CN106063090A

CN106063090A - 传动装置及机器人手臂装置

Info

Publication number: CN106063090A
Application number: CN201580011276.2A
Authority: CN
Inventors: 小久保亘; 笠井荣良; 神川康久; 黑田容平; 坪井利充; 福岛哲治; 松田康宏; 宫本敦史
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: US9966816B2; JPWO2015133291A1; CN106063090B; WO2015133291A1; US20180241283A1; EP3109980A4; US20160365771A1; JP6496937B2; EP3109980A1; US10505428B2

Abstract

【目的】为了精确地检测旋转角度且也为了更加安全地驱动。【解决方法】本发明提供了一种传动装置(300)，该传动装置(300)包括：减速齿轮(320)，该减速齿轮(320)通过一定减速比降低接合至电机(360)的旋转轴的输入轴的旋转速度，并将降低的旋转速度发送给输出轴(350)；第一绝对角度编码器(330)，该第一绝对角度编码器(330)检测输入轴的旋转角度；和第二绝对角度编码器(340)，该第二绝对角度编码器(340)检测输出轴的旋转角度。

Description

传动装置及机器人手臂装置

技术领域

本公开涉及一种传动装置及一种机器人手臂装置。

背景技术

旋转编码器(以下也简称为编码器)被广泛地用作传感器设备，用于检测旋转从动构件的旋转角度，诸如汽车动力转向装置或机器人装置的关节单元。在使用编码器的旋转角度检测中，已经提出各种技术以进一步提高检测精度。

例如，专利文献1公开了一种技术，该技术通过具有不同减速比的减速齿轮将主旋转轴的旋转转换为两个检测轴的旋转，利用相应编码器来检测各检测轴的旋转角度，并基于检测到的旋转角度之间的差来计算主旋转轴的绝对角度，从而精确地检测主旋转轴的旋转角度。又如，专利文献2公开了一种技术，该技术被配置为使得相对角度编码器设置在接合至电机的旋转轴的减速齿轮的输入轴上，绝对角度编码器设置在减速齿轮的输出轴上。利用这种配置，预先获取关于可能在相对角度编码器的检测值与绝对角度编码器的检测值之间产生的误差的关系，且关于误差的这种关系被用来校正绝对角度编码器的检测结果。

引文列表

专利文献

专利文献1：JP 2007-78552A

专利文献2：JP 2008-148412A

发明内容

技术问题

然而，利用专利文献1中所述的技术，必须相对于电机提供两个减速齿轮，且将相应编码器设置在各减速齿轮的输出轴上。因此，有可能造成配置更加笨重。此外，利用专利文献2中所述的技术，假定相对角度编码器的检测值为可靠值，关于上述误差的关系被获取作为绝对角度编码器的检测值相对于相对角度编码器的检测值的误差。因此，如果相对角度编码器的检测精度低，那么电机的旋转角度的最终检测结果的精度也不会提高，因此，对于确保高检测精度，这种配置不一定适合。

此外，在诸如例如医用机器人装置和上述动力转向装置的设备中，这些设备的驱动需要高安全性。在以上专利文献1和专利文献2中所述的技术中，这种安全性认识未得到充分研究。因此，本公开提出一种能够精确地检测旋转角度且还更安全地驱动的新型且改良的传动装置及机器人手臂装置。

技术方案

根据本公开，提供了一种传动装置，该传动装置包括：减速齿轮，该减速齿轮通过一定减速比降低接合至电机的旋转轴的输入轴的旋转速度，并将降低的旋转速度发送给输出轴；第一绝对角度编码器，该第一绝对角度编码器检测输入轴的旋转角度；和第二绝对角度编码器，该第二绝对角度编码器检测输出轴的旋转角度。

根据本公开，提供了一种机器人手臂装置，该机器人手臂装置包括：手臂单元，由通过一个或多个关节单元接合的多个连杆组成；和驱动控制单元，该驱动控制单元基于关节单元的状态来控制设置在关节单元中的至少一个关节单元中的传动装置的驱动。传动装置包括减速齿轮，该减速齿轮通过一定减速比降低接合至电机的旋转轴的输入轴的旋转速度，并将降低的旋转速度发送给输出轴；第一绝对角度编码器，该第一绝对角度编码器检测输入轴的旋转角度；和第二绝对角度编码器，该第二绝对角度编码器检测输出轴的旋转角度。

根据本公开，绝对角度编码器设置在输入轴和输出轴两者上，减速齿轮置于输入轴和输出轴之间。通过间置减速齿轮，可以高分辨率地检测输出轴的旋转角度。此外，因为一通电就可检测旋转角度，所以可以防止用户意想不到的作为初始化操作的一部分的运动。

本发明的有益效果如下：

根据本公开如上所述，可以精确地检测旋转角度且还可以更加安全地驱动。请注意，上述效果不一定受到限制，且与上述效果一起或代替上述效果，可呈现在本说明书中期望引入的任何效果或从本说明书可以料想到的其他效果。

附图说明

图1为分解立体图，示出了根据本实施例的传动装置的整体配置；

图2为示意图，示出了根据本实施例的编码器的一个示范性配置；

图3为说明图，用于说明通过根据本实施例的编码器的角度检测原理；

图4为功能方块图，示出了根据本实施例的旋转角度检测***的示意性配置；

图5为说明图，用于说明在对输入轴的误差作出说明时计算输入轴的累积操作角度的处理，这在根据本实施例的旋转角度检测方法中进行；

图6为流程图，示出了根据本实施例的旋转角度检测方法的处理过程的实例；

图7为说明图，用于说明将根据本公开的实施例的机器人手臂装置用于医疗目的的应用实例；

图8为示意图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂装置的外观；

图9A为示意图，示出了适用于根据本实施例的传动装置的扭矩传感器的一个示范性配置；

图9B为示意图，示出了适用于根据本实施例的传动装置的扭矩传感器的另一个示范性配置；

图10为说明图，用于说明根据本公开的实施例的理想关节控制；

图11为功能方块图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂控制***的示例性配置；

图12为说明图，用于说明枢转移动，该枢转移动为根据本公开的实施例的手臂移动的具体实例；

图13为说明图，用于说明用于实现图12所示的枢转移动的运动目的和约束条件；

图14为示意图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂装置的变形例的外观，该变形例具有冗余自由度；

图15为流程图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂控制方法的处理过程；

图16为功能方块图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂装置和控制设备的硬件配置的示例性配置。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的优选实施例。在本说明书和附图中，具有基本相同的功能和结构的元件以相同附图标记进行表示，并省略重复说明。

以下将按照下列顺序进行说明。

1.传动装置的配置

1-1.整体配置

1-2.编码器的配置

2.旋转角度检测***的配置

3.旋转角度检测方法的处理过程

4.故障检测

5.医用机器人手臂装置的应用

6.应用实例

6-1.医疗机器人手臂装置的审查

6-2.本公开的实施例

6-2-1.机器人手臂装置的外观

6-2-2.广义逆动力学

6-2-2-1.虚拟力计算处理

6-2-2-1.实际力计算处理

6-2-3.理想关节控制

6-2-4.机器人手臂控制***的配置

6-2-5.运动目的的具体实例

6-3.机器人手臂控制方法的处理过程

6-4.硬件配置

6-5.医疗机器人手臂装置的总结

7.补充说明

<1.传动装置的配置>

首先，将说明根据本公开的实施例的传动装置的配置。下文中，首先，将在(1-1.整体配置)中说明根据本实施例的传动装置的整体配置。接着，将在(1-2.编码器的配置)中说明单板式安装在根据本实施例的传动装置上的绝对角度编码器的一个示范性配置。请注意，下文通过以根据本公开的传动装置适用于机器人手臂的关节单元的情况为例来说明本公开的实施例。然而，根据本公开的传动装置可适用的目标并不限于这种实例，且传动装置还可适宜地适用于从安全性角度需要精确角度检测的设备，诸如在手术中使用的机动手术器械、汽车动力转向装置及安装在游乐园中的机动游乐场设施等。此外，根据本公开的传动装置还可适用于从可操作性角度需要精确角度检测的设备，诸如例如在游戏或模仿汽车方向盘的模拟中使用的控制器。

(1-1.整体配置)

首先，将参考图1说明根据本实施例的传动装置的整体配置。图1为分解立体图，示出了根据本实施例的传动装置的整体配置。

参考图1，根据本实施例的传动装置300配备有电机310、减速齿轮320、两个旋转编码器330和340(编码器330和340)、输出轴350和壳体360。在传动装置300中，电机310的旋转轴的旋转通过减速齿轮320以一定减速比进行减速，并经由输出轴350发送给其他下游构件。因此，驱动其他构件。此外，编码器330和340分别检测电机310的旋转轴的旋转角度和输出轴350的旋转轴的旋转角度。

本文中，因为电机310的旋转角度也是在减速齿轮320的输入轴处的旋转角度，所以在以下说明中，电机310的旋转角度和旋转速度也被分别称为输入轴的旋转角度和旋转速度。此外，在输出轴350上的旋转轴的旋转角度和旋转速度也被称为输出轴的旋转角度和旋转速度。本实施例通过将绝对角度编码器设置在输入轴和输出轴两者上，减速齿轮320置于输入轴和输出轴之间，精确地检测输出轴的旋转角度且还满足安全所需要的多种必备条件。

电机310为驱动机构，当给予某个控制值(电流值)时，该驱动机构使旋转轴以与控制值对应的旋转速度旋转，从而产生驱动力。在本实施例中，无刷电机被用作电机310。通常，电机需要根据内部设置的转子的旋转来切换流过线圈的电流的方向，从而改变磁场的方向。在无刷电机中，这种电流方向切换不是使用刷子以机械方式进行，而是使用诸如半导体开关的部件代替刷子以电气方式进行。

减速齿轮320接合至电机310的输出轴。减速齿轮320通过一定减速比降低接合电机310的旋转轴的旋转速度(换言之，输入轴的旋转速度)，并发送给输出轴350。在本实施例中，减速齿轮320的配置并不限于具体配置，多种已知类型的减速齿轮可被用作减速齿轮320。然而，对于减速齿轮320，优选使用能够精确地设定减速比的减速齿轮，诸如例如Harmonic Drive(注册商标)。减速齿轮320的具体配置可根据传动装置300的配置进行适当地设计，使得期望旋转速度和扭矩被发送给连接在输出轴350的下游的构件。

编码器330检测输入轴的旋转角度(即，电机310的旋转角度)。在本实施例中，编码器330为绝对角度编码器，且能够检测输入轴的绝对角度位置。下文中，编码器330也被称为输入轴编码器330或绝对角度编码器330。编码器330的具体配置在以下(1-2.编码器的配置)中进行说明，为此，就此省略详细说明。然而，在本实施例中，编码器330为绝对角度编码器，这已足够，且配置并不限于下文在(1-2.编码器的配置)中所述的配置，而是任意的。

本文中，因为电机310如上所述为无刷电机，所以电流方向的切换需要传感器，该传感器检测转子的旋转(例如，用于电机驱动的霍尔效应传感器)。因为转子的旋转对应于输入轴的旋转，所以在本实施例中，设置在输入轴上的编码器330能够实现这种用于电机驱动的霍尔效应传感器的附加功能。以此方式，在本实施例中，电机310可基于通过编码器330检测到的输入轴的旋转角度而进行驱动，且也可不设置用于电机驱动的霍尔效应传感器。因此，因为可以减少部件，所以可以实现更加紧凑且成本更低的传动装置300。

此外，通过将编码器330设置在输入轴上，在减速齿轮320的间置减速比的范围内可以精确地检测输出轴的旋转角度。例如，如果减速比为1:100，那么当检测到输入轴的旋转角度从0(度)到360(度)时，输出轴的旋转角度在0(度)到3.6(度)的范围内。换言之，检测输入轴的旋转角度对应于检测输出轴的旋转角度按等于减速比的比率进行放大。因此，通过基于通过编码器330的输入轴的旋转角度的检测值来检测输出轴的旋转角度，可高分辨率地检测输出轴的旋转角度。请注意，以此方式基于输入轴的旋转角度的检测值来检测输出轴的旋转角度的具体方法在以下<2.旋转角度检测***的配置>中进行详细说明。

编码器340检测输出轴的旋转角度。在本实施例中，编码器340为绝对角度编码器，且能够检测输出轴的绝对角度位置。下文中，编码器340也被称为输出轴编码器340或绝对角度编码器340。请注意，编码器340可具有与编码器330相似的配置。例如，在以下(1-2.编码器的配置)中所述的配置可适宜地用作编码器340。然而，本实施例并不限于这种实例。编码器340为绝对角度编码器，这已足够，且配置是任意的。

壳体360具有近似圆柱形形状，其中相应部件容纳在内部。通过容纳在壳体360内部，相应部件被组装为传动装置，该传动装置伴随旋转从动构件驱动各零件，诸如在以下<6.应用实例>中所述的机器人手臂装置的关节单元。

上文以此方式参考图1说明了根据本实施例的传动装置300的整体配置。请注意，除了所示配置元件，传动装置300还可具有其他配置元件。例如，传动装置300还可具有可包括在典型传动装置中的任何类型的构件，诸如驱动器电路(驱动器集成电路(IC))，通过给电机310提供电流来引起电机310旋转驱动，或扭矩传感器，该扭矩传感器检测在输出轴350中的扭矩(换言之，传动装置300的输出扭矩(生成扭矩))。

(1-2.编码器的配置)

接着，将参考图2和图3说明编码器330和340的一个示范性配置。图2为示意图，示出了根据本实施例的编码器330和340的一个示范性配置。图3为说明图，用于说明通过根据本实施例的编码器330和340的角度检测原理。

如图2所示，各编码器330和340为通过将两极已经磁化的磁体331与两个霍尔效应传感器332和333进行组合而实现的磁性编码器。磁体331为近似环形，且给定极性，使得环形的一端为N极，另一端为S极。霍尔效应传感器332和333分别设置在磁体331的周边相对于绕磁体331的环形的中心轴旋转90(度)的位置处。

磁体331被连接为使得环形的中心轴作为旋转轴，以便与待检测旋转轴(在本实施例中，输入轴或输出轴)一起旋转。磁体331的旋转使通过霍尔效应传感器332和333检测到的磁场周期性变化。

图3中，磁体331的旋转角度θ(即，待检测旋转轴的旋转角度θ)被取为横轴，霍尔效应传感器332和333的输出被取为纵轴，并以图表画出两者之间的关系。本文中，因为霍尔效应传感器332和333设置在磁体331的周边旋转90(度)的位置处，所以霍尔效应传感器332和333的输出产生相移90(度)的波形，如图3所示。换言之，正弦曲线(sinθ)通过一个霍尔效应传感器332而获取，而余弦曲线(cosθ)通过另一个霍尔效应传感器333而获取。因此，旋转角度θ可通过下列数学公式1由霍尔效应传感器332和333的输出进行计算。

【数学公式1】

θ = \arctan (\frac{\sin θ}{\cos θ}) ...... (1)

例如，倘若霍尔效应传感器332的归一化输出为1(这对应于sinθ＝1)，且霍尔效应传感器333的归一化输出为0(这对应于cosθ＝0)，以上数学公式1给出θ＝arctan(1/0)≈∞≈90(度)。

以此方式，在各编码器330和340中，磁体331的旋转角度(即，待检测旋转轴的旋转角度)可在0(度)到360(度)的范围内根据两个霍尔效应传感器332和333的输出唯一地进行判定。因此，即使在电源被切断并重新启动的瞬间，通过检测启动时霍尔效应传感器332和333的输出，也可以立即检测旋转轴的旋转角度。

上文以此方式参考图2和图3说明了编码器330和340的一个示范性配置。然而，在本实施例中，编码器330和340的配置并不限于这种实例，各种类型的编码器可以适用，只要编码器为绝对角度编码器。然而，如图2所示包括磁体331和霍尔效应传感器332和333的绝对角度编码器具有相对简单的配置，因此可被小型化，且从成本角度也是优越的。因此，通过使用具有例如图2所示的配置的绝对角度编码器作为编码器330和340，传动装置300可被配置为更加紧凑且更加便宜。然而，另一方面，已经知道具有例如图2所示的配置的绝对角度编码器具有不是很高的角度检测精度。在本实施例中，如上所述，通过将编码器330和340设置在输入轴和输出轴两者上，并基于通过编码器330的输入轴的旋转角度的检测值来检测输出轴的旋转角度，即使在使用廉价绝对角度编码器(如例如图2所示的绝对角度编码器)的情况下，也可以精确地检测输出轴的旋转角度。

<2.旋转角度检测***的配置>

接着，将参考图4说明根据本实施例的旋转角度检测***的示意性配置。图4为功能方块图，示出了根据本实施例的旋转角度检测***的示意性配置。在本实施例中，利用例如图4所示的配置，可精确地检测输出轴的旋转角度。

参考图4，根据本实施例的旋转角度检测***3配备有传动装置300和控制单元370，该控制单元370基于传动装置300的编码器330和340的检测值来执行某个处理。控制单元370由多种类型处理器中的任何一个处理器组成，诸如例如中央处理单元(CPU)，并且由于控制单元370根据某个程序操作，可执行某个处理。在本实施例中，控制单元370能够基于通过编码器330的输入轴的旋转角度的检测值来计算输出轴的旋转角度。请注意，控制单元370还可执行其他处理，诸如例如下文在<4.故障检测>中所述的传动装置300的故障检测处理。控制单元370可与传动装置300一体化，或作为与传动装置300分开的构件而设置并基于从传动装置300发送的多种信息进行各种处理。

图4中，为了说明起见，示意性示出了传动装置300的配置的一部分。因为图中所示的输入轴编码器330、无刷电机310、减速齿轮320和输出轴编码器340对应于图1所示的编码器330、电机310、减速齿轮320和编码器340，所以就此将省略详细说明。

在功能上，控制单元370包括输出轴角度信息获取单元371、电机旋转累积旋转计数计算单元372、输入轴角度信息获取单元373、输入轴累积操作角度计算单元374和输出轴角度计算单元375。请注意，为了更容易理解，例如，控制单元370的以下说明采用具体数值。具体地，控制单元370的功能针对例如减速齿轮320的减速比为1:100，输入轴编码器330的检测值为181(度)以及输出轴编码器340的检测值为19.6(度)的情况而进行说明。然而，这些数值仅仅作为示例，在本实施例中，即使在减速齿轮320的减速比以及各编码器330和340的检测值为其他值的情况下，输出轴的旋转角度也可根据类似方法进行计算。

此外，以下说明假设根据本实施例的传动装置300适用于设置在例如机器人手臂装置的手臂单元中的关节单元的情况，并假定传动装置300的输出轴在0(度)到360(度)的范围内旋转。在机器人手臂装置的手臂单元的驱动中，关节单元转过360(度)(即，大于一整个旋转)被认为是不可能的，因此这种假定不是问题。因此，输出轴编码器340的检测值不是在输出轴作出大于一整个旋转的状态下检测角度θ(即，在超过360(度)之后已经复位为0(度)的角度)，而是可以说是在输出轴的旋转累积旋转计数小于一整个旋转的状态下表示输出轴的角度。

输出轴角度信息获取单元371从输出轴编码器340获取关于输出轴的旋转角度的信息(输出轴角度信息)。输出轴角度信息可为关于通过输出轴编码器340检测到的输出轴的旋转角度的检测值的信息。例如，输出轴角度信息获取单元371获取表示输出轴编码器340的检测值为19.6(度)的信息作为输出轴角度信息。输出轴角度信息获取单元371将获取到的输出轴角度信息提供给电机旋转累积旋转计数计算单元372。

电机旋转累积旋转计数计算单元372基于输出轴角度信息来计算无刷电机310的旋转累积旋转计数。无刷电机310的旋转累积旋转计数可通过将输出轴的旋转角度的检测值除以通过当无刷电机310作出一整个旋转(或换言之，360(度))时将旋转角度另外除以减速比而获得的值进行计算。在上述具体示例性数值的情况下，无刷电机310的旋转累积旋转计数可如在以下数学公式2中进行计算。

【数学公式2】

19.6(度)/(360(度)×(1/100))≒5.44(圈)

……(2)

如上数学公式2所示，利用上述示例性数值，无刷电机310的旋转计数被计算为5.44(圈)。在本实施例中，电机旋转累积旋转计数计算单元372丢弃小数点后面的值，并将无刷电机310的旋转累积旋转计数计算为整数值。在以上实例中，电机旋转累积旋转计数计算单元372能够基于在输出轴上的旋转计数的检测值将无刷电机310的旋转累积旋转计数计算为5(圈)。电机旋转累积旋转计数计算单元372将关于计算出的无刷电机的旋转累积旋转计数的信息提供给输入轴累积操作角度计算单元374。

