(57)【要約】【課題】より簡易な構成によって術具に作用する力を検出することを可能にする。【解決手段】棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算する作用力計算部、を備える、情報処理装置を提供する。【選択図】図１
2016056339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算する作用力計算部、
を備える、情報処理装置。
【請求項２】
前記作用力計算部は、前記第１の検出値と、前記第１の作用点への作用力と、前記第２の作用点への作用力と、の釣り合い式に基づいて、前記作用力を計算する、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項３】
前記作用力計算部は、前記棒状部材の使用態様に応じた制約条件に基づいて、前記釣り合い式を簡略化することにより、前記作用力を計算する、
請求項２に記載の情報処理装置。
【請求項４】
前記第１の力センサは、互いに直交する３軸方向の力と、当該３軸周りのモーメントを検出する６軸力覚センサである、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項５】
前記第１の作用点は、前記棒状部材の前記他側の先端である、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項６】
前記棒状部材は、内視鏡手術の際に患者の体腔内に挿入される鉗子である、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項７】
前記第２の作用点は、前記患者の身体に設けられる開口部にトロッカー及び前記鉗子が挿入される際に前記トロッカーの外壁と前記開口部の縁部とが接触する位置における、前記トロッカーの内壁と前記鉗子との接触部位である、
請求項６に記載の情報処理装置。
【請求項８】
前記棒状部材を動作させるモータの駆動軸のトルクを検出する第２の力センサ、を更に備え、
前記作用力計算部は、前記第２の力センサによる第２の検出値に基づいて、前記モータの駆動力の影響を除去して、前記作用力を計算する、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項９】
前記第２の検出値に基づいて、前記モータの駆動力に応じて前記棒状部材に加えられる力及びモーメントを計算し、当該計算された力及びモーメントを前記第１の検出値から差し引く能動的作用力除去部、を更に備え、
前記作用力計算部は、前記モータの駆動力に応じて前記棒状部材に加えられる力及びモーメントが差し引かれた前記第１の検出値に基づいて、前記作用力を計算する、
請求項８に記載の情報処理装置。
【請求項１０】
前記棒状部材は、コントローラを介して術者によって遠隔操作されるマスタースレーブ方式の支持アーム装置のアーム部に取り付けられ、
前記支持アーム装置の制御装置は、前記作用力計算部によって計算された前記第１の作用点への作用力を、前記コントローラを介して前記術者にフィードバックする、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項１１】
前記棒状部材は、支持アーム装置のアーム部に取り付けられ、
前記支持アーム装置の制御装置は、前記作用力計算部によって計算された前記第１の作用点への作用力に基づいて、前記アーム部の駆動を制御する、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項１２】
前記作用力計算部は、前記制御装置が保持している前記アーム部及び前記棒状部材の位置及び姿勢についての情報に基づいて、前記棒状部材の自重の影響を除去して、前記作用力を計算する、
請求項１１に記載の情報処理装置。
【請求項１３】
前記作用力計算部は、前記棒状部材の自重に応じて前記棒状部材に加えられる力及びモーメントを計算し、当該計算された力及びモーメントを前記第１の検出値から差し引くことにより、前記棒状部材の自重の影響を除去する、
請求項１２に記載の情報処理装置。
【請求項１４】
前記棒状部材の長さは可変であり、
前記作用力計算部は、前記棒状部材の長さの変化に応じて、前記第１の検出値と、前記第１の作用点への作用力と、前記第２の作用点への作用力と、の釣り合い式を計算し直すことにより、前記作用力を計算する、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項１５】
前記棒状部材は、少なくとも１つの関節部を有し、当該関節部によって位置及び姿勢を変化可能に構成され、
前記作用力計算部は、前記関節部による前記棒状部材の位置及び姿勢の変化に応じて、前記第１の検出値と、前記第１の作用点への作用力と、前記第２の作用点への作用力と、の釣り合い式を計算し直すことにより、前記作用力を計算する、
請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項１６】
プロセッサが、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算すること、
を含む、情報処理方法。
【請求項１７】
コンピュータのプロセッサに、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算する機能、
を実現させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、情報処理装置、情報処理方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療現場においては、支持アーム装置を用いて手術を行うことが広く行われつつある。例えば、特許文献１には、コントローラを介した操作者（術者、例えば外科医）の操作により外科用器具（術具）が取り付けられたアーム部が駆動される、いわゆるマスタースレーブ方式の医療用支持アーム装置が開示されている。【０００３】
一方で、特許文献１に記載されているようなマスタースレーブ方式の医療用支持アーム装置においては、術具に作用する力を検出し、当該力をコントローラを操作する術者に対して伝える、いわゆる力センシング及び力フィードバックを、高精度に実現するための技術が確立されていない。その理由の１つとしては、術具の先端部に作用する力を検出するための力センサを、当該先端部に設置することが困難であることが挙げられる。例えば、腹腔鏡手術に用いられる鉗子について考えると、当該鉗子の先端部には直径５（ｍｍ）程度の狭い空間しか存在せず、例えば６軸力覚センサの様な高精度な力センサを当該空間に搭載することは困難である。【０００４】
そこで、空気圧アクチュエータによって支持アーム装置のアーム部を駆動させるとともに、当該空気圧アクチュエータの駆動力に基づいてアーム部に取り付けられた術具に作用する力を推定し、力フィードバックを行う技術が開発されている（例えば特許文献２）。当該技術によれば、力センサを用いることなく術具に作用する力を推定することができるため、上述したような力センサの設置場所に係る問題を解決できる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５４５８１２２号公報
【特許文献２】特許第５３２７６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載されているような空気圧アクチュエータを用いる技術では、当該空気圧アクチュエータを駆動するためのエアコンプレッサーを手術室に設置する必要があり、手術中に騒音等が発生する可能性がある。また、当該技術を用いた力センシング及び力フィードバックでは、その応答性、再現性の点で、未だ十分な精度が得られているとは言えない。【０００７】
そこで、本開示では、より簡易な構成によって術具に作用する力を検出することが可能な、新規かつ改良された情報処理装置、情報処理方法及びプログラムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示によれば、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算する作用力計算部、を備える、情報処理装置が提供される。【０００９】
また、本開示によれば、プロセッサが、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算すること、を含む、情報処理方法が提供される。【００１０】
また、本開示によれば、コンピュータのプロセッサに、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算する機能、を実現させるためのプログラムが提供される。【００１１】
本開示によれば、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、当該棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかが計算される。従って、術具の一側（例えば根元側）に力センサを設けるという比較的簡易な構成によって、術具の他側（例えば先端側）に作用する力を求めることが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本開示によれば、より簡易な構成によって術具に作用する力を検出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、又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、又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】
【００１３】
【図１】本開示の第１の実施形態に係るシステムの概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態における、鉗子の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算方法について説明するための説明図である。
【図３】第１の実施形態に係る情報処理装置の機能構成を示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態に係る情報処理方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【図５】本開示の第２の実施形態に係るシステムの概略構成を示す図である。
【図６】第２の実施形態における、鉗子の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算方法について説明するための説明図である。
【図７】第２の実施形態に係る情報処理装置の機能構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施形態に係る情報処理方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【図９】第１の実施形態において力センサの配置位置が変更された変形例に係るシステムの概略構成を示す図である。
【図１０】第２の実施形態において第１の力センサの配置位置が変更された変形例に係るシステムの概略構成を示す図である。
【図１１】第１及び第２の実施形態に係るシステムのハードウェア構成の一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】
【００１４】
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。
【００１５】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施形態
１−１．システムの構成
１−２．作用力の計算方法
１−３．機能構成
１−４．情報処理方法
２．第２の実施形態
２−１．システムの構成
２−２．作用力の計算方法
２−３．機能構成
２−４．情報処理方法
３．変形例
３−１．第１の実施形態の変形例
３−２．第２の実施形態の変形例
３−３．トルクセンサの代わりに６軸力覚センサが用いられる変形例
４．ハードウェア構成
５．補足
【００１６】
