位置決め制御装置

本発明は、位置決め制御装置に関する。

特許文献1に記載のロボット制御装置では、ロボットアームにより位置決め対象物が把持され、使用者が操作装置を介してロボットアームの動作を制御することにより、位置決め制御が行われる。上記位置決め制御を介し、位置決め対象物は、当該位置決め対象物が到達すべき位置(目標位置)に配置され、目標位置にて当該位置決め対象物が向くべき向き(目標向き)に向けられる。

上記ロボット制御装置では、操作装置に、位置決め対象物の移動を制限する移動制限設定ボタンスイッチと位置決め対象物の向きの変更を制限する回転制限設定ボタンスイッチとが備えられている。使用者が移動制限設定ボタンスイッチを押下することで、x軸、y軸及びz軸の軸毎に位置決め対象物の移動が制限される。同様に、使用者が回転制限設定ボタンスイッチを押下することで、x軸、y軸及びz軸回りの回転毎に位置決め対象物の回転(すなわち、位置決め対象物の向きの変更)が制限される。なお、上記ロボット制御装置による位置決め制御において、位置決め対象物の移動及び向きの変更に対する制限は、手ブレ等による使用者の意図と反する位置決め対象物の移動及び向きの変更を防止するために用いられる。

特開2010−269419号公報

しかしながら、上記構成では、位置決め対象物を目標位置へ移動させる過程で位置決め対象物の無駄な移動が多くなり得る。また、位置決め対象物の向きを目標向きに向ける過程で位置決め対象物の無駄な向きの変更が多くなり得る。そのため、効率的に位置決め制御が行われない場合がある。

本発明は、効率的な位置決め制御を可能とする位置決め制御の技術を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、位置決め制御装置であって、位置決め対象物と、第1の支持部と、第1の検出部と、第2の検出部と、取得部と、第1の許容部と、第2の許容部と、を備える。第1の支持部は、位置決め対象物を、その位置及び向きを変更可能に支持する。第1の検出部は、第1の支持部の変形状態に基づき、位置決め対象物における基準点の位置を検出する。第2の検出部は、第1の支持部の変形状態に基づき、位置決め対象物の向きを検出する。取得部は、基準点が到達すべき目標位置と、目標位置において位置決め対象物が向くべき目標向きと、を取得する。第1の許容部は、第1の検出部により検出された基準点の位置と、取得部により取得された目標位置と、を結ぶ直線を含む可動範囲を設定し、位置決め対象物の移動のうち、基準点が可動範囲の外へ出ないような移動を許容する。第2の許容部は、位置決め対象物の向きの変更のうち、第2の検出部により検出された位置決め対象物の向きと、取得部により取得された目標向きと、の角度差が広がらないような向きの変更を許容する。

このような構成によれば、効率的な位置決め制御が可能となる。

位置決め制御装置の構成を表すブロック図である。

ツール移動装置及び目標位置検出装置の外観図である。

第1の位置変更処理を表すフローチャートである。

ツールの可動範囲を表す図である。

ツールの基準点が目標位置に到達した様子を表す図である。

向き変更処理を表すフローチャートである。

図7(A)はツールの向きと目標向きとの角度差を表す図、図7(B)は目標向きを回転軸としてツールを回転させたときにできる円錐を表す図、図7(C)はツールの向きの変更に伴い円錐が縮小する様子を表す図である。

第2の位置変更処理を表すフローチャートである。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。また、下記の実施形態の説明で用いる符号を特許請求の範囲にも適宜使用しているが、これは本発明の理解を容易にする目的で使用しており、本発明の技術的範囲を限定する意図ではない。

[1.構成] 図1及び図2に示す位置決め制御装置1は、医療分野で使用される装置である。位置決め制御装置1は、医療分野の中でも特に歯科医療分野で使用され、歯科医療器具を患者口内の所定の位置(歯の欠損部の位置)に配置する。位置決め制御装置1は、ツール移動装置10、目標位置検出装置40、切替えスイッチ60及びコントローラ70を備える。

ツール移動装置10は、ツール11及びツール支持アーム12を備える。 ツール11は歯科医療器具である。本実施形態では、ツール11は、患者の顎骨を削るドリルが棒状の剛体(以下、「棒状部」という。)に直角をなすように取り付けられた構造を取る。

ツール支持アーム12は、複数の関節を備えた(換言すれば多自由度を有する)ロボットアームであり、ツール11をその位置及び向きを変更可能に支持する。ツール支持アーム12は、力センサ13、接続部14、リンク15,16,17,18,19,20、図示しない連結具、連結具21、アクチュエータ22,23,24,25,26,27及び位置センサ28,29,30,31,32,33を備える。

力センサ13は、接続部14を介して、ツール11の棒状部に接続される。本実施形態では、歯科医師等の使用者がツール11の一部を把持し、使用者によって加えられた力の向きにツール11が動くように、ツール支持アーム12の形状が電気的な駆動力により変化する。力センサ13は、ツール11に力が加えられることでツール11と力センサ13との間の接続部14に加えられる力の大きさ及び向きを検出する。

