JP2021119028A

JP2021119028A - 制御装置及び制御方法

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Publication number: JP2021119028A
Application number: JP2021067937A
Authority: JP
Inventors: 悠輔田中; Yusuke Tanaka; 清志 ▲高▼木; Kiyoshi Takagi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP7155323B2; US20180243900A1; US20210362323A1; JP2018171701A; JP6893623B2; US11103992B2

Abstract

【課題】追従セクションと先頭セクションの湾曲角度との差が増大しない連続体ロボットを提供する。【解決手段】ワイヤ駆動式操作装置１であって、ドライバと、第１の遠位部材３、複数の第１の案内部材４、および複数の第１のワイヤを含む第１の変形セクションと、第１の変形セクションとドライバとの間に設けられ、第２の遠位部材、複数の第２の案内部材、および複数の第２のワイヤを含む第２の変形セクションとを含む。複数の第１のワイヤは、第１の遠位部材に固定され、複数の第１のワイヤの少なくとも１つは、複数の第１の案内部材にさらに固定され、複数の第１のワイヤの他のワイヤは、複数の第１の案内部材に対して摺動可能である。複数の第２のワイヤは、第２の遠位部材に固定され、複数の第２のワイヤの少なくとも１つは、複数の第２の案内部材にさらに固定され、複数の第１のワイヤの他のワイヤは、複数の第２の案内部材に対して摺動可能である。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年２月２８日出願の米国仮特許出願第６２／４６４，８９８号およ
び２０１７年２月２８日出願の米国仮特許出願第６２／４６４９２１号の優先権の利益を
主張するものであり、いずれの文献も、参照によって全体的に本明細書に組み込まれる。

本出願は、一般に、連続体ロボットに関する。

連続体ロボットは、可撓性構造体を有する複数の湾曲セクションを含む。連続体ロボッ
トの形状は、湾曲セクションを変形させることによって制御される。１つの例では、隣り
合う湾曲セクションの対は、追従セクションの湾曲形状が先頭セクションの湾曲形状をた
どるように制御され、それにより、ベースが前進するにつれて形状が連続的に伝播される
。

このロボットは、剛性リンクを伴って構成されたロボットに比べて、主に２つの利点を
有する。第１の利点は、連続体ロボットは、狭い空間内または剛性リンクロボットが動け
なくなる可能性がある、物が散乱した環境内で、曲線に沿って移動することができること
である。第２の利点は、連続体ロボットはかなりの可撓性を有するため、もろい経路に損
傷を与えることなく連続体ロボットを操作できることである。

しかし、最遠位端の湾曲角度を追従セクションのものに連続的に伝播する制御方法が、
追従セクションの長さが先頭セクションの長さより長い構成に適用された場合、追従セク
ションの湾曲角度と先頭セクションの湾曲角度との間の差が増大する。この場合、連続体
ロボットは、狭い空間内の妨害物により接触しやすくなる。そのような接触は、摩擦の増
大を引き起こしやすくなり、その結果、連続体ロボットまたは経路に損傷を与える恐れが
ある。

ワイヤ駆動式操作装置の一部の実施形態は、ドライバと、第１の遠位部材、複数の第１
の案内部材、および複数の第１のワイヤを含む第１の変形セクションと、第１の変形セク
ションとドライバとの間に設けられ、第２の遠位部材、複数の第２の案内部材、および複
数の第２のワイヤを含む、第２の変形セクションとを備える。複数の第１のワイヤは、第
１の遠位部材に固定され、複数の第１のワイヤの少なくとも１つは、複数の第１の案内部
材にさらに固定され、複数の第１のワイヤの他のワイヤは、複数の第１の案内部材に対し
て摺動可能である。複数の第２のワイヤは、第２の遠位部材に固定され、複数の第２のワ
イヤの少なくとも１つは、複数の第２の案内部材にさらに固定され、複数の第１のワイヤ
の他のワイヤは、複数の第２の案内部材に対して摺動可能である。加えて、第１の変形セ
クションの長さは、第２の変形セクションの長さより短い。

ワイヤ駆動式操作装置の構成を示す斜視図である。案内部材を示す斜視図である。案内部材を示す平面図である。線形部材が駆動されるときのワイヤ駆動式操作装置の変形を示す斜視図である。線形部材が駆動されるときのワイヤ駆動式操作装置の変形を示す平面図である。２つのセクションを備えたワイヤ駆動式操作装置の構成を示す斜視図である。案内部材の平面図である。案内部材の平面図である。３つのセクションを備えたワイヤ駆動式操作装置の構成を示す斜視図である。案内部材の平面図である。第１の実施形態による運動学的モデルを示す図である。第１の実施形態による運動学的モデルを示す図である。第１の実施形態による先頭追従制御を示す図である。第１の実施形態による制御システムを示す図である。第１の実施形態による先頭追従制御を示す図である。第１の実施形態による先頭追従制御を示す図である。第１の実施形態による制御システムを示す図である。第１の実施形態による制御システムを示すブロック図である。第１の実施形態による制御グラフを示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第２の実施形態による制御システムを示すブロック図である。第３の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第３の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第３の実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。第３の実施形態による制御システムを示すブロック図である。

連続体ロボットの機構が、第１の実施形態によって説明される。説明は以下に詳細に提
供され、シミュレーションによって得られた制御結果が提供される。

機構の基本的構成

図１は、第１の構成によるワイヤ駆動式操作装置１の斜視図である。ワイヤ駆動式操作
装置１は、線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃと、遠位部材３と、案内部材４と、支持部材
５とを含む。線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃは、Ｚ軸に対して平行な方向に配置され、
Ｚ軸方向の＋Ｚ側の末端部において遠位部材３に結合される。線形部材２ａ、２ｂ、およ
び２ｃは、Ｚ軸方向の−Ｚ側の末端部においてドライバ７（図示せず）に結合される。線
形部材２ａ、２ｂ、および２ｃは、たとえば、ピアノ線、ステンレス鋼ワイヤまたはニッ
ケルチタン合金ワイヤなどの金属ワイヤであることができる。遠位部材３は、その中心軸
がＺ軸に沿って延びる環状形状を有し、たとえば接着、ピン止め、またはねじ込みによっ
て線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃに結合される。

図２に示すように、代表的な案内部材４は、その中心軸がＺ軸方向に沿って延びる環状
形状を有し、Ｚ軸方向に案内部材４を貫通する案内穴８ａ、８ｂ、および８ｃを有する。
案内穴８ａ、８ｂ、および８ｃは、線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃが案内穴８ａ、８ｂ
、および８ｃのそれぞれを通過することを可能にするように配置される。線形部材２ａ、
２ｂ、および２ｃの中でも、線形部材２ａは、たとえば接着、ピン止め、またはねじ込み
によって、案内穴８ａにおいて案内部材４に固定され、線形部材２ｂおよび２ｃは、案内
穴８ｂおよび８ｃに対して摺動可能である。案内部材４は、案内穴８ｂおよび８ｃを通し
て線形部材２ｂおよび２ｃと接触するため、案内部材４は、小さい摩擦係数を有する樹脂
などの部材を含むことができる。

