(57)【要約】【課題】ユーザの利便性をより向上させる。【解決手段】患者の術部を観察するための観察ユニットと、前記観察ユニットが先端に設けられ、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部と、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記アーム部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に構成される、医療用支持アーム装置を提供する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の術部を観察するための観察ユニットと、
前記観察ユニットが先端に設けられ、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部と、
前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記アーム部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に構成される、
医療用支持アーム装置。
【請求項２】
前記駆動制御部は、前記アーム部に対する外力に応じて前記複数の関節部の駆動を制御する、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項３】
前記駆動制御部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御する際に、前記観察ユニットが空間上の所定の点を中心とするピボット動作を行うように、前記複数の関節部の駆動を制御する、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項４】
術者の作業領域に関する情報を取得する取得部、を更に備え、
前記駆動制御部は、アーム状態及び前記作業領域に関する情報に基づいて、前記アーム部が前記作業領域を回避するように、前記複数の関節部の駆動を制御する、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項５】
少なくとも前記医療用支持アーム装置の位置情報に基づいて前記作業領域を算出する算出部、を更に備え、
前記取得部は、前記算出部による算出結果に基づいて前記作業領域に関する情報を取得する、
請求項４に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項６】
前記観察ユニットは、患者の術部を撮影するビデオ式顕微鏡である、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項７】
前記観察ユニットは、患者の体腔内に挿入され、当該体腔内の術部を撮影する内視鏡である、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項８】
前記駆動制御部は、前記アーム部が特異姿勢を取ることを回避するように、前記複数の関節部の駆動を制御する、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項９】
前記駆動制御部は、前記アーム部が機構的に不可能な姿勢を取るように、前記複数の関節部の駆動を制御する、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１０】
前記駆動制御部は、前記複数の関節部の回転角度及び可動範囲に基づいて、前記複数の関節部の駆動を制御する、
請求項９に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１１】
前記駆動制御部は、前記アーム部の姿勢が変化する際の消費エネルギーが最小になるように、前記複数の関節部の駆動を制御する、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１２】
前記アーム部は、複数のリンクが前記関節部によって互いに連結されることにより構成され、
前記アーム部においては、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略平行な第１の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略直交する第２の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、が交互に配置される、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１３】
前記アーム部は、複数のリンクが前記関節部によって互いに連結されることにより構成され、
前記関節部は、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略平行な第１の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略直交する第２の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、のいずれかであり、
前記アーム部の少なくとも一部において、前記第２の回転軸を有する関節部が連続して配置される、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１４】
前記アーム部は、７自由度又は８自由度を有する、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１５】
前記駆動制御部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢を変更するために前記複数の関節部の駆動を制御する場合と、前記アーム部の姿勢を変更するために前記複数の関節部の駆動を制御する場合とで、前記関節部の各々での回転運動における粘性抵抗を異なる値に設定する、
請求項２に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１６】
前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御を実現するために駆動される関節部の前記粘性抵抗が、他の前記関節部の前記粘性抵抗よりも大きな値に設定される、
請求項１５に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１７】
前記関節部に対応する回転軸のうちの少なくとも１つは、アクチュエータによって回転駆動される駆動軸であり、
前記関節部に対応する回転軸のうちの残りの回転軸は、前記駆動軸における回転に従動して回転する受動軸である、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１８】
患者の術部を観察するための観察ユニットと、
前記観察ユニットを保持する保持ユニットと、
前記保持ユニットが先端に設けられ、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部と、
前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記アーム部においては、前記保持ユニットの位置及び姿勢が制御されることにより、前記観察ユニットの位置及び姿勢が制御され、
前記アーム部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に構成される、
医療用支持アーム装置。
【請求項１９】
プロセッサが、先端に設けられる観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部の駆動制御において、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御することにより、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に、前記アーム部の駆動を制御すること、
を含む、医療用支持アーム装置の制御方法。
【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、医療用支持アーム装置の制御方法及び医療用観察装置に関する。
【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カメラや内視鏡等の術部を観察するための観察ユニットを設け、当該観察ユニットによって撮影された画像を見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。
【０００３】
このような支持アーム装置では、複数の関節部からなるアーム部によって医療用器具（上述した観察ユニットや処置具等）が支持されるが、所定の運動目的（タスク）を実現するために必要な自由度よりも多い自由度（すなわち、冗長自由度）を有するように当該アーム部を構成することにより、より利便性の高い支持アーム装置を実現する技術が提案されている。
【０００４】
冗長自由度を有することにより、例えば、アーム部の先端に取り付けられた医療用器具の位置及び姿勢を保持したまま、アーム部の姿勢を変更することが可能になる。このことを利用して、例えば、特許文献１には、鉗子を支持する鉗子用アームと、内視鏡を支持するカメラ用アームと、を備えた医療用支持アーム装置において、鉗子用アーム及びカメラ用アームがともに冗長自由度を有するように構成され、鉗子用アーム及びカメラ用アームが移動し互いに干渉しそうになった場合に、内視鏡の視点を保持した状態で干渉を回避するようにカメラ用アーム及び鉗子用アームの駆動を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２０６３１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８８４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献１に記載の技術では、鉗子及び内視鏡の位置及び姿勢の制御は、いわゆる位置制御によって行われている。一方、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、力制御と呼ばれる方法も知られている。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。
【０００７】
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。
【０００８】
例えば、力制御が適用されたロボット装置として、特許文献２には、対向する２輪の車輪からなる移動機構と複数の関節部を有する腕部を備えたロボット装置において、当該車輪及び当該関節部の駆動を全体として協調させて制御するロボット装置が開示されている。
【０００９】
このような力制御による制御方法を、上述したような冗長自由度を有する医療用の支持アーム装置に適用することにより、より利便性の高い支持アーム装置を実現できる可能性がある。そこで、本開示では、ユーザの利便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支持アーム装置、医療用支持アーム装置の制御方法及び医療用観察装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示によれば、患者の術部を観察するための観察ユニットと、前記観察ユニットが先端に設けられ、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部と、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記アーム部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に構成される、医療用支持アーム装置が提供される。
【００１１】
また、本開示によれば、患者の術部を観察するための観察ユニットと、前記観察ユニットを保持する保持ユニットと、前記保持ユニットが先端に設けられ、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部と、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記アーム部においては、前記保持ユニットの位置及び姿勢が制御されることにより、前記観察ユニットの位置及び姿勢が制御され、前記アーム部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に構成される、医療用支持アーム装置が提供される。
【００１２】
また、本開示によれば、プロセッサが、先端に設けられる観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部の駆動制御において、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御することにより、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に、前記アーム部の駆動を制御すること、を含む、医療用支持アーム装置の制御方法が提供される。
【００１３】
本開示によれば、アーム部が冗長自由度を有するように構成されるため、当該アーム部において複数のタスクを同時に実行することが可能になる。従って、ユーザの利便性が向上する。また、アーム部の駆動が力制御によって制御されるため、ユーザは、より直感的にアーム部を操作することができる。従って、ユーザの利便性が更に向上する。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本開示によれば、ユーザの利便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】本実施形態に係る支持アーム装置の全体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】図１に示すアーム部において、７自由度が実現されている場合における、当該アーム部の動作の一例を示す図である。
【図４】図１に示すアーム部において、８自由度が実現されている場合における、当該アーム部の動作の一例を示す図である。
【図５】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６】本実施形態に係る支持アーム装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。
【図７】本実施形態に係る支持アーム装置の制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【図８】「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合における、本実施形態に係る支持アーム装置の制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【図９】視野領域の設定処理について説明するための説明図である。
【図１０】視野領域とアーム部との距離について説明するための説明図である。
【図１１】「機構制限姿勢回避」をタスクとして設定した際の駆動制御の実験に用いたアーム部の構成を示す図である。
【図１２】「機構制限姿勢回避」をタスクとして設定した際のアーム部の駆動制御の結果を示すグラフ図である。
【図１３】本実施形態に係る支持アーム装置を用いた手術の様子を示す概略図である。
【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．支持アーム装置の構成
１−１．支持アーム装置の全体構成
１−２．アクチュエータの構成
