(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転軸に連結された入力軸の回転速度を、所定の減速比で減速させ出力軸に伝達する減速機と、
前記入力軸の回転角度を検出する第１の絶対角度エンコーダと、
前記出力軸の回転角度を検出する第２の絶対角度エンコーダと、
を備え、
前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度に基づいて、前記出力軸の回転角度が検出され、前記第１の絶対角度エンコーダによる第１の検出値の変動と、前記第２の絶対角度エンコーダによる第２の検出値の変動と、前記第１の検出値と前記第２の検出値の比例関係の有無と、の関係性に基づいて、前記減速機、前記第１の絶対角度エンコーダ、及び前記第２の絶対角度エンコーダの少なくともいずれかの故障状態が検知される、
アクチュエータ。
【請求項２】
前記第２の絶対角度エンコーダによって検出された前記出力軸の回転角度に基づいて、前記入力軸の累積回転数が算出され、
前記累積回転数から算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値から推定される前記入力軸の回転角度に基づいて、前記入力軸の累積回転数が補正される、
請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記第２の絶対角度エンコーダの回転角度の検出精度は、前記減速機の減速比に応じた、前記入力軸の一回転分に対応する前記出力軸の回転角度未満である、
請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記入力軸の回転数を保持するカウンタ、を更に備え、
前記カウンタの値に基づいて算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値及び前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値の時間変化に更に基づいて、前記モータ、前記減速機、前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダの少なくともいずれかの故障が検出される、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記モータはブラシレスモータであり、
前記第１の絶対角度エンコーダは、前記モータの回転子の回転を検出するセンサとしても機能する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダは、磁石の回転に伴う磁界の変化を、複数の磁気センサにより所定の位相だけずれた状態で検出することにより、当該磁石の回転角度を検出する、磁気式エンコーダである、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
複数のリンクが関節部によって連結されて構成されるアーム部と、
前記関節部の状態に基づいて、少なくとも一つの前記関節部に設けられるアクチュエータの駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記アクチュエータは、
モータの回転軸に連結された入力軸の回転速度を、所定の減速比で減速させ出力軸に伝達する減速機と、
前記入力軸の回転角度を検出する第１の絶対角度エンコーダと、
前記出力軸の回転角度を検出する第２の絶対角度エンコーダと、
を有し、
前記駆動制御部は、
前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度に基づいて、前記出力軸の回転角度を検出し、前記第１の絶対角度エンコーダによる第１の検出値の変動と、前記第２の絶対角度エンコーダによる第２の検出値の変動と、前記第１の検出値と前記第２の検出値の比例関係の有無と、の関係性に基づいて、前記減速機、前記第１の絶対角度エンコーダ、前記第２の絶対角度エンコーダの少なくともいずれかの故障状態を検知する、
ロボットアーム装置。
【請求項１０】
前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度に基づいて、前記出力軸の回転角度が検出される、
請求項９に記載のロボットアーム装置。
【請求項１１】
前記第２の絶対角度エンコーダによって検出された前記出力軸の回転角度に基づいて、前記入力軸の累積回転数が算出され、
前記累積回転数から算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、
請求項９又は１０に記載のロボットアーム装置。
【請求項１２】
前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値から推定される前記入力軸の回転角度に基づいて、前記入力軸の累積回転数が補正される、
請求項１１に記載のロボットアーム装置。
【請求項１３】
前記第２の絶対角度エンコーダの回転角度の検出精度は、前記減速機の減速比に応じた、前記入力軸の一回転分に対応する前記出力軸の回転角度未満である、
請求項１１に記載のロボットアーム装置。
【請求項１４】
前記入力軸の回転数を保持するカウンタ、を更に備え、
前記カウンタの値に基づいて算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、
請求項９又は１１に記載のロボットアーム装置。
【請求項１５】
前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値と、前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値と、の関係性に基づいて、前記アクチュエータの故障が検出される、
請求項９に記載のロボットアーム装置。
【請求項１６】
前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値及び前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値の時間変化に更に基づいて、前記モータ、前記減速機、前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダの少なくともいずれかの故障が検出される、
請求項１５に記載のロボットアーム装置。
【請求項１７】
前記モータはブラシレスモータであり、
前記第１の絶対角度エンコーダは、前記モータの回転子の回転を検出するセンサとしても機能する、
請求項９〜１６のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項１８】
前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダは、磁石の回転に伴う磁界の変化を、複数の磁気センサにより所定の位相だけずれた状態で検出することにより、当該磁石の回転角度を検出する、磁気式エンコーダである、
請求項９〜１７のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項１９】
前記アーム部には、所定の処置を行う器具が装着される装着部が設けられる、
請求項９〜１８のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項２０】
前記器具は医療用器具である、
請求項１９に記載のロボットアーム装置。
【請求項２１】
前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値と、前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値と、の関係性に基づいて、
前記モータ、前記減速機、前記第１の絶対角度エンコーダまたは前記第２の絶対角度エンコーダの少なくとも１つの状態を検知する
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項２２】
アクチュエータに接続された制御装置であって、
前記アクチュエータのモータの回転軸に連結された入力軸の絶対回転角度を示す第１の検出値および出力軸の絶対回転角度を示す第２の検出値を取得する取得部と、
前記第１の検出値と前記第２の検出値に基づいて前記出力軸の回転角度を検出する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記入力軸の回転速度を所定の減速比で減速させ前記出力軸に伝達する減速機の減速比を取得し、前記第１の検出値の変動と、前記第２の検出値の変動と、前記第１の検出値と前記第２の検出値の比例関係の有無と、の関係性に基づいて、前記減速機、前記第１の検出値を検出する第１の絶対角度エンコーダ、及び前記第２の検出値を検出する第２の絶対角度エンコーダの少なくともいずれかの故障状態を検知する、
制御装置。
【請求項２３】
前記制御部は、前記第１の検出値の誤差を考慮して前記出力軸の回転角度を検出する
請求項２２に記載の制御装置。
【請求項２４】
前記制御部は、前記第１の検出値の誤差を考慮して前記入力軸の累積動作角度を算出し、該累積動作角度と前記第２の検出値に基づいて、前記出力軸の回転角度を検出する
請求項２３に記載の制御装置。
【請求項２５】
前記制御部は、前記入力軸の回転速度を所定の減速比で減速させ前記出力軸に伝達する減速機の減速比を記憶する記憶部と、
前記第１の検出値と、前記第２の検出値と、前記減速比に基づいて、前記アクチュエータの状態を検知する
請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項２６】
前記制御部は、前記第１の検出値および前記第２の検出値に変動が有り、前記第１の検出値と前記第２の検出値との間に前記減速比に基づいた比例関係が存在していない場合は、前記減速機が異常であると検出する
請求項２５に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、アクチュエータ及びロボットアーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車における電動ステアリングや、ロボット装置の関節部等、回転駆動される部材の回転角度を検出するためのセンサ装置として、ロータリエンコーダ（以下、単にエンコーダとも呼称する。）が広く用いられている。エンコーダを用いた回転角度の検出においては、その検出精度をより向上させるために、様々な技術が提案されている。【０００３】
例えば、特許文献１には、主回転軸の回転を減速比の異なる減速機によって２本の検出軸の回転に変換し、各検出軸の回転角度をそれぞれエンコーダにより検出し、検出された回転角度の差に基づいて主回転軸の絶対角度を算出することにより、主回転軸の回転角度を高精度に検出する技術が開示されている。また、例えば、特許文献２には、モータの回転軸に連結された減速機の入力軸に相対角度エンコーダを配置し、当該減速機の出力軸に絶対角度エンコーダを配置する構成において、相対角度エンコーダの検出値と絶対角度エンコーダの検出値との間に生じ得る誤差についての関係性を予め取得しておき、当該誤差についての関係性を用いて絶対角度エンコーダの検出結果を補正する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−７８５５２号公報
【特許文献２】特開２００８−１４８４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、モータに対して２つの減速機を設け、各減速機の出力軸にそれぞれエンコーダを設ける必要があるため、構成が大型化してしまう可能性がある。また、特許文献２に記載の技術では、上述した誤差についての関係性は、相対角度エンコーダの検出値は信頼できる値であると仮定した上で、相対角度エンコーダの検出値に対する絶対角度エンコーダの検出値の誤差として取得されている。従って、相対角度エンコーダの検出精度が低ければ、最終的なモータの回転角度の検出結果の精度も向上せず、高い検出精度を確保するために必ずしも適切な構成とは言えない。【０００６】
更に、例えば医療用に用いられるロボット装置や、上述した電動ステアリング等には、その駆動に関して高い安全性が求められる。上記特許文献１、２に記載の技術では、このような安全性の観点については、十分に検討がなされていない。そこで、本開示では、回転角度を高精度に検出するとともにより安全に駆動することが可能な、新規かつ改良されたアクチュエータ及びロボットアーム装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示によれば、モータの回転軸に連結された入力軸の回転速度を、所定の減速比で減速させ出力軸に伝達する減速機と、前記入力軸の回転角度を検出する第１の絶対角度エンコーダと、前記出力軸の回転角度を検出する第２の絶対角度エンコーダと、を備える、アクチュエータが提供される。【０００８】
また、本開示によれば、複数のリンクが関節部によって連結されて構成されるアーム部と、前記関節部の状態に基づいて前記関節部に設けられるアクチュエータの駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記アクチュエータは、モータの回転軸に連結された入力軸の回転速度を、所定の減速比で減速させ出力軸に伝達する減速機と、前記入力軸の回転角度を検出する第１の絶対角度エンコーダと、前記出力軸の回転角度を検出する第２の絶対角度エンコーダと、を有する、ロボットアーム装置が提供される。【０００９】
本開示によれば、減速機を介して、入力軸と出力軸の双方に絶対角度エンコーダが設けられる。減速機を介することにより、入力軸の絶対角度エンコーダにより、出力軸の回転角度を高分解能に検出することが可能となる。また、電源投入時に即座に回転角度を検出することができるため、初期動作に伴うユーザの意図せぬ動きを防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本開示によれば、回転角度を高精度に検出するとともにより安全に駆動することが可能となる。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】
【００１１】
【図１】本実施形態に係るアクチュエータの全体構成を示す分解斜視図である。
【図２】本実施形態に係るエンコーダの一構成例を示す概略図である。
【図３】本実施形態に係るエンコーダによる角度の検出原理について説明するための説明図である。
【図４】本実施形態に係る回転角度検出システムの概略構成を示す機能ブロック図である。
【図５】本実施形態に係る回転角度検出方法において行われる、入力軸の誤差を考慮した入力軸の累積動作角度の算出処理について説明するための説明図である。
【図６】本実施形態に係る回転角度検出方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【図７】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明するための説明図である。
【図８】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置の外観を示す概略図である。
【図９Ａ】本実施形態に係るアクチュエータに適用されるトルクセンサの一構成例を示す概略図である。
【図９Ｂ】本実施形態に係るアクチュエータに適用されるトルクセンサの他の構成例を示す概略図である。
【図１０】本開示の一実施形態に係る理想関節制御について説明するための説明図である。
【図１１】本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。
【図１２】本開示の一実施形態に係るアーム動作の一具体例であるピボット動作について説明するための説明図である。
【図１３】図１２に示すピボット動作を実現するための運動目的及び拘束条件について説明するための説明図である。
【図１４】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置における冗長自由度を有する変形例の外観を示す概略図である。
【図１５】本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順を示すフロー図である。
【図１６】本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置及び制御装置のハードウェア構成の一構成例を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．アクチュエータの構成
１−１．全体構成
１−２．エンコーダの構成
２．回転角度検出システムの構成
３．回転角度検出方法の処理手順
４．故障の検出について
５．医療用ロボットアーム装置への適用
６．適用例
６−１．医療用ロボットアーム装置についての検討
６−２．本開示の一実施形態
６−２−１．ロボットアーム装置の外観
６−２−２．一般化逆動力学について
６−２−２−１．仮想力算出処理
６−２−２−２．実在力算出処理
６−２−３．理想関節制御について
６−２−４．ロボットアーム制御システムの構成
６−２−５．運動目的の具体例
６−３．ロボットアーム制御方法の処理手順
６−４．ハードウェア構成
６−５．医療用ロボットアーム装置についてのまとめ
７．補足
【００１４】
＜１．アクチュエータの構成＞
まず、本開示の一実施形態に係るアクチュエータの構成について説明する。以下では、まず、（１−１．全体構成）で、本実施形態に係るアクチュエータの全体構成について説明する。次に、（１−２．エンコーダの構成）で、本実施形態に係るアクチュエータに搭載される絶対角度エンコーダの一構成例について説明する。なお、以下では、本開示に係る一実施形態として、本開示に係るアクチュエータがロボットアームの関節部に適用される場合を例に挙げて説明を行う。ただし、本開示に係るアクチュエータが適用され得る対象はかかる例に限定されず、当該アクチュエータは、例えば、手術に用いられる電動術具、自動車の電動ステアリング、遊園地等に設置される電動の遊具等、安全性の観点から高精度な角度の検出が求められる装置に対して好適に適用され得る。また、本開示に係るアクチュエータは、例えば自動車のハンドルを模したゲーム用又はシミュレータ用のコントローラ等、操作性の観点から高精度な角度の検出が求められる装置に対して適用されてもよい。
【００１５】
（１−１．全体構成）
まず、図１を参照して、本実施形態に係るアクチュエータの全体構成について説明する。図１は、本実施形態に係るアクチュエータの全体構成を示す分解斜視図である。
【００１６】
図１を参照すると、本実施形態に係るアクチュエータ３００は、モータ３１０と、減速機３２０と、２つのロータリエンコーダ３３０、３４０（エンコーダ３３０、３４０）と、出力軸３５０と、ハウジング３６０と、を備える。アクチュエータ３００では、モータ３１０の回転軸の回転が減速機３２０によって所定の減速比で減速され、出力軸３５０を介して後段の他の部材に伝達されることにより、当該他の部材が駆動されることとなる。また、エンコーダ３３０、３４０によって、モータ３１０の回転軸の回転角度及び出力軸３５０の回転軸の回転角度がそれぞれ検出される。
【００１７】
ここで、モータ３１０の回転角度は、減速機３２０の入力軸における回転角度でもあるため、以下の説明では、モータ３１０の回転角度及び回転速度のことを、それぞれ、入力軸の回転角度及び回転速度とも呼称する。また、出力軸３５０における回転軸の回転角度及び回転速度のことを、それぞれ、出力軸の回転角度及び回転速度とも呼称する。本実施形態は、減速機３２０を介して入力軸及び出力軸の双方に絶対角度エンコーダを配置することにより、出力軸の回転角度を高精度に検出するとともに、安全上求められる各種の要件を満たすことを実現するものである。
【００１８】
モータ３１０は、所定の制御値（電流値）が与えられた場合に、当該制御値に対応する回転速度で回転軸を回転させることにより、駆動力を生み出す駆動機構である。本実施形態では、モータ３１０としてブラシレスモータが用いられる。一般的に、モータでは、内部に設けられる回転子の回転に応じてコイルに流れる電流の向きを切り換え、磁界の方向を変化させる必要がある。ブラシレスモータでは、当該電流の向きの切り換えが、ブラシを用いて機械的に行われるのではなく、ブラシの代わりに半導体スイッチ等を用いて電気的に行われる。
【００１９】
モータ３１０の回転軸には、減速機３２０が連結される。減速機３２０は、連結されたモータ３１０の回転軸の回転速度（すなわち、入力軸の回転速度）を、所定の減速比で減速させて出力軸３５０に伝達する。本実施形態では、減速機３２０の構成は特定のものに限定されず、減速機３２０としては各種の公知の種類の減速機が用いられてよい。ただし、減速機３２０としては、例えばハーモニックドライブ（登録商標）等の、高精度に減速比が設定可能なものが用いられることが好ましい。減速機３２０の具体的な構成は、アクチュエータ３００の構成に応じて、所望の回転速度及びトルクを出力軸３５０の後段に接続される部材に伝達するように、適宜設計され得る。
【００２０】
エンコーダ３３０は、入力軸の回転角度（すなわち、モータ３１０の回転角度）を検出する。本実施形態では、エンコーダ３３０は、絶対角度エンコーダであり、入力軸の絶対的な角度位置を検出することができる。以下では、エンコーダ３３０のことを入力軸エンコーダ３３０又は絶対角度エンコーダ３３０とも呼称する。エンコーダ３３０の具体的な構成については、下記（１−２．エンコーダの構成）で説明するため、ここでは詳細な説明は省略する。ただし、本実施形態では、エンコーダ３３０は絶対角度エンコーダであればよく、その構成は下記（１−２．エンコーダの構成）で説明する構成に限定されず、任意であってよい。
【００２１】
ここで、上述したように、モータ３１０はブラシレスモータであるため、電流の向きを切り換えるために、回転子の回転を検出するセンサ（例えばモータ駆動用ホールセンサ）が必要となる。当該回転子の回転は、入力軸の回転に対応しているため、本実施形態では、入力軸に設けられるエンコーダ３３０が、当該モータ駆動用ホールセンサの機能を兼ねることができる。このように、本実施形態では、エンコーダ３３０によって検出された入力軸の回転角度に基づいてモータ３１０が駆動されてよく、モータ駆動用ホールセンサは設けられなくてもよい。これにより、構成部材を減らすことができるため、アクチュエータ３００の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００２２】
また、入力軸にエンコーダ３３０が設けられることにより、減速機３２０の減速比を介している分、出力軸の回転角度を高精度に検出することが可能となる。例えば、減速比が１：１００であれば、入力軸の回転角度が０（度）〜３６０（度）の間で検出されたとき、出力軸の回転角度は０（度）〜３．６（度）の間で変化していることになる。つまり、入力軸の回転角度を検出することは、出力軸の回転角度を減速比の分だけ拡大して検出していることに対応している。従って、エンコーダ３３０による入力軸の回転角度の検出値に基づいて、出力軸の回転角度を検出することにより、出力軸の回転角度を高分解能で検出することができる。なお、このような、入力軸の回転角度の検出値に基づいて、出力軸の回転角度を検出する具体的な方法については、下記＜２．回転角度検出システムの構成＞で詳しく説明する。
【００２３】
エンコーダ３４０は、出力軸の回転角度を検出する。本実施形態では、エンコーダ３４０は、絶対角度エンコーダであり、出力軸の絶対的な角度位置を検出することができる。以下では、エンコーダ３４０のことを出力軸エンコーダ３４０又は絶対角度エンコーダ３４０とも呼称する。なお、エンコーダ３４０は、エンコーダ３３０と同様の構成であってよく、例えば、エンコーダ３４０としては、下記（１−２．エンコーダの構成）で説明する構成が好適に適用され得る。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、エンコーダ３４０は絶対角度エンコーダであればよく、その構成は任意であってよい。
【００２４】
ハウジング３６０は、略円筒形の形状を有し、各構成部材が内部に格納される。ハウジング３６０内に各構成部材が格納された状態で、下記＜６．適用例＞で説明するロボットアーム装置の関節部等の、回転駆動を伴う各部位を駆動するアクチュエータとして組み込まれることとなる。
【００２５】
以上、図１を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ３００の全体構成について説明した。なお、アクチュエータ３００は、図示した構成以外の他の構成を更に備えてもよい。例えば、アクチュエータ３００は、モータ３１０に電流を供給することによりモータ３１０を回転駆動させるドライバ回路（ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ））や、出力軸３５０でのトルク（すなわち、アクチュエータ３００の出力トルク（発生トルク））を検出するトルクセンサ等、一般的なアクチュエータが有し得るあらゆる部材を更に備えてもよい。
