JP7019847B2 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数の軸に対応して複数のサーボモータを有するロボットを複数備える医療用マニピュレータシステムに関する。

従来、産業用ロボットでは６軸のサーボ制御が一般的である。このような産業用ロボット等の機械装置を対象として、例えば特許文献１に記載のサーボモータ制御システムは、制御装置と複数のサーボアンプをシリアルバスで接続し、サーボアンプに接続されたサーボモータを制御するように構成されている。このシステムでは、２種類以上のシリアルバス転送方式を備えており、制御装置やサーボアンプを新しい製品に交換してもデータの送受信が可能になる。

特許第３８４１７６２号

一般に、多関節ロボットは、各軸によってサーボモータの容量が異なるため、各軸ごとにＰＷＭキャリア周波数やサーボパラメータ等のパラメータを調整する必要がある。しかし、上記特許文献１の制御装置は、各軸ごとに異なるパラメータを設定するように構成されていないため、多関節ロボットにおける複数の軸に対応して設けられる複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定には適していない。このことは、１台のロボットに限らず、複数台のロボットを備えるロボットシステムの制御装置全般に共通する課題である。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数のロボットを備える医療用マニピュレータシステムおいて、複数の軸に対応して設けられる複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定を容易に行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係る医療用マニピュレータシステムは、操作者からの操作入力を受け付ける指示装置と、先端部にそれぞれ医療器具を保持する複数のスレーブアームと、制御装置と、を備え、前記複数のスレーブアームは、それぞれ複数の関節を有しており、前記複数の関節に対応して複数のサーボモータを有するロボットであり、前記制御装置は、前記ロボットの前記複数のサーボモータのそれぞれを駆動する複数のサーボアンプと、前記複数のサーボアンプを制御する制御ユニットを有する複数のコントローラと、前記複数のコントローラの各制御ユニットと通信可能に接続され、前記指示装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って前記各制御ユニットに指令を与える上位制御ユニットと、を備え、前記各制御ユニットは、前記上位制御ユニットからの指令に基づいて、前記複数のコントローラの各々に接続されているロボットに対して、前記複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するものである。

上記構成によれば、複数のコントローラの各々に接続されているロボットに対して、各制御ユニットが、複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定した駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するので、複数のロボットを備える医療用マニピュレータシステムにおいて、複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定が容易になる。

また、前記複数のコントローラの各々は、前記複数のサーボアンプの出力端子に接続された第１コネクタを有し、前記第１コネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成されてもよい。

上記構成によれば、各コントローラのサーボアンプの出力端子に接続された第１コネクタが、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成されているので、コントローラを、いずれのロボットのコントローラとしても使用することができる。さらに、予備のコントローラを１台用意しておくだけで、いずれかのコントローラが故障した場合であっても、交換作業が容易である。

更に、前記医療用マニピュレータシステムが、コイルと、前記コイルの一端に接続され、前記第１コネクタに接続可能に構成された接続部と、前記コイルの他端に接続された第２のコネクタと、を更に備え、前記第２のコネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成されていてもよい。

例えば医療ロボットでは、出力の大きなサーボモータ（例えば４００Ｗ）も出力の小さなサーボモータ（例えば５Ｗ）も使用する。出力が大きいサーボモータをＰＷＭ制御する場合、ＰＷＭキャリア周波数が比較的低い場合（例えば８ｋＨｚ）であっても、リップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルである。一方、出力が小さなサーボモータをリップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルで駆動するためには、ＰＷＭキャリア周波数を１００ｋＨｚ以上にする必要があるが、モータ駆動素子の発熱や、演算処理機能の処理速度などの制約があり、そこまで周波数を上げることはできない。

そこで、上記構成によれば、サーボモータの出力が比較的小さい場合には、コイルの一端に接続された接続部を、サーボアンプの出力端子に接続された第１コネクタに接続するとともに、コイルの他端に接続された第２のコネクタにより、サーボモータのコネクタに接続する。これにより、サーボアンプの出力端子とサーボモータの入力端子との間にコイルが直列に接続されるので、サーボモータのインダクタンスにコイルのインダクタンスが加算され、リップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルでサーボモータを好適に駆動することができる。

