JP2017176307A - 医療用支持アームの制御装置、医療用支持アーム装置の制御方法及び医療用システム - Google Patents

Abstract

【課題】医療用支持アーム装置の動作に制限を加える。
【解決手段】本開示に係る医療用支持アームの制御装置は、複数のリンクが間接部によって連結されて構成される多リンク構造体上の作用点の空間位置を検出する位置取得部と、予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較する比較部と、前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限する動作制限部と、を備える。この構成により、医療用支持アーム装置の動作に制限を加えることが可能となる。
【選択図】図９

Description

本開示は、医療用支持アームの制御装置、医療用支持アーム装置の制御方法及び医療用システムに関する。

従来より、例えば下記の特許文献に記載されているように、医療分野においては、各種の施術(手術，検査等)を行う際に、アーム部先端に医療用ユニット(カメラ、鉗子等)が設けられた医療機器を使用する場合がある。

国際公開第２０１５／０４６０８１号明細書

しかしながら、手動操作可能な医療用アームは、操作者が直観的に操作可能である一方、操作を誤った際にはアーム部先端が患者や施術者に接触するといった想定外の事態が生じる可能性がある。医療用アーム使用時の安全確保においては、操作者の視覚や触覚による判断のみに頼るのでなく、機器側での操作性及び操作制限による安全担保が要求される。

そこで、医療用支持アーム装置の動作に制限を加えることが求められていた。

本開示によれば、複数のリンクが関節部によって連結されて構成される多リンク構造体における作用点の空間位置を検出する位置取得部と、予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較する比較部と、前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限する動作制限部と、を備える、医療用支持アーム装置が提供される。

また、本開示によれば、複数のリンクが間接部によって連結されて構成される多リンク構造体上の作用点の空間位置を検出することと、予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較することと、前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限することと、を備える、医療用支持アーム装置の制御方法が提供される。

また、本開示によれば、複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから多リンク構造体を構成する複数の関節部を有する支持アームと、前記多リンク構造体における作用点の空間位置を検出する位置取得部と、予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較する比較部と、前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限する動作制限部と、を有する制御装置と、を備える、医療用システムが提供される。

以上説明したように本開示によれば、医療用支持アーム装置の動作に制限を加えることが可能となる。
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、また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、また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。

本開示の一実施形態に係る支持アーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明するための説明図である。 本開示の一実施形態に係る支持アーム装置の外観を示す概略図である。 本開示の一実施形態に係る関節部のアクチュエータを、回転軸を通る断面で切断した様子を模式的に示す断面図である。 図３に示すトルクセンサを、駆動軸の軸方向から見た様子を模式的に示す概略図である。 図３に示すアクチュエータに適用されるトルクセンサの他の構成例を示す概略図である。 本開示の一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。 本開示の一実施形態に係る支持アーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。 本実施形態におけるアームの可動域制限の例を示す図であって、手動誘導動作モードを示す模式図である。 本実施形態におけるアームの可動域制限の例を示す図であって、手動誘導動作モードを示す模式図である。 本実施形態におけるアームの可動域制限の例を示す図であって、手動誘導動作モードを示す模式図である。 本実施形態におけるアームの可動域制限の例を示す図であって、自動誘導動作モードを示す模式図である。 本実施形態におけるアームの可動域制限の例を示す図であって、自動誘導動作モードを示す模式図である。 本実施形態におけるアームの可動域制限の例を示す図であって、自動誘導動作モードを示す模式図である。 アームの可動域制限と可動域拡張を実現するための構成例を示す模式図である。 アームの可動域制限と可動域拡張を実現するための処理を示すフローチャートである。 患部からの距離に応じて段階的に安全可動域と非安全領域を設定した例を示す模式図である。 起動時のアーム先端位置からの距離に応じて、段階的に安全可動域を設定する例を示す模式図である。 アーム先端に３Ｄカメラを搭載し、３Ｄカメラで撮影した画像を用いた画像認識により患部の立体形状を計測してデプスマップを作成し、デプスマップより得られる患部の形状に基づいて非安全領域を設定する例を示す模式図である。 図１１に示す例において、アーム先端の移動を制限するパラメータとして粘性抵抗値を用い、非安全レベルが高い領域ほど粘性抵抗（粘性負荷量）を大きくした例を示す模式図である。 図１１に示す例において、アーム先端の移動を制限するパラメータとして速度を用い、非安全レベルが高い領域ほど速度を低くした例を示す模式図である。 本開示の一実施形態に係る支持アーム装置１０及び制御装置２０のハードウェア構成の一構成例を示す機能ブロック図である。

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。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．医療用支持アーム装置についての検討
２．本開示の一実施形態
２−１．支持アーム装置の外観
２−２．一般化逆動力学について
２−２−１．仮想力算出処理
２−２−１．実在力算出処理
２−３．理想関節制御について
２−４．支持アーム制御システムの構成
２−５．アームの可動域制限と可動域拡張の概要
２−６．アームの可動域制限と可動域拡張を実現するための構成例
２−７．安全可動域と非安全領域のバリエーション
３．ハードウェア構成
４．まとめ

＜１．医療用支持アーム装置についての検討＞
まず、本開示をより明確なものとするために、本発明者らが本開示に想到するに至った背景について説明する。

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が医療用に用いられる場合の一適用例について説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る支持アーム装置が医療用に用いられる場合の一適用例について説明するための説明図である。

図１は、本実施形態に係る支持アーム装置を用いた施術の様子を模式的に表している。具体的には、図１を参照すると、施術者（ユーザ）５２０である医師が、例えばメス、鑷子、鉗子等の手術用の器具５２１を使用して、施術台５３０上の施術対象（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。なお、以下の説明においては、施術とは、手術や検査等、ユーザ５２０である医師が施術対象５４０である患者に対して行う各種の医療的な処置の総称であるとする。また、図１に示す例では、施術の一例として手術の様子を図示しているが、支持アーム装置５１０が用いられる施術は手術に限定されず、他の各種の施術、例えば内視鏡を用いた検査等であってもよい。

施術台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。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を有する。図１に示す例では、簡単のため、アーム部５１２は３つの関節部５１３ａ〜５１３ｃ及び２つのリンク５１４ａ、５１４ｂを有しているが、実際には、アーム部５１２及び撮像ユニット５１５の位置及び姿勢の自由度を考慮して、所望の自由度を実現するように関節部５１３ａ〜５１３ｃ及びリンク５１４ａ、５１４ｂの数や形状、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動軸の方向等が適宜設定されてよい。

関節部５１３ａ〜５１３ｃは、リンク５１４ａ、５１４ｂを互いに回動可能に連結する機能を有し、関節部５１３ａ〜５１３ｃの回転が駆動されることにより、アーム部５１２の駆動が制御される。ここで、以下の説明においては、支持アーム装置５１０の各構成部材の位置とは、駆動制御のために規定している空間における位置（座標）を意味し、各構成部材の姿勢とは、駆動制御のために規定している空間における任意の軸に対する向き（角度）を意味する。また、以下の説明では、アーム部５１２の駆動（又は駆動制御）とは、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動（又は駆動制御）、及び、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動（又は駆動制御）を行うことによりアーム部５１２の各構成部材の位置及び姿勢が変化される（変化が制御される）ことをいう。

アーム部５１２の先端には先端ユニットとして各種の医療用器具が接続される。図１に示す例では、先端ユニットの一例としてアーム部５１２の先端に撮像ユニット５１５が設けられている。撮像ユニット５１５は、撮影対象の画像（撮影画像）を取得するユニットであり、例えば動画や静止画を撮影できるカメラ等である。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が施術対象５４０の施術部位の様子を撮影するように、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の姿勢や位置が制御される。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、例えば、内視鏡や顕微鏡、上述した撮像ユニット５１５等の撮像機能を有するユニットや、各種の施術器具、検査装置等、施術に際して用いられる各種のユニットが挙げられる。このように、本実施形態に係る支持アーム装置５１０は、医療用器具を備えた医療用支持アーム装置であると言える。また、アーム部５１２の先端に、２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、撮像対象を３次元画像（３Ｄ画像）として表示するように撮影が行われてもよい。なお、先端ユニットとして、施術部位を撮影するための撮像ユニット５１５や当該ステレオカメラ等のカメラユニットが設けられる支持アーム装置５１０のことをＶＭ（Ｖｉｄｅｏ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）支持アーム装置とも呼称する。

また、ユーザ５２０と対向する位置には、モニタやディスプレイ等の表示装置５５０が設置される。撮像ユニット５１５によって撮影された施術部位の撮影画像は、表示装置５５０の表示画面に表示される。ユーザ５２０は、表示装置５５０の表示画面に表示される施術部位の撮影画像を見ながら各種の処置を行う。

このように、本実施形態においては、医療分野において、支持アーム装置５１０によって施術部位の撮影を行いながら手術を行うことが提案される。ここで、手術を含む各種の施術においては、より施術を効率的に行うことにより、ユーザ５２０及び患者５４０の疲労や負担を軽減することが求められる。このような要求を満たすために、支持アーム装置５１０には、例えば以下のような性能が求められると考えられる。

まず、１点目として、支持アーム装置５１０には、手術における作業空間を確保することが求められる。ユーザ５２０が施術対象５４０に対して各種の処置を行っている最中に、アーム部５１２や撮像ユニット５１５が施術者の視界を妨げたり、処置を行う手の動きを妨げたりすると、手術の効率の低下につながる。また、図１では図示していないが、実際の手術現場では、ユーザ５２０に器具を渡したり、患者５４０の各種のバイタルサインを確認したりといった、様々なサポート作業を行う複数の他の医師や看護師等がユーザ５２０及び患者５４０の周囲にいることが一般的であり、また、当該サポート作業を行うための他の装置等が存在するため、手術環境は煩雑である。従って、支持アーム装置５１０は、より小型であることが望ましい。

次いで、２点目として、支持アーム装置５１０には、撮像ユニット５１５を移動させる際の高い操作性が求められる。例えば、手術を行う部位や手術の内容によっては、ユーザ５２０には、施術部位に対して処置を行っている最中に、同じ施術部位を様々な位置、角度から観察したいという要求がある。施術部位を観察する角度を変えるには、撮像ユニット５１５の施術部位に対する角度を変更する必要があるが、その際、撮像ユニット５１５の撮影方向は施術部位に固定されたまま（すなわち、同一の部位を撮影したまま）、撮影する角度だけが変化することがより望ましい。従って、例えば、撮像ユニット５１５の撮影方向が施術部位に固定された状態で、撮像ユニット５１５が施術部位を頂点とした円錐の面内を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作（ピボット動作）のような、より自由度の高い操作性が支持アーム装置５１０に求められていた。なお、撮像ユニット５１５の撮影方向が所定の施術部位に固定されることから、ピボット動作はポイントロック動作とも呼ばれる。

また、撮像ユニット５１５の位置及び角度を変化させるためには、例えばユーザ５２０が手動でアーム部５１２を動かすことによって、撮像ユニット５１５を所望の位置及び角度に動かす方法が考えられる。従って、撮像ユニット５１５の移動や上述したピボット動作等が、例えば片手でも容易に行える操作性があることが望ましい。

また、手術時には、例えばユーザ５２０が両手で処置を行いながら、撮像ユニット５１５によって撮影される撮影画像の撮影中心を、処置を行っている部位から別の部位（例えば次の処置を行う部位）に移動させたいという要求も考えられる。従って、撮像ユニット５１５の位置及び姿勢を変化させる際に、上述したような手動によってアーム部５１２の駆動を制御する方法だけではなく、例えばペダル等の入力部からの操作入力によってアーム部５１２の駆動を制御する方法のような、多様なアーム部５１２の駆動方法が求められる。

このように、２点目の性能として、支持アーム装置５１０には、例えば上述したピボット動作や手動による容易な移動を実現する、よりユーザ５２０の直感や要望に合った高い操作性が求められる。