【００２６】
（１−２．エンコーダの構成）
次に、図２及び図３を参照して、エンコーダ３３０、３４０の一構成例について説明する。図２は、本実施形態に係るエンコーダ３３０、３４０の一構成例を示す概略図である。図３は、本実施形態に係るエンコーダ３３０、３４０による角度の検出原理について説明するための説明図である。
【００２７】
図２に示すように、エンコーダ３３０、３４０は、２極が着磁された磁石３３１と、２つのホール素子３３２、３３３と、が組み合わされて構成される磁気式エンコーダである。磁石３３１は略円環形状を有し、当該円環形状の一端がＮ極、他端がＳ極となるような極性を帯びている。ホール素子３３２、３３３は、当該磁石３３１の周囲において、磁石３３１の円環形状の中心軸周りの回転に対して９０（度）回転した位置にそれぞれ設けられる。
【００２８】
磁石３３１は、その円環形状の中心軸を回転軸として、検出対象である回転軸（本実施形態では、入力軸又は出力軸）とともに回転するように接続される。磁石３３１が回転することにより、ホール素子３３２、３３３によって検出される磁界は、周期的に変化することとなる。
【００２９】
図３では、横軸に磁石３３１の回転角度θ（すなわち、検出対象である回転軸の回転角度θ）を取り、縦軸にホール素子３３２、３３３の出力を取り、両者の関係性をプロットしている。ここで、ホール素子３３２、３３３は、磁石３３１の周囲に９０（度）回転した位置に配設されているため、図３に示すように、ホール素子３３２、３３３の出力は、９０（度）だけ位相がずれた波形となる。すなわち、一方のホール素子３３２によってサインカーブ（ｓｉｎθ）が取得され、他方のホール素子３３３によってコサインカーブ（ｃｏｓθ）が取得されることとなる。従って、回転角度θは、ホール素子３３２、３３３の出力から、下記数式（１）によって算出され得る。
【００３０】
【数１】
0006496937.tif 000002
【００３１】
例えば、規格化されたホール素子３３２による出力が１（これはｓｉｎθ＝１に対応する）であり、規格化されたホール素子３３３による出力が０（これはｃｏｓθ＝０に対応する）であれば、上記数式（１）からθ＝ａｒｃｔａｎ（１／０）≒∞≒９０（度）と求めることができる。
【００３２】
このように、エンコーダ３３０、３４０では、２つのホール素子３３２、３３３の出力に応じて、磁石３３１の回転角度（すなわち検出対象である回転軸の回転角度）を、０（度）〜３６０（度）の範囲で一意に決定することができる。従って、例えば一旦電源が遮断され、再度起動した瞬間であっても、起動時のホール素子３３２、３３３の出力を検出することにより、回転軸の回転角度を即座に検出することが可能となる。
【００３３】
以上、図２及び図３を参照して、エンコーダ３３０、３４０の一構成例について説明した。なお、本実施形態では、エンコーダ３３０、３４０の構成はかかる例に限定されず、絶対角度エンコーダであれば各種のエンコーダが適用されてよい。ただし、図２に示すような磁石３３１及びホール素子３３２、３３３からなる絶対角度エンコーダは、構成が比較的簡易であるため、小型化が可能であり、コストの面でも優れている。従って、エンコーダ３３０、３４０として、図２に例示する構成を有する絶対角度エンコーダを用いることにより、アクチュエータ３００を、より小型に、より安価に構成することが可能となる。しかしながら、その反面、図２に例示する構成を有する絶対角度エンコーダは、その角度の検出精度はそれほど高くないことが知られている。本実施形態では、上述したように、入力軸及び出力軸の双方にエンコーダ３３０、３４０を配置し、エンコーダ３３０による入力軸の回転角度の検出値に基づいて、出力軸の回転角度を検出することにより、図２に例示するような安価な絶対角度エンコーダを用いた場合であっても、出力軸の回転角度を高精度に検出することを可能としている。
【００３４】
＜２．回転角度検出システムの構成＞
次に、図４を参照して、本実施形態に係る回転角度検出システムの概略構成について説明する。図４は、本実施形態に係る回転角度検出システムの概略構成を示す機能ブロック図である。本実施形態では、図４に例示する構成によって、出力軸の回転角度が高精度に検出され得る。
【００３５】
図４を参照すると、本実施形態に係る回転角度検出システム３は、アクチュエータ３００と、アクチュエータ３００のエンコーダ３３０、３４０の検出値に基づいて所定の処理を行う制御部３７０と、を備える。制御部３７０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等の各種のプロセッサによって構成されてよく、制御部３７０が所定のプログラムに従って動作することにより、所定の処理が実行され得る。本実施形態では、制御部３７０は、エンコーダ３３０による入力軸の回転角度の検出値に基づいて、出力軸の回転角度を算出することができる。なお、制御部３７０は、他の各処理を行ってもよく、例えば下記＜４．故障の検出について＞で説明するような、アクチュエータ３００の故障を検出する処理を行ってもよい。制御部３７０は、アクチュエータ３００と一体的に構成されてもよいし、アクチュエータ３００とは別途の部材として設けられ、アクチュエータ３００から送信される各種の情報に基づいて各種の処理を行ってもよい。
【００３６】
図４では、説明のため、アクチュエータ３００の構成の一部を概略的に図示している。図示される入力軸エンコーダ３３０、ブラシレスモータ３１０、減速機３２０及び出力軸エンコーダ３４０は、図１に示すエンコーダ３３０、モータ３１０、減速機３２０及びエンコーダ３４０に対応するものであるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００３７】
制御部３７０は、その機能として、出力軸角度情報取得部３７１、モータ累積回転数算出部３７２、入力軸角度情報取得部３７３、入力軸累積動作角度算出部３７４及び出力軸角度算出部３７５を有する。なお、以下の制御部３７０の説明では、理解を容易にするために、具体的な数値を例に挙げて説明を行う。具体的には、一例として、減速機３２０の減速比が１：１００であり、入力軸エンコーダ３３０の検出値が１８１（度）であり、出力軸エンコーダ３４０の検出値が１９．６（度）である場合について、制御部３７０の各機能について説明を行う。ただし、これらの数値はあくまで一例であり、本実施形態では、減速機３２０の減速比や各エンコーダ３３０、３４０での検出値が他の値である場合であっても、同様の処理により出力軸の回転角度を算出することができる。
【００３８】
また、以下の説明では、例えば、本実施形態に係るアクチュエータ３００がロボットアーム装置のアーム部に設けられる関節部に適用された場合を想定し、アクチュエータ３００の出力軸は０（度）〜３６０（度）の範囲内において回転すると仮定する。ロボットアーム装置のアーム部の駆動では、３６０（度）以上（すなわち１回転以上）関節部が回転することは考えにくいため、このような仮定をしても大きな問題とはならない。従って、出力軸エンコーダ３４０の検出値も、出力軸が１回転以上している状態での角度θ（すなわち、３６０（度）を超えて０（度）にリセットされた後の角度）を検出しているのではなく、出力軸の累積回転数が１回転未満の状態での、出力軸の角度を表していると言える。
【００３９】
出力軸角度情報取得部３７１は、出力軸エンコーダ３４０から、出力軸の回転角度についての情報（出力軸角度情報）を取得する。出力軸角度情報は、出力軸エンコーダ３４０によって検出される出力軸の回転角度の検出値についての情報であってよい。例えば、出力軸角度情報取得部３７１は、出力軸角度情報として、出力軸エンコーダ３４０による検出値が１９．６（度）である旨の情報を取得する。出力軸角度情報取得部３７１は、取得した出力軸角度情報をモータ累積回転数算出部３７２に提供する。
【００４０】
モータ累積回転数算出部３７２は、出力軸角度情報に基づいて、ブラシレスモータ３１０の累積回転数を算出する。ブラシレスモータ３１０の累積回転数は、出力軸の回転角度の検出値を、ブラシレスモータ３１０が１回転したときの回転角度である３６０（度）を減速比で割ったもので更に割ることにより算出され得る。上述した具体的な数値例の場合であれば、ブラシレスモータ３１０の累積回転数は、下記数式（２）のように算出され得る。
【００４１】
【数２】
0006496937.tif 000003
【００４２】
上記数式（２）に示すように、上述した数値例では、ブラシレスモータ３１０の回転数は５．４４（回転）と算出される。本実施形態では、モータ累積回転数算出部３７２は、小数点以下は切り捨て、整数値としてブラシレスモータ３１０の累積回転数を算出する。上記の例では、モータ累積回転数算出部３７２は、出力軸における回転数の検出値に基づいて、ブラシレスモータ３１０の累積回転数を５（回転）と算出することができる。モータ累積回転数算出部３７２は、算出したブラシレスモータの累積回転数についての情報を、入力軸累積動作角度算出部３７４に提供する。
【００４３】
入力軸角度情報取得部３７３は、入力軸エンコーダ３３０から、入力軸の回転角度についての情報（入力軸角度情報）を取得する。入力軸角度情報は、入力軸エンコーダ３３０によって検出される入力軸の回転角度の検出値についての情報であってよい。例えば、入力軸角度情報取得部３７３は、入力軸角度情報として、入力軸エンコーダ３３０による検出値が１８１（度）である旨の情報を取得する。入力軸角度情報取得部３７３は、取得した入力軸角度情報を入力軸累積動作角度算出部３７４に提供する。
【００４４】
入力軸累積動作角度算出部３７４は、入力軸角度情報及びブラシレスモータ３１０の累積回転数についての情報に基づいて、入力軸の累積動作角度を算出する。ここで、入力軸の累積動作角度は、ブラシレスモータ３１０が回転を始めてからの入力軸の累積回転角度のことである。入力軸の累積動作角度は、ブラシレスモータ３１０の累積回転数を回転角度に換算したもの（すなわち、３６０（度）を乗じたもの）に、入力軸の回転角度の検出値を加えることにより算出され得る。上述した具体的な数値例の場合であれば、入力軸の累積動作角度は、下記数式（３）のように算出され得る。
【００４５】
【数３】
0006496937.tif 000004
【００４６】
入力軸累積動作角度算出部３７４は、算出した入力軸の累積動作角度についての情報を、出力軸角度算出部３７５に提供する。
【００４７】
出力軸角度算出部３７５は、入力軸の累積動作角度についての情報に基づいて、出力軸の回転角度を算出する。出力軸の回転角度の計算値は、入力軸の累積動作角度を減速比で割ることにより算出され得る。上述した具体的な数値例の場合であれば、出力軸の回転角度は、下記数式（４）のように算出され得る。
【００４８】
【数４】
0006496937.tif 000005
【００４９】
出力軸角度算出部３７５は、算出した出力軸の回転角度についての情報を、最終的な出力軸の回転角度の検出値として、アクチュエータ３００が設けられている駆動部の駆動を制御する制御装置（例えば後述する図１１の制御装置２０）に送信する。当該制御装置では、受信した出力軸の回転角度の計算値に基づいて、各駆動部の状態を認識し、各駆動部を駆動するための制御量を演算することとなる。
【００５０】
以上、図４を参照して、本実施形態に係る回転角度検出システム３の概略構成について説明した。以上説明したように、本実施形態では、出力軸エンコーダ３４０の検出値を用いてモータ３１０の累積回転数を算出し、算出したモータ３１０の累積回転数を入力軸の累積動作角度に換算して入力軸エンコーダ３３０の検出値を加えることにより、出力軸の回転角度を算出する。
【００５１】
ここで、上述したように、入力軸に設けられるエンコーダ３３０の検出値は、減速比を介している分、出力軸の回転角度を高分解能で検出したものと考えることができる。従って、入力軸エンコーダ３３０による検出値（１８１（度））から減速比を介して換算される出力軸の回転角度は、出力軸エンコーダ３４０による検出値（１９．６（度））よりも、より精度良く出力軸の回転角度を表していると言える。
【００５２】
ただし、入力軸エンコーダ３３０による検出値（１８１（度））は、入力軸が何回転した状態での「１８１（度）」であるか定かではない。一方、出力軸エンコーダ３４０による検出値（１９．６（度））は、上述したように、アクチュエータ３００がロボットアーム装置のアーム部に設けられる関節部に適用された場合を想定すれば、０（度）〜３６０（度）の間における角度であると判断して差し支えない。従って、本実施形態では、出力軸エンコーダ３４０による検出値から、モータ３１０の累積回転数を算出することにより、入力軸エンコーダ３３０による検出値（１８１（度））が、入力軸（モータ３１０）が何回転した状態での「１８１（度）」であるかを判断しているのである。これにより、入力軸の累積回転動作角度を算出することができるため、より高精度に出力軸の回転角度を表していると考えられる入力軸の回転角度に基づいて、出力軸の回転角度を検出することが可能となる。
【００５３】
ここで、上述したように、例えば図２に示すような磁石３３１及びホール素子３３２、３３３からなる絶対角度エンコーダは、構成が簡易でコストの面で優れる反面、その角度の検出精度はそれほど高くないことが知られている。しかしながら、本実施形態では、上述したような出力軸の回転角度の算出処理を行うことにより、このような比較的検出精度の低い絶対角度エンコーダを用いた場合であっても、高精度に出力軸の回転角度を算出することが可能となる。従って、出力軸の回転角度の検出精度を高精度に保ったまま、アクチュエータ３００をより小型に、より安価に構成することが可能となる。
【００５４】
また、上記処理では、出力軸エンコーダ３４０による検出値は、モータ３１０の累積回転数を算出することのみに用いられており、累積回転数を求めた後の０（度）〜３６０（度）の間の角度を表す端数に当たる部分（例えば、上記数式（２）における「０．４４」の部分）は、出力軸の回転角度の算出には用いられない。従って、本実施形態では、出力軸エンコーダ３４０では、モータ３１０の回転数を算出できるだけの誤差が許容できることとなる。例えば、減速機３２０の減速比が１：１００であれば、モータ３１０の１回転に対応する出力軸の回転角度は３．６（度）であるため、出力軸エンコーダ３４０は、レンジで３．６（度）、すなわち、±１．８（度）の精度を有していればよいことになる。従って、出力軸エンコーダ３４０として、格段に精度の高いエンコーダを用いる必要がなく、例えば図２に例示したような比較的安価なものを適用することが可能となる。
【００５５】
なお、本実施形態では、入力軸エンコーダ３３０と併せて、入力軸の累積回転数を保持するカウンタが設けられてもよい。当該カウンタを設けることにより、上述したような、出力軸エンコーダ３４０による検出値からモータ３１０の累積回転数（すなわち、入力軸の累積回転数）を算出する処理を行う必要がなく、カウンタの値を参照して出力軸の回転角度を算出することができるため、制御部３７０の信号処理負荷を軽減することができる。ただし、例えば一旦電源が遮断され、再度電源が投入された場合には、当該カウンタの値はリセットされてしまうため、電源投入直後には、上述した出力軸エンコーダ３４０による検出値からモータ３１０の累積回転数を算出する処理が行われる必要がある。
【００５６】
＜３．回転角度検出方法の処理手順＞
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態に係る回転角度検出方法の処理手順について説明する。図５は、本実施形態に係る回転角度検出方法において行われる、入力軸の誤差を考慮した入力軸の累積動作角度の算出処理について説明するための説明図である。図６は、本実施形態に係る回転角度検出方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【００５７】
まず、本実施形態に係る回転角度検出方法の処理手順について詳細に説明する前に、図５を参照して、入力軸の誤差を考慮した入力軸の累積動作角度の算出処理について説明する。上記図４を参照して説明したように、出力軸の回転角度を算出する処理では、入力軸累積動作角度算出部３７４によって、上記数式（３）に示すように、入力軸の累積回転数を累積動作角度に換算し、入力軸エンコーダ３３０の検出値を加える処理がなされる。ここで、上記の説明では、入力軸累積動作角度算出部３７４は、入力軸の累積回転数である５（回転）をそのまま用いて入力軸の累積動作角度を算出していた。しかしながら、入力軸エンコーダ３３０の検出値の誤差が大きい場合には、入力軸累積動作角度算出部３７４によるこのような処理は、必ずしも適切ではない可能性がある。
【００５８】
図５を参照して、累積動作角度の算出処理について詳細に説明する。図５では、入力軸の回転角度と出力軸の回転角度とを、模式的に数直線で示している。また、ここでは、一例として、減速機３２０の減速比が１：１００であるとして説明を行う。
【００５９】
入力軸エンコーダ３３０は、入力軸が１回転する間に、０（度）〜３６０（度）までのいずれかの数値を検出する。一方、減速比との関係から、出力軸エンコーダ３４０は、入力軸が１回転する間に、０（度）〜３．６（度）までのいずれかの数値を検出することとなる。従って、入力軸エンコーダ３３０の検出値は、出力軸エンコーダ３４０の検出値から累積回転数分の回転角度を差し引いた１回転未満の回転角度（すなわち、０（度）〜３．６（度））に対応していることとなる。
【００６０】
今、一例として、出力軸エンコーダ３４０の検出値から累積回転数分の回転角度を差し引いた値が、０．９（度）であったとする。この場合、理想的には、入力軸エンコーダ３３０の検出値は、９０（度）であるはずだが、実際には、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の検出誤差に応じたずれが生じ得る。
【００６１】
例えば、入力軸エンコーダ３３０の検出値が３００（度）であったとする。この場合、検出値である当該３００（度）は、９０（度）に対して＋２１０（度）ずれた値である可能性もあれば、−１５０（度）ずれた値である可能性もある。より厳密に考えれば、入力軸エンコーダ３３０の検出値である３００（度）は、９０（度）に対して＋２１０（度）＋ｍ×３６０（度）ずれた値である可能性もあれば、−１５０（度）＋ｍ×（−３６０）（度）ずれた値である可能性もある（ｍは任意の正の数）。
【００６２】
また、この場合、入力軸エンコーダ３３０の検出値が、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度に対して、プラス方向とマイナス方向のどちらにずれているかに応じて、入力軸の累積動作角度の算出方法を変化させる必要がある。具体的には、例えば、入力軸エンコーダ３３０の検出値である３００（度）が、９０（度）に対して＋２１０（度）ずれた値である場合には、入力軸の累積回転数をそのまま用いて入力軸の累積動作角度を算出することができる。一方、入力軸エンコーダ３３０の検出値である３００（度）が、９０（度）に対して−１５０（度）ずれた値である場合には、当該３００（度）は、１回転前の入力軸の回転角度を表すものであるから、入力軸の累積回転数を−１回転させてから入力軸の累積動作角度を算出する必要がある。つまり、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度に基づいて、入力軸の累積回転数を補正する処理が行われる。
【００６３】
このように、累積動作角度を算出する際には、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度に対して、入力軸エンコーダ３３０の検出値に誤差が含まれる場合に、入力軸エンコーダ３３０の検出値としてどの範囲を信用するかが問題となる。そこで、本実施形態では、累積動作角度を算出する際に、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度に対して、入力軸エンコーダ３３０の検出値として信用する範囲を定め、当該範囲内に含まれる入力軸エンコーダ３３０の検出値を信用できる検出値として選択する処理が行われ得る。
【００６４】
本実施形態では、入力軸エンコーダ３３０の性能から、入力軸エンコーダ３３０の検出値と、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度とが、入力軸１回転分以上（すなわち、３６０（度）以上）ずれていることは極稀であると考えられる。従って、例えば、入力軸エンコーダ３３０の検出値として信用する範囲として、３６０（度）幅（±１８０（度））の範囲を設定する。
【００６５】
図５に示す例であれば、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度である９０（度）に対して、±１８０（度）の範囲に含まれる入力軸エンコーダ３３０の検出値を信用することになる。当該範囲は、図示するように、１回転前の２７０（度）以上、２７０（度）未満の範囲となり、この範囲に含まれる入力軸エンコーダ３３０の検出値が、信用できる検出値として採用されることとなる。上述した入力軸エンコーダ３３０の検出値が３００（度）である例であれば、この範囲に含まれる、１回転前の３００（度）（−１５０（度）ずれた値である３００（度））が信用できる検出値として採用されることとなる。
【００６６】
ここで、入力軸エンコーダ３３０の検出値として信用する範囲を示す数直線上において、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度と、入力軸エンコーダ３３０の検出値との間に０（度）が含まれる場合には、累積動作角度を算出する際に、入力軸の累積回転数を調整する必要が生じる。例えば、上述した３００（度）の場合のように、入力軸エンコーダ３３０の検出値が０（度）よりも数直線上左側に位置する場合には、入力軸の累積回転数を−１回転させてから入力軸の累積動作角度を算出する必要がある。一方、入力軸エンコーダ３３０の検出値が０（度）よりも数直線上右側に位置する場合には、入力軸の累積回転数を＋１回転させてから入力軸の累積動作角度を算出する必要がある。
【００６７】
以上、図５を参照して、入力軸の誤差を考慮した入力軸の累積動作角度の算出処理について説明した。以下に図６を参照して説明する本実施形態に係る回転角度検出方法の処理手順は、このような、入力軸の誤差を考慮した入力軸の累積動作角度の算出処理を含む処理手順である。
【００６８】
図６を参照すると、本実施形態に係る回転角度検出方法では、まず、入力軸及び出力軸の角度情報が取得される（ステップＳ１０１）。当該処理は、例えば、図４に示す入力軸角度情報取得部３７３及び出力軸角度情報取得部３７１によって、エンコーダ３３０、３４０の検出値についての情報が取得される処理に対応している。
【００６９】
次に、出力軸角度情報に基づいて、モータ３１０の累積回転数が算出される（ステップＳ１０３）。当該処理は、例えば、図４に示すモータ累積回転数算出部３７２によって、出力軸角度情報に基づいて、モータ３１０の累積回転数が算出される処理に対応している。当該処理は、具体的には、下記数式（５）の関係性を満たす整数ｎの最大値を求める処理であってよい。ここで、ｘは減速機３２０の減速比であり、ｎはモータの累積回転数であり、θｏｕｔは、出力軸の回転角度の検出値である。
【００７０】
【数５】
0006496937.tif 000006
【００７１】
次に、モータ３１０の累積回転数と、出力軸角度情報と、に基づいて、出力軸角度情報（すなわち、出力軸エンコーダ３４０の検出値）から推定される入力軸の回転角度が算出される（ステップＳ１０５）。当該処理は、図５を参照して説明した、出力軸エンコーダ３４０の検出値から累積回転数分の回転角度を差し引くことにより、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度を算出する処理に対応している。当該処理は、具体的には、下記数式（６）によって表現される。ここで、θｏｕｔ−ｉｎは、出力軸角から推定される入力軸の回転角度である。
【００７２】
【数６】
0006496937.tif 000007
【００７３】
次に行われるステップＳ１０７〜ステップＳ１１１に示す処理は、図５を参照して説明した、出力軸エンコーダ３４０の検出値から換算された入力軸の回転角度に対して、入力軸エンコーダ３３０の検出値として信用する範囲として±１８０（度）の範囲を定め、当該範囲内に含まれる入力軸エンコーダ３３０の検出値を信用できる検出値として選択する処理に対応している。具体的には、まず、ステップＳ１０７において、算出されたθｏｕｔ−ｉｎが、下記数式（７）を満たすかどうかが判断される。
【００７４】
【数７】
0006496937.tif 000008
【００７５】
ステップＳ１０７でθｏｕｔ−ｉｎが上記数式（７）を満たす場合には、ステップＳ１０９において、入力軸の回転角度の検出値であるθｉｎと、出力軸の回転角度の検出値から換算された入力軸の回転角度であるθｏｕｔ−ｉｎとの関係性が、下記数式（８）を満たすかどうかが更に判断される。
【００７６】
【数８】
0006496937.tif 000009
【００７７】
