JP7171214B2 - 連続体ロボット制御装置、連続体ロボット制御方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤを駆動することにより湾曲する湾曲可能部を有する連続体ロボットの動作を制御する連続体ロボット制御装置及び連続体ロボット制御方法、並びに、当該連続体ロボット制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムに関する。

連続体ロボットは、柔軟性のある構造を持つ湾曲可能部を変形させることにより、その形状が制御される。この連続体ロボットは、例えば剛体リンクにより構成される剛体リンクロボットと比較した場合、剛体リンクロボットがはまり込んでしまうような狭い空間や散乱物のある環境の中であっても所定の経路に沿って移動可能であるという特徴を有する点で優位性を持つ。この特徴を生かし、連続体ロボットは、内視鏡のシースやカテーテルなどの医療の分野や、レスキューロボットなどの極限作業ロボットへの応用が期待されている。

このような連続体ロボットの一例として、例えば非特許文献１には、ワイヤを駆動することにより湾曲する湾曲可能部を有する連続体ロボットが開示されている。

連続体ロボットは、本質的な柔らかさを有するため、脆弱な対象物内の経路にも侵入可能である。しかし、その際に連続体ロボットと対象物との接触により、双方へ大きな負荷が加わって損傷することが生じ得る。これを回避するための技術の一例として、例えば特許文献１には、ワイヤを駆動することにより変形する変形部に過剰な負荷がかかった場合でも、駆動部がワイヤと駆動力との接続を切断することで、ワイヤの切断などの損傷を抑制する技術が開示されている。

特開２０１３－２４８１１９号公報

K. Xu, M. Fu, and J. Zhao, "An Experimental Kinestatic Comparison between Continuum Manipulators with Structural Variations," in IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Hong Kong, China, 2014, pp. 3258-3264

従来のワイヤ駆動型の連続体ロボットでは、それぞれの駆動ワイヤに設けられた負荷検出部が検出した負荷が閾値を超えた場合に、駆動ワイヤに対する駆動力を切断する方法が一般的である。

しかしながら、駆動ワイヤは、連続体ロボットの湾曲可能部を湾曲させる際の駆動力だけでなく、連続体ロボットが対象物との接触等によって生じる外力による影響も受ける。したがって、特許文献１に記載された技術のように、単独の駆動ワイヤの負荷を検出して閾値と比較する方法では、閾値を小さくすると駆動可能な範囲が小さくなり、閾値を大きくすると外力の影響を検出できずに連続体ロボットと対象物との間に過負荷がかかって双方を損傷させてしまうことが生じ得る。即ち、従来の技術では、連続体ロボットの駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボットや対象物の損傷を抑制することが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、連続体ロボットの駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボットや対象物の損傷を抑制することが可能な仕組みを提供することを目的とする。

本発明の連続体ロボット制御装置は、複数のワイヤのうちの少なくとも一部のワイヤを駆動することにより湾曲する湾曲可能部を有する連続体ロボットの動作を制御する連続体ロボット制御装置であって、前記複数のワイヤのうちの２以上のワイヤに加わる張力に基づいて、前記湾曲可能部に加わる外力を推定する推定手段と、前記推定手段で推定された外力に基づいて、前記駆動させるワイヤの駆動制御を行う駆動制御手段と、を有し、前記推定手段は、前記２以上のワイヤに加わる張力の和に基づいて、前記外力を推定し、前記推定手段で推定された外力が閾値を超えた場合に、前記連続体ロボットの操作者に警告を発する、または前記駆動させるワイヤの駆動を停止する。
また、本発明は、上述した連続体ロボット制御装置による連続体ロボット制御方法、及び、上述した連続体ロボット制御装置における各手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを含む。

本発明によれば、連続体ロボットの駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボットや対象物の損傷を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態で用いる連続体ロボットの外観構成の一例を示す図である。 図１に示す支持機構の内部構成の一例を示す図である。 図１に示す案内部材と各ワイヤとの関係を説明するための図である。 図１に示す案内部材と各ワイヤとの関係を説明するための図である。 図１に示す支持機構と各ワイヤとの関係を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置を含む連続体ロボット制御システムの概略構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す湾曲可能部を＋Ｘ軸方向に湾曲させた場合の連続体ロボットの状態を示す図である。 図７に示す連続体ロボットのＸＺ平面における断面図である。 本発明の第１の実施形態における湾曲可能部に外力が作用していない状態の場合に、湾曲角度指令値を一定として旋回角度を変化させたときの各ワイヤの圧縮引張力、及び、評価値の変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態における湾曲可能部に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部をＸ軸方向に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力、及び、評価値の時間変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態における湾曲可能部に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部をＹ軸方向に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力、及び、評価値の時間変化を示す図である。 本発明の第２の実施形態における湾曲可能部に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部をＸ軸方向に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力、及び、評価値の時間変化を示す図である。 本発明の第２の実施形態における湾曲可能部に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部をＹ軸方向に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力、及び、評価値の時間変化を示す図である。 本発明の第３の実施形態における湾曲可能部の摩擦を考慮した系であって、湾曲可能部がＸ軸方向に湾曲した状態で外力を受けた際の各ワイヤの圧縮引張力、及び、評価値の時間変化を示す図である。 本発明の第３の実施形態における湾曲可能部の摩擦を考慮した系であって、（３４）式～（３６）式を用いて補正（補償）した圧縮引張力及び評価値の時間変化を示す図である。 本発明の第４の実施形態で用いる連続体ロボットの外観構成の一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態で用いる連続体ロボットの外観構成の他の一例を示す図である。 本発明の第５の実施形態で用いる連続体ロボットの外観構成の一例を示す図である。 図１８に示す連続体ロボットのＸＺ平面における断面図である。 本発明の第６の実施形態で用いる連続体ロボットの外観構成の一例を示す図である。 図２０に示す連続体ロボットのＸＺ平面における断面図である。

以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。具体的に、以下に説明する本発明の各実施形態では、連続体ロボット（連続体マニピュレータともいう）の制御システムが可撓性内視鏡に適用される例を示す。なお、本発明の各実施形態に係る連続体ロボット制御システムの例として適用する可撓性内視鏡は、医療分野に限定されるものではなく、湾曲可能部を挿入・抜去させる経路の内部を観察するものであれば他の分野（例えば、配管等の内部を観察するための工業用内視鏡）にも適用可能である。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態で用いる連続体ロボット１００の外観構成の一例を示す図である。以下の説明においては、この図１に示す連続体ロボット１００を、必要に応じて「連続体ロボット１００－１」として説明する。また、図１には、３次元空間におけるＸＹＺ座標系を図示している。

連続体ロボット１００－１は、図１に示すように、ワイヤ１ａ、ワイヤ１ｂ、ワイヤ１ｃ、湾曲可能部１１０－１、及び、支持機構１２０を有して構成されている。

図１においては、ワイヤ１ａ、ワイヤ１ｂ及びワイヤ１ｃは、Ｚ軸方向と平行な方向に配置されている。ワイヤ１ａ～１ｃは、それぞれ、＋Ｚ軸方向の終端側が先端部材１１１の異なる位置に結合されて固定されており、また、－Ｚ軸方向の終端側が支持機構１２０の内部において各ワイヤごとに設けられている圧縮引張力検出部及び駆動部に接続されている。

湾曲可能部１１０－１は、複数のワイヤ１ａ～１ｃのうちの少なくとも一部のワイヤ１を駆動することにより湾曲するものである。ここで、本実施形態においては、複数のワイヤ１ａ～１ｃのうちの全てのワイヤ１を駆動することにより湾曲可能部１１０－１を湾曲させるものとする。この湾曲可能部１１０－１は、先端部材１１１、及び、複数の案内部材１１２－１～１１２－９を含み構成されている。ここで、図１に示す例では、湾曲可能部１１０－１は、先端部材１１１における＋Ｚ軸方向の終端である先端部材の終端１１１ｅから、支持機構１２０における＋Ｚ軸方向の終端である支持機構の終端１２０ｅに亘って、構成されている。また、以下の説明においては、案内部材１１２－１～１１２－９を代表して説明する場合には、単に、案内部材１１２として説明を行う。また、先端部材１１１は、図１に示すように、Ｚ軸方向を中心軸とするリング形状をしており、ワイヤ１ａ～１ｃを相互に異なる位置に結合して固定している。

