(57)【要約】【課題】装置の大型化を抑制しながら、支持部材により支持された回転体の向きを計測する。【解決手段】身体支持追従装置は、載置部と、アーム部と、載置部センサ３０と、アーム部センサ４０と、制御部とを備える。載置部には作業者の腕が載置され、アーム部は、載置軸３ａを中心に回転可能な状態で載置部を支持する。また、載置軸を中心に回転する載置部の向きを載置部方向３５とし、載置部方向とは異なる方向に延び、載置部の回転と共に向きが変化する軸を載置部基準軸３２とする。載置部センサは、載置部基準軸に生じたトルクを検出する。また、アーム部センサは、載置部の回転と共に向きが変化しないアーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２に生じたトルクを検出する。そして、制御部は、これらのセンサにより検出された複数のトルクの比に基づき、載置部方向を計測する。【選択図】図５
2018047525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業者の身体の一部である身体部分が載置される載置部（３）と、
載置軸（３ａ）を中心に回転可能な状態で前記載置部を支持する部位であって、前記載置部に載置された前記身体部分から加えられた力に応じて、該身体部分に追従させて前記載置部を移動させるアーム部（２）と、
前記載置軸を中心に回転する前記載置部の向きを載置部方向（３５）とし、前記載置部方向とは異なる方向に延び、前記載置部の回転と共に向きが変化する軸を載置部基準軸（３２）とし、前記載置部を介して加えられた力により生じたトルクであって、前記載置部基準軸を含み、前記載置部の回転と共に向きが回転する１又は複数の軸である載置部軸（３２）に生じたトルクを検出する載置部センサ（３０）と、
前記載置軸を基準として定められた位置に配置された１又は複数の軸であるアーム部軸（４１，４２）に、前記載置部を介して加えられた力により生じたトルクを検出するアーム部センサ（４０）と、
前記載置部センサ及び前記アーム部センサにより検出された複数のトルクの比に基づき、前記載置部方向を計測する制御部（５）と、
を備える身体支持追従装置（１）。
【請求項２】
請求項１に記載の身体支持追従装置において、
前記載置部は、前記載置軸を中心に基準面（３ｂ）に沿って回転可能であり、
前記載置部基準軸は、前記基準面に平行であり、
前記アーム部軸として、前記基準面に平行なアーム部正面軸（４１）と、前記基準面に平行であり、前記アーム部正面軸に交差するアーム部基準軸（４２）とが設けられており、
前記載置部基準軸、前記アーム部正面軸、及び、前記アーム部基準軸は、前記載置部の回転により、前記載置部方向と前記アーム部正面軸の方向とが一致した際に、前記載置部基準軸と前記アーム部基準軸とが平行になるように定められる
身体支持追従装置。
【請求項３】
請求項２に記載の身体支持追従装置において、
前記載置部基準軸は、前記載置部方向と直交するように定められる
身体支持追従装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の身体支持追従装置において、
前記身体部分とは、前記作業者の腕である
身体支持追従装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の身体支持追従装置において、
前記載置部は、前記アーム部に着脱可能であり、
前記載置部軸に予め定められたトルクを生じさせると共に、前記アーム部軸に、前記載置部方向に応じた予め定められたトルクを生じさせるおもり部（３４）をさらに備える
身体支持追従装置。
【請求項６】
回転軸（３ａ）を中心に回転可能な状態で支持部材（２）により支持された回転体（３）の向きを計測する計測装置（１）であって、
前記回転軸を中心に回転する前記回転体の向きを回転体方向（３５）とし、前記回転体方向とは異なる方向に延び、前記回転体の回転と共に向きが変化する軸を回転体基準軸（３２）とし、前記回転体を介して加えられた力により生じたトルクであって、前記回転体基準軸を含み、前記回転体の回転と共に向きが回転する１又は複数の軸である回転体軸（３２）に生じたトルクを検出する回転体センサ（３０）と、
前記回転軸を基準として定められた位置に配置された１又は複数の軸である支持部軸（４１，４２）に、前記回転体を介して加えられた力により生じたトルクを検出する支持部センサ（４０）と、
前記回転体センサ及び前記支持部センサにより検出された複数のトルクの比に基づき、前記回転体方向を計測する制御部（５）と、
を備える計測装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば、身体支持追従装置における作業者の身体の一部が載置される載置部等といった、回転体の向きを計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の身体支持追従装置は、例えば脳神経外科手術等のように、緻密な手作業を要求される作業に用いられる。身体支持追従装置は、作業者の腕を載置するための載置部と、載置部を支持するアーム部とを備える。アーム部は、複数の関節を有し、載置部に載置された腕の移動に応じてその形状を変化させ、載置部を腕に追従して移動させる。そして、腕の移動が止まると、関節が固定され、アーム部により載置部に載置された腕が支持される。また、アーム部の関節にはエンコーダが設けられており、エンコーダにより、関節の角度が検出される。そして、検出結果に基づき、アーム部の形状や載置部の位置が把握される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２０４７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１の身体支持追従装置では、載置部は、アーム部の先端にて関節により回転可能な状態で支持される。しかしながら、該関節にはエンコーダが設けられておらず、載置部の向きを検出できない。これに対し、該関節にエンコーダを設けることも考えられるが、これにより装置が大型化する恐れがある。
