衝突防止装置
【課題】周囲の物との衝突を確実に防止できる衝突防止装置を提供する。
【解決手段】腕支持装置１は、腕台３を移動可能に支持する複数の関節を有する多関節アーム２と、複数の関節の動きを固定可能な複数のパウダブレーキと、ＩＣタグ１６が所定距離内に近づいたときにＩＣタグ１６の記録情報を非接触で読取可能な非接触型リーダ５と、非接触リーダ５の向きを可動駆動可能なリーダ駆動機構６と、非接触型リーダ５の読取方向が腕台３の移動方向に向くようにリーダ駆動機構６を制御すると共に、非接触型リーダ５がＩＣタグ１６の情報を読み取ったときにパウダブレーキを固定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を移動可能に支持する複数の関節を有する多関節アーム２と、複数の関節の動きを固定可能な複数のパウダブレーキと、ＩＣタグ１６が所定距離内に近づいたときにＩＣタグ１６の記録情報を非接触で読取可能な非接触型リーダ５と、非接触リーダ５の向きを可動駆動可能なリーダ駆動機構６と、非接触型リーダ５の読取方向が腕台３の移動方向に向くようにリーダ駆動機構６を制御すると共に、非接触型リーダ５がＩＣタグ１６の情報を読み取ったときにパウダブレーキを固定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、周囲の物等との衝突を防止する衝突防止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、腕を支持固定する装置を使用して手術を実施している。
【０００３】
このような装置は、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。このような位置調整可能な装置が、一例として特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１に示されたバランスチェアーでは、腕を支持する関節式保持アーム（移動機構）が移動自在に設けられ、オペレータが所望する位置で固定可能に構成されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７２１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
手術を行う際には、手術顕微鏡、患者の血圧・心拍数などを把握するための測定装置や、患者に酸素を供給するための酸素供給装置、薬剤投与器具、メス等を載せる術具台など多くの装置や器具が医師や患者の周りに置かれている。これらの装置や器具、患者は、覆布に覆われている場合も多いし、医師は手術に集中しているため、術野からの視認が難しい。従来の特許文献１に記載されたような装置では、固定していないときに関節式保持アーム（移動機構）が自在に動くため、周囲の装置や器具に衝突して破損させたり、患者に衝突して怪我をさせたりする恐れがあるという問題がある。
【０００７】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、周囲の物等が視認できない位置に存在していたとしても、これらとの衝突を確実に防止できる衝突防止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】
【０００８】
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に記載の衝突防止装置は、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可動部ごとの動きを固定可能な複数の電気制御ブレーキと、被検出体が所定距離内にあるときに該被検出体の記録情報を非接触で読取可能な非接触型リーダと、該非接触リーダの向きを可動駆動可能に該移動機構に配するリーダ駆動機構と、該非接触型リーダの読取方向が該移動台の移動方向に向くように該リーダ駆動機構を制御すると共に、該非接触型リーダが該被検出体の記録情報を読み取ったときに該複数の電気制動ブレーキを固定制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動機構は、前記移動台に作用する外力を検知する力覚センサを備え、前記制御部は、該力覚センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動機構は、前記複数の可動部の動きを検知する複数の作動量センサを備え、前記制御部は、該複数の作動量センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動機構または前記移動台は、該移動台の加速度を検知する加速度センサを備え、前記制御部は、該加速度センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記非接触型リーダは、前記被検出体と電波または電磁波によって通信して、該被検出体の記録情報を読み取ることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の衝突防止装置は、請求項５に記載されたもので、前記非接触型リーダが読み取り可能な前記所定距離が１ｃｍ〜３０ｃｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の衝突防止装置は、請求項１から６のいずれか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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の衝突防止装置は、移動機構の支持する移動台の移動方向に、非接触型リーダの読取方向が向くように、制御部がリーダ移動機構を制御する。非接触型リーダは、読取方向にある被検出体が所定距離内のときに被検出体を検出可能なものである。制御部は、非接触型リーダが被検出体を検出したときに電気制御ブレーキを固定制御して可動部の動きを固定する。これにより、周囲の物等に被検出体を貼り付けるなどして予め付しておくことで、移動機構が所定距離内に近づいたときに移動機構の動きが自動的に固定されて、周囲の物等との衝突を確実に防止することができる。
【００１６】
本発明の衝突防止装置によれば、移動機構に、移動台に作用する力を検知する力覚センサを備え、制御部は、力覚センサの検知信号に基づいて移動台の移動方向を決定することにより、非接触型リーダを移動方向に常に正確に向けることができ、周囲の物等との衝突を一層確実に防止することができる。
【００１７】
本発明の衝突防止装置によれば、移動機構に複数の可動部の動きを検知する複数の作動量センサを備え、制御部は、複数の作動量センサの検知信号に基づいて移動台の移動方向を決定することにより、非接触型リーダを移動方向に常に正確に向けることができ、周囲の物等との衝突を一層確実に防止することができる。
【００１８】
本発明の衝突防止装置によれば、移動機構または移動台に、移動台の加速度を検知する加速度センサを備え、制御部は、加速度センサの検知信号に基づいて移動台の移動方向を決定することにより、非接触型リーダを移動方向に常に正確に向けることができ、周囲の物等との衝突を一層確実に防止することができる。
【００１９】
本発明の衝突防止装置では、電波または電磁波によって非接触型リーダが被検出体から情報を読み取るものである。このような非接触型リーダは、被検出体との間に布が存在していても情報を読取可能なため、周囲の物等が布で覆われていて視認できない位置にあったとしても、衝突を確実に防止することができる。また、このような非接触型リーダや被検出体は、読み取り精度が高く、しかも多様な製品が安価に販売されているため、誤動作なく衝突を確実に防止できると共に、装置価格を安価なものにすることができる。
【００２０】
本発明の衝突防止装置によれば、非接触型リーダの読み取り可能な所定距離が１〜３０ｃｍの範囲内であることにより、被検出体から遠すぎず、かつ衝突するほど近すぎない距離で移動台を停止することができる。
【発明を実施するための好ましい形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図２には、本発明の衝突防止装置を適用する腕支持装置が、椅子に装着されて、その状態が斜視図で示されている。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。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。
