(57)【要約】      （修正有）【課題】装置の大型化を抑制しつつ、アーム部の高自由度あるいは広い可動範囲を実現可能な医療用支持アーム装置を提供する。【解決手段】医療用支持アーム装置４００は、複数のリンク４２２ａ〜４２２ｆを連結し、アクチュエータにより駆動されて複数のリンクから構成されるアーム部４２０の姿勢を変化し得る複数の能動関節部４２１ａ〜４２１ｆと、能動関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサと、アーム部の形態を変化し得る少なくとも一つの受動形態変更機構２００と、を備える。【選択図】図３
2018075121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンクを連結し、アクチュエータにより駆動されて前記複数のリンクから構成されるアーム部の姿勢を変化し得る複数の能動関節部と、
前記能動関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサと、
前記アーム部の形態を変化し得る少なくとも一つの受動形態変更機構と、
を備えた、医療用支持アーム装置。
【請求項２】
前記受動形態変更機構の変位量を検出するセンサを備える、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項３】
前記受動形態変更機構は、あらかじめ複数段階に設定された変位量で変位可能である、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項４】
前記受動形態変更機構が受動スライド機構である、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項５】
前記受動形態変更機構が受動関節部である、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項６】
前記アーム部は、少なくとも６自由度以上の自由度を有し、
前記受動形態変更機構は、前記アーム部の先端側の少なくとも３つの前記能動関節部よりも根元側に配置される、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項７】
前記受動形態変更機構は、前記アーム部を先端側の部分と根元側の部分とに分離し得る脱着機構を有する、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項８】
少なくとも一つの前記能動関節部に、前記アーム部の自重を補償する重力補償機構を有する、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項９】
前記アーム部の傾きを検出する姿勢センサを備える、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１０】
前記アーム部の先端部に医療用器具が支持される、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１１】
前記医療用器具が、内視鏡又は顕微鏡カメラである、請求項１０に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１２】
前記複数の能動関節部に設けられた前記アクチュエータを駆動して前記アーム部の全身協調制御を行う制御部を備える、請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記受動形態変更機構の変位量に基づいて前記全身協調制御を行う、請求項１２に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１４】
前記制御部は、あらかじめ複数段階に設定された前記受動形態変更機構の前記変位量に基づいてあらかじめ設定された前記全身協調制御の制御値を用いる、請求項１３に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記アーム部に作用する重力を打ち消すよう前記アクチュエータを制御するとともに、外部からさらに与えられた力の方向への前記アーム部の移動をアシストするように前記アクチュエータを制御する、請求項１２に記載の医療用支持アーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療用支持アーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野において、より正確により素早く作業を行うために、先端に所定の医療用器具が支持される支持アーム装置が広く用いられている。一般的に、支持アーム装置は複数のリンクが関節部によって互いに連結された多リンク構造体からなるアーム部を備え、複数の関節部の回転駆動が制御されることによって、支持アーム装置全体としての駆動が制御される。手術器具、内視鏡又は顕微鏡カメラ等の支持や臓器の保持を目的として手術時等に用いられる医療用の支持アーム装置では、操作中に、ユーザの意図しない動作を生じさせないための安全性が求められる。かかる操作中の安全性の要求を満たすために、力制御型のアクチュエータを用いてアーム部の全身協調制御を実行可能にした医療用支持アーム装置がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複数の関節部のそれぞれに、当該関節部に作用するトルクを検出するためのトルクセンサが設けられ、検出されるトルクに応じて各アクチュエータを駆動し、各関節部の動作を制御するようにした医療用支持アーム装置が開示されている。かかる医療用支持アーム装置では、アーム部に作用する重力を打ち消すように各アクチュエータが制御されるとともに、外部からさらに与えられた力の方向へのアーム部の移動をアシストするようにアクチュエータが制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０４６０８１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
医療用支持アーム装置では、手術中の医師の視野やワーキングスペースを確保するために、あるいは、手術室内の多くの機材の配置を妨げないために小型化が求められる。ただし、医療用支持アーム装置には、装置の小型化が求められる一方、手術手技の内容又は目的によっては要求される自由度又は可動範囲が大きい。自由度又は可動範囲の要求を満たすためには、アーム部の関節部の数を増やし、又は、アーム部を構成する各リンクの長さを長くしなければならない。このように、医療用支持アーム装置では、装置の小型化と、高自由度あるいは広い可動範囲との相反する要求を満たすことが望まれている。
【０００６】
そこで、本開示では、装置の大型化を抑制しつつ、アーム部の高自由度あるいは広い可動範囲を実現可能な、新規かつ改良された医療用支持アーム装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示によれば、複数のリンクを連結し、アクチュエータにより駆動されて複数のリンクから構成されるアーム部の姿勢を変化し得る複数の能動関節部と、能動関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサと、アーム部の形態を変化し得る少なくとも一つの受動形態変更機構と、を備えた、医療用支持アーム装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように本開示によれば、装置の大型化を抑制しつつ、アーム部の高自由度あるいは広い可動範囲を実現することができる。
【０００９】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が施されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示に係る医療用支持アーム装置を適用可能な内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【図２】図１に示すカメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本開示の実施の形態に係る医療用支持アーム装置の構成例を示す斜視図である。
【図４】同実施形態に係る医療用支持アーム装置を模式的に示す説明図である。
【図５】能動関節部に搭載されるアクチュエータの一構成例を示す断面図である。
【図６】受動スライド機構の構成例を示す説明図である。
【図７】図６に示す受動スライド機構を上方側から見た説明図である。
【図８】図６のＩ−Ｉ断面を矢印方向に見た断面図である。
【図９】図６のＩＩ−ＩＩ断面を矢印方向に見た断面図である。
【図１０】受動スライド機構のスライド量を変えた状態を示す説明図である。
【図１１】受動関節部の構成例を示す説明図である。
【図１２】図１１に示す受動関節部を下方側から見た説明図である。
【図１３】図１１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を矢印方向に見た断面図である。
【図１４】受動関節部の脱着範囲を説明するための説明図である。
【図１５】医療支持アーム装置の構成例を示すブロック図である。
【図１６】受動スライド機構のスライド動作による重心のズレを示す説明図である。
【図１７】受動関節部の回転動作による重心のズレを示す説明図である。
【図１８】制御部による駆動制御処理を示すフローチャートである。
【図１９】重力補償機構について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．内視鏡手術システムの基本構成
１−１．内視鏡
１−２．カートに搭載される各種の装置
１−３．医療用支持アーム装置の概略構成
１−４．光源装置
１−５．カメラヘッド及びＣＣＵ
２．医療用支持アーム装置の具体的構成例
２−１．支持アーム装置の外観
２−２．能動関節部の構成例
２−３．受動形態変更機構
２−３−１．受動スライド機構
２−３−２．受動関節部
３．制御装置の構成例
３−１．全身協調制御部
３−１−１．仮想力算出処理
３−１−２．実在力算出処理
３−２．理想関節制御部
３−３．アーム部のマスプロパティ情報の適用
４．支持アーム装置の制御方法の例
５．変形例
６．まとめ
【００１３】
＜＜１．内視鏡手術システムの基本構成＞＞
まず、本開示に係る医療用支持アーム装置（以下、単に「支持アーム装置」ともいう。）を適用可能な内視鏡手術システムの基本構成について説明する。
【００１４】
図１は、本開示に係る支持アーム装置が適用され得る内視鏡手術システム５０００の概略的な構成の一例を示す図である。図１では、術者（医師）５０６７が、内視鏡手術システム５０００を用いて、患者ベッド５０６９上の患者５０７１に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム５０００は、内視鏡５００１と、その他の術具５０１７と、内視鏡５００１を支持する支持アーム装置５０２７と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート５０３７とから構成される。
【００１５】
内視鏡手術では、腹壁を切って開腹する代わりに、トロッカ５０２５ａ〜５０２５ｄと呼ばれる筒状の開孔器具が腹壁に複数穿刺される。そして、トロッカ５０２５ａ〜５０２５ｄから、内視鏡５００１の鏡筒５００３や、その他の術具５０１７が患者５０７１の体腔内に挿入される。図示する例では、その他の術具５０１７として、気腹チューブ５０１９、エネルギー処置具５０２１及び鉗子５０２３が、患者５０７１の体腔内に挿入されている。エネルギー処置具５０２１は、高周波電流や超音波振動により、組織の切開及び剥離、又は血管の封止等を行う処置具である。ただし、図示する術具５０１７はあくまで一例であり、術具５０１７としては、例えば攝子、レトラクタ等、一般的に内視鏡下手術において用いられる各種の術具が用いられてよい。
【００１６】
内視鏡５００１によって撮影された患者５０７１の体腔内の術部の画像が、表示装置５０４１に表示される。術者５０６７は、表示装置５０４１に表示された術部の画像をリアルタイムで見ながら、エネルギー処置具５０２１や鉗子５０２３を用いて、例えば患部を切除する等の処置を行う。なお、図示は省略しているが、気腹チューブ５０１９、エネルギー処置具５０２１及び鉗子５０２３は、手術中に、術者５０６７又は助手等によって支持される。
【００１７】
＜１−１．内視鏡＞
内視鏡５００１は、先端から所定の長さの領域が患者５０７１の体腔内に挿入される鏡筒５００３と、鏡筒５００３の基端に接続されるカメラヘッド５００５と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒５００３を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡５００１を図示しているが、内視鏡５００１は、軟性の鏡筒５００３を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
【００１８】
鏡筒５００３の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡５００１には光源装置５０４３が接続されており、当該光源装置５０４３によって生成された光が、鏡筒５００３の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒５００３の先端まで導光され、対物レンズを介して患者５０７１の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡５００１は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
【００１９】
カメラヘッド５００５の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：Camera  Control  Unit）５０３９に送信される。なお、カメラヘッド５００５には、その光学系を適宜駆動させることにより、倍率及び焦点距離を調整する機能が搭載される。
【００２０】
なお、例えば立体視（３Ｄ表示）等に対応するために、カメラヘッド５００５には撮像素子が複数設けられてもよい。この場合、鏡筒５００３の内部には、当該複数の撮像素子のそれぞれに観察光を導光するために、リレー光学系が複数系統設けられる。
【００２１】
＜１−２．カートに搭載される各種の装置＞
ＣＣＵ５０３９は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）やＧＰＵ（Graphics  Processing  Unit）等によって構成され、内視鏡５００１及び表示装置５０４１の動作を統括的に制御する。具体的には、ＣＣＵ５０３９は、カメラヘッド５００５から受け取った画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。ＣＣＵ５０３９は、当該画像処理を施した画像信号を表示装置５０４１に提供する。また、ＣＣＵ５０３９は、カメラヘッド５００５に対して制御信号を送信し、その駆動を制御する。当該制御信号には、倍率や焦点距離等、撮像条件に関する情報が含まれ得る。
【００２２】
表示装置５０４１は、ＣＣＵ５０３９からの制御により、当該ＣＣＵ５０３９によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。内視鏡５００１が例えば４Ｋ（水平画素数３８４０×垂直画素数２１６０）又は８Ｋ（水平画素数７６８０×垂直画素数４３２０）等の高解像度の撮影に対応したものである場合、及び／又は３Ｄ表示に対応したものである場合には、表示装置５０４１としては、それぞれに対応して、高解像度の表示が可能なもの、及び／又は３Ｄ表示可能なものが用いられ得る。４Ｋ又は８Ｋ等の高解像度の撮影に対応したものである場合、表示装置５０４１として５５インチ以上のサイズのものを用いることで一層の没入感が得られる。また、用途に応じて、解像度、サイズが異なる複数の表示装置５０４１が設けられてもよい。
