醫(yī)用機(jī)械臂裝置、醫(yī)用機(jī)械臂控制系統(tǒng)、醫(yī)用機(jī)械臂控制方法、及程序的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)涉及一種醫(yī)用機(jī)械臂裝置、醫(yī)用機(jī)械臂控制系統(tǒng)、醫(yī)用機(jī)械臂控制方法、以 及程序。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，在醫(yī)療領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中，已經(jīng)廣泛使用機(jī)械裝置，從而以高準(zhǔn)確度快速 執(zhí)行任務(wù)。通常，機(jī)械裝置是其中通過(guò)聯(lián)接單元將多個(gè)鏈接件彼此連接的多鏈接件結(jié)構(gòu)，并 且當(dāng)控制該多個(gè)聯(lián)接單元的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，控制整個(gè)機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)。
[0003] 此處，位置控制和力控制被稱(chēng)為機(jī)械裝置和各個(gè)聯(lián)接單元的控制方法。例如，在位 置控制中，將諸如角度等命令值提供給聯(lián)接單元的致動(dòng)器，并且根據(jù)命令值控制聯(lián)接單元 的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，在力控制中，給定通過(guò)整個(gè)機(jī)械裝置施加到任務(wù)目標(biāo)的力的目標(biāo)值，并且控 制聯(lián)接單元的驅(qū)動(dòng)(例如，由聯(lián)接單元產(chǎn)生的扭矩），以使得實(shí)現(xiàn)由目標(biāo)值所指示的力。
[0004] 通常，因?yàn)槲恢每刂票阌诳刂撇⑶蚁到y(tǒng)配置簡(jiǎn)單，所以通過(guò)位置控制驅(qū)動(dòng)大多數(shù) 機(jī)械裝置。然而，位置控制因不能容易地靈活處理外部力而通常被稱(chēng)為"硬性控制"，并且位 置控制不適用于在與各種外界執(zhí)行物理相互作用（例如，與人的物理相互作用）的同時(shí)執(zhí)行 任務(wù)(運(yùn)動(dòng)目的）的機(jī)械裝置。同時(shí)，力控制雖然具有復(fù)雜的系統(tǒng)配置，但是，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力 級(jí)的"軟性控制"，因此，力控制是一種特別適用于執(zhí)行與人的物理相互作用的機(jī)械裝置的 控制方法和具有良好能用性的控制方法。
[0005] 例如，作為對(duì)其施加力控制的機(jī)械裝置，專(zhuān)利文獻(xiàn)1公開(kāi)了包括配置有2個(gè)輪的移 動(dòng)機(jī)構(gòu)和配置有多個(gè)聯(lián)接單元的臂單元、并且執(zhí)行控制以使得以協(xié)同方式整體驅(qū)動(dòng)輪和聯(lián) 接單元(執(zhí)行整體協(xié)同控制）的機(jī)械裝置。
[0006] 此外，在力控制中，需要以高準(zhǔn)確度檢測(cè)機(jī)械裝置的每個(gè)聯(lián)接單元的扭矩(包括通 過(guò)聯(lián)接單元產(chǎn)生的生成的扭矩和從外部施加到聯(lián)接單元的外部扭矩)并且執(zhí)行反饋控制 和/或前饋控制。例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)2公開(kāi)了包括解耦結(jié)構(gòu)并且執(zhí)行其中盡可能減少振動(dòng)影響 的高準(zhǔn)確度扭矩檢測(cè)的扭矩傳感器。
[0007] 引用列表
[0008] 專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0009] 專(zhuān)利文獻(xiàn) 1:JP 2010-188471A
[0010] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2:開(kāi) 2011-209099八

