JP2019058648A - 連続体ロボット制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの遠位端の湾曲制御を遠位部分の湾曲運動または回転運動に基づいて決定する制御方法を提供する。【解決手段】連続体ロボット１００は遠位湾曲部分および近位湾曲部分を含む複数の湾曲部分１０２、１０４を含み、湾曲部分の各々が少なくとも１つのワイヤ１１１によって湾曲される連続体ロボットと、ワイヤを駆動する駆動体と、ワイヤの駆動量を制御するコントローラと、連続体ロボットに添設され、かつ連続体ロボットを移動させることが可能なベース１４０と、を備え、ベースが連続体ロボットを変位値だけ移動させるときに、遠位湾曲部分が回転運動を行い、回転運動の角度が３６０度以上であり、コントローラは、遠位湾曲部分が回転運動を完了した時の遠位湾曲部分の湾曲状態に基づいて、近位湾曲部分が３６０度以上の回転運動を行うのを防止しつつ、近位湾曲部分を遠位湾曲部分に追従するように制御する。【選択図】図１

Description

本開示は、連続体ロボット（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｒｏｂｏｔ）の制御システムに関する。より詳細には、本開示は、通路内の脆弱要素に接触することなく、通路を通ってロボットを前進させるための、独立して操縦可能な湾曲可能部分が構成された連続体ロボットのための方法、システムおよび装置に向けられる。

連続体ロボットは柔軟構造を有する複数の湾曲部分を含んでおり、湾曲部分を変形させることによって連続体ロボットの形状が制御される。そのロボットは主に、剛性リンクを含むロボットに勝る２つの利点を有する。第１の利点は、連続体ロボットが、狭い空間で、または剛性リンクロボットが動けなくなる可能性がある散在物を伴う環境で、カーブに沿って移動することができるということである。第２の利点は、連続体ロボットが本質的な柔軟性を有するので、周囲の脆弱要素に損傷を与えることなく連続体ロボットを操作することが可能であるということである。

そのため、剛性リンクロボットにとって必要とされる、外力の検出は不必要である。これらの特性を利用して、連続体ロボットが有利にも、内視鏡シースおよびカテーテルなどの医療分野で、および救助ロボットなどの危険状況用のロボットに適用され得ることが期待される。Ｂｅｌｓｏｎ Ａｍｉｒに対する米国特許公開第２０１２／２７９号（以降「ＰＬ１」）は、内視鏡として使用される連続体ロボットが空間へ前進するのを可能にするための制御方法を記載している。

しかしながら、ＰＬ１で教示される方法では、あらゆる一対の隣接した湾曲部分が、内視鏡ベースが前進するにつれて先行部分の湾曲形状が後続部分の湾曲形状になるように制御され、それによって形状が連続的に伝播されるが、内視鏡が前進させられるにつれて脆弱要素との不要な接触に至る可能性がある。

さらには、連続体ロボットの最遠位端に画像取込装置を設定することによって連続体ロボットが内視鏡として使用されるとき、ベースを一時的に停止させて見回す動作（「見回し動作（ｌｏｏｋ−ａｒｏｕｎｄ ｍｏｔｉｏｎ）」と称される）が行われる。しかしながら、最遠位端の湾曲姿勢を湾曲部分の長さだけ後続湾曲部分に連続的に伝播させる制御方法は見回し動作に適用され、最遠位端の見回し動作が後続湾曲姿勢に伝播され、連続体ロボットは狭小空間でより要素に接触しやすくなる。したがって、その方法は、障害物に関する垂直力の増加により摩擦が増加し、連続体ロボットがより破損しやすくなるので、連続体ロボットが狭小空間へ前進することができないという点で問題を有する。

したがって、要素に接触することなく医療装置の前進を可能にしつつも、見回し機能性の他に、医療診断、プロービングまたは外科的セッティングで望ましい他の医療機能を可能にするであろう方法、システムおよび装置を考案することが特に有益であろう。

したがって、業界におけるそのような例証的な必要性に対処するために、本開示の装置は、遠位湾曲部分（ｄｉｓｔａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ）および近位湾曲部分（ｐｒｏｘｉｍａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ）を含む複数の湾曲部分を含み、湾曲部分の各々が少なくとも１つのワイヤによって湾曲される連続体ロボットと、ワイヤを駆動する駆動体（ｄｒｉｖｅｒ）と、ワイヤの駆動量を制御するコントローラと、連続体ロボットに添設され、かつ連続体ロボットを移動させることが可能なベースと、を備え、ベースが連続体ロボットを変位値だけ移動させるときに、遠位湾曲部分が回転運動を行い、回転運動の角度（ζｔ）が３６０度以上であり、コントローラは、遠位湾曲部分が回転運動を完了した時の遠位湾曲部分の湾曲状態に基づいて、近位湾曲部分が３６０度以上の回転運動を行うのを防止しつつ、近位湾曲部分を遠位湾曲部分に追従するように制御する、ロボット装置を教示する。

様々な実施形態において、ロボット装置コントローラは、０度以上３６０度以下である角度（ζｔ’）を計算してもよく、角度（ζｔ’）が回転運動の角度（ζｔ）と同じ位相を有しており、当該コントローラは、計算した角度（ζｔ’）に基づいて近位湾曲部分の湾曲制御を行う。

他の実施形態において、ロボット装置コントローラは、遠位湾曲部分の回転運動の角度（ζｔ）を使用する以下の式を使用することによって得られる角度（ζｔ’）を計算することによって得られる値に基づいて、近位湾曲部分の湾曲制御を行ってもよい。
ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＜−２π）