１−３．支持アーム装置の自由度
２．支持アーム装置の機能構成
２−１．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．タスクの具体例
３−１．撮像部の視点保持
３−２．ピボット動作
３−３．視野領域の確保
３−４．特異姿勢回避
３−５．機構制限姿勢回避
３−６．エネルギー最小化
４．支持アーム装置の制御方法
５．制御方法の具体例
５−１．「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合
５−２．「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合
６．適用例
７．補足
【００１８】
なお、以下では、本開示の一実施形態に係る観察システム及び／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、当該記載は観察システム及び／又は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、観察システム及び／又は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。
【００１９】
（１．支持アーム装置の構成）
（１−１．支持アーム装置の全体構成）
図１を参照して、本開示の一実施形態に係る支持アーム装置の全体構成について説明する。図１は、本実施形態に係る支持アーム装置の全体構成を示す図である。
【００２０】
図１を参照すると、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、アーム部４２０と、当該アーム部４２０の先端に取り付けられる撮像部４２３と、支持アーム装置４００の動作を制御する制御装置４４０と、を備える。支持アーム装置４００は、手術室内に設けられ、術者（ユーザ）による手術の実行をサポートする、医療用の支持アーム装置４００である。
【００２１】
アーム部４２０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。なお、図１では、制御装置４４０を概略的に図示しているが、実際には、制御装置４４０は、アーム部４２０の基端部と天井との接続部位に設けられてもよいし、アーム部４２０とは離隔した場所（例えば手術室の床面上）に設置され、アーム部４２０と有線又は無線の各種の通信方式によって互いに通信可能に接続されて設けられてもよい。
【００２２】
なお、以下の説明では、アーム部４２０の構成について説明する際に、撮像部４２３が設けられる側を先端側又は先端部等とも呼称し、天井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。
【００２３】
アーム部４２０は、各回転軸（第１軸Ｏ１、第２軸Ｏ２、第３軸Ｏ２、第４軸Ｏ４、第５軸Ｏ５、第６軸Ｏ６、第７軸Ｏ７及び第８軸Ｏ８）に対応する位置にそれぞれ設けられる関節部４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄ、４２１ｅ、４２１ｆ、４２１ｇ、４２１ｈと、関節部４２１ｂ〜４２１ｇ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、４２２ｅ、４２２ｆ、４２２ｇ、４２２ｈと、から構成される。また、アーム部４２０の先端には、関節部４２１ａを介して回動可能に撮像部４２３が取り付けられる。
【００２４】
リンク４２２ａ〜４２２ｇは棒状の部材であり、リンク４２２ｈの基端が天井に取り付けられる。リンク４２２ｈの先端は、関節部４２１ｈを介してリンク４２２ｇの基端と連結され、リンク４２２ｈは、当該関節部４２１ｈを介してリンク４２２ｇを回動可能に支持する。
【００２５】
以下、同様に、リンク４２２ｇ、４２２ｆ、４２２ｅ、４２２ｄ、４２２ｃ、４２２ｂの先端が、それぞれ、関節部４２１ｇ、４２１ｆ、４２１ｅ、４２１ｄ、４２１ｃ、４２１ｂを介して、リンク４２２ｆ、４２２ｅ、４２２ｄ、４２２ｃ、４２２ｂ、４２２ａの基端と連結される。そして、リンク４２２ｇ、４２２ｆ、４２２ｅ、４２２ｄ、４２２ｃ、４２２ｂは、それぞれ、関節部４２１ｇ、４２１ｆ、４２１ｅ、４２１ｄ、４２１ｃ、４２１ｂを介して、リンク４２２ｆ、４２２ｅ、４２２ｄ、４２２ｃ、４２２ｂ、４２２ａを回動可能に支持する。
【００２６】
リンク４２２ａの先端には、関節部４２１ａを介して、撮像部４２３が連結される。リンク４２２ａは、関節部４２１ａを介して、撮像部４２３を回動可能に支持する。
【００２７】
このように、天井と接続されるリンク４２２ｈの基端を支点として、複数のリンク４２２ａ〜４２２ｈの端同士が、関節部４２１ｂ〜４２１ｈによって互いに連結されることにより、天井から延伸されるアーム形状が構成される。
【００２８】
回転軸のうち、第１軸Ｏ１、第３軸Ｏ２、第６軸Ｏ６及び第８軸Ｏ８は、その基端側に設けられるリンク４２２ａ、４２２ｃ、４２２ｆ、４２２ｈ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、第５軸Ｏ５及び第７軸Ｏ７は、その基端側に設けられるリンク４２２ｂ、４２２ｄ、４２２ｅ、４２２ｇ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。
【００２９】
つまり、アーム部４２０は、基端側から、ヨー軸（第８軸Ｏ８）、ピッチ軸（第７軸Ｏ７）、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。
【００３０】
関節部４２１ａ〜４２１ｈには、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〜４２１ｈ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４４０によって制御される。各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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。
【００３１】
撮像部４２３は、術部を観察するための観察ユニットの一例であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等によって構成される。撮像部４２３は、いわゆるビデオ式顕微鏡であり得る。
【００３２】
手術を行う際には、アーム部４２０の先端に設けられた撮像部４２３が体外から患者の術部を撮影するように、アーム部４２０及び撮像部４２３の位置及び姿勢が制御される。撮像部４２３によって撮影された術部についての画像信号は、例えば手術室内に設けられる表示装置（図示せず）に送信される。送信された画像信号に基づいて当該表示装置に患者の術部の画像が表示される。術者は、当該表示装置に映し出された画像によって術部を観察しながら手術を行う。なお、撮像部４２３と表示装置との間の通信は、有線又は無線の各種の公知の通信方式によって実現されてよい。また、撮像部４２３の具体的な構成としては、各種の公知のビデオ式顕微鏡の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。
【００３３】
ここで、支持アーム装置４００のように、アーム部４２０の先端に患者の術部を観察するための観察ユニットが設けられた支持アーム装置４００のことを、本実施形態では、観察装置４００とも呼称する。図示する例では、観察ユニットとして撮像部４２３が設けられているが、本実施形態はかかる例に限定されず、観察ユニットとしては、例えば、内視鏡や光学式の顕微鏡等が設けられてもよい。なお、本実施形態では、観察装置４００の中でも、特に、アーム部４２０の先端にビデオ式顕微鏡からなる撮像部４２３が設けられた支持アーム装置４００のことを、ビデオ顕微鏡装置４００とも呼称することがある。
【００３４】
ただし、本実施形態では、アーム部４２０の先端に設けられるユニットは観察ユニットに限定されず、アーム部４２０の先端には、各種の医療用器具が取り付けられ得る。例えば、アーム部４２０の先端には、鉗子、レトラクタ等の各種の処置具が接続されてもよい。あるいは、アーム部４２０の先端には、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が接続されてもよい。
【００３５】
なお、図１に示す構成例では、撮像部４２３が直接アーム部４２０の先端に取り付けられているように図示されているが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、アーム部４２０の先端には、撮像部４２３を含む各種の医療用器具を保持する保持ユニットが取り付けられてもよく、当該保持ユニットを介して各種の医療用器具がアーム部４２０によって支持されてもよい。この場合には、当該保持ユニットの位置及び姿勢が制御されることにより、医療用器具の位置及び姿勢が制御され得る。つまり、医療用器具の動作に対して後述する運動目的（タスク）が設定される際には、当該タスクは、保持ユニットの動作に対して設定されてもよい。例えば、観察ユニットの中でも内視鏡をアーム部４２０の先端に取り付ける際には、当該内視鏡は、好適に、保持ユニットを介してアーム部４２０の先端に取り付けられてよい。
【００３６】
制御装置４４０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が搭載されたマイコン等によって構成され、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４００の動作を制御する。
【００３７】
本実施形態では、支持アーム装置４００の制御方式として、好適に力制御が用いられる。力制御では、アーム部４２０及び撮像部４２３に作用する力が、各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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。検出された力に基づいて、アーム部４２０に所望の運動目的（タスク）を達成させるために必要な、各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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の駆動が制御される。
【００３８】
力制御では、アーム部４２０に対する外力に応じて各関節部４２１ａ〜４２１ｈの駆動が制御される。具体的には、力制御では、例えば術者が直接アーム部４２０に触れて行う、当該アーム部４２０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、術者の動作に追従するように）、制御装置４４０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に触れながら当該アーム部４２０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４２０に触れながら当該アーム部４２０を移動させる操作のことを、直接操作とも言う。
【００３９】
ここで、本実施形態では、アーム部４２０は、８つの回転軸を有し、アーム部４２０の駆動に関して８自由度を有するように構成されている。撮像部４２３に任意の位置及び姿勢を取らせるためには、撮像部４２３における並進３自由度及び回転３自由度の計６自由度の動きが実現されればよいため、アーム部４２０は、撮像部４２３の位置及び姿勢を一意に規定した場合であっても、自由に動作させることが可能な、冗長自由度を有している。
【００４０】
本実施形態では、このように、アーム部４２０が、冗長自由度を有するように構成される。そして、制御装置４４０は、この冗長自由度を利用して、アーム部４２０に複数のタスクを同時に実行させるように、当該アーム部４２０の駆動を制御する。従って、よりユーザにとって利便性の高い支持アーム装置４００が実現され得る。
【００４１】
なお、アーム部４２０の自由度については、下記（１−３．支持アーム装置の自由度）で改めて詳細に説明する。また、支持アーム装置４００の具体的な制御方法については、下記（４．支持アーム装置の制御方法）で改めて詳細に説明する。
【００４２】
（１−２．アクチュエータの構成）
図２を参照して、図１に示す支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｈ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に示す支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｈ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、本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。
【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、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、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５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４２１ａ〜４２１ｈ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４２１ａ〜４２１ｈ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４２０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４２０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４００の関節部４２１ａ〜４２１ｈ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４２１ａ〜４２１ｈ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。力制御が行われる場合には、支持アーム装置４００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〜４２１ｈの回転角度、及び各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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〜４２１ｈに作用するトルクには、アーム部４２０及び／又は撮像部４２３に作用する力も含まれ得る。
【００５１】
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、アーム部４２０の状態（位置、速度等）が取得され得る。支持アーム装置４００では、取得されたアーム部４２０の状態（アーム状態）に基づいて、アーム部４２０が所望のタスクを実行するために必要な、各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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〜４２１ｈ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、本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、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。
【００５３】
（１−３．支持アーム装置の自由度）
