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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024081807
(43)【公開日】2024-06-19
(54)【発明の名称】制御システム、制御装置、制御方法及びプログラム
(51)【国際特許分類】
A61B 34/37 20160101AFI20240612BHJP
B25J 3/00 20060101ALI20240612BHJP
【ＦＩ】
A61B34/37
B25J3/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021058544
(22)【出願日】2021-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】899000079
【氏名又は名称】慶應義塾
(71)【出願人】
【識別番号】516331889
【氏名又は名称】モーションリブ株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000109543
【氏名又は名称】テルモ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100186015
【弁理士】
【氏名又は名称】小松 靖之
(74)【代理人】
【識別番号】100195534
【弁理士】
【氏名又は名称】内海 一成
(72)【発明者】
【氏名】大西 公平
(72)【発明者】
【氏名】溝口 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】牧 伸
(72)【発明者】
【氏名】羽生 能行
(72)【発明者】
【氏名】藤井 俊弘
【テーマコード（参考）】
3C707
【Ｆターム（参考）】
3C707AS35
3C707HS27
3C707JT05
3C707JU12
3C707KS16
3C707KS20
3C707KS31
3C707KS36
3C707KT02
3C707KT04
3C707LU01
3C707LU02
3C707LU06
(57)【要約】
【課題】マスタ装置を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置の状態変化を知覚させ易くする。
【解決手段】制御システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、制御装置３０と、を備える。また、制御装置３０は、伝達条件設定部３５１と、力触覚伝達部３５３と、を備える。力触覚伝達部３５３は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。伝達条件設定部３５１は、スレーブ装置２０に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、マスタ装置１０に伝達させる。
【選択図】図５
【解決手段】制御システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、制御装置３０と、を備える。また、制御装置３０は、伝達条件設定部３５１と、力触覚伝達部３５３と、を備える。力触覚伝達部３５３は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。伝達条件設定部３５１は、スレーブ装置２０に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、マスタ装置１０に伝達させる。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置と、を含む制御システムであって、
前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御手段と、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定手段と、
を備えることを特徴とする制御システム。
前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御手段と、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定手段と、
を備えることを特徴とする制御システム。
【請求項2】
前記伝達条件設定手段は、設定された前記増幅率で前記スレーブ装置に入力する力を増幅した場合に、前記スレーブ装置に入力する定常的な力の成分が増幅されることによる力の変化量に基づいて、前記オフセット量を設定することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項3】
前記伝達条件設定手段は、前記スレーブ装置に入力する力に基づいて、前記増幅率を設定すると共に、設定された前記増幅率に基づいて、前記オフセット量を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の制御システム。
【請求項4】
前記スレーブ装置に入力する力は、前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御するための制御パラメータに基づいて算出されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システム。
【請求項5】
操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置とにおける力触覚の伝達を制御する制御装置であって、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定手段を備えることを特徴とする制御装置。
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定手段を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項6】
操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置と、を含む制御システムで実行される制御方法であって、
前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御ステップと、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定ステップを含むことを特徴とする制御方法。
前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御ステップと、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定ステップを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項7】
操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置とにおける力触覚の伝達を制御する制御するコンピュータに、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定機能を実現させることを特徴とするプログラム。
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定機能を実現させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、制御システム、制御装置、制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、マスタスレーブマニピュレータにおいて、摩擦力を補償する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開昭５９－１１５１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
スレーブ装置に作用する摩擦力は、スレーブ装置の状態変化に基づいて変化し得る。スレーブ装置に作用する摩擦力を単純に無くすように補償する場合、ユーザは、マスタ装置を通じてスレーブ装置の状態変化を知覚し難くなる。
【0005】
