CN106068175A - 机器人手臂设备、机器人手臂控制方法及程序 - Google Patents

Abstract

为了能够进一步提高安全。提供了一种机器人手臂设备(10)，配备有：手臂单元(120)，由通过关节单元(130)彼此连接的多个链路构成；以及驱动控制器(111)，用于通过控制关节单元(130)的驱动来驱动手臂单元(120)。当在至少一个关节单元(130)内检测到故障时，驱动控制器(111)通过对手臂单元(120)的运动提供特定限制来控制关节单元(130)的驱动并且驱动手臂单元(120)，以避免故障。

Description

机器人手臂设备、机器人手臂控制方法及程序

技术领域

本公开涉及机器人手臂设备、机器人手臂控制方法及程序。

背景技术

近年来，在医疗领域，在执行各种医疗程序(例如，检查和手术)时，可想到地是，将各种类型的医疗工具附接至手臂单元的前端，并且通过控制这种机器人手臂设备的驱动，观察患者的手术部位或者在患者的手术部位上执行各种治疗。通过这种机器人手臂设备，通过使附接至手臂单元的前端的医疗工具与患者接触，或者通过将医疗工具插入患者的体腔内，执行各种医疗程序。为此，需要考虑安全性的机器人手臂设备的驱动控制，使得患者不受到医疗工具的伤害。

例如，专利文献1公开了一种将插入引导套管针插入患者的体内的机械设备的技术，具有治疗工具的操纵器连接至前端，穿过套管针的套管，并且插入患者的体腔内，并且进行各种治疗。本技术提供了一种在套管针的外圆周壁部上的压紧力传感器，并且根据压紧力传感器的检测值，在允许操纵器自由移动的自由状态与将操纵器锁定在原位的锁定状态之间切换。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2003-79638号公报

发明内容

本发明解决的技术问题

然而，利用在专利文献1中描述的技术，在切换成锁定状态的情况下，例如，由于操纵器的运动锁定在该状态中，难以照原样继续处理，并且需要暂时中断治疗。另一方面，对于使用机器人手臂设备在患者身上进行的一些医疗程序(例如，涉及切除患处的手术)例如，中断治疗会冒有危及患者的风险。通过该方式，根据医疗程序的内容，即使可以检测到故障，仍具有以下风险：锁定操纵器的运动，对于患者不一定是安全过程。此外，为了在检测到故障时驱动控制机器人手臂设备，需要不仅考虑患者的安全，而且考虑外科医生的安全。例如，如果发生机器人手臂设备的手臂单元在检测到故障时意外移动的情况，则具有因与手臂单元等碰撞而伤害外科医生和患者的风险。

鉴于以上情况，需要更安全地驱动机器人手臂设备。因此，本公开提出了一种新型并且改进的机器人手臂设备、操作确定方法以及程序，其能够进一步提高安全性。

问题的解决方案

根据本公开，提供了一种机器人手臂设备，包括：手臂单元，其由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成；以及驱动控制单元，其通过控制关节单元的驱动来驱动所述手臂单元。如果在至少一个关节单元内检测到故障，则驱动控制单元在对手臂单元的运动施加特定限制的状态下控制所述关节单元的驱动并且驱动手臂单元，以避免故障。

根据本公开，提供了一种机器人手臂控制方法，包括：在由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成的手臂单元中，检测至少一个关节单元内的故障；并且在对手臂单元的运动施加特定限制的状态下，控制关节单元的驱动并且驱动手臂单元，以避免故障。

根据本公开，提供了一种使计算机的处理器实现以下功能的程序：在由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成的手臂单元中，检测至少一个关节单元内的故障的功能；以及在对手臂单元的运动施加特定限制的状态下控制关节单元的驱动并且驱动手臂单元以避免故障的功能。

根据本公开，当在构成手臂单元的任何关节单元中检测到故障时，提供限制，以避免故障，然后，控制关节单元的驱动，并且驱动手臂单元。因此，即使在关节单元内发生故障，也驱动手臂单元，以避免故障，并且例如，避免因手臂单元的意外运动而危及外科医生和患者的情况。

发明的有益效果

如上所述，根据本公开，可以进一步提高安全。注意，不严格限制以上有利效果，并且除了或者代替以上有益效果，还可以显示在本公开指示的任何有益效果或者可以根据本公开推论的另一个有益效果。

附图说明

[图1]是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统的示意性配置的功能方框图；

[图2]是示出根据本实施方式的机器人手臂控制系统的硬件配置的方框图；

[图3]是用于解释基于力矩命令值驱动致动器的解释图；

[图4]是用于解释基于角速度命令值驱动致动器的解释图；

[图5]是用于解释基于角度命令值驱动致动器的解释图；

[图6]是示出机上安装在致动器上的传感器的实例配置的方框图；

[图7]是示出根据本实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程的实例的流程图；

[图8]是示出基于角速度的在故障检测过程中的处理过程的实例的流程图；

[图9]是用于解释基于在关节单元内的力矩的故障避免操作的解释图；

[图10]是用于解释基于在关节单元内的力矩的故障避免操作的解释图；

[图11]是用于描述将根据本公开的实施方式的机器人手臂设备用于医疗目的的应用实例的解释图；

[图12]是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂设备的外观的示意图；

[图13]是示意性示出沿着穿过旋转轴的横截面切割根据本公开的实施方式的关节单元的致动器的状态的剖视图；

[图14A]是示意性示出在驱动轴的轴方向观看在图13示出的力矩传感器的状态的示意图；

[图14B]是示意性示出施加至在图13示出的致动器中的力矩传感器的另一个示例性配置的示意图；

[图15]是用于描述根据本公开的实施方式的理想关节控制的解释图；

[图16]是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统的示例性配置的功能方框图；

[图17]是用于描述根据本公开的实施方式的作为手臂运动的具体实例的枢转运动的解释图；

[图18]是用于描述用于实现在图17示出的枢转运动的运动目的和约束条件的解释图；

[图19]是示出在根据本公开的实施方式的机器人手臂设备中具有冗余自由度的变形例的外观的示意图；

[图20]是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程的流程图；

[图21]是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂设备和控制装置的硬件配置的示例性配置的方框功能图。

具体实施方式

在后文中，将参考附图详细描述本公开的(a)优选实施方式。在本说明书和附图中，具有基本上相同的功能和结构的元件由相同的参考符号表示，并且省略重复解释。

按照以下顺序，进行描述。

1、对机器人手臂设备的安全性的调查

2、机器人手臂控制系统的功能配置

3、机器人手臂控制系统的硬件配置

4、操作确定方法的处理过程

5、每个过程的细节

5-1、故障检测过程

5-2、故障避免操作

5-3、部分功能暂停操作

5-4、功能暂停操作

6、全身协同控制

6-1、医疗机器人手臂设备的评述

6-2、本公开的实施方式

6-2-1、机器人手臂设备的外观

6-2-2、广义逆动力学

6-2-2-1、虚拟力量计算过程

6-2-2-2、实际力量计算过程

6-2-3、理想关节控制

6-2-4、机器人手臂控制系统的配置

6-2-5、运动目的的具体实例

6-3、机器人手臂控制方法的处理过程

6-4、根据全身协同控制的机器人手臂设备的概述

7、硬件配置

8、补充

在本说明书中，首先，在<1、对机器人手臂设备的安全性的调查>中，为了进一步阐述本公开，调查从安全的角度来看机器人手臂设备所需要的特征，并且描述在本公开的发明人的概念之前的背景。接下来，在<2、机器人手臂控制系统的功能配置>、<3、机器人手臂控制系统的硬件配置>、<4、操作确定方法的处理过程>、<5、每个过程的细节>中，描述从上面讨论的安全的角度来看由发明人设想的根据优选实施方式的机器人手臂设备的控制系统和机器人手臂设备的控制方法的配置。

在本文中，在本实施方式中，称为全身协同控制的控制技术可以用作从<2、机器人手臂控制系统的功能配置>到<5、每个过程的细节>中描述的机器人手臂设备的控制技术。通过根据本实施方式的全身协同控制，计算每个关节单元的控制量，使得手臂单元实现特定运动目的，并且通过基于控制量协同驱动每个关节单元，控制手臂单元的驱动。此外，在计算每个关节单元的控制量时，还可以提供限制手臂单元的运动的特定约束条件(例如，位置、速度或力量)。在<6、全身协同控制>中，通过将用于医疗用途的机器人手臂设备用作一个实例，描述用于实现这种全身协同控制的控制系统和控制方法的配置。注意，在本实施方式中，使用全身协同控制，能够不仅满足前面讨论的安全性，而且满足用于医疗用途的机器人手臂设备需要的各种特征。因此，在<6、全身协同控制>中，不仅从上面讨论的安全性的角度来看，而且从更广泛的角度来看，描述机器人手臂设备的全身协同控制。

注意，在以下描述中，主要用于医疗用途的机器人手臂设备被视为本公开的优选实施方式的一个实例。然而，本实施方式不限于这种实例，而且适用于其他领域，例如，工业用途。

<1、对机器人手臂设备的安全性的调查>

首先，在描述本公开的优选实施方式之前，通过将用于医疗用途的机器人手臂设备用作一个实例，描述从安全的角度来看机器人手臂设备所需要的特征。

在机器人手臂设备用于医疗应用时，预期的使用方法是以下方法：各种医疗工具(例如，成像装置或治疗工具)中的任一个连接至手臂单元的前端，并且通过成像装置观察患者的手术部位，或者通过治疗工具在手术部位上执行各种治疗。在这种情况下，需要确保患者和通过操作机器人手臂设备来进行各种医疗程序的外科医生的安全。在本文中，外科医生的安全可以想象地表示未因驱动机器人手臂设备而受伤(例如，创伤或烧伤)的外科医生自己。另一方面，患者的安全可以包括未因驱动机器人手臂设备而受伤(例如，创伤或烧伤)，还可以包括不增加患者的负担，例如，因机器人手臂设备等的功能暂停而中断医疗程序或者增加医疗程序的持续时间。在本文中，功能暂停表示不对机器人手臂设备的手臂单元执行正常控制，并且不同于正常地驱动手臂单元。

作为危险的情况，首先，可想象以下情况：手臂单元因例如外科医生的错误操作或者在硬件或软件内的某种类型的故障而意外移动到外科医生。例如，可想象以下情况：在外科医生操作手臂单元以使医疗工具接近患者时，医疗工具通过过度速度或力量接近患者，并且患者受到医疗工具的伤害。此外，如果手臂单元意外移动到外科医生，则还具有外科医生自己置身于危险中的可能性，例如，与手臂单元碰撞。从外科医生和患者的安全的角度来看，需要确定因错误操作或者因作为故障的某种类型的故障而造成的手臂单元的这种意外运动，并且控制手臂单元的驱动，以便执行避免故障(故障避免操作)的操作。

此外，作为危险的另一种情况，可想象以下情况：由于故障，手臂单元的一部分不正确地操作。例如，如在上面的专利文献1中所述，在典型的机器人手臂设备中，在手臂单元的任何部分中检测到故障时，锁定手臂单元的位置和方向，以便不从该状态中移动，并且将整个手臂单元放入所谓的静止状态内。然而，如果机器人手臂设备进入静止状态，则必须中断医疗程序，这可能增加医疗程序的持续时间。因此，在手臂单元内发生故障时，例如，需要识别发生故障的关节单元，锁定失败的关节单元的运动，并且控制手臂单元的驱动，以便利用所有其他关节单元执行维持手臂单元的驱动的操作(部分功能暂停操作)。

此外，在发生紧急情况(例如，停电)时，或者在手臂单元内发生严重故障时，可以发生以下情况：部分功能暂停操作是不充分的，并且必须完全暂停手臂单元的功能。在这种情况下，例如，期望更安全地暂停手臂单元的功能，使得暂停的手臂单元不会对外科医生和患者造成伤害。此外，从降低患者的负担的角度来看，例如，优选地提供如下机构：该机构暂停手臂单元的功能，同时还能够平稳地过渡到由外科医生手动执行的医疗程序。例如，需要防止手臂单元与功能暂停同时意外移动，并且防止暂停的手臂单元干扰后续工作。通过这种方式，需要控制手臂单元的驱动，使得更安全地执行暂停手臂单元的功能的操作(功能暂停操作)。

此外，期望在上面讨论的故障避免操作、部分功能暂停操作以及功能暂停操作之中做出选择，使得医疗程序的直接继续优先化，并且尽可能多地保持机器人手臂设备的功能。例如，在手臂单元中检测到故障时，如果可选择功能暂停操作和部分功能暂停操作作为响应于故障可采取的措施，则优选地选择部分功能暂停操作。同样，如果响应于所检测的故障，可选择部分功能暂停操作和故障避免操作，则优选地选择故障避免操作。因此，控制机器人手臂设备的驱动，使得医疗程序尽可能多地继续。为了选择这种操作，在手臂单元中检测到故障时，需要精确地检测发生故障的部分和故障的类型，并且适当地确定切换到哪个操作。在用于医疗用途的机器人手臂设备中，也需要这种精确的故障检测功能。

如上所述，从安全的角度来看，机器人手臂设备需要以下特征。即，所需要的特征是执行故障避免操作的能力、执行部分功能暂停操作的能力、安全地执行功能暂停操作的能力、以及精确地执行故障检测过程用于确定切换到这些操作中的哪个操作的能力。

由于彻底调查满足这些特征的技术，发明人想象下面表示的本公开的优选实施方式。在后文中，详细描述本公开的优选实施方式。

<2、机器人手臂控制系统的功能配置>

将参考图1描述根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统的功能配置。图1是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统的示意性配置的功能方框图。

参考图1，根据本实施方式的机器人手臂控制系统2配备有机器人手臂设备10和控制装置20。在本实施方式中，由控制装置20执行通过全身协同控制驱动机器人手臂设备10的各种计算，并且基于计算结果，控制机器人手臂设备10的手臂单元120的驱动。此外，机器人手臂设备10的手臂单元120设置有稍后描述的前端单元145，并且通过控制手臂单元120的驱动，由前端单元145对患者执行各种医疗程序。在后文中，详细描述机器人手臂设备10和控制装置20的配置。

机器人手臂设备10包括手臂单元，其是由多个关节单元彼此连接的多个链路构成的多链路结构。通过在可移动范围内驱动手臂单元，机器人手臂设备10控制位于手臂单元的前端上的前端单元145的位置和方向。

参考图1，机器人手臂设备10包括手臂单元120。而且，手臂单元120包括关节单元130和前端单元145。

手臂单元120是由多个关节单元130和多个链路构成的多链路结构，并且由于控制每个关节单元130的驱动，所以控制手臂单元120的驱动。注意，由于包含在手臂单元120内的多个关节单元130的功能和配置彼此相似，所以图1示出了一个关节单元130的配置，作为这些多个关节单元130的代表。

关节单元130在手臂单元120中彼此使链路彼此可旋转地连接。关节单元130的旋转驱动由稍后讨论的关节控制单元135的控制来控制。关节单元130包括关节驱动单元131、关节状态检测单元132、以及关节控制单元135。而且，虽然为了简单起见，省略描述，但是关节单元130此外可以配备有将各种信息传输给外部设置并且从外部设备中接收各种信息的通信单元。控制装置20同样具有通信单元(未示出)，并且关节单元130能够通过通信单元向和从控制装置20以及其他关节单元130传输各种信息。

关节驱动单元131是构成关节单元130的致动器的驱动机构，例如，电机。关节驱动单元131的驱动旋转地驱动关节单元130。关节驱动单元131的驱动由稍后描述的关节控制单元135的驱动控制单元111控制。例如，构成关节驱动单元131的电机由对应于驱动控制单元111的指令的电流量驱动。

关节状态检测单元132检测关节单元130的状态。在本文中，关节单元130的状态可以表示关节单元130的驱动状态。例如，关节单元130的状态包括信息，例如，关节单元130的旋转角、旋转角速度、旋转角加速度、生成的力矩以及外部力矩。此外，在关节单元130驱动诸如供应给致动器的电机的电流量以及电机的环境温度等相似信息以及诸如在关节单元130与其他关节单元130和控制装置20通信的通信单元中的通信状态的信息时，关节单元130的状态另外可以包括各种信息。在本实施方式中，关节状态检测单元132包括各种传感器，例如，角度传感器(编码器(encoder))、力矩传感器、电流传感器和/或温度传感器，并且能够检测因素，例如，关节单元130的旋转角、生成的力矩、外部力矩、电流量以及温度。

关节状态检测单元132将关节单元130的检测状态传输给控制装置20。在控制装置20中，基于表示关节单元130的状态的该信息，检测关节单元130的故障。而且，在控制装置20中，基于表示关节单元130的状态的信息，获取手臂120的状态(手臂状态)，并且为每个关节单元130计算控制值，使得手臂单元120实现运动的某种目的。例如，在表示关节单元130的状态的信息之中，关于诸如供应给致动器的电机的电流量、电机的环境温度、输入轴(电机)和输出轴的旋转角、生成的力矩、外部力矩以及通信单元的通信状态等的因数主要用于故障检测。作为另一个实例，在表示关节单元130的状态的信息之中，主要表示关节单元130的运动的信息(例如，关节单元130的旋转角、旋转角速度、旋转角角速度、生成的力矩以及外部力矩)主要用于计算控制量。注意，由于在下面的<6、全身协同控制>中进一步详细描述控制量的计算，所以此时减少或者省略详细描述。

例如，关节控制单元135由各种类型的处理器(例如，中央处理单元(CPU))中的任一个构成，并且控制关节单元130的驱动。由于由关节控制单元135构成的处理器根据某个程序操作，所以实现关节控制单元135的相应功能。在本实施方式中，关节控制单元135包括驱动控制单元111，作为功能。注意，关节控制单元135另外可以包括用于控制在关节单元130内提供的结构元件的操作的其他功能，例如，通信控制单元，该通信控制单元控制在关节单元130内提供的通信单元的操作，并且使通信单元传输和接收某个信息。

通过控制关节单元130的驱动，驱动控制单元111控制手臂单元120的驱动。更具体而言，通过控制供应给关节单元130的关节驱动单元131的电流量，驱动控制单元111控制构成关节驱动单元131的电机的旋转速度，并且控制在关节单元130内的旋转角和生成的力矩。此外，例如，如果关节单元130设置有防止这种旋转的制动机构，则驱动控制单元111也可以使制动机构啮合和暂停关节单元130的旋转驱动。在本文中，如上所述，可以基于在控制装置20中的计算结果，进行驱动控制单元111对关节单元130的驱动控制。

此外，虽然在下面的(5-4、功能暂停操作)中描述，但是在执行功能暂停操作时，可想象以下情况：在控制装置20内的计算结果不传输给关节单元130，例如，如果切断在控制装置20与关节单元130之间的通信。由于切断与控制装置20的通信，所以不能再执行全身协同控制，并且不再执行所谓的力量控制，但是通过功能暂停操作，需要执行控制，使得锁定每个关节单元130的运动。因此，在本实施方式中，可以由驱动控制单元111使用所谓的位置控制针对每个关节单元130独立地控制这种驱动。因此，即使切断与控制装置20的通信，也在每个关节单元130中进行驱动控制，例如，将关节单元130的旋转角锁定到某个值，并且可以实现功能暂停操作。

在手臂单元120的前端上提供前端单元145，并且控制前端单元145的位置和方向，作为手臂单元120的驱动控制的一部分。在本实施方式中，前端单元145是各种类型的医疗工具中的任一个，例如，成像装置或治疗工具。在前端单元145是成像装置(例如，相机、显微镜或内窥镜)的情况下，可想象的使用方法是捕捉患者的手术部位的图像同时驱动手臂单元120以调整成像装置的位置和方向。例如，由成像装置捕捉的患者的手术部位的图像可以在显示装置的显示屏上显示，并且在参考显示装置的显示屏的同时，外科医生能够观察手术部位的状态，并且对手术部位执行各种治疗。同时，在前端单元145是治疗工具(例如，手术刀或钳子)的情况下，可想象的使用方法是驱动手臂单元120以使用治疗工具对患者的手术部位执行某个治疗。前端单元145不限于这些实例，并且还可以应用各种已知医疗工具中的任一个作为前端单元145。

注意，在图1中，通过示意性示出在关节单元130与前端单元145之间的链路，表示通过多个关节单元130和多个链路设置在最终链路的顶端上的前端单元145的状态。而且，虽然在图1示出的实例中，为了方便起见，标记为前端单元145，但是在本实施方式中，设置前端单元145的部分不限于手臂单元120的前端。在本实施方式中，对于控制前端单元145的位置和方向作为手臂单元120的驱动的一部分是足够的，并且对于配置前端单元145使得可以对患者执行各种医疗程序是足够的。前端单元145连接至手臂单元120的部分是任意的。

因此，上面描述了机器人手臂设备10的功能和配置。接下来，将描述控制设备20的功能和配置。参考图1，控制设备20包括存储单元220和控制单元230。

例如，控制单元230由各种类型的处理器中的任一个构成，例如，CPU。控制单元230中央地控制该控制装置20的操作，同时还执行各种计算，以控制在机器人手臂设备10中的控制装置20的驱动。由于构成控制单元230的处理器根据某个程序操作，所以实现控制单元230的相应功能。在本实施方式中，控制单元230执行全身协同控制和理想关节控制的各种计算，以便控制机器人手臂设备10的手臂单元120的驱动。而且，控制单元230另外包括基于关节单元130的检测状态检测在关节单元130中的故障的功能。

将详细描述控制单元230的功能配置。控制单元230包括全身协同控制单元240、理想关节控制单元250、故障检测单元260以及操作条件设置单元242。

故障检测单元260基于用于检测关节单元130的故障的各种信息，检测在关节单元130中发生的故障。在本文中，用于检测关节单元130的故障的信息可以包括例如关于由关节状态检测单元132检测的关节单元130的状态的信息、如稍后所述关于关节单元130的驱动控制的信息、关于传输给关节单元130的命令值的信息以及关于关节单元130的通信状态的信息。例如，故障检测单元260包括致动器故障检测单元261、驱动控制故障检测单元262、命令值故障检测单元263以及通信故障检测单元264，作为功能。

致动器故障检测单元261检测在为驱动关节单元130而设置的致动器内的故障。例如，致动器故障检测单元261能够基于包含在表示关节单元130的状态的信息内的信息(例如，供应给致动器的电机的电流量、电机的环境温度、输入轴(电机)和输出轴的旋转角、生成的力矩以及外部力矩)，检测在致动器内的故障。

驱动控制故障检测单元262基于关于从驱动控制单元111中传输的关节单元130的驱动控制的信息，检测关节单元130的故障。例如，即使制动机构由驱动控制单元111驱动，在关节单元130驱动时，或者相反，即使不驱动制动机构，在关节单元130不驱动时，驱动控制故障检测单元262能够检测关节单元130的故障。

命令值故障检测单元263基于从控制装置20传输给关节单元130的命令值，检测关节单元130的故障。在本文中，命令值是由理想关节控制单元250计算的值，并且是从控制装置20传输给关节单元130的驱动控制单元111的用于最终控制关节单元130的驱动的控制量。例如，在传输给驱动控制单元111的命令值以及基于该命令值驱动的关节单元130的驱动彼此偏离时，命令值故障检测单元263能够检测关节单元130的故障。

通信故障检测单元264基于在关节单元130与控制装置20之间的通信状态，检测关节单元130的故障。例如，在关节单元130的通信单元和/或控制装置20的通信单元不正确操作并且切断在通信单元之间的通信时，计算控制量(例如，表示关节单元130的状态的信息)的信息所需要的信息可能不从关节单元130中传输给控制装置20，并且关于控制装置20计算的控制量的信息可能不由关节单元130接收。因此，通信故障检测单元264能够检测其中通信单元不正确操作并且其中不能接收控制装置20计算的控制量的关节单元130，作为发生故障的关节单元130。

在本文中，如上所述用于检测关节单元130的故障的各种信息(例如，由关节状态检测单元132所获取的关于关节单元130的状态的信息、关于关节单元130的驱动控制的信息、从控制装置20传输给关节单元130的关于命令值的信息和/或关于在关节单元130与控制装置20之间的通信状态的信息)是可以为每个关节单元130获取的信息。因此，故障检测单元260能够检测在每个关节单元130内的故障的存在或者不存在。此外，根据哪个信息用作检测故障的基础，故障检测单元260同时可以检测关节单元130的哪个结构部件经受故障以及故障的类型。

故障检测单元260将关于检测的故障的信息传输给操作条件设置单元242。注意，在下面的<5-1、故障检测过程>中进一步详细描述由故障检测单元260进行的故障检测过程。

注意，在图1示出的实例中，为了方便解释，故障检测单元260的功能单独显示为致动器故障检测单元261、驱动控制故障检测单元262、命令值故障检测单元263以及通信故障检测单元264。然而，在本实施方式中，通过综合考虑诸如由关节状态检测单元132所获取的关于关节单元130的状态的信息、关于关节单元130的驱动控制的信息、从控制装置20传输给关节单元130的关于命令值的信息和/或关于在关节单元130与控制装置20之间的通信状态的信息等信息，故障检测单元260可以检测在关节单元130内的故障。

操作条件设置单元242设置操作条件，用于计算由全身协同控制单元240和理想关节控制单元250进行的控制量。在本实施方式中，操作条件设置单元242根据由故障检测单元260检测的关节单元130的类型设置操作条件。具体而言，操作条件设置单元242能够根据关节单元130的所检测的故障的类型，确定由手臂单元120执行的操作，并且设置对应于该操作的操作条件。在本文中，由手臂单元120执行的操作可以是上述故障避免操作、部分功能暂停操作以及功能暂停操作中的任一个。

