JP4754899B2

JP4754899B2 - 医療用制御装置

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Publication number: JP4754899B2
Application number: JP2005214729A
Authority: JP
Inventors: 利昌河合
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: JP2007029290A

Description

本発明は、医療用具の湾曲部に対して湾曲動作を行わせるための駆動手段を制御する医療用制御装置に関する。

従来より、医療用具として内視鏡は、幅広く利用されている。内視鏡の細長の挿入部を体腔内に挿入することにより、術者は、体腔内臓器などを観察したり、必要に応じて処置具チャンネル内に挿通した処置具を用いて各種治療処置ができる。また、工業分野においても、作業者は、内視鏡の細長の挿入部を挿入することにより、ボイラ，タービン，エンジン，化学プラントなどの内部の傷や腐蝕などを観察したり検査することができる。

このような内視鏡には、細長な挿入部の先端部基端側に湾曲自在な湾曲部が設けられている。前記内視鏡において、術者等の使用者は、操作部に設けられた湾曲操作レバー等の湾曲操作入力手段を操作することにより、湾曲部を湾曲動作させるための湾曲駆動手段に、前記湾曲部の湾曲方向や湾曲の速度が湾曲量として指示入力される。

そして、前記湾曲駆動手段は、前記湾曲操作レバーによる湾曲量に基づき、前記湾曲部を構成する湾曲駒に接続された湾曲操作ワイヤを機械的に牽引又は弛緩させることにより、前記湾曲部を湾曲動作させる。

この種の従来の内視鏡には、湾曲駆動手段として例えば内視鏡内部に内蔵したモータを電気的に回動制御してこのモータの駆動力により湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩して前記湾曲部を湾曲動作させる電気的湾曲駆動方式、つまり電動湾曲内視鏡がある。

例えば、特許２９１７２６３号公報には、電動湾曲内視鏡において、前記湾曲操作ワイヤを牽引するプーリを有しこのプーリに対応するモータのトルクを内視鏡挿入部の種類に合うように設定できる制御手段等に関する技術が開示されている。
また、特許２８４５２５５号公報には、電動湾曲内視鏡において、湾曲部の全操作範囲のモータにかかる負荷を均一にできる内視鏡の湾曲操作装置に関する技術が開示されている。
特許２９１７２６３号公報特許２８４５２５５号公報

しかしながら、前記従来の電動湾曲内視鏡は、湾曲入力手段を操作して指示入力される湾曲量に基づいて湾曲駆動手段であるモータを電気的に回動制御することにより、湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩して前記湾曲部を湾曲動作させるものである。この湾曲部には複数の湾曲駒が連接されており、湾曲時に湾曲部は湾曲部全体に渡って湾曲するといった構成であるため、例えば大腸などの管腔内に挿入する際、湾曲部の先端側をこの管腔内の形状に合わせた形状に湾曲固定させて挿入することはできず、例えばＳ状結腸部への挿入については熟練した操作を要していた。

また、湾曲部の先端側を湾曲可能にする構造としては、湾曲操作ワイヤに連結される複数のリンク部材をそれぞれ回動自在に連接して湾曲部を構成し、湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩することにより前記複数のリンク部材をそれぞれ湾曲させるようにした多関節の電動湾曲内視鏡を構成することが考えられる。

しかしながら、このような多関節の電動湾曲内視鏡では、湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩して例えば先端側から２番目のリンク部材を湾曲させると、この２番名のリンク部材と先端側のリンク部材との間に設けられた湾曲操作ワイヤの干渉等によって先端側のリンク部材が湾曲してしまい、操作性に影響を及ぼしてしまうといった不都合があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、湾曲部の先端側を湾曲固定すると同時に湾曲部が管腔内の形状に合った形状になるように湾曲部の駆動を制御することができることにより、医療用具の挿入部の挿入性を向上できる医療用制御装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、湾曲部の駆動を制御する際に、先端部以外のリンク部材を湾曲させても先端側のリンク部材が湾曲しないように補正することができる医療用制御装置を提供することを他の目的とする。

請求項１に記載の発明の医療用制御装置は、被検体内に挿入される挿入部の先端側に、複数の湾曲操作ワイヤにそれぞれ連結される複数のリンク部材がそれぞれ回動自在に連設された湾曲部を有する医療用具と、前記湾曲操作ワイヤのそれぞれを牽引又は弛緩することにより前記複数のリンク部材をそれぞれ回動させて前記湾曲部を湾曲動作させるための駆動手段と、前記複数のリンク部材の内、前記挿入部の最も先端側のリンク部材の位置と向きを指定する指定手段と、前記医療用具の前記湾曲部が移動したときに前記指定手段により指定された位置と向きを維持しながら前記最も先端側のリンク部材及びこのリンク部材に連なる他のリンク部材が前記位置を通過するように前記複数のリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、を有している。

請求項２に記載の発明の医療用制御装置は、被検体内に挿入される挿入部の先端側に、複数のリンク部材がそれぞれ回動自在に連設された湾曲部を有する医療用具と、前記複数の最も先端側に位置するリンク部材に連結される少なくとも１本の湾曲操作ワイヤと、前記湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩することにより前記複数のリンク部材を回動させて前記湾曲部を湾曲動作させるための駆動手段と、前記複数のリンク部材の内、前記挿入部の最も先端側のリンク部材の位置と向きを指定する指定手段と、前記医療用具の前記湾曲部が移動したときに前記指定手段により指定された位置と向きを維持しながら、前記最も先端側のリンク部材及びこのリンク部材に連なる他のリンク部材が前記位置を通過するように前記複数のリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、を有している。

本発明によれば、湾曲部の先端側を湾曲固定すると同時に湾曲部が管腔内の形状に合った形状になるように湾曲部の駆動を制御することができることにより、医療用具の挿入部の挿入性を向上できる医療用制御装置の実現が可能となる。また、湾曲部の駆動を制御する際に、先端部以外のリンク部材を湾曲させても先端側のリンク部材が湾曲しないように補正することができる医療用制御装置の実現が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１乃至図２９は本発明の実施例１における医療用制御装置の基本構成を説明するためのもので、図１は医療用制御装置を用いて内視鏡装置として構成した場合のシステム構成図である。

図１に示すように、本発明に係る医療用制御装置を用いた内視鏡装置１は、挿入部先端部内に図示しない撮像手段を備え、操作部１０内に後述する挿入部９の湾曲部１４を湾曲させるための駆動部１０ｂを備えた医療用具としての電子内視鏡（以下、単に内視鏡）２と、前記内視鏡２に着脱自在に接続され、この内視鏡２に照明光を供給する光源装置３と、前記内視鏡２に着脱自在に接続され、前記内視鏡２の前記撮像手段を制御すると共に、この撮像手段から得られた信号を処理して標準的な映像信号を出力するビデオプロセッサ４と、前記ビデオプロセッサ４内あるいはこのビデオプロセッサ４とは別体に設けられ、前記湾曲部１４を湾曲動作させるように前記内視鏡２の駆動部１０ｂを制御するコントローラ５と、前記ビデオプロセッサ４で信号処理して得られた内視鏡画像を表示するモニタ６と、前記コントローラ５に電気的に接続される指定手段としての操作指令部７と、前記コントローラ５に電気的に接続される設定値入力手段としての設定値指令部８と、を有している。
なお、前記ビデオプロセッサ４には、図示しないＶＴＲデッキ，ビデオプリンタ，ビデオディスク，画像ファイル記録装置などが接続できるようになっている。

前記内視鏡２は、観察対象部位へ挿入する細長の挿入部９と、この挿入部９の基端部に連設され、ビデオスイッチや送気・送水スイッチ等の操作部１０ａを有する把持部１２と、この把持部１２の側面より延設され、図示しない撮像手段に接続する信号ケーブルや照明光を伝達するライトガイドなどを内蔵したユニバーサルコード１１と、このユニバーサルコード１１の端部に設けられ、前記光源装置３及びビデオプロセッサ４に着脱自在に接続されるコネクタ部１２と、を有している。

前記挿入部９は、先端に設けられた先端部１３と、この先端部１３の後部（被検体に挿入される挿入部９の先端側）に設けられ、後述する湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの牽引又は弛緩により湾曲自在の湾曲部１４と、この湾曲部１４の後部に設けられ、軟性の管状の部材より形成される長尺で可撓性を有する可撓管部１５とが連設されて構成している。

前記先端部１３は、撮像手段としてＣＣＤなどの図示しない固体撮像素子及びこの固体撮像素子を駆動するための回路基板などが組み込まれた撮像部や、体腔内の観察対象部位を照明するための照明光を伝達する図示しないライトガイドなどを内蔵して構成されている。なお、前記湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは、前記挿入部９内を介して操作部１０内の駆動部１０ｂ（具体的には各モータ）に連結されるようになっている。また、前記湾曲部１４の構成については後述する。

前記コントローラ５には、接続線７ｂを介して前記操作指令部７が電気的に接続されている。この操作指令部７は、例えばジョイスティック７ａを備えて構成されたものであり、このジョイスティック７ａを操作することにより前記湾曲部１４を湾曲動作させるための操作指令値信号を出力する。

また、前記コントローラ５には、接続線８ｂを介して設定値指令部８が電気的に接続されている。この設定値指令部８は、例えばキーボード８ａを用いて構成されたものであり、このキーボード８ａによるキー操作によって、コントローラ５に対し前記湾曲部１４を湾曲させるのに必要な各種設定値の入力を行う。

次に、前記湾曲部１４の構成について、図３乃至図８を参照しながら説明する。また、前記湾曲部１４については、簡単のため、平面的動作駆動部としての取り扱いとして説明を行う（２次元の平面動作）。
図３及び図４はリンク構造の駆動機構を備えた湾曲部を有する挿入部先端側の概略構成を説明するもので、図３は挿入部先端側の斜視図、図４は挿入部先端側の断面図である。また、図５は駆動機構が湾曲操作ワイヤ、駆動用プーリ及びフリープーリで構成された湾曲部の構成を示す上面図、図６は図５に示す湾曲部の各リンク部材間に設けられた湾曲操作ワイヤの懸架状態を示す側面図、図７は図５の駆動軸を備えた駆動用プーリの構成を示す構成図、図８は図５のフリープーリの構成を示す上面図である。

図３及び図４に示すように、前記挿入部９の湾曲部１４は、被検体内に挿入される挿入部９の先端側に設けられている。この湾曲部１４は、挿入部駆動機構２０を有し、この挿入部駆動機構２０は、複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎが複数の関節部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…２０ｎによってそれぞれ回動自在に連接されることにより、構成している。つまり、挿入部駆動機構２０は、多関節のリンク構造を有している。

また、前記駆動部１０ｂは、前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎを前記湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの牽引又は弛緩によってそれぞれ回動させるための駆動源である複数のモータ２７（図５及び図８参照）である。
これらのモータ２７の駆動軸には、図示はしないがギア、スプロケットを介して前記湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄが連結されるようになっている。そして、これらの湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは挿入部９内に延設され、基端部が前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎの内の最も後端側のリンク部材２１ｎの駆動用プーリ２３及びフリープーリ２５に懸架される。このリンク部材２１ｎとそれ以外のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…の各リンク部材間については、後述するが他の湾曲操作ワイヤ３０ａ〜３０ｆによって懸架されるようになっている。

このことにより、それぞれのモータ２７の回転力が湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ、駆動用プーリ２３、フリープーリ２５及び湾曲操作ワイヤ３０ａ〜３０ｆを介して、前記複数のリンク部材２１にそれぞれ伝達されるようになっている。

なお、前記リンク部材２１及び関節部材２０の数は、図中に示す構成例に限定されるものではなく、前記内視鏡２の目的に応じて適宜その数を増減して構成することも可能である。また、前記リンク部材２１ａは、先端部１３の最先端側に配置されたもので、このリンク部材２１ａの後端側には順にリンク部材２１ｂ、２１ｃ…２１ｎが連結されるようになっている。また、これに伴い、前記関節部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…２０ｎついても先端部１３側から順にリンク部材２１との間にそれぞれ配置されることになる。

