特許 6855558 無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置、マルチブレーキシステム、ロボット、及び医療用ロボットシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6855558

(24)【登録日】2021年3月19日

(45)【発行日】2021年4月7日

(54)【発明の名称】無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置、マルチブレーキシステム、ロボット、及び医療用ロボットシステム

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/30 20160101AFI20210329BHJP

   B25J 19/00 20060101ALI20210329BHJP

【ＦＩ】

   A61B34/30

   B25J19/00 C

【請求項の数】10

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2019-228136(P2019-228136)

(22)【出願日】2019年12月18日

(65)【公開番号】特開2020-103891(P2020-103891A)

(43)【公開日】2020年7月9日

【審査請求日】2020年2月4日

(31)【優先権主張番号】特願2018-243710(P2018-243710)

(32)【優先日】2018年12月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】514063179

【氏名又は名称】株式会社メディカロイド

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼田 修宜

(72)【発明者】

【氏名】原田 拓明

(72)【発明者】

【氏名】田頭 毅

【審査官】 高松 大

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−１１３７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１５８００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０１９７４８７０（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−０２０５１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ３４／３０

Ｂ２５Ｊ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コイルが非励磁状態のときブレーキを作用させ、前記コイルが励磁状態のときブレーキを作用させないよう構成された無励磁作動型電磁ブレーキの動作を制御するための制御装置であって、
２つの電極を有し、前記２つの電極の端子間電圧が所定の電圧以上となったとき前記所定の電圧よりも低いときと比較して抵抗値が低くなる特性を有する電子部品と、
カソードがアノードよりも電位の高い側に位置するように配置されるダイオードと、を備え、
前記無励磁作動型電磁ブレーキに設けられる前記コイルと前記電子部品とが直列に接続されて第１直列回路が構成され、前記第１直列回路と前記ダイオードとが並列に接続され、
前記電子部品は、前記端子間電圧が前記所定の電圧よりも低いときに導通せず、前記端子間電圧が前記所定の電圧以上となったときに導通するように、前記無励磁作動型電磁ブレーキに設けられる前記コイルに対して直列に接続され、
前記無励磁作動型電磁ブレーキは、モータにブレーキを作用させるために前記モータに取り付けられ、
前記モータがサーボモータであり、
記憶部と、前記記憶部に格納されたプログラムを実行するためのプロセッサと、をさらに備え、
前記記憶部に格納されたプログラムが前記プロセッサによって実行されているとき、サーボリングによって前記サーボモータの回転が停止されようとする際には、前記スイッチング素子をＯＮにして前記電子部品が有効に機能しない状態とすることを特徴とする、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置。

【請求項2】

前記電子部品がツェナーダイオード又はバリスタである、請求項１に記載の無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置。

【請求項3】

前記所定の電圧は、前記無励磁作動型電磁ブレーキに設けられる前記コイルを励磁状態とするために前記コイルに対して印加される励磁電圧の１２０％以上２００％以下に設定される、請求項１又は２に記載の無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置。

【請求項4】

前記電子部品のバイパスとなるように前記電子部品に対して並列に接続され、前記電子部品が有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替え可能なスイッチング素子をさらに備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置。

【請求項5】

前記スイッチング素子がトランジスタ又は電界効果トランジスタである、請求項４に記載の無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置。

【請求項6】

複数の無励磁作動型電磁ブレーキを備えるマルチブレーキシステムであって、
前記複数の無励磁作動型電磁ブレーキそれぞれの動作を制御するための制御装置が設けられ、
前記制御装置が請求項１乃至５のいずれかに記載の無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置であることを特徴とする、マルチブレーキシステム。

【請求項7】

請求項１乃至５のいずれかに記載の無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置と、
前記無励磁作動型電磁ブレーキと、
前記無励磁作動型電磁ブレーキが取り付けられる前記モータと、
前記モータによって駆動する関節軸を少なくとも一つ有するロボットアームと、
前記モータの動作を制御するロボット制御装置と、を備えることを特徴とする、ロボット。

【請求項8】

請求項６に記載のマルチブレーキシステムを備える、請求項７に記載のロボット。

【請求項9】

前記無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置は、前記ロボット制御装置の一部として構成される、請求項７又は８に記載のロボット。

【請求項10】

請求項７乃至９のいずれかに記載のロボットを備える、医療用ロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置、マルチブレーキシステム、ロボット、及び医療用ロボットシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、コイルが非励磁状態のときブレーキを作用させ、前記コイルが励磁状態のときブレーキを作用させないよう構成された無励磁作動型電磁ブレーキの動作を制御するための制御装置が知られている。このような無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置が、例えば、特許文献１の産業用ロボットのブレーキ解除回路で提案されている。

【0003】

特許文献１には、ロボットアームの関節軸に設けられる無励磁作動型電磁ブレーキが記載されている。そして、特許文献１の無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置は、コネクタを用いて内部電源から非常用電源への電源切り替えを行い、当該非常用電源から電力を供給してコイルを励磁することで、ブレーキを解除することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−５４６９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、従来から、無励磁作動型電磁ブレーキに設けられるコイルにサージ電流が流れることを防止するために、前記コイルに対して並列にダイオードを接続する回路構成が知られている。図１１は、従来からある無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の要部構成を示す回路図である。制御装置１７０´は、図１１に示すような回路構成を備えることで、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１´に設けられるコイル１１３´にサージ電流が流れることを防止することができる。

【0006】

しかし、図１１に示すような回路構成では、例えば、ｎｐｎ型トランジスタ１９２´、１９４´の両方をＯＮにした状態から当該ｎｐｎ型トランジスタ１９２´、１９４´の少なくともいずれか一方をＯＦＦに切り替えて、コイル１１３´を非励磁状態に切り替えようとしたとき、コイル１１３´に逆起電力が生じ、ダイオード１９８´を経由して還流電流が流れてしまう。これに起因して、特許文献１及び従来からある無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置では、ブレーキが作用するまでに遅延が生じる場合があった。

【0007】

そこで、本発明は、無励磁作動型電磁ブレーキに設けられるコイルにサージ電流が流れることを防止しつつ、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能な、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置、マルチブレーキシステム、ロボット及び医療用ロボットシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するために、本発明に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置は、コイルが非励磁状態のときブレーキを作用させ、前記コイルが励磁状態のときブレーキを作用させないよう構成された無励磁作動型電磁ブレーキの動作を制御するための制御装置であって、２つの電極を有し、前記２つの電極の端子間電圧が所定の電圧以上となったとき前記所定の電圧よりも低いときと比較して抵抗値が低くなる特性を有する電子部品と、カソードがアノードよりも電位の高い側に位置するように配置されるダイオードと、を備え、前記無励磁作動型電磁ブレーキに設けられる前記コイルと前記電子部品とが直列に接続されて第１直列回路が構成され、前記第１直列回路と前記ダイオードとが並列に接続され、前記電子部品は、前記端子間電圧が前記所定の電圧よりも低いときに導通せず、前記端子間電圧が前記所定の電圧以上となったときに導通するように、前記無励磁作動型電磁ブレーキに設けられる前記コイルに対して直列に接続されることを特徴とする。