さらに追加の実施形態において、ロボット装置がさらに規定され、この規定において、近位湾曲部分に関して、コントローラは、−１８０度以上１８０度未満であり、かつ回転運動の角度（ζｔ）と同じ位相を有する角度（ζｔ’’）を計算し、ζｔ’’に基づいて近位湾曲部分の湾曲制御を行う。

追加の実施形態において、コントローラは、遠位湾曲部分の回転運動の角度（ζｔ）を使用する以下の式を使用することによって得られる角度ζｔ’’を計算することによって得られる値に基づいて、近位湾曲部分の湾曲制御を行う。
ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＜−２π）
ζｔ’’＝−π＋ζｔ’ ｍｏｄ π（ζｔ’＞π）
ζｔ’’＝π＋ζｔ’ ｍｏｄ −π（ζｔ’＜−π）

主題のロボット装置の別の実施形態において、コントローラは、遠位湾曲部分の回転運動の角度（ζｔ）を使用する以下の式を使用することによって得られる角度ζｔ’’’を計算し、
ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＜−２π）
ζｔ’’＝−π＋ζｔ’ ｍｏｄ π（ζｔ’＞π）
ζｔ’’＝π＋ζｔ’ ｍｏｄ −π（ζｔ’＜−π）
ζｔ’’’＝ζｔ’’−π（π／２＜ζｔ’’＜π）
ζｔ’’’＝ζｔ’’＋π（−π＜ζｔ’’＜−π／２）
遠位湾曲部分の湾曲角度θを使用する以下の式を使用することによって得られる角度θ’を計算し、θ’＝−θであり、近位湾曲部分が湾曲角度θ’で湾曲され、かつ回転運動の角度ζｔ’’’だけ回転された状態であるように近位湾曲部分を湾曲させる。

さらに別の実施形態において、ロボット装置が開示され、この開示のロボット装置において、近位湾曲部分に関して、所定のベースの変位が所定の値だけ変化する間に遠位湾曲部分が回転運動を行い、かつ回転運動の角度（ζｔ）が３６０度以上であるときに、近位湾曲部分に関して、−１８０度以上１８０度未満であり、かつ回転運動の角度と同じ位相を有する角度（ζｔ’’）が計算され、ζｔ’’に基づいて近位湾曲部分の湾曲制御が行われる。

様々な実施形態において、ロボット装置が規定され、この規定のロボット装置において、近位湾曲部分に関して、コントローラは、ベースの変位が所定の値（Δｚ’）だけ変化する期間中の遠位湾曲部分の湾曲制御に基づいて湾曲制御を行う。

他の実施形態において、ロボット装置が規定され、この規定のロボット装置において、ベースが変位値を有するときに、コントローラは、角度（ζｔ）が３６０度以上である回転運動を遠位湾曲部分が行うか否かを決定する。

さらに他の実施形態において、ロボット装置が教示され、この教示のロボット装置において、遠位湾曲部分が２つの独立した湾曲部分を含む。

主題のロボットの別の実施形態では、中間湾曲部分（ｍｅｄｉａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ）をさらに備えることを含み、中間湾曲部分が少なくとも１つのワイヤによって湾曲される。

本開示は、また、遠位湾曲部分および近位湾曲部分を含む複数の湾曲部分を含み、湾曲部分の各々が少なくとも１つのワイヤによって駆動される連続体ロボットと、ワイヤを駆動する駆動手段（ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅａｎｓ）と、連続体ロボットの湾曲角度および回転角度からワイヤ駆動量を制御する制御手段（ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｎｓ）と、連続体ロボットを装着し、連続体ロボットを移動させることが可能であるベース制御手段（ｂａｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｎｓ）とを教示し、制御手段は、ベースの変位での湾曲角度θｆおよび回転角度ζｆの参照テーブルと、最遠位湾曲部分の湾曲角度θｔおよび回転角度ζｔに従って参照テーブルを書き換えるテーブル書換手段（ｔａｂｌｅ ｒｅｗｒｉｔｉｎｇ ｍｅａｎｓ）とを含み、テーブル書換手段は、最遠位湾曲部分を除く湾曲部分の回転角度ζｆの指令値として従動部ζｆ’を計算する。
ζｆ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
ζｆ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＞２π）

他の実施形態において、連続体ロボット制御手段（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｒｏｂｏｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｎｓ）が規定され、この規定の連続体ロボット制御手段において、テーブル書換手段は、最遠位湾曲部分を除く湾曲部分の回転角度ζｆの指令値として従動部ζｆ’’を計算する。
ζｆ’’＝−π＋ζｔ’ ｍｏｄ π（ζｔ’＞π）
ζｆ’’＝π＋ζｔ’ ｍｏｄ −π（ζｔ’＞−π）

さらなる実施形態において、主題のロボットが規定され、この規定の主題のロボットにおいて、テーブル書換手段は、最遠位湾曲部分を除く湾曲部分の回転角度ζｆの指令値として従動部ζｆ’’’を計算する。
ζｆ’’’＝ζｔ’’−π（π／２＜ζｔ’’＜π）
ζｆ’’’＝ζｔ’’＋π（−π＜ζｔ’’＜−π／２）

本開示のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、添付の図面および提供される項目と併せて本開示の例証的な実施形態の以下の詳細な説明を読んだ上で明らかになるであろう。

