JP7183062B2 - 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
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Description
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。
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110の外観構成の一例を示す図である。この図1に示す連続体ロボット110は、ワイヤ1a、ワイヤ1b、長尺部111、湾曲可能部112、アクチュエータ113、及び、固定部114を有して構成されている。
θ1:湾曲可能部の遠位端の絶対湾曲角度
l1a1,l1b1:湾曲可能部のワイヤ1aの長さ,ワイヤ1bの長さ
lp1b:湾曲可能部のワイヤ1bの駆動制御量
le1b:湾曲可能部のワイヤ1bの補償量
Δl1a,Δl1b:湾曲可能部のワイヤ1aの伸縮量,ワイヤ1bの伸縮量
f1a,f1b:湾曲可能部のワイヤ1aから遠位端に作用する力,ワイヤ1bから遠位端に作用する力
M1a1,M1b1:湾曲可能部のワイヤ1aから遠位端に作用する曲げモーメント,ワイヤ1bから遠位端に作用する曲げモーメント
Rg:湾曲可能部の中心からワイヤ1a,ワイヤ1bまでの距離を半径とする円の直径
L10:湾曲可能部のワイヤ1a,ワイヤ1bの全長
l10:湾曲角度が0(deg)のときの湾曲可能部のワイヤ長
E:ワイヤのヤング率
A:ワイヤの断面積
I:ワイヤの断面2次モーメント
なお、駆動制御量lp1b、伸縮量Δl1a,Δl1b、力f1a,f1bは、遠位端方向を正とし、また、モーメントM1a1,M1b1は、時計方向を正とし、以下の実施形態においても同様である。
[仮定2]:ワイヤのねじり変形を考慮しない。
[仮定3]:ワイヤとワイヤガイドとの間、及び、ワイヤと長尺部の間に生じる摩擦を考慮しない。
[仮定4]:ワイヤガイドとワイヤの間に働く力とモーメントを考慮しない。
[仮定5]:ワイヤと遠位端の間に働く力のうち、ワイヤの長手方向の成分のみを考慮し、半径方向の成分を考慮しない。
[仮定6]:ワイヤの伸縮量は、ワイヤに作用する張力に比例する。
[仮定7]:ワイヤの曲げモーメントは、たわみ角に比例する。
[仮定8]:各ワイヤの引っ張り剛性と曲げ剛性とは等しい。
[仮定9]:各ワイヤのヤング率、断面積、断面2次モーメントは等しい。
湾曲角度θ1が0(deg)のときの湾曲可能部112のワイヤ長をl10とし、ワイヤ1aの伸縮量をΔl1a、ワイヤ1bの伸縮量をΔl1bとし、弾性ワイヤ駆動モデルを用いて演算するワイヤ1bの駆動制御量をlp1bとすると、ワイヤ長l1a1及びワイヤ長l1b1は、それぞれ、以下の(3)式及び(4)式で表される。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る連続体ロボット制御システム100の機能構成の一例を示す図である。この図4に示す連続体ロボット制御システム100は、図1に示す連続体ロボット110、連続体ロボット制御装置120、及び、入力装置130を有して構成されている。
上記<1-1>で導出した弾性ワイヤ駆動モデルと、上記<1-2>で提示した制御系を用いてシミュレーションを行う。本実施形態では、湾曲可能部112の長さl0を0.01mとする。
かかる構成によれば、ワイヤの変形に起因する駆動量lk1bの誤差を補償することができる。これにより、湾曲可能部112の目標姿勢と実際の姿勢との誤差を減少させることができ、その結果、体内等の経路と湾曲可能部との接触リスクの低減を実現することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図7は、本発明の第2の実施形態で用いる連続体ロボット210の概略構成の一例を示す図である。この図7において、図1及び図2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、この図7では、湾曲可能部112及び212を挿入・抜去させる経路の記載は省略している。
[仮定11]:第1の湾曲可能部112におけるワイヤ2aの長さl2a1とワイヤ1aの長さl1a1は等しい。ワイヤ2bの長さl2b1とワイヤ1bの長さl1b1についても同様である。
[仮定12]:第1の湾曲可能部112の遠位端1126とワイヤ2a及びワイヤ2bとの間にはワイヤの曲げモーメントのみが働き、摩擦力と反力は働かない。
