JP7147761B2 - 制御装置及び制御方法、並びにマスタ－スレーブ・システム - Google Patents

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Description

本明細書で開示する技術は、マスタ－スレーブ方式のシステムに関し、特に、マスタ－スレーブロボットの制御装置及び制御方法、並びにマスタ－スレーブ・システムに関する。
近年、多数のマスタ－スレーブロボットの開発が行なわれている（例えば、特許文献１を参照のこと）。この種のロボットは、医療分野を始め、極限環境での作業を遠隔操作する際にも用いられる。
マスタ－スレーブロボットにおいては、操作者によるマスタ側動作がスレーブ側動作にて高精度に再現されることが一般的に重要である。しかしながら、操作者が実施するタスクの中には、操作者によるマスタ側の動作を単に再現するだけでなく、ロボット側が操作者をサポート若しくはアシストすることによって、操作精度の向上やタスク処理時間の短縮につながる可能性があるものもある。このような点が、人間がマスタ－スレーブロボットを使用してタスクを実施することの利点の１つと言える。
例えば、手術中の精度を求められるようなサブタスクを自動でロボットが実施するようなシステムについて提供がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。この種のシステムによれば、センサ情報を用いて対象物と術具をトラッキングすることで、定式化されたサブタスクをロボットが自動で実施し、術者であるユーザをアシストすることが可能である。
特表２０１５－５０８６８２号公報 特表２０１５－５２７９０６号公報
本明細書で開示する技術の目的は、マスタ－スレーブ・システムの制御装置及び制御方法、並びにマスタ－スレーブ・システムを提供することにある。
本明細書で開示する技術の第１の側面は、マスタ－スレーブ・システムの操作を制御する制御装置であって、前記マスタ－スレーブ・システムの制御系に対して、前記マスタにおける所望の並進又は回転方向の操作に対応した拘束力を付与する制御部を具備する制御装置である。
前記制御部は、前記マスタの現在の位置又は姿勢と拘束すべき位置又は姿勢の参照値との差分に応じた前記拘束力を付与する。また、前記制御系は、例えばバイラテラル制御方式、又はユニラテラル制御方式により、前記マスタ－スレーブ・システムを制御する。
また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、マスタ－スレーブ・システムの操作を制御する制御方法であって、前記マスタ－スレーブ・システムの制御系に対して、前記マスタにおける所望の並進又は回転方向の操作に対応した拘束力を付与する制御ステップを有する制御方法である。
また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、マスタと、スレーブと、前記マスタによる前記スレーブの操作を制御する制御部を具備し、前記制御部は、前記マスタにおける所望の並進又は回転方向の操作に対応した拘束力を付与するマスタ－スレーブ・システムである。
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。前記マスタは、例えば、パラレルリンク構造からなる支持アーム部と、前記支持アーム部の遠位端側に配設されたグリップ部を備えている。また、前記スレーブは外力を検出する検出部を備え、前記マスタは前記検出部による検出結果に基づく力を提示する力提示部を備えている。また、前記スレーブは、多リンクアームを備え、前記多リンクアームの先端には医療用ユニットが取り付けられている。
本明細書で開示する技術によれば、マスタ－スレーブ・システムの制御装置及び制御方法、並びにマスタ－スレーブ・システムを提供することができる。
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
図１は、マスタースレーブ方式のロボット・システム１の機能構成例を示した図である。 図２は、マスタ装置１０の構成例を示した図である。 図３は、スレーブ装置２０の構成例を示した図である。 図４は、位置対称型のバイラテラル制御システム３０の機能的構成例を示した図である。 図５は、力帰還型のバイラテラル制御システム４０の機能的構成例を示した図である。 図６は、４ＣＨ型のバイラテラル制御システム５０の機能的構成例を示した図である。 図７は、拘束力を付加する機構を備えた４ＣＨ型バイラテラル制御システム７０の機能的構成を示した図である。 図８は、バイラテラル制御システム７０に対して拘束力を付加するための処理手順を示したフローチャートである。 図９は、拘束力を付加する機構を備えた４ＣＨ型バイラテラル制御システム９０の機能的構成を示した図である。 図１０は、マスタ－スレーブロボットを現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力をフィードバックするバイラテラル制御システム１００の構成例を示した図である。 図１１は、バイラテラル制御システム１００に対して現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力を付加するための処理手順を示したフローチャートである。 図１２は、本明細書で開示する技術を適用した位置対称型バイラテラル制御システム１４０の機能的構成を示した図である。 図１３は、本明細書で開示する技術を適用した力帰還型バイラテラル制御システム１４０の機能的構成を示した図である。 図１４は、本明細書で開示する技術を適用した力帰還型バイラテラル制御システム１４０の機能的構成を示した図である。 図１５は、本明細書で開示する技術を適用したユニラテラル制御システム１５０の機能的構成を示した図である。 図１６は、本明細書で開示する技術を適用したユニラテラル制御システム１６０の機能的構成を示した図である。 図１７は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０が可動域を超えないように可動域制限力をフィードバックするバイラテラル制御システム１２００の構成例を示した図である。 図１８は、バイラテラル制御システム１２０に対して可動域制限力を付加するための処理手順を示したフローチャートである。 図１９は、ユーザによるＵＩ操作に応じてバイラテラル制御システムに適用する拘束力の種類などを切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。 図２０は、拘束力に関する選択状況を画面に表示した例を示した図である。 図２１は、制御システム３０を構成する情報処理装置２１００のハードウェア構成を示した図である。
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
例えば、手術中の精度を求められるような一部のサブタスク（縫合など）を自動でロボットが実施するようなシステムについて提供がなされている（前述）。しかしながら、この種の既存のシステムは、いくつかの定式化されたサブタスクの自動化を実現するに留まっている。
例えば、手術中に術具を１軸方向に正確に動かしたい場合がある。ユーザがマスタ装置側で１軸方向に操作しようとしても別軸方向にもブレが生じることがよくある。このようなマスタ装置側での不正確な入力操作をスレーブ装置がそのまま再現すると、患部を侵襲してしまうおそれがある。
言い換えれば、並進運動や回転運動を含む一般的な動作や、定式化されていないサブタスクにおいて、ユーザのマスタースレーブ動作をサポート若しくはアシストするには、既存のシステムは不完全であるといえる。また、ロボットが自動でタスクを実行する際には、タスク環境における予期せぬ衝突による（ロボット自身又は環境の）破損や事故など、安全性についても十分に考慮する必要がある、と本出願人は思料する。
そこで、本明細書では、定式化されたサブタスクに限定されず、任意の並進運動並びに回転運動からなる一般的な動作においても高精度に操作者をサポート若しくはアシストすることができるマスタースレーブ・ロボットについて、以下で提案する。
また、本明細書では、操作者をサポート若しくはアシストするマスタースレーブ・ロボットに付随する操作ユーザ・インターフェース（ＵＩ）や、操作状況などの情報を提示する提示ＵＩに関する技術についても、併せて提案する。
本明細書で開示する技術は、例えば、バイラテラル制御システムに好適に適用することができる。ここで言うバイラテラル制御とは、マスタ－スレーブ方式の制御においてマスタからスレーブを操作すると同時にスレーブの状態をマスタに帰還する制御方式であり、マスタを操作するユーザに対して力を提示することができる。理想的なバイラテラル制御系は、マスタとスレーブの位置と力を同時に合わせることができる。ちなみに、マスタ－スレーブ方式の制御においてスレーブの状態（スレーブの位置及び力）をマスタに帰還しない制御方式は、ユニラテラル制御である。後述するように、本明細書で開示する技術は、ユニラテラル制御システムにも適用することができる。
本明細書で開示する技術によれば、マスタ－スレーブロボットをバイラテラル制御モードで継続動作させながら、任意の並進運動や回転運動をサポート若しくはアシストすることが可能であり、マスタ－スレーブ動作するモードと自律動作して操作者をアシストする動作モードなどの制御モードの移行を行なう必要がない。
また、本明細書で開示する技術を適用したマスタ－スレーブロボットによれば、マスタを操作する操作者は、スレーブ側のタスク環境における衝突なども関知することができるので、安全性も改善される。
図１には、本明細書で開示する技術を適用することができる、マスタースレーブ方式のロボット・システム１の機能構成例を模式的に示している。図示のロボット・システム１は、例えば、腹腔や胸腔といった内視鏡外科手術を実施する医療ロボット・システムである。マスタ側でユーザがコントローラなどの入力装置を介して入力した指示に応じて、スレーブ側のアーム部及び当該アーム部に取り付けられた医療用器具などのエンド・エフェクターが駆動され、当該医療用器具によって患者の術部に対して各種の処置が施される。
図示のロボット・システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、マスタ装置１０を介して入力されるユーザの指示に応じてスレーブ装置２０を駆動させる制御システム３０で構成される。ユーザがマスタ装置１０を操作すると、制御システム３０を通じて、スレーブ装置２０に対する操作指令が有線又は無線の通信手段により送信され、スレーブ装置２０が操作される。
マスタ装置１０は、術者などのユーザが入力操作を行なうための入力部１１と、この入力部１１を操作中のユーザに対して力を提示する力提示部１２を備えている。
入力部１１は、例えば、レバー、グリップ、ボタン、ジョグダイヤル、タクトスイッチ、フット・ペダル・スイッチなどの入力機構によって構成され得る。但し、入力部１１の具体的な構成は上記に限定されず、一般的なマスタ－スレーブ方式のロボット・システムの入力装置に設けられ得る各種の公知な構成を利用することができる。
また、力提示部１２は、例えば、入力部１１を構成するレバーやグリップなどを駆動させるサーボモータ、さらには入力部１１を指示するアームを駆動させるサーボモータなどによって構成される。力提示部１２は、スレーブ装置２０側の医療用器具に作用する力に応じて、例えばユーザによる入力部１１の操作に対して抵抗を与えるように入力部１１を構成するレバー、アームなどを駆動させることにより、医療用器具に作用する力をユーザに対して提示する。
一方、スレーブ装置２０は、複数のリンクが関節部によって互いに回動可能に連結されて構成されるアーム部を有する支持アーム装置と、この支持アーム装置のアーム部及び先端の医療用器具を駆動する駆動部２１と、支持アーム装置における状態を検出する状態検出部２２を備えている。なお、アーム部の先端（エンド・エフェクター）には、鉗子などの医療用器具が取り付けられているものとする。また、鉗子の代わりに、攝子又は切断器具など外科手術中に患者に触れる他の医療用術具や、内視鏡や顕微鏡といった撮像装置が取り付けられていてもよい。
便宜上、図１では支持アーム装置の図示を省略している。支持アーム装置は、アーム部のエンド・エフェクターの位置及び向きを３次元空間上で変化させる位置及び姿勢の６自由度を有するとともに、アーム部の先端に取り付けられた鉗子によって物体を把持するための１自由度を有する。支持アーム装置の詳細については、後述に譲る。
