(57)【要約】【課題】医療用マニピュレータの制御方法において、負荷量が変化してもモータを正確かつ迅速に動作させることができるようにする。【解決手段】操作部からの操作入力に応じてモータを回転することにより、被駆動部を駆動する医療用マニピュレータの制御方法であって、操作入力が発生した際に、試し駆動を行って、モータの温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価し、評価された巻線抵抗の変化に基づいてモータの駆動条件を設定するステップＳ１〜Ｓ８と、ステップＳ１〜Ｓ８で設定されたモータの駆動条件に基づいて、操作入力に対応する駆動を行うステップＳ９と、を備える方法とする。【選択図】図５
2016005512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作部からの操作入力に応じてモータを回転することにより、被駆動部を駆動する医療用マニピュレータの制御方法であって、
前記操作入力が発生した際に、試し駆動を行って、前記モータの温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価し、評価された巻線抵抗の変化に基づいて前記モータの駆動条件を設定する第１のステップと、
該第１のステップで設定された前記モータの駆動条件に基づいて、前記操作入力に対応する駆動を行う第２のステップと、
を備える、医療用マニピュレータの制御方法。
【請求項２】
前記第１のステップでは、
前記試し駆動時におけるモータの消費電流、平均印加電圧、および回転速度を検出して、これらの検出値から駆動時の巻線抵抗の評価値を求め、
前記試し駆動時における回転開始電流を測定して、該回転開始電流を上回る駆動電流を設定し、
前記巻線抵抗の評価値および前記駆動電流に基づいて、駆動を行うためのＰＷＭ信号のデューティ比を算出する
ことにより、前記モータの駆動条件を設定する
ことを特徴とする、請求項１に記載の医療用マニピュレータの制御方法。
【請求項３】
前記医療用マニピュレータが前記モータを複数備える場合に、
前記第１のステップでは、
前記試し駆動時における負荷量を評価し、
前記モータの駆動条件として、前記モータ間の駆動終了タイミングのバラツキを低減するため、前記負荷量が大きいモータから順に駆動を開始する駆動開始タイミングを前記モータごとに設定する
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の医療用マニピュレータの制御方法。
【請求項４】
前記第１のステップでは、
前記負荷量を、前記試し駆動時における消費電流から評価する
ことを特徴とする、請求項３に記載の医療用マニピュレータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は医療用マニピュレータの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のモータの駆動力を、例えば、ワイヤなどの駆動力伝達部材を介して伝達することにより、先端の関節やエンドエフェクタなどを駆動する医療用マニピュレータが知られている。
このような医療用マニピュレータは、例えば、内視鏡や、内視鏡の処置具チャンネルに挿通して用いられる処置用マニピュレータなどのように、患者の体内で用いられることが多い。
このため、駆動力伝達部材が挿通される挿入部が種々の形状に湾曲することにより、操作方向などによって駆動負荷が異なってくる。この結果、各モータを同様の駆動条件で駆動しても、先端部の動作が想定される動作と異なる場合が生じる。
このような医療用マニピュレータとして、例えば、特許文献１には、内視鏡を含むマニピュレータシステムが記載されている。このマニピュレータシステムの内視鏡では、湾曲駒を駆動するワイヤの張力値を検出することによって負荷量を求め、この負荷量から予測される湾曲状態に応じて、モータの制御パラメータを変更するようにしている。
特許文献１における制御パラメータは、例えば、「観察用・処置用スレーブマニピュレータの教示データや、マスタースレーブスケール比、感度等」である。
例えば、特許文献１に記載のマニピュレータシステムでは、教示データであるモータ目標角度θ１を、内視鏡の湾曲状態を表す変数εに定数Ｄを乗じた値を加算したモータ目標角度θ２に変更することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５０８５６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の医療用マニピュレータの制御方法には、以下のような問題があった。
例えば、特許文献１に記載の技術では、モータの負荷量が、駆動力伝達部材の湾曲状態によって、教示データと動作量とがずれてしまう場合に、そのズレ量を補正することができるが、モータ自体は、負荷量によらず正確に動作することを前提としている。
しかし、駆動負荷が大きくなるとモータの消費電力が上がるため、モータの発熱量が大きくなる。このため、モータの巻線温度が上昇して、巻線抵抗が大きくなる。医療用マニピュレータに用いられることが多いＤＣモータでは、駆動電力が一定で巻線抵抗が大きくなると、回転速度が低下することになる。
このため、負荷量によっては、モータの回転速度が低下することにより、被駆動部の応答時間が遅くなってしまうという問題がある。また、複数のモータによって、被駆動部を協調動作させる場合には、モータごとの被駆動部の応答時間にバラツキが生じるため、協調動作が乱れてしまうという問題がある。
医療用マニピュレータにおいては、外科手術などに用いられることが多いため、被駆動部の応答時間が遅れると術者の円滑な手技の妨げとなってしまう。また、被駆動部の協調動作が乱れると、例えば、多自由度の関節ロボットなどでは、想定しない屈曲状態が生じ、他の処置具と予期しない干渉などが発生するおそれがある。
特に、近年のＤＣモータは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）の出力周波数が、例えば、５００ｋＨｚ程度に高速化してきている。このことは、駆動電圧変動におけるＰＷＭ信号誤差（パルス幅誤差）の影響が相対的に高くなっていることを意味しており、モータを複数使用する場合に、負荷量の差とともに、モータの個体差の影響も大きくなっている。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、負荷量が変化してもモータを正確かつ迅速に動作させることができる医療用マニピュレータの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の態様の医療用マニピュレータの制御方法は、操作部からの操作入力に応じてモータを回転することにより、被駆動部を駆動する医療用マニピュレータの制御方法であって、前記操作入力が発生した際に、試し駆動を行って、前記モータの温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価し、評価された巻線抵抗の変化に基づいて前記モータの駆動条件を設定する第１のステップと、該第１のステップで設定された前記モータの駆動条件に基づいて、前記操作入力に対応する駆動を行う第２のステップと、を備える方法とする。
【０００７】
上記医療用マニピュレータの制御方法においては、前記第１のステップでは、前記試し駆動時におけるモータの消費電流、平均印加電圧、および回転速度を検出して、これらの検出値から駆動時の巻線抵抗の評価値を求め、前記試し駆動時における回転開始電流を測定して、該回転開始電流を上回る駆動電流を設定し、前記巻線抵抗の評価値および前記駆動電流に基づいて、駆動を行うためのＰＷＭ信号のデューティ比を算出することにより、前記モータの駆動条件を設定することが好ましい。
【０００８】
