基端側に設けられたアングルノブと接続している。このアングルノブを操作することにより、ワイヤの牽引の程度が加減されて、自在に屈曲させることができる。  
【０００４】
この湾曲機構においては、術者（観察者）が自身の手動操作により、挿入部を湾曲させているため、術者に操作の大きな負担が掛かっている。このような負担軽減のために、モータを用いた電動式が考えられている。具体的には、ワイヤにモータ等の電気駆動源を連結して、操作部に設けられたスイッチの指示操作によりワイヤを牽引させて、関節を屈曲させる。このように操作補助を行うことにより、術者に掛かる負荷を軽減する技術が提案されている。  
【０００５】
挿入部を微妙に屈曲させる操作は、スイッチ操作による電気的な駆動手段が介在するため、操作者の感覚が手動操作とは異なり、その加減が難しくなっている。例えば、特許文献１には、挿入部の変化量（屈曲の程度）を検出するためのセンサを設けて、検出された変化量から湾曲駆動部を受動的に制御している。このセンサには、例えばポテンションメータとエンコーダを用いて、検出された変化量と、スイッチ（アングルノブ）による指示入力に基づき、湾曲駆動部における湾曲動作の制御量を決定している。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１３７７０１号公報
【特許文献２】特開平０８−２９３０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したモータ等の電気駆動源によりワイヤを牽引する構成では、ワイヤに伝達される動力のトルク等を上げるために、ギヤ等の伝達機構を介在させている。この場合、トルクが得られる反面、伝達機構がワイヤとモータとの間に設けられているため、内視鏡の湾曲の力量による反作用が検知しにくくなっている。  
【０００８】
そこで、この伝達機構を排除すると、ワイヤとモータ（回転軸）とを直結させることになる。しかし、低速回転で十分なトルク性能を持つモータは大型化するため、複数個のモータを搭載する操作部は、内視鏡装置の小型化や軽量化を図る上で問題となる。さらに、湾曲状態を示すためのワイヤに掛かるテンション量を検知して、動作量を制御するためには、多数のセンサを設ける必要があり、挿入部が大型化される。このように、操作部の大型化は、操作性に影響を与え、操作者に負担を与えることとなる。また、挿入部の大型化は、患者への負担の軽減を図る上で解決すべき問題となってしまう。  
【０００９】
さらに、これらのセンサは、内視鏡内に設けられているため、挿入部の消毒及び滅菌処理を行う際に、圧力や温度による負荷が掛かるため、十分にセンサ耐性を考慮しなくてはならない。  
そこで本発明は、電動により屈曲する挿入部を有する内視鏡に対して、湾曲動作を制御するための湾曲指示値と挿入部の変化量による制御に、正確に外乱情報を反映させた医療用制御装置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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、ワイヤにより牽引駆動する複数の関節が設けられる湾曲部を有し、体腔内に挿入される挿入部と、電流指令信号に応じて回転する回転軸を有する駆動部と、前記回転軸に連結され、前記駆動部で発生するトルクに比べて大きい駆動トルクを前記ワイヤに伝達する駆動ギア機構と、
前記湾曲部を操作するために前記ワイヤと前記駆動ギア機構とを連結する連結部と、
前記回転軸の回転角度を検知する検知部と、前記湾曲部の湾曲指示として入力される目標湾曲指示信号から前記回転軸の目標回転角度に対応する目標回転角度信号を生成する操作部と、前記操作部からの目標回転角度信号の変化に基づき、前記回転軸を回転させるのか、前前記回転軸の回転角度を維持させるのか判断する判断部と、前記目標回転角度信号に基づき、前記駆動部に出力され、前記回転軸を前記目標回転角度に到達させる前記電流指令信号を生成するコントローラと、前記判別部において前記回転軸を回転させると判断した場合に、前記湾曲部から前記ワイヤと、前記連結部と、前記駆動ギア機構を介して前記回転軸に負荷される外乱に対して予め設定された第１の外乱特性を有する前記コントローラを設定し、前記判別部において前記回転軸の回転角度を維持させると判断した場合に、前記外乱に対して予め設定された第２の外乱特性を有する前記コントローラを設定するコントローラ設定部と、前記コントローラ設定部により設定されたコントローラに基づき生成される前記電流指令信号を前記駆動部に出力する制御部と、を備える医療用制御装置を提供する。  
