WO2020195316A1 - 制御装置及び制御方法、並びにマスタスレーブシステム - Google Patents

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WO2020195316A1
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俊介 矢島
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Definitions

  • the technique disclosed herein relates to a control device and a control method for controlling a parallel wire mechanism, and a master-slave system in which at least one of the master device and the slave device has a parallel wire mechanism.
  • the parallel wire method and the parallel link method are known as drive methods with small inertia. These parallel mechanisms can be used, for example, in a master-slave system to drive a controller operated by an operator on the master side and a device (end effector) at the output end on the slave side. In general, the parallel wire method has a smaller inertia.
  • a bilateral method is known in which the state of the slave device is fed back to the master device at the same time as the slave device is operated from the master device (see, for example, Patent Document 1).
  • An object of the technique disclosed herein is a control device and control method for controlling a parallel wire mechanism by suppressing vibration and elongation peculiar to a wire, and at least one of a master device or a slave device has a parallel wire mechanism.
  • the purpose is to provide a master-slave system that implements bilateral control.
  • a first aspect of the technique disclosed herein is a control device for a parallel wire device that pulls a moving part with a plurality of wires. It is a control device that controls the force and position of the movable part based on acceleration.
  • the control device acts on the wire and a center of gravity mode in which the control model in which the movable portion is driven by a pair of motors facing each other and the motor C is controlled so that the movable portion has a desired acceleration.
  • the mode is decomposed into a relative mode in which the motor R is controlled so that the elastic force is constant, and the acceleration reference value of the motor C determined in the center of gravity mode and the acceleration reference value of the motor R determined in the relative mode are combined.
  • the coordinate conversion is performed to obtain the acceleration reference value of the pair of motors.
  • the second aspect of the technology disclosed herein is: A control method for a parallel wire device that pulls a movable part with a plurality of wires, and a control system that independently controls an acceleration response and a wire tension in a control model in which the movable part is driven by a pair of opposing motors.
  • Configure A step of controlling the motor C in the center of gravity mode so that the movable portion has a desired acceleration, A step of controlling the motor R in the relative mode so that the elastic force acting on the wire is constant, A step of performing acceleration control of the pair of motors based on the acceleration reference values for the motor C and the motor R, and It is a control method having.
  • At least one of the master or slave devices includes a parallel wire mechanism that pulls the moving parts with multiple wires.
  • a control device that suppresses the elongation and vibration of the wire and controls the force and position of the movable portion based on the acceleration. It is a master-slave system.
  • the control device constitutes a control system that independently controls the acceleration response and the tension of the wire in a control model in which the movable portion is driven by a pair of motors facing each other, and obtains an acceleration reference value obtained from the control system.
  • the pair of motors are controlled based on the above.
  • a control device and control method that controls the parallel wire mechanism by suppressing vibration and elongation peculiar to the wire independently of the bilateral control system, and at least a master device or a slave device.
  • One of them has a parallel wire mechanism, and can provide a master-slave system that simultaneously and non-interferingly realizes bilateral control and suppression of wire elongation and vibration.
  • FIG. 1 is a diagram showing a control device and a control method for controlling a master device or a slave device having a parallel wire mechanism, and a master / slave system.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the parallel wire device 100.
  • FIG. 3 is a view showing a perspective view of the master device.
  • FIG. 4 is a diagram showing a bird's-eye view of the master device.
  • FIG. 5 is a diagram showing a model of a parallel wire mechanism for one degree of freedom.
  • FIG. 6 is a diagram showing a model of the center of gravity mode obtained by mode-decomposing the model of the parallel wire mechanism shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a relative mode model obtained by mode-decomposing the model of the parallel wire mechanism shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a control device and a control method for controlling a master device or a slave device having a parallel wire mechanism, and a master / slave system.
  • FIG. 2 is a
  • FIG. 8 is a control block diagram of the entire parallel wire control system.
  • FIG. 9 is a control block diagram of the motor acceleration control system.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the center of gravity mode control unit 802.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of the relative mode control unit 803.
  • FIG. 12 is a control block diagram of a master-slave system of a bilateral control system.
  • FIG. 1 schematically shows a functional configuration example of the master-slave system 1.
  • the illustrated master-slave system 1 is a medical robot system that performs endoscopic surgery such as the abdominal cavity and the thoracic cavity.
  • an input device such as a controller on the master side
  • an end effector such as a medical instrument attached to an arm on the slave side is driven, and the medical instrument causes the patient's surgical site.
  • Various measures are taken.
  • the illustrated master-slave system 1 is composed of a master device 10, a slave device 20, and a control system 30 that drives the slave device 20 in response to a user's instruction input via the master device 10.
  • a control system 30 that drives the slave device 20 in response to a user's instruction input via the master device 10.
  • an operation command for the slave device 20 is transmitted through the control system 30 by wired or wireless communication means to drive the end effector.
  • the master device 10 includes an input unit 11 for a user such as an operator to perform an input operation, and a force presentation unit 12 for presenting a force to the user who is operating the input unit 11.
  • the input unit 11 may be composed of a controller including various input devices such as a lever, a grip, a button, a jog dial, a tact switch, and a foot pedal switch, and a master arm for driving the controller.
  • a controller including various input devices such as a lever, a grip, a button, a jog dial, a tact switch, and a foot pedal switch, and a master arm for driving the controller.
  • the master arm can be configured using a parallel wire device.
  • the force presenting unit 12 is composed of, for example, a master arm, a servomotor for driving, a servomotor for driving a controller, and the like.
  • the force presenting unit 12 drives the master arm or the controller so as to give resistance to the user who operates the controller according to the force acting on the end effector on the slave device 20 side, so that the medical instrument or the like can be used.
  • the force acting on the end effector is presented to the user.
  • the slave device 20 includes a slave arm, an end effector attached to the slave arm, a drive unit 21 for driving the slave arm and the end effector, and a state detection unit 22 for detecting the state of the end effector and the slave arm. ing.
  • the end effector attached to the slave arm consists of, for example, a treatment tool that is inserted into the body cavity of a patient in laparoscopic surgery.
  • An openable and closable end effector may be used as the treatment tool.
  • the treatment tool may be a pneumoperitoneum tube, an energy treatment tool, a child, a retractor, or the like.
  • the energy treatment tool is a treatment tool that incises or peels tissue, seals a blood vessel, or the like by the action of high-frequency current or ultrasonic vibration.
  • at least a part of the slave arm may be configured by using a parallel wire device.
  • the drive unit 21 is composed of a motor for operating the slave arm and the end effector. By driving the motor according to the control amount calculated by the control system 30, the slave arm and the end effector operate according to the amount of operation of the master arm and the controller by a user such as an operator.
  • the state detection unit 22 is composed of, for example, a sensor that detects the position and orientation of the slave arm and the end effector, a force sensor that detects an external force acting on the slave arm and the end effector, and the like, and states of the slave arm and the end effector. Is detected.
  • the control system 30 realizes information transmission between the master device 10 and the slave device 20 regarding drive control of the slave arm and end effector on the slave device 20 side and force presentation to the master device 10 side.
  • a part or all of the functions of the control system 30 may be provided in at least one of the slave device 20 and the master device 10.
  • at least one CPU (Central Processing Unit) (not shown) of the master device 10 or the slave device 20 functions as the control system 30.
  • the CPUs of the master device 10 and the slave device 20 cooperate with each other to function as the control system 30.
  • the control system 30 operates the slave device 20 from the master device 10 and at the same time feeds back the state of the slave device 20 to the master device 10 by, for example, a bilateral method.
  • FIG. 2 schematically shows a basic configuration example of a parallel wire device 100 applied to at least one or at least a part of a master arm or a slave arm.
  • the paper surface is set to the XY plane
  • the Z axis is set in the direction perpendicular to the paper surface.
  • the parallel wire device 100 shown in FIG. 2 has a total of three degrees of freedom, that is, the translational degrees of freedom in two directions of XY and the rotational degrees of freedom around one axis of the Z axis.
  • the parallel wire device 100 includes six parallel wires 101 to 106 and a movable portion 110 supported by these wires 101 to 106. Further, a rotatable movable portion 120 is rotatably attached to the upper surface of the movable portion 110 with respect to the movable portion 110 at least around the Z axis. It is assumed that the movable portion 110 is slidably supported on a flat surface such as on a table (not shown).
  • the tip of the wire 101 is fixed to the end 111 of the movable portion 110, and the root is attached to the linear actuator 131.
  • the length of the wire 101 can be controlled by driving the linear actuator 131.
  • the wire 101 is wound around the direction changing pulley 141 to change the driving direction of the linear actuator 131, and the tip end portion of the wire 101 is attached to the end portion 111. It is preferable that the tip end portion of the wire 101 is joined to the end portion 111 by a joint whose angle can be freely changed, such as a universal joint.
  • the tip of the wire 102 is fixed to the end 112 of the movable portion 110, and the root portion is attached to the linear actuator 132.
  • the length of the wire 102 can be controlled by driving the linear actuator 132.
  • the wire 102 is wound around the direction changing pulley 142 to change the driving direction of the linear actuator 132, and the tip end portion of the wire 102 is attached to the end portion 112.
  • the tip of the wire 102 is preferably joined to the end 112 by a joint whose angle can be freely changed, such as a universal joint.
  • the tip of the wire 103 is fixed to the end 113 of the movable portion 110, and the root portion is attached to the linear actuator 133.
  • the length of the wire 103 can be controlled by driving the linear actuator 133.
  • the wire 103 is wound around the direction changing pulley 143 to change the driving direction of the linear actuator 133, and the tip end portion of the wire 103 is attached to the end portion 113.
  • the tip of the wire 103 is preferably joined to the end 113 by a joint whose angle can be freely changed, such as a universal joint.
  • the tip of the wire 104 is fixed to the end 114 of the movable portion 110, and the root is attached to the linear actuator 134.
  • the length of the wire 104 can be controlled by driving the linear actuator 134.
  • the wire 104 is wound around the direction changing pulley 144 to change the driving direction of the linear actuator 134, and the tip end portion of the wire 104 is attached to the end portion 114.
  • the tip of the wire 104 is preferably joined to the end 114 by a joint whose angle can be freely changed, such as a universal joint.
  • the tip of the wire 105 is wound and fixed around the side surface of the rotatable portion 120, and the tip of the wire 106 is wound and fixed around the side surface of the rotatable portion 120 in the opposite direction to the wire 105. .. Then, the root portion of the wire 105 is attached to the linear actuator 135, and the root portion of the wire 106 is attached to the linear actuator 136, and the lengths of the wires 105 and 106 are adjusted by driving the linear actuators 135 and 136, respectively. Can be controlled. However, the wire 105 is wound around the direction changing pulleys 145 and 146 to change the driving direction of the linear actuator 135, and then wound around the side surface portion of the rotatable movable portion 120. Further, the wire 106 is wound around the direction changing pulleys 147 and 148 to change the driving direction of the linear actuator 136, and then wound around the side surface portion of the rotatable movable portion 120.
  • Each linear actuator 131 to 136 shall be centrally controlled by a control unit (not shown).
  • the four wires 101 to 104 are parallel wires for making the movable portion 110 translate in the XY plane.
  • the control unit synchronously drives the linear actuators 131 to 134 at the base of each wire 101 to 104 to change the length of each wire 101 to 104, thereby moving the movable portion 110 in translation in the XY plane. be able to.
  • By synchronously changing the lengths of the wires 101 to 104 it is possible to rotate the movable portion 110 around the Z axis within a certain movable range on the XYZ coordinate system.
  • the movable portion 110 is pulled by the linear actuators 131 and 132, and the wires 103 and 104 are extended by the linear actuators 133 and 134 so as to be balanced with the pull of the wires 101 and 102.
  • Moves in the Y-plus direction pulls the wires 103 and 104 with the linear actuators 133 and 134, and extends the wires 101 and 102 with the linear actuators 131 and 132 to balance the pull of the wires 103 and 104.
  • the movable portion 110 moves in the Y minus direction.
  • the linear actuator is a wire winding type, it is pulled by winding the wire and extended by winding the wire (hereinafter, the same applies).
  • the movable portion 110 is X-minus.
  • the movable portion 110 is moved in the direction, and the wires 102 and 103 are towed by the linear actuators 132 and 133, and the wires 101 and 104 are extended by the linear actuators 131 and 134 so as to be balanced with the tow of the wires 102 and 103. Moves in the X plus direction.
  • the two wires 105 and 106 are parallel wires for rotating the rotary movable portion 120 on the movable portion 110 around the Z axis.
  • the control unit synchronously drives the linear actuators 135 and 136 to move the rotary movable portion 120 by shortening the length of one of the two wires 105 and 106 and extending the other by a equilibrium length. It can be rotated about the Z axis with respect to the unit 110 (or on the XYZ coordinate system).
  • the linear actuator 135 pulls the wire 105, and the linear actuator 136 extends the wire 106 so as to be balanced with the pull of the wire 105, whereby the rotatable movable portion 120 is rotated clockwise in FIG. Can be made to.