本発明の課題は、マスタ装置を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置の状態変化を知覚させ易くすることである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る制御システムは、
操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置と、を含む制御システムであって、
前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御手段と、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定手段を備えることを特徴とする。
操作者の操作が入力されるマスタ装置と、前記マスタ装置に入力された操作に応じて動作するスレーブ装置と、を含む制御システムであって、
前記マスタ装置及び前記スレーブ装置における力触覚の伝達を制御する制御手段と、
前記スレーブ装置に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、前記増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、前記マスタ装置に伝達させる伝達条件設定手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、マスタ装置を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置の状態変化を知覚させ易くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態に係る制御システム１の全体構成を示す模式図である。
【図2】制御装置３０で実行される力触覚伝達制御の基本的原理を示す模式図である。
【図3】制御システム１における制御系統のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図4】制御装置３０を構成する情報処理装置のハードウェア構成を示す模式図である。
【図5】制御システム１の機能的構成を示すブロック図である。
【図6】制御装置３０が実行する力触覚伝達処理の流れを説明するフローチャートである。
【図7】スレーブ装置２０に入力する外力の増幅のみを行った場合に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の大きさの時間変化を示す模式図である。
【図8】スレーブ装置２０に入力する力を増幅すると共に、オフセット量を減じた場合に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の大きさの時間変化を示す模式図である。
【図9】スレーブ装置２０のカテーテルを操作者が手動で挿入した後、力のフィードバックを行う制御システム１の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0010】
［第１実施形態］
［構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る制御システム１の全体構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係る制御システム１は、機械的に分離したマスタ装置１０とスレーブ装置２０とを含むマスタ・スレーブシステムとして構成される。一例として、本実施形態における制御システム１は、マスタ装置１０がユーザにより操作されるマニピュレータを構成し、スレーブ装置２０が被検体に挿入されるエンドエフェクタを備えたカテーテルシステムを構成するものとする。
図１において、制御システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、制御装置３０と、を含んで構成され、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０と、制御装置３０とは、ネットワーク４０を介して有線または無線通信可能に構成されている。なお、制御システム１は、ディスプレイＬと、複数のカメラＣとを適宜備えることが可能である。カメラＣとして、スレーブ装置２０が挿入される被検体の外観を撮影するビデオカメラ、あるいは、Ｘ線により被検体の内部を撮影するＸ線カメラ等の種々の撮影装置を用いることができる。また、複数のカメラＣによって各種画像を撮影し、これらの画像を表示する複数のディスプレイＬを備えることもできる。
［構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る制御システム１の全体構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係る制御システム１は、機械的に分離したマスタ装置１０とスレーブ装置２０とを含むマスタ・スレーブシステムとして構成される。一例として、本実施形態における制御システム１は、マスタ装置１０がユーザにより操作されるマニピュレータを構成し、スレーブ装置２０が被検体に挿入されるエンドエフェクタを備えたカテーテルシステムを構成するものとする。
図１において、制御システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、制御装置３０と、を含んで構成され、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０と、制御装置３０とは、ネットワーク４０を介して有線または無線通信可能に構成されている。なお、制御システム１は、ディスプレイＬと、複数のカメラＣとを適宜備えることが可能である。カメラＣとして、スレーブ装置２０が挿入される被検体の外観を撮影するビデオカメラ、あるいは、Ｘ線により被検体の内部を撮影するＸ線カメラ等の種々の撮影装置を用いることができる。また、複数のカメラＣによって各種画像を撮影し、これらの画像を表示する複数のディスプレイＬを備えることもできる。
【0011】
マスタ装置１０は、機械的に構成された従来のカテーテルに対する操作と同様の操作を受け付け、入力された操作により移動する可動部（マニピュレータの可動部材等）の位置を検出する。マスタ装置１０は、検出した可動部の位置を表す情報を制御装置３０に送信する。また、マスタ装置１０は、入力される操作に対し、制御装置３０の指示に従って、アクチュエータにより反力を出力する。
具体的には、マスタ装置１０は、カテーテルを進退させる操作（例えば、血管内に挿入していく操作または病変付近で力触覚を検知するために微動させる操作等）、カテーテルを軸回りに回転させる操作（例えば、エンドエフェクタの向きを変化させる操作等）、及び、エンドエフェクタを動作させる操作（例えば、エンドエフェクタがバルーンである場合、これを拡張、収縮させる操作、またエンドエフェクタが鉗子等の場合、これを開閉する操作等）を受け付け、これらの操作に対する反力を付与すると共に、それぞれの操作により移動される可動部の位置を表す情報を制御装置３０に送信する。
具体的には、マスタ装置１０は、カテーテルを進退させる操作（例えば、血管内に挿入していく操作または病変付近で力触覚を検知するために微動させる操作等）、カテーテルを軸回りに回転させる操作（例えば、エンドエフェクタの向きを変化させる操作等）、及び、エンドエフェクタを動作させる操作（例えば、エンドエフェクタがバルーンである場合、これを拡張、収縮させる操作、またエンドエフェクタが鉗子等の場合、これを開閉する操作等）を受け付け、これらの操作に対する反力を付与すると共に、それぞれの操作により移動される可動部の位置を表す情報を制御装置３０に送信する。
【0012】
スレーブ装置２０は、制御装置３０の指示に従って、アクチュエータを駆動することにより、マスタ装置１０に入力された操作に対応する動作を行い、動作により移動する可動部（アクチュエータの可動子あるいはアクチュエータによって移動されるカテーテル等）の位置を検出する。スレーブ装置２０が動作することにより、スレーブ装置２０に対して環境から各種外力が入力する。この結果、スレーブ装置２０における可動部の位置は、アクチュエータの出力に対して各種外力が作用した結果を示すものとなる。そして、スレーブ装置２０は、検出した可動部の位置を表す情報を制御装置３０に送信する。ここで、スレーブ装置２０に対して環境から入力する各種外力には、カテーテルが血管から受けるスラスト方向の抵抗力が含まれる。スレーブ装置２０におけるスラスト方向の抵抗力が大きい場合、カテーテルに入力する他の外力（病変や器官に接触した場合の当接力等）を知覚し難くなる可能性がある。本実施形態においては、後述するように、スレーブ装置２０において検出される力を所定の増幅率で増幅した上で、抵抗力の増幅分に相当する力を減じてマスタ装置１０に伝達する。これにより、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くしている。