例如，在存储单元220内存储使故障的类型、在发生该故障时可以执行的操作以及用于执行该操作的操作条件相关联的表格，并且操作条件设置单元242能够基于来自故障检测单元260的故障检测结果以及该表格，确定由手臂单元120执行的操作并且还根据该操作设置操作条件。在该表格中，故障的类型和操作可以相关联，使得即使发生故障，手臂单元120的驱动控制尽可能多地继续。通过基于这种表格确定由手臂单元120执行操作，控制手臂单元120的驱动，使得使用机器人手臂设备10的医疗程序尽可能多地继续。

注意，如果诸如手臂单元120的总体配置以及用于计算控制量的控制模型(内部模型)等条件不同，则可以想象，即使发生相同的故障，也可以执行不同的操作。因此，在以上表格中，通过也考虑这些条件，也可以使故障类型和操作相关联。表格的特定结构可以由机器人手臂设备10等的设计者酌情设置。

具体而言，由操作条件设置单元242设置的操作条件可以包括运动的目的和约束条件。运动的目的是与手臂单元120的运动相关的各种信息，并且例如，是诸如前端单元145和手臂单元120的位置和方向(坐标)、速度、加速度以及力量等因素的目标值。同时，约束条件是限制(约束)手臂单元120的运动的各种信息，并且可以是例如手臂单元120的结构部件都不应移动到其内的区域的坐标、手臂单元120不应移动的速度和加速度的值、不应生成的力量的值等。此外，如果根据手臂单元120要执行的操作，可使用多个内部模型，则操作条件设置单元242也可以将与根据由故障检测单元260检测的故障类型确定的操作对应的内部模型设置为操作条件。操作条件设置单元242将关于设置的操作条件的信息提供给全身协同控制单元240。

全身协同控制单元240使用广义逆动力执行与全身协同控制相关的各种计算。而且，理想关节控制单元250基于理论模型执行与实现理想响应的理想关节控制相关的各种计算。通过基于这些计算结果控制机器人手臂设备10的驱动，机器人手臂设备10由力量控制来驱动。在本实施方式中，全身协同控制单元240和理想关节控制单元250基于由操作条件设置单元242设置的操作条件，执行各种计算，并且因此，为每个关节单元130计算控制值，使得手臂单元120执行根据由故障检测单元260检测的故障类型确定的操作。注意，在稍后的<6、全身协同控制>中，进一步详细描述由全身协同控制单元240和理想关节控制单元250进行的过程，并且此时，仅仅简单描述概述。

基于由关节状态检测单元132检测的关节单元130的状态，并且在由操作条件设置单元242设置的操作条件下，全身协同控制单元240计算用于驱动关节单元130的控制量。具体而言，全身协同控制单元240能够基于由关节状态检测单元132检测的关节单元130的状态，获取手臂单元120的状态(手臂状态)。手臂状态表示手臂单元120的几何参数和机械参数，并且可以表示为机器人手臂设备10的内部模型。此外，基于手臂状态，全身协同控制单元240能够计算用于驱动手臂单元120的控制值(例如，每个关节单元130的驱动参数(例如，关节单元130的生成的力矩值))，使得实现由操作条件设置单元242设置的运动目的，同时考虑由操作条件设置单元242设置的约束条件。

理想关节控制单元250进行校正，这考虑了干扰对由全身协同控制单元240计算的控制值的影响，从而计算最终用于驱动手臂单元120的命令值。例如，命令值可以是考虑干扰的影响的关节单元130的生成的力矩值。理想关节控制单元250将关于计算的命令值的信息传输给机器人手臂设备10。由于驱动控制单元111使每个关节单元130基于命令值来驱动，所以根据由操作条件设置单元242设置的约束条件和运动目的，驱动手臂单元120，或者换言之，以便执行根据由故障检测单元260检测的故障类型确定的操作。

存储单元220存储由控制装置20处理的各种信息。在本实施方式中，存储单元220能够存储用于与全身协同控制以及由控制单元230进行的理想关节控制相关的计算中的各种信息以及关于计算结果的信息。例如，存储单元220还可以存储运动目的、约束条件、以及在与全身协同控制单元240的全身协同控制相关的计算中使用的内部模型。作为另一个实例，存储单元220还可以存储使在关节单元130中可以检测的故障类型、在发生对应的故障时可以执行的操作以及用于执行对应操作的操作条件相关联的表格。存储单元220可以存储与由控制单元230进行的各种过程相关的各种类型的参数，并且控制单元230能够进行各种过程，同时将信息传输给存储单元220并且从存储单元220中接收信息。

因此，上面参考图1描述了根据本实施方式的机器人手臂系统2的配置。如上所述，在本实施方式中，由故障检测单元260检测每个关节单元130发生的故障。因此，可以精确地检测手臂单元120的哪个部分经受故障。而且，在本实施方式中，操作条件设置单元242根据故障检测单元260检测的故障类型确定手臂单元120的操作并且通过操作条件设置单元242设置对应于操作的操作条件。随后，全身协同控制单元240和理想关节控制单元250基于操作条件为每个关节单元130计算用于驱动手臂单元120的控制量，从而控制手臂单元120的驱动，以根据故障的类型执行操作。因此，根据故障的类型，控制手臂单元120的驱动，使得使用机器人手臂设备10的医疗程序尽可能多地继续。因此，可以提高患者和外科医生的安全。

注意，在图1示出的实例中，故障检测单元260位于控制装置20内，并且在控制装置20中进行检测关节单元中的故障的过程。然而，本实施方式不限于这种实例。例如，每个关节单元130的关节控制单元135可以包括与故障检测单元260相似的功能，并且检测关节单元130中的故障可以由关节单元130本身进行。

此外，机器人手臂系统2不限于在图1示出的实例。例如，在图1示出的关节控制单元135和控制单元230中进行的每个过程可以在机器人手臂设备10和控制装置20中的任一个中进行，或者可以由通信地连接至机器人手臂设备10和控制装置20的另一个信息处理装置(未示出)进行。在本实施方式中，足以配置机器人手臂系统2，使得可以执行在图1示出的每个功能，并且特定的装置配置是任意的。

根据本实施方式的机器人手臂系统2的每个上述元件可以使用通用部件或电路配置，并且可以由专门用于每个元件的功能的硬件配置。进一步，元件的所有功能可以由CPU等执行。因此，在执行本实施方式时1，要使用的配置可以根据技术水平酌情改变。

进一步，可以产生计算机程序，用于实现根据本实施方式的机器人手臂系统2的功能，并且将计算机程序安装在个人电脑等内。而且，还可以提供存储计算机程序的计算机可读记录介质。记录介质的实例包括磁盘、光盘、磁光盘以及闪速存储器。进一步，例如，可以通过网络传输计算机程序，而不使用记录介质。

<3、机器人手臂控制系统的硬件配置>

接下来，将参考图2描述根据本实施方式的机器人手臂控制系统的硬件配置。图2是示出根据本实施方式的机器人手臂控制系统的硬件配置的方框图。注意，在图2示出的方框图对应于在图1示出的功能方框图，并且对应于构成在图1示出的每个功能方框的硬件的说明。而且，在图2中，为了简单起见，从在图1示出的配置之中，主要示出根据本实施方式的与故障检测相关的配置，而从示图中省略配置的其他部分。

此外，参考图2，示出与机器人手臂设备的手臂单元120的多个关节单元130对应的配置。实际上，链路由每个关节单元130彼此连接，从而构成多链路结构，但是在图2中，省略链路的说明。此外，在图2中，示出三个关节单元130作为一个实例，但是关节单元130的数量不限于这个实例，并且根据手臂单元120的配置，还可以存在不同数量的关节单元130。

(控制装置)

参考图2，示出通信单元270和控制CPU 280，作为包含在控制装置20内的配置。通信单元270是向和从机器人手臂设备的每个关节单元130(更具体而言，稍后讨论的关节单元130的每个通信单元150)传输和接收各种信息传输的通信接口。在本实施方式中，通信单元270接收从每个关节单元130中传输的用于检测关节单元130的故障的各种信息。此外，通信单元270给每个关节单元130传输关于由控制CPU 280计算的手臂单元120的每个关节单元130的控制量的信息。

控制CPU 280对应于在图1示出的控制单元230。在控制CPU 280中，基于从每个关节单元130中传输的用于检测关节单元130的故障的各种信息检测关节单元130的故障。此外，确定所检测的故障类型，并且根据故障类型，确定手臂单元120的操作。而且，设置与手臂单元120的确定的操作对应的操作条件，并且基于该操作条件，计算每个关节单元130的控制量，以便实现手臂单元120的操作。

(关节单元)

每个关节单元130包括通信单元150、关节控制CPU 160、电机驱动器单元170以及致动器180。通信单元150是向和从其他关节单元130的通信单元150以及控制装置20的通信单元270传输和接收各种信息的通信接口。在本实施方式中，通过通信单元150将用于检测关节单元130的故障的各种信息从每个关节单元130传输给控制装置20。此外，通信单元150接收由控制CPU 280计算的关于手臂单元120的每个关节单元130的控制量的信息。

关节控制CPU 160对应于在图1示出的关节控制单元135。例如，用于驱动致动器180的电机的控制量(例如，电流量)从关节控制CPU 160转发给电机驱动器单元170(这对应于例如之前讨论的在图1示出的驱动控制单元111的功能)。稍后参考图3到图5，详细讨论用于由关节控制CPU 160控制驱动致动器180的这种配置。

此外，关于安装在致动器180上的相应传感器的检测值的信息(例如，电流量、温度以及旋转角)或者换言之表示关节单元130的状态的信息从致动器180中传输给关节控制CPU 160。表示关节单元130的状态的信息通过通信单元150传输给控制装置20。而且，如稍后参考图3到图5所讨论的，在关节控制CPU 160中，不仅基于从控制装置20中传输的控制量，而且基于致动器180的相应传感器的检测值，进行致动器180的驱动控制。注意，虽然图2示出了关于致动器180的相应传感器的检测值的信息通过关节控制CPU 160从通信单元150中传输给控制装置20，但是关于检测值的信息也可以通过通信单元150传输给控制装置20。此外，稍后参考图6，详细讨论安装在致动器180上的相应传感器的配置。

电机驱动器单元170是驱动器电路(驱动器集成电路(IC))，该电路通过将电流供应给电机来旋转地驱动致动器180的电机，并且能够通过调整供应给电机的电流量来控制电机的旋转速率。电机驱动器单元170根据从关节控制CPU 160中传输的控制量，驱动致动器180的电机。注意，由于与典型的电机驱动的驱动器IC相似的IC可以用作电机驱动器单元170，所以在本文中省略详细描述。

由于通过关节控制CPU 160根据特定控制量驱动，所以致动器180促使关节单元130以特定角度和速度驱动。例如，致动器180可以具有稍后讨论的在图13示出的配置。例如，致动器180包括电机和减速齿轮。根据某个控制量驱动的电机的旋转速率由具有某个减速比的减速齿轮减小速度，结果，生成某个旋转驱动力(力矩)。将生成的力矩传输给后续部件(例如，链路和前端单元)，并且这些后续部件驱动。

此外，如上所述，致动器180包括机载传感器，其检测与致动器180本身的驱动相关的各种物理量。例如，致动器180包括传感器，例如，检测供应给电机的电流量的电流传感器、检测电机的温度的温度传感器、检测电机的旋转角以及减速齿轮的输出轴的旋转角的角度传感器、以及检测在减速齿轮的输出轴上的力矩的力矩传感器。例如，这些传感器对应于在图1生成的关节状态检测单元132。将这些传感器的检测值提供给关节控制CPU 160和通信单元150，并且用于致动器180的驱动控制和关节单元130的故障的检测。

(致动器的驱动)

此时，参考图3到图5，详细描述通过关节控制CPU 160控制致动器180的驱动的配置。在图3到图5中，详细示出前面讨论的由关节控制CPU 160驱动致动器180的配置(例如，对应于在图1示出的驱动控制单元111的配置)，同时，此外，还示出了在驱动致动器180时在关节控制CPU 160与致动器180之间的信息交换。

关节控制CPU 160基于由在图1示出的控制装置20计算的控制量使每个关节单元130驱动。在本实施方式中，控制量可以是表示为力矩的命令值(力矩命令值)、表示为角速度的命令值(角速度命令值)、以及表示为角度的命令值(角度命令值)中的任一个。图3是用于解释基于力矩命令值驱动致动器180的解释图。而且，图4是用于解释基于角速度命令值驱动致动器180的解释图。而且，图5是用于解释基于角度命令值驱动致动器180的解释图。

首先，参考图3，描述基于力矩命令值驱动致动器180。如图3所示，在将力矩命令值提供给关节控制CPU 160作为控制量时，力矩命令值输入至关节控制CPU 160的力矩控制器161内。此时，致动器180的电机181的输出轴的力矩由力矩传感器183检测，并且电机181的输出轴的旋转角由角度传感器184检测。注意，虽然从图3的示图中省略，但是实际上，力矩传感器183和角度传感器184通过电机181的减速齿轮检测输出轴的力矩和旋转角。力矩控制器161可以具有由力矩传感器183检测的力矩检测值。

此外，将由角度传感器184检测的旋转角检测值提供给控制CPU 160的角速度计算器162。角速度计算器162基于旋转角检测值，计算在电机的输出轴上的旋转角速度，并且将计算的旋转角速度提供给力矩控制器161。力矩控制器161能够计算旋转角加速度，或者换言之，基于旋转角加速度计算力矩。

通过这种方式，力矩控制器161可以具有力矩命令值以及基于由力矩传感器183检测的力矩检测值的实际力矩测量值和/或由角度传感器184检测的旋转角检测值。因此，力矩控制器161基于在力矩命令值与力矩测量值之间的差值，检测力矩控制值，并且将力矩控制值提供给电流控制器163。电流控制器163计算电流量(电流控制值)以实现力矩控制值，并且通过电流控制值驱动电机181。此外，电流控制器163还可以具有由角度传感器184检测的角度检测值，并且电流控制器163还可以另外基于角度检测值计算计算用于实现力矩控制值的电流控制值。注意，虽然从在图3的示图中省略，但是实际上，例如，对应于电流控制值的电流由在图2示出的电机驱动器单元170生成，并且通过将该电流供应给电机181，可以驱动电机181。

根据上述程序，实现基于力矩命令值的致动器180的驱动。注意，对应于电流控制器163的输出(或电机驱动器单元170的输出)的电流值由致动器180的电流传感器182连续监控，并且例如，如果检测偏离预期的电流控制值的电流，则将偏离反馈给电流控制器163。

接下来，参考图4，描述基于角速度命令值驱动致动器180。如图4所示，在将角速度命令值作为控制量提供给关节控制CPU 160时，将角速度命令值输入至关节控制CPU 160的角速度控制器164内。注意，由于除了增加了角速度控制器164，在图4示出的配置对应于在图3示出的配置，所以减少或者省略重复项目的详细描述。

在图4示出的配置中，由角速度计算器162基于角度传感器184检测的旋转角检测值，计算在电机的输出轴上的旋转角速度，并且将计算的旋转角速度提供给角速度控制器164。随后，角速度控制器164基于在角速度命令值与角速度计算器162所计算的旋转角速度之间的差值，计算角速度控制值，并且将角速度控制值提供给力矩控制器161。其后的过程可以与在图3示出的配置相似。力矩控制器161计算基于角速度控制值的力矩控制值以及基于由力矩传感器183检测的力矩检测值的实际力矩测量值和/或由角度传感器184检测的旋转角检测值。随后，基于力矩控制值，计算电流控制值，并且电机181由电流控制器163驱动。根据上述程序，实现基于角速度命令值驱动致动器180。

接下来，参考图5，描述基于角度命令值驱动致动器180。如图5所示，在将角度命令值作为控制量提供给关节控制CPU 160时，将角度命令值输入至关节控制CPU 160的角速度控制器165内。注意，由于除了增加了角度控制器165，在图5示出的配置对应于在图4示出的配置，所以减少或者省略重复项目的详细描述。

在图5示出的配置中，将由角度传感器184检测的旋转角检测值提供给角度控制器165。随后，角度控制器165基于在角度命令值与旋转角检测值之间的差值，计算角度控制值，并且将角度控制值提供给角速度控制器164。其后的过程可以与在图4示出的配置相似。角速度控制器164能够基于在由角度控制器165提供的角度控制值与由角速度计算器162基于角度传感器184检测的旋转角检测值所计算的在电机的输出轴上的旋转角速度之间的差值，计算角速度控制值。随后，力矩控制器161计算基于角速度控制值的力矩控制值以及基于由力矩传感器183检测的力矩检测值的实际力矩测量值和/或由角度传感器184检测的旋转角检测值。而且，基于力矩控制值，计算电流控制值，并且电机181由电流控制器163驱动。根据上述程序，实现基于角速度命令值驱动致动器180。

因此，上面参考图3到图5，描述了通过关节控制CPU 160控制致动器180的驱动的配置。如上所述，在本实施方式中，在图1示出的由控制装置20计算的用于驱动每个关节单元130的控制量可以是力矩命令值、角速度命令值、或者角度命令值。无论哪个物理量用于表示命令值，通过适当地配置如图3到图5所示的关节控制CPU 160，例如，可以根据命令值驱动电机181。

(致动器内的传感器的配置)

如上所述，在本实施方式中，各种传感器安装在致动器180上。此时，参考图6，描述安装在致动器180上的传感器的配置。图6是示出安装在致动器180上的传感器的实例配置的方框图。

参考图6，致动器180包括电机181、减速齿轮185、电流传感器182、力矩传感器183、电机角度传感器184a、输出轴角度传感器184b以及温度传感器187。注意，在图6中，为了方便解释，与电机驱动器单元170和关节控制CPU 160一起示出了致动器180的元件。

如上所述，由于从电机驱动器单元170中供应某个电流，所以在关节控制CPU 160的控制下，驱动电机181。在致动器180中，由电机驱动器单元170供应给电机181的电流量由电流传感器182检测。此外，在驱动时的电机181的旋转角由电机角度传感器184a检测，并且在驱动时的电机181的温度由温度检测器187检测。

减速齿轮185连接至电机181的旋转轴，并且由于电机181的旋转速度减小某个减速比，所以生成某个力矩。将该力矩传输给后续部件，从而使关节单元130驱动。在致动器180中，力矩传感器183和输出轴角度传感器184b位于输出轴186上，该输出轴将力矩从减速齿轮185中传输给后续部件。输出轴186的力矩(即，由致动器180生成的力矩)由力矩传感器183检测，并且输出轴186的旋转角由输出轴角度传感器184b检测。注意，虽然图3到图5示出了一个代表性角度传感器184，但是在本实施方式中，如图6所示，检测旋转速度的角度传感器(电机角度传感器184a和输出轴角度传感器184b)也可以分别位于电机181和输出轴186上。

在本实施方式中，在致动器180被驱动时，来自电流传感器182、温度传感器187、力矩传感器183、电机角度传感器184a以及输出轴角度传感器184b的检测值连续提供给关节控制CPU 160。如参考图3到图5所描述的，关节控制CPU 160能够基于这些检测值使致动器180驱动。而且，虽然从在图6的示图中省略，但是这些传感器的检测值也可以通过通信单元150传输给控制装置20。在控制装置20中，基于这些检测值，检测关节单元130的故障。

因此，上面参考图6，描述了安装在致动器180上的传感器的配置。注意，在本实施方式中，电流传感器182、温度传感器187、力矩传感器183、电机角度传感器184a以及输出轴角度传感器184b的具体配置不限于特定配置，并且各种已知传感器中的任一个可以用作这些传感器。例如，电流传感器182可以是基于在电阻两端的电压降落检测电流的传感器或者根据霍尔效应传感器基于磁场的变化检测电流的传感器。作为另一个实例，温度传感器187可以是使用热电偶的传感器或者使用电阻温度计的传感器。作为另一个实例，力矩传感器183可以是使用各种应变传感器中的任一个的传感器。作为另一个实例，电机角度传感器184a以及输出轴角度传感器184b可以是各种旋转编码器中的任一个。

<4、机器人手臂控制方法的处理过程>

接下来，参考图7，描述根据本实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程。图7是示出根据本实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程的实例的流程图。注意，例如，在图7示出的每个过程可以由在图1示出的机器人手臂控制系统2的功能配置实现。此外，在本文中描述的机器人手臂控制方法涉及当在手臂单元120的驱动中检测故障时的一系列处理步骤。例如，稍后参考图10，描述在控制手臂单元120的驱动时的更详细的控制方法，例如，控制量的计算。

参考图7，在根据本实施方式的机器人手臂控制方法中，首先，确定在驱动手臂单元120期间是否在关节单元130中检测到故障(步骤S101)。在步骤S101中示出的过程中，可以对构成手臂单元120的每个关节单元130进行故障检测过程，并且还可以执行是否在任何关节单元130中发生故障的检测。例如，在步骤S101中示出的过程可以是基于用于检测关节单元130的故障的各种信息通过在图1示出的故障检测单元260检测关节单元130的故障的过程。

如果在步骤S101中未检测到故障，则正常操作在手臂单元120中照原样继续(步骤S103)。在本文中，正常操作表示正常控制手臂单元120的驱动的状态。例如，可以进行例如下面在<6-2、运动目的的具体实例>中描述的动力辅助操作和枢转操作的操作，并且可以由前端单元145对患者执行各种医疗程序。

在动力辅助操作中，关节单元130驱动，以便取消作用在手臂单元120上的重力，此外，设置运动的目的，使得关节单元130驱动，以支持手臂单元120在从外面额外施加的力量的方向上的运动，并且基于运动的目的，控制关节单元130的驱动。通过执行这种控制，外科医生能够操作手臂单元120，仿佛手臂单元120无重量。

此外，在枢转操作中，设置约束条件，使得在前端单元145的方向锁定到空间内的某个点的状态下，前端单元145在其顶点是特定点的圆锥体的表面上移动，并且基于约束条件，控制关节单元130的驱动。例如，通过设置成像装置作为前端单元145，并且进行这种控制，可以从不同的方向和不同的距离观察相同的点(例如，手术部位)。而且，在枢转操作中，在用作枢转操作的中心的空间内的特定点(枢转中心点)与前端单元145之间的距离可以保持恒定。因此，控制手臂单元120的驱动，以便在前端单元145(例如，成像装置)指向枢转中心点的状态下，在以枢转中心点为中心的半球上移动，从而能够容易从任何方向观察某个点。此外，动力辅助操作和枢转操作还可以相结合使用。

如果在步骤S101中检测到故障，则流程继续至步骤S105。在步骤S105中，根据所检测的故障类型，确定通过故障避免操作是否可避免故障。

在步骤S105中，如果确定可避免故障，则执行故障避免操作(步骤S107)。在故障避免操作中，在对手臂单元120的运动施加特定限制的状态下，控制关节单元130的驱动，并且驱动手臂单元120，以避免故障。例如，特定限制可以是在每个关节单元130中不生成特定值或更大值的力矩，使每个关节单元130不旋转经过特定角度等。

在步骤S105中，如果确定不可避免故障，则流程继续至步骤S109。在步骤S109中，根据所检测的故障类型，确定故障是否允许继续使用手臂单元120的功能。

在步骤S109中，如果确定能够继续使用手臂单元120的功能，则执行部分功能暂停操作(步骤S111)。在部分功能暂停操作中，控制除了检测到故障的关节单元130之外的关节单元130的驱动，并且在比原始自由度更低的自由度的状态下，驱动手臂单元120。

在步骤S109中，如果确定不能继续使用手臂单元120的功能，则流程继续至步骤S113。在步骤S113中，执行功能暂停操作。在功能暂停操作中，手臂单元120的功能安全地暂停，使得手臂单元120不意外移动并且伤害外科医生或患者。例如，在功能暂停操作中，锁定构成手臂单元120的所有关节单元130的运动。

因此，上面参考图7，描述了根据本实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程。如上所述，在本实施方式中，当在关节单元130中检测到故障时，根据故障类型，在故障避免操作、部分功能暂停操作以及功能暂停操作之中选择要执行的操作。如果执行故障避免操作，则在避免故障的状态下继续驱动手臂单元120。同时，如果执行部分功能暂停操作，则在暂停手臂单元120的部分功能的状态下继续驱动手臂单元120。因此，即使检测到故障，依然能够使用手臂单元120继续医疗程序，并且可以进一步提高患者的安全。而且，在检测到通过全身协同控制难以继续手臂单元120的驱动控制的故障的情况下，执行功能暂停操作，并且手臂单元120的功能被安全地暂停，使得外科医生和患者不会受到伤害。

注意，例如，上面讨论的在步骤S105和S109中示出的过程可以是以下过程：在图1示出的操作条件设置单元242基于由故障检测单元260所检测的关节单元130的故障确定故障类型并且根据故障类型确定手臂单元120的操作。而且，例如，在步骤S107和S111中示出的过程可以是以下过程：在图1示出的操作条件设置单元242针对控制量设置使手臂单元120执行故障避免操作和部分功能暂停操作的相应操作条件，并且驱动控制单元111基于全身协同控制单元240和理想关节控制单元250在操作条件下计算的控制量，控制每个关节单元130的驱动。而且，例如，在步骤S113中示出的过程是在图1示出的驱动控制单元111使用位置控制来控制每个关节单元130的驱动的过程。