  • the linear actuator 136 pulls the wire 106, and the linear actuator 135 extends the wire 105 so as to be balanced with the pull of the wire 106, whereby the rotatable movable portion 120 is rotated counterclockwise in FIG. Can be done.
  • the movable portion 110 can be rotated about the Z axis to some extent. Therefore, by making full use of the rotational functions of both the movable portion 110 and the rotary movable portion 120, a wider rotational movable range can be secured.
  • the wires 101 to 104 installed in parallel to move the movable portion 110 in translation are drawn in black, and the wires 105 and 106 installed in parallel to rotate the rotatable movable portion 120 are drawn in gray. There is.
  • the linear actuators 131 to 136 can be configured by, for example, a ball screw, a shaft motor, a linear motor, a combination of a motor and a gear, and a rack-type linear motion structure.
  • the linear actuators 131 to 136 do not need to be linear actuators as long as they can expand and contract the lengths of the wires 101 to 106, respectively.
  • it can be replaced with a linear actuator by combining a rotary motor and a mechanism for winding a wire by the rotation of the motor.
  • a parallel wire device 100 in which a movable portion 110 having a rotatable movable portion 120 is attached with four translational wires 101 to 104 and two rotating wires 105 and 106, the wires 101 to 106 and each of them.
  • the arrangement of the linear actuators 131 to 136 for driving the wires 101 to 106 is not limited to the configuration example shown in FIG. Further, the number and arrangement of the direction changing pulleys 141, 142, ... On which the wires 105 to 106 are wound are not limited to the configuration example shown in FIG.
  • the wires 101 to 106 used in the parallel wire device 100 according to the present embodiment can be manufactured by using, for example, a metal string (such as a wire rope made of stranded stainless steel) or a chemical fiber.
  • a metal string such as a wire rope made of stranded stainless steel
  • a chemical fiber has the advantage of being difficult to stretch.
  • chemical fibers there is a concern that they are easily stretched, but there is an advantage that they are easy to get used to.
  • not all wires used need to be made of the same material.
  • each linear actuator 131 to 136 is equipped with an encoder capable of acquiring a position response. Further, it is assumed that a detection means such as an encoder capable of acquiring the position of the movable portion 110 and a force sensor capable of acquiring the force response of the movable portion 110 is also provided.
  • FIGS. 3 and 4 show an example in which the parallel wire method is applied to the master device of the master-slave system.
  • FIG. 3 shows a state in which the master device operated by the operator is viewed from the front of the operator
  • FIG. 4 shows a state in which the operator looks down on the master device being operated.
  • the master device communicates bidirectionally with a slave device (not shown), and at the same time the slave device is operated from the master device by, for example, a bilateral method, the state of the slave device is fed back to the master device.
  • the main body of the master device is a box-shaped structure with an open top surface.
  • a plurality of wires are extended in parallel from the side surface of the box toward the inside of the box. Then, these wires support the controller 701L for the left hand and the controller 701R for the right hand in the air, respectively. Further, a plurality of linear actuators for pulling each wire on the root side are attached to the master device.
  • the operator can operate the controller 701L for the left hand and the controller 701R for the right hand with the left and right hands in the box.
  • the controllers 701L and 701R are equipped with a gripping force sense presenting device, and the operator operates the controllers 701L and 701R by grasping the gripping force sense presenting device with their left and right hands.
  • Each of the controllers 701L and 701R does not include a power source such as a linear actuator for wire traction, and therefore can be configured to be compact and lightweight, and can be easily operated by an operator.
  • the left-hand controller 701L and the right-hand controller 701R basically have symmetrical shapes and structures. In the following, the controller 701 for the right hand will be described in a unified manner.
  • the controller 701 includes a controller main body that translates in three-dimensional space by a parallel wire, and a rotary movable portion that is rotatably attached to the controller main body about at least one axis and rotates by the parallel wire.
  • the parallel wire that supports the controller 701 in the air includes a parallel wire that translates the controller body and a parallel wire that rotates the rotatable portion.
  • the wire used for translating the main body of the controller 701 is drawn with a solid line, and the wire used for rotating the rotatable movable part in the main body is drawn with a broken line.
  • Each wire is towed by a linear actuator at its root.
  • Each wire faces the translation direction of the corresponding linear actuator at each root, while the tip points the movement direction of the object to be translated or rotated.
  • Each wire is wound around one or more pulleys (not shown in FIGS. 3 and 4) on the way, is appropriately folded or reoriented, and is arranged so that the wires do not interfere with each other. There is.
  • the wire used in the master device can be manufactured using, for example, a metal string (such as a wire rope made of stainless steel stranded wire) or a chemical fiber.
  • a metal string such as a wire rope made of stainless steel stranded wire
  • a chemical fiber such as a metal string
  • a tension of up to about 10 kgf acts on the wire.
  • the instantaneous maximum tension may not be limited to individual values.
  • a bilateral method is applied in which the state of the slave device is fed back to the master device at the same time as the slave device is operated from the master device.
  • FIG. 2 shows a configuration example of a parallel wire device 100 having three degrees of freedom
  • FIGS. 3 and 4 show the appearance of a master device having a parallel wire mechanism.
  • the parallel wire mechanism is modeled as shown in FIG. 5 for one degree of freedom. It should be understood that the other axes of the parallel wire mechanism may be designed in the same way.
  • the one-degree-of-freedom model 500 shown in FIG. 5 includes a central movable portion 501 (device), a wire 502 for pulling the movable portion 501 to the left on the paper surface, and a first motor 503 for applying a traction force to the wire 502. It is composed of a wire 504 for pulling the movable portion 501 to the right of the paper surface and a second motor 505 for applying a traction force to the wire 504.
  • the encoders capable of acquiring the position responses of the first motor 503 and the second motor 505 are respectively equipped. Further, it is assumed that a detection means such as an encoder capable of acquiring the position of the movable portion 501 and a force sensor capable of acquiring the force response of the movable portion 501 is also equipped.
  • FIG. 12 shows a control block diagram of a master-slave system of a bilateral control system, but when the master device has a parallel wire mechanism (see, for example, FIGS. 3 and 4), the master device A control model of the parallel wire mechanism as shown in FIG. 5 exists in the block of. However, the details of the master-slave system shown in FIG. 12 will be described later. Further, when the slave device has a parallel wire mechanism, similarly, a control model as shown in FIG. 5 exists in the block of the slave device. There is a concern that the accuracy of bilateral control will deteriorate due to the vibration and elongation of the wire in the parallel wire mechanism.
  • the wire 502 and wire 504 are modeled as springs because they generate elongation when they receive traction from the first motor 503 and the second motor 505, respectively.
  • the spring constants of the wire 502 and the wire 504 are equal and K s .
  • the mass and position of the movable part 501 be m d and x d , respectively. Further, the mass and position of the first motor 503 are m 1 and x 1 , respectively. Similarly, the mass and position of the second motor 505 are m 2 and x 2 , respectively.
  • the wire 502 When the first motor 503 generates a traction force f 1 in the left direction of the paper surface, the wire 502 receives an elastic force f e 1 in the right direction of the paper surface. At this time, the movable portion 501 receives an elastic force fe1 in the left direction of the paper surface from the wire 502.
  • the wire 504 receives an elastic force f e 2 in the left direction of the paper surface.
  • the movable unit 501 receives the elastic force f e2 of the paper the right from a wire 504.
  • the equation of motion of the parallel wire system at this time is as shown in the following equations (1) to (5).
  • f d ext is an external force acting on the movable portion 501
  • f d dis is a disturbance such as friction other than the external force acting on the movable portion 501.
  • f 1 dis is a disturbance acting on the first motor 503
  • f 2 dis is a disturbance acting on the second motor 505.
  • the control model shown in FIG. 5 is used.
  • the mode is decomposed into the center of gravity mode and the relative mode of the first motor 503 and the second motor 505.
  • the motor C is controlled so that the movable portion 501 has a desired acceleration.
  • the motor R is controlled so that the elastic force becomes constant.
  • the center of gravity mode and the relative mode are independent control systems consisting of only a single motor.
  • FIG. 6 conceptually shows the center of gravity mode 600 of the parallel wire mechanism model.
  • centroid mode 600 the motor C, and through a spring having a spring constant 2K s, the device (the movable part 501) is bonded.
  • the mass and position of the motor C will be mc and x c , respectively, and the elastic force acting on the motor C from the spring will be f c .
  • equation (3) ignoring the disturbance in the above equation (5), the equation of motion in the center of gravity mode 600 can be expressed as the following equation (6).
  • the center of gravity mode 600 can be regarded as a physical model of a two-mass system in which the motor C and the device are connected by a spring.
  • Springs for connecting the motor C and the device has a spring constant of 2K s obtained by summing the spring constant of the wire 502 and wire 504.
  • FIG. 7 conceptually shows the relative mode 700 of the parallel wire mechanism model.
  • the motor R pulls the other end of the spring whose one end is attached to a certain wall.
  • the spring constant of the spring pulled by the motor R is 2 K s .
  • the mass and position of the motor R respectively and m r, x r, the elastic force acting on the device (moving unit 501) through a spring and f r.
  • the relative mode 700 is a physical model in which the motor R pulls the spring by the resultant force (-f 1 + f 2 ) of the generated forces of the first motor 503 and the second motor 505. Can be regarded as.
  • Spring motor R pulls has a spring constant of 2K s obtained by summing the spring constant of the wire 502 and wire 504.
  • the kinematics of the motor C in the center of gravity mode can be expressed as the movement of the center of gravity of the first motor 503 and the second motor 505. Therefore, in the center of gravity mode, the position x c and the elastic force f c of the motor C are as shown in the following equations (8) and (9), respectively.
  • the kinematics of the motor R in the relative mode can be expressed as the relative motion of the first motor 503 and the second motor 505. Therefore, in the relative mode, the position x r and the elastic force f r of the motor R is as shown in the following equation (10) and (11) respectively.
  • control targets in each mode of the center of gravity mode and the relative mode in the parallel wire drive can be set independently as follows.
  • Center of gravity mode The device controls the motor C to achieve arbitrary acceleration.
  • control target in the center of gravity mode, the control target is to drive the motor C and control the device without generating vibration and without extending the spring (device acceleration control). Further, in the relative mode, the control target is to drive the motor R and pull the spring with a constant force (constant tension control).
  • the wire tension control system independent of the bilateral control system suppresses the vibration and elongation of the wire, and the position and force.
  • T transforms the motor space of the existing first motor 503 and the second motor 505 into the mode space of the motor C in the center of gravity mode and the motor R in the relative mode.
  • I a transformation matrix for.
  • the row vectors of the first and second rows of T represented by the above equation (14) are orthogonal to each other. Therefore, the center of gravity mode and the relative mode can independently configure the control system without interfering with each other.
  • the coordinates can be converted from the mode space to the motor space by using the inverse matrix T -1 of T (described later).
  • FIG. 8 shows a control block diagram of the entire parallel wire control system.
  • the circumflex (or hat symbol) that modifies a variable indicates that it is an estimated value of the variable.
  • the double dot attached to the head of the variable indicates that it is the acceleration value of the variable (hereinafter, the same applies).
  • the illustrated control block diagram shows the actual motor acceleration control unit 801 that controls each acceleration of the first motor 503 and the second motor 505, and the center of gravity that controls the center of gravity modes of the first motor 503 and the second motor 505. It includes a mode control unit 802 and a relative mode control unit 803 that controls the relative modes of the first motor 503 and the second motor 505.
  • the control target of the center of gravity mode control unit 802 is to drive the motor C to control the acceleration of the device (movable unit 501) without vibration or extension of the spring.
  • the center of gravity mode control unit 802 determines the acceleration reference value of the motor C based on the acceleration reference value of the device (moving unit 501) given from the outside. Further, the relative mode control unit 803 sets a control target of pulling the device (movable unit 501) with a constant elastic force. Relative mode control unit 803, based on the tension f r cmd predetermined, to determine the reference value of acceleration of the motor R.
  • the center of gravity mode control unit 802 and the relative mode control unit 803 are configured as independent control systems.
  • the acceleration reference value for the motor C by the center of gravity mode control unit 802 and the acceleration reference value for the motor R by the relative mode control unit 803 are coordinated from the mode space to the motor space by using the inverse matrix T -1 in the conversion unit 813. It is given to the actual motor acceleration control unit 801 as an acceleration reference value for the first motor 503 and an acceleration reference value for the second motor 505.
  • the actual motor acceleration control unit 801 controls the first motor 503 and the second motor 505 based on each acceleration reference value given via the conversion unit 813.
  • the first motor 503 and the second motor 505 are each equipped with an encoder capable of acquiring a position response and a force sensor capable of acquiring a force response.
  • Position x 2 positions x 1 and the second motor 505 of the first motor 503 is subjected to coordinate transformation to modal space from the motor space using the matrix T in the conversion unit 811, the position of the resulting motor C x c feeds back from the actual motor acceleration control unit 801 to the center of gravity mode control unit 802 to form a loop for controlling the acceleration of the device (movable unit 501).
