JP5702026B2 - 電動内視鏡 - Google Patents

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Description

本発明は駆動対象を回転駆動する駆動部を備えた電動内視鏡に関する。
近年、内視鏡は医療用分野及び工業用分野において広く用いられている。特に医療用分野においては、術者が内視鏡を把持して治療のための処置等を行う場合、操作し易いものが望まれる。
例えば、第１の従来例としての日本国特開２００７−３７５６４号公報には、挿入部の先端部に設けた振動子収納部内に回転駆動される超音波振動子を収納し、この超音波振動子を挿入部内を挿通されたフレキシブルシャフトを介して操作部内に設けたモータにより、回転駆動することにより、超音波振動子により超音波をラジアル走査することができるようにしている。また、超音波振動子の基端付近にエンコーダを設け、このエンコーダによりフレキシブルシャフトの回転遅れを検出し、回転遅れに対応することが開示されている。
また、第２の従来例としての日本国特開２００７−４４０７４号公報においては、内視鏡の処置具挿通用チャンネル内に超音波プローブを挿通可能とし、超音波プローブ内に挿通したフレキシブルシャフトの先端部に超音波振動子と取り付け、フレキシブルシャフトの後端をモータユニットに接続し、モータユニットによりフレキシブルシャフトを介して超音波振動子を回転駆動する構成を開示している。また、フレキシブルシャフトの先端に設けたエンコーダによりフレキシブルシャフトの先端の回転位置を高精度で検出し、精細なラジアル走査の超音波断層画像を得ることを開示している。
しかしながら、第１の従来例及び第２の従来例においては、フレキシブルシャフトのような回転駆動力の伝達部材の先端側に、回転駆動される回転駆動対象の回転を検出するセンサを設けることが必要になり、構造が複雑になると共に、コストが嵩む欠点がある。
このため、伝達部材の先端側にセンサを設けることを不要とし、センサを用いることなく、伝達部材の先端側の回転状態を推定し、推定された回転状態の情報を使用して、フィードバック制御に反映させることで回転遅れを低減できる電動内視鏡が望まれる。
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、伝達部材の先端側にセンサを設けることを不要とし、伝達部材の基端部に対する先端部での回転遅れを低減できる電動内視鏡を提供することを目的とする。
本発明の一態様の電動内視鏡は、回転駆動力を発生するモータと、基端部が前記モータに連結され、前記回転駆動力を伝達するための、可撓性を有するトルクシャフトと、前記トルクシャフトの先端部に連結され、前記トルクシャフトを介して伝達された前記回転駆動力によって湾曲部を湾曲させるためのメカニカル連結部と、前記湾曲部の湾曲を指示する湾曲指令値を入力する入力部と、前記モータの現在の回転位置を検出する検出部と、前記湾曲指令値及び前記回転位置に基づき、前記モータの目標回転量としての回転指令値を設定する指令設定部と、前記回転指令値、前記トルクシャフトを模擬するトルクシャフト物理モデル及び前記メカニカル連結部を模擬するメカニカル連結部物理モデルに基づいて、前記先端部の回転状態が前記目標回転量の回転状態と一致するように前記モータの仮想的な回転位置を推定する推定部と、前記モータの仮想的な回転位置に基づき前記回転指令値を補正して、前記モータを制御する制御部と、を有する。
図１は本発明の第１の実施形態の電動内視鏡を備えた内視鏡装置の全体構成を示す図。 図２は図１における電動湾曲駆動部と、電動湾曲駆動部の物理モデルとしてのオブザーバモデルを有するモータコントローラとの構成部分を示す図。 図３は図２におけるオブザーバモデルの詳細な構成を示すブロック線図。 図４はトルクシャフトの形状変化により、トルクシャフトの回転速度がモータの回転速度に追従できなくなることを示す説明図。 図５は第１の実施形態の第１変形例におけるオブザーバモデルを示すブロック線図。 図６は第１の実施形態の第２変形例におけるオブザーバモデルの一部を示すブロオク線図。 図７は第１の実施形態の第３変形例における電動湾曲駆動部と、オブザーバモデルを有するモータコントローラとの構成部分を示す図。 図８はモータトルク推定値に応じて比例制御のゲインの値を可変する場合の特性例を示す図。 図９はゲインスケジューリングにより、指令値に対して応答特性を改善するための説明図。 図１０は第１の実施形態の第４変形例における外乱トルクオブザーバモデル周辺部の構成を示すブロック線図。 図１１は図２の構成においてメカカップリング部に、該メカカップリング部の回転位置を検出するセンサを設け、該センサが検出した回転位置をフィードバックしてＰＩＤ制御を行う構成を示す図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１に示すように本発明の第１の実施形態を備えた内視鏡装置１は、電動内視鏡２と、この電動内視鏡２のコネクタ３が着脱自在に接続される信号処理装置４と、信号処理装置４内の信号処理部５で生成された標準的な映像信号が入力されることにより、映像信号に対応する内視鏡画像を表示するモニタ６とから構成される。
電動内視鏡２は、被検体９の体腔内に挿入される可撓性を有する挿入部１１と、この挿入部１１の後端（基端）に設けられた操作部１２とこの操作部１２から延出される可撓性を有するユニバーサルケーブル１３とを有し、ユニバーサルケーブル１３の端部に設けたコネクタ３は、信号処理装置４のコネクタ受け１４に着脱自在に接続される。
挿入部１１は、その先端に設けられた先端部１５と、先端部１５の後端に設けられた湾曲自在の湾曲部１６と、この湾曲部１６の後端から挿入部１１の後端まで延びる可撓部１７とを有する。
先端部１５には照明窓と観察窓とが隣接して設けてあり、照明窓には照明光を出射する白色発光ダイオード（白色ＬＥＤ）１８が取り付けてあり、観察窓には対物レンズ１９が取り付けてある。
