移動装置
【課題】機器の誤操作の危険性がなく安全に、かつ移動台を所望する位置に容易に調整することができる移動装置を提供する。
【解決手段】腕支持装置１は、腕台３と、腕台３に作用する外力によって腕台３を移動可能に支持する複数の関節１１〜１５を有する多関節アーム２と、関節１１〜１５が各々所定の初期姿勢となるように付勢する複数の定加重ばねと、関節１１〜１５の動きを制動する制動トルクを制御可能な複数のパウダブレーキと、関節１１〜１５ごとの作動量を検知する複数のエンコーダと、腕台３に作用する力およびトルクを検知する６軸力トルクセンサと、フットスイッチ４および６軸力トルクセンサによって選択されるモード、並びに、エンコーダおよび／または６軸力トルクセンサからの検出値に基づいて複数のパウダブレーキの各々の制動量を制御する制御部と、を備えるものである。
【解決手段】腕支持装置１は、腕台３と、腕台３に作用する外力によって腕台３を移動可能に支持する複数の関節１１〜１５を有する多関節アーム２と、関節１１〜１５が各々所定の初期姿勢となるように付勢する複数の定加重ばねと、関節１１〜１５の動きを制動する制動トルクを制御可能な複数のパウダブレーキと、関節１１〜１５ごとの作動量を検知する複数のエンコーダと、腕台３に作用する力およびトルクを検知する６軸力トルクセンサと、フットスイッチ４および６軸力トルクセンサによって選択されるモード、並びに、エンコーダおよび／または６軸力トルクセンサからの検出値に基づいて複数のパウダブレーキの各々の制動量を制御する制御部と、を備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腕や物などを支持する移動台の移動を制御可能な移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脳神経外科手術は、医師が手術顕微鏡で微細な手術部位を観察しつつ、メス等を用いて手作業で処置を行うため、非常に緻密な作業が要求される。また、このような手術は長時間を要するものが多い。手術中には僅かな手の震えなどによっても手術部位以外の組織を損傷させる恐れがあるため、医師は、腕を支持固定する移動装置（支持装置）を使用して手術を実施している。
【０００３】
このように用いられる移動装置は、腕を支持するだけでなく、手術部位の位置に合わせて、手先の高さや向き、傾きなどを調整可能な必要がある。このような移動装置の一例として、特許文献１に微細作業用支持具が開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された微細作業用支持具では、腕を支持する腕台が、上下動、回動および揺動可能に、基台、支持軸およびリンク部材で支持されている。腕台は、スプリングによる付勢力で高く位置しており、腕台上に上肢が乗せられて重さが加わると付勢力とのバランスにより適宜下降する。また、腕台は、別のスプリングで前上がりに傾くように付勢されており、上向きや下向の力を腕台に加えると前上がりや前下がりに傾斜する。
【０００５】
医師は、腕台が所望の傾き、高さ、および向きになったときに足や膝等で固定用のスイッチを操作する。これにより、腕台が固定される。
【０００６】
また、このような腕台は、手術に限らず微細な手作業を行う際に用いることで、腕の震えなどを防止できる。
【０００７】
【特許文献１】特許第３６５３５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の特許文献１に記載された微細作業用支持具（移動装置）では、手術中に、医師が手先の方向や位置を動かしたい場合には、スイッチを操作して腕台（移動台）の固定状態を解除し、移動台を所望の傾き、高さ等の位置に移動し、再度スイッチを操作して腕台を固定する。ところが、移動台は、上方および前上がりに付勢されていることから、固定状態を解除した瞬間に付勢力が一気に解除されて、医師の意図に反して上方に大きく動いてしまう場合がある。逆に、付勢力よりも大きい力で移動台に力を加えていたときには、医師の意図に反して下方に大きく動いてしまう場合もある。このように、手術中に思い通りに移動台を移動することが難しく、特に移動台の位置の微調整は難しい。
【０００９】
この問題を解決するために、電気モータなどの駆動によって移動台の位置を移動調整できる能動的な移動装置も考えられる。しかしながら、能動的な装置では、移動台の位置を操作する操作レバーの誤操作や、機器の誤動作による患者への危険性が伴う。誤操作を防止するためには、機器操作の十分な習熟が必要である。手術の中断を最小限にするために、操作レバーを足で操作する方式にした場合には、手で操作するよりも操作が一層難しくなるため、一層十分な習熟が必要である。
【００１０】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、機器の誤操作の危険性がなく安全に、かつ所望する位置に移動台を容易に調整することができる移動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するためになされた特許請求の範囲の請求項１に記載の移動装置は、移動台と、該移動台に作用する外力によって該移動台を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構と、該移動機構に付されて該各可動部が各々所定の初期姿勢となるように付勢する複数の付勢機構と、該移動機構に付されて該可動部ごとの動きを制動する制動量を制御可能な複数の電気制御ブレーキと、該移動機構に付されて該可動部ごとの作動量を検知する複数の作動量センサと、該移動台または該移動機構に付されて該移動台に作用する力および／またはトルクを検知する力覚センサと、動作モードを選択されるモード選択手段と、該動作モード選択手段によって選択されるモード、並びに、該作動量センサおよび／または該力覚センサからの検出値に基づいて該複数の電気制御ブレーキの各々の制動量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この制動量は、制動力や制動トルクを含んだ概念である。
【００１３】
請求項２に記載の移動装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動台は、オペレータの腕を支持する腕台であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段によって、前記移動台を微動速度で移動すべき微動モードか、該移動台を該微動速度よりも早い粗動速度で移動すべき粗動モードか、該移動台の待機位置に移動すべき待機位置モードか、該移動台を固定すべき固定モードかを選択されて、該制御部は、前記各モードに応じた制動量で前記複数の電気制動ブレーキを制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００１６】
この速度量は、速度や角速度を含んだ概念である。
【００１７】
請求項５に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００１８】
この速度量には、速度や角速度を含んだ概念である。
【００１９】
請求項６に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記粗動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、該移動台が前記微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記待機位置モードのときに、前記作動量センサの検出値に基づいて、前記複数の可動部を、各々所定の速度量で前記初期姿勢となるよう前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２１】
請求項８に記載の移動装置は、請求項７に記載されたもので、前記制御部は、前記複数の可動部を順番に１つずつ前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載の移動装置は、請求項８に記載されたもので、前記制御部は、前記各可動部を、前記移動台に近い側から順番に前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段は、前記力覚センサの検出値と所定の閾値とを比較してモードが選択されることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１に記載の移動装置は、請求項１０に記載されたもので、前記制御部は、前記閾値としての第１の閾値、および第２の閾値に基づいて判別し、前記移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第１の閾値を超えるときに前記粗動モード、該第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上のときに前記微動モードと判別することを特徴とする。
【００２５】
請求項１２に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段は、操作スイッチを備えていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１３に記載の移動装置は、請求項１２に記載されたもので、前記制御部は、前記操作スイッチの接点状態に基づいて、前記固定モードか否かを判別することを特徴とする。
【００２７】
請求項１４に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えていることを特徴とする。
【００２８】
請求項１５に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記可動部が関節でなる多関節アームで前記移動機構が構成されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項１６に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記移動機構には、無電源時に作動して前記複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることを特徴とする。
【００３０】
請求項１７に記載の移動装置は、請求項１６に記載されたもので、前記複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項１８に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記電気制御ブレーキは、パウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることを特徴とする。
【００３２】
請求項１９に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記作動量センサは、エンコーダ、またはポテンショメータであることを特徴とする。
【００３３】
請求項２０に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記力覚センサは、６軸力トルクセンサ、または３軸力センサであることを特徴とする。
【００３４】
請求項２１に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記付勢機構は、定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の移動装置は、付勢機構で付勢された移動台を、移動台に作用する外力で移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構に付された、可動部の動きを制動する複数の電気制御ブレーキを、制御部が、モード選択手段によって選択されるモード、並びに、作動量センサおよび／または力覚センサの検出値に基づいて各制動量を制御するものである。このため、移動台の移動が制動されて、付勢力や外力によって移動台が意図以上に大きく速く動くことが防止されて、作業中であっても安全かつ所望する位置に確実に調整することができる。さらに、例えばオペレータの腕の力などの外力で移動台が位置調整されるため、例えば電気モータなどで能動的に移動させる装置と比較して、誤操作の危険性がなく安全である。
【００３６】
移動装置は、移動台がオペレータの腕を支持する腕台であることにより、腕の位置調整を安定して確実に行うことができる。
【００３７】
移動装置は、モード選択手段によって、移動台を微動モードか、粗動モードか、待機位置モードか、固定モードかを選択されて、制御部は、前記各モードに応じた制動量で電気制動ブレーキを制御する。これにより、作業箇所まで粗動モードで迅速に移動台を移動させ、作業箇所近くでは微動モードで所望する位置にゆっくりと確実に調整することができる。僅かな位置変更も微動モードで確実に所望する位置に調整することができる。さらに、待機位置モードを備えることで、付勢機構による付勢力で自動的に、しかも安全な速度で待機位置まで移動台を戻すことができる。さらに、固定モードを備えることで、位置調整した移動台を確実に固定することができる。
【００３８】
移動装置は、制御部が微動モードのときに、力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で移動台が動くように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータが所望する方向にのみ移動台が移動して、さらに、オペレータの外力の掛け具合で移動台の速さが変化するため、オペレータの意思を細やかに反映させた微動速度で移動台の位置調整を確実に行うことができる。
【００３９】
移動装置は、微動モードのときに、制御部が力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で移動台が動くように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータの移動台に作用させる外力の大小にかかわらず一定の速度で動くため、位置調整を確実に行うことができる。
【００４０】
移動装置は、粗動モードのときに、制御部が力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、移動台が微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータは所望の方向に移動台を迅速に位置調整することができる。
【００４１】
移動装置は、待機位置モードのときに、制御部が作動量センサの検出値に基づいて、複数の可動部を、各々所定の速度量で初期姿勢となるよう複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。この場合の速度量を危険のない速さとすることにより、安全である。
【００４２】
移動装置は、制御部が、複数の可動部を順番に１つずつ初期姿勢となるように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、可動部が一度に全部動かないため、一層安全である。
【００４３】
移動装置は、制御部が、移動台に近い側から順番に初期姿勢となるように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータとの接触や衝突が確実に防止されて、一層安全である。
【００４４】
移動装置では、力覚センサの検出値が所定の閾値を超えるか否かでモードが選択されることで作業を中断することなく迅速にモード変更することができる。
【００４５】
