(57)【要約】【課題】推定した外力に基づくトルク制御を実現とし、より多様な状況に対応する。【解決手段】アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体であり、医療用ユニットを支持するよう構成された支持アームと、前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定する外力推定部、および前記外力推定部により推定された外トルクに基づいて前記関節部の駆動を制御する関節制御部、を備える、制御装置と、を備える、医療用支持アームシステムが提供される。【選択図】図５
2018202504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体であり、医療用ユニットを支持するよう構成された支持アームと、
前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定する外力推定部、および前記外力推定部により推定された外トルクに基づいて前記関節部の駆動を制御する関節制御部、を備える、制御装置と、
を備える、
医療用支持アームシステム。
【請求項２】
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る運動推定トルクを算出し、前記運動推定トルクに基づいて、前記外トルクを推定する、
請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項３】
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る摩擦トルクを推定し、前記摩擦トルクに基づいて、前記運動推定トルクを算出する、
請求項２に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項４】
前記外力推定部は、減速機の静止摩擦と動摩擦とに基づくモデル同定結果を用いて前記摩擦トルクを推定する、
請求項３に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項５】
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る内部消費トルクを推定し、前記内部消費トルクに基づいて、前記運動推定トルクを算出する、
請求項２に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項６】
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る電流指令トルクに基づいて、前記外トルクを推定する、
請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項７】
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る位相差指令トルクに基づいて、前記外トルクを推定する、
請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項８】
前記関節制御部は、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる電磁モータを制御する、
請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項９】
前記関節制御部は、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる超音波モータを制御する、
請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項１０】
前記支持アームは、トルクセンサを有しない第一の関節部と前記トルクセンサを有する第二の関節部とを備え、
前記関節制御部は、前記外力推定部により推定された外トルクに基づく前記第一の関節部の駆動制御と、前記トルクセンサにより検出された外トルクに基づく前記第二の関節部の駆動制御とを共に行う、
請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項１１】
前記アクチュエータは、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる電磁モータを備える第一のアクチュエータと、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる超音波モータを備える第二のアクチュエータとを含み、
前記関節制御部は、前記第一のアクチュエータと前記第二のアクチュエータとを共に制御する、
請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
【請求項１２】
プロセッサが、アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体である支持アームの前記関節部の駆動を制御することと、
前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定することと、
を含み、
前記制御することは、推定された外トルクに基づいて、前記関節部の駆動を制御すること、をさらに含む、
医療用支持アームの制御方法。
【請求項１３】
アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体である支持アームの前記関節部の駆動を制御する関節制御部と、
前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定する外力推定部と、
を備え、
前記関節制御部は、前記外力推定部により推定された外トルクに基づいて、前記関節部の駆動を制御する、
医療用支持アームの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療用支持アームシステム、医療用支持アームの制御方法、および医療用支持アームの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、医療分野においては、各種の施術(手術，検査など)を行う際に、アーム部先端に医療用ユニット(カメラ、鉗子など)が設けられた医療機器を使用する場合がある。例えば、下記の特許文献１には、アクチュエータユニット内に組み込まれたトルクセンサが検知した力情報に基づいて制御されるトルク制御型医療用アームが開示されている。
【０００３】
一方、上記のようなトルクセンサを用いずに力制御を行う手法も提案されている。例えば、下記の特許文献２には、推定した反作用力に基づく触覚の解析方法が開示されている。また、下記の特許文献３には、推定した把持力に基づいて力制御を行う制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０４６０８１号
【特許文献２】特開２００９−４７５０３号公報
【特許文献３】特開２０１０−７６０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献１に記載されるような医療用アームに係る理想応答制御においては、状況に応じてトルク推定値を用いることで、装置のトータルコストを改善できる場合が想定される。しかし、上記の特許文献２および特許文献３に開示される技術は、トルク推定に係る技術ではなく、特許文献１に記載されるような医療用アームの理想応答制御に適用することが困難である。
【０００６】
そこで、本開示では、推定した外力に基づくトルク制御を実現とし、より多様な状況に対応することが可能な、新規かつ改良された医療用支持アームシステム、医療用支持アームの制御方法、および医療用支持アームの制御装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示によれば、アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体であり、医療用ユニットを支持するよう構成された支持アームと、前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定する外力推定部、および前記外力推定部により推定された外トルクに基づいて前記関節部の駆動を制御する関節制御部、を備える、制御装置と、を備える、医療用支持アームシステムが提供される。
【０００８】
また、本開示によれば、プロセッサが、アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体である支持アームの前記関節部の駆動を制御することと、前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定することと、を含み、前記制御することは、推定された外トルクに基づいて、前記関節部の駆動を制御すること、をさらに含む、医療用支持アームの制御方法が提供される。
【０００９】
また、本開示によれば、アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体である支持アームの前記関節部の駆動を制御する関節制御部と、前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定する外力推定部と、を備え、前記関節制御部は、前記外力推定部により推定された外トルクに基づいて、前記関節部の駆動を制御する、医療用支持アームの制御装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本開示によれば、推定した外力に基づくトルク制御を実現とし、より多様な状況に対応することが可能となる。