図５には前記湾曲部１４の具体的な構成が示されている。なお、図５では、４個のリンク部材２１ａ〜２１ｄを用いて前記挿入部駆動機構２０を構成した場合を示している。

図５に示すように、前記湾曲部１４の挿入部駆動機構２０は、前記湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ、３０ａ〜３０ｆを牽引又は弛緩することによって前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄがそれぞれ回動自在に連接されている。

前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、前記関節部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄである駆動シャフト２４によってそれぞれ回動自在に連結されている。前記駆動シャフト２４は、後述する駆動用プーリ２３と一体的に構成された軸部材であり、この駆動シャフト２４には、図示はしないがそれぞれ検出手段としてのポテンショメータが装着されている。

このポテンショメータは、駆動シャフト２４の回転量を検出してリンク部材２１の状態量検知信号として図示しない信号線を介して前記コントローラ５に出力するようになっている。なお、検出手段としてのポテンショメータは、例えば駆動部１０ｂ側に設けられたモータ２７の回転力を湾曲操作ワイヤに伝達するためのスプロケット（図示せず）に設けて構成しても良い。

前記複数のリンク部材２１ａ〜２１ｄには、後段のリンク部材２１に形成された連結突起部２２Ａを回動可能に軸支して収容するための連結溝２２がそれぞれ設けられている。そして、後段のリンク部材２１は、前記リンク部材２１の連結溝２２に装着された状態で連結突起部２２Ａに設けられた孔に前記駆動シャフト２４が嵌装されて固定されることにより、回動可能に連結されるようになっている。

最も先端側のリンク部材２１ａの基端側には、前記連結溝２４及び二番目のリンク部材２１ｂの連結突起部２２Ａを軸支する駆動シャフト２４が嵌装されて固定されている。この駆動シャフト２４の片側の基端部には駆動用プーリ２３が一体的に形成されており、この駆動用プーリ２３は、先端側のリンク部材２１ａの側面に固定されるようになっている。

前記駆動シャフト２４を有する駆動用プーリ２３は、図７に示すように、湾曲操作ワイヤ３０ｆが懸架され且つ牽引又は弛緩されることにより回転力を発生するもので、中央下側には前記駆動シャフト２４が一体的に設けられている。

なお、駆動用プーリ２３の駆動シャフト２４の長さは、先端側のリンク部材２１ａ、二段目のリンク部材２３ｂ、三段目のリンク部材２３ｃ、四段目のリンク部材２４ｄと順に、後述するフリープーリ２５を重ねて装着するのに必要な厚み分を考慮して長くなるように形成されている。

前記先端側のリンク部材２１ａに固定された駆動用プーリ２３には、湾曲操作ワイヤ３０ｆが懸架され、この湾曲操作ワイヤ３０ｆの他方側は、二段目のリンク部材２１ｂの同じ側に配され且つ駆動シャフト２４に回動可能に軸支されたフリープーリ２５に懸架されている。

このフリープーリ２５は、図５及び図８に示すように、２つのプーリーが併設されるとともに、駆動シャフト２４を挿通する穴２５ａを有して構成されている。このフリープーリ２５は、二段目のリンク部材２１ｂの逆側に固定された駆動用プーリ２３の駆動シャフト２４に回動可能に軸支されている。このフリープーリ２５は、前記先端側のリンク部材２１ａの駆動用プーリ２３と、三段目のリンク部材２ｃに設けられたフリープーリ２５との双方からの湾曲操作ワイヤ３０ｆ、３０ｄをそれぞれ２つのプーリによって懸架している。

また、二段目のリンク部材２１ｂの前記フリープーリ２５の逆側には駆動用プーリー２３が固定されている。この駆動用プーリー２３には、湾曲操作ワイヤ３０ｅが懸架され、この湾曲操作ワイヤ３０ｅの他方側は、三段目のリンク部材２１ｃの同じ側に配され且つ駆動シャフト２４に回動可能に軸支されたフリープーリ２５に懸架されている。

このフリープーリ２５のもう一方のプーリには、湾曲操作ワイヤ３０ｃが懸架され、この湾曲操作ワイヤ３０ｃの他方側は、四段目のリンク部材２１ｄの同じ側に配され且つ駆動シャフト２４に回動可能に軸支されたフリープーリ２５に懸架されている。

また、三段目のリンク部材２１ｃの前記フリープーリ２５の逆側にはフリープーリ２５を介して駆動用プーリ２３が固定されている。この駆動用プーリ２３には、湾曲操作ワイヤ３０ａが懸架され、この湾曲操作ワイヤ３０ａの他方側は、四段目のリンク部材２１ｄの同じ側に配され且つ駆動シャフト２４に回動可能に軸支されたフリープーリ２５に懸架されている。また、前記駆動用プーリー２３によって回動可能に軸支されたフリープーリのもう一方のプーリには、湾曲操作ワイヤ３０ｂが懸架され、この湾曲操作ワイヤ３０ｂの他方側は、四段目のリンク部材２１ｄの同じ側に配され且つ駆動シャフト２４に回動可能に軸支されたフリープーリ２５に懸架されている。

四段目のリンク部材２１ｄの片側には、前記湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｄをそれぞれ一方のプーリに懸架している２つのフリープーリ２５が駆動シャフト２５に軸支されている。そして、これら２つのフリープーリ２５には、挿入部９内を介して延設された湾曲操作ワイヤ３０Ａ、３０Ｂが懸架されるようになっている。

また、四段目のリンク部材２１ｄの逆側には、前記湾曲操作ワイヤ３０ｃを一方のプーリに懸架しているフリープーリ２５が駆動シャフト２５に軸支されている。また、このフリープーリ２５の外側には、前記駆動シャフト２５と一体的に構成される駆動用プーリ２３が配されている。この駆動用プーリ２３はこのフリープーリ２５を介して前記四段目のリンク部材２１ｄに固定されている。そして、このフリープーリ２５には、挿入部９内を介して延設された湾曲操作ワイヤ３０Ｃが懸架されるようになっている。また、前記駆動用プーリ２３には、同様に挿入部９内を介して延設された湾曲操作ワイヤ３０Ｄが懸架されるようになっている。

前記湾曲操作ワイヤ３０ａ〜３０ｆは、図６に示すように、それぞれクロスした状態で対応する各リンク部材２１間の駆動用プーリ２３又はフリープーリ２５に懸架されるようになっている。

上記構成の湾曲部１４の湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの牽引による湾曲動作を説明すると、例えば図５に示す湾曲操作ワイヤ３０Ｄを回転力Ｆ４によって牽引すると、この湾曲操作ワイヤ３０Ｄが懸架している駆動用プーリ２３は、四段目のリンク部材２１ｄに固定されているため、この四段目のリンク部材２１ｄが回動することになる。

また、前記湾曲操作ワイヤ３０Ｄを止めた状態で、逆側の湾曲操作ワイヤ３０Ａを回転力Ｆ２によって牽引すると、この湾曲操作ワイヤ３０Ａが懸架しているフリープーリ２５が回転することにより、このフリープーリ２５に懸架されている湾曲操作ワイヤ３０ａが牽引される。そして、この回転力は、この湾曲操作ワイヤ３０ａが懸架されている三段面のリンク部材２１ｃの駆動用プーリ２３に伝達されることにより、この三段目のリンク部材２１ｄが回動することになる。

また、前記湾曲操作ワイヤ３０Ｄ、３０Ａを止めた状態で、湾曲操作ワイヤ３０Ｃを回転力Ｆ３によって牽引すると、この湾曲操作ワイヤ３０Ｃが懸架しているフリープーリ２５が回転することにより、このフリープーリ２５に懸架されている湾曲操作ワイヤ３０ｃが牽引される。そして、この回転力は、この湾曲操作ワイヤ３０ｃが懸架されている三段面のリンク部材２１ｃのフリープーリ２５に伝達される。そして、このフリープーリ２５が回転することにより、このフリープーリ２５に懸架されている湾曲操作ワイヤ３０ｅが牽引される。そして、この回転力は、この湾曲操作ワイヤ３０ｅが懸架されている二段面のリンク部材２１ｂの駆動用プーリ２３に伝達されることにより、この二段目のリンク部材２１ｄが回動することになる。

さらに、前記湾曲操作ワイヤ３０Ｄ、３０Ａ、３０Ｃを止めた状態で、湾曲操作ワイヤ３０Ｂを回転力Ｆ１によって牽引すると、この湾曲操作ワイヤ３０Ｂが懸架しているフリープーリ２５が回転することにより、このフリープーリ２５に懸架されている湾曲操作ワイヤ３０ｂが牽引される。そして、この回転力は、前記同様に、この湾曲操作ワイヤ３０ｂが懸架されている三段面のリンク部材２１ｃのフリープーリ２５、湾曲操作ワイヤ３０ｄ、二段目のリンク部材２１ｂのフリープーリ２５，湾曲操作ワイヤ３０ｆを介して、先端側のリンク部材２１ａの駆動用プーリ２３に伝達される。これにより、駆動用プーリ２３が回転することにより、この先端側のリンク部材２１ｄが回動することになる。

このように湾曲部１４は、前記湾曲操作ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄを牽引又は弛緩するように駆動部１０ｂ内の各モータ２７の回転力Ｆ１〜Ｆ４を適宜回転制御すれば、複数のリンク部材あるいは指定されたリンク部材２１のみを回転動作させることが可能である。

次に、このような湾曲部１４を有する内視鏡２を備えた内視鏡装置１の電気的な主要構成について図２を参照しながら説明する。
図２は内視鏡装置１の主要構成部分の電気的な構成を示すブロック図である。
図２に示すように、前記内視鏡装置１は、例えばジョイスティック７ａを用いて構成される操作手段及び指定手段としての操作指令部７と、キーボード８ａを用いて構成される設定値入力手段としての設定値指令部８と、前記操作指令部７からの操作指令値信号、前記設定値指令部８により設定された設定値及び前記ポテンショメータ２３等からの状態量検知信号に基づいて前記駆動部１０ｂを制御するための駆動指令値信号を出力するコントローラ５と、前記コントローラ５からの駆動指令値信号に基づいてそれぞれ回転制御されるモータ２７等の駆動部１０ｂと、この駆動部１０ｂの回転力によって姿勢制御される湾曲部１４内に設けられた挿入部駆動機構２０と、を有して主要部を構成している。

前記操作指令部７は、ジョイスティック７ａを用いて前記湾曲部１４の湾曲を指示するための操作手段であり、操作に基づく操作指令値信号を前記コントローラ５に出力する。また、前記操作指令部７は、前記湾曲部１４を構成する前記複数のリンク部材２１ａ〜２１ｎの内、２次元における位置と向きを固定するリンク部材２１を指定する指定手段であり、この操作に基づく前記操作指令値信号を前記コントローラ５に出力する。

前記コントローラ５、駆動部１０ｂ及び挿入部駆動機構２０を有する主要部の制御ブロック図が図９に示されている。
図９に示すように、前記コントローラ５（図２参照）は、指令制御部５Ａを有している。この指令制御部５Ａには、前記操作指令部７からの操作指令値信号が供給されるようになっている。

前記指令制御部５Ａは、供給された操作指令値信号及び状態量検知信号に基づき、アクチュエータ制御ブロック３１に設けられた駆動部１０ｂを制御するのに必要な演算処理等を行うものである。

前記指令制御部５Ａには、前記湾曲部１４の挿入部駆動機構２０を構成する複数のリンク部材２１毎に設けられた複数の第１、第２…第ｎアクチュエータ制御ブロック３１ａ〜３１ｎが電気的に接続されている。

図１０は図９に示す前記指令制御部５Ａ及びアクチュエータ制御ブロック３１の具体的な構成を示すブロック図である。
図１０に示すように、前記指令制御部５Ａは、前記操作指令部７からの操作指令値信号を入力するための入力部Ｉ／Ｆ３３と、前記設定値指令部８からの設定指令値を入力するための入力部Ｉ／Ｆ３４、３５と、これらのＩ／Ｆ３３〜３５を介して入力された各種指令値信号に基づき、前記第１、第２、…第ｎアクチュエータ制御ブロック３１ａ〜３１ｎ内の駆動部１０ｂを制御する中央処理演算装置（例えばＣＰＵ）３２と、を有している。