输入轴角度信息获取单元373从输入轴编码器330获取关于输入轴的旋转角度的信息(输入轴角度信息)。输入轴角度信息可为关于通过输入轴编码器330检测到的输入轴的旋转角度的检测值的信息。例如，输入轴角度信息获取单元373获取表示输入轴编码器330的检测值为181(度)的信息作为输入轴角度信息。输入轴角度信息获取单元373将获取到的输入轴角度信息提供给输入轴累积操作角度计算单元374。

输入轴累积操作角度计算单元374基于输入轴角度信息及关于无刷电机310的旋转累积旋转计数的信息来计算输入轴的累积操作角度。本文中，因为无刷电机310开始旋转，所以输入轴的累积操作角度为输入轴的累积旋转角度。输入轴的累积操作角度可通过将无刷电机310的旋转累积旋转计数转换为旋转角度(换言之，乘以360(度))，然后加上输入轴的旋转角度的检测值而计算。在上述具体示例性数值的情况下，输入轴的累积操作角度可如在以下数学公式3中进行计算。

【数学公式3】

5(圈)×360(度)+181(度)＝1981(度)

……(3)

输入轴累积操作角度计算单元374将关于计算出的输入轴的旋转累积旋转计数的信息提供给输出轴角度计算单元375。

输出轴角度计算单元375基于关于输入轴的旋转累积旋转计数的信息来计算输出轴的旋转角度。输出轴的旋转角度的计算值可通过将输入轴的旋转累积旋转计数除以减速比而计算。在上述具体示例性数值的情况下，输出轴的旋转角度可如在以下数学公式4中进行计算。

【数学公式4】

1981(度)×(1/100)＝19.81(度)

……(4)

输出轴角度计算单元375将关于计算出的输出轴的旋转角度的信息作为输出轴的旋转角度的最终检测值发送给控制设备(例如，以下图11所述的控制设备20)，该控制设备控制设置在传动装置300中的关节单元的驱动。在该控制设备中，基于所接收的输出轴的旋转角度的计算值，识别各关节单元的状态，并计算用于驱动各关节单元的控制量。

上文以此方式参考图4说明了根据本实施例的旋转角度检测***3的示意性配置。如上所述，在本实施例中，输出轴编码器340的检测值被用来计算电机310的旋转累积旋转计数，并通过将计算出的电机310的旋转累积旋转计数转换为输入轴的累积操作角度且加上输入轴编码器330的检测值，计算输出轴的旋转角度。

本文中，如上所述，设置在输入轴上的编码器330的检测值可被认为是在间置减速比的范围内高分辨率检测到的输出轴的旋转角度。因此，经由减速比从输入轴编码器330的检测值(181(度))转换的输出轴的旋转角度可以说是比输出轴编码器340的检测值(19.6(度))更加精确地表示输出轴的旋转角度。

然而，利用输入轴编码器330的检测值(181(度))，不能确定输入轴产生“181(度)”已经经过多少个整圈。另一方面，当假设如上所述传动装置300适用于设置在机器人手臂装置的手臂单元中的关节单元的情况时，判断输出轴编码器340的检测值(19.6(度))为介于0(度)与360(度)之间的角度，这是合理的。因此，在本实施例中，通过由输出轴编码器340的检测值来计算电机310的旋转累积旋转计数，输入轴(电机310)产生“181(度)”已经经过的整圈的数量被判定为输入轴编码器330的检测值(181(度))。因此，因为输入轴的累积操作角度可以进行计算，所以可以基于输入轴的旋转角度来检测输出轴的旋转角度，这被认为是更加精确地表示输出轴的旋转角度。

本文中，如上所述，例如如图2所示包括磁体331及霍尔效应传感器332和333的绝对角度编码器具有简单配置，且从成本角度是优越的，但是，相反地，已知具有不是很高的角度检测精度。然而，在本实施例中，通过进行如上所述计算输出轴的旋转角度的处理，即使在使用这种具有较低检测精度的绝对角度编码器的情况下，也可以精确地计算输出轴的旋转角度。因此，可以更紧凑且成本更低地配置传动装置300，同时在输出轴的旋转角度的检测中仍保持高精度。

此外，在以上处理中，输出轴编码器340的检测值仅被用来计算电机310的旋转累积旋转计数，且与在计算旋转累积旋转计数之后表示介于0(度)与360(度)之间的角度的余数对应的部分(例如，在以上数学公式2中的“0.44”部分)未被用来计算输出轴的旋转角度。因此，在本实施例中，在输出轴编码器340中可允许误差，只要无刷电机310的旋转计数仍可计算。例如，如果减速齿轮320的减速比为1:100，那么与电机310的一整个旋转对应的输出轴的旋转角度为3.6(度)，因此，输出轴编码器340具有3.6(度)的范围，或换言之，±1.8(度)，这已足够。因此，没必要使用具有特别高精度的编码器作为输出轴编码器340，使得可以应用例如如图2举例说明相对便宜的编码器。

请注意，在本实施例中，计数器还可与输入轴编码器330一起设置，该计数器保存输入轴的旋转累积旋转计数。通过设置这种计数器，没必要进行如上所述根据输出轴编码器340的检测值来计算电机310的旋转累积旋转计数(即，输入轴的旋转累积旋转计数)的处理，并可参考计数器的值以计算输出轴的旋转角度。为此，可以减小控制单元370上的信号处理负荷。然而，如果电源被切断并重新启动，例如，计数器的值会被复位，从而一通电之后，有必要进行根据上述输出轴编码器340的检测值来计算电机310的旋转累积旋转计数的处理。

<3.旋转角度检测方法的处理过程>

接着，将参考图5和图6说明根据本实施例的旋转角度检测方法的处理过程。图5为说明图，用于说明在对输入轴的误差作出说明时计算输入轴的累积操作角度的处理，这在根据本实施例的旋转角度检测方法中进行。图6为流程图，示出了根据本实施例的旋转角度检测方法的处理过程的实例。

首先，在详细说明根据本实施例的旋转角度检测方法的处理过程之前，将参考图5说明在对输入轴的误差作出说明时计算输入轴的累积操作角度的处理。如上文参考图4所述，在计算输出轴的旋转角度的处理中，输入轴累积操作角度计算单元374执行将输入轴的旋转累积旋转计数转换为累积操作角度并加上输入轴编码器330的检测值的处理，如上数学公式3所示。本文中，在以上说明中，输入轴累积操作角度计算单元374通过直接使用输入轴的旋转累积旋转计数(即，5(圈))来计算输入轴的累积操作角度。然而，如果输入轴编码器330的检测值的误差大，那么通过输入轴累积操作角度计算单元374的这种处理并不一定合适。

计算累积操作角度的处理将参考图5进行详细说明。图5中，输入轴的旋转角度和输出轴的旋转角度如数字线示意性表示。此外，就此将举例说明将减速齿轮320的减速比视为1:100。

当输入轴经过一整个旋转时，输入轴编码器330检测在0(度)到360(度)的范围内的数值。同时，当输入轴经过一整个旋转时，输出轴编码器340根据与减速比的关系来检测在0(度)到3.6(度)的范围内的数值。因此，输入轴编码器330的检测值对应于通过从输出轴编码器340的检测值(即，在0(度)到3.6(度)的范围内)中减去与旋转累积旋转计数对应的旋转角度而获得小于一整个旋转的旋转角度。

就此，例如，假设通过从输出轴编码器340的检测值中减去与旋转累积旋转计数对应的旋转角度而获得的值为0.9(度)。在这种情况下，理想地，输入轴编码器330的检测值应为90(度)，但实际上，在输入轴编码器330与输出轴编码器340之间可产生与检测误差对应的偏差。

例如，假设输出轴编码器330的检测值为300(度)。在这种情况下，该检测值300(度)有可能可为90(度)偏移了+210(度)的值，或有可能可为偏移了-150(度)的值。更严格地认为，输入轴编码器330的检测值300(度)有可能可为90(度)偏移了+210(度)+m×360(度)的值，或有可能可为偏移了-150(度)+m×(-360)(度)(其中，m为任意正整数)的值。

此外，在这种情况下，根据输入轴编码器330的检测值相对于从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度是在正方向上还是在负方向上偏移，必须改变计算输入轴的累积操作角度的处理。具体地，如果输入轴编码器330的检测值300(度)为90(度)偏移了+210(度)的值，那么输入轴的累积操作角度可通过直接使用输入轴的旋转累积旋转计数而计算。另一方面，如果输入轴编码器330的检测值300(度)为90(度)偏移了-150(度)的值，那么该300(度)表示在作出一整个旋转之前输入轴的旋转角度，因此，在首次从输入轴的旋转累积旋转计数中减去一整个旋转之后必须计算输入轴的累积操作角度。换言之，进行基于从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度来校正输入轴的旋转累积旋转计数的处理。

以此方式，当计算累积操作角度时，如果输入轴编码器330的检测值包括相对于从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度的误差，那么在什么范围内信任输入轴编码器330的检测值，这是个问题。因此，在本实施例中，当计算累积操作角度时，进行判决信任相对于从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度的输入轴编码器330的检测值所在的范围并选择包括在该范围内的输入轴编码器330的检测值作为可信检测值的处理。

在本实施例中，输入轴编码器330的检测值和从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度将相差输入轴的一整个旋转或更多(即，360(度)或更多)，从输入轴编码器330的性能来看，这被认为是极不可能的。因此，例如，360(度)(±180(度))的宽度被设定为信任输入轴编码器330的检测值所在的范围。

在图5所示实例中，信任包括在与从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度相差±180(度)的范围内的输入轴编码器330的检测值，即90(度)。如图所示，该范围为在一整个旋转之前等于或大于270(度)的范围且小于270(度)。包括在该范围内的输入轴编码器330的检测值被采用为可信检测值。在输入轴编码器330的检测值为300(度)的以上实例中，包括在该范围内在一整个旋转之前的300度被采用为可信检测值，该300度为偏移了-150(度)的值。

就此，在表示信任输入轴编码器330的检测值所在的范围的数字线上，如果在从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度与输入轴编码器330的检测值之间包括0(度)，那么当计算累积操作角度时，必须调整输入轴的旋转累积旋转计数。例如，如果输入轴编码器330的检测值被定位为在数字线上0(度)的左侧，如在上述300(度)的情况下，那么在首次从输入轴的旋转累积旋转计数中减去一整个旋转之后，必须计算输入轴的累积操作角度。另一方面，如果输入轴编码器330的检测值被定位为在数字线上0(度)的右侧，那么在首次将一整个旋转加到输入轴的旋转累积旋转计数之后，有必要计算输入轴的累积操作角度。

上文以此方式参考图5说明了在对输入轴的误差作出说明时计算输入轴的累积操作角度的处理。下文参考图6所述根据本实施例的旋转角度检测方法的处理过程为包括这种在对输入轴的误差作出说明时计算输入轴的累积操作角度的处理的处理过程。

参考图6，在根据本实施例的旋转角度检测方法中，首先，获取关于输入轴和输出轴的角度信息(步骤S101)。该处理对应于通过例如图4所示的输入轴角度信息获取单元373和输出轴角度信息获取单元371获取关于编码器330和340的检测值的信息的处理。

接着，基于输出轴角度信息，计算电机310的旋转累积旋转计数(步骤S103)。该处理对应于通过例如图4所示的电机旋转累积旋转计数计算单元372基于输出轴角度信息来计算电机310的旋转累积旋转计数的处理。具体地，该处理可为找到满足以下数学公式5的关系的整数n的最大值的处理。本文中，x为减速齿轮320的减速比，n为电机的旋转累积旋转计数，以及θ_out为输出轴的旋转角度的检测值。

【数学公式5】

n \leq (\frac{θ_{o u t}}{360 / x}) ...... (5)

接着，基于电机310的旋转累积旋转计数及输出轴角度信息，计算根据输出轴角度信息(即，输出轴编码器340的检测值)估计的输入轴的旋转角度(步骤S105)。该处理对应于通过从输出轴编码器340的检测值中减去与旋转累积旋转计数对应的旋转角度来计算从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度的处理，参考图5进行说明。具体地，该处理由以下数学公式6表示。本文中，θ_out-in为根据输出轴角度估计的输入轴的旋转角度。

【数学公式6】

θ_{o u t - i n} = (θ_{o u t} - (\frac{360}{x}) \times n) \times x ...... (6)

从接着进行的步骤S107到步骤S111表示的处理对应于判决±180(度)的范围为信任相对于从输出轴编码器340的检测值转换的输入轴的旋转角度的输入轴编码器330的检测值所在的范围并选择包括在该范围内的输入轴编码器330的检测值作为可信检测值的处理，参考图5进行说明。具体地，首先，在步骤S107中，判定计算出的θ_out-in是否满足以下数学公式7。

【数学公式7】

0≤θ_out-in＜180

……(7)

在步骤S107中，如果θ_out-in满足以上数学公式7，那么在步骤S109中，另外判定θ_in与θ_out-in之间的关系是否满足以下数学公式8，θ_in为输入轴的旋转角度的检测值，θ_out-in为从输出轴的旋转角度的检测值转换的输入轴的旋转角度。

【数学公式8】

θ_in＞θ_out-in+180

……(8)

同时，在步骤S107中，如果θ_out-in未满足以上数学公式7，那么在步骤S111中，另外判定θ_in与θ_out-in之间的关系是否满足以下数学公式9，θ_in为输入轴的旋转角度的检测值，θ_out-in为从输出轴的旋转角度的检测值转换的输入轴的旋转角度。

【数学公式9】

θ_in≥θ_out-in-180

……(9)

如果满足以上数学公式7且还满足以上数学公式8，那么包括在可信范围内的输入轴的旋转角度的检测值θ_in可被判定为定位为在负侧上比θ_out-in更远，且还被定位为0(度)的左侧。因此，在这种情况下，流程进入步骤S113，从n中减去一个整圈(即，n-1取代n)，执行以下数学公式10中所示的计算，并计算θ_out-c，θ_out-c为输出轴的旋转角度的计算值。

【数学公式10】

θ_{o u t - c} = (\frac{360}{x}) \times n + \frac{θ_{i n}}{x} ...... (10)

同时，如果满足以上数学公式7但未满足以上数学公式8，那么包括在可信范围内的输入轴的旋转角度的检测值θ_in可被判定为定位为在正侧上比θ_out-in更远，且还被定位为0(度)的左侧(不超过360(度))。因此，在这种情况下，流程进入步骤S115，n保持不变，执行以上数学公式10中所示的计算，并计算θ_out-c，θ_out-c为输出轴的旋转角度的计算值。

同时，如果未满足以上数学公式7但满足以上数学公式9，同样地，那么包括在可信范围内的输入轴的旋转角度的检测值θ_in可被判定为定位为在正侧上比θ_out-in更远，且还被定位为0(度)的左侧(不超过360(度))。因此，同样地，在这种情况下，流程进入步骤S115，n保持不变，执行以上数学公式10中所示的计算，并计算θ_out-c，θ_out-c为输出轴的旋转角度的计算值。

同时，如果未满足以上数学公式7且也未满足以上数学公式9，那么包括在可信范围内的输入轴的旋转角度的检测值θ_in可被判定为定位为在正侧上比θ_out-in更远，且还被定位为0(度)的右侧(超过360(度))。因此，在这种情况下，流程进入步骤S117，n加上一整个旋转(即，n+1取代n)，执行以上数学公式10中所示的计算，并计算θ_out-c，θ_out-c为输出轴的旋转角度的计算值。

请注意，就以上例如图4所示的配置而言，以上数学公式10中所示的计算对应于通过输入轴累积操作角度计算单元374和输出轴角度计算单元375进行的处理。

关于在步骤S113、步骤S115或步骤S117所示的处理中计算的输出轴的旋转角度θ_out-c的信息被作为输出轴的旋转角度的最终检测值发送给控制设备(例如，以下图11中所述的控制设备20)，该控制设备控制设置在传动装置300中的关节单元的驱动。随后，在控制设备中，基于θ_out-c，识别各关节单元的状态，并计算用于驱动各关节单元的控制量。

上文以此方式参考图5和图6说明了根据本实施例的旋转角度检测方法的处理过程。如上所述，在本实施例中，通过使用输出轴的旋转角度的检测值θ_out来计算电机310的旋转累积旋转计数，将计算出的电机310的旋转累积旋转计数转换为输入轴的累积操作角度，并加上输入轴的旋转角度的检测值θ_in，计算输出轴的旋转角度的计算值θ_out-c。以此方式，通过使用输出轴的旋转角度的更高分辨率检测值θ_out来计算输入轴的累积操作角度，并使用该输入轴的累积操作角度来计算输出轴的旋转角度θ_out-c，可更加精确地计算输出轴的旋转角度。

此外，在本实施例中，通过进行判决信任相对于从输出轴的旋转角度的检测值θ_out转换的输入轴的旋转角度θ_out-c的输入轴的旋转角度的检测值θ_in所在的范围并选择包括在该范围内的输入轴的旋转角度的检测值θ_in作为可信检测值的处理，进行在对输入轴的检测误差作出说明时计算输入轴的累积操作角度的的处理。因此，可以更高精度地计算输出轴的旋转角度。

<4.故障检测>

如图1所示，根据本实施例的传动装置300配备有在输入轴和输出轴两者上的编码器330和340。在本实施例中，这种配置可被用来检测传动装置300的故障。

本文中，即使利用典型传动装置，也可以根据输出轴的旋转角度的检测值来检测传动装置的故障，诸如当即使例如电机正在进行驱动也未检测到输出轴的旋转角度时。另一方面，在本实施例中，可以不仅检测传动装置300的故障，而且检测传动装置300的哪一个结构件出现故障。

具体地，鉴于根据本实施例的传动装置300的配置，输入轴编码器330的检测值和输出轴编码器340的检测值通过减速齿轮320的减速比成比例关系地存在。因此，如果不再观测到该比例关系，那么可以判定传动装置300的某个结构件出现故障。此外，通过观测输入轴编码器330和输出轴编码器340的检测值的变化，可以判定哪一个结构件出现故障。以此方式，在本实施例中，通过监测输入轴编码器330和输出轴编码器340的检测值，可以检测传动装置300的故障及出现故障的结构件。

下面将参考表1详细说明根据本实施例的传动装置300的故障检测。在下表1中，输入轴编码器330和输出轴编码器340的检测值之间的关系以及预期故障部位被归纳为在本实施例中可检测到的故障实例。

【表1】

如上表1所示，例如，如果输入轴编码器330的检测值无变化，但输出轴编码器340的检测值有变化，那么可想到的状态为即使电机310正在驱动，输入轴编码器330的检测值也无变化。因此，在这种情况下，可以预料输入轴编码器330出现故障。

又如，如果输入轴编码器330的检测值有变化，但输出轴编码器340的检测值无变化，那么可想到的状态为即使电机310正在驱动，输出轴编码器340的检测值也无变化。因此，在这种情况下，可以预料减速齿轮320出现故障且电机310的旋转未被正确地发送给输出轴(换言之，在减速齿轮320中，输入轴空转或输出轴锁定)或者输出轴编码器340出现故障。

又如，如果输入轴编码器330的检测值和输出轴编码器340的检测值都无变化，那么可以预料电机310出现故障且未在驱动。可选择地，可以预料减速齿轮320的输入轴和输出轴被锁定，且即使电机310试图驱动，电机310的驱动也被禁止。

又如，如果输入轴编码器330的检测值和输出轴编码器340的检测值都有变化，但两者之间不成比例关系，那么可以预料虽然电机310、输入轴编码器330和输出轴编码器340的检测值正常驱动，但是减速齿轮320出现故障，且电机310的旋转未被正常地发送给输出轴(以一定减速比)。

上文以此方式说明了在根据本实施例的传动装置300中的故障检测功能。如上所述，在本实施例中，通过监测输入轴编码器330和输出轴编码器340的检测值，可检测传动装置300的故障。此外，根据输入轴编码器330和输出轴编码器340的检测值变化的方式，甚至可以检测传动装置300内的哪一个结构件出现故障。因此，如果在由多个传动装置300组成的***中发生故障，那么可以迅速地检测哪一个传动装置300的哪一个结构件出现故障。因此，可以采取措施以不暂停整个***，诸如例如通过只暂停检测到故障的传动装置300，并保持***中其他传动装置300的驱动。

<5.医用机器人手臂装置的应用>

根据本实施例的传动装置300可适宜地用作驱动医用机器人手臂装置的关节单元的传动装置。下文中，首先，将说明医用机器人手臂装置中的传动装置需要的必备条件。接着，从是否满足这些必备条件的角度，将比较典型已知传动装置与根据本实施例的传动装置300。

首先，将说明医用机器人手臂装置中的传动装置需要的必备条件。在医用机器人手臂装置中，各种类型工具中的任何一种工具或成像设备(诸如内窥镜、显微镜或摄像机)连到例如手臂单元的前缘。外科医生通过操作手臂单元，利用工具对患者的患处进行各种处理，或在利用例如成像设备观测患处的同时执行各种临床操作，诸如手术和检查。因此，为了顺利地执行临床操作，且也为了不会无意之中伤害患者，必须精确地控制手臂单元的驱动。