第2の実施形態における弾性ワイヤ駆動モデルに対して、第1の実施形態と同様に式変形を行うことで、ワイヤ1aの伸縮量Δl1a及びワイヤ2aの伸縮量Δl2aを変数とする2つの独立な多項式を得ることができる。しかしながら、これらの方程式は、伸縮量Δl1a及びΔl2aについて5次以上の高次の多項式となるため解析解を求めることは困難である。この際、勾配法等の最適化法により数値解を求めることは可能であるが、多数の湾曲可能部を有する連続体ロボット210においてこの高次多項式を導出することは容易ではない。そこで、第2の実施形態では、弾性ワイヤ駆動モデルから導出する簡単な式を組み合わせる反復計算により、ワイヤ1aの伸縮量Δl1a及びワイヤ2aの伸縮量Δl2aの数値解を求める。
2つの湾曲可能部112及び212を有する連続体ロボット210に対して、図9~図11に示す第2の実施形態における制御系を適用する。なお、第1の湾曲可能部112と第2の湾曲可能部212の長さを0.01mとし、長尺部111の長さを1mとする。
かかる構成によれば、複数の湾曲可能部を有する連続体ロボット210においても、ワイヤの変形に起因する駆動量lk1b及びlk2bの誤差を補償することができる。これにより、複数の湾曲可能部の目標姿勢と実際の姿勢との誤差を減少させることができ、その結果、体内等の経路と湾曲可能部との接触リスクの低減を実現することができる。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
図14は、本発明の第3の実施形態で用いる連続体ロボット310の概略構成の一例を示す図である。この図14において、図1及び図2や図7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、この図14では、湾曲可能部312を挿入・抜去させる経路の一例も図示している。
本実施形態における連続体ロボット310では、ワイヤ長l1a1及びl1b1、並びに、ワイヤ1bの駆動制御量lp1bは、第1の実施形態と同様に、(3)式、(4)式、(5)式で表される。また、ワイヤ長l1c1は、ワイヤ長l1b1と同様に、ワイヤ1cの駆動制御量lp1cを用いて、以下の(50)式で表される。
第3の実施形態では、上述した第2の実施形態と同様に、反復計算を用いて各ワイヤの伸縮量Δl1a,Δl1b及びΔl1cの数値解を求める。
立体的に湾曲可能な湾曲可能部312を有する連続体ロボット310に対して、図16~図18に示す第3の実施形態における制御系を適用する。なお、湾曲可能部312の長さを0.01mとし、長尺部111の長さを1mとする。
かかる構成によれば、立体的に湾曲可能な湾曲可能部312を有する連続体ロボット310においても、ワイヤの変形に起因する駆動量lk1b及びlk1cの誤差を補償することができる。これにより、湾曲可能部312の目標姿勢と実際の姿勢との誤差を減少させることができ、その結果、体内等の経路と湾曲可能部との接触リスクの低減を実現することができる。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
図21は、本発明の第4の実施形態で用いる連続体ロボット410の概略構成の一例を示す図である。この図21において、図1及び図2や図7、図14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、この図21では、湾曲可能部412を挿入・抜去させる経路の一例も図示している。
図22は、本発明の第4の実施形態に係る連続体ロボット制御システム400の機能構成の一例を示す図である。この図22に示す連続体ロボット制御システム400は、図21に示す連続体ロボット410、連続体ロボット制御装置420、入力装置430、及び、入力装置440を有して構成されている。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
図23は、本発明の第5の実施形態に係る連続体ロボット制御システム500の外観構成の一例を示す図である。この図23に示す連続体ロボット制御システム500は、図1に示す長尺部111及び湾曲可能部112、基台部511、リニアガイド512、及び、位置検出器513を有して構成されている。
第5の実施形態における制御系は、遠位端1226の湾曲角度θ1を目標軌道Θ(zt)に一致させる駆動制御量lp1bを求める。このとき、駆動制御量lp1bは、目標軌道Θ(zt)の関数となるため、第1の実施形態に示すように、目標湾曲角度θ1refを定数として駆動制御量lp1bを求めることはできない。そこで、第5の実施形態では、反復計算により駆動制御量lp1bを求める。まず、湾曲可能部112の遠位端1126の移動量ztを演算する方法を示す。
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、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26は、本発明の第6の実施形態で用いる連続体ロボット610の概略構成の一例を示す図である。具体的に、図26は、第6の実施形態で用いる連続体ロボット610を、湾曲可能部612の長手方向に平行な平面で切断した断面を示す模式図である。なお、本実施形態の連続体ロボット610は、図14に示す第3の実施形態の連続体ロボット310と同様に、立体的に湾曲可能である。なお、図26に示す連続体ロボット610は、図14に示す第3の実施形態の連続体ロボット310と同様に、複数のワイヤ1a,1b及び1cを有しているとともに、図26では不図示であるが、図14に示すワイヤ1aと接続する固定部311a、ワイヤ1bと接続するアクチュエータ311b、及び、ワイヤ1cと接続するアクチュエータ311cを有して構成されている。