上記医療用マニピュレータの制御方法においては、前記医療用マニピュレータが前記モータを複数備える場合に、前記第１のステップでは、前記試し駆動時における負荷量を評価し、前記モータの駆動条件として、前記モータ間の駆動終了タイミングのバラツキを低減するため、前記負荷量が大きいモータから順に駆動を開始する駆動開始タイミングを前記モータごとに設定することが好ましい。
【０００９】
上記医療用マニピュレータの制御方法においては、前記第１のステップでは、前記負荷量を、前記試し駆動時における消費電流から評価することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の医療用マニピュレータの制御方法によれば、操作入力が発生した際に、試し駆動を行って温度上昇に基づくモータの巻線抵抗の変化を評価し、評価された巻線抵抗の変化に基づいてモータの駆動条件を設定するため、負荷量が変化してもモータを正確かつ迅速に動作させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法によって制御される医療用マニピュレータを備える医療用マニピュレータシステムの構成を示す模式的なシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法によって制御される医療用マニピュレータの先端部の外観を示す模式的な斜視図である。
【図３】本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法によって制御される医療用マニピュレータおよび医療用マニピュレータシステムの主要部の模式的な構成図である。
【図４】本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法を行うスレーブ制御部の主要部の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図５】本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法のフローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法における駆動条件算出式の一例を示す模式的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
まず、本実施形態の医療用マニピュレータの制御方法を用いて制御する医療用マニピュレータを含む医療用マニピュレータシステムについて説明する。
図１は、本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法によって制御される医療用マニピュレータを備える医療用マニピュレータシステムの構成を示す模式的なシステム構成図である。
【００１３】
本実施形態の制御方法を用いて制御される医療用マニピュレータ１は、医療処置を行うための医療用マニピュレータシステムに組み込まれている。
まず、医療用マニピュレータ１が組み込まれる医療用マニピュレータシステムの構成について説明する。
【００１４】
図１には、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムＭの一例を示している。マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムとは、マスターアームとスレーブアームとからなる２種のアームを有し、マスターアームの動作に追従させるようにしてスレーブアームを遠隔制御するシステムである。本実施形態では、このスレーブアームに医療用マニピュレータ１が装着可能である。
【００１５】
図１に示す医療用マニピュレータシステムＭは、手術台１００と、スレーブアーム２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄと、スレーブ制御部４００と、マスターアーム５００ａ、５００ｂ（操作部）と、操作部６００と、入力処理部７００と、画像処理部８００と、操作者用ディスプレイ９００ａと、助手用ディスプレイ９００ｂと、を有している。
【００１６】
以下、記載を簡潔にするため、アルファベット順の符号「Ｘａ、Ｘｂ、…、Ｘｚ」を、「Ｘａ〜Ｘｚ」のように表す場合がある。例えば、「スレーブアーム２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ」を「スレーブアーム２００ａ〜２００ｄ」と表す場合がある。
【００１７】
手術台１００は、観察・処置の対象となる患者Ｐが載置される台である。手術台１００の近傍には、複数のスレーブアーム２００ａ〜２００ｄが設置されている。なお、スレーブアーム２００ａ〜２００ｄを手術台１００に設置するようにしてもよい。
【００１８】
各スレーブアーム２００ａ〜２００ｄは、それぞれ複数の多自由度関節を有して構成されており、各多自由度関節を湾曲させることによって、手術台１００に載置された患者Ｐに対してスレーブアーム２００ａ〜２００ｄの遠位端側（患者Ｐの体腔に向かう側とする）に装着される医療用マニピュレータ１、医療用マニピュレータ２４０ａ〜２４０ｃ等を位置決めする。各多自由度関節は、図示しない動力部によって個別に駆動される。動力部としては、例えばインクリメンタルエンコーダや減速器等を備えたサーボ機構を有するモータが用いることができ、その動作制御は、スレーブ制御部４００によって行われる。
【００１９】
医療用マニピュレータ１や他の医療用マニピュレータ２４０ａ〜２４０ｃは、硬性であってもよいし、軟性であってもよい。すなわち、医療用マニピュレータ１や他の医療用マニピュレータ２４０ａ〜２４０ｃは、生体に対して処置を行うための作動体を硬質なロッドの押し引きによって動作させるものや、生体に対して処置を行うための作動体を軟性ワイヤの牽引によって動作させるものを適宜選択して採用することができる。なお、医療用マニピュレータ１や他の医療用マニピュレータ２４０ａ〜２４０ｃが硬性である場合においても、その作動体を軟性ワイヤの牽引によって動作させる構成を有していてよい。本実施形態では、医療用マニピュレータ１は、作動体を動作させるための駆動力が軟性ワイヤを通じて作動体に伝達される構成を有する。
【００２０】
図１においては、たとえば患者Ｐの腹腔内に挿入される医療用マニピュレータ２４０ａ〜２４０ｃは硬性であり、たとえば口などの患者の自然開口から消化管等を経由して体内へと導入される医療用マニピュレータ１は軟性である。
【００２１】
スレーブ制御部４００は、例えばＣＰＵやメモリ等を有して構成されている。スレーブ制御部４００は、スレーブアーム２００ａ〜２００ｄの制御を行うための所定のプログラムを記憶しており、入力処理部７００からの制御信号に従って、スレーブアーム２００ａ〜２００ｄ又は医療用マニピュレータ１や他の医療用マニピュレータ２４０ａ〜２４０ｃの動作を制御する。すなわち、スレーブ制御部４００は、入力処理部７００からの制御信号に基づいて、操作者Ｏｐによって操作されたマスターアームの操作対象のスレーブアーム（または医療用マニピュレータ１）を特定し、特定したスレーブアーム等に操作者Ｏｐのマスターアームの操作量に対応した動きをさせるために必要な駆動量を演算する。
【００２２】
そして、スレーブ制御部４００は、算出した駆動量に応じてマスターアームの操作対象のスレーブアーム等の動作を制御する。この際、スレーブ制御部４００は、対応したスレーブアームに駆動信号を入力するとともに、対応したスレーブアームの動作に応じて動力部の位置検出器から入力されてくる検出信号に応じて、操作対象のスレーブアームの駆動量が目標の駆動量となるように駆動信号の大きさや極性を制御する。
【００２３】
マスターアーム５００ａ、５００ｂは、複数のリンク機構で構成されている。リンク機構を構成する各リンクには例えばインクリメンタルエンコーダ等の位置検出器が設けられている。この位置検出器によって各リンクの動作を検知することで、マスターアーム５００ａ、５００ｂの操作量が入力処理部７００において検出される。