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 技術(shù)問(wèn)題
[0012] 同時(shí)，近年來(lái)，在醫(yī)療領(lǐng)域中，嘗試使用其中在執(zhí)行各個(gè)醫(yī)療程序(例如，手術(shù)或者 檢查)時(shí)將各個(gè)醫(yī)療單元(前端單元)安裝在臂單元的前端處的平衡臂。例如，已經(jīng)提出了這 樣一種方法，即，其中，將諸如顯微鏡、內(nèi)診鏡、或者成像單元(攝像機(jī))等具有各種成像功能 的單元安裝在平衡臂上作為前端單元的臂單元的前端上，并且執(zhí)業(yè)者(用戶(hù))在觀(guān)察通過(guò)前 端單元捕獲的疫區(qū)圖像同時(shí)執(zhí)行各種醫(yī)療程序。然而，當(dāng)移動(dòng)臂單元并且由此使設(shè)備尺寸 趨于增大時(shí)，不得不將平衡臂配備有用于保持力平衡的制衡重體(也被稱(chēng)為衡重體或者平 衡體）。醫(yī)療程序中使用的設(shè)備尺寸不得不變小，因?yàn)樾枰_保用于醫(yī)療程序的任務(wù)空間， 但是，所提出的一般平衡臂很難滿(mǎn)足這種需求。此外，在平衡臂中，僅臂單元的某種驅(qū)動(dòng)，例 如，僅用于在(二維)平面內(nèi)移動(dòng)前端單元的雙軸驅(qū)動(dòng)為電驅(qū)動(dòng)，并且需要執(zhí)業(yè)者或者其周 圍醫(yī)務(wù)人員的手動(dòng)定位來(lái)移動(dòng)臂單元和前端單元。因此，在一般平衡臂中，在拍攝時(shí)難以確 保穩(wěn)定性(例如，前端單元的定位準(zhǔn)確度、振動(dòng)抑制等)并且難以確?？梢栽诟鱾€(gè)方向上進(jìn) 行拍攝的拍攝自由度，例如，在其中將患者身體的特定部位固定為進(jìn)行拍攝的部位的狀態(tài) 下進(jìn)行拍攝的拍攝自由度。
[0013] 根據(jù)該情形，已經(jīng)提出其中通過(guò)位置控制控制驅(qū)動(dòng)的醫(yī)用機(jī)械臂裝置作為取代平 衡臂的設(shè)備。然而，為了更為高效地執(zhí)行醫(yī)療程序并且減少用戶(hù)負(fù)擔(dān)，需要能夠更為直觀(guān)控 制臂單元和前端單元的位置或者姿勢(shì)的高操作性來(lái)執(zhí)行機(jī)械臂裝置的驅(qū)動(dòng)控制。在其中通 過(guò)位置控制控制驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂裝置中，很難滿(mǎn)足該用戶(hù)需求。
[0014] 根據(jù)上述內(nèi)容，希望通過(guò)以高穩(wěn)定性和高自由度的操作性實(shí)現(xiàn)能夠執(zhí)行前端單元 和臂單元的驅(qū)動(dòng)控制的醫(yī)用機(jī)械臂裝置而高效執(zhí)行醫(yī)療程序并且在醫(yī)療程序過(guò)程中減少 用戶(hù)的負(fù)擔(dān)。有哪次，本公開(kāi)提供一種醫(yī)用機(jī)械臂裝置、醫(yī)用機(jī)械臂控制系統(tǒng)、醫(yī)用機(jī)械臂 控制方法、以及一種程序，其為新型和改進(jìn)型并且能夠進(jìn)一步提高用戶(hù)便利性并且進(jìn)一步 減少用戶(hù)負(fù)擔(dān)。
[0015] 問(wèn)題解決方案
[0016] 根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式，提供一種包括多個(gè)聯(lián)接單元和驅(qū)動(dòng)控制單元的醫(yī)用機(jī)械 臂裝置，該多個(gè)聯(lián)接單元被配置為連接多個(gè)鏈接件并且在配置有該多個(gè)鏈接件的多鏈接件 結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)至少6以上的自由度;并且驅(qū)動(dòng)控制單元被配置為基于聯(lián)接單元的狀態(tài)控 制聯(lián)接單元的驅(qū)動(dòng)。附接至多鏈接件結(jié)構(gòu)的前端的前端單元為至少一種醫(yī)療裝置。
