(57)【要約】【課題】より小型、かつより軽量な構成で重力補償を行うことを可能にする。【解決手段】複数の関節部から構成され、先端に医療用器具が設けられるよう構成されたアーム部と、前記関節部の中で重力補償が行われる対象である補償関節部に少なくとも設けられ、前記補償関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、前記補償関節部に対して、前記補償関節部に作用する前記アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、を備える、医療用支持アーム装置を提供する。【選択図】図１
2018051665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の関節部から構成され、先端に医療用器具が設けられるよう構成されたアーム部と、
前記関節部の中で重力補償が行われる対象である補償関節部に少なくとも設けられ、前記補償関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、
前記補償関節部に対して、前記補償関節部に作用する前記アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、
を備える、
医療用支持アーム装置。
【請求項２】
前記重力補償機構は、前記補償トルクを発生させるバネを有し、
前記バネは、前記補償関節部の回転に伴い単調に伸縮するように設けられる、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項３】
少なくとも前記トルクセンサによって検出される前記補償関節部の状態に基づいて前記アクチュエータを動作させることにより、前記補償関節部の駆動を少なくとも制御する制御装置、を更に備え、
前記制御装置は、前記補償トルクを加味して、前記負荷トルクを打ち消すようなトルクを発生させるように前記アクチュエータを動作させることにより、重力補償を行う、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記アクチュエータが設けられる複数の前記関節部の状態に基づいて取得される前記アーム部の状態と、前記アーム部の運動目的及び拘束条件と、を用いて一般化逆動力学によって前記アーム部の全身協調制御のための制御値として前記関節部における発生トルクを算出し、算出した前記発生トルクに基づいて前記アクチュエータを動作させる、
請求項３に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項５】
前記制御値は、前記アーム部に作用する力と前記アーム部に発生する加速度との関係を記述する操作空間において前記運動目的を達成するために作用される仮想的な力である仮想力と、前記拘束条件に基づいて前記仮想力が前記関節部を駆動するための実在の力に変換されることにより求められる実在力と、に基づいて算出される、
請求項４に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記全身協調制御において前記補償関節部に対する前記発生トルクを算出する際に、前記補償関節部の回転角度の関数として表される前記補償トルクを算出し、算出した前記補償トルクと前記アーム部の自重によって前記補償関節部に作用する前記負荷トルクとの差分を、前記発生トルクに含まれる重力補償成分として算出する、
請求項４に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記制御値に対して外乱の影響を補正することにより、前記アーム部の理想的な応答を実現する指令値として前記関節部における発生トルクを算出し、算出した前記発生トルクに基づいて前記アクチュエータを動作させる、
請求項４に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項８】
前記指令値は、検出された前記関節部の状態に基づいて推定される前記関節部の駆動に対する外乱の影響を表す外乱推定値を用いて、前記制御値を補正することにより算出される、
請求項７に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記制御値に対して外乱の影響を補正することにより、前記アーム部の理想的な応答を実現する指令値として前記関節部における発生トルクを算出し、算出した前記発生トルクに基づいて前記アクチュエータを動作させ、
前記制御装置は、前記補償関節部に対する前記指令値に係る前記発生トルクを算出する際に、前記補償関節部の回転角度の関数として表される前記補償トルクを算出し、前記全身協調制御のための制御値として算出された前記発生トルクから算出した前記補償トルクを差し引いた値を、前記制御値に係る発生トルクとみなして、外乱の影響を補正することにより、前記指令値に係る発生トルクを算出する、
請求項４に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１０】
前記補償関節部は、前記アーム部のより基端側に設けられる、ピッチ軸に対応する回転軸を有する１又は２の前記関節部である、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１１】
前記医療用器具は、患者の術部を観察するための観察用器具である、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１２】
複数の関節部から構成され、患者の術部を観察するための観察用器具が先端に設けられるよう構成されたアーム部と、
前記関節部の少なくとも１つに設けられ、前記関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、
前記アクチュエータが設けられる関節部に対して、当該関節部に作用する前記アーム部の自重に起因する負荷トルクを補償する補償トルクを与える重力補償機構と、
少なくとも前記トルクセンサによって検出される前記関節部の状態に基づいて前記アクチュエータを動作させ、前記関節部の駆動を制御する制御装置と、
を有する、医療用支持アーム装置と、
前記医療用支持アーム装置の前記観察用器具によって撮影された画像を表示する表示装置と、
を備える、
医療用システム。
【請求項１３】
アクチュエータを有する複数の関節部から構成されるアーム部と、
前記アーム部の先端に設けられ、前記アクチュエータを制御することにより撮影方向を変更可能な、患者の術部を撮影するための顕微鏡と、
前記関節部のうち重力補償が行われる対象である補償関節部に対して、前記補償関節部に作用する前記アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、
前記顕微鏡によって撮影された画像を表示する表示装置と、
を備える、
外科手術用顕微鏡システム。
【請求項１４】
前記重力補償機構は、前記補償トルクを発生させるバネを有し、
前記バネは、前記補償関節部の回転に伴い伸縮するように設けられる、
請求項１３に記載の外科手術用顕微鏡システム。
【請求項１５】
前記顕微鏡は多板式の撮像部を備える、
請求項１３に記載の外科手術用顕微鏡システム。
【請求項１６】
前記表示装置は前記顕微鏡で撮影された画像に基づいて3D表示を行うよう構成される、
請求項１３に記載の外科手術用顕微鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療用支持アーム装置、医療用システム、及び外科手術用顕微鏡システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療現場においては、検査や手術をサポートするために支持アーム装置が用いられつつある。例えば、支持アーム装置のアーム部によって内視鏡や顕微鏡等の術部を観察するための観察用器具を支持し、当該観察用器具によって撮影された画像を見ながら医師が検査や手術を行うシステムが提案されている。あるいは、アーム部の先端に鉗子やレトラクタ等の処置具を設け、従来人手で行われていた処置具の支持や操作を、支持アーム装置に行わせることも提案されている。なお、以下の説明では、支持アーム装置のアーム部の先端に設けられる観察用器具及び処置具等のことを、医療用器具と総称する。また、以下の説明では、アーム部の先端に観察用器具が設けられた支持アーム装置のことを観察装置とも呼称する。【０００３】
一般的に、アーム部の先端に設けられる医療用器具の位置及び姿勢を高精度に制御するため、また、医療用器具を移動させる際のユーザの操作性を向上させるために、支持アーム装置のアーム部には、当該アーム部の自重による重力を補償するための工夫（すなわち、自重によって各関節部に作用するトルクをキャンセルするための工夫）がなされていることが多い。アーム部の重力が補償されることにより、当該重力による影響を受けずにアーム部の姿勢が保持されることとなるため、医療用器具の高精度な位置決めが実現され得る。また、アーム部の重力が補償されることにより、ユーザは、あたかも無重力下であるかのようにアーム部を動作させることが可能となるため、当該ユーザの操作性を向上させることができる。【０００４】
例えば、特許文献１、２及び非特許文献１に例示するように、自重によってアーム部の関節部に作用するトルクを機械的に補償する重力補償機構が開発されている。具体的には、特許文献１には、バネ、作動ギア及びベルトを組み合わせて構成される重力補償機構が開示されている。特許文献２には、バネと複数の非円形歯車を組み合わせて構成される重力補償機構が開示されている。非特許文献１には、バネ及び非円形プーリを組み合わせて構成される重力補償機構が開示されている。【０００５】
また、アーム部の重力を補償するための他の技術として、アーム部全体としてバランスが取れるように（すなわち、アーム部の自重を支持し得るように）アーム部の基端側にカウンターウェイトを設け、支持アーム装置をいわゆるバランスアームとして構成する技術が知られている。【０００６】
あるいは、支持アーム装置では、そのアーム部の各関節部にアクチュエータを設け、これらのアクチュエータを適宜駆動させることにより当該アーム部を動作させるものが知られている（例えば、特許文献３）。かかる構成を有する支持アーム装置であれば、アーム部の自重を支持するように各関節部に設けられるアクチュエータを動作させることにより、アーム部に作用する重力を補償することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２４０１９１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／１６１００６号
【特許文献３】国際公開第２０１５／０４６０８１号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】遠藤玄、外４名、「非円形プーリ−バネ系による自重補償機構と４節平行リンク型アームへの適用」、日本ロボット学会誌、日本ロボット学会、２０１０年１月、Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．１、ｐｐ．７７−８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、特許文献１、２及び非特許文献１に示すような機械的な重力補償機構では、バネの復元力によってアーム部に作用する重力を補償しているが、アーム部の姿勢に応じて、当該重力を補償するためにバネに求められる復元力は変化する。従って、これらの機械的な重力補償機構では、アーム部の姿勢に応じてバネの伸縮量が適宜調整され、適切な復元力をバネが発するように、当該重力補償機構が構成されている。よって、重力補償機構の構造が複雑化する傾向があり、コストの面や信頼性の面で量産性が低下する恐れがある。【００１０】
また、支持アーム装置をバランスアームとして構成する場合には、カウンターウェイトを設けることにより、装置が大型化、重量化してしまう。従って、手術室のスペースが支持アーム装置によって占有される割合が高まり、手術時の作業の妨げとなり得る。また、装置全体の重量が重くなることから、例えば支持アーム装置を天井からアーム部が吊り下げられたいわゆる吊り下げ型の支持アーム装置として構成とする場合には、大掛かりな工事が必要となり、設置のためのコストが増大化することが懸念される。【００１１】
また、アーム部の各関節部に設けられるアクチュエータによって重力補償を行う場合には、アーム部の基端側に設けられるアクチュエータには、より大きな出力が求められることとなるため、当該基端側のアクチュエータが大型化してしまう。従って、支持アーム装置自体も大型化、重量化してしまい、カウンターウェイトを設ける場合と同様の不具合が生じることが懸念される。また、アクチュエータにより大きな出力が求められることにより、消費電力が増大化する恐れもある。【００１２】
そこで、本開示では、より小型、かつより軽量な構成で重力補償を行うことが可能な、新規かつ改良された医療用支持アーム装置、医療用システム、及び外科手術用顕微鏡システムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本開示によれば、複数の関節部から構成され、先端に医療用器具が設けられるよう構成されたアーム部と、前記関節部の中で重力補償が行われる対象である補償関節部に少なくとも設けられ、前記補償関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、前記補償関節部に対して、前記補償関節部に作用する前記アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、を備える、医療用支持アーム装置が提供される。【００１４】
また、本開示によれば、複数の関節部から構成され、患者の術部を観察するための観察用器具が先端に設けられるよう構成されたアーム部と、前記関節部の少なくとも１つに設けられ、前記関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、前記アクチュエータが設けられる関節部に対して、当該関節部に作用する前記アーム部の自重に起因する負荷トルクを補償する補償トルクを与える重力補償機構と、少なくとも前記トルクセンサによって検出される前記関節部の状態に基づいて前記アクチュエータを動作させ、前記関節部の駆動を制御する制御装置と、を有する、医療用支持アーム装置と、前記医療用支持アーム装置の前記観察用器具によって撮影された画像を表示する表示装置と、を備える、医療用システムが提供される。【００１５】
また、本開示によれば、アクチュエータを有する複数の関節部から構成されるアーム部と、前記アーム部の先端に設けられ、前記アクチュエータを制御することにより撮影方向を変更可能な、患者の術部を撮影するための顕微鏡と、前記関節部のうち重力補償が行われる対象である補償関節部に対して、前記補償関節部に作用する前記アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、前記顕微鏡によって撮影された画像を表示する表示装置と、を備える、外科手術用顕微鏡システムが提供される。【００１６】
本開示によれば、アーム部を構成する複数の関節部の中で重力補償が行われる対象である補償関節部に対して、当該補償関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、当該補償関節部に作用する当該アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、が設けられる。従って、当該トルクセンサによって検出される当該補償関節部に作用するトルクに基づいて当該アクチュエータを駆動させる際に、当該補償トルクを加味して、当該負荷トルクを打ち消すようなトルクを発生させるように当該アクチュエータを動作させることにより、重力補償を行うことができる。つまり、重力補償機構とアクチュエータとを併用して重力補償が行われる。従って、機械的な重力補償機構だけで重力補償を行う場合に比べて当該重力補償機構を簡易な構成とすることができるとともに、アクチュエータだけで重力補償を行う場合に比べて当該アクチュエータを小型化することができる。よって、アーム部及び支持アーム装置をより小型、かつより軽量に構成しつつ、重力補償を行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本開示によれば、より小型、かつより軽量な構成で重力補償を行うことが可能になる。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】
【００１８】
【図１】本実施形態に係るシステム及び支持アーム装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す支持アーム装置の関節部に搭載されるアクチュエータの一構成例を示す断面図である。
【図３】本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４】本実施形態に係るシステム及び支持アーム装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図５】重力補償機構のバネの理想的な特性の一例を示す図である。
【図６】本実施形態に係る支持アーム装置のアーム部の制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【図７】制御方法が異なる変形例に係るシステム及び支持アーム装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図８】支持アーム装置が吊り下げ型の支持アーム装置として構成される変形例に係るシステム及び支持アーム装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に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。
【００２０】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．システム及び支持アーム装置の構成
２．システム及び支持アーム装置の機能構成
２−１．アーム部の動作の制御の概要
２−１−１．一般化逆動力学について
２−１−１−１．仮想力算出処理
２−１−１−２．実在力算出処理
２−１−２．理想関節制御について
２−２．機能構成
３．重力補償機構のバネの設計例
４．支持アーム装置の制御方法
５．変形例
５−１．他の制御方法に係る変形例
５−２．吊り下げ型の支持アーム装置に係る変形例
５−３．その他の変形例