【００１１】
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奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の一実施形態に係る支持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支持アーム装置の外観を示す概略図である。
【図３】トルクセンサを有するアクチュエータを、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４】トルクセンサにより検知された外トルクに基づく理想関節制御について説明するための説明図である。
【図５】本開示の一実施形態に係る外力推定に基づく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】同実施形態に係る電磁モータを備えるアクチュエータの概略的な構成を模式的に示す図である。
【図７】同実施形態に係る電磁モータを備えるアクチュエータが適用される場合の外力推定について説明するための図である。
【図８】同実施形態に係る減速機に係る静止摩擦および動摩擦の測定試験を用いたモデル同定について説明するための図である。
【図９】同実施形態に係る超音波モータを備えるアクチュエータの構成例を示す断面図である。
【図１０】同実施形態に係る超音波モータを備えるアクチュエータの概略的な構成を模式的に示す図である。
【図１１】同実施形態に係る超音波モータを備えるアクチュエータが適用される場合の外力推定について説明するための図である。
【図１２】同実施形態に係る位相差に応じた超音波モータの出力トルクの計測結果を示す図である。
【図１３】同実施形態に係る支持アームシステムの一構成例を示す機能ブロック図である。
【図１４】本開示の一実施形態に係る支持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】
【００１３】
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。
【００１４】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．医療用支持アーム装置についての検討
２．本開示の一実施形態
２−１．支持アーム装置の外観
２−２．一般化逆動力学について
２−３．理想関節制御について
２−４．支持アームシステムの構成
３．ハードウェア構成
４．まとめ
【００１５】
＜１．医療用支持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。
【００１６】
図１を参照して、本開示の一実施形態に係る医療用支持アーム装置（以下、単に、支持アーム装置、または支持アーム、とも称する）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支持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。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る支持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、支持アーム装置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。
【００１８】
施術台５３０の脇には本実施形態に係る支持アーム装置５１０が設けられる。支持アーム装置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。
【００１９】
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、支持アーム装置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。
【００２０】
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、支持アーム装置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、本実施形態に係る支持アーム装置５１０は、医療用器具を備えた医療用支持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。なお、先端ユニットとして、施術部位を撮影するための撮像ユニット５１５や当該ステレオカメラ等のカメラユニットが設けられる支持アーム装置５１０のことをＶＭ（Ｖｉｄｅｏ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）支持アーム装置とも呼称する。
【００２１】
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。
【００２２】
このように、本実施形態においては、医療分野において、支持アーム装置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、支持アーム装置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。
【００２３】
まず、１点目として、支持アーム装置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、支持アーム装置５１０は、より小型であることが望ましい。
【００２４】
次いで、２点目として、支持アーム装置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支持アーム装置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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
このように、２点目の性能として、支持アーム装置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。
【００２８】
最後に、３点目として、支持アーム装置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、支持アーム装置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。
【００２９】
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支持アーム装置について検討を行った。
【００３０】
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。
【００３１】
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支持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。
【００３２】
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支持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。
【００３３】
以上説明したように、本発明者らは、医療用に用いられる支持アーム装置について検討した結果、支持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支持アーム装置では、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、本開示に係る支持アーム装置、支持アームの制御装置、支持アームシステム、支持アームの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。
【００３４】
＜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支持アームシステムについて説明する。本実施形態に係る支持アームシステムにおいては、支持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。
【００３５】
以下の本実施形態の説明では、まず、［２−１．支持アーム装置の外観］で、本実施形態に係る支持アーム装置の外観を示すとともに、支持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、本実施形態に係る支持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．支持アームシステムの構成］で、本実施形態に係る支持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。
【００３６】
なお、以下の説明では、本開示の一実施形態として、支持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。本実施形態に係る支持アームシステムは、他の先端ユニットを有する支持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。