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電動により屈曲する挿入部を有する内視鏡に対して、湾曲動作を制御するための湾曲指示値と挿入部の変化量による制御に、正確に外乱情報を反映させた医療用制御装置を提供することができる。  
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る医療用制御装置内のモータユニットの内部構成を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る医療用制御装置の概略的な全体構成を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態におけるモータユニット３内に設けられるモータ駆動系の信号処理に基づくコントローラの構成例を示している。
【図４】図４は、第１の実施形態に適用しているモータモデルのブロック線図である。
【図５】図５は、図３に示したモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す図である。
【図６】図６は、従来のゲインと周数数の関係における追従特性と外乱特性を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【図８】図８は、第２の実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【図９】図９は、第３の実施形態のモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第３の実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【図１１】図１１は、第４の実施形態のモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す図である。
【図１２】図１２は、第４の実施形態のコントローラにおける追従特性と外乱特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態に係る医療用制御装置内のモータユニットの内部構成を示す図である。図２には、第１の実施形態に係る医療用制御装置の概略的な全体構成を示す図であり、以下の第１の実施形態の各構成部は、本発明の要旨の説明に必要なもののみを示しており、一般的な内視鏡装置が備えている構成部、例えば、フットスイッチ等は、備えているものとし、図示及びその説明は省略している。  
【００１４】
本実施形態の医療用制御装置１は、内視鏡本体２の挿入部２ａ内に設けられた複数の関節部をワイヤの牽引による湾曲動作を行うマスタスレーブ医療用制御装置である。この医療用制御装置１は、挿入部［挿入部］２ａが湾曲する内視鏡本体２と、内視鏡本体２の基端側に設けられたモータユニット［駆動部］３と、システム全体を制御するシステム制御部４と、システム制御部４に挿入部２ａの湾曲指示を行う操作部５と、撮像された画像を表示するモニタ部６とで構成される。  
【００１５】
システム制御部４は、制御として、モータユニット３に駆動制御信号を送出して駆動制御を行い、且つ挿入部２の先端に設けられた撮像部２ｂにより撮像された画像に対して画像処理を行う。  
【００１６】
モータユニット３は、モニタユニットケーブル７によりシステム制御部４とコネクタ接続される。同様に、操作部５とモニタ部６は、それぞれに、操作部ケーブル８とモニタケーブル９によりシステム制御部４とコネクタ接続されている。また、撮像部２ｂを設けた構成であれば、モータユニット３内には、図示していないが撮像素子により撮像された画像データをシステム制御部４に送出する画像送出ラインが設けられている。さらに、図示していないが挿入部２内には、患部に対して処置を行う処置具等を貫装させるために、基端側に開口された挿入口から先端部まで貫通する穴、所謂、鉗子チャンネルと、ライトガイド又は照明用ＬＥＤ等が設けられている。  
【００１７】
図１には、 モータユニット３の構成例を示す。  