６．一般的な重力補償との比較
７．補足
【００２１】
なお、以下では、本開示の一実施形態に係るシステム及び／又は支持アーム装置に対して各種の操作を行うユーザのことを、便宜的に術者と記載する。ただし、当該記載は当該システム及び／又は当該支持アーム装置を使用するユーザを限定するものではなく、当該システム及び／又は当該支持アーム装置に対する各種の操作は、他の医療スタッフ等、あらゆるユーザによって実行されてよい。
【００２２】
（１．システム及び支持アーム装置の構成）
図１を参照して、本実施形態に係るシステム及び支持アーム装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るシステム及び支持アーム装置の概略構成を示す図である。
【００２３】
図１では、本実施形態に係るシステム１を用いて、手術台３３０上の患者３４０に対して開腹手術が行われている様子が図示されている。図１を参照すると、システム１は、支持アーム装置５００と、表示装置４００と、から構成される。本実施形態では、支持アーム装置５００は、そのアーム部５１０の先端に顕微鏡部５２０が設けられた観察装置５００として構成される。顕微鏡部５２０は、観察対象である患者３４０の術部３４１を電子的に撮影する電子撮像式の顕微鏡部５２０である。顕微鏡部５２０によって撮影された術部３４１の映像が、例えば手術室の壁面等、術者から視認し得る位置に設置される表示装置４００に表示される。術者は、表示装置４００に映し出された映像を介して術部３４１を観察しながら、当該術部３４１に対して各種の処置を施す。
【００２４】
（支持アーム装置）
図１を参照すると、本実施形態に係る支持アーム装置５００は、アーム部５１０と、当該アーム部５１０の先端に取り付けられ、観察対象である患者３４０の術部３４１を拡大観察するための顕微鏡部５２０と、支持アーム装置５００の動作を制御する制御装置５３０と、を有する。なお、図１では、簡単のため、支持アーム装置５００を簡略化して図示している。例えば、実際には、アーム部５１０の基端側には、当該アーム部５１０を支持するベース部が設けられ得る。その他、支持アーム装置５００は、以下の説明と矛盾しない範囲で、一般的な支持アーム装置が有し得る各種の構成を有してよい。
【００２５】
（顕微鏡部）
図１では簡略化して図示しているが、顕微鏡部５２０は、一般的な電子撮像式の顕微鏡部と同様の構成を有し得る。具体的には、例えば、顕微鏡部５２０は、略円筒形状の筒状部と、当該筒状部の内部に設けられる撮像部と、から構成される。
【００２６】
筒状部の下端には、カバーガラスが配設された開口面が設けられており、観察対象である術部３４１からの光（以下、観察光ともいう）は、当該カバーガラスを通過して、筒状部の内部の撮像部に入射する。なお、筒状部の内部には例えばＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）等からなる光源が設けられてもよく、撮像時には、当該カバーガラスを介して、当該光源から術部３４１に対して光が照射されてもよい。
【００２７】
撮像部は、観察光を集光する光学系と、当該光学系が集光した観察光を受光する撮像素子と、から構成される。当該光学系は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成され、その光学特性は、観察光を撮像素子の受光面上に結像するように調整されている。当該撮像素子は、観察光を受光して光電変換することにより、観察光に対応した信号、すなわち観察像に対応した画像信号を生成する。当該撮像素子は、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）イメージセンサ又はＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）イメージセンサ等、各種の公知の撮像素子であってよい。撮像素子によって生成された画像信号は、ＲＡＷデータとして制御装置５３０に送信される。
【００２８】
また、撮像部は、その光学系のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って移動させる駆動機構を有し得る。当該駆動機構によってズームレンズ及びフォーカスレンズが適宜移動されることにより、撮像画像の拡大倍率及び撮像時の焦点距離が調整され得る。顕微鏡部５２０における倍率や焦点の調整は、支持アーム装置５００に設けられる入力装置（図示せず）を介して術者によって手動で実行されてもよいし、例えばＡＦ（Auto  Focus）機能を用いて自動的に実行されてもよい。また、撮像部には、ＡＥ（Auto  Exposure）機能や電子ズーム機能等、一般的に電子撮像式の顕微鏡部に備えられ得る各種の機能が搭載されてもよい。
【００２９】
また、撮像部は、１つの撮像素子を有するいわゆる単板式の撮像部として構成されてもよいし、複数の撮像素子を有するいわゆる多板式の撮像部として構成されてもよい。撮像部が多板式で構成される場合には、例えば、当該撮像部は、立体視（３Ｄ表示）に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者は術部３４１における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、当該撮像部が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、光学系も複数系統が設けられ得る。
【００３０】
（アーム部）
アーム部５１０は、上述したように、その基端部が手術室内の床面に設置されるベース部（図示せず）に取り付けられ、当該ベース部から延伸するように構成される。なお、本明細書では、アーム部５１０の構成について説明する際に、顕微鏡部５２０が設けられる側を先端側又は先端部等とも呼称し、床面に近い側を基端側又は基端部等とも呼称することとする。また、鉛直方向をｚ軸方向とも呼称し、当該ｚ軸方向と互いに直交する２方向（すなわち、水平面内において互いに直交する２方向）を、それぞれ、ｘ軸方向及びｙ軸方向とも呼称する。
【００３１】
アーム部５１０は、各回転軸（先端側から順に、第１軸Ｏ１、第２軸Ｏ２、第３軸Ｏ２、第４軸Ｏ４、第５軸Ｏ５及び第６軸Ｏ６と呼称する）に対応する位置にそれぞれ設けられる関節部５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、５１１ｄ、５１１ｅ、５１１ｆと、関節部５１１ｂ〜５１１ｆによって互いに回動可能に連結される複数のリンク５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃ、５１２ｄ、５１２ｅ、５１２ｆと、から構成される。
【００３２】
具体的には、略鉛直方向に延伸するリンク５１２ｆの基端がベース部に取り付けられる。リンク５１２ｆの先端は、関節部５１１ｆを介してリンク５１２ｅの基端と連結され、リンク５１２ｆは、当該関節部５１１ｆを介してリンク５１２ｅを回動可能に支持する。
【００３３】
以下、同様に、リンク５１２ｅ、５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂの先端が、それぞれ、関節部５１１ｅ、５１１ｄ、５１１ｃ、５１１ｂを介して、リンク５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂ、５１２ａの基端と連結される。そして、リンク５１２ｅ、５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂは、それぞれ、関節部５１１ｅ、５１１ｄ、５１１ｃ、５１１ｂを介して、リンク５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂ、５１２ａを回動可能に支持する。
【００３４】
リンク５１２ａの先端には、関節部５１１ａを介して、顕微鏡部５２０が連結される。リンク５１２ａは、関節部５１１ａを介して、顕微鏡部５２０を回動可能に支持する。
【００３５】
このように、ベース部と接続されるリンク５１２ｆの基端を支点として、複数のリンク５１２ａ〜５１２ｆの端同士が関節部５１１ｂ〜５１１ｆによって互いに連結されることにより、当該ベース部から延伸されるアーム形状が構成される。
【００３６】
なお、図１では簡易的に実線によって図示しているが、実際には、リンク５１２ａ〜５１２ｆは、所定の太さを有する棒状又は管状の部材であり得る。また、リンク５１２ａ〜５１２ｆの断面形状は限定されず、円形、楕円、矩形等、各種の形状であってよい。リンク５１２ａ〜５１２ｆの具体的な構造としては、一般的な支持アーム装置のリンクとして用いられる各種のものが適用されてよい。
【００３７】
また、図１では簡易的に円又は三角形の組み合わせによって図示しているが、実際には、関節部５１１ａ〜５１１ｆは、回転軸となるシャフト及び当該シャフトを軸支する軸受け等を有し、一の部材に対して他の部材を回動可能な部材であり得る。関節部５１１ａ〜５１１ｆの具体的な構造としては、一般的な支持アーム装置の関節部として用いられる各種のものが適用されてよい。
【００３８】
回転軸のうち、第１軸Ｏ１、第３軸Ｏ２及び第６軸Ｏ６は、その基端側に設けられるリンク５１２ａ、５１２ｃ、５１２ｆの延伸方向と略平行な方向の回転軸である。このような方向を有する回転軸のことを、本明細書では、便宜的に、ヨー（Ｙａｗ）軸とも呼称することとする。一方、第２軸Ｏ２、第４軸Ｏ４及び第５軸Ｏ５は、その基端側に設けられるリンク５１２ｂ、５１２ｄ、５１２ｅの延伸方向と略直交する方向の回転軸である。このような方向を有する回転軸のことを、本明細書では、便宜的に、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）軸とも呼称することとする。
【００３９】
つまり、アーム部５１０は、基端側から、ヨー軸（第６軸Ｏ６）、ピッチ軸（第５軸Ｏ５）、ピッチ軸（第４軸Ｏ４）、ヨー軸（第３軸Ｏ３）、ピッチ軸（第２軸Ｏ２）及びヨー軸（第１軸Ｏ１）が、この順に配置されて構成されている。当該構成により、アーム部５１０では、顕微鏡部５２０の動きに対して、並進３自由度及び回転３自由度の計６自由度が実現されている。アーム部５１０が６自由度を有するように構成されることにより、アーム部５１０の可動範囲内において顕微鏡部５２０を自由に移動させることが可能になる。
【００４０】
ただし、アーム部５１０の構成は図示する例に限定されない。本実施形態では、アーム部５１０は、所望の運動目的（タスク）を実行するために必要な自由度を有するように構成されればよく、関節部５１１ａ〜５１１ｆ及びリンク５１２ａ〜５１２ｆの数や配置、関節部５１１ａ〜５１１ｆの駆動軸の方向、リンク５１２ａ〜５１２ｆの長さ等は、その所望の自由度が実現され得るように適宜設定されてよい。ただし、上述したように、アーム部５１０が６自由度を有するように構成されることで、顕微鏡部５２０を自由に移動させることが可能になるため、アーム部５１０は、６自由度以上の自由度を有するように構成されることが好ましい。
【００４１】
関節部５１１ａ〜５１１ｆには、図２に示すアクチュエータ４３０が設けられる。関節部５１１ａ〜５１１ｆは、当該アクチュエータ４３０により所定の回転軸まわりに回転駆動される。アクチュエータ４３０の駆動は、制御装置５３０によって制御される。各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０の駆動がそれぞれ制御されることにより、例えばアーム部５１０を伸ばしたり、縮めたり（折り畳んだり）といった、アーム部５１０の駆動が制御される。
【００４２】
図２を参照して、当該アクチュエータ４３０の構成について詳細に説明する。図２は、図１に示す支持アーム装置５００の関節部５１１ａ〜５１１ｆに搭載されるアクチュエータ４３０の一構成例を示す断面図である。図２では、本実施形態に係るアクチュエータ４３０を、回転軸を通る平面で切断した場合における断面図を図示している。
【００４３】
図２を参照すると、本実施形態に係るアクチュエータ４３０は、モータ４２４と、モータドライバ４２５と、減速機４２６と、エンコーダ４２７と、トルクセンサ４２８と、から構成される。アクチュエータ４３０は、例えば力制御に対応するアクチュエータである。アクチュエータ４３０では、モータ４２４の回転が減速機４２６によって所定の減速比で減速され、出力軸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。
【００４４】
モータ４２４は、回転駆動力を生み出す駆動機構である。モータ４２４は、モータドライバ４２５からの制御により、後述する図３に示すトルク指令値τに対応するトルクを発生するように駆動される。モータ４２４としては、例えばブラシレスモータが用いられる。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、モータ４２４としては各種の公知の種類のモータが用いられてよい。
【００４５】
モータドライバ４２５は、モータ４２４に電流を供給することによりモータ４２４を回転駆動させるドライバ回路（ドライバＩＣ（Integrated  Circuit））であり、モータ４２４に供給する電流量を調整することにより、モータ４２４の回転数を制御することができる。モータドライバ４２５は、後述する図３に示すトルク指令値τに対応する電流をモータ４２４に供給することにより、当該モータ４２４を駆動させる。
【００４６】
また、モータドライバ４２５は、モータ４２４に供給する電流量を調整することにより、アクチュエータ４３０の回転運動における粘性抵抗係数を調整することができる。これにより、アクチュエータ４３０における回転運動、すなわち、関節部５１１ａ〜５１１ｆにおける回転運動に対して、所定の抵抗を負荷することが可能となる。例えば、関節部５１１ａ〜５１１ｆを、外部から加えられる力に対して回転しやすい状態（すなわち、アーム部５１０を手動で移動しやすい状態）にすることもできるし、逆に、外部から加えられる力に対して回転し難い状態（すなわち、アーム部５１０を手動で移動し難い状態）にすることもできる。
【００４７】
モータ４２４の回転軸（駆動軸）には、減速機４２６が連結される。減速機４２６は、連結されたモータ４２４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に伝達する。本実施形態では、減速機４２６の構成は特定のものに限定されず、減速機４２６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４２６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。また、減速機４２６の減速比は、アクチュエータ４３０の用途に応じて適宜設定され得る。例えば、本実施形態のように、アクチュエータ４３０が支持アーム装置５００の関節部５１１ａ〜５１１ｆに適用される場合であれば、１：１００程度の減速比を有する減速機４２６が好適に用いられ得る。
【００４８】
エンコーダ４２７は、入力軸の回転角度（すなわち、モータ４２４の回転軸の回転角度）を検出する。エンコーダ４２７によって検出された入力軸の回転数と、減速機４２６の減速比と、に基づいて、関節部５１１ａ〜５１１ｆの回転角度、回転角速度及び回転角加速度等の情報を得ることができる。エンコーダ４２７としては、例えば磁気式エンコーダ、光学式エンコーダ等の各種の公知のロータリエンコーダが用いられてよい。なお、図示する例では、アクチュエータ４３０の入力軸にのみエンコーダ４２７が設けられているが、減速機４２６よりも後段に、アクチュエータ４３０の出力軸の回転角度等を検出するためのエンコーダが更に設けられてもよい。
【００４９】
トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０の出力軸に接続され、アクチュエータ４３０に作用するトルクを検出する。トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０によって出力されるトルク（発生トルク）を検出する。また、トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０に外部から加えられる外トルクも検出することができる。
【００５０】
以上、図２を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ４３０の構成について説明した。ここで、本実施形態では、アーム部５１０の動作が力制御によって制御される。当該力制御においては、支持アーム装置５００では、各アクチュエータ４３０に設けられたエンコーダ４２７及びトルクセンサ４２８によって、各関節部５１１ａ〜５１１ｆの回転角度、及び各関節部５１１ａ〜５１１ｆに作用するトルクがそれぞれ検出される。このとき、トルクセンサ４２８によって検出される各関節部５１１ａ〜５１１ｆに作用するトルクには、アーム部５１０及び／又は顕微鏡部５２０に作用する力も含まれ得る。
【００５１】
詳しくは後述するが、エンコーダ４２７によって検出された回転角度、及びトルクセンサ４２８によって検出されたトルク値に基づいて、現在のアーム部５１０の状態（位置、速度等）が取得され得る。支持アーム装置５００では、取得されたアーム部５１０の状態（アーム状態）に基づいて、アーム部５１０が所望のタスクを実行するために必要な、各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０が発生すべきトルクが算出され、当該トルクを制御値として各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０が駆動されることになる。
【００５２】
なお、図２に示す構成は、あくまで、アクチュエータ４３０の一構成例を示すものであり、本実施形態はかかる例に限定されない。アクチュエータ４３０としては、一般的に力制御によってその動作が制御される各種の装置において用いられている、各種の公知のアクチュエータを用いることができる。例えば、アクチュエータ４３０としては、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号公報等に記載のものを好適に用いることができる。
【００５３】
更に、本実施形態では、第４軸Ｏ４に対応する関節部５１１ｄ、及び第５軸Ｏ５に対応する関節部５１１ｅに対して、それぞれ、重力補償機構５４０、５５０が設けられる。重力補償機構５４０は、関節部５１１ｄに作用するアーム部５１０の自重による負荷トルクを打ち消す方向のトルクを当該関節部５１１ｄに与える。重力補償機構５５０は、関節部５１１ｅに作用するアーム部５１０の自重による負荷トルクを打ち消す方向のトルクを当該関節部５１１ｅに与える。以下では、重力補償のために重力補償機構５４０、５５０が与える、当該負荷トルクを打ち消す方向のトルクのことを補償トルクとも呼称する。
