(57)【要約】【課題】  ジョイスティックのような操作子や、マスタ・スレーブシステムにおいて制御精度が高いマスタ操作子として使用できる小型のコントローラを提供する。【解決手段】  ステージ１１と、操作子１２と、ワイヤ駆動装置１３と、操作子支持機構１４と、ステージ移動装置１５とを備え、ワイヤ駆動装置は、ワイヤの繰り出し長さにより操作子のステージ上の位置を特定するとともに、ワイヤを介して操作子の上端に引っ張り力を与え、ステージ移動装置は、操作子が操作子支持機構を介してステージに力を与えたときは所定量だけ前記ステージを移動させる、【選択図】  図１
2008136863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台上を当該基台面に沿って移動するステージと、
人の手により把持される操作子と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からワイヤを繰り出し、当該ワイヤを前記操作子の上端にそれぞれ接続し引張駆動するワイヤ駆動装置と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からリンクを有するアームが立ち上げられ、各アームの先端が前記操作子の下端を支持し、当該下端を前記ステージの中央の鉛直軸上に拘束する操作子支持機構と、
前記ステージと前記基台との間に設けられ前記ステージを前記基台に対して移動させるステージ移動装置とを備え、
前記ワイヤ駆動装置は、前記ワイヤの繰り出し長さにより前記操作子の前記ステージ上の位置を特定するとともに、前記ワイヤを介して前記操作子の上端に引張り力を与え、
前記ステージ移動装置は、前記操作子が前記操作子支持機構を介して前記ステージに力を与えたときは所定量だけ前記ステージを移動させる、
ことを特徴とするコントローラ。
【請求項２】
基台上に設けられた移動しないステージと、
人の手により把持される操作子と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からワイヤを繰り出し、当該ワイヤを前記操作子の上端にそれぞれ接続し引張駆動するワイヤ駆動装置と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からリンクを有するアームが立ち上げられ、各アームの先端が前記操作子の下端を支持し、当該下端を前記ステージの中央の鉛直軸上に拘束する操作子支持機構と、
前記ステージと前記基台との間に設けられ前記ステージの前記基台面に平行な力を検出する水平力検出装置とを備え、
前記ワイヤ駆動装置は、前記ワイヤの繰り出し長さにより前記操作子の前記ステージ上の位置を特定するとともに、前記ワイヤを介して前記操作子の上端に引張り力を与え、
前記水平力検出装置は前記操作子が前記操作子支持機構を介して前記ステージに力を与えたときは当該力を距離の大きさに変換した信号を発生する、
ことを特徴とするコントローラ。
【請求項３】
基台上に設けられた移動しないステージと、
人の手により把持される操作子と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からワイヤを繰り出し、当該ワイヤを前記操作子の上端点で一点に束ねて接続し引張駆動するワイヤ駆動装置と、前記ステージの周囲の３以上の箇所から３自由度のリンク機構を有するアームが立ち上げられ、各アームの先端が前記操作子の下端を支持するように構成された操作子支持機構と、前記ステージと前記基台との間に設けられ前記ステージの前記基台面に平行な力を検出する水平力検出装置とを備え、
前記水平力検出装置は前記操作子が前記操作子支持機構を介して前記ステージに力を与えたときは当該力を距離の大きさに変換した信号を発生し、
操作者が前記操作子を空間内で垂直に移動し、呈示力を感じ、前記水平力検出装置より信号が発生した位置で、前記垂直延長上に任意の座標点を設定し、前記操作子を傾け操作したとき、検出器が前記ワイヤの繰り出し長さより、前記操作子上端点の座標を検出し、
前記操作子上端点の座標と前記垂直延長上の任意の座標点を結ぶ線上に、前記操作子下端点が重なるように、その位置を算出する演算器を有し、その演算結果より、前記リンク機構が各アームの移動量を制御し前記操作子下端点を前記線上の位置まで移動させ、前記操作子の傾け角信号を発生する、
ことを特徴とするコントローラ。
【請求項４】
さらに、前記ステージ上の少なくとも１箇所からワイヤを繰り出して、当該ワイヤを前記操作子の下端点に接続して引張駆動するワイヤ駆動装置を備えた、請求項３に記載のコントローラ。
【請求項５】
マスタ・スレーブシステムのマスタ操作子として使用されるコントローラであって、
軸部と、軸受け部と、回転検出装置とを有し、前記回転検出装置は、前記軸部または前記軸受け部が回転したときに前記回転の回転角を検出して、通信ネットワークを介して回転角情報をスレーブに送信することを特徴とする請求項１から４に記載のコントローラ。
【請求項６】
生体の超音波診断に用いられることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョイスティックのような操作子や、マスタ・スレーブシステムにおいて制御精度が高いマスタ操作子として使用できる小型のコントローラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医者と患者とが離れた状態でも診断が行えるように、通信ネットワークを介して診断を行う方法や装置が種々提案されている（特許文献１参照）。
一方、最近では、臓器を立体的にとらえ、より精密な診断を行なう超音波診断法が行われている。しかし、このような最新医療技術を駆使するためには、熟練が必要であり、熟練の医師による電話等の指示を受けただけでは同様の診断をすることは難しい。マウスやジョイスティックを操作子として用いたマスタも提案されているが、マウスやジョイスティックからなるマスタ操作子は、実際の探触子とは操作方法が異なり、思い通りに操作するためには、豊富な熟練が必要であり、また鉛直方向の可動範囲が制限されており、三次元的な操作を行うことができない。