本発明のさらなる目的、特徴および利点は、本発明の例示的な実施形態を図示する添付の図と併せて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットの運動学的モデルを例示する。 図２は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットの詳細な例示を提供する。 図３は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットの上面透視図である。 図４は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットに活用される主動部追従制御の例証的な手順を例示する。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットのための制御システムを提供する。 図６は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットのための制御システムを例示する。 図７は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットの制御システムを例示するブロック図である。 図８（ａ）〜図８（ｄ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するためのシミュレーションを例示する。 図９（ａ）〜図９（ｄ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するためのシミュレーションを提供する。 図１０は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するための制御システムを例示する。 図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するためのシミュレーションを例示する。 図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するためのシミュレーションを例示する。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するための制御システムを例示する。 図１４（ａ）〜図１４（ｄ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するためのシミュレーション結果を例示する。 図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットを制御するためのシミュレーション結果を例示する。

図を通して、同じ参照数字および文字は、別途明記されない限り、例示される実施形態の同様の特徴、要素、部品または部分を示すために使用される。加えて、記号「’」を含む参照数字（例えば１２’または２４’）は、同じ性質および／または種類の二次要素および／または参照を意味する。その上、本開示がここで図を参照しつつ詳細に記載されることになると共に、例示的な実施形態に関しても同様になされる。添付の項目によって定められる本開示の真の範囲および趣旨から逸脱することなく、記載される実施形態に変更および修正がなされることができることが意図される。

本開示において、出願人は、まず連続体ロボットの機構を、続いて連続体ロボットが動作して経路へ前進することを可能にする制御アルゴリズムの他に、連続体ロボットおよび上記機能性に関連したシステムおよび手順を詳述することになる。

［第１の実施形態］
図５（ａ）および図５（ｂ）は、ロボットのためのベース変位に関する湾曲角度指令のテーブルを表すグラフである。オペレータがベース変位ａで湾曲指令角度ａＢおよび回転指令角度ａｂを出すと、ベース変位ｃで湾曲角度がｃＤになり、かつ回転角度がｃｄになるように、従動部に対する湾曲角度指令が自動的に生成されてもよい。これは第１の主動部追従制御方法と称されることになる。その上、回転角度ａｂが２πｒａｄを超えれば、図６に例示されるように、回転角度指令から２ｎπｒａｄが減算される。本実施形態において、これは第２の主動部追従制御方法と称されることになる。

図７は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボットのブロック図を示す。ここで、Ｐは制御対象を示し、ＦＴＬは第１の主動部追従制御アルゴリズムを示し、θ_trefおよびζ_trefは最遠位端に対する湾曲角度指令値および回転角度指令値を示し、θ_frefおよびζ_frefは湾曲角度指令ベクトルおよび回転角度指令ベクトルを示し、ｚ_bはベース変位指令値を示し、ブロックｆは第２の主動部追従制御アルゴリズムを示す。ブロックＫは、運動学的計算を表し、湾曲および回転角度指令値からワイヤ駆動量を計算する。詳細およびシミュレーションによって得られる制御結果が以下に記載されることになる。

図１は、複数の湾曲が可能である連続体ロボット１００を例示し、図２は、ロボット１００の近位端１０４での第１の湾曲部分１０２の拡大図を提供する。

連続体ロボット１００において、各湾曲部分１０２の遠位端１０６に見られるエンドディスク１６０にそれぞれ見られる接続部分１２１、１２２および１２３に、ワイヤ１１１、１１２および１１３が接続されており、ロボットベース１４０に設置されるアクチュエータ１３０〜１３２を使用することによってワイヤ１１１〜１１３を押し引きすることによって、湾曲部分１０２の姿勢が制御される。

その上、連続体ロボット１００のロボットベース１４０はベースステージ（図示せず）に設置され、ベースステージによって縦方向に移動されることができる。したがって、ベースステージを前進および後退させることによって対象構造へロボット１００を前進および後退させることが可能である。

コントローラ（図示せず）がベースステージおよびアクチュエータ１３０〜１３２に駆動量を示す。この開示を通して、コントローラは制御システムとしても記載または回避されてもよい。コントローラは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）などを含む専用ハードウェアを含んでもよく、または記憶装置、作業メモリおよび中央処理装置（「ＣＰＵ」）を含むコンピュータでもよい。コントローラがコンピュータである場合には、記憶装置は制御システム（以下に記載される）のアルゴリズムに対応するソフトウェアプログラムを記憶してもよく、中央処理装置は作業メモリにプログラムを展開してプログラムを一行一行実行し、それによってコンピュータはコントローラとして機能する。いずれの場合にも、コントローラはベースステージおよびアクチュエータ１３０〜１３２に通信可能に接続され、コントローラはこれらの制御対象に駆動量および構成を表する信号を送る。

連続体ロボット１００は、ワイヤ１１１、１１２および１１３を導くために、かつ湾曲部分１０２に構造統合性を提供するために、各湾曲部分１０２を通して設けられるワイヤガイド１６１〜１６４を含む。ワイヤガイド１６１〜１６４は各々、各ワイヤ１１１〜１１３のためのワイヤ貫通孔（ｗｉｒｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）１５０〜１５３を含む。例示の簡略化のため、図２は、単一のワイヤ１１１のためのワイヤ貫通孔１５０〜１５３のみを描く。代替的に、複数のワイヤガイドを別々に配置する方法、蛇腹状形状または網状形状を有する連続体ロボット１００が活用されてもよく、ワイヤガイド１６１〜１６４はそれらのそれぞれのワイヤ１１１〜１１３に固定される。

図１および図２に関して、記号の定義は以下の通りである：ｌ_d＝湾曲部分の中心軸の長さ、θ_n＝遠位端の湾曲角度、ζ_n＝遠位端の回転角度、ρ_n＝湾曲部分の曲率半径。