マスターアーム５００ａ、５００ｂのリンク機構としては、例えば、医療用マニピュレータ１における可動部の位置や姿勢を操作するための多関節のリンクや、処置具の把持動作の開閉角度を操作するための開閉動作を行うリンクを挙げることができる。
【００２４】
図１に示す医療用マニピュレータシステムＭは、２本のマスターアーム５００ａ、５００ｂを用いて４本のスレーブアームを操作するものであり、マスターアームの操作対象のスレーブアームを適宜切り替える必要が生じる。このような切り替えは、例えば操作者Ｏｐの操作部６００の操作によって行われる。勿論、マスターアームの本数とスレーブアームの本数とを同数とすることで操作対象を１対１の対応とすれば、このような切り替えは不要である。
【００２５】
操作部６００は、マスターアーム５００ａ、５００ｂの操作対象のスレーブアームを切り替えるための切替ボタンや、マスターとスレーブの動作比率を変更するスケーリング変更スイッチ、システムを緊急停止させたりするためのフットスイッチ等の各種の操作部材を有している。操作者Ｏｐによって操作部６００を構成する何れかの操作部材が操作された場合には、対応する操作部材の操作に応じた操作信号が操作部６００から入力処理部７００に入力される。
【００２６】
入力処理部７００は、マスターアーム５００ａ、５００ｂからの操作信号（操作入力）及び操作部６００からの操作信号を解析し、操作信号の解析結果に従って、医療用マニピュレータシステムＭを制御するための制御信号を生成してスレーブ制御部４００に入力する。
【００２７】
画像処理部８００は、スレーブ制御部４００から入力された画像信号を表示させるための各種の画像処理を施して、操作者用ディスプレイ９００ａ、助手用ディスプレイ９００ｂにおける表示用の画像データを生成する。操作者用ディスプレイ９００ａ及び助手用ディスプレイ９００ｂは、例えば液晶ディスプレイで構成され、観察器具を介して取得された画像信号に従って画像処理部８００において生成された画像データに基づく画像を表示する。
【００２８】
以上のように構成された医療用マニピュレータシステムＭでは、操作者Ｏｐがマスターアーム５００ａ、５００ｂを操作すると、対応するスレーブアームおよび当該スレーブアームに取り付けられた医療用マニピュレータ１や他の医療用マニピュレータ２４０ａ〜２４０ｃがマスターアーム５００ａ、５００ｂの動きに対応して動作する。これにより、患者Ｐに対して所望の手技を行うことができる。
【００２９】
なお、図１において、符号２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄは、手術用動力伝達アダプタを示す。手術用動力伝達アダプタ２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃは、スレーブアーム２００ａ、２００ｂ、２００ｃと硬性の医療用マニピュレータ２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃとをそれぞれ接続する。手術用動力伝達アダプタ２２０ｄは、スレーブアーム２００ｄと軟性の医療用マニピュレータ１とを接続する。
【００３０】
また、本実施形態では、滅菌処理を行う部位（清潔域）と滅菌処理を行わない部位（不潔域）とを分けるためのドレープ３００が医療用マニピュレータシステムＭに取り付けられる。
【００３１】
次に、医療用マニピュレータ１について説明する。
図２は、本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法によって制御される医療用マニピュレータの先端部の外観を示す模式的な斜視図である。図３は、本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法によって制御される医療用マニピュレータおよび医療用マニピュレータシステムの主要部の模式的な構成図である。図４は、本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法を行うスレーブ制御部の主要部の機能構成を示す機能ブロック図である。
【００３２】
なお、以下では、特に断らない限り、医療用マニピュレータ１が医療用マニピュレータシステムＭに組み込まれた状態において患者Ｐの体腔に向けられる側が医療用マニピュレータ１の遠位側であり、医療用マニピュレータ１において患者Ｐから離れた側で医療用マニピュレータシステムＭに対する接続部分側が医療用マニピュレータ１の近位側であるものとして説明がなされている。
【００３３】
図２に示すように、医療用マニピュレータ１は、患者Ｐの体内に挿入するための長尺の部材である内視鏡マニピュレータ１１（医療用マニピュレータ）と、内視鏡マニピュレータ１１の内部に挿通されるマニピュレータ処置具２０（医療用マニピュレータ）とを有している。
【００３４】
内視鏡マニピュレータ１１は、近位端から遠位端に向かって、可撓性を有する管状の挿入部１１Ｃ（図１参照）、例えば、節輪や湾曲コマ等を備えた周知の湾曲部１１Ｂ、および円柱状の硬質材料で形成された先端部１１Ａを、この順に備える。
湾曲部１１Ｂは、操作部６００によって操作対象に切り替えられた際は、マスターアーム５００ａ、５００ｂへの操作入力によって、湾曲させることにより先端部１１Ａの向きを変更することができる。
湾曲部１１Ｂを湾曲させる機構としては、例えば、節輪や湾曲コマの内周面に挿通され、先端部１１Ａに固定された駆動ワイヤを挿入部１１Ｃ内に挿通させて、近位端側の駆動モータなどで牽引する周知の構成を採用することができる。
内視鏡マニピュレータ１１単体も、医療用マニピュレータになっており、本実施形態の制御方法を適用することが可能である。
挿入部１１Ｃおよび湾曲部１１Ｂの内部には、マニピュレータ処置具２０等の処置具を処置部位の近傍に送る経路である処置具チャンネル１６が設けられている。
【００３５】
処置具チャンネル１６の基端部（近位端側）は、図示を省略するが、マニピュレータ処置具２０を挿入するための挿入口が設けられている。
処置具チャンネル１６は、少なくともマニピュレータ処置具２０が挿通可能な内径を有する可撓性の管状部材で形成されている。図２に示すように、処置具チャンネル１６の先端部１６ｂは、先端部１１Ａを軸方向に貫通して、先端部１１Ａの先端面１１ａに開口する貫通孔部１２の基端側に接続されている。
【００３６】
図２に示すように、観察部１５は、処置対象部位を観察するための装置であり、周知の撮像機構１３と照明機構１４とを備える。
撮像機構１３および照明機構１４は、先端部１１Ａの内部に配置され、図示略の電気配線や光ファイバが、湾曲部１１Ｂおよび挿入部１１Ｃの内部に挿通され、スレーブ制御部４００における電気回路や光源に連結されている。
撮像機構１３および照明機構１４は、先端部１１Ａの先端面１１ａにおいて、それぞれ光学的な開口窓を有しており、この開口窓を通して、先端部１１Ａの前方の外光を受光したり、照明光を前方に出射したりすることができる。
【００３７】
マニピュレータ処置具２０は、複数の関節を有する関節構造部を備えることにより、先端のエンドエフェクタを移動したり、駆動したりする医療用マニピュレータの一例であり、全体として、細長い軸状に形成されている。
図３に示すように、マニピュレータ処置具２０は、関節２２（被駆動部）と、関節２２に連結された軸状部２１と、処置対象等を把持する把持部２６と、可撓性を有する管状部材である筒状部２３と、関節２２および把持部２６に駆動力を供給する駆動ユニット３０と、を備える。
【００３８】
把持部２６は、マニピュレータ処置具２０のエンドエフェクタであり、最も先端側（遠位端側）の軸状部２１の先端に取り付けられている。
筒状部２３は、最も基端側（近位端側）の軸状部２１に接続されている。
【００３９】
関節２２は、屈曲用関節であって、動力伝達部材を用いて近位端から、駆動力を伝達することにより屈曲を行う関節であれば、具体的な構成は、特に限定されない。関節２２の屈曲自由度、屈曲方向、屈曲量なども特に限定されない。