モータユニット３には、前述したシステム制御部４からのモニタユニットケーブル７が電源ラインと操作部ラインに分岐して接続する電源コネクタ１３と操作部コネクタ１４とが設けられている。尚、本実施形態では、理解しやすいように、コネクタを２つに分けて図示しているが、実際のケーブルにおいては、１つのコネクタ内の端子を電源用端子と操作部用端子に分けて用いている場合がある。  
【００１８】
このモータユニット３は、駆動部１１と駆動制御部１２とに大別される。  
駆動部１１は、屈曲部２ａ内に配置の複数の関節２１に連結された各ワイヤ２２を牽引するための複数のモータ２６と、モータ２６と各ワイヤ２２に介在し、モータ２６が出力するトルクを上げるための駆動ギヤ機構２３と、駆動ギヤ機構２３と各ワイヤ２２との駆動力の伝達を連結又は遮断するためのクラッチ部２５と、クラッチ部２５の連結（ＯＮ）／遮断（ＯＦＦ）状態を検出するスイッチ構造のクラッチセンサ２４と、モータ２６の電流値の絶対値を検出するためのポテンションメータ２７と、ポテンションメータ２７が絶対値を検出するためにワイヤ２２に設けられたギヤ２８と、モータ２６（又は、図示しないプーリ）に設けられてワイヤ牽引情報を取得するエンコーダ２９と、を備えている。  
【００１９】
また、駆動制御部１２は、例えば、ＬＳＩ（大規模集積回路）チップに形成される電子回路である。この駆動制御部１２には、システム制御部４との通信を行う通信回路３１と、後述する信号を受けてサーボ演算等を行う処理部（ＦＰＧＡ）３２と、電源供給部となる制御電源３３及び駆動電源３４と、が設けられている。さらに、駆動制御部１２には、エンコーダ２９からの出力信号が入力するフィードバック（Ｆ／Ｂ）信号入力部３５と、モータ２６に加えられている電流信号が入力するアナログ入力（ＡＩ）信号入力部３６と、クラッチセンサ２４からの絶対値を示す信号が入力するデジタル入力（ＤＩ）信号入力部３７と、が設けられている。  
【００２０】
さらに、制御電源３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介して、処理・演算部３２の仕様にあった直流電圧に昇降した駆動電源を供給する。駆動電源３４は、処理・演算部３２からの制御信号に基づき、モータ２６を駆動するモータドライブ３９に駆動電源を供給する。  
【００２１】
図３は、本実施形態におけるモータユニット３内に設けられるモータ駆動系の信号処理に基づくコントローラの構成例を示している。  
このコントローラ４０は、位置制御部４１と、速度制御部４２と、電流制御部４３と、微分回路４４と、外乱オブザーバ部４５とで構成される。  
【００２２】
このような構成のうち、位置制御部４１は、操作部５から入力された指令値（［１］コマンド）に基づく位置コマンドを生成し、位置指令として速度制御部４２に出力する。速度制御部４２では、位置コマンド及びフィードバックされたモータ２６に入力される電流信号に基づき生成した速度コマンドを速度指令として電流制御部４３に出力する。電流制御部４３では、速度コマンドに基づき、ワイヤに対する牽引駆動量となる電流コマンドを生成して、電流指令としてモータ２６に出力し駆動させる。モータ２６は、この電流コマンドが示唆する目標位置［２］になるようにワイヤを牽引駆動する。  
【００２３】
モータ２６から目標位置に基づく位置情報が、微分回路４４及び位置制御部４１にフィードバックするように入力する。微分回路４４では、時系列的に入力する位置情報に微分処理を施して、その微分信号（モータの位置決め）を速度制御部４２及び外乱オブザーバ部４５に出力する。また、外乱オブザーバ部４５は、モータ２６に入力されている電流信号と、微分回路４４から出力された微分信号とが入力され、後述するテンション推定値を出力する。  
【００２４】
また、モータ２６の駆動時には、機械的な構成によりモータ２６のモータ軸には負荷外乱［３］が加わっている。この負荷外乱は、ワイヤ牽引の反力と同等であるため、ワイヤに掛かる負荷として検知することができる。このため、テンションセンサ等のセンサを設けなくとも、この外乱負荷における外乱量からワイヤに掛かる負荷（テンション量）を推定することができる。  
【００２５】
外乱オブザーバ自体は、既に公知であり、種々の制御に用いられている。本実施形態の外乱オブザーバ部４５は、例えば、システム制御部４内に設けられたＣＰＵ等の演算処理部内に、アプリケーションプログラムとして存在している。  
【００２６】
図４は、本実施形態に適用しているモータモデルのブロック線図である。  