【００２３】
光源装置５０４３は、例えばＬＥＤ（light  emitting  diode）等の光源から構成され、術部を撮影する際の照射光を内視鏡５００１に供給する。
【００２４】
アーム制御装置５０４５は、例えばＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、所定のプログラムに従って動作することにより、所定の制御方式に従って支持アーム装置５０２７のアーム部５０３１の駆動を制御する。
【００２５】
入力装置５０４７は、内視鏡手術システム５０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置５０４７を介して、内視鏡手術システム５０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、入力装置５０４７を介して、患者の身体情報や、手術の術式についての情報等、手術に関する各種の情報を入力する。また、例えば、ユーザは、入力装置５０４７を介して、アーム部５０３１を駆動させる旨の指示や、内視鏡５００１による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示、エネルギー処置具５０２１を駆動させる旨の指示等を入力する。
【００２６】
入力装置５０４７の種類は限定されず、入力装置５０４７は各種の公知の入力装置であってよい。入力装置５０４７としては、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、スイッチ、フットスイッチ５０５７及び／又はレバー等が適用され得る。入力装置５０４７としてタッチパネルが用いられる場合には、当該タッチパネルは表示装置５０４１の表示面上に設けられてもよい。
【００２７】
あるいは、入力装置５０４７は、例えばメガネ型のウェアラブルデバイスやＨＭＤ（Head  Mounted  Display）等の、ユーザによって装着されるデバイスであり、これらのデバイスによって検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。また、入力装置５０４７は、ユーザの動きを検出可能なカメラを含み、当該カメラによって撮像された映像から検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。さらに、入力装置５０４７は、ユーザの声を収音可能なマイクロフォンを含み、当該マイクロフォンを介して音声によって各種の入力が行われる。このように、入力装置５０４７が非接触で各種の情報を入力可能に構成されることにより、特に清潔域に属するユーザ（例えば術者５０６７）が、不潔域に属する機器を非接触で操作することが可能となる。また、ユーザは、所持している術具から手を離すことなく機器を操作することが可能となるため、ユーザの利便性が向上する。
【００２８】
処置具制御装置５０４９は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具５０２１の駆動を制御する。気腹装置５０５１は、内視鏡５００１による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者５０７１の体腔を膨らめるために、気腹チューブ５０１９を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ５０５３は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ５０５５は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
【００２９】
＜１−３．医療用支持アーム装置の概略構成＞
支持アーム装置５０２７は、ベース部５０２９から延伸するアーム部５０３１を備える。図示する例では、アーム部５０３１は、関節部５０３３ａ，５０３３ｂ，５０３３ｃ，及びリンク５０３５ａ，５０３５ｂから構成されており、アーム制御装置５０４５からの制御指令により駆動される。アーム部５０３１によって内視鏡５００１が支持され、その位置及び姿勢が制御される。これにより、内視鏡５００１の安定的な位置の固定が実現され得る。
【００３０】
支持アーム装置５０２７は、基台であるベース部５０２９と、ベース部５０２９から延伸するアーム部５０３１と、を備える。図示する例では、アーム部５０３１は、複数の関節部５０３３ａ，５０３３ｂ，５０３３ｃと、関節部５０３３ｂによって連結される複数のリンク５０３５ａ，５０３５ｂと、から構成されているが、図１では、簡単のため、アーム部５０３１の構成を簡略化して図示している。実際には、アーム部５０３１が所望の自由度を有するように、関節部５０３３ａ〜５０３３ｃ及びリンク５０３５ａ，５０３５ｂの形状、数及び配置、並びに関節部５０３３ａ〜５０３３ｃの回転軸の方向等が適宜設定され得る。例えば、アーム部５０３１は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム部５０３１の可動範囲内において内視鏡５００１を自由に移動させることが可能になるため、所望の方向から内視鏡５００１の鏡筒５００３を患者５０７１の体腔内に挿入することが可能になる。
【００３１】
関節部５０３３ａ〜５０３３ｃにはアクチュエータが設けられており、関節部５０３３ａ〜５０３３ｃは当該アクチュエータの駆動により所定の回転軸まわりに回転可能に構成されている。当該アクチュエータの駆動がアーム制御装置５０４５によって制御されることにより、各関節部５０３３ａ〜５０３３ｃの回転角度が制御され、アーム部５０３１の駆動が制御される。これにより、内視鏡５００１の位置及び姿勢の制御が実現され得る。この際、アーム制御装置５０４５は、力制御又は位置制御等、各種の公知の制御方式によってアーム部５０３１の駆動を制御することができる。
【００３２】
例えば、術者５０６７が、入力装置５０４７（フットスイッチ５０５７を含む）を介して適宜操作入力を行うことにより、当該操作入力に応じてアーム制御装置５０４５によってアーム部５０３１の駆動が適宜制御され、内視鏡５００１の位置及び姿勢が制御されてよい。当該制御により、アーム部５０３１の先端の内視鏡５００１を任意の位置から任意の位置まで移動させた後、その移動後の位置で固定的に支持することができる。なお、アーム部５０３１は、いわゆるマスタースレイブ方式で操作されてもよい。この場合、アーム部５０３１は、手術室から離れた場所に設置される入力装置５０４７を介してユーザによって遠隔操作され得る。
【００３３】
また、力制御が適用される場合には、アーム制御装置５０４５は、ユーザからの外力を受け、その外力にならってスムーズにアーム部５０３１が移動するように、各関節部５０３３ａ〜５０３３ｃのアクチュエータを駆動させる、いわゆるパワーアシスト制御を行ってもよい。これにより、ユーザが直接アーム部５０３１に触れながらアーム部５０３１を移動させる際に、比較的軽い力で当該アーム部５０３１を移動させることができる。従って、より直感的に、より簡易な操作で内視鏡５００１を移動させることが可能となり、ユーザの利便性を向上させることができる。
【００３４】
ここで、一般的に、内視鏡下手術では、スコピストと呼ばれる医師によって内視鏡５００１が支持されていた。これに対して、支持アーム装置５０２７を用いることにより、人手によらずに内視鏡５００１の位置をより確実に固定することが可能になるため、術部の画像を安定的に得ることができ、手術を円滑に行うことが可能になる。
【００３５】
なお、アーム制御装置５０４５は必ずしもカート５０３７に設けられなくてもよい。また、アーム制御装置５０４５は必ずしも１つの装置でなくてもよい。例えば、アーム制御装置５０４５は、支持アーム装置５０２７のアーム部５０３１の各関節部５０３３ａ〜５０３３ｃにそれぞれ設けられてもよく、複数のアーム制御装置５０４５が互いに協働することにより、アーム部５０３１の駆動制御が実現されてもよい。
【００３６】
＜１−４．光源装置＞
光源装置５０４３は、内視鏡５００１に術部を撮影する際の照射光を供給する。光源装置５０４３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成される。このとき、ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置５０４３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド５００５の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【００３７】
また、光源装置５０４３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド５００５の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【００３８】
また、光源装置５０４３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Narrow  Band  Imaging）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察するもの（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ICG）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得るもの等が行われ得る。光源装置５０４３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
【００３９】
＜１−５．カメラヘッド及びＣＣＵ＞
図２を参照して、内視鏡５００１のカメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９の機能についてより詳細に説明する。図２は、図１に示すカメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９の機能構成の一例を示すブロック図である。
【００４０】
図２を参照すると、カメラヘッド５００５は、その機能として、レンズユニット５００７と、撮像部５００９と、駆動部５０１１と、通信部５０１３と、カメラヘッド制御部５０１５と、を有する。また、ＣＣＵ５０３９は、その機能として、通信部５０５９と、画像処理部５０６１と、制御部５０６３と、を有する。カメラヘッド５００５とＣＣＵ５０３９とは、伝送ケーブル５０６５によって双方向に通信可能に接続されている。
【００４１】
まず、カメラヘッド５００５の機能構成について説明する。レンズユニット５００７は、鏡筒５００３との接続部に設けられる光学系である。鏡筒５００３の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド５００５まで導光され、当該レンズユニット５００７に入射する。レンズユニット５００７は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。レンズユニット５００７は、撮像部５００９の撮像素子の受光面上に観察光を集光するように、その光学特性が調整されている。また、ズームレンズ及びフォーカスレンズは、撮像画像の倍率及び焦点の調整のため、その光軸上の位置が移動可能に構成される。
【００４２】
撮像部５００９は撮像素子によって構成され、レンズユニット５００７の後段に配置される。レンズユニット５００７を通過した観察光は、当該撮像素子の受光面に集光され、光電変換によって、観察像に対応した画像信号が生成される。撮像部５００９によって生成された画像信号は、通信部５０１３に提供される。
【００４３】
撮像部５００９を構成する撮像素子としては、例えばＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）タイプのイメージセンサであり、Ｂａｙｅｒ配列を有するカラー撮影可能なものが用いられる。なお、当該撮像素子としては、例えば４Ｋ以上の高解像度の画像の撮影に対応可能なものが用いられてもよい。術部の画像が高解像度で得られることにより、術者５０６７は、当該術部の様子をより詳細に把握することができ、手術をより円滑に進行することが可能となる。
【００４４】
また、撮像部５００９を構成する撮像素子は、３Ｄ表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成される。３Ｄ表示が行われることにより、術者５０６７は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部５００９が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット５００７も複数系統設けられる。
【００４５】
また、撮像部５００９は、必ずしもカメラヘッド５００５に設けられなくてもよい。例えば、撮像部５００９は、鏡筒５００３の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
【００４６】
駆動部５０１１は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部５０１５からの制御により、レンズユニット５００７のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部５００９による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
【００４７】
通信部５０１３は、ＣＣＵ５０３９との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部５０１３は、撮像部５００９から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル５０６５を介してＣＣＵ５０３９に送信する。この際、術部の撮像画像を低レイテンシで表示するために、当該画像信号は光通信によって送信されることが好ましい。手術の際には、術者５０６７が撮像画像によって患部の状態を観察しながら手術を行うため、より安全で確実な手術のためには、術部の動画像が可能な限りリアルタイムに表示されることが求められるからである。光通信が行われる場合には、通信部５０１３には、電気信号を光信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。画像信号は当該光電変換モジュールによって光信号に変換された後、伝送ケーブル５０６５を介してＣＣＵ５０３９に送信される。
【００４８】
また、通信部５０１３は、ＣＣＵ５０３９から、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を受信する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。通信部５０１３は、受信した制御信号をカメラヘッド制御部５０１５に提供する。なお、ＣＣＵ５０３９からの制御信号も、光通信によって伝送されてもよい。この場合、通信部５０１３には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられ、制御信号は当該光電変換モジュールによって電気信号に変換された後、カメラヘッド制御部５０１５に提供される。
【００４９】
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ５０３９の制御部５０６３によって自動的に設定される。つまり、いわゆるＡＥ（Auto  Exposure）機能、ＡＦ（Auto  Focus）機能及びＡＷＢ（Auto  White  Balance）機能が内視鏡５００１に搭載される。
【００５０】
