JP2020039434A - アーム装置、制御方法およびプログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】被検体に加わる負荷の軽減を図りやすくすることができるアーム装置、制御方法およびプログラムを提供する。【解決手段】術具の配置位置および姿勢を変化可能とする関節部と、関節部を回転軸線まわりに回動させる駆動力を発生するとともに、外部から加えられる力に従って関節部の回動を許容するアクチュエータ部６２ａ、６３ａ、６４ａと、外力を推定する推定部２１と、少なくとも術具の重量、および、推定された外力に基づいて、アクチュエータ部６２ａ、６３ａ、６４ａにおいて発生させる駆動力の値を求める演算部２２と、求められた駆動力の値に基づいて、アクチュエータ部６２ａ、６３ａ、６４ａにおいて発生させる駆動力を制御する制御部２３と、が設けられていることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、内視鏡外科手術等に用いられる手術支援ロボットに関するアーム装置、制御方法およびプログラムに関する。
近年、手術支援ロボットを用いた内視鏡外科手術が普及しつつある。内視鏡外科手術では、手術支援ロボットのアーム装置に取り付けられた腹腔鏡や内視鏡、鉗子など（以下、「術具」とも表記する。）が用いられる。
アーム装置には複数個所に関節が設けられ、関節の回動により術具の配置位置や姿勢が制御されている。アーム装置としては、術具に近い複数の関節（例えばジンバルを構成する関節）が、外部から加えられる力に従って回動するもの（受動関節であるもの）が提案されている。言い換えると、外部から加えられる力に従って、術具の配置位置や姿勢が変化するアーム装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
また、ジンバルを構成する関節を含めた全ての関節にアクチュエータが配置され、外部から力が加えられてもこれらの関節が回動しない（高剛性の関節である）アーム装置も提案されている。言い換えると、外部から力が加えられても、術具の配置位置や姿勢が一定に保たれるアーム装置も提案されている（例えば、非特許文献２参照。）。
J.M.Sackier, Y.Wang, "Robotically assisted laparoscopic surgery", Surg Endosc, Springer-Verlag New York Inc., (1994)8, 63-66 Ulrich Hagn et al., "DLR MiroSurge:a versatile system for research in endscopic telesurgery", International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Springer, (2010)5, 183-193
内視鏡外科手術の対象である被検体（例えば腹壁）には術具が挿通されるポート（またはトロッカー）が配置されている。非特許文献１に記載されたアーム装置の場合、術具の先端に加わる荷重（力）が大きくなると、術具の配置位置や姿勢が変化する。術具の配置位置や姿勢の変化は、ポートを介して被検体に伝わり、被検体へ負荷がかかりやすいという問題があった。
また、被特許文献２に記載されたアーム装置の場合、アーム装置は自らが認識しているポートの位置に基づいて術具の配置位置や姿勢の制御を行う。ここで、認識しているポートの位置と、実際のポート位置との間に誤差があった場合、アーム装置は誤差を含むポート位置に基づいて術具の配置位置や姿勢の制御を行う。その結果、術具の配置位置や姿勢と、実際のポート位置や姿勢との間に誤差が生じる。この誤差によりポートに力が加わり、被検体へ負荷がかかりやすいという問題があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、被検体に加わる負荷の軽減を図りやすくすることができるアーム装置、制御方法およびプログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様に係るアーム装置は、術具の配置位置および姿勢を制御可能に支持するアーム装置であって、回転軸線まわりに回動することにより、術具の配置位置および姿勢を変化可能とする関節部と、前記関節部を前記回転軸線まわりに回動させる駆動力を発生するとともに、外部から加えられる力に従って前記関節部の回動を許容するアクチュエータ部と、前記術具に加えられる外力を推定する推定部と、少なくとも前記術具の重量、および、前記推定部により推定された外力に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる前記駆動力の値を求める演算部と、前記演算部により求められた前記駆動力の値に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる駆動力を制御する制御部と、が設けられていることを特徴とする。
