CN106456262A - 医疗用机械手的控制方法 - Google Patents

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CN106456262A CN201580030100.1A CN201580030100A CN106456262A CN 106456262 A CN106456262 A CN 106456262A CN 201580030100 A CN201580030100 A CN 201580030100A CN 106456262 A CN106456262 A CN 106456262A
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Abstract

一种医疗用机械手的控制方法，根据来自操作部的操作输入使马达进行旋转，由此对被驱动部进行驱动，其中，该控制方法包括以下步骤：第1步骤，在产生了操作输入时进行试驱动，对马达的温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，根据评价出的绕组电阻的变化来设定马达的驱动条件；以及第2步骤(S9)，根据第1步骤中设定的马达的驱动条件，进行与操作输入对应的驱动。

Description

医疗用机械手的控制方法
技术领域
本发明涉及医疗用机械手的控制方法。本申请根据2014年6月20日在日本申请的日本特愿2014-127253号主张优先权，并将其内容引用于此。
背景技术
以往，公知有如下的医疗用机械手：例如，经由线等驱动力传递部件传递多个马达的驱动力，由此对前端的关节或末端执行器等进行驱动。
例如，如内窥镜或贯穿插入到内窥镜的处置器械通道中使用的处置用机械手等那样，这种医疗用机械手大多在患者的体内进行使用。
因此，贯穿插入有驱动力传递部件的插入部弯曲成各种形状，由此，根据操作方向等，驱动负荷不同。其结果，即使以相同的驱动条件对各马达进行驱动，也产生前端部的动作与预想的动作不同的情况。
作为这种医疗用机械手，例如，在专利文献1中记载了包含内窥镜的机械手系统。在该机械手系统的内窥镜中，通过检测对弯曲块进行驱动的线的张力值，求出负荷量，根据基于该负荷量预测到的弯曲状态，对马达的控制参数进行变更。
专利文献1中的控制参数例如是“观察用/处置用从机械手的示教数据、主从比例、灵敏度等”。
例如，在专利文献1所记载的机械手系统中，记载了将示教数据即马达目标角度θ1变更为加上对表示内窥镜的弯曲状态的变量ε乘以常数D的值而得到的马达目标角度θ2。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5085684号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述现有的医疗用机械手的控制方法中存在以下这种课题。
例如，在专利文献1所记载的技术中，关于马达的负荷量，在由于驱动力传递部件的弯曲状态而使示教数据和动作量偏移的情况下，能够对该偏移量进行校正，但是，前提在于马达自身准确进行动作而与负荷量无关。
但是，当驱动负荷增大时，马达的功耗提高，所以，马达的发热量增大。因此，马达的绕组温度上升，绕组电阻增大。在医疗用机械手中广泛使用的DC马达中，驱动电力恒定，当绕组电阻增大时，旋转速度降低。
因此，由于负荷量而使马达的旋转速度降低，由此，存在被驱动部的响应时间延迟的问题。并且，在通过多个马达使被驱动部进行协调动作的情况下，由于每个马达的被驱动部的响应时间产生偏差，所以，协调动作紊乱。
在医疗用机械手中，由于大多用于外科手术等，所以，当被驱动部的响应时间延迟时，妨碍手术医生的顺畅的手术。并且，当被驱动部的协调动作紊乱时，例如，在多自由度的关节机器人等中，可能产生预想不到的屈曲状态，可能与其他处置器械产生非预期的干涉等。
特别是在近年来的DC马达中，PWM(Pulse Width Modulation；脉冲宽度调制)的输出频率例如高速化到500kHz左右。这意味着驱动电压变动中的PWM信号误差(脉冲宽度误差)的影响相对提高，在使用多个马达的情况下，负荷量的差和马达的个体差的影响均增大。
本发明是鉴于上述这种课题而完成的，其目的在于，提供即使负荷量变化也能够使马达准确且迅速地进行动作的医疗用机械手的控制方法。
用于解决课题的手段
本发明的第一方式的医疗用机械手的控制方法根据来自操作部的操作输入使马达进行旋转，由此对被驱动部进行驱动，其中，所述控制方法包括以下步骤：第1步骤，在产生了所述操作输入时进行试驱动，对所述马达的温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，根据评价出的绕组电阻的变化来设定所述马达的驱动条件；以及第2步骤，根据所述第1步骤中设定的所述马达的驱动条件，进行与所述操作输入对应的驱动。
本发明的第二方式也可以是，在第一方式的医疗用机械手的控制方法中，在所述第1步骤中，检测所述试驱动时的马达的消耗电流、平均施加电压和旋转速度，根据这些检测值求出驱动时的绕组电阻的评价值，测定所述试驱动时的旋转开始电流，设定高于所述旋转开始电流的驱动电流，根据所述绕组电阻的评价值和所述驱动电流，计算用于进行驱动的PWM信号的占空比，由此设定所述马达的驱动条件。
本发明的第三方式也可以是，在第一或第二方式的医疗用机械手的控制方法中，在所述医疗用机械手具有多个所述马达的情况下，在所述第1步骤中，对所述试驱动时的负荷量进行评价，为了减少所述马达间的驱动结束时刻的偏差，从所述负荷量大的马达起依次按照每个所述马达设定开始驱动的驱动开始时刻，作为所述马达的驱动条件。
本发明的第四方式也可以是，在第三方式的医疗用机械手的控制方法中，在所述第1步骤中，根据所述试驱动时的消耗电流对所述负荷量进行评价。
发明效果