【００５４】
具体的には、図示するように、重力補償機構５４０は、関節部５１１ｄの先端側に接続されるリンク５１２ｃに対して固定的に設けられる（すなわち、関節部５１１ｄまわりにリンク５１２ｃとともに回動する）掛止部５４１と、当該掛止部５４１と関節部５１１ｄの基端側に接続されるリンク５１２ｄとの間に張設されるバネ５４２と、から構成される。かかる構成によれば、関節部５１１ｄまわりに、リンク５１２ｃから先端側の構成が、当該リンク５１２ｃから先端側の構成に作用する重力の方向に回動した場合に、バネ５４２は、その回動量に応じて伸長されることとなる。このとき、伸長されたバネ５４２の復元力は、リンク５１２ｃから先端側の構成に対して、当該リンク５１２ｃから先端側の構成を、関節部５１１ｄまわりに、重力方向への回動方向とは逆方向に回動させる方向に作用する。つまり、バネ５４２の復元力は、関節部５１１ｄに作用するリンク５１２ｃから先端側の構成の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを当該関節部５１１ｄに与える。
【００５５】
同様に、重力補償機構５５０は、関節部５１１ｅの先端側に接続されるリンク５１２ｄに対して固定的に設けられる（すなわち、関節部５１１ｅまわりにリンク５１２ｄとともに回動する）掛止部５５１と、当該掛止部５５１と関節部５１１ｅの基端側に接続されるリンク５１２ｅとの間に張設されるバネ５５２と、から構成される。かかる構成によれば、関節部５１１ｅまわりに、リンク５１２ｄから先端側の構成が、当該リンク５１２ｄから先端側の構成に作用する重力の方向に回動した場合に、バネ５５２は、その回動量に応じて伸長されることとなる。このとき、伸長されたバネ５５２の復元力は、リンク５１２ｄから先端側の構成に対して、当該リンク５１２ｄから先端側の構成を、関節部５１１ｅまわりに、重力方向への回動方向とは逆方向に回動させる方向に作用する。つまり、バネ５５２の復元力は、関節部５１１ｅに作用するリンク５１２ｄから先端側の構成の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを当該関節部５１１ｅに与える。
【００５６】
バネ５４２、５５２は、例えば引っ張りバネである。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、バネ５４２、５５２としては、例えば圧縮バネやねじりコイルばね等、各種の公知のものが用いられてよい。あるいは、バネ５４２、５５２の代わりに、伸縮に応じて復元力を発生させる他の弾性体が用いられてもよい。
【００５７】
ここで、以上説明したように、本実施形態では、重力補償機構５４０は、掛止部５４１及びバネ５４２によって構成される、簡易な構成を有する。かかる構成により、重力補償機構５４０では、バネ５４２の復元力は、関節部５１１ｄにおける回転角度が大きくなれば大きくなり、当該回転角度が小さくなれば小さくなる、という単純な正の相関を有する。つまり、バネ５４２の復元力は、関節部５１１ｄにおける回転角度に対して単調に変化し得る。
【００５８】
これに対して、関節部５１１ｄに作用するアーム部５１０の自重による負荷トルクは、関節部５１１ｄから先端側の構成に作用する重力の大きさと、モーメントアーム（すなわち、関節部５１１ｄの回転中心から当該重力の方向を示すベクトルに向かって下した垂線）の長さとの積によって表されるが、当該モーメントアームの長さは、アーム部５１０の構成に応じて、関節部５１１ｄにおける回転角度に対して必ずしも単調には変化しないため、当該負荷トルクの大きさも当該回転角度に対して必ずしも単調には変化しない。また、バネ５４２の復元力によって関節部５１１ｄに作用する補償トルクは、当該復元力の大きさと、モーメントアーム（すなわち、関節部５１１ｄの回転中心から当該復元力の方向を示すベクトルに向かって下した垂線）の長さとの積によって表されるが、当該モーメントアームの長さも、アーム部５１０の構成に応じて、関節部５１１ｄにおける回転角度に対して必ずしも単調には変化しないため、当該補償トルクも当該回転角度に対して必ずしも単調には変化はしない。
【００５９】
このように、重力補償機構５４０のバネ５４２の復元力は、関節部５１１ｄにおける回転角度に対して単調に変化し得るものの、関節部５１１ｄに作用するアーム部５１０の自重による負荷トルク、及びバネ５４２の復元力によって関節部５１１ｄに作用する補償トルクは、関節部５１１ｄにおける回転角度に対して複雑に変化し得る。従って、本実施形態のように簡易な構成を有する重力補償機構５４０では、アーム部５１０の自重による負荷トルクを略完全にキャンセルするような補償トルクを発生することは困難である。以上では重力補償機構５４０を例に挙げて説明したが、重力補償機構５５０についても事情は同様である。
【００６０】
そこで、本実施形態では、重力補償機構５４０によって関節部５１１ｄに与えられる補償トルクを加味して、アーム部５１０の自重による負荷トルクをキャンセルし得るように、当該関節部５１１ｄに設けられるアクチュエータ４３０を駆動させることにより、重力補償を行う。つまり、関節部５１１ｄに作用するアーム部５１０の自重による負荷トルクから、重力補償機構５４０によって関節部５１１ｄに与えられる補償トルクを差し引いた、重力補償機構５４０では補償しきれない不足分を補償し得るように、アクチュエータ４３０によって関節部５１１ｄにトルクを与えることにより、重力補償を行う。このように、本実施形態では、重力補償機構５４０と、関節部５１１ｄに設けられるアクチュエータ４３０と、を併用することにより、当該関節部５１１ｄにおける重力補償を行う。関節部５１１ｅについても同様に、重力補償機構５５０と、関節部５１１ｅに設けられるアクチュエータ４３０と、を併用することにより、当該関節部５１１ｅにおける重力補償を行う。なお、重力補償時のアクチュエータ４３０の駆動の制御方法については、下記（２−２．機能構成）で詳しく説明する。
【００６１】
（制御装置）
制御装置５３０は、例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）やＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）等のプロセッサ、又はこれらのプロセッサとメモリ等の記憶素子が搭載された制御基板等によって構成される。制御装置５３０は、所定のプログラムに従った信号処理を実行することにより、支持アーム装置５００の動作を制御する。
【００６２】
制御装置５３０は、アーム部５１０の動作を制御する。本実施形態では、アーム部５１０の制御方式として、力制御が用いられる。力制御では、各関節部５１１ａ〜５１１ｆの状態（アーム部５１０及び顕微鏡部５２０に作用する力、並びに各関節部５１１ａ〜５１１ｆにおける回転角度等）が、各関節部５１１ａ〜５１１ｆに設けられるアクチュエータ４３０のエンコーダ４２７及びトルクセンサ４２８によって検出される。制御装置５３０は、検出された各関節部５１１ａ〜５１１ｆの状態に基づいて、アーム部５１０に所望のタスクを実行させるために必要な、各関節部５１１ａ〜５１１ｆに設けられるアクチュエータ４３０による発生トルクを算出し、算出された当該発生トルクを制御値として、これら各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０の駆動を制御する。この際、本実施形態では、制御装置５３０は、上述したように重力補償機構５４０、５５０による補償トルクを加味して当該発生トルクを算出することにより、重力補償を行いつつ所望のタスクを実行実現させるような発生トルクを算出する。
【００６３】
力制御では、アーム部５１０に対する外力に応じて各関節部５１１ａ〜５１１ｆの駆動を制御することが可能になる。例えば、力制御では、術者が直接アーム部５１０に触れて行う、当該アーム部５１０を移動させようとする操作に応じて、当該アーム部５１０に加えられた力の方向に当該アーム部５１０が移動するように（すなわち、術者の動作に追従するように）、制御装置５３０によってアクチュエータ４３０の駆動が制御され、当該アーム部５１０の動作が制御され得る。かかるアーム部５１０の動作は、術者による操作をアシストする操作であることから、パワーアシスト動作と呼ばれる。このように、力制御を用いることにより、術者が直接アーム部５１０に触れながら当該アーム部５１０を移動させることができるため、より容易でより直感的な操作が可能になる。なお、以下の説明では、術者が直接アーム部５１０に触れながら当該アーム部５１０を移動させる操作のことを、直接操作とも言う。
【００６４】
なお、制御装置５３０における、かかるアーム部５１０の動作の制御に係る機能については、下記（２．システム及び支持アーム装置の機能構成）で改めて詳細に説明する。
【００６５】
また、制御装置５３０は、顕微鏡部５２０によって撮影された映像についての表示制御に係る各種の処理を行う。具体的には、制御装置５３０は、顕微鏡部５２０の撮像部によって取得された画像信号に各種の信号処理を施すことにより、表示用の映像データを生成する。当該信号処理では、例えば現像処理（デモザイク処理）、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ（Noise  reduction）処理及び／又は手ブレ補正処理等）及び／又は拡大処理（すなわち、電子ズーム処理）等、各種の公知の信号処理が行われてよい。制御装置５３０は、生成した映像データを表示装置４００に送信するとともに、当該表示装置４００の駆動を制御して、当該表示装置４００に当該映像データを表示させる。
【００６６】
制御装置５３０は、その他、一般的な観察装置５００が有する各種の機能を有してよい。
【００６７】
（表示装置）
表示装置４００は、手術室内に設置され、制御装置５３０からの制御により、当該制御装置５３０によって生成された映像データに対応する映像を表示する。つまり、表示装置４００には、顕微鏡部５２０によって撮影された術部３４１の映像が表示される。表示装置４００としては、液晶ディスプレイ装置又はＥＬ（Electro  Luminescence）ディスプレイ装置等、各種の公知の表示装置が適用されてよい。
【００６８】
以上、本実施形態に係るシステム１及び支持アーム装置５００の構成について説明した。
【００６９】
ここで、上述したように、特許文献１、２及び非特許文献１に示す技術のように機械的な重力補償機構のみによって重力補償を行おうとする場合には、アーム部の自重による負荷トルクにおけるモーメントアームの長さ、及び当該重力補償機構による補償トルクにおけるモーメントアームの長さの、関節部における回転角度に対する依存性を考慮して、当該回転角度に応じた当該負荷トルクをキャンセルし得るような補償トルクを生じさせるように当該重力補償機構を構成する必要があるため、当該重力補償機構の構成が複雑化する傾向があった。また、特許文献３に示すような各関節部にアクチュエータが設けられる支持アーム装置において、当該アクチュエータのみによって重力補償を行おうとする場合には、当該アクチュエータに大きな出力が求められるため、当該アクチュエータが大型化する傾向があった。かかる重力補償機構の構成の複雑化及びアクチュエータの大型化は、アーム部、ひいては支持アーム装置全体の大型化、重量化を引き起こす。また、バランスアームとして構成される支持アーム装置では、カウンターウェイトが設けられることにより、やはりアーム部、及び支持アーム装置全体が大型化、重量化する傾向がある。
【００７０】
これに対して、以上説明したように、本実施形態によれば、重力補償機構５４０、５５０と、関節部５１１ｄ、５１１ｅに設けられるアクチュエータ４３０と、を併用することにより、当該関節部５１１ｄ、５１１ｅにおける重力補償を行う。アクチュエータ４３０を併用することにより、機械的な機構である重力補償機構５４０、５５０によってアーム部５１０の自重による負荷トルクを略完全にキャンセルし得るように当該重力補償機構５４０、５５０を構成する必要がないため、当該重力補償機構５４０、５５０の構成をより簡易なものとすることができる。また、重力補償機構５４０、５５０を併用することにより、重力補償時にアクチュエータ４３０にそれ程大きな出力が求められないため、当該アクチュエータ４３０をより小型化することができる。従って、本実施形態によれば、アーム部５１０及び支持アーム装置５００全体をより簡易に、かつより軽量に構成することが可能になる。
【００７１】
本実施形態では、大出力のアクチュエータが不要となることで、消費電力の低減、及び製造コストの削減効果も得ることができる。また、アーム部５１０及び支持アーム装置５００全体をより簡易に、かつより軽量に構成することが可能になることで、当該支持アーム装置５００を手術台３３０に近接配置したり、当該支持アーム装置５００をアーム部５１０が天井から吊り下げられるように構成される吊り下げ型の支持アーム装置５００として構成したりといった、より自由度の高い構成が可能になる。
【００７２】
また、関節部５１１ｄ、５１１ｅに与えられるアーム部５１０の自重による負荷トルクは、これら関節部５１１ｄ、５１１ｅよりも先端側の構成の重量及び重心の位置によるため、これら関節部５１１ｄ、５１１ｅによって異なる。従って、例えばアクチュエータ４３０による発生トルクのみによって重力補償を行おうとすると、関節部５１１ｄに設けられるアクチュエータ４３０と関節部５１１ｅに設けられるアクチュエータ４３０には異なる性能が求められることとなるため、アクチュエータ４３０を共通化することができず、製造コストの増加を招きかねない。これに対して、本実施形態では、関節部５１１ｄ、５１１ｅにそれぞれ重力補償機構５４０、５５０が設けられるため、かかる重力補償機構５４０、５５０の構成（具体的には、バネ５４２、５５２の復元力等）を調整し、当該重力補償機構５４０、５５０がそれぞれ発生させる補償トルクの値を適宜調整することにより、関節部５１１ｄに設けられるアクチュエータ４３０と関節部５１１ｅに設けられるアクチュエータ４３０に求められる出力を同程度にすることが可能になる。このように、本実施形態によれば、重力補償機構５４０、５５０の構成を適宜調整することにより、アクチュエータ４３０の共通化を図ることができる。従って、製造コストの低減により寄与することができる。
【００７３】
また、重力補償機構５４０、５５０の構成をより簡易なものとすることができることにより、当該重力補償機構５４０、５５０の信頼性が向上し、製造コストも低く抑えることができるため、量産性に優れた支持アーム装置５００を提供することが可能になる。
【００７４】
更に、本実施形態では、トルクセンサ４２８を有するアクチュエータ４３０を用いて重力補償を行う。トルクセンサ４２８によって、アクチュエータ４３０に実際に作用しているトルクが検出され、その検出されたトルクに基づいて重力補償を行うためのアクチュエータ４３０の発生トルクを算出することができるため、不感帯の狭い、より高精度な重力補償を行うことが可能になる。
【００７５】
（２．システム及び支持アーム装置の機能構成）
以上説明したシステム１及び支持アーム装置５００の機能構成について説明しつつ、本実施形態に係るアーム部５１０の動作の制御について説明する。
【００７６】
（２−１．アーム部の動作の制御の概要）
以上説明した本実施形態に係るシステム１及び支持アーム装置５００の機能構成について説明するに先立ち、支持アーム装置５００のアーム部５１０の動作の制御のために行われる処理の概要について説明する。なお、以下に説明するアーム部５１０の動作の制御のための各処理はあくまで一例である。本実施形態では、アーム部５１０の動作が力制御によって制御されればよく、その具体的な制御方法は限定されない。アーム部５１０の動作の制御においては、力制御に係る各種の公知の制御理論が用いられてよい。
【００７７】
本実施形態では、支持アーム装置５００の各関節部５１１ａ〜５１１ｆの駆動が、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により制御される。全身協調制御では、所定の拘束条件の下で所望のタスクを実行し得るように、各関節部５１１ａ〜５１１ｆにおいて発生すべきトルク（すなわち、所望のタスクを実行するための各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０における発生トルク）が、各関節部５１１ａ〜５１１ｆに設けられるアクチュエータ４３０の制御値として算出される。更に、外乱の影響を補正することにより当該制御値に対する理想的な応答を実現する理想関節制御が各関節部５１１ａ〜５１１ｆの駆動制御に適用される。以下、一般化逆動力学及び理想関節制御の概要について、順に説明する。
【００７８】
（２−１−１．一般化逆動力学について）
一般化逆動力学は、複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成される多リンク構造体（本実施形においてはアーム部５１０）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タスクを、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。
【００７９】
操作空間は、多リンク構造体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。
【００８０】
タスクは、多リンク構造体の駆動制御における目標を表すものである。タスクとしては、例えば、「撮像部の視点保持」（すなわち、顕微鏡部５２０の位置及び姿勢を一定に保つこと）や、「術者の視界確保」（すなわち、術者の視界にアーム部５１０及び顕微鏡部５２０を侵入させないこと）等が設定され得る。実際の制御においては、より具体的に、これらのタスクを達成するための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が設定され得る。
【００８１】
拘束条件は、多リンク構造体の形状や構造、多リンク構造体の周囲の環境及びユーザによる設定等によって定められる、多リンク構造体の位置、速度、加速度、力等に関する拘束条件である。例えば、拘束条件には、発生力、優先度、非駆動関節の有無、垂直反力、摩擦錘、支持多角形等についての情報が含まれる。
【００８２】
