WO2023162628A1 - 操作システムおよび操作システムの制御方法 - Google Patents

操作システムおよび操作システムの制御方法 Download PDF

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WO2023162628A1
WO2023162628A1 PCT/JP2023/003504 JP2023003504W WO2023162628A1 WO 2023162628 A1 WO2023162628 A1 WO 2023162628A1 JP 2023003504 W JP2023003504 W JP 2023003504W WO 2023162628 A1 WO2023162628 A1 WO 2023162628A1
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WO
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reaction force
wire
bendable
unit
actuator
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PCT/JP2023/003504
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English (en)
French (fr)
Inventor
光晴 江澤
Original Assignee
キヤノン株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/005—Flexible endoscopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B25J18/06—Arms flexible
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes

Definitions

  • the present disclosure relates to an operating system and a control method for the operating system.
  • a continuum robot also called a continuum robot, has a bendable part with a flexible structure, and its shape is controlled by deforming the bendable part.
  • This continuum robot has two main advantages over a robot composed of rigid links (hereinafter referred to as a "rigid link robot").
  • the first advantage is that a continuum robot can move along the curve of an object by simply manipulating its tip in a narrow space or in an environment with scattered objects that a rigid link robot would get stuck in. This is the point.
  • a second advantage is that continuum robots are inherently soft and can be manipulated without damaging fragile objects, especially in open spaces.
  • continuum robots are expected to be applied to medical fields such as endoscope sheaths and catheters, and extreme work robots such as rescue robots.
  • Methods of driving this continuous robot include a tendon drive, a wire that can be pushed and pulled, and a pneumatic actuator.
  • Patent Literature 1 discloses a method of operating a robot by displaying an endoscopic image and an angiographic image of a blood vessel and an endoscope on a monitor.
  • Patent Document 2 discloses a method of combining and simultaneously displaying an endoscopic image and a CT image of a cross section intersecting the axis thereof using CT information.
  • An object of the present disclosure is to improve the recognizability of the reaction force of the bending motion based on the operation of the bending motion of the bendable portion.
  • the operation system is driven by a wire and includes at least one or more bendable sections capable of bending, an operation section capable of operating the bending motion of the bendable sections, and depending on the operation state of the operation section, the It has a first actuator that drives a wire and a notification unit that notifies a reaction force based on the tension of the wire.
  • FIG. 5 is a diagram showing a characteristic example of a reaction force gain based on a bending angle; It is a figure which shows the structural example of a continuum robot. It is a figure which shows the structural example of the operation system of a continuum robot. It is a figure which shows the structural example of the operation system of a continuum robot.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a continuous body robot 100a according to the first embodiment.
  • the continuum robot 100a has a bendable part 20 that bends the distal part, and a driving part 10 that drives the continuum robot 100a.
  • a wire 111 and a wire 112 are connected to the fixing part 121 and the fixing part 122 at the distal end 160 of the bendable part 20, respectively.
  • the bendable portion 20 also has wire guides 161 to 164 that are members for guiding the wires 111 and 112 .
  • a continuous member such as a bellows shape or a mesh shape may be used in addition to the method of discretely arranging a plurality of members.
  • Wire guides 161-164 are fixed to wire 112 at fixing portions 150-154.
  • the drive section 10 has a robot base section 140 , a wire gripping mechanism 171 that supports the wire gripping pipe 131 , and an actuator 180 . Also, the wire gripping mechanism 171 is connected to the movable portion 181 of the actuator 180 via the wire tension detecting portion 182 and is movable forward and backward.
  • the drive unit 10 has position detection means such as an encoder for detecting the position of the movable portion 181 of the actuator 180 (not shown).
  • the bendable portion 20 can be detached and replaced with respect to the driving portion 10 via the connecting portion 190 .
  • the proximal end of the wire 111 of the bendable part 20 is connected to the wire gripping pipe 131 in the robot base part 140 .
  • the connection positions of the wire 111 and the wire gripping mechanism 171 may be shifted.
  • the connection portion 190 converts the position of the wire 111 to match the position of the wire gripping mechanism 171 and connects.
  • Wire tension detector 182 detects the tension of wire 111 .
  • the drive method of the actuator 180 is not limited, it is preferably a linear motor. Further, when a linear motor is used for the actuator 180, an estimating unit that estimates the tension of the wire 111 by a disturbance observer using a control model based on the current value of the linear motor is provided instead of the wire tension detecting unit 182. may
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of an operating system 500 for the continuous robot 100a according to the first embodiment.
  • the operating system 500 of the continuum robot 100a has an input device 300, a coordinate transformation unit 200 of the continuum robot 100a, and an actuator control unit 220, and controls the dynamic model 230 of the continuum robot 100a in FIG. A method of controlling the operating system 500 will be described below.
  • the input device 300 has an analog stick 310 , a tilt angle detector 320 of the analog stick 310 , a reaction force actuator 321 that applies a reaction force to the analog stick 310 , a curved trajectory calculator 330 , and a reaction force calculator 331 .
  • the operator operates the bending angle or bending speed of the bendable portion 20 of the continuous body robot 100 a by the magnitude of the tilt angle ⁇ S of the analog stick 310 .
  • the tilt angle detector 320 detects the tilt angle ⁇ S of the analog stick 310 .
  • the bending trajectory calculator 330 calculates a bending angle trajectory command Ref ⁇ based on the tilt angle ⁇ S detected by the tilt angle detector 320 .
  • the coordinate transformation unit 200 of the continuum robot has a kinematics computation unit 210 , an inverse kinematics computation unit 211 , and a force coordinate transformation computation unit 212 .
  • the kinematics calculation unit 210 converts the bending angle trajectory command Ref ⁇ calculated by the bending trajectory calculation unit 330 into a position command Ref Z of the movable part 181 of the actuator 180 in FIG. is output to the actuator control unit 220 .
  • the operation system 500 feeds back the position Z of the movable part 181 and the tension F of the wire 111 acquired from the dynamic model 230 of the continuous robot 100 a to the actuator control part 220 .
  • the actuator control section 220 performs position control calculation or force control calculation based on the position Z of the movable section 181, the tension F of the wire 111, and the position command Ref Z. Then, the actuator control section 220 outputs the control calculation result (torque command T) to the actuator 180 of the continuous body robot 100a to bend the bendable section 20 of the continuous body robot 100a.
  • the inverse kinematics calculation unit 211 converts the position Z of the movable part 181 into the bending angle ⁇ of the bendable part 20 and feeds back the bending angle ⁇ to the reaction force calculation unit 331 of the input device 300 .
  • the force coordinate conversion calculation unit 212 converts the tension F of the wire 111 in the coordinate system of the continuum robot 100 a into the reaction force FR in the coordinate system of the input device 300 , and converts the reaction force FR into the reaction force of the input device 300 . It feeds back to the calculation unit 331 .
  • the reaction force calculation unit 331 multiplies the reaction force FR by a predetermined reaction force gain g based on the feedback bending angle ⁇ of the bendable portion 20 , drives the reaction force actuator 321 , and operates the analog stick 310 . Transmits the reaction force to the operator.
  • FIG. 3 is a graph showing a characteristic example of the reaction force gain g based on the bending angle ⁇ . If the bending angle ⁇ of the bendable portion 20 is too large, the bendable portion 20 may be damaged. Therefore, the movable section 400 and the movable restricted section 401 are set at the bending angle ⁇ , and when the movable section 400 enters the movable restricted section 401, the reaction force gain g is increased to notify the operator that the movable restricted section 401 has been entered. tell to As shown in FIG.
  • the sensitivity of the external force applied when the bendable portion 20 comes into contact with the inner wall or the like may be adjusted by shifting the magnitude of the reaction force gain g for the entire section of the bending angle ⁇ .
  • the reaction force gain g is doubled to increase the sensitivity of the reaction force transmitted to the analog stick 310 when the bendable portion 20 receives an external force from the soft inner wall. good too.
