(57)【要約】      （修正有）【課題】円滑に手術や検査を行うため、アクチュエータをより小型化することができ、かつ、より確実に破壊を防止する医療用支持アーム装置を提供する。【解決手段】医療用支持アーム装置のアクチュエータにおいて、モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機を用い、破壊トルクが小さい減速機は、比較的小型であるため、アクチュエータを小型化するすることができる。モータを駆動するための制御値に対しては、減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる。【選択図】図４
2016158751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機と、
を備え、
前記モータを駆動するための制御値に対して、前記減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる、
アクチュエータ。
【請求項２】
前記制御値は電流値であり、
前記制御値に対する前記制限値として、前記モータによる発生トルクが前記減速機の破壊トルク以下となる電流値が設定される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記モータに印加される電流値が前記制限値を超えないように制御される、
請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記制御値はトルク値であり、
前記制御値に対する前記制限値として、前記モータによる発生トルクが前記減速機の破壊トルク以下となるトルク値が設定される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記制限値は、前記モータによる発生トルクのオーバーシュート量を加味して設定される、
請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記制御値はトルク値及び電流値であり、
前記制御値であるトルク値及び電流値に対する前記制限値として、前記モータによる発生トルクが前記減速機の破壊トルク以下となるトルク値及び電流値がそれぞれ設定される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記減速機の破壊トルクの値は、前記減速機の疲労破壊特性に基づいて、所定の疲労寿命が確保されるトルク値として設定される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記減速機の破壊トルクの値は、前記減速機の疲労破壊特性に基づいて、前記減速機に負荷されたトルクの履歴に応じて変更される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するトルクセンサ、を更に備え、
前記制御値に対して、前記トルクセンサの破壊トルクに応じた制限値が更に設けられる、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
複数の関節部から構成されるアーム部と、
前記アーム部の先端に設けられる医療用器具と、
を備え、
前記関節部に設けられるアクチュエータは、モータと、前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機と、を有し、
前記モータを駆動するための制御値に対して、前記減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる、
医療用支持アーム装置。
【請求項１１】
前記アーム部の先端に設けられる医療用器具は、術部を観察するための観察ユニットである、
請求項１０に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１２】
前記アーム部の先端に設けられる医療用器具は、鉗子である、
請求項１０に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１３】
前記関節部に設けられるアクチュエータの駆動は、力制御によって制御される、
請求項１０に記載の医療用支持アーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、アクチュエータ及び医療用支持アーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット装置の関節部や自動車の電動パワーステアリング装置等の、回転機構を駆動するためのアクチュエータは、モータや減速機、シャフト、トルクセンサ等の部品から構成される。アクチュエータについて、これらの構成部品を破壊しないようにモータの駆動を制御する技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、自動車の電動パワーステアリング装置において、操向ハンドルが最大転蛇角まで達してラックがストッパに当たった回数（端当て回数）を計測し、当該端当て回数が所定の回数に達した場合に、モータを駆動するための電流指令値に制限を設ける技術が開示されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、アクチュエータに用いられるサーボモータにおいて、当該サーボモータのコイルの温度に応じて、当該サーボモータに通電する電流を制限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２０１２−２１８５５３号公報
【特許文献２】特開２００８−７２７８７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、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。医療用支持アーム装置には、アーム部を構成する関節部にアクチュエータが設けられ、当該アーム部が駆動可能に構成されるものがあるが、このようなアクチュエータを有する医療用支持アーム装置においても、安全性の観点から、上記のようなアクチュエータの破壊を防止する技術が搭載されることが求められる。
【０００７】
一方、医療分野での利用を考えると、支持アーム装置のアーム部には、より小型であることが求められる。アーム部の構成が大きいと、当該アーム部によって、手術を行う術者の作業空間や術者の視界が制限されてしまい、円滑な作業の妨げになる恐れがあるからである。
【０００８】
このように、医療用支持アーム装置の関節部に設けられるアクチュエータにおいては、より小型であることと、より確実に破壊を防止することと、を両立させる技術が求められていた。
【０００９】
ここで、例えば上記特許文献１、２に記載の技術では、アクチュエータの破壊は好適に防止できると考えられるが、アクチュエータの小型化については特に検討されていない。このように、小型のアクチュエータにおいてその破壊を防止する技術については、これまで十分に検討がなされていなかった。
【００１０】
そこで、本開示では、より小型化することができ、かつ、より確実に破壊を防止することが可能な、新規かつ改良されたアクチュエータ及び医療用支持アーム装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示によれば、モータと、前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機と、を備え、前記モータを駆動するための制御値に対して、前記減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる、アクチュエータが提供される。
【００１２】
また、本開示によれば、複数の関節部から構成されるアーム部と、前記アーム部の先端に設けられる医療用器具と、を備え、前記関節部に設けられるアクチュエータは、モータと、前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機と、を有し、前記モータを駆動するための制御値に対して、前記減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる、医療用支持アーム装置が提供される。