拘束条件は、タスクに応じて設定され得る。例えば、タスクが「撮像部の視点保持」であれば、その拘束条件として、アーム部５１０の先端位置（手先位置）及び先端姿勢（手先姿勢）が所定の状態で保持されるように、当該手先位置及び手先姿勢に対して幾何的な制限が課せられる。また、例えば、タスクが「術者の視界確保」であれば、その拘束条件としては、アーム部５１０及び顕微鏡部５２０が、空間上に設定された所定の侵入禁止領域に侵入しないように、その移動範囲に対して制限が課せられる。当該侵入禁止領域としては、術者の視野領域となることが想定される領域が適宜設定される。
【００８３】
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、タスクの達成に必要な、操作空間に作用する仮想的な力である仮想力を、タスクの優先度と仮想力の最大値を考慮しながら決定する。第２段階である実在力算出処理では、非駆動関節、垂直反力、摩擦錘、支持多角形等に関する拘束を考慮しながら、上記で得られた仮想力を関節力、外力等の実際の多リンク構造体の構成で実現可能な実在力に変換する。以下、仮想力算出処理及び実在力算出処理について詳しく説明する。
【００８４】
（２−１−１−１．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とヤコビアンＪとを用いて、以下の数式（１）で定義される。
【００８５】
【数１】
2018051665.tif 000003
【００８６】
本実施形態に係る支持アーム装置５００の構成であれば、例えば、上記数式（１）におけるｘは、アーム部５１０のリンク５１２ａ〜５１２ｆの先端位置であり、ｑは、アーム部５１０の関節部５１１ａ〜５１１ｆにおける回転角度である。操作空間ｘに関する運動方程式は、下記数式（２）で記述される。
【００８７】
【数２】
2018051665.tif 000004
【００８８】
ここで、ｆは操作空間ｘに作用する力を表す。また、Λ−１は操作空間慣性逆行列、ｃは操作空間バイアス加速度と呼ばれるものであり、それぞれ下記数式（３）、（４）で表される。
【００８９】
【数３】
2018051665.tif 000005
【００９０】
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５１１ａ〜５１１ｆにおける発生トルク）、ｂは重力、コリオリ力、遠心力を表す項である。
【００９１】
一般化逆動力学においては、タスクに対応する操作空間ｘに関する位置、速度の目標値は、操作空間ｘの加速度として表現できることが知られている。このとき、上記数式（１）から、タスクに応じて与えられた目標値である操作空間加速度を実現するために、操作空間ｘに作用するべき仮想力ｆｖは、下記数式（５）のような一種の線形相補性問題（ＬＣＰ：Linear  Complementary  Problem）を解くことによって得られる。
【００９２】
【数４】
2018051665.tif 000006
【００９３】
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。
【００９４】
なお、操作空間慣性逆行列Λ−１、バイアス加速度ｃは、定義式である上記数式（３）、（４）の通り算出すると計算コストが大きい。従って、多リンク構造体の一般化力（関節力τ）から一般化加速度（関節加速度）を得る準動力学計算（ＦＷＤ）を応用することにより、操作空間慣性逆行列Λ−１の算出処理をより高速に算出する方法が提案されている。具体的には、操作空間慣性逆行列Λ−１、バイアス加速度ｃは、順動力学演算ＦＷＤを用いることにより、関節空間ｑ、関節力τ、重力ｇ等の多リンク構造体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。
【００９５】
ここで、タスクに応じた目標値の設定例として、絶対値Ｆｉ以下の仮想力ｆｖｉで操作空間加速度の目標値（ｘの２階微分に上付きバーを付して表す）を達成するための条件は、下記数式（６）で表現できる。
【００９６】
【数５】
2018051665.tif 000007
【００９７】
また、上述したように、操作空間ｘの位置、速度に関する目標値は、操作空間加速度の目標値として表すことができ、具体的には下記数式（７）で表現される（操作空間ｘの位置、速度の目標値を、ｘ、ｘの１階微分に上付きバーを付して表す）。
【００９８】
【数６】
2018051665.tif 000008
【００９９】
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）に関する目標値を設定することもできる。
【０１００】
（２−１−１−２．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（２−１−１−１．仮想力算出処理）で得られた仮想力ｆｖを、実在の関節力と外力で置換する処理を行う。仮想力による一般化力τｖ＝ＪｖＴｆｖを関節部に生じる発生トルクτａと外力ｆｅとで実現するための条件は、下記数式（８）で表現される。
【０１０１】
【数７】
2018051665.tif 000009
【０１０２】
ここで、添え字ａは駆動関節部の集合（駆動関節集合）を表し、添え字ｕは非駆動関節部の集合（非駆動関節集合）を表す。すなわち、上記数式（８）の上段は非駆動関節部による空間（非駆動関節空間）の力の釣り合いを表しており、下段は駆動関節部による空間（駆動関節空間）の力の釣合いを表している。Ｊｖｕ、Ｊｖａは、それぞれ、仮想力ｆｖが作用する操作空間に関するヤコビアンの非駆動関節成分及び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及び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。
【０１０３】
上記数式（８）の上段は不定であり、例えば下記数式（９）に示すような２次計画問題（ＱＰ：Quadratic  Programing  Problem）を解くことで、ｆｅ及びΔｆｖを得ることができる。
【０１０４】
【数８】
2018051665.tif 000010
【０１０５】
ここで、εは上記数式（８）の上段の両辺の差であり、数式（８）の等式誤差を表す。ξはｆｅとΔｆｖとの連結ベクトルであり、変数ベクトルを表す。Ｑ１及びＱ２は、最小化の際の重みを表す正定値対称行列である。また、上記数式（９）の不等式拘束は、垂直反力、摩擦錐、外力の最大値、支持多角形等、設定されたタスクに対応する、外力に関する拘束条件を表現するのに用いられる。
【０１０６】
例えば、矩形の支持多角形に関する不等式拘束は、下記数式（１０）のように表現される。
【０１０７】
【数９】
2018051665.tif 000011
【０１０８】
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。
【０１０９】
例えば、上記数式（９）、（１０）から、最小ノルム又は最小誤差の解ｆｅ、Δｆｖが求められる。上記数式（９）から得られたｆｅ、Δｆｖを上記数式（８）の下段に代入することにより、タスクを実現するために必要な関節力τａ、すなわち各関節部５１１ａ〜５１１ｆにおける発生トルクτａを得ることができる。
【０１１０】
実際には、設定されたタスクに対応する拘束条件が、上記数式（１０）のように、適宜定式化されて設定される。
【０１１１】
基底が固定され、非駆動関節が無い系の場合は、関節力のみで全ての仮想力を置換可能であり、上記数式（８）において、ｆｅ＝０、Δｆｖ＝０とすることができる。この場合、上記数式（８）の下段から、関節力τａについて以下の数式（１１）を得ることができる。
【０１１２】
【数１０】
2018051665.tif 000012
【０１１３】
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、所望のタスク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５１１ａ〜５１１ｆの駆動制御における制御値とすることにより、関節部５１１ａ〜５１１ｆが、所望のタスクを達成するように駆動され得る。
【０１１４】
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号公報等を参照することができる。
【０１１５】
（２−１−２．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。支持アーム装置５００の各関節部５１１ａ〜５１１ｆに設けられるアクチュエータ４３０の運動は、下記数式（１２）に示される二次遅れ系の運動方程式によってモデル化される。
【０１１６】
【数１１】
2018051665.tif 000013
【０１１７】
ここで、ｑはアクチュエータ４３０の回転角度、ｑｒｅｆはアクチュエータ４３０の回転角度目標値、Ｉａはアクチュエータ４３０における慣性モーメント（イナーシャ）、τａはアクチュエータ４３０の発生トルク、τｅは外部からアクチュエータ４３０に作用する外トルク、νａはアクチュエータ４３０における粘性抵抗係数である。上記数式（１２）は、各関節部５１１ａ〜５１１ｆにおけるアクチュエータ４３０の運動を表す理論モデルである。
【０１１８】
上記（２−１−１．一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、タスクを実現するために各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０が発生すべきトルクτａ（発生トルクτａ）を算出することができる。従って、理想的には、各アクチュエータ４３０に対して算出された発生トルクτａを上記数式（１２）に適用することにより、各アクチュエータ４３０において上記数式（１２）に示す理論モデルに従った応答が実現する、すなわち、アーム部５１０において所望の動作が実現されるはずである。
【０１１９】
しかし、実際には、様々な外乱の影響により、アクチュエータ４３０における実際の運動と上記数式（１２）に示す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（すなわち制御対象であるアーム部５１０）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、アクチュエータ４３０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。
【０１２０】
一方、後者のアクチュエータ４３０内部の摩擦や慣性等に起因するモデル化誤差は、例えば減速機４２６における摩擦等、モデル化が困難な現象に起因している。従って、アクチュエータ４３０の運動を示す理論モデルを構築する際には、無視できないモデル化誤差が残留し得る。また、上記数式（１２）におけるイナーシャＩａや粘性抵抗係数νａの値と、実際のアクチュエータ４３０におけるこれらの値との間に誤差が生じている可能性もある。これらの、モデル化が困難なアクチュエータ４３０内部における摩擦や慣性等に起因する誤差は、アクチュエータ４３０の駆動制御において外乱となり得る。よって、このような外乱の影響により、実際には、アクチュエータの運動が、上記数式（１２）に示す理論モデル通りには応答しない、すなわち、所望の動作が実現されない場合が生じる。
【０１２１】
そこで、本実施形態では、アクチュエータ４３０にアクティブな制御系を付加することで、上記数式（１２）に示す理論モデルに従った理想応答を行うように、アクチュエータ４３０の応答を補正する。なお、このように、支持アーム装置５００のアクチュエータ４３０（すなわち関節部５１１ａ〜５１１ｆ）が上記数式（１２）に示すような理想的な応答を行うようにアクチュエータ４３０の駆動を制御することを、本実施形態では、理想関節制御と呼称する。
【０１２２】
図３を参照して、本実施形態に係る理想関節制御について詳細に説明する。図３は、本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３では、理想関節制御に係る各種の演算を行う概念上の演算器をブロックで模式的に図示している。なお、図３に示すブロック図は、支持アーム装置５００の関節部５１１ａ〜５１１ｆのうちの１つの関節部のアクチュエータ４３０に対する、当該理想関節制御における一連の処理を示すものである。
【０１２３】
図３を参照すると、アクチュエータ６１０は、例えば図２に示すアクチュエータ４３０の機構を模擬的に示すものである。図３では、アクチュエータ６１０の構成部材として、モータ６１１、減速機６１２、エンコーダ６１３及びトルクセンサ６１４が図示されている。これらは、それぞれ、図２に示すモータ４２４、減速機４２６、エンコーダ４２７及びトルクセンサ４２８に対応するものである。
【０１２４】
演算器６３１は、上記数式（１２）に示すアクチュエータ６１０（すなわち、関節部５１１ａ〜５１１ｆ）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である。演算器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（１２）の左辺に示す回転角加速度目標値（回転角度目標値ｑｒｅｆの２階微分）を出力することができる。
【０１２５】
ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（１２）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（１２）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。しかしながら、上記のように、外乱の影響により、実際には上記数式（１２）に従った理想的な応答が生じないことがある。そこで、本実施形態では、外乱オブザーバ６２０を導入する。当該外乱オブザーバ６２０によって外乱に起因するトルクの推定値である外乱推定値τｄを算出し、当該外乱推定値τｄを用いて、演算器６３１による計算結果を補正する処理を行う。
【０１２６】
以下、具体的な処理について順に説明する。まず、上記（２−１−１．一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所望のタスクを実現するための発生トルクτａと、トルクセンサ６１４によって検出された外トルクτｅとが、演算器６３１に入力される。一方、微分演算を行う演算器６３２に、エンコーダ６１３によって検出されたアクチュエータ６１０の回転角度ｑが入力されることにより、アクチュエータ６１０の回転角速度（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、演算器６３２によって算出された回転角速度が演算器６３１に入力されることにより、演算器６３１によって回転角加速度目標値（ｑｒｅｆの２階微分）が算出される。算出された回転角加速度目標値は、演算器６３３に入力される。
【０１２７】
演算器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である。本実施形態では、具体的には、演算器６３３は、演算器６３１によって算出された回転角加速度目標値に、アクチュエータ６１０の公称イナーシャ（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を算出する。理想的な応答においては、アクチュエータ６１０が当該トルク目標値τｒｅｆを出力するように駆動されることにより、所望の動作が実現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によって算出された外乱推定値τｄを用いて当該トルク目標値τｒｅｆが補正される。
【０１２８】
外乱オブザーバ６２０の構成について説明する。外乱オブザーバ６２０は、トルク指令値τと、エンコーダ６１３によって検出されたアクチュエータ６１０の回転角度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に与えられる指令値である。つまり、図３に示す制御系では、アクチュエータ６１０は、当該トルク指令値τに対応するトルクを出力するように駆動される。例えば、外乱推定値τｄが略ゼロである場合には、トルク指令値τはトルク目標値τｒｅｆと略等しい値になる。
【０１２９】
具体的には、外乱オブザーバ６２０は、演算器６３４及び演算器６３５から構成される。演算器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である。演算器６３４には、エンコーダ６１３によって検出された回転角度ｑに基づいて演算器６３２によって算出された回転角速度が入力される。演算器６３４は、入力された当該回転角速度に対して伝達関数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。
【０１３０】
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、１ステップ前の制御におけるトルク指令値τと、現ステップの制御におけるトルク推定値との差分である。演算器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、演算器６３３によって算出されるトルク指令値τは演算器６３１によって算出されたアクチュエータ６１０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。
【０１３１】
演算器６３５は、系の発散を防ぐために設けられる、ローパスフィルター（ＬＰＦ：Low  Pass  Filter）の機能を有する演算器である。演算器６３５は、伝達関数ｇ／（ｓ＋ｇ）で表される演算を行うことにより、入力された値の低周波成分のみを出力し、系を安定化させる。演算器６３４によって算出されたトルク推定値とトルク目標値τｒｅｆとの差分値は、演算器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。
【０１３２】
外乱オブザーバ６２０によって外乱推定値τｄが算出されると、理論値であるトルク目標値τｒｅｆに当該外乱推定値τｄが加算されることにより、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。算出されたトルク指令値τは、関節部を表すブロック６３６に入力される。ブロック６３６は、関節部５１１ａ〜５１１ｆ（すなわちアクチュエータ６１０）を模擬的に表すものである。ブロック６３６では、トルク指令値τに基づいてアクチュエータ６１０が駆動されることとなる。具体的には、ブロック６３６では、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、当該トルク指令値τに対応するトルクを出力するようにアクチュエータ６１０が駆動される。
【０１３３】
