JP6159075B2

JP6159075B2 - 鉗子マニピュレータ、および鉗子マニピュレータを備える鉗子システム

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Publication number: JP6159075B2
Application number: JP2012241952A
Authority: JP
Inventors: 耕太郎只野; 健嗣川嶋; 大輔原口
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: WO2014069003A1; US9814480B2; US20150313619A1; JP2014090800A

Description

本発明は、鉗子マニピュレータ、および、鉗子マニピュレータを備える鉗子システムに関する。

手術ロボットシステムにおいて、鉗子マニピュレータを備える鉗子システムが実用に供されている。そのような鉗子マニピュレータは、例えば、非特許文献１にも示されるように、身体の体内で２自由度（把持を含めると３自由度）のアームを有するとともに、身体の外側で４自由度のアームを有している。このような構成は、多自由度を実現することが、鉗子マニピュレータに設けられる細径の鉗子の先端部分で困難であることに起因している。

また、鉗子マニピュレータにおいて、例えば、非特許文献２にも示されるように、身体の腹腔内で４自由度に屈曲できる柔軟な鉗子マニピュレータが提案されている。その鉗子マニピュレータにおける屈曲部は、２つのセグメントに分かれている。各セグメントは、それぞれ、２自由度で屈曲可能とされる。屈曲可能な弾性体は、複数の金属プレートの中心を通る超弾性合金チューブで複数の金属プレートを連結することによって構成されている。また、その屈曲性は、金属プレートの周囲に超弾性合金の駆動用チューブまたはワイヤが通されることにより、実現されている。一方のセグメントを構成する上流側関節は、４本の超弾性合金チューブで駆動され、他方のセグメントを構成する下流関節は、４本の超弾性合金ワイヤで駆動される。上流側関節駆動用の超弾性合金チューブの内部には、下流側関節駆動用の超弾性合金ワイヤが通されている．これにより、鉗子マニピュレータの駆動伝達部品の配置スペースを小さくでき、しかも、鉗子マニピュレータの運動学計算が、簡略化できるという利点がある。

さらに、鉗子マニピュレータにおいて、例えば、非特許文献３にも示されるように、小型化に適した簡易な柔軟屈曲機構を有する腹腔鏡手術用鉗子マニピュレータが提案されている。その関節構造は、一体加工型の切削スプリングのみから成っている。この関節構造の内部に通した超弾性合金ワイヤが、空気圧シリンダでプッシュプル作動されることにより、従来のワイヤ張力を利用した拮抗駆動に比べ剛性の高い屈曲動作が可能となっている。これにより、そのような関節構造は、2自由度方向への屈曲が可能である。
そして、非特許文献４にも示されるように、鉗子マニピュレータにおける柔軟関節を2自由度の剛体リンク機構に近似した簡易な理論モデルによって、鉗子マニピュレータにおける外力推定が提案されている。

Hagn, U., et al.: DLR MiroSurge: a versatile system for research inendoscopic telesurgery, International Journal of Computer Assisted Radiologyand Surgery, Vol. 5, p.183-193(2010), 10.1007/s11548-009-0372-4 K. Xu, R. Goldman, J. Ding, P. Allen, D. Fowler, and N. Simaan,"System design of an insertable robotic effector platform for single portaccess (spa) surgery", Intelligent Robots and Systems, IEEE/RSJ InternationalConference on, pp. 5546-5552, 2009 原口大輔、只野耕太郎、川嶋健嗣：超弾性合金ワイヤのプッシュ・プル機構を用いた空気圧駆動鉗子マニピュレータの開発、第１２回流体計測制御シンポジウム、計測自動制御学会産業応用部門大会講演論文集、pp.22-25 Daisuke Haraguchi, Kotaro Tadano, Kenji Kawashima: A Prototype ofPneumatically-Driven Forceps Manipulator with Force Sensing Capability Using aSimple Flexible Joint, 2011 IEEE/RSJ International Conference on IntelligentRobots and Systems, pp.931-936 Tadano, K., Kawashima, K., Kojima, K., Tanaka, N.: Development of a PneumaticSurgical Manipulator IBIS IV, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 22,No. 2, p. 179-188 (2010)

非特許文献１に示されるような鉗子マニピュレータにおいては、身体の外側にあるアームが作業中に、上下、左右等に動くので補助者の邪魔になる虞がある。また複数の鉗子を用いる場合、そのアーム同士が干渉するなどの問題を伴う。