【0013】
制御装置３０は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）あるいはサーバコンピュータ等の情報処理装置によって構成され、マスタ装置１０、スレーブ装置２０、ディスプレイＬ及びカメラＣを制御する。例えば、制御装置３０は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の可動部の位置（ロータリーエンコーダによって検出されるアクチュエータの回転角度あるいはリニアエンコーダによって検出される可動部の進退位置等）を取得し、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の間で力触覚を伝達するための制御を実行する。
【0014】
本実施形態における制御装置３０は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０とをマスタ・スレーブシステムとして動作させる際に、可動部の位置を表す情報（アクチュエータの可動子の位置あるいはアクチュエータによって移動される部材の位置等を表す情報）を基に算出した実空間のパラメータ（入力ベクトル）を、位置と力とを独立して取り扱うことが可能な仮想空間に座標変換（変換行列によって変換）する。即ち、入力ベクトルが、位置と力とが互いに関連する斜交座標系の実空間から、位置と力とが互いに独立した直交座標系の仮想空間に座標変換される。座標変換によって算出されたパラメータは、仮想空間において、入力ベクトルに対応する位置及び力の状態値を表すものとなる。そして、制御装置３０は、座標変換後の仮想空間において、入力ベクトルから算出された位置及び力の状態値を、位置及び力の制御（ここでは力触覚の伝達）を行うための位置及び力それぞれの目標値に追従させる演算を行い、演算結果を実空間に戻すための逆変換（変換行列の逆行列による変換）を行う。さらに、制御装置３０は、逆変換によって取得された実空間のパラメータ（電流指令値等）に基づいて、各アクチュエータを駆動することにより、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚を伝達するマスタ・スレーブシステムを実現する。
【0015】
また、本実施形態における制御装置３０は、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚の伝達を行う際に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達する力を増幅した上で、抵抗力の増幅分に相当する力を減じてマスタ装置１０に伝達し、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつ、スレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くしている。ここで、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達する力を１より大きい増幅率で増幅（即ち、拡大）した場合、マスタ装置１０からスレーブ装置２０に伝達する力は、１より小さい増幅率で増幅（即ち、縮小）することとしてもよい。これにより、制御が発散することを抑制できる。また、本実施形態において、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚の伝達を行う際に、位置に関する情報については、増幅して伝達することや、増幅することなく直接伝達することのいずれも可能である。
【0016】
なお、位置と速度（または加速度）あるいは角度と角速度（または角加速度）は、微積分演算により置換可能なパラメータであるため、位置あるいは角度に関する処理を行う場合、適宜、速度あるいは角速度等に置換することが可能である。
【0017】
図２は、制御装置３０で実行される力触覚伝達制御の基本的原理を示す模式図である。
図２に示す基本的原理は、可動部の位置を表す情報（可動部の現在位置）を入力として、速度あるいは力の少なくとも一方の領域における演算を行うことにより、アクチュエータの動作を決定するものである。
即ち、本発明の基本的原理は、制御対象システムＳと、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴと、理想力源ブロックＦＣあるいは理想速度源ブロックＰＣの少なくとも１つと、逆変換ブロックＩＦＴとを含む制御則として表される。
図２に示す基本的原理は、可動部の位置を表す情報（可動部の現在位置）を入力として、速度あるいは力の少なくとも一方の領域における演算を行うことにより、アクチュエータの動作を決定するものである。
即ち、本発明の基本的原理は、制御対象システムＳと、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴと、理想力源ブロックＦＣあるいは理想速度源ブロックＰＣの少なくとも１つと、逆変換ブロックＩＦＴとを含む制御則として表される。
【0018】
制御対象システムＳは、アクチュエータを備えるマスタ装置１０あるいはスレーブ装置２０であり、加速度等に基づいてアクチュエータの制御を行う。ここで、上述したように、加速度、速度及び位置は、微積分によって相互に換算可能な物理量であるため、加速度、速度及び位置のいずれを用いて制御することとしてもよい。ここでは、主として、位置から算出される速度を用いて制御則を表現するものとする。
【0019】
機能別力・速度割当変換ブロックＦＴは、制御対象システムＳの機能に応じて設定される速度及び力の領域への制御エネルギーの変換を定義するブロックである。具体的には、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴでは、制御対象システムＳの機能の基準となる値（基準値）と、可動部の現在位置とを入力とする座標変換が定義されている。この座標変換は、一般に、基準値及び現在速度を要素とする入力ベクトルを速度の制御目標値を算出するための速度からなる出力ベクトルに変換すると共に、基準値及び現在の力を要素とする入力ベクトルを力の制御目標値を算出するための力からなる出力ベクトルに変換するものである。具体的には、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおける座標変換は、次式（１）及び（２）のように一般化して表される。
【0020】
【数1】
【0021】
ただし、式（１）において、ｘ’1～ｘ’n（ｎは１以上の整数）は速度の状態値を導出するための速度ベクトルであり、ｘ’a～ｘ’m（ｍは１以上の整数）は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく速度（アクチュエータの可動子の速度またはアクチュエータが移動させる部材の速度）を要素とするベクトル、ｈ1a～ｈnmは機能を表す変換行列の要素である。また、式（２）において、ｆ’’1～ｆ’’n（ｎは１以上の整数）は力の状態値を導出するための力ベクトルであり、ｆ’’a～ｆ’’m（ｍは１以上の整数）は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく力（アクチュエータの可動子の力またはアクチュエータが移動させる部材の力）を要素とするベクトルである。
【0022】
機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおける座標変換を、実現する機能に応じて設定することにより、各種動作を実現したり、スケーリングを行ったりすることができる。
即ち、本発明の基本的原理では、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおいて、アクチュエータ単体の変数（実空間上の変数）を、実現する機能を表現するシステム全体の変数群（仮想空間上の変数）に“変換”し、速度の制御エネルギーと力の制御エネルギーとに制御エネルギーを割り当てる。換言すると、本発明の基本的原理では、速度と力とが互いに関連する座標空間から、速度と力とが互いに独立した座標空間に変換した上で、速度及び力の制御に関する演算を行う。そのため、アクチュエータ単体の変数（実空間上の変数）のまま制御を行う場合と比較して、速度の制御エネルギーと力の制御エネルギーとを独立に与えることが可能となっている。
