WO2017169103A1 - アーム制御方法及びアーム制御装置 - Google Patents

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WO2017169103A1
WO2017169103A1 PCT/JP2017/003901 JP2017003901W WO2017169103A1 WO 2017169103 A1 WO2017169103 A1 WO 2017169103A1 JP 2017003901 W JP2017003901 W JP 2017003901W WO 2017169103 A1 WO2017169103 A1 WO 2017169103A1
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arm
sensor
control method
abnormality
output value
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PCT/JP2017/003901
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French (fr)
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長尾　大輔
栄良 笠井
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ソニー株式会社
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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension

Definitions

  • the present disclosure relates to an arm control method and an arm control device.
  • Patent Document 1 discloses a technique for determining whether or not an arm is abnormal.
  • the arm is caused to perform a motion of a preset motion pattern, and the result is detected by a sensor. And based on the detection result by a sensor, the presence or absence of abnormality of an arm is determined. When it is determined that an abnormality has occurred in the arm, the arm operation is stopped.
  • an arm control method in which a processor determines whether there is an abnormality in an arm in a state where an arm that operates by driving an actuator is fixed by a brake mechanism.
  • an arm control device includes a control unit that determines whether there is an abnormality in an arm in a state where an arm that operates by driving of an actuator is fixed by a brake mechanism.
  • FIG. 1 shows an example in which the arm device 400 is used for medical treatment, specifically, surgery, as an application example of the arm device 400 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the overall configuration of the arm device.
  • FIG. 1 shows the arm device 400 in a simplified manner.
  • the arm device 400 according to the present embodiment may be applied to other fields (for example, various industries (such as automobiles) and agricultural fields).
  • Application to the industrial field includes application to an arm constituting a production assembly line. Of course, you may apply this embodiment to another use.
  • the operator 520 performs an operation on a patient 540 on an operating table 530 using a surgical treatment tool 521 such as a scalpel, a scissors, or a forceps.
  • a surgical treatment tool 521 such as a scalpel, a scissors, or a forceps.
  • An arm device 400 according to this embodiment is provided on the side of the operating table 530.
  • the arm device 400 includes a base part 410 that is a base and an arm 420 that extends from the base part 410.
  • the arm device 400 is connected to an arm control device 430 (see FIG. 2) that controls the operation of the arm device 400.
  • the arm 420 includes a plurality of joint portions 421a to 421f, a plurality of links 422a to 422d that connect the joint portions 421a to 421f, and an imaging device 423 provided at the tip of the arm 420.
  • the joints 421a to 421f are provided with an actuator 300 shown in FIG. 3 to be described later.
  • the joints 421a to 421f are rotatable about a predetermined rotation axis by driving the actuator 300.
  • the arm control device 430 By controlling the driving of the actuator 300 by the arm control device 430, the rotation angles of the joint portions 421a to 421c are controlled, and the driving of the arm 420 is controlled. That is, the arm 420 operates by driving the actuator 300.
  • the number and arrangement of the joint portions 421a to 421f and the links 422a to 422d and the rotation direction of the joint portions 421a to 421f are not limited to the examples shown in FIGS.
  • the arm 420 may preferably be configured to have six or more degrees of freedom.
  • the imaging device 423 can be freely moved within the movable range of the arm 420.
  • FIG. 2 shows an example of an arm 420 having 6 degrees of freedom.
  • the imaging device 423 is a device that observes the surgical site of the patient 540, and is, for example, a camera that can capture a moving image and / or a still image to be captured.
  • the imaging device 423 can be a so-called video microscope that appropriately enlarges a subject to be photographed and electronically shoots the subject.
  • Other examples of the imaging device include an endoscope and an optical microscope.
  • An arm device in which an imaging device for observing the surgical site of the patient 540 is provided at the tip of the arm 420 is also referred to as an observation device in this specification.
  • the position of the arm 420 and the imaging device 423 is determined by the arm device 400 so that the imaging device 423 provided at the distal end of the arm 420 images the surgical site of the patient 540.
  • the attitude is controlled.
  • a display device 550 is installed at a position facing the operator 520, and an image of the surgical part taken by the imaging device 423 is displayed on the display device 550.
  • the surgeon 520 performs various treatments while observing the image of the surgical site displayed on the display device 550.
  • various medical instruments may be provided at the tip of the arm 420.
  • the medical instrument may include various treatment tools such as forceps and a retractor. Conventionally, since operations of these medical instruments have been performed manually, a large number of medical staff has been required for the operation. However, by operating these medical instruments with the arm device 400, a smaller number of people are required. Surgery can be performed.
  • the state of the operation using the arm device 400 according to the present embodiment has been described.
  • the arm device 400 is used for surgery.
  • an inspection unit such as an endoscope
  • the arm device 400 is used for inspection purposes. Also good.
  • the arm device 400 used for the operation is often installed in the vicinity of the operator 520 and the patient 540. Therefore, it is necessary to prevent the arm 420 from performing an abnormal operation, for example, an operation that the operator 520 does not expect. This is because the arm 420 may come into contact with the operator 520 or the patient when the arm 420 performs an abnormal operation.
  • a heavy object such as the imaging device 423 may be provided at the tip of the arm 420.
  • a medical instrument having a sharp part may be provided at the tip of the arm 420. In these cases, it is necessary to more reliably prevent the tip of the arm 420 from contacting the operator 520 and the patient 540.
  • examples of the abnormality that occurs in the arm device 400 include failure of the motor 310 in the actuator 300, failure of sensors (specifically, a torque sensor 355, an input shaft encoder 330, and an output shaft encoder 340, which will be described later), and the like. is assumed.
  • the arm control device 430 determines whether or not there is an abnormality in the arm 420 while the arm 420 is fixed by the brake mechanism 370 (see FIG. 3 and the like) when the arm 420 is activated. Thereby, even when there is an abnormality in the arm 420, the abnormality of the arm 420 can be detected without causing the arm 420 to perform an abnormal operation. That is, the arm control device 430 can more safely determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the brake mechanism 370 determines whether there is an abnormality in the sensor.
  • the abnormality of the sensor can be detected with the arm 420 fixed by the brake mechanism 370. Therefore, for example, immediately after the arm 420 is activated, the abnormality of the sensor can be detected without causing the arm 420 to perform an abnormal operation.
  • the brake mechanism 370 is not released. The same process is performed when only the sensor has failed. This is because even if the motor 310 is normal, the arm 420 may perform an abnormal operation. As such a case, for example, a case where an abnormal operation signal is given to the actuator 300 is assumed. In this case, if the sensor is broken, there is a possibility that an abnormal operation of the arm 420 cannot be detected. However, in this embodiment, since the brake mechanism 370 is not released, it is possible to prevent the arm 420 from performing an abnormal operation.
  • the brake mechanism 370 is released in this embodiment. It is assumed that the sensor is normal and the motor 310 is abnormal. However, since the sensor is normal, if the arm 420 tries to perform an abnormal operation, the arm 420 can be stopped immediately. This is because an abnormal value is output from the sensor in this case.
  • the present embodiment it is possible to determine whether or not the arm 420 is abnormal while the arm 420 is fixed, and more reliably to prevent the arm 420 from performing an abnormal operation.
  • this embodiment can be suitably applied to fields other than medical treatment.
  • the details of the present embodiment will be described with reference to an example in which the arm 420 is applied to medical treatment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an overall configuration of the arm device according to the present embodiment.
  • the arm device 400 includes a base portion 410, an arm 420, and an arm control device 430.
  • the arm device 400 is an arm device that can be suitably applied to surgery, examination, and the like, similar to the arm device 400 shown in FIG. 1 described above.
  • the base part 410 is a base of the arm device 400, and the arm 420 is extended from the base part 410.
  • the base unit 410 is provided with a caster, and the arm device 400 is configured to be in contact with the floor surface via the caster and to be movable on the floor surface by the caster.
  • the configuration of the arm device 400 according to the present embodiment is not limited to such an example.
  • the base device 410 is not provided, and the arm device 400 is configured by directly attaching the arm 420 to the ceiling or wall surface of the operating room. May be.
  • the arm device 400 is configured by suspending the arm 420 from the ceiling.
  • the arm 420 includes a plurality of joint portions 421a to 421f, a plurality of links 422a to 422d that connect the joint portions 421a to 421f, and an imaging device 423 provided at the tip of the arm 420.
  • the links 422a to 422d are rod-shaped members.
  • the link 422a connects the joint part 421a and the joint part 421b.
  • the joint portion 421 a is provided on the base portion 410.
  • the link 422b connects the joint part 421b and the joint part 421c.
  • the link 422c connects the joint part 421c and the joint part 421e.
  • the joint portion 421d is built in the link 422c.
  • the link 422d connects the joint part 421e and the joint part 421f.
  • the imaging device 423 is connected to the tip of the arm 420, that is, the joint portion 421f. In this way, the joint portions 421a to 421f are connected to each other by the plurality of links 422a to 422d with the base portion 410 as a fulcrum.
  • the imaging device 423 is an example of an imaging device for observing a surgical site, and is, for example, a camera that can capture a moving image and / or a still image to be captured.
  • An image of the surgical site of the patient imaged by the imaging device 423 is appropriately enlarged and displayed on a display device 550 provided in the operating room, for example, and the surgeon 520 displays the image of the surgical site of the patient displayed on the display device 550. Surgery is performed while observing the image.
  • the imaging device 423 may be a so-called video microscope.
  • the arm device 400 can be an observation device in which the imaging device 423 is attached to the tip of the arm 420.
  • an endoscope, an optical microscope, or the like can be provided.
  • a device other than the imaging device 423 may be connected to the tip of the arm 420.
  • various medical instruments may be attached to the tip of the arm 420.
  • medical devices include various treatment tools such as forceps and retractors.
  • a light source for an endoscope or a microscope, or a surgical energy device used for, for example, blood vessel sealing may be connected to the tip of the arm 420.
  • the joints 421a to 421f are provided with an actuator 300 shown in FIG. 3 to be described later, and the joints 421a to 421f are rotatable with respect to a predetermined rotation axis by driving the actuator 300.
  • the driving of the actuator 300 is controlled by the arm control device 430.
  • the driving of the arm 420 for example, extending or contracting (folding) the arm 420 is controlled.
  • the actuator 300 of each joint portion 421a to 421f is provided with a brake mechanism 370 that releases the rotation shaft of the joint portions 421a to 421f when energized and restrains the rotation shaft when de-energized.
  • the braking force of the brake mechanism 370 is large enough to support the weight of the arm 420 and maintain the posture when no power is supplied. Thereby, even if the power to the arm 420 is interrupted during the operation, the arm 420 can maintain the current posture. Therefore, the safety of the arm 420 is further enhanced.
  • the braking force by the brake mechanism 370 may be adjusted so that the rotating shaft can be operated by an external force equal to or greater than a predetermined value. Thereby, the convenience of the arm 420 is further improved.
  • the operator 520 can continue the operation by manually moving the arm 420 even when power to the arm 420 is interrupted during the operation.
  • the configurations of the actuator 300 and the brake mechanism will be described in detail in the following (2-2. Configuration of Actuator). Although details will be described later, in the present embodiment, the arm control device 430 determines whether there is an abnormality in the arm 420 while the arm 420 is fixed by the brake mechanism 370.
  • the arm device 400 includes six joint portions 421a to 421f, and six degrees of freedom for driving the arm 420 is realized.
  • the imaging device 423 can be freely moved within the movable range of the arm 420. Thereby, it becomes possible to image the surgical site from various angles and distances by the imaging device 423.
  • the configuration of the arm 420 is not limited to the illustrated example, and the number and arrangement of the joint portions 421a to 421f and the links 422a to 422c, the direction of the drive shaft of the joint portions 421a to 421f, and the like, the arm 420 has a desired degree of freedom. May be set as appropriate.
  • the arm 420 can be preferably configured to have a degree of freedom of 6 degrees or more.
  • the arm control device 430 is connected to the base portion 410 via a cable.
  • a control board or the like having the same function as the arm control device 430 is provided inside the base portion 410. Also good.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a configuration example of an actuator provided in each joint portion 421a to 421f of the arm device 400 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a functional block diagram of the arm control device 430 and the actuator 300. Note that the actuator 300 is not necessarily provided in all the joint portions 421a to 421f.
  • the joint portion where the actuator 300 is not provided serves as a so-called passive shaft.
  • the joint provided with the actuator 300 serves as an active axis.
  • the brake mechanism 370 is also provided in the joint portion serving as the passive shaft. This is to suppress an abnormal operation at the time of non-energization.
  • the actuator 300 includes a motor 310, a speed reducer 320, an input shaft encoder 330, an output shaft encoder 340, an output shaft 350, a torque sensor 355, a housing 360, and a brake mechanism. 370.
  • the rotation of the rotation shaft of the motor 310 is decelerated at a predetermined reduction ratio by the speed reducer 320 and is transmitted to the other member at the subsequent stage via the output shaft 350, thereby driving the other member.
  • the other member is a link (or an imaging device) directly connected to the distal end side of the arm 420 with respect to the joint portion.
  • the actuator 300 provided in the joint part 421a drives the link 422a.
  • the rotation axis direction of the actuator is also referred to as the x-axis direction.
  • Two directions orthogonal to each other in a plane perpendicular to the x-axis direction are also referred to as a y-axis direction and a z-axis direction, respectively.
  • the housing 360 has a substantially cylindrical shape, and each component is stored inside.
  • the actuator 300 is incorporated in each of the joint portions 421a to 421f of the arm device 400 described above in a state where the constituent members are stored in the housing 360.
  • the motor 310 is a drive mechanism that generates a driving force by rotating a rotating shaft at a rotation speed corresponding to the command value when a predetermined command value (current value) is given.
  • the command value is sent from the arm control device 430.
  • a brushless motor is used as the motor 310.
  • the present embodiment is not limited to this example, and various known motors may be used as the motor 310.
  • a speed reducer 320 is connected to the rotating shaft of the motor 310.