手臂单元具有通过多个关节单元接合多个连杆的配置，且通过使设置在各关节单元中的传动装置驱动，手臂单元整体地驱动。因为手臂单元中的各关节单元的角度根据传动装置中的输出轴的旋转角度而控制，以精确地控制手臂单元的驱动，所以要求精确检测各关节单元的旋转角度(或换言之，传动装置的输出轴的旋转角度)。

此外，在医用机器人手臂装置中，在紧急情况下的驱动控制变得很重要，诸如例如当发生停电或故障时。例如，需要即使在手术中，在医用机器人手臂装置中发生某种故障，也使手术尽可能能够继续的配置。

例如，考虑机器人手臂装置的电源由于停电等而被暂时切断然后再次恢复的的情况。在这种情况下，利用根据与参考位置的相对角度来检测旋转轴的旋转角度的编码器，诸如利用相对角度编码器，当电源被暂时切断时，与参考位置的相对位置关系将被复位，因此在电源恢复时不能立即检测到角度。为此，必须执行寻始处理作为初始化操作，其中关节单元被驱动至与参考位置对应的位置，且相对角度编码器回到参考位置。例如，如果在使用医用机器人手臂装置进行手术中时发生停电，然后电源恢复并进行这种初始化操作，那么手臂单元会以外科医生非故意的方式移动，因此有伤害患者的风险。因此，在用在医用机器人手臂装置中的传动装置中，需要能够在通电后立即检测输出轴的旋转角度而无需这种初始化操作的配置。

又如，考虑在使用医用机器人手臂装置进行手术中时手臂单元中的关节单元的传动装置出现故障且不再进行正常操作的情况。即使在这种情况下，根据手术的类型，也不可能立即中断手术，且必须以某种方法继续手术。因此，在医用机器人手臂装置中，需要进行控制，使得通过例如只暂停出现故障的关节单元的驱动并控制其他关节单元的驱动，尽可能驱动手臂单元。为了进行这种控制，当检测到故障时，需要能够识别检测到故障的传动装置并检测传动装置的哪些功能由于故障而不再可执行的配置。

上文以此方式说明了医用机器人手臂装置中的传动装置需要的必备条件。为了归纳上述内容，医用机器人手臂装置中的传动装置需要下列必备条件。即，需要能够精确地检测输出轴的旋转角度(以下简称为“旋转角度检测必备条件”)、能够在通电时检测输出轴的旋转角度而无需初始化操作(以下简称为“初始化操作必备条件”)和能够自行检测(在各传动装置中)故障的发生(以下简称为“故障检测必备条件”)。下文中，典型已知传动装置的配置和上述根据本实施例的传动装置300的配置将进行比较以说明这些必备条件是否可满足。

首先，典型传动装置的配置将被说明为配置(A)至配置(E)。请注意，即使在传动装置的配置中，以上各必备条件是否满足很大程度上也取决于编码器的位置和类型。因此，在以下说明中，典型传动装置被分为(A)至(E)，特别侧重于编码器的配置。即使在说明为配置(A)至配置(E)的典型传动装置中，与例如如图1所示的本实施例相似的无刷电机和减速齿轮也可被用作电机和减速齿轮。

(A.输入轴：电机驱动霍尔效应传感器/输出轴：绝对角度编码器)

配置(A)为电机驱动霍尔效应传感器设置在输入轴上且绝对角度编码器设置在输出轴上的配置。配置(A)为在典型传动装置中广泛使用的配置。电机驱动霍尔效应传感器被设置为驱动无刷电机，且包括检测无刷电机的转子的旋转的功能。然而，如利用编码器，在0(度)到360(度)的数值内，未检测到转子(或输入轴)的旋转角度。另一方面，在配置(A)中，通过绝对角度编码器来检测输出轴的旋转角度。

本文中，利用绝对角度编码器，没必要在通电时执行寻始初始化操作，并可立即检测旋转轴的旋转角度。然而，因为检测值在0(度)到360(度)的范围内，所以如果旋转轴旋转例如一个整圈或更多(360(度)或更多)，那么无法检测到正确旋转角度，除非编码器同时具有保存旋转累积旋转计数的配置，诸如例如计数器。如果电源被切断，那么计数器信息也可被复位，因此，即使利用绝对角度编码器，如果旋转轴旋转一个整圈或更多，那么在通电时可能也需要执行寻始初始化操作。

另一方面，在本文中考虑用在医用机器人手臂装置中的传动装置中，输出轴的旋转角度预计在0(度)到360(度)的范围内。然而，因为输入轴的旋转角度被配置为通过一定减速比发送给输出轴，所以输入轴的旋转角度可能超过这个范围(换言之，旋转一个整圈或更多)。因此，为了满足“初始化操作必备条件”，需要绝对角度编码器设置在输出轴上作为医用机器人手臂装置的传动装置。就此，配置(A)满足“初始化操作必备条件”。

此外，在配置(A)中，通过将编码器设置在输出轴上，可检测传动装置本身的故障，诸如例如当即使电机正在驱动也未检测到输出轴的旋转角度时。换言之，也满足“故障检测必备条件”。

然而，在配置(A)中，因为编码器未设置在输入轴上，所以无法执行如以上<2.旋转角度检测***的配置>和以上<3.旋转角度检测方法的处理过程>中所述如在本实施例中计算输出轴的旋转角度的处理。因此，为了满足“旋转角度检测必备条件”，必须使用能够高精度地检测旋转角度的编码器作为设置在输出轴上的绝对角度编码器。这种高精度绝对角度编码器比较笨重且成本也高。因此，在配置(A)试图满足“旋转角度检测必备条件”的情况下，传动装置的配置有可能会变得笨重，且成本也有可能会增加。

(B.输入轴：电机驱动霍尔效应传感器/输出轴：脉冲编码器(相对角度编码器))

配置(B)为电机驱动霍尔效应传感器设置在输入轴上且脉冲编码器设置在输出轴上的配置。电机驱动霍尔效应传感器设置在输入轴上与以上配置(A)相似。另一方面，设置在输出轴上的脉冲编码器为使狭缝径向形成于其上的磁盘旋转的编码器，且通过将光(诸如激光)照射到磁盘上并检测通过狭缝的光，磁盘的旋转角度被检测为旋转轴的旋转角度。脉冲编码器为一种相对角度编码器，其中磁盘上的某个位置被视为参考位置，并检测与参考位置的相对旋转角度。

在配置(B)中，与配置(A)相似，通过将编码器设置在输出轴上，可检测传动装置本身的故障，诸如例如当即使电机正在驱动也未检测到输出轴的旋转角度时。换言之，满足“故障检测必备条件”。

另一方面，在脉冲编码器中，旋转角度被检测为当磁盘旋转时通过狭缝的光的由计数器保存的检测计数的结果。因此，如果电源被切断且计数器信息被复位，那么必须执行寻始初始化操作。以此方式，在配置(B)中，未满足“初始化操作必备条件”。

此外，在配置(B)中，与配置(A)相似，因为编码器同样未设置在输入轴上，所以无法进行计算输出轴的旋转角度的处理，如本实施例。因此，为了满足“旋转角度检测必备条件”，必须使用能够高精度地检测旋转角度的编码器作为设置在输出轴上的绝对角度编码器。因此，传动装置的配置有可能会变得笨重，且成本也有可能会增加。

(C.输入轴：电机驱动霍尔效应传感器和脉冲编码器/输出轴：无)

配置(C)为电机驱动霍尔效应传感器和脉冲编码器设置在输入轴上而编码器未设置在输出轴上的配置。以此方式，通过将编码器设置在输入轴上，可以在间置减速比的范围内精确地(以高分辨率)检测输出轴的旋转角度。因此，在配置(C)中，“旋转角度检测必备条件”被认为在某种程度上满足。

然而，在配置(C)中，与配置(B)中相似，因为使用脉冲编码器，所以如果电源被切断，那么必须执行寻始初始化操作。以此方式，在配置(C)中，未满足“初始化操作必备条件”。

此外，在配置(C)中，编码器未设置在输出轴上。因此，虽然可以检测到可由输入轴的旋转状态判定的故障，诸如例如电机未驱动，但是未检测到输出轴的旋转角度，因此，无法检测到减速齿轮中或减速齿轮下游的故障，所述故障可由输出轴的旋转状态而判定。因此，在配置(C)中，“故障检测必备条件”被认为未充分满足。

(D.输入轴：绝对角度编码器/输出轴：无)

配置(D)为绝对角度编码器设置在输入轴上而编码器未设置在输出轴上的配置。在配置(D)中，绝对角度编码器也能够实现电机驱动霍尔效应传感器的作用。此外，与配置(C)相似，因为编码器设置在输入轴上，所以可以在间置减速比的范围内精确地(以高分辨率)检测输出轴的旋转角度。因此，在配置(D)中，“旋转角度检测必备条件”被认为在某种程度上满足。

然而，如上所述，因为输入轴的旋转角度通过一定减速比发送给输出轴，所以即使输出旋转角度的变化范围在0(度)到360(度)，输入轴的旋转角度也可能超过这个范围(换言之，旋转一整个旋转或更多)。因此，在输入轴上的绝对角度编码器必须与用于保存旋转累积旋转计数的计数器一起使用。因此，如果电源被切断且计数器信息被复位，那么必须执行寻始初始化操作。以此方式，在配置(D)中，未满足“初始化操作必备条件”。

此外，在配置(D)中，与配置(C)相似，因为编码器未设置在输出轴上，所以无法检测到在减速齿轮中或在减速齿轮下游可由输出轴的旋转状态判定的故障。因此，在配置(D)中，“故障检测必备条件”被认为未充分满足。

(E.输入轴：绝对角度编码器和齿轮转动计数器/输出轴：无)

配置(E)为绝对角度编码器和齿轮转动计数器设置在输入轴上而编码器未设置在输出轴上的配置。配置(E)对应于配置(D)，增加了在输入轴上的齿轮转动计数器。在配置(E)中，与配置(D)相似，绝对角度编码器也能够实现电机驱动霍尔效应传感器的作用。此外，与配置(D)相似，因为编码器设置在输入轴上，所以可以在间置减速比的范围内精确地(以高分辨率)检测输出轴的旋转角度。因此，在配置(E)中，“旋转角度检测必备条件”被认为在某种程度上满足。

本文中，在配置(E)中增加的齿轮转动计数器为以机械方式可操作的计数器，且即使在无电输入的情况下也能够保存信息。因此，在齿轮转动计数器中，即使电源被切断，计数器信息也不复位。因此，通过结合绝对角度编码器使用齿轮转动计数器，并利用齿轮转动计数器来保存输入轴的旋转累积旋转计数，即使当电源被切断时，也没必要执行寻始初始化操作。因此，在通电时可立即检测旋转角度。以此方式，在配置(E)中，满足“初始化操作必备条件”。

然而，在配置(E)中，与配置(C)和配置(D)相似，因为编码器未设置在输出轴上，所以无法检测到在减速齿轮中或在减速齿轮下游可由输出轴的旋转状态判定的故障。因此，在配置(E)中，“故障检测必备条件”被认为未充分满足。

此外，由于齿轮计数器的机构，计数器值存在上限。因此，输入轴的旋转累积旋转计数当然也存在边界。这意味着，减速比不能被设定为设定值或更大，从而传动装置的设计自由度降低。此外，因为结构件与齿轮计数器的设置一致地增加，所以传动装置可能变得更加笨重，这值得关注。

上文以此方式说明了配置(A)至配置(E)作为典型传动装置的示范性配置，而此外，对于这些配置中的每个配置，上文说明了在医用机器人手臂装置中的传动装置需要的必备条件(“旋转角度检测必备条件”、“初始化操作必备条件”和“故障检测必备条件”)是否满足。如上所述，在配置(A)至配置(E)中，满足所有这些必备条件被认为是很难的。

就此，将考虑根据本实施例的传动装置300是否满足以上必备条件中的每个必备条件。根据本实施例的传动装置300具有例如如图1所示绝对角度编码器330和340设置在输入轴和输出轴两者上的配置。根据该配置，设置在输入轴上的绝对角度编码器330也能够实现电机驱动霍尔效应传感器的作用，从而可实现更加紧凑的传动装置300。此外，因为绝对角度编码器330设置在输入轴上，所以可以在间置减速比的范围内精确地(以高分辨率)检测输出轴的旋转角度。因此，在传动装置300中，满足“旋转角度检测必备条件”。

此外，在传动装置300中，因为绝对角度编码器340设置在输出轴上，所以即使电源被切断，当电源恢复时也没必要进行寻始初始化操作。因此，在通电时可立即检测旋转角度。以此方式，在传动装置300中，满足“初始化操作必备条件”。

此外，在传动装置300中，因为绝对角度编码器330和340设置在输入轴和输出轴两者上，所以可以检测可由输入轴的旋转状态判定的故障，诸如电机未驱动，而此外，也可以检测可由输出轴的旋转状态判定的故障，诸如减速齿轮的故障。此外，通过监测输入轴编码器330和输出轴编码器340的检测值之间的比例关系以及这些检测值的变化，也可以检测出现故障的结构件，如上<4.故障检测>所述。以此方式，在传动装置300中，满足“故障检测必备条件”。

如上所述，根据本实施例，提供了一种传动装置300，该传动装置300满足在医用机器人手臂装置中的传动装置需要的所有必备条件(“旋转角度检测必备条件”、“初始化操作必备条件”和“故障检测必备条件”)。因此，实现了机器人手臂装置更加精确且更加安全的驱动控制。

请注意，虽然上文说明了“旋转角度检测必备条件”、“初始化操作必备条件”和“故障检测必备条件”作为在医用机器人手臂装置中的传动装置需要的必备条件，但是即使在其他应用中，这些必备条件也可存在，或换言之，需要高安全性和高精度的旋转角度检测的其他应用也可存在。例如，支持人们随车携带的设备当然需要高安全性和高精度的旋转角度检测，诸如例如用在汽车中的传动装置(诸如用于动力转向)或用来驱动游乐园中的游乐场设施的传动装置。根据本实施例的传动装置300适宜地不仅适用于医用机器人装置，而且适用于这样的汽车和游乐场设施。

<6.应用实例>

如上所述，根据本实施例的传动装置适宜地适用于医用机器人手臂装置的关节单元。下文中，将说明机器人手臂控制***的配置以及用于控制机器人手臂装置的驱动的机器人手臂控制方法的处理过程，作为根据本实施例的传动装置300的一个应用实例，传动装置300可适用于该机器人手臂装置。

(6-1.医用机器人手臂装置的调查)

首先，为了进一步阐明本公开，将说明引导发明者对下文所述的实施例的构思的背景技术。

最近，在医疗领域和工业领域中，机器人装置正在被广泛用来更加精确地且更加快速地执行工作。这里，位置控制和力控制被称为机器人装置及各关节单元的控制方法。在位置控制中，例如，命令值(诸如角度)被提供给关节单元的传动装置，并根据命令值来控制关节单元的驱动。同时，在力控制中，给定通过整个机器人装置施加于作业目标的力的目标值，并控制关节单元的驱动(例如，通过关节单元生成的扭矩)，使得实现由目标值表示的力。

通常，因为控制方便且***配置简单，所以大多数机器人装置通过位置控制进行驱动。然而，因为不容易灵活地应对外力，且位置控制不适合当与多种外部世界进行物理交互作用(例如与人的物理交互作用)时执行作业的机器人装置，所以位置控制通常被称为“硬控制”。同时，力控制具有复杂***配置，但可实现幂序的“软控制”，因此，力控制为特别适合与人进行物理交互作用的机器人装置的控制方法及具有极好可用性的控制方法。

例如，作为应用力控制的机器人装置的实例，参见JP 2010-188471A，JP 2010-188471A为本说明书的同一申请人的优先权申请。专利文献1公开了一种机器人装置，该机器人装置包括配置有2个轮子的移动机构和配置有多个关节单元的手臂单元，并执行控制使得轮子和关节单元以协作方式整体地进行驱动(执行整体协作控制)。

同时，近年来，在医疗领域中，试图使用平衡臂，其中当执行各种临床操作(例如，手术或检查)时，各种医疗单元(前缘单元)被安装在手臂单元的前缘处。例如，已经提出了一种方法，其中具有成像功能的各种成像设备(诸如显微镜、内窥镜或摄像机)作为前缘单元被安装在平衡臂的手臂单元的前缘上，且从业人员(用户)在观测通过成像设备捕获的临床操作部位的图像的同时执行各种临床操作。

然而，平衡臂必须配备平衡块(也称为平衡锤或平衡器)，用于当手臂单元移动时保持力的平衡，因此，设备尺寸往往增加。在临床操作中使用的设备必须小尺寸，这是因为必须确保临床操作的作业空间，但在所提出的一般平衡臂中很难满足这种要求。此外，在平衡臂中，只有手臂单元的某个驱动，例如，只有在(二维)平面上移动前缘单元的双轴驱动为电驱动，且通过从业人员或周围医疗人员的手动定位对于手臂单元和前缘单元的移动而言是必要的。因此，在一般平衡臂中，在摄像时很难确保稳定性(例如，前缘单元的定位精度、振动抑制等)且例如在视角被固定在患者身体的某个部位上的状态下很难确保可以在各个方向上观测的观测自由度。

特别是，当利用连到手臂单元的成像设备观测手术部位时，需要能够从不同距离和不同角度观测手术部位，同时保持视角锁定到手术部位上。这种观测可通过使成像设备执行主元运算而实现，但利用平衡臂执行主元运算需要复杂机械配置，如上专利文献1所述，且很难实现高可操作性。

根据这种情况，通过位置控制来控制驱动的医疗机器人手臂装置已经被建议作为代替平衡臂的设备。然而，为了更高效地执行临床操作并减少用户负担，使手臂单元及通过用户作为前缘单元而安装的成像单元的位置或姿势的更直观控制成为可能的高可操作性对于机器人手臂装置的驱动控制而言是必要的。在通过位置控制来控制驱动的机器人手臂装置中，很难满足这种用户需求。

因此，需要通过实现能够更高稳定性地且更高可操作性地执行手臂单元的驱动控制的机器人手臂装置，进一步减少用户负担。此外，从医用角度，要求机器人手臂装置具有如下特性。

将参考图7说明根据本公开的实施例的机器人手臂装置用于医疗用途的情况的应用实例及医用机器人手臂装置要求的特性集合。图7为说明图，用于说明根据本公开的实施例的机器人手臂装置用于医疗用途的情况的应用实例。

图7示意性示出了使用根据本实施例的机器人手臂装置的示例性临床操作。具体地，图7示出了作为从业人员(用户)520的医生在临床操作工作台530上例如使用手术器械521(诸如手术刀、镊子和手术钳)对临床操作目标(患者)540进行手术的实例。在以下说明中，临床操作是指一般概念，包括作为用户520的医生对临床操作目标540的患者进行诸如手术或检查的各种医学治疗。图7的实例示出了手术作为临床操作实例，但是使用机器人手臂装置510的临床操作并不限于手术，且可为各种其他临床操作，诸如使用内窥镜的检查。

根据本实施例的机器人手臂装置510安装在临床操作工作台530侧处。机器人手臂装置510包括作为基座的基座单元511和从基座单元511延伸的手臂单元512。手臂单元512包括多个关节单元513a、513b、513c、通过关节单元513a和513b连接的多个连杆514a和514b和安装在手臂单元512的前缘处的成像单元515。在图7所示实例中，为了简化起见，手臂单元512包括3个关节单元513a至513c和2个连杆514a和514b，但实际上，例如，鉴于手臂单元512和成像单元515的位置和姿势的自由度，关节单元513a至513c和连杆514a和514b的数量和形状及关节单元513a至513c的驱动轴的方向可被适当地设定为表示期望自由度。

关节单元513a至513c具有将连杆514a和514b连接成可旋转的功能，且当关节单元513a至513c旋转驱动时，控制手臂单元512的驱动。这里，在以下说明中，机器人手臂装置510的各部件的位置为在为驱动控制指定的空间中的位置(坐标)，各部件的姿势为与在为驱动控制指定的空间中的任意轴的方向(角度)。此外，在以下说明中，手臂单元512的驱动(或驱动控制)是指通过执行关节单元513a至513c的驱动(或驱动控制)来改变手臂单元512的各部件的位置和姿势(控制变化)。

各种医疗装置作为前缘单元连接至手臂单元512的前缘。在图7所示实例中，成像单元515作为示例性前缘单元安装在手臂单元512的前缘处。成像单元515为获取拍摄目标的图像(拍摄图像)的单元，且为例如能够捕获运动图像或静止图像的摄像机。如图7所示，手臂单元512和成像单元515的姿势或位置通过机器人手臂装置510进行控制，使得安装在手臂单元512的前缘处的成像单元515拍摄临床操作目标540的临床操作部位的状态。安装在手臂单元512的前缘处的前缘单元并不限于成像单元515，且可为各种医疗装置。例如，医疗装置包括当进行临床操作时使用的各种单元(诸如内窥镜、显微镜)，具有成像功能的单元(诸如成像单元515)、各种临床操作器械及检查装置。如上所述，根据本实施例的机器人手臂装置510为配备医疗装置的医疗机器人手臂装置。此外，具有两个成像单元(摄像机单元)的立体摄像机可安装在手臂单元512的前缘处，并可进行摄像，使得成像目标显示为三维(3D)图像。请注意，具有成像单元515或摄像机单元(诸如，用于对临床操作部位进行成像的立体摄像机)的机器人手臂装置510也可被称为视频显微镜机器人手臂装置。