本発明の第２の態様に係る制御方法は、回転軸線まわりに回動する関節部を有し、術具の配置位置および姿勢を制御可能に支持するアーム装置の制御方法であって、前記術具に加えられる外力を推定するステップと、前記術具の重量、および、前記推定された外力に少なくとも基づいて、前記関節部を前記回転軸線まわりに回動させる駆動力を発生するとともに、外部から加えられる力に従って前記関節部の回動を許容するアクチュエータ部において発生させる前記駆動力の値を求めるステップと、求められた前記駆動力の値に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる駆動力を制御するステップと、を有することを特徴とする。
本発明の第３の態様に係るプログラムは、回転軸線まわりに回動する関節部を有し、術具の配置位置および姿勢を制御可能に支持するアーム装置を制御するプログラムであって、コンピュータに、前記術具に加えられる外力を推定する機能と、前記術具の重量、および、前記推定された外力に少なくとも基づいて、前記関節部を前記回転軸線まわりに回動させる駆動力を発生するとともに、外部から加えられる力に従って前記関節部の回動を許容するアクチュエータ部において発生させる前記駆動力の値を求める機能と、求められた前記駆動力の値に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる駆動力を制御する機能と、を実現させることを特徴とする。
本発明の第１の態様に係るアーム装置、第２の態様に係る制御方法、および、第３の態様に係るプログラムによれば、外部から加えられる力に従って前記関節部の回動を許容するアクチュエータ部を用いるとともに、少なくとも術具の重量および推定された外力に基づいて求められた駆動力の値に従ってアクチュエータ部を駆動させているため、被検体に加わる負荷の軽減を図りやすくなる。
つまり、アーム装置は、術具の重量および推定される外力によっては、術具の配置位置や姿勢が変化させることなく支持する。その一方で、推定された外力とは別の他の力が外部から加わると、アーム装置に支持されている術具の配置位置や姿勢は変化する。そのため、術具から被検体へ働く負荷の軽減が図りやすくなる。
上記発明において前記演算部は、前記術具が挿通される器具に対応する位置において、前記術具および前記器具との間に働く力を所定値以下とする前記駆動力の値を求めることが好ましい。
このように駆動力の値として、術具および器具との間に働く力を所定値以下となる値を求めることにより、被検体に配置された器具を介して、術具から被検体へ働く負荷の軽減が図りやすくなる。
上記発明において前記術具には、先端部を屈曲可能とする屈曲部と、前記屈曲部を屈曲させる駆動力を発生するものであって、外部から加えられる力に従って前記屈曲部の屈曲を許容する術具用アクチュエータが設けられ、前記推定部は、前記術具用アクチュエータにおける負荷に関する情報に基づいて、前記術具に加えられる外力を推定することが好ましい。
このように術具用アクチュエータにおける負荷に関する情報に基づいて、術具に加えられる外力を推定することにより、アーム装置は、術具に加えられる力（センサにより測定される外力）による、術具の配置位置や姿勢の変化を抑制しやすくなる。
上記発明において前記術具には、先端部を屈曲可能とする屈曲部と、前記屈曲部を屈曲させる駆動力を発生するものであって、外部から供給される気体により駆動力発生させる術具用気体圧アクチュエータと、が設けられ、前記推定部は、前記術具用気体圧アクチュエータにおける前記気体の圧力に基づいて、前記術具の前記先端部に加えられる外力を推定することが好ましい。
このように術具用気体圧アクチュエータにおける気体の圧力に基づいて、術具に加えられる外力を推定することにより、アーム装置は、術具に加えられる力（センサにより測定される外力）による、術具の配置位置や姿勢の変化を抑制しやすくなる。
上記発明において前記推定部は、前記術具における先端の近傍に配置され、前記術具に加えられる力を測定するセンサであることが好ましい。
このように術具の先端近傍にセンサを配置することにより、術具の先端近傍に働く力に基づいた駆動力の値が求められ、当該値に基づいてアクチュエータ部の制御が行われる。そのためアーム装置は、術具の先端近傍に加えられる力（センサにより測定される外力）による、術具の配置位置や姿勢の変化を抑制しやすくなる。
上記発明において前記アクチュエータ部は、外部から供給される気体により駆動力を発生させる気体圧アクチュエータであることが好ましい。
このようにアクチュエータ部として気体圧アクチュエータを用いることにより、アクチュエータ部が発生させる駆動力を超える力が加えられた場合に関節部の回動を許容しやすくなる。
本発明のアーム装置、制御方法およびプログラムによれば、少なくとも術具の重量および推定された外力に基づいて求められた駆動力の値に従って、外部から力が加えられた場合には関節部の回動を許容するアクチュエータ部を駆動することにより、被検体に加わる負荷の軽減を図りやすくなるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係るアーム装置の構成を説明する模式図である。 図１の術具の構成を説明する模式図である。 図１の制御装置における構成を説明するブロック図である。 図１の制御装置における制御内容を説明するフローチャートである。 図１のアーム装置におけるパラメータを説明する模式図である。 ジンバル部が受動関節である場合を説明する模式図である。 ジンバル部が剛性の高い関節である場合を説明する模式図である。 図１のジンバル部に配置される気体圧アクチュエータの構成を説明する摸式図である。 本発明の第２の実施形態に係るアーム装置の構成を説明する模式図である。 図１の制御装置における構成を説明するブロック図である。