此外，在图7中，为了解释，如在步骤S101、S105以及S109中所示，在故障避免操作、部分功能暂停操作以及功能暂停操作之中的操作显示为分阶段选择。然而，实际过程还可以不通过这种方式分阶段确定。例如，如在上面的<2、机器人手臂控制系统的功能配置>中所述，创建使故障类型与在发生对应故障时可以执行的操作相关联的表格，并且可以基于该表格确定执行哪个操作。

<5、每个过程的细节>

接下来，从在图7示出的处理过程中，详细描述步骤S101的故障检测过程、步骤S107的故障避免操作、步骤S111的部分功能暂停操作以及步骤S113的功能暂停操作中的每个。

(5-1、故障检测过程)

首先，描述根据本实施方式的故障检测过程。如上面参考图1和图6所讨论的，在本实施方式中，可以基于来自设置在致动器180内的各种传感器的检测值(换言之，由关节状态检测单元132检测的关节单元130的状态)，来检测每个关节单元130的故障。例如，设置电流传感器182、力矩传感器183、电机角度传感器184a、输出轴角度传感器184b以及温度传感器187作为这些传感器。

作为故障检测过程的实例，参考图8，以描述基于电机181或输出轴186的角速度的故障检测过程的处理过程。图8是示出基于角速度的在故障检测过程中的处理过程的实例的流程图。注意，例如，电机181或输出轴186的角速度可以基于电机角度传感器184a或输出轴角度传感器184b的旋转角的检测值通过图3到图6示出的角速度计算器162计算。而且，例如，图8示出的每个过程可以由在图1示出的故障检测单元260执行。

参考图8，在根据本实施方式的故障检测过程中，首先，确定检测的角速度是否超过特定阈值(第一阈值)(步骤S201)。对于第一阈值，可以基于诸如用于驱动手臂单元120的控制的内部模型的信息，适当地设置将不会被检测为正常条件下的角速度的值。此外，可以以特定定时连续进行角速度的检测。如果确定检测的角速度不超过第一阈值，则以特定定时的角速度的检测继续不改变。另一方面，如果确定检测的角速度超过第一阈值，则流程继续至步骤S203。

在步骤S203中，检测的角速度超过第一阈值的时间(阈值超过时间)的测量开始。在阈值超过时间的测量期间，依然继续检测角速度，并且继续确定检测的角速度是否小于或等于第一阈值(步骤S205)。在步骤S205中，如果在阈值超过时间超过特定阈值(第二阈值)之前确定检测的角速度小于或等于第一阈值，可以确定角速度指示大于第一阈值的异常值是暂时现象。因此，阈值超过时间的测量结束(步骤S207)，流程返回步骤S201，并且继续检测角速度。

另一方面，在步骤S205中，如果确定检测的角速度未小于或等于第一阈值，则确定阈值超过时间是否超过第二阈值(步骤S209)。如果确定阈值超过时间未超过第二阈值，则流程返回步骤S205，并且反复比较检测的角速度和第一阈值并且比较阈值超过时间和第二阈值。在步骤S209中，如果确定阈值超过时间超过第二阈值，则这表示角速度指示大于第一阈值的异常值的时间已经持续固定时间或更多时间。因此，确定角速度的检测值异常(步骤S211)，并且确定在关节单元130中发生故障。

这样，上面参考图8描述了基于电机181或输出轴186的角速度的故障检测过程的处理过程作为故障检测过程的实例。注意，在图8中，虽然基于角速度的检测值检测故障的过程的处理过程被描述为实例，但是可以根据其他检测值(例如，旋转角、角度加速度、力矩、电流以及温度)的相似过程来检测故障。如上所述，在本实施方式中，如果确定来自每个传感器的检测值超过特定阈值的时间已经继续固定时间或更多时间，则可确定检测到相关检测值的关节单元130具有故障。

此外，在本实施方式中，关节单元130的故障还可以由除了上面描述的处理过程以外的方法检测。例如，故障检测单元260能够基于诸如以下方法等方法检测故障。

例如，关于角度加速度、角速度以及力矩，即使检测到异常值的时间未超过固定时间，也可以在检测值超过特定阈值的时刻检测到故障。这是因为在这种情况下，存在手臂单元120可能以过快速度移动或者手臂单元120可能施加过度力量给患者的风险。此外，应变仪可以设置于手臂单元120的链路中，并且例如，还可以使用来自应变仪的检测值来检测故障。这是因为这种应变仪的检测值可以用作因与手臂单元120接触而提供给外部对象(例如，外科手术或患者)的压紧力的指示器。注意，如果检测到该类型的故障，则可以进行合适的故障避免操作。在这种故障避免操作中，例如，运动目的和/或约束条件设置为操作条件，使得速度或力量小于或等于特定值，并且控制手臂单元120的驱动，使得不产生过度速度和力量。

作为另一个实例，还可以通过基于来自力矩传感器183的力矩检测值确定关节单元130的驱动控制是否稳定来检测故障。具体而言，例如，快速傅里叶变换(FFT)可以用于对力矩检测值进行频率分析，并且如果从频率分析的结果中检测异常频率分量，则可以检测到故障。这是因为从力矩检测值中检测到异常频率分量的情况表示控制不稳定并且具有振荡的可能性。如果检测到这种故障，则例如可以设置操作条件，使得通过更低增益进行控制量的计算，并且可以进行在更稳定的控制系统中控制手臂单元120的驱动的故障避免操作。另一方面，如果即使在降低增益之后控制也不稳定，则可以进行通过除了检测到故障的关节单元130之外的关节单元130驱动手臂单元120的部分功能暂停操作。

作为另一个实例，还可以基于电机角度传感器184a和/或输出轴角度传感器184b的电机181和/或输出轴186的旋转角的检测值来检测关节单元130的故障。例如，通过减速齿轮185的减速比，电机角度传感器184a的检测值和输出轴角度传感器184b的检测值应存在比例关系。因此，如果在电机角度传感器184a的检测值与输出轴角度传感器184b的检测值之间的比例关系分解，则存在在电机181、减速齿轮185、电机角度传感器184a以及输出轴角度传感器184b中的任一个中具有故障的可能性。作为另一个实例，如果即使电流传感器182检测到将某个值的电流供应给电机181，电机角度传感器184a的检测值也不改变，则在电机181或电机角度传感器184a中具有故障的可能性。同样，如果即使电流传感器182检测到将某个值的电流供应给电机181，输出轴角度传感器184b的检测值也不改变，则在电机181、减速齿轮185以及输出轴角度传感器184b中的任一个中具有故障的可能性。以这种方式，如果在电机181、减速齿轮185、电机角度传感器184a以及输出轴角度传感器184b中的任一个中检测到作为关节单元130的故障的故障，则被视为难以在关节单元130上执行期望的驱动控制。因此，如果检测到这种故障，则可进行通过除了检测到故障的关节单元130之外的关节单元130驱动手臂单元120的部分功能暂停操作。

作为另一个实例，也可基于电流传感器182的供应给电机181的电流的检测值来检测关节单元130的故障。例如，如果由电流传感器182检测到过电流，则在电机181中具有故障(短路)的风险，或者如果因为控制不稳定导致过电流流动，并且连续施加过电流，则具有电机181发生故障的风险。此外，如果在作为命令值提供的电流量与电流传感器182的电流检测值之间产生大的偏差，可以怀疑在电机驱动器单元170中具有故障。如果基于这种电流检测值检测到作为关节单元130的故障的故障，则难以正确驱动电机181，因此，被视为难以对关节单元130执行期望的驱动控制。因此，如果检测到这种故障，则可以进行通过除了检测故障的关节单元130之外的关节单元130驱动手臂单元120的部分功能暂停操作。

作为另一个实例，还可以基于温度传感器187的电机181的温度的检测值来检测关节单元130的故障。例如，如果电机181的环境温度明显高于在电机驱动器单元170等周围的其他结构部件，则具有温度传感器187或电机181发生故障的可能性。如果基于这种温度检测值检测到作为关节单元130的故障的故障，则存在电机181执行异常操作的可能性，从而从安全的角度来看，期望暂停检测到故障的关节单元130的驱动。因此，如果检测到这种故障，则可以进行通过除了检测到故障的关节单元130之外的关节单元130来驱动手臂单元120的部分功能暂停操作。

作为另一个实例，还可以基于通信单元150的通信状态来检测关节单元130的故障。例如，如果通过通信单元150的通信由于某些原因而暂停，则关节单元130不能接收关于由控制装置20计算的控制量的信息，从而对关节单元130不能再执行基于全身协同控制的驱动控制。因此，如果检测到这种故障，则可以进行暂停手臂单元120的操作的功能暂停操作。

此外，在本实施方式中，关节单元130还可设置有用于暂停驱动电机181的制动机构。制动机构可以是可控地锁定电机181的旋转角的机构、机械地暂停电机181的驱动的机构、或者切断经由电路切断从电机驱动器单元170供应给电机181的电流的机构。例如，如果即使制动机构啮合，来自电机角度传感器184a和输出轴角度传感器184b中的任一个的检测值也改变，则存在制动机构发生故障的可能性，并且发生未施加制动的情况。相反，如果释放制动机构，并且即使在试图施加外力以移动关节单元130时，来自电机角度传感器184a和输出轴角度传感器184b中的任一个的检测值也不改变，则存在制动机构发生故障的可能性，并且发生无意中应用制动的情况。如果检测到制动机构的这种故障作为关节单元130的故障，则存在手臂单元120在驱动时可能意外移动并且外科医生和患者可能自己置身于危险中的风险。因此，如果检测到与制动机构相关的这种故障，则可以进行暂停手臂单元120的操作的功能暂停操作。

因此，上面示出了在本实施方式中可以检测的故障的类型的实例。然而，根据本实施方式的故障检测过程不限于上面讨论的实例，并且还可以基于用于检测故障的各种信息(例如，关于致动器180的传感器的检测值(关节状态检测单元132所检测的关节单元130的状态)的信息、关于关节单元130的驱动控制的信息、关于传输给关节单元130的命令值的信息以及关于关节单元130的通信状态的信息)来检测其他故障。此外，虽然上面描述了在检测到相应故障时手臂单元120可以切换成的操作，但是切换到这些操作仅仅是示例性的，并且在每个故障与操作之间的对应关系不必限于上述内容。可以根据与控制相关的各种条件(例如，手臂单元120的总体配置和用于驱动控制手臂单元120的内部模型)来适当地设置在检测到每个故障时切换到哪个操作。

因此，上面描述了根据本实施方式的故障检测过程。如上所述，根据本实施方式，基于用于检测故障的各种信息检测每个关节单元130的故障。因此，可以识别发生故障的关节单元130，并且使用除了检测到故障的关节单元130以外的关节单元130执行操作，例如，部分功能暂停操作。而且，在本实施方式中，可以根据哪种类型的信息用作检测故障的基础，检测关节单元130的哪个结构部件发生故障。因此，例如，可以根据检测到故障的结构部件，选择由手臂单元120执行的操作。例如，如果检测到故障的结构部件是进行关节单元130的驱动控制所需要的部件或者用于确保安全的重要部件，则优选地切换到功能暂停操作。通过该方式，在本实施方式中，由于可以甚至检测每个关节单元130的哪个结构部件发生故障，所以可以详细确定故障类型，并且适当地选择由手臂单元120执行的操作。

(5-2、故障避免操作)

接下来，描述根据本实施方式的故障避免操作。在故障避免操作中，在对手臂单元120的运动施加特定限制的状态下控制关节单元130的驱动，并且驱动手臂单元120以避免故障。特定限制可以是手臂单元120驱动的限制，以便避免检测的故障。例如，特定限制可以是对在手臂单元120的每个关节单元130中的力矩(生成力矩和外部力矩)、或每个关节单元130的旋转角、旋转角速度以及旋转角加速度的数值限制。因此，避免手臂单元120或前端单元145因过度力量或速度而碰撞到外科医生或患者。

作为故障避免操作的实例，参考图9和图10，以描述基于关节单元130内的力矩的故障避免操作。图9和图10是用于解释基于关节单元130内的力矩的故障避免操作的解释图。

图9示出了由机器人手臂设备的手臂单元310对患者320进行某种治疗的方式。参考图9，手臂单元310由通过多个关节单元311a到311f彼此连接的多个链路312a到312f构成。通过控制每个关节单元311a到311f的旋转驱动，可以驱动手臂单元310。前端单元313位于手臂单元310的前端，并且可以由前端单元313对患者320进行各种治疗。在图9示出的实例中，前端单元313是可以插入患者320的体腔内的内窥镜，以观察在体腔内的患处的状态，或者对患处进行各种治疗。

此时，如图9所示，假设由于外科医生的错误操作，例如，前端单元313与患者320的身体(例如，器官)接触。由于该接触，所以患者320的身体的反作用力施加在前端单元313上(换言之，产生在前端单元313上的压紧力F)，同时此外，由于施加的反作用力F的影响，所以分别对关节单元311a到311f施加力矩τ₁到τ₆。同时，在本实施方式中，力矩传感器设置于每个关节单元311a到311f内，并且对每个关节单元311a到311f施加的外部力矩可以由力矩传感器检测。

在本实施方式中，例如，在由力矩传感器检测到等于或大于特定阈值的力矩时，检测到故障，并且作为故障避免操作，可以控制每个关节单元311a到311f的驱动，使得在每个关节单元311a到311f中未检测到大于阈值的力矩。具体而言，对于前端单元313的压紧力F，不会危及患者320的值设置为运动目的。因此，在前端单元313中不会产生等于或大于设定值的力量。此时，通过全身协同控制，基于每个关节单元311a到311f的力矩τ₁到τ₆，计算外力F。因此，通过如上所述设置运动目的，控制每个关节单元311a到311f的力矩τ₁到τ₆，使得前端单元313的压紧力F不等于或大于设定值。因此，在本实施方式中，在检测到会使压紧力F等于或大约设定值的力矩值作为力矩τ₁到τ₆的任一个时，检测故障，并且通过控制驱动每个关节单元311a到311f，以防止生成这种力矩，可以进行故障避免操作。通过进行这种故障避免操作，即使前端单元313与患者320的器官等接触，该器官也不受到过度力量的影响，并且医疗程序可以更安全地继续。

此外，在设置压紧力F的上限值时，可以为力量作用于的每个方向设置不同值。例如，通过将更小值设置为作用在手臂单元310的操作方向上的力量的上限值，可以更适当地避免可能相对于患者产生的危险。

另一方面，如图10所示，在本实施方式中，可想象以下情况：在外科医生握紧前端单元313的状态下手臂单元210移动。在这种情况下，如果假设前端单元313与患者320的身体(例如，器官)接触，则在前端单元313上，患者320的身体的反作用力F₂和外科医生的压紧力F₁可以作用在相反方向上。因此，会发生以下情况；即使通过过度力量在患者320的身体上按压前端单元313，也不会在每个关节单元311a到311f的力矩τ₁到τ₆中反应该状态。在本实施方式中，为了避免这种情况，例如，可以在比外科医生握紧的前端单元313的部分更接近前端的某个部分设置用于检测力量(应力)的应变传感器。通过应变传感器，可以直接测量来自患者320的身体的反作用力F₂(换言之，前端单元313的压紧力F₂)。可替换地，可以在外科医生握紧的前端单元313的部分设置应变传感器。通过该应变传感器，可以直接测量外科医生的压紧力F₁。由于从每个关节单元311a到311f的力矩τ₁到τ₆中可以计算压紧力F₁和外力F₂的组合力量，所以可以基于组合力量和应变传感器的测量值，区分压紧力F₁和外力F₂。因此，对于前端单元313的压紧力F₂，通过将不会危及患者320的值设置为运动目的，可以进行故障避免操作，与参考图9描述的情况相似。

因此，上面参考图9和图10，描述了基于关节单元311a到311f内的力矩的故障避免操作作为故障避免操作的实例。以上实例描述了故障避免操作，其中，前端单元313在患者320身上的压紧力被限于小于或等于某个值，但是更通常，可以进行以通过与手臂单元130(包括前端单元313)接触来提供给外部对象的压紧力为目标的故障避免操作。换言之，在本实施方式中，基于根据通过与手臂单元130接触而提供给外部对象的压紧力而在关节单元311a到311f内产生的力矩，检测关节单元311a到311f的故障。如果检测到这种故障，则在相对于手臂单元310的运动将压紧力限于某个范围的状态下控制关节单元311a到311f的驱动，并且驱动手臂单元310，从而可以进行故障避免操作。而且，通过限制关节单元311a到311f的力矩，实现压紧力的限制。通过这种方式，通过对压紧力(关节单元311a到311f的力矩)提供限制(例如，上限值)，以进行故障避免操作，可以不仅如上所述避免碰撞前端单元313，而且避免在手臂单元310的链路之间用力卡住外科医生的手指的情况以及手臂单元310本身通过过度速度或力量与外科医生或患者碰撞的情况。

在本文中，在本实施方式中，还可以通过除了上述方法以外的方法进行故障避免操作。例如，在本实施方式中，可如下执行故障避免操作。

例如，也可以通过将关节单元311a到311f的旋转角限制为特定范围，进行故障避免操作。在这种故障避免操作中，例如，基于关节单元311a到311f的旋转角检测关节单元311a到311f的故障。如果检测到这种故障，则在相对于手臂单元310的运动将旋转角限于特定范围的状态下控制关节单元311a到311f的驱动，并且驱动手臂单元310。例如，通过进行这种故障避免操作，可以限制关节单元311a到311f的运动，以便不在某个方向旋转经过某个角度，从而可以进行驱动控制，据此，为手臂单元120提供禁止进入的区域。

作为另一个实例，也可以通过将关节单元311a到311f的旋转角速度限制为特定范围，进行故障避免操作。在这种故障避免操作中，例如，基于关节单元311a到311f的旋转角速度，检测关节单元311a到311f的故障。如果检测到这种故障，则在相对于手臂单元310的运动将旋转角速度限于特定范围的状态下控制关节单元311a到311f的驱动，并且驱动手臂单元310。通过进行这种故障避免操作，可以限制关节单元311a到311f的运动，以便不通过等于或大于某个值的角速度旋转，从而可以避免手臂单元310与外科医生或患者碰撞所造成的危险。此外，在基于关节单元311a到311f的旋转角速度的故障避免操作中，旋转角速度也可以限制为0。如果旋转角速度限制为0，则关节单元311a到311f能够通过极低的速度旋转，从而进一步尽可能减少手臂单元310与外科医生或患者碰撞所造成的危险。

因此，上面描述了根据本实施方式的故障避免操作。如上所述，根据本实施方式，基于诸如关节单元311a到311f的力矩、旋转角或旋转角速度等的因素进行故障避免操作，使得手臂单元310不会产生等于或大于特定值的力量或者以等于或大于特定值的速度移动。因此，可以尽可能减少手臂单元310与患者和外科医生碰撞所造成的危险。

注意，在以上描述中，虽然描述了基于关节单元311a到311f的力矩、旋转角以及旋转角速度的故障避免操作，但是本实施方式不限于这种实例。还可以基于可以表示手臂单元310的运动的另一个物理量，例如，关节单元311a到311f的旋转角加速度，进行故障避免操作。此外，在以上描述中，作为对手臂单元310的运动施加的条件，提供关节单元311a到311f的力矩、旋转角或旋转角速度变成“小于或等于”特定值的条件，但是本实施方式不限于这个实例。是否包括用作边界的值是任意的，并且该条件还可以是关节单元311a到311f的力矩、旋转角或旋转角速度变成“小于”特定值条件。

(5-3、部分功能暂停操作)

接下来，描述根据本实施方式的部分功能暂停操作。在部分功能暂停操作中，当在任一个关节单元130中检测故障时，控制除了检测到故障的关节单元130之外的其他关节单元130的驱动，并且在更低自由度的状态下驱动手臂单元120。

此时，在根据本实施方式的部分功能暂停操作中，优选地锁定检测到故障的关节单元130的运动以便不从某个角度旋转。因此，防止手臂单元120因检测到故障的关节单元130而意外移动，从而手臂单元120伤害外科医生和患者的可能性可以降低。检测到故障的关节单元130的锁定可以通过可控地锁定旋转角来实现，可以由用于暂停驱动电机的机械制动机构实现，或者可以由用于切断供应给电机的电流的电动机构实现。

注意，如果可控地锁定关节单元130，则将每个关节单元130的旋转角控制为特定值是足够的。为此，不需要与所谓的力量控制一样使用全身协同控制来进行该控制，并且可以由位于每个关节单元130内的关节控制单元135的驱动控制单元111进行该控制，与位置控制一样。例如，在图1示出的在机器人手臂设备10与控制装置20之间的通信中，在发生故障时的情况下，不能进行全身协同控制，但是如果每个驱动控制单元111可控制每个关节单元130的驱动，则可以有利地执行驱动控制单元111对关节单元130的这种控制锁定。

然而，在本实施方式中，不一定需要锁定检测到故障的关节单元130。例如，通过使检测到故障的关节单元130的驱动控制单元111将相关关节单元130的粘度系数增加为超过其他关节单元130，可以进行控制，使得检测到故障的关节单元130的运动自动锁定，但是如果施加等于或大于特定值的外力，则相关关节单元130根据外力旋转，并且锁定位置(角度)改变。例如，如上所述，在机器人手臂设备10与控制装置20之间的通信发生故障并且不能进行全身协同控制时，可以有利地进行这种控制。经受这种控制的关节单元130可以称为处于准锁定状态中。注意，例如，可以通过驱动控制单元111调整供应给关节单元130的电机的电流量来实现如上粘度系数的控制。例如，通过进行这种控制，即使检测到故障并且同时锁定关节单元130的运动，也依然可以根据需要改变旋转角，从而使外科医生能够继续医疗程序，同时直接移动手臂单元120。

作为另一个实例，如果在关节单元130的致动器内发生故障，则难以正确地进行致动器的驱动控制(即，关节单元130的驱动控制)，从而难以如上所述通过驱动控制单元111可控地锁定关节单元130。因此，在这种情况下，驱动控制单元111还可以暂停控制检测到故障的关节单元130。暂停控制的关节单元130具有比其他关节单元130更大的粘度系数(更大反作用力)，并且难以旋转，但是依然能够响应于等于或大于特定值的外力而自由地旋转，并且用作未被控制的一个旋转部分，并且可以被视为处于准锁定状态中。这可以由于位于关节单元130的致动器内的减速齿轮的摩擦力而主要锁定关节单元130的运动来实现。即使暂停控制，也可以检测相关关节单元130的旋转角作为关节单元130的状态，并且可以获取还包括相关关节单元130的旋转角的手臂状态。因此，通过适当地设置反应包括自由旋转的关节单元130的手臂单元120的内部模型，可以通过其他关节单元130控制驱动手臂单元120。

通过这种方式，在根据本实施方式的部分功能暂停操作中，例如，锁定或者准锁定检测到故障的关节单元130，并且使用除了锁定或准锁定的关节单元130以外的关节单元130的自由度，控制手臂单元120的驱动。作为具体过程，例如，操作条件设置单元242可以设置锁定或准锁定检测到故障的关节单元130的约束条件，并且通过基于该约束条件，根据全身协同控制进行计算，可以控制其他关节单元130的驱动。例如，如果手臂单元120具有仅仅足以执行期望操作所需要的自由度(例如，6个自由度)，则通过如上施加约束条件并且降低自由度，具有可以限制手臂单元120的位置和方向的可能性。然而，在本实施方式中，可以使用剩余的自由度，尽可能多地控制手臂单元120的位置和方向。因此，医疗程序可以继续，并且可以防止患者因中断医疗程序或者增加医疗程序的持续时间而置身于进一步的危险中。

注意，如果在多个关节单元130中检测到故障，则上面讨论的锁定处理或者准锁定关节单元130的过程可以根据诸如故障的类型的因素适当地选择并且对检测到故障的每个关节单元130执行。例如，如果在多个关节单元130中检测到故障，则根据故障的类型，一个关节单元130可以根据上面讨论的方法可靠地锁定，而另一个关节单元130可以根据上面讨论的方法可靠地准锁定，而另一个关节单元130可以根据上面讨论的方法通过暂停控制致动器来准锁定。通过这种方式，例如，为了实现部分功能暂停操作，在检测到故障的关节单元130上执行的过程对于每个关节单元130可以不同，并且可以根据诸如故障的类型等因素，为每个关节单元130适当地选择。

在本文中，在本实施方式中，手臂单元120还可以具有冗余自由度。根据本实施方式的部分功能暂停操作也可以有利地应用于具有冗余自由度的手臂单元120中。

将描述在手臂单元120中的冗余自由度的概念。例如，假设N个冗余自由度是手臂单元120执行期望操作所需要的自由度(其中，N是任意正数)。例如，通常，在三维空间内任意控制手臂单元120的位置和方向原则上要求手臂单元120具有等于或大于6个自由度的自由度。此时，如果手臂单元120具有大于N个自由度的自由度(例如，N+1个自由度)，则手臂单元120可以称为具有冗余自由度。

例如，在具有冗余自由度的手臂单元120中，如果进行部分功能暂停操作并且自由度降低，则依然可通过除了检测到故障的关节单元130以外的关节单元130确保等于或大于期望的N个自由度的自由度。通过这种方式，在具有冗余自由度的手臂单元120中，即使进行部分功能暂停操作，在确保期望的自由度的状态中，依然继续驱动控制手臂单元120，能够更安全地继续医疗程序。