此外，显示设备550(诸如监视器或显示器)安装在面向用户520的位置处。通过成像单元515拍摄的临床操作部位的拍摄图像显示在显示设备550的显示屏幕上。用户520在观看显示在显示设备550的显示屏幕上的临床操作部位的拍摄图像的同时进行各种处理。

如上所述，在本实施例中，在医疗领域中，提出了一种在通过机器人手臂装置510拍摄临床操作部位的同时进行手术的技术。这里，在包括手术的各种临床操作中，必须通过高效地进行临床操作，减轻用户520和患者540的疲劳或负担。为了满足这种要求，在机器人手臂装置510中，例如，以下能力被认为是可取的。

首先，作为第一点，机器人手臂装置510应当确保手术作业空间。如果手臂单元512或成像单元515妨碍从业人员的视野或在用户520正在对临床操作目标540进行各种处理的同时妨碍正在进行处理的手的运动，那么手术效率降低。此外，图7中，虽然未示出，但是在实际手术场景中，例如，进行将器械递给用户520或检查患者540的各种生命体征的各种支持作业的多名其他医生和/或护士通常在用户520和患者540周围，且有用于进行支持作业的其他设备，从而手术环境是复杂的。因此，期望机器人手臂装置510是小型的。

接着，作为第二点，机器人手臂装置510应当具有高可操作性，用于移动成像单元515。例如，用户520可能希望在根据手术部位或手术内容对临床操作部位进行处理的同时在不同位置和角度观测相同临床操作部位。为了改变观测临床操作部位的角度，必须改变成像单元515相对于临床操作部位的角度，但此时，更可取的是，在成像单元515的拍摄方向被固定至临床操作部位的状态下(即，在拍摄相同部位时)只改变拍摄角度。因此，例如，机器人手臂装置510应当具有高自由度的可操作性，诸如转动移动(枢转移动)，其中成像单元515在以临床操作部位为顶点的锥体的表面内运动，且在成像单元515的拍摄方向被固定至临床操作部位的状态下，锥体的轴被用作枢转轴。因为成像单元515的拍摄方向被固定至某个临床操作部位，所以枢转移动也被称为锁点移动。

此外，为了改变成像单元515的位置和角度，例如，考虑一种方法，其中用户520手动移动手臂单元512以将成像单元515移动至期望位置且以期望角度将成像单元515移动至期望位置。因此，期望有可操作性，使即使单手也能够容易地执行成像单元515的移动、枢转移动等。

此外，当在手术中利用双手进行处理时，用户520可能需要将通过成像的担忧515拍摄的拍摄图像的拍摄中心从正在进行处理的部位移动到另一个部位(例如，将进行下一个处理的部位)。因此，当期望改变成像单元515的位置和姿势时，手臂单元512的各种驱动方法是必要的，诸如通过从输入单元(诸如踏板)输入的操作来控制手臂单元512的驱动的方法以及通过手动运动来控制手臂单元512的驱动的方法。

如上所述，作为第二点的能力，机器人手臂装置510应当具有使例如通过枢转移动或手动运动能够容易移动且满足用户520的直觉或要求的高可操作性。

最后，作为第三点，机器人手臂装置510在手臂单元512的驱动控制中应当具有稳定性。在手臂单元512的驱动控制中的稳定性可为当驱动手臂单元512时在前缘单元的位置和姿势中的稳定性。在手臂单元512的驱动控制中的稳定性还包括当驱动手臂单元512时前缘单元的平稳运动和振动抑制(振动抑制)。例如，当前缘单元为成像单元515时，如在图7所示实例中，如果成像单元515的位置或姿势不稳定，那么显示在显示设备550的显示屏幕上的拍摄图像不稳定，且用户可能有不舒服感觉。特别是，当机器人手臂装置510被用于手术时，可以假设一种使用方法，其中安装包括两个成像单元(摄像机单元)的立体摄像机作为前缘单元，并显示基于通过立体摄像机获得的拍摄图像生成的3D图像。如上所述，当显示3D图像时，如果立体摄像机的位置或姿势不稳定，那么用户可能经历3D不适应症。此外，根据手术部位或手术内容，通过成像单元515拍摄的观测范围可扩大至多约φ15mm。当如上所述成像单元515扩大并拍摄窄范围时，成像单元515的轻微振动被显示为成像图像的大抖动或偏差。因此，约1mm容许范围的高定位精度对于手臂单元512和成像单元515的驱动控制而言是必要的。如上所述，高精度响应性和高定位精度在手臂单元512的驱动控制中是必要的。

就上述3个能力而言，发明者已经审查了现有一般平衡臂及基于位置控制的机器人手臂装置。

首先，关于第一点的确保手术作业空间，在一般平衡臂中，用于当移动手臂单元时保持力平衡的平衡块(也称为平衡锤或平衡器)安装在基座单元等内部，因此很难减小平衡手臂装置的尺寸，且很难说实现相应能力。

此外，关于第二点的高可操作性，在一般平衡臂中，只有手臂单元的某个驱动，例如，只有用于在(二维)平面上移动成像单元的双轴驱动为电驱动，且手动定位对于手臂单元和成像单元的移动而言是必要的，因此很难说可实现高可操作性。此外，在基于位置控制的一般机器人手臂装置中，因为通过用于手臂单元的驱动控制的位置控制很难灵活地应对外力，即，成像单元的位置和姿势的控制，所以位置控制通常被称为“硬控制”且不适合实现满足用户直觉的期望可操作性。

此外，关于第三点在手臂单元的驱动控制中的稳定性，手臂单元的关节单元通常具有不容易被模型化的因素，诸如摩擦、惯性等。在一般平衡臂或基于位置控制的机器人手臂装置中，所述因素作为在关节单元的驱动控制中的干扰，且即使当给定理论上适当的控制值(例如，施加于关节单元的电机的电流值)时，也有期望驱动(例如，在关节单元的电机中以期望角度的旋转)无法实现且很难实现对手臂单元的驱动控制有必要的高稳定性的情况。

如上所述，发明者已经审查了用于医疗目的的机器人手臂装置，并了解到就机器人手臂装置而言需要上述三点能力。然而，一般平衡臂或基于位置控制的机器人手臂装置很难容易地实现这些能力。由于审查了满足三点能力的配置，发明者根据本公开已经开发了一种机器人手臂装置、一种机器人手臂控制***、一种机器人手臂控制方法及程序。下文中，将详细说明发明者开发的配置的优选实施例。

(6-2.本公开的实施例)

下文将说明根据本公开的实施例的机器人手臂控制***。在根据本实施例的机器人手臂控制***中，安装在机器人手臂装置中的多个关节单元的驱动通过使用广义逆动力学的整体协作控制而控制。此外，通过校正干扰影响来实现对命令值的理想响应的理想关节控制适用于关节单元的驱动控制。

在本实施例的以下说明中，首先将在(6-2-1.机器人手臂装置的外观)中说明根据本实施例的机器人手臂装置的外观及机器人手臂装置的示意性配置。然后，将在(6-2-2.广义逆动力学)和(6-2-3.理想关节控制)中说明广义逆动力学的概述及用于控制根据本实施例的机器人手臂装置的理想关节控制。然后，将在(6-2-4.机器人手臂控制***的配置)中参考功能方块图说明用于控制根据本实施例的机器人手臂装置的***的配置。最后，将在(6-2-5.运动目的的具体实例)中说明在根据本实施例的机器人手臂装置中使用广义逆动力学的整体协作控制的具体实例。

此外，将用根据本公开的实施例的机器人手臂装置的手臂单元的前缘单元为成像单元且如图7所示临床操作部位在手术中通过成像单元进行拍摄的实例作为本公开的实施例来进行以下说明，但本实施例并不限于这个实例。即使当包括不同前缘单元的机器人手臂装置被用于另一个目的时，根据本实施例的机器人手臂控制***也可适用。

(6-2-1.机器人手臂装置的外观)

首先，将参考图8说明根据本公开的实施例的机器人手臂装置的示意性配置。图8为示意图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂装置的外观。

参考图8，根据本实施例的机器人手臂装置400包括基座单元410和手臂单元420。基座单元410作为机器人手臂装置400的基座，以及手臂单元420从基座单元410延伸。虽然图8中未示出，但是以整体方式控制机器人手臂装置400的控制单元可安装在基座单元410中，且手臂单元420的驱动可通过控制单元进行控制。例如，控制单元配置有各种信号处理电路，诸如中央处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP)。

手臂单元420包括多个关节单元421a至421f、通过关节单元421a至421f相互连接的多个连杆422a至422c及安装在手臂单元420的前缘处的成像单元423。

连杆422a至422c为棒状构件，连杆422a的一端通过关节单元421a与基座单元410连接，连杆422a的另一端通过关节单元421b与连杆422b的一端连接，连杆422b的另一端通过关节单元421c和421d与连杆422c的一端连接。此外，成像单元423通过关节单元421e和421f连接到手臂单元420的前缘，即，连杆422c的另一端。如上所述，从基座单元410延伸的手臂形状被配置为使得基座单元410作为支承点，且多个连杆422a至422c的两端通过关节单元421a至421f相互连接。

成像单元423为获取拍摄目标的图像的单元，且为例如捕获运动图像、静止图像的摄像机。手臂单元420的驱动被控制为使得成像单元423的位置和姿势得到控制。在本实施例中，例如，成像单元423拍摄作为临床操作部位的患者身体的某些区域。这里，安装在手臂单元420的前缘处的前缘单元并不限于成像单元423，且各种医疗装置可作为前缘单元连接到手臂单元420的前缘。如上所述，根据本实施例的机器人手臂装置400为配备有医疗装置的医疗机器人手臂装置。

这里，将利用如图8所示定义的坐标轴继续说明机器人手臂装置400。此外，根据坐标轴，定义垂直方向、纵向方向和横向方向。换言之，相对于安装在地上的基座单元410的垂直方向被定义为z轴方向和垂直方向。此外，作为与z轴正交的方向的方向(即，成像单元423相对于基座单元410而定位的方向)被定义为y轴方向和纵向方向，手臂单元420沿着该方向从基座单元410延伸。此外，与y轴和z轴正交的方向为x轴方向和横向方向。

关节单元421a至421f将连杆422a至422c连接成可旋转。关节单元421a至421f各包括旋转机构，该旋转机构包括传动装置且根据传动装置的驱动在某个旋转轴上旋转地驱动。通过控制在关节单元421a至421f各者中的旋转驱动，例如，可以控制手臂单元420的驱动以伸长或缩短(折叠)手臂单元420。请注意，例如图1所示根据本实施例的传动装置300可适宜地用作设置在关节单元421a至421f中的传动装置。在本实施例中，图1所示的传动装置300可适用于所有关节单元421a至421f，或传动装置300可只适用于关节单元421a至421f的子集(诸如例如两个轴)。通过在关节单元421a至421f中的至少一个关节单元中使用根据本实施例的传动装置300，可以更加精确地且更加安全地驱动手臂单元420。这里，关节单元421a至421f的驱动通过将在(6-2-2.广义逆动力学)中进行说明的整体协作控制和将在(6-2-3.理想关节控制)中进行说明的理想关节控制而控制。此外，如上所述，因为根据本实施例的关节单元421a至421f包括旋转机构，所以在以下说明中，关节单元421a至421f的驱动控制具体是指控制关节单元421a至421f的旋转角度和/或生成扭矩(通过关节单元421a至421f生成的扭矩)。

根据本实施例的机器人手臂装置400包括6个关节单元421a至421f，并对手臂单元420的驱动实现了6个自由度。具体地，如图7所示，关节单元421a、421d和421f被安装为使得连接到关节单元421a、421d和421f的连杆422a至422c的纵轴方向及连接到连杆422a至422c的成像单元473的拍摄方向被设定为旋转轴方向，以及关节单元421b、421c和421e被安装为使得作为连杆422a至422c和连接到连杆422a至422c的成像单元473的连接角度在y-z平面内变化的方向的x轴方向被设定为旋转轴方向。如上所述，在本实施例中，关节单元421a、421d和421f具有执行偏转的功能，以及关节单元421b、421c和421e具有执行俯仰的功能。

由于提供了手臂单元420的上述配置，根据本实施例的机器人手臂装置400可在手臂单元420的驱动上实现6个自由度，因此可在手臂单元420的可移动范围内自由地移动成像单元423。图7示出了半球作为成像单元423的示例性可移动范围。当半球的中心点为通过成像单元423拍摄的临床操作部位的拍摄中心时，在成像单元423的拍摄中心被固定至半球的中心点的状态下，通过在半球的球面上移动成像单元423，可以不同角度拍摄临床操作部位。

如上所述，在本实施例中，关节单元421a至421f的驱动通过以下将在(6-2-3.理想关节控制)中进行说明的理想关节控制进行控制。因此，关节单元421a至421f的传动装置被配置为执行与理想关节控制对应的驱动。具体地，关节单元421a至421f的传动装置被配置为能够调整在关节单元421a至421f中与旋转驱动相关联的旋转角度和扭矩。此外，关节单元421a至421f的传动装置被配置为能够任意调整关于旋转运动的粘性阻力系数。例如，可以实现通过从外部施加的力容易地执行旋转(即，通过手动运动容易地移动手臂单元420)的状态及通过从外部施加的力不容易执行旋转(即，通过手动运动不容易移动手臂单元420)的状态。

除了传动装置，关节单元421a至421f可具有任何其他部件。例如，除了传动装置，关节单元421a至421f具有驱动手臂单元420所需的各种部件，诸如用于控制传动装置的驱动的控制单元及用于连接和支撑连杆422a至422c和成像单元423的支撑件。此外，在以上说明和以下说明中，手臂单元的关节单元的驱动可能意指关节单元中的传动装置的驱动。

设置在关节单元421a至421f中的传动装置可具有在其输出轴上的扭矩传感器。扭矩传感器可检测从外部施加的外扭矩以及通过传动装置生成的生成扭矩。因此，当电机驱动器基于通过扭矩传感器检测到的外扭矩来调整供给传动装置的电机的电流量时，可以调整关于旋转运动的粘性阻力系数，并实现例如通过从外部施加的力容易或不容易执行旋转的状态。

就此，将参考图9A和图9B详细说明适用于根据本实施例的传动装置的扭矩传感器的配置。图9A为示意图，示出了适用于根据本实施例的传动装置的扭矩传感器的一个示范性配置。

参考图9A，根据本实施例的扭矩传感器428包括外环部431、内环部432、梁部433a至433d和失真检测元件434a至434d。如图9A所示，外环部431和内环部432以同心式布置。在本实施例中，内环部432连接至输入侧，即，传动装置的减速齿轮的输出轴，以及外环部431连接至输出侧，即，在后期阶段的输出构件(未示出)。请注意，在图9A中，示意性地示出了从传动装置的输出轴的方向观看的扭矩传感器428。

4个梁部433a至433d布置在以同心式布置的外环部431和内环部432之间，并连接外环部431与内环部432。如图9A所示，梁部433a至433d置于外环部431和内环部432之间，使得梁部433a至433d中的两个相邻部形成90度角。

失真检测元件434a至434d安装在面对面的两个部处，即，成108度角设置在梁部433a至433d中。基于通过失真检测元件434a至434d检测到的梁部433a至433d的变形量，可以检测传动装置的生成扭矩和外扭矩。

在图9A所示的实例中，在梁部433a至433d中，失真检测元件434a和434b安装在梁部433a处，以及失真检测元件434c和434d安装在梁部433c处。此外，失真检测元件434a和434b通过梁部433a置于它们之间进行安装，以及失真检测元件434c和434d通过梁部433c置于它们之间进行安装。例如，失真检测元件434a至434d为连到梁部433a和433c的表面的失真测量仪器，并基于电阻变化来检测梁部433a和433c的几何变形量。如图9A所示，失真检测元件434a至434d安装在4个位置处，且所述检测元件434a至434d构成所谓惠斯通电桥。因此，因为可以使用所谓四量规技术来检测失真，所以可以减少除检测到失真的轴以外的轴的干扰的影响、传动装置的输出轴的偏心距、温度漂移等。

如上所述，梁部433a至433d作为失真施感体，该失真施感体的失真被检测到。根据本实施例的失真检测元件434a至434d的类型并不限于失真测量仪器，且可使用任何其他元件。例如，失真检测元件434a至434d可为基于磁特性变化来检测梁部433a至433d的变形量的元件。

虽然图9A中未示出，但是可应用以下配置以提高通过扭矩传感器428的生成扭矩和外扭矩的检测精度。例如，当梁部433a至433d中与外环部431连接的部分以比其他部分更薄的厚度形成时，因为支点力矩得到释放，所以待检测变形量的线性得到改良，且径向载荷的影响降低。此外，当外环部431和内环部432都通过轴承由壳体支撑时，可以排除其他轴向力以及来自输入轴和输出轴两者的力矩的作用。此外，为了减少作用在外环部431上的另一个轴向力矩，支撑轴承可布置在传动装置的输入轴侧，即，布置电机的部分。

上文已经参考图9A说明了可适用于根据本实施例的传动装置的扭矩传感器428的配置。如上所述，通过图9A所示的扭矩传感器428的配置，可以高精度地检测传动装置的生成扭矩和外扭矩。

这里，在本实施例中，扭矩传感器428的配置并不限于图9A所示的配置，且可为任何其他配置。除扭矩传感器428以外适用于传动装置的扭矩传感器的另一个示例性配置将参考图9B进行说明。

图9B为示意图，示出了适用于根据本实施例的传动装置的扭矩传感器的另一个示例性配置。参考图9B，根据本变形例的扭矩传感器428a包括外环部441、内环部442、梁部443a至443d和失真检测元件444a至444d。与图9A相似，图9B示意性地示出了在传动装置的输出轴方向上观看的扭矩传感器428a的状态。

在扭矩传感器428a中，外环部441、内环部442、梁部443a至443d和失真检测元件444a至444d的功能和配置与上文参考图9A所述的外环部431、内环部432、梁部433a至433d和失真检测元件434a至434d的功能和配置相似。根据本变形例的扭矩传感器428a在梁部443a至443d和外环部441的连接部分的配置方面不同。因此，将说明图9B所示的扭矩传感器428a，着重讨论与图9A所示的扭矩传感器428不同的梁部443a至443d和外环部441的连接部分的配置，且将省略重复配置的说明。

参考图9B，梁部443b和外环部441的连接部分被放大并与扭矩传感器428a的全视图一起示出。在图9B中，虽然只有梁部443b和外环部441的连接部分被放大且示出，该连接部分为梁部443a至443d和外环部441的四个连接部分中的一个连接部分，但是梁部443a、443c和443d和外环部441的其他3个连接部分具有相同配置。

参考图9B中的放大图，在梁部443b和外环部441的连接部分中，接合凹部形成在外环部441中，且梁部443b与外环部441连接，使得梁部443b的前缘与接合凹部接合。此外，间隙G1和G2形成在梁部443b和外环部441之间。间隙G1表示在梁部443b向外环部441延伸的方向上梁部443b与外环部441之间的间隙，以及间隙G2表示在与该方向正交的方向上梁部443b与外环部441之间的间隙。

如上所述，在扭矩传感器428a中，梁部443a至443d和外环部441被布置为彼此隔开一定间隙G1和G2。换言之，在扭矩传感器428a中，外环部441与内环部442隔开。因此，因为例如即使当在驱动传动装置时发生振动时，内环部442也具有运动自由度而不会束缚于外环部441，所以由于振动的失真可为内环部442和外环部441之间的空隙G1和G2所吸收。因此，当扭矩传感器428a被用作传动装置的扭矩传感器时，高精度地检测生成扭矩和外扭矩。

请注意，就与根据本实施例的理想关节控制兼容的传动装置而论，除上文参考图1所述的传动装置300之外，还可引用由本申请人在先前专利中所述的配置，诸如例如JP2009-269102A和JP 2011-209099A。

上文已经参考图8、图9A和图9B说明了根据本实施例的机器人手臂装置400的示意性配置。接着，将说明用于控制手臂单元420的驱动(即，在根据本实施例的机器人手臂装置400中的关节单元421a至421f的驱动)的整体协作控制和理想关节控制。

(6-2-2.广义逆动力学)

接着，将说明用于根据本实施例的机器人手臂装置400的整体协作控制的广义逆动力学的概述。

广义逆动力学为在鉴于多连杆结构中的各种约束条件(例如，在本实施例中图8所示的手臂单元420)将与在各种操作空间中的各种尺寸有关的运动目的转换为将通过多个关节单元生成的扭矩的多连杆结构的整体协作控制中的基本操作，该多连杆结构被配置为使得多个连杆通过多个关节单元而连接。

