(57)【要約】【課題】マニピュレータのキャリブレーション方法において、使用時の配置状態に応じて駆動力伝達部材に負荷が加わっても、関節部を正確に駆動することができるようにする。【解決手段】関節部と、この関節部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、管状部材の内部に挿通され駆動部で発生した駆動力を関節部に伝達する駆動力伝達部材と、を有するマニピュレータのキャリブレーション方法であって、マニピュレータを使用する状態に配置する配置工程（ステップＳ１、Ｓ２）と、駆動部に予め定められたキャリブレーション用の駆動パターンに基づく動作指令を行い、その際にマニピュレータに発生する負荷量を測定する負荷量測定工程（ステップＳ５、Ｓ６）と、この負荷量測定工程で測定された負荷量に基づいて、本駆動用の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定工程（ステップＳ７、Ｓ８）と、を備える方法とする。【選択図】図９
2015163413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節部と、該関節部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、管状部材の内部に挿通され前記駆動部で発生した駆動力を前記関節部に伝達する駆動力伝達部材と、を有するマニピュレータのキャリブレーション方法であって、
前記マニピュレータを使用する状態に配置する配置工程と、
前記駆動部に予め定められたキャリブレーション用の駆動パターンに基づく動作指令を行い、その際に前記マニピュレータに発生する負荷量を測定する負荷量測定工程と、
該負荷量測定工程で測定された前記負荷量に基づいて、本駆動用の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定工程と、
を備える、マニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項２】
前記キャリブレーション用の駆動パターンは、複数のパターンが定められている
ことを特徴とする、請求項１に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項３】
前記キャリブレーション用の駆動パターンは、マニピュレータの種類に応じて複数のパターンが定められている
ことを特徴とする、請求項２に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項４】
前記キャリブレーション用の駆動パターンは、一定速度で駆動する部分を有する駆動パターンが含まれる
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項５】
前記負荷量測定工程を実行するより前に、前記関節部の動きを拘束する関節部拘束工程を実行し、
前記関節部の動きが拘束された状態で、前記負荷量測定工程を実行する
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項６】
前記負荷量測定工程では、
前記負荷量として、前記駆動力伝達部材に発生する張力を測定する
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項７】
前記制御パラメータ設定工程では、
前記負荷量として測定した前記張力を時間積分した値に基づいて、前記本駆動用の制御パラメータを設定する
ことを特徴とする、請求項６に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項８】
前記制御パラメータ設定工程では、
前記負荷量として測定した前記張力の変化率の変化に基づいて、前記本駆動用の制御パラメータを設定する
ことを特徴とする、請求項６に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項９】
前記制御パラメータ設定工程では、
前記負荷量として測定した前記張力が予め決められた閾値を超えるタイミングに基づいて、前記本駆動用の制御パラメータを設定する
ことを特徴とする、請求項６に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項１０】
前記駆動部は、モータを備え、
前記負荷量測定工程では、
前記負荷量として、前記モータの電流値を測定する
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項１１】
前記負荷量測定工程では、
前記キャリブレーション用の駆動パターンとして前記モータを一定量だけ回転させる駆動パターンを用いる
ことを特徴とする、請求項１０に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項１２】
前記駆動部は、モータを備え、
前記負荷量測定工程では、
前記負荷量として、前記モータを一定のトルクで駆動した際のモータ回転量を測定する
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項１３】
前記制御パラメータ設定工程では、
前記負荷量と、予め求められた制御パラメータ決定用情報とに基づいて決定された制御パラメータを、前記本駆動用の制御パラメータとして設定する
ことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項１４】
前記制御パラメータ決定用情報は、
前記マニピュレータの前記管状部材を湾曲させることにより、複数の負荷状態を形成し、
該複数の負荷状態において、前記負荷量測定工程と同様にして測定される負荷量の情報と、
前記複数の負荷状態において、前記駆動パターンの動作指令を実現するための制御パラメータの情報と、
を含むことを特徴とする、請求項１３に記載のマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項１５】
関節部と、
該関節部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
管状部材の内部に挿通され前記駆動部で発生した駆動力を前記関節部に伝達する駆動力伝達部材と、
予め定められたキャリブレーション用の駆動パターンを記憶する記憶部と、
動作時に発生する負荷量を測定する負荷量測定部と、
前記駆動部の動作制御および制御パラメータの設定を行う制御部と、
を備え、
該制御部は、
前記駆動部に対して、前記記憶部に記憶された前記キャリブレーション用の駆動パターンに基づく動作指令を行い、その際に前記負荷量測定部によって測定された前記負荷量を取得し、
前記負荷量測定部によって測定された前記負荷量に基づいて、本駆動用の制御パラメータを設定する、マニピュレータ。
【請求項１６】
前記負荷量測定部は、
前記負荷量として、前記駆動力伝達部材に発生する張力を測定する張力測定部を備える
ことを特徴とする、請求項１５に記載のマニピュレータ。
【請求項１７】
前記駆動部は、
前記関節部および前記駆動力伝達部材を含む挿入部に対して着脱可能に設けられ、
前記張力測定部は、
前記駆動力伝達部材と前記駆動部との間に設けられるとともに、前記駆動部とともに、前記挿入部に対して着脱可能に固定されている
ことを特徴とする、請求項１６に記載のマニピュレータ。
【請求項１８】
前記駆動部は、
モータを有するとともに、前記関節部および前記駆動力伝達部材を含む挿入部に対して着脱可能に設けられ、
前記負荷量測定部は、
前記モータの電流値を測定する
ことを特徴とする、請求項１５に記載のマニピュレータ。
【請求項１９】
請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のマニピュレータを備える、マニピュレータシステム。
【請求項２０】
前記関節部の動きを拘束する関節部拘束部材を備える
ことを特徴とする、請求項１９に記載のマニピュレータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータシステムのキャリブレーション方法、マニピュレータ、およびマニピュレータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マニピュレータシステムでは、マニピュレータの先端部に可動部を設け、この可動部にワイヤを介してモータの駆動力を伝達することにより、可動部の操作を行うことが知られている。このようなマニピュレータでは、操作入力に対して、可動部が正確に追従して動作するようにキャリブレーションが行われる。
例えば、特許文献１に記載の処置具は、処置対象を把持するため、ワイヤ駆動によって開閉する一対のジョーを先端部に備え、基端部にはワイヤを牽引するモータと、モータに操作入力を行うマスター操作部とが設けられている。
この処置具では、第１のジョーを第２のジョーの方に移動させて、第１のジョーに対する第２のジョーの位置とその際に発生するトルク量とを測定することによりキャリブレーションを行うことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１１４４９４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来技術には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の処置具は、いわゆる硬性マニピュータであるため、使用時にワイヤの経路は一定に保たれている。このため、ワイヤ等に経時変化が発生しない限りは、キャリブレーションは一回行うのみでもよい。
ところが、いわゆる軟性マニピュレータの場合には、ワイヤは可撓性を有するシースに挿通されており、シースとともに湾曲可能になっている。このため、マニピュレータを処置対象部位まで案内する過程でシースが湾曲し、これによりシースの内部に挿通されたワイヤの経路が変化する。このように、ワイヤの経路が変化すると、ワイヤに伸びやたるみが生じる。このため、負荷抵抗が変化して操作入力に対する振幅応答が変化したり、駆動伝達の遅れが生じたりする。
したがって、特許文献１に記載の技術によってキャリブレーションを行っても、使用時の湾曲状態がキャリブレーション時の湾曲状態と異なると、正確に動作させることが困難になるという問題がある。
このため、正確な動作を行うには、使用時と同様な湾曲状態において、キャリブレーションをやり直す必要があるが、特許文献１に記載の技術では、キャリブレーション作業に時間が取られてしまうという問題がある。
また、ワイヤにかかる負荷抵抗は、シースの湾曲状態が一定でも、駆動を繰り返すと経時的に摩擦特性が変化するなどして、次第に変化する。このような場合、湾曲状態が一定でも、適宜の時間をおいて、キャリブレーションを行う必要がある。このため、マニピュレータの使用状態において、容易に行うことができるキャリブレーション方法が強く望まれている。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、使用時の配置状態に応じて駆動力伝達部材に負荷が加わっても、関節部を正確に駆動するためのキャリブレーションを容易に行うことができるマニピュレータシステムのキャリブレーション方法、マニピュレータ、およびマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様のマニピュレータのキャリブレーション方法は、関節部と、該関節部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、管状部材の内部に挿通され前記駆動部で発生した駆動力を前記関節部に伝達する駆動力伝達部材と、を有するマニピュレータのキャリブレーション方法であって、前記マニピュレータを使用する状態に配置する配置工程と、前記駆動部に予め定められたキャリブレーション用の駆動パターンに基づく動作指令を行い、その際に前記マニピュレータに発生する負荷量を測定する負荷量測定工程と、該負荷量測定工程で測定された前記負荷量に基づいて、本駆動用の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定工程と、を備える方法とする。
【０００７】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記キャリブレーション用の駆動パターンは、複数のパターンが定められていることが好ましい。
【０００８】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記キャリブレーション用の駆動パターンは、マニピュレータの種類に応じて複数のパターンが定められていることが好ましい。
【０００９】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記キャリブレーション用の駆動パターンは、一定速度で駆動する部分を有する駆動パターンが含まれることが好ましい。
【００１０】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記負荷量測定工程を実行するより前に、前記関節部の動きを拘束する関節部拘束工程を実行し、前記関節部の動きが拘束された状態で、前記負荷量測定工程を実行することが好ましい。
【００１１】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記負荷量測定工程では、
前記負荷量として、前記駆動力伝達部材に発生する張力を測定することが好ましい。