【0009】

上記構成によれば、本発明に係る制御装置は、無励磁作動型電磁ブレーキに設けられるコイルに対してダイオードを並列に接続することで、前記コイルにサージ電流が流れることを防止することが可能となる。また、本発明に係る制御装置は、端子間電圧が所定の電圧よりも低いときに導通せず、端子間電圧が所定の電圧以上となったときに導通するように、前記コイルに対して直列に接続される電子部品を備えるので、前記コイルに還流電流が流れることを防止することができる。これにより、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能となる。

【0010】

例えば、電子部品がツェナーダイオード又はバリスタであってもよい。

【0011】

前記所定の電圧は、前記無励磁作動型電磁ブレーキに設けられる前記コイルを励磁状態とするために前記コイルに対して印加される励磁電圧の１２０％以上２００％以下に設定されてもよい。

【0012】

上記構成によれば、前記所定の電圧が前記励磁電圧の１２０％未満である場合と比較して、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることをいっそう抑制することが可能となる。また、前記所定の電圧が前記励磁電圧の２００％よりも大きい場合と比較して、ノイズを抑制することが可能となる。

【0013】

前記電子部品のバイパスとなるように前記電子部品に対して並列に接続され、前記電子部品が有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替え可能なスイッチング素子をさらに備えてもよい。

【0014】

上記構成によれば、状況に応じて、電子部品が有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替えることが可能となる。

【0015】

前記スイッチング素子がトランジスタ又は電界効果トランジスタであってもよい。

【0016】

例えば、前記無励磁作動型電磁ブレーキは、モータにブレーキを作用させるために前記モータに取り付けられてもよい。

【0017】

前記モータがサーボモータであり、記憶部と、前記記憶部に格納されたプログラムを実行するためのプロセッサと、をさらに備え、前記記憶部に格納されたプログラムが前記プロセッサによって実行されるとき、サーボリングによって前記サーボモータの回転が停止されようとする際には、前記スイッチング素子をＯＮにして前記電子部品が有効に機能しない状態としてもよい。

【0018】

上記構成によれば、サーボモータと無励磁作動型電磁ブレーキとの間で摩耗が生じることを防止することができ、且つ、無励磁作動型電磁ブレーキを迅速に作用させた場合に生じ得るノイズを抑制することが可能となる。

【0019】

前記課題を解決するために、本発明に係るマルチブレーキシステムは、複数の無励磁作動型電磁ブレーキを備えるマルチブレーキシステムであって、前記複数の無励磁作動型電磁ブレーキそれぞれの動作を制御するための制御装置が設けられ、前記制御装置が無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置であることを特徴とする。

【0020】

上記構成によれば、本発明に係るマルチブレーキシステムは、上記いずれかの無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置を備えるので、無励磁作動型電磁ブレーキに設けられるコイルにサージ電流が流れることを防止しつつ、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能となる。また、複数の無励磁作動型電磁ブレーキそれぞれの動作を制御するために上記いずれかの無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置を備えるので、安全性を向上させることが可能となる。

【0021】

前記課題を解決するために、本発明に係るロボットは、上記いずれかの無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置と、前記無励磁作動型電磁ブレーキと、前記無励磁作動型電磁ブレーキが取り付けられる前記モータと、前記モータによって駆動する関節軸を少なくとも一つ有するロボットアームと、前記モータの動作を制御するロボット制御装置と、を備えることを特徴とする。

【0022】

上記構成によれば、本発明に係るロボットは、上記いずれかの無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置を備えるので、無励磁作動型電磁ブレーキに設けられるコイルにサージ電流が流れることを防止しつつ、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能となる。

【0023】

上記のマルチブレーキシステムを備えてもよい。

【0024】

上記構成によれば、複数の無励磁作動型電磁ブレーキそれぞれの動作を制御するために上記いずれかの無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置を備えるので、安全性を向上させることが可能となる。

【0025】

前記無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置は、前記ロボット制御装置の一部として構成されてもよい。

【0026】

上記構成によれば、本発明に係るロボットを簡単な構成にすることが可能となる。

【0027】

前記課題を解決するために、本発明に係る医療用ロボットシステムは、上記いずれかのロボットを備える。

【0028】

上記構成によれば、本発明に係る医療用ロボットシステムは、上記いずれかのロボットを備えるので、無励磁作動型電磁ブレーキに設けられるコイルにサージ電流が流れることを防止しつつ、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能となる。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、無励磁作動型電磁ブレーキに設けられるコイルにサージ電流が流れることを防止しつつ、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能な、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置、マルチブレーキシステム、ロボット、及び医療用ロボットシステムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータの使用態様を示す概略図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータが備えるロボットアームの構成を示す概略図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータが備える制御系の構成を示すブロック図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータが備えるサーボモータ、エンコーダ及び無励磁作動型電磁ブレーキそれぞれの内部構成を示す軸方向に沿った断面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の要部構成を示す回路図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

【図7】本発明の一実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第１変形例の要部構成を示す回路図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第２変形例の要部構成を示す回路図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第３変形例の要部構成を示す回路図である。

【図10】本発明の一実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の効果を確かめるために発明者らが行った実験結果を示すグラフ図であり、（Ａ）がツェナーダイオードを有効にしてからコイルを非励磁状態に切り替えたときのグラフ図、（Ｂ）がツェナーダイオードを無効にしてからコイルを非励磁状態に切り替えたときのグラフ図である。

【図11】従来からある無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の要部構成を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

（外科手術システム１０）
以下、本発明の実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置、マルチブレーキシステム、ロボット及び医療用ロボットシステムについて、添付図面に基づき説明する。なお、本実施形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

【0032】

図１は、本実施形態に係る医療用マニピュレータの使用態様を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る医療用マニピュレータ２０（ロボット）は、外科手術システム１０（医療用ロボットシステム）において設けられる。外科手術システム１０は、例えば、ロボット支援手術やロボット遠隔手術などのように、医師などの施術者Ｓが手術台３００上の患者Ｐに内視鏡外科手術を施す際に使用されるシステムである。

【0033】

外科手術システム１０は、患者側システムである医療用マニピュレータ２０（ロボット）と、この医療用マニピュレータ２０の後述する複数のロボットアーム７０を操るための指示装置２００とを備える。指示装置２００は、医療用マニピュレータ２０から離れて配置され、医療用マニピュレータ２０は、指示装置２００によって遠隔操作される。

【0034】

施術者Ｓは、医療用マニピュレータ２０に行わせる動作を指示装置２００に入力し、指示装置２００は、その動作指令を医療用マニピュレータ２０に送信する。医療用マニピュレータ２０は、指示装置２００から送信された動作指令を受け取り、この動作指令に基づいて後述する複数のロボットアーム７０を動作させる。

【0035】

医療用台車２２内部には、ロボット制御装置１５０および動作制御に用いられるプログラム及び各種データが記憶される記憶部１６０が格納される。また、医療用台車２２には、主に施術前におけるポジショナ３０、アームベース６０及び複数のロボットアーム７０の位置及び姿勢を設定入力するための操作部１６４が設けられる。

【0036】

指示装置２００は、手術室内に配置されてもよいし、又は手術室外に配置されてもよい。指示装置２００は、施術者Ｓが動作指令を入力するための操作用アーム２０２、操作ペダル２０４、タッチパネル２０６、内視鏡アセンブリで撮影された画像を表示するモニタ２０８、医師などの操作者の顔の高さ位置にモニタ２０８を支持する支持アーム２１０、及びタッチパネル２０６が配されたバー２１２等を含む。