また、ステップＳ１０７でθｏｕｔ−ｉｎが上記数式（７）を満たさない場合には、ステップＳ１１１において、入力軸の回転角度の検出値であるθｉｎと、出力軸の回転角度の検出値から換算された入力軸の回転角度であるθｏｕｔ−ｉｎとの関係性が、下記数式（９）を満たすかどうか更に判断される。
【００７８】
【数９】
0006496937.tif 000010
【００７９】
上記数式（７）を満たし、かつ、上記数式（８）を満たす場合には、信用できる範囲内に含まれる入力軸の回転角度の検出値θｉｎは、θｏｕｔ−ｉｎよりもマイナス側に位置し、かつ０（度）よりも左側に位置すると判断できる。従って、この場合、ステップＳ１１３に進み、ｎを−１回転させてから（すなわち、ｎをｎ−１に置き換えてから）、下記数式（１０）に示す演算が行われ、出力軸の回転角度の計算値であるθｏｕｔ−ｃが算出される。
【００８０】
【数１０】
0006496937.tif 000011
【００８１】
また、上記数式（７）を満たし、かつ、上記数式（８）を満たさない場合には、信用できる範囲内に含まれる入力軸の回転角度の検出値θｉｎは、θｏｕｔ−ｉｎよりもプラス側に位置し、かつ０（度）よりも左側に位置する（３６０（度）を超えない）と判断できる。従って、この場合、ステップＳ１１５に進み、ｎはそのままで、上記数式（１０）に示す演算が行われ、出力軸の回転角度の計算値であるθｏｕｔ−ｃが算出される。
【００８２】
また、上記数式（７）を満たさず、かつ、上記数式（９）を満たす場合には、同様に、信用できる範囲内に含まれる入力軸の回転角度の検出値θｉｎは、θｏｕｔ−ｉｎよりもプラス側に位置し、かつ０（度）よりも左側に位置する（３６０（度）を超えない）と判断できる。従って、この場合も、同様に、ステップＳ１１５に進み、ｎはそのままで、上記数式（１０）に示す演算が行われ、出力軸の回転角度の計算値であるθｏｕｔ−ｃが算出される。
【００８３】
また、上記数式（７）を満たさず、かつ、上記数式（９）を満たさない場合には、信用できる範囲内に含まれる入力軸の回転角度の検出値θｉｎは、θｏｕｔ−ｉｎよりもプラス側に位置し、かつ０（度）よりも右側に位置する（３６０（度）を超える）と判断できる。従って、この場合、ステップＳ１１７に進み、ｎを＋１回転させてから（すなわち、ｎをｎ＋１に置き換えてから）、上記数式（１０）に示す演算が行われ、出力軸の回転角度の計算値であるθｏｕｔ−ｃが算出される。
【００８４】
なお、上記数式（１０）に示す演算は、例えば、上記図４に示す構成で言えば、入力軸累積動作角度算出部３７４及び出力軸角度算出部３７５によって行われる処理に対応している。
【００８５】
ステップＳ１１３、ステップＳ１１５又はステップＳ１１７に示す処理において算出された出力軸の回転角度θｏｕｔ−ｃについての情報が、最終的な出力軸の回転角度の検出値として、アクチュエータ３００が設けられている駆動部の駆動を制御する制御装置（例えば後述する図１１の制御装置２０）に送信されることとなる。そして、当該制御装置において、当該θｏｕｔ−ｃに基づいて各駆動部の状態が認識され、各駆動部を駆動するための制御量が演算されることとなる。
【００８６】
以上、図５及び図６を参照して、本実施形態に係る回転角度検出方法の処理手順について説明した。以上説明したように、本実施形態では、出力軸の回転角度の検出値θｏｕｔを用いて、モータ３１０の累積回転数ｎが算出され、算出されたモータ３１０の累積回転数ｎを入力軸の累積動作角度に換算して入力軸の回転角度の検出値θｉｎを加えることにより、出力軸の回転角度の計算値θｏｕｔ−ｃが算出される。このように、より高分解能である出力軸の回転角度の検出値θｏｕｔを用いて入力軸の累積動作角度を算出し、当該入力軸の累積動作角度を用いて出力軸の回転角度θｏｕｔ−ｃを算出することにより、出力軸の回転角度をより高精度に求めることができる。
【００８７】
また、本実施形態では、出力軸の回転角度の検出値θｏｕｔから換算された入力軸の回転角度θｏｕｔ―ｃに対して、入力軸の回転角度の検出値θｉｎとして信用する範囲を定め、当該範囲内に含まれる入力軸の回転角度の検出値θｉｎを信用できる検出値として選択する処理が行われることにより、入力軸の検出誤差を考慮した、入力軸の累積動作角度の算出処理が行われることとなる。従って、出力軸の回転角度を更に高精度に求めることが可能となる。
【００８８】
＜４．故障の検出について＞
図１に示すように、本実施形態に係るアクチュエータ３００は、その入力軸及び出力軸の双方にエンコーダ３３０、３４０を備える。本実施形態では、このような構成を利用して、アクチュエータ３００の故障を検出することができる。
【００８９】
ここで、一般的なアクチュエータにおいても、例えばモータを駆動させているにもかかわらず出力軸の回転角度が検出されない等、出力軸の回転角度の検出値に応じて、アクチュエータの故障を検出することは可能である。一方、本実施形態では、アクチュエータ３００の故障を検出することができるだけではなく、アクチュエータ３００のどの構成部材が故障しているかまで検出することが可能となる。
【００９０】
具体的には、本実施形態に係るアクチュエータ３００では、その構成上、入力軸エンコーダ３３０の検出値と出力軸エンコーダ３４０の検出値とは、減速機３２０の減速比を介した比例関係にある。従って、当該比例関係が観察されなくなった場合には、アクチュエータ３００のいずれかの構成部材が故障していると判断することができる。また、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の検出値の変化を観察することにより、どの構成部材が故障しているかを判断することができる。このように、本実施形態では、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の検出値をモニタすることにより、アクチュエータ３００の故障及び故障している構成部材を検出することが可能となる。
【００９１】
下記表１を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ３００における故障の検出について詳しく説明する。下記表１では、本実施形態において検出され得る故障の一例として、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の検出値と、想定される故障部位との関係性がまとめられている。
【００９２】
【表１】
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【００９３】
上記表１に示すように、例えば、入力軸エンコーダ３３０の検出値は変動していないが、出力軸エンコーダ３４０の検出値は変動している場合には、モータ３１０は駆動しているにもかかわらず、入力軸エンコーダ３３０の検出値が変化しない状態であると考えられる。従って、この場合には、入力軸エンコーダ３３０が故障していることが想定される。
【００９４】
また、例えば、入力軸エンコーダ３３０の検出値は変動しているが、出力軸エンコーダ３４０の検出値は変動していない場合には、モータ３１０は駆動しているにもかかわらず、出力軸エンコーダ３４０の検出値が変化しない状態であると考えられる。従って、この場合には、減速機３２０が故障し、モータ３１０の回転が出力軸まで正常に伝達されていない（すなわち、減速機３２０において入力軸が空転している又は出力軸がロックされている）か、又は、出力軸エンコーダ３４０が故障していることが想定される。
【００９５】
また、例えば、入力軸エンコーダ３３０の検出値及び出力軸エンコーダ３４０の検出値がともに変動していない場合には、モータ３１０が故障し、駆動していないことが想定される。あるいは、減速機３２０の入力軸及び出力軸がロックされており、モータ３１０を駆動しようとしているにもかかわらず、モータ３１０の駆動が妨げられていることが想定される。
【００９６】
また、例えば、入力軸エンコーダ３３０の検出値及び出力軸エンコーダ３４０の検出値がともに変動しているにもかかわらず、両者の間に比例関係がない場合には、モータ３１０、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０は正常に駆動しているものの、減速機３２０が故障し、モータ３１０の回転が出力軸に正常に（所定の減速比で）伝達されていないことが想定される。
【００９７】
以上、本実施形態に係るアクチュエータ３００における、故障の検出機能について説明した。以上説明したように、本実施形態では、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の検出値をモニタすることにより、アクチュエータ３００の故障を検出することができる。更に、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の検出値の変動具合から、アクチュエータ３００内のどの構成部材が故障しているのかまで検出することが可能である。従って、複数のアクチュエータ３００によって構成されるシステムにおいて故障が発生した場合に、どのアクチュエータ３００のどの構成部材に故障が発生したのかを迅速に検出することができる。よって、例えば、故障が検出されたアクチュエータ３００のみを停止させ、他のアクチュエータ３００によってシステムとしての駆動を維持する等の、システム全体を停止させないような処置を講じることが可能となる。
【００９８】
＜５．医療用ロボットアーム装置への適用＞
本実施形態に係るアクチュエータ３００は、医療用ロボットアーム装置の関節部を駆動するアクチュエータとして好適に適用可能である。以下では、まず、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータに求められる要件について説明する。次に、それらの要件を満足するかどうかといった観点から、一般的な公知のアクチュエータと、本実施形態に係るアクチュエータ３００との比較を行う。
【００９９】
まず、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータに求められる要件について説明する。医療用ロボットアーム装置では、例えば、そのアーム部の先端に、各種の術具や、内視鏡、顕微鏡、カメラ等の撮像装置が取り付けられる。術者は、アーム部を操作することにより、例えば術具によって患者の術部に対して各種の処置を施したり、撮像装置によって術部の観察を行ったりしながら、手術や検査等の各種の施術を行う。従って、施術を円滑に行うために、また、患者を意図せず傷付けることがないように、アーム部の駆動は、高精度に制御される必要がある。
【０１００】
アーム部は、複数のリンクが複数の関節部によって連結された構成を有しており、各関節部に設けられるアクチュエータを駆動させることにより、アーム部全体が駆動することとなる。アクチュエータにおける出力軸の回転角度に応じて、アーム部の各関節部の角度が制御されるため、アーム部の駆動を高精度に制御するためには、各関節部の回転角度、すなわちアクチュエータの出力軸の回転角度を高精度に検出することが求められる。
【０１０１】
また、医療用ロボットアーム装置では、例えば停電や故障等が発生した非常時における駆動制御が重要となる。例えば、手術の最中に医療用ロボットアーム装置に何らかの故障が発生した場合であっても、可能な限り手術が続行可能な構成が求められる。
【０１０２】
例えば、停電等により医療用ロボットアーム装置の電源が一旦遮断され、再度電源が投入される場合について考える。このような場合、例えば、相対角度エンコーダのような、基準位置からの相対的な角度によって回転軸の回転角度を検出するエンコーダでは、一旦電源が遮断されると基準位置との相対的な位置関係がリセットされてしまうため、電源復旧時に角度を即座に検出することができない。そのため、基準位置に対応する位置まで関節部を駆動させ、相対角度エンコーダを基準位置まで戻す、原点出しの処理を初期動作として行う必要が生じる。例えば、医療用ロボットアーム装置を用いて手術を行っている最中に停電が発生し、電源を投入した場合に、このような初期動作が行われると、アーム部が術者が意図しない動きをすることとなるため、患者に危害が加えられる危険性がある。従って、医療用ロボットアーム装置に用いられるアクチュエータには、このような初期動作を要さず、電源投入後即座に出力軸の回転角度を検出可能な構成が求められる。
【０１０３】
また、例えば、医療用ロボットアーム装置を用いて手術を行っている最中に、アーム部のいずれかの関節部のアクチュエータが故障し、正常な動作が行われなくなった場合について考える。このような場合であっても、手術の内容によっては、即座に手術を中断できるとは限らず、何らかの手段によって手術を継続する必要がある。従って、医療用ロボットアーム装置では、例えば故障した関節部のみ駆動を停止させ、他の正常な関節部の駆動を制御することによって、可能な限りアーム部を駆動させるような制御が行われることが求められる。このような制御を行うためには、故障を検出する際に、故障が発生しているアクチュエータを特定することができるとともに、その故障によってアクチュエータのどの機能が実行不可能になったのかを検出することが可能な構成が求められる。
【０１０４】
以上、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータに求められる要件について説明した。以上説明した内容をまとめると、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータには、以下の要件が求められる。すなわち、出力軸の回転角度を高精度に検出すること（以下、「回転角度の検出要件」と略記する。）、電源投入時の初期動作が不要であること（以下、「初期動作要件」と略記する。）、及び、故障の発生を自己的に（アクチュエータごとに）検出可能であること（以下、「故障検出要件」と略記する。）である。以下では、一般的な公知なアクチュエータの構成と、上述した本実施形態に係るアクチュエータ３００の構成とを比較し、これらの要件を満たし得るかどうかについて説明する。
【０１０５】
まず、構成（Ａ）−（Ｅ）として、一般的なアクチュエータの構成について説明する。なお、上記の各要件を満たすかどうかは、アクチュエータの構成の中でも、エンコーダの配置や種類によるところが大きい。そこで、以下の説明では、一般的なアクチュエータを、エンコーダの構成に注目して（Ａ）−（Ｅ）に分類している。構成（Ａ）−（Ｅ）として説明する一般的なアクチュエータにおいても、モータや減速機としては、例えば図１に示すような、本実施形態と同様のブラシレスモータ及び減速機が用いられてよい。
【０１０６】
（Ａ．入力軸：モータ駆動用ホールセンサ／出力軸：絶対角度エンコーダ）
構成（Ａ）は、入力軸にモータ駆動用ホールセンサが設けられ、出力軸に絶対角度エンコーダが設けられる構成である。当該構成（Ａ）は、一般的なアクチュエータにおいてに広く用いられている構成である。モータ駆動用ホールセンサは、ブラシレスモータを駆動するために設けられ、ブラシレスモータの回転子の回転を検出する機能を有する。ただし、エンコーダのように、回転子（又は入力軸）の回転角度を０（度）〜３６０（度）の数値として検出するものではない。一方、構成（Ａ）では、絶対角度エンコーダにより、出力軸の回転角度が検出される。
【０１０７】
ここで、絶対角度エンコーダでは、電源投入時に原点出しの初期動作を行う必要がなく、即座に回転軸の回転角度を検出することができる。しかしながら、その検出値は０（度）〜３６０（度）の範囲内であるため、例えば１回転以上（３６０（度）以上）回転軸が回転している場合には、例えばカウンタ等の累積回転数を保持する構成と組み合わせないと、正確な回転角度を検出することができない。電源が遮断された場合には、カウンタの情報もリセットされ得るため、絶対角度エンコーダであっても、回転軸が１回転以上回転している場合には、電源投入時に原点出しの初期動作を行う必要が生じる。
【０１０８】
一方、ここで対象としている医療用ロボットアーム装置に用いられるアクチュエータでは、出力軸の回転角度は０〜３６０（度）以内であることが想定される。ただし、入力軸の回転角度が所定の減速比を介して出力軸に伝達される構成であるため、入力軸の回転角度はこの範囲以上（すなわち、１回転分以上）になり得る。従って、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータとして「初期動作要件」を満たすためには、出力軸に絶対角度エンコーダが設けられることが求められる。この点、構成（Ａ）では、「初期動作要件」は満たされていることになる。
【０１０９】
また、構成（Ａ）では、出力軸にエンコーダが設けられることにより、例えばモータを駆動しているのにもかかわらず出力軸の回転角度が検出されない等、アクチュエータ自体の故障を検出することができる。すなわち、「故障検出要件」も満たされている。
【０１１０】
しかしながら、構成（Ａ）では、入力軸にエンコーダが設けられていないため、上記＜２．回転角度検出システムの構成＞や上記＜３．回転角度検出方法の処理手順＞で説明した、本実施形態のような出力軸の回転角度の算出処理を行うことができない。従って、「回転角度の検出要件」を満たすためには、出力軸に設けられる絶対角度エンコーダとして、高精度に回転角度を検出可能なものを用いる必要がある。このような高精度な絶対角度エンコーダは、比較的大型であり、また、高価である。従って、構成（Ａ）によって「回転角度の検出要件」を満たそうとする場合には、アクチュエータの構成が大型化し、コストも増加する可能性がある。
【０１１１】
（Ｂ．入力軸：モータ駆動用ホールセンサ／出力軸：パルス型エンコーダ（相対角度エンコーダ））
構成（Ｂ）は、入力軸にモータ駆動用ホールセンサが設けられ、出力軸にパルス型エンコーダが設けられる構成である。入力軸にモータ駆動用ホールセンサが設けられる点は、上記構成（Ａ）と同様である。一方、出力軸に設けられるパルス型エンコーダは、放射状にスリットが形成された円板を回転させ、当該円板に光（レーザ等）を照射して、スリットを通過した光を検出することにより、当該円板の回転角度を回転軸の回転角度として検出するものである。パルス型エンコーダは、円板の所定の位置を基準位置として、当該基準位置からの相対的な回転角度が検出される、相対角度エンコーダの一種である。
【０１１２】
構成（Ｂ）では、構成（Ａ）と同様に、出力軸にエンコーダが設けられることにより、例えばモータを駆動しているのにもかかわらず出力軸の回転角度が検出されない等、アクチュエータ自体の故障を検出することができる。すなわち、「故障検出要件」は満たされている。
【０１１３】
一方、パルス型エンコーダでは、円板の回転に伴ってスリットを通過した光の検出回数がカウンタによって保持されることにより、その回転角度が検出される。従って、電源が遮断され、当該カウンタの情報がリセットされた場合には、原点出しの初期動作を行う必要がある。このように、構成（Ｂ）では、「初期動作要件」は満たされない。
【０１１４】
更に、構成（Ｂ）でも、構成（Ａ）と同様に、入力軸にエンコーダが設けられていないため、本実施形態のような出力軸の回転角度の算出処理を行うことができない。従って、「回転角度の検出要件」を満たすためには、出力軸に設けられる絶対角度エンコーダとして、高精度に回転角度を検出可能なものを用いる必要があるため、アクチュエータの構成が大型化し、コストも増加する可能性がある。
【０１１５】
（Ｃ．入力軸：モータ駆動用ホールセンサ及びパルス型エンコーダ／出力軸：なし））
構成（Ｃ）は、入力軸にモータ駆動用ホールセンサ及びパルス型エンコーダが設けられ、出力軸にはエンコーダが設けられない構成である。このように、入力軸にエンコーダを設けることにより、減速比を介している分、出力軸の回転角度を高精度に（高分解能に）検出することが可能となる。従って、構成（Ｃ）では、「回転角度の検出要件」はある程度満たされていると言える。
【０１１６】
しかしながら、構成（Ｃ）では、構成（Ｂ）と同様に、パルス型エンコーダが用いられることにより、電源が遮断された場合には、原点出しの初期動作を行う必要がある。このように、構成（Ｃ）では、「初期動作要件」は満たされない。
【０１１７】
また、構成（Ｃ）では、出力軸にはエンコーダが設けられない。従って、例えばモータが駆動していない等の入力軸の回転状態から判断され得る故障は検出できるが、出力軸の回転角度が検出されないため、出力軸の回転状態から判断され得る減速機以降の故障を検出することができない。従って、構成（Ｃ）では、「故障検出要件」は十分に満たされているとは言えない。
【０１１８】
（Ｄ．入力軸：絶対角度エンコーダ／出力軸：なし））
構成（Ｄ）は、入力軸に絶対角度エンコーダが設けられ、出力軸にはエンコーダが設けられない構成である。構成（Ｄ）では、絶対角度エンコーダがモータ駆動用ホールセンサの役割を兼ねることができる。また、構成（Ｃ）と同様に、入力軸にエンコーダが設けられることにより、減速比を介している分、出力軸の回転角度を高精度に（高分解能に）検出することが可能となる。従って、構成（Ｄ）では、「回転角度の検出要件」はある程度満たされていると言える。
【０１１９】
しかしながら、上述したように、入力軸の回転角度は所定の減速比を介して出力軸に伝達されるため、出力の回転角度の変化の範囲が０（度）〜３６０（度）である場合であっても、入力軸の回転角度はこの範囲以上（すなわち、１回転分以上）になり得る。従って、入力軸の絶対角度エンコーダは、累積回転数を保持するためのカウンタと併用される必要がある。従って、電源が遮断され、当該カウンタの情報がリセットされた場合には、原点出しの初期動作を行う必要がある。このように、構成（Ｄ）では、「初期動作要件」は満たされない。
【０１２０】
また、構成（Ｄ）では、構成（Ｃ）と同様に、出力軸にエンコーダが設けられないため、減速機以降の出力軸の回転状態から判断され得る故障を検出することができない。従って、構成（Ｄ）では、「故障検出要件」は十分に満たされているとは言えない。
【０１２１】
（Ｅ．入力軸：絶対角度エンコーダ及びギア式回転カウンタ／出力軸：なし）
構成（Ｅ）は、入力軸に絶対角度エンコーダ及びギア式回転カウンタが設けられ、出力軸にはエンコーダが設けられない構成である。構成（Ｅ）は、構成（Ｄ）に対して、入力軸にギア式回転カウンタが追加されたものに対応している。構成（Ｅ）では、構成（Ｄ）と同様に、絶対角度エンコーダがモータ駆動用ホールセンサの役割を兼ねることができる。また、構成（Ｄ）と同様に、入力軸にエンコーダが設けられることにより、減速比を介している分、出力軸の回転角度を高精度に（高分解能に）検出することが可能となる。従って、構成（Ｅ）では、「回転角度の検出要件」はある程度満たされていると言える。
【０１２２】
ここで、構成（Ｅ）において追加されたギア式回転カウンタは、機械式で動作可能なカウンタであり、電気的な入力がなくても情報を保持することができる。従って、当該ギア式回転カウンタでは、電源が遮断された場合であっても、当該カウンタの情報がリセットされることがない。よって、当該ギア式回転カウンタを絶対角度エンコーダと併用し、当該ギア式回転カウンタによって入力軸の累積回転数を保持することにより、電源遮断時であっても原点出しの初期動作を行う必要がない。従って、電源投入時に即座に回転角度を検出することができる。このように、構成（Ｅ）では、「初期動作要件」は満たされることとなる。
【０１２３】
しかしながら、構成（Ｅ）では、構成（Ｃ）、（Ｄ）と同様に、出力軸にエンコーダが設けられないため、減速機以降の出力軸の回転状態から判断され得る故障を検出することができない。従って、構成（Ｅ）では、「故障検出要件」は十分に満たされているとは言えない。
【０１２４】
また、ギア式カウンタは、その機構上、そのカウンタ値に上限が存在する。従って、入力軸の累積回転数にも自ずと限界があることとなる。これは、減速比を所定の値以上に設定できないことを意味しており、アクチュエータを設計する際の自由度が低下することとなる。また、ギア式カウンタを設ける分、構成部材が増加するため、アクチュエータが大型化することも懸念される。
【０１２５】
以上、一般的なアクチュエータの一構成例として、構成（Ａ）−（Ｅ）について説明するとともに、これらの構成において、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータに求められる要件（「回転角度の検出要件」、「初期動作要件」及び「故障検出要件」）が満たされるかどうかについて説明した。以上説明したように、構成（Ａ）−（Ｅ）では、これらの要件を全て満たすことは難しいと言える。
【０１２６】
ここで、本実施形態に係るアクチュエータ３００によって、上記の各要件が満たされるかどうかについて考察する。本実施形態に係るアクチュエータ３００は、例えば図１に示すように、入力軸及び出力軸の双方に絶対角度エンコーダ３３０、３４０が設けられた構成を有する。当該構成によれば、入力軸に設けられる絶対角度エンコーダ３３０が、モータ駆動用ホールセンサの役割を兼ねることができるため、アクチュエータ３００を小型化することができる。また、入力軸に絶対角度エンコーダ３３０が設けられることにより、減速比を介している分、出力軸の回転角度を高精度に（高分解能に）検出することが可能となる。従って、アクチュエータ３００では、「回転角度の検出要件」は満たされている。