【００２３】
図２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。
【００２４】
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、および制御ボックス７を備えている。
【００２５】
多関節アーム２は、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、関節１１，１５は、その回転軸が略垂直方向を向いて首振り回動する。また、関節１２〜１４は、その回転軸が水平方向であると共に、各々の回転軸が平行に設けられて、腕振り回動する。
【００２６】
多関節アーム２には、関節１１〜１５の各々の動きを制御された制動トルクで制動すると共に固定（ロック）可能な制動トルクを有するパウダブレーキ１１ａ〜１５ａが設けられている。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を発生して、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。
【００２７】
また、多関節アーム２には、関節１１〜１５の各々の動きを検出する作動量センサの一例であるエンコーダ１１ｂ〜１５ｂが設けられている。エンコーダ１１ｂ〜１５ｂは、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。さらに、多関節アーム２には、停電時に関節１１〜１５の各々の動きを固定（ロック）する無励磁作動ブレーキや、各関節１１〜１５が所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばねが設けられている。
【００２８】
多関節アーム２の先端部２１には、６軸力トルクセンサ８を介して腕台３が設けられている。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によって、腕台３に掛る力やトルクが検出される。
【００２９】
また、多関節アーム２の先端部２１には、その下部に非接触型リーダ５がリーダ駆動機構６によって取り付けられている。非接触型リーダ５は、一例として、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）方式のリーダであって、電波を用いて送受信することで、被検出体のＩＣタグ１６と近距離通信を行い、ＩＣタグ１６に記録されている情報を非接触で読み取る。非接触型リーダ５には、図１に示される読取面５ａの内面近くに、送受信用のアンテナが備えられている。非接触型リーダ５は、短い時間間隔でＩＣタグ１６に対する質問信号を変調してアンテナから送信する。また、非接触型リーダ５は、アンテナで受信した信号を復調することで、ＩＣタグ１６の送信した応答信号を復調し、後述する制御部９に即座に出力する。
【００３０】
非接触型リーダ５と通信を行うＩＣタグ１６は、ＲＦＩＣタグ、電子タグ、無線タグ、無線ＩＣタグなどとも呼ばれ、一例として薄いカードの内部に、メモリを有する小型集積回路やアンテナなどの電気回路が備えられ、メモリに記録された情報をアンテナから電波で送信可能に構成されている。この場合、メモリには、ＩＣタグ１６の識別番号が予め記録されている。ＩＣタグ１６は、非接触型リーダ５から送信される電波をエネルギー源として作動して、質問信号に対応する応答信号をアンテナから送信する。応答信号には、ＩＣタグ１６の識別番号が含まれている。
【００３１】
ＩＣタグ１６は、図１，２に示されるように、腕支持装置１の周囲に配置される、例えば測定装置などの装置９０に予め貼り付けられている。この場合、装置９０には、非接触型リーダ５の読取面５ａに対面するような表面位置の近傍にＩＣタグ１６を貼り付けておく。
【００３２】
非接触型リーダ５およびＩＣタグ１６は、一例として１ｃｍ〜３０ｃｍ程度の所定の短い距離内に互いがあるときに非接触で通信可能なものである。このため、ＩＣタグ１６から遠すぎず、かつ装置９０に衝突するほど近すぎない距離でＩＣタグ１６を検出することができる。このような非接触型リーダ５およびＩＣタグ１６は、通信可能距離が所望する距離と合致する市販のＲＦＩＤ製品を選択することや、非接触型リーダ５またはＩＣタグ１６の送信電波強度を適宜調整することで得られる。
【００３３】
このような、ＲＦＩＤ方式の非接触型リーダ５やＩＣタグ１６は、互いの間に布やビニール製幕、紙製幕などの遮蔽物が存在したとして、上記した通信可能な距離内に互いが入れば通信可能なため、装置９０が布等で覆われていて視認できない位置にあったとしても非接触型リーダ５がＩＣ１６の情報を確実に読み取って、衝突を確実に防止することができる。また、このような非接触型リーダ５やＩＣタグ１６は、通信可能な距離内では読み取り精度が高く、しかも多様な製品が安価に販売されている。このため、誤動作のない装置にすることができ、装置価格を安価なものにすることができる。
【００３４】
図１に、非接触型リーダ５がＩＣタグ１６と通信可能な範囲Ｒを、２点鎖線で示す。範囲Ｒは、実際には立体的な範囲であるが、図１では、そのうちの水平方向の範囲を図示している。
【００３５】
リーダ駆動機構６は、その内部に回転量を制御可能なサーボモータ（非図示）が内蔵されて、図１に示されるように非接触型リーダ５の向きを首振り回動するように可動駆動可能であると共に、非接触型リーダ５を停止させる位置を制御可能に構成されている。
【００３６】
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。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の先端に固定されている。
【００３７】
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の待機位置とは、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。
【００３８】
フットスイッチ４は、図２に示されるように、椅子３０の足置台３３に備えられて、足で踏み込み操作されて、腕台３を固定するか、固定を解除するかの操作を行うためのものである。このフットスイッチ４は、一度踏み込まれるとＯＮ状態を維持し、再度踏み込まれるとＯＮ状態が解除されてＯＦＦ状態を維持する。
【００３９】
制御ボックス７は、図２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。上記したフットスイッチ４、６軸力トルクセンサ８、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａ、およびエンコーダ１１ｂ〜１５ｂなどは、各々電気配線（非図示）で制御ボックス７に接続されている。
【００４０】
図３には、電気系統図が示されている。制御ボックス７には、制御部９、Ｄ／Ａ変換器１１ｅ〜１５ｅ、ドライバ１１ｆ〜１５ｆ、カウンタ１１ｇ〜１５ｇ、サーボアンプ１７、Ａ／Ｄ変換器４１、およびアンプ４２が備えられている。また制御ボックス７には、各部や非励磁作動ブレーキに電源を供給する電源部（共に非図示）が備えられている。
【００４１】
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。この制御部９のＲＯＭには、さらに、腕支持装置１の周囲に配置される機器９０に貼り付けられたＩＣタグ１６の識別番号が記録されている。
【００４２】
図３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、５系統の制動量制御信号を出力し、この制動量制御信号が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の回転速度や回転角度、回転位置を判別することができる。
【００４３】
さらに、図３に示されるように、制御部９には、非接触型リーダ５によって受信された応答信号Ｓが入力される。また、制御部９は、サーボアンプ１７を介して、リーダ駆動機構６に内蔵されるサーボモータ１６を位置制御する。
【００４４】
次に、腕支持装置１の動作および制御方法について説明する。
【００４５】
図４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と共に、外部割込を許可する（ステップ６１）。制御部９は、非接触型リーダ５から応答信号Ｓが入力したときに、外部割込されて、後述する割込処理Ａを行う。
【００４６】
