(57)【要約】【課題】ユーザにとっての利便性を向上させユーザの負担を軽減することを可能にする。【解決手段】複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体の駆動に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部と、前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、医療用ロボットアーム装置を提供する。【選択図】図６
2018057934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体の駆動に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部と、
前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、医療用ロボットアーム装置。
【請求項２】
複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部と、
検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を有し、
前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、ロボットアーム装置と、
検出された複数の前記関節部の状態に基づいて取得される前記多リンク構造体の状態と、前記多リンク構造体の運動目的及び拘束条件と、を用いて、前記多リンク構造体の全身協調制御のための制御値を一般化逆動力学によって算出する全身協調制御部、を有する制御装置と、
を備える、医療用ロボットアーム制御システム。
【請求項３】
複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部、の状態を検出することと、
検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御することと、
を含み、
前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、医療用ロボットアーム制御方法。
【請求項４】
コンピュータに、
複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部、の状態を検出する機能と、
検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する機能と、
を実現させ、
前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療用ロボットアーム装置、医療用ロボットアーム制御システム、医療用ロボットアーム制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野や工業分野においては、より正確により素早く作業を行うために、ロボット装置が広く用いられている。一般的に、ロボット装置は、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であり、複数の当該関節部における回転駆動が制御されることにより、ロボット装置全体としての駆動が制御される。
【０００３】
ここで、ロボット装置及び各関節部の制御方法としては、位置制御と力制御が知られている。位置制御では、関節部のアクチュエータに、例えば角度等の指令値が与えられ、当該指令値に追随するように関節部の駆動が制御される。一方、力制御では、ロボット装置全体として作業対象に加えるべき力の目標値が与えられ、当該目標値が示す力を実現するように関節部の駆動（例えば関節部によって発生されるトルク）が制御される。
【０００４】
一般的に、制御上の簡便さやシステムの構成のしやすさから、位置制御によって駆動されるロボット装置が大半である。しかしながら、位置制御は、外力に柔軟に応じることが困難であるため、俗に「硬い制御」と呼ばれることがあり、多様な外界との物理インタラクション（例えば、対人物理インタラクション）を行いながらタスク（運動目的）を遂行するロボット装置には適していない。一方、力制御は、システム構成は複雑化する半面、力オーダーでの「柔らかい制御」が実現できるため、特に対人物理インタラクションを行うロボット装置に適した制御方法であり、よりユーザビリティに優れた制御方法と言える。
【０００５】
例えば、力制御が適用されたロボット装置として、特許文献１には、対向する２輪の車輪からなる移動機構と複数の関節部を有する腕部を備えたロボット装置において、当該車輪及び当該関節部の駆動を全体として協調させて制御する（全身協調制御を行う）ロボット装置が開示されている。
【０００６】
また、力制御においては、ロボット装置の各関節部におけるトルク（関節部が発生する発生トルク及び外部から関節部に与えられる外トルクを含む）をより精度良く検出し、フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御を行うことが求められる。例えば、特許文献２には、分割構造（デカップリング構造）を有することにより、振動の影響が極力低減された高精度のトルクの検出を実現するトルクセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１８８４７１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０９０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、近年、医療分野においては、各種の施術（例えば、手術や検査）を行う際に、アーム部の先端に様々な医療用のユニット（先端ユニット）が設けられたバランス型アーム（支持アームとも呼称する。）を用いる試みが行われている。例えば、バランス型アームのアーム部の先端に顕微鏡や内視鏡、撮像部（カメラ）等の様々な撮像機能を有するユニットを先端ユニットとして設け、施術者（ユーザ）が当該先端ユニットによって撮影された患部の画像を観察しながら各種の施術を行う方法が提案されている。しかしながら、バランス型アームは、アーム部を移動させた際の力の均衡を取るためのカウンターバランス用ウェイト（カウンターウェイト又はバランサーとも呼称する。）を備える必要があるため、装置が大型化する傾向がある。施術時の作業空間の確保の観点からは、施術に用いられる装置にはより一層の小型化が求められており、一般的に提案されているバランス型アームではこのような要請に応えることが困難であった。また、バランス型アームにおいては、アーム部の駆動の一部のみ、例えば先端ユニットを平面上（２次元上）で移動させるための２軸の駆動のみが電動駆動となっており、アーム部及び先端ユニットの移動には施術者自身や周囲の医療スタッフによる手動での位置決めが必要となる。従って、一般的なバランス型アームでは、撮影時の安定性（例えば先端ユニットの位置決めの精度や制振等）の確保や、例えば撮影部位を患者の体の所定の部位に固定した状態で様々な方向から撮影する等の撮影の自由度の確保が困難であった。
【０００９】
このような状況を鑑みて、バランス型アームに代わる装置として、位置制御によって駆動が制御される医療用のロボットアーム装置も提案されている。しかしながら、施術の更なる効率化及びユーザの負担軽減のために、ロボットアーム装置の駆動制御には、ユーザによってアーム部及び先端ユニットの位置や姿勢をより直感的に制御することができる、より高い操作性が求められていた。位置制御によって駆動が制御されるロボットアーム装置では、このようなユーザの要望に応えることが困難であった。
【００１０】
上記のような事情から、より安定性が高く、より操作性の自由度が高い先端ユニット及びアーム部の駆動制御を行うことが可能な医療用のロボットアーム装置を実現することにより、施術を効率化し、施術時のユーザの負担をより軽減することが望まれていた。そこで、本開示では、ユーザにとっての利便性をより向上させ、ユーザの負担をより軽減することが可能な、新規かつ改良された医療用ロボットアーム装置、医療用ロボットアーム制御システム、医療用ロボットアーム制御方法及びプログラムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示によれば、複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体の駆動に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部と、前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、医療用ロボットアーム装置が提供される。
【００１２】
また、本開示によれば、複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部と、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を有し、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、ロボットアーム装置と、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて取得される前記多リンク構造体の状態と、前記多リンク構造体の運動目的及び拘束条件と、を用いて、前記多リンク構造体の全身協調制御のための制御値を一般化逆動力学によって算出する全身協調制御部、を有する制御装置と、を備える、医療用ロボットアーム制御システムが提供される。
【００１３】
また、本開示によれば、複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部、の状態を検出することと、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御することと、を含み、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、医療用ロボットアーム制御方法が提供される。
【００１４】
また、本開示によれば、コンピュータに、複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部、の状態を検出する機能と、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する機能と、を実現させ、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、プログラムが提供される。
【００１５】
本開示によれば、ロボットアーム装置における多リンク構造体であるアーム部が、少なくとも６自由度以上の自由度を有するとともに、当該アーム部を構成する複数の関節部のそれぞれの駆動が駆動制御部によって制御される。そして、当該アーム部の先端には医療用器具が設けられる。このように、各関節部の駆動が制御されることにより、より自由度の高いアーム部の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い医療用ロボットアーム装置が実現される。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本開示によれば、ユーザにとっての利便性をより向上させ、ユーザの負担をより軽減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明するための説明図である。
【図２】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置の外観を示す概略図である。
【図３】本開示の一実施形態に係る関節部のアクチュエータを、回転軸を通る断面で切断した様子を模式的に示す断面図である。
【図４Ａ】図３に示すトルクセンサを、駆動軸の軸方向から見た様子を模式的に示す概略図である。
【図４Ｂ】図３に示すアクチュエータに適用されるトルクセンサの他の構成例を示す概略図である。
【図５】本開示の一実施形態に係る理想関節制御について説明するための説明図である。
【図６】本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。
【図７】本開示の一実施形態に係るアーム動作の一具体例であるピボット動作について説明するための説明図である。
【図８】図７に示すピボット動作を実現するための運動目的及び拘束条件について説明するための説明図である。
【図９】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置における冗長自由度を有する変形例の外観を示す概略図である。
【図１０】本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順を示すフロー図である。
【図１１】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置及び制御装置のハードウェア構成の一構成例を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．医療用ロボットアーム装置についての検討
２．本開示の一実施形態
２−１．ロボットアーム装置の外観
２−２．一般化逆動力学について
２−２−１．仮想力算出処理
２−２−１．実在力算出処理
２−３．理想関節制御について
２−４．ロボットアーム制御システムの構成
２−５．運動目的の具体例
３．ロボットアーム制御方法の処理手順
４．ハードウェア構成
５．まとめ
【００２０】
＜１．医療用ロボットアーム装置についての検討＞
まず、本開示をより明確なものとするために、本発明者らが本開示に想到するに至った背景について説明する。
【００２１】
図１を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明する。図１は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明するための説明図である。
【００２２】
図１は、本実施形態に係るロボットアーム装置を用いた施術の様子を模式的に表している。具体的には、図１を参照すると、施術者（ユーザ）５２０である医師が、例えばメス、鑷子、鉗子等の手術用の器具５２１を使用して、施術台５３０上の施術対象（患者）５４０に対して手術を行っている様子が図示されている。なお、以下の説明においては、施術とは、手術や検査等、ユーザ５２０である医師が施術対象５４０である患者に対して行う各種の医療的な処置の総称であるとする。また、図１に示す例では、施術の一例として手術の様子を図示しているが、ロボットアーム装置５１０が用いられる施術は手術に限定されず、他の各種の施術、例えば内視鏡を用いた検査等であってもよい。
【００２３】
施術台５３０の脇には本実施形態に係るロボットアーム装置５１０が設けられる。ロボットアーム装置５１０は、基台であるベース部５１１と、ベース部５１１から延伸するアーム部５１２を備える。アーム部５１２は、複数の関節部５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃと、関節部５１３ａ、５１３ｂによって連結される複数のリンク５１４ａ、５１４ｂと、アーム部５１２の先端に設けられる撮像ユニット５１５を有する。図１に示す例では、簡単のため、アーム部５１２は３つの関節部５１３ａ〜５１３ｃ及び２つのリンク５１４ａ、５１４ｂを有しているが、実際には、アーム部５１２及び撮像ユニット５１５の位置及び姿勢の自由度を考慮して、所望の自由度を実現するように関節部５１３ａ〜５１３ｃ及びリンク５１４ａ、５１４ｂの数や形状、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動軸の方向等が適宜設定されてよい。
【００２４】
関節部５１３ａ〜５１３ｃは、リンク５１４ａ、５１４ｂを互いに回動可能に連結する機能を有し、関節部５１３ａ〜５１３ｃの回転が駆動されることにより、アーム部５１２の駆動が制御される。ここで、以下の説明においては、ロボットアーム装置５１０の各構成部材の位置とは、駆動制御のために規定している空間における位置（座標）を意味し、各構成部材の姿勢とは、駆動制御のために規定している空間における任意の軸に対する向き（角度）を意味する。また、以下の説明では、アーム部５１２の駆動（又は駆動制御）とは、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動（又は駆動制御）、及び、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動（又は駆動制御）を行うことによりアーム部５１２の各構成部材の位置及び姿勢が変化される（変化が制御される）ことをいう。
【００２５】
アーム部５１２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る。図１に示す例では、先端ユニットの一例としてアーム部５１２の先端に撮像ユニット５１５が設けられている。撮像ユニット５１５は、撮影対象の画像（撮影画像）を取得するユニットであり、例えば動画や静止画を撮影できるカメラ等である。図１に示すように、アーム部５１２の先端に設けられた撮像ユニット５１５が施術対象５４０の施術部位の様子を撮影するように、ロボットアーム装置５１０によってアーム部５１２及び撮像ユニット５１５の姿勢や位置が制御される。なお、アーム部５１２の先端に設けられる先端ユニットは撮像ユニット５１５に限定されず、各種の医療用器具であってよい。当該医療用器具としては、例えば、内視鏡や顕微鏡、上述した撮像ユニット５１５等の撮像機能を有するユニットや、各種の施術器具、検査装置等、施術に際して用いられる各種のユニットが挙げられる。このように、本実施形態に係るロボットアーム装置５１０は、医療用器具を備えた医療用ロボットアーム装置であると言える。また、アーム部５１２の先端に、２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、撮像対象を３次元画像（３Ｄ画像）として表示するように撮影が行われてもよい。
【００２６】
また、ユーザ５２０と対向する位置には、モニタやディスプレイ等の表示装置５５０が設置される。撮像ユニット５１５によって撮影された施術部位の撮影画像は、表示装置５５０の表示画面に表示される。ユーザ５２０は、表示装置５５０の表示画面に表示される施術部位の撮影画像を見ながら各種の処置を行う。
【００２７】
