JP2017177290A

JP2017177290A - アーム制御方法及びアーム制御装置

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Publication number: JP2017177290A
Application number: JP2016069472A
Authority: JP
Inventors: 長尾　大輔; Daisuke Nagao; 大輔長尾; 栄良笠井; Shigeyoshi Kasai
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05
Also published as: US20190046283A1; CN109070363A; US11000338B2; WO2017169103A1

Abstract

【課題】アームを固定した状態でアームの異常の有無を判定できる技術が強く求められていた。【解決手段】本開示によれば、プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法が提供される。本開示によれば、アームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定することができる。したがって、アームの異常の有無をより安全に判定することができる。また、アームが異常な動作を行うことをより確実に防止することができる。もちろん、本開示の効果はこれらに限定されない。【選択図】図１

Description

本開示は、アーム制御方法及びアーム制御装置に関する。

特許文献１には、アームの異常の有無を判定する技術が開示されている。この技術では、アームに予め設定された動作パターンの動作を行わせ、その結果をセンサにより検出する。そして、センサによる検出結果に基づいて、アームの異常の有無を判定する。そして、アームに異常が発生したと判定した場合、アームの動作を停止する。

特開２０１１−８８２１９号公報

しかし、上記の技術では、アームを実際に動作させなければアームの異常の有無を判定することができなかった。

このため、アームを固定した状態でアームの異常の有無を判定できる技術が強く求められていた。

本開示によれば、プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法が提供される。

本開示によれば、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定する制御部を備える、アーム制御装置が提供される。

以上説明したように本開示によれば、アームを固定した状態でアームの異常の有無を判定することができる。なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の一実施形態に係るアーム装置を用いた手術の様子を示す概略図である。本実施形態に係るアーム装置の全体構成を示す斜視図である。本実施形態に係るアーム装置の各関節部に設けられるアクチュエータの一構成例を示す分解斜視図である。本実施形態に係るブレーキ機構の一構成例を示す断面斜視図である。本実施形態に係るブレーキ機構の動作を説明するための説明図である。本実施形態に係るブレーキ機構の動作を説明するための説明図である。制御装置及びアクチュエータの機能ブロック図である。制御装置による処理の手順を示すフローチャートである。本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本実施形態の概要
２．アーム装置の詳細構成
２−１．全体構成
２−２．アクチュエータの構成
２−３．ブレーキ機構の構成
３．アーム制御装置の構成
４．アーム制御装置による異常判定処理
５．異常判定処理の変形例

（１．本実施形態の概要）
まず、図１及び図２に基づいて、本実施形態の概要を説明する。図１は、本実施形態に係るアーム装置４００の適用例として、アーム装置４００を医療、具体的には手術に用いられる例を示す。図２は、アーム装置の全体構成を示す斜視図である。なお、図１は、アーム装置４００を簡略化して示している。もちろん、本実施形態に係るアーム装置４００は他の分野（例えば各種産業（自動車等）及び農業の分野等）に適用してもよい。産業の分野への適用としては、製造組み立てラインを構成するアームへの適用が挙げられる。もちろん、本実施形態をさらに他の用途に適用してもよい。

図１に示すように、術者５２０は、例えばメス、鑷子、鉗子等の手術用の処置具５２１を使用して、手術台５３０上の患者５４０に対して手術を行っている。手術台５３０の脇には本実施形態に係るアーム装置４００が設けられている。アーム装置４００は、基台であるベース部４１０と、ベース部４１０から延伸するアーム４２０を備える。また、アーム装置４００には、アーム装置４００の動作を制御するアーム制御装置４３０（図２参照）が連結されている。

アーム４２０は、複数の関節部４２１ａ〜４２１ｆと、関節部４２１ａ〜４２１ｆ同士を連結する複数のリンク４２２ａ〜４２２ｄと、アーム４２０の先端に設けられる撮像装置４２３と、を有する。関節部４２１ａ〜４２１ｆには、後述する図３に示すアクチュエータ３００が設けられており、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、当該アクチュエータ３００の駆動により所定の回転軸に対して回転可能となっている。アクチュエータ３００の駆動が上記アーム制御装置４３０によって制御されることにより、各関節部４２１ａ〜４２１ｃの回転角度が制御され、アーム４２０の駆動が制御される。すなわち、アーム４２０は、アクチュエータ３００の駆動により動作する。

なお、関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｄの数、配置、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転方向は図１及び図２に示される例に限られないことはもちろんである。一例として、アーム４２０は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム４２０の可動範囲内において撮像装置４２３を自由に移動させることが可能になる。図２は、６自由度を有するアーム４２０の例を示す。

撮像装置４２３は、患者５４０の術部を観察する装置であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等である。撮像装置４２３は、撮影対象を適宜拡大して電子的に撮影する、いわゆるビデオ式の顕微鏡であり得る。撮像装置の他の例としては、例えば、内視鏡や光学式の顕微鏡等が挙げられる。アーム４２０の先端に、これらの患者５４０の術部を観察する撮像装置が設けられたアーム装置のことを、本明細書では、観察装置とも呼称する。

手術を行う際には、図１に示すように、アーム４２０の先端に設けられた撮像装置４２３が患者５４０の術部を撮影するように、アーム装置４００によってアーム４２０及び撮像装置４２３の位置及び姿勢が制御される。手術室内において、術者５２０と対向する位置には、表示装置５５０が設置されており、撮像装置４２３によって撮影された術部の画像は、表示装置５５０に表示される。術者５２０は、表示装置５５０に表示される術部の画像を観察しながら各種の処置を行う。

なお、アーム４２０の先端には、撮像装置４２３等の撮像装置以外の機器、例えば各種の医療用器具等が設けられてもよい。当該医療用器具としては、上述した撮像装置の他にも、例えば鉗子やレトラクタ等の各種の処置具が含まれ得る。従来、これらの医療用器具の操作は人手によって行われていたため、手術には多くの医療スタッフを要していたが、これらの医療用器具の操作をアーム装置４００によって行うことにより、より少ない人数で手術を行うことが可能になる。

以上、図１を参照して、本実施形態に係るアーム装置４００を用いた手術の様子について説明した。図１に示す例では、アーム装置４００は手術に用いられていたが、例えば先端ユニットとして内視鏡等の検査用のユニットが設けられる場合であれば、検査目的でアーム装置４００が用いられてもよい。

このように、手術に用いられるアーム装置４００は術者５２０及び患者５４０の近傍に設置されることが多い。したがって、アーム４２０に異常な動作、例えば術者５２０が想定しないような動作を行わせないようにする必要がある。アーム４２０が異常な動作をした場合、アーム４２０が術者５２０や患者に接触する可能性があるからである。特に、アーム４２０の先端には、撮像装置４２３のような重量物が設けられる場合がある。また、アーム４２０の先端には、鋭利な部分のある医療用器具が設けられる場合もある。これらの場合、アーム４２０の先端が術者５２０及び患者５４０に接触することをより確実に防止する必要がある。ここで、アーム装置４００に生じる異常としては、例えば、アクチュエータ３００中のモータ３１０の故障、センサ（具体的には、後述するトルクセンサ３５５、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０）の故障等が想定される。

そこで、本実施形態では、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の起動時に、アーム４２０をブレーキ機構３７０（図３等参照）により固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。これにより、アーム４２０に異常があった場合でも、アーム４２０に異常な動作を行わせることなく、アーム４２０の異常を検出することができる。すなわち、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより安全に判定することができる。