根据本医疗用机械手的控制方法，在产生了操作输入时进行试驱动，对温度上升所引起的马达的绕组电阻的变化进行评价，根据评价出的绕组电阻的变化来设定马达的驱动条件，所以，发挥即使负荷量变化也能够使马达准确且迅速地进行动作的效果。
附图说明
图1是示出具有通过本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手的医疗用机械手系统的结构的示意性系统结构图。
图2是示出通过本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手的前端部的外观的示意性立体图。
图3是通过本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手和医疗用机械手系统的主要部的示意性结构图。
图4是示出实现本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法的从控制部的主要部分的功能结构的功能框图。
图5是示出本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法的流程的流程图。
图6是示出本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法中的驱动条件计算式的一例的示意性曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
首先，对包含使用本实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手的医疗用机械手系统进行说明。
图1是示出具有通过本实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手的医疗用机械手系统的结构的示意性系统结构图。
使用本实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手1组入用于进行医疗处置的医疗用机械手系统中。
首先，对组入了医疗用机械手1的医疗用机械手系统的结构进行说明。
图1中示出主从方式的医疗用机械手系统M的一例。主从方式的医疗用机械手系统是具有由主臂和从臂构成的2种臂、并对从臂进行远程控制以使其追随于主臂的动作的系统。在本实施方式中，能够在该从臂上装配医疗用机械手1。
图1所示的医疗用机械手系统M具有手术台100、从臂200a、200b、200c、200d、从控制部400、主臂500a、500b(操作部)、操作部600、输入处理部700、图像处理部800、操作者用显示器900a、助手用显示器900b。
下面，为了简化记载，有时如“Xa～Xz”那样表示字母表顺序的标号“Xa、Xb、…、Xz”。例如，有时将“从臂200a、200b、200c、200d”表示为“从臂200a～200d”。
手术台100是载置作为观察/处置对象的患者P的台子。在手术台100的附近设置有多个从臂200a～200d。另外，也可以将从臂200a～200d设置在手术台100上。
各从臂200a～200d构成为分别具有多个多自由度关节，通过使各多自由度关节弯曲，相对于载置在手术台100上的患者P，对装配在从臂200a～200d的远位端侧(设为朝向患者P的体腔的一侧)的医疗用机械手1、医疗用机械手240a～240c等进行定位。各多自由度关节通过未图示的动力部单独进行驱动。作为动力部，例如可以使用具备伺服机构的马达，其动作控制由从控制部400来进行，所述伺服机构具有增量编码器或减速器等。
医疗用机械手1或其他医疗用机械手240a～240c可以是硬性的，也可以是软性的。即，医疗用机械手1或其他医疗用机械手240a～240c可以适当选择采用通过硬质棒的推拉而使用于对活体进行处置的工作体进行动作的形式、或通过软性线的牵引而使用于对活体进行处置的工作体进行动作的形式。另外，在医疗用机械手1或其他医疗用机械手240a～240c为硬性的情况下，也可以具有通过软性线的牵引而使其工作体进行动作的结构。在本实施方式中，医疗用机械手1具有通过软性线将用于使工作体进行动作的驱动力传递到工作体的结构。
在图1中，例如插入到患者P的腹腔内的医疗用机械手240a～240c是硬性的，例如从口等患者的自然开口经由消化道等导入到体内的医疗用机械手1是软性的。
从控制部400构成为例如具有CPU或存储器等。从控制部400存储用于进行从臂200a～200d的控制的规定程序，根据来自输入处理部700的控制信号，对从臂200a～200d或医疗用机械手1或其他医疗用机械手240a～240c的动作进行控制。即，从控制部400根据来自输入处理部700的控制信号，确定由操作者Op操作的主臂的操作对象的从臂(或医疗用机械手1)，运算使所确定的从臂等进行与操作者Op的主臂的操作量对应的动作所需要的驱动量。
然后，从控制部400根据计算出的驱动量对主臂的操作对象的从臂等的动作进行控制。此时，从控制部400向对应的从臂输入驱动信号，并且，根据基于对应的从臂的动作而从动力部的位置检测器输入的检测信号，对驱动信号的大小和极性进行控制，以使得操作对象的从臂的驱动量成为目标驱动量。
主臂500a、500b由多个连杆机构构成。在构成连杆机构的各连杆上设置有例如增量编码器等位置检测器。通过该位置检测器检测各连杆的动作，由此在输入处理部700中检测主臂500a、500b的操作量。
作为主臂500a、500b的连杆机构，例如可以举出用于对医疗用机械手1中的可动部的位置和姿势进行操作的多关节的连杆、进行开闭动作以对处置器械的把持动作的开闭角度进行操作的连杆。
图1所示的医疗用机械手系统M使用2条主臂500a、500b对4条从臂进行操作，需要适当切换主臂的操作对象的从臂。例如通过操作者Op对操作部600的操作来进行这种切换。当然，如果通过使主臂的条数和从臂的条数成为相同数量而使操作对象一对一对应，则不需要这种切换。