図１を参照して説明したように、本実施形態では、アーム部４２０は８自由度を有するように構成される。アーム部４２０の先端に設けられる撮像部４２３に任意の位置及び姿勢を取らせるためには、撮像部４２３における計６自由度の動きが実現されればよいため、アーム部４２０は、撮像部４２３の位置及び姿勢を一意に規定した場合であっても、その姿勢を変更することが可能な、冗長自由度を有していると言える。換言すれば、アーム部４２０は、撮像部４２３の位置及び姿勢の制御中に当該アーム部４２０の姿勢を変更可能に構成されている。
【００５４】
ここで、もしも支持アーム装置４００が、撮像部４２３の位置及び姿勢を任意に規定するための最低限の自由度（すなわち６自由度）しか持たない場合には、撮像部４２３の位置及び姿勢が一意に決定されると、アーム部４２０の姿勢も一意に決定されることとなる。例えば、図１に示すアーム部４２０の構成において、関節部４２１ｅ、４２１ｆ（第５軸Ｏ５及び第６軸Ｏ６）における回転が固定されている場合について考える。この場合、アーム部４２０は、６自由度を有するものとみなすことができる。この状態で、撮像部４２３の位置及び姿勢が一意に決定されると、アーム部４２０の姿勢も、所定の姿勢（例えば図１に示す姿勢）に決定されてしまい、他の姿勢を取る余裕は存在しない。
【００５５】
次に、例えば、図１に示すアーム部４２０の構成において、関節部４２１ｅ（第５軸Ｏ５）における回転が固定されている場合について考える。この場合、アーム部４２０は、７自由度を有する、すなわち、撮像部４２３の位置及び姿勢を保持するというタスクを実行するために必要な自由度に対して、１つの冗長自由度を有するものとみなすことができる。図３は、このような、図１に示すアーム部４２０において、７自由度が実現されている場合における、当該アーム部４２０の動作の一例を示す図である。
【００５６】
図３に示すように、７自由度を有する場合には、撮像部４２３の位置及び姿勢が一意に決定されたとしても、撮像部４２３の位置及び姿勢を保持したまま、アーム部４２０の関節部４２１ｂから関節部４２１ｇまでの構成を、関節部４２１ｂ及び関節部４２１ｇを通る直線を回転軸として回転させるように動かすことが可能になる。
【００５７】
更に、例えば、図１に示すアーム部４２０の構成において、全ての関節部４２１ａ〜４２１ｈが回転可能である場合について考える。この場合、アーム部４２０は、８自由度を有する、すなわち、撮像部４２３の位置及び姿勢を保持するというタスクを実行するために必要な自由度に対して、２つの冗長自由度を有するものとみなすことができる。図４は、このような、図１に示すアーム部４２０において、８自由度が実現されている場合における、当該アーム部４２０の動作の一例を示す図である。
【００５８】
図４に示すように、８自由度を有する場合には、７自由度を有する場合と同様に、撮像部４２３の位置及び姿勢を保持したまま、アーム部４２０の関節部４２１ｂから関節部４２１ｇまでの構成を、関節部４２１ｂ及び関節部４２１ｇを通る直線を回転軸として、回転させるように動かすことが可能になる。また、８自由度を有する場合には、これに加えて、関節部４２１ｄにおける回転（第５軸Ｏ５まわりの回転）により、アーム部４２０の関節部４２１ｂから関節部４２１ｇまでの構成を、その延伸方向に対して折り畳むように動かすことが可能になる。
【００５９】
このように、アーム部４２０が冗長自由度を有するように構成されることにより、支持アーム装置４００では、あるタスク（上記の例では、撮像部４２３の位置及び姿勢を保持するというタスク）を実行しつつ、アーム部４２０の姿勢を変化させ、他のタスクを実行することが可能になる。なお、以下の説明では、支持アーム装置４００において実行される複数のタスクを区別するために、これらのタスクに便宜的に番号を付し、第１タスク、第２タスク等と呼称することとする。
【００６０】
なお、上記の例では、第１タスクとして撮像部４２３の位置及び姿勢を保持するというタスクを設定しており、当該タスクを実行するためには６自由度が必要であるため、冗長自由度を有するアーム部４２０として、７自由度又は８自由度を有するアーム部４２０について説明した。ただし、これはあくまで一例であり、アーム部４２０が冗長自由度を有するためには、当該アーム部４２０は、第１タスクを実行するため必要な自由度よりも多い自由度を有していればよい。例えば、第１タスクを実行するため必要な自由度が５自由度であれば、６自由度以上の自由度を有するアーム部４２０が、冗長自由度を有するアーム部４２０であるとみなすことができる。
【００６１】
ここで、一般的に、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構造の運動は、下記数式（１）で表現され得る。ここで、ｘは、アーム構造を構成する各リンクの先端の位置を示す座標からなるベクトルであり、θは、各関節部における回転角度（関節部によって連結されている一のリンクに対する他のリンクの回転角度）を表すベクトルである。また、Ｊ（θ）は、ｘのθに関するヤコビ行列（ヤコビアン）である。
【００６２】
【数１】
2016179168.tif 000003
【００６３】
また、上記数式（１）を満たす解は、一般的に、下記数式（２）で表されることが知られている。なお、Ｊ＋（θ）はＪ（θ）の疑似逆行列である。
【００６４】
【数２】
2016179168.tif 000004
【００６５】
ここで、ｒ（ｔ）は第１タスクを表し、ｖ（ｔ）は第２タスクを表す。つまり、上記数式（２）の右辺第２項におけるｖ（ｔ）の係数（Ｉ−Ｊ＋（θ）Ｊ（θ））は、第１タスクｒ（ｔ）を実行した際に残される冗長性を表していると言える。
【００６６】
上記数式（２）は、冗長自由度を有するアーム部４２０においては、複数のタスクを同時に実行可能であることを意味している。このことを利用して、本実施形態では、同時に複数のタスクを実行するように、アーム部４２０の駆動が制御される。
【００６７】
例えば、上記（１−１．支持アーム装置の全体構成）で説明したように、支持アーム装置４００を用いた手術では、支持アーム装置４００によって撮像部４２３の位置及び姿勢が保持され、当該撮像部４２３によって撮影された画像が手術室内の表示装置に表示される。そして、術者が、当該表示装置に表示された術部の画像を参照しながら、手術を行う。このとき、撮像部４２３、及び当該撮像部４２３を支持するアーム部４２０は、術者と表示装置との間に位置し得るため、アーム部４２０によって表示装置を観察する術者の視野が遮られてしまう可能性がある。術者の視野が遮られてしまうと、手術の円滑な進行が妨げられてしまう恐れがあるため、このような事態は好ましくない。
【００６８】
一方、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、上述したように、撮像部４２３の位置及び姿勢を保持しつつ、アーム部４２０の姿勢を変更することができる。例えば、図３に示すように、アーム部４２０の関節部４２１ｂから関節部４２１ｇまでの構成を、関節部４２１ｂ及び関節部４２１ｇを通る直線を回転軸として回転させれば、当該構成を術者の視野から遠ざけることができる。同様に、例えば、図４に示すように、アーム部４２０の関節部４２１ｂから関節部４２１ｇまでの構成を、関節部４２１ｂ及び関節部４２１ｇを通る直線を回転軸として回転させるとともに、当該構成を、その延伸方向に対して折り畳むように動作させることにより、当該構成を術者の視界から更に遠ざけることができる。
【００６９】
このように、本実施形態に係る支持アーム装置４００では、冗長自由度を有することにより、撮像部４２３の位置及び姿勢を保持するというタスク（すなわち、撮像部４２３の視点保持というタスク）と、術者の視野領域確保という他のタスクを、同時に実行することが可能になる。このように、本実施形態によれば、複数のタスクが同時に実行されることにより、ユーザにとっての利便性をより向上させることができる。
【００７０】
更に、本実施形態に係る支持アーム装置４００では、好適に力制御によってアーム部４２０の駆動が制御され得る。従って、術者にとって、より直感的な操作が可能となるため、所望の複数のタスクを実行しつつ、より操作性の高い支持アーム装置４００が実現され得る。
【００７１】
なお、上述したタスクは、本実施形態に係る支持アーム装置４００のアーム部４２０によって実行され得るタスクのうちの一例であり、アーム部４２０は、他のタスクを実行してもよい。また、アーム部４２０が同時に実行するタスクの数は、２つに限定されず、アーム部４２０は、より多くのタスクを同時に実行してもよい。なお、本実施形態に係るアーム部４２０において実行され得るタスクの具体例については、下記（３．タスクの具体例）で改めて詳しく説明する。
【００７２】
また、アーム部４２０の構成は、図１に示すものに限定されない。アーム部４２０の構成（例えば、関節部の数、関節部における回転軸の方向、関節部の配置位置、リンクの数、及びリンクの長さ等）は、アーム部４２０によって実行されるタスクの種類に応じて、適宜設定されてよい。これは、タスクの種類に応じて、アーム部４２０に求められる可動範囲や姿勢が決定され得るからである。換言すれば、アーム部４２０の構成は、タスクに応じて決定される、アーム部４２０に求められる可動範囲や姿勢等を実現し得るように、適宜設定されてよい。
【００７３】
例えば、図１に示す構成では、アーム部４２０において、ピッチ軸が連続している部位（関節部４２１ｅ、４２１ｆ（第５軸Ｏ５及び第６軸Ｏ６））が存在しているが、アーム部４２０においては、ヨー軸とピッチ軸が交互に存在するように関節部が配置されてもよい。ヨー軸とピッチ軸が交互に存在するように構成されることにより、アーム部４２０の可動範囲をより広くすることができる。従って、より広い可動範囲が求められるタスクを実行する場合には、アーム部４２０は、ヨー軸とピッチ軸が交互に存在するように構成されることが好ましい。
【００７４】
一方、図４に示すように、アーム部４２０の一部にピッチ軸が連続して設けられることにより、当該ピッチ軸における回転によって、アーム部４２０を折り畳むように動作させることが可能になる。アーム部４２０を折り畳むように動作させることにより、空間上の所定の領域に干渉しないようにアーム部４２０を動作させることがより容易になる。従って、上記で例示した術者の視野領域確保のように、アーム部４２０が空間上の所定の領域に存在することが回避されることが求められるタスクを実行する場合には、アーム部４２０は、図４に示すように、ピッチ軸が連続して設けられる部位が少なくとも一部に存在するように構成されることが好ましい。
【００７５】
また、図１、図３及び図４に示す例では、関節部４２１ｅ、４２１ｆ（第５軸Ｏ５及び第６軸Ｏ６）が冗長軸として扱われていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。アーム部４２０の駆動を制御する際に、複数の関節部４２１ａ〜４２１ｈのうちのどの関節部を冗長軸として扱うかは、支持アーム装置４００が実行するタスクの種類に応じて、適宜設定されてよい。
【００７６】
また、上述したように、関節部４２１ａ〜４２１ｈに設けられるアクチュエータ４３０は、その回転運動における粘性抵抗係数を調整可能に構成され得る。このことを利用して、支持アーム装置４００が実行するタスクの種類に応じて、また、ユーザの操作性を考慮して、関節部４２１ａ〜４２１ｈごとに、その粘性係数が変更されてもよい。例えば、第１タスクが撮像部４２３の視点保持であり、第２タスクが術者の視野領域確保である場合であれば、関節部４２１ａ〜４２１ｈのうち第２タスクを実行するための回転軸に対応する関節部、すなわち、冗長軸に対応する関節部のみ、その粘性係数が小さい値に調整されてよい。この場合には、第１タスクを実行するためには、撮像部４２３の位置及び姿勢が容易に変化しないように、当該第１タスクを実行するための回転軸における回転はユーザによる直接操作によって容易に回転しないことが好ましく、第２タスクを実行するためには、アーム部４２０の一部（視野に干渉し得る部分）を容易に動かすことができるように、当該第２タスクを実行するための回転軸（すなわち冗長軸）における回転はユーザによる直接操作によって容易に回転することが好ましいと考えられるからである。
【００７７】
また、アーム部４２０は、その全ての関節部４２１ａ〜４２１ｈにアクチュエータ４３０が設けられなくてもよい。この場合には、アクチュエータ４３０が設けられる関節部に対応する回転軸は、当該アクチュエータ４３０の駆動に伴って能動的に回転する駆動軸であり、他の関節部に対応する回転軸は、駆動軸における回転に従動して回転する受動軸とみなすことができる。複数の関節部４２１ａ〜４２１ｈのうちのどの関節部を受動軸として構成するかは、アーム部４２０が実行するタスクの種類に応じて、当該タスクを実行可能なように適宜設定されてよい。一部の関節部を受動軸として構成することにより、アーム部４２０の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００７８】
（２．支持アーム装置の機能構成）
（２−１．制御の概要）
本実施形態に係る支持アーム装置４００の機能構成について説明するに先立ち、支持アーム装置４００の制御のために行われる処理の概要について説明する。ここでは、一例として、アーム部４２０が力制御によって駆動される場合における処理の概要について説明する。なお、以下に説明する支持アーム装置４００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、支持アーム装置４００のアーム部４２０の駆動が、冗長自由度を利用して複数のタスクを同時に実行するように制御されればよく、その具体的な制御方法は限定されない。アーム部４２０の駆動制御においては、各種の公知の制御理論が用いられてよい。
【００７９】
本実施形態では、支持アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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。この際、複数のタスクを同時に実行し得るように、各関節部４２１ａ〜４２１ｈに対する指令値が算出される。更に、外乱の影響を補正することにより指令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４２１ａ〜４２１ｈ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。
【００８０】
（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（例えば本実施形態においては図１に示すアーム部４２０）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。
【００８１】
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。
【００８２】
タスク（運動目的）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」や、「術者の視界確保」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。
【００８３】
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。
【００８４】
本実施形態では、アーム部４２０に複数のタスクが設定され得るが、各タスクに応じて、当該各タスクを実現するために必要な拘束条件が適宜設定され得る。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４２０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、「術者の視野確保」であれば、その拘束条件としては、アーム部４２０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こととなる。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設定される。