様々な実施形態において、ワイヤ１１１〜１１３は、ｘｙ平面で反時計方向に、ワイヤａ、ｂおよびｃと称されてもよく、ｎ番目の湾曲部分を駆動するためのワイヤの駆動変位はｌ_pna、ｌ_pnbおよびｌ_pncによって示される。図３に例示されるように、ワイヤａ〜ｃは、辺が長さｒ_sを有する正三角形の頂点に設置される。位相角ζ_nは、ｎ番目の湾曲部分を駆動するためのワイヤ配置を決定する角度である。本実施形態において、ζ₁＝０。

以下の仮定に基づいて、連続体ロボット１００の運動学が導き出されてもよい：１．各湾曲部分で、ワイヤは定曲率で変形する、２．ワイヤの捩じり変形は考慮されない、３．ワイヤは縦方向には変形しない、４．ワイヤガイドとワイヤとの間の摩擦は考慮されない。

これらの仮定を念頭に、我々は以下の記号を定義する。まず、ワイヤａ、ｂおよびｃの駆動変位ｌ_p1a、ｌ_p1bおよびｌ_p1cと第１の湾曲部分の湾曲角度θ₁および回転角度ζ₁との間の関係が以下の通りに表される。

次に、複数の湾曲部分１０２を含む連続体ロボット１００に関して、ワイヤａ、ｂおよびｃの駆動変位ｌ_pna、ｌ_pnbおよびｌ_pncと遠位端の湾曲角度θ_nおよび回転角度ζ_nとの間の関係が得られる。ｎ番目の湾曲部分を駆動するためのワイヤの位相角は以下の通りに表され、式中ｅは湾曲部分の数を示す。

したがって、ｎ番目の湾曲部分のワイヤの駆動変位ｌ_pna、ｌ_pnbおよびｌ_pncは以下の通りに表される。

本開示はここで主動部追従制御システムに関する詳細を提供する。図４に例示されるように、主動部追従制御は、最遠位端の湾曲部分が通過する経路と同じ経路を後続湾曲部分が通過するように制御を行う方法である。したがって、連続体ロボット１００は、接触を回避するために開始された当初の湾曲を保持する他に、来たる障害物を回避するために新たな湾曲を開始しつつ、空間を通って前進することができる。主動部追従制御では、経路は事前に決定される必要はない。最遠位端の湾曲角度が湾曲部分長さだけ後続湾曲部分に連続的に伝播されることで十分である。この方法により、オペレータが、単にロボット１００の最遠位端の湾曲角度に関する指令を与えることによってリアルタイムで主動部追従制御を行うことができる一方で、ベースの前進がジョイスティックなどを使用することによって促進される。

図４をさらに詳述する際に、水平線は、ロボット１００が所望の空間へ前進させられるにつれて時間の経過を表し、矢印は時間の進行を意味する。ベース１４０が前進させられるにつれて、第１の湾曲部分１０２は第１の所望の湾曲（点線）１９０の形状をとる。ベース１４０のさらなる進行により、第２の湾曲部分１０４が第１の所望の湾曲１９０の形状をとるのを描く一方で、第１の湾曲部分１０２は第２の所望の湾曲１９２の形状をとる。追加の湾曲部分および所望の湾曲が企図され、かつ本明細書でさらに特許請求される。

ａ）第１の主動部追従制御方法
図５（ａ）および図５（ｂ）は、横軸がベース変位ｚ_bを表し、縦軸が湾曲角度θおよび回転角度ζをそれぞれ表すグラフである。細い破線はオペレータによって遠位湾曲部分に与えられる湾曲指令を表し、太い破線は後続湾曲部分（従動部）への湾曲指令を表す。オペレータがベース変位ａで遠位湾曲指令角度ａＢおよび回転指令角度ａｂを出すと、ベース変位ｃで湾曲角度および回転角度がそれぞれｃＤおよびｃｄになるように、従動部に対する湾曲角度が自動的に生成されてもよい。ここで、ベース変位ｃは、距離ａｃが湾曲部分長さｌ_dになるように決定される。次いで、従動部の湾曲角度指令は制御処理装置の記憶装置に記憶され、ベース変位に従って読み出される。湾曲部分の数が２つ以上であるとき、上記の説明における従動部分を遠位端に置き替えることによって、そして処理を連続的に行うことによって、全ての湾曲部分に対する湾曲角度指令値を得ることが可能である。

しかしながら、この指令値では、ベース変位がａまたはｃであるとき、従動部の湾曲および回転角度は変化せず、湾曲および回転角度指令はベース変位ｃで上昇し、したがって連続体ロボットは突然の行動を見せる。したがって、本開示において、従動部の湾曲角度指令は点ａおよび点Ｄを接続するように補間され、回転角度指令は点ａおよび点ｄを接続するように補間される。図５における実線は従動部に対する補間湾曲角度指令を表す。本開示において、本項に記載される角度指令生成アルゴリズムは、第１の主動部従動部制御方法と称される。

ｂ）第２の主動部追従制御方法
前項に記載した第１の主動部従動部制御方法が、回転角度指令ａｂが２πｒａｄを超える指令値に適用されると、ベースが前進するにつれて、従動部はｚ軸回りの１つまたは複数の回転の回転運動を行う。ベース変位ａでｚ軸回りの１つまたは複数の回転の回転運動を行うためにオペレータによって与えられる回転動作指令は、例えば、ロボットの遠位端に設置される画像取込装置を使用することによってその位置で見回す動作であると考えられる。見回し動作後にベースが進むとき、従動部はこの動作を行う必要はない。この理由は、従動部分が先行部分と連続しているために、従動部分に画像取込装置などを設置することが困難であるからである。その上、障害物によって囲まれている狭小空間における経路でこの動作が行われれば、連続体ロボットの運動範囲はより大きくなり、周囲の要素との接触がより起こりやすくなる。従動部の長さが主動部の長さに対して大きいときに、周囲の要素との接触はさらに起こりやすくなる。

