JP2014100377A - 医療用ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】力センサを用いなくても、検体に対しては医療用器具を柔軟に接触させることができ、検体の表面に沿ってスムーズに医療用器具をなぞることができる医療用ロボット装置を提供する。
【解決手段】医療用ロボット装置６００は、３対６筋構造のロボットアーム１００と、ハンド２００と、制御装置４００とを備えている。制御装置４００は、リンク１０２の先端が検体Ｂの表面に対して水平方向に移動するようアクチュエータ１１１〜１１６の駆動力を制御する水平移動制御モードを実行する。制御装置４００は、水平移動制御モードを実行する際に、プローブ１３０における剛性が検体Ｂの表面に対して水平方向を第１剛性値とし、且つ検体Ｂの表面に対して垂直方向を第２剛性値とする状態を維持するように、アクチュエータ１１１〜１１６の駆動力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３対６筋構造の医療用ロボット装置に関する。

近年、遠隔医療に用いられる医療用ロボット装置が開発されている。医療用ロボット装置を遠隔制御する場合、例えば超音波診断装置で診察する場合、ロボットアームに支持された医療用器具であるプローブを検体の表面（体表）に沿って移動させることで、エコー画像等の診察情報を取得することが可能である。検体とプローブとの間には摩擦が生じるため、プローブを体表に沿って移動させた場合にプローブと体表との間の摩擦でプローブが体表に引っ掛かることがあり、これがプローブのスムーズな移動に支障を与えることがあった。このため、ロボットアームの剛性を剛性制御にて調整する必要があり、一般には、プローブを体表に押し付ける荷重は０．４ｋｇ程度である。

特許文献１では、力センサで、力、トルク等を検出し、そのフィードバックによりトルク制御を行うものが提案されている。この特許文献１には、超音波プローブに力センサを取りつけ、超音波プローブが受ける反力をサーボ機構で一定に保ち、自動診察する技術が開示されている。

特開２０１０−８２３３３号公報

上記特許文献１の構成では、超音波プローブが受ける反力をサーボ機構で一定に保つことができるので、検体が動いた場合であってもロボットアームは検体に対して柔軟に動作することができるが、高精度な力センサが必要であった。このような力センサは高価であるので、力センサを用いない医療用ロボット装置が望まれていたが、検体の呼吸動作等の動作に対しては低剛性で、プローブのなぞり動作に対してはスムーズな動作が要求されており、その実現には至っていなかった。

そこで、本発明は、力センサを用いなくても、検体に対しては医療用器具を柔軟に接触させることができ、検体の表面に沿ってスムーズに医療用器具をなぞることができる医療用ロボット装置を提供することを目的とするものである。

本発明の医療用ロボット装置は、固定リンクと、前記固定リンクに第１関節で連結された第１リンクと、前記第１リンクに第２関節で連結された第２リンクと、前記第１リンクを前記第１関節まわりに第１旋回方向に駆動可能な第１アクチュエータと、前記第１リンクを前記第１関節まわりに前記第１旋回方向に対して反対の第２旋回方向に駆動可能な第２アクチュエータと、前記第２リンクを前記第２関節まわりに前記第１旋回方向に駆動可能な第３アクチュエータと、前記第２リンクを前記第２関節まわりに前記第２旋回方向に駆動可能な第４アクチュエータと、前記第１及び第２リンクを同時に前記第１及び第２関節まわりに前記第１旋回方向に駆動可能な第５アクチュエータと、前記第１及び第２リンクを同時に前記第１及び第２関節まわりに前記第２旋回方向に駆動可能な第６アクチュエータと、前記第２リンクの先端が検体の表面に対して水平方向に移動するよう前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６アクチュエータの駆動力を制御する水平移動制御モードを実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記水平移動制御モードを実行する際に、前記第２リンクの先端に対して位置決め支持された医療用器具における剛性が、前記検体の表面に対して水平方向を第１剛性値とし、且つ前記検体の表面に対して垂直方向を前記第１剛性値よりも低い第２剛性値とする状態を維持するように、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６アクチュエータの駆動力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、力センサが不要で低コスト化を実現することができ、検体に対しては医療用器具を柔軟に接触させつつも安定して医療用器具を検体の表面に沿ってなぞることができ、安定した遠隔診察が可能となる。