操作空间为在机器人装置的力控制中的重要概念。操作空间为用于说明作用于多连杆结构上的力与多连杆结构的加速度之间的关系的空间。当多连杆结构的驱动控制通过力控制而不是位置控制而执行时，在处理多连杆结构及环境的方式被用作约束条件的情况下，操作空间的概念是必要的。操作空间为例如多连杆结构属于的空间，诸如关节空间、笛卡儿空间或动量空间。

运动目的表示在多连杆结构的驱动控制中的目标值，例如期望通过驱动控制实现的多连杆结构的位置、速度、加速度、力或阻抗的目标值。

约束条件为与例如由多连杆结构的形状或结构、多连杆结构周围的环境、由用户执行的设定等决定的多连杆结构的位置、速度、加速度或力有关的约束条件。例如，约束条件包括关于生成力、优先级、非驱动关节的存在或不存在、纵向反力、摩擦权重、支撑多边形等的信息。

在广义动力学中，为了既实现数值计算稳定性又实现实时可处理操作效率，操作算法配置有作为第一阶段的虚拟力判决处理(虚拟力计算处理)和作为第二阶段的实际力转换处理(实际力计算处理)。在作为第一阶段的虚拟力计算处理中，鉴于运动目的优先级及虚拟力的最大值，判决作为实现各运动目的所需且作用于操作空间上的虚拟力的虚拟力。在作为第二阶段的实际力计算处理中，鉴于与非驱动关节、纵向反力、摩擦权重、支撑多边形等有关的约束，计算出的虚拟力被转换为可通过实际多连杆结构的配置实现的实际力，诸如关节力或外力。虚拟力计算处理和实际力计算处理将在下文进行说明。在虚拟力计算处理、实际力计算处理和理想关节控制的以下说明中，为了更容易理解，有这样的情况，其中图8和图3所示根据本实施例的机器人手臂装置400的手臂单元420的示例性配置作为具体实例进行说明。

(6-2-2-1.虚拟力计算处理)

在多连杆结构的关节单元中配置有某些物理量的向量被称为“广义变量q”(也称为“关节值q”或“关节空间q”)。操作空间x由以下方程(11)使用广义变量q的时间微分值和雅可比行列式J进行定义：

【数学公式11】

\overset{\cdot}{x} = J \overset{\cdot}{q} ...... (11)

在本实施例中，例如，q表示在手臂单元420的关节单元421a至421f中的旋转角度。与操作空间x有关的运动方程通过以下方程(12)进行说明：

【数学公式12】

\overset{\cdot\cdot}{x} = Λ^{- 1} f + c ...... (12)

这里，f表示作用于操作空间x上的力。此外，Λ-¹表示操作空间惯性逆矩阵，c表示操作空间偏置加速度，以及Λ-¹和c由以下方程(13)和(14)表示。

【数学公式13】

Λ^-1＝JH^-1J^「

……(13)

c = {JH}^{- 1} (τ - b) + \overset{\cdot}{J} \overset{\cdot}{q} ...... (14)

H表示关节空间逆矩阵，τ表示与关节值q对应的关节力(例如，在关节单元421a至421f中的生成扭矩)，以及b为表示重力、科里奥利力或离心力的项。

在广义逆动力学中，已知与操作空间x有关的位置和速度的运动目的表示为操作空间x的加速度。此时，为了实现作为运动目的由方程(11)给定作为目标值的操作空间加速度，必须作用于操作空间x上的虚拟力通过求解由以下方程(15)表示的线性互补问题(LCP)的排序而获得。

【数学公式14】

w + \overset{\cdot\cdot}{x} = Λ^{- 1} f_{v} + c

s . t . \{\begin{matrix} ((w_{i} < 0) \cap (f_{v_{i}} = U_{i})) \cup \\ ((w_{i} > 0) \cap (f_{v_{i}} = L_{i})) \cup \\ ((w_{i} = 0) \cap (L_{i} < f_{v_{i}} < U_{i})) \end{matrix} ...... (15)

这里，L_i和U_i被设定为f_v的第i个分量的负下限值(包括-∞)和f_v的第i个分量的正上限值(包括+∞)。LCP可例如使用迭代技术、枢转技术、使用鲁棒加速度控制的方法等而求解。

此外，当操作空间惯性逆矩阵Λ^-1和偏置加速度c如在作为定义方程的方程(13)和(14)中进行计算时，操作空间惯性逆矩阵Λ^-1和偏置加速度c的计算成本很大。因此，已经提出一种通过应用由多连杆结构的广义力(关节力τ)计算广义加速度(关节加速度)的拟动力学计算(FWD)来高速地执行操作空间惯性逆矩阵Λ^-1的计算处理的方法。具体地，操作空间惯性逆矩阵Λ^-1和偏置加速度c可基于与作用于多连杆结构(例如，手臂单元420和关节单元421a至421f)上的力(诸如关节空间q、关节力τ或重力)有关的信息使用正向动力学计算FWD而获得。如上所述，操作空间惯性逆矩阵Λ-¹可利用与关节单元的数量N有关的计算量O(N)通过应用与操作空间有关的正向动力学计算FWD而计算。

这里，作为运动目的的设定实例，用于通过绝对值F_i或更小的虚拟力f_vi实现操作空间加速度的目标值(通过在x的二阶微分上加拔(-)来表示)的条件可由以下方程(16)表示。

【数学公式15】

L_i＝-F_i，

U_i＝F_i，

{\overset{\cdot\cdot}{x}}_{i} = {\overset{\cdot\cdot}{\overset{&OverBar;}{x}}}_{i} ...... (16)

如上所述，与操作空间x的位置和速度有关的运动目的可以表示为操作空间加速度的目标值，且具体由以下方程(17)表示(操作空间x的位置和速度的目标值通过在x和x的一阶微分上加拔(-)来表示)。

【数学公式16】

{\overset{\cdot\cdot}{\overset{&OverBar;}{x}}}_{i} = K_{p} ({\overset{&OverBar;}{x}}_{i} - x_{i}) + K_{v} ({\overset{\cdot}{\overset{&OverBar;}{x}}}_{i} - {\overset{\cdot}{x}}_{i}) ...... (17)

也可以使用分解操作空间的方法来设定由其他操作空间的线性总和表示与操作空间有关的运动目的(动量、笛卡尔相对坐标、联锁关节等)。此外，必须对竞争运动目的给予优先级。为每个优先级或按优先级的升序求解LCP，且可以使从上一个LCP获得的虚拟力充当下一个LCP的已知外力。

(2-2-2.实际力计算处理)

在作为广义逆动力学的第二阶段的实际力计算处理，执行用实际关节力和外力代替在(2-2-1.虚拟力判决处理)中获得的虚拟力f_v的处理。用于基于虚拟力通过由关节单元生成的生成扭矩τ_a及外力f_e实现广义力τ_v＝J_v ^Tf_v的条件由以下方程(18)表示。

【数学公式17】

[\begin{matrix} J_{v u}^{T} \\ J_{v a}^{T} \end{matrix}] (f_{v} - {Δf}_{v}) = [\begin{matrix} J_{e u}^{T} \\ J_{e a}^{T} \end{matrix}] f_{e} + [\begin{matrix} 0 \\ τ_{a} \end{matrix}] ...... (18)

这里，下标a表示一组从动关节单元(从动关节集合)，下标u表示一组非从动关节单元(非从动关节集合)。换言之，方程(18)中的上部表示通过非从动关节单元的空间(非从动关节空间)的力的平衡，以及下部表示通过从动关节单元的空间(从动关节空间)的力的平衡。J_vu和J_va分别表示与虚拟力f_v作用其上的操作空间有关的雅可比行列式中的非从动关节分量和从动关节分量，J_eu和J_ea表示与外力f_e作用其上的操作空间有关的雅可比行列式的非从动关节分量和从动关节分量。Δf_v表示虚拟力f_v中通过实际力很难实现的分量。

方程(18)中的上部未进行定义，且例如，f_e和Δf_v可通过求解由以下方程(19)表示的二次规划问题(QP)而获得。

【数学公式18】

m i n \frac{1}{2} ϵ^{T} Q_{1} ϵ + \frac{1}{2} ξ^{T} Q_{2} ξ

s.t.Uξ≥v

……(19)

这里，ε为方程(18)中的上部侧之差，且表示方程误差。ξ为f_e和Δf_v的关联向量，且表示变量向量。Q₁和Q₂为在最小化时表示权重的正定对称矩阵。此外，方程(19)的不等式约束被用来表示与外力有关的约束条件，诸如纵向反力、锥形摩擦轮、外力的最大值及支撑多边形。例如，与矩形支撑多边形有关的不等式约束由以下方程(20)表示。

【数学公式19】

|F_x|≤μ_tF_z，

|F_y|≤μ_tF_z，

F_z≥0，

|M_x|≤d_yF_z，

|M_y|≤d_xF_z，

|M_z|≤μ_rF_z

……(20)

这里，z表示接触面的法线方向，以及x和y表示垂直于z的两个正交切线方向。(F_x，F_y，F_z)和(M_x，M_y，M_z)为外力和作用于接触点上的外力矩。μ_t和μ_r表示与平移和旋转有关的摩擦系数。(d_x，d_y)表示支撑多边形的大小。

最小范数或最小误差的解法f_e和Δf_v从方程(19)和(20)获得。可以通过将从方程(19)获得的f_e和Δf_v代入方程(18)的下部，获得实现运动目的所需的关节力τ_a。

在基础固定且无非从动关节的***的情况下，可只用关节力取代所有虚拟力，且可在方程(18)中设定f_e＝0和Δf_v＝0。在这种情况下，可从方程(18)中的下部获得关节力τ_a的以下方程(21)。

【数学公式20】

τ_{a} = J_{v a}^{T} f_{v} ...... (21)

上文已经说明了根据本实施例使用广义逆动力学的整体协作控制。如上所述，当按顺序执行虚拟力计算处理和实际力计算处理时，可以获得用于实现期望运动目的的关节力τ_a。换言之，相反地，由于计算出的关节力τ_a以理论模型反映在关节单元421a至421f的运动中，所以关节单元421a至421f被驱动为实现期望运动目的。

此外，例如，对于上述使用广义逆动力学的整体协作控制，特别是对于导出虚拟力f_v的处理、求解LCP并获得虚拟力f_v的方法、QP问题的解决方法等的细节，可查阅由同一申请人先前提交的专利申请JP 2009-95959A和JP2010-188471A。

(6-2-3.理想关节控制)

接着，将说明根据本实施例的理想关节控制。各关节单元421a至421f的运动通过以下方程(22)的二阶延迟***的运动方程而模型化。

【数学公式21】

I_{a} \overset{\cdot\cdot}{q} = τ_{a} + τ_{e} - ν_{a} \overset{\cdot}{q} ...... (22)

这里，I_a表示关节单元中的惯性力矩(惯性)，τ_a表示关节单元421a至421f的生成扭矩，τ_e表示作用于各关节单元421a至421f上的外扭矩，以及ν_a表示各关节单元421a至421f中的粘性阻力系数。方程(22)也可以被看作表示关节单元421a至421f中的传动装置的运动的理论模型。

如上(6-2-2.广义逆动力学)中所述，通过使用广义逆动力学的计算，可以使用运动目的和约束条件来计算作为实际力的τ_a，各关节单元421a至421f必须使用τ_a来实现运动目的。因此，理想地，实现根据由方程(22)表示的理论模型的响应，即，通过将各计算出的τ_a应用于方程(22)，实现期望运动目的。

然而，实际上，有这样的情况，其中由于各种干扰的影响，关节单元421a至421f的运动与由方程(22)表示的理论模型之间出现误差(模型化误差)。模型化误差被分类为由多连杆结构的质量特性(诸如重量、重心或惯性张量)引起的误差和由关节单元421a至421f中的摩擦、惯性等引起的误差。其中，在通过应用高精度计算机辅助设计(CAD)数据或识别方法来构建理论模型时，由质量特性引起的前者模型化误差可相对容易减少。

同时，由于很难对例如设置在关节单元421a至421f的传动装置上的减速齿轮中的摩擦等进行模型化的这种现象，所以出现由关节单元421a至421f中的摩擦、惯性等引起的后者模型化误差，且在构建理论模型时，不容忽视的模型化误差可能仍然存在。此外，有可能是方程(22)中的惯性I_a或粘性阻力系数ν_a的值与关节单元421a至421f中的实际值之间的误差。很难进行模型化的误差可充当在关节单元421a至421f的驱动控制中的干扰。因此，由于这种干扰的影响，实际上，有这样的情况，其中关节单元421a至421f的运动不会如在由方程(22)表示的理论模型中作出回应。因此，有这样的情况，其中，即使当施加作为通过广义逆动力学计算的关节力的实际力τ_a时，也很难实现控制目标的运动目的。在本实施例中，主动控制***被添加到各关节单元421a至421f，因此，关节单元421a至421f的响应被认为是被校正为使得执行根据由方程(22)表示的理论模型的理想响应。具体地，在本实施例中，执行使用关节单元421a至421f的扭矩传感器428和428a的摩擦补偿型扭矩控制，此外，对于请求生成扭矩τ_a和请求外扭矩τ_e，可以根据理想值甚至对惯性I_a或粘性阻力系数ν_a执行理想响应。

在本实施例中，控制关节单元的驱动使得机器人手臂装置400的关节单元421a至421f执行由方程(22)表示的理想响应被称为如上所述的理想关节控制。这里，在以下说明中，因为执行理想响应，所以通过理想关节控制来控制驱动的传动装置也被称为“虚拟化传动装置(VA)”。下文将参考图10说明根据本实施例的理想关节控制。

图10为说明图，用于说明根据本公开的实施例的理想关节控制。图10示意性地示出了概念性计算单元，该概念性计算单元根据理想关节控制使用方块来执行各种操作。

参考图10，例如，传动装置610示意性地示出了可适用于图8所示的关节单元421a至421f的传动装置的机构，并示出了电机611、减速齿轮612、编码器613和扭矩传感器614。

这里，当传动装置610根据由方程(22)表示的理论模型来执行响应时，这意味着，当给定方程(22)的右侧时，实现左侧旋转角加速度。此外，如方程(22)中表示，理论模型包括作用于传动装置610上的外扭矩项τ_e。在本实施例中，为了执行理想关节控制，外扭矩τ_e通过扭矩传感器614而测量。此外，干扰观测器620被用来基于通过编码器613测量的传动装置610的旋转角度q来计算由干扰引起作为扭矩估计值的干扰估计值τ_d。

方块631表示计算单元，该计算单元根据由方程(22)表示的关节单元421a至421f的理想关节模型来执行操作。方块631可接收生成扭矩τ_a、外扭矩τ_e和旋转角速度(旋转角度q的一阶微分)，并输出在方程(22)的左侧所示的旋转角加速度目标值(旋转角度目标值q^ref的二阶微分)。

在本实施例中，通过在(6-2-2.广义逆动力学)中所述的方法计算的生成扭矩τ_a和通过扭矩传感器614测量的外扭矩τ_e被输入至方块631。同时，通过编码器613测量的旋转角度q被输入至方块632，该方块632表示计算单元，该计算单元执行微分运算，从而计算旋转角速度(旋转角度q的一阶微分)。除了生成扭矩τ_a和外扭矩τ_e，通过方块632计算的旋转角速度被输入至方块631，从而通过方块631计算旋转角加速度目标值。计算出的旋转角加速度目标值被输入至方块633。

方块633表示计算单元，该计算单元基于传动装置610的旋转角加速度来计算将在传动装置610中生成的扭矩。在本实施例中，具体地，方块633可通过将传动装置610的标称惯性J_n乘以旋转角加速度目标值来获得扭矩目标值τ^ref。在理想响应中，通过使传动装置610生成扭矩目标值τ^ref，实现期望运动目的，但有这样的情况，其中实际响应受如上所述干扰等影响。因此，在本实施例中，干扰估计值τ_d通过干扰观测器620进行计算，以及扭矩目标值τ^ref使用干扰估计值τ_d进行校正。

干扰观测器620的配置将进行说明。如图10所示，干扰观测器620基于扭矩命令值τ及从通过编码器613测量的旋转角度q计算的旋转角速度来计算干扰估计值τ_d。这里，扭矩命令值τ为在对干扰影响进行校正之后将通过传动装置610最终生成的扭矩值。例如，当不计算干扰估计值τ_d时，扭矩命令值τ被用作扭矩目标值τ^ref。

干扰观测器620配置有方块634和方块635。方块634为计算单元，该计算单元基于传动装置610的旋转角速度来计算将通过传动装置610生成的扭矩。在本实施例中，具体地，由方块632基于通过编码器613测量的旋转角度q计算的旋转角速度被输入至方块634。方块634可通过执行由传递函数J_ns表示的操作(即，通过对旋转角速度进行微分)来获得旋转角加速度，并通过将计算出的旋转角加速度乘以标称惯性J_n来计算实际上作用于传动装置610上的扭矩的估计值(扭矩估计值)。

在干扰观测器620中，获得扭矩估计值与扭矩命令值τ之差，从而估计作为因干扰而导致的扭矩值的干扰估计值τ_d。具体地，干扰估计值τ_d可为上一个控制中的扭矩命令值τ与当前控制中的扭矩估计值之差。因为通过方块634计算的扭矩估计值是基于实际测量值，且通过方块633计算的扭矩命令值τ是基于由方块631表示的关节单元421a至421f的理想理论模型，所以可以通过获得所述两个值之差来估计在理想模型中未考虑的干扰影响。

干扰观测器620还具有由方块635表示的低通滤波器(LPF)，以防止***发散。方块635执行由传递函数g/(s+g)表示的操作，响应于输入值，只输出低频分量，并使***稳定。在本实施例中，通过方块634计算的扭矩估计值与扭矩命令值τ^ref之间的差值被输入至方块635，且低频分量被计算为干扰估计值τ_d。

在本实施例中，执行将通过干扰观测器620计算的干扰估计值τ_d加到扭矩目标值τ^ref的前馈控制，从而计算作为将通过传动装置610最终生成的扭矩值的扭矩命令值τ。然后，基于扭矩命令值τ，驱动传动装置610。具体地，扭矩命令值τ被转换为相应电流值(电流命令值)，该电流命令值被施加于电机611，使得驱动传动装置610。

通过采用上文参考图10所述的配置，在根据本实施例的关节单元421a至421f的驱动控制中，即使当有干扰分量时，诸如摩擦，传动装置610的响应也可以跟随目标值。此外，可以在关节单元421a至421f的驱动控制中执行根据理论模型假设的惯性I_a和粘性阻力系数ν_a的理想响应。

例如，对于上述理想关节控制的细节，可查阅由同一申请人先前提交的专利申请JP 2009-269102A。

上文已经参考图10连同本实施例中使用的广义逆动力学一起说明了根据本实施例的理想关节控制。如上所述，在本实施例中，使用广义逆动力学，鉴于约束条件，执行计算用于实现手臂单元420的运动目的的关节单元421a至421f的驱动参数(例如，关节单元421a至421f的生成扭矩值)的整体协作控制。此外，如上文参考图10所述，在本实施例中，由于对通过使用广义逆动力学的整体协作控制计算的生成扭矩值执行考虑干扰影响的校正，所以执行在关节单元421a至421f的驱动控制中基于理论模型实现理想响应的理想关节控制。因此，在本实施例中，可以执行用于实现用于驱动手臂单元420的运动目的的高精度驱动控制。

(6-2-4.机器人手臂控制***的配置)

接着，将说明根据本实施例的机器人手臂控制***的配置，其中在(6-2-2.广义逆动力学)和(6-2-3.理想关节控制)中所述的整体协作控制和理想关节控制适用于机器人手臂装置的驱动控制。

将参考图11说明根据本公开的实施例的机器人手臂控制***的示例性配置。图11为功能方块图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂控制***的示例性配置。在图11所示的机器人手臂控制***中，主要示出与机器人手臂装置的手臂单元的驱动控制有关的部件。

参考图11，根据本公开的实施例的机器人手臂控制***1包括机器人手臂装置10、控制设备20和显示设备30。在本实施例中，通过控制设备20执行在(6-2-2.广义逆动力学)中所述的整体协作控制和在(6-2-3.理想关节控制)中所述的理想关节控制中的各种操作，并基于操作结果，控制机器人手臂装置10的手臂单元的驱动。此外，机器人手臂装置10的手臂单元具有成像单元140，下文将进行说明，且通过成像单元140捕获的图像显示在显示设备30的显示屏幕上。接着，将详细说明机器人手臂装置10、控制设备20和显示设备30的配置。

机器人手臂装置10包括具有多连杆结构的手臂单元，该多连杆结构配置有多个关节单元和多个连杆，并在可移动范围内驱动手臂单元以控制安装在手臂单元的前缘处的前缘单元的位置和姿势。机器人手臂装置10对应于图8所示的机器人手臂装置400。