なお、前記入力部Ｉ／Ｆ３３は、ジョイスティック７ａがアナログの操作指令値信号を出力するものである場合にはこのアナログ信号の入力が可能である。また、前記入力部Ｉ／Ｆ３３は、操作指令部７が他のデジタルの操作指令値信号を出力する操作手段である場合にはこのデジタル信号の入力が可能である。

また、前記入力部Ｉ／Ｆ３４は、連続的に動作するのに必要なアナログの設定値指令信号の入力が可能であり、前記入力部Ｉ／Ｆ３５はパラメータ変更などのデジタルの設定指令値の入力が可能である。前記入力部Ｉ／Ｆ３４と前記入力部Ｉ／Ｆ３５とは１つのＩ／Ｆとして構成しても良い。

一方、前記アクチュエータ制御ブロック３１は、高速で各種の演算処理を行うとともに、演算結果に基づき駆動指令値信号を生成し出力するデジタルシグナルプロセッサ（Digital Signal Processor で、以下、ＤＳＰと称す）３６と、このＤＳＰ３６からの駆動指令値信号（サーボ指令値信号）に基づき操作出力値信号（駆動信号）を生成し出力する制御指令値出力部３７と、この制御指令値出力部３７からの操作出力値信号に基づき回転が制御される駆動部１０ｂであるモータ２７と、このモータ２７の回転位置を検出するエンコーダやリンク部材２１の回転角度を検出するポテンショメータ２３等の検出手段であるセンサ３８と、このセンサ３８により検出された位置情報である状態量検知信号を検出して前記ＤＳＰ３６に出力するための信号入力部３９と、を有している。

なお、本実施例では、前記駆動部１０ｂとしてモータ２７を用いているが、これに限定されることはなく、他のアクチュエータを駆動部１０ｂとして用いるように構成しても良い。

図１１は前記アクチュエータ制御ブロックの具体的な構成を示すブロック図であり、図１２は図１１のサーボ制御コントローラのブロック図を示している。
図１０に示すアクチュエータ制御ブロック３１において、前記ＤＳＰ３６は図１１に示すサーボ制御コントローラ３６Ａを構成し、このサーボ制御コントローラ３６Ａは、供給されたサーボ指令値信号に基づく操作出力値信号（駆動信号）を生成し、前記制御指令値出力部３７であるドライバ（アンプ）３７ａに出力する。なお、前記サーボ制御コントローラ３６Ａは、図１０に示すＣＰＵ３２に置き換えて構成しても良い。

前記ドライバ３７ａは、供給された操作出力値信号を増幅してモータ２７を回転させる。すると、このモータ２７の回転により図５に示すリンク部材２１は回動動作する。このとき、前記センサ３８は、リンク部材２１の状態量検知信号を生成し、前記信号入力部３９である検知部（アンプ）３９ａに出力する。

前記検知部３９ａは、供給された状態量検知信号を増幅して前記サーボ制御コントローラ３６Ａに出力する。このことにより、サーボ制御コントローラ３６Ａは、供給された状態量検知信号とサーボ指令値信号との比較を行いながら前記モータ２７の回転制御を行うようになっている。

この場合、前記サーボ制御コントローラ３６Ａは、図１２に示すように、供給されたサーボ指令値信号と、前記センサ３８により得られたモータ２７の変位情報である状態検出信号とに基づいて、ＰＤ制御部４０を用いて公知の比例・微分制御等のＰＤ制御を行って操作出力値信号（駆動信号）を生成し、モータ２７に与えることにより回転制御する。

ところで、このような多関節のリンク構造の湾曲部１４を備えた内視鏡２では、大腸などの管腔内の形状に合わせた形状で挿入するためには、先端側のリンク部材２１ａを最適な姿勢角度に制御すると同時に、これに連動してこの先端側のリンク部材２１ａに連なる複数他のリンク部材２１についても制御する必要がある。このような本発明に用いられる基本的な制御方法を図１３乃至１５を参照しながら説明する。

図１３乃至図１５は多関節のリンク構造を有する湾曲部の姿勢制御を説明するもので先端部１３側のリンク部材２１ａ〜２１ｃに対応した説明図であり、図１３は先端部１３側のリンク部材２１ａが所定の先端位置及び姿勢ベクトルの状態である図、図１４は図１３のリンク部材２１ａの姿勢状態である場合に予想される他のリンク部材の状態を示す図、図１５は先端部１３側のリンク部材２１ａのみを独立的に姿勢制御した所定の位置及び姿勢ベクトルの状態を示す図である。

本実施例のコントローラ５の指令制御部５Ａは、前記湾曲部１４を構成する複数のリンク部材２１ａ〜２１ｎをそれぞれ姿勢制御する際に、後述する運動学（順運動学及び逆運動学）に基づく演算処理を行うようになっている。

なお、順運動学に基づく演算処理とは、各関節（各リンク部材２１）の角度が得られたとき、先端部の位置・姿勢ベクトルを求めるための演算処理であり、逆運動学に基づく演算処理とは、先端部の位置・姿勢ベクトルが得られたとき、各関節（各リンク部材２１）の角度を求めるための演算処理を意味している。

前記指令制御部５Ａは、後述するロボットの運動学を定量化する基本式に基づき、演算処理を行う。このようなロボットの運動学を定量化する基本式を下記に示す。今後、簡単のため、３リンク及び前述した様に２次元平面に限った動作説明を行うが、２次元平面動作から３次元空間動作に置換することは、よく知られているロボットの座標変換処理と同様にＤＨ法（Denavit−Hartenberg表記法）による処理に差し替えることで対応可能となる。

ここで、ｘを手先座標、ｑを関節座標、及びＪをヤコビアン（速度ベクトル）とすると、下記の式が定義できる。なお、ｘ、ｑ、Ｊは、それぞれのベクトルを示すものとする。
（式１）

（式２）

そして、以上の式（式１、式２）と各リンク拘束条件の運動学（ラグランジュアン）を解けば、下記のロボットダイナミクス（関節座標におけるトルクτ（または（∂^２ｑ／∂ｔ^２））とダイナミクスとの関係）を導出することが可能である。
（式３）

ただし、Ｈ（ｑ）は慣性行列項、ｈはコリオリ及び姿勢変化に依存するダイナミクス項、ｇは重力項、τEXTは外乱要素を表す。

各関節（各リンク部材２１であり図１３中のｑ１、ｑ２、ｑ３）と手先位置（先端側のリンク部材２１ａの位置でありｑ１）とにおいて、手先位置加速度と関節加速度との動的関係については、前記（式１）〜（式３）の関係と、前記(式２)両辺を時間による微分操作を行った結果を用いて、
Ｘ＝Ｊ・（ｄ^２ｑ／ｄｔ^２）＋（ｄＪ／ｄｔ）・（ｄｑ／ｄｔ）の関係と、右辺を行列分解（特異値分解など）することで行列空間を核空間（Ｋｅｒｎｅｌｌ）と零空間（Ｎｕｌｌ）に分解することができる。

これにより、下記に示す(式４)を導出することが可能である。

（式４）

ただし、（式４）中の表記＃は擬似逆行列を表している。概して、前記(式４)において、左辺第１項は手先位置の動きを表し、第２項は手先以外の各関節の動きを表している。したがって、手先位置（先端側リンク部材２１ａの位置でｑ１）を決定する場合にそれ以降の関節姿勢（他のリンク部材２１ｂ〜２１ｎでｑ１，ｑ２）は、一意に決定されない。

つまり、図１４に示すように、先端部のｑ１の位置が指定した場合、このｑ1を含むｑ２、ｑ３からなるリンク部材の姿勢の取り方は、図中実線に示す姿勢以外に点線で示す姿勢のとり方も行うことができ、姿勢が一意には決まるものではない。すなわち、湾曲部１４の各リンク部材２１は、ロボットの姿勢の冗長性を有することになる。

そして、コントローラ５の指令制御部５Ａは、前記(式３)、（式４）のリンク運動方程式を実時間で制御するための各リンクに付与すべきトルク計算、すなわち後述する（式７）、（式８）の計算を行うが、図１５に示すように、先端部から次段のリンク部材２１ｂ、２１ｃ（ｑ２、ｑ３）についてはリンク位置・姿勢の運動学に基づく演算処理を行い、先端側のリンク部材２１ａ（ｑ１）については、独立的に駆動制御するアルゴリズム（図示しないメモリに記憶されている）に基づいて演算処理を行うようになっている。

このことにより、先端側のリンク部材２１ａの位置、姿勢（向き）が決定すると、前記演算処理を行うことにより、先端側のリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２１の角度を求めることが可能である。

次に、前記運動学（順運動学及び逆運動学）に基づく演算処理を行うためのサーボ制御コントローラ３６Ａの具体的な構成及び制御方法について図１６乃至２１を参照しながら説明する。

図１６乃至図２１はサーボ制御コントローラ３６Ａの具体的な構成及び制御方法を説明するためのもので、図１６はサーボ制御コントローラ３６Ａの概略構成を示すブロック図、図１７は図１６の制御則演算部３６Ｂの具体的な構成を示すブロック図、図１８は図１７のダイナミックス演算部４３の概略構成を示すブロック図、図１９は図１８のダイナミックス演算部４３の具体的な構成を示すブロック図、図２０は図１７の運動学演算部４１の概略構成を示すブロック図、図２１は図２０の運動学演算部４１の具体的な構成を示すブロック図をそれぞれ示している。

図１６に示すように、サーボ制御コントローラ３６Ａは、制御則演算部３６Ｂを有しており、この制御則演算部３６Ｂには、先端側のリンク部材２１ａあるいは各リンク部材２１におけるサーボ指令値信号を含む設定指令値信号等の指令値情報（設定値情報も含む）と、各リンク部材２１における状態量検知信号などの位置フィードバック情報（以下、位置Ｆ／Ｂ情報と称す）とが供給される。

そして、前記制御則演算部３６Ｂは、供給された指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報とに基づいて、後述する運動学演算部４１及びダイナミックス演算部４３に各リンク部材２１に対応する駆動指令値信号としての関節トルク指令値信号を得るための演算処理を行い、駆動部１０ｂに出力する。

前記制御則演算部３６Ｂの具体的な構成が図１７に示されている。

図１７に示すように、前記制御則演算部３６Ｂは、先端側のリンク部材２１ａの先端位置座標である指令値位置情報と、各関節（各リンク部材２１）の関節位置Ｆ／Ｂ情報とを入力して、これらの情報を用いて運動学に基づく演算処理を行う運動学演算部４１と、この運動学演算部４１の演算結果と、前記指令値情報及び関節位置Ｆ／Ｂ情報とを入力して、これらの情報を用いて各リンク部材２１の変化量に関する動的な部分を導き出すためにダイナミクス演算処理を行うダイナミックス演算部４３と、前記指令値情報と前記運動学演算部４１及び前記ダイナミックス演算部４３との各演算結果とを入力し、これらの情報に基づいて各リンク部材２１を制御するのに必要な関節トルク指令値信号を演算処理する制御演算部４２と、を有している。

そして、前記制御則演算部３６Ｂは、生成された前記関節トルク指令値信号を、前記アクチュエータ制御ブロック３１内の駆動部１０ｂに供給することにより、挿入部駆動機構（マニピュレータ）２０を制御する。
このとき、マニピュレータ２０は、前記アクチュエータ制御ブロック３１内のセンサ３８によって検出された、状態量検知信号である各関節の関節位置Ｆ／Ｂ情報を前記運動学演算部４１及びダイナミックス演算部４３に出力する。