  • the reaction force gain g is constant, as the bending angle ⁇ of the bendable portion 20 increases, the tension F of the wire 111 also increases, and the external force is conveyed to the operator as if it were increased. Therefore, the bendable portion 20 is bent in a no-load state where there is no external force, a table of reaction force due to the rigidity of the bendable portion 20 is created for each bending angle ⁇ , and external force correction is performed by subtracting from the reaction force FR . is desirable. Thereby, the reaction force due to the rigidity of the bendable portion 20 may be removed, and only the external force applied to the bendable portion 20 may be easily transmitted to the analog stick 310 .
  • the above-described external force correction in the no-load state is performed to eliminate the individual machine difference of the bendable portion 20, and the External force can be transmitted with high precision.
  • reaction force FR By passing the reaction force FR through a frequency filter, the reaction force of a specific frequency may be emphasized or attenuated, and the sensitivity with which the external force applied to the bendable portion 20 is transmitted to the analog stick 310 may be adjusted.
  • analog stick 310 is shown as a tiltable rod-shaped example, but it may be a slide type or a rotatable dial type.
  • the continuous robot 100a has at least one or more bendable bendable parts 20 that are driven by the wires 111.
  • the analog stick 310 is an operation unit, and can operate the bending motion of the bendable portion 20 .
  • Actuator 180 drives wire 111 according to the operating state of analog stick 310 .
  • the reaction force actuator 321 is an example of a notification unit that notifies the reaction force based on the tension of the wire 111 .
  • the reaction force actuator 321 applies a reaction force or vibration based on the tension F of the wire 111 to the analog stick 310 .
  • the wire tension detector 182 detects the tension F of the wire 111 .
  • Actuator 180 is, for example, a linear motor.
  • the driving section 10 may be provided with an estimating section for estimating the tension of the wire 111 based on the current value of the linear motor instead of the wire tension detecting section 182 .
  • the inverse kinematics calculator 211 calculates the bending angle ⁇ of the bendable portion 20 based on the position Z of the movable portion 181 of the actuator 180 .
  • the force coordinate conversion calculator 212 calculates the reaction force FR of the analog stick 310 based on the tension F of the wire 111 .
  • the reaction force calculator 331 calculates the reaction force to be output to the reaction force actuator 321 based on the bending angle ⁇ and the reaction force FR of the analog stick 310 . Specifically, the reaction force calculation unit 331 multiplies the reaction force FR of the analog stick 310 by a reaction force gain g based on the bending angle ⁇ to calculate the reaction force to be output to the reaction force actuator 321. do.
  • the bending trajectory calculation unit 330 calculates a bending angle trajectory command Ref ⁇ of the bendable portion 20 based on the tilt angle ⁇ S of the analog stick 310 .
  • the kinematics calculation unit 210 calculates a position command Ref Z of the movable part 181 of the actuator 180 based on the trajectory command Ref ⁇ .
  • Actuator control section 220 is a computing section, and computes torque command T based on position command Ref Z , position Z of movable portion 181 of actuator 180 , and tension F of wire 111 .
  • Actuator 180 drives wire 111 based on torque command T.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a continuous body robot 100b according to the second embodiment.
  • the continuum robot 100b in FIG. 4 is capable of turning the bendable portion in addition to the bending operation of the bendable portion compared to the continuum robot 100a in FIG.
  • Wires 1011 to 1013 are connected to fixed parts 1021 to 1023 at the distal end 1060 of the bendable part 1100 of the continuous body robot 100b.
  • Wire gripping pipes 1031-1033 are connected to the proximal ends of the wires 1011-1013.
  • a wire gripping mechanism (not shown in FIG. 4) and an actuator (not shown in FIG. 4) are installed on the robot base 1040 for each of the wires 1011 to 1013, as in the first embodiment. .
  • the wire gripping mechanism is connected to the actuator via a wire gripping mechanism base (not shown in FIG. 4) and is movable up and down.
  • the wire gripping pipes 1031 to 1033 are connected to a wire gripping mechanism, and pushed and pulled by an actuator to control the attitude of the bendable portion 1100 .
  • the continuum robot 100b has wire guides 1061-1064 which are members for guiding the wires 1011-1013.
  • a continuous member such as a bellows shape or a mesh shape may be used instead of the method of discretely arranging a plurality of members.
  • Wire guides 1061-1064 are fixed to wire 1011 at fixing portions 1050-1053. Note that the intervals between the wires 1011 to 1013 and the intervals between the wire gripping pipes 1031 to 1033 may be different. In that case, the diameter conversion section 1190 should be connected to the robot base section 1040 .
  • the central axis of the continuous robot 100b is indicated by a dashed line.
  • a mechanism consisting of wires 1011 to 1013 and wire guides 1061 to 1064 is referred to as a bendable section 1100, which is a continuous section.
  • An actuator unit (not shown) that includes a rotation motor and a rotation-to-linear motion converting mechanism is used.
  • the wire gripping mechanism has the function of detecting the tension of the wire.
  • the wire gripping mechanism base described above is provided between the wire gripping mechanism and the actuator, the wire gripping mechanism base is connected to the actuator, and the wire gripping mechanism base and the wire gripping mechanism are connected by a spring. .
  • Bend angle ⁇ 1 is the bend angle of the distal end of bendable portion 1100 .
  • Pivot angle ⁇ 1 is the pivot angle of the bendable portion 1100 distal end.
  • Drive displacements l p1a , l p1b , and l p1c are drive displacements of wires 1011 to 1013, respectively.
  • the tensions F a , F b , and F c are the tensions of the wires 1011-1013, respectively.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of an operating system 5000 for the continuous robot 100b according to the second embodiment.
  • the operating system 5000 of the continuum robot 100b has an input device 3000, a continuum robot coordinate transformation unit 2000, and an actuator control unit 2200, and controls a dynamic model 2300 of the continuum robot 100b.
  • the actuator control section 2200 has actuator control sections 2200a to 2200c.
  • Dynamic model 2300 has dynamic models 2300a-2300c.
  • the input device 3000 has an analog stick 3100, a tilt angle detector 3200 of the analog stick 3100, and a reaction force actuator 3210 that applies a reaction force to the analog stick 3100, similar to the input device 300 of FIG.
  • the input device 3000 also has a curved trajectory calculator 3300 and a reaction force calculator 3310, like the input device 300 in FIG.
  • the input device 3000 has an analog stick 3101 that operates turning, a tilt angle detector 3201 of the analog stick 3101 that operates turning, and a reaction force actuator 3211 that applies a reaction force to the analog stick 3101 .
  • the input device 3000 also has a turning trajectory calculator 3301 .
  • the operator operates the bending angle or bending speed of the bendable portion 1100 of the continuous robot 100b by the magnitude of the tilt angle ⁇ S of the analog stick 3100 . Also, the operator operates the turning angle or turning speed of the bendable portion 1100 of the continuous body robot 100b with the magnitude of the tilt angle ⁇ S of the analog stick 3101 .
  • the tilt angle detector 3200 detects the tilt angle ⁇ S of the analog stick 3100 .
  • a tilt angle detector 3201 detects a tilt angle ⁇ S of the analog stick 3101 .
  • the bending trajectory calculation unit 3300 calculates a bending angle trajectory command Ref ⁇ of the bendable portion 1100 based on the tilt angle ⁇ S of the analog stick 3100 .
  • the turning trajectory calculation unit 3301 calculates a turning angle trajectory command Ref ⁇ of the bendable part 1100 based on the tilt angle ⁇ S of the analog stick 3101 .
  • the coordinate transformation unit 2000 of the continuum robot has a kinematics computation unit 2100, an inverse kinematics computation unit 2110, and a force coordinate transformation computation unit 2120, similar to the coordinate transformation unit 200 in FIG.
  • the kinematics calculator 2100 calculates the position commands Ref la and Ref of the three actuators of the continuous robot 100b. Compute lb and Ref lc .
  • the operation system 5000 outputs wire driving displacements l p1a , l p1b , and l p1c acquired from the dynamic models 2300a to 2300c of the continuous robot 100b and wire tensions F a , F b , and F c to the actuator control units 2200a to 2200a. 2200c.
