JP2013220273A - 外力算出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】変位センサ等の機械的センサを設けないことによる装置の小型化かつ滅菌洗浄の容易さの実現可能な外力算出方法を提供する。
【解決手段】治具１５に接続された駆動部１３を備える空気圧アクチュエータ１０Ａにおける、治具１５に負荷される外力Ｆを算出する方法であって、治具１５への外力Ｆの負荷によって駆動部１３が移動した時におけるエアの状態量を、状態量測定手段２０，３０によって測定する状態量測定ステップと、前記状態量測定ステップにおいて測定された状態量、及び、状態量と治具１５に負荷される外力Ｆとの関係式に基づき、治具１５に負荷される外力Ｆを演算部によって算出する外力算出ステップと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は外力算出方法に関し、例えば低侵襲外科手術におけるマニピュレータの駆動等に適用される外力算出方法に関する。
患者への痛みを低減したり、手術後の手術痕を目立ちにくいものとしたりすることを目的として、低侵襲外科手術が広く行われている。低侵襲外科手術においては、例えばマニピュレータ（例えば鉗子）が手術者等によって使用される。具体的には、手術者等が、患者の体表面に設けられた挿入孔からマニピュレータを挿入して駆動させ、手術者が手術を行うようになっている。
このような手術の際、より正確な作業を行う観点から、マニピュレータに負荷される圧力（外力）が、手術者に対して提示されることが望まれている。即ち、マニピュレータに臓器等が接触した時に負荷される圧力が手術者に提示されれば、マニピュレータのより適切な駆動が可能になると考えられる。そこで、このような技術に関連して、例えば非特許文献１に記載の技術が知られている。
非特許文献１の記載の技術においては、図９に示すように、シリンダ１１と、スプリング１２と、ピストン１３と、ロッド１４と、マニピュレータ１５とを備えた空気圧アクチュエータ１０Ｄが用いられている。シリンダ１１には、変位センサ（具体的にはロータリーエンコーダ）１８が設けられている。マニピュレータ１５に外力Ｆが負荷されると、ピストン１３は移動する。そこで、変位センサ１８がピストン１３の移動量を測定し、当該移動量に基づいて、外力Ｆが算出されている。
空気圧サーボを用いた力センシング機能を有する多自由度鉗子システムのバイラテラル制御、日本コンピュータ外科学会誌、ｐｐ２５〜３１、（２００５）、只野耕太郎、川嶋健嗣
非特許文献１に記載の技術においては、ロータリーエンコーダを用いて、外力Ｆが算出されている。このように、非特許文献１に記載の技術においては、ロータリーエンコーダ等の物理的な変位センサ（機械的手段）を用いないと、外力Ｆの算出を行うことができない。即ち、非特許文献１に記載の技術においては、変位センサを設置するための空間（領域）が必要とされるため、空気圧アクチュエータ等の装置の小型化が困難であるという課題がある。
本発明は前記課題を解決するべく為されたものであり、その目的は、変位センサ等の機械的センサを設けないことによる装置の小型化かつ滅菌洗浄の容易さを実現可能な外力算出方法を提供することを目的とする。
本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討を行った。具体的には、装置の小型化及び滅菌洗浄の容易さの実現を図るために、物理的な変位センサに代わる手段が無いか検討を行った。その結果、本発明者らは、物理的な変位センサを設ける代わりに、空気圧アクチュエータに供給されるエアの状態量と外力Ｆとの関係式を用いて外力Ｆを算出できることを見出した。
即ち、本発明は、以下に示す手段により実施される。
（１）
治具に接続された駆動部を備える空気圧アクチュエータにおける、前記治具に負荷される外力を算出する方法であって、
前記治具への外力の負荷によって前記駆動部が移動した時におけるエアの状態量を、状態量測定手段によって測定する状態量測定ステップと、
前記状態量測定ステップにおいて測定された状態量、及び、状態量と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を演算部によって算出する外力算出ステップと、を有する。
（２）
前記状態量測定ステップにおいて測定される状態量が少なくとも圧力であり、前記状態量測定手段によって測定された圧力、及び、圧力と前記駆動部の変位との関係式に基づき、前記駆動部の変位を前記演算部によって算出する変位算出ステップを有し、
前記外力算出ステップにおいて、前記変位算出ステップにおいて算出された変位、及び、変位と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を前記演算部によって算出する。
（３）
前記駆動部の移動時の速度を前記演算部によって算出する速度算出ステップを有する。
（４）
前記状態量測定ステップにおいて測定される状態量が圧力及び流量であり、前記状態量測定手段によって測定された圧力及び流量、及び、圧力と流量と前記駆動部の変位との関係式に基づき、前記駆動部の変位を前記演算部によって算出する変位算出ステップを有し、