【００１２】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記制御パラメータ設定工程では、前記負荷量として測定した前記張力を時間積分した値に基づいて、前記本駆動用の制御パラメータを設定することが好ましい。
【００１３】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記制御パラメータ設定工程では、前記負荷量として測定した前記張力の変化率の変化に基づいて、前記本駆動用の制御パラメータを設定することが好ましい。
【００１４】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記制御パラメータ設定工程では、前記負荷量として測定した前記張力が予め決められた閾値を超えるタイミングに基づいて、前記本駆動用の制御パラメータを設定することが好ましい。
【００１５】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記駆動部は、モータを備え、前記負荷量測定工程では、前記負荷量として、前記モータの電流値を測定することが好ましい。
【００１６】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記負荷量測定工程では、前記キャリブレーション用の駆動パターンとして前記モータを一定量だけ回転させる駆動パターンを用いることが好ましい。
【００１７】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記駆動部は、モータを備え、前記負荷量測定工程では、前記負荷量として、前記モータを一定のトルクで駆動した際のモータ回転量を測定することが好ましい。
【００１８】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記制御パラメータ設定工程では、前記負荷量と、予め求められた制御パラメータ決定用情報とに基づいて決定された制御パラメータを、前記本駆動用の制御パラメータとして設定することが好ましい。
【００１９】
上記マニピュレータのキャリブレーション方法においては、前記制御パラメータ決定用情報は、前記マニピュレータの前記管状部材を湾曲させることにより、複数の負荷状態を形成し、該複数の負荷状態において、前記負荷量測定工程と同様にして測定される負荷量の情報と、前記複数の負荷状態において、前記駆動パターンの動作指令を実現するための制御パラメータの情報と、を含むことが好ましい。
【００２０】
本発明の第２の態様のマニピュレータは、関節部と、該関節部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、管状部材の内部に挿通され前記駆動部で発生した駆動力を前記関節部に伝達する駆動力伝達部材と、予め定められたキャリブレーション用の駆動パターンを記憶する記憶部と、動作時に発生する負荷量を測定する負荷量測定部と、前記駆動部の動作制御および制御パラメータの設定を行う制御部と、を備え、該制御部は、前記駆動部に対して、前記記憶部に記憶された前記キャリブレーション用の駆動パターンに基づく動作指令を行い、その際に前記負荷量測定部によって測定された前記負荷量を取得し、前記負荷量測定部によって測定された前記負荷量に基づいて、本駆動用の制御パラメータを設定する構成とする。
【００２１】
上記マニピュレータにおいては、前記負荷量測定部は、前記負荷量として、前記駆動力伝達部材に発生する張力を測定する張力測定部を備えることが好ましい。
【００２２】
上記マニピュレータにおいては、前記駆動部は、前記関節部および前記駆動力伝達部材を含む挿入部に対して着脱可能に設けられ、前記張力測定部は、前記駆動力伝達部材と前記駆動部との間に設けられるとともに、前記駆動部とともに、前記挿入部に対して着脱可能に固定されていることが好ましい。
【００２３】
上記マニピュレータにおいては、前記駆動部は、モータを有するとともに、前記関節部および前記駆動力伝達部材を含む挿入部に対して着脱可能に設けられ、前記負荷量測定部は、前記モータの電流値を測定することが好ましい。
【００２４】
本発明の第３の態様のマニピュレータシステムは、上記マニピュレータを備える構成とする。
【００２５】
上記マニピュレータシステムにおいては、前記関節部の動きを拘束する関節部拘束部材を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のマニピュレータのキャリブレーション方法、マニピュレータ、およびマニピュレータシステムによれば、使用時の配置状態でキャリブレーション用の駆動パターンで駆動を行って、マニピュレータに発生する負荷量を測定し、この負荷量に基づいて本駆動用の制御パラメータを設定するため、使用時の配置状態に応じて駆動力伝達部材に負荷が加わっても、関節部を正確に駆動するためのキャリブレーションを容易に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態のマニピュレータシステムの全体構成を示す模式的な斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のマニピュレータおよび関節部拘束部材の外観を示す模式的な斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの関節部拘束部材の部分断面図およびその右側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの模式的なシステム構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの駆動部の一例を示す模式的な構成図である。
【図６】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの制御部の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの制御ブロック図である。
【図８】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの伝達系のモデルを示す模式図である。
【図９】本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法のフローを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの負荷量測定結果の一例を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法における制御パラメータ決定用情報を求めるための負荷の与え方を説明する模式図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態のマニピュレータの負荷状態の相違による張力の変化の例を示すグラフである。
【図１４】本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法における制御パラメータ決定用情報の一例を示す模式的なグラフである。
【図１５】本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法による駆動モータの動作指令値および関節部の応答の例を示すグラフである。
【図１６】本発明の第１の実施形態の第１変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフである。
【図１７】本発明の第１の実施形態の第２変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフである。
【図１８】本発明の第１の実施形態の第３変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフ、および張力の測定例を示すグラフである。
【図１９】本発明の第１の実施形態の第４変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法における負荷量の測定例を示す模式的なグラフ、およびその部分拡大図である。
【図２０】本発明の第１の実施形態の第５変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法における駆動ワイヤのたるみ量の推定方法を説明する模式的なグラフである。のキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフである。
【図２１】本発明の第２の実施形態のマニピュレータの制御部の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図２２】本発明の第３の実施形態のマニピュレータの模式的な構成図である。
【図２３】本発明の各実施形態および各変形例に共通して用いることができる駆動パターンの他例を示す模式的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００２９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態のマニピュレータシステムについて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータシステムの全体構成を示す模式的な斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータおよび関節部拘束部材の外観を示す模式的な斜視図である。図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの関節部拘束部材の部分断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）における右側面図である。図４は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの模式的なシステム構成図である。図５は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの駆動部の一例を示す模式的な構成図である。図６は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの制御部の機能構成を示す機能ブロック図である。
なお、各図面は、模式図のため、寸法や形状は誇張されている（以下の図面も同様）。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム１は、操作者Ｏｐが操作するマスタマニピュレータ２と、処置用内視鏡装置１０が設けられたスレーブマニピュレータ６とを備える、いわゆるマスタスレーブ方式のシステムである。
マスタマニピュレータ２は、操作者Ｏｐが操作入力を行うマスタアーム３と、処置用内視鏡装置１０を用いて撮影した映像等を表示する表示部４と、マスタアーム３の動作に基づいて、スレーブマニピュレータ６を動作させるための操作指令を生成する制御ユニット５とを備える。
【００３１】
本実施形態において、マスタアーム３は、後述する医療用器具２０を含むスレーブマニピュレータ６の各部を動作させるための操作部である。また、詳細は図示しないが、マスタマニピュレータ２は、操作者Ｏｐの右手と左手とのそれぞれに対応する一対のマスタアーム３を有している。
マスタアーム３は、後述する処置用内視鏡装置１０の湾曲部１１Ｂや医療用器具２０の関節部２２のように少なくとも１自由度の関節を有するマニピュレータを動作させるために関節構造を有している。
また、マスタアーム３において操作者Ｏｐ側に位置する端部には、医療用器具２０の把持部２６（後述）を動作させるための把持操作部（図示略）が設けられている。
また、特に図示しないが、マスタアーム３には、操作者Ｏｐがキャリブレーション動作の開始を指令するための操作部が設けられている。この操作部としては、例えば、押しボタン操作部、フットスイッチ操作部などを採用することができる。以下では、キャリブレーション動作を開始する押しボタン操作部が、マスタアーム３を把持する操作者のＯｐの指が届く範囲に設けられているものとして説明する。
【００３２】
表示部４は、処置用内視鏡装置１０に取り付けられた観察部１５（後述）によって撮影された処置対象部位の映像や、操作に必要な操作画面や、制御ユニット５からの情報などが表示される装置である。表示部４には、処置対象部位とともに医療用器具２０も表示される。
【００３３】
スレーブマニピュレータ６は、患者Ｐａが載置される載置台７と、載置台７の近傍に配置された多関節ロボット８と、医療用器具２０とを有する。
多関節ロボット８には処置用内視鏡装置１０が保持されている。処置用内視鏡装置１０には、医療用器具２０を挿通させることが可能である。
多関節ロボット８、処置用内視鏡装置１０、および医療用器具２０は、マスタマニピュレータ２から発せられた動作指令に従って動作する。
ただし、本発明のマニピュレータシステムにおいて、多関節ロボットは必須ではなく、例えば処置用内視鏡装置１０を図示しない補助者が保持する構成としてもよい。
【００３４】
図２に示すように、処置用内視鏡装置１０は、患者Ｐａの体内に挿入するための長尺の部材である外套管１１を有している。
外套管１１は、近位端から遠位端に向かって、可撓性を有する管状の挿入部１１Ｃ（図１参照）、例えば、節輪や湾曲コマ等を備えた周知の湾曲部１１Ｂ、および円柱状の硬質材料で形成された先端部１１Ａ（関節部拘束部材）を、この順に備える。
湾曲部１１Ｂは、マスタアーム３への操作入力によって、湾曲させることにより先端部１１Ａの向きを変更することができる。湾曲部１１Ｂを湾曲させる機構としては、例えば、節輪や湾曲コマの内周面に挿通され、先端部１１Ａに固定された駆動ワイヤを挿入部１１Ｃ内に挿通させて、近位端側の駆動モータなどで牽引する周知の構成を採用することができる。