【００１３】
本開示によれば、アクチュエータにおいて、モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機が用いられる。従って、より小型の減速機を用いることができ、アクチュエータをより小型化することができる。また、当該アクチュエータの駆動制御においては、モータを駆動するための制御値に対して、減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる。従って、モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機を用いていても、当該減速機の破壊が防止され得る。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本開示によれば、より小型化することができ、かつ、より確実に破壊を防止す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を用いた手術の様子を示す概略図である。
【図２】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３】本実施形態に係るアクチュエータの一構成例を示す断面図である。
【図４】本実施形態における、モータの起動トルクと減速機の破壊トルクとの関係について説明するための説明図である。
【図５】本実施形態に係るアクチュエータの駆動制御方法を示すブロック図である。
【図６】本実施形態における破壊トルクの概念について説明するための説明図である。
【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。
１．一般的な支持アーム装置についての検討
２．支持アーム装置の概要
３．支持アーム装置の構成
３−１．全体構成
３−２．アクチュエータの構成
４．アクチュエータの駆動制御方法
５．破壊トルク
６．補足
【００１８】
（１．一般的な支持アーム装置についての検討）
本開示の好適な一実施形態について詳細に説明するに先立ち、アクチュエータを有し駆動可能に構成される一般的な支持アーム装置について本発明者らが検討した結果について説明する。なお、以下の説明において、単に支持アーム装置と言った場合には、特に記載のない限り、アーム部を構成する関節部の内の少なくとも１つにアクチュエータが設けられ、当該アクチュエータによってアーム部が駆動可能に構成される支持アーム装置のことを意味するものとする。
【００１９】
近年、医療現場においては、手術や検査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。このような医療用の支持アーム装置においては、そのアーム部には、より小型であることが求められている。アーム部の構成が大きいと、当該アーム部によって、手術を行う術者の作業空間や術者の視界が制限されてしまい、円滑な作業の妨げになる恐れがあるからである。
【００２０】
そこで、本発明者らは、支持アーム装置について、より小型のアーム部を実現するための技術について検討を行った。
【００２１】
アーム部を小型化するためには、当該アーム部の各関節部に設けられるアクチュエータを小型化することが有効である。一方、一般的に、アクチュエータを設計する際には、駆動時にアクチュエータの構成部品（モータ、減速機、シャフト、トルクセンサ等）が破壊しないように、モータの起動トルクよりも、各構成部品の破壊トルクが大きくなるように、当該各構成部品が選定される。
【００２２】
なお、ここで、破壊トルクとは、必ずしも１度超過したのみで破壊に至るトルクのことを意味している訳ではない。当該破壊トルクとは、例えば各構成部材の疲労破壊特性に基づいて決定され得る、そのトルクが負荷された状態で所定の時間使用された場合に破壊に至るトルクのことであってよい。各構成部材の破壊トルクは、アクチュエータの設計者等によって、当該アクチュエータに求められる疲労寿命を考慮して、構成部材ごとに適宜設定され得る。破壊トルクについては、下記（５．破壊トルク）で、図６を参照して改めて説明する。
【００２３】
破壊トルクを大きくしようとする場合には、自ずと各構成部品のサイズは大きくなる。従って、アクチュエータを設計する際には、上記のような起動トルク及び破壊トルクに求められる関係性が設計制約となり、小型のアクチュエータの実現を困難にしていた。
【００２４】
特に、本発明者らが実際に設計を行った結果、減速機のサイズがアクチュエータのサイズに大きく影響し得ることが分かった。つまり、モータの起動トルクよりも減速機の破壊トルクが大きくなるように当該減速機を選定すると、大型の減速機を用いざるを得ず、それに伴いアクチュエータも大型化してしまうことが分かった。
【００２５】
また、上記の設計思想に基づけば、アクチュエータに設けられるトルクセンサも、その破壊トルクがモータの起動トルクよりも大きくなるように選定されることとなる。しかしながら、破壊トルクが大きいということは、それだけ変形し難いことを意味している。一般的に、トルクセンサでは、歪みゲージを用いて部材の変形量に基づいてトルクを検出しているため、破壊トルクが大きいトルクセンサは、感度が低くなる傾向がある。
【００２６】
このように、本発明者らによる検討の結果、一般的な設計手法に従って、モータの起動トルクよりも各構成部品の破壊トルクが大きいという制約条件の下にアクチュエータを構成した場合には、特に減速機が大型化してしまうために、当該アクチュエータの小型化が困難であることが分かった。また、上記の制約条件に従ってトルクセンサを選定した場合には、比較的感度の低いトルクセンサを用いざるを得なくなる可能性があることが分かった。
【００２７】
上記事情に鑑みれば、医療用の支持アーム装置の各関節部に設けられるアクチュエータにおいては、各構成部材の破壊を防止しつつ、その構成をより小型化する技術は確立されていなかった。そこで、本発明者らは、アクチュエータの各構成部材の破壊を防止することと、当該アクチュエータの構成を小型化することと、を両立させることが可能な技術について鋭意検討した結果、以下に示す本開示の好適な実施形態に想到した。以下では、本発明者らが想到した本開示の好適な一実施形態について詳細に説明する。
【００２８】
（２．支持アーム装置の概要）
本実施形態に係る支持アーム装置の構成について詳細に説明するに先立ち、図１を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置の概要について説明する。本実施形態に係る支持アーム装置は、医療用支持アーム装置であり、手術や検査等の医療行為に好適に適用され得る。ここでは、本実施形態に係る支持アーム装置の手術への適用例について説明するとともに、医療用支持アーム装置に求められる性能について改めて説明する。
【００２９】
図１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１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。
【００３０】
図１では、術者５２０が、例えばメス、鑷子、鉗子等の手術用の処置具５２１を使用して、手術台５３０上の患者５４０に対して手術を行っている様子が図示されている。手術台５３０の脇には本実施形態に係る支持アーム装置５１０が設けられる。支持アーム装置５１０は、基台であるベース部５１１と、ベース部５１１から延伸するアーム部５１２を備える。また、図示は省略するが、支持アーム装置５１０には、支持アーム装置５１０の動作を制御する制御装置（後述する図２に示す制御装置４４０に対応する）が備えられる。
【００３１】