より具体的には、アーム４２０をブレーキ機構３７０により固定した状態で、センサの異常の有無を判定する。これにより、例えばモータ３１０及びセンサの両方が故障していた場合には、アーム４２０をブレーキ機構３７０により固定した状態で、センサの異常を検出することができる。したがって、例えばアーム４２０の起動直後に、アーム４２０に異常な動作をさせることなく、センサの異常を検出することができる。さらに、本実施形態では、ブレーキ機構３７０を解除しない。センサのみが故障していた場合も同様の処理が行われる。仮にモータ３１０が正常であっても、アーム４２０が異常な動作を行う可能性があるからである。このような場合としては、例えば、アクチュエータ３００に異常な動作信号が与えられた場合等が想定される。この場合、センサが故障していると、アーム４２０の異常な動作を検出できない可能性がある。しかし、本実施形態では、ブレーキ機構３７０を解除しないので、アーム４２０に異常な動作を行わせないようにすることができる。

一方、センサが正常である場合、本実施形態では、ブレーキ機構３７０を解除する。なお、センサが正常で、モータ３１０に異常がある場合が想定される。しかし、センサが正常なので、仮にアーム４２０が異常な動作を行おうとした場合、アーム４２０を直ちに停止することができる。この場合、センサから異常な値が出力されるからである。

したがって、本実施形態によれば、アーム４２０を固定した状態でアーム４２０の異常の有無を判定でき、ひいては、アーム４２０が異常な動作を行うことをより確実に防止することができる。

なお、アーム４２０を医療以外の用途、例えば産業用アームとして使用した場合であっても、アーム４２０の安全性を確保することは非常に重要である。特に、アーム４２０の周囲に人が存在する場合には、安全性は極めて重要である。したがって、医療以外の分野にも本実施形態は好適に適用可能である。以下、アーム４２０が医療に適用されることを例として、本実施形態の詳細を説明する。

（２．アーム装置の詳細構成）
（２−１．全体構成）
図２を参照して、本実施形態に係るアーム装置の全体構成について説明する。図２は、本実施形態に係るアーム装置の全体構成を示す図である。

図２を参照すると、アーム装置４００は、ベース部４１０と、アーム４２０と、アーム制御装置４３０と、を備える。アーム装置４００は、上述した図１に示すアーム装置４００と同様に、手術や検査等に好適に適用され得るアーム装置である。

ベース部４１０はアーム装置４００の基台であり、ベース部４１０からアーム４２０が延伸される。ベース部４１０にはキャスターが設けられており、アーム装置４００は、当該キャスターを介して床面と接地し、当該キャスターによって床面上を移動可能に構成されている。ただし、本実施形態に係るアーム装置４００の構成はかかる例に限定されず、例えば、ベース部４１０が設けられず、手術室の天井又は壁面にアーム４２０が直接取り付けられてアーム装置４００が構成されてもよい。例えば、天井にアーム４２０が取り付けられる場合には、アーム装置４００は、アーム４２０が天井から吊り下げられて構成されることとなる。

アーム４２０は、複数の関節部４２１ａ〜４２１ｆと、関節部４２１ａ〜４２１ｆ同士を連結される複数のリンク４２２ａ〜４２２ｄと、アーム４２０の先端に設けられる撮像装置４２３と、を有する。

リンク４２２ａ〜４２２ｄは棒状の部材である。リンク４２２ａは、関節部４２１ａと関節部４２１ｂとを連結する。ここで、関節部４２１ａはベース部４１０上に設けられる。また、リンク４２２ｂは、関節部４２１ｂと関節部４２１ｃとを連結する。リンク４２２ｃは、関節部４２１ｃと関節部４２１ｅとを連結する。ここで、関節部４２１ｄはリンク４２２ｃに内蔵されている。また、リンク４２２ｄは、関節部４２１ｅと関節部４２１ｆとを連結する。更に、撮像装置４２３が、アーム４２０の先端、すなわち、関節部４２１ｆに連結される。このように、ベース部４１０を支点として、複数の関節部４２１ａ〜４２１ｆ同士が複数のリンク４２２ａ〜４２２ｄによって互いに連結されている。

撮像装置４２３は、術部を観察するための撮像装置の一例であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等である。撮像装置４２３によって撮影された患者の術部の画像は、例えば手術室内に設けられる表示装置５５０に適宜拡大されて表示され、術者５２０は、当該表示装置５５０に表示された患者の術部の画像を観察しながら手術を行う。撮像装置４２３は、いわゆるビデオ式の顕微鏡であり得る。このように、アーム装置４００は、アーム４２０の先端に撮像装置４２３が取り付けられた観察装置であり得る。上述したように、撮像装置４２３としては、他に、例えば内視鏡や光学式の顕微鏡等が設けられ得る。

ただし、アーム４２０の先端には、撮像装置４２３以外の機器が接続されてもよい。例えば、アーム４２０の先端には、各種の医療用器具が取り付けられてもよい。医療用機器としては、例えば鉗子、レトラクタ等の各種の処置具が挙げられる。アーム４２０の先端には、内視鏡用若しくは顕微鏡用の光源、又は、例えば血管封止に用いられる手術用エナジーデバイスが接続されてもよい。

関節部４２１ａ〜４２１ｆには、後述する図３に示すアクチュエータ３００が設けられており、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、当該アクチュエータ３００の駆動により所定の回転軸に対して回転可能となっている。アクチュエータ３００の駆動は、アーム制御装置４３０によって制御される。各関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ３００の駆動がそれぞれ制御されることにより、例えばアーム４２０を伸ばしたり、縮めたり（折り畳んだり）といった、アーム４２０の駆動が制御される。

ここで、本実施形態では、各関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ３００に、通電時に関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構３７０が設けられる。そして、当該ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、非通電時にアーム４２０の重さを支持して姿勢を保持する程度の大きさとなる。これにより、手術中にアーム４２０への電力が遮断された場合であっても、アーム４２０は、現状の姿勢を維持することができる。したがって、アーム４２０の安全性がさらに高まる。ここで、ブレーキ機構３７０によるブレーキ力は、所定の値以上の外力によって当該回転軸が動作可能なように調整されてもよい。これにより、アーム４２０の利便性がさらに向上する。例えば、術者５２０は、手術中にアーム４２０への電力が遮断された場合であっても、アーム４２０を手動で動かすことで、手術を継続することができる。なお、アクチュエータ３００及びブレーキ機構の構成については、下記（２−２．アクチュエータの構成）で詳しく説明する。また、詳細は後述するが、本実施形態では、アーム制御装置４３０は、ブレーキ機構３７０によってアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。

なお、図示する例では、アーム装置４００は、６つの関節部４２１ａ〜４２１ｆを有し、アーム４２０の駆動に関して６自由度が実現されている。アーム４２０が６自由度を有するように構成されることにより、アーム４２０の可動範囲内において撮像装置４２３を自由に移動させることができる。これにより、撮像装置４２３によって術部を様々な角度及び距離から撮影することが可能となる。ただし、アーム４２０の構成は図示する例に限定されず、関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｃの数や配置、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動軸の方向等は、アーム４２０が所望の自由度を有するように適宜設定されてよい。ただし、撮像装置４２３の位置及び姿勢の自由度を考慮して、アーム４２０は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。

また、図示する例では、アーム制御装置４３０は、ベース部４１０とケーブルを介して接続されているが、アーム制御装置４３０と同様の機能を有する制御基板等がベース部４１０の内部に設けられてもよい。

以上、図２を参照して、本実施形態に係るアーム装置４００の概略構成について説明した。

（２−２．アクチュエータの構成）
つぎに、図３及び図６を参照して、図２に示すアーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータの構成について説明する。図３は、本実施形態に係るアーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータの一構成例を示す分解斜視図である。図６は、アーム制御装置４３０及びアクチュエータ３００の機能ブロック図である。なお、アクチュエータ３００は必ずしもすべての関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられなくても良い。アクチュエータ３００が設けられない関節部は、いわゆる受動軸となる。反対に、アクチュエータ３００が設けられた関節部は、能動軸となる。ただし、受動軸となる関節部にもブレーキ機構３７０が設けられることが好ましい。非通電時の異常な動作を抑制するためである。