即ち、本発明の基本的原理では、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおいて、アクチュエータ単体の変数（実空間上の変数）を、実現する機能を表現するシステム全体の変数群（仮想空間上の変数）に“変換”し、速度の制御エネルギーと力の制御エネルギーとに制御エネルギーを割り当てる。換言すると、本発明の基本的原理では、速度と力とが互いに関連する座標空間から、速度と力とが互いに独立した座標空間に変換した上で、速度及び力の制御に関する演算を行う。そのため、アクチュエータ単体の変数（実空間上の変数）のまま制御を行う場合と比較して、速度の制御エネルギーと力の制御エネルギーとを独立に与えることが可能となっている。
【0023】
理想力源ブロックＦＣは、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に従って、力の領域における演算を行うブロックである。理想力源ブロックＦＣにおいては、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の力に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、実現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。
【0024】
理想速度源ブロックＰＣは、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に従って、速度の領域における演算を行うブロックである。理想速度源ブロックＰＣにおいては、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の速度に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、実現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。
【0025】
逆変換ブロックＩＦＴは、速度及び力の領域の値を制御対象システムＳへの入力の領域の値（例えば電圧値または電流値等）に変換するブロックである。
このような基本的原理により、制御対象システムＳのアクチュエータにおける位置の情報が機能別力・速度割当変換ブロックＦＴに入力されると、位置の情報に基づいて得られる速度及び力の情報を用いて、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおいて、機能に応じた位置及び力の領域それぞれの制御則が適用される。そして、理想力源ブロックＦＣにおいて、機能に応じた力の演算が行われ、理想速度源ブロックＰＣにおいて、機能に応じた速度の演算が行われ、力及び速度それぞれに制御エネルギーが分配される。
このような基本的原理により、制御対象システムＳのアクチュエータにおける位置の情報が機能別力・速度割当変換ブロックＦＴに入力されると、位置の情報に基づいて得られる速度及び力の情報を用いて、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおいて、機能に応じた位置及び力の領域それぞれの制御則が適用される。そして、理想力源ブロックＦＣにおいて、機能に応じた力の演算が行われ、理想速度源ブロックＰＣにおいて、機能に応じた速度の演算が行われ、力及び速度それぞれに制御エネルギーが分配される。
【0026】
理想力源ブロックＦＣ及び理想速度源ブロックＰＣにおける演算結果は、制御対象システムＳの制御目標を示す情報となり、これらの演算結果が逆変換ブロックＩＦＴにおいてアクチュエータの入力値とされて、制御対象システムＳに入力される。
その結果、制御対象システムＳのアクチュエータは、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された機能に従う動作を実行し、目的とする装置の動作が実現される。
その結果、制御対象システムＳのアクチュエータは、機能別力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された機能に従う動作を実行し、目的とする装置の動作が実現される。
【0027】
また、スケーリング（力あるいは位置の増幅）を伴う力触覚伝達機能が実現される場合、図２における機能別力・速度割当変換ブロックＦＴにおける座標変換は、次式（３）及び（４）として表される。
【0028】
【数2】
【0029】
ただし、式（３）において、ｘ’pは速度の状態値を導出するための速度、ｘ’fは力の状態値に関する速度である。また、ｘ’mは基準値（マスタ装置１０からの入力）の速度（マスタ装置１０の現在位置の微分値）、ｘ’sはスレーブ装置２０の現在の速度（現在位置の微分値）である。また、式（４）において、ｆpは速度の状態値に関する力、ｆfは力の状態値を導出するための力である。また、ｆmは基準値（マスタ装置１０からの入力）の力、ｆsはスレーブ装置２０の現在の力である。
【0030】
式（３）及び式（４）に示す座標変換とした場合、スレーブ装置２０の位置がα倍（αは正数）、スレーブ装置２０の力がβ倍（βは正数）されて、マスタ装置１０に伝達されることとなる。スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達される力のみを増幅する場合には、α＝１とすると共に、βの値を目的に応じて設定すればよい。
【0031】
［ハードウェア構成］
次に、制御システム１における制御系統のハードウェア構成について説明する。
図３は、制御システム１における制御系統のハードウェア構成を示すブロック図である。
図３に示すように、制御システム１は、制御系統のハードウェア構成として、ＰＣあるいはサーバコンピュータ等の情報処理装置によって構成される制御装置３０と、マスタ装置１０の制御ユニット１０１と、通信ユニット１０２と、挿入用アクチュエータ１０３と、検知用アクチュエータ１０４と、回転用アクチュエータ１０５と、操作用アクチュエータ１０６と、リニアエンコーダ１０７，１０８と、ロータリーエンコーダ１０９，１１０と、ドライバ１１１～１１４と、スレーブ装置２０の制御ユニット２０１と、通信ユニット２０２と、挿入用アクチュエータ２０３と、検知用アクチュエータ２０４と、回転用アクチュエータ２０５と、操作用アクチュエータ２０６と、リニアエンコーダ２０７，２０８と、ロータリーエンコーダ２０９，２１０と、ドライバ２１１～２１４と、ディスプレイＬと、カメラＣと、を備えている。
次に、制御システム１における制御系統のハードウェア構成について説明する。
図３は、制御システム１における制御系統のハードウェア構成を示すブロック図である。
図３に示すように、制御システム１は、制御系統のハードウェア構成として、ＰＣあるいはサーバコンピュータ等の情報処理装置によって構成される制御装置３０と、マスタ装置１０の制御ユニット１０１と、通信ユニット１０２と、挿入用アクチュエータ１０３と、検知用アクチュエータ１０４と、回転用アクチュエータ１０５と、操作用アクチュエータ１０６と、リニアエンコーダ１０７，１０８と、ロータリーエンコーダ１０９，１１０と、ドライバ１１１～１１４と、スレーブ装置２０の制御ユニット２０１と、通信ユニット２０２と、挿入用アクチュエータ２０３と、検知用アクチュエータ２０４と、回転用アクチュエータ２０５と、操作用アクチュエータ２０６と、リニアエンコーダ２０７，２０８と、ロータリーエンコーダ２０９，２１０と、ドライバ２１１～２１４と、ディスプレイＬと、カメラＣと、を備えている。
【0032】
マスタ装置１０の制御ユニット１０１は、プロセッサ及びメモリ等を備えるマイクロコンピュータによって構成され、マスタ装置１０の動作を制御する。例えば、制御ユニット１０１は、制御装置３０から送信される制御パラメータに従って、マスタ装置１０の挿入用アクチュエータ１０３、検知用アクチュエータ１０４、回転用アクチュエータ１０５及び操作用アクチュエータ１０６の駆動を制御する。
通信ユニット１０２は、ネットワーク４０を介してマスタ装置１０が他の装置との間で行う通信を制御する。