支持部材５は、その中心軸がＺ軸方向に沿って延びる円筒形状を有する。支持部材５は
、案内部材４と同様にＺ軸方向に支持部材５を貫通する穴を有する。この穴は、線形部材
２ａ、２ｂ、および２ｃが穴を通過することを可能にするように配置される。線形部材２
ａ、２ｂ、および２ｃは、支持部材５に形成された貫通穴に対して摺動可能である。支持
部材５は、支持部材５の貫通穴を通過する線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃが、Ｚ軸方向
に駆動されたとき、線形部材２ａ、２ｂ、および２を座屈させずに力を伝達する機能を有
する。湾曲セクション（変形セクション）６は、遠位部材３から支持部材５のＺ軸方向の
＋Ｚ側の遠位端まで延びる部分であり、線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃが駆動されたと
き、湾曲動作をもたらすセクションである。

線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃは、Ｚ軸方向の−Ｚ側のそれぞれの末端部においてド
ライバ７（図示せず）に結合され、ドライバ７は、線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃを押
し引きすることによって線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃをＺ軸方向に独立的に駆動する
ことができる機構を有する。

次に、線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃが駆動されるときのワイヤ駆動式操作装置の湾
曲動作を説明する。図３に示すように、案内部材４の案内穴８ａ、８ｂ、および８ｃは、
案内部材４の中心から半径ｒの円に内接する正三角形のそれぞれの頂点に配置される。案
内穴８ａは、Ｙ軸上に位置する。ワイヤ駆動式操作装置の湾曲動作の一例として、図４は
、斜視図を示し、図５は、線形部材２ｂおよび２ｃがＺ軸方向の＋Ｚ側に駆動変位ｌ_pだ
け駆動されるときの湾曲セクション６の湾曲状態のＹ−Ｚ平面図を示す。

θが駆動後の遠位部材の角度の変化を示し、ｌが駆動前の湾曲セクション６の長さを示
すとき、湾曲セクション６は、一定の曲率を維持しながらＹ−Ｚ平面内で湾曲する。ｒ_a
、ｒ_b、およびｒ_cが、それぞれ、線形部材２ａ、２ｂ、および２ｃの曲率半径を示す場合
、図５を参照して以下の関係を得ることができる。
ｒ_a・θ＝ｌ（１）
ｒ_b・θ＝ｌ＋ｌ_p （２）
ｒ_c・θ＝ｌ＋ｌ_p （３）

また、図３から分かるように、Ｙ−Ｚ平面内に投影された案内穴８ａと案内穴８ｂおよ
び８ｃとの間の距離は、３ｒ／２であり、故に、以下の関係を得ることができる。

式（１）、（２）、（３）、および（４）を使用することによって、以下の関係を得る
ことができる。

上記の構成では、線形部材２ａを固定しながら線形部材２ｂおよび２ｃをＺ軸方向の＋
Ｚ側に駆動することによって、湾曲セクション６がＹ−Ｚ平面内で湾曲するように説明し
た。線形部材２ａを固定しながら、線形部材２ｂおよび２ｃが、それぞれ、Ｚ軸方向の＋
Ｚ側に駆動変位ｌｐおよびＺ軸方向の−Ｚ側に駆動変位ｌｐで駆動されるとき、湾曲セク
ション６をＸ−Ｚ平面内で湾曲させることができる。Ｘ−Ｚ平面内の変形が、Ｙ−Ｚ平面
内の変形に類似すると考えられる場合、θが駆動後の遠位部材の角度の変化を示し、ｌが
駆動前の湾曲セクション６の長さを示し、ｒ_a、ｒ_b、およびｒ_cが、それぞれ、線形部材
２ａ、２ｂ、および２ｃの曲率半径を示すとき、以下の関係式を得ることができる。
ｒ_a・θ＝ｌ（６）
ｒ_b・θ＝ｌ＋ｌ_p （７）
ｒ_c・θ＝ｌ−ｌ_p （８）

式（６）、（７）、（８）、および（９）を使用することにより、以下の関係を得るこ
とができる。

さらに、線形部材２ｂおよび２ｃの駆動量を組み合わせることによって、湾曲セクショ
ン６をＺ軸を含む所望の平面内で湾曲させることができる。遠位部材３の姿勢を制御する
には、３つの線形部材のうち２つを駆動するだけで十分である。この場合、駆動されない
線形部材２に結合されたドライバ７は、実際には、駆動機構を有さなくてもよい。したが
って、ドライバ７によって占有される空間を低減するために、２つの線形部材を駆動し、
１つの線形部材を駆動しないことが望ましい。また、駆動されない線形部材２は、案内部
材４の案内穴８に結合された線形部材２であってよい。さらに、ワイヤ駆動式操作装置１
を湾曲させたい方向が事前に決定される場合、３つの線形部材２の１つを駆動し、残りの
２つの線形部材を駆動しないようにしてもよい。さらに、ワイヤ駆動式操作装置をＺ軸回
りで回転させる機構を追加的に設けて、１つの線形部材のみを駆動することによって湾曲
セクション６を所望の方向に湾曲させてもよい。この場合、３つの線形部材２の２つを案
内部材４に固定してもよい。たとえば、ドライバ７によって駆動されない線形部材２を案
内部材４に固定することができ、ドライバ７によって駆動される線形部材２は、案内部材
４に固定されずに案内部材４に対して摺動することができる。

案内部材４は、湾曲セクション６が曲げられるときに線形部材２が座屈することを防止
し、線形部材２の間に間隔を維持することによって湾曲セクション６の一定の曲率を保証
する機能を有する。したがって、湾曲セクション６内に多数の案内部材４が配置されるこ
とが望ましい。他方では、線形部材２がＺ軸方向の−Ｚ側に駆動される場合、湾曲セクシ
ョン６内の線形部材２の長さは減少し、案内部材４間の間隔は減少する。したがって、案
内部材４の数は、案内部材４が互いに機械的に干渉しないように配置されるように決定さ
れる。したがって、ｌが駆動前の湾曲セクション６の長さを示し、ｌ_pmaxが線形部材２の
最大駆動量を示し、Ｔ_tが遠位部材３のＺ軸方向の厚さであり、Ｔ_gが案内部材４のＺ軸方
向の厚さであり、Ｎ_gが湾曲セクション６内の案内部材４の数であるとき、それぞれのパ
ラメータは、望ましくは以下の関係を満たすように設計される。
ｌ−ｌ_pmax＜Ｔ_t＋Ｔ_g・Ｎ_g （１１）