図１８に前記ダイナミックス演算部４３の概略構成を示し、図１９に前記ダイナミクス演算部の具体的な構成が示されている。
図１８に示すように、前記ダイナミックス演算部４３は、前記運動学演算部４１の演算結果である後述するヤコビアン（速度ベクトルで、ＪあるいはヤコビアンＪとして説明することもある）と、前記指令値情報及び関節位置Ｆ／Ｂ情報とを入力して、これらの情報を用いてダイナミックス演算処理を行うことにより、各リンク部材２１の変化量に関する動的な部分、すなわち、各リンク部材２１の位置偏差、ヤコビアンＪ、関節位置速度・加速度を導き出し、演算処理結果として出力する。

具体的には、前記ダイナミックス演算部４３は、図１９に示すように、順運動学演算部４４と、時間微分演算部４５と、時間微分演算部４６と、を有している。

前記順運動学演算部４４は、前記関節位置Ｆ／Ｂ情報に基づいて前記した順運動学に基づく演算処理を行う。この演算出力結果は、減算器によって先端部のリンク部材２１ａの先端位置情報から差し引かれることにより、各リンク部材２１の位置偏差ｅが導きだされる。

前記時間微分演算部４５は、前記関節位置Ｆ／Ｂ情報とヤコビアンＪとが入力され、前記関節位置Ｆ／Ｂ情報とヤコビアンＪとを用いて時間微分演算処理を行うことにより、各リンク部材２１の変位量、すなわち、ヤコビアン速度 ∂Ｊ／∂ｔ、関節位置速度∂ｑ／∂ｔを生成する。

前記時間微分演算部４６は、前記関節位置速∂ｑ／∂ｔを入力して時間微分演算処理を行うことにより、関節位置加速度∂^２ｑ／∂ｔ^２を生成する。

図２０に前記運動学演算部４１の概略構成を示し、図２１に前記運動学演算部４１の具体的な構成が示されている。
図２０に示すように、前記運動学演算部４１は、前記指令値情報及び関節位置Ｆ／Ｂ情報を入力して、これらの情報を用いて運動学に基づく演算処理を行うことにより、先端側のリンク部材２１ａのヤコビアンＪ、ヤコビアンＪの疑似逆行列Ｊ^＋、及びヤコビアンＪの零空間疑似逆行列（Ｉ−Ｊ^＋Ｊ）を導き出し、演算処理結果として出力する。

具体的には、前記運動学演算部４１は、図２１に示すように、ヤコビアン演算部４７と、疑似逆行列演算部４８と、ヤコビアン零空間演算部４９と、を有している。
前記ヤコビアン演算部４７は、前記指令位置情報と位置Ｆ／Ｂ情報に基づいてヤコビアンＪを得るための演算処理を行い、得られたヤコビアンＪを図１７に示す制御演算部４２、前記疑似逆行列演算部４８及び前記ヤコビアン零空間演算部４９に出力する。

なお、前記ヤコビアン演算部４７によるヤコビアン演算処理に基づく（式５）を下記に示す。

（式５）

前記疑似逆行列演算部４８は、前記ヤコビアンＪが入力され、このヤコビアンＪに一般化逆行列演算処理を行うことにより、疑似逆行列Ｊ^＋を生成し、図１７に示す制御演算部４２及び前記ヤコビアン零空間演算部４９に出力する。

なお、一般化逆行列演算処理に基づく(式６)を下記に示す。

（式６）

ただし、式中のスーパースクリプトＴは転置行列を表している。

前記ヤコビアン零空間演算部４９は、供給されたヤコビアンＪと前記疑似逆後列Ｊ^＋とにヤコビアン零空間演算処理を行うことにより、疑似逆行列Ｉ−Ｊ^＋Ｊを生成し、前記図１７に示す制御演算部４２に出力する。

したがって、前記ヤコビアンＪ、ヤコビアンＪの疑似逆行列Ｊ^＋及びヤコビアン零空間疑似逆行列（Ｉ−Ｊ^＋Ｊ）は前記運動学演算部４１の演算処理結果として、図１７に示す制御演算部４２に供給されることになる。制御演算部４２においては、前述した指令値と状態量とに基づくＰＤ制御を行う。

次に、前述した図１７に示す制御則演算部３６Ｂ内にて行われる各種演算処理に必要な制御則式を説明する。
本発明の医療用制御装置を用いた内視鏡装置１は、複数のリンク部材２１と、複数の関節部材２０ａとを有してマニピュレータを構成する挿入部駆動機構２０を備えている。このため、前記図１７に示す制御則演算部３６Ｂは、マニピュレータ運動方程式である前記（式３）、（式４）を基本とし、さらに、後述するマニピュレータ制御則に基づく各式を用いて各種演算処理を行うことにより、前記関節トルク指令値信号を導いている。

前記マニピュレータ制御則に基づく式を下記に示す。この場合、関節トルクをτとし、位置偏差ｅとすると、
（式７）

となる。

ただし、ＫP は制御量比例ゲイン、ＫD は制御量微分ゲイン、ｅは指令値と状態量から算出される位置偏差、φは前述した冗長性に重み付けするための制御パラメータ、ｈ（^＊，^＊）、ｇは前述したパラメータである。

（式８）

となる。なお、Ｋ_NULL は、前記制御演算部４２にて用いられる係数である。

前記(式７)においては、図１７に示す前記運動学演算部４１、前記ダイナミックス演算部４３及び前記制御演算部４２によって各種求められた演算処理結果を当てはめることにより、関節トルクτを得ることができる。

また、前記（式８）において、前記Ｋ_NULL 以外の値については、前記運動学演算部４１によって求められた演算結果である。

ところで、前記構成の内視鏡２の挿入部９を体腔内の挿入する場合、湾曲部１４が剛体とならないように、湾曲部自体が柔らかなダイナミクス特性にすることが望ましい、そのためには、図２２に示すようなばね２０ａ及びダンパ２０ｂの組み合わせによるダイナミクス特性を先端部で有することで実現している。

言い換えれば、ばね２００ａ及びダンパ２００ｂによる粘弾性作用により、図２２中に示す力量Ｆが挿入部９の先端部１３に加えられると、前記湾曲部１４は、柔らかな特性、すなわち、コンプライアンス特性を有することになる。
以下、制御演算部４２に実装される制御則についての説明を行う。

まず、図２２におけるダイナミクス特性の運動方程式は、（式９）の通りに記述される。

（式９）

（式９）から、マニピュレータ手先の指令位置をＸ、手先に加わる外力をＦ_ＴＩＰ、その結果、生じる位置をＸ_Ｄとすれば、コンプライアンス特性を有する先端のダイナミクス特性は、（式１０）の通りとなる。

（式１０）

ここで、Ｆ_ＴＩＰに抗する等価な関節力τ_Ｆは、（式１１）の通りである。

（式１１）

また、簡単のため先端部が拘束された状態で外部環境から外力Ｆを受けたときの運動方程式は、先端部質量Ｍについてのみに対して記述すると（式１２）の通りとなる。

（式１２）

さて、前述したように、マニピュレータの運動方程式は、（式１３）より、（式１４ａ）及び（式１４ｂ）が導出される。

（式１３）

（式１４ａ）

（式１４ｂ）

ここで、改めて、各リンクのパラメータを含めたマニピュレータダイナミクスの記述を行ったときのコンプライアンス特性は（式１５）の通りとなる。

（式１５）

前記（式１５）を前記（式１４ａ）に代入すると、（式１６）の通りとなる。

（式１６）

前記（式１６）は（式７）と同様なものを別の形で示したものである。ここでは、簡単のため先端部にバネ特性Ｋを有するトルク指令の制御式を導出する。

（式１６）において、速度が小さいときには、下記に示す（式１７）の右辺１，２項を省略することが可能となるため、（式１７）が導出され、さらに、Ｄ＝０、Ｋ_Ｆ＝Ｉとし、先端変位量△Ｘ＝（Ｘ−Ｘ_Ｄ）が比較的小さいと仮定すれば、近似的に△Ｘ＝Ｊ（ｑ）・△ｑが正立する。

その結果、（式１８）が導出される。これは、所望のコンプライアンス特性としてＫを設定した場合の各関節にどのようなトルク指令を生成させたかを示している。

（式１７）

（式１８）

前述のことから、（式７）、(式１６）に関して、概して、（式４）において左辺第１項は手元位置の動きを表し、第２項は関節の動きを表していることが解る。

そこで、前記コントローラ５の指令制御部５Ａは、前述したように前記(式７)、（式８）を実時間でトルク計算を行うが、前記(式７)の２項に該当する値を、リンク部材２１の可動範囲に応じた重み付けを演算処理した結果として、駆動部１０ｂを駆動制御するアルゴリズムに基づいて、演算処理を行うようにしても良い。

つまり、前記（式７）の２項の（Ｉ−Ｊ^#・Ｊ）・（d^２ｑ／ｄｔ^２）のアルゴリズムを、例えば図２４に示すような重み関数φに変更して演算処理を行う。すなわち、前記重み関数φは、各リンク部材２１の角度を決定する際に、各リンク可動範囲限界においては重みが大きくなり、可動範囲中立位置近傍においては重みが小さくなるような演算処理を行う。すなわち、各リンクの姿勢は出来るだけ、中立付近になるような姿勢となる重み設定となり、無理な姿勢を排除し、動き安い範囲内で動作するための係数である。

なお、予め設定された許容範囲内とは、例えば隣り合うリンク部材２１のなす角度が±９０度の範囲内を意味している。つまり、前記パラメータは、前記隣り合うリンク部材２１のなす角度が鋭角にならないようにするためのものとなっている。

このことにより、前記挿入部駆動機構２０の各リンク部材２１が動き安く、且つ滑らかな姿勢制御が可能となる。

なお、前記重み関数φは、後述する図２５乃至図２９のいずれかのグラフに示すような重み関数を用いても良い。

このような図２５乃至図２９に示す重み関数の特性を説明する。なお、これら２５乃至図２９の縦軸は（式８）におけるＫ_NULL を示し、横軸は各リンク部材２１の動作範囲（各リンク部材２１の検出された角度）を示している。また、正の動作制限値は９０度であり、負の動作制限値は−９０度としている。

図２５は重み関数φの変形例１の特性を示すグラフである。図２５に示すように、前記重み関数φは１次関数であり、各リンク部材２１の位置変化に対応する下記に示すように演算処理することにより得た重み関数としたものである。

（式１９）

なお、この場合αを負定値、ｑｉを各リンク位置、qｉ_orgをリンク原点位置とする。また、図２６は重み関数φの変形例２の特性を示すグラフである。図２６に示すように、前記重み関数φは２次関数であり、各リンク部材２１の位置変化に対応する下記に示すように演算処理することにより得た重み関数としたものである。

（式２０）

なお、この場合、αは負定値である。

また、図２７は重み関数φの変形例３の特性を示すグラフである。図２７に示すように、前記重み関数φは、各リンク部材２１の位置変化に対応する偏微分を下記に示すように演算処理することにより得た重み関数としたものである。

（式２１）

なお、この場合、αは負定値、ｑｉは各リンク位置、qｉ_orgはリンク原点位置、qｉ_maxはリンク上限角度値、qｉ_minはリンク下限角度値である。

また、図２８は重み関数φの変形例４の特性を示すグラフである。図２８に示すように、前記重み関数φは、場合によっては前記図２７に示す重み関数とは逆に、出来るだけ動作制限値近傍になるような重み関数として、後述する(式２２)にφのオフセット値を加えて新たにφとしαを正定値とすることで図２８の重み関数も実現できる。なお、この場合αは正定値である。

また、図２９は重み関数φの変形例５の特性を示すグラフである。図２９示すように、前記重み関数φは、前記変形例４の同様の効果として、図中波線部分を含むような三角関数の絶対値を（式２２）の通り用いたものでも良い。

（式２２）

なお、この場合、αは負定値である。

したがって、前述した図２５乃至図２９のいずれかのグラフに示すような前記重み関数φを用いて演算処理を行うことにより、無理な姿勢を排除し、動き易い範囲内で動作するための角度を各リンク部材２１毎に取得することが可能である。