モータドライブからモータに印加される入力指令（ワイヤ牽引駆動量：トルクコマンド）は、電流指令である。この電流指令に応じて、モータにおける回転及び位置決めが行われる。また図４に示した入力する外乱ｄは、モータ軸に掛かる外乱負荷とする。  
【００２７】
本実施形態の実際のモータモデルにおいて、モータドライブ３９からフィードバックされて入力される入力指令ｕ（トルクコマンド）は、電流指令である。この電流指令に基づき、モータトルク定数Ｋｔが出力される。次に、このモータトルク定数Ｋｔと外乱負荷ｄとが加算されて、その加算値がモータ慣性モーメントｊ及びラプラス演算素子ｓの積により割り算される。その割り算による商が速度指令、即ちモータの回転数情報（スピード情報）となり、再度、ラプラス演算素子ｓにより割り算されて、モータ目標位置として出力される。  
【００２８】
外乱オブザーバ部は、この実際のモータモデルと同じ物理モデルを並列するように配置される。これは、モータドライブ３９からの入力指令ｕに基づくモータトルク定数Ｋｔn（カタログ値）と、モータの回転数情報にモータ慣性モーメントｊn（カタログ値）とラプラス演算素子ｓの積（ｊn・ｓ）と、を掛けて観測外乱を得る。即ち、外乱オブザーバ部は、逆ダイナミクスを求めて、その逆ダイナミクスの情報からモータ軸に掛かる外乱（テンション）を推定する。  
【００２９】
図５は、図３に示したモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成として示す。図６には、従来のゲインと周数数の関係を示す図であり、追従特性と外乱特性を示している。図７には、本実施形態のコントローラ４０におけるゲインと周数数の関係を示す図であり、位置の伝達即ち、追従特性と外乱特性を示している。  
【００３０】
図５においては、モータの目標位置を示唆する電流値が帰還ループを通じて、コントローラ４０の入力側にフィードバックして、指令値と共に、コントローラ４０に入力される。指令値［１］からモータの目標位置［２］まで伝達は、追従特性として示す。この追従特性は、Ｃ(s)Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）により表すことができる。但し、Ｃ(s)：コントローラの伝達特性、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性とする。また、負荷外乱［３］からモータの目標位置［２］まで伝達は、外乱特性として示す。この外乱特性は、Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）により表すことができる。但し、Ｃ(s)：コントローラの伝達特性、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性とする。  
【００３１】
これらの追従特性と外乱特性は、個別に設定を変更できず、周波数におけるゲインについて相補する関係を有している。例えば、外乱特性のゲインを上げる、つまり感度を上げると、追従特性のゲインも高くなるという関係がある。追従特性のゲインの設定が高すぎると、入力信号に変化があった際に、オーバーシュート等が発生して１つの値に収束するまでに時間を要するなどの問題が生じる。即ち、追従性が悪くなる。  
【００３２】
この追従特性は、理論的には、図６に破線ｍで示すように、低い周波数からある周波数Ｔまでは、ゲインがある値で一定で推移し、その周波数Ｔを超えた時点から徐々に直線的に下降するように減衰する。また、実線ｎで示す外乱特性は、低い周波数からある周波数Ｔまではゲインが直線的に増加し、追従特性と交差する周波数Ｔを超えた時点から、ゲインがある値で一定で推移する。  
【００３３】
前述したように、外乱に対する感度を高くして検知性能を高めるためには、外乱特性のゲインを高く設定し、且つ追従特性のゲインを通常の値に保持させることが望まれる。  
【００３４】
そこでは、本実施形態では、指令値の変化量を検知して、モータが動作状態か停止状態かを判断する。この判断で停止状態であれば、図７の実線ｐで示すように、コントローラのゲインを通常の設定値から、外乱特性のゲインとして所望する値まで高く設定する（ダンピングファクタを小さくする）。この時、コントローラのゲインを高く設定した場合の追従特性は、図７の太い破線ｑで示すように、ゲインが周波数Ｔの手前で一旦、ひと波の上下変化があり、その波の頂部から下降したまま周波数Ｔを越えて、線形的に減衰する特性となる。このゲインの上下変化により、モータが駆動する際にスムーズ回転せず、振動を伴って回転する場合がある。尚、コントローラのゲインとは、図３に示した位置制御部、速度制御部及び電流制御部のそれぞれに設定されるパラメータである。例えば、電流制御部であれば、入力値（速度指令）に対する出力値（電流指令）を設定するために任意に設定されたパラメータである。これらのパラメータは、図１に示した駆動制御部１２内に設けられたメモリ（図示せず）に予め設定されており、必要により読み出されて、それぞれの構成部位に書き換え可能に設定される。  