操作部600具有用于切换主臂500a、500b的操作对象的从臂的切换按钮、对主从的动作比率进行变更的比例变更开关、用于使系统紧急停止的脚踏开关等各种操作部件。在通过操作者Op对构成操作部600的任意一个操作部件进行操作的情况下，与对应的操作部件的操作对应的操作信号从操作部600输入到输入处理部700。
输入处理部700对来自主臂500a、500b的操作信号(操作输入)和来自操作部600的操作信号进行解析，根据操作信号的解析结果，生成用于对医疗用机械手系统M进行控制的控制信号并将其输入到从控制部400。
图像处理部800实施用于显示从从控制部400输入的图像信号的各种图像处理，生成操作者用显示器900a、助手用显示器900b中的显示用的图像数据。操作者用显示器900a和助手用显示器900b例如由液晶显示器构成，显示基于图像数据的图像，该图像数据根据经由观察器具取得的图像信号而在图像处理部800中生成。
在如上所述构成的医疗用机械手系统M中，当操作者Op对主臂500a、500b进行操作时，对应的从臂和安装在该从臂上的医疗用机械手1或其他医疗用机械手240a～240c对应于主臂500a、500b的动作而进行动作。由此，能够对患者P进行期望的手术。
另外，在图1中，标号220a、220b、220c、220d表示手术用动力传递转接器。手术用动力传递转接器220a、220b、220c分别连接从臂200a、200b、200c和硬性的医疗用机械手240a、240b、240c。手术用动力传递转接器220d连接从臂200d和软性的医疗用机械手1。
并且，在本实施方式中，在医疗用机械手系统M中安装有用于区分进行灭菌处理的部位(清洁域)和不进行灭菌处理的部位(不洁域)的幕帘300。
接着，对医疗用机械手1进行说明。
图2是示出通过本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手的前端部的外观的示意性立体图。图3是通过本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法控制的医疗用机械手和医疗用机械手系统的主要部分的示意性结构图。图4是示出实现本发明的实施方式的医疗用机械手的控制方法的从控制部的主要部分的功能结构的功能框图。
另外，下面，如果没有特别说明，则设医疗用机械手1组入医疗用机械手系统M中的状态下朝向患者P的体腔的一侧为医疗用机械手1的远位侧、医疗用机械手1中在远离患者P的一侧与医疗用机械手系统M连接的连接部分侧为医疗用机械手1的近位侧来进行说明。
如图2所示，医疗用机械手1具有用于插入到患者P的体内的长条部件即内窥镜机械手11(医疗用机械手)、贯穿插入到内窥镜机械手11的内部的机械手处置器械20(医疗用机械手)。
内窥镜机械手11从近位端朝向远位端依次具备具有挠性的管状的插入部11C(参照图1)、例如具有节轮或弯曲块等的公知的弯曲部11B、以及由圆柱状的硬质材料形成的前端部11A。
在通过操作部600切换为操作对象时，通过针对主臂500a、500b的操作输入使弯曲部11B弯曲，能够变更前端部11A的朝向。
作为使弯曲部11B弯曲的机构，例如可以采用如下公知的结构：贯穿插入到节轮或弯曲块的内周面，使固定在前端部11A上的驱动线贯穿插入到插入部11C内，利用近位端侧的驱动马达等进行牵引。
内窥镜机械手11单体也成为医疗用机械手，能够应用本实施方式的控制方法。
在插入部11C和弯曲部11B的内部设置有将机械手处置器械20等处置器械送至处置部位附近的路径即处置器械通道16。
处置器械通道16的基端部(近位端侧)省略了图示，但是，设置有用于插入机械手处置器械20的插入口。
处置器械通道16由挠性的管状部件形成，该管状部件至少具有能够供机械手处置器械20贯穿插入的内径。如图2所示，处置器械通道16的前端部16b在轴向上贯通前端部11A，与在前端部11A的前端面11a开口的贯通孔部12的基端侧连接。
如图2所示，观察部15是用于对处置对象部位进行观察的装置，具有公知的摄像机构13和照明机构14。
摄像机构13和照明机构14配置在前端部11A的内部，省略图示的电气布线或光纤贯穿插入到弯曲部11B和插入部11C的内部，与从控制部400中的电路和光源连结。
摄像机构13和照明机构14在前端部11A的前端面11a分别具有光学开口窗，通过该开口窗，能够接收前端部11A的前方的外光并且向前方出射照明光。
机械手处置器械20是医疗用机械手的一例，通过具备具有多个关节的关节构造部，使前端的末端执行器移动或对其进行驱动，整体形成为细长的轴状。
如图3所示，机械手处置器械20具有关节22(被驱动部)、与关节22连结的轴状部21、把持处置对象等的把持部26、具有挠性的管状部件即筒状部23、对关节22和把持部26供给驱动力的驱动单元30。
把持部26是机械手处置器械20的末端执行器，安装在最前端侧(远位端侧)的轴状部21的前端。
筒状部23与最基端侧(近位端侧)的轴状部21连接。
关节22是屈曲用关节，只要是使用动力传递部件从近位端传递驱动力从而进行屈曲的关节即可，具体结构没有特别限定。关节22的屈曲自由度、屈曲方向、屈曲量等也没有特别限定。
下面，作为关节22的一例，设为从近位端侧起依次具有在与机械手处置器械20的延伸方向交叉的方向上屈曲的关节22B、在与关节22B的屈曲方向垂直的方向上屈曲的关节22A来进行说明。
关节22A、22B均具有省略图示的线轮，在各个线轮上卷绕有向关节22A、22B传递驱动力的动力传递部件即驱动线24A、24B，其各端部被固定。
下面，在没有特别明示关节22A、22B或驱动线24A、24B的区别的情况下或进行总称的情况下，有时省略附加字母A、B，简称为关节22、驱动线24。