【０１２７】
また、アクチュエータ３００では、出力軸に絶対角度エンコーダ３４０が設けられることにより、電源が遮断された場合であっても、復旧時に原点出しの初期動作を行う必要がない。従って、電源投入時に即座に回転角度を検出することができる。このように、アクチュエータ３００では、「初期動作要件」は満たされている。
【０１２８】
更に、アクチュエータ３００では、入力軸及び出力軸の双方に絶対角度エンコーダ３３０、３４０が設けられることにより、モータが駆動していない等の入力軸の回転状態から判断され得る故障を検出することができるとともに、減速機の異常等、出力軸の回転状態から判断され得る故障も検出することができる。また、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の検出値の比例関係や、当該検出値の変動をモニタすることにより、上記＜４．故障の検出について＞で説明したような、故障している構成部材を検出することも可能となる。このように、アクチュエータ３００では、「故障検出要件」は満たされている。
【０１２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータに求められる要件（「回転角度の検出要件」、「初期動作要件」及び「故障検出要件」）を全て満たすアクチュエータ３００が提供される。これにより、より高精度でより安全なロボットアーム装置の駆動制御が実現される。
【０１３０】
なお、上記では、医療用ロボットアーム装置のアクチュエータに求められる要件として、「回転角度の検出要件」、「初期動作要件」及び「故障検出要件」について説明したが、他の用途であっても、これらの要件、すなわち、高い安全性と高精度での回転角度の検出が求められるものが存在し得る。例えば電子ステアリング等の自動車に用いられるアクチュエータや、遊園地の遊具を駆動するために用いられるアクチュエータ等、ヒトを乗せて運動するものに関しては、やはり、高い安全性と高精度での回転角度の検出が求められる。本実施形態に係るアクチュエータ３００は、医療用ロボット装置だけではなく、これら自動車や遊具に対しても、好適に適用され得る。
【０１３１】
＜６．適用例＞
上述したように、本実施形態に係るアクチュエータ３００は、医療用ロボットアーム装置の関節部に対して好適に適用可能である。以下では、本実施形態に係るアクチュエータ３００の一適用例として、当該アクチュエータ３００が適用され得るロボットアーム装置の駆動を制御するための、ロボットアーム制御システムの構成や、ロボットアーム制御方法の処理手順について説明する。
【０１３２】
（６−１．医療用ロボットアーム装置についての検討）
まず、本開示をより明確なものとするために、本発明者らが以下に説明する実施形態に想到するに至った背景について説明する。
【０１３３】
近年、医療分野や工業分野においては、より正確により素早く作業を行うために、ロボット装置が広く用いられている。ここで、ロボット装置及び各関節部の制御方式としては、位置制御と力制御とが知られている。位置制御では、関節部のアクチュエータに、例えば角度等の指令値が与えられ、当該指令値に追随するように関節部の駆動が制御される。一方、力制御では、ロボット装置全体として作業対象に加えるべき力の目標値が与えられ、当該目標値が示す力を実現するように関節部の駆動（例えば関節部によって発生されるトルク）が制御される。
【０１３４】
一般的に、制御上の簡便さやシステムの構成のしやすさから、位置制御によって駆動されるロボット装置が広く用いられている。しかしながら、位置制御は、外力に柔軟に応じることが困難であるため、俗に「硬い制御」と呼ばれることがあり、多様な外界との物理インタラクション（例えば、対人物理インタラクション）を行いながらタスクを遂行するロボット装置には適していない。一方、力制御は、システム構成は複雑化する反面、力オーダーでの「柔らかい制御」が実現できるため、特に対人物理インタラクションを行うロボット装置に適した制御方法であり、よりユーザビリティに優れた制御方法と言える。
【０１３５】
例えば、力制御が適用されたロボット装置の一例としては、本願出願人と同一出願人による先行出願である「特開２０１０−１８８４７１号公報」を参照することができる。当該特許文献には、対向する２輪の車輪からなる移動機構と複数の関節部を有する腕部を備えたロボット装置において、当該車輪及び当該関節部の駆動を全体として協調させて制御する（全身協調制御を行う）ロボット装置が開示されている。
【０１３６】
一方、近年、医療分野においては、各種の施術（例えば、手術や検査）を行う際に、アーム部の先端に様々な医療用のユニット（先端ユニット）が設けられたバランス型アーム（支持アームとも呼称する。）を用いる試みが行われている。例えば、バランス型アームのアーム部の先端に顕微鏡や内視鏡、カメラ等の撮像機能を有する様々な撮像装置を設け、施術者（ユーザ）が当該撮像装置によって撮影された術部の画像を観察しながら各種の施術を行う方法が提案されている。
【０１３７】
しかしながら、バランス型アームは、アーム部を移動させた際の力の均衡を取るためのカウンターバランス用ウェイト（カウンターウェイト又はバランサーとも呼称する。）を備える必要があるため、装置が大型化する傾向がある。施術時の作業空間の確保の観点からは、施術に用いられる装置にはより一層の小型化が求められており、一般的に提案されているバランス型アームではこのような要請に応えることが困難であった。また、バランス型アームにおいては、アーム部の駆動の一部のみ、例えば先端ユニットを平面上（２次元上）で移動させるための２軸の駆動のみが電動駆動となっており、アーム部及び先端ユニットの移動には施術者自身や周囲の医療スタッフによる手動での位置決めが必要となる。従って、一般的なバランス型アームでは、撮影時の安定性（例えば先端ユニットの位置決めの精度や制振等）の確保や、例えば視点を患者の体の所定の部位に固定した状態で様々な方向から観察する等の観察の自由度の確保が困難であった。
【０１３８】
特に、アーム部に取り付けられた撮像装置によって術部を観察する際には、視点を術部に固定したまま、異なる距離や異なる角度から当該術部を観察したいという要望がある。このような観察は、撮像装置にピボット動作を行わせることにより実現され得るが、バランス型アームによってピボット動作を行うためには、上記特許文献１に記載されているような複雑な機械的構成が必要となり、高い操作性を得ることは難しい。
【０１３９】
このような状況に鑑みて、バランス型アームに代わる装置として、位置制御によって駆動が制御される医療用のロボットアーム装置も提案されている。しかしながら、施術の更なる効率化及びユーザの負担軽減のために、ロボットアーム装置の駆動制御には、ユーザによってアーム部及び先端ユニットとして設けられる撮像ユニットの位置や姿勢をより直感的に制御することができる、より高い操作性が求められていた。位置制御によって駆動が制御されるロボットアーム装置では、このようなユーザの要望に応えることが困難であった。
【０１４０】
そこで、より安定性が高く、より操作性の高いアーム部の駆動制御を行うことが可能なロボットアーム装置を実現することにより、ユーザの負担をより軽減することが望まれていた。また、医療用に用いられるという観点から、ロボットアーム装置には、以下のような性能が求められる。
【０１４１】
図７を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明するとともに、医療用ロボットアーム装置に求められる諸性能について説明する。図７は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明するための説明図である。
【０１４２】
図７は、本実施形態に係るロボットアーム装置を用いた施術の様子を模式的に表している。具体的には、図７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７に示す例では、施術の一例として手術の様子を図示しているが、ロボットアーム装置５１０が用いられる施術は手術に限定されず、他の各種の施術、例えば内視鏡を用いた検査等であってもよい。
【０１４３】
施術台５３０の脇には本実施形態に係るロボットアーム装置５１０が設けられる。ロボットアーム装置５１０は、基台であるベース部５１１と、ベース部５１１から延伸するアーム部５１２を備える。アーム部５１２は、複数の関節部５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃと、関節部５１３ａ、５１３ｂによって連結される複数のリンク５１４ａ、５１４ｂと、アーム部５１２の先端に設けられる撮像ユニット５１５を有する。図７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。
【０１４４】
関節部５１３ａ〜５１３ｃは、リンク５１４ａ、５１４ｂを互いに回動可能に連結する機能を有し、関節部５１３ａ〜５１３ｃの回転が駆動されることにより、アーム部５１２の駆動が制御される。ここで、以下の説明においては、ロボットアーム装置５１０の各構成部材の位置とは、駆動制御のために規定している空間における位置（座標）を意味し、各構成部材の姿勢とは、駆動制御のために規定している空間における任意の軸に対する向き（角度）を意味する。また、以下の説明では、アーム部５１２の駆動（又は駆動制御）とは、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動（又は駆動制御）、及び、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動（又は駆動制御）を行うことによりアーム部５１２の各構成部材の位置及び姿勢が変化される（変化が制御される）ことをいう。
【０１４５】
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７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７に示すように、アーム部５１２の先端に設けられた撮像ユニット５１５が施術対象５４０の施術部位の様子を撮影するように、ロボットアーム装置５１０によってアーム部５１２及び撮像ユニット５１５の姿勢や位置が制御される。なお、アーム部５１２の先端に設けられる先端ユニットは撮像ユニット５１５に限定されず、各種の医療用器具であってよい。当該医療用器具としては、例えば、内視鏡や顕微鏡、上述した撮像ユニット５１５等の撮像機能を有するユニットや、各種の施術器具、検査装置等、施術に際して用いられる各種のユニットが挙げられる。このように、本実施形態に係るロボットアーム装置５１０は、医療用器具を備えた医療用ロボットアーム装置であると言える。また、アーム部５１２の先端に、２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、撮像対象を３次元画像（３Ｄ画像）として表示するように撮影が行われてもよい。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ロボットアーム装置５１０のことをビデオ顕微鏡用ロボットアーム装置とも呼称する。
【０１４６】
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。
【０１４７】
このように、本実施形態においては、医療分野において、ロボットアーム装置５１０によって施術部位の撮影を行いながら手術を行うことが提案される。ここで、手術を含む各種の施術においては、より施術を効率的に行うことにより、ユーザ５２０及び患者５４０の疲労や負担を軽減することが求められる。このような要求を満たすために、ロボットアーム装置５１０には、例えば以下のような性能が求められると考えられる。
【０１４８】
まず、１点目として、ロボットアーム装置５１０には、手術における作業空間を確保することが求められる。ユーザ５２０が施術対象５４０に対して各種の処置を行っている最中に、アーム部５１２や撮像ユニット５１５が施術者の視界を妨げたり、処置を行う手の動きを妨げたりすると、手術の効率の低下につながる。また、図７では図示していないが、実際の手術現場では、ユーザ５２０に器具を渡したり、患者５４０の各種のバイタルサインを確認したりといった、様々なサポート作業を行う複数の他の医師や看護師等がユーザ５２０及び患者５４０の周囲にいることが一般的であり、また、当該サポート作業を行うための他の装置等が存在するため、手術環境は煩雑である。従って、ロボットアーム装置５１０は、より小型であることが望ましい。
【０１４９】
次いで、２点目として、ロボットアーム装置５１０には、撮像ユニット５１５を移動させる際の高い操作性が求められる。例えば、手術を行う部位や手術の内容によっては、ユーザ５２０には、施術部位に対して処置を行っている最中に、同じ施術部位を様々な位置、角度から観察したいという要求がある。施術部位を観察する角度を変えるには、撮像ユニット５１５の施術部位に対する角度を変更する必要があるが、その際、撮像ユニット５１５の撮影方向は施術部位に固定されたまま（すなわち、同一の部位を撮影したまま）、撮影する角度だけが変化することがより望ましい。従って、例えば、撮像ユニット５１５の撮影方向が施術部位に固定された状態で、撮像ユニット５１５が施術部位を頂点とした円錐の面内を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作（ピボット動作）のような、より自由度の高い操作性がロボットアーム装置５１０に求められていた。なお、撮像ユニット５１５の撮影方向が所定の施術部位に固定されることから、ピボット動作はポイントロック動作とも呼ばれる。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
このように、２点目の性能として、ロボットアーム装置５１０には、例えば上述したピボット動作や手動による容易な移動を実現する、よりユーザ５２０の直感や要望に合った高い操作性が求められる。
【０１５３】
最後に、３点目として、ロボットアーム装置５１０には、アーム部５１２の駆動制御における安定性が求められる。アーム部５１２の駆動制御に対する安定性とは、アーム部５１２を駆動した際の先端ユニットの位置及び姿勢の安定性のことであってよい。また、アーム部５１２の駆動制御に対する安定性には、アーム部５１２を駆動した際の先端ユニットのスムーズな移動や振動の抑制（制振）も含まれる。例えば、図７に示す例のように先端ユニットが撮像ユニット５１５である場合に、もしも撮像ユニット５１５の位置や姿勢が安定しないと、表示装置５５０の表示画面に表示される撮影画像が安定せず、ユーザに不快感を与えかねない。特に、ロボットアーム装置５１０が手術に用いられる際には、先端ユニットとして２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、当該ステレオカメラによる撮影画像に基づいて生成される３次元画像（３Ｄ画像）が表示装置５５０に表示される使用方法が想定され得る。このように３Ｄ画像が表示される場合に、当該ステレオカメラの位置や姿勢が不安定であると、ユーザのいわゆる３Ｄ酔いを誘発する可能性がある。また、手術を行う部位や手術の内容によっては、撮像ユニット５１５によって撮影される観察範囲はφ１５ｍｍ程度にまで拡大されることがある。このように撮像ユニット５１５が狭い範囲を拡大して撮影している場合には、撮像ユニット５１５の僅かな振動が撮像画像の大きな揺れやブレとなって表れる。従って、アーム部５１２及び撮像ユニット５１５の駆動制御には、許容範囲１ｍｍ程度の高い位置決め精度が要求される。このように、アーム部５１２の駆動制御においては、高精度の応答性と高い位置決め精度が求められる。
【０１５４】
本発明者らは、上記の３つの性能の観点から、一般的な既存のバランス型アームや位置制御によるロボットアーム装置について検討を行った。
【０１５５】
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。
【０１５６】
また、２点目の高い操作性に関しては、一般的なバランス型アームでは、アーム部の駆動の一部のみ、例えば撮像ユニットを平面上（２次元上）で移動させるための２軸の駆動のみが電動駆動となっており、アーム部及び撮像ユニットの移動には手動による位置決めが必要となるため、高い操作性が実現できるとは言い難い。また、一般的な位置制御によるロボットアーム装置において、アーム部の駆動の制御、すなわち撮像ユニットの位置及び姿勢の制御に用いられる位置制御は、外力に柔軟に応じることが困難であるため、俗に「硬い制御」と呼ばれることがあり、要求されているようなユーザの直感に合った操作性を実現するには適していない。
【０１５７】
また、３点目のアーム部の駆動制御における安定性に関しては、一般的に、アーム部の関節部には、摩擦や慣性等のモデル化することが困難な因子が存在する。一般的なバランス型アームや位置制御によるロボットアーム装置においては、関節部の駆動制御においてこれらの因子が外乱となって表れてしまうことにより、理論上適切な制御値（例えば関節部のモータに印加する電流値）を与えた場合であっても所望の駆動（例えば関節部のモータにおける所望の角度の回転）が実現しないことがあり、要求されているようなアーム部の駆動制御における高い安定性を実現することは困難である。
【０１５８】
以上説明したように、本発明者らは、医療用に用いられるロボットアーム装置について検討した結果、ロボットアーム装置に関して、上述したような３点の性能に対する要求が存在するとの知見を得た。しかしながら、一般的な既存のバランス型アームや位置制御によるロボットアーム装置では、これらの性能を満たすことは困難であると考えられる。本発明者らは、上述した３点の性能を満たす構成について検討した結果、本開示に係るロボットアーム装置、ロボットアーム制御システム、ロボットアーム制御方法及びプログラムに想到した。以下では、本発明者らが想到した構成における好ましい実施形態について詳細に説明する。
【０１５９】
（６−２．本開示の一実施形態）
以下では、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムについて説明する。本実施形態に係るロボットアーム制御システムにおいては、ロボットアーム装置に設けられる複数の関節部の駆動を、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により制御する。更に、外乱の影響を補正することにより指令値に対する理想的な応答を実現する理想関節制御を当該関節部の駆動制御に適用する。
【０１６０】
以下の本実施形態の説明では、まず、（６−２−１．ロボットアーム装置の外観）で、本実施形態に係るロボットアーム装置の外観を示すとともに、ロボットアーム装置の概略構成について説明する。次いで、（６−２−２．一般化逆動力学について）及び（６−２−３．理想関節制御について）で、本実施形態に係るロボットアーム装置の制御に用いられる一般化逆動力学と理想関節制御の概要について説明する。次いで、（６−２−４．ロボットアーム制御システムの構成）で、本実施形態に係るロボットアーム装置を制御するためのシステムの構成について機能ブロック図を用いて説明する。最後に、（６−２−５．運動目的の具体例）で、本実施形態に係るロボットアーム装置における、一般化逆動力学を用いた全身協調制御の具体例について説明する。
【０１６１】
なお、以下の説明では、本開示の一実施形態として、ロボットアーム装置のアーム部の先端ユニットが撮像ユニットであり、図７に示すように手術時に当該撮像ユニットによって施術部位を撮影する場合について説明するが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態に係るロボットアーム制御システムは、他の先端ユニットを有するロボットアーム装置が他の用途に用いられる場合であっても適用可能である。
【０１６２】
（６−２−１．ロボットアーム装置の外観）
まず、図８を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置の概略構成について説明する。図８は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置の外観を示す概略図である。
【０１６３】
図８を参照すると、本実施形態に係るロボットアーム装置４００は、ベース部４１０及びアーム部４２０を備える。ベース部４１０はロボットアーム装置４００の基台であり、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸される。また、図８には図示しないが、ベース部４１０内には、ロボットアーム装置４００を統合的に制御する制御部が設けられてもよく、アーム部４２０の駆動が当該制御部によって制御されてもよい。当該制御部は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の各種の信号処理回路によって構成される。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
撮像ユニット４２３は撮影対象の画像を取得するユニットであり、例えば動画、静止画を撮影するカメラ等である。アーム部４２０の駆動が制御されることにより、撮像ユニット４２３の位置及び姿勢が制御される。本実施形態においては、撮像ユニット４２３は、例えば施術部位である患者の体の一部領域を撮影する。ただし、アーム部４２０の先端に設けられる先端ユニットは撮像ユニット４２３に限定されず、アーム部４２０の先端には先端ユニットとして各種の医療用器具が接続されてよい。このように、本実施形態に係るロボットアーム装置４００は、医療用器具を備えた医療用ロボットアーム装置であると言える。
【０１６７】
ここで、以下では、図８に示すように座標軸を定義してロボットアーム装置４００の説明を行う。また、座標軸に合わせて、上下方向、前後方向、左右方向を定義する。すなわち、床面に設置されているベース部４１０に対する上下方向をｚ軸方向及び上下方向と定義する。また、ｚ軸と互いに直交する方向であって、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸されている方向（すなわち、ベース部４１０に対して撮像ユニット４２３が位置している方向）をｙ軸方向及び前後方向と定義する。更に、ｙ軸及びｚ軸と互いに直交する方向をｘ軸方向及び左右方向と定義する。
【０１６８】
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。なお、関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータとしては、例えば図１に示す本実施形態に係るアクチュエータ３００が好適に適用され得る。本実施形態では、関節部４２１ａ〜４２１ｆの全てに対して図１に示すアクチュエータ３００が適用されてもよいし、関節部４２１ａ〜４２１ｆのうちの一部（例えば２軸等）にのみアクチュエータ３００が適用されてもよい。関節部４２１ａ〜４２１ｆの少なくとも１つに対して本実施形態に係るアクチュエータ３００を用いることにより、より高精度に、より安全にアーム部４２０を駆動することが可能となる。ここで、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、下記（６−２−２．一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（６−２−３．理想関節制御について）で後述する理想関節制御によってその駆動が制御される。また、上述したように、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆは回転機構を有するため、以下の説明において、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御とは、具体的には、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度及び／又は発生トルク（関節部４２１ａ〜４２１ｆが発生させるトルク）が制御されることを意味する。
【０１６９】
本実施形態に係るロボットアーム装置４００は、６つの関節部４２１ａ〜４２１ｆを有し、アーム部４２０の駆動に関して６自由度が実現されている。具体的には、図８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。
【０１７０】
このようなアーム部４２０の構成を有することにより、本実施形態に係るロボットアーム装置４００ではアーム部４２０の駆動に対して６自由度が実現されるため、アーム部４２０の可動範囲内において撮像ユニット４２３を自由に移動させることができる。図８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。
【０１７１】