注意，作为在具有冗余自由度的手臂单元120中进行部分功能暂停操作的情况下的具体过程，例如，内部模型可以由操作条件设置单元242切换。在具有冗余自由度(例如，N+1个自由度)的手臂单元120中，通常，通过锁定某个关节单元130的运动，在某些情况下，进行驱动控制，从而实际上将手臂单元120视为具有最小需要的自由度(例如，N个自由度)的手臂单元120。在这种情况下，如果在试图进行部分功能暂停操作时锁定检测到故障的关节单元130，则由于锁定的关节单元130的位置可以改变，所以内部模型也可以改变。因此，例如，提前准备对应于锁定每个关节单元130的情况的多个内部模型，并且通过根据检测到故障的关节单元130选择适当的内部模型，可以执行部分功能暂停操作。

因此，上面描述了根据本实施方式的部分功能暂停操作。如上所述，在根据本实施方式的部分功能暂停操作中，在任何关节单元130中检测到故障时，控制除了检测到故障的关节单元130以外的其他关节单元130的驱动，从而在更低自由度的状态下进行手臂单元120的驱动。因此，虽然具有因自由度的降低而限制手臂单元120的位置和方向的可能性，但是使用剩余自由度，手臂单元120的驱动尽可能多地继续。因此，医疗程序可以继续，并且可以减少患者的危险。

此外，在本实施方式中，手臂单元120还可以具有冗余自由度。如果相对于具有冗余自由度的手臂单元120进行部分功能暂停操作，则即使降低自由度，依然可以确保手臂单元120进行期望的操作最初需要的足够自由度，从而更稳定地继续驱动手臂单元120。因此，可以更安全地继续医疗程序。

(5-4、功能暂停操作)

接下来，将描述根据本实施方式的功能暂停操作。在功能暂停操作中，暂停手臂单元120的功能，但是如果暂停这些功能，使得根本不进行每个关节单元130的驱动控制，并且每个关节单元130由重力决定并且允许自由旋转，则会产生例如在患者上部掉下手臂单元120的危险。因此，在根据本实施方式的功能暂停操作中，更安全地暂停手臂单元120的功能。

在根据本实施方式的功能暂停操作中，可以锁定构成手臂单元120的所有关节单元130的运动。例如，以特定角度锁定(例如，在进行功能暂停操作的时刻的角度)构成手臂单元120的所有关节单元130的旋转角。因此，锁定手臂单元120的位置和方向，能够防止手臂单元120意外移动并且伤害外科医生和患者。

每个关节单元130的锁定可以通过可控地锁定旋转角来实现，可以由用于暂停驱动电机的机械制动机构实现，或者可以由用于切断供应给电机的电流的电动机构实现。此外，如果可控地锁定关节单元130，与锁定在上面(5-3、部分功能暂停操作)中描述的关节单元130一样，则可以由位于每个关节单元130内的关节控制单元135的驱动控制单元111进行这种控制，与位置控制一样。例如，如果在通信单元150或170内发生故障并且切断在控制装置20与机器人手臂设备10之间的通信，则由控制装置20计算的控制阀不能由每个关节单元130接收。在这种情况下，可以有利地进行通过关节控制单元135锁定每个关节单元130的控制。

此外，在可控地锁定关节单元130的情况下，可以进行其中关节单元130的旋转被自动锁定的控制，但是例如，如果施加等于或大于特定值的外力，则关节单元130根据外力旋转，并且锁定的位置(角度)改变。通过进行这种控制，即使锁定关节单元130，依然能够根据需要改变旋转角，从而使外科医生能继续医疗程序，同时直接移动手臂单元120。

此时，机器人手臂设备10另外可以装有电力存储装置，例如，电池。通过设置电力存储装置，即使发生切断电源的故障，例如，电力中断，也依然能够执行关节单元130的控制电气锁定，如上所述。然而，根据电力存储装置的性能，难以在长时间内执行关节单元130的受控电气锁定。因此，从安全的角度来看，在发生切断电源的故障时，关节单元130更优选地由机械制动机构锁定。

此外，如果切断电源，则不能驱动每个关节单元130的电机以便保持手臂单元120的位置和方向，从而在机械锁定每个关节单元130时根据手臂单元120的重心位置，存在不能保持平衡的风险。因此，机器人手臂设备10还可以具有支持手臂单元120的平衡力。通过适当地调整平衡力，即使手臂单元120的重心不稳定，也可以保持平衡，并且可以实现更安全的功能暂停。

因此，上面描述了根据本实施方式的功能暂停操作。如上所述，在根据本实施方式的功能暂停操作中，锁定构成手臂单元120的所有关节单元130的运动。因此，例如，可以与功能暂停以及危及外科医生和患者同时防止手臂单元120意外移动。此外，每个关节单元130的关节控制单元135可以通过位置控制来执行关节单元130的锁定。在这种情况下，可以进行控制，其中，每个关节单元130的旋转自动锁定，但是如果施加等于或大于特定值的外力，则关节单元130根据外力旋转，并且锁定位置(角度)改变。为此，外科医生能够继续医疗程序，同时直接移动手臂单元120，并且进一步提高患者安全性。

因此，上面分别根据本实施方式详细描述了故障检测过程、故障避免操作、部分功能暂停操作以及功能暂停操作。如上所述，在本实施方式中，可以精确地检测每个关节单元130发生故障以及故障的类型。此外，根据故障的类型，选择进行在故障避免操作、部分功能暂停操作以及功能暂停操作之中的操作，使得尽可能多地继续驱动手臂单元120，同时还确保安全。通过这种方式，根据本实施方式，如在上面的<1、对机器人手臂设备的安全性的调查>中所述，从安全的角度来看，可以满足机器人手臂设备所需要的特征(执行故障避免操作的能力、执行部分功能暂停操作的能力、执行功能暂停操作的能力、以及精确地执行用于确定切换成这些操作中的哪个操作的故障检测过程的能力)。因此，可以尽可能多地驱动手臂单元120，并且可以继续医疗程序，同时也确保外科医生和患者的安全。此外，即使手臂单元120因严重故障而暂停，手臂单元120的功能也可以更安全暂停。

<6、全身协同控制>

在后文中，描述根据本实施方式的用于实现全身协同控制的控制系统和控制方法的配置。如上所述，通过将上述机器人手臂控制系统2和机器人手臂控制方法有利地应用于机器人手臂设备中以用于医疗用途，可以进一步提高安全。因此，在下文中，通过将机器人手臂设备的实例用于医疗用途，描述机器人手臂设备的全身协同控制的实施方式。

注意，以上描述主要从安全的角度描述了用于医疗用途的机器人手臂设备所需要的特征。然而，在用于医疗用途的机器人手臂设备中，从除了安全以外的各种角度来看，需要各种特征。因此，下面引用了用于医疗用途的机器人手臂设备所需要的几个其他特征，并且描述了根据本实施方式的全身协同控制也可以满足这些特征的方式。

(6-1、医疗机器人手臂设备的评述)

首先，为了进一步阐述本公开，描述在发明人设想以下实施方式之前的背景。

近年来，在医疗或工业领域中，机器人设备普遍，以便更精确并且更快速地进行工作。在此处，位置控制和力量控制称为机器人设备和每个关节单元的控制方法。在位置控制中，例如，将命令值(例如，角度)提供给关节单元的致动器，并且根据命令值，控制关节单元的驱动。同时，在力量控制中，提供由整个机器人设备应用于任务目标中的力量的目标值，并且控制驱动关节单元(例如，由关节单元生成的力矩)，使得实现由目标值指示的力量。

通常，由于方便控制，所以由位置控制驱动大部分机器人设备，并且系统配置简单。然而，由于不能容易灵活地处理外力，所以位置控制通常称为“硬控制”，并且位置控制不适合于机器人设备在与各种外部世界进行物理相互作用(例如，与人的物理相互作用)的同时执行任务。同时，力量控制具有复杂的系统配置，但是可以实现功率命令的“软控制”，因此，力量控制是特别适合于机器人设备与个人进行物理相互作用的控制方法以及具有优异的可用性的控制方法。

例如，作为机器人设备施加力量控制的实例，参考JP 2010-188471A，这是与本说明书的本申请人相同的申请人的在先申请。专利文献1公开了机器人设备，其包括配置有2个车轮的运动机构以及配置有多个关节单元的手臂单元，并且执行控制，使得总体上通过协同的方式驱动车轮和关节单元(执行全身协同控制)。

同时，近年来，在医疗领域中，试图使用平衡臂(也称为支撑臂)，其中，在执行各种医疗程序(例如，手术或检查)时，各种医疗单元(前端单元)安装在手臂单元的前端上。例如，提出了如下方法：其中，具有成像功能的成像装置(例如，显微镜、内窥镜或相机)安装在平衡臂的手臂单元的前端上作为前端单元，并且医师(用户)执行各种医疗程序，同时观察由成像装置捕捉的医疗程序部位的图像。

然而，平衡臂必须装有平衡块(也称为平衡锤或平衡器)，用于在手臂单元移动时保持力量的平衡，因此，装置尺寸易于增大。用于医疗程序中的装置必须具有小尺寸，这是因为需要确保医疗程序的任务空间，但是难以满足提出的在一般平衡臂中的这组需求。进一步，在平衡臂中，仅仅手臂单元的某些驱动(例如，仅仅用于在(二维)平面上移动前端单元的双轴驱动)是电动驱动，并且医师或医务人员需要用手放在其周围以移动手臂单元和前端单元。因此，在一般的平衡臂中，例如，在视角固定在患者身体的某个部位上的状态下，难以在拍摄时确保稳定性(例如，前端单元的定位精度、振动抑制等)以及确保可以在不同的方向观察的观察自由度。

尤其地，在使用连接至手臂单元的成像装置观察手术部位时，需要能够从不同的距离和不同的角度观察手术部位，同时保持在手术部位上锁定视点。通过使成像装置执行枢转操作，可以实现这种观察，但是通过平衡臂执行枢转操作，需要复杂的机械配置，如在以上专利文献1中所述，并且难以实现高可操作性。

鉴于以上情况，作为代替平衡臂的装置，提出了由位置控制来控制器驱动的用于医疗用途的机器人手臂设备。然而，为了有效地执行医疗程序并且减少用户的负担，需要能够更直观地控制用户作为前端单元安装的手臂单元和成像单元的位置或姿势的高可操作性，用于驱动控制机器人手臂设备。在驱动由位置控制来控制的机器人手臂设备中，难以满足这种用户要求。

因此，存在通过实现能够通过更高的稳定性和更高的可操作性执行手臂单元的驱动控制的机器人手臂设备来进一步减少用户负担的需求。此外，由于机器人手臂设备用于医疗用途，所以除了在<1、对机器人手臂设备的安全性的调查>中描述的为了安全目的所需要的特征，机器人手臂设备还需要具有以下特征。

框参考图11以描述将根据本公开的实施方式的机器人手臂设备用于医疗目的的情况的应用实例以及用于医疗目的的机器人手臂设备所需要的特征。图11是用于描述将根据本公开的实施方式的机器人手臂设备用于医疗目的的情况的应用实例的解释图。

图11示意性示出使用根据本公开的实施方式的机器人手臂设备的示例性医疗程序。具体而言，图11示出了一个实例，其中，作为医师(用户)520的医生例如使用诸如手术刀、镊子以及钳子的手术器械521在医疗程序手术台530上对医疗程序目标(患者)540进行手术。在以下描述中，医疗程序表示一般概念，包括作为用户520的医生对医疗程序目标540进行的各种类型的医疗治疗，例如，手术或检查。图11的实例示出作为医疗程序的一个实例的手术，但是使用机器人手臂设备510的医疗程序不限于手术，并且可以是各种类型的其他医疗程序，例如，使用内窥镜的检查。

根据本公开的机器人手臂设备510安装在医疗程序手术台530的一侧。机器人手臂设备510包括用作基部的基部单元511以及从基部单元511延伸的手臂单元512。手臂单元512包括多个关节单元513a、513b、513c、由关节单元513a和513b连接的多个链路514a和514b以及安装在手臂单元512的前端上的成像单元515。在图11示出的实例中，为了简单起见，手臂单元512包括3个关节单元513a到513c以及2个链路514a和514b，但是实际上，例如，可以适当地设置关节单元513a到513c和链路514a和514b的数量和形状以及关节单元513a到513c的驱动轴的方向，以鉴于手臂单元512和成像单元515的位置和姿势的自由度表示期望的自由度。

关节单元513a到513c具有连接链路514a和514b以能够旋转的功能，并且随着旋转地驱动关节单元513a到513c，控制手臂单元512的驱动。在此处，在以下描述中，机器人手臂设备510的每个元件的位置是在规定用于驱动控制的空间内的位置(坐标)，并且每个元件的姿势是在规定用于驱动控制的空间内的到任意轴的方向(角度)。进一步，在以下描述中，通过执行关节单元513a到513c的驱动(或驱动控制)以及关节单元513a到513c的驱动(或驱动控制)，手臂单元512的驱动(或驱动控制)表示改变手臂单元512的每个元件的位置和姿势(控制其变化)。

各种医疗设备连接至手臂单元512的前端作为前端单元。在图11示出的实例中，成像单元515安装在手臂单元512的前端，作为示例性前端单元。成像单元515是获取拍摄目标的图像(拍摄的图像)的单元，并且例如是能够捕捉运动图像或静止图像的相机。如图11所示，手臂单元512和成像单元515的姿势或位置由机器人手臂设备510控制，使得安装在手臂单元512的前端的成像单元515拍摄医疗程序目标540的医疗程序部位的状态。安装在手臂单元512的前端的前端单元不限于成像单元515，并且可以是各种类型的医疗设备。例如，医疗设备包括在进行医疗程序时所使用的各种类型的单元(例如，内窥镜、显微镜、具有成像功能的单元(例如，成像单元515))、各种类型的医疗程序仪器以及检查设备。如上所述，根据本实施方式的机器人手臂设备510是装有医疗设备的医疗机器人手臂设备。进一步，具有两个成像单元(相机单元)的立体照相机可以安装在手臂单元512的前端，并且可以进行拍摄，使得显示成像目标，作为三维(3D)图像。注意，具有成像单元515或相机单元(例如，用于使医疗程序的部位成像的立体照相机)的机器人手臂设备510也可以称为视频显微镜机器人手臂设备。

进一步，显示装置550(例如，监视器或显示器)安装在朝着用户520的位置。在显示装置550的显示屏上显示由成像单元515捕捉的医疗程序部位的捕捉图像。用户520执行各种类型的治疗，同时观察在显示装置550的显示屏上显示的医疗程序部位的捕捉图像。

如上所述，在本实施方式中，在医疗领域，提出了在通过机器人手臂设备510拍摄医疗程序部位的同时进行手术的技术。在此处，在包括手术的各种类型的医疗程序中，需要通过有效地执行医疗程序来减少用户520的疲劳或负担。为了满足这种需求，在机器人手臂设备510中，例如，以下功能被视为可取的。

首先，作为第一点，机器人手臂设备510应确保手术的任务空间。如果手臂单元512或成像单元515阻止医师的视野或者阻止进行治疗的手的运动，则当用户520对医疗程序目标540进行各种治疗时会降低手术的效率。进一步，在图11中，虽然未示出，但是例如在实际手术场景中，执行将仪器传递给用户520的各种支持任务或者检查患者540的各种类型的生命迹象的多个其他医生和/或护士通常在用户520和患者540周围，并且具有其他装置以执行支持任务，因此，手术环境复杂。因此，在机器人手臂设备510中，小尺寸是可取的。

接下来，作为第二点，机器人手臂设备510应具有用于移动成像单元515的高可操作性。例如，用户520可能希望在各种位置和角度处观察相同的医疗程序部位，同时根据手术部分或手术内容对医疗程序部位进行治疗。为了改变观察医疗程序部位的角度，需要相对于医疗程序部位改变成像单元515的角度，但是此时，在成像单元515的拍摄方向固定至医疗程序部位的状态下(即，在拍摄相同部分的同时)，更可取地是仅仅拍摄角度改变。因此，例如，机器人手臂设备510应具有高自由度的高可操作性，例如，转动运动(枢转运动)，其中，成像单元515在具有医疗程序部位作为顶点的圆锥体的表面内移动，并且在成像单元515的拍摄方向固定至医疗程序部位的状态下，圆锥体的轴用作枢轴。由于成像单元515的拍摄方向固定至特定医疗程序部位，所以枢转运动也称为点锁定运动。

进一步，为了改变成像单元515的位置和角度，例如，考虑用户520手动移动手臂单元512以将成像单元515移动到期望的位置并且以期望的角度移动的方法。因此，可取地具有甚至用一只手能够容易进行成像单元515的运动、枢转运动等的可操作性。

进一步，用户520需要将由成像单元515捕捉的捕捉图像的拍摄中心从执行治疗的部分移动到另一个部分(例如，进行下一次治疗的部分)，同时在手术期间用双手进行治疗。因此，手臂单元512需要各种驱动方法，例如，由从输入单元(例如，踏板)输入的操作控制驱动手臂单元512的方法以及在希望改变成像单元515的位置和姿势时通过手动运动来控制驱动手臂单元512的方法。

如上所述，作为第二点的功能，机器人手臂设备510应具有高可操作性，例如，通过枢转运动或手动运动能够容易移动，并且满足用户520的直觉或期望。

最后，作为第三点，机器人手臂设备510应在手臂单元512的驱动控制中具有稳定性。在手臂单元512的驱动控制中的稳定性可以是在驱动手臂单元512时在前端单元的位置和姿势中的稳定性。在手臂单元512的驱动控制中的稳定性还包括在驱动手臂单元512时前端单元的平稳移动以及振动抑制(振动抑制)。例如，在前端单元是成像单元515，与在图11示出的实例中一样时，如果成像单元515的位置或姿势不稳定，则在显示装置550的显示屏上显示的捕捉图像不稳定，并且用户可以具有不舒服的感觉。尤其地，在机器人手臂设备510用于手术时，可以采用一种使用方法，其中，安装包括两个成像单元(相机单元)的立体照相机，作为前端单元，并且显示基于立体照相机获得的拍摄的图像生成的3D图像。如上所述，在显示3D图像时，如果立体照相机的位置或姿势不稳定，则用户可能经受3D弊病。进一步，根据手术部分或手术内容，成像单元515拍摄的观察范围可以放大为大约在如上所述成像单元515放大和拍摄窄范围时，成像单元515的微小振动显示为成像图像的大摇动或偏离。因此，需要具有大约1mm的容许范围的高定位精度，用于驱动控制手臂单元512和成像单元515。如上所述，在手臂单元512的驱动控制中，需要高精度响应性和高定位精度。

发明人在上述3个功能方面基于位置控制评述了现有的一般平衡臂和机器人手臂设备。

首先，关于确保第一点的手术的任务空间，在一般平衡臂中，在基部单元等内部安装平衡块(也称为平衡锤或平衡器)，用于在手臂单元移动时保持力量的平衡，因此，难以减小平衡臂设备的尺寸，并且难以说满足对应的功能。

进一步，关于第二点的高可操作性，在一般平衡臂中，仅仅手臂单元的某种驱动(例如，仅仅用于在(二维)平面上移动成像单元的双轴驱动)是电动驱动，并且需要手动定位以移动手臂单元和成像单元。因此，难以说可以实现高可操作性。进一步，在基于位置控制的一般平衡臂中，由于难以通过用于驱动控制手臂单元的位置控制灵活地处理外力，即，控制成像单元的位置和姿势，所以位置控制通常称为“硬控制”，并且不适合于实现满足用户的直觉的期望的可操作性。

进一步，关于第三点的在手臂单元的驱动控制中的稳定性，手臂单元的关节单元通常具有不容易模型化的因素，例如，摩擦、惯性等。在基于位置控制的一般平衡臂或机器人手臂设备中，因素用作关节单元的驱动控制的干扰，并且即是在提供理论上合适的控制值(例如，施加至关节单元的电机的电流值)时，也存在以下情况：未实现期望的驱动(例如，在关节单元的电机内通过期望的角度旋转)，并且难以实现驱动控制手臂单元所需要的高稳定性。

如上所述，除了在<1、对机器人手臂设备的安全性的调查>中描述的安全目的所需要的特征，发明人评述了机器人手臂设备用于医疗目的，并且了解到，对于机器人手臂设备具有上述三点的功能的需求。然而，基于位置控制的一般平衡臂或机器人手臂设备难以容易满足这种功能。作为评述满足这三点的功能的配置，发明人开发了根据稍后描述的实施方式的机器人手臂设备、机器人手臂控制系统、机器人手臂控制方法以及程序。在后文中，详细描述发明人开发的配置的实施方式。

(5-2、本公开的实施方式)

下面将描述根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统。在根据本实施方式的机器人手臂控制系统中，安装在机器人手臂设备内的多个关节单元的驱动通过全身协同控制使用广义逆动力控制。进一步，通过校正干扰的影响的对命令值实施理想响应的理想关节控制应用于关节单元的驱动控制。

在本实施方式的以下描述中，首先在(6-2-1、机器人手臂设备的外观)中描述根据本实施方式的机器人手臂设备的外观和机器人手臂设备的示意性配置。然后，在(6-2-2、广义逆动力)和(6-2-3、理想关节控制)中，描述用于控制根据本实施方式的机器人手臂设备的广义逆动力和理想关节控制的概述。然后，在(6-2-4、机器人手臂控制系统的配置)中，参考功能方框图，描述用于控制根据本实施方式的机器人手臂设备的系统的配置。最后，在(6-2-5、运动目的的具体实例)中，描述在根据本实施方式的机器人手臂设备中使用广义逆动力的全身协同控制的具体实例。

进一步，以下描述通过以下实例继续：根据本公开的实施方式的机器人手臂设备的手臂单元的前端单元是成像单元，并且作为本公开的实施方式，如图11所示，在手术期间，医疗程序部位由成像单元拍摄，但是本实施方式不限于该实例。甚至在包括不同前端单元的机器人手臂设备用于另一个目的时，可以应用根据本实施方式的机器人手臂控制系统。

(6-2-1、机器人手臂设备的外观)

首先，参考图12，描述根据本公开的实施方式的机器人手臂设备的示意性配置。图12是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂设备的外观的示意图。

参考图12，根据本实施方式的机器人手臂设备400包括基部单元410和手臂单元420。基部单元410用作机器人手臂设备400的基部，并且手臂单元420从基部单元410延伸。虽然在图12未示出，但是控制机器人手臂设备400的控制单元通过集成方式可以安装在基部单元410内，并且手臂单元420的驱动可以由控制单元控制。例如，控制单元配置有各种类型的信号处理电路，例如，中央处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP)。

手臂单元420包括多个关节单元421a到421f、由关节单元421a到421f彼此连接的多个链路422a到422c以及安装在手臂单元420的前端上的成像单元423。

链路422a到422c是杆状部件，链路422a的一端通过关节单元421a与基部单元410连接，链路422a的另一端通过关节单元421b与链路422b的一端连接，并且链路422b的另一端通过关节单元421c和421d与链路422c的一端连接。进一步，成像单元423连接至手臂单元420的前端，即，通过关节单元421e和421f与链路422c的另一端连接。如上所述，配置从基部单元410延伸的手臂形状，使得基部单元410用作支撑点，并且多个链路422a到422c的端部通过关节单元421a到421f彼此连接。

成像单元423是获取拍摄目标的图像的单元，并且是例如捕捉运动图像、静止图像的相机。控制手臂单元420的驱动，使得控制成像单元423的位置和姿势。在本实施方式中，例如，成像单元423拍摄用作医疗程序部位的患者的身体的一些区域。在此处，安装在手臂单元420的前端的前端单元不限于成像单元423，并且各种类型的医疗设备可以连接至手臂单元420的前端作为前端单元。如上所述，根据本实施方式的机器人手臂设备400是配备有医疗设备的医疗机器人手臂设备。

在此处，机器人手臂设备400的描述通过如图12所示限定的坐标轴继续。进一步，根据坐标轴，限定垂直方向、纵向以及水平方向。换言之，相对于安装在地板上的基部单元410将垂直方向限定为z轴方向和垂直方向。进一步，作为与z轴垂直的方向的手臂单元420沿着其从基部单元410延伸的方向(即，成像单元423相对于基部单元410定位的方向)限定为y轴方向和纵向。而且，与y轴和z轴垂直的方向是x轴方向和水平方向。

关节单元421a到421f连接链路422a到422c以能够旋转。每个关节单元421a到421f包括旋转机构(其包括致动器并且根据致动器的驱动在某个旋转轴上旋转地驱动)。例如，通过控制每个关节单元421a到421f中的旋转驱动，可以控制手臂单元420的驱动，以延伸或缩短(折叠)手臂单元420。在此处，关节单元421a到421f的驱动由在(6-2-2、广义逆动力)中描述的全身协同控制以及在(6-2-3、理想关节控制)中描述的理想关节控制来控制。进一步，如上所述，由于在以下描述中，根据本实施方式的关节单元421a到421f包括旋转机构，所以关节单元421a到421f的驱动控制具体表示控制关节单元421a到421f的旋转角和/或生成的力矩(由关节单元421a到421f生成的力矩)。

根据本实施方式的机器人手臂设备400包括6个关节单元421a到421f并且相对于手臂单元420的驱动实现6个自由度。具体而言，如图12所示，关节单元421a、421d以及421f被安装为使得与其连接的链路422a到422c的长轴方向和与其连接的成像单元473的拍摄方向设置为旋转轴方向，并且关节单元421b、421c以及421e被安装为使得用作与其连接的链路422a到422c和成像单元473在y-z平面(由y轴和z轴规定的平面)内改变的方向的x轴方向设置为旋转轴方向。如上所述，在本实施方式中，关节单元421a、421d以及421f具有执行偏航的功能，并且关节单元421b、421c以及421e具有执行俯仰的功能。