  • the speed reducer 320 transmits the rotational speed of the rotating shaft of the coupled motor 310 (that is, the rotational speed of the input shaft) to the output shaft 350 by decelerating at a predetermined reduction ratio.
  • the speed reducer 320 increases the torque of the input shaft of the motor 310 and transmits it to the output shaft 350.
  • the configuration of the speed reducer 320 is not limited to a specific one, and various known speed reducers 320 may be used.
  • the speed reducer 320 it is preferable to use, for example, a harmonic drive (registered trademark) capable of setting the speed reduction ratio with high accuracy.
  • the reduction ratio of the speed reducer 320 can be appropriately set according to the application of the actuator 300.
  • a speed reducer 320 having a reduction ratio of about 1: 100 can be suitably used.
  • the reduction gear 320 may be omitted when the motor 310 can generate sufficient torque to drive the link (or the imaging device).
  • the input shaft encoder 330 detects the rotation angle of the input shaft (that is, the rotation angle of the motor 310).
  • the output shaft encoder 340 detects the rotation angle of the output shaft 350.
  • the arm control device 430 reads output values from these encoders.
  • the configurations of the input shaft encoder 330 and the output shaft encoder 340 are not limited, and various known rotary encoders such as a magnetic encoder and an optical encoder may be used as the input shaft encoder 330 and the output shaft encoder 340, for example. One of the encoders may be omitted. In the present embodiment, the presence or absence of abnormality of each encoder and the torque sensor 355 is determined based on output values from these encoders.
  • the output shaft 350 is a link (or an imaging device) connected to the distal end side of the arm 420 with respect to the joint portion as described above. Further, the output shaft 350 incorporates a torque sensor 355. Therefore, the torque sensor 355 can detect torque acting on the output shaft 350.
  • the torque acting on the output shaft 350 can detect not only the torque applied from the speed reducer 320 but also the torque applied to the output shaft 350 from the outside of the actuator 300 (so-called external torque).
  • the external torque is torque that is applied from all structures (that is, the link, the joint, and the imaging device) that exist on the distal side of the arm 420 with respect to the joint where the actuator 300 is provided.
  • the torque sensor 355 is built in the output shaft 350, the external torque can be detected even when the rotation shaft of the actuator 300 is fixed by the brake mechanism 370.
  • the presence or absence of abnormality of each encoder and the torque sensor 355 is determined based on this external torque.
  • the installation position of the torque sensor 355 is not limited to the above installation position. That is, the torque sensor 355 may be installed at any position as long as the external torque can be detected when the rotation shaft of the actuator 300 is fixed by the brake mechanism 370.
  • the torque sensor 355 may be installed between the speed reducer 320 and the motor 310. In this case, the output value of the torque sensor 355 indicates the torque before being increased by the speed reducer 320. Therefore, when determining whether or not the torque sensor 355 is abnormal, it is preferable to use a correction coefficient for the output value of the torque sensor 355. This correction coefficient corresponds to the reduction ratio by the speed reducer 320.
  • the torque sensor 355 may be provided on the rotation shaft of the motor.
  • the type of the torque sensor 355 is not particularly limited as long as the function described above is realized.
  • the torque sensor 355 may be a non-contact type torque sensor or a contact type torque sensor.
  • the brake mechanism 370 has a function of releasing the rotating shaft of the actuator 300 when energized and restraining the rotating shaft of the actuator 300 to stop its rotation when de-energized.
  • the brake mechanism 370 is configured integrally with the input shaft encoder 330, and is configured to stop the rotation of the actuator 300 by restraining the rotation shaft (that is, the input shaft) of the motor 310. Yes.
  • the arrangement of the brake mechanism 370 is not limited to the illustrated example, and the brake mechanism 370 may be arranged as a separate member from the input shaft encoder 330. Further, the brake mechanism 370 is not necessarily provided on the input shaft, and may be at any position as long as the torque sensor 355 can detect the external torque. For example, the brake mechanism 370 may be disposed between the motor 310 and the speed reducer 320. The torque sensor 355 is provided closer to the output shaft 350 than the brake mechanism 370.
  • the braking force of the brake mechanism 370 is adjusted so as to support the weight of the arm 420 and maintain the posture of the arm 420 when the supply of power is interrupted. Thereby, the arm 420 can be safely stopped even in an emergency such as a power failure.
  • the braking force of the brake mechanism 370 is preferably adjusted so that the rotating shaft can rotate according to the external force when an external force of a predetermined value or more is applied. Thereby, even when the power is lost, the arm 420 can be moved manually, so that the operation can be continued.
  • the specific configuration of the brake mechanism 370 will be described in detail below (2-3. Configuration of the brake mechanism).
  • the brake mechanisms 370 can be provided in all the joint portions 421a to 421f. In all of them, the brake force adjustment as described above is performed. It does not have to be done. For example, the brake force adjustment as described above is performed only for the brake mechanism 370 of the actuator 300 provided in the joint portion 421a to 421f that can realize the operation necessary for continuing the operation. It's okay.
  • the joint portions 421a to 421f This is because it is sufficient that only the joint that can define the posture of the tip unit can be operated according to the external force.
  • the brake mechanism 370 of the actuator 300 provided in the joint portions 421d to 421f which is a joint portion provided on the more distal side and capable of defining the posture of the imaging device 423
  • the brake force adjustment as described above may be performed.
  • the brake mechanism 370 of the actuator 300 provided in the remaining joint portions 421a to 421c may have a stronger braking force that more firmly fixes the position and posture of the arm 420 when not energized.
  • the brake mechanisms 370 provided on the arm 420 only a part of the brake mechanisms 370 need only be adjusted, and the other brake mechanisms 370 need not be designed in detail.
  • the design of the arm 420 becomes easier.
  • each of the joint portions 421d to 421f the configuration on the tip side to be supported is balanced (that is, the center of gravity of the configuration on the tip side is located on the rotation axis of the joint portions 421d to 421f).
  • the brake mechanism 370 is not necessarily provided in the joint portions 421d to 421f. This is because, for a certain joint part constituting the arm 420, when the structure on the tip side of the joint part to be supported by the joint part is balanced with respect to the joint part, the joint part This is because the posture of the arm 420 can be maintained without generating a braking force.
  • the arm 420 is configured such that the rotation axis of the joint portion 421 f that supports the imaging device 423 is a rotation axis that is substantially parallel to the optical axis of the imaging device 423.
  • the brake mechanism 370 is not necessarily provided in the joint portion 421f.
  • the imaging device 423 often has a cylindrical shape, the center of gravity is often located on the optical axis, and the rotation axis of the joint portion 421f is the optical axis of the imaging device 423 as described above. Is approximately parallel to the joint portion 421f, that is, the imaging device 423 may be balanced with respect to the joint portion 421f. Because it is expensive. Therefore, even when the brake mechanism 370 is not provided in the joint portion 421f, it is unlikely that the imaging device 423 moves (rotates) due to its own weight when the power is lost.
  • the brake mechanisms 370 are provided in all the joint portions 421a to 421f.
  • the actuator 300 may further include a configuration other than the illustrated configuration.
  • the actuator 300 may further include various members that a general actuator may have, such as a driver circuit (driver IC (Integrated Circuit)) that rotates the motor 310 by supplying current to the motor 310. .
  • driver circuit driver IC (Integrated Circuit)
  • FIG. 4 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the brake mechanism 370 according to the present embodiment.
  • 5A and 5B are explanatory diagrams for explaining the operation of the brake mechanism 370 according to the present embodiment.
  • the brake mechanism 370 is called a so-called dry multi-plate electromagnetic brake.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional perspective view when the brake mechanism 370 is cut along a plane passing through the central axis.
  • the brake mechanism 370 is configured by a base material 371, an armature 374, and a hub 376, which all have a substantially disk shape, stacked in the rotation axis direction (x-axis direction).
  • the base 371, the armature 374, and the hub 376 are provided with an opening at substantially the center of the disk shape, and the rotation shaft of the actuator 300 (the rotation of the motor 310 in the example shown in FIG. 3) is provided in the opening. Axis) is inserted.
  • the hub 376 is fixedly fitted to the rotation shaft of the actuator 300 and rotates together with the rotation shaft of the actuator 300 as the actuator 300 is driven.
  • the base material 371 and the armature 374 are connected to the rotating shaft of the actuator 300 via a bearing (not shown).
  • the armature 374 is configured to be movable in the direction of the rotation axis between the base material 371 and the hub 376.
  • a substantially annular disk 375 and a plate 377 are provided on the outer periphery of the hub 376.
  • the armature 374, the disk 375, and the plate 377 are stacked in this order in the rotation axis direction.
  • the hub 376 and the disk 375 are coupled by a spline, and the hub 376 and the disk 375 rotate together with the rotation shaft of the actuator 300.
  • the plate 377 is connected to the base material 371 and the armature 374 by bolts 378 without passing through the hub 376. That is, in the brake mechanism 370, only the hub 376 and the disk 375 in the illustrated configuration rotate together with the rotation shaft of the actuator 300.
  • a coil 372 is provided inside the base material 371. Further, the base material 371 and the armature 374 are connected by a spring (not shown). The armature 374 moves in the direction of the rotation axis by the magnetic force due to the current applied to the coil 372 and the restoring force due to the spring, and the release and activation of the brake are realized.
  • FIGS. 5A and 5B the operation of the brake mechanism 370 will be described in detail with reference to FIGS. 5A and 5B.
  • FIG. 5A and FIG. 5B for the sake of simplicity, only the configuration corresponding to half of the cross section passing through the central axis of the brake mechanism 370 with the central axis interposed therebetween is schematically illustrated.
  • 5A and 5B schematically show the spring 379 that is not shown in FIG.
  • FIG. 5A shows a state of the brake mechanism 370 when energized, that is, when electric power is supplied to the coil 372. This corresponds to a state where the restriction of the rotation shaft of the actuator 300 by the brake mechanism 370 is released.
  • the armature 374 moves in the direction of the rotation axis so that the armature 374 is attracted to the base material 371 by the magnetic force generated by energizing the coil 372.
  • the armature 374, the disk 375, and the plate 377 have a predetermined distance from each other in the rotation axis direction.
  • both the hub 376 and the disk 375 rotate.
  • the disk 375 idles and the actuator 300 rotates.
  • the braking force does not act.
  • the spring 379 that connects the base material 371 and the armature 374 is in a compressed state by the armature 374 being attracted to the base material 371.
  • FIG. 5B shows the state of the brake mechanism 370 when power is not supplied, that is, when power is not supplied to the coil 372. This corresponds to a state where the rotation shaft of the actuator 300 is restrained by the brake mechanism 370.
  • the magnetic force due to energization of the coil 372 disappears, so that the armature 374 moves in the direction of the rotation axis so as to move away from the base material 371 by the restoring force of the spring 379 as shown in FIG. 5B. Accordingly, the disk 375 is pressed against the plate 377 by the armature 374. Accordingly, the rotation of the disk 375 is stopped by the static friction force generated between the disk 375 and the plate 377, that is, the rotation of the rotation shaft of the actuator 300 is stopped.
  • the braking force of the brake mechanism 370 can support the weight of the arm 420 and maintain the posture of the arm 420 when not energized, and has a predetermined value or more.
  • the rotary shaft is adjusted so as to rotate according to the external force.
  • the braking force in the brake mechanism 370 is a static friction force generated between the disk 375 and the plate 377, in this embodiment, there are matters that can define the magnitude of the static friction force.
  • the brake force of the brake mechanism 370 can be adjusted so as to satisfy the above condition.
  • the brake force of the brake mechanism 370 is adjusted by at least one of the contact area between the disk 375 and the plate 377, the static friction coefficient of the contact surface between the disk 375 and the plate 377, and the restoring force of the spring 379. Can be adjusted.
  • the braking force of the brake mechanism 370 is specifically the posture of the arm 420 even in the worst posture where the maximum stress corresponding to the weight of the arm 420 can act on the actuator 300 (that is, the joint portions 421a to 421f). May be determined so as to be held.
  • the force acting on the actuator 300 in the worst posture can be obtained by performing a simulation using a calculation model simulating the structure of the arm 420.
  • the specific design of each of the above-described components of the brake mechanism 370 can be performed so that a static frictional force (that is, a braking force) that can withstand the required force is realized.
  • the braking force of the brake mechanism 370 may be changed according to the position where the brake mechanism 370 is provided in the arm 420. For example, in the arm 420, the closer to the tip, the lighter the structure to be supported by the joint portions 421a to 421f. Therefore, in the brake mechanism 370 of the actuator 300 provided on the tip side, the brake mechanism 370 of the actuator 300 provided on the root side. As compared with this, the braking force required to maintain the posture of the arm 420 is reduced. Therefore, a difference may be provided in the brake force of the brake mechanism 370 so that the brake force becomes smaller as the brake mechanism 370 of the actuator 300 provided on the distal end side. Thus, by adjusting the brake force for each brake mechanism 370, it is possible to design a precise brake force.
  • the behavior of the arm 420 when the power is not supplied (the arm 420 is stopped and the arm 420 is manually moved). ) Can be realized more appropriately.
  • the optimum value of the brake force of each brake mechanism 370 according to the arrangement position on the arm 420 may be obtained by repeatedly performing a simulation in consideration of the worst posture while providing a difference in the brake force.
  • the configuration of the brake mechanism 370 according to the present embodiment has been described above with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the above-described brake mechanism 370 is mounted on each joint portion 421a to 421f of the arm device 400.
  • the brake mechanism 370 is configured to fix the joint portions 421a to 421f and maintain the posture of the arm 420 when the supply of power is stopped. Therefore, the operation of the arm 420 can be safely stopped even in an emergency such as a power failure.
  • the brake force may be adjusted so that the joint portions 421a to 421f can operate when an external force of a predetermined value or more is applied. In this case, the operation can be continued by manually operating the arm 420 even when the power is lost.
  • the arm control device 430 includes a storage unit 431 and a control unit 432.