移動装置では、第１の閾値、および第２の閾値に基づいて判別し、移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第１の閾値を超えるときに粗動モード、第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上のときに微動モードと判別する。これにより、例えば、操作スイッチを操作するよりも迅速にモード切換することができ、かつ作業中の姿勢のままモード切換することができる。
【００４６】
移動装置では、モード選択手段は、操作スイッチを備えて構成されていることにより、モード選択を確実に行うことができる。
【００４７】
移動装置では、制御部が操作スイッチの接点状態に基づいて固定モードか否かを判別することにより、操作スイッチの操作で移動台を確実に固定でき、安全である。
【００４８】
移動装置では、モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えて構成されていることにより、作業の中断や姿勢の変化なく、音声によりモード切換することができる。
【００４９】
移動装置は、可動部が関節でなる多関節アームで移動機構が構成されていることにより、腕台を複数の自由度でスムーズに移動させることができる。
【００５０】
移動装置では、移動機構に、無電源時に作動して複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることにより、たとえ停電などで電源の供給が停止したとしても、腕台が固定されるため、安全である。
【００５１】
移動装置では、複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることにより、万が一、機器が誤動作したとしても、非常停止スイッチの操作で移動台が即座に固定されるため、安全である。
【００５２】
移動装置では、電気制御ブレーキがパウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることにより、制動量を安定して確実かつスムーズに可変することができ、腕台をスムーズに位置調整することができる。
【００５３】
移動装置では、作動量センサがエンコーダ、またはポテンショメータであることにより、制御部が可動部の作動量を正確に検知できるため、移動台をスムーズに位置調整することができる。
【００５４】
移動装置では、力覚センサが６軸力トルクセンサ、または３軸力センサであることにより、移動台に作用する外力を全方位で精細に検知可能なため、所望の位置に正確に位置調整できる。
【００５５】
移動装置では、付勢機構が定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることにより、簡便な構造とすることができる。
【発明を実施するための好ましい形態】
【００５６】
以下、本発明の実施の好ましい形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００５７】
図１には、本発明の移動装置の一実施形態である腕支持装置が、椅子に装着されている状態での斜視図が示されている。この腕支持装置１は、一例として、脳神経外科手術や脳外科手術の際に、手術を行う医師が腕を支持固定するために用いられるものである。また、図２には、腕支持装置１の右側（図１の椅子の外側）から観察した側面図、図３には、腕支持装置１の左側（図１の椅子の内側）から観察した側面図、図４には、腕支持装置１の上面図が示されている。図２〜図３では、椅子の図示は省略している。なお、本明細書中で右、左、前、後などの方向を説明する場合には、椅子３０に座った医師から見た場合の方向で記載する。
【００５８】
図１に示されるように、腕支持装置１は、椅子３０の座面３１の裏側後部から右手側方に突出する取付台３２ａに装着されている。なお、椅子３０の座面の裏側後部から左手側方に突出する取付台３２ｂにも、腕支持装置１の左右対称形のものが装着されるが、左右対称形である以外は同様のものであるため、図示や説明を省略する。
【００５９】
腕支持装置１は、多関節アーム２、腕台３、フットスイッチ４、非常停止スイッチ５、および制御ボックス６を備えている。
【００６０】
多関節アーム２は、腕台３に作用する外力によって腕台３を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構であって、この例では、可動部である５つの関節１１，１２，１３，１４，１５を有して５自由度に構成されている。関節１１〜１５は回転関節であり、これらによって、多関節アーム２は、支持部１６、肩部１７、第１腕部１８、第２腕部１９、第３腕部２０、先端部２１が連結されている。以下、図１〜図４を参照しつつ具体的に説明する。
【００６１】
支持部１６は、その上部までの高さを調整可能な回転ハンドルを備え、椅子３０に固定される。支持部１６の上部には、関節１１を介することで肩部１７が回動自在に連結されている。関節１１は、その回転軸が垂直方向を向いており、肩部１７は、図２に太線矢印で示されるように、首振り回動する。
【００６２】
支持部１６には、その上部に、関節１１の回動を制動するパウダブレーキ１１ａ、関節１１の回動した量を検知するエンコーダ１１ｂ、および関節１１の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１１ｃが付されている。また、肩部１７の下部には、関節１１の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１１ｄが付されている。関節１１の初期姿勢は、一例として、肩部１７に連結される第１腕部１８が、椅子の側面に対して３０度の角度で開いた姿勢とする。関節１１は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも内側（椅子３０側）の範囲で回動する。
【００６３】
肩部１７には、関節１２を介することで、一例として約３５ｃｍの長さの第１腕部１８の端部が回動自在に連結されている。関節１２は、その回転軸が水平方向を向いており、図２に太線矢印で示されるように、第１腕部１８は関節１２を支点にして上下方向に往復回動する。この第１腕部１８は、平行リンクで構成されている。
【００６４】
肩部１７には、関節１２の回動を制動するパウダブレーキ１２ａ、関節１２の回動した量を検知するエンコーダ１２ｂ、関節１２の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１２ｃ、および、関節１２の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１２ｄが付されている。関節１２の初期姿勢は、一例として、水平面に対して第１腕部１８の先端側が下向きに３０度の角度で下がった姿勢とする。関節１２は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも下側の範囲で回動する。
【００６５】
第１腕部１８の先端には、関節１３を介することで、一例として約３５ｃｍの長さの第２腕部１９の端部が回動自在に連結されている。関節１３は、その回転軸が水平方向に向いており、図２に太線矢印で示されるように、第２腕部１９は関節１３を支点にして上下方向に往復回動する。この第２腕部１９は、平行リンクで構成されている。また、第２腕部１９には、関節１３近くに、第２腕部１９を吊り持ち支持してその動きを可動可能に保持する支持ロッド１９ａが連結されている。支持ロッド１９ａは、その他端が肩部１７に設けられた第２腕支持部１９ｂに連結されている。
【００６６】
肩部１７の第２腕支持部１９ｂには、関節１３の回動を制動するパウダブレーキ１３ａ、関節１３の回動した量を検知するエンコーダ１３ｂ、関節１３の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１３ｃ、および、関節１３の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１３ｄが付されている。これらによる制動力や付勢力は、支持ロッド１９ａによって第２腕部１９に伝達されている。関節１３の初期姿勢は、一例として、第１腕部１８に対して９０度の角度の位置とする。関節１３は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも開度が大きな角度となる範囲で回動する。
【００６７】
第２腕部１９の先端には、関節１４を介することで第３腕部２０が回動自在に連結されている。関節１４は、その回転軸が水平方向に向いており、図２に太線矢印で示されるように、第３腕部２０は関節１４を支点にして前後方向に回動する。関節１２〜１４の回転軸は、略平行に設けられている。第３腕部２０には、関節１４近くに、第３腕部２０を支持してその動きを規定する支持ロッド２０ａが連結されている。支持ロッド２０ａは、その他端が関節１３近くに設けられた第３腕支持部２０ｂに連結されている。
【００６８】
第３腕支持部２０ｂは、支持ロッド２０ａを可動可能に支持している。この第３腕支持部２０ｂには、関節１４の回動を制動するパウダブレーキ１４ａ、関節１４の回動した量を検知するエンコーダ１４ｂ、関節１４の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１４ｃ、および、関節１４の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１４ｄが付されている。これらによる制動力や付勢力は、支持ロッド２０ａによって第３腕部２０に伝達される。関節１４の初期姿勢は、一例として、第２腕部１９に対して、後述する腕台３の支柱３ｄの角度が９０度の角度の位置とする。関節１４は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも開度が大きな角度となる範囲で回動する。
【００６９】
第３腕部２０には、関節１５を介することで先端部２１が回動自在に連結されている。関節１５の回転軸は、関節１４の回転軸に直交しており、図２に太線矢印で示されるように、先端部２１は首振り回動する。
【００７０】
先端部２１には、関節１５の回動を制動するパウダブレーキ１５ａ、関節１５の回動した量を検知するエンコーダ１５ｂ、関節１５の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１５ｃ、および、関節１５の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１５ｄが付されている。関節１５の初期姿勢は、一例として、後述する腕台３の支持棒３ｃが、第１腕部１８に沿った面に平行になる位置とする。関節１５は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも、後述する手支持台３ｂが内側（椅子３０側）に近づく範囲に回動する。
【００７１】
先端部２１には、６軸力トルクセンサ８を介して、腕台３を支持する支柱３ｄが取り付けられている。６軸力トルクセンサ８は、力覚センサの一例であって、３軸方向の力、および３軸まわりのトルクを検知するものである。この６軸力トルクセンサ８は、モード選択手段としても機能する。
【００７２】
上記したパウダブレーキ１１ａ〜１５ａは、電気制御ブレーキの一例であって、制動伝達媒体に磁性粉体（パウダー）を用いて、制御電流に比例した制動トルク（制動量の一例）を発生させるものであり、安定して確実かつスムーズに制動トルクを調整可能なものである。さらに、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａは、関節１１〜１５の回動を停止させて固定（ロック）させる制動トルクを有するものである。
【００７３】
エンコーダ１１ｂ〜１５ｂは、作動量センサの一例であって、関節１１〜１５の回転変位量、または回転角変位量などの動きの量に基づいたディジタルパルス信号を出力する。この場合、回転式のエンコーダを用いている。
【００７４】
無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃは、電源供給時には無制動で自在に回動するが、無電源時に制動トルクを発揮させるブレーキで、関節１１〜１５の回動を停止させ固定する制動トルクを有するものである。
【００７５】
定荷重ばね１１ｄ〜１５ｄは、付勢機構の一例であって、関節の回転位置が変化しても荷重及びトルクがほぼ一定なばねである。定荷重ばねを用いることで、簡便な装置とすることができると共に、各関節１１〜１５の回転する角速度を容易に制御することができる。
【００７６】
腕台３は、移動台の一例であって、オペレータである医師の腕を載せて支持可能なものであり、前腕支持台３ａおよび手支持台３ｂで構成されている。前腕支持台３ａは、医師の前腕にフィットして支持するように、樹脂によって上向きの浅い略Ｕ字型に形成されている。この前腕支持台３ａは、６軸力トルクセンサ８に取り付けられた支柱３ｄの上部に固定されている。手支持台３ｂは、手の平の側面を載せて支持するように、前腕支持台３ａよりも小さな大きさで、樹脂によって上向きの浅い略Ｕ字型に形成されている。図２、図３に示されるように、手支持台３ｂは、前腕支持台３ａの下部から前方に伸びる金属製の支持棒３ｃの先端に固定されている。支持棒３ｃは、前腕支持台３ａを固定する支柱３ｄに蝶ナット２本で、手支持台３ｂの前後方向の位置を調整可能に取り付けられている。
【００７７】
腕台３は、関節１１〜１５が各々の所定の初期姿勢となるように付勢されていることで、待機位置に向けて付勢されている。この付勢力は、腕台３に何も載せられていないときに腕台３を待機位置に移動させ、腕台３の使用時には腕から掛けられる力に支持バランスさせ、医師に適度な反力を与えつつ腕台３の位置を容易に調整可能な付勢力である。腕台３の待機位置は、一例として、医師が椅子３０に座った際に医師の術野に対して上方後方で椅子３０よりも外側に位置するものであって、腕支持装置１を使用しないときに医師に干渉しない位置であり、再度の使用時に無理なく容易に使用開始できる位置である。
【００７８】
フットスイッチ４は、モード選択手段としての操作スイッチの一例であって、図１に示されるように、椅子３０の足置台３３に備えられて、腕支持装置１の作動モードを固定モードか他のモードかを足で切換操作されるものである。このフットスイッチ４は、踏み込み操作するたびにＯＮ／ＯＦＦ（接点状態）が切り換わる。
【００７９】
非常停止スイッチ５は、一例として、腕台３の支柱３ｄの医師側の側面に設けられた押しボタンスイッチであって、腕台３を緊急固定させるスイッチとして機能する。
【００８０】
制御ボックス６は、図１に示されるように椅子３０の台座部分に配され、腕支持装置１の作動を制御する制御部などを内蔵する。上記したフットスイッチ４、非常停止スイッチ５、６軸力トルクセンサ８、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａ、エンコーダ１１ｂ〜１５ｂ、および無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃは、各々電気配線（非図示）で制御ボックス６に接続されている。
【００８１】
図５には、電気系統図が示されている。制御ボックス６には、制御部９、電源部４０、Ｄ／Ａ変換器１１ｅ〜１５ｅ、ドライバ１１ｆ〜１５ｆ、カウンタ１１ｇ〜１５ｇ、Ａ／Ｄ変換器４１、およびアンプ４２が備えられている。
【００８２】
制御部９は、中央演算装置、動作プログラムや制御用の変数などが記憶されるＲＯＭ、演算処理に使用されるＲＡＭ、外部機器とのインタフェース回路、基準クロック信号を生成用の水晶発振器（共に非図示）などを備えて腕支持装置１の動作を制御する。
【００８３】