カメラヘッド制御部５０１５は、通信部５０１３を介して受信したＣＣＵ５０３９からの制御信号に基づいて、カメラヘッド５００５の駆動を制御する。例えば、カメラヘッド制御部５０１５は、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報及び／又は撮像時の露光を指定する旨の情報に基づいて、撮像部５００９の撮像素子の駆動を制御する。また、例えば、カメラヘッド制御部５０１５は、撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報に基づいて、駆動部５０１１を介してレンズユニット５００７のズームレンズ及びフォーカスレンズを適宜移動させる。カメラヘッド制御部５０１５は、さらに、鏡筒５００３やカメラヘッド５００５を識別するための情報を記憶する機能を備えてもよい。
【００５１】
なお、レンズユニット５００７や撮像部５００９等の構成を、気密性及び防水性が高い密閉構造内に配置することで、カメラヘッド５００５について、オートクレーブ滅菌処理に対する耐性を持たせることができる。
【００５２】
次に、ＣＣＵ５０３９の機能構成について説明する。通信部５０５９は、カメラヘッド５００５との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部５０５９は、カメラヘッド５００５から、伝送ケーブル５０６５を介して送信される画像信号を受信する。この際、上記のように、当該画像信号は好適に光通信によって送信され得る。この場合、光通信に対応して、通信部５０５９には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。通信部５０５９は、電気信号に変換した画像信号を画像処理部５０６１に提供する。
【００５３】
また、通信部５０５９は、カメラヘッド５００５に対して、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を送信する。当該制御信号も光通信によって送信されてよい。
【００５４】
画像処理部５０６１は、カメラヘッド５００５から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。当該画像処理としては、例えば現像処理、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ（Noise  reduction）処理及び／又は手ブレ補正処理等）、並びに／又は拡大処理（電子ズーム処理）等、各種の公知の信号処理が含まれる。また、画像処理部５０６１は、ＡＥ、ＡＦ及びＡＷＢを行うための、画像信号に対する検波処理を行う。
【００５５】
画像処理部５０６１は、ＣＰＵやＧＰＵ等のプロセッサによって構成され、当該プロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより、上述した画像処理や検波処理が行われ得る。なお、画像処理部５０６１が複数のＧＰＵによって構成される場合には、画像処理部５０６１は、画像信号に係る情報を適宜分割し、これら複数のＧＰＵによって並列的に画像処理を行う。
【００５６】
制御部５０６３は、内視鏡５００１による術部の撮像、及びその撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部５０６３は、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を生成する。この際、撮像条件がユーザによって入力されている場合には、制御部５０６３は、当該ユーザによる入力に基づいて制御信号を生成する。あるいは、内視鏡５００１にＡＥ機能、ＡＦ機能及びＡＷＢ機能が搭載されている場合には、制御部５０６３は、画像処理部５０６１による検波処理の結果に応じて、最適な露出値、焦点距離及びホワイトバランスを適宜算出し、制御信号を生成する。
【００５７】
また、制御部５０６３は、画像処理部５０６１によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部の画像を表示装置５０４１に表示させる。この際、制御部５０６３は、各種の画像認識技術を用いて術部画像内における各種の物体を認識する。例えば、制御部５０６３は、術部画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具５０２１使用時のミスト等を認識することができる。制御部５０６３は、表示装置５０４１に術部の画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させる。手術支援情報が重畳表示され、術者５０６７に提示されることにより、より安全かつ確実に手術を進めることが可能になる。
【００５８】
カメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９を接続する伝送ケーブル５０６５は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
【００５９】
ここで、図示する例では、伝送ケーブル５０６５を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド５００５とＣＣＵ５０３９との間の通信は無線で行われてもよい。両者の間の通信が無線で行われる場合には、伝送ケーブル５０６５を手術室内に敷設する必要がなくなるため、手術室内における医療スタッフの移動が当該伝送ケーブル５０６５によって妨げられる事態が解消され得る。
【００６０】
以上、本開示に係る医療用支持アーム装置が適用され得る内視鏡手術システム５０００の一例について説明した。なお、ここでは、一例として内視鏡手術システム５０００について説明したが、本開示に係る技術が適用され得るシステムはかかる例に限定されない。例えば、本開示に係る医療用支持アーム装置は、検査用軟性内視鏡システムや顕微鏡手術システムに適用されてもよい。
【００６１】
＜＜２．医療用支持アーム装置の具体的構成例＞＞
次に、本開示の実施の形態に係る医療用支持アーム装置の具体的構成例について詳細に説明する。以下に説明する支持アーム装置は、アーム部の先端に内視鏡を支持する支持アーム装置として構成された例であるが、本実施形態は係る例に限定されない。
【００６２】
＜２−１．支持アーム装置の外観＞
まず、図３を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置４００の概略構成について説明する。図３は、本実施形態に係る支持アーム装置４００の外観を示す概略図である。
【００６３】
本実施形態に係る支持アーム装置４００は、ベース部４１０及びアーム部４２０を備える。ベース部４１０は支持アーム装置４００の基台であり、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸される。また、図３には図示しないが、ベース部４１０内には、支持アーム装置４００を統合的に制御する制御部が設けられてもよく、アーム部４２０の駆動が当該制御部によって制御されてもよい。当該制御部は、例えばＣＰＵやＤＳＰ等の各種の信号処理回路によって構成される。
【００６４】
アーム部４２０は、複数の能動関節部４２１ａ〜４２１ｆと、複数のリンク４２２ａ〜４２２ｆと、アーム部４２０の先端に設けられた先端ユニットとしての内視鏡装置４２３とを有する。
【００６５】
リンク４２２ａ〜４２２ｆは略棒状の部材である。リンク４２２ａの一端が能動関節部４２１ａを介してベース部４１０と連結され、リンク４２２ａの他端が能動関節部４２１ｂを介してリンク４２２ｂの一端と連結され、さらに、リンク４２２ｂの他端が能動関節部４２１ｃを介してリンク４２２ｃの一端と連結される。リンク４２２ｃの他端は受動スライド機構１００を介してリンク４２２ｄに連結され、さらに、リンク４２２ｄの他端は受動関節部２００を介してリンク４２２ｅの一端と連結される。リンク４２２ｅの他端は能動関節部４２１ｄ，４２１ｅを介してリンク４２２ｆの一端と連結される。内視鏡装置４２３は、アーム部４２０の先端、すなわち、リンク４２２ｆの他端に、能動関節部４２１ｆを介して連結される。このように、ベース部４１０を支点として、複数のリンク４２２ａ〜４２２ｆの端同士が、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆ、受動スライド機構１００及び受動関節部２００によって互いに連結されることにより、ベース部４１０から延伸されるアーム形状が構成される。
【００６６】
かかるアーム部４２０のそれぞれの能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータが駆動制御されることにより、内視鏡装置４２３の位置及び姿勢が制御される。本実施形態において、内視鏡装置４２３は、その先端が施術部位である患者の体腔内に進入して施術部位の一部領域を撮影する。ただし、アーム部４２０の先端に設けられる先端ユニットは内視鏡装置４２３に限定されず、アーム部４２０の先端には先端ユニットとして各種の医療用器具が接続されてよい。このように、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、医療用器具を備えた医療用支持アーム装置として構成される。
【００６７】
ここで、以下では、図３に示すように座標軸を定義して支持アーム装置４００の説明を行う。また、座標軸に合わせて、上下方向、前後方向、左右方向を定義する。すなわち、床面に設置されているベース部４１０に対する上下方向をｚ軸方向及び上下方向と定義する。また、ｚ軸と互いに直交する方向であって、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸されている方向（すなわち、ベース部４１０に対して内視鏡装置４２３が位置している方向）をｙ軸方向及び前後方向と定義する。さらに、ｙ軸及びｚ軸と互いに直交する方向をｘ軸方向及び左右方向と定義する。
【００６８】
能動関節部４２１ａ〜４２１ｆはリンク同士を互いに回動可能に連結する。能動関節部４２１ａ〜４２１ｆはアクチュエータを有し、当該アクチュエータの駆動により所定の回転軸に対して回転駆動される回転機構を有する。各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転駆動をそれぞれ制御することにより、例えばアーム部４２０を伸ばしたり、縮めたり（折り畳んだり）といった、アーム部４２０の駆動を制御することができる。ここで、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆは、例えば公知の全身協調制御及び理想関節制御によってその駆動が制御され得る。上述したように、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆは回転機構を有するため、以下の説明において、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御とは、具体的には、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度及び／又は発生トルク（能動関節部４２１ａ〜４２１ｆが発生させるトルク）が制御されることを意味する。
【００６９】
受動スライド機構１００は、受動形態変更機構の一態様であり、リンク４２２ｃとリンク４２２ｄとを所定方向に沿って互いに進退動可能に連結する。例えば受動スライド機構１００は、リンク４２２ｃとリンク４２２ｄとを互いに直動可能に連結してもよい。ただし、リンク４２２ｃとリンク４２２ｄとの進退運動は直線運動に限られず、円弧状を成す方向への進退運動であってもよい。受動スライド機構１００は、例えばユーザによって進退動の操作が行われ、リンク４２２ｃの一端側の能動関節部４２１ｃと受動関節部２００との間の距離を可変とする。これにより、アーム部４２０の全体の形態が変化し得る。受動スライド機構１００の構成の詳細は後述する。
【００７０】
受動関節部２００は、受動形態変更機構の一態様であり、リンク４２２ｄとリンク４２２ｅとを互いに回動可能に連結する。受動関節部２００は、例えばユーザによって回動の操作が行われ、リンク４２２ｄとリンク４２２ｅとの成す角度を可変とする。これにより、アーム部４２０の全体の形態が変化し得る。受動関節部２００の構成の詳細は後述する。
【００７１】
なお、本明細書において、「アーム部の姿勢」とは、一つ又は複数のリンクを挟んで隣り合う能動関節部同士の間の距離が一定の状態で、制御部による能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータの駆動制御によって変化し得るアーム部の状態をいう。また、「アーム部の形態」とは、受動形態変更機構が操作されることに伴って、リンクを挟んで隣り合う能動関節部同士の間の距離や、隣り合う能動関節部の間をつなぐリンク同士の成す角度が変わることで変化し得るアーム部の状態をいう。
【００７２】
本実施形態に係る支持アーム装置４００は、６つの能動関節部４２１ａ〜４２１ｆを有し、アーム部４２０の駆動に関して６自由度が実現されている。つまり、支持アーム装置４００の駆動制御は制御部による６つの能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御により実現される一方、受動スライド機構１００及び受動関節部２００は、制御部による駆動制御の対象とはなっていない。
【００７３】
具体的には、図３に示すように、能動関節部４２１ａ，４２１ｄ，４２１ｆは、接続されている各リンク４２２ａ，４２２ｅの長軸方向及び接続されている内視鏡装置４２３の撮影方向を回転軸方向とするように設けられている。能動関節部４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｅは、接続されている各リンク４２２ａ〜４２２ｃ，４２２ｅ，４２２ｆ及び内視鏡装置４２３の連結角度をｙ−ｚ平面（ｙ軸とｚ軸とで規定される平面）内において変更する方向であるｘ軸方向を回転軸方向とするように設けられている。このように、本実施形態においては、能動関節部４２１ａ，４２１ｄ，４２１ｆは、いわゆるヨーイングを行う機能を有し、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｅは、いわゆるピッチングを行う機能を有する。
【００７４】
このようなアーム部４２０の構成を有することにより、本実施形態に係る支持アーム装置４００ではアーム部４２０の駆動に対して６自由度が実現されるため、アーム部４２０の可動範囲内において内視鏡装置４２３を自由に移動させることができる。図３では、内視鏡装置４２３の移動可能範囲の一例として半球を図示している。半球の中心点ＲＣＭ（遠隔運動中心）が内視鏡装置４２３によって撮影される施術部位の撮影中心であるとすれば、内視鏡装置４２３の撮影中心を半球の中心点に固定した状態で、内視鏡装置４２３を半球の球面上で移動させることにより、施術部位を様々な角度から撮影することができる。
【００７５】
図４は、本実施形態に係る支持アーム装置４００の構成を示す模式図である。支持アーム装置４００のアーム部４２０は、根元側がベース部４１０に連結されて、図示しない内視鏡装置が支持される先端側へと延伸する。先端側に配置された３つの能動関節部４２１ｄ，４２１ｅ，４２１ｆは、主として内視鏡装置の３自由度の動作を確保して撮像方向を変化させる機能を有する。また、根元側に配置された３つの能動関節部４２１ａ，４２１ｂ，４２１ｃは、主として内視鏡装置の位置を変化させる機能を有する。つまり、本実施形態に係る支持アーム装置４００において、根元側の能動関節部４２１ａ，４２１ｂ，４２１ｃの回転駆動により、先端側に支持された内視鏡装置のおおよその位置が決定されつつ、先端側の能動関節部４２１ｄ，４２１ｅ，４２１ｆの回転駆動により、内視鏡装置の撮像方向が決定される。
【００７６】