  • the storage unit 431 stores information necessary for the operation of the arm control device 430, such as a program. Further, in the present embodiment, as will be described later, an expected output value of the torque sensor 355 is calculated, and the abnormality of each encoder and the torque sensor 355 is determined based on the predicted output value and the actual output value from the torque sensor 355. The presence or absence of is determined. Therefore, the storage unit 431 also stores information necessary for calculating the expected output value.
  • the information necessary for calculating the predicted output value is specifically a structural parameter related to the structure of the arm 420.
  • the storage unit 431 stores information that does not depend on the posture of the arm 420 among the structural parameters.
  • the storage unit 431 stores structural parameters related to the links 422a to 422d.
  • the structural parameters related to the links 422a to 422d include the dimensions, the center of gravity, the mass, and the like of the links 422a to 422d.
  • the link 422c is divided into a portion that exists between the joint portion 421c and the joint portion 421d and a portion that exists between the joint portion 421d and the joint portion 421e.
  • the storage unit 431 also stores structural parameters related to the imaging device 423.
  • examples of the structural parameters related to the imaging device 423 include the size, the center of gravity, and the mass of the imaging device 423.
  • structural parameters related to the posture of the arm 420 include structural parameters related to the joint portions 421a to 421f.
  • Examples of the structural parameters related to the joint portions 421a to 421f include the rotation angles of the joint portions 421a to 421f.
  • the rotation angles of the joint portions 421a to 421f are measured by the output shaft encoder 340.
  • the rotation angles of the joint portions 421a to 421f can also be obtained by multiplying the value measured by the input shaft encoder 330 by the correction value.
  • the correction value corresponds to the reduction ratio by the speed reducer 320.
  • the structural parameters are, for example, parameters relating to the joint portions 421a to 421f and the links 422a to 422d. There may be other structural parameters, but other structural parameters will be described later.
  • the control unit 432 controls the entire arm 420 and the arm control device 430 and performs the following processing. That is, the control unit 432 activates the arm 420 when an instruction to activate the arm 420 is given from the operator 520 or the like. Specifically, driving power is supplied to the motor 310 of each actuator 300. However, the control unit 432 does not release the brake mechanism 370. That is, the control unit 432 puts the brake mechanism 370 into a non-energized state when the arm 420 is activated. Thereby, even if there is an abnormality in the arm 420, it is possible to prevent the arm 420 from performing an abnormal operation. Further, the control unit 432 supplies driving power to the imaging device 423.
  • the control unit 432 first stops the power supply to the actuator 300 and can supply power to the imaging device 423. It may continue as long as possible. Thereby, even if an abnormality occurs in the arm 420, it is possible to continue shooting with the imaging device 423. Therefore, the operator 520 can continue the operation.
  • the brake mechanism 370 enters a non-energized state. That is, the brake mechanism 370 can fix the arm 420. For this reason, the posture of the arm 420 is maintained.
  • control unit 432 determines whether or not there is an abnormality in the arm 420 while the arm 420 is fixed by the brake mechanism 370 when the arm 420 is activated. First, the control unit 432 calculates an expected output value of the torque sensor 355 for each joint unit. Specifically, the control unit 432 reads output values from the output shaft encoder 340 and the torque sensor 355 of each joint unit. Further, the control unit 432 reads out the structure parameter from the storage unit 431. Next, the control unit 432 defines the xyz axis in the space where the arm 420 exists. For example, the rotation axis of the joint part 421a may be the z axis, and the rotation axis of the joint part 421b may be the x axis.
  • control unit 432 assigns numerical values of 1 to N (N is the total number of joints, 6 in the example of FIG. 2) to the joints 421a to 421f. A numerical value becomes small, so that a joint part is near a front-end
  • a joint part to which a numerical value “n” (n is an integer from 1 to N) is attached is also referred to as a joint part “n”.
  • the control unit 432 assigns a numerical value of 1 to N to a link or an imaging device that is directly connected to the distal end side of the joint portions 421a to 421f.
  • the numerical value assigned to the link 422a is “6”, and the numerical value assigned to the imaging device 423 is “1”.
  • a link with a numerical value “n” (n is an integer from 1 to N) or a link is also referred to as a link “n”.
  • the imaging device 423 becomes the link “1”.
  • the portion existing between the joint portion 421c and the joint portion 421d is the link “4”, and the portion existing between the joint portion 421d and the joint portion 421e is the link “3”.
  • the control unit 432 calculates an expected output value for each joint based on the following mathematical formulas (1) to (10).
  • Equation (1) ⁇ n is an expected output value for the joint “n”. Further, c ′ n , l ′ n , M ′ n , F ′ n ⁇ 1 and ⁇ ′ n ⁇ 1 are parameters represented by the following mathematical formulas (2) to (6).
  • R ( ⁇ n ) is a rotation matrix of the joint portion “n”, and among the three rotation matrices represented by the following Equation (7), the joint portion “ One is selected according to the rotation direction of “n”.
  • ⁇ n is an output value given from the output shaft encoder 340 corresponding to the joint “n”.
  • c n is the gravity center position vector of the link “n”, given by the following equation (8).
  • l n is a tip position vector (that is, a dimension vector) of the link “n”, and is represented by the following formula (9).
  • M n is a force vector due to the mass of the link “n”, and is represented by the following formula (10). Incidentally, when the gravity direction and -z direction, M x, M y is zero.
  • control unit 432 determines the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 based on the expected output value of the torque sensor 355 and the actual output value of the torque sensor 355 (that is, the output value read from the torque sensor 355). Determine if there is an abnormality. The control unit 432 performs the determination process for each joint unit.
  • control unit 432 determines whether or not the difference between the expected output value of the torque sensor 355 and the actual output value of the torque sensor 355 is within a predetermined range. Then, when these differences are within a predetermined range, the control unit 432 determines that both the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 are normal. This is because, if these sensors are normal, the expected output value and the actual output value should substantially match. That is, the control unit 432 determines that the joint including the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 is normal. It is expected that a slight difference often occurs between the expected output value and the actual output value.
  • the control unit 432 may perform calibration using these differences as correction values. Thereby, the control part 432 can perform the abnormality determination after the next time more stably and correctly.
  • the specific range of the predetermined range may be adjusted according to the safety required for the arm 420 and the like. As the width of the predetermined range is smaller, safety is more important.
  • the control unit 432 determines that at least one of the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 is abnormal.
  • control unit 432 determines that the joint including the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 is abnormal.
  • the said determination was performed using the output value of the output shaft encoder 340 here, you may perform the said determination using the output value of the input shaft encoder 330.
  • FIG. the output value of the input shaft encoder 330 may be corrected and used. Thereby, the presence or absence of abnormality of the torque sensor 355 and the input shaft encoder 330 can be determined.
  • the control unit 432 may perform both determination processing using the output value of the output shaft encoder 340 and determination processing using the output value of the input shaft encoder 330. Thereby, the presence or absence of abnormality of the input shaft encoder 330, the output shaft encoder 340, and the torque sensor 355 can be determined.
  • the expected output value may be calculated every time at startup, but a value calculated in advance may be used. In the latter case, for example, the following processing is performed. That is, when stopping the arm 420, the control unit 432 returns the posture of the arm 420 to a predetermined initial posture. Then, the control unit 432 calculates an expected output value in this initial posture and stores it in the storage unit 431. The control unit 432 reads the expected output value from the storage unit 431 when the arm 420 is activated. Subsequent processing is the same as the processing described above. That is, the expected output value and the actual output value may be compared to determine whether there is an abnormality.
  • the control unit 432 determines that there is no abnormality in the arm 420 when it is determined that there is no abnormality in all the joint parts 431a to 431f. On the other hand, when any one of the joint portions 431a to 431f is abnormal, the control unit 432 determines that the arm 420 is abnormal. When it is determined that the arm 420 is abnormal, the control unit 432 does not release the brake mechanism 370. That is, the posture of the arm 420 is maintained. Thereby, the control unit 432 can more safely determine whether there is an abnormality in the arm 420 even when the arm 420 has an abnormality. Therefore, when both the motor 310 and the sensor have failed, or when only the sensor has failed, the control unit 432 determines that the arm 420 is abnormal. Further, since the control unit 432 does not release the brake mechanism 370 when there is an abnormality in the arm 420, the safety of the arm 420, in particular, the safety immediately after the activation of the arm 420 can be further improved.
  • the control unit 432 releases the brake mechanism 370. Therefore, if the sensor is normal, the brake mechanism 370 is released. It is assumed that the sensor is normal and the motor 310 is abnormal. However, since the sensor is normal, if the arm 420 attempts to perform an abnormal operation, the control unit 432 can immediately stop the arm 420. This is because an abnormal value is output from the sensor in this case.
  • the control unit 432 controls the operation of the arm 420 after the brake mechanism 370 is released.
  • force control is preferably used in consideration of the operability of the arm 420. Specifically, when the operator 520 directly touches the arm 420 and applies a force, the control unit 432 moves the arm 420 in the direction of the force applied to the arm 420. In other words, the control unit 432 controls the motor 310 of each joint so that such movement is possible. Thereby, the operator 520 can operate the arm 420 more intuitively.
  • the control unit 432 may operate the arm 420 by another control method, for example, a control method such as position control. When the arm 420 operates by position control, a separate controller is prepared.
  • control unit 432 constantly monitors the output values from the sensors (that is, the input shaft encoder 320, the output shaft encoder 330, and the torque sensor 355) during the operation control of the arm 420. Then, when any output value indicates an abnormal value, the control unit 432 stops the arm 420 immediately. Therefore, for example, when the motor 310 of any joint portion has failed, the control unit 432 can stop the arm 420. Then, the control unit 432 puts the brake mechanism 370 into a non-energized state. Thereby, the control unit 432 maintains the posture of the arm 420. Thereby, the safety of the arm 420 is further increased.
  • the control unit 432 may further perform the following processing. That is, the control unit 432 controls the operation of the imaging device 423. Further, the control unit 432 displays the image provided from the imaging device 423 on the display device 550. Furthermore, the alarm device 600 may be connected to the arm control device 430. In this case, the control unit 432 may notify the operator 520 by the notification device 600 that the arm 420 is abnormal.
  • the notification device 600 may be, for example, various audio output devices (for example, speakers), light emitting devices (for example, patrol lamps), or the like.
  • the display device 550 may also be used as the notification device 600. In this case, the control unit 432 may display on the display device 550 that the arm 420 is abnormal. Further, the control unit 432 may vibrate the arm 420 by driving the actuator 300 when there is an abnormality in the arm 420.
  • the arm control device 430 can be configured by, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit) or a DSP (Digital Signal Processor), or a microcomputer on which these processors are mounted.
  • the processor controls the operation of the arm 420 by executing signal processing in accordance with a predetermined program.
  • step S10 the control unit 432 activates the arm 420 when an activation instruction for the arm 420 is given by the operator 520 or the like. Specifically, the control unit 432 supplies driving power to the motor 310 of each actuator 300. However, the control unit 432 does not release the brake mechanism 370. That is, the control unit 432 puts the brake mechanism 370 into a non-energized state when the arm 420 is activated. Thereby, even if there is an abnormality in the arm 420, it is possible to prevent the arm 420 from performing an abnormal operation.
  • control unit 432 supplies driving power to the imaging device 423.
  • the control unit 432 determines whether or not there is an abnormality in the arm 420 by the following processing from step S20. That is, the control unit 432 determines whether there is an abnormality in the arm 420 while the arm 420 is fixed by the brake mechanism 370.
  • step S20 output values are read from the output shaft encoder 340 and the torque sensor 355 of each joint.
  • step S ⁇ b> 30 the control unit 432 reads the structure parameter from the storage unit 431.
  • step S40 the control unit 432 calculates an expected output value for each joint unit. The specific process is as described above. Next, the control unit 432 performs the processes of steps S50 to S80 for each joint part.
  • step S50 the control unit 432 calculates the difference between the expected output value of the torque sensor 355 and the actual output value of the torque sensor 355.
  • step S60 the control unit 432 determines whether or not the difference between the expected output value of the torque sensor 355 and the actual output value of the torque sensor 355 is within a predetermined range. When the difference between the predicted output value of the torque sensor 355 and the actual output value of the torque sensor 355 falls within the predetermined range, the control unit 432 proceeds to step S70. On the other hand, when the difference between the expected output value of the torque sensor 355 and the actual output value of the torque sensor 355 is outside the predetermined range, the control unit 432 proceeds to step S80.
  • step S70 the control unit 432 determines that both the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 are normal. That is, the control unit 432 determines that the joint including the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 is normal.
  • step S80 the control unit 432 determines that at least one of the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340 is abnormal. That is, the control unit 432 determines that there is an abnormality in the joint portion including the torque sensor 355 and the output shaft encoder 340.
  • the control unit 432 proceeds to step S90 after performing the processing of steps S50 to S80 for all the joints.
  • step S90 when the control unit 432 determines that all the joint portions 431a to 431f have no abnormality, the control unit 432 determines that the arm 420 has no abnormality. On the other hand, when any one of the joint portions 431a to 431f is abnormal, the control unit 432 determines that the arm 420 is abnormal. When it is determined that the arm 420 is abnormal, the control unit 432 does not release the brake mechanism 370. That is, the posture of the arm 420 is maintained. Thereby, the control unit 432 can more safely determine whether there is an abnormality in the arm 420 even when the arm 420 has an abnormality.
  • the control unit 432 releases the brake mechanism 370. Therefore, if the sensor is normal, the brake mechanism 370 is released. It is assumed that the sensor is normal and the motor 310 is abnormal. However, since the sensor is normal, if the arm 420 attempts to perform an abnormal operation, the control unit 432 can immediately stop the arm 420. This is because an abnormal value is output from the sensor in this case.
  • the link 422c is shown separately as links 422c-1 and 422c-2.
  • the link 422c-1 is a part that connects the joint part 421c and the joint part 421d
  • the link 422c-2 is a part that connects the joint part 421d and the joint part 421e.
  • the link 422b is deformed.
  • the control unit 432 can determine that the arm 420 is abnormal. That is, the control unit 432 can determine that there is an abnormality in the arm 420 when any link is deformed.
