(57)【要約】医療用観察装置(10)は撮像部(140)、アーム部(110)及び制御部(210)を有する。撮像部(140)は観察対象を撮影する。アーム部(110)は複数のリンクと当該リンク同士を連結する関節部(130)とを有し、撮像部(140)を支持する。制御部(210)は関節部(130)を駆動するトルクを制御する。術者がアーム部(110)又は撮像部(140)に外力を加えると、当該外力によるトルク（外トルク）が関節部(130)に作用する。関節部(130)のトルク検出部(134)が外トルクを検出すると、制御部(210)は関節駆動部(131)が外トルクと同じ向きのトルクを発生するようにトルク指令値(τ)を出力する。トルク指令値(τ)は、関節部(130)内のねじれたケーブル(495)が復元力により発生するトルクをキャンセルする成分を含む。結果、術者は小さな外トルクを関節部(130)に加えるだけで関節部(130)を意図どおりに回転することができる。
2017169649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、  前記撮像部を支持し、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アーム部と、  複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、  を備え、  前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  医療用観察装置。
【請求項２】
前記駆動制御部は、前記少なくとも１つの関節部内に延設されるケーブルの剛性に起因する外乱の影響を補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記外トルクが一定の範囲に収まるように前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  請求項１に記載の医療用観察装置。
【請求項３】
前記ケーブルの剛性に起因する外乱は、前記少なくとも１つの関節部の回転に伴い前記ケーブルが捻転されることによって生じる復元力が、前記少なくとも１つの関節部に対して与えるトルクである、  請求項２に記載の医療用観察装置。
【請求項４】
前記駆動制御部は、前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクを補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記外トルクが一定の範囲に収まるように前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  請求項１に記載の医療用観察装置。
【請求項５】
前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクは、前記少なくとも１つの関節部の回転速度に向きが依存し、大きさが一定のトルクである、  請求項４に記載の医療用観察装置。
【請求項６】
前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記少なくとも１つの関節部の回転角度が可動範囲の限界に近付くにつれて大きくなる、  請求項４に記載の医療用観察装置。
【請求項７】
前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記撮像部が前記観察対象を撮影する際のズーム倍率に応じて変化する、  請求項４に記載の医療用観察装置。
【請求項８】
プロセッサが、観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部を支持し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アーム部、における複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御すること、  を含み、  前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  駆動制御方法。
【請求項９】
観察対象を撮影する医療用観察装置と、  前記医療用観察装置によって撮影された前記観察対象の映像を表示する表示装置と、  を備え、  前記医療用観察装置は、  観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、  前記撮像部を支持し、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アーム部と、  複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、  を有し、  前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  医療用観察システム。
【請求項１０】
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アーム部と、  複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、  を備え、  前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  支持アーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、医療用観察装置、駆動制御方法、医療用観察システム及び支持アーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、医療現場においては、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の先端に顕微鏡部や内視鏡等の術部を観察するための観察部を設け、当該観察部を介して術部を観察しながら術者が手術を行う方法が提案されている。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方法も提案されている。なお、以下の説明では、アーム部の先端に設けられる観察部又は処置具等のことを、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部が設けられた支持アーム装置のことを、観察装置ともいう。【０００３】  このような支持アーム装置においては、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駆動させることによって当該アーム部の動きを制御する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、アーム部の先端に術部を拡大して撮影する機能を有する電子撮像式の顕微鏡部が設けられた支持アーム装置（すなわち、観察装置）において、そのアーム部の動きを力制御によって制御する技術が開示されている。【０００４】  ここで、一般的に、複数の駆動軸を有するいわゆるロボット装置の制御方法としては、位置制御と力制御が知られている。位置制御では、関節部のアクチュエータに、例えば角度等の指令値が与えられ、当該指令値に追随するように各関節部のアクチュエータの駆動が制御される。一方、力制御では、ロボット装置全体として作業対象に加えるべき力の目標値が与えられ、当該目標値が示す力を実現するように各関節部のアクチュエータでの発生トルクが制御される。一般的に、位置制御は、外力に柔軟に応じることが困難であるため、俗に「硬い制御」と呼ばれることがあり、多様な外界との物理インタラクション（例えば、対人物理インタラクション）を行いながらタスクを遂行するロボット装置には適していないと言われている。一方、力制御は、力オーダーでの「柔らかい制御」が実現できるため、特に対人物理インタラクションを行うロボット装置に適した制御方法であり、よりユーザビリティに優れた制御方法と言える。【０００５】  特許文献１に記載されているような顕微鏡部が設けられた観察装置では、当該顕微鏡部の位置及び姿勢を変更する際に、術者等のユーザが、当該顕微鏡部を直接手で把持して移動させる操作が行われることが想定され得る。つまり、特許文献１に記載の技術のように、顕微鏡部が設けられた観察装置におけるアーム部の駆動制御に力制御を適用することにより、このようなユーザによる直接的な操作における操作性を向上させることが可能になると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０４６０８１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  ここで、特許文献１に記載の技術のように、力制御によってアーム部の動きを制御する支持アーム装置においては、当該アーム部に作用する外力を検出し、当該外力に従って当該アーム部が動作するように、当該アーム部を構成する各関節部に設けられるアクチュエータの駆動が制御され得る。従って、ユーザが意図しない外力が、外乱としてアーム部に作用した場合には、ユーザの意図したようなアーム部の動きが実現されず、ユーザの操作性を損ねてしまう恐れがある。特許文献１に記載の技術において、このような外乱の影響をより具体的に考慮することにより、更に優れた操作性をユーザに対して提供できる可能性がある。【０００８】  そこで、本開示では、ユーザの操作性をより向上させることが可能な、新規かつ改良された医療用観察装置、駆動制御方法、医療用観察システム及び支持アーム装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本開示によれば、観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、前記撮像部を支持し、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アーム部と、複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、医療用観察装置が提供される。【００１０】  また、本開示によれば、プロセッサが、観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部を支持し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アーム部、における複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御すること、を含み、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、駆動制御方法が提供される。【００１１】  また、本開示によれば、観察対象を撮影する医療用観察装置と、前記医療用観察装置によって撮影された前記観察対象の映像を表示する表示装置と、を備え、前記医療用観察装置は、観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、前記撮像部を支持し、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アーム部と、複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を有し、前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、医療用観察システムが提供される。【００１２】  また、本開示によれば、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アーム部と、複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、支持アーム装置が提供される。【００１３】  本開示によれば、アーム部によって医療用器具を支持する支持アーム装置、特に顕微鏡部を支持する医療用観察装置において、当該アーム部を構成する少なくとも１つの関節部の駆動を制御する際に、当該アーム部に対する操作に応じて当該少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、当該少なくとも１つの関節部の駆動が制御される。従って、例えばユーザが直接アーム部に触れて当該アーム部を動作させる際に、当該ユーザは、上記一定の範囲に内の外トルクに対応する力を与えればよいため、略一定の操作感を得ることができる。よって、当該��ーザの操作性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】  以上説明したように本開示によれば、ユーザの操作性をより向上させることが可能になる。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】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る観察システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す観察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】図１に示す関節部４２１ｃ近傍の構成を抜き出して示す図である。
【図４】図１に示す関節部４２１ｃ近傍の構成を抜き出して示す図である。
【図５】図１に示す関節部４２１ｃ近傍の構成を抜き出して示す図である。