このように、本実施形態においては、医療分野において、ロボットアーム装置５１０によって施術部位の撮影を行いながら手術を行うことが提案される。ここで、手術を含む各種の施術においては、より施術を効率的に行うことにより、ユーザ５２０及び患者５４０の疲労や負担を軽減することが求められる。このような要求を満たすために、ロボットアーム装置５１０には、例えば以下のような性能が求められると考えられる。
【００２８】
まず、１点目として、ロボットアーム装置５１０には、手術における作業空間を確保することが求められる。ユーザ５２０が施術対象５４０に対して各種の処置を行っている最中に、アーム部５１２や撮像ユニット５１５が施術者の視界を妨げたり、処置を行う手の動きを妨げたりすると、手術の効率の低下につながる。また、図１では図示していないが、実際の手術現場では、ユーザ５２０に器具を渡したり、患者５４０の各種のバイタルサインを確認したりといった、様々なサポート作業を行う複数の他の医師や看護師等がユーザ５２０及び患者５４０の周囲にいることが一般的であり、また、当該サポート作業を行うための他の装置等が存在するため、手術環境は煩雑である。従って、ロボットアーム装置５１０は、より小型であることが望ましい。
【００２９】
次いで、２点目として、ロボットアーム装置５１０には、撮像ユニット５１５を移動させる際の高い操作性が求められる。例えば、手術を行う部位や手術の内容によっては、ユーザ５２０には、施術部位に対して処置を行っている最中に、同じ施術部位を様々な位置、角度から観察したいという要求がある。施術部位を観察する角度を変えるには、撮像ユニット５１５の施術部位に対する角度を変更する必要があるが、その際、撮像ユニット５１５の撮影方向は施術部位に固定されたまま（すなわち、同一の部位を撮影したまま）、撮影する角度だけが変化することがより望ましい。従って、例えば、撮像ユニット５１５の撮影方向が施術部位に固定された状態で、撮像ユニット５１５が施術部位を頂点とした円錐の面内を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作（ピボット動作）のような、より自由度の高い操作性がロボットアーム装置５１０に求められていた。なお、撮像ユニット５１５の撮影方向が所定の施術部位に固定されることから、ピボット動作はポイントロック動作とも呼ばれる。
【００３０】
また、撮像ユニット５１５の位置及び角度を変化させるためには、例えばユーザ５２０が手動でアーム部５１２を動かすことによって、撮像ユニット５１５を所望の位置及び角度に動かす方法が考えられる。従って、撮像ユニット５１５の移動や上述したピボット動作等が、例えば片手でも容易に行える操作性があることが望ましい。
【００３１】
また、手術時には、例えばユーザ５２０が両手で処置を行いながら、撮像ユニット５１５によって撮影される撮影画像の撮影中心を、処置を行っている部位から別の部位（例えば次の処置を行う部位）に移動させたいという要求も考えられる。従って、撮像ユニット５１５の位置及び姿勢を変化させる際に、上述したような手動によってアーム部５１２の駆動を制御する方法だけではなく、例えばペダル等の入力部からの操作入力によってアーム部５１２の駆動を制御する方法のような、多様なアーム部５１２の駆動方法が求められる。
【００３２】
このように、２点目の性能として、ロボットアーム装置５１０には、例えば上述したピボット動作や手動による容易な移動を実現する、よりユーザ５２０の直感や要望に合った高い操作性が求められる。
【００３３】
最後に、３点目として、ロボットアーム装置５１０には、アーム部５１２の駆動制御における安定性が求められる。アーム部５１２の駆動制御に対する安定性とは、アーム部５１２を駆動した際の先端ユニットの位置及び姿勢の安定性のことであってよい。また、アーム部５１２の駆動制御に対する安定性には、アーム部５１２を駆動した際の先端ユニットのスムーズな移動や振動の抑制（制振）も含まれる。例えば、図１に示す例のように先端ユニットが撮像ユニット５１５である場合に、もしも撮像ユニット５１５の位置や姿勢が安定しないと、表示装置５５０の表示画面に表示される撮影画像が安定せず、ユーザに不快感を与えかねない。特に、ロボットアーム装置５１０が手術に用いられる際には、先端ユニットとして２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、当該ステレオカメラによる撮影画像に基づいて生成される３次元画像（３Ｄ画像）が表示装置５５０に表示される使用方法が想定され得る。このように３Ｄ画像が表示される場合に、当該ステレオカメラの位置や姿勢が不安定であると、ユーザのいわゆる３Ｄ酔いを誘発する可能性がある。また、手術を行う部位や手術の内容によっては、撮像ユニット５１５によって撮影される観察範囲はφ１５ｍｍ程度にまで拡大されることがある。このように撮像ユニット５１５が狭い範囲を拡大して撮影している場合には、撮像ユニット５１５の僅かな振動が撮像画像の大きな揺れやブレとなって表れる。従って、アーム部５１２及び撮像ユニット５１５の駆動制御には、許容範囲１ｍｍ程度の高い位置決め精度が要求される。このように、アーム部５１２の駆動制御においては、高精度の応答性と高い位置決め精度が求められる。
【００３４】
本発明者らは、上記の３つの性能の観点から、一般的な既存のバランス型アームや位置制御によるロボットアーム装置について検討を行った。
【００３５】
まず、１点目の手術の作業空間の確保に関しては、一般的なバランス型アームでは、通常、アーム部を移動させた際の力の均衡を取るためのカウンターバランス用ウェイト（カウンターウェイト又はバランサーとも呼称する。）がベース部の内部等に設けられるため、バランス型アームの装置の大きさを小型化することが難しく、当該性能を満たしているとは言い難い。
【００３６】
また、２点目の高い操作性に関しては、一般的なバランス型アームでは、アーム部の駆動の一部のみ、例えば撮像ユニットを平面上（２次元上）で移動させるための２軸の駆動のみが電動駆動となっており、アーム部及び撮像ユニットの移動には手動による位置決めが必要となるため、高い操作性が実現できるとは言い難い。また、一般的な位置制御によるロボットアーム装置において、アーム部の駆動の制御、すなわち撮像ユニットの位置及び姿勢の制御に用いられる位置制御は、外力に柔軟に応じることが困難であるため、俗に「硬い制御」と呼ばれることがあり、要求されているようなユーザの直感に合った操作性を実現するには適していない。
【００３７】
また、３点目のアーム部の駆動制御における安定性に関しては、一般的に、アーム部の関節部には、摩擦や慣性等のモデル化することが困難な因子が存在する。一般的なバランス型アームや位置制御によるロボットアーム装置においては、関節部の駆動制御においてこれらの因子が外乱となって表れてしまうことにより、理論上適切な制御値（例えば関節部のモータに印加する電流値）を与えた場合であっても所望の駆動（例えば関節部のモータにおける所望の角度の回転）が実現しないことがあり、要求されているようなアーム部の駆動制御における高い安定性を実現することは困難である。
【００３８】
以上説明したように、本発明者らは、医療用に用いられるロボットアーム装置について検討した結果、ロボットアーム装置に関して、上述したような３点の性能に対する要求が存在するとの知見を得た。しかしながら、一般的な既存のバランス型アームや位置制御によるロボットアーム装置では、これらの性能を満たすことは困難であると考えられる。本発明者らは、上述した３点の性能を満たす構成について検討した結果、本開示に係るロボットアーム装置、ロボットアーム制御システム、ロボットアーム制御方法及びプログラムに想到した。以下では、本発明者らが想到した構成における好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００３９】
＜２．本開示の一実施形態＞
以下では、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムについて説明する。本実施形態に係るロボットアーム制御システムにおいては、ロボットアーム装置に設けられる複数の関節部の駆動を、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により制御する。更に、外乱の影響を補正することにより指令値に対する理想的な応答を実現する理想関節制御を当該関節部の駆動制御に適用する。
【００４０】
以下の本実施形態の説明では、まず、［２−１．ロボットアーム装置の外観］で、本実施形態に係るロボットアーム装置の外観を示すとともに、ロボットアーム装置の概略構成について説明する。次いで、［２−２．一般化逆動力学について］及び［２−３．理想関節制御について］で、本実施形態に係るロボットアーム装置の制御に用いられる一般化逆動力学と理想関節制御の概要について説明する。次いで、［２−４．ロボットアーム制御システムの構成］で、本実施形態に係るロボットアーム装置を制御するためのシステムの構成について機能ブロック図を用いて説明する。最後に、［２−５．運動目的の具体例］で、本実施形態に係るロボットアーム装置における、一般化逆動力学を用いた全身協調制御の具体例について説明する。
【００４１】
なお、以下の説明では、本開示の一実施形態として、ロボットアーム装置のアーム部の先端ユニットが撮像ユニットであり、図１に示すように手術時に当該撮像ユニットによって施術部位を撮影する場合について説明するが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態に係るロボットアーム制御システムは、他の先端ユニットを有するロボットアーム装置が他の用途に用いられる場合であっても適用可能である。
【００４２】
［２−１．ロボットアーム装置の外観］
まず、図２を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置の概略構成について説明する。図２は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置の外観を示す概略図である。
【００４３】
図２を参照すると、本実施形態に係るロボットアーム装置４００は、ベース部４１０及びアーム部４２０を備える。ベース部４１０はロボットアーム装置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２には図示しないが、ベース部４１０内には、ロボットアーム装置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（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の各種の信号処理回路によって構成される。
【００４４】
アーム部４２０は、複数の関節部４２１ａ〜４２１ｆと、関節部４２１ａ〜４２１ｆによって互いに連結される複数のリンク４２２ａ〜４２２ｃと、アーム部４２０の先端に設けられる撮像ユニット４２３を有する。
【００４５】
リンク４２２ａ〜４２２ｃは棒状の部材であり、リンク４２２ａの一端が関節部４２１ａを介してベース部４１０と連結され、リンク４２２ａの他端が関節部４２１ｂを介してリンク４２２ｂの一端と連結され、更に、リンク４２２ｂの他端が関節部４２１ｃ、４２１ｄを介してリンク４２２ｃの一端と連結される。更に、撮像ユニット４２３が、アーム部４２０の先端、すなわち、リンク４２２ｃの他端に、関節部４２１ｅ、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〜４２２ｃの端同士が、関節部４２１ａ〜４２１ｆ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。
【００４６】
撮像ユニット４２３は撮影対象の画像を取得するユニットであり、例えば動画、静止画を撮影するカメラ等である。アーム部４２０の駆動が制御されることにより、撮像ユニット４２３の位置及び姿勢が制御される。本実施形態においては、撮像ユニット４２３は、例えば施術部位である患者の体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撮像ユニット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、本実施形態に係るロボットアーム装置４００は、医療用器具を備えた医療用ロボットアーム装置であると言える。
【００４７】
ここで、以下では、図２に示すように座標軸を定義してロボットアーム装置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に対して撮像ユニット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。更に、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。
【００４８】
関節部４２１ａ〜４２１ｆはリンク４２２ａ〜４２２ｃを互いに回動可能に連結する。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、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、下記［２−２．一般化逆動力学について］で後述する全身協調制御及び下記［２−３．理想関節制御について］で後述する理想関節制御によってその駆動が制御される。また、上述したように、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆは回転機構を有するため、以下の説明において、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御とは、具体的には、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度及び／又は発生トルク（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。
【００４９】
本実施形態に係るロボットアーム装置４００は、６つの関節部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。具体的には、図２に示すように、関節部４２１ａ、４２１ｄ、４２１ｆは、接続されている各リンク４２２ａ〜４２２ｃの長軸方向及び接続されている撮像ユニット４７３の撮影方向を回転軸方向とするように設けられており、関節部４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｅは、接続されている各リンク４２２ａ〜４２２ｃ及び撮像ユニット４７３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、関節部４２１ａ、４２１ｄ、４２１ｆは、いわゆるヨーイングを行う機能を有し、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。
【００５０】
このようなアーム部４２０の構成を有することにより、本実施形態に係るロボットアーム装置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撮像ユニット４２３を自由に移動させることができる。図２では、撮像ユニット４２３の移動可能範囲の一例として半球を図示している。半球の中心点が撮像ユニット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、撮像ユニット４２３の撮影中心を半球の中心点に固定した状態で、撮像ユニット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。
【００５１】
ここで、図３を参照して、図２に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成についてより詳細に説明する。なお、ここでは、図３を参照して、関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成のうち、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の構成について説明する。
【００５２】
図３は、本開示の一実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータを、回転軸を通る断面で切断した様子を模式的に示す断面図である。なお、図３では、関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成のうち、アクチュエータのみを図示しているが、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、他の構成を有してもよい。例えば、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、図３に図示する構成以外にも、アクチュエータの駆動を制御するための制御部や、リンク４２２ａ〜４２２ｃ及び撮像ユニット４２３を接続、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。なお、ここまでの説明及び以下の説明において、アーム部の関節部の駆動とは、関節部におけるアクチュエータの駆動を意味していてもよい。
【００５３】
なお、上述したように、本実施形態においては、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、下記［２−３．理想関節制御について］で後述する理想関節制御によってその駆動が制御される。従って、図３に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、理想関節制御に対応した駆動を行えるように構成されている。具体的には、関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、当該関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転角度及び回転駆動に伴うトルクを調整できるように構成されている。また、関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、回転運動に対する粘性抵抗係数を任意に調整できるように構成されており、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい（すなわち、アーム部４２０を手動で移動しやすい）状態や回転し難い（すなわち、アーム部４２０を手動で移動し難い）状態を実現することができる。
【００５４】