また、支持アーム装置４００のアーム部４２０の根元部分、例えば、リンク４２２ａとベース部４１０との連結部分には、アーム部４２０の全体の水平方向に対する傾きを検出するための姿勢センサ４５０が設けられてもよい。姿勢センサ４５０により検出されるアーム部４２０の全体の傾きは、アーム部４２０に作用する重力の算出に用いられ、制御部は、算出した重力を用いて、重力を打ち消すための制御（以下、「重力補償制御」ともいう。）を実行することができる。かかる姿勢センサ４５０としては、例えばジャイロセンサ及び加速度センサのうちの少なくとも１つを用いたセンサが適用され得る。
【００７７】
受動形態変更機構としての受動スライド機構１００及び受動関節部２００は、能動関節部４２１ｃと能動関節部４２１ｄとの間に設けられている。つまり、受動形態変更機構は、アーム部４２０の先端側に配置された少なくとも３つの能動関節部４２１ｄ〜４２１ｆよりも根元側に配置されている。このため、受動スライド機構１００及び受動関節部２００は、先端側の３つの能動関節部４２１ｄ〜４２１ｆによる内視鏡装置の撮像方向の制御に大きな影響を与えることなく、アーム部４２０の可動範囲を変化させることができる。ただし、受動形態変更機構の配置位置は上記の例に限られない。受動形態変更機構がどの位置に配置されていてもアーム部４２０の形態を変化させることができる。
【００７８】
ここで、受動形態変更機構が設けられない場合、想定される内視鏡装置の最大可動範囲に合わせてアーム部４２０の自由度（能動関節部の数）やアーム部４２０の各リンクの長さを設計すると、小さい自由度又は可動範囲で済む手術手技においては、アーム部４２０自身が過大となる。その結果、術者の視野やワーキングスペースが阻害されたり、手術室内の他の機材の配置が妨げられたりする原因となり得る。また、アーム部４２０の自由度が増えると、アクチュエータの数も増えることになり、コストやアーム部４２０の重量が増加する原因となり得る。さらに、各リンクの長さを長くすることによって根元側の能動関節部４２１ａに設けられるアクチュエータに求められる出力が増大し、コストが増加する原因ともなり得る。
【００７９】
これに対して、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、受動スライド機構１００及び受動関節部２００を有することによって、アーム部４２０の一部の能動関節部同士の間の距離、及び一部のリンク同士の角度のうちの少なくとも一方を変化させることができる。このため、支持アーム装置４００は、手術手技の目的や内容に応じてアーム部４２０の形態を変化させて、適切な可動範囲を確保することができる。したがって、術者の視野やワーキングスペースが必要以上に阻害されたり、手術室内の他の機材の配置が必要以上に妨げられたりすることを抑制することができる。また、支持アーム装置４００は、自由度（能動関節部の数）を必要以上に増やすことなく適切な可動範囲を確保することができるために、コストの増加を抑制することができる。
【００８０】
＜２−２．能動関節部の構成例＞
ここで、図５を参照して、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成について簡単に説明する。なお、ここでは、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成のうち、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転駆動に主に関係する構成であるアクチュエータ４３０の構成について説明する。能動関節部４２１ａ〜４２１ｆは、リンク４２２ａ〜４２２ｆ及び内視鏡装置４２３を接続又は支持するための支持部材等、アーム部４２０の駆動に必要な各種の構成を有する。ここまでの説明及び以下の説明において、アーム部４２０の関節部の駆動とは、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおけるアクチュエータ４３０の駆動を意味していてもよい。
【００８１】
図５は、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに搭載されるアクチュエータ４３０の一構成例を示す断面図である。図５では、本実施形態に係るアクチュエータ４３０を、回転軸を通る平面で切断した場合における断面図を図示している。
【００８２】
図５を参照すると、アクチュエータ４３０は、モータ４２４と、モータドライバ４２５と、減速機４２６と、エンコーダ４２７と、トルクセンサ４２８と、から構成される。アクチュエータ４３０は、例えば力制御に対応するアクチュエータである。アクチュエータ４３０では、モータ４２４の回転が減速機４２６によって所定の減速比で減速され、出力軸を介して後段の他の部材に伝達されることにより、当該他の部材が駆動されることとなる。
【００８３】
モータ４２４は、回転駆動力を生み出す駆動機構である。モータ４２４は、モータドライバ４２５からの制御により、制御部からのトルク指令値に対応するトルクを発生するように駆動される。モータ４２４としては、例えばブラシレスモータが用いられる。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、モータ４２４としては各種の公知の種類のモータが用いられてよい。
【００８４】
モータドライバ４２５は、モータ４２４に電流を供給することによりモータ４２４を回転駆動させるドライバ回路（ドライバＩＣ（Integrated  Circuit））であり、モータ４２４に供給する電流量を調整することにより、モータ４２４の回転数を制御することができる。モータドライバ４２５は、制御部からのトルク指令値τに対応する電流をモータ４２４に供給することにより、当該モータ４２４を駆動させる。
【００８５】
また、モータドライバ４２５は、モータ４２４に供給する電流量を調整することにより、アクチュエータ４３０の回転運動における粘性抵抗係数を調整することができる。これにより、アクチュエータ４３０における回転運動、すなわち、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転運動に対して、所定の抵抗を負荷することが可能となる。例えば、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆを、外部から加えられる力に対して回転しやすい状態（すなわち、アーム部４２０を手動で移動しやすい状態）にすることもできるし、逆に、外部から加えられる力に対して回転し難い状態（すなわち、アーム部４２０を手動で移動し難い状態）にすることもできる。
【００８６】
モータ４２４の回転軸（駆動軸）には、減速機４２６が連結される。減速機４２６は、連結されたモータ４２４の回転軸の回転速度（すなわち、入力軸の回転速度）を、所定の減速比で減速させて出力軸に伝達する。本実施形態では、減速機４２６の構成は特定のものに限定されず、減速機４２６としては各種の公知の種類の減速機が用いられてよい。ただし、減速機４２６としては、例えばハーモニックドライブ（登録商標）等の、高精度に減速比が設定可能なものが用いられることが好ましい。また、減速機４２６の減速比は、アクチュエータ４３０の用途に応じて適宜設定され得る。例えば、本実施形態のように、アクチュエータ４３０が支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆに適用される場合であれば、１：１００程度の減速比を有する減速機４２６が好適に用いられ得る。
【００８７】
エンコーダ４２７は、入力軸の回転角度（すなわち、モータ４２４の回転軸の回転角度）を検出する。エンコーダ４２７によって検出された入力軸の回転数と、減速機４２６の減速比と、に基づいて、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度、回転角速度及び回転角加速度等の情報を得ることができる。エンコーダ４２７としては、例えば磁気式エンコーダ、光学式エンコーダ等の各種の公知のロータリエンコーダが用いられてよい。なお、図示する例では、アクチュエータ４３０の入力軸にのみエンコーダ４２７が設けられているが、減速機４２６よりも後段に、アクチュエータ４３０の出力軸の回転角度等を検出するためのエンコーダが更に設けられてもよい。
【００８８】
トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０の出力軸に接続され、アクチュエータ４３０に作用するトルクを検出する。トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０によって出力されるトルク（発生トルク）を検出する。また、トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０に外部から加えられる外トルクも検出することができる。
【００８９】
以上、図５を参照して、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０の構成について説明した。ここで、本実施形態では、アーム部４２０の動作が力制御によって制御される。当該力制御においては、支持アーム装置４００では、各アクチュエータ４３０に設けられたエンコーダ４２７及びトルクセンサ４２８によって、各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度、及び能動各関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用するトルクがそれぞれ検出される。このとき、トルクセンサ４２８によって検出される各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用するトルクには、アーム部４２０及び／又は内視鏡装置４２３に作用する力も含まれ得る。
【００９０】
また、エンコーダ４２７によって検出された回転角度、及びトルクセンサ４２８によって検出されたトルク値に基づいて、現在のアーム部４２０の状態（位置、速度等）が取得され得る。支持アーム装置４００では、取得されたアーム部４２０の状態（アーム状態）に基づいて、アーム部４２０が所望の運動目的を実行するために必要な、各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０が発生すべきトルクが算出され、当該トルクを制御値として各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ４３０が駆動されることになる。
【００９１】
なお、図５に示す構成は、あくまで、アクチュエータ４３０の一構成例を示すものであり、本実施形態はかかる例に限定されない。アクチュエータ４３０としては、一般的に力制御によってその動作が制御される各種の装置において用いられている、各種の公知のアクチュエータを用いることができる。例えば、アクチュエータ４３０としては、本願出願人による先行特許出願である特開２００９−２６９１０２号公報や特開２０１１−２０９０９９号公報等に記載のものを好適に用いることができる。
【００９２】
本実施形態に係る支持アーム装置４００において、アクチュエータ４３０、及びアクチュエータを構成する各部品の構成は上記の構成に限定されず、他の構成であってもよい。
【００９３】
＜２−３．受動形態変更機構＞
次に、受動形態変更機構の構成例について説明する。上述のとおり、受動形態変更機構は、例えば能動関節部同士の間の距離を変えたり、あるいは、リンク同士の成す角度を変えたりすることで、アーム部４２０の形態を変化させ得る。これにより、手術手技の目的や内容に応じてアーム部４２０の可動範囲が適切に確保され得る。以下、適宜図面を参照しながら、受動形態変更機構の一例としての受動スライド機構１００及び受動関節部２００の一構成例を説明する。
【００９４】
（２−３−１．受動スライド機構）
図６〜図９は、受動スライド機構１００の一構成例を示す説明図である。図６は、受動スライド機構１００をリンク４２２ｃ，４２２ｄの長軸方向に直交する方向から見た一側面図である。図７は、図６に示す受動スライド機構１００を上方側から見た図である。図８は、図６に示す受動スライド機構１００のＩ−Ｉ断面を矢印方向に見た図であり、図９は、図６に示す受動スライド機構１００のＩＩ−ＩＩ断面を矢印方向に見た図である。
【００９５】
本実施形態に係る支持アーム装置４００の受動スライド機構１００は、２つの能動関節部４２１ｃ，４２１ｄの間に配置された２つのリンク４２２ｃとリンク４２２ｄとを互いに進退動可能に連結する。リンク４２２ｃ及びリンク４２２ｄは、ともに長軸方向に直交する断面の形状が略Ｕ字状を成す（図９を参照。）。一方のリンク４２２ｃの幅は他方のリンク４２２ｄの幅よりも大きく、断面Ｕ字状の一方のリンク４２２ｃの内部に他方のリンク４２２ｄを配置可能になっている。断面Ｕ字状の一方のリンク４２２ｃの底部の内面には、リンク４２２ｃの長軸方向に沿ってレール部１１０が設けられている。例えば、レール部１１０は、リンク４２２ｃの底面に形成されたボス部１１１及び固定用ボルト１１３を利用してリンク４２２ｃに固定されていてもよく、リンク４２２ｃと一体成形されていてもよい。
【００９６】
断面Ｕ字状の他方のリンク４２２ｄの底部の外面には、スライダ１２０が設けられている。スライダ１２０は、リンク４２２ｄの長軸方向に沿った溝部１２１を有する。当該溝部１２１は、一方のリンク４２２ｃに設けられたレール部１１０に対して、摺動自在に嵌合可能になっている。一方のリンク４２２ｃに設けられたレール部１１０、及び他方のリンク４２２ｄに設けられたスライダ１２０の溝部１２１は、それぞれ断面Ｕ字状の深さ方向に沿って延在する面に、対応する凹凸形状を有する。例えば、スライダ１２０の溝部１２１は、レール部１１０の端部からレール部１１０の延在方向に沿ってスライドさせて嵌合し得る。これにより、２つのリンク４２２ｂ，４２２ｃを脱着可能な機構となっている。また、スライダ１２０がレール部１１０に嵌合した状態において、スライダ１２０がレール部１１０から脱離しづらくなっている。
【００９７】
スライダ１２０は、固定用ボルト１２５を利用してリンク４２２ｄに固定されていてもよく、リンク４２２ｄと一体成形されていてもよい。スライダ１２０は、例えば、他方のリンク４２２ｄの端部に設けられてもよい。溝部１２１がレール部１１０にガイドされつつスライダ１２０がレール部１１０の延在方向に移動することにより、一方のリンク４２２ｃと他方のリンク４２２ｄとの相対的な直動運動が可能になっている。
【００９８】
本実施形態において、受動スライド機構１００は、複数段階で一方のリンク４２２ｃと他方のリンク４２２ｄとの位置を固定可能になっている。つまり、受動スライド機構１００は、あらかじめ複数段階に設定されたスライド量（変位量）で２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄをスライド可能になっている。例えば、一方のリンク４２２ｃの端部のうち、断面Ｕ字状の一側面部には、位置決めピン１３０及び固定ネジ１４０が設けられている。位置決めピン１３０及び固定ネジ１４０は、それぞれリンク４２２ｃの側面部を貫通して断面Ｕ字状の内部に向けて先端部が進退可能になっている。また、他方のリンク４２２ｄの断面Ｕ字状の一側面部であって、一方のリンク４２２ｃのうちの位置決めピン１３０及び固定ネジ１４０が設けられた側面部に対向し得る側面部には、位置決めピン１３０の先端を受容する複数の位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・と、固定ネジ１４０の先端を受容する図示しない複数の窪みとが設けられている。
【００９９】
ユーザは、選択したいずれかの位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・に位置決めピン１３０の先端を挿入することにより２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの合計の長さを設定する。例えば、図示しないコイルばねによりＵ字の内部に向けて位置決めピン１３０が付勢されて先端が位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・内に進入可能にされる一方、ユーザが位置決めピン１３０を引っ張ることで先端を位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・から抜くことができるように構成されてもよい。また、ユーザは、固定ネジ１４０を締め付けることによって固定ネジ１４０の先端を窪みに押し付けて、２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄを固定してもよい。