【図６】図１に示す関節部４２１ｃ近傍の構成を抜き出して示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る観察装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図８】第１の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９】関節部の回転角度ｑと補償トルクτｃとの関係の一例を示すグラフ図である。
【図１０】第１の実施形態に係る観察装置の駆動制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  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。
【００１７】  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．観察システムの構成      １−１−１．全体構成      １−１−２．アクチュエータの構成    １−２．ケーブルの剛性に起因する外乱について    １−３．観察装置の機能構成    １−４．駆動制御方法    １−５．変形例  ２．第２の実施形態    ２−１．第２の実施形態に想到した背景    ２−２．第２の実施形態の詳細    ２−３．変形例      ２−３−１．補償トルクτｃ’の大きさについて      ２−３−２．第１及び第２の実施形態の組み合わせ  ３．第１及び第２の実施形態についてのまとめ  ４．補足
【００１８】  なお、以下では、本開示の一例として、支持アーム装置が、そのアーム部の先端に電子撮像式の顕微鏡部が設けられる観察装置であり、当該観察装置を用いて手術が行われる実施形態について説明する。ただし、本開示はかかる例に限定されない。本開示に係る技術は、アーム部の先端に支持される医療用器具の種類にかかわらず、あらゆる種類の支持アーム装置に適用されてよい。また、本開示に係る技術が適用される医療行為は、手術に限定されず、検査等、各種の医療行為であってよい。本開示に係る技術は、支持アーム装置において優れた操作性を実現するものであり、アーム部の先端に支持される医療用器具の種類や、当該技術が適用される医療行為の内容によらず、同様の効果を奏することが可能である。
【００１９】  また、以下の説明では、後述する観察システムを用いるユーザ、及び後述する観察装置を操作するユーザのことを、便宜的に術者と記載することとする。ただし、この記載は、観察システムを用いるユーザ、及び観察装置を操作するユーザを限定するものではなく、当該観察システムを用いる主体、及び観察装置を操作する主体は、助手や看護師等、他の医療スタッフであってもよい。
【００２０】  （１．第１の実施形態）  （１−１．観察システムの構成）  （１−１−１．全体構成）  図１を参照して、本開示の第１の実施形態に係る観察システムの構成について説明するとともに、当該観察システムを構成する観察装置の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る観察システムの構成を示す図である。
【００２１】  図１を参照すると、第１の実施形態に係る観察システム１は、顕微鏡部４４０を備え、当該顕微鏡部４４０によって観察対象である患者の術部を撮影する観察装置１０と、観察装置１０によって撮影された術部の映像を表示する表示装置２０と、から構成される。手術時には、術者は、観察装置１０によって撮影され表示装置２０に表示された映像を参照しながら、術部を観察し、当該術部に対して各種の処置を行う。
【００２２】  （表示装置）  表示装置２０は、後述する観察装置１０の制御装置４５０からの制御により、上述したように、観察装置１０によって撮影された患者の術部の映像を表示する。表示装置２０は、例えば手術室の壁面等、手術室内において術者によって視認され得る場所に設置される。表示装置２０の種類は特に限定されず、表示装置２０としては、例えばＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）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（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ装置等、各種の公知の表示装置が用いられてよい。また、表示装置２０は、必ずしも手術室内に設置されなくてもよく、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）や眼鏡型のウェアラブルデバイスのように、術者が身に付けて使用するデバイスに搭載されてもよい。
【００２３】  なお、後述するように、例えば観察装置１０の顕微鏡部４４０の撮像部４４１がステレオカメラとして構成される場合、又は高解像度の撮影が可能に構成される場合には、それに対応して、３Ｄ表示可能な、又は高解像度での表示が可能な表示装置２０が用いられ得る。
【００２４】  （観察装置）  観察装置１０は、患者の術部を拡大観察するための顕微鏡部４４０と、顕微鏡部４４０を支持するアーム部４２０と、アーム部４２０の一端が接続され顕微鏡部４４０及びアーム部４２０を支持するベース部４１０と、観察システム１及び観察装置１０の動作を制御する制御装置４５０と、を備える。
【００２５】  （ベース部）  ベース部４１０は観察装置１０の基台であり、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸される。ベース部４１０にはキャスターが設けられており、観察装置１０は、当該キャスターを介して床面と接地し、当該キャスターによって床面上を移動可能に構成されている。ただし、第１の実施形態に係る観察装置１０の構成はかかる例に限定されず、例えば、ベース部４１０が設けられず、手術室の天井又は壁面にアーム部４２０が直接取り付けられて観察装置１０が構成されてもよい。例えば、天井にアーム部４２０が取り付けられる場合には、観察装置１０は、アーム部４２０が天井から吊り下げられて構成されることとなる。
【００２６】  （顕微鏡部）  顕微鏡部４４０は、患者の術部を拡大観察するための顕微鏡鏡体によって構成される。図示する例では、顕微鏡部４４０の光軸方向は、鉛直方向と略一致している。顕微鏡部４４０は、電子撮像式の顕微鏡に対応する構成を有しており、略円筒形状を有する筒状部４４２と、筒状部４４２内に設けられる撮像部４４１と、から構成される。撮像部４４１は、対物レンズ、ズームレンズ及びフォーカスレンズ等のレンズやミラー等の光学素子からなる光学系と、当該光学系を通過した光により観察対象である術部の像を撮影する撮像素子と、から構成される。
【００２７】  筒状部４４２の下端の開口面には、撮像部４４１を保護するためのカバーガラスが設けられる。筒状部４４２の内部には、光源も設けられており、撮影時には、当該光源からカバーガラス越しに被写体に対して照明光が照射される。当該照明光の被写体からの反射光（観察光）が、カバーガラスを介して撮像部４４１に入射することにより、当該撮像部４４１によって被写体の映像に係る信号（映像信号）が取得される。
【００２８】  撮像部４４１としては、各種の公知の電子撮像式の顕微鏡部に用いられている構成が適用されてよいため、ここではその詳細な説明は省略する。例えば、撮像部４４１の撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等の各種の公知の撮像素子が適用されてよい。また、撮像部４４１は、１対の撮像素子を備えた、いわゆるステレオカメラとして構成されてもよい。また、撮像部４４１の光学系についても、各種の公知の構成が適用され得る。更に、撮像部４４１には、ＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）機能や光学ズーム機能等の、一般的に電子撮像式の顕微鏡部に備えられる各種の機能が搭載され得る。
【００２９】  また、撮像部４４１は、例えば４Ｋ、８Ｋ等の、高解像度での撮影が可能に構成されてもよい。撮像部４４１が高解像度での撮影が可能に構成されることにより、所定の解像度（例えば、Ｆｕｌｌ  ＨＤ画質）を確保しつつ、例えば５０インチ以上の大画面の表示装置２０に映像を表示させることが可能になるため、術者の視認性が向上する。また、電子ズーム機能によって適宜拡大して映像を表示しても、所定の解像度を確保することが可能になる。これにより、顕微鏡部４４０にそこまでの光学ズーム機能が求められなくなり、顕微鏡部４４０の光学系をより簡易にすることが可能となるため、顕微鏡部４４０をより小型に構成することが可能になる。
【００３０】  顕微鏡部４４０によって取得された映像信号、すなわち映像データは制御装置４５０に送信され、当該制御装置４５０において、当該映像データに対して、例えばガンマ補正、ホワイトバランスの調整、電子ズーム機能に係る拡大及び画素間補正等、各種の画像処理が行われる。当該画像処理では、映像を表示するために一般的に行われる各種の画像処理が行われてよい。各種の画像処理が行われた映像データが、手術室に設けられる表示装置２０に送信され、当該表示装置２０に、術部の映像が、例えば光学ズーム機能及び／又は電子ズーム機能によって所望の倍率に適宜拡大されて表示される。なお、制御装置４５０と表示装置２０との間の通信は、有線又は無線の公知の各種の方式で実現されてよい。
【００３１】  なお、上記の画像処理は、必ずしも制御装置４５０によって行われなくてもよい。例えば、顕微鏡部４４０に上記の画像処理を行うための処理回路が設けられていてもよい。この場合、顕微鏡部４４０に搭載される当該処理回路において適宜画像処理が施された後の映像データが、顕微鏡部４４０から表示装置２０に送信され得る。また、この場合、顕微鏡部４４０と表示装置２０との間の通信は、有線又は無線の公知の各種の方式で実現されてよい。
【００３２】  顕微鏡部４４０には、顕微鏡部４４０の動作を制御するための各種のスイッチが設けられる。例えば、顕微鏡部４４０には、当該顕微鏡部４４０の撮影条件を調整するためのズームスイッチ４４３（ズームＳＷ４４３）及びフォーカススイッチ４４４（フォーカスＳＷ４４４）、並びに、アーム部４２０の動作モードを変更するための動作モード変更スイッチ４４５（動作モード変更ＳＷ４４５）が設けられる。
【００３３】  術者は、ズームＳＷ４４３及びフォーカスＳＷ４４４を操作することにより、顕微鏡部４４０の倍率及び焦点距離を、それぞれ調整することができる。また、術者は、動作モード変更ＳＷ４４５を操作することにより、アーム部４２０の動作モードを、固定モード及びフリーモードのいずれかに切り替えることができる。
【００３４】  ここで、固定モードは、アーム部４２０に設けられる各回転軸における回転がブレーキにより規制されることにより、顕微鏡部４４０の位置及び姿勢が固定される動作モードである。フリーモードは、当該ブレーキが解除されることにより、アーム部４２０に設けられる各回転軸が自由に回転可能な動作モードである。例えば、フリーモードでは、術者による直接的な操作によって顕微鏡部４４０の位置及び姿勢を調整可能である。ここで、直接的な操作とは、術者が手で顕微鏡部４４０を把持し、当該顕微鏡部４４０を直接移動させる操作のことを意味する。例えば、術者が動作モード変更ＳＷ４４５を押下している間はアーム部４２０の動作モードがフリーモードとなり、術者が動作モード変更ＳＷ４４５から手を離している間はアーム部４２０の動作モードが固定モードとなる。
【００３５】  なお、これらのスイッチは必ずしも顕微鏡部４４０に設けられなくてもよい。第１の実施形態では、これらのスイッチと同等の機能を有する、操作入力を受け付けるための機構が観察装置１０に設けられればよく、当該機構の具体的な構成は限定されない。例えば、これらのスイッチは、観察装置１０の他の部位に設けられてもよい。また、例えば、リモコンやフットスイッチ等の入力装置を用いて、これらのスイッチに対応する命令が、遠隔的に観察装置１０に対して入力されてもよい。
【００３６】  また、簡単のため、図１では顕微鏡部４４０の筒状部４４２を簡易的に単純な円筒形状の部材として図示しているが、筒状部４４２には、術者によって把持される把持部が設けられ得る。当該把持部は、術者が把持する取っ手等の構造が、筒状部４４２の外周に形成されることによって実現され得る。あるいは、当該把持部は、筒状部４４２の形状が、術者によって把持されやすい形状に形成されることによって実現され得る。例えば、上記のように、フリーモード時には、術者が筒状部４４２を直接手で握った状態で、顕微鏡部４４０を移動させる操作が想定され得る。この際、術者は、動作モード変更ＳＷ４４５を押下しながら、顕微鏡部４４０を移動させる操作を行うこととなるため、筒状部４４２の形状及び動作モード変更ＳＷ４４５の配置位置は、フリーモード時の術者の操作性を考慮して適宜決定され得る。また、ズームＳＷ４４３及びフォーカスＳＷ４４４の配置位置も、同様に、術者の操作性を考慮して適宜決定されてよい。
【００３７】  （アーム部）  アーム部４２０は、顕微鏡部４４０を３次元的に移動させるとともに、移動後の顕微鏡部４４０を、その位置及び姿勢を固定的に支持する。具体的には、アーム部４２０は、複数の関節部４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄ、４２１ｅ、４２１ｆと、関節部４２１ａ〜４２１ｅによって互いに回動可能に連結される複数のリンク４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄと、から構成される。アーム部４２０には、これら６つの関節部４２１ａ〜４２１ｆに対応する６つの回転軸（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）が設けられており、顕微鏡部４４０の移動に関して６自由度が実現されている。