続いて、制御部９は、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かを判別する（ステップ６３）。制御部９は、フットスイッチ４がＯＮであれば、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６４）。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。医師は、腕台３の位置調整後に、フットスイッチ４をＯＮすることで、腕台３を固定できる。腕台３が固定されて、医師は手術を行うことができる。
【００４７】
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６５）。
【００４８】
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を移動させるために医師の腕が腕台３に作用させている外力の方向を算出し、腕台３先端である手支持台３ｂの移動方向を決定する（ステップ６６）。次に、制御部９は、腕台３先端を移動させる移動速度を決定して、この移動速度で移動方向に腕台３が動くような関節１１〜１５の回転速度を算出し、この回転速度で関節１１〜１５が動くような制動トルクを算出して、この制動トルクになるようにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御する（ステップ６７）。
【００４９】
腕支持装置１は、腕台３をゆっくりとした微動速度で動かす微動モード、腕台３を速い粗動速度で動かす粗動モード、および、腕台３を多関節アーム２の付勢力で自動的に待機位置に戻す待機位置モードの３つのモードを有しており、各モードに対応した移動速度に決定する。モード切換は、腕台３を６軸力トルクセンサ８の方向に押す力の大きさで制御部９が判別する。例えば、腕台３に掛る腕の重さ以上の所定の閾値を超える力で押したときには微動モード、腕台３を所定の閾値以下の弱い力で押したときには粗動モード、腕台３に腕の重さが全く掛らないときには待機位置モードと制御部９が判別する。このように、各モードに応じた移動速度で腕台３が動くことにより、腕台３の位置の微調整や粗調整を容易に行うことができる。つまり、腕台３の位置を僅かに変更したい場合に、ゆっくりと動いて確実に位置調整でき、腕台３の位置を大きく変更したい場合には、速く動いて迅速に位置調整できる。また、腕台３から腕を外したときに、安全な速度で待機位置に移動させることができる。
【００５０】
続いて、制御部９は、ステップ６６で決定した移動方向に非接触型リーダ５の読取面５ａが向くように、リーダ駆動機構６を位置制御する（ステップ６８）。このため、非接触型リーダ５の読取面５ａは、腕台３先端が移動する方向に正確に向けられる。なお、リーダ駆動機構６は、非接触型リーダ５の方向を首振り回動する方向にのみ動かすことができるため、リーダ駆動機構６の可動範囲内で移動方向に向かせる。
【００５１】
制御部９は、ステップ６２〜６９のループ処理を短い時間間隔で繰り返し実行する。
【００５２】
上記のようにステップ６２〜６９のループ処理を行うことで、例えば、図１に示されるように、２点鎖線矢印で示される移動方向Ｘに腕台３先端が移動しているときには、２点鎖線で示される非接触型リーダ５のように、読取面５ａがこの移動方向Ｘを向くようにリーダ駆動機構６が非接触型リーダ５を回動させる。また、同図に示されるように、実線矢印で示される移動方向Ｙに腕台３先端が移動しているときには、実線で示される非接触型リーダ５のように、読取面５ａがこの移動方向Ｙを向くようにリーダ駆動機構６が非接触型リーダ５を回動させる。したがって、読取面５ａは、腕台３の移動方向に常に正確に向けられる。
【００５３】
制御部９は、非接触型リーダ５から応答信号Ｓが入力したときは、割込処理Ａを実行する。
【００５４】
図５のフローチャートに示されるように、割込処理Ａでは、制御部９は、応答信号Ｓに、予めＲＯＭに記録されている識別番号が含まれているか否かを判別することで、腕支持装置１の周囲の機器に貼り付けられたＩＣタグ１６からの応答信号か否かを判別する（ステップ８１）。制御部９は、ＩＣタグ１６であると判別したときに、直ちにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定させる制動トルクに制御する（ステップ８２）。これにより、関節１１〜１５の動きが固定されて、腕台３が直ちに停止する。
【００５５】
この状態を維持して、制御部９は、フットスイッチ４がＯＮ−ＯＦＦ操作されるか否かを判別する（ステップ８３）。なお、ステップ８２まではフットスイッチ４はＯＦＦであるので、ステップ８３では、フットスイッチ４が一度ＯＮされてからＯＦＦされることを検出する。制御部９は、フットスイッチ４がＯＮ−ＯＦＦ操作されないときには、このステップ８３を繰り返し実行することで待ち受け状態となり、ＯＮ−ＯＦＦ操作されたときには、割込処理Ａを終了して、ステップ６２〜６９のループ処理に戻る。また、制御部９は、ステップ８１でＩＣタグ１６からの応答信号でないと判別したときには、割込処理Ａを終了し、ステップ６２〜６９のループ処理に戻る。
【００５６】
例えば、図１の移動方向Ｙに腕台３がさらに移動して、ＩＣタグ１６が非接触型リーダ５の通信可能な範囲Ｒの内側に入ったときに、非接触型リーダ５とＩＣタグ１６とが通信を開始して、非接触型リーダ５が制御部９に応答信号Ｓを出力する。これにより、割込処理Ａが実行されて、制御部９がＩＣタグ１６を検出する。前記したように非接触型リーダ５は、リーダ駆動機構６に回動されて読取面５ａが移動方向Ｙを向いているので、ＩＣタグ１６の接近を可及的速やかに検出することができる。制御部９は、ＩＣタグ１６の検出により、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定制御する。このため、関節１１〜１５の動きが固定され、多関節アーム２や腕台３が直ちに停止する。これにより、多関節アーム２や腕台３が周囲に配置された装置９０と衝突することを確実に防止することができる。
【００５７】
腕台３が停止したときには、医師はフットペダル４をＯＮ−ＯＦＦ操作することで、腕台３が移動可能になる。
【００５８】
このように、本発明の衝突防止装置を適用した腕支持装置１によれば、多関節アーム２の支持する腕台３先端の移動方向に、非接触型リーダ５の読取方向が向くように、制御部９がリーダ駆動機構６を制御する。非接触型リーダ５は、読取方向にあるＩＣタグ１６が所定範囲Ｒ内のときにＩＣタグ１６と通信可能なものである。制御部９は、非接触型リーダ５がＩＣタグ１６と通信して、ＩＣタグ１６の識別番号を検出したときにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定制御して関節１１〜１５の動きを固定する。これにより、周囲の物にＩＣタグ１６を貼り付けるなどして予め付しておくことで、多関節アーム２とＩＣタグ１６とが所定距離Ｒ内に近づいたときに多関節アーム２の動きが自動的に固定される。したがって、多関節アーム２や腕台３と周囲の物との衝突を確実に防止することができる。
【００５９】
なお、上記した説明では、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値から腕台３先端の移動方向を決定し、この移動方向に非接触型リーダ５の読取方向を向けるように制御したが、非接触型リーダ５を向ける方向を、別の方法で決定することもできる。
【００６０】
一例として、図６に示される制御処理Ｂのフローチャートを参照しつつ説明する。
【００６１】
例えば、外力や付勢力によって腕台３が動いたときには、制御部９は、エンコーダ１１ａ〜１５ａの検出値から関節１１〜１５が動いたことを判別できる。関節１１〜１５のいずれかが動いたときに、制御部９は、図６に示される制御処理Ｂを開始する。この制御処理Ｂを行う場合には、図４のフローチャート中のステップ６８は行わず、ステップ６２〜６９のループ外または、ループ内で適宜処理を行う。
【００６２】
制御処理Ｂでは、制御部９は、関節１１〜１５の回転位置や角度変化と、各関節を接続するリンク長とから腕台３先端の移動方向を算出する（ステップ８５）。続いて、制御部９は、算出した移動方向に非接触型リーダ５の読取面５ａが向くように、リーダ駆動機構６を位置制御する（ステップ８６）。制御部９は、関節１１〜１５が動いたことを検出する都度、制御処理Ｂを行う。このため、腕台３先端の動く方向に、非接触型リーダ５の読取面５ａを、常に正確に向けることができる。
