医用机械臂装置、医用机械臂控制系统、医用机械臂控制方法、及程序的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种医用机械臂装置、医用机械臂控制系统、医用机械臂控制方法、以 及程序。
【背景技术】
[0002] 近年来，在医疗领域和工业领域中，已经广泛使用机械装置，从而以高准确度快速 执行任务。通常，机械装置是其中通过联接单元将多个链接件彼此连接的多链接件结构，并 且当控制该多个联接单元的旋转驱动时，控制整个机械装置的驱动。
[0003] 此处，位置控制和力控制被称为机械装置和各个联接单元的控制方法。例如，在位 置控制中，将诸如角度等命令值提供给联接单元的致动器，并且根据命令值控制联接单元 的驱动。同时，在力控制中，给定通过整个机械装置施加到任务目标的力的目标值，并且控 制联接单元的驱动(例如，由联接单元产生的扭矩），以使得实现由目标值所指示的力。
[0004] 通常，因为位置控制便于控制并且系统配置简单，所以通过位置控制驱动大多数 机械装置。然而，位置控制因不能容易地灵活处理外部力而通常被称为"硬性控制"，并且位 置控制不适用于在与各种外界执行物理相互作用（例如，与人的物理相互作用）的同时执行 任务(运动目的）的机械装置。同时，力控制虽然具有复杂的系统配置，但是，能够实现动力 级的"软性控制"，因此，力控制是一种特别适用于执行与人的物理相互作用的机械装置的 控制方法和具有良好能用性的控制方法。
[0005] 例如，作为对其施加力控制的机械装置，专利文献1公开了包括配置有2个轮的移 动机构和配置有多个联接单元的臂单元、并且执行控制以使得以协同方式整体驱动轮和联 接单元(执行整体协同控制）的机械装置。
[0006] 此外，在力控制中，需要以高准确度检测机械装置的每个联接单元的扭矩(包括通 过联接单元产生的生成的扭矩和从外部施加到联接单元的外部扭矩)并且执行反馈控制 和/或前馈控制。例如，专利文献2公开了包括解耦结构并且执行其中尽可能减少振动影响 的高准确度扭矩检测的扭矩传感器。
[0007] 引用列表
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献 1:JP 2010-188471A
[0010] 专利文献2:开 2011-209099八
【发明内容】
[0011] 技术问题
[0012] 同时，近年来，在医疗领域中，尝试使用其中在执行各个医疗程序(例如，手术或者 检查)时将各个医疗单元(前端单元)安装在臂单元的前端处的平衡臂。例如，已经提出了这 样一种方法，即，其中，将诸如显微镜、内诊镜、或者成像单元(摄像机)等具有各种成像功能 的单元安装在平衡臂上作为前端单元的臂单元的前端上，并且执业者(用户)在观察通过前 端单元捕获的疫区图像同时执行各种医疗程序。然而，当移动臂单元并且由此使设备尺寸 趋于增大时，不得不将平衡臂配备有用于保持力平衡的制衡重体(也被称为衡重体或者平 衡体）。医疗程序中使用的设备尺寸不得不变小，因为需要确保用于医疗程序的任务空间， 但是，所提出的一般平衡臂很难满足这种需求。此外，在平衡臂中，仅臂单元的某种驱动，例 如，仅用于在(二维)平面内移动前端单元的双轴驱动为电驱动，并且需要执业者或者其周 围医务人员的手动定位来移动臂单元和前端单元。因此，在一般平衡臂中，在拍摄时难以确 保稳定性(例如，前端单元的定位准确度、振动抑制等)并且难以确保可以在各个方向上进 行拍摄的拍摄自由度，例如，在其中将患者身体的特定部位固定为进行拍摄的部位的状态 下进行拍摄的拍摄自由度。
[0013] 根据该情形，已经提出其中通过位置控制控制驱动的医用机械臂装置作为取代平 衡臂的设备。然而，为了更为高效地执行医疗程序并且减少用户负担，需要能够更为直观控 制臂单元和前端单元的位置或者姿势的高操作性来执行机械臂装置的驱动控制。在其中通 过位置控制控制驱动的机械臂装置中，很难满足该用户需求。