最後に、３点目として、支持アーム装置５１０には、アーム部５１２の駆動制御における安定性が求められる。アーム部５１２の駆動制御に対する安定性とは、アーム部５１２を駆動した際の先端ユニットの位置及び姿勢の安定性のことであってよい。また、アーム部５１２の駆動制御に対する安定性には、アーム部５１２を駆動した際の先端ユニットのスムーズな移動や振動の抑制（制振）も含まれる。例えば、図１に示す例のように先端ユニットが撮像ユニット５１５である場合に、もしも撮像ユニット５１５の位置や姿勢が安定しないと、表示装置５５０の表示画面に表示される撮影画像が安定せず、ユーザに不快感を与えかねない。特に、支持アーム装置５１０が手術に用いられる際には、先端ユニットとして２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、当該ステレオカメラによる撮影画像に基づいて生成される３次元画像（３Ｄ画像）が表示装置５５０に表示される使用方法が想定され得る。このように３Ｄ画像が表示される場合に、当該ステレオカメラの位置や姿勢が不安定であると、ユーザのいわゆる３Ｄ酔いを誘発する可能性がある。また、手術を行う部位や手術の内容によっては、撮像ユニット５１５によって撮影される観察範囲はφ１５ｍｍ程度にまで拡大されることがある。このように撮像ユニット５１５が狭い範囲を拡大して撮影している場合には、撮像ユニット５１５の僅かな振動が撮像画像の大きな揺れやブレとなって表れる。従って、アーム部５１２及び撮像ユニット５１５の駆動制御には、許容範囲１ｍｍ程度の高い位置決め精度が要求される。このように、アーム部５１２の駆動制御においては、高精度の応答性と高い位置決め精度が求められる。

本発明者らは、上記の３つの性能の観点から、一般的な既存のバランス型アームや位置制御による支持アーム装置について検討を行った。

まず、１点目の手術の作業空間の確保に関しては、一般的なバランス型アームでは、通常、アーム部を移動させた際の力の均衡を取るためのカウンターバランス用ウェイト（カウンターウェイト又はバランサーとも呼称する。）がベース部の内部等に設けられるため、バランス型アームの装置の大きさを小型化することが難しく、当該性能を満たしているとは言い難い。

また、２点目の高い操作性に関しては、一般的なバランス型アームでは、アーム部の駆動の一部のみ、例えば撮像ユニットを平面上（２次元上）で移動させるための２軸の駆動のみが電動駆動となっており、アーム部及び撮像ユニットの移動には手動による位置決めが必要となるため、高い操作性が実現できるとは言い難い。また、一般的な位置制御による支持アーム装置において、アーム部の駆動の制御、すなわち撮像ユニットの位置及び姿勢の制御に用いられる位置制御は、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、要求されているようなユーザの直感に合った操作性を実現するには適していない。

また、３点目のアーム部の駆動制御における安定性に関しては、一般的に、アーム部の関節部には、摩擦や慣性等のモデル化することが困難な因子が存在する。一般的なバランス型アームや位置制御による支持アーム装置においては、関節部の駆動制御においてこれらの因子が外乱となって表れてしまうことにより、理論上適切な制御値（例えば関節部のモータに印加する電流値）を与えた場合であっても所望の駆動（例えば関節部のモータにおける所望の角度の回転）が実現しないことがあり、要求されているようなアーム部の駆動制御における高い安定性を実現することは困難である。

以上説明したように、本発明者らは、医療用に用いられる支持アーム装置について検討した結果、支持アーム装置に関して、上述したような３点の性能に対する要求が存在するとの知見を得た。しかしながら、一般的な既存のバランス型アームや位置制御による支持アーム装置では、これらの性能を満たすことは困難であると考えられる。本発明者らは、上述した３点の性能を満たす構成について検討した結果、本開示に係る支持アーム装置、支持アーム制御システム、支持アーム制御方法及びプログラムに想到した。以下では、本発明者らが想到した構成における好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜２．本開示の一実施形態＞
以下では、本開示の一実施形態に係る支持アーム制御システムについて説明する。本実施形態に係る支持アーム制御システムにおいては、支持アーム装置に設けられる複数の関節部の駆動を、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により制御する。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を当該関節部の駆動制御に適用する。

以下の本実施形態の説明では、まず、［２−１．支持アーム装置の外観］で、本実施形態に係る支持アーム装置の外観を示すとともに、支持アーム装置の概略構成について説明する。次いで、［２−２．一般化逆動力学について］及び［２−３．理想関節制御について］で、本実施形態に係る支持アーム装置の制御に用いられる一般化逆動力学と理想関節制御の概要について説明する。次いで、［２−４．支持アーム制御システムの構成］で、本実施形態に係る支持アーム装置を制御するためのシステムの構成について機能ブロック図を用いて説明する。

なお、以下の説明では、本開示の一実施形態として、支持アーム装置のアーム部の先端ユニットが撮像ユニットであり、図１に示すように手術時に当該撮像ユニットによって施術部位を撮影する場合について説明するが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態に係る支持アーム制御システムは、他の先端ユニットを有する支持アーム装置が他の用途に用いられる場合であっても適用可能である。

［２−１．支持アーム装置の外観］
まず、図２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概略構成について説明する。図２は、本開示の一実施形態に係る支持アーム装置の外観を示す概略図である。

図２を参照すると、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、ベース部４１０及びアーム部４２０を備える。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。また、図２には図示しないが、ベース部４１０内には、支持アーム装置４００を統合的に制御する制御部が設けられてもよく、アーム部４２０の駆動が当該制御部によって制御されてもよい。当該制御部は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の各種の信号処理回路によって構成される。

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を有する。

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。

撮像ユニット４２３は撮影対象の画像を取得するユニットであり、例えば動画、静止画を撮影するカメラ等である。アーム部４２０の駆動が制御されることにより、撮像ユニット４２３の位置及び姿勢が制御される。本実施形態においては、撮像ユニット４２３は、例えば施術部位である患者の体の一部領域を撮影する。ただし、アーム部４２０の先端に設けられる先端ユニットは撮像ユニット４２３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接続されてよい。このように、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、医療用器具を備えた医療用支持アーム装置であると言える。

ここで、以下では、図２に示すように座標軸を定義して支持アーム装置４００の説明を行う。また、座標軸に合わせて、上下方向、前後方向、左右方向を定義する。すなわち、床面に設置されているベース部４１０に対する上下方向をｚ軸方向及び上下方向と定義する。また、ｚ軸と互いに直交する方向であって、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸されている方向（すなわち、ベース部４１０に対して撮像ユニット４２３が位置している方向）をｙ軸方向及び前後方向と定義する。更に、ｙ軸及びｚ軸と互いに直交する方向をｘ軸方向及び左右方向と定義する。

関節部４２１ａ〜４２１ｆはリンク４２２ａ〜４２２ｃを互いに回動可能に連結する。関節部４２１ａ〜４２１ｆはアクチュエータを有し、当該アクチュエータの駆動により所定の回転軸に対して回転駆動される回転機構を有する。各関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転駆動をそれぞれ制御することにより、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の駆動を制御することができる。ここで、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、下記［２−２．一般化逆動力学について］で後述する全身協調制御及び下記［２−３．理想関節制御について］で後述する理想関節制御によってその駆動が制御される。また、上述したように、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆは回転機構を有するため、以下の説明において、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御とは、具体的には、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度及び／又は発生トルク（関節部４２１ａ〜４２１ｆが発生させるトルク）が制御されることを意味する。

本実施形態に係る支持アーム装置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。具体的には、図２に示すように、関節部４２１ａ、４２１ｄ、４２１ｆは、接続されている各リンク４２２ａ〜４２２ｃの長軸方向及び接続されている撮像ユニット４７３の撮影方向を回転軸方向とするように設けられており、関節部４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｅは、接続されている各リンク４２２ａ〜４２２ｃ及び撮像ユニット４７３の連結角度をｙ−ｚ平面（ｙ軸とｚ軸とで規定される平面）内において変更する方向であるｘ軸方向を回転軸方向とするように設けられている。このように、本実施形態においては、関節部４２１ａ、４２１ｄ、４２１ｆは、いわゆるヨーイングを行う機能を有し、関節部４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｅは、いわゆるピッチングを行う機能を有する。

このようなアーム部４２０の構成を有することにより、本実施形態に係る支持アーム装置４００ではアーム部４２０の駆動に対して６自由度が実現されるため、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。図２では、撮像ユニット４２３の移動可能範囲の一例として半球を図示している。半球の中心点が撮像ユニット４２３によって撮影される施術部位の撮影中心であるとすれば、撮像ユニット４２３の撮影中心を半球の中心点に固定した状態で、撮像ユニット４２３を半球の球面上で移動させることにより、施術部位を様々な角度から撮影することができる。

ここで、図３を参照して、図２に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成についてより詳細に説明する。なお、ここでは、図３を参照して、関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成のうち、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転駆動に主に関係する構成であるアクチュエータの構成について説明する。

図３は、本開示の一実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータを、回転軸を通る断面で切断した様子を模式的に示す断面図である。なお、図３では、関節部４２１ａ〜４２１ｆの構成のうち、アクチュエータのみを図示しているが、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、他の構成を有してもよい。例えば、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、図３に図示する構成以外にも、アクチュエータの駆動を制御するための制御部や、リンク４２２ａ〜４２２ｃ及び撮像ユニット４２３を接続、支持するための支持部材等、アーム部４２０の駆動に必要な各種の構成を有する。なお、ここまでの説明及び以下の説明において、アーム部の関節部の駆動とは、関節部におけるアクチュエータの駆動を意味していてもよい。

なお、上述したように、本実施形態においては、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、下記［２−３．理想関節制御について］で後述する理想関節制御によってその駆動が制御される。従って、図３に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、理想関節制御に対応した駆動を行えるように構成されている。具体的には、関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、当該関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転角度及び回転駆動に伴うトルクを調整できるように構成されている。また、関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータは、回転運動に対する粘性抵抗係数を任意に調整できるように構成されており、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい（すなわち、アーム部４２０を手動で移動しやすい）状態や回転し難い（すなわち、アーム部４２０を手動で移動し難い）状態を実現することができる。

図３を参照すると、本実施形態に係る関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ４３０は、モータ４２４、モータドライバ４２５、減速機４２６、エンコーダ４２７、トルクセンサ４２８及び駆動軸４２９を有する。図３に示すように、エンコーダ４２７、モータ４２４、減速機４２６及びトルクセンサ４２８は、駆動軸４２９に対して直列にこの順で連結される。

モータ４２４は、アクチュエータ４３０における原動機であり、駆動軸４２９をその軸周りに回転させる。例えば、モータ４２４は、ブラシレスＤＣモータ等の電動モータである。本実施形態においては、モータ４２４は電流を供給されることによってその回転駆動が制御される。

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。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、上述したようなアクチュエータ４３０の回転運動に対する粘性抵抗係数を調整することができる。

減速機４２６は、駆動軸４２９に接続され、モータ４２４によって生じた駆動軸４２９の回転速度を所定の減速比で減速することにより、所定の値を有する回転駆動力（すなわち、トルク）を発生させる。減速機４２６には、バックラッシレス型の高性能減速機が用いられる。例えば、減速機４２６は、ハーモニックドライブ（登録商標）であってもよい。減速機４２６によって生成されたトルクは、減速機４２６の出力軸に接続されたトルクセンサ４２８を介して、後段の出力部材（図示せず。例えばリンク４２２ａ〜４２２ｃや撮像ユニット４２３等の連結部材）に伝達される。

エンコーダ４２７は、駆動軸４２９に接続され、駆動軸４２９の回転数を検出する。エンコーダによって検出された駆動軸４２９の回転数と、減速機４２６の減速比との関係に基づいて、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。

トルクセンサ４２８は、減速機４２６の出力軸に接続され、減速機４２６によって生成されたトルク、すなわち、アクチュエータ４３０によって出力されるトルクを検出する。以下の説明では、アクチュエータ４３０によって出力されるトルクのことを単に発生トルクとも呼称する。