案内部材４を線形部材２の１つに固定することにより、湾曲セクション６が曲げられた
とき、案内部材４間に一定の間隔を維持することができ、その結果、湾曲セクション６の
駆動再現性が改善する。また、湾曲セクション６内の曲率を一定になるように維持するこ
とができ、線形部材２の駆動時の湾曲セクション６の姿勢の制御可能性が、改善される。
さらに、隣り合う案内部材４間に一定の間隔を維持することにより、案内部材４が互いに
機械的に干渉することを防止することができる。

複数の湾曲セクションの構成

上記では１つだけの湾曲セクション６の構成を提供したが、この項は、複数の湾曲セク
ション（変形セクション）６ａおよび６ｂを含む構成を提供する。

図６（ａ）では、ワイヤ駆動式操作装置１は、それぞれの湾曲セクション６ａおよび６
ｂの遠位端に遠位部材３ａおよび３ｂを有する。３つの線形部材２の２つのセットが、遠
位部材３ａおよび３ｂの各々にそれぞれ結合される。第１の構成の設計と同様に、案内部
材４ｂは案内穴８を有する。これらの穴は、遠位部材３ｂに結合された線形部材２が穴を
通過することを可能にするように配置される。３つの線形部材２の１つは、案内穴８に固
定され、残りの２つの線形部材２は、案内穴８に対して摺動可能である。

湾曲セクション６ａでは、線形部材２は、遠位部材３ａに結合され、図６（ｂ）に示す
遠位部材３ａは、線形部材２と機械的に干渉しない位置に案内穴８を有する。案内穴８は
、遠位部材３ｂに結合された線形部材２が案内穴８に対して摺動可能であることを可能に
するように配置される。図６（ｃ）に示す案内部材４ａは、案内穴８を有し、これによっ
て遠位部材３ａおよび３ｂに結合された線形部材２が案内穴８を通過することを可能にす
る。遠位部材３ｂに結合された線形部材２は、案内部材４ａに対して摺動可能である。遠
位部材３ａに結合された３つの線形部材２の１つは、案内部材４ａの案内穴に固定され、
残りの２つの線形部材２は、案内穴８に対して摺動可能である。

支持部材５は、貫通穴を有し、これによってすべての線形部材２が貫通穴に対して摺動
可能であることを可能にする。線形部材２は、遠位部材３とは反対側の末端部においてド
ライバ７（図示せず）に結合され、独立的に駆動することができる。遠位部材３ａおよび
３ｂの各々に結合された３つの線形部材２の少なくとも２つを駆動することにより、湾曲
セクション６ａおよび６ｂを、Ｚ軸を含む所望の平面内で曲げることができる。これまで
の構成のように、線形部材２の１つを駆動させずにドライバ７内に固定することができる
。

次に、複数の湾曲セクション６ａおよび６ｂを含むワイヤ駆動式操作装置の駆動を説明
する。

遠位部材３ａに結合された線形部材２が駆動されず、遠位部材３ｂに結合された線形部
材２が駆動される場合、湾曲セクション６ａの形状は、遠位部材３ａに結合された線形部
材２によって制限され、湾曲セクション６ｂの形状のみが変更されるため、遠位部材３ａ
の姿勢は変更されない。遠位部材３ｂの姿勢は、遠位部材３ｂに結合された線形部材２の
駆動量によって決定される。この場合の姿勢の変化は、第１の構成における説明に類似す
る。

これとは対照的に、遠位部材３ａに結合された線形部材２のみが駆動される場合、遠位
部材３ｂに結合された線形部材２は湾曲セクション６ａ内で摺動し、したがって、この駆
動は遠位部材３ｂの姿勢に影響を与えず、第１の構成の場合と同じようにして遠位部材３
ａの姿勢を制御することができる。また、遠位部材３ｂは、遠位部材３ｂに結合された線
形部材２によって制限されるため、遠位部材３ｂの姿勢は変更されない。

遠位部材３ａおよび３ｂの１つに結合された線形部材２を駆動する場合を上記で説明し
てきたが、すべての線形部材２が駆動される場合、それぞれの遠位部材３ａおよび３ｂの
姿勢を、遠位部材３ａおよび３ｂに結合された線形部材２の駆動量によって独立的に決定
することができる。

案内部材４ｂを遠位部材３ｂに結合された線形部材２に固定することにより、案内部材
４ｂと遠位部材３ａとの間に機械的干渉が起こることを防止することができ、湾曲セクシ
ョン６ａと湾曲セクション６ｂとの間の反力の生成を制限することができる。その結果、
それぞれの湾曲セクション６が独立的に駆動されるときの駆動精度を改善することができ
る。

異なる長さの複数の湾曲セクションの構成

これまでの２つの項では、同じ長さの湾曲セクション６を有するワイヤ駆動式操作装置
の構成を示したが、この項は、ワイヤ駆動式操作装置が異なる長さの複数の湾曲セクショ
ン６を有する構成を提供する。

図７（ａ）では、ワイヤ駆動式操作装置は、３つの湾曲セクション６ａ、６ｂ、および
６ｃを有する。線形部材３ａ、３ｂ、および３ｃならびに案内部材４ａ、４ｂ、および４
ｃは、それぞれ、湾曲セクション６ａ、６ｂ、および６ｃ内に配置される。３つの線形部
材２の３つのセットは、それぞれ、線形部材３ａ、３ｂ、および３ｃの各々に結合される
。

遠位部材３の各々に結合された線形部材２は、遠位部材３の中心に中点を有する正三角
形のそれぞれの頂点に配置される。図７（ｂ）に示すように、合計９つの線形部材２は、
遠位部材３ａ、３ｂ、および３ｃの中心回りに４０°の位相差で配置される。この構成で
は、湾曲セクション６は、３つのセクションである。湾曲セクション６がＮ個のセクショ
ンである場合、線形部材２の数は合計で３×Ｎとなる。線形部材２の位相差は、１２０／
Ｎ度であってよく、正三角形を形成する線形部材２の組み合わせを遠位部材３の各々に結
合することができる。また、それぞれの湾曲セクション６の線形部材２は、隣接する湾曲
セクション６の配置順に位相を時計回りまたは反時計回りに１２０／Ｎ度シフトさせるこ
とによって配置され得る。さらに、案内部材４に固定された線形部材２は、隣接する湾曲
セクション６の配置順に位相を時計回りまたは反時計回りに１２０／Ｎ度シフトさせるこ
とによって配置され得る。