以下では、関節２２の一例として、近位端側から順に、マニピュレータ処置具２０の延在方向に交差する方向に屈曲する関節２２Ｂと、関節２２Ｂの屈曲方向と直交する方向に屈曲する関節２２Ａとを有するものとして説明する。
関節２２Ａ、２２Ｂは、いずれも、図示略のプーリを有しており、それぞれのプーリには、関節２２Ａ、２２Ｂに駆動力を伝達する動力伝達部材である駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂが巻き回されて、その各端部が固定されている。
【００４０】
以下では、関節２２Ａ、２２Ｂ、あるいは駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂの区別を特に明示しない場合や、総称する場合には、添字Ａ、Ｂを省略して、単に、関節２２、駆動ワイヤ２４と称する場合がある。
また、本明細書では、簡単のため、関節２２Ａ、２２Ｂ、あるいは駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂに関連することが明らかな部材や部位の名称においても、対応関係を明示する場合にはそれぞれの符号に添字Ａ、Ｂを付すことにする。これらは特に断らない限り、互いに略同じ（同じ場合を含む）の構成を有している。また、区別を明示する必要がない場合や総称する場合には、添字Ａ、Ｂを省略する。
【００４１】
軸状部２１は、関節２２Ｂによって連結された軸状部２１Ｃ、２１Ｂと、関節２２Ａによって軸状部２１Ｂと連結された軸状部２１Ａとを有する。
このため、軸状部２１Ｃは、マニピュレータ処置具２０において最も基端側の軸状部２１になっており、関節２２Ｂが接続された端部と反対側の端部が筒状部２３の先端に固定されている。
軸状部２１Ａは、マニピュレータ処置具２０において最も先端側の軸状部２１になっており、関節２２Ａと反対側の端部である先端に、把持部２６が固定されている。
軸状部２１Ｂの両端部には、関節２２Ｂ、２２Ａが連結されている。
以下では、このような軸状部２１Ｃ、関節２２Ｂ、軸状部２１Ｂ、関節２２Ａ、軸状部２１Ａ、および把持部２６からなる連結体を、先端屈曲部２５と称する。
【００４２】
把持部２６は、例えば、処置具や組織等を保持するための一対の把持部材２６ａ、２６ｂと、把持部材２６ａ、２６ｂを回動可能に支持する回動軸２６ｃとを有している。把持部材２６ａ、２６ｂは、マスターアーム５００ａ、５００ｂの操作に応じて回動軸２６ｃを中心として回動されて開閉動作する。
把持部２６の駆動力の伝達手段は、特に限定されず、例えば、図示略の駆動ワイヤによって把持部材２６ａ、２６ｂに連結した図示略のリンクを駆動するなどの手段が可能である。本実施形態では、一例として、駆動ワイヤ２４と同様な駆動ワイヤによって駆動される。
把持部２６は、図３に示すように、被把持物を把持することなく閉じている場合には、連結された軸状部２１の外形よりも突出しない大きさになっている。
【００４３】
このような構成により、先端屈曲部２５は、処置具チャンネル１６および貫通孔部１２の内部に挿入して、進退可能な軸状体になっている。
【００４４】
筒状部２３は、例えば、樹脂チューブなどの軟性の筒状部材で構成され、その内部に、駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂなどの挿通物が挿通されている。
駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂは、筒状部２３の基端部から先端のプーリの近傍までの間では、両端部の位置が固定されたシース２７の内部にそれぞれ挿通されている。
各シース２７は、各駆動ワイヤ２４と略同径の内径を有する密巻コイルなどによって形成され、これにより、外力を受けて湾曲しても、ほとんど長さが変化しないようになっている。
【００４５】
筒状部２３における駆動ワイヤ２４以外の挿通物としては、図示は省略するが、例えば、把持部２６を駆動するための操作ワイヤや、観察部１５に接続する電気配線や光ファイバなどの例を挙げることができる。
【００４６】
駆動ユニット３０は、駆動ワイヤ２４を駆動して関節２２に、図示略の駆動ワイヤを駆動して把持部２６に、それぞれ駆動力を供給する装置部分である。
駆動ユニット３０は、筒状部２３の基端部に設けられた基端部筐体３１の内部に、関節２２を駆動する駆動ワイヤ２４ごとに設けられた複数の駆動モータ３４（モータ）を備える。すなわち、図３では、駆動モータ３４として、駆動モータ３４Ｂのみが示されているが、本実施形態では、図４に示すように、駆動モータ３４は、駆動ワイヤ２４Ａ、２４Ｂをそれぞれ駆動する駆動モータ３４Ａ、３４Ｂを有している。
また、特に図示しないが、駆動ユニット３０はスレーブアーム２００ｄの内部の適宜位置に配置されている。
【００４７】
図３に示すように、駆動モータ３４Ｂの出力軸３４Ｂａは、駆動ワイヤ２４Ｂが巻き回された駆動プーリ３３Ｂに連結されており、駆動モータ３４Ｂが回転駆動されると、駆動プーリ３３Ｂが回転して、駆動ワイヤ２４Ｂを回転方向に牽引できるようになっている。
駆動モータ３４Ｂは、ＤＣモータで構成され、出力軸３４Ｂａの回転位置を検出するエンコーダ３４Ｂｂを有している。
【００４８】
以上、図３を参照して、駆動ワイヤ２４Ｂを駆動する駆動モータ３４Ｂおよびこれに関連する部材について説明したが、同様の説明は、図３には図示されていない、駆動モータ３４Ａ、出力軸３４Ａａ、駆動プーリ３３Ａ、エンコーダ３４Ａｂ（図４参照）にも適用される。
【００４９】
このような構成の医療用マニピュレータ１は、各装置部分の動作が、スレーブ制御部４００内に設けられた複数の制御ユニットによって制御される。これらの制御ユニットが行う制御方法は、モータの制御に関してはいずれも共通である。
そこで、以下では、一例として、図４を参照して、各駆動モータ３４の動作を制御する制御ユニット３６の構成について説明する。
【００５０】
図４に示すように、制御ユニット３６は、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂ、電流検出部１０１、ＰＷＭ出力検出部１０２、回転検出部１０３、駆動信号生成部１０４、出力タイミング設定部１０５、駆動条件設定部１０６、温度上昇解析部１０７、および動作制御部１０８を備える。
制御ユニット３６の制御動作は、各駆動モータ３４を試し駆動する場合と本駆動する場合とでは異なる。ここで、本駆動とは、入力処理部７００からの操作信号に基づいて各駆動モータ３４を駆動する駆動を意味し、試し駆動とは、本駆動における後述の駆動条件を設定するための情報取得を目的として、本駆動に先行して行われる駆動である。
本駆動は、目標値に向かって各駆動モータ３４が回転するように行われるのに対して、試し駆動は、駆動条件を設定する情報を取得する短時間の間に行われ、各駆動モータ３４は、回転しないか、回転するとしても回転量はごくわずかである。
【００５１】
モータドライバ１００Ａ（１００Ｂ）は、出力タイミング設定部１０５を介して印加される駆動信号に基づいて、駆動モータ３４Ａ（３４Ｂ）を回転させるものである。
モータドライバ１００Ａ（１００Ｂ）に印加される駆動信号としては、回転方向を指定する回転方向制御信号と、回転速度を制御するためパルス幅変調されたＰＷＭ信号と、回転にブレーキを掛けるブレーキ信号と、を挙げることができる。
【００５２】
電流検出部１０１は、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの消費電流を検出するため、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂから駆動モータ３４Ａ、３４Ｂに供給される電流値をそれぞれ検出するものである。