アーム部５１２は、複数の関節部５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃと、関節部５１３ａ、５１３ｂによって連結される複数のリンク５１４ａ、５１４ｂと、アーム部５１２の先端に設けられる撮像ユニット５１５と、を有する。関節部５１３ａ〜５１３ｃには、後述する図３に示すアクチュエータ４３０が設けられており、関節部５１３ａ〜５１３ｃは、当該アクチュエータ４３０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の駆動が上記制御装置によって制御されることにより、各関節部５１３ａ〜５１３ｃの回転角度が制御され、アーム部５１２の駆動が制御される。
【００３２】
なお、図１では、簡単のため、アーム部５１２の構成を簡略化して図示しているが、実際には、アーム部５１２が所望の自由度を有するように関節部５１３ａ〜５１３ｃ及びリンク５１４ａ、５１４ｂの数や配置、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動軸（回転軸）の方向等が適宜設定されてよい。例えば、アーム部５１２は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム部５１２の可動範囲内において撮像ユニット５１５を自由に移動させることが可能になる。
【００３３】
撮像ユニット５１５は、患者５４０の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である。観察ユニットの他の例としては、内視鏡や顕微鏡等が挙げられる。アーム部５１２の先端に、これらの患者５４０の術部を観察する観察ユニットが設けられた支持アーム装置のことを、本明細書では、観察装置とも呼称する。
【００３４】
手術を行う際には、図１に示すように、アーム部５１２の先端に設けられた撮像ユニット５１５が患者５４０の術部を撮影するように、支持アーム装置５１０によってアーム部５１２及び撮像ユニット５１５の位置及び姿勢が制御される。手術室内において、術者５２０と対向する位置には、表示装置５５０が設置されており、撮像ユニット５１５によって撮影された術部の画像は、表示装置５５０に表示される。術者５２０は、表示装置５５０に表示される術部の画像を観察しながら各種の処置を行う。
【００３５】
なお、アーム部５１２の先端に設けられる先端ユニットは、撮像ユニット５１５等の観察ユニットに限定されず、各種の医療用器具であってよい。当該医療用器具としては、上述した観察ユニットの他にも、例えば鉗子やレトラクタ等の各種の処置具が含まれ得る。従来、これらの医療用器具の操作は人手によって行われていたため、手術には多くの医療スタッフを要していたが、これらの医療用器具の操作を支持アーム装置５１０によって行うことにより、より少ない人数で手術を行うことが可能になる。
【００３６】
以上、図１を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置５１０を用いた手術の様子について説明した。図１に示す例では、支持アーム装置５１０は手術に用いられていたが、例えば先端ユニットとして内視鏡等の検査用のユニットが設けられる場合であれば、検査目的で支持アーム装置５１０が用いられてもよい。
【００３７】
ここで、以上説明したような医療用の支持アーム装置５１０においては、手術中や検査中に、アーム部５１２は術部の近傍に位置することとなる。従って、アーム部５１２の構成が大きいと、術者５２０の作業空間が制限されてしまい、円滑に処置を行うことが困難になる可能性がある。また、図示するように、術者５２０が表示装置５５０の画像を参照しながら手術を行う場合には、術者５２０と当該表示装置５５０との間にアーム部５１２が位置し得るため、アーム部５１２の構成が大きいと、表示装置５５０を観察する術者５２０の視界が塞がれてしまい、術者５２０の作業が妨げられる恐れがある。
【００３８】
このように、手術や検査をより円滑に行うために、医療用の支持アーム装置５１０のアーム部５１２には、より小型であることが求められている。上記事情に鑑みて鋭意検討した結果、本発明者らは、本開示の好適な実施形態に係る支持アーム装置５１０に想到したのである。
【００３９】
詳しくは下記（３−２．アクチュエータの構成）及び下記（４．支持アーム装置の制御方法）で後述するが、本実施形態に係る支持アーム装置５１０では、各関節部５１３ａ〜５１３ｃに設けられるアクチュエータ４３０において、モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機が用いられる。破壊トルクが小さい減速機を用いることにより、当該減速機を小型化することができ、アクチュエータ４３０を小型化することが可能となる。従って、各関節部５１３ａ〜５１３ｃの小型化が実現され、より小型のアーム部５１２を有する、医療用に特に適した支持アーム装置５１０が実現され得る。
【００４０】
また、本実施形態では、このとき、同時に、モータを駆動するための制御値に対して、減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる。従って、当該制御値が当該制限値以下になるように、アクチュエータ４３０の駆動を制御することができ、モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機を用いた場合であっても、モータの出力トルクが減速機の破壊トルクを超えることが回避され、当該減速機が破壊することを防止することができる。
【００４１】
なお、減速機以外の他の構成部材についても、同様に、モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するものが用いられてよい。これにより、アクチュエータ４３０をより一層小型化することができる。また、より破壊トルクの小さいトルクセンサを用いた場合には、アクチュエータ４３０のトルクの検出精度を向上させることができる。ただし、この場合には、これらの構成部材の破壊トルクに応じた制限値が、モータを駆動するための制御値に対して更に設定された上で、アクチュエータ４３０の駆動が制御され得る。これにより、アクチュエータの破壊が好適に防止され得る。
【００４２】
なお、本明細書では、モータに対する制御値とは、当該モータを駆動制御するために算出される、当該モータの駆動量を指定し得る各種の物理量のことを意味していてよい。例えば、後述する図５に示す制御方法が用いられる場合であれば、トルク指令値τ及びトルク目標値τｒｅｆ、並びに、これらを電流値に換算して得られる電流指令値及び電流目標値が、モータを駆動するための制御値であり得る。
【００４３】
以下では、本実施形態に係る支持アーム装置５１０の構成について、より詳細に説明する。
【００４４】
（３．支持アーム装置の構成）
（３−１．全体構成）
図２を参照して、本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２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。
【００４５】
図２を参照すると、支持アーム装置４００は、ベース部４１０と、アーム部４２０と、制御装置４４０と、を備える。支持アーム装置４００は、上述した図１に示す支持アーム装置５１０と同様に、手術や検査等に好適に適用され得る医療用支持アームである。
【００４６】
ベース部４１０は支持アーム装置４００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、支持アーム装置４００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、本実施形態に係る支持アーム装置４００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支持アーム装置４００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、支持アーム装置４００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。
【００４７】
アーム部４２０は、複数の関節部４２１ａ〜４２１ｆと、関節部４２１ａ〜４２１ｆによって互いに連結される複数のリンク４２２ａ〜４２２ｃと、アーム部４２０の先端に設けられる撮像ユニット４２３と、を有する。
【００４８】