また、本実施例では、各リンク部材２１毎に重み付けを行うのではなく、マニピュレータ２０全体に対して、無理な姿勢を排除し、動き易い範囲内で動作するための重み付けを行うことも可能である。

このような場合、前記重み関数φは、マニピュレータ姿勢の特異度を評価指標としたものを用いる。すなわち、ヤコビアンＪに対する可操作性指標Ｍを下記に示す（式２３）のように定義し、この可操作性指標Ｍを前記重み関数φに替えて用いても良い。

（式２３）

また、Ｊ・Ｊ^Ｔの固有値を計算すると、

図式

となる。

つまり、前記（式２４）及び（図式）に示すように、Ｊ・Ｊ^Ｔの固有値を計算すれば、通常、行列Ｊ・Ｊ^Ｔの階数＝Ｒａｎｋ（ｉ）となるが、特異姿勢の場合には、行列Ｊ・Ｊ^Ｔの階数＜Ｒａｎｋ（ｉ）となり行列Ｍが退化される。すなわち、前記重み関数φに替えて、前記可操作性指標Ｍを用いて演算処理を行うことにより、各リンク部材２１毎ではなく、マニピュレータ２０全体に対して、無理な姿勢を排除し、動き易い範囲内で動作するための重み付けを行うことが可能である。この場合、各リンク部材２１は一意に制御されない。

以上示した通り幾つかの姿勢制御における重み関数を示しているが、場合によっては後述する軸切り替え手段により、前記重み関数の組み合わせを、各リンク間での異なる重みの組み合わせを選択的に行うことも可能である。

なお、本発明では、前記図２５乃至図２９に示す重み関数や、（式２４）及び(図式)に示すような可操作性指標Ｍを用いた重み関数は、それぞれテーブル毎に格納されるようになっている。そして、コントローラ５（具体的にはＣＰＵ３２）は、前記複数のテーブルの内、いずれかのテーブルに基づく重み関数を選択し、選択した重み関数を用いて、各リンク部材２１の角度の演算処理、あるいはマニピュレータ全体に対する各リンク部材２１の各角度の演算処理を行うようになっている。

次に、前述したような湾曲部１４の姿勢駆動制御を行うコントローラ５の実施例１について図３０乃至図３９を参照しながら説明する。
図３０乃至図３９は本発明の実施例１に係り、図３０は内視鏡装置１のコントローラ５の具体的な構成を示すブロック図、図３１及び図３２は湾曲部１４を構成する挿入部駆動機構２０の姿勢制御を説明するもので、図３１は先端側のリンク部材２１ａをポイントロックした状態を示す説明図、図３２は先端側のリンク部材２１ａをポイントロックすることにより次段のリンク部材が冗長性を有している状態を示す説明図である。また、図３３は図３０のポイントロック演算部５０の具体的な構成を示すブロック図、図３４は図３３の逆運動学演算部５２の具体的な構成を示すブロック図、図３５は先端側のリンク部材２１ａをポイントロックしたときの姿勢状態を説明する説明図である。また、図３６乃至図３８は湾曲操作ワイヤの牽引又は弛緩により多リンク部材２１を湾曲動作させる場合の問題点を説明するための説明図であり、図３６は複数のリンク部材が非湾曲動作時である状態を示し、図３７は二段目のリンク部材を９０度湾曲させた時に先端側のリンク部材が干渉によって湾曲してしまう状態を示し、図３８は本実施例のコントローラによって図３７に示す状態から先端側のリンク部材を９０度逆方向に補正制御した状態をそれぞれ示している。さらに、図３９は本実施例の各アクチュエータ制御ブロック内のサーボ制御コントローラの構成を示すブロック線図である。

本実施例におけるコントローラ５は、上述したような湾曲部１４の姿勢制御を行うサーボ制御コントローラ３６Ａを有し、このサーボ制御コントローラ３６Ａには、前記制御則演算部３６Ｂの演算処理機能を有するポイントロック演算部５０が設けられている。

前記サーボ制御コントローラ３６は、前記ポイントロック演算部５０を用いて、前記湾曲部１４が挿入されることによって移動したときに前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記操作指令部７により指定されたリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２１が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材２１を回動させるように駆動部１０ｂを制御する。

また、本実施例において、サーボ制御コントローラ３６は、前記ポイントロック演算部５０により前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を求めるための演算処理を行う際に、前記図２５乃至図２９のグラフに示す特性等の重み関数を格納したそれぞれのテーブルの内、手動、あるいは自動的にいずれかのテーブルを選択し、このテーブルに基づく重み関数を用いて演算処理を行うようになっている。

このような演算処理を行うポイントロック演算部５０の構成について図３０、図３３及び図３４を参照しながら説明する。

図３０に示すように、前記ポイントロック演算部５０には、先端側のリンク部材２１ａにおけるサーボ指令値信号を含む設定指令値信号等の先端指令値情報と、前記リンク部材２１ａにおける状態量検知信号などの位置Ｆ／Ｂ情報とが供給される。

そして、前記ポイントロック演算部５０は、供給された先端指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報とに基づいて、後述する先端リンク根元座標位置計算部５１及び逆運動学演算部５２によって各リンク部材２１に対応する駆動指令値信号としてのサーボ位置指令信号（関節トルク指令値信号を含む）を得るための演算処理を行う。

すなわち、前記ポイントロック演算部５０は、供給された先端指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報とに基づいて、前記湾曲部１４が挿入されることによって移動したときに前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記操作指令部７により指定されたリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２２が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理し、この演算結果をサーボ位置指令値信号として駆動部１０ｂに出力する。

なお、前記ポイントロック演算部４０の演算処理に用いられる前記先端指令値情報と前記位置Ｆ／Ｂ情報とは、検出手段であるセンサ３８によって検出される、前記複数のリンク部材２１が互いになす角度及びその角度の変化量を示している。

このことにより、駆動部１０ｂは、供給されたサーボ位置指令信号に基づき指定されたリンク部材２１の回動をそれぞれ制御することにより、前記挿入部駆動機構２０を有する湾曲部１４は、挿入する管腔内の形状に合わせた形状に湾曲されることになる。

図３１には先端側のリンク部材２１ａのみが指示された所定の姿勢状態でポイントロックされた状態が示されている。
このような姿勢状態に制御する場合、前記ポイントロック演算部５０は、図３２に示すように、先端部側のリンク部材２１ａの関節部材２０ａをポイントロックＲ１とすると、このポイントロックＲ１のポイントロック座標値を演算処理することにより先端側のリンク部材２１ａを２次元（２次元空間）における位置と向きを姿勢制御するのに必要なサーボ位置指令信号を生成する。

また、図３２に示すように、先端側のリンク部材２１ａがポイントロックされている姿勢状態では、前記ポイントロックＲ１以降の複数のリンク部材２１ｂ、２１ｃ、２１ｄで構成されるリンク部２０Ｂは、前述した姿勢制御によって冗長性を有し、図中波線で示すように規制されない任意な姿勢に変化可能となる。

図３３に前記ポイントロック演算部５０の具体的な構成が示されている。図３３に示すように、前記ポイントロック演算部５０は、先端リンク根元座標位置計算部５１と、逆運動学演算部５２と、を有している。

前記先端リンク根元座標位置計算部５１は、リンク部材２１の関節角度情報と、先端側のリンク部材２１ａの位置情報である先端指令値情報と、位置Ｆ／Ｂ情報とが入力され、これらの情報に基づき、先端側のリンク部材２１ａの先端リンク根元座標位置を算出し、算出結果を逆運動学演算部５２に出力する。

前記逆運動学演算部５２は、前記先端リンク根元座標位置計算部５１からの先端指令値情報と前記位置Ｆ／Ｂ情報とが入力され、これらの情報に基づき、前記先端側のリンク部材２１ａ以降のリンク部材２１における根元座標位置を演算処理し、先端側のリンク部材２１ａ以外のサーボ位置指令値信号を生成し出力する。

図３４に前記逆運動学演算部５２の具体的な構成が示されている。図３４に示すように、前記逆運動学演算部５２は、機構パラメータ演算部５３と、順運動学演算部５４と、ヤコビアン演算部５５と、ゲイン５６と、行列演算部５７と、積分回路５８と、を有している。前記機構パラメータ演算部５３は、位置Ｆ／Ｂ情報をもとに先端側のリンク部材２１ａを微妙な姿勢に調整制御するための先端リンクオフセット値を演算処理して生成する。この先端リンクオフセット値は、前記先端指令値信号とで差分が求められ、この差分値は、前記順運動学演算部５４により演算処理された指令値Ｆ／Ｂ情報とで再度差分が求められる。このことにより、この差分値は２段目位置指令情報として前記ゲイン５６に供給される。前記ゲイン５６は、供給された２段目位置指令情報を増幅し、前記行列演算部５７に出力する。

一方、前記ヤコビアン演算部５５は、図２１にて説明したものと同様に、指令値情報を元に演算処理することによりヤコビアンＪを生成し、前記行列演算部５７に出力する。

前記行列演算部５７は、供給された２段目位置指令情報を基に、リンク部材２１の姿勢状態に応じた２段目以降のリンク部材２１の姿勢（角度）を決定するための行列演算処理を行い、得られた演算結果を積分回路５８により積分処理を施した後、２段目以降のサーボ指令値信号として駆動部１０ｂに出力する。

なお、前記積分回路５８の出力、すなわち、２段目以降のサーボ指令値信号は、前記ヤコビアン演算部５５及順運動学演算部５４を介して先端指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報との偏差値にフィードバックされている。これは、逆運動学を解く際の特異解を出来るだけ発生しないよう考慮しているためである。

通常逆運動学であれば解析的に解を求めるが、特異解が発生した場合に解が求まらないことが生じる。そのため、ここでは、逆運動学を用いずに、順運動学による逆運動学を求める手法を用いており、ゲイン５６の値によって収束速度を設定する構造になっている。このことにより、２段目以降のリンク部材２１は、前記先端側のリンク部材２１ａの姿勢制御に連動して微妙な姿勢となるように制御されることになる。

図３５は実施例１のポイントロック演算部５０によって姿勢制御された湾曲部１４の湾曲状態を示している。
例えば、操作者が操作指令部７を用いて先端側のリンク部材２１ａのみをポイントロックするための指示を入力すると、前記ポイントロック演算部５０は、前記したように演算処理を行うことにより、ポイントロックＲ１のポイントロック座標値（２次元における位置と向き）にて先端側のリンク部材２１ａをポイントロックするためのサーボ位置指令値信号を生成し、駆動部１０ｂに与えて制御する。

このことにより、湾曲部１４の先端側のリンク部材２１ａは、図３５に示すようにポイントロックＲ１にて指示された姿勢ベクトル（２次元における位置と向き）でポイントロックされる。
また、このとき、前記ポイントロックＲ１以降の複数のリンク部材２１ｂ、２１ｃ、２１ｄで構成されるリンク部２０Ｂは、前記図３３及び図３４のブロック図にて説明したように、前記ポイントロック演算部５０によって、前記先端側のリンク部材２１ａの姿勢制御に連動した冗長性を有する姿勢制御が行われるので、例えば図中矢印Ａ方向に対してその姿勢が任意となる。

すなわち、ポイントロック演算部５０は、前記湾曲部１４が挿入されることによって移動したときに前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記操作指令部７により指定されたリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２２が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理し、この演算結果に基づいて前記複数のリンク部材２１を回動させるように駆動部１０ｂを制御する。

なお、前記ポイントロック演算部５０は、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理する場合、前記操作指令部７により指定された重み関数テーブルに基づく重み関数を用いて演算処理する。これにより、複数のリンク部材２１やマニピュレータ２０の無理な姿勢を排除し、動き安い範囲内で動作させるのに必要な角度が前記複数のリンク部材２１毎に取得でき、この演算結果に基づき、各リンク部材２１の回動が制御される。