前記外力算出ステップにおいて、前記変位算出ステップにおいて算出された変位、及び、変位と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を前記演算部によって算出する。
（５）
前記空気圧アクチュエータは、前記駆動部の移動により弾性変形する弾性部材を備え、
前記状態量測定ステップにおいて測定される状態量が、前記弾性部材が弾性変形した時に生じる状態量であり、前記状態量測定手段によって測定された状態量、及び、状態量と前記駆動部の変位との関係式に基づき、前記駆動部の変位を前記演算部によって算出する変位算出ステップを有し、
前記外力算出ステップにおいて、前記変位算出ステップにおいて算出された変位、及び、変位と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を前記演算部によって算出する。
前記（１）によれば、従来用いられていた変位センサ等の機械的センサを設ける必要がない。そのため、装置を小型化することができる。また、変位センサを設ける必要がないため、部品点数が少なくなり、装置構成が簡素化される。そのため、装置のメンテナンス（洗浄や滅菌等）を容易に行うことができる。また、部品点数が少なくなるため、防爆性や耐水性が要求される用途等、空気圧アクチュエータの利用可能な用途を拡げることができる。また、変位センサのような電力により制御される物理的な手段を設けないため、装置の設置場所が限定されることがない。さらには、外力Ｆが、エアの状態量と外力Ｆとの関係式を用いて算出されるため、どのような種類の状態量を用いても外力Ｆを簡便に算出することができる。また、関係式を用いて算出することによって状態量の大きさが制限されないため、汎用性が拡大する。
また、前記（２）によれば、圧力センサ等の簡便なセンサを用いて外力Ｆを算出することができる。そのため、外力計算のために特殊な手段を用いる必要がなく、既存の装置を利用して外力Ｆを算出することができる。
さらに、前記（３）によれば、速度センサ等を設ける必要がないため、装置全体の構成を簡素化することができる。そのため、外力計算のために装置を過度に複雑化させることがなく、設置やメンテナンス（滅菌や洗浄等）が容易になる。
また、前記（４）によれば、圧力センサ、流量センサ等の簡便なセンサを用いて外力Ｆを算出することができる。そのため、外力計算のために特殊な手段を用いる必要がなく、既存の装置を利用して外力Ｆを算出することができる。
さらに、前記（５）によれば、より精度よく、外力Ｆを算出することができる。
第１実施形態の外力算出方法を説明する図である。 第１実施形態の外力を算出するフローである。 第２実施形態の外力算出方法を説明する図である。 外力が負荷された時の管形状の変化を説明する図である。 第２実施形態の外力を算出するフローである。 第３実施形態の外力算出方法を説明する図である。 外力が負荷された時のバルーンの変化を説明する図である。 第３実施形態の外力を算出するフローである。 従来の外力算出方法を説明する図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。なお、本実施形態は以下の内容に何ら限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。なお、各図において、図示の便宜上、各手段を適宜拡大縮小して示している。また、各図において、図示の簡略化のために、各手段を適宜簡略化して示している。
［１．第１実施形態］
第１実施形態の外力算出方法に適用可能な外力算出システム１００を図１に示す。図１に示すように、外力算出システム１００は、空気圧アクチュエータ１０Ａと、圧力センサ２０（状態量測定手段）と、流量センサ３０（状態量測定手段）と、空気圧サーボ弁４０と、を備えている。また、外力算出システム１００は、図示しない演算部を備えている。
空気圧アクチュエータ１０Ａ、圧力センサ２０、流量センサ３０及び空気圧サーボ弁４０は管（図示しない）により接続されている。この管には、空気が通流するようになっている。なお、より精度よく外力を算出する観点から、この管における圧力損失はできるだけ小さくすることが好ましい。また、圧力センサ２０、流量センサ３０及び空気圧サーボ弁４０は、図示しない電気信号線により、演算部に接続されている。
空気圧アクチュエータ１０Ａは、シリンダ１１と、スプリング１２と、ピストン１３と、ロッド１４と、マニピュレータ１５と、を備えている。シリンダ１１内には、スプリング１２及びピストン１３が備えられている。シリンダ１１内であってロッド１４の外周を取り囲んで、スプリング１２が設けられている。ピストン１３には、ロッド１４を介して、マニピュレータ１５が接続されている。
ピストン１３は、シリンダ１１内で、シリンダ１１の軸方向に摺動可能になっている。そのため、シリンダ１１とピストン１３とにより形成される空間にエアが供給されると、ピストン１１がスプリング１２の弾性力に逆らって紙面右方向に摺動するようになっている。これにより、マニピュレータ１５は、シリンダ１１の軸方向の位置が制御されるようになっている。