実施形態に係る医療用ロボット装置の概略構成を示す説明図である。 操作装置を示す説明図である。 演算装置の機能ブロック図である。 実施形態に係る医療用ロボット装置を用いた診察作業を示すフローチャートである。 図１のロボットアームをモデル化した模式図である。 筋の粘弾性モデルを示す模式図である。 スティフネス楕円の楕円率と相対的発生力との関係を示すグラフである。 別の実施形態のアクチュエータを示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る医療用ロボット装置の概略構成を示す説明図である。医療用ロボット装置６００は、ロボットアーム１００と、ロボットアーム１００の先端に設けられたハンド２００とを有するマニピュレータ３００を備えている。また、医療用ロボット装置６００は、マニピュレータ３００を制御する制御部としての制御装置４００と、遠隔操作に用いられる操作部としての操作装置５００と、を備えている。なお、本実施形態では、検体Ｂは、人体であり、診察用ベッド１に仰向けに寝ているものとするが、人以外の動物であってもよい。

ロボットアーム１００は、固定リンク１０３、リンク（第１リンク）１０１及びリンク（第２リンク）１０２を有している。固定リンク１０３の基端は、台や床等に固定され、固定リンク１０３の先端は、リンク１０１の基端に連結されている。リンク１０１の先端は、リンク１０２の基端に連結されている。固定リンク１０３とリンク１０１との連結部分が関節（第１関節）Ｊ１であり、リンク１０１とリンク１０２との連結部分が関節（第２関節）Ｊ２である。リンク１０１は、固定リンク１０３に対して関節Ｊ１で旋回可能に連結されており、リンク１０２は、リンク１０１に対して関節Ｊ２で旋回可能に連結されている。

ロボットアーム１００は、６つのＭｃＫｉｂｂｅｎ型の空気圧式人工筋肉アクチュエータであるアクチュエータ１１１〜１１６を有している。第１アクチュエータであるアクチュエータ１１１及び第２アクチュエータであるアクチュエータ１１２は、固定リンク１０３に設けられている。第３アクチュエータであるアクチュエータ１１３及び第４アクチュエータであるアクチュエータ１１４は、リンク１０２に設けられている。第５アクチュエータであるアクチュエータ１１５及び第６アクチュエータであるアクチュエータ１１６は、リンク１０１に設けられている。

アクチュエータ１１１，１１２は、固定リンク１０３の両側に拮抗配置され、アクチュエータ１１３，１１４は、リンク１０２の両側に拮抗配置され、アクチュエータ１１５，１１６は、リンク１０１の両側に拮抗配置されている。

アクチュエータ１１１は、収縮によりリンク１０１を関節Ｊ１まわりに第１旋回方向である矢印Ｒ１方向（図１中、時計回り方向）に駆動可能に構成されている。アクチュエータ１１２は、収縮によりリンク１０１を関節Ｊ１まわりに矢印Ｒ１方向に対して反対の第２旋回方向である矢印Ｒ２方向（図１中、反時計回り方向）に駆動可能に構成されている。

アクチュエータ１１３は、収縮によりリンク１０２を関節Ｊ２まわりに矢印Ｒ１方向に駆動可能に構成されている。アクチュエータ１１４は、収縮によりリンク１０２を関節Ｊ２まわりに矢印Ｒ２方向に駆動可能に構成されている。

アクチュエータ１１５は、収縮によりリンク１０１，１０２を同時に関節Ｊ１，Ｊ２まわりに矢印Ｒ１方向に駆動可能に構成されている。アクチュエータ１１６は、収縮によりリンク１０１，１０２を同時に関節Ｊ１，Ｊ２まわりに矢印Ｒ２方向に駆動可能に構成されている。

つまり、アクチュエータ１１１，１１２は関節Ｊ１を駆動し、アクチュエータ１１３，１１４は関節Ｊ２を駆動し、アクチュエータ１１５，１１６は２つの関節Ｊ１，Ｊ２を同時に駆動する。

そして、アクチュエータ１１１，１１２の駆動力の和により、関節Ｊ１に剛性を付与し、アクチュエータ１１１，１１２の駆動力の差により、関節Ｊ１にトルクを付与する。また、アクチュエータ１１３，１１４の駆動力の和により、関節Ｊ２に剛性を付与し、アクチュエータ１１３，１１４の駆動力の差により、関節Ｊ２にトルクを付与する。また、アクチュエータ１１５，１１６の駆動力の和により、関節Ｊ１，Ｊ２に剛性を付与し、アクチュエータ１１５，１１６の駆動力の差により、関節Ｊ１，Ｊ２にトルクを付与する。

ハンド２００は、医療用器具として、超音波プローブ（以下「プローブ」という）１３０を把持するためのものである。プローブ１３０は超音波診断装置本体に接続されており、プローブ１３０と超音波診断装置本体とで超音波診断装置が構成されている。