【０００５】
本開示は、装置の大型化を抑制しながら、支持部材により支持された回転体の向きを計測する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の身体支持追従装置（１）は、載置部（３）と、アーム部（２）と、載置部センサ（３０）と、アーム部センサ（４０）と、制御部（５）と、を備える。載置部には、作業者の身体の一部である身体部分が載置される。また、アーム部は、載置軸（３ａ）を中心に回転可能な状態で載置部を支持し、載置部に載置された身体部分から加えられた力に応じて、該身体部分に追従させて載置部を移動させる。また、載置軸を中心に回転する載置部の向きを載置部方向（３５）とし、載置部方向とは異なる方向に延び、載置部の回転と共に向きが変化する軸を載置部基準軸（３２）とする。載置部センサは、載置部を介して加えられた力により生じたトルクであって、載置部基準軸を含み、載置部の回転と共に向きが回転する１又は複数の軸である載置部軸（３２）に生じたトルクを検出する。また、アーム部センサは、載置軸を基準として定められた位置に配置された１又は複数の軸であるアーム部軸（４１，４２）に、載置部を介して加えられた力により生じたトルクを検出する。また、制御部は、載置部センサ及びアーム部センサにより検出された複数のトルクの比に基づき、載置部方向を計測する。
【０００７】
このような構成によれば、載置部センサ及びアーム部センサにより検出されたトルクの比に基づき、載置部の向きが計測される。このため、アーム部における載置部を回転可能な状態で支持する部分にエンコーダ等を設けなくても、載置部の向きを計測できる。したがって、装置の大型化を抑制しながら、支持部材により支持された回転体の向きを計測できる。
【０００８】
また、本開示の計測装置（１）は、回転軸（３ａ）を中心に回転可能な状態で支持部材（２）により支持された回転体（３）の向きを計測する。計測装置は、回転体センサ（３０）と、支持部センサ（４０）と、制御部（５）と、を備える。ここで、回転軸を中心に回転する回転体の向きを回転体方向（３５）とし、回転体方向とは異なる方向に延び、回転体の回転と共に向きが変化する軸を回転体基準軸（３２）とする。回転体センサは、回転体を介して加えられた力により生じたトルクであって、回転体基準軸を含み、回転体の回転と共に向きが回転する１又は複数の軸である回転体軸（３２）に生じたトルクを検出する。また、支持部センサは、回転軸を基準として定められた位置に配置された１又は複数の軸である支持部軸（４１，４２）に、回転体を介して加えられた力により生じたトルクを検出する。また、制御部は、回転体センサ及び支持部センサにより検出された複数のトルクの比に基づき、回転体方向を計測する。
【０００９】
このような構成によれば、回転体センサ及び支持部センサにより検出されたトルクの比に基づき、回転体の向きが計測される。このため、支持部における回転体を支持する部分にエンコーダ等を設けなくても、回転体の向きを計測できる。したがって、装置の大型化を抑制しながら、支持部材により支持された回転体の向きを計測できる。
【００１０】
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の身体支持追従装置の外観を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の身体支持追従装置の構成を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の身体支持追従装置における載置部センサ及びアーム部センサの構成を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の身体支持追従装置における載置部の外観を示す斜視図である。
【図５】載置部センサ及びアーム部センサによる載置部方向の計測方法の説明図である。
【図６】載置部センサ及びアーム部センサによる載置部方向の計測方法の説明図である。
【図７】載置部センサ及びアーム部センサによる載置部方向の計測方法の説明図である。
【図８】第２実施形態の身体支持追従装置における載置部の外観を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
［１．全体の構成］
図１，２に基づき、第１実施形態の身体支持追従装置１の構成を説明する。身体支持追従装置１は、手術を行う作業者である医師の身体部分である腕を支持するために用いられる。身体支持追従装置１は、医師の腕を載置可能な載置部３と、アーム部２と、支持台４と、制御部５と、を備える。
【００１３】
載置部３は、その長手方向に直交する断面の形状が略Ｕ字型である台である。載置部３は、その上面に医師の腕を載置できる。
アーム部２は、その先端で、載置軸３ａを中心に回転可能な状態で載置部３を支持する。アーム部２は、載置部３に載置された腕を介して加えられた力に応じて、腕に追従させて載置部３を移動させる。アーム部２は、根元部１０と、第１アーム部１１と、第２アーム部１５と、関節２０〜２７と、エンコーダ２０Ａ，２２Ａ，２４Ａと、載置部センサ３０と、アーム部センサ４０と、ブレーキユニット２０Ｂ，２２Ｂ，２４Ｂと、バネ６０，６１と、カウンタウエイト１９と、を備える。