【００３８】  リンク４２２ａ〜４２２ｄは略棒状の部材であり、リンク４２２ｄの一端が関節部４２１ｆを介してベース部４１０と連結され、リンク４２２ａの他端が関節部４２１ｅを介してリンク４２２ｃの一端と連結され、更に、リンク４２２ｃの他端が関節部４２１ｄ、４２１ｃを介してリンク４２２ｂの一端と連結される。更に、リンク４２２ｂの他端が、関節部４２１ｂを介して略Ｌ字状のリンク４２２ａの一端と連結され、リンク４２２ａの他端と顕微鏡部４４０とが、関節部４２１ａを介して連結される。このように、ベース部４１０を支点として、複数のリンク４２２ａ〜４２２ｄの端同士が、関節部４２１ａ〜４２１ｆによって互いに連結されることにより、ベース部４１０から延伸されるアーム形状が構成される。
【００３９】  関節部４２１ａ〜４２１ｆには、それぞれ、後述する図２に示すアクチュエータ４３０が設けられており、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、当該アクチュエータ４３０の駆動により所定の回転軸に対して回転可能に構成されている。アクチュエータ４３０の駆動は、制御装置４５０によって制御される。各関節部４２１ａ〜４２１ｆ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４２０を伸ばしたり、縮めたり（折り畳んだり）といった、アーム部４２０の駆動が制御される。
【００４０】  具体的には、第１軸Ｏ１まわりの回転が制御されることにより、顕微鏡部４４０の光軸まわりの回転が制御される。また、第２軸Ｏ２及び第３軸Ｏ２まわりの回転がそれぞれ制御されることにより、水平面に対する顕微鏡部４４０の光軸の方向が制御される。このように、先端側の第１軸Ｏ１、第２軸Ｏ２及び第３軸Ｏ２は、主に顕微鏡部４４０の姿勢（光軸の方向）を制御し得る回転軸であると言える。つまり、これらの回転軸に対応する関節部４２１ａ〜４２１ｃの回転が制御されることにより、主に顕微鏡部４４０の姿勢が制御され得る。一方、根元側の第４軸Ｏ４、第５軸Ｏ５及び第６軸Ｏ６は、主に顕微鏡部４４０の３次元的な位置を制御し得る回転軸であると言える。つまり、これらの回転軸に対応する関節部４２１ｄ〜４２１ｆの回転が制御されることにより、主に顕微鏡部４４０の位置が制御され得る。
【００４１】  なお、図示する例では、上記のように、アーム部４２０は、顕微鏡部４４０の駆動に関して６自由度が実現されるように構成されている。アーム部４２０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４２０の可動範囲内において顕微鏡部４４０を自由に移動させることができる。これにより、顕微鏡部４４０に任意の位置及び姿勢を取らせることができ、術部を様々な角度から観察することが可能になる。ただし、第１の実施形態では、アーム部４２０の構成は図示する例に限定されない。アーム部４２０は、用途に応じて顕微鏡部４４０を適宜移動し得るように構成されればよく、関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｄの数や配置、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動軸の方向等は、アーム部４２０が所望の自由度を有するように適宜設定されてよい。
【００４２】  （制御装置）  制御装置４５０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ともに搭載された制御基板等によって構成される。制御装置４５０を構成するプロセッサが所定のプログラムに従って演算処理を実行することにより、制御装置４５０における各機能が実現される。
【００４３】  第１の実施形態では、観察装置１０の制御方式として、力制御が用いられる。力制御では、アーム部４２０に作用する力が、各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０のトルクセンサによって検出される。検出された当該力に基づいて、アーム部４２０に所望の動作を行わせるために必要な、各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０による発生トルクが算出され、算出された当該発生トルクを制御値として、アーム部４２０の動作が制御される。
【００４４】  力制御では、例えば、術者による直接的な操作、すなわち術者が直接アーム部４２０及び／又は顕微鏡部４４０に触れて行う、当該アーム部４２０及び／又は当該顕微鏡部４４０を移動させようとする操作に応じて、当該アーム部４２０に加えられた力の方向に当該アーム部４２０が移動するように（すなわち、術者の操作をサポートするように）、制御装置４５０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４２０の動作が制御され得る。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４２０及び／又は顕微鏡部４４０に触れながら当該アーム部４２０及び／又は当該顕微鏡部４４０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。
【００４５】  ここで、第１の実施形態では、アーム部４２０の内部に、当該アーム部４２０に沿って延設するケーブルが設けられる。当該ケーブルは、光源装置（図示せず）から顕微鏡部４４０へのライトガイドとしての役割、顕微鏡部４４０から制御装置４５０に映像データ、及びスイッチに対する操作入力についての信号等を送信する役割、制御装置４５０から顕微鏡部４４０に顕微鏡部４４０の駆動制御（例えば、倍率及び焦点距離を変更するための光学系の駆動制御）についての信号等を送信する役割、アーム部４２０の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０から制御装置４５０に検出した回転角度、トルク値についての信号を送信する役割、並びに制御装置４５０からアーム部４２０の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０に、当該アクチュエータ４３０の駆動制御についての信号を送信する役割等を果たし得る。
【００４６】  第１の実施形態では、制御装置４５０は、上記のアーム部４２０の駆動制御（すなわち、各関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御）に際して、当該ケーブルの剛性に起因する外乱を考慮して、各関節部４２１ａ〜４２１ｆ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する。従って、術者は、このケーブルの剛性に起因する外乱の影響が抑制された状態で、アーム部４２０及び／又は顕微鏡部４４０の移動操作が可能となるため、当該術者にとってより優れた操作感が実現され得る。なお、ケーブルの剛性に起因する外乱については、下記（１−２．ケーブルの剛性に起因する外乱について）で詳細に説明する。また、アーム部４２０の具体的な制御方法については、下記（１−３．観察装置の機能構成）で詳細に説明する。
【００４７】  なお、第１の実施形態では、制御装置４５０は、上述した術者による直接的な操作以外の操作入力に基づいて、アーム部４２０の駆動を制御してもよい。例えば、術者が、リモコン、フットスイッチ等の各種の入力装置を介して行った操作入力に従って、制御装置４５０が各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０の駆動を制御し、アーム部４２０を動作させてもよい。あるいは、観察システム１に、観察装置１０に対して顕微鏡部４４０の移動についての指示を発行するナビゲーション装置が設けられてもよい。この場合には、当該ナビゲーション装置からの指示を受けて、制御装置４５０が各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ４３０の駆動を制御し、指示された顕微鏡部４４０の位置及び姿勢を実現するようにアーム部４２０を動作させてもよい。なお、上記入力装置又はナビゲーション装置としては、一般的な観察装置において顕微鏡部を移動させる際に用いられている各種の公知のものが用いられてよい。
【００４８】  例えば、観察システム１では、表示装置２０の画面上の映像の視野を僅かに移動させたいという要望や、あるいは、表示装置２０の画面上の映像の上下左右を変化させないで、視野をいずれかの方向に平行移動したいという要望が生じ得る。しかし、直接的な操作によって、顕微鏡部４４０を僅かに移動させたり、顕微鏡部４４０を水平面内でいずれかの方向に平行移動させたりすることは難しい場合がある。このような場合に、上記のような入力装置やナビゲーション装置を介したアーム部４２０の駆動制御を行うことにより、所望の視野が得られる位置まで、顕微鏡部４４０をより正確に移動させることが可能となる。なお、以下の説明では、直接的な操作によってアーム部４２０を動作させることを、手動でのアーム部４２０の動作と呼称し、入力装置やナビゲーション装置を介した遠隔的な操作入力によってアーム部４２０を動作させることを、自動的なアーム部４２０の動作と呼称することがある。
【００４９】  なお、以下の説明において、単に「術者がアーム部４２０及び／又は顕微鏡部４４０を操作している」等と記載した場合には、当該記載は、特に断りのない限り、当該術者がアーム部４２０及び／又は顕微鏡部４４０を直接的に操作していることを意味するものとする。
【００５０】  また、制御装置４５０は、アーム部４２０の駆動制御以外にも、観察システム１における各種の動作を制御し得る。例えば、制御装置４５０は、上記動作モード変更ＳＷ４４５を介した術者の操作入力に応じて、アーム部４２０の各回転軸部に設けられるブレーキの駆動を制御することにより、上述したアーム部４２０の動作モードを切り替える機能を有する。また、例えば、制御装置４５０は、上記ズームＳＷ４４３及びフォーカスＳＷ４４４を介した術者の操作入力に応じて、顕微鏡部４４０の撮像部４４１の光学系を適宜駆動させ、顕微鏡部４４０の倍率及び焦点距離を調整する機能を有する。また、例えば、制御装置４５０は、顕微鏡部４４０によって取得された映像データに対して各種の画像処理を施し、処理後の映像データに基づく映像を表示装置２０に表示させる機能を有する。
【００５１】  なお、図示する例では、制御装置４５０は、顕微鏡部４４０、アーム部４２０及びベース部４１０とは異なる構成として設けられているが、第１の実施形態はかかる例に限定されない。例えば、制御装置４５０と同様の機能を実現するプロセッサや制御基板等が、ベース部４１０内に配置されてもよい。あるいは、制御装置４５０と同様の機能を実現するプロセッサや制御基板等が顕微鏡部４４０の内部に組み込まれることにより、制御装置４５０と顕微鏡部４４０とが一体的に構成されてもよい。あるいは、プロセッサや制御基板等が、観察装置１０のアーム部４２０を構成する各関節部４２１ａ〜４２１ｆにそれぞれ配置され、これら複数のプロセッサや制御基板等が互いに協働することにより、制御装置４５０と同様の機能が実現されてもよい。
【００５２】  以上、図１を参照して、観察システム１及び観察装置１０の構成について説明した。
【００５３】  （１−１−２．アクチュエータの構成）  図２を参照して、図１に示す観察装置１０の関節部４２１ａ〜４２１ｆに搭載されるアクチュエータの構成について説明する。図２は、図１に示す観察装置１０の関節部４２１ａ〜４２１ｆ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２では、第１の実施形態に係るアクチュエータを、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。
【００５４】  図２を参照すると、第１の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、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。
【００５５】  モータ４２４は、所定の指令値（電流指令値）が与えられた場合に、当該指令値に対応する回転速度で回転軸を回転させることにより、駆動力を生み出す駆動機構である。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、第１の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。
【００５６】  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９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。
【００５７】  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。第１の実施形態では、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、第１の実施形態のように、アクチュエータ４３０が観察装置１０の関節部４２１ａ〜４２１ｆ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。