ここで、以下に説明する本開示の第１及び第２の実施形態では、医療用支持アーム装置のアーム部に取り付けられる術具に作用する力を検出する、いわゆる力センシングが行われる。以下の説明では、第１及び第２の実施形態の一例として、当該支持アーム装置が内視鏡手術、特に腹腔鏡手術に用いられ、当該術具が鉗子である場合について説明する。腹腔鏡手術では、患者の身体に５（ｍｍ）〜１０（ｍｍ）程度の大きさの開口部を複数設け、これらの開口部から、腹腔鏡や電気メス、鉗子等の術具をそれぞれ挿入し、腹腔鏡によって術部を観察しながら、その他の術具によって術部に対して処置がなされる。このように、腹腔鏡手術では、患者の体内に細い鉗子を挿入して微細な作業を行う必要があるため、鉗子の操作が人手によって行われる場合には、術者（外科医）の技量により手術の成功率が大きく左右される可能性があった。第１及び第２の実施形態のように、腹腔鏡手術に対して支持アーム装置を用いることにより、手術の難易度を大きく低下させ、安全に手術を行うことが可能となる。
【００１７】
第１及び第２の実施形態では、鉗子の様な棒状の部材に対して作用する力が好適に検出され得る。ただし、本開示はかかる例に限定されず、本開示における術具に作用する力を検出するための手法は、棒状の部材であれば、あらゆる術具に対して適用可能である。なお、以下の説明において、術具に作用する力という表現には、特に記載のない限り、力及びモーメントの両方又は一方が含まれる。
【００１８】
また、第１及び第２の実施形態に係る支持アーム装置には、検出された術具に作用する力に基づいて、アーム部の駆動を制御する機能が備えられてよい。例えば、検出された術具に作用する力が所定のしきい値を超えた場合には、その方向にそれ以上術具が移動しないように、術具の移動を抑制するようにアーム部が制御されてもよい。これにより、術具と接触することにより患者の体腔内の組織に過大な力が加えられてしまう事態を防止することが可能となる。
【００１９】
また、第１及び第２の実施形態に係る支持アーム装置は、コントローラを介して術者によって遠隔操作される、いわゆるマスタースレーブ方式の支持アーム装置であってもよい。その場合、当該支持アーム装置には、検出された術具に作用する力をコントローラを介して術者に対して伝達する、いわゆる力フィードバック機能が搭載され得る。
【００２０】
ただし、本開示の第１及び第２の実施形態に特徴的な構成は、力センシングを行うための構成であり、アーム部の駆動制御を行うための構成や、力フィードバックを実現するための構成としては、各種の公知な構成を適用することができる。従って、以下では、検出された力を用いた各種の制御を行うための構成については、その詳細な説明を省略し、力センシングを行うための構成について主に説明を行う。
【００２１】
（１．第１の実施形態）
（１−１．システムの構成）
図１を参照して、本開示の第１の実施形態に係るシステムの概略構成について説明する。図１は、本開示の第１の実施形態に係るシステムの概略構成を示す図である。
【００２２】
図１では、第１の実施形態に係る支持アーム装置の、アーム部と術具との接続部近傍の構成のみを図示している。図１を参照すると、第１の実施形態に係るシステム１は、アーム部１６０に取り付けられる鉗子１１０と、鉗子１１０を動作させるためのモータ１２０と、モータ１２０の駆動力を鉗子１１０の先端部に伝達する伝達部材１３０と、鉗子１１０を患者の体内に挿入する際のガイドとなるトロッカー１４０と、鉗子１１０とアーム部１６０との接続部に設けられる力センサ１５０と、力センサ１５０の検出値に基づいて鉗子１１０に作用する力を計算する情報処理装置１７０と、を備える。
【００２３】
アーム部１６０は、複数のリンクが関節部によって互いに連結された多リンク構造体であってよく、図１では、アーム部１６０を構成する一のリンクのみが概略的に図示されている。第１の実施形態に係る支持アーム装置は、図示しない制御装置によって、位置制御又は力制御等の、各種の公知の制御方式によって、アーム部１６０を駆動させることができる。また、当該制御装置は、モータ１２０を駆動させることにより、鉗子１１０を動作させることができる。アーム部１６０の駆動制御、及び、鉗子１１０の動作の制御には、一般的な支持アーム装置において用いられる各種の公知の制御手法が適用され得るため、ここではその詳細な説明は省略する。
【００２４】
鉗子１１０は棒状の部材であり、その先端には、開閉可能なハサミ型の構成を有する把持部１１１が設けられる。手術時には、鉗子１１０が患者の体腔内に挿入され、把持部１１１によって、術部の血管を圧迫したり、切除した組織等を把持したりする。なお、鉗子１１０の種類は限定されず、鉗子１１０はあらゆる種類の鉗子であってよい。具体的には、鉗子１１０を体腔内に挿入する場合には、まず、患者の身体に設けられた５（ｍｍ）〜１０（ｍｍ）程度の大きさの開口部に、トロッカー１４０が挿入される。トロッカー１４０は中空の筒状の部材であり、鉗子１１０は、当該トロッカー１４０の内部を通して患者の体腔内に挿入される。
【００２５】
ここで、手術中に鉗子１１０に対して外部から作用し得る力について考えてみる。鉗子１１０の先端部は、患者の体腔内において体組織と接触し得るため、鉗子１１０は、当該体組織との接触部位において力を受ける可能性がある。また、鉗子１１０の外周は、トロッカー１４０の内壁と接触し得るため、鉗子１１０は、トロッカー１４０の内壁との接触部位において力を受ける可能性がある。このように、鉗子１１０には、互いに異なる２つの部位から力が作用し得る。以下の説明では、鉗子１１０において、患者の体腔内の体組織との接触により力を受ける点を第１の作用点とも呼称し、トロッカー１４０の内壁との接触により力を受ける点を第２の作用点とも呼称する。
【００２６】
第１の作用点は、上述したように鉗子１１０の先端であり得る。一方、トロッカー１４０に外力が負荷されず、トロッカー１４０に鉗子１１０が単に挿入されている状態においては、鉗子１１０に対してトロッカー１４０の内壁から作用する力は、さほど大きなものではない。鉗子１１０に対してトロッカー１４０の内壁からより大きい力が作用し得る場合とは、トロッカー１４０に対して外部から力が作用している場合である。トロッカー１４０に対して外部から力が作用すると、その内部に挿入されている鉗子１１０にも、トロッカー１４０の側壁を介してその力が伝達されるからである。従って、第２の作用点は、鉗子１１０においてトロッカー１４０に挿入されている部位の中でも、トロッカー１４０に対して外部から力が作用する点であり得る。
【００２７】
トロッカー１４０の用途を考慮すると、トロッカー１４０の外壁は、患者の身体に設けられる開口部において、当該開口部の縁部と接触している。従って、呼吸等によって患者の身体が動くことにより、当該接触部位においてトロッカー１４０に対して外部から力が作用することとなる。このように、第２の作用点は、患者の身体に設けられる開口部の縁部とトロッカー１４０の外壁とが接触する位置における、トロッカー１４０の内壁と鉗子１１０との接触部位である。第２の作用点は、患者の体表面付近に対応する位置であるとも言える。
【００２８】
なお、第１の実施形態では、トロッカー１４０としては、各種の公知のトロッカーが用いられてよい。従って、図１では、図面が煩雑になることを避けるために、トロッカー１４０の詳細な構造の図示を省略している。ただし、図１では、説明のため、第２の作用点に対応する鉗子１１０とトロッカー１４０との接触部位だけを概略的に図示している。
【００２９】
図示するように、アーム部１６０の鉗子１１０の取り付け部には、鉗子１１０を動作させるためのモータ１２０が設けられる。図１に示す例では、鉗子１１０に対して２つのモータ１２０が設けられている。モータ１２０の駆動力が伝達部材１３０を介して鉗子１１０に伝達されることにより、鉗子１１０が動作する。
【００３０】
伝達部材１３０は、歯車（ギア）１３１、１３２及びワイヤ１３３からなる。ギア１３１は、モータ１２０の駆動軸にその中心が軸支されており、モータ１２０の駆動に伴って回動する。ギア１３１には、例えば所定の減速比になるようにその大きさが調整されたギア１３２が噛合される。ギア１３２にはワイヤ１３３の一端が巻回されており、モータ１２０によって、ギア１３１、１３２を介して、ワイヤ１３３に張力が負荷される構成になっている。鉗子１１０は中空に構成され、ワイヤ１３３は鉗子１１０の内部に延設されている。ワイヤ１３３の他端は、鉗子１１０の先端の把持部１１１に接続されており、モータ１２０によって当該ワイヤ１３３が駆動されることにより、把持部１１１の開閉等の動作が行われる。なお、鉗子１１０が、例えば関節部等、把持部１１１以外にも可動部を有する場合には、ワイヤ１３３によって当該他の可動部が駆動されてもよい。
【００３１】
ここで、ギア１３１、１３２は、必ずしも設けられなくてもよく、モータ１２０の駆動軸に直接ワイヤ１３３が接続され、鉗子１１０が駆動されてもよい。ただし、ギア１３１、１３２のような伝達部材を用いることにより、アーム部１６０及び鉗子１１０のメンテナンスや交換等の作業がより容易になる。また、伝達部材１３０の具体的な構成も、図示されるものに限定されず、伝達部材１３０は、モータ１２０の駆動力をワイヤ１３３に伝達し得るように構成されればよく、その構成は任意であってよい。
【００３２】
なお、図１に示す例では、鉗子１１０を動作させる機構が、２つのモータ１２０によって、２本のワイヤ１３３がそれぞれ駆動されることにより構成されているが、鉗子１１０を動作させる機構はかかる例に限定されない。モータ１２０の配置数及び配置位置や伝達部材１３０の具体的な構成は、鉗子１１０の所望の動作を実現させるように、適宜設定され得る。
【００３３】
アーム部１６０と鉗子１１０との接続部には、力センサ１５０が設けられる。図１に示す例では、円環形状を有する力センサ１５０が１つ設けられている。図１では、力センサ１５０の断面を図示している。図示するように、鉗子１１０は、力センサ１５０を介してアーム部１６０と接続されており、力センサ１５０は、鉗子１１０に作用する力及びモーメントを検出することができる。力センサ１５０は、例えば６軸力覚センサであり、互いに直交する３軸方向の力と、当該３軸方向周りのモーメントを検出する機能を有する。このように、第１の実施形態では、鉗子１１０の一端に力センサ１５０が設けられ、他端側に第１の作用点及び第２の作用点が存在していることになる。
【００３４】
なお、力センサ１５０の配置数及び配置位置は、図示する例に限定されない。第１の実施形態では、力センサ１５０は、鉗子１１０の、第１の作用点及び第２の作用点とは異なる側に設けられればよく、その具体的な配置数及び配置位置は、後述する情報処理装置１７０による鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算が精度良く実行されるように、任意に設定されてよい。
【００３５】
ここで、以下の説明では、棒状の部材である鉗子１１０の延伸方向をｚ軸方向と定義する。また、当該ｚ軸方向と互いに直交する２方向をｘ軸方向及びｙ軸方向と定義する。第１の実施形態では、力センサ１５０は、当該ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向を検出軸とするように配設される。
【００３６】
力センサ１５０によって検出された力及びモーメントについての情報は、情報処理装置１７０に送信される。情報処理装置１７０は、力センサ１５０の検出値に基づいて、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力（以下、単に鉗子１１０への作用力とも呼称する。）を計算する。例えば、力センサ１５０は、所定の間隔で力及びモーメントを検出し、その検出値についての情報を随時情報処理装置１７０に送信するように構成されている。情報処理装置１７０は、力センサ１５０の検出間隔に従って、所定の間隔で随時、鉗子１１０への作用力を計算することができる。なお、情報処理装置１７０が行う計算処理の詳細については、下記（１−２．作用力の計算方法）及び（１−３．機能構成）で改めて説明する。また、力センサ１５０と情報処理装置１７０との通信方式には、有線又は無線を問わず、各種の公知の通信方式が適用されてよい。
【００３７】
ここで、情報処理装置１７０は、所定のプログラムに従って動作し、上述した計算処理を行う機能を有すればよく、その具体的な構成は限定されない。例えば、情報処理装置１７０は、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等の汎用的な情報処理装置であってもよいし、演算サーバ等の数値計算に特化した情報処理装置であってもよい。あるいは、情報処理装置１７０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の各種のプロセッサであってもよいし、プロセッサとメモリ等の記憶装置とが一体的に構成されたいわゆるマイコンであってもよい。また、情報処理装置１７０は、支持アーム装置の駆動を制御する制御装置と一体的に構成されてもよい。