  • the actuator control unit 2200a performs position control calculation or force control calculation based on the driving displacement lp1a of the wire 1011, the tension Fa of the wire 1011, and the position command Refla . Actuator control section 2200 a then outputs the control calculation result (torque command T a ) to the actuator of wire 1011 .
  • Actuator control section 2200b performs position control calculation or force control calculation based on drive displacement lp1b of wire 1012, tension Fb of wire 1012, and position command Ref lb. Actuator control section 2200 b then outputs the control calculation result (torque command T b ) to the actuator of wire 1012 .
  • the actuator control unit 2200c performs position control calculation or force control calculation based on the driving displacement l p1c of the wire 1013, the tension Fc of the wire 1013, and the position command Ref lc .
  • Actuator control section 2200 c then outputs the control calculation result (torque command T c ) to the actuator of wire 1013 .
  • the actuator control units 2200a to 2200c bend and turn the bendable portion 1100 of the continuous body robot 100b according to the torque commands T a to T c .
  • the inverse kinematics calculation unit 2110 converts the driving displacements l p1a , l p1b , and l p1c into the bending angle ⁇ 1 of the bendable portion 1100 and feeds back the bending angle ⁇ 1 to the reaction force calculation unit 3310 of the input device 3000 .
  • the force coordinate conversion calculation unit 2120 converts the tensions F a , F b , and F c of the wires 1011 to 1013 in the coordinate system of the continuum robot 100 b into reaction forces F R ⁇ and F R ⁇ in the coordinate system of the input device 3000 . Then, force coordinate conversion calculation section 2120 feeds back the reaction forces F R ⁇ and F R ⁇ to reaction force calculation section 3310 of input device 3000 .
  • the reaction force calculation unit 3310 multiplies the reaction forces F R ⁇ and F R ⁇ by predetermined reaction force gains g ⁇ and g ⁇ to obtain the reaction force actuators 3210 and 3211 drive.
  • the reaction force actuator 3210 transmits the bending reaction force to the operator who operates the analog stick 3100 .
  • the reaction force actuator 3211 transmits the reaction force of turning to the operator who operates the analog stick 3101 .
  • the reaction force actuator 3210 transmits the external force applied in the bending direction of the bendable portion 1100 to the analog stick 3100 .
  • the reaction force actuator 3211 transmits an external force applied in the turning direction of the bendable portion 1100 to the analog stick 3101 .
  • the analog sticks 3100 and 3101 may be composed of one analog stick that can be tilted on two axes.
  • the bendable section 1100 is driven by a plurality of wires 1011 to 1013 and is capable of bending and turning.
  • the analog sticks 3100 and 3101 may be one operation section that can be tilted on two axes, and can operate bending and turning operations of the bendable section 1100 .
  • the actuators of the wires 1011 to 1013 drive the plurality of wires 1011 to 1013 according to the operating state of the bending motion of the analog stick 3100 and the operating state of the turning motion of the analog stick 3101 .
  • Reaction force actuators 3210 and 3211 are examples of notification units that notify reaction forces based on tensions F a , F b , and F c of multiple wires 1011 to 1013 .
  • the analog stick 3100 is an example of an operation unit that can operate the bending motion of the bendable portion 1100 .
  • the analog stick 3101 is an example of an operation unit that can operate the turning motion of the bendable portion 1100 .
  • the reaction force actuators 3210 and 3211 are applied to the reaction forces of the bending motion based on the tensions F a , F b , and F c of the plurality of wires 1011 to 1013 and the tensions F a , F b , and F c of the plurality of wires 1011 to 1013. Notifies the reaction force of the turning motion based on
  • the reaction force actuator 3210 gives the analog stick 3100 reaction force or vibration for bending motion based on the tensions F a , F b , and F c of the plurality of wires 1011 to 1013 .
  • the reaction force actuator 3211 gives the analog stick 3101 a reaction force or vibration for turning motion based on the tensions F a , F b , and F c of the plurality of wires 1011 to 1013 .
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of an operating system 6000 for the continuous robot 100c according to the third embodiment.
  • the operating system 6000 is capable of bending operations of the bendable sections 4010a-4010c and turning operations of the bendable sections 4010a-4010c.
  • the operating system 6000 of the continuum robot 100c includes the continuum robot 100c, a continuum robot control device 4000, an operation control section 4100, a controller 4110, and a display monitor 4200.
  • the operation control unit 4100 and the continuum robot control device 4000 are connected by a LAN cable 4101 .
  • the continuum robot 100c has three bendable parts 4010a, 4010b, and 4010c. Further, the continuous body robot 100c has three actuators (not shown in FIG. 6) for each of the bendable parts 4010a, 4010b, and 4010c, for a total of nine actuators. Therefore, the bendable portions 4010a, 4010b, and 4010c can independently perform a bending motion 4020 and a turning motion 4021, respectively.
  • the continuum robot 100c is attached to an insertion actuator 4030 for performing forward and backward movement 4023 of the continuum robot 100c as a whole.
  • a drive method of the insertion actuator 4030 is not limited.
  • the insertion actuator 4030 uses, for example, a linear motor, manually inserts the continuum robot 100c in the servo-off state until it reaches the vicinity of the target point, and can be inserted from the vicinity of the target point while controlling the detailed position.
  • the continuum robot control device 4000 controls nine actuators that perform the bending motion 4020 and the turning motion 4021 of the continuum robot 100c, and one insertion actuator 4030 that performs forward/backward movement 4023 of the continuum robot 100c. do.
  • the continuum robot control device 4000 also has a disturbance observer using a control model of the continuum robot 100c. presume. Further, the continuum robot control device 4000 has the kinematics calculation unit 2100, the inverse kinematics calculation unit 2110, and the force coordinate conversion calculation unit 2120 (not shown in FIG. 6) described in the second embodiment. Further, the continuum robot 100c has a camera and a light source (not shown in FIG. 6). The continuum robot controller 4000 also controls its cameras and light sources.
  • the operation control unit 4100 is connected to the controller 4110 directly operated by the operator, the continuum robot control device 4000, and the display monitor 4200, and inputs and outputs to each of them.
  • the operation control unit 4100 has the curved trajectory calculation unit 3300, the turning trajectory calculation unit 3301, and the reaction force calculation unit 3310 (not shown in FIG. 6) described in the second embodiment.
  • the controller 4110 has an analog stick 4111 for operating the bending motion 4020 and the turning motion 4021 and an analog stick 4112 for operating the forward/backward movement 4023 .
  • the analog sticks 4111 and 4112 each have the tilt angle detector and the reaction force actuator (not shown in FIG. 6) described in the second embodiment, and apply bending and turning reaction force to the operating operator and the above Transmits the insertion reaction force.
  • the continuum robot 100c has a plurality of bendable sections 4010a-4010c. In that case, the reaction force of the bendable portion to which the largest external force is applied among the bendable portions 4010a to 4010c may be transmitted to the analog stick, or the reaction force of the bendable portion to be operated may be transmitted to the analog stick. You can tell.
  • the display monitor 4200 visually displays at least the image 4300 of the camera provided in the continuum robot 100c and the magnitude of the reaction force.
  • the magnitude of the reaction forces of the bendable portions 4010a, 4010b, 4010c are displayed on reaction force display rings 4301, 4302, 4303, respectively.
  • the magnitude of the insertion reaction force of insertion actuator 4030 is displayed on insertion reaction force bar 4304 .
  • the reaction force display rings 4301, 4302, and 4303 are shown concentrically in this embodiment, they may be displayed side by side.
  • Reaction force indicator rings 4301, 4302, 4303 correspond to external forces applied to bendable portions 4010a, 4010b, 4010c, respectively.
  • the reaction force display rings 4301, 4302, 4303 may highlight the phase to which the reaction force is applied and change color depending on the magnitude of the reaction force.
  • the display monitor 4200 incorporates a speaker (not shown in FIG. 6) and has a function of producing sound according to the magnitude of the reaction force.