【0037】

施術者Ｓは、モニタ２０８で患部を視認しながら、操作用アーム２０２、及び操作ペダル２０４を操作して指示装置２００に動作指令を入力する。指示装置２００に入力された動作指令は、有線又は無線により医療用マニピュレータ２０のロボット制御装置１５０に伝達される。医療用マニピュレータ２０は、ロボット制御装置１５０により動作制御される。なお、ロボット制御装置１５０は、例えば、公知のプロセッサ（ＣＰＵ等）が記憶部（メモリ等）に格納されるプログラムに従って動作することで実現される構成であってもよい。

【0038】

（医療用マニピュレータ２０）
図１において、医療用マニピュレータ２０は、滅菌された滅菌野である手術室内に配置される。医療用マニピュレータ２０は、ポジショナ３０と、ポジショナ３０の先端部に取り付けられた長尺状のアームベース６０と、アームベース６０にその基端部が着脱可能に取り付けられた複数（本実施形態では４本）の多自由度ロボットアーム７０とを備える。医療用マニピュレータ２０は、複数のロボットアーム７０が折り畳まれた収納姿勢をとるように構成される。

【0039】

ポジショナ３０は、垂直多関節型ロボットとして構成されており、手術室の所定位置に配置された医療用台車２２のベース本体２２ａ上に設けられ、アームベース６０の位置を３次元的に移動させることができる。アームベース６０及びロボットアーム７０は、滅菌ドレープ（図示せず）で覆われることで、手術室内の滅菌野から遮蔽される。

【0040】

ポジショナ３０は、医療用台車２２の上面に取り付けられるベース３３と、ベース３３から先端部に向けて順次連結された複数のポジショナリンクを備えている。ポジショナ３０は、一のポジショナリンクが他の一のポジショナリンクに対して回動するように順に連結されることで複数の関節軸を構成する。複数のポジショナリンクは、リンク３４ａ〜３４ｆを含む。複数の関節軸は、関節軸Ｊ３１〜関節軸Ｊ３７を含む。なお、本実施の形態における複数の関節部は、回転軸を備えた回転関節により構成されているが、少なくとも一部の関節部が直動関節により構成されてもよい。

【0041】

より詳細には、ベース３３の先端部に、捩り（ロール）関節である関節軸Ｊ３１を介してリンク３４ａの基端部が連結されている。リンク３４ａの先端部には、曲げ（ピッチ）関節である関節軸Ｊ３２を介してリンク３４ｂの基端部が連結される。リンク３４ｂの先端部には、曲げ関節である関節軸Ｊ３３を介してリンク３４ｃの基端部が連結される。リンク３４ｃの先端部には、捩り関節である関節軸Ｊ３４を介してリンク３４ｄの基端部が連結される。リンク３４ｄの先端部には、曲げ関節である関節軸Ｊ３５を介してリンク３４ｅの基端部が連結される。リンク３４ｅの先端部には、捩り関節である関節軸Ｊ３６を介してリンク３４ｆの基端部が連結される。リンク３４ｆの先端部には、捩り関節である関節軸Ｊ３７を介してアームベース６０のポジショナ取り付け部３９が連結される。これにより、ポジショナ３０は、複数の自由度（７自由度）を有する多軸関節（７軸関節）アームとして構成される。

【0042】

複数のロボットアーム７０のうちロボットアーム７０Ａの先端部には、医療器具１４０として、例えば取り替え用のインストゥルメント（例えば鉗子など）が保持される。ロボットアーム７０Ｂの先端部には、医療器具１４０として、例えば鉗子などのインストゥルメントが保持される。また、ロボットアーム７０Ｃの先端部には、医療器具１４０として、例えば内視鏡アセンブリが保持される。ロボットアーム７０Ｄの先端部には、医療器具１４０として、例えば取り替え用の内視鏡アセンブリが保持される。

【0043】

アームベース６０は、複数のロボットアーム７０の拠点となるハブとしての機能を有する。本実施形態では、ポジショナ３０及びアームベース６０によって、複数のロボットアーム７０を移動可能に支持するアーム支持体２８が構成される。医療用マニピュレータ２０は、ポジショナ３０から医療器具１４０まで、各構成要素が一連に繋がっている。以下、本明細書では、上記一連の構成要素において、ポジショナ３０の側を基端部とし、医療器具１４０の側を先端部とする。

【0044】

図２に示すように、医療器具１４０がインストゥルメントである場合、当該医療器具１４０は、その基端部に駆動ユニット１４２を有する。このインストゥルメントの先端部に設けられたエンドエフェクタは、動作する関節を有する器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、及び、クリップアプライヤー等）、並びに、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、及び、吸引オリフィス等）を含む群より選択される。

【0045】

医療用マニピュレータ２０を用いた施術においては、最初に、医療用台車２２が医療従事者によって手術室の所定位置に移動される。この場合、所定位置に移動された医療用台車２２は、予期せぬ位置に移動しないように停止される。

【0046】

次に、医療従事者は、操作部１６４に含まれるタッチパネルを操作することにより、指示装置２００から動作指令を受けたロボット制御装置１５０が、アームベース６０と手術台３００又は患者Ｐとが所定の位置関係となるように、ポジショナ３０を動作させてアームベース６０の位置決めを行う。

【0047】

次に、患者Ｐの体表に留置されたスリーブ（カニューレスリーブ）と医療器具１４０とが所定の初期位置関係となるように、各ロボットアーム７０に設けられた図示しないアーム操作装置を医療従事者が操作することにより各ロボットアーム７０を動作させて医療器具１４０の位置決めを行う。なお、ポジショナ３０の位置決め動作と各ロボットアーム７０の位置決め動作とは同時に行われてもよい。そして、ロボット制御装置１５０は、原則としてポジショナ３０を静止させた状態で、指示装置２００からの動作指令に応じて、各ロボットアーム７０により医療器具１４０を動作させて適宜変位及び姿勢変化させつつ施術を行う。

【0048】

つづいて、ロボットアーム７０の詳細な構成について説明する。図２に示すように、ロボットアーム７０は、アーム本体８０と、アーム本体８０の先端部に連結された並進ユニット９０とを備え、基端部に対して先端部を３次元空間内で移動させることができるように構成されている。

【0049】

なお、本実施形態では、医療用マニピュレータ２０が具備する複数のロボットアーム７０は、いずれも同様または類似の構成を有するが、複数のロボットアーム７０のうち少なくとも１本が他のアームと異なる構成を有してもよい。ロボットアーム７０の先端部には、医療器具１４０を保持可能なホルダ９６が設けられる。

【0050】

医療器具１４０は、基端部に設けられた駆動ユニット１４２と、先端部に設けられたエンドエフェクタ１４４（処置具）と、駆動ユニット１４２とエンドエフェクタ１４４との間を繋ぐ細長いシャフト１４６とを有している。駆動ユニット１４２、シャフト１４６、及びエンドエフェクタ１４４は長軸方向Ｄｔに沿って配置される。