このような内視鏡装置１において、挿入部９を大腸に挿入する場合、術者は、湾曲部１４を有する挿入部９を肛門を介して挿入する。そして、挿入部９の先端部１４がＳ状結腸部に到達すると、サーボ制御コントローラ３６Ａは先端側のリンク部材２１ａを操作指令部７により指定した２次元における位置と向きにポイントロックさせる。

そして、術者は２次元における位置と向きにポイントロックされた先端側のリンク部２１ａをＳ状結腸部の腸壁に沿ってさらに奥へと挿入する。

すると、前記先端側のリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２１は、前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記位置を通過するような角度に制御されることになる。すなわち、湾曲部１４はＳ状結腸部の形状に合った形状に湾曲動作しながら挿入されることになる。なお、２段目以降のリンク部材２１ｂ〜２１ｎは、前記したように冗長性を有する姿勢制御が行われることになる。

このことにより、従来、挿入に困難を要していたＳ状結腸部に合わせた形状で挿入することができるので、Ｓ状結腸部を容易に通過させることが可能となる。よって、さらに、大腸の深部へと容易に挿入することができるので、挿入性を向上させることができる。

ところで、多関節のリンク構造を有する内視鏡装置では、湾曲操作ワイヤの牽引又は弛緩を制御することで湾曲部１４を湾曲させるものであるため、リンク部材２１間の湾曲操作ワイヤの干渉によって湾曲動作に影響を及ぼしてしまうことがある。このような問題点を図５、図３６及び図３７を参照しながら説明する。

なお、図３６、図３７中の駆動用プーリ２３及びフリープーリ２５の位置示された矢印は、説明のために各リンク部材の回動方向を示し、また図中左側の波線部分は、湾曲部１４の各リンク部材の逆側部分を示している。

例えば、図３６に示すように、術者は、挿入部９の湾曲部１４が非湾曲状態であり、各リンク部材２１ａ〜２１ｄが湾曲してない状態から、二段目のリンク部材２１ｂを図中に示すＡ矢印方向に９０度湾曲するように湾曲操作したものとする。

この場合、二段目のリンク部材２１ｂは、図５に示すように、湾曲操作ワイヤ３０Ｄ、３０Ａを止めた状態で、湾曲操作ワイヤ３０Ｃを回転力Ｆ３によって牽引することにより、この湾曲操作ワイヤ３０、３０ｃ、フリープーリ２５、湾曲操作ワイヤ３０ｅを介してこの二段目のリンク部材２１ｂに固定された駆動用プーリ２３に回転力が伝達されて、例えば図中に示すＡ矢印方向に９０度湾曲することになる。

ところが、このとき、湾曲部１４の逆側に配された湾曲操作ワイヤ３０Ａ、３０Ｂ、３０ａ、３０ｂ、３０ｄ、３０ｆ（図５参照）は、それぞれ止められている状態であるため、これらの湾曲操作ワイヤ３０Ａ、３０Ｂ、３０ａ、３０ｂ、３０ｄ、３０ｆをそれぞれ懸架している駆動用プーリ２３やフリープーリ２５には、図３７に示すように、前記二段目のリンク部材２１ａの湾曲動作に伴って、図中左側の波線部分に示す矢印方向に曲げようとする力が生じることになる。

そして、先端側のリンク部材２１ａは、図５に示すように、駆動用プーリ２３に懸架している湾曲操作ワイヤ３０ｆを介して二段面のリンク部材２１ｂのフリープーリ２５と連結しているため、前記二段面のリンク部材２１ｂの湾曲動作によってこのフリープーリ２５に生じた力が前記湾曲操作ワイヤ３０ｆに干渉してしまう。その結果、先端側のリンク部材２１ａは、図３７に示すように、二段面のリンク部材２１ｂに対して図中に示すＣ矢印方向に湾曲してしまうことになる。

しかしながら、本実施例の内視鏡装置１は、前記したような途中リンク部材２１の湾曲動作に起因して先端側のリンク部材２１ａが湾曲してしまった場合には、図３８に示すように、この先端側のリンク部材２１ａを、湾曲した角度分（９０度）逆方向（図中に示すＤ矢印方向）に湾曲動作させるように補正制御することが可能である。このような湾曲補正制御可能なアクチュエータ制御ブロック内の概略構成を図３９に示す。

本実施例の内視鏡装置１は、図９乃至図１２で説明したように、各リンク部材２１に応じたアクチュエータ制御ブロック３１ａ〜３１ｎを有しており、これらアクチュエータ制御ブロック３１ａ〜３１ｎには、それぞれサーボ制御コントローラ３６Ａが設けられている。

前記サーボ制御コントローラ３６Ａは、図１２で説明したようにＰＤ制御部４０を有し、本実施例では、図３９に示すように、さらに、このＰＤ制御部４０に供給されるサーボ指令値信号（モータ２７からの変位情報も含む）を取り込み、このサーボ指令値信号から逆方向の位置指令変化補正量を求めて後段のＰＤ制御部４０にサーボ指令値信号と共に加算して供給する位置指令変化量補正部６０を設けている。

すなわち、本実施例では、図３９に示すように、先端側のリンク部材２１ａ（最近位端側リンク部材）に対応するＰＤ制御部４０を第１ＰＤ制御部４０Ａとし、次段（二段目）のリンク部材２１ｂ（途中側リンク部材）に対応するＰＤ制御部４０を第２ＰＤ制御部４０Ｂとし、そして、それ以降に続くリンク部材２１ｎ（最遠位端側リンク部材）に対応するＰＤ制御部４０を第ＮＰＤ制御部４０Ｎとすると、各ＰＤ制御部４０Ａ、４０Ｂ…４０Ｎの間には、それぞれ前記位置指令変化量補正部６０Ａ、６０Ｂ…６０Ｎが設けられている。

例えば、前記第１位置指令変化量補正部６０Ａは、供給されるサーボ指令値信号とモータ２７の変位情報とから先端側のリンク部材２１ａの逆方向となる位置指令変化量を求め、後段の第２ＰＤ制御部４０Ｂの入力側に出力する。

すると、第２ＰＤ制御部４０Ｂは、前記第１位置指令変化量補正部６０Ａからの位置指令変化量が加算されたサーボ指令値信号が供給され、そして、このサーボ指令値信号に基づいて、比例・微分制御等のＰＤ制御によって操作出力値信号（駆動信号であり、図中には途中側リンク部材駆動信号）を生成して対応するモータ２７に与える。

また、前記第２位置指令変化量補正部６０Ｂは、前記第２ＰＤ制御部４０Ｂに供給されるサーボ指令値信号から二段目のリンク部材２１ｂの逆方向となる位置指令変化量を求め、後段の例えば第ＮＰＤ制御部４０Ｎの入力側に出力する。

すると、第ＮＰＤ制御部４０Ｎは、前記第２位置指令変化量補正部６０Ｂからの位置指令変化量が加算されたサーボ指令値信号が供給され、そして、このサーボ指令値信号に基づいて、比例・微分制御等のＰＤ制御によって操作出力値信号（駆動信号であり、図中には際遠位端側リンク部材駆動信号）を生成して対応するモータ２７に与える。

このように本実施例では、最近位端側リンク部材から途中側リンク部材を介し最遠位端側リンク部材にかけて、前段のリンク部材２１の逆方向の位置指令変化量が順次後段のリンク部材のサーボ指令値信号に加算され、得られた駆動信号に基づいてモータ２７の回転制御がなされることになる。

すなわち、本実施例のサーボ制御コントローラ３６Ａは、先端側のリンク部材１２ａが図３７に示すように途中リンク部材２１の湾曲動作に起因して９０度湾曲してしまった場合には、先端側のリンク部材２１ａが湾曲した角度分（９０度）逆方向に次段のリンク部材２１ｂを湾曲動作させるように補正制御する。そして、サーボ制御コントローラ３６Ａは、後段のリンク部材２１ｃ以降についても同様に前段のリンク部材２１が湾曲した角度分逆方向に湾曲動作させるように補正制御する。

このことにより、任意のリンク部材２１の湾曲操作時に、各リンク部材２１間の湾曲操作ワイヤの干渉によって先端側のリンク部材２１が湾曲した場合でもこの先端側のリンク部材２１ａを確実に元の位置のなるように補正することができる。よって、操作指令に基づく先端部１３の位置を維持することが可能となる。

ところで、前記コントローラ５は、湾曲部１４を含む挿入部９全体の剛性を変化させるように剛性制御を行うことにより、挿入部９の挿入性をより向上させることが可能である。このような実施例を図４０乃至図４２に示す。

図４０乃至図４２は実施例２に係り、図４０は実施例２の内視鏡装置全体の構成を示す構成図、図４１はコントローラにより湾曲駆動されたときの湾曲部の特性を説明する説明図、図４２は実施例２のコントローラによって剛性制御されたときの湾曲部の特性を説明する説明図である。なお、本実施例２１では、湾曲部１４を上下２方向に湾曲させることのできる内視鏡２を備えているものとして説明する。

図４０に示すように、内視鏡装置１は、実施例１と同様のコントローラ５と、操作指令部７と、剛性設定ダイアル７Ａと、内視鏡２と、を有している。

この内視鏡２は、駆動部１０ｂである２つのモータ２７ａ、２７ｂと、各モータ２７ａ、２７ｂの回転力を伝達するための２つのギア６１ａ、６１ｂと、これら２つのギア６１ａ、６１ｂと噛合して回転することにより湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｂをそれぞれ牽引又は弛緩させるスプロケット６２ａ、６２ｂと、前記湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｂが挿入部９内に延設され、この湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｂの牽引又は弛緩によって上下２方向に湾曲可能な湾曲部１４と及び先端部１３と、を有している。

なお、図示はしないが、前記スプロケット６２ａ、６２ｂには、各モータ２７ａ、２７ｂの回転量を検出するポテンショメータが設けられており、これらのポテンショメータによる検出結果は前記コントローラ５にフィードバックされるようになっている。

前記剛性設定ダイアル７Ａは、前記湾曲部１４あるいは湾曲部１４を含む挿入部９全体の剛性レベルを設定するための操作手段であり、術者の操作に基づく剛性設定レベル信号を前記コントローラ５に出力する。

前記コントローラ５は、前記実施例１と略同様の構成ではあるが、前記操作指令部７による操作指令値信号に基づき湾曲部１４を湾曲制御している際に、前記剛性設定ダイアル７Ａが操作されると、この剛性設定レベル信号に基づいて湾曲動作している湾曲部１４あるいは湾曲部１４を含む挿入部９全体の剛性を制御する。

湾曲部１４あるいは挿入部９全体における剛性制御について図４１及び図４２を参照しながら説明する。

図４１は前記コントローラ５によって湾曲部１４が下方向に湾曲駆動している状態について、動的簡易モデルとして示している。ここで、２００ａ、２００ｂの牽引ワイヤは簡単のため、ばねモデルとして内視鏡先端部に接続され端点が固定されている状態表現で取り扱っており、図４１に示すように、前記湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｂに印加される負荷量をばね２０ａ、２０ｂに例えると、モータ２７ｂのみが駆動しているので、湾曲操作ワイヤ３０ｂ側のばね２０ｂを牽引する力は、湾曲操作ワイヤ３０ａ側のばね２０ａを牽引する力よりも大きくなる。このことにより、前記湾曲部１４は、下方向に湾曲することになる。

そこで、本実施例では、前記湾曲部１４が所定の湾曲形状に動作させた後に、例えば図４２に示すように、逆側のモータ２７ａを前記したモータ２７ｂと同じように回転制御することにより、前記湾曲操作ワイヤ３０ａ側のばね２０ａを牽引する力を、前記湾曲操作ワイヤ３０ｂ側のばね２０ｂを牽引する力と同じになるようにモータ２７ａを回転制御する。

このことにより、湾曲操作ワイヤ３０ａ側のばね２０ａを牽引する力と前記湾曲操作ワイヤ３０ｂ側のばね２０ｂを牽引する力と、内視鏡先端部はワイヤ２００ａ、２００ｂ双方が端点固定であるために２００ａ、２００ｂ双方に力が加わり、内視鏡挿入部全体に圧縮力が加わることになる。このとき、双方に力が加わったとしても、ワイヤ牽引の制御方式を位置制御にしておけば、ワイヤの位置を維持したまま、力が加わる形となる。