【００３７】
［２−１．支持アーム装置の外観］
まず、図２を参照して、本開示の一実施形態に係る支持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支持アーム装置の外観を示す概略図である。
【００３８】
図２を参照すると、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２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（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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であると言える。
【００４２】
ここで、以下では、図２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。
【００４３】
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に発生させるトルク）が制御されることを意味する。
【００４４】
本実施形態に係る支持アーム装置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４２３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、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。
【００４５】
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。
【００４６】
以上、図２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した。次に、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、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。
【００４７】
［２−２．一般化逆動力学について］
次に、本実施形態における支持アーム装置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。
【００４８】
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。
【００４９】
操作空間は、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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に示した本実施形態に係る支持アーム装置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。
【００５３】
（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。
【００５４】
【数１】
2018202504.tif 000003
【００５５】
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。
【００５６】
【数２】
2018202504.tif 000004
【００５７】
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。
【００５８】
【数３】
2018202504.tif 000005
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
【数４】
2018202504.tif 000006
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
【数５】
2018202504.tif 000007
【００６６】
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）。
【００６７】
【数６】
2018202504.tif 000008
【００６８】
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。
【００６９】
（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。
【００７０】
【数７】
2018202504.tif 000009
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
【数８】
2018202504.tif 000010
【００７４】
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。
【００７５】
【数９】
2018202504.tif 000011
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
【数１０】
2018202504.tif 000012
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
［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。
【００８３】
【数１１】
2018202504.tif 000013
【００８４】
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、νｅ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の運動を表す理論モデルとも言える。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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νｅ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。
【００８８】
このため、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。この際、例えば、特許文献１に記載されるように、トルクセンサを用いることで、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も想定される。なお、以下の説明においては、発生トルクτａのことを、全身協調制御における関節部４２１ａ〜４２１ｆへの指令値という意味で、指令トルクまたは制御値とも呼称する。
【００８９】
ここで、図３を参照して、特許文献１に記載されるようなトルクセンサを有するアクチュエータの構成について説明する。図３は、トルクセンサを有するアクチュエータを、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３に示すトルクセンサを有するアクチュエータ６３０は、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆの一部に適用することも可能である。
【００９０】
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、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に示すアクチュエータ６３０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、アクチュエータ６３０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、アクチュエータ６３０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。
【００９１】
図３を参照すると、アクチュエータ６３０は、モータ６２４、モータドライバ６２５、減速機６２６、エンコーダ６２７、トルクセンサ６２８及び駆動軸６２９を有する。図３に示すように、エンコーダ６２７、モータ６２４、減速機６２６及びトルクセンサ６２８は、駆動軸６２９に対して直列にこの順で連結される。
【００９２】
モータ６２４は、アクチュエータ６３０における原動機であり、駆動軸６２９をその軸周りに回転させる。例えば、モータ６２４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６２４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。
【００９３】
モータドライバ６２５は、モータ６２４に電流を供給することによりモータ６２４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６２４に供給する電流量を調整することにより、モータ６２４の回転数を制御することができる。また、モータドライバ６２５は、モータ６２４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６３０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。
【００９４】