このように、アクチュエータ４３０においては、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の回転数を調整することがでる。ここで、減速機４２６における減速比は、支持アーム装置４００の用途に応じて適宜設定可能であってよい。従って、減速機４２６の減速比に応じて、モータ４２４の回転数を適宜調整することにより、発生トルクを制御することができる。また、アクチュエータ４３０においては、エンコーダ４２７によって検出された駆動軸４２９の回転数に基づいて、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、トルクセンサ４２８によって、関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける発生トルクを検出することができる。

また、トルクセンサ４２８は、アクチュエータ４３０による発生トルクだけでなく、外部から加えられる外トルクも検出することができる。従って、トルクセンサ４２８によって検出された外トルクに基づいて、モータドライバ４２５がモータ４２４に供給する電流量を調整することにより、上述したような回転運動に対する粘性抵抗係数を調整することができ、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい状態や回転し難い状態を実現することができる。

ここで、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、トルクセンサ４２８の構成について詳細に説明する。図４Ａは、図３に示すトルクセンサ４２８を、駆動軸４２９の軸方向から見た様子を模式的に示す概略図である。

図４Ａを参照すると、トルクセンサ４２８は、外輪部４３１、内輪部４３２、梁部４３３ａ〜４３３ｄ及び歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄを有する。図４Ａに示すように、外輪部４３１及び内輪部４３２は同心円状に配置される。本実施形態では、内輪部４３２が入力側、すなわち、減速機４２６からの出力軸と接続され、外輪部４３１が出力側、すなわち、後段の出力部材（図示せず。）と接続される。

４本の梁部４３３ａ〜４３３ｄは、同心円状に配置された外輪部４３１と内輪部４３２との間に配設され、外輪部４３１と内輪部４３２とを互いに接続する。図４Ａに示すように、梁部４３３ａ〜４３３ｄは、隣り合う梁部４３３ａ〜４３３ｄ同士が互いに９０度の角度となるように、外輪部４３１と内輪部４３２との間に介設される。

梁部４３３ａ〜４３３ｄのうち、互いに向かい合う、すなわち、互いに１８０度の角度で設けられる２本には、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄが設けられる。歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄによって検出された梁部４３３ａ〜４３３ｄの変形量に基づいて、アクチュエータ４３０の発生トルク及び外トルクを検出することができる。

図４Ａに示す例では、梁部４３３ａ〜４３３ｄのうち、梁部４３３ａに歪み検出素子４３４ａ、４３４ｂが、梁部４３３ｃに歪み検出素子４３４ｃ、４３４ｄが設けられる。また、歪み検出素子４３４ａ、４３４ｂは梁部４３３ａを挟むように設けられ、歪み検出素子４３４ｃ、４３４ｄは梁部４３３ｃを挟むように設けられる。例えば、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄは歪みゲージであり、梁部４３３ａ、４３３ｃの表面に貼り付けられることにより、梁部４３３ａ、４３３ｃの幾何的な変形量を電気抵抗の変化に基づいて検出する。図４Ａに示すように４ヶ所に歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄが設けられることにより、検出素子４３４ａ〜４３４ｄがいわゆるホイートストンブリッジを構成する。従って、いわゆる４ゲージ法を用いて歪みを検出することができるため、歪みを検出する軸以外の他軸の干渉や駆動軸４２９の偏心、温度ドリフト等の影響を低減することができる。

このように、梁部４３３ａ〜４３３ｄは、歪みを検出するための起歪体の役割を果たす。なお、本実施形態に係る歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄの種類は歪みゲージに限定されず、他の素子が用いられてもよい。例えば、歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄは、磁気特性の変化に基づいて梁部４３３ａ〜４３３ｄの変形量を検出する素子であってもよい。

また、図３及び図４Ａには図示しないが、トルクセンサ４２８による発生トルク及び外トルクの検出精度を向上させるために、以下に示す構成が適用されてもよい。例えば、梁部４３３ａ〜４３３ｄの外輪部４３１と接続する部位を他の部位よりも薄肉化することにより、支持モーメントが解放されるため、検出される変形量の線形性が向上されるとともにラジアル荷重による影響が低減される。また、外輪部４３１及び内輪部４３２をともにベアリングを介してハウジングで支持することにより、入力軸及び出力軸の双方からの他軸力、モーメントの作用を排除することができる。また、外輪部４３１に作用する他軸モーメントを低減するために、図３に示すアクチュエータ４３０の他端、すなわちエンコーダ４２７が配設される部位に両持ち支持用ベアリングが配設されてもよい。

以上、図４Ａを参照して、トルクセンサ４２８の構成について説明した。以上説明したように、図４Ａに示すトルクセンサ４２８の構成により、アクチュエータ４３０の発生トルク及び外トルクの検出において、高精度な検出が可能となる。

ここで、本実施形態においては、トルクセンサ４２８の構成は図４Ａに示す構成に限定されず、他の構成であってもよい。アクチュエータ４３０に適用されるトルクセンサについて、トルクセンサ４２８以外の他の構成の一例を、図４Ｂを参照して説明する。

図４Ｂは、図３に示すアクチュエータ４３０に適用されるトルクセンサの他の構成例を示す概略図である。図４Ｂを参照すると、本変形例に係るトルクセンサ４２８ａは、外輪部４４１、内輪部４４２、梁部４４３ａ〜４４３ｄ及び歪み検出素子４４４ａ〜４４４ｄを有する。なお、図４Ｂでは、図４Ａと同様、トルクセンサ４２８ａを駆動軸４２９の軸方向から見た様子を模式的に示している。

トルクセンサ４２８ａにおいて、外輪部４４１、内輪部４４２、梁部４４３ａ〜４４３ｄ及び歪み検出素子４４４ａ〜４４４ｄの機能及び構成は、図４Ａを参照して説明したトルクセンサ４２８の外輪部４３１、内輪部４３２、梁部４３３ａ〜４３３ｄ及び歪み検出素子４３４ａ〜４３４ｄの機能及び構成とほぼ同様である。本変形例に係るトルクセンサ４２８ａは、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との接続部分の構成が異なる。従って、図４Ｂに示すトルクセンサ４２８ａについては、図４Ａに示すトルクセンサ４２８との相違点である梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との接続部位の構成について主に説明を行い、重複する構成については説明を省略する。

図４Ｂを参照すると、トルクセンサ４２８ａの全体図と併せて、梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位が拡大して図示されている。なお、図４Ｂでは、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１との４ヶ所の接続部位のうちの１ヶ所である梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位のみを拡大して図示しているが、他の３ヶ所である梁部４４３ａ、４４３ｃ、４４３ｄと外輪部４４１との接続部位も同様の構成を有している。

図４Ｂにおける拡大図を参照すると、梁部４４３ｂと外輪部４４１との接続部位においては、外輪部４４１に係合凹部が設けられており、梁部４４３ｂの先端が係合凹部に係合されることにより両者が接続される。また、当該梁部４４３ｂと外輪部４４１との間には、間隙Ｇ１、Ｇ２が設けられる。間隙Ｇ１は梁部４４３ｂが外輪部４４１に向かって延伸する方向における両者の間隙を表しており、間隙Ｇ２は当該方向とは直交する方向における両者の間隙を表している。

このように、トルクセンサ４２８ａにおいては、梁部４４３ａ〜４４３ｄと外輪部４４１とが、所定の間隙Ｇ１、Ｇ２を有して分離して配設される。すなわち、トルクセンサ４２８ａにおいては、外輪部４４１と内輪部４４２とが分離している。従って、内輪部４４２が外輪部４４１に対して拘束されず動きの自由度を有するため、例えばアクチュエータ４３０の駆動に際して振動が生じたとしても、振動による歪み成分を内輪部４４２と外輪部４４１との間の空隙Ｇ１、Ｇ２によって吸収することができる。よって、トルクセンサ４２８ａをアクチュエータ４３０のトルクセンサとして適用することにより、より高精度な発生トルク及び外トルクの検出が実現される。

なお、図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すような、理想関節制御に対応するアクチュエータ４３０の構成については、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９−２６９１０２号公報や特開２０１１−２０９０９９号公報を参照することができる。

以上、図２、図３、図４Ａ及び図４Ｂ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。次に、本実施形態に係る支持アーム装置４００におけるアーム部４２０の駆動、すなわち、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御について説明する。

［２−２．一般化逆動力学について］
次に、本実施形態における支持アーム装置４００の全身協調制御に用いられる一般化逆動力学の概要について説明する。

一般化逆動力学は、複数のリンクが複数の関節部によって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２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運動目的を、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。

操作空間は、ロボット装置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。

運動目的は、多リンク構造体の駆動制御における目標値を表すものであり、例えば、駆動制御によって達成したい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である。

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。

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、各運動目的の達成に必要な、操作空間に作用する仮想的な力である仮想力を、運動目的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。なお、以下の仮想力算出処理、実在力算出処理及び後述する理想関節制御の説明においては、理解を簡単にするために、具体例として、図２及び図３に示した本実施形態に係る支持アーム装置４００のアーム部４２０の構成を例に挙げて説明を行う場合がある。

（２−２−１．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の時間微分値とヤコビアンＪとを用いて、以下の数式（１）で定義される。

本実施形態では、例えば、ｑはアーム部４２０の関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける回転角度である。操作空間ｘに関する運動方程式は、下記数式（２）で記述される。

ここで、ｆは操作空間ｘに作用する力を表す。また、Λ^−１は操作空間慣性逆行列、ｃは操作空間バイアス加速度と呼ばれるものであり、それぞれ下記数式（３）、（４）で表される。

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〜４２１ｆ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。

一般化逆動力学においては、操作空間ｘに関する位置、速度の運動目的は、操作空間ｘの加速度として表現できることが知られている。このとき、上記数式（１）から、運動目的とし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ｆ_ｖは、下記数式（５）のような一種の線形相補性問題（ＬＣＰ：Ｌｉｎｅａｒ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｐｒｏｂｌｅｍ）を解くことによって得られる。

ここで、Ｌ_ｉとＵ_ｉはそれぞれ、ｆ_ｖの第ｉ成分の負の下限値（−∞を含む）、ｆ_ｖ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。

なお、操作空間慣性逆行列Λ^−１、バイアス加速度ｃは、定義式である上記数式（３）、（４）の通り算出すると計算コストが大きい。従って、多リンク構造体の一般化力（関節力τ）から一般化加速度（関節加速度）を得る準動力学計算（ＦＷＤ）を応用することにより、操作空間慣性逆行列Λ^−１の算出処理をより高速に算出する方法が提案されている。具体的には、操作空間慣性逆行列Λ^−１、バイアス加速度ｃは、順動力学演算ＦＷＤを用いることにより、関節空間ｑ、関節力τ、重力ｇ等の多リンク構造体（例えば、アーム部４２０及び関節部４２１ａ〜４２１ｆ）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。

ここで、運動目的の設定例として、絶対値Ｆ_ｉ以下の仮想力ｆ_ｖｉで操作空間加速度の目標値（ｘの２階微分に上付きバーを付して表す）を達成するための条件は、下記数式（６）で表現できる。

また、上述したように、操作空間ｘの位置、速度に関する運動目的は、操作空間加速度の目標値として表すことができ、具体的には下記数式（７）で表現される（操作空間ｘの位置、速度の目標値を、ｘ、ｘの１階微分に上付きバーを付して表す）。

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）に関する運動目的を設定することもできる。なお、競合する運動目的間には優先度を与える必要がある。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。

（２−２−２．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（２−２−１．仮想力決定プロセス）で得られた仮想力ｆ_ｖ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τ_ｖ＝Ｊ_ｖ ^Ｔｆ_ｖを関節部に生じる発生トルクτ_ａと外力ｆ_ｅとで実現するための条件は、下記数式（８）で表現される。