【０００３】
ところで、医師が普段行っている超音波診断時と同じ方法を用いて遠隔診断を行うべく、略三角柱型フレームの各頂点部分からワイヤを伸ばし、マスタ操作子の上端及び下端にそれぞれ３本のワイヤを接続して遠隔診断を行う技術が提案されている。このマスタ操作子を用いた遠隔診断システムでは、医師が前記マスタ操作子を操作することにより、マスタがワイヤ張力の制御及びワイヤ長の計算を行う。そして、マスタ操作子の位置情報を検出し、マスタがスレーブに前記マスタ操作子の位置情報を通信ネットワークを介して送信し、スレーブ操作子が従動するように制御されている。
【０００４】
本発明者は、この三角柱フレームを用いた診断技術を、最近開発された超音波診断における立体映像診断に適用させるべく、探触子であるスレーブ操作子の回転を遠隔診断システムに取り入れた遠隔診断の提案を行っている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−９３３８１号公報
【特許文献２】特願２００５−２６７７１８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献２では、構造上アクチュエータと操作子の相対的位置が固定されないため、可動範囲を広く取るためには長い可動ワイヤ長が必要で、実用的な最大傾け角が・４０（ｄｅｇ）程度に制限され、エコー検査で要求される角度として不足する場合がある。また、特許文献２の遠隔診断システムでは、マスタ操作子が三角柱フレームの中心からずれると、制御精度が低下する場合がある。また、さらに、装置の角度情報を、２つの点（上下端の点）の位置情報から算出していたため、最大で約２０（％）の誤差が生じ、精度の点からも不十分なことがある。
本発明の目的は、マスタ・スレーブシステムにおいて制御精度が高いマスタ操作子として使用できる小型のコントローラを提供することにある。
具体的に、エコー検査に際しては、ワイヤ駆動装置（アクチュエータ）と操作子の相対的位置をできるだけ固定に近い状態にしておき、ワイヤ駆動機構と操作子支持機構（リンク機構）を組み合わせることで、ブロープ押し込み量と傾け角を高精細に再現することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明のコントローラは、
基台上を当該基台面に沿って移動するステージと、
人の手により把持される操作子と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からワイヤを繰り出し、当該ワイヤを前記操作子の上端にそれぞれ接続し引張駆動するワイヤ駆動装置と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からリンクを有するアームが立ち上げられ、各アームの先端が前記操作子の下端を支持し、当該下端を前記ステージの中央の鉛直軸上に拘束する操作子支持機構と、
前記ステージと前記基台との間に設けられ前記ステージを前記基台に対して移動させるステージ移動装置とを備え、
前記ワイヤ駆動装置は、前記ワイヤの繰り出し長さにより前記操作子の前記ステージ上の位置を特定するとともに、前記ワイヤを介して前記操作子の上端に引張り力を与え、
前記ステージ移動装置は、前記操作子が前記操作子支持機構を介して前記ステージに力を与えたときは所定量だけ前記ステージを移動させる、
ことを特徴とする。
【０００７】
（２）また、本発明のコントローラは、
基台上に設けられた移動しないステージと、
人の手により把持される操作子と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からワイヤを繰り出し、当該ワイヤを前記操作子の上端にそれぞれ接続し引張駆動するワイヤ駆動装置と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からリンクを有するアームが立ち上げられ、各アームの先端が前記操作子の下端を支持し、当該下端を前記ステージの中央の鉛直軸上に拘束する操作子支持機構と、
前記ステージと前記基台との間に設けられ前記ステージの前記基台面に平行な力を検出する水平力検出装置とを備え、
前記ワイヤ駆動装置は、前記ワイヤの繰り出し長さにより前記操作子の前記ステージ上の位置を特定するとともに、前記ワイヤを介して前記操作子の上端に引張り力を与え、
前記水平力検出装置は前記操作子が前記操作子支持機構を介して前記ステージに力を与えたときは当該力を距離の大きさに変換した信号を発生する、
ことをも特徴とする。
【０００８】
（３）さらに、本発明のコントローラは、
基台上に設けられた移動しないステージと、
人の手により把持される操作子と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所からワイヤを繰り出し、当該ワイヤを前記操作子の上端点で一点に束ねて接続し引張駆動するワイヤ駆動装置と、
前記ステージの周囲の３以上の箇所から３自由度のリンク機構を有するアームが立ち上げられ、各アームの先端が前記操作子の下端を支持するように構成された操作子支持機構と、
前記ステージと前記基台との間に設けられ前記ステージの前記基台面に平行な力を検出する水平力検出装置とを備え、
前記水平力検出装置は前記操作子が前記操作子支持機構を介して前記ステージに力を与えたときは当該力を距離の大きさに変換した信号を発生し、
操作者が前記操作子を空間内で垂直に移動し、呈示力を感じ、前記水平力検出装置より信号が発生した位置で、前記垂直延長上に任意の座標点を設定し、前記操作子を傾け操作したとき、検出器が前記ワイヤの繰り出し長さより、前記操作子上端点の座標を検出し、前記操作子上端点の座標と前記垂直延長上の任意の座標点を結ぶ線上に、前記操作子下端点が重なるように、その位置を算出する演算器を有し、その演算結果より、前記リンク機構が各アームの移動量を制御し前記操作子下端点を前記線上の位置まで移動させ、前記操作子の傾け角信号を発生する、