マニピュレータ１５は、本実施形態においては、鉗子である。マニピュレータ１５は、図示しない駆動手段及び制御部により、その先端が手術者により制御可能になっている。
圧力センサ２０及び流量センサ３０（状態量測定手段）は、シリンダ１１内に供給されるエアの圧力及び流量を測定するものである。各手段を接続する管の圧力損失は小さいと考えることができるため、圧力センサ２０により測定される圧力は、シリンダ１１内の圧力と考えることができる。圧力センサ２０としては、例えば任意の圧力計を用いることができる。また、流量センサ３０としては、例えば任意の流量計を用いることができる。
空気圧サーボ弁４０は、エア（例えば外気）を取り込んでシリンダ１１内に供給するものである。また、空気圧サーボ弁４０は、シリンダ１１に供給するエアの圧力を調整するものである。具体的には、空気圧サーボ弁４０は、シリンダ１１内のエア圧力が所定の圧力になるように、圧力及び流量を調整するようになっている。ここで、シリンダ１１内のエア圧力とは、マニピュレータ１５をシリンダ１１の軸方向の所望の位置に移動させるために必要な圧力である。空気圧サーボ弁４０としては、例えば流量制御タイプのスプール型空気圧サーボ弁を用いることができる。また、空気圧サーボ弁４０は、手術者の指示に応じて、図示しない制御部により制御されるようになっている。
演算部は、圧力センサ２０及び流量センサ３０により、エアの圧力及び流量を測定するものである。演算部は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等を備え、ＲＯＭに格納されている所定のプログラムがＣＰＵによって実行されることにより具現化される。
次に、外力算出システム１００における外力算出方法を、図１及び図２を参照しながら説明する。図２は、外力Ｆを算出するフローである。図２に示すフローは、マニピュレータ１５（治具）に接続されたピストン１３（駆動部）を備える空気圧アクチュエータ１０Ａにおける、マニピュレータ１５（治具）に負荷される外力を算出する方法である。
このフローは、前記した状態変量測定手段により測定された状態量と、状態量と外力Ｆとの関係式とに基づき、前記した演算部によって行われる。具体的には、空気圧アクチュエータ１０Ａに供給されるエアの状態量（本実施形態においては、流量及び圧力）に基づいて、マニピュレータ１５（治具）に負荷される外力Ｆを算出する。このフローは、空気圧サーボ弁４０により所定流量でエアがシリンダ１１に供給されて状態（定常状態）で、マニピュレータ１５に外力Ｆが負荷された時に行われる。
なお、演算部は、定常状態における、シリンダ１１とピストン１３とにより形成される空間（エアが供給される空間）の容積（体積）Ｖ０を予め計算し、ＨＤＤ等に記憶している。容積Ｖ０は、圧力センサ２０により測定される圧力を用い、例えば気体の状態方程式等により計算される。また、演算部は、定常状態における、圧力センサ２０により圧力Ｐ０を測定し、ＨＤＤ等に記憶している。さらに、演算部は、定常状態における、流量センサ３０により流量Ｇ０を測定し、ＨＤＤ等に記憶している。
また、以下の算出時には、空気圧サーボ弁４０の駆動条件は変化しないものとする。
マニピュレータ１５に外力Ｆが負荷されてピストン１３が移動すると、シリンダ１１内の圧力は増加する。即ち、空気圧サーボ弁４０の駆動条件が変化しなければ、ピストン１１が移動してシリンダ内の容積が小さくなった分、シリンダ１１内の圧力が増加することになる。さらには、外力Ｆが負荷されると、流量に変化が生じる。そこで、演算部は、圧力センサ２０により、外力負荷後の圧力を測定する（ステップＳ１０１）。また、演算部は、流量センサ３０により、外力負荷後の流量を測定する（ステップＳ１０２）。
即ち、圧力センサ２０（状態量測定手段）は、マニピュレータ１５（治具）への外力Ｆの負荷によってピストン１３（駆動部）が移動した時におけるエアの圧力（状態量）を測定する（状態量測定ステップ）。また、流量センサ３０（状態量測定手段）は、外力Ｆの負荷によってピストン１３（駆動部）が移動した時におけるエアの流量（状態量）を測定する（状態量測定ステップ）。
演算部は、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２において測定した圧力及び流量に基づき、ピストン１３の移動時の速度ｖを算出する（ステップＳ１０３）。即ち、演算部は、ピストン１３（駆動部）の移動時の速度ｖを算出する（速度算出ステップ）。ピストン１３の速度ｖは、以下の式（１）に基づいて算出される。なお、供給されるエアの温度は、通常は変化しない。そこで、本実施形態においては、温度は一定であるものとする。また、計算の簡略化のために、エアは理想気体であるものとする。
Figure 2013220273
 ただし、Ｐ０、Ａ、ｖ、Ｖ０、Ｐ’、Ｇ、Ｒ及びＴは、以下の値である。
Ｐ０：定常状態における、シリンダ１１とピストン１３とにより形成される空間の圧力
Ａ：ピストン１３の受圧面積（ピストン１３の摺動方向に垂直な方向の断面積；定数）
ｖ：ピストン１３の速度
Ｖ０：定常状態における、シリンダ１１とピストン１３とにより形成される空間の容積
Ｐ’：定常状態からの圧力変化量の時間微分値