駆動部２１は、例えば、支持アーム装置のアーム部の各関節部に設けられる、当該各関節部を回転駆動させるためのモータに対応している。また、アーム部の先端に取り付けられた鉗子などの医療器具が駆動部位を有する場合であれば、駆動部２１は、この駆動部位を動作させるためのモータにも対応する。制御システム３０によって算出された制御量に応じて当該モータが駆動することにより、ユーザがマスタ装置１０を介して指示したようにアーム部並びに医療用器具が動作する。
状態検出部２２は、例えば、支持アーム装置のアーム部の各関節部に設けられる力覚センサ（トルクセンサ）やエンコーダなどで構成され、アーム部の状態を検出する。力覚センサによって、各関節部に作用する力（トルク）を検出することができる。また、エンコーダによって、各関節部の回転角度を検出することができる。
制御システム３０は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間で、スレーブ装置２０側の支持アーム装置の駆動制御とマスタ装置１０側への力提示に関する情報伝達を実現する。但し、制御システム３０の機能の一部又は全部が、スレーブ装置２０又はマスタ装置１０の少なくとも一方に装備されていてもよい。例えば、マスタ装置１０又はスレーブ装置２０の少なくとも一方のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）（図示しない）が、制御システム３０として機能する。あるいは、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々のＣＰＵが連携して、制御システム３０として機能する。制御システム３０の具体的な構成については後述に譲る。
なお、図１では、本明細書で開示する技術に係る実施形態を説明するために特に必要となる構成のみを図示している。ロボット・システム１は、図示した機能ブロック以外にも、一般的なマスタースレーブ方式のロボット・システムが有するその他の機能ブロックを備えていてもよい。図示を省略した構成については、各種の公知の構成を適用することができるので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。
マスタ装置１０側からスレーブ装置２０を駆動制御する際においては、マスタ装置１０の入力部１１を介してユーザにより入力された支持アーム装置のアーム部を駆動するための指示を示す情報が、制御システム３０に送信される。スレーブ装置２０側が上述したロボット鉗子のように医療用器具が駆動部位を有する場合であれば、入力部１１を介して入力された当該医療用器具を駆動するための指示を示す情報も、併せて、マスタ装置１０から制御システム３０に入力され得る。
制御システム３０は、入力部１１を介してユーザから入力された指示に基づいて、スレーブ装置２０側の支持アーム装置のアーム部を駆動するための制御量を算出する。例えば、支持アーム装置の駆動制御が力制御によって行なわれる場合であれば、制御システム３０は、その制御量として、ユーザによって指示された所望の動作をアーム部が実現するために必要な各関節部に発生させるべきトルクを算出する。あるいは、支持アーム装置の駆動制御が位置制御によって行なわれる場合であれば、制御システム３０は、その制御量としては、ユーザによって指示された所望の動作をアーム部が実現するために必要な各関節部の回転角度を算出する。また、アーム部に備えられた医療用器具が駆動部位を有する場合であれば、制御システム３０は、当該医療用器具を駆動するための制御量を計算する。
本実施形態では、駆動制御方式として、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の位置と力を同時に制御するバイラテラル制御方式を採用することを想定しているが、この点の詳細については後述に譲る。
制御システム３０によって算出された制御量についての情報は、スレーブ装置２０側の駆動部２１に送信される。制御システム３０によって算出された制御量に応じて、駆動部２１がアーム部の各関節部を駆動することにより、ユーザが入力部１１を介して指示したようにアーム部が動作する。また、アーム部の先端に取り付けられた医療用器具が駆動部位を有する場合であれば、制御システム３０によって算出された制御量に応じて当該駆動部位を動作させるモータが駆動することにより、ユーザが入力部１１を介して指示したように医療用器具が動作する。
また、アーム部やその先端の医療用器具が動作している間、トルクセンサやエンコーダなどからなる状態検出部２２は、アーム部の各関節部に作用する力（トルク）や各関節部の回転角度などを、支持アーム装置における状態として検出する。状態検出部２２によって検出されたアーム部の状態を示す情報は、制御システム３０に送信される。制御システム３０は、当該情報に基づいてアーム部の現在の状態を逐次把握しており、把握したアーム部の現在の状態に基づいて上述した制御量を算出する。
ここで、力覚センサによって検出される各関節部に作用する力は、アーム部の先端に取り付けられる医療用器具に作用する力を反映したものと推定される。制御システム３０は、力覚センサによって検出された各関節部に作用する力の中から医療用器具に作用する力の成分を抽出して、マスタ装置１０の力提示部１２に送信する。力提示部１２は、医療用器具に作用する力に応じて、医療用器具に作用する力を術者に対して提示する。例えば、術者であるユーザによる入力部１１の操作に対して抵抗を与えるように、入力部１１を構成するレバーなどを駆動させる。このように、本実施形態に係るロボット・システム１は、医療用器具に作用した力を検出し、当該力を術者に対してフィードバックする機能を備えている。これによって、内視鏡下での低侵襲の施術の実現に寄与することができる。
図２には、マスタ装置１０の構成例を示している。図示の例では、右手用及び左手用の２台のマスタ装置１０Ｒ及び１０Ｌが併設されている。但し、スレーブ装置２０を遠隔操作するために、右手用及び左手用のマスタ装置１０を揃える必要は必ずしもなく、右手用又は左手用のうちいずれか一方のマスタ装置１０のみを装備するだけでもよい。あるいは、右手用及び左手用の２台のマスタ装置１０Ｒ及び１０Ｌでそれぞれ１台ずつ、合計２台のスレーブ装置を同時に操作するようにしてもよい。以下では主に右手側のマスタ装置１０Ｒに着目して説明するが、左手側のマスタ装置１０Ｌも同様の構成であると理解されたい。マスタ装置１０は、本体部２１０と、グリップ部２２０と、グリップ部２２０を支持する支持アーム部を備えている。
支持アーム部は、遠位端側が連結された３本のリンク部２３１、２３２、２３３からなるデルタ型パラレルリンク構造からなるロボットである。すなわち、支持アーム部は、並列するリンク機構を利用した３軸並進構造を有し、３次元空間上の１点の動きを決めることができる。各リンク部２３１、２３２、２３３は、基端側で本体部２１０に回動可能に連結されている。本体部２１０には、各リンク部２３１、２３２、２３３との連結部分を駆動するモータ（例えば、サーボモータ）２４１、２４２、２４３がそれぞれ装備されている。また、本体部２１０と、各リンク部２３１、２３２、２３３との連結部分には、各リンク部２３１、２３２、２３３の本体部２１０に対する回転角度を検出するためのエンコーダ（図示しない）、並びに、各リンク部２３１、２３２、２３３に発生するトルクを検出するためのトルクセンサ（図示しない）が配設されている。そして、各リンク部２３１、２３２、２２３の先端は、グリップ部２２０と連結している。
ここで、各リンク部２３１、２３２、２３３はそれぞれ、モータ２４１、２４２、２４３によって駆動する駆動リンクと、駆動リンクに関節部を介して取り付けられた受動リンクからなる。ユーザは、グリップ部２２０を掴んで、３次元空間上の任意の位置及び姿勢に変位させることができる。また、ユーザは、３次元空間上の任意の位置で、グリップ部２２０を把持操作することができる。したがって、図示のマスタ装置１０は、先端のグリップ部２２０の３軸方向の位置及び姿勢の６自由度と、グリップ２２０の把持の１自由度を有している。
ユーザは、図２に示すように、両腕又は両肘を支持台２５０上に載せて、右手及び左手でそれぞれグリップ部２２０Ｒ及び２２０Ｌを把持して作業することができる。また、ユーザの正面には、モニタ２６０が設置されている。例えば、スレーブ装置２０に取り付けられた鉗子などのエンド・エフェクターにカメラが組み込まれている場合（若しくは、エンド・エフェクターが内視鏡装置である場合）、撮像された術野の画像をモニタ２６０の画面上に表示するようにしてもよい。
したがって、ユーザは、術野が表示されるモニタ２６０を見ながら操作部グリップ部２２０Ｒ及び２２０Ｌを操作することができる。そして、ユーザは、各グリップ部２２０Ｒ及び２２０Ｌの位置及び向きを変位させることにより、スレーブ装置２０に取り付けられた鉗子などの術具の位置又は向きを遠隔操作したり、鉗子の把持動作を行なったりすることができる。
グリップ部２２０Ｒ及び２２０Ｌは、図１中のマスタ装置１０の入力部１１に相当する。マスタ装置１０は、入力部１１として、グリップ部２２０に配設されたジョグダイヤルやタクトスイッチ、グリップ部２２０とは別のフット・ペダル・スイッチ（図示しない）をさらに備えていてもよい。ユーザは、グリップ部２２０を手で掴んで動かしながら、指先でジョグダイヤルやタクトスイッチを操作することができる。また、ユーザは、グリップ部２２０Ｒ及び２２０Ｌを操作中で両手がふさがっている場合であっても、足でフット・ペダル・スイッチを踏んで、さらなる入力操作を行なうことができる。
また、各モータ２４１、２４２、２４３を同期的に駆動させることにより、グリップ部２２０を掴んでいるユーザに対して並進力を提示することができる。例えばスレーブ装置２０側で術具を変位させる際に、状態検出部２２によって検出されたエンド・エフェクター（術具）の作用力に従って各モータ２４１、２４２、２４３を駆動させることによって、術具に作用する並進力をユーザに提示することができる。
なお、本実施形態では、グリップ部２２０は、ユーザがグリップ部２２０を把持若しくは保持している「保持状態」か、又は、保持していない「非保持状態」のいずれであるかを検出する状態検出手段をさらに装備しているものとする。状態検出手段は、例えばグリップ部２２０に加わる把持力を検出する力センサで構成することができ、力センサが所定値以上の外力を検出している状態を「保持状態」と判定し、外力が所定値未満のときには「非保持状態」と判定するようにしてもよい。あるいは、グリップ部２２０に触れるユーザの指先などを感知する感圧センサや人感センサなどで状態検出手段を構成することもできる。非保持状態は、ユーザの手がグリップ部２２０から放れた状態であり、ユーザによる操作から外れた状態ということもできる。
また、本実施形態では、グリップ部２２０は、ユーザがグリップ操作を行なうだけでなく（若しくは、グリップ操作と並行して操作することが可能な）、ジョグダイヤルやタクトスイッチなどの他の入力手段も併せて装備しているものとする。
図２に示すように左右のグリップ部２２０Ｌ及び２２０Ｒを装備するマスタ装置１０の構成例では、基本的には、左右それぞれに上記の状態検出手段や入力手段も装備されるが、いずれか一方にしか装備しないという構成も想定される。
また、グリップ部２２０をマスタ装置１０の本体部２１０（若しくは、支持アーム部）に対して取り外しが可能となるように構成して、１台のマスタ装置１０上で複数種類のグリップ部を選択的に利用できるようにすることも可能である。取り付けたグリップ部の種類により、マスタ装置１０の可動域が変化する場合もある。例えば、取り付け可能な各グリップ部が識別情報（ＩＤ）を持ち、マスタ装置１０に取り付けたグリップ部のＩＤを本体部２１０又は制御システム３０が読み取ってその種類を認識できるようにしてもよい。
図３には、スレーブ装置２０の構成要素の１つである支持アーム装置３００の構成例を示している。図示の支持アーム装置３００は、手術時に鉗子などの医療用器具を支持する医療用ロボットであり、ベース部３１０とアーム部３２０を備えている。
ベース部３１０は支持アーム装置３００の基台である。ベース部３１０の内部には、ＣＰＵやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などのプロセッサ及びメモリなどの記憶素子が搭載された制御基板やマイコンが収容されている。例えば、前述の制御システム３０がベース部３１０内に収容されていてもよい。