【００６３】
非接触型リーダ５を向ける方向を決定する他の一例について説明する。
【００６４】
図３に破線で示されるように、３軸加速度センサ１０を制御部９に接続し、３軸加速度センサ１０の検出信号を制御部９に入力する。この３軸加速度センサ１０は、３軸方向の加速度を検知できるものであり、手支持台３ｂ先端の裏面に設けておく（非図示）。制御部９は、３軸加速度センサ１０の検出信号に基づいて腕台３先端の移動方向を算出し、算出した移動方向に接触型リーダ５の読取面５ａが向くようにリーダ駆動機構６を位置制御する。この制御も制御処理Ｂを行う場合に準じて適宜処理を行う。腕台３先端の速度や移動方向が変わると加速度が変化するので、腕台３先端の動く方向に、非接触型リーダ５の読取面５ａを、常に正確に向けることができる。
【００６５】
なお、上記した説明では、腕支持装置１の周囲に装置９０が１つ配置された例について説明したが、周囲に複数の装置や器具が配置されている場合には、各々の装置や器具に、ＩＣタグ１６と同様のものを貼り付けておくことで、これらの装置等と、腕台３や多関節アーム２との衝突を防止することができる。また、非図示の患者や患者の服、患者の覆布にＩＣタグ１６を貼り付けておくことで、患者との衝突を防止することができる。複数のＩＣタグ１６を用いる場合、各々のＩＣタグ１６に記憶させておく識別番号は、同じ識別番号であっても良いし、異なる識別番号であっても良い。同じ識別番号である場合は、前記したように制御部９のＲＯＭに１つの識別番号を記憶させておけばよく、異なる識別番号である場合には、全ての識別番号を記憶させておけばよい。この場合、制御部９は、応答信号Ｓが入力されたときに、応答信号Ｓ中の識別番号と、ＲＯＭに記憶されているいずれかの識別番号とが一致したときにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを停止させる。
【００６６】
また、リーダ駆動機構６は、非接触型リーダ５を１自由度で回動させる例について説明したが、非接触型リーダ５を複数の自由度で動かす構成とすることもできる。この場合、非接触型リーダ５が被検出体であるＩＣタグ１６をより確実に検出することができる。また、リーダ駆動機構６は、サーボモータを用いて非接触型リーダ５を回動させる例について説明したが、ステッピングモータを用いることもできる。
【００６７】
また、非接触型リーダ５とＩＣタグ１６とが電波によって通信可能なものである例について説明したが、電磁波によって通信するものを用いても良い。また、非接触型リーダ５とＩＣタグ１６とが布等で遮蔽されない場合や、布等が透明である場合には、赤外線や光によって通信するものを用いても良い。また、ＩＣタグ１６が非接触型リーダ５から送信された電波をエネルギー源として作動する所謂パッシブタイプのＩＣタグを用いた例について説明したが、ＩＣタグ１６が電池を内蔵して、この電池をエネルギー源として作動する所謂アクティブタイプのＩＣタグを用いても良い。
【００６８】
また、オペレータである医師の腕から作用する力で腕台３が移動可能に多関節アーム２で支持されている例について説明したが、オペレータの足や顎などを移動台が支持して、足や顎などの力で移動台が移動される装置に適用することもできる。また、モータ等によって能動的に移動台を移動させるロボットアームなどの装置に本発明を適用して、周囲の物との衝突を防止することもできる。
【００６９】
また、腕台３の近くなどに警告ランプを設けておき、周囲の装置９０との接近によってステップ８２でパウダブレーキ１１ａ〜１５ａが固定された際に、制御部９が、この警告ランプを点滅させることもできる。
【００７０】
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。
【００７１】
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、１軸力センサなどに換えることもできる。また、３軸加速度センサ１０を備えた例の場合にも、可動部の数や移動制御の精度に応じて２軸加速度センサ、１軸加速度センサなどに換えることもできる。また、多関節アーム２に、腕台３先端とほぼ同様の動きをする位置があれば、その位置に３軸加速度センサを設けることもできる。
【００７２】
また、多関節アーム２に周囲の装置９０と当たりやすい箇所があれば、その箇所にリーダ駆動機構６や非接触型リーダ５を設けることもできる。
【００７３】
また、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。
【００７４】
さらに、作動量センサとしてディジタル式のエンコーダ１１ｂ〜１５ｂを備えた例について説明したが、アナログ式のポテンショメータを備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明を適用する衝突防止装置の一実施形態である腕支持装置の要部を示す一部拡大図である。
【図２】本発明を適用する衝突防止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３】本発明を適用する衝突防止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４】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５】本発明を適用する制御部９の割込処理Ａを示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用する制御部９の制御処理Ｂを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
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、３ｄは支柱、４はフットスイッチ、５は非接触型リーダ、５ａは読取面、６はリーダ駆動機構、７は制御ボックス、８は６軸力トルクセンサ、９は制御部、１０は３軸加速度センサ、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、１６はＩＣタグ、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はサーボモータ、１７はサーボアンプ、２１は先端部、３０は椅子、３１は座面、３２ａ,３２ｂは取付台、３３は足置台、６１〜６９,８１〜８３,８５,８６はフローチャートにおけるステップ、９０は装置、Ａは割込処理、Ｂは制御処理、Ｒは通信可能な範囲、Ｓは応答信号、Ｘ,Ｙは移動方向である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲の物等との衝突を防止する衝突防止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、腕を支持固定する装置を使用して手術を実施している。
【０００３】
このような装置は、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。このような位置調整可能な装置が、一例として特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１に示されたバランスチェアーでは、腕を支持する関節式保持アーム（移動機構）が移動自在に設けられ、オペレータが所望する位置で固定可能に構成されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７２１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
手術を行う際には、手術顕微鏡、患者の血圧・心拍数などを把握するための測定装置や、患者に酸素を供給するための酸素供給装置、薬剤投与器具、メス等を載せる術具台など多くの装置や器具が医師や患者の周りに置かれている。これらの装置や器具、患者は、覆布に覆われている場合も多いし、医師は手術に集中しているため、術野からの視認が難しい。従来の特許文献１に記載されたような装置では、固定していないときに関節式保持アーム（移動機構）が自在に動くため、周囲の装置や器具に衝突して破損させたり、患者に衝突して怪我をさせたりする恐れがあるという問題がある。
【０００７】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、周囲の物等が視認できない位置に存在していたとしても、これらとの衝突を確実に防止できる衝突防止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】