以上説明した処理が、支持アーム装置５００のアーム部５１０を構成する各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０に対してそれぞれ実行されることにより、各アクチュエータ４３０が理論モデルに従った理想的な応答をすることとなり、アーム部５１０が所望のタスクを実現するように、アーム部５１０の動作が高精度に制御され得る。
【０１３４】
以上、図３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。以上説明した構成を取ることにより、本実施形態に係る関節部５１１ａ〜５１１ｆ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。
【０１３５】
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号公報等を参照することができる。
【０１３６】
ここで、以上説明した全身協調制御及び理想関節制御では、重力補償機構５４０、５５０による補償トルクは考慮されていない。つまり、以上説明した全身協調制御及び理想関節制御は、重力補償機構５４０、５５０が設けられない関節部５１１ａ〜５１１ｃ、５１１ｆに対する制御を表している。重力補償機構５４０、５５０が設けられる関節部５１１ｄ、５１１ｅに対しては、以上説明した全身協調制御において、重力補償機構５４０、５５０による補償トルクが考慮され得る（なお、理想関節制御において重力補償機構５４０、５５０による補償トルクが考慮されてもよい。かかる制御の詳細については、下記（５−１．他の制御方法に係る変形例）で改めて説明する）。以下では、図４を参照して、かかる重力補償機構５４０、５５０による補償トルクを考慮した全身協調制御について説明する。
【０１３７】
（２−２．機能構成）
図４を参照して、図１に示す本実施形態に係るシステム１及び支持アーム装置５００の機能構成について説明する。図４は、本実施形態に係るシステム１及び支持アーム装置５００の機能構成の一例を示すブロック図である。なお、図４では、説明のため、アーム部５１０の動作の制御に関係する機能のみを図示している。また、図４では、重力補償機構５４０、５５０による補償トルクを考慮した全身協調制御が行われる場合における機能構成を図示している。つまり、図４に示す機能構成は、重力補償機構５４０、５５０が設けられる関節部５１１ｄ、５１１ｅの駆動を制御するための機能構成である。他の関節部５１１ａ〜５１１ｃ、５１１ｆの駆動を制御するための機能構成は、図示する構成から、後述する重力補償機構部１４０及び補償トルク算出部２４５が削除されたものに対応する。
【０１３８】
図４を参照すると、本実施形態に係るシステム１は、支持アーム装置１０と、表示装置３０と、から構成される。支持アーム装置１０及び表示装置３０は、図１を参照して説明した支持アーム装置５００及び表示装置４００にそれぞれ対応するものである。表示装置３０の機能については、図１を参照して既に説明しているため、ここではその説明を省略する。
【０１３９】
（支持アーム装置１０）
図４を参照すると、本実施形態に係る支持アーム装置１０は、アーム部１２０と、顕微鏡部１５０と、制御装置２０と、を有する。これらアーム部１２０、顕微鏡部１５０及び制御装置２０は、図１を参照して説明した支持アーム装置５００のアーム部５１０、顕微鏡部５２０及び制御装置５３０にそれぞれ対応するものである。また、図４では、支持アーム装置１０のアーム部１２０の構成のうち、関節部１３０及び重力補償機構部１４０を図示している。これら関節部１３０及び重力補償機構部１４０は、図１を参照して説明したアーム部５１０の関節部５１１ａ〜５１１ｆ及び重力補償機構５４０、５５０にそれぞれ対応するものである。重力補償機構部１４０（すなわち、重力補償機構５４０、５５０）及び顕微鏡部１５０の構成及び機能については、図１を参照して既に説明しているため、ここではその説明を省略する。
【０１４０】
（アーム部１２０）
アーム部１２０の関節部１３０は、その機能として、関節駆動部１３１と、関節状態検出部１３２と、を有する。
【０１４１】
関節駆動部１３１は、関節部１３０を回転駆動させるための駆動機構によって構成される。関節駆動部１３１は、図２に示すアクチュエータ４３０のモータ４２４及びモータドライバ４２５に対応する。関節駆動部１３１は、後述する制御装置２０の駆動制御部２６０によってその駆動が制御される。具体的には、後述する制御装置２０の理想関節制御部２５０によって、所望のタスクを実現するために関節部１３０が発生すべきトルクの値（図３に示すトルク指令値τ）が算出される。駆動制御部２６０は、算出されたトルク指令値τに対応する電流指令値に従ってモータ４２４を駆動させるように、関節駆動部１３１に対して指示を出す。当該電流指令値に従って関節駆動部１３１を構成するモータ４２４が駆動することにより、トルク指令値τに従ったトルクを発生するように、関節部１３０が駆動されることになる。
【０１４２】
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する。関節部１３０の状態には、例えば、関節部１３０の回転角度、回転角速度、回転角加速度、トルク等の情報が含まれる。
【０１４３】
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に作用するトルクを検出するトルク検出部１３４を有する。回転角度検出部１３３及びトルク検出部１３４は、図２に示すアクチュエータ４３０のエンコーダ４２７及びトルクセンサ４２８にそれぞれ対応するものである。例えば、術者が顕微鏡部１５０を移動させようとして、アーム部１２０及び／又は顕微鏡部１５０に対して外力を加えた場合には、その外力に応じた関節部１３０における回転角度、回転角速度、回転角加速度及び発生トルク等が、関節状態検出部１３２によって検出される。
【０１４４】
関節状態検出部１３２は、検出した関節部１３０の状態についての情報を、後述する制御装置２０のアーム状態取得部２４１、補償トルク算出部２４５及び外乱推定部２５１に提供する。
【０１４５】
（制御装置）
制御装置２０は、その機能として、全身協調制御部２４０と、理想関節制御部２５０と、駆動制御部２６０と、を有する。制御装置２０を構成する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、これらの機能が実現される。また、制御装置２０には、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶する記憶部２２０が備えられる。
【０１４６】
（記憶部）
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、全身協調制御部２４０及び理想関節制御部２５０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、後述する、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タスク及び拘束条件を記憶する。また、記憶部２２０は、後述する、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の内部モデルを記憶する。更に、記憶部２２０は、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を記憶してもよい。全身協調制御部２４０及び理想関節制御部２５０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。
【０１４７】
（全身協調制御部）
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。全身協調制御部２４０は、その機能として、アーム状態取得部２４１と、演算条件設定部２４２と、仮想力算出部２４３と、実在力算出部２４４と、補償トルク算出部２４５と、を有する。
【０１４８】
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する。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。アーム状態を取得することにより、現在のアーム部１２０及び顕微鏡部１５０の位置及び姿勢、並びに、現在アーム部１２０及び顕微鏡部１５０に作用している力等が把握され得る。
【０１４９】
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、トルク等の情報を取得している。また、制御装置２０に備えられる記憶部２２０には、アーム部１２０の内部モデルが格納されている。ここで、内部モデルとは、支持アーム装置１０の駆動制御に用いられる制御モデルであり、制御対象であるアーム部１２０の位置及び姿勢を表す情報（幾何情報）を含むものである。制御装置２０は、関節部１３０の状態、及び当該内部モデルに基づいて、現在のアーム状態を取得することができる。
【０１５０】
アーム状態取得部２４１は、取得したアーム状態についての情報を演算条件設定部２４２に提供する。
【０１５１】
演算条件設定部２４２は、アーム部１２０の駆動制御のための（すなわち、関節部１３０の駆動制御のための）制御値（上述した発生トルクτａ）を計算するための演算条件を設定する。演算条件としては、アーム部１２０に実行させたいタスクや、当該タスクに対応する拘束条件等が設定される。
【０１５２】
具体的には、制御装置２０の記憶部２２０に、アーム部１２０の駆動制御に対して設定可能な各種のタスク、及びこれら各種のタスクにそれぞれ対応する拘束条件の組み合わせが、予め格納されている。演算条件設定部２４２は、当該記憶部２２０にアクセスすることにより、これらのタスク及び拘束条件のいずれかを、演算条件として設定することができる。
【０１５３】
タスクは、アーム部１２０の運動に関する各種の目的である。具体的には、タスクは、アーム部１２０（より詳細には、アーム部１２０の複数の関節部１３０及び複数のリンク）及び顕微鏡部１５０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てよい。
【０１５４】
例えば、術者が直接操作により顕微鏡部１５０の位置及び姿勢を移動させた際の、当該顕微鏡部１５０の当該位置及び姿勢が、タスクとして設定される（すなわち、顕微鏡部１５０が術者の直接操作に応じた所望の位置及び姿勢になるように当該顕微鏡部１５０を動作させる旨のタスクが設定される）。あるいは、顕微鏡部１５０にピボット動作を行わせる旨のタスクや、アーム部１２０にパワーアシスト動作を行わせる旨のタスク等が設定されてもよい。
【０１５５】
ここで、ピボット動作とは、顕微鏡部１５０が、空間上の所定の点を常に向いた状態で（すなわち、顕微鏡部１５０の光軸が空間上の所定の点を常に通過する状態で）、当該所定の点を頂点とした円錐の面上を移動する動作である。つまり、ピボット動作では、顕微鏡部１５０は、空間上の所定の点を頂点とした円錐の軸を旋回軸とした旋回動作を行う。当該所定の点のことを、ピボット点又はピボット中心とも言う。図１に示す構成例において当該ピボット中心を患者３４０の術部３４１に設定すれば、顕微鏡部１５０が当該術部３４１を撮影したまま当該術部３４１の周囲を旋回するように動作することとなるため、当該術部３４１を様々な方向から観察することが可能になる。
【０１５６】
また、パワーアシスト動作とは、外部から与えられた力の方向へのアーム部１２０及び顕微鏡部１５０の移動をサポートするように関節部１３０の駆動を制御する動作である。具体的には、パワーアシスト動作では、アーム部１２０及び顕微鏡部１５０に対して外部から（例えば術者から）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。パワーアシスト動作を行うことにより、術者が直接操作によってアーム部１２０及び顕微鏡部１５０を移動させる場合に、術者はより小さい力でアーム部１２０及び顕微鏡部１５０を移動させることができるため、術者の操作性を向上させることができる。
【０１５７】
その他、タスクとしては、一般的に力制御によって動作が制御されるロボット装置においてタスクとして設定され得る各種のものが設定されてよい。
【０１５８】
拘束条件は、アーム部１２０の運動を制限（拘束）する各種の条件である。具体的には、拘束条件は、アーム部１２０の各構成部材が侵入禁止である領域の座標や、当該各構成部材が移動する際の速度、及び／又は加速度の値の範囲（上限値及び／又は下限値）、当該各構成部材が発生する力の値の範囲（上限値及び／又は下限値）等であってよい。
【０１５９】
例えば、上述した顕微鏡部１５０が術者の直接操作に応じた所望の位置及び姿勢になるように当該顕微鏡部１５０を動作させるというタスクに対して、アーム部１２０及び顕微鏡部１５０の侵入禁止領域や移動速度の上限値等が、拘束条件として設定されてよい。あるいは、例えば、上述した顕微鏡部１５０にピボット動作を行わせる旨のタスクに対しては、当該顕微鏡部１５０がピボット動作における円錐の面上に常に位置するように、当該顕微鏡部１５０の位置に対して拘束条件が課せられる。
【０１６０】
なお、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の構造等に基づいて機械的又は制御的に許容され得ない範囲として設定されてもよいし、安全等の観点から術者によって適宜設定されてもよい。例えば、各関節部１３０における回転可能範囲等に基づいて決定される機構的に不可能な姿勢や、アーム部１２０の構成に応じて決定される制御が収束しない姿勢（いわゆる特異姿勢）が、アーム部１２０についての禁止姿勢として、拘束条件において設定されてよい。これにより、支持アーム装置１０について、より安定的な制御が実現され得る。また、例えば、安全の観点からアーム部１２０及び顕微鏡部１５０の侵入禁止領域や、移動速度の上限値、各関節部１３０における発生トルクの上限値等が、拘束条件として設定されてよい。これにより、より安全な手術が実現され得る。
【０１６１】
アーム部１２０にどのようなタスクを実行させるかは、例えば制御装置２０に設けられる入力部（図示せず）を介して、術者によって適宜設定され得る。演算条件設定部２４２は、術者から入力された指示に従い、所定のタスク及び拘束条件を演算条件として設定することができる。
【０１６２】
演算条件設定部２４２は、アーム状態についての情報、並びに設定したタスク及び拘束条件についての情報を仮想力算出部２４３に提供する。
【０１６３】
仮想力算出部２４３は、演算条件設定部２４２によって設定されたタスクを実行するために必要な、アーム部１２０の各関節部１３０に作用する仮想力を算出する。仮想力算出部２４３は、上記（２−１−１−１．仮想力算出処理）で説明した一連の処理を実行することにより、仮想力を算出する。この仮想力の算出処理の内容については既に説明しているため、その詳細な説明を省略する。
【０１６４】
仮想力算出部２４３は、算出した仮想力についての情報を、実在力算出部２４４に提供する。
【０１６５】
補償トルク算出部２４５は、重力補償機構部１４０による補償トルクを算出する。図１を参照して説明したように、本実施形態では、第４軸Ｏ４に対応する関節部５１１ｄ、及び第５軸Ｏ５に対応する関節部５１１ｅに対して、重力補償機構部１４０（すなわち、重力補償機構５４０、５５０）が設けられる。これら重力補償機構部１４０は、バネ５４２、５５２によって構成されており、当該バネ５４２、５５２の復元力により、関節部５１１ｄ及び関節部５１１ｅにおける回転角度に応じた復元トルクを発生させる。補償トルク算出部２４５は、関節状態検出部１３２から送信される、関節部１３０（関節部５１１ｄ及び関節部５１１ｅ）における回転角度についての情報に基づいて、現在のアーム部１２０の姿勢において重力補償機構部１４０によって生じている補償トルクの値を算出する。
【０１６６】
具体的に、重力補償機構５４０を例にして説明すると、当該重力補償機構５４０を構成するバネ５４２による復元力Ｆｓは、関節部５１１ｄにおける回転角度ｑの関数として、下記数式（１３）のように表すことができる。
【０１６７】
【数１２】
2018051665.tif 000014
【０１６８】
ここで、ｆ０はバネ５４２の初期引張力（すなわち、ｑ＝０のときにバネ５４２が発生させている復元力）、ｋはバネ５４２のバネ定数、ｌ（ｑ）は回転角度ｑの関数として表したバネ５４２の長さ、ｌ０はバネ５４２の初期長さ（すなわち、ｑ＝０のときのバネ５４２の長さ）である。ｌ（ｑ）及びｌ０は、アーム部１２０の構造（より詳細には、重力補償機構５４０の構造、及び関節部５１１ｄと重力補償機構５４０との位置関係）に応じて、幾何的な考察により算出され得る。また、ｋはバネ５４２の特性に応じた既知の定数であり、ｆ０は、当該バネ定数ｋと初期長さｌ０から算出され得る。
【０１６９】
また、復元トルクについてのモーメントアームをＤとすると、当該Ｄは関節部５１１ｄにおける回転角度ｑの関数Ｄ（ｑ）として表現できる。当該Ｄ（ｑ）も、アーム部１２０の構造（より詳細には、重力補償機構５４０の構造、及び関節部５１１ｄと重力補償機構５４０との位置関係）に応じて、幾何的な考察により算出され得る。
【０１７０】
従って、重力補償機構５４０による補償トルクＧｍ（ｑ）は、上記数式（１３）と、当該モーメントアームＤ（ｑ）を用いて、下記数式（１４）のように表すことができる。
【０１７１】
【数１３】
2018051665.tif 000015
【０１７２】
補償トルク算出部２４５は、上記数式（１４）を用いて、現在のアーム部１２０の姿勢において重力補償機構５４０によって生じている補償トルクの値を算出することができる。同様に、重力補償機構５５０によって生じている補償トルクも、関節部５１１ｅにおける回転角度の関数として表現できるため、補償トルク算出部２４５は、当該関数を用いて、現在のアーム部１２０の姿勢において重力補償機構５５０によって生じている補償トルクの値を算出することができる。
【０１７３】
補償トルク算出部２４５は、算出した現在のアーム部１２０の姿勢において重力補償機構部１４０（重力補償機構５４０、５５０）によって生じている補償トルクの値を、実在力算出部２４４に提供する。
【０１７４】
実在力算出部２４４は、仮想力算出部２４３によって算出された仮想力に基づいて、演算条件設定部２４２によって設定されたタスクを実行するために必要な、アーム部１２０の各関節部１３０に実際に作用する実在力を算出する。実在力算出部２４４は、上記（２−１−１−２．実在力算出処理）で説明した一連の処理を実行することにより、実在力を算出する。この際、実在力算出部２４４は、当該処理において、重力補償機構部１４０による補償トルクを考慮して、実在力を算出する。