なお、上述したように、本実施形態においては、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、下記（６−２−３．理想関節制御について）で後述する理想関節制御によってその駆動が制御される。従って、関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、理想関節制御に対応した駆動を行えるように構成されている。具体的には、関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、当該関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転角度及び回転駆動に伴うトルクを調整できるように構成されている。また、関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、回転運動に対する粘性抵抗係数を任意に調整できるように構成されており、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい（すなわち、アーム部４２０を手動で移動しやすい）状態や回転し難い（すなわち、アーム部４２０を手動で移動し難い）状態を実現することができる。
【０１７２】
また、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、アクチュエータ以外に他の構成を有し得る。例えば、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、アクチュエータ以外に、当該アクチュエータの駆動を制御するための制御部や、リンク４２２ａ〜４２２ｃ及び撮像ユニット４２３を接続、支持するための支持部材等、アーム部４２０の駆動に必要な各種の構成を有する。なお、ここまでの説明及び以下の説明において、アーム部の関節部の駆動とは、関節部におけるアクチュエータの駆動を意味していてもよい。
【０１７３】
ここで、関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータは、その出力軸にトルクセンサを備えることができる。当該トルクセンサは、アクチュエータによる発生トルクだけでなく、外部から加えられる外トルクも検出することができる。従って、トルクセンサによって検出された外トルクに基づいて、モータドライバがアクチュエータのモータ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。
【０１７４】
ここで、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、本実施形態に係るアクチュエータに適用されるトルクセンサの構成について詳細に説明する。図９Ａは、本実施形態に係るアクチュエータに適用されるトルクセンサの一構成例を示す概略図である。
【０１７５】
図９Ａを参照すると、本実施形態に係るトルクセンサ４２８は、外輪部４３１、内輪部４３２、梁部４３３ａ〜４３３ｄ及び歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄを有する。図９Ａに示すように、外輪部４３１及び内輪部４３２は同心円状に配置される。本実施形態では、内輪部４３２が入力側、すなわち、アクチュエータの減速機の出力軸と接続され、外輪部４３１が出力側、すなわち、後段の出力部材（図示せず。）と接続される。なお、図９Ａでは、トルクセンサ４２８をアクチュエータの出力軸の方向から見た様子を模式的に示している。
【０１７６】
４本の梁部４３３ａ〜４３３ｄは、同心円状に配置された外輪部４３１と内輪部４３２との間に配設され、外輪部４３１と内輪部４３２とを互いに接続する。図９Ａに示すように、梁部４３３ａ〜４３３ｄは、隣り合う梁部４３３ａ〜４３３ｄ同士が互いに９０度の角度となるように、外輪部４３１と内輪部４３２との間に介設される。
【０１７７】
梁部４３３ａ〜４３３ｄのうち、互いに向かい合う、すなわち、互いに１８０度の角度で設けられる２本には、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄが設けられる。歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄによって検出された梁部４３３ａ〜４３３ｄの変形量に基づいて、アクチュエータの発生トルク及び外トルクを検出することができる。
【０１７８】
図９Ａに示す例では、梁部４３３ａ〜４３３ｄのうち、梁部４３３ａに歪み検出素子４３４ａ、４３４ｂが、梁部４３３ｃに歪み検出素子４３４ｃ、４３４ｄが設けられる。また、歪み検出素子４３４ａ、４３４ｂは梁部４３３ａを挟むように設けられ、歪み検出素子４３４ｃ、４３４ｄは梁部４３３ｃを挟むように設けられる。例えば、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄは歪みゲージであり、梁部４３３ａ、４３３ｃの表面に貼り付けられることにより、梁部４３３ａ、４３３ｃの幾何的な変形量を電気抵抗の変化に基づいて検出する。図９Ａに示すように４ヶ所に歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄが設けられることにより、検出素子４３４ａ〜４３４ｄがいわゆるホイートストンブリッジを構成する。従って、いわゆる４ゲージ法を用いて歪みを検出することができるため、歪みを検出する軸以外の他軸の干渉やアクチュエータの出力軸の偏心、温度ドリフト等の影響を低減することができる。
【０１７９】
このように、梁部４３３ａ〜４３３ｄは、歪みを検出するための起歪体の役割を果たす。なお、本実施形態に係る歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄの種類は歪みゲージに限定されず、他の素子が用いられてもよい。例えば、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄは、磁気特性の変化に基づいて梁部４３３ａ〜４３３ｄの変形量を検出する素子であってもよい。
【０１８０】
また、図９Ａには図示しないが、トルクセンサ４２８による発生トルク及び外トルクの検出精度を向上させるために、以下に示す構成が適用されてもよい。例えば、梁部４３３ａ〜４３３ｄの外輪部４３１と接続する部位を他の部位よりも薄肉化することにより、支持モーメントが解放されるため、検出される変形量の線形性が向上されるとともにラジアル荷重による影響が低減される。また、外輪部４３１及び内輪部４３２をともにベアリングを介してハウジングで支持することにより、入力軸及び出力軸の双方からの他軸力、モーメントの作用を排除することができる。また、外輪部４３１に作用する他軸モーメントを低減するために、アクチュエータの入力軸側、すなわちモータがが配設される部位に両持ち支持用ベアリングが配設されてもよい。
【０１８１】
以上、図９Ａを参照して、本実施形態に係るアクチュエータに適用され得るトルクセンサ４２８の構成について説明した。以上説明したように、図９Ａに示すトルクセンサ４２８の構成により、アクチュエータの発生トルク及び外トルクの検出において、高精度な検出が可能となる。
【０１８２】
ここで、本実施形態においては、トルクセンサ４２８の構成は図９Ａに示す構成に限定されず、他の構成であってもよい。アクチュエータに適用されるトルクセンサについて、トルクセンサ４２８以外の他の構成の一例を、図９Ｂを参照して説明する。
【０１８３】
図９Ｂは、本実施形態に係るアクチュエータに適用されるトルクセンサの他の構成例を示す概略図である。図９Ｂを参照すると、本変形例に係るトルクセンサ４２８ａは、外輪部４４１、内輪部４４２、梁部４４３ａ〜４４３ｄ及び歪み検出素子４４４ａ〜４４４ｄを有する。なお、図９Ｂでは、図９Ａと同様、トルクセンサ４２８ａをアクチュエータの出力軸の方向から見た様子を模式的に示している。
【０１８４】
トルクセンサ４２８ａにおいて、外輪部４４１、内輪部４４２、梁部４４３ａ〜４４３ｄ及び歪み検出素子４４４ａ〜４４４ｄの機能及び構成は、図９Ａを参照して説明したトルクセンサ４２８の外輪部４３１、内輪部４３２、梁部４３３ａ〜４３３ｄ及び歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄの機能及び構成とほぼ同様である。本変形例に係るトルクセンサ４２８ａは、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との接続部分の構成が異なる。従って、図９Ｂに示すトルクセンサ４２８ａについては、図９Ａに示すトルクセンサ４２８との相違点である梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との接続部位の構成について主に説明を行い、重複する構成については説明を省略する。
【０１８５】
図９Ｂを参照すると、トルクセンサ４２８ａの全体図と併せて、梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位が拡大して図示されている。なお、図９Ｂでは、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との４ヶ所の接続部位のうちの１ヶ所である梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位のみを拡大して図示しているが、他の３ヶ所である梁部４４３ａ、４４３ｃ、４４３ｄと外輪部４４１との接続部位も同様の構成を有している。
【０１８６】
図９Ｂにおける拡大図を参照すると、梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位においては、外輪部４４１に係合凹部が設けられており、梁部４４３ｂの先端が係合凹部に係合されることにより両者が接続される。また、当該梁部４４３ｂと外輪部４４１との間には、間隙Ｇ１、Ｇ２が設けられる。間隙Ｇ１は梁部４４３ｂが外輪部４４１に向かって延伸する方向における両者の間隙を表しており、間隙Ｇ２は当該方向とは直交する方向における両者の間隙を表している。
【０１８７】
このように、トルクセンサ４２８ａにおいては、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１とが、所定の間隙Ｇ１、Ｇ２を有して分離して配設される。すなわち、トルクセンサ４２８ａにおいては、外輪部４４１と内輪部４４２とが分離している。従って、内輪部４４２が外輪部４４１に対して拘束されず動きの自由度を有するため、例えばアクチュエータの駆動に際して振動が生じたとしても、振動による歪み成分を内輪部４４２と外輪部４４１との間の間隙Ｇ１、Ｇ２によって吸収することができる。よって、トルクセンサ４２８ａをアクチュエータのトルクセンサとして適用することにより、より高精度な発生トルク及び外トルクの検出が実現される。
【０１８８】
なお、本実施形態に係る理想関節制御に対応するアクチュエータについては、上記図１を参照して説明したアクチュエータ３００以外にも、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９−２６９１０２号公報や特開２０１１−２０９０９９号公報等に記載されている構成を参照することができる。
【０１８９】
以上、図８、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、本実施形態に係るロボットアーム装置４００の概略構成について説明した。次に、本実施形態に係るロボットアーム装置４００におけるアーム部４２０の駆動、すなわち、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御について説明する。
【０１９０】
（６−２−２．一般化逆動力学について）
次に、本実施形態におけるロボットアーム装置４００の全身協調制御に用いられる一般化逆動力学の概要について説明する。
【０１９１】
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８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。
【０１９２】
操作空間は、ロボット装置の力制御における重要な概念である。操作空間は、多リンク構造体に作用する力と多リンク構造体の加速度との関係を記述するための空間である。多リンク構造体の駆動制御を位置制御ではなく力制御によって行う際に、多リンク構造体と環境との接し方を拘束条件として用いる場合に操作空間という概念が必要となる。操作空間は、例えば、多リンク構造体が属する空間である、関節空間、デカルト空間、運動量空間等である。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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、摩擦錐、支持多角形等についての情報が含まれる。
【０１９５】
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、摩擦錐、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８及び図３に示した本実施形態に係るロボットアーム装置４００のアーム部４２０の構成を例に挙げて説明を行う場合がある。
【０１９６】
（６−２−２−１．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（１１）で定義される。
【０１９７】
【数１１】
0006496937.tif 000013
【０１９８】
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（１２）で記述される。
【０１９９】
【数１２】
0006496937.tif 000014
【０２００】
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（１３）、（１４）で表される。
【０２０１】
【数１３】
0006496937.tif 000015
【０２０２】
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。
【０２０３】
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（１１）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（１５）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。
【０２０４】
【数１４】
0006496937.tif 000016
【０２０５】
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。
【０２０６】
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（１３）、（１４）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）を得る順動力学演算（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。
【０２０７】
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（１６）で表現できる。
【０２０８】
【数１５】
0006496937.tif 000017
【０２０９】
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（１７）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）。
【０２１０】
【数１６】
0006496937.tif 000018
【０２１１】
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。
【０２１２】
（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（１８）で表現される。
【０２１３】
【数１７】
0006496937.tif 000019
【０２１４】
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（１８）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。
【０２１５】
上記数式（１８）の上段は不定であり、例えば下記数式（１９）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。
【０２１６】
【数１８】
0006496937.tif 000020
【０２１７】
ここで、εは上記数式（１８）の上段の両辺の差であり、数式（１８）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（１９）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（２０）のように表現される。
【０２１８】
【数１９】
0006496937.tif 000021
【０２１９】
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。
【０２２０】
上記数式（１９）、（２０）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（１９）から得られたｆｅ、Δｆｖを上記数式（１８）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。
【０２２１】
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（１８）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（１８）の下段から、関節力τａについて以下の数式（２１）を得ることができる。
【０２２２】
【数２０】
0006496937.tif 000022
【０２２３】
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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
（６−２−３．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（２２）の二次遅れ系の運動方程式によってモデル化される。
【０２２６】
【数２１】
0006496937.tif 000023
【０２２７】
ここで、Ｉａは関節部における慣性モーメント（イナーシャ）、τａは関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルク、τｅは外部から各関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用する外トルク、νａは各関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける粘性抵抗係数である。上記数式（２２）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。
【０２２８】
上記（６−２−２．一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（２２）に適用することにより、上記数式（２２）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。
【０２２９】
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（２２）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。
【０２３０】
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のアクチュエータに設けられる減速機における摩擦等、モデル化が困難な現象に起因しており、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（２２）におけるイナーシャＩａや粘性抵抗係数νａの値と、実際の関節部４２１ａ〜４２１ｆにおけるこれらの値との間に誤差が生じている可能性がある。これらのモデル化が困難な誤差は、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御において外乱となり得る。従って、このような外乱の影響により、実際には、関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動は、上記数式（２２）に示す理論モデル通りには応答しない場合がある。よって、一般化逆動力学によって算出された関節力である実在力τａを適用しても、制御目標である運動目的が達成されない場合が生じる。本実施形態では、各関節部４２１ａ〜４２１ｆにアクティブな制御系を付加することで、上記数式（２２）に示す理論モデルに従った理想応答を行うよう、関節部４２１ａ〜４２１ｆの応答を補正することを考える。具体的には、本実施形態では、関節部４２１ａ〜４２１ｆのトルクセンサ４２８、４２８ａを用いた摩擦補償型のトルク制御を行うに留まらず、要求される発生トルクτａ、外トルクτｅに対して、イナーシャＩａ及び粘性抵抗係数νａに至るまで理論値に従った理想応答を行うことが可能となる。
【０２３１】
本実施形態では、このように、ロボットアーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆが上記数式（２２）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１０を参照して、本実施形態に係る理想関節制御について説明する。
【０２３２】
図１０は、本開示の一実施形態に係る理想関節制御について説明するための説明図である。なお、図１０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。
【０２３３】
図１０を参照すると、アクチュエータ６１０は、例えば図８に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆに適用され得るアクチュエータの機構を模式的に表しており、モータ（Ｍｏｔｏｒ）６１１、減速機（Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｇｅａｒ）６１２、エンコーダ（Ｅｎｃｏｄｅｒ）６１３及びトルクセンサ（Ｔｏｒｑｕｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）６１４が図示されている。
【０２３４】
ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（２２）で表される理論モデルに従った応答を行なうことは、上記数式（２２）の右辺が与えられたときに、左辺の回転角加速度が達成されることに他ならない。また、上記数式（２２）に示すように、理論モデルには、アクチュエータ６１０に作用する外トルク項τｅが含まれている。本実施形態では、理想関節制御を行うために、トルクセンサ６１４によって外トルクτｅを測定する。また、エンコーダ６１３によって測定されたアクチュエータ６１０の回転角度ｑに基づいて外乱に起因するトルクの推定値である外乱推定値τｄを算出するために、外乱オブザーバ６２０を適用する。
【０２３５】
ブロック６３１は、上記数式（２２）に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆの理想的な関節モデル（Ｉｄｅａｌ  Ｊｏｉｎｔ  Ｍｏｄｅｌ）に従った演算を行う演算器を表している。ブロック６３１は、発生トルクτａ、外トルクτｅ、回転角速度（回転角度ｑの１階微分）を入力として、上記数式（２２）の左辺に示す回転角加速度目標値（回転角目標値ｑｒｅｆの２階微分）を出力することができる。
【０２３６】
本実施形態では、上記（６−２−２．一般化逆動力学について）で説明した方法によって算出された発生トルクτａと、トルクセンサ６１４によって測定された外トルクτｅが、ブロック６３１に入力される。一方、微分演算を行う演算器を表すブロック６３２に、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑが入力されることにより、回転角速度（回転角度ｑの１階微分）が算出される。上記発生トルクτａ及び外トルクτｅに加えて、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３１に入力されることにより、ブロック６３１によって回転角加速度目標値が算出される。算出された回転角加速度目標値は、ブロック６３３に入力される。
【０２３７】