【００３８】
更に、情報処理装置１７０は、必ずしも１台の装置でなくてもよく、複数の装置によって構成され、当該複数の装置が互いに協働することによって上述した計算処理が行われてもよい。例えば、複数の装置によって計算処理が並列的に行われることにより、計算速度を向上させることができる。また、情報処理装置１７０は、支持アーム装置の近くに配置されなくてもよく、例えばネットワーク上（いわゆるクラウド上）に設けられ、力センサ１５０の検出値を当該ネットワークを介して受信して、上述した計算処理を行ってもよい。
【００３９】
以上、図１を参照して、第１の実施形態に係るシステム１の概略構成について説明した。
【００４０】
（１−２．作用力の計算方法）
図２を参照して、上述した情報処理装置１７０において実行される、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算方法について説明する。図２は、第１の実施形態における、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算方法について説明するための説明図である。なお、図２は、図１に対して、鉗子１１０に対して作用する力を表す矢印や、鉗子１１０の寸法等の記載を追加したものに対応するため、図１を参照して既に説明した構成については、重複する説明を省略する。
【００４１】
ここで、第１の実施形態では、鉗子１１０への作用力を求めるために、簡易的に、鉗子１１０が駆動することによって鉗子１１０に作用する力（以下、能動的な力とも呼称する。）については、考慮しないこととする。すなわち、第１の実施形態では、鉗子１１０が動作していない、静的な状態を仮定しているとも言える。このように、能動的な力を考慮しない場合であっても、鉗子１１０への作用力を一定の精度で求めることが可能である。なお、能動的な力まで考慮した、より高精度な作用力の計算方法については、下記（２．第２の実施形態）で詳しく説明する。第１の実施形態は、後述する第２の実施形態と比べて多少精度は低下する恐れはあるものの、より簡易な構成によって、鉗子１１０への作用力を求めることを可能にするものである。
【００４２】
図２に示すように、能動的な力を考慮しない場合には、鉗子１１０には、第１の作用点２１０に対する力２１１と、第２の作用点２２０に対する力２２１と、鉗子１１０の自重による重力２３１が作用し得る。力２１１は、鉗子１１０の先端が患者の体腔内の体組織と接触することにより、当該鉗子１１０の先端に当該体組織から加えられる反力である。また、力２２１は、患者の身体に設けられる開口部の縁部と接触しているトロッカー１４０に対して、呼吸等による患者の身体の動きによって加えられる力が、トロッカー１４０の側壁を介して鉗子１１０に伝達されたものである。
【００４３】
説明のため、以下では、第１の作用点２１０においてｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に作用する力を、それぞれ、Ｆｘ、Ｆｙ及びＦｚと呼称する。また、第１の作用点２１０において作用する、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向周りのモーメントを、それぞれ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚと呼称する。また、同様に、第２の作用点２２０においてｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に作用する力を、それぞれ、Ｆｔｘ、Ｆｔｙ及びＦｔｚと呼称する。また、第２の作用点２２０において作用する、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向周りのモーメントを、それぞれ、Ｍｔｘ、Ｍｔｙ及びＭｔｚと呼称する。更に、力センサ１５０の検出値において、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の力の検出値を、それぞれ、Ｆｓｘ、Ｆｓｙ及びＦｓｚと呼称し、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向周りのモーメントの検出値を、それぞれ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ及びＭｓｚと呼称する。
【００４４】
なお、上述したように、本実施形態では、力センサ１５０の配置数及び配置位置は図１に示す構成例に限定されない。例えば、アーム部１６０と鉗子１１０との接続部に力センサ１５０が複数設けられてもよい。力センサ１５０が複数設けられる場合には、これら複数の力センサ１５０の検出値が合成された値等が、Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとして扱われ得る。
【００４５】
ここで、鉗子１１０の質量は、事前に測定可能な既知の量である。また、アーム部１６０及び鉗子１１０の位置及び姿勢は、例えば内部モデルとして、アーム部１６０の駆動を制御する制御装置によって保持されている（鉗子１１０の質量も内部モデルとして保持され得る）。従って、鉗子１１０に作用する重力２３１の大きさや、鉗子１１０の位置及び姿勢に応じた重力２３１に起因するモーメントの大きさは、当該制御装置が保持しているアーム部１６０及び鉗子１１０の位置及び姿勢についての情報に基づいて計算可能な、既知の値として扱うことができる。従って、第１の実施形態では、力センサ１５０の検出値から、重力２３１による成分を差し引いた値を、Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとみなすこととする。これにより、以下の計算では、重力２３１や、重力２３１によるモーメントを考慮する必要がなくなる。
【００４６】
ここで、第１の実施形態では、鉗子１１０への作用力を計算する際に、鉗子１１０の使用態様に応じた制約条件を設定する。当該制約条件は、手術内容等に応じた鉗子１１０の使用態様に鑑み、術者又はシステム１の設計者等によって適宜設定され得る。
【００４７】
まず、トロッカー１４０と鉗子１１０との接触部位（すなわち、第２の作用点２２０）においては、鉗子１１０に対しては、ｚ軸方向の力Ｆｔｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｔｘ、ｙ軸周りのモーメントＭｔｙ及びｚ軸周りのモーメントＭｔｚは、ほぼ作用しないことが想定される。これは、鉗子１１０が、筒状の部材であるトロッカー１４０の内部に挿入されており、第２の作用点は、鉗子１１０の外周部とトロッカー１４０の内壁との接触部位であるため、構造的に、力Ｆｔｚ及びモーメントＭｔｘ、Ｍｔｙ、Ｍｔｚは、他の力及びモーメントに比して十分小さい値となることが想定されるからである。従って、１つ目の制約条件として、第２の作用点２２０における力Ｆｔｚ及びモーメントＭｔｘ、Ｍｔｙ、Ｍｔｚを略ゼロとみなすこととする。
【００４８】
また、第１の作用点２１０は、棒状の部材である鉗子１１０の先端であるため、第１の作用点２１０においては、鉗子１１０の延伸方向、すなわちｚ軸方向以外の軸周りのモーメントはほぼ作用しないことが想定される。従って、２つ目の制約条件として、第１の作用点２１０におけるモーメントＭｘ、Ｍｙを略ゼロとみなすこととする。
【００４９】
以上の制約条件の下で、力センサ１５０の検出値Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚ（ただし、重力２３１の成分を差し引いたもの）と、第１の作用点２１０におけるＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと、第２の作用点２２０におけるＦｔｘ、Ｆｔｙ、Ｆｔｚ、Ｍｔｘ、Ｍｔｙ、Ｍｚと、の間での、力及びモーメントの釣り合いを考えると、以下の数式（１）〜（６）を得ることができる。なお、下記数式（４）〜（６）は、第２の作用点を中心としたモーメントの釣り合いから導出したものである。
【００５０】
【数１】
2016056339.tif 000003
【００５１】
【数２】
2016056339.tif 000004
【００５２】
【数３】
2016056339.tif 000005
【００５３】
【数４】
2016056339.tif 000006
【００５４】
【数５】
2016056339.tif 000007
【００５５】
【数６】
2016056339.tif 000008
【００５６】
なお、Ｌｔは、力センサ１５０から第２の作用点２２０までの距離であり、Ｌｓは、第２の作用点２２０から鉗子１１０の先端までの距離である。
【００５７】
ここで、上記数式（１）〜（６）において、Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚは、力センサ１５０から得られる値であり、既知の値である。また、Ｌｔ、Ｌｓも既知の値である。何故ならば、Ｌｔ、Ｌｓは、鉗子１１０の全長と、トロッカー１４０と鉗子１１０との位置関係と、から容易に計算することができるからである。具体的には、鉗子１１０の全長は、鉗子１１０の構造上、当然既知の値であり、例えば支持アーム装置の制御装置がアーム部１６０の駆動を制御する際に用いられる内部モデルに、当該鉗子１１０の長さについての情報も含まれている。また、手術中においてトロッカー１４０は患者に挿入されているためにその位置はほぼ固定されており、上記内部モデルには、当該トロッカー１４０の位置情報も含まれている。更に、上述したように、鉗子１１０の位置情報も、上記内部モデルに含まれている。従って、当該制御装置によって、鉗子１１０の全長、及びトロッカー１４０と鉗子１１０との位置関係が把握されているため、Ｌｔ、Ｌｓを、既知の値として扱うことができるのである。
【００５８】
このように、数式（１）〜（６）における未知数は、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚ、Ｆｔｘ、Ｆｔｙの６つだけとなる。数式の数と未知数の数とが一致しているため、数式（１）〜（６）からなる連立方程式を解くことにより、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚ、Ｆｔｘ、Ｆｔｙを求めることができる。第１の実施形態では、情報処理装置１７０が、数式（１）〜（６）からなる連立方程式を解くことにより、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚ、Ｆｔｘ、Ｆｔｙを求める。
【００５９】
例えば、情報処理装置１７０は、各種の数値計算の手法により、上記連立方程式を解くことができる。連立方程式を解くための数値計算の手法としては、各種の公知の手法を用いることが可能であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００６０】
あるいは、鉗子１１０の使用態様がほぼ変化せず、制約条件が一定である場合には、予め上記連立方程式の解析解が、術者又はシステム１の設計者等により計算され、システム１に入力されていてもよい。例えば、上記数式（１）〜（６）からなる連立方程式を未知数について解くことにより、解析解として、以下の数式（７）〜（１２）を得ることができる。情報処理装置１７０は、下記数式（７）〜（１２）に、力センサ１５０の検出値であるＦｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚや、既知の量として計算可能なＬｔ、Ｌｓを代入することにより、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚ、Ｆｔｘ、Ｆｔｙを求めることができる。
【００６１】
【数７】
2016056339.tif 000009
【００６２】
【数８】
2016056339.tif 000010
【００６３】
【数９】
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【００６４】
【数１０】
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【００６５】
【数１１】
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【００６６】