  • the estimated value of the elastic force fe1 generated in the wire 502 by driving the first motor 503 and the estimated value of the elastic force fe2 generated in the wire 504 by driving the second motor 505 are arranged in a matrix in the conversion unit 812. Coordinate conversion from the motor space to the mode space is performed using T, and the estimated value of the elastic force f r by the obtained motor R is fed back from the actual motor acceleration control unit 801 to the relative mode control unit 803, and the spring A loop is configured to control the tension to be constant.
  • FIG. 9 shows a control block diagram of a motor acceleration control system applicable to each of the first motor 503 and the second motor 505.
  • a disturbance observer DOE
  • RFOB reaction force estimation observer
  • the force obtained by multiplying the acceleration reference value input from the outside by the nominal value mn of the mass by the elastic force f e and the disturbance f dis is applied acts on the control target and is displaced to the position x.
  • Disturbance observer (DOB) from the elastic force f e and the speed of the controlled object, to estimate the elastic force f e and the disturbance f dis, is fed back to the input of the control object.
  • the reaction force estimation observer RFOB estimates from the elastic force fe and the speed of the controlled object, and outputs the estimation to the outside.
  • the center of gravity mode control unit 802 will be described in detail.
  • the center of gravity mode can be represented as a physical model of a two-mass system in which a device (moving portion 501) is coupled to a motor C.
  • the control target of the center of gravity mode control unit 802 is to drive the motor C to control the acceleration of the device (movable unit 501) without vibration or extension of the spring.
  • FIG. 10 conceptually shows a configuration example of the center of gravity mode control unit 802.
  • the center of gravity mode control unit 802 includes a control target 1001 and a device acceleration control unit 1002 that controls the acceleration of the motor C in the control target 1001.
  • the controlled object 1001 is a two-mass physical model corresponding to the parallel wire mechanism model in the center of gravity mode shown in FIG. 6, and includes a motor C, a spring having an elastic modulus of 2 Ks , and a device (movable part 501). ..
  • the device acceleration control unit 1002 inputs an arbitrary acceleration reference value for the device (movable unit 501) and gives an acceleration reference value for the motor C in the center of gravity mode.
  • the acceleration reference value for the device (moving part 501) is given by the system.
  • the equations of motion (that is, in the actual physical system) of the first motor 503, the second motor 505, and the movable part 501 are as shown in the above equations (1) to (3), respectively.
  • the equations of motion of the device (moving part 501) can be rewritten as in the above equation (6).
  • the device acceleration control unit 1002 aims to control the acceleration of the device on the left side of the first line in the above equation (6).
  • the first row of the left side of the above equation (6) is an elastic force f t in law called hook. Therefore, to arbitrarily control the acceleration of the device (moving unit 501), it can be seen that may be arbitrarily controlled 2K s (x c -x d) and modeled elastic force f t. Therefore, the above equation (6) is rewritten as the following equation (15).
  • the position x c of the motor C at the center of gravity mode, the position x d of the device (moving unit 501) estimates the elastic force f t with nominal values K sn spring constant, desired it can be seen that it is sufficient a feedback control system to achieve the elastic force f t.
  • the desired elastic force f t By arbitrarily control the desired elastic force f t, it is possible to realize a control system that suppresses vibration and elongation of the wire 502 and wire 504.
  • disturbance f d dis such as the spring constant deviating from the nominal value K sn is generated due to friction other than the external force of the device (moving part 501).
  • the disturbance f d dis can be compensated by the disturbance observer using the estimated elastic force and the speed of the device, similarly to the motors 503 and 505.
  • the device acceleration control unit 1002 takes into consideration the estimated elastic force and the estimated value of the disturbance f d dis acting on the device, and refers to the acceleration of the motor C in the center of gravity mode from an arbitrary acceleration reference value with respect to the device (movable part 501). The value is calculated and output to the control target 1001.
  • the motor C in the center of gravity mode it is assumed that each motor is equipped with a disturbance observer (Load DOB) that compensates for load disturbance, and ideal acceleration control is established. In FIG. 10, it is represented by a double integral. There is.
  • the motor C is driven based on the acceleration reference value of the motor C given by the device acceleration control unit 1002, and the motor C is displaced to the position x c .
  • the device moving unit 501
  • the disturbance f d dis acts via a spring 2K s spring constant
  • device location x d is displaced.
  • the elastic force acting on the device is estimated using the nominal value of the spring constant of 2K sn .
  • the disturbance observer (DOB) uses the estimated elastic force and the velocity of the device to estimate the disturbance f d dis acting on the device.
  • the estimated elastic force control unit 1003 takes into consideration the estimated elastic force and the estimated value of the disturbance f d dis acting on the device, and accelerates the motor C in the center of gravity mode from an arbitrary acceleration reference value with respect to the device (movable unit 501).
  • the reference value is calculated and output to the control target 1001.
  • the substantial function of the device acceleration control unit 1002 can be implemented by using a general computer such as a personal computer.
  • the relative mode control unit 803 sets a control target of pulling the device (movable unit 501) with a constant elastic force.
  • FIG. 11 conceptually shows a configuration example of the relative mode control unit 803.
  • Relative mode control unit 803 includes a control object 1101 include a spring of spring constant 2K s, the tension controller 1102 for tension control of the spring in the control object 1101.
  • the tension controller 1102 for tension control of the spring in the control object 1101.
  • the tension controller 1102 By feeding back the elastic force f r acting from the spring on the motor R in the control object 1101 to the tension controller 1102, it follows the constant tension command value f r cmd in against the spring of spring constant 2K s constitute the force control system of tension f r.
  • the reaction force estimation observer (RFOB) 1103 is mounted on the motor R, the estimated elastic force in the relative mode is calculated from each estimated elastic force by the following equation (16).
  • the tension controller 1102 calculates the acceleration reference value of the motor R in the relative mode from the estimated tension shown in the above equation (16).
  • the motor R is driven based on the acceleration reference value of the motor R given by the tension control unit 1102, and the motor R is displaced to the position x r .
  • the elastic force fr acts on the spring 2K s of the spring constant.
  • Reaction force estimation observer (RFOB) 1103 estimates the elastic force f r.
  • the tension control unit 1102, as estimated elasticity to follow the tension f r cmd predetermined calculates the acceleration reference value of the motor R, and outputs to the control object 1101.
  • the center of gravity mode control unit 802 outputs an acceleration reference value of the motor C for the device (moving unit 501) to realize an arbitrary acceleration. Further, from the relative mode control unit 803, for elastic force f r by the motor R is always converges to a constant value, the acceleration reference value of the motor R is output.
  • the mode space consisting of the acceleration reference values of the motor C and the motor R is divided by the inverse matrix T- 1 into the first motor 503 and the second motor 503. It can be converted into a motor space consisting of each acceleration reference value of the motor 505. Then, the actual motor control unit 801 controls the acceleration of the first motor 503 and the second motor 505 according to the obtained acceleration target value.
  • the center of gravity mode control unit 802 and the relative mode control unit 803 are configured as independent control systems, and the acceleration reference values of the motor C and the motor R can be set independently, respectively.
  • the transformation matrix T for coordinate conversion from the motor space to the mode space has the center of gravity because the row vectors of the first and second rows are orthogonal to each other as shown in the above equation (14).
  • the mode and the relative mode can independently configure the control system without interfering with each other. Therefore, the actual motor control unit 801 controls the first motor 503 and the second motor 505 based on each acceleration reference value obtained by coordinate conversion according to the above equation (17), thereby controlling the parallel wire control system. It is possible to suppress the vibration and elongation of the wire without interfering with each other, and to realize robust parallel wire control.
  • FIG. 12 shows a control block diagram of a master-slave system of a bilateral control system.
  • the parallel wire mechanism exists in the block of the master device and that the parallel wire control system (see FIG. 8) described in the above section C is applied.
  • the parallel wire control system shown in FIG. 8 by inputting the acceleration reference value of the device (moving part 501), the tensions of the wire 502 and the wire 504 can be kept constant, and the vibration of the wire can be caused. Elongation can be suppressed.
  • control target of bilateral control can be expressed as the following equations (18) and (19).
  • f ⁇ R n and x ⁇ R n are a force response vector and a position response vector, respectively.
  • R n is a real number space of order n.
  • the subscript d indicates the movable part 501 of the parallel wire mechanism incorporated in the master device, and the subscript s indicates the slave device.
  • the above equation (18) is a control target regarding the action-reaction law of the force between the master device and the slave device, and the sum of the forces of the movable part 501 (master device) and the slave device is set to zero (sum mode).
  • the above equation (19) is a control target regarding the followability of the position between the master device and the slave device, and the difference between the positions of the movable unit 501 (master device) and the slave device is set to zero (difference mode). Means.
  • the force response vector and the position response vector of the master device (parallel wire mechanism) and the slave device shown in the following equation (22) are used.
  • the transformation matrix T ⁇ R n ⁇ n the coordinates are transformed into the mode space according to the following equations (20) and (21). Further, the transformation matrix T ⁇ R n ⁇ n is shown in the following equation (22).
  • F ⁇ R n and X ⁇ R n are the force response vector and the position response vector in the mode space, respectively. Further, the subscript C indicates the sum mode, and the subscript D indicates the difference mode. Further, in the above equation (22), which is I n the n-order unit matrix.
  • the force controller 1201 calculates the acceleration reference value in the mode of the sum.
  • the position controller 1202 calculates the acceleration reference value in the mode of the difference.
  • the acceleration reference vectors of the master device and the slave device are obtained by inversely converting the acceleration reference vectors in the mode space.
  • the acceleration reference vector consisting of the acceleration reference value by the force controller 1201 and the acceleration reference value by the position controller 1202 is composed of the acceleration reference value for the movable unit 501 and the acceleration reference value for the slave device by the inverse conversion unit 1213.
  • the reverse coordinate conversion is performed on the acceleration reference vector.
  • each acceleration reference value obtained is input to the master device and the slave device, respectively.
  • the acceleration reference value input to the master device is the acceleration reference value given to the center of gravity mode control unit 802 in the parallel wire control system shown in FIG.
  • the center of gravity mode control unit 802 drives the motor C to control the movable unit 501 based on the acceleration while suppressing vibration and extension of the spring due to the spring. At that time, the center of gravity mode control unit 802 sets the control target that the acceleration of the movable unit 501 becomes this acceleration reference value.
  • highly accurate bilateral control can be realized by one or both of the master device and the slave device having the parallel wire mechanism.
  • the technique disclosed in the present specification it is possible to suppress the vibration phenomenon and elongation peculiar to the wire of the parallel wire mechanism.
  • high-precision positioning performance is required for medical applications, but according to the parallel wire mechanism to which the technique disclosed in this specification is applied, vibration and elongation of the wire can be suppressed, so that high-precision positioning performance is required. It is possible to realize.
  • the parallel wire control system to which the technique disclosed in the present specification is applied controls at the acceleration level, suppresses the vibration and elongation of the wire, and controls the constant tension of the wire at the same time and interferes with each control target. Can be realized without.
  • the parallel wire mechanism to which the technology disclosed in the present specification is applied can be applied to a bilateral control system that requires highly accurate positioning performance, and can be completed in master-slave systems in various industrial fields including medical treatment. it can.
  • the technology disclosed in this specification can be applied mainly to a master-slave system using parallel wires.
  • bilateral control and suppression of wire elongation and vibration can be realized simultaneously and non-interferingly.
  • the technology disclosed in this specification can also have the following configuration.
  • a control device for a parallel wire device that pulls a movable part with a plurality of wires.
  • a control device that suppresses the elongation and vibration of the wire and controls the force and position of the movable portion based on the acceleration.
  • a control system for independently controlling the acceleration response and the wire tension in the control model in which the movable portion is driven by a pair of opposing motors is configured. Control the pair of motors, The control device according to (1) above.
  • the control system includes a center of gravity mode in which the motor C is controlled so that the movable portion has a desired acceleration, and a relative mode in which the motor R is controlled so that the elastic force acting on the wire is constant. , Acceleration control of the pair of motors is performed based on the acceleration reference values for the motor C and the motor R.
  • the center of gravity mode comprises a physical model of a two-mass system in which the motor C and the movable portion are connected by a spring.
  • the kinematics of the motor C is expressed as the movement of the center of gravity of the pair of motors.
  • the control device according to any one of (3) and (4) above.
  • the relative mode comprises a physical model in which the motor R pulls a spring by the resultant force of the generated forces of the pair of motors.
  • the control device according to any one of (3) to (5) above.
  • the kinematics of the motor R is expressed as the relative motion of the pair of motors.
  • the control device according to any one of (3) to (6) above.
  • Each of the pair of motors mounts a disturbance observer.
  • the control device according to any one of (2) to (8) above.
  • Each of the pair of motors mounts a reaction force estimation observer.
  • the control device according to any one of (2) to (9) above.