以下、本発明の第１の実施形態に係るアーム装置１０ついて図１から図８を参照しながら説明する。本実施形態ではアーム装置１０を、図１に示すような内視鏡外科手術に用いられる手術支援ロボットなどである例に適用して説明する。
アーム装置１０は、術具７０の位置および姿勢を変更可能に支持するものである。また、アーム装置１０は、術具７０の位置や姿勢を変更しても、術具７０がアーム装置１０に対する所定の相対位置であるピボット位置Ｐｐを通過するように制御されている。ピボット位置Ｐｐは、内視鏡外科手術の対象である患者（被検体）８０の腹壁８１に配置されたトロッカー（器具）７５（またはポートとも表記する。）の配置位置と概ね一致している。
また、術具７０としては、内視鏡や鉗子など、内視鏡外科手術に用いられる各種の器具を例示することができる。本実施形態では、術具７０が鉗子である例について説明する。
鉗子である術具７０には、図１および図２に示すように、本体部７１と、筒状部７２と、が主に設けられている。本体部７１は、アーム装置１０によって把持される部分であって、筒状部７２により導かれた画像を電子信号に変換する撮像機器が収納されるものである。
筒状部７２は、筒状または棒状に延びる部材であって、トロッカー７５に挿通されて患者の腹壁８１の内部に挿入されるものである。また、筒状部７２は、先端から本体部７１へ画像の伝達が可能に形成されている。
筒状部７２には、先端部７３と、屈曲部７４と、が設けられている。先端部７３は、筒状部７２における患者８０に差し込まれる側の端である先端の部分である。本実施形態には先端部７３に対象物を挟む構成が設けられている例に適用して説明する。
屈曲部７４は、一方の端部が先端部７３に配置され、他方の端部が筒状部７２に配置される筒状または柱状に形成されたものである。また、屈曲部７４は、筒状部７２の伸びる方向に対して横方向へ屈曲可能な構成を有するものである。なお、屈曲部７４における構成は、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
術具７０には、更に、屈曲部７４の屈曲に用いられる、ワイヤ７５と、術具用空気圧アクチュエータ（術具用アクチュエータ、術具用気体圧アクチュエータ）７６と、が主に設けられている。なお、本実施形態では、ワイヤ７５、術具用空気圧アクチュエータ７６、およびバルブ７８の組が２組設けられている例に適用して説明するが、これらの組が１組であってもよいし、３組以上であってもよい。
ワイヤ７５は、一方の端部が屈曲部７４に配置され、他方の端部が術具用空気圧アクチュエータ７６に配置される索状の部材であって、術具用空気圧アクチュエータ７６が発生させた駆動力を屈曲部７４に伝達するものである。
術具用空気圧アクチュエータ７６は、屈曲部７４を屈曲させる駆動力を発生させるものである。術具用空気圧アクチュエータ７６には、ピストン７６ｐと、シリンダ７６ｃと、が主に設けられている。
ピストン７６ｐは、シリンダ７６ｃに対して相対的に直線移動可能に配置されるものである。ピストン７６ｐにおけるシリンダ７６ｃから突出している部分には、ワイヤ７５の一端が配置されている。また、ピストン７６ｐに対向する領域には、ピストン７６ｐの変位を測定するポテンショメータ７９ｍが配置されている。
シリンダ７６ｃは、両端が閉じられた筒状に形成された部材である。シリンダ７６ｃの内部空間は、ピストン７６ｐにより２つに区画されている。シリンダ７６ｃには、空気供給部７７から供給される昇圧された空気を、２つの区画に供給する配管が配置されている。
シリンダ７６ｃと空気供給部７７との間には、昇圧された空気の供給先を制御するバルブ７８と、シリンダ７６ｃの区画における空気の圧力を測定する圧力センサ７９ｓと、が設けられている。
バルブ７８は、空気供給部７７から昇圧された空気が供給される行き先を制御するものである。具体的には、昇圧された空気をシリンダ７６ｃの２つの区画のうちの一方へ供給する、または他方へ供給するかを選択するバルブである。バルブ７８の形式としては公知の形式のものを用いることができる。
圧力センサ７９ｓは、バルブ７８とシリンダ７６ｃとの間に配置されるものであり、２つの区画のうちの一方または他方における空気の圧力を測定するものである。測定された空気の圧力は、制御装置２０へ出力される。
アーム装置１０には、図１に示すように、回転部５２と、第１リンク部５５と、第２リンク部５６と、ジンバル部６１と、把持部６５と、制御装置２０と、が主に設けられている。回転部５２、第１リンク部５５および第２リンク部５６は、アーム装置１０の制御部など（図示せず）から入力される制御信号に基づいて、駆動制御されるものである。
回転部５２は、アーム装置１０が土台５１に固定される部分に配置される関節である。回転部５２としては、上下方向に延びる回転軸線まわりに回転駆動が可能な構成であればよく、具体的な構成を限定するものではない。