ここで、添え字ａは駆動関節部の集合（駆動関節集合）を表し、添え字ｕは非駆動関節部の集合（非駆動関節集合）を表す。すなわち、上記数式（８）の上段は非駆動関節部による空間（非駆動関節空間）の力の釣り合いを表しており、下段は駆動関節部による空間（駆動関節空間）の力の釣合いを表している。Ｊ_ｖｕ、Ｊ_ｖａは、それぞれ、仮想力ｆ_ｖ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。Ｊ_ｅｕ、Ｊ_ｅａは、外力ｆ_ｅ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。Δｆ_ｖは仮想力ｆ_ｖのうち、実在力で実現不能な成分を表す。

上記数式（８）の上段は不定であり、例えば下記数式（９）に示すような２次計画問題（ＱＰ：Ｑｕａｄｒａｔｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍｉｎｇ Ｐｒｏｂｌｅｍ）を解くことで、ｆ_ｅ及びΔｆ_ｖを得ることができる。

ここで、εは上記数式（８）の上段の両辺の差であり、数式（８）の等式誤差を表す。ξはｆ_ｅとΔｆ_ｖとの連結ベクトルであり、変数ベクトルを表す。Ｑ_１及びＱ_２は、最小化の際の重みを表す正定値対称行列である。また、上記数式（９）の不等式拘束は、垂直反力、摩擦錐、外力の最大値、支持多角形等、外力に関する拘束条件を表現するのに用いられる。例えば、矩形の支持多角形に関する不等式拘束は、下記数式（１０）のように表現される。

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。（Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ）及び（Ｍ_ｘ，Ｍ_ｙ，Ｍ_ｚ）は、接触点に作用する外力及び外力モーメントである。μ_ｔ及びμ_ｒは、それぞれ並進、回転に関する摩擦係数である。（ｄ_ｘ，ｄ_ｙ）は支持多角形のサイズを表している。

上記数式（９）、（１０）から、最小ノルム又は最小誤差の解ｆ_ｅ、Δｆ_ｖが求められる。上記数式（９）から得られたｆ_ｅ、Δｆ_ｖを上記数式（８）の下段に代入することにより、運動目的を実現するために必要な関節力τ_ａを得ることができる。

基底が固定され、非駆動関節が無い系の場合は、関節力のみで全ての仮想力を置換可能であり、上記数式（８）において、ｆ_ｅ＝０、Δｆ_ｖ＝０とすることができる。この場合、上記数式（８）の下段から、関節力τ_ａについて以下の数式（１１）を得ることができる。

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、所望の運動目的を達成するための関節力τ_ａ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τ_ａを関節部４２１ａ〜４２１ｆ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〜４２１ｆが、所望の運動目的を達成するように駆動される。

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ｆ_ｖの導出過程や、上記ＬＣＰを解き仮想力ｆ_ｖ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号公報を参照することができる。

［２−３．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。各関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動は、下記数式（１２）の二次遅れ系の運動方程式によってモデル化される。

ここで、Ｉ_ａは関節部における慣性モーメント（イナーシャ）、τ_ａは関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルク、τ_ｅは外部から各関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用する外トルク、ν_ｅは各関節部４２１ａ〜４２１ｆにおける粘性抵抗係数である。上記数式（１２）は、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とも言える。

上記［２−２．一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、運動目的及び拘束条件を用いて、当該運動目的を実現するために各関節部４２１ａ〜４２１ｆに作用させるべき実在力であるτ_ａを算出することができる。従って、理想的には、算出された各τ_ａを上記数式（１２）に適用することにより、上記数式（１２）に示す理論モデルに従った応答が実現する、すなわち、所望の運動目的が達成されるはずである。

しかし、実際には、様々な外乱の影響により、関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動と上記数式（１２）に示すような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、における関節部４２１ａ〜４２１ｆ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。

一方、後者の関節部４２１ａ〜４２１ｆ内部の摩擦や慣性等に起因するモデル化誤差は、例えば関節部４２１ａ〜４２１ｆの減速機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（１２）におけるイナーシャＩ_ａや粘性抵抗係数ν_ｅの値と、実際の関節部４２１ａ〜４２１ｆにおけるこれらの値との間に誤差が生じている可能性がある。これらのモデル化が困難な誤差は、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御において外乱となり得る。従って、このような外乱の影響により、実際には、関節部４２１ａ〜４２１ｆの運動は、上記数式（１２）に示す理論モデル通りには応答しない場合がある。よって、一般化逆動力学によって算出された関節力である実在力τ_ａを適用しても、制御目標である運動目的が達成されない場合が生じる。本実施形態では、各関節部４２１ａ〜４２１ｆにアクティブな制御系を付加することで、上記数式（１２）に示す理論モデルに従った理想応答を行うよう、関節部４２１ａ〜４２１ｆの応答を補正することを考える。具体的には、本実施形態では、関節部４２１ａ〜４２１ｆのトルクセンサ４２８、４２８ａを用いた摩擦補償型のトルク制御を行うに留まらず、要求される発生トルクτ_ａ、外トルクτ_ｅに対して、イナーシャＩ_ａ及び粘性抵抗係数ν_ａに至るまで理論値に従った理想応答を行うことが可能となる。

本実施形態では、このように、支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆが上記数式（１２）に示すような理想的な応答を行うように関節部の駆動を制御することを、理想関節制御と呼称する。ここで、以下の説明では、当該理想関節制御によって駆動が制御されるアクチュエータのことを、理想的な応答が行われることから仮想アクチュエータ（ＶＡ：Ｖｉｒｔｕａｌｉｚｅｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ）とも呼称する。以下、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する。

図５は、本開示の一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。なお、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。

図５を参照すると、アクチュエータ６１０は、図３に示すアクチュエータ４３０の機構を模式的に表しており、モータ（Ｍｏｔｏｒ）６１１、減速機（Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅａｒ）６１２、エンコーダ（Ｅｎｃｏｄｅｒ）６１３及びトルクセンサ（Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｅｎｓｏｒ）６１４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（又は図４Ｂに示すトルクセンサ４２８ａ）に対応している。

ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（１２）で表される理論モデルに従った応答を行なうことは、上記数式（１２）の右辺が与えられたときに、左辺の回転角加速度が達成されることに他ならない。また、上記数式（１２）に示すように、理論モデルには、アクチュエータ６１０に作用する外トルク項τ_ｅが含まれている。本実施形態では、理想関節制御を行うために、トルクセンサ６１４によって外トルクτ_ｅを測定する。また、エンコーダ６１３によって測定されたアクチュエータ６１０の回転角度ｑに基づいて外乱に起因するトルクの推定値である外乱推定値τ_ｄを算出するために、外乱オブザーバ６２０を適用する。

ブロック６３１は、上記数式（１２）に示す関節部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を表している。ブロック６３１は、発生トルクτ_ａ、外トルクτ_ｅ、回転角速度（回転角度ｑの１階微分）を入力として、上記数式（１２）の左辺に示す回転角加速度目標値（回転角目標値ｑ^ｒｅｆの２階微分）を出力することができる。

本実施形態では、上記［２−２．一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発生トルクτ_ａと、トルクセンサ６１４によって測定された外トルクτ_ｅが、ブロック６３１に入力される。一方、微分演算を行う演算器を表すブロック６３２に、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑが入力されることにより、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τ_ａ及び外トルクτ_ｅに加えて、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３１に入力されることにより、ブロック６３１によって回転角加速度目標値が算出される。算出された回転角加速度目標値は、ブロック６３３に入力される。

ブロック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を表す。本実施形態においては、具体的には、ブロック６３３は、回転角加速度目標値にアクチュエータ６１０における公称イナーシャ（ノミナルイナーシャ）Ｊ_ｎを乗じることにより、トルク目標値τ^ｒｅｆを得ることができる。理想の応答においては、アクチュエータ６１０に当該トルク目標値τ^ｒｅｆを生じさせることにより、所望の運動目的が達成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によって外乱推定値τ_ｄを算出し、外乱推定値τ_ｄを用いて当該トルク目標値τ^ｒｅｆを補正する。

外乱オブザーバ６２０の構成について説明する。図５に示すように、外乱オブザーバ６２０は、トルク指令値τと、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τ_ｄ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に生じさせるトルク値である。例えば、外乱推定値τ_ｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τ^ｒｅｆとなる。

外乱オブザーバ６２０は、ブロック６３４とブロック６３５とから構成される。ブロック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を表す。本実施形態においては、具体的には、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３４に入力される。ブロック６３４は、伝達関数Ｊ_ｎｓ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Ｊ_ｎ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）を算出することができる。

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τ_ｄが推定される。具体的には、外乱推定値τ_ｄは、前周の制御におけるトルク指令値τと、今回の制御におけるトルク推定値との差分であってよい。ブロック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、ブロック６３３によって算出されたトルク指令値τはブロック６３１に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆ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。

また、外乱オブザーバ６２０には、系の発散を防ぐために、ブロック６３５に示すローパスフィルター（ＬＰＦ：Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）が設けられる。ブロック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。本実施形態では、ブロック６３４によって算出されたトルク推定値とトルク指令値τ^ｒｅｆとの差分値は、ブロック６３５に入力され、その低周波成分が外乱推定値τ_ｄとして算出される。

本実施形態では、トルク目標値τ^ｒｅｆに外乱オブザーバ６２０によって算出された外乱推定値τ_ｄを加算するフィードフォワード制御が行われることにより、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。そして、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。具体的には、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、アクチュエータ６１０が駆動される。

以上、図５を参照して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〜４２１ｆ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。また、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御について、理論モデルが仮定するイナーシャＩ_ａ及び粘性抵抗係数ν_ａに従った理想応答を行うことが可能となる。

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号公報を参照することができる。

以上、本実施形態において用いられる一般化逆動力学について説明するとともに、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。以上説明したように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いることにより、アーム部４２０の運動目的を達成するための各関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動パラメータ（例えば関節部４２１ａ〜４２１ｆの発生トルク値）を、拘束条件を考慮して算出する、全身協調制御が行われる。また、図５を参照して説明したように、本実施形態においては、上記一般化逆動力学を用いた全身協調制御により算出された発生トルク値に対して外乱の影響を考慮した補正を行うことにより、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動制御において理論モデルに基づいた理想的な応答を実現する、理想関節制御が行われる。従って、本実施形態においては、アーム部４２０の駆動について、運動目的を達成する高精度な駆動制御が可能となる。

［２−４．支持アーム制御システムの構成］
次に、上記［２−２．一般化逆動力学について］及び上記［２−３．理想関節制御について］で説明した全身協調制御や理想関節制御が支持アーム装置の駆動制御に適用された、本実施形態に係る支持アーム制御システムの構成について説明する。

図６を参照して、本開示の一実施形態に係る支持アーム制御システムの一構成例について説明する。図６は、本開示の一実施形態に係る支持アーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。なお、図６に示す支持アーム制御システムでは、支持アーム装置のアーム部の駆動の制御に関わる構成について主に図示している。

図６を参照すると、本開示の一実施形態に係る支持アーム制御システム１は、支持アーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０を備える。本実施形態においては、制御装置２０によって、上記［２−２．一般化逆動力学について］で説明した全身協調制御及び上記［２−３．理想関節制御について］で説明した理想関節制御における各種の演算が行われ、その演算結果に基づいて支持アーム装置１０のアーム部の駆動が制御される。また、支持アーム装置１０のアーム部には後述する撮像部１４０が設けられており、撮像部１４０によって撮影された画像が表示装置３０の表示画面に表示される。以下、支持アーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の構成について詳細に説明する。

支持アーム装置１０は、複数の関節部と複数のリンクから構成される多リンク構造体であるアーム部を有し、当該アーム部を可動範囲内で駆動させることにより、当該アーム部の先端に設けられる先端ユニットの位置及び姿勢の制御を行う。支持アーム装置１０は、図２に示す支持アーム装置４００に対応している。