尚、接続部は、コイルの一端に接続されたコネクタを含み、当該コネクタに接続されたケーブルを介して、第１コネクタに接続されるように構成されてもよい。

前記医療用マニピュレータシステムが、前記スレーブアームを保持するアームベースと、前記アームベースを移動させるポジショナと、を備え、前記ポジショナは、複数の関節を有しており、前記複数の関節に対応して複数のサーボモータを有するロボットであってもよい。

また、前記医療用マニピュレータシステムが、操作者が前記ポジショナを操作するための操作装置を備え、前記複数のコントローラのうち、前記ポジショナに対応した一のコントローラが、前記操作装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記ポジショナの動作を制御するように構成されていてもよい。
さらに、前記医療用マニピュレータシステムが、前記複数のスレーブアーム、前記アームベースおよび前記ポジショナを含む患者側装置を備えており、前記操作装置は前記患者側装置に配置されてもよい。

尚、前記医療用マニピュレータシステムが、前記ポジショナを移動させるために車輪を有する台車を備え、前記台車は、前記車輪を駆動するためのサーボモータを有してもよい。

さらに、前記指示装置は、操作者により操作されるマスタアームを含んでもよい。
また、前記ロボットは、少なくとも７つの関節を有する多関節ロボットであってもよい。

本発明は、以上に説明した構成を有し、複数のロボットを備える医療用マニピュレータシステムおいて、複数の軸に対応して設けられる複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定を容易に行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るロボットシステムの使用風景を示す図である。 図２は、図１のロボットシステムの制御装置の構成を示したブロック図である。 図３は、図２の制御装置の初期設定時における各コントローラの設定動作の一例を示すフローチャートである。 図４は、ポジショナに接続されたコントローラの出力側の構成を示している。 図５は、スレーブアームに接続されたコントローラの出力側の構成を示している。

以下、好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。

（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係るロボットシステムの使用風景を示す図である。図１に示すように、本実施形態のロボットシステムは、例えば、ロボット支援手術やロボット遠隔手術などのように、医師などの施術者（操作者）２０３が、手術台２０２上の患者２０１に内視鏡外科手術を施す際に使用される医療用のマニピュレータシステム１００である。

マニピュレータシステム１００は、患者側システムであるスレーブマニピュレータ１と、このスレーブマニピュレータ１を操るための指示装置２とを備えている。指示装置２はスレーブマニピュレータ１から離れて配置され、スレーブマニピュレータ１は指示装置２によって遠隔操作される。施術者２０３はスレーブマニピュレータ１に行わせる動作を指示装置２に入力し、指示装置２はその動作指令をスレーブマニピュレータ１に送信する。スレーブマニピュレータ１は、指示装置２から送信された動作指令を受け取り、この動作指令に基づいてスレーブマニピュレータ１が具備する内視鏡アセンブリやインストゥルメントなどの長軸状の医療器具４を動作させる。

指示装置２は、マニピュレータシステム１００と施術者２０３とのインターフェースを構成し、スレーブマニピュレータ１を操作するための装置である。指示装置２は、手術室内に又は手術室外に配置されている。指示装置２は、施術者２０３が動作指令を入力するための操作用の一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌ、操作ペダル５２、タッチパネル５３、内視鏡アセンブリで撮影された画像を表示するモニタ５４、医師などの操作者の顔の高さ位置にモニタ５４を支持する支持アーム５５、およびタッチパネル５３が配されたバー５６等を含む。一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌの各々は、本実施形態では、７軸多関節アームとして構成される。一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌは、施術者２０３によって操作され、操作に応じて動作するように構成される。施術者２０３は、モニタ５４で患部を視認しながら、左右のマスタアーム５１Ｌ，５１Ｒおよび操作ペダル５２を操作して指示装置２に動作指令を入力する。指示装置２に入力された動作指令は、有線又は無線によりマニピュレータシステム１００の制御装置６に伝達される。スレーブマニピュレータ１は制御装置６により動作制御される。なお、制御装置６は例えばマイクロコントローラ等のコンピュータにより構成されている。制御装置６は、例えば台車７０のベース本体７０ａの内部に設置される。尚、台車７０の車輪には駆動用のサーボモータが取り付けられ、台車７０は、指示装置２により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、動作するように構成されていてもよい。