白色ＬＥＤ１８は、挿入部１１等の電動内視鏡２内を挿通された駆動線２０を介して、信号処理装置４内のＬＥＤ電源回路２１に接続され、ＬＥＤ電源回路２１から供給されるＬＥＤ電源により白色の照明光を発生し、体腔内を照明する。
照明された患部などの被写体は、対物レンズ１９によりその結像位置に配置された電荷結合素子（ＣＣＤ）２２の撮像面に光学像を結像する。
ＣＣＤ２２は、挿入部１１等の電動内視鏡２内を挿通された信号線２３を介して、信号処理装置４内の信号処理部５に接続され、信号処理部５内の図示しない駆動回路による駆動信号の印加により、ＣＣＤ２２は光電変換した撮像信号を出力する。信号処理部５内の図示しない信号処理回路は、入力される撮像信号からモニタ６に表示する標準的な映像信号を生成し、モニタ６に出力する。モニタ６の表示面には、ＣＣＤ２２により撮像された被写体の画像が内視鏡画像として表示される。なお、信号処理装置４は、コネクタ３が装着された場合、コネクタ３内に配置された後述するモータコントローラ４２に対して、動作用の電源を供給する電源回路７を有する。
また、湾曲部１６は、複数の円環形状の湾曲駒２４を有し、湾曲部１６の長手方向に隣接する湾曲駒２４は、例えば上下方向の位置に配置されたリベット２５を介して回動自在に連結されている。なお、図１においては、紙面に垂直方向が（湾曲部１６を湾曲させる場合の）上下方向であるとし、紙面内の水平方向が左右方向であるとする。
また、挿入部１１内には左右方向の内壁に沿って対となる湾曲ワイヤ２６ａ，２６ｂが挿通され、湾曲部１６を牽引により湾曲させる牽引機構を構成する湾曲ワイヤ２６ａ，２６ｂの一端は先端部１５に固定され、湾曲ワイヤ２６ａ，２６ｂの他端は操作部１２内に配置されたメカニカル連結部又はメカニカルカップリング部（メカカップリング部と略記）３１を構成するスプロケット（又はプーリ）３２に巻回される。
なお、図１においては、湾曲部１６（の湾曲駒２４を上下方向の位置に配置したリベット２５により回動自在に連結して）左右方向に湾曲させる構成を示しているが、湾曲駒２４を左右方向に対しても回転自在に連結し、さらに挿入部１１内に上下方向の内壁に沿って対となる湾曲ワイヤを設けるようにしても良い。そして、前記対となる湾曲ワイヤの基端をさらに上記メカカップリング部３１とは別体のメカカップリング部（のスプロケット）に巻回することにより左右方向の他に、上下方向にも湾曲させることができる構造にすることができる。この場合には、後述するジョイスティック４３の傾倒方向等を検出するポテンショメータも左右方向の他に上下方向を検出するように２つ設けるようにすれば良い。
メカカップリング部３１は、このメカカップリング部３１の基端に設けたトルクシャフト３３に連結されるジョイント３４と、ジョイント３４に連結したギア３５ａとスプロケット３２に連結した（ギア３５ａに噛合する）ギア３５ｂと、スプロケット３２とからなる。
メカカップリング部３１の基端は、ユニバーサルケーブル１３内を挿通された可撓性を有する駆動力の伝達部材としてのトルクシャフト３３を介してコネクタ３内に配置された電気的な駆動部を構成するギアードモータ３６に連結される。
ギアードモータ３６は、モータ３７と、このモータ３７の回転軸３７ａに連結されたギア３８とからなる。以下、ギアードモータ３６をモータ３６と略記し、モータ３７をモータ本体３７と記す。
モータ３６の回転軸３４ａにトルクシャフト３３の基端部３３ａが連結され、トルクシャフト３３はその基端部３３ａが連結されたモータ３６の回転駆動力（トルク）を先端部３３ｂに伝達し、先端部３３ｂに連結されたメカカップリング部３１のスプロケット３２を回転させる。
つまり、トルクシャフト３３は、基端部３３ａが駆動部を構成するモータ３６の回転軸３４ａに連結される駆動軸を有し、先端部３３ｂが駆動対象としてのメカカップリング部３１に連結され、前記駆動軸の回りに回転して、回転駆動力を前記駆動部から前記駆動対象へ伝達する伝達部材を形成する。
トルクシャフト３３は、図１において示すように可撓性を有する外装チューブ３３ｃと、その内側に配置され、回転駆動力を伝達する可撓性の密巻きコイル（又は密巻き状螺旋体）３３ｄとを備える。この密巻きコイル３３ｄは、その長手方向が上記駆動軸を形成する。なお、密巻きコイル３３ｄをトルクシャフト３３と定義しても良い。
そして、トルクシャフト３３を介してスプロケット３２を、例えば矢印で示す方向に回転させることにより、対の湾曲ワイヤ２６ａ，２６ｂの一方（この場合には湾曲ワイヤ２６ｂ）を牽引し、他方を弛緩させて、牽引した湾曲ワイヤ２６ｂ側に湾曲部１６を湾曲させることができる。スプロケット３２を逆方向に回転させると、湾曲ワイヤ２６ａ側に湾曲部１６を湾曲させることができる。
モータ３６と、トルクシャフト３３と、メカカップリング部３１とにより牽引機構を介して湾曲部１６を湾曲させる電動湾曲駆動部３９が構成される。
またコネクタ３内には、モータ３６（のモータ本体３７）を回転駆動させる場合の動作をＰＩＤ制御で行うＰＩＤコントローラ（又はＰＩＤ制御コントローラ）４１を備えたモータコントローラ４２が配置されている。なお、ＰＩＤコントローラ４１は、具体的には図７に示す構成を用いることができる。但し、本実施形態においては図７におけるモータトルク推定値ＰｔをＰＩＤコントローラ４１に入力して、ブロック９３のゲインを可変制御する機能を有しない。このため、図７におけるＰＩＤコントローラ４１において、ブロック９３のゲインを一定にした構成となる。つまり、指令設定部４５からの指令値と、オブザーバモデル４８からの位置情報とは、ＰＩＤコントローラ４１のサムのブロック９１に入力され、ブロック９１は、前者から後者を減算してＰＩＤコントローラ本体９２に出力する。