【００８５】
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、各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。
【００８６】
（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（３）で定義される。
【００８７】
【数３】
2016179168.tif 000005
【００８８】
なお、上記数式（３）は、上述した数式（１）をより抽象化して表現したものである。上記数式（１）で示したように、本実施形態では、例えば、ｘは、アーム部４２０のリンク４２２ａ〜４２２ｈの先端位置であり、ｑは、アーム部４２０の関節部４２１ａ〜４２１ｈ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（４）で記述される。
【００８９】
【数４】
2016179168.tif 000006
【００９０】
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（５）、（６）で表される。
【００９１】
【数５】
2016179168.tif 000007
【００９２】
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４２１ａ〜４２１ｈ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。
【００９３】
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（３）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（７）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。
【００９４】
【数６】
2016179168.tif 000008
【００９５】
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。
【００９６】
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（５）、（６）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（例えば、アーム部４２０）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。
【００９７】
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（８）で表現できる。
【００９８】
【数７】
2016179168.tif 000009
【００９９】
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（９）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）。
【０１００】
【数８】
2016179168.tif 000010
【０１０１】
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。
【０１０２】
ここで、本実施形態では、複数のタスクが与えられる際に、優先度が設定される。そして、タスクが競合する際には、当該優先度に基づいて、仮想力ｆｖが計算される。上記のＬＣＰを解くことにより仮想力ｆｖを求める方法であれば、例えば、優先度毎かつ低優先度から順に上記ＬＣＰを解き、前段のＬＣＰで得られた仮想力を次段のＬＣＰの既知外力として作用させることができる。
【０１０３】
（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（１０）で表現される。
【０１０４】
【数９】
2016179168.tif 000011
【０１０５】
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（１０）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、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、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。
【０１０６】
上記数式（１０）の上段は不定であり、例えば下記数式（１１）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。
【０１０７】
【数１０】
2016179168.tif 000012
【０１０８】
ここで、εは上記数式（１０）の上段の両辺の差であり、数式（１０）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（１１）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、外力に関する拘束条件を表現するのに用いられる。
【０１０９】
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（１２）のように表現される。
【０１１０】
【数１１】
2016179168.tif 000013
【０１１１】
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。
【０１１２】
上記数式（１１）、（１２）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（１１）から得られたｆｅ、Δｆｖを上記数式（１０）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を得ることができる。
【０１１３】
実際には、設定された各タスクに対応する拘束条件が、上記数式（１２）のように、適宜定式化されて設定される。
【０１１４】
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（１０）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（１０）の下段から、関節力τａについて以下の数式（１３）を得ることができる。
【０１１５】
【数１２】
2016179168.tif 000014
【０１１６】
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４２１ａ〜４２１ｈの運動における理論モデルに反映することにより、関節部４２１ａ〜４２１ｈが、所望のタスクを達成するように駆動される。
【０１１７】
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。
【０１１８】
（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４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｈに設けられるアクチュエータ４３０の運動は、下記数式（１４）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。
【０１１９】
【数１３】
2016179168.tif 000015
【０１２０】
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（１４）は、各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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。
【０１２１】
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４２１ａ〜４２１ｈ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（１４）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（１４）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４２０において所望の動作が実現されるはずである。
【０１２２】
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（１４）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４２０）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。
【０１２３】
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（１４）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（１４）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。
【０１２４】
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（１４）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。なお、このように、支持アーム装置４００のアクチュエータ４３０（すなわち関節部４２１ａ〜４２１ｈ）が上記数式（１４）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。
【０１２５】
図５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５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５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５に示すブロック図は、支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｈ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。
【０１２６】
図５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５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。
【０１２７】
演算器６３１は、上記数式（１４）に示すアクチュエータ６１０（すなわち、関節部４２１ａ〜４２１ｈ）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（１４）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。
【０１２８】
ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（１４）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（１４）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（１４）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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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５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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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４２１ａ〜４２１ｈ（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。
【０１３６】
以上説明した処理が、支持アーム装置４００のアーム部４２０を構成する各関節部４２１ａ〜４２１ｈ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４２０が所望のタスクを実現するように、アーム部４２０の動作が高精度に制御され得る。
【０１３７】
以上、図５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４２１ａ〜４２１ｈ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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
（２−２．機能構成）
図６を参照して、図１に示す本実施形態に係る支持アーム装置４００の機能構成について説明する。図６は、本実施形態に係る支持アーム装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。なお、図６では、支持アーム装置と、当該支持アーム装置の撮像部によって撮影された画像が表示される表示装置と、を含む、観察システムの機能構成を図示している。
【０１４０】
図６を参照すると、本実施形態に係る観察システム１は、支持アーム装置１０と、表示装置３０と、を含む。また、支持アーム装置１０は、アーム部１１０と、撮像部１４０と、制御装置２１０と、を備える。
【０１４１】
図６に示すアーム部１１０、撮像部１４０及び制御装置２１０は、それぞれ、図１に示すアーム部４２０、撮像部４２３及び制御装置４４０に対応するものである。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６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。図示を省略している他の関節部１３０も同様の機能構成を有する。また、実際には、図１に示す構成と同様に、撮像部１４０はアーム部１１０の先端に取り付けられるが、図６では、撮像部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と撮像部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。
【０１４２】
（表示装置３０）
表示装置３０は、各種の情報を表示画面上にテキスト、イメージ等様々な形式で表示することにより、当該各種の情報をユーザに対して視覚的に通知する装置である。本実施形態においては、表示装置３０は、手術室内に設置され、支持アーム装置１０の撮像部１４０によって撮影された術部の画像を表示する。この際、表示装置３０は、撮影した術部の画像を適当な倍率で拡大して表示してもよい。術者は、表示装置３０に表示された術部の画像を参照しながら、当該術部に対して各種の処理を行う。
【０１４３】
例えば、表示装置３０は、撮像部１４０によって取得された画像信号に対して各種の画像処理を施す画像信号処理部（図示せず。）や処理された画像信号に基づく画像を表示画面上に表示させる制御を行う表示制御部（図示せず。）等の機能を有する。その他、表示装置３０は、一般的な表示装置が有する各種の機能を有してもよい。
【０１４４】