挿入部１１Ｃおよび湾曲部１１Ｂの内部には、医療用器具２０等の処置具を供給する経路である処置具チャンネル１６が設けられている。
【００３５】
処置具チャンネル１６の基端部（近位端側）は、図１に示すように、挿入部１１Ｃの側方に開口する供給口１６ａに接続されている。
処置具チャンネル１６は、内径ｄ１を有する可撓性の管状部材で形成されている。その先端部１６ｂは、図３（ａ）に示すように、先端部１１Ａを軸方向に貫通して、先端部１１Ａの先端面１１ａに開口する貫通孔部１２の基端側に接続されている。
【００３６】
貫通孔部１２は、処置具チャンネル１６に挿通される種々の処置具を挿通させる挿通孔としての機能を有する。ただし、医療用器具２０を挿通させる際には、医療用器具２０の関節部のキャリブレーションを行う際に医療用器具２０の関節部の動きを拘束する機能を有している。本実施形態では、貫通孔部１２は、処置具チャンネル１６の内径ｄ１よりもわずかに小径の内径ｄ０、長さＬの円筒孔からなる。内径ｄ０、長さＬの設定の仕方は後述する。
【００３７】
図２、図３（ｂ）に示すように、観察部１５は、処置対象部位を観察するための装置であり、周知の撮像機構１３と照明機構１４とを備える。
撮像機構１３および照明機構１４は、先端部１１Ａの内部に配置され、図示略の電気配線や光ファイバが、湾曲部１１Ｂおよび挿入部１１Ｃの内部に挿通され、制御ユニット５における電気回路や光源に連結されている。
撮像機構１３および照明機構１４は、先端部１１Ａの先端面１１ａにおいて、それぞれ光学的な開口窓を有しており、この開口窓を通して、先端部１１Ａの前方の外光を受光したり、照明光を前方に出射したりすることができる。
【００３８】
医療用器具２０は、関節部を有することにより、先端のエンドエフェクタを移動したり、駆動したりするマニピュレータの一例であり、全体として、細長い軸状に形成されている。
図４に示すように、医療用器具２０は、マスタアーム３の操作により回動する関節部２２と、関節部２２に連結された軸状部２１と、処置対象等を把持する把持部２６と、可撓性を有する管状部材である筒状部２３と、関節部２２に駆動力を供給する駆動ユニット３０と、を備える。
把持部２６は、医療用器具２０のエンドエフェクタであり、最も先端側（遠位端側）の軸状部２１の先端に取り付けられている。
筒状部２３は、最も基端側（近位端側）の軸状部２１に接続されている。
【００３９】
関節部２２は、屈曲用関節であって、駆動力伝達部材を用いて近位端から、駆動力を伝達して、屈曲を行う関節であれば、具体的な構成は、特に限定されない。関節部２２の屈曲自由度、屈曲方向、屈曲量なども特に限定されない。
以下では、関節部２２の一例として、近位端側から順に、医療用器具２０の延在方向に交差する方向に屈曲する関節部２２Ｂと、関節部２２Ｂの屈曲方向と直交する方向に屈曲する関節部２２Ａとを有するものとして説明する。
関節部２２Ｂ、２２Ａは、いずれも、図示略のプーリを有しており、それぞれのプーリに、駆動ワイヤ２４Ｂ、２４Ａが駆動力伝達部材として巻き回されて、端部が固定されている。
以下では、関節部２２Ｂ、２２Ａ、あるいは駆動ワイヤ２４Ｂ、２４Ａの区別を特に明示する必要がない場合には、添字Ａ、Ｂを省略して、単に、関節部２２、駆動ワイヤ２４と称する場合がある。
【００４０】
軸状部２１は、関節部２２Ｂによって連結された軸状部２１Ｃ、２１Ｂと、関節部２２Ａによって軸状部２１Ｂと連結された軸状部２１Ａとを有する。
このため、軸状部２１Ｃは、医療用器具２０において最も基端側の軸状部２１になっており、関節部２２Ｂが接続された端部と反対側の端部が筒状部２３の先端に固定されている。
軸状部２１Ａは、医療用器具２０において最も先端側の軸状部２１になっており、関節部２２Ａと反対側の端部である先端に、把持部２６が固定されている。
軸状部２１Ｂの両端部には、関節部２２Ｂ、２２Ａが連結されている。
以下では、このような軸状部２１Ｃ、関節部２２Ｂ、軸状部２１Ｂ、関節部２２Ａ、軸状部２１Ａ、および把持部２６からなる連結体を、先端屈曲部２５と称する。
【００４１】
各軸状部２１は、先端部１１Ａの貫通孔部１２の内径ｄ０に挿通可能に嵌合される外径Ｄ０を有している。
各関節部２２は、連結された軸状部２１の外形よりも突出しない大きさに形成されている。
【００４２】
貫通孔部１２の内径ｄ０、長さＬは、貫通孔部１２に、関節部２２と、関節部２２で連結された一対の軸状部２１とを挿入したときに、関節部２２の動きが、一定のバラツキの範囲内に収まる所定値になるように設定しておく。
例えば、本実施形態では、貫通孔部１２が円筒形状を有するため、ｄ０＝Ｄ０とすれば、各軸状部２１は真直軸Ｏと同軸に整列する。このため、関節部２２が完全に拘束されて、屈曲動作が抑制される。
内径ｄ０が外径Ｄ０よりも大きい場合には、軸状部２１がその隙間の範囲で移動する間は、関節部２２が動くが、軸状部２１が隙間の範囲の移動が終了すると関節部２２の動きが拘束される。
【００４３】
本実施形態では、後述するキャリブレーションを行う際に、関節部２２が予め決められた屈曲の動きするような関節角度を変化させる動作指令が与えられる。その際、動作指令における関節角度の変化量に対して、隙間の範囲内で動く関節角度の変化量Δθが十分小さければ、キャリブレーションの誤差を許容範囲内に収めることができる。
変化量Δθは、貫通孔部１２の内径ｄ０、軸状部２１の外径Ｄ０、および貫通孔部１２の長さＬとの関係から計算される。
例えば、キャリブレーション動作における関節角度を変える動作指令が、θ０からθｍａｘの範囲で変化させる場合、隙間の範囲内で動く関節角度の変化量Δθは、関節角度の変化幅（θｍａｘ−θ０）の３０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。
【００４４】
把持部２６は、処置具を保持するための一対の把持部材２６ａ、２６ｂと、把持部材２６ａ、２６ｂを回動可能に支持する回動軸２６ｃとを有している。把持部材２６ａ、２６ｂは、マスタアーム３の図示略の把持操作部を操作することにより回動軸２６ｃを中心として回動され、図４の矢印のように動いて開閉動作する。
把持部２６の駆動力の伝達手段は、特に限定されず、例えば、図示略の操作ワイヤによって把持部材２６ａ、２６ｂに連結した図示略のリンクを駆動するなどの手段が可能である。
把持部２６は、図４に示すように、被把持物を把持することなく閉じている場合には、連結された軸状部２１の外形よりも突出しない大きさになっている。
このため、先端屈曲部２５は、真直に延ばした状態であって、把持部２６を上記のように閉じた状態では、最大外径がＤ０の軸状体になっており、貫通孔部１２に進退可能に挿入可能な形状になっている。
【００４５】
筒状部２３は、例えば、樹脂チューブなどの軟性の筒状部材で構成され、内部に、関節部２２Ａ、２２Ｂをそれぞれ駆動するための駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂなどの挿通物が挿通されている。
駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂは、筒状部２３の基端部から先端のプーリの近傍までの間では、両端部の位置が固定されたシース２７の内部にそれぞれ挿通されている。
各シース２７は、各駆動ワイヤ２４と略同径の内径を有する密巻コイルなどによって形成され、これにより、外力を受けて湾曲しても、ほとんど長さが変化しないようになっている。ただし、シース２７の内径は、駆動ワイヤ２４を円滑に牽引するため、駆動ワイヤ２４の外径よりもわずかに大きくなっている。
【００４６】
筒状部２３における駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂ以外の挿通物としては、図示は省略するが、例えば、把持部２６を駆動するための操作ワイヤや、観察部１５に接続する電気配線や光ファイバなどの例を挙げることができる。
【００４７】
駆動ユニット３０は、図５に示すように、筒状部２３の基端部に固定された駆動力伝達機構３３を内蔵する本体部３１と、本体部３１に着脱可能に取り付けられ内部に駆動モータ３４（駆動部）を内蔵する着脱部３２とを備える。
着脱部３２の本体部３１に対する着脱方式は、装着時に駆動モータ３４の駆動力が駆動力伝達機構３３に伝達され、取り外し時に駆動モータ３４ごと取り外せる方式であれば特に限定されない。例えば、本体部３１および着脱部３２の筐体同士を凹凸嵌合、螺合することによって着脱する方式や、本体部３１および着脱部３２の筐体同士をねじ等の連結部材を介して着脱可能に固定する方式などを採用することができる。
このように、着脱部３２を着脱可能に取り付けることにより、例えば、使用済みの先端屈曲部２５、筒状部２３を廃棄したり、滅菌したりする場合に、着脱部３２を取り外すことができる。取り外した着脱部３２および駆動モータ３４は、新しい本体部３１や滅菌後の本体部３１に装着することで再使用することができる。
【００４８】
駆動力伝達機構３３は、駆動モータ３４からの駆動力を、駆動ワイヤ２４に伝達して、駆動ワイヤ２４を牽引する装置部分であり、駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂのそれぞれに対して同様の構成のものが設けられている。ただし、図５では、簡単のため、駆動ワイヤ２４Ｂを牽引する部分のみを示している。
以下、図５に基づいて、駆動ワイヤ２４Ｂを駆動するための、駆動力伝達機構３３、駆動モータ３４の構成を説明するが、同様の説明は、駆動ワイヤ２４Ａを駆動するための駆動力伝達機構３３、駆動モータ３４にも適用される。
なお、各駆動力伝達機構３３（各駆動モータ３４）は、それぞれ別々の本体部３１（着脱部３２）に設けて、個別に着脱できるようにしてもよいし、すべての駆動力伝達機構３３（各駆動モータ３４）を、１つの本体部３１（着脱部３２）に一体に固定して、全体として着脱できるようにしてもよい。
【００４９】
駆動力伝達機構３３は、本実施形態では、一例として、ラック３３Ａ、３３Ｂ、およびピニオン３３Ｃを備えるラックピニオン方式の機構を採用している。
ラック３３Ａ、３３Ｂは、本体部３１内の図示略の支持部材により、駆動ワイヤ２４Ｂの牽引方向に沿って移動可能に支持されており、それぞれの筒状部２３側の端部において、駆動ワイヤ２４Ｂの端部と固定されている。
ラック３３Ａ、３３Ｂの間には、それぞれの歯部と係合するピニオン３３Ｃが配置されている。
ピニオン３３Ｃは、本体部３１内で図示略の支持軸によって回転可能に支持されている。このため、ラック３３Ａが駆動ワイヤ２４Ｂを着脱部３２側に牽引する方向（図示矢印ｘ１参照）に移動すると、ピニオン３３Ｃの回転により、ラック３３Ｂは着脱部３２から遠ざかる方向（図示矢印ｙ２参照）に移動する。反対に、ラック３３Ａが図示矢印ｘ２方向に押し出されると、ラック３３Ｂは図示矢印ｙ１方向に移動する。
【００５０】
ラック３３Ａ、３３Ｂは、駆動ワイヤ２４とともに、駆動モータ３４で発生した駆動力を関節部２２に伝達する駆動力伝達部材を構成している。ただし、本実施形態では、ラック３３Ａ、３３Ｂは、駆動ワイヤ２４に比べて高剛性を有しており、駆動時の伸縮は、駆動ワイヤ２４の伸縮に比べて小さい。
【００５１】
駆動モータ３４は、ラック３３Ａを移動させるための駆動力を発生する装置部分であり、回転運動を直動運動に変換するボールねじ３６を備え、駆動ワイヤ２４Ｂに発生する張力を測定する張力測定部３５を介して、ラック３３Ａと着脱可能に連結されている。
駆動モータ３４の種類は、動作指令値に基づいて、所定の回転量だけ回転することにより、ボールねじ３６を一定距離だけ移動できれば、特に限定されない。例えば、サーボモータ、ステッピングモータ、ＤＣモータなどを採用することができる。
本実施形態では、駆動モータ３４は、回転量を検出するエンコーダ３４ａを有するＤＣサーボモータを採用している。
駆動モータ３４は、図６に示すように、制御ユニット５と通信可能に接続されている。
【００５２】
張力測定部３５は、駆動ワイヤ２４Ｂに発生する張力を測定できれば特に限定されない。本実施形態では、一例として、ボールねじ３６の端部と固定され、ラック３３Ａと着脱可能に連結されるロードセルを採用している。
張力測定部３５は、制御ユニット５と通信可能に接続されている。
【００５３】
次に、制御ユニット５の機能構成について、各関節部２２の動作制御およびキャリブレーション制御を行う部分の機能構成を中心として説明する。
図６に示すように、制御ユニット５は、モータ制御部１００（制御部）、キャリブレーション制御部１０１（制御部）、および記憶部１０２を備える。
【００５４】
モータ制御部１００は、マスタアーム３から送出されるマスタアーム３の関節部の動き解析して、同様な動作を行うための関節部２２の回転角度を算出し、これに対応する駆動モータ３４の回転量の制御を行うものである。モータ制御部１００が行う制御の詳細については、動作説明とともに説明する。
【００５５】
キャリブレーション制御部１０１は、医療用器具２０の関節部２２のキャリブレーション動作を行い、キャリブレーション動作によって得られた駆動モータ３４の制御パラメータを本駆動用の制御パラメータとしてモータ制御部１００に設定するものである。
このキャリブレーション動作では、まず、記憶部１０２に記憶されたキャリブレーション用の駆動パターンに基づいて、駆動モータ３４の動作を行う。その際に、医療用器具２０に発生する負荷量を測定し、この負荷量に基づいて本駆動用の制御パラメータを決定する。
本実施形態では、負荷量としては、張力測定部３５によって測定される駆動ワイヤ２４の張力情報を採用しており、張力測定部３５は、負荷量測定部を構成している。