  • the operation control unit 4100 and the continuum robot control device 4000 are connected by a LAN cable 4101, but may be connected by wireless communication. This allows the operator to operate the continuous robot 100c using the display monitor 4200 and the controller 4110 even if the continuous robot 100c is installed at a remote location.
  • the degree of contact between the continuous robot 100c and the inner wall of the object, the degree of contact, the hardness of the inner wall, etc. can be detected by tactile and visual senses. , auditory perception can be improved.
  • the bendable portions 4010a to 4010c are capable of moving forward and backward 4023.
  • the analog stick 4112 is an example of an operation unit, and can operate the forward/backward movement 4023 of the bendable portions 4010a to 4010c.
  • the reaction force actuator of the analog stick 4112 is an example of a notifier, and notifies the reaction force based on the forward/backward movement 4023 of the bendable portions 4010a-4010c.
  • the reaction force actuator of analog stick 4112 applies reaction force or vibration to analog stick 4112 based on forward and backward movement 4023 of bendable portions 4010a-4010c.
  • the display monitor 4200 is an example of a notification section, and is a display section that displays the magnitude of the reaction force based on the tension of the wire as reaction force display rings 4301 to 4303.
  • the continuum robot 100c has a plurality of bendable parts 4010a-4010c.
  • the display monitor 4200 displays the magnitude of the reaction force of each of the bendable portions 4010a-4010c as reaction force display rings 4301-4303.
  • the display monitor 4200 also displays the magnitude of the reaction force based on the forward/backward movement 4023 of the bendable portions 4010a to 4010c as an insertion reaction force bar 4304.
  • the display monitor 4200 may have a speaker as an example of the notification unit.
  • the speaker notifies the magnitude of the reaction force based on the tension of the wire and the magnitude of the reaction force based on the forward/backward movement 4023 by sound.
  • the operation system 6000 can detect the degree of contact between the continuum robot 100c and the inner wall of the object, contact state, It is possible to improve the recognizability of the hardness of the inner wall and the like.
  • the operation system 6000 can support smooth medical practices such as surgery, improve the recognizability of the load state on the inner wall of the path of the object until it reaches the affected area, etc., and improve the operator's convenience. can be done.
  • the present disclosure provides a program that implements one or more functions of the above-described embodiments to a system or device via a network or a storage medium, and one or more processors in a computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by processing to It can also be implemented by a circuit (for example, ASIC) that implements one or more functions.
  • a circuit for example, ASIC

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Abstract

操作システムは、ワイヤで駆動され、少なくとも１つ以上の湾曲可能な湾曲可能部と、前記湾曲可能部の湾曲動作の操作が可能である操作部と、前記操作部の操作状態に応じて、前記ワイヤを駆動する第１のアクチュエータと、前記ワイヤの張力に基づく反力を通知する通知部とを有する。

Description

操作システムおよび操作システムの制御方法
　本開示は、操作システムおよび操作システムの制御方法に関する。
　連続体ロボットは、コンティニュウムロボットとも呼ばれ、柔軟性のある構造を持つ湾曲可能部を有し、その湾曲可能部を変形させることにより形状が制御される。この連続体ロボットは、剛体リンクによって構成されるロボット（以下、「剛体リンクロボット」と記載する）に対して、主に２つの優位性を持つ。１つ目の優位性は、連続体ロボットは、剛体リンクロボットがはまり込んでしまうような狭い空間や散乱物のある環境の中で、その先端の操作のみで対象物の曲線に沿って移動可能である点である。２つ目の優位性は、連続体ロボットは、本質的な柔らかさを有するため、特に開空間においては脆弱な対象物に損傷を与えることなく操作することができる点である。
　この特徴を生かし、連続体ロボットは、内視鏡のシースやカテーテルなどの医療の分野や、レスキューロボットなどの極限作業ロボットへの応用が期待されている。この連続体ロボットの駆動方法としては、腱駆動によるもの、押し引き可能なワイヤによるもの、空気アクチュエータによるものなどがある。
　連続体ロボットは、内視鏡画像が映し出されたモニターを見ながら操作されることが多い。特許文献１には、内視鏡画像と、血管および内視鏡を撮像する血管造影画像をモニターに表示してロボットを操作する方法が開示されている。また、特許文献２には、ＣＴ情報を使用して、内視鏡画像とその軸に交わる断面のＣＴ画像を組み合わせて同時に表示する方法が開示されている。
特開２０２１－１３３２４８号公報 特開２００２－２３８８８７号公報
　しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の内視鏡の場合、表示装置に表示された画像に基づいて、オペレータが内視鏡挿入部の位置や角度、または、観測対象を視覚的に認識し、内視鏡の関節の旋回操作や前後操作を行うことになる。そのため、身体内へ内視鏡を挿入・抜去するときに、これらの視覚情報のみでは、内視鏡挿入部と対象物の内壁との引っ掛かり、接触具合、内壁の硬さなどは認識するのが難しいという課題がある。
　本開示の目的は、湾曲可能部の湾曲動作の操作に基づく湾曲動作の反力の認識性を向上させることである。
　操作システムは、ワイヤで駆動され、少なくとも１つ以上の湾曲可能な湾曲可能部と、前記湾曲可能部の湾曲動作の操作が可能である操作部と、前記操作部の操作状態に応じて、前記ワイヤを駆動する第１のアクチュエータと、前記ワイヤの張力に基づく反力を通知する通知部とを有する。
　本開示によれば、湾曲可能部の湾曲動作の操作に基づく湾曲動作の反力の認識性を向上させることができる。
連続体ロボットの構成例を示す図である。 連続体ロボットの操作システムの構成例を示す図である。 湾曲角度に基づいた反力ゲインの特性例を示す図である。 連続体ロボットの構成例を示す図である。 連続体ロボットの操作システムの構成例を示す図である。 連続体ロボットの操作システムの構成例を示す図である。
　以下に、実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態は、好ましい構成を例示的に示すものにすぎず、それらの構成に限定されない。
　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る連続体ロボット１００ａの構成例を示す図である。連続体ロボット１００ａは、遠位部を湾曲する湾曲可能部２０と、連続体ロボット１００ａを駆動する駆動部１０を有する。
　湾曲可能部２０の遠位端１６０における固定部１２１および固定部１２２には、それぞれ、ワイヤ１１１およびワイヤ１１２が接続されている。また、湾曲可能部２０は、ワイヤ１１１およびワイヤ１１２を案内するための部材であるワイヤガイド１６１～１６４を有する。このワイヤガイド１６１～１６４は、複数の部材を離散的に配置する方法の他に、蛇腹状やメッシュ状などの連続体部材を用いてもよい。ワイヤガイド１６１～１６４は、ワイヤ１１２に対して、固定部１５０～１５４において固定される。
　駆動部１０は、ロボット基台部１４０と、ワイヤ把持パイプ１３１を支持するワイヤ把持機構１７１、および、アクチュエータ１８０を有する。また、ワイヤ把持機構１７１は、アクチュエータ１８０の可動部１８１に対してワイヤ張力検出部１８２を介して接続され、前後に移動可能である。駆動部１０は、アクチュエータ１８０の可動部１８１の位置を検出するエンコーダ等の位置検出手段を有している（不図示）。
　湾曲可能部２０は、接続部１９０を介して、駆動部１０に対して着脱・交換可能である。湾曲可能部２０のワイヤ１１１の近位端は、ロボット基台部１４０の中で、ワイヤ把持パイプ１３１に接続されている。さらに、ワイヤ１１１と、ワイヤ把持機構１７１の接続位置がずれていてもよい。そのときは、接続部１９０でワイヤ１１１の位置がワイヤ把持機構１７１の位置に合うように変換して接続する。そして、ワイヤ把持パイプ１３１をアクチュエータ１８０で押引きすることにより、湾曲可能部２０の姿勢が制御される。ワイヤ張力検出部１８２は、ワイヤ１１１の張力を検出する。
　アクチュエータ１８０の駆動方式は、限定されるものではないが、リニアモータであることが望ましい。また、アクチュエータ１８０にリニアモータを使用した場合、ワイヤ張力検出部１８２の代わりに、リニアモータの電流値を基に、制御モデルを用いた外乱オブザーバによって、ワイヤ１１１の張力を推定する推定部を設けてもよい。
　図２は、第１の実施形態に係る連続体ロボット１００ａの操作システム５００の構成例を示す図である。連続体ロボット１００ａの操作システム５００は、入力装置３００と、連続体ロボット１００ａの座標変換部２００と、アクチュエータ制御部２２０を有し、図１の連続体ロボット１００ａの動的モデル２３０を制御する。以下、操作システム５００の制御方法を説明する。
　入力装置３００は、アナログスティック３１０と、アナログスティック３１０の傾倒角度検出器３２０と、アナログスティック３１０に反力を加える反力アクチュエータ３２１と、湾曲軌跡演算部３３０と、反力演算部３３１を有する。オペレータは、連続体ロボット１００ａの湾曲可能部２０の湾曲角度または湾曲速度を、アナログスティック３１０の傾倒角度θＳの大きさで操作する。傾倒角度検出器３２０は、アナログスティック３１０の傾倒角度θＳを検出する。湾曲軌跡演算部３３０は、傾倒角度検出器３２０により検出された傾倒角度θＳを基に、湾曲角度の軌跡指令Ｒｅｆθを演算する。
　連続体ロボットの座標変換部２００は、運動学演算部２１０と、逆運動学演算部２１１と、力座標変換演算部２１２を有する。
　運動学演算部２１０は、湾曲軌跡演算部３３０で演算された湾曲角度の軌跡指令Ｒｅｆθに基づいて、図１のアクチュエータ１８０の可動部１８１の位置指令ＲｅｆＺに変換し、その位置指令ＲｅｆＺをアクチュエータ制御部２２０に出力する。操作システム５００は、連続体ロボット１００ａの動的モデル２３０から取得した可動部１８１の位置Ｚ、および、ワイヤ１１１の張力Ｆをアクチュエータ制御部２２０へフィードバックする。アクチュエータ制御部２２０は、可動部１８１の位置Ｚ、ワイヤ１１１の張力Ｆ、および、位置指令ＲｅｆＺに基づいて、位置制御演算または力制御演算を行う。そして、アクチュエータ制御部２２０は、その制御演算結果（トルク指令Ｔ）を連続体ロボット１００ａのアクチュエータ１８０に出力することで、連続体ロボット１００ａの湾曲可能部２０を湾曲させる。
　逆運動学演算部２１１は、可動部１８１の位置Ｚを湾曲可能部２０の湾曲角度θに変換し、その湾曲角度θを入力装置３００の反力演算部３３１へフィードバックする。力座標変換演算部２１２は、連続体ロボット１００ａの座標系のワイヤ１１１の張力Ｆを、入力装置３００の座標系の反力ＦＲに変換し、その反力ＦＲを入力装置３００の反力演算部３３１へフィードバックする。
　反力演算部３３１は、フィードバックされた湾曲可能部２０の湾曲角度θに基づいて、反力ＦＲに所定の反力ゲインｇを乗算し、反力アクチュエータ３２１を駆動し、アナログスティック３１０を操作するオペレータへ反力を伝える。
　図３は、湾曲角度θに基づいた反力ゲインｇの特性例を示すグラフである。湾曲可能部２０の湾曲角度θを大きくしすぎると、湾曲可能部２０を破損してしまう場合がある。そのため、湾曲角度θにおいて可動区間４００と可動制限区間４０１を設定し、可動区間４００から可動制限区間４０１に入ると、反力ゲインｇを増加させることで、可動制限区間４０１に入ったことをオペレータに伝える。図３に示したように、可動制限区間４０１で湾曲可能部２０の湾曲角度θが大きいほど、反力ゲインｇをより大きくすることで、オペレータに可動制限区間４０１のどこまで湾曲しているかを反力で伝えてもよい。
　また、湾曲角度θの全区間の反力ゲインｇの大きさをシフトすることで、湾曲可能部２０が内壁等に接したときに加わる外力の感度を調整してもよい。例えば、図３の場合は、可動区間４００では、反力ゲインｇを２倍にしており、湾曲可能部２０が柔らかい内壁により外力を受けたときのアナログスティック３１０に伝わる反力の感度を高めてもよい。
　また、湾曲可能部２０の湾曲角度θが大きいほど、湾曲可能部２０の剛性によって湾曲されるために必要なトルクＴは大きくなる場合がある。そのため、反力ゲインｇが一定の場合、湾曲可能部２０の湾曲角度θが大きくなるほど、ワイヤ１１１の張力Ｆも大きくなり、外力が大きくなったようにオペレータへ伝えてしまう。そこで、外力がない無負荷状態で、湾曲可能部２０を湾曲させ、その湾曲角度θ毎に湾曲可能部２０の剛性による反力のテーブルを作成し、反力ＦＲから減算する外力補正を行うことが望ましい。これによって、湾曲可能部２０の剛性による反力が除去され、湾曲可能部２０に加わる外力のみがアナログスティック３１０に伝わりやすくしてもよい。
　また、湾曲可能部２０が交換可能な場合は、新しい湾曲可能部２０を取り付けた時に、前述した無負荷状態での外力補正を行うことで、湾曲可能部２０の個別の機差を取り除き、より高精度で外力を伝達することができる。
　また、反力ＦＲを周波数フィルタに通すことで、特定の周波数の反力を強調または減衰させ、湾曲可能部２０に加わる外力がアナログスティック３１０に伝わる感度を調整してもよい。
　また、本実施形態では、アナログスティック３１０は、傾倒可能な棒状の例で示したが、スライド式であってもよいし、回転可能なダイヤル式であってもよい。
　以上のように、連続体ロボット１００ａは、ワイヤ１１１で駆動され、少なくとも１つ以上の湾曲可能な湾曲可能部２０を有する。アナログスティック３１０は、操作部であり、湾曲可能部２０の湾曲動作の操作が可能である。アクチュエータ１８０は、アナログスティック３１０の操作状態に応じて、ワイヤ１１１を駆動する。反力アクチュエータ３２１は、ワイヤ１１１の張力に基づく反力を通知する通知部の一例である。具体的には、反力アクチュエータ３２１は、ワイヤ１１１の張力Ｆに基づく反力または振動をアナログスティック３１０に与える。