第１リンク部５５は、第１関節部６２と第２リンク部５６との間に配置され、アクチュエータ（図示せず）により駆動されるものである。第１リンク部５５は、一対の並行なバー５５ｂを２組有した矩形状に形成され、バー５５ｂとバー５５ｂとの交点は、一自由度の回転を許容するピン５５ｐにより結合された構成を有している。本実施形態では、第１リンク部５５が上下方向へ延びた姿勢に配置される例に適用して説明する。
第２リンク部５６は、第１リンク部５５とジンバル部６１との間に配置され、アクチュエータ（図示せず）により駆動されるものである。第２リンク部５６は、第１リンク部５５と同様に、一対の並行なバー５６ｂを２組有した矩形状に形成され、隣接する２つのバー５６ｂは一自由度の回転を許容するピン５６ｐにより結合された構成を有している。また、本実施形態では、第２リンク部５６が横方向（上下方向と交差する面に沿った方向）へ延びた姿勢に配置される例に適用して説明する。
ジンバル部６１は、図１に示すように、第２リンク部５６と把持部６５との間に配置されるものである。ジンバル部６１は、回転軸線が互いに交差する第１関節部（関節）６２、第２関節部（関節）６３および第３関節部（関節）６４と、第１気体圧アクチュエータ（アクチュエータ部）６２ａ、第２気体圧アクチュエータ（アクチュエータ部）６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ（アクチュエータ部）６４ａと、から主に構成されている。
第１関節部６２は、図１に示すように、第２リンク部５６と隣接する位置に配置されるものである。第１関節部６２は、その回転軸線が水平方向から斜め上方へ延びる姿勢に配置されている。より好ましくは、水平方向から４５°の角度で斜め上方へ延びる姿勢に配置されている。
第２関節部６３は、第１関節部６２と第３関節部６４との間に配置されるものである。第３関節部６４は、把持部６５に隣接する位置に配置されるものである。なお、第１関節部６２、第２関節部６３および第３関節部６４としては、回転軸回りの回転を可能とするものであればよく、特に限定するものではない。
第１気体圧アクチュエータ６２ａは、図１に示すように、第１関節部６２の近傍に配置されるものであって、第１関節部６２を回転駆動するとともに回転角度を制御するものである。また、第１気体圧アクチュエータ６２ａは、外部から供給される気体、本実施形態では空気により駆動力を発生させるものである。
第１気体圧アクチュエータ６２ａは、回転型の空気圧アクチュエータであって、第１関節部６２を回転駆動するトルクを直接発生させる構成を有するものである。なお、第２気体圧アクチュエータ６３ａの構成としては公知の構成を用いることができ、特に構成を限定するものではない。
第１気体圧アクチュエータ６２ａには、第１圧力センサ６２ｓが設けられている。第１圧力センサ６２ｓは、第１気体圧アクチュエータ６２ａにおける空気の圧力を測定するものである。測定された空気の圧力の値は、制御装置２０の推定部２１へ出力される。第１圧力センサ６２ｓとしては、公知のセンサを用いることができ、特に限定するものではない。
第２気体圧アクチュエータ６３ａは、第２関節部６３の近傍に配置されるものであって、第２関節部６３を回転駆動するとともに回転角度を制御するものである。また、第２気体圧アクチュエータ６３ａは、外部から供給される気体、本実施形態では空気により駆動力を発生させるものである。
第２気体圧アクチュエータ６３ａは、回転型の空気圧アクチュエータであって、第２関節部６３を回転駆動するトルクを直接発生させる構成を有するものである。なお、第２気体圧アクチュエータ６３ａの構成としては公知の構成を用いることができ、特に構成を限定するものではない。
第２気体圧アクチュエータ６３ａには、第２圧力センサ６３ｓが設けられている。第２圧力センサ６３ｓは、第２気体圧アクチュエータ６３ａにおける空気の圧力を測定するものである。測定された空気の圧力の値は、制御装置２０の推定部２１へ出力される。第２圧力センサ６３ｓとしては、公知のセンサを用いることができ、特に限定するものではない。
第３気体圧アクチュエータ６４ａは、第３関節部６４の近傍に配置されるものであって、第３関節部６４を回転駆動するとともに回転角度を制御するものである。また、第３気体圧アクチュエータ６４ａは、外部から供給される気体、本実施形態では空気により駆動力を発生させるものである。
第３気体圧アクチュエータ６４ａは、回転型の空気圧アクチュエータであって、第３関節部６４を回転駆動するトルクを直接発生させる構成を有するものである。なお、第３気体圧アクチュエータ６４ａの構成としては公知の構成を用いることができ、特に構成を限定するものではない。
第３気体圧アクチュエータ６４ａには、第３圧力センサ６４ｓが設けられている。第３圧力センサ６４ｓは、第３気体圧アクチュエータ６４ａにおける空気の圧力を測定するものである。測定された空気の圧力の値は、制御装置２０の推定部２１へ出力される。第３圧力センサ６４ｓとしては、公知のセンサを用いることができ、特に限定するものではない。
把持部６５は、ジンバル部６１と隣接する位置、言い換えるとアーム装置１０の先端に配置されるものである。把持部６５としては、術具７０を把持することができる構成であればよく、具体的な構成を限定するものではない。