【0051】

ロボットアーム７０は、アームベース６０に対して着脱可能に構成される。ロボットアーム７０は、洗浄処理及び滅菌処理のための耐水性、耐熱性、及び耐薬品性を備える。ロボットアーム７０の滅菌処理には様々な方法があるが、例えば、高圧蒸気滅菌法、ＥＯＧ滅菌法、消毒薬による化学滅菌法などが選択的に用いられる。

【0052】

アーム本体８０は、アームベース６０に着脱可能に取り付けられるベース８２と、ベース８２から先端部に向けて順次連結されたリンク８４ａ〜８４ｆとを含む。より詳細には、ベース８２の先端部に、捩り関節軸Ｊ８１を介してリンク８４ａの基端部が連結される。リンク８４ａの先端部に、曲げ関節軸Ｊ８２を介してリンク８４ｂの基端部が連結される。リンク８４ａの先端部に、捩り関節軸Ｊ８３を介してリンク８４ｃの基端部が連結される。

【0053】

リンク８４ｃの先端部に、曲げ関節軸Ｊ８４を介してリンク８４ｄの基端部が連結される。リンク８４ｄの先端部に、捩り関節軸Ｊ８５を介してリンク８４ｅの基端部が連結される。リンク８４ｅの先端部に、曲げ関節軸Ｊ８６を介してリンク８４ｆの基端部が連結される。リンク８６ｆの先端部に、曲げ関節軸Ｊ８７を介して並進ユニット９０の基端部が連結される。

【0054】

上記構成により、ロボットアーム７０は、自由度（７自由度）を有する多関節（７軸関節）アームとして構成される。したがって、ロボットアーム７０は、当該ロボットアーム７０の先端部の位置を変化させることなく姿勢を変えることが可能である。

【0055】

アーム本体８０の外殻は、主にステンレスなどの耐熱性及び耐薬品性を有する部材で形成される。また、リンク同士の連結部には、耐水性を備えるための図略のシールが設けられる。このシールは、高圧蒸気滅菌法に対応する耐熱性や、消毒薬に対する耐薬品性を備える。なお、リンク同士の連結部において、連結される一方のリンクの端部の内側に他方のリンクの端部が挿入され、これらのリンクの端部同士の間を埋めるようにシールが配置されることによって、シールが外観から隠蔽されている。これにより、シールとリンクとの間から水、薬液、及び蒸気等の浸入が抑制される。

【0056】

並進ユニット９０は、その先端部に取り付けられたホルダ９６を長軸方向Ｄｔに並進移動させることにより、このホルダ９６に取り付けられた医療器具１４０をシャフト１４６の延在方向に並進移動させる。

【0057】

並進ユニット９０は、アーム本体８０の第６リンク８４ｆの先端部に、曲げ関節軸Ｊ８７を介して連結される基端側リンク９１ａと、先端側リンク９１ｂと、基端側リンク９１ａと先端側リンク９１ｂとの間で連動して動く連結リンク９２と、連動機構（図略）とを有する。曲げ関節軸Ｊ８７は、長軸方向Ｄｔに直交する方向に延びる。また、並進ユニット９０の先端部、すなわち先端側リンク９１ｂの先端部には回動軸６４が設けられている。並進ユニット９０の駆動源は基端側リンク９１ａに設けられている。連結リンク９２は長軸方向Ｄｔに沿って延びる。

【0058】

このような構成において、並進ユニット９０は、連動機構により、基端側リンク９１ａと連結リンク９２との長軸方向Ｄｔにおける相対位置が変化するとともに、連結リンク９２と先端側リンク９１ｂとの長軸方向Ｄｔにおける相対位置が変化することにより、基端側リンク９１ａに対して先端側リンク９１ｂに設けられるホルダ９６に保持された医療器具１４０の長軸方向Ｄｔに関する位置を変化させることができる。

【0059】

次に、図３に示すように、ロボットアーム７０には、各関節軸Ｊ８１〜Ｊ８７に対応して、駆動用のサーボモータＭ８１〜Ｍ８７（モータ）、サーボモータＭ８１〜Ｍ８７の回転角を検出するエンコーダＥ８１〜Ｅ８７、及びサーボモータＭ８１〜Ｍ８７の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）が設けられる。さらに、並進ユニット９０には、並進動作のためのサーボモータＭ８８と、回転軸９９回りの回動動作のためのサーボモータＭ８９と、サーボモータＭ８８、Ｍ８９の回転角を検出するエンコーダＥ８８、Ｅ８９と、サーボモータＭ８８、Ｍ８９の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）とが設けられる。なお、図３では、サーボモータＭ８１〜Ｍ８９のうちサーボモータＭ８１、Ｍ８９が代表的に示され、エンコーダＥ８１〜Ｅ８９のうちエンコーダＥ８１、Ｅ８９が代表的に示され、その他の関節軸Ｊ８２〜Ｊ８７の制御系統は省略されている。

【0060】

そして、サーボモータＭ８１には、第１無励磁作動型電磁ブレーキ８１（１）、及び第２無励磁作動型電磁ブレーキ８１（２）（複数の無励磁作動型電磁ブレーキ）が取り付けられる。そして、第１無励磁作動型電磁ブレーキ８１（１）、及び第２無励磁作動型電磁ブレーキ８１（２）それぞれの動作を制御するために本実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａが設けられる。本実施形態では、このようにして複数の無励磁作動型電磁ブレーキを備えるマルチブレーキシステムが構成される。

【0061】

なお、ロボットアーム７０ＡのサーボモータＭ８２〜Ｍ８９それぞれにも同様に２つの無励磁作動型電磁ブレーキが取り付けられる。図３に示すように、ロボットアーム７０ＡのサーボモータＭ８１〜Ｍ８９それぞれに設けられる第１無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（１）〜Ｂ８９（１）の動作、及び第２無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（２）〜Ｂ８９（２）の動作は、それぞれ、１つの無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａによって制御される。

【0062】

同様に、ポジショナ３０のサーボモータＭ３１〜Ｍ３７それぞれにも同様に２つの無励磁作動型電磁ブレーキが取り付けられる。図３に示すように、ポジショナ３０のサーボモータＭ３１〜Ｍ３７それぞれに設けられる第１無励磁作動型電磁ブレーキＢ３１（１）〜Ｂ３７（１）の動作、及び第２無励磁作動型電磁ブレーキＢ３１（２）〜Ｂ３７（２）の動作は、それぞれ、ロボットアーム７０Ａのための無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａとは別個に設けられた１つの無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａによって制御される。

【0063】

なお、上記マルチブレーキシステムは、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａからの同一の動作指令に基づき、第１無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（１）、及び第２無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（２）それぞれを同様に動作させてもよい。これにより、外科手術システム１０の安全性を向上させることができる。

【0064】

また、図３に示すように、ポジショナ３０には、ポジショナ３０の各関節軸Ｊ３１〜Ｊ３７に対応して、駆動用のサーボモータＭ３１〜Ｍ３７、サーボモータＭ３１〜Ｍ３７の回転角を検出するエンコーダＥ３１〜Ｅ３７、および、サーボモータＭ３１〜Ｍ３７の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図略）が設けられる。なお、図３においては、ポジショナ３０の関節軸Ｊ３１〜Ｊ３７のうち、関節軸Ｊ３１，Ｊ３７の制御系統が代表的に示され、その他の関節軸Ｊ３２〜Ｊ３６の制御系統は省略されている。

