WO2018159336A1

WO2018159336A1 - 医療用支持アームシステムおよび制御装置

Info

Publication number: WO2018159336A1
Application number: PCT/JP2018/005594
Authority: WO
Inventors: 栄良笠井
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2018-09-07
Also published as: US20190365489A1

Abstract

【課題】術場環境におけるロボットアームに対する各種の外乱が作用する力の推定を実現することが可能な技術が提供されることが望まれる。【解決手段】アーム部の関節部の状態を取得する関節状態取得部と、所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と前記関節部の状態とに基づいて、前記所定の外乱による外力を推定する外力推定部と、を備える、医療用支持アームシステムが提供される。

Description

医療用支持アームシステムおよび制御装置

　本開示は、医療用支持アームシステムおよび制御装置に関する。

　従来、例えば下記の特許文献１には、医療用観察装置において、術部の画像を撮影する撮像部と、前記撮像部が接続され、少なくとも６自由度で動作可能に回転軸が設けられる保持部と、を備え、前記回転軸のうち、少なくとも２軸は当該回転軸の状態に基づいて駆動が制御される能動軸であり、少なくとも１軸は接触を伴う外部からの直接的な操作に従って回転する受動軸である構成が記載されている。

国際公開第２０１６／０１７５３２号

　ところで、手術支援を目的としたアームは、さまざまな外乱が作用する環境で利用される。しかし、外乱が作用する力の推定を環境およびシーン等の条件によらず行うのは一般に困難である。

　そこで、術場環境におけるアームに対する各種の外乱が作用する力の推定を実現することが可能な技術が提供されることが望まれる。

　本開示によれば、アーム部の関節部の状態を取得する関節状態取得部と、所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と前記関節部の状態とに基づいて、前記所定の外乱による外力を推定する外力推定部と、を備える、医療用支持アームシステムが提供される。

　以上説明したように本開示によれば、術場環境におけるアームに対する各種の外乱が作用する力の推定を実現することが可能となる。
　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。

本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。図１に示すカメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。本開示の実施の形態に係る医療用支持アーム装置の構成例を示す斜視図である。本開示の一実施形態に係る理想関節制御について説明するための説明図である。本開示の一実施形態に係るアーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。本開示に係る技術が適用され得る顕微鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。硬性鏡部の外観を示す図である。接続部の拡大図である。トロッカ点から作用する力の例を説明するための図である。観測点が硬性鏡先端に置かれた場合における関節制御の例を説明するための図である。観測点が硬性鏡先端に置かれた場合における関節制御の例を説明するための図である。アーム制御システムの具体的な構成例を示す図である。

　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．内視鏡システムの構成例
２．支持アーム装置の具体的構成例
３．顕微鏡手術システムの構成例
４．本実施形態に係る外乱が作用する力の推定
５．本実施形態に係る外力に応じた関節制御
６．アーム制御システムの具体的な構成例
７．まとめ

＜＜１．内視鏡システムの構成例＞＞
　図１は、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システム５０００の概略的な構成の一例を示す図である。図１では、術者（医師）５０６７が、内視鏡手術システム５０００を用いて、患者ベッド５０６９上の患者５０７１に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム５０００は、内視鏡５００１と、その他の術具５０１７と、内視鏡５００１を支持する支持アーム装置５０２７と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート５０３７と、から構成される。

　内視鏡手術では、腹壁を切って開腹する代わりに、トロッカ５０２５ａ～５０２５ｄと呼ばれる筒状の開孔器具が腹壁に複数穿刺される。そして、トロッカ５０２５ａ～５０２５ｄから、内視鏡５００１の鏡筒５００３や、その他の術具５０１７が患者５０７１の体腔内に挿入される。図示する例では、その他の術具５０１７として、気腹チューブ５０１９、エネルギー処置具５０２１及び鉗子５０２３が、患者５０７１の体腔内に挿入されている。また、エネルギー処置具５０２１は、高周波電流や超音波振動により、組織の切開及び剥離、又は血管の封止等を行う処置具である。ただし、図示する術具５０１７はあくまで一例であり、術具５０１７としては、例えば攝子、レトラクタ等、一般的に内視鏡下手術において用いられる各種の術具が用いられてよい。

　内視鏡５００１によって撮影された患者５０７１の体腔内の術部の画像が、表示装置５０４１に表示される。術者５０６７は、表示装置５０４１に表示された術部の画像をリアルタイムで見ながら、エネルギー処置具５０２１や鉗子５０２３を用いて、例えば患部を切除する等の処置を行う。なお、図示は省略しているが、気腹チューブ５０１９、エネルギー処置具５０２１及び鉗子５０２３は、手術中に、術者５０６７又は助手等によって支持される。

　（支持アーム装置）
　支持アーム装置５０２７は、ベース部５０２９から延伸するアーム部５０３１を備える。図示する例では、アーム部５０３１は、関節部５０３３ａ、５０３３ｂ、５０３３ｃ、及びリンク５０３５ａ、５０３５ｂから構成されており、アーム制御装置５０４５からの制御により駆動される。アーム部５０３１によって内視鏡５００１が支持され、その位置及び姿勢が制御される。これにより、内視鏡５００１の安定的な位置の固定が実現され得る。

　（内視鏡）
　内視鏡５００１は、先端から所定の長さの領域が患者５０７１の体腔内に挿入される鏡筒５００３と、鏡筒５００３の基端に接続されるカメラヘッド５００５と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒５００３を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡５００１を図示しているが、内視鏡５００１は、軟性の鏡筒５００３を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。

　鏡筒５００３の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡５００１には光源装置５０４３が接続されており、当該光源装置５０４３によって生成された光が、鏡筒５００３の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者５０７１の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡５００１は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。

　カメラヘッド５００５の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：Camera　Control　Unit）５０３９に送信される。なお、カメラヘッド５００５には、その光学系を適宜駆動させることにより、倍率及び焦点距離を調整する機能が搭載される。

　なお、例えば立体視（３Ｄ表示）等に対応するために、カメラヘッド５００５には撮像素子が複数設けられてもよい。この場合、鏡筒５００３の内部には、当該複数の撮像素子のそれぞれに観察光を導光するために、リレー光学系が複数系統設けられる。

　（カートに搭載される各種の装置）
　ＣＣＵ５０３９は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）やＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）等によって構成され、内視鏡５００１及び表示装置５０４１の動作を統括的に制御する。具体的には、ＣＣＵ５０３９は、カメラヘッド５００５から受け取った画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。ＣＣＵ５０３９は、当該画像処理を施した画像信号を表示装置５０４１に提供する。また、ＣＣＵ５０３９は、カメラヘッド５００５に対して制御信号を送信し、その駆動を制御する。当該制御信号には、倍率や焦点距離等、撮像条件に関する情報が含まれ得る。

　表示装置５０４１は、ＣＣＵ５０３９からの制御により、当該ＣＣＵ５０３９によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。内視鏡５００１が例えば４Ｋ（水平画素数３８４０×垂直画素数２１６０）又は８Ｋ（水平画素数７６８０×垂直画素数４３２０）等の高解像度の撮影に対応したものである場合、及び／又は３Ｄ表示に対応したものである場合には、表示装置５０４１としては、それぞれに対応して、高解像度の表示が可能なもの、及び／又は３Ｄ表示可能なものが用いられ得る。４Ｋ又は８Ｋ等の高解像度の撮影に対応したものである場合、表示装置５０４１として５５インチ以上のサイズのものを用いることで一層の没入感が得られる。また、用途に応じて、解像度、サイズが異なる複数の表示装置５０４１が設けられてもよい。

　光源装置５０４３は、例えばＬＥＤ（light　emitting　diode）等の光源から構成され、術部を撮影する際の照射光を内視鏡５００１に供給する。

　アーム制御装置５０４５は、例えばＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、所定のプログラムに従って動作することにより、所定の制御方式に従って支持アーム装置５０２７のアーム部５０３１の駆動を制御する。

　入力装置５０４７は、内視鏡手術システム５０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置５０４７を介して、内視鏡手術システム５０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、入力装置５０４７を介して、患者の身体情報や、手術の術式についての情報等、手術に関する各種の情報を入力する。また、例えば、ユーザは、入力装置５０４７を介して、アーム部５０３１を駆動させる旨の指示や、内視鏡５００１による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示、エネルギー処置具５０２１を駆動させる旨の指示等を入力する。

　入力装置５０４７の種類は限定されず、入力装置５０４７は各種の公知の入力装置であってよい。入力装置５０４７としては、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、スイッチ、フットスイッチ５０５７及び／又はレバー等が適用され得る。入力装置５０４７としてタッチパネルが用いられる場合には、当該タッチパネルは表示装置５０４１の表示面上に設けられてもよい。

　あるいは、入力装置５０４７は、例えばメガネ型のウェアラブルデバイスやＨＭＤ（Head　Mounted　Display）等の、ユーザによって装着されるデバイスであり、これらのデバイスによって検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。また、入力装置５０４７は、ユーザの動きを検出可能なカメラを含み、当該カメラによって撮像された映像から検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。更に、入力装置５０４７は、ユーザの声を収音可能なマイクロフォンを含み、当該マイクロフォンを介して音声によって各種の入力が行われる。このように、入力装置５０４７が非接触で各種の情報を入力可能に構成されることにより、特に清潔域に属するユーザ（例えば術者５０６７）が、不潔域に属する機器を非接触で操作することが可能となる。また、ユーザは、所持している術具から手を離すことなく機器を操作することが可能となるため、ユーザの利便性が向上する。

　処置具制御装置５０４９は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具５０２１の駆動を制御する。気腹装置５０５１は、内視鏡５００１による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者５０７１の体腔を膨らめるために、気腹チューブ５０１９を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ５０５３は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ５０５５は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。

　以下、内視鏡手術システム５０００において特に特徴的な構成について、更に詳細に説明する。

　（支持アーム装置）
　支持アーム装置５０２７は、基台であるベース部５０２９と、ベース部５０２９から延伸するアーム部５０３１と、を備える。図示する例では、アーム部５０３１は、複数の関節部５０３３ａ、５０３３ｂ、５０３３ｃと、関節部５０３３ｂによって連結される複数のリンク５０３５ａ、５０３５ｂと、から構成されているが、図１では、簡単のため、アーム部５０３１の構成を簡略化して図示している。実際には、アーム部５０３１が所望の自由度を有するように、関節部５０３３ａ～５０３３ｃ及びリンク５０３５ａ、５０３５ｂの形状、数及び配置、並びに関節部５０３３ａ～５０３３ｃの回転軸の方向等が適宜設定され得る。例えば、アーム部５０３１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、アーム部５０３１の可動範囲内において内視鏡５００１を自由に移動させることが可能になるため、所望の方向から内視鏡５００１の鏡筒５００３を患者５０７１の体腔内に挿入することが可能になる。

　関節部５０３３ａ～５０３３ｃにはアクチュエータが設けられており、関節部５０３３ａ～５０３３ｃは当該アクチュエータの駆動により所定の回転軸まわりに回転可能に構成されている。当該アクチュエータの駆動がアーム制御装置５０４５によって制御されることにより、各関節部５０３３ａ～５０３３ｃの回転角度が制御され、アーム部５０３１の駆動が制御される。これにより、内視鏡５００１の位置及び姿勢の制御が実現され得る。この際、アーム制御装置５０４５は、力制御又は位置制御等、各種の公知の制御方式によってアーム部５０３１の駆動を制御することができる。

　例えば、術者５０６７が、入力装置５０４７（フットスイッチ５０５７を含む）を介して適宜操作入力を行うことにより、当該操作入力に応じてアーム制御装置５０４５によってアーム部５０３１の駆動が適宜制御され、内視鏡５００１の位置及び姿勢が制御されてよい。当該制御により、アーム部５０３１の先端の内視鏡５００１を任意の位置から任意の位置まで移動させた後、その移動後の位置で固定的に支持することができる。なお、アーム部５０３１は、いわゆるマスタースレイブ方式で操作されてもよい。この場合、アーム部５０３１は、手術室から離れた場所に設置される入力装置５０４７を介してユーザによって遠隔操作され得る。

　また、力制御が適用される場合には、アーム制御装置５０４５は、ユーザからの外力を受け、その外力にならってスムーズにアーム部５０３１が移動するように、各関節部５０３３ａ～５０３３ｃのアクチュエータを駆動させる、いわゆるパワーアシスト制御を行ってもよい。これにより、ユーザが直接アーム部５０３１に触れながらアーム部５０３１を移動させる際に、比較的軽い力で当該アーム部５０３１を移動させることができる。従って、より直感的に、より簡易な操作で内視鏡５００１を移動させることが可能となり、ユーザの利便性を向上させることができる。

　ここで、一般的に、内視鏡下手術では、スコピストと呼ばれる医師によって内視鏡５００１が支持されていた。これに対して、支持アーム装置５０２７を用いることにより、人手によらずに内視鏡５００１の位置をより確実に固定することが可能になるため、術部の画像を安定的に得ることができ、手術を円滑に行うことが可能になる。

　なお、アーム制御装置５０４５は必ずしもカート５０３７に設けられなくてもよい。また、アーム制御装置５０４５は必ずしも１つの装置でなくてもよい。例えば、アーム制御装置５０４５は、支持アーム装置５０２７のアーム部５０３１の各関節部５０３３ａ～５０３３ｃにそれぞれ設けられてもよく、複数のアーム制御装置５０４５が互いに協働することにより、アーム部５０３１の駆動制御が実現されてもよい。

　（光源装置）
　光源装置５０４３は、内視鏡５００１に術部を撮影する際の照射光を供給する。光源装置５０４３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成される。このとき、ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置５０４３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド５００５の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。

　また、光源装置５０４３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド５００５の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。

　また、光源装置５０４３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Narrow　Band　Imaging）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察するもの（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ICG）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得るもの等が行われ得る。光源装置５０４３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。

　（カメラヘッド及びＣＣＵ）
　図２を参照して、内視鏡５００１のカメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９の機能についてより詳細に説明する。図２は、図１に示すカメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９の機能構成の一例を示すブロック図である。

　図２を参照すると、カメラヘッド５００５は、その機能として、レンズユニット５００７と、撮像部５００９と、駆動部５０１１と、通信部５０１３と、カメラヘッド制御部５０１５と、を有する。また、ＣＣＵ５０３９は、その機能として、通信部５０５９と、画像処理部５０６１と、制御部５０６３と、を有する。カメラヘッド５００５とＣＣＵ５０３９とは、伝送ケーブル５０６５によって双方向に通信可能に接続されている。

　まず、カメラヘッド５００５の機能構成について説明する。レンズユニット５００７は、鏡筒５００３との接続部に設けられる光学系である。鏡筒５００３の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド５００５まで導光され、当該レンズユニット５００７に入射する。レンズユニット５００７は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。レンズユニット５００７は、撮像部５００９の撮像素子の受光面上に観察光を集光するように、その光学特性が調整されている。また、ズームレンズ及びフォーカスレンズは、撮像画像の倍率及び焦点の調整のため、その光軸上の位置が移動可能に構成される。

　撮像部５００９は撮像素子によって構成され、レンズユニット５００７の後段に配置される。レンズユニット５００７を通過した観察光は、当該撮像素子の受光面に集光され、光電変換によって、観察像に対応した画像信号が生成される。撮像部５００９によって生成された画像信号は、通信部５０１３に提供される。