制御装置２０は、アーム装置１０を駆動制御するものであり、図１および図３に示すように、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するコンピュータ等の情報処理装置である。上述のＲＯＭ等の記憶装置に記憶されているプログラムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースを協働させて、少なくとも推定部２１、演算部２２、および、制御部２３として機能させるものである。
推定部２１は、術具７０に加えられる外力ｆｔを推定するものである。
本実施形態では、推定部２１が、少なくとも術具用空気圧アクチュエータ７６における空気の圧力に基づいて、術具７０に加えられる外力ｆｔを推定する演算処理を行う例に適用して説明する。なお、推定部２１による具体的な外力ｆｔの推定方法は後述する。
演算部２２は、少なくとも術具７０の重量Ｗ、および、推定部２１により推定された外力ｆｔに基づいて、第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ６４ａにおいて発生させる駆動力の値を求める演算処理を行うものである。当該演算処理の具体的な内容は後述する。
なお、演算部２２は、駆動力を求める際に術具７０の重量Ｗの代わりに、術具７０の質量を用いてもよい。この場合、演算部７０は術具７０の質量と、公知の重力加速度とを用いて重量Ｗを算出して、駆動力を求める演算を行う。
制御部２３は、演算部２２により求められた駆動力の値に基づいて、第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ６４ａにおいて発生させる駆動力を制御する処理を行うものである。制御部２３における具体的な制御内容については、後述する。
次に、上記の構成からなるアーム装置１０における制御内容について図４から図７を参照しながら説明する。
まず、制御装置２０の推定部２１は、図４に示すように、外力ｆｔを推定する演算処理を行う（Ｓ１１）。本実施形態では、外力ｆｔは、患者８０に挿入された術具７０の先端に働く力であって、術具７０と患者８０との干渉や、術具７０が鉗子などの可動部を有するものである場合には術具７０の動作による反作用によって働く力である例に適用して説明する。
具体的には、推定部２１は、術具用空気圧アクチュエータ７６に配置された圧力センサ７９ｓから出力される空気の圧力の情報（値）や、ポテンショメータ７９ｍからピストン７６ｐの変位の情報を取得する。次いで、取得した空気の圧力の情報や、ピストン７６ｐの変位の情報に基づいて、外力ｆｔを推定する演算処理を行う。ここで行われる演算処理としては、公知の演算方法を用いることができ、特に限定するものではない。
外力ｆｔが推定されると、制御装置２０の演算部２２は、駆動力の値を求める演算処理を行う（Ｓ１２）。ここで駆動力は、ジンバル部６１の第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａおよび第３気体圧アクチュエータ６４ａにおいて発生させるものである。
以下に、駆動力の値を求める演算処理について図５を参照しながら説明する。駆動力の値は、下記で説明するジンバル部６１において発生させるモーメントｍｒに基づいて算出されるものである。なお、図５では理解を容易にするためにアーム装置１０の構成を簡略化して示している。
まず、各パラメータについて説明する。ｌは術具７０の後端Ｐｒから先端Ｐｔまでの長さである全長であり、ｄは術具７０の後端Ｐｒからピボット位置Ｐｐまでの長さであり、ｌｇは術具７０の後端Ｐｒから重心までの長さである。これらの値は、予め制御装置２０に記憶されているものであってもよいし、公知の演算手法によって求められたものであってもよい。
なお、本実施形態では、アーム装置１０における術具７０を制御する際の基準点が、術具７０の後端Ｐｒである例に適用して説明するが、基準点は術具７０の後端Ｐｒであってもよいし、その他の位置に設定されてもよく、特に限定するものではない。
また、術具７０の挿入方向ｎは、術具７０の長手方向である軸線方向でもある。挿入方向ｎは、ピボット位置Ｐｐの位置を表すベクトルと、術具７０の後端Ｐｒの位置を表すベクトルを用いて、下記の式（１）で表される。
具体的には、ピボット位置Ｐｐの位置を表すベクトルから後端Ｐｒの位置を表すベクトルを引いて得られる方向ベクトルを、ピボット位置Ｐｐの位置を表すベクトルから後端Ｐｒの位置を表すベクトルを引いた値の絶対値で割ることにより、挿入方向ｎが求められる。
さらに、術具７０の先端Ｐｔは、術具７０の全長ｌと、挿入方向ｎと、術具７０の後端Ｐｒを用いて下記の式（２）で表される。具体的には、全長ｌおよび挿入方向ｎを掛けて得られた位置を表すベクトルに、後端Ｐｒの位置を表すベクトルを加えることにより、先端Ｐｔの位置を表すベクトルが得られる。
なお、ピボット位置Ｐｐや、術具７０の後端Ｐｒは、アーム装置１０の回転部５２、第１リンク部５５、および、第２リンク部５６などの回転角度等に基づいて算出される値を用いてもよいし、他の測定手法により測定された値を用いてもよい。
Figure 2020039434
Figure 2020039434
さらに、術具７０における力のつり合いは下記の式（３）で表され、モーメントのつり合いは下記の式（４）で表される。ここで、ｆｔは、術具７０の先端Ｐｔに働く力である外力であり、ｆｐは、術具７０のピボット位置Ｐｐに働く力である。また、ｆｒは、術具７０の後端Ｐｒに働く力であり、Ｗは、術具７０の重心に働く力である。ｍｒは、ジンバル部６１において発生させるモーメントである。