【数１２】
2016056339.tif 000014
【００６７】
以上、第１の実施形態に係る作用力の計算方法について説明した。以上説明したように、第１の実施形態では、力センサ１５０の検出値と、第１の作用点２１０への作用力と、第２の作用点への作用力と、の釣り合い式に基づいて、鉗子１１０の当該第１の作用点２１０への作用力及び／又は当該第２の作用点への作用力が計算される。その際、鉗子１１０の使用態様に応じて、鉗子１１０への作用力について制約条件が設定され、当該制約条件に基づいて上記釣り合い式が簡略化されることにより、鉗子１１０の第１の作用点２１０への作用力及び／又は第２の作用点への作用力が計算される。
【００６８】
ここで、制約条件は上述した例に限定されない。上記実施形態では、腹腔鏡手術に用いられる鉗子１１０に作用する力が計算されるため、上述したような制約条件を設けたが、鉗子１１０の種類やその使用方法によっては、異なる制約条件が設定されてよい。また、冒頭で説明したように、第１の実施形態では、作用力が計算される対象は鉗子１１０に限定されず、他のあらゆる棒状の部材への作用力が計算されてもよい。部材に応じて、その使用態様も変化し得るため、第１の実施形態では、作用力の計算対象である部材の使用態様に応じて、適切な制約条件が、システム１の使用者及び設計者等により適宜設定されてよい。制約条件が異なる場合であっても、上述した方法と同様に、力及びモーメントの釣り合い式を当該制約条件に基づいて簡略化することにより、部材に作用する力を計算することが可能である。
【００６９】
（１−３．機能構成）
次に、図３を参照して、以上説明した計算処理を実行する情報処理装置１７０の機能構成について説明する。図３は、第１の実施形態に係る情報処理装置１７０の機能構成を示すブロック図である。
【００７０】
図３を参照すると、第１の実施形態に係る情報処理装置１７０は、記憶部１７１と、制御部１７２と、を備える。図示するように、情報処理装置１７０は、力センサ１５０と、各種の情報を通信可能に接続される。情報処理装置１７０は、力センサ１５０から、当該力センサ１５０による検出値（すなわち力及びモーメント）についての情報を取得することができる。なお、図示は省略するが、情報処理装置１７０は、アーム部１６０の駆動を制御する制御装置とも、各種の情報を通信可能に接続されている。情報処理装置１７０は、当該制御装置から、アーム部１６０及び鉗子１１０の位置及び姿勢についての情報や、上述したＬｔ、Ｌｓを計算するために必要な情報等を取得することができる。
【００７１】
記憶部１７１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の各種の記憶デバイスによって構成され、制御部１７２によって処理される各種の情報及び制御部１７２による処理結果等を記憶する。制御部１７２は、記憶部１７１に記憶されている各種の情報を利用することにより、各種の処理を実行することができる。
【００７２】
第１の実施形態では、記憶部１７１は、上記（１−２．作用力の計算方法）で説明した計算を行うために必要な各種の情報を記憶する。例えば、記憶部１７１は、力センサ１５０の検出値を記憶する。また、例えば、記憶部１７１は、上記制御装置から送信される各種の情報（例えば、アーム部１６０及び鉗子１１０の位置及び姿勢についての情報、鉗子１１０の形状や質量等についての情報、トロッカー１４０の位置についての情報等）を記憶する。また、例えば、記憶部１７１は、上述した制約条件についての情報を記憶する。なお、当該制約条件についての情報は、手術に先立ち、術者やシステム１の設計者等によって、予め記憶部１７１に入力され得る。
【００７３】
制御部１７２は、例えばＣＰＵやＤＳＰ等の各種のプロセッサによって構成され、情報処理装置１７０における各種の処理を統括的に制御する。制御部１７２は、その機能として、作用力計算部１７３を有する。なお、制御部１７２の各機能は、制御部１７２を構成する各種のプロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより実現され得る。
【００７４】
作用力計算部１７３には、力センサ１５０から、その検出値についての情報が入力される。作用力計算部１７３は、力センサ１５０の検出値に基づいて、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力を計算する。具体的には、作用力計算部１７３は、力センサ１５０の検出値と、記憶部１７１に記憶されている各種の情報と、に基づいて、上記（１−２．作用力の計算方法）で説明した計算を行い、鉗子１１０への作用力を計算する。
【００７５】
より具体的には、作用力計算部１７３は、記憶部１７１に記憶されている制約条件に基づいて、上記数式（１）〜（６）に示すような、力の釣り合い及びモーメントの釣り合いを示す数式を立式する。ここで、作用力計算部１７３には、力センサ１５０から、その検出値が提供されている。また、作用力計算部１７３は、記憶部１７１に記憶されている、鉗子１１０についての情報やアーム部１６０の位置及び姿勢を示す情報等に基づいて、鉗子１１０に作用する重力の成分や、上述したＬｔ、Ｌｓを計算することができる。作用力計算部１７３は、立式した数式に、重力の成分を差し引いた力センサ１５０の検出値や、Ｌｔ、Ｌｓ等の既知の値を代入した上で、これらの数式を連立し、未知数（すなわち、鉗子１１０への作用力）について解くことができる。この際、鉗子１１０の使用態様がほぼ変化せず、制約条件が一定である場合には、予め上記連立方程式を未知数について解いた解析解（例えば上記数式（７）〜（１２））が、術者及びシステム１の設計者等により計算され、記憶部１７１に記憶されていてもよい。作用力計算部１７３は、当該解析解に対して、重力の成分を差し引いた力センサ１５０の検出値や、Ｌｔ、Ｌｓ等の既知の値を代入することにより、鉗子１１０への作用力を計算することができる。なお、力センサ１５０の検出値は、情報処理装置１７０に送信された後、一旦記憶部１７１に記憶されてもよく、作用力計算部１７３は、記憶部１７１を参照することにより、計算に用いる力センサ１５０の検出値を得てもよい。
【００７６】
なお、作用力計算部１７３は、上記数式（１）〜（６）からなる連立方程式を解く際、又は上記数式（７）〜（１２）に既知の値を代入する際に、必ずしも全ての未知数を求めなくてもよい。例えば、鉗子１１０の先端（すなわち第１の作用点）への作用力のみを求めたい場合であれば、作用力計算部１７３は、第１の作用点での作用力に対応する未知数のみを計算することができる。いずれの未知数を求めるかは、術者及びシステム１の設計者等によって適宜設定されてよい。
【００７７】
作用力計算部１７３によって計算された鉗子１１０への作用力は、例えば、上記制御装置に送信される。当該制御装置では、計算された鉗子１１０への作用力に基づいて、アーム部１６０の制御や、術者のコントローラへの力フィードバックの制御が行われる。あるいは、作用力計算部１７３による計算結果は、例えば表示部（図示せず。）に表示されたり、通信部（図示せず。）を介して他の機器に送信されたりして、術者等に対して、数値、グラフ等の形式で出力されてもよい。
【００７８】
以上、図３を参照して、情報処理装置１７０の機能構成について説明した。以上説明したように、第１の実施形態によれば、作用力計算部１７３によって、鉗子１１０の一側（アーム部１６０との接続部）に設けられる力センサ１５０の検出値に基づいて、鉗子１１０の他側に存在する互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかが計算される。従って、鉗子１１０の先端に力センサを設けなくても、当該先端における作用力を計算することができる。このように、第１の実施形態によれば、より簡易な構成で、鉗子１１０に作用する力を検出することが可能になる。
【００７９】
鉗子１１０に作用する力が検出可能であることにより、検出された力を用いて、術部の診断を行ったり、手術の安全性をより高めたりすることができる。例えば、検出された鉗子１１０への作用力に基づいて、術部の硬さを調べることにより患者の病状を確認したり、腹腔鏡等のカメラでは確認できない部位の感触を確認したりすることができる。また、例えば、検出された鉗子１１０への作用力に基づいて、一定以上の力が術部に負荷されないように鉗子１１０が取り付けられるアーム部１６０の駆動制御を行ったり、切除した部位を体外に引っ張り出す際に体内の他の組織に引っ掛かっていないかどうかを判断したりすることができる。このように、検出された鉗子１１０への作用力は、様々な用途に用いられてよい。
【００８０】
ここで、上記の説明では、鉗子１１０の全長が一定であるとして、鉗子１１０への作用力を計算していた。しかしながら、第１の実施形態はかかる例に限定されず、鉗子１１０は、その長さが可変であってもよい。鉗子１１０の長さが可変である場合、Ｌｔ、Ｌｓの値が、鉗子１１０の長さの変化に応じて変化し得る。第１の実施形態では、鉗子１１０の長さが可変である場合には、作用力計算部１７３は、鉗子１１０の長さの変化に応じてＬｔ、Ｌｓを計算し、計算されたＬｔ、Ｌｓを用いて、第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力を計算することができる。具体的には、鉗子１１０の長さの変化は、アーム部１６０の駆動を制御する制御装置によって、例えば内部モデルとして把握されている。従って、作用力計算部１７３は、鉗子１１０の長さが変化した場合に、当該制御装置から変化後の鉗子１１０の長さについての情報を取得することにより、Ｌｔ、Ｌｓを計算し直すことができる。
【００８１】
また、上記の説明では、鉗子１１０を、略直線的に延伸する棒状の部材として扱っていた。しかしながら、第１の実施形態はかかる例に限定されず、鉗子１１０は、関節部を有し、その形状及び姿勢を変化可能に構成されてもよい。この場合、鉗子１１０の形状及び姿勢の変化に応じて、第１の作用点及び第２の作用点の位置（すなわちＬｔ、Ｌｓの値）や、鉗子１１０の重心の位置（すなわち重力が作用する位置）が変化し得る。第１の実施形態では、鉗子１１０が関節部を有する場合には、作用力計算部１７３は、鉗子１１０の形状及び姿勢の変化に応じて、第１の作用点、第２の作用点及び重心の位置を計算し、計算されたこれらの位置情報を上記数式（１）〜（６）に反映して、第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力を計算することができる。具体的には、鉗子１１０が関節部を有する場合には、その鉗子１１０の関節部の駆動は、アーム部１６０の駆動を制御する制御装置によって制御され得る。従って、関節部が駆動されたことによる鉗子１１０の形状や姿勢の変化は、例えば内部モデルとして、当該制御装置によって把握されている。従って、作用力計算部１７３は、関節部が駆動し鉗子１１０の形状及び姿勢が変化した場合に、当該制御装置から変化後の鉗子１１０の形状及び姿勢についての情報を取得することにより、第１の作用点、第２の作用点及び重心の位置を計算し直すことができる。
【００８２】
なお、図３では、簡単のため、第１の実施形態に特徴的な機能のみを図示し、その他の機能の図示を省略している。情報処理装置１７０は、一般的な情報処理装置が有する各種の機能を更に有してもよい。例えば、情報処理装置１７０は、ユーザによる各種の操作入力を受け付ける入力部、ユーザに対して視覚的、聴覚的に各種の情報を出力する出力部、外部の他の機器との間で通信を行う通信部等の機能を更に有し得る。
【００８３】
また、情報処理装置１７０の装置構成は、図３に示す例に限定されない。例えば、図３に示す情報処理装置１７０の各機能は、必ずしも１つの装置に一体的に搭載されなくてもよい。図３に示す情報処理装置１７０に搭載される各機能が、複数の装置に分散されて搭載され、当該複数の装置が通信可能に接続されることにより、情報処理装置１７０が構成されてもよい。例えば、記憶部１７１は、情報処理装置１７０とは異なる外部の機器として備えられてもよく、情報処理装置１７０が、外部機器である記憶部１７１と通信を行いながら、上述した計算処理を実行してもよい。また、例えば、制御部１７２の各機能は、１つのプロセッサによって実行されてもよいし、複数のプロセッサの協働によって実行されてもよい。
【００８４】
また、上述のような第１の実施形態に係る情報処理装置１７０の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。
【００８５】
（１−４．情報処理方法）