ことを特徴とする。
【０００９】
（４）さらには、前記ステージの少なくとも１箇所からワイヤを繰り出して、当該ワイヤを前記操作子の下端点に接続して引張駆動するワイヤ駆動装置を備えた、（３）に記載のコントローラ。
【００１０】
本発明のコントローラは、マスタ・スレーブシステムのマスタ操作子として使用する場合には、軸部と、軸受け部と、回転検出装置とを有し、前記回転検出装置は、前記軸部または前記軸受け部が回転したときに前記回転の回転角を検出して、通信ネットワークを介して回転角情報をスレーブに送信するように構成できる。
また、本発明のコントローラは、生体の超音波診断に用いることができる。
【００１１】
本発明のコントローラは、上述したようにマスタ・スレーブシステムのマスタ操作子として使用する場合、スレーブは実際の超音波診断機構を有していてもよいし、コンピュータ内の仮想の超音波診断機構であってよい。
マスタ・スレーブシステムにおいて、スレーブが実際の超音波診断機構を有している場合には、実際の操作感覚がスレーブ操作子からマスタ操作子に伝えられる。すなわち、スレーブは、応力検出装置を有し、この応力検出装置は、スレーブ操作子を回転させた際に、スレーブ操作子が受けた応力を検出し、通信ネットワークを介して応力情報をマスタに送信し、マスタは、応力情報に基づいて、マスタ操作子の軸部または軸受け部の回転に対して応力を付与する。
【００１２】
マスタ・スレーブシステムにおいて、スレーブがコンピュータ内の仮想の超音波診断機構である場合には、コンピュータにより作られた操作感覚がマスタ操作子に伝えられる。すなわち、スレーブは、訓練用プログラムにより構成される仮想スレーブとすることができる。
【００１３】
なお、前記回転検出装置は、回転角度と回転速度と回転加速度とを検出し、回転角度情報と回転速度情報と回転加速度情報とを通信ネットワークを介してスレーブに送信し、スレーブは、回転角度情報と回転速度情報と回転加速度情報とに基づいて、スレーブ操作子を軸回転させるようにできる。回転検出装置は、たとえばロータリーエンコーダである。
【００１４】
本発明のコントローラは、典型的には超音波診断に限らず、熟練した手作業の技術を習得する場合、たとえば、歯科技工技術、精密機械の修理等の取り扱い技術、書道の習得等に有効である。
本発明におけるコントローラの形状は、典型的にはスティック状であるが、人が把持できるものであれば形状に限定はされない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、操作子の下端は常にステージ中央の鉛直軸上に、リンクを有する複数のアームによって支持されているので、下端がワイヤの場合に比べて安定した操作を行うことができる。また、ステージが基台に対して移動する（ｘｙ移動する）ので、従来のように、「特定のワイヤの長さが他のワイヤに比べて極端に長くなり、結果として制御精度が低下する」といった不都合は生じない。又、リンク機構を設置することで精細な操作子のピボット動作の操作も行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明のコントローラの一実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
図１（Ａ）において、コントローラ１Ａは、ステージ１１と、操作子１２と、ワイヤ駆動装置１３と、操作子支持機構１４と、ステージ移動装置１５（図１（Ａ）には現れていない）とを備えている。ステージ１１は、基台１６上を当該基台１６面に沿って移動する。
【００１７】
操作子１２は、人の手により把持されるもので、たとえば、図２に示すように、操作子本体１２１内に軸部１２２と軸受け部１２３とを有して構成されている。
軸受け部１２３は、操作子本体１２１に固定されており、軸受け部１２３内に図示しない回転検出装置が設けられており、回転検出装置は、軸部が回転した角度（回転角）や回転速度、回転加速度等を検出する。回転検出装置としては、ロータリーエンコーダや可変応力器などを用いることができる。たとえば、コントローラ１Ａがマスタ・スレーブ装置のマスタである場合には、操作子１２を扱う者は、軸部１２２を回転させることによって、図示しないスレーブの操作子の回転を制御することができる。これによって、たとえば肋骨の間からも臓器の超音波診断を行うことができる。
【００１８】
ワイヤ駆動装置１３は、ステージ１１の周囲の３以上（３箇所、４箇所等）の箇所１３２からワイヤＷを繰り出し、ワイヤＷをフレーム１３３のローラー１３１を介して操作子１２の上端にそれぞれ接続し引張駆動する。ワイヤ駆動装置１３は、ワイヤＷの繰り出し長さにより操作子１２のステージ１１上の位置を特定する。すなわち、コントローラ１Ａの下端Ｐd位置が固定されているので、コントローラ１Ａの位置、姿勢を各ワイヤ長上ｆ（ｆ＝ｌ，２，３）から求めることができ、操作子上端座標、Ｐｕ（ｘｕ，ｙｕ，ｚｕ）が求まる。
これとともに、ワイヤＷを介して操作子１２の上端に引張り力を与える。ワイヤ駆動装置１３で引っ張り力を調整することで、スレーブの操作子（探触子）が患者に当たるｚ方向の反力と、ｘ，ｙ方向のモーメントを操作子１２に与えることができる。
【００１９】
操作子支持機構１４は、ステージ１１の周囲の３以上の箇所（３箇所、４箇所等）からリンクを有するアームが立ち上げられることにより構成される。ここで、各アームの先端に設けられた支持部１７が操作子１２の下端を支持し、この下端をステージ１１の中央の鉛直軸（ｚ軸）上に拘束する。支持部１７では、操作子１２をボールジョイントで固定することにより当該操作子１２を小さな力で自在に傾けられるようにした。
すなわち、操作子１２の下端Ｐｄにはアーム（２自由度リンクを持つ屈曲アーム）先端の支持部１７に集約されている。ここで３つの操作子支持機構１４のアームは各動作平面がそれぞれ鉛直面であり、かつこれらの鉛直面はｚ軸で交差するので、操作子１２の下端Ｐｄの動作はｚ軸上に固定される。