参考图11，机器人手臂装置10包括手臂控制单元110和手臂单元120。手臂单元120包括关节单元130和成像单元140。

手臂控制单元110以整体方式控制机器人手臂装置10，并控制手臂单元120的驱动。手臂控制单元110对应于上文参考图8所述的控制单元(图8中未示出)。具体地，手臂控制单元110包括驱动控制单元111，并控制手臂单元120的驱动，且根据驱动控制单元111的控制，通过控制关节单元130的驱动，控制手臂单元120的驱动。更具体地，驱动控制单元111通过控制供给电机的电流量来控制在关节单元130的传动装置中的电机的转数以及关节单元130的旋转角度和生成扭矩。这里，如上所述，基于控制设备20中的操作结果，通过驱动控制单元111执行手臂单元120的驱动控制。因此，由驱动控制单元111控制且供给在关节单元130的传动装置中的电机的电流量为基于控制设备20中的操作结果而判决的电流量。然而，这种控制单元也可分别为各关节单元而设以分别控制各关节单元的驱动。

手臂单元120具有多连杆结构，该多连杆结构配置有多个关节单元和多个连杆，且根据手臂控制单元110的控制，控制手臂单元120的驱动。手臂单元120对应于图8所示的手臂单元420。手臂单元120包括关节单元130和成像单元140。此外，因为手臂单元120的多个关节单元具有相同功能和配置，所以图11中示出了表示多个关节单元的一个关节单元130的配置。

关节单元130将连杆连接成在手臂单元120中可旋转，且根据手臂控制单元110的控制，控制关节单元130的旋转驱动，使得驱动手臂单元120。关节单元130对应于图8所示的关节单元421a至421f。此外，关节单元130包括传动装置，且该传动装置具有与例如图8、图9A和图9B所示的配置相似的配置。

关节单元130包括关节驱动单元131和关节状态检测单元132。

关节驱动单元131为在关节单元130的传动装置中的驱动机构，且当驱动关节驱动单元131时，旋转地驱动关节单元130。驱动控制单元111控制关节驱动单元131的驱动。例如，关节驱动单元131为与图1所示的电机310及用于驱动电机310的电机驱动器对应的部件，且驱动关节驱动单元131对应于电机驱动器利用根据由驱动控制单元111发出的命令的电流量来驱动电机310。

关节状态检测单元132检测关节单元130的状态。这里，关节单元130的状态可能是指关节单元130的运动状态。例如，关节单元130的状态包括诸如关节单元130的旋转角度、旋转角速度、旋转角加速度和生成扭矩的信息。在本实施例中，关节状态检测单元132包括旋转角度检测单元133和扭矩检测单元134，该旋转角度检测单元133检测关节单元130的旋转角度，该扭矩检测单元134检测关节单元130的生成扭矩和外扭矩。例如，旋转角度检测单元133和扭矩检测单元134对应于图1所示的传动装置300的编码器330和340及图9A和图9B所示的扭矩传感器428和428a。关节状态检测单元132将检测到的关节单元130的状态发送给控制设备20。

成像单元140为安装在手臂单元120的前缘处的前缘单元的实例，并获取拍摄目标的图像。成像单元140对应于图8所示的成像单元423。具体地，成像单元140为例如能够以运动图像格式或静止图像格式拍摄拍摄目标的摄像机。更具体地，成像单元140包括二维排列的多个光接收元件，并可在光接收元件中进行光电转换，并获取表示拍摄目标的图像的图像信号。成像单元140将获取到的图像信号发送给显示设备30。

此外，与图8中成像单元423安装在手臂单元420的前缘处的机器人手臂装置400相似，在机器人手臂装置10中，成像单元140实际上安装在手臂单元120的前缘处。在图11中，成像单元140通过多个关节单元130和多个连杆安装在最后一个连杆的前缘处的型式通过示意性地示出关节单元130与成像单元140之间的连杆而表示。

此外，在本实施例中，各种医疗装置可作为前缘单元连接到手臂单元120的前缘。作为医疗装置，例如，有当执行临床操作时使用的各种单元，诸如各种临床操作器械(包括手术刀或手术钳)或各种检查装置中的一个单元(包括超声检查装置的探针)。此外，在本实施例中，还可包括图11所示的成像单元140或具有成像功能的单元(诸如内窥镜或显微镜)，作为医疗装置。如上所述，根据本实施例的机器人手臂装置10可为包括医疗装置的医疗机器人手臂装置。相似地，根据本实施例的机器人手臂控制***1可为医疗机器人手臂控制***。请注意，图11所示的机器人手臂装置10也可以说是配备具有成像功能的单元作为前缘单元的视频显微镜机器人手臂装置。此外，包括两个成像单元(摄像机单元)的立体摄像机可安装在手臂单元120的前缘处，并可进行摄像，使得成像目标被显示为3D图像。

上文已经说明机器人手臂装置10的功能和配置。接着，将说明控制设备20的功能和配置。参考图11，控制设备20包括输入单元210、存储单元220和控制单元230。

控制单元230以整体方式控制控制设备20，并执行用于控制在机器人手臂装置10中的手臂单元120的驱动的各种操作。具体地，为了控制机器人手臂装置10的手臂单元120的驱动，控制单元230以整体协作控制和理想关节控制执行各种操作。下文将详细说明控制单元230的功能和配置，但整体协作控制和理想关节控制在(6-2-2.广义逆动力学)和(6-2-3.理想关节控制)中已经进行说明，因此这里将省略其说明。

控制单元230包括整体协作控制单元240和理想关节控制单元250。

整体协作控制单元240使用广义逆动力学执行与整体协作控制有关的各种操作。在本实施例中，整体协作控制单元240基于通过关节状态检测单元132检测到的关节单元130的状态来获取手臂单元120的状态(手臂状态)。此外，整体协作控制单元240使用广义逆动力学基于手臂单元120的手臂状态及运动目的和约束条件来计算在操作空间中手臂单元120的整体协作控制的控制值。例如，操作空间是指用于说明作用于手臂单元120上的力与手臂单元120中生成的加速度之间的关系的空间。

整体协作控制单元240包括手臂状态获取单元241、操作条件设定单元242、虚拟力计算单元243和实际力计算单元244。

手臂状态获取单元241基于通过关节状态检测单元132检测到的关节单元130的状态来获取手臂单元120的状态(手臂状态)。这里，手臂状态可能是指手臂单元120的运动状态。例如，手臂状态包括诸如手臂单元120的位置、速度、加速度或力的信息。如上所述，关节状态检测单元132获取诸如各关节单元130的旋转角度、旋转角速度、旋转角加速度或生成扭矩的信息，作为关节单元130的状态。此外，存储单元220存储由控制设备20处理的各种信息，且在本实施例中，存储单元220可存储与手臂单元120有关的各种信息(手臂信息)，例如，构成手臂单元120的关节单元130的数量和连杆的数量、连杆和关节单元130的连接状态及连杆的长度，下文将进行说明。手臂状态获取单元241可从存储单元220获取相应信息。因此，手臂状态获取单元241可基于关节单元130的状态及手臂信息来获取诸如多个关节单元130、多个连杆和成像单元140在空间上的位置(坐标)(即，手臂单元120的形状或成像单元140的位置和姿势)或作用于各关节单元130、连杆和成像单元140上的力的信息。手臂状态获取单元241将获取到的手臂信息发送给操作条件设定单元242。

操作条件设定单元242在与使用广义逆动力学的整体协作控制有关的操作中设定操作条件。这里，操作条件可为运动目的和约束条件。运动目的可为与手臂单元120的运动有关的各种信息。具体地，运动目的可为成像单元140的位置和姿势(坐标)、速度、加速度和力的目标值或手臂单元120的多个关节单元130和多个连杆的位置(坐标)、速度、加速度和力的目标值。约束条件可为用于约束手臂单元120的运动的各种信息。具体地，约束条件可为手臂单元的部件都不应移动的区域的坐标、手臂单元不应移动的速度和加速度的值、不应生成的力的值等。此外，在约束条件中的各种物理量的约束范围可从手臂单元120很难在结构上实现的约束范围中设定，或可由用户适当地设定。此外，操作条件设定单元242包括手臂单元120的结构的物理模型(例如，对构成手臂单元120的连杆的数量、连杆的长度、通过关节单元130的连杆的连接、关节单元130的可移动范围等进行模型化的模型)，并可通过生成控制模型(其中期望运动条件和期望约束条件反映在物理模型中)来设定运动条件和约束条件。

在本实施例中，可以适当地设定运动条件和约束条件，并使手臂单元120执行期望移动。例如，可以将成像单元140的位置的目标值设定为运动目的，并将成像单元140移动到目标位置，且也可以根据约束条件来设定移动约束，例如，以防止手臂单元120侵入空间中的某个区域，然后驱动手臂单元120。

作为运动目的的具体实例，例如，运动目的可为作为转动移动的枢转移动，其中成像单元140在以临床操作部位为顶点的锥体的平面内移动，且在成像单元140的拍摄方向被固定至临床操作部位的状态下，锥体的轴被用作枢转轴。在枢转移动中，在成像单元140和与锥体的顶点对应的点之间的距离保持恒定的状态下，可执行转动移动。当执行枢转移动时，可以以相等距离和以不同角度观测观测部位，从而可以改善用户进行手术的便利性。

作为另一个具体实例，运动目的可为控制各关节单元130中的生成扭矩的内容。具体地，运动目的可为控制关节单元130的状态使得抵销作用于手臂单元120上的重力并控制关节单元130的状态使得在从外部给予的力的方向上支持手臂单元120的移动的动力辅助移动。更具体地，在动力辅助移动中，各关节单元130的驱动被控制为使得各关节单元130生成生成扭矩，用于在手臂单元120的各关节单元130中通过重力抵销外扭矩，因此手臂单元120的位置和姿势保持在某个状态下。当在这种状态下还从外部(例如，从用户)施加外扭矩时，各关节单元130的驱动被控制为使得各关节单元130在与所施加外扭矩相同的方向上生成生成扭矩。由于执行动力辅助移动，所以当用户手动移动手臂单元120时，用户可通过轻微的力移动手臂单元120，因此可给予用户在无重力状态下移动手臂单元120的感觉。此外，可以将枢转移动与动力辅助移动进行组合。

这里，在本实施例中，运动目的可能是指在整体协作控制中实现的手臂单元120的移动(运动)，或可能是指在相应移动中的瞬时运动目的(即，运动目的的目标值)。例如，在枢转移动的情况下，通过成像单元140执行枢转移动是运动目的，但是，例如，当执行枢转移动时，在枢转移动中在锥体平面中的成像单元140的位置或速度的值被设定为瞬时运动目的(运动目的的目标值)。此外，例如，在动力辅助移动的情况下，执行用于支持手臂单元120在从外部施加的力的方向上的移动的动力辅助移动是运动目的，但是，当执行动力辅助移动时，在与施加于各关节单元130的外扭矩相同的方向上的生成扭矩的值被设定为瞬时运动目的(运动目的的目标值)。在本实施例中，运动目的是个概念，既包括瞬时运动目的(例如，在某个时间段期间手臂单元120的各部件的位置、速度或力的目标值)又包括由于连续实现瞬时运动目的而经过一段时间实现的手臂单元120的各部件的移动。在整体协作控制单元240中的整体协作控制操作的每个步骤中，每次设定瞬时运动目的，并重复执行操作，使得最终实现期望运动目的。

此外，在本实施例中，当设定运动目的时，也可适当地设定各关节单元130的旋转运动中的粘性阻力系数。如上所述，根据本实施例的关节单元130被配置为能够适当地调整传动装置的旋转运动中的粘性阻力系数。因此，由于例如在设定运动目的时也设定各关节单元130的旋转运动中的粘性阻力系数，所以可以实现通过从外部施加的力容易或不容易执行旋转的状态。例如，在动力辅助移动的情况下，由于关节单元130中的粘性阻力系数被设定为小，所以用户可通过轻微的力移动手臂单元120，且用户可有无重力感觉。如上所述，根据运动目的的内容，可适当地设定各关节单元130的旋转运动中的粘性阻力系数。

运动目的的具体实例将在(6-2-5.运动目的的具体实例)中再次进行详细说明。

这里，在本实施例中，存储单元220可存储与操作条件(诸如运动目的或在与整体协作控制有关的操作中使用的约束条件)有关的参数，下文将进行说明。操作条件设定单元242可将存储在存储单元220中的约束条件设定为在整体协作控制的操作中使用的约束条件。

此外，在本实施例中，操作条件设定单元242可通过多个方法来设定运动目的。例如，操作条件设定单元242可基于从手臂状态获取单元241发送的手臂状态来设定运动目的。如上所述，手臂状态包括手臂单元120的位置的信息及作用于手臂单元120上的力的信息。因此，例如，当用户手动移动手臂单元120时，通过手臂状态获取单元241还获取与用户如何移动手臂单元120有关的信息，作为手臂状态。因此，操作条件设定单元242可基于获取到的手臂状态将例如位置(用户已经将手臂单元120移动到该位置)、速度(用户已经以该速度移动手臂单元120)或力(用户已经通过该力移动手臂单元120)设定为瞬时运动目的。由于如上所述设定运动目的，所以执行控制使得手臂单元120的驱动跟随并支持通过用户的手臂单元120的移动。

此外，例如，操作条件设定单元242可基于由用户从输入单元210输入的指令来设定运动目的。输入单元210为输入界面，用户通过该输入界面将例如与机器人手臂装置10的驱动控制有关的信息或命令输入至控制设备20，且在本实施例中，运动目的可基于由用户从输入单元210输入的操作而设定，下文将进行说明。具体地，输入单元210包括由用户操作的操作单元，诸如操作杆或踏板，且例如，操作条件设定单元242可根据操作杆、踏板等的操作将手臂单元120的各部件的位置或速度设定为瞬时运动目的。

此外，例如，操作条件设定单元242可将存储在存储单元220中的运动目的设定为在整体协作控制操作中使用的运动目的。例如，在用于使成像单元140停止在空间中的某点处的运动目的的情况下，该某点的坐标可被预先设定为运动目的。此外，例如，在用于使成像单元140在空间中沿一定轨迹移动的运动目的的情况下，表示一定轨迹的点的坐标可被预先设定为运动目的。如上所述，当预先设定运动目的时，运动目的可预先存储在存储单元220中。此外，例如，在枢转移动的情况下，运动目的限于在锥体的平面中将位置、速度等设定为目标值，以及在动力辅助移动的情况下，运动目的限于将力设定为目标值。如上所述，当预先设定诸如枢转移动或动力辅助移动的运动目的时，例如，与在运动目的中可设定为瞬时运动目的的目标值的范围和类型有关的信息可存储在存储单元220中。操作条件设定单元242可包括与运动目的有关的各种信息并将该信息设定为运动目的。

此外，用户可根据机器人手臂装置10的目的适当地设定通过例如操作条件设定单元242设定运动目的的方法。此外，操作条件设定单元242可通过适当地组合以上方法来设定运动目的和约束条件。此外，运动目的的优先级可被设定为存储在存储单元220中的约束条件，且当有多个不同运动目的时，操作条件设定单元242可根据约束条件的优先级来设定运动目的。操作条件设定单元242将手臂状态、所设定的运动目的和约束条件发送给虚拟力计算单元243。

虚拟力计算单元243计算在与使用广义逆动力学的整体协作控制有关的操作中的虚拟力。例如，通过虚拟力计算单元243执行的虚拟力计算处理可为上文在(6-2-2-1.虚拟力计算处理)中所述的一系列处理。虚拟力计算单元243将计算出的虚拟力f_v发送给实际力计算单元244。

实际力计算单元244计算在与使用广义逆动力学的整体协作控制有关的操作中的实际力。例如，通过实际力计算单元244执行的实际力计算处理可为上文在(2-2-2.实际力计算处理)中所述的一系列处理。实际力计算单元244将计算出的实际力(生成扭矩)τ_a发送给理想关节控制单元250。此外，在本实施例中，通过实际力计算单元244计算的生成扭矩τ_a也被称为“控制值”或“控制扭矩值”，以意为在整体协作控制中关节单元130的控制值。

理想关节控制单元250执行与用于基于理论模型实现理想响应的理想关节控制有关的各种操作。在本实施例中，理想关节控制单元250校正对通过实际力计算单元244计算的生成扭矩τ_a的干扰影响，并计算用于实现手臂单元120的理想响应的扭矩命令值τ。通过理想关节控制单元250执行的操作过程对应于上文在(6-2-3.理想关节控制)中所述的一系列处理。

理想关节控制单元250包括干扰估计单元251和命令值计算单元252。

干扰估计单元251基于扭矩命令值τ及根据通过旋转角度检测单元133检测到的旋转角度q计算出的旋转角速度来计算干扰估计值τ_d。这里，扭矩命令值τ是指表示最终发送给机器人手臂装置10的手臂单元120的生成扭矩的命令值。如上所述，干扰估计单元251具有与图10所示的干扰观测器620对应的功能。

命令值计算单元252使用通过干扰估计单元251计算出的干扰估计值τ_d来计算作为表示通过手臂单元120生成且最终发送给机器人手臂装置10的扭矩的命令值的扭矩命令值τ。具体地，命令值计算单元252通过将通过干扰估计单元251计算出的干扰估计值τ_d加到根据由方程(22)表示的关节单元130的理想模型计算出的τ^ref来计算扭矩命令值τ。例如，当不计算干扰估计值τ_d时，扭矩命令值τ被用作扭矩目标值τ^ref。如上所述，命令值计算单元252的功能对应于除图10所示的干扰观测器620的功能以外的功能。

如上所述，在理想关节控制单元250中，执行上文参考图10所述的一系列处理，使得在干扰估计单元251与命令值计算单元252之间反复地交换信息。理想关节控制单元250将计算出的扭矩命令值τ发送给机器人手臂装置10的驱动控制单元111。驱动控制单元111执行将与所发送的扭矩命令值τ对应的电流量供给在关节单元130的传动装置中的电机的控制，控制电机的转数，并控制关节单元130的旋转角度和生成扭矩。

在根据本实施例的机器人手臂控制***1中，因为当执行使用手臂单元120的作业时，连续地执行在机器人手臂装置10中的手臂单元120的驱动控制，所以在机器人手臂装置10和控制设备20中重复地执行上述处理。换言之，机器人手臂装置10的关节状态检测单元132检测关节单元130的状态，并将检测到的关节单元130的状态发送给控制设备20。在控制设备20中，基于关节单元130的状态、运动目的和约束条件，执行与用于控制手臂单元120的驱动的整体协作控制和理想关节控制有关的各种操作，且作为操作结果的扭矩命令值τ被发送给机器人手臂装置10。在机器人手臂装置10中，基于扭矩命令值τ和关节单元130的状态在通过关节状态检测单元132再次检测驱动期间或在通过关节状态检测单元132再次检测驱动之后控制手臂单元120的驱动。

现将继续说明控制设备20的其他部件。

输入单元210为输入界面，用户通过该输入界面将例如与机器人手臂装置10的驱动控制有关的信息或命令输入至控制设备20。在本实施例中，基于由用户从输入单元210输入的操作，可控制机器人手臂装置10的手臂单元120的驱动，并可控制成像单元140的位置和姿势。具体地，如上所述，由于用户将与从输入单元210输入的手臂驱动指令有关的指令信息输入至操作条件设定单元242，所以操作条件设定单元242可基于指令信息来设定在整体协作控制中的运动目的。如上所述，基于由用户输入的指令信息使用运动目的来执行整体协作控制，从而实现根据用户的操作输入的手臂单元120的驱动。

具体地，输入单元210包括由用户操作的操作单元，诸如例如鼠标、键盘、触控面板、按钮、开关、操作杆和踏板。例如，当输入单元210包括踏板时，用户可通过用脚操作踏板来控制手臂单元120的驱动。因此，即使当用户使用双手对患者的临床操作部位进行处理时，也可以通过用脚操作踏板来调整成像单元140的位置和姿势，即，临床操作部位的拍摄位置或拍摄角度。

存储单元220存储由控制设备20处理的各种信息。在本实施例中，存储单元220可存储在与通过控制单元230执行的整体协作控制和理想关节控制有关的操作中使用的各种参数。例如，存储单元220可存储在与通过整体协作控制单元240执行的整体协作控制有关的操作中使用的运动目的和约束条件。存储在存储单元220中的运动目的可为例如如上所述可预先设定使得成像单元140可停止在空间中的某点处的运动目的。此外，约束条件可由用户根据手臂单元120的几何配置、机器人手臂装置10的目的等预先设定，然后存储在存储单元220中。此外，存储单元220可存储当手臂状态获取单元241获取手臂状态时使用与手臂单元120有关的各种信息。此外，存储单元220可存储例如在与通过控制单元230执行的整体协作控制和理想关节控制有关的操作中的操作结果及在操作过程中计算出的数值。如上所述，存储单元220可存储与通过控制单元230执行的各种处理有关的所有参数，且控制单元230可在发送信息给存储单元220或从存储单元220接收信息时执行各种处理。