図５に示されるように、制御部９には、フットスイッチ４が接続されて、このフットスイッチ４のＯＮ／ＯＦＦ信号が入力される。また、制御部９には、６軸力トルクセンサ８によって検知された検知信号が、アンプ４２で増幅されて、さらにＡ／Ｄ変換器４１でアナログ／ディジタル変換されて入力される。また、制御部９は、出力する５系統の制動制御信号を出力し、この制動制御信号がＤ／Ａ変換器１１ｅ〜１５ｅでディジタル／アナログ変換され、さらに、ドライバ１１ｆ〜１５ｆで駆動信号となって、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａを各々独立して制御する。さらに、制御部９には、エンコーダ１１ｂ〜１５ｂによって出力されるパルス信号が、カウンタ１１ｇ〜１５ｇによってカウントされて検知信号として入力される。この検知信号に基づいて、制御部９は、関節１１〜１５の回転する角速度や回転角度、回転位置を判別することができる。
【００８４】
電源部４０は、商用１００Ｖの交流電源（非図示）に接続されて、腕支持装置１の各部に電源供給する。この電源部４０から、無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃに電源供給されている。さらに、電源部４０には、非常停止スイッチ５が接続されている。電源部４０は非常停止スイッチ５が押下されたときに、即座に無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃへの電源供給を停止可能に構成されている。このため、この腕支持台１では、停電などで電源供給が停止された時、および、非常停止スイッチ５が押下された時には、制御部９による処理には無関係に、電源部４０から無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃへの電源供給が即座に停止されて、関節１１〜１５の動きが即座に固定される。これにより、腕台３の動きが固定されて安全である。
【００８５】
次に、腕支持装置１の動作および制御方法の一例を、図６に示されるフローチャートに従って説明する。
【００８６】
図６のフローチャートに示されるように、制御部９が作動を開始するとまず中央演算処理装置が動作プログラムをＲＯＭから読み込むなどの初期化を行う（ステップ６１）。続いて、ループ処理を開始する（ステップ６２）。このループ処理では、制御部９は、フットスイッチ４がＯＮかＯＦＦかを判別し（ステップ６３）、ＯＮであれば腕台３の動きを固定すべき固定モード処理を開始する（ステップ６４）。この場合、制御部９は、全てのパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定させる制動トルクに制御する（ステップ６５）。これにより、関節１１〜１５の動きが固定されて、腕台３が固定される。
【００８７】
ステップ６３で、制御部９は、フットスイッチ４がＯＮされてないときには、６軸力トルクセンサ８の検出値を読み取る（ステップ６６）。
【００８８】
制御部９は、読み込んだ６軸力トルクセンサ８の検出値に基づいて、腕台３を待機位置に移動すべき待機位置モードか否かを判別する（ステップ６７）。待機位置モードとは、腕台３を待機位置に自動的に移動させるモードである。待機位置モードとする判別条件は、一例として、腕台３に外力が所定時間作用していないとき、つまり腕台３に腕が所定時間載せられておらず、６軸力トルクセンサ８によって腕台３のみの重さが検知される場合とする。制御部９は、待機位置モードと判別したときに待機位置モード処理を開始する（ステップ６８）。
【００８９】
この場合には、制御部９は、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定する制動量決定処理Ａ１を行う（ステップ６９）。制御部９は、制動量決定処理Ａ１で決定された制動トルクにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御して（ステップ７０）、その状態を維持してステップ６２に戻る。制動量決定処理Ａ１については後述する。
【００９０】
制御部９は、ステップ６７で待機位置モードでないと判別したときは、粗動モードか否かを判別する（ステップ７１）。粗動モードとは、腕台３を素早く動かして、手術部位近くまで、大まかに位置を調整するモードである。なお、粗動モードのときに腕台３を動かす速度・角速度を粗動速度ともいう。粗動モードとする判別条件は、腕台３の所定方向に作用する力の大きさが第１の閾値を超える場合とする。この所定方向とは、一例として、腕台３の前腕支持台３ａを支持する支柱３ｄの軸方向に、その向きを前腕支持台３ａから支柱３ｄに向かう方向とする。また、第１の閾値とは、一例として、腕台３に腕が載せられているか否か判別可能な値とする。つまり、軽い力で前腕支持台３ａを支柱３ｄ方向に押しているときには、粗動モードになる。
【００９１】
制御部９は、粗動モードと判別したときに粗動モード処理を開始する（ステップ７２）。この場合、制御部９は、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定する制動量決定処理Ａ２を行う（ステップ７３）。制御部９は、制動量決定処理Ａ２で決定された制動トルクにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御して（ステップ７４）、その状態を維持してステップ６２に戻る。制動量決定処理Ａ２については後述する。
【００９２】
制御部９は、ステップ７１で粗動モードでないと判別したときは、微動モードか否かを判別する（ステップ７５）。微動モードとは、腕台３をゆっくりと動かして、その位置を微調整するモードである。なお、微動モードのときに腕台３を動かす速度・角速度を微動速度ともいう。微動モードとする判別条件は、前記した所定方向に腕台３に作用する力の大きさが第２の閾値以上の場合とする。第２の閾値は第１の閾値よりも大きな値とする。第２の閾値とは、一例として、医師が手術を行う際に前腕支持台３ａに掛かる力の垂下方向の力よりも若干大きな力とする。つまり、所定の強い力で前腕支持台３ａを支柱３ｄ方向に押しているときには、微動モードになる。
【００９３】
制御部９は、微動モードと判別したときに微動モード処理を開始する（ステップ７６）。この場合、制御部９は、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定する制動量決定処理Ａ３を行う（ステップ７７）。制御部９は、制動量決定処理Ａ３で決定された制動トルクでパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御して（ステップ７８）、その状態を維持してステップ６２に戻る。制動量決定処理Ａ３については後述する。
【００９４】
制御部９は、ステップ７５で微動モードでないと判別したときにはエラーであるとして（ステップ７９）、ステップ６２に戻る。
【００９５】
制御部９は、このステップ６２からループ終了のステップ８０までのループを短い時間間隔で繰り返し実行する。
【００９６】
次に、図７に示されるフローチャートに従って、待機位置モードにおける制動量決定処理Ａ１について説明する。
【００９７】
制動量決定処理Ａ１では、先ず制御部９は、エンコーダ１５ｂの検出値に基づいて関節１５が初期姿勢にあるか否かを判別する（ステップ１０１）。制御部９は、関節１５が初期姿勢に無いと判別したときは、エンコーダ１１ｂの検出値から、関節１５の現在の角速度を算出し、ＲＯＭに記憶されている格納速度である目標角速度との差分を計算する（ステップ１０２）。この目標角速度は、腕台３から医師が手を外したときに腕台３が自動的に動いて待機位置まで戻るのに危険のない安全なゆっくりとした角速度であり、予めＲＯＭに設定しておく。
【００９８】
続いて、制御部９は、計算した差分に基づいて、関節１５が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ１５ａの制動トルクを決定すると共に、パウダブレーキ１１ａ〜１４ａの制動トルクを関節１１〜１４が固定される制動トルクに決定する（ステップ１０３）。
【００９９】
制御部９は、ステップ１０１で関節１５が初期姿勢にあると判別したときは、エンコーダ１４ｂの検出値に基づいて関節１４が初期姿勢にあるか否かを判別する（ステップ１０４）。制御部９は、関節１４が初期姿勢に無いと判別したときは、エンコーダ１４ｂの検出値から、関節１４の現在の角速度を算出し、目標角速度との差分を計算する（ステップ１０５）。続いて、制御部９は、計算した差分に基づいて、関節１４が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ１４ａの制動トルクを決定すると共に、パウダブレーキ１１ａ〜１３ａは関節１１〜１３が固定される制動トルクに決定する（ステップ１０６）。すでに初期姿勢にある関節１５のパウダブレーキ１５ａは無制動とする（ステップ１０６）。なお、以下のステップ１０９，１１２，１１５，１１６では、すでに初期姿勢にある関節のパウダブレーキは無制動とする。制御部９は、ステップ１０４で関節１５が初期姿勢にあると判別したときは、関節１３が初期姿勢にあるか否かを判別する（ステップ１０７）。
【０１００】
以下、同様にして、制御部９は、ステップ１０７で、関節１３が初期姿勢に無いと判別したときには、ステップ１０８で目標角速度と関節１３の現在の角速度との差分を計算して、ステップ１０９で、関節１３が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ１３ａの制動トルクを決定する。また、ステップ１０９で、パウダブレーキ１１ａ，１２ａの制動トルクを、関節１１，１２が固定される制動トルクに決定する（ステップ１０９）。ステップ１０７で関節１３が初期姿勢にあると判別したときは、ステップ１１０を実行する。
【０１０１】
さらに、制御部９は、関節１２が初期姿勢に無いとき（ステップ１１０）は、ステップ１１１，１１２で関節１２を目標角速度にするようにパウダブレーキ１２ａの制動トルクを決定し、パウダブレーキ１２ａの制動トルクを関節１２が固定される制動トルクに決定する。ステップ１１０で、関節１２が初期姿勢にあるときは、制御部９は、ステップ１１３を実行する。さらに、制御部９は、関節１１が初期姿勢に無いとき（ステップ１１３）は、ステップ１１４，１１５で関節１１を目標角速度にするようにパウダブレーキ１１ａの制動トルクを決定する。制御部９は、ステップ１１３で、関節１１が初期姿勢にあると判別したときは、待機位置モードを終了する（ステップ１１６）。
【０１０２】
このように制動トルクを決定することで、待機位置モードでは、多関節アーム２が危険のないゆっくりとした格納速度で動くため安全である。また、手術部位に近い関節から順番で、つまり関節１５、関節１４、関節１３、関節１２、関節１１の順番で、１つずつ初期姿勢に戻るため、医師との接触や衝突が防止されて一層安全である。また、移動による機器の衝撃もない。
【０１０３】
次に、図８に示されるフローチャートに従って、粗動モードにおける制動量決定処理Ａ２について説明する。
【０１０４】
説明するにあたり、図１０に示されるように、６軸力トルクセンサ８のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の力成分検出値をＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとし、そのＸ，Ｙ，Ｚ軸回りのモーメント成分の検出値をＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。また、同図に示されるように、手支持台３ｂの先端部のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の速度成分をＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚとし、そのＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの角速度成分をωｘ，ωｙ，ωｚとする。なお、手支持台３ｂの先端部を単に腕台３先端部ともいう。
【０１０５】
制動量決定処理Ａ２では、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値のＺ軸成分の力Ｆｚが０よりも大きいか否か判別する（ステップ１２０）。力成分Ｆｚが、０よりも大きいとき、すなわち、腕台３から下方向に力が掛っている場合に、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値から式（１）によって６軸力トルクの方向ベクトルＦunitに変換する（ステップ１２１）。この変換によって、方向のみを示すベクトルＦunitとなる。
【０１０６】
【数１】
【０１０７】
次に制御部９は、式（２）によって腕台先端速度・角速度ベクトルＶを算出する（ステップ１２２）。
【０１０８】
【数２】
式（２）のＣ−１は、次の式（３）で示される粘性マトリクスＣの逆行列である。
【０１０９】
【数３】
式（３）のＣｐｏｓ１は軸方向、Ｃｒｏｔ１は軸回りの腕台３の動きの粘性を規定する固定値であって、予め実験等で決定された値である。この場合、制御部９がパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを作動させつつ、腕台３を一定の力で動かすことのできる最大の速度・角速度となるような値に決定する。
【０１１０】
腕台先端速度・角速度ベクトルＶは、次の式（４）で表わされる。
【０１１１】
【数４】
【０１１２】
続いて制御部９は、関節１１〜１５の各関節速度ベクトルＳを、ヤコビ行列を用いた逆運動学演算である式（５）から算出し、関節１１〜１５の目標角速度を算出する（ステップ１２３）。
【０１１３】
【数５】
式（５）のＪｖ−１は、多関節アーム２のヤコビ逆行列である。
【０１１４】
次に制御部９は、その各目標角速度からパウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定し（ステップ１２４）、制動量決定処理Ａ２を終了する。
【０１１５】
ステップ１２０で、制御部９は、力成分Ｆｚが０よりも大きくないと判別したとき、つまり、腕台３に腕からの重さが掛っていないと判別したときには、腕台３を上方に移動させるものとして、腕台先端速度・角速度ベクトルＶを、次の式（６）の固定値とする（ステップ１２５）。
【０１１６】
【数６】
式（６）のＣＯＮＳＴ１は、速いが安全な速度であって実験的に決められる。この腕台先端速度・角速度ベクトルＶは、腕台３先端部がＣＯＮＳＴ１の速度で上方に移動することを意味している。
【０１１７】
続いて制御部９は、ステップ１２４で制動トルクを決定し、制動量決定処理Ａ２を終了する。
【０１１８】
このように制動トルクを決定することで、粗動モードでは、何れの方向にも一定の力で速く腕台３を動かすことができる。また、腕台３に力を掛けなければ、上方にＣＯＮＳＴ１の速度で移動する。このとき腕台３の移動する速度は、微動速度よりも速い速度・角速度で移動するように設定しておくことで、医師は、所望の方向に腕台３を迅速に位置調整することができる。
【０１１９】
次に、図９に示されるフローチャートに従って、微動モードにおける制動量決定処理Ａ３について説明する。
【０１２０】
制動量決定処理Ａ３では、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値のＺ軸成分の力Ｆｚが０よりも大きいか否か判別する（ステップ１３０）。力Ｆｚが、０よりも大きいとき、すなわち、腕台３から下方向に力が掛っている場合に、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値を、式（７）の６軸力トルクＦとする（ステップ１３１）。６軸力トルクＦには、力やトルクの大きさおよび方向が含まれる。