スレーブマニピュレータ１は、マニピュレータシステム１００と患者２０１とのインターフェースを構成する。スレーブマニピュレータ１は、滅菌された滅菌野である手術室内に配置されている。図１において、スレーブマニピュレータ１は、ポジショナ７と、ポジショナ７の先端部に取り付けられた長尺状のアームベース５と、アームベース５にその基端部が着脱可能に取り付けられた複数（本実施形態では４本）の多自由度のスレーブアーム３とを備えている。スレーブマニピュレータ１は複数のスレーブアーム３が折り畳まれた収納姿勢をとるように構成されている。

ポジショナ７は、本実施形態では７軸の垂直多関節形ロボットとして構成されている。ポジショナ７は、手術室の所定位置に配置された台車７０のベース本体７０ａに設けられており、アームベース５の位置を３次元的に移動させることができる。スレーブアーム３およびアームベース５は、図略の滅菌ドレープで覆われ、スレーブアーム３およびアームベース５が手術室内の滅菌野から遮蔽されている。

各スレーブアーム３は、本実施形態では、８軸多関節アームとして構成される。複数のスレーブアーム３のうちスレーブアーム３Ａの先端部には、医療器具４として、例えば取り替え用のインストゥルメント（例えば鉗子など）が保持される。スレーブアーム３Ｂの先端部には、医療器具４として、例えば鉗子などのインストゥルメントが保持される。また、スレーブアーム３Ｃの先端部には、医療器具４として、例えば内視鏡アセンブリが保持される。スレーブアーム３Ｄの先端部には、医療器具４として、例えば取り替え用の内視鏡アセンブリが保持される。各スレーブアーム３は、本実施形態では、医療器具４を駆動するための駆動ユニットを有する。

スレーブマニピュレータ１において、アームベース５は、複数のスレーブアーム３の拠点となるハブとしての機能を有している。本実施形態では、ポジショナ７およびアームベース５によって、複数のスレーブアーム３を移動可能に支持するマニピュレータアーム支持体Ｓが構成されている。

このように、マニピュレータシステム１００は、複数のロボットとして、一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌと、４本のスレーブアーム３Ａ～３Ｄと、４本のスレーブアーム３Ａ～３Ｄを保持するアームベース５を移動させるポジショナ７を備える。マニピュレータシステム１００を用いた手術準備においては、最初に、アームベース５と手術台２０２又は患者２０１とが所定の位置関係となるように、患者側システムに設けられた図示しない操作装置を助手が操作することによってポジショナ７を動作させてアームベース５の位置決めを行う。次に、患者２０１の体表に留置されたスリーブ（カニューレスリーブ）と医療器具４とが所定の初期位置関係となるように、各スレーブアーム３に設けられた図示しないアーム操作装置を助手が操作することにより各スレーブアーム３を動作させて医療器具４の位置決めを行う。そして、制御装置６は、原則としてポジショナ７を静止させた状態で、指示装置２からの動作指令に応じて、各スレーブアーム３により医療器具４を動作させて適宜変位および姿勢変化させ、施術が行われる。

次に、制御装置６の構成について図２のブロック図を用いて説明する。図２に示すように、制御装置６と、４本のスレーブアーム３Ａ～３Ｄ、一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌ、ポジショナ７の各ロボットとは、各ロボットのサーボモータＭに動力を供給するモータ動力線、エンコーダＥやその他センサからの検出信号を伝達する信号線を含んで構成されたケーブルＬ１を介して接続される。ケーブルＬ１の両端にはコネクタ９１及びコネクタ９２が設けられている。コネクタ９１は、コントローラ側のコネクタであり、コネクタ９２はモータ側のコネクタである。制御装置６は、各ロボットに含まれる複数のサーボモータＭを駆動するように構成される。また、サーボモータＭは三相であるが、相数は本発明を特に限定するものではなく、例えば単相であってもよく、動力線と信号線は別のケーブルであってもよい。