図３及び図６を参照すると、アクチュエータ３００は、モータ３１０と、減速機３２０と、入力軸エンコーダ３３０と、出力軸エンコーダ３４０と、出力軸３５０と、トルクセンサ３５５と、ハウジング３６０と、ブレーキ機構３７０と、を備える。アクチュエータ３００では、モータ３１０の回転軸の回転が減速機３２０によって所定の減速比で減速され、出力軸３５０を介して後段の他の部材に伝達されることにより、当該他の部材が駆動されることとなる。ここで、他の部材は、関節部に対してアーム４２０の先端側に直接接続されたリンク（あるいは撮像装置）である。例えば、関節部４２１ａ内に設けられたアクチュエータ３００は、リンク４２２ａを駆動させる。

なお、以下の説明では、アクチュエータの回転軸方向をｘ軸方向とも呼称する。また、当該ｘ軸方向と垂直な平面内において互いに直交する２方向を、それぞれ、ｙ軸方向及びｚ軸方向とも呼称する。

ハウジング３６０は、略円筒形の形状を有し、各構成部材が内部に格納される。ハウジング３６０内に各構成部材が格納された状態で、アクチュエータ３００が、上述したアーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに組み込まれることとなる。

モータ３１０は、所定の指令値（電流値）が与えられた場合に、当該指令値に対応する回転速度で回転軸を回転させることにより、駆動力を生み出す駆動機構である。当該指令値は、アーム制御装置４３０から送られる。モータ３１０としては、例えばブラシレスモータが用いられる。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、モータ３１０としては各種の公知のものが用いられてよい。

モータ３１０の回転軸には、減速機３２０が連結される。減速機３２０は、連結されたモータ３１０の回転軸の回転速度（すなわち、入力軸の回転速度）を、所定の減速比で減速させて出力軸３５０に伝達する。言い換えれば、減速機３２０は、モータ３１０の入力軸のトルクを増大させて出力軸３５０に伝達する。本実施形態では、減速機３２０の構成は特定のものに限定されず、減速機３２０としては各種の公知のものが用いられてよい。ただし、減速機３２０としては、例えばハーモニックドライブ（登録商標）等の、高精度に減速比が設定可能なものが用いられることが好ましい。また、減速機３２０の減速比は、アクチュエータ３００の用途に応じて適宜設定され得る。例えば、本実施形態のように、アクチュエータ３００がアーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆに適用される場合であれば、１：１００程度の減速比を有する減速機３２０が好適に用いられ得る。なお、モータ３１０がリンク（あるいは撮像装置）を駆動するのに十分なトルクを発生できる場合、減速機３２０は省略されてもよい。

入力軸エンコーダ３３０は、入力軸の回転角度（すなわち、モータ３１０の回転角度）を検出する。出力軸エンコーダ３４０は、出力軸３５０の回転角度を検出する。アーム制御装置４３０は、これらのエンコーダから出力値を読みだす。入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の構成は限定されず、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０としては、例えば磁気式エンコーダ、光学式エンコーダ等の各種の公知のロータリエンコーダが用いられてよい。なお、いずれかのエンコーダは省略されても良い。本実施形態では、これらのエンコーダからの出力値に基づいて、各エンコーダ及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定する。

出力軸３５０は、上述したように、関節部に対してアーム４２０の先端側に接続されたリンク（あるいは撮像装置）である。さらに、出力軸３５０は、トルクセンサ３５５を内蔵している。したがって、トルクセンサ３５５は、出力軸３５０に作用するトルクを検出することができる。ここで、出力軸３５０に作用するトルクは、減速機３２０から与えられたトルクの他、アクチュエータ３００の外部から出力軸３５０に与えられたトルク（いわゆる、外トルク）も検出することができる。ここで、外トルクは、アクチュエータ３００が設けられた関節部よりもアーム４２０の先端側に存在する全ての構造体（すなわち、リンク、関節部、及び撮像装置）から与えられるトルクである。

さらに、トルクセンサ３５５は、出力軸３５０に内蔵されているので、ブレーキ機構３７０によってアクチュエータ３００の回転軸が固定されている場合であっても、上記外トルクを検出することができる。本実施形態では、この外トルクに基づいて、各エンコーダ及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定する。

なお、トルクセンサ３５５の設置位置は、上記の設置位置に限られない。すなわち、トルクセンサ３５５は、ブレーキ機構３７０によってアクチュエータ３００の回転軸が固定されている際に外トルクを検出することができれば、どのような位置に設置されていても良い。例えば、トルクセンサ３５５は、減速機３２０とモータ３１０との間に設置されてもよい。この場合、トルクセンサ３５５の出力値は、減速機３２０により増大される前のトルクを示す。したがって、トルクセンサ３５５の異常の有無を判定する場合、トルクセンサ３５５の出力値を補正係数することが好ましい。この補正係数は、減速機３２０による減速比に相当する。また、減速機３２０が省略された場合、トルクセンサ３５５は、モータの回転軸に設けられても良い。

また、トルクセンサ３５５の種類は特に問われず、上述した機能を実現されるものであればよい。例えば、トルクセンサ３５５は、非接触式のトルクセンサであってもよく、接触式のトルクセンサであってもよい。

ブレーキ機構３７０は、通電時にアクチュエータ３００の回転軸を解放するとともに、非通電時にアクチュエータ３００の回転軸を拘束しその回転を停止させる機能を有する。図示する例では、ブレーキ機構３７０は入力軸エンコーダ３３０と一体的に構成されており、モータ３１０の回転軸（すなわち入力軸）を拘束することにより、アクチュエータ３００の回転を停止させるように構成されている。

ただし、ブレーキ機構３７０の配置は図示する例に限定されず、ブレーキ機構３７０は、入力軸エンコーダ３３０とは別個の部材として配置されてもよい。また、ブレーキ機構３７０は、必ずしも入力軸に設けられなくてもよく、トルクセンサ３５５が外トルクを検出可能な位置であればどのような位置であってもよい。例えば、ブレーキ機構３７０は、モータ３１０と減速機３２０との間に配置されていても良い。なお、トルクセンサ３５５は、ブレーキ機構３７０よりも出力軸３５０側に設けられる。

ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、電力の供給が遮断された場合に、アーム４２０の重さを支持し、当該アーム４２０の姿勢を保持可能に調整されている。これにより、停電等の非常時においても、アーム４２０を安全に停止させることができる。

さらに、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従って当該回転軸が回転可能なように調整されていることが好ましい。これにより、電源喪失時であっても、人手でアーム４２０を動かすことが可能となるため、手術を継続することが可能になる。なお、ブレーキ機構３７０の具体的な構成については、下記（２−３．ブレーキ機構の構成）で詳しく説明する。

なお、本実施形態では、非通電時にアーム４２０の姿勢を保持するために、全ての関節部４２１ａ〜４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられ得るが、その全てにおいて、上記のようなブレーキ力の調整が行われなくてもよい。例えば、関節部４２１ａ〜４２１ｆのうち、手術を継続するために必要な動作を実現可能な関節部に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に対してのみ、上記のようなブレーキ力の調整が行われてよい。手術が始まった後には、先端ユニットの位置を大きく変化させるようにアーム４２０を動かすことは考えにくいため、例えば、手術中に停電等によりアーム４２０が固定された場合には、関節部４２１ａ〜４２１ｆのうち、先端ユニットの姿勢を規定し得る関節部だけが外力に応じて操作できれば十分だからである。