[0014] 根据上述内容，希望通过以高稳定性和高自由度的操作性实现能够执行前端单元 和臂单元的驱动控制的医用机械臂装置而高效执行医疗程序并且在医疗程序过程中减少 用户的负担。有哪次，本公开提供一种医用机械臂装置、医用机械臂控制系统、医用机械臂 控制方法、以及一种程序，其为新型和改进型并且能够进一步提高用户便利性并且进一步 减少用户负担。
[0015] 问题解决方案
[0016] 根据本公开的实施方式，提供一种包括多个联接单元和驱动控制单元的医用机械 臂装置，该多个联接单元被配置为连接多个链接件并且在配置有该多个链接件的多链接件 结构驱动时实现至少6以上的自由度;并且驱动控制单元被配置为基于联接单元的状态控 制联接单元的驱动。附接至多链接件结构的前端的前端单元为至少一种医疗装置。
[0017] 根据本公开的另一实施方式，提供一种包括医用机械臂装置和控制设备的医用机 械臂控制系统，医用机械臂装置包括多个联接单元和驱动控制单元，该多个联接单元被配 置为连接多个链接件并且相对于配置有该多个链接件的多链接件结构实现至少6以上的自 由度，并且驱动控制单元基于该多个联接单元的检测的状态控制联接单元的驱动;并且控 制设备包括整体协同控制单元，整体协同控制单元被配置为利用基于该多个联接单元的检 测的状态以及该多链接件结构的运动目的和约束条件所获取的多链接件结构的状态根据 广义逆动力学计算用于该多链接件结构的整体协同控制的控制值。附接至该多链接件结构 的前端的前端单元为至少一种医疗装置。
[0018] 根据本公开的另一实施方式，提供一种医用机械臂控制方法，包括:检测多个联接 单元的状态，该多个联接单元被配置为连接多个链接件并且相对于配置有该多个链接件的 多链接件结构实现至少6以上的自由度;并且基于该多个联接单元的检测的状态控制联接 单元的驱动。附接至该多链接件结构的前端的前端单元为至少一种医疗装置。
[0019] 根据本公开的另一实施方式，提供一种用于使计算机执行下列功能的程序:检测 多个联接单元的状态的功能，该多个联接单元被配置为连接多个链接件并且相对于配置有 该多个链接件的多链接件结构实现至少6以上的自由度;和基于该多个联接单元的检测的 状态控制联接单元的驱动的功能。附接至该多链接件结构的前端的前端单元为至少一种医 疗装置。
[0020] 根据本公开，在机械臂装置中具有多链接件结构的臂单元具有至少6以上的自由 度，并且通过驱动控制单元控制配置臂单元的多个联接单元中的各个的驱动。此外，将医疗 装置安装在臂单元的前端处。如上所述，当控制各个联接单元的驱动时，实现了具有高自由 度的臂单元的驱动控制，并且实现了对用户具有高操作性的医用机械臂装置。
[0021] 发明的有利效果
[0022] 如上所述，根据本公开，可以进一步提高用户便利性并且进一步减少用户负担。
【附图说明】
[0023] 【图1】图1是用于描述出于医疗用途使用根据本公开的实施方式的机械臂装置的 应用例的示例图。
[0024] 【图2】图2是示出了根据本公开的实施方式的机械臂装置的外观的示意图。
[0025] 【图3】图3是示意性地示出了根据本公开的实施方式的其中沿着通过旋转轴的截 面切割联接单元的致动器的状态的截面图。
[0026]【图4A】图4A是示意性地示出了从驱动轴的轴方向上观看图3中所示的扭矩传感器 的状态的示意图。
[0027]【图4B】图4B是示出了应用于图3中所示的致动器的扭矩传感器的另一示例性配置 的示意图。
[0028]【图5】图5是用于描述根据本公开的实施方式的理想联接控制的示例图。
[0029]【图6】图6是示出了根据本公开的实施方式的机械臂控制系统的示例性配置的功 能框图。
[0030] 【图7】图7是用于描述根据本公开的实施方式的枢转移动（即，臂移动的具体实施 例）的示例图。
[0031] 【图8】图8是用于描述实现图7中所示的枢转移动的运动目的和约束条件的示例 图。
[0032]【图9】图9是示出了根据本公开的实施方式的机械臂装置的具有冗余自由度的变 形例的外观的示意图。
[0033]【图10】图10是示出了根据本公开的实施方式的机械臂控制方法的处理过程的流 程图。
[0034]【图11】图11是示出了根据本公开的实施方式的机械臂装置和控制设备的硬件配 置的示例性配置的功能框图。