上文已经说明控制设备20的功能和配置。根据本实施例的控制设备20可配置有例如各种信息处理设备(算术处理设备)，诸如个人计算机(PC)或服务器。接着，将说明显示设备30的功能和配置。

显示设备30在显示屏幕上以各种格式显示各种信息，诸如文本或图像，并在视觉上通知信息给用户。在本实施例中，显示设备30通过显示屏幕显示通过机器人手臂装置10的成像单元140捕获的图像。具体地，显示设备30包括诸如图像信号处理单元(未示出)或显示控制单元(未示出)的功能或部件，该图像信号处理单元对通过成像单元140获取的图像信号进行各种图像处理，该显示控制单元执行控制使得基于经处理的图像信号的图像显示在显示屏幕上。此外，显示设备30可具有在一般显示设备中配备的除以上功能或部件以外的各种功能和部件。显示设备30对应于图6所示的显示设备550。

上文已经参考图11说明了根据本实施例的机器人手臂装置10、控制设备20和显示设备30的功能和配置。以上部件中的每个部件可使用通用构件或电路而配置，且可通过专用于每个部件的功能的硬件而配置。此外，以上部件的功能都可由CPU等执行。因此，当实施本实施例时，根据技术水平，可适当地改变将使用的配置。

如上所述，根据本实施例，在机器人手臂装置10中具有多连杆结构的手臂单元120具有至少6个或更多个自由度，且构成手臂单元120的多个关节单元130中的每个关节单元的驱动由驱动控制单元111控制。此外，医疗装置安装在手臂单元120的前缘处。由于各关节单元130的驱动如上所述进行控制，所以实现具有高自由度的手臂单元120的驱动控制，且实现具有高用户可操作性的医用机器人手臂装置10。

更具体地，根据本实施例，在机器人手臂装置10中，关节单元130的状态通过关节状态检测单元132进行检测。此外，在控制设备20中，基于关节单元130的状态、运动目的和约束条件，执行与用于控制手臂单元120的驱动的使用广义逆动力学的整体协作控制有关的各种操作，并计算作为操作结果的扭矩命令值τ。此外，在机器人手臂装置10中，基于扭矩命令值τ，控制手臂单元120的驱动。如上所述，在本实施例中，手臂单元120的驱动通过使用广义逆动力学的整体协作控制而控制。因此，实现根据力控制的手臂单元120的驱动控制，且实现具有高用户可操作性的机器人手臂装置。此外，在本实施例中，在整体协作控制中，例如，可执行用于实现用于改善用户便利性的各种运动目的(诸如枢转移动和动力辅助移动)的控制。此外，在本实施例中，例如，实现用于手动或通过从踏板输入的操作来移动手臂单元120的各种驱动单元，从而进一步改善用户便利性。

此外，在本实施例中，整体协作控制和理想关节控制适用于手臂单元120的驱动控制。在理想关节控制中，估计关节单元130中的干扰分量，诸如摩擦或惯性，并使用所估计的干扰分量，执行前馈控制。因此，即使当有诸如摩擦的干扰分量时，在关节单元130的驱动上也可实现理想响应。因此，在手臂单元120的驱动控制中实现小振动等影响、高精度响应性和高定位精度或稳定性。

此外，在本实施例中，构成手臂单元120的多个关节单元130中的每个关节单元具有适合于例如图3所示的理想关节控制的配置，且各关节单元130的旋转角度、生成扭矩和粘性阻力系数可根据电流值进行控制。如上所述，各关节单元130的驱动根据电流值进行控制，且在检测手臂单元120的整个状态的同时，根据整体协作控制，控制各关节单元130的驱动，因此无需平衡锤，且实现小型机器人手臂装置10。

(6-2-5.运动目的的具体实例)

接着，将说明根据本实施例的运动目的的具体实例。如上文在(6-2-4.机器人手臂控制***的配置)中所述，在本实施例中，各种运动目的通过整体协作控制实现。这里，作为根据本实施例的运动目的的具体实例，将说明动力辅助移动和枢转移动。在运动目的的具体实例的以下说明中，根据本实施例的机器人手臂控制***的部件在图11所示的功能方块图中使用附图标记表示。

动力辅助移动为控制关节单元130的状态使得抵销作用于手臂单元120上的重力并控制关节单元130的状态使得在从外部给予的力的方向上支持手臂单元120的移动的移动。具体地，当用户手动移动手臂单元120时，动力辅助移动为控制手臂单元120的驱动使得支持由用户施加的力的移动。更具体地，为了实现动力辅助移动，首先，在除重力以外无力作用于手臂单元120上的状态下，通过扭矩检测单元134来检测外扭矩，并设定瞬时运动目的，使得由各关节单元130生成用于抵销检测到的外扭矩的生成扭矩。在这个阶段，手臂单元120的位置和姿势保持在某个状态下。当在这种状态下还从外部(例如，从用户)施加外扭矩时，附加施加的外扭矩被扭矩检测单元134检测到，且瞬时运动目的还被设定为使得各关节单元130在与检测到的附加外扭矩相同的方向上生成生成扭矩。由于各关节单元130的驱动根据瞬时运动目的进行控制，所以实现动力辅助移动。通过动力辅助移动，用户可通过轻微的力移动手臂单元，因此用户可有在无重力状态下移动手臂单元120的感觉，且手臂单元120的用户可操作性得到提高。

枢转移动为转动移动，其中在前缘单元的方向被固定在空间中某点上的状态下，安装在手臂单元120的前缘处的前缘单元在以该某点为顶点的锥体的平面上移动，且锥体的轴被用作枢转轴。具体地，当前缘单元为成像单元140时，枢转移动为转动移动，其中在成像单元140的拍摄方向被固定在空间中某点上的状态下，安装在手臂单元120的前缘处的成像单元140在以该某点为顶点的锥体的平面上移动，且锥体的轴被用作枢转轴。例如，临床操作部位被选定为在枢转移动中与锥体的顶点对应的点。此外，在枢转移动中，在成像单元140的前缘单元与与锥体的顶点对应的点之间的距离保持恒定的状态下，可执行转动移动。此外，因为前缘单元的方向或成像单元140的拍摄方向被固定在空间中某点(例如临床操作部位)上，所以枢转移动也被称为“锁点移动”。

枢转移动将参考图12和图13进行进一步详细说明。图12为说明图，用于说明枢转移动，该枢转移动为根据本公开的实施例的手臂移动的具体实例。图13为说明图，用于说明用于实现图12所示的枢转移动的运动目的和约束条件。

参考图12，患者750上的临床操作部位在枢转移动中被设定为顶点。顶点被称为“枢转点P_i”。在图12中，为了方便起见，在根据本实施例的机器人手臂装置10中，示出了作为与图11中成像单元140对应的单元的成像单元713。如图12所示，在枢转移动中，运动目的和约束条件可被设定为使得成像单元713可在锥体A的底部的圆周上移动，即，在成像单元713与枢转点P_i之间的距离保持恒定的状态下，成像单元713在锥体A的平面内移动。此外，锥体A的形状，即，锥体A的顶角θ或枢转点P_i与成像单元713之间的距离，可由用户适当地设定。例如，枢转点P_i与成像单元713之间的距离被调整为成像单元713中的光学***的焦距。由于应用枢转移动，所以可以不同角度等距观测临床操作部位，从而可改善用户进行手术的便利性。

此外，在枢转移动中，可以移动锥体的位置，其中在枢转点P_i如在锥体A和B中被固定的状态下，成像单元713可移动。在图12所示的实例中，锥体A的枢转轴基本上垂直于临床操作部位，以及锥体B的枢转轴基本上平行于临床操作部位。如上所述，例如，运动目的和约束条件可被设定为使得在枢转点P_i被固定(诸如锥体A和B)的状态下，用于执行枢转移动的锥体可旋转约90度。由于应用枢转移动，所以可以从更多方向观测临床操作部位，从而可进一步改善用户便利性。

图12所示的实例示出了运动目的和约束条件被设定为使得成像单元713可在锥体A的底部的圆周上移动的实例，但根据本实施例的枢转移动并不限于这个实例。例如，运动目的和约束条件可被设定为使得在枢转点P_i的位置及锥体A和B的顶角θ被固定的状态下，可自由地改变枢转点P_i与成像单元713之间的距离。由于应用枢转移动，所以在角度被固定的情况下，可以改变成像单元713与临床操作部位之间的距离，从而可以根据例如用户要求观测临床操作部位，以放大或缩小临床操作部位，然后通过适当地调整成像单元713的焦距(焦点)来观测经放大或缩小的临床操作部位。

接着，将参考图13详细说明用于实现图12所示的枢转移动的运动目的和约束条件。参考图13，说明了包括成像单元713的手臂单元710使用枢转点P_i作为基点来执行枢转移动的实例。在图13中，将举例说明成像单元713与枢转点P_i之间的距离保持恒定的枢转移动。手臂单元710包括多个关节单元711a，711b和711c以及多个连杆712a，712b和712c，且根据本实施例，手臂单元710的驱动根据整体协作控制和理想关节控制进行控制。例如，手臂单元710及其部件具有与图8所示根据本实施例的手臂单元420及其部件相同的配置。

这里，考虑作为手臂单元710的支承点的原点OA被用作零点的手臂坐标系和空间中的原点OS被用作零点的空间坐标系。手臂单元710的运动通过手臂坐标系进行管理。此外，手臂坐标系和空间坐标系被定义为使得它们可以相互转换。

从空间坐标系观看的成像中心由P_w表示。此外，在手臂坐标系中，与连接成像单元713与连杆712c的关节单元711c相距成像单元713的长度D和成像单元713的焦距f的位置被称为“枢转点P_i”。

在这种状态下，运动目的和约束条件被设定为使得在枢转点P_i匹配成像中心P_w的状态下驱动手臂单元710。换言之，将手臂坐标系中的枢转点P_i固定到空间坐标系中的成像中心P_w的约束条件在手臂坐标系中进行设定。此外，成像单元713定位在以枢转点P_i(即，成像中心P_w)为顶点的锥体的平面上时所在的坐标或成像单元713朝向枢转点P_i时成像单元713所在的位置被设定为运动目的。由于在约束条件和运动目的下执行整体协作控制，所以即使当成像单元713的位置和姿势通过移动手臂单元710而变化时，成像单元713的方向也始终朝向成像中心P_w(即，枢转点P_i)，且成像单元713与成像中心P_w之间的距离保持为具有焦距f。因此，实现在成像单元713与成像中心P_w之间的距离保持恒定的状态下的枢转移动。当在改变成像单元713与成像中心P_w(或枢转点P_i)之间的距离的同时执行枢转移动时，期望改变枢转点P_i的设定方法。具体地，例如，在手臂坐标系中，期望将与关节单元711c相距成像单元713的长度D及任意距离的位置设定为枢转点P_i并使用任意距离作为可变参数。

此外，可使用枢转移动和动力辅助移动的组合。当使用枢转移动和动力辅助移动的组合时，例如，当用户手动移动成像单元140时，归因于在无重力状态下移动成像单元140的感觉，用户可用轻微的力移动成像单元140，且成像单元140的移动位置被限制在锥体的平面内。因此，成像单元140的移动可操作性在枢转移动时得到提高。

上文已经说明动力辅助移动和枢转移动，作为根据本实施例的运动目的的具体实例。根据本实施例的运动目的并不限于这个实例。在本实施例中，例如，还可实现以下运动目的。

例如，成像单元140的坐标可被设定为运动目的，使得成像单元140的位置被固定在某个位置处。在这种情况下，例如，当从外部施加力到除手臂单元120的成像单元140以外的部件时，可以设定运动目的和约束条件为使得关节单元130和连杆也被固定在某个位置处且不移动，并可以设定运动目的和约束条件为使得关节单元130和连杆根据所施加的外力而移动，但成像单元140的位置被固定。在后者情况下，例如，当手臂单元120干扰作业且期望移动时，实现在通过成像单元140捕获的图像被固定的状态下移动手臂单元120的其他部件的位置和姿势的高自由度的控制。

此外，运动目的和约束条件可被设定为使得例如当手臂单元120在被驱动的同时检测到与人或东西接触时实现立即停止手臂单元120的驱动的移动。通过执行这种移动，可以减少手臂单元120与人或物体碰撞的风险。此外，当手臂单元120接触到例如人或物体时，关节状态检测单元132可根据施加于关节单元130的外扭矩变化来检测接触。

此外，例如，运动目的可被设定为使得成像单元140在空间中沿一定轨迹移动。具体地，表示一定轨迹的点的坐标可被设定为运动目的。通过如上所述设定运动目的，成像单元140的可移动范围限于该轨迹。此外，通过将成像单元140的速度、成像单元140通过所述点的次数等与表示该轨迹的点的坐标一起设定为运动目的，也可执行自动驱动，成像单元140通过自动驱动在一定时间沿一定轨迹自动地移动。例如，当机器人手臂装置10反复地自动执行某个作业时，根据这种运动设定的驱动控制是有效的。

此外，例如，运动目的和约束条件可被设定为使得实现防止手臂单元120侵入空间中某个区域的移动。如上文参考图7所述，在本实施例中，用户在观看显示屏幕的同时进行手术。因此，如果手臂单元120被定位在用户与显示屏幕之间的区域中，那么用户的视野被阻挡，因此手术效率可能降低。因此，例如，通过将用户与显示屏幕之间的区域设定为手臂单元120的禁止侵入区域，手术效率可得到提高。

这里，当如上所述对手臂单元120设定禁止侵入区域时，手臂单元120的自由度优选为大于6个自由度。这是因为6个自由度之后的自由度可被用作冗余自由度，从而在应对禁止侵入区域等的同时可以确保6个自由度的驱动。包括具有比6个自由度更多的自由度的手臂单元的机器人手臂装置的配置将参考图14进行详细说明。

图14为示意图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂装置的变形例的外观，该变形例具有冗余自由度。与图8中定义的方向相同的坐标轴如图14所示。

参考图14，根据本变形例的机器人手臂装置450包括基座单元460和手臂单元470。此外，手臂单元470包括多个关节单元471a至471g、将关节单元471a至471g相互连接的多个连杆472a至472d和安装在手臂单元470的前缘处的成像单元473。这里，图14所示的机器人手臂装置450对应于与上文参考图8所述的机器人手臂装置400相比手臂单元470的自由度增加了一个自由度的配置。因此，基座单元460、各关节单元471a至471g和连杆472a至472d以及成像单元473的功能和配置与上文参考图8所述的机器人手臂装置400的基座单元410、各关节单元421a至421f和连杆422a至422c以及成像单元423的功能和配置相似，因此将省略其详细说明。下面将继续说明，着重讨论作为与机器人手臂装置400的差异的手臂单元470的配置。

根据本实施例的机器人手臂装置450包括7个关节单元471a至471g，且对手臂单元470的驱动实现了7个自由度。具体地，连杆472a的一端与基座单元460连接，连杆472a的另一端通过关节单元471a与连杆472b的一端连接。此外，连杆472b的另一端通过关节单元471b和471c与连杆472c的一端连接。此外，连杆472c的另一端通过关节单元471d和471e与连杆472d的一端连接，以及连杆472d的另一端通过关节单元471f和471g与成像单元473连接。如上所述，从基座单元460延伸的手臂单元470被配置为使得基座单元460作为支承点，且多个连杆472a至472d的两端通过关节单元471a至471g相互连接。

此外，如图14所示，关节单元471a，471c，471e和471g被安装为使得连接到它们的连杆472b至472d的纵轴方向及连接到它们的成像单元473的拍摄方向被设定为旋转轴方向，以及关节单元471b，471d和471f被安装为使得作为连接到它们的连杆472c和472d和成像单元473的连接角在y-z平面内变化的方向的x轴方向被设定为旋转轴方向。如上所述，在本变形例中，关节单元471a，471c，471e和471g具有执行偏转的功能，以及关节单元471b，471d和471f具有执行俯仰的功能。

由于手臂单元470具有以上配置，所以在根据本实施例的机器人手臂装置450中，对手臂单元470的驱动实现了7个自由度，从而可以在空间内在手臂单元470的可移动范围内自由地移动成像单元473，且设置冗余自由度。在图14中，与图8相似，半球被示出为成像单元473的可移动范围的实例。当半球的中心点为通过成像单元473拍摄的临床操作部位的拍摄中心时，在成像单元473的拍摄中心被固定到半球的中心点的状态下，通过在半球的球面上移动成像单元473，可以不同角度拍摄临床操作部位。因为根据本实施例的机器人手臂装置450具有一个冗余自由度，所以可以将成像单元473的移动限制为半球及手臂单元470的轨迹，且还可以容易地应对约束条件，诸如禁止侵入区域。通过设定例如禁止侵入区域，可以控制手臂单元470的驱动，使得手臂单元470不会定位在监视器(通过成像单元473捕获的图像显示在该监视器上)与从业人员或工作人员之间，并可以防止阻挡从业人员或工作人员观看监视器。此外，由于设定禁止侵入区域，所以可以控制手臂单元470的驱动，使得手臂单元470在避免干扰(接触)从业人员和工作人员或在附近的任何其他设备的同时移动。

(6-3.机器人手臂控制方法的处理过程)

接着，将参考图15说明根据本公开的实施例的机器人手臂控制方法的处理过程。图15为流程图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂控制方法的处理过程。下面将继续说明通过图11所示的机器人手臂控制***1的配置实现根据本实施例的机器人手臂控制方法的实例。因此，根据本实施例的机器人手臂控制方法可为医疗机器人手臂控制方法。此外，在根据本实施例的机器人手臂控制方法的处理过程的以下说明中，上文已经在(6-2-4.机器人手臂控制***的配置)中说明了图11所示的机器人手臂控制***1的各部件的功能，因此省略其详细说明。

参考图15，在根据本实施例的机器人手臂控制方法中，首先，在步骤S801中，关节状态检测单元132检测关节单元130的状态。这里，关节单元130的状态是指例如在关节单元130中的旋转角度、生成扭矩和/或外扭矩。

然后，在步骤S803中，手臂状态获取单元241基于在步骤S801中检测到的关节单元130的状态来获取手臂状态。手臂状态是指手臂单元120的运动状态，且可为例如手臂单元120的各部件的位置、速度或加速度或作用于手臂单元120的各部件上的力。

然后，在步骤S805中，操作条件设定单元242基于在步骤S803中获取的手臂状态来设定用于整体协作控制操作的运动目的和约束条件。此外，操作条件设定单元242可能不基于手臂状态来设定运动目的，可能基于关于手臂单元120的驱动的指令信息来设定运动目的，该指令信息例如由用户从输入单元210输入，并可使用先前存储在存储单元220中的运动目的。此外，可通过适当地组合以上方法来设定运动目的。此外，操作条件设定单元242可使用先前存储在存储单元220中的约束条件。

然后，在步骤S807中，基于手臂状态、运动目的和约束条件，执行使用广义逆动力学的整体协作控制操作，并计算控制值τ_a。在步骤S807中执行的处理可为在图11所示的虚拟力计算单元243和实际力计算单元244中的一系列处理，即，上文在(6-2-2.广义逆动力学)中所述的一系列处理。

然后，在步骤S809中，计算干扰估计值τ_d，使用干扰估计值τ_d来执行理想关节控制操作，并基于控制值τ_a，计算命令值τ。在步骤S809中执行的处理可为在图11所示的理想关节控制单元250中的一系列处理，即，上文在

(6-2-3.理想关节控制)中所述的一系列处理。

最后，在步骤S811中，驱动控制单元111基于命令值τ来控制关节单元130的驱动。

上文已经参考图15说明了根据本实施例的机器人手臂控制方法的处理过程。在本实施例中，在执行使用手臂单元120的作业的同时反复地执行图15所示步骤S801至步骤S811的处理。因此，在本实施例中，在执行使用手臂单元120的作业的同时连续地执行手臂单元120的驱动控制。

(6-4.硬件配置)

接着，将参考图16详细说明图11所示根据本实施例的机器人手臂装置10和控制设备20的硬件配置。图16为功能方块图，示出了根据本公开的实施例的机器人手臂装置10和控制设备20的硬件配置的示例性配置。

机器人手臂装置10和控制设备20主要包括CPU 901、ROM 903和RAM 905。机器人手臂装置10和控制设备20还包括主机总线907、桥接器909、外部总线911、接口913、输入设备915、输出设备917、存储设备919、驱动器921、连接端口923和通信设备925。

CPU 901兼作算术处理设备和控制设备，并根据记录在ROM 903、RAM 905、存储设备919或可移除存储介质927中的各种程序来控制机器人手臂装置10和控制设备20的所有或一些操作。ROM 903存储由CPU 901使用的程序、操作参数等。RAM 905主要存储由CPU 901使用的程序、在程序执行中适当地改变的参数等。上述部件通过主机总线907相互连接，该主机总线907配置有内部总线，诸如CPU总线。CPU 901在本实施例中对应于例如图11所示的手臂控制单元110和控制单元230。