図６を参照すると、支持アーム装置１０は、アーム制御部１１０及びアーム部１２０を有する。また、アーム部１２０は、関節部１３０及び撮像部１４０を有する。

アーム制御部１１０は、支持アーム装置１０を統合的に制御するとともに、アーム部１２０の駆動を制御する。アーム制御部１１０は、図２を参照して説明した制御部（図２には図示せず。）に対応している。具体的には、アーム制御部１１０は駆動制御部１１１を有し、駆動制御部１１１からの制御によって関節部１３０の駆動が制御されることにより、アーム部１２０の駆動が制御される。より具体的には、駆動制御部１１１は、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給される電流量を制御することにより、当該モータの回転数を制御し、関節部１３０における回転角度及び発生トルクを制御する。ただし、上述したように、駆動制御部１１１によるアーム部１２０の駆動制御は、制御装置２０における演算結果に基づいて行われる。従って、駆動制御部１１１によって制御される、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給される電流量は、制御装置２０における演算結果に基づいて決定される電流量である。

アーム部１２０は、複数の関節部と複数のリンクから構成される多リンク構造体であり、アーム制御部１１０からの制御によりその駆動が制御される。アーム部１２０は、図２に示すアーム部４２０に対応している。アーム部１２０は、関節部１３０及び撮像部１４０を有する。なお、アーム部１２０が有する複数の関節部の機能及び構成は互いに同様であるため、図６では、それら複数の関節部を代表して１つの関節部１３０の構成を図示している。

関節部１３０は、アーム部１２０においてリンク間を互いに回動可能に連結するとともに、アーム制御部１１０からの制御によりその回転駆動が制御されることによりアーム部１２０を駆動する。関節部１３０は、図２に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆに対応している。また、関節部１３０は、アクチュエータを有し、当該アクチュエータの構成は、例えば図３、図４Ａ及び図４Ｂに示す構成と同様である。

関節部１３０は、関節駆動部１３１及び関節状態検出部１３２を有する。

関節駆動部１３１は、関節部１３０のアクチュエータにおける駆動機構であり、関節駆動部１３１が駆動することにより関節部１３０が回転駆動する。関節駆動部１３１は、駆動制御部１１１によってその駆動が制御される。例えば、関節駆動部１３１は、図３に示すモータ４２４及びモータドライバ４２５に対応する構成であり、関節駆動部１３１が駆動することは、モータドライバ４２５が駆動制御部１１１からの指令に応じた電流量でモータ４２４を駆動することに対応している。

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していてよい。例えば、関節部１３０の状態には、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。本実施形態においては、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の発生トルク及び外トルクを検出するトルク検出部１３４を有する。なお、回転角度検出部１３３及びトルク検出部１３４は、図３に示すアクチュエータ４３０のエンコーダ４２７及び図４Ａ及び図４Ｂに示すトルクセンサ４２８、４２８ａに、それぞれ対応している。関節状態検出部１３２は、検出した関節部１３０の状態を制御装置２０に送信する。

撮像部１４０は、アーム部１２０の先端に設けられる先端ユニットの一例であり、撮影対象の画像を取得する。撮像部１４０は、図２に示す撮像ユニット４２３に対応している。具体的には、撮像部１４０は、撮影対象を動画や静止画の形式で撮影することのできるカメラ等である。より具体的には、撮像部１４０は、２次元上に配列された複数の受光素子を有し、当該受光素子における光電変換により、撮影対象の画像を表す画像信号を取得することができる。撮像部１４０は、取得した画像信号を表示装置３０に送信する。

なお、図２に示す支持アーム装置４００において撮像ユニット４２３がアーム部４２０の先端に設けられていたように、支持アーム装置１０においても、実際には撮像部１４０がアーム部１２０の先端に設けられている。図６では、撮像部１４０が複数の関節部１３０及び複数のリンクを介して最終段のリンクの先端に設けられる様子を、関節部１３０と撮像部１４０との間にリンクを模式的に図示することにより表現している。

なお、本実施形態においては、アーム部１２０の先端には先端ユニットとして各種の医療用器具が接続され得る。当該医療用器具としては、例えば、メスや鉗子等の各種の施術器具や、超音波検査装置の探触子等の各種の検査装置の一ユニット等、施術に際して用いられる各種のユニットが挙げられる。また、本実施形態では、図６に示す撮像部１４０や、内視鏡、顕微鏡等の撮像機能を有するユニットも医療用器具に含まれてよい。このように、本実施形態に係る支持アーム装置１０は、医療用器具を備えた医療用支持アーム装置であると言える。同様に、本実施形態に係る支持アーム制御システム１は、医療用支持アーム制御システムであると言える。なお、図６に示す支持アーム装置１０は、撮像機能を有するユニットを先端ユニットとして備えるＶＭ支持アーム装置であるとも言える。また、アーム部１２０の先端に、２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、撮像対象を３Ｄ画像として表示するように撮影が行われてもよい。

以上、支持アーム装置１０の機能及び構成について説明した。次に、制御装置２０の機能及び構成について説明する。図６を参照すると、制御装置２０は、入力部２１０、記憶部２２０及び制御部２３０を有する。

制御部２３０は、制御装置２０を統合的に制御するとともに、支持アーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動を制御するための各種の演算を行う。具体的には、制御部２３０は、支持アーム装置１０のアーム部１２０の駆動を制御するために、全身協調制御及び理想関節制御における各種の演算を行う。以下、制御部２３０の機能及び構成について詳しく説明するが、全身協調制御及び理想関節制御については、上記［２−２．一般化逆動力学について］及び上記［２−３．理想関節制御について］で既に説明しているため、ここでは詳しい説明は省略する。

制御部２３０は、全身協調制御部２４０及び理想関節制御部２５０を有する。

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。本実施形態では、全身協調制御部２４０は、関節状態検出部１３２によって検出された関節部１３０の状態に基づいてアーム部１２０の状態（アーム状態）を取得する。また、全身協調制御部２４０は、当該アーム状態と、アーム部１２０の運動目的及び拘束条件と、に基づいて、操作空間におけるアーム部１２０の全身協調制御のための制御値を、一般化逆動力学を用いて算出する。なお、操作空間とは、例えばアーム部１２０に作用する力とアーム部１２０に発生する加速度との関係を記述するための空間である。

全身協調制御部２４０は、アーム状態取得部２４１、演算条件設定部２４２、仮想力算出部２４３及び実在力算出部２４４を有する。

アーム状態取得部２４１は、関節状態検出部１３２によって検出された関節部１３０の状態に基づいて、アーム部１２０の状態（アーム状態）を取得する。ここで、アーム状態とは、アーム部１２０の運動の状態を意味していてよい。例えば、アーム状態には、アーム部１２０の位置、速度、加速度、力等の情報が含まれる。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、後述するが、記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶するものであり、本実施形態においては、記憶部２２０には、アーム部１２０に関する各種の情報（アーム情報）、例えばアーム部１２０を構成する関節部１３０及びリンクの数や、リンクと関節部１３０との接続状況、リンクの長さ等の情報が格納されていてよい。アーム状態取得部２４１は、記憶部２２０から当該アーム情報を取得することができる。従って、アーム状態取得部２４１は、関節部１３０の状態とアーム情報とに基づいて、複数の関節部１３０、複数のリンク及び撮像部１４０の空間上の位置（座標）（すなわち、アーム部１２０の形状や撮像部１４０の位置及び姿勢）や、各関節部１３０、リンク及び撮像部１４０に作用している力等の情報をアーム状態として取得することができる。アーム状態取得部２４１は、取得したアーム情報を演算条件設定部２４２に送信する。

演算条件設定部２４２は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における演算条件を設定する。ここで、演算条件とは、運動目的及び拘束条件であってよい。運動目的は、アーム部１２０の運動に関する各種の情報であってよい。具体的には、運動目的は、撮像部１４０の位置及び姿勢（座標）、速度、加速度並びに力等の目標値であったり、アーム部１２０の複数の関節部１３０及び複数のリンクの位置（座標）、速度、加速度及び力等の目標値であったりしてもよい。また、拘束条件は、アーム部１２０の運動を制限（拘束）する各種の情報であってよい。具体的には、拘束条件は、アーム部の各構成部材が移動不可能な領域の座標や、移動不可能な速度、加速度の値、発生不可能な力の値等であってよい。また、拘束条件における各種の物理量の制限範囲は、アーム部１２０の構造的に実現することが不可能であることから設定されてもよいし、ユーザによって適宜設定されてもよい。また、演算条件設定部２４２は、アーム部１２０の構造についての物理モデル（例えば、アーム部１２０を構成するリンクの数や長さ、リンクの関節部１３０を介した接続状況、関節部１３０の可動範囲等がモデル化されたもの）を有し、当該物理モデルに、所望の運動条件及び拘束条件が反映された制御モデルを生成することにより、運動条件及び拘束条件を設定してもよい。

本実施形態においては、運動目的及び拘束条件を適切に設定することにより、アーム部１２０に所望の動作を行わせることが可能となる。例えば、運動目的として、撮像部１４０の位置の目標値を設定することにより撮像部１４０をその目標の位置に移動させることはもちろんのこと、アーム部１２０が空間上の所定の領域内に侵入しないようにする等、拘束条件によって移動の制約を設けてアーム部１２０を駆動させることも可能である。

運動目的の具体例として、例えば、運動目的は、撮像部１４０の撮影方向が施術部位に固定された状態で、撮像部１４０が施術部位を頂点とした円錐の面内を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である、ピボット動作であってもよい。また、当該ピボット動作においては、撮像部１４０と円錐の頂点に当たる点との距離が一定に保たれた状態で旋回動作が行われてもよい。このようなピボット動作を行うことにより、観察部位を等距離からかつ異なる角度から観察できるようになるため、手術を行うユーザの利便性を向上させることができる。

また、他の具体例として、運動目的は、各関節部１３０における発生トルクを制御する内容であってもよい。具体的には、運動目的は、アーム部１２０に作用する重力を打ち消すように関節部１３０の状態を制御するとともに、更に外部から与えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするように関節部１３０の状態を制御するパワーアシスト動作であってもよい。より具体的には、パワーアシスト動作においては、アーム部１２０の各関節部１３０における重力による外トルクを打ち消す発生トルクを各関節部１３０に生じさせるように各関節部１３０の駆動が制御されることにより、アーム部１２０の位置及び姿勢が所定の状態で保持される。この状態で更に外部から（例えばユーザから）外トルクが加えられた場合に、与えられた外トルクと同じ方向の発生トルクを各関節部１３０に生じさせるように各関節部１３０の駆動が制御される。このようなパワーアシスト動作を行うことにより、ユーザが手動でアーム部１２０を動かす場合に、ユーザはより小さい力でアーム部１２０を移動させることができるため、あたかも無重力下でアーム部１２０を動かしているような感覚をユーザに対して与えることができる。また、上述したピボット動作と当該パワーアシスト動作とを組み合わせることも可能である。

ここで、本実施形態において、運動目的とは、全身協調制御において実現されるアーム部１２０の動作（運動）を意味していてもよいし、当該動作における瞬時的な運動目的（すなわち、運動目的における目標値）を意味していてもよい。例えば上記のピボット動作であれば、撮像部１４０がピボット動作を行うこと自体が運動目的であるが、ピボット動作を行っている最中においては、当該ピボット動作における円錐面内での撮像部１４０の位置や速度等の値が、瞬時的な運動目的（当該運動目的における目標値）として設定されている。また例えば上記のパワーアシスト動作であれば、外部から加えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするパワーアシスト動作を行うこと自体が運動目的であるが、パワーアシスト動作を行っている最中においては、各関節部１３０に加えられる外トルクと同じ方向への発生トルクの値が、瞬時的な運動目的（当該運動目的における目標値）として設定されている。本実施形態における運動目的は、瞬時的な運動目的（例えばある時間におけるアーム部１２０の各構成部材の位置や速度、力等の目標値）と、瞬時的な運動目的が連続的に達成された結果、経時的に実現されるアーム部１２０の各構成部材の動作の、双方を含む概念である。全身協調制御部２４０における全身協調制御のための演算における各ステップでは瞬時的な運動目的がその都度設定され、当該演算が繰り返し行われることにより、最終的に所望の運動目的が達成される。