[0017] 根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施方式，提供一種包括醫(yī)用機(jī)械臂裝置和控制設(shè)備的醫(yī)用機(jī) 械臂控制系統(tǒng)，醫(yī)用機(jī)械臂裝置包括多個(gè)聯(lián)接單元和驅(qū)動(dòng)控制單元，該多個(gè)聯(lián)接單元被配 置為連接多個(gè)鏈接件并且相對(duì)于配置有該多個(gè)鏈接件的多鏈接件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)至少6以上的自 由度，并且驅(qū)動(dòng)控制單元基于該多個(gè)聯(lián)接單元的檢測(cè)的狀態(tài)控制聯(lián)接單元的驅(qū)動(dòng);并且控 制設(shè)備包括整體協(xié)同控制單元，整體協(xié)同控制單元被配置為利用基于該多個(gè)聯(lián)接單元的檢 測(cè)的狀態(tài)以及該多鏈接件結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)目的和約束條件所獲取的多鏈接件結(jié)構(gòu)的狀態(tài)根據(jù) 廣義逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算用于該多鏈接件結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同控制的控制值。附接至該多鏈接件結(jié)構(gòu) 的前端的前端單元為至少一種醫(yī)療裝置。
[0018] 根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施方式，提供一種醫(yī)用機(jī)械臂控制方法，包括:檢測(cè)多個(gè)聯(lián)接 單元的狀態(tài)，該多個(gè)聯(lián)接單元被配置為連接多個(gè)鏈接件并且相對(duì)于配置有該多個(gè)鏈接件的 多鏈接件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)至少6以上的自由度;并且基于該多個(gè)聯(lián)接單元的檢測(cè)的狀態(tài)控制聯(lián)接 單元的驅(qū)動(dòng)。附接至該多鏈接件結(jié)構(gòu)的前端的前端單元為至少一種醫(yī)療裝置。
[0019] 根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施方式，提供一種用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行下列功能的程序:檢測(cè) 多個(gè)聯(lián)接單元的狀態(tài)的功能，該多個(gè)聯(lián)接單元被配置為連接多個(gè)鏈接件并且相對(duì)于配置有 該多個(gè)鏈接件的多鏈接件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)至少6以上的自由度;和基于該多個(gè)聯(lián)接單元的檢測(cè)的 狀態(tài)控制聯(lián)接單元的驅(qū)動(dòng)的功能。附接至該多鏈接件結(jié)構(gòu)的前端的前端單元為至少一種醫(yī) 療裝置。
[0020] 根據(jù)本公開(kāi)，在機(jī)械臂裝置中具有多鏈接件結(jié)構(gòu)的臂單元具有至少6以上的自由 度，并且通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元控制配置臂單元的多個(gè)聯(lián)接單元中的各個(gè)的驅(qū)動(dòng)。此外，將醫(yī)療 裝置安裝在臂單元的前端處。如上所述，當(dāng)控制各個(gè)聯(lián)接單元的驅(qū)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了具有高自由 度的臂單元的驅(qū)動(dòng)控制，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)具有高操作性的醫(yī)用機(jī)械臂裝置。
[0021] 發(fā)明的有利效果
[0022] 如上所述，根據(jù)本公開(kāi)，可以進(jìn)一步提高用戶(hù)便利性并且進(jìn)一步減少用戶(hù)負(fù)擔(dān)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 【圖1】圖1是用于描述出于醫(yī)療用途使用根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的 應(yīng)用例的示例圖。