湾曲セクション６の長さは、ワイヤ駆動式操作装置１の所望の使用に応じて決定するこ
とができ、湾曲セクション６の長さは互いに異なっていてよい。これは第１の構成の式（
５）および（１０）から見出されるので、遠位部材３の各々の姿勢は、案内部材４の中心
からの線形部材２の距離ｒおよび線形部材２のＺ軸方向の駆動量ｌ_pによって決定される
。各々の遠位部材３の姿勢は、対応する湾曲セクションの長さに依存しない。図７（ａ）
に示す構成は、湾曲セクション６ｂおよび６ｃが湾曲セクション６ａより短い構造体を有
する。この場合、ワイヤ駆動式操作装置１の姿勢を遠位端においてより精密に制御するこ
とができる。また、案内部材４は、湾曲セクション６に基づく式（１１）の関係を満たす
間隔で配置されることのみが必要とされる。この配置は、湾曲セクション６内で変動し得
る。また、ばね要素などが案内部材４間に配置されて案内部材４間の間隔を維持する場合
、この間隔およびばね要素は、湾曲セクション６の長さに従って設計されることが必要と
される。したがって、案内部材４は線形部材２に固定されるため、湾曲セクション６の長
さに依存することなく設計を行うことができる。また、第３の構成では、線形部材２に結
合されたすべてのドライバ７を駆動するわけではない。１つまたは２つのドライバ７が、
必要とされる自由度にしたがって湾曲セクションの各々に対して駆動されてよい。

モデリング−この項では、連続体ロボットのＸ−Ｚ平面内の運動学を導出する。

以下に提供する等式の記号の定義：ｌ_n：第ｎの湾曲セクションの長さ、ｒ_n：第ｎの湾
曲セクションの案内部材４の案内穴８ａ、８ｂ、および８ｃから案内部材４の中心までの
変位、ｅ：ロボットの湾曲セクションの数、θ_n：第ｎの湾曲セクションの遠位端の角度
、θ_refn：第ｎの湾曲セクションの遠位端の目標角度、ｌ_pn：第ｎの湾曲セクションのワ
イヤの駆動変位、ｘ_tn，ｚ_tn：第ｎの湾曲セクションの遠位端の座標、ｃ：ロボットの評
価点の合計数、ｘ_i，ｚ_i：ロボットが長手方向にｃ個に分割されたときの第ｉの座標、お
よびｚ_b：ベース変位。

湾曲セクション数がｎである連続体ロボットの図８に示す運動学は、以下の仮定に基づ
いて導出される。
１．ワイヤは、紙平面内でのみ変形する。
２．ワイヤは、各湾曲セクション内で一定の曲率で変形する。
３．ワイヤのねじり変形は、考慮しない。
４．ワイヤは、長手方向には変形しない。

最初に、式（５）は以下の式になる。

次いで、ワイヤ駆動変位ｌ_pnと第ｎの湾曲セクションの遠位端の角度θ_nとの間の関係
を導出する。この場合、ｎは２以上であると仮定する。

次いで、ｘ_tn-1，ｚ_tn-1は、原点を示し、θ_n-1方向およびこの方向に直交する方向に
おける相対座標系ｘ_n−ｚ_nが、図８に示すようにプロットされるとき、

第ｎの湾曲セクションのワイヤ駆動変位ｌ_pnは、第１のセクションから第（ｎ−１）の
セクションまでの相対座標系における、第ｎの湾曲セクションを駆動するためのワイヤの
変形の総和である。この総和は、以下の通りに表される。

したがって、第ｎの湾曲セクションの遠位端の角度θ_nは、ワイヤ駆動変位ｌ_pnに基づ
いてのみ決定され、角度θ_nは、中ほどの湾曲セクションの角度に依存しないことが分か
る。

次に、第ｎの湾曲セクションの遠位端角度と遠位端座標との間の関係を導出する。第１
の湾曲セクションは、以下の通りに考えられる。

次いで、第ｎの湾曲セクションの遠位端角度と遠位端座標との間の関係を導出する。こ
の場合、ｎは２以上であると仮定する。

したがって、絶対座標系における遠位端の座標ｘ_tn，ｚ_tnは、回転変換行列を使用して
以下の通りに得られる。

また、次項において、ロボット全体をα倍に分割するための座標が、最適化アルゴリズ
ムの評価点として使用される。この時点で、評価点の合計数は、ｃ＝αｅである。第ｉの
評価点の座標ｘ_i，ｚ_iは、以下の通りに得られる。

この場合、Ｑ，Ｒは、商および剰余であり、以下の式から得られる。
Ｑ＝［ｉ／α］，Ｒ＝ｉｍｏｄ α

制御システム設計

次に、先頭追従制御システムを説明する。図１０に示すように、先頭追従制御は、追従
湾曲セクションが、最遠位端１００２にある湾曲セクションが通過する経路１０００と同
じ経路を通過することを可能にする制御方法である。したがって、連続体ロボット１００
１は、空間を湾曲くねって通過することによって空間内で前進することができる。先頭追
従制御において、経路１０００は、事前に決定される必要はなく、最遠位端１００２の湾
曲角度は、湾曲セクションの長さだけ追従湾曲セクションに連続的に伝播させてもよい。
この方法により、操作装置が、最遠位端１００２の湾曲角度およびベース１００３の前進
量を含む命令を与えたとき、操作装置は、先頭追従制御を実時間で連続体ロボット１００
１上で実行することができる。命令は、たとえばジョイスティックを使用して与えること
ができる。

第１の先頭追従制御方法

図１１は、水平軸がベースの変位ｚ_bをプロットし、垂直軸が湾曲角度θをプロットす
るグラフを示す。破線は、操作装置による最遠位端への湾曲命令を示し、太い破線は、追
従湾曲セクションへの湾曲命令を示す。ベース変位ａにおいて、角度ａｂの湾曲命令が操
作装置によって与えられる場合、追従湾曲セクションに適用される湾曲命令角度を自動的
に生成することができ、それにより、湾曲角度はベース変位ｃにおいてｃｄとなる。この
場合、ベース変位ｃは、距離ａｃが追従湾曲セクションｌとなるように決定される。次い
で、追従湾曲セクションに適用された湾曲角度命令値は、制御装置の記憶ユニットにテー
ブルとして記憶され、ベース変位にしたがって読み出され、適用される。追従湾曲セクシ
ョンの数が２以上である場合、上記の説明における追従湾曲セクションは、最遠位端に置
き換えられ、その処理は連続的に実行される。したがって、すべての湾曲セクションに対
する湾曲角度命令値を得ることができる。

しかし、上記の説明では、追従部の湾曲角度は、ベース変位がａとｃの間であるとき変
更されない。湾曲角度命令は、ベース変位ｃにおいて上昇し、したがって連続体ロボット
は突然反応する。したがって、この実施形態では、追従湾曲セクションの湾曲角度命令は
、点ａが点ｄに連結されるように補間される。図１１の実線は、追従湾曲セクションへの
補間された湾曲角度命令を示す。この実施形態では、湾曲角度命令生成アルゴリズムを第
１の先頭追従制御方法と呼ぶ。