【０００８】
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に記載の衝突防止装置は、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可動部ごとの動きを固定可能な複数の電気制御ブレーキと、被検出体が所定距離内にあるときに該被検出体の記録情報を非接触で読取可能な非接触型リーダと、該非接触リーダの向きを可動駆動可能に該移動機構に配するリーダ駆動機構と、該非接触型リーダの読取方向が該移動台の移動方向に向くように該リーダ駆動機構を制御すると共に、該非接触型リーダが該被検出体の記録情報を読み取ったときに該複数の電気制動ブレーキを固定制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動機構は、前記移動台に作用する外力を検知する力覚センサを備え、前記制御部は、該力覚センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動機構は、前記複数の可動部の動きを検知する複数の作動量センサを備え、前記制御部は、該複数の作動量センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記移動機構または前記移動台は、該移動台の加速度を検知する加速度センサを備え、前記制御部は、該加速度センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の衝突防止装置は、請求項１に記載されたもので、前記非接触型リーダは、前記被検出体と電波または電磁波によって通信して、該被検出体の記録情報を読み取ることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の衝突防止装置は、請求項５に記載されたもので、前記非接触型リーダが読み取り可能な前記所定距離が１ｃｍ〜３０ｃｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の衝突防止装置は、請求項１から６のいずれか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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の衝突防止装置は、移動機構の支持する移動台の移動方向に、非接触型リーダの読取方向が向くように、制御部がリーダ移動機構を制御する。非接触型リーダは、読取方向にある被検出体が所定距離内のときに被検出体を検出可能なものである。制御部は、非接触型リーダが被検出体を検出したときに電気制御ブレーキを固定制御して可動部の動きを固定する。これにより、周囲の物等に被検出体を貼り付けるなどして予め付しておくことで、移動機構が所定距離内に近づいたときに移動機構の動きが自動的に固定されて、周囲の物等との衝突を確実に防止することができる。
【００１６】
本発明の衝突防止装置によれば、移動機構に、移動台に作用する力を検知する力覚センサを備え、制御部は、力覚センサの検知信号に基づいて移動台の移動方向を決定することにより、非接触型リーダを移動方向に常に正確に向けることができ、周囲の物等との衝突を一層確実に防止することができる。
【００１７】
本発明の衝突防止装置によれば、移動機構に複数の可動部の動きを検知する複数の作動量センサを備え、制御部は、複数の作動量センサの検知信号に基づいて移動台の移動方向を決定することにより、非接触型リーダを移動方向に常に正確に向けることができ、周囲の物等との衝突を一層確実に防止することができる。
【００１８】
本発明の衝突防止装置によれば、移動機構または移動台に、移動台の加速度を検知する加速度センサを備え、制御部は、加速度センサの検知信号に基づいて移動台の移動方向を決定することにより、非接触型リーダを移動方向に常に正確に向けることができ、周囲の物等との衝突を一層確実に防止することができる。
【００１９】
本発明の衝突防止装置では、電波または電磁波によって非接触型リーダが被検出体から情報を読み取るものである。このような非接触型リーダは、被検出体との間に布が存在していても情報を読取可能なため、周囲の物等が布で覆われていて視認できない位置にあったとしても、衝突を確実に防止することができる。また、このような非接触型リーダや被検出体は、読み取り精度が高く、しかも多様な製品が安価に販売されているため、誤動作なく衝突を確実に防止できると共に、装置価格を安価なものにすることができる。
【００２０】
本発明の衝突防止装置によれば、非接触型リーダの読み取り可能な所定距離が１〜３０ｃｍの範囲内であることにより、被検出体から遠すぎず、かつ衝突するほど近すぎない距離で移動台を停止することができる。
【発明を実施するための好ましい形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図２には、本発明の衝突防止装置を適用する腕支持装置が、椅子に装着されて、その状態が斜視図で示されている。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。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。
【００２３】
図２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。
【００２４】
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、および制御ボックス７を備えている。
【００２５】
多関節アーム２は、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、関節１１，１５は、その回転軸が略垂直方向を向いて首振り回動する。また、関節１２〜１４は、その回転軸が水平方向であると共に、各々の回転軸が平行に設けられて、腕振り回動する。
【００２６】
多関節アーム２には、関節１１〜１５の各々の動きを制御された制動トルクで制動すると共に固定（ロック）可能な制動トルクを有するパウダブレーキ１１ａ〜１５ａが設けられている。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を発生して、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。
【００２７】
また、多関節アーム２には、関節１１〜１５の各々の動きを検出する作動量センサの一例であるエンコーダ１１ｂ〜１５ｂが設けられている。エンコーダ１１ｂ〜１５ｂは、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。さらに、多関節アーム２には、停電時に関節１１〜１５の各々の動きを固定（ロック）する無励磁作動ブレーキや、各関節１１〜１５が所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばねが設けられている。
【００２８】
多関節アーム２の先端部２１には、６軸力トルクセンサ８を介して腕台３が設けられている。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によって、腕台３に掛る力やトルクが検出される。
【００２９】
また、多関節アーム２の先端部２１には、その下部に非接触型リーダ５がリーダ駆動機構６によって取り付けられている。非接触型リーダ５は、一例として、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）方式のリーダであって、電波を用いて送受信することで、被検出体のＩＣタグ１６と近距離通信を行い、ＩＣタグ１６に記録されている情報を非接触で読み取る。非接触型リーダ５には、図１に示される読取面５ａの内面近くに、送受信用のアンテナが備えられている。非接触型リーダ５は、短い時間間隔でＩＣタグ１６に対する質問信号を変調してアンテナから送信する。また、非接触型リーダ５は、アンテナで受信した信号を復調することで、ＩＣタグ１６の送信した応答信号を復調し、後述する制御部９に即座に出力する。
【００３０】