[0024] 【圖2】圖2是示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的外觀(guān)的示意圖。
[0025] 【圖3】圖3是示意性地示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的其中沿著通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的截 面切割聯(lián)接單元的致動(dòng)器的狀態(tài)的截面圖。
[0026]【圖4A】圖4A是示意性地示出了從驅(qū)動(dòng)軸的軸方向上觀(guān)看圖3中所示的扭矩傳感器 的狀態(tài)的示意圖。
[0027]【圖4B】圖4B是示出了應(yīng)用于圖3中所示的致動(dòng)器的扭矩傳感器的另一示例性配置 的示意圖。
[0028]【圖5】圖5是用于描述根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的理想聯(lián)接控制的示例圖。
[0029]【圖6】圖6是示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂控制系統(tǒng)的示例性配置的功 能框圖。
[0030] 【圖7】圖7是用于描述根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的樞轉(zhuǎn)移動(dòng)（即，臂移動(dòng)的具體實(shí)施 例）的示例圖。
[0031] 【圖8】圖8是用于描述實(shí)現(xiàn)圖7中所示的樞轉(zhuǎn)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)目的和約束條件的示例 圖。
[0032]【圖9】圖9是示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的具有冗余自由度的變 形例的外觀(guān)的示意圖。
[0033]【圖10】圖10是示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂控制方法的處理過(guò)程的流 程圖。
[0034]【圖11】圖11是示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置和控制設(shè)備的硬件配 置的示例性配置的功能框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)注意，在本說(shuō)明書(shū)和附 圖中，以相同參考標(biāo)號(hào)指示具有大致相同功能和結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件，并且省去了對(duì)這些結(jié)構(gòu) 元件的重復(fù)性說(shuō)明。
[0036]將按照下列順序進(jìn)行描述。
[0037] 1.醫(yī)用機(jī)械臂裝置的概述
[0038] 2.本公開(kāi)的實(shí)施方式 [0039] 2-1.機(jī)械臂裝置的外觀(guān) [0040] 2-2.廣義逆動(dòng)力學(xué) [0041 ] 2-2-1.虛力計(jì)算過(guò)程 [0042] 2-2-1.實(shí)際力計(jì)算過(guò)程 [0043] 2-3.理想聯(lián)接控制
[0044] 2-4.機(jī)械臂控制系統(tǒng)的配置
[0045] 2-5.運(yùn)動(dòng)目的的具體實(shí)例 [0046] 3.機(jī)械臂控制方法的處理過(guò)程 [0047] 4.硬件配置
[0048] 5.結(jié)論
[0049] 〈1.醫(yī)用機(jī)械臂裝置的概述〉
[0050] 首先，為了進(jìn)一步闡明本公開(kāi)，將描述發(fā)明人公開(kāi)本公開(kāi)的背景。
[0051] 將參考圖1描述出于醫(yī)療用途使用根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的應(yīng)用 例。圖1是用于描述出于醫(yī)療用途使用根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的應(yīng)用例的示 例圖。