Ｇ：流量センサ３０により測定された流量
Ｒ：気体定数
次に、演算部は、前記式（１）に基づき算出された速度ｖを積分し、変位ｘを算出する（ステップＳ１０４）。ここで、変位ｘは、定常状態のピストン１３の位置を基準とした変位（定常状態からの変位量）である。即ち、演算部は、圧力センサ２０及び流量センサ３０（状態量測定手段）によって測定された圧力及び流量から速度ｖを算出し、算出された速度ｖとピストン１３（駆動部）の変位ｘとの関係式（ｘ＝∫ｖｄｔ）に基づき、ピストン１３（駆動部）の変位ｘを算出する（変位算出ステップ）。
そして、演算部は、算出された変位ｘに基づき、外力Ｆを算出する（ステップＳ１０５）。即ち、演算部は、前記状態量測定ステップにおいて測定された圧力及び流量（状態量）、及び、これらと外力Ｆとの関係式に基づき外力Ｆを算出する（外力算出ステップ）。より具体的には、演算部は、算出された変位ｘ、及び、変位ｘと外力Ｆとの関係式（以下の式（２））に基づき外力Ｆを算出する。外力Ｆは、以下の式（２）に基づいて算出される。
Figure 2013220273
 ただし、Ｐ、Ａ、Ｂ、ｖ、Ｋ及びｘは、以下の値である。
Ｐ：圧力センサ２０により測定されたシリンダ１１内の圧力
Ａ：前記式（１）と同様の値（ピストン１３の受圧面積；定数）
Ｂ：ピストン１３摺動時における、ピストン１３の粘性係数（予め実験等により決定される；定数）
ｖ：ステップＳ１０３において算出した速度ｖ
Ｋ：スプリング１２のばね定数（予め実験等により決定される；定数）
ｘ：ステップＳ１０４において算出した変位ｘ
このようにして、外力Ｆが算出される。算出された外力Ｆは、演算部により、手術者に提示される。提示の形態は、例えば、外力Ｆの大きさに応じて、手術者に反動を与えること等が挙げられる。
外力Ｆの算出に際して、前記のように、変位ｘの測定（実測）を行っていない。そのため、従来用いられていた変位センサを設ける必要がない。これにより、空気圧アクチュエータを用いた装置全体を小型化することができる。しかも、外力Ｆの算出に用いられる各パラメータは、既存の手段により測定される値が用いられる。そのため、外力Ｆを算出するために、新たな手段を導入する必要がない。
特に、外力Ｆが、エアの状態量と外力Ｆとの関係式を用いて算出されるため、どのような種類の状態量を用いても外力Ｆを簡便に算出することができる。また、関係式を用いて算出することによって、状態量の大きさが制限されないため、汎用性が拡大する。また、例えば外力Ｆと変位ｘ又は流量Ｇと等の関係を予め実験等によって決定しなくてもよいため、例えばスプリング１２、ピストン１３の仕様変更等が生じたとしても、式（１）及び式（２）で用いる値のみを変更すれば新たな条件で外力Ｆを算出することができる。従って、様々な条件や仕様の変更が生じたとしても、新たな条件の下で、簡便に外力Ｆを算出することができる。
また、変位センサを設ける必要がないため、部品点数が少なくなり、装置構成が簡素化される。そのため、装置のメンテナンス（洗浄や滅菌等）を容易に行うことができる。また、部品点数が少なくなるため、防爆性や耐水性が要求される用途等、空気圧アクチュエータの利用可能な用途を拡げることができる。
さらには、従来用いられていた変位センサは、通常は電力を利用して駆動する。そのため、電力の通電による磁力等が変位センサから発生することがある。そのため、装置の設置場所が限定されたり、磁力等への対策を要したりすることがあった。しかしながら、本実施形態の外力算出方法においては、物理的な測定手段である変位センサを設けずに既存の手段によって外力Ｆが測定可能である。従って、変位センサにより発生しうる外部への磁力等の発生を考慮する必要がない。そのため、装置の設置場所が限定されることなく、外力算出方法は様々な用途に適用可能となる。
また、本実施形態においては、圧力センサ、流量センサ等の簡便なセンサを用いて外力が算出される。そのため、外力計算のために特殊な手段を用いる必要がなく、前記のように、既存の装置を利用して外力を算出することができる。また、速度センサ等を設ける必要がないため、装置全体の構成を簡素化することができる。そのため、外力計算のために装置を過度に複雑化させることがなく、設置やメンテナンス（滅菌や洗浄等）が容易になる。
第１実施形態の外力算出方法は、空気圧アクチュエータを用いた装置に適用される。そのため、空気圧アクチュエータ１０Ａのマニピュレータ１５に外力が負荷されると、シリンダ１１内の空気は圧縮可能であるため、ピストン１１が移動する。そして、この現象を利用し、外力Ｆが算出される。これにより、負荷された外力Ｆの提示が行われる。そのため、手術等において、精度よく作業を行うことができる。
［２．第２実施形態］
第２実施形態の外力算出方法に適用可能な外力算出システム２００を図３に示す。図３において、図１に示す外力算出システム１００と同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
図３に示す外力算出システム２００は、空気圧アクチュエータ１０Ｂと、圧力センサ２０と、空気圧サーボ弁４０（第１サーボ弁）４０と、流量センサ５０と、空気圧サーボ弁６０（第２サーボ弁）と、を備えている。また、外力算出システム２００は、図示しない演算部を備えている。