ＰＩＤコントローラ本体９２は、比例制御を行う可変ゲインのブロック９３と、積分制御を行う１／ｓの積分演算のブロック９４ａ及びブロック９４ａに直列に設けられたゲインＫｉのブロック９４ｂと、微分制御を行う時間微分演算のブロック９５ａ及びブロック９５ａに直列に設けられたゲインＫｄのブロック９５ｂとを有する。これら３つの出力値はサムのブロック９６で加算されて、出力端ＣＭＤから電動湾曲駆動部３９のモータ３６及びオブザーバモデル４８に出力される。
また、操作部１２には、ユーザが湾曲部１６を湾曲させる場合の湾曲指令値（単に指令値とも言う）の指示入力をスティックの傾倒操作で行う入力部を形成するジョイスティック４３が設けられている。このジョイスティック４３の基端には、（左右方向に対する）傾倒方向と傾倒操作量を検出する例えばポテンショメータ４３ａが設けてあり、ポテンショメータ４３ａは傾倒方向と傾倒操作量に対応した湾曲指令値となる信号をユニバーサルケーブル１３内の信号線４４を介してモータコントローラ４２の指令設定部４５に出力する。
また、モータ３６には、モータ本体３７の回転軸３７ａ（又はギア３８）の回転角を検出する検出部としてのモータエンコーダ４６が設けられ、モータエンコーダ４６はモータ３６の回転状態における回転角の情報を回転情報として検出し、検出した回転情報を指令設定部４５に出力する。
指令設定部４５は、入力部を構成するポテンショメータ４３ａにより検出される湾曲指令値に対応するモータ３６の回転目標値に変換した値から、モータエンコーダ４６により検出された現在のモータ３６の回転角（回転位置）を減算した値を暫定的な目標回転量としての回転指令値に設定してＰＩＤコントローラ４１に出力する。
ＰＩＤコントローラ４１は、指令設定部４５から入力される回転指令値から駆動部を構成するモータ３６を回転駆動する駆動指令値となる電圧値をモータ本体３７に印加してＰＩＤ制御を行う。つまり、指令設定部４５は、駆動部に対して暫定的な目標回転量の回転指令値をＰＩＤコントローラ４１に入力する。換言すると、ＰＩＤコントローラ４１の指令設定部４５からの回転指令値が入力される参照入力端Ｒｅｆ（図３参照）は、目標回転量を指示する入力部に対して、暫定的（現時点における）目標回転量に指示する暫定的な入力部を構成する。暫定的な入力部は、検出部を構成するモータエンコーダ４６により検出された現在のモータ３６の回転角の値に応じて回転指令値が変化する。これに対して、ジョイスティック４３により構成される入力部は、ユーザから指示されたモータ３６の目標回転量となる指令値である。そして、制御部を構成するモータコントローラ４２は、モータ３６の回転状態に応じて暫定的な目標回転量を変えて、目標回転量に一致するように制御する。
また、本実施形態におけるモータコントローラ４２は、モータ３６と、トルクシャフト３３と，メカカップリング部３１とを模擬した、つまり電動湾曲駆動部３９を模擬した物理モデルとしてのオブザーバモデル（図１ではＯＭと略記）４８を備える。
そして、モータコントローラ４２は、モータエンコーダ４６によるモータ３６の回転状態における回転情報と、トルクシャフト３３の基端部３３ａへの回転入力に対してその先端部３３ｂにおける回転状態を示す物理モデルとしてのオブザーバモデル４８に基づき、前記先端部３３ｂにおける回転状態（回転位置、回転速度）を推定する推定部４９を備える。なお、トルクシャフト３３の先端部３３ｂの回転位置の推定値は、メカカップリング部３１の回転位置の推定値ともなる。
図２は図１におけるモータコントローラ４２及び電動湾曲駆動部３９の構成を示す。図２に示すように本実施形態においてはモータコントローラ４２のＰＩＤコントローラ４１の駆動指令値は、実システムとなる電動湾曲駆動部３９のモータ３６に出力されると共に、この実システムを電気的に模擬（シミュレート）する物理モデルとしてのオブザーバモデル４８に出力される。
また、本実施形態においては、図２に示すようにトルクシャフト３３を基本的には摩擦要素を含むバネ５０により模擬する。
図２に示すように指令設定部４５の回転指令値はＰＩＤコントローラ４１に入力され、ＰＩＤコントローラ４１は、回転指令値に対応した駆動指令値を電動湾曲駆動部３９のモータ３６に出力すると共に、電動湾曲駆動部３９の物理モデルとしてのオブザーバモデル４８のモータ物理モデル４８ａに出力する。
オブザーバモデル４８は、モータ３６を模擬するモータ物理モデル４８ａと、トルクシャフト３３を模擬するトルクシャフト物理モデル４８ｂと，メカカップリング部３１模擬するメカカップリング部物理モデル４８ｃとから構成される。なお、図１の推定部４９は、トルクシャフト物理モデル４８ｂと，メカカップリング部物理モデル４８ｃとにより形成されるが、実際には図３に示すようにモータ物理モデル４８ａ、トルクシャフト物理モデル４８ｂ，メカカップリング部物理モデル４８ｃは一部が互いに入り組んだ組み合わせであるため、モータ物理モデル４８ａ、トルクシャフト物理モデル４８ｂ，メカカップリング部物理モデル４８ｃにより構成されると見なすこともできる。
図３はオブザーバモデル４８の詳細を示す。なお、図３はオブザーバモデル４８と共に、推定部４９も入り組んだ状態となる。換言すると、図３は、オブザーバモデル４８と推定部４９を含むブロック構成となる。
ＰＩＤコントローラ４１の参照入力端Ｒｅｆには、指令設定部４５からの回転指令値が入力され、指令出力端ＣＭＤから駆動指令値（電圧値）を、モータ物理モデルを構成するサム（加減算器）のブロック５１に出力する。サムのブロック５１は＋（プラス）の入力信号を加算、−（マイナス）の入力信号を減算して出力する。
ブロック５１は、入力される電圧値からモータ本体３７による誘起電圧定数（Ｂｅｍｆ）のブロック５９による誘起電圧定数で乗算した出力値を減算してモータ３６の電気的特性を表すブロック５２に出力する。ブロック５２は、ラプラス演算子をｓとし、入力される電圧値に対して１／（Ｌｓ＋Ｒ）の演算を行って、電流値に変換してモータ３６のトルク定数Ｋｔのゲインで乗算するブロック５３に出力する。なお、Ｌ及びＲは、モータ本体３７を駆動する場合のインダクタンス及び抵抗成分を表す。
