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WO2023074336A1 - 補償システム、補償装置、補償方法及びプログラム - Google Patents

補償システム、補償装置、補償方法及びプログラム Download PDF

Info

Publication number
WO2023074336A1
WO2023074336A1 PCT/JP2022/037749 JP2022037749W WO2023074336A1 WO 2023074336 A1 WO2023074336 A1 WO 2023074336A1 JP 2022037749 W JP2022037749 W JP 2022037749W WO 2023074336 A1 WO2023074336 A1 WO 2023074336A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
master device
compensation
operator
friction
force
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/037749
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
公平 大西
貴弘 溝口
和広 山田
能行 羽生
伸 牧
俊弘 藤井
Original Assignee
慶應義塾
モーションリブ株式会社
テルモ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 慶應義塾, モーションリブ株式会社, テルモ株式会社 filed Critical 慶應義塾
Publication of WO2023074336A1 publication Critical patent/WO2023074336A1/ja

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/35—Surgical robots for telesurgery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements

Definitions

  • the present invention relates to a compensation system, compensation device, compensation method and program.
  • An object of the present invention is to perform friction compensation in a more appropriate situation.
  • a compensation system includes: A compensation system including a master device to which an operator's operation is input and a slave device that operates according to the operation input to the master device, control means for controlling haptic transmission in the master device and the slave device; determination means for determining a state of operation of the master device by the operator; It is determined whether or not to perform friction compensation based on the determination result of the determination means, and if it is determined to perform friction compensation, the friction compensation is performed for the friction affecting the transmission of the haptic sensation by the control means.
  • compensation means characterized by comprising
  • friction compensation can be performed in a more appropriate situation.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the basic principle of haptic transmission control executed by the control device 30.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the hardware configuration of a control system in the compensation system 1;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a hardware configuration of an information processing device that constitutes the control device 30;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of compensation control processing performed by the compensation system 1;
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of compensation system 1;
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining the flow of compensation control processing executed by the control device 30;
  • FIG. 2 is a block diagram showing the hardware configuration of a control system in the compensation system 1;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a hardware configuration of an information processing device that constitutes the control device 30;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of compensation control processing performed by the compensation system 1;
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of compensation system 1;
  • FIG. 4 is a flow
  • FIG. 11 is a block diagram showing a functional configuration of a compensation system 1 in modification 3; 10 is a flowchart for explaining the flow of compensation control processing executed by a control device 30a in Modification 3.
  • FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between catheter speed and friction compensation amount.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a forgetting factor of the moving average value with forgetting factor shown in Equation (6);
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a compensation system 1 according to one embodiment of the present invention.
  • a compensation system 1 according to this embodiment is configured as a master/slave system including a master device 10 and a slave device 20 that are mechanically separated.
  • the master device 10 constitutes a manipulator operated by an operator
  • the slave device 20 constitutes a catheter system having an end effector inserted into a subject. .
  • the compensation system 1 includes a master device 10, a slave device 20, and a control device 30.
  • the master device 10, the slave device 20, and the control device 30 are connected via a network 40. It is configured for wired or wireless communication.
  • the compensation system 1 may optionally comprise a display L and a plurality of cameras C.
  • the camera C a video camera that captures the appearance of the operator who operates the master device 10 (for example, the state of operation on the master device 10), the appearance of the subject into which the slave device 20 is inserted (for example, the insertion of the slave device 20) state), or various imaging devices such as an X-ray camera for imaging the inside of a subject (for example, blood vessels and organs of the subject) with X-rays.
  • the master device 10 receives an operation similar to that for a conventional mechanically configured catheter, and detects the position of a movable part (such as a movable member of a manipulator) that moves according to the input operation. Master device 10 transmits information representing the detected position of the movable part to control device 30 . In addition, the master device 10 outputs a reaction force from the actuator in accordance with an instruction from the control device 30 in response to the input operation.
  • a movable part such as a movable member of a manipulator
  • the master device 10 performs an operation to move the catheter forward and backward (for example, an operation to insert the catheter into a blood vessel or an operation to slightly move the catheter to detect haptic sensations near the lesion), and rotate the catheter around its axis.
  • Manipulation e.g., changing the direction of the end effector
  • manipulating the end effector e.g., if the end effector is a balloon, expanding or contracting it, or if the end effector is forceps, etc.
  • opening and closing operations, etc. applies a reaction force to these operations, and transmits to the control device 30 information representing the position of the movable portion moved by each operation.
  • the slave device 20 drives an actuator according to instructions from the control device 30 to perform an action corresponding to the operation input to the master device 10, and a movable part (a mover of the actuator or the actuator moved by the action) that moves according to the action. (e.g., catheters, etc.).
  • a movable part a mover of the actuator or the actuator moved by the action
  • the slave device 20 transmits information representing the detected position of the movable portion to the control device 30 .
  • the various external forces that are input to the slave device 20 from the environment include, for example, a resistance force in the thrust direction that a catheter inserted into the subject receives from a blood vessel, a guide wire and an end effector that are placed at the tip of the catheter, and the like. This includes the contact force when the body comes into contact with a lesion, organ, or blood vessel.
  • a predetermined friction compensation amount is output as a force for assisting the operation of the master device 10 by the operator.
  • friction compensation can assist the operator's operation of the master device 10 .
  • the control device 30 is composed of, for example, an information processing device such as a PC (Personal Computer) or a server computer, and controls the master device 10, the slave device 20, the display L and the camera C. For example, the control device 30 acquires the positions of the movable parts of the master device 10 and the slave device 20 (the rotation angle of the actuator detected by a rotary encoder, the forward/backward position of the movable part detected by a linear encoder, etc.), and 10 and the slave device 20 to control the transmission of haptic sensations.
  • an information processing device such as a PC (Personal Computer) or a server computer
  • the control device 30 acquires the positions of the movable parts of the master device 10 and the slave device 20 (the rotation angle of the actuator detected by a rotary encoder, the forward/backward position of the movable part detected by a linear encoder, etc.), and 10 and the slave device 20 to control the transmission of haptic sensations.
  • the control device 30 uses information representing the position of the movable part (the position of the movable element of the actuator or the position of the member moved by the actuator).
  • the real space parameter (input vector) calculated based on the information representing the position and the like) is coordinate-transformed (transformed by a transformation matrix) into a virtual space in which position and force can be handled independently. That is, the input vector is coordinate-transformed from the real space of the oblique coordinate system in which the position and the force are related to each other to the virtual space of the orthogonal coordinate system in which the position and the force are mutually independent.
  • the parameters calculated by the coordinate transformation represent the position and force state values corresponding to the input vector in the virtual space.
  • the control device 30 converts the state values of the position and force calculated from the input vector to the position and force for controlling the position and force (in this case, transmitting the haptic sensation). , and performs inverse transformation (transformation using the inverse matrix of the transformation matrix) to return the computation result to the real space. Further, the control device 30 drives each actuator based on the real space parameters (current command value, etc.) acquired by the inverse transformation, thereby transmitting the haptic sensation between the master device 10 and the slave device 20. Realize a master-slave system that
  • position and velocity (or acceleration) or angle and angular velocity (or angular acceleration) are parameters that can be replaced by calculus, so when performing processing related to position or angle, replace them with velocity or angular velocity as appropriate. is possible.
  • the compensation system 1 in this embodiment implements a master-slave system that transmits a haptic sensation between the master device 10 and the slave device 20 as described above, and performs compensation control processing.
  • the compensation control process is a series of processes that perform control for performing friction compensation in an appropriate situation when performing friction compensation during transmission of a haptic sensation.
  • the compensation system 1 controls transmission of haptic sensations in the master device 10 and the slave device 20 .
  • the state determination unit 352 determines the state of the operation of the master device 10 by the operator.
  • the compensation system 1 determines whether or not to perform friction compensation based on the determination result of the state determination unit 352, and when it is determined to perform friction compensation, the haptic transmission unit 354 transmits Friction compensation is performed for the influencing friction.
  • the compensation system 1 determines whether or not to perform friction compensation based on the state of the operation of the master device 10 by the operator when performing friction compensation during transmission of the haptic sensation. That is, the frictional force is not always compensated, but is compensated at an appropriate timing corresponding to the state of operation. As a result, for example, it is possible to prevent the occurrence of a problem such as amplification of vibration unintentionally caused by the operator due to constant compensation of the frictional force. Therefore, according to the compensation system 1, it is possible to solve the problem of performing friction compensation in a more appropriate situation.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the basic principle of the haptic transmission control executed by the control device 30.
  • the basic principle shown in FIG. 2 determines the operation of the actuator by inputting information representing the position of the movable part (current position of the movable part) and performing calculations in at least one of the areas of velocity and force. be. That is, the basic principle of the present invention includes a system to be controlled S, a functional force/velocity assignment transformation block FT, at least one of an ideal force source block FC or an ideal velocity source block PC, and an inverse transformation block IFT. It is expressed as a control law.
  • the controlled system S is the master device 10 or the slave device 20 equipped with an actuator, and controls the actuator based on acceleration and the like.
  • acceleration, velocity, and position are physical quantities that can be mutually converted by calculus, any of acceleration, velocity, and position may be used for control.
  • the control law is mainly expressed using the velocity calculated from the position.
  • the function-specific force/velocity allocation conversion block FT is a block that defines the conversion of control energy into the velocity and force regions set according to the function of the controlled system S.
  • a coordinate transformation is defined in which a value (reference value) serving as a reference for the function of the controlled system S and the current position of the movable part are input.
  • This coordinate transformation generally converts an input vector whose elements are the reference value and the current velocity into an output vector composed of velocities for calculating the velocity control target value, and an input vector whose elements are the reference value and the current force. It converts the vector into an output vector consisting of force for calculating the force control target value.
  • the coordinate transformation in the functional force/velocity allocation transformation block FT is generalized as shown in the following equations (1) and (2).
  • x' 1 to x' n are velocity vectors for deriving the state value of velocity
  • x' a to x' m are 1 or more
  • ) is a vector whose elements are the reference value and the speed based on the action of the actuator (the speed of the mover of the actuator or the speed of the member moved by the actuator)
  • h 1a to h nm are the elements of the conversion matrix representing the function. be.
  • f′′ 1 to f′′ n are force vectors for deriving force state values
  • f′′ a to f′′ m is an integer equal to or greater than 1
  • f′′ a to f′′ m is an integer equal to or greater than 1 is a vector whose elements are the force based on the reference value and the action of the actuator (the force of the mover of the actuator or the force of the member moved by the actuator).
  • the ideal force source block FC is a block that performs calculations in the force domain according to the coordinate transformation defined by the functional force/velocity assignment transformation block FT.
  • a target value is set for the force when performing calculations based on the coordinate transformation defined by the functional force/velocity assignment transformation block FT.
  • This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be implemented. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, set the target value to zero, or when performing scaling, set a value obtained by expanding or reducing the information indicating the function to be realized. can.
  • the ideal velocity source block PC is a block that performs calculations in the velocity domain according to the coordinate transformation defined by the functional force/velocity assignment transformation block FT.
  • the ideal velocity source block PC there are set target values relating to velocity when performing calculations based on the coordinate transformation defined by the functional force/velocity assignment transformation block FT.
  • This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be implemented. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, set the target value to zero, or when performing scaling, set a value obtained by expanding or reducing the information indicating the function to be realized. can.
  • the inverse transform block IFT is a block that transforms values in the domain of velocity and force into values in the domain of inputs to the controlled system S (for example, voltage values or current values).
  • the functional force/velocity assignment conversion block FT when the positional information of the actuators of the controlled system S is input to the functional force/velocity assignment conversion block FT, the velocity and force information obtained based on the positional information is used to , in the function-specific force/velocity assignment conversion block FT, the control law for each of the position and force regions according to the function is applied.
  • the ideal force source block FC force calculation is performed according to the function
  • the ideal velocity source block PC velocity calculation is performed according to the function, and control energy is distributed to force and velocity respectively.
  • the calculation results in the ideal force source block FC and the ideal velocity source block PC become information indicating the control target of the controlled system S, and these calculation results are used as input values for the actuators in the inverse transformation block IFT, and the controlled system S is entered in As a result, the actuators of the controlled system S perform operations according to the functions defined by the functional force/velocity assignment conversion block FT, and the intended operation of the device is realized.
  • x'p is the velocity for deriving the state value of velocity
  • x'f is the velocity related to the state value of force
  • x'm is the speed of the reference value (input from the master device 10) (differential value of the current position of the master device 10)
  • x 's is the current speed of the slave device 20 (differential value of the current position).
  • f p is the force related to the state value of velocity
  • f f is the force for deriving the state value of force
  • f m is the force of the reference value (input from the master device 10 )
  • f s is the current force of the slave device 20 .
  • the position of the slave device 20 is multiplied by ⁇ ( ⁇ is a positive number)
  • the force of the slave device 20 is multiplied by ⁇ ( ⁇ is a positive number)
  • the master It will be transmitted to the device 10 .
  • the haptic sensation is transmitted without being amplified (that is, expanded) or attenuated (that is, reduced).
  • scaling to amplify (that is, expand) or attenuate (that is, reduce) the haptic sensation to be transmitted can be performed. Realization is possible.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the hardware configuration of the control system in the compensation system 1.
  • the compensation system 1 includes, as a hardware configuration of a control system, a control device 30 configured by an information processing device such as a PC or a server computer, a control unit 101 of the master device 10, and a communication unit 102. , an insertion actuator 103 , a detection actuator 104 , a rotation actuator 105 , an operation actuator 106 , linear encoders 107 and 108 , rotary encoders 109 and 110 , drivers 111 to 114 , and slave device 20 .
  • a control unit 201 a communication unit 202, an insertion actuator 203, a detection actuator 204, a rotation actuator 205, an operation actuator 206, linear encoders 207 and 208, rotary encoders 209 and 210, and a driver 211.