図３を参照すると、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ４３０は、モータ４２４、モータドライバ４２５、減速機４２６、エンコーダ４２７、トルクセンサ４２８及び駆動軸４２９を有する。図３に示すように、エンコーダ４２７、モータ４２４、減速機４２６及びトルクセンサ４２８は、駆動軸４２９に対して直列にこの順で連結される。
【００５５】
モータ４２４は、アクチュエータ４３０における原動機であり、駆動軸４２９をその軸周りに回転させる。例えば、モータ４２４は、ブラシレスＤＣモータ等の電動モータである。本実施形態においては、モータ４２４は電流を供給されることによってその回転駆動が制御される。
【００５６】
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。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、上述したようなアクチュエータ４３０の回転運動に対する粘性抵抗係数を調整することができる。
【００５７】
減速機４２６は、駆動軸４２９に接続され、モータ４２４によって生じた駆動軸４２９の回転速度を所定の減速比で減速することにより、所定の値を有する回転駆動力（すなわち、トルク）を発生させる。減速機４２６には、バックラッシレス型の高性能減速機が用いられる。例えば、減速機４２６は、ハーモニックドライブ（登録商標）であってもよい。減速機４２６によって生成されたトルクは、減速機４２６の出力軸に接続されたトルクセンサ４２８を介して、後段の出力部材（図示せず。例えばリンク４２２ａ〜４２２ｃや撮像ユニット４２３等の連結部材）に伝達される。
【００５８】
エンコーダ４２７は、駆動軸４２９に接続され、駆動軸４２９の回転数を検出する。エンコーダによって検出された駆動軸４２９の回転数と、減速機４２６の減速比との関係に基づいて、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。
【００５９】
トルクセンサ４２８は、減速機４２６の出力軸に接続され、減速機４２６によって生成されたトルク、すなわち、アクチュエータ４３０によって出力されるトルクを検出する。以下の説明では、アクチュエータ４３０によって出力されるトルクのことを単に発生トルクとも呼称する。
【００６０】
このように、アクチュエータ４３０においては、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の回転数を調整することがでる。ここで、減速機４２６における減速比は、ロボットアーム装置４００の用途に応じて適宜設定可能であってよい。従って、減速機４２６の減速比に応じて、モータ４２４の回転数を適宜調整することにより、発生トルクを制御することができる。また、アクチュエータ４３０においては、エンコーダ４２７によって検出された駆動軸４２９の回転数に基づいて、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、トルクセンサ４２８によって、関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける発生トルクを検出することができる。
【００６１】
また、トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０による発生トルクだけでなく、外部から加えられる外トルクも検出することができる。従って、トルクセンサ４２８によって検出された外トルクに基づいて、モータドライバ４２５がモータ４２４に供給する電流量を調整することにより、上述したような回転運動に対する粘性抵抗係数を調整することができ、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい状態や回転し難い状態を実現することができる。
【００６２】
ここで、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、トルクセンサ４２８の構成について詳細に説明する。図４Ａは、図３に示すトルクセンサ４２８を、駆動軸４２９の軸方向から見た様子を模式的に示す概略図である。
【００６３】
図４Ａを参照すると、トルクセンサ４２８は、外輪部４３１、内輪部４３２、梁部４３３ａ〜４３３ｄ及び歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄを有する。図４Ａに示すように、外輪部４３１及び内輪部４３２は同心円状に配置される。本実施形態では、内輪部４３２が入力側、すなわち、減速機４２６からの出力軸と接続され、外輪部４３１が出力側、すなわち、後段の出力部材（図示せず。）と接続される。
【００６４】
４本の梁部４３３ａ〜４３３ｄは、同心円状に配置された外輪部４３１と内輪部４３２との間に配設され、外輪部４３１と内輪部４３２とを互いに接続する。図４Ａに示すように、梁部４３３ａ〜４３３ｄは、隣り合う梁部４３３ａ〜４３３ｄ同士が互いに９０度の角度となるように、外輪部４３１と内輪部４３２との間に介設される。
【００６５】
梁部４３３ａ〜４３３ｄのうち、互いに向かい合う、すなわち、互いに１８０度の角度で設けられる２本には、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄが設けられる。歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄによって検出された梁部４３３ａ〜４３３ｄの変形量に基づいて、アクチュエータ４３０の発生トルク及び外トルクを検出することができる。
【００６６】
図４Ａに示す例では、梁部４３３ａ〜４３３ｄのうち、梁部４３３ａに歪み検出素子４３４ａ、４３４ｂが、梁部４３３ｃに歪み検出素子４３４ｃ、４３４ｄが設けられる。また、歪み検出素子４３４ａ、４３４ｂは梁部４３３ａを挟むように設けられ、歪み検出素子４３４ｃ、４３４ｄは梁部４３３ｃを挟むように設けられる。例えば、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄは歪みゲージであり、梁部４３３ａ、４３３ｃの表面に貼り付けられることにより、梁部４３３ａ、４３３ｃの幾何的な変形量を電気抵抗の変化に基づいて検出する。図４Ａに示すように４ヶ所に歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄが設けられることにより、検出素子４３４ａ〜４３４ｄがいわゆるホイートストンブリッジを構成する。従って、いわゆる４ゲージ法を用いて歪みを検出することができるため、歪みを検出する軸以外の他軸の干渉や駆動軸４２９の偏心、温度ドリフト等の影響を低減することができる。
【００６７】
このように、梁部４３３ａ〜４３３ｄは、歪みを検出するための起歪体の役割を果たす。なお、本実施形態に係る歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄの種類は歪みゲージに限定されず、他の素子が用いられてもよい。例えば、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄは、磁気特性の変化に基づいて梁部４３３ａ〜４３３ｄの変形量を検出する素子であってもよい。
【００６８】
また、図３及び図４Ａには図示しないが、トルクセンサ４２８による発生トルク及び外トルクの検出精度を向上させるために、以下に示す構成が適用されてもよい。例えば、梁部４３３ａ〜４３３ｄの外輪部４３１と接続する部位を他の部位よりも薄肉化することにより、支持モーメントが解放されるため、検出される変形量の線形性が向上されるとともにラジアル荷重による影響が低減される。また、外輪部４３１及び内輪部４３２をともにベアリングを介してハウジングで支持することにより、入力軸及び出力軸の双方からの他軸力、モーメントの作用を排除することができる。また、外輪部４３１に作用する他軸モーメントを低減するために、図３に示すアクチュエータ４３０の他端、すなわちエンコーダ４２７が配設される部位に両持ち支持用ベアリングが配設されてもよい。
【００６９】
以上、図４Ａを参照して、トルクセンサ４２８の構成について説明した。以上説明したように、図４Ａに示すトルクセンサ４２８の構成により、アクチュエータ４３０の発生トルク及び外トルクの検出において、高精度な検出が可能となる。
【００７０】
ここで、本実施形態においては、トルクセンサ４２８の構成は図４Ａに示す構成に限定されず、他の構成であってもよい。アクチュエータ４３０に適用されるトルクセンサについて、トルクセンサ４２８以外の他の構成の一例を、図４Ｂを参照して説明する。
【００７１】
図４Ｂは、図３に示すアクチュエータ４３０に適用されるトルクセンサの他の構成例を示す概略図である。図４Ｂを参照すると、本変形例に係るトルクセンサ４２８ａは、外輪部４４１、内輪部４４２、梁部４４３ａ〜４４３ｄ及び歪み検出素子４４４ａ〜４４４ｄを有する。なお、図４Ｂでは、図４Ａと同様、トルクセンサ４２８ａを駆動軸４２９の軸方向から見た様子を模式的に示している。
【００７２】
トルクセンサ４２８ａにおいて、外輪部４４１、内輪部４４２、梁部４４３ａ〜４４３ｄ及び歪み検出素子４４４ａ〜４４４ｄの機能及び構成は、図４Ａを参照して説明したトルクセンサ４２８の外輪部４３１、内輪部４３２、梁部４３３ａ〜４３３ｄ及び歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄの機能及び構成とほぼ同様である。本変形例に係るトルクセンサ４２８ａは、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との接続部分の構成が異なる。従って、図４Ｂに示すトルクセンサ４２８ａについては、図４Ａに示すトルクセンサ４２８との相違点である梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との接続部位の構成について主に説明を行い、重複する構成については説明を省略する。
【００７３】
図４Ｂを参照すると、トルクセンサ４２８ａの全体図と併せて、梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位が拡大して図示されている。なお、図４Ｂでは、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との４ヶ所の接続部位のうちの１ヶ所である梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位のみを拡大して図示しているが、他の３ヶ所である梁部４４３ａ、４４３ｃ、４４３ｄと外輪部４４１との接続部位も同様の構成を有している。
【００７４】
図４Ｂにおける拡大図を参照すると、梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位においては、外輪部４４１に係合凹部が設けられており、梁部４４３ｂの先端が係合凹部に係合されることにより両者が接続される。また、当該梁部４４３ｂと外輪部４４１との間には、間隙Ｇ１、Ｇ２が設けられる。間隙Ｇ１は梁部４４３ｂが外輪部４４１に向かって延伸する方向における両者の間隙を表しており、間隙Ｇ２は当該方向とは直交する方向における両者の間隙を表している。
【００７５】
このように、トルクセンサ４２８ａにおいては、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１とが、所定の間隙Ｇ１、Ｇ２を有して分離して配設される。すなわち、トルクセンサ４２８ａにおいては、外輪部４４１と内輪部４４２とが分離している。従って、内輪部４４２が外輪部４４１に対して拘束されず動きの自由度を有するため、例えばアクチュエータ４３０の駆動に際して振動が生じたとしても、振動による歪み成分を内輪部４４２と外輪部４４１との間の空隙Ｇ１、Ｇ２によって吸収することができる。よって、トルクセンサ４２８ａをアクチュエータ４３０のトルクセンサとして適用することにより、より高精度な発生トルク及び外トルクの検出が実現される。
【００７６】
なお、図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すような、理想関節制御に対応するアクチュエータ４３０の構成については、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９−２６９１０２号公報や特開２０１１−２０９０９９号公報を参照することができる。
【００７７】
以上、図２、図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、本実施形態に係るロボットアーム装置４００の概略構成について説明した。次に、本実施形態に係るロボットアーム装置４００におけるアーム部４２０の駆動、すなわち、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御について説明する。
【００７８】
［２−２．一般化逆動力学について］
次に、本実施形態におけるロボットアーム装置４００の全身協調制御に用いられる一般化逆動力学の概要について説明する。
【００７９】
一般化逆動力学は、複数のリンクが複数の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２に示すアーム部４２０）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、複数の当該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。
【００８０】
操作空間は、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。
【００８１】
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り、例えば、駆動制御によって達成したい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である。
【００８２】
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。
【００８３】
一般化動力学においては、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。なお、以下の仮想力算出処理、実在力算出処理及び後述する理想関節制御の説明においては、理解を簡単にするために、具体例として、図２及び図３に示した本実施形態に係るロボットアーム装置４００のアーム部４２０の構成を例に挙げて説明を行う場合がある。
【００８４】
（２−２−１．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の時間微分値とヤコビアンＪとを用いて、以下の数式（１）で定義される。
【００８５】
【数１】
2018057934.tif 000003
【００８６】
本実施形態では、例えば、ｑはアーム部４２０の関節部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。
【００８７】
【数２】
2018057934.tif 000004
【００８８】
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。
【００８９】
【数３】
2018057934.tif 000005
【００９０】
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４２１ａ〜４２１ｆ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。
【００９１】
一般化逆動力学においては、操作空間ｘに関する位置、速度の運動目的は、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、運動目的とし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。
【００９２】
【数４】
2018057934.tif 000006
【００９３】
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。
【００９４】
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（例えば、アーム部４２０及び関節部４２１ａ〜４２１ｆ）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。
【００９５】
ここで、運動目的の設定例として、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。
【００９６】
【数５】
2018057934.tif 000007
【００９７】
また、上述したように、操作空間ｘの位置、速度に関する運動目的は、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）。
【００９８】
【数６】
2018057934.tif 000008
【００９９】
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）に関する運動目的を設定することもできる。なお、競合する運動目的間には優先度を与える必要がある。優先度毎かつ低優先度から順に上記ＬＣＰを解き、前段のＬＣＰで得られた仮想力を次段のＬＣＰの既知外力として作用させることができる。
【０１００】
（２−２−２．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（２−２−１．仮想力決定プロセス）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。
【０１０１】
【数７】
2018057934.tif 000009
【０１０２】
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、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、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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
【数８】
2018057934.tif 000010
【０１０５】