ブロック５３は、入力される電流値からモータ３６のトルク値に変換してサムのブロック５４に出力する。ブロック５４は、ブロック５３の出力値からサムのブロック６２の出力値と、トルクシャフト物理モデル４８ｂを構成する不感帯の演算を行うブロック６５の出力値を減算して、ブロック５５に出力する。ブロック６５における不感帯の特性は、実際に用いるトルクシャフト３３に対応して、該トルクシャフト３３を適切に反映する特性値に設定される。
ブロック５５は、ブロック５４の出力値をモータ３６の慣性モーメントＪｍで除算する演算を行い、このブロック５５の出力に対して１／ｓで示す積分演算を行うブロック５６を経てモータ３６の仮想的な回転速度を算出する演算が行われる。
このブロック５６の出力値は、モータ３６の仮想的な回転位置を演算するためのブロック５７と、サムのブロック５８と、ブロック５９とに出力される。ブロック５７から出力される回転位置の情報は、モータ３６の仮想的な回転位置の推定情報となり、ＰＩＤコントローラ４１のフィードバック入力端ＦＢに出力されると共に、トルクシャフト物理モデル４８ｂを構成するサムのブロック６３に出力される。
また、サムのブロック５８は、ブロック５６の出力値からブロック６９の出力値を減算した値をモータ３６の粘性定数Ｂｍｌを用いた演算を行うブロック６０と、摩擦定数で演算するブロック６１に出力する。サムのブロック６２は、両ブロック６０，６１の出力値を加算してサムのブロック５４と６６とに出力する。
トルクシャフト物理モデル４８ｂにおいては、サムのブロック６３は、ブロック５７の回転位置の情報からメカカップリング部物理モデル４８ｃを構成するブロック７０の出力値としてのメカカップリング部３１の仮想位置情報を減算した値をトルクシャフト３３の動特性に対応する（又は動特性を表す）バネ定数Ｋｓのゲインを乗算する演算をするブロック６４に出力する。
そして、このブロック６４の出力値はさらにトルクシャフト３３の不感帯の演算を行うブロック６５を経てサムのブロック６６と、ブロック５４とに出力される。サムのブロック６６は、ブロック６５の出力値と、ブロック６２の出力値とを加算した値を、メカカップリング部物理モデル４８ｃを構成するサムのブロック６７に出力する。
メカカップリング部物理モデル４８ｃにおいては、ブロック６７は、ブロック６６の出力値からサムのブロック７１の加算出力値を減算した値をメカカップリング部３１の慣性モーメントＪ１で除算する演算を行うブロック６８に出力する。
このブロック６８の出力値は、さらに１／ｓの積分演算を行うブロック６９を経てメカカップリング部３１の仮想的な回転速度（仮想回転速度）が推定される。このブロック６９の出力値は、上記ブロック５８と、１／ｓの積分演算を行うブロック７０と、メカカップリング部３１の粘性定数Ｂｍｌ２の演算を行うブロック７２とに出力される。
ブロック６９の出力値に対して１／ｓの積分演算を行うブロック７０は、メカカップリング部３１の仮想的な回転位置（仮想回転位置）を推定し、この推定値（又は仮想値）をブロック６３と、メカカップリング部３１のバネ定数Ｋｓ２の演算を行うブロック７３とに出力する。
また、ブロック７２の出力値が入力されるサムのブロック７１は、その出力値と、ブロック７３の出力値とを加算してサムのブロック６７に出力する。なお、図３における符号５１のサムのブロックから７３のブロックは、ブロクラムに従って中央演算処理装置（ＣＰＵと略記）がソフトウェア的に処理しても良いし、図３に示す各ブロックをＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等や、電子回路素子を用いてハードウェア的に構成しても良い。後述する図５、図６、図７、図１０等においても同様にソフトウェアにより構成しても良いし、ハードウェアで構成しても良い。また、図３等に示す構成において、一部のブロックを省略して簡略化した構成にしても良い。具体的には、例えば、ブロック６０とブロック６１における例えば一方のブロック６１を省略した構成にしても良い。この場合には、加算するブロック６２も削除できる。ブロック６０とブロック６１に関しての例において、簡略化した構成を説明したが、他のブロックを省略しても良い。
図３のオブザーバモデル４８は、モータ３６の回転速度の情報（具体的にはブロック５６の出力値）が、メカカップリング部３１の回転速度の情報（具体的にはブロック６９の出力値）により減算される構成要素、モータ３６の回転位置の推定情報（具体的にはブロック５７の出力値）が、メカカップリング部３１の回転位置の情報（具体的にはブロック７０の出力値）により減算される構成要素、等を含めた物理モデルにおいて、ブロック５７は、モータ３６の仮想的な回転位置の情報を推定情報として算出する。つまり、モータ３６の物理モデルを構成すると共に、推定部４９を構成するブロック５７は、モータ３６の仮想的な回転位置の情報を推定情報として算出する。
そして、推定部４９は、算出したモータ３６の仮想的な回転位置の推定情報をＰＩＤコントローラ４１にフィードバックして、参照入力端Ｒｅｆに入力される回転指令値と一致するように駆動部としてのモータ３６の回転を制御する。
具体的には、モータ３６の物理モデルの他に、トルクシャフト３３の物理モデルと、メカカップリング部３１の物理モデルを用いて、トルクシャフト３３の基端部３３ａに対する先端部３３ｂの回転遅れを、モータ３６の物理モデルにおける仮想的な回転位置の情報に反映するようにしている。つまり、ブロック５７の出力値となるモータ３６の仮想的な回転位置の推定情報は、トルクシャフト３３の基端部３３ａに対する先端部３３ｂの回転遅れが発生する状態であると、その回転遅れを反映した推定情報となり、この推定情報をフィードバックして、ＰＩＤ制御を行うことにより、回転遅れを改善することができるようにしている。