図４を参照して、図３に示す情報処理装置１７０において行われる、情報処理方法について説明する。図４は、第１の実施形態に係る情報処理方法の処理手順の一例を示すフロー図である。なお、図４に示す各処理は、図３に示す制御部１７２が所定のプログラムに従って動作することにより実行され得る。
【００８６】
第１の実施形態に係る情報処理方法では、まず、制御部１７２によって、力センサ１５０による検出値が取得される（ステップＳ１０１）。力センサ１５０の検出値は、直接図３に示す作用力計算部１７３に提供されてもよいし、一旦記憶部１７１に記憶されてもよい。
【００８７】
次に、作用力計算部１７３によって、取得した検出値に基づいて、第１の作用点及び／又は第２の作用点における鉗子１１０への作用力が計算される（ステップＳ１０３）。具体的には、作用力計算部１７３によって、力センサ１５０の検出値と、記憶部１７１に記憶されている各種の情報と、に基づいて、上記（１−２．作用力の計算方法）で説明した計算が行われ、当該作用力が計算される。なお、ステップＳ１０３に示す処理では、第１の力センサ１５０の検出値から、鉗子１１０の重力による成分が差し引かれたものを用いて作用力が計算されてよい。
【００８８】
最後に、作用力計算部１７３による計算結果が出力される（ステップＳ１０５）。計算結果の出力先は、例えば、鉗子１１０を駆動させている支持アーム装置の制御装置である。当該制御装置において、計算結果に基づいて、アーム部１６０の駆動制御や、術者のコントローラへの力フィードバック制御が行われる。
【００８９】
以上、図４を参照して、第１の実施形態に係る情報処理方法について説明した。
【００９０】
（２．第２の実施形態）
上述したように、第１の実施形態では、鉗子１１０に作用する能動的な力を考慮せずに、第１の作用点及び／又は第２の作用点における鉗子１１０への作用力が計算される。しかしながら、実際には、力センサ１５０の検出値には、モータ１２０を駆動させることにより鉗子１１０に与えられる力による影響が含まれている。第２の実施形態は、能動的な力まで考慮することにより、第１の作用点及び／又は第２の作用点における鉗子１１０への作用力を、より高精度に計算するものである。
【００９１】
（２−１．システムの構成）
図５を参照して、本開示の第２の実施形態に係るシステムの概略構成について説明する。図５は、本開示の第２の実施形態に係るシステムの概略構成を示す図である。なお、第２の実施形態に係るシステムは、図１を参照して説明した第１の実施形態に係るシステム１に対して、後述する力センサ２８０が追加され、それに伴って情報処理装置１７０の機能が変更されたものに対応する。その他の部材の構成及び機能はシステム１と同様であるため、以下の第２の実施形態についての説明では、第１の実施形態と重複する事項についてはその詳細な説明を省略し、第１の実施形態との相違点について主に説明することとする。
【００９２】
図５を参照すると、第２の実施形態に係るシステム２は、鉗子１１０と、モータ１２０と、伝達部材１３０と、トロッカー１４０と、力センサ１５０、２８０と、情報処理装置２９０と、を備える。ここで、鉗子１１０、モータ１２０、伝達部材１３０、トロッカー１４０及び力センサ１５０の構成及び機能は、第１の実施形態におけるこれらの部材の構成及び機能と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
力センサ２８０は、モータ１２０の駆動軸に設けられ、当該駆動軸のトルクを検出するトルクセンサである。以下では、力センサ１５０と力センサ２８０とを区別するために、力センサ１５０のことを第１の力センサ１５０とも呼称し、力センサ２８０のことを第２の力センサ２８０とも呼称する。図５に示す例では、２つのモータ１２０の駆動軸に、それぞれ第２の力センサ２８０が設けられている。第２の力センサ２８０と情報処理装置２９０とは通信可能に接続されており、第２の力センサ２８０によって検出されたモータ１２０の駆動軸のトルクについての情報は、情報処理装置２９０に送信される。第２の力センサ２８０のトルクの検出間隔及び第２の力センサ２８０から情報処理装置２９０への検出値についての情報の送信間隔は、例えば、第１の力センサ１５０の検出間隔及び第１の力センサ１５０から情報処理装置２９０への検出値についての情報の送信間隔と同期している。第１の力センサ１５０の検出値は、鉗子１１０に作用する力が変化することにより変化し得るし、第２の力センサ２８０の検出値は、モータ１２０の駆動力が変化することにより変化し得るため、第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０が互いに同期し、同一のタイミングで力及びモーメント（トルク）を検出することにより、時間変化まで考慮したより正確な検出値を得ることができる。なお、第２の力センサ２８０と情報処理装置２９０との間の通信方式には、有線又は無線を問わず、任意の通信方式が適用されてよい。
【００９４】
情報処理装置２９０は、第１の力センサ１５０の検出値及び第２の力センサ２８０の検出値に基づいて、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点に作用する力を計算する。情報処理装置２９０は、第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０の検出間隔に従って、所定の間隔で随時、鉗子１１０への作用力を計算してよい。上述したように、第２の力センサ２８０の検出値は、モータ１２０の駆動軸のトルクであり、モータ１２０が駆動することにより鉗子１１０に作用する力、すなわち、能動的な力を表すものである。第２の実施形態では、情報処理装置２９０は、第１の力センサ１５０の検出値及び第２の力センサ２８０の検出値の双方を用いて、能動的な力による影響を除去して、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点に作用する力を計算する。これにより、能動的な力まで考慮した、より精度の高い計算が可能となる。なお、情報処理装置２９０が行う計算処理の詳細については、下記（２−２．作用力の計算方法）及び（２−３．機能構成）で改めて説明する。
【００９５】
なお、情報処理装置２９０は、第１の実施形態に係る情報処理装置１７０と同様に、所定のプログラムに従って動作し、上述した計算処理を行う機能を有すればよく、その具体的な構成は限定されない。例えば、情報処理装置２９０は、ＰＣやサーバ、プロセッサ等であり得る。
【００９６】
以上、図５を参照して、第２の実施形態に係るシステム２の概略構成について説明した。
【００９７】
（２−２．作用力の計算方法）
図６を参照して、上述した情報処理装置２９０において実行される、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算方法について説明する。図６は、第２の実施形態における、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算方法について説明するための説明図である。なお、図６は、図５のアーム部１６０と鉗子１１０との接続部近傍を拡大したものであるため、図５を参照して既に説明した構成については、重複する説明は省略する。
【００９８】
ここで、第２の実施形態に係る計算方法では、第１の力センサ１５０の検出値（上述したＦｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚ）に基づいて、第１の作用点における力及びモーメント（上述したＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）と、第２の作用点における力及びモーメント（上述したＦｔｘ、Ｆｔｙ、Ｆｔｚ、Ｍｔｘ、Ｍｔｙ、Ｍｚ）を求める方法は、第１の実施形態と同様である。すなわち、第２の実施形態においても、上記（１−２．作用力の計算方法）で説明した方法と同様の制約条件に基づいて、上記数式（１）〜（６）を立式し、当該数式（１）〜（６）を用いて、未知数であるＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚ、Ｆｔｘ、Ｆｔｙが計算される。ただし、第２の実施形態では、第１の力センサ１５０の検出値から、第２の力センサ２８０の検出値から算出される能動的な力の成分を差し引いたものを、Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとみなし、数式（１）〜（６）を解く。ここでは、図６を参照して、能動的な力について説明する。
【００９９】
図６では、モータ１２０が駆動することにより鉗子１１０及び伝達部材１３０等に作用し得る力及びモーメント（トルク）を矢印で図示している。
【０１００】
トルク３１０は、モータ１２０が駆動することにより駆動軸に与えられるトルクを表している。第２の力センサ２８０は、当該トルク３１０を検出するように設けられる。
【０１０１】
力３２０は、トルク３１０を受けて、ギア１３１がギア１３２に与える力を表している。力３３０は、力３２０を受けて、ギア１３２がワイヤ１３３を引っ張る力（張力）を表している。すなわち、力３３０は、ワイヤ１３３が鉗子１１０の先端を引っ張る力であるとも言える。
【０１０２】
ここで、図１及び図５では図示を省略していたが、図６に示すように、ギア１３２は、実際には、その回転軸が鉗子１１０によって軸支されるように構成されている。従って、力３２０を受けてギア１３２が回転することにより、当該回転軸を介して、鉗子１１０に力３４０が与えられ得る。また、ワイヤ１３３の張力である力３３０を受けて、ギア１３２の回転軸が鉗子に与える力３５０も生じ得る。
【０１０３】
これらの力及びトルクのうち、ワイヤ１３３に生じる張力である力３３０と、当該力３３０によって鉗子１１０が受ける力３５０とは、互いに打ち消し合う関係にある。従って、モータ１２０が駆動し鉗子１１０が動いている間は、鉗子１１０には、第１の作用点及び第２の作用点において作用する力以外に、力３４０が、第１の力センサ１５０によって検出され得る。このように、第１の力センサ１５０の検出値から、第１の作用点及び第２の作用点における作用力を計算する際に、当該力３４０はノイズとなり得る。
【０１０４】
一方、力３４０は、トルク３１０がギア１３１、１３２を介して伝達されることにより生じる力であり、ギア１３１、１３２の形状やトルク３１０の値に基づいて、容易に算出され得るものである。そこで、第２の実施形態では、情報処理装置２９０が、第２の力センサ２８０の検出値（すなわちトルク３１０）に基づいて、モータ１２０の駆動力に応じて鉗子１１０に加えられる力及びモーメント（すなわち力３４０や当該力３４０に起因するモーメント）を計算し、計算された当該力３４０の成分を第１の力センサ１５０の検出値から差し引く処理を行う。そして、情報処理装置２９０が、力３４０の成分が除去された力センサ１５０の検出値を用いて（すなわち、力３４０の成分が除去された力センサ１５０の検出値をＦｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとみなして）、上記（１−２．作用力の計算方法）で説明した方法と同様の方法によって、第１の作用点及び／又は第２の作用点における作用力を計算する。このような処理を行うことにより、能動的な力による影響が除去された、より高精度な、第１の作用点及び第２の作用点における作用力の計算を行うことが可能となる。
【０１０５】
なお、図６では、２つのモータ１２０のうちの一方について、その駆動力に伴う力及びモーメントを図示しているが、他方のモータ１２０についても同様に、他方のモータ１２０が駆動することにより鉗子１１０及び伝達部材１３０等に作用し得る力及びモーメント（トルク）が存在する。第２の実施形態では、他方のモータ１２０の駆動軸にも第２の力センサ２８０が設けられる。そして、情報処理装置２９０は、当該他方の第２の力センサ２８０の検出値も併せて用いて、双方のモータ１２０の駆動力に応じて鉗子１１０に加えられる力及びモーメントを計算し、双方のモータ１２０の駆動力の影響を除去して、第１の作用点及び／又は第２の作用点における作用力を計算する。
【０１０６】
以上、第２の実施形態に係る作用力の計算方法について説明した。
【０１０７】
（２−３．機能構成）
次に、図７を参照して、以上説明した計算を実行する情報処理装置２９０の機能構成について説明する。図７は、第２の実施形態に係る情報処理装置２９０の機能構成を示すブロック図である。
【０１０８】