并且，在本说明书中，为了简化，在明显与关节22A、22B或驱动线24A、24B相关联的部件或部位的名称中，在明示对应关系的情况下，也对各个标号标注附加字母A、B。只要没有特别说明，则它们相互具有大致相同(包含相同情况)的结构。并且，在不需要明示区别的情况下或进行总称的情况下，省略附加字母A、B。
轴状部21具有通过关节22B连结的轴状部21C、21B以及通过关节22A而与轴状部21B连结的轴状部21A。
因此，轴状部21C在机械手处置器械20中成为最基端侧的轴状部21，与连接有关节22B的端部相反的一侧的端部固定在筒状部23的前端。
轴状部21A在机械手处置器械20中成为最前端侧的轴状部21，在与关节22A相反的一侧的端部即前端固定有把持部26。
在轴状部21B的两端部连结有关节22B、22A。
下面，将这种由轴状部21C、关节22B、轴状部21B、关节22A、轴状部21A和把持部26构成的连结体称为前端屈曲部25。
把持部26例如具有用于保持处置器械或组织等的一对把持部件26a、26b、以能够转动的方式支承把持部件26a、26b的转动轴26c。把持部件26a、26b根据主臂500a、500b的操作而以转动轴26c为中心转动，进行开闭动作。
把持部26的驱动力的传递单元没有特别限定，例如，可以是通过省略图示的驱动线对与把持部件26a、26b连结的省略图示的连杆进行驱动等的单元。在本实施方式中，作为一例，通过与驱动线24相同的驱动线进行驱动。
如图3所示，在不把持被把持物而闭合的情况下，把持部26成为不从所连结的轴状部21的外形突出的大小。
根据这种结构，前端屈曲部25插入到处置器械通道16和贯通孔部12的内部，成为能够进退的轴状体。
筒状部23例如由树脂管等软性的筒状部件构成，在其内部贯穿插入有驱动线24A、24B等贯穿插入物。
驱动线24A、24B在从筒状部23的基端部到前端的线轮的附近之间分别贯穿插入到两端部的位置被固定的外皮27的内部。
各外皮27由具有与各驱动线24大致相同直径的内径的密绕线圈等形成，由此，即使受到外力而弯曲，长度也几乎不会变化。
作为筒状部23中的驱动线24以外的贯穿插入物，省略了图示，但是，例如可以举出用于对把持部26进行驱动的操作线、与观察部15连接的电线和光纤等例子。
驱动单元30是对驱动线24进行驱动并对关节22供给驱动力、对省略图示的驱动线进行驱动并对把持部26供给驱动力的装置部分。
驱动单元30在设置在筒状部23的基端部的基端部壳体31的内部具有按照每个对关节22进行驱动的驱动线24而设置的多个驱动马达34(马达)。即，在图3中，作为驱动马达34，仅示出驱动马达34B，但是，在本实施方式中，如图4所示，驱动马达34具有分别对驱动线24A、24B进行驱动的驱动马达34A、34B。
并且，虽然没有特别图示，但是，驱动单元30配置在从臂200d的内部的适当位置。
如图3所示，驱动马达34B的输出轴34Ba与卷绕有驱动线24B的驱动线轮33B连结，当驱动马达34B旋转驱动时，驱动线轮33B旋转，能够在旋转方向上牵引驱动线24B。
驱动马达34B由DC马达构成，具有检测输出轴34Ba的旋转位置的编码器34Bb。
以上参照图3说明了对驱动线24B进行驱动的驱动马达34B和与其相关联的部件，但是，同样的说明还应用于图3中未图示的驱动马达34A、输出轴34Aa、驱动线轮33A、编码器34Ab(参照图4)。
在这种结构的医疗用机械手1中，通过设置在从控制部400内的多个控制单元来控制各装置部分的动作。关于马达的控制，这些控制单元进行的控制方法都是相同的。
因此，下面，作为一例，参照图4说明对各驱动马达34的动作进行控制的控制单元36的结构。
如图4所示，控制单元36具有马达驱动器100A、100B、电流检测部101、PWM输出检测部102、旋转检测部103、驱动信号生成部104、输出时刻设定部105、驱动条件设定部106、温度上升解析部107和动作控制部108。
在对各驱动马达34进行试驱动的情况下和进行正式驱动的情况下，控制单元36的控制动作不同。这里，正式驱动意味着根据来自输入处理部700的操作信号对各驱动马达34进行驱动的驱动，试驱动是指以取得用于设定正式驱动中的后述驱动条件的信息为目的而在正式驱动之前进行的驱动。
以使各驱动马达34朝向目标值旋转的方式进行正式驱动，与此相对，在取得用于设定驱动条件的信息的短时间内进行试驱动，各驱动马达34不旋转，或者，即使旋转，旋转量也极小。
马达驱动器100A(100B)根据经由输出时刻设定部105施加的驱动信号，使驱动马达34A(34B)进行旋转。
作为对马达驱动器100A(100B)施加的驱动信号，可以举出指定旋转方向的旋转方向控制信号、进行脉冲宽度调制以控制旋转速度的PWM信号、对旋转施加制动的制动信号。
电流检测部101分别检测从马达驱动器100A、100B向驱动马达34A、34B供给的电流值，以检测驱动马达34A、34B的消耗电流。
由电流检测部101检测到的电流值的信息被送出到驱动条件设定部106、温度上升解析部107，用于它们进行的运算。
PWM输出检测部102监视从马达驱动器100A、100B向驱动马达34A、34B输出的PWM信号，检测所输出的PWM信号的占空比和基于PWM信号的平均施加电压。
由PWM输出检测部102检测到的占空比的信息被送出到驱动条件设定部106，在后述试驱动时用于PWM输出校正值的计算。
由PWM输出检测部102检测到的平均施加电压的信息被送出到温度上升解析部107，用于后述试驱动时的温度上升解析部107进行的温度上升解析。
旋转检测部103取得驱动马达34A、34B中的编码器34Ab、34Bb的输出，检测各驱动马达34的旋转位置和旋转速度。
由旋转检测部103检测到的旋转位置的信息用于动作控制部108的旋转控制。
由旋转检测部103检测到的旋转速度的信息被送出到温度上升解析部107，用于温度上升解析部107进行的温度上升解析。
驱动信号生成部104根据从动作控制部108、驱动条件设定部106送出的控制信息，生成用于进行各驱动马达34的动作控制的驱动信号。