  • the control system controls the estimated elastic force acting on the movable portion from the motor C in the center of gravity mode to suppress the elongation and vibration of the wire.
  • the control device according to any one of (3) to (10) above.
  • the control system includes a disturbance observer that estimates the disturbance of the movable portion based on the estimated elastic force acting on the movable portion from the motor C and the speed of the movable portion in the center of gravity mode.
  • the acceleration reference value of the motor C is obtained from the desired acceleration of the moving portion in consideration of the elastic force and the estimated disturbance.
  • the control system controls the motor R so that a predetermined tension acts on the wire in the relative mode.
  • the control device according to any one of (3) to (12) above.
  • the control system includes a reaction force estimation observer that estimates the elastic force acting on the wire by the motor R in the relative mode, and the motor R is based on a predetermined tension and the estimated elastic force. Find the acceleration reference value of The control device according to (13) above.
  • the mode space including the acceleration reference values of the motor C and the motor R in the control system is coordinate-converted to obtain the acceleration reference values of the pair of motors.
  • the control device according to any one of (3) to (14) above.
  • a control method for a parallel wire device that pulls a movable part with a plurality of wires, in which an acceleration response and a wire tension in a control model in which the movable part is driven by a pair of opposing motors are independently controlled.
  • Configure the control system A step of controlling the motor C in the center of gravity mode so that the movable portion has a desired acceleration, A step of controlling the motor R in the relative mode so that the elastic force acting on the wire is constant, A step of performing acceleration control of the pair of motors based on the acceleration reference values for the motor C and the motor R, and Control method having.
  • At least one of the master device and the slave device includes a parallel wire mechanism for pulling a movable part with a plurality of wires.
  • the control device constitutes a control system that independently controls the acceleration response and the tension of the wire in a control model in which the movable portion is driven by a pair of motors facing each other, and the acceleration obtained from the control system. Control the pair of motors based on a reference value, The master-slave system according to (18) above.
  • the control system includes a center of gravity mode in which the motor C is controlled so that the movable portion has a desired acceleration, and a relative mode in which the motor R is controlled so that the elastic force acting on the wire is constant. , Acceleration control of the pair of motors is performed based on the acceleration reference values for the motor C and the motor R.
  • the master-slave system according to (19) above.
  • the kinematics of the motor C is represented as the center of gravity motion of the pair of motors, and the kinematics of the motor R is represented as the relative motion of the pair of motors.
  • the control system controls the estimated elastic force acting on the movable portion from the motor C in the center of gravity mode to suppress the elongation and vibration of the wire.
  • the master-slave system according to (20) above.
  • the control system includes a disturbance observer that estimates the disturbance of the movable portion based on the estimated elastic force acting on the movable portion from the motor C and the speed of the movable portion in the center of gravity mode.
  • the acceleration reference value of the motor C is obtained from the desired acceleration of the moving portion in consideration of the elastic force and the estimated disturbance.
  • the control system controls the motor R so that a predetermined tension acts on the wire in the relative mode.
  • the master-slave system according to (20) above.
  • the control system includes a reaction force estimation observer that estimates the elastic force acting on the wire by the motor R in the relative mode, and the motor R is based on a predetermined tension and the estimated elastic force. Find the acceleration reference value of The master-slave system according to (24) above.

Abstract

パラレルワイヤ機構を制御する制御装置を提供する。　可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ装置の制御装置は、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルを、前記可動部が所望の加速度となるようにモータＣを制御する重心モードと前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるようにモータＲを制御する相対モードにモード分解し、前記重心モードにおいて決定した前記モータＣの加速度参照値と、前記相対モードにおいて決定した前記モータＲの加速度参照値を座標変換して、前記一対のモータの加速度参照値を得る。

Description

制御装置及び制御方法、並びにマスタスレーブシステム
　本明細書で開示する技術は、パラレルワイヤ機構を制御する制御装置及び制御方法、並びにマスタ装置又はスレーブ装置の少なくとも一方がパラレルワイヤ機構を有するマスタスレーブシステムに関する。
　イナーシャの小さい駆動方式として、パラレルワイヤ方式並びにパラレルリンク方式が知られている。これらパラレル機構は、例えばマスタスレーブ方式のシステムにおいて、マスタ側でオペレータが操作するコントローラや、スレーブ側で出力端のデバイス（エンドエフェクタ）の駆動に使用することができる。一般には、パラレルワイヤ方式の方が、イナーシャがより小さい。
　また、マスタスレーブシステムの制御方式として、マスタ装置からスレーブ装置を操作すると同時にスレーブ装置の状態をマスタ装置にフィードバックするバイラテラル方式が知られている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
　バイラテラル制御方式を実現するには、位置と力を同時に高精度に制御する必要がある。ところが、パラレルワイヤ機構の場合、ワイヤ特有の振動や伸びのために制御の精度が劣化することが懸念される。例えば、パラレルワイヤ駆動ロボットにおいて、振動を抑制しつつ位置制御と力制御をそれぞれ個別に実現する技術について提案がなされているが（例えば、非特許文献１を参照のこと）、位置制御と力制御を同時に実施するものではない。
特開２０１９－０３４００２号公報
木野仁外著「パラレルワイヤ駆動システムの作業座標系制御法とそのロバスト性」（日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．３，ｐｐ．　４１１－４１８、２０００）
　本明細書で開示する技術の目的は、ワイヤ特有の振動や伸びを抑制してパラレルワイヤ機構を制御する制御装置及び制御方法、並びにマスタ装置又はスレーブ装置の少なくとも一方がパラレルワイヤ機構を有し、バイラテラル制御を実施するマスタスレーブシステムを提供することにある。
　本明細書で開示する技術の第１の側面は、可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ装置の制御装置であって、
　前記可動部の力及び位置を加速度に基づいて制御する、制御装置である。
　第１の側面に係る制御装置は、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルを、前記可動部が所望の加速度となるようにモータＣを制御する重心モードと前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるようにモータＲを制御する相対モードにモード分解し、前記重心モードにおいて決定した前記モータＣの加速度参照値と、前記相対モードにおいて決定した前記モータＲの加速度参照値を座標変換して、前記一対のモータの加速度参照値を得る。
　また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、
　可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ装置の制御方法であって、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、
　前記可動部が所望の加速度となるように重心モードのモータＣを制御するステップと、
　前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるように相対モードのモータＲを制御するステップと、
　前記モータＣ及び前記モータＲに対する加速度参照値に基づいて前記一対のモータの加速度制御を実施するステップと、
を有する制御方法である。
　また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、
　マスタ装置又はスレーブ装置の少なくとも一方が、可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ機構を含み、
　前記ワイヤの伸び及び振動を抑制して前記可動部の力及び位置を加速度に基づいて制御する制御装置を含む、
マスタスレーブシステムである。前記制御装置は、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、前記制御系から得られる加速度参照値に基づいて前記一対のモータを制御する。
　本明細書で開示する技術によれば、バイラテラル制御系とは独立してワイヤ特有の振動や伸びを抑制してパラレルワイヤ機構を制御する制御装置及び制御方法、並びにマスタ装置又はスレーブ装置の少なくとも一方がパラレルワイヤ機構を有し、バイラテラル制御とワイヤの伸び及び振動の抑制とを同時に且つ非干渉に実現するマスタスレーブシステムを提供することができる。
　なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本明細書で開示する技術によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本明細書で開示する技術が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。