通信ユニット１０２は、ネットワーク４０を介してマスタ装置１０が他の装置との間で行う通信を制御する。
【0033】
挿入用アクチュエータ１０３は、例えば直動型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力する、カテーテルを血管内に挿入していくために進退させる操作に対して、反力を付与する。
検知用アクチュエータ１０４は、例えばボイスコイルモータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力する、カテーテルを病変付近で処置のために進退させる操作に対して、反力を付与する。
本実施形態においては、挿入用アクチュエータ１０３の方が検知用アクチュエータ１０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ１０４の方が挿入用アクチュエータ１０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。
回転用アクチュエータ１０５は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０を進退方向に沿う回転軸周りに回転させる操作に対して、反力を付与する。
操作用アクチュエータ１０６は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がエンドエフェクタを動作させるためのレバー（把持部）等に入力した操作に対して、反力を付与する。
検知用アクチュエータ１０４は、例えばボイスコイルモータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力する、カテーテルを病変付近で処置のために進退させる操作に対して、反力を付与する。
本実施形態においては、挿入用アクチュエータ１０３の方が検知用アクチュエータ１０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ１０４の方が挿入用アクチュエータ１０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。
回転用アクチュエータ１０５は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０を進退方向に沿う回転軸周りに回転させる操作に対して、反力を付与する。
操作用アクチュエータ１０６は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット１０１の指示に従って、操作者がエンドエフェクタを動作させるためのレバー（把持部）等に入力した操作に対して、反力を付与する。
【0034】
リニアエンコーダ１０７は、挿入用アクチュエータ１０３の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
リニアエンコーダ１０８は、検知用アクチュエータ１０４の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
ロータリーエンコーダ１０９は、回転用アクチュエータ１０５の可動子の位置（回転角度）を検出する。
ロータリーエンコーダ１１０は、操作用アクチュエータ１０６の可動子の位置（回転角度）を検出する。
リニアエンコーダ１０８は、検知用アクチュエータ１０４の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
ロータリーエンコーダ１０９は、回転用アクチュエータ１０５の可動子の位置（回転角度）を検出する。
ロータリーエンコーダ１１０は、操作用アクチュエータ１０６の可動子の位置（回転角度）を検出する。
【0035】
ドライバ１１１は、制御ユニット１０１の指示に従って、挿入用アクチュエータ１０３に駆動電流を出力する。
ドライバ１１２は、制御ユニット１０１の指示に従って、検知用アクチュエータ１０４に駆動電流を出力する。
ドライバ１１３は、制御ユニット１０１の指示に従って、回転用アクチュエータ１０５に駆動電流を出力する。
ドライバ１１４は、制御ユニット１０１の指示に従って、操作用アクチュエータ１０６に駆動電流を出力する。
ドライバ１１２は、制御ユニット１０１の指示に従って、検知用アクチュエータ１０４に駆動電流を出力する。
ドライバ１１３は、制御ユニット１０１の指示に従って、回転用アクチュエータ１０５に駆動電流を出力する。
ドライバ１１４は、制御ユニット１０１の指示に従って、操作用アクチュエータ１０６に駆動電流を出力する。
【0036】
スレーブ装置２０の制御ユニット２０１は、プロセッサ及びメモリ等を備えるマイクロコンピュータによって構成され、スレーブ装置２０の動作を制御する。例えば、制御ユニット２０１は、制御装置３０から送信される制御パラメータに従って、スレーブ装置２０の挿入用アクチュエータ２０３、検知用アクチュエータ２０４、回転用アクチュエータ２０５及び操作用アクチュエータ２０６の駆動を制御する。
通信ユニット２０２は、ネットワーク４０を介してスレーブ装置２０が他の装置との間で行う通信を制御する。
通信ユニット２０２は、ネットワーク４０を介してスレーブ装置２０が他の装置との間で行う通信を制御する。
【0037】
挿入用アクチュエータ２０３は、例えば直動型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した、カテーテルを血管内に挿入していくために進退させる操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退させる。
検知用アクチュエータ２０４は、例えばボイスコイルモータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した、カテーテルを病変付近で処置のために進退させる操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退させる。
本実施形態においては、挿入用アクチュエータ２０３の方が検知用アクチュエータ２０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ２０４の方が挿入用アクチュエータ２０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。
回転用アクチュエータ２０５は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退方向に沿う回転軸周りに回転させる。
操作用アクチュエータ２０６は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した操作に応じて、エンドエフェクタを動作（拡張、収縮動作や開閉動作等）させる。
検知用アクチュエータ２０４は、例えばボイスコイルモータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した、カテーテルを病変付近で処置のために進退させる操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退させる。
本実施形態においては、挿入用アクチュエータ２０３の方が検知用アクチュエータ２０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ２０４の方が挿入用アクチュエータ２０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。
回転用アクチュエータ２０５は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した操作に応じて、スレーブ装置２０のカテーテルを進退方向に沿う回転軸周りに回転させる。
操作用アクチュエータ２０６は、例えば回転型モータによって構成され、制御ユニット２０１の指示に従って、操作者がマスタ装置１０に入力した操作に応じて、エンドエフェクタを動作（拡張、収縮動作や開閉動作等）させる。
【0038】
リニアエンコーダ２０７は、挿入用アクチュエータ２０３の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
リニアエンコーダ２０８は、検知用アクチュエータ２０４の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
ロータリーエンコーダ２０９は、回転用アクチュエータ２０５の可動子の位置（回転角度）を検出する。