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、外力に関する拘束条件を表現するのに用いられる。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。
【０１０６】
【数９】
2018057934.tif 000011
【０１０７】
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。
【０１０８】
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を得ることができる。
【０１０９】
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。
【０１１０】
【数１０】
2018057934.tif 000012
【０１１１】
以上、本実施形態に係る一般化逆動力学を用いた全身協調制御について説明した。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を関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動における理論モデルに反映することにより、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る。
【０１１２】
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号公報を参照することができる。
【０１１３】
［２−３．理想関節制御について］
次に、本実施形態に係る理想関節制御について説明する。各関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動は、下記数式（１２）の二次遅れ系の運動方程式によってモデル化される。
【０１１４】
【数１１】
2018057934.tif 000013
【０１１５】
ここで、Ｉａは関節部における慣性モーメント（イナーシャ）、τａは関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルク、τｅは外部から各関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用する外トルク、νａは各関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける粘性抵抗係数である。上記数式（１２）は、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とも言える。
【０１１６】
上記［２−２．一般化逆動力学について］で説明したように、一般化逆動力学を用いた演算により、運動目的及び拘束条件を用いて、当該運動目的を実現するために各関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用させるべき実在力であるτａを算出することができる。従って、理想的には、算出された各τａを上記数式（１２）に適用することにより、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、所望の運動目的が達成されるはずである。
【０１１７】
しかし、実際には、様々な外乱の影響により、関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動と上記数式（１２）に示すような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、関節部４２１ａ〜４２１ｆ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。
【０１１８】
一方、後者の関節部４２１ａ〜４２１ｆ内部の摩擦や慣性等に起因するモデル化誤差は、例えば関節部４２１ａ〜４２１ｆの減速機４２６における摩擦等、モデル化が困難な現象に起因しており、理論モデル構築時に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、実際の関節部４２１ａ〜４２１ｆにおけるこれらの値との間に誤差が生じている可能性がある。これらのモデル化が困難な誤差は、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御において外乱となり得る。従って、このような外乱の影響により、実際には、関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動は、上記数式（１２）に示す理論モデル通りには応答しない場合がある。よって、一般化逆動力学によって算出された関節力である実在力τａを適用しても、制御目標である運動目的が達成されない場合が生じる。本実施形態では、各関節部４２１ａ〜４２１ｆ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、関節部４２１ａ〜４２１ｆの応答を補正することを考える。具体的には、本実施形態では、関節部４２１ａ〜４２１ｆのトルクセンサ４２８、４２８ａを用いた摩擦補償型のトルク制御を行うに留まらず、要求される発生トルクτａ、外トルクτｅに対して、イナーシャＩａ及び粘性抵抗係数νａに至るまで理論値に従った理想応答を行うことが可能となる。
【０１１９】
本実施形態では、このように、ロボットアーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆが上記数式（１２）に示すような、理論モデルに基づいた理想的な応答を行うように関節部の駆動を制御することを、理想関節制御と呼称する。ここで、以下の説明では、当該理想関節制御によって駆動が制御されるアクチュエータのことを、理想的な応答が行われることから仮想アクチュエータ（ＶＡ：Ｖｉｒｔｕａｌｉｚｅｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）とも呼称する。以下、図５を参照して、本実施形態に係る理想関節制御について説明する。
【０１２０】
図５は、本開示の一実施形態に係る理想関節制御について説明するための説明図である。なお、図５では、理想関節制御に係る各種の演算を行う概念上の演算器をブロックで模式的に図示している。
【０１２１】
図５を参照すると、アクチュエータ６１０は、図３に示すアクチュエータ４３０の機構を模式的に表しており、モータ（Ｍｏｔｏｒ）６１１、減速機（Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｇｅａｒ）６１２、エンコーダ（Ｅｎｃｏｄｅｒ）６１３及びトルクセンサ（Ｔｏｒｑｕｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）６１４は、それぞれ、図３に示すモータ４２４、減速機４２６、エンコーダ４２７及びトルクセンサ４２８（又は図４Ｂに示すトルクセンサ４２８ａ）に対応している。
【０１２２】
ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（１２）で表される理論モデルに従った応答を行なうことは、上記数式（１２）の右辺が与えられたときに、左辺の回転角加速度が達成されることに他ならない。また、上記数式（１２）に示すように、理論モデルには、アクチュエータ６１０に作用する外トルク項τｅが含まれている。本実施形態では、理想関節制御を行うために、トルクセンサ６１４によって外トルクτｅを測定する。また、エンコーダ６１３によって測定されたアクチュエータ６１０の回転角度ｑに基づいて外乱に起因するトルクの推定値である外乱推定値τｄを算出するために、外乱オブザーバ６２０を適用する。
【０１２３】
ブロック６３１は、上記数式（１２）に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆの理想的な関節モデル（Ｉｄｅａｌ  Ｊｏｉｎｔ  Ｍｏｄｅｌ）に従った演算を行う演算器を表している。ブロック６３１は、発生トルクτａ、外トルクτｅ、回転角速度（回転角度ｑの１階微分）を入力として、上記数式（１２）の左辺に示す回転角加速度目標値（回転角目標値ｑｒｅｆの２階微分）を出力することができる。
【０１２４】
本実施形態では、上記［２−２．一般化逆動力学について］で説明した方法によって算出された発生トルクτａと、トルクセンサ６１４によって測定された外トルクτｅが、ブロック６３１に入力される。一方、微分演算を行う演算器を表すブロック６３２に、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑが入力されることにより、回転角速度（回転角度ｑの１階微分）が算出される。上記発生トルクτａ及び外トルクτｅに加えて、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３１に入力されることにより、ブロック６３１によって回転角加速度目標値が算出される。算出された回転角加速度目標値は、ブロック６３３に入力される。
【０１２５】
ブロック６３３は、アクチュエータ６１０の回転角加速度に基づいてアクチュエータ６１０に生じるトルクを算出する演算器を表す。本実施形態においては、具体的には、ブロック６３３は、回転角加速度目標値にアクチュエータ６１０における公称イナーシャ（ノミナルイナーシャ）Ｊｎを乗じることにより、トルク目標値τｒｅｆを得ることができる。理想の応答においては、アクチュエータ６１０に当該トルク目標値τｒｅｆを生じさせることにより、所望の運動目的が達成されるはずであるが、上述したように、実際の応答には外乱等の影響が生じる場合がある。従って、本実施形態においては、外乱オブザーバ６２０によって外乱推定値τｄを算出し、外乱推定値τｄを用いて当該トルク目標値τｒｅｆを補正する。
【０１２６】
外乱オブザーバ６２０の構成について説明する。図５に示すように、外乱オブザーバ６２０は、トルク指令値τと、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τｄを算出する。ここで、トルク指令値τは、外乱の影響が補正された後の、最終的にアクチュエータ６１０に生じさせるトルク値である。例えば、外乱推定値τｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τｒｅｆとなる。
【０１２７】
外乱オブザーバ６２０は、ブロック６３４とブロック６３５とから構成される。ブロック６３４は、アクチュエータ６１０の回転角速度に基づいてアクチュエータ６１０に生じるトルクを算出する演算器を表す。本実施形態においては、具体的には、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３４に入力される。ブロック６３４は、伝達関数Ｊｎｓによって表される演算を行うことにより、すなわち、当該回転角速度を微分することにより回転角加速度を求め、更に算出された回転角加速度にノミナルイナーシャＪｎを乗じることにより、実際にアクチュエータ６１０に作用しているトルクの推定値（トルク推定値）を算出することができる。
【０１２８】
外乱オブザーバ６２０内では、当該トルク推定値とトルク指令値τとの差分が取られることにより、外乱によるトルクの値である外乱推定値τｄが推定される。具体的には、外乱推定値τｄは、前周の制御におけるトルク指令値τと、今回の制御におけるトルク推定値との差分であってよい。ブロック６３４によって算出されるトルク推定値は実際の測定値に基づくものであり、ブロック６３３によって算出されたトルク指令値τはブロック６３１に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆの理想的な理論モデルに基づくものであるため、両者の差分を取ることによって、上記理論モデルでは考慮されていない外乱の影響を推定することができるのである。
【０１２９】
また、外乱オブザーバ６２０には、系の発散を防ぐために、ブロック６３５に示すローパスフィルター（ＬＰＦ：Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）が設けられる。ブロック６３５は、伝達関数ｇ／（ｓ＋ｇ）で表される演算を行うことにより、入力された値に対して低周波成分のみを出力し、系を安定化させる。本実施形態では、ブロック６３４によって算出されたトルク推定値とトルク指令値τｒｅｆとの差分値は、ブロック６３５に入力され、その低周波成分が外乱推定値τｄとして算出される。
【０１３０】
本実施形態では、トルク目標値τｒｅｆに外乱オブザーバ６２０によって算出された外乱推定値τｄを加算するフィードフォワード制御が行われることにより、最終的にアクチュエータ６１０に生じさせるトルク値であるトルク指令値τが算出される。そして、トルク指令値τに基づいてアクチュエータ６１０が駆動される。具体的には、トルク指令値τが対応する電流値（電流指令値）に変換され、当該電流指令値がモータ６１１に印加されることにより、アクチュエータ６１０が駆動される。
【０１３１】
以上、図５を参照して説明した構成を取ることにより、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御においては、摩擦等の外乱成分があった場合であっても、アクチュエータ６１０の応答を目標値に追従させることが可能となる。また、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御について、理論モデルが仮定するイナーシャＩａ及び粘性抵抗係数νａに従った理想応答を行うことが可能となる。
【０１３２】
なお、以上説明した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号公報を参照することができる。
【０１３３】
以上、本実施形態において用いられる一般化逆動力学について説明するとともに、図５を参照して本実施形態に係る理想関節制御について説明した。以上説明したように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いることにより、アーム部４２０の運動目的を達成するための各関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動パラメータ（例えば関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルク値）を、拘束条件を考慮して算出する、全身協調制御が行われる。また、図５を参照して説明したように、本実施形態においては、上記一般化逆動力学を用いた全身協調制御により算出された発生トルク値に対して外乱の影響を考慮した補正を行うことにより、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御において理論モデルに基づいた理想的な応答を実現する、理想関節制御が行われる。従って、本実施形態においては、アーム部４２０の駆動について、運動目的を達成する高精度な駆動制御が可能となる。
【０１３４】
［２−４．ロボットアーム制御システムの構成］
次に、上記［２−２．一般化逆動力学について］及び上記［２−３．理想関節制御について］で説明した全身協調制御や理想関節制御がロボットアーム装置の駆動制御に適用された、本実施形態に係るロボットアーム制御システムの構成について説明する。
【０１３５】
図６を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムの一構成例について説明する。図６は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。なお、図６に示すロボットアーム制御システムでは、ロボットアーム装置のアーム部の駆動の制御に関わる構成について主に図示している。
【０１３６】
図６を参照すると、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システム１は、ロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０を備える。本実施形態においては、制御装置２０によって、上記［２−２．一般化逆動力学について］で説明した全身協調制御及び上記［２−３．理想関節制御について］で説明した理想関節制御における各種の演算が行われ、その演算結果に基づいてロボットアーム装置１０のアーム部の駆動が制御される。また、ロボットアーム装置１０のアーム部には後述する撮像部１４０が設けられており、撮像部１４０によって撮影された画像が表示装置３０の表示画面に表示される。以下、ロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の構成について詳細に説明する。
【０１３７】
ロボットアーム装置１０は、複数の関節部と複数のリンクから構成される多リンク構造体であるアーム部を有し、当該アーム部を可動範囲内で駆動させることにより、当該アーム部の先端に設けられる先端ユニットの位置及び姿勢の制御を行う。ロボットアーム装置１０は、図２に示すロボットアーム装置４００に対応している。
【０１３８】
図６を参照すると、ロボットアーム装置１０は、アーム制御部１１０及びアーム部１２０を有する。また、アーム部１２０は、関節部１３０及び撮像部１４０を有する。
【０１３９】
アーム制御部１１０は、ロボットアーム装置１０を統合的に制御するとともに、アーム部１２０の駆動を制御する。アーム制御部１１０は、図２を参照して説明した制御部（図２には図示せず。）に対応している。具体的には、アーム制御部１１０は駆動制御部１１１を有し、駆動制御部１１１からの制御によって関節部１３０の駆動が制御されることにより、アーム部１２０の駆動が制御される。より具体的には、駆動制御部１１１は、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給される電流量を制御することにより、当該モータの回転数を制御し、関節部１３０における回転角度及び発生トルクを制御する。ただし、上述したように、駆動制御部１１１によるアーム部１２０の駆動制御は、制御装置２０における演算結果に基づいて行われる。従って、駆動制御部１１１によって制御される、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給される電流量は、制御装置２０における演算結果に基づいて決定される電流量である。
【０１４０】
アーム部１２０は、複数の関節部と複数のリンクから構成される多リンク構造体であり、アーム制御部１１０からの制御によりその駆動が制御される。アーム部１２０は、図２に示すアーム部４２０に対応している。アーム部１２０は、関節部１３０及び撮像部１４０を有する。なお、アーム部１２０が有する複数の関節部の機能及び構成は互いに同様であるため、図６では、それら複数の関節部を代表して１つの関節部１３０の構成を図示している。