減速機６２６は、駆動軸６２９に接続され、モータ６２４によって生じた駆動軸６２９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６２６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６２６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６２６によって生成されたトルクは、減速機６２６の出力軸に接続されたトルクセンサ６２８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。
【００９５】
エンコーダ６２７は、駆動軸６２９に接続され、駆動軸６２９の回転数を検出する。エンコーダ６２７によって検出された駆動軸６２９の回転数と、減速機６２６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。
【００９６】
トルクセンサ６２８は、減速機６２６の出力軸に接続され、減速機６２６によって生成されたトルク、すなわち、アクチュエータ６３０によって出力されるトルクを検出する。
【００９７】
このように、アクチュエータ６３０においては、モータ６２４に供給する電流量を調整することにより、モータ６２４の回転数を調整することがでる。ここで、減速機６２６における減速比は、支持アーム装置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６２６の減速比に応じて、モータ６２４の回転数を適宜調整することにより、指令トルクを制御することができる。また、アクチュエータ６３０においては、エンコーダ６２７によって検出された駆動軸６２９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６２８によって、関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける指令トルクを検出することができる。
【００９８】
また、トルクセンサ６２８は、アクチュエータ６３０の指令トルクだけでなく、外部から加えられる外トルクを検出することができる。従って、トルクセンサ６２８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６２５がモータ６２４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。
【００９９】
なお、本実施形態では、支持アーム装置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４を参照して、トルクセンサ６２８により検知された外トルクに基づく理想関節制御について説明する。
【０１００】
図４は、トルクセンサにより検知された外トルクに基づく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４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。なお、図４におけるＰのノミナルモデルは、Ｐｎ＝１／（ＪｎＳ２）、とする。
【０１０１】
ブロック６０１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６０１は、指令トルクτａ、外トルクτｅ、および回転角速度（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）を算出力することができる。
【０１０２】
図４に示すように、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指令トルクτａと、トルクセンサ６２８によって測定された外トルクτｅが、ブロック６０１に入力される。また、微分演算を行うブロック６０２に、エンコーダ６２７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。上記指令トルクτａ及び外トルクτｅに加えて、上記のように算出された回転角速度がブロック６０１に入力されることにより、ブロック６０１によって回転角加速度目標値が算出される。
【０１０３】
また、ブロック６０１は、アクチュエータ６３０の回転角加速度に基づいてアクチュエータ６３０に生じるトルクを算出する。具体的には、ブロック６０１は、回転角加速度目標値にアクチュエータ６３０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６３０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６０３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。
【０１０４】
外乱オブザーバ６０３の構成について説明する。図４に示すように、外乱オブザーバ６０３は、指令トルクτａと、エンコーダ６２７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、指令トルクτａ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６３０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、指令トルクτａはトルク目標値τｒｅｆとなる。
【０１０５】
外乱オブザーバ６０３は、ブロック６０４とブロック６０５とから構成される。ブロック６０４は、アクチュエータ６３０の回転角速度に基づいてアクチュエータ６３０に生じるトルクを算出する演算器を表す。具体的には、エンコーダ６２７によって測定された回転角度ｑから、ブロック６０２によって算出された回転角速度がブロック６０４に入力される。ブロック６０４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６３０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。
【０１０６】
外乱オブザーバ６０３内では、当該トルク推定値と指令トルクτａ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指令トルクτａ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６０４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６０１によって算出された指令トルクτａ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。
【０１０７】
また、外乱オブザーバ６０３には、系の発散を防ぐために、ブロック６０５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６０５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。ブロック６０４によって算出されたトルク推定値とトルク指令値τａとの差分値は、ブロック６０５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。
【０１０８】
このように、トルク目標値τｒｅｆに外乱オブザーバ６０３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６３０に生じさせるトルク値である指令トルクτａが算出される。そして、指令トルクτａに基づいてアクチュエータ６３０が駆動される。具体的には、指令トルクτａ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６２４に印加されることにより、アクチュエータ６３０が駆動される。
【０１０９】
以上、図４を参照してトルクセンサにより検知された外トルクに基づく理想関節制御について説明した。説明した構成を取ることにより、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６３０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。
【０１１０】
しかし、トルクセンサを用いる構成では、アクチュエータなどに作用する外力を高精度に検出することができる一方、製造、組み立て、管理などにコストを要するのが一般的である。また、トルクセンサには、動作制約や環境制約が掛かる場合もある。例えば、６軸力覚センサなどのトルクセンサは、配置される部品に作用する外力のみを検出可能であるため、他の部品に作用する外力を検出することができない。また、高温下などの環境では、トルクセンサを配置できない場合もある。このため、外力に基づくトルク制御型の装置においては、トルクセンサを利用しない場合であっても、高精度な力制御を実現することが可能な技術が求められていた。
【０１１１】
上記のような背景から、本発明者らは、推定した外力に基づくトルク制御を実現する本実施形態の制御装置２０を発想するに至った。より具体的には、本実施形態に係る制御装置２０は、アクチュエータの駆動特性に基づいて支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用する外力を推定する外力推定部２６０を備え、外力推定部２６０が推定した外トルクに基づいて、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動を制御することを特徴の一つとする。