リンク15,16,17,18,19,20は、剛体の構造物である。第1リンク15(ツール11側のリンク)の一端は、力センサ13に直接接続される。第1リンク15の他端は、図示しない回転可能な第1連結具を介して第2リンク16に接続される。ここでいう回転とは、回転する物体(この場合、第1リンク15)の重心の位置が変わらないような回転(その場での回転)を意味する。

第2リンク16の一端は、図示しない回転可能な第1連結具を介して第1リンク15に接続され、他端は、図示しない旋回可能な第2連結具を介して第3リンク17に接続される。

第3リンク17の一端は、図示しない旋回可能な第2連結具を介して第2リンク16に接続され、他端は、図示しない回転可能な第3連結具を介して第4リンク18に接続される。

第4リンク18の一端は、図示しない回転可能な第3連結具を介して第3リンク17に接続され、他端は、図示しない旋回可能な第4連結具を介して第5リンク19に接続される。

第5リンク19の一端は、図示しない旋回可能な第4連結具を介して第4リンク18に接続され、他端は、旋回可能な第5連結具21を介して第6リンク20に接続される。 第6リンク20の一端は、旋回可能な第5連結具21を介して第5リンク19に接続され、他端は、図示しない回転可能な第6連結具を介して図示しない基台部に接続される。

アクチュエータ22,23,24,25,26,27及び位置センサ28,29,30,31,32,33は、上記5つの図示しない連結具及び連結具21(すなわち、ツール支持アーム12の関節)に備えられる。

すなわち、アクチュエータ22及び位置センサ28は、第1連結具に備えられ、アクチュエータ23及び位置センサ29は、第2連結具に備えられ、アクチュエータ24及び位置センサ30は、第3連結具に備えられる。アクチュエータ25及び位置センサ31は、第4連結具に備えられ、アクチュエータ26及び位置センサ32は、第5連結具21に備えられ、アクチュエータ27及び位置センサ33は、第6連結具に備えられる。本実施形態では、アクチュエータ22,23,24,25,26,27はモータである。ツール11、力センサ13、リンク15,16,17,18,19,20及び基台部のそれぞれはアクチュエータ22,23,24,25,26,27が作動することにより互いに相対駆動する。

また、本実施形態では、位置センサ28,29,30,31,32,33はエンコーダである。位置センサ28は、アクチュエータ22の回転量を検出する。位置センサ29は、アクチュエータ23の回転量を検出する。位置センサ30は、アクチュエータ24の回転量を検出する。位置センサ31は、アクチュエータ25の回転量を検出する。位置センサ32は、アクチュエータ26の回転量を検出する。位置センサ33は、アクチュエータ27の回転量を検出する。

ツール支持アーム12は、回転可能な3つの連結具と旋回可能な3つの連結具とを備える。また、旋回可能な第2連結具と旋回可能な第4連結具との間には回転可能な第3の連結具が位置するため、第2連結具と第4連結具とは異なった方向への旋回動作を実現する。そのため、ツール支持アーム12は、任意方向への並進及び任意方向への回転によりツール11の位置及び向きを変更する。

一方、目標位置検出装置40は、固定部41及び固定部支持アーム42を備える。 固定部41は、目標位置及び目標向きを設定するための基準となる基準物に固定される。ここでいう目標位置とは、ツール11における基準点が到達すべき位置であり、目標向きとは、目標位置においてツール11が向くべき向きである。なお、本実施形態では、基準点はドリルの先端、目標位置は患者の欠損歯部の顎骨頂部、目標向きは上記欠損歯部の顎骨において切削方向、基準物は上記欠損歯部近辺の他の歯である。

固定部支持アーム42は、複数の関節を備えた(換言すれば多自由度を有する)アームであり、固定部41をその位置及び向きを変更可能に支持する。固定部支持アーム42は、リンク43,44,45,46,47,48、基台部49、図示しない連結具、連結具50,51,52及び角度センサ53,54,55,56,57,58を備える。

リンク43,44,45,46,47,48は、剛体の構造物である。第1リンク43(固定部41側のリンク)の一端は、固定部41に直接接続され、他端は、図示しない回転可能な第1連結具を介して第2リンク44に接続される。

第2リンク44の一端は、図示しない回転可能な第1連結具を介して第1リンク43に接続され、他端は、図示しない旋回可能な第2連結具を介して第3リンク45に接続される。

第3リンク45の一端は、図示しない旋回可能な第2連結具を介して第2リンク44に接続され、他端は、図示しない回転可能な第3連結具を介して第4リンク46に接続される。

第4リンク46の一端は、図示しない回転可能な第3連結具を介して第3リンク45に接続され、他端は、旋回可能な第4連結具50を介して第5リンク47に接続される。 第5リンク47の一端は、旋回可能な第4連結具50を介して第4リンク46に接続され、他端は、旋回可能な第5連結具51を介して第6リンク48に接続される。