また、非特許文献２に示される弾性体の構成部材がワイヤおよびチューブのみなので外力（特に、捻りモーメント）に対する関節の剛性が、不足する場合があると考えられる。また、関節中心には背骨構造として超弾性合金チューブを必要とするので屈曲時や外力を受けた時などに座屈、折損する危険性がある。さらに、屈曲可動域を確保するためには連結する円盤の枚数を多く必要とし、関節自体が長くなることにより、コンパクトな屈曲動作ができなくなってしまう虞がある。この対策として、円盤を薄くする対策が考えられるが、その分、超弾性合金との連結面積が小さくなってしまうので前述した関節の剛性が低下してしまうこととなる。このように関節の剛性・強度が不足した場合、鉗子マニピュレータの耐久性の低下は、勿論、臓器に触れる等の小さな外力によっても鉗子マニピュレータの操作性が低下することが懸念される。

非特許文献３に示される鉗子マニピュレータにおいて、関節の主構造に切削スプリングを採用することにより、非特許文献２に示される鉗子マニピュレータの課題である関節の剛性不足が改善されている。しかし、関節が2自由度屈曲のみであるので残りの必要な4自由度については、体外の保持マニピュレータによって実現する必要がある。保持マニピュレータは、一般的に、先端部に比べて大きな可動スペースを必要とするので保持マニピュレータの操作中、マニピュレータ同士がぶつかる等の干渉が問題となる。従って、一度に使える器具の数や配置に制約を受け、また、鉗子マニピュレータにおいて、その先端のロール動作を行う際には、例えば、４本のシリンダ全てを協調して動作させる必要があるので位置制御性が悪化する場合がある。
また、非特許文献４において3自由度力推定については記載されていない。
以上の問題点を考慮し、本発明は鉗子マニピュレータ、および、鉗子マニピュレータを備える鉗子システムであって、鉗子マニピュレータの耐久性および操作性を向上させることができ、しかも、鉗子マニピュレータにおけるロール動作を容易に行うことができる鉗子マニピュレータ、および、鉗子マニピュレータを備える鉗子システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムは、鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して回転関節部を駆動させる駆動部とを備える鉗子マニピュレータと、把持部の姿勢を制御するように鉗子マニピュレータの駆動部を制御する制御部と、を備えて構成される。
本発明に係る鉗子マニピュレータは、鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して回転関節部を駆動させる駆動部とを備えて構成される。

本発明に係る鉗子マニピュレータ、および、鉗子マニピュレータを備える鉗子システムによれば、鉗子マニピュレータの駆動部が、複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して回転関節部を駆動させるので鉗子マニピュレータの耐久性および操作性を向上させることができ、しかも、鉗子マニピュレータにおけるロール動作を容易に行うことができる。

本発明に係る鉗子マニピュレータの一例の構成を概略的に示す構成図である。図１に示される鉗子マニピュレータの外観図である。図１に示される例におけるコネクタユニットの構成を示す斜視図である。図１に示される例における鉗子マニピュレータの駆動力伝達部の一部を拡大して示す斜視図である。図４におけるＶ−Ｖ線に沿って示される部分断面図である。図１に示される例における第１関節および第２関節を、把持部とともに示す斜視図である。（Ａ）は、図６におけるＶＩＩＡ−ＶＩＩＡ線に沿って示される断面図であり、（Ｂ）は、図６におけるＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿って示される断面図である。（Ａ）は、図１に示される例における第１関節および第２関節を構成する切削スプリングを示す断面図であり、（Ｂ）は、図１に示される第２関節および把持部を示す断面図である。図１に示される例における駆動力の伝達経路の説明に供されるブロック図である。図１に示される例における第１関節および第２関節の他の一例を示す斜視図である。本発明に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの一例に備えられる制御ユニット部を示すブロック図である。本発明に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの一例に備えられる空気圧制御回路を示すブロック図である。図１１に示される制御ユニットが演算する演算式を示すブロック図である。本発明に係る鉗子マニピュレータの一例の動作説明に供される図である。本発明に係る鉗子マニピュレータの一例の動作説明に供される図である。

以下、発明を実施するための形態について説明する。なお、本明細書の文章において、英文字記号にハット記号を付すものを「（英文字記号）ハット」と記載し、英文字記号にオーバードットを付すものを「（英文字記号）オーバードット」と記載する。
図２は、本発明に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの一例において用いられる鉗子マニピュレータの外観を示す。