スレーブアーム３Ａには、８つの関節と駆動ユニット（医療器具４）に対応して、駆動用の１２個のサーボモータＭ１～Ｍ１２、サーボモータＭ１～Ｍ１２の回転角を検出するエンコーダＥ１～Ｅ１２、および、サーボモータＭ１～Ｍ１２の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）が設けられる。スレーブアーム３Ａ～３Ｄ先端の医療器具４（例えば鉗子など）による施術は繊細な動きが要求されるため（図１参照）、スレーブアーム３Ａ～３Ｄの１２軸のサーボモータＭ１～１２には、比較的出力の小さなサーボモータ（例えば５Ｗ）が使用される。また、その他のスレーブアーム３Ｂ～３Ｄにおいても、同様に、８つの関節と駆動ユニット（医療器具４）に対応して、駆動用の１２個のサーボモータＭ１～Ｍ１２、サーボモータＭ１～Ｍ１２の回転角を検出するエンコーダＥ１～Ｅ１２、および、サーボモータＭ１～Ｍ１２の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）が設けられる。尚、以下では、複数のサーボモータを総称してサーボモータＭと呼ぶ場合がある。複数のエンコーダを総称してエンコーダＥと呼ぶ場合がある。

ポジショナ７には、７の関節に対応して、駆動用の７個のサーボモータＭ２１～Ｍ２７、サーボモータＭ２１～Ｍ２７の回転角を検出するエンコーダＥ２１～Ｅ２７、および、サーボモータＭ２１～Ｍ２７の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）が設けられる。ポジショナ７は、４本のスレーブアーム３Ａ～３Ｄを保持するアームベース５を移動させるように構成されているため（図１参照）、ポジショナ７の７軸のサーボモータＭ２１～Ｍ２７には、比較的出力の大きなサーボモータ（例えば４００Ｗ）が使用される。

一方のマスタアーム５１Ｒには、７つの関節に対応して、駆動用の７個のサーボモータＭ３１～Ｍ３７、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の回転角を検出するエンコーダＥ３１～Ｅ３７、および、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）が設けられる。他方のマスタアーム５１Ｌにおいても、同様に、７つの関節に対応して、駆動用の７個のサーボモータＭ３１～Ｍ３７、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の回転角を検出するエンコーダＥ３１～Ｅ３７、および、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）が設けられる。一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌは施術者（操作者）２０３の両手で操作されるため（図１参照）、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌのそれぞれの先端側（操作者側）のサーボモータＭには、比較的出力の小さなサーボモータ（例えば５Ｗ）が使用される。一方、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌのそれぞれの基端側のサーボモータＭには、比較的出力の大きなサーボモータ（例えば４００Ｗ）が使用される。

制御装置６は、７つのコントローラ１１と、各コントローラ１１と通信可能に接続された上位制御ユニット１４と、を備える。各コントローラ１１は、最大１２軸のサーボモータＭのそれぞれを駆動可能な１２個のサーボアンプ１２、及び、これらのサーボアンプ１２を制御可能な制御ユニット１３を有する。各コントローラ１１は、最大１２軸のサーボモータＭをＰＷＭ制御可能に構成される。尚、各コントローラ１１の制御ユニット１３及び上位制御ユニット１４は、コンピュータ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ等の演算処理機能およびメモリを有する装置で構成される。各機能は、各装置のメモリに格納された所定のプログラムが演算処理部としての制御ユニット１３によって実行されることによって実現される。本実施形態では、各制御ユニット１３が、例えば設定動作用のプログラム又は通常動作用のプログラムを実行することにより、各動作を実行するように構成されている。

７つのコントローラ１１の各々は、１２個のサーボアンプ１２の出力端子に接続されたコネクタ１５を有している。コネクタ１５は、複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される。

第１のコントローラ１１のコネクタ１５は、ケーブルＬ１を介して、スレーブアーム３Ａに含まれる１２軸のサーボモータＭ１～Ｍ１２のコネクタ１６Ａに接続されている。第１のコントローラ１１では、制御ユニット１３で生成される制御指令に従って、１２個のサーボアンプ１２がスレーブアーム３Ａの１２軸のサーボモータＭ１～Ｍ１２のそれぞれを駆動するように構成される。