外力算出システム２００における空気圧アクチュエータ１０Ｂにおいては、前記した第１実施形態の空気圧アクチュエータ１０Ａの構成に加えて、弾性体により構成される管（例えばゴム管）１６が備えられている。管１６は、シリンダ１１の壁面及びロッド１４を貫通して設けられている。また、管１６は、スプリング１２に狭持されている。
管１６には、空気圧サーボ弁６０からのエアが通流している。そして、管１６を通流するエアの流量は、流量センサ５０により測定されるようになっている。流量センサ５０及び空気圧サーボ弁６０は、図示しない電気信号線により、演算部に接続されている。
ここで、外力Ｆが負荷されていない時の管１６の様子と、外力Ｆが負荷されている時の管１６の様子を、図４を参照しながら説明する。なお、図４において、管１６が配置される様子が現実とは異なることがあるが、図４においては、管１６の挙動をより明確に表すために、管１６の配置の様子を簡略化して示している。
空気圧サーボ弁４０は、第１実施形態において説明したように、シリンダ１１内のエア圧力が所定の圧力になるように、供給するエアの圧力及び流量を調整するようになっている（定常状態）。そして、この状態において、管１６内には、空気圧サーボ弁６０により供給されるエアが、一定の割合で通流している（図４（ａ）に示す状態）。
定常状態において、外力Ｆがマニピュレータ１５に負荷されると、ピストン１３が紙面左方向にシリンダ１１内を摺動する。この時、スプリング１２の間隔は、定常状態よりも狭くなる。従って、スプリング１１に狭持された管１６の形状が、スプリング１２によって歪められる。このため、管１６内の流路は狭くなる（負荷状態；図４（ｂ）に示す状態）。
そこで、第２実施形態では、このような流路の変化を利用し、外力Ｆが算出される。即ち、空気圧アクチュエータ１０Ｂは、ピストン１３（駆動部）の移動により弾性変形する管１６（弾性部材）を備えている。そして、ピストン１３（駆動部）が移動すると、管１６（弾性部材）が弾性変形する。これにより管１６内の流路が狭くなり、通過するエアの流量に変化が生じる。この際の流量を流量センサ５０で測定することで、ピストン１３（駆動部）の変位ｘを算出する。
このことを換言すれば、測定される流量（状態量）Ｇが、管１６（弾性部材）が弾性変形した時に変化するものであり、演算部は、測定された流量（状態量）Ｇ、及び、流量（状態量）と外力Ｆとの関係式（式（２）及び以下の式（３））に基づき外力Ｆを算出する。より具体的には、演算部は、流量Ｇと以下の式（３）に基づき変位ｘを算出し、算出された変位ｘと前記の式（２）に基づき外力Ｆを算出する。
以下、具体的に、第２実施形態の外力算出方法を、図５を参照しながら説明する。第１実施形態と同様、定常状態において外力Ｆがマニピュレータ１５に負荷された時に、図５に示すフローが行われる。
外力Ｆがマニピュレータ１５に負荷されると、前記のように、管１６内の流路が狭くなる。そのため、管１６を通流するエアの流量が減少する。そこで、演算部は、外力Ｆの負荷後に管１６を通流するエアの流量（状態量）を測定する（ステップＳ２０１）。
次に、測定された流量Ｇに基づいて、変位ｘを算出する（ステップＳ２０２）。なお、ピストン１３の移動に伴う流量Ｇと変位ｘとの関係は、予め予備実験等により決定される。具体的には、変位ｘは、予め予備実験等により、流量Ｇの関数ｆとして決定される。即ち、この関数は、以下の式（３）で表される。
Figure 2013220273
ここで、ピストン１３の移動量が多くなれば（変位ｘが大きくなれば）、管１６の弾性変形は大きくなる。これにより、管１６の流路断面は小さくなる。そのため、管１６内を通流するエアの流量Ｇは減少する。このように、流量Ｇと変位ｘとの間に成立する関係（式（３））を用い、変位ｘが流量Ｇに基づき算出される。なお、式（３）は、例えば、反比例の式（ｘ＝１／Ｇ）等になる。
演算部は、算出された変位ｘを微分することにより、ピストン１３の速度ｖを算出する（ステップＳ２０３；速度算出ステップ）。さらに、演算部は、圧力センサ２０により、シリンダ１１内の圧力Ｐを測定する（ステップＳ２０４）。そして、演算部は、ステップＳ２０２において算出された変位ｘ、ステップＳ２０３において算出された速度ｖ、及び、ステップＳ２０４において測定された圧力Ｐを前記式（２）に代入することにより、外力Ｆを算出する（ステップＳ２０５）。即ち、演算部は、少なくとも、式（３）に基づき算出された変位ｘ、及び、変位ｘと外力Ｆとの関係式（式（２））に基づき外力Ｆを算出する。
このようにして、外力Ｆが算出される。算出された外力Ｆは、演算部により、手術者に提示される。提示の形態は、例えば、外力Ｆの大きさに応じて、手術者に反動を与えること等が挙げられる。
第２実施形態においては、外力Ｆの算出に際して、積分計算が行われない。そのため、誤差の蓄積が小さいという利点がある。具体的には、第２実施形態においては、空気圧アクチュエータ１０Ｂへのエアの供給路を２系統としている。そして、これらのうちの１系統の供給路において、スプリング１２の間隔が狭くなることを利用して外力Ｆが算出される。そのため、１系統の場合と比べて、より精度よく、外力Ｆが算出される。これにより、負荷された外力Ｆの提示が精度よく行われる。そのため、手術等において、より精度よく作業を行うことができる。