図２において、鉗子マニピュレータ１０は、８個のエアシリンダ１２ａ１〜１２ａ８からなる関節駆動部１２と、関節駆動部１２における各ピストンロッドと後述する複数のワイヤおよびチューブとを接続するコネクタユニット１４と、鉗子を含んで構成される把持部２４と、把持部２４の基端部に連結される回転関節部２６と、回転関節部２６の基端部にボールベアリング２２ＢＥを介して連結される第２関節２２と、第２関節２２の一方の端部の嵌合円筒部２２ｍｆに嵌合されねじ締結される嵌合孔部１８ｆｆを介して連結される第１関節１８と、一端がコネクタユニット１４に接続され、他端が第１関節１８の嵌合円筒部１８ｍｆに嵌合され第１関節１８を貫通する複数のワイヤおよびチューブを移動可能に支持する駆動力伝達部１６と、を主な要素として含んで構成されている。

８個のエアシリンダ１２ａ１〜１２ａ８は、コネクタユニット１４における支持プレート４２に支持されている。エアシリンダ１２ａ１〜１２ａ８の各ピストンロッド１２Ｌは、支持プレート４２の端面に対し直交するようにコネクタユニット１４内に突出している。８個のエアシリンダ１２ａ１〜１２ａ８のうちエアシリンダ１２ａ１〜１２ａ４（図９参照）は、それぞれ、ピストンロッド１２Ｌにワイヤロッドコネクタ３８（図３参照）を介して連結されるワイヤ３０を進退させるものとされる。図１に示されるように、エアシリンダ１２ａ１とエアシリンダ１２ａ３とは向かい合って配されている。また、エアシリンダ１２ａ２とエアシリンダ１２ａ４とは向かい合って配されている。

また、残りのエアシリンダ１２ａ５〜１２ａ８（図９参照）は、それぞれ、ピストンロッド１２Ｌにチューブロッドコネクタ４０（図３参照）を介して連結されるチューブ３２を進退させるものとされる。エアシリンダ１２ａ５とエアシリンダ１２ａ７とは向かい合って配されている。また、エアシリンダ１２ａ６とエアシリンダ１２ａ８とは向かい合って配されている。
エアシリンダ１２ａ１〜１２ａ８のピストンロッド１２Ｌのストローク量、および、速度は、それぞれ、後述する空気圧制御部７２（図１１および図１２参照）により駆動制御される。

コネクタユニット１４は、図３に拡大されて示されるように、お互いに所定の間隔をもって向かい合って複数本のシャフトで連結される支持プレート４２および４４と、支持プレート４２および４４相互間に配されピストンロッド１２Ｌとワイヤ３０の端部とを連結する複数のワイヤロッドコネクタ３８と、支持プレート４２および４４相互間に配されピストンロッド１２Ｌとチューブ３２の端部とを連結する複数のチューブロッドコネクタ４０とを含んで構成されている。各ワイヤロッドコネクタ３８、各チューブロッドコネクタ４０に隣接してワイヤ３０、チューブ３２の移動量をそれぞれ、検出する複数のポテンショメータ４６が設けられている。複数のポテンショメータ４６は、それぞれ、検出出力信号Ｓｉを後述する制御ユニット部６０に供給するものとされる。チューブ３２およびワイヤ３０は、それぞれ、例えば、超弾性合金で作られている。この連結でチューブ３２およびワイヤ３０が湾曲しない構造とすることで、機構の摺動摩擦力を最小限に抑えることができ、後述するような制御性や外力推定精度の向上に寄与することとなる。
また、支持プレート４２には、回転関節部２６を、フレキシブルシャフト３４を介して回転駆動するベーンモータ４０（図９参照）が支持されている。ベーンモータ４０は、後述する制御ユニット部６０により制御される。

一端が支持プレート４４に接続される駆動力伝達部１６の円筒状パイプ１５の他端は、その軸線方向に沿って延び第１関節１８の嵌合円筒部１８ｍｆに嵌合され、ねじ締結されることにより連結されている。円筒状パイプ１５の他端は、第１関節１８の嵌合円筒部１８ｍｆの各ねじ孔に対応した複数の透孔を円周方向に沿って有している。これにより、小ねじ（不図示）がその透孔を介して嵌合円筒部１８ｍｆのねじ孔にねじ込まれることにより、締結される。駆動力伝達部１６は、図４および図５に示されるように、上述のワイヤ３０およびチューブ３２を支持するセパレータ１７と、セパレータ１７を内側に収容する円筒状パイプ１５とを主な要素として含んで構成されている。