アーム部３２０は、ベース部３１０から延伸されている。ベース部３１０の底面には２対のキャスターが設けられている。支持アーム装置３００は、キャスターを介して床面と接地し、これらのキャスターの回転によって床面上を移動することが可能である。但し、支持アーム装置３００はかかる構成に限定されず、例えば、ベース部３１０が設けられず、手術室の天井又は壁面にアーム部３２０が直接取り付けられた吊り構造の支持アーム装置３００であってもよい。
アーム部３２０は、複数の関節部３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃ、３２１ｄ、３２１ｅ、３２１ｆと、関節部３２１ａ～３２１ｅによって互いに回動可能に連結される複数のリンク３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ、３２２ｄと、アーム部３２０の先端に関節部３２１ｆを介して回動可能に設けられる保持ユニット３２９を備えている。また、保持ユニット３２９は各種の医療用器具を保持するように構成されている。図示の例では、保持ユニット３２９には鉗子３２３が取り付けられている。
リンク３２２ａ～３２２ｃは棒状の部材であり、リンク３２２ａの一端が関節部３２１ａを介してベース部３１０と連結され、リンク３２２ａの他端が関節部３２１ｂを介してリンク３２２ｂの一端と連結され、さらに、リンク３２２ｂの他端が関節部３２１ｃ、３２１ｄを介してリンク３２２ｃの一端と連結される。更に、リンク３２２ｃの他端が、関節部３２１ｅを介して略Ｌ字状のリンク３２２ｄの一端と連結され、リンク３２２ｄの他端と鉗子３２３を保持する保持ユニット３２９とが、関節部３２１ｆを介して連結される。このように、ベース部３１０を支点として、複数のリンク３２２ａ～３２２ｄの端部同士が、関節部３２１ａ～３２１ｆによって互いに回動可能に連結されることにより、ベース部３１０から延伸されるアーム形状が構成される。
図３では、簡単のため、鉗子３２３の具体的な形状の図示を省略し、簡易的に棒状の部材として図示しているが、実際には、鉗子３２３の先端には、患者の生体組織を把持又は切断などの処置を行なうためのエンド・エフェクターが設けられる。手術を行なう際には、鉗子３２３が患者の生体組織に対して所望の位置及び姿勢を取り得るように、アーム部３２０及び鉗子３２３の位置及び姿勢が制御される。
関節部３２１ａ～３２１ｆには、アクチュエータがそれぞれ設けられている。アクチュエータは、図１中の駆動部２１に対応する。アクチュエータを駆動することにより、各関節部３２１ａ～３２１ｆを各々の回転軸回りに回転させる可能ことが可能である。アクチュエータは、例えば、モータ、エンコーダ、及びトルクセンサなどによって構成される。エンコーダ及びトルクセンサは、図１中の状態検出部２２に対応する。
各関節部３２１ａ～３２１ｆのアクチュエータの駆動を制御することにより、例えばアーム部３２０を伸ばしたり縮めたり（折り畳んだり）することができる。この際、制御システム３０は、アクチュエータのエンコーダ及びトルクセンサなどの状態検出部２２によって検出された各関節部３２１ａ～３２１ｆの状態に基づいて、各アクチュエータのモータの制御量を算出し得る。
図３に示す例では、支持アーム装置３００は、６つの関節部３２１ａ～３２１ｆからなるアーム部３２０の駆動により、先端の鉗子３２３の位置及び姿勢の６自由度が実現され、さらに鉗子３２３が物体を把持するための１自由度を備えている。アーム部３２０が６自由度を有するように構成されることにより、アーム部３２０の可動範囲内において鉗子３２３を自由に移動させることができる。これにより、鉗子３２３を、さまざまな角度から患者（腹腔や胸腔内）に対して挿入することが可能になり、鉗子３２３を操作する際の自由度が向上する。
但し、アーム部３２０の構成は図３に示す例に限定されず、関節部３２１ａ～３２１ｆ及びリンク３２２ａ～３２２ｄの数や配置、関節部３２１ａ～３２１ｆの駆動軸の方向などは、アーム部３２０が所望の自由度を有するように適宜設定されてよい。要するに、鉗子３２３の位置及び姿勢の自由度、機械的構造などを考慮して、６自由度以上の自由度を有するアーム部３２０を適宜構成するようにしいてもよい。
アーム部３２０を動作させる際、ユーザは、マスタ装置１０側の入力部１１を介して、支持アーム装置３００に対して指示を与える。入力装置を介して入力された指示を示す信号は、制御システム３０に送信される。
制御システム３０は、各関節部３２１ａ～３２１ｆのアクチュエータのエンコーダ及びトルクセンサによって検出された各関節部３２１ａ～３２１ｆの状態に基づいて、当該指示に応じた各関節部３２１ａ～３２１ｆのアクチュエータのモータの制御量を算出する。算出された当該制御量に応じて各アクチュエータのモータが駆動されることにより、ユーザの指示に従ってアーム部３２０が動作することとなる。
また、鉗子３２３が駆動部位を有する場合であれば、同様に、入力部１１を介して入力された指示に基づいて、当該駆動部位を動作させるためのモータの制御量が制御システム３０によって算出され、算出された当該制御量に応じて当該モータが駆動されることにより、ユーザの指示に従って鉗子３２３が動作することとなる。
なお、スレーブ装置２０のエンド・エフェクターを保持ユニット３２９から取り外しが可能となるように構成して、鉗子３２３以外の複数種類の術具と交換して、選択的に用できるように構成することも可能である。取り付けた術具の種類により、スレーブ装置２０の可動域が変化する場合もある。例えば、取り付け可能な各術具が識別情報（ＩＤ）を持ち、スレーブ装置２０に取り付けた術具のＩＤをスレーブ装置２０本体又は制御システム３０が読み取ってその種類を認識できるようにしてもよい。
本実施形態に係るマスタ－スレーブ方式のロボット・システム１では、バイラテラル制御系を組むことを想定している。バイラテラル制御手法として、例えば位置対称型、力帰還型、並びに４ＣＨ型を挙げることができる。
図４には、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０をバイラテラル制御するための、位置対称型のバイラテラル制御システム４０の機能的構成例を示している。
位置制御器４１は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対して、加速度参照信号ＡM ref及びＡS refを供給する。マスタ装置１０では、与えられた加速度参照信号ＡM refに対して加速度制御が実施され、ロボット（図２を参照のこと）の位置及び姿勢ＸMが変位する（但し、Ｘは６次元の位置及び姿勢を表すベクトルとし、ＡはＸの２階微分とする（以下、同様））。同様に、スレーブ装置２０では、与えられた加速度参照信号ＡS refに対して加速度制御が実施され、ロボット（支持アーム装置３００）の位置及び姿勢ＸMが変位する。
そして、位置制御器４１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡM ref及びＡS refをマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に供給する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の位置の偏差を算出する際に、スケーラ４２において、スレーブ装置２０の位置姿勢信号ＸSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置姿勢空間スケーリングのための係数αを乗算する。
図５には、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０をバイラテラル制御するための、力帰還型のバイラテラル制御システム５０の機能的構成例を示している。
位置制御器５１は、スレーブ装置２０に対して、加速度参照信号ＡS refを供給する。スレーブ装置２０では、与えられた加速度参照信号ＡS refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸSが変位する。また、スレーブ装置２０には、対象物との接触に伴い、外力ＦSが発生する。
また、力制御器５２は、マスタ装置１０に対して、加速度参照信号ＡM refを供給する。マスタ装置１０では、与えられた加速度参照信号ＡM refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸMが変位する。また、マスタ装置１０には、操作者による操作に伴い、外力ＦMが発生する。
位置制御器５１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡS refをスレーブ装置２０に供給する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の位置の偏差を算出する際に、スケーラ５３において、スレーブ装置２０の位置姿勢信号ＸSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置姿勢空間スケーリングのための係数αを乗算する。
また、力制御器５２は、マスタ装置１０の発生力とスレーブ装置２０の発生力の合力から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡS refをマスタ装置１０に供給する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の発生力の合力を算出する際に、スケーラ５４において、スレーブ装置２０の力信号ＦSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の力空間スケーリングのための係数βを乗算する。
図６には、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０をバイラテラル制御するための、４ＣＨ型のバイラテラル制御システム６０の機能的構成例を示している。
位置制御器６１は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。また、力制御器６２は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。そして、マスタ装置１０には、位置制御器６１と力制御器６２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡM refが供給される。また、スレーブ装置２０には、位置制御器６１と力制御器６２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡS refが供給される。
マスタ装置１０では、加速度参照信号ＡM refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸMが変位する。また、マスタ装置１０には、操作者による操作に伴い、外力ＦMが発生する。同様に、スレーブ装置２０では、加速度参照信号ＡS refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸSが変位する。また、スレーブ装置２０には、対象物との接触に伴い、外力ＦSが発生する。
位置制御器６１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の位置の偏差を算出する際に、スケーラ６２において、スレーブ装置２０の位置姿勢信号ＸSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置姿勢空間スケーリングのための係数αを乗算する。
また、力制御器６２は、マスタ装置１０の発生力ＦMとスレーブ装置２０の発生力ＦSの合力から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の力の偏差を算出する際に、スケーラ６４において、スレーブ装置２０の力信号ＦSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の力空間スケーリングのための係数βを乗算する。