具体的には、表示装置３０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、公知の各種の表示装置が用いられてよい。また、撮像部１４０と表示装置３０との間の通信は、有線又は無線の各種の公知の方式で実現されてよい。
【０１４５】
なお、上述した画像信号に対する画像処理は、必ずしも表示装置３０において行われなくてもよい。例えば、撮像部１４０に、上記の画像処理を行うための処理回路が設けられてもよく、上記の画像処理は、撮像部１４０の当該処理回路によって行われてもよい。あるいは、撮像部１４０によって取得された画像信号が一旦制御装置２１０に提供され、制御装置２１０によって上記の画像処理が行われてもよい。
【０１４６】
（支持アーム装置１０）
（撮像部１４０）
撮像部１４０は、術部を観察するための観察ユニットの一例であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等によって構成される。撮像部１４０は、いわゆるビデオ式顕微鏡であり得る。撮像部１４０は、アーム部１１０の先端に取り付けられており、アーム部１１０の駆動が制御されることにより、撮像部１４０が観察対象である患者の術部を撮影するように、撮像部１４０の位置及び姿勢が制御される。
【０１４７】
撮像部１４０によって撮影された術部についての画像信号は、表示装置３０に送信される。送信された画像情報に基づいて表示装置３０に患者の術部の画像が表示される。なお、撮像部４２３の具体的な構成としては、各種の公知のビデオ式顕微鏡の構成を適用できるため、ここではその詳細な説明は省略する。
【０１４８】
（アーム部１１０の関節部１３０）
アーム部１１０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。
【０１４９】
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である。関節駆動部１３１は、例えば、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。
【０１５０】
関節駆動部１３１は、後述する制御装置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、後述する制御装置２１０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５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。
【０１５１】
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、発生トルク等の情報が含まれる。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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２１０のアーム状態取得部２４１に提供する。
【０１５４】
（制御装置２１０）
制御装置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、を有する。制御装置２１０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。
【０１５５】
（全身協調制御部２４０）
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、を有する。なお、全身協調制御部２４０が行う処理は、上記（２−１−１．一般化逆動力学について）で説明した一連の処理に対応している。
【０１５６】
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及び撮像部１４０の位置及び姿勢、並びに、現在アーム部１１０及び撮像部１４０に作用している力等が把握され得る。
【０１５７】
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、発生トルク等の情報を取得している。また、制御装置２１０には、制御装置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１１０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２１０は、関節部１３０の状態、及び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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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１１０に実行させたいタスクや、上記（２−１−１．一般化逆動力学について）で説明した当該タスクに応じた操作空間ｘの位置等の目標値、対応する当該タスクに対応する拘束条件等が設定される。本実施形態では、演算条件設定部２４２は、複数のタスクと、これら複数のタスクにそれぞれ対応する拘束条件を設定する。
【０１６０】
例えば、制御装置２１０に設けられる記憶部（図示せず）に、アーム部１１０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、当該記憶装置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。図６では、演算条件設定部２４２によって設定され得るタスク及び拘束条件として、第１タスク（運動目的１）及び当該第１タスクに対応する拘束条件１と、第２タスク（運動目的２）及び当該第２タスクに対応する拘束条件２と、が模擬的に図示されている。
【０１６１】
実際にアーム部１１０にどのようなタスクを実行させるかは、例えば制御装置２１０に設けられる入力部（図示せず）を介して、ユーザによって適宜設定され得る。演算条件設定部２４２は、ユーザ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、並びに設定した運動目的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１１０の各関節部１３０に作用する仮想力を算出する。例えば、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。
【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】
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１１０の各関節部１３０に実際に作用する実在力を算出する。例えば、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。
【０１６６】
上記（２−１−１−２．実在力算出処理）で説明したように、実在力算出部２４４によって算出される実在力は、関節部１３０によって発生すべき発生トルクτａであり得る。実在力算出部２４４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２５０に提供する。なお、本実施形態においては、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτａのことを、全身協調制御における関節部１３０の制御値という意味で、制御値とも呼称する。
【０１６７】
（理想関節制御部２５０）
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。
【０１６８】
外乱推定部２５１は、図５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（１４）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１１０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。
【０１６９】
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（１４）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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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、所望のタスク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。
【０１７３】
以上、図６を参照して、本実施形態に係る観察システム１、特に支持アーム装置１０の機能構成について説明した。
【０１７４】
なお、図６に示す機能構成は、本実施形態に係る観察システム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、観察システム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。観察システム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。
【０１７５】
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、支持アーム装置１０によって処理される各種の情報を記憶する記憶部や、ユーザが支持アーム装置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。当該記憶部は、例えば、ＨＤＤ等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイス等の各種の記憶装置により構成され得る。また、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。
【０１７６】
また、例えば、支持アーム装置１０の制御装置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。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２１０と同等の機能が実現されてもよい。
【０１７７】
また、図６に示す本実施形態に係る観察システム１、特に支持アーム装置１０の制御装置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。
【０１７８】
（３．タスクの具体例）
以上説明したように、本実施形態に係る支持アーム装置１０においては、アーム部１１０の駆動制御に際し、複数のタスクが設定され、これら複数のタスクを同時に実現するように、アーム部１１０が駆動される。タスクとしては、例えば以下のものが想定される。本実施形態では、以下に例示するタスクの中から、２以上のタスクが、アーム部１１０の駆動制御の際のタスクとして設定され得る。
【０１７９】
（３−１．撮像部の視点保持）
「撮像部の視点保持」というタスクが設定された場合には、例えば外力が加えられた場合であっても、撮像部１４０の位置及び姿勢を変化させないように、アーム部１１０の駆動が制御される。この場合には、拘束条件として、アーム部１１０の手先位置及び手先姿勢が現在の位置及び姿勢から変化しないように、当該アーム部１１０の手先位置及び手先姿勢に対して制限が課せられる。
【０１８０】
（３−２．ピボット動作）
「ピボット動作」というタスクが設定された場合には、撮像部１４０がピボット動作を行うように、アーム部１１０の駆動が制御される。ここで、ピボット動作とは、撮像部１４０が、空間上の所定の点を常に向いた状態で（すなわち、撮像部１４０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、撮像部１４０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、ピボット動作における中心を表す点であることから、ピボット中心とも言う。当該所定の点を、患者の術部に設定すれば、撮像部１４０が当該術部を撮影したまま当該術部の周囲を旋回するように動作することとなるため、当該術部を様々な方向から観察することが可能になる。
【０１８１】
なお、アーム部１１０の先端に取り付けられる観察ユニットが内視鏡であり、当該内視鏡に対してピボット動作が行われる場合には、ピボット中心は、例えば、患者の身体に対するトロッカーの挿入口付近に設定される。これにより、内視鏡は、挿入位置を中心としてピボット動作を行うこととなる。
【０１８２】
「ピボット動作」というタスクが設定された場合には、拘束条件としては、撮像部１４０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、当該撮像部１４０の位置に対して制限が課せられる。また、撮像部１４０が常にピボット中心を向くように、撮像部１４０の姿勢（向き）に対して制限が課せられる。なお、「撮像部の視点保持」及び「ピボット動作」は、撮像部の位置及び姿勢を制御するためのタスクに対応する。
【０１８３】
（３−３．視野領域の確保）
「視野領域の確保」というタスクが設定された場合には、アーム部１１０がユーザの視界を遮らないように、アーム部１１０の駆動が制御される。この場合には、例えば、拘束条件として、ユーザの視野領域となり得ることが想定される空間上の所定の領域が設定され、アーム部１１０が当該視野領域に侵入しないように、アーム部１１０の位置及び姿勢に対して制限が課せられる。すなわち、視野領域が侵入禁止領域として設定され、当該侵入禁止領域に侵入しないようにアーム部１１０の駆動が制御される。これにより、術者の視界が遮られることなく、術者はより円滑に手術を行うことが可能になる。なお、「視野領域の確保」が設定された際のアーム部１１０の具体的な制御方法については、下記（５−１．「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合）で詳細に説明する。
【０１８４】
（３−４．特異姿勢回避）
「特異姿勢回避」というタスクが設定された場合には、アーム部１１０が特異姿勢を取らないように、アーム部１１０の駆動が制御される。ここで、特異姿勢とは、制御上計算が発散してしまい、アーム部１１０の安定的な制御が不可能になる姿勢のことである。例えば、アーム構造であれば、手首特異姿勢、肩特異姿勢、肘特異姿勢等が存在することが知られている。特異姿勢は、アーム部１１０の構成（関節数、可動範囲等）に応じて決定される。
【０１８５】
「特異姿勢回避」というタスクが設定された場合には、拘束条件として、アーム部１１０が、当該アーム部１１０の構成に基づいて予め設定される特異姿勢を取らないように、当該アーム部１１０の姿勢に対して制限が課せられる。
【０１８６】
（３−５．機構制限姿勢回避）
「機構制限姿勢回避」というタスクが設定された場合には、アーム部１１０が機構的に不可能な姿勢（以下、機構制限姿勢と言う）を取らないように、アーム部１１０の駆動が制御される。アーム部１１０を構成する各関節部１３０には、回転可能範囲が存在し得るため、アーム部１１０には、機構的に不可能な姿勢が存在し得る。「機構制限回避」というタスクが設定された場合には、拘束条件として、アーム部１１０が、当該アーム部１１０の構成に基づいて予め設定される機構制限姿勢を取らないように、当該アーム部１１０の姿勢に対して制限が課せられる。なお、「機構制限姿勢回避」が設定された際のアーム部１１０の具体的な制御方法については、下記（５−２．「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合）で詳細に説明する。
【０１８７】
（３−６．エネルギー最小化）