このため、キャリブレーション制御部１０１は、モータ制御部１００、記憶部１０２、および張力測定部３５と通信可能に接続されている。
キャリブレーション制御部１０１が行う制御の詳細については、動作説明とともに説明する。
本実施形態では、モータ制御部１００およびキャリブレーション制御部１０１は、駆動モータ３４の動作制御および制御パラメータの設定を行う制御部を構成している。
【００５６】
記憶部１０２は、予め定められたキャリブレーション用の駆動パターンと、負荷量に基づいて本駆動用の制御パラメータを決めるための制御パラメータ決定情報とを、記憶する装置部分であり、キャリブレーション制御部１０１と通信可能に接続されている。
記憶部１０２に記憶されるこれらの情報の例については、動作説明とともに説明する。
【００５７】
このような制御ユニット５の装置構成は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータからなり、これにより上記のような制御機能を実現する適宜の制御プログラムが実行されるようになっている。
【００５８】
このような構成により、医療用器具２０、モータ制御部１００、キャリブレーション制御部１０１、張力測定部３５、および記憶部１０２は、本実施形態のマニピュレータを構成している。
【００５９】
次に、このようなマニピュレータシステム１の医療用器具２０の動作について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの制御ブロック図である。図８は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの伝達系のモデルを示す模式図である。
【００６０】
マニピュレータシステム１の医療用器具２０を用いて処置を行うには、まず処置用内視鏡装置１０の外套管１１を用いて、処置対象部位に医療用器具２０の先端部分を患者Ｐａの体内に挿入し、処置対象部位の近くまで進める。
その際、外套管１１は、体内の挿入経路に応じて湾曲するため、外套管１１の内部の処置具チャンネル１６およびこれに挿通される医療用器具２０の筒状部２３も湾曲する。
このため、筒状部２３の内部に挿通されるシース２７および駆動ワイヤ２４も湾曲する。また湾曲の仕方は、一般には、互いに並行する駆動ワイヤ２４同士の間でも異なる。
【００６１】
駆動ワイヤ２４が湾曲されたシース２７内で牽引されると、シース２７の湾曲量の違いにより摺動負荷が変化して、挿通部位に応じて、駆動ワイヤ２４が伸びたり、たるんだりする。これにより、駆動力の伝達が遅れたり、関節部２２に作用する力量が低下したり、関節部２２の駆動方向を変える際にバックラッシが生じたりする。
特に、関節部２２のプーリを牽引するために並行して配置された駆動ワイヤ２４の一方が湾曲の内側、他方が湾曲の外側に位置する場合、牽引方向（関節部２２の回動方向）による摺動負荷の差が顕著になるため、このような不具合が発生しやすい。
このような不具合が発生すると、駆動ワイヤ２４を牽引するピニオン３３Ｃの回転量と、関節部２２のプーリとの回転量とが正確に対応しなくなるため、マスタアーム３の操作入力に正確に対応した駆動が行えなくなってしまう。
そこで、本実施形態の医療用器具２０では、医療用器具２０を本駆動する前に、本実施形態のキャリブレーション方法を行い、医療用器具２０に発生する負荷量に基づいて駆動モータ３４の制御パラメータを変更することにより、ピニオン３３Ｃの回転量と、関節部２２のプーリとの回転量との整合をとるようにしている。
【００６２】
図７を参照して、医療用器具２０の本駆動時の制御について説明する。
マスタアーム３からの操作入力がモータ制御部１００に送出されると、モータ制御部１００の動作指令値生成部１１０により、医療用器具２０の関節構造に応じた駆動モータ３４の動作指令値ｕｍが生成される。
この動作指令値ｕｍは、駆動モータ３４によるピニオン３３Ｃと、関節部２２に設けられた関節部プーリ２２ａとの間の伝達系２００が、駆動ワイヤ２４の湾曲による外部負荷が発生しない伝達特性を有する場合に、関節部２２を正確に駆動できる動作指令値になっている。
しかし、伝達系２００には、使用時におけるシース２７の湾曲状態によって外部負荷が発生する。
【００６３】
例えば、図８に示すように、伝達系２００は、駆動ワイヤ２４がバネ剛性（バネ定数）ｋ、粘性減衰定数ｃを有し、ピニオン３３Ｃおよび図示略のラック３３Ａ、３３Ｂによって牽引される際、駆動ワイヤ２４に湾曲したシース２７等から湾曲状態に応じて、クーロン摩擦が作用する力学系としてモデル化することが可能である。図８では、簡単のため、ピニオン３３Ｃのピッチ円半径と、関節部プーリ２２ａのピッチ円半径とは、ともにｒｐに等しいものとしている。また、本実施形態では、ラック３３Ａ、３３Ｂのバネ剛性は、駆動ワイヤ２４に比べて十分大きいため、無視している。
このようなモデルの運動方程式は、次式（１）〜（４）で表すことができる。
【００６４】
【数１】
2015163413.tif 000003
【００６５】
ここで、θｍはピニオン３３Ｃの回転量、θは関節部プーリ２２ａの回転量、Ｎｍは駆動モータ３４による駆動トルク、Ｉｍは駆動モータ３４および駆動力伝達機構３３の慣性モーメント、Ｉは関節部２２の被駆動部の慣性モーメント、ｆｄは駆動ワイヤ２４が受けるクーロン摩擦力、ｋｅは関節部２２に作用する外力をモデル化した環境剛性である。
ｓｇｎは、引数の正、０、負に応じて、それぞれ＋１、０、−１を取る符号関数である。
【００６６】
駆動ワイヤ２４に、湾曲状態に応じてクーロン摩擦が作用すると、ピニオン３３Ｃの回転量θｍとの関節部プーリ２２ａの回転量θとが一致しなくなる。湾曲状態は予め予測することは困難であるため、本実施形態では、使用時の湾曲状態において、伝達系２００における実際の負荷量を測定し、負荷量の補償を行うキャリブレーション動作を行う。
このため、モータ制御部１００は、動作指令値生成部１１０で決定された動作指令値ｕｍを、駆動ワイヤ２４が受ける負荷量を補償する値に変換する補償部１１１を備えている。
本実施形態では、動作指令値生成部１１０から送出される駆動モータ３４の回転量の動作指令値ｕｍに、補償値ｕＦを加算することにより、動作指令値Ｕｍを生成する。
補償値ｕＦは、キャリブレーション制御部１０１によって、本駆動を開始するまでに、予めモータ制御部１００に設定される。
動作指令値Ｕｍ、補償値ｕＦは、次式（５）、（６）で表される。
【００６７】
【数２】
2015163413.tif 000004
【００６８】
ここで、θｒｅｆは、動作指令値ｕｍである。
このように、本実施形態では、θｒｅｆの時間微分の符号に応じて、補償値ｕＦの符号が決まる。このため、常にクーロン摩擦が作用する方向と反対側により多く駆動ワイヤ２４が駆動されるように動作指令値Ｕｍが生成される。
【００６９】
動作指令値Ｕｍは、モータ制御器１１２に送出されると、動作指令値Ｕｍに基づいて、駆動モータ３４が駆動される。駆動モータ３４の回転量は、エンコーダ３４ａによって検出されて、フィードバック制御される。
このようにして、伝達系２００の負荷量を見込んだ動作指令値Ｕｍによって、駆動ワイヤ２４が牽引され、これにより、関節部２２が駆動される。
これにより、操作者Ｏｐが医療用器具２０により必要な処置を行うことができる。
【００７０】
次に、補償値ｕＦを設定する本実施形態のキャリブレーション方法について説明する。
図９は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法のフローを示すフローチャートである。図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフである。図１１は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの動作指令値と、張力測定結果との一例を示すグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は左側が張力Ｆ、右側が動作指令値ｕｍを示す。
【００７１】
本実施形態のキャリブレーション方法は、図９に示すステップＳ１〜Ｓ９を、図９のフローに沿って実行することにより行われる。
【００７２】
ステップＳ１は、処置部位の近傍に、処置用内視鏡装置１０を挿入するステップである。
処置用内視鏡装置１０の外套管１１を患者Ｐａの体内に挿入し、処置部位の近傍に、処置用内視鏡装置１０を位置させる。
以上で、ステップＳ１が終了する。
【００７３】
次に、ステップＳ２を行う。本ステップは、処置用内視鏡装置１０の処置具チャンネル１６にマニピュレータである医療用器具２０を挿入するステップである。
操作者Ｏｐまたは図示略の挿入ロボットなどにより、供給口１６ａに医療用器具２０の先端屈曲部２５を挿入し、処置具チャンネル１６を通して、先端屈曲部２５が貫通孔部１２に挿入されるまで、医療用器具２０を送り込む。
これにより、医療用器具２０の筒状部２３は、処置具チャンネル１６の湾曲状態に応じて湾曲されることになる。
以上で、ステップＳ２が終了する。
【００７４】
ステップＳ１、Ｓ２は、医療用器具２０を使用する状態に配置する配置工程を構成している。実際に医療用器具２０を使用して処置を行うには、図２に示すように、先端屈曲部２５を処置用内視鏡装置１０の先端面１１ａの前方に進出させる必要があるが、筒状部２３は先端屈曲部２５に比べて長尺である。このため、先端屈曲部２５の先端が貫通孔部１２内にとどまっている状態と、図２に示すような先端屈曲部２５が貫通孔部１２から突出した状態とでは、湾曲状態は略同一であり、駆動ワイヤ２４に発生する負荷量は同一と見なすことができる。
【００７５】
上述のように、本実施形態の配置工程では、一例として、処置用内視鏡装置１０を体内に挿入した後に、医療用器具２０を配置する場合の例で説明した。ただし、予め医療用器具２０を処置用内視鏡装置１０の処置具チャンネル１６に挿通しておくことにより、医療用器具２０を処置用内視鏡装置１０とともに患者Ｐａの体内に挿入して、医療用器具２０を使用する状態に配置することも可能である。
【００７６】
次にステップＳ３を行う。本ステップは、キャリブレーションを行う関節部２２の動きを拘束するステップである。
本実施形態では、関節部２２は、２つの関節部２２Ａ、２２Ｂを備えるため、それぞれを個別にキャリブレーションしていく。キャリブレーションする順番は、特に限定されない。
関節部２２を拘束する手段は、特に限定されないが、本実施形態では、関節部２２およびこれに隣接する軸状部２１を貫通孔部１２の内部に挿通することで拘束を行う。
例えば、最初に、関節部２２Ａと、軸状部２１Ａ、２１Ｂの少なくとも一部とが、貫通孔部１２の内部に位置するように、医療用器具２０の挿入量を調整する。
これにより、関節部２２Ａが駆動されても、軸状部２１Ａ、２１Ｂが、貫通孔部１２との間の隙間の範囲でしか移動できなくなり、関節部２２Ａの動きが拘束される。
このようにすることで、上記式（２）における環境剛性ｋｅが固定された状態が形成されるため、湾曲状態に対応する負荷量をより正確に測定することが可能になる。
以上で、ステップＳ３が終了する。
【００７７】
次にステップＳ４を行う。本ステップは、キャリブレーションを実行する操作入力を行うステップである。
本実施形態では、操作者Ｏｐがマスタアーム３の押しボタン操作部を操作する。
この操作入力は、制御ユニット５のキャリブレーション制御部１０１に送出される。
以上で、ステップＳ４が終了する。
【００７８】
ステップＳ４が終了すると、キャリブレーション制御部１０１がステップＳ５を行う。本ステップは、キャリブレーション用の駆動パターンを設定するステップである。
キャリブレーション制御部１０１は、記憶部１０２に予め記憶されているキャリブレーション用の駆動パターンを読み出す。
次に、キャリブレーション制御部１０１は、モータ制御部１００の補償部１１１にｕＦ＝０を設定する。
以上で、ステップＳ５が終了する。
【００７９】
ここで、キャリブレーション用の駆動パターンについて説明する。
キャリブレーション用の駆動パターンは、医療用器具２０の湾曲状態における負荷量を測定するため、予め設定された駆動パターンである。
この駆動パターンは、各関節部２２に共通の駆動パターンでもよいが、各関節部２２の動作量や構造の相違がある場合には、負荷量を精度よく検出できるように、それぞれに応じた駆動パターンとすることが好ましい。
また、負荷量の測定精度を向上するために、一定のパターンを周期的に繰り返す駆動パターンであることが好ましい。
【００８０】
本実施形態では、図１０（ａ）、（ｂ）に示すような、２種類の駆動パターン３０１、３０２を備えている。
図１０（ａ）に示す駆動パターン３０１は、例えば、関節部２２Ａのキャリブレーションを行うためのものであり、動作指令値ｕｍを時間とともに、０から最大値ｕ１まで増大させてから０に戻す山形のパターンを周期Ｔで複数回繰り返すというパターンである。繰り返し数は、特に限定されないが、図１０（ａ）では、一例として、３回としている。
ここで、ｕｍの変化率ｕｍ’は、特に図示しないが、時刻ｔ＝０で最大、ｔ＝Ｔ／２で０、ｔ＝Ｔで最小から最大に切り替わるような変化をする。
図１０（ｂ）に示す駆動パターン３０２は、例えば、関節部２２Ｂのキャリブレーションを行うためのものであり、駆動パターン３０１の動作指令値ｕｍの最大値ｕ１を、ｕ２（ただし、ｕ２＜ｕ１）にしたパターンである。
【００８１】
次に、ステップＳ６を行う。本ステップは、キャリブレーション用の駆動パターンに基づいて駆動モータ３４を駆動し、負荷量を測定するステップである。
キャリブレーション制御部１０１は、モータ制御部１００に、ステップＳ５で記憶部１０２から読み出した駆動パターンによる動作指令値ｕｍを送出する。