また、第１実施形態と同様に、外力Ｆの算出に際して、変位ｘの測定を行う必要がない。これにより、空気圧アクチュエータを用いた装置全体を小型化することができる。さらには、装置の設置やメンテナンスの容易さ、構成の簡素化、適用用途の拡大化、汎用性の拡大等の利点がある。
［３．第３実施形態］
第３実施形態の外力算出方法に適用可能な外力算出システム３００を図６に示す。図６において、図１に示す外力算出システム１００、及び、図３に示す外力算出システム２００と同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
図６に示す外力算出システム３００においては、空気圧アクチュエータ１０Ｃと、圧力センサ（第１圧力センサ）２０と、空気圧サーボ弁４０と、チャンバ７０と、圧力センサ（第２圧力センサ）８０と、を備えている。また、外力Ｆ算出システム３００は、図示しない演算部を備えている。
外力算出システム３００における空気圧アクチュエータ１０Ｃにおいては、前記した第１実施形態の空気圧アクチュエータ１０Ａの構成に加えて、弾性体により構成される、中空状のバルーン１７（例えばゴム製）が備えられている。バルーン１７は、シリンダ１１の壁面及びロッド１４を貫通して設けられている。また、バルーン１７は、スプリング１２に狭持されている。
ここで、外力Ｆが負荷されていない時のバルーン１７の様子と、外力Ｆが負荷されている時のバルーン１７の様子を、図７を参照しながら説明する。なお、図７において、バルーン１７が配置される様子が現実とは異なることがあるが、図７においては、バルーン１７の挙動をより明確に表すために、バルーン１７の配置の様子を簡略化して示している。
空気圧サーボ弁４０は、第１実施形態において説明したように、シリンダ１１内のエア圧力が所定の圧力になるように、供給するエアの流量を調整するようになっている（定常状態）。この時、スプリング１２に挟持されているバルーン１７は、図７（ａ）に示すように、変形していない。従って、定常状態においては、バルーン１７内の圧力は一定である。
定常状態において、外力Ｆがマニピュレータ１５に負荷されると、ピストン１３が紙面左方向にシリンダ１１内を摺動する（負荷状態）。すると、スプリング１２の間隔は、定常状態よりも狭くなる。これにより、図７（ｂ）に示すように、スプリング１２に狭持されたバルーン１７は変形する（潰される）。その結果、バルーン１７の内容積が減少する。内容積が減少すると、バルーン１７及びチャンバ７０並びにそれらを接続する管内のエアが圧縮され、チャンバ７０内の圧力は上昇する。なお、チャンバ７０内の圧力は、チャンバ７０に設けられている圧力センサ８０により測定される。
そこで、第３実施形態では、バルーン１７の変形による圧力の変化を利用し、外力Ｆが算出される。即ち、原理としては第２実施形態と同様であるが、第３実施形態においては、弾性変形によりバルーン１７の内容積変化に伴う圧力変化に基づいて、外力Ｆの算出が行われる。
以下、具体的に、第３実施形態の外力算出方法を、図８を参照しながら説明する。第１実施形態及び第２実施形態と同様、定常状態において外力Ｆがマニピュレータ１５に負荷された時に、図８に示すフローが行われる。なお、演算部は、定常状態における、圧力センサ８０によりチャンバ７０内の圧力を測定し、ＨＤＤ等に記憶している。
はじめに、演算部は、圧力センサ８０により、圧力上昇後のチャンバ７０の圧力（状態量）を測定する（ステップＳ３０１）。そして、演算部は、測定されたチャンバ７０の圧力に基づき、容積変化量ｄＶを算出する（ステップＳ３０２）。ここで、チャンバ７０の圧力と容積変化量ｄＶとの関係について説明する。
外力Ｆがマニピュレータ１５に負荷されると、前記のように、バルーン１７の内容積が減少し、チャンバ７０内の圧力が上昇する。これらの状態変化は、エアの温度が変化しない場合、式（４）で表される。
Figure 2013220273
 ただし、Ｐ０、Ｖ０、ｄＰ、Ｖ及びｄＶは、以下の値である。
Ｐ０：初期圧力（圧力センサ８０により測定される、定常状態の圧力）
Ｖ０：定常状態における、バルーン１７の内容積とチャンバ７０の内容積との合計初期容積
ｄＰ：定常状態から負荷状態に変化したときの、初期圧力Ｐ０からの圧力変化量
ｄＶ：定常状態から負荷状態に変化したときの、合計初期容積Ｖ０からの容積変化量
なお、Ｖ０は、厳密には、バルーン１７の内容積とチャンバ７０の内容積とこれらを接続する管の内容積との合計容積である。しかしながら、管の内容積は、通常、バルーン１７の内容積とチャンバ７０の内容積との合計容積と比べて、極めて小さい。そのため、これらの合計容積を測定して用いることも可能ではあるが、前記式（４）において、管の内容積を考慮せずとも精度は十分良好である。
圧力変化量ｄＰは、圧力センサ８０により測定されたチャンバ７０の圧力Ｐから初期圧力Ｐ０を減ずることにより算出される。そして、Ｐ０、Ｖ０及び算出されたｄＰを前記式（４）に代入することにより、容積変化量ｄＶが算出される。即ち、チャンバ７０の圧力Ｐ（＝Ｐ０＋ｄＰ）に基づき、容積変化量ｄＶが算出される。