  • a display L and a camera C.
  • a control unit 101 of the master device 10 is composed of a microcomputer including a processor, memory, etc., and controls the operation of the master device 10 .
  • the control unit 101 controls the driving of the insertion actuator 103 , the detection actuator 104 , the rotation actuator 105 and the manipulation actuator 106 of the master device 10 according to control parameters transmitted from the control device 30 .
  • Communication unit 102 controls communication between master device 10 and other devices via network 40 .
  • the insertion actuator 103 is composed of, for example, a direct-acting motor, and according to instructions from the control unit 101, the operator inputs the operation to the master device 10 to move the catheter forward and backward in order to insert it into the blood vessel. Gives a reaction force.
  • the detection actuator 104 is composed of, for example, a voice coil motor, and applies a reaction force to an operator's input to the master device 10 in accordance with instructions from the control unit 101 to advance and retract the catheter near the lesion for treatment. Give.
  • the insertion actuator 103 has a longer stroke than the detection actuator 104, while the detection actuator 104 performs more precise position and force control than the insertion actuator 103. It is possible.
  • the rotation actuator 105 is composed of, for example, a rotary motor, and applies a reaction force to the operator's operation to rotate the master device 10 around the rotation axis along the advancing/retreating direction according to instructions from the control unit 101 .
  • the operation actuator 106 is configured by, for example, a rotary motor, and applies a reaction force to an operation input by the operator to a lever (grip) or the like for operating the end effector, according to instructions from the control unit 101. .
  • the linear encoder 107 detects the position of the mover of the insertion actuator 103 (advance/retreat position on the linear motion axis).
  • the linear encoder 108 detects the position of the mover of the detection actuator 104 (advance/retreat position on the linear motion axis).
  • a rotary encoder 109 detects the position (rotational angle) of the mover of the rotary actuator 105 .
  • the rotary encoder 110 detects the position (rotational angle) of the mover of the operating actuator 106 .
  • the driver 111 outputs drive current to the insertion actuator 103 according to instructions from the control unit 101 .
  • the driver 112 outputs a drive current to the detection actuator 104 according to instructions from the control unit 101 .
  • the driver 113 outputs drive current to the rotation actuator 105 according to the instruction from the control unit 101 .
  • the driver 114 outputs drive current to the operating actuator 106 in accordance with instructions from the control unit 101 .
  • the determination sensor 115 measures a physical quantity for determining whether or not the control device 30 performs friction compensation.
  • the determination sensor 115 is composed of a pressure sensor for determining whether the operator of the master device 10 is holding the master device 10 for operation.
  • the determination sensor 115 is arranged in the operating portion that is gripped by the operator when the master device 10, which is a catheter, is operated, and the pressure that fluctuates between gripping and non-gripping is detected by the pressure-sensitive element. Measure and convert to electrical signals. Further, the determination sensor 115 transmits the converted electrical signal to the control device 30 as information indicating the variation in the pressure applied to the operation unit of the master device 10 .
  • the structure of the operation unit in which the determination sensor 115 is arranged and the arrangement position of the determination sensor 115 in the operation unit are not particularly limited.
  • the structure of the determination sensor 115 and the principle of pressure measurement are not particularly limited.
  • a control unit 201 of the slave device 20 is configured by a microcomputer having a processor, memory, etc., and controls the operation of the slave device 20 .
  • the control unit 201 controls driving of the insertion actuator 203 , the detection actuator 204 , the rotation actuator 205 and the operation actuator 206 of the slave device 20 according to control parameters transmitted from the control device 30 .
  • the communication unit 202 controls communication between the slave device 20 and other devices via the network 40 .
  • the insertion actuator 203 is composed of, for example, a direct-acting motor, and according to instructions from the control unit 201, the operator inputs the operation to the master device 10 to move the catheter forward and backward in order to insert it into the blood vessel.
  • the catheter of the slave device 20 is advanced and retracted.
  • the detection actuator 204 is composed of, for example, a voice coil motor, and according to instructions from the control unit 201, the slave device 20 responds to an operation input by the operator to the master device 10 to advance and retract the catheter near the lesion for treatment. advance and retract the catheter.
  • the insertion actuator 203 has a longer stroke than the detection actuator 204, while the detection actuator 204 performs more precise position and force control than the insertion actuator 203. It is possible.
  • the rotation actuator 205 is configured by, for example, a rotary motor, and rotates the catheter of the slave device 20 around a rotation axis along the advancing/retreating direction in accordance with instructions from the control unit 201 and in accordance with operations input to the master device 10 by the operator.
  • the operation actuator 206 is composed of, for example, a rotary motor, and operates the end effector (expansion, contraction, opening/closing, etc.) according to the operation input to the master device 10 by the operator according to instructions from the control unit 201. .
  • the linear encoder 207 detects the position of the mover of the insertion actuator 203 (advance/retreat position on the linear motion axis).
  • a linear encoder 208 detects the position of the mover of the detection actuator 204 (advance/retreat position on the linear motion axis).
  • a rotary encoder 209 detects the position (rotational angle) of the mover of the rotary actuator 205 .
  • a rotary encoder 210 detects the position (rotational angle) of the mover of the operating actuator 206 .
  • the driver 211 outputs drive current to the insertion actuator 203 according to instructions from the control unit 201 .
  • the driver 212 outputs a drive current to the detection actuator 204 according to instructions from the control unit 201 .
  • the driver 213 outputs a drive current to the rotation actuator 205 according to instructions from the control unit 201 .
  • a driver 214 outputs a drive current to the operation actuator 206 according to an instruction from the control unit 201 .
  • the display L is installed in a place where the operator of the master device 10 can visually recognize the screen, and the image instructed to be displayed by the control device 30 (the operator's visible light image captured by the camera C, or the subject's visible light image). image, X-ray image, etc.) and information instructed to be displayed by the control device 30 are displayed.
  • the camera C is installed in a place where the slave device 20 can capture images of the subject into which the catheter is to be inserted, captures images of the subject (visible light images, X-ray images, etc.), and transmits the captured images to the control device 30. do.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a hardware configuration of an information processing device that constitutes the control device 30.
  • the control device 30 includes a processor 311, a ROM (Read Only Memory) 312, a RAM (Random Access Memory) 313, a bus 314, an input section 315, an output section 316, and a storage section. 317 , a communication unit 318 and a drive 319 .
  • the processor 311 executes various processes according to programs recorded in the ROM 312 or programs loaded from the storage unit 317 to the RAM 313 .
  • the RAM 313 also stores data necessary for the processor 311 to execute various types of processing.
  • the processor 311 , ROM 312 and RAM 313 are interconnected via a bus 314 .
  • An input unit 315 , an output unit 316 , a storage unit 317 , a communication unit 318 and a drive 319 are connected to the bus 314 .
  • the input unit 315 is composed of various buttons and the like, and inputs various information according to instruction operations.
  • the output unit 316 includes a display, a speaker, and the like, and outputs images and sounds. Note that when the control device 30 is configured as a smartphone or a tablet terminal, the display of the input unit 315 and the display of the output unit 316 may be overlapped to configure a touch panel.
  • the storage unit 317 is composed of a hard disk, a DRAM (Dynamic Random Access Memory), or the like, and stores various data managed by each server.
  • the communication unit 318 controls communication between the control device 30 and other devices via the network.
  • a removable medium 331 consisting of a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a semiconductor memory, or the like is appropriately mounted in the drive 319 .
  • a program read from the removable medium 331 by the drive 319 is installed in the storage unit 317 as required.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of compensation control processing performed by the compensation system 1.
  • FIG. 5A relates to a state in which the operator does not perform any operation and does not grip the operation unit of the master device 10 (non-holding state).
  • the master device 10 When not grasped, the master device 10 is not supported by the operator. Therefore, as schematically illustrated, vibration due to the influence of an external force applied to the master device 10 is likely to occur. That is, vibrations unintended by the operator are more likely to occur when not gripped than when gripped. Further, when vibration occurs, the vibration is damped only by the friction applied to the slave device 20 from the subject or the like.
  • FIG. 5(B) relates to a state (at the time of gripping) in which the operator grips the operation unit of the master device 10 for operation.
  • the master device 10 When held, the master device 10 is supported by the operator. Therefore, as schematically illustrated, vibration due to the influence of an external force applied to the master device 10 is less likely to occur. That is, when gripped, vibrations unintended by the operator are less likely to occur than when not gripped. Further, when vibration occurs, factors for damping the vibration include not only the friction applied to the slave device 20 from the subject or the like, but also the grip resistance due to gripping by the operator. In addition, vibration is easily damped.
  • the compensation system 1 determines whether or not the master device 10 is being held by the operator as a determination of the state of operation of the master device 10 by the operator. Then, the compensation system 1 determines to perform friction compensation when the determination result indicates that the operator is holding the master device 10 . As a result, when the master device 10 is gripped for operation by the operator and vibration is unlikely to occur, the operator can be appropriately assisted by friction compensation. On the other hand, when the operator does not need to be assisted by the fact that the master device 10 is not held, the friction compensation is not performed, thereby preventing the operator from amplifying unintended vibrations. be able to. The above is the outline of the compensation control process.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the functional configuration of the compensation system 1.
  • the control device 30 executes various processes so that the processor 311 includes a sensor information acquisition unit 351, a state determination unit 352, a friction compensation unit 353, and a haptic transmission. 354 and , function.
  • a control parameter storage unit 371 is also formed in the storage unit 17 .
  • the control parameter storage unit 371 stores the control parameters acquired in the control of the control device 30 transmitting the haptic sensation between the master device 10 and the slave device 20 in chronological order.
  • the information stored as the control parameters can be various parameters acquired in haptic transmission control, and can include various types of information that can reproduce the haptic transmission control.
  • sensor information acquired by the master device 10 and the slave device 20 state values obtained by coordinate transformation of these sensor information, current command values to each actuator, or set in the control device 30 for tactile transmission control
  • Various set values and the like can be stored as control parameters.
  • the sensor information acquisition unit 351 acquires sensor information detected by various sensors installed in the master device 10 and slave devices 20 .
  • the sensor information acquisition unit 351 acquires information indicating the position (forward/backward position or rotation angle) of the mover of each actuator detected by the linear encoders 107, 108, 207, 208 and the rotary encoders 109, 110, 209, 210. get.
  • the sensor information acquisition unit 351 acquires information indicating changes in the pressure applied to the operation unit of the master device 10 measured by the determination sensor 115 . Then, the sensor information acquisition unit 351 stores the acquired sensor information in the control parameter storage unit 371 as time-series data.
  • the state determination unit 352 determines whether or not the operator is holding the operation unit of the master device 10 as the state of operation of the master device 10 by the operator. State determination unit 352 detects variations in pressure applied to the operation unit of master device 10 based on information indicating variations in pressure applied to the operation unit of master device 10 measured by determination sensor 115 . do. Then, the state determination unit 352 determines that the operation unit of the master device 10 is being held by the operator when the fluctuating pressure satisfies a predetermined standard. On the other hand, if the fluctuating pressure does not meet the predetermined criteria, it is determined that the operator is not holding the operation unit of the master device 10 .
  • the predetermined criterion is, for example, that the instantaneous value of the fluctuating pressure exceeds a threshold value set based on the structure of the master device 10, or that the state of exceeding the threshold value continues for a predetermined time or longer. can do. Then, state determination section 352 outputs this determination result to friction compensation section 353 .
  • the friction compensation unit 353 determines whether or not to perform friction compensation based on the determination result of the state determination unit 352. When it is determined to perform friction compensation, the force input to the slave device 20 is increased by a predetermined amplification factor. Friction compensation is performed by causing the force tactile sensation transmission unit 354 to be described later to perform control for amplifying and transmitting to the master device 10 . For example, the friction compensation unit 353 determines to perform friction compensation when the determination result by the state determination unit 352 indicates that the operator is holding the master device 10 .
  • the friction compensation unit 353 calculates the friction compensation amount (force for assisting the operation) output to the operator in the master device 10 .
  • the friction compensation unit 353 calculates the friction compensation amount by multiplying the force detected by the slave device 20 by a preset amplification factor (an arbitrary value greater than 1).
  • the friction compensation section 353 outputs the calculated friction compensation amount to the haptic transmission section 354 .
  • the predetermined amplification factor is set based on, for example, an actual measurement value, a statistical value, or an estimated value obtained by simulation when a catheter has been inserted into a subject or a biological model simulating the subject in the past. can do.
  • this predetermined amplification factor may be a fixed value, or may be a variable value. For example, based on the type of device realizing the master device 10 and the slave device 20, the type of treatment realized by the operation of the operator, the setting instruction by the operator, the insertion state of the slave device 20 into the subject, etc. , may be varied to appropriate values.
  • the friction compensation section 353 outputs the force itself detected by the slave device 20 to the haptic transmission section 354 without calculating the friction compensation amount.
  • the haptic transmission unit 354 controls haptic transmission in the master device 10 and the slave device 20 according to the control algorithm shown in FIG. 2 and the input from the friction compensation unit 353 . As described above in the explanation of the control algorithm shown in FIG. can be amplified (ie, expanded) and transmitted to the master device 10 .
  • the haptic transmission unit 354 inputs the friction compensation amount calculated by the friction compensation unit 353 to the slave device 20. perform control to compensate for the frictional force that That is, the haptic sensation transmission unit 354 transmits the friction compensation amount calculated (that is, amplified) based on the predetermined amplification factor to the master device 10 as a force for assisting the operation of the operator in the master device 10. Friction compensation is realized by transmission.
  • the force itself detected in the slave device 20 is input from the friction compensator 353 (that is, when friction compensation is not performed)
  • the force detected in the slave device 20 is transmitted to the master device 10. . That is, force is transmitted without amplification (ie, expansion) or attenuation (ie, reduction).