続いて、図１に示す支持機構１２０の内部構成について説明する。
図２は、図１に示す支持機構１２０の内部構成の一例を示す図である。この図２において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。この図２において、ワイヤ１－１は、図１に示すワイヤ１ａ～１ｃのうちのいずれか１つのワイヤであり、例えばワイヤ１ａである。また、ワイヤ１－２は、図１に示すワイヤ１ａ～１ｃのうちのいずれか１つのワイヤであって図２に示すワイヤ１－１とは異なるワイヤであり、例えばワイヤ１ｂである。なお、図２においては、紙面の関係上、図１に示すワイヤ１ａ～１ｃのうちの１つのワイヤ、例えばワイヤ１ｃを不図示としている。

圧縮引張力検出部１２１は、接続されたワイヤ１にかかる圧縮引張力を検出するものである。本明細書において、ワイヤに加わる圧縮力および引張力を総称して圧縮引張力と称する。図２には、ワイヤ１－１（例えば図１に示すワイヤ１ａ）にかかる圧縮引張力を検出する圧縮引張力検出部１２１－１と、ワイヤ１－２（例えば図１に示すワイヤ１ｂ）にかかる圧縮引張力を検出する圧縮引張力検出部１２１－２が図示されている。なお、図２では不図示であるが、本実施形態においては、図１に示すワイヤ１ａ～１ｃのうち、図２では不図示としたワイヤ（例えばワイヤ１ｃ）にかかる圧縮引張力を検出する圧縮引張力検出部１２１－３も、支持機構１２０の内部に構成されているものとする。また、以下の説明においては、圧縮引張力検出部１２１－１～１２１－３を代表して説明する場合には、単に、圧縮引張力検出部１２１として説明を行う。

駆動部１２２は、後述する連続体ロボット制御装置（図６に示す連続体ロボット制御装置２００）の制御に基づいて、例えば圧縮引張力検出部１２１を介して接続されているワイヤ１を駆動させる。図２には、ワイヤ１－１（例えば図１に示すワイヤ１ａ）を駆動させる駆動部１２２－１と、ワイヤ１－２（例えば図１に示すワイヤ１ｂ）を駆動させる駆動部１２２－２が図示されている。なお、図２では不図示であるが、本実施形態においては、図１に示すワイヤ１ａ～１ｃのうち、図２では不図示としたワイヤ（例えばワイヤ１ｃ）を駆動させる駆動部１２２－３も、支持機構１２０の内部に構成されているものとする。また、以下の説明においては、駆動部１２２－１～１２２－３を代表して説明する場合には、単に、駆動部１２２として説明を行う。

続いて、図１に示す案内部材１１２と各ワイヤ１ａ～１ｃとの関係について説明する。
図３及び図４は、図１に示す案内部材１１２と各ワイヤ１ａ～１ｃとの関係を説明するための図である。

案内部材１１２は、図３に示すように、Ｚ軸方向を中心軸とするリング形状で構成されている。この案内部材１１２には、図３に示すように、Ｚ軸方向に貫通する固定孔１１２１と、案内孔１１２２ｂ及び案内孔１１２２ｃが形成されている。例えば、本実施形態では、固定孔１１２１にワイヤ１ａが固定される。また、案内孔１１２２ｂ及び１１２２ｃには、それぞれ、例えばワイヤ１ｂ及び１ｃが通るように配されて摺動可能となっている。

図４は、図３に示す案内部材１１２のＸＹ平面における断面図である。図４では、Ｚ軸方向の中心軸１１２０を中心としたＸＹ平面を図示している。この図４に示すように、案内部材１１２では、固定孔１１２１並びに案内孔１１２２ｂ及び１１２２ｃが、中心軸１１２０から半径ｒｇの円に内接する位置であって当該円に内接する正三角形の各頂点に配置されている。また、図４では、固定孔１１２１の位置がＸ軸上に位置するものとしている。

続いて、図１に示す支持機構１２０と各ワイヤ１ａ～１ｃとの関係について説明する。
図５は、図１に示す支持機構１２０と各ワイヤ１ａ～１ｃとの関係を説明するための図である。具体的に、図５は、図１に示す支持機構１２０のＸＹ平面における断面図である。

支持機構１２０は、図５に示すように、Ｚ軸方向を中心軸１２００とする筒状形状で構成されている。この図５に示すＺ軸方向の中心軸１２００は、図４に示すＺ軸方向の中心軸１１２０と同様のものである。この支持機構１２０には、図５に示すように、図４に示す案内部材１１２の各孔に対応する、貫通孔１２０１ａ、貫通孔１２０１ｂ及び貫通孔１２０１ｃが形成されている。貫通孔１２０１ａ，１２０１ｂ及び１２０１ｃには、それぞれ、例えばワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃが通るように配されて摺動可能となっている。また、支持機構１２０は、貫通孔１２０１ａ，１２０１ｂ及び１２０１ｃの中をそれぞれ通るワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃがＺ軸方向に駆動された際に、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃが座屈することなく力を伝達できるように構成されている。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置２００を含む連続体ロボット制御システム１０の概略構成の一例を示す図である。

連続体ロボット制御システム１０は、図６に示すように、連続体ロボット１００、連続体ロボット制御装置２００、及び、入力装置３００を有して構成されている。なお、図６では、連続体ロボット１００の構成として、図１に示す連続体ロボット１００の構成のうちの圧縮引張力検出部１２１及び駆動部１２２のみを図示し、他の構成は不図示としている。また、図６では、紙面の関係上、各ワイヤ１ａ～１ｃに対応して設けられている複数の圧縮引張力検出部１２１及び複数の駆動部１２２を、それぞれ、１つの圧縮引張力検出部１２１及び１つの駆動部１２２としてまとめて図示している。

連続体ロボット制御装置２００は、連続体ロボット１００（本実施形態においては、図１に示す連続体ロボット１００－１）の動作を制御する制御装置である。この連続体ロボット制御装置２００は、図６に示すように、外力推定部２１０、閾値比較部２２０、警告発生部２３０、及び、駆動制御部２４０を有して構成されている。

外力推定部２１０は、複数のワイヤ１ａ～１ｃのうちの２以上のワイヤ１に加わる張力（圧縮引張力）に基づいて、湾曲可能部１１０（本実施形態においては、図１に示す湾曲可能部１１０－１）に加わる外力を推定する構成部である。具体的に、図６に示す例では、外力推定部２１０は、圧縮引張力検出部１２１で検出されたワイヤ１ａの圧縮引張力Ｆ_a，ワイヤ１ｂの圧縮引張力Ｆ_b及びワイヤ１ｃの圧縮引張力Ｆ_cに基づいて、湾曲可能部１１０に加わる外力を推定する。

閾値比較部２２０は、外力推定部２１０で推定された外力と閾値とを比較し、外力推定部２１０で推定された外力が閾値を超えたか否かの判定を行う。

警告発生部２３０は、閾値比較部２２０から、外力推定部２１０で推定された外力が閾値を超えた旨の判定結果（判定値）を受信した場合に、警告を発する。ここで、警告発生部２３０による警告としては、例えば、警告表示を提示する態様であっても、警告音を発生する態様であってもよく、更には両方の警告態様を行うようにしてもよい。

駆動制御部２４０は、閾値比較部２２０が外力推定部２１０で推定した外力に基づき閾値を用いて判定した判定結果（判定値）に応じて、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの駆動制御を行うべく、駆動部１２２に対して駆動制御量ｄ_a，ｄ_b及びｄ_cを出力する。具体的に、駆動制御部２４０は、閾値比較部２２０から、外力推定部２１０で推定された外力が閾値を超えていない旨の判定結果（判定値）を受信した場合には、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの駆動を行うべく、入力装置３００から入力された湾曲可能部１１０の湾曲角度（図８に示す角度θ）に係る指令値と湾曲可能部１１０の旋回角度（図４に示す角度ζ）に係る指令値とに基づいて、駆動部１２２に対して駆動制御量ｄ_a，ｄ_b及びｄ_cを出力する。また、駆動制御部２４０は、閾値比較部２２０から、外力推定部２１０で推定された外力が閾値を超えた旨の判定結果（判定値）を受信した場合には、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの駆動を停止すべく、駆動部１２２に対して駆動制御量ｄ_a，ｄ_b及びｄ_cを出力する。即ち、駆動制御部２４０は、閾値比較部２２０から外力が閾値を超えた旨の判定結果（判定値）を受信した場合には、入力装置３００から入力された湾曲角度指令値及び旋回角度指令値に基づく駆動制御は行わない。