【００２０】
ステージ移動装置１５は、ステージ１１と基台１６との間に設けられステージ１１を基台１６に対して移動させる。ステージ移動装置１５は、操作子１２が操作子支持機構１４を介してステージ１１に力を与えたときは所定量だけステージ１１を移動させることができる。
【００２１】
本実施形態では、必要な可動ワイヤ長を大幅に短くできるので、大きな傾け角を実現できる。また、操作子１２の上端の座標から下端の座標を計算により算出ができるので、操作子１２の位置、角度の検出精度が工場する。
本実施形態では、上述したようにステージ移動装置１５によりｘｙ軸上にステージ１１を移動することで、コントローラ１Ａ全体を小さくすることができる。
【００２２】
図３は本発明の他の実施形態を示す説明図であり、（Ａ−１）（Ｂ−１）は操作子１２がステージ１１の中心にある場合を示し、（Ａ−２）（Ｂ−２）は。ステージ１１に対し操作子１２から力が加えられた結果ステージ１１が移動した様子を示す図である。
図４のコントローラ１Ｂは、基台１６上に設けられたステージ１１が移動機構を持っていない点で、図１のコントローラ１Ａとは異なる。ただし、図４（Ａ），（Ｂ）では、移動機構に変えて、ステージ１１と基台１６との間に設けられステージ１１の基台１６面に平行な力を検出する水平力検出装置１８が備えられており、操作子１２が操作子支持機構１４を介してステージ１１に力を与えたときは当該力を距離の大きさに変換した信号を発生し、制御コンピュータ等に出力する。
以下、本発明の作用を詳細に説明する。下端Ｐdの座標を（０，０，Ｚd）とすると、操作子１２の長さＬが不変であるため（１）式を解くことでｚdが算出される．ただしｚ≧０、ｚu≧ｚdという条件が必要である。
【００２３】
ｘu2＋ｙu2＋（ｚu−ｚd）2＝Ｌ2      （１）
図５において、ワイヤの張力ベクトルα［α1，α2，α3］Tと操作子下端部にかかるリンク等の重力ｇを定義し、下端Ｐdに３自由度の力およびモーメントｆd＝［ｆzd，ｍxd，ｍyd］を発生させる。張力ベクトルαとの関係はｆd＝Ｗaで表され、Ｗは（２）式で表されるように、ワイヤベクトルｗi（ｉ＝１〜３）を成分に持つ行列とする．またｗiは（３）式で表される行列で、ｐWiはワイヤ方向の単位ベクトル、ｒuは呈示点Ｐdから操作子の上端点への単位ベクトルである．ＰWi・ｒuはモーメント方向の単位ベクトルとなる。
式（３）は６行列となるが、１、２、６行目の成分がゼロとなるため、ｗiの３〜５行目の成分を要素に持つ３次元ベクトルをｗiと定義した。
【００２４】
Ｗ＝［ｗ1  ｗ2  ｗ3］              （２）
【数１】
2008136863.tif 000003
本装置の可動範囲を決定付けるものとして、ワイヤ駆動機構ではワイヤ張力がすべて正となり、任意の方向に力を発生することが必要である。
つまり、操作子を持つ手にかかる力が以下のＦｏｒｃｅ  Ｃｌｏｓｕｒｅ条件を満足することにより操作者に反力を感じさせる。
【００２５】
条件を以下に示す。
＜ｌ＞  ワイヤｎ本中、どのｎ−１本のワイヤベクトルも線形独立
＜２＞  ΣαiＷi＝０  （αi＞０  ｆｏｒ  ａｎｙｉ）
上記の条件を用いるとｘｙ平面上では正三角形に配置したとき最も広い可動範囲を取ることができる。
一方、ワイヤ長は、本装置ではポテンショメータの回転角をワイヤの巻き取り長さに変換して求めているが、ポテンシヨメータの回転角の制限により、装置全体が取りうる大きさに限界があり、これらの大きさとの関連を明確にする必要がある．ワイヤ長はアクチュエータ間距離αとフレームの高さｈ及び操作子長Ｌによって変化するため、それらの比をパラメータとし、Ｚ方向の可動範囲に対する傾け角の最大値を検討した。
【００２６】
図６にα＝１、Ｌ＝０．１５と固定し、ｈ＝１、０．５、０．６７、１．５、２と変えたときの可動範周との関係を比較した結果を示す。
ただし、横軸はα＝１に対するｚ軸可動範囲で、無次元である。ｚ方向の可動範囲と傾け角度の最大値はトレードオフの関係にある。また、ａ：ｈの比によっても特性は大きく変化し、本実施形態では、ａ：ｈ＝１：０．６７の場合が両特性を最大限に生かせることがわかる。
【００２７】
通常のエコー検査時に必要である・８０ｄｅｇ程度の傾け角（操作子１Ａを鉛直方向の姿勢から、ほぼ水平方向に倒すことができる程度の傾け角）を実現でき、Ｚ軸方向に２００ｍｍ程度動かせることを条件に、図６のグラフよりフレームのサイズを求めたところ、操作子長６０ｍｍ、フレームの高さが３００ｍｍ、最大外形寸法が、４９５・５４０・５１５ｍｍとなった。
【００２８】
本装置のフレームの下面の中心を原点とし、ピッチ角（ｘ軸回り回転角）、ヨ一角（ｙ軸回り回転角）を０［ｄｅｇ］としたときの点Ｐuのｚ軸方向の位置精度の測定を行った。以前の装置と比較した結果を図７に示す。またＰdを（０，０，１４０）に固定したときのヨ一角の角度精度の結果の比較を同様に図８に示す。図８から線形性が示され、特性が改善されていることが分かる。
【００２９】
１００＜ｚ＜２００［ｍｍ］の範囲における位置ずれの最大誤差は、１７［％］から９［％］に改善された．図８からヨ一角についても線形性が改善され、・８０［ｄｅｇ］の範囲で回転させることができ、角度の最大のずれは、２０［％］から１０［％］に改善された。これらの結果から装置の変更により位置、角度ともに精大幅に向上したことが言える。
【００３０】
操作子のピボット動作に限定した操作を行う場合、呈示力を発生させ角度の微調整を可能とする必要がある。本発明者等はコントローラ１Ａおよび１Ｂのワイヤ駆動装置１３に加えて、操作子下端を制御するため図９，１Ｃに示した様なリンク機構を組合せ、操作子の下端点Ｐｄがボールジョイントを介して正三角形プレートの重心点に配置され、操作子支持機構の正三角形の３つの先端に、２自由度リンクを持つ屈曲アームが接続しそのアーム屈曲部と、アームのステージ接続部は制御装置１３５により、ｘ-ｙの2軸制御とｚ軸回転からなる３自由度リンク機構を設置し、操作子上端位置Ｐｕは、前記３本のワイヤによる、ワイヤ繰り出し長さより求め、操作子下端位置Ｐｄはアーム屈曲角度からその座標位置を算出すると共にその角度を制御することにより操作子の動きを制御できるようにした。このような構成にすることで、コントローラ１Ａ，１Ｂで限定された並進運動に回転運動を追加することができ、操作子のピボット動作の操作をすることが可能となる。