主机总线907通过桥接器909连接到外部总线911，诸如***部件互连/接口(PCI)。此外，输入设备915、输出设备917、存储设备919、驱动器921、连接端口923和通信设备925经由接口913连接到外部总线911。

输入设备915为由用户使用的操作单元，诸如鼠标、键盘、触控面板、按钮、开关、操作杆或踏板。例如，输入设备915可为使用红外线或任何其他无线电波的远程控制单元(所谓远程控制器)，且可为与机器人手臂装置10和控制设备20的操作对应的外部连接设备929，诸如手机或PDA。此外，例如，输入设备915配置有输入控制电路，该输入控制电路基于由用户输入的信息使用操作单元生成输入信号，并输出输入信号给CPU 901。机器人手臂装置10和控制设备20的用户可输入各种数据给机器人手臂装置10和控制设备20或指示机器人手臂装置10和控制设备20通过操作输入设备915来执行处理操作。例如，输入设备915在本实施例中对应于图11所示的输入单元210。此外，在本实施例中，在手臂单元120的驱动中的运动目的可通过由用户通过输入设备915输入的操作进行设定，并根据运动目的可执行整体协作控制。

输出设备917配置有能够在视觉上或在听觉上通知获取到的信息给用户的设备。作为这种设备，有显示设备(诸如CRT显示设备、液晶显示设备、等离子显示设备、EL显示设备或灯)、音频输出设备(诸如扬声器或耳机)、打印机设备等。例如，输出设备917输出通过由机器人手臂装置10和控制设备20执行的各种处理而获得的结果。具体地，显示设备以文本或图像形式显示通过由机器人手臂装置10和控制设备20执行的各种处理而获得的结果。同时，音频输出设备将包括再现音频数据、声数据等的音频信号转换为模拟信号，并输出模拟信号。在本实施例中，与手臂单元120的驱动控制有关的各种信息可以各种形式从输出设备917输出。例如，在手臂单元120的驱动控制中，手臂单元120的各部件的移动轨迹可以图表形式显示在输出设备917的显示屏幕上。此外，例如，图11所示的显示设备30可为包括作为显示设备的输出设备917的功能和配置以及用于控制显示设备的驱动的部件(诸如控制单元)的设备。

存储设备919为数据存储设备，该数据存储设备被配置为机器人手臂装置10和控制设备20的示例性存储单元。例如，存储设备919配置有磁性存储单元设备(诸如硬盘驱动器(HDD))、半导体存储设备、光学存储设备、磁光存储设备等。存储设备919存储由CPU 901执行的程序、各种数据等。例如，存储设备919在本实施例中对应于图11所示的存储单元220。此外，在本实施例中，存储设备919可存储在与使用广义逆动力学的整体协作控制有关的操作中的操作条件(运动目的和约束条件)，且机器人手臂装置10和控制设备20可使用存储在存储设备919中的操作条件来执行与整体协作控制有关的操作。

驱动器921为记录介质读/写器，且配备在机器人手臂装置10和控制设备20中或附接到机器人手臂装置10和控制设备20。驱动器921读取存储在可移除存储介质927(安装在驱动器921上)(诸如磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器)中的信息，并将读取信息输出给RAM 905。此外，驱动器921可将记录写入可移除存储介质927(安装在驱动器921上)(诸如磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器)中。例如，可移除存储介质927为DVD介质、HD-DVD介质、蓝光Blu-ray(注册商标)介质等。此外，可移除存储介质927可为紧凑型闪存Compact Flash(注册商标)、快闪存储器、安全数字(SD)存储卡等。此外，例如，可移除存储介质927可为配备有非接触式IC芯片的集成电路(IC)卡、电子设备等。在本实施例中，与手臂单元120的驱动控制有关的各种信息通过驱动器921从各种可移除存储介质927读取或写入各种可移除存储介质927中。

连接端口923为用于将设备直接与机器人手臂装置10和控制设备20连接的端口。作为连接端口923的实例，有通用串行总线(USB)端口、IEEE 1394端口、小型计算机***接口(SCSI)端口等。作为连接端口923的另一个实例，有RS-232C端口、光学音频端子、高清晰度多媒体接口(HDMI)(注册商标)等。由于外部连接设备929连接到连接端口923，所以机器人手臂装置10和控制设备20直接从外部连接设备929获取各种数据或提供各种数据给外部连接设备929。在本实施例中，与手臂单元120的驱动控制有关的各种信息可通过连接端口923从各种外部连接设备929读取或写入各种外部连接设备929中。

例如，通信设备925为配置有通信设备的通信接口，该通信接口用于与通信网络(网络)931连接。例如，通信设备925为用于有线或无线局域网(LAN)、蓝牙Bluetooth(注册商标)或无线USB(WUSB)的通信卡。此外，通信设备925可为光学通信路由器、非对称数字用户线(ADSL)路由器、各种通信调制解调器等。例如，通信设备925可例如根据某个协议(诸如TCP/IP)发送信号给因特网或另一个通信设备或从因特网或另一个通信设备接收信号。此外，连接到通信设备925的通信网络931配置有以有线或无线方式连接的网络，且可为例如因特网、民用LAN、红外线通信、无线电波通信、卫星通信等。在本实施例中，与手臂单元120的驱动控制有关的各种信息可通过通信设备925经由通信网络931发送给外部设备或从外部设备接收。

上文已经说明了能够实现根据本公开的实施例的机器人手臂装置10和控制设备20的功能的硬件配置。以上部件中的每个部件可使用通用构件而配置，且可通过专用于各部件的功能的硬件而配置。因此，当实施本实施例时，根据技术水平，可适当地改变将使用的硬件配置。此外，虽然图16中未示出，但是机器人手臂装置10很显然包括与图11所示的手臂单元120对应的各种部件。

此外，可以创建用于实现根据本实施例的机器人手臂装置10、控制设备20和显示设备30的功能的计算机程序，并将计算机程序安装在个人计算机等中。此外，也可以提供存储计算机程序的计算机可读记录介质。记录介质的实例包括磁盘、光盘、磁光盘和快闪存储器。此外，例如，计算机程序可经由网络而无需使用记录介质进行传送。

(6-5.医疗机器人手臂装置的总结)

如上所述，在本实施例中，可以得到以下效果。

更具体地，根据本实施例，在机器人手臂装置10中，关节单元130的状态通过关节状态检测单元132进行检测。此外，在控制设备20中，基于关节单元130的状态、运动目的和约束条件，使用广义逆动力学执行与用于控制手臂单元120的驱动的整体协作控制有关的各种操作，并计算作为操作结果的扭矩命令值τ。此外，在机器人手臂装置10中，基于扭矩命令值τ，控制手臂单元120的驱动。如上所述，在本实施例中，通过使用广义逆动力学的整体协作控制，控制手臂单元120的驱动。因此，实现根据力控制的手臂单元120的驱动，且实现具有高用户可操作性的机器人手臂装置。此外，在本实施例中，在整体协作控制中，例如，可执行用于实现用于改善用户便利性的各种运动目的(诸如枢转移动和动力辅助移动)的控制。此外，在本实施例中，例如，实现用于手动或通过从踏板输入的操作来移动手臂单元120的各种驱动单元，从而进一步改善用户便利性。

如上所述，根据本实施例，可以实现上文在(6-1.医疗机器人手臂装置的审查)中所述的机器人手臂装置所需的所有能力。因此，使用根据本实施例的机器人手臂装置可以更高效地执行各种临床操作，并进一步减轻用户或患者的疲劳或负担。

此外，在本实施例中，由于机器人手臂装置10的手臂单元120通过力控制进行驱动，所以即使当手臂单元120在驱动期间干扰或接触到从业人员、工作人员等时，手臂单元120也不会生成比所需更大的力，且手臂单元120安全地停止。此外，当干扰解决时，根据设定运动目的，手臂单元120被向上移动到期望位置，并继续临床操作。如上所述，在本实施例中，由于力控制被用于机器人手臂装置10的驱动控制，所以即使当手臂单元120在进行驱动的同时干扰附近东西时，也要确保更高安全性。

例如，以上实施例已经示出机器人手臂装置的手臂单元的前缘单元为成像单元且如图7所示在手术期间通过成像单元拍摄临床操作部位的实例，但是本实施例并不限于这个实例。即使当包括不同前缘单元的机器人手臂装置被用于另一个目的时，根据本实施例的机器人手臂控制***1也可以适用。例如，前缘单元可为内窥镜或腹腔镜，且可为任何其他检查设备，诸如超声检查装置或胃镜。

例如，对于使用胃镜的临床操作，胃镜被***到患者的身体中，并在观测通过胃镜拍摄的图片的同时使用单独***的手术工具(诸如手术钳和外科电气工具)进行各种临床操作。利用这种临床操作方法，如果从业人员在利用例如机器人手臂操作胃镜的同时能够直接操作临床操作工具，那么单人可以进行临床操作，使临床操作能够更加高效。然而，利用典型现有平衡臂，从可操作性角度，单人很难同时用手操作手术工具和用机器人手臂操作胃镜。因此，现有方法需要多个工作人员，且通常是，在一个从业人员使用手术工具进行临床操作的同时，另一个从业人员用机器人手臂操作胃镜。然而，利用根据本实施例的机器人手臂装置，实现了通过整体协作控制的高可操作性，如上所述。此外，通过理想关节控制，实现高精度响应和高稳定性，影响更小，诸如振动。因此，根据本实施例，单个从业人员可以容易地用机器人手臂装置操作胃镜进行观测，且也可以用手操作手术工具。

此外，根据本实施例的机器人手臂装置可用于除医疗用途以外的目的。在根据本实施例的机器人手臂装置中，因为通过例如理想关节控制实现高精度响应性和高稳定性，所以还可以应对诸如必须以高精度执行的工业部件的加工或装配的作业。

此外，以上实施例已经结合机器人手臂装置的手臂单元包括旋转机构的实例进行说明，且旋转机构的旋转驱动被控制为使得控制手臂单元的驱动，但本实施例并不限于这个实例。例如，在根据本实施例的机器人手臂装置中，构成手臂单元的连杆可具有在连杆的延伸方向上展开或收缩的机构(诸如例如液压驱动机构或驱动滚珠丝杆的机构)，且连杆的长度可以为可变。当例如连杆的长度为可变时，手臂单元的驱动被控制为使得通过整体协作控制实现期望运动目的，其中除关节单元中的旋转以外，考虑了连杆的展开和收缩。

此外，以上实施例已经结合机器人手臂装置中的手臂单元的自由度为6个或更多个自由度的实例进行说明，但本实施例并不限于这个实例。此外，以上实施例已经结合构成手臂单元的多个关节单元中的每个关节单元包括支持理想关节控制的传动装置的实例进行说明，但本实施例并不限于这个实例。在本实施例中，根据机器人手臂装置的目的，可设定各种运动目的。因此，只要设定的运动目的可以实现，手臂单元就可具有6个以下自由度，且构成手臂单元的多个关节单元中的一些关节单元可为具有一般关节机构的关节单元。如上所述，在本实施例中，手臂单元可被配置为能够实现运动目的，或根据机器人手臂装置的目的，可进行适当地配置。

<7.补充说明>

上文已经参考附图说明了本公开的优选实施例，但本公开当然并不限于以上实例。本领域技术人员在所附权利要求的范围内可以找出各种更改和修改，且应当理解，它们当然会包括在本公开的技术范围内。

此外，在本说明书中所述的效果仅仅作为示例和示范，而不是限制。换言之，与基于本说明书的效果一起或代替基于本说明书的效果，根据本公开的技术可呈现本领域技术人员显而易见的其他效果。

此外，本技术也可构成如下。

(1)一种传动装置，该传动装置包括：

减速齿轮，该减速齿轮通过一定减速比降低接合至电机的旋转轴的输入轴的旋转速度，并将降低的旋转速度发送给输出轴；

第一绝对角度编码器，该第一绝对角度编码器检测输入轴的旋转角度；和

第二绝对角度编码器，该第二绝对角度编码器检测输出轴的旋转角度。

(2)根据(1)所述的传动装置，其中

基于通过第一绝对角度编码器检测到的输入轴的旋转角度，检测输出轴的旋转角度。

(3)根据(1)或(2)所述的传动装置，其中

基于通过第二绝对角度编码器检测到的输出轴的旋转角度，计算输入轴的累积旋转计数，且

通过将通过第一绝对角度编码器检测到的输入轴的旋转角度加到根据所述累积旋转计数计算出的输入轴的累积旋转角度，检测输出轴的旋转角度。

(4)根据(3)所述的传动装置，其中

基于根据通过第二绝对角度编码器的输出轴的旋转角度的检测值估计的输入轴的旋转角度，校正输入轴的累积旋转计数。

(5)根据(3)所述的传动装置，其中

第二绝对角度编码器的旋转角度检测精度小于与根据所述减速齿轮的减速比的、输入轴的一整个旋转相对应的输出轴的旋转角度。

(6)根据(1)或(2)所述的传动装置，该传动装置还包括：

计数器，该计数器保存输入轴的圈数计数，其中

通过将通过第一绝对角度编码器检测到的输入轴的旋转角度加到基于所述计数器的值计算出的输入轴的累积旋转角度，检测输出轴的旋转角度。

(7)根据(1)至(6)中任一项所述的传动装置，其中

基于来自第一绝对角度编码器的输入轴的旋转角度的检测值与来自第二绝对角度编码器的输出轴的旋转角度的检测值之间的关系，检测所述传动装置的故障。

(8)根据(7)所述的传动装置，其中

另外基于来自所述第一绝对角度编码器的输入轴的旋转角度的检测值和来自所述第二绝对角度编码器的输出轴的旋转角度的检测值随时间的变化，输出所述电机、所述减速齿轮、所述第一绝对角度编码器和所述第二绝对角度编码器中至少一者的故障。

(9)根据(1)至(8)中任一项所述的传动装置，其中

所述电机为无刷电机，以及

所述第一绝对角度编码器还兼作传感器，该传感器检测所述电机的转子的旋转。

(10)根据(1)至(9)中任一项所述的传动装置，其中

所述第一绝对角度编码器和所述第二绝对角度编码器为磁性编码器，在检测到的变化相移了一定量的状态下，所述磁性编码器使用多个磁性传感器来检测归因于磁体旋转的磁场变化，从而检测磁体的旋转角度。

(11)一种机器人手臂装置，该机器人手臂装置包括：

手臂单元，由通过一个或多个关节单元接合的多个连杆组成；和

驱动控制单元，该驱动控制单元基于所述关节单元的状态来控制设置在所述关节单元中的至少一个关节单元中的传动装置的驱动，其中

所述传动装置包括：

(12)根据(11)所述的机器人手臂装置，其中

(13)根据(11)或(12)所述的机器人手臂装置，其中

(14)根据(13)所述的机器人手臂装置，其中

(15)根据(13)所述的机器人手臂装置，其中

(16)根据(11)或(12)所述的机器人手臂装置，该机器人手臂装置还包括：

计数器，该计数器保存输入轴的圈数计数，其中

(17)根据(11)至(16)中任一项所述的机器人手臂装置，其中

(18)根据(17)所述的机器人手臂装置，其中

(19)根据(11)至(18)中任一项所述的机器人手臂装置，其中

所述电机为无刷电机，以及

(20)根据(11)至(19)中任一项所述的机器人手臂装置，其中

(21)根据(11)至(20)中任一项所述的机器人手臂装置，其中

所述手臂单元具有安装单元，执行某个过程的工具安装在所述安装单元上。

(22)根据(21)所述的机器人手臂装置，其中

所述工具为医用工具。

附图标记列表

1 机器人手臂控制***

3 旋转角度检测***

10 机器人手臂装置

20 控制设备

30 显示设备

110 手臂控制单元

111 驱动控制单元

120 手臂单元

130 关节单元

131 关节驱动单元

132 旋转角度检测单元

133 扭矩检测单元

140 成像单元

210 输入单元

220 存储单元

230 控制单元

240 整体协作控制单元

241 手臂状态获取单元

242 操作条件设定单元

243 虚拟力计算单元

244 实际力计算单元

250 理想关节控制单元

251 干扰估计单元

252 命令值计算单元

300 传动装置

310 电机(无刷电机)

320 减速齿轮

330 编码器(输入轴编码器，绝对角度编码器)

340 编码器(输出轴编码器，绝对角度编码器)

350 输出轴

360 壳体

370 控制单元

371 输出轴角度信息获取单元

372 电机累积旋转计数计算单元

373 输入轴角度信息获取单元

374 输入轴累积操作角度计算单元

375 输出轴角度计算单元。

Claims

1.一种传动装置，该传动装置包括：

第一绝对角度编码器，该第一绝对角度编码器检测所述输入轴的旋转角度；和

第二绝对角度编码器，该第二绝对角度编码器检测所述输出轴的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的传动装置，其中

基于通过所述第一绝对角度编码器检测到的所述输入轴的旋转角度，检测所述输出轴的旋转角度。

3.根据权利要求1所述的传动装置，其中

基于通过所述第二绝对角度编码器检测到的所述输出轴的旋转角度，计算所述输入轴的累积旋转计数，且

通过将所述第一绝对角度编码器检测到的所述输入轴的旋转角度加到根据所述累积旋转计数计算出的所述输入轴的累积旋转角度，检测所述输出轴的旋转角度。

4.根据权利要求3所述的传动装置，其中

基于根据通过所述第二绝对角度编码器检测的所述输出轴的旋转角度的检测值估计的所述输入轴的旋转角度，校正所述输入轴的累积旋转计数。

5.根据权利要求3所述的传动装置，其中

所述第二绝对角度编码器的旋转角度检测精度小于与根据所述减速齿轮的减速比的、所述输入轴的一整个旋转相对应的所述输出轴的旋转角度。

6.根据权利要求1所述的传动装置，该传动装置还包括：

计数器，该计数器保存所述输入轴的旋转计数，其中

通过将所述第一绝对角度编码器检测到的所述输入轴的旋转角度加到基于所述计数器的值计算出的所述输入轴的累积旋转角度，检测所述输出轴的旋转角度。

7.根据权利要求1所述的传动装置，其中

基于来自所述第一绝对角度编码器的所述输入轴的旋转角度的检测值与来自所述第二绝对角度编码器的所述输出轴的旋转角度的检测值之间的关系，检测所述传动装置的故障。

8.根据权利要求7所述的传动装置，其中

另外基于来自所述第一绝对角度编码器的所述输入轴的旋转角度的检测值和来自所述第二绝对角度编码器的所述输出轴的旋转角度的检测值随时间的变化，输出所述电机、所述减速齿轮、所述第一绝对角度编码器和所述第二绝对角度编码器中至少一者的故障。

9.根据权利要求1所述的传动装置，其中

所述电机为无刷电机，以及

所述第一绝对角度编码器还兼作检测所述电机的转子的旋转的传感器。

10.根据权利要求1所述的传动装置，其中

所述第一绝对角度编码器和所述第二绝对角度编码器为磁性编码器，在变化相移了一定量的状态下，所述磁性编码器使用多个磁性传感器来检测归因于磁体旋转的磁场的所述变化，从而检测所述磁体的旋转角度。

11.一种机器人手臂装置，该机器人手臂装置包括：

所述传动装置包括：

12.根据权利要求11所述的机器人手臂装置，其中

13.根据权利要求11所述的机器人手臂装置，其中

基于通过所述第二绝对角度编码器检测到的所述输出轴的旋转角度，计算所述输入轴的旋转累积旋转计数，且

通过将所述第一绝对角度编码器检测到的所述输入轴的旋转角度加到根据所述旋转累积旋转计数计算出的所述输入轴的累积旋转角度，检测所述输出轴的旋转角度。

14.根据权利要求13所述的机器人手臂装置，其中

基于根据通过所述第二绝对角度编码器检测的所述输出轴的旋转角度的检测值估计的所述输入轴的旋转角度，校正所述输入轴的旋转累积旋转计数。

15.根据权利要求13所述的机器人手臂装置，其中

16.根据权利要求11所述的机器人手臂装置，该机器人手臂装置还包括：

计数器，该计数器保存所述输入轴的旋转计数，其中

17.根据权利要求11所述的机器人手臂装置，其中

18.根据权利要求17所述的机器人手臂装置，其中

19.根据权利要求11所述的机器人手臂装置，其中

所述电机为无刷电机，以及

20.根据权利要求11所述的机器人手臂装置，其中

所述第一绝对角度编码器和所述第二绝对角度编码器为磁性编码器，在检测到的变化相移了一定量的状态下，所述磁性编码器使用多个磁性传感器来检测归因于磁体旋转的磁场的所述变化，从而检测所述磁体的旋转角度。

21.根据权利要求11所述的机器人手臂装置，其中

所述手臂单元设置有安装单元，所述安装单元上安装有执行某个过程的工具。

22.根据权利要求21所述的机器人手臂装置，其中

所述工具为医用工具。