　撮像部５００９を構成する撮像素子としては、例えばＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）タイプのイメージセンサであり、Ｂａｙｅｒ配列を有するカラー撮影可能なものが用いられる。なお、当該撮像素子としては、例えば４Ｋ以上の高解像度の画像の撮影に対応可能なものが用いられてもよい。術部の画像が高解像度で得られることにより、術者５０６７は、当該術部の様子をより詳細に把握することができ、手術をより円滑に進行することが可能となる。

　また、撮像部５００９を構成する撮像素子は、例えば、３Ｄ表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成される。３Ｄ表示が行われることにより、術者５０６７は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部５００９が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット５００７も複数系統設けられる。

　また、撮像部５００９は、必ずしもカメラヘッド５００５に設けられなくてもよい。例えば、撮像部５００９は、鏡筒５００３の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。

　駆動部５０１１は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部５０１５からの制御により、レンズユニット５００７のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部５００９による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。

　通信部５０１３は、ＣＣＵ５０３９との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部５０１３は、撮像部５００９から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル５０６５を介してＣＣＵ５０３９に送信する。この際、術部の撮像画像を低レイテンシで表示するために、当該画像信号は光通信によって送信されることが好ましい。手術の際には、術者５０６７が撮像画像によって患部の状態を観察しながら手術を行うため、より安全で確実な手術のためには、術部の動画像が可能な限りリアルタイムに表示されることが求められるからである。光通信が行われる場合には、通信部５０１３には、電気信号を光信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。画像信号は当該光電変換モジュールによって光信号に変換された後、伝送ケーブル５０６５を介してＣＣＵ５０３９に送信される。

　また、通信部５０１３は、ＣＣＵ５０３９から、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を受信する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。通信部５０１３は、受信した制御信号をカメラヘッド制御部５０１５に提供する。なお、ＣＣＵ５０３９からの制御信号も、光通信によって伝送されてもよい。この場合、通信部５０１３には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられ、制御信号は当該光電変換モジュールによって電気信号に変換された後、カメラヘッド制御部５０１５に提供される。

　なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ５０３９の制御部５０６３によって自動的に設定される。つまり、いわゆるＡＥ（Auto　Exposure）機能、ＡＦ（Auto　Focus）機能及びＡＷＢ（Auto　White　Balance）機能が内視鏡５００１に搭載される。

　カメラヘッド制御部５０１５は、通信部５０１３を介して受信したＣＣＵ５０３９からの制御信号に基づいて、カメラヘッド５００５の駆動を制御する。例えば、カメラヘッド制御部５０１５は、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報及び／又は撮像時の露光を指定する旨の情報に基づいて、撮像部５００９の撮像素子の駆動を制御する。また、例えば、カメラヘッド制御部５０１５は、撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報に基づいて、駆動部５０１１を介してレンズユニット５００７のズームレンズ及びフォーカスレンズを適宜移動させる。カメラヘッド制御部５０１５は、更に、鏡筒５００３やカメラヘッド５００５を識別するための情報を記憶する機能を備えてもよい。

　なお、レンズユニット５００７や撮像部５００９等の構成を、気密性及び防水性が高い密閉構造内に配置することで、カメラヘッド５００５について、オートクレーブ滅菌処理に対する耐性を持たせることができる。

　次に、ＣＣＵ５０３９の機能構成について説明する。通信部５０５９は、カメラヘッド５００５との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部５０５９は、カメラヘッド５００５から、伝送ケーブル５０６５を介して送信される画像信号を受信する。この際、上記のように、当該画像信号は好適に光通信によって送信され得る。この場合、光通信に対応して、通信部５０５９には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。通信部５０５９は、電気信号に変換した画像信号を画像処理部５０６１に提供する。

　また、通信部５０５９は、カメラヘッド５００５に対して、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を送信する。当該制御信号も光通信によって送信されてよい。

　画像処理部５０６１は、カメラヘッド５００５から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。当該画像処理としては、例えば現像処理、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ（Noise　reduction）処理及び／又は手ブレ補正処理等）、並びに／又は拡大処理（電子ズーム処理）等、各種の公知の信号処理が含まれる。また、画像処理部５０６１は、ＡＥ、ＡＦ及びＡＷＢを行うための、画像信号に対する検波処理を行う。

　画像処理部５０６１は、ＣＰＵやＧＰＵ等のプロセッサによって構成され、当該プロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより、上述した画像処理や検波処理が行われ得る。なお、画像処理部５０６１が複数のＧＰＵによって構成される場合には、画像処理部５０６１は、画像信号に係る情報を適宜分割し、これら複数のＧＰＵによって並列的に画像処理を行う。

　制御部５０６３は、内視鏡５００１による術部の撮像、及びその撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部５０６３は、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を生成する。この際、撮像条件がユーザによって入力されている場合には、制御部５０６３は、当該ユーザによる入力に基づいて制御信号を生成する。あるいは、内視鏡５００１にＡＥ機能、ＡＦ機能及びＡＷＢ機能が搭載されている場合には、制御部５０６３は、画像処理部５０６１による検波処理の結果に応じて、最適な露出値、焦点距離及びホワイトバランスを適宜算出し、制御信号を生成する。

　また、制御部５０６３は、画像処理部５０６１によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部の画像を表示装置５０４１に表示させる。この際、制御部５０６３は、各種の画像認識技術を用いて術部画像内における各種の物体を認識する。例えば、制御部５０６３は、術部画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具５０２１使用時のミスト等を認識することができる。制御部５０６３は、表示装置５０４１に術部の画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させる。手術支援情報が重畳表示され、術者５０６７に提示されることにより、より安全かつ確実に手術を進めることが可能になる。

　カメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９を接続する伝送ケーブル５０６５は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。

　ここで、図示する例では、伝送ケーブル５０６５を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド５００５とＣＣＵ５０３９との間の通信は無線で行われてもよい。両者の間の通信が無線で行われる場合には、伝送ケーブル５０６５を手術室内に敷設する必要がなくなるため、手術室内における医療スタッフの移動が当該伝送ケーブル５０６５によって妨げられる事態が解消され得る。

　以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システム５０００の一例について説明した。なお、ここでは、一例として内視鏡手術システム５０００について説明したが、本開示に係る技術が適用され得るシステムはかかる例に限定されない。例えば、本開示に係る技術は、検査用軟性内視鏡システムや顕微鏡手術システムに適用されてもよい。

＜＜２．支持アーム装置の具体的構成例＞＞
　次に、本開示の実施の形態に係る支持アーム装置の具体的構成例について詳細に説明する。以下に説明する支持アーム装置は、アーム部の先端に内視鏡を支持する支持アーム装置として構成された例であるが、本実施形態は係る例に限定されない。また、本開示の実施の形態に係る支持アーム装置が医療分野に適用された場合、本開示の実施の形態に係る支持アーム装置は、医療用支持アーム装置として機能し得る。

　＜２－１．支持アーム装置の外観＞
　まず、図３を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置４００の概略構成について説明する。図３は、本実施形態に係る支持アーム装置４００の外観を示す概略図である。

　本実施形態に係る支持アーム装置４００は、ベース部４１０及びアーム部４２０を備える。ベース部４１０は支持アーム装置４００の基台であり、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸される。また、図３には図示しないが、ベース部４１０内には、支持アーム装置４００を統合的に制御する制御部が設けられてもよく、アーム部４２０の駆動が当該制御部によって制御されてもよい。当該制御部は、例えばＣＰＵやＤＳＰ等の各種の信号処理回路によって構成される。

　アーム部４２０は、複数の能動関節部４２１ａ～４２１ｆと、複数のリンク４２２ａ～４２２ｆと、アーム部４２０の先端に設けられた先端ユニットとしての内視鏡装置４２３とを有する。

　リンク４２２ａ～４２２ｆは略棒状の部材である。リンク４２２ａの一端が能動関節部４２１ａを介してベース部４１０と連結され、リンク４２２ａの他端が能動関節部４２１ｂを介してリンク４２２ｂの一端と連結され、さらに、リンク４２２ｂの他端が能動関節部４２１ｃを介してリンク４２２ｃの一端と連結される。リンク４２２ｃの他端は受動スライド機構１００を介してリンク４２２ｄに連結され、さらに、リンク４２２ｄの他端は受動関節部２００を介してリンク４２２ｅの一端と連結される。リンク４２２ｅの他端は能動関節部４２１ｄ，４２１ｅを介してリンク４２２ｆの一端と連結される。内視鏡装置４２３は、アーム部４２０の先端、すなわち、リンク４２２ｆの他端に、能動関節部４２１ｆを介して連結される。このように、ベース部４１０を支点として、複数のリンク４２２ａ～４２２ｆの端同士が、能動関節部４２１ａ～４２１ｆ、受動スライド機構１００及び受動関節部２００によって互いに連結されることにより、ベース部４１０から延伸されるアーム形状が構成される。

　かかるアーム部４２０のそれぞれの能動関節部４２１ａ～４２１ｆに設けられたアクチュエータが駆動制御されることにより、内視鏡装置４２３の位置及び姿勢が制御される。本実施形態において、内視鏡装置４２３は、その先端が施術部位である患者の体腔内に進入して施術部位の一部領域を撮影する。ただし、アーム部４２０の先端に設けられる先端ユニットは内視鏡装置４２３に限定されず、アーム部４２０の先端には先端ユニットとして各種の医療用器具が接続されてよい。このように、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、医療用器具を備えた医療用支持アーム装置として構成される。

　ここで、以下では、図３に示すように座標軸を定義して支持アーム装置４００の説明を行う。また、座標軸に合わせて、上下方向、前後方向、左右方向を定義する。すなわち、床面に設置されているベース部４１０に対する上下方向をｚ軸方向及び上下方向と定義する。また、ｚ軸と互いに直交する方向であって、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸されている方向（すなわち、ベース部４１０に対して内視鏡装置４２３が位置している方向）をｙ軸方向及び前後方向と定義する。さらに、ｙ軸及びｚ軸と互いに直交する方向をｘ軸方向及び左右方向と定義する。

　能動関節部４２１ａ～４２１ｆはリンク同士を互いに回動可能に連結する。能動関節部４２１ａ～４２１ｆはアクチュエータを有し、当該アクチュエータの駆動により所定の回転軸に対して回転駆動される回転機構を有する。各能動関節部４２１ａ～４２１ｆにおける回転駆動をそれぞれ制御することにより、例えばアーム部４２０を伸ばしたり、縮めたり（折り畳んだり）といった、アーム部４２０の駆動を制御することができる。ここで、能動関節部４２１ａ～４２１ｆは、例えば公知の全身協調制御及び理想関節制御によってその駆動が制御され得る。上述したように、能動関節部４２１ａ～４２１ｆは回転機構を有するため、以下の説明において、能動関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動制御とは、具体的には、能動関節部４２１ａ～４２１ｆの回転角度及び／又は発生トルク（能動関節部４２１ａ～４２１ｆが発生させるトルク）が制御されることを意味する。

　受動スライド機構１００は、受動形態変更機構の一態様であり、リンク４２２ｃとリンク４２２ｄとを所定方向に沿って互いに進退動可能に連結する。例えば受動スライド機構１００は、リンク４２２ｃとリンク４２２ｄとを互いに直動可能に連結してもよい。ただし、リンク４２２ｃとリンク４２２ｄとの進退運動は直線運動に限られず、円弧状を成す方向への進退運動であってもよい。受動スライド機構１００は、例えばユーザによって進退動の操作が行われ、リンク４２２ｃの一端側の能動関節部４２１ｃと受動関節部２００との間の距離を可変とする。これにより、アーム部４２０の全体の形態が変化し得る。

　受動関節部２００は、受動形態変更機構の一態様であり、リンク４２２ｄとリンク４２２ｅとを互いに回動可能に連結する。受動関節部２００は、例えばユーザによって回動の操作が行われ、リンク４２２ｄとリンク４２２ｅとの成す角度を可変とする。これにより、アーム部４２０の全体の形態が変化し得る。

　なお、本明細書において、「アーム部の姿勢」とは、一つ又は複数のリンクを挟んで隣り合う能動関節部同士の間の距離が一定の状態で、制御部による能動関節部４２１ａ～４２１ｆに設けられたアクチュエータの駆動制御によって変化し得るアーム部の状態をいう。また、「アーム部の形態」とは、受動形態変更機構が操作されることに伴って、リンクを挟んで隣り合う能動関節部同士の間の距離や、隣り合う能動関節部の間をつなぐリンク同士の成す角度が変わることで変化し得るアーム部の状態をいう。

　本実施形態に係る支持アーム装置４００は、６つの能動関節部４２１ａ～４２１ｆを有し、アーム部４２０の駆動に関して６自由度が実現されている。つまり、支持アーム装置４００の駆動制御は制御部による６つの能動関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動制御により実現される一方、受動スライド機構１００及び受動関節部２００は、制御部による駆動制御の対象とはなっていない。

　具体的には、図３に示すように、能動関節部４２１ａ，４２１ｄ，４２１ｆは、接続されている各リンク４２２ａ，４２２ｅの長軸方向及び接続されている内視鏡装置４２３の撮影方向を回転軸方向とするように設けられている。能動関節部４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｅは、接続されている各リンク４２２ａ～４２２ｃ，４２２ｅ，４２２ｆ及び内視鏡装置４２３の連結角度をｙ－ｚ平面（ｙ軸とｚ軸とで規定される平面）内において変更する方向であるｘ軸方向を回転軸方向とするように設けられている。このように、本実施形態においては、能動関節部４２１ａ，４２１ｄ，４２１ｆは、いわゆるヨーイングを行う機能を有し、能動関節部４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｅは、いわゆるピッチングを行う機能を有する。

　このようなアーム部４２０の構成を有することにより、本実施形態に係る支持アーム装置４００ではアーム部４２０の駆動に対して６自由度が実現されるため、アーム部４２０の可動範囲内において内視鏡装置４２３を自由に移動させることができる。図３では、内視鏡装置４２３の移動可能範囲の一例として半球を図示している。半球の中心点ＲＣＭ（遠隔運動中心）が内視鏡装置４２３によって撮影される施術部位の撮影中心であるとすれば、内視鏡装置４２３の撮影中心を半球の中心点に固定した状態で、内視鏡装置４２３を半球の球面上で移動させることにより、施術部位を様々な角度から撮影することができる。

　以上、本実施形態に係る支持アーム装置４００の概略構成について説明した。次に、本実施形態に係る支持アーム装置４００におけるアーム部４２０の駆動、すなわち、関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御について説明する。

　＜２－２．一般化逆動力学について＞
　次に、本実施形態における支持アーム装置４００の全身協調制御に用いられる一般化逆動力学の概要について説明する。

　一般化逆動力学は、複数のリンクが複数の関節部によって連結されて構成される多リンク構造体（例えば本実施形態においては図２に示すアーム部４２０）において、各種の操作空間（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｐａｃｅ）における様々な次元に関する運動目的を、各種の拘束条件を考慮しながら、複数の当該関節部に生じさせるトルクに変換する、多リンク構造体の全身協調制御における基本演算である。

　操作空間は、ロボット装置の力制御における重要な概念である。操作空間は、多リンク構造体に作用する力と多リンク構造体の加速度との関係を記述するための空間である。多リンク構造体の駆動制御を位置制御ではなく力制御によって行う際に、多リンク構造体と環境との接し方を拘束条件として用いる場合に操作空間という概念が必要となる。操作空間は、例えば、多リンク構造体が属する空間である、関節空間、デカルト空間、運動量空間等である。

　運動目的は、多リンク構造体の駆動制御における目標値を表すものであり、例えば、駆動制御によって達成したい多リンク構造体の位置、速度、加速度、力、インピーダンス等の目標値である。