このように本実施形態の電動内視鏡２は、駆動される駆動対象としてのメカカップリング部３１と、前記駆動対象を回転駆動させる回転駆動力を発生する駆動部を構成するモータ３６（又はモータ本体３７）と、基端部が前記駆動部に連結され、先端部が前記駆動対象に連結される駆動軸を有し、前記駆動軸の回りに回転して、前記回転駆動力を前記駆動部から前記駆動対象へ伝達する可撓性を有する伝達部材としてのトルクシャフト３３と、前記駆動部の目標回転量を指示する指令値を入力する入力部としてのジョイスティック４３と、前記駆動部の回転状態における回転情報を検出する検出部としてのモータエンコーダ４６と、前記回転情報と、前記基端部への回転入力に対して前記先端部における回転状態を示す物理モデルとしてのオブザーバモデル４８に基づき、前記先端部の回転状態を反映した前記物理モデルにおける前記駆動部の回転状態を推定する推定部４９と、前記推定部４９で推定された前記物理モデルにおける前記駆動部の回転状態に基づき、前記先端部の回転状態が前記目標回転量の回転状態令と一致するように前記駆動部を制御する制御部としてのモータコントローラ４２と、を有することを特徴とする。
次に本実施形態の作用を説明する。図１に示すように電動内視鏡２を信号処理装置４に接続し、術者は操作部１２を把持して挿入部１１を被検体９の屈曲した体腔内に挿入する。挿入部１１の先端側を体腔内の深部側に挿入する場合、術者は、体腔内の屈曲に応じてジョイスティック４３の傾倒操作を行う。
本実施形態においては、モータ３６を操作部１２内でなく、コネクタ３内部に配置して、操作部１２内に配置したメカカップリング部３１をトルクシャフト３３を介して駆動する構成にしているので、術者は操作部１２を把持した場合、（モータ３６のために）重くなることなく、良好な操作性で湾曲の指示操作を行うことができる。
但し、ユニバーサルケーブル１３内に挿通したトルクシャフト３３によりモータ３６の回転駆動力を伝達するため、以下に説明するようにトルクシャフト３３への外乱負荷の大きさが変化する場合がある。
図４は図２において、ユニバーサルケーブル１３の形状変化に伴いトルクシャフト３３も形状変化し、トルクシャフト３３への外乱負荷が変化する様子の説明図を示す。例えばユニバーサルケーブル１３が比較的真っ直ぐな状態において、例えばモータ３６が回転速度ω１で回転していた場合、メカカップリング部３１も、回転速度ω１で回転する。
しかし、術者等のユーザが操作部１２を把持した状態において、挿入部１１の体腔内への挿入長を変更したような場合において、ユニバーサルケーブル１３の基端側が移動し、比較的真っ直ぐな状態から大きく屈曲されたような状態になる場合がある。
このようにユニバーサルケーブル１３が大きく屈曲されたような状態になった場合には、メカカップリング部３１が回転速度ω１で回転していた状態から、回転速度ω１より小さい回転速度ω２に低下する場合が発生する。
本実施形態においては、図２、図３（及び図４）に示したようにモータ３６、トルクシャフト３３、メカカップリング部３１をそれぞれ模擬するモータ物理モデル４８ａ、トルクシャフト物理モデル４８ｂ、メカカップリング部物理モデル４８ｃを設けている。そして、図３に示すようにトルクシャフト物理モデル４８ｂから、トルクシャフト３３の先端位置、換言するとメカカップリング部３１の仮想的な回転位置の推定値（ブロック７０の出力値）を算出して、その仮想的な回転位置の推定値や、メカカップリング部３１の仮想的な回転速度の推定値（ブロック６９の出力値）を用いて、モータ３６の指令値を補正する位置情報（ブロック５７の出力値）をＰＩＤコントローラ４１にフィードバックしている。
従って、本実施形態によれば、トルクシャフト３３の先端部３３ｂまたはメカカップリング部３１にセンサを設けないでも、トルクシャフト３３の先端部３３ｂまたはメカカップリング部３１における（トルクシャフト３３の基端部３３ａに対する）回転遅れを低減するようにモータ３６を回転駆動することができる。また、モータ３６をユーザが把持した場合、その重量が把持する場合の負荷となる操作部１２以外となる例えばコネクタ３に設けているので、良好な操作性を確保できる。
なお、本実施形態においてはメカカップリング部３１に、メカカップリング部３１の回転位置、回転速度等を検出するセンサを設けていないが、図１１に示す構成のようにメカカップリング部３１の回転位置等を検出するセンサ４７を設け、このセンサ４７の検出値をＰＩＤコントローラ４１にフィードバックして入力し、ＰＩＤコントローラ４１は、センサ４７の検出値により回転遅れを低減するようにモータ３６に対してＰＩＤ制御を行うようにしても良い。この場合のモータコントローラ４２′は、オブザーバモデル４８を有しない。
次に本実施形態の第１変形例を説明する。回転駆動力を伝達する伝達部材として用いられるトルクシャフト３３は、駆動軸としてのシャフトの長手方向に対して、（図１において示したように）密巻きコイル３３ｄを用いている。このため、モータ３６の回転方向が正転とその反対の逆転した場合とで伝達特性に差異が発生する場合がある。
このため、本変形例においては、いずれの方向に回転駆動した場合においても、湾曲の操作指令に対して、メカカップリング部３１の回転遅れを低減してより良好に応答することができるように、２つの回転方向の動特性に対応した２つのパラメータを用意し、回転方向に対応したパラメータを選択的に用いるようにする。
図５は本変形例におけるオブザーバモデル７８を示す。
このオブザーバモデル７８は、図３に示したオブザーバモデル４８において、（推定部４９を構成する）トルクシャフト物理モデル４８ｂの構成が一部変更される。
サムのブロック６３の出力値は、トルクシャフト３３の長手方向の回りにおける第１の回転方向と、この第１の回転方向の逆の第２の回転方向との場合に対応してそれぞれ設定された（第１のパラメータとしての）第１のバネ定数Ｋｓ１のゲインのブロック６４ａと，（第２のパラメータとしての）第２のバネ定数Ｋｓ２のゲインのブロック６４ｂを経た後、切替スイッチ７４を経てブロック６５に出力される。また、本変形例は、第１の回転方向と第２の回転方向とのいずれの回転方向に動作しているかを判定する動作方向判定部７５を備えている。この動作方向判定部７５は、伝達部材としてのトルクシャフト３３の回転方向を検出する回転方向検出部の機能を有する。