ロータリーエンコーダ２１０は、操作用アクチュエータ２０６の可動子の位置（回転角度）を検出する。
リニアエンコーダ２０８は、検知用アクチュエータ２０４の可動子の位置（直動軸における進退位置）を検出する。
ロータリーエンコーダ２０９は、回転用アクチュエータ２０５の可動子の位置（回転角度）を検出する。
ロータリーエンコーダ２１０は、操作用アクチュエータ２０６の可動子の位置（回転角度）を検出する。
【0039】
ドライバ２１１は、制御ユニット２０１の指示に従って、挿入用アクチュエータ２０３に駆動電流を出力する。
ドライバ２１２は、制御ユニット２０１の指示に従って、検知用アクチュエータ２０４に駆動電流を出力する。
ドライバ２１３は、制御ユニット２０１の指示に従って、回転用アクチュエータ２０５に駆動電流を出力する。
ドライバ２１４は、制御ユニット２０１の指示に従って、操作用アクチュエータ２０６に駆動電流を出力する。
ドライバ２１２は、制御ユニット２０１の指示に従って、検知用アクチュエータ２０４に駆動電流を出力する。
ドライバ２１３は、制御ユニット２０１の指示に従って、回転用アクチュエータ２０５に駆動電流を出力する。
ドライバ２１４は、制御ユニット２０１の指示に従って、操作用アクチュエータ２０６に駆動電流を出力する。
【0040】
ディスプレイＬは、マスタ装置１０の操作者が画面を視認できる場所に設置され、制御装置３０によって表示を指示された画像（カメラＣによって撮影された被検体の可視光画像あるいはＸ線画像等）を表示する。
カメラＣは、スレーブ装置２０がカテーテルを挿入する被検体を撮影可能な場所に設置され、被検体の画像（可視光画像あるいはＸ線画像等）を撮影し、撮影した画像を制御装置３０に送信する。
カメラＣは、スレーブ装置２０がカテーテルを挿入する被検体を撮影可能な場所に設置され、被検体の画像（可視光画像あるいはＸ線画像等）を撮影し、撮影した画像を制御装置３０に送信する。
【0041】
図４は、制御装置３０を構成する情報処理装置のハードウェア構成を示す模式図である。
図４に示すように、制御装置３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３１２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３１３と、バス３１４と、入力部３１５と、出力部３１６と、記憶部３１７と、通信部３１８と、ドライブ３１９と、を備えている。
図４に示すように、制御装置３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３１２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３１３と、バス３１４と、入力部３１５と、出力部３１６と、記憶部３１７と、通信部３１８と、ドライブ３１９と、を備えている。
【0042】
ＣＰＵ３１１は、ＲＯＭ３１２に記録されているプログラム、または、記憶部３１７からＲＡＭ３１３にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。
ＲＡＭ３１３には、ＣＰＵ３１１が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。
ＲＡＭ３１３には、ＣＰＵ３１１が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。
【0043】
ＣＰＵ３１１、ＲＯＭ３１２及びＲＡＭ３１３は、バス３１４を介して相互に接続されている。バス３１４には、入力部３１５、出力部３１６、記憶部３１７、通信部３１８及びドライブ３１９が接続されている。
【0044】
入力部３１５は、各種ボタン等で構成され、指示操作に応じて各種情報を入力する。
出力部３１６は、ディスプレイやスピーカ等で構成され、画像や音声を出力する。
なお、制御装置３０がスマートフォンやタブレット端末として構成される場合には、入力部３１５と出力部３１６のディスプレイとを重ねて配置し、タッチパネルを構成することとしてもよい。
記憶部３１７は、ハードディスクあるいはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成され、各サーバで管理される各種データを記憶する。
通信部３１８は、ネットワークを介して制御装置３０が他の装置との間で行う通信を制御する。
出力部３１６は、ディスプレイやスピーカ等で構成され、画像や音声を出力する。
なお、制御装置３０がスマートフォンやタブレット端末として構成される場合には、入力部３１５と出力部３１６のディスプレイとを重ねて配置し、タッチパネルを構成することとしてもよい。
記憶部３１７は、ハードディスクあるいはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成され、各サーバで管理される各種データを記憶する。
通信部３１８は、ネットワークを介して制御装置３０が他の装置との間で行う通信を制御する。
【0045】
ドライブ３１９には、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、あるいは半導体メモリ等よりなる、リムーバブルメディア３３１が適宜装着される。ドライブ３１９によってリムーバブルメディア３３１から読み出されたプログラムは、必要に応じて記憶部３１７にインストールされる。
【0046】
［機能的構成］
次に、制御システム１の機能的構成について説明する。
図５は、制御システム１の機能的構成を示すブロック図である。
図５に示すように、制御システム１では、制御装置３０が各種処理を実行することにより、ＣＰＵ３１１において、伝達条件設定部３５１と、センサ情報取得部３５２と、力触覚伝達部３５３と、物理量取得部３５４と、が機能する。また、記憶部３１７には、制御パラメータ記憶部３７１が形成される。
制御パラメータ記憶部３７１は、制御装置３０がマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚を伝達する制御において取得された制御パラメータを時系列に記憶する。本実施形態において、制御パラメータとして記憶される情報は、力触覚の伝達制御で取得される種々のパラメータとすることが可能であり、力触覚の伝達制御が再現可能な各種情報含むことができる。例えば、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０において取得されるセンサ情報、これらのセンサ情報を座標変換した状態値、各アクチュエータへの電流指令値あるいは力触覚の伝達制御のために制御装置３０に設定される各種設定値等を制御パラメータとして記憶することができる。
次に、制御システム１の機能的構成について説明する。
図５は、制御システム１の機能的構成を示すブロック図である。
図５に示すように、制御システム１では、制御装置３０が各種処理を実行することにより、ＣＰＵ３１１において、伝達条件設定部３５１と、センサ情報取得部３５２と、力触覚伝達部３５３と、物理量取得部３５４と、が機能する。また、記憶部３１７には、制御パラメータ記憶部３７１が形成される。
制御パラメータ記憶部３７１は、制御装置３０がマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚を伝達する制御において取得された制御パラメータを時系列に記憶する。本実施形態において、制御パラメータとして記憶される情報は、力触覚の伝達制御で取得される種々のパラメータとすることが可能であり、力触覚の伝達制御が再現可能な各種情報含むことができる。例えば、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０において取得されるセンサ情報、これらのセンサ情報を座標変換した状態値、各アクチュエータへの電流指令値あるいは力触覚の伝達制御のために制御装置３０に設定される各種設定値等を制御パラメータとして記憶することができる。
【0047】
伝達条件設定部３５１は、スレーブ装置２０に入力された力をマスタ装置１０に伝達する際の増幅率を設定する。
また、伝達条件設定部３５１は、物理量取得部３５４によって取得されるカテーテルの物理量が、挿入モードと検知モードとを切り替えるために設定された条件（以下、「モード切替条件」と称する。）に合致しているか否かを判定し、モード切替条件に合致していると判定した場合に、挿入モードと検知モードとを切り替える。