第6リンク48の一端は、旋回可能な第5連結具51を介して第5リンク47に接続され、他端は、回転可能な第6連結具52を介して基台部49に接続される。 角度センサ53,54,55,56,57,58は、上記3つの図示しない連結具及び連結具50,51,52(すなわち、固定部支持アーム42の関節)に備えられる。すなわち、角度センサ53は、第1連結具に備えられる。角度センサ54は、第2連結具に備えられる。角度センサ55は、第3連結具に備えられる。角度センサ56は、第4連結具50に備えられる。角度センサ57は、第5連結具51に備えられる。角度センサ58は、第6連結具52に備えられる。本実施形態では、角度センサ53,54,55,56,57,58は、エンコーダである。角度センサ53は、第1連結具の回転量を検出する。角度センサ54は、第2連結具の旋回量を検出する。角度センサ55は、第3連結具の回転量を検出する。角度センサ56は、第4連結具50の旋回量を検出する。角度センサ57は、第5連結具51の旋回量を検出する。角度センサ52は、第6連結具52の回転量を検出する。

固定部支持アーム42は、任意方向への並進及び任意方向の回転により固定部41の位置及び向きを変更する。また、固定部41の位置及び向き(すなわち、目標位置及び目標向き)は患者の体の動き等により変動する。固定部41の位置及び向きが変動すると、その変動に伴い上記3つの図示しない連結具及び連結具50,51,52が動作することにより、固定部支持アーム42の形状が変化する。

図1における切替えスイッチ60は、位置制御モードと向き制御モードとを切り替えるためのスイッチである。位置制御モードでは、可動範囲が設定され、基準点が可動範囲の外に出ないようにツール11の移動が制限される。一方、向き制御モードでは、基準点の位置が動かないようにツール11の移動が制限され、ツール11(のドリル)の向きと目標向きとの角度差が広がらないようにツール11の向きが制限される。なお、後述するように、位置制御モードには2種類の位置制御モード(第1の位置制御モード及び第2の位置制御モード)がある。切替えスイッチ60の状態を切り替えることで、第1の位置制御モードと向き制御モードとが切り替えられ、第2の位置制御モードと向き制御モードとが切り替えられる。

コントローラ70は、CPU、ROM及びRAMを中心とする周知のマイクロコンピュータを備える。コントローラ70は、力センサ13、アクチュエータ22,23,24,25,26,27、位置センサ28,29,30,31,32,33、角度センサ53,54,55,56,57,58及び切替えスイッチ60に接続される。

コントローラ70は、位置センサ28,29,30,31,32,33により検出されたアクチュエータ22,23,24,25,26,27の回転量に基づいてツール支持アーム12の変形状態を検出する。そして、コントローラ70は、ツール支持アーム12の変形状態に基づいてツール11の基準点の位置及びツール11の向きを検出する。

また、コントローラ70は、角度センサ53,54,55,56,57,58により検出された第1連結具の回転量、第2連結具の旋回量、第3連結具の回転量、第4連結具50の旋回量、第5連結具51の旋回量及び第6連結具52の回転量に基づいて固定部支持アーム42の変形状態を検出する。そして、コントローラ70は、固定部支持アーム42の変形状態に基づいて固定部41の位置及び向きを検出する。

コントローラ70は、3つの制御モード(第1の位置制御モード、第2の位置制御モード及び向き制御モード)を切り替える。第1の位置制御モードでは、ツール11の向きは自由に変更可能である。これに対し、第2の位置制御モードでは、ツール11の向きは目標向きを向いた状態で固定されており、変更不可能である。本実施形態では、位置決め制御は第1の位置制御モードから開始され、ツール11の基準点が目標位置に到達すると、向き制御モードへとモードが切り替えられる。また、コントローラ70は、切替えスイッチ60の状態の切替えに基づき、基準点が目標位置に到達していない場合であっても、第1の位置制御モードと向き制御モードとを切り替える。同様に、コントローラ70は、切替えスイッチ60の状態の切替えに基づき、向き制御モードと第2の位置制御モードとを切り替える。

コントローラ70は、第1の位置制御モード中に使用者がツール11に力を加えた場合、後述する第1の位置変更処理(図3)を実行することにより、ツール支持アーム12の形状を変化させる。また、コントローラ70は、向き制御モード中に使用者がツール11に力を加えた場合、後述する向き変更処理(図6)を実行することにより、ツール支持アーム12の形状を変化させる。また、コントローラ70は、第2の位置制御モード中に使用者がツール11に力を加えた場合、後述する第2の位置変更処理(図8)を実行することにより、ツール支持アーム12の形状を変化させる。

[2.処理] 次に、コントローラ70が実行する第1の位置変更処理について、図3のフローチャートを用いて説明する。第1の位置変更処理は、第1の位置制御モードにおいて力センサ13により力が検出されると開始される。

まず、コントローラ70は、S101(Sはステップを表す)にて、力センサ13から検出値を取得する。力センサ13により検出された力は、力センサ13を基準とする座標系(力センサ基準座標系)にて3次元ベクトルとして表される。力センサ基準座標系は、力センサ13の位置が変化した場合に力センサ13に追従する。本実施形態では、力センサ基準座標系の座標軸のうちの1つは、力センサ13の表面であって接続部14が接続されている面に垂直に取られ、他の2つの座標軸は、上記座標軸に垂直に取られる。