　拘束条件は、多リンク構造体の形状や構造、多リンク構造体の周囲の環境及びユーザによる設定等によって定められる、多リンク構造体の位置、速度、加速度、力等に関する拘束条件である。例えば、拘束条件には、発生力、優先度、非駆動関節の有無、垂直反力、摩擦錘、支持多角形等についての情報が含まれる。

　一般化動力学においては、数値計算上の安定性と実時間処理可能な演算効率とを両立するため、その演算アルゴリズムは、第１段階である仮想力決定プロセス（仮想力算出処理）と、第２段階である実在力変換プロセス（実在力算出処理）によって構成される。第１段階である仮想力算出処理では、各運動目的の達成に必要な、操作空間に作用する仮想的な力である仮想力を、運動目的の優先度と仮想力の最大値を考慮しながら決定する。第２段階である実在力算出処理では、非駆動関節、垂直反力、摩擦錘、支持多角形等に関する拘束を考慮しながら、上記で得られた仮想力を関節力、外力等の実際の多リンク構造体の構成で実現可能な実在力に変換する。以下、仮想力算出処理及び実在力算出処理について詳しく説明する。なお、以下の仮想力算出処理、実在力算出処理及び後述する理想関節制御の説明においては、理解を簡単にするために、具体例として、図３に示した本実施形態に係る支持アーム装置４００のアーム部４２０の構成を例に挙げて説明を行う場合がある。

　（２－２－１．仮想力算出処理）
　多リンク構造体の各関節部におけるある物理量によって構成されるベクトルを一般化変数ｑと呼ぶ（関節値ｑ又は関節空間ｑとも呼称する。）。操作空間ｘは、一般化変数ｑの時間微分値とヤコビアンＪとを用いて、以下の数式（１）で定義される。

　本実施形態では、例えば、ｑはアーム部４２０の関節部４２１ａ～４２１ｆにおける回転角度である。操作空間ｘに関する運動方程式は、下記数式（２）で記述される。

　ここで、ｆは操作空間ｘに作用する力を表す。また、Λ^－１は操作空間慣性逆行列、ｃは操作空間バイアス加速度と呼ばれるものであり、それぞれ下記数式（３）、（４）で表される。

　なお、Ｈは関節空間慣性行列、τは関節値ｑに対応する関節力（例えば関節部４２１ａ～４２１ｆおける発生トルク）、ｂは重力、コリオリ力、遠心力を表す項である。

　一般化逆動力学においては、操作空間ｘに関する位置、速度の運動目的は、操作空間ｘの加速度として表現できることが知られている。このとき、上記数式（１）から、運動目的として与えられた目標値である操作空間加速度を実現するために、操作空間ｘに作用するべき仮想力ｆ_ｖは、下記数式（５）のような一種の線形相補性問題（ＬＣＰ：Ｌｉｎｅａｒ　Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｐｒｏｂｌｅｍ）を解くことによって得られる。

　ここで、Ｌ_ｉとＵ_ｉはそれぞれ、ｆ_ｖの第ｉ成分の負の下限値（－∞を含む）、ｆ_ｖの第ｉ成分の正の上限値（＋∞を含む）とする。上記ＬＣＰは、例えばＩｔｅｒａｔｉｖｅ法、Ｐｉｖｏｔ法、ロバスト加速度制御を応用する方法等を用いて解くことができる。

　なお、操作空間慣性逆行列Λ^－１、バイアス加速度ｃは、定義式である上記数式（３）、（４）の通り算出すると計算コストが大きい。従って、多リンク構造体の一般化力（関節力τ）から一般化加速度（関節加速度）を得る準動力学計算（ＦＷＤ）を応用することにより、操作空間慣性逆行列Λ^－１の算出処理をより高速に算出する方法が提案されている。具体的には、操作空間慣性逆行列Λ^－１、バイアス加速度ｃは、順動力学演算ＦＷＤを用いることにより、関節空間ｑ、関節力τ、重力ｇ等の多リンク構造体（例えば、アーム部４２０及び関節部４２１ａ～４２１ｆ）に作用する力に関する情報から得ることができる。このように、操作空間に関する順動力学演算ＦＷＤを応用することにより、関節部の数Ｎに対してＯ（Ｎ）の計算量で操作空間慣性逆行列Λ^－１を算出することができる。

　ここで、運動目的の設定例として、絶対値Ｆ_ｉ以下の仮想力ｆ_ｖｉで操作空間加速度の目標値（ｘの２階微分に上付きバーを付して表す）を達成するための条件は、下記数式（６）で表現できる。

　また、上述したように、操作空間ｘの位置、速度に関する運動目的は、操作空間加速度の目標値として表すことができ、具体的には下記数式（７）で表現される（操作空間ｘの位置、速度の目標値を、ｘ、ｘの１階微分に上付きバーを付して表す）。

　その他、分解操作空間の考え方を用いることにより、他の操作空間の線形和で表される操作空間（運動量、デカルト相対座標、連動関節等）に関する運動目的を設定することもできる。なお、競合する運動目的間には優先度を与える必要がある。優先度毎かつ低優先度から順に上記ＬＣＰを解き、前段のＬＣＰで得られた仮想力を次段のＬＣＰの既知外力として作用させることができる。

　（２－２－２．実在力算出処理）
　一般化逆動力学の第２段階である実在力算出処理では、上記（２－２－１．仮想力決定プロセス）で得られた仮想力ｆ_ｖを、実在の関節力と外力で置換する処理を行う。仮想力による一般化力τ_ｖ＝Ｊ_ｖ ^Ｔｆ_ｖを関節部に生じる発生トルクτ_ａと外力ｆ_ｅとで実現するための条件は、下記数式（８）で表現される。

　ここで、添え字ａは駆動関節部の集合（駆動関節集合）を表し、添え字ｕは非駆動関節部の集合（非駆動関節集合）を表す。すなわち、上記数式（８）の上段は非駆動関節部による空間（非駆動関節空間）の力の釣り合いを表しており、下段は駆動関節部による空間（駆動関節空間）の力の釣合いを表している。Ｊ_ｖｕ、Ｊ_ｖａは、それぞれ、仮想力ｆ_ｖが作用する操作空間に関するヤコビアンの非駆動関節成分、駆動関節成分である。Ｊ_ｅｕ、Ｊ_ｅａは、外力ｆ_ｅが作用する操作空間に関するヤコビアンの非駆動関節成分、駆動関節成分である。Δｆ_ｖは仮想力ｆ_ｖのうち、実在力で実現不能な成分を表す。

　上記数式（８）の上段は不定であり、例えば下記数式（９）に示すような２次計画問題（ＱＰ：Ｑｕａｄｒａｔｉｃ　Ｐｒｏｇｒａｍｉｎｇ　Ｐｒｏｂｌｅｍ）を解くことで、ｆ_ｅ及びΔｆ_ｖを得ることができる。

　ここで、εは上記数式（８）の上段の両辺の差であり、数式（８）の等式誤差を表す。ξはｆ_ｅとΔｆ_ｖとの連結ベクトルであり、変数ベクトルを表す。Ｑ_１及びＱ_２は、最小化の際の重みを表す正定値対称行列である。また、上記数式（９）の不等式拘束は、垂直反力、摩擦錐、外力の最大値、支持多角形等、外力に関する拘束条件を表現するのに用いられる。例えば、矩形の支持多角形に関する不等式拘束は、下記数式（１０）のように表現される。

　ここで、ｚは接触面の法線方向を表し、ｘ及びｙはｚに垂直な直交２接線方向を表す。（Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ）及び（Ｍ_ｘ，Ｍ_ｙ，Ｍ_ｚ）は、接触点に作用する外力及び外力モーメントである。μ_ｔ及びμ_ｒは、それぞれ並進、回転に関する摩擦係数である。（ｄ_ｘ，ｄ_ｙ）は支持多角形のサイズを表している。

　上記数式（９）、（１０）から、最小ノルム又は最小誤差の解ｆ_ｅ、Δｆ_ｖが求められる。上記数式（９）から得られたｆ_ｅ、Δｆ_ｖを上記数式（８）の下段に代入することにより、運動目的を実現するために必要な関節力τ_ａを得ることができる。

　基底が固定され、非駆動関節が無い系の場合は、関節力のみで全ての仮想力を置換可能であり、上記数式（８）において、ｆ_ｅ＝０、Δｆ_ｖ＝０とすることができる。この場合、上記数式（８）の下段から、関節力τ_ａについて以下の数式（１１）を得ることができる。

　以上、本実施形態に係る一般化逆動力学を用いた全身協調制御について説明した。上記のように、仮想力算出処理及び実在力算出処理を順に行うことにより、所望の運動目的を達成するための関節力τ_ａを得ることができる。すなわち、逆に言えば、算出された関節力τ_ａを関節部４２１ａ～４２１ｆの運動における理論モデルに反映することにより、関節部４２１ａ～４２１ｆが、所望の運動目的を達成するように駆動される。

　なお、ここまで説明した一般化逆動力学を用いた全身協調制御について、特に、仮想力ｆ_ｖの導出過程や、上記ＬＣＰを解き仮想力ｆ_ｖを求める方法、ＱＰ問題の解法等の詳細については、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９－９５９５９号公報や特開２０１０－１８８４７１号公報を参照することができる。

　＜２－３．理想関節制御について＞
　次に、本実施形態に係る理想関節制御について説明する。各関節部４２１ａ～４２１ｆの運動は、下記数式（１２）の二次遅れ系の運動方程式によってモデル化される。

　ここで、Ｉ_ａは関節部における慣性モーメント（イナーシャ）、τ_ａは関節部４２１ａ～４２１ｆの発生トルク、τ_ｅは外部から各関節部４２１ａ～４２１ｆに作用する外トルク、ν_ｅは各関節部４２１ａ～４２１ｆにおける粘性抵抗係数である。上記数式（１２）は、関節部４２１ａ～４２１ｆにおけるアクチュエータの運動を表す理論モデルとも言える。

　上記＜２－２．一般化逆動力学について＞で説明したように、一般化逆動力学を用いた演算により、運動目的及び拘束条件を用いて、当該運動目的を実現するために各関節部４２１ａ～４２１ｆに作用させるべき実在力であるτ_ａを算出することができる。従って、理想的には、算出された各τ_ａを上記数式（１２）に適用することにより、上記数式（１２）に示す理論モデルに従った応答が実現する、すなわち、所望の運動目的が達成されるはずである。

　しかし、実際には、様々な外乱の影響により、関節部４２１ａ～４２１ｆの運動と上記数式（１２）に示すような理論モデルとの間には誤差（モデル化誤差）が生じる場合がある。モデル化誤差は、多リンク構造体の重量、重心、慣性テンソル等のマスプロパティに起因するものと、における関節部４２１ａ～４２１ｆ内部における摩擦や慣性等に起因するものとに大別することができる。このうち、前者のマスプロパティに起因するモデル化誤差は、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ）データの高精度化や同定手法の適用によって、理論モデル構築時に比較的容易に低減することが可能である。

　一方、後者の関節部４２１ａ～４２１ｆ内部の摩擦や慣性等に起因するモデル化誤差は、例えば関節部４２１ａ～４２１ｆの減速機４２６における摩擦等、モデル化が困難な現象に起因しており、理論モデル構築時に無視できないモデル化誤差が残留し得る。また、上記数式（１２）におけるイナーシャＩ_ａや粘性抵抗係数ν_ｅの値と、実際の関節部４２１ａ～４２１ｆにおけるこれらの値との間に誤差が生じている可能性がある。これらのモデル化が困難な誤差は、関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動制御において外乱となり得る。従って、このような外乱の影響により、実際には、関節部４２１ａ～４２１ｆの運動は、上記数式（１２）に示す理論モデル通りには応答しない場合がある。よって、一般化逆動力学によって算出された関節力である実在力τ_ａを適用しても、制御目標である運動目的が達成されない場合が生じる。本実施形態では、各関節部４２１ａ～４２１ｆにアクティブな制御系を付加することで、上記数式（１２）に示す理論モデルに従った理想応答を行うよう、関節部４２１ａ～４２１ｆの応答を補正することを考える。具体的には、本実施形態では、関節部４２１ａ～４２１ｆのトルクセンサ４２８、４２８ａを用いた摩擦補償型のトルク制御を行うに留まらず、要求される発生トルクτ_ａ、外トルクτ_ｅに対して、イナーシャＩ_ａ及び粘性抵抗係数ν_ａに至るまで理論値に従った理想応答を行うことが可能となる。

　本実施形態では、このように、支持アーム装置４００の関節部４２１ａ～４２１ｆが上記数式（１２）に示すような理想的な応答を行うように関節部の駆動を制御することを、理想関節制御と呼称する。ここで、以下の説明では、当該理想関節制御によって駆動が制御されるアクチュエータのことを、理想的な応答が行われることから仮想アクチュエータ（ＶＡ：Ｖｉｒｔｕａｌｉｚｅｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒ）とも呼称する。以下、図４を参照して、本実施形態に係る理想関節制御について説明する。

　図４は、本開示の一実施形態に係る理想関節制御について説明するための説明図である。なお、図４では、理想関節制御に係る各種の演算を行う概念上の演算器をブロックで模式的に図示している。

　ここで、アクチュエータ６１０が上記数式（１２）で表される理論モデルに従った応答を行なうことは、上記数式（１２）の右辺が与えられたときに、左辺の回転角加速度が達成されることに他ならない。また、上記数式（１２）に示すように、理論モデルには、アクチュエータ６１０に作用する外トルク項τ_ｅが含まれている。本実施形態では、理想関節制御を行うために、トルクセンサ６１４によって外トルクτ_ｅを測定する。また、エンコーダ６１３によって測定されたアクチュエータ６１０の回転角度ｑに基づいて外乱に起因するトルクの推定値である外乱推定値τ_ｄを算出するために、外乱オブザーバ６２０を適用する。

　ブロック６３１は、上記数式（１２）に示す関節部４２１ａ～４２１ｆの理想的な関節モデル（Ｉｄｅａｌ　Ｊｏｉｎｔ　Ｍｏｄｅｌ）に従った演算を行う演算器を表している。ブロック６３１は、発生トルクτ_ａ、外トルクτ_ｅ、回転角速度（回転角度ｑの１階微分）を入力として、上記数式（１２）の左辺に示す回転角加速度目標値（回転角目標値ｑ^ｒｅｆの２階微分）を出力することができる。

　本実施形態では、上記＜２－２．一般化逆動力学について＞で説明した方法によって算出された発生トルクτ_ａと、トルクセンサ６１４によって測定された外トルクτ_ｅが、ブロック６３１に入力される。一方、微分演算を行う演算器を表すブロック６３２に、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑが入力されることにより、回転角速度（回転角度ｑの１階微分）が算出される。上記発生トルクτ_ａ及び外トルクτ_ｅに加えて、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３１に入力されることにより、ブロック６３１によって回転角加速度目標値が算出される。算出された回転角加速度目標値は、ブロック６３３に入力される。

　ブロック６３３は、アクチュエータ６１０の回転角加速度に基づいてアクチュエータ６１０に生じるトルクを算出する演算器を表す。本実施形態においては、具体的には、ブロック６３３は、回転角加速度目標値にアクチュエータ６１０における公称イナーシャ（ノミナルイナーシャ）Ｊ_ｎを乗じることにより、トルク目標値τ^ｒｅｆを得ることができる。理想の応答においては、アクチュエータ６１０に当該トルク目標値τ^ｒｅｆを生じさせることにより、所望の運動目的が達成されるはずであるが、上述したように、実際の応答には外乱等の影響が生じる場合がある。従って、本実施形態においては、外乱オブザーバ６２０によって外乱推定値τ_ｄを算出し、外乱推定値τ_ｄを用いて当該トルク目標値τ^ｒｅｆを補正する。