　ワイヤ張力検出部１８２は、ワイヤ１１１の張力Ｆを検出する。アクチュエータ１８０は、例えば、リニアモータである。駆動部１０は、ワイヤ張力検出部１８２の代わりに、そのリニアモータの電流値を基に、ワイヤ１１１の張力を推定する推定部を設けてもよい。
　逆運動学演算部２１１は、アクチュエータ１８０の可動部１８１の位置Ｚを基に、湾曲可能部２０の湾曲角度θを演算する。力座標変換演算部２１２は、ワイヤ１１１の張力Ｆを基に、アナログスティック３１０の反力ＦＲを演算する。反力演算部３３１は、湾曲角度θとアナログスティック３１０の反力ＦＲを基に、反力アクチュエータ３２１に出力する反力を演算する。具体的には、反力演算部３３１は、アナログスティック３１０の反力ＦＲに対して、湾曲角度θに基づく反力ゲインｇを乗算することにより、反力アクチュエータ３２１に出力する反力を演算する。
　湾曲軌跡演算部３３０は、アナログスティック３１０の傾倒角度θＳを基に、湾曲可能部２０の湾曲角度の軌跡指令Ｒｅｆθを演算する。運動学演算部２１０は、軌跡指令Ｒｅｆθを基に、アクチュエータ１８０の可動部１８１の位置指令ＲｅｆＺを演算する。アクチュエータ制御部２２０は、演算部であり、位置指令ＲｅｆＺと、アクチュエータ１８０の可動部１８１の位置Ｚと、ワイヤ１１１の張力Ｆとを基に、トルク指令Ｔを演算する。アクチュエータ１８０は、トルク指令Ｔを基に、ワイヤ１１１を駆動する。
　以上のように、本実施形態によれば、湾曲可能部２０の湾曲動作の操作に基づく湾曲動作の反力の認識性を向上させることができる。
　（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の第２の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項について説明を行う。
　図４は、第２の実施形態に係る連続体ロボット１００ｂの構成例を示す図である。図４の連続体ロボット１００ｂは、図１の連続体ロボット１００ａに対して、湾曲可能部の湾曲操作に加え、湾曲可能部の旋回操作が可能である。
　連続体ロボット１００ｂは、湾曲可能部１１００の遠位端１０６０における固定部１０２１～１０２３にワイヤ１０１１～１０１３が接続されている。また、ワイヤ１０１１～１０１３の近位端には、ワイヤ把持パイプ１０３１～１０３３が接続されている。ロボット基台部１０４０には、第１の実施形態と同様に、ワイヤ１０１１～１０１３におけるワイヤ毎に、ワイヤ把持機構（図４では不図示）およびアクチュエータ（図４では不図示）が設置されている。ここで、ワイヤ把持機構は、アクチュエータに対してワイヤ把持機構基台（図４では不図示）を介して接続され、上下に移動可能である。ワイヤ把持パイプ１０３１～１０３３は、ワイヤ把持機構に接続され、アクチュエータで押引きすることにより、湾曲可能部１１００の姿勢が制御される。また、連続体ロボット１００ｂは、ワイヤ１０１１～１０１３を案内するための部材であるワイヤガイド１０６１～１０６４を有する。このワイヤガイド１０６１～１０６４は、複数の部材を離散的に配置する方法の他に、蛇腹状やメッシュ状などの連続体部材を用いてもよい。ワイヤガイド１０６１～１０６４は、ワイヤ１０１１に、固定部１０５０～１０５３において固定される。なお、ワイヤ１０１１～１０１３の間隔と、ワイヤ把持パイプ１０３１～１０３３の間隔が異なっていてもよい。そのときには、径変換部１１９０をロボット基台部１０４０に接続すればよい。また、図４において、連続体ロボット１００ｂの中心軸を破線で示す。
　本実施形態では、ワイヤ１０１１～１０１３と、ワイヤガイド１０６１～１０６４からなる機構を連続体部分である湾曲可能部１１００と呼ぶ。また、不図示のアクチュエータには、回転モータと回転直動変換機構からなるアクチュエータユニットを用いる。さらに、ワイヤ把持機構は、ワイヤの張力を検出する機能を持つ。そのためには、ワイヤ把持機構とアクチュエータとの間に上述したワイヤ把持機構基台を設け、ワイヤ把持機構基台をアクチュエータに接続し、ワイヤ把持機構基台とワイヤ把持機構の間をばねで接続する。
　このとき、ワイヤ把持機構がｚ軸方向にのみ変位するように、リニアガイドを設けることや、ばねに平行ばねを用いることが好ましい。そして、ばねの変位を計測することで、ワイヤの張力が検出可能となる。
　湾曲角度θ１は、湾曲可能部１１００の遠位端の湾曲角度である。旋回角度ζ１は、湾曲可能部１１００遠位端の旋回角度である。駆動変位ｌｐ１ａ，ｌｐ１ｂ，ｌｐ１ｃは、それぞれ、ワイヤ１０１１～１０１３の駆動変位である。張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃは、それぞれ、ワイヤ１０１１～１０１３の張力である。
　図５は、第２の実施形態に係る連続体ロボット１００ｂの操作システム５０００の構成例を示す図である。連続体ロボット１００ｂの操作システム５０００は、入力装置３０００と、連続体ロボットの座標変換部２０００と、アクチュエータ制御部２２００を有し、連続体ロボット１００ｂの動的モデル２３００を制御する。アクチュエータ制御部２２００は、アクチュエータ制御部２２００ａ～２２００ｃを有する。動的モデル２３００は、動的モデル２３００ａ～２３００ｃを有する。
　入力装置３０００は、図２の入力装置３００と同様に、アナログスティック３１００と、アナログスティック３１００の傾倒角度検出器３２００と、アナログスティック３１００に反力を加える反力アクチュエータ３２１０を有する。また、入力装置３０００は、図２の入力装置３００と同様に、湾曲軌跡演算部３３００と、反力演算部３３１０を有する。さらに、入力装置３０００は、旋回を操作するアナログスティック３１０１と、旋回を操作するアナログスティック３１０１の傾倒角度検出器３２０１と、アナログスティック３１０１に反力を加える反力アクチュエータ３２１１を有する。また、入力装置３０００は、旋回軌跡演算部３３０１を有する。
　オペレータは、連続体ロボット１００ｂの湾曲可能部１１００の湾曲角度または湾曲速度を、アナログスティック３１００の傾倒角度θＳの大きさで操作する。また、オペレータは、連続体ロボット１００ｂの湾曲可能部１１００の旋回角度または旋回速度を、アナログスティック３１０１の傾倒角度ζＳの大きさで操作する。傾倒角度検出器３２００は、アナログスティック３１００の傾倒角度θＳを検出する。傾倒角度検出器３２０１は、アナログスティック３１０１の傾倒角度ζＳを検出する。湾曲軌跡演算部３３００は、アナログスティック３１００の傾倒角度θＳを基に、湾曲可能部１１００の湾曲角度の軌跡指令Ｒｅｆθを演算する。旋回軌跡演算部３３０１は、アナログスティック３１０１の傾倒角度ζＳを基に、湾曲可能部１１００の旋回角度の軌跡指令Ｒｅｆζを演算する。
　連続体ロボットの座標変換部２０００は、図２の座標変換部２００と同様に、運動学演算部２１００と、逆運動学演算部２１１０と、力座標変換演算部２１２０を有する。
　運動学演算部２１００は、湾曲軌跡演算部３３００および旋回軌跡演算部３３０１によって演算された軌跡指令Ｒｅｆθおよび軌跡指令Ｒｅｆζを基に、連続体ロボット１００ｂの３つのアクチュエータの位置指令Ｒｅｆｌａ、Ｒｅｆｌｂ、Ｒｅｆｌｃを演算する。
　操作システム５０００は、連続体ロボット１００ｂの動的モデル２３００ａ～２３００ｃから取得したワイヤの駆動変位ｌｐ１ａ，ｌｐ１ｂ，ｌｐ１ｃと、ワイヤの張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃをアクチュエータ制御部２２００ａ～２２００ｃへフィードバックする。
　アクチュエータ制御部２２００ａは、ワイヤ１０１１の駆動変位ｌｐ１ａとワイヤ１０１１の張力Ｆａと位置指令Ｒｅｆｌａを基に、位置制御演算または力制御演算を行う。そして、アクチュエータ制御部２２００ａは、その制御演算結果（トルク指令Ｔａ）をワイヤ１０１１のアクチュエータに出力する。
　アクチュエータ制御部２２００ｂは、ワイヤ１０１２の駆動変位ｌｐ１ｂとワイヤ１０１２の張力Ｆｂと位置指令Ｒｅｆｌｂを基に、位置制御演算または力制御演算を行う。そして、アクチュエータ制御部２２００ｂは、その制御演算結果（トルク指令Ｔｂ）をワイヤ１０１２のアクチュエータに出力する。
　アクチュエータ制御部２２００ｃは、ワイヤ１０１３の駆動変位ｌｐ１ｃとワイヤ１０１３の張力Ｆｃと位置指令Ｒｅｆｌｃを基に、位置制御演算または力制御演算を行う。そして、アクチュエータ制御部２２００ｃは、その制御演算結果（トルク指令Ｔｃ）をワイヤ１０１３のアクチュエータに出力する。アクチュエータ制御部２２００ａ～２２００ｃは、トルク指令Ｔａ～Ｔｃにより、連続体ロボット１００ｂの湾曲可能部１１００を湾曲および旋回させる。
　逆運動学演算部２１１０は、駆動変位ｌｐ１ａ，ｌｐ１ｂ，ｌｐ１ｃを湾曲可能部１１００の湾曲角度θ１に変換し、その湾曲角度θ１を入力装置３０００の反力演算部３３１０へフィードバックする。力座標変換演算部２１２０は、連続体ロボット１００ｂの座標系のワイヤ１０１１～１０１３の張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃを、入力装置３０００の座標系の反力ＦＲθ，ＦＲζに変換する。そして、力座標変換演算部２１２０は、その反力ＦＲθ，ＦＲζを入力装置３０００の反力演算部３３１０へフィードバックする。