【具体实施方式】
[0035]在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施方式。应注意，在本说明书和附 图中，以相同参考标号指示具有大致相同功能和结构的结构元件，并且省去了对这些结构 元件的重复性说明。
[0036]将按照下列顺序进行描述。
[0037] 1.医用机械臂装置的概述
[0038] 2.本公开的实施方式 [0039] 2-1.机械臂装置的外观 [0040] 2-2.广义逆动力学 [0041 ] 2-2-1.虚力计算过程 [0042] 2-2-1.实际力计算过程 [0043] 2-3.理想联接控制
[0044] 2-4.机械臂控制系统的配置
[0045] 2-5.运动目的的具体实例 [0046] 3.机械臂控制方法的处理过程 [0047] 4.硬件配置
[0048] 5.结论
[0049] 〈1.医用机械臂装置的概述〉
[0050] 首先，为了进一步阐明本公开，将描述发明人公开本公开的背景。
[0051] 将参考图1描述出于医疗用途使用根据本公开的实施方式的机械臂装置的应用 例。图1是用于描述出于医疗用途使用根据本公开的实施方式的机械臂装置的应用例的示 例图。
[0052] 图1示意性地示出了使用根据本实施方式的机械臂装置的示例性医疗用途。具体 地，例如，图1示出了其中作为执业者（用户）520的医生使用诸如手术刀、镊子、以及钳子等 手术仪器521在医疗程序平台530上对医疗程序目标（患者）540执行手术的实施例。在下列 描述中，医疗程序指包括作为用户520的医生对医疗程序目标540的患者执行诸如手术或者 检查等各种医学治疗的一般概念。图1中的实施例示出了作为医疗程序的实施例的手术，但 是，使用机械臂装置510的医疗程序并不局限于手术并且可以是诸如使用内诊镜的检查等 各种其他医疗程序。
[0053] 根据本实施方式的机械臂装置510安装在医疗程序平台530的侧部。机械臂装置 510包括用作底部(base)的底部单元511和从底部单元511延伸的臂单元512。臂单元512包 括多个联接单元513 &、51313、513〇、通过联接单元513&和51313连接的多个链接件514 &和 514b、以及安装在臂单元512的前端处的成像单元515。在图1所示的实施例中，出于简化之 目的，臂单元512包括3个联接单元513a至513c以及2个链接件514a和514b，但是，实际上，例 如，可以适当地设置联接单元513a至513c以及链接件514a和514b的数目和形状以及联接单 元513a至513c的驱动轴的方向，以鉴于臂单元512和成像单元515的位置和姿势的自由度明 确所需的自由度。
[0054]联接单元513a至513c具有连接可旋转的链接件514a和514b的功能，并且当旋转地 驱动联接单元513a至513c时，控制臂单元512的驱动。此处，在下列描述中，机械臂装置510 的各个部件的位置位于指定用于驱动控制的空间中的位置(坐标），并且各个部件的姿势位 于指定用于驱动控制的空间中的任意轴方向（角)上。此外，在下列描述中，臂单元512的驱 动（或者驱动控制）指通过执行联接单元513a至513c的驱动（或者驱动控制）和联接单元 513a至513c的驱动（或者驱动控制）改变(控制）臂单元512的各个部件的位置和姿势（变 化)。
[0055]各种医疗装置连接至作为前端单元的臂单元512的前端。在图1中示出的实施例 中，将成像单元515安装在作为示例性前端单元的臂单元512的前端处。成像单元515是获取 拍摄目标的图像(拍摄图像)的单元并且是例如能够捕获移动图像或者静止图像的摄像机。 如图1所示，通过机械臂装置510控制臂单元512和成像单元515的姿势或者位置，以使得安 装在臂单元512的前端处的成像单元515拍摄医疗程序目标540的医疗程序部位的状态。安 装在臂单元512的前端处的前端单元并不局限于成像单元515并且可以是各种医疗装置。例 如，医疗装置包括执行医疗程序时所使用的诸如内诊镜、显微镜、具有诸如成像单元515等 成像功能的单元等各种单元、各种医疗程序仪器、以及检查装置。如上所述，根据本实施方 式的机械臂装置510是配备有医疗装置的医用机械臂装置。此外，具有两个成像单元(摄像 机单元)的立体摄像机可安装在臂单元512的前端处并且可执行拍摄，以使得将成像目标显 示为三维(3D)图像。