【００３１】
操作子に数Nの大きな力を発生する場合には、前記した操作子上部の3本のワイヤでは操作子のバランスが取りづらいケースが考えられ、そのようなケースに対処するため、本発明者等は前記リンク機構に加え、図１０，１Ｄに示したように、図９、１Ｃのステージにワイヤ駆動装置１３４を少なくとも１個配置し、操作子下端とステージ下部のワイヤ駆動装置１３４を結ぶワイヤを増やし、４本以上のワイヤ駆動機構で張力を制御し、リンク機構でＰｄ点の位置を制御することにより、コントロラ１Ａ，１Ｂではアーム動作が鉛直面、Ｐｄの動きがｚ軸上に固定されていたのを、コントローラ１Ｃ、１Ｄではｚ軸の水平移動を可能とし、平面方向（ｘ−ｙ）の傾け角を測定できるようになった。
【００３２】
エコー検査は図４Ｃに示したように、ベッドに横たわった患者の体表面にプローブを当て体表面のほとんどを対象にエコー検査することが可能であるが、ベッドに横たわった患者を想定した場合、水平方向の動作には限界がある。シミュレーション装置を机上に設置する場合、底面積をできるだけ小さくするため、ステージと基台の間に水平力検出装置を設置し、水平移動した場合、水平方向のひずみを検出し、その大きさを移動量に変換する。つまり、操作者が操作子を握って水平方向に動かした力は３本のアームにそれぞれに付加された力の方向より計算し、その移動量の操作者に対する呈示は、ジョイスティックを用いたゲーム等で使われるようにコンピューターグラフィックス（ＣＧ）で描画する方法によりその感覚を補うことが可能となる。
【００３３】
この場合図１１の１Ｃ，１Ｄの、操作子の上端点Ｐｕと接続された３本のワイヤの張力ベクトルをα１、α２、α３、下端点Ｐｄと接続された、リンク機構およびワイヤの張力ベクトルをα4とし、それらをまとめたワイヤ張力ベクトルα＝[α1、α2、α3、α4]Tと定義する。
操作子の下部に仮想物体の体表面が存在するとして、力の呈示点である操作子下端点Ｐｄにｚ軸方向の力及び、ｘ、ｙ方向のモーメントｆ＝[ｆzｆmxｆmy]Tを発生させる。自由度ｎを上回る引張張力がある場合の張力計算法である、Force Closure条件により、ｎ＋１本のワイヤはどのｎ本を取ってもそのワイヤベクトルｗiは線形独立である。よって任意に３本のワイヤを選ぶと、その呈示力ｆはｆ＝Ｗαで表される。ｗiは（３）式、ｗ4は（４)式で表される行列で、Ｐwiはワイヤ方向の単位ベクトルｒu、ｒdは呈示点Ｐｄから操作子上下端点への単位ベクトルである。Ｐwi×ｒu、Ｐwi×ｒdはモーメント方向の単位ベクトルとなる。各ワイヤ駆動機構の位置は固定されているため、操作子上端座標Ｐｕは上部３本のワイヤ長Ｌi（i=1,2,3）から求めるが、下端点の座標ＰｄはＰｕの位置と仮想物体への接触状態によってその位置の3本のアームにより制御する。
【００３４】
【数２】
2008136863.tif 000004
【００３５】
操作子の鉛直（ｚ軸）方向の平行移動と水平（x-y平面）方向の傾け角を再現する通常モードでは、操作子の傾け角はシミュレーション対象であるプローブの傾け角に一致する。水平方向の平行移動はステージの基台面に平行な力を検出する水平検出装置によりステージに加えられた力を距離に換算した出力より換算し、操作子の下端点Ｐｄのｚ座標に対するアーム機構の制御では、通常モードの概念を図１２（ａ）に示す。仮想物体が存在するｚ軸上の点をＯとすると、操作子が仮想物体に接触しない状態ではＰｄは常にｚ軸上を動くようにアームの屈曲部を制御する。操作子を下げて下端点が仮想物体に接触するとワイヤ張力により操作子の力及びモーメントを呈示する．この様子を図１２（ｂ）に示す。ここでＰｕの位置に対するＰｄの位置が常に（５）式を満たすように、アーム機構を制御する。ここで操作子の長さＬはＰｕとＰｄ間の距離である。
【００３６】
【数３】
2008136863.tif 000005
【００３７】
エコー検査では、通常、体表面から１５〜２０ｃｍほどの深さまで観察することができる。つまり体表面のプローブの傾け角をほんのわずか変化させただけで、得られる断層像が大きく変化する。高精細モードとは、図９または図１０の装置を用いて傾け角を微妙に調整できる機能のことである。高性能モードの概念を図１３に示す。ここではプローブが体表面に接触した後、つまり力覚呈示がある状態を前提とする。操作子軸のＰｄ方向の延長線上の任意の点を仮想ピボット点とし、その座標をＯ'(ｘ0、ｙ0、ｚ0)とする。操作子を動かした時、Ｐｕの変化に対してＰｄの座標が常に式（６）を満たすようにリンク機構を制御することにより、操作子はＯ'をピボット点として傾け角度を再現できる。通常モードに比べて、Ｐｕの位置変化に対して傾け精度が向上することになる。またこのモードは、操作者はＰｕ−Ｏ'に相当する長い操作子の上部を持ち、点Ｏ'を原点としたピボット動作を行うことと同じであり、操作子のスケール自体は変わってしまうことになるが、操作者への呈示はコンピューターグラフィックスで行うため操作性は問題ない。
【００３８】
【数４】
2008136863.tif 000006
【００３９】
図１４は図９の装置を使用し、操作子下端点Ｐｄと仮想ピボット点Ｏ'の長さを変化させたときのピボット動作の軌跡のシミュレーションを行った結果をプロットしたものである。
操作子下端点Ｐｄの初期位置を（0,0,40）とし、仮想ピボット点Ｏ'のｚ軸座標をー６０≦ｚ0≦４０に設定し、操作子をｙ軸周りにピボット動作させたとき、Ｐｄがたどる軌跡をプロットした図より分かるようにＰｄの位置変化に対する操作子の傾け角度は、Ｐｄ−Ｏ'間距離を長く設定するほど傾け角の精度が向上することを示している。
【００４０】