「挿入モード」は、スレーブ装置２０においてカテーテルを進退させるために挿入用アクチュエータ２０３を用いると共に、マスタ装置１０の挿入用アクチュエータ１０３との間で力触覚の伝達を行うモードである。「挿入モード」は、例えば、操作者が被検体にカテーテルを挿入し、カテーテルの先端が病変付近に到達するまでに設定されるモードである。
また、伝達条件設定部３５１は、物理量取得部３５４によって取得されるカテーテルの物理量が、挿入モードと検知モードとを切り替えるために設定された条件（以下、「モード切替条件」と称する。）に合致しているか否かを判定し、モード切替条件に合致していると判定した場合に、挿入モードと検知モードとを切り替える。
「挿入モード」は、スレーブ装置２０においてカテーテルを進退させるために挿入用アクチュエータ２０３を用いると共に、マスタ装置１０の挿入用アクチュエータ１０３との間で力触覚の伝達を行うモードである。「挿入モード」は、例えば、操作者が被検体にカテーテルを挿入し、カテーテルの先端が病変付近に到達するまでに設定されるモードである。
【0048】
「検知モード」は、スレーブ装置２０においてカテーテルを進退させるために検知用アクチュエータ２０４を用いると共に、マスタ装置１０の検知用アクチュエータ１０４との間で力触覚の伝達を行うモードである。「検知モード」は、例えば、操作者が被検体にカテーテルを挿入し、カテーテルの先端が病変付近に到達した後に設定されるモードである。
上述したように、本実施形態においては、挿入用アクチュエータ１０３，２０３の方が検知用アクチュエータ１０４，２０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ１０４，２０４の方が挿入用アクチュエータ１０３，２０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。したがって、「検知モード」は、「挿入モード」に対して、操作者がスレーブ装置２０に入力される微細な外力を感じ取る必要がある状況で用いられる。
なお、以下、病変付近等、操作者がスレーブ装置２０に入力される微細な外力を感じ取る必要があると判断される区間を適宜「特定の区間」と称する。
「挿入モード」及び「検知モード」で設定される増幅率は、例えば、カテーテルの構成、被検者の身体的特性（血管の太さ等）、カテーテルを挿入する長さ等に応じて、実測値、統計値またはシミュレーションにより得られる推定値等に基づいて設定することができる。
上述したように、本実施形態においては、挿入用アクチュエータ１０３，２０３の方が検知用アクチュエータ１０４，２０４に比べて長いストロークを有する一方、検知用アクチュエータ１０４，２０４の方が挿入用アクチュエータ１０３，２０３に比べて高精度な位置及び力の制御を行うことが可能となっている。したがって、「検知モード」は、「挿入モード」に対して、操作者がスレーブ装置２０に入力される微細な外力を感じ取る必要がある状況で用いられる。
なお、以下、病変付近等、操作者がスレーブ装置２０に入力される微細な外力を感じ取る必要があると判断される区間を適宜「特定の区間」と称する。
「挿入モード」及び「検知モード」で設定される増幅率は、例えば、カテーテルの構成、被検者の身体的特性（血管の太さ等）、カテーテルを挿入する長さ等に応じて、実測値、統計値またはシミュレーションにより得られる推定値等に基づいて設定することができる。
【0049】
ここで、モード切替条件としては、例えば、ユーザの操作によって手動でモードの切り替えが指示されたこと、あるいは、モード切替条件を判定するための物理量が設定された条件に合致したこと（カテーテルに入力する抵抗力が閾値以上変化したこと、あるいは、カテーテルの先端と病変との距離が閾値以内となったこと等）を設定することができる。一例として、挿入モードにおいて、スレーブ装置２０のカテーテルの先端と病変との距離が閾値以内となったことを判別した場合、検知モードに切り替えることができる。また、検知モードにおいて、スレーブ装置２０のカテーテルの先端と病変との距離が閾値以上となったことを判別した場合、挿入モードに切り替えることができる。
【0050】
センサ情報取得部３５２は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に設置された各種センサによって検出された情報（センサ情報）を取得する。例えば、センサ情報取得部３０２は、リニアエンコーダ１０７，１０８，２０７，２０８及びロータリーエンコーダ１０９，１１０，２０９，２１０によって検出された各アクチュエータの可動子の位置（進退位置または回転角度）を示す情報を取得する。また、センサ情報取得部３５２は、取得したセンサ情報を時系列のデータとして、制御パラメータ記憶部３７１に記憶する。
【0051】
力触覚伝達部３５３は、図２に示す制御アルゴリズムに従って、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。例えば、力触覚伝達部３５３は、力触覚伝達処理において、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０の対応する動作のためのアクチュエータ間で力触覚を伝達する制御を実行する。このとき、力触覚伝達部３５３は、伝達条件設定部３５１によって設定された増幅率で、スレーブ装置２０において検出された外力を増幅してマスタ装置１０に伝達する。なお、上述したように、位置に関する情報（位置あるいは速度等）については、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に増幅して伝達することや、増幅することなく直接伝達することのいずれも可能である。
【0052】
物理量取得部３５４は、力触覚伝達処理におけるモードに関する条件（モード切替条件）を判定するための物理量（カテーテルに入力する抵抗力あるいはカテーテルの先端と病変との距離等）を取得する。
例えば、物理量取得部３５４は、制御パラメータ記憶部３７１に記憶された時系列の制御パラメータを読み出し、スレーブ装置２０のカテーテルに外部から入力する抵抗力を算出する。カテーテルを被検体に挿入した場合、例えば、動脈内を進行させている状態と、狭窄している心臓等の病変部位に到達した状態とでは、抵抗力が変化する。物理量取得部３５４が、スレーブ装置２０のカテーテルに外部から入力する抵抗力を算出することで、カテーテルの挿入状態を判定することが可能となる。なお、物理量取得部３５４は、物理量として、瞬時値を取得することや、移動平均等の算術演算で得られる値を取得すること等が可能である。また、物理量取得部３５４は、物理量の瞬時値の波形に対してフィルタ処理（帯域制限フィルタ）を施した上で、モード切替条件を判定するための物理量を取得することとしてもよい。
例えば、物理量取得部３５４は、制御パラメータ記憶部３７１に記憶された時系列の制御パラメータを読み出し、スレーブ装置２０のカテーテルに外部から入力する抵抗力を算出する。カテーテルを被検体に挿入した場合、例えば、動脈内を進行させている状態と、狭窄している心臓等の病変部位に到達した状態とでは、抵抗力が変化する。物理量取得部３５４が、スレーブ装置２０のカテーテルに外部から入力する抵抗力を算出することで、カテーテルの挿入状態を判定することが可能となる。なお、物理量取得部３５４は、物理量として、瞬時値を取得することや、移動平均等の算術演算で得られる値を取得すること等が可能である。また、物理量取得部３５４は、物理量の瞬時値の波形に対してフィルタ処理（帯域制限フィルタ）を施した上で、モード切替条件を判定するための物理量を取得することとしてもよい。
【0053】
また、物理量取得部３５４は、カメラＣによって撮影された画像に基づいて、カテーテルの先端と病変との距離を算出する。カメラＣによって撮影された画像からカテーテルの先端と病変との距離を算出することで、人間が視覚的に判断する場合と同様の基準で、カテーテルの病変に対する接近を判定することができる。なお、カテーテルの先端と病変との距離を取得する場合、各種センサを用いることが可能であり、例えば、カテーテルの先端に磁気検出用のマーカーを備え、被検体の外部から磁気センサによってカテーテルの位置を検出して、病変との距離を取得することとしてもよい。また、被検体の内部にカテーテルの先端位置を検出するためのセンサを予め設置しておき、このセンサによってカテーテルの先端位置を検出して、病変との距離を取得することとしてもよい。
【0054】
［力のオフセット量の設定］