そして、上述したように、マスタ装置１０には、位置制御器６１と力制御器６２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡM refが供給される。また、スレーブ装置２０には、位置制御器６１と力制御器６２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡS refが供給される。
本明細書では、図１に示したようなマスタ－スレーブ方式のロボット・システム１において、拘束力をフィードバックする機構を組み込む技術について、以下で詳細に説明する。かかる技術によれば、マスタ装置１０のユーザが任意の並進運動並びに回転運動を操作することを可能にし、且つ、定式化されていないタスクにおいても高精度な操作を実現することができる。
図７には、本明細書で開示する技術を適用した４ＣＨ型バイラテラル制御システム７０の機能的構成を模式的に示している。図示のバイラテラル制御システム７０は、マスタ－スレーブロボットのバイラテラル制御系に対して拘束力をフィードバックする機構が付加されている点に主な特徴がある。
位置制御器７１は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。また、力制御器７２は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。そして、マスタ装置１０には、位置制御器７１と力制御器７２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡM refが供給される。また、スレーブ装置２０には、位置制御器７１と力制御器７２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡS refが供給される。
マスタ装置１０では、加速度参照信号ＡM refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸMが変位する。また、マスタ装置１０には、操作者による操作に伴い、外力ＦMが発生する。同様に、スレーブ装置２０では、加速度参照信号ＡS refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸSが変位する。また、スレーブ装置２０には、対象物との接触に伴い、外力ＦSが発生する。
スケーラ７３は、スレーブ装置２０の位置姿勢信号ＸSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置姿勢空間スケーリングのための係数αを乗算する。また、スケーラ７４は、スレーブ装置２０の力信号ＦSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の力空間スケーリングのための係数βを乗算する。
拘束力付加部７５は、マスタ装置１０側の現在の位置又は姿勢ＸMを基準とした拘束力Ｆ´を発生させる。拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力である。拘束力Ｆ´を演算する処理の詳細については、後述に譲る。
なお、拘束力Ｆ´は、一軸の並進又は回転方向にのみ作用するとは限らず、複数方向の並進又は回転方向を採り得るものとする。
力制御器７２は、マスタ装置１０の発生力ＦMと、上記の拘束力Ｆ´と、スレーブ装置２０の発生力βＦSの合力から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。
また、位置制御器７１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差（ＸM－αＸS）から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。
そして、上述したように、マスタ装置１０には、位置制御器７１と力制御器７２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡM refが供給される。また、スレーブ装置２０には、位置制御器７１と力制御器７２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡS refが供給される。
例えば、手術中に、スレーブ装置２０のエンド・エフェクターに取り付けられた術具を１軸方向に並進移動させたい場合や回転運動させたい場合がある。拘束力付加部７５が、力制御器７２を介して、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に対して仮想的な拘束力を付加することができ、ユーザは任意の並進運動や回転運動を含む操作を、ブレが生じることなく高い精度で実現することが可能になる。
拘束力付加部７５により拘束力Ｆ´を発生させる処理は、ソフトウェアによる制御により低コストで実現することができる。また、拘束力付加部７５から拘束力Ｆ´を発生させるタイミングは、ユーザがジョグダイヤルやタクトスイッチ、フット・ペダルなどのＵＩを介して直接指示することができる。すなわち、ユーザは、スレーブ装置２０側の術具を並進又は回転動作させたいときに、拘束力の発生を指示するようにすればよい。例えば、グリップ部２２０が拘束力の発生を指示するボタンを装備したり、フット・ペダル・スイッチに対する所定の操作により拘束力の発生を指示したりするようにしてもよい。もちろん、ソフトウェア制御により、拘束力の発生タイミングを自動制御するようにしてもよい。
図８には、バイラテラル制御システム７０に対して拘束力を付加するための処理手順をフローチャートの形式で示している。図示の処理手順は、例えば制御システム３０におけるソフトウェア的な処理として低コストで実現することができる。
まず、バイラテラル制御システム７０に対して拘束力を付加するかどうかをチェックする（ステップＳ８０１）。例えば、マスタ装置１０側でユーザがジョグダイヤルやタクトスイッチ、フット・ペダル・スイッチなどのＵＩを介して拘束力の付加を指示したときには、拘束力を付加すると判断する。
ここで、拘束力を付加しないと判断したときには（ステップＳ８０１のＮｏ）、マスタ装置１０側の（例えば、グリップ部２２０の）現在の位置及び姿勢Ｘを、以降に拘束力を付加する際の、拘束すべき位置及び姿勢の参照値Ｘrefとして一時的に保存する（ステップＳ８０２）。
一方、拘束力を付加すると判断したときには（ステップＳ８０１のＹｅｓ）、１制御周期前にステップＳ８０２で保存しておいた拘束位置／姿勢参照値Ｘrefを取得する（ステップＳ８０３）。
そして、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢Ｘを取得し、これと拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを、下式（１）に従って算出する（ステップＳ８０４）。但し、同式（１）中、Ｃはゲインを示す係数である。また、同式（１）は比例ゲインのみにより拘束力Ｆを導出しているが、その他の位置制御手法を用いて拘束力Ｆを導出することが可能であることは言うまでもない。
Figure 0007147761000001
次いで、下式（２）に従って、算出した拘束力Ｆを、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して（ステップＳ８０５）、仮想的な拘束力Ｆ´として出力する。これによって、マスタ装置１０には、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefに拘束させるような拘束力Ｆ´が付加される。
Figure 0007147761000002
例えば、マスタ－スレーブロボットの駆動をある並進方向に拘束したい場合には、ステップＳ８０３では基準（すなわち拘束条件）となる位置情報を参照値Ｘrefとして取得する。そして、続くステップＳ８０４及びＳ８０５では、マスタ装置１０の位置が参照値Ｘrefから外れるほど増大する拘束力Ｆ並びにＦ´を生成する。
また、マスタ－スレーブロボットの駆動をある回転方向に拘束したい場合には、ステップＳ８０３では基準（すなわち拘束条件）となる姿勢情報を参照値Ｘrefとして取得する。そして、続くステップＳ８０４及びＳ８０５では、マスタ装置１０の姿勢が参照値Ｘrefから外れるほど増大する拘束力Ｆ並びにＦ´を生成する。
ユーザがマスタ装置１０からグリップ部２２０を用いてスレーブ装置２０を遠隔操作する際に、グリップ部２２０には任意の並進又は回転方向へ駆動するための拘束力Ｆ´が作用する。したがって、ユーザは、このような拘束力Ｆ´でサポート若しくはアシストを受けながら、スレーブ装置２０を遠隔操作する精度を向上することができ、タスク処理時間（施術の時間など）を短縮化することも可能となる。
また、マスタ装置１０とスレーブ装置２０からなるロボット・システム１を常にバイラテラル制御モードで駆動させながら、すなわち制御モードを切り替えることなく、拘束力を付与することができる。ユーザは、拘束されていない方向の動作に関しては、スレーブ装置２０側（鉗子３２３）の対象物への接触力を感じながら操作することが可能であり、安全である。
なお、グリップ部２２０がジョグダイヤルやタクトスイッチなどの入力手段を装備している場合には、上記のステップＳ８０１では、ユーザは、この種の入力手段を介して拘束力の付加を指示することができる。また、図２に示したように左右の手に対してそれぞれグリップ部２２０Ｌ及び２２０Ｒが用意されている場合には、いずれか一方のグリップ部２２０Ｌ又は２２０Ｒでしか拘束力の付加が指示されない場合には、指示された方のグリップ部２２０Ｌ又は２２０Ｒに対してのみ拘束力を付加するようにしてもよい。あるいは、ステップＳ８０１では、自動制御によって左右のグリップ部２２０Ｌ又は２２０Ｒに対してそれぞれ個別に拘束力を付加するかどうかを判断するようにしてもよい。
図７には、力制御器７２に対して拘束力をフィードバックする箇所に拘束力付加部７５を配設したシステム７０の構成例を示した。拘束力をフィードバックする箇所はこれに限定されるものではない。
図９には、マスタ装置１０に対して拘束力をフィードバックするバイラテラル制御システム９０の構成例を示している。但し、図７に示したシステム７０と同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。
拘束力付加部９１は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力であるが、例えば図８に示した処理手順に従って算出することができる。次いで、加速度変換部９２は、算出された拘束力Ｆ´を加速度次元の信号に変換する。
そして、マスタ装置１０には、位置制御器７１と力制御器７２の各々から供給される加速度参照信号に加え、さらに拘束力Ｆ´に起因する加速度成分が付加された加速度信号ＡM refが供給される。
例えば、手術中に、スレーブ装置２０のエンド・エフェクターに取り付けられた術具を１軸方向に並進移動させたい場合や回転運動させたい場合がある。拘束力付加部９１が、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に対して仮想的な拘束力を付加することができ、ユーザは任意の並進運動や回転運動を含む操作を、ブレが生じることなく高い精度で実現することが可能になる。
図７並びに図９では、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０が一定の方向にしか動けないようにする拘束力を付加するシステム構成例を示した。その応用例として、位置及び姿勢の全６自由度を拘束するための拘束力を付加するようにシステムを構成することも可能である。
例えば、手術中に術者であるユーザがグリップ部２２０から手を離して、一時的にスレーブ装置２０の遠隔操作以外の作業を実施したい場合（若しくは、しなければならない場合）が想定される。ロボット・システム１に力制御が適用される場合には、グリップ部２２０の自重による撓みが誤入力されるおそれがある。また、力制御に自重補償が施されているとしても、力センサのノイズ成分によりスレーブ装置２０側を動作させてしまうおそれがある。
したがって、ある条件下においてマスタ－スレーブロボットを現在の位置及び姿勢に留めておきたい場合に、位置及び姿勢の全６自由度を拘束するための拘束力を付加する機能は有用であると思料する。