次に、コントローラ70は、ツール11を基準とする座標系(ツール基準座標系)にてツール11に加えられた力の大きさ及び向きを計算する(S102)。ツール基準座標系は、ツール11の位置が変化した場合にツール11に追従する。本実施形態では、ドリルの軸がツール基準座標系の座標軸の1つであり、ドリルの先端であって棒状部に接続されていない方の先端がツール基準座標系の原点である。S102では、S101で取得されたツール11と力センサ13との間の接続部14に加えられた力に基づき、ツール11に加えられた力が計算される。

続いて、コントローラ70は、図2に記載のツール移動装置座標系34におけるツール11の途中目標位置及び途中目標向きを計算する(S103)。ここでいう途中目標位置とは、S102にて計算されたツール11に加えられた力に基づいて決定される、ツール11の基準点の移動すべき移動先(すなわち、使用者が意図した基準点の移動先)である。また、途中目標向きとは、S102にて計算されたツール11に加えられた力に基づいて決定される、ツール11の向くべき向き(すなわち、使用者が意図したツール11の向き)である。

次に、コントローラ70は、ツール移動装置座標系34におけるツール11の位置及び向きを検出する(S104)。ツール11の位置及び向きは、位置センサ28,29,30,31,32,33により検出されるアクチュエータ22,23,24,25,26,27の回転量に基づき、検出される。

次に、コントローラ70は、ツール移動装置座標系34から図2に記載の目標位置検出装置座標系59へ移行する(S105)。その後、コントローラ70は、目標位置検出装置40の固定部41の位置及び向きに基づき、目標位置及び目標向きの情報を取得する(S106)。そして、コントローラ70は、S106にて取得した目標位置及び目標向きの情報に基づき、目標位置(患者の欠損歯部の顎骨頂部)を基準とする座標系(目標位置座標系)へ移行し、目標位置座標系から見たツール11の位置及び向きを検出する(S107)。ここで、目標位置座標系は、目標位置が変化した場合に目標位置に追従する。本実施形態では、目標位置座標系の原点は目標位置に取られ、座標軸のうちの1つは目標向きと同一方向に取られる。

続いて、コントローラ70は、図4に示すように、ツール11の可動範囲81を設定する(S108)。コントローラ70は、目標位置(図4では点線で表されるドリルの下部先端位置)と、ツール11の基準点の位置(図4では実線で表されるドリルの下部先端位置)と、を結ぶ直線を含む可動範囲81を設定する。本実施形態では、可動範囲81は、目標位置と基準点の位置とを結ぶ直線を最長の対角線とし、その一辺が目標向き(図4では点線で表されるドリルの向き)に平行である直方体である。コントローラ70は、ツール11の移動のうち、基準点が直方体の外へ出ないような移動のみを許容する。コントローラ70は、ツール11の移動に伴い、上記直線が常に最長の対角線になるように直方体の各辺の長さを変更し、直方体の体積を縮小させる。なお、患者の体の動き等により目標位置と基準点の位置とが遠ざかった場合は、上記直線が最長の対角線になるように直方体の体積は拡大される。

続いて、コントローラ70は、ツール11の基準点が目標位置に到達しているか否かを判定する(S109)。図5に示すように、基準点が目標位置に到達すると、コントローラ70はS109にて基準点が目標位置に到達していると判定し(S109:YES)、基準点の位置が動かないようにツール11の位置を固定する(S110)。そして、コントローラ70は、モードを向き制御モードへ切り替え(S111)、第1の位置変更処理を終了する。

一方、コントローラ70は、基準点が目標位置に到達していないと判定した場合は(S109:NO)、切替えスイッチ60の状態が向き制御モードであるか否かを判定する(S112)。コントローラ70は、切替えスイッチ60の状態が向き制御モードであると判定した場合は(S112:YES)、先述したS110の処理を実行した後に先述したS111の処理を行い、第1の位置変更処理を終了する。すなわち、コントローラ70は、基準点が目標位置に到達していない場合であっても、切替えスイッチ60の状態の切替えがあった場合は、モードを向き制御モードへ切り替える。一方、コントローラ70は、切替えスイッチ60の状態が向き制御モードでないと判定した場合は(S112:NO)、処理をS113へ移行させる。

S113で、コントローラ70は、S103にて計算された途中目標位置が可動範囲81内に存在するか否かを判定する。コントローラ70は、途中目標位置が可動範囲81内に存在しないと判定した場合は(S113:NO)、途中目標位置を修正する(S114)。ここで、コントローラ70は、ツール11の基準点の実際の位置と修正前の途中目標位置とを結ぶ直線と、直方体である可動範囲81の面と、の交点が、修正後の途中目標位置となるように、途中目標位置を修正する。コントローラ70は、S114の処理を実行すると、処理をS115へ移行させる。