　本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
図１は、パラレルワイヤ機構を有するマスタ装置又はスレーブ装置を制御する制御装置及び制御方法、並びにマスタスレーブシステムを示した図である。 図２は、パラレルワイヤ装置１００の構成例を示した図である。 図３は、マスタ装置を斜視した様子示した図である。 図４は、マスタ装置を俯瞰した様子を示した図である。 図５は、１自由度分を対象としたパラレルワイヤ機構のモデルを示した図である。 図６は、図５に示したパラレルワイヤ機構のモデルをモード分解した重心モードのモデルを示した図である。 図７は、図５に示したパラレルワイヤ機構のモデルをモード分解した相対モードのモデルを示した図である。 図８は、パラレルワイヤ制御系全体の制御ブロック図である。 図９は、モータ加速度制御系の制御ブロック図である。 図１０は、重心モード制御部８０２の構成例を示した図である。 図１１は、相対モード制御部８０３の構成例を示した図である。 図１２は、バイラテラル制御系のマスタスレーブシステムの制御ブロック図である。
　以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の順で、本実施形態について説明する。
Ａ．マスタスレーブシステムの構成
Ｂ．パラレルワイヤ機構の構成例
Ｃ．パラレルワイヤ機構を適用したマスタ装置の構成例
Ｄ．パラレルワイヤ機構を有するマスタスレーブシステムの技術的課題
Ｅ．パラレルワイヤ機構のモデル化
Ｆ．パラレルワイヤ制御系の構成
Ｇ．モータ加速度制御系
Ｈ．重心モード加速度制御系
Ｉ．相対モード張力制御系
Ｊ．パラレルワイヤ制御系全体の動作
Ｋ．パラレルワイヤ機構を含んだマスタスレーブシステムのバイラテラル制御
Ｌ．効果
Ａ．マスタスレーブシステムの構成
　図１には、マスタスレーブシステム１の機能構成例を模式的に示している。図示のマスタスレーブシステム１は、例えば、腹腔や胸腔といった内視鏡外科手術を実施する医療ロボットシステムである。マスタ側でユーザがコントローラなどの入力装置を介して入力した指示に応じて、スレーブ側のアームに取り付けられた医療用器具などのエンドエフェクタが駆動され、当該医療用器具によって患者の術部に対して各種の処置が施される。
　図示のマスタスレーブシステム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、マスタ装置１０を介して入力されるユーザの指示に応じてスレーブ装置２０を駆動させる制御システム３０で構成される。ユーザがマスタ装置１０を操作すると、制御システム３０を通じて、スレーブ装置２０に対する操作指令が有線又は無線の通信手段により送信され、エンドエフェクタを駆動する。
　マスタ装置１０は、術者などのユーザが入力操作を行なうための入力部１１と、この入力部１１を操作中のユーザに対して力を提示する力提示部１２を備えている。
　入力部１１は、例えば、レバー、グリップ、ボタン、ジョグダイヤル、タクトスイッチ、フット・ペダル・スイッチなどのさまざまな入力デバイスからなるコントローラと、コントローラを駆動するマスタアームによって構成され得る。本実施形態では、マスタアームの少なくとも一部分はパラレルワイヤ装置を用いて構成され得る。
　また、力提示部１２は、例えば、マスタアームや駆動するサーボモータ、さらにはコントローラを駆動するサーボモータなどによって構成される。力提示部１２は、スレーブ装置２０側のエンドエフェクタに作用する力に応じて、例えばコントローラを操作するユーザに対して抵抗を与えるようにマスタアームやコントローラを駆動することにより、医療用器具などのエンドエフェクタに作用する力をユーザに対して提示する。
　一方、スレーブ装置２０は、スレーブアームと、スレーブアームに取り付けられたエンドエフェクタと、スレーブアーム並びにエンドエフェクタを駆動する駆動部２１と、エンドエフェクタやスレーブアームにおける状態を検出する状態検出部２２を備えている。
　スレーブアームに取り付けられるエンドエフェクタは、例えば、腹腔鏡下手術において患者の体腔内に挿入して用いられる処置具からなる。処置具として、開閉式のエンドエフェクタが用いられてもよい。例えば、把持力を発生させるジョー、切断ブレード、ステープラなどが挙げられる。あるいは、処置具は、気腹チューブ、エネルギー処置具、攝子、レトラクタなどでもよい。エネルギー処置具は、高周波電流や超音波振動などの作用により、組織の切開や剥離、血管の封止などを行う処置具である。また、本実施形態では、スレーブアームの少なくとも一部分はパラレルワイヤ装置を用いて構成され得る。
　駆動部２１は、スレーブアームやエンドエフェクタを動作させるためのモータで構成される。制御システム３０によって算出された制御量に応じて当該モータが駆動することにより、術者などのユーザがマスタアームやコントローラを操作した量に応じて、スレーブアームやエンドエフェクタが動作する。
　状態検出部２２は、例えば、スレーブアームやエンドエフェクタの位置や姿勢を検出するセンサや、スレーブアームやエンドエフェクタに作用する外力を検出する力覚センサなどで構成され、スレーブアームやエンドエフェクタの状態を検出する。
　制御システム３０は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０間で、スレーブ装置２０側のスレーブアームやエンドエフェクタの駆動制御とマスタ装置１０側への力提示に関する情報伝達を実現する。但し、制御システム３０の機能の一部又は全部が、スレーブ装置２０又はマスタ装置１０の少なくとも一方に装備されていてもよい。例えば、マスタ装置１０又はスレーブ装置２０の少なくとも一方のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）（図示しない）が、制御システム３０として機能する。あるいは、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の各々のＣＰＵが連携して、制御システム３０として機能する。制御システム３０は、例えばバイラテラル方式によって、マスタ装置１０からスレーブ装置２０を操作すると同時にスレーブ装置２０の状態をマスタ装置１０にフィードバックする。
Ｂ．パラレルワイヤ機構の構成例
　図２には、マスタアーム又はスレーブアームのうち少なくとも一方、若しくは少なくとも一方の一部に適用されるパラレルワイヤ装置１００の基本的な構成例を模式的に示している。ここでは、紙面をＸＹ平面とするとともに、紙面に垂直な方向にＺ軸を設定する。また、説明の便宜上、図２に示すパラレルワイヤ装置１００は、ＸＹの２方向の並進自由度とＺ軸の１軸回りの回転自由度の合計３自由度を有するものとする。
　パラレルワイヤ装置１００は、６本の並列するワイヤ１０１～１０６と、これらワイヤ１０１～１０６によって支持される可動部１１０を備えている。また、可動部１１０の上面には、回転可動部１２０が、可動部１１０に対して少なくともＺ軸回りに回動可能に取り付けられている。なお、可動部１１０は、台の上（図示しない）など平面上を滑動自在に支持されることを想定している。
　ワイヤ１０１は、先端部が可動部１１０の端部１１１に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３１に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３１の駆動によって、ワイヤ１０１の長さを制御することができる。図示の例では、ワイヤ１０１を方向変換プーリ１４１に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３１の駆動方向を変換して、ワイヤ１０１の先端部が端部１１１に取り付けられている。ワイヤ１０１の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１１に接合されていることが好ましい。
　また、ワイヤ１０２は、先端部が可動部１１０の端部１１２に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３２に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３２の駆動によって、ワイヤ１０２の長さを制御することができる。但し、ワイヤ１０２を方向変換プーリ１４２に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３２の駆動方向を変換して、ワイヤ１０２の先端部が端部１１２に取り付けられている。ワイヤ１０２の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１２に接合されていることが好ましい。
　また、ワイヤ１０３は、先端部が可動部１１０の端部１１３に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３３に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３３の駆動によって、ワイヤ１０３の長さを制御することができる。但し、ワイヤ１０３を方向変換プーリ１４３に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３３の駆動方向を変換して、ワイヤ１０３の先端部が端部１１３に取り付けられている。ワイヤ１０３の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１３に接合されていることが好ましい。
　ワイヤ１０４は、先端部が可動部１１０の端部１１４に固定されるとともに、根元部はリニアアクチュエータ１３４に取り付けられている。リニアアクチュエータ１３４の駆動によって、ワイヤ１０４の長さを制御することができる。但し、ワイヤ１０４を方向変換プーリ１４４に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３４の駆動方向を変換して、ワイヤ１０４の先端部が端部１１４に取り付けられている。ワイヤ１０４の先端部は、ユニバーサルジョイントなどで、角度が自由に変化する継手で端部１１４に接合されていることが好ましい。
　ワイヤ１０５の先端部は回転可動部１２０の側面部に巻き掛けて固定され、また、ワイヤ１０６の先端部はワイヤ１０５とは反対向きに回転可動部１２０の側面部に巻き掛けて固定されている。そして、ワイヤ１０５の根元部はリニアアクチュエータ１３５に取り付けられるとともに、ワイヤ１０６の根元部はリニアアクチュエータ１３６に取り付けられており、各リニアアクチュエータ１３５及び１３６の駆動によって、ワイヤ１０５及び１０６の長さをそれぞれ制御することができる。但し、ワイヤ１０５を方向変換プーリ１４５及び１４６に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３５の駆動方向を変換してから、回転可動部１２０の側面部に巻き掛けられている。また、ワイヤ１０６を方向変換プーリ１４７及び１４８に巻き掛けて、リニアアクチュエータ１３６の駆動方向を変換してから、回転可動部１２０の側面部に巻き掛けられている。
　各リニアアクチュエータ１３１～１３６は、図示しない制御部によって一元的にコントロールされるものとする。
　４本のワイヤ１０１～１０４は、可動部１１０をＸＹ平面内で並進運動させるためのパラレルワイヤである。制御部が各ワイヤ１０１～１０４の根元部のリニアアクチュエータ１３１～１３４を同期的に駆動して、各ワイヤ１０１～１０４の長さを変化させることで、可動部１１０をＸＹ平面内で並進移動させることができる。各ワイヤ１０１～１０４の長さを同期的に変化させることで、可動部１１０をＸＹＺ座標系上である程度の可動範囲でＺ軸回りに回転させることも可能である。
　具体的には、リニアアクチュエータ１３１及び１３２でワイヤ１０１及び１０２を牽引するとともに、ワイヤ１０１及び１０２の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３３及び１３４でワイヤ１０３及び１０４を伸長させることによって、可動部１１０はＹプラス方向に移動し、リニアアクチュエータ１３３及び１３４でワイヤ１０３及び１０４を牽引するとともに、ワイヤ１０３及び１０４の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３１及び１３２でワイヤ１０１及び１０２を伸長させることによって、可動部１１０はＹマイナス方向に移動する。リニアアクチュエータがワイヤ巻き取り式の場合、ワイヤを巻き取ることによって牽引し、ワイヤを巻きだすことによって伸長する（以下、同様）。
　一方、リニアアクチュエータ１３１及び１３４でワイヤ１０１及び１０４を牽引するとともに、ワイヤ１０１及び１０４の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３２及び１３３でワイヤ１０２及び１０３を伸長させることによって、可動部１１０はＸマイナス方向に移動し、リニアアクチュエータ１３２及び１３３でワイヤ１０２及び１０３を牽引するとともに、ワイヤ１０２及び１０３の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３１及び１３４でワイヤ１０１及び１０４を伸長させることによって、可動部１１０はＸプラス方向に移動する。
　また、２本のワイヤ１０５及び１０６は、可動部１１０上の回転可動部１２０をＺ軸回りに回転動作させるためのパラレルワイヤである。制御部がリニアアクチュエータ１３５及び１３６を同期的に駆動して、２本のワイヤ１０５及び１０６のうち一方の長さを短縮するとともに釣り合う長さだけ他方を伸長することによって、回転可動部１２０を可動部１１０に対して（若しくは、ＸＹＺ座標系上で）Ｚ軸回りに回転させることができる。
　具体的には、リニアアクチュエータ１３５でワイヤ１０５を牽引するとともに、ワイヤ１０５の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３６でワイヤ１０６を伸長させることによって、回転可動部１２０を、図２の時計回りに回転させることができる。一方、リニアアクチュエータ１３６でワイヤ１０６を牽引するとともに、ワイヤ１０６の牽引と釣り合うように、リニアアクチュエータ１３５でワイヤ１０５を伸長させることによって、回転可動部１２０を、図２の反時計回りに回転させることができる。
　なお、各ワイヤ１０１～１０４の長さを変化させることで、可動部１１０をＸＹ平面内で並進移動させることに加え、可動部１１０をある程度Ｚ軸回りに回転させることができる。したがって、可動部１１０及び回転可動部１２０の両方の回転機能を駆使することによって、より広い回転可動域を確保することができる。
　図２では、可動部１１０を並進移動させるために並列に設置されたワイヤ１０１～１０４を黒で描き、回転可動部１２０を回転させるために並列に設置されたワイヤ１０５及び１０６をグレーで描いている。
　リニアアクチュエータ１３１～１３６は、例えば、ボールねじやシャフトモータ、リニアモータ、モータとギア及びラック式の直動構造の組み合わせなどで構成することができる。但し、リニアアクチュエータ１３１～１３６は、それぞれワイヤ１０１～１０６の長さを伸縮させる動作を行うことが可能であれば、リニアアクチュエータである必要はない。例えば、回転式のモータと、モータの回転によってワイヤを巻き取る機構と組み合わせることによってリニアアクチュエータと置き換えることも可能である。
　回転可動部１２０を備えた可動部１１０を４本の並進用のワイヤ１０１～１０４と２本の回転用のワイヤ１０５及び１０６を取り付けて構成されるパラレルワイヤ装置１００において、ワイヤ１０１～１０６及び各ワイヤ１０１～１０６を駆動するリニアアクチュエータ１３１～１３６の配置は、図２に示した構成例には限定されない。また、各ワイヤ１０５～１０６を巻き掛ける方向変換プーリ１４１、１４２、…の個数や配置も、図２に示した構成例には限定されない。可動部１１０並びに回転可動部１２０の可動範囲や動作させ易さ、装置１００内の図示しない他の部材との干渉などを考慮して、リニアアクチュエータ１３１～１３６や方向変換プーリ１４１、１４２、…の配置を決定すればよい。