【０１４１】
関節部１３０は、アーム部１２０においてリンク間を互いに回動可能に連結するとともに、アーム制御部１１０からの制御によりその回転駆動が制御されることによりアーム部１２０を駆動する。関節部１３０は、図２に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆに対応している。また、関節部１３０は、アクチュエータを有し、当該アクチュエータの構成は、例えば図３、図４Ａ及び図４Ｂに示す構成と同様である。
【０１４２】
関節部１３０は、関節駆動部１３１及び関節状態検出部１３２を有する。
【０１４３】
関節駆動部１３１は、関節部１３０のアクチュエータにおける駆動機構であり、関節駆動部１３１が駆動することにより関節部１３０が回転駆動する。関節駆動部１３１は、駆動制御部１１１によってその駆動が制御される。例えば、関節駆動部１３１は、図３に示すモータ４２４及びモータドライバ４２５に対応する構成であり、関節駆動部１３１が駆動することは、モータドライバ４２５が駆動制御部１１１からの指令に応じた電流量でモータ４２４を駆動することに対応している。
【０１４４】
関節状態検出部１３２は、関節部１３０の状態を検出する。ここで、関節部１３０の状態とは、関節部１３０の運動の状態を意味していてよい。例えば、関節部１３０の状態には、関節部１３０の回転角度、回転角速度、回転角加速度、発生トルク等の情報が含まれる。本実施形態においては、関節状態検出部１３２は、関節部１３０の回転角度を検出する回転角度検出部１３３及び関節部１３０の発生トルク及び外トルクを検出するトルク検出部１３４を有する。なお、回転角度検出部１３３及びトルク検出部１３４は、図３に示すアクチュエータ４３０のエンコーダ４２７及び図４Ａ及び図４Ｂに示すトルクセンサ４２８、４２８ａに、それぞれ対応している。関節状態検出部１３２は、検出した関節部１３０の状態を制御装置２０に送信する。
【０１４５】
撮像部１４０は、アーム部１２０の先端に設けられる先端ユニットの一例であり、撮影対象の画像を取得する。撮像部１４０は、図２に示す撮像ユニット４２３に対応している。具体的には、撮像部１４０は、撮影対象を動画や静止画の形式で撮影することのできるカメラ等である。より具体的には、撮像部１４０は、２次元上に配列された複数の受光素子を有し、当該受光素子における光電変換により、撮影対象の画像を表す画像信号を取得することができる。撮像部１４０は、取得した画像信号を表示装置３０に送信する。
【０１４６】
なお、図２に示すロボットアーム装置４００において撮像ユニット４２３がアーム部４２０の先端に設けられていたように、ロボットアーム装置１０においても、実際には撮像部１４０がアーム部１２０の先端に設けられている。図６では、撮像部１４０が複数の関節部１３０及び複数のリンクを介して最終段のリンクの先端に設けられる様子を、関節部１３０と撮像部１４０との間にリンクを模式的に図示することにより表現している。
【０１４７】
なお、本実施形態においては、アーム部１２０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得る。当該医療用器具としては、例えば、メスや鉗子等の各種の施術器具や、超音波検査装置の探触子等の各種の検査装置の一ユニット等、施術に際して用いられる各種のユニットが挙げられる。また、本実施形態では、図６に示す撮像部１４０や、内視鏡、顕微鏡等の撮像機能を有するユニットも医療用器具に含まれてよい。このように、本実施形態に係るロボットアーム装置１０は、医療用器具を備えた医療用ロボットアーム装置であると言える。同様に、本実施形態に係るロボットアーム制御システム１は、医療用ロボットアーム制御システムであると言える。なお、アーム部１２０の先端に、２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、撮像対象を３Ｄ画像として表示するように撮影が行われてもよい。
【０１４８】
以上、ロボットアーム装置１０の機能及び構成について説明した。次に、制御装置２０の機能及び構成について説明する。図６を参照すると、制御装置２０は、入力部２１０、記憶部２２０及び制御部２３０を有する。
【０１４９】
制御部２３０は、制御装置２０を統合的に制御するとともに、ロボットアーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動を制御するための各種の演算を行う。具体的には、制御部２３０は、ロボットアーム装置１０のアーム部１２０の駆動を制御するために、全身協調制御及び理想関節制御における各種の演算を行う。以下、制御部２３０の機能及び構成について詳しく説明するが、全身協調制御及び理想関節制御については、上記［２−２．一般化逆動力学について］及び上記［２−３．理想関節制御について］で既に説明しているため、ここでは詳しい説明は省略する。
【０１５０】
制御部２３０は、全身協調制御部２４０及び理想関節制御部２５０を有する。
【０１５１】
全身協調制御部２４０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。本実施形態では、全身協調制御部２４０は、関節状態検出部１３２によって検出された関節部１３０の状態に基づいてアーム部１２０の状態（アーム状態）を取得する。また、全身協調制御部２４０は、当該アーム状態と、アーム部１２０の運動目的及び拘束条件と、に基づいて、操作空間におけるアーム部１２０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１２０に作用する力とアーム部１２０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。
【０１５２】
全身協調制御部２４０は、アーム状態取得部２４１、演算条件設定部２４２、仮想力算出部２４３及び実在力算出部２４４を有する。
【０１５３】
アーム状態取得部２４１は、関節状態検出部１３２によって検出された関節部１３０の状態に基づいて、アーム部１２０の状態（アーム状態）を取得する。ここで、アーム状態とは、アーム部１２０の運動の状態を意味していてよい。例えば、アーム状態には、アーム部１２０の位置、速度、加速度、力等の情報が含まれる。上述したように、関節状態検出部１３２は、関節部１３０の状態として、各関節部１３０における回転角度、回転角速度、回転角加速度、発生トルク等の情報を取得している。また、後述するが、記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶するものであり、本実施形態においては、記憶部２２０には、アーム部１２０に関する各種の情報（アーム情報）、例えばアーム部１２０を構成する関節部１３０及びリンクの数や、リンクと関節部１３０との接続状況、リンクの長さ等の情報が格納されていてよい。アーム状態取得部２４１は、記憶部２２０から当該アーム情報を取得することができる。従って、アーム状態取得部２４１は、関節部１３０の状態とアーム情報とに基づいて、複数の関節部１３０、複数のリンク及び撮像部１４０の空間上の位置（座標）（すなわち、アーム部１２０の形状や撮像部１４０の位置及び姿勢）や、各関節部１３０、リンク及び撮像部１４０に作用している力等の情報をアーム状態として取得することができる。アーム状態取得部２４１は、取得したアーム情報を演算条件設定部２４２に送信する。
【０１５４】
演算条件設定部２４２は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における演算条件を設定する。ここで、演算条件とは、運動目的及び拘束条件であってよい。運動目的は、アーム部１２０の運動に関する各種の情報であってよい。具体的には、運動目的は、撮像部１４０の位置及び姿勢（座標）、速度、加速度並びに力等の目標値であったり、アーム部１２０の複数の関節部１３０及び複数のリンクの位置（座標）、速度、加速度及び力等の目標値であったりしてもよい。また、拘束条件は、アーム部１２０の運動を制限（拘束）する各種の情報であってよい。具体的には、拘束条件は、アーム部の各構成部材が移動不可能な領域の座標や、移動不可能な速度、加速度の値、発生不可能な力の値等であってよい。また、拘束条件における各種の物理量の制限範囲は、アーム部１２０の構造的に実現することが不可能であることから設定されてもよいし、ユーザによって適宜設定されてもよい。また、演算条件設定部２４２は、アーム部１２０の構造についての物理モデル（例えば、アーム部１２０を構成するリンクの数や長さ、リンクの関節部１３０を介した接続状況、関節部１３０の可動範囲等がモデル化されたもの。内部モデルに対応する。）を有し、当該物理モデルに、所望の運動条件及び拘束条件が反映された制御モデルを生成することにより、運動条件及び拘束条件を設定してもよい。
【０１５５】
本実施形態においては、運動目的及び拘束条件を適切に設定することにより、アーム部１２０に所望の動作を行わせることが可能となる。例えば、運動目的として、撮像部１４０の位置の目標値を設定することにより撮像部１４０をその目標の位置に移動させることはもちろんのこと、アーム部１２０が空間上の所定の領域内に侵入しないようにする等、拘束条件によって移動の制約を設けてアーム部１２０を駆動させることも可能である。
【０１５６】
運動目的の具体例として、例えば、運動目的は、撮像部１４０の撮影方向が施術部位に固定された状態で、撮像部１４０が施術部位を頂点とした円錐の面内を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である、ピボット動作であってもよい。また、当該ピボット動作においては、撮像部１４０と円錐の頂点に当たる点との距離が一定に保たれた状態で旋回動作が行われてもよい。このようなピボット動作を行うことにより、観察部位を等距離からかつ異なる角度から観察できるようになるため、手術を行うユーザの利便性を向上させることができる。
【０１５７】
また、他の具体例として、運動目的は、各関節部１３０における発生トルクを制御する内容であってもよい。具体的には、運動目的は、アーム部１２０に作用する重力を打ち消すように関節部１３０の状態を制御するとともに、更に外部から与えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするように関節部１３０の状態を制御するパワーアシスト動作であってもよい。より具体的には、パワーアシスト動作においては、アーム部１２０の各関節部１３０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関節部１３０に生じさせるように各関節部１３０の駆動が制御されることにより、アーム部１２０の位置及び姿勢が所定の状態で保持される。この状態で更に外部から（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関節部１３０に生じさせるように各関節部１３０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１２０を動かす場合に、ユーザはより小さい力でアーム部１２０を移動させることができるため、あたかも無重力下でアーム部１２０を動かしているような感覚をユーザに対して与えることができる。また、上述したピボット動作と当該パワーアシスト動作とを組み合わせることも可能である。
【０１５８】
ここで、本実施形態において、運動目的とは、全身協調制御において実現されるアーム部１２０の動作（運動）を意味していてもよいし、当該動作における瞬時的な運動目的（すなわち、運動目的における目標値）を意味していてもよい。例えば上記のピボット動作であれば、撮像部１４０がピボット動作を行うこと自体が運動目的であるが、ピボット動作を行っている最中においては、当該ピボット動作における円錐面内での撮像部１４０の位置や速度等の値が、瞬時的な運動目的（当該運動目的における目標値）として設定されている。また例えば上記のパワーアシスト動作であれば、外部から加えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするパワーアシスト動作を行うこと自体が運動目的であるが、パワーアシスト動作を行っている最中においては、各関節部１３０に加えられる外トルクと同じ方向への発生トルクの値が、瞬時的な運動目的（当該運動目的における目標値）として設定されている。本実施形態における運動目的は、瞬時的な運動目的（例えばある時間におけるアーム部１２０の各構成部材の位置や速度、力等の目標値）と、瞬時的な運動目的が連続的に達成された結果、経時的に実現されるアーム部１２０の各構成部材の動作の、双方を含む概念である。全身協調制御部２４０における全身協調制御のための演算における各ステップでは瞬時的な運動目的がその都度設定され、当該演算が繰り返し行われることにより、最終的に所望の運動目的が達成される。
【０１５９】
なお、本実施形態においては、運動目的が設定される際に、各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数も適宜設定されてよい。上述したように、本実施形態に係る関節部１３０は、アクチュエータ４３０の回転運動における粘性抵抗係数を適宜調整できるように構成される。従って、運動目的の設定に際して各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数も設定することにより、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい状態や回転し難い状態を実現することができる。例えば上述したパワーアシスト動作であれば、関節部１３０における粘性抵抗係数が小さく設定されることにより、ユーザがアーム部１２０を移動させる際に要する力がより小さくてよく、ユーザに与えられる無重力感がより助長される。このように、各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数は、運動目的の内容に応じて適宜設定されてよい。
【０１６０】
なお、運動目的の具体例については、下記［２−５．運動目的の具体例］で改めて詳しく説明する。
【０１６１】
ここで、本実施形態においては、後述するように、記憶部２２０には、全身協調制御に関する演算において用いられる運動目的や拘束条件等の演算条件に関するパラメータが格納されていてもよい。演算条件設定部２４２は、記憶部２２０に記憶されている拘束条件を、全身協調制御の演算に用いる拘束条件として設定することができる。
【０１６２】
また、本実施形態においては、演算条件設定部２４２は、複数の方法によって運動目的を設定することができる。例えば、演算条件設定部２４２は、アーム状態取得部２４１から送信されるアーム状態に基づいて運動目的を設定してもよい。上述したように、アーム状態には、アーム部１２０の位置の情報やアーム部１２０に対して作用する力の情報が含まれる。従って、例えばユーザがアーム部１２０を手動で移動させようとしている場合には、アーム状態取得部２４１によって、ユーザがアーム部１２０をどのように移動させようとしているか、に関する情報もアーム状態として取得される。従って、演算条件設定部２４２は、取得されたアーム状態に基づいて、ユーザがアーム部１２０を移動させた位置や速度、力等を瞬時的な運動目的として設定することができる。このように運動目的が設定されることにより、アーム部１２０の駆動は、ユーザによるアーム部１２０の移動を追随し、サポートするように制御される。
【０１６３】
また、例えば、演算条件設定部２４２は、入力部２１０からユーザによって入力される指示に基づいて運動目的を設定してもよい。後述するが、入力部２１０は、ユーザが制御装置２０にロボットアーム装置１０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ーフェースであり、本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、運動目的が設定されてもよい。具体的には、入力部２１０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１２０の各構成部材の位置や速度等が、演算条件設定部２４２によって瞬時的な運動目的として設定されてもよい。
【０１６４】
更に、例えば、演算条件設定部２４２は、記憶部２２０に記憶されている運動目的を、全身協調制御の演算に用いる運動目的として設定してもよい。例えば、空間上の所定の点で撮像部１４０が静止するという運動目的であれば、当該所定の点の座標を運動目的として予め設定することができる。また、例えば、撮像部１４０が空間上において所定の軌跡上を移動するという運動目的であれば、当該所定の軌跡を表す各点の座標を運動目的として予め設定することができる。このように、運動目的が予め設定できるものである場合には、当該運動目的が予め記憶部２２０に記憶されていてもよい。また、例えば上述したピボット動作であれば、運動目的は円錐の面内における位置や速度等を目標値とするものに限られるし、パワーアシスト動作であれば、運動目的は力を目標値とするものに限られる。このように、ピボット動作やパワーアシスト動作のような運動目的が予め設定されている場合には、これらの運動目的における瞬時的な運動目的として設定され得る目標値の範囲や種類等に関する情報が、記憶部２２０に記憶されていてもよい。演算条件設定部２４２は、このような運動目的に関する各種の情報も含めて、運動目的として設定することができる。
【０１６５】
なお、演算条件設定部２４２が、上記のいずれの方法で運動目的を設定するかは、ロボットアーム装置１０の用途等に応じてユーザによって適宜設定可能であってよい。また、演算条件設定部２４２は、また、上記の各方法を適宜組み合わせることにより、運動目的及び拘束条件を設定してもよい。なお、記憶部２２０に格納されている拘束条件の中に運動目的の優先度が設定されていてもよく、複数の互いに異なる運動目的が存在する場合には、演算条件設定部２４２は、当該拘束条件の優先度に応じて運動目的を設定してもよい。演算条件設定部２４２は、アーム状態並びに設定した運動目的及び拘束条件を仮想力算出部２４３に送信する。
【０１６６】
仮想力算出部２４３は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における仮想力を算出する。仮想力算出部２４３が行う仮想力の算出処理は、例えば、上記（２−２−１．仮想力算出処理）で説明した一連の処理であってよい。仮想力算出部２４３は、算出した仮想力ｆｖを実在力算出部２４４に送信する。