リンク４２２ａ〜４２２ｃは棒状の部材であり、リンク４２２ａの一端が関節部４２１ａ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４２１ｂを介してリンク４２２ｂの一端と連結され、更に、リンク４２２ｂの他端が関節部４２１ｃ、４２１ｄを介してリンク４２２ｃの一端と連結される。更に、撮像ユニット４２３が、アーム部４２０の先端、すなわち、リンク４２２ｃの他端に、関節部４２１ｅ、４２１ｆ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〜４２２ｃ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。
【００４９】
撮像ユニット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である。撮像ユニット４２３は、上述した図１に示す撮像ユニット５１５に対応するものである。撮像ユニット４２３によって撮影された患者の術部の画像は、例えば手術室内に設けられる表示装置（図示せず）に表示され、術者は、当該表示装置に表示された患者の術部の画像を観察しながら手術を行う。このように、支持アーム装置４００は、アーム部４２０の先端に観察ユニットが取り付けられた、観察装置４００であり得る。上述したように、観察ユニットとしては、他に、例えば内視鏡や顕微鏡等が設けられ得る。
【００５０】
ただし、アーム部４２０の先端に設けられる先端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、先端ユニットとして、各種の医療用器具が取り付けられ得る。例えば、先端ユニットとして、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、先端ユニットとして、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。
【００５１】
関節部４２１ａ〜４２１ｆには、後述する図３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４４０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。
【００５２】
なお、図示する例では、支持アーム装置４００は、６つの関節部４２１ａ〜４２１ｆを有し、アーム部４２０の駆動に関して６自由度が実現されている。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撮像ユニット４２３を自由に移動させることができる。これにより、撮像ユニット４２３によって術部を様々な角度及び距離から撮影することが可能となる。ただし、アーム部４２０の構成は図示する例に限定されず、関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｃ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。ただし、撮像ユニット４２３の位置及び姿勢の自由度を考慮して、アーム部４２０は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。
【００５３】
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。
【００５４】
支持アーム装置４００の制御方式は特に限定されず、支持アーム装置４００の動作は、位置制御、力制御等、各種の公知の制御方式によって制御されてよい。支持アーム装置４００が位置制御によって制御される場合には、アーム部４２０を操作するためのコントローラ等の入力装置が設けられ得る。支持アーム装置４００が力制御によって制御される場合には、例えばユーザが直接アーム部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、当該アーム部４２０の動作が制御され得る。なお、位置制御又は力制御による支持アーム装置４００の具体的な制御方法としては、各種の公知な方法が用いられてよいため、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
なお、図示する例では、制御装置４４０は、ベース部４１０とケーブルを介して接続されているが、制御装置４４０と同様の機能を有する制御基板等がベース部４１０の内部に設けられてもよい。
【００５６】
以上、図２を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置４００の概略構成について説明した。
【００５７】
（３−２．アクチュエータの構成）
図３を参照して、図２に示す支持アーム装置４００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３は、本実施形態に係るアクチュエータの一構成例を示す断面図である。図３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。
【００５８】
なお、ここでは、一例として、力制御に対応するアクチュエータの一構成例について説明する。位置制御に対応するアクチュエータであれば、例えば後述するトルクセンサ４２８が設けられなくてもよい。
【００５９】
図３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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
モータ４２４の回転軸には、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〜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。
【００６３】
エンコーダ４２７は、入力軸の回転角度（すなわち、モータ４２４の回転角度）を検出する。エンコーダ４２７によって検出された駆動軸４２９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。
【００６４】
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。
【００６５】
以上、図３を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ４３０の構成について説明した。ここで、本実施形態では、アクチュエータ４３０において、モータ４２４の起動トルクよりも減速機４２６の破壊トルクが小さくなるように、当該減速機４２６が選定される。また、その他の構成部材（例えばトルクセンサ４２８）についても、同様に、モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するものが用いられてもよい。
【００６６】
図４を参照して、本実施形態における、モータ４２４の起動トルクと減速機４２６の破壊トルクとの関係について説明する。図４は、本実施形態における、モータ４２４の起動トルクと減速機４２６の破壊トルクとの関係について説明するための説明図である。
【００６７】
図４では、横軸にモータ４２４のトルクを取り、縦軸の一方に回転数を、縦軸の他方に電流値を取り、モータ４２４のトルク−回転数曲線（Ｔ−Ｎ曲線）及びトルク−電流曲線（Ｔ−Ｉ曲線）を概略的に示している。図４に示すように、Ｔ−Ｎ曲線において回転数がゼロになる点が、モータ４２４の起動トルクに対応する。本実施形態では、図示するように、当該起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機４２６が用いられる。他の構成部材、例えばトルクセンサ４２８についても、同様に、モータ４２４の起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するトルクセンサ４２８が用いられる。
【００６８】