【０１２１】
【数７】
【０１２２】
次に制御部９は、次の式（８）で示される粘性マトリクスＣを用いて、前述した式（２）のＦunitをＦに換えて計算して、腕台先端速度・角速度ベクトルＶを算出する（ステップ１３２）。
【０１２３】
【数８】
式（８）のＣｐｏｓ２は軸方向、Ｃｒｏｔ２は軸回りの腕台３の動きの粘性を規定する固定値であって、予め実験等で決定された値である。この場合、粗動モードで腕台３が動く速度・角速度もゆっくりと動くような値に設定する。
【０１２４】
続いて制御部９は、関節１１〜１５の各関節速度ベクトルＳを前述した式（５）から算出し、目標角速度とする（ステップ１３３）。
【０１２５】
次に制御部９は、その各目標角速度からパウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定し（ステップ１３４）、制動量決定処理Ａ２が終了する。
【０１２６】
ステップ１３０で、制御部９は、力成分Ｆｚが０よりも大きくないと判別したとき、つまり、腕台３に腕からの重さが掛っていないと判別したときには、腕台３を上方に移動させるものとして、腕台先端速度・角速度ベクトルＶを、次の式（９）の固定値とする（ステップ１３５）。
【０１２７】
【数９】
式（９）のＣＯＮＳＴ２は、ＣＯＮＳＴ１の速度よりも遅い速度であって実験的に決められる。
【０１２８】
続いて制御部９は、ステップ１３４で制動トルクを決定し、制動量決定処理Ａ３を終了する。
【０１２９】
このように処理することで、微動モードでは、医師が所望する方向にのみ移動台が移動して、さらに、医師の腕の力の掛け具合で移動台の移動速度が変化するため、医師の意思を細やかに反映させた微動速度で腕台３の位置調整を確実に行うことができる。また、腕台３に力を掛けなければ、上方にＣＯＮＳＴ２の速度でゆっくりと移動して位置調整を確実に行うことができる。
【０１３０】
このように、この腕台支持装置１では、固定モード、待機位置モード、粗動モード、および微動モードを切り換えて腕台３を使用できる。いずれのモードでも、間接１１〜１５が制御された制動トルクで制動されるため、腕台３の移動が規制されて、付勢力や外力によって腕台３が意図以上に大きく速く動くことが防止されて、作業中であっても安全かつ所望する位置に確実に調整することができる。さらに、医師の腕の力で腕台３が位置調整されるため、例えば電気モータなどで能動的に移動させる装置と比較して、誤操作の危険性がなく安全である。また、定加重ばね１１ｄ〜１５ｄを備えたことで、多関節アーム２の自重が支えられるだけでなく、待機位置まで腕台３を外力によらず移動させることができ、さらに、医師の腕に反力を提示することができる。医師は、腕に反力がかかるため、安定して操作することができる。
【０１３１】
この腕台支持装置１では、手術部位付近まで粗動モードで迅速に移動台を移動させ、手術部位近くでは微動モードで所望する位置にゆっくりと確実に調整することができる。僅かな位置変更も微動モードで確実に所望する位置に調整することができる。さらに、待機位置モードを備えることで、定荷重ばね１１ｄ〜１５ｄによる付勢力で自動的に、しかも安全な速度で待機位置まで腕台３を戻すことができる。さらに、固定モードを備えることで、位置調整後の腕台３を確実に固定することができる。
【０１３２】
上記した腕台支持装置１では、モード選択手段として、固定モードを選択するものとしてフットスイッチ４が備えられ、微動モード、粗動モード、待機位置モードを選択するものとして６軸力トルクセンサが備えられた例について説明したが、フットスイッチ４と同様のスイッチをさらに２つ追加して備えて、追加した１つのフットスイッチに微動モード、追加した他のフットスイッチに粗動モードを対応させて、いずれのフットスイッチがＯＮになるかによって、制御部９が固定モード、微動モード、粗動モードを切換制御してもよい。また、さらにフットスイッチを１つ追加して、待機位置モードへの切り換えも、このさらに追加したフットスイッチで切り換えてもよい。
【０１３３】
また、モード選択手段として、図５に破線で示したように、マイク４５および音声認識回路４６を制御部９に接続して、医師がマイク４５に音声指示した内容を、音声認識回路４６が検出して、その音声指示の内容で制御部９は各モードの切り換えをする構成とすることもできる。また、フットスイッチ４で固定モードを選択し、マイク４５および音声認識回路４６で微動モード、粗動モード、待機位置モードを選択するように組み合わせる構成としてもよい。
【０１３４】
また、腕支持装置１が６軸力トルクセンサ８を備えた例について説明したが、可動部の数や移動制御の精度に応じて３軸力センサ、または複数の１軸力センサなどに換えることもできる。例えば、３軸力センサを備えた場合には、力成分だけで位置を制御する。
【０１３５】
また、腕支持装置１が５自由度の多関節アーム２を備えた例について説明したが、その自由度は任意のものに変更することができる。また、関節は、回転関節に換えて、直動関節を用いることもできる。直動関節の場合、制御部は、外力に対応した速度（速度量の一例）で腕台３が動くように電気制御ブレーキの制動力（制動量の一例）を制御する。
【０１３６】
また、上記した説明では、腕支持装置１がパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを備えた例について説明したが、これに換えて、電磁コイルの通電で発生する磁界とヒステリシス材の内部磁束の向きとのずれによって制動トルクを発生するヒステリシスブレーキや、制動トルク伝達の媒体に電気粘性流体（ＥＲ流体）を用いた電気粘性流体ブレーキ（ＥＲブレーキ）や、制動トルク伝達の媒体に磁性流体（ＭＲ流体）を用いた磁性流体ブレーキ（ＭＲブレーキ）を備えることもできる。ここで、電気粘性流体とは、電場の印加によって粘性変化を起こすものであり、磁性流体とは、磁場の印加によって粘性変化を起こすものである。
【０１３７】
また、腕支持装置１がエンコーダ１１ｂ〜１５ｂを備えた例について説明したが、アナログ出力のポテンショメータを用いることもできる。また、定荷重ばね１１ｄ〜１５ｄを備えて付勢した例について説明したが、これに換えてコイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢することもできる。これらによっても簡便な構造の装置とすることができる。
【０１３８】
また、非常停止スイッチ５が腕台３の支柱３ｄに備えられた例について説明したが、その位置は操作しやすい位置であれば任意の位置に備えることができる。
【０１３９】
また、本発明の移動装置の一例として、医師が脳神経手術の際に腕を支持するために使用する腕支持装置１について説明したが、本発明は、細かい手作業をする際に腕を支持する腕台に適用することもできるし、顎や足などを支持して移動させる移動装置にも適用することができる。さらに、本発明の移動装置を、他のロボットアームの先端を支持してその動き補助する移動装置に適用することもでき、移動させる対象は特に限定されるものではない。
【０１４０】
さらに、本発明の移動装置を椅子に装着した例について説明したが、装着する対象は椅子に限定されず、ベッドに装着してもよいし、床に固定してもよい。また、椅子の左右のいずれか片側にだけ装着してもよい。また、椅子と一体化されていてもよい。
【０１４１】
また、固定モード、待機位置モード、粗動モード、微動モードの５つのモードを切り替え可能な例について説明したが、すべてのモードを備える必要はなく、必要に応じたモードを備えればよい。例えば、固定モードと微動モードの２つのモードを備えるだけでもよい。
【０１４２】
また、待機位置モードでは、手術部位に近い関節から順番で、関節が１つずつ初期姿勢に戻る例について説明したが、戻す順番は、任意に変更できる。
【０１４３】
また、粗動モードでは、制動量決定処理Ａ２によって制動トルクを決定した例について説明したが、これは一例であって、腕台３を素早く動かせるように制動量を決定できれば異なる処理で制動量を決定することができる。
【０１４４】
また、微動モードでは、制動量決定処理Ａ３によって制動トルクを決定した例について説明したが、これは一例であって、腕台３をゆっくりとした速度で動かせるように制動量を決定できれば異なる処理で制動量を決定することができる。また、微動モードで、腕台３の移動速度をゆっくりとした一定の速度・角速度で動くように制御してもよい。このように一定の速度・角速度で動かす場合には、制動量決定処理Ａ３のステップ１３１において６軸力トルクＦを求めていたのに換えて、式（１）を用いて方向ベクトルＦunitを算出して用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置が椅子に装着された状態を示す斜視図である。
【図２】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の右側の側面図である。
【図３】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の左側の側面図である。
【図４】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の上面図である。
【図５】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の電気系統図である。
【図６】本発明を適用する制御部９の制御方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用する制御部９の制動量決定処理Ａ１を示すフローチャートである。
【図８】本発明を適用する制御部９の制動量決定処理Ａ２を示すフローチャートである。
【図９】本発明を適用する制御部９の制動量決定処理Ａ３を示すフローチャートである。
【図１０】６軸力トルクセンサ８の力・トルク、および腕台３先端部の速度・角速度の各軸成分を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１は腕支持装置、２は多関節アーム、３は腕台、３ａは前腕支持台、３ｂは手支持台、３ｃは支持棒、３ｄは支柱、４はフットスイッチ、５は非常停止スイッチ、６は制御ボックス、８は６軸力トルクセンサ、１１,１２,１３,１４,１５は関節、１１ａ,１２ａ,１３ａ,１４ａ,１５ａはパウダブレーキ、１１ｂ,１２ｂ,１３ｂ,１４ｂ,１５ｂはエンコーダ、１１ｃ,１２ｃ,１３ｃ,１４ｃ,１５ｃは無励磁作動ブレーキ、１１ｄ,１２ｄ,１３ｄ,１４ｄ,１５ｄは定荷重ばね、１１ｅ,１２ｅ,１３ｅ,１４ｅ,１５ｅはＤ／Ａ変換器、１１ｆ,１２ｆ,１３ｆ,１４ｆ,１５ｆはドライバ、１１ｇ,１２ｇ,１３ｇ,１４ｇ,１５ｇはカウンタ、１６は支持部、１７は肩部、１８は第１腕部、１９は第２腕部、１９ａは支持ロッド、１９ｂは第２腕支持部、２０は第３腕部、２０ａは支持ロッド、２０ｂは第３腕支持部、２１は先端部、３０は椅子、３１は座面、３２ａ,３２ｂは取付台、３３は足置台、４０は電源部、４１はＡ／Ｄ変換器、４２はアンプ、６１〜８０,１０１〜１１６,１２０〜１２５,１３０〜１３５はフローチャートにおけるステップ、Ａ１,Ａ２,Ａ３は制動量決定処理、Ｆｘ,Ｆｙ,Ｆｚは力成分、Ｍｘ,Ｍｙ,Ｍｚはモーメント成分、Ｖは腕台先端速度・角速度ベクトル、Ｖｘ,Ｖｙ,Ｖｚは速度成分、Ｘ,Ｙ,Ｚは軸、ωｘ,ωｙ,ωｚは角速度成分である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腕や物などを支持する移動台の移動を制御可能な移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脳神経外科手術は、医師が手術顕微鏡で微細な手術部位を観察しつつ、メス等を用いて手作業で処置を行うため、非常に緻密な作業が要求される。また、このような手術は長時間を要するものが多い。手術中には僅かな手の震えなどによっても手術部位以外の組織を損傷させる恐れがあるため、医師は、腕を支持固定する移動装置（支持装置）を使用して手術を実施している。
【０００３】
このように用いられる移動装置は、腕を支持するだけでなく、手術部位の位置に合わせて、手先の高さや向き、傾きなどを調整可能な必要がある。このような移動装置の一例として、特許文献１に微細作業用支持具が開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された微細作業用支持具では、腕を支持する腕台が、上下動、回動および揺動可能に、基台、支持軸およびリンク部材で支持されている。腕台は、スプリングによる付勢力で高く位置しており、腕台上に上肢が乗せられて重さが加わると付勢力とのバランスにより適宜下降する。また、腕台は、別のスプリングで前上がりに傾くように付勢されており、上向きや下向の力を腕台に加えると前上がりや前下がりに傾斜する。
【０００５】
医師は、腕台が所望の傾き、高さ、および向きになったときに足や膝等で固定用のスイッチを操作する。これにより、腕台が固定される。
【０００６】
また、このような腕台は、手術に限らず微細な手作業を行う際に用いることで、腕の震えなどを防止できる。
【０００７】
【特許文献１】特許第３６５３５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の特許文献１に記載された微細作業用支持具（移動装置）では、手術中に、医師が手先の方向や位置を動かしたい場合には、スイッチを操作して腕台（移動台）の固定状態を解除し、移動台を所望の傾き、高さ等の位置に移動し、再度スイッチを操作して腕台を固定する。ところが、移動台は、上方および前上がりに付勢されていることから、固定状態を解除した瞬間に付勢力が一気に解除されて、医師の意図に反して上方に大きく動いてしまう場合がある。逆に、付勢力よりも大きい力で移動台に力を加えていたときには、医師の意図に反して下方に大きく動いてしまう場合もある。このように、手術中に思い通りに移動台を移動することが難しく、特に移動台の位置の微調整は難しい。
【０００９】
この問題を解決するために、電気モータなどの駆動によって移動台の位置を移動調整できる能動的な移動装置も考えられる。しかしながら、能動的な装置では、移動台の位置を操作する操作レバーの誤操作や、機器の誤動作による患者への危険性が伴う。誤操作を防止するためには、機器操作の十分な習熟が必要である。手術の中断を最小限にするために、操作レバーを足で操作する方式にした場合には、手で操作するよりも操作が一層難しくなるため、一層十分な習熟が必要である。
【００１０】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、機器の誤操作の危険性がなく安全に、かつ所望する位置に移動台を容易に調整することができる移動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するためになされた特許請求の範囲の請求項１に記載の移動装置は、移動台と、該移動台に作用する外力によって該移動台を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構と、該移動機構に付されて該各可動部が各々所定の初期姿勢となるように付勢する複数の付勢機構と、該移動機構に付されて該可動部ごとの動きを制動する制動量を制御可能な複数の電気制御ブレーキと、該移動機構に付されて該可動部ごとの作動量を検知する複数の作動量センサと、該移動台または該移動機構に付されて該移動台に作用する力および／またはトルクを検知する力覚センサと、動作モードを選択されるモード選択手段と、該動作モード選択手段によって選択されるモード、並びに、該作動量センサおよび／または該力覚センサからの検出値に基づいて該複数の電気制御ブレーキの各々の制動量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この制動量は、制動力や制動トルクを含んだ概念である。