第２の先頭追従制御方法

上記の項において説明する第１の先頭追従制御方法が、たとえば図１２（ａ）に示すよ
うな妨害物１２ｂによって取り囲まれた狭い空間内の経路１２ａに適用されるとき、図１
２（ｂ）に示すような周囲の妨害物１２ｂに対する接触が起こる可能性がある。図１２（
ｂ）では、追従セクション１２ｃの湾曲角度は小さく、したがって、追従セクション１２
ｃは経路入り口の内側と接触し、先頭セクション１２ｄは経路の外側と接触する。以前に
説明したように、この開示による連続体ロボットでは、各湾曲セクションの遠位端の角度
は、駆動ワイヤの変位によってのみ決定される。ワイヤを駆動するための変位制御システ
ムのサーボ剛性が高い場合、周囲内の障害物に対する接触が起こる場合であっても、湾曲
角度の遠位端の角度が得られる。したがって、追従部の湾曲角度が小さい間にベースが前
進する場合、湾曲セクションの遠位端周りの部分は大きく変形される。これは、１）妨害
物に対する縦方向の垂直抗力が増加するにつれて摩擦が増加し、連続体ロボットが前進に
問題を有し得るものであり、および２）連続体ロボットの破損の可能性が増大する問題を
引き起こし得る。また、この問題は、追従部の湾曲セクションの長さが、先頭部の湾曲セ
クションの長さより長いとき、顕著に現れるようになる。

したがって、この実施形態では、第２の先頭追従制御アルゴリズムを、図１３に示すよ
うに作り出す。実線、太い破線、および破線は、それぞれ、補間後の湾曲角度命令、補間
前の湾曲角度命令、および図１１に類似する操作装置による命令を示す。第２の先頭追従
制御方法では、追従部の湾曲角度命令が立ち上がるベース変位ｅは、距離ａｅが実際の湾
曲セクション長さｌより短くなるように決定される。距離ａｅは、仮想湾曲セクション長
さと呼ばれる。したがって、命令は、先頭部の湾曲角度にさらに近づくように追従部の湾
曲角度に与えられる。図１２（ｂ）に示すような接触が起こる可能性は低く、狭い空間の
経路内の前進は、より容易にもたらされる。

図１４は、ブロック図である。この場合、Ｐは、制御対象物を示し、ＦＴＬは第２の先
頭追従制御アルゴリズムを示し、ｌ_vは仮想湾曲セクション長さベクトルを示し、θ_tref
は最遠位端の湾曲角度命令値を示し、θ_frefは最遠位端の湾曲角度命令ベクトルであり、
ｚ_bはベース変位命令値であり、Ｓ_tは、経路の周囲の断面積を示し、ｆは変換テーブルを
示す。変換テーブルの例の場合、ｗ_dが案内部材および遠位部材の各々の直径を示すとき
、通過を可能にする大まかな最少断面積Ｓ_tminおよび最大断面積Ｓ_tmaxを使用することに
よって、図１５に示すような設定を行うことができる。

シミュレーション

この項では、上記の項で説明した先頭追従制御システムを使用してシミュレーションが
実行される。このシミュレーションは、湾曲セクションの数が２つであり、図１２に示す
ように、第１の湾曲セクションの長さが、最遠位端における第２の湾曲セクションの長さ
より長い連続体ロボットを対象とする。第１の湾曲セクションの長さが０．１８ｍであり
、第２の湾曲セクションの長さが０．０２ｍであり、この湾曲セクションの数が２つであ
る連続体ロボットが使用され、ロボットは２００個の要素に分割され、シミュレーション
が実行される。また、案内部材間の機械的湾曲限界に関して、要素間の相対角度は、最大
１０度に設定される。

図１６（ａ）は、周囲内に妨害物が無い空間内の湾曲角度命令生成アルゴリズムの比較
応答を示す。実線は連続体ロボットの形状を示し、破線は目標経路を示す。図１６（ａ）
は、補間の無い先頭追従制御方法の制御応答を示す。湾曲角度命令は段階的に立ち上がる
ため、長い追従セクションを有する連続体ロボットは、経路の末端部において突然変化す
ることが分かる。図１６（ｂ）は、第１の先頭追従制御方法による制御応答を示す。湾曲
角度命令は補間されるため、その前進を操作装置によって意図される経路にほぼ沿って行
うことができることが分かる。図１６（ｃ）は、第２の先頭追従制御方法による制御応答
を示す。湾曲角度命令は補間されるが、追従セクションの角度は、先頭セクションの角度
に近づくように生成される。先頭セクションは、妨害物などの無い空間内で大きく変動し
、その前進は経路に沿ってもたらされないことが分かる。これは、追従セクションの長さ
の方が長い場合により顕著である。

次に、経路の周囲が妨害物によって取り囲まれる狭い空間内の前進のシミュレーション
が実行される。狭い空間内の連続体ロボットの形状を予測するために、分割の数に対応す
る２００個の評価点が、式（２１）を使用して連続体ロボット上に生成される。この形状
は、最急降下法によって算出され、それにより、各々の湾曲セクションの遠位端における
評価点以外の評価点は、湾曲セクションの遠位端の角度を更新することなく経路に近づく
。したがって、駆動ワイヤのサーボ剛性による各湾曲セクションの遠位端の角度に対する
制限が、シミュレートされる。さらに、それぞれの要素間の相対角度に関して、相対角度
が１０度を超える場合、相対角度は、最急降下法によって更新から取り除かれる。これに
したがって、案内部材間の機械的湾曲角度の限界がシミュレートされる。

図１７（ａ）および（ｂ）は、ベース変位Ｚ_b＝０．０５１ｍである狭い空間内の連続
体ロボットの形状を示す。実線は連続体ロボットの形状を示し、破線は経路を示し、点鎖
線は、同じベース変位における、妨害物を有さない空間内のロボットの形状を参考として
示す。図１７（ａ）は、第２の先頭追従制御方法による応答を示す。図１７（ｂ）は、第
１の先頭追従制御による応答を示す。図１７（ａ）では、第２の先頭追従制御が使用され
るとき、第１の湾曲セクションと第２の湾曲セクションとの間の差は小さく、したがって
、連続体ロボットの形状は経路に沿って前進する。妨害物に対する摩擦が小さく、したが
って連続体ロボットは破壊されないことが分かる。しかし、図１７（ｂ）を参照すれば、
第１の先頭追従制御では、ロボット形状は、点鎖線によって示す妨害物の無い空間内の経
路に近づく。しかし、第１の湾曲セクションの遠位端の角度は小さいため、大きな曲率を
有する変形が、第１の湾曲セクションの遠位端の周囲内に生成されることが分かる。これ
は、妨害物に対する摩擦が大きく、経路を前進することが難しくなり得ること、および連
続体ロボットが破壊されやすくなり得ることを表す。図１８（ａ）および（ｂ）は、図１
７（ａ）および（ｂ）の形状を有する連続体ロボットの曲率の分布を示す。水平軸は連続
体ロボット上の近位端からの距離をプロットし、垂直軸は曲率をプロットする。図１８（
ａ）に示す第２の先頭追従制御方法による応答において、±５度のピークが、第１の湾曲
セクションの前端がある０．１８ｍの所に現れる。しかし、図１８（ｂ）に示す第１の先
頭追従制御方法による応答では、曲率は、第１の湾曲セクションの前端がある約０．１８
ｍの位置に設定された最大曲率において飽和され、大きな曲率を有する変形が生成される
ことが分かる。