非接触型リーダ５と通信を行うＩＣタグ１６は、ＲＦＩＣタグ、電子タグ、無線タグ、無線ＩＣタグなどとも呼ばれ、一例として薄いカードの内部に、メモリを有する小型集積回路やアンテナなどの電気回路が備えられ、メモリに記録された情報をアンテナから電波で送信可能に構成されている。この場合、メモリには、ＩＣタグ１６の識別番号が予め記録されている。ＩＣタグ１６は、非接触型リーダ５から送信される電波をエネルギー源として作動して、質問信号に対応する応答信号をアンテナから送信する。応答信号には、ＩＣタグ１６の識別番号が含まれている。
【００３１】
ＩＣタグ１６は、図１，２に示されるように、腕支持装置１の周囲に配置される、例えば測定装置などの装置９０に予め貼り付けられている。この場合、装置９０には、非接触型リーダ５の読取面５ａに対面するような表面位置の近傍にＩＣタグ１６を貼り付けておく。
【００３２】
非接触型リーダ５およびＩＣタグ１６は、一例として１ｃｍ〜３０ｃｍ程度の所定の短い距離内に互いがあるときに非接触で通信可能なものである。このため、ＩＣタグ１６から遠すぎず、かつ装置９０に衝突するほど近すぎない距離でＩＣタグ１６を検出することができる。このような非接触型リーダ５およびＩＣタグ１６は、通信可能距離が所望する距離と合致する市販のＲＦＩＤ製品を選択することや、非接触型リーダ５またはＩＣタグ１６の送信電波強度を適宜調整することで得られる。
【００３３】
このような、ＲＦＩＤ方式の非接触型リーダ５やＩＣタグ１６は、互いの間に布やビニール製幕、紙製幕などの遮蔽物が存在したとして、上記した通信可能な距離内に互いが入れば通信可能なため、装置９０が布等で覆われていて視認できない位置にあったとしても非接触型リーダ５がＩＣ１６の情報を確実に読み取って、衝突を確実に防止することができる。また、このような非接触型リーダ５やＩＣタグ１６は、通信可能な距離内では読み取り精度が高く、しかも多様な製品が安価に販売されている。このため、誤動作のない装置にすることができ、装置価格を安価なものにすることができる。
【００３４】
図１に、非接触型リーダ５がＩＣタグ１６と通信可能な範囲Ｒを、２点鎖線で示す。範囲Ｒは、実際には立体的な範囲であるが、図１では、そのうちの水平方向の範囲を図示している。
【００３５】
リーダ駆動機構６は、その内部に回転量を制御可能なサーボモータ（非図示）が内蔵されて、図１に示されるように非接触型リーダ５の向きを首振り回動するように可動駆動可能であると共に、非接触型リーダ５を停止させる位置を制御可能に構成されている。
【００３６】
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。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の先端に固定されている。
【００３７】
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の待機位置とは、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。
【００３８】
フットスイッチ４は、図２に示されるように、椅子３０の足置台３３に備えられて、足で踏み込み操作されて、腕台３を固定するか、固定を解除するかの操作を行うためのものである。このフットスイッチ４は、一度踏み込まれるとＯＮ状態を維持し、再度踏み込まれるとＯＮ状態が解除されてＯＦＦ状態を維持する。
【００３９】
制御ボックス７は、図２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。上記したフットスイッチ４、６軸力トルクセンサ８、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａ、およびエンコーダ１１ｂ〜１５ｂなどは、各々電気配線（非図示）で制御ボックス７に接続されている。
【００４０】
図３には、電気系統図が示されている。制御ボックス７には、制御部９、Ｄ／Ａ変換器１１ｅ〜１５ｅ、ドライバ１１ｆ〜１５ｆ、カウンタ１１ｇ〜１５ｇ、サーボアンプ１７、Ａ／Ｄ変換器４１、およびアンプ４２が備えられている。また制御ボックス７には、各部や非励磁作動ブレーキに電源を供給する電源部（共に非図示）が備えられている。
【００４１】
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。この制御部９のＲＯＭには、さらに、腕支持装置１の周囲に配置される機器９０に貼り付けられたＩＣタグ１６の識別番号が記録されている。
【００４２】
図３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、５系統の制動量制御信号を出力し、この制動量制御信号が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の回転速度や回転角度、回転位置を判別することができる。
【００４３】
さらに、図３に示されるように、制御部９には、非接触型リーダ５によって受信された応答信号Ｓが入力される。また、制御部９は、サーボアンプ１７を介して、リーダ駆動機構６に内蔵されるサーボモータ１６を位置制御する。
【００４４】
次に、腕支持装置１の動作および制御方法について説明する。
【００４５】
図４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と共に、外部割込を許可する（ステップ６１）。制御部９は、非接触型リーダ５から応答信号Ｓが入力したときに、外部割込されて、後述する割込処理Ａを行う。
【００４６】
続いて、制御部９は、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かを判別する（ステップ６３）。制御部９は、フットスイッチ４がＯＮであれば、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６４）。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。医師は、腕台３の位置調整後に、フットスイッチ４をＯＮすることで、腕台３を固定できる。腕台３が固定されて、医師は手術を行うことができる。
【００４７】
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６５）。
【００４８】
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を移動させるために医師の腕が腕台３に作用させている外力の方向を算出し、腕台３先端である手支持台３ｂの移動方向を決定する（ステップ６６）。次に、制御部９は、腕台３先端を移動させる移動速度を決定して、この移動速度で移動方向に腕台３が動くような関節１１〜１５の回転速度を算出し、この回転速度で関節１１〜１５が動くような制動トルクを算出して、この制動トルクになるようにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを制御する（ステップ６７）。
【００４９】
腕支持装置１は、腕台３をゆっくりとした微動速度で動かす微動モード、腕台３を速い粗動速度で動かす粗動モード、および、腕台３を多関節アーム２の付勢力で自動的に待機位置に戻す待機位置モードの３つのモードを有しており、各モードに対応した移動速度に決定する。モード切換は、腕台３を６軸力トルクセンサ８の方向に押す力の大きさで制御部９が判別する。例えば、腕台３に掛る腕の重さ以上の所定の閾値を超える力で押したときには微動モード、腕台３を所定の閾値以下の弱い力で押したときには粗動モード、腕台３に腕の重さが全く掛らないときには待機位置モードと制御部９が判別する。このように、各モードに応じた移動速度で腕台３が動くことにより、腕台３の位置の微調整や粗調整を容易に行うことができる。つまり、腕台３の位置を僅かに変更したい場合に、ゆっくりと動いて確実に位置調整でき、腕台３の位置を大きく変更したい場合には、速く動いて迅速に位置調整できる。また、腕台３から腕を外したときに、安全な速度で待機位置に移動させることができる。
【００５０】
続いて、制御部９は、ステップ６６で決定した移動方向に非接触型リーダ５の読取面５ａが向くように、リーダ駆動機構６を位置制御する（ステップ６８）。このため、非接触型リーダ５の読取面５ａは、腕台３先端が移動する方向に正確に向けられる。なお、リーダ駆動機構６は、非接触型リーダ５の方向を首振り回動する方向にのみ動かすことができるため、リーダ駆動機構６の可動範囲内で移動方向に向かせる。
【００５１】
制御部９は、ステップ６２〜６９のループ処理を短い時間間隔で繰り返し実行する。
【００５２】