そして、切替スイッチ７４は、動作方向判定部７５により判定された動作方向により、動作方向が第１の回転方向の場合には、接点ａがＯＮし、動作方向が第２の回転方向の場合には、接点ｂがＯＮするように切り替えられる。
換言すると、トルクシャフト物理モデル４８ｂを備えた推定部４９は、動作方向判定部７５により判定されたトルクシャフト３３の回転方向に基づき、該トルクシャフト３３の回転方向に応じた第１のパラメータ又は第２のパラメータを選択して、該トルクシャフト３３の先端部３３ｂにおける回転状態を推定する。
なお、動作方向判定部７５は、例えば指令設定部４５の出力値から、現在のトルクシャフト３３の回転方向（動作方向）を判定する。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
本変形例によれば、第１の実施形態の作用効果を有すると共に、さらに回転方向が変化した場合にも、その回転方向の変化に対応した良好な応答特性でメカカップリング部３１を回転駆動できる。従って本変形例によれば、良好な操作性を確保して湾曲部１６を湾曲駆動することができる。なお、ユーザは、湾曲部１６を所望の湾曲方向に湾曲させるために、ジョイスティック４３のスティックを湾曲方向に対応する方向に傾倒し、傾倒する方向に対応してポテンショメータ４３ａの検出値が増加又は減少する。そして、検出値が増加する場合と減少する場合とで、モータ３６の回転軸３４ａの回転方向が逆となる。このため、湾曲指令値を指示する湾曲指示操作部（又は湾曲指示操作手段）を形成するジョイスティック４３は、駆動部を構成するモータ３６を第１の回転方向、又は該第１の回転方向と逆となる第２の回転方向に回転駆動する指示操作を行う回転方向指示操作部（又は回転方向指示操作手段）を形成すると言える。
図６は、第２変形例におけるトルクシャフト物理モデル４８ｂ周辺部の構成を示す。
第１変形例においては、動作方向に応じて、トルクシャフト３３を模擬するバネ定数を切り替えるようにしていた。
動作方向が変更されない状態、つまり所定の方向に回転している状態においても、例えば回転速度が大きい状態において回転速度を変化させた場合と、回転速度が小さい状態において回転速度を変化させた場合とで、伝達特性が変化する可能性がある。
本変形例においては、トルクシャフト３３の動特性をより忠実に反映するように、例えば動作方向の情報と、動作方向の状態における回転速度の情報とをルックアップテーブル（ＬＵＴと略記）８１に入力し、２つの入力情報から対応するバネ定数Ｋｓｉを読み出し、読み出したバネ定数Ｋｓｉでブロック６４が演算するように制御する。なお、ブロック６４は、ＬＵＴ８１から入力されるバネ定数Ｋｓｉを用いて演算を行う。
ＬＵＴ８１には、予め２つの動作方向の状態において、代表的となる複数の回転速度Ｖｉの場合において、トルクシャフト３３のバネ定数Ｋｓｉが測定され、測定されたバネ定数Ｋｓｉが２つの入力情報に対応付けて格納してある。なお、回転速度Ｖｉは、（回転方向が同じ状態において）その値が閾値未満だけ変化した場合には同じＫｓｉを読み出し、閾値以上に変化すると、Ｖｉの場合とは異なるバネ定数Ｋｓｉを読み出す。
そして、実際に電動湾曲駆動部３９を動作させる場合には、第１変形例で説明した動作方向判定部７５による動作方向の情報と、トルクシャフト３３の回転速度を検出する回転速度検出部８２の情報とがＬＵＴ８１に入力し、対応するバネ定数Ｋｓｉがブロック６４に設定される。
なお、回転速度検出部８２としては、モータエンコーダ４６により検出されるモータ３６又はモータ本体３７の回転位置（回転角）の情報から算出されるモータ３６の回転速度の情報を利用する。
その他の構成は第１の実施形態と同様である。本変形例によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を有すると共に、さらに回転方向が変化した場合や回転速度が変更された場合においても、より良好な応答特性でメカカップリング部３１を回転駆動でき、従って良好な操作性を確保して湾曲部１６を湾曲駆動することができる。
なお、本変形例において、回転速度検出部８２の情報をＬＵＴ８１に入力する代わりに、ブロック５６による出力値、つまりモータ３６の回転速度の推定値を用いるようにしても良い。
次に第１の実施形態の第３変形例を説明する。第１の実施形態において説明したようにユニバーサルケーブル１３内にトルクシャフト３３が挿通されているため、ユニバーサルケーブル１３が屈曲された場合には、屈曲されていない状態よりも外乱負荷がモータ３６（又はモータ本体３７）に作用する。
本変形例は、より精度良く電動湾曲駆動することができるようにＰＩＤコントローラ４１のゲインを外乱トルクに応じて可変制御する。換言すると、外乱トルクに応じてＰＩＤコントローラ４１のゲイン（パラメータ）を可変制御するゲインスケジューリングを行うことにより、外乱トルクが変化した場合にも電動湾曲駆動を精度良く行うことができるようにする。
図７は第３変形例における電動湾曲駆動部３９及びモータコントローラ４２の構成を示す。図７に示すように指令設定部４５からの指令値と、オブザーバモデル４８からの位置情報とは、ＰＩＤコントローラ４１のサムのブロック９１に入力され、ブロック９１は、前者から後者を減算してＰＩＤコントローラ本体９２に出力する。
ＰＩＤコントローラ本体９２は、比例制御を行う可変ゲインのブロック９３と、積分制御を行う１／ｓの積分演算のブロック９４ａ及びブロック９４ａに直列に設けられたゲインＫｉのブロック９４ｂと、微分制御を行う時間微分演算のブロック９５ａ及びブロック９５ａに直列に設けられたゲインＫｄのブロック９５ｂとを有する。これら３つの出力値はサムのブロック９６で加算されて、出力端ＣＭＤから電動湾曲駆動部３９のモータ３６及びオブザーバモデル４８に出力される。