【００５８】  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４２１ａ〜４２１ｆ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を検出するためのエンコーダが更に設けられてもよい。
【００５９】  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（例えば、直接的な操作において術者が外部から加えるトルク）も検出することができる。
【００６０】  以上、図２を参照して、第１の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。力制御が行われる場合には、観察装置１０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４２１ａ〜４２１ｆの回転角度、及び各関節部４２１ａ〜４２１ｆ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４２１ａ〜４２１ｆに作用するトルクには、アーム部４２０及び／又は顕微鏡部４４０に作用する力も含まれ得る。検出された回転角度及びトルク値は、上述したアーム部４２０の内部に延設されるケーブルを介して制御装置４５０に送信される。そして、制御装置４５０によって、検出された回転角度及びトルク値に基づいて、アーム部４２０が所望の動作を実現するために各関節部４２１ａ〜４２１ｆ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４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ４３０が駆動される。
【００６１】  なお、図２に示す構成は、あくまで、第１の実施形態に係るアクチュエータ４３０の一構成例を示すものであり、第１の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装置において用いられている、公知の各種のアクチュエータを用いることができる。
【００６２】  （１−２．ケーブルの剛性に起因する外乱について）  図３−図６を参照して、ケーブルの剛性に起因する外乱について説明する。なお、第１の実施形態では、アーム部４２０を構成する関節部４２１ａ〜４２１ｆのうち、その回転軸が自身に接続されるリンクの延伸方向と平行な（すなわち、自身に接続されるリンクを当該リンクの延伸方向と平行な回転軸まわりに回転させる）捻転回転軸として機能する関節部における、ケーブルの剛性に起因する外乱を抑制の対象としている。図１に示す構成であれば、第１軸Ｏ１に対応する関節部４２１ａ、第３軸Ｏ３に対応する関節部４２１ｃ、及び第６軸Ｏ６に対応する関節部４２１ｆが捻転関節部に対応する。ここでは、一例として、図１に示す関節部４２１ｃの駆動制御における、ケーブルの剛性に起因する外乱について説明する。
【００６３】  図３−図６は、図１に示す関節部４２１ｃ近傍の構成を抜き出して示す図である。図３は関節部４２１ｃの斜視図であり、図４は関節部４２１ｃから後述するカバー４６０及び連結部材４９１を取り除いた様子を示す側面図であり、図５は関節部４２１ｃから後述するカバー４６０及び連結部材４９１を取り除いた様子を示す斜視図である。図６は、図５に示す状態において、関節部４２１ｃが回転した様子を示す斜視図である。なお、図３−図６では、代表的に１本のケーブル４９５を図示しているが、実際には、複数のケーブルが束ねられて関節部４２１ｃ内（すなわち、アーム部４２０内）に延設されてもよい。
【００６４】  ここで、図３−図５では、ケーブル４９５に捻り荷重が加わっていない状態を示している。ここでいう捻り荷重が加わっていない状態とは、ケーブル４９５の中心軸（ケーブル４９５が複数のケーブルが束ねられて構成される場合には、その断面における重心を通る軸）が、関節部４２１ｃの回転軸（第３軸Ｏ３）を通過する平面上にある状態のことをいう。第１の実施形態では、関節部４２１ｃが回転していない状態、すなわち関節部４２１ｃの回転角度がゼロである場合に、ケーブル４９５の中心軸が関節部４２１ｃの回転軸（Ｏ３軸）を通過する平面上に位置するように、関節部４２１ｃが構成されるため、捻り荷重が加わっていない状態とは、関節部４２１ｃの回転角度がゼロである状態を意味し得る。一方、図６は、上記のように図５に示す状態から関節部４２１ｄが回転した様子を示しており、すなわちケーブル４９５に捻り荷重が加わっている状態を示している。
【００６５】  図３−図５を参照すると、関節部４２１ｃは、筒状形状を有し先端側に図１に示すリンク４２２ｂが取り付けられるカバー４６０と、図１に示す関節部４２１ｄに向かって延びる延在部４７０と、延在部４７０の関節部４２１ｄと接続される側とは逆側の端部に設けられ、中心軸が第３軸Ｏ３と一致する回転軸部４８０と、回転軸部４８０のまわりに回転可能な回転部４９０と、を有する。
【００６６】  延在部４７０は、回転軸部４８０に固定される円板状の固定部４７１と、固定部４７１に連結されるとともに、固定部４７１と関節部４２１ｄとを接続する板状の連結部４７２と、Ｃ字状をなし、開口端が連結部４７２に固定され、ケーブル４９５を挿通して案内可能な中空空間を形成するガイド部４７３と、を有する。連結部４７２は、第３軸Ｏ３に沿って板状をなして延びる。
【００６７】  回転部４９０は、アクチュエータ４３０の駆動軸と接続されており、アクチュエータ４３０の駆動に伴い回転軸部４８０のまわりに回転する。回転部４９０は、連結部材４９１によってカバー４６０の内周部に連結される。このため、回転部４９０が回転軸部４８０のまわりに回転すると、回転部４９０の回転に連動してカバー４６０が回転する。カバー４６０が回転すれば、カバー４６０に連結されたリンク４２２ｂが、回転軸部４８０のまわり、すなわち第３軸Ｏ３まわりに回転する。
【００６８】  関節部４２１ｃにおいて、ケーブル４９５は、結束バンド４７４、４９２によって、それぞれ連結部４７２及び回転部４９０に固定される。具体的には、結束バンド４７４は、ガイド部４７３の中空空間においてケーブル４９５を連結部４７２に固定する。結束バンド４９２は、ケーブル４９５と、回転部４９０の外周とを接続することによって、ケーブル４９５を固定する。結束バンド４７４、４９２によるケーブル４９５の固定位置は、関節部４２１ｃにおける第３軸Ｏ３の方向の一端及び他端にそれぞれ設けられることが好ましい。
【００６９】  なお、図示する例では、ケーブル４９５は、連結部４７２においてケーブル４９５の中心軸が第３軸Ｏ３と略一致する位置において結束バンド４７４により固定され、回転部４９０においてケーブル４９５の中心軸がＯ３軸とは異なる位置に位置するように結束バンド４９２により固定されている。このため、連結部４７２におけるケーブル４９５の固定部分と、回転部４９０におけるケーブル４９５の固定部分とは、オフセットした状態となっている。なお、ケーブル４９５の延伸方向における一の部分と他の部分とがオフセットしている状態とは、当該一の部分におけるケーブル４９５の中心軸と、当該他の部分におけるケーブル４９５の中心軸とが、略同一直線状に位置しない状態をいう。ただし、第１の実施形態はかかる例に限定されず、ケーブル４９５は必ずしもオフセットされた状態で延設されなくてもよい。例えば、ケーブル４９５は、ガイド部４７３内に挿通されなくてもよく、関節部４２１ｃのカバー４６０の内周面に一様に沿った状態で延設されてもよい。
【００７０】  このように、関節部４２１ｃの内部にケーブル４９５が延設されている状態で、図６に示すように、当該関節部４２１ｃが回転した場合について考える。この場合、図６に示すように、関節部４２１ｃの回転に伴い、ケーブル４９５が捻られるように動くこととなる。この捻られた状態にあるケーブル４９５には、ケーブル４９５の剛性により、元の状態（すなわち、捻り荷重が加わっていない図３−図５に示す状態）に戻ろうとする復元力（弾性復元力）が生じる。ケーブル４９５は、上記のように結束バンド４７４、４９２によって関節部４２１ｄに固定されているため、このケーブル４９５の復元力は、関節部４２１ｄに対して、その回転を妨げる方向に作用する外乱となり得る。
【００７１】  従って、もしもケーブル４９５の復元力を考慮せずに、術者の操作に応じた所定の回転角度だけ回転させるように関節部４２１ｃの駆動を制御しようとした場合には、当該復元力が回転を阻害する方向に働き、所望の回転角度が実現されない恐れがある。このように、当該復元力は、関節部４２１ｃにおける回転を阻害する方向に、すなわち術者の操作を妨げる方向に働くため、術者の操作性を著しく悪化させ得る。
【００７２】  第１の実施形態では、関節部４２１ｃの駆動制御において、このケーブル４９５の剛性に起因する外乱、すなわちケーブル４９５の復元力も加味して、所望の回転角度を実現するための当該関節部４２１ｄにおける発生トルクを算出する。従って、より高精度に回転角度を制御することができ、術者の操作性を向上させることが可能になる。
【００７３】  なお、以上の説明では、一例として関節部４２１ｃを取り上げていたが、第１の実施形態では、他の捻転関節部として機能する関節部４２１ａ、４２１ｆの駆動制御においても、同様にケーブル４９５の復元力が外乱として作用し得る。従って、これらの関節部４２１ａ、４２１ｆにおける駆動制御においても、同様に、ケーブル４９５の復元力も加味して発生トルクの算出が行われ得る。
【００７４】  以下、観察装置１０の機能構成について説明しつつ、この、ケーブル４９５の復元力を加味した各関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆの駆動制御の具体的な方法について説明する。
【００７５】  （１−３．観察装置の機能構成）  図７を参照して、図１に示す観察装置１０の機能構成について説明する。図７は、第１の実施形態に係る観察装置１０の機能構成の一例を示すブロック図である。
【００７６】  図７を参照すると、観察装置１０は、その機能として、アーム部１１０と、顕微鏡部１４０と、制御部２１０と、を備える。アーム部１１０は、図１に示すアーム部４２０に対応するものであり、顕微鏡部１４０は、図１に示す顕微鏡部４４０に対応するものである。顕微鏡部１４０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。
【００７７】  なお、実際には、図１に示す構成と同様に、アーム部１１０は複数のリンクと複数の関節部から構成されるが、図７では、代表的に一の関節部１３０の機能構成のみを図示している。ここで、第１の実施形態では、捻転関節部として機能する関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆの駆動制御においてのみ、ケーブルの剛性に起因する外乱を加味した制御が実行される。他の関節部４２１ｂ、４２１ｄ、４２１ｅについては、通常の力制御に係る駆動制御が実行される。しかしながら、これら関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆの駆動制御と、他の関節部４２１ｂ、４２１ｄ、４２１ｅの駆動制御とでは、後述するトルク指令値τを算出する際に、補償トルクτｃを加味するか、又は加味しないかが異なるだけであり、関節部４２１ａ〜４２１ｆ自体の機能構成は同様であり得る。つまり、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、いずれも、図示する関節部１３０と同様の機能構成を有する。
【００７８】  また、実際には、図１に示す構成と同様に、顕微鏡部１４０はアーム部１１０の先端に取り付けられるが、図７では、顕微鏡部１４０がアーム部１１０の先端に取り付けられている様子を、関節部１３０と顕微鏡部１４０との間に、アーム部１１０を構成するリンクを概略的に図示することにより表現している。
【００７９】  （関節部）  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。
【００８０】  関節駆動部１３１は、関節部１３０に回転動作をさせるための駆動機構である。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によって構成され得る。
【００８１】  関節駆動部１３１は、後述する制御部２１０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、後述する制御部２１０の理想関節制御部２５０によって、顕微鏡部１４０を術者の操作に従った所望の位置及び姿勢にするために関節部１３０が発生すべきトルクの値（後述する図９に示すトルク指令値τに対応）が算出される。駆動制御部２６０は、算出された当該トルク指令値τに対応する電流指令値を関節駆動部１３１に提供し、当該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のモータ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。
【００８２】  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、回転角速度及び回転角加速度、並びに関節部１３０に作用するトルク（関節部１３０自身が発する発生トルク、及び関節部１３０に外部から作用する外トルクを含む）等の情報が含まれる。例えば、術者が直接的な操作によって顕微鏡部１４０を移動させようとした場合には、関節状態検出部１３２は、その術者の顕微鏡部１４０に対する直接的な操作に伴い生じた、関節部１３０における回転角度及び外トルクを検出する。