【００３５】
その後、指令値の変化量の判断に基づき、モータが動作状態と判断された場合には、コントローラのゲインを通常の設定値に戻す設定を行う。このようなゲインの設定切り換えにより、停止時に負荷外乱を感度よく取り込むことができ、モータの駆動開始時までの間、外乱オブザーバ部の検知能力を高めておくことができる。さらに、モータの駆動開始と共に、外乱特性の高く設定されているゲインを元の設定値に戻す。  
【００３６】
以上のことから、本実施形態によれば、モータが停止状態の時に、ゲインを高く設定しておくことにより、外乱特性の感度が高く設定された状態で外乱を取り込むことができる。また、モータの動作開始と共に、外乱特性のゲインを通常の設定値に戻すことにより、追従特性に対して影響を与えない。  
【００３７】
従って、外乱オブザーバ部によって精度の高い外乱量を得ることができるため、モータに掛かる適正なテンションを推定することができ、屈曲部を駆動させるためのワイヤに掛かる張力を適正にすることにより、操作者に対して、微妙な位置操作が容易になる。さらに、テンションを検出するための専用のセンサを省くことができ、モータユニットの小型軽量化に寄与することができる。  
【００３８】
次に、第２の実施形態について説明する。  
前述した第１の実施形態では、モータの停止状態の時に外乱特性のゲインを高く設定したが、本実施形態では、停止状態の時に外乱特性の感度を高めるために、周波数における帯域を広くなるように切り換えを行う例である。尚、本実施形態の構成は、前述した第１の実施形態と同等であり、構成部位に同じ参照符号を用いて、その説明を省略する。  
【００３９】
図８には、本実施形態のコントローラ４０におけるゲインと周数数の関係を示す図であり、追従特性と外乱特性を切り換えた状態を示している。  
本実施形態においても、指令値［１］からモータの目標位置［２］まで伝達は、前述したと同じ、追従特性Ｃ(s )Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）であり、負荷外乱［３］からモータの目標位置［２］まで伝達は、外乱特性Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)Ｐ(s)）である。  
【００４０】
そこで本実施形態では、指令値の変化量を検知して、モータが動作状態か停止状態かを判断する。判断が停止状態であれば、外乱特性を、図８の太い実線ｐ１で示すように、コントローラのゲインが変化する周波数Ｔの通常の設定値（細い実線ｐ２）から、所望する周波数Ｔ１まで低くなるように切り換えて設定する（カットオフ周波数を下げる）。この時、追従特性においても、図８で示す細い破線の周波数ＴからＴ１に下げられる。  
【００４１】
その後、指令値の変化量の判断に基づき、モータが動作状態であると判断された場合には、設定された周波数Ｔ１から周波数Ｔに切り換えて、通常の状態に復帰させる。  
【００４２】
つまり、モータの停止状態時に検査帯域の低い周波数に換えることにより、ゲインを高くすることができ、負荷外乱を感度よく取り込み、モータの駆動開始時までの間、外乱オブザーバ部の検知能力を高めておくことができる。さらに、モータの駆動開始と共に、低く設定された周波数を通常状態に復帰させる。  
【００４３】
以上のことから、本実施形態によれば、モータの停止状態の時に、ゲインを高く設定しておくことにより、外乱特性の感度が高く設定された状態で、モータの動作を開始することができる。また、動作開始と共に、外乱特性のゲインを通常の設定周波数に切り換えにより復帰させることにより、追従特性に対しても影響を与えていない。  
【００４４】
従って、前述した第１の実施形態における効果と同等の効果を得ることができる。即ち、モータに掛かる適正なテンションを推定して、屈曲部を適正に駆動させることができ、微妙な位置操作が容易になる。さらに、テンションを検出するための専用のセンサを省くことができ、モータユニットの小型軽量化に寄与することができる。  