【0065】

ロボット制御装置１５０は、動作指令に基づいて複数のロボットアーム７０の移動を制御するアーム制御部１５１と、ポジショナ３０の移動制御するポジショナ制御部１５２とを含む。アーム制御部１５１には、サーボ制御部Ｃ８１〜Ｃ８９が電気的に接続される。サーボ制御部Ｃ８１〜Ｃ８９には、エンコーダＥ８１〜Ｅ８９が電気的に接続される。また、ポジショナ制御部１５２には、サーボ制御部Ｃ３１〜Ｃ３７が電気的に接続される。サーボ制御部Ｃ３１〜Ｃ３７には、エンコーダＥ３１〜Ｅ３７が電気的に接続される。

【0066】

指示装置２００に入力された動作指令に基づいて、アーム制御部１５１にロボットアーム７０の先端部の位置姿勢指令が入力される。アーム制御部１５１は、位置姿勢指令とエンコーダＥ８１〜Ｅ８９で検出された回転角とに基づいて、位置指令値を生成して出力する。この位置指令値を取得したサーボ制御部Ｃ８１〜Ｃ８９は、エンコーダＥ８１〜Ｅ８９で検出された回転角および位置指令値に基づいて駆動指令値（トルク指令値）を生成して出力する。この駆動指令値を取得した増幅回路は、駆動指令値に対応した駆動電流をサーボモータＭ８１〜Ｍ８９へ供給する。このようにして、ロボットアーム７０の先端部が、位置姿勢指令と対応する位置および姿勢に到達するように、各サーボモータＭ８１〜ＭＭ８９がサーボ制御される。

【0067】

ロボット制御装置１５０には、アーム制御部１５１にデータを読み出し可能な記憶部１６０が設けられる。記憶部１６０には、指示装置２００を介して入力された手術情報が予め記憶される。

【0068】

ポジショナ制御部１５２は、操作装置１６２から入力された準備位置の設定等に関する動作指令とエンコーダＥ３１〜Ｅ３７で検出された回転角とに基づいて、位置指令値を生成して出力する。この位置指令値を取得したサーボ制御部Ｃ３１〜Ｃ３７は、エンコーダＥ３１〜Ｅ３７で検出された回転角および位置指令値に基づいて駆動指令値（トルク指令値）を生成して出力する。この駆動指令値を取得した増幅回路は、駆動指令値に対応した駆動電流をサーボモータＭ３１〜Ｍ３７へ供給する。このようにして、ポジショナ３０が、位置指令値と対応する位置・姿勢に到達するように、各サーボモータＭ３１〜Ｍ３７がサーボ制御される。

【0069】

（サーボモータＭ８１）
図４は、本実施形態に係る医療用マニピュレータが備えるサーボモータ、エンコーダ及び無励磁作動型電磁ブレーキそれぞれの内部構成を示す軸方向に沿った断面図である。なお、以下において「負荷側」とはサーボモータＭ８１に対して負荷が取り付けられる方向、すなわち、この一例ではシャフト１０２が突出する方向（図４の下側）であり、「反負荷側」とは負荷側の反対方向（図４の上側）である。なお、図４に示す関節軸Ｊ８１内のサーボモータＭ８１、エンコーダＥ８１及び無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１と同様の構成が、サーボモータＭ８２〜Ｍ８９、Ｍ３１〜Ｍ３７それぞれにも設けられる。しかし、ここではサーボモータＭ８１（すなわち、関節軸Ｊ８１）の構造についてのみ説明し、その他の同様となる説明は繰り返さない。

【0070】

図４に示すように、サーボモータＭ８１は、フレーム１０１と、シャフト１０２と、フレーム１０１の負荷側端部に設けられた負荷側ブラケット１０３と、フレーム１０１の反負荷側端部に設けられた反負荷側ブラケット１０４（以下、プレートともいう）とを備える。負荷側ブラケット１０３及び反負荷側ブラケット１０４（プレート）には、それぞれ、図示しない負荷側軸受け及び反負荷側軸受けが設けられ、シャフト１０２はこれら軸受けを介して回転自在に支持される。

【0071】

サーボモータＭ８１は、シャフト１０２に設けられる回転子１０５と、フレーム１０１の内周面に設けられる固定子１０６とを有する。回転子１０５には、例えば、図示しない複数の永久磁石が設けられる。固定子１０６は、環状に配置される図示しない固定子鉄心と、当該固定子鉄心の複数のティース部に巻回される図示しない複数の電機子巻線と、を有する。

【0072】

（無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１）
図４に示すように、サーボモータＭ８１には、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１が設けられる。なお、ここでは見た目の煩雑さを避けるため、サーボモータＭ８１に対して１つの無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１が設けられる場合を図示してあるが、本実施形態では、図３に基づき説明したように、サーボモータＭ８１には、２つの無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（第１無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（１）及び第２無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（２））が設けられる。

【0073】

無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１は、サーボモータＭ８１の反負荷側に配置されており、シャフト１０２の停止保持又は制動を行う。そして、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１は、後述するコイル１１３が非励磁状態のときブレーキを作用させ、同コイル１１３が励磁状態のときブレーキを作用させないよう構成される。

【0074】

なお、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１をサーボモータＭ８１の負荷側に配置してもよい。無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１は、図示しないブレーキカバーによって覆われる。無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１は、円筒状のフィールドコア１１７と、フィールドコア１１７の負荷側に対向配置された円環状のアーマチュア１１８と、アーマチュア１１８とプレート１０４（反負荷側ブラケット）との間に配置されたブレーキディスク１１９と、を有する。

【0075】

フィールドコア１１７は、ボルト１１１によりプレート１０４に固定される。フィールドコア１１７には、複数の制動ばね１１２が設けられる。制動ばね１１２は、アーマチュア１１８を押圧して負荷側へ付勢する。またフィールドコア１１７には、コイル１１３が設けられる。コイル１１３は通電時に磁気吸引力を発生し、制動ばね１１２の付勢力に抗してアーマチュア１１８を反負荷側へ吸引する。アーマチュア１１８は、磁性体（鋼板等）で構成される。

【0076】

ブレーキディスク１１９は、ハブ１１４を介してシャフト１０２に固定される。ブレーキディスク１１９の負荷側及び反負荷側の両面には、環状の摩擦板１１５が取り付けられる。ブレーキディスク１１９は、シャフト１０２の軸方向にスライド可能に構成される。

【0077】

無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１は、コイル１１３が非励磁状態のとき、アーマチュア１１８が制動ばね１１２の付勢力によりプレート１０４の側（負荷側）へと押圧される。アーマチュア１１８とプレート１０４によりブレーキディスク１１９及び摩擦板１１５が挟み込まれる。このときフィールドコア１１７とアーマチュア１１８との間にはギャップＧが生じる。その結果、電源遮断時にシャフト１０２の停止保持又は回転が制動される。この状態が、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１が作用している状態である。

【0078】

一方、コイル１１３が励磁状態のとき、コイル１１３による磁気吸引力によりアーマチュア１１８がコイル１１３側（反負荷側）へと移動する。アーマチュア１１８とプレート１０４との間にギャップＧ分の隙間が生じ、ブレーキディスク１１９及び摩擦板１１５がフリーになる。この結果、サーボモータＭ８１の可動時にブレーキディスク１１９は上記制動から開放され、シャフト１０２が回転可能となる。この状態が、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１が解除された状態である。