输出时刻设定部105根据从驱动条件设定部106送出的控制信息，分别独立地设定将驱动信号生成部104生成的驱动信号输出到马达驱动器100A、100B的时刻。
驱动条件设定部106根据从动作控制部108送出的信息，设定试驱动和正式驱动中的驱动马达34A、34B的驱动条件。
驱动条件设定部106在进行试驱动之前，根据来自动作控制部108的动作指令值的信息设定试驱动的驱动条件。
并且，驱动条件设定部106在进行正式驱动之前的试驱动时，根据从温度上升解析部107取得的与温度上升对应的信息和来自电流检测部101的与电流变化有关的信息，设定基于动作指令值的正式驱动时的驱动马达34A、34B的驱动条件。
作为驱动条件，驱动条件设定部106对驱动信号生成部104设定PWM信号的占空比，对输出时刻设定部105设定将由驱动信号生成部104生成的PWM信号输出到马达驱动器100A、100B的输出时刻。
驱动条件设定部106以能够通信的方式与动作控制部108连接，根据来自动作控制部108的控制信号进行动作。
在后述动作说明中对驱动条件的具体设定方法进行说明。
温度上升解析部107在后述试驱动时，从电流检测部101、PWM输出检测部102、旋转检测部103取得每个驱动马达34A、34B的消耗电流、平均施加电压、旋转速度的信息。然后，对基于每个驱动马达34A、34B的温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，将该评价值送出到驱动条件设定部106。
温度上升解析部107以能够通信的方式与动作控制部108连接，根据来自动作控制部108的控制信号进行动作。
在后述动作说明中对绕组电阻的变化的评价方法进行说明。
动作控制部108以一定周期监视来自输入处理部700的操作信号，在送出了操作信号的情况下，对操作信号进行解析，计算每个驱动马达34A、34B的必要动作量。
然后，为了实现该动作量，一边反馈从旋转检测部103送出的各驱动马达34的旋转位置的信息，一边生成各自的动作指令值。
该动作指令值被送出到驱动条件设定部106、温度上升解析部107，用于驱动条件的设定，并且被送出到驱动信号生成部104，通过驱动信号生成部104生成基于动作指令值的驱动信号。
但是，动作控制部108从输入处理部700接收到操作信号时，在进行基于该控制信号的正式驱动的动作控制之前，在预先决定的期间内执行试驱动，以取得用于设定正式驱动时的驱动条件的信息。
在后述动作说明中对动作控制部108进行的控制动作进行详细说明。
关于这种控制单元36的装置结构，在本实施方式中，通过适当的硬件以及由CPU、存储器、输入输出接口、外部存储装置等构成的计算机的组合构成。通过由硬件或计算机执行的控制程序来实现每个上述功能结构的控制功能。
接着，以本实施方式的医疗用机械手的控制方法为中心，对医疗用机械手系统M中的机械手处置器械20的动作进行说明。
图5是示出本实施方式的医疗用机械手的控制方法的流程的流程图。图6是示出本实施方式的医疗用机械手的控制方法中的驱动条件计算式的一例的示意性曲线图。图6的纵轴表示旋转速度n，横轴表示电流I。本实施方式的医疗用机械手的控制方法根据来自操作部的操作输入使马达进行旋转，由此对被驱动部进行驱动。
在医疗用机械手系统M中使用机械手处置器械20进行处置时，首先，使用内窥镜机械手11，在处置对象部位将机械手处置器械20的前端部分插入到患者P的体内，进入到处置对象部位的附近。
接着，如图2所示，将机械手处置器械20的前端屈曲部25向前端部11A的前方送出后，进行前端屈曲部25的原点设置。
由此，机械手处置器械20成为可操作状态。操作者Op一边观察由摄像机构13进行摄像并显示在操作者用显示器900a中的处置对象和前端屈曲部25的图像，一边对主臂500a、500b等进行操作，进行必要的手术。
内窥镜机械手11一般根据体内的插入路径而弯曲，所以，内窥镜机械手11的内部的处置器械通道16也弯曲。
因此，贯穿插入到处置器械通道16中的机械手处置器械20的筒状部23也与处置器械通道16同样地弯曲。由此，筒状部23内的各外皮27也弯曲成各种形状，在贯穿插入到各外皮27中的驱动线中产生与弯曲形状对应的驱动负荷。由于这种驱动负荷，在机械手处置器械20中可能产生动作延迟或动作量的偏差。
在医疗用机械手中，当存在动作延迟或动作量的偏差时，手术的时机紊乱，产生无法预期的动作，无法进行顺畅的手术。
例如，如果测定驱动线的张力等，检测动力传递系统的实际负荷，根据负荷量对动作指令值进行变更，则能够在某种程度上对这种驱动负荷进行校正。
但是，负荷量的大小对各个驱动马达造成的影响还根据驱动马达的马达特性的个体差、动作时的驱动马达的发热等而不同。因此，即使与驱动马达无关地对动作指令值进行校正，有时也无法改善操作性。
在本实施方式的医疗用机械手的控制方法中，在根据动作指令值进行驱动马达34A、34B的正式驱动之前，进行试驱动，对负荷量进行评价，针对负荷量设定适当的驱动条件后，进行正式驱动。
本实施方式的控制方法是如下方法：每当从输入处理部700接收到进行驱动的操作信号时，按照图5所示的流程来执行图5所示的步骤S1～S9。
在医疗用机械手1中，输入处理部700以一定周期、例如每1ms监视操作部600和主臂500a、500b的操作输入。
输入处理部700在对检测到的操作输入是对机械手处置器械20的前端屈曲部25进行驱动的操作输入的情况进行解析后，向机械手处置器械20的动作控制部108送出操作信号。
步骤S1是按照每个驱动马达生成动作指令值的步骤。
操作者Op通过操作部600将操作对象切换为从臂200d中的机械手处置器械20后，当对主臂500a、500b进行操作时，通过输入处理部700对操作部600和主臂500a、500b的操作信号进行解析。