操作子の下端点Ｐｄをｚ＝２００ｍｍ平面で固定し、本装置の水平方向の実際の可動範囲を測定した。高精細モードと通常モードで操作子が仮想物体にふれていない場合の結果を図１４に示す。操作子位置の測定には３次元位置センサmicroBIRDを用いた、図１５より、通常モードでは５ｍｍ程度の位置ずれを生じたが、点Ｐｄをｚ軸上に拘束することができた、また、高精細モードではほぼ一辺が約６ｃｍの略正三角形で示した範囲を網羅しており、図１４で検証したシミュレーション範囲を十分満たしている。
【００４１】
高精細モードにおいて、ｚ軸方向に閾値を設け、ｚ方向の呈示力ｆｚを０〜１．５ｋｇまで１００ｇｆごとに指定し、実際の呈示力を計測した。その結果を図１６に示す。操作者が力を呈示していることが認識できた最小の値である３００ｇｆから１．５までのデータ実実測値と計測された力の指定値とのずれは７００ｇｆのとき７０ｇｆであり１０％であった。この誤差は対象物体を押し込んで１０００ｇｆ前後の力呈示を行う際には問題にはならない範囲である。
【００４２】
本発明のコントローラをマスタとして使用するマスタ・スレーブシステムにけるスレーブの例を図１７および図１８に示す。スレーブは、スレーブ操作子である超音波探触子と、スレーブ操作子をマスタ操作子に従動させるための装置と、コンピュータと、通信回路とを有している。この装置としては、スレーブ操作子を前記マスタ操作子に従動させることができれば特に限定されないが、例えば、図１７および図１８に示すようなジンバル機構３１とパンタグラフ機構３２とスライド機構３３とを有して構成することができる。
【００４３】
ジンバル機構３１は、スレーブ操作子３４をＸ軸方向及びＹ軸方向に傾けるための機構である。ジンバル機構は、外部リング３１１と中間リング３１２と内部リング３１３とからなる。
外部リング３１１は、パンタグラフ機構３２に接続されている。中間リング３１２は、外部リング３１１に対してＹ軸方向に傾くことができ、スレーブ操作子３４をＹ軸方向に傾けることができる。内部リング３１３は、中間リング３１２に対してＸ軸方向に傾くことができ、スレーブ操作子３４をＸ軸方向に傾けることができる。
【００４４】
パンタグラフ機構３２は、スレーブ操作子３４とジンバル機構３１とをＸ軸方向及びＺ軸方向に移動させるための機構である。パンタグラフ機構３２は、２本のアーム３２１からなり、スレーブ操作子３４とジンバル機構３１とを支えている。
スライド機構３３は、スレーブ操作子３４とジンバル機構３１とパンタグラフ機構３２とをＹ軸方向に移動させるための機構である。スライド機構３３は、パンタグラフ機構３２の各アーム３２１をレール３３１に沿って移動させる。レール３３１は、患者の両脇に配置されるのが好ましい。
【００４５】
スレーブ操作子３４の回転は、ジンバル機構３１とパンタグラフ機構３２とスライド機構３３とを用いて、図１８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の順に行われる。
外部リング３１１の両端に接続している２本のアーム３２１が、スライド機構３３により、各々反対側にスライドされ、２本のアーム３２１が双方とも伸びることにより、スレーブ操作子３４が、ジンバル機構３１とともに回転する。
スレーブ操作子３４の中心を通るＸ軸と、２本のアーム３２１の先端を結んだ線とのなす角度が、回転角となる。また、スレーブ操作子３４を回転させた状態でも、ジンバル機構３１、パンタグラフ機構３２及びスライド機構３３を作動させることができる。
【００４６】
スレーブ及び前記スレーブ操作子は、訓練用プログラムにより構成された仮想スレーブ及び仮想スレーブ操作子であってもよい。
この場合、訓練用プログラムには、仮想の患者等のデータがセットされており、訓練者の操作に応じて、超音波診断の映像等の得られる情報を、ディスプレイに表示することが好ましい。これによって、訓練者は、目的とする遠隔診断を行う方法を訓練することができる。特に、心臓等の胸部の超音波診断においては、患者の肋骨の間に探触子であるスレーブ操作子を当て、スレーブ操作子を回転させる必要があり、この診断技術を習得す
るためには、訓練が有用である。
【００４７】
スレーブは、応力検出装置を有していることが好ましい。応力検出装置は、ジンバル機構、パンタグラフ機構、スライド機構を稼働させるモータを制御する電流及び電圧を検出することにより、モータにかかる応力、すなわちスレーブ操作子にかかる応力を検出することができる。
スレーブは、応力検出装置が検出した応力情報を、通信ネットワークを介してマスタに送信し、マスタは、アクチュエータ部や軸部または軸受け部に設けられた回転制御機構により、マスタ操作子に応力として伝達する。
【００４８】
図１９のようにして、スレーブ操作子にかかる応力をマスタ操作子に応力として伝達することができる。スレーブの応力検出器が検出した応力は、アナログ信号として送信され、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換され、Ｉ／Ｏを介してメモリに格納される。ＣＰＵは、メモリに格納されたデジタル信号を通信回路、通信ネットワークを介して、マスタの通信回路に送られる。通信回路が受けたデジタル信号は、マスタのメモリに格納されているプログラムにより、マスタのアクチュエータ部の制御信号として、Ｉ／ＯからＤ／Ａ変換器を介して、マスタのアクチュエータ部及びマスタ操作子内の回転制御部に送信される。アクチュエータ部は、ワイヤを介して、マスタ操作子に応力として、スレーブ操作子にかかる応力を伝達する。
【００４９】
回転制御部は、軸部または軸受け部の回転に応力を加えることによって、スレーブ操作子にかかる応力を伝達する。
また、スレーブ操作子が見える位置に、スレーブ操作子の動きを確認するためのカメラを設置しておき、カメラの映像信号を通信ネットワークを介して、マスタ操作子を操作する医師から見える位置に設置されたディスプレイに送信することが好ましい。これによって、医師は、ディスプレイにより、患者とスレーブ操作子との位置を確認しながら、マスタ操作子を操作することができる。
【００５０】