したがって、本実施形態において、図６に例示される第２の主動部追従制御アルゴリズムが作成される。図５（ｂ）におけるように、実線、太い破線および破線はそれぞれ、補間後の湾曲角度指令、補間前の湾曲角度指令およびオペレータによる指令を表す。図６に示されるグラフでは、ｎは自然数を示す。第２の主動部従動部制御アルゴリズムは、主動部に対する回転指令からｎ回転の回転運動を減算することによって第２の従動部に対する回転指令として回転角度指令ｃｄ’を計算し、次いで第１の従動部制御方法でと同じ方途で点ａおよび点ｄ’を接続するように回転角度指令を補間する。この場合、従動部に対する回転角度指令ｃｄ’は以下の式から計算されることができる。
ζ_cd'＝ζ_cd ｍｏｄ ２π（ζ_cd＞２π）
ζ_cd'＝ζ_cd ｍｏｄ −２π（ζ_cd＜−２π） （４）

ここで、ζ_cdおよびζ_cd'はそれぞれ回転角度指令ｃｄおよびｃｄ’を示す。記号「ｍｏｄ」はモジュラ演算を表し、解の符号は除数と同じである。したがって、ｚ軸回りのロボットの遠位端の１つまたは複数の回転の回転運動が従動部に伝播するのを防止することが可能である。

図７は、主題の装置、方法またはシステムの１つまたは複数の実施形態に係る、主題の連続体ロボット１００の制御システム１７０を例示するブロック図を例示する。制御システム１００は制御対象１７２、第１の主動部追従制御アルゴリズム１７４を備えており、θ_trefおよびζ_trefは遠位端の湾曲角度指令値および回転角度指令値を示し、θ_frefおよびζ_frefは湾曲角度指令ベクトルおよび回転角度指令ベクトルを表す。加えて、ｚ_bはベース変位指令値を示し、制御システム１７０が式（４）に図示されるモジュラ演算１７８をさらに活用する。第１章に記載した運動学的計算１７８は湾曲および回転角度指令値からワイヤ駆動量を計算する。

シミュレーション
全てのシミュレーションは、前述した主動部従動部制御システムの１つまたは複数の実施形態を使用することによって行われる。シミュレーションは、各々０．０１ｍの湾曲部分長さを有する２つの湾曲部分を含む連続体ロボットについて行われる。

図８（ａ）〜図８（ｄ）は、ベースが０．０１ｍに前進するまで、第２の主動部追従制御アルゴリズムを使用する制御が行われるときの姿勢を段階的に例示するスティック線図によるシミュレーションである。実線はロボットの形状を表し、黒丸は各湾曲部分の遠位端を表し、細い実線は各湾曲部分の遠位端の軌跡を表す。図８（ａ）に図示される初期姿勢は以下の通りに表される。

初期姿勢では、第２の湾曲部分はｚ軸回りの２回転の見回し動作を既に行っている。第２の主動部従動部制御アルゴリズムを使用する制御を行うことによって、最終姿勢の湾曲角度θ₁は初期姿勢の湾曲角度θ₂に等しく、最終姿勢の回転角度ζ₁は、以下の通りにモジュラ演算を行うことによって初期姿勢の湾曲角度ζ₂から計算される角度である。

モジュラ演算により、第１の湾曲部分が第２の湾曲部分の見回し動作によって影響されず、主動部従動部制御が円滑に行われることが見て取られる。比較のために、図９（ａ）〜図９（ｄ）は、第１の主動部従動部制御アルゴリズムによる応答を例示する。第２の湾曲部分の見回し動作は第１の湾曲部分の動作に直接伝播され、したがってベースが前進するにつれて、第１の湾曲部分は２回転の回転運動を行う。したがって、ベースが前進するにつれて、第１の湾曲部分だけでなく第２の湾曲部分も多量に回転し、外部環境との接触が狭小空間で起こりやすくなることが見て取られる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態において、最遠位端から回転運動または１旋回もしくは複数の旋回が減算されるが、後続部分は遠位端と同じ方向に回転運動を行う。しかしながら、先行部分の方向と反対方向に後続部分を回転させることによって回転量を減少させることが可能である。したがって、本実施形態において、図１０に例示されるように、第３の主動部従動部制御アルゴリズムが記載されることになる。

第１の実施形態におけるように、実線、太い破線および破線はそれぞれ、補間後の湾曲角度指令、補間前の湾曲角度指令およびオペレータによる指令を表す。第３の主動部従動部制御アルゴリズムは、第２の主動部従動部制御アルゴリズムを行い、次いで主動部に対する回転指令に、またはそれから、２πを加算または減算することによって従動部に対する回転指令として回転角度指令ｃｄ’’を計算する。次いで、第２の主動部従動部制御方法でと同じ方途で、アルゴリズムは、点ａおよび点ｄ’’を接続するように回転角度指令を補間する。この場合、従動部に対する回転角度指令ｃｄ’’は以下の式から計算されることができる。
ζ_cd''＝−π＋ζ_cd' ｍｏｄ π（ζ_cd'＞π）
ζ_cd''＝π＋ζ_cd' ｍｏｄ −π（ζ_cd'＜−π） （５）

したがって、第２の主動部従動部制御アルゴリズムと比較されると、半回転の回転量をさらに減ずることが可能である。

第３の主動部従動部制御システムを使用することによってシミュレーションが行われる。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、第３の主動部従動部制御アルゴリズムを使用する制御が行われてベースが０．０１ｍだけ前進するときの姿勢を段階的に例示するスティック線図である。実線はロボットの形状を表し、黒丸は各湾曲部分の遠位端を表し、細い実線は各湾曲部分の遠位端の軌跡を表す。図１１（ａ）に図示される初期姿勢は以下の通りに表される。