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the flow of compensation control processing executed by the control device 30.
  • the operator instructs the execution of the compensation control process via the input unit 315, and the execution instruction of the compensation control process is performed by communication from an external device (for example, the master device 10) via the communication unit 318. Initiated in response to what is done.
  • an assistant who assists the operation of the slave device 20 manually or remotely operates the master device 10 so that the tip of the catheter is moved to the subject by a predetermined distance. Assume that it starts in an inserted state (for example, a state in which it is inserted by about 1 to 10 [cm]). As a result, it is possible to prevent the control of the control device 30 from becoming unstable in a state where the change in the external force at the initial stage of insertion is large.
  • step S ⁇ b>11 the sensor information acquisition unit 351 acquires information (sensor information) detected by various sensors installed in the master device 10 and the slave device 20 .
  • the sensor information acquired in step S11 is stored in the control parameter storage unit 371 as time-series data.
  • step S12 the haptic transmission unit 354 determines whether or not the operation state of the master device 10 is being gripped by the operator as the state of operation of the master device 10 by the operator.
  • step S ⁇ b>13 the friction compensation section 353 determines whether or not to perform friction compensation based on the determination result of the state determination section 352 . If it is determined to perform friction compensation, a determination of Yes is made in step S13, and the process proceeds to step S14. On the other hand, if it is determined not to perform friction compensation, the determination in step S13 is No, and the process proceeds to step S16.
  • step S14 the friction compensation unit 353 calculates the friction compensation amount (force for assisting the operation) to be output to the operator in the master device 10.
  • step S15 the haptic transmission unit 354 controls haptic transmission in the master device 10 and the slave device 20 while performing friction compensation based on the friction compensation amount calculated in step S14.
  • step S16 the haptic transmission unit 354 controls haptic transmission in the master device 10 and the slave device 20 without friction compensation.
  • step S17 the haptic transmission unit 354 determines whether or not an instruction to end the compensation control process has been issued. If the end of the compensation control process has been instructed, a determination of Yes is made in step S17, and the compensation control process ends. On the other hand, if the end of the compensation control process has not been instructed, a determination of No is made in step S17, and the process returns to step S11 and is repeated.
  • the compensation system 1 determines whether or not to perform friction compensation based on the state of the operation of the master device 10 by the operator when performing friction compensation during haptic transmission. That is, the frictional force is not always compensated, but is compensated at an appropriate timing corresponding to the state of operation. As a result, for example, it is possible to prevent the occurrence of a problem such as amplification of vibration unintentionally caused by the operator due to constant compensation of the frictional force. Therefore, according to the compensation system 1, it is possible to solve the problem of performing friction compensation in a more appropriate situation.
  • the determination sensor 115 is configured by a pressure sensor for determining whether or not the operator of the master device 10 is holding the master device 10 for operation.
  • the determination sensor 115 may be configured by another sensor without being limited to this.
  • the determination sensor 115 may be configured with a temperature sensor.
  • the determination sensor 115 is arranged in an operation portion that is gripped by an operator when operating the master device 10, which is a catheter, and measures the temperature that fluctuates between gripping and non-gripping. Convert to electrical signal. Further, the determination sensor 115 transmits the converted electric signal to the control device 30 as information indicating the fluctuation of the temperature applied to the operation unit of the master device 10 .
  • the structure of the operation unit in which the determination sensor 115 is arranged and the arrangement position of the determination sensor 115 in the operation unit are not particularly limited.
  • the structure of the determination sensor 115 and the principle of temperature measurement are not particularly limited.
  • the determination sensor 115 may be of a contact type or may be of a non-contact type.
  • the determination sensor 115 does not necessarily need to be arranged in the operation section, and is arranged in a position near the operation section where the operator's temperature can be measured in a non-contact manner. may be However, it is possible to have a structure, arrangement position, etc. that does not hinder the operation of the master device 10 by the operator (here, the operation of advancing and retracting the catheter to insert it into the blood vessel and the operation of operating the end effector). preferable.
  • the state determination unit 352 determines that the operation unit of the master device 10 is being held by the operator when the fluctuating pressure satisfies a predetermined criterion.
  • the state determination unit 352 determines that the operation unit of the master device 10 is being held by the operator when the fluctuating temperature satisfies a predetermined standard.
  • This predetermined criterion is that the instantaneous value of the fluctuating temperature exceeds a threshold (that is, an absolute value) temperature close to the temperature of the human hand, or that this threshold has been exceeded for a predetermined period of time or longer. can do.
  • the threshold ie, relative value
  • the threshold may be a temperature that is equal to or higher than a predetermined value from the temperature at the start of measurement (ie, temperature close to room temperature). According to this modification, it is possible to use a temperature sensor instead of a pressure sensor when a pressure sensor is inappropriate due to mounting conditions such as the shape of the master device 10 included in the compensation system 1 .
  • the determination sensor 115 is composed of a pressure sensor and a temperature sensor, and based on the pressure and temperature measured by the determination sensor 115, the operator of the master device 10 performs an operation. Therefore, it is determined whether or not the master device 10 is being held. Whether or not the operator of the master device 10 is holding the master device 10 for operation is determined based on, for example, the analysis result of the image instead of the information measured by the determination sensor 115 . You may It should be noted that, when realizing the second modified example, it is also possible to configure the master device 10 so as to omit the determination sensor 115 .
  • the compensation system 1 can include multiple cameras C as appropriate. Therefore, for example, as the camera C, a video camera that captures the appearance of the operator who operates the master device 10 (for example, the state of operation on the master device 10) is provided.
  • the state determination unit 352 analyzes the image captured by the camera C using an existing image analysis method. Then, based on the analysis result, it is determined whether or not the operator of master device 10 is holding master device 10 for operation.
  • the state determination unit 352 analyzes the image captured by the camera C using an existing abnormality detection algorithm.
  • an abnormality detection algorithm detects normality when the operator of the master device 10 is gripping the master device 10 for operation, and abnormal detection when the operator does not grip the master device 10 . Based on this analysis result, it is determined whether or not the operator of master device 10 is holding master device 10 for operation. In either case, for example, the accuracy of image analysis may be increased by combining machine learning methods and performing learning in advance.
  • the friction compensator 353 when it is determined to perform friction compensation, the friction compensator 353 amplifies the force input to the slave device 20 by a predetermined amplification factor and controls the force to be transmitted to the master device 10 as will be described later. Friction compensation is performed by causing the haptic transmission unit 354 to perform. Alternatively, the predetermined amplification factor may be changed dynamically.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the functional configuration of the compensation system 1 in Modification 3.
  • the control device 30 in the control device 30 (hereinafter referred to as “control device 30a” and also shown in the drawings as “control device 30a") in this modification, the control device 30 in the above-described embodiment and For comparison, a speed buffer 372 is further formed in the storage unit 17 . Also, the processing content in the friction compensator 353 is different. Note that the other functional configurations (that is, functional blocks) other than the velocity buffer 372 and the friction compensator 353 are the same as the functional configurations described with reference to FIG. 6, so overlapping descriptions are omitted.
  • the speed buffer 372 stores data on the forward/backward movement speed of the catheter calculated by the friction compensator 353 in the past set interval (for example, the past 5 seconds).
  • the data of the advancing/retreating speed of the catheter stored in the speed buffer 372 is successively updated to the latest data each time the friction compensation unit 353 newly calculates the advancing/retreating speed of the catheter.
  • the friction compensating unit 353 receives the sensor information acquired by the sensor information acquiring unit 351 (here, the linear encoders 107, 108, 207, 208 and the rotary encoders 109, 110, 209, 210 of each actuator. Based on the position (advance/retreat position or rotation angle), the current advance/retreat speed (current value) of the catheter in the slave device 20 is calculated. The friction compensator 353 also stores the calculated current advancing/retreating velocity (current value) of the catheter in the velocity buffer 372 in association with the time.
  • the friction compensator 353 calculates the average value (that is, the moving average value) of the advancing/retreating speed of the catheter in the past set section, and calculates the calculated moving average value and the friction compensation coefficient set for friction compensation. By multiplying by , the friction compensation amount (force for assisting the operation) output to the user in the master device 10 is calculated.
  • the moving average value a simple moving average value is used here.
  • the catheter since the catheter has elasticity, for example, when an external force is input to the slave device 20 due to transient noise such as an operator's sudden contact, the elastic force of the catheter acts on the input. , the catheter will be pushed back. At this time, if friction compensation is simply performed, the operation of the catheter will be amplified, and a simple harmonic motion will occur.
  • the sensor even when no external force is input to the slave device 20, the sensor may detect a minute speed in the forward/backward direction. Friction compensation takes place. Then, the movement in the forward/backward direction is assisted, and a simple vibration is generated.
  • the user's operation of the master device 10 is assisted by the friction compensation amount obtained by multiplying the average value (that is, the moving average value) of the forward/backward movement speed of the catheter in the past set section by the friction compensation coefficient.
  • the friction compensation amount obtained by multiplying the average value (that is, the moving average value) of the forward/backward movement speed of the catheter in the past set section by the friction compensation coefficient.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining the flow of compensation control processing executed by the control device 30a in the third modification. Note that steps S11, S12, S13, S14, and S15 are the same processes as the steps with the same names described with reference to FIG. 6, and redundant description will be omitted.
  • step S21 the friction compensator 353 calculates the current advance/retreat speed (current value) of the catheter in the slave device 20 based on the sensor information acquired by the sensor information acquisition unit 351 in step S11.
  • step S22 the friction compensator 353 stores the current advancing/retreating velocity (current value) of the catheter calculated in step S21 in the velocity buffer 372 in association with the time.
  • step S23 the friction compensator 353 calculates the average value (that is, the moving average value) of the advancing/retreating speed of the catheter in the past set section based on the data stored in the speed buffer 372 in step S22.
  • step S24 the friction compensation unit 353 multiplies the moving average value calculated in step S23 by the friction compensation coefficient set for friction compensation, thereby outputting the friction compensation coefficient to the user in the master device 10. Calculate quantity.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the relationship between the velocity of the catheter and the amount of friction compensation.
  • the waveforms shown in FIG. 10 indicate temporal changes in the normalized speed or friction compensation amount.
  • the compensation system 1 in Modification 3 calculates the friction compensation amount obtained by multiplying the average value (that is, the moving average value) of the advancing/retreating speed of the catheter in the past set section by the friction compensation coefficient. , is output as a force for assisting the user's operation on the master device 10 .
  • an assisting force is not applied to the velocity component that causes the catheter to vibrate, and an assisting force is applied to the velocity component that causes the catheter to move in one direction.
  • Modification 4 You may make it modify the above-mentioned modification 3 further.
  • a forgetting factor may be used when dynamically varying the predetermined amplification factor.
  • the friction compensation amount obtained by multiplying the average value (that is, the moving average value) of the advancing/retreating speed of the catheter in the past set section by the friction compensation coefficient is obtained by the user's operation on the master device 10. It is supposed to be output as a force for assisting.
  • this modification when calculating the average value (that is, the moving average value) of the advance/retreat speed of the catheter in the past set interval, the advance/retreat speed closer to the current time is given a higher weight.
  • the moving average value of the advancing/retreating speed having the forgetting characteristic is calculated.
  • Compensation system 1 in this modified example differs from compensation system 1 in modified example 3 in the content of processing in friction compensator 353 . Therefore, the processing contents of the friction compensator 353, which is a different part, will be mainly described below.
  • the friction compensator 353 calculates the current advance/retreat speed (current value) of the catheter in the slave device 20 based on the sensor information acquired by the sensor information acquirer 351 .
  • the friction compensator 353 also stores the calculated current advancing/retreating velocity (current value) of the catheter in the velocity buffer 372 in association with the time. Then, the friction compensator 353 calculates a weighted average value based on the forgetting factor (hereinafter referred to as “moving average value with forgetting factor”) for the advancing/retreating speed of the catheter in the past set section, and calculates By multiplying the moving average value with forgetting factor and the friction compensation coefficient set for friction compensation, the friction compensation amount (force for assisting the operation) output to the user in the master device 10 is calculated. do.
  • the moving average value of the advancing/retreating speed of the catheter in the past set section in Modification 3 is expressed by the following equation (5), for example.
  • the calculation can be performed by the following equation (6).
  • Equation (6) m is the number of data in the moving average interval
  • n is the data number of the current value
  • k is the number of data going back from the current value
  • T is the time constant
  • exp (-k / T ) indicates the forgetting factor.
  • T is the time constant
  • exp (-k / T ) indicates the forgetting factor.
  • T is the time constant
  • an appropriate value is determined by referring to experimental values or values obtained by simulation based on the behavior of the compensation system 1 when the friction compensation amount is calculated using a simple moving average. can decide.
  • Calculation of the moving average value with forgetting factor shown in Equation (6) corresponds to calculation of applying a first-order IIR low-pass filter to the waveform of the advancing/retreating velocity of the catheter.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the forgetting factor of the moving average with forgetting factor shown in Equation (6).
  • the forgetting factor used to calculate the moving average value with forgetting factor has a larger value at a time closer to the current time, and a smaller value at a past time farther from the current time.
  • the haptic transmission unit 354 performs control to compensate for the frictional force input to the slave device 20, as in the third modification, using the friction compensation amount calculated in this manner.
  • the compensation system 1 in Modification 4 calculates the moving average value with forgetting factor for the advancing/retreating speed of the catheter in the past set section, and sets the moving average value with forgetting factor and friction compensation.
  • a friction compensation amount to be output to the user in the master device 10 is calculated by multiplying by the calculated friction compensation coefficient. Then, the friction compensation amount calculated in this manner is output as a force for assisting the user's operation of the master device 10 .