Figure 2020039434
Figure 2020039434
式（３）は、先端Ｐｔに働く力ｆｔと、ピボット位置Ｐｐに働く力ｆｐと、後端Ｐｒに働く力ｆｒと、術具７０の重心に働く力Ｗと、の合計が０であることを示す式であり、術具７０に働く複数の力が釣り合っていることを示す式である。
式（４）は、先端Ｐｔに働く力ｆｔに起因するモーメントｌｎ×ｆｔと、ピボット位置Ｐｐに働く力ｆｐに起因するモーメントｌｐｎ×ｆｐと、術具７０の重心に働く力Ｗに起因するモーメントｌｇｎ×Ｗと、ジンバル部６１において発生させるモーメントｍｒの合計が０であることを示す式であり、術具７０に働く複数のモーメントが釣り合っていることを示す式である。
制御装置２０の演算部２２は、求める駆動力の値として、ピボット位置Ｐｐにおける力ｆｐが０となる値を求める演算処理を行う。具体的には、上記の式（４）におけるｆｐに０を代入して整理した下記の式（５）に基づいてジンバル部６１において発生させるモーメントｍｒを算出する。
Figure 2020039434
なお、ここではピボット位置Ｐｐにおける力ｆｐが０となる理想的な条件のもとでモーメントｍｒを求める例に適用して説明したが、力ｆｐが０ではなく所定値以下となるモーメントｍｒを求める演算処理を行ってもよい。当該所定値は、患者８０の腹壁８１などに対して許容される負荷に基づいて定められる例を挙げることができる。
駆動力の値が求められると、制御装置２０の制御部２３は、求められた駆動力の値に基づいて、ジンバル部６１の第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および、第３気体圧アクチュエータ６４ａにおいて発生させる駆動力を制御する演算処理を行う（Ｓ１３）。
より具体的には、第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および、第３気体圧アクチュエータ６４ａにおける空気の圧力を制御する処理を行う。空気の圧力の制御方法としては、公知の方法を用いることができ、特に限定するものではない。
上記の構成のアーム装置１０によれば、外部から加えられる力に従って第１関節部６２、第２関節部６３および第３関節部６４の回動を許容する第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ６４ａを用いるとともに、少なくとも術具７０の重量Ｗおよび推定された外力ｆｔに基づいて求められた駆動力の値に従って第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ６４ａを駆動させているため、患者８０に加わる負荷の軽減を図りやすくなる。
つまり、アーム装置１０は、術具７０の重量Ｗおよび推定される外力ｆｔによっては、術具７０の配置位置や姿勢が変化させることなく支持する。その一方で、推定された外力ｆｔとは別の他の力が外部から加わると、アーム装置１０に支持されている術具７０の配置位置や姿勢は変化する。そのため、術具７０から患者８０へ働く負荷の軽減が図りやすくなる。
例えば、第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ６４ａが設けられず、外力に応じて自由に回動するジンバル部６１Ｘである場合、言い換えると、ジンバル部６１Ｘが受動関節である場合には、推定された外力ｆｔとは別の他の力が外部から加わると、図６に示すように術具７０の配置位置や姿勢が変化（点線で図示された術具７０→実線で図示された術具７０）する。すると、トロッカー７５を介して術具７０から腹壁８１に加わる荷重が大きくなり、患者８０へ働く負荷が大きくなる。
本実施形態のアーム装置１０は、このような負荷の増大を抑制しやすくなる。ここで、別の他の力が外部から加わる場合としては、実際の外力ｆｔが、推定された外力ｆｔよりも大きい場合も含まれる。
また、気体圧アクチュエータと異なり、外部から力が加わっても回動しないジンバル部６１Ｙである場合、言い換えると、ジンバル部６１Ｙが剛性の高い関節である場合には、図７に示すようにアーム装置１０による推定された術具７０の配置位置や姿勢（実線で図示）と、実際の配置位置や姿勢（点線で図示）と、に違いがあると、トロッカー７５を介して術具７０から腹壁８１に加わる荷重が大きくなり、患者８０へ働く負荷が大きくなる。
駆動力の値として、術具７０およびトロッカー７５との間に働く力を所定値以下となる値を求めることにより、患者８０に配置されたトロッカー７５を介して、術具７０から患者８０へ働く負荷の軽減が図りやすくなる。
術具用空気圧アクチュエータ７６における空気の圧力に基づいて、術具７０に加えられる外力ｆｔを推定することにより、アーム装置１０は、術具７０に加えられる力（圧力センサ７９ｓにより測定される外力）による、術具７０の配置位置や姿勢の変化を抑制しやすくなる。
また、上述の実施形態では、圧力センサ７９ｓにより測定された空気の圧力に基づいて、術具７０に加えられる外力ｆｔを推定する例に適用して説明したが、圧力センサ７９ｓを用いることなく、術具用空気圧アクチュエータ７６に供給される空気の圧力（負荷に関する情報）を取得して術具７０に加えられる外力ｆｔを推定してもよい。