【0079】

エンコーダＥ８１は、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１の反負荷側に配置され、シャフト１０２に連結される。なお、エンコーダＥ８１をこれ以外の配置（例えば、サーボモータＭ８１と無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１との間に配置）にしてもよい。そして、エンコーダＥ８１は、シャフト１０２の回転位置（回転角度等）を検出することで、サーボモータＭ８１の回転位置を検出し、検出位置のデータを出力する。なお、エンコーダＥ８１は、サーボモータＭ８１の回転位置に加えて又はそれ代えて、サーボモータＭ８１の速度（例えば、回転速度及び角速度等）及びサーボモータＭ８１の加速度（例えば、回転加速度及び角加速度等）の少なくとも一方を検出してもよい。

【0080】

（無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａ）
図５は、本実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の要部構成を示す回路図である。図５に示すように、本実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａ（以下、単に「制御装置１７０Ａ」と称することがある）は、カソードがアノードよりも電位の高い側に位置するように、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３に対して並列に接続されるダイオード１９８を備える。

【0081】

また、制御装置１７０Ａは、２つの電極１８１ａ、１８１ｂを有し、当該２つの電極１８１ａ、１８１ｂの端子間電圧が所定の電圧以上となったとき当該所定の電圧よりも低いときと比較して抵抗値が低くなる特性を有するツェナーダイオード１８０Ａ（電子部品）を備える。なお、ここでいう所定の電圧は、ツェナーダイオード１８０Ａの降伏電圧である。なお、降伏電圧は、例えば、３３Ｖ程度に設定されていてもよい。このような降伏電圧に設定されるとき、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３を励磁状態とするために当該コイル１１３に対して印加される励磁電圧は２４Ｖ程度に設定されてもよい。

【0082】

無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３とツェナーダイオード１８０Ａとが直列に接続されて第１直列回路が構成され、当該第１直列回路とダイオード１９８とが並列に接続されて第１並列回路が構成される。そして、本実施形態では、当該第１並列回路よりも電位の高い側にｎｐｎ型トランジスタ１９２が設けられ、当該第１並列回路よりも電位の低い側にｎｐｎ型トランジスタ１９４が設けられる。ｎｐｎ型トランジスタ１９２、１９４の両方がＯＮされることで、コイル１１３が励磁状態となる。また、ｎｐｎ型トランジスタ１９２、１９４のうち少なくともいずれか一方がＯＦＦされることでコイル１１３が非励磁状態となる。このような構成により、外科手術システム１０の安全性を向上させることができる。

【0083】

ツェナーダイオード１８０Ａは、前記端子間電圧が前記所定の電圧よりも低いときに導通せず、前記端子間電圧が前記所定の電圧以上となったときに導通するように、当該コイル１１３に対して直列に接続される。具体的には、ツェナーダイオード１８０Ａは、そのカソードがコイル１１３側に位置し、そのアノードがアース側に位置するように、コイル１１３に対して直列に接続される。なお、ここでいう導通するとは、ツェナーダイオード１８０Ａの抵抗値が０Ω（又はほぼ０Ω）であることで導通する場合に限定されず、ツェナーダイオード１８０Ａのインピーダンス（抵抗値）がコイル１１３のインピーダンスと比較して十分に小さいことで導通する場合も含まれる。

【0084】

本実施形態に係る制御装置１７０Ａは、ツェナーダイオード１８０Ａ（電子部品）のバイパスとなるようにツェナーダイオード１８０Ａに対して並列に接続され、ツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替え可能なｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａ（スイッチング素子）をさらに備える。ｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａは、コレクタがツェナーダイオード１８０Ａの電極１８１ａに接続され、エミッタがツェナーダイオード１８０Ａの電極１８１ｂに接続されることで、ツェナーダイオード１８０Ａに対して並列に接続される。

【0085】

図３のブロック図に示すように、本実施形態に係る制御装置１７０Ａは、記憶部１７２と、当該記憶部１７２に格納されたプログラムを実行するためのプロセッサ１７４と、を有する。なお、制御装置１７０Ａが、ロボット制御装置１５０の一部として構成されてもよい。さらに、制御装置１７０Ａの記憶部１７２は、ロボット制御装置１５０の記憶部１６０の一部として構成されてもよい。

【0086】

また、本実施形態に係る制御装置１７０Ａは、ロボットアーム７０Ａ〜７０Ｄ及びポジショナ３０それぞれに対して設けられてもよい。なお、図３において、ロボットアーム７０Ａに設けられる制御装置１７０Ａは、アーム制御部１５１と別個に記載してあるが、当該アーム制御部１５１の一部として構成されてもよい。ポジショナ３０に設けられる１７０Ａについても同様に、ポジショナ制御部１５２の一部として構成されてもよい。

【0087】

つづいて、図６に基づき、制御装置１７０Ａが実行する処理の一例について説明する。図６は、本実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

【0088】

まず、制御装置１７０Ａは、ｎｐｎ型トランジスタ１９０ＡをＯＦＦにしてツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能する状態とする（図６においてステップＳ１）。

【0089】

次に、サーボリングによってサーボモータＭ８１の回転が停止されようとするとき（図６のステップＳ２で「ＹＥＳ」）、ｎｐｎ型トランジスタ１９０ＡをＯＮにしてツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能しない状態とする（図６においてステップＳ３）。

【0090】

なお、制御装置１７０Ａは、サーボリングによってサーボモータＭ８１の回転が停止されようとしていないとき（図６のステップＳ２で「ＮＯ」）、ステップＳ２に戻って処理を繰り返す。

【0091】

（効果）
本実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ａは、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３に対してダイオード１９８を並列に接続することで、前記コイル１１３にサージ電流が流れることを防止することが可能となる。また、同制御装置１７０Ａは、端子間電圧（すなわち、電極１８１ａ、１８１ｂの間の電位差）が所定の電圧よりも低いときに導通せず、端子間電圧（同前）が前記所定の電圧以上となったときに導通するように、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３に対して直列に接続されたツェナーダイオード１８０Ａ（電子部品）を備えるので、前記コイル１１３に還流電流が流れることを防止することができる。これにより、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能となる。

【0092】

また、本実施形態に係る制御装置１７０Ａは、ツェナーダイオード１８０Ａ（電子部品）のバイパスとなるようにツェナーダイオード１８０Ａに対して並列に接続されるｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａ（スイッチング素子）をさらに備えるので、状況に応じて、ツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替えることが可能となる。

【0093】

さらに、本実施形態では、ツェナーダイオード１８０Ａの降伏電圧（所定の電圧）が励磁電圧の１２０％以上２００％以下に設定されることで、降伏電圧が励磁電圧の１２０％未満である場合と比較して、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることをいっそう抑制することが可能となる。また、降伏電圧が励磁電圧の２００％よりも大きい場合と比較して、ノイズを抑制することが可能となる。

【0094】

本実施形態では、サーボリングによってサーボモータＭ８１の回転が停止されようとする際には、ｎｐｎ型トランジスタ１９０ＡをＯＮにしてツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能しない状態とすることで、サーボモータＭ８１と無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１（より詳細には、第１無励磁作動型電磁ブレーキ８１（１）及び第２無励磁作動型電磁ブレーキ８１（１））との間で摩耗が生じることを防止することができ、且つ、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１を迅速に作用させた場合に生じ得るノイズを抑制することが可能となる。