【００１４】
根元部１０は棒状部材である。根元部１０の軸方向は鉛直方向である。根元部１０は、関節２０を介して支持台４に取り付けられている。関節２０は、鉛直軸を中心として回転する動作を実行可能である。このため、根元部１０は、支持台４に対し、鉛直軸を中心として回転できる。
【００１５】
エンコーダ２０Ａは、関節２０の角度を検出する。関節２０の角度とは、支持台４に対し根元部１０が鉛直軸を中心として回転した角度である。ブレーキユニット２０Ｂは、制御部５からの指示に応じて、関節２０をロックするか、ロックを解除する。関節２０のロックにより、関節２０は、回転できない状態（換言すれば、回転が制限された状態）になる。
【００１６】
根元部１０は、関節２１，２２を備える。関節２１，２２は、上下方向に所定の距離を隔てて並ぶ。また、第１アーム部１１は、横棒１２，１３及び縦棒１４を有する。横棒１２は、その一端において関節２２を介して根元部１０に接続し、他端において関節２４を介して後述する横棒１６に接続する。また、横棒１３は、その一端において関節２１を介して根元部１０に接続し、他端において関節２３を介して後述する横棒１７に接続する。縦棒１４は、その一端において関節２３に接続し、他端において関節２４に接続する。
【００１７】
関節２１〜２４は、それぞれ、当該関節に接続している一方の部材を、当該関節に接続している他方の部材に対し、水平軸を中心として回転させる動作を実行可能である。水平軸とは図２の紙面に直交する方向である。横棒１２，１３、縦棒１４、及び、関節２１〜２４は、平行リンク機構を構成する。第１アーム部１１は、関節２１〜２４の動作により、根元部１０に対し、水平軸を中心として回転できる。
【００１８】
エンコーダ２２Ａは、関節２２の角度を検出する。関節２２の角度とは、根元部１０に対し横棒１２が水平軸を中心として回転した角度である。ブレーキユニット２２Ｂは、制御部５からの指示に応じて、関節２２をロックするか、ロックを解除する。
【００１９】
第２アーム部１５は、横棒１６，１７及び縦棒１８を有する。横棒１６は、その一端において関節２４を介して横棒１２に接続し、他端において関節２６を介して縦棒１８に接続する。また、横棒１７は、その一端において関節２３を介して横棒１３に接続し、他端において関節２５を介して縦棒１８に接続する。また、縦棒１８は、その一端において関節２５に接続し、他端側において関節２６に接続する。なお、縦棒１８の上端は、関節２６よりも上方に突出する。
【００２０】
関節２３〜２６は、それぞれ、当該関節に接続している一方の部材を、当該関節に接続している他方の部材に対し、水平軸を中心として回転させる動作を実行可能である。横棒１６，１７、縦棒１８、及び、関節２３〜２６は、平行リンク機構を構成する。第２アーム部１５は、関節２３〜２６の動作により、第１アーム部１１に対し、水平軸を中心として回転できる。なお、第２アーム部１５は、縦棒１８の向きを、関節２０の回転の中心となる鉛直軸と平行な向きに維持したまま、第１アーム部１１に対し回転しても良い。
【００２１】
エンコーダ２４Ａは、関節２４の角度を検出する。関節２４の角度とは、横棒１２に対し横棒１６が水平軸を中心として回転した角度である。すなわち、エンコーダ２４Ａは、第１アーム部１１に対する第２アーム部１５の角度を検出する。ブレーキユニット２４Ｂは、制御部５からの指示に応じて、関節２４をロックするか、ロックを解除する。
【００２２】
縦棒１８は、関節２６よりも上方において載置部３に接続している。
関節２７は、縦棒１８の一端に設けられる。関節２７は、当該関節に接続している一方の部材を、当該関節に接続している他方の部材に対し、１つの軸を中心として回転させる動作を実行可能である。その軸とは、縦棒１８の一端から縦棒１８の伸長方向に延びる載置軸３ａである。載置部３は、関節２７の動作により、載置軸３ａを中心として回転できる。載置部３が載置軸３ａを中心として回転するときの回転方向を、図２にＤとして示す。
【００２３】
載置部センサ３０及びアーム部センサ４０は、載置部３の向きを計測するために用いられる。詳細は後述する。
バネ６０は、その一端において、横棒１２における関節２４側の部分と接続し、他端において、横棒１３における関節２１側の部分と接続する。バネ６０は、関節２１〜２４に対し、関節２１と関節２４との距離が小さくなる方向に動作するように付勢する。また、バネ６１は、その一端において、横棒１６における関節２４側の部分と接続し、他端において、横棒１７における関節２５側の部分と接続する。バネ６１は、関節２３〜２６に対し、関節２４と関節２５との距離が小さくなる方向に動作するように付勢する。
【００２４】
カウンタウエイト１９は、横棒１２と一体の部材であり、関節２２から横棒１２とは反対方向に突出している。カウンタウエイト１９は、関節２２に対し、横棒１２が上昇する方向に動作するように付勢する。すなわち、カウンタウエイト１９は、第１アーム部１１に対し、該第１アーム部１１が上昇するように付勢する。
【００２５】
アーム部２は、上述した関節２０〜２７のうちの少なくとも一部を動作させることにより、その形状を変化させることができる。アーム部２の形状の変化に応じて、載置部３の位置も変化する。また、上述したように、エンコーダ２０Ａ，２２Ａ，２４Ａは、関節２０，２２，２４の角度を検出する。関節２０，２２，２４の角度は、アーム部２の形状に対応する。このため、エンコーダ２０Ａ，２２Ａ，２４Ａの検出結果は、アーム部２の形状を表す。