由于提供了手臂单元420的上述配置，所以根据本实施方式的机器人手臂设备400可以在手臂单元420的驱动上实现6个自由度，从而可以在手臂单元420的活动范围内自由移动成像单元423。图12示出了作为成像单元423的示例性活动范围的半球。在半球的中心点是由成像单元423拍摄的医疗程序部位的拍摄中心时，在成像单元423的拍摄中心固定至半球的中心点的状态下，可以通过在半球的球面上移动成像单元423，以不同的角度拍摄医疗程序部位。

在本文中，参考图13，进一步详细描述在图12示出的关节单元421a到421f的配置。进一步，在本文中，参考图13，描述在关节单元421a到421f的配置之中的用作主要与关节单元421a到421f的旋转驱动相关的元件的致动器的配置。在图13示出的致动器可以对应于在诸如图2和图6等示图中示出的致动器180。

图13是示意性示出沿着穿过旋转轴的横截面切割根据本公开的实施方式的每个关节单元421a到421f的致动器的状态的剖视图。图13示出了在关节单元421a到421f的元件之中的致动器，但是关节单元421a到421f可以具有任何其他元件。例如，除了在图13示出的元件以外，关节单元421a到421f还具有驱动手臂单元420所需要的各种类型的元件，例如，用于控制驱动致动器的控制单元以及用于连接并且支撑链路422a到422c和成像单元423的支撑元件。进一步，在以上描述和以下描述中，手臂单元的关节单元的驱动可以表示在关节单元中驱动致动器。

如上所述，在本实施方式中，关节单元421a到421f的驱动由稍后在(6-2-3、理想关节控制)中描述的理想关节控制来控制。因此，在图13示出的关节单元421a到421f的致动器被配置成执行对应于理想关节控制的驱动。具体而言，关节单元421a到421f的致动器被配置成能够调整与在关节单元421a到421f中的旋转驱动相关联的旋转角和力矩。进一步，关节单元421a到421f的致动器被配置成能够任意调整在旋转运动上的粘性阻力系数。例如，可以实现其中通过从外面施加的力量容易进行旋转(即，通过手动容易移动手臂单元420)的状态或者通过从外面施加的力量不容易进行旋转(即，通过手动不容易移动手臂单元420)的状态。

参考图13，根据本实施方式的关节单元421a到421f的致动器430包括电机424、电机驱动器425、减速齿轮426、编码器427、力矩传感器428以及驱动轴429。如图13所示，编码器427、电机424、减速齿轮426以及力矩传感器428按照所描述的顺序与驱动轴429串联。注意，电机424、电机驱动器425、减速齿轮426、编码器427以及力矩传感器428可以分别对应于在图6示出的电机181、电机驱动器170、减速齿轮185、编码器184a以及力矩传感器183。

电机424是在致动器430内的原动力，并且使驱动轴429围绕其轴旋转。例如，电机424是是电动电机，例如，无刷DC电机。在本实施方式中，随着给电机424供应电流，控制旋转驱动。

电机驱动器425是用于将电流供应给电机424并且旋转地驱动电机424的驱动器电路(驱动器集成电路(IC))，并且可以通过调整供应给电机424的电流的量控制电机424的转数。进一步，通过调整供应给电机424的电流的量，电机驱动器425可以调整在致动器430的旋转运动上的粘性阻力系数。

减速齿轮426连接至驱动轴429，并且通过以特定减速比减小由电机424生成的驱动轴429的转速，生成具有特定值的旋转驱动力(即，力矩)。无反冲型的高性能减速齿轮用作减速齿轮426。例如，减速齿轮426可以是Harmonic Drive(注册商标)。由减速齿轮426生成的力矩在后续阶段通过连接至减速齿轮426的输出轴的力矩传感器428传输给输出部件(未示出)(例如，链路422a到422c、成像单元423等的连接部件)。

编码器427连接至驱动轴429，并且检测驱动轴429的转数。基于在由编码器检测的驱动轴429的转数与减速齿轮426的减速比之间的关系，可以获得诸如关节单元421a到421f的旋转角、旋转角速度以及旋转角加速度等信息。注意，在图13示出的实例中，编码器427位于驱动轴429上，并且换言之，位于电机424的旋转轴上，但是本实施方式不限于这种实例。与在图6示出的实例配置一样，用于检测输出轴的旋转角的编码器另外可以位于减速齿轮426的下游侧上。

力矩传感器428连接至减速齿轮426的输出轴，并且检测减速齿轮426生成的力矩，即，由致动器430输出的力矩。在以下描述中，由致动器430输出的力矩也简称为“生成的力矩”。

如上所述，通过调整供应给电机424的电流的量，致动器430可以调整电机424的转数。在此处，减速齿轮426的减速比可以根据机器人手臂设备400的目的适当地设置。因此，通过根据减速齿轮426的减速比适当地调整电机424的转数，可以控制生成的力矩。进一步，在致动器430中，基于由编码器427检测的驱动轴429的转数，可以获得诸如关节单元421a到421f的旋转角、旋转角速度以及旋转角加速度等信息，并且可以通过力矩传感器428检测在关节单元421a到421f中的生成力矩。

进一步，力矩传感器428可以检测从外面施加的外力以及由致动器430生成的生成力矩。因此，随着电机驱动器425基于由力矩传感器428检测的外部力矩调整供应给电机424的电流的量，可以调整在旋转运动上的粘性阻力系数，并且例如实现其中通过从外面施加的力量容易或不容易执行旋转的状态。

在此处，参考图14A和图14B详细描述力矩传感器428的配置。图14A是示意性示出在驱动轴429的轴方向观看在图13示出的力矩传感器428的状态的示意图。

参考图14A，力矩传感器428包括外环部分431、内环部分432、传动杆部分(beamsection)433a到433d以及变形检测部件434a到434d。如图14A所示，外环部分431和内环部分432同心设置。在本实施方式中，内环部分432连接至输入侧，即，减速齿轮426的输出轴，并且外环部分431连接至输出侧，即，在后续阶段的输出部件(未示出)。

4个传动杆部分433a到433d设置在同心设置的外环部分431和内环部分432之间，并且连接外环部分431和内环部分432。如图14A所示，传动杆部分433a到433d插在外环部分431和内环部分432之间，使得传动杆部分433a到433d的两个相邻部分形成90°的角度。

变形检测部件434a到434d安装在彼此面对的两个部分上，即，以180°的角度设置在传动杆部分433a到433d之中。可以基于由变形检测部件434a到434d检测的传动杆部分433a到433d的变形量，检测致动器430的生成力矩和外部力矩。

在图14A示出的实例中，在传动杆部分433a到433d之中，变形检测部件434a和434b安装在传动杆部分433a上，并且变形检测部件434c和434d安装在传动杆部分433c上。此外，变形检测部件434a和434b被安装为传动杆部分433a插在其间，并且变形检测部件434c和434d被安装为传动杆部分433c插在其间。例如，变形检测部件434a到434d是附接至传动杆部分433a和433c的表面的变形仪表，并且基于电阻的变化，检测传动杆部分433a和433c的几何变形量。如图14A所示，变形检测部件434a到434d安装在4个位置，并且检测部件434a到434d配置所谓的惠斯通电桥。因此，由于可以使用所谓的四轨技术检测变形，所以可以减小除了检测变形的轴以外的轴的干扰、驱动轴429的偏心率、温度漂移等的影响。

如上所述，传动杆部分433a到433d用作检测其变形的变形引起体。根据本实施方式的变形检测部件434a到434d不限于变形仪表，并且可以使用任何另一个部件。例如，变形检测部件434a到434d可以是基于磁性特征的变化检测传动杆部分433a到433d的变形量的部件。

虽然在图13和图14A未示出，可以应用以下配置以便提高力矩传感器428的生成力矩和外部力矩的检测精度。例如，当以比其他部分更薄的厚度形成与外环部分431连接的传动杆部分433a到433d的部分时，由于释放支座力矩(support moment)，所以提高要检测的变形量的线性度并且减小径向负荷的影响。进一步，在外环部分431和内环部分432由外壳通过轴承支撑时，可以从输入轴和输出轴中排除其他轴向力和力矩的作用。进一步，为了减小作用在外环部分431上的另一个轴向力矩，支撑轴承可以设置在图13示出的致动器430的另一端，即，设置编码器427的部分。

上面参考图14A描述了力矩传感器428的配置。如上所述，通过在图14A示出的力矩传感器428的配置，可以以高精度检测致动器430的生成力矩和外部力矩。

在此处，在本实施方式中，力矩传感器428的配置不限于在图14A示出的配置，并且可以是任何其他配置。将参考图14B描述除了力矩传感器428以外的应用于致动器430中的力矩传感器的另一个示例性配置。

图14B是示意性示出应用于图13示出的致动器430中的力矩传感器的另一个示例性配置的示意图。参考图14B，根据本变形例的力矩传感器428a包括外环部分441、内环部分442、传动杆部分443a到443d以及变形检测部件444a到444d。图14B示意性示出在驱动轴429的轴方向观看的力矩传感器428a的状态，与图14A类似。

在力矩传感器428a中，外环部分441、内环部分442、传动杆部分443a到443d以及变形检测部件444a到444d的功能和配置与上面参考14A描述的力矩传感器428的外环部分431、内环部分432、传动杆部分433a到433d以及变形检测部件434a到434d的功能和配置相似。根据本变形例的力矩传感器428a在传动杆部分443a到443d和外环部分441的连接部分的配置上不同。因此，作为与在图14A示出的力矩传感器428的差异，针对传动杆部分443a到443d和外环部分441的连接部分的配置描述在图14B示出的力矩传感器428a，并且省略重复配置的描述。

参考图14B，与力矩传感器428a的整体视图一起放大和示出传动杆部分443b和外环部分441的连接部分。在图14B中，仅仅放大和示出作为传动杆部分443a到443d和外环部分441的4个连接部分的一个的传动杆部分443b和外环部分441的连接部分，但是传动杆部分443a、443c以及443d和外环部分441的其他3个连接部分具有相同的配置。

参考在图14B的放大图，在传动杆部分443b和外环部分441的连接部分中，啮合凹形部分形成在外环部分441内，并且传动杆部分443b与外环部分441连接，使得传动杆部分443b的前端与啮合凹形部分啮合。进一步，在传动杆部分443b和外环部分441之间形成间隙G1和G2。间隙G1表示在传动杆部分443b朝着外环部分441延伸的方向上的传动杆部分443b和外环部分441之间的间隙，并且间隙G2表示在与该方向垂直的方向上的传动杆部分443b和外环部分441之间的间隙。

如上所述，在力矩传感器428a中，传动杆部分443a到443d和外环部分441设置为通过某些间隙G1和G2彼此隔开。换言之，在力矩传感器428a中，外环部分441与内环部分442隔开。因此，由于内环部分442具有运动的自由度，而不束缚于外环部分441，因此例如，即使在驱动致动器430时发生振动时，振动的变形可以由在外环部分441与内环部分442之间的气隙G1和G2吸收。因此，由于力矩传感器428a用作致动器430的力矩传感器，因此以高精确度检测所生成的力矩和外部力矩。

例如，可以参考作为由本申请人之前提交的专利申请的JP2009-269102A和JP2011-209099A，用于与在图13、图14A以及图14B中示出的理想关节控制对应的致动器430的配置。

上面参考图12、图13、图14A以及图14B描述了根据本实施方式的机器人手臂设备400的示意性配置。接下来，描述用于控制驱动手臂单元420的全身协同控制和理想关节控制，即，驱动在根据本实施方式的机器人手臂设备400中的关节单元421a到421f。

(6-2-2、广义逆动力)

接下来，描述用于根据本实施方式的机器人手臂设备400的全身协同控制的广义逆动力的概述。

广义逆动力(generalized inverse dynamics)是鉴于在配置成使得多个链路由多个关节单元连接的多链路结构(例如，在本实施方式中，在图12示出的手臂单元420)中的各种类型的约束条件将与在各种类型的操作空间内的各种尺寸相关的运动目的转换成由多个关节单元生成的力矩的多链路结构的全身协同控制中的基本操作。

操作空间是在机器人设备的力量控制中的重要概念。操作空间是用于描述在作用在多链路结构上的力量与多链路结构的加速度之间的关系的空间。在多链路结构的驱动控制由力量控制(而非位置控制)执行时，在处理多链路结构和环境的方式用作约束条件的情况下，需要操作空间的概念。例如，操作空间是多链路结构所属的空间，例如，关节空间、笛卡尔空间或动量空间。

运动目的表示在多链路结构的驱动控制中的目标值并且例如表示期望通过驱动控制实现的多链路结构的位置、速度、加速度、力量或阻抗的目标值。

约束条件是与(例如)由多链路结构的形状或结构、围绕多链路结构的环境、用户执行的设置等决定的多链路结构的位置、速度、加速度或力量相关的约束条件。例如，约束条件包括关于生成力量、优先级、未驱动关节的存在或不存在、垂直反作用力、摩擦重量、支撑多边形等的信息。

在广义动力中，为了实现数值计算的稳定性和实时可处理的操作效率，操作算法配置有用作第一阶段的虚拟力量决定过程(虚拟力量计算过程)和用作第二阶段的实际力量决定过程(实际力量计算过程)。在用作第一阶段的虚拟力量计算过程中，鉴于运动目的的优先级以及虚拟力量的最大值，决定用作实现每个运动目的所需要的并且作用在操作空间上的虚拟力量的虚拟力量。在用作第二阶段的实际力量计算过程中，鉴于与未驱动的关节、垂直反作用力、摩擦重量、支撑多边形等相关的约束，计算的虚拟力量转换成实际多链路结构的配置可以实现的实际力量，例如，关节力量或外力。下面描述虚拟力量计算过程和实际力量计算过程。在虚拟力量计算过程、实际力量计算过程以及理想关节控制的以下描述中，为了更容易理解，具有以下情况：描述在图12和图13示出的根据本实施方式的机器人手臂设备400的手臂单元420的示例性配置，作为一个具体实例。

(6-2-2-1、虚拟力量计算过程)

在多链路结构的关节单元中配置有某些物理量的矢量称为“广义变量q”(也称为“关节值q”或“关节空间q”)。操作空间x由以下等式(1)使用广义变量q和雅可比J的时间微分值限定：

【数学式1】

$\stackrel{\&CenterDot;}{x}=J\stackrel{\&CenterDot;}{q}\mathrm{......}\left(1\right)$

在本实施方式中，例如，q表示在手臂单元420的关节单元421a到421f中的旋转角。与操作空间x相关的运动的等式由以下等式(2)描述：

【数学式2】

$\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}={\mathrm{\&Lambda;}}^{-1}f+c\mathrm{......}\left(2\right)$

在此处，f表示作用在操作空间x上的力量。进一步，Λ^-1表示操作空间惯性逆矩阵，c表示操作空间偏差加速度，并且Λ^-1和c由以下等式(3)和(4)表示。

【数学式3】

Λ^-1＝JH^-1J^T

……(3)

$c={\mathrm{JH}}^{-1}(\mathrm{\&tau;}-b)+\stackrel{\&CenterDot;}{J}\stackrel{\&CenterDot;}{q}\mathrm{......}\left(4\right)$

H表示关节空间惯性矩阵，τ表示对应于关节值q的关节力量(例如，在关节单元421a到421f中的生成力矩)，并且b是表示重力、科里奥利力或离心力的项。

在广义逆动力中，已知与操作空间x相关的位置和速度的运动目的表示为操作空间x的加速度。此时，为了实现用作作为等式(1)的运动目的提供的目标值的操作空间加速度，通过解决由以下等式(5)表示的一种线性互补问题(LCP)，获得必须作用在操作空间x上的虚拟力量f_v。

【数学式4】

$w+\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}={\mathrm{\&Lambda;}}^{-1}{f}_v+c$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\left(\right(w_i<0)\&cap;(f_{v_i}=U_i\left)\right)\&cup;\\ \left(\right(w_i>0)\&cap;(f_{v_i}=L_i\left)\right)\&cup;\\ \left(\right(w_i=0)\&cap;(L_i<f_{v_i}<U_i\left)\right)\end{array}\right.\mathrm{......}\left(5\right)$

在此处，L_i和U_i设置为f_v的第i个元件的负下限值(包括-∞)以及f_v的第i个元件的正上限值(包括+∞)。例如，使用迭代技术、枢转技术、使用稳健加速度控制的方法等，可以解决LCP。

进一步，在与用作定义等式的等式(3)和(4)中一样计算时，在计算成本中，操作空间关系逆矩阵Λ^-1和偏移加速度c大。因此，提出了一种通过应用从多链路结构的广义力量(关节力τ)中计算广义加速度(关节加速度)的准动力计算(FWD)来高速执行操作空间惯性逆矩阵Λ^-1的计算过程的方法。具体而言，可以基于与作用在多链路结构(例如，手臂单元420和关节单元421a到421f)上的力量相关的信息，获得操作空间惯性逆矩阵Λ^-1和偏移加速度c，例如，使用前向动力计算FWD的关节空间q、关节力τ、或重力g。如上所述，通过应用与操作空间相关的前向动力计算FWD，可以通过在N个关节单元上的计算量O(N)，计算操作空间惯性逆矩阵Λ^-1。

在此处，作为运动目的的设置实例，用于由绝对值F_i或更小的虚拟力量f_vi实现操作空间加速度的目标值(通过增加高于二阶微分x的巴(bar)来表示)的条件可以由以下等式(6)表示：

【数学式5】

L_i＝-F_i，

U_i＝F_i，

${\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}}_i={\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}}_i\mathrm{......}\left(6\right)$

如上所述，与操作空间x的位置和速度相关的运动目的可以表示为操作空间加速度的目标值表示，并且具体而言，由以下等式(7)表示(通过增加高于x和一阶微分的巴来表示操作空间x的位置和速度的目标值)。

【数学式6】

${\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}}_i=K_p({\stackrel{\&OverBar;}{x}}_i-x_i)+K_v({\stackrel{\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}}_i-{\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_i)\mathrm{......}\left(7\right)$

还可以使用分解操作空间的方法设置与由其他操作空间的线性总和表示的操作空间(动量、笛卡尔相对坐标、互锁关节等)相关的运动目的。进一步，需要提供竞争运动目的的优先级。为每个优先级或者按照优选的升序解决LCP，并且可以使从前一个LCP中获得的虚拟力量用作后续LCP的已知外力。

(6-2-2-2、实际力量计算过程)

在广义逆动力的用作第二阶段的实际力量计算过程中，执行使用实际的关节力和外力代替在(6-2-1、虚拟力量决定过程)中获得的虚拟力量f_v的过程。通过由关节单元和外力f_e生成的生成力矩τ_a基于虚拟力量实现广义力量τ_v＝J_v ^Tf_v的条件由以下等式(8)表示。

【数学式7】

$\left[\begin{array}{c}{J}_{vu}^T\\ J_{va}^T\end{array}\right](f_v-{\mathrm{\&Delta;f}}_v)=\left[\begin{array}{c}{J}_{eu}^T\\ J_{ea}^T\end{array}\right]f_e+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\&tau;}}_a\end{array}\right]\mathrm{......}\left(8\right)$

在此处，下标a表示一组从动关节单元(从动关节组)，并且上标u表示一组非从动关节单元(非从动关节组)。换言之，在等式(8)中的上部分通过非从动关节单元表示空间(非从动关节空间)的力量的平衡，并且下部分通过从动关节单元表示空间(从动关节空间)的力量的平衡。J_vu和J_va分别表示与虚拟力量f_v作用在其上的操作空间相关的Jacobian的非从动关节元件和从动关节元件。J_eu和J_ea表示与外力f_e作用在其上的操作空间相关的Jacobian的非从动关节元件和从动关节元件。Δf_v表示实际力量几乎不实现的虚拟力量f_v的元件。

在等式(8)中的上部分未限定，并且例如，通过解决由以下等式(9)表示的二次规划问题(QP)，可以获得f_e和Δf_v。

【数学式8】

$\begin{array}{c}\min \frac{1}{2}{\mathrm{\&epsiv;}}^T{Q}_1\mathrm{\&epsiv;}+\frac{1}{2}{\mathrm{\&xi;}}^T{Q}_2\mathrm{\&xi;}\\ s.t.U\mathrm{\&xi;}\&GreaterEqual;v\end{array}\mathrm{......}\left(9\right)$

在此处，ε是在等式(8)中的上部分的侧边之间的差值，并且表示方程误差。ξ是f_e和Δf_v的连接矢量，并且表示变量矢量。Q₁和Q₂是表示在最小化时的重量的正定对称矩阵。进一步，等式(9)的不等式约束用于表示与外力相关的约束条件，例如，垂直反作用力、摩擦圆锥体、外力的最大值以及支撑多边形。例如，与矩形支撑多边形相关的不等式约束由以下等式(10)表示。

【数学式9】

|F_x|≤μ_tF_z，

|F_y|≤μ_tF_z，

F_z≥0，

|M_x|≤d_yF_z，

|M_y|≤d_xF_z，

|M_z|≤μ_rF_z

……(10)

在此处，z表示接触表面的正常方向，并且x和y表示与z垂直的两个正交切线方向。(F_x,F_y,F_z)和(M_x,M_y,M_z)是作用在接触点上的外力和外部力矩。μ_t和μ_r表示与平移和旋转相关的摩擦系数。(d_x,d_y)表示支撑多边形的尺寸。

从等式(9)和(10)中获得最小范数或最小误差的解f_e和Δf_v。通过将从等式(9)中获得的f_e和Δf_v代入等式(8)的下部分内，可以获得实现运动目的所需要的关节力τ_a。

在固定基础的系统并且没有非从动关节的情况下，仅仅使用关节力代替所有虚拟力量，并且在等式(8)中可以设置f_e＝0和Δf_v＝0。在这种情况下，可以从在等式(8)中的下部分中，为关节力τ_a获得以下等式(11)。

【数学式10】

${\mathrm{\&tau;}}_a=J_{va}^T{f}_v\mathrm{......}\left(11\right)$

上面描述了使用根据本实施方式的广义逆动力的全身协同控制。如上所述，由于依次执行虚拟力量计算过程和实际力量计算过程，所以可以获得关节力τ_a，用于实现期望的运动目的。换言之，相反，由于在关节单元421a到421f的运动中的理论模型中反应计算的关节力τ_a，所以驱动关节单元421a到421f，以实现期望的运动目的。

进一步，例如，可以参考JP 2009-95959A和JP 2010-188471A，这是本申请人预先提交的专利申请，用于使用上述广义逆动力的全身协同控制，尤其用于获得虚拟力量f_v的过程、解决LCP并且获得虚拟力量f_v的方法、QP问题的解决方案等的细节。

(6-2-3、理想关节控制)

描述根据本实施方式的理想关节控制。每个关节单元421a到421f的运动由以下等式(12)的二阶延迟系统的运动的等式模型化：

【数学式11】

$I_a\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{q}={\mathrm{\&tau;}}_a+{\mathrm{\&tau;}}_e-v_a\stackrel{\&CenterDot;}{q}\mathrm{......}\left(12\right)$

在此处，I_a表示在关节单元内的惯性力矩(惯性)，τ_a表示关节单元421a到421f的生成力矩，τ_e表示作用在每个关节单元421a到421f上的外部力矩，并且ν_a表示在每个关节单元421a到421f中的粘性阻力系数。等式(12)还可以被视为表示在关节单元421a到421f中的致动器430的运动的理论模型。

如上面在(6-2-2、广义逆动力)中所述，通过使用广义逆动力的计算，可以计算用作实际力量的τ_a，每个关节单元421a到421f必须使用该实际力量，来使用运动目的和约束条件实现运动目的。因此，理想地，实现根据由等式(12)表示的理论模型的响应，即，通过将每个计算τ_a的应用于等式(12)中，实现期望的运动目的。

然而，实际上，具有以下情况：由于各种干扰的影响，所以在关节单元421a到421f的运动与由等式(12)表示的理论模型之间发生误差(模型化误差)。模型化误差分成由质量特性(例如，多链路结构的重力、重心或惯性张量)造成的误差以及由在关节单元421a到421f中的摩擦、惯性等造成的误差。其中，通过应用高精度计算机辅助设计(CAD)数据或识别方法，在构成理论模型时，可以比较容易减小由质量特性造成的前一个误差的模型化误差。

同时，由于难以在关节单元421a到421f的减速齿轮426中模型化例如摩擦等这一现象，所以发生由在关节单元421a到421f中的摩擦、惯性等造成的误差的模型化误差，并且在构成理论模型时，依然具有不可忽略的模型化误差。进一步，在等式(12)中的惯性I_a或粘性阻力系数ν_a的值与在关节单元421a到421f中的实际值之间可能具有误差。很难模型化的误差会在关节单元421a到421f的驱动控制中用作干扰。因此，由于这种干扰的影响，所以实际上，存在以下情况：关节单元421a到421f的运动不会如在等式(12)表示的理论模型中的作出回应。因此，存在以下情况：即使在施加由广义逆动力计算的用作关节力的实际力量τ_a时，也难以实现控制目标的运动目的。在本实施方式中，将活动控制系统加入每个关节单元421a到421f中，从而关节单元421a到421f的响应被视为校正为使得执行根据等式(12)表示的理论模型的理想响应。具体而言，在本实施方式中，执行使用关节单元421a到421f的力矩传感器428和428a的摩擦补偿类型的力矩控制，并且此外，可以甚至在惯性I_a和粘性阻力系数ν_a上根据理想值执行理想响应，用于请求的生成力矩τ_a和请求的外力τ_e。