スレーブ操作子の動きは、スレーブの存在により、死角が生じるため、前記カメラは、複数設置することが好ましい。
上下端をワイヤで引張る従来の方式では、操作者が操作子を把持したときのｚ方向の移動距離は１００〔ｍｍ〕程度であり、二次元回転角は、ｘ，ｙ方向とも約・３０〔ｄｅｇ〕であるが、本実施ではｚ軸の可動範囲を約２００〔ｍｍ〕とでき、最大傾け角を３０〔ｄｅｇ〕とすることができる。また、位置精度、角度精度は１０％以内の誤差範囲を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のコントローラの一実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図２】操作子本体内の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態を示す説明図であり、（Ａ−１）（Ｂ−１）は操作子がステージの中心にある場合を示し、（Ａ−２）（Ｂ−２）は。ステージに  対し操作子から力が加えられた結果ステージが移動した様子を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す説明図である。
【図５】本発明の第１及び第２実施形態ワイヤの張力ベクトルを示す説明図である。
【図６】本発明の第１及び第２実施形態可動範囲のシュミレーションで、フレーム高さ（ｈ）を変化させた場合の傾け角の最大値の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１及び第２実施形態の装置と従来の装置のＰｄ点の位置精度の比較説明図である。
【図８】本発明の第１及び第２実施形態のヨ一角についての線形性の改善を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態を表す説明図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に操作子下端をさらにステージ上に設置したワイヤ駆動装置からのワイヤで引張支持した実施形態を表す説明図である。
【図１１】本発明第３実施形態での張力ベクトルとリンク機構の説明図である。
【図１２】本発明第３実施形態での通常モードの概念の説明図である。
【図１３】本発明第３実施形態での高精細モードの概念の説明図である。
【図１４】本発明第３実施形態での高精細モードでピボット動作のシミュレーションから傾け精度が向上すること説明する図である。
【図１５】図１４の水平方向での移動範囲の広がりを示す図である。
【図１６】本発明第３実施形態での高精細モードでの力呈示特性の改善を示す図である。
【図１７】スレーブのジンバル機構とパンタグラフ機構とスライド機構とを示す図である。
【図１８】図１７のジンバル機構とパンタグラフ機構とスライド機構の作用の説明図である。
【図１９】スレーブ操作子にかかる応力をマスタ操作子に応力として伝達する説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ   コントローラ
１１  ステージ
１２  操作子
１３  ワイヤ駆動装置
１４  操作子支持機構
１５  ステージ移動装置
１６  基台
１８  水平力検出装置
【図１】
2008136863.tif 000007
【図２】
2008136863.tif 000008
【図３】
2008136863.tif 000009
【図４】
2008136863.tif 000010
【図５】
2008136863.tif 000011
【図６】
2008136863.tif 000012
【図７】
2008136863.tif 000013
【図８】
2008136863.tif 000014
【図９】
2008136863.tif 000015
【図１０】
2008136863.tif 000016
【図１１】
2008136863.tif 000017
【図１２】
2008136863.tif 000018
【図１３】
2008136863.tif 000019
【図１４】
2008136863.tif 000020
【図１５】
2008136863.tif 000021
【図１６】
2008136863.tif 000022
【図１７】
2008136863.tif 000023
【図１８】
2008136863.tif 000024
【図１９】
2008136863.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成19年11月12日(2007.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
ところが、特許文献２では、構造上アクチュエータと操作子の相対的位置が固定されないため、可動範囲を広く取るためには長い可動ワイヤ長が必要で、実用的な最大傾け角が±４０（ｄｅｇ）程度に制限され、エコー検査で要求される角度として不足する場合がある。また、特許文献２の遠隔診断システムでは、マスタ操作子が三角柱フレームの中心からずれると、制御精度が低下する場合がある。また、さらに、装置の角度情報を、２つの点（上下端の点）の位置情報から算出していたため、最大で約２０（％）の誤差が生じ、精度の点からも不十分なことがある。
本発明の目的は、マスタ・スレーブシステムにおいて制御精度が高いマスタ操作子として使用できる小型のコントローラを提供することにある。
具体的に、エコー検査に際しては、ワイヤ駆動装置（アクチュエータ）と操作子の相対的位置をできるだけ固定に近い状態にしておき、ワイヤ駆動機構と操作子支持機構（リンク機構）を組み合わせることで、ブロープ押し込み量と傾け角を高精細に再現することをも目的とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
図３は本発明の他の実施形態を示す説明図であり、（Ａ−１）（Ｂ−１）は操作子１２がステージ１１の中心にある場合を示し、（Ａ−２）（Ｂ−２）は。ステージ１１に対し操作子１２から力が加えられた結果ステージ１１が移動した様子を示す図である。