ハンド２００は、リンク１０２の先端に連結されている。つまり、プローブ１３０は、ハンド２００を介してリンク１０２の先端に対して位置決め支持されている。なお、本実施形態では、ハンド２００にプローブ１３０を支持させているが、ハンド２００を省略してリンク１０２の先端に直接プローブ１３０を装着するようにしてもよい。

リンク１０２とハンド２００との連結部分が関節（第３関節）Ｊ３であり、関節Ｊ３には、第７アクチュエータとして減速機付きのモータ１２０が組み込まれている。このモータ１２０は、リンク１０２に対してハンド２００を矢印Ｒ１方向及び矢印Ｒ２方向に駆動可能に構成されている。

なお、各関節Ｊ１〜Ｊ３には、不図示のロータリーエンコーダが組み込まれており、関節角度（旋回角度）を検出することができる。

操作装置５００は、無線又は有線で、直接又はネットワークを介して制御装置４００に接続されている。この操作装置５００は、操作者の操作に応じた制御指令を制御装置４００に送信するためのものであり、ジョイスティックや、パドル、トラックボール、マウス等のＭＭＩ（マンマシンインタフェース）で構成されている。操作者は、操作装置５００を操作することで制御装置４００に制御指令を送信することができる。

図２は、操作装置５００を示す説明図であり、操作装置５００は、本実施形態では、ジョイスティックであるものとして説明する。操作者が操作装置５００のスティックを状態Ａ０〜状態Ａ４に操作することで、操作装置５００は、各状態Ａ０〜Ａ４に応じた制御指令を制御装置４００に送信する。

具体的に説明すると、操作装置５００は、状態Ａ１のときは、プローブ１３０を水平方向（ｈ軸方向）の順方向へ移動する指令、即ち制御指令として後述する水平移動制御モードの実行を指令する第１制御指令を制御装置４００に送信する。操作装置５００は、状態Ａ２のときは、プローブ１３０を水平方向（ｈ軸方向）の逆方向へ移動する指令、即ち制御指令として後述する水平移動制御モードの実行を指令する第１制御指令を制御装置４００に送信する。操作装置５００は、状態Ａ３のときは、プローブ１３０の荷重を増加する指令、即ち制御指令として検体Ｂの表面に対するプローブ１３０の垂直方向（ｖ軸方向）の荷重の変更を指令する第２制御指令を制御装置４００に送信する。操作装置５００は、状態Ａ４のときは、プローブ１３０の荷重を減少する指令、即ち制御指令として検体Ｂの表面に対するプローブ１３０の垂直方向（ｖ軸方向）の荷重の変更を指令する第２制御指令を制御装置４００に送信する。操作装置５００は、状態Ａ０のときは、プローブ１３０を停止する指令を制御装置４００に送信する。つまり、操作装置５００は、これら制御指令を制御装置４００に送信する操作を受付可能に構成されている。

なお、操作装置５００の操作者が、検体Ｂを直接視認することができない場合には、不図示のカメラを検体Ｂを撮像する位置姿勢で検体Ｂの近くに配置しておき、カメラから得られた画像データを表示するモニタを操作者の近傍に配置しておくとよい。つまり、操作装置５００の操作者がプローブ１３０の位置や検体Ｂの状態が視認できない場合には、ＴＶ会議システムや監視カメラ等の併用が望ましい。

図１に示す制御装置４００は、コンピュータからなる演算部である演算装置４０１と、演算装置４０１の指令に応じてアクチュエータ１１１〜１１６及びモータ１２０を動作させる駆動源４０２と、を有している。駆動源４０２におけるアクチュエータ１１１〜１１６の駆動源部は、空気をアクチュエータ１１１〜１１６に送る空気供給源装置であり、駆動源４０２におけるモータ１２０の駆動源部は、電源装置である。

演算装置４０１は、操作装置５００から受信した制御指令に応じて、各アクチュエータ１１１〜１１６の収縮力指令値ｕ_ｅ１，ｕ_ｆ１，ｕ_ｅ２，ｕ_ｆ２，ｕ_ｅ３，ｕ_ｆ３を演算により求める。そして、駆動源４０２は、収縮力指令値ｕ_ｅ１，ｕ_ｆ１，ｕ_ｅ２，ｕ_ｆ２，ｕ_ｅ３，ｕ_ｆ３に応じた収縮力（駆動力）ｕ_ｅ１ ^＊，ｕ_ｆ１ ^＊，ｕ_ｅ２ ^＊，ｕ_ｆ２ ^＊，ｕ_ｅ３ ^＊，ｕ_ｆ３ ^＊を各アクチュエータ１１１〜１１６に発生させる。これにより、各リンク１０１，１０２が各アクチュエータ１１１〜１１６の駆動により旋回動作する。したがって、操作装置５００の操作者である医師や超音波検査士は、検体Ｂから離れた地点でマニピュレータ３００の遠隔操作が可能である。