円形断面を有する細長いセパレータ１７は、断面中央部に、フレキシブルシャフト３４およびエア供給用チューブ３６が挿入される貫通孔１７ａを有している。セパレータ１７の外周部には、ステンレス鋼製のガイドパイプ１７ＧＰが配される溝１７ｇが円周方向に沿って均等間隔で４箇所に形成されている。各ガイドパイプ１７ＧＰの内側には、円筒状のチューブ３２および円形断面を有するワイヤ３０が移動可能に配されている。ワイヤ３０は、所定の隙間をもってチューブ３２の内周部に移動可能に配されている。

ワイヤ３０およびチューブ３２は、プッシュプル作動を行うため特に圧縮力に対して駆動伝達部１６の内部で座屈変形を起こさないことが必要である。チューブ３２およびワイヤ３０をガイドパイプ１７ＧＰに通すことにより、理想的な直線経路が確保される。さらにガイドパイプ１７ＧＰ自体も座屈防止のためガイドパイプ１７ＧＰがセパレータ１７の溝１７ｇによってしっかりと固定されている。

柔軟構造である第１関節１８は、例えば、図８（Ａ）に示されるように、切削スプリング１８ｂにより形成されている。切削スプリング１８ｂは、例えば、円筒状の金属材料がレーザー加工等による切削加工により螺旋状に形成されることにより得られる。切削スプリング１８ｂの一端に一体に形成される嵌合孔部１８ｆｆには、各ワイヤ３０が挿入されるチューブ３２の一端が接着される貫通孔１８ｇａが、上述のセパレータ１７の溝１７ｇに対応して４箇所に形成されている。切削スプリング１８ｂの他端に一体に形成される嵌合円筒部１８ｍｆには、各ワイヤ３０が挿入されるチューブ３２が挿入される貫通孔１８ｇｂが上述のセパレータ１７の溝１７ｇに対応して４箇所に形成されている。
切削スプリング１８ｂの断面中央の貫通孔１８ａには、フレキシブルシャフト３４が挿入されている。

また、切削スプリング１８ｂの貫通孔１８ａの周囲には、図７（Ｂ）に示されるように、チューブ３２が挿入される貫通孔１８Ｈが貫通孔１８ｇａ、１８ｇｂに対応した位置に形成されている。第１関節１８の嵌合孔部１８ｆｆには、図６に示されるように、第２関節２２の嵌合円筒部２２ｍｆがねじ締結により連結されている。嵌合孔部１８ｆｆは、嵌合円筒部２２ｍｆの複数のねじ孔に対応した複数の透孔を円周方向に沿って有している。これにより、小ネジ（不図示）がその透孔を介して嵌合円筒部２２ｍｆのねじ孔にねじ込まれることにより締結される。

柔軟構造である第２関節２２の構造は、第１関節１８の構造と同様に切削スプリング２２ｂを有している。第２関節２２の軸線方向の長さは、第１関節１８の軸線方向の長さに比して小に設定されている。第２関節２２における切削スプリング２２ｂの断面中央の貫通孔２２ａの周囲には、図７（Ａ）に示されるように、ワイヤ３０だけが挿入される貫通孔２２Ｈが溝１８ｇに対応した位置に形成されている。４本チューブ３２をそれぞれ通過した４本のワイヤ３０の一端は、第２関節２２におけるベアリングハウジング２２ＢＨに連通する貫通孔２２ｇａに接着されている。

第１関節１８および第２関節２２の柔軟構造は、斯かる例に限られることなく、例えば、図１０に示されるように、柔軟構造体５０が、βチタンチューブにスリットを入れて柔軟性を持たせ、外側に数か所のカラーを取り付けて4か所の駆動チューブ／ワイヤ用のガイド穴を設けたものであってもよい。
第２関節２２の端部に連結される回転関節部２６は、図８（Ｂ）に示されるように、フレキシブルシャフト３４の回動に応じて回転関節部２６に連結される把持部２４を回動させるものとされる。回転関節部２６は、ハウジング２６Ｈの内周部に固定されフレキシブルシャフト３４の回動力を把持部２４に伝達するローター２６Ｒと、把持部２４のグリッパの開閉機構を把持状態にするピストン２６Ｐと、ピストン２６Ｐを作動空気圧に抗して初期状態に戻し、グリッパの開閉機構を非把持状態とするリターンスプリング２６ＲＳとをハウジング２６Ｈ内に備えている。