【0095】

なお、ツェナーダイオード１８０Ａ（電子部品）が有効に機能する状態とすることで、システム内に故障が生じたときや、落雷によりサージ電流が流れたとき等、その旨のエラー信号がサーボ制御部Ｃ８１によって検知され、それを受信してｎｐｎ型トランジスタ１９２、１９４のうち少なくともいずれか一方をＯＦＦすることで、コイル１１３を非励磁状態にして迅速にブレーキを作用させてもよい。或いは、施術中にコイル１１３を非励磁状態にして迅速にブレーキを作用させることで、安全性を向上させることが可能となる。このように安全性を向上させることは、特に、外科手術システム１０（医療用ロボットシステム）において有効である。

【0096】

また、サーボリングによってサーボモータＭ８１の回転が停止されようとするときにｎｐｎ型トランジスタ１９０ＡをＯＮにしてツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能しない状態とすることで、サーボモータと無励磁作動型電磁ブレーキとの間で摩耗が生じることを防止することができ、且つ、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１を迅速に作用させた場合に生じ得るノイズを抑制することが可能となる。

【0097】

（変形例）
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

【0098】

（第１変形例）
図７に基づき、上記実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第１変形例について説明する。図７は、上記実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第１変形例の要部構成を示す回路図である。なお、本変形例に係る制御装置１７０Ｂは、ｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａの代わりに電界効果トランジスタ１９０Ｂを備えることを除き、上記実施形態に係る制御装置１７０Ａと同様の構成である。したがって、同一部分には同じ参照番号を付し、同様となる説明は繰り返さない。

【0099】

図７に示すように、本変形例に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ｂは、ツェナーダイオード１８０Ａ（電子部品）のバイパスとなるようにツェナーダイオード１８０Ａに対して並列に接続され、ツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替え可能な電界効果トランジスタ１９０Ｂ（スイッチング素子）を備える。無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置は、このような構成であってもよい。

【0100】

（第２変形例）
図８に基づき、上記実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第２変形例について説明する。図８は、上記実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第２変形例の要部構成を示す回路図である。なお、本変形例に係る制御装置１７０Ｃは、ツェナーダイオード１８０Ａの代わりにバリスタ１８０Ｂを備えることを除き、上記実施形態に係る制御装置１７０Ａと同様の構成である。したがって、同一部分には同じ参照番号を付し、同様となる説明は繰り返さない。

【0101】

図８に示すように、本変形例に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ｃは、２つの電極１８１ａ、１８１ｂを有し、当該２つの電極１８１ａ、１８１ｂの端子間電圧が所定の電圧以上となったとき当該所定の電圧よりも低いときと比較して抵抗値が低くなるバリスタ１８０Ｂ（電子部品）を備える。なお、ここでいう所定の電圧は、バリスタ１８０Ｂのバリスタ電圧である。無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置は、このような構成であってもよい。

【0102】

（第３変形例）
図９に基づき、上記実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第３変形例について説明する。図９は、上記実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の第３変形例の要部構成を示す回路図である。なお、本変形例に係る制御装置１７０Ｄは、ｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａを備えないことを除き、上記実施形態に係る制御装置１７０Ａと同様の構成である。したがって、同一部分には同じ参照番号を付し、同様となる説明は繰り返さない。

【0103】

図９に示すように、本変形例に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０Ｄは、上記実施形態に係る制御装置１７０Ａとは異なり、ｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａ（スイッチング素子）を備えない。これにより、制御装置１７０Ｄは、いっそう簡単な構成となる。

【0104】

（その他の変形例）
上記実施形態及び第１〜第３変形例では、２つの電極１８１ａ、１８１ｂの端子間電圧が所定の電圧よりも低いときに導通せず、前記端子間電圧が前記所定の電圧以上となったときに導通するようにコイル１１３に対して直列に接続される電子部品が、ツェナーダイオード１８０Ａ又はバリスタ１８０Ｂである場合を説明したが、これに限定されない。例えば、前記電子部品が、チップ型の積層セラミックコンデンサであってもよいし、又は、静電気放電サプレッサであってもよい。或いは、２つの電極１８１ａ、１８１ｂの端子間電圧が所定の電圧よりも低いときに導通せず、前記端子間電圧が前記所定の電圧以上となったときに導通するようにコイル１１３に対して直列に接続されることが可能であれば、その電子部品であってもよい。

【0105】

上記実施形態では、ツェナーダイオード１８０Ａの降伏電圧が３３Ｖ程度に設定され、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３を励磁状態とするために当該コイル１１３に対して印加される励磁電圧が２４Ｖ程度に設定される場合を説明したが、これに限定されない。例えば、ツェナーダイオード１８０Ａの降伏電圧は、前記励磁電圧の１２０％以上２００％以下に設定されてもよい。なお、ツェナーダイオード１８０Ａの代わりに、端子間電圧が所定の電圧以上となったとき前記所定の電圧よりも低いときと比較して抵抗値が低くなる特性を有する電子部品を設けた場合、前記所定の電圧が、例えば、前記励磁電圧の１２０％以上２００％以下に設定されてもよい。

【0106】

上記実施形態及び第１〜第３変形例では、ツェナーダイオード１８０Ａ又はバリスタ１８０Ｂが、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３よりも電位の低い側で当該コイル１１３に対して直列に接続される場合を図示してあるが、この場合に限定されない。

【0107】

例えば、ツェナーダイオード１８０Ａ又はバリスタ１８０Ｂは、回路構成を適宜変更することでコイル１１３よりも電位の高い側で当該コイル１１３に対して直列に接続されてもよいし、又は、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３よりも電位の低い側と高い側の両方で当該コイル１１３に対して直列に接続されてもよい。

【0108】

さらに、ツェナーダイオード１８０Ａ又はバリスタ１８０Ｂは、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３よりも電位の低い側で当該コイル１１３に対して複数直列に接続されてもよいし、電位の高い側で当該コイル１１３に対して複数直列に接続されてもよい。

【0109】

なお、ツェナーダイオード１８０Ａ又はバリスタ１８０Ｂの代わりに、端子間電圧が所定の電圧以上となったとき前記所定の電圧よりも低いときと比較して抵抗値が低くなる特性を有する電子部品をコイル１１３に対して直列に接続した場合も同様である。そして、前記特性を有する異なる種類の電子部品それぞれがコイル１１３に対して直列に接続されてもよい。

【0110】

上記本実施形態では、サーボリングによってサーボモータＭ８１の回転が停止されようとする際には、ｎｐｎ型トランジスタ１９０ＡをＯＮにしてツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能しない状態とする場合を説明した。しかし、この場合に限定されず、サーボリングによってサーボモータＭ８１の回転が停止されようとする際にもｎｐｎ型トランジスタ１９０ＡをＯＦＦにしてツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能する状態としてもよい。これにより、サーボモータＭ８１と無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１との間で摩耗が生じ得るが、迅速にブレーキを作用させることで安全性を向上させることが可能となる。このように安全性を向上させることは、特に、外科手術システム１０（医療用ロボットシステム）において有効である。