【００１３】
請求項２に記載の移動装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動台は、オペレータの腕を支持する腕台であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段によって、前記移動台を微動速度で移動すべき微動モードか、該移動台を該微動速度よりも早い粗動速度で移動すべき粗動モードか、該移動台の待機位置に移動すべき待機位置モードか、該移動台を固定すべき固定モードかを選択されて、該制御部は、前記各モードに応じた制動量で前記複数の電気制動ブレーキを制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００１６】
この速度量は、速度や角速度を含んだ概念である。
【００１７】
請求項５に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００１８】
この速度量には、速度や角速度を含んだ概念である。
【００１９】
請求項６に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記粗動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、該移動台が前記微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の移動装置は、請求項３に記載されたもので、前記制御部は、前記待機位置モードのときに、前記作動量センサの検出値に基づいて、前記複数の可動部を、各々所定の速度量で前記初期姿勢となるよう前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２１】
請求項８に記載の移動装置は、請求項７に記載されたもので、前記制御部は、前記複数の可動部を順番に１つずつ前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載の移動装置は、請求項８に記載されたもので、前記制御部は、前記各可動部を、前記移動台に近い側から順番に前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段は、前記力覚センサの検出値と所定の閾値とを比較してモードが選択されることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１に記載の移動装置は、請求項１０に記載されたもので、前記制御部は、前記閾値としての第１の閾値、および第２の閾値に基づいて判別し、前記移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第１の閾値を超えるときに前記粗動モード、該第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上のときに前記微動モードと判別することを特徴とする。
【００２５】
請求項１２に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段は、操作スイッチを備えていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１３に記載の移動装置は、請求項１２に記載されたもので、前記制御部は、前記操作スイッチの接点状態に基づいて、前記固定モードか否かを判別することを特徴とする。
【００２７】
請求項１４に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えていることを特徴とする。
【００２８】
請求項１５に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記可動部が関節でなる多関節アームで前記移動機構が構成されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項１６に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記移動機構には、無電源時に作動して前記複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることを特徴とする。
【００３０】
請求項１７に記載の移動装置は、請求項１６に記載されたもので、前記複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項１８に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記電気制御ブレーキは、パウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることを特徴とする。
【００３２】
請求項１９に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記作動量センサは、エンコーダ、またはポテンショメータであることを特徴とする。
【００３３】
請求項２０に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記力覚センサは、６軸力トルクセンサ、または３軸力センサであることを特徴とする。
【００３４】
請求項２１に記載の移動装置は、請求項１または２に記載されたもので、前記付勢機構は、定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の移動装置は、付勢機構で付勢された移動台を、移動台に作用する外力で移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構に付された、可動部の動きを制動する複数の電気制御ブレーキを、制御部が、モード選択手段によって選択されるモード、並びに、作動量センサおよび／または力覚センサの検出値に基づいて各制動量を制御するものである。このため、移動台の移動が制動されて、付勢力や外力によって移動台が意図以上に大きく速く動くことが防止されて、作業中であっても安全かつ所望する位置に確実に調整することができる。さらに、例えばオペレータの腕の力などの外力で移動台が位置調整されるため、例えば電気モータなどで能動的に移動させる装置と比較して、誤操作の危険性がなく安全である。
【００３６】
移動装置は、移動台がオペレータの腕を支持する腕台であることにより、腕の位置調整を安定して確実に行うことができる。
【００３７】
移動装置は、モード選択手段によって、移動台を微動モードか、粗動モードか、待機位置モードか、固定モードかを選択されて、制御部は、前記各モードに応じた制動量で電気制動ブレーキを制御する。これにより、作業箇所まで粗動モードで迅速に移動台を移動させ、作業箇所近くでは微動モードで所望する位置にゆっくりと確実に調整することができる。僅かな位置変更も微動モードで確実に所望する位置に調整することができる。さらに、待機位置モードを備えることで、付勢機構による付勢力で自動的に、しかも安全な速度で待機位置まで移動台を戻すことができる。さらに、固定モードを備えることで、位置調整した移動台を確実に固定することができる。
【００３８】
移動装置は、制御部が微動モードのときに、力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で移動台が動くように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータが所望する方向にのみ移動台が移動して、さらに、オペレータの外力の掛け具合で移動台の速さが変化するため、オペレータの意思を細やかに反映させた微動速度で移動台の位置調整を確実に行うことができる。
【００３９】
移動装置は、微動モードのときに、制御部が力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で移動台が動くように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータの移動台に作用させる外力の大小にかかわらず一定の速度で動くため、位置調整を確実に行うことができる。
【００４０】
移動装置は、粗動モードのときに、制御部が力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、移動台が微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータは所望の方向に移動台を迅速に位置調整することができる。
【００４１】
移動装置は、待機位置モードのときに、制御部が作動量センサの検出値に基づいて、複数の可動部を、各々所定の速度量で初期姿勢となるよう複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。この場合の速度量を危険のない速さとすることにより、安全である。
【００４２】
移動装置は、制御部が、複数の可動部を順番に１つずつ初期姿勢となるように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、可動部が一度に全部動かないため、一層安全である。
【００４３】
移動装置は、制御部が、移動台に近い側から順番に初期姿勢となるように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータとの接触や衝突が確実に防止されて、一層安全である。
【００４４】
移動装置では、力覚センサの検出値が所定の閾値を超えるか否かでモードが選択されることで作業を中断することなく迅速にモード変更することができる。
【００４５】
移動装置では、第１の閾値、および第２の閾値に基づいて判別し、移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第１の閾値を超えるときに粗動モード、第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上のときに微動モードと判別する。これにより、例えば、操作スイッチを操作するよりも迅速にモード切換することができ、かつ作業中の姿勢のままモード切換することができる。
【００４６】
移動装置では、モード選択手段は、操作スイッチを備えて構成されていることにより、モード選択を確実に行うことができる。
【００４７】
移動装置では、制御部が操作スイッチの接点状態に基づいて固定モードか否かを判別することにより、操作スイッチの操作で移動台を確実に固定でき、安全である。
【００４８】
移動装置では、モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えて構成されていることにより、作業の中断や姿勢の変化なく、音声によりモード切換することができる。
【００４９】
移動装置は、可動部が関節でなる多関節アームで移動機構が構成されていることにより、腕台を複数の自由度でスムーズに移動させることができる。
【００５０】
移動装置では、移動機構に、無電源時に作動して複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることにより、たとえ停電などで電源の供給が停止したとしても、腕台が固定されるため、安全である。
【００５１】
移動装置では、複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることにより、万が一、機器が誤動作したとしても、非常停止スイッチの操作で移動台が即座に固定されるため、安全である。
【００５２】
移動装置では、電気制御ブレーキがパウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることにより、制動量を安定して確実かつスムーズに可変することができ、腕台をスムーズに位置調整することができる。
【００５３】
移動装置では、作動量センサがエンコーダ、またはポテンショメータであることにより、制御部が可動部の作動量を正確に検知できるため、移動台をスムーズに位置調整することができる。
【００５４】
移動装置では、力覚センサが６軸力トルクセンサ、または３軸力センサであることにより、移動台に作用する外力を全方位で精細に検知可能なため、所望の位置に正確に位置調整できる。
【００５５】
移動装置では、付勢機構が定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることにより、簡便な構造とすることができる。
【発明を実施するための好ましい形態】
【００５６】
以下、本発明の実施の好ましい形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００５７】
図１には、本発明の移動装置の一実施形態である腕支持装置が、椅子に装着されている状態での斜視図が示されている。この腕支持装置１は、一例として、脳神経外科手術や脳外科手術の際に、手術を行う医師が腕を支持固定するために用いられるものである。また、図２には、腕支持装置１の右側（図１の椅子の外側）から観察した側面図、図３には、腕支持装置１の左側（図１の椅子の内側）から観察した側面図、図４には、腕支持装置１の上面図が示されている。図２〜図３では、椅子の図示は省略している。なお、本明細書中で右、左、前、後などの方向を説明する場合には、椅子３０に座った医師から見た場合の方向で記載する。
【００５８】
図１に示されるように、腕支持装置１は、椅子３０の座面３１の裏側後部から右手側方に突出する取付台３２ａに装着されている。なお、椅子３０の座面の裏側後部から左手側方に突出する取付台３２ｂにも、腕支持装置１の左右対称形のものが装着されるが、左右対称形である以外は同様のものであるため、図示や説明を省略する。
【００５９】
腕支持装置１は、多関節アーム２、腕台３、フットスイッチ４、非常停止スイッチ５、および制御ボックス６を備えている。
【００６０】
多関節アーム２は、腕台３に作用する外力によって腕台３を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構であって、この例では、可動部である５つの関節１１，１２，１３，１４，１５を有して５自由度に構成されている。関節１１〜１５は回転関節であり、これらによって、多関節アーム２は、支持部１６、肩部１７、第１腕部１８、第２腕部１９、第３腕部２０、先端部２１が連結されている。以下、図１〜図４を参照しつつ具体的に説明する。
【００６１】
支持部１６は、その上部までの高さを調整可能な回転ハンドルを備え、椅子３０に固定される。支持部１６の上部には、関節１１を介することで肩部１７が回動自在に連結されている。関節１１は、その回転軸が垂直方向を向いており、肩部１７は、図２に太線矢印で示されるように、首振り回動する。
【００６２】
支持部１６には、その上部に、関節１１の回動を制動するパウダブレーキ１１ａ、関節１１の回動した量を検知するエンコーダ１１ｂ、および関節１１の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１１ｃが付されている。また、肩部１７の下部には、関節１１の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１１ｄが付されている。関節１１の初期姿勢は、一例として、肩部１７に連結される第１腕部１８が、椅子の側面に対して３０度の角度で開いた姿勢とする。関節１１は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも内側（椅子３０側）の範囲で回動する。
【００６３】