図７を参照すると、第２の実施形態に係る情報処理装置２９０は、記憶部２９１と、制御部２９２と、を備える。図示するように、情報処理装置２９０は、第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０と、各種の情報を通信可能に接続される。なお、図７では、概略的に第２の力センサ２８０を１つのブロックとして図示しているが、実際には、図５に示すように第２の力センサ２８０はモータ１２０のそれぞれに設けられ、これら複数の第２の力センサ２８０の検出値が、情報処理装置２９０に送信される。情報処理装置２９０は、第１の力センサ１５０から、当該第１の力センサ１５０による検出値（すなわち力及びモーメント）についての情報を取得するとともに、第２の力センサ２８０から、当該第２の力センサ２８０による検出値（すなわちモータ１２０の駆動軸に作用するトル）についての情報を取得することができる。また、図示は省略するが、情報処理装置２９０は、アーム部１６０の駆動を制御する制御装置とも、各種の情報を通信可能に接続されている。情報処理装置２９０は、当該制御装置から、アーム部１６０及び鉗子１１０の位置及び姿勢についての情報や、上述したＬｔ、Ｌｓを計算するために必要な情報等を取得することができる。
【０１０９】
記憶部２９１は、例えばＨＤＤ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の各種の記憶デバイスによって構成され、制御部２９２によって処理される各種の情報及び制御部２９２による処理結果等を記憶する。制御部２９２は、記憶部２９１に記憶されている各種の情報を利用することにより、各種の処理を実行することができる。
【０１１０】
記憶部２９１は、第１の実施形態に係る記憶部１７１と同様の情報を記憶する。ただし、第２の実施形態では、記憶部２９１は、これらの情報に加えて、第２の力センサ２８０の検出値を記憶することができる。更に、記憶部２９１は、第２の力センサ２８０の検出値から、第１の力センサ１５０の検出値に含まれる、図６に示す力３４０の成分を求めるために必要な各種の情報（例えば、ギア１３１、１３２の形状や取り付け位置等についての情報）を記憶している。当該情報は、アーム部１６０及び鉗子１１０の構成に応じて決定され得るものであるため、手術に先立ち、術者やシステム１の設計者等によって、予め記憶部１７１に入力され得る。
【０１１１】
制御部２９２は、例えばＣＰＵやＤＳＰ等の各種のプロセッサによって構成され、情報処理装置２９０における各種の処理を統括的に制御する。制御部２９２は、その機能として、能動的作用力除去部２９３と、作用力計算部２９４と、を有する。なお、制御部２９２の各機能は、制御部２９２を構成する各種のプロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより実現され得る。
【０１１２】
能動的作用力除去部２９３には、第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０から、その検出値についての情報が入力される。能動的作用力除去部２９３は、第２の力センサ２８０の検出値から、第１の力センサ１５０の検出値に含まれる、モータ１２０の駆動力によって鉗子１１０に与えられる力及びモーメント（すなわち図６に示す力３４０及び当該力３４０に起因するモーメント）の成分を計算する。当該計算には、記憶部２９１に記憶されている、ギア１３１、１３２の形状や取り付け位置等についての情報等が用いられ得る。能動的作用力除去部２９３は、計算結果に基づいて、第１の力センサ１５０の検出値からモータ１２０の駆動力に起因する成分を差し引く処理を行う。能動的作用力除去部２９３は、第１の力センサ１５０の検出値からモータ１２０の駆動力に起因する成分を差し引いた値（すなわち、第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による成分を差し引いた値）を、作用力計算部２９４に提供する。なお、第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０の検出値は、情報処理装置２９０に送信された後、一旦記憶部２９１に記憶されてもよく、能動的作用力除去部２９３は、記憶部２９１を参照することにより、計算に用いる第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０の検出値を得てもよい。
【０１１３】
なお、図５に示すように、複数のモータ１２０に応じて複数の第２の力センサ２８０が設けられる場合には、能動的作用力除去部２９３は、これら複数の第２の力センサ２８０のそれぞれの検出値に基づいて、複数のモータ１２０の駆動力によって鉗子１１０に与えられる力及びモーメントの合成値を計算し、当該合成値を第１の力センサ１５０の検出値から差し引いてもよい。
【０１１４】
作用力計算部２９４は、第１の力センサ１５０の検出値及び第２の力センサ２８０の検出値に基づいて、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力を計算する。具体的には、作用力計算部２９４は、第１の力センサ１５０の検出値と、記憶部１７１に記憶されている各種の情報と、に基づいて、上記（１−２．作用力の計算方法）で説明した計算を行い、鉗子１１０への作用力を計算する。ただし、作用力計算部２９４は、当該計算処理において、能動的作用力除去部２９３から提供される、第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による成分が差し引かれた値を、上記数式（１）〜（１２）のＦｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとして用いる。なお、当該Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚは、第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による成分が差し引かれるとともに、第１の実施形態と同様に、鉗子１１０の重力による成分が更に差し引かれたものであってもよい。Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとして、第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による成分が差し引かれた値を用いること以外は、作用力計算部２９４の機能は、第１の実施形態に係る作用力計算部１７３の機能と略同様であるため、ここでは、作用力計算部２９４のその他の機能についての詳細な説明は省略する。
【０１１５】
作用力計算部２９４によって計算された鉗子１１０への作用力は、例えば、上記制御装置に送信される。当該制御装置では、計算された鉗子１１０への作用力に基づいて、アーム部１６０の制御や、術者のコントローラへの力フィードバックの制御が行われる。あるいは、作用力計算部２９４による計算結果は、例えば表示部（図示せず。）に表示されたり、通信部（図示せず。）を介して他の機器に送信されたりして、術者等に対して、数値、グラフ等の形式で出力されてもよい。
【０１１６】
以上、図７を参照して、情報処理装置２９０の機能構成について説明した。第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態によって得られる効果に加えて、以下の効果を得ることができる。すなわち、第２の実施形態によれば、第２の力センサ２８０によってモータ１２０の駆動軸のトルクが検出される。そして、当該第２の力センサ２８０による検出値に基づいて、モータ１２０の駆動力の影響が除去された、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力が計算される。従って、モータ１２０が駆動し鉗子１１０が動作している最中であっても、鉗子１１０に作用する力をより精度良く検出することが可能になる。
【０１１７】
なお、図７では、簡単のため、第２の実施形態に特徴的な機能のみを図示し、その他の機能の図示を省略している。情報処理装置２９０は、第１の実施形態に係る情報処理装置１７０と同様に、入力部、出力部、通信部等の、一般的な情報処理装置が有する各種の機能を更に備えてもよい。
【０１１８】
また、情報処理装置２９０の装置構成は、図７に示す例に限定されない。例えば、図７に示す情報処理装置２９０の各機能は、必ずしも１つの装置に一体的に搭載されなくてもよい。図７に示す情報処理装置２９０に搭載される各機能が、複数の装置に分散されて搭載され、当該複数の装置が通信可能に接続されることにより、情報処理装置２９０が構成されてもよい。例えば、記憶部２９１は、情報処理装置２９０とは異なる外部の機器として備えられてもよく、情報処理装置２９０が、外部機器である記憶部２９１と通信を行いながら、上述した計算処理を実行してもよい。また、図示する制御部２９２の各機能は、互いに異なる装置によって実行されてもよい。例えば、制御部２９２の各機能は、１つのプロセッサによって実行されてもよいし、複数のプロセッサの協働によって実行されてもよい。
【０１１９】
また、上述のような第２の実施形態に係る情報処理装置２９０の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。
【０１２０】
（２−４．情報処理方法）
図８を参照して、図７に示す情報処理装置２９０において行われる、情報処理方法について説明する。図８は、第２の実施形態に係る情報処理方法の処理手順の一例を示すフロー図である。なお、図８に示す各処理は、図７に示す制御部２９２が所定のプログラムに従って動作することにより実行され得る。
【０１２１】
第２の実施形態に係る情報処理方法では、まず、制御部２９２によって、第１の力センサ１５０による検出値が取得される（ステップＳ２０１）。次に、制御部２９２によって、第２の力センサ２８０による検出値が取得される（ステップＳ２０３）。なお、図８では、便宜的に、ステップＳ２０１に示す処理及びステップＳ２０３に示す処理が順番に実行されるように図示しているが、実際には、これらの処理は同時に行われ得る。また、第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０の検出値は、直接図７に示す能動的作用力除去部２９３に提供されてもよいし、一旦記憶部２９１に記憶されてもよい。
【０１２２】
次に、能動的作用力除去部２９３によって、第２の力センサ２８０の検出値に基づいて、第１の力センサ１５０の検出値から、能動的な力による成分が除去される（ステップＳ２０５）。具体的には、能動的作用力除去部２９３によって、第２の力センサ２８０の検出値と、記憶部２９１に記憶されているギア１３１、１３２の形状等の情報と、に基づいて、能動的な力、すなわち、モータ１２０の駆動力によって鉗子１１０に与えられる力及びモーメントが計算される。そして、能動的作用力除去部２９３によって、第１の力センサ１５０の検出値から、当該計算結果に対応する成分が差し引かれる。
【０１２３】
次に、作用力計算部２９４によって、第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による成分が除去された値に基づいて、第１の作用点及び／又は第２の作用点における鉗子への作用力が計算される（ステップＳ２０７）。具体的には、作用力計算部２９４によって、ステップＳ２０５で計算された値（第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による成分が差し引かれた値）と、記憶部２９１に記憶されている各種の情報と、に基づいて、上記（１−２．作用力の計算方法）で説明した計算が行われ、当該作用力が計算される。なお、ステップＳ２０７に示す処理では、第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による成分が差し引かれた値から、鉗子１１０の重力による成分が更に差し引かれたものを用いて作用力が計算され得る。
【０１２４】
最後に、作用力計算部２９４による計算結果が出力される（ステップＳ２０９）。計算結果の出力先は、例えば、鉗子１１０を駆動させている支持アーム装置の制御装置である。当該制御装置において、計算結果に基づいて、アーム部１６０の駆動制御や、術者のコントローラへの力フィードバック制御が行われる。
【０１２５】
以上、図８を参照して、第２の実施形態に係る情報処理方法について説明した。
【０１２６】
（３．変形例）
以上説明した第１の実施形態及び第２の実施形態における変形例について説明する。
【０１２７】