第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ６４ａを用いることにより、第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および第３気体圧アクチュエータ６４ａが発生させる駆動力を超える力が加えられた場合に第１関節部６２、第２関節部６３および第３関節部６４の回動を許容しやすくなる。
なお、上述の実施形態では、ジンバル部６１に第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および、第３気体圧アクチュエータ６４ａが設けられている例に適用して説明したが、ジンバル部６１に設けられるアクチュエータとしては、外部から加えられる力に従って第１関節部６２、第２関節部６３および第３関節部６４の回動を許容するものであればよく、特にその形式などを限定するものではない。
なお、上述の実施形態では、第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および、第３気体圧アクチュエータ６４ａが回転型の空気圧アクチュエータである例に適用して説明したが、その他に図８に示す構成を有するものであってもよい。
つまり、第１気体圧アクチュエータ６２ａは、第１シリンダ部６２ｃと、第１ピストン部６２ｐと、第１ワイヤ部６２ｗと、第１弾性体部６２ｅと、第１圧力センサ６２ｓと、が主に設けられた構成であってもよい。
第１シリンダ部６２ｃは、両端が閉じられた筒状に形成される部材である。第１シリンダ部６２ｃの内部空間は、第１ピストン部６２ｐにより２つに区画され、その少なくとも一方に外部から昇圧された空気が導入可能に構成されている。
第１ピストン部６２ｐは、第１シリンダ部６２ｃに対して相対的に直線移動可能に配置されるものである。また、第１ピストン部６２ｐにおける第１シリンダ部６２ｃから突出している部分には、第１ワイヤ部６２ｗの一端が配置されている。
第１ワイヤ部６２ｗは、第１ピストン部６２ｐの移動を第１関節部６２に伝達する索状に形成された部材である。第１ワイヤ部６２ｗに一端は第１ピストン部６２ｐに配置され、他端は第１弾性体部６２ｅに配置されている。また、第１ワイヤ部６２ｗの中央領域は、第１関節部６２に巻きつけられている。
第１弾性体部６２ｅは、第１ワイヤ部６２ｗに接続されたバネなどの弾性を有する部材であり、第１ピストン部６２ｐの移動によって、第１ワイヤ部６２ｗが移動可能に支持するものである。第１弾性体部６２ｅとしては公知の部材を用いることができ、特に限定するものではない。
同様に、第２気体圧アクチュエータ６３ａは、第２シリンダ部６３ｃと、第２ピストン部６３ｐと、第２ワイヤ部６３ｗと、第２弾性体部６３ｅと、第２圧力センサ６３ｓと、が主に設けられた構成であってもよい。第２気体圧アクチュエータ６３ａの第２シリンダ部６３ｃ、第２ピストン部６３ｐ、第２ワイヤ部６３ｗ、第２弾性体部６３ｅ、および、第２圧力センサ６３ｓにおける構成は、第１気体圧アクチュエータ６２ａと同様であるため、その説明を省略する。
同様に、第３気体圧アクチュエータ６４ａに、第３シリンダ部６４ｃと、第３ピストン部６４ｐと、第３ワイヤ部６４ｗと、第３弾性体部６４ｅと、第３圧力センサ６４ｓと、が主に設けられた構成であってもよい。第３気体圧アクチュエータ６４ａの第３シリンダ部６４ｃ、第３ピストン部６４ｐ、第３ワイヤ部６４ｗ、第３弾性体部６４ｅ、および、第３圧力センサ６４ｓにおける構成は、第１気体圧アクチュエータ６２ａと同様であるため、その説明を省略する。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係るアーム装置ついて図９および図１０を参照しながら説明する。本実施形態のアーム装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、術具に加えられる外力ｆｔの推定に用いられるセンサの配置位置が異なっている。よって、本実施形態においては、図９および図１０を用いて当該センサに関連するものについて説明し、その他の構成等の説明を省略する。
本実施形態のアーム装置１１０における制御装置１２０は、図９および図１０に示すように、術具７０の先端Ｐｔ近傍に配置されたセンサ１２４に基づいて、術具７０に加えられる外力ｆｔの推定を行うものである。センサ１２４は、術具７０の先端Ｐｔ近傍に働く力を検知する公知の方式を用いるものであって、検知方式を特に限定するものではない。センサ１２４により検知された術具７０の先端Ｐｔ近傍に働く力の情報は、制御装置１２０の推定部１２１へ出力される。
推定部１２１は、術具７０の先端Ｐｔ近傍に働く力に基づいて、術具７０に加えられる外力ｆｔを推定する演算処理を行うものである。例えば、センサ１２４が配置されている位置と、外力ｆｔが働く位置との間の差を補正する演算処理等を行うものである。
上記の構成からなるアーム装置１１０における制御内容は、推定部１２１における術具７０に加えられる外力ｆｔを推定する演算処理が異なる点を除き、第１の実施形態のアーム装置１０における制御内容と同様であるため、その説明を省略する。