【０１１２】
本実施形態に係る制御装置２０によれば、トルクセンサを用いないでも関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用する外トルクを精度高く検出することができ、上述したような動作制約や環境制約を解消したより柔軟な力制御を実現することができる。また、本実施形態に係る制御装置２０によれば、物理構成としてトルクセンサを備える必要がないため、トルクセンサの製造や保守に係るコストを効果的に削減することができ、また支持アーム装置４００の導入および運用に掛かるトータルコストを低減することが可能となる。
【０１１３】
以下、本実施形態に係る制御装置２０による理想関節制御について説明する。図５は、本実施形態に係る外力推定に基づく理想関節制御について説明するための説明図である。図５では、外力推定に基づく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。なお、図５におけるＰのノミナルモデルは、Ｐｎ＝１／（ＪｎＳ２）、とする。また、以下の説明においては、図４に示すトルクセンサを前提としたブロック図との差異について中心に述べ、共通する構成に関する詳細な説明は省略する。
【０１１４】
ブロック７０１は、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７０１は、図４に示すブロック６０１とは異なり、トルクセンサが検知した外トルクτｅの代わりにブロック７０７が推定した推定外トルクτ＾ｅを入力とした演算を行うことを特徴とする。
【０１１５】
この際、ブロック７０７は、アクチュエータに適用されるモータの特性に基づいて推定外トルクτ＾ｅを推定する。図５におけるブロック７０２は、アクチュエータに適用されるモータの特性に依存した演算を行う演算器を示している。このように、本実施形態に係る理想関節制御においては、適用されるモータの特性に基づく演算を行うことで、多様なモータに対応すると共に、推定外トルクτ＾ｅを精度高く推定することが可能である。
【０１１６】
以下、本実施形態に係る制御装置２０によるモータの種別に応じた理想関節制御の詳細について述べる。ここで、上記のモータの一例としては、電磁モータや超音波モータなどが挙げられる。まず、電磁モータを備えるアクチュエータに係る理想関節制御について説明する。
【０１１７】
図６は、電磁モータ８１０を備えるアクチュエータ８００の概略的な構成８０２を模式的に示す図である。図６に示すように、本実施形態のアクチュエータ８００は、電磁モータ８１０、減速機８２０、エンコーダ８５０、ブレーキ８８０を主要な構成要素として構成されている。
【０１１８】
また、図７は、電磁モータ８１０を備えるアクチュエータ８００が適用される場合の外力推定について説明するための図である。図７では、電磁モータ８１０に応じた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。
【０１１９】
関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動に電磁モータ８１０が用いられる場合、本実施形態に係る制御装置２０は、電流値ｉｒｅｆを用いた電流指令トルクτｉ＿ｒｅｆと、エンコーダ値ｑを用いた運動推定トルクτｍｔとに基づいて推定外トルクτ＾ｅを推定することができる。すなわち、本実施形態に係る制御装置２０は、上述した数式（１２）に代えて下記の数式（１３）を用いることで、理想関節制御を実現する。
【０１２０】
【数１２】
2018202504.tif 000014
【０１２１】
図７におけるブロック７１１は、モータの種別に応じたトルク値を算出する演算器である。関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動に電磁モータ８１０が用いられる場合、ブロック７１１は、入力される電流値ｉｒｅｆに基づいて、電流指令トルクτｉ＿ｒｅｆを出力する。ここで、図７に示すＱは、Ｑ＝１／Ｋｔ、であってよい。ブロック７１１は、下記の数式（１４）により、電流指令トルクτｉ＿ｒｅｆを算出することが可能である。ただし、Ｋｔは、トルク定数を示す。
【０１２２】
【数１３】
2018202504.tif 000015
【０１２３】
また、本実施形態に係る制御装置２０は、電磁モータ８１０の特性に基づいて、下記の数式（１５）により、運動推定トルクτｍｔを算出する。
【０１２４】
【数１４】
2018202504.tif 000016
【０１２５】
上記の数式（１５）におけるＭ、ｃ、およびｇは、それぞれ電磁モータ８１０の設計情報に基づく慣性項、速度項、および重力項を示す。図７に示すブロック７１２は、モータの設計情報に基づいて、上記の慣性項、速度項、および重力項を出力する演算ブロックである。
【０１２６】
また、上記の数式（１５）におけるｈおよびｋは、それぞれ摩擦トルクおよび内部消費トルクを示す。図７に示すブロック７１３は、摩擦トルクを算出する演算器であり、またブロック７１４は、歪みトルクやねじれトルクなどの内部消費トルクを算出する演算器である。この際、ブロック７１３および７１４は、設計情報から算出できない摩擦トルクや内部消費トルクの算出に関し、モデル同定結果を用いることを特徴の一つとする。
【０１２７】
図８は、減速機８２０に係る静止摩擦および動摩擦の測定試験を用いたモデル同定について説明するための図である。図８には、測定された減速機８２０の静止摩擦トルクおよび動摩擦トルクが点線で示され、実測値に基づいてモデル化された摩擦トルクが実線で示されている。この際、摩擦トルクのモデル化には、例えば、下記の数式（１６）が用いられてもよい。
【０１２８】
【数１５】
2018202504.tif 000017
【０１２９】
なお、上記の数式（１６）におけるＦｃは静止摩擦係数を、Ｄは粘性摩擦係数を、ｓｇｎは回転角速度に応じた符号関数をそれぞれ示す。また、上記の数式（１６）はあくまで一例であり、本実施形態に係る摩擦トルクのモデル式は、より高次であってもよいし、連続関数であってもよい。
【０１３０】
以上説明したように、本実施形態に係る制御装置２０は、電磁モータ８１０の特性に応じた各種の値を算出することで、精度の高い外トルクの推定を可能とし、トルクセンサを用いない理想関節制御を実現することができる。なお、図７におけるブロック７１５は、ローパスフィルターを示す。
【０１３１】
続いて、超音波モータを備えるアクチュエータに係る理想関節制御について説明する。まず、超音波モータを備えるアクチュエータ９００の構成例について述べる。図９は、本実施形態に係るアクチュエータ９００の構成例を示す断面図である。アクチュエータ９００は、超音波モータ９１０、固定枠９２０、回転枠９３０、ベアリング９４０、エンコーダ９５０、出力枠９６０を備えて構成されている。超音波モータ９１０、固定枠９２０、回転枠９３０、ベアリング９４０、エンコーダ９５０、出力枠９６０は、いずれも中空のリング状に構成されている。
【０１３２】
固定枠９２０は、関節部４２１ａ〜４２１ｆにおいて、相対的に回転する２つの部材の一方に固定される。超音波モータ９１０は、ステータ９１２とロータ９１４とを有して構成される。ステータ９１２には、超音波振動を発生させる圧電素子（ピエゾ素子）が装着されている（不図示）。ロータ９１４は、ステータ９１２の振動面に対して押圧され、ステータ９１２の超音波振動により回転する。回転枠９３０は、ロータ９１４に対して固定され、ロータ９１４とともに回転する。ベアリング９４０は、固定枠９２０と回転枠９３０との間に設けられ、ベアリング９４０を介して固定枠９２０に対して回転枠９３０が回転するように構成されている。
【０１３３】
出力枠９６０は、回転枠９３０に対して固定され、回転枠９３０とともに回転する。出力枠９６０の回転枠９３０とは反対側の端部１６２は、関節部４２１ａ〜４２１ｆにおいて、相対的に回転する２つの部材の他方に固定される。また、出力枠９６０には、径方向の肉厚が周辺よりも薄い薄肉部９６４が設けられている。
【０１３４】
エンコーダ９５０は、検出部９５２とロータ９５４を有して構成され、ロータ９５４の回転を検出部９５２が検出することで、ロータ９５４の回転角を検出する。
【０１３５】
図１０は、超音波モータ９１０を備えるアクチュエータ９００の概略的な構成９０２を模式的に示す図である。図１０に示すように、本実施形態のアクチュエータ９００は、超音波モータ９１０およびエンコーダ９５０を主要な構成要素として構成されている。一般に超音波モータは、単体での出力が大きく、回転数が低いという特性を有し、ダイレクトドライブまたは低い減速率で用いられる。このため、図９および図１０に示すように、アクチュエータ９００が、非線形なトルク伝達特性を持つ減速機を備えない場合、小さい外トルクでも推定が容易となる。
【０１３６】
また、図１１は、超音波モータ９１０を備えるアクチュエータ９００が適用される場合の外力推定について説明するための図である。図１１では、超音波モータ９１０に応じた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。なお、以下の説明においては、電磁モータ８１０に係る外力推定との差異について中心に述べ、共通する構成や機能については、詳細な説明を省略する。
【０１３７】