  • the arm 420 is branched into two at the joint portion 421b. That is, the arm 420 includes joint portions 421a to 421j, links 422a to 422g, and imaging devices 423-1 and 423-2.
  • the control unit 432 can determine whether the arm 420 is abnormal even when the arm 420 is branched. In this case, a different device may be attached to each arm.
  • an overload 1000 is applied to the tip of the link 422c-2.
  • the overload 1000 may be a heavy object, or may be a load that the operator 520 or the like applies to the link 422c-2.
  • the control unit 432 can determine that the arm 420 is abnormal. That is, the control unit 432 can determine that there is an abnormality in the arm 420 when an overload is applied to a part of the arm 420.
  • a heavy object may be attached to the tip of the arm 420.
  • the arm 420 when the arm 420 is used for medical purposes, various medical devices are connected to the tip of the arm 420. These medical devices can also include heavy objects. For example, the imaging device 423 exemplified in this embodiment may be quite heavy. For this reason, depending on the application of the arm 420, the threshold value (predetermined range in step S50) compared with the difference between the predicted output value and the actual output value may be relaxed. That is, the predetermined range may be expanded.
  • the link 422c is extendable. That is, the link 422c has an actuator (not shown), and the link 422c can be expanded and contracted by this actuator.
  • the control unit 432 also controls this actuator.
  • the control unit 432 calculates the size and the center of gravity of the link 422c based on the displacement amount of the link 422c.
  • Other processes may be the same as the above-described abnormality determination process. Therefore, the control unit 432 can determine whether the arm 420 is abnormal even when the arm 420 includes a telescopic link.
  • a counterweight 1100 is provided at the joint portion 421c.
  • the counterweight 1100 includes a link 1110 extending from the joint portion 421c, and a heavy object 1120 provided at the tip of the link 1110.
  • the control unit 432 calculates an expected output value of the torque sensor 355 for the link “n” (link “4” in the example shown in FIG. 12) based on the following formula (11).
  • Equation (12) ⁇ counter n is a parameter represented by Equation (12) below.
  • l' counter n and M'counter n is a parameter represented by the following mathematical formulas (13) and (14).
  • l counter n is a gravity center position vector of the counterweight 1100
  • M counter n is a force vector based on the weight of the counterweight 1100.
  • the center-of-gravity position vector and the force vector of the counterweight 1100 are determined by the deformation amount and the force point of the spring.
  • the control unit 432 may perform calibration in advance using this characteristic. . Thereby, the accuracy of the expected output value of the torque sensor 355 can be improved.
  • the control unit 432 may calculate the predicted output value of the torque sensor 355 by using a method of referring to a value measured in advance, alone or in combination.
  • “single” means that the expected output value itself is calculated in advance as described above.
  • the combination means that the expected output value itself is calculated each time, but a part of data (for example, a non-linear characteristic of the spring mechanism) used for calculating the expected output value is calculated in advance.
  • control unit 432 may perform all the processes of the above-described modified example, or may perform only a part of the processes.
  • the arm control device 430 can determine whether the arm 420 is abnormal in a state where the arm 420 is fixed by the brake mechanism 370. Therefore, the arm control device 430 can more safely determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 determines whether the arm 420 is abnormal when the arm 420 is activated. Therefore, the arm control device 430 can prevent the arm 420 from performing an abnormal operation when the arm 420 is activated.
  • the arm control device 430 determines whether or not there is an abnormality in sensors (for example, the input shaft encoder 330, the output shaft encoder 340, and the torque sensor 355) provided in the joint portions 421a to 421f of the arm 420. Therefore, the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the sensor for example, torque sensor 355
  • the sensor can detect the state of the arm 420 (for example, external torque) when the arm 420 is fixed by the brake mechanism 370. Then, the arm control device 430 determines whether there is an abnormality in the sensor based on the output value of the sensor. Therefore, the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 determines the presence / absence of an abnormality of the sensor based on the structural parameters related to the structure of the arm 420, the presence / absence of the abnormality of the arm 420 can be more reliably determined.
  • the arm control device 430 calculates an expected output value of the sensor based on the structural parameter, and determines whether there is an abnormality in the sensor based on the expected output value of the sensor and the actual output value of the sensor. Therefore, the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 determines that the sensor is not abnormal. Therefore, the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 performs calibration using the difference between the expected output value of the sensor and the actual output value of the sensor as a correction value. Therefore, the arm control device 430 can more reliably and accurately determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the structural parameters include at least one of the dimensions of the links 422a to 422d, the center of gravity of the links 422a to 422d, and the mass of the links 422a to 422d. Therefore, the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the structural parameters include parameters related to the counterweight 1100. Therefore, the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the sensors that are the targets for determining whether there is an abnormality include at least one of the torque sensor 355, the input shaft encoder 330, and the output shaft encoder 340. Therefore, the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm control device 430 releases the brake mechanism 370. Therefore, the arm control device 430 can start the arm 420 more safely.
  • the arm control device 430 can more reliably determine whether the arm 420 is abnormal.
  • the arm 420 is an arm for holding a surgical device.
  • a surgical master / slave system used for remote surgery an industrial arm other than medical use, a polar arm, etc.
  • the arm 420 may be applied to the technical field.
  • An arm control method in which a processor determines whether or not there is an abnormality in an arm in a state where an arm that operates by driving an actuator is fixed by a brake mechanism.
  • the arm control method according to (1) wherein the processor determines whether the arm is abnormal when the arm is activated.
  • the arm control method according to (1) or (2), wherein the processor determines whether a sensor provided in a joint portion of the arm is abnormal.
  • the sensor is capable of detecting the state of the arm when the arm is fixed by the brake mechanism.
  • the arm control method according to (4) wherein the processor determines whether or not the sensor is abnormal based on a structure parameter related to the structure of the arm. (6) The processor calculates an expected output value of the sensor based on the structural parameter, and determines whether the sensor is abnormal based on the expected output value of the sensor and the actual output value of the sensor. The arm control method according to (5) above. (7) The arm control method according to (6), wherein the processor determines that the sensor has no abnormality when a difference between an expected output value of the sensor and an actual output value of the sensor falls within a predetermined range. (8) The arm control method according to (7), wherein the processor performs calibration using a difference between an expected output value of the sensor and an actual output value of the sensor as a correction value.
  • the sensors include at least one of a torque sensor that detects a torque acting on an output shaft of the joint part, and a rotation angle sensor that detects a rotation angle of the joint part.