　外乱オブザーバ６２０の構成について説明する。図４に示すように、外乱オブザーバ６２０は、トルク指令値τと、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τ_ｄを算出する。ここで、トルク指令値τは、外乱の影響が補正された後の、最終的にアクチュエータ６１０に生じさせるトルク値である。例えば、外乱推定値τ_ｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τ^ｒｅｆとなる。

　外乱オブザーバ６２０は、ブロック６３４とブロック６３５とから構成される。ブロック６３４は、アクチュエータ６１０の回転角速度に基づいてアクチュエータ６１０に生じるトルクを算出する演算器を表す。本実施形態においては、具体的には、エンコーダ６１３によって測定された回転角度ｑから、ブロック６３２によって算出された回転角速度がブロック６３４に入力される。ブロック６３４は、伝達関数Ｊ_ｎｓによって表される演算を行うことにより、すなわち、当該回転角速度を微分することにより回転角加速度を求め、更に算出された回転角加速度にノミナルイナーシャＪ_ｎを乗じることにより、実際にアクチュエータ６１０に作用しているトルクの推定値（トルク推定値）を算出することができる。

　外乱オブザーバ６２０内では、当該トルク推定値とトルク指令値τとの差分が取られることにより、外乱によるトルクの値である外乱推定値τ_ｄが推定される。具体的には、外乱推定値τ_ｄは、前周の制御におけるトルク指令値τと、今回の制御におけるトルク推定値との差分であってよい。ブロック６３４によって算出されるトルク推定値は実際の測定値に基づくものであり、ブロック６３３によって算出されたトルク指令値τはブロック６３１に示す関節部４２１ａ～４２１ｆの理想的な理論モデルに基づくものであるため、両者の差分を取ることによって、上記理論モデルでは考慮されていない外乱の影響を推定することができるのである。

　また、外乱オブザーバ６２０には、系の発散を防ぐために、ブロック６３５に示すローパスフィルター（ＬＰＦ：Ｌｏｗ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）が設けられる。ブロック６３５は、伝達関数ｇ／（ｓ＋ｇ）で表される演算を行うことにより、入力された値に対して低周波成分のみを出力し、系を安定化させる。本実施形態では、ブロック６３４によって算出されたトルク推定値とトルク指令値τ^ｒｅｆとの差分値は、ブロック６３５に入力され、その低周波成分が外乱推定値τ_ｄとして算出される。

　本実施形態では、トルク目標値τ^ｒｅｆに外乱オブザーバ６２０によって算出された外乱推定値τ_ｄを加算するフィードフォワード制御が行われることにより、最終的にアクチュエータ６１０に生じさせるトルク値であるトルク指令値τが算出される。そして、トルク指令値τに基づいてアクチュエータ６１０が駆動される。具体的には、トルク指令値τが対応する電流値（電流指令値）に変換され、当該電流指令値がモータ６１１に印加されることにより、アクチュエータ６１０が駆動される。

　以上、図４を参照して説明した構成を取ることにより、本実施形態に係る関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動制御においては、摩擦等の外乱成分があった場合であっても、アクチュエータ６１０の応答を目標値に追従させることが可能となる。また、関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動制御について、理論モデルが仮定するイナーシャＩ_ａ及び粘性抵抗係数ν_ａに従った理想応答を行うことが可能となる。

　なお、以上説明した理想関節制御の詳細については、例えば、本願出願人による先行特許出願である特開２００９－２６９１０２号公報を参照することができる。

　以上、本実施形態において用いられる一般化逆動力学について説明するとともに、図４を参照して本実施形態に係る理想関節制御について説明した。以上説明したように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いることにより、アーム部４２０の運動目的を達成するための各関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動パラメータ（例えば関節部４２１ａ～４２１ｆの発生トルク値）を、拘束条件を考慮して算出する、全身協調制御が行われる。また、図４を参照して説明したように、本実施形態においては、上記一般化逆動力学を用いた全身協調制御により算出された発生トルク値に対して外乱の影響を考慮した補正を行うことにより、関節部４２１ａ～４２１ｆの駆動制御において理論モデルに基づいた理想的な応答を実現する、理想関節制御が行われる。従って、本実施形態においては、アーム部４２０の駆動について、運動目的を達成する高精度な駆動制御が可能となる。

　＜２－４．アーム制御システムの構成＞
　次に、上記＜２－２．一般化逆動力学について＞及び上記＜２－３．理想関節制御について＞で説明した全身協調制御や理想関節制御がアーム装置の駆動制御に適用された、本実施形態に係るアーム制御システムの構成について説明する。

　図５を参照して、本開示の一実施形態に係るアーム制御システムの一構成例について説明する。図５は、本開示の一実施形態に係るアーム制御システムの一構成例を示す機能ブロック図である。なお、図５に示すアーム制御システムでは、アーム装置のアーム部の駆動の制御に関わる構成について主に図示している。

　図５を参照すると、本開示の一実施形態に係るアーム制御システム１は、アーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０を備える。本実施形態においては、制御装置２０によって、上記＜２－２．一般化逆動力学について＞で説明した全身協調制御及び上記＜２－３．理想関節制御について＞で説明した理想関節制御における各種の演算が行われ、その演算結果に基づいてアーム装置１０のアーム部の駆動が制御される。また、アーム装置１０のアーム部には後述する撮像部１４０が設けられており、撮像部１４０によって撮影された画像が表示装置３０の表示画面に表示される。以下、アーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の構成について詳細に説明する。

　アーム装置１０は、複数の関節部と複数のリンクから構成される多リンク構造体であるアーム部を有し、当該アーム部を可動範囲内で駆動させることにより、当該アーム部の先端に設けられる先端ユニットの位置及び姿勢の制御を行う。アーム装置１０は、図３に示す支持アーム装置４００に対応している。

　図５を参照すると、アーム装置１０は、アーム制御部１１０及びアーム部１２０を有する。また、アーム部１２０は、関節部１３０及び撮像部１４０を有する。

　アーム制御部１１０は、アーム装置１０を統合的に制御するとともに、アーム部１２０の駆動を制御する。アーム制御部１１０は、図３を参照して説明した制御部（図３には図示せず。）に対応している。具体的には、アーム制御部１１０は駆動制御部１１１を有し、駆動制御部１１１からの制御によって関節部１３０の駆動が制御されることにより、アーム部１２０の駆動が制御される。より具体的には、駆動制御部１１１は、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給される電流量を制御することにより、当該モータの回転数を制御し、関節部１３０における回転角度及び発生トルクを制御する。ただし、上述したように、駆動制御部１１１によるアーム部１２０の駆動制御は、制御装置２０における演算結果に基づいて行われる。従って、駆動制御部１１１によって制御される、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給される電流量は、制御装置２０における演算結果に基づいて決定される電流量である。

　アーム部１２０は、複数の関節部と複数のリンクから構成される多リンク構造体であり、アーム制御部１１０からの制御によりその駆動が制御される。アーム部１２０は、図３に示すアーム部４２０に対応している。アーム部１２０は、関節部１３０及び撮像部１４０を有する。なお、アーム部１２０が有する複数の関節部の機能及び構成は互いに同様であるため、図５では、それら複数の関節部を代表して１つの関節部１３０の構成を図示している。

　関節部１３０は、アーム部１２０においてリンク間を互いに回動可能に連結するとともに、アーム制御部１１０からの制御によりその回転駆動が制御されることによりアーム部１２０を駆動する。関節部１３０は、図３に示す関節部４２１ａ～４２１ｆに対応している。また、関節部１３０は、アクチュエータを有する。

　関節部１３０は、関節駆動部１３１及び関節状態検出部１３２を有する。

　関節駆動部１３１は、関節部１３０のアクチュエータにおける駆動機構であり、関節駆動部１３１が駆動することにより関節部１３０が回転駆動する。関節駆動部１３１は、駆動制御部１１１によってその駆動が制御される。例えば、関節駆動部１３１は、モータ及びモータドライバに対応する構成であり、関節駆動部１３１が駆動することは、モータドライバが駆動制御部１１１からの指令に応じた電流量でモータを駆動することに対応している。

　関節状態検出部１３２は、関節部１３０の状態を検出する。ここで、関節部１３０の状態とは、関節部１３０の運動の状態を意味していてよい。例えば、関節部１３０の状態には、関節部１３０の回転角度、回転角速度、回転角加速度、発生トルク等の情報が含まれる。本実施形態においては、関節状態検出部１３２は、関節部１３０の回転角度を検出する回転角度検出部１３３及び関節部１３０の発生トルク及び外トルクを検出するトルク検出部１３４を有する。なお、回転角度検出部１３３及びトルク検出部１３４は、アクチュエータのエンコーダ及びトルクセンサに、それぞれ対応している。関節状態検出部１３２は、検出した関節部１３０の状態を制御装置２０に送信する。

　撮像部１４０は、アーム部１２０の先端に設けられる先端ユニットの一例であり、撮影対象の画像を取得する。撮像部１４０は、図３に示す撮像ユニット４２３に対応している。具体的には、撮像部１４０は、撮影対象を動画や静止画の形式で撮影することのできるカメラ等である。より具体的には、撮像部１４０は、２次元上に配列された複数の受光素子を有し、当該受光素子における光電変換により、撮影対象の画像を表す画像信号を取得することができる。撮像部１４０は、取得した画像信号を表示装置３０に送信する。

　なお、図３に示す支持アーム装置４００において撮像ユニット４２３がアーム部４２０の先端に設けられていたように、ロボットアーム装置１０においても、実際には撮像部１４０がアーム部１２０の先端に設けられている。図５では、撮像部１４０が複数の関節部１３０及び複数のリンクを介して最終段のリンクの先端に設けられる様子を、関節部１３０と撮像部１４０との間にリンクを模式的に図示することにより表現している。

　なお、本実施形態においては、アーム部１２０の先端には先端ユニットとして各種の医療用器具が接続され得る。当該医療用器具としては、例えば、メスや鉗子等の各種の施術器具や、超音波検査装置の探触子等の各種の検査装置の一ユニット等、施術に際して用いられる各種のユニットが挙げられる。また、本実施形態では、図５に示す撮像部１４０や、内視鏡、顕微鏡等の撮像機能を有するユニットも医療用器具に含まれてよい。このように、本実施形態に係るアーム装置１０は、医療用器具を備えた医療用アーム装置であると言える。同様に、本実施形態に係るアーム制御システム１は、医療用アーム制御システムであると言える。なお、図５に示すアーム装置１０は、撮像機能を有するユニットを先端ユニットとして備えるスコープ保持アーム装置であるとも言える。また、アーム部１２０の先端に、２つの撮像ユニット（カメラユニット）を有するステレオカメラが設けられ、撮像対象を３Ｄ画像として表示するように撮影が行われてもよい。

　以上、アーム装置１０の機能及び構成について説明した。次に、制御装置２０の機能及び構成について説明する。図５を参照すると、制御装置２０は、入力部２１０、記憶部２２０及び制御部２３０を有する。

　制御部２３０は、制御装置２０を統合的に制御するとともに、アーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動を制御するための各種の演算を行う。具体的には、制御部２３０は、アーム装置１０のアーム部１２０の駆動を制御するために、全身協調制御及び理想関節制御における各種の演算を行う。以下、制御部２３０の機能及び構成について詳しく説明するが、全身協調制御及び理想関節制御については、上記＜２－２．一般化逆動力学について＞及び上記＜２－３．理想関節制御について＞で既に説明しているため、ここでは詳しい説明は省略する。

　制御部２３０は、全身協調制御部２４０及び理想関節制御部２５０を有する。

　全身協調制御部２４０は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する各種の演算を行う。本実施形態では、全身協調制御部２４０は、関節状態検出部１３２によって検出された関節部１３０の状態に基づいてアーム部１２０の状態（アーム状態）を取得する。また、全身協調制御部２４０は、当該アーム状態と、アーム部１２０の運動目的及び拘束条件と、に基づいて、操作空間におけるアーム部１２０の全身協調制御のための制御値を、一般化逆動力学を用いて算出する。なお、操作空間とは、例えばアーム部１２０に作用する力とアーム部１２０に発生する加速度との関係を記述するための空間である。

　全身協調制御部２４０は、アーム状態取得部２４１、演算条件設定部２４２、仮想力算出部２４３及び実在力算出部２４４を有する。

　アーム状態取得部２４１は、関節状態検出部１３２によって検出された関節部１３０の状態に基づいて、アーム部１２０の状態（アーム状態）を取得する。ここで、アーム状態とは、アーム部１２０の運動の状態を意味していてよい。例えば、アーム状態には、アーム部１２０の位置、速度、加速度、力等の情報が含まれる。上述したように、関節状態検出部１３２は、関節部１３０の状態として、各関節部１３０における回転角度、回転角速度、回転角加速度、発生トルク等の情報を取得している。また、後述するが、記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶するものであり、本実施形態においては、記憶部２２０には、アーム部１２０に関する各種の情報（アーム情報）、例えばアーム部１２０を構成する関節部１３０及びリンクの数や、リンクと関節部１３０との接続状況、リンクの長さ等の情報が格納されていてよい。アーム状態取得部２４１は、記憶部２２０から当該アーム情報を取得することができる。従って、アーム状態取得部２４１は、関節部１３０の状態とアーム情報とに基づいて、複数の関節部１３０、複数のリンク及び撮像部１４０の空間上の位置（座標）（すなわち、アーム部１２０の形状や撮像部１４０の位置及び姿勢）や、各関節部１３０、リンク及び撮像部１４０に作用している力等の情報をアーム状態として取得することができる。アーム状態取得部２４１は、取得したアーム情報を演算条件設定部２４２に送信する。

　演算条件設定部２４２は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における演算条件を設定する。ここで、演算条件とは、運動目的及び拘束条件であってよい。運動目的は、アーム部１２０の運動に関する各種の情報であってよい。具体的には、運動目的は、撮像部１４０の位置及び姿勢（座標）、速度、加速度並びに力等の目標値であったり、アーム部１２０の複数の関節部１３０及び複数のリンクの位置（座標）、速度、加速度及び力等の目標値であったりしてもよい。また、拘束条件は、アーム部１２０の運動を制限（拘束）する各種の情報であってよい。具体的には、拘束条件は、アーム部の各構成部材が移動不可能な領域の座標や、移動不可能な速度、加速度の値、発生不可能な力の値等であってよい。また、拘束条件における各種の物理量の制限範囲は、アーム部１２０の構造的に実現することが不可能であることから設定されてもよいし、ユーザによって適宜設定されてもよい。また、演算条件設定部２４２は、アーム部１２０の構造についての物理モデル（例えば、アーム部１２０を構成するリンクの数や長さ、リンクの関節部１３０を介した接続状況、関節部１３０の可動範囲等がモデル化されたもの）を有し、当該物理モデルに、所望の運動条件及び拘束条件が反映された制御モデルを生成することにより、運動条件及び拘束条件を設定してもよい。

　本実施形態においては、運動目的及び拘束条件を適切に設定することにより、アーム部１２０に所望の動作を行わせることが可能となる。例えば、運動目的として、撮像部１４０の位置の目標値を設定することにより撮像部１４０をその目標の位置に移動させることはもちろんのこと、アーム部１２０が空間上の所定の領域内に侵入しないようにする等、拘束条件によって移動の制約を設けてアーム部１２０を駆動させることも可能である。