制御装置４００は、リンク１０２の先端が検体Ｂの表面に対して水平方向であるｈ軸方向に移動して、プローブ１３０の先端が検体Ｂの表面に接触しながらｈ軸方向に移動するよう、アクチュエータ１１１〜１１６の駆動力を制御する水平移動制御モードを実行する。制御装置４００は、操作装置５００から第１制御指令を受けてこの水平移動制御モードを実行する。なお、制御装置４００は、この水平移動制御モードのみ実行可能に構成されていてもよいし、この水平移動制御モードに加えて他の動作モードも実行可能に構成されていてもよい。制御装置４００は、この水平移動制御モードを実行する際に、プローブ１３０における剛性が、検体Ｂの表面に対して水平方向を第１剛性値βとし、且つ検体Ｂの表面に対して垂直方向を第２剛性値αとする状態を維持するように、アクチュエータの駆動力を制御する。ここで、第２剛性値αは、第１剛性値βよりも低い値である。

その際、制御装置４００は、プローブ１３０が検体Ｂの表面に対して垂直な状態を維持するようにモータ１２０の駆動を制御する。つまり、ハンド２００の姿勢は、固定リンク１０３に対するリンク１０１の旋回角度、リンク１０１に対するリンク１０２の旋回角度、及びリンク１０２に対するハンド２００の旋回角度の和が一定になるように制御されている。これら旋回角度は、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に組み込まれたロータリーエンコーダの出力より検出される。本実施形態では１８０°である。

図３は、演算装置４０１の機能ブロック図である。リンク１０１と垂直方向のｖ軸とのなす角度の目標がθ_１，リンク１０１とリンク１０２とのなす角度の目標がθ_２である。

演算装置４０１は、剛性計算処理部４１０、トルク計算処理部４１１及び指令値計算処理部４１２としての機能を有する。剛性計算処理部４１０は、予め与えられた剛性値α，β及び目標の角度θ_１，θ_２に基づき、ｕ_ｅ１＋ｕ_ｆ１＝Ｕ_１，ｕ_ｅ２＋ｕ_ｆ２＝Ｕ_２，ｕ_ｅ３＋ｕ_ｆ３＝Ｕ_３の値を計算する。また、トルク計算処理部４１１は、目標の角度θ_１，θ_２及び制御指令に基づき、ｕ_ｅ１−ｕ_ｆ１，ｕ_ｅ２−ｕ_ｆ２，ｕ_ｅ３−ｕ_ｆ３の値を計算する。そして、指令値計算処理部４１２は、剛性計算処理部４１０及びトルク計算処理部４１１の計算結果に基づき、収縮力指令値ｕ_ｅ１，ｕ_ｆ１，ｕ_ｅ２，ｕ_ｆ２，ｕ_ｅ３，ｕ_ｆ３を計算する。

図４は、本実施形態に係る医療用ロボット装置６００を用いた診察作業を示すフローチャートである。まず、初期状態では、検体Ｂは、ハンド２００に把持されているプローブ１３０の下方の診察用ベッド１に寝ている。この時点で制御装置４００は、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に組み込まれたロータリーエンコーダ出力を読み、ハンド２００の姿勢を図１のｖ軸方向下向き、ハンド２００の位置を検体Ｂの少し上に制御している。そして、制御装置４００は、トルクが重力拮抗、剛性が低剛性になるようアクチュエータ１１１〜１１６の収縮力を保持している（Ｓ１００）。詳しくは、演算装置４０１は、プローブ１３０先端で所望の剛性とトルクを実現するパラメータ、関節Ｊ１と関節Ｊ２の回転角度とから決定される拮抗配置された各アクチュエータ１１１〜１１６での収縮力指令値を計算する。そして、演算装置４０１は、各アクチュエータ１１１〜１１６の駆動源４０２に収縮力指令値を与える。これにより、オフライン状態で剛性を緩和し、トルクは重力均衡としている。

次に、検体Ｂのそばにいる作業者が、プローブ１３０を診察開始部位にセットする（Ｓ１０１）。このステップＳ１０１では、現場にいる作業者が、検体Ｂの表面にエコーゼリーを塗布し、プローブ１３０を検体Ｂの表面に当てる。ロボットアーム１００は重力拮抗低剛性状態なので、この作業は容易に実施可能である。検体Ｂそばの現場にいる作業者は、オンライン制御状態への移行指示を制御装置４００に行う。