ここで、図４１、図４２、図４５で表現されているばねは牽引ワイヤの動的モデルとして表現しているため、ワイヤそのものの特性となることを記しておく。

このため、前記湾曲部１４がその湾曲形状が保持された剛性状態となる。また、前記湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｂは前記挿入部９内に配されているため、この挿入部９全体においても剛性を有することになる。

なお、前記剛性設定ダイアル７Ａは、前記湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｂ側のばね２０ａ、２０ｂを牽引するそれぞれの力のレベルを段階的に替えて設定できるようになっており、このため、コントローラ５は、湾曲駆動時に、湾曲部１４あるいはこの湾曲部１４を含む挿入部９の剛性レベルを適宜替えるように制御することが可能である。

したがって、実施例２によれば、湾曲部１４あるいは湾曲部１４を含む挿入部９全体の剛性を制御することができるので、挿入時に、適宜湾曲部１４あるいは挿入部９全体を剛性制御すれば、挿入部９の挿入性を向上させることが可能となる。

図４３乃至図４７は実施例２の変形例１を説明するもので、図４３は変形例１の内視鏡装置全体の構成を示す構成図、図４４はサーボ制御コントローラ内の具体的な構成を示すブロック図、図４５は実施例２のコントローラによって剛性制御されたときの湾曲部の特性を説明する説明図、図４６は図４４の湾曲用制御部を示すブロック線図、図４７は図４４の剛性制御用制御部を示すブロック線図である。

図４３に示すように、変形例１の内視鏡装置１は、前記実施例２で用いた剛性設定ダイアル７Ａを削除する他に、湾曲操作ワイヤ３０ａ、３０ｂのそれぞれのテンション状態を検出し前記コントローラ５に出力するテンションセンサ６３ａ、６３ｂをそれぞれ設けている。

つまり、前記テンションセンサ６３ａ、６３ｂをそれぞれ設けて設けたことにより、剛性制御時における湾曲部１４あるいは湾曲部１４を含む挿入部９全体の剛性状態を検出することができるようになっている。

そして、コントローラ５は、前記テンションセンサ６３ａ、６３ｂによる検出結果、つまり、テンションＦ／Ｂ情報を取り込み、剛性制御時には、操作指令部７により指示される剛性指令情報とテンションＦ／Ｂ情報とに基づき、各モータ２７ａ、２７ｂの回転駆動を制御することにより、湾曲部１４あるいは挿入部９全体の剛性制御を行う。

また、前記コントローラ５は、前記実施例１と同様に、湾曲部１４の位置指令制御を行うことが可能であり、このため、この位置指令制御と前記剛性指令制御とのいずれかのモードを実行することができるようになっている。

具体的には、前記操作指令部７には、前記湾曲位置指令制御を示すモードと、前記剛性指令制御を示すモードとを指定し、指定したモード指令情報を出力するモード指定手段（図示せず）が設けられている。このモード指定手段からのモード指令情報は、前記コントローラ５内のサーボ制御コントローラ３６Ａに出力されるようになっている。

図４４には各モータ２７ａ、２７ｂ毎に設けられたサーボ制御コントローラ３６Ａ内の具体的な構成が示されている。

図４４に示すように、変形例１のサーボ制御コントローラ３６Ａは、前記操作指令部７のモード指定手段からのモード指令情報に基づき、湾曲位置指令制御モードと剛性指令制御モードであるかを判別するモード判別部７０と、位置指令情報（サーボ指令値信号）と位置Ｆ／Ｂ情報に基づいて湾曲位置指令制御モードを実行するのに必要な湾曲位置指令制御用の操作出力値信号（駆動信号でありモータ位置指令信号ともいう）を生成して出力する湾曲制御部であるＰＩＤ制御部７１（図４６参照）と、剛性指令情報とテンションＦ／Ｂ情報に基づいて剛性指令制御モードを実行するのに必要な剛性指令制御用の操作出力値信号（駆動信号でありモータ位置指令信号ともいう）を生成して出力する剛性制御用制御部であるＰ制御部７２（図４７参照）と、前記モード判別部７０の判別結果に基づき、前記ＰＩＤ制御部７１の出力と前記Ｐ制御部７２の出力とのいずれか一方を選択出力して該当するモータ２７ａ、２７ｂに出力する切替え部６４と、を有している。

したがって、前記切替え部６４は、前記モード判別部７０による判別結果が湾曲位置指令制御モードであると、湾曲用制御部であるＰＩＤ制御部７１からの駆動信号（モータ指令値信号）を指定したモータ２７ａ、又はモータ２７ｂに出力する。

この場合、前記湾曲用制御部であるＰＩＤ制御部７１は、図４６に示すように、位置指令情報（サーボ指令値信号）と位置Ｆ／Ｂ情報に基づいて、比例・微分制御等のＰＤ制御によって湾曲位置指令制御用の駆動信号（モータ位置指令信号ともいう）を生成して出力する。このことにより、この湾曲位置指令制御用の駆動信号が前記切替え部６４を介して指定されたモータ２７ａ、又はモータ２７ｂに供給されてこのモータ２７ａ又はモータ２７ｂの駆動が制御されることにより、湾曲部１４は位置指令情報に基づく湾曲動作がなされることになる。

一方、前記切替え部６４は、前記モード判別部７０による判別結果が剛性指令制御モードであると、剛性制御用制御部であるＰ制御部７２からの駆動信号（モータ位置指令値信号）を指定したモータ２７ａ、又はモータ２７ｂに出力する。

この場合、前記剛性制御用制御部であるＰ制御部７２は、図４７に示すように、操作指令部７から供給される剛性指令情報とテンションＦ／Ｂ情報に基づいて、比例制御等のＰ制御によって剛性指令制御用の駆動信号（モータ位置指令信号ともいう）を生成して出力する。このことにより、この剛性指令制御用の駆動信号が前記切替え部６４を介して指定されたモータ２７ａ、又はモータ２７ｂに供給されて駆動が制御されると同時に、もう一方のモータ２７ｂ、又はモータ２７ａに湾曲位置指令制御用の駆動信号が供給されて駆動が制御されることにより、湾曲部１４は実施例２で説明したように湾曲駆動時の姿勢（湾曲方向）が維持された状態で剛性が制御されることになる。

なお、剛性指令制御モード実行時は、前記実施例２で説明したように、例えばモータ２７ａに剛性位置指令制御用の駆動信号を供給して駆動した場合には、必ず、もう一方のモータ２７ｂに湾曲位置指令制御用の駆動信号が供給されて駆動されることになる。

つまり、図４５に示すように、湾曲駆動時のモータ２７ｂに連結される湾曲操作ワイヤ３０ｂ側のばね２０ｂの牽引する力と、剛性変化駆動時のモータ２７ａに連結される湾曲操作ワイヤ３０ａ側のばね２０ａを牽引する力とを同じにすることで、前記実施例２と同様に前記湾曲部１４はその湾曲形状が保持されたまま剛性を有する状態となる。

したがって、本変形例によれば、湾曲部１４の湾曲位置指令制御を行った状態で剛性指令制御を行うことが可能となり、実施例２よりもより挿入部９の挿入性を高めることが可能となる。

図４８及び図４９は実施例２の変形例２を説明するもので、図４８は変形例２の内視鏡装置全体の構成を示す構成図、図４９は変形例２のコントローラによって剛性制御されたときの湾曲部の特性を説明する説明図である。なお、図４８及び図４９は、前記実施例１，２及び変形例１と同様の構成要素については同一の負号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

図４８に示すように、変形例２の内視鏡装置１は、前記実施例２と前記変形例１との構成を組み合わせたもので、さらに湾曲部として前記実施例１と略同様の多関節のリンク構造を有する湾曲部１４を用いて構成されている。

つまり、変形例２の内視鏡装置１は、前記実施例２及び前記変形例１と同様に剛性設定ダイアル７Ａ、テンションセンサ６３ａ、６３ｂを有しており、さらに上下２方向にそれぞれ湾曲可能な複数のリンク部材２１ａ〜２１ｄを備えて構成された湾曲部１４を有している。

変形例２のコントローラ５は、前記変形例１と同様に、湾曲駆動時の湾曲部１４の湾曲方向（湾曲状態）を保持しながら湾曲部１４を剛性状態にするように湾曲位置指令制御及び剛性指令制御を行うが、複数のリンク部材２１の内、任意に指定されたリンク部材２１についてもこの湾曲位置指令制御及び剛性指令制御を行うことが可能である。

この場合の複数のリンク部材２１を有する湾曲部１４の特性が図４９に示されている。つまり、図４９に示すように、湾曲部１４は、先端側のリンク部材２１の２つの湾曲操作ワイヤに印加される負荷量である２つのばね２００ａ、２００ｂと、二段目のリンク部材２１ｂの２つの湾曲操作ワイヤに印加される負荷量である２つのばね２００ｃ、２００ｄと、三段目のリンク部材２１ｃの２つの湾曲操作ワイヤに印加される負荷量である２つのばね２００ｅ、２００ｆと、以降のリンク部材２１ｎの２つの湾曲操作ワイヤに印加される負荷量である２つのばね２００ｎ、２００ｎとで示される特性を有することになる。

例えば、二段目、三段目のリンク部材２１ｂ、２１ｃの湾曲駆動時に剛性指令制御を行った場合には、リンク部材２１ｂのばね２００ｃとばね２００ｄとをそれぞれ牽引する力が同じになり、同時にリンク部材２１ｃのばね２００ｅとばね２００ｆとをそれぞれ牽引する力が同じになる。

しかし、図４９に示されている構成の通り、複数のばねが拮抗している物理モデルであるため、実際にコントローラ５で、複数のリンク部材２１の内、任意のリンク部材２１の剛性指令制御を行おうとすると、このリンク部材２１とこのリンク部材２１に連接するリンク部材２１との間に配置される湾曲操作ワイヤや駆動用プーリ及びフリープーリによって干渉してしまい、先端側のリンク部材２１ａ等が湾曲してしまう。

このため、前記コントローラ５のサーボ制御コントローラ３６Ａには、図示はしないが任意のリンク部材２１を剛性指令制御した場合に先端側のリンク部材２１ａの湾曲動作を補正するための演算処理を行う補正演算部が設けられている。

ここで、図４９に原理モデル図、図５０（ａ）〜図５０（ｃ）に作用原理図を示す。なお、図５０（ａ）は作用を説明するための湾曲部の原理図、図５０（ｂ）は第１湾曲部のワイヤの牽引に伴う蛇管長の短縮によってワイヤに弛みが生じた状態を示し、図５０（ｃ）は第２湾曲部のワイヤの牽引に伴う第２湾曲部の蛇管長の短縮によってワイヤに弛みが生じた状態を示している。

図５０（ａ）において、例えば、第１湾曲部を駆動するために牽引ワイヤ２００ａ（図４９参照）を牽引したとする。このとき、図５０（ｂ）のように牽引ワイヤ２００ａのワイヤ牽引により蛇管長が短縮されることと同時に、第２湾曲部側に圧縮力が作用し、そのため牽引ワイヤ２００ｂ、２００ｃのワイヤ経路が短くなることによりワイヤ弛みが発生する。

また、図５０（ａ）の状態から第２湾曲部を駆動するために牽引ワイヤ２００ｂを牽引した場合、第２湾曲部の蛇管長が圧縮されるため、牽引ワイヤ２００ａに前記同様の弛みが生じることになる。

このため、所望の駆動湾曲部以外の湾曲部にも駆動することによる影響が生じる。すなわち、複数湾曲部を有する場合には、所望駆動部以外の湾曲部に補正を行わせることになるということである。

次に、補正演算部の構成・作用を説明する。

補正方法は、前記実施例２内で示した通り、各湾曲牽引ワイヤ毎にワイヤ負荷検知手段６３が各々配置され、所望の剛性設定湾曲部の駆動する前に、予め所望の剛性設定湾曲部以外の剛性設定値を記憶する手段である設定値記憶部７４（５１参照）が内蔵されている。