これにより、Ｕｍ＝ｕｍが、モータ制御器１１２に送出されて、駆動モータ３４が駆動される。
例えば、最初に関節部２２Ａをキャリブレーションする場合には、図１０（ａ）に示す駆動パターン３０１に基づくｕｍによって、関節部２２Ａを駆動する駆動モータ３４が駆動される。
【００８２】
このような駆動が開始されると、負荷量測定部によって、駆動時の負荷が測定される。
本実施形態では、図６に示すように、負荷量測定部として張力測定部３５を備えており、張力測定部３５によって駆動時に駆動ワイヤ２４に発生する張力が測定される。測定された張力は、逐次、キャリブレーション制御部１０１に送出される。
キャリブレーション制御部１０１では、送出された張力の情報から、負荷量を求める。
張力が大きいほど、湾曲状態に対応した負荷量も大きいため、本実施形態では、張力の積算量を求めて負荷量としている。
例えば、図１１に示すように、動作指令値ｕｍが曲線３１１の場合に、張力Ｆ（ｔ）が、図１１に曲線３１２で示す曲線のように測定されたとすると、斜線部のような１周期当たりの積算面積を算出して、これを負荷量Ｓとする。すなわち、繰り返し回数をｎ（本実施形態では、ｎ＝３）とすると、次式（７）のような積分計算を行うによって、負荷量Ｓが求められる。
以上で、ステップＳ６が終了する。
【００８３】
【数３】
2015163413.tif 000005
【００８４】
このように、負荷量Ｓを張力積算量として計算することにより、張力の測定誤差が平均化される。このため、負荷量Ｓが精度よく求められる。
【００８５】
ステップＳ５、Ｓ６は、駆動モータ３４を予め定められたキャリブレーション用の駆動パターンに基づく動作指令を行い、その際に医療用器具２０に発生する負荷量を測定する負荷量測定工程を構成している。
また、ステップＳ３は、負荷量測定工程を実行するより前に、関節部２２の動きを拘束する関節部拘束工程を構成している。
【００８６】
次に、ステップＳ７を行う。本ステップは、負荷量に対応する制御パラメータを決定するステップである。特に、本実施形態では、制御パラメータを決定する際に、制御パラメータ決定用情報を参照して決定する。
制御パラメータ決定用情報は、ステップＳ６で測定された負荷量Ｓに応じて、補償値ｕＦを決定するための情報であり、キャリブレーション動作に先立って求められ、記憶部１０２に記憶されている。
【００８７】
ここで、本実施形態の制御パラメータ決定用情報の求め方について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法における制御パラメータ決定用情報を求めるための負荷の与え方を説明する模式図である。図１３は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータの負荷状態の相違による張力の変化の例を示すグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は左側が張力Ｆ、右側が動作指令値ｕｍを示す。図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法における制御パラメータ決定用情報の一例を示す模式的なグラフである。横軸はいずれも負荷状態指標（ｄｅｇ）、縦軸は図１４（ａ）が負荷量Ｓ、図１４（ｂ）が制御補償係数Ｐを示す。
【００８８】
制御パラメータは、上記式（６）の未定のパラメータであるバネ剛性ｋ、クーロン摩擦力ｆｄをそれぞれ決定することも可能であるが、本実施形態では、これらを一括して、制御補償係数Ｐとして求める。
このため、本実施形態では、まず、医療用器具２０の湾曲状態を変えて、負荷量を変更した状態で、上記ステップＳ３〜Ｓ６と同様にして、キャリブレーション用の駆動パターンによって駆動を行って、負荷量Ｓを測定する。
このとき、設定する湾曲状態は、使用時に発生しうる湾曲状態に基づいて決めることもできるが、種々の使用時の湾曲状態に対応するためには、負荷量の大きさを幅広く変化させることが重要である。このため、必ずしも使用時の湾曲状態と一致させる必要はない。
例えば、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、筒状部２３の長さ方向の中間部に、湾曲部を形成することで、負荷量を変更することが可能である。この場合、それぞれの湾曲状態における負荷の程度は、湾曲部を挟んだ筒状部２３のなす角度φと対応する。以下では、角度φを負荷状態指標と称する。なお、負荷状態指標φは、負荷量と一対一に対応する量であればよい。
【００８９】
図１２（ａ）に示す負荷状態は、筒状部２３を真直に延ばした状態であり、φ＝０（°）である。
図１２（ｂ）に示す負荷状態は、筒状部２３をその中間部で１８０°に折り曲げた湾曲状態であり、φ＝１８０（°）である。
図１２（ｃ）に示す負荷状態は、筒状部２３をその中間部で１回転させた湾曲状態であり、φ＝３６０（°）である。
同様にして、適宜の負荷状態指標φを必要に応じて設定することが可能である。
【００９０】
図１３に、これらの負荷状態における張力の変化の測定例を示す。図１３において、曲線３２１は、図１０（ａ）、図１１における曲線３０１、３１１と同様な駆動指令値ｕｍである。
曲線３２２はφ＝０（°）の場合、曲線３２３はφ＝１８０（°）の場合、曲線３２４はφ＝３６０（°）の場合、の張力Ｆの変化を示す。負荷状態指標φが大きくなるにつれて、張力Ｆも増大していることが分かる。
この場合に、負荷量Ｓを算出すると、φ＝０（°）の場合は、Ｓ＝３００（Ｎ・ｓ）、φ＝１８０（°）の場合、Ｓ＝９００（Ｎ・ｓ）、φ＝３６０（°）の場合、Ｓ＝１２００（Ｎ・ｓ）であった。
これらのデータをまとめると、図１４（ａ）に示すグラフが得られる。各データから近似曲線３３１を求めると、実際に測定していない負荷状態指標φに対応する負荷量Ｓ（φ）を推定できる。
【００９１】
次に、それぞれの負荷状態において、図１３の曲線３２１のような動作が実現する制御補償係数Ｐの条件を求める。
本実施形態では、各負荷状態において制御補償係数Ｐを変更して駆動を行って、適正な制御補償係数Ｐ（φ）を求めた。
上述の具体例では、Ｐ（０）＝１．５（ｒａｄ）、Ｐ（１８０）＝４．０（ｒａｄ）、Ｐ（３６０）＝１０．５（ｒａｄ）であった。
これらのデータをまとめると、図１４（ｂ）に示すグラフが得られる。各データから近似曲線３３２を求めると、実際に測定していない負荷状態指標φに対応する制御補償係数Ｐ（φ）が推定できる。
【００９２】
このようにして求められた、近似曲線３３１、３３２の数式、あるいはこれらの数式に対応するデータテーブルを、制御パラメータ決定用情報として、記憶部１０２に記憶しておく。これにより、キャリブレーション制御部１０１が、上記ステップＳ６で測定された負荷量Ｓに基づいて、適正な制御補償係数Ｐを決定することができる。
例えば、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、上記ステップＳ６における負荷量ＳがＳ１の場合、近似曲線３３１から負荷状態指数φがφ１となり、φ１を近似曲線３３２に代入すると、制御補償係数ＰがＰ＝Ｐ１として求められる。上述の具体例では、例えば、Ｓ１＝１０２２（Ｎ・ｓ）のとき、φ１＝２３４（ｄｅｇ）、Ｐ１＝５．４４（ｒａｄ）として求められる。
制御データ決定用情報がデータテーブルからなる場合には、データ間を適宜補間することにより、同様にして、負荷量Ｓ１から制御補償係数Ｐ１が求められる。
【００９３】
このようにして、ステップＳ６で求められた負荷量Ｓに対応する制御パラメータが、制御補償係数Ｐとして決定されたら、ステップＳ７が終了する。
【００９４】
次に、ステップＳ８を行う。本ステップは、決定された制御パラメータを本駆動用の制御パラメータとして設定するステップである。
キャリブレーション制御部１０１は、決定された制御補償係数Ｐを、モータ制御部１００の補償部１１１に送出する。
以上で、ステップＳ８が終了する。
これにより、マスタアーム３によって操作入力が行われた場合には、次式（８）に基づく補償値ｕＦが、操作入力に対応する動作指令値ｕｍに加算されて、上記式（５）に基づく動作指令値Ｕｍにより駆動モータ３４の駆動が行われる。
【００９５】
【数４】
2015163413.tif 000006
【００９６】
ステップＳ７、Ｓ８は、負荷量測定工程で測定された負荷量に基づいて、本駆動用の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定工程を構成している。
【００９７】
次に、ステップＳ９を行う。本ステップは、すべての関節部２２のキャリブレーションが終了したか判定するステップである。
まだキャリブレーションが終了していない関節部２２がある場合には、ステップＳ３に移行し、終了していない関節部２２について、上記ステップＳ３〜Ｓ９を繰り返す。
すべての関節部２２のキャリブレーションが終了した場合には、本実施形態のキャリブレーションを終了する。
【００９８】
次に、このようなキャリブレーションによる作用について説明する。
図１５は、本発明の第１の実施形態のマニピュレータのキャリブレーション方法による駆動モータの動作指令値および関節部の応答の例を示すグラフである。横軸は、時間（ｓｅｃ）、縦軸は関節角度（ｄｅｇ）を示す。
なお、図１５では、駆動モータ３４の動作指令値と関節部２２の関節角度とを示しているが、それぞれの比較が容易となるように、動作指令値は、関節角度相当に変換して示している。
【００９９】
例えば、図１５の曲線３４１に示すように、関節部２２の関節角度を±１５°程度の間で、往復駆動する場合、駆動モータ３４の動作指令値ｕｍは、伝達系２００の無負荷時の伝達特性を考慮して、曲線３４２のように設定される。
しかし、筒状部２３が湾曲することにより、伝達系２００の負荷状態が変わると、このような動作指令値ｕｍでは、曲線３４４に示すように、曲線３４１に追従するような動作を実現できなくなる。
本実施形態では、上記のように、キャリブレーションを行って、補償値ｕＦが加算された結果、動作指令値Ｕｍは、曲線３４３に示すように設定された。
このとき、関節部２２の応答は、曲線３４５に示すように、曲線３４１と略一致した応答が得られた。
【０１００】
本実施形態のキャリブレーション方法によれば、医療用器具２０を使用時の配置状態でキャリブレーション用の駆動パターンで駆動を行って、マニピュレータに発生する負荷量を測定し、この負荷量に基づいて本駆動用の制御パラメータを設定するため、使用時の配置状態に応じて駆動力伝達部材に負荷が加わっても、関節部を正確に駆動するためのキャリブレーションを容易に行うことができる。
このようなキャリブレーションは、医療用器具２０を患者Ｐａの体内に配置した状態で必要に応じて行うことができるため、使用中に負荷状態が変化する場合にも、その負荷状態に応じたキャリブレーションを行うことができる。このため、例えば、繰り返し操作などにより負荷状態が変化しても、関節部を正確に動作させることが可能である。
【０１０１】
本実施形態のキャリブレーション方法に用いる制御パラメータ決定用情報は、複数の負荷状態における適正な制御パラメータを予め求めておき、これらの制御パラメータから、その他の負荷量に対応する制御パラメータの適正値を迅速に決定することができる。
【０１０２】
本実施形態の医療用器具２０では、負荷測定部である張力測定部３５が、医療用器具２０の基端側であって、患者Ｐａの外部に位置する駆動ユニット３０の着脱部３２に設けられている。このため、関節部２２を大型化することなく、正確に負荷量を測定することが可能となる。また、医療用器具２０の本体部３１よりも先端側を再使用せず廃棄する場合にも、駆動モータ３４とともに、張力測定部３５を再使用することができるため、低コストで使用することができる。
本実施形態の医療用器具２０では、駆動モータ３４の制御のみによって、医療用器具２０の関節部２２の動作を制御することができる。このため、関節部２２に関節角度の検出センサなどを設けなくてもよいため、関節部２２を安価に構成することができる。
【０１０３】
［第１変形例］
次に、上記第１の実施形態の第１変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法について説明する。
図１６は、本発明の第１の実施形態の第１変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は動作指令値ｕｍを示す。
【０１０４】
本変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法は、上記第１の実施形態における駆動パターンを変更した変形例であり、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１における医療用器具２０のキャリブレーションに適用できる方法である。
本変形例では、図６に示すように、制御ユニット５は、上記第１の実施形態のキャリブレーション制御部１０１に代えて、キャリブレーション制御部１０１Ａ（制御部）を備える。
また、記憶部１０２には、図１６に示すように、上記第１の実施形態における駆動パターン３０１において山形のパターンの最大値を変えた複数のパターンが記憶されている。
例えば、図１６に示す駆動パターン４０１は、駆動パターン３０１と同様の山形パターンにおいて、各周期の動作指令値ｕｍの最大値が、小さい順に、ｕａ、ｕｂ、ｕｃのように変化するパターン４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃからなる。
【０１０５】