制御装置４００は、オンライン制御を開始すると、アクチュエータ１１１〜１１６に収縮力（駆動力）を発生させ、水平方向であるｈ軸方向（図１）の剛性を増加させる（Ｓ１０２）。

制御装置４００は、操作装置５００から制御指令を受信したか否かを判断する（Ｓ１０３）。制御装置４００は、制御指令を受信した場合は（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、制御指令の種別を判別し、受信した制御指令に応じた動作をマニピュレータ３００に行わせる。

即ち、制御装置４００は、制御指令が順方向移動の指令（第１制御指令）である場合には、プローブ１３０を順方向に水平移動させる（Ｓ１０４）。また、制御装置４００は、制御指令が逆方向移動の指令（第１制御指令）である場合には、プローブ１３０を逆方向に水平移動させる（Ｓ１０５）。つまり、制御装置４００は、プローブ１３０における水平方向の第１剛性値β及び垂直方向の第２剛性値αを一定に保ちつつ、プローブ１３０が水平方向に移動するよう各アクチュエータ１１１〜１１６の駆動力を制御する水平移動制御モードを実行する。

また、制御装置４００は、制御指令が停止の指令である場合には、プローブ１３０の移動を停止させる（Ｓ１０６）。

また、制御装置４００は、制御指令が荷重増の指令（第２制御指令）である場合には、プローブ１３０の荷重を増加させ（Ｓ１０７）、制御指令が荷重減の指令（第２制御指令）である場合には、プローブ１３０の荷重を減少させる（Ｓ１０８）。

制御装置４００は、これらステップＳ１０４〜Ｓ１０８におけるマニピュレータ３００の動作を、アクチュエータ１１１〜１１６の駆動力を制御することで行う。

そして、制御装置４００は、制御指令を受信していない場合は（Ｓ１０３：Ｎｏ）、オフライン状態となり、ステップＳ１００と同様、プローブ１３０における剛性を低下させる。

ここで所望のエコー画像のデータが撮れていれば、プローブ１３０を検体Ｂから離し終了し、またエコーゼリーが不足でエコー画像が不鮮明であれば、検体Ｂのそばにいる作業者がエコーゼリー追加等の対策を行って、ステップＳ１００からリトライする。

以下、ステップＳ１００からＳ１０８までの演算装置４０１における演算処理の動作について詳細に説明する。まず、ハンド２００（プローブ１３０）の剛性の特性をコントロールする方法について簡単に説明する。図５は、図１のロボットアーム１００をモデル化した模式図である。以下の説明では、重力及び摩擦等の影響は無視する。また、ｖ−ｈ軸をｘ−ｙ軸とし、リンク１０１のリンク長をｌ_１、リンク１０２のリンク長をｌ_２とする。

アクチュエータ１１１は駆動力ｕ_ｅ１ ^＊、アクチュエータ１１２は駆動力ｕ_ｆ１ ^＊、アクチュエータ１１３は駆動力ｕ_ｅ２ ^＊、アクチュエータ１１４は駆動力ｕ_ｆ２ ^＊、アクチュエータ１１５は駆動力ｕ_ｅ３ ^＊、アクチュエータ１１６は駆動力ｕ_ｆ３ ^＊を発生する。また、関節Ｊ１まわりのトルクをＴ_１、関節Ｊ２まわりのトルクをＴ_２とし、リンク１０１とｘ軸とのなす角をθ_１、リンク１０１とリンク１０２とのなす角をθ_２とする。さらに、関節Ｊ１と関節Ｊ２のモーメントアームをｒとする。

アクチュエータ１１１〜１１６は、筋の粘弾性モデルで表すことができる。ＭｃＫｉｂｂｅｎ型の空気圧アクチュエータは、筋の粘弾性モデルを具現化するものの代表である。

図６は、筋の粘弾性モデルを示す模式図である。この筋の粘弾性モデルでは、バネ成分及びダンパ成分を持ったアクチュエータとして表わされ、出力Ｆは、以下のように数式化されることが知られている。

バネ成分、ダンパ成分の係数は、筋肉の収縮力ｕに比例する関数として表され、ｕの設定がモデルのアクチュエータの剛性設定となる。比例定数はそれぞれｋ，ｂ、ｘは自然長からの変位である。

周知のように、手先（ハンド２００、即ちプローブ１３０）での剛性は、一般に、微小外力ΔＦ_ｘ，ΔＦ_ｙによるリンク１０２の先端の微小変位をΔｘ_ｔ，Δｙ_ｔとすると、