　本実施形態に係るパラレルワイヤ装置１００で使用されるワイヤ１０１～１０６は、例えば金属の紐（ステンレス製の撚り線からなるワイヤロープなど）や化学繊維を用いて製作することができる。金属の紐を用いれば、伸び難いという利点がある。また、化学繊維を用いる場合、伸び易いことが懸念されるが、馴染み易いという利点がある。また、使用されるすべてのワイヤが必ずしも同じ素材で統一される必要もない。
　なお、図２では図示を省略したが、各リニアアクチュエータ１３１～１３６の位置応答を取得できるエンコーダがそれぞれ装備されているものとする。また、可動部１１０の位置を取得できるエンコーダ、並びに可動部１１０の力応答を取得できる力センサなどの検出手段も装備されているものとする。
Ｃ．パラレルワイヤ機構を適用したマスタ装置の構成例
　図３及び図４には、マスタスレーブシステムのマスタ装置において、パラレルワイヤ方式を適用した例を示している。但し、図３は、オペレータによって操作されているマスタ装置をオペレータの前方から斜視した様子を示し、図４は、オペレータが操作中のマスタ装置を俯瞰した様子を示している。マスタ装置は、図示しないスレーブ装置と双方向通信し、例えばバイラテラル方式によって、マスタ装置からスレーブ装置を操作すると同時にスレーブ装置の状態をマスタ装置にフィードバックするものとする。
　マスタ装置本体は、上面が開いた箱状の構造体である。その箱の側面から箱内部に向かって複数本のワイヤが並列に延設されている。そして、これらのワイヤによって、左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒをそれぞれ空中に支持している。また、マスタ装置には、各ワイヤを根元側で牽引する複数のリニアアクチュエータが取り付けられている。
　図３及び図４に示すように、オペレータは、箱の中に左右の手を入れた状態で、左手用のコントローラ７０１Ｌ及び右手用のコントローラ７０１Ｒを操作することができる。後述するように、コントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒは、把持力覚提示装置を搭載しており、オペレータは、左右それぞれの手で把持力覚提示装置を掴んでコントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒを操作する。各コントローラ７０１Ｌ及び７０１Ｒは、ワイヤ牽引用のリニアアクチュエータなどの動力源を含まず、したがって小型且つ軽量に構成することができ、オペレータによる操作性もよい。左手用のコントローラ７０１Ｌと右手用のコントローラ７０１Ｒは、基本的には左右対称的な形状及び構造を備えている。以下では、右手用のコントローラ７０１に統一して説明することにする。
　コントローラ７０１は、パラレルワイヤによって３次元空間を並進移動するコントローラ本体部と、コントローラ本体に対し少なくとも１軸回りに回転可能に取り付けられてパラレルワイヤによって回転動作する回転可動部を備えている。言い換えれば、コントローラ７０１を空中で支持するパラレルワイヤは、コントローラ本体を並進移動させるパラレルワイヤと、回転可動部を回転させるパラレルワイヤを含んでいる。また、図３及び図４では、コントローラ７０１の本体部を並進移動させるのに使用するワイヤを実線で描き、本体内の回転可動部を回転動作させるのに使用するワイヤを破線で描いている。但し、コントローラ７０１を並進移動及び回転動作させる仕組みの詳細については、後述する。各ワイヤは、それぞれの根元部のリニアアクチュエータで牽引される。
　いずれのワイヤも、各々の根元部で対応するリニアアクチュエータの並進方向を向いている一方、先端部では並進移動又は回転動作させる対象物の動作方向を向いている。各ワイヤは、途中で１又は２以上のプーリ（図３及び図４では図示しない）に巻き掛けられて、適宜折り返され又は方向変換され、且つ、ワイヤ同士で干渉し合わないように配置されている。
　マスタ装置で用いられるワイヤは、例えば金属の紐（ステンレス製の撚り線からなるワイヤロープなど）や化学繊維を用いて製作することができる。金属の紐を用いれば、伸び難いという利点がある。また、化学繊維を用いる場合、伸び易いことが懸念されるが、馴染み易いという利点がある。また、使用されるすべてのワイヤが必ずしも同じ素材で統一される必要もない。通常、１０ｋｇｆ程度までの張力がワイヤに作用することが想定される。但し、瞬間最大張力は個の値に留まらないことがある。
Ｄ．パラレルワイヤ機構を有するマスタスレーブシステムの技術的課題
　マスタアームやスレーブアームの少なくとも一部にパラレルワイヤ装置を適用することで、軽量化が実現するとともに、可動域が拡大することが期待される。
　また、本実施形態では、マスタスレーブシステムの制御方式として、マスタ装置からスレーブ装置を操作すると同時にスレーブ装置の状態をマスタ装置にフィードバックするバイラテラル方式を適用することを想定している。
　バイラテラル制御方式を実現するには、位置と力を同時に高精度に制御する必要がある。ところが、パラレルワイヤ装置を用いてマスタスレーブシステムを構成する場合、ワイヤ特有の振動や伸びのために制御の精度が劣化するという問題がある。また、バイラテラル制御系とワイヤの張力制御系が独立でないために、ワイヤの振動や伸びを抑制しようとするとバイラテラル制御系を干渉してしまうことが懸念される。
　そこで、本明細書では、パラレルワイヤ機構を有するマスタ装置又はスレーブ装置において、バイラテラル制御系を構成したときのワイヤ特有の伸び及び振動を抑制する技術について、以下で提案する。また、本明細書では、バイラテラル制御とワイヤの伸び及び振動の抑制とを同時に且つ非干渉に実現する技術について、以下で提案する。
Ｅ．パラレルワイヤ機構のモデル化
　図２には３自由度を有するパラレルワイヤ装置１００の構成例を示し、図３及び図４にはパラレルワイヤ機構を有するマスタ装置の外観を示した。ここでは、説明の簡素化のため、１自由度分を対象として、パラレルワイヤ機構を図５に示すようにモデル化した。パラレルワイヤ機構のその他の軸に関しても、同様に設計すればよいことを理解されたい。
　図５に示す１自由度モデル５００は、中央の可動部５０１（デバイス）と、可動部５０１を紙面左方向に牽引するためのワイヤ５０２と、ワイヤ５０２に牽引力を付与する第１のモータ５０３と、可動部５０１を紙面右方向に牽引するためのワイヤ５０４と、ワイヤ５０４に牽引力を付与する第２のモータ５０５で構成される。
　なお、図５では図示を省略するが、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の位置応答を取得できるエンコーダがそれぞれ装備されているものとする。また、可動部５０１の位置を取得できるエンコーダ、並びに可動部５０１の力応答を取得できる力センサなどの検出手段も装備されているものとする。
　図１２には、バイラテラル制御系のマスタスレーブシステムの制御ブロック図を示しているが、マスタ装置がパラレルワイヤ機構を有する場合（例えば、図３及び図４を参照のこと）には、マスタ装置のブロック内に図５に示すようなパラレルワイヤ機構の制御モデルが存在することになる。但し、図１２に示したマスタスレーブシステムの詳細については後述する。また、スレーブ装置がパラレルワイヤ機構を有する場合にも、同様に、スレーブ装置のブロック内に図５に示すような制御モデルが存在することになる。パラレルワイヤ機構におけるワイヤの振動や伸びのために、バイラテラル制御の精度が劣化することが懸念される。
　そこで、本明細書では、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５で可動部５０１の加速度を制御する際のワイヤ５０２及びワイヤ５０４の伸びや振動といった問題を補償する技術について、以下で提案する。
　ワイヤ５０２及びワイヤ５０４は、それぞれ第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５から牽引力を受けたときに伸びが発生するので、バネとしてモデル化する。ここでは、説明の簡素化のため、ワイヤ５０２及びワイヤ５０４のバネ定数は等しく、Ｋsとする。
　可動部５０１の質量及び位置をそれぞれｍd、ｘdとする。また、第１のモータ５０３の質量及び位置をそれぞれｍ1、ｘ1とする。同様に、第２のモータ５０５の質量及び位置をそれぞれｍ2、ｘ2とする。
　第１のモータ５０３が紙面左方向に牽引力ｆ1を発生したときに、ワイヤ５０２からは紙面右方向の弾性力ｆe1を受ける。このとき、可動部５０１は、ワイヤ５０２から紙面左方向の弾性力ｆe1を受ける。
　また、第２のモータ５０５が紙面右方向に牽引力ｆ2を発生したときに、ワイヤ５０４からは紙面左方向の弾性力ｆe2を受ける。このとき、可動部５０１は、ワイヤ５０４から紙面右方向の弾性力ｆe2を受ける。このときのパラレルワイヤ系の運動方程式は、以下の式（１）～（５）に示す通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　但し、上式（１）～（５）において、ｆd extは可動部５０１に作用する外力、ｆd disは可動部５０１に作用する外力以外の摩擦などの外乱である。また、ｆ1 disは第１のモータ５０３に作用する外乱であり、ｆ2 disは第２のモータ５０５に作用する外乱である。
　上式（３）から分かるように、図５に示した制御モデルでは、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の各々からの弾性力で可動部５０１を駆動する。このような制御モデルでは、可動部５０１の加速度応答とワイヤ５０２及びワイヤ５０４の張力とを独立に制御することは困難である。
　そこで、本明細書で提案する技術では、可動部５０１の加速度応答と、ワイヤ５０２及びワイヤ５０４の張力とを、独立に制御する制御系を構成するために、図５に示した制御モデルを、第１のモータ５０３と第２のモータ５０５の重心モードと相対モードにモード分解する。重心モードでは、可動部５０１が所望の加速度となるようにモータＣを制御する。一方、相対モードでは、弾性力が一定となるようにモータＲを制御する。重心モードと相対モードは、それぞれ単一のモータのみからなる互いに独立した制御系である。
　図６には、パラレルワイヤ機構モデルの重心モード６００を概念的に示している。重心モード６００では、モータＣに、バネ定数２Ｋsを有するバネを介して、デバイス（可動部５０１）が結合している。以下では、モータＣの質量及び位置をそれぞれｍc、ｘcとし、バネからモータＣに作用する弾性力をｆcとする。図６と、上式（３）から、上式（５）において外乱を無視すると、重心モード６００における運動方程式は、下式（６）のように表すことができる。したがって、下式（６）から、重心モード６００を、モータＣとデバイスがバネで接続された２質点系の物理モデルとみなすことができる。モータＣとデバイス間を接続するバネは、ワイヤ５０２及びワイヤ５０４のバネ定数を合算した２Ｋsのバネ定数を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、図７には、パラレルワイヤ機構モデルの相対モード７００を概念的に示している。相対モード７００は、ある壁に一端が取り付けられたバネの他端をモータＲで引っ張っている。モータＲが引っ張るバネのバネ定数は２Ｋsとする。以下では、モータＲの質量及び位置をそれぞれｍr、ｘrとし、バネを介してデバイス（可動部５０１）に作用する弾性力をｆrとする。図７と、上式（１）及び（２）から、相対モードの静特性は、下式（７）のように表すことができる。したがって、下式（７）からも、相対モード７００を、モータＲがバネを第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の発生力の合力（－ｆ1＋ｆ2）で牽引している物理モデルとみなすことができる。モータＲが牽引するバネは、ワイヤ５０２及びワイヤ５０４のバネ定数を合算した２Ｋsのバネ定数を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここで、重心モードにおけるモータＣの運動学は、第１のモータ５０３と第２のモータ５０５の重心運動として表すことができる。したがって、重心モードでは、モータＣの位置ｘc及び弾性力ｆcはそれぞれ以下の式（８）及び（９）に示す通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　また、相対モードにおけるモータＲの運動学は、第１のモータ５０３と第２のモータ５０５の相対運動として表すことができる。したがって、相対モードでは、モータＲの位置ｘr及び弾性力ｆrはそれぞれ以下の式（１０）及び（１１）に示す通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　したがって、パラレルワイヤ駆動における重心モード及び相対モードの各モードでの制御目標を、それぞれ以下のように独立に設定することができる。
重心モード：デバイスが任意の加速度を実現するためにモータＣを制御する。
相対モード：ｆrが常に一定の値に収束するようにモータＲを制御する。
　すなわち、重心モードでは、モータＣを駆動して、振動が発生することなく且つバネが伸びることなく、デバイスを制御すること（デバイス加速度制御）が制御目標になる。また、相対モードでは、モータＲを駆動して、バネを一定の力で引っ張ること（一定張力制御）が制御目標になる。
　上記の重心モード及び相対モードに対してそれぞれ個別に適切な制御系を設計することにより、バイラテラル制御系とは独立したワイヤ張力制御系によってワイヤの振動及び伸びを抑制し、且つ、位置と力を同時に高精度に制御可能なバイラテラル制御系を実現することができる、と本出願人は思料する。
　ここで、上式（８）～（１１）をまとめて、下式（１２）～（１４）を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　上式（１２）～（１４）において、Ｔは、実在する第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５のモータ空間を、重心モードにおけるモータＣ及び相対モードにおけるモータＲのモード空間へ座標変換するための変換行列である。上式（１４）で示すＴの１行目及び２行目の行ベクトル同士が直交している。したがって、重心モードと相対モードは、干渉することなく、独立に制御系を構成することが可能である。なお、Ｔの逆行列Ｔ-1を用いて、モード空間からモータ空間へ座標変換することができる（後述）。
Ｆ．パラレルワイヤ制御系の構成
　図８には、パラレルワイヤ制御系全体の制御ブロック図を示している。なお、同図中で、変数を修飾するサーカムフレックス（若しくはハット記号）は、その変数の推定値であることを示す。また、変数の頭部に付けられるダブルドットは、その変数の加速度値であることを示す（以下、同様）。
　図示の制御ブロック図は、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の各加速度を制御する実モータ加速度制御部８０１と、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の重心モードを制御する重心モード制御部８０２と、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の相対モードを制御する相対モード制御部８０３を含んでいる。
　重心モード制御部８０２は、モータＣを駆動して、バネによる振動やバネの伸びなく、デバイス（可動部５０１）の加速度を制御することを制御目標とする。重心モード制御部８０２は、外部から与えられたデバイス（可動部５０１）の加速度参照値に基づいて、モータＣの加速度参照値を決定する。また、相対モード制御部８０３は、デバイス（可動部５０１）を一定の弾性力で引っ張ることを制御目標とする。相対モード制御部８０３は、あらかじめ定められた張力ｆr cmdに基づいて、モータＲの加速度参照値を決定する。重心モード制御部８０２と相対モード制御部８０３は独立した制御系として構成される。