ここで、例えば上記特許文献１、２に例示されるような一般的な既存のアクチュエータにおいては、アクチュエータの破壊を防止するために、減速機やトルクセンサ等の構成部材の破壊トルクが、モータの起動トルクよりも大きくなるように当該アクチュエータが設計される。しかしながら、上記（１．一般的な支持アーム装置についての検討）で説明したように、破壊トルクが大きい減速機は比較的大型であるため、このような制約条件に基づいてアクチュエータを設計した場合には、当該アクチュエータを小型化することは困難である。
【００６９】
一方、上記（２．支持アーム装置の概要）で説明したように、医療用支持アーム装置においては、円滑に手術や検査を行うために、アーム部の小型化、すなわちアクチュエータの小型化が強く求められている。このような事情に鑑みて、本実施形態では、アクチュエータ４３０において、モータ４２４の起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機４２６が用いられる。一般的に、破壊トルクが小さい減速機は、比較的小型であるため、破壊トルクが小さい減速機を用いることにより、アクチュエータ４３０を小型化することができる。従って、アーム部４２０をより小型化することが可能な、医療用の支持アーム装置４００に好適に適用され得るアクチュエータ４３０が実現され得る。アーム部４２０が小型化されることにより、術者の作業空間や視界を確保することができ、より円滑な手術及び検査が実現される。
【００７０】
ただし、本実施形態では、モータ４２４の起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機４２６が用いられた場合には、モータ４２４を駆動するための制御値に対して、減速機４２６の破壊トルクに応じた制限値が設けられた状態で、アクチュエータ４３０の駆動が制御される。このような制御を行うことにより、モータ４２４の起動トルクよりも破壊トルクが小さい減速機４２６を用いた場合であっても、モータ４２４の出力トルクが減速機４２６の破壊トルクを超えないようにアクチュエータ４３０を駆動することが可能になる。従って、本実施形態によれば、減速機４２６の破壊を防止しつつ、アクチュエータ４３０を小型化することができる。
【００７１】
また、破壊トルクが大きいトルクセンサを用いた場合には、当該トルクセンサの感度が低下してしまうことが懸念される。一方、本実施形態では、アクチュエータ４３０において、トルクセンサ４２８についても、モータ４２４の起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するトルクセンサ４２８が用いられてよい。従って、より精度よくトルクを検出可能なアクチュエータ４３０が実現され得る。
【００７２】
モータ４２４の起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するトルクセンサ４２８が用いられた場合にも、減速機４２６の場合と同様に、モータ４２４を駆動するための制御値に対して、トルクセンサ４２８の破壊トルクに応じた制限値が設けられた状態で、アクチュエータ４３０の駆動が制御される。このような制御を行うことにより、トルクセンサ４２８が破壊されないような条件でアクチュエータ４３０を駆動することが可能になる。従って、本実施形態によれば、トルクセンサ４２８の破壊を防止しつつ、アクチュエータ４３０における回転角度の検出精度を向上させることができる。
【００７３】
また、このように、モータ４２４を駆動するための制御値に対して制限値が設けられることにより、結果的に、モータ４２４を低トルク領域、すなわち、低電流領域かつ高回転数領域で使用することになる。従って、モータ４２４の発熱を抑えることができるとともに、高応答なアクチュエータ４３０が実現される。
【００７４】
なお、モータに対する制御値、及び当該制御値に対して設定される制限値として、具体的にどのような物理量を用いるかは、アクチュエータ４３０の駆動制御方式に応じて適宜設定されてよい。例えば、力制御が用いられる場合であれば、モータに対する制御値は、当該モータに与えられる電流値及び／又はトルク値であり得る。従って、当該電流値に対して及び／又はトルク値に対して、制限値が設定され得る。一方、例えば、位置制御が用いられる場合であれば、モータに対する制御値は、当該モータに与えられる電流値であり得る。従って、当該電流値に対して制限値が設定され得る。
【００７５】
以下では、このような制御値に対する制限値の設定方法も含めて、本実施形態におけるアクチュエータ４３０の駆動制御方法について詳しく説明する。
【００７６】
（４．アクチュエータの駆動制御方法）
図５を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ４３０の駆動制御方法について説明する。図５は、本実施形態に係るアクチュエータ４３０の駆動制御方法を示すブロック図である。図５に示す各ブロックは、アクチュエータ４３０の駆動制御に係る各種の演算を行う概念上の演算器を模擬的に示している。また、図５に示す各ブロック（演算器）における処理は、上述した制御装置４４０によって実行され得る。
【００７７】
なお、図５では、一例として、力制御によってアクチュエータ４３０が駆動される場合に対応するブロック図を示している。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、位置制御等、他の各種の公知の制御方式によってアクチュエータ４３０が駆動されてもよい。なお、本実施形態に係るアクチュエータ４３０の制御方法は、一般的なアクチュエータ４３０の制御方法に対して、モータ４２４に対する制御値に減速機４２６の破壊トルクに応じた制限値が設けられたものに対応する。従って、当該制御値を算出するまでの処理としては、一般的な制御方法と同様の処理が行われてよい。例えば、位置制御によってアクチュエータ４３０が駆動される場合であれば、一般的な位置制御に係る方法によってモータ４２４に対する制御値を算出し、算出された当該制御値に対して破壊トルクに応じた制限値が設定されることにより、本実施形態に係る制御方法が実現され得る。
【００７８】
図４に示すブロック図についての詳細な説明に先立ち、当該ブロック図に示される制御方法の概要について説明する。
【００７９】
支持アーム装置４００の各アクチュエータ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。
【００８０】
【数１】
2016158751.tif 000003
【００８１】
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４２１ａ〜４２１ｆ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。
【００８２】
力制御では、アクチュエータ４３０の駆動が、トルクを制御量として用いることにより制御される。アーム部４２０を動作させようとした場合には、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τａ（発生トルクτａ）が算出され得る。なお、当該発生トルクτａの算出方法としては、既存の各種の方法が用いられ得るため、本明細書では詳細な説明を省略する。例えば、発生トルクτａは、いわゆる全身協調制御と呼ばれる制御方式（複数の駆動部を互いに協調させて制御する制御方式）において一般的に用いられている方法によって算出されてよい。全身協調制御における発生トルクτａの算出方法の詳細については、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。
【００８３】
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（１）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（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４２０において所望の動作が実現されるはずである。
【００８４】
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。
【００８５】