　反力演算部３３１０は、フィードバックされた湾曲可能部１１００の湾曲角度θ１に基づいて、反力ＦＲθ，ＦＲζに所定の反力ゲインｇθ，ｇζを乗算して反力アクチュエータ３２１０および３２１１を駆動する。反力アクチュエータ３２１０は、アナログスティック３１００を操作するオペレータへ湾曲の反力を伝える。反力アクチュエータ３２１１は、アナログスティック３１０１を操作するオペレータへ旋回の反力を伝える。
　本実施形態によれば、反力アクチュエータ３２１０は、湾曲可能部１１００の湾曲方向に加わる外力をアナログスティック３１００に伝える。反力アクチュエータ３２１１は、湾曲可能部１１００の旋回方向に加わる外力をアナログスティック３１０１に伝える。なお、アナログスティック３１００および３１０１は、２軸傾倒可能な１つのアナログスティックで構成してもよい。
　以上のように、湾曲可能部１１００は、複数のワイヤ１０１１～１０１３で駆動され、湾曲動作および旋回動作が可能である。アナログスティック３１００および３１０１は、２軸傾倒可能な１つの操作部でもよく、湾曲可能部１１００の湾曲動作および旋回動作の操作が可能である。ワイヤ１０１１～１０１３のアクチュエータは、アナログスティック３１００の湾曲動作の操作状態と、アナログスティック３１０１の旋回動作の操作状態に応じて、複数のワイヤ１０１１～１０１３を駆動する。反力アクチュエータ３２１０および３２１１は、複数のワイヤ１０１１～１０１３の張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃに基づく反力を通知する通知部の一例である。
　アナログスティック３１００は、湾曲可能部１１００の湾曲動作の操作が可能である操作部の一例である。アナログスティック３１０１は、湾曲可能部１１００の旋回動作の操作が可能である操作部の一例である。反力アクチュエータ３２１０および３２１１は、複数のワイヤ１０１１～１０１３の張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃに基づく湾曲動作の反力と、複数のワイヤ１０１１～１０１３の張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃに基づく旋回動作の反力を通知する。
　反力アクチュエータ３２１０は、複数のワイヤ１０１１～１０１３の張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃに基づく湾曲動作の反力または振動をアナログスティック３１００に与える。反力アクチュエータ３２１１は、複数のワイヤ１０１１～１０１３の張力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃに基づく旋回動作の反力または振動をアナログスティック３１０１に与える。
　以上のように、本実施形態によれば、湾曲可能部１１００の湾曲動作および旋回動作の操作に基づく湾曲動作および旋回動作の反力の認識性を向上させることができる。
　（第３の実施形態）
　次に、第３の実施形態について説明する。なお、以下の第３の実施形態の説明では、上述した第１および第２の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１および第２の実施形態と異なる事項について説明を行う。
　図６は、第３の実施形態に係る連続体ロボット１００ｃの操作システム６０００の構成例を示す図である。操作システム６０００は、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃの湾曲操作と、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃの旋回操作が可能である。
　連続体ロボット１００ｃの操作システム６０００は、連続体ロボット１００ｃと、連続体ロボット制御装置４０００と、操作制御部４１００と、コントローラ４１１０と、表示モニター４２００を有する。操作制御部４１００と連続体ロボット制御装置４０００は、ＬＡＮケーブル４１０１で接続されている。
　連続体ロボット１００ｃは、３個の湾曲可能部４０１０ａ、４０１０ｂ、４０１０ｃを有する。また、連続体ロボット１００ｃは、湾曲可能部４０１０ａ、４０１０ｂ、４０１０ｃの各々毎に３個のアクチュエータ（図６では不図示）を有し、合計９個のアクチュエータを有する。そのため、湾曲可能部４０１０ａ、４０１０ｂ、４０１０ｃは、それぞれ、独立して湾曲動作４０２０と旋回動作４０２１ができる。連続体ロボット１００ｃは、連続体ロボット１００ｃの全体の前進・後退移動４０２３を行うための挿入アクチュエータ４０３０に装着されている。挿入アクチュエータ４０３０の駆動方式は、限定されない。挿入アクチュエータ４０３０は、例えばリニアモータを用い、目標地点近傍まではサーボオフ状態で連続体ロボット１００ｃを手動で挿入し、目標地点近傍から詳細位置を制御しながら挿入できるようになっている。
　連続体ロボット制御装置４０００は、連続体ロボット１００ｃの湾曲動作４０２０および旋回動作４０２１を行う９個のアクチュエータと、連続体ロボット１００ｃの前進・後退移動４０２３を行うための１個の挿入アクチュエータ４０３０を制御する。また、連続体ロボット制御装置４０００は、連続体ロボット１００ｃの制御モデルを用いた外乱オブザーバを有し、連続体ロボット１００ｃが前進・後退移動４０２３の動作をするときに、内壁から受ける挿入反力を推定する。また、連続体ロボット制御装置４０００は、第２の実施形態で説明した運動学演算部２１００と逆運動学演算部２１１０と力座標変換演算部２１２０（図６では不図示）を有する。また、連続体ロボット１００ｃは、カメラと光源（図６では不図示）を有する。連続体ロボット制御装置４０００は、そのカメラと光源の制御も行う。
　操作制御部４１００は、オペレータが直接操作するコントローラ４１１０と、連続体ロボット制御装置４０００と、表示モニター４２００に接続され、それぞれに対して入出力を行う。操作制御部４１００は、第２の実施形態で説明した湾曲軌跡演算部３３００と旋回軌跡演算部３３０１と反力演算部３３１０（図６では不図示）を有する。
　コントローラ４１１０は、湾曲動作４０２０の操作と旋回動作４０２１の操作を行うためのアナログスティック４１１１と、前進・後退移動４０２３の操作を行うためのアナログスティック４１１２を有する。アナログスティック４１１１および４１１２は、それぞれ、第２の実施形態で説明した傾倒角度検出器と反力アクチュエータ（図６では不図示）を有し、操作するオペレータへ湾曲および旋回の反力と、上記の挿入反力を伝える。本実施形態では、連続体ロボット１００ｃは、複数の湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃを有する。その場合には、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃのうちの最も外力が大きくかかっている湾曲可能部の反力をアナログスティックに伝えてもよいし、操作対象の湾曲可能部の反力をアナログスティックに伝えてもよい。
　表示モニター４２００は、少なくとも連続体ロボット１００ｃに備わったカメラの画像４３００、および、反力の大きさを視覚的に表示する。湾曲可能部４０１０ａ、４０１０ｂ、４０１０ｃの反力の大きさは、それぞれ、反力表示リング４３０１、４３０２、４３０３に表示される。挿入アクチュエータ４０３０の挿入反力の大きさは、挿入反力バー４３０４に表示される。本実施形態では、反力表示リング４３０１、４３０２、４３０３は、同心で示しているが、並べて表示してもよい。反力表示リング４３０１、４３０２、４３０３は、それぞれ、湾曲可能部４０１０ａ、４０１０ｂ、４０１０ｃに加わる外力に対応している。反力表示リング４３０１、４３０２、４３０３は、その反力が加わっている位相を強調表示し、反力の大きさによって色を変えてもよい。また、表示モニター４２００は、スピーカー（図６では不図示）を内蔵し、反力の大きさによって音を出す機能を有する。
　操作制御部４１００と連続体ロボット制御装置４０００は、ＬＡＮケーブル４１０１で接続されているが、無線通信で接続されていてもよい。これによって、連続体ロボット１００ｃが遠隔地に設置されていても、オペレータは、表示モニター４２００、および、コントローラ４１１０を用いて、連続体ロボット１００ｃを操作することができる。
　本実施形態によれば、オペレータが連続体ロボット１００ｃを対象物に挿入・抜去するときに、連続体ロボット１００ｃと対象物の内壁との引っ掛かり、接触具合、内壁の硬さなどを、触覚、視覚、聴覚により認識性を向上させることができる。