（３−１．第１の実施形態の変形例）
図９を参照して、第１の実施形態において力センサ１５０の配置位置が変更された変形例について説明する。図９は、第１の実施形態において力センサ１５０の配置位置が変更された変形例に係るシステムの概略構成を示す図である。なお、本変形例に係るシステムは、図１を参照して説明した第１の実施形態に係るシステム１に対して、力センサ１５０の配置位置が変更されたものに対応し、その他の部材の構成及び機能はシステム１と同様である。従って、以下の本変形例についての説明では、第１の実施形態と重複する事項についてはその詳細な説明を省略し、第１の実施形態との相違点について主に説明することとする。
【０１２８】
図９を参照すると、本変形例に係るシステム３は、鉗子１１０と、モータ１２０と、伝達部材１３０と、トロッカー１４０と、力センサ１５０と、情報処理装置１７０と、を備える。ここで、鉗子１１０、モータ１２０、伝達部材１３０、トロッカー１４０、力センサ１５０及び情報処理装置１７０の構成及び機能は、第１の実施形態におけるこれらの部材の構成及び機能と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【０１２９】
図９に示すように、本変形例に係るシステム３では、力センサ１５０が、モータ１２０よりも前段に設けられる。すなわち、力センサ１５０が、アーム部１６０に直接取り付けられ、当該力センサ１５０は、モータ１２０を介して鉗子１１０に接続されている。このような構成であっても、第１の実施形態と同様の方法によって、力センサ１５０の検出値に基づいて、第１の作用点及び／又は第２の作用点における鉗子１１０への作用力を計算することが可能である。
【０１３０】
ただし、上述した第１の実施形態では、力センサ１５０は鉗子１１０とアーム部１６０との接続部に、鉗子１１０を支持するように取り付けられていた（図１参照）。従って、力センサ１５０の検出値から鉗子１１０の自重による成分を差し引く処理を行う際には、鉗子１１０の質量、位置及び姿勢を考慮すればよかった。一方、図９に示すように、本変形例では、力センサ１５０によって、鉗子１１０に作用する重力だけでなく、モータ１２０や伝達部材１３０に作用する重力も検出され得る。従って、本変形例では、情報処理装置１７０は、力センサ１５０の検出値から、鉗子１１０、モータ１２０及び伝達部材１３０に作用する重力による成分を差し引く処理を行い、これらの成分が差し引かれた値を、Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとみなして、上記数式（１）〜（６）を解く処理を行うことができる。
【０１３１】
以上、図９を参照して、第１の実施形態において力センサ１５０の配置位置が変更された変形例について説明した。なお、力センサ１５０の配置位置に関して、図１に示すシステム１のような構成とするか、図９に示すシステム３のような構成とするかは、アーム部１６０の構造や、アーム部１６０と鉗子１１０との接続部の構造等に応じて、より簡易に力センサ１５０を配設可能なように、適宜判断されてよい。
【０１３２】
（３−２．第２の実施形態の変形例）
図１０を参照して、第２の実施形態において第１の力センサ１５０の配置位置が変更された変形例について説明する。図１０は、第２の実施形態において第１の力センサ１５０の配置位置が変更された変形例に係るシステムの概略構成を示す図である。なお、本変形例に係るシステムは、図５を参照して説明した第２の実施形態に係るシステム２に対して、第１の力センサ１５０の配置位置が変更されたものに対応し、その他の部材の構成及び機能はシステム２と同様である。従って、以下の本変形例についての説明では、第２の実施形態と重複する事項についてはその詳細な説明を省略し、第２の実施形態との相違点について主に説明することとする。
【０１３３】
図１０を参照すると、本変形例に係るシステム４は、鉗子１１０と、モータ１２０と、伝達部材１３０と、トロッカー１４０と、第１の力センサ１５０と、第２の力センサ２８０と、情報処理装置２９０と、を備える。ここで、鉗子１１０、モータ１２０、伝達部材１３０、トロッカー１４０、第１の力センサ１５０、第２の力センサ２８０及び情報処理装置２９０の構成及び機能は、第２の実施形態におけるこれらの部材の構成及び機能と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【０１３４】
図１０に示すように、本変形例に係るシステム４では、第１の力センサ１５０が、モータ１２０よりも前段に設けられる。すなわち、第１の力センサ１５０が、アーム部１６０に直接取り付けられ、当該第１の力センサ１５０は、モータ１２０を介して鉗子１１０に接続されている。このような構成であっても、第２の実施形態と同様の方法によって、第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０の検出値に基づいて、第１の作用点及び第２の作用点における鉗子への作用力を計算することが可能である。
【０１３５】
ただし、上記（３−１．第１の実施形態の変形例）で説明したシステム３と同様に、本変形例においても、第１の力センサ１５０によって、鉗子１１０に作用する重力だけでなく、モータ１２０や伝達部材１３０に作用する重力が検出され得る。従って、本変形例では、情報処理装置２９０は、第１の力センサ１５０の検出値から、鉗子１１０、モータ１２０及び伝達部材１３０に作用する重力による成分を差し引く処理を行い、これらの成分が差し引かれた値を、Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｓｚ、Ｍｓｘ、Ｍｓｙ、Ｍｓｚとみなして、上記数式（１）〜（６）を解く処理を行う。
【０１３６】
以上、図１０を参照して、第２の実施形態において力センサ１５０の配置位置が変更された変形例について説明した。なお、力センサ１５０の配置位置に関して、図５に示すシステム２のような構成とするか、図１０に示すシステム４のような構成とするかは、アーム部１６０の構造や、アーム部１６０と鉗子１１０との接続部の構造等に応じて、より簡易に力センサ１５０を配設可能なように、適宜判断されてよい。
【０１３７】
（３−３．トルクセンサの代わりに６軸力覚センサが用いられる変形例）
上述した第２の実施形態では、第２の力センサ２８０としてトルクセンサを用い、当該トルクセンサの検出値に基づいて、第１の力センサ１５０の検出値から能動的な力による影響を除去する処理を行っていた。しかしながら、第２の実施形態はかかる例に限定されず、第２の力センサ２８０としては、他の種類の力センサ、例えば６軸力覚センサが用いられてもよい。第２の力センサ２８０として６軸力覚センサが用いられる場合であっても、同様に、能動的な力による影響を除去することが可能である。
【０１３８】
第２の力センサ２８０として６軸力覚センサが用いられる場合には、当該６軸力覚センサは、例えば、図１に示すモータ１２０に対して直接取り付けられる。当該構成によれば、第１の力センサ１５０によって検出される力及びモーメントには、第１の作用点における鉗子１１０への作用力による成分、第２の作用点における鉗子１１０への作用力による成分、鉗子１１０の自重に係る重力による成分、及びモータ１２０の駆動力による成分が含まれる。一方、６軸力覚センサである第２の力センサ２８０によって検出される鉗子１１０に作用する力及びモーメントには、モータ１２０の自重に係る重力による成分、及びモータ１２０の駆動力による成分が含まれる。
【０１３９】
鉗子１１０の質量及びモータ１２０の質量は既知であるため、上記の各成分のうち、鉗子１１０の自重に係る重力による成分及びモータ１２０の自重に係る重力による成分は、計算可能である。従って、本変形例によれば、第２の力センサ２８０の検出値に基づいてモータ１２０の駆動力による成分を算出し、算出された結果を、第１の力センサ１５０の検出値から差し引くことにより、能動的な力による影響が除去された、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点に作用する力を求めることが可能となる。
【０１４０】
なお、第２の力センサ２８０の検出値に含まれるモータ１２０の駆動力による成分は、モータ１２０に直接取り付けられた第２の力センサ２８０によって検出されるものであるのに対して、第１の力センサ１５０の検出値に含まれるモータ１２０の駆動力による成分は、伝達部材１３０を介して検出されるものであるため、両者の関係性は、鉗子１１０の位置及び姿勢に応じて変化し得る。従って、本変形例では、鉗子１１０の位置及び姿勢に応じた、第１の力センサ１５０の検出値及び第２の力センサ２８０の検出値の変化を予め学習し、学習した内容に基づいて、上記の能動的な力による影響を除去する処理が実行され得る。
【０１４１】
（４．ハードウェア構成）
次に、図１１を参照して、第１及び第２の実施形態に係るシステムのハードウェア構成について説明する。図１１は、第１及び第２の実施形態に係るシステムのハードウェア構成の一例を示す機能ブロック図である。なお、図１１に示すシステム９００は、例えば、図１、図５、図９及び図１０に示すシステム１、２、３、４を実現し得る。なお、図１１では図示を省略しているが、システム９００は、図１、図５、図９及び図１０に示す鉗子１１０、モータ１２０、伝達部材１３０、トロッカー１４０及びアーム部１６０に対応する構成を備えている。
【０１４２】
システム９００は、ＣＰＵ９０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）９０３及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）９０５を備える。また、システム９００は、ホストバス９０７、ブリッジ９０９、外部バス９１１、インターフェース９１３、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、通信装置９２５及びセンサ９３５を備えてもよい。システム９００は、ＣＰＵ９０１に代えて、又はこれとともに、ＤＳＰ若しくはＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）と呼ばれるような処理回路を有してもよい。
【０１４３】
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に記録された各種のプログラムに従って、システム９００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の実行において使用するプログラムや、その実行時のパラメータ等を一次記憶する。ＣＰＵ９０１は、例えば、上述した第１及び第２の実施形態における制御部１７２、２９２に対応する。
【０１４４】
ＣＰＵ９０１、ＲＯＭ９０３及びＲＡＭ９０５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。更に、ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バス等の外部バス９１１に接続されている。
【０１４５】
ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バス等の外部バス９１１に接続されている。
【０１４６】
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、スイッチ及びレバー等、ユーザによって操作される装置によって構成される。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装置（いわゆる、リモコン）であってもよいし、システム９００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。更に、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。システム９００のユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、システム９００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。第１及び第２の実施形態では、術者及びシステム９００の設計者等によって、入力装置９１５を介して、例えば、制約条件についての情報等、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力を計算するために用いられる各種の情報が入力される。
【０１４７】