第３の主動部従動部制御アルゴリズムを使用する制御を行うことによって、最終姿勢の湾曲角度θ₁は初期姿勢の湾曲角度θ₂に等しく、最終姿勢の回転角度ζ₁は、以下の通りにモジュラ演算を行うことによって初期姿勢の湾曲角度ζ₂から計算される角度である。

モジュラ演算により、主動部従動部制御が円滑に行われることが見て取られる。比較のために、図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、第２の主動部従動部制御アルゴリズムによる応答を例示する。第１の湾曲部分の動作では、第１の湾曲部分は第２の湾曲部分の動作と同じ方向に回転し、したがってベースの前進による回転量は大きい。したがって、ベースが前進するにつれて、第１の湾曲部分だけでなく第２の湾曲部分も多量に回転し、外部環境との接触が狭小空間で起こりやすくなることが見て取られる。

［第３の実施形態］
第１および第２の実施形態において、従動部分の回転量は、回転角度指令を操作することによって減少される。しかしながら、後続部分に対する湾曲角度指令を操作することによって回転量をさらに減少させることが可能である。したがって、本実施形態において、図１３に例示される、第４の主動部従動部制御アルゴリズムが記載されることになる。

第１の実施形態におけるように、実線、太い破線および破線はそれぞれ、補間後の湾曲角度指令、補間前の湾曲角度指令およびオペレータによる指令を表す。第４の主動部従動部制御アルゴリズムは、第３の主動部追従制御アルゴリズムを行い、次いで主動部に対する回転指令に、またはそれから、πを加算または減算することによって従動部に対する回転指令として回転角度指令ｃｄ’’’を計算する。次いで、第３の主動部従動部制御方法でと同じ方途で、アルゴリズムは、点ａおよび点ｄ’’’を接続するように回転角度指令を補間する。この場合、従動部に対する回転角度指令ｃｄ’’’は以下の式から計算されることができる。

ここで、θ_cD'および−θ_cDはそれぞれ湾曲角度指令ｃＤおよびｃＤ’を示す。したがって、第３の主動部従動部制御アルゴリズムと比較されると、四分の一回転の回転量をさらに減ずることが可能である。

第４の主動部従動部制御システムを使用することによってシミュレーションが行われる。図１４（ａ）〜図１４（ｄ）は、第３の主動部従動部制御アルゴリズムを使用する制御が行われてベースが０．０１ｍだけ前進するときの姿勢を段階的に例示するスティック線図である。実線はロボットの形状を表し、黒丸は各湾曲部分の端を表し、細い実線は各湾曲部分の端の軌跡を表す。図１４（ａ）に図示される初期姿勢は以下の通りに表される。

第４の主動部従動部制御アルゴリズムを使用する制御を行うことによって、最終姿勢の湾曲角度θ₁は初期姿勢の湾曲角度θ₂の符号と反対の符号を有し、最終姿勢の回転角度ζ₁は、以下の通りに加算および減算を行うことによって初期姿勢の湾曲角度ζ₂から計算される角度である。

したがって、主動部従動部制御が円滑に行われることが見て取られる。比較のために、図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、第３の主動部従動部制御アルゴリズムによる応答を例示する。第１の湾曲部分の動作では、ベースの前進による回転量は大きい。したがって、第２の湾曲部分の遠位端が弧で軌跡を示し、外部環境との接触が狭小空間で起こりやすくなることが見て取られる。

上記したように、本開示に係る実施形態において、遠位湾曲部分が回転運動を行い、回転運動の角度（ζｃｄまたはζｔ）が３６０度以上であるときに、コントローラは、近位湾曲部分が３６０度以上の回転運動を行うのを防止しつつ、近位湾曲部分が遠位湾曲部分に追従するように湾曲制御を行う。すなわち、回転運動の開始時および終了時の遠位湾曲部分の方向に基づいて、不必要な回転の影響は回避され、したがって外部環境との接触などの問題を削減または排除することが可能である。

したがって、以下の利点が得られる。例えば、連続体ロボットの前進が停止される場合を考えると、遠位部分は回転され、連続体ロボットの遠位端に設置される対物レンズを使用することによって見回しつつ画像取込が行われ、続いてロボットはさらに前進させられる。この場合、見回し動作がロボットの前進に影響しないと考えられる。実施形態に係る制御を行うことによって、近位湾曲部分を見回し動作によって影響されることなく遠位湾曲部分に追従するように前進させることが可能である。

第１の実施形態において、コントローラは、０度以上３６０度未満であり、かつ回転運動の角度と同じ位相を有する角度（ζｃｄ’またはζｔ’）を計算し、計算した角度に基づいて近位湾曲部分の湾曲制御を行う。計算式として前述した（４）が使用されてもよく、または同じ結果を提供する他の理論式が使用されてもよい。コンピュータを使用することによってこれらの式を実現するとき、必要な近似が使用されてもよい。

第２の実施形態において、近位湾曲部分に関して、−１８０度以上１８０度未満であり、かつ回転運動の角度と同じ位相を有する角度（ζｃｄ’’またはζｔ’’）が計算され、ζｃｄ’’に基づく近位湾曲部分の湾曲制御が行われる。したがって、近位湾曲部分の回転運動は１８０度以下に制限され、したがって近位部分の不必要な運動がさらに抑制される。第１の実施形態におけるように、計算式として前述した（４）および（５）が使用されてもよく、または同じ結果を提供する他の理論式が使用されてもよい。コンピュータを使用することによってこれらの式を実現するとき、必要な近似が使用されてもよい。