  • the arm control method according to any one of 13).
  • the processor controls the actuator to be driven when it is determined that there is no abnormality in the arm.
  • the arm control method according to any one of (1) to (16), wherein the arm is for medical use.
  • An arm control device comprising: a control unit that determines whether or not there is an abnormality in the arm in a state where an arm that operates by driving an actuator is fixed by a brake mechanism.

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Abstract

【課題】アームを固定した状態でアームの異常の有無を判定できる技術が強く求められていた。 【解決手段】本開示によれば、プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法が提供される。本開示によれば、アームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定することができる。したがって、アームの異常の有無をより安全に判定することができる。また、アームが異常な動作を行うことをより確実に防止することができる。もちろん、本開示の効果はこれらに限定されない。

Description

アーム制御方法及びアーム制御装置
　本開示は、アーム制御方法及びアーム制御装置に関する。
　特許文献１には、アームの異常の有無を判定する技術が開示されている。この技術では、アームに予め設定された動作パターンの動作を行わせ、その結果をセンサにより検出する。そして、センサによる検出結果に基づいて、アームの異常の有無を判定する。そして、アームに異常が発生したと判定した場合、アームの動作を停止する。
特開２０１１－８８２１９号公報
　しかし、上記の技術では、アームを実際に動作させなければアームの異常の有無を判定することができなかった。
　このため、アームを固定した状態でアームの異常の有無を判定できる技術が強く求められていた。
　本開示によれば、プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法が提供される。
　本開示によれば、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、アームの異常の有無を判定する制御部を備える、アーム制御装置が提供される。
　以上説明したように本開示によれば、アームを固定した状態でアームの異常の有無を判定することができる。なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の一実施形態に係るアーム装置を用いた手術の様子を示す概略図である。 本実施形態に係るアーム装置の全体構成を示す斜視図である。 本実施形態に係るアーム装置の各関節部に設けられるアクチュエータの一構成例を示す分解斜視図である。 本実施形態に係るブレーキ機構の一構成例を示す断面斜視図である。 本実施形態に係るブレーキ機構の動作を説明するための説明図である。 本実施形態に係るブレーキ機構の動作を説明するための説明図である。 制御装置及びアクチュエータの機能ブロック図である。 制御装置による処理の手順を示すフローチャートである。 本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。 本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。 本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。 本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。 本実施形態による処理の一変形例を示す概念図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　１．本実施形態の概要
　２．アーム装置の詳細構成
　　２－１．全体構成
　　２－２．アクチュエータの構成
　　２－３．ブレーキ機構の構成
　３．アーム制御装置の構成
　４．アーム制御装置による異常判定処理
　５．異常判定処理の変形例
　（１．本実施形態の概要）
　まず、図１及び図２に基づいて、本実施形態の概要を説明する。図１は、本実施形態に係るアーム装置４００の適用例として、アーム装置４００を医療、具体的には手術に用いられる例を示す。図２は、アーム装置の全体構成を示す斜視図である。なお、図１は、アーム装置４００を簡略化して示している。もちろん、本実施形態に係るアーム装置４００は他の分野（例えば各種産業（自動車等）及び農業の分野等）に適用してもよい。産業の分野への適用としては、製造組み立てラインを構成するアームへの適用が挙げられる。もちろん、本実施形態をさらに他の用途に適用してもよい。
　図１に示すように、術者５２０は、例えばメス、鑷子、鉗子等の手術用の処置具５２１を使用して、手術台５３０上の患者５４０に対して手術を行っている。手術台５３０の脇には本実施形態に係るアーム装置４００が設けられている。アーム装置４００は、基台であるベース部４１０と、ベース部４１０から延伸するアーム４２０を備える。また、アーム装置４００には、アーム装置４００の動作を制御するアーム制御装置４３０（図２参照）が連結されている。
　アーム４２０は、複数の関節部４２１ａ～４２１ｆと、関節部４２１ａ～４２１ｆ同士を連結する複数のリンク４２２ａ～４２２ｄと、アーム４２０の先端に設けられる撮像装置４２３と、を有する。関節部４２１ａ～４２１ｆには、後述する図３に示すアクチュエータ３００が設けられており、関節部４２１ａ～４２１ｆは、当該アクチュエータ３００の駆動により所定の回転軸に対して回転可能となっている。アクチュエータ３００の駆動が上記アーム制御装置４３０によって制御されることにより、各関節部４２１ａ～４２１ｃの回転角度が制御され、アーム４２０の駆動が制御される。すなわち、アーム４２０は、アクチュエータ３００の駆動により動作する。
　なお、関節部４２１ａ～４２１ｆ及びリンク４２２ａ～４２２ｄの数、配置、関節部４２１ａ～４２１ｆの回転方向は図１及び図２に示される例に限られないことはもちろんである。一例として、アーム４２０は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム４２０の可動範囲内において撮像装置４２３を自由に移動させることが可能になる。図２は、６自由度を有するアーム４２０の例を示す。
　撮像装置４２３は、患者５４０の術部を観察する装置であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等である。撮像装置４２３は、撮影対象を適宜拡大して電子的に撮影する、いわゆるビデオ式の顕微鏡であり得る。撮像装置の他の例としては、例えば、内視鏡や光学式の顕微鏡等が挙げられる。アーム４２０の先端に、これらの患者５４０の術部を観察する撮像装置が設けられたアーム装置のことを、本明細書では、観察装置とも呼称する。
　手術を行う際には、図１に示すように、アーム４２０の先端に設けられた撮像装置４２３が患者５４０の術部を撮影するように、アーム装置４００によってアーム４２０及び撮像装置４２３の位置及び姿勢が制御される。手術室内において、術者５２０と対向する位置には、表示装置５５０が設置されており、撮像装置４２３によって撮影された術部の画像は、表示装置５５０に表示される。術者５２０は、表示装置５５０に表示される術部の画像を観察しながら各種の処置を行う。
　なお、アーム４２０の先端には、撮像装置４２３等の撮像装置以外の機器、例えば各種の医療用器具等が設けられてもよい。当該医療用器具としては、上述した撮像装置の他にも、例えば鉗子やレトラクタ等の各種の処置具が含まれ得る。従来、これらの医療用器具の操作は人手によって行われていたため、手術には多くの医療スタッフを要していたが、これらの医療用器具の操作をアーム装置４００によって行うことにより、より少ない人数で手術を行うことが可能になる。
　以上、図１を参照して、本実施形態に係るアーム装置４００を用いた手術の様子について説明した。図１に示す例では、アーム装置４００は手術に用いられていたが、例えば先端ユニットとして内視鏡等の検査用のユニットが設けられる場合であれば、検査目的でアーム装置４００が用いられてもよい。
　このように、手術に用いられるアーム装置４００は術者５２０及び患者５４０の近傍に設置されることが多い。したがって、アーム４２０に異常な動作、例えば術者５２０が想定しないような動作を行わせないようにする必要がある。アーム４２０が異常な動作をした場合、アーム４２０が術者５２０や患者に接触する可能性があるからである。特に、アーム４２０の先端には、撮像装置４２３のような重量物が設けられる場合がある。また、アーム４２０の先端には、鋭利な部分のある医療用器具が設けられる場合もある。これらの場合、アーム４２０の先端が術者５２０及び患者５４０に接触することをより確実に防止する必要がある。ここで、アーム装置４００に生じる異常としては、例えば、アクチュエータ３００中のモータ３１０の故障、センサ（具体的には、後述するトルクセンサ３５５、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０）の故障等が想定される。
　そこで、本実施形態では、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の起動時に、アーム４２０をブレーキ機構３７０（図３等参照）により固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。これにより、アーム４２０に異常があった場合でも、アーム４２０に異常な動作を行わせることなく、アーム４２０の異常を検出することができる。すなわち、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより安全に判定することができる。
　より具体的には、アーム４２０をブレーキ機構３７０により固定した状態で、センサの異常の有無を判定する。これにより、例えばモータ３１０及びセンサの両方が故障していた場合には、アーム４２０をブレーキ機構３７０により固定した状態で、センサの異常を検出することができる。したがって、例えばアーム４２０の起動直後に、アーム４２０に異常な動作をさせることなく、センサの異常を検出することができる。さらに、本実施形態では、ブレーキ機構３７０を解除しない。センサのみが故障していた場合も同様の処理が行われる。仮にモータ３１０が正常であっても、アーム４２０が異常な動作を行う可能性があるからである。このような場合としては、例えば、アクチュエータ３００に異常な動作信号が与えられた場合等が想定される。この場合、センサが故障していると、アーム４２０の異常な動作を検出できない可能性がある。しかし、本実施形態では、ブレーキ機構３７０を解除しないので、アーム４２０に異常な動作を行わせないようにすることができる。
　一方、センサが正常である場合、本実施形態では、ブレーキ機構３７０を解除する。なお、センサが正常で、モータ３１０に異常がある場合が想定される。しかし、センサが正常なので、仮にアーム４２０が異常な動作を行おうとした場合、アーム４２０を直ちに停止することができる。この場合、センサから異常な値が出力されるからである。
　したがって、本実施形態によれば、アーム４２０を固定した状態でアーム４２０の異常の有無を判定でき、ひいては、アーム４２０が異常な動作を行うことをより確実に防止することができる。
　なお、アーム４２０を医療以外の用途、例えば産業用アームとして使用した場合であっても、アーム４２０の安全性を確保することは非常に重要である。特に、アーム４２０の周囲に人が存在する場合には、安全性は極めて重要である。したがって、医療以外の分野にも本実施形態は好適に適用可能である。以下、アーム４２０が医療に適用されることを例として、本実施形態の詳細を説明する。
　（２．アーム装置の詳細構成）
　（２－１．全体構成）
　図２を参照して、本実施形態に係るアーム装置の全体構成について説明する。図２は、本実施形態に係るアーム装置の全体構成を示す図である。
　図２を参照すると、アーム装置４００は、ベース部４１０と、アーム４２０と、アーム制御装置４３０と、を備える。アーム装置４００は、上述した図１に示すアーム装置４００と同様に、手術や検査等に好適に適用され得るアーム装置である。
　ベース部４１０はアーム装置４００の基台であり、ベース部４１０からアーム４２０が延伸される。ベース部４１０にはキャスターが設けられており、アーム装置４００は、当該キャスターを介して床面と接地し、当該キャスターによって床面上を移動可能に構成されている。ただし、本実施形態に係るアーム装置４００の構成はかかる例に限定されず、例えば、ベース部４１０が設けられず、手術室の天井又は壁面にアーム４２０が直接取り付けられてアーム装置４００が構成されてもよい。例えば、天井にアーム４２０が取り付けられる場合には、アーム装置４００は、アーム４２０が天井から吊り下げられて構成されることとなる。
　アーム４２０は、複数の関節部４２１ａ～４２１ｆと、関節部４２１ａ～４２１ｆ同士を連結される複数のリンク４２２ａ～４２２ｄと、アーム４２０の先端に設けられる撮像装置４２３と、を有する。
　リンク４２２ａ～４２２ｄは棒状の部材である。リンク４２２ａは、関節部４２１ａと関節部４２１ｂとを連結する。ここで、関節部４２１ａはベース部４１０上に設けられる。また、リンク４２２ｂは、関節部４２１ｂと関節部４２１ｃとを連結する。リンク４２２ｃは、関節部４２１ｃと関節部４２１ｅとを連結する。ここで、関節部４２１ｄはリンク４２２ｃに内蔵されている。また、リンク４２２ｄは、関節部４２１ｅと関節部４２１ｆとを連結する。更に、撮像装置４２３が、アーム４２０の先端、すなわち、関節部４２１ｆに連結される。このように、ベース部４１０を支点として、複数の関節部４２１ａ～４２１ｆ同士が複数のリンク４２２ａ～４２２ｄによって互いに連結されている。
　撮像装置４２３は、術部を観察するための撮像装置の一例であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等である。撮像装置４２３によって撮影された患者の術部の画像は、例えば手術室内に設けられる表示装置５５０に適宜拡大されて表示され、術者５２０は、当該表示装置５５０に表示された患者の術部の画像を観察しながら手術を行う。撮像装置４２３は、いわゆるビデオ式の顕微鏡であり得る。このように、アーム装置４００は、アーム４２０の先端に撮像装置４２３が取り付けられた観察装置であり得る。上述したように、撮像装置４２３としては、他に、例えば内視鏡や光学式の顕微鏡等が設けられ得る。
　ただし、アーム４２０の先端には、撮像装置４２３以外の機器が接続されてもよい。例えば、アーム４２０の先端には、各種の医療用器具が取り付けられてもよい。医療用機器としては、例えば鉗子、レトラクタ等の各種の処置具が挙げられる。アーム４２０の先端には、内視鏡用若しくは顕微鏡用の光源、又は、例えば血管封止に用いられる手術用エナジーデバイスが接続されてもよい。
　関節部４２１ａ～４２１ｆには、後述する図３に示すアクチュエータ３００が設けられており、関節部４２１ａ～４２１ｆは、当該アクチュエータ３００の駆動により所定の回転軸に対して回転可能となっている。アクチュエータ３００の駆動は、アーム制御装置４３０によって制御される。各関節部４２１ａ～４２１ｆのアクチュエータ３００の駆動がそれぞれ制御されることにより、例えばアーム４２０を伸ばしたり、縮めたり（折り畳んだり）といった、アーム４２０の駆動が制御される。
　ここで、本実施形態では、各関節部４２１ａ～４２１ｆのアクチュエータ３００に、通電時に関節部４２１ａ～４２１ｆの回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構３７０が設けられる。そして、当該ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、非通電時にアーム４２０の重さを支持して姿勢を保持する程度の大きさとなる。これにより、手術中にアーム４２０への電力が遮断された場合であっても、アーム４２０は、現状の姿勢を維持することができる。したがって、アーム４２０の安全性がさらに高まる。ここで、ブレーキ機構３７０によるブレーキ力は、所定の値以上の外力によって当該回転軸が動作可能なように調整されてもよい。これにより、アーム４２０の利便性がさらに向上する。例えば、術者５２０は、手術中にアーム４２０への電力が遮断された場合であっても、アーム４２０を手動で動かすことで、手術を継続することができる。なお、アクチュエータ３００及びブレーキ機構の構成については、下記（２－２．アクチュエータの構成）で詳しく説明する。また、詳細は後述するが、本実施形態では、アーム制御装置４３０は、ブレーキ機構３７０によってアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。
　なお、図示する例では、アーム装置４００は、６つの関節部４２１ａ～４２１ｆを有し、アーム４２０の駆動に関して６自由度が実現されている。アーム４２０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４２０の可動範囲内において撮像装置４２３を自由に移動させることができる。これにより、撮像装置４２３によって術部を様々な角度及び距離から撮影することが可能となる。ただし、アーム４２０の構成は図示する例に限定されず、関節部４２１ａ～４２１ｆ及びリンク４２２ａ～４２２ｃの数や配置、関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動軸の方向等は、アーム４２０が所望の自由度を有するように適宜設定されてよい。ただし、撮像装置４２３の位置及び姿勢の自由度を考慮して、アーム４２０は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。
　また、図示する例では、アーム制御装置４３０は、ベース部４１０とケーブルを介して接続されているが、アーム制御装置４３０と同様の機能を有する制御基板等がベース部４１０の内部に設けられてもよい。
　以上、図２を参照して、本実施形態に係るアーム装置４００の概略構成について説明した。
　（２－２．アクチュエータの構成）
　つぎに、図３及び図６を参照して、図２に示すアーム装置４００の各関節部４２１ａ～４２１ｆに設けられるアクチュエータの構成について説明する。図３は、本実施形態に係るアーム装置４００の各関節部４２１ａ～４２１ｆに設けられるアクチュエータの一構成例を示す分解斜視図である。図６は、アーム制御装置４３０及びアクチュエータ３００の機能ブロック図である。なお、アクチュエータ３００は必ずしもすべての関節部４２１ａ～４２１ｆに設けられなくても良い。アクチュエータ３００が設けられない関節部は、いわゆる受動軸となる。反対に、アクチュエータ３００が設けられた関節部は、能動軸となる。ただし、受動軸となる関節部にもブレーキ機構３７０が設けられることが好ましい。非通電時の異常な動作を抑制するためである。