在本实施方式中，如上所述，控制驱动关节单元使得机器人手臂设备400的关节单元421a到421f执行等式(12)表示的理想响应，称为理想关节控制。在此处，在以下描述中，由于执行理想响应，所以由理想关节控制来控制其驱动的致动器也称为“虚拟化致动器(VA)”。下面参考图15，描述根据本实施方式的理想关节控制。

图15是用于描述根据本公开的实施方式的理想关节控制的解释图。图15使用方框示意性示出根据理想关节控制执行各种类型的操作的概念计算单元。

参考图15，致动器610示意性示出在图13示出的致动器430的机构，并且电机611、减速齿轮612、编码器613以及力矩传感器614对应于在图13示出的电机424、减速齿轮426、编码器427以及力矩传感器428(或在图14B示出的力矩传感器428a)。

在此处，在致动器610根据等式(12)表示的理论模型执行响应时，这表示在提供等式(12)的右边时，实现在左边的旋转角角速度。进一步，如在等式(12)所表示的，理论模型包括作用在致动器610上的外部力矩项τ_e。在本实施方式中，为了执行理想关节控制，外部力矩τ_e由力矩传感器614测量。进一步，应用干扰观测器620，以基于由编码器613测量的致动器610的旋转角q，计算用作由干扰造成的力矩的估计值的干扰估计值τ_d。

方框631表示计算单元，其根据由等式(12)表示的关节单元421a到421f的理想关节模型执行操作。方框631可以接收生成力矩τ_a、外部力矩τ_e以及旋转角速度(旋转角q的一阶微分)，并且输出在等式(12)的左边示出的旋转角加速度目标值(旋转角目标值q^ref的二阶微分)。

在本实施方式中，由在(6-2-2、广义逆动力)描述的方法计算的生成力矩τ_a和由力矩传感器614测量的外部力矩τ_e输入方框631中。同时，由编码器613测量的旋转角q输入表示执行微分运算的计算单元的方框632中，从而计算旋转角速度(旋转角q的一阶微分)。除了生成力矩τ_a和外部力矩τ_e，由方框632计算的旋转角速度输入方框631中，从而由方框631计算旋转角加速度目标值。将计算的旋转角加速度目标值输入方框633中。

方框633表示计算单元，其基于致动器610的旋转角加速度计算在致动器610中生成的力矩。在本实施方式中，具体而言，通过使致动器610的名义惯性J_n乘以旋转角加速度目标值，方框633可以获得力矩目标值τ^ref。在理想响应中，通过使致动器610生成力矩目标值τ^ref，实现期望的运动目的，但是存在实际响应如上所述被干扰等影响的情况。因此，在本实施方式中，干扰估计值τ_d由干扰观测器620计算，并且使用干扰估计值τ_d校正力矩目标值τ^ref。

描述干扰观测器620的配置。如图15所述，干扰观测器620基于力矩命令值τ和从由编码器613测量的旋转角q计算的旋转角速度来计算干扰估计值τ_d。在此处，在校正干扰的影响之后，力矩命令值τ是最后由致动器610生成的力矩值。例如，在不计算干扰估计值τ_d时，力矩命令值τ用作力矩目标值τ^ref。

干扰观测器620由方框634和方框635配置成。方框634是基于致动器610的旋转角速度计算由致动器610生成的力矩的计算单元。在本实施方式中，具体而言，基于编码器613测量的旋转角q由方框632计算的旋转角速度输入方框634中。通过执行由传递函数J_ns表示的操作(即，通过微分旋转角速度)，方框634可以获得旋转角加速度，并且通过使计算的旋转角加速度乘以额定惯性J_n，计算实际上作用在致动器610上的力矩的估计值(力矩估计值)。

在干扰观测器620中，获得在力矩估计值与力矩命令值τ之间的差值，从而估计用作干扰的力矩的值的干扰估计值τ_d。具体而言，干扰估计值τ_d可以是在先前控制中的力矩命令值τ与在当前控制中的力矩估计值之间的差值。由于由方框634计算的力矩估计值基于实际的测量值，并且由方框633计算的力矩命令值τ基于由方框631表示的关节单元421a到421f的的理想理论模型，所以可以通过获得这两个值的差值，来估计在理论模型中未考虑的干扰的估计影响。

干扰观测器620进一步具有由方框635表示的低通滤波器(LPF)，以便防止系统的偏离(divergence，偏差)。方框635执行由传递函数g/(s+g)表示的操作，响应于输入值仅输出低频分量，并且使系统稳定。在本实施方式中，在由方框634计算的力矩估计值与力矩命令值τ^ref之间的差值输入方框635中，并且计算低频分量，作为干扰估计值τ_d。

在本实施方式中，执行将由干扰观测器620计算的干扰估计值τ_d加入力矩命令值τ^ref中的前馈控制，从而计算用作最后由致动器610生成的力矩值的力矩命令值τ。然后，基于力矩命令值τ，驱动致动器610。具体而言，力矩命令值τ转换成对应的电流值(电流命令值)，电流命令值应用于电机611中，使得驱动致动器610。

通过使用上面参考图15描述的配置，在根据本实施方式的关节单元421a到421f的驱动控制中，即使在具有干扰分量(例如，摩擦)时，致动器610的响应也可以遵循目标值。进一步，可以在关节单元421a到421f的驱动控制中，根据由理论模型采用的惯性I_a和粘性阻力系数ν_a，执行理想响应。

例如，可以参考作为由本申请人先前提交的专利申请的JP2009-269102A，用于上述理想关节控制的细节。

上面参考图15描述根据本实施方式的理想关节控制以及在本实施方式中使用的广义逆动力。如上所述，在本实施方式中，鉴于使用广义逆动力的约束条件，执行用于实现手臂单元420的运动目的的计算关节单元421a到421f的驱动参数(例如，关节单元421a到421f的生成力矩值)的全身协同控制。进一步，如上面参考图15所描述的，由于使用广义逆动力在由全身协同控制计算的生成力矩值上执行考虑干扰的影响的校正，因此在关节单元421a到421f的驱动控制中执行基于理论模型实现理想响应的理想关节控制。因此，在本实施方式中，可以执行高精度驱动控制，以实现用于驱动手臂单元420的运动目的。

(6-2-4、机器人手臂控制系统的配置)

接下来，描述根据本实施方式的机器人手臂控制系统的配置，其中，在(6-2-2、广义逆动力)和(6-2-3、理想关节控制)中描述的全身协同控制和理想关节控制应用于机器人手臂设备的驱动控制中。

参考图16，描述根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统的示例性配置。图16是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统的示例性配置的功能方框图。在图16示出的机器人手臂控制系统中，主要示出与机器人手臂设备的手臂单元的驱动控制相关的元件。

参考图16，根据本公开的实施方式的机器人手臂控制系统1包括机器人手臂设备10、控制装置20以及显示装置30。在本实施方式中，通过控制装置20执行在(6-2-2、广义逆动力)中描述的全身协同控制和(6-2-3、理想关节控制)中描述的理想关节控制中的各种类型的操作，并且基于操作结果，控制机器人手臂设备10的手臂单元的驱动。进一步，机器人手臂设备10的手臂单元设置有稍后描述的成像单元140，并且在显示装置30的显示屏上显示由成像单元140捕捉的图像。接下来，详细描述机器人手臂设备10、控制装置20以及显示装置30的配置。注意，在图16示出的机器人手臂控制系统1对应于参考图1描述的机器人手臂控制系统2，并且在图16示出的机器人手臂控制系统1是更详细的示图，其中，相对于机器人手臂控制系统2，详细示出在图1中省略的与机器人手臂设备10的驱动控制相关的结构部件。

机器人手臂设备10包括具有由多个关节单元和多个链路配置的多链路结构的手臂单元，并且在活动范围内驱动手臂单元，以控制安装在手臂单元的前端的前端单元的位置和姿势。机器人手臂设备10对应于在图12示出的机器人手臂设备400。

参考图16，机器人手臂设备10包括手臂控制单元110和手臂单元120。手臂单元120包括关节单元130和成像单元140。

手臂控制单元110以集成的方式控制机器人手臂设备10，并且控制手臂单元120的驱动。手臂控制单元110对应于上面参考图12描述的控制单元(在图12中未示出)。具体而言，手臂控制单元110包括驱动控制单元111，并且控制手臂单元120的驱动，并且手臂单元120的驱动通过根据驱动控制单元111的控制来控制关节单元130的驱动来控制。更具体而言，通过控制供应给电机的电流的量，驱动控制单元111控制在关节单元130的致动器中的电机的转数以及关节单元130的旋转角和生成力矩。在此处，如上所述，基于在控制装置20中的操作结果，通过驱动控制单元111执行手臂单元120的驱动控制。因此，由驱动控制单元111控制的并且供应给在关节单元130的致动器中的电机的电流量是基于在控制装置20中的操作结果决定的电流量。然而，在本实施方式中，如图1所示，关节控制单元135也可设置于每个关节单元130内，并且关节单元130的驱动可以由关节控制单元135控制。

手臂单元120具有由多个关节单元和多个链路配置的多链路结构，并且根据手臂控制单元110的控制，控制手臂单元120的驱动。手臂单元120对应于在图12示出的手臂单元420。手臂单元120包括关节单元130和成像单元140。进一步，由于手臂单元120的多个关节单元具有相同的功能和配置，所以在图16示出表示多个关节单元的一个关节单元130的配置。

关节单元130连接链路以在手臂单元120中可旋转，并且根据手臂控制单元110的控制，控制关节单元130的旋转驱动，使得驱动手臂单元120。关节单元130对应于在图12示出的关节单元421a到421f。进一步，关节单元130包括致动器，并且致动器具有与例如在图13、图14A以及图14B示出的配置相似的配置。

关节单元130包括关节驱动单元131以及关节状态检测单元132。

关节驱动单元131是在关节单元130的致动器中的驱动机构，并且在驱动关节驱动单元131时，旋转地驱动关节单元130。驱动控制单元111控制关节驱动单元131的驱动。例如，关节驱动单元131是对应于在图13示出的电机424和电机驱动器425的元件，并且驱动关节驱动单元131对应于电机驱动器425利用根据来自驱动控制单元111的命令的电流量驱动电机424。

关节状态检测单元132检测关节单元130的状态。在此处，关节单元130的状态可以表示关节单元130的运动状态。例如，关节单元130的状态包括诸如关节单元130的旋转角、旋转角速度、旋转角加速度以及生成力矩的信息。在本实施方式中，关节状态检测单元132包括检测关节单元130的旋转角的旋转角检测单元133以及检测关节单元130的生成力矩和外部力矩的力矩检测单元134。旋转角检测单元133和力矩检测单元134对应于在图13示出的致动器430的编码器427以及在图14A和图14B中示出的力矩传感器428和428a。关节状态检测单元132将关节单元130的检测状态传输给控制装置20。

注意，图16示出了作为获取主要表示手臂单元120的运动的信息的功能的旋转角检测单元133和力矩检测单元134，作为关节状态检测单元132的功能的一个实例，以便描述在全身协同控制中的控制量操作过程。在本实施方式中，关节状态检测单元132可以包括在图6示出的致动器180中设置的相应传感器。例如，旋转角检测单元133可以包括在图6中示出的电机角传感器184a和输出轴角传感器184b。力矩检测单元134可以包括在图6示出的力矩传感器183。例如，关节状态检测单元132可以进一步包括检测对应于致动器180的每个传感器的另一个物理量的功能，例如，检测提供给电机的电流的功能或者检测在电机周围的温度的功能。

成像单元140是安装在手臂单元120的前端的前端单元(对应于在图1示出的前端单元145)的实例，并且获取拍摄目标的图像。成像单元140对应于在图12示出的成像单元423。具体而言，例如，成像单元140是能够拍摄具有运动图像格式或静止图像格式的拍摄目标的相机。更具体而言，成像单元140包括二维设置的多个光接收部件，并且可以在光接收部件中执行光电转换，并且获取表示拍摄目标的图像的图像信号。成像单元140将获取的图像信号传输给显示装置30。

进一步，与成像单元423安装在手臂单元420的前端的图12的机器人手臂设备400相似，在机器人手臂设备10中，成像单元140实际上安装在手臂单元120的前端。在图16中，通过示意性示出在关节单元130与成像单元140之间的链路，表示成像单元140通过多个关节单元130和多个链路安装在最后链路的前端的形式。

注意，位于手臂单元120的前端上的前端单元不限于成像单元140。在本实施方式中，各种类型的医疗设备可以连接至手臂单元120的前端，作为前端单元。作为医疗设备，例如，具有在执行医疗程序时使用的各种类型的单元，例如，各种类型的医疗程序仪器，包括手术刀或钳子，或者各种类型的检查设备的一个单元，包括超声波检查设备的探头。进一步，在本实施方式中，还可以包括在图16示出的成像单元140或具有成像功能的单元(例如，内窥镜或显微镜)作为医疗设备。如上所述，根据本实施方式的机器人手臂设备10可以是包括医疗设备的医疗机器人手臂设备。同样，根据本实施方式的机器人手臂设备10可以是医疗机器人手臂控制系统。在图16示出的机器人手臂设备10还可以称为是配备有有成像功能的单元作为前端单元的视频显微镜机器人手臂设备。进一步，包括两个成像单元(相机单元)的立体照相机可以安装在手臂单元120的前端，并且可以进行拍摄，使得显示成像目标，作为3D图像。

上面描述了机器人手臂设备10的功能和配置。接下来，描述控制装置20的功能和配置。参考图16，控制装置20包括输入单元210、存储单元220以及控制单元230。

控制单元230以集成的方式控制控制装置20，并且执行各种操作，以控制在机器人手臂设备10中的手臂单元120的驱动。具体而言，为了控制机器人手臂设备10的手臂单元120的驱动，控制装置230在全身协同控制和理想关节控制中执行各种类型的操作。下面详细描述控制单元230的功能和配置，但是已经在(6-2-2、广义逆动力)和(6-2-3、理想关节控制)中已经描述的全身协同控制和理想关节控制，从而在此处省略其描述。

控制单元230包括全身协同控制单元240、理想关节控制单元250以及故障检测单元260。

全身协同控制单元240使用广义逆动力执行与全身协同控制相关的各种类型的操作。在本实施方式中，全身协同控制单元240基于由关节状态检测单元132检测的关节单元130的状态，获取手臂单元120的状态(手臂状态)。进一步，使用广义逆动力，基于手臂状态和运动目的以及手臂单元120的约束条件，全身协同控制单元240在操作空间内计算手臂单元120的全身协同控制的控制值。例如，操作空间表示用于描述在作用在手臂单元120上的力量与在手臂单元120中生成的加速度之间的关系的空间。

全身协同控制单元240包括手臂状态获取单元241、操作条件设置单元242、虚拟力量计算单元243以及实际力量计算单元244。在本文中，在前面讨论的图1中，为了方便起见，操作条件设置单元242显示为不包含在全身协同控制单元240内的功能，但是这些单元具有相似的功能。

手臂状态获取单元241基于由关节状态检测单元132检测的关节单元130的状态，获取手臂单元120的状态(手臂状态)。在此处，手臂状态可以表示手臂单元120的运动状态。例如，手臂状态包括诸如手臂单元120的位置、速度、加速度或力量的信息。如上所述，关节状态检测单元132获取诸如每个关节单元130的旋转角、旋转角速度、旋转角加速度或生成力矩等信息，作为关节单元130的状态。进一步，如稍后所述，存储单元220存储由控制装置20处理的各种类型的信息，并且在本实施方式中，存储单元220可以存储与手臂单元120相关的各种类型的信息(手臂信息)，例如，配置手臂单元120的关节单元130的数量以及链路的数量、链路和关节单元130的连接状态以及链路的长度。手臂状态获取单元241可以从存储单元220中获取对应信息。因此，手臂状态获取单元241可以基于关节单元130的状态和手臂信息获取信息，例如，多个关节单元130、多个链路以及成像单元140在空间上的位置(坐标)(即，手臂单元120的形状或成像单元140的位置和姿势)或作用在关节单元130、链路以及成像单元140中的每个上的力量。手臂状态获取单元241将所获取的手臂信息传输给操作条件设置单元242。

操作条件设置单元242使用广义逆动力在与全身协同控制相关的操作中设置操作条件。在此处，操作条件可以是运动目的和约束条件。运动目的可以是与手臂单元120的运动相关的各种类型的信息。具体而言，运动目的可以是成像单元140的位置和姿势(坐标)、速度、加速度以及力量的目标值或者多个关节单元130和手臂单元120的多个链路的姿势(坐标)、速度、加速度以及力量的目标值。约束条件可以是用于限制手臂单元120的运动的各种类型的信息。具体而言，约束条件可以是手臂单元的元件都不应移动到其内的区域的坐标、手臂单元不应移动的速度和加速度的值、不应生成的力量的值等。进一步，可以从手臂单元120难以在结构上实现的物理量中设置在约束条件中的各种类型的物理量的约束范围，或者该约束范围可以由用户适当地设置。进一步，操作条件设置单元242包括用于手臂单元120的结构的物理模型(例如，配置手臂单元120的链路的数量、链路的长度、通过关节单元130的链路的连接状态、关节单元130的活动范围等模型化的物理模型。这对应于内部模型。)，并且可以通过生成在物理模型中反应期望的运动条件和期望的约束条件的控制模型，来设置运动条件和约束条件。

在本实施方式中，可以适当地设置运动目的和约束条件，并且使手臂单元120执行期望的运动。例如，可以将成像单元140的位置的目标值设置为运动目的，并且将成像单元140移动到目标位置，并且例如，还可以根据约束条件设置运动约束以防止手臂单元120进入在空间内的某个区域，并且然后驱动手臂单元120。

作为运动目的的具体实例，例如，运动目的可以是用作转动运动的枢转运动，其中，成像单元140在具有医疗程序部位作为顶点的圆锥体的平面内移动，并且在成像单元140的拍摄方向固定至医疗程序部位的状态下，圆锥体的轴用作枢轴。例如，通过设置将成像单元140的方向锁定到在空间内的特定点(换言之，在空间内的特定点位于成像单元140的光轴上)的约束条件，可以实现成像单元140在其顶点是特定点的圆锥体的表面之上移动的枢转操作。在枢转运动中，可以在成像单元140与对应于圆锥体的顶点的点之间的距离保持恒定的状态下，执行转动运动。在执行枢转运动时，可以以等同的距离并且以不同的角度观察观察部分，从而可以提高进行手术的用户的方便性。

作为另一个具体实例，运动目的可以是在每个关节单元130内控制生成力矩的内容。具体而言，运动目的可以是控制关节单元130的状态使得作用在手臂单元120上的重力无效并且控制关节单元130的状态使得支持手臂单元120在从外面提供的力量的方向上的运动的动力辅助运动(power assist movement)。更具体而言，在动力辅助运动中，控制每个关节单元130的驱动，使得每个关节单元130生成用于使由于重力而在手臂单元120的每个关节单元130内的外部力矩无效的生成力矩，从而手臂单元120的位置和姿势保持在特定状态下。在该状态下当从外面(例如，从用户身上)进一步施加外部力矩时，控制驱动每个关节单元130，使得每个关节单元130在与施加的外部力矩相同的方向生成所述生成力矩。在执行动力辅助运动时，在用户用手移动手臂单元120时，用户可以通过小的力量移动手臂单元120，从而可以给用户提供在非重力状态下移动手臂单元120的感觉。进一步，可以组合枢转运动和动力辅助运动。

在此处，在本实施方式中，运动目的可以表示在全身协同控制中实施的手臂单元120的运动(移动)或者可以表示在对应运动中的瞬时运动目的(即，在运动目的中的目标值)。例如，在枢转运动的情况下，执行成像单元140的枢转运动是运动目的，但是例如，在执行枢转运动时，在枢转运动中在圆锥体平面中的成像单元140的位置或速度的值被设置为瞬时运动目的(在运动目的中的目标值)。进一步，例如，在动力辅助运动的情况下，执行用于支持手臂单元120在从外面施加的力量的方向上的运动的动力辅助运动是运动目的，但是在执行动力辅助运动时，在与施加给每个关节单元130的外部力矩相同的方向上的生成力矩的值被设置为瞬时运动目的(在运动目的中的目标值)。在本实施方式中，运动目的是如下概念：其包括瞬时运动目的(例如，在特定时间段期间的手臂单元120的每个元件的位置、速度或力量的目标值)以及因连续实现瞬时运动目的而随着时间实现的手臂单元120的每个元件的运动。在全身协同控制单元240中的全身协同控制的操作中的每个步骤中，每次地设置瞬时运动目的，并且反复执行操作，使得最终实现期望的运动目的。

进一步，在本实施方式中，在设置运动目的时，还可以适当地设置在每个关节单元130的旋转运动中的粘性阻力系数。如上所述，根据本实施方式的关节单元130被配置成能够适当地调整在致动器430的旋转运动中的粘性阻力系数。因此，例如，由于在设置运动目的时还设置在每个关节单元130的旋转运动中的粘性阻力系数，所以可以实现通过从外面施加的力量容易或不容易执行旋转的状态。例如，在动力辅助运动的情况下，由于在关节单元130中的粘性阻力系数设置为很小，所以用户可以通过小的力量移动手臂单元120，并且用户可以具有非重力的感觉。如上所述，可以根据运动目的的内容，适当地设置在每个关节单元130的旋转运动中的粘性阻力系数。

在(6-2-5、运动目的的具体实例)中，再次详细描述运动目的的具体实例。

在此处，在本实施方式中，如稍后所述，存储单元220可存储与操作条件相关的操作，例如，在与全身协同控制相关的操作中使用的运动目的或约束条件。操作条件设置单元242可以将存储在存储单元220内的约束条件设置为在全身协同控制的操作中使用的约束条件。

进一步，在本实施方式中，操作条件设置单元242可以通过多种方法设置运动目的。例如，操作条件设置单元242可以基于从手臂状态获取单元241中传输的手臂状态来设置运动目的。如上所述，手臂状态包括手臂单元120的位置的信息以及作用在手臂单元120上的力量的信息。因此，例如，在用户用手移动手臂单元120时，还通过手臂状态获取单元241获取与用户移动手臂单元120的方式相关的信息作为手臂状态。因此，例如，操作条件设置单元242可以根据所获取的手臂状态将用户将手臂单元120移动到的位置、用户移动手臂单元120的速度、或者用户移动手臂单元120的力量设置为瞬时运动目的。当如上所述地设置运动目的时，执行控制，使得随后驱动手臂单元120并且支持通过用户的支持手臂单元120的运动。

进一步，例如，操作条件设置单元242可以基于用户从输入单元210中输入的指令来设置运动目的。如稍后所述，输入单元210是输入接口，例如，用户通过该输入接口将与机器人手臂设备10的驱动控制相关的信息或命令输入控制装置20中，并且在本实施方式中，可以基于用户从输入单元210中输入的操作来设置运动目的。具体而言，输入单元210包括由用户操作的操作单元，例如，杠杆或踏板，并且例如，操作条件设置单元242可以根据杠杆、踏板等的操作，设置手臂单元120的每个元件的位置或速度作为瞬时运动目的。

进一步，例如，操作条件设置单元242可以将存储在存储单元220内的运动目的设置为在全身协同控制的操作中使用的运动目的。例如，在用于使成像单元140在空间内的特定点停止的运动目的的情况下，特定点的坐标可以提前设置为运动目的。进一步，例如，在用于使成像单元140沿着在空间内的特定轨道移动的运动目的的情况下，表示特定轨道的点的坐标可以提前设置为运动目的。如上所述，在可以提前设置运动目的时，运动目的可以提前存储在存储单元220内。进一步，例如，在枢转运动的情况下，运动目的限于将圆锥体的平面中的位置、速度等设置为目标值，并且在动力辅助运动的情况下，运动目的限于将力量设置为目标值。如上所述，在提前设置运动(例如，枢转运动或动力辅助运动)的目的时，例如，与在运动目的中可以设置为瞬时运动目的的目标值的范围或类型相关的信息可以存储在存储单元220内。操作条件设置单元242可以包括与运动目的相关的各种类型的信息并且将其设置为运动目的。

进一步，用户可以例如根据机器人手臂设备10的目的适当地设置通过操作条件设置单元242设置运动目的的方法。进一步，操作条件设置单元242可以通过适当地组合以上方法来设置运动目的和约束条件。而且，运动目的的优先级可以设置为存储在存储单元220内的约束条件，并且在具有多个不同的运动目的时，操作条件设置单元242可以根据约束条件的优先级设置运动目的。操作条件设置单元242将手臂状态、设置的运动目的以及约束条件传送给虚拟力量计算单元243。

虚拟力量计算单元243使用广义逆动力，计算在与全身协同操作相关的操作中的虚拟力量。例如，由虚拟力量计算单元243执行的虚拟力量计算过程可以是上面在(6-2-2-1、虚拟力量计算过程)中描述的一系列过程。虚拟力量计算单元243将计算的虚拟力量f_v传输给实际力量计算单元244。