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。  
前述した第１，２の実施形態では、モータの停止状態又は動作状態の切り換わり時に、ゲインの切り換えを行ったが、本実施形態では、モータの停止状態の時に、ゲインの書き換えに加えて、切り換えにより補償要素（ＦＢ）を帰還ループに挿入する構成である。  
【００４６】
図９は、モータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す。図１０は、本実施形態のコントローラ４０における追従特性と外乱特性を示す図である。  
【００４７】
本実施形態は、前述したコントローラ（Ｃ）４０とモータ（Ｐ）２６に加えて、モータ（Ｐ）２６からコントローラ（Ｃ）４０への帰還ループに補償要素（ＦＢ）５１と切り換えスイッチ５２を配置した構成例である。補償要素（ＦＢ）５１は、プログラム（又は、アプリケーションソフトウエア）上に設けられた処理部であり、具体的には、ある周波数帯域、本実施形態においては周波数Ｔ以上で上限の周波数Ｔ２までの帯域において、ゲインを高く設定して、外乱の感度を上げるように設定するプログラムで構築される。また、切り換えスイッチ５２においても、同様に切り換え動作を行うプログラムにより構築されている。  
【００４８】
本実施形態においては、モータが通常に動作している場合には、切り換えスイッチ５２は、端子１に接続されており、前述した第１の実施形態における追従特性の時と同等な接続構成となっている。一方、モータが停止状態であると判断された時には、切り換えスイッチ５２は端子１から端子２へ切り換え、補償要素（ＦＢ）５１を帰還ループ内に挿入する。この補償要素（ＦＢ）５１を取り込むことにより、図１０に示すように、周波数Ｔから上限の周波数Ｔ２までの帯域において、通常時よりもゲインが山なりに弧を描くように高く設定する。
【００４９】
また、モータが停止状態から動作状態に切り替わったと判断された場合には、モータの動作が開始されると共に、切り換えスイッチ５２は端子２から端子１へ切り換えて、補償要素（ＦＢ）５１を外した通常の構成となる。  
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の構成によれば、前述した第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、モータからコントローラにフィードバックするための帰還ループに、補償要素（ＦＢ）５１を切り換えスイッチ５２により挿入したり外したりする。この挿脱により、コントローラ内の複数のゲインをそれぞれに変更することなく、補償要素（ＦＢ）５１のパラメータ（又は、係数）により一元的に切り換えができるため、ゲイン変更における設定が容易になる。また、補償要素（ＦＢ）５１においてもプログラム等により構築しているため、装置内の実質的なスペースを使用することなく、大型化等の問題は発生しない。  
【００５１】
次に、第４の実施形態について説明する。  
図１１は、本実施形態におけるモータ駆動系の信号処理を簡略化した構成を示す。図１２は、本実施形態のコントローラ４０における追従特性と外乱特性を示す図である。  
前述した第３の実施形態では、切り換えスイッチにより補償要素（ＦＢ）５１を帰還ループ内への挿脱を行っていたが、本実施形態は、コントローラ（Ｃ）４０の前段に補償要素（ＦＦ）を配置し、モータ（Ｐ）２６からコントローラ（Ｃ）４０への帰還ループに補償要素（ＦＢ）を配置した構成例である。  
【００５２】
これらの補償要素（ＦＦ）及び補償要素（ＦＢ）は、プログラム（又は、アプリケーションソフトウエア）上に設けられた処理部である。補償要素（ＦＢ）は、図１０に示すように、外乱特性のゲインを上げる補償を行うように作用する。補償要素（ＦＦ）は、補償要素（ＦＢ）による補償を通常時の外乱特性のゲインに戻す補償を行うように作用する。  
【００５３】