図１０には、マスタ－スレーブロボットを現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力をフィードバックするバイラテラル制御システム１０００の構成例を示している。但し、図７に示したシステム７０と同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。
状態検出部１０１は、マスタ装置１０側のグリップ部２２０の状態、すなわち保持状態であるか否かを検出する。状態検出部１０１は、例えばグリップ部２２０に加わる外力を検出する力センサや、ユーザの指先を感圧センサや人感センサなどで構成される（前述）。
そして、拘束力付加部１０２は、状態検出部１０１によりグリップ部２２０が保持状態でないと判定した場合に、拘束力を出力する。あるいは、グリップ部２２０に装備されたジョグダイヤルやタクトスイッチなどの入力手段を介して拘束力の付与が支持されたことに応答して、拘束力付加部１０２が拘束力を出力するようにしてもよい。
拘束力付加部１０２は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。図７及び図９に示したシステム構成例では、マスタ－スレーブロボットの駆動を任意の並進又は回転方向に拘束するための拘束力が付加される（前述）。これに対し、図１０に示す例では、マスタ－スレーブロボットを現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力が付加される。このような拘束力を演算する処理の詳細については、後述に譲る。
力制御器７２は、マスタ装置１０の発生力ＦMと、上記の拘束力Ｆ´と、スレーブ装置２０の発生力βＦSの合力から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。
また、位置制御器７１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差（ＸM－αＸS）から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。
そして、マスタ装置１０には、位置制御器６１と力制御器６２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡM refが供給され、スレーブ装置２０には、位置制御器６１と力制御器６２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡS refが供給される。
例えば、手術中に術者であるユーザがグリップ部２２０から手を離した場合には、マスタ－スレーブロボットの全６自由度を拘束するための拘束力が付加されて、現在の位置及び姿勢に留めておくことができる。ユーザがグリップ部２２０から手を離して、一時的にスレーブ装置２０の遠隔操作以外の作業を実施することが可能になる。
なお、図１０に示すシステム１００は、マスタ－スレーブロボットを現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力を、力制御器７２にフィードバックする構成となっているが、拘束力をフィードバックする箇所はこれに限定されるものではない。例えば、図９に示したように、全６自由度を拘束する拘束力を加速度次元に変換して、マスタ装置１０に対してこのような拘束力をフィードバックするように構成してもよい。
図１１には、バイラテラル制御システム１００に対して現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力を付加するための処理手順をフローチャートの形式で示している。図示の処理手順は、例えば制御システム３０におけるソフトウェア的な処理として低コストで実現することができる。
まず、マスタ装置１０側のグリップ部２２０が、ユーザによって把持若しくは保持されている保持状態であるか否かをチェックする（ステップＳ１１０１）。グリップ部２２０には、保持状態か否かを検出するための状態検出部１０１が装備されているものとする（前述）。
ここで、グリップ部２２０がユーザの保持状態にあると判断したときには（ステップＳ１１０１のＮｏ）、グリップ部２２０を現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力は不要である。この場合、マスタ装置１０側の（例えば、グリップ部２２０の）現在の位置及び姿勢Ｘを、以降に拘束力を付加する際の、拘束すべき位置及び姿勢の参照値Ｘrefとして一時的に保存する（ステップＳ１１０２）。
一方、グリップ部２２０がユーザの保持状態にない、言い換えればユーザによる操作から外れた状態であると判断したときには（ステップＳ１１０１のＹｅｓ）、グリップ部２２０を現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力が必要となる。この場合、ステップＳ１１０２で１制御周期前に保存しておいた、全６自由度の拘束位置／姿勢参照値Ｘrefを取得する（ステップＳ１１０３）。
そして、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢Ｘを取得し、これと拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを、上式（１）に従って算出する（ステップＳ１１０４）。次いで、上式（２）に従って、算出した拘束力Ｆを、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して（ステップＳ１１０５）、仮想的な拘束力Ｆ´として出力する。これによって、マスタ装置１０には、６自由度を拘束する位置及び姿勢の参照値Ｘref、すなわち、現在の位置及び姿勢に留めておくための拘束力Ｆ´が付加される。
ユーザがマスタ装置１０からグリップ部２２０を用いてスレーブ装置２０を遠隔操作する際に、グリップ部２２０には任意の並進又は回転方向へ駆動するための拘束力Ｆ´が作用する。したがって、ユーザは、このような拘束力Ｆ´でサポート若しくはアシストを受けながら、スレーブ装置２０を遠隔操作する精度を向上することができ、タスク処理時間（施術の時間など）を短縮化することも可能となる。
これまでは、４ＣＨ型のバイラテラル制御系に対して拘束力を付加するシステム構成について説明してきたが、４ＣＨ型以外のバイラテラル制御系に対しても、拘束力を付加する機構を設けることによって、同様の効果を得ることができる。
図１２には、本明細書で開示する技術を適用した位置対称型のバイラテラル制御システム１２０の機能的構成を模式的に示している。但し、図４に示したシステム４０と同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。
位置制御器４１は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対して、加速度参照信号ＡM ref及びＡS refを供給する。マスタ装置１０では、加速度参照信号ＡM refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸMが変位する。同様に、スレーブ装置２０では、加速度参照信号ＡS refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸSが変位する。
位置制御器４１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡM ref及びＡS refをマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に供給する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の位置の偏差を算出する際に、スケーラ４２において、スレーブ装置２０の位置姿勢信号ＸSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置姿勢空間スケーリングのための係数αを乗算する。
また、拘束力付加部１２１は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。さらに、加速度変換部１２２は、算出された拘束力Ｆ´を加速度次元の信号に変換する。
そして、マスタ装置１０には、位置制御器４１から供給される加速度参照信号に加え、さらに拘束力Ｆ´に起因する加速度成分が付加された加速度信号ＡM refが供給される。
なお、拘束力付加部１２１が出力する拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力であるが、例えば図８に示した処理手順に従って算出することができる。但し、グリップ部２２０が保持されていない状態でグリップ部２２０を現在の位置及び姿勢に留めておく（すなわち、全６自由度を拘束する）ための拘束力を拘束力付加部１２１から出力するようにしてもよい。後者の場合、例えば図１１に示した処理手順に従って拘束力を算出することができる。
図１３には、本明細書で開示する技術を適用した力帰還型のバイラテラル制御システム１３０の機能的構成を模式的に示している。但し、図５に示したシステム５０と同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。
位置制御器５１は、スレーブ装置２０に対して、加速度参照信号ＡS refを供給する。スレーブ装置２０では、加速度参照信号ＡS refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸSが変位する。また、スレーブ装置２０には、対象物との接触に伴い、外力ＦSが発生する。
また、力制御器５２は、マスタ装置１０に対して、加速度参照信号ＡM refを供給する。マスタ装置１０では、加速度参照信号ＡM refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸMが変位する。また、マスタ装置１０には、操作者による操作に伴い、外力ＦMが発生する。
位置制御器５１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡS refをスレーブ装置２０に供給する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の位置の偏差を算出する際に、スケーラ５３において、スレーブ装置２０の位置姿勢信号ＸSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置姿勢空間スケーリングのための係数αを乗算する。
拘束力発生部１３１は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。
そして、力制御器５２は、マスタ装置１０の発生力とスレーブ装置２０の各発生力と、拘束力Ｆ´の合力から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡS refをマスタ装置１０に供給する。但し、スケーラ５４において、スレーブ装置２０の力信号ＦSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の力空間スケーリングのための係数βを乗算する。
なお、拘束力付加部１３１が出力する拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力であるが、例えば図８に示した処理手順に従って算出することができる。但し、グリップ部２２０が保持されていない状態でグリップ部２２０を現在の位置及び姿勢に留めておく（すなわち、全６自由度を拘束する）ための拘束力を拘束力付加部１３１から出力するようにしてもよい。後者の場合、例えば図１１に示した処理手順に従って拘束力を算出することができる。
また、図１４には、本明細書で開示する技術を適用した力帰還型のバイラテラル制御システム１４０の他の機能的構成を模式的に示している。但し、図１３に示したシステム５０と同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。図示のシステム１４０は、拘束力を加速度次元に変換してバイラテラル制御系に付与するように構成されており、拘束力をフィードバックする箇所が図１３に示したシステム１３０とは相違する。