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、システム９００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、システム９００が行った各種処理により得られた結果を、テキスト、イメージ、表、グラフ等、様々な形式で視覚的に表示する。第１及び第２の実施形態では、当該表示装置に、例えば、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力の計算結果が表示される。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聴覚的に出力する。
【０１４８】
ストレージ装置９１９は、システム９００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等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ及び外部から取得した各種のデータ等を格納する。ストレージ装置９１９は、例えば、上述した第１及び第２の実施形態における記憶部１７１、２９１に対応する。第１及び第２の実施形態では、ストレージ装置９１９に、例えば、制約条件についての情報等、鉗子１１０の第１の作用点及び／又は第２の作用点への作用力を計算するために用いられる各種の情報が格納される。
【０１４９】
ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、システム９００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に情報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、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）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、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。第１及び第２の実施形態では、例えば、制御部１７２、２９２によって処理される各種の情報や、記憶部１７１、２９１に記憶される各種の情報が、ドライブ９２１によってリムーバブル記録媒体９２７から読み出されたり、リムーバブル記録媒体９２７に書き込まれたりしてもよい。
【０１５０】
接続ポート９２３は、機器をシステム９００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ポート及び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、光オーディオ端子及び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、システム９００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。第１及び第２の実施形態では、例えば、制御部１７２、２９２によって処理される各種の情報や、記憶部１７１、２９１に記憶される各種の情報が、接続ポート９２３を介して外部接続機器９２９から取得されたり、外部接続機器９２９に出力されたりしてもよい。
【０１５１】
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に接続されるネットワーク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。第１及び第２の実施形態では、例えば、情報処理装置１７０、２９０と、支持アーム装置の駆動を制御する制御装置との間の通信が、通信装置９２５によってネットワーク９３１を介して実行されてよい。
【０１５２】
センサ９３５は、例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、地磁気センサ、光センサ、音センサ、測距センサ、力センサ等の各種のセンサである。センサ９３５は、例えば取り付けられた部材（例えば図１、図５、図９及び図１０に示す鉗子１１０等）の姿勢、移動速度、作用力等当該部材の状態に関する情報や、当該部材の周辺の明るさや騒音等、当該部材の周辺環境に関する情報を取得する。また、センサ９３５は、ＧＰＳ信号を受信して装置の緯度、経度及び高度を測定するＧＰＳセンサを含んでもよい。センサ９３５は、例えば、上述した第１及び第２の実施形態における第１の力センサ１５０及び第２の力センサ２８０に対応する。
【０１５３】
以上、本実施形態に係るシステム９００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。
【０１５４】
なお、上述のような本実施形態に係るシステム９００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、ＰＣ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、フラッシュメモリ等である。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されてもよい。
【０１５５】
（５．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。
【０１５６】
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、又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。
【０１５７】
例えば、上記実施形態では、鉗子１１０への作用力を計算したが、本技術はかかる例に限定されない。本技術では、作用力が計算される対象は鉗子１１０に限定されず、他のあらゆる棒状の部材への作用力を計算することが可能である。例えば、作用力が計算される対象は、鉗子１１０以外の他の術具であってもよい。また、当該棒状の部材は、医療分野において用いられる術具に限定されない。本技術は、他の技術分野における各種の棒状の部材に対しても適用可能である。
【０１５８】
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）棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算する作用力計算部、を備える、情報処理装置。
（２）前記作用力計算部は、前記第１の検出値と、前記第１の作用点への作用力と、前記第２の作用点への作用力と、の釣り合い式に基づいて、前記作用力を計算する、前記（１）に記載の情報処理装置。
（３）前記作用力計算部は、前記棒状部材の使用態様に応じた制約条件に基づいて、前記釣り合い式を簡略化することにより、前記作用力を計算する、前記（２）に記載の情報処理装置。
（４）前記第１の力センサは、互いに直交する３軸方向の力と、当該３軸周りのモーメントを検出する６軸力覚センサである、前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（５）前記第１の作用点は、前記棒状部材の前記他側の先端である、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（６）前記棒状部材は、内視鏡手術の際に患者の体腔内に挿入される鉗子である、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（７）前記第２の作用点は、前記患者の身体に設けられる開口部にトロッカー及び前記鉗子が挿入される際に前記トロッカーの外壁と前記開口部の縁部とが接触する位置における、前記トロッカーの内壁と前記鉗子との接触部位である、前記（６）に記載の情報処理装置。
（８）前記棒状部材を動作させるモータの駆動軸のトルクを検出する第２の力センサ、を更に備え、前記作用力計算部は、前記第２の力センサによる第２の検出値に基づいて、前記モータの駆動力の影響を除去して、前記作用力を計算する、前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（９）前記第２の検出値に基づいて、前記モータの駆動力に応じて前記棒状部材に加えられる力及びモーメントを計算し、当該計算された力及びモーメントを前記第１の検出値から差し引く能動的作用力除去部、を更に備え、前記作用力計算部は、前記モータの駆動力に応じて前記棒状部材に加えられる力及びモーメントが差し引かれた前記第１の検出値に基づいて、前記作用力を計算する、前記（８）に記載の情報処理装置。
（１０）前記棒状部材は、コントローラを介して術者によって遠隔操作されるマスタースレーブ方式の支持アーム装置のアーム部に取り付けられ、前記支持アーム装置の制御装置は、前記作用力計算部によって計算された前記第１の作用点への作用力を、前記コントローラを介して前記術者にフィードバックする、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（１１）前記棒状部材は、支持アーム装置のアーム部に取り付けられ、前記支持アーム装置の制御装置は、前記作用力計算部によって計算された前記第１の作用点への作用力に基づいて、前記アーム部の駆動を制御する、前記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（１２）前記作用力計算部は、前記制御装置が保持している前記アーム部及び前記棒状部材の位置及び姿勢についての情報に基づいて、前記棒状部材の自重の影響を除去して、前記作用力を計算する、前記（１１）に記載の情報処理装置。
（１３）前記作用力計算部は、前記棒状部材の自重に応じて前記棒状部材に加えられる力及びモーメントを計算し、当該計算された力及びモーメントを前記第１の検出値から差し引くことにより、前記棒状部材の自重の影響を除去する、前記（１２）に記載の情報処理装置。
（１４）前記棒状部材の長さは可変であり、前記作用力計算部は、前記棒状部材の長さの変化に応じて、前記第１の検出値と、前記第１の作用点への作用力と、前記第２の作用点への作用力と、の釣り合い式を計算し直すことにより、前記作用力を計算する、前記（１）〜（１３）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（１５）前記棒状部材は、少なくとも１つの関節部を有し、当該関節部によって位置及び姿勢を変化可能に構成され、前記作用力計算部は、前記関節部による前記棒状部材の位置及び姿勢の変化に応じて、前記第１の検出値と、前記第１の作用点への作用力と、前記第２の作用点への作用力と、の釣り合い式を計算し直すことにより、前記作用力を計算する、前記（１）〜（１４）のいずれか１項に記載の情報処理装置。
（１６）プロセッサが、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算すること、を含む、情報処理方法。
（１７）コンピュータのプロセッサに、棒状部材の一側に設けられる第１の力センサによる第１の検出値に基づいて、前記棒状部材の他側の互いに異なる第１の作用点及び第２の作用点への作用力の少なくともいずれかを計算する機能、を実現させるためのプログラム。
【符号の説明】
【０１５９】
１、２、３、４    システム
１１０    鉗子
１２０    モータ
１３０    伝達部材
１３１、１３２    ギア
１３３    ワイヤ
１４０    トロッカー
１５０    力センサ（第１の力センサ）
１６０    アーム部
１７０、２９０    情報処理装置
１７１、２９１    記憶部
１７２、２９２    制御部
１７３、２９４    作用力計算部
２８０    第２の力センサ
２９３    能動的作用力除去部
【図１】
2016056339.tif 000015
【図２】
2016056339.tif 000016
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016056339.tif 000024
【図１１】
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【国際調査報告】
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2016056339.tif 000027
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