「エネルギー最小化」というタスクが設定された場合には、他のタスクを実行するためにアーム部１１０の姿勢が変化する際に、アーム部１１０における消費エネルギーができるだけ少なくなるように、アーム部１１０の駆動が制御される。この場合には、他のタスクを実現し得るアーム部１１０の姿勢の候補について、それぞれ、現在のアーム部１１０の姿勢からの各関節部１３０の回転角度の変化量が計算され、アーム部１１０が当該回転角度の変化量が最も小さい姿勢を取るように、当該アーム部１１０の駆動が制御され得る。
【０１８８】
以上、アーム部１１０の駆動制御に際して設定され得るタスクのいくつかの具体例について説明した。本実施形態では、以上例示したような複数のタスクのうちのいくつかが、可能な範囲で互いに組み合わされて、アーム部１１０の駆動制御に対して設定される。アーム部１１０は冗長自由度を有するように構成されるため、設定された複数のタスクが同時に実行されるように、当該アーム部１１０の駆動を制御することができる。従って、アーム部１１０に対して、よりユーザの要望に沿った動作を行わせることが可能となるため、ユーザの利便性を向上させることができる。
【０１８９】
また、本実施形態では、アーム部１１０の駆動は好適に力制御によって制御される。従って、ユーザにとってより直感的で、操作性の高い操作が可能となる。このように、本実施形態によれば、複数のタスクを同時に実行しつつ、より操作性の高い支持アーム装置が提供され得る。
【０１９０】
なお、アーム部１１０に対して設定されるタスクの組み合わせは、支持アーム装置１０の用途等に応じて、ユーザによって適宜選択されてよい。例えば、「撮像部の視点保持」及び「視野領域の確保」が、好適に第１タスク及び第２タスクとして、設定され得る。また、他の例としては、「ピボット動作」及び「特異姿勢回避」が、好適に第１タスク及び第２タスクとして、設定され得る。
【０１９１】
なお、上述したタスクはあくまで例示であって、本実施形態では、アーム部１１０に対して他のタスクが設定されてもよい。アーム部１１０に対しては、一般的な支持アーム装置のアーム部の駆動制御に際して設定され得る各種のタスクが設定されてよい。
【０１９２】
また、アーム部１１０に対して設定されるタスクは、支持アーム装置１０の用途、特にアーム部１１０の先端に設けられる医療用器具の種類に応じて適宜選択されてもよい。例えば、アーム部１１０の先端に内視鏡が取り付けられる場合であれば、内視鏡の患者の身体への挿入位置を保持する旨のタスクが設定され、内視鏡の挿入位置が現在の状態から変化しないようにアーム部１１０の駆動が制御されてもよい。
【０１９３】
（４．支持アーム装置の制御方法）
図７を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置の制御方法の処理手順について説明する。図７は、本実施形態に係る支持アーム装置の制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。
【０１９４】
なお、図７に示す各処理は、図６に示す支持アーム装置１０の制御装置２１０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２１０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７に示す各処理が実行される。図７に示す各処理の詳細については、上記（２．支持アーム装置の機能構成）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。
【０１９５】
図７を参照すると、本実施形態に係る支持アーム装置１０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６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１１０の運動の状態のことであり、例えばアーム部１１０の位置、速度、加速度、力等である。なお、ステップＳ１０１に示す処理は、図６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。
【０１９６】
次に、アーム部１１０に実行させたい複数のタスクに対応する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複数のタスク、及び当該複数のタスクにそれぞれ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１１０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。なお、ステップＳ１０３に示す処理は、図６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。
【０１９７】
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Ｓ１０５）。ステップＳ１０５では、まず、ステップＳ１０３において設定された複数のタスクを同時に実行するために必要な、アーム部１１０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複数のタスクを同時に実行するために必要な、アーム部１１０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、関節部１３０における発生トルクτａが算出される。なお、ステップＳ１０５に示す処理は、図６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。
【０１９８】
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Ｓ１０７）。ステップＳ１０７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が算出される。なお、ステップＳ１０７に示す処理は、図６に示す理想関節制御部２５０（すなわち、外乱推定部２５１及び指令値算出部２５２）によって実行される処理に対応している。
【０１９９】
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Ｓ１０９）。このとき、トルク指令値τとしては、ステップＳ１０３において設定された複数のタスクを同時に実現し得るような、各関節部１３０に対するトルク指令値τが算出されている。従って、ステップＳ１０９では、算出されたトルク指令値τに基づいて各関節部１３０が駆動されることにより、複数のタスクを同時に実行し得るように、アーム部１１０が駆動されることとなる。
【０２００】
以上、図７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。
【０２０１】
（５．制御方法の具体例）
いくつかのタスクを例に挙げて、具体的なタスクが設定された場合における支持アーム装置１０の制御方法について説明する。ここでは、具体例として、「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合、及び「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合についてそれぞれ説明する。
【０２０２】
（５−１．「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合）
図８を参照して、「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合における、支持アーム装置１０の制御方法の処理手順について説明する。ここでは、一例として、第１タスクとして「撮像部の視点保持」が設定され、第２タスクとして「視野領域の確保」が設定された場合における処理手順について説明する。
【０２０３】
図８は、「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合における、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の一例を示すフロー図である。なお、図８に示す各処理は、図７に示すフロー図を、具体的なタスクである「視野領域の確保」に対応してより詳細に記載したものである。すなわち、図８に示す各処理は、図６に示す支持アーム装置１０の制御装置２１０によって実行される各処理に対応している。
【０２０４】
図８を参照すると、本実施形態に係る支持アーム装置１０の制御方法では、まず、手術の実行に先立ち、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５に示す処理が実行される。ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５に示す処理は、「視野領域の確保」を実行するための、視野領域を設定する処理に対応する。具体的には、ステップＳ２０１では、手術室内に設けられる、支持アーム装置１０の撮像部１４０によって撮影された術部の様子が表示されるモニタの位置が設定される。次いで、ステップＳ２０３では、手術時に当該モニタを観察する術者の両目の位置が設定される。そして、ステップＳ２０５では、設定されたこれらの位置の情報に基づいて、視野領域が算出され、設定される。
【０２０５】
本実施形態では、支持アーム装置１０の制御装置２１０は、視野領域を算出する算出部、及び当該算出部による算出結果に基づいて視野領域についての情報を取得する取得部を有してよい。上述したステップＳ２０５における処理は、当該算出部及び取得部によって実行され得る。
【０２０６】
図９を参照して、視野領域の設定処理についてより詳細に説明する。図９は、視野領域の設定処理について説明するための説明図である。
【０２０７】
図９では、術者５０１が、手術台５０３上に横臥している患者５０５に対して手術を行っている様子を図示している。図面が煩雑になることを避けるために図示を省略しているが、手術室内には図６に示す支持アーム装置１０が設置されており、当該支持アーム装置１０の撮像部１４０によって術部の様子が撮影されている。手術室内の壁面にはモニタ５０７が設けられており、撮像部１４０によって撮影された術部の様子は、当該モニタ５０７に表示される。モニタ５０７は、術者５０１と対向する位置に設けられており、術者５０１は、モニタ５０７を介して術部を観察しながら手術を行う。
【０２０８】
このように、術者５０１、患者５０５（すなわち、手術台５０３）及びモニタ５０７の位置関係は、手術中においてほぼ一定であり得る。つまり、手術室内における術者５０１、手術台５０３及びモニタ５０７の位置関係は、手術前に、事前に予測され得る。
【０２０９】
本実施形態では、事前に予測されるこれらの位置関係に基づいて、図８に示すステップＳ２０１及びステップＳ２０３において、モニタ５０７の３次元的な位置及び術者５０１の両目の３次元的な位置を、支持アーム装置１０の制御装置２１０に設定する。そして、ステップＳ２０５において、制御装置２１０の上記算出部が、これらの位置に基づいて、視野領域を算出する。算出部によって算出された視野領域についての情報が上記取得部によって取得され、当該取得部が、取得した情報に基づいて視野領域を設定する。
【０２１０】
視野領域は、例えば、図９に示すように、術者５０１の両目の位置と、モニタ５０７の表示面とを結ぶ線分から所定の範囲の領域５０９（すなわち、当該線分を中心とする円柱形状の領域５０９）として算出され得る。ステップＳ２０１及びステップＳ２０３においてモニタ５０７及び術者５０１の両目の３次元的な座標が設定されているため、制御装置２１０は、これらの情報に基づいて視野領域５０９を算出することができる。なお、視野領域５０９の具体的な大きさ（すなわち、円柱の径）は、一般的なヒトの視野範囲や、術者５０１とモニタ５０７との距離等を考慮して、適宜設定されてよい。
【０２１１】
ここで、制御装置２１０は、モニタ５０７の位置、術者５０１の両目の位置及び視野領域５０９を、アーム部１１０の駆動制御に用いる内部モデルと同一の座標系上に設定する。すなわち、制御装置２１０は、アーム部１１０の位置情報と紐付けて、モニタ５０７の位置、術者５０１の両目の位置及び視野領域５０９の位置を設定する。従って、制御装置２１０は、設定した視野領域５０９とアーム部１１０との位置関係を把握することができる。
【０２１２】
なお、図９に示す視野領域５０９の形状は一例であり、視野領域５０９はかかる例に限定されない。例えば、視野領域５０９は、術者５０１の両目の間の中心位置を頂点とし、モニタ５０７の表示面を底面とする錐体（円錐又は四角錐等）として設定されてもよい。
【０２１３】
図８に戻り、制御方法の処理手順についての説明を続ける。以下に説明するステップＳ２０７〜ステップＳ２１９における処理が、手術中におけるアーム部１１０の具体的な制御方法に対応する。
【０２１４】
手術が開始され、術者５０１が視点を変更するために撮像部１４０を移動させると、当該撮像部１４０の移動が検出される（ステップＳ２０７）。具体的には、ステップＳ２０７における処理は、図６に示す関節状態検出部１３２によって撮像部１４０の移動が検出され、アーム状態取得部２４１によってアーム状態が取得される処理に対応している。
【０２１５】
次に、取得されたアーム状態に基づいて、ステップＳ２０５で設定された視野領域５０９とアーム部１１０が干渉していないか（すなわち、アーム部１１０のいずれかの部位が視野領域５０９に侵入していないか）が判定される（ステップＳ２０９）。上述したように、視野領域５０９は、内部モデルと同一の座標系上に設定されているため、制御装置２１０は、視野領域５０９とアーム部１１０との干渉を判断することができる。
【０２１６】
ステップＳ２０９で視野領域５０９とアーム部１１０が干渉していると判定された場合には、ステップＳ２１１に進み、第１タスク（図示する例では、「撮像部の視点保持」）が設定される。更に、ステップＳ２１３に進み、第２タスク（図示する例では、「視野領域の確保」）が設定される。そして、設定された複数のタスクを実現するような制御値（すなわち、各関節部１３０における発生トルク）が算出され、算出された制御値に基づいてアーム部１１０が駆動される（ステップＳ２１７）。
【０２１７】
ここで、ステップＳ２１１及びステップＳ２１３、並びに後述するステップＳ２１５における「タスクの設定」とは、具体的には、上述した数式（２）におけるｒ（ｔ）及びｖ（ｔ）を設定する処理に対応する。すなわち、ステップＳ２０９で視野領域５０９とアーム部１１０が干渉していると判定された場合には、ステップＳ２１１で上記数式（２）におけるｒ（ｔ）に「撮像部の視点保持」に対応する変数が設定され、ステップＳ２１３で上記数式（２）におけるｖ（ｔ）に「視野領域の確保」に対応する変数が設定されることとなる。そして、ステップＳ２１７における制御値を算出する処理は、このように第１タスク及び第２タスクに応じた変数ｒ（ｔ）、ｖ（ｔ）が設定された上記数式（２）を解き、各関節部１３０における回転角度等を求める処理に対応している。
【０２１８】
なお、ステップＳ２１３における処理では、例えば、アーム部１１０の状態を示すアーム状態と視野領域５０９についての情報に基づいて、当該視野領域５０９と、アーム部１１０を構成する各リンクとの距離が最大になるように、変数ｖ（ｔ）が設定される。図１０は、視野領域とアーム部との距離について説明するための説明図である。図１０では、アーム部５１０と視野領域５１５を模擬的に図示している。簡単のため、簡略化して図示しているが、アーム部５１０は図１に示すアーム部４２０や図６に示すアーム部１１０に対応するものであり、視野領域５１５は図９に示す視野領域５０９に対応するものである。
【０２１９】