  • an assisting force is not applied to the velocity component that causes the catheter to vibrate, and an assisting force is applied to the velocity component that causes the catheter to move in one direction.
  • the moving average value is calculated with less weight for the past data of the advancing/retreating speed of the catheter. The effect of compensating for is increased.
  • the static force generated is balanced with the elastic force of the catheter at a specific position, making it difficult for the stationary state to occur.
  • the oscillating component of the friction compensation amount calculated by multiplying the moving average value by the forgetting factor is reduced by the effect of the moving average, it is possible to further suppress the occurrence of vibration in the catheter. Therefore, the control for friction compensation executed in the compensation system 1 can be made more appropriate.
  • Modifications 4 and 5 described above may be further modified.
  • the friction compensation amount may be calculated in consideration of factors other than the advancing/retreating speed.
  • a force for friction compensation (a force for assisting operation) in the master device 10 is output with respect to the advancing/retreating speed of the catheter that is the slave device 20.
  • the friction compensator 353 calculates the component of gravity acting in the forward/backward direction of the catheter based on the tilt angle at which the slave device 20 is installed, and tilt compensation corresponding to the calculated component of gravity.
  • the force for tilt compensation is calculated (by multiplying the component of gravity by a coefficient, etc.), and the haptic transmission unit 354 can assist the force for tilt compensation in the master device 10 .
  • a negative assist is output in the same direction as the gravity component (that is, a force that prevents the gravity component from moving the catheter), and a positive force is output in the opposite direction to the gravity component.
  • assist (a force that suppresses the action of the gravity component that inhibits movement of the catheter) can be output.
  • the force in the thrust direction (advancing and retreating direction) of the catheter is transmitted between the master device 10 and the slave device 20 by haptic sensation, but the present invention is not limited to this.
  • haptic transmission may be performed between the master device 10 and the slave device 20 for rotation about a rotation axis along the advancing/retreating direction or for operating an end effector.
  • the case where the compensation system 1 remotely operates the catheter has been described as an example, but the present invention is not limited to this. That is, various devices can be targeted as devices remotely operated by the compensation system 1. For example, various devices having a linearly configured portion, such as forceps or an endoscope. and other medical devices.
  • the case where the actuators provided in the master device 10 and the actuators provided in the slave device 20 are associated one-to-one to transmit the haptic sensation has been described as an example.
  • a plurality of actuators of the master device 10 are associated with one actuator of the slave device 20 to transmit a haptic sensation
  • one actuator of the master device 10 is associated with a plurality of actuators of the slave device 20 to transmit haptic sensations. It is possible to communicate It is also possible to associate the plurality of actuators of the master device 10 with the plurality of actuators of the slave device 20 to transmit the haptic sensation.
  • the insertion actuator 203 and the detection actuator 204 of the slave device 20 shown in FIG. 3 can be associated with the insertion actuator 103 of the master device 10 to transmit the haptic sensation.
  • the compensation system 1 includes the master device 10 to which the operator's operation is input, and the slave device 20 that operates according to the operation input to the master device 10 .
  • the compensation system 1 also includes a haptic transmission unit 354 , a state determination unit 352 , and a friction compensation unit 353 .
  • the haptic transmission unit 354 controls haptic transmission between the master device 10 and the slave device 20 .
  • the state determination unit 352 determines the state of operation of the master device 10 by the operator.
  • the friction compensating unit 353 determines whether or not to perform friction compensation based on the determination result of the state determining unit 352. When it is determined to perform friction compensation, the haptic transmission by the haptic transmitting unit 354 is affected.
  • Friction compensation is performed for the friction that occurs.
  • the compensation system 1 determines whether or not to perform friction compensation based on the state of the operation of the master device 10 by the operator when performing friction compensation during transmission of the haptic sensation. That is, the frictional force is not always compensated, but is compensated at an appropriate timing corresponding to the state of operation. As a result, for example, it is possible to prevent the occurrence of a problem such as amplification of vibration unintentionally caused by the operator due to constant compensation of the frictional force. Therefore, according to the compensation system 1, it is possible to solve the problem of performing friction compensation in a more appropriate situation.
  • the state determination unit 352 determines whether or not the master device 10 is being held by the operator as a determination of the state of operation of the master device 10 by the operator.
  • the friction compensation unit 353 determines to perform friction compensation when the determination result by the state determination unit 352 indicates that the operator is holding the master device 10 .
  • the operator can be appropriately assisted by friction compensation.
  • the friction compensation is not performed, thereby preventing the operator from amplifying unintended vibrations. be able to.
  • the friction compensation unit 353 performs friction compensation by causing the haptic transmission unit 354 to amplify the force input to the slave device by a predetermined amplification factor and transmit the amplified force to the master device 10 . Thereby, friction compensation can be performed using a control algorithm for haptic transmission.
  • the state determination unit 352 determines the state of the operation of the master device 10 by the operator based on the variation in the pressure applied to the master device 10 . As a result, it is possible to accurately determine the state of the operation of the master device 10 by the operator based on the pressure that varies between gripping and non-gripping.
  • the state determination unit 352 determines the state of the operation of the master device 10 by the operator based on the temperature fluctuation of the master device 10 . As a result, it is possible to accurately determine the state of the operation of the master device 10 by the operator based on the temperature that fluctuates between when the device is gripped and when it is not gripped.
  • the state determination unit 352 analyzes the captured image regarding the operator's operation, and determines the state of the operator's operation on the master device 10 based on the analysis result. As a result, it is possible to accurately determine the operation state of the master device 10 by the operator without measuring the pressure or temperature applied to the master device 10 .
  • the control device 30 includes the haptic transmission section 354 , the state determination section 352 , and the friction compensation section 353 .
  • the haptic transmission unit 354 controls haptic transmission between the master device 10 to which the operator's operation is input and the slave device 20 that operates according to the operation input to the master device 10 .
  • the state determination unit 352 determines the state of operation of the master device 10 by the operator.
  • the friction compensating unit 353 determines whether or not to perform friction compensation based on the determination result of the state determining unit 352. When it is determined to perform friction compensation, the haptic transmission by the haptic transmitting unit 354 is affected. Friction compensation is performed for the friction that occurs. With such a configuration of the control device 30 as well, it is possible to solve the problem of performing friction compensation in a more appropriate situation, as with the compensation system 1 described above.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes modifications, improvements, and the like within the scope of achieving the object of the present invention.