図１９（ａ）および（ｂ）は、ベース変位Ｚ_b＝０．１５１ｍにおける狭い空間内の連
続体ロボットの形状を示す。図２０は、曲率分布を示す。図１９（ａ）および図２０（ａ
）では、第２の先頭追従制御が、ベース変位Ｚ_b＝０．０５１ｍにおける場合の応答と同
じようにして使用されるとき、連続体ロボットの形状が経路に沿うように前進が行われる
。これとは対照的に、第１の先頭追従制御が使用される場合の図１９（ｂ）および図２０
（ｂ）で分かるように、第１の湾曲セクションの前端がある約０．１８ｍの位置に設定さ
れた最大曲率において曲率が飽和される応答が行われ、大きい曲率を有する変形が生成さ
れることが分かる。

このシミュレーション応答により、本開示による第２の先頭追従制御は、狭い空間内の
経路の領域全体内で効果的であることが分かる。

第２の実施形態

第１の実施形態では、仮想湾曲セクション長さｌ_vは、図１５に示すグラフを使用して
得られる。しかし、経路の周囲内の妨害物までの距離、経路の曲率、および他のパラメー
タを事前に得ることができる場合、第１の実施形態によるシミュレーションによって使用
される形状予測算出を反復的に使用することによる算出によって、適切な仮想湾曲セクシ
ョン長さを得ることができる。このシミュレーションでは、経路内の妨害物までの距離が
大きいとき、連続体ロボットの形状予測における最急降下法の反復の数は、小さい数に設
定され、こうして経路内の妨害物までの距離をシミュレートすることができる。図２１は
、上記で説明した数値算出を示す最適化アルゴリズムを示すブロック図である。この場合
、Ｐは制御対象物を示し、ＦＴＬは第２の先頭追従制御アルゴリズムを示し、ｌ_vは仮想
湾曲セクション長さベクトルを示し、θ_trefは最遠位端の湾曲角度命令値を示し、_frefは
最遠位端の湾曲角度命令ベクトルであり、ｔｒａｊ．は連続体ロボットの軌道である。１
つの実施形態では、軌道は、知られているセグメンテーション法および検査される物体の
管構造の３ＤＣＴ画像に適用されるスケルトン化法から得られる。最適化アルゴリズム
の処理において、ｔｒａｊは入力項目であり、仮想湾曲セクション長さｌ_vは算出され、
ＦＴＬアルゴリズムに出力される。最適化において、ｌ_vに対する候補値の範囲が定義さ
れ、この範囲内の複数の異なる候補値が選択される。複数の候補値から、１つの値が、「
最適化アルゴリズム」処理によって仮想湾曲セクション長さｌ_vとして取り出される。候
補値ごとに、第１の実施形態において説明した方法を使用してシミュレーションが実行さ
れて、図１７（ａ）の点鎖線として示す連続体ロボットの軌道を得る。各々得られた軌道
の評価値または各々の候補値は、たとえば、図１８（ａ）に示すような変位ｍに沿った曲
率の積分値である。この評価値は、連続体ロボットが曲がる様子を評価するためのもので
あり、評価値が小さいほど、連続体ロボットは経路内（ここでは入力された軌道）により
嵌合する。選択された複数の異なる評価値における最少評価値に対応する候補値は、仮想
湾曲セクション長さｌ_vとして出力される。

第３の実施形態

第１の実施形態では、操作装置は、最遠位端の湾曲角度をジョイスティックなどによっ
て追従湾曲セクションに湾曲セクションの長さだけ連続的に伝播することによって先頭追
従制御を実行した。この実施形態では、先頭追従制御に加えて、逆運動学による最遠端部
の位置に対する制御および角度に対する制御も使用され、こうして経路内の前進のための
制御が実行される。

操作装置は、最遠位端の湾曲角度およびベースの前進量命令を与えるが、ベースの前進
量命令の代わりに、最遠位端の前進量命令ｚ_trefを与える。

この場合、最遠位端の変位ｘ_tn，ｚ_tnは、制御算出デバイスによってサンプリング期間
ごとに更新される。
ｘ_tn→ｘ_tn＋ｚ_trefｓｉｎθ_n
ｚ_tn→ｚ_tnｃｏｓθｎ（２４）

これを第１の実施形態において説明した運動学に適用することにより、最遠位端の位置
および角度を所望の値に制御するための各湾曲セクションの湾曲角度およびベース変位を
得ることができる。この実施形態では、第１の実施形態と同様に、２つの湾曲セクション
を有する連続体ロボットが使用される。湾曲セクションの数が２つである場合、湾曲セク
ションは冗長性を有さない。最遠位端の位置ｘ_t2，ｚ_t2およびθ₂を所望の値に制御する
ための第１の湾曲セクションの湾曲角度θ₁およびベース変位ｚ_bを逆運動学算出によって
一意的に得ることができる。

図２２は、逆運動学による制御応答を示す。実線は、連続体ロボットの形状を示し、破
線は経路を示す。連続体ロボットの最遠位端の位置および角度が、経路を定常的に満たす
ように制御されることが分かる。

次に、逆運動学の制御による狭い空間内の前進における連続体ロボットの形状応答を説
明する。狭い空間内の連続体ロボットの形状を予測するための算出方法は、第１の実施形
態の方法に類似する。図２３（ａ）では、実線は連続体ロボットの形状を示し、破線は経
路を示し、点鎖線は、同じベース変位における、妨害物を有さない空間内のロボットの形
状を参考として示す。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）の形状を有する連続体ロボットの曲
率の分布を示す。逆運動学による制御は、最遠位端の位置および角度のみを考慮している
ため、したがって、大きい曲率を有する変形は、第１の実施形態による第１の先頭追従制
御の応答と同様に、第１の湾曲セクションの遠位端近くに生成されることが分かる。しか
し、空間内の最遠位端に対する位置決め性能に関して、経路に対する誤差は、第１の先頭
追従制御のものより小さい。これにより、逆運動学による制御は、たとえば、周囲内の妨
害物に関して経路の中央までの距離が大きく、狭い区間の入口が空間内の特定の地点に存
在するとき、経路の入り口に非常に正確に到達する目的に効果的である。