ブロック６３３は、アクチュエータ６１０の回転角加速度に基づいてアクチュエータ６１０に生じるトルクを算出する演算器を表す。本実施形態においては、具体的には、ブロック６３３は、回転角加速度目標値にアクチュエータ６１０における公称イナーシャ（ノミナルイナーシャ）Ｊｎを乗じることにより、トルク目標値τｒｅｆを得ることができる。理想の応答においては、アクチュエータ６１０に当該トルク目標値τｒｅｆを生じさせることにより、所望の運動目的が達成されるはずであるが、上述したように、実際の応答には外乱等の影響が生じる場合がある。従って、本実施形態においては、外乱オブザーバ６２０によって外乱推定値τｄを算出し、外乱推定値τｄを用いて当該トルク目標値τｒｅｆを補正する。
【０２３８】
外乱オブザーバ６２０の構成について説明する。図１０に示すように、外乱オブザーバ６２０は、トルク指令値τと、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τｄを算出する。ここで、トルク指令値τは、外乱の影響が補正された後の、最終的にアクチュエータ６１０に生じさせるトルク値である。例えば、外乱推定値τｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τｒｅｆとなる。
【０２３９】
外乱オブザーバ６２０は、ブロック６３４とブロック６３５とから構成される。ブロック６３４は、アクチュエータ６１０の回転角速度に基づいてアクチュエータ６１０に生じるトルクを算出する演算器を表す。本実施形態においては、具体的には、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３４に入力される。ブロック６３４は、伝達関数Ｊｎｓによって表される演算を行うことにより、すなわち、当該回転角速度を微分することにより回転角加速度を求め、更に算出された回転角加速度にノミナルイナーシャＪｎを乗じることにより、実際にアクチュエータ６１０に作用しているトルクの推定値（トルク推定値）を算出することができる。
【０２４０】
外乱オブザーバ６２０内では、当該トルク推定値とトルク指令値τとの差分が取られることにより、外乱によるトルクの値である外乱推定値τｄが推定される。具体的には、外乱推定値τｄは、前周の制御におけるトルク指令値τと、今回の制御におけるトルク推定値との差分であってよい。ブロック６３４によって算出されるトルク推定値は実際の測定値に基づくものであり、ブロック６３３によって算出されたトルク指令値τはブロック６３１に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆの理想的な理論モデルに基づくものであるため、両者の差分を取ることによって、上記理論モデルでは考慮されていない外乱の影響を推定することができるのである。
【０２４１】
また、外乱オブザーバ６２０には、系の発散を防ぐために、ブロック６３５に示すローパスフィルター（ＬＰＦ：Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）が設けられる。ブロック６３５は、伝達関数ｇ／（ｓ＋ｇ）で表される演算を行うことにより、入力された値に対して低周波成分のみを出力し、系を安定化させる。本実施形態では、ブロック６３４によって算出されたトルク推定値とトルク指令値τｒｅｆとの差分値は、ブロック６３５に入力され、その低周波成分が外乱推定値τｄとして算出される。
【０２４２】
本実施形態では、トルク目標値τｒｅｆに外乱オブザーバ６２０によって算出された外乱推定値τｄを加算するフィードフォワード制御が行われることにより、最終的にアクチュエータ６１０に生じさせるトルク値であるトルク指令値τが算出される。そして、トルク指令値τに基づいてアクチュエータ６１０が駆動される。具体的には、トルク指令値τが対応する電流値（電流指令値）に変換され、当該電流指令値がモータ６１１に印加されることにより、アクチュエータ６１０が駆動される。
【０２４３】
以上、図１０を参照して説明した構成を取ることにより、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御においては、摩擦等の外乱成分があった場合であっても、アクチュエータ６１０の応答を目標値に追従させることが可能となる。また、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御について、理論モデルが仮定するイナーシャＩａ及び粘性抵抗係数νａに従った理想応答を行うことが可能となる。
【０２４４】
なお、以上説明した理想関節制御の詳細については、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９−２６９１０２号公報を参照することができる。
【０２４５】
以上、本実施形態において用いられる一般化逆動力学について説明するとともに、図１０を参照して本実施形態に係る理想関節制御について説明した。以上説明したように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いることにより、アーム部４２０の運動目的を達成するための各関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動パラメータ（例えば関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルク値）を、拘束条件を考慮して算出する、全身協調制御が行われる。また、図１０を参照して説明したように、本実施形態においては、上記一般化逆動力学を用いた全身協調制御により算出された発生トルク値に対して外乱の影響を考慮した補正を行うことにより、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御において理論モデルに基づいた理想的な応答を実現する、理想関節制御が行われる。従って、本実施形態においては、アーム部４２０の駆動について、運動目的を達成する高精度な駆動制御が可能となる。
【０２４６】
（６−２−４．ロボットアーム制御システムの構成）
次に、上記（６−２−２．一般化逆動力学について）及び上記（６−２−３．理想関節制御について）で説明した全身協調制御や理想関節制御がロボットアーム装置の駆動制御に適用された、本実施形態に係るロボットアーム制御システムの構成について説明する。
【０２４７】
図１１を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムの一構成例について説明する。図１１は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。なお、図１１に示すロボットアーム制御システムでは、ロボットアーム装置のアーム部の駆動の制御に関わる構成について主に図示している。
【０２４８】
図１１を参照すると、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御システム１は、ロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０を備える。本実施形態においては、制御装置２０によって、上記（６−２−２．一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（６−２−３．理想関節制御について）で説明した理想関節制御における各種の演算が行われ、その演算結果に基づいてロボットアーム装置１０のアーム部の駆動が制御される。また、ロボットアーム装置１０のアーム部には後述する撮像部１４０が設けられており、撮像部１４０によって撮影された画像が表示装置３０の表示画面に表示される。以下、ロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の構成について詳細に説明する。
【０２４９】
ロボットアーム装置１０は、複数の関節部と複数のリンクから構成される多リンク構造体であるアーム部を有し、当該アーム部を可動範囲内で駆動させることにより、当該アーム部の先端に設けられる先端ユニットの位置及び姿勢の制御を行う。ロボットアーム装置１０は、図８に示すロボットアーム装置４００に対応している。
【０２５０】
図１１を参照すると、ロボットアーム装置１０は、アーム制御部１１０及びアーム部１２０を有する。また、アーム部１２０は、関節部１３０及び撮像部１４０を有する。
【０２５１】
アーム制御部１１０は、ロボットアーム装置１０を統合的に制御するとともに、アーム部１２０の駆動を制御する。アーム制御部１１０は、図８を参照して説明した制御部（図８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。ただし、当該制御部は、各関節部にそれぞれ設けられ、各関節部の駆動をそれぞれ制御してもよい。
【０２５２】
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８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１１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。
【０２５３】
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８に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆに対応している。また、関節部１３０は、アクチュエータを有し、当該アクチュエータの構成は、例えば図３、図９Ａ及び図９Ｂに示す構成と同様である。
【０２５４】
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。
【０２５５】
関節駆動部１３１は、関節部１３０のアクチュエータにおける駆動機構であり、関節駆動部１３１が駆動することにより関節部１３０が回転駆動する。関節駆動部１３１は、駆動制御部１１１によってその駆動が制御される。例えば、関節駆動部１３１は、図１に示すモータ３１０及び当該モータ３１０を駆動するためのモータドライバに対応する構成であり、関節駆動部１３１が駆動することは、当該モータドライバが駆動制御部１１１からの指令に応じた電流量でモータ３１０を駆動することに対応している。
【０２５６】
関節状態検出部１３２は、関節部１３０の状態を検出する。ここで、関節部１３０の状態とは、関節部１３０の運動の状態を意味していてよい。例えば、関節部１３０の状態には、関節部１３０の回転角度、回転角速度、回転角加速度、発生トルク等の情報が含まれる。本実施形態においては、関節状態検出部１３２は、関節部１３０の回転角度を検出する回転角度検出部１３３及び関節部１３０の発生トルク及び外トルクを検出するトルク検出部１３４を有する。なお、回転角度検出部１３３及びトルク検出部１３４は、例えば、図１に示すアクチュエータ３００のエンコーダ３３０、３４０及び図９Ａ及び図９Ｂに示すトルクセンサ４２８、４２８ａに、それぞれ対応している。関節状態検出部１３２は、検出した関節部１３０の状態を制御装置２０に送信する。
【０２５７】
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８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。
【０２５８】
なお、図８に示すロボットアーム装置４００において撮像ユニット４２３がアーム部４２０の先端に設けられていたように、ロボットアーム装置１０においても、実際には撮像部１４０がアーム部１２０の先端に設けられている。図１１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。
【０２５９】
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１１に示す撮像部１４０や、内視鏡、顕微鏡等の撮像機能を有するユニットも医療用器具に含まれてよい。このように、本実施形態に係るロボットアーム装置１０は、医療用器具を備えた医療用ロボットアーム装置であると言える。同様に、本実施形態に係るロボットアーム制御システム１は、医療用ロボットアーム制御システムであると言える。なお、図１１に示すロボットアーム装置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ビデオ顕微鏡用ロボット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。
【０２６０】
以上、ロボットアーム装置１０の機能及び構成について説明した。次に、制御装置２０の機能及び構成について説明する。図１１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。
【０２６１】
制御部２３０は、制御装置２０を統合的に制御するとともに、ロボットアーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動を制御するための各種の演算を行う。具体的には、制御部２３０は、ロボットアーム装置１０のアーム部１２０の駆動を制御するために、全身協調制御及び理想関節制御における各種の演算を行う。以下、制御部２３０の機能及び構成について詳しく説明するが、全身協調制御及び理想関節制御については、上記（６−２−２．一般化逆動力学について）及び上記（６−２−３．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。
【０２６２】
制御部２３０は、全身協調制御部２４０及び理想関節制御部２５０を有する。
【０２６３】
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。
【０２６４】
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。
【０２６５】
アーム状態取得部２４１は、関節状態検出部１３２によって検出された関節部１３０の状態に基づいて、アーム部１２０の状態（アーム状態）を取得する。ここで、アーム状態とは、アーム部１２０の運動の状態を意味していてよい。例えば、アーム状態には、アーム部１２０の位置、速度、加速度、力等の情報が含まれる。上述したように、関節状態検出部１３２は、関節部１３０の状態として、各関節部１３０における回転角度、回転角速度、回転角加速度、発生トルク等の情報を取得している。また、後述するが、記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶するものであり、本実施形態においては、記憶部２２０には、アーム部１２０に関する各種の情報（アーム情報）、例えばアーム部１２０を構成する関節部１３０及びリンクの数や、リンクと関節部１３０との接続状況、リンクの長さ等の情報が格納されていてよい。アーム状態取得部２４１は、記憶部２２０から当該アーム情報を取得することができる。従って、アーム状態取得部２４１は、関節部１３０の状態とアーム情報とに基づいて、複数の関節部１３０、複数のリンク及び撮像部１４０の空間上の位置（座標）（すなわち、アーム部１２０の形状や撮像部１４０の位置及び姿勢）や、各関節部１３０、リンク及び撮像部１４０に作用している力等の情報をアーム状態として取得することができる。アーム状態取得部２４１は、取得したアーム情報を演算条件設定部２４２に送信する。
【０２６６】
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。
【０２６７】
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。
【０２６８】
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。
【０２６９】
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。
【０２７０】
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。
【０２７１】
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。
【０２７２】
なお、運動目的の具体例については、下記（６−２−５．運動目的の具体例）で改めて詳しく説明する。
【０２７３】
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。
【０２７４】
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。
【０２７５】
また、例えば、演算条件設定部２４２は、入力部２１０からユーザによって入力される指示に基づいて運動目的を設定してもよい。後述するが、入力部２１０は、ユーザが制御装置２０にロボットアーム装置１０の駆動制御に関する情報や命令等を入力するための入力インターフェースであり、本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、運動目的が設定されてもよい。具体的には、入力部２１０は、例えばレバー、ペダル等のユーザが操作する操作手段を有し、当該レバー、ペダル等の操作に応じて、アーム部１２０の各構成部材の位置や速度等が、演算条件設定部２４２によって瞬時的な運動目的として設定されてもよい。
【０２７６】
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。
【０２７７】
なお、演算条件設定部２４２が、上記のいずれの方法で運動目的を設定するかは、ロボットアーム装置１０の用途等に応じてユーザによって適宜設定可能であってよい。また、演算条件設定部２４２は、また、上記の各方法を適宜組み合わせることにより、運動目的及び拘束条件を設定してもよい。なお、記憶部２２０に格納されている拘束条件の中に運動目的の優先度が設定されていてもよく、複数の互いに異なる運動目的が存在する場合には、演算条件設定部２４２は、当該拘束条件の優先度に応じて運動目的を設定してもよい。演算条件設定部２４２は、アーム状態並びに設定した運動目的及び拘束条件を仮想力算出部２４３に送信する。
【０２７８】
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（６−２−２−１．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。
【０２７９】
実在力算出部２４４は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における実在力を算出する。実在力算出部２４４が行う実在力の算出処理は、例えば、上記（２−２−２．実在力算出処理）で説明した一連の処理であってよい。実在力算出部２４４は、算出した実在力（発生トルク）τａを理想関節制御部２５０に送信する。なお、本実施形態においては、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτａのことを、全身協調制御における関節部１３０の制御値という意味で、制御値又は制御トルク値とも呼称する。
【０２８０】
理想関節制御部２５０は、理論モデルに基づいた理想的な応答を実現する理想関節制御に関する各種の演算を行う。本実施形態では、理想関節制御部２５０は、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτａに対して外乱の影響を補正することにより、アーム部１２０の理想的な応答を実現するトルク指令値τを算出する。なお、理想関節制御部２５０によって行われる演算処理は、上記（６−２−３．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。
【０２８１】
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。
【０２８２】
外乱推定部２５１は、トルク指令値τと、回転角度検出部１３３によって検出された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τｄを算出する。なお、ここでいうトルク指令値τは、最終的にロボットアーム装置１０に送信されるアーム部１２０での発生トルクを表す指令値である。このように、外乱推定部２５１は、図１０に示す外乱オブザーバ６２０に対応する機能を有する。
【０２８３】
指令値算出部２５２は、外乱推定部２５１によって算出された外乱推定値τｄを用いて、最終的にロボットアーム装置１０に送信されるアーム部１２０に生じさせるトルクを表す指令値であるトルク指令値τを算出する。具体的には、指令値算出部２５２は、上記数式（２２）に示す関節部１３０の理想モデルから算出されるτｒｅｆに外乱推定部２５１によって算出された外乱推定値τｄを加算することにより、トルク指令値τを算出する。例えば、外乱推定値τｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τｒｅｆとなる。このように、指令値算出部２５２の機能は、図１０に示す外乱オブザーバ６２０以外の機能に対応している。
【０２８４】
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１０を参照して説明した一連の処理が行われる。理想関節制御部２５０は算出したトルク指令値τをロボットアーム装置１０の駆動制御部１１１に送信する。駆動制御部１１１は、送信されたトルク指令値τに対応する電流量を、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給する制御を行うことにより、当該モータの回転数を制御し、関節部１３０における回転角度及び発生トルクを制御する。
【０２８５】
本実施形態に係るロボットアーム制御システム１においては、ロボットアーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動制御は、アーム部１２０を用いた作業が行われている間継続的に行われるため、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０における以上説明した処理が繰り返し行われる。すなわち、ロボットアーム装置１０の関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出され、制御装置２０に送信される。制御装置２０では、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御に関する各種の演算が行われ、演算結果としてのトルク指令値τがロボットアーム装置１０に送信される。ロボットアーム装置１０では、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御され、駆動中又は駆動後の関節部１３０の状態が、再び関節状態検出部１３２によって検出される。
【０２８６】
制御装置２０が有する他の構成についての説明を続ける。
【０２８７】
入力部２１０は、ユーザが制御装置２０にロボットアーム装置１０の駆動制御に関する情報や命令等を入力するための入力インターフェースである。本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、ロボットアーム装置１０のアーム部１２０の駆動が制御され、撮像部１４０の位置及び姿勢が制御されてもよい。具体的には、上述したように、ユーザによって入力部２１０から入力されたアームの駆動の指示に関する指示情報が演算条件設定部２４２に入力されることにより、演算条件設定部２４２が当該指示情報に基づいて全身協調制御における運動目的を設定してもよい。このように、ユーザが入力した指示情報に基づく運動目的を用いて全身協調制御が行われることにより、ユーザの操作入力に応じたアーム部１２０の駆動が実現される。
【０２８８】
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。
【０２８９】
記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶する。本実施形態においては、記憶部２２０は、制御部２３０によって行われる全身協調制御及び理想関節制御に関する演算において用いられる各種のパラメータを記憶することができる。例えば、記憶部２２０は、全身協調制御部２４０による全身協調制御に関する演算において用いられる運動目的及び拘束条件を記憶していてもよい。記憶部２２０が記憶する運動目的は、上述したように、例えば撮像部１４０が空間上の所定の点で静止することのような、予め設定され得る運動目的であってよい。また、拘束条件は、アーム部１２０の幾何的な構成やロボットアーム装置１０の用途等に応じて、ユーザによって予め設定され、記憶部２２０に格納されていてもよい。また、記憶部２２０には、アーム状態取得部２４１がアーム状態を取得する際に用いるアーム部１２０に関する各種の情報が記憶されていてもよい。更に、記憶部２２０には、制御部２３０による全身協調制御及び理想関節制御に関する演算における演算結果や演算過程で算出される各数値等が記憶されてもよい。このように、記憶部２２０には、制御部２３０によって行われる各種の処理に関するあらゆるパラメータが格納されていてよく、制御部２３０は、記憶部２２０と相互に情報を送受信しながら各種の処理を行うことができる。
【０２９０】