输入处理部700解析后的操作信号作为机械手处置器械20应该进行的动作的信息送出到控制单元36的动作控制部108。例如，送出机械手处置器械20的把持部26应该移动的位置和移动后的姿势等信息。
在动作控制部108中，计算实现这种把持部26的位置、姿势所需要的前端屈曲部25中的关节22A、22B的驱动量，生成表示用于实现该驱动量的驱动马达34A、34B的旋转方向、旋转量、旋转速度的动作指令值。
至此，步骤S1结束。
接着，进行步骤S2。本步骤是根据动作指令值设定试驱动的驱动条件的步骤。
本实施方式中的试驱动的目的主要有三个。
第1目的是，求出对输出到各驱动马达34的PWM信号的占空比的误差进行校正的PWM输出校正值。
第2目的是，求出基于各驱动马达34的温度上升所引起的绕组电阻且能够进行校正。
第3目的是，在正式驱动时对必要的最小电流量进行评价。
任意目的中，旋转方向与动作指令值的旋转方向一致。
在以第1和第2目的进行的试驱动(以下称为第1试驱动)中，在动作指令值中，固定为与旋转速度对应的默认占空比，以预先决定的一定时间进行试驱动。这里，关于一定时间，在后述步骤S3、S4中能够取得必要数据的范围内设定尽可能短的时间。例如，设定为20μs左右。
在以第3目的进行的试驱动(以下称为第2试驱动)中，使占空比从0％起逐渐增大来进行驱动，所以，设定使占空比从0％增加到100％时的时间。能够与动作指令值无关地设定该时间，例如，设定为200μs左右。
在任意试驱动中，输出驱动信号的时刻是如下时刻：在针对驱动信号生成部104设定驱动条件后，未特意设置时间差，立即输出到马达驱动器100A、100B。
当从动作控制部108向驱动条件设定部106送出用于设定试驱动的驱动条件的控制信号和动作指令值时，驱动条件设定部106设定以上的驱动条件，在驱动信号生成部104和输出时刻设定部105中进行设定。
由此，步骤S2结束。
接着，进行步骤S3。本步骤是如下步骤：进行第1试驱动，计算每个驱动马达34的PWM输出校正值，按照每个驱动马达34存储该值。
当步骤S2结束后，动作控制部108向驱动信号生成部104送出开始进行驱动信号的生成的控制信号。由此，驱动信号生成部104根据驱动条件设定部106设定的驱动条件生成PWM信号。该PWM信号在由输出时刻设定部105设定的时刻输出到马达驱动器100A、100B。由此，驱动马达34A、34B的第1试驱动开始。
通过PWM输出检测部102监视从马达驱动器100A、100B向驱动马达34A、34B输出的PWM信号。PWM输出检测部102将所输出的占空比的信息送出到驱动条件设定部106。
驱动条件设定部106按照每个驱动马达34A、34B计算所输出的PWM信号的占空比D0与从PWM输出检测部102送出的占空比Dout之差ΔD＝Dout-D0，分别作为PWM输出校正值ΔDA、ΔDB进行存储。
这种占空比的变化例如是由于开关部件等的信号传送延迟等硬件固有的原因而产生的，所以，一般情况下，ΔD取正值，与动作指令值相比，成为过大的占空比。
因此，PWM输出校正值ΔDA、ΔDB用于在正式驱动时对根据动作指令值计算出的占空比进行校正。
由此，由于对硬件固有的PWM信号的变化进行了校正，所以，能够根据动作指令值进行忠实的驱动。并且，还能够抑制由于占空比的增大使平均施加电压上升而导致的发热。
至此，步骤S3结束。
另外，在ΔD的值过大的情况下，硬件中可能产生异常，所以，设置适当的阈值，在超过阈值的情况下，判断为故障，在操作者用显示器900a、助手用显示器900b中显示警告消息，能够使机械手处置器械20的动作停止。
并且，驱动条件设定部106在后述正式驱动时也监视Dout-D0，在Dout-D0超过预先决定的容许值的情况下，判断为故障，在操作者用显示器900a、助手用显示器900b中显示警告消息，能够使机械手处置器械20的动作停止。
接着，进行步骤S4。本步骤是进行第1试驱动并检测每个驱动马达34的温度上升所引起的绕组电阻的变化的步骤。
第1试驱动开始，如果是能够测定基于第1试驱动的温度上升的时刻，则能够在适当时刻进行本步骤。因此，在步骤S3之后进行本步骤是一例，不是必须在步骤S3之后进行。例如，能够在步骤S3之前、或者与步骤S3并行进行。
在DC马达中，旋转速度n如下式(1)那样表示，所以，当如图6所示设横轴为电流I、纵轴为旋转速度n时，在绕组电阻R、平均施加电压DUTY固定的条件下，旋转速度n相对于电流I的关系用直线表示。
n＝kn·(DUTY-R·I) …(1)
这里，比例常数kn按照每个马达取固有值。例如，驱动马达34A、34B的比例常数分别为knA、knB。
绕组电阻R作为温度T的函数R(T)例如如下式(2)那样表示。
R(T)＝R25·{1+α·(T-T25)} …(2)
这里，R25是温度T25＝25(℃)时的马达的绕组电阻，α是绕组材料的线膨胀系数。
例如，当利用图6中的直线190表示25℃时的上述式(1)时，由于马达的温度上升，在温度成为T(其中，T>T25)的情况下的上述式(1)中，绕组电阻成为R(T)(其中，R(T)>R25)，所以，在图6中如直线191那样表示。
即，当驱动条件没有变化时，随着温度上升，旋转速度n降低。因此，与动作指令值的旋转速度相比，成为低速的动作，所以，驱动马达34的响应时间降低。并且，当温度上升按照每个驱动马达34而不同时，响应时间的降低量不同，所以，在各驱动马达34的响应时间中产生偏差，其结果，各关节22的协调动作紊乱。
这种关节22的响应时间的降低、偏差损害机械手处置器械20的操作性，所以，可能成为外科手术等手术的障碍。
因此，在本实施方式中，根据温度上升所引起的绕组电阻的变化，对正式驱动的驱动条件进行变更。
因此，在本步骤中，温度上升解析部107通过下式(3)对每个驱动马达34A、34B的温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，按照每个驱动马达34A、34B计算绕组电阻RT。