肩部１７には、関節１２を介することで、一例として約３５ｃｍの長さの第１腕部１８の端部が回動自在に連結されている。関節１２は、その回転軸が水平方向を向いており、図２に太線矢印で示されるように、第１腕部１８は関節１２を支点にして上下方向に往復回動する。この第１腕部１８は、平行リンクで構成されている。
【００６４】
肩部１７には、関節１２の回動を制動するパウダブレーキ１２ａ、関節１２の回動した量を検知するエンコーダ１２ｂ、関節１２の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１２ｃ、および、関節１２の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１２ｄが付されている。関節１２の初期姿勢は、一例として、水平面に対して第１腕部１８の先端側が下向きに３０度の角度で下がった姿勢とする。関節１２は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも下側の範囲で回動する。
【００６５】
第１腕部１８の先端には、関節１３を介することで、一例として約３５ｃｍの長さの第２腕部１９の端部が回動自在に連結されている。関節１３は、その回転軸が水平方向に向いており、図２に太線矢印で示されるように、第２腕部１９は関節１３を支点にして上下方向に往復回動する。この第２腕部１９は、平行リンクで構成されている。また、第２腕部１９には、関節１３近くに、第２腕部１９を吊り持ち支持してその動きを可動可能に保持する支持ロッド１９ａが連結されている。支持ロッド１９ａは、その他端が肩部１７に設けられた第２腕支持部１９ｂに連結されている。
【００６６】
肩部１７の第２腕支持部１９ｂには、関節１３の回動を制動するパウダブレーキ１３ａ、関節１３の回動した量を検知するエンコーダ１３ｂ、関節１３の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１３ｃ、および、関節１３の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１３ｄが付されている。これらによる制動力や付勢力は、支持ロッド１９ａによって第２腕部１９に伝達されている。関節１３の初期姿勢は、一例として、第１腕部１８に対して９０度の角度の位置とする。関節１３は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも開度が大きな角度となる範囲で回動する。
【００６７】
第２腕部１９の先端には、関節１４を介することで第３腕部２０が回動自在に連結されている。関節１４は、その回転軸が水平方向に向いており、図２に太線矢印で示されるように、第３腕部２０は関節１４を支点にして前後方向に回動する。関節１２〜１４の回転軸は、略平行に設けられている。第３腕部２０には、関節１４近くに、第３腕部２０を支持してその動きを規定する支持ロッド２０ａが連結されている。支持ロッド２０ａは、その他端が関節１３近くに設けられた第３腕支持部２０ｂに連結されている。
【００６８】
第３腕支持部２０ｂは、支持ロッド２０ａを可動可能に支持している。この第３腕支持部２０ｂには、関節１４の回動を制動するパウダブレーキ１４ａ、関節１４の回動した量を検知するエンコーダ１４ｂ、関節１４の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１４ｃ、および、関節１４の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１４ｄが付されている。これらによる制動力や付勢力は、支持ロッド２０ａによって第３腕部２０に伝達される。関節１４の初期姿勢は、一例として、第２腕部１９に対して、後述する腕台３の支柱３ｄの角度が９０度の角度の位置とする。関節１４は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも開度が大きな角度となる範囲で回動する。
【００６９】
第３腕部２０には、関節１５を介することで先端部２１が回動自在に連結されている。関節１５の回転軸は、関節１４の回転軸に直交しており、図２に太線矢印で示されるように、先端部２１は首振り回動する。
【００７０】
先端部２１には、関節１５の回動を制動するパウダブレーキ１５ａ、関節１５の回動した量を検知するエンコーダ１５ｂ、関節１５の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ１５ｃ、および、関節１５の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね１５ｄが付されている。関節１５の初期姿勢は、一例として、後述する腕台３の支持棒３ｃが、第１腕部１８に沿った面に平行になる位置とする。関節１５は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも、後述する手支持台３ｂが内側（椅子３０側）に近づく範囲に回動する。
【００７１】
先端部２１には、６軸力トルクセンサ８を介して、腕台３を支持する支柱３ｄが取り付けられている。６軸力トルクセンサ８は、力覚センサの一例であって、３軸方向の力、および３軸まわりのトルクを検知するものである。この６軸力トルクセンサ８は、モード選択手段としても機能する。
【００７２】
上記したパウダブレーキ１１ａ〜１５ａは、電気制御ブレーキの一例であって、制動伝達媒体に磁性粉体（パウダー）を用いて、制御電流に比例した制動トルク（制動量の一例）を発生させるものであり、安定して確実かつスムーズに制動トルクを調整可能なものである。さらに、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａは、関節１１〜１５の回動を停止させて固定（ロック）させる制動トルクを有するものである。
【００７３】
エンコーダ１１ｂ〜１５ｂは、作動量センサの一例であって、関節１１〜１５の回転変位量、または回転角変位量などの動きの量に基づいたディジタルパルス信号を出力する。この場合、回転式のエンコーダを用いている。
【００７４】
無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃは、電源供給時には無制動で自在に回動するが、無電源時に制動トルクを発揮させるブレーキで、関節１１〜１５の回動を停止させ固定する制動トルクを有するものである。
【００７５】
定荷重ばね１１ｄ〜１５ｄは、付勢機構の一例であって、関節の回転位置が変化しても荷重及びトルクがほぼ一定なばねである。定荷重ばねを用いることで、簡便な装置とすることができると共に、各関節１１〜１５の回転する角速度を容易に制御することができる。
【００７６】
腕台３は、移動台の一例であって、オペレータである医師の腕を載せて支持可能なものであり、前腕支持台３ａおよび手支持台３ｂで構成されている。前腕支持台３ａは、医師の前腕にフィットして支持するように、樹脂によって上向きの浅い略Ｕ字型に形成されている。この前腕支持台３ａは、６軸力トルクセンサ８に取り付けられた支柱３ｄの上部に固定されている。手支持台３ｂは、手の平の側面を載せて支持するように、前腕支持台３ａよりも小さな大きさで、樹脂によって上向きの浅い略Ｕ字型に形成されている。図２、図３に示されるように、手支持台３ｂは、前腕支持台３ａの下部から前方に伸びる金属製の支持棒３ｃの先端に固定されている。支持棒３ｃは、前腕支持台３ａを固定する支柱３ｄに蝶ナット２本で、手支持台３ｂの前後方向の位置を調整可能に取り付けられている。
【００７７】
腕台３は、関節１１〜１５が各々の所定の初期姿勢となるように付勢されていることで、待機位置に向けて付勢されている。この付勢力は、腕台３に何も載せられていないときに腕台３を待機位置に移動させ、腕台３の使用時には腕から掛けられる力に支持バランスさせ、医師に適度な反力を与えつつ腕台３の位置を容易に調整可能な付勢力である。腕台３の待機位置は、一例として、医師が椅子３０に座った際に医師の術野に対して上方後方で椅子３０よりも外側に位置するものであって、腕支持装置１を使用しないときに医師に干渉しない位置であり、再度の使用時に無理なく容易に使用開始できる位置である。
【００７８】
フットスイッチ４は、モード選択手段としての操作スイッチの一例であって、図１に示されるように、椅子３０の足置台３３に備えられて、腕支持装置１の作動モードを固定モードか他のモードかを足で切換操作されるものである。このフットスイッチ４は、踏み込み操作するたびにＯＮ／ＯＦＦ（接点状態）が切り換わる。
【００７９】
非常停止スイッチ５は、一例として、腕台３の支柱３ｄの医師側の側面に設けられた押しボタンスイッチであって、腕台３を緊急固定させるスイッチとして機能する。
【００８０】
制御ボックス６は、図１に示されるように椅子３０の台座部分に配され、腕支持装置１の作動を制御する制御部などを内蔵する。上記したフットスイッチ４、非常停止スイッチ５、６軸力トルクセンサ８、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａ、エンコーダ１１ｂ〜１５ｂ、および無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃは、各々電気配線（非図示）で制御ボックス６に接続されている。
【００８１】
図５には、電気系統図が示されている。制御ボックス６には、制御部９、電源部４０、Ｄ／Ａ変換器１１ｅ〜１５ｅ、ドライバ１１ｆ〜１５ｆ、カウンタ１１ｇ〜１５ｇ、Ａ／Ｄ変換器４１、およびアンプ４２が備えられている。
【００８２】
制御部９は、中央演算装置、動作プログラムや制御用の変数などが記憶されるＲＯＭ、演算処理に使用されるＲＡＭ、外部機器とのインタフェース回路、基準クロック信号を生成用の水晶発振器（共に非図示）などを備えて腕支持装置１の動作を制御する。
【００８３】
図５に示されるように、制御部９には、フットスイッチ４が接続されて、このフットスイッチ４のＯＮ／ＯＦＦ信号が入力される。また、制御部９には、６軸力トルクセンサ８によって検知された検知信号が、アンプ４２で増幅されて、さらにＡ／Ｄ変換器４１でアナログ／ディジタル変換されて入力される。また、制御部９は、出力する５系統の制動制御信号を出力し、この制動制御信号がＤ／Ａ変換器１１ｅ〜１５ｅでディジタル／アナログ変換され、さらに、ドライバ１１ｆ〜１５ｆで駆動信号となって、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａを各々独立して制御する。さらに、制御部９には、エンコーダ１１ｂ〜１５ｂによって出力されるパルス信号が、カウンタ１１ｇ〜１５ｇによってカウントされて検知信号として入力される。この検知信号に基づいて、制御部９は、関節１１〜１５の回転する角速度や回転角度、回転位置を判別することができる。
【００８４】
電源部４０は、商用１００Ｖの交流電源（非図示）に接続されて、腕支持装置１の各部に電源供給する。この電源部４０から、無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃに電源供給されている。さらに、電源部４０には、非常停止スイッチ５が接続されている。電源部４０は非常停止スイッチ５が押下されたときに、即座に無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃへの電源供給を停止可能に構成されている。このため、この腕支持台１では、停電などで電源供給が停止された時、および、非常停止スイッチ５が押下された時には、制御部９による処理には無関係に、電源部４０から無励磁作動ブレーキ１１ｃ〜１５ｃへの電源供給が即座に停止されて、関節１１〜１５の動きが即座に固定される。これにより、腕台３の動きが固定されて安全である。
【００８５】
次に、腕支持装置１の動作および制御方法の一例を、図６に示されるフローチャートに従って説明する。
【００８６】
図６のフローチャートに示されるように、制御部９が作動を開始するとまず中央演算処理装置が動作プログラムをＲＯＭから読み込むなどの初期化を行う（ステップ６１）。続いて、ループ処理を開始する（ステップ６２）。このループ処理では、制御部９は、フットスイッチ４がＯＮかＯＦＦかを判別し（ステップ６３）、ＯＮであれば腕台３の動きを固定すべき固定モード処理を開始する（ステップ６４）。この場合、制御部９は、全てのパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定させる制動トルクに制御する（ステップ６５）。これにより、関節１１〜１５の動きが固定されて、腕台３が固定される。
【００８７】
ステップ６３で、制御部９は、フットスイッチ４がＯＮされてないときには、６軸力トルクセンサ８の検出値を読み取る（ステップ６６）。
【００８８】
制御部９は、読み込んだ６軸力トルクセンサ８の検出値に基づいて、腕台３を待機位置に移動すべき待機位置モードか否かを判別する（ステップ６７）。待機位置モードとは、腕台３を待機位置に自動的に移動させるモードである。待機位置モードとする判別条件は、一例として、腕台３に外力が所定時間作用していないとき、つまり腕台３に腕が所定時間載せられておらず、６軸力トルクセンサ８によって腕台３のみの重さが検知される場合とする。制御部９は、待機位置モードと判別したときに待機位置モード処理を開始する（ステップ６８）。
【００８９】
この場合には、制御部９は、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定する制動量決定処理Ａ１を行う（ステップ６９）。制御部９は、制動量決定処理Ａ１で決定された制動トルクにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御して（ステップ７０）、その状態を維持してステップ６２に戻る。制動量決定処理Ａ１については後述する。
【００９０】
制御部９は、ステップ６７で待機位置モードでないと判別したときは、粗動モードか否かを判別する（ステップ７１）。粗動モードとは、腕台３を素早く動かして、手術部位近くまで、大まかに位置を調整するモードである。なお、粗動モードのときに腕台３を動かす速度・角速度を粗動速度ともいう。粗動モードとする判別条件は、腕台３の所定方向に作用する力の大きさが第１の閾値を超える場合とする。この所定方向とは、一例として、腕台３の前腕支持台３ａを支持する支柱３ｄの軸方向に、その向きを前腕支持台３ａから支柱３ｄに向かう方向とする。また、第１の閾値とは、一例として、腕台３に腕が載せられているか否か判別可能な値とする。つまり、軽い力で前腕支持台３ａを支柱３ｄ方向に押しているときには、粗動モードになる。
【００９１】
制御部９は、粗動モードと判別したときに粗動モード処理を開始する（ステップ７２）。この場合、制御部９は、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定する制動量決定処理Ａ２を行う（ステップ７３）。制御部９は、制動量決定処理Ａ２で決定された制動トルクにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御して（ステップ７４）、その状態を維持してステップ６２に戻る。制動量決定処理Ａ２については後述する。
【００９２】
制御部９は、ステップ７１で粗動モードでないと判別したときは、微動モードか否かを判別する（ステップ７５）。微動モードとは、腕台３をゆっくりと動かして、その位置を微調整するモードである。なお、微動モードのときに腕台３を動かす速度・角速度を微動速度ともいう。微動モードとする判別条件は、前記した所定方向に腕台３に作用する力の大きさが第２の閾値以上の場合とする。第２の閾値は第１の閾値よりも大きな値とする。第２の閾値とは、一例として、医師が手術を行う際に前腕支持台３ａに掛かる力の垂下方向の力よりも若干大きな力とする。つまり、所定の強い力で前腕支持台３ａを支柱３ｄ方向に押しているときには、微動モードになる。