本変形例は、例えば第１の実施形態等において、さらにオブザーバモデル４８における外乱トルクの推定値としてのモータトルク推定値Ｐｔを可変ゲインのブロック９３のゲイン制御端Ｃｇに印加し、ブロック９３のゲインＧｐを制御する。
モータトルク推定値Ｐｔとしては、例えば図３，図５におけるブロック５３の出力値を用いるようにすれば良い。また、後述する図１０に示すように外乱トルクオブザーバモデルによる推定値を用いるようにしても良い。
図８はモータトルク推定値Ｐｔの大きさに応じて、比例制御を行う可変ゲインの大きさを制御するゲインスケジューリングを示す。図８に示すようにモータトルク推定値Ｐｔの値に比例して、ブロック９３のゲインＧｐが可変設定される。
例えばモータトルク推定値Ｐｔが最も小さい値Ｐｔ１では、ゲインはＧｐ１となり、モータトルク推定値Ｐｔの増大に比例してゲインＧｐが大きくなり、モータトルク推定値Ｐｔが最も大きい値Ｐｔ２では、ゲインはＧｐ２となる。
例えば上記ゲインＧｐを固定にした場合には、指令値に対するＰＩＤ制御に用いる位置情報は、外乱トルクが小さい場合には、図９における点線で示すように良好な応答特性を確保できる。しかし、外乱トルクが大きくなると、ＰＩＤ制御に用いる位置情報は、実線で示すように指令値に対して時間的遅れが大きいものになってしまう。なお、図９において指令値を１点鎖線で示している。
そこで、本変形例においては、モータトルク推定値Ｐｔが増大した場合には、その増大に応じてゲインＧｐを大きくし、モータトルク推定値Ｐｔが増大した場合にも、モータトルク推定値Ｐｔが小さい場合と同様に良好な応答を確保できるＰＩＤ制御ができるようにゲインスケジューリングした位置情報を生成できるようにする。
本変形例は、図９において白抜きの矢印で示すように外乱トルクが変化しても応答特性を改善する。
本実施形態の第４変形例のように（駆動部としての）モータ３６のオブザーバモデルとしての物理モデルとして、図１０に示す第１の物理モデルパートを形成する外乱トルクオブザーバモデル１０１と第２の物理モデルパートを形成するブロック１０２とを用いてモータトルク推定値Ｐｔを算出するようにしても良い。
図１０においてトルクの指令値は、モータ３６の等価モデルのブロック１０２を構成する（モータ）トルク定数Ｋｔのゲインのブロック１０３に入力されると共に、外乱トルクオブザーバモデル１０１を構成する設計モータトルク定数Ｋｔｎのゲインのブロック１０７に入力される。このブロック１０７は、指令値に対するモータ３６の回転軸の出力トルクを算出する。
上記ブロック１０３の出力値は、サムのブロック１０４においてモータ３６の回転軸に負荷としての外乱ｄが作用した場合、その外乱ｄを加算して、モータ慣性モーメントＪを用いて１／Ｊｓの積算をするブロック１０５を経て回転速度の情報を生成する。なお、回転軸に負荷となる外乱ｄは、回転軸が連結されたトルクシャフト３３の駆動軸に対しても負荷として作用する。回転速度の情報は、１／ｓの積算するブロック１０６を経てモータ３６の位置情報となると共に、外乱トルクオブザーバモデル１０１を構成するモータの設計トルク定数Ｊｎ、オブザーバの極ｇとで積算するブロック１０９を経て、モータ３６の回転軸に作用する推定トルク値としてサムのブロック１０８に出力される。
この外乱トルクオブザーバモデル１０１は、以下に説明するように外乱トルク推定値Ｏｄを算出する外乱算出部１１２を有する。概略すると、モータ３７の回転軸に対して負荷となる外乱トルクとなる外乱トルク推定値Ｏｄを、モータ３７の物理モデルとなるブロック１０２、１０１（のブロック１０９）から出力される出力値としての推定トルク値と、トルク指令値の入力に対して回転軸から出力される出力トルクとしての（トルク指令値の入力を）ゲインのブロック１０７を通した出力値との差分から算出する。
サムのブロック１０８には、ブロック１０９の出力値としての推定トルク値からブロック１０７の出力値としての出力トルク値を減算して、極ｇに依存した外乱トルクを算出する。この外乱トルクはｇ／（ｓ＋ｇ）のフィルタ演算を行うブロック１１０を経てサムのブロック１１１に出力する。
サムのブロック１１１は、ブロック１１０の出力値からブロック１０９の出力値を減算してモータトルク推定値Ｐｔに相当する外乱トルク推定値Ｏｄを出力する。この外乱トルク推定値Ｏｄは、ＰＩＤコントローラ４１のブロック９３のゲイン制御端Ｃｇに印加される。
そして、この外乱トルク推定値Ｏｄにより、ＰＩＤコントローラ４１のゲインスケジューリングを行い、モータ３６の回転軸への外乱が変化した場合にも、良好な応答性を持つ状態でＰＩＤ制御を行うことができるようにする。
本変形例によれば、第３の変形例とほぼ同様の作用効果を有する。なお、上述した実施形態又は変形例を部分的に組み合わせる等して構成される実施形態等も本発明に属する。また、上述した物理モデルとしては、図３等に示したオブザーバモデル４８、７８等の構成に限定されるものでなく、簡易的なモデルにより、駆動部や、駆動部を構成するモータの回転状態を推定するものでも良い。
本出願は、２０１３年２月５日に日本国に出願された特願２０１３−２０７４６号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものとする。

Claims (10)

  1. 回転駆動力を発生するモータと、
    基端部が前記モータに連結され、前記回転駆動力を伝達するための、可撓性を有するトルクシャフトと、
    前記トルクシャフトの先端部に連結され、前記トルクシャフトを介して伝達された前記回転駆動力によって湾曲部を湾曲させるためのメカニカル連結部と、
    前記湾曲部の湾曲を指示する湾曲指令値を入力する入力部と、
    前記モータの現在の回転位置を検出する検出部と、
    前記湾曲指令値及び前記回転位置に基づき、前記モータの目標回転量としての回転指令値を設定する指令設定部と、