【００８３】  具体的には、関節状態検出部１３２は、その機能として、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によってそれぞれ構成され得る。
【００８４】  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、後述する制御部２１０のアーム状態取得部２４１及び外乱推定部２５１に送信する。
【００８５】  （制御部）  制御部２１０は、図１に示す制御装置４５０によって構成され得る。制御部２１０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、補償トルク算出部２７０と、を有する。制御部２１０を構成するプロセッサが所定のプログラムに従って演算処理を実行することにより、これらの機能が実現される。
【００８６】  （全身協調制御部）  全身協調制御部２４０は、全身協調制御に関する各種の演算を行う。ここで、全身協調制御とは、多リンク構造体において、当該多リンク構造体に全体として所望の動作をさせるために必要な各関節部の制御値を算出し、当該制御値に従って各関節部を互いに協調させて動作させる制御のことをいう。具体的には、第１の実施形態では、全身協調制御部２４０は、アーム部１１０及び顕微鏡部１４０が全体として所望の動作（例えば術者による操作に従った動作）を行うために必要な、各関節部１３０の制御値である発生トルクの値（制御トルク、後述する数式（２）に示す発生トルクτａに対応）を算出する。全身協調制御部２４０が算出した制御トルクに従って各関節部１３０が互いに協調して動作することによりアーム部１１０及び顕微鏡部１４０が全体として所望の動作を行うことが可能になる。
【００８７】  具体的には、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、制御トルク算出部２４３と、を有する。
【００８８】  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１１０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１１０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１１０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１１０及び顕微鏡部１４０の位置及び姿勢、並びに、現在アーム部１１０に作用している力等が把握され得る。
【００８９】  制御部２１０には、制御部２１０によって処理される各種の情報を記憶する記憶部（図示せず）が設けられており、当該記憶部には、アーム部１１０及び顕微鏡部１４０の内部モデルが格納されている。ここで、内部モデルとは、観察装置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１１０及び顕微鏡部１４０の位置及び姿勢を表す情報、並びにアーム部１１０及び顕微鏡部１４０の運動についての情報を含むものである。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、当該内部モデルを更新することにより、現在のアーム状態を取得することができる。
【００９０】  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及び補償トルク算出部２７０に提供する。
【００９１】  演算条件設定部２４２は、アーム部１１０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）制御トルク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、例えば、当該制御値を計算する上での拘束条件等が設定される。当該拘束条件は、例えばアーム部１１０の幾何的な構造に起因する各関節部１３０の回転角度の限界であったり、安全等の観点から適宜設定される各関節部１３０の回転角度、回転角速度及び／又は回転角加速度等の限界であってよい。
【００９２】  演算条件設定部２４２は、アーム状態についての情報、及び設定した演算条件についての情報を制御トルク算出部２４３に提供する。
【００９３】  制御トルク算出部２４３は、演算条件設定部２４２によって設定された演算条件の下で、顕微鏡部１４０及びアーム部１１０に所望の動作を行わせるために必要な、各関節部１３０における制御トルクを算出する。制御トルク算出部２４３による制御トルクの算出処理では、各種の公知の手法が用いられてよい。例えば、第１の実施形態では、制御トルク算出部２４３は、一般化逆動力学を用いた演算により、当該制御トルクを算出する。なお、一般化逆動力学を用いた制御トルクの算出方法としては、特開２００９−９５９５９号公報、特開２０１０−１８８４７１号公報、及び上記特許文献１（国際公開第２０１５／０４６０８１号）等に記載の方法を用いることができるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００９４】  制御トルク算出部２４３は、算出した制御トルクについての情報を、理想関節制御部２５０に提供する。
【００９５】  （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。ここで、理想関節制御とは、各関節部１３０が理論モデルに従った理想的な応答を行うような、各関節部１３０の駆動制御のことをいう。
【００９６】  理想関節制御部２５０の機能構成について説明するに先立ち、理想関節制御について詳細に説明する。アーム部１１０の各関節部１３０に設けられるアクチュエータ（すなわち、上述したアクチュエータ４３０）の運動は、下記数式（１）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。
【００９７】
【数１】
2017169649.tif 000003
【００９８】  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（１）は、各関節部１３０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と言える。
【００９９】  ここで、上述したように、制御トルク算出部２４３によって、所望の動作を実現するために各関節部１３０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）が算出されている。従って、理想的には、各アクチュエータ４３０に対して、この算出された発生トルクτａを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（１）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１１０及び顕微鏡部１４０において所望の動作が実現されるはずである。
【０１００】  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（１）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１１０及び顕微鏡部１４０）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。
【０１０１】  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（１）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（１）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のである。
【０１０２】  そこで、第１の実施形態では、理想関節制御部２５０によって、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（１）に示す理論モデルに従った理想応答を行うよう、アクチュエータ４３０の応答を補正することとしている。これにより、アクチュエータ４３０が、外乱の影響が抑えられた、理想的な応答をすることとなるため、より高精度にアクチュエータ４３０の回転角度（すなわち、各関節部１３０の回転角度）を制御することが可能になる。
【０１０３】  ただし、ここで、第１の実施形態では、捻転関節部として機能する関節部１３０（すなわち、関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆ）については、上記数式（１）に対して、上記（１−２．ケーブルの剛性に起因する外乱について）で説明したケーブル４９５の復元力によって関節部１３０（すなわち、アクチュエータ４３０）に作用するトルクを補償する項を導入した下記数式（２）を、アクチュエータ４３０の理論モデルとして扱う。これにより、理想関節制御部２５０によって算出されるトルク値（トルク指令値τ）は、アクチュエータ４３０が、下記数式（２）に示す理論モデルに従った理想応答を行うようなトルク値、すなわち、外乱としてケーブル４９５の復元力を加味したトルク値となる。従って、これらの関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆについては、更に高精度にアクチュエータ４３０の回転角度（すなわち、各関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆの回転角度）を制御することが可能になる。なお、他の関節部４２１ｂ、４２１ｄ、４２１ｅのアクチュエータ４３０の駆動制御については、上記数式（１）を理論モデルとして扱えばよい。
【０１０４】
【数２】
2017169649.tif 000004
【０１０５】  ここで、τｃは、補償トルクであり、ケーブル４９５の復元力に対応するトルク値である。なお、補償トルクτｃの具体的な値は、補償トルク算出部２７０によって算出され得る。補償トルク算出部２７０による補償トルクτｃの具体的な算出方法については後述する。
【０１０６】  図８を参照して、理想関節制御についてより詳細に説明する。図８は、第１の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８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８に示すブロック図は、観察装置１０のアーム部１１０を構成する複数の関節部１３０のうちで、捻転関節部として機能する関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆに対応するいずれか１つの関節部１３０のアクチュエータ４３０に対する、理想関節制御における一連の処理を示すものである。なお、他の関節部４２１ｂ、４２１ｄ、４２１ｅのアクチュエータ４３０については、理論モデルの形が異なるだけで、同様の処理が行われる。
【０１０７】  図８を参照すると、アクチュエータ６１０は、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８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。
【０１０８】  演算器６３１は、上記数式（２）に示すアクチュエータ６１０（すなわち、関節部１３０）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、補償トルクτｃ、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（２）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。
【０１０９】  ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（２）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（２）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（２）に従った理想的な応答が生じないことがある。そこで、第１の実施形態では、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。
【０１１０】  以下、具体的な処理について順に説明する。まず、一般的な力制御において用いられる方法に基づいて算出された所望の動作を実現するための発生トルクτａ（すなわち、制御トルク算出部２４３によって算出された制御トルク）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。
【０１１１】  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。第１の実施形態では、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、第１の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。
【０１１２】  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８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。