RT＝{DUTYT-(nT/kn)}/IT …(3)
这里，DUTYT是从PWM输出检测部102送出的第1试驱动时的平均施加电压。nT是从旋转检测部103送出的第1试驱动时的旋转速度。IT是从电流检测部101送出的第1试驱动时的消耗电流。
由温度上升解析部107计算出的绕组电阻RT按照每个驱动马达34A、34B分别作为绕组电阻RTA、RTB(绕组电阻的评价值)送出到驱动条件设定部106，存储在驱动条件设定部106中。
至此，步骤S4结束。
接着，进行步骤S5。本步骤是设定基于温度上升进行绕组电阻的校正后的驱动条件计算式的步骤。
驱动条件设定部106使用从温度上升解析部107送出的RT，设定下式(4)作为驱动条件计算式。
n＝kn·(DUTY-RT·I) …(4)
上述式(4)设定为能够根据驱动条件设定部106提供的变量计算未知数的形式即可，可以设定为数学式，也可以设定为数据表。
下面，作为一例，设上述式(4)存储为计算未知数的数式来进行说明。
驱动条件计算式的设定结束后，结束第1试驱动。
由此，步骤S5结束。
接着，进行步骤S6。本步骤是如下步骤：使PWM信号的占空比增加来进行第2试驱动，根据驱动条件计算式设定能够驱动的最小电流值。
动作控制部108将开始进行第2试驱动的控制信号送出到驱动条件设定部106。
在驱动条件设定部106中，PWM信号的占空比从0％起依次增大，设定对各驱动马达34进行驱动的驱动条件。
驱动条件的设定完成后，动作控制部108向驱动信号生成部104送出开始进行驱动信号的生成的控制信号。由此，驱动信号生成部104根据驱动条件设定部106设定的驱动条件，生成PWM信号等驱动信号。该驱动信号在由输出时刻设定部105设定的时刻输出到马达驱动器100A、100B。由此，驱动马达34A、34B的第2试驱动开始。
开始进行第2试驱动，当占空比增大而被供给超过各驱动马达34的负荷量的电力时，各驱动马达34开始旋转。
驱动条件设定部106通过监视从电流检测部101送出的电流量，检测各驱动马达34的旋转的开始。
因此，在驱动条件设定部106中存储有为了根据电流量的变化来检测各驱动马达34开始旋转的情况而预先决定的电流量的变化的阈值。
当驱动马达34的旋转开始后，由于惯性而使电流量减少，所以，通过监视电流的变化率，能够检测旋转的开始。
驱动条件设定部106在电流量的变化率的大小成为阈值以上的情况下，向动作控制部108进行通知，将此前监视到的电流量的最大值作为旋转开始电流，计算对该旋转开始电流乘以规定系数而得到的电流量作为最小电流量Imin(驱动电流)。作为规定系数，考虑由于测定误差而引起的余量，预先设定1以上的适当的系数。
被驱动条件设定部106通知了驱动马达34开始旋转的情况的动作控制部108向驱动信号生成部104送出使第2试驱动停止的控制信号。
这样，第2试驱动结束，并且，按照每个驱动马达34计算最小电流量Imin作为最小电流量IminA、IminB。
至此，步骤S6结束。
接着，进行步骤S7。本步骤是根据提供步骤S6中计算出的最小电流量Imin的最小占空比Dmin的信息来设定正式驱动时的占空比DOP的步骤。
具体而言，驱动条件设定部106根据下式(5)，在驱动信号生成部104中设定正式驱动时的占空比DOP。
DOP＝{(nOP/kn)-RT·Imin}/E-ΔD …(5)
这里，nOP是正式驱动的动作指令值中的旋转速度。E是生成PWM信号的电压。
作为驱动条件，通过设定在上述式(5)的、nOP、RT、Imin、ΔD中分别代入nOPA(nOPB)、RTA(RTB)、IminA(IminB)、ΔDA(ΔDB)而计算出的占空比DOPA(DOPB)，对试驱动中检测到的绕组电阻的变化和信号延迟而引起的占空比的误差进行校正。因此，当产生PWM信号时，能够开始进行基于动作指令值的旋转速度nOPA、nOPB的正式驱动。
至此，步骤S7结束。
接着，进行步骤S8。本步骤是根据步骤S6中计算出的最小电流量Imin的大小来设定各驱动马达34的输出时刻的步骤。
步骤S6中计算出的驱动马达34A、34B的第2试驱动中的旋转开始时的消耗电流即最小电流量IminA、IminB表示驱动马达34A、34B的负荷量。这样，当负荷量不同时，即使同时开始旋转，达到一定旋转速度为止的加速时间也不同，所以，相应地产生目标驱动结束为止的时间差。
在本实施方式中，为了抑制由于这种原因而引起的驱动时间的偏差，从最小电流量IminA、IminB较大的一方起先开始进行PWM信号的输出，使最小电流量IminA、IminB较小的一方的输出时刻延迟。
关于输出时刻的延迟量，预先通过实验等求出与最小电流值对应的负荷量和加速时间的关系，作为实验式或数据表等存储在驱动条件设定部106中。
驱动条件设定部106例如在IminA>IminB的情况下，根据预先设定的函数f计算针对马达驱动器100B的输出时刻的延迟量Δt作为Δt＝f(IminA-IminB)，设定在输出时刻设定部105中。
至此，步骤S8结束。
接着，进行步骤S9。本步骤是根据通过第1和第2试驱动设定的驱动条件进行正式驱动的步骤。
动作控制部108向驱动信号生成部104送出开始进行驱动信号的生成的控制信号。由此，驱动信号生成部104根据驱动条件设定部106设定的正式驱动的驱动条件，生成包含PWM信号的驱动信号。该PWM信号在由输出时刻设定部105设定的正式驱动的输出时刻输出到马达驱动器100A、100B。由此，驱动马达34A、34B的正式驱动开始。
由此，驱动马达34A、34B根据动作控制部108计算出的动作指令值进行旋转，进行驱动以使得前端屈曲部25的关节22A、22B成为基于主臂500a、500b的操作的位置、姿势。
至此，步骤S9结束。
这样，每当向动作控制部108发送操作信号时，反复进行这种试驱动和正式驱动。