【０１６７】
実在力算出部２４４は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における実在力を算出する。実在力算出部２４４が行う実在力の算出処理は、例えば、上記（２−２−２．実在力算出処理）で説明した一連の処理であってよい。実在力算出部２４４は、算出した実在力（発生トルク）τａを理想関節制御部２５０に送信する。なお、本実施形態においては、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτａのことを、全身協調制御における関節部１３０の制御値という意味で、制御値又は制御トルク値とも呼称する。
【０１６８】
理想関節制御部２５０は、理論モデルに基づいた理想的な応答を実現する理想関節制御に関する各種の演算を行う。本実施形態では、理想関節制御部２５０は、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτａに対して外乱の影響を補正することにより、アーム部１２０の理想的な応答を実現するトルク指令値τを算出する。なお、理想関節制御部２５０によって行われる演算処理は、上記［２−３．理想関節制御について］で説明した一連の処理に対応している。
【０１６９】
理想関節制御部２５０は、外乱推定部２５１及び指令値算出部２５２を有する。
【０１７０】
外乱推定部２５１は、トルク指令値τと、回転角度検出部１３３によって検出された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τｄを算出する。なお、ここでいうトルク指令値τは、最終的にロボットアーム装置１０に送信されるアーム部１２０での発生トルクを表す指令値である。このように、外乱推定部２５１は、図５に示す外乱オブザーバ６２０に対応する機能を有する。
【０１７１】
指令値算出部２５２は、外乱推定部２５１によって算出された外乱推定値τｄを用いて、最終的にロボットアーム装置１０に送信されるアーム部１２０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。具体的には、指令値算出部２５２は、上記数式（１２）に示す関節部１３０の理想モデルから算出されるτｒｅｆに外乱推定部２５１によって算出された外乱推定値τｄを加算することにより、トルク指令値τを算出する。例えば、外乱推定値τｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τｒｅｆとなる。このように、指令値算出部２５２の機能は、図５に示す外乱オブザーバ６２０以外の機能に対応している。
【０１７２】
以上説明したように、理想関節制御部２５０においては、外乱推定部２５１と指令値算出部２５２との間で繰り返し情報のやり取りが行われることにより、図５を参照して説明した一連の処理が行われる。理想関節制御部２５０は算出したトルク指令値τをロボットアーム装置１０の駆動制御部１１１に送信する。駆動制御部１１１は、送信されたトルク指令値τに対応する電流量を、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給する制御を行うことにより、当該モータの回転数を制御し、関節部１３０における回転角度及び発生トルクを制御する。
【０１７３】
本実施形態に係るロボットアーム制御システム１においては、ロボットアーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動制御は、アーム部１２０を用いた作業が行われている間継続的に行われるため、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０における以上説明した処理が繰り返し行われる。すなわち、ロボットアーム装置１０の関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出され、制御装置２０に送信される。制御装置２０では、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御に関する各種の演算が行われ、演算結果としてのトルク指令値τがロボットアーム装置１０に送信される。ロボットアーム装置１０では、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御され、駆動中又は駆動後の関節部１３０の状態が、再び関節状態検出部１３２によって検出される。
【０１７４】
制御装置２０が有する他の構成についての説明を続ける。
【０１７５】
入力部２１０は、ユーザが制御装置２０にロボットアーム装置１０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ーフェースである。本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、ロボットアーム装置１０のアーム部１２０の駆動が制御され、撮像部１４０の位置及び姿勢が制御されてもよい。具体的には、上述したように、ユーザによって入力部２１０から入力されたアームの駆動の指示に関する指示情報が演算条件設定部２４２に入力されることにより、演算条件設定部２４２が当該指示情報に基づいて全身協調制御における運動目的を設定してもよい。このように、ユーザが入力した指示情報に基づく運動目的を用いて全身協調制御が行われることにより、ユーザの操作入力に応じたアーム部１２０の駆動が実現される。
【０１７６】
具体的には、入力部２１０は、例えばマウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ、レバー及びペダル等のユーザが操作する操作手段を有する。例えば入力部２１０がペダルを有する場合、ユーザは当該ペダルを足で操作することによりアーム部１２０の駆動を制御することができる。従って、ユーザが患者の施術部位に対して両手を使って処置を行っている場合であっても、足によるペダルの操作によって撮像部１４０の位置及び姿勢、すなわち、施術部位の撮影位置や撮影角度を調整することができる。
【０１７７】
記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶する。本実施形態においては、記憶部２２０は、制御部２３０によって行われる全身協調制御及び理想関節制御に関する演算において用いられる各種のパラメータを記憶することができる。例えば、記憶部２２０は、全身協調制御部２４０による全身協調制御に関する演算において用いられる運動目的及び拘束条件を記憶していてもよい。記憶部２２０が記憶する運動目的は、上述したように、例えば撮像部１４０が空間上の所定の点で静止することのような、予め設定され得る運動目的であってよい。また、拘束条件は、アーム部１２０の幾何的な構成やロボットアーム装置１０の用途等に応じて、ユーザによって予め設定され、記憶部２２０に格納されていてもよい。また、記憶部２２０には、アーム状態取得部２４１がアーム状態を取得する際に用いるアーム部１２０に関する各種の情報が記憶されていてもよい。更に、記憶部２２０には、制御部２３０による全身協調制御及び理想関節制御に関する演算における演算結果や演算過程で算出される各数値等が記憶されてもよい。このように、記憶部２２０には、制御部２３０によって行われる各種の処理に関するあらゆるパラメータが格納されていてよく、制御部２３０は、記憶部２２０と相互に情報を送受信しながら各種の処理を行うことができる。
【０１７８】
以上、制御装置２０の機能及び構成について説明した。なお、本実施形態に係る制御装置２０は、例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やサーバ等の各種の情報処理装置（演算処理装置）によって構成することができる。次に、表示装置３０の機能及び構成について説明する。
【０１７９】
表示装置３０は、各種の情報を表示画面上にテキスト、イメージ等様々な形式で表示することにより、当該情報をユーザに対して視覚的に通知する。本実施形態においては、表示装置３０は、ロボットアーム装置１０の撮像部１４０によって撮影された画像を表示画面上に表示する。具体的には、表示装置３０は、撮像部１４０によって取得された画像信号に各種の画像処理を施す画像信号処理部（図示せず。）や処理された画像信号に基づく画像を表示画面上に表示させる制御を行う表示制御部（図示せず。）等の機能及び構成を有する。なお、表示装置３０は、上記の機能及び構成以外にも、一般的に表示装置が有する各種の機能及び構成を有してもよい。表示装置３０は、図１に示す表示装置５５０に対応している。
【０１８０】
以上、図６を参照して、本実施形態に係るロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の機能及び構成について説明した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
【０１８１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０における多リンク構造体であるアーム部１２０が、少なくとも６自由度以上の自由度を有するとともに、当該アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれの駆動が駆動制御部１１１によって制御される。そして、当該アーム部１２０の先端には医療用器具が設けられる。このように、各関節部１３０の駆動が制御されることにより、より自由度の高いアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い医療用のロボットアーム装置１０が実現される。
【０１８２】
より具体的には、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０において、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。そして、制御装置２０において、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための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が行われ、演算結果としてのトルク指令値τが算出される。更に、ロボットアーム装置１０において、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御される。このように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により、アーム部１２０の駆動が制御される。従って、力制御によるアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高いロボットアーム装置が実現される。また、本実施形態では、全身協調制御において、例えばピボット動作やパワーアシスト動作といった、よりユーザの利便性を向上させる各種の運動目的を実現する制御が可能となる。更に、本実施形態においては、例えばアーム部１２０を手動で移動させたり、ペダルからの操作入力により移動させたりといった、多様な駆動手段が実現されるため、ユーザの利便性の更なる向上が実現される。
【０１８３】
また、本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御について、全身協調制御と併せて理想関節制御が適用される。理想関節制御においては、関節部１３０内部の摩擦や慣性等の外乱成分を推定し、推定した外乱成分を用いたフィードフォワード制御が行われる。従って、摩擦等の外乱成分がある場合であっても、関節部１３０の駆動について理想的な応答を実現することができる。よって、アーム部１２０の駆動制御において、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い位置決め精度や安定性が実現される。
【０１８４】
更に、本実施形態においては、アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれが、例えば図３に示すような、理想関節制御に適合した構成を有し、各関節部１３０における回転角度、発生トルク及び粘性抵抗係数を電流値によって制御することができる。このように、各関節部１３０の駆動が電流値によって制御され、また、全身協調制御により各関節部１３０の駆動がアーム部１２０全体の状態を把握しながら制御されるため、カウンターバランスが不要となり、ロボットアーム装置１０の小型化が実現される。
【０１８５】
［２−５．運動目的の具体例］
次に、本実施形態に係る運動目的の具体例について説明する。上記［２−４．ロボットアーム制御システムの構成］で説明したように、本実施形態においては、全身協調制御によって各種の運動目的が実現される。ここでは、本実施形態に係る運動目的の具体例として、パワーアシスト動作と、ピボット動作について説明する。なお、以下の運動目的の具体例についての説明では、図６に示す機能ブロック図における参照番号を用いて、本実施形態に係るロボットアーム制御システムの構成部材を表す。
【０１８６】
パワーアシスト動作は、アーム部１２０に作用する重力を打ち消すように関節部１３０の状態を制御するとともに、更に外部から与えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするように関節部１３０の状態を制御する動作である。具体的には、ユーザがアーム部１２０を手動で動かす際に、ユーザによって加えられた力をサポートするようにアーム部１２０の駆動を制御する動作である。より具体的には、パワーアシスト動作を実現するために、まず、重力以外の力がアーム部１２０に作用していない状態における外トルクがトルク検出部１３４によって検出され、検出された外トルクを打ち消す発生トルクを各関節部１３０に生じさせるように、瞬時的な運動目的が設定される。この段階で、アーム部１２０の位置及び姿勢が所定の状態で保持される。この状態で更に外部から（例えばユーザから）外トルクが加えられた場合に、追加的に与えられた外トルクがトルク検出部１３４によって検出され、検出された追加的な外トルクと同じ方向の発生トルクを各関節部１３０に生じさせるという瞬時的な運動目的が更に設定される。このような瞬時的な運動目的に従って各関節部１３０の駆動が制御されることによりパワーアシスト動作が実現される。パワーアシスト動作により、ユーザはより小さい力でアーム部を移動させることができるため、あたかも無重力下でアーム部１２０を動かしているような感覚を得ることができ、ユーザによるアーム部１２０の操作性が向上する。
【０１８７】
ピボット動作は、アーム部１２０の先端に設けられる先端ユニットが、当該先端ユニットの向きが空間上の所定の点に固定された状態で、当該所定の点を頂点とした円錐の面上を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である。具体的に先端ユニットが撮像部１４０である場合であれば、ピボット動作は、アーム部１２０の先端に設けられる撮像部１４０が、撮像部１４０の撮影方向が空間上の所定の点に固定された状態で、当該所定の点を頂点とした円錐の面上を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である。ピボット動作における円錐の頂点に当たる点としては、例えば施術部位が選択される。また、ピボット動作においては、先端ユニット又は撮像部１４０と円錐の頂点に当たる点との距離が一定に保たれた状態で旋回動作が行われてもよい。なお、先端ユニットの向き又は撮像部１４０の撮影方向が空間上の所定の点（例えば施術部位）に固定されることから、ピボット動作はポイントロック動作とも呼ばれる。
【０１８８】
ピボット動作について、図７及び図８を参照してより詳細に説明する。図７は、本開示の一実施形態に係るアーム動作の一具体例であるピボット動作について説明するための説明図である。図８は、図７に示すピボット動作を実現するための運動目的及び拘束条件について説明するための説明図である。
【０１８９】
図７を参照すると、患者７５０上における施術部位がピボット動作における頂点に設定されている。当該頂点をピボット点Ｐｉと呼称する。図７では、簡単のため、本実施形態に係るロボットアーム装置１０のうち、図６における撮像部１４０に対応するユニットである撮像ユニット７１３のみを図示している。図７に示すように、ピボット動作においては、撮像ユニット７１３が円錐Ａの底面の円周上に限り移動することができるように、すなわち、撮像ユニット７１３とピボット点Ｐｉとの距離が一定に保たれた状態で撮像ユニット７１３が円錐Ａの面内を移動するように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。また、円錐Ａの形状、すなわち、円錐Ａの頂点の角度θや、ピボット点Ｐｉと撮像ユニット７１３との距離は、ユーザによって適宜設定されてよい。例えば、ピボット点Ｐｉと撮像ユニット７１３との距離は撮像ユニット７１３における光学系の焦点距離に調整される。このようなピボット動作を適用することにより、施術部位を等距離からかつ異なる角度から観察できるようになるため、手術を行うユーザの利便性を向上させることができる。
【０１９０】
また、ピボット動作においては、円錐Ａ及び円錐Ｂのように、ピボット点Ｐｉを固定したまま撮像ユニット７１３が移動可能な円錐の位置を移動させることができてもよい。図７に示す例では、円錐Ａの旋回軸は施術部位に対して略垂直であり、円錐Ｂの旋回軸は施術部位に対して略水平である。このように、例えばピボット動作を行う円錐を、円錐Ａ、Ｂのように、ピボット点Ｐｉを固定したまま略９０度回転できるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。このようなピボット動作を適用することにより、施術部位を更に多くの方向から観察できるようになるため、ユーザの利便性を更に向上させることができる。
【０１９１】
なお、図７に示す例では、撮像ユニット７１３が円錐Ａの底面の円周上に限り移動することができるように運動目的及び拘束条件が設定される例を示しているが、本実施形態に係るピボット動作はかかる例に限定されない。例えば、ピボット点Ｐｉの位置及び円錐Ａ、Ｂの頂点の角度θは固定したまま、ピボット点Ｐｉと撮像ユニット７１３との距離は自由に移動できるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。このようなピボット動作を適用することにより、角度は固定したまま撮像ユニット７１３と施術部位との距離だけを変えることができるようになるため、撮像ユニット７１３の焦点距離（フォーカス）を適宜調整することにより施術部位を拡大又は縮小して観察する等、よりユーザの要求に応える施術部位の観察が可能となる。