図２に示す構成例であれば、より先端側に設けられ、撮像装置４２３の姿勢を規定し得る関節部である、関節部４２１ｄ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に対してのみ、上述したようなブレーキ力の調整が行われてよい。この場合、残りの関節部４２１ａ〜４２１ｃに設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０は、非通電時にアーム４２０の位置及び姿勢をより強固に固定するより強いブレーキ力を有してよい。これにより、アーム４２０に設けられるブレーキ機構３７０のうち、一部のブレーキ機構３７０のみそのブレーキ力を調整すればよく、他のブレーキ機構３７０については、ブレーキ力を詳細に設計する必要がなくなるため、アーム４２０の設計がより容易になる。

また、各関節部４２１ｄ〜４２１ｆにおいて、その支持すべき先端側の構成についてバランスが取れている場合（すなわち、先端側の構成の重心がその関節部４２１ｄ〜４２１ｆの回転軸上に位置する場合）には、その関節部４２１ｄ〜４２１ｆには、ブレーキ機構３７０は必ずしも設けられなくてもよい。これは、アーム４２０を構成するある関節部について、当該関節部が支持すべき当該関節部よりも先端側の構成が当該関節部に対してバランスが取れた状態にある場合には、当該関節部においてブレーキ力を生じさせなくても、アーム４２０の姿勢が保持され得るからである。

例えば、図２に示す構成例のように、撮像装置４２３を支持する関節部４２１ｆにおける回転軸が、当該撮像装置４２３の光軸と略平行な回転軸であるようにアーム４２０が構成される場合には、当該関節部４２１ｆには、ブレーキ機構３７０は必ずしも設けられなくてもよい。これは、一般的に、撮像装置４２３は円筒形状を有することが多いため、その重心は光軸上に位置することが多く、上述したように関節部４２１ｆの回転軸が撮像装置４２３の光軸と略平行である場合には、撮像装置４２３の重心が関節部４２１ｆの回転軸上に位置する可能性が高い、すなわち、関節部４２１ｆに対して撮像装置４２３はバランスが取れている可能性が高いからである。従って、関節部４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられない場合であっても、電源喪失時に撮像装置４２３が自重によって移動（回転）してしまう事態は生じ難いと考えられるのである。

ただし、アーム４２０に異常な動作を行わせることなくアーム４２０の異常の有無を判定するという観点からは、すべての関節部４２１ａ〜４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられていることが好ましい。

以上、図３を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ３００の全体構成について説明した。なお、アクチュエータ３００は、図示した構成以外の他の構成を更に備えてもよい。例えば、アクチュエータ３００は、モータ３１０に電流を供給することによりモータ３１０を回転駆動させるドライバ回路（ドライバＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ））等、一般的なアクチュエータが有し得る各種の部材を更に備えてもよい。

（２−３．ブレーキ機構の構成）
図４及び図５Ａ、図５Ｂを参照して、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成について詳細に説明する。図４は、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成を示す断面斜視図である。図５Ａ、図５Ｂは、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の動作を説明するための説明図である。なお、ブレーキ機構３７０は、いわゆる乾式多板電磁ブレーキと呼称されるものである。

図４では、ブレーキ機構３７０を中心軸を通る平面で切断した場合における断面斜視図を図示している。図４を参照すると、ブレーキ機構３７０は、いずれも略円板形状を有する、基材３７１と、アーマチュア３７４と、ハブ３７６と、が回転軸方向（ｘ軸方向）に重ね合わされて構成される。基材３７１、アーマチュア３７４及びハブ３７６には、その円板形状の略中心に開口部が設けられており、当該開口部にアクチュエータ３００の回転軸（図３に示す例であればモータ３１０の回転軸）が挿入される。

ハブ３７６は、アクチュエータ３００の回転軸に固定的に嵌合され、アクチュエータ３００の駆動に伴い当該アクチュエータ３００の回転軸とともに回転する。一方、基材３７１及びアーマチュア３７４は、アクチュエータ３００の回転軸にベアリング（図示せず）を介して接続されている。また、アーマチュア３７４は、基材３７１とハブ３７６との間で、回転軸方向に移動可能に構成されている。

更に、ハブ３７６の外周には、略円環形状のディスク３７５及びプレート３７７が設けられる。ハブ３７６の外周に対応する領域において、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７が、回転軸方向においてこの順に積層される。

ハブ３７６とディスク３７５とはスプラインで結合されており、ハブ３７６及びディスク３７５は、アクチュエータ３００の回転軸とともに一体的に回転する。一方、プレート３７７は、ハブ３７６を介さず、ボルト３７８によって、基材３７１及びアーマチュア３７４と接続されている。つまり、ブレーキ機構３７０では、図示した構成のうち、ハブ３７６及びディスク３７５のみが、アクチュエータ３００の回転軸とともに回転する。

基材３７１の内部にはコイル３７２が設けられている。また、基材３７１とアーマチュア３７４との間は、バネ（図示せず）によって接続されている。コイル３７２に印加される電流による磁力及びバネによる復元力により、アーマチュア３７４が回転軸方向に移動し、ブレーキの解除及び起動が実現される。

つぎに、図５Ａ、図５Ｂを参照して、ブレーキ機構３７０の動作について詳細に説明する。図５Ａ、図５Ｂでは、簡単のため、ブレーキ機構３７０の中心軸を通る断面のうち、当該中心軸を挟んだ半分に対応する構成のみを模式的に図示している。また、図５Ａ、図５Ｂでは、図４では図示を省略していたバネ３７９を模式的に図示している。

図５Ａは、通電時、すなわちコイル３７２に電力が供給されている場合におけるブレーキ機構３７０の様子を示している。これは、ブレーキ機構３７０によるアクチュエータ３００の回転軸の拘束が解放されている状態に対応している。

通電時には、図５Ａに示すように、コイル３７２への通電による磁力により、アーマチュア３７４が基材３７１に引き寄せられるように回転軸方向に移動する。これにより、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７は、回転軸方向において互いに所定の間隔を有することとなる。アクチュエータ３００の回転軸が回転した場合には、ハブ３７６及びディスク３７５がともに回転するが、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７が互いに接触していないため、ディスク３７５は空転し、アクチュエータ３００の回転に対してブレーキ力は作用しない。なお、このとき、基材３７１とアーマチュア３７４とを接続するバネ３７９は、アーマチュア３７４が基材３７１に引き寄せられることにより、圧縮された状態にある。

図５Ｂは、非通電時、すなわちコイル３７２に電力が供給されていない場合におけるブレーキ機構３７０の様子を示している。これは、ブレーキ機構３７０によってアクチュエータ３００の回転軸が拘束されている状態に対応している。

非通電時には、コイル３７２への通電による磁力が消失するため、図５Ｂに示すように、バネ３７９の復元力により、アーマチュア３７４が基材３７１から遠ざかるように回転軸方向に移動する。これにより、アーマチュア３７４によって、ディスク３７５がプレート３７７に押圧される。従って、ディスク３７５とプレート３７７との間で発生する静止摩擦力により、ディスク３７５の回転が停止され、すなわち、アクチュエータ３００の回転軸の回転が停止される。

ここで、上述したように、本実施形態では、ブレーキ機構３７０のブレーキ力が、非通電時に、アーム４２０の重さを支持し当該アーム４２０の姿勢を保持可能であるとともに、所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従って回転軸が回転するように調整されている。以上説明したように、ブレーキ機構３７０におけるブレーキ力は、ディスク３７５とプレート３７７との間で発生する静止摩擦力であるため、本実施形態では、当該静止摩擦力の大きさを規定し得る事項が調整されることにより、ブレーキ機構３７０のブレーキ力が上記の条件を満たすように調整され得る。