第２～第４のコントローラ１１のコネクタ１５は、ケーブルＬ１を介して、スレーブアーム３Ｂ～３Ｄのそれぞれに含まれる１２軸のサーボモータＭ１～Ｍ１２のコネクタ１６Ｂ～１６Ｄに接続されている。第２～第４のコントローラ１１の各々においても、第１のコントローラ１１と同様に、制御ユニット１３で生成される制御指令に従って、１２個のサーボアンプ１２が、スレーブアーム３Ｂ～３Ｄの１２軸のサーボモータＭ１～Ｍ１２のそれぞれを駆動するように構成される。スレーブアーム３Ａ～３Ｄに対応した第１～第４のコントローラ１１は、通常動作においては、指示装置２により受け付けられた施術者２０３からの操作入力に従って、スレーブアーム３Ａ～３Ｄの動作を制御するように構成されている。

第５のコントローラ１１のコネクタ１５は、ケーブルＬ１を介して、ポジショナ７に含まれる７軸のサーボモータＭ２１～Ｍ２７のコネクタ１７に接続されている。第５のコントローラ１１では、制御ユニット１３で生成される制御指令に従って、７個のサーボアンプ１２が、ポジショナ７の７軸のサーボモータＭ２１～Ｍ２７のそれぞれを駆動するように構成される。ポジショナ７に対応した第５のコントローラ１１は、通常動作においては、指示装置２により受け付けられた施術者２０３からの操作入力に従って、ポジショナ７の動作を制御するように構成されている。尚、第５のコントローラ１１は、通常動作においては、指示装置２により受け付けられた施術者２０３からの操作入力に従って、残りのサーボアンプ１２により、台車７０の動作（車輪に取り付けられたサーボモータ）を制御するように構成されていてもよい。

第６のコントローラ１１のコネクタ１５は、ケーブルＬ１を介して、一方のマスタアーム５１Ｒに含まれる７軸のサーボモータＭ３１～Ｍ３７のコネクタ１８に接続されている。第６のコントローラ１１では、制御ユニット１３で生成される制御指令に従って、７個のサーボアンプ１２が、一方のマスタアーム５１Ｒの７軸のサーボモータＭ３１～３７のそれぞれを駆動するように構成される。第７のコントローラ１１のコネクタ１５は、ケーブルＬ１を介して、他方のマスタアーム５１Ｌに含まれる７軸のサーボモータＭ３１～Ｍ３７のコネクタ１８に接続されている。第７のコントローラ１１においても、制御ユニット１３で生成される制御指令に従って、７個のサーボアンプ１２が、他方のマスタアーム５１Ｌの７軸のサーボモータＭ３１～３７のそれぞれを駆動するように構成される。一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌの各々に対応した第６のコントローラ１１及び第７のコントローラ１１は、通常動作においては、施術者２０３からの操作に応じて、一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌの動作を制御するように構成されている。

上位制御ユニット１４は、各コントローラ１１との間でデータの送受信を行い、マニピュレータシステム１００全体の制御を司るように構成される。本実施形態ではマニピュレータシステム１００は、公知の並列型バイラテラル制御方式によって制御される。ここではマニピュレータシステム１００は、例えば施術者２０３によってマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌに付与される操作力を検出可能な力覚センサ（図示せず）と、医療器具４に付与される反力を検出可能な力覚センサ（図示せず）を備える。上位制御ユニット１４は、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌに付与された操作力と医療器具４に付与された反力に基づいて、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌの動作指令を生成するとともに、スレーブアーム３Ａ～３Ｄの動作指令を生成する。第６のコントローラ１１及び第７のコントローラ１１は、上位制御ユニット１４によって生成されたマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌの動作指令に基づいて、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌを制御するように構成される。第１のコントローラ１１～第４のコントローラ１１は、上位制御ユニット１４によって生成されたスレーブアーム３Ａ～３Ｄの動作指令に基づいて、スレーブアーム３Ａ～３Ｄを制御するように構成される。これにより、制御装置６は、通常動作においては、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌ（指示装置２）からの動作指令に応じて、各スレーブアーム３Ａ～３Ｄにより医療器具４を動作させて適宜変位および姿勢変化させることができる。

次に、制御装置６の初期設定時における各コントローラ１１の設定動作の一例について図３のフローチャートを用いて説明する。尚、各コントローラ１１（メモリ）には予め、設定動作用のプログラムが格納されており、本実施形態では、コントローラ１１は、設定動作用のプログラムを実行することにより、設定動作を実行するように構成されている。このため、設定動作は全てのコントローラ１１で共通である。ここでは便宜上、例えばポジショナ７（図２参照）に接続されている第５のコントローラ１１の設定動作についてのみ説明する。図４は、第５のコントローラ１１の出力側の構成を示す図である。