したがって、本実施形態は、逆運動学による制御と、第２の先頭追従制御方法との間で
制御を所望に切り替えることができる制御アルゴリズムを提供する。図２４は、ブロック
図である。図２４では、ａｌｇは式（２４）の代数学算出を示し、ＩＫは、逆運動学算出
を示し、スイッチは、逆運動学による制御と、第２の先頭追従制御との間の切り替え入力
を示す。仮想湾曲セクション長さｌ_vは、第２の実施形態による方法によって得ることが
できる。

他の可能な構成

図７（ａ）に説明するような一部の実施形態では、各変形部材は、３本のワイヤによっ
て制御される。第１の変形セクション６ｃを駆動するワイヤは、遠位部材３ｂ、３ａおよ
び案内部材４ｂ、４ａに設けられた穴を通って延びる。第１の変形セクション６ｂを駆動
するワイヤは、遠位部材３ａおよび案内部材４ａに設けられた穴を通って延びる。

図６によって説明することができる一部の例示的な実施形態では、セクション６ｂの長
さは５から２００ｍｍであり、セクション６ａの長さは１０から３００ｍｍであり、この
場合、長さは、長さ６ｂ＜長さ６ａであるようなものである。

図７（ａ）によって説明することができる一部の例示的な実施形態では、セクション６
ｃの長さは５から３０ｍｍであり、セクション６ｂの長さは１０から２００ｍｍであり、
セクション６ａの長さは２０から３００ｍｍであり、この場合、長さは、長さ６ｃ＜長さ
６ｂ＜長さ６ａであるようなものである。例示的な実施形態では、セクション６ｃの長さ
は１０ｍｍであり、セクション６ｂの長さは２０ｍｍであり、セクション６ａの長さは１
００ｍｍである。他の実施形態では、セクションの２つは同じ長さを有することができる
が、最遠位セクションは他のセクションより短い。

一部の実施形態では、長さの差（６ａと６ｂの間、または６ｂと６ｃの間）は、少なく
とも１０％、少なくとも２０％、少なくとも５０％、または少なくとも７０％である。一
部の実施形態では、長さの差は、少なくとも５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、３
０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１６０ｍｍ、またはそれ以上である。一部の実施形態で
は、長さの差は、たとえば肺または洞などの提案された用途によって決定される。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は開示された例示的な実
施形態に限定されないことを理解されたい。特許請求の範囲は、最も広範な解釈に従うも
のとし、それによってすべてのそのような改変形態ならびに等価の構造および機能を包含
する。

本発明の制御装置は、ベースと、遠位用の線形部材が駆動されることによって湾曲する遠位湾曲セクションと、前記遠位湾曲セクションと前記ベースとの間に設けられ、追従用の線形部材が駆動されることによって湾曲する追従湾曲セクションと、前記遠位用の線形部材および前記追従用の線形部材を独立的に駆動するように構成された駆動手段と、前記遠位湾曲セクション、前記追従湾曲セクション、および前記ベースを一体にして前進移動させる移動手段と、前記駆動手段に前記遠位用の線形部材を駆動させて前記遠位湾曲セクションを所定の湾曲角度に湾曲させた後に、前記移動手段によって前記追従湾曲セクションの長さに相当する第１の移動量よりも小さい第２の移動量の前記前進移動が行われた際に、前記駆動手段に前記追従用の線形部材を駆動させて前記追従湾曲セクションを前記所定の湾曲角度に湾曲させる制御手段と、を備える。
本発明の制御装置における他の態様は、ベースと、遠位用の線形部材が駆動されることによって湾曲する遠位湾曲セクションと、前記遠位湾曲セクションと前記ベースとの間に設けられ、追従用の線形部材が駆動されることによって湾曲する追従湾曲セクションと、前記遠位用の線形部材および前記追従用の線形部材を独立的に駆動するように構成された駆動手段と、前記遠位湾曲セクション、前記追従湾曲セクション、および前記ベースを一体にして前進移動させる移動手段と、前記駆動手段に前記遠位用の線形部材を駆動させて前記遠位湾曲セクションを所定の湾曲角度に湾曲させた後に、前記移動手段によって前進移動が行われるとともに前記追従湾曲セクションの長さに相当する第１の移動量の前進移動が行われる前に、前記駆動手段に前記追従用の線形部材を駆動させて前記追従湾曲セクションを前記所定の湾曲角度に湾曲させる制御手段と、を備える。
また、本発明は、上述した制御装置の制御方法を含む。

図７（ａ）では、ワイヤ駆動式操作装置は、３つの湾曲セクション６ａ、６ｂ、および６ｃを有する。遠位部材３ａ、３ｂ、および３ｃならびに案内部材４ａ、４ｂ、および４ｃは、それぞれ、湾曲セクション６ａ、６ｂ、および６ｃ内に配置される。３つの線形部材２の３つのセットは、それぞれ、遠位部材３ａ、３ｂ、および３ｃの各々に結合される。

図１１は、水平軸がベースの変位ｚ_bをプロットし、垂直軸が湾曲角度θをプロットするグラフを示す。破線は、操作装置による最遠位端への湾曲命令を示し、太い破線は、追従湾曲セクションへの湾曲命令を示す。ベース変位ａにおいて、角度ａｂの湾曲命令が操作装置によって与えられる場合、追従湾曲セクションに適用される湾曲命令角度を自動的に生成することができ、それにより、湾曲角度はベース変位ｃにおいてｃｄとなる。この場合、ベース変位ｃは、距離ａｃが追従湾曲セクション長さｌとなるように決定される。次いで、追従湾曲セクションに適用された湾曲角度命令値は、制御装置の記憶ユニットにテーブルとして記憶され、ベース変位にしたがって読み出され、適用される。追従湾曲セクションの数が２以上である場合、上記の説明における追従湾曲セクションは、最遠位端に置き換えられ、その処理は連続的に実行される。したがって、すべての湾曲セクションに対する湾曲角度命令値を得ることができる。

この項では、上記の項で説明した先頭追従制御システムを使用してシミュレーションが実行される。このシミュレーションは、湾曲セクションの数が２つであり、図１２に示すように、追従セクション１２ｃの長さが、最遠位端における先頭セクション１２ｄの長さより長い連続体ロボットを対象とする。追従セクション１２ｃの長さが０．１８ｍであり、先頭セクション１２ｄの長さが０．０２ｍであり、この湾曲セクションの数が２つである連続体ロボットが使用され、ロボットは２００個の要素に分割され、シミュレーションが実行される。また、案内部材間の機械的湾曲限界に関して、要素間の相対角度は、最大１０度に設定される。