このような駆動パターン４０１を用いた本変形例のキャリブレーション方法について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例のキャリブレーション方法は、図９に示す上記第１の実施形態のフローにおいて、キャリブレーション制御部１０１の動作がキャリブレーション制御部１０１Ａによって行われる点と、ステップＳ５〜Ｓ７の動作とが異なる。このため、ステップＳ５〜Ｓ７に代えて、ステップＳ１５〜Ｓ１７を備える。
【０１０６】
本変形例のステップＳ１５は、キャリブレーション制御部１０１Ａが、駆動パターン３０１に代えて、駆動パターン４０１を記憶部１０２から読み出す点を除いて、上記第１の実施形態のステップＳ５と同様のステップである。
【０１０７】
本変形例のステップＳ１６は、図１６に示す駆動パターン４０１に基づくｕｍによって、キャリブレーションを行う関節部の駆動モータ３４が駆動される点を除いて、上記第１の実施形態のステップＳ６と同様のステップである。
このため、測定される張力は、駆動パターン４０１の最大値に応じて異なり、各周期における負荷量Ｓの大きさが異なる。
【０１０８】
次に、本変形例のステップＳ１７では、キャリブレーション制御部１０１Ａは、駆動パターン４０１の最大値と測定された負荷量Ｓとの大きさを比較することにより、測定精度が良好と見なせるような駆動パターンと負荷量Ｓとの組み合わせを選択する。
この判定基準は、予め制御パラメータ決定用情報を作成する時に、関節部２２ごとに検討しておき、本変形例に用いる制御パラメータ決定用情報に記憶しておく。
【０１０９】
例えば、関節部によっては、負荷状態指標φの大きさによって、負荷量Ｓの変化が激しい場合がある。例えば、φ＝１８０（°）で、ｕｍの最大値がｕｂの時に、精度よく負荷量Ｓが測定できる場合であって、測定時の実際の負荷状態が、例えば、φ＝０（°）になっている場合には、負荷量Ｓが小さくなりすぎて測定精度が劣ってしまう場合がある。
このような場合、駆動パターン４０１の駆動を行うと、パターン４０１ａ、４０１ｂの測定結果から求めた負荷量Ｓが小さくなりすぎる。これに対して、パターン４０１ｃの測定結果から求めた負荷量Ｓは、測定精度が良好になる。
【０１１０】
次に、キャリブレーション制御部１０１Ａは、選択された負荷量Ｓを用いて、この測定に対応する周期の動作指令値の最大値に基づいて作成された点を除いて上記第１の実施形態と同様の制御パラメータ決定用情報を参照して、制御補償係数Ｐを決定する。
以上で、本変形例のステップＳ１７が終了する。
【０１１１】
本変形例によれば、駆動パターン４０１のように最大値が異なる複数のパターンを有しているため、測定時の負荷状態が軽すぎたり、重すぎたりする場合にも、一回の測定で、適正な負荷量Ｓを求めることができる。
【０１１２】
また、本変形例では、複数のパターン４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃを、それぞれ、医療用器具２０が有する関節部２２の種類に応じて適切なパターンに設定しておくことも可能である。この場合、上記第１の実施形態では、キャリブレーション制御部１０１Ａがキャリブレーションを行う関節部２２の種類に応じて、駆動パターンを切り替える手間を省くことができる。
例えば、ｕｃ＝ｕ１、ｕａ＝ｕ２とすれば、駆動パターン４０１は、上記第１の実施形態における関節部２２Ａ、２２Ｂに好適なパターン４０１ｃ、４０１ａを含むものとなる。
【０１１３】
［第２変形例］
次に、上記第１の実施形態の第２変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法について説明する。
図１７は、本発明の第１の実施形態の第２変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの例を示す模式的なグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は動作指令値ｕｍを示す。
【０１１４】
本変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法は、上記第１の実施形態における駆動パターンを変更した変形例であり、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１における医療用器具２０のキャリブレーションに適用できる方法である。
本変形例では、図６に示すように、制御ユニット５は、上記第１の実施形態のキャリブレーション制御部１０１に代えて、キャリブレーション制御部１０１Ｂ（制御部）を備える。
また、記憶部１０２には、図１７に示すように、上記第１の実施形態における駆動パターン３０１において山形のパターンの周期を変えた複数のパターンが記憶されている。
例えば、図１７に示す駆動パターン４０２は、駆動パターン３０１と同様の山形パターンにおいて、周期Ｔが、大きい順に、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃのように変化するパターン４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃからなる。
【０１１５】
このような駆動パターン４０２を用いた本変形例のキャリブレーション方法について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例のキャリブレーション方法は、図９に示す上記第１の実施形態のフローにおいて、キャリブレーション制御部１０１の動作がキャリブレーション制御部１０１Ｂによって行われる点と、ステップＳ５〜Ｓ７の動作とが異なる。このため、ステップＳ５〜Ｓ７に代えて、ステップＳ２５〜Ｓ２７を備える。
【０１１６】
本変形例のステップＳ２５は、キャリブレーション制御部１０１Ｂが、駆動パターン３０１に代えて、駆動パターン４０２を記憶部１０２から読み出す点を除いて、上記第１の実施形態のステップＳ５と同様のステップである。
【０１１７】
本変形例のステップＳ２６は、図１７に示す駆動パターン４０２に基づくｕｍによって、キャリブレーションを行う関節部の駆動モータ３４が駆動される点を除いて、上記第１の実施形態のステップＳ６と同様のステップである。
このため、測定される張力は、駆動パターン４０２のパターンの周期に応じて異なり、各周期における負荷量Ｓの大きさが異なる。
この理由は、駆動速度の影響による負荷の変動にあると考えられる。
【０１１８】
次に、本変形例のステップＳ２７では、キャリブレーション制御部１０１Ｂは、駆動パターン４０２の周期と測定された負荷量Ｓとの大きさを比較することにより、測定精度が良好と見なせるような駆動パターンと負荷量Ｓとの組み合わせを選択する。
この判定基準は、予め制御パラメータ決定用情報を作成する時に、関節部２２ごとに検討しておき、本変形例に用いる制御パラメータ決定用情報に記憶しておく。
【０１１９】
例えば、関節部によっては、駆動パターンの周期が長くなると、負荷量Ｓが小さくなりすぎて測定精度が劣ってしまう場合がある。
このような場合、駆動パターン４０２の駆動を行うと、パターン４０２ａ、４０２ｂの測定結果から求めた負荷量Ｓが小さくなりすぎる。これに対して、パターン４０２ｃの測定結果から求めた負荷量Ｓは、測定精度が良好になる。
【０１２０】
次に、キャリブレーション制御部１０１Ｂは、選択された負荷量Ｓを用いて、この測定に対応する周期および動作指令値の最大値に基づいて作成された点を除いて上記第１の実施形態と同様の制御パラメータ決定用情報を参照して、制御補償係数Ｐを決定する。
以上で、本変形例のステップＳ２７が終了する。
【０１２１】
本変形例によれば、駆動パターン４０１のように周期が異なる複数のパターンを有しているため、測定時の駆動パターンの周期が長すぎたり、短すぎたりする場合にも、一回の測定で、適正な負荷量Ｓを求めることができる。
【０１２２】
また、本変形例では、上記第１変形例と同様に、複数のパターン４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを、それぞれ、医療用器具２０が有する関節部２２の種類に応じて適切なパターンに設定しておくことも可能である。この場合、上記第１の実施形態では、キャリブレーション制御部１０１Ｂがキャリブレーションを行う関節部２２の種類に応じて、駆動パターンを切り替える手間を省くことができる。
【０１２３】
［第３変形例］
次に、上記第１の実施形態の第３変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法について説明する。
図１８（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第３変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法に用いる駆動パターンの速度線図の例を示す模式的なグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は動作指令値の変化率ｕｍ’を示す。図１８（ｂ）は、張力の測定例を示すグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は張力Ｆを示す。
【０１２４】
本変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法は、上記第１の実施形態における駆動パターンと負荷量の測定方法とに関する変形例であり、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１における医療用器具２０のキャリブレーションに適用できる方法である。
本変形例では、図６に示すように、制御ユニット５は、上記第１の実施形態のキャリブレーション制御部１０１に代えて、キャリブレーション制御部１０１Ｃ（制御部）を備える。
また、記憶部１０２には、図１８（ａ）のような速度線図を有する駆動パターンが記憶されている。駆動パターン自体は、特に図示しないが、図１８（ａ）のグラフを時間積分して得られる山形の繰り返しパターンである。
動作指令値ｕｍの変化率ｕｍ’を表す変化率パターン４０３は、周期Ｔ、片振幅ｖ０を有する矩形波状の繰り返しパターンである。繰り返し回数は特に限定されないが、図１８（ａ）には、一例として、３回の場合を図示している。
このような変化率パターン４０３は、半周期ごとに速度の大きさがｖ０となり一定速度の駆動を行う定速駆動部４０３ａ、４０３ｂを有している。
【０１２５】
定速駆動部４０３ａ、４０３ｂでは、駆動ワイヤ２４に発生する張力Ｆは、駆動ワイヤ２４に対する負荷であるクーロン摩擦力ｆｄとつりあっている。このため、張力Ｆの測定値は、負荷量であって、ｆｄの値と等しい。
上記式（６）におけるプーリ径ｒｐ、駆動ワイヤ２４のバネ剛性ｋは、定数であるため、予めこれらの値を求めておくことにより、上記式（６）に基づいて、補償値ｕＦを決定することができる。
このため、本変形例の制御パラメータ決定用情報は、少なくとも各関節部２２におけるプーリ径ｒｐ、駆動ワイヤ２４のバネ剛性ｋの値を含んで構成されている。
駆動ワイヤ２４のバネ剛性ｋは、予め実測するなどして求めておく。
【０１２６】
本変形例のキャリブレーション方法について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例のキャリブレーション方法は、図９に示す上記第１の実施形態のフローにおいて、キャリブレーション制御部１０１の動作がキャリブレーション制御部１０１Ｃによって行われる点と、ステップＳ５〜Ｓ７動作とが異なる。このため、ステップＳ５〜Ｓ７に代えて、ステップＳ３５〜Ｓ３７を備える。
【０１２７】
本変形例のステップＳ３５は、キャリブレーション制御部１０１Ｃが、駆動パターン３０１に代えて、変化率パターン４０３に基づく駆動パターンを記憶部１０２から読み出す点を除いて、上記第１の実施形態のステップＳ５と同様のステップである。
【０１２８】
本変形例のステップＳ３６は、図１８（ａ）に示す変化率パターン４０３を与えるｕｍによって、キャリブレーションを行う関節部の駆動モータ３４が駆動される。
このとき測定される張力Ｆは、図１８（ｂ）に最初の半周期の測定例を曲線４０４として示すように、例えば、定速駆動部４０３ａに対応して、略一定の張力が発生する。そこで、このような張力の情報を取得したキャリブレーション制御部１０１Ｃは、定速駆動部４０３ａに対応する測定値を平均して、張力Ｆ１を算出する。同様にして、他の周期における定速駆動部４０３ａ、４０３ｂにおける測定値からも同様にして、張力が求まる。キャリブレーション制御部１０１は、これらの張力の代表値Ｆｄを求め、ｆｄ＝Ｆｄとする。
張力Ｆの測定値の代表値としては、例えば、平均値を採用することができる。
以上で、本変形例のステップＳ３６が終了する。
【０１２９】
次に、本変形例のステップＳ３７を行う。本ステップは、上記のような本変形例の制御パラメータ決定用情報を参照して負荷量に対応する制御パラメータを決定するステップである。
キャリブレーション制御部１０１Ｃは、ステップＳ３６で求められたｆｄと、記憶部１０２に記憶された本変形例の制御パラメータ決定用情報を参照して、キャリブレーションを行う関節部２２のｒｐ、ｋを取得し、次式（９）に代入して、制御補償係数Ｐを決定する。これにより、ステップＳ３７が終了する。
【０１３０】
【数５】
2015163413.tif 000007
【０１３１】
本変形例によれば、負荷量として、駆動モータ３４を定速駆動した際の張力Ｆａｖｅを測定して、ｆｄを求めている。このため、制御パラメータ決定用情報としては、関節部２２ごとのｒｐ、ｋを記憶しておくのみでよいため、制御パラメータ決定用情報を簡素化することができる。
【０１３２】
［第４変形例］