　運動目的の具体例として、例えば、運動目的は、撮像部１４０の撮影方向が施術部位に固定された状態で、撮像部１４０が施術部位を頂点とした円錐の面内を移動する、当該円錐の軸を旋回軸とした旋回動作である、ピボット動作であってもよい。また、当該ピボット動作においては、撮像部１４０と円錐の頂点に当たる点との距離が一定に保たれた状態で旋回動作が行われてもよい。このようなピボット動作を行うことにより、観察部位を等距離からかつ異なる角度から観察できるようになるため、手術を行うユーザの利便性を向上させることができる。

　また、他の具体例として、運動目的は、各関節部１３０における発生トルクを制御する内容であってもよい。具体的には、運動目的は、アーム部１２０に作用する重力を打ち消すように関節部１３０の状態を制御するとともに、更に外部から与えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするように関節部１３０の状態を制御するパワーアシスト動作であってもよい。より具体的には、パワーアシスト動作においては、アーム部１２０の各関節部１３０における重力による外トルクを打ち消す発生トルクを各関節部１３０に生じさせるように各関節部１３０の駆動が制御されることにより、アーム部１２０の位置及び姿勢が所定の状態で保持される。この状態で更に外部から（例えばユーザから）外トルクが加えられた場合に、与えられた外トルクと同じ方向の発生トルクを各関節部１３０に生じさせるように各関節部１３０の駆動が制御される。このようなパワーアシスト動作を行うことにより、ユーザが手動でアーム部１２０を動かす場合に、ユーザはより小さい力でアーム部１２０を移動させることができるため、あたかも無重力下でアーム部１２０を動かしているような感覚をユーザに対して与えることができる。また、上述したピボット動作と当該パワーアシスト動作とを組み合わせることも可能である。

　ここで、本実施形態において、運動目的とは、全身協調制御において実現されるアーム部１２０の動作（運動）を意味していてもよいし、当該動作における瞬時的な運動目的（すなわち、運動目的における目標値）を意味していてもよい。例えば上記のピボット動作であれば、撮像部１４０がピボット動作を行うこと自体が運動目的であるが、ピボット動作を行っている最中においては、当該ピボット動作における円錐面内での撮像部１４０の位置や速度等の値が、瞬時的な運動目的（当該運動目的における目標値）として設定されている。また例えば上記のパワーアシスト動作であれば、外部から加えられた力の方向へのアーム部１２０の移動をサポートするパワーアシスト動作を行うこと自体が運動目的であるが、パワーアシスト動作を行っている最中においては、各関節部１３０に加えられる外トルクと同じ方向への発生トルクの値が、瞬時的な運動目的（当該運動目的における目標値）として設定されている。本実施形態における運動目的は、瞬時的な運動目的（例えばある時間におけるアーム部１２０の各構成部材の位置や速度、力等の目標値）と、瞬時的な運動目的が連続的に達成された結果、経時的に実現されるアーム部１２０の各構成部材の動作の、双方を含む概念である。全身協調制御部２４０における全身協調制御のための演算における各ステップでは瞬時的な運動目的がその都度設定され、当該演算が繰り返し行われることにより、最終的に所望の運動目的が達成される。

　なお、本実施形態においては、運動目的が設定される際に、各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数も適宜設定されてよい。上述したように、本実施形態に係る関節部１３０は、アクチュエータの回転運動における粘性抵抗係数を適宜調整できるように構成される。従って、運動目的の設定に際して各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数も設定することにより、例えば外部から加えられる力に対して回転しやすい状態や回転し難い状態を実現することができる。例えば上述したパワーアシスト動作であれば、関節部１３０における粘性抵抗係数が小さく設定されることにより、ユーザがアーム部１２０を移動させる際に要する力がより小さくてよく、ユーザに与えられる無重力感がより助長される。このように、各関節部１３０の回転運動における粘性抵抗係数は、運動目的の内容に応じて適宜設定されてよい。

　ここで、本実施形態においては、後述するように、記憶部２２０には、全身協調制御に関する演算において用いられる運動目的や拘束条件等の演算条件に関するパラメータが格納されていてもよい。演算条件設定部２４２は、記憶部２２０に記憶されている拘束条件を、全身協調制御の演算に用いる拘束条件として設定することができる。

　また、本実施形態においては、演算条件設定部２４２は、複数の方法によって運動目的を設定することができる。例えば、演算条件設定部２４２は、アーム状態取得部２４１から送信されるアーム状態に基づいて運動目的を設定してもよい。上述したように、アーム状態には、アーム部１２０の位置の情報やアーム部１２０に対して作用する力の情報が含まれる。従って、例えばユーザがアーム部１２０を手動で移動させようとしている場合には、アーム状態取得部２４１によって、ユーザがアーム部１２０をどのように移動させようとしているか、に関する情報もアーム状態として取得される。従って、演算条件設定部２４２は、取得されたアーム状態に基づいて、ユーザがアーム部１２０を移動させた位置や速度、力等を瞬時的な運動目的として設定することができる。このように運動目的が設定されることにより、アーム部１２０の駆動は、ユーザによるアーム部１２０の移動を追随し、サポートするように制御される。

　また、例えば、演算条件設定部２４２は、入力部２１０からユーザによって入力される指示に基づいて運動目的を設定してもよい。後述するが、入力部２１０は、ユーザが制御装置２０にアーム装置１０の駆動制御に関する情報や命令等を入力するための入力インターフェースであり、本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、運動目的が設定されてもよい。具体的には、入力部２１０は、例えばレバー、ペダル等のユーザが操作する操作手段を有し、当該レバー、ペダル等の操作に応じて、アーム部１２０の各構成部材の位置や速度等が、演算条件設定部２４２によって瞬時的な運動目的として設定されてもよい。

　更に、例えば、演算条件設定部２４２は、記憶部２２０に記憶されている運動目的を、全身協調制御の演算に用いる運動目的として設定してもよい。例えば、空間上の所定の点で撮像部１４０が静止するという運動目的であれば、当該所定の点の座標を運動目的として予め設定することができる。また、例えば、撮像部１４０が空間上において所定の軌跡上を移動するという運動目的であれば、当該所定の軌跡を表す各点の座標を運動目的として予め設定することができる。このように、運動目的が予め設定できるものである場合には、当該運動目的が予め記憶部２２０に記憶されていてもよい。また、例えば上述したピボット動作であれば、運動目的は円錐の面内における位置や速度等を目標値とするものに限られるし、パワーアシスト動作であれば、運動目的は力を目標値とするものに限られる。このように、ピボット動作やパワーアシスト動作のような運動目的が予め設定されている場合には、これらの運動目的における瞬時的な運動目的として設定され得る目標値の範囲や種類等に関する情報が、記憶部２２０に記憶されていてもよい。演算条件設定部２４２は、このような運動目的に関する各種の情報も含めて、運動目的として設定することができる。

　なお、演算条件設定部２４２が、上記のいずれの方法で運動目的を設定するかは、アーム装置１０の用途等に応じてユーザによって適宜設定可能であってよい。また、演算条件設定部２４２は、また、上記の各方法を適宜組み合わせることにより、運動目的及び拘束条件を設定してもよい。なお、記憶部２２０に格納されている拘束条件の中に運動目的の優先度が設定されていてもよく、複数の互いに異なる運動目的が存在する場合には、演算条件設定部２４２は、当該拘束条件の優先度に応じて運動目的を設定してもよい。演算条件設定部２４２は、アーム状態並びに設定した運動目的及び拘束条件を仮想力算出部２４３に送信する。

　仮想力算出部２４３は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における仮想力を算出する。仮想力算出部２４３が行う仮想力の算出処理は、例えば、上記＜２－２－１．仮想力算出処理＞で説明した一連の処理であってよい。仮想力算出部２４３は、算出した仮想力ｆ_ｖを実在力算出部２４４に送信する。

　実在力算出部２４４は、一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する演算における実在力を算出する。実在力算出部２４４が行う実在力の算出処理は、例えば、上記＜２－２－２．実在力算出処理＞で説明した一連の処理であってよい。実在力算出部２４４は、算出した実在力（発生トルク）τ_ａを理想関節制御部２５０に送信する。なお、本実施形態においては、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτ_ａのことを、全身協調制御における関節部１３０の制御値という意味で、制御値又は制御トルク値とも呼称する。

　理想関節制御部２５０は、一般化逆動力学を用いた理想関節制御に関する各種の演算を行う。本実施形態では、理想関節制御部２５０は、実在力算出部２４４によって算出された発生トルクτ_ａに対して外乱の影響を補正することにより、アーム部１２０の理想的な応答を実現するトルク指令値τを算出する。なお、理想関節制御部２５０によって行われる演算処理は、上記＜２－３．理想関節制御について＞で説明した一連の処理に対応している。

　理想関節制御部２５０は、外乱推定部２５１及び指令値算出部２５２を有する。

　外乱推定部２５１は、トルク指令値τと、回転角度検出部１３３によって検出された回転角度ｑから算出される回転角速度に基づいて、外乱推定値τ_ｄを算出する。なお、ここでいうトルク指令値τは、最終的にアーム装置１０に送信されるアーム部１２０での発生トルクを表す指令値である。このように、外乱推定部２５１は、図４に示す外乱オブザーバ６２０に対応する機能を有する。

　指令値算出部２５２は、外乱推定部２５１によって算出された外乱推定値τ_ｄを用いて、最終的にアーム装置１０に送信されるアーム部１２０に生じさせるトルクを表す指令値であるトルク指令値τを算出する。具体的には、指令値算出部２５２は、上記数式（１２）に示す関節部１３０の理想モデルから算出されるτ^ｒｅｆに外乱推定部２５１によって算出された外乱推定値τ_ｄを加算することにより、トルク指令値τを算出する。例えば、外乱推定値τ_ｄが算出されていない場合には、トルク指令値τはトルク目標値τ^ｒｅｆとなる。このように、指令値算出部２５２の機能は、図４に示す外乱オブザーバ６２０以外の機能に対応している。

　以上説明したように、理想関節制御部２５０においては、外乱推定部２５１と指令値算出部２５２との間で繰り返し情報のやり取りが行われることにより、図４を参照して説明した一連の処理が行われる。理想関節制御部２５０は算出したトルク指令値τをアーム装置１０の駆動制御部１１１に送信する。駆動制御部１１１は、送信されたトルク指令値τに対応する電流量を、関節部１３０のアクチュエータにおけるモータに対して供給する制御を行うことにより、当該モータの回転数を制御し、関節部１３０における回転角度及び発生トルクを制御する。

　本実施形態に係るアーム制御システム１においては、アーム装置１０におけるアーム部１２０の駆動制御は、アーム部１２０を用いた作業が行われている間継続的に行われるため、アーム装置１０及び制御装置２０における以上説明した処理が繰り返し行われる。すなわち、アーム装置１０の関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出され、制御装置２０に送信される。制御装置２０では、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための全身協調制御及び理想関節制御に関する各種の演算が行われ、演算結果としてのトルク指令値τがアーム装置１０に送信される。アーム装置１０では、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御され、駆動中又は駆動後の関節部１３０の状態が、再び関節状態検出部１３２によって検出される。

　制御装置２０が有する他の構成についての説明を続ける。

　入力部２１０は、ユーザが制御装置２０にアーム装置１０の駆動制御に関する情報や命令等を入力するための入力インターフェースである。本実施形態においては、ユーザによる入力部２１０からの操作入力に基づいて、アーム装置１０のアーム部１２０の駆動が制御され、撮像部１４０の位置及び姿勢が制御されてもよい。具体的には、上述したように、ユーザによって入力部２１０から入力されたアームの駆動の指示に関する指示情報が演算条件設定部２４２に入力されることにより、演算条件設定部２４２が当該指示情報に基づいて全身協調制御における運動目的を設定してもよい。このように、ユーザが入力した指示情報に基づく運動目的を用いて全身協調制御が行われることにより、ユーザの操作入力に応じたアーム部１２０の駆動が実現される。

　具体的には、入力部２１０は、例えばマウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ、レバー及びペダル等のユーザが操作する操作手段を有する。例えば入力部２１０がペダルを有する場合、ユーザは当該ペダルを足で操作することによりアーム部１２０の駆動を制御することができる。従って、ユーザが患者の施術部位に対して両手を使って処置を行っている場合であっても、足によるペダルの操作によって撮像部１４０の位置及び姿勢、すなわち、施術部位の撮影位置や撮影角度を調整することができる。

　記憶部２２０は、制御装置２０によって処理される各種の情報を記憶する。本実施形態においては、記憶部２２０は、制御部２３０によって行われる全身協調制御及び理想関節制御に関する演算において用いられる各種のパラメータを記憶することができる。例えば、記憶部２２０は、全身協調制御部２４０による全身協調制御に関する演算において用いられる運動目的及び拘束条件を記憶していてもよい。記憶部２２０が記憶する運動目的は、上述したように、例えば撮像部１４０が空間上の所定の点で静止することのような、予め設定され得る運動目的であってよい。また、拘束条件は、アーム部１２０の幾何的な構成やロボットアーム装置１０の用途等に応じて、ユーザによって予め設定され、記憶部２２０に格納されていてもよい。また、記憶部２２０には、アーム状態取得部２４１がアーム状態を取得する際に用いるアーム部１２０に関する各種の情報が記憶されていてもよい。更に、記憶部２２０には、制御部２３０による全身協調制御及び理想関節制御に関する演算における演算結果や演算過程で算出される各数値等が記憶されてもよい。このように、記憶部２２０には、制御部２３０によって行われる各種の処理に関するあらゆるパラメータが格納されていてよく、制御部２３０は、記憶部２２０と相互に情報を送受信しながら各種の処理を行うことができる。

　以上、制御装置２０の機能及び構成について説明した。なお、本実施形態に係る制御装置２０は、例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やサーバ等の各種の情報処理装置（演算処理装置）によって構成することができる。次に、表示装置３０の機能及び構成について説明する。

　表示装置３０は、各種の情報を表示画面上にテキスト、イメージ等様々な形式で表示することにより、当該情報をユーザに対して視覚的に通知する。本実施形態においては、表示装置３０は、アーム装置１０の撮像部１４０によって撮影された画像を表示画面上に表示する。具体的には、表示装置３０は、撮像部１４０によって取得された画像信号に各種の画像処理を施す画像信号処理部（図示せず。）や処理された画像信号に基づく画像を表示画面上に表示させる制御を行う表示制御部（図示せず。）等の機能及び構成を有する。なお、表示装置３０は、上記の機能及び構成以外にも、一般的に表示装置が有する各種の機能及び構成を有してもよい。表示装置３０は、図１に示す表示装置５０４１に対応している。

　以上、図５を参照して、本実施形態に係るアーム装置１０、制御装置２０及び表示装置３０の機能及び構成について説明した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。

　以上説明したように、本実施形態によれば、アーム装置１０における多リンク構造体であるアーム部１２０が、少なくとも６自由度以上の自由度を有するとともに、当該アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれの駆動が駆動制御部１１１によって制御される。そして、当該アーム部１２０の先端には医療用器具が設けられる。このように、各関節部１３０の駆動が制御されることにより、より自由度の高いアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高い医療用のアーム装置１０が実現される。