【００２６】
支持台４は、床６上に設置され、アーム部２を支持する。支持台４は、キャスタ４ａを備え、移動可能に構成されている。
制御部５は、支持台４内に収容されている。制御部５は、ＣＰＵ５０と、ＲＡＭ，ＲＯＭ，フラッシュメモリ等の半導体メモリ（以後、メモリ５１と記載）とを有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。制御部５の各種機能は、ＣＰＵ５０が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、メモリ５１が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御部５を構成するマイクロコンピュータの数は１つでも複数でもよい。また、制御部５の各種機能を実現する手法はソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の要素を、論理回路やアナログ回路等を組み合わせたハードウェアを用いて実現してもよい。
【００２７】
［２．載置部について］
次に、載置部３の構成について説明する。上述したように、載置部３は、第２アーム部１５の先端に設けられている。そして、図２，３に示すように、載置部３は、関節２７により、第２アーム部１５に対し、載置軸３ａを中心に回転可能となっている。より詳しくは、載置部３は基準面３ｂに沿って回転可能となっている。
【００２８】
上述した載置部センサ３０及びアーム部センサ４０は、関節２７を挟んで載置軸３ａに沿って配置される。載置部センサ３０は、載置部３側に取り付けられている。そして、載置部センサ３０は、載置部３が載置軸３ａを中心に回転すると、載置部３と一体に載置軸３ａを中心に回転する。一方、アーム部センサ４０は、第２アーム部１５側に取り付けられている。アーム部センサ４０は、載置軸３ａを中心とした回転を行わない。
【００２９】
そして、載置部センサ３０は、載置部３を介して当該載置部センサ３０に加えられた力により生じた、載置部正面軸３１のトルク、及び、載置部基準軸３２のトルクを検出する。また、載置部センサ３０は、載置部３を介して当該載置部センサ３０に載置軸３ａ方向に加えられた力Ｆｊを検出する。また、アーム部センサ４０は、載置部３及び関節２７を介して当該アーム部センサ４０に加えられた力により生じた、アーム部正面軸４１のトルク、及び、アーム部基準軸４２のトルクを検出する。
【００３０】
図３に示すように、載置部正面軸３１及び載置部基準軸３２は、載置部センサ３０に定められる。このため、載置部正面軸３１及び載置部基準軸３２は、載置部３及び載置部センサ３０が載置軸３ａを中心に回転すると、これらと共に載置軸３ａを中心に回転する。ここで、図４に示すように、載置軸３ａから載置部３の先端３３に基準面３ｂに平行に延びる方向を、載置部方向３５とする。第１実施形態では、一例として、載置部正面軸３１は、載置軸３ａから載置部方向３５に延びる。また、載置部基準軸３２は、載置部方向３５とは異なる方向に延びる。一例として、載置部基準軸３２は、載置軸３ａ上で載置部正面軸３１と予め定められたＡ°で交差して基準面３ｂに平行に延びる。第１実施形態では、一例として、Ａ°は９０°となっている。しかし、Ａ°は９０°以外であっても良い。
【００３１】
一方、アーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２は、アーム部センサ４０に設けられる。このため、アーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２は、載置軸３ａを基準として定められた位置に固定された状態で配置される。一例として、アーム部正面軸４１は、基準面３ｂに平行に載置軸３ａから第２アーム部１５の先端（以後、アーム部方向４５）に向かって延びる。また、アーム部基準軸４２は、載置軸３ａ上でアーム部正面軸４１と予め定められたＢ°で交差して基準面３ｂに平行に延びる。第１実施形態では、一例として、Ｂ°は９０°となっており、Ｂ°＝Ａ°となっている。つまり、アーム部基準軸４２と載置部基準軸３２とは、平行になっている。しかし、Ｂ°は９０°以外であっても良いし、Ｂ°≠Ａ°であっても良い。
【００３２】
このため、アーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２は、第２アーム部１５の変位に伴いその方向が変化する。しかし、アーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２は、載置部３の載置軸３ａを中心とした回転に応じてその方向が変化することは無い。
【００３３】
［３．載置部の向きの計測について］
制御部５は、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０により検出されたトルクの比に基づき、載置部３の向きである載置部方向３５を計測する。すなわち、図５〜７に示すように、載置部センサ３０において、載置部正面軸３１をｘ軸、載置部基準軸３２をｙ軸、載置軸３ａをｚ軸とする。これらの軸は、互いに直交する３次元の座標軸を構成する。また、アーム部センサ４０において、アーム部正面軸４１をｘ軸、アーム部基準軸４２をｙ軸、載置軸３ａをｚ軸とする。これらの軸もまた、互いに直交する３次元の座標軸を構成する。なお、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０におけるｘｙ平面は、基準面３ｂに平行となる。