  • the present invention can be realized as the compensation system 1 in the above-described embodiment, as well as a control device that controls the compensation system 1, a control method configured by each step executed in the compensation system 1, or a compensation system It can be implemented as a program executed by a processor to implement one function.
  • the configuration in which the control device 30 is implemented as an independent device has been described as an example. It can be implemented in one or distributed in both of them.
  • the processing in the above-described embodiments can be executed by either hardware or software. That is, it is sufficient that the compensation system 1 has a function capable of executing the above-described processing, and the functional configuration and hardware configuration for realizing this function are not limited to the above-described example.
  • a program that constitutes the software is installed in the computer from a network or a storage medium.
  • the storage medium that stores the program consists of a removable medium that is distributed separately from the device main body, or a storage medium that is pre-installed in the device main body.
  • Removable media are composed of, for example, a semiconductor memory, a magnetic disk, an optical disk, or a magneto-optical disk.
  • Optical discs are composed of, for example, CD-ROMs (Compact Disk-Read Only Memory), DVDs (Digital Versatile Disks), Blu-ray Discs (registered trademark), and the like.
  • the magneto-optical disk is composed of an MD (Mini-Disk) or the like.
  • the storage medium pre-installed in the device main body is composed of, for example, a ROM (Read Only Memory) storing programs, a hard disk, or a semiconductor memory.

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Abstract

【課題】より適切な状況で、摩擦補償を行う。 【解決手段】補償システム１は、操作者の操作が入力されるマスタ装置１０と、マスタ装置１０に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置２０と、を含む。また、補償システム１は、力触覚伝達部３５４と、状態判定部３５２と、摩擦補償部３５３と、を備える。力触覚伝達部３５４は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。状態判定部３５２は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を判定する。摩擦補償部３５３は、状態判定部３５２による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、力触覚伝達部３５４による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う。

Description

補償システム、補償装置、補償方法及びプログラム
　本発明は、補償システム、補償装置、補償方法及びプログラムに関する。
　従来、操作者の操作が入力されるマスタ装置と、マスタ装置に入力される操作に応じて動作するスレーブ装置とにおいて、スレーブ装置側の動作に応じた反力を、マスタ装置側に力触覚として伝達するというバイラテラル制御の技術が知られている。また、このようなバイラテラル制御を行う際に、摩擦力を補償する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５９－１１５１７２号公報
　上述したような摩擦力の補償を行うことで、操作者による操作を支援することができる。しかしながら、摩擦力の補償を常時行った場合に、不具合が生じる場合がある。例えば、摩擦力の補償を常時行ったことにより、操作者が意図せず生じた振動が増幅してしまうような場合がある。
　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。そして、本発明の課題は、より適切な状況で、摩擦補償を行うことである。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る補償システムは、
　操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置と、を含む補償システムであって、
　前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御手段と、
　前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する判定手段と、
　前記判定手段による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、前記制御手段による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う補償手段と、
　を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、より適切な状況で、摩擦補償を行うことが可能となる。
本発明の一実施形態に係る補償システム１の全体構成を示す模式図である。 制御装置３０で実行される力触覚伝達制御の基本的原理を示す模式図である。 補償システム１における制御系統のハードウェア構成を示すブロック図である。 制御装置３０を構成する情報処理装置のハードウェア構成を示す模式図である。 補償システム１により行われる補償制御処理の概要を示す模式図である。 補償システム１の機能的構成を示すブロック図である。 制御装置３０が実行する補償制御処理の流れを説明するフローチャートである。 変形例３における補償システム１の機能的構成を示すブロック図である。 変形例３における制御装置３０ａが実行する補償制御処理の流れを説明するフローチャートである。 カテーテルの速度と摩擦補償量との関係を示す模式図である。 式（６）に示す忘却係数付き移動平均値の忘却係数を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［構成］
　図１は、本発明の一実施形態に係る補償システム１の全体構成を示す模式図である。
　図１に示すように、本実施形態に係る補償システム１は、機械的に分離したマスタ装置１０とスレーブ装置２０とを含むマスタ・スレーブシステムとして構成される。一例として、本実施形態における補償システム１は、マスタ装置１０が操作者により操作されるマニピュレータを構成し、スレーブ装置２０が被検体に挿入されるエンドエフェクタを備えたカテーテルシステムを構成するものとする。
　図１において、補償システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、制御装置３０と、を含んで構成され、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０と、制御装置３０とは、ネットワーク４０を介して有線または無線通信可能に構成されている。なお、補償システム１は、ディスプレイＬと、複数のカメラＣとを適宜備えることが可能である。カメラＣとして、マスタ装置１０を操作する操作者の外観（例えば、マスタ装置１０に対する操作の状態）を撮影するビデオカメラ、スレーブ装置２０が挿入される被検体の外観（例えば、スレーブ装置２０の挿入状態）を撮影するビデオカメラ、あるいは、Ｘ線により被検体の内部（例えば、被検体の血管や臓器）を撮影するＸ線カメラ等の種々の撮影装置を用いることができる。また、複数のカメラＣによって撮影された各種画像や、制御装置３０から出力される各種情報を表示する複数のディスプレイＬを備えることもできる。
　マスタ装置１０は、機械的に構成された従来のカテーテルに対する操作と同様の操作を受け付け、入力された操作により移動する可動部（マニピュレータの可動部材等）の位置を検出する。マスタ装置１０は、検出した可動部の位置を表す情報を制御装置３０に送信する。また、マスタ装置１０は、入力される操作に対し、制御装置３０の指示に従って、アクチュエータにより反力を出力する。
　具体的には、マスタ装置１０は、カテーテルを進退させる操作（例えば、血管内に挿入していく操作または病変付近で力触覚を検知するために微動させる操作等）、カテーテルを軸回りに回転させる操作（例えば、エンドエフェクタの向きを変化させる操作等）、及び、エンドエフェクタを動作させる操作（例えば、エンドエフェクタがバルーンである場合、これを拡張、収縮させる操作、またエンドエフェクタが鉗子等の場合、これを開閉する操作等）を受け付け、これらの操作に対する反力を付与すると共に、それぞれの操作により移動される可動部の位置を表す情報を制御装置３０に送信する。
　スレーブ装置２０は、制御装置３０の指示に従って、アクチュエータを駆動することにより、マスタ装置１０に入力された操作に対応する動作を行い、動作により移動する可動部（アクチュエータの可動子あるいはアクチュエータによって移動されるカテーテル等）の位置を検出する。スレーブ装置２０が動作することにより、スレーブ装置２０に対して環境から各種外力が入力する。この結果、スレーブ装置２０における可動部の位置は、アクチュエータの出力に対して各種外力が作用した結果を示すものとなる。そして、スレーブ装置２０は、検出した可動部の位置を表す情報を制御装置３０に送信する。ここで、スレーブ装置２０に対して環境から入力する各種外力には、例えば、被検体に挿入されたカテーテルが血管から受けるスラスト方向の抵抗力と、カテーテル先端に配置されたガイドワイヤやエンドエフェクタ等が病変や臓器や血管に接触した場合の当接力が含まれる。
　ここで、スレーブ装置２０におけるスラスト方向の抵抗力が大きい場合、カテーテルに入力する他の外力（病変や器官に接触した場合の当接力等）を知覚し難くなる可能性がある。本実施形態においては、後述するように、所定の摩擦補償量を、マスタ装置１０における操作者の操作をアシストするための力として出力する。これにより、マスタ装置１０を操作する操作者の負荷を低減しつつ、スレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができる。すなわち、摩擦補償により、マスタ装置１０における操作者の操作をアシストすることができる。
　制御装置３０は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）あるいはサーバコンピュータ等の情報処理装置によって構成され、マスタ装置１０、スレーブ装置２０、ディスプレイＬ及びカメラＣを制御する。例えば、制御装置３０は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の可動部の位置（ロータリーエンコーダによって検出されるアクチュエータの回転角度あるいはリニアエンコーダによって検出される可動部の進退位置等）を取得し、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の間で力触覚を伝達するための制御を実行する。
　本実施形態における制御装置３０は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０とをマスタ・スレーブシステムとして動作させる際に、可動部の位置を表す情報（アクチュエータの可動子の位置あるいはアクチュエータによって移動される部材の位置等を表す情報）を基に算出した実空間のパラメータ（入力ベクトル）を、位置と力とを独立して取り扱うことが可能な仮想空間に座標変換（変換行列によって変換）する。すなわち、入力ベクトルが、位置と力とが互いに関連する斜交座標系の実空間から、位置と力とが互いに独立した直交座標系の仮想空間に座標変換される。座標変換によって算出されたパラメータは、仮想空間において、入力ベクトルに対応する位置及び力の状態値を表すものとなる。そして、制御装置３０は、座標変換後の仮想空間において、入力ベクトルから算出された位置及び力の状態値を、位置及び力の制御（ここでは力触覚の伝達）を行うための位置及び力それぞれの目標値に追従させる演算を行い、演算結果を実空間に戻すための逆変換（変換行列の逆行列による変換）を行う。さらに、制御装置３０は、逆変換によって取得された実空間のパラメータ（電流指令値等）に基づいて、各アクチュエータを駆動することにより、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚を伝達するマスタ・スレーブシステムを実現する。
　なお、位置と速度（または加速度）あるいは角度と角速度（または角加速度）は、微積分演算により置換可能なパラメータであるため、位置あるいは角度に関する処理を行う場合、適宜、速度あるいは角速度等に置換することが可能である。
　このような構成において、本実施形態における補償システム１は、上述のようにマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚を伝達するマスタ・スレーブシステムを実現すると共に、補償制御処理を行う。ここで、補償制御処理は、力触覚の伝達時に摩擦補償を行うに際し、適切な状況で摩擦補償を行うための制御を行う一連の処理である。
　具体的に、補償制御処理において、補償システム１は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。また、補償システム１は、状態判定部３５２は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を判定する。さらに、補償システム１は、状態判定部３５２による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、力触覚伝達部３５４による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う。
　このように、補償システム１は、力触覚の伝達時に摩擦補償を行うに際し、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定する。すなわち、摩擦力の補償を常時行うのではなく、操作の状態に対応した適切なタイミングで摩擦補償を行う。これにより、例えば、摩擦力の補償を常時行ったことにより、操作者が意図せず生じた振動が増幅してしまうような不具合の発生を防止することができる。
　従って、補償システム１によれば、より適切な状況で、摩擦補償を行う、という課題を解決することができる。
　図２は、制御装置３０で実行される力触覚伝達制御の基本的原理を示す模式図である。
　図２に示す基本的原理は、可動部の位置を表す情報（可動部の現在位置）を入力として、速度あるいは力の少なくとも一方の領域における演算を行うことにより、アクチュエータの動作を決定するものである。
　すなわち、本発明の基本的原理は、制御対象システムＳと、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴと、理想力源ブロックＦＣあるいは理想速度源ブロックＰＣの少なくとも１つと、逆変換ブロックＩＦＴとを含む制御則として表される。
　制御対象システムＳは、アクチュエータを備えるマスタ装置１０あるいはスレーブ装置２０であり、加速度等に基づいてアクチュエータの制御を行う。ここで、上述したように、加速度、速度及び位置は、微積分によって相互に換算可能な物理量であるため、加速度、速度及び位置のいずれを用いて制御することとしてもよい。ここでは、主として、位置から算出される速度を用いて制御則を表現するものとする。
　機能別力・速度割当変換ブロックＦＴは、制御対象システムＳの機能に応じて設定される速度及び力の領域への制御エネルギーの変換を定義するブロックである。具体的には、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴでは、制御対象システムＳの機能の基準となる値（基準値）と、可動部の現在位置とを入力とする座標変換が定義されている。この座標変換は、一般に、基準値及び現在速度を要素とする入力ベクトルを速度の制御目標値を算出するための速度からなる出力ベクトルに変換すると共に、基準値及び現在の力を要素とする入力ベクトルを力の制御目標値を算出するための力からなる出力ベクトルに変換するものである。具体的には、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおける座標変換は、次式（１）及び（２）のように一般化して表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ただし、式（１）において、ｘ’1～ｘ’n（ｎは１以上の整数）は速度の状態値を導出するための速度ベクトルであり、ｘ’a～ｘ’m（ｍは１以上の整数）は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく速度（アクチュエータの可動子の速度またはアクチュエータが移動させる部材の速度）を要素とするベクトル、ｈ1a～ｈnmは機能を表す変換行列の要素である。また、式（２）において、ｆ’’1～ｆ’’n（ｎは１以上の整数）は力の状態値を導出するための力ベクトルであり、ｆ’’a～ｆ’’m（ｍは１以上の整数）は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく力（アクチュエータの可動子の力またはアクチュエータが移動させる部材の力）を要素とするベクトルである。
　機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおける座標変換を、実現する機能に応じて設定することにより、各種動作を実現したり、スケーリングを行ったりすることができる。
　すなわち、本発明の基本的原理では、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおいて、アクチュエータ単体の変数（実空間上の変数）を、実現する機能を表現するシステム全体の変数群（仮想空間上の変数）に“変換”し、速度の制御エネルギーと力の制御エネルギーとに制御エネルギーを割り当てる。換言すると、本発明の基本的原理では、速度と力とが互いに関連する座標空間から、速度と力とが互いに独立した座標空間に変換した上で、速度及び力の制御に関する演算を行う。そのため、アクチュエータ単体の変数（実空間上の変数）のまま制御を行う場合と比較して、速度の制御エネルギーと力の制御エネルギーとを独立に与えることが可能となっている。
　理想力源ブロックＦＣは、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に従って、力の領域における演算を行うブロックである。理想力源ブロックＦＣにおいては、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の力に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、実現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。