上記のようにステップ６２〜６９のループ処理を行うことで、例えば、図１に示されるように、２点鎖線矢印で示される移動方向Ｘに腕台３先端が移動しているときには、２点鎖線で示される非接触型リーダ５のように、読取面５ａがこの移動方向Ｘを向くようにリーダ駆動機構６が非接触型リーダ５を回動させる。また、同図に示されるように、実線矢印で示される移動方向Ｙに腕台３先端が移動しているときには、実線で示される非接触型リーダ５のように、読取面５ａがこの移動方向Ｙを向くようにリーダ駆動機構６が非接触型リーダ５を回動させる。したがって、読取面５ａは、腕台３の移動方向に常に正確に向けられる。
【００５３】
制御部９は、非接触型リーダ５から応答信号Ｓが入力したときは、割込処理Ａを実行する。
【００５４】
図５のフローチャートに示されるように、割込処理Ａでは、制御部９は、応答信号Ｓに、予めＲＯＭに記録されている識別番号が含まれているか否かを判別することで、腕支持装置１の周囲の機器に貼り付けられたＩＣタグ１６からの応答信号か否かを判別する（ステップ８１）。制御部９は、ＩＣタグ１６であると判別したときに、直ちにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定させる制動トルクに制御する（ステップ８２）。これにより、関節１１〜１５の動きが固定されて、腕台３が直ちに停止する。
【００５５】
この状態を維持して、制御部９は、フットスイッチ４がＯＮ−ＯＦＦ操作されるか否かを判別する（ステップ８３）。なお、ステップ８２まではフットスイッチ４はＯＦＦであるので、ステップ８３では、フットスイッチ４が一度ＯＮされてからＯＦＦされることを検出する。制御部９は、フットスイッチ４がＯＮ−ＯＦＦ操作されないときには、このステップ８３を繰り返し実行することで待ち受け状態となり、ＯＮ−ＯＦＦ操作されたときには、割込処理Ａを終了して、ステップ６２〜６９のループ処理に戻る。また、制御部９は、ステップ８１でＩＣタグ１６からの応答信号でないと判別したときには、割込処理Ａを終了し、ステップ６２〜６９のループ処理に戻る。
【００５６】
例えば、図１の移動方向Ｙに腕台３がさらに移動して、ＩＣタグ１６が非接触型リーダ５の通信可能な範囲Ｒの内側に入ったときに、非接触型リーダ５とＩＣタグ１６とが通信を開始して、非接触型リーダ５が制御部９に応答信号Ｓを出力する。これにより、割込処理Ａが実行されて、制御部９がＩＣタグ１６を検出する。前記したように非接触型リーダ５は、リーダ駆動機構６に回動されて読取面５ａが移動方向Ｙを向いているので、ＩＣタグ１６の接近を可及的速やかに検出することができる。制御部９は、ＩＣタグ１６の検出により、パウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定制御する。このため、関節１１〜１５の動きが固定され、多関節アーム２や腕台３が直ちに停止する。これにより、多関節アーム２や腕台３が周囲に配置された装置９０と衝突することを確実に防止することができる。
【００５７】
腕台３が停止したときには、医師はフットペダル４をＯＮ−ＯＦＦ操作することで、腕台３が移動可能になる。
【００５８】
このように、本発明の衝突防止装置を適用した腕支持装置１によれば、多関節アーム２の支持する腕台３先端の移動方向に、非接触型リーダ５の読取方向が向くように、制御部９がリーダ駆動機構６を制御する。非接触型リーダ５は、読取方向にあるＩＣタグ１６が所定範囲Ｒ内のときにＩＣタグ１６と通信可能なものである。制御部９は、非接触型リーダ５がＩＣタグ１６と通信して、ＩＣタグ１６の識別番号を検出したときにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを固定制御して関節１１〜１５の動きを固定する。これにより、周囲の物にＩＣタグ１６を貼り付けるなどして予め付しておくことで、多関節アーム２とＩＣタグ１６とが所定距離Ｒ内に近づいたときに多関節アーム２の動きが自動的に固定される。したがって、多関節アーム２や腕台３と周囲の物との衝突を確実に防止することができる。
【００５９】
なお、上記した説明では、制御部９は、６軸力トルクセンサ８の検出値から腕台３先端の移動方向を決定し、この移動方向に非接触型リーダ５の読取方向を向けるように制御したが、非接触型リーダ５を向ける方向を、別の方法で決定することもできる。
【００６０】
一例として、図６に示される制御処理Ｂのフローチャートを参照しつつ説明する。
【００６１】
例えば、外力や付勢力によって腕台３が動いたときには、制御部９は、エンコーダ１１ａ〜１５ａの検出値から関節１１〜１５が動いたことを判別できる。関節１１〜１５のいずれかが動いたときに、制御部９は、図６に示される制御処理Ｂを開始する。この制御処理Ｂを行う場合には、図４のフローチャート中のステップ６８は行わず、ステップ６２〜６９のループ外または、ループ内で適宜処理を行う。
【００６２】
制御処理Ｂでは、制御部９は、関節１１〜１５の回転位置や角度変化と、各関節を接続するリンク長とから腕台３先端の移動方向を算出する（ステップ８５）。続いて、制御部９は、算出した移動方向に非接触型リーダ５の読取面５ａが向くように、リーダ駆動機構６を位置制御する（ステップ８６）。制御部９は、関節１１〜１５が動いたことを検出する都度、制御処理Ｂを行う。このため、腕台３先端の動く方向に、非接触型リーダ５の読取面５ａを、常に正確に向けることができる。
【００６３】
非接触型リーダ５を向ける方向を決定する他の一例について説明する。
【００６４】
図３に破線で示されるように、３軸加速度センサ１０を制御部９に接続し、３軸加速度センサ１０の検出信号を制御部９に入力する。この３軸加速度センサ１０は、３軸方向の加速度を検知できるものであり、手支持台３ｂ先端の裏面に設けておく（非図示）。制御部９は、３軸加速度センサ１０の検出信号に基づいて腕台３先端の移動方向を算出し、算出した移動方向に接触型リーダ５の読取面５ａが向くようにリーダ駆動機構６を位置制御する。この制御も制御処理Ｂを行う場合に準じて適宜処理を行う。腕台３先端の速度や移動方向が変わると加速度が変化するので、腕台３先端の動く方向に、非接触型リーダ５の読取面５ａを、常に正確に向けることができる。
【００６５】
なお、上記した説明では、腕支持装置１の周囲に装置９０が１つ配置された例について説明したが、周囲に複数の装置や器具が配置されている場合には、各々の装置や器具に、ＩＣタグ１６と同様のものを貼り付けておくことで、これらの装置等と、腕台３や多関節アーム２との衝突を防止することができる。また、非図示の患者や患者の服、患者の覆布にＩＣタグ１６を貼り付けておくことで、患者との衝突を防止することができる。複数のＩＣタグ１６を用いる場合、各々のＩＣタグ１６に記憶させておく識別番号は、同じ識別番号であっても良いし、異なる識別番号であっても良い。同じ識別番号である場合は、前記したように制御部９のＲＯＭに１つの識別番号を記憶させておけばよく、異なる識別番号である場合には、全ての識別番号を記憶させておけばよい。この場合、制御部９は、応答信号Ｓが入力されたときに、応答信号Ｓ中の識別番号と、ＲＯＭに記憶されているいずれかの識別番号とが一致したときにパウダブレーキ１１ａ〜１５ａを停止させる。
【００６６】
また、リーダ駆動機構６は、非接触型リーダ５を１自由度で回動させる例について説明したが、非接触型リーダ５を複数の自由度で動かす構成とすることもできる。この場合、非接触型リーダ５が被検出体であるＩＣタグ１６をより確実に検出することができる。また、リーダ駆動機構６は、サーボモータを用いて非接触型リーダ５を回動させる例について説明したが、ステッピングモータを用いることもできる。
【００６７】
また、非接触型リーダ５とＩＣタグ１６とが電波によって通信可能なものである例について説明したが、電磁波によって通信するものを用いても良い。また、非接触型リーダ５とＩＣタグ１６とが布等で遮蔽されない場合や、布等が透明である場合には、赤外線や光によって通信するものを用いても良い。また、ＩＣタグ１６が非接触型リーダ５から送信された電波をエネルギー源として作動する所謂パッシブタイプのＩＣタグを用いた例について説明したが、ＩＣタグ１６が電池を内蔵して、この電池をエネルギー源として作動する所謂アクティブタイプのＩＣタグを用いても良い。
【００６８】
また、オペレータである医師の腕から作用する力で腕台３が移動可能に多関節アーム２で支持されている例について説明したが、オペレータの足や顎などを移動台が支持して、足や顎などの力で移動台が移動される装置に適用することもできる。また、モータ等によって能動的に移動台を移動させるロボットアームなどの装置に本発明を適用して、周囲の物との衝突を防止することもできる。