　より具体的には、本実施形態によれば、アーム装置１０において、関節状態検出部１３２によって関節部１３０の状態が検出される。そして、制御装置２０において、当該関節部１３０の状態と、運動目的及び拘束条件とに基づいて、アーム部１２０の駆動を制御するための一般化逆動力学を用いた全身協調制御に関する各種の演算が行われ、演算結果としてのトルク指令値τが算出される。更に、アーム装置１０において、当該トルク指令値τに基づいてアーム部１２０の駆動が制御される。このように、本実施形態においては、一般化逆動力学を用いた全身協調制御により、アーム部１２０の駆動が制御される。従って、力制御によるアーム部１２０の駆動制御が実現され、よりユーザにとって操作性の高いアーム装置が実現される。また、本実施形態では、全身協調制御において、例えばピボット動作やパワーアシスト動作といった、よりユーザの利便性を向上させる各種の運動目的を実現する制御が可能となる。更に、本実施形態においては、例えばアーム部１２０を手動で移動させたり、ペダルからの操作入力により移動させたりといった、多様な駆動手段が実現されるため、ユーザの利便性の更なる向上が実現される。

　また、本実施形態においては、アーム部１２０の駆動制御について、全身協調制御と併せて理想関節制御が適用される。理想関節制御においては、関節部１３０内部の摩擦や慣性等の外乱成分を推定し、推定した外乱成分を用いたフィードフォワード制御が行われる。従って、摩擦等の外乱成分がある場合であっても、関節部１３０の駆動について理想的な応答を実現することができる。よって、アーム部１２０の駆動制御において、振動等の影響がより少ない、高精度の応答性と高い位置決め精度や安定性が実現される。

　更に、本実施形態においては、アーム部１２０を構成する複数の関節部１３０のそれぞれが、理想関節制御に適合した構成を有し、各関節部１３０における回転角度、発生トルク及び粘性抵抗係数を電流値によって制御することができる。このように、各関節部１３０の駆動が電流値によって制御され、また、全身協調制御により各関節部１３０の駆動がアーム部１２０全体の状態を把握しながら制御されるため、カウンターバランスが不要となり、アーム装置１０の小型化が実現される。

＜＜３．顕微鏡手術システムの構成例＞＞
　本開示に係る技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、患者の微細部位を拡大観察しながら行う、いわゆるマイクロサージェリーに用いられる顕微鏡手術システムに適用されてもよい。

　図６は、本開示に係る技術が適用され得る顕微鏡手術システム５３００の概略的な構成の一例を示す図である。図６を参照すると、顕微鏡手術システム５３００は、顕微鏡装置５３０１と、制御装置５３１７と、表示装置５３１９と、から構成される。なお、以下の顕微鏡手術システム５３００についての説明において、「ユーザ」とは、術者及び助手等、顕微鏡手術システム５３００を使用する任意の医療スタッフのことを意味する。

　顕微鏡装置５３０１は、観察対象（患者の術部）を拡大観察するための顕微鏡部５３０３と、顕微鏡部５３０３を先端で支持するアーム部５３０９と、アーム部５３０９の基端を支持するベース部５３１５と、を有する。

　顕微鏡部５３０３は、略円筒形状の筒状部５３０５と、当該筒状部５３０５の内部に設けられる撮像部（図示せず）と、筒状部５３０５の外周の一部領域に設けられる操作部５３０７と、から構成される。顕微鏡部５３０３は、撮像部によって電子的に撮像画像を撮像する、電子撮像式の顕微鏡部（いわゆるビデオ式の顕微鏡部）である。

　筒状部５３０５の下端の開口面には、内部の撮像部を保護するカバーガラスが設けられる。観察対象からの光（以下、観察光ともいう）は、当該カバーガラスを通過して、筒状部５３０５の内部の撮像部に入射する。なお、筒状部５３０５の内部には例えばＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）等からなる光源が設けられてもよく、撮像時には、当該カバーガラスを介して、当該光源から観察対象に対して光が照射されてもよい。

　撮像部は、観察光を集光する光学系と、当該光学系が集光した観察光を受光する撮像素子と、から構成される。当該光学系は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成され、その光学特性は、観察光を撮像素子の受光面上に結像するように調整されている。当該撮像素子は、観察光を受光して光電変換することにより、観察光に対応した信号、すなわち観察像に対応した画像信号を生成する。当該撮像素子としては、例えばＢａｙｅｒ配列を有するカラー撮影可能なものが用いられる。当該撮像素子は、ＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）イメージセンサ又はＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）イメージセンサ等、各種の公知の撮像素子であってよい。撮像素子によって生成された画像信号は、ＲＡＷデータとして制御装置５３１７に送信される。ここで、この画像信号の送信は、好適に光通信によって行われてもよい。手術現場では、術者が撮像画像によって患部の状態を観察しながら手術を行うため、より安全で確実な手術のためには、術部の動画像が可能な限りリアルタイムに表示されることが求められるからである。光通信で画像信号が送信されることにより、低レイテンシで撮像画像を表示することが可能となる。

　なお、撮像部は、その光学系のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って移動させる駆動機構を有してもよい。当該駆動機構によってズームレンズ及びフォーカスレンズが適宜移動されることにより、撮像画像の拡大倍率及び撮像時の焦点距離が調整され得る。また、撮像部には、ＡＥ（Auto　Exposure）機能やＡＦ（Auto　Focus）機能等、一般的に電子撮像式の顕微鏡部に備えられ得る各種の機能が搭載されてもよい。

　また、撮像部は、１つの撮像素子を有するいわゆる単板式の撮像部として構成されてもよいし、複数の撮像素子を有するいわゆる多板式の撮像部として構成されてもよい。撮像部が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、当該撮像部は、立体視（３Ｄ表示）に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、当該撮像部が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、光学系も複数系統が設けられ得る。

　操作部５３０７は、例えば十字レバー又はスイッチ等によって構成され、ユーザの操作入力を受け付ける入力手段である。例えば、ユーザは、操作部５３０７を介して、観察像の拡大倍率及び観察対象までの焦点距離を変更する旨の指示を入力することができる。当該指示に従って撮像部の駆動機構がズームレンズ及びフォーカスレンズを適宜移動させることにより、拡大倍率及び焦点距離が調整され得る。また、例えば、ユーザは、操作部５３０７を介して、アーム部５３０９の動作モード（後述するオールフリーモード及び固定モード）を切り替える旨の指示を入力することができる。なお、ユーザが顕微鏡部５３０３を移動させようとする場合には、当該ユーザは筒状部５３０５を握るように把持した状態で当該顕微鏡部５３０３を移動させる様態が想定される。従って、操作部５３０７は、ユーザが筒状部５３０５を移動させている間でも操作可能なように、ユーザが筒状部５３０５を握った状態で指によって容易に操作しやすい位置に設けられることが好ましい。

　アーム部５３０９は、複数のリンク（第１リンク５３１３ａ～第６リンク５３１３ｆ）が、複数の関節部（第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆ）によって互いに回動可能に連結されることによって構成される。

　第１関節部５３１１ａは、略円柱形状を有し、その先端（下端）で、顕微鏡部５３０３の筒状部５３０５の上端を、当該筒状部５３０５の中心軸と平行な回転軸（第１軸Ｏ_１）まわりに回動可能に支持する。ここで、第１関節部５３１１ａは、第１軸Ｏ_１が顕微鏡部５３０３の撮像部の光軸と一致するように構成され得る。これにより、第１軸Ｏ_１まわりに顕微鏡部５３０３を回動させることにより、撮像画像を回転させるように視野を変更することが可能になる。

　第１リンク５３１３ａは、先端で第１関節部５３１１ａを固定的に支持する。具体的には、第１リンク５３１３ａは略Ｌ字形状を有する棒状の部材であり、その先端側の一辺が第１軸Ｏ_１と直交する方向に延伸しつつ、当該一辺の端部が第１関節部５３１１ａの外周の上端部に当接するように、第１関節部５３１１ａに接続される。第１リンク５３１３ａの略Ｌ字形状の基端側の他辺の端部に第２関節部５３１１ｂが接続される。

　第２関節部５３１１ｂは、略円柱形状を有し、その先端で、第１リンク５３１３ａの基端を、第１軸Ｏ_１と直交する回転軸（第２軸Ｏ_２）まわりに回動可能に支持する。第２関節部５３１１ｂの基端には、第２リンク５３１３ｂの先端が固定的に接続される。

　第２リンク５３１３ｂは、略Ｌ字形状を有する棒状の部材であり、その先端側の一辺が第２軸Ｏ_２と直交する方向に延伸しつつ、当該一辺の端部が第２関節部５３１１ｂの基端に固定的に接続される。第２リンク５３１３ｂの略Ｌ字形状の基端側の他辺には、第３関節部５３１１ｃが接続される。

　第３関節部５３１１ｃは、略円柱形状を有し、その先端で、第２リンク５３１３ｂの基端を、第１軸Ｏ_１及び第２軸Ｏ_２と互いに直交する回転軸（第３軸Ｏ_３）まわりに回動可能に支持する。第３関節部５３１１ｃの基端には、第３リンク５３１３ｃの先端が固定的に接続される。第２軸Ｏ_２及び第３軸Ｏ_３まわりに顕微鏡部５３０３を含む先端側の構成を回動させることにより、水平面内での顕微鏡部５３０３の位置を変更するように、当該顕微鏡部５３０３を移動させることができる。つまり、第２軸Ｏ_２及び第３軸Ｏ_３まわりの回転を制御することにより、撮像画像の視野を平面内で移動させることが可能になる。

　第３リンク５３１３ｃは、その先端側が略円柱形状を有するように構成されており、当該円柱形状の先端に、第３関節部５３１１ｃの基端が、両者が略同一の中心軸を有するように、固定的に接続される。第３リンク５３１３ｃの基端側は角柱形状を有し、その端部に第４関節部５３１１ｄが接続される。

　第４関節部５３１１ｄは、略円柱形状を有し、その先端で、第３リンク５３１３ｃの基端を、第３軸Ｏ_３と直交する回転軸（第４軸Ｏ_４）まわりに回動可能に支持する。第４関節部５３１１ｄの基端には、第４リンク５３１３ｄの先端が固定的に接続される。

　第４リンク５３１３ｄは、略直線状に延伸する棒状の部材であり、第４軸Ｏ_４と直交するように延伸しつつ、その先端の端部が第４関節部５３１１ｄの略円柱形状の側面に当接するように、第４関節部５３１１ｄに固定的に接続される。第４リンク５３１３ｄの基端には、第５関節部５３１１ｅが接続される。

　第５関節部５３１１ｅは、略円柱形状を有し、その先端側で、第４リンク５３１３ｄの基端を、第４軸Ｏ_４と平行な回転軸（第５軸Ｏ_５）まわりに回動可能に支持する。第５関節部５３１１ｅの基端には、第５リンク５３１３ｅの先端が固定的に接続される。第４軸Ｏ_４及び第５軸Ｏ_５は、顕微鏡部５３０３を上下方向に移動させ得る回転軸である。第４軸Ｏ_４及び第５軸Ｏ_５まわりに顕微鏡部５３０３を含む先端側の構成を回動させることにより、顕微鏡部５３０３の高さ、すなわち顕微鏡部５３０３と観察対象との距離を調整することができる。

　第５リンク５３１３ｅは、一辺が鉛直方向に延伸するとともに他辺が水平方向に延伸する略Ｌ字形状を有する第１の部材と、当該第１の部材の水平方向に延伸する部位から鉛直下向きに延伸する棒状の第２の部材と、が組み合わされて構成される。第５リンク５３１３ｅの第１の部材の鉛直方向に延伸する部位の上端近傍に、第５関節部５３１１ｅの基端が固定的に接続される。第５リンク５３１３ｅの第２の部材の基端（下端）には、第６関節部５３１１ｆが接続される。

　第６関節部５３１１ｆは、略円柱形状を有し、その先端側で、第５リンク５３１３ｅの基端を、鉛直方向と平行な回転軸（第６軸Ｏ_６）まわりに回動可能に支持する。第６関節部５３１１ｆの基端には、第６リンク５３１３ｆの先端が固定的に接続される。

　第６リンク５３１３ｆは鉛直方向に延伸する棒状の部材であり、その基端はベース部５３１５の上面に固定的に接続される。

　第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆの回転可能範囲は、顕微鏡部５３０３が所望の動きを可能であるように適宜設定されている。これにより、以上説明した構成を有するアーム部５３０９においては、顕微鏡部５３０３の動きに関して、並進３自由度及び回転３自由度の計６自由度の動きが実現され得る。このように、顕微鏡部５３０３の動きに関して６自由度が実現されるようにアーム部５３０９を構成することにより、アーム部５３０９の可動範囲内において顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢を自由に制御することが可能になる。従って、あらゆる角度から術部を観察することが可能となり、手術をより円滑に実行することができる。

　なお、図示するアーム部５３０９の構成はあくまで一例であり、アーム部５３０９を構成するリンクの数及び形状（長さ）、並びに関節部の数、配置位置及び回転軸の方向等は、所望の自由度が実現され得るように適宜設計されてよい。例えば、上述したように、顕微鏡部５３０３を自由に動かすためには、アーム部５３０９は６自由度を有するように構成されることが好ましいが、アーム部５３０９はより大きな自由度（すなわち、冗長自由度）を有するように構成されてもよい。冗長自由度が存在する場合には、アーム部５３０９においては、顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢が固定された状態で、アーム部５３０９の姿勢を変更することが可能となる。従って、例えば表示装置５３１９を見る術者の視界にアーム部５３０９が干渉しないように当該アーム部５３０９の姿勢を制御する等、術者にとってより利便性の高い制御が実現され得る。

　ここで、第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆには、モータ等の駆動機構、及び各関節部における回転角度を検出するエンコーダ等が搭載されたアクチュエータが設けられ得る。そして、第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆに設けられる各アクチュエータの駆動が制御装置５３１７によって適宜制御されることにより、アーム部５３０９の姿勢、すなわち顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢が制御され得る。具体的には、制御装置５３１７は、エンコーダによって検出された各関節部の回転角度についての情報に基づいて、アーム部５３０９の現在の姿勢、並びに顕微鏡部５３０３の現在の位置及び姿勢を把握することができる。制御装置５３１７は、把握したこれらの情報を用いて、ユーザからの操作入力に応じた顕微鏡部５３０３の移動を実現するような各関節部に対する制御値（例えば、回転角度又は発生トルク等）を算出し、当該制御値に応じて各関節部の駆動機構を駆動させる。なお、この際、制御装置５３１７によるアーム部５３０９の制御方式は限定されず、力制御又は位置制御等、各種の公知の制御方式が適用されてよい。

　例えば、術者が、図示しない入力装置を介して適宜操作入力を行うことにより、当該操作入力に応じて制御装置５３１７によってアーム部５３０９の駆動が適宜制御され、顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢が制御されてよい。当該制御により、顕微鏡部５３０３を任意の位置から任意の位置まで移動させた後、その移動後の位置で固定的に支持することができる。なお、当該入力装置としては、術者の利便性を考慮して、例えばフットスイッチ等、術者が手に術具を有していても操作可能なものが適用されることが好ましい。また、ウェアラブルデバイスや手術室内に設けられるカメラを用いたジェスチャ検出や視線検出に基づいて、非接触で操作入力が行われてもよい。これにより、清潔域に属するユーザであっても、不潔域に属する機器をより自由度高く操作することが可能になる。あるいは、アーム部５３０９は、いわゆるマスタースレイブ方式で操作されてもよい。この場合、アーム部５３０９は、手術室から離れた場所に設置される入力装置を介してユーザによって遠隔操作され得る。

　また、力制御が適用される場合には、ユーザからの外力を受け、その外力にならってスムーズにアーム部５３０９が移動するように第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆのアクチュエータが駆動される、いわゆるパワーアシスト制御が行われてもよい。これにより、ユーザが、顕微鏡部５３０３を把持して直接その位置を移動させようとする際に、比較的軽い力で顕微鏡部５３０３を移動させることができる。従って、より直感的に、より簡易な操作で顕微鏡部５３０３を移動させることが可能となり、ユーザの利便性を向上させることができる。