　重心モード制御部８０２によるモータＣに対する加速度参照値と、相対モード制御部８０３によるモータＲに対する加速度参照値は、変換部８１３において逆行列Ｔ-1を用いてモード空間からモータ空間への座標変換が施されて、第１のモータ５０３に対する加速度参照値及び第２のモータ５０５に対する加速度参照値として、実モータ加速度制御部８０１に与えられる。
　実モータ加速度制御部８０１は、変換部８１３を介して与えられた各加速度参照値に基づいて、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５を制御する。第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５には、位置応答を取得できるエンコーダ、並びに力応答を取得できる力センサがそれぞれ装備されている。
　第１のモータ５０３の位置ｘ1及び第２のモータ５０５の位置ｘ2は、変換部８１１において行列Ｔを用いてモータ空間からモード空間への座標変換が施され、得られたモータＣの位置ｘcが実モータ加速度制御部８０１から重心モード制御部８０２にフィードバックして、デバイス（可動部５０１）の加速度を制御するループを構成する。
　また、第１のモータ５０３の駆動によってワイヤ５０２に発生する弾性力ｆe1の推定値及び第２のモータ５０５の駆動によってワイヤ５０４に発生する弾性力ｆe2の推定値は、変換部８１２において行列Ｔを用いてモータ空間からモード空間への座標変換が施され、得られたモータＲによる弾性力ｆrの推定値が実モータ加速度制御部８０１から相対モード制御部８０３にフィードバックして、バネの張力が一定となるように制御するループを構成する。
Ｇ．モータ加速度制御系
　続いて、実モータ加速度制御部８０１について詳細に説明する。図９には、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の各々に適用可能な、モータ加速度制御系の制御ブロック図を示している。但し、同図中のｓはラプラス演算子である（以下、同様）。図示のように、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５のそれぞれに外乱オブザーバ（Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒ：ＤＯＢ）を実装して、ロバスト加速度制御を行うものとする。また、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の各々に印加される弾性力ｆe1、ｆe2を推定するために、反力推定オブザーバ（Ｒｅａｃｔｉｏｎ　Ｆｏｒｃｅ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒ：ＲＦＯＢ）も併せて実装する。
　外部から入力される加速度参照値に質量の公称値ｍnを掛けた弾性力ｆeに外乱ｆdisが加わった力が制御対象に作用して、位置ｘに変位する。外乱オブザーバ（ＤＯＢ）は、弾性力ｆeと制御対象の速度から、弾性力ｆeと外乱ｆdisを推定して、制御対象の入力へフィードバックする。また、反力推定オブザーバ（ＲＦＯＢ）は、弾性力ｆeと制御対象の速度からを推定して、外部に出力する。
Ｈ．重心モード加速度制御系
　続いて、重心モード制御部８０２について詳細に説明する。既に述べたように、重心モードは、モータＣにデバイス（可動部５０１）が結合している２質点系の物理モデルとして表すことができる。重心モード制御部８０２は、モータＣを駆動して、バネによる振動やバネの伸びなく、デバイス（可動部５０１）の加速度を制御することを制御目標とする。
　図１０には、重心モード制御部８０２の構成例を概念的に示している。重心モード制御部８０２は、制御対象１００１と、制御対象１００１内のモータＣの加速度を制御するデバイス加速度制御部１００２からなる。
　制御対象１００１は、図６に示した重心モードのパラレルワイヤ機構モデルに相当する２質点系の物理モデルであり、モータＣと、弾性係数が２Ｋsのバネと、デバイス（可動部５０１）からなる。デバイス加速度制御部１００２は、デバイス（可動部５０１）に対する任意の加速度参照値を入力して、重心モードにおけるモータＣに対する加速度参照値を与える。パラレルワイヤ機構がバイラテラル方式のマスタスレーブシステムに組み込まれている場合、デバイス（可動部５０１）に対する加速度参照値は、そのシステムから与えられる。
　第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５、並びに可動部５０１の（すなわち、実際の物理系の）運動方程式は、それぞれ上式（１）～（３）に示した通りである。これらの運動方程式をモード変換することによって（但し、外乱を無視する）、デバイス（可動部５０１）の運動方程式は上式（６）のように書き換えることができる。デバイス加速度制御部１００２は、上式（６）中の１行目の左辺にある、デバイスの加速度を制御することを目的とする。
　ここで、上式（６）の１行目の左辺は、いわゆるフックの法則における弾性力ｆtである。したがって、デバイス（可動部５０１）の加速度を任意に制御するには、２Ｋs（ｘc－ｘd）とモデリングされた弾性力ｆtを任意に制御すればよいことが分かる。そこで、上式（６）を、下式（１５）のように書き換える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　上式（１５）から、重心モードにおけるモータＣの位置ｘcと、デバイス（可動部５０１）の位置ｘdと、バネ定数の公称値Ｋsnを用いて弾性力ｆtを推定して、所望の弾性力ｆtを実現するフィードバック制御系を構成すればよいことが分かる。所望の弾性力ｆtを任意に制御することにより、ワイヤ５０２及びワイヤ５０４の振動と伸びを抑制した制御系を実現することができる。
　また、デバイス（可動部５０１）の外力以外の摩擦などによってバネ定数が公称値Ｋsnからずれるなどの外乱ｆd disが発生することが想定される。図１０に示す構成例では、各モータ５０３及び５０５と同様に、推定弾性力とデバイスの速度を用いた外乱オブザーバによって外乱ｆd disを補償することができる。
　そして、デバイス加速度制御部１００２は、推定弾性力とデバイスに作用する外乱ｆd disの推定値を考慮して、デバイス（可動部５０１）に対する任意の加速度参照値から重心モードにおけるモータＣの加速度参照値を算出して、制御対象１００１に出力する。重心モードにおけるモータＣについては、各モータに負荷外乱を補償する外乱オブザーバ（Ｌｏａｄ　ＤＯＢ）が実装されており、理想的な加速度制御が成立しているとして、図１０では２重積分で表現している。
　図１０を参照すると、制御対象１００１内では、デバイス加速度制御部１００２から与えられるモータＣの加速度参照値に基づいてモータＣが駆動し、モータＣは位置ｘcに変位する。この結果、デバイス（可動部５０１）には、バネ定数のバネ２Ｋsを介して弾性力ｆt（＝２Ｋs（ｘc－ｘd））と外乱ｆd disが作用し、デバイスの位置ｘdが変位する。デバイス加速度制御部１００２内では、デバイスに作用する弾性力は、バネ定数の公称値２Ｋsnを用いて推定される。外乱オブザーバ（ＤＯＢ）は、推定弾性力とデバイスの速度を用いて、デバイスに作用する外乱ｆd disを推定する。そして、推定弾性力制御部１００３が、推定弾性力とデバイスに作用する外乱ｆd disの推定値を考慮して、デバイス（可動部５０１）に対する任意の加速度参照値から重心モードにおけるモータＣの加速度参照値を算出して、制御対象１００１に出力する。
　なお、デバイス加速度制御部１００２の実質的な機能は、パーソナルコンピュータなどの一般的な計算機を用いて実装することができる。
Ｉ．相対モード張力制御系
　続いて、相対モード制御部８０３について説明する。既に述べたように、相対モードは、ある壁に一端が取り付けられたバネの他端を引っ張る物理モデルとして表すことができる（図７を参照のこと）。相対モード制御部８０３は、デバイス（可動部５０１）を一定の弾性力で引っ張ることを制御目標とする。
　図１１には、相対モード制御部８０３の構成例を概念的に示している。相対モード制御部８０３は、バネ定数２Ｋsのバネを含む制御対象１１０１と、制御対象１１０１内のバネの張力制御する張力制御器１１０２を備えている。そして、制御対象１１０１内でバネからモータＲに作用する弾性力ｆrを張力制御器１１０２にフィードバックすることにより、バネ定数２Ｋsのバネに対してある一定の張力指令値ｆr cmdに追従する張力ｆrの力制御系を構成している。また、モータＲに反力推定オブザーバ（ＲＦＯＢ）１１０３を実装しているため、それぞれの推定弾性力から相対モードの推定弾性力を、下式（１６）のように計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　張力制御器１１０２は、上式（１６）に示す推定張力から、相対モードにおけるモータＲの加速度参照値を算出する。
　図１１を参照すると、制御対象１１０１内では、張力制御部１１０２から与えられるモータＲの加速度参照値に基づいてモータＲが駆動し、モータＲは位置ｘrに変位する。この結果、バネ定数のバネ２Ｋsに弾性力ｆrが作用する。反力推定オブザーバ（ＲＦＯＢ）１１０３は、この弾性力ｆrを推定する。そして、張力制御部１１０２は、推定弾性力があらかじめ定められた張力ｆr cmdに追従するように、モータＲの加速度参照値を算出して、制御対象１１０１に出力する。
Ｊ．パラレルワイヤ制御系全体の動作
　再び図８を参照して、パラレルワイヤ制御系全体について説明する。上述したように、重心モード制御部８０２からは、デバイス（可動部５０１）が任意の加速度を実現するための、モータＣの加速度参照値が出力される。また、相対モード制御部８０３からは、モータＲによる弾性力ｆrが常に一定の値に収束するための、モータＲの加速度参照値が出力される。
　上式（１２）に基づいて、下式（１７）に示すように、モータＣ及びモータＲの各加速度参照値からなるモード空間を、逆行列Ｔ-1によって、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の各加速度参照値からなるモータ空間へと変換することができる。そして、実モータ制御部８０１は、得られた加速度目標値に従って、第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５の加速度の制御を実施する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　重心モード制御部８０２と相対モード制御部８０３は独立した制御系として構成されており、それぞれモータＣ及びモータＲの加速度参照値を独立に設定することができる。既に述べたように、モータ空間からモード空間へ座標変換するための変換行列Ｔは、上式（１４）に示した通り、１行目及び２行目の行ベクトル同士が直交しており、重心モードと相対モードは、干渉することなく、独立に制御系を構成することが可能である。したがって、実モータ制御部８０１は、上式（１７）によって座標変換して得られる各加速度参照値に基づいて第１のモータ５０３及び第２のモータ５０５を制御することによって、パラレルワイヤ制御系を干渉することなく、ワイヤの振動や伸びを抑制することができ、且つロバストなパラレルワイヤ制御を実現することができる訳である。
Ｋ．パラレルワイヤ機構を含んだマスタスレーブシステムのバイラテラル制御
　バイラテラル方式のマスタスレーブシステムに組み込まれるパラレルワイヤ機構の場合、そのパラレルワイヤ制御系（図８を参照のこと）に対してデバイス（可動部５０１）の所望の加速度参照値を与えるだけで、バイラテラル制御系と干渉することなく、パラレルワイヤ機構におけるワイヤの振動や伸びを抑制して、高精度なバイラテラル制御を実現することができる。
　図１２には、バイラテラル制御系のマスタスレーブシステムの制御ブロック図を示している。本実施形態では、マスタ装置のブロック内にパラレルワイヤ機構が存在し、且つ上記Ｃ項で説明したパラレルワイヤ制御系（図８を参照のこと）を適用することを想定している。図８に示したパラレルワイヤ制御系によれば、デバイス（可動部５０１）の加速度参照値を入力することで、ワイヤ５０２及びワイヤ５０４の張力を一定に保つことかができるとともに、ワイヤの振動や伸びを抑制することができる。
　マスタ装置にパラレルワイヤ機構を用いた場合、バイラテラル制御の制御目標は、以下の式（１８）及び（１９）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　上式（１８）及び（１９）において、ｆ∈Ｒn、ｘ∈Ｒnはそれぞれ力応答ベクトル、位置応答ベクトルである。但し、Ｒnはｎ次の実数空間である。また、下付の添え字ｄはマスタ装置に組み込まれたパラレルワイヤ機構の可動部５０１を示し、下付の添え字ｓはスレーブ装置を示す。上式（１８）は、マスタ装置とスレーブ装置間の力の作用反作用則に関する制御目標であり、可動部５０１（マスタ装置）とスレーブ装置の力の和をゼロにすること（和のモード）を意味する。また、上式（１９）は、マスタ装置とスレーブ装置間の位置の追従性に関する制御目標であり、可動部５０１（マスタ装置）とスレーブ装置の位置の差をゼロにすること（差のモード）を意味する。
　上式（１８）及び（１９）に示した２つの制御目標を同時に実現するために、下式（２２）に示すマスタ装置（パラレルワイヤ機構）及びスレーブ装置の力応答ベクトル及び位置応答ベクトルを、変換行列Ｔ∈Ｒn×nを用いて下式（２０）及び（２１）に従ってモード空間へと座標変換する。また、変換行列Ｔ∈Ｒn×nを下式（２２）に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　上式（２０）及び（２１）において、Ｆ∈Ｒn、Ｘ∈Ｒnはそれぞれモード空間の力応答ベクトル、位置応答ベクトルである。また、下付の添え字Ｃは和のモードを示し、下付の添え字Ｄは差のモードを示す。また、上式（２２）において、Ｉnはｎ次の単位行列である。
　図１２では、変換部１２１１がマスタ装置（パラレルワイヤ機構）及びスレーブ装置の力応答ベクトル（ｆd ext，ｆs ext）をモード空間へ座標変換し、和のモードの力応答ＦCを力制御器１２０１にフィードバックしている。また、変換部１２１２がマスタ装置（パラレルワイヤ機構）及びスレーブ装置の位置応答ベクトル（ｘd ext，ｘs ext）をモード空間へ変換し、差のモードの位置応答ＸDを位置制御器１２０２にフィードバックしている。
　このとき、バイラテラル制御の制御目標は、以下の式（２３）及び（２４）のように書き換えることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
　したがって、モード空間における力制御系及び位置制御系は、それぞれ以下の式（２５）及び（２６）に示す通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
　図１２では、力制御器１２０１が、フィードバックされた和のモードの力応答ＦCから、上式（２５）に従って、和のモードにおける加速度参照値を算出している。また、位置制御器１２０２が、フィードバックされた差のモードの位置応答ＸDから、上式（２６）に従って、差のモードにおける加速度参照値を算出している。
　下式（２７）に示すように、モード空間の加速度参照ベクトルを逆変換することで、マスタ装置及びスレーブ装置それぞれの加速度参照ベクトルを得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
　図１２では、力制御器１２０１による加速度参照値及び位置制御器１２０２による加速度参照値からなる加速度参照ベクトルを、逆変換部１２１３によって、可動部５０１に対する加速度参照値とスレーブ装置に対する加速度参照値からなる加速度参照ベクトルに、逆の座標変換を行なう。そして、得られた各加速度参照値は、それぞれマスタ装置及びスレーブ装置に入力される。マスタ装置に入力される加速度参照値は、図８に示したパラレルワイヤ制御系内の重心モード制御部８０２に与えられる加速度参照値となる。重心モード制御部８０２は、モータＣを駆動して、バネによる振動やバネの伸びを抑制しながら、可動部５０１を加速度に基づいて制御する。その際、重心モード制御部８０２は、可動部５０１の加速度がこの加速度参照値となることを制御目標として、