【０１１３】  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。
【０１１４】  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。
【０１１５】  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。
【０１１６】  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１３０（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。
【０１１７】  以上説明した処理が、観察装置１０のアーム部１１０を構成する各関節部１３０のうち、捻転関節部として機能する関節部１３０（関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆ）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、これらの各アクチュエータ４３０の駆動が、上記数式（２）に従った理想的な応答を行うように制御される。また、同様に、他の関節部４２１ｂ、４２１ｄ、４２１ｅのアクチュエータ４３０に対して、上記数式（１）を理論モデルとして用いて、以上説明した処理がそれぞれ実行されることにより、これらの各アクチュエータ４３０の駆動が、上記数式（１）に従った理想的な応答を行うように制御される。これにより、アーム部１１０及び顕微鏡部１４０全体として所望の動作が実現されることとなる。
【０１１８】  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、特開２００９−２６９１０２号公報、及び上記特許文献１（国際公開第２０１５／０４６０８１号）等を参照することができる。
【０１１９】  図７に戻り、理想関節制御部２５０の機能構成についての説明を続ける。理想関節制御部２５０は、図８を参照して説明した一連の処理のうち、トルク指令値τを算出する処理を実行する。具体的には、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。
【０１２０】  外乱推定部２５１は、図８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（制御トルク算出部２４３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（２）に示す理論モデルに従って求められる、関節部１３０に発生させるべきトルク値）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。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。
【０１２１】  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１１０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（２）に示す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。
【０１２２】  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。
【０１２３】  （補償トルク算出部）  補償トルク算出部２７０は、理想関節制御部２５０がトルク指令値τを算出する際に用いる補償トルクτｃの値（上記数式（２）に示す補償トルクτｃの値）を算出する。第１の実施形態では、補償トルク算出部２７０は、各関節部１３０のうち、捻転関節部として機能する関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆの回転に起因してこれらの関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆに作用するケーブル４９５の復元力に対応するトルク値を、補償トルクτｃとして算出する。
【０１２４】  具体的には、上記（１−２．ケーブルの剛性に起因する外乱について）で説明したように、ケーブル４９５の復元力は、関節部１３０の回転に伴い生じるものであるため、関節部１３０の回転角度によって変化し得る。つまり、補償トルクτｃは、関節部１３０の回転角度ｑの関数（τｃ＝ｆ（ｑ））とみなすことができる。例えば、事前に実験等により、関節部１３０の回転角度ｑと補償トルクτｃとの関係を取得し、テーブル又はグラフ等の形式で制御部２１０に設けられる記憶部に記憶しておく。補償トルク算出部２７０は、当該記憶部に記憶されているテーブル又はグラフ等を参照し、アーム状態取得部２４１から提供されたアーム状態についての情報に基づいて、制御対象である関節部１３０の現在の回転角度に対応する補償トルクτｃの値を算出することができる。
【０１２５】  一例として、図９に、関節部１３０の回転角度ｑと補償トルクτｃとの関係を示すグラフ図を示す。図９は、関節部１３０の回転角度ｑと補償トルクτｃとの関係の一例を示すグラフ図である。かかるグラフ図に示されるような関係を上記記憶部に記憶しておけばよい。ただし、第１の実施形態はかかる例に限定されず、例えば、関節部１３０の回転角度ｑと補償トルクτｃとの関係は、シミュレーションによって事前に取得されてもよいし、理論計算によって求められてもよい。
【０１２６】  補償トルク算出部２７０は、算出した補償トルクτｃについての情報を、理想関節制御部２５０の指令値算出部２５２に提供する。指令値算出部２５２では、上記のように、当該補償トルクτｃを用いて、トルク指令値τが算出される。
【０１２７】  （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に対応するトルクが関節部１３０において発生するように、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、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ことができる。
【０１２８】  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１１０を構成する各関節部１３０が駆動されることにより、所望の動作が実現されるようにアーム部１１０が駆動されることとなる。
【０１２９】  以上、図７を参照して、第１の実施形態に係る観察装置１０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、捻転関節部として機能する関節部１３０（すなわち、関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆ）を駆動制御するためのトルク指令値τを算出する際に、ケーブル４９５の復元力を加味して、当該トルク指令値τが算出される。これにより、術者が操作時アーム部１１０に対して加える外トルクの値は、当該ケーブル４９５の復元力による影響がキャンセルされたものとなり、術者は、当該ケーブル４９５の復元力による抵抗感を受けることなく、アーム部１１０を操作することが可能になる。つまり、関節部１３０の回転角度によらず、滑らかな操作感を得ることが可能になる。よって、術者の操作性を向上させることができる。これにより、術者の負担を軽減するとともに、手術をより円滑に行うことが可能となり、手術の安全性を向上させる効果も得ることができる。
【０１３０】  ここで、第１の実施形態のような電子撮像式の顕微鏡部１４０を備える観察装置１０において、術部を高倍率で撮影している場合には、顕微鏡部１４０の僅かな移動が、視野の大きな移動につながってしまう。これに対して、第１の実施形態によれば、上記のように術者の操作性を向上させることができるため、顕微鏡部１４０の位置決めをより容易に行うことが可能になる。このように、特に、電子撮像式の顕微鏡部１４０を備える観察装置１０に対して第１の実施形態に係る技術を適用することにより、術者の負担軽減、及び手術の円滑化の効果をより一層得ることが可能になる。
【０１３１】  なお、図７に示す機能構成は、観察装置１０の機能構成のあくまで一例であり、観察装置１０の機能構成はかかる例に限定されない。観察装置１０は、全体として以上説明した機能を実現可能に構成されればよく、その機能構成は任意であってよい。例えば、観察装置１０の制御部２１０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。
【０１３２】  また、図７に示す観察装置１０の制御部２１０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。
【０１３３】  （１−４．駆動制御方法）  図１０を参照して、第１の実施形態に係る観察装置１０の駆動制御方法の処理手順について説明する。図１０は、第１の実施形態に係る観察装置１０の駆動制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。なお、図１０では、第１の実施形態に係る観察装置１０の駆動制御方法のうち、捻転関節部として機能する関節部４２１ａ、４２１ｃ、４２１ｆの駆動を制御する際の駆動制御方法の処理手順を示している。他の関節部４２１ｂ、４２１ｄ、４２１ｅの駆動制御方法では、後述するステップＳ１０７における処理が行われず、ステップＳ１０９において、補償トルクを加味せずにトルク指令値が算出され得る。
【０１３４】  ここで、図１０に示す各処理は、図７に示す観察装置１０の制御部２１０によって実行される処理に対応している。これらの各処理の詳細については、観察装置１０の機能構成について説明する際に既に説明しているため、以下の駆動制御方法の処理手順についての説明では、各処理についての詳細な説明は割愛する。
【０１３５】  図１０を参照すると、第１の実施形態に係る駆動制御方法では、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）。ステップＳ１０１に示す処理は、図７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。
【０１３６】  次に、全身協調制御に係る演算により各関節部１３０の制御トルク（発生トルクτａ）を算出するための演算条件が設定される（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３に示す処理は、図７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。
【０１３７】  次に、アーム状態及び演算条件に基づいて、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Ｓ１０５）。ステップＳ１０５に示す処理は、図７に示す制御トルク算出部２４３によって実行される処理に対応している。
【０１３８】  次に、補償トルクτｃが算出される（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７では、ケーブル４９５の復元力に対応するトルク値が、補償トルクτｃとして算出される。ステップＳ１０７に示す処理は、図７に示す補償トルク算出部２７０によって実行される処理に対応している。
【０１３９】  次に、補償トルクを加味した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に示す処理は、図７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。
【０１４０】  次に、算出されたトルク指令値τに基づいて、アーム部１１０の関節部１３０の駆動が制御される（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１に示す処理は、図７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。
【０１４１】  以上、図１０を参照して、第１の実施形態に係る観察装置１０の駆動制御方法の処理手順について説明した。
【０１４２】  （１−５．変形例）  以上の第１の実施形態についての説明では、補償トルクτｃの値は、事前に例えば人手により実験等によって取得され、観察装置１０に設けられる記憶部に記憶されていた。ただし、第１の実施形態はかかる例に限定されず、補償トルクτｃの値は、観察装置１０によって自動的に取得され、上記記憶部に記憶されてもよい。つまり、観察装置１０の補償トルク算出部２７０には、補償トルクτｃの値を自動的に更新する機能が設けられてもよい。
【０１４３】  具体的には、観察装置１０では、上述したように、術者による直接的な操作によってアーム部１１０を動作させる場合以外に、例えば、フットスイッチ等の入力装置を介した術者からの操作入力や、ナビゲーション装置からの指示に従ってアクチュエータ４３０を駆動させ、アーム部１１０を動作させる制御が行われ得る。このような自動的にアーム部１１０を動作させている際には、顕微鏡部１４０及びアーム部１１０には、重力以外の外力は作用していない。従って、自動的にアーム部１１０を動作させている最中に、捻転関節部として機能するある関節部１３０を回転させる動作が行われた場合には、その回転に伴い生じるケーブル４９５の復元力を、各関節部１３０のトルク検出部１３４（すなわち、アクチュエータ４３０のトルクセンサ４２８）によって検出することが可能になる。