第３の実施形態において、回転角度だけでなく湾曲方向も考慮に入れることによって、不必要な回転運動が抑制される。すなわち、コントローラは、遠位湾曲部分の回転運動の角度ζｃｄ（またはζｔ）を使用する前述した（４）、（５）および（６）を使用することによって得られる以下の式から得られる角度ζｃｄ’’’を計算する。コントローラは、遠位湾曲部分の湾曲角度θｃＤを使用する前述した式（６）を使用することによって得られる角度θｃＤ’を計算する。ζｃｄ’’’およびθｃＤ’の値に基づいて、近位湾曲部分は、近位湾曲部分が湾曲角度θｃＤ’で湾曲され、かつ回転運動の角度ζｃｄ’’’だけ回転された状態であるように湾曲される。第３の実施形態におけるように、計算式として前述した（４）、（５）および（６）が使用されてもよく、または同じ結果を与える他の理論式が使用されてもよい。コンピュータを使用することによってこれらの式を実現するとき、必要な近似が使用されてもよい。

上述した実施形態において、３６０度以上の回転運動が所定のベース変位ｚｂで行われる場合が記載される。別の実施形態において、上述したように意図される処理が、回転運動がベース変位のわずかな変化Δｚ＞０に対して行われる場合にも適用される。すなわち、Δｚに対して３６０度以上の角度ζｃｄ（またはζｔ）の回転運動を行うとき、１８０度以上１８０度未満であり、かつζｃｄ（またはζｔ）の角度と同じ位相を有する角度（ζｃｄ’’またはζｔ’’）が計算され、近位湾曲部分は回転角度指令値として角度ζｔ’’を使用することによって制御される。したがって、近位部分が不必要な追従動作を行うことを削減すること、および、外部環境との接触などの問題を削減または排除することが可能である。

上述した実施形態において、図５（ａ）および図６に例示されるように、遠位湾曲部分が一定のベース変位ｚｂで回転運動を含む一般的な湾曲運動を行うとき、近位湾曲部分は、近位湾曲部分が長さａｃだけ変位される間に近位湾曲部分が徐々に湾曲するように制御される。他の実施形態において、遠位湾曲部分が非常に短いΔｚ（≧０）だけ変位される間に遠位湾曲部分が所定の角度で湾曲運動を行うとき、近位湾曲部分がΔｚより大きい距離にわたって変位される間に近位湾曲部分は所定の角度に対応する角度で徐々に湾曲する。

コントローラは、遠位湾曲部分が、ベース変位ｚｂの所定の変化Δｚ（≧０）に対して３６０度以上である角度（ζｔ）の回転運動を行うか否かを決定する。そのような制御は、遠位湾曲部分が回転運動を実際に行ったという事実に基づいて決定されてもよく、または回転運動を行うための駆動量もしくは制御値がアクチュエータ１３０〜１３２に入力されたという事実に基づいて決定されてもよい。代替的に、それは、駆動量または制御値がコントローラによって計算されるときに決定されてもよい。

本開示に係る制御を、上述した制御が行われる場合にだけでなく、例えば、遠位部分の湾曲運動または回転運動の履歴または軌跡に応じて、近位部分の湾曲運動または回転運動が行われる状況にも適用することが可能である。

上述した実施形態において、ロボットの遠位端の湾曲制御は、遠位部分の湾曲運動または回転運動に基づいて決定される。しかしながら、本開示の実施形態はこの実施形態に限定されない。例えば、連続体ロボットが３つ以上の湾曲部分を含む場合には、遠位部分における２つの湾曲部分が同期して回転運動を行ってもよく、または２番目に最遠位な湾曲部分が回転運動を行ってもよい。上述した制御アルゴリズムは、２つの湾曲部分の近位側の湾曲部分の湾曲制御に適用されてもよい。そのような実施形態も本開示の実施形態に含まれる。要点としては、遠位部分に２つの湾曲部分があるときに、遠位部分における湾曲部分の回転運動に基づいて、前述した制御アルゴリズムが近位側の湾曲部分に適用されてもよいということである。

コントローラは、様々な情報の集合に基づいて、本開示の実施形態に係る制御アルゴリズムが適用されると判定してもよい。制御アルゴリズムが適用されない場合には、例えば、図５（ｂ）に例示されるグラフに示される制御が行われる。

Claims (14)