上記の構成のアーム装置１１０によれば、術具７０の先端Ｐｔ近傍にセンサ１２４を配置することにより、術具７０の先端Ｐｔ近傍に働く力に基づいた駆動力の値が求められ、当該値に基づいて第１気体圧アクチュエータ６２ａ、第２気体圧アクチュエータ６３ａ、および、第３気体圧アクチュエータ６４ａの制御が行われる。そのためアーム装置１１０は、術具７０の先端Ｐｔ近傍に加えられる力（センサ１２４により測定される外力）による、術具７０の配置位置や姿勢の変化を抑制しやすくなる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態において制御装置２０は、アーム装置１０と一体に構成されていてもよいし、アーム装置１０とは別に構成されるものであってもよい。
１０，１１０…アーム装置、２１，１２１…推定部、２２…演算部、２３…制御部、６２…第１関節部（関節）、６３…第２関節部（関節）、６４…第３関節部（関節）、６２ａ…第１気体圧アクチュエータ（アクチュエータ部）、６３ａ…第２気体圧アクチュエータ（アクチュエータ部）、６４ａ…第３気体圧アクチュエータ（アクチュエータ部）、７０…術具、７５…トロッカー（器具）、７６…術具用空気圧アクチュエータ（術具用アクチュエータ、術具用気体圧アクチュエータ）、１２４…センサ、ｆｔ…外力、Ｗ…重量

Claims (8)

  1. 術具の配置位置および姿勢を制御可能に支持するアーム装置であって、
    前記術具の回転軸線まわりに回動することにより、前記術具の配置位置および姿勢を変化可能とする関節部と、
    前記関節部を前記回転軸線まわりに回動させる駆動力を発生するとともに、外部から加えられる力に従って前記関節部の回動を許容するアクチュエータ部と、
    前記術具に加えられる外力を推定する推定部と、
    少なくとも前記術具の重量、および、前記推定部により推定された外力に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる前記駆動力の値を求める演算部と、
    前記演算部により求められた前記駆動力の値に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる駆動力を制御する制御部と、
    が設けられていることを特徴とするアーム装置。
  2. 前記演算部は、前記術具が挿通される器具に対応する位置において、前記術具および前記器具との間に働く力を所定値以下とする前記駆動力の値を求めることを特徴とする請求項１記載のアーム装置。
  3. 前記術具には、先端部を屈曲可能とする屈曲部と、前記屈曲部を屈曲させる駆動力を発生するものであって、外部から加えられる力に従って前記屈曲部の屈曲を許容する術具用アクチュエータが設けられ、
    前記推定部は、前記術具用アクチュエータにおける負荷に関する情報に基づいて、前記術具に加えられる外力を推定することを特徴とする請求項１または２に記載のアーム装置。
  4. 前記術具には、先端部を屈曲可能とする屈曲部と、前記屈曲部を屈曲させる駆動力を発生するものであって、外部から供給される気体により駆動力発生させる術具用気体圧アクチュエータと、が設けられ、
    前記推定部は、前記術具用気体圧アクチュエータにおける前記気体の圧力に基づいて、前記術具の前記先端部に加えられる外力を推定することを特徴とする請求項１または２に記載のアーム装置。
  5. 前記推定部は、前記術具における先端の近傍に配置され、前記術具に加えられる力を測定するセンサであることを特徴とする請求項１または２に記載のアーム装置。
  6. 前記アクチュエータ部は、外部から供給される気体により駆動力を発生させる気体圧アクチュエータであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のアーム装置。
  7. 回転軸線まわりに回動する関節部を有し、術具の配置位置および姿勢を制御可能に支持するアーム装置の制御方法であって、
    前記術具に加えられる外力を推定するステップと、
    前記術具の重量、および、前記推定された外力に少なくとも基づいて、前記関節部を前記回転軸線まわりに回動させる駆動力を発生するとともに、外部から加えられる力に従って前記関節部の回動を許容するアクチュエータ部において発生させる前記駆動力の値を求めるステップと、
    求められた前記駆動力の値に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる駆動力を制御するステップと、
    を有することを特徴とする制御方法。
  8. 回転軸線まわりに回動する関節部を有し、術具の配置位置および姿勢を制御可能に支持するアーム装置を制御するプログラムであって、
    コンピュータに、
    前記術具に加えられる外力を推定する機能と、
    前記術具の重量、および、前記推定された外力に少なくとも基づいて、前記関節部を前記回転軸線まわりに回動させる駆動力を発生するとともに、外部から加えられる力に従って前記関節部の回動を許容するアクチュエータ部において発生させる前記駆動力の値を求める機能と、
    求められた前記駆動力の値に基づいて、前記アクチュエータ部において発生させる駆動力を制御する機能と、
    を実現させることを特徴とするプログラム。
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