　図３及び図６を参照すると、アクチュエータ３００は、モータ３１０と、減速機３２０と、入力軸エンコーダ３３０と、出力軸エンコーダ３４０と、出力軸３５０と、トルクセンサ３５５と、ハウジング３６０と、ブレーキ機構３７０と、を備える。アクチュエータ３００では、モータ３１０の回転軸の回転が減速機３２０によって所定の減速比で減速され、出力軸３５０を介して後段の他の部材に伝達されることにより、当該他の部材が駆動されることとなる。ここで、他の部材は、関節部に対してアーム４２０の先端側に直接接続されたリンク（あるいは撮像装置）である。例えば、関節部４２１ａ内に設けられたアクチュエータ３００は、リンク４２２ａを駆動させる。
　なお、以下の説明では、アクチュエータの回転軸方向をｘ軸方向とも呼称する。また、当該ｘ軸方向と垂直な平面内において互いに直交する２方向を、それぞれ、ｙ軸方向及びｚ軸方向とも呼称する。
　ハウジング３６０は、略円筒形の形状を有し、各構成部材が内部に格納される。ハウジング３６０内に各構成部材が格納された状態で、アクチュエータ３００が、上述したアーム装置４００の各関節部４２１ａ～４２１ｆに組み込まれることとなる。
　モータ３１０は、所定の指令値（電流値）が与えられた場合に、当該指令値に対応する回転速度で回転軸を回転させることにより、駆動力を生み出す駆動機構である。当該指令値は、アーム制御装置４３０から送られる。モータ３１０としては、例えばブラシレスモータが用いられる。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、モータ３１０としては各種の公知のものが用いられてよい。
　モータ３１０の回転軸には、減速機３２０が連結される。減速機３２０は、連結されたモータ３１０の回転軸の回転速度（すなわち、入力軸の回転速度）を、所定の減速比で減速させて出力軸３５０に伝達する。言い換えれば、減速機３２０は、モータ３１０の入力軸のトルクを増大させて出力軸３５０に伝達する。本実施形態では、減速機３２０の構成は特定のものに限定されず、減速機３２０としては各種の公知のものが用いられてよい。ただし、減速機３２０としては、例えばハーモニックドライブ（登録商標）等の、高精度に減速比が設定可能なものが用いられることが好ましい。また、減速機３２０の減速比は、アクチュエータ３００の用途に応じて適宜設定され得る。例えば、本実施形態のように、アクチュエータ３００がアーム装置４００の関節部４２１ａ～４２１ｆに適用される場合であれば、１：１００程度の減速比を有する減速機３２０が好適に用いられ得る。なお、モータ３１０がリンク（あるいは撮像装置）を駆動するのに十分なトルクを発生できる場合、減速機３２０は省略されてもよい。
　入力軸エンコーダ３３０は、入力軸の回転角度（すなわち、モータ３１０の回転角度）を検出する。出力軸エンコーダ３４０は、出力軸３５０の回転角度を検出する。アーム制御装置４３０は、これらのエンコーダから出力値を読みだす。入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の構成は限定されず、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０としては、例えば磁気式エンコーダ、光学式エンコーダ等の各種の公知のロータリエンコーダが用いられてよい。なお、いずれかのエンコーダは省略されても良い。本実施形態では、これらのエンコーダからの出力値に基づいて、各エンコーダ及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定する。
　出力軸３５０は、上述したように、関節部に対してアーム４２０の先端側に接続されたリンク（あるいは撮像装置）である。さらに、出力軸３５０は、トルクセンサ３５５を内蔵している。したがって、トルクセンサ３５５は、出力軸３５０に作用するトルクを検出することができる。ここで、出力軸３５０に作用するトルクは、減速機３２０から与えられたトルクの他、アクチュエータ３００の外部から出力軸３５０に与えられたトルク（いわゆる、外トルク）も検出することができる。ここで、外トルクは、アクチュエータ３００が設けられた関節部よりもアーム４２０の先端側に存在する全ての構造体（すなわち、リンク、関節部、及び撮像装置）から与えられるトルクである。
　さらに、トルクセンサ３５５は、出力軸３５０に内蔵されているので、ブレーキ機構３７０によってアクチュエータ３００の回転軸が固定されている場合であっても、上記外トルクを検出することができる。本実施形態では、この外トルクに基づいて、各エンコーダ及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定する。
　なお、トルクセンサ３５５の設置位置は、上記の設置位置に限られない。すなわち、トルクセンサ３５５は、ブレーキ機構３７０によってアクチュエータ３００の回転軸が固定されている際に外トルクを検出することができれば、どのような位置に設置されていても良い。例えば、トルクセンサ３５５は、減速機３２０とモータ３１０との間に設置されてもよい。この場合、トルクセンサ３５５の出力値は、減速機３２０により増大される前のトルクを示す。したがって、トルクセンサ３５５の異常の有無を判定する場合、トルクセンサ３５５の出力値を補正係数することが好ましい。この補正係数は、減速機３２０による減速比に相当する。また、減速機３２０が省略された場合、トルクセンサ３５５は、モータの回転軸に設けられても良い。
　また、トルクセンサ３５５の種類は特に問われず、上述した機能を実現されるものであればよい。例えば、トルクセンサ３５５は、非接触式のトルクセンサであってもよく、接触式のトルクセンサであってもよい。
　ブレーキ機構３７０は、通電時にアクチュエータ３００の回転軸を解放するとともに、非通電時にアクチュエータ３００の回転軸を拘束しその回転を停止させる機能を有する。図示する例では、ブレーキ機構３７０は入力軸エンコーダ３３０と一体的に構成されており、モータ３１０の回転軸（すなわち入力軸）を拘束することにより、アクチュエータ３００の回転を停止させるように構成されている。
　ただし、ブレーキ機構３７０の配置は図示する例に限定されず、ブレーキ機構３７０は、入力軸エンコーダ３３０とは別個の部材として配置されてもよい。また、ブレーキ機構３７０は、必ずしも入力軸に設けられなくてもよく、トルクセンサ３５５が外トルクを検出可能な位置であればどのような位置であってもよい。例えば、ブレーキ機構３７０は、モータ３１０と減速機３２０との間に配置されていても良い。なお、トルクセンサ３５５は、ブレーキ機構３７０よりも出力軸３５０側に設けられる。
　ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、電力の供給が遮断された場合に、アーム４２０の重さを支持し、当該アーム４２０の姿勢を保持可能に調整されている。これにより、停電等の非常時においても、アーム４２０を安全に停止させることができる。
　さらに、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従って当該回転軸が回転可能なように調整されていることが好ましい。これにより、電源喪失時であっても、人手でアーム４２０を動かすことが可能となるため、手術を継続することが可能になる。なお、ブレーキ機構３７０の具体的な構成については、下記（２－３．ブレーキ機構の構成）で詳しく説明する。
　なお、本実施形態では、非通電時にアーム４２０の姿勢を保持するために、全ての関節部４２１ａ～４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられ得るが、その全てにおいて、上記のようなブレーキ力の調整が行われなくてもよい。例えば、関節部４２１ａ～４２１ｆのうち、手術を継続するために必要な動作を実現可能な関節部に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に対してのみ、上記のようなブレーキ力の調整が行われてよい。手術が始まった後には、先端ユニットの位置を大きく変化させるようにアーム４２０を動かすことは考えにくいため、例えば、手術中に停電等によりアーム４２０が固定された場合には、関節部４２１ａ～４２１ｆのうち、先端ユニットの姿勢を規定し得る関節部だけが外力に応じて操作できれば十分だからである。
　図２に示す構成例であれば、より先端側に設けられ、撮像装置４２３の姿勢を規定し得る関節部である、関節部４２１ｄ～４２１ｆに設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に対してのみ、上述したようなブレーキ力の調整が行われてよい。この場合、残りの関節部４２１ａ～４２１ｃに設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０は、非通電時にアーム４２０の位置及び姿勢をより強固に固定するより強いブレーキ力を有してよい。これにより、アーム４２０に設けられるブレーキ機構３７０のうち、一部のブレーキ機構３７０のみそのブレーキ力を調整すればよく、他のブレーキ機構３７０については、ブレーキ力を詳細に設計する必要がなくなるため、アーム４２０の設計がより容易になる。
　また、各関節部４２１ｄ～４２１ｆにおいて、その支持すべき先端側の構成についてバランスが取れている場合（すなわち、先端側の構成の重心がその関節部４２１ｄ～４２１ｆの回転軸上に位置する場合）には、その関節部４２１ｄ～４２１ｆには、ブレーキ機構３７０は必ずしも設けられなくてもよい。これは、アーム４２０を構成するある関節部について、当該関節部が支持すべき当該関節部よりも先端側の構成が当該関節部に対してバランスが取れた状態にある場合には、当該関節部においてブレーキ力を生じさせなくても、アーム４２０の姿勢が保持され得るからである。
　例えば、図２に示す構成例のように、撮像装置４２３を支持する関節部４２１ｆにおける回転軸が、当該撮像装置４２３の光軸と略平行な回転軸であるようにアーム４２０が構成される場合には、当該関節部４２１ｆには、ブレーキ機構３７０は必ずしも設けられなくてもよい。これは、一般的に、撮像装置４２３は円筒形状を有することが多いため、その重心は光軸上に位置することが多く、上述したように関節部４２１ｆの回転軸が撮像装置４２３の光軸と略平行である場合には、撮像装置４２３の重心が関節部４２１ｆの回転軸上に位置する可能性が高い、すなわち、関節部４２１ｆに対して撮像装置４２３はバランスが取れている可能性が高いからである。従って、関節部４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられない場合であっても、電源喪失時に撮像装置４２３が自重によって移動（回転）してしまう事態は生じ難いと考えられるのである。
　ただし、アーム４２０に異常な動作を行わせることなくアーム４２０の異常の有無を判定するという観点からは、すべての関節部４２１ａ～４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられていることが好ましい。
　以上、図３を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ３００の全体構成について説明した。なお、アクチュエータ３００は、図示した構成以外の他の構成を更に備えてもよい。例えば、アクチュエータ３００は、モータ３１０に電流を供給することによりモータ３１０を回転駆動させるドライバ回路（ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ））等、一般的なアクチュエータが有し得る各種の部材を更に備えてもよい。
　（２－３．ブレーキ機構の構成）
　図４及び図５Ａ、図５Ｂを参照して、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成について詳細に説明する。図４は、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成を示す断面斜視図である。図５Ａ、図５Ｂは、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の動作を説明するための説明図である。なお、ブレーキ機構３７０は、いわゆる乾式多板電磁ブレーキと呼称されるものである。
　図４では、ブレーキ機構３７０を中心軸を通る平面で切断した場合における断面斜視図を図示している。図４を参照すると、ブレーキ機構３７０は、いずれも略円板形状を有する、基材３７１と、アーマチュア３７４と、ハブ３７６と、が回転軸方向（ｘ軸方向）に重ね合わされて構成される。基材３７１、アーマチュア３７４及びハブ３７６には、その円板形状の略中心に開口部が設けられており、当該開口部にアクチュエータ３００の回転軸（図３に示す例であればモータ３１０の回転軸）が挿入される。
　ハブ３７６は、アクチュエータ３００の回転軸に固定的に嵌合され、アクチュエータ３００の駆動に伴い当該アクチュエータ３００の回転軸とともに回転する。一方、基材３７１及びアーマチュア３７４は、アクチュエータ３００の回転軸にベアリング（図示せず）を介して接続されている。また、アーマチュア３７４は、基材３７１とハブ３７６との間で、回転軸方向に移動可能に構成されている。
　更に、ハブ３７６の外周には、略円環形状のディスク３７５及びプレート３７７が設けられる。ハブ３７６の外周に対応する領域において、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７が、回転軸方向においてこの順に積層される。
　ハブ３７６とディスク３７５とはスプラインで結合されており、ハブ３７６及びディスク３７５は、アクチュエータ３００の回転軸とともに一体的に回転する。一方、プレート３７７は、ハブ３７６を介さず、ボルト３７８によって、基材３７１及びアーマチュア３７４と接続されている。つまり、ブレーキ機構３７０では、図示した構成のうち、ハブ３７６及びディスク３７５のみが、アクチュエータ３００の回転軸とともに回転する。
　基材３７１の内部にはコイル３７２が設けられている。また、基材３７１とアーマチュア３７４との間は、バネ（図示せず）によって接続されている。コイル３７２に印加される電流による磁力及びバネによる復元力により、アーマチュア３７４が回転軸方向に移動し、ブレーキの解除及び起動が実現される。
　つぎに、図５Ａ、図５Ｂを参照して、ブレーキ機構３７０の動作について詳細に説明する。図５Ａ、図５Ｂでは、簡単のため、ブレーキ機構３７０の中心軸を通る断面のうち、当該中心軸を挟んだ半分に対応する構成のみを模式的に図示している。また、図５Ａ、図５Ｂでは、図４では図示を省略していたバネ３７９を模式的に図示している。
　図５Ａは、通電時、すなわちコイル３７２に電力が供給されている場合におけるブレーキ機構３７０の様子を示している。これは、ブレーキ機構３７０によるアクチュエータ３００の回転軸の拘束が解放されている状態に対応している。
　通電時には、図５Ａに示すように、コイル３７２への通電による磁力により、アーマチュア３７４が基材３７１に引き寄せられるように回転軸方向に移動する。これにより、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７は、回転軸方向において互いに所定の間隔を有することとなる。アクチュエータ３００の回転軸が回転した場合には、ハブ３７６及びディスク３７５がともに回転するが、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７が互いに接触していないため、ディスク３７５は空転し、アクチュエータ３００の回転に対してブレーキ力は作用しない。なお、このとき、基材３７１とアーマチュア３７４とを接続するバネ３７９は、アーマチュア３７４が基材３７１に引き寄せられることにより、圧縮された状態にある。
　図５Ｂは、非通電時、すなわちコイル３７２に電力が供給されていない場合におけるブレーキ機構３７０の様子を示している。これは、ブレーキ機構３７０によってアクチュエータ３００の回転軸が拘束されている状態に対応している。
　非通電時には、コイル３７２への通電による磁力が消失するため、図５Ｂに示すように、バネ３７９の復元力により、アーマチュア３７４が基材３７１から遠ざかるように回転軸方向に移動する。これにより、アーマチュア３７４によって、ディスク３７５がプレート３７７に押圧される。従って、ディスク３７５とプレート３７７との間で発生する静止摩擦力により、ディスク３７５の回転が停止され、すなわち、アクチュエータ３００の回転軸の回転が停止される。
　ここで、上述したように、本実施形態では、ブレーキ機構３７０のブレーキ力が、非通電時に、アーム４２０の重さを支持し当該アーム４２０の姿勢を保持可能であるとともに、所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従って回転軸が回転するように調整されている。以上説明したように、ブレーキ機構３７０におけるブレーキ力は、ディスク３７５とプレート３７７との間で発生する静止摩擦力であるため、本実施形態では、当該静止摩擦力の大きさを規定し得る事項が調整されることにより、ブレーキ機構３７０のブレーキ力が上記の条件を満たすように調整され得る。
　例えば、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、ディスク３７５とプレート３７７との接触面積、ディスク３７５とプレート３７７との接触面の静止摩擦係数、及び、バネ３７９の復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整され得る。
　なお、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、具体的には、アーム４２０の重さに応じた最大応力がアクチュエータ３００（すなわち関節部４２１ａ～４２１ｆ）に作用し得る最悪姿勢においても、当該アーム４２０の姿勢を保持可能なように決定されてもよい。最悪姿勢においてアクチュエータ３００に作用する力は、アーム４２０の構造を模擬した計算モデルを用いたシミュレーションを行うことにより求めることができる。求められた力に耐え得る静止摩擦力（すなわちブレーキ力）が実現されるように、ブレーキ機構３７０の上述した各構成の具体的な設計が行われ得る。
　また、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、アーム４２０において当該ブレーキ機構３７０が設けられる位置に応じて変更されてもよい。例えば、アーム４２０では、先端に近付くほど、関節部４２１ａ～４２１ｆにおいて支持すべき構成が軽くなるため、先端側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０では、根元側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に比べて、アーム４２０の姿勢を保持するために必要なブレーキ力は小さくなる。従って、先端側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０ほどブレーキ力が小さくなるように、当該ブレーキ機構３７０のブレーキ力に差が設けられてよい。このように、ブレーキ機構３７０ごとにブレーキ力をそれぞれ調整することにより、緻密なブレーキ力の設計が可能となるため、非通電時におけるアーム４２０の挙動（アーム４２０の停止及び手動によるアーム４２０の移動）が、より適切に実現され得る。なお、アーム４２０における配置位置に応じた各ブレーキ機構３７０のブレーキ力の最適値は、ブレーキ力に差を設けながら上記最悪姿勢を考慮したシミュレーションを繰り返し行うことにより求められてよい。