一方、コントローラ70は、途中目標位置が可動範囲81内に存在すると判定した場合は(S113:YES)、S114の処理を飛ばしてS115の処理を実行する。 S115で、コントローラ70は、ツール移動装置座標系34へ移行する。そして、コントローラ70は、アクチュエータ22,23,24,25,26,27を駆動させ、ツール11の位置及び向きを変更する(S116)。この際、コントローラ70は、途中目標位置の方向にツール11の位置を変更し、途中目標向きへツール11の向きを変更する。

続いて、コントローラ70は、位置センサ28,29,30,31,32,33からアクチュエータ22,23,24,25,26,27の回転量を取得し(S117)、取得した回転量に基づきツール11の位置及び向きを検出する(S118)。

その後、コントローラ70は、ツール11の位置と途中目標位置との差分及びツール11の向きと途中目標向きとの差分のいずれもが0か否かを判定する(S119)。 コントローラ70は、上記差分のうち少なくとも一方が0でないと判定した場合は(S119:NO)、前述したS116に戻り、S116以降の処理を繰り返す。一方、コントローラ70は、上記差分のいずれもが0であると判定した場合は(S119:YES)、第1の位置変更処理を終了する。したがって、コントローラ70は、S119にて上記差分のいずれもが0である、すなわち、ツール11の位置が途中目標位置に到達し、かつ、ツール11が途中目標向きを向いたと判定されるまで、S116からS119までの処理を繰り返す。

次に、コントローラ70が実行する向き変更処理について、図6のフローチャートを用いて説明する。向き変更処理(図6)は、基本的な構成は第1の位置変更処理(図3)と同様であるため、同様な処理については説明を省略し、相違点を中心に説明する。また、図3においてなされた説明と同様な説明は省略する。向き変更処理は、向き制御モードにおいて力センサ13により力が検出されると開始される。なお、向き制御モードでは、基準点の位置が動かないようにツール11の位置が固定される。

図6におけるS201〜S202は、図3におけるS101〜S102と同様な処理であるため、説明を省略する。 コントローラ70は、S203にて途中目標向きを計算する。向き制御モードでは基準点の位置は固定され、ツール11の向きのみが変更可能であるため、コントローラ70は途中目標向きのみを計算する。同様に、コントローラ70は、S204にてツール11の向きのみを検出する。コントローラ70は、S205にて目標位置検出装置座標系59へ移行し、S206にて目標向きの情報を取得する。その後、コントローラ70は、目標位置座標系へ移行し、目標位置座標系から見たツール11の向きを検出する(S207)。

コントローラ70は、図7(A)に示すように、S208にてツール11の向きの変更可能範囲82を設定する。コントローラ70は、ツール11の向きと目標向きとの角度差θが広がらないようにツール11の向きを制限する。すなわち、変更可能範囲82は、目標向きを回転軸としてツール11を回転させたときにできる曲面上及び上記曲面を円錐面とする円錐の内部である(図7(B))。コントローラ70は、ツール11の向きの変更に伴い、上記曲面が円錐面となるように円錐を縮小させる。円錐の縮小に伴い、円錐の底面の円は小さくなる(図7(C))。

続いて、コントローラ70は、S209にてツール11が目標向きを向いているか否かを判定する。コントローラ70は、ツール11が目標向きを向いていると判定した場合は(S209:YES)、基準点が目標位置に到達しているか否かを判定する(S210)。コントローラ70は、基準点が目標位置に到達していると判定した場合は(S210:YES)、ツール11の向きを固定し(S211)、向き変更処理を終了する。なお、この場合、基準点が目標位置に到達し、ツール11が目標向きを向いたため、位置決め制御が完了する。

一方、コントローラ70は、S210にて基準点が目標位置に到達していないと判定した場合(S210:NO)、切替えスイッチ60の状態が向き制御モードであるか否かを判定する(S212)。なお、S210にて基準点が目標位置に到達していないと判定される場合は、第1の位置制御モードにおいて基準点が目標位置に到達する前に切替えスイッチ60によりモードが向き制御モードへ切り替えられた場合に対応する。

コントローラ70は、S212にて切替えスイッチ60の状態が向き制御モードであると判定した場合は(S212:YES)、先述したS211の処理を実行し、向き変更処理を終了する。なお、S211にて切替えスイッチ60の状態が向き制御モードであると判定され、向き変更処理が終了された後に切替えスイッチ60の状態の切替えがない場合は、ツール11が目標位置でない位置で目標向きを向いた状態で位置決め制御が終了する。このような状況は、例えば、使用者が目標位置近辺で切替えスイッチ60によりモードを意識的に切り替え、ツール11の向きを目標向きに一致させた後に位置決め制御を終了する場合等に起こる。

一方、コントローラ70は、S211にて切替えスイッチ60の状態の切替えがあったと判定した場合は(S211:YES)、ツール11の向きを固定する(S213)。その後、コントローラ70は、モードを第2の位置制御モードへ切り替え(S214)、向き変更処理を終了する。