なお、本実施形態においては、運動目的が設定される際に、各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数も適宜設定されてよい。上述したように、本実施形態に係る関節部１３０は、アクチュエータ４３０の回転運動における粘性抵抗係数を適宜調整できるように構成される。従って、運動目的の設定に際して各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数も設定することにより、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい状態や回転し難い状態を実現することができる。例えば上述したパワーアシスト動作であれば、関節部１３０における粘性抵抗係数が小さく設定されることにより、ユーザがアーム部１２０を移動させる際に要する力がより小さくてよく、ユーザに与えられる無重力感がより助長される。このように、各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数は、運動目的の内容に応じて適宜設定されてよい。

ここで、本実施形態においては、後述するように、記憶部２２０には、全身協調制御に関する演算において用いられる運動目的や拘束条件等の演算条件に関するパラメータが格納されていてもよい。演算条件設定部２４２は、記憶部２２０に記憶されている拘束条件を、全身協調制御の演算に用いる拘束条件として設定することができる。

また、本実施形態においては、演算条件設定部２４２は、複数の方法によって運動目的を設定することができる。例えば、演算条件設定部２４２は、アーム状態取得部２４１から送信されるアーム状態に基づいて運動目的を設定してもよい。上述したように、アーム状態には、アーム部１２０の位置の情報やアーム部１２０に対して作用する力の情報が含まれる。従って、例えばユーザがアーム部１２０を手動で移動させようとしている場合には、アーム状態取得部２４１によって、ユーザがアーム部１２０をどのように移動させようとしているか、に関する情報もアーム状態として取得される。従って、演算条件設定部２４２は、取得されたアーム状態に基づいて、ユーザがアーム部１２０を移動させた位置や速度、力等を瞬時的な運動目的として設定することができる。このように運動目的が設定されることにより、アーム部１２０の駆動は、ユーザによるアーム部１２０の移動を追随し、サポートするように制御される。

また、例えば、演算条件設定部２４２は、入力部２１０からユーザによって入力される指示に基づいて運動目的を設定してもよい。後述するが、入力部２１０は、ユーザが制御装置２０に支持アーム装置１０の駆動制御に関する情報や命令等を入力するための入力インターフェースであり、本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、運動目的が設定されてもよい。具体的には、入力部２１０は、例えばレバー、ペダル等のユーザが操作する操作手段を有し、当該レバー、ペダル等の操作に応じて、アーム部１２０の各構成部材の位置や速度等が、演算条件設定部２４２によって瞬時的な運動目的として設定されてもよい。

更に、例えば、演算条件設定部２４２は、記憶部２２０に記憶されている運動目的を、全身協調制御の演算に用いる運動目的として設定してもよい。例えば、空間上の所定の点で撮像部１４０が静止するという運動目的であれば、当該所定の点の座標を運動目的として予め設定することができる。また、例えば、撮像部１４０が空間上において所定の軌跡上を移動するという運動目的であれば、当該所定の軌跡を表す各点の座標を運動目的として予め設定することができる。このように、運動目的が予め設定できるものである場合には、当該運動目的が予め記憶部２２０に記憶されていてもよい。また、例えば上述したピボット動作であれば、運動目的は円錐の面内における位置や速度等を目標値とするものに限られるし、パワーアシスト動作であれば、運動目的は力を目標値とするものに限られる。このように、ピボット動作やパワーアシスト動作のような運動目的が予め設定されている場合には、これらの運動目的における瞬時的な運動目的として設定され得る目標値の範囲や種類等に関する情報が、記憶部２２０に記憶されていてもよい。演算条件設定部２４２は、このような運動目的に関する各種の情報も含めて、運動目的として設定することができる。

なお、演算条件設定部２４２が、上記のいずれの方法で運動目的を設定するかは、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設定可能であってよい。また、演算条件設定部２４２は、また、上記の各方法を適宜組み合わせることにより、運動目的及び拘束条件を設定してもよい。なお、記憶部２２０に格納されている拘束条件の中に運動目的の優先度が設定されていてもよく、複数の互いに異なる運動目的が存在する場合には、演算条件設定部２４２は、当該拘束条件の優先度に応じて運動目的を設定してもよい。演算条件設定部２４２は、アーム状態並びに設定した運動目的及び拘束条件を仮想力算出部２４３に送信する。

仮想力算出部２４３は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における仮想力を算出する。仮想力算出部２４３が行う仮想力の算出処理は、例えば、上記（２−２−１．仮想力算出処理）で説明した一連の処理であってよい。仮想力算出部２４３は、算出した仮想力ｆ_ｖを実在力算出部２４４に送信する。

実在力算出部２４４は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における実在力を算出する。実在力算出部２４４が行う実在力の算出処理は、例えば、上記（２−２−２．実在力算出処理）で説明した一連の処理であってよい。実在力算出部２４４は、算出した実在力（発生トルク）τ_ａを理想関節制御部２５０に送信する。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τ_ａ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、制御値又は制御トルク値とも呼称する。

理想関節制御部２５０は、一般化逆動力学を用いた理想関節制御に関する各種の演算を行う。本実施形態では、理想関節制御部２５０は、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτ_ａに対して外乱の影響を補正することにより、アーム部１２０の理想的な応答を実現するトルク指令値τを算出する。なお、理想関節制御部２５０によって行われる演算処理は、上記［２−３．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。

理想関節制御部２５０は、外乱推定部２５１及び指令値算出部２５２を有する。

外乱推定部２５１は、トルク指令値τと、回転角度検出部１３３によって検出された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τ_ｄを算出する。なお、ここでいうトルク指令値τは、最終的に支持アーム装置１０に送信されるアーム部１２０での発生トルクを表す指令値である。このように、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。

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τ_ｄを用いて、最終的に支持アーム装置１０に送信されるアーム部１２０に生じさせるトルクを表す指令値であるトルク指令値τを算出する。具体的には、指令値算出部２５２は、上記数式（１２）に示す関節部１３０の理想モデルから算出されるτ^ｒｅｆに外乱推定部２５１によって算出された外乱推定値τ_ｄを加算することにより、トルク指令値τを算出する。例えば、外乱推定値τ_ｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τ^ｒｅｆとなる。このように、指令値算出部２５２の機能は、図５に示す外乱オブザーバ６２０以外の機能に対応している。

以上説明したように、理想関節制御部２５０においては、外乱推定部２５１と指令値算出部２５２との間で繰り返し情報のやり取りが行われることにより、図５を参照して説明した一連の処理が行われる。理想関節制御部２５０は算出したトルク指令値τを支持アーム装置１０の駆動制御部１１１に送信する。駆動制御部１１１は、送信されたトルク指令値τに対応する電流量を、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給する制御を行うことにより、当該モータの回転数を制御し、関節部１３０における回転角度及び発生トルクを制御する。

本実施形態に係る支持アーム制御システム１においては、支持アーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動制御は、アーム部１２０を用いた作業が行われている間継続的に行われるため、支持アーム装置１０及び制御装置２０における以上説明した処理が繰り返し行われる。すなわち、支持アーム装置１０の関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出され、制御装置２０に送信される。制御装置２０では、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御に関する各種の演算が行われ、演算結果としてのトルク指令値τが支持アーム装置１０に送信される。支持アーム装置１０では、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御され、駆動中又は駆動後の関節部１３０の状態が、再び関節状態検出部１３２によって検出される。

制御装置２０が有する他の構成についての説明を続ける。

入力部２１０は、ユーザが制御装置２０に支持アーム装置１０の駆動制御に関する情報や命令等を入力するための入力インターフェースである。本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、支持アーム装置１０のアーム部１２０の駆動が制御され、撮像部１４０の位置及び姿勢が制御されてもよい。具体的には、上述したように、ユーザによって入力部２１０から入力されたアームの駆動の指示に関する指示情報が演算条件設定部２４２に入力されることにより、演算条件設定部２４２が当該指示情報に基づいて全身協調制御における運動目的を設定してもよい。このように、ユーザが入力した指示情報に基づく運動目的を用いて全身協調制御が行われることにより、ユーザの操作入力に応じたアーム部１２０の駆動が実現される。

具体的には、入力部２１０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、レバー及びペダル等のユーザが操作する操作手段を有する。例えば入力部２１０がペダルを有する場合、ユーザは当該ペダルを足で操作することによりアーム部１２０の駆動を制御することができる。従って、ユーザが患者の施術部位に対して両手を使って処置を行っている場合であっても、足によるペダルの操作によって撮像部１４０の位置及び姿勢、すなわち、施術部位の撮影位置や撮影角度を調整することができる。

記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶する。本実施形態においては、記憶部２２０は、制御部２３０によって行われる全身協調制御及び理想関節制御に関する演算において用いられる各種のパラメータを記憶することができる。例えば、記憶部２２０は、全身協調制御部２４０による全身協調制御に関する演算において用いられる運動目的及び拘束条件を記憶していてもよい。記憶部２２０が記憶する運動目的は、上述したように、例えば撮像部１４０が空間上の所定の点で静止することのような、予め設定され得る運動目的であってよい。また、拘束条件は、アーム部１２０の幾何的な構成や支持アーム装置１０の用途等に応じて、ユーザによって予め設定され、記憶部２２０に格納されていてもよい。また、記憶部２２０には、アーム状態取得部２４１がアーム状態を取得する際に用いるアーム部１２０に関する各種の情報が記憶されていてもよい。更に、記憶部２２０には、制御部２３０による全身協調制御及び理想関節制御に関する演算における演算結果や演算過程で算出される各数値等が記憶されてもよい。このように、記憶部２２０には、制御部２３０によって行われる各種の処理に関するあらゆるパラメータが格納されていてよく、制御部２３０は、記憶部２２０と相互に情報を送受信しながら各種の処理を行うことができる。

以上、制御装置２０の機能及び構成について説明した。なお、本実施形態に係る制御装置２０は、例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やサーバ等の各種の情報処理装置（演算処理装置）によって構成することができる。次に、表示装置３０の機能及び構成について説明する。

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、当該情報をユーザに対して視覚的に通知する。本実施形態においては、表示装置３０は、支持アーム装置１０の撮像部１４０によって撮影された画像を表示画面上に表示する。具体的には、表示装置３０は、撮像部１４０によって取得された画像信号に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。）等の機能及び構成を有する。なお、表示装置３０は、上記の機能及び構成以外にも、一般的に表示装置が有する各種の機能及び構成を有してもよい。表示装置３０は、図１に示す表示装置５５０に対応している。

以上、図６を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の機能及び構成について説明した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、支持アーム装置１０における多リンク構造体であるアーム部１２０が、少なくとも６自由度以上の自由度を有するとともに、当該アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれの駆動が駆動制御部１１１によって制御される。そして、当該アーム部１２０の先端には医療用器具が設けられる。このように、各関節部１３０の駆動が制御されることにより、より自由度の高いアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い医療用の支持アーム装置１０が実現される。

より具体的には、本実施形態によれば、支持アーム装置１０において、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。そして、制御装置２０において、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための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が行われ、演算結果としてのトルク指令値τが算出される。更に、支持アーム装置１０において、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御される。このように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により、アーム部１２０の駆動が制御される。従って、力制御によるアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い支持アーム装置が実現される。また、本実施形態では、全身協調制御において、例えばピボット動作やパワーアシスト動作といった、よりユーザの利便性を向上させる各種の運動目的を実現する制御が可能となる。更に、本実施形態においては、例えばアーム部１２０を手動で移動させたり、ペダルからの操作入力により移動させたりといった、多様な駆動手段が実現されるため、ユーザの利便性の更なる向上が実現される。

また、本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御について、全身協調制御と併せて理想関節制御が適用される。理想関節制御においては、関節部１３０内部の摩擦や慣性等の外乱成分を推定し、推定した外乱成分を用いたフィードフォワード制御が行われる。従って、摩擦等の外乱成分がある場合であっても、関節部１３０の駆動について理想的な応答を実現することができる。よって、アーム部１２０の駆動制御において、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い位置決め精度や安定性が実現される。