[0052] 圖1示意性地示出了使用根據(jù)本實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的示例性醫(yī)療用途。具體 地，例如，圖1示出了其中作為執(zhí)業(yè)者（用戶(hù)）520的醫(yī)生使用諸如手術(shù)刀、鑷子、以及鉗子等 手術(shù)儀器521在醫(yī)療程序平臺(tái)530上對(duì)醫(yī)療程序目標(biāo)（患者）540執(zhí)行手術(shù)的實(shí)施例。在下列 描述中，醫(yī)療程序指包括作為用戶(hù)520的醫(yī)生對(duì)醫(yī)療程序目標(biāo)540的患者執(zhí)行諸如手術(shù)或者 檢查等各種醫(yī)學(xué)治療的一般概念。圖1中的實(shí)施例示出了作為醫(yī)療程序的實(shí)施例的手術(shù)，但 是，使用機(jī)械臂裝置510的醫(yī)療程序并不局限于手術(shù)并且可以是諸如使用內(nèi)診鏡的檢查等 各種其他醫(yī)療程序。
[0053] 根據(jù)本實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置510安裝在醫(yī)療程序平臺(tái)530的側(cè)部。機(jī)械臂裝置 510包括用作底部(base)的底部單元511和從底部單元511延伸的臂單元512。臂單元512包 括多個(gè)聯(lián)接單元513 &、51313、513〇、通過(guò)聯(lián)接單元513&和51313連接的多個(gè)鏈接件514 &和 514b、以及安裝在臂單元512的前端處的成像單元515。在圖1所示的實(shí)施例中，出于簡(jiǎn)化之 目的，臂單元512包括3個(gè)聯(lián)接單元513a至513c以及2個(gè)鏈接件514a和514b，但是，實(shí)際上，例 如，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置聯(lián)接單元513a至513c以及鏈接件514a和514b的數(shù)目和形狀以及聯(lián)接單 元513a至513c的驅(qū)動(dòng)軸的方向，以鑒于臂單元512和成像單元515的位置和姿勢(shì)的自由度明 確所需的自由度。
[0054]聯(lián)接單元513a至513c具有連接可旋轉(zhuǎn)的鏈接件514a和514b的功能，并且當(dāng)旋轉(zhuǎn)地 驅(qū)動(dòng)聯(lián)接單元513a至513c時(shí)，控制臂單元512的驅(qū)動(dòng)。此處，在下列描述中，機(jī)械臂裝置510 的各個(gè)部件的位置位于指定用于驅(qū)動(dòng)控制的空間中的位置(坐標(biāo)），并且各個(gè)部件的姿勢(shì)位 于指定用于驅(qū)動(dòng)控制的空間中的任意軸方向（角)上。此外，在下列描述中，臂單元512的驅(qū) 動(dòng)（或者驅(qū)動(dòng)控制）指通過(guò)執(zhí)行聯(lián)接單元513a至513c的驅(qū)動(dòng)（或者驅(qū)動(dòng)控制）和聯(lián)接單元 513a至513c的驅(qū)動(dòng)（或者驅(qū)動(dòng)控制）改變(控制）臂單元512的各個(gè)部件的位置和姿勢(shì)（變 化)。
[0055]各種醫(yī)療裝置連接至作為前端單元的臂單元512的前端。在圖1中示出的實(shí)施例 中，將成像單元515安裝在作為示例性前端單元的臂單元512的前端處。成像單元515是獲取 拍攝目標(biāo)的圖像(拍攝圖像)的單元并且是例如能夠捕獲移動(dòng)圖像或者靜止圖像的攝像機(jī)。 如圖1所示，通過(guò)機(jī)械臂裝置510控制臂單元512和成像單元515的姿勢(shì)或者位置，以使得安 裝在臂單元512的前端處的成像單元515拍攝醫(yī)療程序目標(biāo)540的醫(yī)療程序部位的狀態(tài)。安 裝在臂單元512的前端處的前端單元并不局限于成像單元515并且可以是各種醫(yī)療裝置。例 如，醫(yī)療裝置包括執(zhí)行醫(yī)療程序時(shí)所使用的諸如內(nèi)診鏡、顯微鏡、具有諸如成像單元515等 成像功能的單元等各種單元、各種醫(yī)療程序儀器、以及檢查裝置。如上所述，根據(jù)本實(shí)施方 式的機(jī)械臂裝置510是配備有醫(yī)療裝置的醫(yī)用機(jī)械臂裝置。此外，具有兩個(gè)成像單元(攝像 機(jī)單元)的立體攝像機(jī)可安裝在臂單元512的前端處并且可執(zhí)行拍攝，以使得將成像目標(biāo)顯 示為三維(3D)圖像。