　また、アーム部５３０９は、ピボット動作をするようにその駆動が制御されてもよい。ここで、ピボット動作とは、顕微鏡部５３０３の光軸が空間上の所定の点（以下、ピボット点という）を常に向くように、顕微鏡部５３０３を移動させる動作である。ピボット動作によれば、同一の観察位置を様々な方向から観察することが可能となるため、より詳細な患部の観察が可能となる。なお、顕微鏡部５３０３が、その焦点距離を調整不可能に構成される場合には、顕微鏡部５３０３とピボット点との距離が固定された状態でピボット動作が行われることが好ましい。この場合には、顕微鏡部５３０３とピボット点との距離を、顕微鏡部５３０３の固定的な焦点距離に調整しておけばよい。これにより、顕微鏡部５３０３は、ピボット点を中心とする焦点距離に対応する半径を有する半球面（図６に概略的に図示する）上を移動することとなり、観察方向を変更しても鮮明な撮像画像が得られることとなる。一方、顕微鏡部５３０３が、その焦点距離を調整可能に構成される場合には、顕微鏡部５３０３とピボット点との距離が可変な状態でピボット動作が行われてもよい。この場合には、例えば、制御装置５３１７は、エンコーダによって検出された各関節部の回転角度についての情報に基づいて、顕微鏡部５３０３とピボット点との距離を算出し、その算出結果に基づいて顕微鏡部５３０３の焦点距離を自動で調整してもよい。あるいは、顕微鏡部５３０３にＡＦ機能が設けられる場合であれば、ピボット動作によって顕微鏡部５３０３とピボット点との距離が変化するごとに、当該ＡＦ機能によって自動で焦点距離の調整が行われてもよい。

　また、第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆには、その回転を拘束するブレーキが設けられてもよい。当該ブレーキの動作は、制御装置５３１７によって制御され得る。例えば、顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢を固定したい場合には、制御装置５３１７は各関節部のブレーキを作動させる。これにより、アクチュエータを駆動させなくてもアーム部５３０９の姿勢、すなわち顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢が固定され得るため、消費電力を低減することができる。顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢を移動したい場合には、制御装置５３１７は、各関節部のブレーキを解除し、所定の制御方式に従ってアクチュエータを駆動させればよい。

　このようなブレーキの動作は、上述した操作部５３０７を介したユーザによる操作入力に応じて行われ得る。ユーザは、顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢を移動したい場合には、操作部５３０７を操作し、各関節部のブレーキを解除させる。これにより、アーム部５３０９の動作モードが、各関節部における回転を自由に行えるモード（オールフリーモード）に移行する。また、ユーザは、顕微鏡部５３０３の位置及び姿勢を固定したい場合には、操作部５３０７を操作し、各関節部のブレーキを作動させる。これにより、アーム部５３０９の動作モードが、各関節部における回転が拘束されたモード（固定モード）に移行する。

　制御装置５３１７は、顕微鏡装置５３０１及び表示装置５３１９の動作を制御することにより、顕微鏡手術システム５３００の動作を統括的に制御する。例えば、制御装置５３１７は、所定の制御方式に従って第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆのアクチュエータを動作させることにより、アーム部５３０９の駆動を制御する。また、例えば、制御装置５３１７は、第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆのブレーキの動作を制御することにより、アーム部５３０９の動作モードを変更する。また、例えば、制御装置５３１７は、顕微鏡装置５３０１の顕微鏡部５３０３の撮像部によって取得された画像信号に各種の信号処理を施すことにより、表示用の画像データを生成するとともに、当該画像データを表示装置５３１９に表示させる。当該信号処理では、例えば現像処理（デモザイク処理）、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ（Noise　reduction）処理及び／又は手ブレ補正処理等）及び／又は拡大処理（すなわち、電子ズーム処理）等、各種の公知の信号処理が行われてよい。

　なお、制御装置５３１７と顕微鏡部５３０３との通信、及び制御装置５３１７と第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆとの通信は、有線通信であってもよいし無線通信であってもよい。有線通信の場合には、電気信号による通信が行われてもよいし、光通信が行われてもよい。この場合、有線通信に用いられる伝送用のケーブルは、その通信方式に応じて電気信号ケーブル、光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルとして構成され得る。一方、無線通信の場合には、手術室内に伝送ケーブルを敷設する必要がなくなるため、当該伝送ケーブルによって医療スタッフの手術室内の移動が妨げられる事態が解消され得る。

　制御装置５３１７は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）等のプロセッサ、又はプロセッサとメモリ等の記憶素子が混載されたマイコン若しくは制御基板等であり得る。制御装置５３１７のプロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより、上述した各種の機能が実現され得る。なお、図示する例では、制御装置５３１７は、顕微鏡装置５３０１と別個の装置として設けられているが、制御装置５３１７は、顕微鏡装置５３０１のベース部５３１５の内部に設置され、顕微鏡装置５３０１と一体的に構成されてもよい。あるいは、制御装置５３１７は、複数の装置によって構成されてもよい。例えば、顕微鏡部５３０３や、アーム部５３０９の第１関節部５３１１ａ～第６関節部５３１１ｆにそれぞれマイコンや制御基板等が配設され、これらが互いに通信可能に接続されることにより、制御装置５３１７と同様の機能が実現されてもよい。

　表示装置５３１９は、手術室内に設けられ、制御装置５３１７からの制御により、当該制御装置５３１７によって生成された画像データに対応する画像を表示する。つまり、表示装置５３１９には、顕微鏡部５３０３によって撮影された術部の画像が表示される。なお、表示装置５３１９は、術部の画像に代えて、又は術部の画像とともに、例えば患者の身体情報や手術の術式についての情報等、手術に関する各種の情報を表示してもよい。この場合、表示装置５３１９の表示は、ユーザによる操作によって適宜切り替えられてよい。あるいは、表示装置５３１９は複数設けられてもよく、複数の表示装置５３１９のそれぞれに、術部の画像や手術に関する各種の情報が、それぞれ表示されてもよい。なお、表示装置５３１９としては、液晶ディスプレイ装置又はＥＬ（Electro　Luminescence）ディスプレイ装置等、各種の公知の表示装置が適用されてよい。

＜＜４．本実施形態に係る外乱が作用する力の推定＞＞
　本実施形態では、実際の手術のシーン（アーム以外の術具との関係などを含む）および環境条件を考慮することで外乱が作用する力の推定の定式化を行う。これにより、術場環境におけるアームに対する各種の外乱が作用する力の推定を実現することが可能となる。これにより、接触検知により安全停止や操作力検知によるアームの制御状態の切り替え等のユーザインターフェースへの応用、外部への力覚の提示などのアプリケーションの実装が可能となる。

　かかる技術は、「（１）ロボットの身体的および構造的特徴によるもの」によって先行技術との差異を有する。また、かかる技術は、「（２）主たる外乱（光源およびカメラケーブルによる張力）による外力が限定的であり、他外乱が作用する点が想定可能であるという特徴によるもの」によって先行技術との差異を有する。

　まず、上記の「（１）ロボットの身体的および構造的特徴によるもの」について説明する。本実施形態に係る技術は、一つ目として、医療向けアームを利用する先行技術に対して、別途に力センサを設置する必要がないという差異点を有する。また、本実施形態に係る技術は、二つ目として、汎用のアームを利用する先行研究に対して、術場および術式を想定した身体構造で、小可操作度による力推定精度の低下を回避することができるという差異点を有する。

　続いて、「（２）主たる外乱（光源およびカメラケーブルによる張力）による外力が限定的であり、他外乱が作用する点が想定可能であるという特徴によるもの」について説明する。本実施形態に係る技術によれば、ケーブルによる外乱が推定でき、これを補償した制御および力アシストが可能となるのに加え、身体上の任意の観測点に作用するケーブル以外の外乱を推定することが可能となる。

　具体的に、本実施形態に係るアーム制御システムにおいて、関節状態取得部２４１は、アーム部１２０の関節部１３０の状態を取得する。そして、外乱推定部２５１は、所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と関節部１３０の状態とに基づいて、外乱による外力を推定する。すなわち、外乱推定部２５１は、かかる条件を利用して、検出する外力の方向を所定の１または複数の方向に限定した上で、関節部１３０の状態に基づいて、外乱による外力を推定する。

　このとき、外力推定部２５１は、あらかじめ定められた観測点に作用する外力を推定する。なお、外力が限定される１または複数の方向には、並進方向の他に回転方向（モーメント方向）も含まれ得る。また、アーム制御システムは、医療分野に適用された場合、医療用支持アームシステムとして機能し得る。また、以下では、内視鏡の例として主に硬性鏡を例に挙げて説明するが、硬性鏡の代わりに軟性鏡が用いられてもよい。

　より具体的に、本実施形態に係る技術によれば、「（２－１）観測点をカメラヘッドに置き、人による操作力として知覚できる」「（２－２）観測点を硬性鏡先端に置き、硬性鏡先端の接触衝突を検知できる」「（２－３）観測点をトロッカ点に置き、トロッカから作用する力を知覚できる」「（２－４）上記の（２－１）～（２－３）において「（ア）知覚する外乱に制約を設けることで、」「（イ）もしくはアーム自由度に冗長性を持たせることで、」「（ウ）もしくは先端の特定の部位に力センサを設置することで、」操作力と接触および衝突を複合的に検知することができる」といった効果が享受される。

　図９は、トロッカ点から作用する力の例を説明するための図である。図９を参照すると、硬性鏡部４２５が示されている。また、患者７０の体腔内に硬性鏡部４２５が挿入されるトロッカ点７１が示されている。図９に示された例では、硬性鏡部４２５に作用する外力がトロッカ点７１によって拘束されている。より具体的には、図９に示されたように、硬性鏡部４２５に作用する外力は、ピッチ方向、ロール方向およびズーム方向に限定されている。

　以下、具体例を説明する。各関節部に設置されたＶＡにより観測される外トルクτ_ｎは、以下の下記の（１３）のように表される。

　なお、図３には、各関節部に設置されたＶＡにより観測される外トルクがτ_１，τ_２，τ_３，・・・，τ_ｎとして表されている。また、各観測点に作用する外力は、以下のように表される。

　ｆ_{ｃａｂｌｅ}：ケーブルによる張力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）
　ｆ_ｏｐ：カメラヘッドを把持した手による張力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）
　ｆ_{ｔｒｏｃａｒ}：トロッカから作用する力（ｆｘ，ｆｙ）
　ｆ_ｔｉｐ：硬性鏡先端に作用する力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）

　なお、図３には、各観測点に作用する外力がｆ_{ｃａｂｌｅ}，ｆ_ｏｐ，ｆ_{ｔｒｏｃａｒ}，・・・，ｆ_ｔｉｐとして表されている。また、外力と外トルクとの関係を表す基本式は、以下の（１４）のように表される。

　なお、全ての力を測定するためには１１軸分のトルク値が必要となる。また、操作力としてモーメント使用する場合には最大１４軸分のトルク値が必要となる。また、８軸冗長自由度アーム６軸力覚センサの構成により全力覚の検知が可能となる。

　ここで、ケーブルによる張力が限定的である理由を説明する。図７は、硬性鏡部の外観を示す図である。図７に示すように、硬性鏡部４２５は、硬性鏡本体４２６、ケーブル４２４、接続部４３２を有している。硬性鏡本体４２６は、カメラヘッドＣＨを有している。また、硬性鏡本体４２６は、アームに把持される把持部４３１を有している。接続部４３２は、硬性鏡本体４２６とケーブル４２４との接続部分である。

　図８は、接続部４３２の拡大図である。接続部４３２は、硬性鏡本体４２６とケーブル４２４とを接続するケーブル接続部品４３３を有している。ケーブル接続部品４３３は、剛体である。ここで、以下に示す事由により、接続部４３２における外モーメントの値は、その他の外乱に比べて極めて小さいと考えられる。

　事由１：ケーブル接続部品４３３と硬性鏡本体４２６との接続部は、方向Ｍ１の回転に対してフリーになるように（摩擦が小さくなるように）設計されている。
　事由２：ケーブル接続部品４３３とケーブル４２４との接続部においては、モーメントアームがきわめて短い（例えば、高々ケーブル４２４の半径と同じ５［ｍｍ］程度）。

　以上を踏まえると、硬性鏡部４２５に対してケーブル４２４から作用する外乱は３軸水平方向の力であるとみなすことが可能である。なお、図８には、構造上の理由で外乱により発生するモーメントが微小と考えられる方向が示されている（方向Ｍ１、方向Ｍ２、方向Ｍ３）。

　上記（１４）で示した選択行列を用いた外乱推定の定式化より、以下の（１５）が成立する。

　ここで、アームが内視鏡装置を支持する内視鏡アームである場合、アシスト動作時には、外乱推定部２５１は、以下の（１６）によって外乱を推定することができる。

　また、アームが内視鏡装置を支持する内視鏡アームである場合、アシスト動作時には、外乱推定部２５１は、以下の（１７）によって外乱を推定することができる。

　また、アームがカメラ（例えば、顕微鏡部）を支持するカメラアームである場合、アシスト動作時には、外乱推定部２５１は、以下の（１８）によって、ナビゲーション情報を表示するモニタから受ける力と人の操作する力とを推定することが可能である。

　また、アームがカメラ（例えば、顕微鏡部）を支持するカメラアームである場合、遠隔操作時には、以下の（１９）によって、ナビゲーション情報を表示するモニタから受ける力を推定することが可能である。

　なお、カメラアームには、外部機器として手術ナビゲーションシステムが接続されることがある。ナビゲーションシステムを導入する場合、ナビゲーション用のモニタ等がアームに設置される（接続される）。これによりアームの自重（を含む身体データ）は設計値から乖離し力制御への弊害が予測される。本アイデアによりモニタから受ける力を外力として推定することでアームの自重の設計値からの変化を補償することが可能となる。なお、手術ナビゲーションシステムも本実施形態に係る医療用支持アームシステムに含まれてよい。

　また、アームがリトラクタまたは鉗子を支持するアームである場合、ｆ_ｏｐを、リトラクタまたは鉗子などを術者が操作する力として、アシスト動作時には、外乱推定部２５１は、以下の（２０）によって、ナビゲーション情報を表示するモニタから受ける力と人（術者）のリトラクタまたは鉗子を操作する力とを推定することが可能である。

　また、アームがリトラクタまたは鉗子を支持するアームである場合、遠隔操作時には、外乱推定部２５１は、以下の（２１）によって、ナビゲーション情報を表示するモニタから受ける力を推定することが可能である。

　なお、作用点から計測点までの距離（モーメントアーム）が長いことに鑑みて、先端に作用する力が併進力に絞られると考えれば劣推定系にはならない。ここで、劣推定系は、推定しなければならない未知変数の数が計測可能な変数の数を上回っており、未知変数の値を一意に決定（推定）できない系のことを言う。

　以上、具体的な外乱推定について説明した。

＜＜５．本実施形態に係る外力に応じた関節制御＞＞
　外乱推定部２５１によって外力が推定されると、指令値算出部２５２は、推定された外力に応じて関節部１３０を制御する。指令値算出部２５２は、関節制御部として機能し得る。例えば、観測点が硬性鏡先端に置かれた場合、外乱推定部２５１は、硬性鏡先端に作用する外力を推定し、指令値算出部２５２は、外力に応じて関節部１３０を制御する。かかる例について、図１０および図１１を参照しながら説明する。