電流検出部１０１によって検出された電流値の情報は、駆動条件設定部１０６、温度上昇解析部１０７に送出され、それぞれが行う演算に使用される。
【００５３】
ＰＷＭ出力検出部１０２は、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂから駆動モータ３４Ａ、３４Ｂに出力されるＰＷＭ信号を監視して、出力されたＰＷＭ信号のデューティ比と、ＰＷＭ信号による平均印加電圧を検出するものである。
ＰＷＭ出力検出部１０２によって検出されたデューティ比の情報は、駆動条件設定部１０６に送出され、後述する試し駆動時にＰＷＭ出力補正値の算出に用いられる。
ＰＷＭ出力検出部１０２によって検出された平均印加電圧の情報は、温度上昇解析部１０７に送出されて、後述する試し駆動時の温度上昇解析部１０７が行う温度上昇解析に用いられる。
【００５４】
回転検出部１０３は、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂにおけるエンコーダ３４Ａｂ、３４Ｂｂの出力を取得して、各駆動モータ３４の回転位置、および回転速度を検出するものである。
回転検出部１０３によって検出された回転位置の情報は、動作制御部１０８の回転制御に用いられる。
回転検出部１０３によって検出された回転速度の情報は、温度上昇解析部１０７に送出されて、温度上昇解析部１０７が行う温度上昇解析に用いられる。
【００５５】
駆動信号生成部１０４は、各駆動モータ３４の動作制御を行うための駆動信号を、動作制御部１０８、駆動条件設定部１０６から送出される制御情報に応じて生成するものである。
【００５６】
出力タイミング設定部１０５は、駆動信号生成部１０４が生成した駆動信号を、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂに出力するタイミングを、駆動条件設定部１０６から送出される制御情報に応じて、それぞれ独立に設定するものである。
【００５７】
駆動条件設定部１０６は、動作制御部１０８から送出される情報に基づいて、試し駆動および本駆動における駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの駆動条件を設定するものである。
駆動条件設定部１０６は、試し駆動を行う前に、動作制御部１０８からの動作指令値の情報に基づいて試し駆動の駆動条件を設定する。
また、駆動条件設定部１０６は、本駆動を行う直前の試し駆動時に、温度上昇解析部１０７から取得する温度上昇に対応する情報と、電流検出部１０１からの電流変化に関する情報と、から、動作指令値に基づく本駆動時における駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの駆動条件を設定する。
駆動条件設定部１０６は、駆動条件として、駆動信号生成部１０４に対しては、ＰＷＭ信号のデューティ比を設定し、出力タイミング設定部１０５に対しては、駆動信号生成部１０４で生成されるＰＷＭ信号をモータドライバ１００Ａ、１００Ｂに出力する出力タイミングを設定する。
駆動条件設定部１０６は、動作制御部１０８と通信可能に接続されており、動作制御部１０８からの制御信号に基づいて動作する。
駆動条件の具体的な設定方法については、後述の動作説明の中で説明する。
【００５８】
温度上昇解析部１０７は、後述する試し駆動時に、電流検出部１０１、ＰＷＭ出力検出部１０２、回転検出部１０３から、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂごとの、消費電流、平均印加電圧、回転速度の情報を取得する。そして、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂごとの温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価して、この評価値を駆動条件設定部１０６に送出する。
温度上昇解析部１０７は、動作制御部１０８と通信可能に接続されており、動作制御部１０８からの制御信号に基づいて動作する。
巻線抵抗の変化の評価方法については、後述の動作説明の中で説明する。
【００５９】
動作制御部１０８は、一定周期で入力処理部７００からの操作信号を監視し、操作信号が送出された場合には、操作信号を解析して、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂごとの必要な動作量を算出する。
そして、この動作量を実現するため、回転検出部１０３から送出される各駆動モータ３４の回転位置の情報をフィードバックしながら、それぞれの動作指令値を生成する。
この動作指令値は、駆動条件設定部１０６、温度上昇解析部１０７に送出されて、駆動条件の設定に用いられるとともに、駆動信号生成部１０４に送出されて、駆動信号生成部１０４によって動作指令値に基づく駆動信号が生成される。
ただし、動作制御部１０８は、入力処理部７００から操作信号を受信すると、この制御信号に基づく本駆動の動作制御を行う前に、本駆動時の駆動条件を設定するための情報を取得するため、予め決められた期間の間に、試し駆動を実行する。
動作制御部１０８が行う制御動作の詳細については、後述の動作説明の中で説明する。
【００６０】
このような制御ユニット３６の装置構成は、本実施形態では、適宜のハードウェアと、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータとの組み合わせからなる。上記機能構成ごとの制御機能は、ハードウェアまたはコンピュータで実行される制御プログラムによって実現される。
【００６１】
次に、医療用マニピュレータシステムＭにおけるマニピュレータ処置具２０の動作について、本実施形態の医療用マニピュレータの制御方法を中心として説明する。
図５は、本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法のフローを示すフローチャートである。図６は、本発明の実施形態の医療用マニピュレータの制御方法における駆動条件算出式の一例を示す模式的なグラフである。図６の縦軸は回転速度ｎ、横軸は電流Ｉを示す。
【００６２】
医療用マニピュレータシステムＭにおいてマニピュレータ処置具２０を用いて処置を行うには、まず内視鏡マニピュレータ１１を用いて、処置対象部位にマニピュレータ処置具２０の先端部分を患者Ｐの体内に挿入し、処置対象部位の近くまで進める。
次に、図２に示すように、マニピュレータ処置具２０の先端屈曲部２５を先端部１１Ａの前方に繰り出してから、先端屈曲部２５の原点出しを行う。
これにより、マニピュレータ処置具２０が操作可能な状態になる。操作者Ｏｐは、撮像機構１３で撮像され、操作者用ディスプレイ９００ａに表示される処置対象および先端屈曲部２５の画像を見ながら、マスターアーム５００ａ、５００ｂ等を操作して、必要な手技を行う。
【００６３】
内視鏡マニピュレータ１１は、体内の挿入経路に応じて一般には湾曲しているため、内視鏡マニピュレータ１１の内部の処置具チャンネル１６も湾曲している。
このため、処置具チャンネル１６に挿通されるマニピュレータ処置具２０の筒状部２３も、処置具チャンネル１６と同様に湾曲している。これにより、筒状部２３内の各シース２７も種々の形状に湾曲しており、各シース２７に挿通される駆動ワイヤに湾曲形状に応じた駆動負荷が発生する。このような駆動負荷により、マニピュレータ処置具２０には、動作遅れや動作量のバラツキが発生するおそれがある。
医療用マニピュレータにおいて、動作遅れや動作量のバラツキがあると、手技のタイミングが狂ったり、予期できない動きが発生したりして、円滑な手技が行えなくなる。
このような駆動負荷は、例えば、駆動ワイヤの張力を測定するなどして、動力伝達系の実際の負荷を検出し、負荷量に応じて動作指令値を変更すれば、ある程度は、補正することができる。