【００３４】
また、以後、載置部方向３５に向かって右側，左側を、載置部の右側，左側と記載する。また、第２アーム部１５のアーム部方向４５に向かって右側，左側を、アーム部の右側，左側と記載する。
【００３５】
また、載置部正面軸３１，アーム部正面軸４１に生じるトルクを、それぞれ、Ｍ１ｘ，Ｍ２ｘとする。なお、載置部方向３５又はアーム部方向４５に向かって時計回りの方向に生じるトルクを正のトルクとし、反時計回りの方向に生じるトルクを負のトルクとしている。また、載置部基準軸３２，アーム部基準軸４２に生じるトルクを、それぞれ、Ｍ１ｙ，Ｍ２ｙとする。なお、載置部又はアーム部の左側に向に向かって時計回りの方向に生じるトルクを正のトルクとし、反時計回りの方向に生じるトルクを負のトルクとしている。
【００３６】
そして、制御部５は、Ｆｊを検出すると、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０により検出されたＭ１ｘ，Ｍ２ｘ，Ｍ１ｙ，Ｍ２ｙに基づき、載置部方向３５を計測する。より詳しくは、制御部５は、基準面３ｂに平行な方向の、アーム部正面軸４１に対する載置部方向３５の角度θを計測する。なお、計測されるθの範囲は、一例として、−９０°≦θ≦９０°となっている。θ＝０°の場合、図５に示すように、載置部方向３５は、アーム部方向４５に一致する。また、θが負の値の場合、図６に示すように、載置部方向３５はアーム部の右側を向いた状態となる。また、θが正の値の場合、図７に示すように、載置部方向３５はアーム部の左側を向いた状態となる。
【００３７】
制御部５は、以下のようにしてθの値を計測する。すなわち、θが予め定められた角度である場合、Ｍ１ｘ，Ｍ２ｘ，Ｍ１ｙ，Ｍ２ｙのうちのいずれか２つの比（以後、トルク比と記載）は、予め定められた値となる。そして、トルク比は、θの変化に応じて予め定められたパターンで変化する。具体例を挙げると、θ０の場合のいずれかのトルク比がＸ０、θ１の場合の該トルク比がＸ１であったとする。θがθ０からθ１の間で変化する場合、該トルク比は、予め定められたパターンでＸ０からＸ１の範囲で変化する。制御部５は、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０の検出値に基づき該トルク比を算出する。そして、制御部５は、算出した該トルク比と該パターンとに基づき、θ０からθ１の範囲でθを算出する。
【００３８】
具体例を挙げると、θ＝−９０°，−４５°，０°，４５°，９０°の各場合のトルク比は、以下のようになる。
すなわち、θ＝０°の場合、図５に示すように、載置部基準軸３２とアーム部基準軸４２とが平行になり、Ｍ１ｙ＝Ｍ２ｙとなる。また、この時、載置部方向３５（換言すれば、載置部正面軸３１の方向）とアーム部正面軸４１の方向とが一致する。このため、アーム部正面軸４１の上方から基準面３ｂに垂直に力が加えられ、アーム部正面軸４１にはトルクが生じない。したがって、Ｍ２ｘ＝０となる。
【００３９】
また、θ＝−４５°の場合、アーム部正面軸４１に生じるトルクの絶対値とアーム部基準軸４２とに生じるトルクの絶対値とは同じ値となる。また、この場合、載置部方向３５は、アーム部の右方に向かっている。このため、Ｍ２ｘ＝Ｍ２ｙとなる。
【００４０】
また、θ＝−９０°の場合、図６に示すように、載置部基準軸３２とアーム部正面軸４１とが平行となり、Ｍ１ｙ＝Ｍ２ｘとなる。また、この時、載置部方向３５とアーム部基準軸４２の方向とが一致するため、Ｍ２ｙ＝０となる。
【００４１】
また、θ＝４５°の場合、アーム部正面軸４１に生じるトルクの絶対値とアーム部基準軸４２とに生じるトルクの絶対値とは同じ値となる。また、この場合、載置部方向３５は、アーム部の左方に向かっている。このため、Ｍ２ｘ＝−Ｍ２ｙとなる。
【００４２】
また、θ＝９０°の場合、図７に示すように、載置部基準軸３２とアーム部正面軸４１とが平行となり、Ｍ１ｙ＝−Ｍ２ｘとなる。また、この時、載置部方向３５とアーム部基準軸４２の方向とが一致するため、Ｍ２ｙ＝０となる。
【００４３】
つまり、制御部５は、Ｍ２ｘ＝０、且つ、Ｍ１ｙ＝Ｍ２ｙ（換言すれば、トルク比Ｍ１ｙ／Ｍ２ｙが１）の場合には、θ＝０°とみなしても良い。また、制御部５は、Ｍ２ｙ＝０、且つ、Ｍ１ｙ＝Ｍ２ｘ（換言すれば、トルク比Ｍ１ｙ／Ｍ２ｘが１）の場合には、θ＝−９０°とみなしても良い。また、制御部５は、Ｍ２ｙ＝０、且つ、Ｍ１ｙ＝−Ｍ２ｘ（換言すれば、トルク比Ｍ１ｙ／Ｍ２ｘが−１）の場合には、θ＝９０°とみなしても良い。
【００４４】
さらに、−４５°＝＜θ＜０°、及び、０°＜θ＝＜４５°の範囲については、トルク比Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙに基づきθが算出されても良い。すなわち、θ＝０°の場合、Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙ＝０となり、θ＝−４５°の場合、Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙ＝１となり、θ＝４５°の場合、Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙ＝−１となる。そして、θが０°から−４５°の範囲で変化すると、Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙは、０から１の範囲で予め定められたパターンで変化する。また、θが０°から４５°の範囲で変化すると、Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙは、０から−１の範囲で予め定められたパターンで変化する。このため、−１＜Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙ＜０、又は、０＜Ｍ２ｘ／Ｍ２ｙ＜１の場合、制御部５は、アーム部センサ４０による検出値から算出されたＭ２ｘ／Ｍ２ｙと、該パターンとに基づきθを算出しても良い。