更に、本実施形態においては、アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれが、例えば図３に示すような、理想関節制御に適合した構成を有し、各関節部１３０における回転角度、発生トルク及び粘性抵抗係数を電流値によって制御することができる。このように、各関節部１３０の駆動が電流値によって制御され、また、全身協調制御により各関節部１３０の駆動がアーム部１２０全体の状態を把握しながら制御されるため、カウンターバランスが不要となり、支持アーム装置１０の小型化が実現される。

［２−５．アームの可動域制限と可動域拡張の概要］
本実施形態では、上述したような関節角度センサ及び力制御型アクチュエータで構成され、一般逆動力学に基づく理想関節制御によりコントロールされる支持アームにおいて、アーム先端位置が初期設定された安全可動域内外のいずれに位置するかを判断し、安全可動域内では力制御型アクチュエータの動作負荷を低く、安全可動域外(非安全領域)では動作負荷を高く設定することで、アーム先端位置の新規侵入領域での移動操作を制限する。また、アーム先端位置が一度通過した非安全領域をリアルタイムに記憶して、安全可動域の一部として追加拡張することで、操作中に安全可動域の動的変更を可能とする。

図７Ａ〜図７Ｃは、本実施形態におけるアームの可動域制限の例を示す模式図であって、手動誘導動作モードを示している。図７Ａに示す安全可動域３００では、関節部１３０における粘性抵抗係数が低く、操作者は粘性負荷が低い状態でアーム部１２０を可動することができる。一方、非安全領域３０２では、粘性抵抗係数が高いため、操作者は相当程度の負荷をアームにかけないと、アーム先端（作用点Ｐ）を非安全領域３０２に移動することができない。これにより、アーム先端が安易に非安全領域３０２に入ることがなく、アーム先端が非安全領域３０２内に位置する患部や物体等と接触することがないため、安全性を確保できる。

また、操作者が安全可動域３００を拡大したい場合は、図７Ａに示す状態から図７Ｂに示す状態にアーム先端を動かす。この際、非安全領域３０２にアーム先端を入れるため、操作者は相当程度の負荷をかけてアーム先端を動かす。アーム先端が非安全領域３０２に入ると、安全可動域３００が拡大する。図７Ｂに示す例では、操作者がアーム先端を下に移動し、安全可動域３００を拡大した例を示している。従って、以降は、拡大された安全可動域において仮想粘性負荷が低くなり、操作者は拡大された安全可動域３００内でアーム先端を容易に操作することができる。図７Ｃは、図７Ｂに示す状態から、操作者がアーム先端を右に移動し、安全可動域３００を更に拡大した例を示している。

このように、手動誘導動作モードにおいては、操作者は、使用時の環境や状況に合わせて、自らの操作とタイミングにおいて安全可動域３００の拡張が可能となる。

図８Ａ〜図８Ｃは、自動誘導動作モード時を示しており、安全可動域３００が図７Ｃに示す状態まで拡大された状態を示している。自動動作モード時は、設定された安全可動域３００内でアーム先端を自動で動かすことができる。アーム先端が非安全領域３０２に侵入することはないため、アーム先端が非安全領域３０２内に位置する患部や物体等と接触することがなく、安全性を確実に担保できる。

［２−６．アームの可動域制限と可動域拡張を実現するための構成例］
図９は、アームの可動域制限と可動域拡張を実現するための構成例を示す模式図であって、図６に示した制御部２３０において、可動域内判定部（比較部）２７０、理想モデル条件決定部（動作制限部）２７２、可動域更新部２７４が追加されている。可動域内判定部２７０、理想モデル条件決定部２７２、可動域更新部２７４は、演算条件設定部２４２に含まれている。

また、図６に示した記憶部２２０において、動作領域記憶部２２２が追加されている。動作領域記憶部２２２には、アーム先端が動作可能な安全可動域３００と非安全領域３０２に関する領域情報が格納されている。この領域情報は、安全可動域３００と非安全領域３０２の境界を示す境界情報であって、三次元的な境界面を表す情報を含む。

上述したように、制御装置２０では、アーム状態取得部（位置取得部）２４１において、アーム部１２０から取得した現在のアーム状態と記憶部２２０から取得したアーム情報に基づき、リンク及びアーム先端の空間上の位置が算出される。

可動域内判定部２７０は、アーム状態取得部２４１が取得した作用点Ｐ（アーム先端）の空間上の位置と、動作領域記憶部２２２に格納された安全可動域３００の領域情報を比較し、アーム先端が安全可動域３００にあるか、又はアーム先端が非安全領域３０２にあるかを判定する。判定結果は理想モデル条件決定部２７２に送られる。なお、ここでは作用点Ｐをアーム先端とするが、作用点Ｐは関節部１３０など、アーム部１２０上の任意の点であって良い。

理想モデル条件決定部２７２は、可動域内判定部２７０による判定結果に基づいて、全身協調制御部２４０と協働して、アーム先端が安全可動域３００内にある場合は制御パラメータを調整して安全領域３００内でのアーム先端の動きを許容し、アーム先端が安全可動域３００と非安全領域３０２の境界を超えて非安全領域３０２に侵入しようとする場合は、アーム先端の動きを制限する。制御パラメータの一例として、粘性抵抗係数が挙げられる。上述したように、運動目的が設定される際に、各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数を適宜設定することができる。アーム先端の位置に応じて各関節部１３０の粘性抵抗係数を調整することで、アーム先端が安全可動域３００内に位置する場合は粘性抵抗係数を低下させてアームの自由な動きを許容し、アーム先端が非安全領域３０２に侵入する場合は粘性抵抗係数を高くすることで、アーム先端が非安全領域３０２に侵入することを制限できる。

また、上述したように、運動目的は、アーム部１２０の運動に関する各種の情報であっても良く、アーム先端の速度であっても良い。制御パラメータをアーム先端の速度とし、アーム先端の位置に応じてアーム先端の速度を調整することで、アーム先端が安全可動域３００内に位置する場合は比較的高い速度を許容してアームの自由な動きを許容し、アーム先端が非安全領域３０２に侵入する場合はアーム先端の速度を制限することで、アーム先端が非安全領域３０２に侵入することを制限できる。

演算条件設定部２４２が設定した制御パラメータは、運動目的及び拘束条件として、上述のように仮想力算出部２４３に送られて、上記と同様の処理が行われる。これにより、制御パラメータは、理想関節制御部２５０と支持アーム装置１０の駆動制御部１１１において理想関節制御演算のためのパラメータとして使用され、安全可動域３００を超える非安全領域３０２への新規侵入領域でのアーム先端部の移動操作の制限が実現される。なお、各領域における粘性負荷量を含む内部モデル情報は、記憶部２２０に記憶されている。

また、以上の制御と並行して、可動域内判定部２７０においてアーム先端が安全可動域３００外と判定された場合のアーム先端の位置情報は、可動域更新部２７４に送られ、可動域拡張が必要と判断された場合には、可動域更新部２７４により動作領域記憶部２２２の安全可動域３００の領域情報が更新されることで、アーム操作中の安全可動域３００のリアルタイムな動的変更が実現される。

このように、可動域更新部２７４は、可動域内判定部２７０による判定結果に基づいて、アーム先端が安全可動域３００と非安全領域３０２の境界を超えて非安全領域３０２に侵入した場合は、安全可動域３００を拡張して、安全可動域３００の領域情報を更新する。

以上の構成により、図７Ａ〜図７Ｃに示したような手動誘導動作モードによる動作を実現することができる。

図８Ａ〜図８Ｃに示した自動動作モード時は、演算条件設定部２４２において、動作領域記憶部２２２に格納された安全可動域３００の領域情報を拘束条件として使用することで、あらかじめ手動誘導動作モード時に記憶した安全可動域３００のみを自動動作モードの物理的な可動域(バーチャルウォール)として設定する。これにより、安全可動域３００の外への移動動作を抑制することができ、既に安全が確認された安全可動域３００内のみでの自動動作に限定することで、安全を確保することが可能となる。自動動作は、記憶部２２０に記憶された自動動作のための位置情報、速度等に基づいて、自動動作制御部２７６によって実行される。

なお、各動作モードは、制御装置２０の記憶部２２０に記憶され、操作者が任意のタイミングで切替え可能である。

上述した例では、作用点Ｐとしてアーム先端を例示したが、作用点Ｐは、アーム部１２０上の１又は複数の任意の点に設定することができ、例えば１又は複数の関節部１３０、１又は複数のリンクに設定されていても良い。また、アーム先端と関節部１３０（またはリンク）の双方に作用点Ｐを設定しても良い。複数の作用点Ｐを設定した場合、各作用点Ｐに設定された安全可動域３００及び非安全領域３０２の領域情報に基づいて、アーム部１２０全体の動きが許容又は制限されることになる。

図１０は、アームの可動域制限と可動域拡張を実現するための処理を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１０では、関節部１３０の状態を検出する。次のステップＳ１２では、アーム部１２０の状態を取得する。次のステップＳ１４では、作用点（ここではリンク及びアーム先端とする）の空間上の位置を算出する。

次のステップＳ１６では、リンク及びアーム先端位置が安全可動域３００内に存在するか否かを判定し、安全可動域３００内に存在する場合はステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８では、理想モデル条件として、粘性負荷量（粘性抵抗係数）を「小」に設定する。これにより、安全可動域３００内でのアーム先端及びリンクの自由な動きが許容される。

ステップＳ１８の後はステップＳ２０へ進み、粘性負荷量、及び、その他の運動目的及び拘束条件を決定する。次のステップＳ２２では、アーム状態、運動目的、及び拘束条件に基づいて、一般化逆動力学を用いた演算により全身協調制御値を算出する。

次のステップＳ２４では、外乱推定値を用いて、全身協調制御値から理想関節制御の指令値を算出する。次のステップＳ２６では、理想関節制御の指令値に基づいて関節部１３０の駆動を制御する。

また、ステップＳ１６でリンク及びアーム先端位置が安全可動域３００内に存在しない場合はステップＳ２８へ進む。ステップＳ２８では、理想モデル条件として、粘性負荷量を「大」に設定する。これにより、アーム先端の動きが制限される。次のステップＳ３０では、動作領域記憶部２２２の安全可動域３００を更新する。

［２−７．安全可動域と非安全領域のバリエーション］
以下では、安全可動域と非安全領域のバリエーションについて説明する。図１１は、患部からの距離に応じて段階的に安全可動域３００と非安全領域３０２を設定した例を示す模式図である。図１１に示すように、患部に最も近い領域は、非安全レベルが「高」の非安全領域３０２ａとされる。また、非安全領域３０２ａの外側には、非安全レベルが「中」の非安全領域３０２ｂが設定される。

また、非安全領域３０２ｂの外側には、安全可動域３００が設定される。このように、患部からの距離に応じて非安全レベルが異なるように非安全領域３０２ａ３０２ｂを段階的に設けることで、領域毎に制御パラメータ（粘性抵抗係数、速度など）を異ならせることで、アーム先端が患部に接触することを確実に抑えることができる。

図１２は、起動時のアーム先端位置からの距離に応じて、段階的に安全可動域３００を設定する例を示す模式図である。図１２に示すように、起動時のアーム先端位置に対して、距離ｄ１の範囲が安全可動域３００に設定される。また、起動時のアーム先端位置に対して距離ｄ２の範囲が非安全領域３０２ｃに設定され、起動時のアーム先端位置に対して距離ｄ３の範囲が非安全領域３０２ｄに設定される。これにより、起動時に安全可動域３００と非安全領域３０２をデフォルトの状態で設定することができる。デフォルトの状態で設定された安全可動域３００は、図７Ａ〜図７Ｃに示したような拡張操作を行うことで、適宜拡張することができる。

図１３は、アーム先端に３Ｄカメラ１０００を搭載し、３Ｄカメラ１０００で撮影した画像を用いた画像認識により患部の立体形状を計測してデプスマップを作成し、デプスマップより得られる患部の形状に基づいて非安全領域３０２を設定する例を示す模式図である。非安全領域３０２よりもアーム先端側には安全可動域３００が設定される。デプスマップに基づいて非安全領域３０２を設定することで、アーム先端を患部の形状に倣って設定された安全領域３００と非安全領域３０２との境界まで動かすことができるため、デフォルトの状態でアーム先端をより患部に近づけることが可能となる。