まず、制御ユニット１３と上位制御ユニット１４との間で通信経路が確立される（図３のステップＳ１１）。このとき、上位制御ユニット１４は、メモリから、ポジショナ７の７軸のサーボモータＭ２１～２７のそれぞれを駆動する７つのサーボアンプ１２の設定のためのパラメータを読み出し、第５のコントローラ１１に送信する。尚、本実施形態では、上位制御ユニット１４のメモリ（図示せず）には、各コントローラ１１に接続された各ロボットの通常動作用プログラムが予め格納されており、ここでは上位制御ユニット１４はポジショナ７の通常動作用のプログラムをメモリから読みだして、パラメータとともに第５のコントローラ１１に送信する。

次に、制御ユニット１３は、上位制御ユニット１４からサーボアンプ１２の設定のためのパラメータを受信する（図３のステップＳ１２）。サーボアンプ１２の設定のためのパラメータは、サーボモータの数、サーボモータの出力（容量）、各軸ごとにＰＷＭキャリア周波数、サーボパラメータ等のその他のパラメータを含む。尚、サーボアンプ１２は、サーボ調整の容易化のためにオートチューニングが行われるように構成され、サーボアンプ１２のパラメータには、各軸ごとに行われるオートチューニングに必要な情報を含んでもよい。オートチューニングでは、まず各軸の負荷状況から移動させるワークの重さであるイナーシャを自動で推定し、応答性設定の値を増減させることで、関連するサーボパラメータが一括して自動調整される。

制御ユニット１３は、上位制御ユニット１４から受信した指令に基づいて、サーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ１２のパラメータを設定する（図３のステップＳ１３）。ここでは、制御ユニット１３は、ポジショナ７の４軸のサーボモータＭ２１～２４を駆動するサーボアンプ１２のパラメータを設定する。ポジショナ７は、４本のスレーブアーム３Ａ～３Ｄを保持するアームベース５を移動させるように構成されているため（図１参照）、ポジショナ７の４軸のサーボモータＭ２１～２４には、比較的出力の大きなサーボモータ（例えば４００Ｗ）が使用される。ＰＷＭキャリア周波数は例えば２０ｋＨｚに設定される。

尚、その他のコントローラ１１においても、同様に、各々に接続されているロボットに応じて、各制御ユニット１３が、複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ１２のパラメータを設定する。その後、各コントローラ１１において、通常動作用プログラムが実行され、マニピュレータシステム１００の通常の動作が開始される（図３のステップＳ１４）。

本実施形態によれば、マニピュレータシステム１００において、各制御ユニット１３が、設定動作時（設定動作用プログラムの実行時）において、上位制御ユニット１４からの指令に基づいて、サーボモータの駆動数を決定し、決定した駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ１２のパラメータを設定するので、サーボアンプ１２の設定を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、各コントローラ１１において１２個のサーボアンプ１２の出力端子に接続されたコネクタ１５が、複数のロボット（図２の３Ａ～３Ｄ，７，５１，５１）のうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタ１６Ａ～１６Ｄ，１７，１８，１８にも適合可能に構成されているので（図２参照）、コントローラ１１を、いずれのロボットのコントローラ１１としても使用することができる。更に、予備のコントローラを１台用意しておくだけで、いずれかのコントローラが故障した場合であっても、交換作業が容易である。尚、上記コントローラ１１の設定動作は、制御装置６の初期設定の場合に限らず、一のコントローラ１１だけ交換された場合であっても同様である。