上述したように、ブロック７１１は、モータの種別に応じたトルク値を算出する演算器である。進行波型の超音波モータでは、２つのピエゾ素子に対し、位相差に基づく制御が行われる。より具体的には、周波数を固定とし、位相差が−９０°〜９０°となるように制御される。超音波モータに係る位相制御においては、モータトルクが０の際に位相が０となるが、ステータ９１２が共振振動を行うため、回転力自体は発生しないものの、ステータ９１２およびロータ９１４間の摩擦が小さい状態となる。このため、超音波モータは、バックドライバビリティがより小さくなるという特性を持つ。
【０１３８】
このため、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動に超音波モータ９１０が用いられる場合、ブロック７１１は、図７を用いて説明した電流指令トルクτｉ＿ｒｅｆに代えて、位相差指令トルクτｐ＿ｒｅｆを算出する。
【０１３９】
図１２は、位相差に応じた超音波モータ９１０の出力トルクの計測結果を示す図である。超音波モータ９１０の出力トルクは、図１２に示すように、位相差（Ｐｒｅｆ）に対して略線形となる。このため、位相差指令トルクτｐ＿ｒｅｆは、下記の数式（１７）によりモデル化することが可能である。
【０１４０】
【数１６】
2018202504.tif 000018
【０１４１】
ここで、上記の数式（１７）におけるＫｐはトルク定数であり、Ｐｒｅｆは、位相差である。すなわち、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動に超音波モータ９１０が用いられる場合、ブロック７１１は、入力される位相差Ｐｒｅｆに上記の数式（１７）を適用することで、位相差指令トルクτｐ＿ｒｅｆを算出することができる。なお、図１１におけるＱは、Ｑ＝１／Ｋｐ、である。
【０１４２】
また、制御装置２０は、電磁モータ８１０が用いられる場合と同様に、超音波モータ９１０の特性に基づいて運動推定トルクτｍｔを算出し、最終的な推定外トルクを推定することができる。制御装置２０が有する上記の機能によれば、バックドライバビリティの影響が少ない超音波モータ９１０を用いる際、外トルクが小さい場合であっても推定外トルクを推定することができ、トルクセンサを用いずとも初動の軽いトルク制御を実現することが可能となる。また、制御装置２０によれば、減速器に係る非線形なトルク伝達特性に影響を受けずに、より容易なトルク推定を実現することが可能となる。
【０１４３】
以上説明したように、本実施形態に係る制御装置２０は、モータの種別に応じた演算を行うことで、精度の高い外トルクの推定を可能とし、トルクセンサを用いない理想関節制御を実現することができる。
【０１４４】
なお、上記の説明においては、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動に用いられる例として、電磁モータおよび超音波モータを挙げて説明したが、本実施形態に係るモータの種別は係る例に限定されない。本実施形態に係る制御装置２０は、上述したような種別に応じた演算を行うことで、多様なモータに対応することが可能である。モータの一例としては、上述した電磁モータおよび超音波モータのほか、静電気力モータ、油圧モータ、空気圧モータなどが想定される。
【０１４５】
また、本実施形態に係る制御装置２０は、上述したように、計測値に基づくモデル同定結果を用いて演算を行うことを特徴の一つとする。この際、制御装置２０は、種々の手法によりモデルの精度を向上させることが可能である。
【０１４６】
制御装置２０は、例えば、複数の支持アーム装置４００からネットワークを通じて、計測値を収集することで、効率的にデータを蓄積し、精度の高いモデル同定を行うことも可能である。
【０１４７】
また、制御装置２０は、例えば、機械学習によりモデルの精度を向上させてもよい。この際、制御装置２０は、関節部４２１ａ〜４２１ｆに係る角度、角速度、トルク値、電流値、位相差などの情報や、支持アーム装置４００に備えられる各種のセンサが収集したセンサ値を用いた学習を行ってもよい。上記のセンサ値には、例えば、加速度センサ値や外界センサ値（３次元測定データ、治具など）が想定される。
【０１４８】
また、制御装置２０は、例えば、トルクセンサが実際に測定した外トルクを教師として学習を行うことも可能である。制御装置２０は、ＳＶＭ（Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｖｅｃｔｏｒ  Ｍａｃｈｉｎｅ）、ニューラルネットワーク、回帰モデルなどの機械学習手法または統計的手法を用いた種々の学習を実施することができる。
【０１４９】
以上、本実施形態に係る理想関節制御について詳細に説明した。上述したように、本実施形態に係る制御装置２０によれば、推定した外力に基づくトルク制御を実現し、より多様な状況に対応することが可能となる。
【０１５０】
より具体的には、本実施形態に係る制御装置２０によれば、トルクセンサの製造や保守にコストを効果的に削減し、支持アーム装置４００の導入に係るトータルコストを低減することが可能となる。また、本実施形態に係る制御装置２０によれば、環境制約や動作制約によりトルクセンサの配置が困難な場合であっても、精度の高い理想関節制御を実現することができる。
【０１５１】
また、本実施形態に係る制御装置２０による外力推定によれば、トルクセンサの配置を必要としないため、トルクセンサの不具合などにより生じ得る部品交換などのコスト増加を排除できると同時に、アクチュエータをおよび支持アーム装置４００をより小型化することが可能となる。
【０１５２】
なお、本実施形態に係る制御装置２０は、トルクセンサを備えるアクチュエータと、トルクセンサを備えないアクチュエータとを同時に制御してもよい。例えば、図２に示す支持アーム装置４００の場合、撮像ユニット４２３に近い関節部４２１ｆなどには、トルクセンサを備えるアクチュエータを適用することで、より確実性の高い理想関節制御を実現すると同時に、ベース部４１０に近い関節部４２１ａには、トルクセンサを備えないアクチュエータを適用し、トータルコストを削減することが可能である。
【０１５３】
さらには、本実施形態に係る制御装置２０は、電磁モータ８１０を備えるアクチュエータ８００と超音波モータ９１０を備えるアクチュエータ９００とを同時に制御することも可能である。このように、本開示に係る技術思想によれば、環境やその他の要件に応じて適切なアクチュエータをそれぞれ採用することが可能となり、より柔軟な装置構成および施術を実現することができる。
【０１５４】
［２−４．支持アームシステムの構成］
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支持アーム装置の駆動制御に適用された、本実施形態に係る支持アームシステムの構成について説明する。
【０１５５】
図１３を参照して、本開示の一実施形態に係る支持アームシステムの一構成例について説明する。図１３は、本開示の一実施形態に係る支持アーム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１３に示す支持アームシステムでは、支持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。
【０１５６】
図１３を参照すると、本開示の一実施形態に係る支持アームシステム１は、支持アーム装置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支持アーム装置１０のアーム部の駆動が制御される。また、支持アーム装置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、支持アーム装置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。
【０１５７】
支持アーム装置１０は、アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された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。支持アーム装置１０は、図２に示す支持アーム装置４００に対応している。
【０１５８】
図１３を参照すると、支持アーム装置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。
【０１５９】
アーム制御部１１０は、支持アーム装置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。
【０１６０】
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１３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。
【０１６１】
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６や図１０などに示す構成と同様である。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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、回転角加速度等の情報が含まれる。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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