[0056] 此外，諸如監(jiān)控器或者顯示器等顯示設(shè)備550被安裝在面向用戶(hù)520的位置處。在 顯示設(shè)備550的顯示屏幕上顯示通過(guò)成像單元515捕獲的醫(yī)療程序部位的捕獲圖像。用戶(hù) 520在查看顯示設(shè)備550的顯示屏幕上顯示的醫(yī)療程序部位的捕獲圖像時(shí)執(zhí)行各種治療。 [0057]如上所述，在本實(shí)施方式中，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，提出了一種在通過(guò)機(jī)械臂裝置510對(duì) 醫(yī)療程序部位進(jìn)行拍攝的同時(shí)執(zhí)行手術(shù)的技術(shù)。此處，在包括手術(shù)的各種醫(yī)療程序中，需要 通過(guò)高效執(zhí)行醫(yī)療程序減少用戶(hù)520和患者540的疲憊感或者負(fù)擔(dān)。例如，為了滿(mǎn)足該需求， 機(jī)械臂裝置510中的下列功能被視為比較理想。
[0058]首先，第一點(diǎn)，機(jī)械臂裝置510應(yīng)確保用于手術(shù)的任務(wù)空間。如果臂單元512或者成 像單元515阻礙執(zhí)業(yè)者的視野或者在用戶(hù)520對(duì)醫(yī)療程序目標(biāo)540執(zhí)行各種治療的同時(shí)阻礙 執(zhí)行治療的手的運(yùn)動(dòng)，則手術(shù)效率降低。此外，例如，盡管圖1中未示出，然而，在實(shí)際手術(shù)情 景中，執(zhí)行將儀器交給用戶(hù)520或者檢查患者540的各種生命體征等各種輔助任務(wù)的多個(gè)其 他醫(yī)生和/或護(hù)士通常位于用戶(hù)520和患者540的附近，并且存在用于執(zhí)行輔助任務(wù)的其他 設(shè)備，因此，手術(shù)環(huán)境比較復(fù)雜。因此，小型尺寸的機(jī)械臂裝置510比較理想。
[0059] 接著，第二點(diǎn)，機(jī)械臂裝置510應(yīng)具有用于移動(dòng)成像單元515的高操作性。例如，用 戶(hù)520可能希望在根據(jù)手術(shù)部位或者手術(shù)內(nèi)容對(duì)醫(yī)療程序部位執(zhí)行治療的同時(shí)從各個(gè)位置 和角度觀(guān)察相同的醫(yī)療程序部位。為了改變觀(guān)察醫(yī)療程序部位的角度，則需要改變成像單 元515相對(duì)于醫(yī)療程序部位的角度，但此時(shí)，更希望在其中將成像單元515的拍攝方向固定 至醫(yī)療程序部位的狀態(tài)下僅改變拍攝角度（即，在拍攝相同部位時(shí)）。因此，例如，機(jī)械臂裝 置510應(yīng)具有諸如轉(zhuǎn)向移動(dòng)(樞轉(zhuǎn)移動(dòng))等高自由度的操作性，其中，成像單元515在將成像 單元515的拍攝方向固定至醫(yī)療程序部位并且圓錐體的軸被用作樞轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)下在將醫(yī)療 程序部位作為頂點(diǎn)的圓錐體表面內(nèi)移動(dòng)。因?yàn)閷⒊上駟卧?15的拍攝方向固定至特定的醫(yī) 療程序部位，所以樞轉(zhuǎn)移動(dòng)也被稱(chēng)為點(diǎn)鎖移動(dòng)。
[0060] 此外，例如，為了改變成像單元515的位置和角度，考慮其中用戶(hù)520手動(dòng)移動(dòng)臂單 元512以將成像單元515移動(dòng)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 手也能容易執(zhí)行成像單元515的移動(dòng)、樞轉(zhuǎn)移動(dòng)等的操作性。
[0061] 此外，存在用戶(hù)520在手術(shù)過(guò)程中使用雙手執(zhí)行治療的同時(shí)將通過(guò)成像單元515捕 獲的捕獲圖像的拍攝中心從正在執(zhí)行治療的部位移至另一部位(例如，執(zhí)行下一步治療的 部位)的需求。因此，當(dāng)希望改變成像單元515的位置和姿勢(shì)時(shí)，需要通過(guò)諸如踏板等輸入單 元的操作輸入的諸如控制臂單元512的驅(qū)動(dòng)的方法等臂單元512的各種驅(qū)動(dòng)方法以及通過(guò) 手動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制臂單元512的驅(qū)動(dòng)的方法。