例えば、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、ディスク３７５とプレート３７７との接触面積、ディスク３７５とプレート３７７との接触面の静止摩擦係数、及び、バネ３７９の復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整され得る。

なお、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、具体的には、アーム４２０の重さに応じた最大応力がアクチュエータ３００（すなわち関節部４２１ａ〜４２１ｆ）に作用し得る最悪姿勢においても、当該アーム４２０の姿勢を保持可能なように決定されてもよい。最悪姿勢においてアクチュエータ３００に作用する力は、アーム４２０の構造を模擬した計算モデルを用いたシミュレーションを行うことにより求めることができる。求められた力に耐え得る静止摩擦力（すなわちブレーキ力）が実現されるように、ブレーキ機構３７０の上述した各構成の具体的な設計が行われ得る。

また、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、アーム４２０において当該ブレーキ機構３７０が設けられる位置に応じて変更されてもよい。例えば、アーム４２０では、先端に近付くほど、関節部４２１ａ〜４２１ｆにおいて支持すべき構成が軽くなるため、先端側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０では、根元側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に比べて、アーム４２０の姿勢を保持するために必要なブレーキ力は小さくなる。従って、先端側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０ほどブレーキ力が小さくなるように、当該ブレーキ機構３７０のブレーキ力に差が設けられてよい。このように、ブレーキ機構３７０ごとにブレーキ力をそれぞれ調整することにより、緻密なブレーキ力の設計が可能となるため、非通電時におけるアーム４２０の挙動（アーム４２０の停止及び手動によるアーム４２０の移動）が、より適切に実現され得る。なお、アーム４２０における配置位置に応じた各ブレーキ機構３７０のブレーキ力の最適値は、ブレーキ力に差を設けながら上記最悪姿勢を考慮したシミュレーションを繰り返し行うことにより求められてよい。

以上、図４及び図５を参照して、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成について説明した。本実施形態では、アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに、上述したブレーキ機構３７０が搭載される。以上説明したように、ブレーキ機構３７０は、電力の供給が停止した場合に関節部４２１ａ〜４２１ｆを固定し、アーム４２０の姿勢を保持するように構成されている。従って、例えば停電等の非常時においても、アーム４２０の動作を安全に停止させることができる。また、所定の値以上の外力が作用した場合には関節部４２１ａ〜４２１ｆが動作可能となるように、そのブレーキ力が調整されてもよい。この場合、電源喪失時であっても手動でアーム４２０を動作させて、手術を継続することが可能になる。

さらに、詳細は後述するが、本実施形態では、ブレーキ機構３７０によりアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。したがって、本実施形態によれば、アーム装置４００の安全性をより向上させることができる。

（３．アーム制御装置の構成）
つぎに、図６に基づいて、アーム制御装置４３０の構成について説明する。アーム制御装置４３０は、記憶部４３１と、制御部４３２とを備える。記憶部４３１には、アーム制御装置４３０の動作に必要な情報、例えばプログラム等が記憶されている。さらに、本実施形態では、後述するように、トルクセンサ３５５の予想出力値を算出し、この予想出力値と、トルクセンサ３５５からの実出力値とに基づいて、各エンコーダ及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定する。したがって、記憶部４３１には、予想出力値の算出に必要な情報も記憶される。

ここで、予想出力値の算出に必要な情報は、具体的には、アーム４２０の構造に関する構造パラメータである。記憶部４３１は、当該構造パラメータのうち、アーム４２０の姿勢に依存しない情報を記憶する。具体的には、記憶部４３１は、リンク４２２ａ〜４２２ｄに関する構造パラメータを記憶する。ここで、リンク４２２ａ〜４２２ｄに関する構造パラメータとしては、リンク４２２ａ〜４２２ｄの寸法、重心、及び質量等が挙げられる。ここで、リンク４２２ｃに関しては、関節部４２１ｃと関節部４２１ｄとの間に存在する部分と、関節部４２１ｄと関節部４２１ｅとの間に存在する部分とに区分される。また、記憶部４３１は、撮像装置４２３に関する構造パラメータも記憶する。ここで、撮像装置４２３に関する構造パラメータとしては、撮像装置４２３の寸法、重心、及び質量等が挙げられる。

なお、アーム４２０の姿勢に影響を受ける構造パラメータとしては、関節部４２１ａ〜４２１ｆに関する構造パラメータが挙げられる。関節部４２１ａ〜４２１ｆに関する構造パラメータとしては、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度が挙げられる。関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度は、出力軸エンコーダ３４０によって測定される。なお、入力軸エンコーダ３３０によって測定された値に補正値を乗じることによっても、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度は得られる。当該補正値は、減速機３２０による減速比に相当する。

このように、構造パラメータは、例えば、関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｄに関するパラメータである。構造パラメータには他にも存在しうるが、他の構造パラメータについては後述する。

制御部４３２は、アーム４２０及びアーム制御装置４３０の全体を制御する他、以下の処理を行う。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の起動指示が術者５２０等から与えられた場合には、アーム４２０を起動する。具体的には、各アクチュエータ３００のモータ３１０に駆動電力を供給する。ただし、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の起動時には、ブレーキ機構３７０を非通電状態とする。これにより、アーム４２０に異常があった場合でも、アーム４２０に異常な動作を行わせないようにすることができる。さらに、制御部４３２は、撮像装置４２３に駆動電力を供給する。ここで、制御部４３２は、アクチュエータ３００及び撮像装置４２３への電力系統に異常又は不具合が生じた場合には、アクチュエータ３００への電力供給をまず停止し、撮像装置４２３への電力供給を可能な限り継続してもよい。これにより、仮にアーム４２０に異常が発生しても、撮像装置４２３による撮影を継続することができる。したがって、術者５２０は、手術を継続することができる。なお、アクチュエータ３００に電力が供給されない場合、ブレーキ機構３７０が非通電状態となる。すなわち、ブレーキ機構３７０はアーム４２０を固定することができる。このため、アーム４２０の姿勢は維持される。

さらに、制御部４３２は、アーム４２０の起動時に、ブレーキ機構３７０によりアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。まず、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値を関節部毎に算出する。具体的には、制御部４３２は、各関節部の出力軸エンコーダ３４０、及びトルクセンサ３５５から出力値を読みだす。さらに、制御部４３２は、記憶部４３１から構造パラメータを読みだす。ついで、制御部４３２は、アーム４２０が存在する空間にｘｙｚ軸を定義する。例えば、関節部４２１ａの回転軸をｚ軸、関節部４２１ｂの回転軸をｘ軸としてもよい。

さらに、制御部４３２は、関節部４２１ａ〜４２１ｆに１〜Ｎ（Ｎは関節部の総数。図２の例では６）の数値を付番する。数値は、関節部が先端部に近いほど小さくなる。したがって、関節部４２１ｆに付される数値は「１」となり、関節部４２１ａに付される数値は「６」となる。以下、数値「ｎ」（ｎは１〜Ｎのいずれかの整数）が付された関節部を関節部「ｎ」とも称する。また、制御部４３２は、関節部４２１ａ〜４２１ｆの先端側に直接接続されているリンクまたは撮像装置に１〜Ｎの数値を付番する。例えば、リンク４２２ａに付される数値は「６」となり、撮像装置４２３に付される数値は「１」となる。以下、数値「ｎ」（ｎは１〜Ｎのいずれかの整数）が付されたかリンクをリンク「ｎ」とも称する。撮像装置４２３は、リンク「１」となる。また、リンク４２２のうち、関節部４２１ｃと関節部４２１ｄとの間に存在する部分はリンク「４」となり、関節部４２１ｄと関節部４２１ｅとの間に存在する部分はリンク「３」となる。ついで、制御部４３２は、以下の数式（１）〜（１０）に基づいて、予想出力値を関節部毎に算出する。