図４は、ポジショナ７の７軸のサーボモータＭ２１～２７に接続された第５のコントローラ１１の出力側の構成を示している。図４に示すように、コントローラ１１は、１２個のサーボアンプ１２の出力端子に接続されたコネクタ１５と、コイル９７と、コイル９７の一端に接続されたコネクタ１９と、コイル９７の他端に接続されたコネクタ１５Ａと、を備える。コントローラ１１のコネクタ１５は、ケーブルＬ１を介して、ポジショナ７に含まれる７軸のサーボモータＭ２１～Ｍ２７のコネクタ１７に接続されている。ポジショナ７の７軸のサーボモータＭ２１～２７には、比較的出力の大きなサーボモータ（例えば４００Ｗ）が使用される。ここでＰＷＭキャリア周波数を比較的低く設定した場合（例えば８ｋＨｚ）ではリップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルであるが、騒音回避のためにその周波数を、可聴周波数を超える程度（例えば２０ｋＨｚ）にしている。コイル９７は、各コントローラ１１の内部に設けられている。コネクタ１５Ａは、複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される。

図５は、スレーブアーム３Ａの１２軸のサーボモータＭ１～１２に接続された第１のコントローラ１１の出力側の構成を示している。スレーブアーム３Ａの１２軸のサーボモータＭ１～１２には、比較的出力の小さなサーボモータ（例えば５Ｗ）が使用される。このように出力が小さなサーボモータＭ１～１２をリップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルで駆動するためには、ＰＷＭキャリア周波数を１００ｋＨｚ以上にする必要があるが、モータ駆動素子の発熱や、演算処理機能の処理速度などの制約があり、そこまで周波数を上げることはできない。

そこで、図５では、コイル９７の一端に接続されたコネクタ１９を、ケーブルＬ２を介して、コネクタ１５に接続する。ケーブルＬ２の両端にはコネクタ９３及びコネクタ９４が設けられている。コネクタ９３は、コントローラ側のコネクタであり、コネクタ９４はコイル側のコネクタである。一方、コイル９７の他端に接続されたコネクタ１５Ａを、ケーブルＬ１を介して、サーボモータＭ１～Ｍ１２のコネクタ１６Ａに接続する。これにより、１２個のサーボアンプ１２の出力端子とサーボモータＭ１～Ｍ１２の入力端子との間にコイル９７が直列に接続されるので、サーボモータＭ１～Ｍ１２のインダクタンスにコイル９７のインダクタンスが加算され、リップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルでサーボモータを好適に駆動することができる。

尚、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌのそれぞれの先端側（操作者側）のサーボモータＭには、比較的出力の小さなサーボモータ（例えば５Ｗ）が使用され、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌのそれぞれの基端側のサーボモータＭには、比較的出力の大きなサーボモータ（例えば４００Ｗ）が使用される。つまり、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌでは各軸によってサーボモータの容量の違いが顕著である。この場合は、第６のコントローラ１１及び第７のコントローラ１１において、マスタアーム５１Ｒ，５１Ｌのそれぞれの先端側に位置する比較的出力の小さなサーボモータのみを、コイル９７に接続するように構成されていてもよい。

尚、本実施形態では、コイル９７は、各コントローラ１１の内部に設けられていたが、制御装置６がコイル９７を備えていれば、各コントローラ１１の外部に設けられていてもよい。また、コイル９７は、コイル９７の一端に接続されたコネクタ１９と、ケーブルＬ２を介して、コネクタ１５に接続されるように構成されたが、例えばジャンパー線を介してコネクタ１５に接続されてもよい。

尚、本実施形態のマニピュレータシステム１００は、並列型バイラテラル制御方式によって制御されたが、これに限られない。

（その他の実施形態）
尚、本実施形態では、複数のコントローラ１１の各制御ユニット１３が、上位制御ユニット１４からの指令に基づいて、複数のサーボモータＭの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ１２のパラメータを設定するように構成されていたが（図３参照）、複数のコントローラ１１の各々に接続されているロボットに応じて、各制御ユニット１３がパラメータを設定する構成であれば、これに限られない。例えばサーボアンプ１２のパラメータを設定するための情報を各コントローラ１１に直接入力可能な構成を備えていてもよいし、外部から（例えばロボット側から）読み込み可能な構成を備えていてもよい。

尚、本実施形態のロボットシステムは、７台のロボット（コントローラ）を備えたが、複数台のロボットを備えた構成であれば、これに限られるものではない。

また、本実施形態のロボットシステムは、一対のマスタアーム５１Ｒ，５１Ｌにより複数のスレーブアーム３が遠隔操作されるマスタ・スレーブ式のマニピュレータシステム１００で構成されたが、複数のサーボモータを有するロボットを複数備えるロボットシステムであればよい。例えば半導体処理設備において、基板搬送用の水平多関節型ロボットを複数備えたロボットシステムでもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、複数のサーボモータを有するロボットを複数備える医療用マニピュレータシステムにおいて有用である。