図１４は、図１１に示す例において、アーム先端の移動を制限する制御パラメータとして粘性抵抗値を用い、非安全レベルが高い領域ほど粘性抵抗係数（粘性負荷量）を高くした例を示す模式図である。このように、患部に近いほど非安全レベルを高くして粘性負荷量を大きくすることで、患部に近づくにつれて粘性負荷量が大きくなるため、操作者に対して患部に近づく方向にアームが操作されていることを確実に認識させることができ、安全性を高めることができる。領域毎に粘性抵抗値を設定し、アーム先端の現在の位置に応じて、対象領域における粘性抵抗値を全軸に適応することで、過度の移動動作を抑制して安全を担保することができる。また、図１４において、安全可動域３００内において、安全可動域３００と非安全領域３０２との境界にアーム先端が近づくほど粘性抵抗係数を高くすることで、安全可動域３００内でアーム先端を操作している際においても、非安全領域３０２に近づいたことを操作者に認識させることができる。

図１５は、図１１に示す例において、アーム先端の移動を制限する制御パラメータとして速度を用い、非安全レベルが高い領域ほど速度を低く制限した例を示す模式図である。領域毎に速度制限値を設定し、アーム先端位置の速度が速度制限値に到達した場合には、全身協調制御部において抑制方向の力を考慮した各軸の最適なトルク値を算出することで過度の移動動作を抑制して安全を担保することができる。このように、患部に近いほど非安全レベルを高くして速度を低くすることで、患部に近づくにつれて速度が低下するため、操作者に対して患部に近づく方向にアームが操作されていることを確実に認識させることができ、安全性を高めることができる。また、図１５においても、安全可動域３００内において、安全可動域３００と非安全領域３０２との境界にアーム先端が近づくほど速度制限の度合いを高くすることで、安全可動域３００内でアーム先端を操作している際においても、非安全領域３０２に近づいたことを操作者に認識させることができる。

＜３．ハードウェア構成＞
次に、図１６を参照しながら、図６に示す、本実施形態に係る支持アーム装置１０及び制御装置２０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１６は、本開示の一実施形態に係る支持アーム装置１０及び制御装置２０のハードウェア構成の一構成例を示す機能ブロック図である。

支持アーム装置１０及び制御装置２０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、支持アーム装置１０及び制御装置２０は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。

ＣＰＵ９０１は、演算処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９又はリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、支持アーム装置１０及び制御装置２０内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。ＣＰＵ９０１は、本実施形態においては、例えば、図６に示すアーム制御部１１０及び制御部２３０に対応している。

ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。また、外部バス９１１には、インターフェース９１３を介して、入力装置９１５、出力装置９１７、ストレージ装置９１９、ドライブ９２１、接続ポート９２３及び通信装置９２５が接続される。

入力装置９１５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、レバー及びペダル等、ユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、支持アーム装置１０及び制御装置２０の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。支持アーム装置１０及び制御装置２０のユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、支持アーム装置１０及び制御装置２０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。入力装置９１５は、本実施形態においては、例えば、図６に示す入力部２１０に対応する。また、本実施形態においては、入力装置９１５を介したユーザによる操作入力により、アーム部１２０の駆動における運動目的が設定され、当該運動目的に従って全身協調制御が行われてもよい。

出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴ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ディスプレイ装置及びランプ等の表示装置や、スピーカ及びヘッドホン等の音声出力装置や、プリンタ装置等がある。出力装置９１７は、例えば、支持アーム装置１０及び制御装置２０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、支持アーム装置１０及び制御装置２０が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、あらゆる形式で出力装置９１７から出力されてよい。例えば、アーム部１２０の駆動制御における、アーム部１２０の各構成部材の移動の軌跡が、グラフの形式で出力装置９１７の表示画面に表示されてもよい。なお、例えば、図６に示す表示装置３０は、出力装置９１７の表示装置としての機能及び構成と、当該表示装置の駆動を制御するための制御部等の構成を備える装置であってもよい。

ストレージ装置９１９は、支持アーム装置１０及び制御装置２０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、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により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ等を格納する。ストレージ装置９１９は、本実施形態においては、例えば、図６に示す記憶部２２０に対応する。また、本実施形態においては、ストレージ装置９１９は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における演算条件（運動目的及び拘束条件）を記憶することができ、支持アーム装置１０及び制御装置２０はストレージ装置９１９に記憶されているこれらの演算条件を用いて全身協調制御に関する演算を行ってもよい。

ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、支持アーム装置１０及び制御装置２０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア又はＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣＦ：ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ）、フラッシュメモリ又はＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、ドライブ９２１によって、各種のリムーバブル記録媒体９２７から読み出され、又は各種のリムーバブル記録媒体９２７に書き込まれてよい。

接続ポート９２３は、機器を支持アーム装置１０及び制御装置２０に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、支持アーム装置１０及び制御装置２０は、外部接続機器９２９から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２９に各種のデータを提供したりする。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、接続ポート９２３を介して、各種の外部接続機器９２９から読み出され、又は各種の外部接続機器９２９に書き込まれてよい。

通信装置９２５は、例えば、通信網（ネットワーク）９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線若しくは無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ又は各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御に関する各種の情報が、通信装置９２５によって、通信網９３１を介して外部の他の機器との間で相互に送受信されてもよい。

以上、本開示の実施形態に係る支持アーム装置１０及び制御装置２０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。なお、図１６では図示しないが、支持アーム装置１０は、図６に示すアーム部１２０に対応する各種の構成を当然備える。

なお、上述のような本実施形態に係る支持アーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０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、パーソナルコンピュータ等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。

＜６．まとめ＞
以上説明したように本実施形態によれば、機器操作時の誤操作等による安全領域外への急移動を抑制することで安全性が確保できるとともに、一度通過した位置を安全可動域として記憶することで、既に安全が確認できた位置においては、操作者は制限を受けることなく自由な操作が可能となる。

また、施術者は、未到達の領域侵入時のみ微細な操作を行うことができ、施術の進行による変化する環境変化に柔軟に対応した操作が実現できる。

また、リアルタイムに更新される安全可動域をユーザに提示することで、施術者はリアルタイムな安全可動域を認識をしながら操作することが可能となり、一定の安全レベルを維持したままで、効率よく施術領域の拡張を伴う施術進行が可能となる。

また、手動誘導を伴わない自動制御モードを設けることで、予め手動誘導制御モード時に記憶したアーム先端の安全可動域を自動動作モード可動域として自動設定することで、可動域外への移動動作を抑制し安全を確実に確保することができる。

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。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、また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うる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１） 複数のリンクが関節部によって連結されて構成される多リンク構造体における作用点の空間位置を検出する位置取得部と、
予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較する比較部と、
前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限する動作制限部と、
を備える、医療用支持アームの制御装置。
（２） 前記動作制限部は、予め設定された前記可動域の領域情報に基づいて、前記作用点が前記可動域を超えて非安全領域に侵入する場合に前記作用点の動作を制限する、前記（１）に記載の医療用支持アームの制御装置。
（３） 前記作用点が前記非安全領域に侵入した場合に、前記作用点の前記非安全領域への侵入に伴って前記可動域を拡張する可動域更新部を更に備える、前記（２）に記載の医療用支持アームの制御装置。
（４） 前記動作制限部は、前記作用点が前記可動域内で前記可動域と前記非安全領域の境界に近づくほど、前記作用点の動作を制限する、前記（２）又は（３）に記載の医療用支持アームの制御装置。
（５） 前記動作制限部は、前記作用点の動作を制限するための制御パラメータに基づいて前記作用点の動作を制限する、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の医療用支持アームの制御装置。
（６） 前記制御パラメータは、前記関節部における動きの粘性抵抗係数である、前記（５）に記載の医療用支持アームの制御装置。
（７） 前記制御パラメータは、前記作用点の速度である、前記（５）に記載の医療用支持アームの制御装置。
（８） 前記作用点は、前記多リンク構造体の先端部、複数の前記リンクの少なくとも１つ又は複数の前記関節部のうちの少なくとも１つである、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の医療用支持アームの制御装置。
（９） 前記可動域の領域情報を格納する記憶部を備える、前記（１）〜（８）のいずれかに記載の医療用支持アームの制御装置。
（１０） 前記可動域内で前記作用点を自動で移動する自動制御部を備える、前記（１）〜（９）のいずれかに記載の医療用支持アームの制御装置。
（１１） 前記可動域は、前記多リンク構造体に設けられたステレオカメラの撮像により得られたデプスマップに基づいて設定される、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の医療用支持アームの制御装置。
（１２） 複数のリンクが間接部によって連結されて構成される多リンク構造体上の作用点の空間位置を検出することと、
予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較することと、
前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限することと、
を備える、医療用支持アーム装置の制御方法。
（１３） 複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから多リンク構造体を構成する複数の関節部を有する支持アームと、
前記多リンク構造体における作用点の空間位置を検出する位置取得部と、予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較する比較部と、前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限する動作制限部と、を有する制御装置と、
を備える、医療用システム。

１０ 支持アーム装置
２０ 制御装置
２２２ 動作領域記憶部
２４１ アーム状態取得部（位置取得部）
２７０ 可動域内判定部（比較部）
２７２ 理想モデル条件決定部（動作制限部）
２７４ 可動域更新部

Claims (13)

1. 複数のリンクが関節部によって連結されて構成される多リンク構造体における作用点の空間位置を検出する位置取得部と、
   予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較する比較部と、
   前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限する動作制限部と、
   を備える、医療用支持アームの制御装置。
2. 前記動作制限部は、予め設定された前記可動域の領域情報に基づいて、前記作用点が前記可動域を超えて非安全領域に侵入する場合に前記作用点の動作を制限する、請求項１に記載の医療用支持アームの制御装置。
3. 前記作用点が前記非安全領域に侵入した場合に、前記作用点の前記非安全領域への侵入に伴って前記可動域を拡張する可動域更新部を更に備える、請求項２に記載の医療用支持アームの制御装置。
4. 前記動作制限部は、前記作用点が前記可動域内で前記可動域と前記非安全領域の境界に近づくほど、前記作用点の動作を制限する、請求項２に記載の医療用支持アームの制御装置。
5. 前記動作制限部は、前記作用点の動作を制限するための制御パラメータに基づいて前記作用点の動作を制限する、請求項１に記載の医療用支持アームの制御装置。
6. 前記制御パラメータは、前記関節部における動きの粘性抵抗係数である、請求項５に記載の医療用支持アームの制御装置。
7. 前記制御パラメータは、前記作用点の速度である、請求項５に記載の医療用支持アームの制御装置。
8. 前記作用点は、前記多リンク構造体の先端部、複数の前記リンクの少なくとも１つ又は複数の前記関節部のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の医療用支持アームの制御装置。
9. 前記可動域の領域情報を格納する記憶部を備える、請求項１に記載の医療用支持アームの制御装置。
10. 前記可動域内で前記作用点を自動で移動する自動制御部を備える、請求項１に記載の医療用支持アームの制御装置。
11. 前記可動域は、前記多リンク構造体に設けられたステレオカメラの撮像により得られたデプスマップに基づいて設定される、請求項１に記載の医療用支持アームの制御装置。
12. 複数のリンクが間接部によって連結されて構成される多リンク構造体上の作用点の空間位置を検出することと、
    予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較することと、
    前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限することと、
    を備える、医療用支持アーム装置の制御方法。
13. 複数のリンクを連結し、複数の前記リンクから多リンク構造体を構成する複数の関節部を有する支持アームと、
    前記多リンク構造体における作用点の空間位置を検出する位置取得部と、予め設定された前記作用点の可動域と前記空間位置を比較する比較部と、前記比較の結果に基づいて、前記作用点の動作を制限する動作制限部と、を有する制御装置と、
    を備える、医療用システム。
    

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