【０１７５】
具体的には、アーム部１２０は、基底が固定され、非駆動系が無い系であるため、アーム部１２０についての実在力の算出処理では、上記数式（８）は、上記数式（１１）のように表される。従って、実在力算出部２４４は、仮想力算出部２４３によって算出された仮想力ｆｖを用いて、上記数式（１１）に従って、各関節部１３０について、実在力、すなわち発生トルクτａを算出する。ここで計算される発生トルクτａには、重力補償機構部１４０が設けられない場合に必要となる重力補償のためのトルク（すなわち、アーム部１２０の自重による負荷トルクＧを打ち消すだけのトルク）が含まれている。なお、各関節部１３０に作用するアーム部１２０の自重による負荷トルクＧは、アーム部１２０の姿勢に応じて異なるため、この発生トルクτａに含まれる重力補償のためのトルクの値は、全身協調制御部２４０の制御周期（すなわち、発生トルクτａを算出する周期）ごとに異なる値として算出され得る。
【０１７６】
実在力算出部２４４は、重力補償機構部１４０が設けられない関節部１３０（図１に示す構成例であれば、関節部５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、５１１ｆ）については、上記数式（１１）に従って算出した発生トルクτａを、そのままこれらの関節部１３０における実在力（発生トルク）とする。一方、実在力算出部２４４は、重力補償機構部１４０が設けられる関節部１３０（図１に示す構成例であれば、関節部５１１ｄ、５１１ｅ）については、上記数式（１１）に従って算出した発生トルクτａから、補償トルク算出部２４５によって算出された補償トルクを差し引いた値を、これらの関節部１３０における実在力（発生トルク）とする。かかる処理により、これらの関節部１３０について最終的に算出される発生トルクは、その重力補償成分として、アーム部１２０の自重による負荷トルクＧを打ち消すだけのトルクのうち重力補償機構部１４０による補償トルクでは賄いきれない分のみを含むものとなる。
【０１７７】
実在力算出部２４４は、算出した実在力、すなわち各関節部１３０において発生すべき発生トルクτａについての情報を、理想関節制御部２５０に提供する。
【０１７８】
（理想関節制御部）
理想関節制御部２５０は、理想関節制御に関する各種の演算を行う。理想関節制御部２５０は、その機能として、外乱推定部２５１と、指令値算出部２５２と、を有する。なお、理想関節制御部２５０が行う処理は、上記（２−１−２．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。
【０１７９】
外乱推定部２５１は、図３に示す外乱オブザーバ６２０に対応する機能を有する。外乱推定部２５１は、トルク指令値τ（実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτａと、回転角度検出部１３３によって検出された関節部１３０に作用する外トルク値と、に基づいて、上記数式（１２）に示す関節部１３０の理論モデルに従って求められる、関節部１３０に作用するトルク値）と、回転角度検出部１３３によって検出された関節部１３０の回転角度に基づいて算出される関節部１３０に作用するトルク値と、の差分を取ることにより、外乱によるトルクの値である外乱推定値τｄを算出する。なお、ここでいうトルク指令値τは、最終的にアーム部１２０の関節部１３０に生じさせるトルクを表す指令値である。外乱推定部２５１が外乱推定値τｄの算出に用いるトルク指令値τは、１ステップ前の制御におけるトルク指令値τであってよい。
【０１８０】
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、最終的にアーム部１２０の関節部１３０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（１２）に示す関節部１３０の理論モデルから算出されるトルク目標値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。
【０１８１】
指令値算出部２５２は、算出したトルク指令値τについての情報を、駆動制御部２６０に提供する。
【０１８２】
（駆動制御部）
駆動制御部２６０は、指令値算出部２５２によって算出されたトルク指令値τに基づいて、当該トルク指令値τに対応するトルクを関節部１３０において発生させるように、当該関節部１３０の関節駆動部１３１の駆動を制御する。具体的には、駆動制御部２６０は、トルク指令値τを対応する電流指令値に変換し、当該電流指令値に従った電流で、関節駆動部１３１を構成するモータ４２４を駆動させるように、当該関節駆動部１３１を構成するモータドライバ４２５に対して指示を出す。駆動制御部２６０からの制御により、理想関節制御部２５０によって算出されたトルク指令値τに対応するトルクを生じさせるようにアーム部１２０を構成する各関節部１３０が駆動されることにより、重力補償機構部１４０によって補償しきれなかった分の重力補償を行いつつ、所望のタスクが実現されるようにアーム部１２０が駆動されることとなる。
【０１８３】
以上、図４を参照して、本実施形態に係るシステム１及び支持アーム装置１０の機能構成について説明した。
【０１８４】
ここで、全身協調制御部２４０の制御周期（すなわち、発生トルクτａを算出する周期）と、理想関節制御部２５０の制御周期（すなわち、トルク指令値τを算出する周期）は、必ずしも同じでなくてよい。例えば、上述したように、全身協調制御部２４０は、所望のタスクを実現するような各関節部１３０における発生トルクτａを算出するが、アーム部１２０及び顕微鏡部１５０に対して追加的に外力が与えられず、その位置及び姿勢が変化しない場合には、各関節部１３０における発生トルクτａも略一定のままであると考えられる。従って、タスクの内容や支持アーム装置１０の用途にもよるが、必ずしも発生トルクτａを高い頻度で計算し直す必要はない。よって、全身協調制御部２４０の制御周期は比較的長くてもよいと考えられる。
【０１８５】
一方、上述したように、理想関節制御部２５０は、外乱の影響を考慮して、関節部１３０が理想的な応答をするようなトルク指令値τを算出する。従って、時々刻々と変化する外乱に対応して、トルク指令値τを高精度に算出しようと思うと、当該トルク指令値の算出は、比較的短い周期で行われることが好ましい。つまり、理想関節制御部２５０の制御周期は比較的短い方が好ましいと考えられる。
【０１８６】
このように、全身協調制御部２４０に求められる制御周期と、理想関節制御部２５０に求められる制御周期は異なることがある。従って、制御装置２０は、全身協調制御部２４０と理想関節制御部２５０による制御周期が互いに異なるように、具体的には、理想関節制御部２５０の制御周期の方が全身協調制御部２４０の制御周期よりも短いように、構成されてもよい。
【０１８７】
なお、図６に示す機能構成は、本実施形態に係るシステム１及び支持アーム装置１０の機能構成のあくまで一例であり、システム１及び支持アーム装置１０の機能構成はかかる例に限定されない。システム１及び支持アーム装置１０は、以上説明した機能を実現可能に構成されればよく、一般的に想定され得るあらゆる構成を取ることができる。
【０１８８】
例えば、支持アーム装置１０は、図示した機能以外にも、一般的な支持アーム装置（観察装置）が有する各種の機能を有してよい。例えば、支持アーム装置１０は、上述したように、術者が支持アーム装置１０に対して各種の情報を入力するための入力部等の機能を有し得る。当該入力部は、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の各種の入力装置により構成され得る。図示を省略した機能は、一般的な支持アーム装置（観察装置）に設けられる機能と同様であってよいため、その詳細な説明は省略する。
【０１８９】
また、例えば、支持アーム装置１０の制御装置２０が備える各機能は、１台の装置においてその全てが実行されなくてもよく、複数の装置の協働によって実行されてもよい。例えば、全身協調制御部２４０、理想関節制御部２５０及び駆動制御部２６０に含まれる機能のうちの１又は複数のいずれかの機能のみを有する一の装置が、他の機能を有する他の装置と通信可能に接続されることにより、図示する制御装置２０と同等の機能が実現されてもよい。
【０１９０】
また、図４に示す本実施形態に係るシステム１、特に支持アーム装置１０の制御装置２０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等の処理装置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。
【０１９１】
（３．重力補償機構のバネの設計例）
図１に示す本実施形態に係る重力補償機構５４０、５５０のバネ５４２、５５２の具体的な設計例について説明する。ここでは、一例として、関節部５１１ｄに設けられる重力補償機構５４０の具体的な設計例について説明する。
【０１９２】
上記数式（１４）を参照して説明したように、重力補償機構５４０のバネ５４２の長さｌ（ｑ）は、関節部５１１ｄにおける回転角度ｑの関数として表現できる。一方、図４に示す実在力算出部２４４の機能について説明した際に上述したように、関節部５１１ｄに作用するアーム部５１０の自重による負荷トルクＧ（ｑ）、及び重力補償機構５４０による補償トルクＧｍ（ｑ）も、当該関節部５１１ｄにおける回転角度ｑの関数として表現され得る。従って、これらｌ（ｑ）、Ｇ（ｑ）、Ｇｍ（ｑ）から、負荷トルクＧ（ｑ）をバネ５４２の復元力に起因する補償トルクＧｍ（ｑ）によって完全にキャンセルし得るような、理想的なバネ５４２の特性（長さ（伸縮量）と復元力との関係）を求めることができる。
【０１９３】
図５は、このような、重力補償機構５４０のバネ５４２の理想的な特性の一例を示す図である。図５では、横軸にバネ５４２の長さｌ（ｑ）を取り、縦軸にその長さｌ（ｑ）において負荷トルクＧ（ｑ）を完全にキャンセルするためにバネ５４２が発生すべき復元力をとり、両者の関係を丸い形のマーカーでプロットしている。
【０１９４】
図５に示すように、理想的なバネ５４２の特性は必ずしも線形にはならないため、かかる特性を有するバネ５４２を現実に作製することは不可能である。従って、本実施形態では、使用頻度が高い角度範囲として関節部５１１ｄの回転角度ｑの実使用範囲を設定し、当該実使用範囲に対応するバネ５４２の長さｌ（ｑ）の実使用範囲における、この理想的なバネ５４２の特性を線形近似し、かかる近似直線に示す特性を有するバネを、重力補償機構５４０のバネ５４２として使用する。この際、マージンを考慮して、実使用範囲よりも広い範囲において線形近似を行うことが好ましい。図５では、かかる線形近似における近似直線も併せて図示している（当該近似直線の両端に模擬的に四角のマーカーを付している）。
【０１９５】
かかる特性を有するバネ５４２を用いて重力補償機構５４０を構成した場合には、図５に示す理想的な復元力を示す丸い形のマーカーと、近似直線との差分が、負荷トルクＧ（ｑ）のうち、重力補償機構５４０では賄いきれない力に対応することとなる。本実施形態に係るでは、この不足分を、関節部５１１ｄに設けられるアクチュエータ４３０の発生トルクによって賄い、重力補償を行うのである。
【０１９６】
ここでは一例として重力補償機構５４０の設計例について説明したが、重力補償機構５５０についても同様にバネ５５２を設計すればよい。なお、実際には、上述したｌ（ｑ）、Ｇｍ（ｑ）は、重力補償機構５４０の組み立て誤差等により、支持アーム装置５００ごとに異なることが想定される。従って、支持アーム装置５００ごとに、ｌ（ｑ）、Ｇｍ（ｑ）を求める処理を行い、その結果に基づいてバネ５４２、５５２が設計されることにより、より精度良くバネ５４２、５５２を設計することが可能になる。ただし、この場合には、支持アーム装置５００ごとに異なるバネ５４２、５５２を作製する必要が生じるため、量産化の観点からは好ましくない。従って、かかる事態を避けるために、重力補償機構５４０、５５０に、バネ５４２、５５２の張設位置を調整する機構が設けられてもよい。かかる機構を用いて所定のｌ（ｑ）、Ｇｍ（ｑ）が実現されるようにバネ５４２、５５２の張設位置を適宜調整することにより、同一の特性を有するバネ５４２、５５２を用いて、図５に示す近似直線のような所望の特性を実現することが可能になるため、製造コストをより低減することができ、量産化の観点からも好適である
【０１９７】
（４．支持アーム装置の制御方法）
図６を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置１０のアーム部１２０の制御方法の処理手順について説明する。図６は、本実施形態に係る支持アーム装置１０のアーム部１２０の制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【０１９８】
なお、図６に示す各処理は、図５に示す支持アーム装置１０の制御装置２０によって実行される各処理に対応している。すなわち、制御装置２０を構成する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、図６に示す各処理が実行される。図６に示す各処理の詳細については、上記（２−２．機能構成）で既に説明しているため、以下の制御方法の処理手順についての説明では、各処理の概要を述べるに留め、その詳細な説明は省略する。
【０１９９】
図６を参照すると、本実施形態に係る支持アーム装置１０のアーム部１２０の制御方法では、まず、関節部１３０の状態に基づいて、アーム状態が取得される（ステップＳ１０１）。ここで、関節部１３０の状態とは、例えば、図５に示す関節状態検出部１３２によって検出される、関節部１３０の回転角度、発生トルク等である。また、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の位置、速度、加速度、力等である。ステップＳ１０１に示す処理は、図５に示すアーム状態取得部２４１によって実行される処理に対応している。
【０２００】
次に、演算条件が設定される（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３では、例えばユーザによって指定されたタスク、及び当該タスクに対応する拘束条件が、当該タスクを実行するようにアーム部１２０を駆動するための制御値（上述した発生トルクτａ）を計算するための演算条件として、設定される。ステップＳ１０３に示す処理は、図５に示す演算条件設定部２４２によって実行される処理に対応している。
【０２０１】
次に、重力補償機構部１４０による補償トルクが算出される（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５では、例えば、図５に示す関節状態検出部１３２によって検出される関節部１３０の回転角度に基づいて、上記数式（１４）に示す重力補償機構部１４０による補償トルクＧｍ（ｑ）が算出される。ステップＳ１０５に示す処理は、図５に示す補償トルク算出部２４５によって実行される処理に対応している。
【０２０２】
次に、アーム状態及び演算条件に基づいて、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、関節部１３０における発生トルクτａが算出される（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７では、まず、ステップＳ１０３において設定されたタスクを実行するために必要な、アーム部１２０の各関節部１３０に作用する仮想力が算出される。次いで、算出された仮想力に基づいて、ステップＳ１０３において設定されたタスクを実行するために必要な、アーム部１２０の各関節部１３０に実際に作用する実在力が算出されることにより、各関節部１３０における発生トルクτａが算出される。この際、ステップＳ１０５で算出された補償トルクを加味して（すなわち、アーム部１２０の自重による負荷トルクからステップＳ１０５で算出された補償トルクを差し引いたものを、アーム部１２０の自重による重力成分として）、発生トルクτａが算出される。これにより、重力補償機構部１４０による補償トルクでは補償しきれなかった重力成分を補償しつつ、ステップＳ１０３で設定されたタスクを実行し得るような、関節部１３０において発生すべき発生トルクτａが算出される。ステップＳ１０７に示す処理は、図５に示す仮想力算出部２４３及び実在力算出部２４４によって実行される処理に対応している。
【０２０３】
次に、理想関節制御についての演算が行われ、発生トルクτａからトルク指令値τが算出される（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９では、具体的には、外乱によるトルク値である外乱推定値τｄが算出され、当該外乱推定値τｄを用いて、最終的にアーム部１２０の関節部１３０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が算出される。ステップＳ１０９に示す処理は、図５に示す理想関節制御部２５０によって実行される処理に対応している。
【０２０４】
次に、算出されたトルク指令値τに基づいて、アーム部１２０の関節部１３０の駆動が制御される（ステップＳ１１１）。これにより、重力補償機構部１４０による補償トルクでは補償しきれなかった重力成分を補償しつつ、ステップＳ１０３で設定されたタスクを実行し得るように、アーム部１２０が駆動されることとなる。ステップＳ１１１に示す処理は、図５に示す駆動制御部２６０によって実行される処理に対応している。
【０２０５】
以上、図６を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置１０の制御方法の処理手順について説明した。
【０２０６】
（５．変形例）
以上説明した実施形態におけるいくつかの変形例について説明する。
【０２０７】
（５−１．他の制御方法に係る変形例）
上述した実施形態では、図５を参照して説明したように、実在力（すなわち、発生トルクτａ）を算出する際に補償トルクを加味していた。しかし、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、補償トルクを加味する処理は、理想関節制御部２５０においてトルク指令値τを算出する際に行われてもよい。
【０２０８】
図７を参照して、このような、制御方法が異なる変形例に係るシステム及び支持アーム装置の機能構成について説明する。図７は、制御方法が異なる変形例に係るシステム及び支持アーム装置の機能構成の一例を示すブロック図である。図７では、図４と同様に、支持アーム装置のアーム部の動作の制御に関係する機能のみを図示している。また、図７では、図４と同様に、重力補償機構５４０、５５０が設けられる関節部５１１ｄ、５１１ｅの駆動を制御するための機能構成を示している。