一方、コントローラ70は、S209にてツール11が目標向きを向いていないと判定した場合は(S209:NO)、切替えスイッチ60の状態が向き制御モードであるか否かを判定する(S215)。コントローラ70は、切替えスイッチ60の状態が向き制御モードでないと判定した場合は(S215:NO)、モードを第1の位置制御モードへ切り替え(S216)、向き変更処理を終了する。

一方、コントローラ70は、切替えスイッチ60の状態が向き制御モードであると判定した場合は(S215:YES)、途中目標向きが変更可能範囲82内に存在するか否かを判定する(S217)。コントローラ70は、途中目標向きが変更可能範囲82内に存在しないと判定した場合(S217:NO)、途中目標向きを修正する(S218)。ここで、コントローラ70は、ツール11の実際の向きから修正前の途中目標向きへとツール11の向きが変化させられたときにツール11が描く曲面と円錐である変更可能範囲82との交線が、修正後の途中目標向きと重なるように、途中目標向きを修正する。コントローラ70は、S218の処理を実行すると、処理をS219へ移行させる。

一方、コントローラ70は、途中目標向きが変更可能範囲82内に存在すると判定した場合(S217:YES)、S218の処理を飛ばしてS219の処理を実行する。 図6におけるS219〜S221は、図3におけるS115〜S117と同様な処理であるため、説明を省略する。

コントローラ70は、S222にてツール11の向きを検出する。次に、コントローラ70は、ツール11の向きと途中目標向きとの差分が0か否かを判定する(S223)。コントローラ70は、上記差分が0でないと判定した場合は(S223:NO)、S220に戻り、S220以降の処理を繰り返す。一方、コントローラ70は、上記差分が0であると判定した場合は(S223:YES)、向き変更処理を終了する。したがって、コントローラ70は、S223にて上記差分が0である、すなわち、ツール11が途中目標向きを向いたと判定されるまで、S220からS223までの処理を繰り返す。

次に、コントローラ70が実行する第2の位置変更処理について、図8のフローチャートを用いて説明する。第2の位置変更処理(図8)は、基本的な構成は第1の位置変更処理(図3)と同様であるため、同様な処理については説明を省略し、相違点を中心に説明する。また、図3においてなされた説明と同様な説明を省略する。第2の位置変更処理は、第2の位置制御モードにおいて力センサ13により力が検出されると開始される。なお、第2の位置制御モードでは、ツール11は目標向きを向いており、ツール11の向きが変わらないようにツール11の向きが固定される。

図8におけるS301〜S302は、図3におけるS101〜S102と同様な処理であるため、説明を省略する。 コントローラ70は、S303にて途中目標位置を計算する。第2の位置制御モードではツール11の向きは固定され、ツール11の位置のみが変更可能であるため、コントローラ70は途中目標位置のみを計算する。同様に、コントローラ70は、S304にてツール11の位置のみを検出する。コントローラ70は、S305にて目標位置検出装置座標系59へ移行し、S306にて目標位置の情報を取得する。その後、コントローラ70は、目標位置座標系へ移行し、目標位置座標系から見たツール11の位置を検出する(S307)。

続いて、コントローラ70は、ツール11の可動範囲81を設定する(S308)。可動範囲81の設定の仕方は、図3のS108と同様である。 次に、コントローラ70は、基準点が目標位置に到達しているか否かを判定する(S309)。コントローラ70は、基準点が目標位置に到達していると判定した場合は(S309:YES)、ツール11の位置を固定し(S310)、第2の位置変更処理を終了する。なお、この場合、基準点が目標位置に到達し、ツール11が目標向きを向いているため、位置決め制御が完了する。一方、コントローラ70は、基準点が目標位置に到達していないと判定した場合は(S309:NO)、処理をS311へ移行させる。

図8におけるS311〜S315は、図3におけるS113〜S117と同様な処理であるため、説明を省略する。 コントローラ70は、S316にてツール11の位置を検出する。次に、コントローラ70は、ツール11の位置と途中目標位置との差分が0か否かを判定する(S317)。コントローラ70は、上記差分が0でないと判定した場合は(S317:NO)、S314に戻り、S314以降の処理を繰り返す。一方、コントローラ70は、上記差分が0であると判定した場合は(S317:YES)、第2の位置変更処理を終了する。したがって、コントローラ70は、S317にて上記差分が0である、すなわち、ツール11の位置が途中目標位置に到達したと判定されるまで、S314からS317までの処理を繰り返す。

[3.効果] 以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。 (1)上記実施形態では、ツール11の移動のうち、基準点が可動範囲81の外へ出ないような移動のみが許容され、ツール11の移動に伴い可動範囲81が狭められる。また、ツール11の向きの変更のうち、ツール11の向きと目標向きとの角度差が広がらないような向きの変更のみが許容される。そのため、位置決め制御装置1による位置決め制御では、ツール11を目標位置へ移動させる過程で生じ得るツール11の無駄な移動を抑制できる。また、ツール11の向きを目標向きに向ける過程で生じ得るツール11の無駄な向きの変更を抑制できる。また、上記のようにツール11の移動が許容され、可動範囲81が狭められるため、例えば欠損歯部の周囲の歯や看護師の手等により使用者が目標位置を目視確認できない状況であっても、ツール11を目標位置に到達させることができる。同様に、使用者が目標向きを目視確認できない状況であっても、ツール11の向きを目標向きに向けることができる。