ローター２６Ｒは、第２関節２２におけるボールベアリング２２ＢＥに回動可能に支持されフレキシブルシャフト３４の一端に連結されるとともに内部に作動空気を供給するエア供給用チューブ３６の一端が連結されている。
把持部２４における空気圧式グリッパの開閉機構は、図示が省略されるが、例えば、非特許文献５に示されるような機構と同様な機構を備えるものであってもよい。そのような空気圧式グリッパは、フレキシブルシャフト３４の内側に配されるエア供給用チューブを介して供給される作動空気により駆動せしめられる。
本発明に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの一例においては、斯かる構成に加えて図１１に示されるように、上述の鉗子マニピュレータにおける第１関節１８および第２関節２２、把持部２４の動作制御を行う空気圧制御回路７２を制御する制御ユニット部６０を備えている。

制御ユニット部６０には、上述のコネクタユニット１４における複数のポテンショメータ４６からの検出出力信号Ｓｉと、後述する空気圧制御回路７２における各圧力センサ７４からの圧力をあらわす検出出力信号Ｓｐとが供給される。制御ユニット部６０は、所定のプログラムデータ等を格納する記憶部を備えている。また、制御ユニット部６０には、表示部として液晶ディスプレイ６２、および、入力部としてのキーボード６４が接続されている。

空気圧制御回路７２は、例えば、図１２に示されるように、コンプレッサ等の空気圧供給源７０に圧力調整弁７６を介して複数の５ポート型のサーボ弁が設けられている。各サーボ弁は、上述のエアシリンダ１２ａ１〜１２ａ８に対応してそれぞれ設けられている。なお、図１２においては、代表的に、エアシリンダ１２ａ１、１２ａ３、サーボ弁１、サーボ弁３を示す。これにより、エアシリンダ１２ａ１〜１２ａ４が駆動されることにより、第２関節２２がワイヤ３０を介して駆動制御され、また、エアシリンダ１２ａ５〜１２ａ８が駆動されることにより、第１関節１８がチューブ３２を介して駆動制御されることとなる。さらに、ベーンモータ４０が制御されることにより、把持部２４の回転角が制御されることとなる。

制御ユニット部６０は、記憶部から読み出された所定のプログラムデータに従い動作を開始し、検出出力信号Ｓｉ、検出出力信号Ｓｐに基づいて把持部２４、第１関節１８、第２関節２２の位置、姿勢制御を行うとともに、鉗子先端にかかる外力ベクトルｆ_extハットを推定する演算を行い、空気圧制御回路７２の動作制御を行う。制御ユニット部６０において、後述する外力ベクトルを推定する演算は、図１３に示されるブロック図にあらわされる演算式に従い行われる。