上述步骤S1～S8构成如下的第1步骤：在产生了操作输入时进行试驱动，对马达的温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，根据评价出的绕组电阻的变化来设定马达的驱动条件。
上述步骤S9构成如下的第2步骤：根据第1步骤中设定的马达的驱动条件，进行与操作输入对应的驱动。
以上说明了机械手处置器械20的前端屈曲部25的控制方法，但是，机械手处置器械20的把持部26、医疗用机械手1的弯曲部11B也同样通过控制方法进行控制。
根据本实施方式的医疗用机械手的控制方法，在产生了操作输入时进行试驱动，对温度上升所引起的马达的绕组电阻的变化进行评价，根据评价出的绕组电阻的变化来设定马达的驱动条件，所以，即使负荷量变化也能够使马达准确且迅速地进行动作。
即，每当发送操作信号时进行试驱动，对负荷量或温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，所以，即使负荷量在手术的执行中变化，也能够使马达准确且迅速地进行动作。
并且，在设置多个马达的情况下，按照每个马达进行试驱动，对负荷量或温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，所以，例如，即使负荷量由于驱动方向等差异而按照每个马达来变化，也能够使马达准确且迅速地进行动作。
特别是在本实施方式中，在第1试驱动中，检测PWM信号的输出误差，计算PWM输出校正值ΔD，对驱动条件中的占空比进行校正。因此，能够对由于马达或信号电路等硬件的个体差而引起的驱动条件的偏差进行校正。
特别是在马达的驱动频率例如为500kHz这样的高频率的情况下，由于信号输出延迟而引起的误差的影响，相对较大的占空比的误差变大。
例如，在驱动频率为50kHz的情况下和500kHz的情况下，占空比为10％，基于硬件的信号输出延迟而引起的误差产生100ns。该情况下，在50kHz时，占空比误差为5％(＝100×100ns/2μs)，与此相对，在500kHz时，占空比误差为50％(＝100×100ns/0.2μs)。因此，在500kHz时，占空比从10％成为15％，但是，在本实施方式中，能够防止产生这种误差。
另外，在上述实施方式的说明中，说明了在试驱动中计算PWM输出校正值的情况的例子，但是，例如，在马达的驱动频率较低的情况下或硬件的误差较小的情况下，也可以省略基于PWM输出校正值的校正。
在上述实施方式的说明中，说明了医疗用机械手具有2个马达即驱动马达34A、34B作为马达的情况的例子，但是，这是一例，马达的个数不限于此。例如，医疗用机械手也可以具有3个以上的马达。
并且，马达也可以仅为一个。但是，该情况下，删除上述步骤S8。
在上述实施方式的说明中，求出绕组电阻的变化而不测定温度上升，但是，也可以使用温度传感器等进行马达的温度测定，使用上述式(2)计算绕组电阻RT。
以上说明了本发明的各实施方式，但是，本发明的技术范围不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明主旨的范围内改变各实施方式中的结构要素的组合，对各结构要素施加各种变更，或进行删除。
产业上的可利用性
在医疗用机械手中，即使负荷量变化也能够使马达准确且迅速地进行动作。
标号说明
1：医疗用机械手；11：内窥镜机械手(医疗用机械手)；11B：弯曲部；16：处置器械通道；20：机械手处置器械(医疗用机械手)；22、22A、22B：关节(被驱动部)；23：筒状部；24、24A、24B：驱动线；25：前端屈曲部；26：把持部；30：驱动单元；34、34A、34B：驱动马达(马达)；34Ab、34Bb：编码器；36：控制单元；100A、100B：马达驱动器；101：电流检测部；102：PWM输出检测部；103：旋转检测部；104：驱动信号生成部；105：输出时刻设定部；106：驱动条件设定部；107：温度上升解析部；108：动作控制部；240a、240b、240c：医疗用机械手；400：从控制部；500a、500b：主臂(操作部)；600：操作部；700：输入处理部；800：图像处理部；ΔD、ΔDA、ΔDB：PWM输出校正值；DOP、DOPA、DOPB：占空比；Imin、IminA、IminB：最小电流量(驱动电流、消耗电流)；M：医疗用机械手系统；Op：操作者；P：患者；RT、RTA、RTB：绕组电阻(绕组电阻的评价值)。

Claims (4)

1.一种医疗用机械手的控制方法，根据来自操作部的操作输入使马达进行旋转，由此对被驱动部进行驱动，其中，所述控制方法包括以下步骤：
第1步骤，在产生了所述操作输入时进行试驱动，对所述马达的温度上升所引起的绕组电阻的变化进行评价，根据评价出的绕组电阻的变化来设定所述马达的驱动条件；以及
第2步骤，根据所述第1步骤中设定的所述马达的驱动条件，进行与所述操作输入对应的驱动。
2.根据权利要求1所述的医疗用机械手的控制方法，其中，
在所述第1步骤中，
检测所述试驱动时的马达的消耗电流、平均施加电压和旋转速度，根据这些检测值求出驱动时的绕组电阻的评价值，
测定所述试驱动时的旋转开始电流，设定高于所述旋转开始电流的驱动电流，
根据所述绕组电阻的评价值和所述驱动电流，计算用于进行驱动的PWM信号的占空比，
由此设定所述马达的驱动条件。
3.根据权利要求1或2所述的医疗用机械手的控制方法，其中，
在所述医疗用机械手具有多个所述马达的情况下，
在所述第1步骤中，
对所述试驱动时的负荷量进行评价，
为了减少所述马达间的驱动结束时刻的偏差，从所述负荷量大的马达起依次按照每个所述马达设定开始驱动的驱动开始时刻，作为所述马达的驱动条件。
4.根据权利要求3所述的医疗用机械手的控制方法，其中，
在所述第1步骤中，
根据所述试驱动时的消耗电流对所述负荷量进行评价。
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