しかし、負荷量の大きさが個々の駆動モータに及ぼす影響は、駆動モータのモータ特性の個体差や、動作時の駆動モータの発熱などによっても異なる。このため、駆動モータによらず動作指令値に補正を入れても操作性を改善できない場合がある。
【００６４】
本実施形態の医療用マニピュレータの制御方法では、動作指令値に基づいて駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの本駆動を行う前に、試し駆動を行って負荷量を評価し、負荷量に対して適切な駆動条件を設定してから、本駆動を行う。
本実施形態の制御方法は、入力処理部７００から駆動を行う操作信号が受信されるごとに、図５に示すステップＳ１〜Ｓ９を、図５に示すフローにしたがって実行する方法である。
医療用マニピュレータ１では、入力処理部７００が、一定周期、例えば、１ｍｓごとに操作部６００およびマスターアーム５００ａ、５００ｂの操作入力を監視する。
入力処理部７００は、検出された操作入力が、マニピュレータ処置具２０の先端屈曲部２５を駆動する操作入力であることを解析すると、マニピュレータ処置具２０の動作制御部１０８に操作信号を送出する。
【００６５】
ステップＳ１は、駆動モータごとに動作指令値を生成するステップである。
操作者Ｏｐが、操作部６００によって操作対象をスレーブアーム２００ｄにおけるマニピュレータ処置具２０に切り替えてから、マスターアーム５００ａ、５００ｂを操作すると、入力処理部７００によって操作部６００およびマスターアーム５００ａ、５００ｂの操作信号が解析される。
入力処理部７００が解析した操作信号は、マニピュレータ処置具２０が行うべき動作の情報として、制御ユニット３６の動作制御部１０８に送出される。例えば、マニピュレータ処置具２０の把持部２６が移動すべき位置や移動後の姿勢などの情報が送出される。
動作制御部１０８では、このような把持部２６の位置、姿勢を実現するために必要な先端屈曲部２５における関節２２Ａ、２２Ｂの駆動量を算出し、この駆動量を実現するための駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの回転方向、回転量、回転速度を表す動作指令値を生成する。
以上で、ステップＳ１が終了する。
【００６６】
次に、ステップＳ２を行う。本ステップは、動作指令値に基づいて、試し駆動の駆動条件を設定するステップである。
本実施形態における試し駆動の目的は、主に３つある。
第１の目的は、各駆動モータ３４に出力されるＰＷＭ信号のデューティ比の誤差を補正するＰＷＭ出力補正値を求めることである。
第２の目的は、各駆動モータ３４の温度上昇に基づく巻線抵抗を求め、補正できるようにすることである。
第３の目的は、本駆動時に必要な最小電流量を評価することである。
いずれの目的でも、回転方向は、動作指令値の回転方向と一致させる。
【００６７】
第１および第２の目的で行う試し駆動（以下、第１の試し駆動と称する）は、動作指令値に回転速度に対応するデフォルトのデューティ比に固定して、予め決められた一定時間だけ試し駆動を行う。ここで、一定時間は、後述するステップＳ３、Ｓ４で必要なデータが取得可能な範囲で、できるだけ短い時間が設定される。例えば、２０μｓ程度に設定される。
第３の目的で行う試し駆動（以下、第２の試し駆動と称する）は、デューティ比を０％から漸次増大して駆動するため、ディーティ比を０％から１００％まで増加させる際の時間が設定される。この時間設定は、動作指令値と無関係に設定することが可能であり、例えば、２００μｓ程度に設定される。
いずれの試し駆動でも、駆動信号を出力するタイミングは、駆動信号生成部１０４に対して駆動条件が設定された後、特に時間差を設けず、ただちに、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂに出力するようなタイミングである。
【００６８】
動作制御部１０８から駆動条件設定部１０６に、試し駆動の駆動条件を設定する制御信号と、動作指令値とが送出されると、駆動条件設定部１０６は、以上のような駆動条件を設定し、駆動信号生成部１０４および出力タイミング設定部１０５に設定する。
これによりステップＳ２が終了する。
【００６９】
次に、ステップＳ３を行う。本ステップは、第１の試し駆動を行い、駆動モータ３４ごとのＰＷＭ出力補正値を算出して、その値を、駆動モータ３４ごとに記憶するステップである。
ステップＳ２が終了すると、動作制御部１０８は、駆動信号生成部１０４に、駆動信号の生成を開始させる制御信号を送出する。これにより、駆動信号生成部１０４は、駆動条件設定部１０６が設定した駆動条件に基づいて、ＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号は、出力タイミング設定部１０５に設定されたタイミングで、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂに出力される。これにより、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの第１の試し駆動が開始される。
【００７０】
モータドライバ１００Ａ、１００Ｂから駆動モータ３４Ａ、３４Ｂに出力されるＰＷＭ信号は、ＰＷＭ出力検出部１０２によって監視される。ＰＷＭ出力検出部１０２は、出力されたデューティ比の情報を駆動条件設定部１０６に送出する。
駆動条件設定部１０６は、出力したＰＷＭ信号のデューティ比Ｄ０と、ＰＷＭ出力検出部１０２から送出されたデューティ比Ｄｏｕｔとの差ΔＤ＝Ｄｏｕｔ−Ｄ０を、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂごとに算出して、それぞれＰＷＭ出力補正値ΔＤＡ、ΔＤＢとして記憶する。
このようなデューティ比の変化は、例えば、スイッチング部品等の信号伝送遅れなど、ハードウェア固有の原因によって生じるため、一般に、ΔＤは、正値をとり、動作指令値に比べて過大なデューティ比になっている。
このため、ＰＷＭ出力補正値ΔＤＡ、ΔＤＢは、本駆動時において動作指令値から算出したデューティ比を補正するために用いられる。
これにより、ハードウェア固有のＰＷＭ信号の変化が補正されるため、動作指令値により忠実な駆動が可能となる。また、デューティ比の増大によって平均印加電圧が上昇することによる発熱も抑制することができる。
以上で、ステップＳ３が終了する。
【００７１】
なお、ΔＤの値が大きすぎる場合には、ハードウェアに異常が生じている可能性があるため、適宜の閾値を設けておき、閾値を超えた場合には、故障と判断して、操作者用ディスプレイ９００ａ、助手用ディスプレイ９００ｂに警告メッセージを表示して、マニピュレータ処置具２０の動作を停止させることが可能である。
また、駆動条件設定部１０６は、後述する本駆動時においても、Ｄｏｕｔ−Ｄ０を監視し、Ｄｏｕｔ−Ｄ０が予め決められた許容値を超えた場合には、故障と判断して、操作者用ディスプレイ９００ａ、助手用ディスプレイ９００ｂに警告メッセージを表示して、マニピュレータ処置具２０の動作を停止させることが可能である。
【００７２】
次に、ステップＳ４を行う。本ステップは、第１の試し駆動を行い、駆動モータ３４ごとの温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を検出するステップである。
本ステップは、第１の試し駆動が開始され、第１の試し駆動による温度上昇の測定が可能なタイミングであれば、適宜のタイミングで行うことができる。したがって、本ステップをステップＳ３の後で行うのは、一例であって、ステップＳ３の後で行うことは必須ではない。例えば、ステップＳ３に先行して、または、ステップＳ３と並行して行うことが可能である。
【００７３】
ＤＣモータにおいて、回転速度ｎは、次式（１）のように表されるため、図６のように横軸を電流Ｉ、縦軸を回転速度ｎとすると、巻線抵抗Ｒ、平均印加電圧ＤＵＴＹが一定の条件の下では、電流Ｉに対する回転速度ｎの関係は、直線で表される。
【００７４】