【００６９】
また、腕台３の近くなどに警告ランプを設けておき、周囲の装置９０との接近によってステップ８２でパウダブレーキ１１ａ〜１５ａが固定された際に、制御部９が、この警告ランプを点滅させることもできる。
【００７０】
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。
【００７１】
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、１軸力センサなどに換えることもできる。また、３軸加速度センサ１０を備えた例の場合にも、可動部の数や移動制御の精度に応じて２軸加速度センサ、１軸加速度センサなどに換えることもできる。また、多関節アーム２に、腕台３先端とほぼ同様の動きをする位置があれば、その位置に３軸加速度センサを設けることもできる。
【００７２】
また、多関節アーム２に周囲の装置９０と当たりやすい箇所があれば、その箇所にリーダ駆動機構６や非接触型リーダ５を設けることもできる。
【００７３】
また、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。
【００７４】
さらに、作動量センサとしてディジタル式のエンコーダ１１ｂ〜１５ｂを備えた例について説明したが、アナログ式のポテンショメータを備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明を適用する衝突防止装置の一実施形態である腕支持装置の要部を示す一部拡大図である。
【図２】本発明を適用する衝突防止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３】本発明を適用する衝突防止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４】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５】本発明を適用する制御部９の割込処理Ａを示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用する制御部９の制御処理Ｂを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
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、３ｄは支柱、４はフットスイッチ、５は非接触型リーダ、５ａは読取面、６はリーダ駆動機構、７は制御ボックス、８は６軸力トルクセンサ、９は制御部、１０は３軸加速度センサ、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、１６はＩＣタグ、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はサーボモータ、１７はサーボアンプ、２１は先端部、３０は椅子、３１は座面、３２ａ,３２ｂは取付台、３３は足置台、６１〜６９,８１〜８３,８５,８６はフローチャートにおけるステップ、９０は装置、Ａは割込処理、Ｂは制御処理、Ｒは通信可能な範囲、Ｓは応答信号、Ｘ,Ｙは移動方向である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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可動部ごとの動きを固定可能な複数の電気制御ブレーキと、被検出体が所定距離内にあるときに該被検出体の記録情報を非接触で読取可能な非接触型リーダと、該非接触リーダの向きを可動駆動可能に該移動機構に配するリーダ駆動機構と、該非接触型リーダの読取方向が該移動台の移動方向に向くように該リーダ駆動機構を制御すると共に、該非接触型リーダが該被検出体の記録情報を読み取ったときに該複数の電気制動ブレーキを固定制御する制御部と、を備えることを特徴とする衝突防止装置。
【請求項２】
前記移動機構は、前記移動台に作用する外力を検知する力覚センサを備え、前記制御部は、該力覚センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置。
【請求項３】
前記移動機構は、前記複数の可動部の動きを検知する複数の作動量センサを備え、前記制御部は、該複数の作動量センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置。
【請求項４】
前記移動機構または前記移動台は、該移動台の加速度を検知する加速度センサを備え、前記制御部は、該加速度センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置。
【請求項５】
前記非接触型リーダは、前記被検出体と電波または電磁波によって通信して、該被検出体の記録情報を読み取ることを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置
【請求項６】
前記非接触型リーダが読み取り可能な前記所定距離が１ｃｍ〜３０ｃｍの範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の衝突防止装置。
【請求項７】
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から６のいずれかに記載の衝突防止装置。
【請求項１】
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可動部ごとの動きを固定可能な複数の電気制御ブレーキと、被検出体が所定距離内にあるときに該被検出体の記録情報を非接触で読取可能な非接触型リーダと、該非接触リーダの向きを可動駆動可能に該移動機構に配するリーダ駆動機構と、該非接触型リーダの読取方向が該移動台の移動方向に向くように該リーダ駆動機構を制御すると共に、該非接触型リーダが該被検出体の記録情報を読み取ったときに該複数の電気制動ブレーキを固定制御する制御部と、を備えることを特徴とする衝突防止装置。
【請求項２】
前記移動機構は、前記移動台に作用する外力を検知する力覚センサを備え、前記制御部は、該力覚センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置。
【請求項３】
前記移動機構は、前記複数の可動部の動きを検知する複数の作動量センサを備え、前記制御部は、該複数の作動量センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置。
【請求項４】
前記移動機構または前記移動台は、該移動台の加速度を検知する加速度センサを備え、前記制御部は、該加速度センサの検知信号に基づいて該移動台の前記移動方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置。
【請求項５】
前記非接触型リーダは、前記被検出体と電波または電磁波によって通信して、該被検出体の記録情報を読み取ることを特徴とする請求項１に記載の衝突防止装置
【請求項６】
前記非接触型リーダが読み取り可能な前記所定距離が１ｃｍ〜３０ｃｍの範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の衝突防止装置。
【請求項７】
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から６のいずれかに記載の衝突防止装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２９７０８０（Ｐ２００９−２９７０８０Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５１９０６（Ｐ２００８−１５１９０６）
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【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２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【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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