【００９３】
制御部９は、微動モードと判別したときに微動モード処理を開始する（ステップ７６）。この場合、制御部９は、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定する制動量決定処理Ａ３を行う（ステップ７７）。制御部９は、制動量決定処理Ａ３で決定された制動トルクでパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御して（ステップ７８）、その状態を維持してステップ６２に戻る。制動量決定処理Ａ３については後述する。
【００９４】
制御部９は、ステップ７５で微動モードでないと判別したときにはエラーであるとして（ステップ７９）、ステップ６２に戻る。
【００９５】
制御部９は、このステップ６２からループ終了のステップ８０までのループを短い時間間隔で繰り返し実行する。
【００９６】
次に、図７に示されるフローチャートに従って、待機位置モードにおける制動量決定処理Ａ１について説明する。
【００９７】
制動量決定処理Ａ１では、先ず制御部９は、エンコーダ１５ｂの検出値に基づいて関節１５が初期姿勢にあるか否かを判別する（ステップ１０１）。制御部９は、関節１５が初期姿勢に無いと判別したときは、エンコーダ１１ｂの検出値から、関節１５の現在の角速度を算出し、ＲＯＭに記憶されている格納速度である目標角速度との差分を計算する（ステップ１０２）。この目標角速度は、腕台３から医師が手を外したときに腕台３が自動的に動いて待機位置まで戻るのに危険のない安全なゆっくりとした角速度であり、予めＲＯＭに設定しておく。
【００９８】
続いて、制御部９は、計算した差分に基づいて、関節１５が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ１５ａの制動トルクを決定すると共に、パウダブレーキ１１ａ〜１４ａの制動トルクを関節１１〜１４が固定される制動トルクに決定する（ステップ１０３）。
【００９９】
制御部９は、ステップ１０１で関節１５が初期姿勢にあると判別したときは、エンコーダ１４ｂの検出値に基づいて関節１４が初期姿勢にあるか否かを判別する（ステップ１０４）。制御部９は、関節１４が初期姿勢に無いと判別したときは、エンコーダ１４ｂの検出値から、関節１４の現在の角速度を算出し、目標角速度との差分を計算する（ステップ１０５）。続いて、制御部９は、計算した差分に基づいて、関節１４が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ１４ａの制動トルクを決定すると共に、パウダブレーキ１１ａ〜１３ａは関節１１〜１３が固定される制動トルクに決定する（ステップ１０６）。すでに初期姿勢にある関節１５のパウダブレーキ１５ａは無制動とする（ステップ１０６）。なお、以下のステップ１０９，１１２，１１５，１１６では、すでに初期姿勢にある関節のパウダブレーキは無制動とする。制御部９は、ステップ１０４で関節１５が初期姿勢にあると判別したときは、関節１３が初期姿勢にあるか否かを判別する（ステップ１０７）。
【０１００】
以下、同様にして、制御部９は、ステップ１０７で、関節１３が初期姿勢に無いと判別したときには、ステップ１０８で目標角速度と関節１３の現在の角速度との差分を計算して、ステップ１０９で、関節１３が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ１３ａの制動トルクを決定する。また、ステップ１０９で、パウダブレーキ１１ａ，１２ａの制動トルクを、関節１１，１２が固定される制動トルクに決定する（ステップ１０９）。ステップ１０７で関節１３が初期姿勢にあると判別したときは、ステップ１１０を実行する。
【０１０１】
さらに、制御部９は、関節１２が初期姿勢に無いとき（ステップ１１０）は、ステップ１１１，１１２で関節１２を目標角速度にするようにパウダブレーキ１２ａの制動トルクを決定し、パウダブレーキ１２ａの制動トルクを関節１２が固定される制動トルクに決定する。ステップ１１０で、関節１２が初期姿勢にあるときは、制御部９は、ステップ１１３を実行する。さらに、制御部９は、関節１１が初期姿勢に無いとき（ステップ１１３）は、ステップ１１４，１１５で関節１１を目標角速度にするようにパウダブレーキ１１ａの制動トルクを決定する。制御部９は、ステップ１１３で、関節１１が初期姿勢にあると判別したときは、待機位置モードを終了する（ステップ１１６）。
【０１０２】
このように制動トルクを決定することで、待機位置モードでは、多関節アーム２が危険のないゆっくりとした格納速度で動くため安全である。また、手術部位に近い関節から順番で、つまり関節１５、関節１４、関節１３、関節１２、関節１１の順番で、１つずつ初期姿勢に戻るため、医師との接触や衝突が防止されて一層安全である。また、移動による機器の衝撃もない。
【０１０３】
次に、図８に示されるフローチャートに従って、粗動モードにおける制動量決定処理Ａ２について説明する。
【０１０４】
説明するにあたり、図１０に示されるように、６軸力トルクセンサ８のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の力成分検出値をＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとし、そのＸ，Ｙ，Ｚ軸回りのモーメント成分の検出値をＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。また、同図に示されるように、手支持台３ｂの先端部のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の速度成分をＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚとし、そのＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの角速度成分をωｘ，ωｙ，ωｚとする。なお、手支持台３ｂの先端部を単に腕台３先端部ともいう。
【０１０５】
制動量決定処理Ａ２では、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値のＺ軸成分の力Ｆｚが０よりも大きいか否か判別する（ステップ１２０）。力成分Ｆｚが、０よりも大きいとき、すなわち、腕台３から下方向に力が掛っている場合に、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値から式（１）によって６軸力トルクの方向ベクトルＦunitに変換する（ステップ１２１）。この変換によって、方向のみを示すベクトルＦunitとなる。
【０１０６】
【数１】
【０１０７】
次に制御部９は、式（２）によって腕台先端速度・角速度ベクトルＶを算出する（ステップ１２２）。
【０１０８】
【数２】
式（２）のＣ−１は、次の式（３）で示される粘性マトリクスＣの逆行列である。
【０１０９】
【数３】
式（３）のＣｐｏｓ１は軸方向、Ｃｒｏｔ１は軸回りの腕台３の動きの粘性を規定する固定値であって、予め実験等で決定された値である。この場合、制御部９がパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを作動させつつ、腕台３を一定の力で動かすことのできる最大の速度・角速度となるような値に決定する。
【０１１０】
腕台先端速度・角速度ベクトルＶは、次の式（４）で表わされる。
【０１１１】
【数４】
【０１１２】
続いて制御部９は、関節１１〜１５の各関節速度ベクトルＳを、ヤコビ行列を用いた逆運動学演算である式（５）から算出し、関節１１〜１５の目標角速度を算出する（ステップ１２３）。
【０１１３】
【数５】
式（５）のＪｖ−１は、多関節アーム２のヤコビ逆行列である。
【０１１４】
次に制御部９は、その各目標角速度からパウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定し（ステップ１２４）、制動量決定処理Ａ２を終了する。
【０１１５】
ステップ１２０で、制御部９は、力成分Ｆｚが０よりも大きくないと判別したとき、つまり、腕台３に腕からの重さが掛っていないと判別したときには、腕台３を上方に移動させるものとして、腕台先端速度・角速度ベクトルＶを、次の式（６）の固定値とする（ステップ１２５）。
【０１１６】
【数６】
式（６）のＣＯＮＳＴ１は、速いが安全な速度であって実験的に決められる。この腕台先端速度・角速度ベクトルＶは、腕台３先端部がＣＯＮＳＴ１の速度で上方に移動することを意味している。
【０１１７】
続いて制御部９は、ステップ１２４で制動トルクを決定し、制動量決定処理Ａ２を終了する。
【０１１８】
このように制動トルクを決定することで、粗動モードでは、何れの方向にも一定の力で速く腕台３を動かすことができる。また、腕台３に力を掛けなければ、上方にＣＯＮＳＴ１の速度で移動する。このとき腕台３の移動する速度は、微動速度よりも速い速度・角速度で移動するように設定しておくことで、医師は、所望の方向に腕台３を迅速に位置調整することができる。
【０１１９】
次に、図９に示されるフローチャートに従って、微動モードにおける制動量決定処理Ａ３について説明する。
【０１２０】
制動量決定処理Ａ３では、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値のＺ軸成分の力Ｆｚが０よりも大きいか否か判別する（ステップ１３０）。力Ｆｚが、０よりも大きいとき、すなわち、腕台３から下方向に力が掛っている場合に、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値を、式（７）の６軸力トルクＦとする（ステップ１３１）。６軸力トルクＦには、力やトルクの大きさおよび方向が含まれる。
【０１２１】
【数７】
【０１２２】
次に制御部９は、次の式（８）で示される粘性マトリクスＣを用いて、前述した式（２）のＦunitをＦに換えて計算して、腕台先端速度・角速度ベクトルＶを算出する（ステップ１３２）。
【０１２３】
【数８】
式（８）のＣｐｏｓ２は軸方向、Ｃｒｏｔ２は軸回りの腕台３の動きの粘性を規定する固定値であって、予め実験等で決定された値である。この場合、粗動モードで腕台３が動く速度・角速度もゆっくりと動くような値に設定する。
【０１２４】
続いて制御部９は、関節１１〜１５の各関節速度ベクトルＳを前述した式（５）から算出し、目標角速度とする（ステップ１３３）。
【０１２５】
次に制御部９は、その各目標角速度からパウダブレーキ１１ａ〜１５ａの制動トルクを決定し（ステップ１３４）、制動量決定処理Ａ２が終了する。
【０１２６】
ステップ１３０で、制御部９は、力成分Ｆｚが０よりも大きくないと判別したとき、つまり、腕台３に腕からの重さが掛っていないと判別したときには、腕台３を上方に移動させるものとして、腕台先端速度・角速度ベクトルＶを、次の式（９）の固定値とする（ステップ１３５）。
【０１２７】
【数９】
式（９）のＣＯＮＳＴ２は、ＣＯＮＳＴ１の速度よりも遅い速度であって実験的に決められる。
【０１２８】
続いて制御部９は、ステップ１３４で制動トルクを決定し、制動量決定処理Ａ３を終了する。
【０１２９】
このように処理することで、微動モードでは、医師が所望する方向にのみ移動台が移動して、さらに、医師の腕の力の掛け具合で移動台の移動速度が変化するため、医師の意思を細やかに反映させた微動速度で腕台３の位置調整を確実に行うことができる。また、腕台３に力を掛けなければ、上方にＣＯＮＳＴ２の速度でゆっくりと移動して位置調整を確実に行うことができる。
【０１３０】
このように、この腕台支持装置１では、固定モード、待機位置モード、粗動モード、および微動モードを切り換えて腕台３を使用できる。いずれのモードでも、間接１１〜１５が制御された制動トルクで制動されるため、腕台３の移動が規制されて、付勢力や外力によって腕台３が意図以上に大きく速く動くことが防止されて、作業中であっても安全かつ所望する位置に確実に調整することができる。さらに、医師の腕の力で腕台３が位置調整されるため、例えば電気モータなどで能動的に移動させる装置と比較して、誤操作の危険性がなく安全である。また、定加重ばね１１ｄ〜１５ｄを備えたことで、多関節アーム２の自重が支えられるだけでなく、待機位置まで腕台３を外力によらず移動させることができ、さらに、医師の腕に反力を提示することができる。医師は、腕に反力がかかるため、安定して操作することができる。
【０１３１】
この腕台支持装置１では、手術部位付近まで粗動モードで迅速に移動台を移動させ、手術部位近くでは微動モードで所望する位置にゆっくりと確実に調整することができる。僅かな位置変更も微動モードで確実に所望する位置に調整することができる。さらに、待機位置モードを備えることで、定荷重ばね１１ｄ〜１５ｄによる付勢力で自動的に、しかも安全な速度で待機位置まで腕台３を戻すことができる。さらに、固定モードを備えることで、位置調整後の腕台３を確実に固定することができる。
【０１３２】
上記した腕台支持装置１では、モード選択手段として、固定モードを選択するものとしてフットスイッチ４が備えられ、微動モード、粗動モード、待機位置モードを選択するものとして６軸力トルクセンサが備えられた例について説明したが、フットスイッチ４と同様のスイッチをさらに２つ追加して備えて、追加した１つのフットスイッチに微動モード、追加した他のフットスイッチに粗動モードを対応させて、いずれのフットスイッチがＯＮになるかによって、制御部９が固定モード、微動モード、粗動モードを切換制御してもよい。また、さらにフットスイッチを１つ追加して、待機位置モードへの切り換えも、このさらに追加したフットスイッチで切り換えてもよい。
【０１３３】
また、モード選択手段として、図５に破線で示したように、マイク４５および音声認識回路４６を制御部９に接続して、医師がマイク４５に音声指示した内容を、音声認識回路４６が検出して、その音声指示の内容で制御部９は各モードの切り換えをする構成とすることもできる。また、フットスイッチ４で固定モードを選択し、マイク４５および音声認識回路４６で微動モード、粗動モード、待機位置モードを選択するように組み合わせる構成としてもよい。
【０１３４】
また、腕支持装置１が６軸力トルクセンサ８を備えた例について説明したが、可動部の数や移動制御の精度に応じて３軸力センサ、または複数の１軸力センサなどに換えることもできる。例えば、３軸力センサを備えた場合には、力成分だけで位置を制御する。
【０１３５】
また、腕支持装置１が５自由度の多関節アーム２を備えた例について説明したが、その自由度は任意のものに変更することができる。また、関節は、回転関節に換えて、直動関節を用いることもできる。直動関節の場合、制御部は、外力に対応した速度（速度量の一例）で腕台３が動くように電気制御ブレーキの制動力（制動量の一例）を制御する。
【０１３６】
また、上記した説明では、腕支持装置１がパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを備えた例について説明したが、これに換えて、電磁コイルの通電で発生する磁界とヒステリシス材の内部磁束の向きとのずれによって制動トルクを発生するヒステリシスブレーキや、制動トルク伝達の媒体に電気粘性流体（ＥＲ流体）を用いた電気粘性流体ブレーキ（ＥＲブレーキ）や、制動トルク伝達の媒体に磁性流体（ＭＲ流体）を用いた磁性流体ブレーキ（ＭＲブレーキ）を備えることもできる。ここで、電気粘性流体とは、電場の印加によって粘性変化を起こすものであり、磁性流体とは、磁場の印加によって粘性変化を起こすものである。
【０１３７】