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おり、理論モデル構築時に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。従って、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。
【００８６】
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（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。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〜４２１ｆ）が上記数式（１）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。図４に示すブロック図は、支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆのうちの一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。
【００８７】
以下、図４を参照して、アクチュエータ４３０の駆動制御方法について詳細に説明する。図４を参照すると、アクチュエータ６１０は、例えば図３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４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３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。
【００８８】
演算器６３１は、上記数式（１）に示すアクチュエータ６１０（関節部４２１ａ〜４２１ｆ）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（１）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。
【００８９】
ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（１）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（１）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（１）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。
【００９０】
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。
【００９１】
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を得る。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を補正する。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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、入力された値に対して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。
【００９６】
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〜４２１ｆ（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。
【００９７】
ここで、上述したように、本実施形態では、モータ６１１を駆動するための制御値が、減速機６１２の破壊トルクに対応する制限値以下になるように、アクチュエータ６１０の駆動が制御される。図５に示す例であれば、モータ６１１を駆動するための制御値は、トルク指令値τ及びトルク目標値τｒｅｆ、並びに、これらを電流値に換算して得られる電流指令値及び電流目標値であり得る。
【００９８】
このように、力制御が用いられる場合には、モータ６１１を駆動するための制御値として、電流値及びトルク値が算出され得る。つまり、本実施形態では、電流値及びトルク値の少なくともいずれかに対して、減速機６１２の破壊トルクに応じた制限値が設定された状態で、アクチュエータ６１０の駆動が制御される。
【００９９】
一例として、電流値に対して制限値が設定される場合について説明する。上述したトルク指令値τと電流指令値との間には、電流指令値に対してトルク定数を乗じることによりトルク指令値τが求まるという関係がある。実際には、図５に示すブロック６３６（すなわちアクチュエータ６１０）では、トルク指令値τが与えられた場合に、当該関係を用いて、古典的なＰＩＤ制御によってモータ６１１に与えられる電流指令値を制御することにより、モータ６１１のトルクがトルク指令値τに収束するような制御が行われている。
【０１００】
例えば、電流値に対して制限値が設定される場合には、当該ＰＩＤ制御における電流指令値に対する上限値として、減速機６１２の破壊トルクに応じた制限値が設定される。そして、電流指令値が当該上限値（制限値）を超えないようにモータ６１１の駆動が制御される。当該制限値としては、モータ６１１のＮ−Ｔ特性や、後述する図６に示す減速機６１２の疲労破壊特性等を考慮して、モータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルクを超えないような値が設定される。これにより、モータ６１１による発生トルクによって、減速機６１２が構造的に破壊されることが回避される。
【０１０１】
他の例として、トルク値に対して制限値が設定される場合について説明する。この場合には、例えば、上述したトルク目標値τｒｅｆに対して制限値が設定される。具体的には、当該トルク目標値τｒｅｆに対する上限値として、減速機６１２の破壊トルクに応じた制限値が設定され、トルク目標値τｒｅｆが当該上限値（制限値）を超えないようにモータ６１１の駆動が制御される。当該制限値としては、モータ６１１のＮ−Ｔ特性や、後述する図６に示す減速機６１２の疲労破壊特性等を考慮して、モータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルクを超えないような値が設定される。これにより、モータ６１１による発生トルクによって、減速機６１２が構造的に破壊されることが回避される。
【０１０２】
なお、この例では、トルク値に対して制限値が設定される際に、トルク目標値τｒｅｆに対して制限値が設定されているが、トルク指令値τに対して制限値が設定されてもよい。ただし、後述するように、力制御では、制御が安定するまでの間に、モータ６１１において目標値よりも大きい発生トルクも生じ得る。一般的に、モータ６１１の応答性を良くするために、トルク指令値τはトルク目標値τｒｅｆよりも大きな値であることが多いため、減速機６１２の強度によっては、トルク指令値τが定常的に負荷されると、当該減速機６１２が破壊する可能性が増加する。従って、トルク値に対して制限値を設定する際には、定常的に大きな負荷が掛かることを避けるために、上記の例のように、トルク目標値τｒｅｆに対して制限値が設定されることが好ましい。ただし、制限値を適切に設定すれば、当然、トルク指令値τに対して制限値が設定されてもよい。電流値についても同様のことが言えるが、後述するように、電流値については、制限値を超える電流がモータ６１１に印加され得ないように物理的な制限が課せられてよいため、好適に、トルク指令値τに対応する電流指令値に制限値が設定され得る。
【０１０３】
ここで、電流値に対する制限値の設定方法と、トルク値に対する制限値の設定方法とは、互いに異なる考え方に基づくものであり得る。
【０１０４】
例えば、トルク値については、制限値として、減速機６１２の破壊トルクに比べて比較的小さいトルク値が設定され得る。これは、制御が安定するまでの間のモータ６１１による発生トルクのオーバーシュートを考慮したものである。