[0062]例如，如上所述，關(guān)于第二點(diǎn)中的功能，機(jī)械臂裝置510應(yīng)具有能夠通過(guò)樞轉(zhuǎn)移動(dòng) 或者手動(dòng)運(yùn)動(dòng)支持簡(jiǎn)單移動(dòng)并且滿(mǎn)足用戶(hù)520的直覺(jué)或者期望的高操作性。
[0063] 最后，第三點(diǎn)，機(jī)械臂裝置510應(yīng)在臂單元512的驅(qū)動(dòng)控制時(shí)具有穩(wěn)定性。臂單元 512的驅(qū)動(dòng)控制穩(wěn)定性可以是驅(qū)動(dòng)臂單元512時(shí)前端單元的位置和姿勢(shì)穩(wěn)定性。臂單元512 的驅(qū)動(dòng)控制穩(wěn)定性還包括驅(qū)動(dòng)臂單元512時(shí)前端單元的平滑移動(dòng)和振動(dòng)抑制(振動(dòng)抑制）。 例如，如圖1中所示的實(shí)施例，當(dāng)前端單元是成像單元515時(shí)，如果成像單元515的位置或者 姿勢(shì)不穩(wěn)定，則顯示設(shè)備550的顯示屏幕上所顯示的捕獲圖像不穩(wěn)定，并且用戶(hù)可能具有不 舒服的感覺(jué)。具體地，當(dāng)手術(shù)中使用機(jī)械臂裝置510時(shí)，可以采用其中將包括兩個(gè)成像單元 (攝像機(jī)單元）的立體攝像機(jī)安裝為前端單元并且顯示基于通過(guò)立體攝像機(jī)獲得的拍攝圖 像生成的3D圖像的使用方法。如上所述，當(dāng)顯示3D圖像時(shí)，如果立體攝像機(jī)的位置或者姿勢(shì) 不穩(wěn)定，則用戶(hù)可能遭遇3D眩暈。此外，通過(guò)成像單元515拍攝的觀(guān)察范圍可被放大至約 (pl5mm，視手術(shù)部位或者手術(shù)內(nèi)容而定。如上所述，當(dāng)成像單元515放大并且拍攝窄范圍 時(shí)，成像單元515的輕微震動(dòng)被示出為成像圖像的較大震動(dòng)或者偏離。因此，在臂單元512和 成像單元515的驅(qū)動(dòng)控制過(guò)程中需要具有約Imm許可范圍內(nèi)的高定位準(zhǔn)確度。如上所述，在 臂單元512的驅(qū)動(dòng)控制過(guò)程中需要高準(zhǔn)確性響應(yīng)度和高定位準(zhǔn)確度。
[0064] 發(fā)明人已經(jīng)就上述所述3中功能回顧了基于位置控制的現(xiàn)有一般平衡臂和機(jī)械臂 裝置。
[0065] 首先，關(guān)于確保用于第一點(diǎn)中手術(shù)的任務(wù)空間，在一般平衡臂中，當(dāng)移動(dòng)臂單元 時(shí)，將用于保持力平衡的制衡重體(也被稱(chēng)為衡重體或者平衡體)安裝在底部單元等內(nèi)，并 且由此很難減少平衡臂裝置的尺寸，并且很難說(shuō)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。
[0066] 此外，關(guān)于第二點(diǎn)中的高操作性，在一般平衡臂中，僅臂單元的某種驅(qū)動(dòng)，例如，僅 用于在(二維)平面內(nèi)移動(dòng)成像單元的雙軸驅(qū)動(dòng)是電驅(qū)動(dòng)，并且臂單元和成像單元的移動(dòng)需 要手動(dòng)定位，并且由此很難說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)高操作性。此外，在基于位置控制的一般機(jī)械臂裝置 中，因?yàn)橥ㄟ^(guò)臂單元的驅(qū)動(dòng)控制所使用的位置控制很難靈活地處理外部力，即，成像單元的 位置和姿勢(shì)控制，所以位置控制通常被稱(chēng)為"硬性控制"并且不適用于實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足用戶(hù)直覺(jué)的 理想操作性。