【００４５】
また、−９０°＜θ＜−４５°、及び、４５°＜θ＜９０°の範囲については、トルク比Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘに基づきθが算出されても良い。すなわち、θ＝−９０°及び９０°の場合、Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘ＝０となり、θ＝−４５°の場合、Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘ＝１となり、θ＝４５°の場合、Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘ＝−１となる。そして、θが−４５°から°−９０°の範囲で変化すると、Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘは、１から０の範囲で予め定められたパターンで変化する。また、θが４５°から°９０°の範囲で変化すると、Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘは、−１から０の範囲で予め定められたパターンで変化する。このため、０＜Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘ＜１、又は、−１＜Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘ＜０の場合、制御部５は、アーム部センサ４０による検出値から算出されたＭ２ｙ／Ｍ２ｘと、該パターンとに基づきθを算出しても良い。
【００４６】
この他にも、制御部５は、他のトルク比に基づきθを算出しても良い。一例として、Ｍ２ｙ／Ｍ２ｘに着目しても良い。すなわち、θ＝９０°の場合、Ｍ２ｘ／Ｍ１ｙ＝−１となり、θ＝０°の場合、Ｍ２ｘ／Ｍ１ｙ＝０となり、θ＝−９０°の場合、Ｍ２ｘ／Ｍ１ｙ＝１となる。そして、θが０°から°９０°の範囲で変化すると、Ｍ２ｘ／Ｍ１ｙは、−１から０の範囲で予め定められたパターンで変化する。また、θが０°から°−９０°の範囲で変化すると、Ｍ２ｘ／Ｍ１ｙは、０から１の範囲で予め定められたパターンで変化する。このため、制御部５は、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０による検出値に基づき算出されたＭ２ｘ／Ｍ１ｙと、該パターンとに基づきθを算出しても良い。
【００４７】
また、一例として、Ｍ２ｙ／Ｍ１ｙに着目しても良い。すなわち、θ＝９０°及びθ＝−９０°の場合、Ｍ２ｙ／Ｍ１ｙ＝０となり、θ＝０°の場合、Ｍ２ｙ／Ｍ１ｙ＝１となる。そして、θが０°から°９０°の範囲で変化すると、Ｍ２ｙ／Ｍ１ｙは、１から０の範囲で予め定められたパターンで変化する。また、θが０°から°−９０°の範囲で変化すると、Ｍ２ｙ／Ｍ１ｙは、１から０の範囲で同様のパターンで変化する。このため、制御部５は、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０による検出値に基づき算出されたＭ２ｙ／Ｍ１ｙと該パターンとに基づき、θの絶対値を算出しても良い。そして、制御部５は、例えば、Ｍ２ｘが正であるか負の値であるかに基づきθの符号を判別することで、θを算出しても良い。
【００４８】
なお、本実施形態では、一例として、−９０°≦θ≦９０°の範囲でθが計測される。しかしながら、同様にして、例えば、θ＝−１３５°，−９０°，−４５°，０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°の各場合のトルクの計測値及びトルク比等に基づき、−１８０°＜θ≦１８０°の範囲でθが計測されても良い。
【００４９】
［４．身体支持追従装置の動作について］
第１実施形態の身体支持追従装置１には、ウェイトモードと、フリーモードと、ロックモードとの３つのモードが設けられている。
【００５０】
フリーモードでは、ブレーキユニット２０Ｂ，２２Ｂ，２４Ｂが作動しておらず、関節２０〜２６が動作可能となる。したがって、アーム部２は、載置部３に載置された腕を介して加えられた力に応じて、腕に追従させて載置部３を移動させることが可能となる。一方、ウェイトモード及びロックモードでは、ブレーキユニット２０Ｂ，２２Ｂ，２４Ｂが作動しており、関節２０〜２６が動作不可能となる。したがって、アーム部２の形状が固定され、アーム部２は、載置部３に載置された腕に追従させて載置部３を移動させることが不可能となる。なお、この時、関節２７は動作可能であるため、載置部３の向きは固定されない。
【００５１】
そして、制御部５は、以下のようにしてモードを設定する。
まず、身体支持追従装置１が起動されると、制御部５はウェイトモードに設定する。ウェイトモード中、医師が、載置部３を、載置部３に載置された腕に追従して移動させようとすると、制御部５はフリーモードに移行する。具体的には、例えば、載置部３に対し下方に加えられた力Ｆが閾値を超えた状態、又は、載置部３に生じたトルクＴが閾値を超えた状態が、一定期間にわたって継続した場合には、制御部５は、ウェイトモードからフリーモードに移行しても良い。なお、載置部センサ３０により検出されたＦｊをＦとしても良い。また、載置部センサ３０により検出されたＭ１ｘ又はＭ１ｙをＴとしても良い。