図示する例では、アーム部５１０は、複数のリンク５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃ、５１２ｄの端同士が、関節部５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃによって互いに連結されて構成されている。ステップＳ２１３では、例えば、視野領域５１５の中心から各リンク５１２ａ〜５１２ｄに下した垂線の長さが、視野領域５１５と各リンク５１２ａ〜５１２ｄとの距離として算出され、これらの距離の合計が最大になるように、変数ｖ（ｔ）が設定される。図１０では、一例として、視野領域５１５の中心からリンク５１２ｂ、５１２ｃに下した垂線を図示している。これにより、視野領域５１５にアーム部５１０が侵入しないような変数ｖ（ｔ）が設定されることとなる。
【０２２０】
一方、ステップＳ２０９で視野領域５０９とアーム部１１０が干渉していないと判定された場合には、アーム部１１０の駆動制御を行う際（すなわち、各関節部１３０における制御値を算出する際）に、「視野領域の確保」を考慮する必要がない。従って、この場合には、ステップＳ２１１に進み、第１タスク（図示する例では、「撮像部の視点保持」）が設定される。すなわち、上記数式（２）において、ｒ（ｔ）に「撮像部の視点保持」に対応する変数が設定され、ｖ（ｔ）にはゼロが設定される。そして、ステップＳ２１７に進み、このように第１タスクに応じた変数ｒ（ｔ）のみが設定された数式（２）に基づいて制御値が算出され、当該制御値に基づいてアーム部１１０が駆動される。
【０２２１】
なお、ステップＳ２１１、ステップＳ２１３及びステップＳ２１５に示す処理は、図６に示す演算条件設定部２４２によって行われる処理に対応している。また、ステップＳ２１７に示す処理は、図６に示す仮想力算出部２４３、実在力算出部２４４、外乱推定部２５１、指令値算出部２５２及び駆動制御部２６０によって行われる処理に対応している。
【０２２２】
ステップＳ２１７においてアーム部１１０が制御値に基づいて駆動されると、手術が終了したかどうか判定される（ステップＳ２１９）。ステップＳ２１９において手術が終了していないと判定された場合には、ステップＳ２０７に戻り、ステップＳ２０７〜ステップＳ２１７に示す処理が繰り返し実行される。このように、手術中には、ステップＳ２０７〜ステップＳ２１７に示す処理が、例えば数ｍｓごとに繰り返し実行され、アーム部１１０の駆動が随時制御される。一方、ステップＳ２１９において手術が終了したと判定された場合には、アーム制御に係る一連の処理が終了する。
【０２２３】
以上、図８を参照して、「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合における、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。
【０２２４】
ここで、上述した例では、モニタ５０７の位置及び術者５０１の両目の位置に基づいて視野領域５０９が算出されていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、視野領域５０９は、撮像部１４０の位置及び姿勢に基づいて算出されてもよい。一般的に、撮像部１４０のようなビデオ式顕微鏡を用いた手術では、術者５０１による術部の観察のしやすさを考慮して、術者５０１が直接術部を観察する際の観察方向と、撮像部１４０による術部の観察方向（撮影方向）とが略一致するように（すなわち、術者５０１の目と術部とを結ぶ線分が、撮像部１４０の光軸と略一致するように）、撮像部１４０の位置及び姿勢が術者５０１によって調整されることが多い（後述する図１３も参照）。従って、撮像部１４０の位置及び姿勢が定まれば、当該撮像部１４０に対する術者５０１の位置が予測され得る。また、術者５０１は、モニタ５０７の正面に位置する可能性が高いため、術者５０１の位置が予測できれば、モニタ５０７の位置も予測することができる。従って、制御装置２１０の上記算出部は、術部を撮影する際の撮像部１４０の位置及び姿勢に基づいて、術者５０１の位置及びモニタ５０７の設置位置を算出し、その結果に基づいて上記取得部が視野領域５０９を設定してもよい。このように、制御装置２１０の当該算出部は、少なくとも支持アーム装置１０の位置情報に基づいて、視野領域５０９を算出することができる。
【０２２５】
あるいは、視野領域５０９は、手術室内における支持アーム装置１０及びモニタ５０７の位置に応じて、術者により適宜設定されてもよい。この場合には、制御装置２１０には上述した算出部の機能は設けられなくてもよく、上記取得部が、任意の入力装置を介して術者によって入力される視野領域５０９についての情報を取得するように、制御装置２１０が構成されればよい。
【０２２６】
また、上述した例では、手術前に、事前に視野領域５０９が算出、設定されていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、視野領域５０９は、手術中に随時設定されてもよい。例えば、アーム部１１０に、アーム部１１０と周囲の物体との距離を計測する非接触の距離センサが設けられてもよく、制御装置２１０は、当該距離センサによる検出結果に基づいてアーム部１１０に対する術者５０１の位置を推定し、その推定結果に応じて視野領域５０９を設定してもよい。あるいは、手術室内に、手術室全体の様子を撮影する術場カメラが設置されている場合には、制御装置２１０は、当該術場カメラの映像に基づいて術者５０１及びモニタ５０７の位置を検出し、その検出結果に応じて視野領域５０９を設定してもよい。あるいは、例えばモニタ５０７に術者５０１の視線を検出するためのセンサが設けられてもよく、制御装置２１０は、当該視線検出センサの検出結果に応じて視野領域５０９を設定してもよい。あるいは、手術に関する各種の情報をリアルタイムで参照しながら手術を行うために、術者５０１が眼鏡型のウェアラブルデバイスや透過型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）を装着して手術を行うことも想定される。この場合には、当該ウェアラブルデバイスや当該ＨＭＤに搭載されているカメラの映像が、術者５０１の視界（すなわち、視野領域５０９）を表していると言える。従って、この場合には、制御装置２１０は、当該ウェアラブルデバイスや当該ＨＭＤに搭載されているカメラの映像に基づいて視野領域５０９を設定してもよい。
【０２２７】
なお、このように、視野領域５０９が手術中に随時設定される場合には、支持アーム装置１０の制御方法では、図８に示すフロー図において、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５に示す処理が実行されず、ステップＳ２０７の前段又は後段において、上述したような手法により視野領域５０９の設定処理が行われればよい。
【０２２８】
また、上述した例では、視野領域５０９を設定することにより「視野領域の確保」が実現されていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、具体的な視野領域５０９が設定されていない場合であっても、術者の視野を確保するために好ましいアーム部１１０の姿勢（以下、視野確保姿勢と言う）が予め設定されていてよく、「視野領域の確保」では、他のタスクを実行した上で可能な限りアーム部１１０が当該視野確保姿勢に近い姿勢になるように、アーム部１１０の駆動が制御されてもよい。視野確保姿勢としては、例えば、アーム部１１０の肘位置が可能な限り低くなるような姿勢が設定され得る。図９に示すように、手術時には、術者５０１は自身の下方に位置する術部に対して処置を行うため、術者５０１の視野は比較的高い位置に位置することが想定される。従って、アーム部１１０の肘位置が可能な限り低くなるように当該アーム部１１０の姿勢が制御されることにより、視野領域５０９が具体的に設定されていない場合であっても、術者５０１の視野を確保することが可能となる。
【０２２９】
また、上述した例では、「視野領域の確保」が、制御装置２１０による能動的な制御により実現されていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、「視野領域の確保」は、アーム部１１０の回転軸のうちの冗長軸まわりの回転が、術者５０１による操作に従って行われることにより実現されてもよい。当該操作は、術者５０１による直接操作であってもよいし、フットスイッチ等の入力装置を介した操作であってもよい。直接操作による場合には、アーム部１１０の関節部のうち冗長軸に対応する関節部が、自重以外の外力が加えられた場合には当該外力に従って回転し、当該外力が与えられなくなった場合にはその時点での姿勢を保持するように、その駆動が制御され得る。この際、アーム部１１０の駆動は力制御によって制御され得るため、ユーザは、直接操作によって、自身の視界からアーム部１１０が外れるように、より直感的にアーム部１１０の姿勢を変化させることができる。また、入力装置を介した操作による場合には、アーム部１１０の関節部のうち冗長軸に対応する関節部が、当該入力装置を介した操作に応じて適宜回転するように制御され得る。
【０２３０】
ここで、上記の説明では、「視野領域の確保」は、あくまで術者の視野領域を確保するためのタスクだったが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、「視野領域の確保」は、より一般的に、術者の作業領域が確保され得るタスクに拡張されてもよい。ここで、作業領域とは、手術中における術者の作業に係る領域のことであり、視野領域に加えて、術者が患者に対して各種の処置を行うための術者の手元の空間等も含む領域のことである。つまり、本実施形態では、上述した「視野領域の確保」に係る各処理において、視野領域の代わりに、より広い作業領域が設定されてもよい。これにより、視野領域だけでなく、例えば術者の手元の空間のような、術者の作業全般に係る領域へのアーム部１１０の干渉が防止されるため、術者は、より円滑に手術を行うことが可能になる。
【０２３１】
（５−２．「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合）
「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合における、支持アーム装置１０の制御方法について説明する。ここでは、一例として、第１タスクとして「撮像部の視点保持」が設定され、第２タスクとして「機構制限姿勢回避」が設定された場合における処理手順について説明する。
【０２３２】
「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合にも、上述した「視野領域の確保」が設定された場合と同様に、上記数式（２）におけるｒ（ｔ）に「撮像部の視点保持」に対応する変数が設定され、ｖ（ｔ）に「機構制限姿勢回避」に対応する変数が設定される。そして、制御装置２１０が、このように第１タスク及び第２タスクに応じた変数ｒ（ｔ）、ｖ（ｔ）が設定された上記数式（２）を解き、各関節部１３０における制御値を算出する。制御装置２１０が、当該制御値に従って各関節部１３０を駆動させることにより、「撮像部の視点保持」及び「機構制限姿勢回避」をともに実現するように、アーム部１１０が駆動されることとなる。
【０２３３】
「機構制限姿勢回避」に応じて変数ｖ（ｔ）を設定する処理では、例えば、下記数式（１５）に示す評価関数ｐ（ｑ）が最小になるように、下記数式（１６）に従って変数ｖ（ｔ）が設定され得る。
【０２３４】
【数１４】
2016179168.tif 000016
【０２３５】
ここで、ｉは各関節部１３０を表す番号であり、ｑｉはｉ番目の関節部１３０における回転角度であり、ｑｃｉはｉ番目の関節部１３０における回転角度の可動範囲の中心値であり、Δｑｉはｉ番目の関節部１３０における回転角度の可動範囲である。つまり、上記数式（１５）に示す評価関数ｐ（ｑ）は、各関節部１３０についてその回転角度の可動範囲の中心からの偏差を可動範囲で正規化し、その総和を求めたものに対応する。当該評価関数を用いて、上記数式（１６）に従って各関節部１３０における回転角度の可動範囲の中心からの偏差の総和が最小になるように変数ｖ（ｔ）が設定されることにより、できるだけ機構制限に抵触しないように各関節部１３０の駆動が制御されることとなる。
【０２３６】
あるいは、評価関数ｐ（ｑ）としては、上記数式（１５）に示すものに代えて、下記数式（１７）に示すものが用いられてもよい。この場合にも、下記数式（１７）に示す評価関数ｐ（ｑ）が最小になるように、上記数式（１６）に従って変数ｖ（ｔ）が設定されることにより、「機構制限姿勢回避」を実現するような変数ｖ（ｔ）が設定され得る。
【０２３７】
【数１５】
2016179168.tif 000017
【０２３８】
ここで、ｉ、ｑｉ、ｑｃｉ、及びΔｑｉは、上記数式（１５）におけるものと同様である。つまり、上記数式（１７）に示す評価関数ｐ（ｑ）は、各関節部１３０についてその回転角度の可動範囲の中心からの偏差を可動範囲で正規化し、その中での最大値を求めたものに対応する。当該評価関数を用いて、上記数式（１６）に従って各関節部１３０における回転角度の可動範囲の中心からの偏差の最大値が最小になるように変数ｖ（ｔ）が設定されることにより、できるだけ機構制限に抵触しないように各関節部１３０の駆動が制御されることとなる。
【０２３９】
なお、上記数式（１７）の最右辺に示すように、評価関数ｐ（ｑ）は、最大値ノルム（無限大ノルム）を計算することにより求められ得る。ただし、最大値ノルムは微分することができないため、実際には、下記数式（１８）に示すｐノルムを計算し、ｐを無限大にすることにより、評価関数ｐ（ｑ）を求めることができる。なお、実用的には、必ずしもｐを無限大にする必要はなく、ｐ＝６程度でも問題はない。
【０２４０】
【数１６】
2016179168.tif 000018
【０２４１】
このように、「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合には、各関節部１３０の回転角度及び可動範囲に基づいて、各関節部１３０の制御値が算出され、その駆動が制御され得る。
【０２４２】
ここで、本発明者らが、実際に「機構制限姿勢回避」をタスクとして設定して、アーム部の駆動制御を行った実験結果を図１１及び図１２に示す。図１１は、「機構制限姿勢回避」をタスクとして設定した際の駆動制御の実験に用いたアーム部の構成を示す図である。図１３は、「機構制限姿勢回避」をタスクとして設定した際のアーム部の駆動制御の結果を示すグラフ図である。
【０２４３】
図１２を参照すると、実験に用いたアーム部５２０は、複数のリンク５２２ａ、５２２ｂ、５２２ｃ、５２２ｄ、５２２ｅと、当該複数のリンク５２２ａ〜５２２ｅを回動可能に接続する関節部５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、５１１ｄ、５１１ｅ、５１１ｆと、から構成される。
【０２４４】
アーム部５２０の構成について詳述すると、図示するように、床面から鉛直方向に延伸するリンク５２２ｅの先端に、当該リンク５２２ｅの延伸方向と略直交する回転軸を有する関節部５２１ｆが設けられる。
【０２４５】
関節部５２１ｆには、その回転軸方向と略垂直な方向に延伸するリンク５２２ｄの基端が接続される。関節部５２１ｆは、リンク５２２ｄの基端を、リンク５２２ｅに対して回動可能に支持する。
【０２４６】
リンク５２２ｄの先端に、当該リンク５２２ｄの延伸方向及び関節部５２１ｆの回転軸方向と互いに略直交する回転軸を有する関節部５２１ｅが設けられる。
【０２４７】
関節部５２１ｅには、その回転軸方向と略垂直な方向に延伸するリンク５２２ｃの基端が接続される。関節部５２１ｅは、リンク５２２ｃの基端を、リンク５２２ｄに対して回動可能に支持する。
【０２４８】
リンク５２２ｃの先端に、関節部５２１ｅの回転軸と略平行な回転軸を有する関節部５２１ｄが設けられる。更に、関節部５２１ｄに対して、当該関節部５２１ｄの回転軸と略直交する回転軸を有する関節部５２１ｃが設けられる。関節部５２１ｄは、関節部５２１ｃを、リンク５２２ｃに対して回動可能に支持する。