また、単にツール11の無駄な移動を抑制する場合、ツール11の基準点の位置と目標位置とを結ぶ直線上のみをツール11の可動範囲として設定してもよい。しかしながら、そのように可動範囲を設定した場合、可動範囲である上記直線状に障害物(例えば、欠損歯部の周囲の歯や看護師の手等)があった場合、障害物を回避することができない。それに対し、位置決め制御装置1による位置決め制御では、基準点が可動範囲81内に位置する限りにおいてツール11は任意方向に移動可能である。そのため、基準点の位置と目標位置とを結ぶ直線上に障害物がある場合においても、障害物を回避しつつ、ツール11を目標位置へと近づけることができる。同様に、ツール11を目標向きに向ける過程では、ツール11の向きが変更可能範囲82内に存在する限りにおいてツール11の向きは任意方向に変更可能である。そのため、障害物がある場合でも、障害物を回避しつつ目標向きへとツール11の向きを近づけることができる。

(2)位置決め制御装置1は目標位置検出装置40を備え、コントローラ70は目標位置検出装置40から目標位置及び目標向きの情報をリアルタイムに取得する。コントローラ70は、目標位置及び目標向きが変化した場合、可動範囲81及び変更可能範囲82を再設定する。そのため、患者の体動等により目標位置及び目標向きが変化した場合であっても、使用者はツール11を目標位置に近づけることができ、また、ツール11を目標向きへ向けることができる。

(3)位置決め制御装置1は切替えスイッチ60を備える。切替えスイッチ60の状態の切替えがあった場合は、ツール11の基準点が目標位置に到達したと判定されていなくても、位置制御モードと向き制御モードとが切り替わる。コントローラ70が基準点が目標位置に到達したと判定し、位置制御モードから向き制御モードへとモードが自動的に切り替えられたときに、使用者がモードが切り替わったことに気付かない場合がある。そのような場合、使用者はツール11の位置を変更しようとしたつもりが、意図せずツール11の向きを変えてしまうことがある。しかしながら、切替えスイッチ60を使って使用者が意識的にモードを切り替えることで、上記のような意図しないツール11の動作の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態では、ツール11が位置決め対象物の一例に相当し、ツール支持アーム12が第1の支持部の一例に相当する。また、S104、S118、S304及びS316が第1の検出部としての処理の一例に相当し、S104、S118、S204及びS222が第2の検出部としての処理の一例に相当する。また、S106、S206及びS306が取得部としての処理の一例に相当し、S108、S110及びS308が第1の許容部としての処理の一例に相当し、S208が第2の許容部としての処理の一例に相当する。固定部41が固定部の一例に相当し、固定部支持アーム42が第2の支持部の一例に相当する。また、S109が判定部の処理の一例に相当する。

[4.他の実施形態] 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

(1)上記実施形態では、位置決め制御は位置制御モードから開始され、基準点が目標位置に到達すると、向き制御モードへとモードが切り替わった。しかし、モードの順番はこれに限られない。向き制御モードから位置決め制御が開始され、ツール11の向きが目標向きを向いたら、位置制御モードへとモードが切り替わってもよい。また、切替えスイッチ60が使われない場合において、位置制御モードと向き制御モードとの間をモードが複数回切り替わってもよい。例えば、位置制御モードから向き制御モードへとモードが切り替わり、向き制御モードから位置制御モードへ再度モードが切り替わってもよい。この場合、例えば、位置制御モードにおいてツール11の基準点と目標位置とのx座標が一致すると向き制御モードへとモードが切り替わり、ツール11の向きと目標向きとが一致すると位置制御モードへモードが再度切り替わってもよい。そして、その後、基準点と目標位置とのy,z座標を一致させてもよい。

(2)上記実施形態では、第1の位置制御モードにおいてはツール11の向きは変更可能だったが、ツール11の向きが変更不可能であってもよい。この場合、ツール11は、目標向きを向いている必要はない。

(3)上記実施形態では、目標位置近辺の基準物に固定された固定部41の位置及び向きの変化を取得することで、コントローラ70は目標位置及び目標向きの継時的な変化を取得した。しかし、目標位置及び目標向きの継時的な変化を取得する方法はこれに限られない。例えば、コントローラ70は、カメラ等により取得された画像に基づき目標位置及び目標向きの継時的な変化を取得してもよい。また、コントローラ70は、目標位置及び目標向きの変化に伴う磁界の変化を取得することにより、上記継時的な変化を取得してもよい。