【００５２】
また、フリーモード中、医師が載置部３に載置された腕を動かすのを止めると、制御部５はロックモードに移行する。具体的には、載置部３の移動速度が閾値以下となる状態が一定期間にわたって継続した場合には、制御部５は、フリーモードからロックモードに移行しても良い。なお、載置部３の移動速度は、エンコーダにより検出されたアーム部２の形状の変化に基づき計測される。
【００５３】
また、ロックモードは、医師が載置部３に腕を載置して手術を行う状態を想定したモードである。ロックモード中、医師が載置部３への腕の載置を止めようとすると、ウェイトモードに移動する。具体的には、上述した力Ｆ又はトルクＴが閾値を下回った状態が一定期間にわたって継続した場合には、制御部５は、ロックモードからウェイトモードに移行しても良い。
【００５４】
なお、この他にも、制御部５は、図示しないフットスイッチ等の操作に応じて、モードを切り替えても良い。
また、制御部５は、定期的なタイミングで、エンコーダ２０Ａ，２２Ａ，２４Ａにより関節２０，２２，２４の角度を検出すると共に、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０により載置部方向３５を検出する。また、制御部５は、これらの検出結果を、載置部３の移動履歴としてメモリ５１に記憶する。そして、制御部５は、外部からの指示に応じて、メモリ５１に記憶された移動履歴に基づき、手術中における載置部３の位置及び向きを再現する。
【００５５】
［５．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）第１実施形態によれば、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０により検出されたトルクの比に基づき、載置部３の向きが計測される。このため、アーム部２に設けられた関節２７にエンコーダ等を設けなくても、載置部３の向きを計測できる。したがって、装置の大型化を抑制しながら、支持部材により支持された回転体の向きを計測できる。
【００５６】
（２）また、載置部３の回転により、載置部方向３５とアーム部正面軸４１の方向とが一致した際には、載置部基準軸３２とアーム部基準軸４２とが平行になる。これにより、アーム部方向４５側において、１８０°の範囲にわたって載置部方向３５を計測できる。したがって、載置部方向３５を効果的に把握することが可能となる。
【００５７】
（３）また、載置部基準軸３２は載置部方向３５と直交し、アーム部基準軸４２はアーム部方向４５と直交する。このため、アーム部方向４５を中心とした１８０°の範囲にわたって載置部方向３５を計測できる。したがって、載置部方向３５を効果的に把握することが可能となる。
【００５８】
（４）また、載置部３には、手術を行う医師の腕が載置される。このため、手術中における医師の腕の向きを検出することが可能となる。その結果、手術中における医師の腕の動きを、より正確に把握することが可能となる。
【００５９】
［第２実施形態］
［１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
【００６０】
第２実施形態の身体支持追従装置１では、載置部３はアーム部２に対し着脱可能に構成されている。載置部３がアーム部２から取り外されると、載置部３は、載置部センサ３０、関節２７、及び、アーム部センサ４０から分離される。また、載置部３は、載置部センサ３０等といった載置軸３ａを中心に回転する部位に対し、予め定められた方向を向いた状態でアーム部２に取り付けられる。つまり、アーム部２に取り付けられた際の載置軸３ａを中心に回転する載置部３の向きと、載置軸３ａを中心に回転する載置部センサ３０等の向きとは、予め定められた角度をなした状態となる。換言すれば、載置部３をアーム部２に取り付ける際の取付方向は、予め定められている。該取付方向は、載置部センサ３０等と一体に載置軸３ａを中心に回転する。
【００６１】
また、図８に示すように、第２実施形態の身体支持追従装置１は、第１実施形態の構成に加えおもり部３４をさらに備える点で、第１実施形態と相違する。
おもり部３４は、載置部センサ３０に取り付けられている。おもり部３４は、載置部３及び載置部センサ３０が載置軸３ａを中心に回転すると、これらと一体になって載置軸３ａを中心に回転する。また、載置部３が取り外された際、載置部３は、おもり部３４と分離した状態となる。おもり部３４は、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０に対し重力により力を加える。これにより、載置部正面軸３１及び載置部基準軸３２に、予め定められたトルクが生じる。また、これにより、アーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２に、載置部方向３５に応じて定められるトルクを生じさせる。
【００６２】
［２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１）〜（４）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。
【００６３】