次に、算出された容積変化量ｄＶに基づき、変位ｘが算出される（ステップＳ３０３）。容積変化量ｄＶと変位ｘとの関係は、予め予備実験等により決定される。具体的には、変位ｘは、予め予備実験等により、容積変化量ｄＶの関数ｇとして決定される。即ち、この関数は、以下の式（５）で表される。なお、式（５）は、例えば、比例の式（ｘ＝ａ×ｄＰ（ただしａは定数））等になる。
Figure 2013220273
このように、前記式（５）に容積変化量ｄＶを代入することにより、変位ｘが算出される。
その後は、第２実施形態と同様にして、外力Ｆを算出する（ステップＳ３０３〜Ｓ３０６）。算出された外力Ｆは、演算部により、手術者に提示される。提示の形態は、例えば、外力Ｆの大きさに応じて、手術者に反動を与えること等が挙げられる。
第３実施形態においては、エアを供給する空気圧サーボ弁が１つのみ設けられている。もう１系統は流量を制御することなく、バルーン１７内の圧力を一定に保つための系統である。そのため、制御を簡素化することができる。また、バルーン１７へのエア供給路を設ける必要が無いため、装置構成を簡素化することができる。
ただし、第２実施形態とは異なりエアの流量制御の供給路は１系統のみであるが、スプリング１２に予め狭持された弾性部材（バルーン１７）の内容積変化ｄＶに伴う圧力変化ｄＰを利用する。そのため、第２実施形態と同様に、外力Ｆの算出に際して、積分計算が行われない。そのため、より精度よく、外力Ｆが算出される。また、第１実施形態と同様に、外力Ｆの算出に際して、変位ｘの測定を行う必要がない。これにより、空気圧アクチュエータを用いた装置全体を小型化することができる。さらには、装置の設置やメンテナンスの容易さ、構成の簡素化、適用用途の拡大化等の利点がある。
［４．変更例］
以上、３つの実施形態を挙げて本実施形態を説明したが、本実施形態は前記の内容に何ら限定されるものではない。即ち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。
例えば、治具としてのマニピュレータとして鉗子を挙げて本実施形態を説明したが、本実施形態の外力算出方法が適用可能なマニピュレータは鉗子に何ら限定されない。また、本実施形態の外力算出方法が適用可能な治具はマニピュレータに何ら限定されない。本実施形態の外力算出方法が適用可能な治具としては、例えば内視鏡、把持部材、手術用ロボットへの適用等が挙げられる。また、本実施形態の外力算出方法が適用可能な治具は、手術用治具以外の治具であってもよく、例えば半導体製造用途、防爆性が要求される用途、水中での作業用途等、任意の用途への適用が可能である。
また、例えば、本実施形態の外力算出方法が適用可能な構成は図示の例に何ら限定されず、外力が負荷される治具に応じて、部材や手段を適宜選択して使用すればよい。例えば、空気圧アクチュエータを駆動させるために、空気圧サーボ弁や空気圧電磁弁が接続されることができる。また、必要に応じて、図示の例から一部の手段や部材を省略してもよい。
さらに、例えば、前記した各実施形態においては空気圧サーボ弁が用いられているが、空気圧サーボ弁に代えて、空圧電空比例弁等が用いられてもよい。
また、例えば、前記した各実施形態においては、シリンダとピストンとを組み合わせて空気圧アクチュエータとしているが、空気圧アクチュエータの構成は図示の例に何ら限定されるものではない。例えば、シリンダとプランジャとを組み合わせた空気圧アクチュエータとしてもよい。また、空気圧アクチュエータに供給されるエアは必ずしも空気でなくてもよく、任意の気体を供給すればよい。
さらに、各空気圧アクチュエータに備えられるスプリング１２は、必ずしも図示の位置に設けられる必要はない。即ち、図示の例では、スプリング１２は、シリンダ１１内であってピストン１３とマニピュレータ１５との間に設けられているが、シリンダ１１内であって空気圧サーボ弁４０とピストン１３との間に設けられるようにしてもよい。より具体的には、空気圧サーボ弁４０からのエアが供給される空間に、スプリング１２が設けられるようにしてもよい。また、スプリング１２は、ロッド１４を取り囲んで設けられているが、例えばロッド１４の外周面に平行にロッド１４を取り囲むことなく、単数或いは複数のスプリングが設けられるようにしてもよい。
また、例えば、図３における管１６の設置形態、図６におけるバルーン１７の設置形態も、図示の例に何ら限定されない。即ち、図示の例では、スプリング１２により管１６及びバルーン１７が変形されるようにしているが、例えばピストン１３と管１６又はバルーン１７が接触することより、これらが変形するようにしてもよい。また、これらの手段の設置位置も特に限定されず、管１６及びバルーン１７が変形して前記した作用を生じる位置であれば、どのような位置に設けてもよい。また、図３の例では管１６を用いているが、外力Ｆが負荷されることにより変形し、流量変化が生じるものであれば、どのようなものを用いてもよい。さらに、図４の例ではバルーン１７を用いているが、外力Ｆが負荷されることにより変形し、圧力変化が生じるものであれば、どのようなものを用いてもよい。