　理想速度源ブロックＰＣは、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に従って、速度の領域における演算を行うブロックである。理想速度源ブロックＰＣにおいては、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の速度に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、実現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。
　逆変換ブロックＩＦＴは、速度及び力の領域の値を制御対象システムＳへの入力の領域の値（例えば電圧値または電流値等）に変換するブロックである。
　このような基本的原理により、制御対象システムＳのアクチュエータにおける位置の情報が機能別力・速度割当変換ブロックＦＴに入力されると、位置の情報に基づいて得られる速度及び力の情報を用いて、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおいて、機能に応じた位置及び力の領域それぞれの制御則が適用される。そして、理想力源ブロックＦＣにおいて、機能に応じた力の演算が行われ、理想速度源ブロックＰＣにおいて、機能に応じた速度の演算が行われ、力及び速度それぞれに制御エネルギーが分配される。
　理想力源ブロックＦＣ及び理想速度源ブロックＰＣにおける演算結果は、制御対象システムＳの制御目標を示す情報となり、これらの演算結果が逆変換ブロックＩＦＴにおいてアクチュエータの入力値とされて、制御対象システムＳに入力される。
　その結果、制御対象システムＳのアクチュエータは、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された機能に従う動作を実行し、目的とする装置の動作が実現される。
　また、スケーリング（力あるいは位置の増幅や縮小）を伴う力触覚伝達機能が実現される場合、図２における機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおける座標変換は、次式（３）及び（４）として表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ただし、式（３）において、ｘ’pは速度の状態値を導出するための速度、ｘ’fは力の状態値に関する速度である。また、ｘ’mは基準値（マスタ装置１０からの入力）の速度（マスタ装置１０の現在位置の微分値）、ｘ’sはスレーブ装置２０の現在の速度（現在位置の微分値）である。また、式（４）において、ｆpは速度の状態値に関する力、ｆfは力の状態値を導出するための力である。また、ｆmは基準値（マスタ装置１０からの入力）の力、ｆsはスレーブ装置２０の現在の力である。
　式（３）及び式（４）に示す座標変換とした場合、スレーブ装置２０の位置がα倍（αは正数）、スレーブ装置２０の力がβ倍（βは正数）されて、マスタ装置１０に伝達されることとなる。そして、例えば、α＝１、且つ、β＝１とすることにより、力触覚が増幅（すなわち、拡大）や減衰（すなわち、縮小）することなく伝達される。一方で、例えば、このαの値及びβの値を目的に応じて設定することにより、伝達される力触覚を増幅（すなわち、拡大）したり、減衰（すなわち、縮小）したりするというスケーリングを実現することが可能となる。
　このようなスケーリングを伴う力・触覚伝達機能によって、例えば、補償制御処理を実行する際に、操作者からマスタ装置１０に対して入力された力を増幅してスレーブ装置２０に伝達する等の方法で、摩擦補償を実現することが可能となる。
［ハードウェア構成］
　次に、補償システム１における制御系統のハードウェア構成について説明する。
　図３は、補償システム１における制御系統のハードウェア構成を示すブロック図である。
　図３に示すように、補償システム１は、制御系統のハードウェア構成として、ＰＣあるいはサーバコンピュータ等の情報処理装置によって構成される制御装置３０と、マスタ装置１０の制御ユニット１０１と、通信ユニット１０２と、挿入用アクチュエータ１０３と、検知用アクチュエータ１０４と、回転用アクチュエータ１０５と、操作用アクチュエータ１０６と、リニアエンコーダ１０７，１０８と、ロータリーエンコーダ１０９，１１０と、ドライバ１１１～１１４と、スレーブ装置２０の制御ユニット２０１と、通信ユニット２０２と、挿入用アクチュエータ２０３と、検知用アクチュエータ２０４と、回転用アクチュエータ２０５と、操作用アクチュエータ２０６と、リニアエンコーダ２０７，２０８と、ロータリーエンコーダ２０９，２１０と、ドライバ２１１～２１４と、ディスプレイＬと、カメラＣと、を備えている。
　マスタ装置１０の制御ユニット１０１は、プロセッサ及びメモリ等を備えるマイクロコンピュータによって構成され、マスタ装置１０の動作を制御する。例えば、制御ユニット１０１は、制御装置３０から送信される制御パラメータに従って、マスタ装置１０の挿入用アクチュエータ１０３、検知用アクチュエータ１０４、回転用アクチュエータ１０５及び操作用アクチュエータ１０６の駆動を制御する。
　通信ユニット１０２は、ネットワーク４０を介してマスタ装置１０が他の装置との間で行う通信を制御する。
　挿入用アクチュエータ１０３は、例えば直動型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力する、カテーテルを血管内に挿入していくために進退させる操作に対して、反力を付与する。
　検知用アクチュエータ１０４は、例えばボイスコイルモータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力する、カテーテルを病変付近で処置のために進退させる操作に対して、反力を付与する。
　本実施形態においては、挿入用アクチュエータ１０３の方が検知用アクチュエータ１０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ１０４の方が挿入用アクチュエータ１０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。
　回転用アクチュエータ１０５は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０を進退方向に沿う回転軸周りに回転させる操作に対して、反力を付与する。
　操作用アクチュエータ１０６は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がエンドエフェクタを動作させるためのレバー（把持部）等に入力した操作に対して、反力を付与する。
　リニアエンコーダ１０７は、挿入用アクチュエータ１０３の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
　リニアエンコーダ１０８は、検知用アクチュエータ１０４の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
　ロータリーエンコーダ１０９は、回転用アクチュエータ１０５の可動子の位置（回転角度）を検出する。
　ロータリーエンコーダ１１０は、操作用アクチュエータ１０６の可動子の位置（回転角度）を検出する。
　ドライバ１１１は、制御ユニット１０１の指示に従って、挿入用アクチュエータ１０３に駆動電流を出力する。
　ドライバ１１２は、制御ユニット１０１の指示に従って、検知用アクチュエータ１０４に駆動電流を出力する。
　ドライバ１１３は、制御ユニット１０１の指示に従って、回転用アクチュエータ１０５に駆動電流を出力する。
　ドライバ１１４は、制御ユニット１０１の指示に従って、操作用アクチュエータ１０６に駆動電流を出力する。
　判定用センサ１１５は、制御装置３０が摩擦補償を行うか否かを判定するための物理量を測定する。本実施形態において、判定用センサ１１５は、マスタ装置１０の操作者が、操作のためにマスタ装置１０を把持しているか否かを判定するための圧力センサにより構成される。そして、判定用センサ１１５は、カテーテルであるマスタ装置１０を操作する際に、操作者により把持される操作部に配置される共に、把持時と非把持時とで変動する圧力を感圧素子により計測して、電気信号に変換する。また、判定用センサ１１５は、変換後の電気信号を、マスタ装置１０の操作部に加えられる圧力の変動を示す情報として制御装置３０に送信する。
　この場合に、判定用センサ１１５が配置される操作部の構造や、判定用センサ１１５の操作部における配置位置は特に限定されない。また、判定用センサ１１５の構造や、圧力の測定原理についても特に限定されない。ただし、操作者によるマスタ装置１０への操作（ここでは、カテーテルを血管内に挿入していくために進退させる操作や、エンドエフェクタを動作させる操作）を阻害しない構造や配置位置等にすることが好ましい。
　スレーブ装置２０の制御ユニット２０１は、プロセッサ及びメモリ等を備えるマイクロコンピュータによって構成され、スレーブ装置２０の動作を制御する。例えば、制御ユニット２０１は、制御装置３０から送信される制御パラメータに従って、スレーブ装置２０の挿入用アクチュエータ２０３、検知用アクチュエータ２０４、回転用アクチュエータ２０５及び操作用アクチュエータ２０６の駆動を制御する。
　通信ユニット２０２は、ネットワーク４０を介してスレーブ装置２０が他の装置との間で行う通信を制御する。
　挿入用アクチュエータ２０３は、例えば直動型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した、カテーテルを血管内に挿入していくために進退させる操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退させる。
　検知用アクチュエータ２０４は、例えばボイスコイルモータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した、カテーテルを病変付近で処置のために進退させる操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退させる。
　本実施形態においては、挿入用アクチュエータ２０３の方が検知用アクチュエータ２０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ２０４の方が挿入用アクチュエータ２０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。
　回転用アクチュエータ２０５は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退方向に沿う回転軸周りに回転させる。
　操作用アクチュエータ２０６は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した操作に応じて、エンドエフェクタを動作（拡張、収縮動作や開閉動作等）させる。
　リニアエンコーダ２０７は、挿入用アクチュエータ２０３の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
　リニアエンコーダ２０８は、検知用アクチュエータ２０４の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
　ロータリーエンコーダ２０９は、回転用アクチュエータ２０５の可動子の位置（回転角度）を検出する。
　ロータリーエンコーダ２１０は、操作用アクチュエータ２０６の可動子の位置（回転角度）を検出する。
　ドライバ２１１は、制御ユニット２０１の指示に従って、挿入用アクチュエータ２０３に駆動電流を出力する。
　ドライバ２１２は、制御ユニット２０１の指示に従って、検知用アクチュエータ２０４に駆動電流を出力する。
　ドライバ２１３は、制御ユニット２０１の指示に従って、回転用アクチュエータ２０５に駆動電流を出力する。
　ドライバ２１４は、制御ユニット２０１の指示に従って、操作用アクチュエータ２０６に駆動電流を出力する。
　ディスプレイＬは、マスタ装置１０の操作者が画面を視認できる場所に設置され、制御装置３０によって表示を指示された画像（カメラＣによって撮影された操作者の可視光画像や、被検体の可視光画像あるいはＸ線画像等）や、制御装置３０によって表示を指示された情報を表示する。
　カメラＣは、スレーブ装置２０がカテーテルを挿入する被検体を撮影可能な場所に設置され、被検体の画像（可視光画像あるいはＸ線画像等）を撮影し、撮影した画像を制御装置３０に送信する。
　図４は、制御装置３０を構成する情報処理装置のハードウェア構成を示す模式図である。
　図４に示すように、制御装置３０は、プロセッサ３１１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）３１２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）３１３と、バス３１４と、入力部３１５と、出力部３１６と、記憶部３１７と、通信部３１８と、ドライブ３１９と、を備えている。
　プロセッサ３１１は、ＲＯＭ３１２に記録されているプログラム、または、記憶部３１７からＲＡＭ３１３にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。
　ＲＡＭ３１３には、プロセッサ３１１が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。
　プロセッサ３１１、ＲＯＭ３１２及びＲＡＭ３１３は、バス３１４を介して相互に接続されている。バス３１４には、入力部３１５、出力部３１６、記憶部３１７、通信部３１８及びドライブ３１９が接続されている。
　入力部３１５は、各種ボタン等で構成され、指示操作に応じて各種情報を入力する。
　出力部３１６は、ディスプレイやスピーカ等で構成され、画像や音声を出力する。
　なお、制御装置３０がスマートフォンやタブレット端末として構成される場合には、入力部３１５と出力部３１６のディスプレイとを重ねて配置し、タッチパネルを構成することとしてもよい。
　記憶部３１７は、ハードディスクあるいはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成され、各サーバで管理される各種データを記憶する。
　通信部３１８は、ネットワークを介して制御装置３０が他の装置との間で行う通信を制御する。
　ドライブ３１９には、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、あるいは半導体メモリ等よりなる、リムーバブルメディア３３１が適宜装着される。ドライブ３１９によってリムーバブルメディア３３１から読み出されたプログラムは、必要に応じて記憶部３１７にインストールされる。
［制御補償処理の概要］
　次に、補償システム１により行われる補償制御処理の概要について説明する。
　図５は、補償システム１により行われる補償制御処理の概要を示す模式図である。
　まず図５（Ａ）は、操作者が操作を行っておらず、マスタ装置１０の操作部を把持していない状態（非把持時）に関するものである。非把持時において、マスタ装置１０は操作者により支えられていない。そのため、模式的に図示するように、マスタ装置１０に加えられる外力の影響に起因する振動が生じやすい。すなわち、非把持時は、把持時と比較して、相対的に操作者の意図しない振動が生じやすい。また、振動が生じた場合に、この振動の減衰要因がスレーブ装置２０に対して被検体等から加えられる摩擦のみであるため、模式的に図示するように、振動が減衰しにくい。
　一方で、図５（Ｂ）は、操作者が操作を行うためにマスタ装置１０の操作部を把持している状態（把持時）に関するものである。把持時において、マスタ装置１０は操作者により支えられている。そのため、模式的に図示するように、マスタ装置１０に加えられる外力の影響に起因する振動が生じにくいやすい。すなわち、把持時は、非把持時と比較して、相対的に操作者の意図しない振動が生じにくい。また、振動が生じた場合に、この振動の減衰要因として、スレーブ装置２０に対して被検体等から加えられる摩擦のみならず、操作者の把持による把持抵抗があるため、模式的に図示するように、振動が減衰しやすい。
　そこで、補償システム１は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態の判定として、操作者によりマスタ装置１０が把持されている状態であるか否か判定する。そして、補償システム１は、判定結果が、操作者によりマスタ装置１０が把持されている状態であるとの判定結果である場合に、摩擦補償を行うと決定する。
　これにより、操作者が操作を行うためにマスタ装置１０が把持されており、振動の発生しにくい状況の場合に、摩擦補償により適切に操作者をアシストすることができる。一方で、マスタ装置１０が把持されていないという操作者へのアシストが不要な場合には、摩擦補償を行わないことにより、操作者が意図せず生じた振動を増幅してしまうことを防止することができる。
　以上が補償制御処理の概要である。
［機能的構成］
　次に、補償システム１の機能的構成について説明する。
　図６は、補償システム１の機能的構成を示すブロック図である。
　図６に示すように、補償システム１では、制御装置３０が各種処理を実行することにより、プロセッサ３１１において、センサ情報取得部３５１と、状態判定部３５２と、摩擦補償部３５３と、力触覚伝達部３５４と、が機能する。また、記憶部１７には、制御パラメータ記憶部３７１が形成される。
　制御パラメータ記憶部３７１は、制御装置３０がマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚を伝達する制御において取得された制御パラメータを時系列に記憶する。本実施形態において、制御パラメータとして記憶される情報は、力触覚の伝達制御で取得される種々のパラメータとすることが可能であり、力触覚の伝達制御が再現可能な各種情報含むことができる。例えば、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０において取得されるセンサ情報、これらのセンサ情報を座標変換した状態値、各アクチュエータへの電流指令値あるいは力触覚の伝達制御のために制御装置３０に設定される各種設定値等を制御パラメータとして記憶することができる。
　センサ情報取得部３５１は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に設置された各種センサによって検出されたセンサ情報を取得する。例えば、センサ情報取得部３５１は、リニアエンコーダ１０７，１０８，２０７，２０８及びロータリーエンコーダ１０９，１１０，２０９，２１０によって検出された各アクチュエータの可動子の位置（進退位置または回転角度）を示す情報を取得する。また、センサ情報取得部３５１は、判定用センサ１１５によって測定された、マスタ装置１０の操作部に加えられる圧力の変動を示す情報を取得する。
　そして、センサ情報取得部３５１は、これらの取得したセンサ情報を時系列のデータとして、制御パラメータ記憶部３７１に記憶する。
　状態判定部３５２は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態として、操作者によりマスタ装置１０の操作部が把持されている状態であるか否か判定する。状態判定部３５２は、判定用センサ１１５によって測定された、マスタ装置１０の操作部に加えられる圧力の変動を示す情報に基づいて、マスタ装置１０の操作部に対して加えられる圧力の変動を検出する。そして、状態判定部３５２は、変動する圧力が所定の基準を満たした場合に、操作者によりマスタ装置１０の操作部が把持されている状態であると判定する。一方で、変動する圧力が所定の基準を満たしていない場合に、操作者によりマスタ装置１０の操作部が把持されていない状態であると判定する。
　ここで、この所定の基準は、例えば、変動した圧力の瞬時値がマスタ装置１０の構造等に基づいて設定された閾値を超えたことや、閾値を超えた状態が所定時間以上継続したこととすることができる。
　そして、状態判定部３５２は、この判定結果を摩擦補償部３５３に対して出力する。
　摩擦補償部３５３は、状態判定部３５２の判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、スレーブ装置２０に入力する力を所定の増幅率で増幅してマスタ装置１０に伝達する制御を後述の力触覚伝達部３５４に行わせることで摩擦補償を行う。例えば、摩擦補償部３５３は、状態判定部３５２による判定結果が、操作者によりマスタ装置１０が把持されている状態であるとの判定結果である場合に、摩擦補償を行うと決定する。