【０２０９】
図７を参照すると、本変形例に係るシステム２は、支持アーム装置１０ａと、表示装置３０と、から構成される。また、支持アーム装置１０ａは、アーム部１２０と、顕微鏡部１５０と、制御装置２０ａと、を有する。ここで、システム２は、図５を参照して説明したシステム１において、支持アーム装置１０の制御装置２０の機能構成が変更されたものに対応する。システム２におけるその他の機能については、システム１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【０２１０】
図７を参照すると、本変形例に係る制御装置２０ａは、その機能として、全身協調制御部２４０ａと、理想関節制御部２５０ａと、駆動制御部２６０と、を有する。制御装置２０ａを構成する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、これらの機能が実現される。また、制御装置２０ａには、制御装置２０ａによって処理される各種の情報を記憶する記憶部２２０が備えられる。駆動制御部２６０及び記憶部２２０の機能は、図５に示す制御装置２０におけるこれらの機能と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【０２１１】
全身協調制御部２４０ａ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。全身協調制御部２４０ａは、その機能として、アーム状態取得部２４１と、演算条件設定部２４２と、仮想力算出部２４３と、実在力算出部２４４ａと、を有する。このように、全身協調制御部２４０ａは、図５に示す全身協調制御部２４０に対して、補償トルク算出部２４５の機能が除かれるとともに、これに応じて実在力算出部２４４の機能が変更されたものに対応する。
【０２１２】
全身協調制御部２４０ａにおいて、アーム状態取得部２４１、演算条件設定部２４２及び仮想力算出部２４３の機能は、図５に示す制御装置２０におけるこれらの機能と同様である。本変形例では、全身協調制御部２４０ａでは、補償トルクの算出処理は行われず、実在力算出部２４４ａは、補償トルクを加味することなく、上記（２−１−１−２．実在力算出処理）で説明した一連の処理を実行することにより、発生トルクτａを算出する。つまり、ここで算出される発生トルクτａは、重力補償機構部１４０が設けられない場合に必要となる重力補償のためのトルク（すなわち、アーム部１２０の自重による負荷トルクＧを打ち消すだけのトルク）を含むものである。実在力算出部２４４ａは、算出した発生トルクτａについての情報を、理想関節制御部２５０ａに提供する。
【０２１３】
理想関節制御部２５０ａは、理想関節制御に関する各種の演算を行う。理想関節制御部２５０ａは、その機能として、外乱推定部２５１と、指令値算出部２５２と、補償トルク算出部２５３と、を有する。このように、理想関節制御部２５０ａは、図５に示す理想関節制御部２５０に対して、補償トルク算出部２５３の機能が追加されたものに対応する。理想関節制御部２５０ａは、上記（２−１−２．理想関節制御について）で説明した一連の処理を実行することによりトルク指令値τを算出するが、本変形例では、その際、理想関節制御部２５０ａは、重力補償機構部１４０による補償トルクを加味して、トルク指令値τを算出する。
【０２１４】
具体的には、理想関節制御部２５０ａにおいて、補償トルク算出部２５３の機能は、図４に示す補償トルク算出部２４５の機能と同様である。補償トルク算出部２５３は、上記数式（１４）を用いて、現在のアーム部１２０の姿勢において重力補償機構部１４０によって生じている補償トルクの値を算出する。補償トルク算出部２５３は、算出した現在のアーム部１２０の姿勢において重力補償機構部１４０（重力補償機構５４０、５５０）によって生じている補償トルクの値を、外乱推定部２５１に提供する。
【０２１５】
外乱推定部２５１及び指令値算出部２５２の機能は、図４に示すこれらの機能と同様である。つまり、外乱推定部２５１は、外乱によるトルクの値である外乱推定値τｄを算出する。また、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、最終的にアーム部１２０の関節部１３０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。ただし、本変形例では、この際、外乱推定部２５１は、実在力算出部２４４ａによって算出された発生トルクτａの代わりに、当該発生トルクτａから補償トルク算出部２５３によって算出された補償トルクを差し引いた値を、入力値として用いる。つまり、本変形例では、外乱推定部２５１及び指令値算出部２５２は、入力値として、実在力算出部２４４ａによって算出された発生トルクτａの代わりに、当該発生トルクτａから補償トルク算出部２５３によって算出された補償トルクを差し引いた値を用いること以外は、上述した実施形態と同様の処理を行う。これにより、重力補償機構部１４０による補償トルクが加味されたトルク指令値τが算出され得る。
【０２１６】
指令値算出部２５２は、算出したトルク指令値τについての情報を、駆動制御部２６０に提供する。駆動制御部２６０は、指令値算出部２５２によって算出されたトルク指令値τに基づいて、当該トルク指令値τに対応するトルクを発生させるように、関節部１３０の関節駆動部１３１の駆動を制御する。これにより重力補償機構部１４０によって補償しきれなかった分の重力補償を行いつつ、所望のタスクが実現されるようにアーム部１２０が駆動されることとなる。
【０２１７】
以上、制御方法が異なる変形例に係るシステム２及び支持アーム装置１０ａの機能構成について説明した。本変形例のように、全身協調制御に係る演算ではなく、理想関節制御に係る演算において補償トルクを加味することでも、最終的なアクチュエータ４３０に対するトルク指令値τとして、当該補償トルクを考慮した当該トルク指令値τを算出することができ、アーム部１２０の動作の制御としては、同様の制御を行うことが可能になる。
【０２１８】
ここで、上記（２−２．機能構成）で説明したように、制御装置２０、２０ａにおいて、理想関節制御に係る演算の制御周期（すなわち、トルク指令値τを算出する周期）は、全身協調制御に係る演算の制御周期（すなわち、発生トルクτａを算出する周期）よりも短く設定され得る。つまり、理想関節制御部２５０、２５０ａは、その制御周期が比較的短いという特徴を有し得る。
【０２１９】
一方、全身協調制御に係る演算は、理想関節制御に係る演算に比べて演算量が大きくなる傾向がある。従って、本実施形態では、大きな演算量を処理可能なように、全身協調制御部２４０、２４０ａを構成するハードウェアには、より多くのメモリが割り当てられ得る。このように、つまり、全身協調制御部２４０、２４０ａは、重い演算を好適に処理可能であるという特徴を有し得る。
【０２２０】
このように、全身協調制御部２４０、２４０ａと、理想関節制御部２５０、２５０ａとは、その演算処理能力について、異なる特徴を有し得る。従って、補償トルク算出部２４５、２５３の機能を、全身協調制御部２４０、２４０ａに含めるか、理想関節制御部２５０、２５０ａに含めるか（すなわち、制御装置２０、２０ａの機能構成を、図４に示す実施形態のように構成するか、図７に示す変形例のように構成するか）は、かかる全身協調制御部２４０、２４０ａと理想関節制御部２５０、２５０ａの演算処理上の特徴を考慮して、適宜決定されてよい。例えば、重力補償の精度をより高めるために、重力補償に係る演算をより短い周期で行うことを重視する場合には、図７に示す機能構成のように、補償トルク算出部２５３の機能を理想関節制御部２５０ａに含め、補償トルク算出部２５３によって算出された補償トルクを加味したトルク指令値τの算出処理を、理想関節制御部２５０ａによって短い周期で行うことが好ましい。一方、例えば、重力補償の精度がそこまで求められない場合には、図４に示す機能構成のように、より大きな演算量を処理可能な全身協調制御部２４０に補償トルク算出部２５３の機能を含め、補償トルク算出部２５３によって算出された補償トルクを加味した発生トルクτａの算出処理を、全身協調制御部２４０によって行うことが好ましい。
【０２２１】
（５−２．吊り下げ型の支持アーム装置に係る変形例）
上述した実施形態では、図１を参照して説明したように、支持アーム装置５００は、床面に設置されるベース部（図１では図示せず）にアーム部５１０の基端が接続され、当該ベース部からアーム部５１０が延伸するように構成されていた。しかし、本実施形態はかかる例に限定されない。支持アーム装置５００は、そのアーム部５１０の先端に取り付けられた医療用器具をその用途に応じた所望の位置及び姿勢に制御可能に構成されればよく、支持アーム装置５００の構成は任意であってよい。例えば、支持アーム装置５００は、そのアーム部５１０が天井から吊り下げられた、いわゆる吊り下げ型の支持アーム装置であってもよい。
【０２２２】
図８を参照して、このような、支持アーム装置が吊り下げ型の支持アーム装置として構成される変形例について説明する。図８は、支持アーム装置が吊り下げ型の支持アーム装置として構成される変形例に係るシステム及び支持アーム装置の概略構成を示す図である。
【０２２３】
図８では、本変形例に係るシステム３を用いて、手術台３３０上の患者３４０に対して開腹手術が行われている様子が図示されている。図８を参照すると、システム３は、支持アーム装置５００ａと、表示装置４００と、から構成される。ここで、本変形例に係るシステム３は、図１を参照して説明したシステム１において、支持アーム装置５００のアーム部５１０の構成が変更されたものに対応する。システム３におけるその他の構成及び機能は、システム１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【０２２４】
図８を参照すると、本変形例に係る支持アーム装置５００ａは、アーム部５１０ａと、当該アーム部５１０ａの先端に取り付けられる顕微鏡部５２０と、支持アーム装置５００ａの動作を制御する制御装置５３０と、を有する。顕微鏡部５２０及び制御装置５３０の構成及び機能は、システム１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【０２２５】
図示するように、アーム部５１０ａは、その基端部が手術室内の天井に取り付けられ、天井から吊り下げられるように設置される。このように、支持アーム装置５００ａは、いわゆる吊り下げ型の支持アーム装置である。
【０２２６】
アーム部５１０ａは、その基端が天井に取り付けられること以外は、図１に示す支持アーム装置５００のアーム部５１０と同様の構成を有する。すなわち、アーム部５１０ａは、各回転軸（先端側から順に、第１軸Ｏ１、第２軸Ｏ２、第３軸Ｏ２、第４軸Ｏ４、第５軸Ｏ５及び第６軸Ｏ６と呼称する）に対応する位置にそれぞれ設けられる関節部５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、５１１ｄ、５１１ｅ、５１１ｆと、関節部５１１ｂ〜５１１ｆによって互いに回動可能に連結される複数のリンク５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃ、５１２ｄ、５１２ｅ、５１２ｆと、から構成される。また、アーム部５１０ａの先端には、関節部５１１ａを介して顕微鏡部５２０が取り付けられる。
【０２２７】
略鉛直方向に延伸するリンク５１２ｆの基端が天井に取り付けられる。リンク５１２ｆの先端は、関節部５１１ｆを介してリンク５１２ｅの基端と連結され、リンク５１２ｆは、当該関節部５１１ｆを介してリンク５１２ｅを回動可能に支持する。以下、同様に、リンク５１２ｅ、５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂの先端が、それぞれ、関節部５１１ｅ、５１１ｄ、５１１ｃ、５１１ｂを介して、リンク５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂ、５１２ａの基端と連結される。そして、リンク５１２ｅ、５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂは、それぞれ、関節部５１１ｅ、５１１ｄ、５１１ｃ、５１１ｂを介して、リンク５１２ｄ、５１２ｃ、５１２ｂ、５１２ａを回動可能に支持する。更に、リンク５１２ａの先端には、関節部５１１ａを介して、顕微鏡部５２０が連結される。リンク５１２ａは、関節部５１１ａを介して、顕微鏡部５２０を回動可能に支持する。
【０２２８】
また、関節部５１１ａ〜５１１ｆには、図２に示すアクチュエータ４３０が設けられる。各関節部５１１ａ〜５１１ｆのアクチュエータ４３０の駆動がそれぞれ制御装置５３０によって制御されることにより、アーム部５１０の駆動が制御される。
【０２２９】
更に、アーム部５１０と同様に、アーム部５１０ａにも、第４軸Ｏ４に対応する関節部５１１ｄ、及び第５軸Ｏ５に対応する関節部５１１ｅに対して、それぞれ、重力補償機構５４０ａ、５５０ａが設けられる。
【０２３０】
重力補償機構５４０ａは、関節部５１１ｄの先端側に接続されるリンク５１２ｃに対して固定的に設けられる（すなわち、関節部５１１ｄまわりにリンク５１２ｃとともに回動する）掛止部５４１ａと、当該掛止部５４１ａと関節部５１１ｄの基端側に接続されるリンク５１２ｄとの間に張設されるバネ５４２ａと、から構成される。かかる構成により、重力補償機構５４０ａは、バネ５４２ａの復元力により、関節部５１１ｄに作用するアーム部５１０ａの自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを当該関節部５１１ｄに与える。
【０２３１】
重力補償機構５５０ａは、関節部５１１ｅの先端側に接続されるリンク５１２ｄと関節部５１１ｄの基端側に接続されるリンク５１２ｅとの間に張設されるバネ５５１ａから構成される。かかる構成により、重力補償機構５５０ａは、バネ５５１ａの復元力により、関節部５１１ｅに作用するアーム部５１０ａの自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを当該関節部５１１ｅに与える。
【０２３２】
このように、重力補償機構５４０ａ、５５０ａは、上述した実施形態における重力補償機構５４０、５５０と略同様の機能を有するものである。本変形例では、上述した実施形態と同様に、重力補償機構５４０ａ、５５０ａと、関節部５１１ｄ、５１１ｅに設けられるアクチュエータ４３０と、を併用することにより、当該関節部５１１ｄ、５１１ｅにおける重力補償を行う。従って、重力補償機構５４０ａ、５５０ａをより簡易に構成することができるとともに、関節部５１１ｄ、５１１ｅに設けられるアクチュエータ４３０をより小型化することが可能になる。
【０２３３】
以上、支持アーム装置が吊り下げ型の支持アーム装置として構成される変形例に係るシステム３及び支持アーム装置５００ａの構成について説明した。以上説明したように、本実施形態に係る重力補償方法は、吊り下げ型の支持アーム装置５００ａに対しても適用可能であり、アーム部５１０ａ、及び支持アーム装置５００ａ全体をより簡易に、かつより軽量に構成することが可能になるという、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０２３４】
（５−３．その他の変形例）
その他、本実施形態は、以下のように構成されてもよい。
【０２３５】
例えば、上述した実施形態では、支持アーム装置５００、５００ａは、アーム部５１０、５１０ａの先端に顕微鏡部５２０を備えた観察装置として構成されていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、支持アーム装置５００、５００ａは、アーム部５１０、５１０ａの先端に内視鏡や光学式の顕微鏡部等の観察用器具が設けられた、他の観察装置であってもよい。また、アーム部５１０、５１０ａの先端に設けられる医療用器具は観察用器具に限定されず、アーム部５１０、５１０ａの先端には、他の各種の医療用器具が取り付けられてよい。例えば、アーム部５１０、５１０ａの先端には、鉗子、レトラクタ、内視鏡用若しくは顕微鏡用の光源、又は、例えば血管封止に用いられる手術用エナジーデバイス等の各種の処置具が接続されてもよい。
【０２３６】
また、上述した実施形態では、支持アーム装置５００、５００ａのアーム部５１０、５１０ａの関節部５１１ａ〜５１１ｆのうち、第４軸Ｏ４に対応する関節部５１１ｄ、及び第５軸Ｏ５に対応する５１１ｅを重力補償の対象とし、これら関節部５１１ｄ、５１１ｅに対して重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａを設けていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態では、これら関節部５１１ｄ、５１１ｅのうちのいずれか一方のみが重力補償の対象となってもよいし、他の関節部が重力補償の対象となってもよい。
【０２３７】
ここで、アーム部５１０、５１０ａの各関節部５１１ａ〜５１１ｆは、ヨー軸又はピッチ軸のいずれかの回転軸を有するが、ヨー軸については、その回転軸方向から、アーム部５１０、５１０ａの自重による負荷トルクはゼロであるため、そもそも重力補償を行う必要がない。また、ピッチ軸のうち、水平面とその回転軸方向とのなす角が変化するものについては、その角度が変化することによって、アーム部５１０、５１０ａの自重による負荷トルク、及び重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａによる補償トルクも変化するため、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａの設計が困難である。更に、ピッチ軸であっても、回転軸方向が水平面と平行な状態から大きく外れている場合（例えば、極端には、回転軸方向が水平面と直交している場合）には、アーム部５１０、５１０ａの自重による負荷トルクが小さくなる（回転軸方向と水平面とが直交している場合にはゼロになる）ため、そもそも重力補償を行う必要がない。従って、本実施形態では、重力補償の対象となる関節部（便宜的に補償関節部ともいう）は、好適に、ピッチ軸のうち、鉛直方向と直交する平面（すなわち、水平面）とその回転軸方向とのなす角が一定であるものであり得る。更に、重力補償を行う意義を考慮すれば、負荷トルクの影響を最も受けやすい水平面と回転軸とが平行である関節部が、補償関節部であることが特に好ましい。
【０２３８】