【０１４４】  そこで、第１の実施形態では、自動的にアーム部１１０を動作させる際に、ケーブル４９５の復元力を検出し、その値に基づいて、補償トルク算出部２７０が、上記記憶部に記憶されている補償トルクτｃの値を随時更新してよい。例えば、経年劣化等によりケーブル４９５の剛性は変化し得るため、関節部１３０の回転角度と補償トルクτｃとの関係も変化し得る。上記のように自動的に補償トルクτｃの値を更新することにより、このような経年による関節部１３０の回転角度と補償トルクτｃとの関係の変化にも対応することができ、より正確な補償トルクτｃの値を用いてトルク指令値τを算出することが可能になる。
【０１４５】  （２．第２の実施形態）  （２−１．第２の実施形態に想到した背景）  本開示の第２の実施形態について詳細に説明するに先立ち、本発明者らが第２の実施形態に想到した背景について説明する。
【０１４６】  一般的に、例えば図１に示すような観察装置のアーム部の関節部は、ベアリングで構成されており、滑らかに回転可能に構成されている。これにより、術者が顕微鏡部を直接的に操作する際に、軽い操作性が実現され得る。
【０１４７】  ここで、例えば、アーム部の先端に電子撮像式の顕微鏡部を備える観察装置では、術者が接眼部から直接覗き込んで術部を拡大観察する光学式の顕微鏡部に比べて、当該顕微鏡部が比較的小型、軽量に構成され得る。電子撮像式の顕微鏡部では、接眼レンズを設ける必要がなく、また、光学ズーム機能だけでなく電子ズーム機能も併用して拡大倍率を調整することができるため、顕微鏡部に搭載される光学系をより簡易なものにすることができるからである。このように顕微鏡部が小型、軽量に構成されると、イナーシャが小さくなるため、術者は、より小さい力で顕微鏡部を移動させることが可能になる。つまり、電子撮像式の顕微鏡部を備える観察装置では、術者の操作感はより一層軽いものとなる。
【０１４８】  しかしながら、あまりにも小さい力で顕微鏡部が移動してしまうと、顕微鏡部が予想以上に移動し過ぎてしまい、かえって術者の操作性を損ねる恐れがある。特に、電子撮像式の顕微鏡部を備える観察装置では、術部を高倍率で撮影する場合がある。このような高倍率での撮影を行っている場合には、顕微鏡部の僅かな移動が、視野の大きな移動につながってしまうため、術者が所望の画像が得られる位置まで顕微鏡部を移動させる際に、顕微鏡部の位置合わせが困難になってしまう。
【０１４９】  そこで、これまで、一般的に、電子撮像式の顕微鏡部を備える観察装置においては、各関節部、特に顕微鏡部の姿勢の制御に関わる第１軸Ｏ１〜第３軸Ｏ３に対応する関節部に、機械的な摩擦負荷を与え、あえて比較的大きな力を加えないと顕微鏡部が移動しないようにしている。当該機械的な摩擦負荷は、例えば、関節部とともに回転する摩擦板の表面に対して、波ワッシャー等のバネによって、他の摩擦板を押圧する等の機構によって実現され得る。
【０１５０】  しかしながら、術者による直接的な操作でなく、例えばアクチュエータによって自動的にアーム部を動作させる際には、このような機械的な摩擦負荷は、アクチュエータの出力にとってはエネルギー損失となり、消費電力の増加につながる。また、機械的な摩擦負荷が存在することを考慮してアクチュエータのモータ及び減速機を設計しなくてはならないため、当該モータ及び当該減速機は、当該摩擦負荷の分大型化してしまい、結果的に、部品点数の増加、製造コストの増加を引き起こす恐れがある。更に、機械的に摩擦負荷を与える機構を適用すると、スティックスリップ現象による顕微鏡部の振動が発生し、安定的に術部を観察することが困難となり、円滑な手術の実行に支障をきたす恐れもある。
【０１５１】  本発明者らは、上記事情に鑑みて、各関節部に摩擦負荷を機械的に与えることなく、観察装置の操作性を向上させることが可能な技術について鋭意検討した結果、本開示の第２の実施形態に想到した。以下、第２の実施形態について詳細に説明する。
【０１５２】  （２−２．第２の実施形態の詳細）  第２の実施形態に係る観察システム及び観察装置の構成は、図１に示す第１の実施形態に係る観察システム１及び観察装置１０の構成と同様である。従って、ここでは、これらについての説明を省略する。
【０１５３】  また、第２の実施形態に係る観察装置の機能構成は、図７に示す第１の実施形態に係る観察装置１０の機能構成と略同様である。ただし、第２の実施形態では、図７に示す観察装置１０の機能構成において、理想関節制御部２５０及び補償トルク算出部２７０の機能が、第１の実施形態と異なる。具体的には、第２の実施形態では、理想関節制御部２５０は、上記数式（２）の代わりに、下記数式（３）を各関節部１３０における応答の理論モデルとして用いて、トルク指令値τを算出する。
【０１５４】
【数３】
2017169649.tif 000005
【０１５５】  ここで、τｃ’は、第１の実施形態と同様に補償トルクを表す項であるが、第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、当該τｃ’は、各関節部１３０に与えられ得る摩擦負荷に対応するトルク値である。具体的には、上記数式（３）に示すように、当該τｃ’として、τｃ’＝−ｃ×ｓｇｎ（ｄｑ）を用いる。ここで、ｃは定数であり、ｄｑは関節部１３０の回転角度の変化率、すなわち回転速度である。つまり、τｃ’は、関節部１３０の回転速度の符号に応じて向きが変化する、大きさ一定のトルク値を表している。用いる理論モデルの形式が異なるだけで、理想関節制御部２５０が行う具体的な演算処理は第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。これにより、第２の実施形態では、摩擦負荷を加味して、トルク指令値τが算出されることとなる。
【０１５６】  ただし、第２の実施形態において、理想関節制御部２５０が上記数式（３）を用いてトルク指令値τを算出する対象となる関節部１３０は、顕微鏡部１４０の姿勢の制御に関わる第１軸Ｏ１〜第３軸Ｏ３に対応する関節部１３０（すなわち、図１に示す観察装置１０の構成例であれば、関節部４２１ａ〜４２１ｃ）であり得る。これらの関節部４２１ａ〜４２１ｃにおける回転が、術者の操作感に対して特に影響を与えると考えられるからである。この場合、他の関節部４２１ｄ〜４２１ｆについては、理想関節制御部２５０は、上記数式（１）を理論モデルとして用いてトルク指令値を算出すればよい。
【０１５７】  ただし、第２の実施形態はかかる例に限定されず、観察装置１０のアーム部４２０を構成する関節部４２１ａ〜４２１ｆのうち、上記数式（３）が適用される（すなわち、摩擦負荷を考慮してトルク指令値τが算出される）関節部は、任意であってよい。例えば、全ての関節部４２１ａ〜４２１ｆについて、上記数式（３）を用いてトルク指令値τが算出されてもよい。第２の実施形態では、関節部４２１ａ〜４２１ｆのうち、術者の操作感に比較的大きな影響を与え得る関節部の駆動制御に対して上記数式（３）が適用されれば、その効果を得ることが可能である。
【０１５８】  補償トルク算出部２７０は、現在のアーム状態に基づいて、上記補償トルクτｃ’の具体的な値を算出する。なお、定数ｃの具体的な値は、アーム部１１０及び関節部１３０の機械的な構成等を考慮して、術者の操作性を向上させ得る所望の大きさの摩擦負荷が関節部１３０において生じるような値として、例えば事前に実験やシミュレーション等を行うことにより取得され、観察装置１０に設けられる記憶部に記憶されている。補償トルク算出部２７０は、アーム状態取得部２４１から提供される現在のアーム状態と、当該記憶部を参照して得られる定数ｃの値と、に基づいて、上記補償トルクτｃ’の具体的な値を算出することができる。補償トルク算出部２７０は算出した補償トルクτｃ’についての情報を、理想関節制御部２５０に提供する。理想関節制御部２５０は、この提供された補償トルクτｃ’の値を用いて一連の計算処理を実行し、トルク指令値τを算出する。
【０１５９】  以上、第２の実施形態について説明した。以上説明したように、第２の実施形態によれば、各関節部１３０に対して機械的に摩擦負荷を与えるのではなく、関節部１３０に対するトルク指令値τを計算する際に、摩擦負荷に対応する補償トルクτｃ’の項を計算式に導入することにより、当該摩擦負荷を加味して当該トルク指令値τを算出する。従って、機械的に摩擦負荷を与える機構を設けなくても、術者による操作に対して所定の抵抗感を与えることが可能になる。よって、操作感が軽過ぎてかえって術者の操作性を低下させる事態を生じさせることなく、術者の操作性を向上させることができる。
【０１６０】  ここで、例えば、一般的な観察装置のように、各関節部に対して機械的に摩擦負荷を与える場合には、上記のように、アクチュエータによって自動的にそのアーム部を動作させる際にも、不可避的に当該摩擦負荷が付与されてしまうため、消費電力の増加、アクチュエータの大型化、部品点数の増加、及びスティックスリップ現象による顕微鏡部の振動等の諸問題を引き起こしていた。一方、第２の実施形態によれば、計算上仮想的に摩擦負荷を与えているため、例えば自動的にアーム部１１０を動作させる際には、補償トルクτｃ’の項を含めず、通常の計算式（例えば上記数式（１））を用いて各関節部１３０の駆動制御を行うことができる。このように、術者の操作性を考慮してあえて摩擦負荷を与える必要がない場合には、当該摩擦負荷を与えずに各関節部１３０の駆動制御を行うことができるため、上記のような諸問題を解決することが可能になる。
【０１６１】  なお、第２の実施形態に係る観察装置１０の駆動制御方法の処理手順は、図１０に示す第１の実施形態に係る駆動制御方法の処理手順と略同様であるため、その詳細な説明は省略する。ただし、第２の実施形態では、図１０に示すステップＳ１０７において、補償トルクとして、上述した摩擦負荷に対応する補償トルクτｃ’が算出され、ステップＳ１０９において、当該補償トルクτｃ’を用いてトルク指令値τが算出され得る。
【０１６２】  （２−３．変形例）  （２−３−１．補償トルクτｃ’の大きさについて）  以上の第２の実施形態についての説明では、摩擦負荷に対応する補償トルクτｃ’は、その符号は変化するものの、その大きさは一定であった。ただし、第２の実施形態はかかる例に限定されず、補償トルクτｃ’の大きさは、所定の条件に応じて適宜変更されてもよい。つまり、観察装置１０の補償トルク算出部２７０には、所定の条件に応じて異なる大きさの補償トルクτｃ’を算出する機能が設けられてもよい。
【０１６３】  具体的には、例えば、補償トルク算出部２７０は、顕微鏡部１４０のズーム倍率に応じて、摩擦負荷に対応する補償トルクτｃ’の大きさを変更してもよい。上述したように、ズーム倍率が大きい場合には、顕微鏡部１４０の僅かな移動が、視野の大きな移動につながる。従って、例えば、補償トルク算出部２７０は、顕微鏡部１４０のズーム倍率が大きい場合には補償トルクτｃ’の値を大きくし、顕微鏡部１４０のズーム倍率が小さい場合には補償トルクτｃ’の値を小さくする。これにより、ズーム倍率が大きい場合には、術者の操作に対してより大きな抵抗感が与えられることとなるため、意図せぬ顕微鏡部１４０の移動（すなわち、視野の移動）を抑制することができ、術者の操作性を更に高めることができる。
【０１６４】  あるいは、例えば、補償トルク算出部２７０は、関節部１３０の回転角度に応じて、摩擦負荷に対応する補償トルクτｃ’の大きさを変更してもよい。例えば、補償トルク算出部２７０は、関節部１３０の回転角度がその可動範囲（例えば機械的な可動範囲）の限界に近付くにつれて、補償トルクτｃ’の値を大きくする。これにより、術者は、抵抗感が大きくなったことにより、関節部１３０の回転角度がその可動範囲の限界に近付いていることを把握することが可能になる。関節部１３０の回転角度がその可動範囲の限界に近付いているにもかかわらず、そのことに気付かずに術者が当該関節部１３０を回転させようとすると、突如として当該関節部１３０が回転しなくなることとなるため、術者の操作性が低下する恐れがある。また、当該関節部１３０の回転が機械的に止められることとなるため、観察装置１０にとっては機械的な負荷が掛かるリスクもある。これに対して、上記のように関節部１３０の回転角度に応じて補償トルクτｃ’の大きさが変更されることにより、術者は直感的に関節部１３０の回転角度が可動限界に近付きつつあることを把握することができるため、術者の操作性の向上、及び安全性の向上が実現され得る。
【０１６５】  （２−３−２．第１及び第２の実施形態の組み合わせ）  第１の実施形態では、補償トルクτｃとして、ケーブル４９５の復元力に対応するトルク値を用いていた。また、第２の実施形態では、補償トルクτｃ’として、摩擦負荷に対応するトルク値を用いていた。ここで、関節部１３０の回転においては、ケーブル４９５の復元力が作用し得る捻転関節部として機能する関節部１３０に対して、摩擦負荷を付与したい場合も存在し得る。従って、関節部１３０の駆動制御に際して、第２の実施形態に対して第１の実施形態が組み合わされてもよい。具体的には、上記数式（３）に対してケーブル４９５の復元力に係る補償トルクτｃが更に導入された理論モデルを用いて、関節部１３０の駆動が制御されてもよい。この場合、図７に示す理想関節制御部２５０は、上記数式（３）の代わりに、下記数式（４）を制御対象である関節部１３０における応答の理論モデルとして用いて、トルク指令値τを算出する。
【０１６６】
【数４】
2017169649.tif 000006
【０１６７】  当該構成によれば、ケーブル４９５の復元力による影響と、摩擦負荷による影響をともに加味してトルク指令値τを算出することができる。従って、第１及び第２の実施形態で得られる効果をともに得ることができるため、術者の操作性をより一層向上させることができる。