　まず、摩擦補償を行うと決定した場合、摩擦補償部３５３は、マスタ装置１０において操作者に対して出力する摩擦補償量（操作をアシストするための力）を算出する。例えば、摩擦補償部３５３は、スレーブ装置２０において検出される力と、予め設定された所定の増幅率（１より大きい任意の値）とを乗算することで摩擦補償量を算出する。そして、摩擦補償部３５３は、算出した摩擦補償量を力触覚伝達部３５４に対して出力する。この場合、所定の増幅率は、例えば、過去に被検体または被検体を模した生体モデルに対してカテーテルを挿入した際の、実測値、統計値またはシミュレーションにより得られる推定値等に基づいて設定することができる。また、この所定の増幅率は、固定された値であってもよいが、可変する値であってもよい。例えば、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０を実現するデバイスの種類や、操作者の操作により実現する施術の種類や、操作者による設定指示や、スレーブ装置２０の被検体への挿入状態等に基づいて、適切な値に可変されてもよい。
　一方で、摩擦補償を行わないと決定した場合、摩擦補償部３５３は、摩擦補償量を算出することなく、スレーブ装置２０において検出された力そのものを力触覚伝達部３５４に対して出力する。
　力触覚伝達部３５４は、図２に示す制御アルゴリズム及び摩擦補償部３５３からの入力に従って、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。なお、図２に示す制御アルゴリズムの説明として上述したように、力触覚伝達部３５４は、スレーブ装置２０に入力した外力をマスタ装置１０に拡大して伝達する場合、スレーブ装置２０において検出された力を増幅（すなわち、拡大）してマスタ装置１０に伝達することができる。
　まず、摩擦補償部３５３から摩擦補償量が入力された場合（すなわち、摩擦補償を行う場合）、力触覚伝達部３５４は、摩擦補償部３５３によって算出された摩擦補償量で、スレーブ装置２０に入力する摩擦力を補償する制御を行う。すなわち、力触覚伝達部３５４は、所定の増幅率に基づいて算出された（すなわち、増幅された）摩擦補償量を、マスタ装置１０における操作者の操作をアシストするための力としてマスタ装置１０に伝達することにより摩擦補償を実現する。
　一方で、摩擦補償部３５３から、スレーブ装置２０において検出される力そのものが入力された場合（すなわち、摩擦補償を行わない場合）、スレーブ装置２０において検出された力を、マスタ装置１０に伝達する。すなわち、力が増幅（すなわち、拡大）や減衰（すなわち、縮小）することなく伝達される。
［動作］
　次に、補償システム１の動作を説明する。
［補償制御処理］
　図７は、制御装置３０が実行する補償制御処理の流れを説明するフローチャートである。
　補償制御処理は、操作者からの入力部３１５を介した補償制御処理の実行指示操作や、通信部３１８を介した外部装置（例えば、マスタ装置１０）からの通信による補償制御処理の実行指示がなされることに対応して開始される。本実施形態において、補償制御処理を開始する場合、スレーブ装置２０の動作を補助する補助者が手動により、または、マスタ装置１０からの遠隔的な操作により、カテーテルの先端が所定距離だけ被検体に挿入された状態（例えば、１～１０［ｃｍ］程度挿入された状態）において開始するものとする。これにより、挿入初期の外力の変化が大きい状態において、制御装置３０の制御が不安定化することを抑制できる。
　ステップＳ１１において、センサ情報取得部３５１は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に設置された各種センサによって検出された情報（センサ情報）を取得する。ステップＳ１１において取得されたセンサ情報は、時系列のデータとして制御パラメータ記憶部３７１に記憶される。
　ステップＳ１２において、力触覚伝達部３５４は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態として、操作者によりマスタ装置１０の操作部が把持されている状態であるか否か判定する。
　ステップＳ１３において、摩擦補償部３５３は、状態判定部３５２の判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定する。摩擦補償を行うと決定した場合は、ステップＳ１３においてＹｅｓと判定され、処理はステップＳ１４に進む。一方で、摩擦補償を行わないと決定した場合は、ステップＳ１３においてＮｏと判定され、処理はステップＳ１６に進む。
　ステップＳ１４において、摩擦補償部３５３は、マスタ装置１０において操作者に対して出力する摩擦補償量（操作をアシストするための力）を算出する。
　ステップＳ１５において、力触覚伝達部３５４は、ステップＳ１４にて算出された摩擦補償量に基づいた摩擦補償をしながら、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。
　ステップＳ１６において、ステップＳ１６において、力触覚伝達部３５４は、摩擦補償をせずに、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。
　ステップＳ１７において、力触覚伝達部３５４は、補償制御処理の終了が指示されたか否かの判定を行う。補償制御処理の終了が指示された場合は、ステップＳ１７においてＹｅｓと判定され、補償制御処理は終了する。一方で、補償制御処理の終了が指示されていない場合は、ステップＳ１７においてＮｏと判定され、処理はステップＳ１１に戻り繰り返される。
　以上説明した補償制御処理によれば、補償システム１は、力触覚の伝達時に摩擦補償を行うに際し、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定する。すなわち、摩擦力の補償を常時行うのではなく、操作の状態に対応した適切なタイミングで摩擦補償を行う。これにより、例えば、摩擦力の補償を常時行ったことにより、操作者が意図せず生じた振動が増幅してしまうような不具合の発生を防止することができる。
　従って、補償システム１によれば、より適切な状況で、摩擦補償を行う、という課題を解決することができる。
［変形例１］
　上述の実施形態において、判定用センサ１１５は、マスタ装置１０の操作者が、操作のためにマスタ装置１０を把持しているか否かを判定するための圧力センサにより構成されるものとして説明した。これに限らず、他のセンサにより判定用センサ１１５を構成するようにしてもよい。例えば、圧力センサに代えて、温度センサによって判定用センサ１１５を構成するようにしてもよい。
　そして、判定用センサ１１５は、カテーテルであるマスタ装置１０を操作する際に、操作者により把持される操作部に配置される共に、把持時と非把持時とで変動する温度を計測して、電気信号に変換する。また、判定用センサ１１５は、変換後の電気信号を、マスタ装置１０の操作部に加えられる温度の変動を示す情報として制御装置３０に送信する。
　この場合に、判定用センサ１１５が配置される操作部の構造や、判定用センサ１１５の操作部における配置位置は特に限定されない。また、判定用センサ１１５の構造や、温度の測定原理についても特に限定されない。さらに、判定用センサ１１５は接触式のものであってもよいし、非接触式のものであってもよい。また、判定用センサ１１５を非接触式の温度センサとする場合、判定用センサ１１５は必ずしも操作部に配置される必要はなく、操作部近傍の非接触で操作者の温度を測定できる位置に配置されてもよい。
　ただし、操作者によるマスタ装置１０への操作（ここでは、カテーテルを血管内に挿入していくために進退させる操作や、エンドエフェクタを動作させる操作）を阻害しない構造や配置位置等にすることが好ましい。
　また、上述の実施形態では、状態判定部３５２は、変動する圧力が所定の基準を満たした場合に、操作者によりマスタ装置１０の操作部が把持されている状態であると判定した。これに対して、本変形例では、状態判定部３５２は、変動する温度が所定の基準を満たした場合に、操作者によりマスタ装置１０の操作部が把持されている状態であると判定する。この所定の基準は、変動した温度の瞬時値が、人体の手の温度に近い閾値（すなわち、絶対値）の温度を超えたことや、この閾値を超えた状態が所定時間以上継続したこととすることができる。なお、温度は室温の影響も受けるので、例えば、計測開始時の温度（すなわち、室温に近い温度）から、所定値以上の温度を閾値（すなわち、相対値）としてもよい。
　本変形例によれば、補償システム１に含まれるマスタ装置１０の形状等の実装条件にて圧力センサが不適当な場合等に、圧力センサに代えて温度センサを利用することが可能となる。
［変形例２］
　上述の実施形態や第１の変形例において、判定用センサ１１５を圧力センサや温度センサで構成し、この判定用センサ１１５の測定した圧力や温度に基づいて、マスタ装置１０の操作者が、操作のためにマスタ装置１０を把持しているか否かを判定していた。これに限らず、判定用センサ１１５の測定した情報ではなく、例えば、画像の解析結果に基づいて、マスタ装置１０の操作者が、操作のためにマスタ装置１０を把持しているか否かを判定してもよい。なお、本変形例２を実現する場合、マスタ装置１０において判定用センサ１１５を省略した構成とすることも可能である。
　上述したように、補償システム１は、複数のカメラＣを適宜備えることが可能である。そこで、例えば、カメラＣとして、マスタ装置１０を操作する操作者の外観（例えば、マスタ装置１０に対する操作の状態）を撮影するビデオカメラを備える。この場合、状態判定部３５２は、このカメラＣにより撮影された画像を、既存の画像解析の手法により解析する。そして、その解析結果に基づいて、マスタ装置１０の操作者が、操作のためにマスタ装置１０を把持しているか否かを判定する。
　あるいは、カメラＣとして、Ｘ線により被検体の内部（例えば、被検体の血管や臓器）を撮影するＸ線カメラを備える。この場合、状態判定部３５２は、このカメラＣにより撮影された画像を、既存の異常検出アルゴリズムの手法により解析する。例えば、異常検出アルゴリズムにより、マスタ装置１０の操作者が、操作のためにマスタ装置１０を把持している場合を正常とし、非把持の場合を異常として検出する。この解析結果に基づいて、マスタ装置１０の操作者が、操作のためにマスタ装置１０を把持しているか否かを判定する。
　なお、何れの場合にも、例えば、機械学習の手法を組み合わせ、予め学習を行うことにより、画像解析の精度を高くするようにしてもよい。
［変形例３］
　上述の実施形態では、摩擦補償部３５３は、摩擦補償を行うと決定した場合には、スレーブ装置２０に入力する力を所定の増幅率で増幅してマスタ装置１０に伝達する制御を後述の力触覚伝達部３５４に行わせることで摩擦補償を行っていた。これに限らず、所定の増幅率を動的に変動するようにしてもよい。
　図８は、本変形例３における補償システム１の機能的構成を示すブロック図である。
　図８に示すように、本変形例における制御装置３０（以下では、「制御装置３０ａ」と称すると共に、図面においても「制御装置３０ａ」として示す。）では、上述した実施形態の制御装置３０と比較して、さらに記憶部１７に、速度バッファ３７２が形成される。また、摩擦補償部３５３における処理内容が異なる。
　なお、速度バッファ３７２及び摩擦補償部３５３以外の他の機能的構成（すなわち、機能ブロック）については、図６を参照して説明した機能的構成と同じであるので、重複する説明を省略する。
　速度バッファ３７２は、過去の設定された区間（例えば、過去５秒）において、摩擦補償部３５３によって算出されたカテーテルの進退速度のデータを記憶する。速度バッファ３７２に記憶されるカテーテルの進退速度のデータは、摩擦補償部３５３が新たにカテーテルの進退速度を算出する毎に、最新のデータに逐次更新される。
　摩擦補償部３５３は、センサ情報取得部３５１によって取得されたセンサ情報（ここでは、リニアエンコーダ１０７，１０８，２０７，２０８及びロータリーエンコーダ１０９，１１０，２０９，２１０によって検出された各アクチュエータの可動子の位置（進退位置または回転角度）を示す情報）に基づいて、スレーブ装置２０におけるカテーテルの現在の進退速度（現在値）を算出する。また、摩擦補償部３５３は、算出したカテーテルの現在の進退速度（現在値）を時刻と対応付けて、速度バッファ３７２に記憶する。そして、摩擦補償部３５３は、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度の平均値（すなわち、移動平均値）を算出し、算出した移動平均値と摩擦補償のために設定された摩擦補償係数とを乗算することにより、マスタ装置１０においてユーザに対して出力する摩擦補償量（操作をアシストするための力）を算出する。なお、移動平均値として、ここでは、単純移動平均値を用いることとする。
　ここで、カテーテルは弾性を有するものであるため、例えば、操作者が不意に接触する等の一過性のノイズでスレーブ装置２０に外力が入力すると、入力に対してカテーテルの弾性力が作用し、カテーテルが押し返されることになる。
　このとき、単純に摩擦補償を行った場合、カテーテルの動作が増幅されることになり、単振動が発生することとなる。
　また、スレーブ装置２０に外力が入力していない場合であっても、センサによって進退方向に微小な速度が検出されることがあり、単純な摩擦補償を行った場合、この微小な速度に対して摩擦補償が行われる。すると、進退方向の動作がアシストされ、単振動が発生することとなる。
　これに対し、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度の平均値（すなわち、移動平均値）に対して摩擦補償係数が乗算された摩擦補償量を、マスタ装置１０におけるユーザの操作をアシストするための力として出力することで、カテーテルが振動する速度成分に対しては、アシストする力が付与されないと共に、カテーテルが一方向に移動する速度成分に対しては、アシストする力が付与されることとなる。
　この結果、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができると共に、操作をアシストするための力によって、カテーテルに単振動が発生する事態を抑制することができる。
　したがって、補償システム１において実行される摩擦補償のための制御をより適切なものとすることができる。
　図９は、本変形例３における制御装置３０ａが実行する補償制御処理の流れを説明するフローチャートである。
　なお、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、及びステップＳ１５においては、図６を参照して説明した、同名のステップと同じ処理であるので、重複する説明を省略する。
　ステップＳ２１において、摩擦補償部３５３は、ステップＳ１１にてセンサ情報取得部３５１によって取得されたセンサ情報に基づいて、スレーブ装置２０におけるカテーテルの現在の進退速度（現在値）を算出する。
　ステップＳ２２において、摩擦補償部３５３は、ステップＳ２１にて算出したカテーテルの現在の進退速度（現在値）を時刻と対応付けて、速度バッファ３７２に記憶する。
　ステップＳ２３において、摩擦補償部３５３は、ステップＳ２２にて速度バッファ３７２に記憶したデータに基づいて、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度の平均値（すなわち、移動平均値）を算出する。
　ステップＳ２４において、摩擦補償部３５３は、ステップＳ２３にて算出した移動平均値と摩擦補償のために設定された摩擦補償係数とを乗算することにより、マスタ装置１０においてユーザに対して出力する摩擦補償量を算出する。
　図１０は、カテーテルの速度と摩擦補償量との関係を示す模式図である。
　図１０においては、（ａ）カテーテルの振動が発生している場合の速度の原波形、（ｂ）カテーテルの振動が発生している場合の速度の移動平均値（原波形の１０［Ｈｚ］以上を打ち消した波形）、（ｃ）速度の原波形から算出した摩擦補償量、（ｄ）速度の移動平均値から算出した摩擦補償量が示されている。なお、図１０に示す波形は、正規化された速度または摩擦補償量の時間変化を示している。
　図１０（ｃ）に示すように、カテーテルの振動が発生している場合の速度の原波形から単純に摩擦補償量を算出すると、カテーテルの振動を維持あるいは増大させる作用が働き、振動が長時間維持されることになる。
　一方、図１０（ｄ）に示すように、カテーテルの振動が発生している場合の速度の移動平均値から摩擦補償量を算出すると、カテーテルの振動を維持あるいは増大させる作用が低減されていることがわかる。
　以上のように、本変形例３における補償システム１は、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度の平均値（すなわち、移動平均値）に対して摩擦補償係数が乗算された摩擦補償量を、マスタ装置１０におけるユーザの操作をアシストするための力として出力する。この結果、カテーテルが振動する速度成分に対しては、アシストする力が付与されないと共に、カテーテルが一方向に移動する速度成分に対しては、アシストする力が付与されることとなる。
　これにより、スレーブ装置２０に入力する摩擦力を補償する場合に、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができると共に、操作をアシストするための力によって、カテーテルに単振動が発生する事態を抑制することができる。
　したがって、補償システムにおいて実行される摩擦補償のための制御をより適切なものとすることができる。
［変形例４］
　上述の変形例３をさらに変形するようにしてもよい。例えば、所定の増幅率を動的に変動するに際して、忘却係数を用いるようにしてもよい。変形例３においては、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度の平均値（すなわち、移動平均値）に対して摩擦補償係数が乗算された摩擦補償量を、マスタ装置１０におけるユーザの操作をアシストするための力として出力するものとした。
　これに対し、本変形例においては、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度の平均値（すなわち、移動平均値）を算出する際に、現在時刻に近い時刻の進退速度ほど、高い重みを設定した忘却係数を乗算することで、忘却特性を有する進退速度の移動平均値を算出する。
　これにより、スレーブ装置２０における外力の状態に変化が生じた場合に、その変化をより速やかに反映させて、摩擦補償を行うことが可能となる。
　本変形例における補償システム１は、変形例３における補償システム１に対し、摩擦補償部３５３における処理内容が異なっている。
　したがって、以下、異なる部分である摩擦補償部３５３における処理内容を主として説明する。
　摩擦補償部３５３は、センサ情報取得部３５１によって取得されたセンサ情報に基づいて、スレーブ装置２０におけるカテーテルの現在の進退速度（現在値）を算出する。また、摩擦補償部３５３は、算出したカテーテルの現在の進退速度（現在値）を時刻と対応付けて、速度バッファ３７２に記憶する。そして、摩擦補償部３５３は、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度に対し、忘却係数に基づく重みづけ平均値（以下、「忘却係数付き移動平均値」と称する。）を算出し、算出した忘却係数付き移動平均値と摩擦補償のために設定された摩擦補償係数とを乗算することにより、マスタ装置１０においてユーザに対して出力する摩擦補償量（操作をアシストするための力）を算出する。
　なお、変形例３における過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度の移動平均値は、例えば、次式（５）で表される。
　これに対し、本変形例において、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度に対し、忘却係数付き移動平均値を算出する場合、次式（６）によって算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、式（５）及び（６）において、ｍは移動平均区間のデータ数、ｎは現在値のデータ番号、ｋは現在値から遡るデータの数、Ｔは時定数、ｅｘｐ（－ｋ／Ｔ）は忘却係数を示している。時定数Ｔは、例えば、単純移動平均を用いて摩擦補償量を算出した場合の補償システム１の挙動等を基に、実験値あるいはシミュレーションにより得られた値等を参照して、適切な値を決定することができる。
　式（６）に示す忘却係数付き移動平均値の算出は、カテーテルの進退速度の波形に一次ＩＩＲローパスフィルタを適用する演算に相当する。