ｎ＝ｋｎ・（ＤＵＴＹ−Ｒ・Ｉ）                                  ・・・（１）
【００７５】
ここで、比例定数ｋｎは、モータごとに固有の値を取る。例えば、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの比例定数は、それぞれ、ｋｎＡ、ｋｎＢである。
巻線抵抗Ｒは、温度Ｔの関数Ｒ（Ｔ）として、例えば、次式（２）のように表される。
【００７６】
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ２５・｛１＋α・（Ｔ−Ｔ２５）｝                    ・・・（２）
【００７７】
ここで、Ｒ２５は、温度Ｔ２５＝２５（℃）におけるモータの巻線抵抗であり、αは、巻線材料の線膨張係数である。
例えば、２５℃における上記式（１）を、図６における直線１９０で表すと、モータの温度上昇によって、温度がＴ（ただし、Ｔ＞Ｔ２５）になった場合の上記式（１）は、巻線抵抗がＲ（Ｔ）（ただし、Ｒ（Ｔ）＞Ｒ２５）になるため、図６において、直線１９１のように表される。
すなわち、駆動条件が変化しないと、温度上昇するにつれて、回転速度ｎが低下することになる。したがって、動作指令値の回転速度に比べて低速の動作になるため、駆動モータ３４の応答時間が低下する。また、駆動モータ３４ごとに温度上昇が異なると、応答時間の低下量が異なるため、各駆動モータ３４の応答時間にバラツキが生じる結果、各関節２２の協調動作が乱れることになる。
このような関節２２の応答時間の低下、バラツキは、マニピュレータ処置具２０の操作性を損ねるため、外科手術などの手技の支障となる可能性がある。
【００７８】
そこで、本実施形態では、温度上昇に基づく巻線抵抗の変化に応じて、本駆動の駆動条件を変更する。
このため、本ステップでは、温度上昇解析部１０７は、次式（３）によって、基づいて、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂごとの温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価して、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂごとに巻線抵抗ＲＴを算出する。
【００７９】
ＲＴ＝｛ＤＵＴＹＴ−（ｎＴ／ｋｎ）｝／ＩＴ                        ・・・（３）
【００８０】
ここで、ＤＵＴＹＴは、ＰＷＭ出力検出部１０２から送出された第１の試し駆動時の平均印加電圧である。ｎＴは、回転検出部１０３から送出された第１の試し駆動時の回転速度である。ＩＴは、電流検出部１０１から送出された第１の試し駆動時の消費電流である。
温度上昇解析部１０７によって算出された巻線抵抗ＲＴは、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂごとに、それぞれ巻線抵抗ＲＴＡ、ＲＴＢ（巻線抵抗の評価値）として、駆動条件設定部１０６に送出され、駆動条件設定部１０６に記憶される。
以上で、ステップＳ４が終了する。
【００８１】
次に、ステップＳ５を行う。本ステップは、温度上昇に基づく巻線抵抗の補正を入れた駆動条件算出式を設定するステップである。
駆動条件設定部１０６は、温度上昇解析部１０７から送出されたＲＴを用いて、駆動条件算出式として、次式（４）を設定する。
【００８２】
ｎ＝ｋｎ・（ＤＵＴＹ−ＲＴ・Ｉ）                                  ・・・（４）
【００８３】
上記式（４）は、駆動条件設定部１０６が与えられた変数に基づいて、未知数を算出できる形態に設定されていれば、数式として、設定してもよいし、データテーブルとして設定してもよい。
以下では、一例として、上記式（４）が、未知数を算出する数式として記憶されているものとして説明する。
駆動条件算出式の設定が終了したら、第１の試し駆動を終了する。
これにより、ステップＳ５が終了する。
【００８４】
次に、ステップＳ６を行う。本ステップは、ＰＷＭ信号のデューティ比を増加させつつ、第２の試し駆動を行い、駆動条件算出式に基づいて、駆動可能な最小電流値を設定するステップである。
動作制御部１０８は、第２の試し駆動を開始する制御信号を駆動条件設定部１０６に送出する。
駆動条件設定部１０６では、ＰＷＭ信号のデューティ比が０％から順次増大して、各駆動モータ３４を駆動する駆動条件を設定する。
駆動条件の設定が済んだら、動作制御部１０８は、駆動信号生成部１０４に、駆動信号の生成を開始させる制御信号を送出する。これにより、駆動信号生成部１０４は、駆動条件設定部１０６が設定した駆動条件に基づいて、ＰＷＭ信号等の駆動信号を生成する。この駆動信号は、出力タイミング設定部１０５に設定されたタイミングで、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂに出力される。これにより、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの第２の試し駆動が開始される。
【００８５】
第２の試し駆動を開始し、デューティ比が増大して各駆動モータ３４の負荷量を超える電力が供給されると、各駆動モータ３４が回転を開始する。
駆動条件設定部１０６は、電流検出部１０１から送出される電流量を監視することにより、各駆動モータ３４の回転の開始を検出する。
このため、駆動条件設定部１０６には、各駆動モータ３４が回転を開始したことを電流量の変化から検出するために予め決められた電流量の変化の閾値が記憶されている。
駆動モータ３４の回転が始まると、慣性によって電流量が減少するため、電流の変化率を監視することで、回転の開始を検出することができる。
【００８６】
駆動条件設定部１０６は、電流量の変化率の大きさが閾値以上になった場合に、動作制御部１０８に通知し、それまでに監視していた電流量の最大値を回転開始電流とし、この回転開始電流に所定の係数を乗じた電流量を最小電流量Ｉｍｉｎ（駆動電流）として算出する。所定の係数としては、測定誤差による余裕分を考慮して、１以上の適宜の係数を予め設定しておく。
駆動条件設定部１０６から駆動モータ３４が回転を開始したことを通知された動作制御部１０８は、駆動信号生成部１０４に第２の試し駆動を停止する制御信号を送出する。
このようにして、第２の試し駆動が終了するとともに、最小電流量Ｉｍｉｎが駆動モータ３４ごとに、最小電流量ＩｍｉｎＡ、ＩｍｉｎＢとして算出される。
以上でステップＳ６が終了する。
【００８７】
次に、ステップＳ７を行う。本ステップは、ステップＳ６で算出された最小電流量Ｉｍｉｎを与える最小デューティ比Ｄｍｉｎの情報に基づいて、本駆動時のデューティ比ＤＯＰを設定するステップである。
具体的には、駆動条件設定部１０６が、次式（５）に基づいて、本駆動時のデューティ比ＤＯＰを、駆動信号生成部１０４に設定する。
【００８８】
ＤＯＰ＝｛（ｎＯＰ／ｋｎ）−ＲＴ・Ｉｍｉｎ｝／Ｅ−ΔＤ            ・・・（５）
【００８９】
ここで、ｎＯＰは、本駆動の動作指令値における回転速度である。Ｅは、ＰＷＭ信号を生成する電圧である。
駆動条件として、上記式（５）の、ｎＯＰ、ＲＴ、Ｉｍｉｎ、ΔＤにそれぞれ、ｎＯＰＡ（ｎＯＰＢ）、ＲＴＡ（ＲＴＢ）、ＩｍｉｎＡ（ＩｍｉｎＢ）、ΔＤＡ（ΔＤＢ）を代入して算出されるデューティ比ＤＯＰＡ（ＤＯＰＢ）を設定することで、試し駆動で検出された巻線抵抗の変化および信号遅れによるデューティ比の誤差が補正される。このため、ＰＷＭ信号が発生すると、動作指令値の回転速度ｎＯＰＡ、ｎＯＰＢに基づく本駆動を開始することができる。
以上で、ステップＳ７が終了する。
【００９０】
次に、ステップＳ８を行う。本ステップは、ステップＳ６で算出した最小電流量Ｉｍｉｎの大きさに応じて、各駆動モータ３４の出力タイミングを設定するステップである。