(4)上記実施形態において、位置決め制御装置1は目標位置検出装置40を備えていなくてもよい。目標位置検出装置40が備えられていない場合は、目標位置及び目標向きの情報はコントローラ70に事前に入力されてもよい。また、位置決め制御装置1は切替えスイッチ60を備えていなくてもよい。切替えスイッチ60が備えられていない場合は、ツール11の基準点が目標位置に到達したときやツール11の向きが目標向きを向いたとき等に位置制御モードと向き制御モードとが切り替えられてもよい。

(5)上記実施形態では、ツール11の可動範囲として直方体を例示したが、可動範囲は、基準点の位置と目標位置とを結ぶ直線を回転軸とし、かつ、回転軸としての直線の長さが高さとなる回転体であってもよい。例えば、回転体は円錐であってもよい。可動範囲が回転体である場合も、可動範囲は基準点の位置及び目標位置のそれぞれが頂点及び面上のいずれか一方に位置する立体形状の空間であってもよい。可動範囲が上記実施形態のように直方体である場合は、基準点の位置が直方体の頂点に位置し、目標位置は、上記直方体の頂点であって基準点が位置する頂点から最も遠い頂点に位置してもよい。また、可動範囲が円錐である場合は、目標位置が円錐の頂点に位置し、基準点が上記円錐の底面上(例えば、底面である円の中心)に位置してもよい。

また、可動範囲が立体形状である場合において、コントローラ70は、ツール11の移動に伴い、立体形状の種類を変えずに立体形状の体積を縮小させてもよい。ここで、立体形状の種類を変えない縮小とは、立体形状が直方体の場合は、縮小の前後の立体形状がともに直方体であることを意味する。なお、この場合、縮小前の直方体と縮小後の直方体とは互いに相似でなくてもよい。また、可動範囲が回転体である場合は、ツール11の移動に伴い、回転体を相似的に縮小させてもよい。

(6)上記実施形態では、位置決め対象物はツール11であったが、位置決め対象物はツール11以外の物であってもよい。 (7)上記実施形態では、ツール11は患者の顎骨を削るドリルであったが、ツールは顎骨以外の骨を削るドリルであってもよい。つまり、ツールは、患者の骨を削るドリルであってもよい。また、ツールは、患者の骨に代えて、又は、患者の骨に加えて、患者の歯を削るドリルであってもよい。さらに、ツールは、骨及び歯以外の物を削るドリルであってもよく、また、ドリル以外の物であってもよい。

(8)上記実施形態の位置決め制御装置1は医療分野(歯科医療分野)で使用される装置であるが、本発明に係る位置決め制御装置は医療分野以外の分野で使用されてもよい。例えば、位置決め制御装置は産業分野で使用されてもよい。

(9)上記実施形態では、コントローラ70は、ツール11に加えられた力の大きさ及び向きを計算し取得した。しかし、コントローラ70は、ツール11に加えられた力の大きさ及び向きに加えて、ツール11における力が加えられた箇所(作用点)を取得してもよい。作用点の位置と事前に設定されたツール11上の制御点の位置が異なる場合、使用者がツール11に並進力しか加えなかったのに対しコントローラ70は制御点周りの力のモーメントを取得し、ツール支持アーム12に回転運動をさせてしまうことがある。しかしながら、コントローラ70が作用点を取得することで、作用点と制御点とが異なる場合であっても、使用者の意図した通りにツール支持アーム12を変形させることができる。

(10)上記実施形態では、途中目標位置が可動範囲81内に存在しない場合は途中目標位置が修正されたが、途中目標位置は修正されなくてもよい。例えば、コントローラ70は、途中目標位置が可動範囲81内に存在しない場合において、ツール11の位置を移動させず、第1の位置変更処理及び第2の位置変更処理を終了してもよい。同様に、上記実施形態では、途中目標向きが変更可能範囲82内に存在しない場合は途中目標向きが修正されたが、途中目標向きは修正されなくてもよい。例えば、コントローラ70は、途中目標向きが変更可能範囲82内に存在しない場合において、ツール11の向きを変更せず、向き変更処理を終了してもよい。

(11)上記実施形態では、位置決め制御装置1は2つの位置制御モード(第1の位置制御モード及び第2の位置制御モード)を有していたが、位置決め制御装置1の有する位置制御モードの数は2でなくてもよい。例えば、位置決め制御装置1は、第1の位置制御モード及び第2の位置制御モードのうちのいずれか1つのみを有していてもよい。同様に、位置決め制御装置1は、2以上の向き制御モードを有していてもよい。

(12)上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

1…位置決め制御装置、10…ツール移動装置、11…ツール、12…ツール支持アーム、13…力センサ、14…接続部、15,16,17,18,19,20…ツール支持アームのリンク、21…ツール支持アームの連結具、22,23,24,25,26,27…アクチュエータ、28,29,30,31,32,33…位置センサ、34…ツール移動装置座標系、40…目標位置検出装置、41…固定部、42…固定部支持アーム、43,44,45,46,47,48…固定部支持アームのリンク、49…基台部、50,51,52…固定部支持アームの連結具、53,54,55,56,57,58…角度センサ、59…目標位置検出装置座標系、60…切替えスイッチ、70…コントローラ、81…可動範囲、82…変更可能範囲。