实际力量计算单元244使用广义逆动力，计算在与全身协同操作相关的操作中的实际力量。例如，由实际力量计算单元244执行的实际力量计算过程可以是上面在(6-2-2-2、实际力量计算过程)中描述的一系列过程。实际力量计算单元244将计算的实际力量τ_a传输给理想关节控制单元250。进一步，在本实施方式中，由实际力量计算单元244计算的生成力矩τ_a也称为“控制值”或“控制力矩值”，以表示在全身协同控制中的关节单元130的控制值。

理想关节控制单元250执行与理想关节控制相关的各种类型的操作，以基于理论模型实现理想响应。在本实施方式中，理想关节控制单元250校正干扰对由实际力量计算单元244计算的生成力矩τ_a的影响，并且计算力矩命令值τ，以实现手臂单元120的理想响应。由理想关节控制单元250执行的操作过程对应于上面在(6-2-3、理想关节控制)中描述的一系列过程。

理想关节控制单元250包括干扰估计单元251和命令值计算单元252。

干扰估计单元251基于从由旋转角检测单元133检测的旋转角q计算的旋转角速度和力矩命令值τ，来计算干扰估计值τ_d。在此处，力矩命令值τ表示命令值，其表示最终传输给机器人手臂设备10的手臂单元120的生成力矩。如上所述，干扰估计单元251具有对应于在图15示出的干扰观测器620的功能。

命令值计算单元252使用干扰估计单元251计算的干扰估计值τ_d计算用作命令值的力矩命令值τ，其表示由手臂单元120生成的力矩并且最终传输给机器人手臂设备10。具体而言，命令值计算单元252通过将由干扰估计单元251计算的干扰估计值τ_d加到从由等式(12)表示的关节单元130的理想模型计算的τ^ref中来计算力矩命令值τ。例如，在未计算干扰估计值τ_d时，力矩命令值τ用作力矩命令值τ^ref。如上所述，命令值计算单元252的功能对应于除了在图15示出的干扰观测器620的功能以外的功能。

如上所述，在理想关节控制单元250中，执行上面参考图15描述的一系列过程，使得在干扰估计单元251与命令值计算单元252之间重复交换的信息。理想关节控制单元250将计算的力矩命令值τ传输给机器人手臂设备10的驱动控制单元111。驱动控制单元111执行将对应于传输的力矩命令值τ的电流量供应给在关节单元130的致动器内的电机的控制，控制电机的转数，并且控制关节单元130的旋转角和生成力矩。

在根据本实施方式的机器人手臂控制系统1中，由于在使用手臂单元120执行任务的同时在机器人手臂设备10中连续执行手臂单元120的驱动控制，因此在机器人手臂设备10和控制装置20中重复执行上述过程。换言之，机器人手臂设备10的关节状态检测单元132检测关节单元130的状态，并且将关节单元130的检测状态传输给控制装置20。在控制装置20中，基于关节单元130的状态、运动目的以及约束条件，执行与用于控制驱动手臂单元120的全身协同控制和理想关节控制相关的各种类型的操作，并且将用作操作结果的力矩命令值τ传输给机器人手臂设备10。在机器人手臂设备10中，基于力矩命令值τ，控制驱动手臂单元120，并且由关节状态检测单元132检测在驱动期间或之后的关节单元130的状态。

故障检测单元260基于用于检测关节单元130的故障的各种信息，加测在关节单元130中发生的故障。在本文中，由于在上面<2、机器人手臂控制系统的功能配置>中详细描述故障检测单元260的功能，所以此时减少或省略详细描述。例如，关于由故障检测单元260检测的故障的信息提供给操作条件设置单元242或者存储在存储单元220。基于关于故障的信息，操作条件设置单元242根据故障的类型，确定由手臂单元120执行的操作(故障避免操作、部分功能暂停操作或功能暂停操作)，并且设置与所确定的操作对应的操作条件(例如，运动目的、约束条件以及内部模型)。通过使虚拟力量计算单元243和实际力量计算单元244基于通过这种方式设置的操作条件执行各种计算过程，计算控制值，以便实现所选择的故障避免操作、部分功能暂停操作或功能暂停操作枢转操作。

现在继续控制装置20的其他元件的描述。

输入单元210是输入接口，例如，用户通过该输入接口将与机器人手臂设备10的驱动控制相关的信息或命令输入控制装置20中。在本实施方式中，基于由用户从输入单元210输入的操作，可以控制机器人手臂设备10的手臂单元120的驱动，并且可以控制成像单元140的位置和姿势。具体而言，如上所述，在用户将从输入单元210中输入的与手臂驱动的指令相关的指令信息输入至操作条件设置单元242时，操作条件设置单元242可以基于指令信息设置在全身协同控制中的运动目的。如上所述，基于用户输入的指令信息，使用运动目的执行全身协同控制，从而实现根据用户的操作输入的手臂单元120的驱动。

具体而言，输入单元210包括由用户操作的操作单元，例如，鼠标、键盘、触控面板、按钮、开关、杠杆以及踏板。例如，在输入单元210包括踏板时，用户可以通过脚操作踏板来控制手臂单元120的驱动。因此，即使在用户使用双手在患者的医疗程序部位上执行治疗时，也可以通过脚操作踏板调整成像单元140的位置和姿势(即，医疗程序部位的拍摄位置或拍摄角度)。

存储单元220存储由控制装置20处理的各种信息块。在本实施方式中，存储单元220可以存储在与控制单元230执行的全身协同控制和理想关节控制相关的操作中使用的各种参数。例如，存储单元220可以存储在由全身协同控制单元240执行的与全身协同控制相关的操作中使用的运动目的、约束条件以及内部模型。例如，在存储单元220内存储的运动目的可以是可以提前设置的运动目的，使得成像单元140可以如上所述在空间内的特定点停止。进一步，约束条件可以由用户根据手臂单元120的几何配置、机器人手臂设备10的目的等提前设置并然后存储在存储单元220内。而且，存储单元220可以存储在手臂状态获取单元24获取手臂状态时使用的与手臂单元120相关的各种信息。此外，例如，存储单元220可以存储在与由控制单元230执行的理想关节控制和全身协同控制相关的操作中的操作结果以及在操作过程中计算的数值。如上所述，存储单元220可以存储与由控制单元230执行的各种过程相关的所有参数，并且控制单元230可以在向或从存储单元220传输或接收信息时执行各种过程。

上面描述了控制装置20的功能和配置。根据本实施方式的控制装置20可例如配置有各种信息处理装置(算术处理装置)，例如，个人电脑(PC)或服务器。接下来，描述显示装置30的功能和配置。

显示装置30通过各种格式(例如，文本或图像)在显示屏上显示各种信息，并且在视觉上通知用户该信息。在本实施方式中，显示装置30通过显示屏显示由机器人手臂设备10的成像单元140捕捉的图像。具体而言，显示装置30包括如下功能或元件：诸如对由成像单元140获取的图像信号执行各种图像处理的图像信号处理单元(未示出)，或者执行控制使得在显示屏上显示基于已处理的图像信号的图像的显示控制单元(未示出)。进一步，除了以上功能或元件，显示装置30还可以具有配备在一般显示装置内的各种功能和元件。显示装置30对应于在图11示出的显示装置550。

上面参考图16，描述了根据本实施方式的机器人手臂设备10、控制装置20以及显示装置30的功能和配置。每个以上元件可以使用通用部件或电路配置，并且可以由专用于每个元件的功能的硬件配置。进一步，元件的所有功能可以由CPU等执行。因此，在执行本实施方式时，要使用的配置根据技术水平适当地改变。

如上所述，根据本实施方式，在机器人手臂设备10内具有多链路结构的手臂单元120具有至少6个或更多个自由度，并且配置手臂单元120的多个关节单元130中的每个的驱动由驱动控制单元111控制。进一步，医疗设备安装在手臂单元120的前端。由于如上所述控制每个关节单元130的驱动，所以实现具有高自由度的手臂单元120的驱动控制，并且实现对于用户具有高可操作性的用于医疗用途的机器人手臂设备10。

更具体而言，根据本实施方式，在机器人手臂设备10中，关节单元130的状态由关节状态检测单元132检测。进一步，在控制装置20中，基于关节单元130的状态、运动目的以及约束条件，执行使用广义逆动力的与全身协同控制相关的各种操作以控制手臂单元120的驱动，并且计算用作操作结果的力矩命令值τ。而且，在机器人手臂设备10中，基于力矩命令值τ，控制手臂单元120的驱动。如上所述，在本实施方式中，通过使用广义逆动力的全身协同控制来控制手臂单元120的驱动。因此，实现根据力量控制的手臂单元120的驱动控制，并且实现对于用户具有高可操作性的机器人手臂设备。进一步，在本实施方式中，在全身协同控制中，例如，可以执行用于实施各种运动目的的控制以提高用户便利性，例如，枢转运动和动力辅助运动。而且，在本实施方式中，例如，实施用于手动或者通过从踏板输入的操作移动手臂单元120的各种驱动单元，从而进一步提高用户便利性。

进一步，在本实施方式中，全身协同控制和理想关节控制应用于手臂单元120的驱动控制中。在理想关节控制中，估计干扰分量，例如，在关节单元130中的摩擦或惯性，并且使用估计的干扰分量执行前馈控制。因此，即使在具有干扰分量(例如，摩擦)时，可以在关节单元130的驱动上实现理想响应。因此，在手臂单元120的驱动控制中，实现振动等的小影响、高精度响应性以及高定位精度或稳定性。

进一步，在本实施方式中，例如，配置手臂单元120的多个关节单元130中的每个具有适合于在图13示出的理想关节控制的配置，并且可以根据电流值，控制每个关节单元130的旋转角、生成力矩以及粘性阻力系数。如上所述，根据电流值，控制每个关节单元130的驱动，并且根据全身协同控制，控制每个关节单元130的驱动，同时检测手臂单元120的整个状态，因此，不需要平衡块，并且实现小机器人手臂设备10。

(6-2-5、运动目的的具体实例)

接下来，描述根据本实施方式的运动目的的具体实例。如上面在(6-2-4、机器人手臂控制系统的配置)中所述，在本实施方式中，由全身协同控制实现各种运动目的。在此处，作为根据本实施方式的运动目的的具体实例，描述动力辅助运动和枢转运动。在运动目的的具体实例的以下描述中，在图16示出的功能方框图中使用参考标号表示根据本实施方式的机器人手臂控制系统的元件。

动力辅助运动是用于控制关节单元130的状态使得作用在手臂单元120上的重力无效并且控制关节单元130的状态使得支持手臂单元120在从外面施加的力量的方向上的运动。具体而言，在用户用手移动手臂单元120时，动力辅助运动是控制手臂单元120的驱动的运动，使得支持用户施加的力量。更具体而言，为了实现动力辅助运动，首先，在除了重力以外没有力量作用在手臂单元120上的状态下，由力矩检测单元134检测外部力矩，并且设置瞬时运动目的，使得每个关节单元130生成使检测的外部力矩无效的生成力矩。在该阶段，手臂单元120的位置和姿势保持在特定状态中。当在该状态下从外面(例如，从用户身上)进一步施加外部力矩时，额外施加的外部力矩由力矩检测单元134检测，并且进一步设置瞬时运动目的，使得每个关节单元130生成在与检测的额外外部力矩相同的方向上的生成力矩。由于根据瞬时运动目的控制每个关节单元130的驱动，所以实现动力辅助运动。通过动力辅助运动，用户可以通过小力量移动手臂单元，从而用户可以具有在非重力状态下移动手臂单元120的感觉，并且提高用户对手臂单元120的可操作性。

枢转运动是转动运动，其中，在前端单元的方向固定在特定点的状态下，安装在手臂单元120的前端的前端单元在空间内在具有特定点作为顶点的圆锥体的平面上移动，并且圆锥体的轴用作枢轴。具体而言，在前端单元是成像单元140时，枢转运动是转动运动，其中，在成像单元140的拍摄方向固定在特定点的状态下，安装在手臂单元120的前端的成像单元140在空间内在具有特定点作为顶点的圆锥体的平面上移动，并且圆锥体的轴用作枢轴。作为对应于在枢转运动中的圆锥体的顶点的点，例如，选择医疗程序部位。进一步，在枢转运动中，可以在前端单元或成像单元140与对应于圆锥体的顶点的点之间的距离保持恒定的状态中，执行转动运动。进一步，由于前端单元的方向或成像单元140的拍摄方向固定在空间内的特定点(例如，医疗程序部位)，所以枢转运动也称为“点锁定运动”。

参考图17和图18，进一步详细描述枢转运动。图17是用于描述根据本公开的实施方式的作为手臂运动的具体实例的枢转运动的解释图。图18是用于描述用于实施在图17示出的枢转运动的运动目的和约束条件的解释图。

参考图17，在患者750身上的医疗程序部位在枢转运动中设置为顶点。顶点称为“枢轴点P_i”。在图17中，为了方便起见，在根据本实施方式的机器人手臂设备10中，示出用作与图16的成像单元140的单元对应的单元的成像单元713。如图17所示，在枢转运动中，可以设置运动目的和约束条件，使得成像单元713可以在圆锥体A的底部的圆周上移动，即，在成像单元713与枢轴点P_i之间的距离保持恒定的状态下，成像单元713在圆锥体A的平面内移动。进一步，用户可以适当地设置圆锥体A的形状，即，圆锥体A的顶点的角度θ或者在枢轴点P_i与成像单元713之间的距离。例如，在枢轴点P_i与成像单元713之间的距离调整为在成像单元713内的光学系统的焦距。由于应用枢转运动，所以可以通过不同的角度在相同的距离处观察医疗程序部位，从而可以提高进行手术的用户的便利性。

进一步，在枢转运动中，可以移动圆锥体的位置，其中，在枢轴点P_i固定的状态下，成像单元713如在圆锥体A和B中可移动。在图17示出的实例中，圆锥体A的枢轴与医疗程序部位基本上垂直，并且圆锥体B的枢轴与医疗程序部位基本上平行。如上所述，例如，可以设置运动目的和约束条件，使得在枢轴点P_i固定的状态下，用于执行枢转运动的圆锥体可以旋转90°，例如，圆锥体A和B。由于应用枢转运动，所以可以从更多方向观察医疗程序部位，从而可以进一步提高用户的便利性。

在图17示出的实例示出了以下实例：设置运动目的和约束条件，使得成像单元713可以在圆锥体A的底部的圆周上移动，但是根据本实施方式的枢转运动不限于该实例。例如，可以设置运动目的和约束条件，使得在枢轴点P_i的位置和圆锥体A和B的顶点的角度θ固定的状态中，在枢轴点P_i与成像单元713之间的距离可以自由地改变。由于应用枢转运动，所以在角度固定的状态中，可以改变在成像单元713与医疗程序部位之间的距离，从而例如可以根据用户的期望观察医疗程序部位，放大或者减小医疗程序部位，然后，通过适当地调整成像单元713的焦距(焦点)，观察放大或减小的医疗程序部位。

接下来，参考图18，详细描述用于实施在图17示出的枢转运动的运动目的和约束条件。参考图18，示出了以下实例：包括成像单元713的手臂单元710将枢轴点P_i用作基础点执行枢转运动。在图18中，描述在成像单元713与枢轴点P_i之间的距离保持恒定的枢转运动作为实例。手臂单元710包括多个关节单元711a、711b以及711c和多个链路712a、712b以及712c，并且根据本实施方式，根据全身协同控制和理想关节控制，控制手臂单元710的驱动。例如，手臂单元710及其元件具有与在图12示出的根据本实施方式的手臂单元420和元件相同的配置。

在此处，考虑用作手臂单元710的支撑点的原点O_A用作零点的手臂坐标系以及在空间内的原点O_S用作零点的空间坐标系。手臂单元710的运动由手臂坐标系管理。进一步，限定手臂坐标系和空间坐标系，使得这两个坐标系可以彼此转换。

从空间坐标系中观看的成像中心由P_w表示。进一步，在手臂坐标系中，相对连接成像单元713和链路712c的关节单元711c远离成像单元713的长度D和成像单元713的焦距f的位置被称为枢轴点P_i。

在该状态下，设置运动目的和约束条件，使得在枢轴点P_i与成像中心P_w匹配的状态下驱动手臂单元710。换言之，在空间坐标系中设置将在手臂坐标系中的枢轴点P_i固定至在空间坐标系中的成像中心P_w的约束。进一步，成像单元713位于具有作为定点的枢轴点P_i(即，成像中心P_w)的圆锥体的平面上的坐标或者成像单元713面向枢轴点P_i的成像单元713的位置设置为运动目的。由于在约束条件和运动目的下执行全身协同控制，所以即使在成像单元713的位置和姿势通过移动手臂单元710来改变时，成像单元713的方向始终朝着成像中心P_w(即，枢轴点P_i)，并且在成像单元713与成像中心P_w之间的距离保持为具有焦距f。因此，在成像单元713与成像中心P_w之间的距离保持恒定的状态中，实现枢转运动。在改变在成像单元713与成像中心P_w(或枢轴点P_i)之间的距离的同时执行枢转运动时，可取地改变枢轴点P_i的设置方法。具体而言，例如，在手臂坐标系中，可取地将通过成像单元713的长度D和任意距离远离关节单元711c的位置设置为枢轴点P_i，并且将任意距离用作可变参数。

进一步，可以使用枢转运动和动力辅助运动的组合。在使用枢转运动和动力辅助运动的组合时，例如，在用户用手移动成像单元140时，由于在非重力状态下移动成像单元140的感觉，所以用户可以通过小的力移动成像单元140，并且成像单元140的移动位置限于在圆锥体的平面内。因此，在枢转运动时，提高成像单元140的运动可操作性。

上面描述了枢转运动和动力辅助运动，作为根据本实施方式的运动目的的具体实例。根据本实施方式的运动目的不限于该实例。在本实施方式中，例如，还可以实现以下运动目的。

例如，成像单元140的坐标可以设置为运动目的，使得成像单元140的位置固定在某个位置。在这种情况下，例如，在力量从外面施加给出了手臂单元120的成像单元140以外的元件时，可以设置运动目的和约束条件，使得关节单元130和链路也固定在特定位置并且不移动，并且可以设置运动目的和约束条件，使得关节单元130和链路根据施加的外力移动，但是成像单元140的位置固定。在后一种情况下，例如，在手臂单元120干扰任务并且期望移动时，在由成像单元140捕捉的图像固定的状态中，实现控制移动手臂单元120的其他元件的位置和姿势的高自由度。

进一步，可以设置运动目的和约束条件，使得例如在驱动的同时手臂单元120检测到与人或者物体接触时立即实施手臂单元120的停止驱动的运动。通过执行这种运动，可以降低手臂单元120与个人或对象碰撞的风险。进一步，在手臂单元120与个人或对象接触时，例如，关节状态检测单元132可以根据施加给关节单元130的外力的变化，检测接触。

进一步，例如，可以设置运动目的，使得成像单元140沿着在空间内的特定轨道移动。具体而言，表示特定轨道的点的坐标可以设置为运动目的。通过如上所述设置运动目的，成像单元140的活动范围限于该轨道。进一步，通过将成像单元140的速度、成像单元140穿过点的时间等与表示轨道的点的坐标一起设置为运动目的，还可以执行自动驱动，通过该驱动，成像单元140在特定时间沿着特定轨道自动移动。根据这种运动设置的驱动控制例如在机器人手臂设备10反复自动执行特定任务时是有效的。

进一步，例如，可以设置运动目的和约束条件，使得实现防止手臂单元120进入在空间内的特定区域的运动。如上参考图11所述，在本实施方式中，用户在观看显示屏的同时进行手术。因此，如果手臂单元120位在用户与显示屏之间的区域内，则阻挡用户的视野，从而手术效率会降低。因此，例如，通过将在用户与显示屏之间的区域设置为手臂单元120的进入禁止区域，可以提高手术效率。

在此处，如上所述，在为手臂单元120设置进入禁止区域时，手臂单元120的自由度优选地大于6个自由度。这是因为在6个自由度之后的自由度可以用作冗余自由度，从而可以确保驱动6个自由度，同时处理进入禁止区域等。参考图19，详细描述包括具有比6个自由度更多的自由度的手臂单元的机器人手臂设备的配置。

图19是示出在根据本公开的实施方式的机器人手臂设备中具有冗余自由度的变形例的外观的示意图。在图19中示出与在图12限定的方向相同的坐标轴。

参考图19，根据本变形例的机器人手臂设备450包括基部单元460和手臂单元470。进一步，手臂单元470包括多个关节单元471a到471g、使关节单元471a到471g彼此连接的多个链路472a到472d、以及安装在手臂单元470的前端的成像单元473。在此处，在图19示出的机器人手臂设备450对应于以下配置：与上面参考图12描述的机器人手臂设备400相比，手臂单元470的自由度增加1。因此，基部单元460、每个关节单元471a到471g和链路472a到472d、以及成像单元473的功能和配置与上面参考图12描述的机器人手臂设备400的基部单元410、每个关节单元421a到421f和链路422a到422c、以及成像单元423的功能和配置相似，从而省略其详细描述。以下描述继续，针对用作与机器人手臂设备400的差异的手臂单元470的配置。

根据本实施方式的机器人手臂设备450包括7个关节单元471a到471g，并且关于手臂单元470的驱动，实现7个自由度。具体而言，链路472a的一端与基部单元460连接，并且链路472a的另一端通过关节单元421a与链路472b的一端连接。进一步，链路422b的另一端通过关节单元471b和471c与链路472c的一端连接。而且，链路472c的另一端通过关节单元471d和471e与链路472d的一端连接，并且链路472d的另一端通过关节单元471f和471g与成像单元473连接。如上所述，配置从基部单元460延伸的手臂单元470，使得基部单元460用作支撑点，并且多个链路472a到472d的端部通过关节单元471a到471g彼此连接。

进一步，如图19所示，安装关节单元471a、471c、471e以及471g，使得与其连接的链路472b到472d的长轴方向和与其连接的成像单元473的拍摄方向设置为旋转轴方向，并且安装关节单元471b、471d以及471f，使得用作与其连接的链路472c和472d和成像单元473的连接角度在y-z屏幕内改变的方向的x轴方向设置为旋转轴方向。如上所述，在本修改的实例中，关节单元471a、471c、471e以及471g具有执行偏航的功能，并且关节单元471b、471d以及471f具有执行俯仰的功能。

由于提供手臂单元470具有以上配置，所以在根据本实施方式的机器人手臂设备450中，关于手臂单元470的驱动，实现7个自由度，从而可以在手臂单元470的活动范围内的空间内自由移动成像单元473，并且提供冗余自由度。在图19中，与图12类似，示出了作为成像单元473的活动范围的实例的半球。在半球的中心点是由成像单元473拍摄的医疗程序部位的拍摄中心时，在成像单元473的拍摄中心固定至半球的中心点的状态中，可以通过在半球的球面上移动成像单元473，以不同的角度拍摄医疗程序部位。由于根据本实施方式的机器人手臂设备450具有1个冗余自由度，所以可以将成像单元473的运动限于手臂单元470的轨道和半球，并且还可以容易处理约束条件，例如，进入禁止区域。通过设置进入禁止区域，例如，可以控制驱动手臂单元470，使得手臂单元470不会位于在其上显示由成像单元473捕捉的图像的监视器与医师或工作人员之间，并且可以防止遮挡医师和工作人员观看监视器。进一步，由于设置进入禁止区域，所以可以控制驱动手臂单元470，使得手臂单元470移动，同时避免干扰(接触)医师和工作人员或周围的任何其他装置。

(6-3、机器人手臂控制方法的处理过程)

接下来，参考图20，描述根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程。图20是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程的流程图。利用通过在图16示出的机器人手臂控制系统1的配置实施根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法的实例继续以下描述。因此，根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法可以是医疗机器人手臂控制方法。进一步，在根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法的处理过程的以下描述中，上面在(6-2-4、机器人手臂控制系统的配置)中已经描述了在图16示出的机器人手臂控制系统1的相应元件的功能，从而省略其详细描述。

参考图20，在根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法中，首先，在步骤S801中，关节状态检测单元132检测关节单元130的状态。在此处，例如，关节单元130的状态表示在关节单元130中的旋转角、生成力矩和/或外部力矩。

然后，在步骤S803中，手臂状态获取单元241基于在步骤S801中检测的关节单元130的状态获取手臂状态。手臂状态表示手臂单元120的运动状态，并且可以是例如手臂单元120的每个元件的位置、速度或加速度、或作用在手臂单元120的每个元件上的力量。

然后，在步骤S805中，操作条件设置单元242基于在步骤S803中获取的手臂状态，设置用于在全身协同控制中操作的运动目的和约束条件。进一步，操作条件设置单元242可以不基于手臂状态设置运动目的，并且基于关于用户(例如)从输入单元210中输入的手臂单元120的驱动的指令信息设置运动目的，并且可以使用预先存储在存储单元220内的运动目的。而且，通过适当地组合以上方法，可以设置运动目的。而且，操作条件设置单元242可以使用预先存储在存储单元220内的约束条件。

然后，在步骤S807中，基于手臂状态、运动目的以及约束条件，执行使用广义逆动力的全身协同控制的操作，并且计算控制值τ_a。在步骤S807中的执行的过程可以是在图16示出的虚拟力量计算单元243和实际力量计算单元244中的一系列过程，即，上面在(6-2-2、广义逆动力)中描述的一系列过程。

然后，在步骤S809中，计算干扰估计值τ_d，使用干扰估计值τ_d，执行理想关节控制的操作，并且基于控制值τ_a，计算命令值τ。在步骤S809中执行的过程可以是在图16示出的理想关节控制单元250中的一系列过程，即，上面在(6-2-3、理想关节控制)中描述的一系列过程。