次に、鉗子システムにおける外力推定について説明する。
図１３は、鉗子システムにおける、外力推定のブロック線図である。
図１３のブロック線図について、各記号の説明をしながら外力推定の方法を述べる。
Ｆ：空気圧アクチュエータの駆動力ベクトルである。
具体的には、以下のようになる。
Ｆ_１〜Ｆ_４：第1関節のシリンダ駆動力である。
Ｆ_５〜Ｆ_８：第2関節のシリンダ駆動力である。
Ｆ_９：回転関節のためのベーンモータ駆動トルクである。
Ｘ：アクチュエータの変位量である。
具体的には、以下のようになる。
Ｘ_１〜Ｘ_４：第1関節のためのシリンダ変位である。
Ｘ_５〜Ｘ_８：第2関節のためのシリンダ変位である。
Ｘ_９：回転関節のためのベーンモータの回転角である。
Ｘオーバードット：アクチュエータの速度である。sはラプラス微分演算子であるが、実際はコンピュータの数値微分（擬似微分）により求める。
ｑ：関節の位置変数ベクトルであり、最大7次元ベクトルである。
具体的には、以下のようになる。
ｑ=[δ_１、θ_１、ｌ_１、δ_２、θ_２、ｌ_２、ψ]^Ｔとなる。添え字1、2は関節の番号である。屈曲にかかるδ、θ、ｌの定義は図１５に示す第２関節の位置座標の定義のとおりである。第１関節も同様である。ψについては回転関節の角度を表わす。
第２関節については、関節の屈曲する方向δ_２、その方向へ屈曲した角度θ_２、および関節長さの変化量ｌ_２である。関節長さの変化量ｌ_２は、関節の中心線つまり図１５で破線になっている部分の長さの変化量である。ただしδ_２およびθ_２は次の範囲で表わすこととする。
−π≦δ_２≦π θ_２≧０
また、ｐは鉗子先端の位置座標であり、Ｌｓは関節の自然長であり、Ｌｇは把持部と回転関節部の合計の長さであり、ｒは駆動ワイヤの配置円半径であり、数字5〜8は駆動ワイヤ番号である。
第１関節については、関節の屈曲する方向δ_１、その方向へ屈曲した角度θ_１、および関節長さの変化量ｌ_１である。ただしδ_１およびθ_１は次の範囲で表わすこととする。
−π≦δ_１≦π θ_１≧０
また、Ｌｓは関節の自然長であり、ｒは駆動チューブの配置円半径であり、数字1〜4は駆動チューブ番号である。
ここでｑとアクチュエータ変位Ｘとの関係は式（１）のようになる。

なお式中のγはベーンモータから回転関節への減速比（増速比）を表わす。
次に、式（１）を関節位置ｑについて変形すると次のようになる。

Ｚハット：関節の逆動力学モデルで、所望の関節位置および速度を実現するためのアクチュエータ駆動力ベクトルであり、9次元ベクトルである。ここでＺハットを各関節に分け、第１関節のモデルＺ_１（4次元ベクトル）、第２関節のモデルＺ_２（4次元ベクトル）および回転関節のモデルＺｒ（1次元ベクトル）を考える。すなわち

式(３)の各成分は、各アクチュエータの作動にかかる機械的インピーダンス（弾性力、摩擦力、慣性力など）に関する項により構成される。
Ｆ_ext、Ｆ_extハット：シリンダ駆動力およびベーンモータの駆動トルクの外力成分のベクトルであり、回転含む9次元ベクトルである。これらは鉗子先端に外力を受けて、アクチュエータがバックドライブされることで生じる。なお、ハット付きの記号は計算による推定値を意味する。
τ_extハット：関節位置座標ｑ（δ_１、θ_１、ｌ_１、δ_２、θ_２、ｌ_２、ψ）に対するトルクおよび並進力の外力成分である。
ｆ_extハット：鉗子先端にかかる外力で、ここでは並進力3自由度およびトルク3自由度の6次元ベクトルである。
Ｊ_a ^T：Ｆ_extからτ_extへの変換行列である。Ｊ_aは関節速度ｑオーバードットからアクチュエータ速度Ｘオーバードットへのヤコビアンであり、式（１）を時間微分して整理することにより得られる。
(Ｊ^T)⁺：τ_extからｆ_extへの変換行列である。Ｊは関節速度ｑオーバードットから鉗子先端の速度ｐオーバードットおよび角速度ベクトルωへのヤコビアンである。

これについて、図１４を使って説明する。第１関節、第２関節および回転関節の位置・姿勢を記述するため、基準座標系Ｏｂをとり、各関節の先端中心にローカル座標系Ｏ_１、Ｏ_２をとる。図中、記号ｐは位置（3次元ベクトル）を、記号Ｒは姿勢行列（3×3行列）を表わしており、例えば^ｂｐ_１という記述は、座標系Ｏｂにより記述したＯ_１の位置ベクトルという意味である。この設定において、鉗子先端の位置ｐおよび姿勢行列Ｒを求めると次のようになる。

ここで外力推定に必要なヤコビアンＪの並進速度にかかる成分Ｊｐについては、式（４）を時間微分することにより得られる。すなわち

次に関節位置ベクトルｑにおける角度パラメータの時間微分δ_１オーバードット、θ_１オーバードット、δ_２オーバードット、θ_２オーバードット、ψオーバードットについて、各回転軸ベクトルの基準座標系に対する方向余弦を求めることにより角速度ベクトルωが得られ、姿勢ヤコビアンＪｒを含む形に整理できる。ここで、並進速度パラメータｌ_１オーバードット、ｌ_２オーバードットにかかる成分は0とする。すなわち