そして、駆動部１２２は、駆動制御部２４０から出力された駆動制御量ｄ_a，ｄ_b及びｄ_cに応じて、それぞれ、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの駆動等を行う。

図７は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す湾曲可能部１１０－１を＋Ｘ軸方向に湾曲させた場合の連続体ロボット１００の状態を示す図である。また、図８は、図７に示す連続体ロボット１００のＸＺ平面における断面図である。この図７及び図８において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図７には、湾曲可能部１１０－１を挿入・抜去させる対象物内の経路も図示している。

図８において、駆動後の湾曲角度指令値をθとし、駆動前の湾曲可能部１１０－１の長さをＬとする。そして、湾曲可能部１１０－１は、曲率を一定に保ちながらＸＺ平面内で湾曲するものとする。この際、湾曲可能部１１０－１の長さ及び曲率は、湾曲前の形状における湾曲可能部１１０－１のＺ軸方向の中心線の長さ及び曲率と定義する。また、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの＋Ｚ軸方向への駆動制御量をそれぞれｄ_a，ｄ_b及びｄ_cとし、湾曲可能部１１０－１の曲率半径をｒとし、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの曲率半径をそれぞれｒ_a，ｒ_b及びｒ_cとする。

ここで、まず、湾曲可能部１１０－１に外力がかかっていない状態でワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃを駆動した際の連続体ロボット１００－１の湾曲動作と、ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃにかかる圧縮引張力について説明する。

図４及び図８に示された事項から、ｒθ，ｒ_aθ，ｒ_bθ，ｒ_cθは、それぞれ、以下の（１）式，（２）式，（３）式，（４）式に示す関係式で表すことができる。

そして、これらの（１）式～（４）式で示される関係により、湾曲角度指令値θに基づくワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの駆動制御量ｄ_a，ｄ_b及びｄ_cは、それぞれ、以下の（５）式，（６）式及び（７）式で表せる。

ワイヤ１と案内部材１１２及び支持機構１２０との間に働く摩擦を無視できると仮定すると、それぞれのワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃにかかる圧縮引張力Ｆ_a，Ｆ_b及びＦ_cは、湾曲角度指令値θに比例し、それぞれ、以下の（８）式，（９）式及び（１０）式に示す関係式で表すことができる。なお、本実施形態では、すべてのワイヤ１が同じ曲げ剛性を有するものと仮定し、以下の（８）式～（１０）式に示す比例定数αは、湾曲可能部１１０－１の構造や構成材料の機械特性などによって決まるものとする。

また、ここでは湾曲可能部１１０－１に外力が加わっていない状態を想定しているため、以下の（１１）式で表される、全てのワイヤにかかる圧縮引張力（Ｆ_a，Ｆ_b，Ｆ_c）の総和である評価値Ｅはゼロとなる。

図７及び図８では、湾曲可能部１１０－１を＋Ｘ軸方向に湾曲させる例について説明したが、一般化して、湾曲可能部１１０－１を＋Ｘ軸方向からＺ軸周りに角度ζ（図４）だけ旋回させて湾曲させた際のワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの駆動制御量ｄ_a，ｄ_b及びｄ_cは、それぞれ、以下の（１２）式，（１３）式及び（１４）式で表せる。

ここで、角度ζを旋回角度と称する。この旋回角度ζは、図４に示すように、ＸＹ平面においてＸ軸を基準としＹ軸へ向かう方向の角度として定義されるものである。また、湾曲角度θは、図８に示すように、ＸＺ平面においてＸ軸を基準としＺ軸へ向かう方向の角度として定義されるものである。そして、上述した（１２）式～（１４）式で示されるワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃの駆動制御量ｄ_a，ｄ_b及びｄ_cは、湾曲角度指令値θ及び旋回角度指令値ζに基づく駆動制御量に相当する。

また、この場合、それぞれのワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃにかかる圧縮引張力Ｆ_a，Ｆ_b及びＦ_cは、それぞれ、以下の（１５）式，（１６）式及び（１７）式に示す関係式で表すことができる。

図９は、本発明の第１の実施形態における湾曲可能部１１０－１に外力が作用していない状態の場合に、湾曲角度指令値θを一定として旋回角度ζを変化させたときの各ワイヤの圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_c、及び、評価値Ｅの変化を示す図である。具体的に、図９では、旋回角度ζを横軸にとり、圧縮引張力を縦軸にとった図を示している。この図９から明らかなように、湾曲可能部１１０－１に外力が作用していない場合には、全てのワイヤ１ａ～１ｃにかかる圧縮引張力の総和である評価値Ｅはゼロとなる。

続いて、第１の実施形態で用いる連続体ロボット１００において、湾曲可能部１１０－１に外力が作用する状態の場合について説明を行う。

図１０は、本発明の第１の実施形態における湾曲可能部１１０－１に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部１１０－１をＸ軸方向（ζ＝０の方向）に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_c、及び、評価値Ｅの時間変化を示す図である。具体的に、図１０では、時間を横軸にとり、圧縮引張力を縦軸にとった図を示している。

図１１は、本発明の第１の実施形態における湾曲可能部１１０－１に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部１１０－１をＹ軸方向（ζ＝π／２の方向）に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_c、及び、評価値Ｅの時間変化を示す図である。具体的に、図１１では、時間を横軸にとり、圧縮引張力を縦軸にとった図を示している。

図１０及び図１１ともに、（ａ）の期間において、連続体ロボット１００は、湾曲角度指令値θを線形に変化させる湾曲動作を行っている。また、（ｂ）から（ｆ）の期間では、湾曲角度指令値θを一定の状態に保っており、また、（ｃ）の期間でＸ軸方向、（ｅ）の期間でＹ軸方向をそれぞれ主成分とする正弦波状の外力が加えられている。なお、図１０及び図１１において、（ｂ）の期間、（ｄ）の期間及び（ｆ）の期間は、外力が加わっていない状態である。

また、図１０では、（ａ）の期間において、圧縮引張力Ｆ_b及びＦ_cは正の方向に線形に変化し、圧縮引張力Ｆ_aは負の方向に線形に変化しており、圧縮引張力の総和である評価値Ｅはゼロとなる。一方、図１１では、（ａ）の期間において、圧縮引張力Ｆ_aは変化せず、圧縮引張力Ｆ_bは負の方向に線形に変化し、圧縮引張力Ｆ_cは正の方向に線形に変化しており、この場合も圧縮引張力の総和である評価値Ｅはゼロとなる。また、図１０及び図１１において、（ｃ）の期間及び（ｅ）の期間では、（ａ）の期間での湾曲により生じた圧縮引張力を基準として各ワイヤの圧縮引張力が変化し、評価値Ｅの値も変化する。

次に、図１０及び図１１を用いて、湾曲可能部１１０－１に対象物からの外力が加わった場合に、連続体ロボット１００や対象物の損傷を抑制するための制御方法について説明する。

湾曲可能部１１０－１に外力が加わっているかを判定するためには、各ワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃにかかる圧縮引張力Ｆ_a，Ｆ_b及びＦ_cを閾値と比較する方法が有効である。ここでの判定は、図６に示す閾値比較部２２０で行われるものである。

ここで、例えば、予め決められた閾値Ｔを用いて、圧縮引張力Ｆ_a，Ｆ_b及びＦ_cの絶対値が閾値Ｔを超えないように、以下の（１８）式～（２０）式のいずれか１つまたは複数の条件を満たす場合に、操作者に警告をするまたは駆動を停止する方法が考えられる。