また、腕支持装置１がエンコーダ１１ｂ〜１５ｂを備えた例について説明したが、アナログ出力のポテンショメータを用いることもできる。また、定荷重ばね１１ｄ〜１５ｄを備えて付勢した例について説明したが、これに換えてコイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢することもできる。これらによっても簡便な構造の装置とすることができる。
【０１３８】
また、非常停止スイッチ５が腕台３の支柱３ｄに備えられた例について説明したが、その位置は操作しやすい位置であれば任意の位置に備えることができる。
【０１３９】
また、本発明の移動装置の一例として、医師が脳神経手術の際に腕を支持するために使用する腕支持装置１について説明したが、本発明は、細かい手作業をする際に腕を支持する腕台に適用することもできるし、顎や足などを支持して移動させる移動装置にも適用することができる。さらに、本発明の移動装置を、他のロボットアームの先端を支持してその動き補助する移動装置に適用することもでき、移動させる対象は特に限定されるものではない。
【０１４０】
さらに、本発明の移動装置を椅子に装着した例について説明したが、装着する対象は椅子に限定されず、ベッドに装着してもよいし、床に固定してもよい。また、椅子の左右のいずれか片側にだけ装着してもよい。また、椅子と一体化されていてもよい。
【０１４１】
また、固定モード、待機位置モード、粗動モード、微動モードの５つのモードを切り替え可能な例について説明したが、すべてのモードを備える必要はなく、必要に応じたモードを備えればよい。例えば、固定モードと微動モードの２つのモードを備えるだけでもよい。
【０１４２】
また、待機位置モードでは、手術部位に近い関節から順番で、関節が１つずつ初期姿勢に戻る例について説明したが、戻す順番は、任意に変更できる。
【０１４３】
また、粗動モードでは、制動量決定処理Ａ２によって制動トルクを決定した例について説明したが、これは一例であって、腕台３を素早く動かせるように制動量を決定できれば異なる処理で制動量を決定することができる。
【０１４４】
また、微動モードでは、制動量決定処理Ａ３によって制動トルクを決定した例について説明したが、これは一例であって、腕台３をゆっくりとした速度で動かせるように制動量を決定できれば異なる処理で制動量を決定することができる。また、微動モードで、腕台３の移動速度をゆっくりとした一定の速度・角速度で動くように制御してもよい。このように一定の速度・角速度で動かす場合には、制動量決定処理Ａ３のステップ１３１において６軸力トルクＦを求めていたのに換えて、式（１）を用いて方向ベクトルＦunitを算出して用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置が椅子に装着された状態を示す斜視図である。
【図２】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の右側の側面図である。
【図３】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の左側の側面図である。
【図４】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の上面図である。
【図５】本発明を適用する移動装置の一実施形態である腕支持装置の電気系統図である。
【図６】本発明を適用する制御部９の制御方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用する制御部９の制動量決定処理Ａ１を示すフローチャートである。
【図８】本発明を適用する制御部９の制動量決定処理Ａ２を示すフローチャートである。
【図９】本発明を適用する制御部９の制動量決定処理Ａ３を示すフローチャートである。
【図１０】６軸力トルクセンサ８の力・トルク、および腕台３先端部の速度・角速度の各軸成分を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１は腕支持装置、２は多関節アーム、３は腕台、３ａは前腕支持台、３ｂは手支持台、３ｃは支持棒、３ｄは支柱、４はフットスイッチ、５は非常停止スイッチ、６は制御ボックス、８は６軸力トルクセンサ、１１,１２,１３,１４,１５は関節、１１ａ,１２ａ,１３ａ,１４ａ,１５ａはパウダブレーキ、１１ｂ,１２ｂ,１３ｂ,１４ｂ,１５ｂはエンコーダ、１１ｃ,１２ｃ,１３ｃ,１４ｃ,１５ｃは無励磁作動ブレーキ、１１ｄ,１２ｄ,１３ｄ,１４ｄ,１５ｄは定荷重ばね、１１ｅ,１２ｅ,１３ｅ,１４ｅ,１５ｅはＤ／Ａ変換器、１１ｆ,１２ｆ,１３ｆ,１４ｆ,１５ｆはドライバ、１１ｇ,１２ｇ,１３ｇ,１４ｇ,１５ｇはカウンタ、１６は支持部、１７は肩部、１８は第１腕部、１９は第２腕部、１９ａは支持ロッド、１９ｂは第２腕支持部、２０は第３腕部、２０ａは支持ロッド、２０ｂは第３腕支持部、２１は先端部、３０は椅子、３１は座面、３２ａ,３２ｂは取付台、３３は足置台、４０は電源部、４１はＡ／Ｄ変換器、４２はアンプ、６１〜８０,１０１〜１１６,１２０〜１２５,１３０〜１３５はフローチャートにおけるステップ、Ａ１,Ａ２,Ａ３は制動量決定処理、Ｆｘ,Ｆｙ,Ｆｚは力成分、Ｍｘ,Ｍｙ,Ｍｚはモーメント成分、Ｖは腕台先端速度・角速度ベクトル、Ｖｘ,Ｖｙ,Ｖｚは速度成分、Ｘ,Ｙ,Ｚは軸、ωｘ,ωｙ,ωｚは角速度成分である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動台と、該移動台に作用する外力によって該移動台を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構と、該移動機構に付されて該各可動部が各々所定の初期姿勢となるように付勢する複数の付勢機構と、該移動機構に付されて該可動部ごとの動きを制動する制動量を制御可能な複数の電気制御ブレーキと、該移動機構に付されて該可動部ごとの作動量を検知する複数の作動量センサと、該移動台または該移動機構に付されて該移動台に作用する力および／またはトルクを検知する力覚センサと、動作モードを選択されるモード選択手段と、該動作モード選択手段によって選択されるモード、並びに、該作動量センサおよび／または該力覚センサからの検出値に基づいて該複数の電気制御ブレーキの各々の制動量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする移動装置。
【請求項２】
前記移動台は、オペレータの腕を支持する腕台であることを特徴とする請求項１に記載の移動装置。
【請求項３】
前記モード選択手段によって、前記移動台を微動速度で移動すべき微動モードか、該移動台を該微動速度よりも早い粗動速度で移動すべき粗動モードか、該移動台の待機位置に移動すべき待機位置モードか、該移動台を固定すべき固定モードかを選択されて、該制御部は、前記各モードに応じた制動量で前記複数の電気制動ブレーキを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記粗動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、該移動台が前記微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記待機位置モードのときに、前記作動量センサの検出値に基づいて、前記複数の可動部を、各々所定の速度量で前記初期姿勢となるよう前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記複数の可動部を順番に１つずつ前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項７に記載の移動装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記各可動部を、前記移動台に近い側から順番に前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項８に記載の移動装置。
【請求項１０】
前記モード選択手段は、前記力覚センサの検出値と所定の閾値とを比較してモードが選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記閾値としての第１の閾値、および第２の閾値に基づいて判別し、前記移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第１の閾値を超えるときに前記粗動モード、該第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上のときに前記微動モードと判別することを特徴とする請求項１０に記載の移動装置。
【請求項１２】
前記モード選択手段は、操作スイッチを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記操作スイッチの接点状態に基づいて、前記固定モードか否かを判別することを特徴とする請求項１２に記載の移動装置。
【請求項１４】
前記モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１５】
前記可動部が関節でなる多関節アームで前記移動機構が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１６】
前記移動機構には、無電源時に作動して前記複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１７】
前記複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることを特徴とする請求項１６に記載の移動装置。
【請求項１８】
前記電気制御ブレーキは、パウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１９】
前記作動量センサは、エンコーダ、またはポテンショメータであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項２０】
前記力覚センサは、６軸力トルクセンサ、または３軸力センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項２１】
前記付勢機構は、定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１】
移動台と、該移動台に作用する外力によって該移動台を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構と、該移動機構に付されて該各可動部が各々所定の初期姿勢となるように付勢する複数の付勢機構と、該移動機構に付されて該可動部ごとの動きを制動する制動量を制御可能な複数の電気制御ブレーキと、該移動機構に付されて該可動部ごとの作動量を検知する複数の作動量センサと、該移動台または該移動機構に付されて該移動台に作用する力および／またはトルクを検知する力覚センサと、動作モードを選択されるモード選択手段と、該動作モード選択手段によって選択されるモード、並びに、該作動量センサおよび／または該力覚センサからの検出値に基づいて該複数の電気制御ブレーキの各々の制動量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする移動装置。
【請求項２】
前記移動台は、オペレータの腕を支持する腕台であることを特徴とする請求項１に記載の移動装置。
【請求項３】
前記モード選択手段によって、前記移動台を微動速度で移動すべき微動モードか、該移動台を該微動速度よりも早い粗動速度で移動すべき粗動モードか、該移動台の待機位置に移動すべき待機位置モードか、該移動台を固定すべき固定モードかを選択されて、該制御部は、前記各モードに応じた制動量で前記複数の電気制動ブレーキを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記粗動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、該移動台が前記微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記待機位置モードのときに、前記作動量センサの検出値に基づいて、前記複数の可動部を、各々所定の速度量で前記初期姿勢となるよう前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記複数の可動部を順番に１つずつ前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項７に記載の移動装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記各可動部を、前記移動台に近い側から順番に前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする請求項８に記載の移動装置。
【請求項１０】
前記モード選択手段は、前記力覚センサの検出値と所定の閾値とを比較してモードが選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記閾値としての第１の閾値、および第２の閾値に基づいて判別し、前記移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第１の閾値を超えるときに前記粗動モード、該第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上のときに前記微動モードと判別することを特徴とする請求項１０に記載の移動装置。
【請求項１２】
前記モード選択手段は、操作スイッチを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記操作スイッチの接点状態に基づいて、前記固定モードか否かを判別することを特徴とする請求項１２に記載の移動装置。
【請求項１４】
前記モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１５】
前記可動部が関節でなる多関節アームで前記移動機構が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１６】
前記移動機構には、無電源時に作動して前記複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１７】
前記複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることを特徴とする請求項１６に記載の移動装置。
【請求項１８】
前記電気制御ブレーキは、パウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項１９】
前記作動量センサは、エンコーダ、またはポテンショメータであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項２０】
前記力覚センサは、６軸力トルクセンサ、または３軸力センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項２１】
前記付勢機構は、定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２９１３６３（Ｐ２００９−２９１３６３Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４７１６１（Ｐ２００８−１４７１６１）
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
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