アーム部５１０、５１０ａにおけるヨー軸及びピッチ軸の配置を考えてみると、ピッチ軸について、その回転軸方向が鉛直方向と平行でないヨー軸が基端側に設けられている場合には、当該ヨー軸まわりの回転に応じて、水平面と当該ピッチ軸の回転軸方向とのなす角は変化することとなる。従って、ピッチ軸のうち水平面とその回転軸方向とのなす角が一定であるものは、アーム部５１０、５１０ａの基端側に位置し得る。一方、一般的に、６つの回転軸を有するアーム部は、図１及び図７に示すアーム部５１０、５１０ａのように、基端側から、ヨー軸（第６軸Ｏ６）、ピッチ軸（第５軸Ｏ５）、ピッチ軸（第４軸Ｏ４）、ヨー軸（第３軸Ｏ３）、ピッチ軸（第２軸Ｏ２）及びヨー軸（第１軸Ｏ１）が、この順に配置されるとともに、その最も基端側のヨー軸（第６軸Ｏ６）は鉛直方向と平行な回転軸を有するように配置されることが多い。かかる構成を有するアーム部５１０、５１０ａにおいては、最も基端側に設けられるヨー軸（第６軸Ｏ６）と、その次に設けられるヨー軸（第３軸Ｏ３）との間に位置するピッチ軸（第５軸Ｏ５、第４軸Ｏ４）は、その回転軸方向が水平面と平行なまま一定であるピッチ軸となり得る。従って、一般的なアーム部の構成を想定すると、補償関節部としては、基端側に設けられるピッチ軸に対応する関節部が採用されることが好ましいと言える。
【０２３９】
なお、図１及び図７に示す構成例であれば、上記のように、第４軸Ｏ４及び第５軸Ｏ５は、その回転軸方向が水平面と平行なまま一定であるピッチ軸である。従って、上述した実施形態では、重力補償を行うために好適な関節部として、これら第４軸Ｏ４及び第５軸Ｏ５に対応する関節部５１１ｄ、５１１ｅが補償関節部である場合について説明した。
【０２４０】
また、上述した実施形態では、支持アーム装置５００、５００ａのアーム部５１０、５１０ａの全ての関節部５１１ａ〜５１１ｆにアクチュエータ４３０が設けられていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態では、関節部５１１ａ〜５１１ｆのうち、補償関節部となる少なくとも１つの関節部に対してアクチュエータ４３０が設けられればよい。つまり、本実施形態では、補償関節部となる関節部に対して重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａ及びアクチュエータ４３０が設けられればよく、他の関節部の構成は任意であってよい。なお、この場合、上述した全身協調制御は行われ得ないため、このように構成されるアーム部の動作の制御、すなわちアクチュエータ４３０が設けられる関節部の駆動制御は、各種の公知の方法によって行われてよい。ただし、この際、重力補償に係るアクチュエータ４３０の駆動制御の方法は、上述した実施形態と同様に行われ得る。すなわち、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａによる補償トルクを加味して、アーム部の自重による負荷トルクを打ち消し得るような発生トルクを生じさせるように、アクチュエータ４３０が駆動され得る。
【０２４１】
このように、本実施形態では、重力補償が行われない各関節部におけるアクチュエータ４３０の有無は任意であってよく、それに応じてアーム部の制御方法（すなわち、アクチュエータの制御方法）も任意であってよい。つまり、本実施形態におけるアーム部の制御方法は、上述した全身協調制御及び理想関節制御を用いるものに限定されず、当該アーム部の制御は、各種の公知の方法を用いて行われてよい。制御方法によらず、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａによる補償トルクを加味して、アーム部の自重による負荷トルクを打ち消し得るような発生トルクを生じさせるように、アクチュエータ４３０を駆動させることにより、本実施形態に係る重力補償が実現され得る。
【０２４２】
（６．一般的な重力補償との比較）
ここで、本実施形態に係る重力補償と、既存の一般的な重力補償とを、数式として比較する。ここでは、一般的な重力補償の一例として、本願出願人による先行出願である上記特許文献３に記載の支持アーム装置を用いた重力補償について検討する。
【０２４３】
特許文献３に記載の支持アーム装置は、そのアーム部を構成する全ての関節部にアクチュエータが設けられたものであり、本実施形態と同様に、全身協調制御及び理想関節制御によって当該アーム部の動作が制御される。当該支持アーム装置において重力補償を行う場合には、アクチュエータを駆動させることによってアーム部の自重を支持する制御が行われ得る。アクチュエータの発生トルクτａによってアーム部の自重による負荷トルクを補償しようとすると、全身協調制御において算出される発生トルクτａは、下記数式（１５）のように表現され得る。また、この際の理想関節制御における当該アクチュエータの運動を示す式は、下記数式（１６）のように表現され得る（なお、下記数式（１６）は、上記数式（１２）と同じものである）。
【０２４４】
【数１４】
2018051665.tif 000016
【０２４５】
ここで、ｑは関節部における回転角度である。また、上記数式（１５）において、右辺第１項（Ｍ（ｑ）ｑ’’）は慣性力を表す項であり、右辺第２項（Ｖ（ｑ，ｑ’））は遠心力やコリオリ力を表す項であり、右辺第３項（Ｇ（ｑ））はアーム部の自重による負荷トルクを表す項である。上記数式（１５）から、特許文献３に記載の支持アーム装置では、重力補償のために、発生トルクτａとして負荷トルクＧ（ｑ）を打ち消すだけのトルクを発生させる必要が生じる。従って、アクチュエータに大きな出力が必要となり、当該アクチュエータが大型化する。結果的に、アーム部及び支持アーム装置全体も大型化、重量化してしまう。
【０２４６】
これに対して、本実施形態では、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａと、アクチュエータ４３０とを併用することによって重力補償が行われ得る。このとき、アクチュエータ４３０の駆動制御について、図４に示す機能構成では全身協調制御において、図７に示す機能構成では理想関節制御において、重力補償のための演算が行われる。
【０２４７】
図４に示す機能構成のように、全身協調制御において重力補償のための演算が行われる場合には、全身協調制御において算出される発生トルクτａは、下記数式（１７）のように表現され得る。また、この際の理想関節制御における当該アクチュエータの運動を示す式は、下記数式（１８）のように表現され得る（なお、下記数式（１８）は、上記数式（１２）、（１６）と同じものである）。
【０２４８】
【数１５】
2018051665.tif 000017
【０２４９】
ここで、Ｇｓは、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａによる補償トルクである。上記数式（１８）に示すように、本実施形態では、重力補償のために、発生トルクτａとして、Ｇ（ｑ）−Ｇｓ（ｑ）に対応するトルクを発生させればよい。従って、特許文献３に記載の支持アーム装置に比べて、アクチュエータ４３０に求められる出力が小さくなるため、当該アクチュエータ４３０をより小型化することが可能になる。また、本実施形態では、Ｇ（ｑ）−Ｇｓ（ｑ）≠０であり、Ｇ（ｑ）−Ｇｓ（ｑ）＞０となるように、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａが構成される。つまり、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａによる補償トルクによって、アーム部５１０、５１０ａの自重による負荷トルクＧ（ｑ）を略完全に打ち消す必要はない。従って、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａを簡易な構成とすることができるため、当該重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａを設けることによるアーム部５１０、５１０ａの大型化を抑制することが可能になる。
【０２５０】
一方、図７に示す機能構成のように、理想関節制御において重力補償のための演算が行われる場合には、全身協調制御において算出される発生トルクτａは、下記数式（１９）のように表現され得る（なお、下記数式（１９）は、上記数式（１５）と同じものである）。また、この際の理想関節制御における当該アクチュエータの運動を示す式は、下記数式（２０）のように表現され得る。
【０２５１】
【数１６】
2018051665.tif 000018
【０２５２】
かかる場合には、上記数式（１９）に示すように、全身協調制御において算出される発生トルクτａとしては、特許文献３に記載の支持アーム装置と同様に、負荷トルクＧ（ｑ）を打ち消すような、比較的大きな値が算出され得る。しかしながら、上記数式（２０）に示すように、その後の理想関節制御における演算において、補償トルクＧｓ（ｑ）が加味されることにより、最終的にアクチュエータ４３０に与えられるトルク指令値としては、補償トルクＧｓ（ｑ）の分が差し引かれた、より小さな値が算出されることとなる。従って、図４に示す機能構成と同様に、当該機能構成においても、特許文献３に記載の支持アーム装置に比べて、アクチュエータ４３０の出力をより小さくすることができ、当該アクチュエータ４３０をより小型化することが可能になる。また、同様に、Ｇ（ｑ）−Ｇｓ（ｑ）＞０となるように重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａが構成されるため、重力補償機構５４０、５５０、５４０ａ、５５０ａを簡易な構成とすることができ、アーム部５１０、５１０ａをより小型化することが可能になる。
【０２５３】
（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。
【０２５４】
例えば、本開示に係る技術が適用される対象は、医療分野に限定されず、医療分野以外の他の分野であってもよい。例えば、本開示に係る技術は、工場において製品の組み立て工程や検査工程に用いられる工業用の支持アーム装置の重力補償に対しても好適に適用可能である。本開示に係る技術を用いることにより、工業用の支持アーム装置においても、上述した実施形態と同様に、当該支持アーム装置をより小型に、かつより軽量に構成することが可能となり、製造コストの低減や、設置スペースの自由度の向上等の効果を得ることができる。
【０２５５】
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なものではない。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得る。
【０２５６】
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）
複数の関節部から構成され、先端に医療用器具が設けられるよう構成されたアーム部と、
前記関節部の中で重力補償が行われる対象である補償関節部に少なくとも設けられ、前記補償関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、
前記補償関節部に対して、前記補償関節部に作用する前記アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、
を備える、
医療用支持アーム装置。
（２）
前記重力補償機構は、前記補償トルクを発生させるバネを有し、
前記バネは、前記補償関節部の回転に伴い単調に伸縮するように設けられる、
前記（１）に記載の医療用支持アーム装置。
（３）
少なくとも前記トルクセンサによって検出される前記補償関節部の状態に基づいて前記アクチュエータを動作させることにより、前記補償関節部の駆動を少なくとも制御する制御装置、を更に備え、
前記制御装置は、前記補償トルクを加味して、前記負荷トルクを打ち消すようなトルクを発生させるように前記アクチュエータを動作させることにより、重力補償を行う、
前記（１）又は（２）に記載の医療用支持アーム装置。
（４）
前記制御装置は、前記アクチュエータが設けられる複数の前記関節部の状態に基づいて取得される前記アーム部の状態と、前記アーム部の運動目的及び拘束条件と、を用いて一般化逆動力学によって前記アーム部の全身協調制御のための制御値として前記関節部における発生トルクを算出し、算出した前記発生トルクに基づいて前記アクチュエータを動作させる、
前記（３）に記載の医療用支持アーム装置。
（５）
前記制御値は、前記アーム部に作用する力と前記アーム部に発生する加速度との関係を記述する操作空間において前記運動目的を達成するために作用される仮想的な力である仮想力と、前記拘束条件に基づいて前記仮想力が前記関節部を駆動するための実在の力に変換されることにより求められる実在力と、に基づいて算出される、
前記（４）に記載の医療用支持アーム装置。
（６）
前記制御装置は、前記全身協調制御において前記補償関節部に対する前記発生トルクを算出する際に、前記補償関節部の回転角度の関数として表される前記補償トルクを算出し、算出した前記補償トルクと前記アーム部の自重によって前記補償関節部に作用する前記負荷トルクとの差分を、前記発生トルクに含まれる重力補償成分として算出する、
前記（４）又は（５）に記載の医療用支持アーム装置。
（７）
前記制御装置は、前記制御値に対して外乱の影響を補正することにより、前記アーム部の理想的な応答を実現する指令値として前記関節部における発生トルクを算出し、算出した前記発生トルクに基づいて前記アクチュエータを動作させる、
前記（４）〜（６）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（８）
前記指令値は、検出された前記関節部の状態に基づいて推定される前記関節部の駆動に対する外乱の影響を表す外乱推定値を用いて、前記制御値を補正することにより算出される、
前記（７）に記載の医療用支持アーム装置。
（９）
前記制御装置は、前記制御値に対して外乱の影響を補正することにより、前記アーム部の理想的な応答を実現する指令値として前記関節部における発生トルクを算出し、算出した前記発生トルクに基づいて前記アクチュエータを動作させ、
前記制御装置は、前記補償関節部に対する前記指令値に係る前記発生トルクを算出する際に、前記補償関節部の回転角度の関数として表される前記補償トルクを算出し、前記全身協調制御のための制御値として算出された前記発生トルクから算出した前記補償トルクを差し引いた値を、前記制御値に係る発生トルクとみなして、外乱の影響を補正することにより、前記指令値に係る発生トルクを算出する、
前記（４）又は（５）に記載の医療用支持アーム装置。
（１０）
前記補償関節部は、前記アーム部のより基端側に設けられる、ピッチ軸に対応する回転軸を有する１又は２の前記関節部である、
前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１１）
前記医療用器具は、患者の術部を観察するための観察用器具である、
前記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１２）
複数の関節部から構成され、患者の術部を観察するための観察用器具が先端に設けられるよう構成されたアーム部と、
前記関節部の少なくとも１つに設けられ、前記関節部に作用するトルクを検出するトルクセンサを有するアクチュエータと、
前記アクチュエータが設けられる関節部に対して、当該関節部に作用する前記アーム部の自重に起因する負荷トルクを補償する補償トルクを与える重力補償機構と、
少なくとも前記トルクセンサによって検出される前記関節部の状態に基づいて前記アクチュエータを動作させ、前記関節部の駆動を制御する制御装置と、
を有する、医療用支持アーム装置と、
前記医療用支持アーム装置の前記観察用器具によって撮影された画像を表示する表示装置と、
を備える、
医療用システム。
（１３）
アクチュエータを有する複数の関節部から構成されるアーム部と、
前記アーム部の先端に設けられ、前記アクチュエータを制御することにより撮影方向を変更可能な、患者の術部を撮影するための顕微鏡と、
前記関節部のうち重力補償が行われる対象である補償関節部に対して、前記補償関節部に作用する前記アーム部の自重による負荷トルクを打ち消す方向の補償トルクを与える重力補償機構と、
前記顕微鏡によって撮影された画像を表示する表示装置と、
を備える、
外科手術用顕微鏡システム。
（１４）
前記重力補償機構は、前記補償トルクを発生させるバネを有し、
前記バネは、前記補償関節部の回転に伴い伸縮するように設けられる、
前記（１３）に記載の外科手術用顕微鏡システム。
（１５）
前記顕微鏡は多板式の撮像部を備える、
前記（１３）に記載の外科手術用顕微鏡システム。
（１６）
前記表示装置は前記顕微鏡で撮影された画像に基づいて3D表示を行うよう構成される、
前記（１３）に記載の外科手術用顕微鏡システム。
【符号の説明】
【０２５７】
１、２、３    システム
１０、１０ａ、５００、５００ａ    支持アーム装置
２０、２０ａ、５３０    制御装置
３０、４００    表示装置
１２０、５１０、５１０ａ    アーム部
１３０、５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、５１１ｄ、５１１ｅ、５１１ｆ    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    重力補償機構部
１５０、５２０    顕微鏡部
２２０    記憶部
２４０、２４０ａ    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、２４４ａ    実在力算出部
２４５、２５３    補償トルク算出部
２５０、２５０ａ    理想関節制御部
２５１    外乱推定部
２５２、２５２ａ    指令値算出部
２６０    駆動制御部
４３０    アクチュエータ
４２４、６１１    モータ
４２５    モータドライバ
４２６、６１２    減速機
４２７、６１３    エンコーダ
４２８、６１４    トルクセンサ
５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃ、５１２ｄ、５１２ｅ、５１２ｆ    リンク
５４０、５４０ａ、５５０、５５０ａ    重力補償機構
５４１、５４１ａ、５５１    掛止部
５４２、５４２ａ、５５１ａ、５５２    バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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