【０２４９】
関節部５２１ｃには、その回転軸方向と略平行な方向に延伸するリンク５２２ｂの基端が接続される。関節部５２１ｃは、リンク５２２ｂの基端を、関節部５２１ｄに対して回動可能に支持する。
【０２５０】
リンク５２２ｂの先端に、関節部５２１ｄの回転軸と略平行な回転軸を有する関節部５２１ｂが設けられる。
【０２５１】
関節部５２１ｂには、その回転軸方向と略平行な方向に延伸するリンク５２２ａの基端が接続される。関節部５２１ｂは、リンク５２２ａの基端を、リンク５２２ｂに対して回動可能に支持する。
【０２５２】
リンク５２２ａの先端に、当該リンク５２２ａの延伸方向と略平行な回転軸を有する関節部５２１ａが設けられる。
【０２５３】
関節部５２１ａには、その回転軸方向と略平行に光軸が位置するように、撮像部５２３の基端が接続される。関節部５２１ａは、撮像部５２３の基端を、リンク５２２ａに対して回動可能に支持する。
【０２５４】
本発明者らは、このような構成を有するアーム部５２０において、撮像部５２３の姿勢（すなわち、撮像部５２３の光軸の方向）を固定するというタスクを設定した状態で、撮像部５２３の先端を図中に示す始点５３１から終点５３３まで移動させた。この際、更なるタスクとして「機構制限姿勢回避」を設定した場合と、設定しなかった場合とで、それぞれアーム部５２０を駆動させ、アーム部５２０が駆動している最中の各関節部５２１ａ〜５２１ｆにおける回転角度の変化の挙動を比較した。なお、「機構制限姿勢回避」を設定する際には、上記数式（１５）に示す評価関数ｐ（ｑ）を用い、各関節部５２１ａ〜５２１ｆにおける回転角度の可動範囲の中心からの偏差の総和が最小になるように変数ｖ（ｔ）を設定した。
【０２５５】
ここでは、一例として、関節部５２１ａにおける回転角度の変化を図１３に示す。図１３では、横軸に時間を取り、縦軸に関節部５２１ａにおける回転角度を取り、アーム部５２０が駆動している最中における、当該回転角度の時間変化をプロットしている。「機構制限姿勢回避」を設定しなかった場合における結果を実線で、「機構制限姿勢回避」を設定した場合における結果を破線で示している。なお、図１３では、関節部５２１ａにおける回転角度の機構的な限界である＋４５度を一点鎖線で示している。
【０２５６】
図１３を参照すると、「機構制限姿勢回避」を設定しなかった場合には、関節部５２１ａにおける回転角度が、限界値である＋４５度に達してしまっている。従って、実際に術者がアーム部５２０を操作することを想定すると、関節部５２１ａにおける回転をスムーズに行えない可能性があり、術者の操作性を低下させる恐れがある。
【０２５７】
一方、「機構制限姿勢回避」を設定した場合には、関節部５２１ａにおける回転角度が、限界値である＋４５度に達することなく、撮像部５２３の移動が実現できている。つまり、可動限界に対して余裕がある状態で関節部５２１ａを回転させることができるため、術者が撮像部５２３を移動させる際の操作性をより向上させることができる。
【０２５８】
以上、「機構制限姿勢回避」がタスクとして設定された場合における、支持アーム装置１０の制御方法について説明した。
【０２５９】
ここで、上述した例では、「機構制限姿勢回避」に対応して変数ｖ（ｔ）を設定する際に、上記数式（１５）又は上記数式（１７）に示す評価関数ｐ（ｑ）を設定し、当該評価関数ｐ（ｑ）に基づいてｖ（ｔ）を設定していたが、本実施形態はかかる例に限定されない。例えば、各関節部１３０において、その回転角度が可動範囲の限界に近付いた際に、その回転角度に対して反対方向のトルクを生じさせるように、ｖ（ｔ）を設定してもよい。この場合であっても、「機構制限姿勢回避」を実現するようにアーム部１１０が駆動され得る。
【０２６０】
（６．適用例）
図１３を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置を用いた手術の様子について説明する。図１３は、本実施形態に係る支持アーム装置を用いた手術の様子を示す概略図である。
【０２６１】
図１３では、図１を参照して説明した本実施形態に係る支持アーム装置４００を用いて、手術が行われている様子を概略的に図示している。図１３を参照すると、術者７０１が、手術台上に横臥している患者７０３の頭部の術部に対して手術を行っている。支持アーム装置４００のアーム部４２０は天井から吊り下げられて設置されており、先端に設けられる撮像部４２３によって患者７０３の術部が撮影されるように、その姿勢が制御されている。術者７０１の視線の方向には表示装置（図示せず）が設置されており、撮像部４２３によって撮影された術部の画像が、当該表示装置に表示される。術者７０１は、表示装置に映し出された術部の画像を参照しながら、手術を行う。
【０２６２】
本適用例では、例えば、支持アーム装置４００に対して、第１タスクとして「撮像部の視点保持」が設定されており、第２タスクとして「術者の視野確保」が設定されているとする。この場合、アーム部４２０に対して外部から力が加えられた場合であっても、撮像部４２３の位置及び姿勢が変化しないように、かつ、アーム部４２０の構成部材が予め設定された術者７０１の視野領域に侵入しないように、アーム部４２０の駆動が制御され得る。これにより、円滑な手術が実現されることとなり、術者７０１の利便性が向上する。
【０２６３】
なお、図１３では、術者７０１の視野領域７０５を、模擬的にハッチングを付して図示している。図１３に示す例では、術者７０１の目を頂点とする円錐形状の領域として視野領域７０５が設定されている。
【０２６４】
なお、上記（５−１．「視野領域の確保」がタスクとして設定された場合）で説明したように、「術者の視野確保」というタスクは、視野確保姿勢に近付くようにアーム部４２０の姿勢が制御されることにより実現されてもよいし、術者７０１による操作によってアーム部４２０の姿勢が適宜変化させられることにより実現されてもよい。
【０２６５】
このように、第１タスク及び第２タスクが設定され、これら第１タスク及び第２タスクを同時に実現するようにアーム部４２０の駆動が制御されることにより、より利便性の高い支持アーム装置４００が実現されることとなる。
【０２６６】
以上、図１３を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置４００を用いた手術の様子について説明した。なお、手術時に支持アーム装置４００に対して設定され得るタスクは上述した例に限定されず、上記（３．タスクの具体例）で説明した各種のタスクのうちのいくつかが、可能な範囲で互いに組み合わされて、支持アーム装置４００に対して設定されてよい。
【０２６７】
（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。
【０２６８】
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。
【０２６９】
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）患者の術部を観察するための観察ユニットと、前記観察ユニットが先端に設けられ、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部と、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記アーム部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に構成される、医療用支持アーム装置。
（２）前記駆動制御部は、前記アーム部に対する外力に応じて前記複数の関節部の駆動を制御する、前記（１）に記載の医療用支持アーム装置。
（３）前記駆動制御部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御する際に、前記観察ユニットが空間上の所定の点を中心とするピボット動作を行うように、前記複数の関節部の駆動を制御する、前記（１）又は（２）に記載の医療用支持アーム装置。
（４）術者の作業領域に関する情報を取得する取得部、を更に備え、前記駆動制御部は、アーム状態及び前記作業領域に関する情報に基づいて、前記アーム部が前記作業領域を回避するように、前記複数の関節部の駆動を制御する、前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（５）少なくとも前記医療用支持アーム装置の位置情報に基づいて前記作業領域を算出する算出部、を更に備え、前記取得部は、前記算出部による算出結果に基づいて前記作業領域に関する情報を取得する、前記（４）に記載の医療用支持アーム装置。
（６）前記観察ユニットは、患者の術部を撮影するビデオ式顕微鏡である、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（７）前記観察ユニットは、患者の体腔内に挿入され、当該体腔内の術部を撮影する内視鏡である、前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（８）前記駆動制御部は、前記アーム部が特異姿勢を取ることを回避するように、前記複数の関節部の駆動を制御する、前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（９）前記駆動制御部は、前記アーム部が機構的に不可能な姿勢を取るように、前記複数の関節部の駆動を制御する、前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１０）前記駆動制御部は、前記複数の関節部の回転角度及び可動範囲に基づいて、前記複数の関節部の駆動を制御する、前記（９）に記載の医療用支持アーム装置。
（１１）前記駆動制御部は、前記アーム部の姿勢が変化する際の消費エネルギーが最小になるように、前記複数の関節部の駆動を制御する、前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１２）前記アーム部は、複数のリンクが前記関節部によって互いに連結されることにより構成され、前記アーム部においては、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略平行な第１の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略直交する第２の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、が交互に配置される、前記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１３）前記アーム部は、複数のリンクが前記関節部によって互いに連結されることにより構成され、前記関節部は、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略平行な第１の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、前記関節部に連結される基端側の前記リンクの延伸方向と略直交する第２の回転軸まわりに先端側の前記リンクを回転させる関節部と、のいずれかであり、前記アーム部の少なくとも一部において、前記第２の回転軸を有する関節部が連続して配置される、前記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１４）前記アーム部は、７自由度又は８自由度を有する、前記（１）〜（１３）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１５）前記駆動制御部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢を変更するために前記複数の関節部の駆動を制御する場合と、前記アーム部の姿勢を変更するために前記複数の関節部の駆動を制御する場合とで、前記関節部の各々での回転運動における粘性抵抗を異なる値に設定する、前記（１）〜（１４）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１６）前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御を実現するために駆動される関節部の前記粘性抵抗が、他の前記関節部の前記粘性抵抗よりも大きな値に設定される、前記（１５）に記載の医療用支持アーム装置。
（１７）前記関節部に対応する回転軸のうちの少なくとも１つは、アクチュエータによって回転駆動される駆動軸であり、前記関節部に対応する回転軸のうちの残りの回転軸は、前記駆動軸における回転に従動して回転する受動軸である、前記（１）〜（１６）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
（１８）患者の術部を観察するための観察ユニットと、前記観察ユニットを保持する保持ユニットと、前記保持ユニットが先端に設けられ、前記観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部と、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記アーム部においては、前記保持ユニットの位置及び姿勢が制御されることにより、前記観察ユニットの位置及び姿勢が制御され、前記アーム部は、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に構成される、医療用支持アーム装置。
（１９）プロセッサが、先端に設けられる観察ユニットの位置及び姿勢を制御するために必要な自由度よりも多い自由度を有するように構成されるアーム部の駆動制御において、前記アーム部の複数の関節部の駆動を制御することにより、前記観察ユニットの位置及び姿勢の制御中に前記アーム部の姿勢を変更可能に、前記アーム部の駆動を制御すること、を含む、医療用支持アーム装置の制御方法。
【符号の説明】
【０２７０】
１    観察システム
１０、４００    支持アーム装置
３０    表示装置
１１０、４２０    アーム部
１３０、４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄ、４２１ｅ、４２１ｆ、４２１ｇ、４２１ｈ    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、４２３    撮像部
２１０、４４０    制御装置
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    仮想力算出部
２４４    実在力算出部
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
４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄ、４２２ｅ、４２２ｆ、４２２ｇ、４２２ｈ    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
【図１】
2016179168.tif 000019
【図２】
2016179168.tif 000020
【図３】
2016179168.tif 000021
【図４】
2016179168.tif 000022
【図５】
2016179168.tif 000023
【図６】
2016179168.tif 000024
【図７】
2016179168.tif 000025
【図８】
2016179168.tif 000026
【図９】
2016179168.tif 000027
【図１０】
2016179168.tif 000028
【図１１】
2016179168.tif 000029
【図１２】
2016179168.tif 000030
【図１３】
2016179168.tif 000031