    前記回転指令値、前記トルクシャフトを模擬するトルクシャフト物理モデル及び前記メカニカル連結部を模擬するメカニカル連結部物理モデルに基づいて、前記先端部の回転状態が前記目標回転量の回転状態と一致するように前記モータの仮想的な回転位置を推定する推定部と、
    前記モータの仮想的な回転位置に基づき前記回転指令値を補正して、前記モータを制御する制御部と、
    を有することを特徴とする電動内視鏡。
  2. 前記トルクシャフトの回転方向を検出する回転方向検出部を有し、
    前記推定部は、前記トルクシャフト物理モデルにおいて前記トルクシャフトを前記トルクシャフトの駆動軸の回りで一方向へ回転させる際の動特性を示す第１のパラメータと、
    前記トルクシャフト物理モデルにおいて前記トルクシャフトを前記駆動軸の回りで他方向に回転させる際の動特性を示す第２のパラメータとを有し、
    前記推定部は、前記回転方向検出部により検出された前記回転方向に基づき、前記トルクシャフトの回転方向に応じて前記第１のパラメータ又は前記第２のパラメータを選択して、前記モータの先端部における回転状態を推定することを特徴とする請求項１に記載の電動内視鏡。
  3. 前記トルクシャフトの駆動軸に負荷となる外乱トルクを、前記入力部からの前記湾曲指令値の入力に対して前記モータを模擬するモータ物理モデルから出力される推定トルク値と、前記湾曲指令値の入力に対して前記駆動軸から出力される出力トルクとの差分から算出する外乱算出部を有し、
    前記制御部は、前記外乱トルクを用いて前記モータを制御することを特徴とする請求項１に記載の電動内視鏡。
  4. 更に、前記外乱トルクを用いて、前記モータを制御する前記制御部を構成するＰＩＤ制御装置のゲインを可変制御することを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の電動内視鏡。
  5. ラプラス演算子をｓ、前記モータのインダクタンス及び抵抗をそれぞれＬ及びＲとした場合、前記モータへの駆動指令値となる電圧値に対して、１／（Ｌｓ＋Ｒ）の演算を行い電流値に変換して出力する演算を行う第１のブロックと、前記第１のブロックに対して前記モータのトルク定数Ｋｔのゲインで乗算する第２のブロックと、前記第２のブロックの出力を前記モータの慣性モーメントＪｍで除算して出力する第３のブロックと、前記第３のブロックの出力を１／ｓの積分演算を行う第４のブロックと、前記第４のブロックの出力に対して、１／ｓの積分演算を行う第５のブロックとを有するモータ物理モデルをさらに備え、
    前記トルクシャフト物理モデルは、さらに前記第５のブロックの出力に対して、前記トルクシャフトの動特性に対応するバネ定数Ｋｓのゲインを乗算する演算をする第６のブロックと、前記トルクシャフトの動特性に対応する不感帯を持つ不感帯の演算処理を行う第７のブロックとを有し、
    前記メカニカル連結部物理モデルは、前記第７のブロックの出力から前記メカニカル連結部の慣性モーメントＪ１で除算する演算を行う第８のブロックと、前記第８のブロックの出力に対して１／ｓの積分演算を行う第９のブロックと、前記第９のブロックの出力に対して１／ｓの積分演算を行う第１０のブロックとを有し、
    前記推定部は、第１１のブロックによって前記２のブロックの出力から前記第７のブロックの出力を減算して前記第３のブロックに出力すると共に、第１２のブロックによって前記第５のブロックの出力から前記第１０のブロックの出力を減算して前記第６のブロックに出力することにより、前記第５のブロックから前記モータの回転位置の推定値を前記制御部に出力することを特徴とする請求項１に記載の電動内視鏡。
  6. 前記推定部は、更に第１３のブロックによって、前記第４のブロックの出力から前記第９のブロックの出力を減算し、第１４のブロックにより前記第１３のブロックの出力に対して前記モータの粘性定数Ｂｍｌ１の演算を行った出力を、前記第１１のブロックにより前記第２のブロックの出力から減算して前記第３のブロックに出力することを特徴とする請求項５に記載の電動内視鏡。
  7. 前記メカニカル連結部物理モデルは、更に前記第９のブロックの出力に対して、前記メカニカル連結部の粘性定数Ｂｍｌ２の演算をする第１５のブロックと、前記第７のブロックの出力から前記第１５のブロックの出力を減算して、前記第８のブロックに出力する第１６のブロックを有することを特徴とする請求項５に記載の電動内視鏡。
  8. 更に、前記トルクシャフトを、前記一方向に回転させる回転指示操作と、前記他方向に回転させる回転指示操作とを行う回転指示操作部を有することを特徴とする請求項２に記載の電動内視鏡。
  9. 更に、前記モータに設けられ、前記トルクシャフトの前記基端部が連結される回転軸の回転速度を検出する回転速度検出部と、
    前記トルクシャフトにおける前記駆動軸の回りの回転方向を検出する回転方向検出部と、
    前記トルクシャフト物理モデルにおける前記トルクシャフトを前記駆動軸の回りで一方向と該一方向と逆の他方向へ回転させる際の動特性を示すと共に、前記回転速度に応じて前記一方向及び他方向の動特性の変化をそれぞれ反映する複数のパラメータ値をそれぞれ含む第１及び第２のパラメータを格納した格納部と、
    を有し、
    前記推定部は、前記回転方向検出部により検出された前記回転方向と、前記回転速度検出部により検出された前記回転速度の情報に基づいて、前記格納部から前記トルクシャフトの動特性に対応する前記第１又は第２のパラメータにおけるパラメータ値を読み出し、読み出された前記パラメータ値を用いて前記先端部における回転状態を推定することを特徴とする請求項１に記載の電動内視鏡。
  10. 前記格納部は、前記第１及び第２のパラメータにおけるパラメータ値として、前記トルクシャフトの動特性に対応して複数のバネ定数を格納することを特徴とする請求項９に記載の電動内視鏡。
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