[仮定13]:外皮615と術具616の曲げモーメントの大きさは、湾曲可能部612の湾曲角度に比例する。
[仮定14]:外皮615と術具616の曲げモーメントの回転軸は、Y2軸と平行である。
第6の実施形態では、(63)式を用いて、第3の実施形態と同様の反復計算を行うことで、外皮615と術具616の剛性を考慮した各ワイヤの伸縮量を導出する。
外皮615を備え、かつ術具616が挿通された連続体ロボット610に対して、図27~図29に示す第6の実施形態における制御系を適用する。なお、外皮615の曲げ剛性kmcと術具616の曲げ剛性kmtは、どちらも0.33 Nm/radとする。
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第7の実施形態の説明において、上述した第1~第6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6の実施形態と異なる事項について説明を行う。
本実施形態で用いる連続体ロボットは、図14に示すワイヤ1aが固定部311aではなく、アクチュエータ311a' に接続される点が第3の実施形態に係る連続体ロボット310と異なる。そして、図14に示すワイヤ1aが固定部311aではなく、アクチュエータ311a' に接続される連続体ロボットを、第7の実施形態で用いる「連続体ロボット710」として記載する。
第7の実施形態では、各アクチュエータ311a' 、311b及び311cが自身に接続されたそれぞれのワイヤ1a、1b及び1cの伸縮を補償するように、各ワイヤ1a、1b及び1cの駆動制御量lp1a、lp1b及びlp1cを演算する。このとき、各ワイヤ1a、1b及び1cの駆動制御量lp1a、lp1b及びlp1cは、それぞれ、以下の(79)式~(81)式で与えられる。
3本の全てのワイヤ1a、1b及び1cを駆動可能な連続体ロボット710に対して、第7の実施形態における制御系を適用する。なお、本実施形態では、長さl1dcと長さl10をどちらも10mmとする。
上述した第1~第7の実施形態では、ワイヤとワイヤガイド、及びワイヤと長尺部の摩擦を考慮していないが、摩擦力が既知のときにはこれを考慮して伸縮量を演算してもよい。具体的には、(9)式の左辺に摩擦力fr1a及びfr1bを加えた、以下の(85)式を、(9)式の代わりに用いて、伸縮量を演算する形態をとり得る。
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。
Claims (10)
- 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、
前記湾曲可能部の湾曲角度の目標値である目標湾曲角度および前記湾曲可能部の旋回角度の目標値である目標旋回角度に基づいて、前記少なくとも一部のワイヤの駆動量を演算する第1の演算手段と、
前記目標湾曲角度と、前記目標旋回角度と、前記目標湾曲角度および前記目標旋回角度における前記複数のワイヤのうちのいずれかのワイヤの伸縮量とに基づいて、前記駆動量を補償する補償量を演算する第2の演算手段と、
前記第1の演算手段で算出された駆動量と、前記第2の演算手段で算出された補償量とに基づいて、前記少なくとも一部のワイヤを駆動制御する駆動制御量を設定する設定手段と、
を有することを特徴とする連続体ロボット制御装置。 - 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、
前記第1の演算手段は、前記複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに、前記目標湾曲角度に基づいて前記駆動量を演算し、
前記第2の演算手段は、前記複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに、前記補償量を演算し、
前記設定手段は、前記複数の湾曲可能部における湾曲可能部ごとに、前記第1の演算手段で算出された駆動量と前記第2の演算手段で算出された補償量とに基づいて前記駆動制御量を設定する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。 - 前記第2の演算手段は、前記目標湾曲角度の入力に応じて前記複数のワイヤのうちの一のワイヤの伸縮量を算出し、当該算出した伸縮量に基づいて他の一の前記ワイヤの補償量を演算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。