最后，在步骤S811中，驱动控制单元111基于命令值τ，控制驱动关节单元130。

上面参考图20，描述了根据本公开的实施方式的机器人手臂控制方法的处理程序。在本实施方式中，在使用手臂单元120执行任务的同时，重复执行在图20示出的步骤S801到步骤S811的过程。因此，在本实施方式中，连续进行手臂单元120的驱动控制，同时执行使用手臂单元120的任务。

(6-4、根据全身协同控制的机器人手臂设备的概述)

如上所述，在本实施方式中，可以获得以下效果。

如上所述，根据本实施方式，在机器人手臂设备10内具有多链路结构的手臂单元120具有至少6个或更多个自由度，并且配置手臂单元120的多个关节单元130中的每个的驱动由驱动控制单元111控制。进一步，医疗设备安装在手臂单元120的前端。由于如上所述控制每个关节单元130的驱动，所以实现具有高自由度的手臂单元120的驱动控制，并且实现对于用户具有高可操作性的用于医疗用途的机器人手臂设备10。

更具体而言，根据本实施方式，在机器人手臂设备10中，关节单元130的状态由关节状态检测单元132检测。进一步，在控制装置20中，基于关节单元130的状态、运动目的以及约束条件，执行与将广义逆动力用于控制驱动手臂单元120的全身协同控制相关的各种操作，并且计算用作操作结果的力矩命令值τ。而且，在机器人手臂设备10中，基于力矩命令值τ，控制手臂单元120的驱动。如上所述，在本实施方式中，使用广义逆动力的全身协同控制来控制手臂单元120的驱动。因此，实现根据力量控制的手臂单元120的驱动控制，并且实现对于用户具有高可操作性的机器人手臂设备。进一步，在本实施方式中，在全身协同控制中，例如，可以执行控制，用于实现用于提高用户方便性的各种运动目的，例如，枢转运动和动力辅助运动。而且，在本实施方式中，例如，实现用手或者通过从踏板输入的操作移动手臂单元120的各种驱动单元，从而进一步提高用户便利性。

进一步，在本实施方式中，全身协同控制和理想关节控制应用于手臂单元120的驱动控制中。在理想关节控制中，估计干扰分量，例如，在关节单元130中的摩擦或惯性，并且使用估计的干扰分量执行前馈控制。因此，即使在具有干扰分量(例如，摩擦)时，可以对关节单元130的驱动实现理想响应。因此，在手臂单元120的驱动控制中，实现振动等的小影响、高精度响应性以及高定位精度或稳定性。

进一步，在本实施方式中，例如，配置手臂单元120的多个关节单元130中的每个具有适合于在图13示出的理想关节控制的配置，并且可以根据电流值，控制每个关节单元130的旋转角、生成力矩以及粘性阻力系数。如上所述，根据电流值，控制每个关节单元130的驱动，并且根据全身协同控制，控制每个关节单元130的驱动，同时检测手臂单元120的整个状态，因此，不需要平衡块，并且实现小机器人手臂设备10。

如上所述，根据本实施方式，可以满足上面在(6-1、医疗机器人手臂设备的评述)描述的机器人手臂设备所需要的所有功能。因此，可以使用根据本实施方式的机器人手臂设备更有效地执行各种医疗程序，并且进一步减少用户或患者的疲劳或负担。

进一步，在本实施方式中，由于通过力量控制驱动机器人手臂设备10的手臂单元120，所以即使在驱动期间手臂单元120干扰或接触医师、工作人员等时，手臂单元120不生成大于必要的力量，并且手臂单元120安全地停止。而且，在解决干扰时，手臂单元120根据设置的运动目的移动到期望的位置，并且继续医疗程序。如上所述，在本实施方式中，由于力量控制用于驱动控制机器人手臂设备10，所以甚至在驱动的同时手臂单元120干扰附近的某个事物时，确保更高的安全性。

例如，以上实施方式示出了以下实例：机器人手臂设备的手臂单元的前端单元是成像单元，并且如图11所示，在手术期间，由成像单元拍摄医疗程序部位，但是本实施方式不限于该实例。甚至在包括不同的前端单元的机器人手臂设备用于另一个目的时，可以应用根据本实施方式的机器人手臂控制系统1。例如，前端单元可以是内窥镜或腹腔镜，并且可以是任何其他检查装置，例如，超声波检查设备或胃内照相机。

例如，对于使用胃内照相机的医疗程序，胃内照相机插入患者体内，并且使用单独插入的手术工具，执行各种程序，例如，钳子和外科电气工具，同时观察由胃内照相机拍摄的图片。通过这种医疗程序方法，如果在使用机器人手臂操作胃内照相机的同时，医师能够直接操作用于程序的工具，则例如个人能够执行医疗程序，启用更有效的医疗程序。然而，通过典型的现有平衡臂，从可操作性的角度来看，个人难以同时用手操作手术工具并且使用机器人手臂操作胃内照相机。因此，现有方法需要多个工作人员，并且通常让一个医师使用机器人手臂操作胃内照相机，同时另一个医师使用手术工具执行程序。然而，如上所述，通过根据本实施方式的机器人手臂设备，实现全身协同控制的高可操作性。此外，通过理性关节控制，实现具有更少效果(例如，振动)的高精度响应和高稳定性。因此，根据本实施方式，单个医师可以容易操作胃内照相机来通过机器人手臂设备观察，并且还用手操作手术工具。

进一步，根据本实施方式的机器人手臂设备可以用于除了医疗用途以外的目的。在根据本实施方式的机器人手臂设备中，由于通过理性关节控制实现高精度响应性和高稳定性，所以例如还可以处理必须通过高精度执行的任务，例如，处理或组装工业元件。

进一步，结合以下实例，描述了以上实施方式：机器人手臂设备的关节单元包括旋转机构，并且控制旋转机构的旋转驱动，使得控制手臂单元的驱动，但是本实施方式不限于该实例。例如，在根据本实施方式的机器人手臂设备中，配置手臂单元的链路可以具有在链路的延伸方向扩大或缩小的机构(例如，液压驱动机构或驱动滚珠螺杆的机构)，并且链路的长度可变。在链路的长度可变时，例如，控制手臂单元的驱动，使得期望的运动目的由全身协同控制实现，其中，除了在关节单元中旋转，还考虑扩大和缩小链路。

进一步，结合以下实例，描述了以上实施方式：在机器人手臂设备中的手臂单元的自由度是6个或更多个自由度，但是本实施方式不限于该实例。进一步，描述继续，具有以下实例：配置手臂单元的多个关节单元中的每个包括支持理想关节控制的致动器，但是本实施方式不限于该实例。在本实施方式中，可以根据机器人手臂设备的目的，可以设置各种运动目的。因此，只要可以实现设置的运动目的，手臂单元就可以具有不到6个自由度，并且配置手臂单元的多个关节单元中的一些可以是具有一般关节机构的关节单元。如上所述，在本实施方式中，手臂单元被配置成能够实现运动目的，或者可以根据机器人手臂设备的目的适当地配置。

<7、硬件配置>

接下来，参考图21，详细描述在图1和图16示出的根据本实施方式的机器人手臂设备10和控制装置20的硬件配置。图21是示出根据本公开的实施方式的机器人手臂设备10和控制装置20的硬件配置的示例性配置的方框功能图。

机器人手臂设备10和控制装置20主要包括CPU 901、ROM 903以及RAM 905。机器人手臂设备10和控制装置20进一步包括主机总线907、桥接器909、外部总线911、接口913、输入装置915、输出装置917、存储装置919、驱动器921、连接端口923以及通信装置925。

CPU 901用作算术处理装置和控制装置，并且根据记录在ROM 903、RAM 905、存储装置919或可移除存储介质927内的各种程序，控制机器人手臂设备10和控制装置20的所有或一些操作。ROM 903存储CPU 901使用的程序、操作参数等。RAM 905主要存储CPU 901使用的程序、在执行程序时适当地改变的参数等。上述元件由配置有内部总线(例如，CPU总线)的主机总线907彼此连接。CPU 901对应于例如在本实施方式中的在图16示出的关节控制单元135、手臂控制单元110以及控制单元230。

主机总线907通过桥接器909连接至外部总线911，例如，外围元件互连/接口(PCI)总线。进一步，输入装置915、输出装置917、存储装置919、驱动器921、连接端口923以及通信装置925通过接口913连接至外部总线911。

输入装置915是用户使用的操作单元，例如，鼠标、键盘、触控面板、按钮、开关、杠杆或踏板。例如，输入装置915可以是使用红外光或任何其他无线电波的遥控单元(所谓遥控器)，并且可以是外部连接装置929，例如，对应于机器人手臂设备10和控制装置20的操作的移动电话或PDA。进一步，例如，输入装置915配置有输入控制电路，该电路使用操作单元基于用户输入的信息生成输入信号，并且将输入信号输出给CPU 901。通过操作输入装置915，机器人手臂设备10和控制装置20的用户可以将各种数据输入机器人手臂设备10和控制装置20中，或者指导机器人手臂设备10和控制装置20执行处理操作。例如，输入装置915对应于在本实施方式中的在图16示出的输入单元210。进一步，在本实施方式中，在手臂单元120的驱动中的运动目的可以由用户通过输入装置915输入的操作设置，并且可以根据运动目的，执行全身协同控制。

输出装置917配置有能够在视觉上或听觉上通知用户获取的信息的装置。作为这种装置，具有显示装置(例如，CRT显示装置、液晶显示装置、等离子体显示装置、EL显示装置或灯具)、音频输出装置(例如，扬声器或头戴式耳机)、打印机装置等。例如，输出装置917输出由机器人手臂设备10和控制装置20执行的各种过程所获得的结果。具体而言，显示装置显示由机器人手臂设备10和控制装置20执行的各种过程所获得的结果。同时，音频输出装置将包括再现的音频数据、声学数据等的音频信号转换成模拟信号，并且输出模拟信号。在本实施方式中，可以通过所有形式，从输出装置917输出与手臂单元120的驱动控制相关的各种信息。例如，在手臂单元120的驱动控制中，可以通过图形的形式，在输出装置917的显示屏上显示手臂单元120的每个元件的运动轨道。进一步，例如，在图16示出的显示装置30可以是包括用作显示装置的输出装置917和元件(例如，用于控制驱动显示装置的控制单元)的功能和配置的装置。

存储装置919是数据存储装置，其被配置成机器人手臂设备10和控制装置20的示例性存储单元。例如，存储装置919配置有磁存储单元装置(例如，硬盘驱动器(HDD))、半导体存储装置、光学存储装置、磁光存储装置等。存储装置919存储CPU 901执行的程序、各种数据等。例如，在本实施方式中，存储装置919对应于在图1和图6示出的存储单元220。进一步，在本实施方式中，存储装置919可以使用广义逆动力在与全身协同控制相关的操作中存储操作条件(运动目的和约束条件)，并且机器人手臂设备10和控制装置20可以使用存储在存储装置919内的操作条件，执行与全身协同控制相关的操作。

驱动器921是记录介质读取器/写入器，并且安装在或者连接至机器人手臂设备10和控制装置20。驱动器921读取存储在安装在其上的可移除存储介质927内的信息，例如，磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器，并且将读取的信息输出给RAM 905。进一步，驱动器921可以在安装在其上的可移除存储介质927内写入记录，例如，磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器。例如，可移除存储介质927是DVD介质、HD-DVD介质、蓝光光碟(注册商标)介质等。进一步，可移除存储介质927可以是小型快速闪存卡(CF)(注册商标)、闪速存储器、安全数字(SD)记忆卡等。而且，例如，可移除存储介质927可以是装有非接触式IC芯片的集成电路(IC)卡、电子装置等。在本实施方式中，与手臂单元120的驱动控制相关的各种信息通过驱动器921从各种可移除存储介质927中读取或者写入各种可移除存储介质927内。

连接端口923是用于使装置与机器人手臂设备10和控制装置20直接连接的端口。作为连接端口923的一个实例，具有通用串行总线(USB)端口、IEEE1394端口、小型计算机系统接口(SCSI)端口等。作为连接端口923的另一个实例，具有RS-232C端口、光学音频终端、高清晰多媒体接口(HDMI)(注册商标)等。由于外部连接装置929连接至连接端口923，所以机器人手臂设备10和控制装置20从外部连接装置929中直接获取各种数据，或者将各种数据提供给外部连接装置929。在本实施方式中，与手臂单元120的驱动控制相关的各种信息通过连接端口923从各种外部连接装置929中读取或者写入各种外部连接装置929内。

例如，通信装置925是配置有用于与通信网络(网络)931连接的通信装置的通信接口。例如，通信装置925是用于无线或有线局域网(LAN)、蓝牙(注册商标)或无线USB(WUSB)的通信卡。进一步，通信装置925可以是光学通信路由器、非对称数字用户线(ADSL)路由器、各种通信调制解调器等。例如，通信装置925可以将信号传输给互联网或另一个通信装置或者从其中接收信号，例如，根据某个协议，例如，TCP/IP。例如，在本实施方式中，通信装置925对应于在图2示出的通信单元150和270。进一步，连接至通信装置925的通信网络931配置有通过有线或无线的方式连接的网络，并且可以是例如互联网、本地LAN、红外线通信、无线电波通信、卫星通信等。在本实施方式中，通过通信装置925，可以在机器人手臂设备10的每个关节单元130和控制装置20之间传输和接收用于检测故障的各种信息以及与手臂单元120的驱动控制相关的各种信息。此外，通过通信网络931，可以由具有其他外部设备的通信装置925双向传输和接收与手臂单元120的驱动控制相关的各种信息。

上面描述了根据本公开的实施方式的能够实现机器人手臂设备10和控制装置20的功能的硬件配置。每个以上元件可以使用通用部件配置，并且可以由专用于每个元件的功能的硬件配置。因此，在执行本实施方式时，根据技术水平，要使用的硬件配置可以适当地改变。进一步，虽然在图21未示出，但是机器人手臂设备10明显包括对应于在图1和图6示出的手臂单元120的各种元件。

进一步，可以创建计算机程序，用于实现根据本实施方式的机器人手臂设备10、控制装置20以及显示装置30的功能，并且将计算程序安装在个人电脑等内。而且，还可以提供存储计算机程序的计算机可读记录介质。记录介质的实例包括磁盘、光盘、磁光盘以及闪速存储器。进一步，例如，可以通过网络传送计算机程序，而不使用记录介质。

<8、补充>

上面参考附图，描述了本公开的优选实施方式，而本公开当然不限于以上实例。本领域的技术人员可以找出在所附权利要求的范围内的各种变更和修改，并且应理解的是，这些变更和修改自然在本公开的技术范围之下。

此外，在本说明书中描述的效果仅仅是说明性和演示性的，而非限制性的。换言之，连同或者代替基于本说明书的效果，根据本公开的技术还可以显示对于本领域的技术人员显而易见的其他效果。

此外，还可以如下配置本技术。

(1)一种机器人手臂设备，包括：

手臂单元，其由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成；以及

驱动控制单元，其通过控制所述关节单元的驱动来驱动所述手臂单元，其中，

如果在至少一个关节单元内检测到故障，则所述驱动控制单元在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元，以避免故障。

(2)根据(1)所述的机器人手臂设备，其中，

基于响应于因所述手臂单元的接触提供给外部对象的压紧力而在所述关节单元内生成的力矩，检测所述关节单元的故障，并且

所述驱动控制单元相对于所述手臂单元的运动将压紧力限制为特定范围的状态下控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元。

(3)根据(2)所述的机器人手臂设备，其中，

所述压紧力是通过设置在所述手臂单元的前端上的前端单元提供给外部对象的力量。

(4)根据(3)所述的机器人手臂设备，进一步包括：

传感器，其检测作用在所述前端单元上的力量，其中，

基于响应于作用在前端单元上的力量而在所述关节单元内生成的力矩以及由所述传感器检测的力量，检测所述关节单元的故障。

(5)根据(1)所述的机器人手臂设备，其中，

基于所述关节单元的旋转角，检测所述关节单元的故障，并且

所述驱动控制单元在相对于所述手臂单元的运动将所述关节单元的旋转角限制为特定范围的状态下控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元。

(6)根据(1)所述的机器人手臂设备，其中，

基于所述关节单元的旋转角速度，检测所述关节单元的故障，并且

所述驱动控制单元在相对于所述手臂单元的运动将所述关节单元的旋转角速度限制为特定范围的状态下控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元。

(7)根据(1)到(6)中任一项所述的机器人手臂设备，其中，

所述关节单元包括检测所述关节的状态的关节状态检测单元，并且

基于由所述关节状态检测单元检测的关节单元的状态，确定所述关节单元的故障。

(8)根据(7)所述的机器人手臂设备，其中，

所述关节单元的状态包括在为驱动所述关节单元而设置的致动器中的电机的旋转角、输出轴的旋转角、输出轴的力矩、供应给电机的电流以及电机的环境温度中的至少一个。

(9)根据(1)到(8)中任一项所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元根据在所述关节单元内检测的故障类型，通过执行以下操作中的一个操作的方式，控制所述关节单元的驱动：

故障避免操作，其在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下，控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元，以避免故障，

部分功能暂停操作，其控制除了检测到故障的关节单元以外的一个或多个关节单元的驱动，并且在所述手臂单元的更低自由度的状态下驱动所述手臂单元，以及

功能暂停操作，其中，锁定构成所述手臂单元的一个或多个关节单元的全部的运动。

(10)根据(1)到(9)中任一项所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元根据基于所检测的多个关节单元的状态获取的手臂单元的状态，控制所述关节单元的驱动。

(11)根据(10)所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元基于所述手臂单元的状态和用于所述手臂单元的协同控制的控制值，控制所述关节单元的驱动，所述控制值基于运动的目的和所述手臂单元的约束条件。

(12)根据(11)所述的机器人手臂设备，其中，

基于作为用于在描述作用在所述手臂单元上的力量与在所述手臂单元内产生的加速度之间的关系的操作空间内实现运动目的的虚构力量的虚拟力量、并且还基于通过基于约束条件将所述虚拟力量转换成用于驱动所述关节单元的真实力量所计算的实际力量，来计算所述控制值。

(13)根据(11)所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元基于通过校正干扰对控制值的影响所计算的命令值，来控制所述关节单元的驱动。

(14)根据(13)所述的机器人手臂设备，其中，

通过使用基于所检测的所述关节单元的状态估计的表示干扰对所述关节单元的驱动的影响的干扰估计值，校正所述控制值，来计算所述命令值。

(15)根据(11)到(14)中任一项所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元控制所述关节单元的驱动，以产生补偿作用在所述手臂单元上的重力的力量以及支持所述手臂单元在从外面额外提供的力量的方向上的运动的力量。

(16)根据(11)到(14)中任一项所述的机器人手臂设备，其中，

通过设置于所述手臂单元的前缘的前缘单元执行在将真实空间内的特定点用作圆锥体的顶点的圆锥体的表面之上移动的枢转操作的方式，所述驱动控制单元控制所述关节单元的驱动。

(17)根据(16)所述的机器人手臂设备，其中，

在枢转操作中，在所述前端单元与所述某个点之间的距离保持恒定。

(18)根据(1)到(17)中任一项所述的机器人手臂设备，其中，

所述机器人手臂是用于医疗用途的机器人手臂，其中，至少一个医疗工具设置于所述手臂单元上。

(19)一种机器人手臂控制方法，包括：

在由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成的手臂单元中，检测至少一个关节单元内的故障；并且

在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下，控制所述关节单元的驱动并且驱动所述手臂单元，以避免故障。

(20)一种使计算机的处理器实现以下功能的程序：

在由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成的手臂单元中检测至少一个关节单元内的故障的功能；以及

在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下控制所述关节单元的驱动并且驱动所述手臂单元以避免故障的功能。

符号说明

1、2 机器人手臂控制系统

10 机器人手臂设备

20 控制装置

30 显示装置

110 手臂控制单元

111 驱动控制单元

120 手臂单元

130 关节单元

131 关节驱动单元

132 旋转角检测单元

133 力矩检测单元

135 关节控制单元

140 成像单元

145 前端单元

180 致动器

210 输入单元

220 存储单元

230 控制单元

240 全身协同控制单元

241 手臂状态获取单元

242 操作条件设置单元

243 虚拟力量计算单元

244 实际力量计算单元

250 理想关节控制单元

251 干扰估计单元

252 命令值计算单元

260 故障检测单元。

Claims (20)

1.一种机器人手臂设备，包括：

手臂单元，由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成；以及

驱动控制单元，通过控制所述关节单元的驱动来驱动所述手臂单元，其中，

如果在至少一个所述关节单元内检测到故障，则所述驱动控制单元在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元，以避免故障。

2.根据权利要求1所述的机器人手臂设备，其中，

基于响应于因所述手臂单元的接触提供给外部对象的压紧力而在所述关节单元内生成的力矩，来检测所述关节单元的故障，并且

所述驱动控制单元在相对于所述手臂单元的运动将所述压紧力限制为特定范围的状态下，控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元。

3.根据权利要求2所述的机器人手臂设备，其中，

所述压紧力是由设置在所述手臂单元的前端上的前端单元提供给外部对象的力量。

4.根据权利要求3所述的机器人手臂设备，进一步包括：

传感器，检测作用在所述前端单元上的力量，其中，

基于响应于作用在所述前端单元上的力量而在所述关节单元内生成的力矩以及由所述传感器检测的力量，检测所述关节单元的故障。

5.根据权利要求1所述的机器人手臂设备，其中，

基于所述关节单元的旋转角，检测所述关节单元的故障，并且

所述驱动控制单元在相对于所述手臂单元的运动将所述关节单元的旋转角限制为特定范围的状态下，控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元。

6.根据权利要求1所述的机器人手臂设备，其中，

基于所述关节单元的旋转角速度，检测所述关节单元的故障，并且

所述驱动控制单元在相对于所述手臂单元的运动将所述关节单元的旋转角速度限制为特定范围的状态下，控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元。

7.根据权利要求1所述的机器人手臂设备，其中，

所述关节单元包括检测所述关节单元的状态的关节状态检测单元，并且

基于由所述关节状态检测单元检测的所述关节单元的状态，检测所述关节单元的故障。

8.根据权利要求7所述的机器人手臂设备，其中，

所述关节单元的状态包括在为驱动所述关节单元而设置的致动器中的电机的旋转角、输出轴的旋转角、输出轴的力矩、供应给电机的电流以及电机的环境温度中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元根据在所述关节单元内检测到的故障类型，通过执行以下操作中的一个操作的方式，来控制所述关节单元的驱动：

故障避免操作，在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元，以避免故障，

部分功能暂停操作，控制除了检测到故障的所述关节单元以外的一个或多个所述关节单元的驱动，并且在所述手臂单元的降低自由度的状态下，驱动所述手臂单元，以及

功能暂停操作，其中，锁定构成所述手臂单元的所有一个或多个所述关节单元的运动。

10.根据权利要求1所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元基于所述手臂单元的状态控制所述关节单元的驱动，所述手臂单元的状态是基于检测的多个所述关节单元的状态获取的。

11.根据权利要求10所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元基于所述手臂单元的状态和用于所述手臂单元的协同控制的控制值，来控制所述关节单元的驱动，所述控制值基于所述手臂单元的运动目的和约束条件。

12.根据权利要求11所述的机器人手臂设备，其中，

基于作为用于在操作空间内实现运动目的的虚构力量的虚拟力量、并且还基于通过根据所述约束条件将所述虚拟力量转换成用于驱动所述关节单元的真实力量所计算的实际力量，来计算所述控制值，所述操作空间描述作用在所述手臂单元上的力量与在所述手臂单元内产生的加速度之间的关系。

13.根据权利要求11所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元基于通过校正干扰对所述控制值的影响所计算的命令值，来控制所述关节单元的驱动。

14.根据权利要求13所述的机器人手臂设备，其中，

通过使用表示干扰对所述关节单元的驱动的影响的干扰估计值校正所述控制值，来计算所述命令值，所述干扰估计值是基于所检测的所述关节单元的状态来估计的。

15.根据权利要求11所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元控制所述关节单元的驱动，以产生补偿作用在所述手臂单元上的重力的力量以及支持所述手臂单元在从外面额外提供的力量的方向上的运动的力量。

16.根据权利要求11所述的机器人手臂设备，其中，

所述驱动控制单元通过设置于所述手臂单元的前端的前端单元执行在圆锥体的表面上移动的枢转操作的方式来控制所述关节单元的驱动，其中，将真实空间内的特定点用作所述圆锥体的顶点。

17.根据权利要求16所述的机器人手臂设备，其中，

在所述枢转操作中，在所述前端单元与所述特定点之间的距离保持恒定。

18.根据权利要求1所述的机器人手臂设备，其中，

所述机器人手臂是至少一个医疗工具设置于所述手臂单元上的用于医疗用途的机器人手臂设备。

19.一种机器人手臂控制方法，包括：

在由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成的手臂单元中，检测至少一个所述关节单元内的故障；并且

在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下，控制所述关节单元的驱动，并且驱动所述手臂单元，以避免故障。

20.一种程序，用于使计算机的处理器实现以下功能：

在由通过一个或多个关节单元彼此连接的多个链路构成的手臂单元中检测至少一个所述关节单元内的故障的功能；以及

在对所述手臂单元的运动施加特定限制的状态下控制所述关节单元的驱动并且驱动所述手臂单元以避免故障的功能。