しかしながら、図１０や図１１における（ａ）の期間での湾曲動作からも分かるように、湾曲角度指令値θや旋回角度指令値ζによって外力が働かない場合でも、圧縮引張力は大きく異なってしまう。例えば、旋回角度ζ＝０（図１０のグラフに相当）の場合に（ｃ）の期間における圧縮引張力Ｆ_aにかかる外力を検出できるように閾値を決定してしまうと、旋回角度ζ＝π／２（図１１のグラフに相当）の場合における圧縮引張力Ｆ_aのような圧縮引張力の変化を検出できなくなってしまう。

そこで、本発明の第１の実施形態では、以下の（２１）式に示すように、各ワイヤの圧縮引張力の総和を評価値Ｅとして用いて、この評価値Ｅの絶対値が閾値を超えた場合（即ち、（２１）式を満たす場合）に過剰な外力が加わっていると判定する形態を採る。

この場合、図１０及び図１１において、湾曲可能部１１０－１に外力が加わっている（ｃ）の期間と（ｅ）の期間のみ、評価値Ｅの絶対値が変化するため、外力をより正確に検出することができる。なお、閾値Ｔは、連続体ロボット１００や外力の加わる対象物が破損しない値を実験や解析等により求めて決定すればよい。

上述した説明では、連続体ロボット１００が３本のワイヤ１ａ～１ｃから構成されることを想定した説明を行ったが、これを一般化してワイヤがＮ本の場合について説明する。連続体ロボット１００がＮ本のワイヤから構成される場合には、以下の（２２）式に示すように、全ての圧縮引張力Ｆ_i（ｉ＝１～Ｎ）の総和を評価値Ｅとして用いて閾値Ｔと比較する形態を採る。

また、湾曲角度指令値θ及び旋回角度指令値ζで連続体ロボット１００を駆動させた際のｉ番目（ｉ＝１～Ｎ）の駆動制御量をｄ_iとし、ワイヤにかかる圧縮引張力をＦ_iとしたとき、このｄ_i及びＦ_iは、それぞれ、以下の（２３）式及び（２４）式で表せる。ただし、ｉ＝１で表されるワイヤはＸ軸上に配置されているものとし、全てのワイヤが原点を中心とする半径ｒｇの円周上に等間隔で配置されているものとする。

以下、この一般化した連続体ロボット１００がＮ本のワイヤから構成される場合について説明する。（２１）式では閾値Ｔを定数としたが、閾値Ｔは、例えば湾曲角度指令値θの関数Ｔ（θ）を用いてもよく、この場合、（２１）式のＴを関数Ｔ（θ）に置き換えて、以下の（２５）式を用いる形態を採る。

また、外力の加わっていない場合において、圧縮引張力Ｆ_iは、湾曲角度指令値θに比例するため、閾値を表す関数Ｔ（θ）は、例えば正の比例定数β，γを用いて線形に変化するように、以下の（２６）式のようにしてもよい。

この場合には、湾曲により生じる圧縮引張力を加味して、湾曲角度指令値θが大きくなるにつれて閾値を小さくすることでワイヤの切断などの連続体ロボット１００の故障を回避しやすくなる。また、閾値Ｔは、例えば湾曲角度指令値θ及び旋回角度指令値ζの関数Ｔ（θ、ζ）を用いてもよい。

また、外力の加わっていない状態において、湾曲角度指令値θに基づき湾曲させた際に各ワイヤにかかる圧縮引張力Ｆ_i（θ）が既知の場合には、評価値Ｅを次のようにすることもできる。即ち、この場合、評価値ＥをＦ_iとＦ_i（θ）の差分の総和と定義して、以下の（２７）式として、湾曲動作により生じる圧縮引張力の影響を除去してもよい。

ここで、（２７）式におけるＦ_i（θ）は、例えば、運動学モデルを用いて計算してもよく、或いは、事前に計測した情報を参照して適用してもよい。

上述した説明では、３本のワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃを駆動させ、湾曲可能部１１０－１の湾曲角度指令値θ及び旋回角度指令値ζを変化させる形態を例示したが、本発明においてはこの形態に限定されるものではない。例えば、３本のワイヤ１ａ，１ｂ及び１ｃのうちの１本のワイヤを駆動させずに支持機構１２０の内部において固定し、２本のワイヤのみを駆動させて湾曲角度指令値θ及び旋回角度指令値ζを変化させる形態も、本発明に適用可能である。即ち、本発明においては、複数のワイヤ１ａ～１ｃのうちの一部のワイヤ１を駆動することにより湾曲する湾曲可能部１１０－１を有する連続体ロボット１００の動作を制御する連続体ロボット制御装置２００も、適用可能である。

また、上述した説明では、外力推定部２１０は、複数のワイヤ１ａ～１ｃのうちの全てのワイヤ１に加わる圧縮引張力に基づいて、湾曲可能部１１０－１に加わる外力を推定するものであったが、本発明においてはこの形態に限定されるものではない。例えば、外力推定部２１０が、２以上のワイヤ１に加わる圧縮引張力の和に基づいて湾曲可能部１１０－１に加わる外力を推定する形態も、本発明に適用可能である。この形態の場合、例えば、外力推定部２１０は、３本のワイヤ１ａ～１ｃのうちの２本のワイヤ１に加わる圧縮引張力の和に基づいて湾曲可能部１１０－１に加わる外力を推定する形態をとり得る。また、上述したＮ本のワイヤとして３以上のワイヤを適用し、外力推定部２１０は、当該３以上のワイヤのうち、組み合わせの異なる２以上のワイヤに加わる張力の和に基づいて、湾曲可能部１１０－１に加わる外力を推定する形態も、本発明に適用可能である。

第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置２００では、外力推定部２１０は、複数のワイヤ１ａ～１ｃに加わる圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_cに基づいて、湾曲可能部１１０－１に加わる外力を推定するようにしている。そして、駆動制御部２４０は、外力推定部２１０で推定された外力に基づいて、駆動させるワイヤ１ａ～１ｃの駆動制御を行うようにしている。具体的に、駆動制御部２４０は、外力推定部２１０で推定された外力が閾値を超えた場合に、ワイヤ１ａ～１ｃの駆動を停止する制御を行うようにしている。
かかる構成によれば、連続体ロボット１００の駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボット１００や対象物の損傷を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第２の実施形態の説明においては、上述した第１の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項について説明を行う。

第２の実施形態で用いる連続体ロボットは、上述した図１～図５に示す第１の実施形態で用いる連続体ロボット１００－１と同様である。また、第２の実施形態に係る連続体ロボット制御システムの概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御システム１０の概略構成と同様である。即ち、第２の実施形態に係る連続体ロボット制御装置の概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置２００の概略構成と同様である。

上述した第１の実施形態では、外力推定部２１０において全てのワイヤ１ａ～１ｃの圧縮引張力の総和を評価値Ｅとして用いて湾曲可能部１１０に加わる外力を推定し、閾値比較部２２０においてこの外力（評価値Ｅ）と閾値とを比較する形態であった。第２の実施形態では、各ワイヤの圧縮引張力Ｆ_iを演算した値に基づき外力として推定する評価値Ｅを算出し、この評価値Ｅと閾値とを比較する形態を採る。

ここで、上述した演算の例として、評価関数Ｅ（λ）を、Ｘ軸から角度λだけ回転させた方向にかかるモーメントの総和として、以下の（２８）式と定義する。この以下の（２８）式に示す評価関数Ｅ（λ）により、Ｘ軸から角度λだけ回転させた方向にかかる外力を推定することができる。

これにより、外力推定部２１０は、例えば湾曲可能部１１０－１の湾曲方向と直交する方向（特定の方向）に加わる外力を推定することが可能となる。この湾曲可能部１１０－１の湾曲方向と直交する方向の外力は、湾曲可能部１１０－１をＺ軸周りに捩じる方向に働く力であり、連続体ロボット１００－１が捩じりにより損傷することを回避することができる。また、この捩じりにより湾曲可能部１１０－１を湾曲させた際の旋回角度ζの誤差要因になるため、本実施形態のように閾値を用いてこの捩じりを抑制することは駆動精度を劣化させないためにも有効である。

（２８）式に示す評価関数Ｅ（λ）を用いた閾値との比較について、第１の実施形態で説明した３本のワイヤ１ａ～１ｃから構成される湾曲可能部１１０－１を有する連続体ロボット１００－１を用いて、以下に説明する。