【０１００】
図１０は、受動スライド機構１００において、一方のリンク４２２ｃに対する他方のリンク４２２ｄのスライド量を変化させた状態を示している。図１０において、位置決めピン１３０は、図６において位置決めピン１３０が挿入された位置決め穴１３１ａの隣の位置決め穴１３１ｂに挿入されている。つまり、図１０に示した状態における２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの合計の長さが、図６に示した状態における２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの合計の長さよりも短くなっている。このようにして、ユーザは、２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの合計の長さを伸縮させて、手術手技の内容又は目的に応じてアーム部４２０の形態を変えることができる。また、受動スライド機構１００において、２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄが固定されるようになっていることから、支持アーム装置４００の駆動制御中において、アーム部４２０の予期せぬ動きが防止され得る。
【０１０１】
位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・及び窪みの数は特に限定されない。ただし、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、制御部による能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０の駆動制御に用いられる制御値が、受動スライド機構１００によって選択されるアーム部４２０の形態に応じてあらかじめ設定された制御値の中から選択されるようになっている。したがって、設定可能なリンク４２２ｃ，４２２ｄの合計の長さの数が多いほど、あらかじめ設定される制御値の数も増えることになるため、この点を考慮して適切な数の位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・及び窪みを形成してもよい。例えば、位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ及び窪みは、１０ｃｍ間隔で３つずつ設けられてもよい（図１０を参照。）。
【０１０２】
位置決めピン１３０及び固定ネジ１４０の構成は、上記の例に限定されない。また、受動スライド機構１００における２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの位置決めを行う構成及び２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄを固定する構成についても、上記の例に限定されない。
【０１０３】
また、受動スライド機構１００は、２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの相対的なスライド量（変位量）を検出するセンサ１５０を備えていてもよい。かかるセンサ１５０を備えることにより、ユーザにより選択された受動スライド機構１００のスライド量が制御部により自動で検出されるようになる。これにより、例えば制御部は、センサ１５０により検出された受動スライド機構１００の変位量に応じて、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの制御値を変更することができる。かかるセンサ１５０は、例えば非接触型の光学式のセンサであってもよい。
【０１０４】
図９を参照して、センサ１５０として例えば透過型フォトインタラプタが用いられる場合を説明すると、断面Ｕ字状の一方のリンク４２２ｃの底面部内側にはセンサ１５０としての透過型フォトインタラプタが設けられている。また、断面Ｕ字状の他方のリンク４２２ｄの底面部の外側面には、位置検出用の突出部１５５が形成されている。かかる突出部１５５は、例えば位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・の数と同一の数で形成されており、いずれかの位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・に位置決めピン１３０が挿入される状態で、対応する突出部１５５が透過型フォトインタラプタ内に位置し得る。
【０１０５】
位置決めピン１３０がいずれの位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・にも挿入されていない状態では、透過型フォトインタラプタの受光部は発光部から発せられた光を受光する。一方、位置決めピン１３０がいずれかの位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・に挿入された状態では、発光部から発せられた光は突出部１５５によって遮断されて、受光部により受光されない。このとき、例えば位置決めピン１３０がそれぞれの位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・に挿入された状態でそれぞれ透過型フォトインタラプタ内に位置する突出部１５５の配置状態（面積又は位置等）を異ならせることで、制御部が受動スライド機構１００のスライド量を検出可能に構成されてもよい。
【０１０６】
センサ１５０は、透過型フォトインタラプタに限られず、反射型フォトインタラプタであってもよく、その他の種々のセンサ１５０であってもよい。また、本開示の技術において、センサ１５０は必須の構成要素ではなく、例えば受動スライド機構１００のスライド量に応じてユーザが入力部に対して手動で入力操作を行うことにより、制御部が受動スライド機構１００のスライド量の情報を取得するようにしてもよい。
【０１０７】
なお、受動スライド機構１００は、２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄを置き換えて構成されてもよい。つまり、図６に示した受動スライド機構１００において、位置決めピン１３０が設けられるリンクが先端側のリンク４２２ｄであり、位置決め穴１３１ａ，１３１ｂ・・・が設けられるリンクが根元側のリンク４２２ｃであってもよい。
【０１０８】
（２−３−２．受動関節部）
図１１〜図１３は、受動関節部２００の一構成例を示す説明図である。図１１は、受動関節部２００を、受動関節部２００の回転軸Ａｘ及びリンク４２２ｄの長軸方向に直交する方向から見た一側面図である。図１２は、図１１に示す受動関節部２００を下方側から見た図であり、図１３は、図１１に示す受動関節部２００のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を矢印方向に見た図である。
【０１０９】
本実施形態に係る支持アーム装置４００の受動関節部２００は、２つの能動関節部４２１ｃ，４２１ｄの間に配置された２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅを互いに回動可能に連結する。上述のとおりリンク４２２ｄが断面Ｕ字状の形状を有する一方、リンク４２２ｅは略筒型の形状を有する。受動関節部２００は、一方のリンク４２２ｄに取り付けられるベースプレート２２０と、軸受２２５を介してベースプレート２２０に対して回動可能に支持される可動部２１０とを有する。可動部２１０は、他方のリンク４２２ｅの一端部として構成される。回転軸Ａｘは、リンク４２２ｄの長軸方向及びリンク４２２ｅの長軸方向のいずれにも直交する。このため、リンク４２２ｅの一端部に構成された可動部２１０は、リンク４２２ｅの長軸方向に対して直交する方向においてベースプレート２２０に支持される。これにより、２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅの相対回転が可能になっている。
【０１１０】
ベースプレート２２０は、例えば固定用ボルト２１１を利用して一方のリンク４２２ｄに取り付けられる。つまり、図１４に示すように、本実施形態において、受動関節部２００は、ベースプレート２２０に対して他方のリンク４２２ｅの一端に構成された可動部２１０が回動可能に支持され、かかるベースプレート２２０及び可動部２１０が一体となって一方のリンク４２２ｄに対して脱着可能な機構を有している。一方のリンク４２２ｄは、ベースプレート２２０に対向する位置に開口部２０９を有する。
【０１１１】
ベースプレート２２０にはエンコーダ２５０が設けられている。エンコーダ２５０は、リンク４２２ｄに設けられた開口部２０９内に位置する。ベースプレート２２０はエンコーダケースとしての機能を有し、ベースプレート２２０の内部に、エンコーダ２５０用の磁気ディスク（永久磁石）を支持する支持基板２１５が配置されている。支持基板２１５は可動部２１０と一体に回転可能に構成される。また、ベースプレート２２０における、支持基板２１５上の磁気ディスクと対向する位置には、磁気ディスクの相対的な回転による磁場の変化を検出する磁場検出素子２５５が設けられている。かかるエンコーダ２５０により、２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅの相対的な回転角度（変位量）が検出され得る。
【０１１２】
本実施形態において、受動関節部２００は、複数段階で一方のリンク４２２ｄと他方のリンク４２２ｅとの回転角度を設定可能になっている。つまり、受動関節部２００は、あらかじめ複数段階に設定された回転角度（変位量）で２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅを回転可能になっている。例えば、一方のリンク４２２ｄに固定されるベースプレート２２０には、位置決めピン２３０及び固定ネジ２４０が設けられている。位置決めピン２３０は、例えば回転軸Ａｘの延在方向に沿って支持基板２１５に向けて進退可能になっている。位置決めピン２３０は、リンク４２２ｄに設けられた開口部２０９内に配置される。固定ネジ２４０は、例えば回転軸Ａｘに直交する径方向に沿って支持基板２１５に向けて進退可能になっている。
【０１１３】
また、他方のリンク４２２ｅの一端部として構成された可動部２１０と一体に回転可能な支持基板２１５は、位置決めピン２３０の先端を受容する複数の位置決め穴２３１と、固定ネジ２４０の先端を受容する複数の切欠き２４１とが設けられている。ただし、図１３においては、位置決め穴２３１及び切欠き２４１は１つのみ図示されている。位置決め穴２３１は、回転軸Ａｘの延在方向に沿って支持基板２１５を貫通して設けられている。切欠き２４１は、支持基板２１５の外周面の一部を溝状に切り欠くことにより形成されている。切欠き２４１は、それぞれの位置決め穴２３１に対して位置決めピン２３０が進入し得る状態で、固定ネジ２４０の先端が進入可能な位置に設けられる。つまり、図示した受動関節部２００の例では、複数の位置決め穴２３１の配置位置と、複数の切欠き２４１の配置位置とは、回転軸Ａｘを中心として１８０度位相がずれている。
【０１１４】
ユーザは、選択したいずれかの位置決め穴２３１に位置決めピン２３０の先端を挿入することにより２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅの成す角度を設定する。例えば、図示しないコイルばねにより位置決め穴２３１に向けて位置決めピン２３０が付勢されて先端が位置決め穴２３１内に進入可能にされる一方、ユーザが位置決めピン２３０を引っ張ることで先端を位置決め穴２３１から抜くことができるように構成されてもよい。また、ユーザは固定ネジ２４０を締め付けることによって固定ネジ２４０の先端を切欠き２４１内に押し付けて、２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅを固定する。このようにして、ユーザは、２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅの成す角度を変えて、手術手技の内容又は目的に応じてアーム部４２０の形態を変えることができる。また、受動関節部２００において、２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅが固定されるようになっていることから、支持アーム装置４００の駆動制御中において、アーム部４２０の予期せぬ動きが防止され得る。
【０１１５】
位置決め穴２３１及び切欠き２４１の数は特に限定されない。ただし、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、制御部による能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０の駆動制御に用いられる制御値が、受動関節部２００によって選択されるアーム部４２０の形態に応じてあらかじめ設定された制御値の中から選択されるようになっている。したがって、設定可能なリンク４２２ｄ，４２２ｅの回転角度の数が多いほど、あらかじめ設定される制御値の数も増えることになるため、この点を考慮して適切な数の位置決め穴２３１及び切欠き２４１を形成してもよい。例えば、位置決め穴２３１及び切欠き２４１は、２２．５度間隔で６つずつ設けられてもよい。
【０１１６】
位置決めピン２３０及び固定ネジ２４０の構成は、上記の例に限定されない。また、ベースプレート２２０と支持基板２１５との位置決めを行う構成、及びベースプレート２２０と支持基板２１５とを固定する構成についても、上記の例に限定されない。
【０１１７】
また、受動関節部２００は、２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅの相対的な回転角度（変位量）を検出するセンサとしてのエンコーダ２５０を備えている。かかるエンコーダ２５０を備えることにより、ユーザにより選択された受動関節部２００の回転角度が制御部により自動で検出されるようになる。これにより、例えば制御部は、エンコーダ２５０により検出された受動関節部２００の変位量に応じて、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの制御値を変更することができる。なお、受動関節部２００の回転角度を検出するセンサは、エンコーダ２５０に限られない。また、本開示の技術においてエンコーダ２５０は必須の構成要素ではなく、例えば受動関節部２００の回転角度に応じてユーザが入力部に対して手動で入力操作を行うことにより、制御部が受動関節部２００の回転角度の情報を取得するようにしてもよい。
【０１１８】
なお、受動関節部２００において、２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅを置き換えて構成されてもよい。つまり、図１１に示した受動関節部２００において、ベースプレート２２０及び可動部２１０が設けられるリンクが根元側のリンク４２２ｄであり、ベースプレート２２０が固定されるリンクが先端側のリンク４２２ｅであってもよい。
【０１１９】
このように、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、アーム部４２０の形態を変化し得る受動形態変更機構としての受動スライド機構１００及び受動関節部２００を備えている。したがって、例えば手術の開始前に支持アーム装置４００を配置するときや、手術中に大きな視野展開が必要になるときなどにおいて、手術手技の内容又は目的に応じてアーム部４２０の可動範囲を適切に設定することができる。