【０１０５】
力制御では、モータ６１１による発生トルクが目標値に収束するように当該モータ６１１の駆動が制御されるが、その際、制御が安定するまでの間には、当該目標値よりも大きい発生トルクも生じ得る。従って、例えばトルク目標値τｒｅｆに対する制限値として減速機６１２の破壊トルクと略同一の値を設定した場合において、トルク目標値τｒｅｆとして当該制限値と等しい又は制限値に近い値が与えられた場合には、制御が安定するまでの間のオーバーシュートにより、モータ６１１による発生トルクが破壊トルクを超えてしまう可能性がある。よって、トルク値に対する制限値としては、好適に、オーバーシュートが生じた場合であってもモータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルクを超えないような、当該破壊トルクよりも小さいトルク値が設定され得る。
【０１０６】
一方、例えば、電流値については、制限値として、減速機６１２の破壊トルクに対応する電流値が設定され得る。ただし、この場合、電流値については、制限値を超える電流がモータ６１１に印加され得ないように、物理的な制限が課せられていてよい。このように、電流値に対する制限値の設定は、モータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルを超えないように、物理的に制限を掛けるためのものであるとも言える。電流値をこのように制御することにより、減速機６１２の破壊がより確実に防止され得る。
【０１０７】
本実施形態では、上述した電流値に対する制限値の設定、及びトルク値に対する制限値の設定について、いずれか一方のみが行われてもよいし、両方がともに行われてもよい。電流値及びトルク値のいずれか一方に対してのみ制限値が設定された場合であっても、制限値を例えば上述した考え方に基づいて適切に設定することにより、モータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルクを超えないように、アクチュエータ６１０の駆動を制御することが可能になる。
【０１０８】
しかしながら、力制御が行われる場合には、電流値に対してのみ制限値が設定されると、制御が不安定になる可能性がある。力制御では、トルク値を目標値としてモータ６１１の駆動が制御されるため、図５を参照して説明したように、算出され、モータ６１１に対して与えられる制御値も、トルク値である（例えば上述したトルク指令値τ及びトルク目標値τｒｅｆ）。従って、力制御が行われる場合には、実際の制御値であるトルク値に対して制限値を設けた方がより安定的な制御が実現され得るからである。
【０１０９】
一方、トルク値に対してのみ制限値が設定される場合には、例えばオーバーシュート量が予想よりも大きかった場合や、意図せぬ大きな外力がアクチュエータ６１０に加えられた場合に、モータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルクを超えてしまう可能性がある。
【０１１０】
従って、上述したような、制御の安定性や、モータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルクを超えてしまう危険性等を考慮すると、電流値及びトルク値の両方に対して制限値が設定されることが好ましい。この場合には、例えば上記の考え方に基づいて、トルク値の制限値としては、オーバーシュートによる超過を許容し得る、より低い値が設定される一方、電流値の制限値としては、超過を許容しない、より高い値が設定されてよい。これにより、モータ６１１による発生トルクについて、オーバーシュートは許容しつつ、減速機６１２の破壊トルクは超えないような制御が可能となるため、減速機６１２、すなわちアクチュエータ６１０の破壊を防止しつつ、より安定的な制御が実現され得る。このように、トルク値に対する制限値と、電流値に対する制限値と、に差を設けることにより、制御の安定性を確保しつつ、減速機６１２の破壊をより確実に防止することが可能になる。
【０１１１】
以上、図５を参照して、本実施形態における、アクチュエータ６１０の駆動制御方法について説明した。以上説明したように、本実施形態によれば、モータ６１１に対する制御値である電流値及び／又はトルク値に対して、制限値が設けられた状態で、モータ６１１が駆動され得る。この際、当該制限値としては、モータ６１１のＮ−Ｔ特性や、減速機６１２の疲労破壊特性を考慮して、モータ６１１による発生トルクが減速機６１２の破壊トルクを超えないような値が設定される。従って、アクチュエータ６１０の破壊が好適に抑制され得る。
【０１１２】
なお、以上の説明では、モータ６１１の起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機６１２が用いられる場合において、減速機６１２の破壊を防止し得るようなアクチュエータ６１０の駆動制御について説明したが、例えばトルクセンサ６１４等、他の構成部材についても、同様に、電流値及びトルク値の少なくともいずれかに対して、これらの構成部材の破壊トルクに対応する制限値が設定された状態で、アクチュエータ６１０の駆動が制御され得る。これにより、これらの構成部材についても、その破壊が好適に防止され得る。
【０１１３】
（５．破壊トルク）
図６を参照して、本実施形態における破壊トルクの概念について説明する。図６は、本実施形態における破壊トルクの概念について説明するための説明図である。
【０１１４】
図６は、本実施形態に係る減速機４２６の疲労破壊特性を示している。図６では、一例として、あるハーモニックドライブにおける疲労破壊特性を示している。図中、横軸は減速機４２６のウェーブ・ジェネレータの総回転数であり、縦軸は定格トルクを１としたときの負荷トルクである。横軸にプロットされている減速機４２６のウェーブ・ジェネレータの総回転数は、減速機４２６の使用時間に相当するものであると言える。このように、図６に示す減速機４２６の疲労破壊特性は、いわゆるＳ−Ｎ線図に対応するものである。
【０１１５】
図示するように、減速機４２６では、疲労破壊に関する多様な曲線が定義されている。図中、曲線Ａは、ウェーブ・ジェネレータの疲労破壊特性を示す曲線である。曲線Ｂは、フレクスプラインの歯底の疲労破壊特性を示す曲線である。曲線Ｃは、ラチェッティングと呼ばれる歯飛びを起こす破壊限界（いわゆる破壊強度）を示す曲線である。曲線Ｄは、座屈を起こす破壊限界（いわゆる破壊強度）を示す曲線である。図６に示す特性図は、負荷トルク及びウェーブ・ジェネレータの総回転数の累積によって、これらの曲線のいずれかを超えた場合に、減速機４２６が破壊することを示している。
【０１１６】
更に、減速機４２６では、これらの疲労破壊特性に基づいて、許容ピークトルク（図示する例では負荷トルク＝２であるトルク）、及び瞬間許容最大トルク（図示する例では負荷トルク＝４であるトルク）が定義されている。許容ピークトルクは、安定的な使用の観点から、起動時及び停止時に瞬間的に負荷されることは許容され得るトルクであり、瞬間許容最大トルクは、同じく安定的な使用の観点から、一瞬でも負荷されることが許容され得ないトルクである。
【０１１７】
許容ピークトルク及び瞬間許容最大トルクは、例えば、アクチュエータ４３０の設計者等によって、図示する減速機４２６の疲労破壊特性に基づいて、当該減速機４２６に求められる疲労寿命を考慮して、適宜設定されてよい。あるいは、市販の減速機４２６が用いられる場合であれば、当該減速機４２６を作製するメーカーによって、許容ピークトルク及び瞬間許容最大トルク、又はこれらに準じるトルク値が規定されていることが一般的である。
【０１１８】
図６では、一例として、減速機４２６の疲労破壊特性を示しているが、アクチュエータ４３０を構成する他の構成部材についても、Ｓ−Ｎ線図に相当する、同様の疲労破壊特性が取得され得る。本実施形態では、各構成部材の破壊トルクは、図６に例示するような各構成部材についての疲労破壊特性に基づいて、これらの各構成部材に求められる疲労寿命を考慮して、適宜設定されてよい。例えば、モータ４２４の起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するトルクセンサ４２８が用いられる場合であれば、トルクセンサ４２８の疲労破壊特性に基づいて、当該トルクセンサ４２８の破壊トルクが設定され得る。