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。
【０２９１】
表示装置３０は、各種の情報を表示画面上にテキスト、イメージ等様々な形式で表示することにより、当該情報をユーザに対して視覚的に通知する。本実施形態においては、表示装置３０は、ロボットアーム装置１０の撮像部１４０によって撮影された画像を表示画面上に表示する。具体的には、表示装置３０は、撮像部１４０によって取得された画像信号に各種の画像処理を施す画像信号処理部（図示せず。）や処理された画像信号に基づく画像を表示画面上に表示させる制御を行う表示制御部（図示せず。）等の機能及び構成を有する。なお、表示装置３０は、上記の機能及び構成以外にも、一般的に表示装置が有する各種の機能及び構成を有してもよい。表示装置３０は、図７に示す表示装置５５０に対応している。
【０２９２】
以上、図１１を参照して、本実施形態に係るロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の機能及び構成について説明した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
【０２９３】
以上説明したように、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０における多リンク構造体であるアーム部１２０が、少なくとも６自由度以上の自由度を有するとともに、当該アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれの駆動が駆動制御部１１１によって制御される。そして、当該アーム部１２０の先端には医療用器具が設けられる。このように、各関節部１３０の駆動が制御されることにより、より自由度の高いアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い医療用のロボットアーム装置１０が実現される。
【０２９４】
より具体的には、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０において、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。そして、制御装置２０において、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する各種の演算が行われ、演算結果としてのトルク指令値τが算出される。更に、ロボットアーム装置１０において、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御される。このように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により、アーム部１２０の駆動が制御される。従って、力制御によるアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高いロボットアーム装置が実現される。また、本実施形態では、全身協調制御において、例えばピボット動作やパワーアシスト動作といった、よりユーザの利便性を向上させる各種の運動目的を実現する制御が可能となる。更に、本実施形態においては、例えばアーム部１２０を手動で移動させたり、ペダルからの操作入力により移動させたりといった、多様な駆動手段が実現されるため、ユーザの利便性の更なる向上が実現される。
【０２９５】
また、本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御について、全身協調制御と併せて理想関節制御が適用される。理想関節制御においては、関節部１３０内部の摩擦や慣性等の外乱成分を推定し、推定した外乱成分を用いたフィードフォワード制御が行われる。従って、摩擦等の外乱成分がある場合であっても、関節部１３０の駆動について理想的な応答を実現することができる。よって、アーム部１２０の駆動制御において、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い位置決め精度や安定性が実現される。
【０２９６】
更に、本実施形態においては、アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれが、例えば図３に示すような、理想関節制御に適合した構成を有し、各関節部１３０における回転角度、発生トルク及び粘性抵抗係数を電流値によって制御することができる。このように、各関節部１３０の駆動が電流値によって制御され、また、全身協調制御により各関節部１３０の駆動がアーム部１２０全体の状態を把握しながら制御されるため、カウンターバランスが不要となり、ロボットアーム装置１０の小型化が実現される。
【０２９７】
（６−２−５．運動目的の具体例）
次に、本実施形態に係る運動目的の具体例について説明する。上記（６−２−４．ロボットアーム制御システムの構成）で説明したように、本実施形態においては、全身協調制御によって各種の運動目的が実現される。ここでは、本実施形態に係る運動目的の具体例として、パワーアシスト動作と、ピボット動作について説明する。なお、以下の運動目的の具体例についての説明では、図１１に示す機能ブロック図における参照番号を用いて、本実施形態に係るロボットアーム制御システムの構成部材を表す。
【０２９８】
パワーアシスト動作は、アーム部１２０に作用する重力を打ち消すように関節部１３０の状態を制御するとともに、更に外部から与えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするように関節部１３０の状態を制御する動作である。具体的には、ユーザがアーム部１２０を手動で動かす際に、ユーザによって加えられた力をサポートするようにアーム部１２０の駆動を制御する動作である。より具体的には、パワーアシスト動作を実現するために、まず、重力以外の力がアーム部１２０に作用していない状態における外トルクがトルク検出部１３４によって検出され、検出された外トルクを打ち消す発生トルクを各関節部１３０に生じさせるように、瞬時的な運動目的が設定される。この段階で、アーム部１２０の位置及び姿勢が所定の状態で保持される。この状態で更に外部から（例えばユーザから）外トルクが加えられた場合に、追加的に与えられた外トルクがトルク検出部１３４によって検出され、検出された追加的な外トルクと同じ方向の発生トルクを各関節部１３０に生じさせるという瞬時的な運動目的が更に設定される。このような瞬時的な運動目的に従って各関節部１３０の駆動が制御されることによりパワーアシスト動作が実現される。パワーアシスト動作により、ユーザはより小さい力でアーム部を移動させることができるため、あたかも無重力下でアーム部１２０を動かしているような感覚を得ることができ、ユーザによるアーム部１２０の操作性が向上する。
【０２９９】
ピボット動作は、アーム部１２０の先端に設けられる先端ユニットが、当該先端ユニットの向きが空間上の所定の点に固定された状態で、当該所定の点を頂点とした円錐の面上を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である。具体的に先端ユニットが撮像部１４０である場合であれば、ピボット動作は、アーム部１２０の先端に設けられる撮像部１４０が、撮像部１４０の撮影方向が空間上の所定の点に固定された状態で、当該所定の点を頂点とした円錐の面上を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である。ピボット動作における円錐の頂点に当たる点としては、例えば施術部位が選択される。また、ピボット動作においては、先端ユニット又は撮像部１４０と円錐の頂点に当たる点との距離が一定に保たれた状態で旋回動作が行われてもよい。なお、先端ユニットの向き又は撮像部１４０の撮影方向が空間上の所定の点（例えば施術部位）に固定されることから、ピボット動作はポイントロック動作とも呼ばれる。
【０３００】
ピボット動作について、図１２及び図１３を参照してより詳細に説明する。図１２は、本開示の一実施形態に係るアーム動作の一具体例であるピボット動作について説明するための説明図である。図１３は、図１２に示すピボット動作を実現するための運動目的及び拘束条件について説明するための説明図である。
【０３０１】
図１２を参照すると、患者７５０上における施術部位がピボット動作における頂点に設定されている。当該頂点をピボット点Ｐｉと呼称する。図１２では、簡単のため、本実施形態に係るロボットアーム装置１０のうち、図１１における撮像部１４０に対応するユニットである撮像ユニット７１３のみを図示している。図１２に示すように、ピボット動作においては、撮像ユニット７１３が円錐Ａの底面の円周上に限り移動することができるように、すなわち、撮像ユニット７１３とピボット点Ｐｉとの距離が一定に保たれた状態で撮像ユニット７１３が円錐Ａの面内を移動するように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。また、円錐Ａの形状、すなわち、円錐Ａの頂点の角度θや、ピボット点Ｐｉと撮像ユニット７１３との距離は、ユーザによって適宜設定されてよい。例えば、ピボット点Ｐｉと撮像ユニット７１３との距離は撮像ユニット７１３における光学系の焦点距離に調整される。このようなピボット動作を適用することにより、施術部位を等距離からかつ異なる角度から観察できるようになるため、手術を行うユーザの利便性を向上させることができる。
【０３０２】
また、ピボット動作においては、円錐Ａ及び円錐Ｂのように、ピボット点Ｐｉを固定したまま撮像ユニット７１３が移動可能な円錐の位置を移動させることができてもよい。図１２に示す例では、円錐Ａの旋回軸は施術部位に対して略垂直であり、円錐Ｂの旋回軸は施術部位に対して略水平である。このように、例えばピボット動作を行う円錐を、円錐Ａ、Ｂのように、ピボット点Ｐｉを固定したまま略９０度回転できるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。このようなピボット動作を適用することにより、施術部位を更に多くの方向から観察できるようになるため、ユーザの利便性を更に向上させることができる。
【０３０３】
なお、図１２に示す例では、撮像ユニット７１３が円錐Ａの底面の円周上に限り移動することができるように運動目的及び拘束条件が設定される例を示しているが、本実施形態に係るピボット動作はかかる例に限定されない。例えば、ピボット点Ｐｉの位置及び円錐Ａ、Ｂの頂点の角度θは固定したまま、ピボット点Ｐｉと撮像ユニット７１３との距離は自由に移動できるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。このようなピボット動作を適用することにより、角度は固定したまま撮像ユニット７１３と施術部位との距離だけを変えることができるようになるため、撮像ユニット７１３の焦点距離（フォーカス）を適宜調整することにより施術部位を拡大又は縮小して観察する等、よりユーザの要求に応える施術部位の観察が可能となる。
【０３０４】
次に、図１３を参照して、図１２に示したようなピボット動作を実現するための運動目的及び拘束条件について詳しく説明する。図１３を参照すると、撮像ユニット７１３を有するアーム部７１０がピボット点Ｐｉを基点としてピボット動作を行っている様子が図示されている。なお、図１３では、撮像ユニット７１３とピボット点Ｐｉとの距離が一定に保たれた状態でのピボット動作を例に挙げて説明を行う。アーム部７１０は、複数の関節部７１１ａ、７１１ｂ、７１１ｃと複数のリンク７１２ａ、７１２ｂ、７１２ｃを有し、本実施形態に係る全身協調制御及び理想関節制御によってその駆動が制御されているとする。例えば、アーム部７１０及びその構成部材は、図８に示した本実施形態に係るアーム部４２０及びその構成部材と同様の構成を有する。
【０３０５】
ここで、アーム部７１０の支点である原点ＯＡを零点とするアーム座標系と、空間上の原点ＯＳを零点とする空間座標系を考える。アーム部７１０の運動はアーム座標系で管理されている。なお、アーム座標系及び空間座標系は、相互の座標系への座標変換が可能であるように定義される。
【０３０６】
空間座標系から見た撮像中心をＰｗとする。また、アーム座標系において、撮像ユニット７１３とリンク７１２ｃとを接続する関節部７１１ｃから、撮像ユニット７１３自体の長さＤと撮像ユニット７１３の焦点距離ｆだけ離れた位置をピボット点Ｐｉとする。
【０３０７】
この状態で、ピボット点Ｐｉと撮像中心Ｐｗとが一致した状態でアーム部７１０が駆動されるように、運動目的及び拘束条件を設ける。すなわち、アーム座標系におけるピボット点Ｐｉを空間座標系における撮像中心Ｐｗに固定するような拘束をアーム座標系において設ける。また、運動目的として、撮像ユニット７１３がピボット点Ｐｉ（すなわち撮像中心Ｐｗ）を頂点とする円錐の面上に位置するような座標や、撮像ユニット７１３がピボット点Ｐｉを向くような撮像ユニット７１３の姿勢が設定される。このような拘束条件及び運動目的の下で全身協調制御が行われることにより、アーム部７１０の動作によって撮像ユニット７１３の位置及び姿勢が変化したとしても、撮像ユニット７１３の向きは常に撮像中心Ｐｗ（すなわち、ピボット点Ｐｉ）を向いたまま、かつ、撮像ユニット７１３と撮像中心Ｐｗとの距離が焦点距離ｆに保たれたままとなる。従って、撮像ユニット７１３と撮像中心Ｐｗとの距離が一定に保たれた状態でのピボット動作が実現される。撮像ユニット７１３と撮像中心Ｐｗ（又はピボット点Ｐｉ）との距離を変化させながらピボット動作を行う際には、上述したピボット点Ｐｉの設定方法を変更すればよい。具体的には、例えば、アーム座標系において、関節部７１１ｃから撮像ユニット７１３自体の長さＤと任意の距離だけ離れた位置をピボット点Ｐｉとし、当該任意の距離を可変なパラメータとすればよい。
【０３０８】
なお、上述したピボット動作とパワーアシスト動作とが組み合わされて用いられてもよい。ピボット動作とパワーアシスト動作とが組み合わされて用いられる場合、例えばユーザが手動で撮像部１４０を移動させる際に、ユーザは無重力下で撮像部１４０を移動させているような感覚でより少ない力で撮像部１４０を移動させることができるとともに、撮像部１４０の移動位置は円錐の面内に制限される。従って、ピボット動作時における撮像部１４０の移動の操作性が向上する。
【０３０９】
以上、本実施形態に係る運動目的の具体例として、パワーアシスト動作及びピボット動作について説明した。なお、本実施形態に係る運動目的はかかる例に限定されない。本実施形態では、例えば以下のような運動目的も実現可能である。
【０３１０】
例えば、撮像部１４０の位置が所定の点で固定されるように、撮像部１４０の座標が運動目的として設定されてもよい。この場合、例えばアーム部１２０の撮像部１４０以外の構成部材に外部から力が与えられた際に、関節部１３０及びリンクも所定の位置で固定され移動しないように運動目的及び拘束条件を設定することも可能であるし、関節部１３０及びリンクは与えられた外力に応じて移動するものの撮像部１４０の位置は固定されるように運動目的及び拘束条件を設定することも可能である。後者の場合、例えば、アーム部１２０が作業の妨げとなり移動させようとする際に、撮像部１４０による撮影画像は固定されたままアーム部１２０の他の構成部材の位置及び姿勢を移動させるといった、より自由度の高い制御が実現される。
【０３１１】
また、例えば、駆動中にアーム部１２０がヒトやモノとの接触を検出した場合に、即座にアーム部１２０の駆動を停止する動作が実現されるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。このような動作を行うことにより、アーム部１２０がヒトやモノに衝突する際の危険性を低減することができる。なお、アーム部１２０がヒトやモノと接触したことは、例えば関節状態検出部１３２によって関節部１３０に加えられた外トルクの変化によって検出されてもよい。
【０３１２】
また、例えば、撮像部１４０が空間上において所定の軌跡上を移動するように運動目的が設定されてもよい。具体的には、当該所定の軌跡を表す各点の座標が運動目的として設定されてもよい。このように運動目的が設定されることにより、撮像部１４０の移動可能範囲が当該軌跡上に制限される。更に、当該軌跡を表す各点の座標と併せて、撮像部１４０の速度や各点を通過する時間等が運動目的として設定されることにより、撮像部１４０が所定の軌跡上を所定のタイミングで自動的に移動するオートメーション化された駆動を行うこともできる。このような運動設定に従った駆動制御は、例えばロボットアーム装置１０が所定の作業を自動的に繰り返し行う場合に有効である。
【０３１３】
また、例えば、空間上の所定の領域内にアーム部１２０が侵入しない動作が実現されるように、運動目的及び拘束条件が設定されてもよい。図７を参照して説明したように、本実施形態においてはユーザが表示画面を見ながら手術を行う。従って、ユーザと表示画面との間の領域にアーム部１２０が位置すると、ユーザの視界を遮ることとなり、手術の効率低下につながる恐れがある。従って、例えばユーザと表示画面の間の領域をアーム部１２０の侵入禁止領域として設定することにより、手術の効率化を図ることができる。
【０３１４】
ここで、このようにアーム部１２０に侵入禁止領域を設定する場合には、アーム部１２０の自由度が６自由度よりも多いことが好ましい。何故ならば、６自由度よりも多い自由度を冗長自由度として利用することができるため、６自由度の駆動を確保しつつ、上記のような侵入禁止領域等にも対応できるからである。このような６自由度よりも多い自由度を有するアーム部を備えるロボットアーム装置の構成について、図１４を参照して詳しく説明する。
【０３１５】
図１４は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置における冗長自由度を有する変形例の外観を示す概略図である。なお、図１４においても、図８で定義した方向と同一の座標軸を図示している。
【０３１６】
図１４を参照すると、本変形例に係るロボットアーム装置４５０は、ベース部４６０及びアーム部４７０を備える。また、アーム部４７０は、複数の関節部４７１ａ〜４７１ｇと、関節部４７１ａ〜４７１ｇによって互いに連結される複数のリンク４７２ａ〜４７２ｄと、アーム部４７０の先端に設けられる撮像ユニット４７３を有する。ここで、図１４に示すロボットアーム装置４５０は、図８を参照して説明したロボットアーム装置４００に対してアーム部４７０の自由度が１つ増加した構成に対応している。従って、ベース部４６０、個々の関節部４７１ａ〜４７１ｇ及びリンク４７２ａ〜４７２ｄ、並びに、撮像ユニット４７３の機能及び構成は、図８を参照して説明したロボットアーム装置４００のベース部４１０、個々の関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｃ、並びに、撮像ユニット４２３の機能及び構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。以下では、ロボットアーム装置４００との相違点であるアーム部４７０の構成について主に説明する。
【０３１７】
本実施形態に係るロボットアーム装置４５０は、７つの関節部４７１ａ〜４７１ｇを有し、アーム部４７０の駆動に関して７自由度が実現されている。具体的には、リンク４７２ａの一端がベース部４６０と連結され、リンク４７２ａの他端が関節部４２１ａを介してリンク４７２ｂの一端と連結される。また、リンク４２２ｂの他端が関節部４７１ｂ、４７１ｃを介してリンク４７２ｃの一端と連結される。更に、リンク４７２ｃの他端が関節部４７１ｄ、４７１ｅを介してリンク４７２ｄの一端と連結され、４７２ｄの他端が関節部４７１ｆ、４７１ｇを介して撮像ユニット４７３と連結される。このように、ベース部４６０を支点として、複数のリンク４７２ａ〜４７２ｄの端同士が、関節部４７１ａ〜４７１ｇによって互いに連結されることにより、ベース部４６０から延伸されるアーム部４７０が構成される。
【０３１８】
また、図１４に示すように、関節部４７１ａ、４７１ｃ、４７１ｅ、４７１ｇは、接続されている各リンク４７２ｂ〜４７２ｄの長軸方向及び接続されている撮像ユニット４７３の撮影方向を回転軸方向とするように設けられており、関節部４７１ｂ、４７１ｄ、４７１ｆは、接続されている各リンク４７２ｃ〜４７２ｄ及び撮像ユニット４７３の連結角度をｙ−ｚ平面内において変更する方向であるｘ軸方向を回転軸方向とするように設けられている。このように、本変形例においては、関節部４７１ａ、４７１ｃ、４７１ｅ、４７１ｇは、いわゆるヨーイングを行う機能を有し、関節部４７１ｂ、４７１ｄ、４７１ｆは、いわゆるピッチングを行う機能を有する。
【０３１９】
このようなアーム部４７０の構成を有することにより、本実施形態に係るロボットアーム装置４５０ではアーム部４７０の駆動に対して７自由度が実現されるため、アーム部４７０の可動範囲内において撮像ユニット４７３を空間内で自由に移動させることができるとともに、冗長自由度を有する。図１４では、図８と同様に、撮像ユニット４７３の移動可能範囲の一例として半球を図示している。半球の中心点が撮像ユニット４７３によって撮影される施術部位の撮影中心であるとすれば、撮像ユニット４７３の撮影中心を半球の中心点に固定した状態で、撮像ユニット４７３を半球の球面上で移動させることにより、施術部位をあらゆる角度から撮影することができる。本実施形態に係るロボットアーム装置４５０は、更に１つの冗長自由度を有することにより、このような撮像ユニット４７３の半球上の移動とともに、アーム部４７０の軌道を制限することができ、上述した侵入禁止領域のような拘束条件にも容易に対応することができる。侵入禁止領域を設定することにより、例えば、撮像ユニット４７３によって撮影された画像が表示されるモニタと施術者及びスタッフとの間にアーム部４７０が存在しないようにアーム部４７０の駆動を制御することができ、施術者及びスタッフによるモニタの視認が妨げられることを防ぐことができる。また、侵入禁止領域を設定することにより、施術者及びスタッフや周囲の他の機器との干渉（接触）を避けてアーム部４７０が移動するようにアーム部４７０の駆動を制御することが可能となる。
【０３２０】
（６−３．ロボットアーム制御方法の処理手順）
次に、図１５を参照して、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順について説明する。図１５は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順を示すフロー図である。なお、以下では、図１１に示すロボットアーム制御システム１の構成によって本実施形態に係るロボットアーム制御方法が実現される場合を例に挙げて説明を行う。従って、本実施形態に係るロボットアーム制御方法は医療用ロボットアーム制御方法であると言える。なお、以下の本実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順についての説明において、図１１に示すロボットアーム制御システム１の各構成の機能については、上記（６−２−４．ロボットアーム制御システムの構成）で既に説明しているため、詳細な説明は省略する。
【０３２１】
図１５を参照すると、本実施形態に係るロボットアーム制御方法では、まず、ステップＳ８０１で、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。ここで、関節部１３０の状態とは、例えば関節部１３０における回転角度、発生トルク及び／又は外トルクである。
【０３２２】
次にステップＳ８０３で、ステップＳ８０１で検出された関節部１３０の状態に基づいて、アーム状態取得部２４１によってアーム状態が取得される。アーム状態とは、アーム部１２０の運動の状態のことであり、例えばアーム部１２０の各構成部材の位置、速度、加速度やアーム部１２０の各構成部材に作用する力等であってよい。
【０３２３】
次にステップＳ８０５で、ステップＳ８０３で取得されたアーム状態に基づいて、演算条件設定部２４２によって全身協調制御における演算で用いられる運動目的及び拘束条件が設定される。なお、演算条件設定部２４２はアーム状態に基づいて運動目的を設定しなくてもよく、例えば、入力部２１０からユーザによって入力されるアーム部１２０の駆動についての指示情報に基づいて運動目的を設定してもよいし、記憶部２２０に予め格納されている運動目的を用いてもよい。更に、上記の各方法を適宜組み合わせることにより、運動目的を設定してもよい。また、演算条件設定部２４２は記憶部２２０に予め格納されている拘束条件を用いてもよい。
【０３２４】
次にステップＳ８０７で、アーム状態、運動目的及び拘束条件に基づいて、一般化逆動力学を用いた全身協調制御についての演算が行われ、制御値τａが算出される。なお、ステップＳ８０７で行われる処理は、図１１に示す仮想力算出部２４３及び実在力算出部２４４における一連の処理、すなわち、上記（６−２−２．一般化逆動力学について）で説明した一連の処理であってよい。
【０３２５】