となり、

に相似の楕円形状で表され、スティフネス楕円（剛性楕円）と称される。

ステップＳ１００では、制御装置４００は、ｖ軸方向に相当するｘ軸方向及びｈ軸方向に相当するｙ軸方向ともに剛性が低い状態に設定する。

ステップＳ１０２では、制御装置４００は、水平方向であるｙ軸方向の第１剛性値βを高剛性とし、垂直方向であるｘ軸方向の第２剛性値αを低剛性に設定する。具体的には、図５の水平方向であるｙ軸方向をスティフネス楕円の長軸、垂直方向であるｘ軸方向をスティフネス楕円の短軸に設定する。即ち、ｘ−ｙ軸に平行なスティフネス楕円が望まれ、

が条件となる。

スティフネス楕円の軸長が２α，２βであり、以下の式（５）に表される。

従って、スティフネス楕円は、図５中のリンク１０２の先端の楕円のようになる。

次に、各アクチュエータ１１１〜１１６の収縮力指令値ｕ_ｅ１，ｕ_ｆ１，ｕ_ｅ２，ｕ_ｆ２，ｕ_ｅ３，ｕ_ｆ３の各拮抗対に対応する和をＵ_１，Ｕ_２，Ｕ_３とする。即ち、ｕ_ｅ１＋ｕ_ｆ１＝Ｕ_１，ｕ_ｅ２＋ｕ_ｆ２＝Ｕ_２，ｕ_ｅ３＋ｕ_ｆ３＝Ｕ_３とする。各和Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３を制御することにより、手先の剛性を制御できる。

即ち、微小な外力ΔＦ_ｘ，ΔＦ_ｙによる関節Ｊ１，Ｊ２の微小な回転角度をΔθ_１，Δθ_２とすると、アクチュエータ１１１〜１１６は、筋の弾性力によりリンク１０１，１０２に微小なトルクΔＴ_ｐ１，ΔＴ_ｐ２を発生させる。回転角度Δθ_１，Δθ_２とトルクΔＴ_ｐ１，ΔＴ_ｐ２との間には、以下の式（６）及び式（７）の関係が成り立つ。

式（６）及び式（７）から判るように、Ｕ_１＋Ｕ_３，Ｕ_２＋Ｕ_３，Ｕ_３を大きく設定すると、各関節Ｊ１，Ｊ２での剛性は高まる。

そして、式（５）より、Ｕ_１＋Ｕ_３，Ｕ_２＋Ｕ_３，Ｕ_３を大きく設定すると、α，βも大きくなることが判る。

そこで、図５に示すロボットアーム１００にθ_１，θ_２のヤコビ行列

を導入すると、

が成り立つ。よって、

とすると、ｘ−ｙ軸に平行なスティフネス楕円を得るためには、

となる。

従って、所望の剛性値α，βと、与えられたリンク長ｌ_１，ｌ_２、角度θ_１，θ_２、アクチュエータのバネ定数ｋ、関節Ｊ１，Ｊ２のモーメントアームｒに対して、式（１３）の連立方程式を解くことで、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３の値が得られる。

ここで、例を示す。ｌ_１＝０．６［ｍ］、ｌ_２＝０．８［ｍ］、ｋ＝３、ｒ＝０．１［ｍ］とする。ｃａｓｅ１として、θ_１＝５０［°］、θ_２＝８０［°］とする。ｃａｓｅ２として、θ_１＝６０［°］、θ_２＝９０［°］とする。ｃａｓｅ３として、θ_１＝７０［°］、θ_２＝１００［°］とする。

各ｃａｓｅ１，２，３に関して、α＝βのときのＵ_１を１として、αβ一定の下、α／β、即ち楕円率をパラメータとしてグラフ化したものを図７に示す。図７は、スティフネス楕円の楕円率と相対的発生力Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３との関係を示すグラフである。図７（ａ）はｃａｓｅ１を、図７（ｂ）はｃａｓｅ２を、図７（ｃ）はｃａｓｅ３を表している。図７より、Ｕ_１を大きくし、且つＵ_２を小さくすると、α／βを大きくでき、Ｕ_１を小さくし、且つＵ_２を大きくすると、α／βを小さくできることがわかる。

ここで、α／βの比を変えなければ、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３の大小関係及び比率は変わらず、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３は、α／β一定下でのα，βに比例する。このように、所定の条件下で、所望の剛性値α，βが決まれば、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３は、一意的に決められることがわかる。

従って、ステップＳ１００では、α／βが１程度でかつ小さな円になるように設定し剛性を緩和する。ステップＳ１０２では、α／βが小さく変化するように設定し、検体Ｂの表面に対して平行方向の剛性を増加する。