[0067]此外，關(guān)于第三點(diǎn)中臂單元的驅(qū)動(dòng)控制穩(wěn)定性，臂單元的聯(lián)接單元通常通常具有 諸如摩擦、慣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機(jī)械臂裝置 中，這些因素充當(dāng)干擾聯(lián)接單元的驅(qū)動(dòng)控制的作用，并且即使當(dāng)給定理論上適當(dāng)?shù)目刂浦?(例如，應(yīng)用于聯(lián)接單元電機(jī)的當(dāng)前值)時(shí)，也存在其中不能實(shí)現(xiàn)理想驅(qū)動(dòng)(例如，在聯(lián)接單 元電機(jī)中以理想的角度旋轉(zhuǎn))的情況，并且很難實(shí)現(xiàn)臂單元的驅(qū)動(dòng)控制所需的高穩(wěn)定性。 [0068]如上所述，發(fā)明人已經(jīng)回顧了出于醫(yī)療用途所使用的機(jī)械臂裝置并且認(rèn)識(shí)到存在 對(duì)有關(guān)機(jī)械臂裝置的上述三點(diǎn)功能的需求。然而，很難使基于位置控制的一般平衡臂或者 機(jī)械臂裝置容易完成這些功能。發(fā)明人在回顧了滿(mǎn)足這三點(diǎn)功能的配置之后開(kāi)發(fā)了根據(jù)本 公開(kāi)的機(jī)械臂裝置、機(jī)械臂控制系統(tǒng)、機(jī)械臂控制方法、以及程序。在下文中，將詳細(xì)描述由 發(fā)明人開(kāi)發(fā)的配置的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0069] 〈2.本公開(kāi)的實(shí)施方式〉
[0070]下面將描述根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂控制系統(tǒng)。在根據(jù)本實(shí)施方式的機(jī)械 臂控制系統(tǒng)中，通過(guò)利用廣義逆動(dòng)力學(xué)的整體協(xié)同控制控制安裝在機(jī)械臂裝置中的多個(gè)聯(lián) 接單元的驅(qū)動(dòng)。此外，此外。將通過(guò)校正干擾影響實(shí)現(xiàn)命令值的理想響應(yīng)的理想聯(lián)接控制應(yīng) 用于聯(lián)接單元的驅(qū)動(dòng)控制。
[0071]在本實(shí)施方式的下列描述中，將在【2-1.機(jī)械臂裝置的外觀(guān)】中首先描述根據(jù)本實(shí) 施方式的機(jī)械臂裝置的外觀(guān)和機(jī)械臂裝置的示意性配置。然后，將在【2-2.廣義逆動(dòng)力學(xué)】 和【2-3.理想聯(lián)接控制】中描述廣義逆動(dòng)力學(xué)的概述和根據(jù)本實(shí)施方式的用于機(jī)械臂裝置 的控制的理想聯(lián)接控制。然后，將參考【2-4.機(jī)械臂控制系統(tǒng)的配置】中的功能框圖描述根 據(jù)本實(shí)施方式的用于控制機(jī)械臂裝置的系統(tǒng)的配置。最后，將在【2-5.運(yùn)動(dòng)目的的具體實(shí) 例】中描述利用根據(jù)本實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置中的廣義逆動(dòng)力學(xué)的整體協(xié)同控制的具體實(shí) 例。
[0072]此外，將以其中根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的臂單元的前端單元是成像 單元并且在本公開(kāi)的實(shí)施方式的圖1中所示的手術(shù)過(guò)程中通過(guò)成像單元拍攝醫(yī)療程序部位 的實(shí)例中繼續(xù)下列描述，但是，本實(shí)施方式并不局限于該實(shí)例。即使當(dāng)出于另一用途使用包 括不同前端單元的機(jī)械臂裝置時(shí)，也可應(yīng)用根據(jù)本實(shí)施方式的機(jī)械臂控制系統(tǒng)。
[0073] 【2-1.機(jī)械臂裝置的外觀(guān)】
[0074] 首先，將參考圖2描述根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的示意性配置。圖2是 示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置的外觀(guān)的示意圖。
[0075]參考圖2,根據(jù)本實(shí)施方式的機(jī)械臂裝置400包括底部單元410和臂單元420。底部 單元410用作機(jī)械臂裝置400的底部，并且臂單元420從底部單元410延伸。盡管圖2