なお、図２に示す支持アーム装置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、支持アーム装置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１３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。
【０１６７】
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１３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、本実施形態に係る支持アーム装置１０は、医療用器具を備えた医療用支持アーム装置であると言える。同様に、本実施形態に係る支持アームシステム１は、医療用支持アームの制御システムであると言える。なお、図１３に示す支持アーム装置１０は、撮像機能を有するユニットを先端ユニットとして備えるＶＭ支持アーム装置であるとも言える。また、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。
【０１６８】
以上、支持アーム装置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１３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。
【０１６９】
制御部２３０は、制御装置２０を統合的に制御するとともに、支持アーム装置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、支持アーム装置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。
【０１７０】
制御部２３０は、全身協調制御部２４０及び理想関節制御部２５０、および外力推定部２６０を有する。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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）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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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に支持アーム装置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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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、支持アーム装置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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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、上述したとおり、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への指令値という意味で、指令トルクまたは制御値とも呼称する。
【０１８７】
理想関節制御部２５０は、一般化逆動力学を用いた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指令トルクτａ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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
外乱推定部２５１は、指令トルクτａ、外力推定部２６０が推定する推定外トルクτ＾ｅ、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、ここでいう指令トルクτａは、最終的に支持アーム装置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７０３に対応する機能を有する。
【０１９０】
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、最終的に支持アーム装置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指令トルクτａ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、指令トルクτａ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、指令トルクτａはトルク目標値τｒｅｆとなる。
【０１９１】
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は算出した指令トルクτａを支持アーム装置１０の駆動制御部１１１に送信する。駆動制御部１１１は、送信された指令トルクτａ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。
【０１９２】
外力推定部２６０は、アクチュエータの駆動特性に基づいて関節部１３０に作用する外力を推定する機能を有する。この際、外力推定部２６０は、関節部１３０の駆動に係る運動推定トルクを算出し、当該運動推定トルクに基づいて、外トルクを推定する。また、上述したとおり、関節部１３０のアクチュエータが備えるモータが電磁モータである場合、外力推定部２６０は、関節部１３０の駆動に係る電流指令トルクに基づいて外トルクを推定してよい。また、関節部１３０のアクチュエータが備えるモータが超音波モータである場合、外力推定部２６０は、関節部１３０の駆動に係る位相差指令トルクに基づいて外トルクを推定してよい。
【０１９３】
また、外力推定部２６０は、関節部１３０の駆動に係る摩擦トルクや内部消費トルクを推定し、当該摩擦トルクや内部消費トルクなどに基づいて、上記の運動推定トルクを算出することができる。例えば、関節部１３０のアクチュエータが備えるモータが電磁モータである場合、外力推定部２６０は、減速機の静止摩擦と動摩擦とに基づくモデル同定結果を用いて摩擦トルクを推定してもよい。このように、外力推定部２６０は、図５に示すブロック７０７に対応する機能を有する。
【０１９４】
本実施形態に支持アームシステム１においては、支持アーム装置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、支持アーム装置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、支持アーム装置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、演算結果としての指令トルクτａが支持アーム装置１０に送信される。上述したとおり、上記の演算には、外力推定部２６０によ外トルクの推定演算が含まれる。支持アーム装置１０では、当該指令トルクτａ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。
【０１９５】
制御装置２０が有する他の構成についての説明を続ける。
【０１９６】
入力部２１０は、ユーザが制御装置２０に支持アーム装置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、支持アーム装置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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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の幾何的な構成や支持アーム装置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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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、支持アーム装置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。
【０２０１】
以上、図１３を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置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。
【０２０２】
以上説明したように、本実施形態によれば、支持アーム装置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支持アーム装置１０が実現される。
【０２０３】
＜３．ハードウェア構成＞
次に、図１４を参照しながら、図１３に示す、本実施形態に係る支持アーム装置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１４は、本開示の一実施形態に係る支持アーム装置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。
【０２０４】