次に、上記第１の実施形態の第４変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法について説明する。
図１９（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第４変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法における負荷量の測定例を示す模式的なグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は張力Ｆを示す。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）における部分拡大図である。
【０１３３】
本変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法は、上記第１の実施形態において負荷量の測定方法を変更した変形例であり、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１における医療用器具２０のキャリブレーションに適用できる方法である。
本変形例では、上記第１の実施形態と同様の駆動パターン３０１に基づいて、駆動モータ３４を駆動し、その際の張力Ｆを測定する。ただし、本変形例では、張力Ｆの測定結果から、駆動ワイヤ２４に発生するたるみ量を推定し、たるみ量を解消するための制御補償係数Ｐを設定する点が異なる。
このため、本変形例では、図６に示すように、制御ユニット５は、上記第１の実施形態のキャリブレーション制御部１０１に代えて、キャリブレーション制御部１０１Ｄ（制御部）を備える。
【０１３４】
本変形例のキャリブレーション方法について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例のキャリブレーション方法は、図９に示す上記第１の実施形態のフローにおいて、キャリブレーション制御部１０１の動作がキャリブレーション制御部１０１Ｄによって行われる点と、ステップＳ６、Ｓ７の動作とが異なる。このため、ステップＳ６、Ｓ７に代えて、ステップＳ４６、Ｓ４７を備える。
【０１３５】
本変形例のステップＳ４６は、上記第１の実施形態のステップＳ６と負荷量の測定の仕方のみが異なる。
このため、まず、上記第１の実施形態と同様にして、キャリブレーションを行う関節部２２を駆動する駆動モータ３４を駆動しつつ、張力測定部３５によって、張力を測定する。
これにより、例えば、図１９（ａ）に曲線４０５として示すような張力Ｆの測定結果が得られる。
周期Ｔ内のそれぞれの曲線４０５の変化は、略同様であり、いずれも図１９（ｂ）に示すように、張力Ｆの変化が緩慢な緩慢領域４０５ａと、張力Ｆが、駆動パターンと同様な山形に変化する高変化領域４０５ｂとに分かれる。
このように、緩慢領域４０５ａが現れる理由は、駆動ワイヤ２４にたるみが発生し、たるみが解消されるまでの間は、張力Ｆが増大する負荷があまり発生しないためであると考えられる。
このようなたるみは、筒状部２３の湾曲状態に応じた経路長の変化によって生じる。すなわち、図５に示すように、相対的に経路長が短くなった駆動ワイヤ２４が、シース２７から本体部３１内に押し出され、ラック３３Ａとシース２７との間でたるんでしまう。
【０１３６】
次に、本変形例のステップＳ４７では、まず、ステップＳ４６における張力Ｆの測定結果から、駆動ワイヤ２４のたるみ量を推定する。
具体的には、キャリブレーション制御部１０１Ｄは、図１９（ｂ）に示すように、曲線４０５における張力Ｆの大きさと変化率とから、緩慢領域４０５ａと、高変化領域４０５ｂとの境界の時刻ｔｃを求める。
例えば、緩慢領域４０５ａでは、張力Ｆの変化率Ｆａ’は、ほぼαで一定であり、これに隣接する高変化領域４０５ｂにおける張力Ｆの変化率Ｆｂ’は、ほぼβ（ただし、｜β｜＞｜α｜）で一定であることを利用して、変化率Ｆ’がαからβに変化する間の変化率Ｆｃ’、例えば、Ｆｃ’＝（α＋β）／２となる時刻ｔｃを求める。また、傾きがそれぞれ、Ｆａ’＝α及びＦｂ’＝βである緩慢領域４０５ａ及び高変化領域４０５ｂの張力Ｆを表す両直線の交点での時刻として求めても良い。
時刻ｔｃが求まると、キャリブレーション制御部１０１Ｄは、駆動パターンに基づいて、時刻ｔｓから時刻ｔｃまでに、駆動モータ３４が牽引すべき駆動ワイヤ２４の駆動量Ｌ１を算出する。
キャリブレーション制御部１０１Ｄは、同様にして、他の周期の測定結果から、駆動量Ｌ２、Ｌ３を算出し、これらの代表値Ｌを求めて、Ｐ＝Ｌとして、制御補償係数Ｐを決定する。代表値Ｌは、例えば、駆動量Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の平均値を採用することができる。
また、代表値Ｌは、例えば、駆動量Ｌ１を除いたＬ２以降の値を利用しても良い。
以上で、本変形例のステップＳ４７が終了する。
【０１３７】
本変形例では、張力Ｆの測定値に基づいて制御補償係数Ｐを設定するため、制御パラメータ設定工程において、特に、制御パラメータ決定用情報を参照することなく、制御パラメータを設定する場合の例になっている。
【０１３８】
本変形例によれば、使用時の筒状部２３の湾曲によって駆動ワイヤ２４に加わる負荷により駆動ワイヤ２４がたるむ場合でも、このたるみ量を推定して制御パラメータを設定するキャリブレーションを行える。このため、たるみが発生していても、関節部２２を正確に駆動することができる。
【０１３９】
［第５変形例］
次に、上記第１の実施形態の第５変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法について説明する。
図２０は、本発明の第１の実施形態の第５変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法における駆動ワイヤのたるみ量の推定方法を説明するグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は張力Ｆを示す。
【０１４０】
本変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法は、上記第４変形例のステップＳ７におけるたるみ量の推定方法の変形例であり、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１における医療用器具２０のキャリブレーションに適用できる方法である。
本変形例では、図６に示すように、制御ユニット５は、上記第４変形例のキャリブレーション制御部１０１Ｄに代えて、キャリブレーション制御部１０１Ｅ（制御部）を備える。
【０１４１】
本変形例のキャリブレーション方法について、上記第４変形例と異なる点を中心に説明する。
本変形例のキャリブレーション方法は、図９に示す上記第４変形例のフローにおいて、キャリブレーション制御部１０１Ｄの動作がキャリブレーション制御部１０１Ｅによって行われる点と、ステップＳ３７の動作とが異なる。このため、ステップＳ４７に代えて、ステップＳ５７を備える。
【０１４２】
本変形例のステップＳ５７では、上記第４変形例と同様に行われるステップＳ４６における張力Ｆの測定結果から、キャリブレーション制御部１０１Ｅが駆動ワイヤ２４のたるみ量を推定する。
本変形例では、緩慢領域４０５ａにおいては張力Ｆの変化率が小さいことにより、張力Ｆの絶対値も小さくなることを利用し、図２０に示すように、張力Ｆが予め設定された閾値Ｆｔｈを超える時刻ｔｃ１、ｔｃ２、ｔｃ３を求める。
閾値Ｆｔｈは、本変形例の制御パラメータ決定用情報として、駆動パターン３０１および関節部２２ごとに予め用意され、記憶部１０２に記憶されている。
【０１４３】
時刻ｔｃ１、ｔｃ２、ｔｃ３が求まると、キャリブレーション制御部１０１Ｅは、上記第４変形例と同様にして、それぞれに対応する駆動量Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を算出し、これらの代表値Ｌを求めて、Ｐ＝Ｌとして、制御補償係数Ｐを決定する。代表値Ｌは、例えば、駆動量Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の平均値を採用することができる。
以上で、本変形例のステップＳ５７が終了する。
【０１４４】
本変形例によれば、上記第４変形例とたるみ量の推定方法が異なるのみであり、上記第４変形例と同様に、たるみが発生していても、関節部２２を正確に駆動することができる。
【０１４５】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態のマニピュレータシステムについて説明する。
図２１は、本発明の第２の実施形態のマニピュレータの制御部の機能構成を示す機能ブロック図である。
【０１４６】
図１に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム１Ｆは、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１の医療用器具２０、制御ユニット５に代えて、医療用器具２０Ｆ、制御ユニット５Ｆを備える。
医療用器具２０Ｆは、図４に示すように、上記第１の医療用器具２０の駆動ユニット３０に代えて、駆動ユニット３０Ｆを備える。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１４７】
本実施形態の駆動ユニット３０Ｆは、図２１に示すように、上記第１の実施形態の駆動ユニット３０の張力測定部３５を削除したものである。このため、図示略のボールねじ３６の先端部は、ラック３３Ａと直接的に連結されている。
【０１４８】
本実施形態の制御ユニット５Ｆは、上記第１の実施形態のモータ制御部１００、キャリブレーション制御部１０１に代えて、モータ制御部１００Ｆ（制御部、負荷測定部）、キャリブレーション制御部１０１Ｆ（制御部）を備える。
モータ制御部１００Ｆは、モータ制御部１００と同様に、マスタアーム３等の動作指令に応じて、駆動モータ３４を駆動するとともに、駆動ワイヤ２４に加わる負荷量を測定するため、駆動モータ３４の電流値が測定できるようになっている。このため、モータ制御部１００Ｆは、負荷測定部にもなっている。
【０１４９】
キャリブレーション制御部１０１Ｆは、モータ制御部１００Ｆと通信可能に接続され、モータ制御部１００Ｆを通して、駆動モータ３４の電流値に基づいて、負荷量Ｓを算出するものである。
【０１５０】
このような構成により、医療用器具２０Ｆ、モータ制御部１００Ｆ、キャリブレーション制御部１０１Ｆ、および記憶部１０２は、本実施形態のマニピュレータを構成している。
【０１５１】
次に、このようなマニピュレータシステム１Ｆの医療用器具２０Ｆのキャリブレーション方法について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本実施形態のマニピュレータは、上記第１の実施形態が負荷測定部として張力測定部３５を用いるのに対して、駆動モータ３４の電流値を測定するモータ制御部１００Ｆを用いる点が異なる。
駆動モータ３４の電流値は、駆動時の負荷を表す測定値になっているため、駆動ワイヤ２４の張力と一対一に対応する。このため、上記第１の実施形態における負荷測定をすべて電流値の測定に置き換えればよい。
すなわち、本実施形態のキャリブレーション方法は、図９に示す上記第１の実施形態のフローにおいて、キャリブレーション制御部１０１、張力測定部３５の動作がキャリブレーション制御部１０１Ｆ、モータ制御部１００Ｆによって行われる点のみが異なる。
ただし、本実施形態におけるステップＳ７では、制御パラメータ決定用情報は、駆動モータ３４の電流値によって負荷を測定したものを予め用意しておく。
【０１５２】
本実施形態は、負荷量測定工程において、負荷量として、駆動モータ３４の電流値を測定する点のみが異なる。このため、駆動モータ３４を、上記第１の実施形態のキャリブレーション用の駆動パターンに基づいて回転させる場合の例になっている。
ただし、本実施形態のキャリブレーション用の駆動パターンは、上記第１の実施形態の各変形例に用いる駆動パターンはすべて用いることが可能である。
【０１５３】
本実施形態によれば、負荷量測定部が異なるのみで、上記第１の実施形態と同様に、使用時の配置状態に応じて駆動力伝達部材に負荷が加わっても、関節部を正確に駆動するためのキャリブレーションを容易に行うことができる。
特に、本実施形態では、張力測定部３５を設けることなく負荷量を測定できるため、装置構成が簡素化される。
【０１５４】
［第６変形例］
次に、上記第２の実施形態の変形例（第６変形例）のマニピュレータのキャリブレーション方法について説明する。
【０１５５】
本変形例のマニピュレータのキャリブレーション方法は、上記第１の実施形態における駆動パターンと負荷量測定とを変更した変形例であり、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１における医療用器具２０のキャリブレーションに適用できる方法である。
本変形例では、図２１に示すように、制御ユニット５Ｆは、上記第２の実施形態のキャリブレーション制御部１０１Ｆに代えて、キャリブレーション制御部１０１Ｇ（制御部）を備える。
キャリブレーション制御部１０１Ｇは、モータ制御部１００Ｆから、エンコーダ３４ａの情報を取得し、モータ制御部１００Ｆに対して、駆動モータ３４を一定トルクで一定方向に駆動するキャリブレーション用の駆動パターンの動作指令を行うことができる。
また、キャリブレーション制御部１０１Ｇは、この駆動による駆動モータ３４の回転量（モータ回転量）をモータ制御部１００Ｆから取得し、この回転量を負荷量とする。
このため、本変形例では、エンコーダ３４ａは負荷量測定部を構成している。