【０１６８】  （３．第１及び第２の実施形態についてのまとめ）  以上説明した第１及び第２の実施形態は、いずれも、関節部１３０の応答を示す理論モデルに補償トルクの項を導入することにより、術者の操作性を向上させるものである。具体的には、第１の実施形態では、術者の操作に対するケーブル４９５の復元力による影響をキャンセルするような補償トルクτｃを導入していた。また、第２の実施形態では、術者の操作に対して摩擦負荷を与えるような補償トルクτｃ’を導入していた。ケーブル４９５の復元力及び摩擦負荷は、トルク指令値τの計算においては、いずれも外乱とみなすことができるものであるから、第１及び第２の実施形態では、トルク指令値τを算出する際に、術者の操作に対して、ケーブル４９５の復元力という外乱の影響をキャンセルするような、及び摩擦負荷という外乱の影響を付与するような、補償トルクτｃ、τｃ’を導入していると言える。
【０１６９】  ここで、術者の操作性の観点からは、操作感が重過ぎても（すなわち、大きな力を与えているのにアーム部１１０及び顕微鏡部１４０が動き難くても）問題となるし、操作感が軽過ぎても（すなわち、小さな力しか与えていないのにアーム部１１０及び顕微鏡部１４０が動きすぎても）問題となる。つまり、術者に対して優れた操作性を提供するためには、術者が直接的な操作によってアーム部１１０及び顕微鏡部１４０を移動させようとする際に、当該術者がアーム部１１０の各関節部１３０に与えるトルク（すなわち、操作に際して関節部１３０に作用する外トルク）が、大き過ぎず、かつ小さ過ぎない、術者の優れた操作感を実現し得る一定の範囲に収まっていることが重要であると考えられる。
【０１７０】  その意味で、上述した第１及び第２の実施形態は、いずれも、関節部１３０の応答を示す理論モデルに外乱（ケーブル４９５の復元力、又は摩擦負荷）の影響を補償するための補償トルクτｃ、τｃ’の項を導入することにより、操作時に術者がアーム部１１０の各関節部１３０に与えるトルクを、当該トルクが一定の範囲に収まるように調整し、当該術者の操作性を向上させるものであると言える。なお、換言すれば、当該トルクについての一定の範囲は、術者によるアーム部１１０及び顕微鏡部１４０の操作状況を考慮して、術者が快適な操作感を得られるように適宜設定され得る。当該一定の範囲は、例えば術者（ユーザ）又は観察システム１の設計者等によって事前に設定され得る。あるいは、例えば上記（２−３−１．補償トルクτｃ’の大きさについて）で説明した変形例のように、補償トルクτｃ’の大きさが所定の条件に応じて適宜変更される場合であれば、当該一定の範囲は、ズーム倍率等の条件に応じてユーザによる操作中に動的に変更され得る。
【０１７１】  一方、観察装置１０においては、これらケーブル４９５の復元力及び摩擦負荷以外にも、各関節部１３０の駆動制御にとって外乱となる要因が多数存在し得る。これら他の要因による外乱の中で、その外乱が生じ得る状況や、当該外乱が生じた場合に関節部１３０に及ぼす影響（すなわち、当該外乱によって関節部１３０に作用するトルク）が推定可能なものについては、第１及び第２の実施形態と同様に、その外乱に対応する補償トルクを導入することにより、操作時に術者がアーム部１１０の各関節部１３０に与えるトルクを、当該トルクが一定の範囲に収まるように調整し、当該術者の操作性を向上させることが可能である。つまり、本開示は、第１及び第２の実施形態に限定されず、各関節部１３０における応答の理論モデルに対して他の外乱に対応する補償トルクの項を追加した式を用いて、トルク指令値τが算出されてもよい。この場合であっても、当該他の外乱に対応する補償トルクの値を適切に設定することにより、当該他の外乱の影響を加味して、操作時に術者がアーム部１１０の各関節部１３０に与えるトルクが、一定の範囲に収まるように適宜調整され得るため、術者の操作性を向上させることが可能となる。
【０１７２】  このような他の外乱としては、例えば、加工精度や組み立て精度に起因する、関節部１３０における回転の抵抗が挙げられる。例えば、関節部１３０は、シャフトがベアリングによって回転可能に支持されて構成され得るが、当該シャフトの外径やベアリングの内径の僅かな歪み等により、関節部１３０における回転の滑らかさは、必ずしも回転角度に応じて一様ではない可能性がある。このような場合に、関節部１３０の回転角度と、関節部１３０における回転の抵抗との関係を事前に取得しておき、実際に関節部１３０の駆動を制御する際に、当該関係に基づいて、この回転の抵抗に対応する補償トルクの項を理論モデルに導入すればよい。これにより、術者の操作に対して、当該回転の抵抗をキャンセルするように関節部１３０を駆動させることが可能になる。
【０１７３】  なお、ここで例示した関節部１３０における回転の抵抗は、上記のように加工精度や組み立て精度に起因するものであるから、実際にこの外乱による影響を加味した制御を行おうとすると、観察装置１０ごとに、関節部１３０の回転角度と、関節部１３０における回転の抵抗との関係を取得する作業を行う必要がある。ただし、上記（１−５．変形例）で説明した、自動で当該関係を更新する機能と組み合わせることにより、人手でこの関係を取得する作業を行う必要はなくなるため、便宜である。
【０１７４】  （４．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。
【０１７５】  例えば、以上では、支持アーム装置が、そのアーム部の先端に電子撮像式の顕微鏡部が設けられる観察装置である実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示に係る技術は、アーム部の先端に支持される医療用器具の種類にかかわらず、あらゆる種類の支持アーム装置に適用されてよい。本開示に係る技術は、以上説明したように、ユーザが支持アーム装置のアーム部を移動させる操作を行う際の、当該ユーザの操作性を向上させることを可能とするものであるため、ユーザがアーム部を移動させる操作を行うものであれば、支持アーム装置の種類によらず、本開示に係る技術を適用することにより同様の効果を奏することができる。
【０１７６】  例えば、アーム部によって内視鏡を支持する支持アーム装置（内視鏡装置）に対して、本開示に係る技術が適用されてもよい。この場合には、例えば、スコピストが、内視鏡を支持するアーム部に直接触れながら当該アーム部を移動させることにより、内視鏡の鏡筒の患者への挿入及び引き抜き等の操作を行う様態が想定される。かかる内視鏡装置のアーム部の駆動制御に本開示に係る技術を適用することにより、操作時にスコピストがアーム部の各関節部に与えるトルクが、外乱の影響を加味して一定の範囲に収まるように適宜調整されることとなるため、スコピストによるアーム部を移動させる際の操作性（すなわち、内視鏡を移動させる際の操作性）を向上させることが可能となる。
【０１７７】  また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的又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。
【０１７８】  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）  観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、  前記撮像部を支持し、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アーム部と、  複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、  を備え、  前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  医療用観察装置。（２）  前記駆動制御部は、前記少なくとも１つの関節部内に延設されるケーブルの剛性に起因する外乱の影響を補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記外トルクが一定の範囲に収まるように前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  前記（１）に記載の医療用観察装置。（３）  前記ケーブルの剛性に起因する外乱は、前記少なくとも１つの関節部の回転に伴い前記ケーブルが捻転されることによって生じる復元力が、前記少なくとも１つの関節部に対して与えるトルクである、  前記（２）に記載の医療用観察装置。（４）  前記駆動制御部は、前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクを補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記外トルクが一定の範囲に収まるように前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の医療用観察装置。（５）  前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクは、前記少なくとも１つの関節部の回転速度に向きが依存し、大きさが一定のトルクである、  前記（４）に記載の医療用観察装置。（６）  前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記少なくとも１つの関節部の回転角度が可動範囲の限界に近付くにつれて大きくなる、  前記（４）に記載の医療用観察装置。（７）  前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記撮像部が前記観察対象を撮影する際のズーム倍率に応じて変化する、  前記（４）に記載の医療用観察装置。（８）  プロセッサが、観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部を支持し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アーム部、における複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御すること、  を含み、  前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  駆動制御方法。（９）  観察対象を撮影する医療用観察装置と、  前記医療用観察装置によって撮影された前記観察対象の映像を表示する表示装置と、  を備え、  前記医療用観察装置は、  観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、  前記撮像部を支持し、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アーム部と、  複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、  を有し、  前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  医療用観察システム。（１０）  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アーム部と、  複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも１つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、  を備え、  前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも１つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも１つの関節部の駆動を制御する、  支持アーム装置。
【符号の説明】
【０１７９】  １    観察システム  １０    観察装置  １１０、４２０    アーム部  １３０、４２１ａ〜４２１ｆ    関節部  １３１    関節駆動部  １３２    関節状態検出部  １３３    回転角度検出部  １３４    トルク検出部  １４０、４４０    顕微鏡部  ２１０    制御部  ２４０    全身協調制御部  ２４１    アーム状態取得部  ２４２    演算条件設定部  ２４３    制御トルク算出部  ２５０    理想関節制御部  ２５１    外乱推定部  ２５２    指令値算出部  ２６０    駆動制御部  ２７０    補償トルク算出部  ４１０    ベース部  ４２２ａ〜４２２ｄ    リンク  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  ４５０    制御装置
【図１】
2017169649.tif 000007
【図２】
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【図３】
2017169649.tif 000009
【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】
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【国際調査報告】
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