すなわち、第２実施形態によれば、常時、おもり部３４により、載置部センサ３０における載置部基準軸３２にトルクが生じると共に、アーム部センサ４０におけるアーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２に、おもり部３４の向きに応じたトルクが生じる。このため、載置部３がアーム部２から取り外された状態であっても、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０により検出されたトルクの比に基づき、載置部３がアーム部２に取り付けられた際の載置部方向３５を計測できる。
【００６４】
［他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
【００６５】
（１）上記実施形態の身体支持追従装置１は、例えば、精密機械の製造作業等にも応用可能であり、医師以外の作業者に使用されても良い。また、載置部３には、例えば、指、頭、足等といった、腕以外の身体部位が載置されても良い。
【００６６】
（２）上記実施形態では、ブレーキユニット２０Ｂ〜２４Ｂにより関節がロックされると、関節が回転できない状態になる。しかしながら、関節のロックにより、関節が回転困難な状態となっても良い。より詳しくは、関節がロックされると、ロックされていない場合に比べ、関節の回転が重くなるようにしても良い。
【００６７】
（３）上記実施形態では、載置部センサ３０には、載置部正面軸３１及び載置部基準軸３２の２つの軸が設けられており、アーム部センサ４０には、アーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２の２つの軸が設けられている。そして、これらの軸に生じたトルクの比に基づき、載置部方向３５が計測される。しかし、トルクを検出する軸の数、位置、及び、向きは、上記実施形態に記載された内容に限定されない。
【００６８】
すなわち、載置部センサ３０には、載置部方向３５とは異なる方向に延びる軸を含む１又は複数の載置部軸が設けられていても良い。無論、載置部軸は、載置部３と共に載置軸３ａを中心に回転する。そして、載置部センサ３０は、載置部３を介して加えられた力により載置部軸に生じたトルクを検出しても良い。また、アーム部センサ４０には、載置軸３ａを基準として定められた位置に固定された状態で配置された１又は複数のアーム部軸が設けられていても良い。そして、アーム部センサ４０は、載置部３及び関節２７を介して加えられた力によりアーム部軸に生じたトルクを検出しても良い。なお、載置部軸及びアーム部軸の数、位置、及び、向きは、随時定めることができる。そして、制御部５は、載置部センサ３０及びアーム部センサ４０により検出されたトルクの比に基づき、載置部軸及びアーム部軸の数、位置、及び、向きに応じた範囲で載置部方向３５を計測しても良い。
【００６９】
（４）上記実施形態と同様の構成により、身体支持追従装置１以外に設けられた回転体の向きである回転体方向を計測する計測装置を構成しても良い。具体的には、回転体は、上記実施形態の載置部３と同様、回転軸を中心に回転可能な状態で支持部材により支持されても良い。また、計測装置は、載置部センサ３０と同様の回転体センサと、アーム部センサ４０と同様の支持部センサとを備えても良い。そして、計測装置は、上記実施形態と同様に、これらのセンサにより検出されたトルクの比に基づき、回転体方向を計測しても良い。このような場合であっても、装置の大型化を抑制しながら、支持部材により支持された回転体の向きを計測できる。
【００７０】
（５）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【００７１】
（６）上述した身体支持追従装置１の他、当該身体支持追従装置１を構成要素とするシステム、当該身体支持追従装置１の制御部５としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、身体支持追従装置１による載置部方向３５の計測方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。
【００７２】
［特許請求の範囲との対応］
第１，第２実施形態における身体支持追従装置１が計測装置に、載置部３が回転体に、アーム部２が支持部材に、載置部センサ３０が回転体センサに、アーム部センサ４０が支持部センサに相当する。また、載置軸３ａが回転軸に、載置部基準軸３２が回転体基準軸及び回転体軸に、載置部方向３５が回転体方向に、アーム部正面軸４１及びアーム部基準軸４２が支持部軸に相当する。
【符号の説明】
【００７３】
１…身体支持追従装置、２…アーム部、３…載置部、３ａ…載置軸、３ｂ…基準面、５…制御部、１０…根元部、１１…第１アーム部、１５…第２アーム部、１２，１３，１６，１７…横棒、１４，１８…縦棒、２０〜２７…関節、２０Ａ，２２Ａ，２４Ａ…エンコーダ、２０Ｂ，２２Ｂ，２４Ｂ…ブレーキユニット、３０…載置部センサ、３１…載置部正面軸、３２…載置部基準軸、３４…おもり部、３５…載置部方向、４０…アーム部センサ、４１…アーム部正面軸、４２…アーム部基準軸、４５…アーム部方向、５０…ＣＰＵ、５１…メモリ。
【図１】
2018047525.tif 000003
【図２】
2018047525.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018047525.tif 000008
【図７】
2018047525.tif 000009
【図８】
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