【０１５６】
本変形例のキャリブレーション方法について、上記第１、２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例のキャリブレーション方法は、図９に示す上記第１の実施形態のフローにおいて、キャリブレーション制御部１０１の動作がキャリブレーション制御部１０１Ｇによって行われる点と、ステップＳ５〜Ｓ７の動作とが異なる。このため、ステップＳ５〜Ｓ７に代えて、ステップＳ７５〜Ｓ７７を備える。
【０１５７】
本変形例のステップＳ７５は、キャリブレーション制御部１０１Ｇが、駆動パターン３０１に代えて、駆動モータ３４を一定トルクで一定方向に駆動するための図示略の駆動パターンを設定する動作指令を行う点を除いて、上記第１の実施形態のステップＳ５と同様のステップである。
【０１５８】
本変形例のステップＳ７６は、駆動モータ３４が、ステップＳ７５で設定された一定トルクで一定方向に駆動する動作指令によって駆動される点と、負荷量の測定が、駆動モータ３４の回転が停止するまでの回転量を取得する点とを除いて、上記第１の実施形態のステップＳ６と同様のステップである。
【０１５９】
次に、本変形例のステップＳ７７では、キャリブレーション制御部１０１Ｇは、ステップＳ７６で測定された回転量を、記憶部１０２に記憶された本変形例の制御パラメータ決定用情報を参照して、制御補償係数Ｐを決定する。
【０１６０】
本変形例によれば、負荷量の測定方法が異なるのみで、上記第２の実施形態と同様に、使用時の配置状態に応じて駆動力伝達部材に負荷が加わっても、関節部を正確に駆動するためのキャリブレーションを容易に行うことができる。
【０１６１】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態のマニピュレータシステムについて説明する。
図２２は、本発明の第３の実施形態のマニピュレータの模式的な構成図である。
【０１６２】
図２２に示すように、本実施形態の医療用器具２０Ｈは、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１の医療用器具２０に代えて、医療用器具２０Ｈを備える。
医療用器具２０Ｈは、上記第１の医療用器具２０の張力測定部３５に代えて、張力測定部３５Ｈ（負荷量測定部）を備える。医療用器具２０Ｈを含む本実施形態のマニピュレータは、上記第１の実施形態のマニピュレータシステム１に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１６３】
本実施形態の張力測定部３５Ｈは、駆動ワイヤ２４に発生する張力を測定するものであり、軸状部２１の内側の駆動ワイヤ２４に取り付けられている。本実施形態では、いずれの駆動方向においても張力が測定できるように、関節部２２を駆動するため、並行して配置された駆動ワイヤ２４のそれぞれに設けられている。
張力測定部３５Ｈの構成は、張力が測定できれば特に限定されない。本実施形態では、張力測定部３５Ｈは、一例として、ひずみゲージを用いた張力センサを採用している。
各張力測定部３５Ｈは、軸状部２１および筒状部２３内を挿通され、図示略の制御ユニット５に延ばされた配線３５ａによって、キャリブレーション制御部１０１と通信可能に接続されている。
このため、キャリブレーション制御部１０１は、関節部２２を駆動した際に張力測定部３５Ｈの検出信号を取得することができる。
【０１６４】
このような構成により、医療用器具２０Ｈ、モータ制御部１００、キャリブレーション制御部１０１、張力測定部３５Ｈ、および記憶部１０２は、本実施形態のマニピュレータを構成している。
【０１６５】
このように、本実施形態のマニピュレータは、負荷量測定部である張力測定部３５Ｈが先端屈曲部２５において、関節部２２の近傍に設けられている場合の例になっている。
本実施形態によれば、負荷量測定部の配置位置が異なるのみで、上記第１の実施形態と同様にして、使用時の配置状態に応じて駆動力伝達部材に負荷が加わっても、関節部を正確に駆動するためのキャリブレーションを容易に行うことができる。
特に、本実施形態では、張力測定部３５Ｈが、関節部２２に近い位置における負荷量を測定できるため、関節部２２の近傍の負荷状態に基づいたキャリブレーションを行うことができる。
【０１６６】
なお、上記の第１の実施形態等の説明では、キャリブレーション用の駆動パターンが、片振りの駆動パターンの場合の例で説明したが、駆動パターンはこれには限定されない。
例えば、図２３に示すような両振りの駆動パターンを使用することも可能である。
図２３は、本発明の各実施形態および各変形例に共通して用いることができる駆動パターンの他例を示す模式的なグラフである。横軸は時間ｔ、縦軸は動作指令値ｕｍを示す。
図２３に示す駆動パターン４０６は、片振幅がｕ１、周期Ｔの正弦波状の駆動パターンである。
【０１６７】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、マニピュレータのエンドエフェクタとして、把持鉗子である把持部２６を有する場合の例で説明したが、エンドエフェクタは、把持部２６には限定されず、手技の種類に応じて適宜の装置構成、例えば、高周波処置具、局注針、剥離鉗子、吸引などが可能である。また、エンドエフェクタは、把持部２６のような可動機構にも限定されない。例えば、処置用内視鏡装置１０の観察部１５のような先端に固定されているのみのエンドエフェクタでもよい。
【０１６８】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、マニピュレータのキャリブレーション方法が、医療用マニピュレータのキャリブレーション方法である場合の例で説明したが、本発明は、医療用マニピュレータ以外のマニピュレータ、例えば、工業用マニピュレータにも、同様に適用することができる。
【０１６９】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、先端屈曲部２５が互いに屈曲方向が異なる２つの関節部２２Ａ、２２Ｂを有する場合の例で説明したが、関節部の数や自由度は、手技の内容等を考慮して適宜設定してよい。例えば、関節部は１つだけでもよい。
また、関節部と筒状部との組合せに代えて、外套管１１における湾曲部１１Ｂと同様の機構を用いてもよい。すなわち、軸状部である複数の節輪や湾曲コマが、屈曲用関節である回動関節によって連結された場合に、これらの１以上の回動関節を同様にして初期化することが可能である。
【０１７０】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、関節部拘束部材が処置用内視鏡装置１０の貫通孔部１２で構成される場合の例で説明したが、関節部拘束部材は、このような孔部には限定されず、関節部を拘束する適宜の溝部や係止部から構成することが可能である。
また、関節部の拘束は、キャリブレーションの動作時に動きが拘束できればよく、キャリブレーションにおける駆動力によっては、軟性の部材によって拘束することも可能である。例えば、処置具チャンネル１６を関節部拘束部材として用いることも可能である。
その他の関節部拘束部材の例としては、マニピュレータとともに、例えば、患者Ｐａの体内などのキャリブレーションを行う位置に配置されたエンドリフタ、把持用マニピュレータなどを用いることが可能である。
また、マニピュレータの使用環境によって、配置が可能であれば、関節部拘束部材を専用治具として設けることも可能である。
【０１７１】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、キャリブレーションを行う際に、環境剛性を固定するため、関節部の動きを拘束する場合の例で説明したが、環境剛性が既知の場合には、関節部の動きを拘束しないでキャリブレーションを行うことも可能である。
例えば、キャリブレーション時の環境剛性と、制御パラメータ決定用情報を求めるための測定時の環境剛性とを一致させることができる場合に、関節部の動きを拘束しなくてもよい。
また、関節部拘束部材は、関節部の動きを完全に拘束するものには限定されない。例えば、関節に一定の負荷が作用するように、関節部をある程度動くように拘束してもよい。
【０１７２】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、マニピュレータが、マニピュレータシステムの中で用いられる場合の例で説明したが、本発明は、マニピュレータ単体におけるキャリブレーションも行うことができる。
【０１７３】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、駆動力伝達部材がワイヤの場合の例で説明したが、駆動力伝達部材はワイヤには限定されない。駆動力伝達部材は、例えば、ケーブル、可撓性を有するロッドなどを用いることも可能である。
【０１７４】
上記の各実施形態、各変形例の説明では、駆動力伝達機構が、一例として、ラックピニオン方式の機構を採用した例で説明したが、駆動力伝達機構は、マニピュレータに用いられる適宜の駆動力伝達機構を採用することができる。
例えば、駆動力伝達部材を駆動プーリに巻き回すなどして、駆動プーリを駆動モータで回転させることにより駆動力伝達部材を回転方向に応じて牽引する駆動力伝達機構を採用することができる。
この場合、例えば、駆動プーリの回転軸と駆動モータの回転軸とを着脱可能なジョイントを介して連結することで、駆動モータを着脱可能に取り付けることも可能である。
【０１７５】
上記各実施形態および各変形例の説明では、関節部２２が１つずつ順次キャリブレーションされる場合の例で説明したが、貫通孔部１２の長さを適宜設定することにより、２以上の関節部２２を同時にキャリブレーションすることが可能である。
【０１７６】
上記各実施形態および各変形例の説明では、関節部が、屈曲用関節の場合で説明したが、駆動力伝達部材で駆動される関節部であれば、屈曲用関節には限定されない。例えば、回転関節などの関節部も可能である。
【０１７７】
上記第１の実施形態の説明では、負荷量Ｓを算出する際に、一例として、上記式（７）を用いる場合の例で説明した。ただし、張力の負領域は、実際の計測波形として現れる場合があるが、駆動ワイヤが理想的にたるんでいれば、原理的には発生しないはずのものである。このため、負領域を測定誤差とみなして、張力の正領域のみを加算して負荷量Ｓを求めることも可能である。
【０１７８】
上記に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり、削除したりして実施することができる。
例えば、把持部２６を駆動する関節部を、上記各実施形態および各変形例のキャリブレーション方法によって、キャリブレーションすることも可能である。
【符号の説明】
【０１７９】
１、１Ｆ  マニピュレータシステム
２  マスタマニピュレータ
３  マスタアーム
５、５Ｆ  制御ユニット
６  スレーブマニピュレータ
１０  処置用内視鏡装置
１１Ａ  先端部（関節部拘束部材）
２０、２０Ｆ、２０Ｈ  医療用器具（マニピュレータ）
２２、２２Ａ、２２Ｂ  関節部
２２ａ  関節部プーリ
２３  筒状部（管状部材）
２４、２４Ａ、２４Ｂ  駆動ワイヤ（駆動力伝達部材）
２５  先端屈曲部
２７  シース
３０、３０Ｆ  駆動ユニット
３１  本体部
３２  着脱部
３３  駆動力伝達機構
３３Ａ、３３Ｂ  ラック
３３Ｃ  ピニオン
３４  駆動モータ（駆動部）
３４ａ  エンコーダ（負荷量測定部）
３５、３５Ｈ  張力測定部（負荷量測定部）
１００、１００Ｆ  モータ制御部（制御部、マニピュレータ）
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ  キャリブレーション制御部（制御部、マニピュレータ）
１０２  記憶部（マニピュレータ）
１１０  動作指令値生成部
１１１  補償部
１１２  モータ制御器
２００  伝達系
３０１、３０２、３１１、４０１、４０２、４０６  駆動パターン（キャリブレーション用の駆動パターン）
４０３  変化率パターン
４０３ａ、４０３ｂ  定速駆動部
Ｆ、Ｆ（ｔ）  張力
ｆｄ  クーロン摩擦力（制御パラメータ）
Ｐ、Ｐ１  制御補償係数（制御パラメータ）
Ｓ、Ｓ１  負荷量
【図１】
2015163413.tif 000008
【図２】
2015163413.tif 000009
【図３】
2015163413.tif 000010
【図４】
2015163413.tif 000011
【図５】
2015163413.tif 000012
【図６】
2015163413.tif 000013
【図７】
2015163413.tif 000014
【図８】
2015163413.tif 000015
【図９】
2015163413.tif 000016
【図１０】
2015163413.tif 000017
【図１１】
2015163413.tif 000018
【図１２】
2015163413.tif 000019
【図１３】
2015163413.tif 000020
【図１４】
2015163413.tif 000021
【図１５】
2015163413.tif 000022
【図１６】
2015163413.tif 000023
【図１７】
2015163413.tif 000024
【図１８】
2015163413.tif 000025
【図１９】
2015163413.tif 000026
【図２０】
2015163413.tif 000027
【図２１】
2015163413.tif 000028
【図２２】
2015163413.tif 000029
【図２３】
2015163413.tif 000030