式（６）および（７）から、ヤコビアンＪが得られる。すなわち

ところで、先に定義した関節位置ベクトルｑは7自由度ある。後述する式（１０）の外力計算で冗長な成分があってもよいが、ｑの成分ｌ_１またはｌ_２を選択的に消去すれば、非冗長の独立6自由度システムとすることができる。外力推定における自由度の削減は、逆行列計算におけるコスト削減および精度向上を図ることができる。
アクチュエータ駆動力の外力成分のベクトルの推定値Ｆ_extハットは、式（９）に従いアクチュエータの駆動力Ｆからマニピュレータの内部逆動力学Ｚハットを差し引くと、外力にかかる成分を求めることができる。

鉗子先端にかかる外力ベクトルｆ_extハットは、式（１０）に従い求められる。

屈曲部としてスプリングの例を説明したが、屈曲部はこれに限定されるものではない。このほか、屈曲部としては、中空の物体にスリットを加工して柔軟に屈曲できるようにしたものなどを採用することができる。シリンダ位置の検出部としてのポテンショメータの例を説明したが、検出部はこれに限定されるものではない。このほか検出部としては、エンコーダなどを採用することができる。
駆動力の発生装置として空気シリンダの例を説明したが、駆動力の発生装置はこれに限定されるものではない。このほか駆動力の発生装置としては、電気モーター、水圧シリンダ、油圧シリンダなどを採用することができる。
駆動力の計測装置として圧力センサの例を説明したが、駆動力の計測装置はこれに限定されるものではない。このほか駆動力の計測装置としては、力センサをマニピュレータに直接搭載する方法などを採用することができる。

本発明に係る一例は、最先端の回転関節の駆動にフレキシブルシャフトを採用することで、運動学および動力学の両面において屈曲関節との干渉を回避できる。本発明に係る鉗子マニピュレータの一例は、外力推定に有効な7自由度(5自由度（屈曲2自由度×2および回転1自由度））に屈曲関節の伸縮方向×2を加える）を体内において有しており、並進力3軸およびトルク3軸の6自由度外力を、体内の関節のみを用いて推定計算することが可能である。
体外での運動を外力推定に利用しないので挿入部におけるトロッカーの拘束、鉗子マニピュレータに連結された配線などの抵抗が関節のダイナミクスに影響しない。よって、鉗子マニピュレータがどのような配置状況にあっても、外力推定精度が安定しているという利点がある。

１０鉗子マニピュレータ
１２関節駆動部
１４コネクタユニット
１８第１関節
２２第２関節
２４把持部
２６回転関節部
３４フレキシブルシャフト

Claims

鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し該回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、該複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して該回転関節部を駆動させる駆動部とを備える鉗子マニピュレータと、
前記把持部の姿勢を制御するように前記鉗子マニピュレータの前記駆動部を制御する制御部と、を具備して構成され、
前記把持部、前記回転関節部、及び前記駆動力伝達部材は、前記軸線周りに回転され、
前記駆動力伝達部材は、前記軸線方向に沿って中空部を有し、
前記中空部の中には、前記軸線方向に沿って、流体供給用の管部材が挿入される、鉗子システム。
前記制御部は、前記鉗子に作用する外力を推測演算する演算部を備えることを特徴とする請求項１記載の鉗子システム。
鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し該回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、該複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して該回転関節部を駆動させる駆動部とを備える鉗子マニピュレータと、
前記把持部の姿勢を制御するように前記鉗子マニピュレータの前記駆動部を制御する制御部と、を具備して構成され、
外力により変形する前記多自由度関節部について、前記多自由度関節部の前記軸線方向の長さの変化量を検出し、
前記変化量を使い前記外力を算出する演算部を有する鉗子システム。
前記複数の柔軟な多自由度関節部が、それぞれ、切削スプリングにより構成されることを特徴とする請求項１記載の鉗子システム。
鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し該回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、該複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して該回転関節部を駆動させる駆動部とを具備して構成され、
前記把持部、前記回転関節部、及び前記駆動力伝達部材は、前記軸線周りに回転され、
前記駆動力伝達部材は、前記軸線方向に沿って中空部を有し、
前記中空部の中には、前記軸線方向に沿って、流体供給用の管部材が挿入される、鉗子マニピュレータ。