数式（１）中、τ_ｎは関節部「ｎ」に対する予想出力値である。また、ｃ’_ｎ、ｌ’_ｎ、Ｍ’_ｎ、Ｆ’_ｎ−１、τ’_ｎ−１は以下の数式（２）〜（６）で表されるパラメータである。

ここで、数式（２）〜（６）中、Ｒ（θ_ｎ）は、関節部「ｎ」の回転行列であり、以下の数式（７）で示される３つの回転行列のうち、関節部「ｎ」の回転方向に応じて１つが選択される。θ_ｎは、関節部「ｎ」に対応する出力軸エンコーダ３４０から与えられた出力値である。ｃ_ｎはリンク「ｎ」の重心位置ベクトルであり、以下の数式（８）で示される。ｌ_ｎはリンク「ｎ」の先端位置ベクトル（すなわち、寸法ベクトル）であり、以下の数式（９）で示される。Ｍ_ｎはリンク「ｎ」の質量による力ベクトルであり、以下の数式（１０）で示される。なお、重力方向を−ｚ方向とした場合、Ｍ_ｘ、Ｍ_ｙはゼロになる。

ついで、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値と、トルクセンサ３５５の実出力値（すなわち、トルクセンサ３５５から読みだした出力値）とに基づいて、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０の異常の有無を判定する。制御部４３２は、当該判定処理を関節部毎に行う。

より具体的には、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲内となるか否かを判定する。そして、制御部４３２は、これらの差が所定範囲内となる場合には、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のいずれもが正常であると判定する。これらのセンサが正常であれば、予想出力値と実出力値とが概ね一致するはずだからである。すなわち、制御部４３２は、これらのトルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部が正常であると判定する。なお、予想出力値と実出力値との間には多少の差が生じることが多いと予想される。そこで、制御部４３２は、予想出力値と実出力値との差が所定範囲内となる場合、これらの差を補正値としてキャリブレーションを行っても良い。これにより、制御部４３２は、次回以降の異常判定をより安定かつ正確に行うことができる。なお、所定範囲の具体的な範囲は、アーム４２０に求められる安全性等に応じて調整されればよい。所定範囲の幅が小さいほど、安全性をより重視していることになる。一方、制御部４３２は、予想出力値と実出力値との差が所定範囲外となる場合、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のうち、少なくとも一方に異常があると判定する。トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のうち少なくとも一方に異常がある場合、予想出力値と実出力値とは大きくことなることが多いと予想されるからである。すなわち、制御部４３２は、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部に異常があると判定する。

なお、ここでは出力軸エンコーダ３４０の出力値を用いて上記判定を行ったが、入力軸エンコーダ３３０の出力値を用いて上記判定を行ってもよい。この場合、入力軸エンコーダ３３０の出力値を補正して使用すればよい。これにより、トルクセンサ３５５及び入力軸エンコーダ３３０の異常の有無を判定することができる。制御部４３２は、出力軸エンコーダ３４０の出力値を用いた判定処理と、入力軸エンコーダ３３０の出力値を用いた判定処理の両方を行ってもよい。これにより、入力軸エンコーダ３３０、出力軸エンコーダ３４０、及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定することができる。また、予想出力値は、起動時に毎回計算してもよいが、予め計算された値を使用してもよい。後者の場合、例えば以下の処理が行われる。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０を停止する際には、アーム４２０の姿勢を所定の初期姿勢に戻す。そして、制御部４３２は、この初期姿勢での予想出力値を算出し、記憶部４３１に記憶させる。そして、制御部４３２は、アーム４２０の起動時には、記憶部４３１から予想出力値を読みだす。その後の処理は上述した処理と同様である。すなわち、予想出力値と実出力値とを比較し、異常の有無を判定すればよい。

制御部４３２は、すべての関節部４３１ａ〜４３１ｆに異常がないと判定した場合には、アーム４２０に異常が無いと判定する。一方、制御部４３２は、関節部４３１ａ〜４３１ｆのいずれか１つでも異常があった場合には、アーム４２０に異常があると判定する。制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定した場合には、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、アーム４２０の姿勢を維持する。これにより、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合であっても、アーム４２０の異常の有無をより安全に判定することができる。したがって、モータ３１０及びセンサの両方が故障していた場合、あるいはセンサのみが故障していた場合には、制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定する。また、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合には、ブレーキ機構３７０を解除しないので、アーム４２０の安全性、特に、アーム４２０の起動直後の安全性をより高めることができる。

一方、アーム４２０に異常がないと判定した場合（すなわち、すべての関節部４３１ａ〜４３１ｆに異常がないと判定した場合）、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除する。したがって、センサが正常であれば、ブレーキ機構３７０は解除される。なお、センサが正常で、モータ３１０に異常がある場合が想定される。しかし、センサが正常なので、仮にアーム４２０が異常な動作を行おうとした場合、制御部４３２は、アーム４２０を直ちに停止することができる。この場合、センサから異常な値が出力されるからである。

制御部４３２は、ブレーキ機構３７０の解除後は、アーム４２０の動作を制御する。なお、アーム４２０の制御方式としては、アーム４２０の操作性を考慮して、好適に力制御が用いられる。具体的には、制御部４３２は、術者５２０が直接アーム４２０に触れて力を加えた場合、アーム４２０に加えられた力の方向に当該アーム４２０を移動させる。すなわち、制御部４３２は、このような移動が可能となるように、各関節部のモータ３１０を制御する。これにより、術者５２０は、アーム４２０をより直感的に操作することができる。もちろん、制御部４３２は、他の制御方式、例えば位置制御等の制御方式によってアーム４２０を動作させてもよい。アーム４２０が位置制御により動作する場合、別途コントローラが用意される。

また、制御部４３２は、アーム４２０の動作制御中に、各関節部のセンサ（すなわち、入力軸エンコーダ３２０、出力軸エンコーダ３３０、及びトルクセンサ３５５）からの出力値を常時監視する。そして、制御部４３２は、いずれかの出力値が異常値を示した場合、ただちにアーム４２０を停止する。したがって、例えばいずれかの関節部のモータ３１０が故障していた場合、制御部４３２は、アーム４２０を停止することができる。そして、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を非通電状態とする。これにより、制御部４３２は、アーム４２０の姿勢を維持する。これにより、アーム４２０の安全性がより高まる。

制御部４３２は、さらに以下の処理を行ってもよい。すなわち、制御部４３２は、撮像装置４２３の動作を制御する。さらに、制御部４３２は、撮像装置４２３から与えられた画像を表示装置５５０に表示する。さらに、アーム制御装置４３０には、報知装置６００が接続されていても良い。この場合、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった旨を報知装置６００により術者５２０に報知してもよい。報知装置６００は、例えば各種の音声出力装置（例えばスピーカ）、発光装置（例えばパトランプ）等であってもよい。表示装置５５０を報知装置６００として兼用してもよい。この場合、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった旨を表示装置５５０に表示してもよい。また、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合には、アクチュエータ３００を駆動することで、アーム４２０を振動させてもよい。

アーム制御装置４３０は、例えばＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のプロセッサ、又はこれらのプロセッサが搭載されたマイコン等によって構成されうる。そして、プロセッサが所定のプログラムに従った信号処理を実行することにより、アーム４２０の動作を制御する。