図１７（ａ）および（ｂ）は、ベース変位Ｚ_b＝０．０５１ｍである狭い空間内の連続体ロボットの形状を示す。実線は連続体ロボットの形状を示し、破線は経路を示し、点鎖線は、同じベース変位における、妨害物を有さない空間内のロボットの形状を参考として示す。図１７（ａ）は、第２の先頭追従制御方法による応答を示す。図１７（ｂ）は、第１の先頭追従制御による応答を示す。図１７（ａ）では、第２の先頭追従制御が使用されるとき、追従セクションと先頭セクションとの間の差は小さく、したがって、連続体ロボットの形状は経路に沿って前進する。妨害物に対する摩擦が小さく、したがって連続体ロボットは破壊されないことが分かる。しかし、図１７（ｂ）を参照すれば、第１の先頭追従制御では、ロボット形状は、点鎖線によって示す妨害物の無い空間内の経路に近づく。しかし、追従セクションの遠位端の角度は小さいため、大きな曲率を有する変形が、追従セクションの遠位端の周囲内に生成されることが分かる。これは、妨害物に対する摩擦が大きく、経路を前進することが難しくなり得ること、および連続体ロボットが破壊されやすくなり得ることを表す。図１８（ａ）および（ｂ）は、図１７（ａ）および（ｂ）の形状を有する連続体ロボットの曲率の分布を示す。水平軸は連続体ロボット上の近位端からの距離をプロットし、垂直軸は曲率をプロットする。図１８（ａ）に示す第２の先頭追従制御方法による応答において、±５度のピークが、追従セクションの前端がある０．１８ｍの所に現れる。しかし、図１８（ｂ）に示す第１の先頭追従制御方法による応答では、曲率は、追従セクションの前端がある約０．１８ｍの位置に設定された最大曲率において飽和され、大きな曲率を有する変形が生成されることが分かる。

図１９（ａ）および（ｂ）は、ベース変位Ｚ_b＝０．１５１ｍにおける狭い空間内の連続体ロボットの形状を示す。図２０は、曲率分布を示す。図１９（ａ）および図２０（ａ）では、第２の先頭追従制御が、ベース変位Ｚ_b＝０．０５１ｍにおける場合の応答と同じようにして使用されるとき、連続体ロボットの形状が経路に沿うように前進が行われる。これとは対照的に、第１の先頭追従制御が使用される場合の図１９（ｂ）および図２０（ｂ）で分かるように、追従セクションの前端がある約０．１８ｍの位置に設定された最大曲率において曲率が飽和される応答が行われ、大きい曲率を有する変形が生成されることが分かる。

これを第１の実施形態において説明した運動学に適用することにより、最遠位端の位置および角度を所望の値に制御するための各湾曲セクションの湾曲角度およびベース変位を得ることができる。この実施形態では、第１の実施形態と同様に、２つの湾曲セクションを有する連続体ロボットが使用される。湾曲セクションの数が２つである場合、湾曲セクションは冗長性を有さない。最遠位端の位置ｘ_t2，ｚ_t2およびθ₂を所望の値に制御するための追従セクションの湾曲角度θ₁およびベース変位ｚ_bを逆運動学算出によって一意的に得ることができる。

次に、逆運動学の制御による狭い空間内の前進における連続体ロボットの形状応答を説明する。狭い空間内の連続体ロボットの形状を予測するための算出方法は、第１の実施形態の方法に類似する。図２３（ａ）では、実線は連続体ロボットの形状を示し、破線は経路を示し、点鎖線は、同じベース変位における、妨害物を有さない空間内のロボットの形状を参考として示す。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）の形状を有する連続体ロボットの曲率の分布を示す。逆運動学による制御は、最遠位端の位置および角度のみを考慮しているため、したがって、大きい曲率を有する変形は、第１の実施形態による第１の先頭追従制御の応答と同様に、追従セクションの遠位端近くに生成されることが分かる。しかし、空間内の最遠位端に対する位置決め性能に関して、経路に対する誤差は、第１の先頭追従制御のものより小さい。これにより、逆運動学による制御は、たとえば、周囲内の妨害物に関して経路の中央までの距離が大きく、狭い区間の入口が空間内の特定の地点に存在するとき、経路の入り口に非常に正確に到達する目的に効果的である。

図７（ａ）に説明するような一部の実施形態では、各変形部材は、３本のワイヤによって制御される。湾曲セクション６ｃを駆動するワイヤは、遠位部材３ｂ、３ａおよび案内部材４ｂ、４ａに設けられた穴を通って延びる。湾曲セクション６ｂを駆動するワイヤは、遠位部材３ａおよび案内部材４ａに設けられた穴を通って延びる。

図６によって説明することができる一部の例示的な実施形態では、湾曲セクション６ｂの長さは５から２００ｍｍであり、湾曲セクション６ａの長さは１０から３００ｍｍであり、この場合、長さは、長さ６ｂ＜長さ６ａであるようなものである。

図７（ａ）によって説明することができる一部の例示的な実施形態では、湾曲セクション６ｃの長さは５から３０ｍｍであり、湾曲セクション６ｂの長さは１０から２００ｍｍであり、湾曲セクション６ａの長さは２０から３００ｍｍであり、この場合、長さは、長さ６ｃ＜長さ６ｂ＜長さ６ａであるようなものである。例示的な実施形態では、湾曲セクション６ｃの長さは１０ｍｍであり、湾曲セクション６ｂの長さは２０ｍｍであり、湾曲セクション６ａの長さは１００ｍｍである。他の実施形態では、湾曲セクションの２つは同じ長さを有することができるが、最遠位セクションは他のセクションより短い。

Claims

ワイヤ駆動式操作装置であって、
ドライバと、
第１の遠位部材、複数の第１の案内部材、および複数の第１のワイヤを含む第１の変形セクションと、
前記第１の変形セクションと前記ドライバとの間に設けられた第２の変形セクションであって、第２の遠位部材、複数の第２の案内部材、および複数の第２のワイヤを含む、第２の変形セクションと、
を備え、
前記複数の第１のワイヤは、前記第１の遠位部材に固定され、前記複数の第１のワイヤの少なくとも１つは、前記複数の第１の案内部材にさらに固定され、前記複数の第１のワイヤの他のものは、前記複数の第１の案内部材に対して摺動可能であり、
前記複数の第２のワイヤは、前記第２の遠位部材に固定され、前記複数の第２のワイヤの少なくとも１つは、前記複数の第２の案内部材にさらに固定され、前記複数の前記第２のワイヤの他のものは、前記複数の第２の案内部材に対して摺動可能であり、
前記複数の第１のワイヤは、前記ドライバから前記第２の変形セクションを通り前記第１の遠位部材まで延び、前記第２の案内部材に対して摺動可能であり、
前記第１の変形セクションの長さは、前記第２の変形セクションの長さより短い、ワイヤ駆動式操作装置。