【０１２０】
また、受動スライド機構１００においては、一方のリンク４２２ｃに設けられたレール部１１０から他方のリンク４２２ｄに設けられたスライダ１２０を脱離させることによって、一方のリンク４２２ｃと他方のリンク４２２ｄとを脱着することができる。さらに、受動関節部２００においては、一方のリンク４２２ｄからベースプレート２２０を取り外すことによって、一方のリンク４２２ｄと他方のリンク４２２ｅとを脱着することができる。したがって、例えば、アーム部４２０のうち、受動スライド機構１００あるいは受動関節部２００よりも先端側の構成部分を、リンク長等が異なる他の構成部分と交換しつつコネクタ等を利用して電気的な接続を確保することによっても、アーム部４２０の形態を変えることができる。これにより、様々な手術手技の内容又は目的に適合し得る、より汎用的な医療用支持アーム装置４００を得ることができる。
【０１２１】
＜＜３．制御装置の構成例＞＞
ここまで、本実施形態に係る支持アーム装置４００の構成について説明した。以下、本実施形態に係る支持アーム装置４００におけるアーム部４２０の駆動制御、すなわち、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０の回転駆動を制御するための制御装置の構成例について説明する。
【０１２２】
図１５は、制御装置３５０を含む支持アーム装置４００の全体構成例を示すブロック図である。制御装置３５０は、制御部３５１と記憶部３５７と入力部３５９とを備える。
【０１２３】
制御部３５１は、例えばＣＰＵやＤＳＰ等の各種の信号処理回路によって構成される。制御部３５１は、制御装置３５０を統合的に制御するとともに、支持アーム装置４００におけるアーム部４２０の駆動を制御するための各種の演算を行う。具体的に、制御部３５１は、全身協調制御部３５３と理想関節制御部３５５とを有する。全身協調制御部３５３は、支持アーム装置４００のアーム部４２０の能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０を駆動制御するために、全身協調制御における各種の演算を行う。理想関節制御部３５５は、外乱の影響を補正することにより全身協調制御に対する理想的な応答を実現する理想関節制御における各種の演算を行う。記憶部３５７は、例えばＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶素子であってもよく、あるいは、半導体メモリ、ハードディスク、外付けの記憶装置であってよい。
【０１２４】
入力部３５９は、ユーザが制御部３５１に対して支持アーム装置４００の駆動制御に関する情報や命令等を入力するための入力インタフェースである。入力部３５９は、例えばレバー、ペダル等のユーザが操作する操作手段を有し、当該レバー、ペダル等の操作に応じて、アーム部４２０の各構成部材の位置や速度等が、瞬時的な運動目的として設定されてもよい。かかる入力部３５９は、例えばレバーやペダルの他、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン及びスイッチ等のユーザが操作する操作手段を有してもよい。
【０１２５】
＜３−１．全身協調制御部＞
全身協調制御部３５３は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する各種の演算を行う。例えば、全身協調制御部３５３は、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたトルクセンサやエンコーダ等により検出された各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度や負荷されるトルクに基づいて、アーム部４２０の状態の情報を取得する。また、全身協調制御部３５３は、当該アーム部４２０の状態と、アーム部４２０の運動目的や拘束条件等に基づいて、操作空間におけるアーム部４２０の全身協調制御のための制御値を、一般化逆動力学を用いて算出する。なお、操作空間とは、例えばアーム部４２０に作用する力とアーム部４２０に発生する加速度との関係を記述するための空間である。
【０１２６】
一般化逆動力学は、複数のリンクが複数の能動関節部によって連結されて構成される多リンク構造体（例えば本実施形態においては図３に示すアーム部４２０に相当する。）において、各種の操作空間（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  Ｓｐａｃｅ）における様々な次元に関する運動目的を、各種の拘束条件を考慮しながら、複数の能動関節部に生じさせるトルクに変換する、多リンク構造体の全身協調制御における基本演算である。
【０１２７】
操作空間は、支持アーム装置等のロボット装置の力制御における重要な概念である。操作空間は、多リンク構造体に作用する力と多リンク構造体の加速度との関係を記述するための空間である。多リンク構造体の駆動制御を位置制御ではなく力制御によって行う際に、多リンク構造体と環境との接し方を拘束条件として用いる場合に操作空間という概念が必要となる。操作空間は、例えば、多リンク構造体が属する空間である、関節空間、デカルト空間、運動量空間等である。
【０１２８】
運動目的は、多リンク構造体の駆動制御における目標値を表すものである。運動目的としては、例えば、「撮像部の視点保持」（すなわち、内視鏡装置４２３の位置及び姿勢を一定に保つこと）や、「術者の視界確保」（すなわち、術者の視界にアーム部４２０及び内視鏡装置４２３を侵入させないこと）等が設定され得る。実際の制御においては、より具体的に、これらのタスクを達成するための多リンク構造体の位置、速度、加速度、力、インピーダンス等の目標値が設定され得る。
【０１２９】
また、運動目的は、アーム部４２０に作用する重力を打ち消すようにそれぞれの能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルクを制御する（重力補償制御）とともに、さらに外部から与えられた力の方向へのアーム部４２０の移動をアシストするように能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルクを制御するパワーアシスト動作であってもよい。具体的には、パワーアシスト動作においては、アーム部４２０のそれぞれの能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける重力による外トルクを打ち消す発生トルクを各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに生じさせるように各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０の駆動が制御されることで、アーム部４２０の位置及び姿勢が所定の状態で保持される。
【０１３０】
この状態でさらに外部から（例えばユーザから）外トルクが加えられた場合に、与えられた外トルクと同じ方向の発生トルクを各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに生じさせるように各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０の駆動が制御される。このようなパワーアシスト動作を行うことにより、ユーザが手動でアーム部４２０を動かす場合に、ユーザはより小さい力でアーム部４２０を移動させることができる。このため、あたかも無重力下でアーム部４２０を動かしているような感覚をユーザに与えることができ、ユーザによるアーム部４２０の操作性が向上する。
【０１３１】
拘束条件は、多リンク構造体の形状や構造、多リンク構造体の周囲の環境及びユーザによる設定等によって定められる、多リンク構造体の位置、速度、加速度、力等に関する拘束条件である。例えば、拘束条件には、発生力、優先度、非駆動関節の有無、垂直反力、摩擦錘、支持多角形等についての情報が含まれる。拘束条件は、運動目的に応じて設定され得る。例えば、運動目的が「撮像部の視点保持」であれば、その拘束条件として、アーム部４２０の先端位置（手先位置）及び先端姿勢（手先姿勢）が所定の状態で保持されるように、当該手先位置及び手先姿勢に対して幾何的な制限が課せられる。また、例えば、運動目的が「術者の視界確保」であれば、その拘束条件としては、アーム部４２０及び内視鏡装置４２３が、空間上に設定された所定の侵入禁止領域に侵入しないように、その移動範囲に対して制限が課せられる。当該侵入禁止領域としては、術者の視野領域となることが想定される領域が適宜設定される。
【０１３２】
ここで、全身協調制御を実行する際に用いられる一般化逆動力学においては、数値計算上の安定性と実時間処理可能な演算効率とを両立するため、その演算アルゴリズムは、第１段階である仮想力決定プロセス（仮想力算出処理）と、第２段階である実在力変換プロセス（実在力算出処理）によって構成される。第１段階である仮想力算出処理では、各運動目的の達成に必要な、操作空間に作用する仮想的な力である仮想力を、運動目的の優先度と仮想力の最大値を考慮しながら決定する。第２段階である実在力算出処理では、非駆動関節、垂直反力、摩擦錘、支持多角形等に関する拘束を考慮しながら、上記で得られた仮想力を関節力、外力等の実際の多リンク構造体の構成で実現可能な実在力に変換する。以下、仮想力算出処理及び実在力算出処理について詳しく説明する。
【０１３３】
（３−１−１．仮想力算出処理）
多リンク構造体の各関節部におけるある物理量によって構成されるベクトルを一般化変数ｑと呼ぶ（関節値ｑ又は関節空間ｑとも呼称する）。操作空間ｘは、一般化変数ｑとヤコビアンＪとを用いて、以下の数式（１）で定義される。
【０１３４】
【数１】
2018075121.tif 000003
【０１３５】
本実施形態に係る支持アーム装置４００の構成であれば、例えば、上記数式（１）におけるｘは、アーム部４２０のリンク４２２ａ〜４２２ｆの先端位置であり、ｑは、アーム部４２０の能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転角度である。操作空間ｘに関する運動方程式は、下記数式（２）で記述される。
【０１３６】
【数２】
2018075121.tif 000004
【０１３７】
ここで、ｆは操作空間ｘに作用する力を表す。また、Λ−１は操作空間慣性逆行列、ｃは操作空間バイアス加速度と呼ばれるものであり、それぞれ下記数式（３）、（４）で表される。
【０１３８】
【数３】
2018075121.tif 000005
【０１３９】
なお、Ｈは関節空間慣性行列、τは関節値ｑに対応する関節力（例えば関節部５１１ａ〜５１１ｆにおける発生トルク）、ｂは重力、コリオリ力、遠心力を表す項である。
【０１４０】
一般化逆動力学においては、運動目的に対応する操作空間ｘに関する位置、速度の目標値は、操作空間ｘの加速度として表現できることが知られている。このとき、上記数式（１）から、運動目的に応じて与えられた目標値である操作空間加速度を実現するために、操作空間ｘに作用するべき仮想力ｆｖは、下記数式（５）のような一種の線形相補性問題（ＬＣＰ：Linear  Complementary  Problem）を解くことによって得られる。
【０１４１】
【数４】
2018075121.tif 000006
【０１４２】
ここで、ＬｉとＵｉはそれぞれ、ｆｖの第ｉ成分の負の下限値（−∞を含む）、ｆｖの第ｉ成分の正の上限値（＋∞を含む）とする。上記ＬＣＰは、例えばＩｔｅｒａｔｉｖｅ法、Ｐｉｖｏｔ法、ロバスト加速度制御を応用する方法等を用いて解くことができる。
【０１４３】
なお、操作空間慣性逆行列Λ−１、バイアス加速度ｃは、定義式である上記数式（３）、（４）の通り算出すると計算コストが大きい。従って、多リンク構造体の一般化力（関節力τ）から一般化加速度（関節加速度）を得る準動力学計算（ＦＷＤ）を応用することにより、操作空間慣性逆行列Λ−１の算出処理をより高速に算出する方法が提案されている。具体的には、操作空間慣性逆行列Λ−１、バイアス加速度ｃは、順動力学演算ＦＷＤを用いることにより、関節空間ｑ、関節力τ、重力ｇ等の多リンク構造体に作用する力に関する情報から得ることができる。このように、操作空間に関する順動力学演算ＦＷＤを応用することにより、関節部の数Ｎに対してＯ（Ｎ）の計算量で操作空間慣性逆行列Λ−１を算出することができる。
【０１４４】
ここで、運動目的に応じた目標値の設定例として、絶対値Ｆｉ以下の仮想力ｆｖｉで操作空間加速度の目標値（ｘの２階微分に上付きバーを付して表す）を達成するための条件は、下記数式（６）で表現できる。
【０１４５】
【数５】
2018075121.tif 000007
【０１４６】
また、上述したように、操作空間ｘの位置、速度に関する目標値は、操作空間加速度の目標値として表すことができ、具体的には下記数式（７）で表現される（操作空間ｘの位置、速度の目標値を、ｘ、ｘの１階微分に上付きバーを付して表す）。
【０１４７】
【数６】
2018075121.tif 000008
【０１４８】
その他、分解操作空間の考え方を用いることにより、他の操作空間の線形和で表される操作空間（運動量、デカルト相対座標、連動関節等）に関する目標値を設定することもできる。
【０１４９】
（３−１−２．実在力算出処理）
一般化逆動力学の第２段階である実在力算出処理では、上記（３−１−１．仮想力算出処理）で得られた仮想力ｆｖを、実在の関節力と外力で置換する処理を行う。仮想力による一般化力τｖ＝ＪｖＴｆｖを関節部に生じる発生トルクτａと外力ｆｅとで実現するための条件は、下記数式（８）で表現される。
【０１５０】
【数７】
2018075121.tif 000009
【０１５１】
ここで、添え字ａは駆動関節部の集合（駆動関節集合）を表し、添え字ｕは非駆動関節部の集合（非駆動関節集合）を表す。すなわち、上記数式（８）の上段は非駆動関節部による空間（非駆動関節空間）の力の釣り合いを表しており、下段は駆動関節部による空間（駆動関節空間）の力の釣合いを表している。Ｊｖｕ、Ｊｖａは、それぞれ、仮想力ｆｖが作用する操作空間に関するヤコビアンの非駆動関節成分及び駆動関節成分である。Ｊｅｕ、Ｊｅａは、外力ｆｅが作用する操作空間に関するヤコビアンの非駆動関節成分及び駆動関節成分である。Δｆｖは、仮想力ｆｖのうち、実在力で実現不能な成分を表す。
【０１５２】
上記数式（８）の上段は不定であり、例えば下記数式（９）に示すような２次計画問題（ＱＰ：Quadratic  Programing  Problem）を解くことで、ｆｅ及びΔｆｖを得ることができる。
【０１５３】
【数８】
2018075121.tif 000010
【０１５４】
ここで、εは上記数式（８）の上段の両辺の差であり、数式（８）の等式誤差を表す。ξはｆｅとΔｆｖとの連結ベクトルであり、変数ベクトルを表す。Ｑ１及びＱ２は、最小化の際の重みを表す正定値対称行列である。また、上記数式（９）の不等式拘束は、垂直反力、摩擦錐、外力の最大値、支持多角形等、設定された運動目的に対応する、外力に関する拘束条件を表現するのに用いられる。
【０１５５】
例えば、矩形の支持多角形に関する不等式拘束は、下記数式（１０）のように表現される。
【０１５６】
【数９】
2018075121.tif 000011
【０１５７】
ここで、ｚは接触面の法線方向を表し、ｘ及びｙはｚに垂直な直交２接線方向を表す。（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）及び（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）は、接触点に作用する外力及び外力モーメントである。μｔ及びμｒは、それぞれ並進、回転に関する摩擦係数である。（ｄｘ，ｄｙ）は支持多角形のサイズを表している。
【０１５８】