支持アーム装置１０及び制御装置２０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、支持アーム装置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。
【０２０５】
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、支持アーム装置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１３に示すアーム制御部１１０及び制御部２３０に対応している。なお、上記の演算パラメータには、例えば、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種々のパラメータや、上述したアーム情報、また外トルクの推定に用いられるモデル同定結果などが含まれる。
【０２０６】
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。
【０２０７】
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、支持アーム装置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。支持アーム装置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、支持アーム装置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１３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。
【０２０８】
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、支持アーム装置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、支持アーム装置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１３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。
【０２０９】
ストレージ装置９１９は、支持アーム装置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１３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、支持アーム装置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。
【０２１０】
ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、支持アーム装置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。
【０２１１】
接続ポート９２３は、機器を支持アーム装置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、支持アーム装置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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
以上、本開示の実施形態に係る支持アーム装置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１４では図示しないが、支持アーム装置１０は、図１３に示すアーム部１２０に対応する各種の構成を当然備える。
【０２１４】
なお、上述のような本実施形態に係る支持アーム装置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。
＜４．まとめ＞
以上説明したように、本開示の一実施形態に係る制御装置２０は、支持アーム装置１０の関節部１３０に係る外トルクを推定し、推定した推定外トルクに基づく理想関節制御を実現することができる。係る構成によれば、推定した外力に基づくトルク制御を実現とし、より多様な状況に対応することが可能となる。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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）
アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体であり、医療用ユニットを支持するよう構成された支持アームと、
前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定する外力推定部、および前記外力推定部により推定された外トルクに基づいて前記関節部の駆動を制御する関節制御部、を備える、制御装置と、
を備える、
医療用支持アームシステム。
（２）
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る運動推定トルクを算出し、前記運動推定トルクに基づいて、前記外トルクを推定する、
前記（１）に記載の医療用支持アームシステム。
（３）
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る摩擦トルクを推定し、前記摩擦トルクに基づいて、前記運動推定トルクを算出する、
前記（２）に記載の医療用支持アームシステム。
（４）
前記外力推定部は、減速機の静止摩擦と動摩擦とに基づくモデル同定結果を用いて前記摩擦トルクを推定する、
前記（３）に記載の医療用支持アームシステム。
（５）
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る内部消費トルクを推定し、前記内部消費トルクに基づいて、前記運動推定トルクを算出する、
前記（２）〜（４）のいずれかに記載の医療用支持アームシステム。
（６）
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る電流指令トルクに基づいて、前記外トルクを推定する、
前記（１）〜（５）のいずれかに記載の医療用支持アームシステム。
（７）
前記外力推定部は、前記関節部の駆動に係る位相差指令トルクに基づいて、前記外トルクを推定する、
前記（１）〜（３）のいずれかに記載の医療用支持アームシステム。
（８）
前記関節制御部は、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる電磁モータを制御する、
前記（１）〜（６）のいずれかに記載の医療用支持アームシステム。
（９）
前記関節制御部は、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる超音波モータを制御する、
前記（１）〜３、７のいずれかに記載の医療用支持アームシステム。
（１０）
前記支持アームは、トルクセンサを有しない第一の関節部と前記トルクセンサを有する第二の関節部とを備え、
前記関節制御部は、前記外力推定部により推定された外トルクに基づく前記第一の関節部の駆動制御と、前記トルクセンサにより検出された外トルクに基づく前記第二の関節部の駆動制御とを共に行う、
前記（１）〜（９）のいずれかに記載の医療用支持アームシステム。
（１１）
前記アクチュエータは、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる電磁モータを備える第一のアクチュエータと、前記関節部の駆動に係る駆動力を発生させる超音波モータを備える第二のアクチュエータとを含み、
前記関節制御部は、前記第一のアクチュエータと前記第二のアクチュエータとを共に制御する、
前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の医療用支持アームシステム。
（１２）
プロセッサが、アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体である支持アームの前記関節部の駆動を制御することと、
前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定することと、
を含み、
前記制御することは、推定された外トルクに基づいて、前記関節部の駆動を制御すること、をさらに含む、
医療用支持アームの制御方法。
（１３）
アクチュエータを有する関節部によって複数のリンクが連結された多リンク構造体である支持アームの前記関節部の駆動を制御する関節制御部と、
前記アクチュエータの駆動特性に基づいて前記関節部に作用する外力を推定する外力推定部と、
を備え、
前記関節制御部は、前記外力推定部により推定された外トルクに基づいて、前記関節部の駆動を制御する、
医療用支持アームの制御装置。
【符号の説明】
【０２１８】
１    支持アームシステム
１０    支持アーム装置
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
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
２６０    外力推定部
【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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