　以上のように、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃは、前進・後退移動４０２３が可能である。アナログスティック４１１２は、操作部の一例であり、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃの前進・後退移動４０２３の操作が可能である。アナログスティック４１１２の反力アクチュエータは、通知部の一例であり、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃの前進・後退移動４０２３に基づく反力を通知する。具体的には、アナログスティック４１１２の反力アクチュエータは、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃの前進・後退移動４０２３に基づく反力または振動をアナログスティック４１１２に与える。
　表示モニター４２００は、通知部の一例であり、ワイヤの張力に基づく反力の大きさを、反力表示リング４３０１～４３０３として表示する表示部である。連続体ロボット１００ｃは、複数の湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃを有する。表示モニター４２００は、複数の湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃの各々の反力の大きさを、反力表示リング４３０１～４３０３として表示する。また、表示モニター４２００は、湾曲可能部４０１０ａ～４０１０ｃの前進・後退移動４０２３に基づく反力の大きさを、挿入反力バー４３０４として表示する。
　なお、表示モニター４２００は、通知部の一例として、スピーカーを有してもよい。スピーカーは、ワイヤの張力に基づく反力の大きさと、前進・後退移動４０２３に基づく反力の大きさを音で通知する。
　以上のように、本実施形態によれば、操作システム６０００は、オペレータが連続体ロボット１００ｃを対象物に挿入・抜去するときに、連続体ロボット１００ｃと対象物の内壁との引っ掛かり、接触具合、内壁の硬さなどの認識性を向上させることができる。また、操作システム６０００は、手術等のスムーズな医療行為を支援でき、患部等へ到達するまでの対象物の経路内壁への負担状態の認識性を向上させるとともに、オペレータの利便性を向上させることができる。
　（その他の実施形態）
　本開示は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
　なお、上述の実施形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本開示はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０２２年２月２４日提出の日本国特許出願特願２０２２－０２６６５６を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。
　１０　駆動部
　２０　湾曲可能部
　１８０　アクチュエータ
　１８２　ワイヤ張力検出部
　２００　座標変換部
　２２０　アクチュエータ制御部
　３００　入力装置
　３１０　アナログスティック
　３２１　反力アクチュエータ
　３３１　反力演算部

Claims (18)

  1. 　ワイヤで駆動され、少なくとも１つ以上の湾曲可能な湾曲可能部と、
    　前記湾曲可能部の湾曲動作の操作が可能である操作部と、
    　前記操作部の操作状態に応じて、前記ワイヤを駆動する第１のアクチュエータと、
    　前記ワイヤの張力に基づく反力を通知する通知部と
    　を有すること特徴とする操作システム。
  2. 　前記通知部は、前記ワイヤの張力に基づく反力または振動を前記操作部に与える第２のアクチュエータを有すること特徴とする請求項１に記載の操作システム。
  3. 　前記湾曲可能部は、複数のワイヤで駆動され、湾曲動作および旋回動作が可能であり、
    　前記操作部は、前記湾曲可能部の湾曲動作および旋回動作の操作が可能であり、
    　前記第１のアクチュエータは、前記操作部の湾曲動作の操作状態と旋回動作の操作状態に応じて、前記複数のワイヤを駆動し、
    　前記通知部は、前記複数のワイヤの張力に基づく反力を通知することを特徴とする請求項１または２に記載の操作システム。
  4. 　前記操作部は、
    　前記湾曲可能部の湾曲動作の操作が可能である第１の操作部と、
    　前記湾曲可能部の旋回動作の操作が可能である第２の操作部とを有し、
    　前記通知部は、前記複数のワイヤの張力に基づく湾曲動作の反力と、前記複数のワイヤの張力に基づく旋回動作の反力を通知することを特徴とする請求項３に記載の操作システム。
  5. 　前記通知部は、
    　前記複数のワイヤの張力に基づく湾曲動作の反力または振動を前記第１の操作部に与える第２のアクチュエータと、
    　前記複数のワイヤの張力に基づく旋回動作の反力または振動を前記第２の操作部に与える第３のアクチュエータとを有すること特徴とする請求項４に記載の操作システム。
  6. 　前記湾曲可能部は、前進・後退移動が可能であり、
    　前記操作部は、前記湾曲可能部の前進・後退移動の操作が可能であり、
    　前記通知部は、前記湾曲可能部の前進・後退移動に基づく反力を通知することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の操作システム。
  7. 　前記操作部は、前記湾曲可能部の前進・後退移動の操作が可能である第３の操作部を有し、
    　前記通知部は、前記湾曲可能部の前進・後退移動に基づく反力または振動を前記第３の操作部に与える第４のアクチュエータを有することを特徴とする請求項６に記載の操作システム。
  8. 　前記通知部は、前記ワイヤの張力に基づく反力の大きさを表示する表示部を有することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の操作システム。
  9. 　前記操作システムは、複数の湾曲可能部を有し、
    　前記表示部は、前記複数の湾曲可能部の各々の反力の大きさを表示することを特徴とする請求項８に記載の操作システム。
  10. 　前記通知部は、前記ワイヤの張力に基づく反力の大きさと前記湾曲可能部の前進・後退移動に基づく反力の大きさを表示する表示部を有することを特徴とする請求項６または７に記載の操作システム。
  11. 　前記通知部は、前記ワイヤの張力に基づく反力の大きさを音で通知するスピーカーを有することを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の操作システム。
  12. 　前記ワイヤの張力を検出するワイヤ張力検出部をさらに有することを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の操作システム。
  13. 　前記第１のアクチュエータは、リニアモータであり、
    　前記リニアモータの電流値を基に、前記ワイヤの張力を推定する推定部をさらに有することを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の操作システム。
  14. 　前記第１のアクチュエータの可動部の位置を基に、前記湾曲可能部の湾曲角度を演算する第１の演算部と、
    　前記ワイヤの張力を基に、前記操作部の反力を演算する第２の演算部と、
    　前記湾曲角度と前記操作部の反力を基に、前記通知部に出力する反力を演算する第３の演算部とをさらに有することを特徴とする請求項１～１３のいずれか１項に記載の操作システム。
  15. 　前記第３の演算部は、前記操作部の反力に対して、前記湾曲角度に基づくゲインを乗算することにより、前記通知部に出力する反力を演算することを特徴とする請求項１４に記載の操作システム。
  16. 　前記操作部は、アナログスティックを有し、
    　前記操作システムは、
    　前記アナログスティックの傾倒角度を基に、湾曲可能部の湾曲角度の軌跡指令を演算する第４の演算部と、
    　前記軌跡指令を基に、前記第１のアクチュエータの可動部の位置指令を演算する第５の演算部とをさらに有し、
    　前記第１のアクチュエータは、前記位置指令を基に、前記ワイヤを駆動することを特徴とする請求項１～１５のいずれか１項に記載の操作システム。
  17. 　前記位置指令と、前記第１のアクチュエータの可動部の位置と、前記ワイヤの張力とを基に、トルク指令を演算する第６の演算部をさらに有し、
    　前記第１のアクチュエータは、前記トルク指令を基に、前記ワイヤを駆動することを特徴とする請求項１６に記載の操作システム。
  18. 　ワイヤで駆動され、少なくとも１つ以上の湾曲可能な湾曲可能部と、
    　前記湾曲可能部の湾曲動作の操作が可能である操作部と、
    　前記操作部の操作状態に応じて、前記ワイヤを駆動する第１のアクチュエータとを有する操作システムの制御方法であって、
    　前記ワイヤの張力に基づく反力を通知する通知ステップを有すること特徴とする操作システムの制御方法。
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