次にステップＳ８０９で、外乱推定値τｄが算出され、当該外乱推定値τｄを用いて、理想関節制御についての演算が行われ、制御値τａから指令値τが算出される。なお、ステップＳ８０９で行われる処理は、図１１に示す理想関節制御部２５０における一連の処理、すなわち、上記（６−２−３．理想関節制御について）で説明した一連の処理であってよい。
【０３２６】
最後にステップＳ８１１で、指令値τに基づいて、駆動制御部１１１によって関節部１３０の駆動が制御される。
【０３２７】
以上、図１５を参照して、本実施形態に係るロボットアーム制御方法の処理手順について説明した。なお、本実施形態においては、図１５に示すステップＳ８０１〜ステップＳ８１１における処理が、アーム部１２０を用いた作業が行われている間繰り返し行われる。従って、本実施形態においては、アーム部１２０を用いた作業が行われている間、アーム部１２０の駆動制御が継続的に行われる。
【０３２８】
（６−４．ハードウェア構成）
次に、図１６を参照しながら、図１１に示す、本実施形態に係るロボットアーム装置１０及び制御装置２０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１６は、本開示の一実施形態に係るロボットアーム装置１０及び制御装置２０のハードウェア構成の一構成例を示す機能ブロック図である。
【０３２９】
ロボットアーム装置１０及び制御装置２０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。
【０３３０】
ＣＰＵ９０１は、演算処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９又はリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。ＣＰＵ９０１は、本実施形態においては、例えば、図１１に示すアーム制御部１１０及び制御部２３０に対応している。
【０３３１】
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。
【０３３２】
入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ、レバー及びペダル等、ユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ロボットアーム装置１０及び制御装置２０のユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。入力装置９１５は、本実施形態においては、例えば、図１１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。
【０３３３】
出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプ等の表示装置や、スピーカ及びヘッドホン等の音声出力装置や、プリンタ装置等がある。出力装置９１７は、例えば、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、あらゆる形式で出力装置９１７から出力されてよい。例えば、アーム部１２０の駆動制御における、アーム部１２０の各構成部材の移動の軌跡が、グラフの形式で出力装置９１７の表示画面に表示されてもよい。なお、例えば、図１１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。
【０３３４】
ストレージ装置９１９は、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶デバイス、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１１に示す記憶部２２０に対応する。また、本実施形態においては、ストレージ装置９１９は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における演算条件（運動目的及び拘束条件）を記憶することができ、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０はストレージ装置９１９に記憶されているこれらの演算条件を用いて全身協調制御に関する演算を行ってもよい。
【０３３５】
ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア又はＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣＦ：ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ）、フラッシュメモリ又はＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｅｍｏｒｙ  ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、ドライブ９２１によって、各種のリムーバブル記録媒体９２７から読み出され、又は各種のリムーバブル記録媒体９２７に書き込まれてよい。
【０３３６】
接続ポート９２３は、機器をロボットアーム装置１０及び制御装置２０に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、ロボットアーム装置１０及び制御装置２０は、外部接続機器９２９から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２９に各種のデータを提供したりする。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、接続ポート９２３を介して、各種の外部接続機器９２９から読み出され、又は各種の外部接続機器９２９に書き込まれてよい。
【０３３７】
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。
【０３３８】
以上、本開示の実施形態に係るロボットアーム装置１０及び制御装置２０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。なお、図１６では図示しないが、ロボットアーム装置１０は、図１１に示すアーム部１２０に対応する各種の構成を当然備える。
【０３３９】
なお、上述のような本実施形態に係るロボットアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
【０３４０】
（６−５．医療用ロボットアーム装置についてのまとめ）
以上説明したように、本実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
【０３４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０における多リンク構造体であるアーム部１２０が、少なくとも６自由度以上の自由度を有するとともに、当該アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれの駆動が駆動制御部１１１によって制御される。そして、当該アーム部１２０の先端には医療用器具が設けられる。このように、各関節部１３０の駆動が制御されることにより、より自由度の高いアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い医療用のロボットアーム装置１０が実現される。
【０３４２】
具体的には、本実施形態によれば、ロボットアーム装置１０において、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。そして、制御装置２０において、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する各種の演算が行われ、演算結果としてのトルク指令値τが算出される。更に、ロボットアーム装置１０において、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御される。このように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により、アーム部１２０の駆動が制御される。従って、力制御によるアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高いロボットアーム装置が実現される。また、本実施形態では、全身協調制御において、例えばピボット動作やパワーアシスト動作といった、よりユーザの利便性を向上させる各種の運動目的を実現する制御が可能となる。更に、本実施形態においては、例えばアーム部１２０を手動で移動させたり、ペダルからの操作入力により移動させたりといった、多様な駆動手段が実現されるため、ユーザの利便性の更なる向上が実現される。
【０３４３】
また、本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御について、全身協調制御と併せて理想関節制御が適用される。理想関節制御においては、関節部１３０内部の摩擦や慣性等の外乱成分を推定し、推定した外乱成分を用いたフィードフォワード制御が行われる。従って、摩擦等の外乱成分がある場合であっても、関節部１３０の駆動について理想的な応答を実現することができる。よって、アーム部１２０の駆動制御において、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い位置決め精度や安定性が実現される。
【０３４４】
更に、本実施形態においては、アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれが、例えば図３に示すような、理想関節制御に適合した構成を有し、各関節部１３０における回転角度、発生トルク及び粘性抵抗係数を電流値によって制御することができる。このように、各関節部１３０の駆動が電流値によって制御され、また、全身協調制御により各関節部１３０の駆動がアーム部１２０全体の状態を把握しながら制御されるため、カウンターバランスが不要となり、ロボットアーム装置１０の小型化が実現される。
【０３４５】
このように、本実施形態によれば、上記（６−１．医療用ロボットアーム装置についての検討）で説明したロボットアーム装置に求められる性能を全て満たすことができる。従って、本実施形態に係るロボットアーム装置を用いた各種の施術において、より効率的に施術を行うことができ、ユーザや患者の疲労や負担をより軽減することが実現される。
【０３４６】
また、本実施形態では、力制御によってロボットアーム装置１０のアーム部１２０が駆動されることにより、万が一駆動中にアーム部１２０が施術者やスタッフ等に干渉（接触）したとしても、アーム部１２０が必要以上の力を発生せず、アーム部１２０が安全に停止する。そして、当該干渉から解放されれば、設定された運動目的に従って所望の位置までアーム部１２０が移動し、施術が継続される。このように、本実施形態では、ロボットアーム装置１０の駆動制御に力制御が用いられることにより、駆動中におけるアーム部１２０と周囲の物体との干渉に対して、より高い安全性が確保される。
【０３４７】
なお、例えば、上記実施形態では、ロボットアーム装置のアーム部の先端ユニットが撮像ユニットであり、図７に示すように手術時に当該撮像ユニットによって施術部位を撮影する場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態に係るロボットアーム制御システム１は、他の先端ユニットを有するロボットアーム装置が他の用途に用いられる場合であっても適用可能である。例えば、先端ユニットは内視鏡や腹腔鏡であってもよいし、超音波検査器や胃カメラ等、他の検査機器であってもよい。
【０３４８】
例えば、腹腔鏡を用いた施術では、患者の体内に腹腔鏡を挿入し、当該腹腔鏡によって撮影された映像を観察しながら、別途挿入される鉗子や電気メス等の術具を用いて各種の処置が行われる。このような施術方法においては、例えば腹腔鏡をロボットアームによって操作しながら、処置用の術具を施術者が直接操作することができれば、１人のユーザによって施術を行うことができ、より効率的な施術が可能となる。しかしながら、一般的な既存のバランス型アームにおいては、操作性の観点から、１人のユーザが、自身の手による術具の操作とロボットアームによる腹腔鏡の操作とを同時に行うことは困難であった。よって、既存の方法では、複数名のスタッフが必要であり、１人の施術者がロボットアームによって腹腔鏡を操作しながら、他の者が術具を用いた処置を行うことが一般的であった。しかし、本実施形態に係るロボットアーム装置では、上述したように、全身協調制御による高い操作性が実現される。また、理想関節制御により、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い安定性が実現される。従って、本実施形態によれば、ロボットアーム装置による観察用の腹腔鏡の操作と、自身の手による術具の操作とを、施術者１人で容易に行うことが可能となる。
【０３４９】
また、本実施形態に係るロボットアーム装置は、医療以外の用途に用いられてもよい。本実施形態に係るロボットアーム装置では、理想関節制御により、高精度の応答性と高い安定性が実現されるため、例えば高い精度が求められる工業部品の加工や組み立て等の作業にも対応可能である。
【０３５０】
また、上記実施形態では、ロボットアーム装置の関節部が回転機構を有し、当該回転機構の回転駆動が制御されることによってアーム部の駆動が制御される場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、本実施形態に係るロボットアーム装置においては、アーム部を構成するリンクがリンクの延伸方向に伸縮する機構（例えば油圧で駆動するものやボールねじを駆動するもの等）を有し、リンクの長さが可変であってもよい。リンクの長さが可変である場合、例えば関節部における回転に加えてリンクの伸縮も考慮した全身協調制御によって、所望の運動目的を達成するようにアーム部の駆動が制御される。
【０３５１】
また、上記実施形態では、ロボットアーム装置におけるアーム部の自由度が６自由度以上である場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。また、ロボットアーム装置におけるアーム部を構成する複数の関節部が全て理想関節制御に対応するアクチュエータを有する場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態においては、ロボットアーム装置の用途に応じて多様な運動目的が設定され得る。従って、設定された運動目的が達成可能であれば、アーム部は、６自由度よりも低い自由度を有してもよいし、アーム部を構成する複数の関節部のうちの一部が一般的な関節機構を有する関節部であってもよい。このように、本実施形態においては、アーム部の構成は、運動目的を達成可能であるように構成されればよく、ロボットアーム装置の用途に応じて適宜構成されてよい。
【０３５２】
＜７．補足＞
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。
【０３５３】
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。
【０３５４】
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）モータの回転軸に連結された入力軸の回転速度を、所定の減速比で減速させ出力軸に伝達する減速機と、前記入力軸の回転角度を検出する第１の絶対角度エンコーダと、前記出力軸の回転角度を検出する第２の絶対角度エンコーダと、を備える、アクチュエータ。
（２）前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度に基づいて、前記出力軸の回転角度が検出される、前記（１）に記載のアクチュエータ。
（３）前記第２の絶対角度エンコーダによって検出された前記出力軸の回転角度に基づいて、前記出力軸の累積回転数が算出され、前記累積回転数から算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、前記（１）又は（２）に記載のアクチュエータ。
（４）前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値から推定される前記入力軸の回転角度に基づいて、前記入力軸の累積回転数が補正される、前記（３）に記載のアクチュエータ。
（５）前記第２の絶対角度エンコーダの回転角度の検出精度は、前記減速機の減速比に応じた、前記入力軸の一回転分に対応する前記出力軸の回転角度未満である、前記（３）に記載のアクチュエータ。
（６）前記入力軸の回転数を保持するカウンタ、を更に備え、前記カウンタの値に基づいて算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、前記（１）又は（２）に記載のアクチュエータ。
（７）前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値と、前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値と、の関係性に基づいて、前記アクチュエータの故障が検出される、前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
（８）前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値及び前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値の時間変化に更に基づいて、前記モータ、前記減速機、前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダの少なくともいずれかの故障が出される、前記（７）に記載のアクチュエータ。
（９）前記モータはブラシレスモータであり、前記第１の絶対角度エンコーダは、前記モータの回転子の回転を検出するセンサとしても機能する、前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
（１０）前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダは、磁石の回転に伴う磁界の変化を、複数の磁気センサにより所定の位相だけずれた状態で検出することにより、当該磁石の回転角度を検出する、磁気式エンコーダである、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
（１１）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アーム部と、前記関節部の状態に基づいて、少なくとも一つの前記関節部に設けられるアクチュエータの駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記アクチュエータは、モータの回転軸に連結された入力軸の回転速度を、所定の減速比で減速させ出力軸に伝達する減速機と、前記入力軸の回転角度を検出する第１の絶対角度エンコーダと、前記出力軸の回転角度を検出する第２の絶対角度エンコーダと、を有する、ロボットアーム装置。
（１２）前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度に基づいて、前記出力軸の回転角度が検出される、前記（１１）に記載のロボットアーム装置。
（１３）前記第２の絶対角度エンコーダによって検出された前記出力軸の回転角度に基づいて、前記出力軸の累積回転数が算出され、前記累積回転数から算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、前記（１１）又は（１２）に記載のロボットアーム装置。
（１４）前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値から推定される前記入力軸の回転角度に基づいて、前記入力軸の累積回転数が補正される、前記（１３）に記載のロボットアーム装置。
（１５）前記第２の絶対角度エンコーダの回転角度の検出精度は、前記減速機の減速比に応じた、前記入力軸の一回転分に対応する前記出力軸の回転角度未満である、前記（１３）に記載のロボットアーム装置。
（１６）前記入力軸の回転数を保持するカウンタ、を更に備え、前記カウンタの値に基づいて算出される前記入力軸の累積回転角度に、前記第１の絶対角度エンコーダによって検出された前記入力軸の回転角度を加えることにより、前記出力軸の回転角度が検出される、前記（１１）又は（１２）に記載のロボットアーム装置。
（１７）前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値と、前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値と、の関係性に基づいて、前記アクチュエータの故障が検出される、前記（１１）〜（１６）のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
（１８）前記第１の絶対角度エンコーダによる前記入力軸の回転角度の検出値及び前記第２の絶対角度エンコーダによる前記出力軸の回転角度の検出値の時間変化に更に基づいて、前記モータ、前記減速機、前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダの少なくともいずれかの故障が出される、前記（１７）に記載のロボットアーム装置。
（１９）前記モータはブラシレスモータであり、前記第１の絶対角度エンコーダは、前記モータを駆動するために前記モータの回転子の回転を検出するセンサとしても機能する、前記（１１）〜（１８）のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
（２０）前記第１の絶対角度エンコーダ及び前記第２の絶対角度エンコーダは、磁石の回転に伴う磁界の変化を、複数の磁気センサにより所定の位相だけずれた状態で検出することにより、当該磁石の回転角度を検出する、磁気式エンコーダである、前記（１１）〜（１９）のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
（２１）前記アーム部には、所定の処置を行う器具が装着される装着部が設けられる、前記（１１）〜（２０）のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
（２２）前記器具は医療用器具である、前記（２１）に記載のロボットアーム装置。
【符号の説明】
【０３５５】
１    ロボットアーム制御システム
３    回転角度検出システム
１０    ロボットアーム装置
２０    制御装置
３０    表示装置
１１０    アーム制御部
１１１    駆動制御部
１２０    アーム部
１３０    関節部
１３１    関節駆動部
１３２    回転角度検出部
１３３    トルク検出部
１４０    撮像部
２１０    入力部
２２０    記憶部
２３０    制御部
２４０    全身協調制御部
２４１    アーム状態取得部
２４２    演算条件設定部
２４３    仮想力算出部
２４４    実在力算出部
２５０    理想関節制御部
２５１    外乱推定部
２５２    指令値算出部
３００    アクチュエータ
３１０    モータ（ブラシレスモータ）
３２０    減速機
３３０    エンコーダ（入力軸エンコーダ、絶対角度エンコーダ）
３４０    エンコーダ（出力軸エンコーダ、絶対角度エンコーダ）
３５０    出力軸
３６０    ハウジング
３７０    制御部
３７１    出力軸角度情報取得部
３７２    モータ累積回転角度算出部
３７３    入力軸角度情報取得部
３７４    入力軸累積動作角度算出部
３７５    出力軸角度算出部
【図１】
0006496937.tif 000024
【図２】
0006496937.tif 000025
【図３】
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【図４】
0006496937.tif 000027
【図５】
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【図６】
0006496937.tif 000029
【図７】
0006496937.tif 000030
【図８】
0006496937.tif 000031
【図９Ａ】
0006496937.tif 000032
【図９Ｂ】
0006496937.tif 000033
【図１０】
0006496937.tif 000034
【図１１】
0006496937.tif 000035
【図１２】
0006496937.tif 000036
【図１３】
0006496937.tif 000037
【図１４】
0006496937.tif 000038
【図１５】
0006496937.tif 000039
【図１６】
0006496937.tif 000040