拘束力付加部１４１は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。次いで、加速度変換部１４２は、算出された拘束力Ｆ´を加速度次元の信号に変換する。
そして、マスタ装置１０には、力制御器５２から供給される加速度参照信号に加え、さらに拘束力Ｆ´に起因する加速度成分が付加された加速度信号ＡM refが供給される。
なお、拘束力付加部１４１が出力する拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力であるが、例えば図８に示した処理手順に従って算出することができる。但し、グリップ部２２０が保持されていない状態でグリップ部２２０を現在の位置及び姿勢に留めておく（すなわち、全６自由度を拘束する）ための拘束力を拘束力付加部１４１から出力するようにしてもよい。後者の場合、例えば図１１に示した処理手順に従って拘束力を算出することができる。
また、これまでは、バイラテラル制御系に対して拘束力を付加するシステム構成について説明してきたが、ユニラテラル制御系に対しても、拘束力を付加する機構を設けることによって、同様の効果を得ることができる。
図１５には、本明細書で開示する技術を適用したユニラテラル制御システム１５０の機能的構成を模式的に示している。
位置制御器１５１は、スレーブ装置２０に対して、加速度参照信号ＡS refを供給する。スレーブ装置２０では、加速度参照信号ＡS refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸSが変位する。また、スレーブ装置２０には、対象物との接触に伴い、外力ＦSが発生する。
また、力制御器１５２は、マスタ装置１０に対して、加速度参照信号ＡM refを供給する。マスタ装置１０では、加速度参照信号ＡM refに対して加速度制御が実施され、ロボットの位置及び姿勢ＸMが変位する。また、マスタ装置１０には、操作者による操作に伴い、外力ＦMが発生する。
位置制御器１５１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡS refをスレーブ装置２０に供給する。但し、マスタ装置１０とスレーブ装置２０の位置の偏差を算出する際に、スケーラ１５３において、スレーブ装置２０の位置姿勢信号ＸSに、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置姿勢空間スケーリングのための係数αを乗算する。
拘束力付加部１５４は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。
そして、力制御器１５２は、マスタ装置１０の発生力ＦMと、拘束力付加部１５４から出力される拘束力Ｆ´の合力から、これを修正する方向へ駆動するための加速度参照信号ＡS refをマスタ装置１０に供給する。
なお、拘束力付加部１５４が出力する拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力であるが、例えば図８に示した処理手順に従って算出することができる。但し、グリップ部２２０が保持されていない状態でグリップ部２２０を現在の位置及び姿勢に留めておく（すなわち、全６自由度を拘束する）ための拘束力を拘束力付加部１５４から出力するようにしてもよい。後者の場合、例えば図１１に示した処理手順に従って拘束力を算出することができる。
また、図１６には、本明細書で開示する技術を適用したユニラテラル制御システム１６０の機能的構成を模式的に示している。但し、図１５に示したシステム１５０と同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。図示のシステム１６０は、拘束力を加速度次元に変換してユニラテラル制御系に付与するように構成されており、拘束力をフィードバックする箇所が図１５に示したシステム１３０とは相違する。
拘束力付加部１６１は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。次いで、加速度変換部１６２は、算出された拘束力Ｆ´を加速度次元の信号に変換する。
そして、マスタ装置１０には、力制御器５２から供給される加速度参照信号に加え、さらに拘束力Ｆ´に起因する加速度成分が付加された加速度信号ＡM refが供給される。
なお、拘束力付加部１６１が出力する拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力であるが、例えば図８に示した処理手順に従って算出することができる。但し、グリップ部２２０が保持されていない状態でグリップ部２２０を現在の位置及び姿勢に留めておく（すなわち、全６自由度を拘束する）ための拘束力を拘束力付加部１６１から出力するようにしてもよい。後者の場合、例えば図１１に示した処理手順に従って拘束力を算出することができる。
ここまでは、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に対して任意の並進又は回転方向（全６自由度を含む）に拘束力を付加するシステム構成例を示した。その応用例として、マスタ装置１０又はスレーブ装置２０の少なくとも一方が可動域を超えて移動してしまわないように、可動域制限力を付加するようにシステムを構成することも可能である。
図１７には、マスタ－スレーブロボットのバイラテラル制御系に対して拘束力をフィードバックするとともに、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０が可動域を超えないように可動域制限力をフィードバックするバイラテラル制御システム１７０の構成例を示している。但し、図７に示したシステム７０と同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。
拘束力付加部１７１は、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMと、拘束位置／姿勢参照値Ｘrefとの差分に応じた拘束力Ｆを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、拘束力Ｆ´を求める。拘束力Ｆ´は、マスタ装置１０（若しくは、そのグリップ部２２０）が一定の方向（例えば、任意の並進又は回転方向）にしか動けなくなるようにする、仮想的な力であるが、例えば図８に示した処理手順に従って算出することができる。
可動域制限力付加部１７２は、マスタ装置１０の現在の位置又は姿勢がマスタ装置１０の可動域を超えている場合には、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMとマスタ装置１０の可動域参照値ＸM limit,refとの差分に応じたマスタ装置１０に対する可動域制限力ＦM limitを算出し、さらに、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して、可動域制限力ＦM limit´を求める。可動域制限力ＦM limit´を演算する処理の詳細については、後述に譲る。
また、可動域制限力付加部１７３は、スレーブ装置２０の現在の位置又は姿勢がスレーブ装置２０の可動域を超えている場合には、スレーブ装置２０の現在の位置及び姿勢ＸMとスレーブ装置２０の可動域参照値ＸS limit,refとの差分に応じたスレーブ装置２０に対する可動域制限力ＦS limitを算出し、さらに、スレーブ装置２０を実際に拘束する座標系に変換して、可動域制限力ＦS limit´を求める。可動域制限力ＦS limit´を演算する処理の詳細については、後述に譲る。
力制御器７２は、マスタ装置１０の発生力ＦMと、上記の拘束力Ｆ´と、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する可動域制限力ＦM limit´及びＦS limit´と、スレーブ装置２０の発生力βＦSの合力から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。
また、位置制御器７１は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間の位置の偏差（ＸM－αＸS）から、これを修正する方向へ駆動するためのマスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々に対する加速度参照信号を出力する。
そして、マスタ装置１０には、位置制御器７１と力制御器７２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡM refが供給される。また、スレーブ装置２０には、位置制御器７１と力制御器７２の各々から供給される加速度参照信号の双方が加味されたＡS refが供給される。
マスタ装置１０のグリップ部２２０を取り外し交換可能で、複数種類のグリップ部を選択的に利用することができ、且つ、取り付けたグリップ部の種類に応じてマスタ装置１０の可動域が変化する場合もある。このような場合には、可動域制限力付加部１７２は、取り付けられたグリップ部のＩＤを認識して、そのＩＤに対応する可動域参照値を取得して、可動域制限力を演算するようにしてもよい。
また、スレーブ装置２０においても、エンド・エフェクターとなる術具を取り外し交換可能で、複数種類の術具を選択的に利用することができ、且つ、取り付けた術具の種類に応じてスレーブ装置２０の可動域が変化する場合もある。このような場合には、可動域制限力付加部１７３は、取り付けられた術具のＩＤを認識して、そのＩＤに対応する可動域参照値を取得して、可動域制限力を演算するようにしてもよい。
なお、図１７では、拘束力と可動域制限力の両方を付加するシステム構成例１７０について示したが、可動域制限力のみを付加するようにシステムを構成することも可能である。また、マスタ装置１０又はスレーブ装置２０のうちいずれか一方の可動域制限力のみを付加するようにシステムを構成することも可能である。
また、可動域制限力付加部１７２並びに１７３から出力される可動域制限力を、図９に示したシステム構成例と同様に、加速度次元に変換してバイラテラル制御システム１７０に付加するという変形例も考えられる。
図１８には、バイラテラル制御システム１２０に対して、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０が可動域を超えないようにするための可動域制限力を付加するための処理手順をフローチャートの形式で示している。図示の処理手順は、例えば制御システム３０におけるソフトウェア的な処理として低コストで実現することができる。
まず、マスタ装置１０又はスレーブ装置２０の現在の位置又は姿勢が可動域を超えているか否かをチェックする（ステップＳ１８０１）。
例えば、マスタ装置１０側において、デルタ型パラレルリンクを構成する各リンク部２３１、２３２、２３３と本体部２１０間の連結部分に配設されたエンコーダが回転する回転角度に基づいて、マスタ装置１０が可動域を超えているか否かを判定することができる。また、スレーブ装置２０側において、アーム部３２０の各関節部３２１ａ～３２１ｆに配設されたエンコーダが回転する回転角度に基づいて、スレーブ装置２０が可動域を超えているか否かを判定することができる。
ここで、マスタ装置１０並びにスレーブ装置２０が可動域を超えていないと判断したときには（ステップＳ１８０１のＮｏ）、バイラテラル制御システム１２００に対して可動域制限力を付加する必要がないので、可動域制限力ＦM limit´＝０及びＦS limit´＝０を出力する（ステップＳ１８０２）。
一方、マスタ装置１０又はスレーブ装置２０のうち少なくとも一方の可動域を超えていると判断したときには（ステップＳ１８０１のＹｅｓ）、可動域を超えた方の装置の可動域参照値ＸM limit,ref又はＸS limit,refを取得する（ステップＳ１８０３）。
そして、マスタ装置１０の現在の位置及び姿勢ＸMを取得し、これと可動域参照値ＸM limit,refとの差分に応じた可動域制限力ＦM limitを、下式（３）に従って算出する（ステップＳ１８０４）。同式（３）中、Ｄはゲインを示す係数である。また、同式（３）は比例ゲインのみにより可動域制限力を導出しているが、その他の位置制御手法を用いてかどうか力を導出することが可能であることは言うまでもない。