　図１０および図１１は、観測点が硬性鏡先端に置かれた場合における関節制御の例を説明するための図である。図１０を参照すると、アーム部１２０によって硬性鏡４２５－１が硬性鏡４２５－２まで移動されている。図１０に示された例では、硬性鏡先端に外力Ｆ１が作用している。ここで、患者７０の組織７２に対して硬性鏡先端が干渉してしまった場合を想定すると、図１１に示されたように、外乱推定部２５１によって組織７２から硬性鏡先端に作用する外力Ｆ２および外力Ｆ３が推定される。

　このとき、指令値算出部２５２は、外力Ｆ２または外力Ｆ３の向きに応じた向きへアーム部１２０が移動するように、または、アーム部１２０が停止するように、関節部１３０を制御する。これによって、硬性鏡の操作を誤って組織７２に硬性鏡先端を接触させて患者に危害を加えてしまった場合であっても、硬性鏡先端に作用する外力を認識し、アーム部１２０の停止または安全な方向への回避などを行うことで、手術時の安全性を高められる。外力Ｆ２または外力Ｆ３の向きに応じた向きは、外力Ｆ２と同じ向きであってもよいし、外力Ｆ３の向きに応じた向きであってもよい。

　一方、例えば、観測点がカメラヘッドに置かれた場合、外乱推定部２５１は、カメラヘッドに作用する外力を推定し、指令値算出部２５２は、外力に応じて関節部１３０を制御する。具体的に、指令値算出部２５２は、カメラヘッドに外力が作用したと推定された場合、外力の向きに応じた向きへアーム部１２０が移動するように、関節部１３０を制御する。外力の向きに応じた向きは、外力と同じ向きであってよい。そうすれば、操作者の意図する方向にアーム部１２０が移動される。

　マスタースレーブやリモートコントロールの内視鏡の把持装置において術者（医師）は力覚や触覚を受けるのは難しい。したがって、アラートによって硬性鏡で誤って組織にストレスを与えていることを認識し、安全に手術を継続できるようにしてもよい。具体的に、出力制御部２６４（図１２）は、外力が閾値を上回った場合に、アラートが出力装置によって出力されるように制御してもよい。あるいは、出力制御部２６４（図１２）は、外力の大きさ、または、外力の向きが出力装置によって出力されるように制御してもよい。

　ここで、出力装置は、術者によって視覚的に知覚されるように表示を行う表示装置３０であってもよいし、報知装置８０（図１２）であってもよい。報知装置８０は、術者によって術者または周囲の医療従事者に聴覚的に知覚されるように音を出力する音出力装置（ブザーなど）であってもよいし、光を出力する光出力装置（ランプなど）の少なくともいずれか一つを含む。また、アラートは、入力部２１０を介して入力される停止指示によって停止可能であってもよい。

　以上、具体的な外力に応じた関節制御について説明した。

＜＜６．アーム制御システムの具体的な構成例＞＞
　続いて、アーム制御システムの具体的な構成例について説明する。図１２は、アーム制御システムの具体的な構成例を示す図である。図１２に示されるように、アーム制御システムは、アーム部１２０、制御部２３０、入力部２１０、表示装置３０および報知装置８０を有している。入力部２１０、表示装置３０および報知装置８０が有する機能は、既に説明した通りである。また、制御部２３０は、センサ情報取得部２６１、アーム状態取得部２６２、外力推定部２６３、入出力制御部２６４、動作決定部２６５、全身制御部２６６、関節制御部２６７および駆動部２６８を有する。

　センサ情報取得部２６１は、アーム部１２０の各関節の状態（エンコーダおよびトルクセンサのセンサ情報）を取得し、関節制御部２６７およびアーム状態取得部２４１に出力する。アーム状態取得部２６２は、図５に示したアーム状態取得部２４１に相当し得る。外力推定部２６３は、図５に示した外乱推定部２５１に相当し得る。入出力制御部２６４は、入力部２１０からの入力情報を取得する機能、表示装置３０および報知装置による出力情報の出力を制御する機能を有する。動作決定部２６５は、図５に示した演算条件設定部２４２に相当し得る。全身制御部２６６は、図５に示した仮想力算出部２４３および実在力算出部２４４に相当し得る。関節制御部２６７は、図５に示した指令値算出部２５２に相当し得る。駆動部２６８は、図５に示した駆動制御部１１１に相当し得る。

　本実施形態によれば、外乱推定部２５１によって検出される外力の方向が所定の１または複数の方向に限定される。これによって、センサの数を減らすことが可能となり、低コスト化が図られる。さらに、アーム制御システムが医療分野に適用される場合には、術者（医師）の作業エリアと重なるエリア（アームの先端部よりの清潔領域に近いエリア）においてセンサを省略し、シンプルな構造を実現することができる。

　例えば、本実施形態によれば、アーム部１２０に設けられるトルクセンサの数を、関節部の数よりも少なくすることが可能である。図１２に示された例では、アーム部１２０に６つの関節部が設けられているが、トルクセンサは、６つの関節部のうち３つの関節部にしか設けられていない（トルクセンサ６１４ａ～６１４ｃ）。

　一方、エンコーダは、６つの関節部すべてに設けられている（エンコーダ６１３ａ～６１３ｆ）。このように、アーム部１２０は、６自由度の自由度を有するエンコーダを備えてもよいし、６自由度よりも大きい自由度を有するエンコーダを備えてもよい。また、モータも、６つの関節部すべてに設けられている（モータ６１１ａ～６１１ｆ）。

　また、本実施形態に係るアーム部１２０は、連続する３以上の関節部を少なくとも有しており、かつ、３以上の関節部のうち隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士は独立した自由度を有する。隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士が独立した自由度を有するとは、隣り合う関節部が有するトルクセンサの回転方向が共に、ロール方向となったり、ピッチ方向となったり、ヨー方向となったりしないことを意味する。３以上の関節部のうち隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士が独立した自由度を有するように構成することで、アーム部１２０に設けられるトルクセンサの数を関節部の数よりも減らすことを可能にしている。

　具体的に、３つの連続する関節部が有するトルクセンサの回転方向が「ピッチ、ロール、ヨー」「ロール、ヨー、ロール」「ピッチ、ロール、ピッチ」などである場合には、隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士は独立した自由度を有している。一方、３つの連続する関節部が有するトルクセンサの回転方向が「ピッチ、ピッチ、ヨー」などである場合には、隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士は独立した自由度を有していない。図３に示された例では、「４２１ｃ、４２１ｄ、４２１ｅ」「４２１ｄ、４２１ｅ、４２１ｆ」などである場合には、隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士は独立した自由度を有している。

　以上、アーム制御システムの具体的な構成例について説明した。

　本実施形態によれば、アーム部の関節部の状態を取得する関節状態取得部と、所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と前記関節部の状態とに基づいて、前記所定の外乱による外力を推定する外力推定部と、を備える、医療用支持アームシステムが提供される。

　かかる構成によれば、内視鏡ホルダアームにおいて、カメラおよび光源ケーブルの張力による外乱を補償し、よりロバストな制御が実現できる。また、かかる構成によれば、カメラおよび光源ケーブルの張力による外乱以外に人による操作力や外部との接触を検知して、その接触検知を動作トリガとすることができる

　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、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。

　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）
　アーム部の関節部の状態を取得する関節状態取得部と、
　所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と前記関節部の状態とに基づいて、前記所定の外乱による外力を推定する外力推定部と、
　を備える、医療用支持アームシステム。
（２）
　前記アーム部は、該アーム部を構成する関節部の数よりも少ない数のトルクセンサを有する、
　前記（１）に記載の医療用支持アームシステム。
（３）
　前記アーム部は、連続する３以上の関節部を少なくとも有しており、前記３以上の関節部のうち隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士は独立した自由度を有する、
　前記（１）または（２）に記載の医療用支持アームシステム。
（４）
　前記アーム部は、６自由度以上の自由度を有するエンコーダを備える、
　前記（１）～（３）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（５）
　前記アーム部を構成する複数の関節部は、アクチュエータとエンコーダを備える関節部と、アクチュエータ、エンコーダ及びトルクセンサを備える関節部から構成される、
　前記（１）～（４）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（６）
　前記外力推定部は、あらかじめ定められた観測点に作用する前記外力を推定する、
　前記（１）～（５）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（７）
　前記観測点は、トロッカ点、カメラヘッドおよび内視鏡先端の少なくともいずれか一つを含む、
　前記（６）に記載の医療用支持アームシステム。
（８）
　前記外力推定部は、前記観測点に作用する前記外力を推定し、
　前記医療用支持アームシステムは、前記外力に応じて前記関節部を制御する関節制御部を備える、
　前記（７）に記載の医療用支持アームシステム。
（９）
　前記観測点は、前記内視鏡先端を含み、
　前記外力推定部は、前記内視鏡先端に作用する前記外力を推定し、
　前記関節制御部は、前記外力に応じて前記関節部を制御する、
　前記（８）に記載の医療用支持アームシステム。
（１０）
　前記関節制御部は、前記内視鏡先端に前記外力が作用したと推定された場合、前記外力の向きに応じた向きへ前記アーム部が移動するように、または、前記アーム部が停止するように、前記関節部を制御する、
　前記（９）に記載の医療用支持アームシステム。
（１１）
　前記観測点は、前記カメラヘッドを含み、
　前記外力推定部は、前記カメラヘッドに作用する前記外力を推定し、
　前記関節制御部は、前記外力に応じて前記関節部を制御する、
　前記（８）に記載の医療用支持アームシステム。
（１２）
　前記関節制御部は、前記カメラヘッドに前記外力が作用したと推定された場合、前記外力の向きに応じた向きへ前記アーム部が移動するように、前記関節部を制御する、
　前記（１１）に記載の医療用支持アームシステム。
（１３）
　前記医療用支持アームシステムは、前記外力が閾値を上回った場合に、アラートが出力装置によって出力されるように制御する出力制御部を備える、
　前記（１）～（１２）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（１４）
　前記医療用支持アームシステムは、前記外力の大きさ、または、前記外力の向きが出力装置によって出力されるように制御する出力制御部を備える、
　前記（１）～（１２）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（１５）
　前記出力装置は、表示装置、音出力装置および光出力装置の少なくともいずれか一つを含む、
　前記（１３）または（１４）に記載の医療用支持アームシステム。
（１６）
　前記医療用支持アームシステムは、前記出力装置を有する、
　前記（１３）～（１５）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（１７）
　前記外乱は、光源およびカメラケーブルの張力による外乱を含む、
　前記（１）～（１６）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（１８）
　前記アーム部には、ナビゲーションシステムが有するモニタが接続されており、
　前記外力推定部は、前記モニタから受ける力を前記外力として推定する、
　前記（１）～（１７）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（１９）
　前記医療用支持アームシステムは、前記モニタを有する、
　前記（１８）に記載の医療用支持アームシステム。
（２０）
　前記アーム部は、リトラクタまたは鉗子を支持し、
　前記外力推定部は、前記リトラクタまたは前記鉗子が術者によって操作される力を前記外力として推定する、
　前記（１）～（１７）のいずれか一項に記載の医療用支持アームシステム。
（２１）
　アーム部の関節部の状態を取得する関節状態取得部と、
　所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と前記関節部の状態とに基づいて、前記所定の外乱による外力を推定する外力推定部と、
　を備える、制御装置。

　１　　アーム制御システム
　１０　　アーム装置
　２０　　制御装置
　３０　　表示装置
　１１０　　アーム制御部
　１１１　　駆動制御部
　１２０　　アーム部
　１３０　　関節部
　１３１　　関節駆動部
　１３２　　間接状態検出部
　１３３　　回転角度検出部
　１３４　　トルク検出部
　１４０　　撮像部
　２１０　　入力部
　２２０　　記憶部
　２３０　　制御部
　２４０　　全身協調制御部
　２４１　　アーム状態取得部
　２４２　　演算条件設定部
　２４３　　仮想力算出部
　２４４　　実在力算出部
　２５０　　理想関節制御部
　２５１　　外乱推定部
　２５２　　指令値算出部

Claims

　アーム部の関節部の状態を取得する関節状態取得部と、
　所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と前記関節部の状態とに基づいて、前記所定の外乱による外力を推定する外力推定部と、
　を備える、医療用支持アームシステム。
　前記アーム部は、該アーム部を構成する関節部の数よりも少ない数のトルクセンサを有する、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記アーム部は、連続する３以上の関節部を少なくとも有しており、前記３以上の関節部のうち隣り合う関節部が有するトルクセンサ同士は独立した自由度を有する、
　請求項２に記載の医療用支持アームシステム。
　前記アーム部は、６自由度以上の自由度を有するエンコーダを備える、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記アーム部を構成する複数の関節部は、アクチュエータとエンコーダを備える関節部と、アクチュエータ、エンコーダ及びトルクセンサを備える関節部から構成される、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記外力推定部は、あらかじめ定められた観測点に作用する前記外力を推定する、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記観測点は、トロッカ点、カメラヘッドおよび内視鏡先端の少なくともいずれか一つを含む、
　請求項６に記載の医療用支持アームシステム。
　前記外力推定部は、前記観測点に作用する前記外力を推定し、
　前記医療用支持アームシステムは、前記外力に応じて前記関節部を制御する関節制御部を備える、
　請求項７に記載の医療用支持アームシステム。
　前記観測点は、前記内視鏡先端を含み、
　前記外力推定部は、前記内視鏡先端に作用する前記外力を推定し、
　前記関節制御部は、前記外力に応じて前記関節部を制御する、
　請求項８に記載の医療用支持アームシステム。
　前記関節制御部は、前記内視鏡先端に前記外力が作用したと推定された場合、前記外力の向きに応じた向きへ前記アーム部が移動するように、または、前記アーム部が停止するように、前記関節部を制御する、
　請求項９に記載の医療用支持アームシステム。
　前記観測点は、前記カメラヘッドを含み、
　前記外力推定部は、前記カメラヘッドに作用する前記外力を推定し、
　前記関節制御部は、前記外力に応じて前記関節部を制御する、
　請求項８に記載の医療用支持アームシステム。
　前記関節制御部は、前記カメラヘッドに前記外力が作用したと推定された場合、前記外力の向きに応じた向きへ前記アーム部が移動するように、前記関節部を制御する、
　請求項１１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記医療用支持アームシステムは、前記外力が閾値を上回った場合に、アラートが出力装置によって出力されるように制御する出力制御部を備える、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記医療用支持アームシステムは、前記外力の大きさ、または、前記外力の向きが出力装置によって出力されるように制御する出力制御部を備える、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記出力装置は、表示装置、音出力装置および光出力装置の少なくともいずれか一つを含む、
　請求項１３に記載の医療用支持アームシステム。
　前記医療用支持アームシステムは、前記出力装置を有する、
　請求項１３に記載の医療用支持アームシステム。
　前記外乱は、光源およびカメラケーブルの張力による外乱を含む、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記アーム部には、ナビゲーションシステムが有するモニタが接続されており、
　前記外力推定部は、前記モニタから受ける力を前記外力として推定する、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　前記医療用支持アームシステムは、前記モニタを有する、
　請求項１８に記載の医療用支持アームシステム。
　前記アーム部は、リトラクタまたは鉗子を支持し、
　前記外力推定部は、前記リトラクタまたは前記鉗子が術者によって操作される力を前記外力として推定する、
　請求項１に記載の医療用支持アームシステム。
　アーム部の関節部の状態を取得する関節状態取得部と、
　所定の外乱による外力が所定の１または複数の方向に限定されるという条件と前記関節部の状態とに基づいて、前記所定の外乱による外力を推定する外力推定部と、
　を備える、制御装置。