[0056] 此外，诸如监控器或者显示器等显示设备550被安装在面向用户520的位置处。在 显示设备550的显示屏幕上显示通过成像单元515捕获的医疗程序部位的捕获图像。用户 520在查看显示设备550的显示屏幕上显示的医疗程序部位的捕获图像时执行各种治疗。 [0057]如上所述，在本实施方式中，在医学领域中，提出了一种在通过机械臂装置510对 医疗程序部位进行拍摄的同时执行手术的技术。此处，在包括手术的各种医疗程序中，需要 通过高效执行医疗程序减少用户520和患者540的疲惫感或者负担。例如，为了满足该需求， 机械臂装置510中的下列功能被视为比较理想。
[0058]首先，第一点，机械臂装置510应确保用于手术的任务空间。如果臂单元512或者成 像单元515阻碍执业者的视野或者在用户520对医疗程序目标540执行各种治疗的同时阻碍 执行治疗的手的运动，则手术效率降低。此外，例如，尽管图1中未示出，然而，在实际手术情 景中，执行将仪器交给用户520或者检查患者540的各种生命体征等各种辅助任务的多个其 他医生和/或护士通常位于用户520和患者540的附近，并且存在用于执行辅助任务的其他 设备，因此，手术环境比较复杂。因此，小型尺寸的机械臂装置510比较理想。
[0059] 接着，第二点，机械臂装置510应具有用于移动成像单元515的高操作性。例如，用 户520可能希望在根据手术部位或者手术内容对医疗程序部位执行治疗的同时从各个位置 和角度观察相同的医疗程序部位。为了改变观察医疗程序部位的角度，则需要改变成像单 元515相对于医疗程序部位的角度，但此时，更希望在其中将成像单元515的拍摄方向固定 至医疗程序部位的状态下仅改变拍摄角度（即，在拍摄相同部位时）。因此，例如，机械臂装 置510应具有诸如转向移动(枢转移动)等高自由度的操作性，其中，成像单元515在将成像 单元515的拍摄方向固定至医疗程序部位并且圆锥体的轴被用作枢转轴的状态下在将医疗 程序部位作为顶点的圆锥体表面内移动。因为将成像单元515的拍摄方向固定至特定的医 疗程序部位，所以枢转移动也被称为点锁移动。
[0060] 此外，例如，为了改变成像单元515的位置和角度，考虑其中用户520手动移动臂单 元512以将成像单元515移动至理想位置和理想角度的方法。因此，希望具有即使使用一只 手也能容易执行成像单元515的移动、枢转移动等的操作性。
[0061] 此外，存在用户520在手术过程中使用双手执行治疗的同时将通过成像单元515捕 获的捕获图像的拍摄中心从正在执行治疗的部位移至另一部位(例如，执行下一步治疗的 部位)的需求。因此，当希望改变成像单元515的位置和姿势时，需要通过诸如踏板等输入单 元的操作输入的诸如控制臂单元512的驱动的方法等臂单元512的各种驱动方法以及通过 手动运动控制臂单元512的驱动的方法。
[0062]例如，如上所述，关于第二点中的功能，机械臂装置510应具有能够通过枢转移动 或者手动运动支持简单移动并且满足用户520的直觉或者期望的高操作性。
[0063] 最后，第三点，机械臂装置510应在臂单元512的驱动控制时具有稳定性。臂单元 512的驱动控制稳定性可以是驱动臂单元512时前端单元的位置和姿势稳定性。臂单元512 的驱动控制稳定性还包括驱动臂单元512时前端单元的平滑移动和振动抑制(振动抑制）。 例如，如图1中所示的实施例，当前端单元是成像单元515时，如果成像单元515的位置或者 姿势不稳定，则显示设备550的显示屏幕上所显示的捕获图像不稳定，并且用户可能具有不 舒服的感觉。具体地，当手术中使用机械臂装置510时，可以采用其中将包括两个成像单元 (摄像机单元）的立体摄像机安装为前端单元并且显示基于通过立体摄像机获得的拍摄图 像生成的3D图像的使用方法。如上所述，当显示3D图像时，如果立体摄像机的位置或者姿势 不稳定，则用户可能遭遇3D眩晕。此外，通过成像单元515拍摄的观察范围可被放大至约 (pl5mm，视手术部位或者手术内容而定。如上所述，当成像单元515放大并且拍摄窄范围 时，成像单元515的轻微震动被示出为成像图像的较大震动或者偏离。因此，在臂单元512和 成像单元515的驱动控制过程中需要具有约Imm许可范围内的高定位准确度。如上所述，在 臂单元512的驱动控制过程中需要高准确性响应度和高定位准确度。