さらに、例えば、前記した各実施形態において用いた式や方法は本発明を実施するための一例である。従って、前記した式や方法は、本発明を実施することができる式や方法であれば、任意に変更して実施可能である。
例えば、外力算出システム３００において、ステップ３０３〜ステップＳ３０６は、外力算出システム２００におけるステップＳ２０２〜ステップＳ２０５と同様にしているが、例えばステップＳ３０４において速度ｖを算出する際、式（１）を用いて算出してもよい。ただし、外力算出システム３００においては、バルーン１７にエアは新たに供給されない。従って、ステップＳ３０４において用いる式（１）は、Ｇ（流量）＝０として計算される。
また、例えば、図２、図５及び図８を参照しながら説明したフローは、本実施形態を説明するためのフローの一例であり、任意に変更して実施可能である。
例えば、図３の例では流量変化量に基づいて圧縮量を算出しているが、圧力センサを設け、圧力変化量に基づいて圧縮量を算出してもよい。また、図６の例では圧力変化量に基づいて圧縮量を算出しているが、流量センサを設け、流量変化量に基づいて圧縮量を算出してもよい。さらに、図３及び図６のいずれの例においても、圧力変化量及び流量変化量の両方を用いて圧縮量を算出してもよい。
また、例えば、前記した各実施形態における状態量は適宜変更して実施可能である。即ち、ピストン１３（駆動部）が移動することにより生じる状態量の変化に基づき外力Ｆが算出されれば、どのような状態量を用いてもよい。状態量としては、前記した圧力及び流量のほか、例えば、容積、温度等が挙げられる。そして、これに対応して、各種センサ（状態量測定手段）を設ければよい。
１０Ａ 空気圧アクチュエータ
１０Ｂ 空気圧アクチュエータ
１０Ｃ 空気圧アクチュエータ
１１ シリンダ
１２ スプリング
１３ ピストン（駆動部）
１５ マニピュレータ（治具）
１６ 管（弾性部材）
１７ バルーン（弾性部材）
２０ 圧力センサ（状態量測定手段）
３０ 流量センサ（状態量測定手段）
５０ 流量センサ（状態量測定手段）
８０ 圧力センサ（状態量測定手段）
１００ 外力算出システム
２００ 外力算出システム
３００ 外力算出システム

Claims (5)

  1. 治具に接続された駆動部を備える空気圧アクチュエータにおける、前記治具に負荷される外力を算出する方法であって、
    前記治具への外力の負荷によって前記駆動部が移動した時におけるエアの状態量を、状態量測定手段によって測定する状態量測定ステップと、
    前記状態量測定ステップにおいて測定された状態量、及び、状態量と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を演算部によって算出する外力算出ステップと、を有する
    ことを特徴とする、外力算出方法。
  2. 前記状態量測定ステップにおいて測定される状態量が少なくとも圧力であり、前記状態量測定手段によって測定された圧力、及び、圧力と前記駆動部の変位との関係式に基づき、前記駆動部の変位を前記演算部によって算出する変位算出ステップを有し、
    前記外力算出ステップにおいて、前記変位算出ステップにおいて算出された変位、及び、変位と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を前記演算部によって算出する
    ことを特徴とする、請求項１に記載の外力算出方法。
  3. 前記駆動部の移動時の速度を前記演算部によって算出する速度算出ステップを有する
    ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の外力算出方法。
  4. 前記状態量測定ステップにおいて測定される状態量が圧力及び流量であり、前記状態量測定手段によって測定された圧力及び流量、及び、圧力と流量と前記駆動部の変位との関係式に基づき、前記駆動部の変位を前記演算部によって算出する変位算出ステップを有し、
    前記外力算出ステップにおいて、前記変位算出ステップにおいて算出された変位、及び、変位と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を前記演算部によって算出する
    ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の外力算出方法。
  5. 前記空気圧アクチュエータは、前記駆動部の移動により弾性変形する弾性部材を備え、
    前記状態量測定ステップにおいて測定される状態量が、前記弾性部材が弾性変形した時に変化する状態量であり、前記状態量測定手段によって測定された状態量、及び、状態量と前記駆動部の変位との関係式に基づき、前記駆動部の変位を前記演算部によって算出する変位算出ステップを有し、
    前記外力算出ステップにおいて、前記変位算出ステップにおいて算出された変位、及び、変位と前記治具に負荷される外力との関係式に基づき、前記治具に負荷される外力を前記演算部によって算出する
    ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の外力算出方法。
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