ここで、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３は収縮力の和を示しているので、ＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータのように伸長力が無い場合、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３は負の値を採らない。

よって、本実施形態のようにＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータを使う場合、ステップＳ１００ではＵ_１→＋０（非負のゼロに近い値）となる（Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３）のセットを収縮力指令値とする。ステップＳ１０４〜Ｓ１０８ではＵ_２→＋０（非負のゼロに近い値）となる（Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３）のセットを収縮力指令値とする。

以上のようにして、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３を決めることが、各拮抗対としてのアクチュエータ１１１とアクチュエータ１１２、アクチュエータ１１３とアクチュエータ１１４、アクチュエータ１１５とアクチュエータ１１６の剛性を決めることになる。この（Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３）のセットにより手先（リンク１０２の先端）での剛性の特性が決定する。

次に、手先（リンク１０２の先端）の出力と変位について簡単に説明する。

現在位置を基準とした目標変位をΔｘ，Δｙとすると、対応する関節Ｊ１，Ｊ２の各々の回転変位をδθ_１，δθ_２として、その関係は、式（９）と同等に考えられて、以下のように変換される。

従って、（θ_１，θ_２）→（θ_１＋δθ_１，θ_２＋δθ_２）と変化して、新たな目標回転変位として、関節Ｊ１，Ｊ２の各エンコーダ値をモニタしながら、関節Ｊ１，Ｊ２へのトルク印加により、位置制御する。すると、現在位置を基準とした目標変位Δｘ，Δｙへと到達する。

そして、その結果のトルクを（Ｔ_１，Ｔ_２）に関して、図５のようなモデルの場合、以下のように表せることが知られている（粘性項は省略）。

ここで、０以上１以下の実数ε_１，ε_２，ε_３を用いて

とすると、式（１５）は、

となる。従って、２つの関節Ｊ１，Ｊ２を同時駆動するアクチュエータ１１５，１１６の存在により、所定のトルクに対して、解析的、かつ一意的には、各拮抗対をなすアクチュエータの出力比、即ちε_１，ε_２，ε_３を決定できない。

しかし、上述したように、所望の剛性値α，βと、目標の角度θ_１，θ_２より、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３の値が得られる。ゆえに例えば、垂直方向荷重重力拮抗で水平方向移動無し（図４のＳ１００状態）の条件下で位置制御（回転変位）することにより、制御結果として、ε_１，ε_２，ε_３が決定される。他にも所定の垂直方向荷重で水平方向移動無し（図４のＳ１０１状態）、所定の垂直方向荷重で水平順方向へ移動（図４のＳ１０３状態）等々も同様である。位置制御に関しては一般的なロボット運動学なのでここでは割愛する。

ここで、式（５）が成り立つ場合、手先での発生力をΔＦｘ，ΔＦｙとすると、以下の式（１８）が成り立つことが確認されている。

従って、微小目標変位を与えることにより微小力を発生でき、しかも、力の方向と変位の方向を揃えることができる。即ち、例えばΔｘを与え続けることにより、ΔＦ_ｘを加え続けることができる。

以上の原理に基づくことで、演算装置４０１は、所望の剛性値α，βと、目標の角度θ_１，θ_２により、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３の値を求め、ロボット運動学による位置制御（回転位置）の過程で、ε_１，ε_２，ε_３を決定する。その結果として、演算装置４０１は、各アクチュエータ１１１〜１１６への収縮力指令値ｕ_ｅ１，ｕ_ｆ１，ｕ_ｅ２，ｕ_ｆ２，ｕ_ｅ３，ｕ_ｆ３を決定する。

即ち、演算装置４０１は、各関節Ｊ１，Ｊ２に組み込まれたロータリーエンコーダの出力から、固定リンク１０３基準でリンク１０１の角度と、リンク１０１とリンク１０２の相対角度を取得する。そして、演算装置４０１は、既知のリンク１０１，１０２のリンク長、関節Ｊ１，Ｊ２のモーメントアーム値を用いて、所望の剛性値α、βから各拮抗対のアクチュエータの収縮力指令値の和を決定する。また、演算装置４０１は、微小目標変位への位置制御により収縮力指令値の差（トルク）を決定し、結果として、各アクチュエータ１１１〜１１６の発生力指令値を決定する。そして、演算装置４０１は、モデルの手先に相当するハンド２００（プローブ１３０）での剛性の特性と励起される力の方向と大きさを決定する。以上の概念に従って、図４に示した遠隔診断フローが実行される。