1. 遠位湾曲部分および近位湾曲部分を含む複数の湾曲部分を含み、前記湾曲部分の各々が少なくとも１つのワイヤによって湾曲される連続体ロボットと、
   前記ワイヤを駆動する駆動体と、
   前記ワイヤの駆動量を制御するコントローラと、
   前記連続体ロボットに添設され、かつ前記連続体ロボットを移動させることが可能なベースと、
   を備え、
   ベースが前記連続体ロボットを変位値だけ移動させるときに、前記遠位湾曲部分が回転運動を行い、前記回転運動の角度（ζｔ）が３６０度以上であり、
   前記コントローラは、前記遠位湾曲部分が前記回転運動を完了した時の前記遠位湾曲部分の湾曲状態に基づいて、前記近位湾曲部分が３６０度以上の回転運動を行うのを防止しつつ、前記近位湾曲部分を前記遠位湾曲部分に追従するように制御する、
   ロボット装置。
2. 前記コントローラは、０度以上３６０度以下である角度（ζｔ’）を計算し、前記角度（ζｔ’）が前記回転運動の前記角度（ζｔ）と同じ位相を有しており、当該コントローラは、前記計算した角度（ζｔ’）に基づいて前記近位湾曲部分の湾曲制御を行う、
   請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記コントローラは、前記遠位湾曲部分の前記回転運動の前記角度（ζｔ）を使用する以下の式を使用することによって得られる角度（ζｔ’）を計算することによって得られる値に基づいて、前記近位湾曲部分の湾曲制御を行う、
   ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
   ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＜−２π）
   請求項１に記載のロボット装置。
4. 前記近位湾曲部分に関して、前記コントローラは、−１８０度以上１８０度未満であり、かつ前記回転運動の前記角度（ζｔ）と同じ位相を有する角度（ζｔ’’）を計算し、ζｔ’’に基づいて前記近位湾曲部分の湾曲制御を行う、
   請求項１に記載のロボット装置。
5. 前記コントローラは、前記遠位湾曲部分の前記回転運動の前記角度（ζｔ）を使用する以下の式を使用することによって得られる角度ζｔ’’を計算することによって得られる値に基づいて、前記近位湾曲部分の湾曲制御を行う、
   ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
   ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＜−２π）
   ζｔ’’＝−π＋ζｔ’ ｍｏｄ π（ζｔ’＞π）
   ζｔ’’＝π＋ζｔ’ ｍｏｄ −π（ζｔ’＜−π）
   請求項１に記載のロボット装置。
6. 前記コントローラは、前記遠位湾曲部分の前記回転運動の前記角度（ζｔ）を使用する以下の式を使用することによって得られる角度ζｔ’’’を計算し、
   ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
   ζｔ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＜−２π）
   ζｔ’’＝−π＋ζｔ’ ｍｏｄ π（ζｔ’＞π）
   ζｔ’’＝π＋ζｔ’ ｍｏｄ −π（ζｔ’＜−π）
   ζｔ’’’＝ζｔ’’−π（π／２＜ζｔ’’＜π）
   ζｔ’’’＝ζｔ’’＋π（−π＜ζｔ’’＜−π／２）
   前記遠位湾曲部分の湾曲角度θを使用する以下の式を使用することによって得られる角度θ’を計算し、
   θ’＝−θであり、
   前記近位湾曲部分が前記湾曲角度θ’で湾曲され、かつ前記回転運動の前記角度ζｔ’’’だけ回転された状態であるように前記近位湾曲部分を湾曲させる、
   請求項１に記載のロボット装置。
7. 前記近位湾曲部分に関して、前記所定のベースの変位が所定の値だけ変化する間に前記遠位湾曲部分が回転運動を行い、かつ前記回転運動の前記角度（ζｔ）が３６０度以上であるときに、前記近位湾曲部分に関して、−１８０度以上１８０度未満であり、かつ前記回転運動の前記角度と同じ位相を有する角度（ζｔ’’）が計算され、ζｔ’’に基づいて前記近位湾曲部分の湾曲制御が行われる、
   請求項１に記載のロボット装置。
8. 前記近位湾曲部分に関して、前記コントローラは、前記ベースの変位が所定の値（Δｚ’）だけ変化する期間中の前記遠位湾曲部分の湾曲制御に基づいて湾曲制御を行う、
   請求項１に記載のロボット装置。
9. 前記ベースが前記変位値を有するときに、前記コントローラは、角度（ζｔ）が３６０度以上である回転運動を前記遠位湾曲部分が行うか否かを決定する、
   請求項１に記載のロボット装置。
10. 前記遠位湾曲部分が２つの独立した湾曲部分を含む、
    請求項１に記載のロボット装置。
11. 中間湾曲部分をさらに備え、前記中間湾曲部分が少なくとも１つのワイヤによって湾曲される、
    請求項１に記載のロボット装置。
12. 遠位湾曲部分および近位湾曲部分を含む複数の湾曲部分を含み、前記湾曲部分の各々が少なくとも１つのワイヤによって駆動される連続体ロボットと、
    前記ワイヤを駆動する駆動手段と、
    前記連続体ロボットの湾曲角度および回転角度からワイヤ駆動量を制御する制御手段と、
    前記連続体ロボットを装着し、前記連続体ロボットを移動させることが可能であるベース制御手段と
    を備え、
    前記制御手段は、
    ベース変位での前記湾曲角度θｆおよび前記回転角度ζｆの参照テーブルと、
    最遠位湾曲部分の湾曲角度θｔおよび回転角度ζｔに従って前記参照テーブルを書き換えるテーブル書換手段と、
    を含み、
    前記テーブル書換手段は、前記最遠位湾曲部分を除く湾曲部分の前記回転角度ζｆの指令値として従動部ζｆ’を計算する、
    ζｆ’＝ζｔ ｍｏｄ ２π（ζｔ＞２π）
    ζｆ’＝ζｔ ｍｏｄ −２π（ζｔ＞２π）
    連続体ロボット制御手段。
13. 前記テーブル書換手段は、前記最遠位湾曲部分を除く前記湾曲部分の前記回転角度ζｆの前記指令値として従動部ζｆ’’を計算する、
    ζｆ’’＝−π＋ζｔ’ ｍｏｄ π（ζｔ’＞π）
    ζｆ’’＝π＋ζｔ’ ｍｏｄ −π（ζｔ’＞−π）
    請求項１２に記載の連続体ロボット制御手段。
14. 前記テーブル書換手段は、前記最遠位湾曲部分を除く前記湾曲部分の前記回転角度ζｆの前記指令値として従動部ζｆ’’’を計算する、
    ζｆ’’’＝ζｔ’’−π（π／２＜ζｔ’’＜π）
    ζｆ’’’＝ζｔ’’＋π（−π＜ζｔ’’＜−π／２）
    請求項１２に記載の連続体ロボット制御手段。