図４のコントローラ１Ｂは、基台１６上に設けられたステージ１１が移動機構を持っていない点で、図１のコントローラ１Ａとは異なる。ただし、図４（Ａ），（Ｂ）では、移動機構に変えて、ステージ１１と基台１６との間に設けられステージ１１の基台１６面に平行な力を検出する水平力検出装置１８が備えられており、操作子１２が操作子支持機構１４を介してステージ１１に力を与えたときは当該力を距離の大きさに変換した信号を発生し、制御コンピュータ等に出力する。
以下、本発明の作用を詳細に説明する。下端Ｐdの座標を（０，０，Ｚd）とすると、操作子１２の長さＬが不変であるため（１）式を解くことでｚdが算出される。ただしｚ≧０、ｚu≧ｚdという条件が必要である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
ｘu2＋ｙu2＋（ｚu−ｚd）2＝Ｌ2      （１）
図５において、ワイヤの張力ベクトルα＝［α1，α2，α3］Tと操作子下端部にかかるリンク等の重力ｇを定義し、下端Ｐdに３自由度の力およびモーメントｆd＝［ｆzd，ｍxd，ｍyd］を発生させる。張力ベクトルαとの関係はｆd＝Ｗaで表され、Ｗは（２）式で表されるように、ワイヤベクトルｗi（ｉ＝１〜３）を成分に持つ行列とする。またｗiは（３）式で表される行列で、ｐWiはワイヤ方向の単位ベクトル、ｒuは呈示点Ｐdから操作子の上端点への単位ベクトルである。ＰWi×ｒuはモーメント方向の単位ベクトルとなる。
式（３）は６行列となるが、１、２、６行目の成分がゼロとなるため、ｗiの３〜５行目の成分を要素に持つ３次元ベクトルをｗiと定義した。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
条件を以下に示す。
＜ｌ＞  ワイヤｎ本中、どのｎ−１本のワイヤベクトルも線形独立
＜２＞  ΣαiＷi＝０  （αi＞０  ｆｏｒ  ａｎｙｉ）
上記の条件を用いるとｘｙ平面上では正三角形に配置したとき最も広い可動範囲を取ることができる。
一方、ワイヤ長は、本装置ではポテンショメータの回転角をワイヤの巻き取り長さに変換して求めているが、ポテンシヨメータの回転角の制限により、装置全体が取りうる大きさに限界があり、これらの大きさとの関連を明確にする必要がある。ワイヤ長はアクチュエータ間距離αとフレームの高さｈ及び操作子長Ｌによって変化するため、それらの比をパラメータとし、Ｚ方向の可動範囲に対する傾け角の最大値を検討した。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
通常のエコー検査時に必要である±８０ｄｅｇ程度の傾け角（操作子１Ａを鉛直方向の姿勢から、ほぼ水平方向に倒すことができる程度の傾け角）を実現でき、Ｚ軸方向に２００ｍｍ程度動かせることを条件に、図６のグラフよりフレームのサイズを求めたところ、操作子長６０ｍｍ、フレームの高さが３００ｍｍ、最大外形寸法が、４９５×５４０×５１５ｍｍとなった。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
１００＜ｚ＜２００［ｍｍ］の範囲における位置ずれの最大誤差は、１７［％］から９［％］に改善された．図８からヨ一角についても線形性が改善され、±８０［ｄｅｇ］の範囲で回転させることができ、角度の最大のずれは、２０［％］から１０［％］に改善された。これらの結果から装置の変更により位置、角度ともに精大幅に向上したことが言える。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
操作子に数Nの大きな力を発生する場合には、前記した操作子上部の3本のワイヤでは操作子のバランスが取りづらいケースが考えられ、そのようなケースに対処するため、本発明者等は前記リンク機構に加え、図１０，１Ｄに示したように、図９、１Ｃのステージにワイヤ駆動装置１３４を少なくとも１個配置し、操作子下端とステージ下部のワイヤ駆動装置１３４を結ぶワイヤを増やし、４本以上のワイヤ駆動機構で張力を制御し、リンク機構でＰｄ点の位置を制御することにより、コントローラ１Ａ，１Ｂではアーム動作が鉛直面、Ｐｄの動きがｚ軸上に固定されていたのを、コントローラ１Ｃ、１Ｄではｚ軸の水平移動を可能とし、平面方向（ｘ−ｙ）の傾け角を測定できるようになった。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
操作子の鉛直（ｚ軸）方向の平行移動と水平（x-y平面）方向の傾け角を再現する通常モードでは、操作子の傾け角はシミュレーション対象であるプローブの傾け角に一致する。水平方向の平行移動はステージの基台面に平行な力を検出する水平検出装置によりステージに加えられた力を距離に換算した出力より換算し、操作子の下端点Ｐｄのｚ座標に対するアーム機構の制御では、通常モードの概念を図１２（ａ）に示す。仮想物体が存在するｚ軸上の点をＯとすると、操作子が仮想物体に接触しない状態ではＰｄは常にｚ軸上を動くようにアームの屈曲部を制御する。操作子を下げて下端点が仮想物体に接触するとワイヤ張力により操作子の力及びモーメントを呈示する。この様子を図１２（ｂ）に示す。ここでＰｕの位置に対するＰｄの位置が常に（５）式を満たすように、アーム機構を制御する。ここで操作子の長さＬはＰｕとＰｄ間の距離である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
スレーブ操作子の動きは、スレーブの存在により、死角が生じるため、前記カメラは、複数設置することが好ましい。
上下端をワイヤで引張る従来の方式では、操作者が操作子を把持したときのｚ方向の移動距離は１００〔ｍｍ〕程度であり、二次元回転角は、ｘ，ｙ方向とも約±３０〔ｄｅｇ〕であるが、本実施ではｚ軸の可動範囲を約２００〔ｍｍ〕とでき、最大傾け角を３０〔ｄｅｇ〕とすることができる。また、位置精度、角度精度は１０％以内の誤差範囲を維持することができる。