（４．アーム制御装置による異常判定処理）
つぎに、アーム制御装置４３０が行う異常判定処理を図７に示すフローチャートに沿って説明する。ステップＳ１０において、制御部４３２は、アーム４２０の起動指示が術者５２０等から与えられた場合には、アーム４２０を起動する。具体的には、制御部４３２は、各アクチュエータ３００のモータ３１０に駆動電力を供給する。ただし、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の起動時には、ブレーキ機構３７０を非通電状態とする。これにより、アーム４２０に異常があった場合でも、アーム４２０に異常な動作を行わせないようにすることができる。さらに、制御部４３２は、撮像装置４２３に駆動電力を供給する。制御部４３２は、以下のステップＳ２０以降の処理によって、アーム４２０の異常の有無を判定する。つまり、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０によりアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。

ステップＳ２０において、各関節部の出力軸エンコーダ３４０、及びトルクセンサ３５５から出力値を読みだす。ステップＳ３０において、制御部４３２は、記憶部４３１から構造パラメータを読みだす。ステップＳ４０において、制御部４３２は、関節部毎に予想出力値を算出する。具体的な処理は上述した通りである。ついで、制御部４３２は、関節部毎にステップＳ５０〜Ｓ８０の処理を行う。

ステップＳ５０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差を算出する。ステップＳ６０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲内となるか否かを判定する。制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲内となる場合には、ステップＳ７０に進む。一方、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲外となる場合には、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ７０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のいずれもが正常であると判定する。すなわち、制御部４３２は、これらのトルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部を正常であると判定する。ステップＳ８０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のうち、少なくとも一方に異常があると判定する。すなわち、制御部４３２は、これらのトルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部に異常があると判定する。制御部４３２は、すべての関節部についてステップＳ５０〜Ｓ８０の処理を行った後、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０において、制御部４３２は、すべての関節部４３１ａ〜４３１ｆに異常がないと判定した場合には、アーム４２０に異常が無いと判定する。一方、制御部４３２は、関節部４３１ａ〜４３１ｆのいずれか１つでも異常があった場合には、アーム４２０に異常があると判定する。制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定した場合には、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、アーム４２０の姿勢を維持する。これにより、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合であっても、アーム４２０の異常の有無をより安全に判定することができる。一方、アーム４２０に異常がないと判定した場合（すなわち、すべての関節部４３１ａ〜４３１ｆに異常がないと判定した場合）、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除する。したがって、センサが正常であれば、ブレーキ機構３７０は解除される。なお、センサが正常で、モータ３１０に異常がある場合が想定される。しかし、センサが正常なので、仮にアーム４２０が異常な動作を行おうとした場合、制御部４３２は、アーム４２０を直ちに停止することができる。この場合、センサから異常な値が出力されるからである。

（５．異常判定処理の変形例）
つぎに、図８〜図１２に基づいて、アーム制御装置４３０が行う異常判定処理の変形例を説明する。なお、図８〜図１２では、アーム４２０を簡略化して示した。なお、リンク４２２ｃはリンク４２２ｃ−１、４２２ｃ−２に分けて示した。リンク４２２ｃ−１は、関節部４２１ｃと関節部４２１ｄとを連結する部分であり、リンク４２２ｃ−２は、関節部４２１ｄと関節部４２１ｅとを連結する部分である。

図８に示す第１変形例では、リンク４２２ｂが変形している。この場合には、トルクセンサ３５５の実出力値が大きく変動するので、予想出力値と実出力値との差が大きくなる。したがって、制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定することができる。すなわち、制御部４３２は、いずれかのリンクが変形した場合には、アーム４２０に異常があると判定することができる。

図９に示す第２変形例では、アーム４２０が関節部４２１ｂで２本に分岐している。すなわち、アーム４２０は、関節部４２１ａ〜４２１ｊ、リンク４２２ａ〜４２２ｇ、撮像装置４２３−１、４２３−２を有する。このような場合には、構造パラメータの数は増えるものの、異常判定処理自体は同じでよい。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０が分岐した場合であっても、アーム４２０の異常の有無を判定することができる。なお、この場合、アーム毎に異なる装置を取り付けても良い。

図１０に示す第３変形例では、リンク４２２ｃ−２の先端に過負荷１０００が掛けられている。過負荷１０００は重量物である場合もあれば、術者５２０等がリンク４２２ｃ−２に掛ける負荷となる場合も有り得る。この場合、トルクセンサ３５５の実出力値が大きく変動するので、予想出力値と実出力値との差が大きくなる。したがって、制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定することができる。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の一部に過負荷が掛けられた場合には、アーム４２０に異常があると判定することができる。なお、アーム４２０の用途によっては、アーム４２０の先端に重量物が取り付けられる場合がある。例えば、アーム４２０を医療用として用いる場合、アーム４２０の先端には様々な医療機器が接続される。これらの医療機器には、重量物も含まれうる。例えば、本実施形態で例示した撮像装置４２３には、かなり重いものも存在しうる。このため、アーム４２０の用途によっては、予想出力値と実出力値との差と比較されるしきい値（ステップＳ５０の所定範囲）を緩めても良い。すなわち、所定範囲を広げても良い。

図１１に示す第４変形例では、リンク４２２ｃが伸縮自在となっている。すなわち、リンク４２２ｃは、図示しないアクチュエータを有しており、このアクチュエータによってリンク４２２ｃは伸縮自在となっている。制御部４３２は、このアクチュエータの制御も行う。また、制御部４３２は、リンク４２２ｃの変位量に基づいて、リンク４２２ｃの寸法及び重心を算出する。他の処理は上述した異常判定処理と同様であればよい。したがって、制御部４３２は、アーム４２０に伸縮自在のリンクが含まれる場合であっても、アーム４２０の異常の有無を判定することができる。

図１２に示す第５変形例では、関節部４２１ｃにカウンタウエイト１１００が設けられている。カウンタウエイト１１００は、関節部４２１ｃから伸びるリンク１１１０と、リンク１１１０の先端に設けられた重量物１１２０とを含む。この場合、制御部４３２は、以下の数式（１１）に基づいてリンク「ｎ」（図１２に示す例ではリンク「４」）に対するトルクセンサ３５５の予想出力値を算出する。

数式（１１）において、τ_{ｃｏｕｎｔｅｒ n}は、以下の数式（１２）で示されるパラメータである。

さらに、ｌ’_{ｃｏｕｎｔｅｒｎ}、Ｍ’_{ｃｏｕｎｔｅｒ}
_ｎは、以下の数式（１３）、（１４）で示されるパラメータである。

ここで、ｌ_{ｃｏｕｎｔｅｒ}
_ｎは、カウンタウエイト１１００の重心位置ベクトルであり、Ｍ_{ｃｏｕｎｔｅｒｎ}は、カウンタウエイト１１００の重さによる力ベクトルである。

なお、カウンタウエイト１１００がいわゆるバネ型のカウンタウエイトとなる場合、カウンタウエイト１１００の重心位置ベクトル及び力ベクトルは、バネの変形量及び力点によって定まる。

また、バネ機構が非線形な特性（例えば、バネの弾性力と変位との対応関係が非線形になる等）が存在する場合、制御部４３２は、この特性を用いて予めキャリブレーションを行っても良い。これにより、トルクセンサ３５５の予想出力値の精度が向上しうる。

つまり、カウンタウエイト１１００が存在する場合、制御部４３２は、予め測定された値を参照する方式を単独または組み合わせてトルクセンサ３５５の予想出力値を算出してもよい。ここでの単独とは、上述したように、予想出力値自体を予め算出しておくことを意味する。また、組み合わせとは、予想出力値自体は都度算出するが、予想出力値の算出に用いるデータの一部（例えばバネ機構の非線形な特性）を予め算出しておくことを意味する。

また、カウンタウエイト１１００によって完全にバランスが取れている場合、トルクセンサ３５５の出力値が変動しないため、上記の処理を行わなくても良い。

また、制御部４３２は上記変形例の処理をすべて行っても良いし、一部の処理だけ行ってもよい。

以上により、本実施形態によれば、アーム制御装置４３０は、アーム４２０をブレーキ機構３７０により固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定することができる。したがって、アーム制御装置４３０は、より安全にアーム４２０の異常の有無を判定することができる。