ステップＳ６で算出された駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの第２の試し駆動における回転開始時の消費電流である最小電流量ＩｍｉｎＡ、ＩｍｉｎＢは、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの負荷量を表している。このように負荷量が異なると、同時に回転を開始しても一定回転速度に達するまでの加速時間が異なるため、その分だけ目標の駆動が終了するまでの時間差が生じることになる。
本実施形態では、このような原因による駆動時間のバラツキを抑制するため、最小電流量ＩｍｉｎＡ、ＩｍｉｎＢの大きい方から先にＰＷＭ信号の出力を開始し、最小電流量ＩｍｉｎＡ、ＩｍｉｎＢの小さい方の出力タイミングを遅らせる。
出力タイミングの遅延量は、予め、最小電流値に対応する負荷量と加速時間の関係を実験などによって求めておき、駆動条件設定部１０６に実験式やデータテーブルなどとして記憶しておく。
駆動条件設定部１０６は、例えば、ＩｍｉｎＡ＞ＩｍｉｎＢの場合、モータドライバ１００Ｂへの出力タイミングの遅延量Δｔを、予め設定された関数ｆに基づいて、Δｔ＝ｆ（ＩｍｉｎＡ−ＩｍｉｎＢ）として算出して、出力タイミング設定部１０５に設定する。
以上で、ステップＳ８が終了する。
【００９１】
次に、ステップＳ９を行う。本ステップは、第１および第２の試し駆動により設定された駆動条件に基づいて、本駆動を行うステップである。
動作制御部１０８は、駆動信号生成部１０４に、駆動信号の生成を開始させる制御信号を送出する。これにより、駆動信号生成部１０４は、駆動条件設定部１０６が設定した本駆動の駆動条件に基づいて、ＰＷＭ信号を含む駆動信号を生成する。このＰＷＭ信号は、出力タイミング設定部１０５に設定された本駆動の出力タイミングで、モータドライバ１００Ａ、１００Ｂに出力される。これにより、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂの本駆動が開始される。
これにより、駆動モータ３４Ａ、３４Ｂが、動作制御部１０８が算出した動作指令値に基づいて、回転し、先端屈曲部２５の関節２２Ａ、２２Ｂが、マスターアーム５００ａ、５００ｂの操作に基づく位置、姿勢となるように駆動される。
以上で、ステップＳ９が終了する。
このようにして、動作制御部１０８に操作信号が送信されるごとに、このような試し駆動と本駆動とが繰り返されていく。
【００９２】
上記ステップＳ１〜Ｓ８は、操作入力が発生した際に、試し駆動を行って、モータの温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価し、評価された巻線抵抗の変化に基づいてモータの駆動条件を設定する第１のステップを構成している。
上記ステップＳ９は、第１のステップで設定されたモータの駆動条件に基づいて、操作入力に対応する駆動を行う第２のステップを構成している。
【００９３】
以上、マニピュレータ処置具２０の先端屈曲部２５の制御方法について説明したが、マニピュレータ処置具２０の把持部２６や、医療用マニピュレータ１の湾曲部１１Ｂについても同様に制御方法で制御される。
【００９４】
本実施形態の医療用マニピュレータの制御方法によれば、操作入力が発生した際に、試し駆動を行って温度上昇に基づくモータの巻線抵抗の変化を評価し、評価された巻線抵抗の変化に基づいてモータの駆動条件を設定するため、負荷量が変化してもモータを正確かつ迅速に動作させることができる。
すなわち、操作信号が送信されるごとに、試し駆動を行って、負荷量や温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価するため、手技の実行中に負荷量が変化してもモータを正確かつ迅速に動作させることができる。
また、モータが複数設けられている場合に、モータごとに試し駆動を行って、負荷量や温度上昇に基づく巻線抵抗の変化を評価するため、例えば、駆動方向など違いにより、モータごとに負荷量が変化してもモータを正確かつ迅速に動作させることができる。
【００９５】
特に、本実施形態では、第１の試し駆動において、ＰＷＭ信号の出力誤差を検出して、ＰＷＭ出力補正値ΔＤを算出して、駆動条件におけるデューティ比を補正している。このため、モータや信号回路などのハードウェアの個体差による駆動条件のバラツキを補正することができる。
特に、モータの駆動周波数が、例えば、５００ｋＨｚといった高い周波数の場合には、信号出力遅延による誤差の影響で相対的に大きなデューティ比誤差が大きくなる。
例えば、駆動周波数が５０ｋＨｚの場合と、５００ｋＨｚの場合とでは、デューティ比が１０％で、ハードウェアによる信号出力遅延による誤差が１００ｎｓ生じたとする。この場合、５０ｋＨｚでは、デューティ比誤差が５％（＝１００×１００ｎｓ／２μｓ）であるのに対して、５００ｋＨｚでは、デューティ比誤差が５０％（＝１００×１００ｎｓ／０．２μｓ）になる。このため、５００ｋＨｚでは、デューティ比が１０％から１５％にもなってしまうが、本実施形態では、このような誤差の発生を防止することができる。
【００９６】
なお、上記実施形態の説明では、試し駆動においてＰＷＭ出力補正値を算出する場合の例で説明したが、例えば、モータの駆動周波数が低い場合やハードウェアの誤差が小さい場合には、ＰＷＭ出力補正値による補正を省略することも可能である。
【００９７】
上記実施形態の説明では、医療用マニピュレータがモータとして、２個のモータである駆動モータ３４Ａ、３４Ｂを備える場合の例で説明したが、これは一例であって、モータの個数はこれには限定されない。例えば、医療用マニピュレータは３個以上のモータを備えることが可能である。
また、モータは１個のみでもよい。ただし、この場合、上記ステップＳ８は削除する。
【００９８】
上記実施形態の説明では、温度上昇を測定することなく、巻線抵抗の変化を求めたが、温度センサなどを用いて、モータの温度測定を行い、上記式（２）を用いて、巻線抵抗ＲＴを算出することも可能である。
【００９９】
上記に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり、削除したりして実施することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１  医療用マニピュレータ
１１  内視鏡マニピュレータ（医療用マニピュレータ）
１１Ｂ  湾曲部
１６  処置具チャンネル
２０  マニピュレータ処置具（医療用マニピュレータ）
２２、２２Ａ、２２Ｂ  関節（被駆動部）
２３  筒状部
２４、２４Ａ、２４Ｂ  駆動ワイヤ
２５  先端屈曲部
２６  把持部
３０  駆動ユニット
３４、３４Ａ、３４Ｂ  駆動モータ（モータ）
３４Ａｂ、３４Ｂｂ  エンコーダ
３６  制御ユニット
１００Ａ、１００Ｂ  モータドライバ
１０１  電流検出部
１０２  ＰＷＭ出力検出部
１０３  回転検出部
１０４  駆動信号生成部
１０５  出力タイミング設定部
１０６  駆動条件設定部
１０７  温度上昇解析部
１０８  動作制御部
２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ  医療用マニピュレータ
４００  スレーブ制御部
５００ａ、５００ｂ  マスターアーム（操作部）
６００  操作部
７００  入力処理部
８００  画像処理部
ΔＤ、ΔＤＡ、ΔＤＢ  ＰＷＭ出力補正値
ＤＯＰ、ＤＯＰＡ、ＤＯＰＢ  デューティ比
Ｉｍｉｎ、ＩｍｉｎＡ、ＩｍｉｎＢ  最小電流量（駆動電流、消費電流）
Ｍ  医療用マニピュレータシステム
Ｏｐ  操作者
Ｐ  患者
ＲＴ、ＲＴＡ、ＲＴＢ  巻線抵抗（巻線抵抗の評価値）
【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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