　パラレルワイヤ機構を含むマスタ装置及びスレーブ装置ともに外乱オブザーバを適用したロバスト加速度制御を行うので、高精度なバイラテラル制御を実現することができる。
　なお、本明細書ではマスタ装置のブロック内にパラレルワイヤ機構が含まれる実施形態を中心に説明してきたが、スレーブ装置のブロック内にパラレルワイヤ機構が存在する場合や、マスタ装置及びスレーブ装置の双方にパラレルワイヤ機構が含まれる場合も同様に、上記Ｃ項で説明したパラレルワイヤ制御系を適用することができる。
Ｌ．効果
　最後に、本明細書で開示する技術の効果についてまとめておく。
　本明細書で開示する技術によれば、パラレルワイヤ機構を有するマスタ装置又はスレーブ装置の一方又は両方で、高精度なバイラテラル制御を実現することができる。
　本明細書で開示する技術によれば、パラレルワイヤ機構の可動部を小型且つ軽量にしたまま、ワイヤの長さを任意に設定することで、広い可動範囲を実現することが可能となる。これにより、バイラテラル方式のマスタスレーブシステムにおいて、優れた操作性を実現することができる。
　本明細書で開示する技術によれば、パラレルワイヤ機構のワイヤ特有の振動現象と伸びを抑制することができる。特に、医療用途では高精度な位置決め性能が求められるが、本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ機構によれば、ワイヤの振動及び伸びを抑制することができるので、高精度な位置決め性能を実現することが可能である。
　本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ制御系は、加速度レベルで制御を行い、ワイヤの振動や伸びの抑制と、ワイヤの一定張力制御とを、同時に且つそれぞれの制御目標に干渉することなく実現することができる。
　本明細書で開示する技術を適用したパラレルワイヤ機構は、高精度な位置決め性能が求められるバイラテラル制御系に適用することができ、医療を始めさまざまな産業分野のマスタスレーブシステムで了することができる。
　以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
　本明細書で開示する技術は、主にパラレルワイヤを利用したマスタスレーブシステムに適用することができる。特に、本明細書で開示する技術をバイラテラル方式のマスタスレーブシステムに適用した際に、バイラテラル制御と、ワイヤの伸び及び振動の抑制とを、同時に且つ非干渉に実現することができる。
　要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
　なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ装置の制御装置であって、
　前記ワイヤの伸び及び振動を抑制して前記可動部の力及び位置を加速度に基づいて制御する、制御装置。
（１－１）前記ワイヤの伸び及び振動を抑制しながら、前記可動部の力及び位置を制御する、
上記（１）に記載の制御装置。
（２）対向する一対のモータで前記可動部をワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、前記制御系から得られる加速度参照値に基づいて前記一対のモータを制御する、
上記（１）に記載の制御装置。
（３）前記制御系は、前記可動部が所望の加速度となるようにモータＣを制御する重心モードと、前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるようにモータＲを制御する相対モードからなり、前記モータＣ及び前記モータＲに対する加速度参照値に基づいて前記一対のモータの加速度制御を実施する、
上記（２）に記載の制御装置。
（４）前記重心モードは、前記モータＣと前記可動部がばねで接続された２質点系の物理モデルからなる、
上記（３）に記載の制御装置。
（５）前記モータＣの運動学は、前記一対のモータの重心運動として表される、
上記（３）又は（４）のいずれかに記載の制御装置。
（６）前記相対モードは、前記モータＲがばねを前記一対のモータの発生力の合力で牽引する物理モデルからなる、
上記（３）乃至（５）のいずれかに記載の制御装置。
（７）前記モータＲの運動学は、前記一対のモータの相対運動として表される、
上記（３）乃至（６）のいずれかに記載の制御装置。
（８）前記可動部が所望の加速度となるように決定された前記モータＣの加速度参照値と前記弾性力が一定となるように決定された前記モータＲの加速度参照値を座標変換して、前記一対のモータの加速度参照値を得る、
上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の制御装置。
（９）前記一対のモータはそれぞれ外乱オブザーバを実装する、
上記（２）乃至（８）のいずれかに記載の制御装置。
（１０）前記一対のモータはそれぞれ反力推定オブザーバを実装する、
上記（２）乃至（９）のいずれかに記載の制御装置。
（１１）前記制御系は、前記重心モードにおいて、前記モータＣから前記可動部に作用する推定弾性力を制御して、前記ワイヤの伸び及び振動を抑制する、
上記（３）乃至（１０）のいずれかに記載の制御装置。
（１２）前記制御系は、前記重心モードにおいて、前記モータＣから前記可動部に作用する推定弾性力と前記可動部の速度に基づいて前記可動部の外乱を推定する外乱オブザーバを備え、前記推定弾性力と前記推定された外乱を考慮して、前記可動部の所望の加速度から前記モータＣの加速度参照値を求める、
上記（１１）に記載の制御装置。
（１３）前記制御系は、前記相対モードにおいて、前記ワイヤに所定の張力が作用するように前記モータＲを制御する、
上記（３）乃至（１２）のいずれかに記載の制御装置。
（１４）前記制御系は、前記相対モードにおいて、前記モータＲによって前記ワイヤに作用する弾性力を推定する反力推定オブザーバを備え、所定の張力と前記推定された弾性力に基づいて前記モータＲの加速度参照値を求める、
上記（１３）に記載の制御装置。
（１５）前記制御系における前記モータＣ及び前記モータＲの加速度参照値からなるモード空間を座標変換して、前記一対のモータの加速度参照値を得る、
上記（３）乃至（１４）のいずれかに記載の制御装置。
（１６）モータ空間における前記一対のモータの位置をモード空間に座標変換して、算出された前記モータＣの位置を前記制御系の重心モードにフィードバックし、
　モータ空間における前記一対のモータの発生力をモード空間に座標変換して、算出されたモータＲの推定弾性力を前記制御系の相対モードにフィードバックする、
上記（１５）に記載の制御装置。
（１７）可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ装置の制御方法であって、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、
　前記可動部が所望の加速度となるように重心モードのモータＣを制御するステップと、
　前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるように相対モードのモータＲを制御するステップと、
　前記モータＣ及び前記モータＲに対する加速度参照値に基づいて前記一対のモータの加速度制御を実施するステップと、
を有する制御方法。
（１８）マスタ装置又はスレーブ装置の少なくとも一方が、可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ機構を含み、
　前記可動部の力及び位置を加速度に基づいて制御する制御装置を含む、
マスタスレーブシステム。
（１８－１）前記ワイヤの伸び及び振動を抑制しながら、前記可動部の力及び位置を制御する、
上記（１８）に記載のマスタスレーブシステム。
（１９）前記制御装置は、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、前記制御系から得られる加速度参照値に基づいて前記一対のモータを制御する、
上記（１８）に記載のマスタスレーブシステム。
（２０）前記制御系は、前記可動部が所望の加速度となるようにモータＣを制御する重心モードと、前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるようにモータＲを制御する相対モードからなり、前記モータＣ及び前記モータＲに対する加速度参照値に基づいて前記一対のモータの加速度制御を実施する、
上記（１９）に記載のマスタスレーブシステム。
（２０－１）前記モータＣの運動学は、前記一対のモータの重心運動として表され、前記モータＲの運動学は、前記一対のモータの相対運動として表される、
上記（２０）に記載のマスタスレーブシステム。
（２１）前記制御系は、前記重心モードにおいて、前記モータＣから前記可動部に作用する推定弾性力を制御して、前記ワイヤの伸び及び振動を抑制する、
上記（２０）に記載のマスタスレーブシステム。
（２２）前記制御系は、前記重心モードにおいて、前記モータＣから前記可動部に作用する推定弾性力と前記可動部の速度に基づいて前記可動部の外乱を推定する外乱オブザーバを備え、前記推定弾性力と前記推定された外乱を考慮して、前記可動部の所望の加速度から前記モータＣの加速度参照値を求める、
上記（２１）に記載のマスタスレーブシステム。
（２３）前記制御系は、前記相対モードにおいて、前記ワイヤに所定の張力が作用するように前記モータＲを制御する、
上記（２０）に記載のマスタスレーブシステム。
（２４）前記制御系は、前記相対モードにおいて、前記モータＲによって前記ワイヤに作用する弾性力を推定する反力推定オブザーバを備え、所定の張力と前記推定された弾性力に基づいて前記モータＲの加速度参照値を求める、
上記（２４）に記載のマスタスレーブシステム。
　１…マスタスレーブシステム
　１０…マスタ装置、１１…入力部、１２…力提示部
　２０…スレーブ装置、２１…駆動部、２２…状態検出部
　３０…制御システム
　１００…パラレルワイヤ装置、１０１～１０６…ワイヤ
　１１０…可動部、１２０…回転可動部
　１３１～１３６…リニアアクチュエータ
　１４１～１４８…方向変換プーリ
　５００…１自由度モデル、５０２…ワイヤ、５０３…第１のモータ
　５０４…ワイヤ、５０５…第２のモータ
　８０１…実モータ加速度制御部、８０２…重心モード制御部
　８０３…相対モード制御部
　１００１…制御対象、１００２…デバイス加速度制御部
　１００３…推定弾性力制御部
　１１０１…制御対象、１１０２…張力制御部
　１１０３…反力推定オブザーバ（ＦＲＯＢ）
　１２０１…加速度制御器、１２０２…位置制御器

Claims (20)

  1. 　可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ装置の制御装置であって、
    　前記可動部の力及び位置を加速度に基づいて制御する、制御装置。
  2. 　対向する一対のモータで前記可動部をワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、前記制御系から得られる加速度参照値に基づいて前記一対のモータを制御する、
    請求項１に記載の制御装置。
  3. 　前記制御系は、前記可動部が所望の加速度となるようにモータＣを制御する重心モードと、前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるようにモータＲを制御する相対モードからなり、前記モータＣ及び前記モータＲに対する加速度参照値に基づいて前記一対のモータの加速度制御を実施する、
    請求項２に記載の制御装置。
  4. 　前記重心モードは、前記モータＣと前記可動部がばねで接続された２質点系の物理モデルからなる、
    請求項３に記載の制御装置。
  5. 　前記モータＣの運動学は、前記一対のモータの重心運動として表される、
    請求項３に記載の制御装置。
  6. 　前記相対モードは、前記モータＲがばねを前記一対のモータの発生力の合力で牽引する物理モデルからなる、
    請求項３に記載の制御装置。
  7. 　前記モータＲの運動学は、前記一対のモータの相対運動として表される、
    請求項３に記載の制御装置。
  8. 　前記可動部が所望の加速度となるように決定された前記モータＣの加速度参照値と前記弾性力が一定となるように決定された前記モータＲの加速度参照値を座標変換して、前記一対のモータの加速度参照値を得る、
    請求項３に記載の制御装置。
  9. 　前記一対のモータはそれぞれ外乱オブザーバを実装する、
    請求項２に記載の制御装置。
  10. 　前記一対のモータはそれぞれ反力推定オブザーバを実装する、
    請求項２に記載の制御装置。
  11. 　前記制御系は、前記重心モードにおいて、前記モータＣから前記可動部に作用する推定弾性力を制御して、前記ワイヤの伸び及び振動を抑制する、
    請求項３に記載の制御装置。
  12. 　前記制御系は、前記重心モードにおいて、前記モータＣから前記可動部に作用する推定弾性力と前記可動部の速度に基づいて前記可動部の外乱を推定する外乱オブザーバを備え、前記推定弾性力と前記推定された外乱を考慮して、前記可動部の所望の加速度から前記モータＣの加速度参照値を求める、
    請求項１１に記載の制御装置。
  13. 　前記制御系は、前記相対モードにおいて、前記ワイヤに所定の張力が作用するように前記モータＲを制御する、
    請求項３に記載の制御装置。
  14. 　前記制御系は、前記相対モードにおいて、前記モータＲによって前記ワイヤに作用する弾性力を推定する反力推定オブザーバを備え、所定の張力と前記推定された弾性力に基づいて前記モータＲの加速度参照値を求める、
    請求項１３に記載の制御装置。
  15. 　前記制御系における前記モータＣ及び前記モータＲの加速度参照値からなるモード空間を座標変換して、前記一対のモータの加速度参照値を得る、
    請求項３に記載の制御装置。
  16. 　モータ空間における前記一対のモータの位置をモード空間に座標変換して、算出された前記モータＣの位置を前記制御系の重心モードにフィードバックし、
    　モータ空間における前記一対のモータの発生力をモード空間に座標変換して、算出されたモータＲの推定弾性力を前記制御系の相対モードにフィードバックする、
    請求項１５に記載の制御装置。
  17. 　可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ装置の制御方法であって、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、
    　前記可動部が所望の加速度となるように重心モードのモータＣを制御するステップと、
    　前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるように相対モードのモータＲを制御するステップと、
    　前記モータＣ及び前記モータＲに対する加速度参照値に基づいて前記一対のモータの加速度制御を実施するステップと、
    を有する制御方法。
  18. 　マスタ装置又はスレーブ装置の少なくとも一方が、可動部を複数のワイヤで牽引するパラレルワイヤ機構を含み、
    　前記可動部の力及び位置を加速度に基づいて制御する制御装置を含む、
    マスタスレーブシステム。
  19. 　前記制御装置は、前記可動部を対向する一対のモータでワイヤ駆動する制御モデルにおける加速度応答とワイヤの張力をそれぞれ独立に制御する制御系を構成して、前記制御系から得られる加速度参照値に基づいて前記一対のモータを制御する、
    請求項１８に記載のマスタスレーブシステム。
  20. 　前記制御系は、前記可動部が所望の加速度となるようにモータＣを制御する重心モードと、前記ワイヤに作用する弾性力が一定となるようにモータＲを制御する相対モードからなり、前記モータＣ及び前記モータＲに対する加速度参照値に基づいて前記一対のモータの加速度制御を実施する、
    請求項１９に記載のマスタスレーブシステム。
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