【0111】

上記実施形態及び第１〜第３変形例では、ツェナーダイオード１８０Ａ又はバリスタ１８０Ｂ（電子部品）が有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替え可能なスイッチング素子がｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａ又は電界効果トランジスタ１９０Ｂである場合を説明したが、これに限定されない。例えば、ベースへの入力信号を反転させてｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａをｐｎｐ型トランジスタに置き換えてもよい。或いは、前記スイッチング素子は、リレー回路であってもよいし、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（いわゆる「ＩＧＢＴ」）であってもよいし、又は、前記電子部品が有効に機能する状態と機能しない状態とを切り替え可能であれば、その他のスイッチング素子であってもよい。

【0112】

上記実施形態では、第１直列回路（コイル１１３とツェナーダイオード１８０Ａとが直列に接続されて構成される直列回路）とダイオード１９８とが並列に接続されて第１並列回路が構成され、当該第１並列回路よりも電位の高い側にｎｐｎ型トランジスタ１９２が設けられ、当該第１並列回路よりも電位の低い側にｎｐｎ型トランジスタ１９４が設けられる場合について説明した。しかし、この場合に限定されず、ｎｐｎ型トランジスタ１９２、１９４が電界効果トランジスタに置き換えられてもよいし、リレー回路に置き換えられてもよいし、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（いわゆる「ＩＧＢＴ」）に置き換えられてもよいし、又はその他のスイッチング素子に置き換えられてもよい。なお、ｎｐｎ型トランジスタ１９２、１９４が互いに異なるスイッチング素子に置き換えられてもよい。

【0113】

上記実施形態及び第１〜第３変形例では、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０が外科手術システム１０の複数のロボットアーム７０及びポジショナ３０に適用される場合を説明したが、これに限定されない。例えば、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０は、外科手術システム１０における施術者Ｓが動作指令を入力するための操作用アーム２０２に適用されてもよい。

【0114】

或いは、無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置１７０は、無励磁作動型電磁ブレーキを用いる他のロボットシステムで用いられてもよい。また、無励磁作動型電磁ブレーキが適用されるロボットは、図１〜３に示す構造に限定されず、例えば、１軸以上５軸以下若しくは８軸以上の垂直多関節型ロボットであってもよい。或いは、無励磁作動型電磁ブレーキが適用されるロボットは、極座標型ロボットであってもよいし、円筒座標型ロボットであってもよいし、直角座標型ロボットであってもよいし、又は、その他の構造を有するロボットであってもよい。

【0115】

（実験例）
最後に、図１０に基づき、この発明の効果を確認するために発明者らが行った実験例について説明する。図１０は、上記実施形態に係る無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置の効果を確かめるために発明者らが行った実験結果を示すグラフ図であり、（Ａ）がツェナーダイオードを有効にしてからコイルを非励磁状態に切り替えたときのグラフ図、（Ｂ）がツェナーダイオードを無効にしてからコイルを非励磁状態に切り替えたときのグラフ図である。

【0116】

なお、上記実施形態に係る制御装置１７０Ａが備える図５に示す回路構成を用いて実験を行った。なお、ツェナーダイオード１８０Ａの降伏電圧は３３Ｖに設定された。また、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１に設けられるコイル１１３を励磁状態とするために当該コイル１１３に対して印加される励磁電圧は２４Ｖに設定された。

【0117】

図１０（Ａ）の上側のデータは、上記実施形態に係る制御装置１７０Ａでツェナーダイオード１８０Ａを有効にしてからコイル１１３を非励磁状態に切り替えたとき、当該コイル１１３に流れる電流値である。また、図１０（Ａ）の下側のデータは、同じときの当該コイル１１３の端子間電圧である。

【0118】

一方、図１０（Ｂ）の上側のデータは、上記実施形態に係る制御装置１７０Ａでツェナーダイオード１８０Ａを無効にしてからコイル１１３を非励磁状態に切り替えたとき、当該コイル１１３に流れる電流値である。また、図１０（Ｂ）の下側のデータは、同じときの当該コイル１１３の端子間電圧である。

【0119】

図１０（Ａ）に示すように、ツェナーダイオード１８０Ａを有効にしてからコイル１１３を非励磁状態に切り替えたとき、コイル１１３に流れる電流は迅速になくなっている。すなわち、コイル１１３に還流電流が流れていない。これにより、ブレーキが作用するまでに遅延が生じることを防止することが可能となる。

【0120】

一方、図１０（Ｂ）に示すように、ツェナーダイオード１８０Ａを無効にしてからコイル１１３を非励磁状態に切り替えたとき、コイル１１３に流れる電流は迅速になくならず、一定の時間をかけて少しずつ減少している。すなわち、このとき、コイル１１３に還流電流が流れており、ブレーキが作用するまでに遅延が生じている。しかし、一方で、このとき、図１０（Ｂ）の下側のデータから解るように、図１０（Ａ）に示す場合と比べて、無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１を迅速に作用させた場合に生じ得るノイズを抑制することができる。また、図１０（Ａ）に示す場合と比べて、サーボモータＭ８１と無励磁作動型電磁ブレーキＢ８１との間で摩耗が生じることを防止することができる。

【0121】

上記の通りであるため、状況に応じて（例えば、図６のフローチャートに基づき説明したように）、ツェナーダイオード１８０Ａが有効に機能する状態と機能しない状態とをｎｐｎ型トランジスタ１９０Ａ（スイッチング素子）で切り替えることが好ましい。

【符号の説明】

【0122】

１０ 外科手術システム
２０ 医療用マニピュレータ
２１ 基台
２２ 医療用台車
２２ａ ベース本体
２８ アーム支持体
３０ ポジショナ
３１ 旋回部
３２ 第１アーム
６０ アームベース
７０ ロボットアーム
８０ アーム本体
８２ ベース
８４ リンク
９０ 並進ユニット
９１ａ 基端側リンク
９１ｂ 先端側リンク
９２ 連結リンク
９３ 回動軸
９６ ホルダ
１０１ フレーム
１０２ シャフト
１０３ 負荷側ブラケット
１０４ 反負荷側ブラケット
１０５ 回転子
１０６ 固定子
１１１ ボルト
１１２ 制動ばね
１１３ コイル
１１４ ハブ
１１５ 摩擦板
１１７ フィールドコア
１１８ アーマチュア
１１９ ブレーキディスク
１４０ 医療器具
１４２ 駆動ユニット
１４４ エンドエフェクタ
１４６ シャフト
１５０ ロボット制御装置
１５１ アーム制御部
１５２ ポジショナ制御部
１６０ 記憶部
１６２ 操作装置
１６４ 操作部
１７０ 無励磁作動型電磁ブレーキ用の制御装置
１７２ 記憶部
１７４ プロセッサ
１８０Ａ ツェナーダイオード
１８０Ｂ バリスタ
１８１ 電極
１９０Ａ、１９２、１９４ ｎｐｎ型トランジスタ
１９０Ｂ 電界効果トランジスタ
１９８ ダイオード
２００ 指示装置
２０２ 操作用アーム
２０４ 操作ペダル
２０６ タッチパネル
２０８ モニタ
２１０ 支持アーム
２１２ バー
３００ 手術台
Ｐ 患者
Ｓ 施術者

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】