Figure 0007147761000003
次いで、下式（４）に従って、算出した可動域制限力ＦM limitを、マスタ装置１０を実際に拘束する座標系に変換して（ステップＳ１８０５）、仮想的な拘束力ＦM limit´として出力する。
Figure 0007147761000004
あるいは、ステップＳ１８０４では、スレーブ装置２０の現在の位置及び姿勢ＸSを取得し、下式（５）に従って、これと可動域参照値ＸS limit,refとの差分に応じた可動域制限力ＦS limitを算出する（ステップＳ１８０４）。そして、ステップＳ１８０５では、下式（６）に従って、算出した可動域制限力ＦS limitを、スレーブ装置２０を実際に拘束する座標系に変換して、仮想的な拘束力ＦS limit´として出力する。
Figure 0007147761000005
Figure 0007147761000006
図１７に示すシステム構成１７０によれば、ユーザがマスタ装置１０からグリップ部２２０を用いてスレーブ装置２０を遠隔操作する際には、グリップ部２２０の操作を任意の並進又は回転方向へ拘束する拘束力Ｆ´とともに、マスタ装置１０並びにスレーブ装置２０の可動域から外れないようにするための可動域制限力Ｆlimit´が作用する。したがって、ユーザは、マスタ装置１０並びにスレーブ装置２０が可動域から外れない範囲で、拘束力によるサポート若しくはアシストを受けて操作精度を向上させることができ、タスク処理時間（施術の時間など）を短縮化することも可能となる。
続いて、バイラテラル制御システムの操作ＵＩ並びに提示ＵＩについて説明する。
マスタ装置１０側で、ユーザが利用可能な入力手段として、グリップ部に装備されたジョグダイヤルやタクトスイッチ、足元に設置されたフット・ペダル・スイッチなどを挙げることができる。既に知られているように、ジョグダイヤルによれば連続的な入力が可能である。他方、タクトスイッチやフット・ペダル・スイッチは、スイッチのオン／オフに伴い、０又は１による入力が可能である。
また、ユーザが、マスタ装置１０側からスレーブ装置２０を遠隔操作する際に、グリップ部２２０を用いた操作に対して任意の並進又は回転方向に拘束力を付加したい場合、例えば以下の（ａ）～（ｂ）に示すようなパラメータを指定する必要がある。
（ａ）拘束力の種類（並進又は回転）
（ｂ）拘束力を付与する軸方向（ｘ，ｙ，ｚ）
（ｃ）拘束力を付与する自由度（１～６自由度）
（ｄ）拘束力を付与する座標系（グローバル座標系、又は（スレーブ装置２０の）ローカル座標系）
ユーザは、上述したジョグダイヤルやタクトスイッチ、フット・ペダル・スイッチのいずれかを用いて上記の項目（ａ）～（ｄ）を選択し、さらに選択を切り替えることができる。
ロボット・システム１が例えば手術システムに適用される場合、術者であるユーザは術中に複雑な入力操作を行なうことは極めて困難である。そこで、例えば、上記項目（ａ）と（ｂ）の組み合わせなどからなる複数の選択肢をシリアルに並べ、ジョグダイヤルが所定角度だけ回転される度に選択肢を順送りして選択できるようにしたり、タクトスイッチ又はフット・ペダル・スイッチが押下操作される度に座標系などの２者択一の選択肢を順に選択できるようしたりして、簡易な入力方法を採用することが好ましい。
図１９には、ユーザがＵＩ操作する度に、バイラテラル制御システムに付加する拘束力の種類、拘束力の軸方向、拘束力を付与する自由度、座標系などを順次切り替えるための処理手順をフローチャートの形式で示している。
例えば、図７に示したバイラテラル制御システム７０において、拘束力付加部７５は、上記の処理手順に従って設定された拘束力の種類、拘束力の軸方向、拘束力を付与する自由度、座標系に基づいて、拘束力を演算して制御系にフィードバックするようにする。
また、ユーザのＵＩ操作に応じて拘束力の種類、拘束力の軸方向、拘束力を付与する自由度などが切り換えられたときには、上記の項目（ａ）～（ｄ）などに関する現在の選択状況を、例えばモニタ２６０の画面に表示して、ユーザが確認できるようにすることが好ましい。
図２０には、モニタ２６０の画面上に拘束力に関する選択状況を表示した様子を例示している。図示の例では、参照番号２００１に示すように、選択された拘束力の種類及び軸方向が画面に表示されている。また、参照番号２００２に示すように、スイッチの操作方法が併せて画面に表示されている。なお、画面上に表示される軸方向の名称は、「画面上下方向」や「画面奥行き方向」など別の名称であってもよい。
さらに、参照番号２００３で示すように、現在の可動方向を示す矢印が表示される。可動方向２００３は、遠隔操作の対象である鉗子３２３の画像と重なるように表示すると、ユーザにとって可動方向２００３を把握し易くなる。ところが、鉗子３２３の先端は患部２００４に接触している場合が多いので、可動方向を示す映像２００３が患部２００４に重なって、患部２００４が見え難くなり、施術の邪魔になるおそれがある。そこで、可動方向２００３は、選択切り替え時から所定期間だけ表示する、半透明に表示する、鉗子３２３の先端から外れた場所に表示する、画面２６０の周辺部に表示するなど、患部２００４を観察する際に邪魔にならないようにすることが好ましい。
図２１には、図１に示したロボット・システム１において制御システム３０として動作することができる情報処理装置２１００のハードウェア構成を示している。
図示の情報処理装置２１００は、主にＣＰＵ２１０１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２１０３と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２１０５を備え、さらに、ホストバス２１０７と、ブリッジ２１０９と、外部バス２１１１と、インターフェース２１１３と、入力装置２１１５と、出力装置２１１７と、ストレージ装置２１１９と、ドライブ２１２１と、接続ポート２１２３と、通信装置２１２５とを備えている。
ＣＰＵ２１０１は、演算処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ２１０３、ＲＡＭ２１０５、ストレージ装置２１１９又はリムーバブル記録媒体２１２７に記録された各種プログラムに従って、情報処理装置２１００内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ２１０３は、ＣＰＵ２１０１が使用するプログラムや演算パラメータなどを不揮発的に記憶する。ＲＡＭ２１０５は、ＣＰＵ２１０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータなどを一時的に記憶する。これらはＣＰＵバスなどの内部バスにより構成されるホストバス２１０７により相互に接続されている。なお、図１に示したロボット・システム１における制御システム３０の機能は、例えば、ＣＰＵ２１０１が所定のプログラムを実行することにより実現され得る。
ホストバス２１０７は、ブリッジ２１０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）バスなどの外部バス２１１１に接続されている。また、外部バス２１１１には、インターフェース２１１３を介して、入力装置２１１５、出力装置２１１７、ストレージ装置２１１９、ドライブ２１２１、接続ポート２１２３及び通信装置２１２５が接続されている。
入力装置２１１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ、 レバー及びペダルなどのユーザが操作する操作デバイスからなる。また、入力装置２１１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントローラ（いわゆる、リモコン）であってもよいし、情報処理装置２１００の操作に対応した携帯電話若しくはスマートフォンやＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの外部接続機器２１２９であってもよい。さらに、入力装置２１１５は、例えば、上記の操作デバイスを用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ２１０１に出力する入力制御回路などから構成されている。情報処理装置２１００のユーザは、入力装置２１１５を操作することにより、情報処理装置２１００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
出力装置２１１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置などが挙げられる。出力装置２１１７は、例えば、情報処理装置２１００が行なった各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、情報処理装置２１００が行なった各種処理により得られた結果をテキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データなどからなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して音声出力する。なお、マスタ装置１０に備えられたモニタ２６０は、例えば、出力装置２１１７により実現され得る。
ストレージ装置２１１９は、情報処理装置２１００の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置２１１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）などの磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイスなどにより構成される。ストレージ装置２１１９は、ＣＰＵ２１０１が実行するプログラムや各種データなどを格納する。
ドライブ２１２１は、記録媒体用リーダライタであり、情報処理装置２１００に内蔵あるいは外付けされる。ドライブ２１２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリなどのリムーバブル記録媒体２１２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ２１０５などに出力する。また、ドライブ２１２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク又は半導体メモリなどのリムーバブル記録媒体２１２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体２１２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ－ＤＶＤメディア又はＢｌｕ－ｒａｙ（登録商標）メディアなどである。また、リムーバブル記録媒体２１２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣＦ：ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ）、フラッシュメモリ又はＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）などであってもよい。また、リムーバブル記録媒体２１２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）カード又は電子機器などであってもよい。
接続ポート２１２３は、情報処理装置２１００に直接接続するためのポートである。接続ポート２１２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポートなどがある。接続ポート２１２３の別の例として、ＲＳ－２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポートなどがある。接続ポート２１２３に外部接続機器２１２９を接続することで、情報処理装置２１００は、外部接続機器２１２９から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器２１２９に各種のデータを提供したりする。