図１２は、本発明の第２の実施形態における湾曲可能部１１０－１に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部１１０－１をＸ軸方向（ζ＝０の方向）に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_c、及び、評価値Ｅの時間変化を示す図である。具体的に、図１２では、時間を横軸にとり、圧縮引張力を縦軸にとった図を示している。

この図１２は、図１０と同様にＸ軸方向（ζ＝０の方向）に湾曲動作をした後に、（ｃ）の期間でＸ軸方向に外力を受け、（ｅ）の期間でＹ軸方向に外力を受けた際の各ワイヤ１ａ～１ｃの圧縮引張力Ｆ_a，Ｆ_b，Ｆ_cの時間変化等を模式的に示している。上述した角度λの値を湾曲可能部１１０－１の湾曲方向と直交する方向であるπ／２とすると、以下の（２９）式に示す関係となる。

このとき、Ｅ（π／２）は、図１２に示すように、Ｘ軸方向に外力を受ける（ｃ）の期間では値は変化せず、Ｙ軸方向に外力を受ける（ｅ）の期間でのみ値が変化する。したがって、湾曲可能部１１０－１をＸ軸方向（ζ＝０の方向）に湾曲させる場合には、閾値比較部２２０においてＥ（π／２）を閾値と比較することによって、湾曲可能部１１０－１の湾曲方向と直交する方向に加わる外力を検出することが可能となる。

図１３は、本発明の第２の実施形態における湾曲可能部１１０－１に外力が作用している状態の場合に、湾曲可能部１１０－１をＹ軸方向（ζ＝π／２の方向）に湾曲させた際の各ワイヤの圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_c、及び、評価値Ｅの時間変化を示す図である。具体的に、図１３では、時間を横軸にとり、圧縮引張力を縦軸にとった図を示している。

この図１３は、図１１と同様にＹ軸方向（ζ＝π／２の方向）に湾曲動作をした後に、（ｃ）の期間でＸ軸方向に外力を受け、（ｅ）の期間でＹ軸方向に外力を受けた際の各ワイヤ１ａ～１ｃの圧縮引張力Ｆ_a，Ｆ_b，Ｆ_cの時間変化等を模式的に示している。上述した角度λの値を湾曲可能部１１０－１の湾曲方向と直交する方向であるπとすると、以下の（３０）式に示す関係となる。

このとき、Ｅ（π）は、図１３に示すように、Ｙ軸方向に外力を受ける（ｅ）の期間では値は変化せず、Ｘ軸方向に外力を受ける（ｃ）の期間でのみ値が変化する。したがって、湾曲可能部１１０－１をＹ軸方向（ζ＝π／２の方向）に湾曲させる場合には、閾値比較部２２０においてＥ（π）を閾値と比較することによって、湾曲可能部１１０－１の湾曲方向と直交する方向に加わる外力を検出することが可能となる。

以上のことから、評価関数Ｅ（λ）に、以下の（３１）式を代入して、以下の（３２）式を閾値と比較することによって、湾曲可能部１１０－１の湾曲方向と直交する方向に加わる外力を検出することができる。

なお、（２８）式では、圧縮引張力Ｆ_bの値と圧縮引張力Ｆ_cの値のみを用いて閾値との比較を行っているが、このように予め湾曲可能部１１０－１の湾曲方向が決まっている場合には、全てのワイヤの圧縮引張力を用いなくてもよい。この場合、必要なワイヤの圧縮引張力のみを用いる形態や、圧縮引張力を検出するワイヤをもとに駆動する方向を決定する形態をとり得る。

また、圧縮引張力を検出するワイヤが多数ある場合には、必ずしも全てのワイヤの圧縮引張力を検出する必要はなく、閾値判定に影響のない範囲で減らす形態もとり得る。この場合、例えば、ワイヤの本数Ｎが偶数であれば評価関数Ｅを偶数番目のワイヤの圧縮引張力の総和として、以下の（３３）式を閾値と比較する方法が適用可能である。

なお、圧縮引張力を検出するワイヤの選定方法は、ここで説明したものに限定されるものではなく、計測したい外力や計測精度等を考慮して必要に応じて選択する形態もとり得る。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、連続体ロボット１００の駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボット１００や対象物の損傷を抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第３の実施形態の説明においては、上述した第１及び第２の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１及び第２の実施形態と異なる事項について説明を行う。

第３の実施形態で用いる連続体ロボットは、上述した図１～図５に示す第１の実施形態で用いる連続体ロボット１００－１と同様である。また、第３の実施形態に係る連続体ロボット制御システムの概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御システム１０の概略構成と同様である。即ち、第３の実施形態に係る連続体ロボット制御装置の概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置２００の概略構成と同様である。

上述した第１の実施形態及び第２の実施形態では、各ワイヤに生じる摩擦が圧縮引張力に及ぼす影響を考慮していなかったが、第３の実施形態では、各ワイヤに生じる摩擦の影響を考慮した外力の推定を行う形態について説明する。

図１４は、本発明の第３の実施形態における湾曲可能部１１０－１の摩擦を考慮した系であって、湾曲可能部１１０－１がＸ軸方向（ζ＝０の方向）に湾曲した状態で外力を受けた際の各ワイヤの圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_c、及び、評価値Ｅの時間変化を示す図である。具体的に、図１４では、時間を横軸にとり、圧縮引張力を縦軸にとった図を示している。

図１４では、（ａ）の期間において、連続体ロボット１００は、湾曲角度指令値θを線形に変化させる湾曲動作を行っている。また、（ｂ）から（ｆ）の期間では、湾曲角度指令値θを一定の状態に保っており、（ｃ）の期間でＸ軸方向、（ｅ）の期間でＹ軸方向をそれぞれ主成分とする正弦波状の外力が加えられている。なお、図１４において、（ｂ）の期間、（ｄ）の期間及び（ｆ）の期間は、外力の加わっていない状態である。

この図１４に示す摩擦を考慮した系では、各ワイヤ１ａ～１ｃにかかる圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_cは摩擦力の影響を受けるが、摩擦力の働く向きは、圧縮引張力の増減の向きによって変化する。そのため、図１４において、（ｂ）の期間、（ｄ）の期間及び（ｆ）の期間では、外力が加わっていないにも関わらず、圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_cは外力の加わらなくなる直前まで働いていた力の向きによって異なる値となる。このように、圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_cに加わる摩擦力それぞれの変化履歴によって値が変わるため、圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_cの総和も、外力が加わっていない状態においてもゼロとならない。

そこで、摩擦の働く系では、圧縮引張力の変化履歴をもとに各ワイヤに生じる摩擦の影響を補償した値を外力として推定して閾値と比較することが望ましい。この場合、例えば、圧縮引張力Ｆ_iを、以下の（３４）式によって補正（補償）してＦ_i'とすればよい。

ただし、（３４）式のσ_i（ｔ）は、圧縮引張力の時間変化率ｄＦ_i／ｄｔの符号によって決定し、以下の（３５）式で示されたものとする。

（３４）式において、Ｆ_i'は、圧縮引張力の時間変化率から決定した摩擦の向きを表す符号δ_i（ｔ）に摩擦力の大きさＦμを乗じた値を補正値（補償値）としてＦ_iに加算することで摩擦の影響を除去している。また、ｄＦ_i／ｄｔ＝０の場合には、摩擦の影響を受ける向きは変化しないため、直前のσ_i（ｔ－Δｔ）を参照すればよい。また、摩擦力の大きさＦμは、例えば実験的に求めればよい。この場合、補正後（補償後）の圧縮引張力Ｆ_i'の総和である評価値Ｅ'は、以下の（３６）式となる。

図１５は、本発明の第３の実施形態における湾曲可能部１１０－１の摩擦を考慮した系であって、（３４）式～（３６）式を用いて補正（補償）した圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_c及び評価値Ｅの時間変化を示す図である。

この図１５から明らかなように、補正後（補償後）の圧縮引張力の総和である評価値Ｅ'は、外力の加わらない（ｂ）の期間、（ｄ）の期間及び（ｆ）の期間においてゼロとなっている。これにより、第３の実施形態においても、上述した第１の実施形態や第２の実施形態で使用した連続体ロボット制御方法を用いて閾値と比較することが可能である。