- 前記第2の演算手段は、
前記目標湾曲角度と、一の前記ワイヤの伸縮量における第1の伸縮量候補値との入力に応じて、他の一のワイヤにおける第2の伸縮量候補値に更新する伸縮量更新部と、
前記第2の伸縮量候補値を前記他の一のワイヤの伸縮量として用いて前記他の一のワイヤに対する補償量を算出する補償量算出部と、
前記第2の伸縮量候補値が一定値に収束している場合に当該第2の伸縮量候補値を前記他の一のワイヤの伸縮量として前記補償量算出部に出力し、前記第2の伸縮量候補値が前記一定値に収束していない場合に当該第2の伸縮量候補値を前記第1の伸縮量候補値として前記伸縮量更新部に出力する出力処理部と、
を含み構成されてい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。 - 前記伸縮量更新部は、
前記目標湾曲角度と前記第1の伸縮量候補値との入力に応じて、前記湾曲可能部における前記複数のワイヤごとにワイヤ長を演算するワイヤ長演算部と、
前記目標湾曲角度と前記複数のワイヤにおける前記ワイヤ長との入力に応じて、前記複数のワイヤごとに曲げモーメントを演算するモーメント演算部と、
前記複数のワイヤにおける前記曲げモーメントの入力に応じて、前記複数のワイヤの張力を演算する力演算部と、
前記張力の入力に応じて、前記第2の伸縮量候補値を演算する伸縮量演算部と、
を含み構成されていることを特徴とする請求項4に記載の連続体ロボット制御装置。 - 前記伸縮量更新部は、前記第1の伸縮量候補値として、前記他の一のワイヤを含む前記複数のワイヤの伸縮量における伸縮量候補値を更新するものであり、
前記伸縮量更新部は、
前記目標湾曲角度と前記第1の伸縮量候補値との入力に応じて、前記湾曲可能部における前記複数のワイヤの各々についてワイヤ長を演算するワイヤ長演算部と、
前記目標湾曲角度と前記湾曲可能部の旋回角度の目標値である目標旋回角度と前記複数のワイヤにおける前記ワイヤ長との入力に応じて、前記複数のワイヤの各々について曲げモーメントを演算するモーメント演算部と、
前記複数のワイヤにおける前記曲げモーメントの入力に応じて、前記複数のワイヤの張力を演算する力演算部と、
前記複数のワイヤにおける前記張力の入力に応じて、前記他のワイヤを含む前記複数のワイヤの伸縮量における前記第2の伸縮量候補値を演算する伸縮量演算部と、
を含み構成されていることを特徴とする請求項4に記載の連続体ロボット制御装置。 - 前記連続体ロボットの長手方向の移動量と前記ワイヤの駆動制御量における第1の駆動制御量候補値との入力に応じて、前記湾曲可能部の遠位端の移動量を演算する第3の演算手段と、
前記湾曲可能部の遠位端の移動量の入力に応じて、前記目標湾曲角度を更新する目標角度更新手段と、
を更に有し、
前記設定手段は、前記第1の演算手段が前記目標角度更新手段で更新した前記目標湾曲角度に基づき算出した駆動量と、前記第2の演算手段が前記目標角度更新手段で更新した前記目標湾曲角度に基づき算出した補償量とに基づいて、前記ワイヤの駆動制御量における第2の駆動制御量候補値を演算し、前記第2の駆動制御量候補値が一定値に収束している場合に当該第2の駆動制御量候補値を前記駆動制御量として設定し、前記第2の駆動制御量候補値が前記一定値に収束していない場合には前記第2の駆動制御量候補値を前記第1の駆動制御量候補値として前記第3の演算手段に出力することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の連続体ロボット制御装置。 - 前記ワイヤの長さは、前記湾曲可能部の長さの10倍以上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。
- 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方法であって、
前記湾曲可能部の湾曲角度の目標値である目標湾曲角度および前記湾曲可能部の旋回角度の目標値である目標旋回角度に基づいて、前記少なくとも一部のワイヤの駆動量を演算する第1の演算ステップと、
前記目標湾曲角度と、前記目標旋回角度と、前記目標湾曲角度および前記目標旋回角度における前記複数のワイヤのうちのいずれかのワイヤの伸縮量とに基づいて、前記駆動量を補償する補償量を演算する第2の演算ステップと、
前記第1の演算ステップで算出された駆動量と、前記第2の演算ステップで算出された補償量とに基づいて、前記少なくとも一部のワイヤを駆動制御する駆動制御量を設定する設定ステップと、
を有することを特徴とする連続体ロボット制御方法。 - 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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