また、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の起動時に、アーム４２０の異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の起動時にアーム４２０が異常な動作を行わないようにすることができる。

さらに、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられたセンサ（例えば、入力軸エンコーダ３３０、出力軸エンコーダ３４０、トルクセンサ３５５）の異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、センサ（例えば、トルクセンサ３５５）は、アーム４２０がブレーキ機構３７０により固定されている際に、アーム４２０の状態（例えば、外トルク）を検出可能である。そして、アーム制御装置４３０は、当該センサの出力値に基づいて、センサの異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の構造に関する構造パラメータに基づいて、センサの異常の有無を判定するので、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、アーム制御装置４３０は、構造パラメータに基づいて、センサの予想出力値を算出し、センサの予想出力値と、センサの実出力値とに基づいて、センサの異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、アーム制御装置４３０は、センサの予想出力値とセンサの実出力値との差が所定範囲内の値となる場合、センサを異常なしと判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、アーム制御装置４３０は、センサの予想出力値とセンサの実出力値との差を補正値としてキャリブレーションを行う。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実かつ高精度に判定することができる。

さらに、構造パラメータには、関節部４２１ａ〜４２１ｆに関するパラメータが含まれるので、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、構造パラメータには、関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転角度が含まれるので、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、構造パラメータには、関節部４２１ａ〜４２１ｆ同士を連結するリンク４２２ａ〜４２２ｄに関するパラメータが含まれるので、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、構造パラメータには、リンク４２２ａ〜４２２ｄの寸法、リンク４２２ａ〜４２２ｄの重心、及びリンク４２２ａ〜４２２ｄの質量のうち、少なくとも１種以上が含まれる。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、関節部４２１ａ〜４２１ｆのいずれかにカウンタウエイト１１００が連結されている場合、構造パラメータには、カウンタウエイト１１００に関するパラメータが含まれる。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、異常の有無を判定する対象となるセンサには、トルクセンサ３５５、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０のうち、少なくとも１種が含まれる。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

さらに、アーム制御装置４３０は、アーム４２０に異常が無いと判定した場合には、ブレーキ機構３７０を解除する。したがって、アーム制御装置４３０は、より安全にアーム４２０の起動を開始することができる。

さらに、アーム４２０は、医療用であるので、術者５２０及び患者５４０等の人が周囲に存在しうる。すなわち、アーム４２０に対するより高い安全性が求められる。このような場合に、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、アーム４２０を手術用デバイスの保持のためのアームとしたが、その他、遠隔手術に用いられる手術用マスタースレーブシステムや医療用以外の産業用アーム、極地用アーム等のあらゆる技術分野にアーム４２０を適用してもよい。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法。
（２）
前記プロセッサは、前記アームの起動時に、前記アームの異常の有無を判定する、前記（１）記載のアーム制御方法。
（３）
前記プロセッサは、前記アームの関節部に設けられたセンサの異常の有無を判定する、前記（１）または（２）に記載のアーム制御方法。
（４）
前記センサは、前記アームが前記ブレーキ機構により固定されている際に、前記アームの状態を検出可能であり、
前記プロセッサは、前記センサの出力値に基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、前記（３）記載のアーム制御方法。
（５）
前記プロセッサは、前記アームの構造に関する構造パラメータに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、前記（４）記載のアーム制御方法。
（６）
前記プロセッサは、前記構造パラメータに基づいて、前記センサの予想出力値を算出し、前記センサの予想出力値と、前記センサの実出力値とに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、前記（５）記載のアーム制御方法。
（７）
前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差が所定範囲内の値となる場合、前記センサを異常なしと判定する、前記（６）記載のアーム制御方法。
（８）
前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差を補正値としてキャリブレーションを行う、前記（７）記載のアーム制御方法。
（９）
前記構造パラメータには、前記関節部に関するパラメータが含まれる、前記（５）〜（８）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１０）
前記構造パラメータには、前記関節部の回転角度が含まれる、前記（９）記載のアーム制御方法。
（１１）
前記構造パラメータには、前記関節部同士を連結するリンクに関するパラメータが含まれる、前記（５）〜（１０）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１２）
前記構造パラメータには、前記リンクの寸法、前記リンクの重心、及び前記リンクの質量のうち、少なくとも１種以上が含まれる、前記（１１）記載のアーム制御方法。
（１３）
前記関節部にカウンタウエイトが連結されている場合、前記構造パラメータには、前記カウンタウエイトに関するパラメータが含まれる、前記（５）〜（１２）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１４）
前記センサには、前記関節部の出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサ、及び前記関節部の回転角度を検出する回転角度センサのうち、少なくとも１種が含まれる、前記（４）〜（１３）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１５）
前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合には、前記ブレーキ機構を解除する、前記（１）〜（１４）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１６）
前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合に、前記アクチュエータを駆動させるよう制御する、前記（１５）記載のアーム制御方法。
（１７）
前記アームは、医療用である、前記（１）〜（１６）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１８）
アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する制御部を備える、アーム制御装置。

３００アクチュエータ
３１０モータ
３２０減速機
３３０入力軸エンコーダ
３４０出力軸エンコーダ
３５０出力軸
３５５トルクセンサ
３７０ブレーキ機構
４００アーム装置
４２０アーム
４２１ａ〜４２１ｆ関節部
４２２ａ〜４２２ｄリンク
４３０アーム制御装置
４３１記憶部
４３２制御部

Claims

プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法。
前記プロセッサは、前記アームの起動時に、前記アームの異常の有無を判定する、請求項１記載のアーム制御方法。
前記プロセッサは、前記アームの関節部に設けられたセンサの異常の有無を判定する、請求項１記載のアーム制御方法。
前記センサは、前記アームが前記ブレーキ機構により固定されている際に、前記アームの状態を検出可能であり、
前記プロセッサは、前記センサの出力値に基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、請求項３記載のアーム制御方法。
前記プロセッサは、前記アームの構造に関する構造パラメータに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、請求項４記載のアーム制御方法。
前記プロセッサは、前記構造パラメータに基づいて、前記センサの予想出力値を算出し、前記センサの予想出力値と、前記センサの実出力値とに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、請求項５記載のアーム制御方法。
前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差が所定範囲内の値となる場合、前記センサを異常なしと判定する、請求項６記載のアーム制御方法。
前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差を補正値としてキャリブレーションを行う、請求項７記載のアーム制御方法。
前記構造パラメータには、前記関節部に関するパラメータが含まれる、請求項５記載のアーム制御方法。
前記構造パラメータには、前記関節部の回転角度が含まれる、請求項９記載のアーム制御方法。
前記構造パラメータには、前記関節部同士を連結するリンクに関するパラメータが含まれる、請求項５記載のアーム制御方法。
前記構造パラメータには、前記リンクの寸法、前記リンクの重心、及び前記リンクの質量のうち、少なくとも１種以上が含まれる、請求項１１記載のアーム制御方法。
前記関節部にカウンタウエイトが連結されている場合、前記構造パラメータには、前記カウンタウエイトに関するパラメータが含まれる、請求項５記載のアーム制御方法。
前記センサには、前記関節部の出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサ、及び前記関節部の回転角度を検出する回転角度センサのうち、少なくとも１種が含まれる、請求項４記載のアーム制御方法。
前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合には、前記ブレーキ機構を解除する、請求項１記載のアーム制御方法。
前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合に、前記アクチュエータを駆動させるよう制御する、請求項１５記載のアーム制御方法。
前記アームは、医療用である、請求項１記載のアーム制御方法。
アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する制御部を備える、アーム制御装置。