[0064] 发明人已经就上述所述3中功能回顾了基于位置控制的现有一般平衡臂和机械臂 装置。
[0065] 首先，关于确保用于第一点中手术的任务空间，在一般平衡臂中，当移动臂单元 时，将用于保持力平衡的制衡重体(也被称为衡重体或者平衡体)安装在底部单元等内，并 且由此很难减少平衡臂装置的尺寸，并且很难说实现了相应的功能。
[0066] 此外，关于第二点中的高操作性，在一般平衡臂中，仅臂单元的某种驱动，例如，仅 用于在(二维)平面内移动成像单元的双轴驱动是电驱动，并且臂单元和成像单元的移动需 要手动定位，并且由此很难说可以实现高操作性。此外，在基于位置控制的一般机械臂装置 中，因为通过臂单元的驱动控制所使用的位置控制很难灵活地处理外部力，即，成像单元的 位置和姿势控制，所以位置控制通常被称为"硬性控制"并且不适用于实现满足用户直觉的 理想操作性。
[0067]此外，关于第三点中臂单元的驱动控制稳定性，臂单元的联接单元通常通常具有 诸如摩擦、惯性等不易于被模型化的因素。在基于位置控制的一般平衡臂或者机械臂装置 中，这些因素充当干扰联接单元的驱动控制的作用，并且即使当给定理论上适当的控制值 (例如，应用于联接单元电机的当前值)时，也存在其中不能实现理想驱动(例如，在联接单 元电机中以理想的角度旋转)的情况，并且很难实现臂单元的驱动控制所需的高稳定性。 [0068]如上所述，发明人已经回顾了出于医疗用途所使用的机械臂装置并且认识到存在 对有关机械臂装置的上述三点功能的需求。然而，很难使基于位置控制的一般平衡臂或者 机械臂装置容易完成这些功能。发明人在回顾了满足这三点功能的配置之后开发了根据本 公开的机械臂装置、机械臂控制系统、机械臂控制方法、以及程序。在下文中，将详细描述由 发明人开发的配置的优选实施方式。
[0069] 〈2.本公开的实施方式〉
[0070]下面将描述根据本公开的实施方式的机械臂控制系统。在根据本实施方式的机械 臂控制系统中，通过利用广义逆动力学的整体协同控制控制安装在机械臂装置中的多个联 接单元的驱动。此外，此外。将通过校正干扰影响实现命令值的理想响应的理想联接控制应 用于联接单元的驱动控制。
[0071]在本实施方式的下列描述中，将在【2-1.机械臂装置的外观】中首先描述根据本实 施方式的机械臂装置的外观和机械臂装置的示意性配置。然后，将在【2-2.广义逆动力学】 和【2-3.理想联接控制】中描述广义逆动力学的概述和根据本实施方式的用于机械臂装置 的控制的理想联接控制。然后，将参考【2-4.机械臂控制系统的配置】中的功能框图描述根 据本实施方式的用于控制机械臂装置的系统的配置。最后，将在【2-5.运动目的的具体实 例】中描述利用根据本实施方式的机械臂装置中的广义逆动力学的整体协同控制的具体实 例。
[0072]此外，将以其中根据本公开的实施方式的机械臂装置的臂单元的前端单元是成像 单元并且在本公开的实施方式的图1中所示的手术过程中通过成像单元拍摄医疗程序部位 的实例中继续下列描述，但是，本实施方式并不局限于该实例。即使当出于另一用途使用包 括不同前端单元的机械臂装置时，也可应用根据本实施方式的机械臂控制系统。
[0073] 【2-1.机械臂装置的外观】
[0074] 首先，将参考图2描述根据本公开的实施方式的机械臂装置的示意性配置。图2是 示出了根据本公开的实施方式的机械臂装置的外观的示意图。
[0075]参考图2,根据本实施方式的机械臂装置400包括底部单元410和臂单元420。底部 单元410用作机械臂装置400的底部，并且臂单元420从底部单元410延伸。尽管图2