以上、本実施形態によれば、力センサが不要で低コスト化を実現することができ、検体Ｂに対してはプローブ１３０を柔軟に接触させつつも安定してプローブ１３０を検体Ｂの表面に沿ってなぞることができ、安定した遠隔診察が可能となる。

なお、式（１）で近似され、伸長力も発生するアクチュエータが使用できる場合、Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３は負の値も採れるので、α／βの大小がより明瞭となり、所定方向以外の剛性を上げられるで、より外乱等に強い安定した医療ロボット装置を実現できる。

そのようなアクチュエータのモデルとしては、図８に示すようなものが考えられる。駆動源４１は、モータ、減速機等からなる。駆動源４１の駆動量をＬ、直列のバネ要素のバネ係数ｋとすると、

バネ係数が、ｕに依存するものとし、Ｆは出力端からの出力、ｘを出力端の変位として

となり、式（１）と同等となる（粘性項は除く）。そして、駆動源４１の駆動量Ｌは極性を問わないので、収縮、伸長の力が発生できる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

上記実施形態では、医療用器具が超音波プローブ１３０である場合について説明したが、これに限定するものではなく、検体の表面に対してなぞって診察や医療行為を行う医療用器具であれば、本発明は適用可能である。

１０１…リンク（第１リンク）、１０２…リンク（第２リンク）、１０３…固定リンク、１１１…アクチュエータ（第１アクチュエータ）、１１２…アクチュエータ（第２アクチュエータ）、１１３…アクチュエータ（第３アクチュエータ）、１１４…アクチュエータ（第４アクチュエータ）、１１５…アクチュエータ（第５アクチュエータ）、１１６…アクチュエータ（第６アクチュエータ）、１３０…プローブ（医療用器具）、４００…制御装置（制御部）、５００…操作装置（操作部）、６００…医療用ロボット装置、Ｂ…検体、Ｊ１…関節（第１関節）、Ｊ２…関節（第２関節）

Claims (4)

1. 固定リンクと、
   前記固定リンクに第１関節で連結された第１リンクと、
   前記第１リンクに第２関節で連結された第２リンクと、
   前記第１リンクを前記第１関節まわりに第１旋回方向に駆動可能な第１アクチュエータと、
   前記第１リンクを前記第１関節まわりに前記第１旋回方向に対して反対の第２旋回方向に駆動可能な第２アクチュエータと、
   前記第２リンクを前記第２関節まわりに前記第１旋回方向に駆動可能な第３アクチュエータと、
   前記第２リンクを前記第２関節まわりに前記第２旋回方向に駆動可能な第４アクチュエータと、
   前記第１及び第２リンクを同時に前記第１及び第２関節まわりに前記第１旋回方向に駆動可能な第５アクチュエータと、
   前記第１及び第２リンクを同時に前記第１及び第２関節まわりに前記第２旋回方向に駆動可能な第６アクチュエータと、
   前記第２リンクの先端が検体の表面に対して水平方向に移動するよう前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６アクチュエータの駆動力を制御する水平移動制御モードを実行する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記水平移動制御モードを実行する際に、前記第２リンクの先端に対して位置決め支持された医療用器具における剛性が、前記検体の表面に対して水平方向を第１剛性値とし、且つ前記検体の表面に対して垂直方向を前記第１剛性値よりも低い第２剛性値とする状態を維持するように、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６アクチュエータの駆動力を制御することを特徴とする医療用ロボット装置。
2. 前記第２リンクの先端に第３関節で連結され、前記医療用器具を把持するハンドと、
   前記第３関節を前記第１旋回方向及び前記第２旋回方向に駆動する第７アクチュエータと、を備え、
   前記制御部は、前記水平移動制御モードを実行する際に、前記医療用器具が前記検体の表面に対して垂直な状態を維持するように前記第７アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の医療用ロボット装置。
3. 操作者の操作に応じて制御指令を前記制御部に送信する操作部を備え、
   前記操作部は、前記制御指令として前記水平移動制御モードの実行を指令する第１制御指令を前記制御部に送信する操作を受付可能に構成され、
   前記制御部は、前記第１制御指令を受信したときに前記水平移動制御モードを実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の医療用ロボット装置。
4. 前記操作部は、前記制御指令として前記検体の表面に対する前記医療用器具の前記垂直方向の荷重の変更を指令する第２制御指令を前記制御部に送信する操作を受付可能に構成され、
   前記制御部は、前記第２制御指令を受信したときに前記荷重を変更するように、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６アクチュエータの駆動力を制御することを特徴とする請求項３に記載の医療用ロボット装置。

Images