【０１１９】
例えば、図示する例であれば、減速機４２６の破壊トルクとして、瞬間許容最大トルクが用いられてよい。この場合には、モータ４２４による発生トルクが当該瞬間許容最大トルク以下となるような制限値が、電流値及び／又はトルク値に対する制限値（上限値）として設定され得る。
【０１２０】
ただし、上述したように、電流値及びトルク値に対する制限値は、互いに異なる考え方に基づいて設定されてよい。例えば、電流値の制限値としては、瞬間許容最大トルクに対応する電流値が、制限値として設定され得る。そして、当該制限値よりも大きな電流がモータ４２４に印加されないような制御が行われる。一方、例えば、トルク値の制限値としては、制御時のオーバーシュートを考慮した、瞬間許容最大トルクよりも低いトルク値が、制限値として設定され得る。
【０１２１】
以上、図６を参照して、本実施形態における破壊トルクの概念について説明した。
【０１２２】
ここで、以上説明したように、減速機４２６の破壊トルクは、減速機４２６の使用時間及び負荷トルクの履歴と、密接に関連している。アクチュエータ４３０の他の構成部材についても、同様に、その破壊トルクは、負荷トルクと、当該トルクが負荷された時間（又は回数）と、に依存し得る。従って、本実施形態に係るアクチュエータ４３０の駆動制御では、アクチュエータ４３０の各構成部材に対して負荷されたトルク値の履歴が取得され、当該履歴に応じて、各構成部材に対して設定される破壊トルクの値が、適宜変更されてもよい。これにより、各構成部材の破壊トルクとしてより適切な値が用いられることとなるため、電流値及び／又はトルク値に対する制限値の設定も、より適切に行うことが可能になる。
【０１２３】
また、上記のように、アクチュエータ４３０の各構成部材の破壊トルクは、負荷トルク及び当該トルクが負荷された時間（又は回数）と、密接に関連しているため、例えば、アクチュエータ４３０の各構成部材に対して負荷されたトルク値の履歴を取得することにより、当該構成部材が破壊されるまでに許容される負荷トルクの大きさ及び当該負荷トルクの負荷時間（又は負荷回数）を把握することができる。従って、本実施形態に係るアクチュエータ４３０の駆動制御では、把握した当該情報に基づいて、構成部材が破壊されない範囲で、電流値及び／又はトルク値に対する制限値が通常よりも高い値に設定されてもよい。
【０１２４】
例えば、上述したように、トルク値に対する制限値は、通常、オーバーシュートが生じてもモータ４２４による発生トルクが対象としている構成部材の破壊トルクを超えないように、破壊トルクよりも小さい値に設定されている。しかしながら、当該構成部材に対する負荷トルクの履歴から、当該構成部材が破壊するまでに相当の余裕があると判断される場合には、当該トルク値に対する制限値が引き上げられてもよい。これにより、モータ４２４による発生トルクをより大きくすることができるため、一時的にアクチュエータ４３０の出力を大きくすることが可能になる。ただし、制限値が引き上げられたことにより、当該構成部材には、通常では負荷され得ない過大なトルクが負荷されることとなる。従って、このような過大なトルクが所定の時間又は所定の回数負荷された時点で、制限値が再度通常の値に戻されてもよい。
【０１２５】
このように、各構成部材における負荷トルクの履歴に基づいて、各構成部材が破壊されない範囲で、破壊トルク、並びに、電流値及び／又はトルク値に対する制限値を柔軟に変更することにより、より確実に破壊を防止しつつ、より自由度の高いアクチュエータ４３０の駆動制御が可能になる。
【０１２６】
（６．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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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）モータと、前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機と、を備え、前記モータを駆動するための制御値に対して、前記減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる、アクチュエータ。
（２）前記制御値は電流値であり、前記制御値に対する前記制限値として、前記モータによる発生トルクが前記減速機の破壊トルク以下となる電流値が設定される、前記（１）に記載のアクチュエータ。
（３）前記モータに印加される電流値が前記制限値を超えないように制御される、前記（２）に記載のアクチュエータ。
（４）前記制御値はトルク値であり、前記制御値に対する前記制限値として、前記モータによる発生トルクが前記減速機の破壊トルク以下となるトルク値が設定される、前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
（５）前記制限値は、前記モータによる発生トルクのオーバーシュート量を加味して設定される、前記（４）に記載のアクチュエータ。
（６）前記制御値はトルク値及び電流値であり、前記制御値であるトルク値及び電流値に対する前記制限値として、前記モータによる発生トルクが前記減速機の破壊トルク以下となるトルク値及び電流値がそれぞれ設定される、前記（１）に記載のアクチュエータ。
（７）前記減速機の破壊トルクの値は、前記減速機の疲労破壊特性に基づいて、所定の疲労寿命が確保されるトルク値として設定される、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
（８）前記減速機の破壊トルクの値は、前記減速機の疲労破壊特性に基づいて、前記減速機に負荷されたトルクの履歴に応じて変更される、前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
（９）前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有するトルクセンサ、を更に備え、前記制御値に対して、前記トルクセンサの破壊トルクに応じた制限値が更に設けられる、前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
（１０）複数の関節部から構成されるアーム部と、前記アーム部の先端に設けられる医療用器具と、を備え、前記関節部に設けられるアクチュエータは、モータと、前記モータの起動トルクよりも小さい破壊トルクを有する減速機と、を有し、前記モータを駆動するための制御値に対して、前記減速機の破壊トルクに応じた制限値が設けられる、医療用支持アーム装置。
（１１）前記アーム部の先端に設けられる医療用器具は、術部を観察するための観察ユニットである、前記（１０）に記載の医療用支持アーム装置。
（１２）前記アーム部の先端に設けられる医療用器具は、鉗子である、前記（１０）に記載の医療用支持アーム装置。
（１３）前記関節部に設けられるアクチュエータの駆動は、力制御によって制御される、前記（１０）〜（１２）のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
【符号の説明】
【０１２９】
４００、５１０    支持アーム装置（観察装置）
４１０、５１１    ベース部
４２０、５１２    アーム部
４２１ａ〜４２１ｆ、５１３ａ〜５１３ｃ    関節部
４２３、５１５    撮像ユニット
４３０、６１０    アクチュエータ
４２４、６１１    モータ
４２６、６１２    減速機
４２７、６１３    エンコーダ
４２８、６１４    トルクセンサ
４４０    制御装置
【図１】
2016158751.tif 000004
【図２】
2016158751.tif 000005
【図３】
2016158751.tif 000006
【図４】
2016158751.tif 000007
【図５】
2016158751.tif 000008
【図６】
2016158751.tif 000009