【０１９２】
次に、図８を参照して、図７に示したようなピボット動作を実現するための運動目的及び拘束条件について詳しく説明する。図８を参照すると、撮像ユニット７１３を有するアーム部７１０がピボット点Ｐｉを基点としてピボット動作を行っている様子が図示されている。なお、図８では、撮像ユニット７１３とピボット点Ｐｉとの距離が一定に保たれた状態でのピボット動作を例に挙げて説明を行う。アーム部７１０は、複数の関節部７１１ａ、７１１ｂ、７１１ｃと複数のリンク７１２ａ、７１２ｂ、７１２ｃを有し、本実施形態に係る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ているとする。例えば、アーム部７１０及びその構成部材は、図２に示した本実施形態に係るアーム部４２０及びその構成部材と同様の構成を有する。
【０１９３】
ここで、アーム部７１０の支点である原点ＯＡを零点とするアーム座標系と、空間上の原点ＯＳを零点とする空間座標系を考える。アーム部７１０の運動はアーム座標系で管理されている。なお、アーム座標系及び空間座標系は、相互の座標系への座標変換が可能であるように定義される。
【０１９４】
空間座標系から見た撮像中心をＰｗとする。また、アーム座標系において、撮像ユニット７１３とリンク７１２ｃとを接続する関節部７１１ｃから、撮像ユニット７１３自体の長さＤと撮像ユニット７１３の焦点距離ｆだけ離れた位置をピボット点Ｐｉとする。
【０１９５】
この状態で、ピボット点Ｐｉと撮像中心Ｐｗとが一致した状態でアーム部７１０が駆動されるように、運動目的及び拘束条件を設ける。すなわち、アーム座標系におけるピボット点Ｐｉを空間座標系における撮像中心Ｐｗに固定するような拘束をアーム座標系において設ける。また、運動目的として、撮像ユニット７１３がピボット点Ｐｉ（すなわち撮像中心Ｐｗ）を頂点とする円錐の面上に位置するような座標や、撮像ユニット７１３がピボット点Ｐｉを向くような撮像ユニット７１３の姿勢が設定される。このような拘束条件及び運動目的の下で全身協調制御が行われることにより、アーム部７１０の動作によって撮像ユニット７１３の位置及び姿勢が変化したとしても、撮像ユニット７１３の向きは常に撮像中心Ｐｗ（すなわち、ピボット点Ｐｉ）を向いたまま、かつ、撮像ユニット７１３と撮像中心Ｐｗとの距離が焦点距離ｆに保たれたままとなる。従って、撮像ユニット７１３と撮像中心Ｐｗとの距離が一定に保たれた状態でのピボット動作が実現される。撮像ユニット７１３と撮像中心Ｐｗ（又はピボット点Ｐｉ）との距離を変化させながらピボット動作を行う際には、上述したピボット点Ｐｉの設定方法を変更すればよい。具体的には、例えば、アーム座標系において、関節部７１１ｃから撮像ユニット７１３自体の長さＤと任意の距離だけ離れた位置をピボット点Ｐｉとし、当該任意の距離を可変なパラメータとすればよい。
【０１９６】
なお、上述したピボット動作とパワーアシスト動作とが組み合わされて用いられてもよい。ピボット動作とパワーアシスト動作とが組み合わされて用いられる場合、例えばユーザが手動で撮像部１４０を移動させる際に、ユーザは無重力下で撮像部１４０を移動させているような感覚でより少ない力で撮像部１４０を移動させることができるとともに、撮像部１４０の移動位置は円錐の面内に制限される。従って、ピボット動作時における撮像部１４０の移動の操作性が向上する。
【０１９７】
以上、本実施形態に係る運動目的の具体例として、パワーアシスト動作及びピボット動作について説明した。なお、本実施形態に係る運動目的はかかる例に限定されない。本実施形態では、例えば以下のような運動目的も実現可能である。
【０１９８】
例えば、撮像部１４０の位置が所定の点で固定されるように、撮像部１４０の座標が運動目的として設定されてもよい。この場合、例えばアーム部１２０の撮像部１４０以外の構成部材に外部から力が与えられた際に、関節部１３０及びリンクも所定の位置で固定され移動しないように運動目的及び拘束条件を設定することも可能であるし、関節部１３０及びリンクは与えられた外力に応じて移動するものの撮像部１４０の位置は固定されるように運動目的及び拘束条件を設定することも可能である。後者の場合、例えば、アーム部１２０が作業の妨げとなり移動させようとする際に、撮像部１４０による撮影画像は固定されたままアーム部１２０の他の構成部材の位置及び姿勢を移動させるといった、より自由度の高い制御が実現される。
【０１９９】
また、例えば、駆動中にアーム部１２０がヒトやモノとの接触を検出した場合に、即座にアーム部１２０の駆動を停止する動作が実現されるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。このような動作を行うことにより、アーム部１２０がヒトやモノに衝突する際の危険性を低減することができる。なお、アーム部１２０がヒトやモノと接触したことは、例えば関節状態検出部１３２によって関節部１３０に加えられた外トルクの変化によって検出されてもよい。
【０２００】
また、例えば、撮像部１４０が空間上において所定の軌跡上を移動するように運動目的が設定されてもよい。具体的には、当該所定の軌跡を表す各点の座標が運動目的として設定されてもよい。このように運動目的が設定されることにより、撮像部１４０の移動可能範囲が当該軌跡上に制限される。更に、当該軌跡を表す各点の座標と併せて、撮像部１４０の速度や各点を通過する時間等が運動目的として設定されることにより、撮像部１４０が所定の軌跡上を所定のタイミングで自動的に移動するオートメーション化された駆動を行うこともできる。このような運動設定に従った駆動制御は、例えばロボットアーム装置１０が所定の作業を自動的に繰り返し行う場合に有効である。
【０２０１】
また、例えば、空間上の所定の領域内にアーム部１２０が侵入しない動作が実現されるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。図１を参照して説明したように、本実施形態においてはユーザが表示画面を見ながら手術を行う。従って、ユーザと表示画面との間の領域にアーム部１２０が位置すると、ユーザの視界を遮ることとなり、手術の効率低下につながる恐れがある。従って、例えばユーザと表示画面の間の領域をアーム部１２０の侵入禁止領域として設定することにより、手術の効率化を図ることができる。
【０２０２】
ここで、このようにアーム部１２０に侵入禁止領域を設定する場合には、アーム部１２０の自由度が６自由度よりも多いことが好ましい。何故ならば、６自由度よりも多い自由度を冗長自由度として利用することができるため、６自由度の駆動を確保しつつ、上記のような侵入禁止領域等にも対応できるからである。このような６自由度よりも多い自由度を有するアーム部を備えるロボットアーム装置の構成について、図９を参照して詳しく説明する。
【０２０３】
図９は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置における冗長自由度を有する変形例の外観を示す概略図である。なお、図９においても、図２で定義した方向と同一の座標軸を図示している。
【０２０４】
図９を参照すると、本変形例に係るロボットアーム装置４５０は、ベース部４６０及びアーム部４７０を備える。また、アーム部４７０は、複数の関節部４７１ａ〜４７１ｇと、関節部４７１ａ〜４７１ｇによって互いに連結される複数のリンク４７２ａ〜４７２ｄと、アーム部４７０の先端に設けられる撮像ユニット４７３を有する。ここで、図９に示すロボットアーム装置４５０は、図２を参照して説明したロボットアーム装置４００に対してアーム部４７０の自由度が１つ増加した構成に対応している。従って、ベース部４６０、個々の関節部４７１ａ〜４７１ｇ及びリンク４７２ａ〜４７２ｄ、並びに、撮像ユニット４７３の機能及び構成は、図２を参照して説明したロボットアーム装置４００のベース部４１０、個々の関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｃ、並びに、撮像ユニット４２３の機能及び構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。以下では、ロボットアーム装置４００との相違点であるアーム部４７０の構成について主に説明する。
【０２０５】
本実施形態に係るロボットアーム装置４５０は、７つの関節部４７１ａ〜４７１ｇを有し、アーム部４７０の駆動に関して７自由度が実現されている。具体的には、リンク４７２ａの一端がベース部４６０と連結され、リンク４７２ａの他端が関節部４２１ａを介してリンク４７２ｂの一端と連結される。また、リンク４２２ｂの他端が関節部４７１ｂ、４７１ｃを介してリンク４７２ｃの一端と連結される。更に、リンク４７２ｃの他端が関節部４７１ｄ、４７１ｅを介してリンク４７２ｄの一端と連結され、４７２ｄの他端が関節部４７１ｆ、４７１ｇを介して撮像ユニット４７３と連結される。このように、ベース部４６０を支点として、複数のリンク４７２ａ〜４７２ｄの端同士が、関節部４７１ａ〜４７１ｇによって互いに連結されることにより、ベース部４６０から延伸されるアーム部４７０が構成される。
【０２０６】
また、図９に示すように、関節部４７１ａ、４７１ｃ、４７１ｅ、４７１ｇは、接続されている各リンク４７２ｂ〜４７２ｄの長軸方向及び接続されている撮像ユニット４７３の撮影方向を回転軸方向とするように設けられており、関節部４７１ｂ、４７１ｄ、４７１ｆは、接続されている各リンク４７２ｃ〜４７２ｄ及び撮像ユニット４７３の連結角度をｙ−ｚ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、本変形例においては、関節部４７１ａ、４７１ｃ、４７１ｅ、４７１ｇは、いわゆるヨーイングを行う機能を有し、関節部４７１ｂ、４７１ｄ、４７１ｆは、いわゆるピッチングを行う機能を有する。
【０２０７】
このようなアーム部４７０の構成を有することにより、本実施形態に係るロボットアーム装置４５０ではアーム部４７０の駆動に対して７自由度が実現されるため、アーム部４７０の可動範囲内において撮像ユニット４７３を空間内で自由に移動させることができるとともに、冗長自由度を有する。図９では、図２と同様に、撮像ユニット４７３の移動可能範囲の一例として半球を図示している。半球の中心点が撮像ユニット４７３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、撮像ユニット４７３の撮影中心を半球の中心点に固定した状態で、撮像ユニット４７３を半球の球面上で移動させることにより、施術部位をあらゆる角度から撮影することができる。本実施形態に係るロボットアーム装置４５０は、更に１つの冗長自由度を有することにより、このような撮像ユニット４７３の半球上の移動とともに、アーム部４７０の軌道を制限することができ、上述した侵入禁止領域のような拘束条件にも容易に対応することができる。侵入禁止領域を設定することにより、例えば、撮像ユニット４７３によって撮影された画像が表示されるモニタと施術者及びスタッフとの間にアーム部４７０が存在しないようにアーム部４７０の駆動を制御することができ、施術者及びスタッフによるモニタの視認が妨げられることを防ぐことができる。また、侵入禁止領域を設定することにより、施術者及びスタッフや周囲の他の機器との干渉（接触）を避けてアーム部４７０が移動するようにアーム部４７０の駆動を制御することが可能となる。
【０２０８】
＜３．ロボットアーム制御方法の処理手順＞
次に、図１０を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順について説明する。図１０は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順を示すフロー図である。なお、以下では、図６に示すロボットアーム制御システム１の構成によって本実施形態に係るロボットアーム制御方法が実現される場合を例に挙げて説明を行う。従って、本実施形態に係るロボットアーム制御方法は医療用ロボットアーム制御方法であると言える。なお、以下の本実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順についての説明において、図６に示すロボットアーム制御システム１の各構成の機能については、上記［２−４．ロボットアーム制御システムの構成］で既に説明しているため、詳細な説明は省略する。
【０２０９】
図１０を参照すると、本実施形態に係るロボットアーム制御方法では、まず、ステップＳ８０１で、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。ここで、関節部１３０の状態とは、例えば関節部１３０における回転角度、発生トルク及び／又は外トルクである。
【０２１０】
次にステップＳ８０３で、ステップＳ８０１で検出された関節部１３０の状態に基づいて、アーム状態取得部２４１によってアーム状態が取得される。アーム状態とは、アーム部１２０の運動の状態のことであり、例えばアーム部１２０の各構成部材の位置、速度、加速度やアーム部１２０の各構成部材に作用する力等であってよい。
【０２１１】
次にステップＳ８０５で、ステップＳ８０３で取得されたアーム状態に基づいて、演算条件設定部２４２によって全身協調制御における演算で用いられる運動目的及び拘束条件が設定される。なお、演算条件設定部２４２はアーム状態に基づいて運動目的を設定しなくてもよく、例えば、入力部２１０からユーザによって入力されるアーム部１２０の駆動についての指示情報に基づいて運動目的を設定してもよいし、記憶部２２０に予め格納されている運動目的を用いてもよい。更に、上記の各方法を適宜組み合わせることにより、運動目的を設定してもよい。また、演算条件設定部２４２は記憶部２２０に予め格納されている拘束条件を用いてもよい。
【０２１２】
次にステップＳ８０７で、アーム状態、運動目的及び拘束条件に基づいて、一般化逆動力学を用いた全身協調制御についての演算が行われ、制御値τａが算出される。なお、ステップＳ８０７で行われる処理は、図６に示す仮想力算出部２４３及び実在力算出部２４４における一連の処理、すなわち、上記［２−２．一般化逆動力学について］で説明した一連の処理であってよい。
【０２１３】
次にステップＳ８０９で、外乱推定値τｄが算出され、当該外乱推定値τｄを用いて、理想関節制御についての演算が行われ、制御値τａから指令値τが算出される。なお、ステップＳ８０９で行われる処理は、図６に示す理想関節制御部２５０における一連の処理、すなわち、上記［２−３．理想関節制御について］で説明した一連の処理であってよい。
【０２１４】
最後にステップＳ８１１で、指令値τに基づいて、駆動制御部１１１によって関節部１３０の駆動が制御される。
【０２１５】
以上、図１０を参照して、本実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順について説明した。なお、本実施形態においては、図１０に示すステップＳ８０１〜ステップＳ８１１における処理が、アーム部１２０を用いた作業が行われている間繰り返し行われる。従って、本実施形態においては、アーム部１２０を用いた作業が行われている間、アーム部１２０の駆動制御が継続的に行われる。
【０２１６】
＜４．ハードウェア構成＞
次に、図１１を参照しながら、図６に示す、本実施形態に係るロボットアーム装置１０及び制御装置２０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１１は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置１０及び制御装置２０のハードウェア構成の一構成例を示す機能ブロック図である。
【０２１７】
ロボットアーム装置１０及び制御装置２０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。
【０２１８】
ＣＰＵ９０１は、演算処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９又はリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。ＣＰＵ９０１は、本実施形態においては、例えば、図６に示すアーム制御部１１０及び制御部２３０に対応している。
【０２１９】
ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。また、外部バス９１１には、インターフェース９１３を介して、入力装置９１５、出力装置９１７、ストレージ装置９１９、ドライブ９２１、接続ポート９２３及び通信装置９２５が接続される。
【０２２０】
入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ、レバー及びペダル等、ユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ロボットアーム装置１０及び制御装置２０のユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。入力装置９１５は、本実施形態においては、例えば、図６に示す入力部２１０に対応する。また、本実施形態においては、入力装置９１５を介したユーザによる操作入力により、アーム部１２０の駆動における運動目的が設定され、当該運動目的に従って全身協調制御が行われてもよい。
【０２２１】
出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプ等の表示装置や、スピーカ及びヘッドホン等の音声出力装置や、プリンタ装置等がある。出力装置９１７は、例えば、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、あらゆる形式で出力装置９１７から出力されてよい。例えば、アーム部１２０の駆動制御における、アーム部１２０の各構成部材の移動の軌跡が、グラフの形式で出力装置９１７の表示画面に表示されてもよい。なお、例えば、図６に示す表示装置３０は、出力装置９１７の表示装置としての機能及び構成と、当該表示装置の駆動を制御するための制御部等の構成を備える装置であってもよい。
【０２２２】