第３の実施形態では、外力推定部２１０は、ワイヤ１ａ～１ｃの圧縮引張力Ｆ_a～Ｆ_cに対する各ワイヤに生じる摩擦の影響を補償した評価値Ｅ'を外力として推定する形態をとり得る。そして、閾値比較部２２０は、外力推定部２１０で推定された外力（評価値Ｅ'）と閾値とを比較し、当該外力が閾値を超えたか否かの判定を行う形態をとり得る。
かかる構成によれば、各ワイヤに生じる摩擦の影響も考慮するようにしたので、連続体ロボット１００の駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボット１００や対象物の損傷を更に抑制することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第４の実施形態の説明においては、上述した第１～第３の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１～第３の実施形態と異なる事項について説明を行う。

図１６は、本発明の第４の実施形態で用いる連続体ロボット１００の外観構成の一例を示す図である。以下の説明においては、この図１６に示す連続体ロボット１００を、必要に応じて「連続体ロボット１００－４Ａ」として説明する。また、図１６には、３次元空間におけるＸＹＺ座標系を図示している。また、図１６において、図１～図５に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

上述した第１～第３の実施形態では、図１に示すように、１つの湾曲可能部１１０－１を有する連続体ロボット１００－１の動作を制御するものであった。これに対して、第４の実施形態では、図１６に示すように、互いに直列に設けられた複数（具体的に、図１６に示す例では３つ）の湾曲可能部１１０－１～１１０－３からなる湾曲可能部群１１０－４を有する連続体ロボット１００－４Ａの動作を制御するものである。具体的に、図１６に示す連続体ロボット１００－４Ａでは、＋Ｚ軸方向におけるＺ座標の値が大きい方から順に、湾曲可能部１１０－３、湾曲可能部１１０－２及び湾曲可能部１１０－１が直列に設けられている。

湾曲可能部１１０－３は、３本のワイヤ３ａ，３ｂ及び３ｃを駆動することにより湾曲するものである。ワイヤ３ａ～３ｃは、それぞれ、＋Ｚ軸方向の終端側が先端部材１１５の異なる位置に結合されて固定されており、また、－Ｚ軸方向の終端側が支持機構１２０の内部において各ワイヤごとに設けられている圧縮引張力検出部（図２の１２１に相当）及び駆動部（図２の１２２に相当）に接続されている。この湾曲可能部１１０－３は、先端部材１１５、及び、複数の案内部材１１６を含み構成されている。ここで、図１６に示す例では、湾曲可能部１１０－３は、先端部材１１５における＋Ｚ軸方向の終端である先端部材の終端１１５ｅから、湾曲可能部１１０－２の先端部材１１３における＋Ｚ軸方向の終端である先端部材の終端１１３ｅに亘って、構成されている。

先端部材１１５は、図１６に示すように、Ｚ軸方向を中心軸とするリング形状をしており、ワイヤ３ａ～３ｃを相互に異なる位置に結合して固定している。案内部材１１６は、図１６に示すようにＺ軸方向を中心軸とするリング形状をしている。この案内部材１１６は、図３及び図４に示す第１の実施形態における案内部材１１２と同様に、Ｚ軸方向に貫通する固定孔１１２１と案内孔１１２２ｂ及び１１２２ｃが形成されている。そして、案内部材１１６の固定孔１１２１にはワイヤ３ａが固定され、案内部材１１６の案内孔１１２２ｂ及び１１２２ｃにはそれぞれワイヤ３ｂ及び３ｃが通るように配され摺動可能となっている。

湾曲可能部１１０－２も、湾曲可能部１１０－３と基本的には同様の構造であるが、湾曲可能部１１０－２を構成する先端部材１１３及び案内部材１１４には、湾曲可能部１１０－３のワイヤ３ａ～３ｃを摺動可能に配するための案内孔が別途設けられている。そして、湾曲可能部１１０－２は、先端部材１１３の異なる位置に結合されて固定される３本のワイヤ２ａ，２ｂ及び２ｃを駆動することにより湾曲するものとなる。ここで、図１６では、紙面の都合上、この３本のワイヤ２ａ～２ｃの図示は省略している。また、この３本のワイヤ２ａ～２ｃは、－Ｚ軸方向の終端側が支持機構１２０の内部において各ワイヤごとに設けられている圧縮引張力検出部（図２の１２１に相当）及び駆動部（図２の１２２に相当）に接続されている形態を採る。そして、図１６に示す例では、湾曲可能部１１０－２は、先端部材１１３における＋Ｚ軸方向の終端である先端部材の終端１１３ｅから、湾曲可能部１１０－１の先端部材１１１における＋Ｚ軸方向の終端である先端部材の終端１１１ｅに亘って、構成されている。

図１６に示す湾曲可能部１１０－１は、例えば図１に示す湾曲可能部１１０－１に対応する湾曲可能部であるが、図１６に示す先端部材１１１及び案内部材１１２には、湾曲可能部１１０－３のワイヤ３～３ｃ及び湾曲可能部１１０－２のワイヤ２ａ～２ｃを摺動可能に配するための案内孔が別途設けられている。

第４の実施形態における支持機構１２０の内部構成は、図２に示す第１の実施形態における支持機構１２０の内部構成と同様の構成をとり得る。この第４の実施形態の場合には、ワイヤ１ａ～１ｃ，ワイヤ２ａ～２ｃ及びワイヤ３ａ～３ｃの合計９本のワイヤにおける各ワイヤごとに、－Ｚ軸方向の終端側において圧縮引張力検出部１２１及び駆動部１２２を設ける構成をとり得る。これにより、各ワイヤのそれぞれにかかる圧縮引張力を検出することが可能である。

また、第４の実施形態に係る連続体ロボット制御システムの概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御システム１０の概略構成と同様である。即ち、第４の実施形態に係る連続体ロボット制御装置の概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置２００の概略構成と同様である。

以下の説明では、一般化して、Ｓ個の湾曲可能部を有する連続体ロボット１００において、支持機構１２０の近位端からｓ番目（ｓ＝１～Ｓ）の湾曲可能部におけるワイヤ本数をＮｓ本とし、ｓ番目の湾曲可能部のｉ番目（ｉ＝１～Ｎｓ）ワイヤにかかる圧縮引張力をＦ_s,iとする。このとき、それぞれの湾曲可能部において圧縮引張力の総和である評価値Ｅｓは、以下の（３７）式となる。

例えば、外力のかかっていない状態でｓ番目の湾曲可能部のみを湾曲させる場合を考える。このとき、ｓ番目の湾曲可能部の先端部材及び案内部材は、ｓ＋１～Ｓ番目の湾曲可能部のワイヤから反モーメントを受け、また、ｓ番目の湾曲可能部のワイヤは１～ｓ－１番目の湾曲可能部の先端部材及び案内部材から反モーメントを受ける。

ワイヤと先端部材及び案内部材との間の摩擦を無視できると仮定すると、ｓ番目の湾曲可能部は、他の湾曲可能部から並進力を受けず、反モーメントによってそれぞれの圧縮引張力Ｆ_s,iは変化するものの、Ｎｓ本のワイヤにかかる合計の圧縮引張力は変化しない。

次に、連続体ロボット１００に外力のかかった場合を考える。
ｓ番目の湾曲可能部に外力がかかると、圧縮引張力の総和である評価値Ｅｓの値は変化する。一方で、ｓ＋１～Ｓ番目の湾曲可能部に外力が働いた際には、ｓ＋１～Ｓ番目の湾曲可能部のワイヤを介して反モーメントがｓ番目の湾曲可能部の先端部材及び案内部材に作用する。また、１～ｓ－１番目の湾曲可能部に外力が働いた際には、１～ｓ－１番目の湾曲可能部の先端部材及び案内部材を介して反モーメントがｓ番目の湾曲可能部のワイヤにかかる。この場合も並進力は発生せず、反モーメントにより圧縮引張力Ｆ_s,iは変化するものの、Ｎｓ本のワイヤにかかる合計の圧縮引張力は変化しない。