　図１１は、式（６）に示す忘却係数付き移動平均値の忘却係数を示す模式図である。
　図１１に示すように、忘却係数付き移動平均値を算出する際に用いられる忘却係数は、現在時刻に近い時刻ほど大きい値となり、現在時刻から離れた過去の時刻ほど小さい値となる。
　力触覚伝達部３５４は、このように算出された摩擦補償量を用いて、変形例３と同様に、スレーブ装置２０に入力する摩擦力を補償する制御を行う。
　以上のように、本変形例４における補償システム１は、過去の設定された区間におけるカテーテルの進退速度に対する忘却係数付き移動平均値を算出し、忘却係数付き移動平均値と摩擦補償のために設定された摩擦補償係数とを乗算することにより、マスタ装置１０においてユーザに対して出力する摩擦補償量を算出する。そして、このように算出した摩擦補償量を、マスタ装置１０におけるユーザの操作をアシストするための力として出力する。この結果、カテーテルが振動する速度成分に対しては、アシストする力が付与されないと共に、カテーテルが一方向に移動する速度成分に対しては、アシストする力が付与されることとなる。さらに、忘却係数付き移動平均値の特性により、カテーテルの進退速度のデータのうち、過去のものほど重みを小さくして移動平均値が算出されるため、現在のカテーテルの進退速度に対応する摩擦力を補償する作用が高くなる。
　これにより、スレーブ装置２０に入力する摩擦力を補償する場合に、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができると共に、操作をアシストするための力によって、カテーテルに単振動が発生する事態を抑制することができる。また、一過性のノイズでスレーブ装置２０に外力が入力した場合であっても、その外力に起因したカテーテルの進退をアシストする力と、カテーテルの弾性力とが釣り合うことにより、カテーテルが振動の途中で一時的に静止した状態となること等を抑制することができる。すなわち、移動平均値に忘却係数を乗じることで、摩擦補償量が一定とならない（忘却係数の作用により常時変化する）ため、移動平均区間において、一過性のノイズに基づく外力が入力することで生じる定常的な力と、特定位置でのカテーテルの弾性力とが釣り合うことで静止する状態が発生し難くなる。また、移動平均値に忘却係数を乗じることで算出された摩擦補償量の振動する成分は、移動平均の効果により低減されるため、カテーテルに振動が発生する事態をさらに抑制することができる。
　したがって、補償システム１において実行される摩擦補償のための制御をより適切なものとすることができる。
［変形例５］
　上述の変形例４や変形例５をさらに変形するようにしてもよい。例えば、進退速度以外の要素を加味して、摩擦補償量を算出するようにしてもよい。上述の変形例４や変形例５において、スレーブ装置２０であるカテーテルの進退速度に対して、マスタ装置１０における摩擦補償のための力（操作をアシストするための力）を出力するものとして説明した。
　これに対し、カテーテルの進退速度以外の要素を加味して、摩擦補償のための力を出力することができる。
　例えば、スレーブ装置２０が設置されている角度によって、進退動作に対して定常的に重力の影響が生じるため、重力に対して、マスタ装置１０における操作をアシストするための力（傾斜補償のための力）を出力することができる。
　この場合、例えば、摩擦補償部３５３が、スレーブ装置２０が設置されている傾斜角度を基に、カテーテルの進退方向において作用する重力の成分を算出すると共に、算出した重力の成分に対応する傾斜補償のための力を算出（重力の成分に係数を乗じる等）し、力触覚伝達部３５４が、マスタ装置１０において、傾斜補償のための力をアシストすることができる。このとき、カテーテルの進退方向において、重力の成分と同方向にはマイナスのアシスト（すなわち、重力の成分がカテーテルを移動させる作用を妨げる力）を出力すると共に、重力の成分と逆方向にはプラスのアシスト（重力の成分がカテーテルの移動を阻害する作用を抑制する力）を出力することができる。
　これにより、スレーブ装置２０に入力する重力の影響を補償し、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置２０の状態変化（実際の負荷の大きさ等）を知覚させ易くすることができる。
　したがって、補償システム１において実行される摩擦補償のための制御をより適切なものとすることができる。
［他の変形例］
　上述の実施形態において、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で、カテーテルのスラスト方向（進退方向）の力を力触覚伝達するものとして説明したが、これに限られない。例えば、進退方向に沿う回転軸周りの回転、あるいは、エンドエフェクタの操作に関する力をマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚伝達してもよい。さらに、例えば、上述の実施形態において、補償システム１によってカテーテルを遠隔的に操作する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。すなわち、補償システム１によって遠隔的に操作される機器として、種々のものを対象とすることが可能であり、例えば、線状に構成された部分を有する各種機器、一例として、鉗子あるいは内視鏡等の医療機器を対象とすることができる。
　また、上述の実施形態において、マスタ装置１０に備えられたアクチュエータと、スレーブ装置２０に備えられたアクチュエータとを１対１に対応付けて、力触覚の伝達を行う場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。すなわち、マスタ装置１０の複数のアクチュエータをスレーブ装置２０の１つのアクチュエータと対応付けて力触覚の伝達を行ったり、マスタ装置１０の１つのアクチュエータをスレーブ装置２０の複数のアクチュエータと対応付けて力触覚の伝達を行ったりすることが可能である。また、マスタ装置１０の複数のアクチュエータをスレーブ装置２０の複数のアクチュエータと対応付けて力触覚の伝達を行うことも可能である。一例として、図３に示すスレーブ装置２０の挿入用アクチュエータ２０３及び検知用アクチュエータ２０４を、マスタ装置１０の挿入用アクチュエータ１０３を対応付けて力触覚の伝達を行うことが可能である。この場合、マスタ装置１０の検知用アクチュエータ１０４を備える必要がなくなり、コストの削減及び装置の軽量化等を実現することができる。
　［構成例］
　以上のように、本実施形態に係る補償システム１は、操作者の操作が入力されるマスタ装置１０と、マスタ装置１０に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置２０と、を含む。また、補償システム１は、力触覚伝達部３５４と、状態判定部３５２と、摩擦補償部３５３と、を備える。
　力触覚伝達部３５４は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。
　状態判定部３５２は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を判定する。
　摩擦補償部３５３は、状態判定部３５２による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、力触覚伝達部３５４による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う。
　このように、補償システム１は、力触覚の伝達時に摩擦補償を行うに際し、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定する。すなわち、摩擦力の補償を常時行うのではなく、操作の状態に対応した適切なタイミングで摩擦補償を行う。これにより、例えば、摩擦力の補償を常時行ったことにより、操作者が意図せず生じた振動が増幅してしまうような不具合の発生を防止することができる。
　従って、補償システム１によれば、より適切な状況で、摩擦補償を行う、という課題を解決することができる。
　状態判定部３５２は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態の判定として、操作者によりマスタ装置１０が把持されている状態であるか否か判定する。
　摩擦補償部３５３は、状態判定部３５２による判定結果が、操作者によりマスタ装置１０が把持されている状態であるとの判定結果である場合に、摩擦補償を行うと決定する。
　これにより、操作者が操作を行うためにマスタ装置１０が把持されており、振動の発生しにくい状況の場合に、摩擦補償により適切に操作者をアシストすることができる。一方で、マスタ装置１０が把持されていないという操作者へのアシストが不要な場合には、摩擦補償を行わないことにより、操作者が意図せず生じた振動を増幅してしまうことを防止することができる。
　摩擦補償部３５３は、スレーブ装置に入力する力を所定の増幅率で増幅してマスタ装置１０に伝達する制御を力触覚伝達部３５４に行わせることで摩擦補償を行う。
　これにより、力触覚の伝達のための制御アルゴリズムを利用して、摩擦補償を行うことができる。
　状態判定部３５２は、マスタ装置１０に対して加えられる圧力の変動に基づいて、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を判定する。
　これにより、把持時と非把持時とで変動する圧力に基づいて、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を精度高く判定することができる。
　状態判定部３５２は、マスタ装置１０の温度の変動に基づいて、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を判定する。
　これにより、把持時と非把持時とで変動する温度に基づいて、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を精度高く判定することができる。
　状態判定部３５２は、操作者の操作に関する撮影画像を解析すると共に、該解析の結果に基づいて、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を判定する。
　これにより、マスタ装置１０に加えられる圧力や温度を測定することなく、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を精度高く判定することができる。
　以上のように、本実施形態に係る制御装置３０は、力触覚伝達部３５４と、状態判定部３５２と、摩擦補償部３５３と、を備える。
　力触覚伝達部３５４は、操作者の操作が入力されるマスタ装置１０と、マスタ装置１０に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置２０とにおける力触覚の伝達を制御する。
　状態判定部３５２は、操作者によるマスタ装置１０に対する操作の状態を判定する。
　摩擦補償部３５３は、状態判定部３５２による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、力触覚伝達部３５４による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う。
　このような制御装置３０の構成によっても、上述の補償システム１と同様に、より適切な状況で、摩擦補償を行う、という課題を解決することができる。
　なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
　例えば、本発明は、上述の実施形態における補償システム１として実現することの他、補償システム１を制御する制御装置、補償システム１において実行される各ステップによって構成される制御方法、あるいは、補償システム１の機能を実現するためにプロセッサによって実行されるプログラムとして実現することができる。
　また、上述の実施形態では、制御装置３０を独立した装置として実現する構成を例に挙げて説明したが、制御装置３０の機能をマスタ装置１０の制御ユニット１０１及びスレーブ装置２０の制御ユニット２０１の一方に実装したり、これらの両方に分散して実装したりすることができる。
　また、上述の実施形態における処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
　すなわち、上述の処理を実行できる機能が補償システム１に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
　上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
　プログラムを記憶する記憶媒体は、装置本体とは別に配布されるリムーバブルメディア、あるいは、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体等で構成される。リムーバブルメディアは、例えば、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、または光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ－Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ），Ｂｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ（登録商標）等により構成される。光磁気ディスクは、ＭＤ（Ｍｉｎｉ－Ｄｉｓｋ）等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体は、例えば、プログラムが記憶されているＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）やハードディスク、あるいは、半導体メモリ等で構成される。
　なお、上記実施形態は、本発明を適用した一例を示しており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。すなわち、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができ、上記実施形態以外の各種実施形態を取ることが可能である。本発明が取ることができる各種実施形態及びその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１　補償システム、１０　マスタ装置、２０　スレーブ装置、３０　制御装置、４０　ネットワーク、Ｌ　ディスプレイ、Ｃ　カメラ、ＦＴ　機能別力・速度割当変換ブロック、ＦＣ　理想力源ブロック、ＰＣ　理想速度（位置）源ブロック、ＩＦＴ　逆変換ブロック、Ｓ　制御対象システム、１０１，２０１　制御ユニット、１０２，２０２　通信ユニット、１０３，２０３　挿入用アクチュエータ、１０４，２０４　検知用アクチュエータ、１０５，２０５　回転用アクチュエータ、１０６，２０６　操作用アクチュエータ、１０７，１０８，２０７，２０８　リニアエンコーダ、１０９，１１０，２０９，２１０　ロータリーエンコーダ、１１１～１１４，２１１～２１４　ドライバ、１１５　判定用センサ，３１１　プロセッサ、３１２　ＲＯＭ、３１３　ＲＡＭ、３１４　バス、３１５　入力部、３１６　出力部、３１７　記憶部、３１８　通信部、３１９　ドライブ、３３１　リムーバブルメディア、３５１　センサ情報取得部、３５２　状態判定部、３５３　摩擦補償部、３５４　力触覚伝達部、３７１　制御パラメータ記憶部、３７２　速度バッファ

Claims (9)

  1. 　操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置と、を含む補償システムであって、
    　前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御手段と、
    　前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する判定手段と、
    　前記判定手段による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、前記制御手段による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う補償手段と、
    　を備えることを特徴とする補償システム。
  2. 　前記判定手段は、前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態の判定として、前記操作者により前記マスタ装置が把持されている状態であるか否か判定し、
    　前記補償手段は、前記判定手段による判定結果が、前記操作者により前記マスタ装置が把持されている状態であるとの判定結果である場合に、前記摩擦補償を行うと決定する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の補償システム。
  3. 　前記補償手段は、前記前記スレーブ装置に入力する力を所定の増幅率で増幅して前記マスタ装置に伝達する制御を前記制御手段に行わせることで前記摩擦補償を行う、
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の補償システム。
  4. 　前記判定手段は、前記マスタ装置に対して加えられる圧力の変動に基づいて、前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する、
    　ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の補償システム。
  5. 　前記判定手段は、前記マスタ装置の温度の変動に基づいて、前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する、
    　ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の補償システム。
  6. 　前記判定手段は、前記操作者の操作に関する撮影画像を解析すると共に、該解析の結果に基づいて、前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する、
    　ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の補償システム。
  7. 　操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置とにおける力触覚の伝達を制御する制御手段と、
    　前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する判定手段と、
    　前記判定手段による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、前記制御手段による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う補償手段と、
    　を備えることを特徴とする補償装置。
  8. 　操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置と、を含むシステムで実行される補償方法であって、
    　前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御ステップと、
    　前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する判定ステップと、
    　前記判定ステップによる判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、前記制御ステップによる力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う補償ステップと、
    　を備えることを特徴とする補償方法。
  9. 　操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置とにおける力触覚の伝達を制御する制御機能と、
    　前記操作者による前記マスタ装置に対する操作の状態を判定する判定機能と、
    　前記判定機能による判定結果に基づいて摩擦補償を行うか否かを決定し、摩擦補償を行うと決定した場合には、前記制御機能による力触覚の伝達に影響する摩擦に対して摩擦補償を行う補償機能と、
    　をコンピュータに実現させることを特徴とするプログラム。
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