図１１において、指令値［１］からモータの目標位置［２］まで伝達は、追従特性として示す。この追従特性は、Ｃ(s)・Ｐ(s)・ＦＦ(s)／（１＋Ｃ(s)・Ｐ(s)・ＦＢ(s)）により表すことができる。但し、Ｃ(s)：コントローラの伝達特性、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性、ＦＦ(s)：補償要素（ＦＦ）の伝達特性、及びＦＢ(s)：補償要素（ＦＢ）の伝達特性とする。また、負荷外乱［３］からモータの目標位置［２］まで伝達は、外乱特性として示す。この外乱特性は、Ｐ(s)／（１＋Ｃ(s)・Ｐ(s)・ＦＢ(s)）により表すことができる。但し、Ｐ(s)：モータモデルの伝達特性、ＦＦ(s)：補償要素（ＦＦ）の伝達特性、及びＦＢ(s)：補償要素（ＦＢ）の伝達特性とする。  
【００５４】
図１２に示す追従特性は、補償要素の伝達特性と補償要素（ＦＢ）を共に挿入することにより、コントローラ４０に入力する時点で、それぞれの補償が打ち消されて、前述した第１の実施形態と同等の特性となる。また、外乱特性は、補償要素（ＦＢ）を用いることにより、停止又は動作状態に関係なく、周波数に応じて検知感度が上げられている。外乱特性は、図１２の太い実線ｐ１で示すように、周波数Ｔ以上の周波数の帯域において、コントローラのゲインを上げる補償を行う。  
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、外乱特性のゲイン即ち、感度は補償要素（ＦＢ）を用いて、停止又は動作状態に関係なく、周波数に応じて検知感度が上げられ、追従特性は補償要素（ＦＢ）により生じた補償を、補償要素（ＦＦ）の補償によって打ち消す、即ち、通常時のゲインに戻されるため、モータの停止・動作状態の判定を必要とせず、又帰還ループにおけるスイッチ等の切り換え部は不要である。  
【００５６】
従って、本実施形態は前述した第１の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態は、モータの停止・動作状態の判断が不要となり、外乱特性においては、感度を上げたい周波数帯域については、フィードバックされる信号に任意の補償を施してゲインを上げ、追従特性においては、外乱特性に関わる補償を打ち消すことで、追従性の性能の劣化を防止することができる。  
尚、前述した各実施形態による発明は、各実施形態を組み合わせて実施することも可能であり、各実施形態の要旨以外の構成部位を削除したとしても、実現可能であり、本発明の作用及び効果を得ることができる。  
【００５７】
以上説明した各実施形態によれば、以下の本発明を含んでいる。  
（１）体腔内に挿入するとともに内部にワイヤが設けられた挿入手段と、 
前記ワイヤを駆動させて前記挿入手段を湾曲させる駆動手段と、 
前記ワイヤに対して湾曲指示量を入力する指示入力手段と、 
前記指示入力手段からの湾曲指示量に基づいて前記挿入手段における駆動制御を行う制御手段と、 
前記指示入力手段に入力される湾曲指示量の変化を検知する検知手段と、 
前記検知手段の検知結果に基づいて前記湾曲駆動量の変化から停止状態と判断した場合に、前記駆動手段で生じる外乱情報の取得感度を調整して外乱量を推定する外乱推定手段と、を備え、 
前記外乱推定手段により推定された外乱量に基づいて前記挿入手段の駆動制御を行うことを特徴とする医療用制御装置。  
【００５８】
（２）前記外乱推定手段は、前記制御手段において周波数に対するゲインを上げることを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。  
（３）前記外乱推定手段は、前記制御手段において周波数に対するゲインを下げることを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。  
（４）前記外乱推定手段は、周波数に対するゲインの追従特性から前記外乱情報の感度を上げる補償を行うことを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。  
（５）前記外乱推定手毅は、前記検知手段における検知結果によらず前記入力される駆動量を補償するとともに、前記外乱情報の感度を上げる補償を行うことを特徴とする前記（１）に記載の医療用制御装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010143715.tif 000015
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2010143715.tif 000016
【国際調査報告】
2010143715.tif 000017
2010143715.tif 000018
2010143715.tif 000019
2010143715.tif 000020