以上説明したように、ｓ番目の湾曲可能部に外力がかかった際には、圧縮引張力の総和である評価値Ｅｓのみ変化し、ｓ番目の湾曲可能部以外のＥｔ（ｔ≠ｓ）は変化しない。したがって、各湾曲可能部の圧縮引張力の総和である評価値Ｅｓをそれぞれ閾値と比較することにより、各湾曲可能部が対象物に与える力を推定することができ、対象物の損傷を回避することができる。即ち、この場合、外力推定部２１０は、複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに外力（評価値Ｅｓ）を推定し、閾値比較部２２０は、湾曲可能部ごとに推定された外力（評価値Ｅｓ）ごとに閾値と比較を行う形態をとり得る。そして、警告発生部２３０は、複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに警告処理を行い、駆動制御部２４０は、複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに駆動させるワイヤの駆動制御を行う形態をとり得る。

また、各ワイヤにかかる圧縮引張力Ｆ_s,iは、湾曲可能部同士の相互作用を受ける。このため、外力推定部２１０及び閾値比較部２２０において、圧縮引張力の総和である評価値Ｅｓに加えて圧縮引張力Ｆ_s,iも閾値と比較することで、連続体ロボット１００の破損をより回避しやすくなる。

図１７は、本発明の第４の実施形態で用いる連続体ロボット１００の外観構成の他の一例を示す図である。以下の説明においては、この図１７に示す連続体ロボット１００を、必要に応じて「連続体ロボット１００－４Ｂ」として説明する。また、図１７には、３次元空間におけるＸＹＺ座標系を図示している。また、図１７において、図１及び図１６に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

具体的に、図１７に示す連続体ロボット１００－４Ｂは、図１６に示す連続体ロボット１００－４Ａに対して、湾曲可能部群１１０－４との支持機構１２０との間に、長尺湾曲部材１３０及び長尺湾曲部材力検出部１４０を追加したものである。

長尺湾曲部材１３０は、湾曲可能部群１１０－４の各ワイヤを摺動させながら案内するための孔をもつ多孔型チューブである。この場合、湾曲可能部群１１０－４と長尺湾曲部材１３０は摺動可能なため、一方に外力が加わっても他方に並進力は発生せず、反モーメントのみしか作用しない。したがって、図１６に示す連続体ロボット１００－４Ａの場合と同様に、図１７に示す連続体ロボット１００－４Ｂの場合も、湾曲可能部群１１０－４における各湾曲可能部１１０－１～１１０－３ごとに圧縮引張力の総和である評価値Ｅｓを閾値と比較すればよい。さらに、図１７に示す連続体ロボット１００－４Ｂの場合に、外力推定部２１０及び閾値比較部２２０において、長尺湾曲部材力検出部１４０で検出された長尺湾曲部材１３０にかかる力も閾値と比較する形態もとり得る。

第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、連続体ロボット１００の駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボット１００や対象物の損傷を抑制することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第５の実施形態の説明においては、上述した第１～第４の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１～第４の実施形態と異なる事項について説明を行う。

図１８は、本発明の第５の実施形態で用いる連続体ロボット１００の外観構成の一例を示す図である。以下の説明においては、この図１８に示す連続体ロボット１００を、必要に応じて「連続体ロボット１００－５」として説明する。図１８には、３次元空間におけるＸＹＺ座標系を図示している。また、図１８において、図１～図５に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

また、図１９は、図１８に示す連続体ロボット１００－５のＸＺ平面における断面図である。この図１９において、図１８に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。

図１８に示す連続体ロボット１００－５は、複数のワイヤ１－１～１－４、湾曲可能部１１０－５、支持機構１２０、及び、湾曲可能部力検出部１５０を有して構成されている。この連続体ロボット１００－５では、複数のワイヤ１－１～１－４を駆動させることにより湾曲可能部１１０－５を湾曲させるものとなっている。

湾曲可能部１１０－５は、図１８及び図１９に示すように、Ｚ軸を中心軸とする筒状形状をしている。また、この湾曲可能部１１０－５は、図１８及び図１９に示すように、ＸＺ平面またはＹＺ平面に変形する弾性ヒンジ構造１１７からなる弾性連結部１１８を交互に配することで立体変形可能な湾曲可能部となっている。この湾曲可能部１１０－５は、支持機構１２０へと機械的に接続されており、湾曲可能部力検出部１５０によって湾曲可能部１１０－５にかかる力Ｆｓを検出することが可能となっている。ここでは、湾曲可能部力検出部１５０は、湾曲可能部１１０－５が基端部において受ける力Ｆｓを検出する。弾性連結部１１８には、超弾性材料を用いることが多いが、複数の部材をリベット等により連結し、リベットを中心として回動可能な湾曲構造であってもよく、また、弾性連結部１１８は可撓性を有するチューブ状の構造であってもよい。

ワイヤ１－１～１－４は、図１８に示すように、Ｚ軸に平行な方向に配置されており、＋Ｚ軸方向の終端において弾性連結部１１８における弾性ヒンジ構造の先端１１７ｅの異なる位置に結合されて固定されている。図１８では、４本のワイヤ１－１～１－４を図示しているが、湾曲可能部１１０－５を平面内で駆動する場合には少なくとも１本以上、立体駆動する場合には少なくとも２本以上のワイヤが配置されていればよい。

第５の実施形態における支持機構１２０の内部構成は、図２に示す第１の実施形態における支持機構１２０の内部構成と同様の構成をとり得る。この第５の実施形態の場合には、ワイヤ１－１～１－４における各ワイヤごとに、－Ｚ軸方向の終端側において圧縮引張力検出部１２１及び駆動部１２２を設ける構成をとり得る。これにより、各ワイヤのそれぞれにかかる圧縮引張力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄を検出することが可能である。また、弾性連結部１１８には、各ワイヤ１－１～１－４を摺動させながら案内するための案内孔を有し、先端１１７ｅに固定された各ワイヤ１－１～１－４は案内孔に挿通されている。

また、第５の実施形態に係る連続体ロボット制御システムの概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御システム１０の概略構成と同様である。即ち、第５の実施形態に係る連続体ロボット制御装置の概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置２００の概略構成と同様である。

ここで、湾曲可能部１１０－５に外力が作用しない状態で湾曲可能部１１０－５を湾曲させた場合を考える。各ワイヤの圧縮引張力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄と湾曲可能部力検出部１５０で検出される力Ｆｓとの総和を評価値Ｅとすると、以下の（３８）式となる。

このとき、ワイヤ１によって湾曲可能部１１０－５が受ける力は、支持機構１２０が湾曲可能部１１０－５から受ける力とつりあっているため、（３８）式に示す評価値Ｅはゼロとなる。一方で、湾曲可能部１１０－５に外力が作用した場合には、ワイヤ１の圧縮引張力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄と湾曲可能部力検出部１５０で検出される力Ｆｓとの総和である評価値Ｅはゼロとならず、閾値との比較が可能となる。

第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、連続体ロボット１００の駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボット１００や対象物の損傷を抑制することができる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第６の実施形態の説明においては、上述した第１～第５の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１～第５の実施形態と異なる事項について説明を行う。

図２０は、本発明の第６の実施形態で用いる連続体ロボット１００の外観構成の一例を示す図である。以下の説明においては、この図２０に示す連続体ロボット１００を、必要に応じて「連続体ロボット１００－６」として説明する。図２０には、３次元空間におけるＸＹＺ座標系を図示している。また、図２０において、図１～図５に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

また、図２１は、図２０に示す連続体ロボット１００－６のＸＺ平面における断面図である。この図２１において、図２０に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。

具体的に、図２０に示す連続体ロボット１００－６は、図１に示す連続体ロボット１００－１に対して、湾曲可能部１１０を保護するための外皮構造１１９Ｇ及び内皮構造１１９Ｎを追加したものである。この外皮構造１１９Ｇ及び内皮構造１１９Ｎを追加した湾曲可能部１１０を「湾曲可能部１１０－６」として説明する。

外皮構造１１９Ｇ及び内皮構造１１９Ｎは、＋Ｚ軸方向の終端において先端部材１１１の側面に固定されており、－Ｚ軸方向の終端においては支持機構１２０を摺動可能な状態で被覆している。