前記に示したブロック線図（図４４、図４７、図４８）の位置指令、剛性指令、テンション指令の入力部に、図５１に示すとおり、データを保存する設定値記憶部７４を有することで補正が行われる。

設定値記憶部７４は、所望湾曲部の剛性設定が行われると同時に、所望湾曲部以外の駆動部においてラッチ信号が動き、剛性設定前の状態の値を保持するようになる。また、所望湾曲部における剛性設定時の設定値記憶部７４は、指令情報を制御部７３に実時間で渡すように作用する。

このことにより、各湾曲部の干渉が生じても補正を行うことが可能となる。

なお、この補正演算部は、剛性指令制御実行時に、先端側のリンク部材２１ａの湾曲補正を行うだけでなく、剛性指令制御実行によって予想される他のリンク部材２１の湾曲動作を補正するための演算処理も行うことが可能となる。

また、変形例２において、前記コントローラ５は、複数のリンク部材２１を有する湾曲部１４を剛性指令制御する場合、下記に示す剛性条件を満足するように剛性指令制御を行うようになっている。

例えば、湾曲部１４が四つのリンク部材２１ａ〜２１ｄから構成されたものであるとすると、各リンク部材２１の各剛性レベルの関係は、
四段目のリンク部材２１ｄ＞三段目のリンク部材２１ｃ＞二段目のリンク部材＞先端側のリンク部材２１ａとなる。

したがって、以上述べたように、変形例２の内視鏡装置は、湾曲部１４が多関節のリンク構造を有する構成であっても、前記実施例１、実施例２及び変形例１と同様に、湾曲部１４の湾曲位置指令制御を行った状態で、複数のリンク部材２１の内、任意に指定されたリンク部材２１に対し剛性指令制御を行うことが可能となる。

なお、変形例１では、湾曲部１４の上下２つの湾曲方向について説明したが、これに限定されるものではなく、湾曲部１４の上下左右４つの湾曲方向に湾曲動作可能に前記湾曲部１４を構成すると同時に、これに伴い駆動部１０ｂであるモータ及び湾曲操作ワイヤを設けて構成しても良い。

なお、本発明に係る実施例１では、前記複数のリンク部材２１の内、先端側のリンク部材２１ａの２次元における位置と向きをポイントロックすることについて説明したが、これに限定されるものではなく、３次元における位置と向きをポイントロックするように構成しても良い。

また、本発明に係る実施例１において、マニピュレータを構成する挿入部駆動機構２０を有する湾曲部１４は、内視鏡２の挿入部９に設けられたものとして説明したが、前記湾曲部１４は内視鏡２の挿入部９を挿通させて管腔内に対する挿入部９の挿入を補助する内視鏡挿入補助具の挿入部に設けて構成しても良い。

本発明は、以上述べた実施例１、２及び変形例１、２のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明の医療用制御装置を用いて内視鏡装置として構成した場合のシステム構成図。内視鏡装置の主要構成部分の電気的な構成を示すブロック図。リンク構造の駆動機構を備えた湾曲部を有する挿入部先端側の斜視図。リンク構造の駆動機構を備えた湾曲部を有する挿入部先端側の断面図。駆動機構が湾曲操作ワイヤ、駆動用プーリ及びフリープーリで構成された湾曲部の構成を示す上面図。図５に示す湾曲部の各リンク部材間に設けられた湾曲操作ワイヤの懸架状態を示す側面図。図５の駆動軸を備えた駆動用プーリの構成を示す構成図。図５のフリープーリの構成を示す上面図。コントローラ、駆動部及び挿入部駆動機構部を有する主要部部の制御ブロック図。図９に示す前記指令制御部及びアクチュエータ制御ブロックの具体的な構成を示すブロック図。アクチュエータ制御ブロックの具体的な構成を示すブロック図。図１１のサーボ制御コントローラのブロック線図。先端部側のリンク部材が所定の先端位置及び姿勢ベクトルの状態である説明図。図１３のリンク部材の姿勢状態である場合に予想される他のリンク部材の状態を示す説明図。先端部側のリンク部材のみを独立的に姿勢制御した所定の位置及び姿勢ベクトルの状態を示す説明図。サーボ制御コントローラの概略構成を示すブロック図。図１６の制御則演算部の具体的な構成を示すブロック図。図１７のダイナミックス演算部の概略構成を示すブロック図。図１８のダイナミックス演算部の具体的な構成を示すブロック図。図１７の運動学演算部の概略構成を示すブロック図。図２０の運動学演算部の具体的な構成を示すブロック図。挿入部の挿入時に伴う挿入部の物理的な特性を示す説明図。先端側のリンクを固定した場合の他のリンク部材の姿勢状態を示す説明図。最適な関節トルク指令値信号を得るための係数である重み関数の一例を示すグラフ。重み関数の変形例１の特性を示すグラフ。重み関数の変形例２の特性を示すグラフ。重み関数の変形例３の特性を示すグラフ。重み関数の変形例４の特性を示すグラフ。重み関数の変形例５の特性を示すグラフ。本発明の実施例１に係り、内視鏡装置１のコントローラ５の具体的な構成を示すブロック図。いる。さらに、図３９は本実施例の各アクチュエータ制御ブロック内のサーボ制御コントローラの構成を示すブロック線図で挿入部駆動機構部の姿勢制御を説明するもので、先端側のリンク部材をポイントロックした状態を示す説明図。先端側のリンク部材をポイントロックすることにより次段のリンク部材が冗長性を有している状態を示す説明図。図３０のポイントロック演算部の具体的な構成を示すブロック図。図３３の逆運動学演算部の具体的な構成を示すブロック図。先端側のリンク部材のみポイントロックしたときの姿勢状態を説明する図。湾曲操作ワイヤの牽引又は弛緩によりリンク部材を湾曲動作させる場合の問題点を説明するための説明図で、複数のリンク部材が非湾曲動作時である状態を示す図。二段目のリンク部材を９０度湾曲させた時に先端側のリンク部材が干渉によって湾曲してしまう状態を示す図。負荷検出部からの検出結果と重み関数を決定する係数との特性を示すグラフ。本実施例のコントローラによって図３７に示す状態から先端側のリンク部材を９０度逆方向に補正制御した状態を示す図。本発明の実施例２に係り、実施例２の内視鏡装置全体の構成を示す構成図。コントローラにより湾曲駆動されたときの湾曲部の特性を説明する説明図。実施例２のコントローラによって剛性制御されたときの湾曲部の特性を説明する説明図。実施例２の変形例１に係り、変形例１の内視鏡装置全体の構成を示す構成図。変形例１のサーボ制御コントローラ内の具体的な構成を示すブロック図。変形例１のコントローラによって剛性制御されたときの湾曲部の特性を説明する説明図。図４４の湾曲用制御部を示すブロック線図。図４７は図４４の剛性制御用制御部を示すブロック線図。実施例２の変形例２に係り、変形例２の内視鏡装置全体の構成を示す構成図。変形例２のコントローラによって剛性制御されたときの湾曲部の特性を説明する説明図。変形例２の作用を説明するための作用原理図。変形例２の制御部を示すブロック線図。

符号の説明

１…内視鏡装置、
２…内視鏡、
３…光源装置、
４…ビデオプロセッサ、
５…コントローラ、
６…モニタ、
５Ａ…指令制御部、
７…操作指令部、
７Ａ…剛性設定ダイアル、
７ａ…ジョイスティック、
８…設定値指令部、
９…挿入部、
１０…操作部、
１０ｂ…駆動部、
１３…先端部、
１４…湾曲部、
２０…挿入部駆動機構（マニピュレータ）、
２０ａ〜２０ｎ…関節部材、
２１ａ〜２１ｎ…リンク部材、
２７ａ、２７ｂ…モータ、
３０Ａ〜３０Ｄ、３０ａ〜３０ｆ…湾曲操作ワイヤ、
３１…アクチュエータ制御ブロック、
３１ａ〜３１ｎ…アクチュエータ制御ブロック、
３６Ａ…サーボ制御コントローラ、
３６Ｂ…制御則演算部、
３７…制御指令値出力部、
３７ａ…ドライバ、
３８…センサ、
３９…信号入力部、
３９ａ…検知部、
４０…ＰＤ制御部、
４１…運動学演算部、
４２…制御演算部、
４３…ダイナミックス演算部、
４４…順運動学演算部、
４５、４６…時間微分演算部、
４７…ヤコビアン演算部、
４８…疑似逆行列演算部、
４９…ヤコビアン零空間演算部、
５０…ポイントロック演算部、
５０Ａ〜５０Ｃ…ポイントロック演算部、
５１…先端リンク根元座標位置計算部、
５２…逆運動学演算部、
５３…機構パラメータ演算部、
５４…順運動学演算部、
５５…ヤコビアン演算部、
５６…アンプ、
５７…行列演算部、
５８…積分回路、
６０、６０Ａ、６０Ｂ…位置指令変化量補正部、
６１ａ、６１ｂ…ギア
６２ａ、６２ｂ…スプロケット、
６３ａ、６３ｂ…テンションセンサ、
６４…切替部、
７０…モード判別部、
７１…ＰＩＤ制御部、
７２…Ｐ制御部。

Claims

被検体内に挿入される挿入部の先端側に、複数の湾曲操作ワイヤにそれぞれ連結される複数のリンク部材がそれぞれ回動自在に連設された湾曲部を有する医療用具と、
前記湾曲操作ワイヤのそれぞれを牽引又は弛緩することにより前記複数のリンク部材をそれぞれ回動させて前記湾曲部を湾曲動作させるための駆動手段と、
前記複数のリンク部材の内、前記挿入部の最も先端側のリンク部材の位置と向きを指定する指定手段と、
前記医療用具の前記湾曲部が移動したときに前記指定手段により指定された位置と向きを維持しながら前記最も先端側のリンク部材及びこのリンク部材に連なる他のリンク部材が前記位置を通過するように前記複数のリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする医療用制御装置。
被検体内に挿入される挿入部の先端側に、複数のリンク部材がそれぞれ回動自在に連設された湾曲部を有する医療用具と、
前記複数の最も先端側に位置するリンク部材に連結される少なくとも１本の湾曲操作ワイヤと、
前記湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩することにより前記複数のリンク部材を回動させて前記湾曲部を湾曲動作させるための駆動手段と、
前記複数のリンク部材の内、前記挿入部の最も先端側のリンク部材の位置と向きを指定する指定手段と、
前記医療用具の前記湾曲部が移動したときに前記指定手段により指定された位置と向きを維持しながら、前記最も先端側のリンク部材及びこのリンク部材に連なる他のリンク部材が前記位置を通過するように前記複数のリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする医療用制御装置。
前記複数のリンク部材が互いになす角度及びその角度の変化量を検出する検出手段を有し、
前記制御手段は、前記検出手段による検出結果を用いて、前記複数のリンク部材における隣り合うリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の医療用制御装置。
前記制御手段は、前記最も先端側のリンク部材が前記指定手段により指定された向きに対して異なる向きに変化したときに、前記検出手段による検出結果を用いて、前記最も先端側のリンク部材の前記変化した向きとは逆方向に変化した量だけ回動するように前記最も先端側のリンク部材に連なる複数のリンク部材における隣り合うリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の医療用制御装置。
前記複数の湾曲操作ワイヤは、前記湾曲部を少なくとも２方向にそれぞれ湾曲動作させるための第１、及び第２の湾曲操作ワイヤを有し、
前記制御手段は、前記湾曲部の前記２方向における湾曲動作後に、前記第１の湾曲操作ワイヤを牽引する力量と、前記第２の湾曲操作ワイヤを牽引する力量とが同じになるように前記駆動手段を制御することにより、前記湾曲部に剛性を生じさせることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の医療用制御装置。
前記医療用具は、前記挿入部の先端側に前記湾曲部を有する内視鏡であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の医療用制御装置。