１ スレーブマニピュレータ
２ 指示装置
３ スレーブアーム
４ 医療器具
５ アームベース
６ 制御装置
７ ポジショナ
１１ コントローラ
１２ サーボアンプ
１３ 制御ユニット
１４ 上位制御ユニット
１５ コントローラのモータ側コネクタ（第１コネクタ）
１５Ａ コントローラのモータ側コネクタ（第２コネクタ）
１６Ａ～１６Ｄ サーボモータのコネクタ（スレーブアーム）
１７ サーボモータのコネクタ（ポジショナ）
１８ サーボモータのコネクタ（マスタアーム）
１９ コントローラのコイル用コネクタ
５１Ｒ、５１Ｌ マスタアーム
９１ モータ用ケーブルのコントローラ側コネクタ
９２ モータ用ケーブルのモータ側コネクタ
９３ コイル用ケーブルのコントローラ側コネクタ
９４ コイル用ケーブルのコイル側コネクタ
９７ コイル
１００ 医療用マニピュレータシステム（ロボットシステム）
Ｍ１～Ｍ１２，Ｍ２１～Ｍ２７，Ｍ３１～Ｍ３７ サーボモータ
Ｅ１～Ｅ１２，Ｅ２１～Ｅ２７，Ｅ３１～Ｅ３７ エンコーダ
Ｌ１ ケーブル（モータ接続用）
Ｌ２ ケーブル（コイル接続用）

Claims (9)

1. 医療用マニピュレータシステムであって、
   操作者からの操作入力を受け付ける指示装置と、
   先端部にそれぞれ医療器具を保持する複数のスレーブアームと、
   制御装置と、を備え、
   前記複数のスレーブアームは、それぞれ複数の関節を有しており、前記複数の関節に対応して複数のサーボモータを有するロボットであり、
   前記制御装置は、前記ロボットの前記複数のサーボモータのそれぞれを駆動する複数のサーボアンプと、前記複数のサーボアンプを制御する制御ユニットを有する複数のコントローラと、前記複数のコントローラの各制御ユニットと通信可能に接続され、前記指示装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って前記各制御ユニットに指令を与える上位制御ユニットと、を備え、
   前記各制御ユニットは、前記上位制御ユニットからの指令に基づいて、前記複数のコントローラの各々に接続されているロボットに対して、前記複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するように構成されている、医療用マニピュレータシステム。
2. 前記複数のコントローラの各々は、
   前記複数のサーボアンプの出力端子に接続された第１コネクタを有し、
   前記第１コネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される、請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
3. コイルと、
   前記コイルの一端に接続され、前記第１コネクタに接続可能に構成された接続部と、
   前記コイルの他端に接続された第２のコネクタと、を更に備え、
   前記第２のコネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される、請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。
4. 前記スレーブアームを保持するアームベースと、
   前記アームベースを移動させるポジショナと、を備え、
   前記ポジショナは、複数の関節を有しており、前記複数の関節に対応して複数のサーボモータを有するロボットである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の医療用マニピュレータシステム。
5. 操作者が前記ポジショナを操作するための操作装置を備え、
   前記複数のコントローラのうち、前記ポジショナに対応した一のコントローラが、前記操作装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記ポジショナの動作を制御するように構成される、請求項４に記載の医療用マニピュレータシステム。
6. 前記複数のスレーブアーム、前記アームベースおよび前記ポジショナを含む患者側装置を備えており、
   前記操作装置は前記患者側装置に配置される、請求項５に記載の医療用マニピュレータシステム。
7. 前記ポジショナを移動させるために車輪を有する台車を備え、
   前記台車は、前記車輪を駆動するためのサーボモータを有する、請求項５又は６に記載の医療用マニピュレータシステム。
8. 前記指示装置は、操作者により操作されるマスタアームを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の医療用マニピュレータシステム。
9. 前記ロボットは、少なくとも７つの関節を有する多関節ロボットである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の医療用マニピュレータシステム。

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