通信装置２１２５は、例えば、通信網（ネットワーク）２１３１に接続するための通信デバイスなどで構成された通信インターフェースである。通信装置２１２５は、例えば、有線若しくは無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カードなどである。また、通信装置２１２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ又は各種通信用のモデムなどであってもよい。通信装置２１２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰなどの所定のプロトコルに則って伝送信号を送受信することができる。また、通信装置２１２５に接続される通信網２１３１は、有線又は無線によって接続されたネットワークなどにより構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信などであってもよい。
以上、本実施形態に係るロボット・システム１における制御システム３０の機能を実現可能な情報処理装置２１００のハードウェア構成の一例について説明した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。したがって、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。なお、図２１では図示を省略したが、本実施形態に係る制御システム３０を構成する情報処理装置２１００に対応する各種の構成を当然備えるものとする。
なお、上述のような本実施形態に係る制御システム３０を構成する情報処理装置２１００の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータなどに実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。また、当該コンピュータプログラムを実行させるコンピュータの数は特に限定されない。例えば、当該コンピュータプログラムを、複数のコンピュータ（例えば、複数のサーバなど）が互いに連携して実行してもよい。なお、単数のコンピュータ、又は複数のコンピュータが連携するものを、「コンピュータシステム」とも称する。
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
本明細書で開示する技術は、バイラテラル制御系及びユニラテラル制御系を含む、さまざまな制御システムにより駆動するマスタ－スレーブ・システムに適用することができる。また、本明細書で開示する技術の適用範囲は、特定のロボット（プラント）の構成には限定されない。
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）マスタ－スレーブ・システムの操作を制御する制御装置であって、
前記マスタ－スレーブ・システムの制御系に対して、前記マスタにおける所望の並進又は回転方向の操作に対応した拘束力を付与する制御部を具備する、
制御装置。
（２）前記制御部は、前記マスタの現在の位置又は姿勢と拘束すべき位置又は姿勢の参照値との差分に応じた前記拘束力を前記制御系に付与する、
上記（１）に記載の制御装置。
（２－１）１又は所定制御周期前の前記マスタの位置又は姿勢を前記参照値として保持する、
上記（２）に記載の制御装置。
（３）前記制御部は、前記拘束力を加速度次元に変換して、前記制御系に付与する、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の制御装置。
（４）前記制御部は、複数の並進又は回転方向に対する拘束力を同時に前記制御系に付与する、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の制御装置。
（５）前記制御部は、前記マスタがユーザによる操作から外れたときに、前記マスタの全自由度を拘束する前記拘束力を前記制御系に付与する、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の制御装置。
（６）前記制御部は、前記マスタ又は前記スレーブの位置及び姿勢が所定の可動域を超えないように制限する可動域制限力を、前記制御系にさらに付与する、
上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の制御装置。
（７）前記制御部は、前記マスタに備えられた入力部に対するユーザの操作に応じて、前記制御系に付与する前記拘束力を制御する、
上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の制御装置。
（８）前記制御部は、前記入力部に対するユーザの操作に応じて、前記拘束力の種類、前記拘束力を付与する軸方向、前記拘束力を付与する自由度、前記拘束力を付与する座標系のうち少なくとも１つ又は２以上の組み合わせを切り替える、
上記（７）に記載の制御装置。
（９）前記制御部は、前記入力部に対するユーザの操作に応じて選択された状況の表示出力をさらに制御する、
上記（７）又は（８）のいずれかに記載の制御装置。
（１０）前記制御系は、バイラテラル制御方式により前記マスタ－スレーブ・システムを制御する、
上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の制御装置。
（１１） 前記制御系は、ユニラテラル制御方式により前記マスタ－スレーブ・システムを制御する、
上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の制御装置。
（１２）マスタ－スレーブ・システムの操作を制御する制御方法であって、
前記マスタ－スレーブ・システムの制御系に対して、前記マスタにおける所望の並進又は回転方向の操作に対応した拘束力を付与する制御ステップを有する、
制御方法。
（１３）マスタと、スレーブと、前記マスタによる前記スレーブの操作を制御する制御部を具備し、
前記制御部は、前記マスタにおける所望の並進又は回転方向の操作に対応した拘束力を付与する、
マスタ－スレーブ・システム。
（１４）前記マスタは、パラレルリンク構造からなる支持アーム部と、前記支持アーム部の遠位端側に配設されたグリップ部を備える、
上記（１３）に記載のマスタ－スレーブ・システム。
（１５）前記スレーブは外力を検出する検出部を備え、前記マスタは前記検出部による検出結果に基づく力を提示する力提示部を備える、
上記（１３）又は（１４）のいずれかに記載のマスタ－スレーブ・システム。
（１６）前記スレーブは、多リンクアームを備える、
上記（１３）乃至（１５）のいずれかに記載のマスタ－スレーブ・システム。
（１７）前記スレーブは、前記多リンクアームの先端に医療用ユニットを備える、
上記（１６）に記載のマスタ－スレーブ・システム。
１…ロボット・システム
１０…マスタ装置、１１…入力部、１２…力提示部
２０…スレーブ装置、２１…駆動部、２２…状態検出部
３０…制御システム
４０…バイラテラル制御システム（位置対称型）
４１…位置制御器、４２…スケーラ
５０…バイラテラル制御システム（力帰還型）
５１…位置制御器、５２…力制御器、５３、５４…スケーラ
６０…バイラテラル制御システム（４ＣＨ型）
６１…位置制御器、６２…力制御器、６３、６４…スケーラ
７０…バイラテラル制御システム（４ＣＨ型）
７１…位置制御器、７２…力制御器、７３、７４…スケーラ
７５…拘束力付加部
９０…バイラテラル制御システム（４ＣＨ型）
９１…拘束力付加部、９２…加速度変換部
１００…バイラテラル制御システム（４ＣＨ型）
１０１…状態検出部、１０２…拘束力付加部
１２０…バイラテラル制御システム（位置対称型）
１２１…拘束力付加部、１２２…加速度変換部
１３０…バイラテラル制御システム（力帰還型）
１３１…拘束力付加部
１４０…バイラテラル制御システム（力帰還型）
１４１…拘束力付加部、１４２…加速度変換部
１５０…ユニラテラル制御システム
１５１…位置制御器、１５２…力制御器
１５３…スケーラ、１５４…拘束力付加部
１６０…ユニラテラル制御システム
１６１…拘束力付加部、１６２…加速度変換部
１７０…バイラテラル制御システム（４ＣＨ型）
１７１…拘束力付加部、１７２、１７３…可動域制限力付加部
２１０…本体部、２２０…グリップ部、２３１～２３３…リンク部
２４１～２４３…モータ、２５０…支持台、２６０…モニタ
３００…支持アーム装置、３１０…ベース部、３２０…アーム部
３２１ａ～３２１ｆ…関節部、３２２ａ～３２２ｄ…リンク
３２３…鉗子、３２９…保持ユニット
２１００…情報処理装置、２１０１…ＣＰＵ、２１０３…ＲＯＭ
２１０５…ＲＡＭ、２１０７…ホストバス、２１０９…ブリッジ
２１１１…外部バス、２１１３インターフェース、２１１５…入力装置
２１１７…出力装置、２１１９…ストレージ装置、２１２１…ドライブ
２１２３…接続ポート、２１２５…通信装置

Claims (14)

  1. 手術用マスタ－スレーブ・システムの操作を制御する制御装置であって、
    前記マスタに備えられた入力部に対するユーザの操作に応じて、拘束力の種類、拘束力を付与する軸方向、拘束力を付与する自由度、拘束力を付与する座標系のうち少なくとも１つ又は２以上の組み合わせを指定し、
    前記マスタ－スレーブ・システムの制御系に対して、前記マスタの現在の位置又は姿勢と拘束すべき位置又は姿勢の参照値との差分に応じて前記指定した拘束力を付与する制御部を具備する、
    制御装置。
  2. 前記制御部は、前記拘束力を加速度次元に変換して、前記制御系に付与する、
    請求項１に記載の制御装置。
  3. 前記制御部は、複数の並進又は回転方向に対する拘束力を同時に前記制御系に付与する、
    請求項１に記載の制御装置。
  4. 前記制御部は、前記マスタがユーザによる操作から外れたときに、前記マスタの全自由度を拘束する前記拘束力を前記制御系に付与する、
    請求項１に記載の制御装置。
  5. 前記制御部は、前記マスタ又は前記スレーブの位置及び姿勢が所定の可動域を超えないように制限する可動域制限力を、前記制御系にさらに付与する、
    請求項１に記載の制御装置。
  6. 前記制御部は、前記入力部に対するユーザの操作に応じて選択された状況の表示出力をさらに制御する、
    請求項１に記載の制御装置。
  7. 前記制御系は、バイラテラル制御方式により前記マスタ－スレーブ・システムを制御する、
    請求項１に記載の制御装置。
  8. 前記制御系は、ユニラテラル制御方式により前記マスタ－スレーブ・システムを制御する、
    請求項１に記載の制御装置。
  9. 手術用マスタ－スレーブ・システムの操作を制御する制御方法であって、
    前記マスタに備えられた入力部に対するユーザの操作に応じて、拘束力の種類、拘束力を付与する軸方向、拘束力を付与する自由度、拘束力を付与する座標系のうち少なくとも１つ又は２以上の組み合わせを指定するステップと、
    前記マスタ－スレーブ・システムの制御系に対して、前記マスタの現在の位置又は姿勢と拘束すべき位置又は姿勢の参照値との差分に応じて前記指定した拘束力を付与する制御ステップを有する、
    制御方法。
  10. マスタと、スレーブと、前記マスタによる前記スレーブの操作を制御する制御部を具備し、
    前記マスタに備えられた入力部に対するユーザの操作に応じて、拘束力の種類、拘束力を付与する軸方向、拘束力を付与する自由度、拘束力を付与する座標系のうち少なくとも１つ又は２以上の組み合わせを指定し、
    前記制御部は、前記マスタの現在の位置又は姿勢と拘束すべき位置又は姿勢の参照値との差分に応じて前記指定した拘束力を付与する、
    手術用マスタ－スレーブ・システム。
  11. 前記マスタは、パラレルリンク構造からなる支持アーム部と、前記支持アーム部の遠位端側に配設されたグリップ部を備える、
    請求項１０に記載の手術用マスタ－スレーブ・システム。
  12. 前記スレーブは外力を検出する検出部を備え、前記マスタは前記検出部による検出結果に基づく力を提示する力提示部を備える、
    請求項１０に記載の手術用マスタ－スレーブ・システム。
  13. 前記スレーブは、多リンクアームを備える、
    請求項１０に記載の手術用マスタ－スレーブ・システム。
  14. 前記スレーブは、前記多リンクアームの先端に医療用ユニットを備える、
    請求項１３に記載の手術用マスタ－スレーブ・システム。
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