例えば、上記数式（９）、（１０）から、最小ノルム又は最小誤差の解ｆｅ、Δｆｖが求められる。上記数式（９）から得られたｆｅ、Δｆｖを上記数式（８）の下段に代入することにより、運動目的を実現するために必要な関節力τａ、すなわち各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける発生トルクτａを得ることができる。
【０１５９】
実際には、設定された運動目的に対応する拘束条件が、上記数式（１０）のように、適宜定式化されて設定される。
【０１６０】
基底が固定され、非駆動関節が無い系の場合は、関節力のみで全ての仮想力を置換可能であり、上記数式（８）において、ｆｅ＝０、Δｆｖ＝０とすることができる。この場合、上記数式（８）の下段から、関節力τａについて以下の数式（１１）を得ることができる。
【０１６１】
【数１０】
2018075121.tif 000012
【０１６２】
以上、一般化逆動力学を用いた全身協調制御の一例について説明した。上記のように、仮想力算出処理及び実在力算出処理を順に行うことにより、所望の運動目的を達成するための関節力τａを得ることができる。すなわち、逆に言えば、算出された関節力τａを能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御における制御値とすることにより、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆが、所望の運動目的を達成するように駆動され得る。
【０１６３】
なお、ここまで説明した一般化逆動力学を用いた全身協調制御について、特に、仮想力ｆｖの導出過程や、上記ＬＣＰを解き仮想力ｆｖを求める方法、ＱＰ問題の解法等の詳細については、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９−９５９５９号公報や特開２０１０−１８８４７１号公報等を参照することができる。
【０１６４】
＜３−２．理想関節制御部＞
理想関節制御部３５５は、外乱の影響を補正することにより全身協調制御に対する理想的な応答を実現する理想関節制御における各種の演算を行う。以下、理想関節制御の一例について説明する。支持アーム装置４００の各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０の運動は、下記数式（１２）に示される二次遅れ系の運動方程式によってモデル化される。
【０１６５】
【数１１】
2018075121.tif 000013
【０１６６】
ここで、ｑはアクチュエータ４３０の回転角度、ｑｒｅｆはアクチュエータ４３０の回転角度目標値、Ｉａはアクチュエータ４３０における慣性モーメント（イナーシャ）、τａはアクチュエータ４３０の発生トルク、τｅは外部からアクチュエータ４３０に作用する外トルク、νａはアクチュエータ４３０における粘性抵抗係数である。上記数式（１２）は、各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおけるアクチュエータ４３０の運動を表す理論モデルである。
【０１６７】
上記（３−１．全身協調制御部）で説明したように、一般化逆動力学を用いた演算により、タスクを実現するために各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ４３０が発生すべきトルクτａ（発生トルクτａ）を算出することができる。従って、理想的には、各アクチュエータ４３０に対して算出された発生トルクτａを上記数式（１２）に適用することにより、各アクチュエータ４３０において上記数式（１２）に示す理論モデルに従った応答が実現する、すなわち、アーム部４２０において所望の動作が実現されるはずである。
【０１６８】
しかし、実際には、様々な外乱の影響により、アクチュエータ４３０における実際の運動と上記数式（１２）に示す理論モデルとの間には誤差（モデル化誤差）が生じる場合がある。モデル化誤差は、多リンク構造体（すなわち制御対象であるアーム部４２０）の重量、重心、慣性テンソル等のマスプロパティに起因するものと、アクチュエータ４３０内部における摩擦や慣性等に起因するものとに大別することができる。このうち、前者のマスプロパティに起因するモデル化誤差は、ＣＡＤ（Computer  Aided  Design）データの高精度化や同定手法の適用によって、理論モデル構築時に比較的容易に低減することが可能である。
【０１６９】
一方、後者のアクチュエータ４３０内部の摩擦や慣性等に起因するモデル化誤差は、例えば減速機における摩擦等、モデル化が困難な現象に起因している。従って、アクチュエータ４３０の運動を示す理論モデルを構築する際には、無視できないモデル化誤差が残留し得る。また、上記数式（１２）におけるイナーシャＩａや粘性抵抗係数νａの値と、実際のアクチュエータ４３０におけるこれらの値との間に誤差が生じている可能性もある。これらの、モデル化が困難なアクチュエータ４３０内部における摩擦や慣性等に起因する誤差は、アクチュエータ４３０の駆動制御において外乱となり得る。よって、このような外乱の影響により、実際には、アクチュエータ４３０の運動が、上記数式（１２）に示す理論モデル通りには応答しない、すなわち、所望の動作が実現されない場合が生じる。
【０１７０】
そこで、本実施形態では、アクチュエータ４３０にアクティブな制御系を付加することで、上記数式（１２）に示す理論モデルに従った理想応答を行うように、アクチュエータ４３０の応答を補正する。なお、このように、支持アーム装置４００のアクチュエータ４３０（すなわち能動関節部４２１ａ〜４２１ｆ）が上記数式（１２）に示すような理想的な応答を行うようにアクチュエータ４３０の駆動を制御することを、本実施形態では、理想関節制御と呼称する。
【０１７１】
なお、理想関節制御の詳細については、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９−２６９１０２号公報等を参照することができる。
【０１７２】
＜３−３．アーム部のマスプロパティ情報の適用＞
ここで、以上説明した全身協調制御及び理想関節制御のうち、全身協調制御における演算式（例えば、数式（１），（３），（４），（８），（１１））に含まれるヤコビアンＪにはアーム部４２０の幾何情報が集約されている。このため、アーム部４２０の全体の重量、重心、慣性テンソル等のマスプロパティが変更される場合には、用いられるヤコビアンＪの情報も変更されなければならない。本実施形態に係る支持アーム装置４００は、受動形態変更機構によってアーム部４２０の形態が変更され得るものであるため、全身協調制御部３５３による全身協調制御時に用いられるヤコビアンＪの情報（制御値）もアーム部４２０の形態に応じて変更される必要がある。一例として、受動形態変更機構の変位量に応じてアーム部４２０の重心がずれることについて説明する。
【０１７３】
図１６は、受動スライド機構１００のスライド量の違いによるリンク４２２ｃとリンク４２２ｄとの合計長さの違いによって、アーム部４２０の重心がずれることを示す説明図である。受動スライド機構１００によって２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの合計長さが長くなることに伴い、重心はＣ１からＣ２の位置に変化することが分かる。また、図１７は、受動関節部２００の回転角度の違いによるリンク４２２ｄとリンク４２２ｅとの成す角度の違いによって、アーム部４２０の重心がずれることを示す説明図である。受動関節部２００によって２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅの成す角度が変化することに伴い、重心はＣ３からＣ４の位置に変化することが分かる。
【０１７４】
そこで、全身協調制御部３５３は、受動形態変更機構の変位量に基づいて全身協調制御を適切に実行可能に構成されている。具体的に、制御装置３５０の記憶部３５７には、受動形態変更機構の変位量に応じたマスプロパティ情報が記憶され、全身協調制御部３５３は、受動形態変更機構に設けられたセンサにより検出された変位量に対応するマスプロパティ情報に基づいて生成されるヤコビアンＪの情報（制御値）を用いて全身協調制御を実行する。本実施形態に係る支持アーム装置４００では、受動スライド機構１００によって設定され得る２つのリンク４２２ｃ，４２２ｄの合計長さは例えば３パターンに設定され得る。また、受動関節部２００によって設定され得る２つのリンク４２２ｄ，４２２ｅの成す角度は例えば６パターンに設定され得る。したがって、記憶部３５７には、例えば１８パターン（３パターン×６パターン）のマスプロパティ情報が記憶され得る。
【０１７５】
例えば、手術を開始する前に、ベース部４１０としての手術台等にアーム部４２０を設置するとき、あるいは、手術中に大きな視野展開が必要になるときにおいて、ユーザが受動形態変更機構の変位量を変更する。ユーザが受動形態変更機構を操作する際には、入力部３５９への入力操作が行われることにより、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたアクチュエータ４３０に対してブレーキがかけられ、一時的にアーム部４２０の姿勢変化が禁止されてもよい。受動形態変更機構の変位量に応じて用いるヤコビアンＪの情報が変更される点以外は、上述した演算処理にしたがって、アーム部４２０の全身協調制御が行われ得る。また、理想関節制御についても、全身協調制御部３５３による演算結果にしたがって、上述した演算処理にしたがって行われ得る。
【０１７６】
このように、全身協調制御部３５３が、受動形態変更機構の変位量に応じて選択されるマスプロパティ情報に基づいて生成される制御値を用いて全身協調制御を行うことにより、アーム部４２０の形態の変化による重心等のずれに応じて、重力補償制御の精度を高めることができる。その結果、アーム部４２０の根元側に配置される能動関節部４２１ａ〜４２１ｃ等に作用する負荷が軽減し、当該能動関節部４２１ａ〜４２１ｃ等に設けられるアクチュエータ４３０を小型化することができる。
【０１７７】
また、支持アーム装置４００が、アーム部４２０の根元部分に、アーム部４２０の全体の水平方向に対する傾きを検出するための姿勢センサ４５０を備える場合、全身協調制御部３５３は、かかる姿勢センサ４５０により検出されたアーム部４２０の傾きをさらに用いて全身協調制御を実行してもよい。アーム部４２０の全体の傾きの情報を用いることにより、アーム部４２０に作用する重力がより精度よく求められ、重力補償制御の精度をより高めることができる。例えば、アーム部４２０がベース部４１０としての手術台に搭載された場合における手術台の傾きに対応して、重力補償制御の精度の低下を抑制することができる。
【０１７８】
＜＜４．支持アーム装置の制御方法の例＞＞
図１８を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置４００のアーム部４２０の制御方法の処理手順について簡単に説明する。図１８は、本実施形態に係る支持アーム装置４００のアーム部４２０の制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【０１７９】
本実施形態に係る支持アーム装置４００のアーム部４２０の制御方法では、まず、全身協調制御部３５３は、受動形態変更機構の変位量を取得する（ステップＳ１０１）。例えば、受動形態変更機構としての受動スライド機構１００及び受動関節部２００に設けられたセンサ１５０及びエンコーダ２５０により検出される情報に基づいて、受動スライド機構１００のスライド量及び受動関節部２００の回転角度が検出される。センサ１５０及びエンコーダ２５０による検出情報を用いる代わりに、ユーザが、受動スライド機構１００のスライド量及び受動関節部２００の回転角度の情報を、入力部３５９を介して入力してもよい。
【０１８０】
次いで、全身協調制御部３５３は、取得した受動形態変更機構の変位量に基づいてアーム部４２０のマスプロパティ情報を設定する（ステップＳ１０３）。本実施形態に係る支持アーム装置４００では、設定可能な受動スライド機構１００のスライド量及び受動関節部２００の回転角度が、それぞれあらかじめ複数段階で設定されている。このため、全身協調制御部３５３は、受動スライド機構１００の各スライド量及び受動関節部２００の各回転角度の組み合わせに対応してあらかじめ記憶部３５７に記憶されたマスプロパティ情報の中から、現在の受動スライド機構１００のスライド量及び受動関節部２００の回転角度の組み合わせに対応するマスプロパティ情報を選択する。これにより、アーム部４２０の形態に応じて、上記数式（１）で用いられるヤコビアンＪが設定される。
【０１８１】
次いで、全身協調制御部３５３は、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの状態に基づいて、アーム状態を取得する（ステップＳ１０５）。能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの状態とは、例えば能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度又は発生トルク等である。また、アーム状態とは、アーム部４２０の運動の状態のことであり、例えばアーム部４２０の位置、速度、加速度、力等である。全身協調制御部３５３は、各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたエンコーダ及びトルクセンサの検出信号に基づいて、各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度又は発生トルクを検出することができる。
【０１８２】
次いで、全身協調制御部３５３は、演算条件を設定する（ステップＳ１０７）。例えば、全身協調制御部３５３は、ユーザによって指定された運動目的及び当該運動目的に対応する拘束条件が、当該運動目的を実行するようにアーム部４２０を駆動するための制御値（上述した発生トルクτａ）を計算するための演算条件として、設定される。このとき設定される演算条件は、上記のステップＳ１０３において設定された現在のアーム部４２０のマスプロパティ情報が反映されている。
【０１８３】
次いで、全身協調制御部３５３は、アーム状態及び演算条件に基づいて、一般化逆動力学を用いた全身協調制御についての演算を行い、各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける発生トルクτａを算出する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９において、全身協調制御部３５３は、まず、ステップＳ１０７において設定された運動目的を実行するために必要な、アーム部４２０の各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用する仮想力を算出する。次いで、全身協調制御部３５３は、算出された仮想力に基づいて、ステップＳ１０７において設定された運動目的を実行するために必要な、アーム部４２０の各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに実際に作用する実在力を算出することにより、各能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける発生トルクτａを算出する。
【０１８４】
次いで、理想関節制御部３５５は、理想関節制御についての演算を行い、発生トルクτａからトルク指令値τを算出する（ステップＳ１１１）。具体的には、理想関節制御部３５５は、外乱によるトルク値である外乱推定値τｄを算出し、当該外乱推定値τｄを用いて、最終的にアーム部４２０の能動関節部４２１ａ〜４２１ｆに生じさせるトルクを表す指令値であるトルク指令値τを算出する。
【０１８５】
次に、理想関節制御部３５５は、算出されたトルク指令値τに基づいて、図示しないアーム部４２０の能動関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動回路に対して駆動指令信号を出力する（ステップＳ１１３）。これにより、現在のアーム部４２０の形態（マスプロパティ）に応じて、ステップＳ１０７で設定された運動目的を実行し得るように、アーム部４２０が駆動されることとなる。