ストレージ装置９１９は、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ等を格納する。ストレージ装置９１９は、本実施形態においては、例えば、図６に示す記憶部２２０に対応する。また、本実施形態においては、ストレージ装置９１９は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における演算条件（運動目的及び拘束条件）を記憶することができ、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０はストレージ装置９１９に記憶されているこれらの演算条件を用いて全身協調制御に関する演算を行ってもよい。
【０２２３】
ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア又はＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣＦ：ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ）、フラッシュメモリ又はＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｅｍｏｒｙ  ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、ドライブ９２１によって、各種のリムーバブル記録媒体９２７から読み出され、又は各種のリムーバブル記録媒体９２７に書き込まれてよい。
【０２２４】
接続ポート９２３は、機器をロボットアーム装置１０及び制御装置２０に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０は、外部接続機器９２９から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２９に各種のデータを提供したりする。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、接続ポート９２３を介して、各種の外部接続機器９２９から読み出され、又は各種の外部接続機器９２９に書き込まれてよい。
【０２２５】
通信装置９２５は、例えば、通信網（ネットワーク）９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線若しくは無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ  Ｌｉｎｅ）用のルータ又は各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、通信装置９２５によって、通信網９３１を介して外部の他の機器との間で相互に送受信されてもよい。
【０２２６】
以上、本開示の実施形態に係るロボットアーム装置１０及び制御装置２０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。なお、図１１では図示しないが、ロボットアーム装置１０は、図６に示すアーム部１２０に対応する各種の構成を当然備える。
【０２２７】
なお、上述のような本実施形態に係るロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
【０２２８】
＜５．まとめ＞
以上説明したように、本実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
【０２２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０における多リンク構造体であるアーム部１２０が、少なくとも６自由度以上の自由度を有するとともに、当該アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれの駆動が駆動制御部１１１によって制御される。そして、当該アーム部１２０の先端には医療用器具が設けられる。このように、各関節部１３０の駆動が制御されることにより、より自由度の高いアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い医療用のロボットアーム装置１０が実現される。
【０２３０】
具体的には、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０において、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。そして、制御装置２０において、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための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が行われ、演算結果としてのトルク指令値τが算出される。更に、ロボットアーム装置１０において、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御される。このように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により、アーム部１２０の駆動が制御される。従って、力制御によるアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高いロボットアーム装置が実現される。また、本実施形態では、全身協調制御において、例えばピボット動作やパワーアシスト動作といった、よりユーザの利便性を向上させる各種の運動目的を実現する制御が可能となる。更に、本実施形態においては、例えばアーム部１２０を手動で移動させたり、ペダルからの操作入力により移動させたりといった、多様な駆動手段が実現されるため、ユーザの利便性の更なる向上が実現される。
【０２３１】
また、本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御について、全身協調制御と併せて理想関節制御が適用される。理想関節制御においては、関節部１３０内部の摩擦や慣性等の外乱成分を推定し、推定した外乱成分を用いたフィードフォワード制御が行われる。従って、摩擦等の外乱成分がある場合であっても、関節部１３０の駆動について理想的な応答を実現することができる。よって、アーム部１２０の駆動制御において、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い位置決め精度や安定性が実現される。
【０２３２】
更に、本実施形態においては、アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれが、例えば図３に示すような、理想関節制御に適合した構成を有し、各関節部１３０における回転角度、発生トルク及び粘性抵抗係数を電流値によって制御することができる。このように、各関節部１３０の駆動が電流値によって制御され、また、全身協調制御により各関節部１３０の駆動がアーム部１２０全体の状態を把握しながら制御されるため、カウンターバランスが不要となり、ロボットアーム装置１０の小型化が実現される。
【０２３３】
このように、本実施形態によれば、上記＜１．医療用ロボットアーム装置についての検討＞で説明したロボットアーム装置に求められる性能を全て満たすことができる。従って、本実施形態に係るロボットアーム装置を用いた各種の施術において、より効率的に施術を行うことができ、ユーザや患者の疲労や負担をより軽減することが実現される。
【０２３４】
また、本実施形態では、力制御によってロボットアーム装置１０のアーム部１２０が駆動されることにより、万が一駆動中にアーム部１２０が施術者やスタッフ等に干渉（接触）したとしても、アーム部１２０が必要以上の力を発生せず、アーム部１２０が安全に停止する。そして、当該干渉から解放されれば、設定された運動目的に従って所望の位置までアーム部１２０が移動し、施術が継続される。このように、本実施形態では、ロボットアーム装置１０の駆動制御に力制御が用いられることにより、駆動中におけるアーム部１２０と周囲の物体との干渉に対して、より高い安全性が確保される。
【０２３５】
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。
【０２３６】
例えば、上記実施形態では、ロボットアーム装置のアーム部の先端ユニットが撮像ユニットであり、図１に示すように手術時に当該撮像ユニットによって施術部位を撮影する場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態に係るロボットアーム制御システム１は、他の先端ユニットを有するロボットアーム装置が他の用途に用いられる場合であっても適用可能である。例えば、先端ユニットは内視鏡や腹腔鏡（及び処置具）であってもよいし、超音波検査器や胃カメラ等、他の検査機器であってもよい。
【０２３７】
例えば、腹腔鏡を用いた施術では、患者の体内に複数の処置具及び腹腔鏡を別の角度から挿入し、腹腔鏡で施術部位を観察しながら処置具で各種の処置を行う施術方法が行われている。このような施術方法においては、例えば施術部位観察用の腹腔鏡はロボットアームによって操作しながら、処置具を施術者が操作することができれば、１人のユーザによって施術を行うことができ、より効率的な施術が可能となる。しかしながら、一般的な既存のバランス型アームにおいては、操作性の観点から、１人のユーザが自身の手によって処置具の操作とバランス型アームによる腹腔鏡の操作とを同時に行うことは困難であった。よって、既存の方法では、複数名のスタッフが必要であり、１人の施術者が処置具を操作しながら処置を行うとともに、他の者が観察用の腹腔鏡を操作することが一般的であった。しかし、本実施形態に係るロボットアーム装置では、上述したように、全身協調制御による高い操作性が実現される。また、理想関節制御により、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い安定性が実現される。従って、例えば観察用の腹腔鏡を本実施形態に係るロボットアーム装置によって操作することにより、自身の手による処置具の操作とロボットアーム装置による観察用の腹腔鏡の操作とを、施術者１人で容易に行うことができる。
【０２３８】
また、本実施形態に係るロボットアーム装置は、医療以外の用途に用いられてもよい。本実施形態に係るロボットアーム装置では、理想関節制御により、高精度の応答性と高い安定性が実現されるため、例えば高い精度が求められる工業部品の加工や組み立て等の作業にも対応可能である。
【０２３９】
また、上記実施形態では、ロボットアーム装置の関節部が回転機構を有し、当該回転機構の回転駆動が制御されることによってアーム部の駆動が制御される場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、本実施形態に係るロボットアーム装置においては、アーム部を構成するリンクがリンクの延伸方向に伸縮する機構を有し、リンクの長さが可変であってもよい。リンクの長さが可変である場合、例えば関節部における回転に加えてリンクの伸縮も考慮した全身協調制御によって、所望の運動目的を達成するようにアーム部の駆動が制御される。
【０２４０】
また、上記実施形態では、ロボットアーム装置におけるアーム部の自由度が６自由度以上である場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。また、ロボットアーム装置におけるアーム部を構成する複数の関節部が全て理想関節制御に対応するアクチュエータを有する場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態においては、ロボットアーム装置の用途に応じて多様な運動目的が設定され得る。従って、設定された運動目的が達成可能であれば、アーム部は、６自由度よりも低い自由度を有してもよいし、アーム部を構成する複数の関節部のうちの一部が一般的な関節機構を有する関節部であってもよい。このように、本実施形態においては、アーム部の構成は、運動目的を達成可能であるように構成されればよく、ロボットアーム装置の用途に応じて適宜構成されてよい。
【０２４１】
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、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体の駆動に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部と、前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、医療用ロボットアーム装置。
（２）前記駆動制御部は、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて取得される前記多リンク構造体の状態と、前記多リンク構造体の運動目的及び拘束条件と、を用いて一般化逆動力学によって算出される前記多リンク構造体の全身協調制御のための制御値、に基づいて前記関節部の駆動を制御する、前記（１）に記載の医療用ロボットアーム装置。
（３）前記制御値は、前記多リンク構造体に作用する力と前記多リンク構造体に発生する加速度との関係を記述する操作空間において前記運動目的を達成するために作用される仮想的な力である仮想力と、前記拘束条件に基づいて前記仮想力が前記関節部を駆動するための実在の力に変換されることにより求められる実在力と、に基づいて算出される、前記（２）に記載の医療用ロボットアーム装置。
（４）前記駆動制御部は、前記制御値に対して外乱の影響を補正することにより算出される、前記多リンク構造体の理想的な応答を実現する指令値、に基づいて前記関節部の駆動を制御する、前記（２）又は（３）に記載の医療用ロボットアーム装置。
（５）前記指令値は、検出された前記関節部の状態に基づいて推定される前記関節部の駆動に対する外乱の影響を表す外乱推定値を用いて、前記制御値を補正することにより算出される、前記（４）に記載の医療用ロボットアーム装置。
（６）前記運動目的は、少なくとも、前記多リンク構造体に作用する重力を打ち消すよう前記関節部の状態を制御するとともに、外部から更に与えられた力の方向への前記多リンク構造体の移動をサポートするように前記関節部の状態を制御するパワーアシスト動作である、前記（２）〜（５）のいずれか１項に記載の医療用ロボットアーム装置。
（７）前記運動目的は、前記多リンク構造体であるアームの先端に設けられる先端ユニットが、当該先端ユニットの向きが空間上の所定の点に固定された状態で、当該所定の点を頂点とした円錐の面上を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である、前記（２）〜（６）のいずれか１項に記載の医療用ロボットアーム装置。
（８）前記旋回動作において、前記先端ユニットと前記所定の点との距離は一定に保たれる、前記（７）に記載の医療用ロボットアーム装置。
（９）前記先端ユニットは、前記多リンク構造体であるアームの先端に設けられ、撮影対象の画像を取得する撮像部であり、前記運動目的は、前記撮像部が、前記撮像部の撮影方向が空間上の所定の点に固定された状態で、当該所定の点を頂点とした円錐の面上を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である、前記（２）〜（６）のいずれか１項に記載の医療用ロボットアーム装置。
（１０）前記旋回動作において、前記撮像部と前記所定の点との距離は一定に保たれる、前記（９）に記載の医療用ロボットアーム装置。
（１１）複数の前記関節部は、前記関節部の状態を検出する関節状態検出部を有し、前記関節状態検出部は、前記関節部での発生トルク及び前記関節部に外部から加えられる外トルクを検出するトルク検出部と、前記関節部の回転角度を検出する回転角度検出部と、
を少なくとも有する、前記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の医療用ロボットアーム装置。
（１２）前記制御値及び前記指令値は、前記関節部での発生トルクである、前記（４）又は（５）に記載の医療用ロボットアーム装置。
（１３）複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部と、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を有し、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、ロボットアーム装置と、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて取得される前記多リンク構造体の状態と、前記多リンク構造体の運動目的及び拘束条件と、を用いて、前記多リンク構造体の全身協調制御のための制御値を一般化逆動力学によって算出する全身協調制御部、を有する制御装置と、を備える、医療用ロボットアーム制御システム。
（１４）複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部、の状態を検出することと、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御することと、を含み、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、医療用ロボットアーム制御方法。
（１５）コンピュータに、複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから構成される多リンク構造体に対して少なくとも６自由度以上の自由度を実現する複数の関節部、の状態を検出する機能と、検出された複数の前記関節部の状態に基づいて前記関節部の駆動を制御する機能と、を実現させ、前記多リンク構造体の先端に取り付けられる先端ユニットは少なくとも一つの医療用器具である、プログラム。
【符号の説明】
【０２４２】
１    ロボットアーム制御システム
１０    ロボットアーム装置
２０    制御装置
３０    表示装置
１１０    アーム制御部
１１１    駆動制御部
１２０    アーム部
１３０    関節部
１３１    関節駆動部
１３２    関節状態検出部
１３３    回転角度検出部
１３４    トルク検出部
１４０    撮像部
２１０    入力部
２２０    記憶部
２３０    制御部
２４０    全身協調制御部
２４１    アーム状態取得部
２４２    演算条件設定部
２４３    仮想力算出部
２４４    実在力算出部
２５０    理想関節制御部
２５１    外乱推定部
２５２    指令値算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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