　以上、図４及び図５を参照して、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成について説明した。本実施形態では、アーム装置４００の各関節部４２１ａ～４２１ｆに、上述したブレーキ機構３７０が搭載される。以上説明したように、ブレーキ機構３７０は、電力の供給が停止した場合に関節部４２１ａ～４２１ｆを固定し、アーム４２０の姿勢を保持するように構成されている。従って、例えば停電等の非常時においても、アーム４２０の動作を安全に停止させることができる。また、所定の値以上の外力が作用した場合には関節部４２１ａ～４２１ｆが動作可能となるように、そのブレーキ力が調整されてもよい。この場合、電源喪失時であっても手動でアーム４２０を動作させて、手術を継続することが可能になる。
　さらに、詳細は後述するが、本実施形態では、ブレーキ機構３７０によりアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。したがって、本実施形態によれば、アーム装置４００の安全性をより向上させることができる。
　（３．アーム制御装置の構成）
　つぎに、図６に基づいて、アーム制御装置４３０の構成について説明する。アーム制御装置４３０は、記憶部４３１と、制御部４３２とを備える。記憶部４３１には、アーム制御装置４３０の動作に必要な情報、例えばプログラム等が記憶されている。さらに、本実施形態では、後述するように、トルクセンサ３５５の予想出力値を算出し、この予想出力値と、トルクセンサ３５５からの実出力値とに基づいて、各エンコーダ及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定する。したがって、記憶部４３１には、予想出力値の算出に必要な情報も記憶される。
　ここで、予想出力値の算出に必要な情報は、具体的には、アーム４２０の構造に関する構造パラメータである。記憶部４３１は、当該構造パラメータのうち、アーム４２０の姿勢に依存しない情報を記憶する。具体的には、記憶部４３１は、リンク４２２ａ～４２２ｄに関する構造パラメータを記憶する。ここで、リンク４２２ａ～４２２ｄに関する構造パラメータとしては、リンク４２２ａ～４２２ｄの寸法、重心、及び質量等が挙げられる。ここで、リンク４２２ｃに関しては、関節部４２１ｃと関節部４２１ｄとの間に存在する部分と、関節部４２１ｄと関節部４２１ｅとの間に存在する部分とに区分される。また、記憶部４３１は、撮像装置４２３に関する構造パラメータも記憶する。ここで、撮像装置４２３に関する構造パラメータとしては、撮像装置４２３の寸法、重心、及び質量等が挙げられる。
　なお、アーム４２０の姿勢に影響を受ける構造パラメータとしては、関節部４２１ａ～４２１ｆに関する構造パラメータが挙げられる。関節部４２１ａ～４２１ｆに関する構造パラメータとしては、関節部４２１ａ～４２１ｆの回転角度が挙げられる。関節部４２１ａ～４２１ｆの回転角度は、出力軸エンコーダ３４０によって測定される。なお、入力軸エンコーダ３３０によって測定された値に補正値を乗じることによっても、関節部４２１ａ～４２１ｆの回転角度は得られる。当該補正値は、減速機３２０による減速比に相当する。
　このように、構造パラメータは、例えば、関節部４２１ａ～４２１ｆ及びリンク４２２ａ～４２２ｄに関するパラメータである。構造パラメータには他にも存在しうるが、他の構造パラメータについては後述する。
　制御部４３２は、アーム４２０及びアーム制御装置４３０の全体を制御する他、以下の処理を行う。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の起動指示が術者５２０等から与えられた場合には、アーム４２０を起動する。具体的には、各アクチュエータ３００のモータ３１０に駆動電力を供給する。ただし、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の起動時には、ブレーキ機構３７０を非通電状態とする。これにより、アーム４２０に異常があった場合でも、アーム４２０に異常な動作を行わせないようにすることができる。さらに、制御部４３２は、撮像装置４２３に駆動電力を供給する。ここで、制御部４３２は、アクチュエータ３００及び撮像装置４２３への電力系統に異常又は不具合が生じた場合には、アクチュエータ３００への電力供給をまず停止し、撮像装置４２３への電力供給を可能な限り継続してもよい。これにより、仮にアーム４２０に異常が発生しても、撮像装置４２３による撮影を継続することができる。したがって、術者５２０は、手術を継続することができる。なお、アクチュエータ３００に電力が供給されない場合、ブレーキ機構３７０が非通電状態となる。すなわち、ブレーキ機構３７０はアーム４２０を固定することができる。このため、アーム４２０の姿勢は維持される。
　さらに、制御部４３２は、アーム４２０の起動時に、ブレーキ機構３７０によりアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。まず、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値を関節部毎に算出する。具体的には、制御部４３２は、各関節部の出力軸エンコーダ３４０、及びトルクセンサ３５５から出力値を読みだす。さらに、制御部４３２は、記憶部４３１から構造パラメータを読みだす。ついで、制御部４３２は、アーム４２０が存在する空間にｘｙｚ軸を定義する。例えば、関節部４２１ａの回転軸をｚ軸、関節部４２１ｂの回転軸をｘ軸としてもよい。
　さらに、制御部４３２は、関節部４２１ａ～４２１ｆに１～Ｎ（Ｎは関節部の総数。図２の例では６）の数値を付番する。数値は、関節部が先端部に近いほど小さくなる。したがって、関節部４２１ｆに付される数値は「１」となり、関節部４２１ａに付される数値は「６」となる。以下、数値「ｎ」（ｎは１～Ｎのいずれかの整数）が付された関節部を関節部「ｎ」とも称する。また、制御部４３２は、関節部４２１ａ～４２１ｆの先端側に直接接続されているリンクまたは撮像装置に１～Ｎの数値を付番する。例えば、リンク４２２ａに付される数値は「６」となり、撮像装置４２３に付される数値は「１」となる。以下、数値「ｎ」（ｎは１～Ｎのいずれかの整数）が付されたかリンクをリンク「ｎ」とも称する。撮像装置４２３は、リンク「１」となる。また、リンク４２２のうち、関節部４２１ｃと関節部４２１ｄとの間に存在する部分はリンク「４」となり、関節部４２１ｄと関節部４２１ｅとの間に存在する部分はリンク「３」となる。ついで、制御部４３２は、以下の数式（１）～（１０）に基づいて、予想出力値を関節部毎に算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　数式（１）中、τｎは関節部「ｎ」に対する予想出力値である。また、ｃ’ｎ、ｌ’ｎ、Ｍ’ｎ、Ｆ’ｎ－１、τ’ｎ－１は以下の数式（２）～（６）で表されるパラメータである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、数式（２）～（６）中、Ｒ（θｎ）は、関節部「ｎ」の回転行列であり、以下の数式（７）で示される３つの回転行列のうち、関節部「ｎ」の回転方向に応じて１つが選択される。θｎは、関節部「ｎ」に対応する出力軸エンコーダ３４０から与えられた出力値である。ｃｎはリンク「ｎ」の重心位置ベクトルであり、以下の数式（８）で示される。ｌｎはリンク「ｎ」の先端位置ベクトル（すなわち、寸法ベクトル）であり、以下の数式（９）で示される。Ｍｎはリンク「ｎ」の質量による力ベクトルであり、以下の数式（１０）で示される。なお、重力方向を－ｚ方向とした場合、Ｍｘ、Ｍｙはゼロになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ついで、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値と、トルクセンサ３５５の実出力値（すなわち、トルクセンサ３５５から読みだした出力値）とに基づいて、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０の異常の有無を判定する。制御部４３２は、当該判定処理を関節部毎に行う。
　より具体的には、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲内となるか否かを判定する。そして、制御部４３２は、これらの差が所定範囲内となる場合には、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のいずれもが正常であると判定する。これらのセンサが正常であれば、予想出力値と実出力値とが概ね一致するはずだからである。すなわち、制御部４３２は、これらのトルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部が正常であると判定する。なお、予想出力値と実出力値との間には多少の差が生じることが多いと予想される。そこで、制御部４３２は、予想出力値と実出力値との差が所定範囲内となる場合、これらの差を補正値としてキャリブレーションを行っても良い。これにより、制御部４３２は、次回以降の異常判定をより安定かつ正確に行うことができる。なお、所定範囲の具体的な範囲は、アーム４２０に求められる安全性等に応じて調整されればよい。所定範囲の幅が小さいほど、安全性をより重視していることになる。一方、制御部４３２は、予想出力値と実出力値との差が所定範囲外となる場合、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のうち、少なくとも一方に異常があると判定する。トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のうち少なくとも一方に異常がある場合、予想出力値と実出力値とは大きくことなることが多いと予想されるからである。すなわち、制御部４３２は、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部に異常があると判定する。
　なお、ここでは出力軸エンコーダ３４０の出力値を用いて上記判定を行ったが、入力軸エンコーダ３３０の出力値を用いて上記判定を行ってもよい。この場合、入力軸エンコーダ３３０の出力値を補正して使用すればよい。これにより、トルクセンサ３５５及び入力軸エンコーダ３３０の異常の有無を判定することができる。制御部４３２は、出力軸エンコーダ３４０の出力値を用いた判定処理と、入力軸エンコーダ３３０の出力値を用いた判定処理の両方を行ってもよい。これにより、入力軸エンコーダ３３０、出力軸エンコーダ３４０、及びトルクセンサ３５５の異常の有無を判定することができる。また、予想出力値は、起動時に毎回計算してもよいが、予め計算された値を使用してもよい。後者の場合、例えば以下の処理が行われる。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０を停止する際には、アーム４２０の姿勢を所定の初期姿勢に戻す。そして、制御部４３２は、この初期姿勢での予想出力値を算出し、記憶部４３１に記憶させる。そして、制御部４３２は、アーム４２０の起動時には、記憶部４３１から予想出力値を読みだす。その後の処理は上述した処理と同様である。すなわち、予想出力値と実出力値とを比較し、異常の有無を判定すればよい。
　制御部４３２は、すべての関節部４３１ａ～４３１ｆに異常がないと判定した場合には、アーム４２０に異常が無いと判定する。一方、制御部４３２は、関節部４３１ａ～４３１ｆのいずれか１つでも異常があった場合には、アーム４２０に異常があると判定する。制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定した場合には、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、アーム４２０の姿勢を維持する。これにより、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合であっても、アーム４２０の異常の有無をより安全に判定することができる。したがって、モータ３１０及びセンサの両方が故障していた場合、あるいはセンサのみが故障していた場合には、制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定する。また、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合には、ブレーキ機構３７０を解除しないので、アーム４２０の安全性、特に、アーム４２０の起動直後の安全性をより高めることができる。
　一方、アーム４２０に異常がないと判定した場合（すなわち、すべての関節部４３１ａ～４３１ｆに異常がないと判定した場合）、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除する。したがって、センサが正常であれば、ブレーキ機構３７０は解除される。なお、センサが正常で、モータ３１０に異常がある場合が想定される。しかし、センサが正常なので、仮にアーム４２０が異常な動作を行おうとした場合、制御部４３２は、アーム４２０を直ちに停止することができる。この場合、センサから異常な値が出力されるからである。
　制御部４３２は、ブレーキ機構３７０の解除後は、アーム４２０の動作を制御する。なお、アーム４２０の制御方式としては、アーム４２０の操作性を考慮して、好適に力制御が用いられる。具体的には、制御部４３２は、術者５２０が直接アーム４２０に触れて力を加えた場合、アーム４２０に加えられた力の方向に当該アーム４２０を移動させる。すなわち、制御部４３２は、このような移動が可能となるように、各関節部のモータ３１０を制御する。これにより、術者５２０は、アーム４２０をより直感的に操作することができる。もちろん、制御部４３２は、他の制御方式、例えば位置制御等の制御方式によってアーム４２０を動作させてもよい。アーム４２０が位置制御により動作する場合、別途コントローラが用意される。
　また、制御部４３２は、アーム４２０の動作制御中に、各関節部のセンサ（すなわち、入力軸エンコーダ３２０、出力軸エンコーダ３３０、及びトルクセンサ３５５）からの出力値を常時監視する。そして、制御部４３２は、いずれかの出力値が異常値を示した場合、ただちにアーム４２０を停止する。したがって、例えばいずれかの関節部のモータ３１０が故障していた場合、制御部４３２は、アーム４２０を停止することができる。そして、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を非通電状態とする。これにより、制御部４３２は、アーム４２０の姿勢を維持する。これにより、アーム４２０の安全性がより高まる。
　制御部４３２は、さらに以下の処理を行ってもよい。すなわち、制御部４３２は、撮像装置４２３の動作を制御する。さらに、制御部４３２は、撮像装置４２３から与えられた画像を表示装置５５０に表示する。さらに、アーム制御装置４３０には、報知装置６００が接続されていても良い。この場合、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった旨を報知装置６００により術者５２０に報知してもよい。報知装置６００は、例えば各種の音声出力装置（例えばスピーカ）、発光装置（例えばパトランプ）等であってもよい。表示装置５５０を報知装置６００として兼用してもよい。この場合、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった旨を表示装置５５０に表示してもよい。また、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合には、アクチュエータ３００を駆動することで、アーム４２０を振動させてもよい。
　アーム制御装置４３０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のプロセッサ、又はこれらのプロセッサが搭載されたマイコン等によって構成されうる。そして、プロセッサが所定のプログラムに従った信号処理を実行することにより、アーム４２０の動作を制御する。
　（４．アーム制御装置による異常判定処理）
　つぎに、アーム制御装置４３０が行う異常判定処理を図７に示すフローチャートに沿って説明する。ステップＳ１０において、制御部４３２は、アーム４２０の起動指示が術者５２０等から与えられた場合には、アーム４２０を起動する。具体的には、制御部４３２は、各アクチュエータ３００のモータ３１０に駆動電力を供給する。ただし、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の起動時には、ブレーキ機構３７０を非通電状態とする。これにより、アーム４２０に異常があった場合でも、アーム４２０に異常な動作を行わせないようにすることができる。さらに、制御部４３２は、撮像装置４２３に駆動電力を供給する。制御部４３２は、以下のステップＳ２０以降の処理によって、アーム４２０の異常の有無を判定する。つまり、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０によりアーム４２０を固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定する。
　ステップＳ２０において、各関節部の出力軸エンコーダ３４０、及びトルクセンサ３５５から出力値を読みだす。ステップＳ３０において、制御部４３２は、記憶部４３１から構造パラメータを読みだす。ステップＳ４０において、制御部４３２は、関節部毎に予想出力値を算出する。具体的な処理は上述した通りである。ついで、制御部４３２は、関節部毎にステップＳ５０～Ｓ８０の処理を行う。
　ステップＳ５０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差を算出する。ステップＳ６０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲内となるか否かを判定する。制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲内となる場合には、ステップＳ７０に進む。一方、制御部４３２は、トルクセンサ３５５の予想出力値とトルクセンサ３５５の実出力値との差が所定範囲外となる場合には、ステップＳ８０に進む。
　ステップＳ７０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のいずれもが正常であると判定する。すなわち、制御部４３２は、これらのトルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部を正常であると判定する。ステップＳ８０において、制御部４３２は、トルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０のうち、少なくとも一方に異常があると判定する。すなわち、制御部４３２は、これらのトルクセンサ３５５及び出力軸エンコーダ３４０を含む関節部に異常があると判定する。制御部４３２は、すべての関節部についてステップＳ５０～Ｓ８０の処理を行った後、ステップＳ９０に進む。