【０１８６】
＜＜５．変形例＞＞
ここまで、本実施形態に係る支持アーム装置４００の構成例及び制御方法の処理手順の例について説明した。以下、本実施形態に係る支持アーム装置４００の変形例について説明する。
【０１８７】
本実施形態に係る支持アーム装置４００は、受動形態変更機構の変位量によってアーム部４２０の形態が変化し得るものであり、例えば受動スライド機構１００のスライド量を最大にした場合等において、アーム部４２０の根元側に配置される能動関節部に作用する重力が大きくなる場合がある。また、受動スライド機構１００又は受動関節部２００自体の重量がアーム部４２０の重量に加わることによっても、アーム部４２０の根元側に配置される能動関節部に作用する重力が大きくなる場合がある。このような場合においても、当該能動関節部に設けられるアクチュエータ４３０への負荷の増大に対応すべくアクチュエータ４３０の大型化を防ぐには、当該能動関節部の少なくとも一部に、重力補償機構が設けられてもよい。重力補償機構は、能動関節部に作用するアーム部４２０の自重による負荷トルクを打ち消す方向のトルク（以下、「補償トルク」ともいう。）を当該能動関節部に与える。かかる重力補償機構は、例えば、バネによる弾性力を利用した重力補償機構であってもよい。
【０１８８】
図１９は、重力補償機構４６０，４７０を備えた支持アーム装置４００の構成例を示している。図１９に示した支持アーム装置４００では、アーム部４２０の根元側に配置されて、主としてアーム部４２０の先端に支持される内視鏡装置等のおおよその位置を決定するための能動関節部４２１ａ〜４２１ｃのうちのピッチングを行う能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに重力補償機構４６０，４７０が設けられている。
【０１８９】
重力補償機構４６０は、能動関節部４２１ｂの先端側に接続されるリンク４２２ｂに対して固定的に設けられる（すなわち、能動関節部４２１ｂの周りにリンク４２２ｂとともに回動する）掛止部４６１と、当該掛止部４６１と能動関節部４２１ｂの根元側に接続されるリンク４２２ａとの間に張設されるバネ４６３とから構成される。同様に、重力補償機構４７０は、能動関節部４２１ｃの先端側に接続されるリンク４２２ｃに対して固定的に設けられる掛止部４７１と、当該掛止部４７１と能動関節部４２１ｃの根元側に接続されるリンク４２２ｂとの間に張設されるバネ４７３とから構成される。
【０１９０】
かかる重力補償機構４６０，４７０によれば、それぞれ能動関節部４２１ｂ，４２１ｃの周りに、リンク４２２ｂ，４２２ｃから先端側の構成が、当該リンク４２２ｂ，４２２ｃから先端側の構成に作用する重力の方向に回動した場合に、バネ４６３，４７３はその回動量に応じて伸長される。このとき、伸長されたバネ４６３，４７３の復元力は、リンク４２２ｂ，４２２ｃから先端側の構成に対して、当該リンク４２２ｂ，４２２ｃから先端側の構成を、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃの周りに重力方向への回動方向とは逆方向に回動させる方向に作用する。つまり、バネ４６３，４７３の復元力は、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに作用するリンク４２２ｂ，４２２ｃから先端側の構成の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを当該能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに与える。
【０１９１】
バネ４６３，４７３は、例えば引っ張りばねである。その他、バネ４６３，４７３としては、例えば圧縮ばねや捻じりコイルばね等、種々の公知のバネが用いられてよい。あるいは、バネ４６３，４７３の代わりに、伸縮に応じて復元力を発生させる他の弾性体が用いられてもよい。
【０１９２】
上記の重力補償機構４６０，４７０は、掛止部４６１，４７１及びバネ４６３，４７３によって構成される簡易な構成を有する。かかる構成により、重力補償機構４６０，４７０では、バネ４６３，４７３の復元力は、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃにおける回転角度が大きくなれば大きくなり、当該回転角度が小さくなれば小さくなる、という単純な正の相関を有する。つまり、バネ４６３，４７３の復元力は、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃにおける回転角度に対して単調に変化し得る。現在のアーム部４２０の姿勢において重力補償機構４６０，４７０によって生じている補償トルクの値は、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃの回転角度の情報に基づいて算出し得る。
【０１９３】
そこで、全身協調制御部３５３は、重力補償機構４６０，４７０によって能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに与えられる補償トルクを加味して、アーム部４２０の自重による負荷トルクをキャンセルし得るように、当該能動関節部４２２ｂ，４２２ｃに設けられるアクチュエータ４３０を駆動させることにより重力補償を行ってもよい。つまり、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに作用するアーム部４２０の自重による負荷トルクから、重力補償機構４６０，４７０によって能動関節部４２１，４２１ｃに与えられる補償トルクを差し引いた、重力補償機構４６０，４７０では補償しきれない不足分を補償し得るように、全身協調制御部３５３はアクチュエータ４３０によって各能動関節部４２１ｂ，４２１ｃにトルクを与えてもよい。
【０１９４】
具体的に、全身協調制御部３５３は、上述したフローチャート（図１８）におけるステップＳ１０９において発生トルクτａを算出する際に、アーム部４２０の自重による負荷トルクから補償トルクを差し引いたものを、アーム部４２０の自重による重力成分として発生トルクτａを算出する。これにより、重力補償機構４６０，４７０による補償トルクでは補償しきれなかった重力成分を補償しつつ、ステップＳ１０７で設定された運動目的を実行し得るような、能動関節部４２１ａ〜４２１ｆにおいて発生すべき発生トルクτａが算出される。このようにして、受動形態変更機構によるアーム部４２０の形態の変化に伴って、より根元側に近い能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに設けられるアクチュエータ４３０への負荷の増大が抑制され、アクチュエータ４３０の大型化を防ぐことができる。
【０１９５】
＜＜６．まとめ＞＞
以上説明したように、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、アーム部４２０の形態を変更し得る受動形態変更機構を備えている。このため、手術手技の内容又は目的に応じてアーム部４２０の可動範囲を変更することができる。したがって、術者の視野やワーキングスペースが必要以上に阻害されたり、手術室内の他の機材の配置が必要以上に妨げられたりすることを抑制することができる。また、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、自由度（能動関節部の数）を必要以上に増やすことなく適切な可動範囲を確保することができるために、コストの増加を抑制することができる。
【０１９６】
また、本実施形態に係る支持アーム装置４００では、受動形態変更機構の変位量があらかじめ複数段階で設定可能になっているとともに、アーム部４２０が取り得る形態のパターンに応じて、あらかじめ複数のマスプロパティ情報が設定可能になっている。したがって、手術手技の開始時や、手術中に大きな視野展開が必要になるときにおいて、アーム部４２０の形態の変化に合わせてアーム部４２０の制御値を変更することができ、術中におけるアーム部４２０の駆動制御への負荷の増大を抑制することができる。
【０１９７】
また、本実施形態に係る支持アーム装置４００では、主として先端ユニットとしての内視鏡装置４２３の撮像方向を変化させる先端側の３つの能動関節部４２１ｄ〜４２１ｆよりも根元側に受動形態変更機構が設けられている。したがって、先端ユニットの向きの制御に与える影響を少なくして、アーム部４２０の可動範囲を調節することができる。
【０１９８】
また、本実施形態に係る支持アーム装置４００では、受動形態変更機構によって、先端側の構成部分と根元側の構成部分とを切り離すことができる。このため、例えば先端側の構成部分を、異なるリンク長で構成された別の構成部分と交換することによって、支持アーム装置４００の形態を変えることができ、支持アーム装置４００の汎用性をより高めることができる。
【０１９９】
また、本実施形態に係る支持アーム装置４００において、アーム部４２０の根元側に配置される能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに重力補償機構４６０，４７０を備えることにより、受動形態変更機構を有することによって当該能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに作用する自重が増える場合であっても、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃに設けられるアクチュエータ４３０の大型化が抑制される。
【０２００】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、上記各実施形態で説明した構成例は、相互に適宜組み合わせて、あるいは、置換して構成し得る。
【０２０１】
例えば、上記実施形態に係る支持アーム装置４００は、受動形態変更機構の変位量があらかじめ複数段階で設定可能になっており、設定され得るアーム部４２０の形態のパターンに応じてあらかじめ記憶された複数のマスプロパティ情報が制御に用いられていたが、本開示に係る技術はかかる例に限定されない。受動形態変更機構が連続的に変位可能である場合には、あらかじめ記憶されたマスプロパティ情報を用いる代わりに、センサにより検出される受動形態変更機構の変位量に基づいて演算によりマスプロパティ情報を求めるようにしてもよい。
【０２０２】
また、本開示に係る技術が適用される対象は、医療分野に限定されず、医療分野以外の他の分野であってもよい。例えば、本開示に係る技術は、工場において製品の組み立て工程や検査工程に用いられる工業用の支持アーム装置の重力補償に対しても好適に適用可能である。本開示に係る技術を用いることにより、工業用の支持アーム装置においても、上述した実施形態と同様に、当該支持アーム装置をより小型に、かつより軽量に構成することが可能となり、製造コストの低減や、設置スペースの自由度の向上等の効果を得ることができる。
【０２０３】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０２０４】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）複数のリンクを連結し、アクチュエータにより駆動されて前記複数のリンクから構成されるアーム部の姿勢を変化し得る複数の能動関節部と、
前記能動関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサと、
前記アーム部の形態を変化し得る少なくとも一つの受動形態変更機構と、
を備えた、医療用支持アーム装置。
（２）前記受動形態変更機構の変位量を検出するセンサを備える、前記（１）に記載の医療用支持アーム装置。
（３）前記受動形態変更機構は、あらかじめ複数段階に設定された変位量で変位可能である、前記（１）又は（２）に記載の医療用支持アーム装置。
（４）前記受動形態変更機構が受動スライド機構である、前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（５）前記受動形態変更機構が受動関節部である、前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（６）前記アーム部は、少なくとも６自由度以上の自由度を有し、
前記受動形態変更機構は、前記アーム部の先端側の少なくとも３つの前記能動関節部よりも根元側に配置される、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（７）前記受動形態変更機構は、前記アーム部を先端側の部分と根元側の部分とに分離し得る脱着機構を有する、前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（８）少なくとも一つの前記能動関節部に、前記アーム部の自重を補償する重力補償機構を有する、前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（９）前記アーム部の傾きを検出する姿勢センサを備える、前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１０）前記アーム部の先端部に医療用器具が支持される、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１１）前記医療用器具が、内視鏡又は顕微鏡カメラである、前記（１０）に記載の医療用支持アーム装置。
（１２）前記複数の能動関節部に設けられた前記アクチュエータを駆動して前記アーム部の全身協調制御を行う制御部を備える、前記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１３）前記制御部は、前記受動形態変更機構の変位量に基づいて前記全身協調制御を行う、前記（１２）に記載の医療用支持アーム装置。
（１４）前記制御部は、あらかじめ複数段階に設定された前記受動形態変更機構の前記変位量に基づいてあらかじめ設定された前記全身協調制御の制御値を用いる、前記（１３）に記載の医療用支持アーム装置。
（１５）前記制御部は、前記アーム部に作用する重力を打ち消すよう前記アクチュエータを制御するとともに、外部からさらに与えられた力の方向への前記アーム部の移動をアシストするように前記アクチュエータを制御する、前記（１２）〜（１４）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
【符号の説明】
【０２０５】
１００        受動スライド機構（受動形態変更機構）
１１０        レール部
１２０        スライダ
１２１        溝部
１３０        位置決めピン
１３１ａ〜１３１ｃ      位置決め穴
１４０        固定ネジ
１５０        センサ
２００        受動関節部（受動形態変更機構）
２１０        可動部
２２０        ベースプレート
２３０        位置決めピン
２３１        位置決め穴
２４０        固定ネジ
２５０        エンコーダ
３５１        制御部
３５３        全身協調制御部
３５５        理想関節制御部
４００        医療用支持アーム装置
４２０        アーム部
４２１ａ〜４２１ｆ      能動関節部
４２２ａ〜４２２ｆ      リンク
４２３        内視鏡装置（先端ユニット）
４２８        トルクセンサ
４３０        アクチュエータ
４５０        姿勢センサ
４６０・４７０      重力補償機構
【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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