第６の実施形態における支持機構１２０の内部構成も、図２に示す第１の実施形態における支持機構１２０の内部構成と同様の構成をとり得る。また、第６の実施形態に係る連続体ロボット制御システムの概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御システム１０の概略構成と同様である。即ち、第６の実施形態に係る連続体ロボット制御装置の概略構成は、上述した図６に示す第１の実施形態に係る連続体ロボット制御装置２００の概略構成と同様である。

図２０及び図２１に示す連続体ロボット１００－６において、外力の作用しない状態で湾曲可能部１１０－６を湾曲させると、ワイヤ１ａ～１ｃは外皮構造１１９Ｇ及び内皮構造１１９Ｎから反モーメントを受けるが並進力は受けない。このため、（１１）式で表される全てのワイヤにかかる圧縮引張力（Ｆ_a，Ｆ_b，Ｆ_c）の総和である評価値Ｅはゼロとなる。一方、外力が作用すると評価値Ｅは、変化するため閾値との比較が可能となる。

図２０に示す連続体ロボット１００－６において、外皮構造１１９Ｇ及び内皮構造１１９Ｎが－Ｚ軸方向の終端において支持機構１２０に固定されている場合には、図１８に示す連続体ロボット１００－５と同様に、例えば支持機構１２０に設けた湾曲可能部力検出部１５０で外皮構造１１９Ｇ及び内皮構造１１９Ｎの受ける力Ｆｓを検出する形態を採用することで、（３８）式を用いた閾値との比較が可能となる。

なお、上述した閾値との比較方法は、本実施形態における連続体ロボット１００の構造以外においても適用可能である。例えば、湾曲可能部１１０を駆動するために配された全てのワイヤが受ける圧縮引張力の和Ｆ_dと、湾曲可能部１１０を構成する構造体が支持機構１２０側で受ける力Ｆｓの和を用いて、以下の（３９）式で表される評価値Ｅを閾値と比較することも可能である。

第６の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、連続体ロボット１００の駆動可能範囲の縮小を回避しつつ、連続体ロボット１００や対象物の損傷を抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
このプログラム及び当該プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、本発明に含まれる。

なお、上述した本発明の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０：続体ロボット制御システム、１００：連続体ロボット、１ａ～１ｃ：ワイヤ、１１０：湾曲可能部、１１１：先端部材、１１２：案内部材、１２０：支持機構、１２１：圧縮引張力検出部、１２２：駆動部、２００：連続体ロボット制御装置、２１０：外力推定部、２２０：閾値比較部、２３０：警告発生部、２４０：駆動制御部、３００：入力装置

Claims (25)

1. 複数のワイヤのうちの少なくとも一部のワイヤを駆動することにより湾曲する湾曲可能部を有する連続体ロボットの動作を制御する連続体ロボット制御装置であって、
   前記複数のワイヤのうちの２以上のワイヤに加わる張力に基づいて、前記湾曲可能部に加わる外力を推定する推定手段と、
   前記推定手段で推定された外力に基づいて、前記駆動させるワイヤの駆動制御を行う駆動制御手段と、
   を有し、
   前記推定手段は、前記２以上のワイヤに加わる張力の和に基づいて、前記外力を推定し、
   前記推定手段で推定された外力が閾値を超えた場合に、前記連続体ロボットの操作者に警告を発する、または前記駆動させるワイヤの駆動を停止することを特徴とする連続体ロボット制御装置。
2. 前記駆動制御手段は、前記推定手段で推定された外力が閾値を超えた場合に、前記駆動させるワイヤの駆動を停止する制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の連続体ロボット制御装置。
3. 前記推定手段は、前記和と時間との関係から前記外力を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の連続体ロボット制御装置。
4. 前記２以上のワイヤは、前記複数のワイヤのうちの全てのワイヤであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
5. 前記複数のワイヤは、３以上のワイヤであり、
   前記推定手段は、前記３以上のワイヤのうち、組み合わせの異なる前記２以上のワイヤに加わる張力の和に基づいて、前記外力を推定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
6. 前記推定手段は、前記外力として、前記湾曲可能部の特定の方向に加わる外力を推定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
7. 前記特定の方向は、前記湾曲可能部が前記湾曲する方向と直交する方向であることを特徴とする請求項６に記載の連続体ロボット制御装置。
8. 前記張力は、前記２以上のワイヤにおける各ワイヤに生じる摩擦の影響を補償した値であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
9. 前記連続体ロボットは、互いに直列に設けられた複数の前記湾曲可能部を有して構成されており、
   前記推定手段は、前記複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに、前記外力を推定し、
   前記駆動制御手段は、前記複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに、前記駆動させるワイヤの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
10. 前記推定手段は、前記２以上のワイヤに加わる張力と前記湾曲可能部が基端部において受ける力との和に基づいて、前記外力を推定することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
11. 前記推定手段で推定された外力が閾値を超えた場合に、前記警告を発する警告発生手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
12. 前記駆動制御手段は、前記推定手段で推定された外力が閾値を超えていない場合に、前記湾曲可能部の湾曲角度に係る指令値と前記湾曲可能部の旋回角度に係る指令値とに基づいて、前記駆動させるワイヤの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置。
13. 複数のワイヤのうちの少なくとも一部のワイヤを駆動することにより湾曲する湾曲可能部を有する連続体ロボットの動作を制御する連続体ロボット制御装置による連続体ロボット制御方法であって、
    前記連続体ロボット制御装置が、
    前記複数のワイヤのうちの２以上のワイヤに加わる張力に基づいて、前記湾曲可能部に加わる外力を推定する推定ステップと、
    前記推定ステップで推定された外力に基づいて、前記駆動させるワイヤの駆動制御を行う駆動制御ステップと、
    を実行し、
    前記推定ステップは、前記２以上のワイヤに加わる張力の和に基づいて、前記外力を推定し、
    前記推定ステップで推定された外力が閾値を超えた場合に、前記連続体ロボットの操作者に警告を発する、または前記駆動させるワイヤの駆動を停止することを特徴とする連続体ロボット制御方法。
14. 前記駆動制御ステップは、前記推定ステップで推定された外力が閾値を超えた場合に、前記駆動させるワイヤの駆動を停止する制御を行うことを特徴とする請求項１３に記載の連続体ロボット制御方法。
15. 前記推定ステップは、前記和と時間との関係から前記外力を推定することを特徴とする請求項１３または１４に記載の連続体ロボット制御方法。
16. 前記２以上のワイヤは、前記複数のワイヤのうちの全てのワイヤであることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
17. 前記複数のワイヤは、３以上のワイヤであり、
    前記推定ステップは、前記３以上のワイヤのうち、組み合わせの異なる前記２以上のワイヤに加わる張力の和に基づいて、前記外力を推定することを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
18. 前記推定ステップは、前記外力として、前記湾曲可能部の特定の方向に加わる外力を推定することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
19. 前記特定の方向は、前記湾曲可能部が前記湾曲する方向と直交する方向であることを特徴とする請求項１８に記載の連続体ロボット制御方法。
20. 前記張力は、前記２以上のワイヤにおける各ワイヤに生じる摩擦の影響を補償した値であることを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
21. 前記連続体ロボットは、互いに直列に設けられた複数の前記湾曲可能部を有して構成されており、
    前記推定ステップは、前記複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに、前記外力を推定し、
    前記駆動制御ステップは、前記複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに、前記駆動させるワイヤの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１３乃至２０のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
22. 前記推定ステップは、前記２以上のワイヤに加わる張力と前記湾曲可能部が基端部において受ける力との和に基づいて、前記外力を推定することを特徴とする請求項１３乃至２１のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
23. 前記連続体ロボット制御装置が、前記推定ステップで推定された外力が閾値を超えた場合に、前記警告を発する警告発生ステップを更に実行することを特徴とする請求項１３乃至２２のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
24. 前記駆動制御ステップは、前記推定ステップで推定された外力が閾値を超えていない場合に、前記湾曲可能部の湾曲角度に係る指令値と前記湾曲可能部の旋回角度に係る指令値とに基づいて、前記駆動させるワイヤの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１３乃至２３のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御方法。
25. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の連続体ロボット制御装置における各手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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