　ステップＳ９０において、制御部４３２は、すべての関節部４３１ａ～４３１ｆに異常がないと判定した場合には、アーム４２０に異常が無いと判定する。一方、制御部４３２は、関節部４３１ａ～４３１ｆのいずれか１つでも異常があった場合には、アーム４２０に異常があると判定する。制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定した場合には、ブレーキ機構３７０を解除しない。すなわち、アーム４２０の姿勢を維持する。これにより、制御部４３２は、アーム４２０に異常があった場合であっても、アーム４２０の異常の有無をより安全に判定することができる。一方、アーム４２０に異常がないと判定した場合（すなわち、すべての関節部４３１ａ～４３１ｆに異常がないと判定した場合）、制御部４３２は、ブレーキ機構３７０を解除する。したがって、センサが正常であれば、ブレーキ機構３７０は解除される。なお、センサが正常で、モータ３１０に異常がある場合が想定される。しかし、センサが正常なので、仮にアーム４２０が異常な動作を行おうとした場合、制御部４３２は、アーム４２０を直ちに停止することができる。この場合、センサから異常な値が出力されるからである。
　（５．異常判定処理の変形例）
　つぎに、図８～図１２に基づいて、アーム制御装置４３０が行う異常判定処理の変形例を説明する。なお、図８～図１２では、アーム４２０を簡略化して示した。なお、リンク４２２ｃはリンク４２２ｃ－１、４２２ｃ－２に分けて示した。リンク４２２ｃ－１は、関節部４２１ｃと関節部４２１ｄとを連結する部分であり、リンク４２２ｃ－２は、関節部４２１ｄと関節部４２１ｅとを連結する部分である。
　図８に示す第１変形例では、リンク４２２ｂが変形している。この場合には、トルクセンサ３５５の実出力値が大きく変動するので、予想出力値と実出力値との差が大きくなる。したがって、制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定することができる。すなわち、制御部４３２は、いずれかのリンクが変形した場合には、アーム４２０に異常があると判定することができる。
　図９に示す第２変形例では、アーム４２０が関節部４２１ｂで２本に分岐している。すなわち、アーム４２０は、関節部４２１ａ～４２１ｊ、リンク４２２ａ～４２２ｇ、撮像装置４２３－１、４２３－２を有する。このような場合には、構造パラメータの数は増えるものの、異常判定処理自体は同じでよい。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０が分岐した場合であっても、アーム４２０の異常の有無を判定することができる。なお、この場合、アーム毎に異なる装置を取り付けても良い。
　図１０に示す第３変形例では、リンク４２２ｃ－２の先端に過負荷１０００が掛けられている。過負荷１０００は重量物である場合もあれば、術者５２０等がリンク４２２ｃ－２に掛ける負荷となる場合も有り得る。この場合、トルクセンサ３５５の実出力値が大きく変動するので、予想出力値と実出力値との差が大きくなる。したがって、制御部４３２は、アーム４２０に異常があると判定することができる。すなわち、制御部４３２は、アーム４２０の一部に過負荷が掛けられた場合には、アーム４２０に異常があると判定することができる。なお、アーム４２０の用途によっては、アーム４２０の先端に重量物が取り付けられる場合がある。例えば、アーム４２０を医療用として用いる場合、アーム４２０の先端には様々な医療機器が接続される。これらの医療機器には、重量物も含まれうる。例えば、本実施形態で例示した撮像装置４２３には、かなり重いものも存在しうる。このため、アーム４２０の用途によっては、予想出力値と実出力値との差と比較されるしきい値（ステップＳ５０の所定範囲）を緩めても良い。すなわち、所定範囲を広げても良い。
　図１１に示す第４変形例では、リンク４２２ｃが伸縮自在となっている。すなわち、リンク４２２ｃは、図示しないアクチュエータを有しており、このアクチュエータによってリンク４２２ｃは伸縮自在となっている。制御部４３２は、このアクチュエータの制御も行う。また、制御部４３２は、リンク４２２ｃの変位量に基づいて、リンク４２２ｃの寸法及び重心を算出する。他の処理は上述した異常判定処理と同様であればよい。したがって、制御部４３２は、アーム４２０に伸縮自在のリンクが含まれる場合であっても、アーム４２０の異常の有無を判定することができる。
　図１２に示す第５変形例では、関節部４２１ｃにカウンタウエイト１１００が設けられている。カウンタウエイト１１００は、関節部４２１ｃから伸びるリンク１１１０と、リンク１１１０の先端に設けられた重量物１１２０とを含む。この場合、制御部４３２は、以下の数式（１１）に基づいてリンク「ｎ」（図１２に示す例ではリンク「４」）に対するトルクセンサ３５５の予想出力値を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　数式（１１）において、τｃｏｕｎｔｅｒ nは、以下の数式（１２）で示されるパラメータである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　さらに、ｌ’ｃｏｕｎｔｅｒ ｎ、Ｍ’ ｃｏｕｎｔｅｒ
ｎは、以下の数式（１３）、（１４）で示されるパラメータである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、ｌｃｏｕｎｔｅｒ
ｎは、カウンタウエイト１１００の重心位置ベクトルであり、Ｍ ｃｏｕｎｔｅｒ ｎは、カウンタウエイト１１００の重さによる力ベクトルである。
　なお、カウンタウエイト１１００がいわゆるバネ型のカウンタウエイトとなる場合、カウンタウエイト１１００の重心位置ベクトル及び力ベクトルは、バネの変形量及び力点によって定まる。
　また、バネ機構が非線形な特性（例えば、バネの弾性力と変位との対応関係が非線形になる等）が存在する場合、制御部４３２は、この特性を用いて予めキャリブレーションを行っても良い。これにより、トルクセンサ３５５の予想出力値の精度が向上しうる。
　つまり、カウンタウエイト１１００が存在する場合、制御部４３２は、予め測定された値を参照する方式を単独または組み合わせてトルクセンサ３５５の予想出力値を算出してもよい。ここでの単独とは、上述したように、予想出力値自体を予め算出しておくことを意味する。また、組み合わせとは、予想出力値自体は都度算出するが、予想出力値の算出に用いるデータの一部（例えばバネ機構の非線形な特性）を予め算出しておくことを意味する。
　また、カウンタウエイト１１００によって完全にバランスが取れている場合、トルクセンサ３５５の出力値が変動しないため、上記の処理を行わなくても良い。
　また、制御部４３２は上記変形例の処理をすべて行っても良いし、一部の処理だけ行ってもよい。
　以上により、本実施形態によれば、アーム制御装置４３０は、アーム４２０をブレーキ機構３７０により固定した状態で、アーム４２０の異常の有無を判定することができる。したがって、アーム制御装置４３０は、より安全にアーム４２０の異常の有無を判定することができる。
　また、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の起動時に、アーム４２０の異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の起動時にアーム４２０が異常な動作を行わないようにすることができる。
　さらに、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の関節部４２１ａ～４２１ｆに設けられたセンサ（例えば、入力軸エンコーダ３３０、出力軸エンコーダ３４０、トルクセンサ３５５）の異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、センサ（例えば、トルクセンサ３５５）は、アーム４２０がブレーキ機構３７０により固定されている際に、アーム４２０の状態（例えば、外トルク）を検出可能である。そして、アーム制御装置４３０は、当該センサの出力値に基づいて、センサの異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の構造に関する構造パラメータに基づいて、センサの異常の有無を判定するので、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、アーム制御装置４３０は、構造パラメータに基づいて、センサの予想出力値を算出し、センサの予想出力値と、センサの実出力値とに基づいて、センサの異常の有無を判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、アーム制御装置４３０は、センサの予想出力値とセンサの実出力値との差が所定範囲内の値となる場合、センサを異常なしと判定する。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、アーム制御装置４３０は、センサの予想出力値とセンサの実出力値との差を補正値としてキャリブレーションを行う。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実かつ高精度に判定することができる。
　さらに、構造パラメータには、関節部４２１ａ～４２１ｆに関するパラメータが含まれるので、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、構造パラメータには、関節部４２１ａ～４２１ｆの回転角度が含まれるので、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、構造パラメータには、関節部４２１ａ～４２１ｆ同士を連結するリンク４２２ａ～４２２ｄに関するパラメータが含まれるので、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、構造パラメータには、リンク４２２ａ～４２２ｄの寸法、リンク４２２ａ～４２２ｄの重心、及びリンク４２２ａ～４２２ｄの質量のうち、少なくとも１種以上が含まれる。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、関節部４２１ａ～４２１ｆのいずれかにカウンタウエイト１１００が連結されている場合、構造パラメータには、カウンタウエイト１１００に関するパラメータが含まれる。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、異常の有無を判定する対象となるセンサには、トルクセンサ３５５、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０のうち、少なくとも１種が含まれる。したがって、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　さらに、アーム制御装置４３０は、アーム４２０に異常が無いと判定した場合には、ブレーキ機構３７０を解除する。したがって、アーム制御装置４３０は、より安全にアーム４２０の起動を開始することができる。
　さらに、アーム４２０は、医療用であるので、術者５２０及び患者５４０等の人が周囲に存在しうる。すなわち、アーム４２０に対するより高い安全性が求められる。このような場合に、アーム制御装置４３０は、アーム４２０の異常の有無をより確実に判定することができる。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記実施形態では、アーム４２０を手術用デバイスの保持のためのアームとしたが、その他、遠隔手術に用いられる手術用マスタースレーブシステムや医療用以外の産業用アーム、極地用アーム等のあらゆる技術分野にアーム４２０を適用してもよい。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法。
（２）
　前記プロセッサは、前記アームの起動時に、前記アームの異常の有無を判定する、前記（１）記載のアーム制御方法。
（３）
　前記プロセッサは、前記アームの関節部に設けられたセンサの異常の有無を判定する、前記（１）または（２）に記載のアーム制御方法。
（４）
　前記センサは、前記アームが前記ブレーキ機構により固定されている際に、前記アームの状態を検出可能であり、
　前記プロセッサは、前記センサの出力値に基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、前記（３）記載のアーム制御方法。
（５）
　前記プロセッサは、前記アームの構造に関する構造パラメータに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、前記（４）記載のアーム制御方法。
（６）
　前記プロセッサは、前記構造パラメータに基づいて、前記センサの予想出力値を算出し、前記センサの予想出力値と、前記センサの実出力値とに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、前記（５）記載のアーム制御方法。
（７）
　前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差が所定範囲内の値となる場合、前記センサを異常なしと判定する、前記（６）記載のアーム制御方法。
（８）
　前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差を補正値としてキャリブレーションを行う、前記（７）記載のアーム制御方法。
（９）
　前記構造パラメータには、前記関節部に関するパラメータが含まれる、前記（５）～（８）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１０）
　前記構造パラメータには、前記関節部の回転角度が含まれる、前記（９）記載のアーム制御方法。
（１１）
　前記構造パラメータには、前記関節部同士を連結するリンクに関するパラメータが含まれる、前記（５）～（１０）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１２）
　前記構造パラメータには、前記リンクの寸法、前記リンクの重心、及び前記リンクの質量のうち、少なくとも１種以上が含まれる、前記（１１）記載のアーム制御方法。
（１３）
　前記関節部にカウンタウエイトが連結されている場合、前記構造パラメータには、前記カウンタウエイトに関するパラメータが含まれる、前記（５）～（１２）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１４）
　前記センサには、前記関節部の出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサ、及び前記関節部の回転角度を検出する回転角度センサのうち、少なくとも１種が含まれる、前記（４）～（１３）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１５）
　前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合には、前記ブレーキ機構を解除する、前記（１）～（１４）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１６）
　前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合に、前記アクチュエータを駆動させるよう制御する、前記（１５）記載のアーム制御方法。
（１７）
　前記アームは、医療用である、前記（１）～（１６）の何れか１項に記載のアーム制御方法。
（１８）
　アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する制御部を備える、アーム制御装置。
　３００　　アクチュエータ
　３１０　　モータ
　３２０　　減速機
　３３０　　入力軸エンコーダ
　３４０　　出力軸エンコーダ
　３５０　　出力軸
　３５５　　トルクセンサ
　３７０　　ブレーキ機構
　４００　　アーム装置
　４２０　　アーム
　４２１ａ～４２１ｆ　　関節部
　４２２ａ～４２２ｄ　　リンク
　４３０　　アーム制御装置
　４３１　　記憶部
　４３２　　制御部

Claims (18)

  1. 　プロセッサが、アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する、アーム制御方法。
  2. 　前記プロセッサは、前記アームの起動時に、前記アームの異常の有無を判定する、請求項１記載のアーム制御方法。
  3. 　前記プロセッサは、前記アームの関節部に設けられたセンサの異常の有無を判定する、請求項１記載のアーム制御方法。
  4. 　前記センサは、前記アームが前記ブレーキ機構により固定されている際に、前記アームの状態を検出可能であり、
    　前記プロセッサは、前記センサの出力値に基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、請求項３記載のアーム制御方法。
  5. 　前記プロセッサは、前記アームの構造に関する構造パラメータに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、請求項４記載のアーム制御方法。
  6. 　前記プロセッサは、前記構造パラメータに基づいて、前記センサの予想出力値を算出し、前記センサの予想出力値と、前記センサの実出力値とに基づいて、前記センサの異常の有無を判定する、請求項５記載のアーム制御方法。
  7. 　前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差が所定範囲内の値となる場合、前記センサを異常なしと判定する、請求項６記載のアーム制御方法。
  8. 　前記プロセッサは、前記センサの予想出力値と前記センサの実出力値との差を補正値としてキャリブレーションを行う、請求項７記載のアーム制御方法。
  9. 　前記構造パラメータには、前記関節部に関するパラメータが含まれる、請求項５記載のアーム制御方法。
  10. 　前記構造パラメータには、前記関節部の回転角度が含まれる、請求項９記載のアーム制御方法。
  11. 　前記構造パラメータには、前記関節部同士を連結するリンクに関するパラメータが含まれる、請求項５記載のアーム制御方法。
  12. 　前記構造パラメータには、前記リンクの寸法、前記リンクの重心、及び前記リンクの質量のうち、少なくとも１種以上が含まれる、請求項１１記載のアーム制御方法。
  13. 　前記関節部にカウンタウエイトが連結されている場合、前記構造パラメータには、前記カウンタウエイトに関するパラメータが含まれる、請求項５記載のアーム制御方法。
  14. 　前記センサには、前記関節部の出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサ、及び前記関節部の回転角度を検出する回転角度センサのうち、少なくとも１種が含まれる、請求項４記載のアーム制御方法。
  15. 　前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合には、前記ブレーキ機構を解除する、請求項１記載のアーム制御方法。
  16. 　前記プロセッサは、前記アームに異常が無いと判定した場合に、前記アクチュエータを駆動させるよう制御する、請求項１５記載のアーム制御方法。
  17. 　前記アームは、医療用である、請求項１記載のアーム制御方法。
  18. 　アクチュエータの駆動により動作するアームをブレーキ機構により固定した状態で、前記アームの異常の有無を判定する制御部を備える、アーム制御装置。
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