上述したように、本実施形態においては、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚の伝達を行う際に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達する力を増幅した上で、抵抗力の増幅分に相当する力を減じてマスタ装置１０に伝達する。
このとき、スレーブ装置２０に入力する力の変化は増幅してマスタ装置１０に伝達することが望ましい一方、抵抗力が増幅された分の力は、マスタ装置１０の操作者にとって余計な負荷となるため、伝達されないことが望ましい。
そこで、本実施形態においては、スレーブ装置２０に入力した力を増幅すると共に、スレーブ装置２０に入力した抵抗力が増幅された分の力をオフセット量（以下、適宜「摩擦補償量」と称する。）として、スレーブ装置２０がマスタ装置１０に伝達する力から減じることとする。
この場合、スレーブ装置２０に実際に入力した抵抗力はマスタ装置１０に伝達しつつ、スレーブ装置２０に入力した力の変化は、増幅率に応じて拡大した状態で、マスタ装置１０に伝達することができる。
一例として、伝達条件設定部３５１によって設定された増幅率をｋ１とし、スレーブ装置２０に入力する抵抗力がＦｂであるとすると、オフセット量（摩擦補償量）として、（ｋ１－１）×Ｆｂを減じてスレーブ装置２０からマスタ装置１０に力を伝達することで、抵抗力が増幅された分の力をマスタ装置１０に伝達しないように制御することができる。また、抵抗力Ｆｂからの力の変化については、増幅率ｋ１で増幅してマスタ装置１０に伝達することができる。
なお、増幅率ｋ１は、上述したように、例えば、カテーテルの構成、被検者の身体的特性（血管の太さ等）、カテーテルを挿入する長さ等に応じて、実測値、統計値またはシミュレーションにより得られる推定値等に基づいて設定することができる。
上述したように、本実施形態においては、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚の伝達を行う際に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達する力を増幅した上で、抵抗力の増幅分に相当する力を減じてマスタ装置１０に伝達する。
このとき、スレーブ装置２０に入力する力の変化は増幅してマスタ装置１０に伝達することが望ましい一方、抵抗力が増幅された分の力は、マスタ装置１０の操作者にとって余計な負荷となるため、伝達されないことが望ましい。
そこで、本実施形態においては、スレーブ装置２０に入力した力を増幅すると共に、スレーブ装置２０に入力した抵抗力が増幅された分の力をオフセット量（以下、適宜「摩擦補償量」と称する。）として、スレーブ装置２０がマスタ装置１０に伝達する力から減じることとする。
この場合、スレーブ装置２０に実際に入力した抵抗力はマスタ装置１０に伝達しつつ、スレーブ装置２０に入力した力の変化は、増幅率に応じて拡大した状態で、マスタ装置１０に伝達することができる。
一例として、伝達条件設定部３５１によって設定された増幅率をｋ１とし、スレーブ装置２０に入力する抵抗力がＦｂであるとすると、オフセット量（摩擦補償量）として、（ｋ１－１）×Ｆｂを減じてスレーブ装置２０からマスタ装置１０に力を伝達することで、抵抗力が増幅された分の力をマスタ装置１０に伝達しないように制御することができる。また、抵抗力Ｆｂからの力の変化については、増幅率ｋ１で増幅してマスタ装置１０に伝達することができる。
なお、増幅率ｋ１は、上述したように、例えば、カテーテルの構成、被検者の身体的特性（血管の太さ等）、カテーテルを挿入する長さ等に応じて、実測値、統計値またはシミュレーションにより得られる推定値等に基づいて設定することができる。
【0055】
［動作］
次に、制御システム１の動作を説明する。
次に、制御システム１の動作を説明する。
【0056】
［力触覚伝達処理］
図６は、制御装置３０が実行する力触覚伝達処理の流れを説明するフローチャートである。
力触覚伝達処理は、入力部３１５あるいは通信部３１８を介して力触覚伝達処理の実行が指示されることに対応して開始される。本実施形態において、力触覚伝達処理を開始する場合、スレーブ装置２０の動作を補助する操作者が手動により、または、マスタ装置１０からの遠隔的な操作により、カテーテルの先端が所定距離だけ被検体に挿入された状態（例えば、１～１０［ｃｍ］程度挿入された状態）において開始するものとする。これにより、挿入初期の外力の変化が大きい状態において、制御装置３０の制御が不安定化することを抑制できる。
図６は、制御装置３０が実行する力触覚伝達処理の流れを説明するフローチャートである。
力触覚伝達処理は、入力部３１５あるいは通信部３１８を介して力触覚伝達処理の実行が指示されることに対応して開始される。本実施形態において、力触覚伝達処理を開始する場合、スレーブ装置２０の動作を補助する操作者が手動により、または、マスタ装置１０からの遠隔的な操作により、カテーテルの先端が所定距離だけ被検体に挿入された状態（例えば、１～１０［ｃｍ］程度挿入された状態）において開始するものとする。これにより、挿入初期の外力の変化が大きい状態において、制御装置３０の制御が不安定化することを抑制できる。
【0057】
ステップＳ１において、伝達条件設定部３５１は、力触覚を伝達する際の増幅率及びモードを設定する。なお、ステップＳ１において、力触覚を伝達する際のモードは、挿入モードに設定される。
ステップＳ２において、伝達条件設定部３５１は、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達される力のオフセット量（摩擦補償量）を設定する。
ステップＳ３において、センサ情報取得部３５２は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に設置された各種センサによって検出された情報（センサ情報）を取得する。ステップＳ３において取得されたセンサ情報は、時系列のデータとして制御パラメータ記憶部３７１に記憶される。
ステップＳ４において、力触覚伝達部３５３は、スレーブ装置２０において検出された外力を設定された増幅率で増幅すると共に、オフセット量（摩擦補償量）を減じながら、センサ情報に基づいて力触覚の伝達制御を実行する。
ステップＳ５において、物理量取得部３５４は、モード切替条件を判定するための物理量（カテーテルに入力する抵抗力あるいはカテーテルの先端と病変との距離等）を取得する。
ステップＳ２において、伝達条件設定部３５１は、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達される力のオフセット量（摩擦補償量）を設定する。
ステップＳ３において、センサ情報取得部３５２は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に設置された各種センサによって検出された情報（センサ情報）を取得する。ステップＳ３において取得されたセンサ情報は、時系列のデータとして制御パラメータ記憶部３７１に記憶される。
ステップＳ４において、力触覚伝達部３５３は、スレーブ装置２０において検出された外力を設定された増幅率で増幅すると共に、オフセット量（摩擦補償量）を減じながら、センサ情報に基づいて力触覚の伝達制御を実行する。
ステップＳ５において、物理量取得部３５４は、モード切替条件を判定するための物理量（カテーテルに入力する抵抗力あるいはカテーテルの先端と病変との距離等）を取得する。
【0058】
ステップＳ６において、伝達条件設定部３５１は、取得された物理量が、挿入モードと検知モードとを切り替えるために設定されたモード切替条件に合致しているか否かの判定を行う。具体的には、伝達条件設定部３５１は、ユーザの操作によって手動によりモードの切り替えが指示されたか否か、あるいは、モード切替条件を判定するための物理量が設定された条件に合致したか否か（カテーテルに入力する抵抗力が閾値以上変化したか否か、あるいは、カテーテルの先端と病変との距離が閾値以内となったか否か等）の判定を行う。
取得された物理量が、挿入モードと検知モードとを切り替えるために設定されたモード切替条件に合致していない場合、ステップＳ６においてＮＯと判定されて、処理はステップＳ８に移行する。
一方、取得された物理量が、挿入モードと検知モードとを切り替えるために設定されたモード切替条件に合致している場合、ステップＳ６においてＹＥＳと判定されて、処理はステップＳ７に移行する。
取得された物理量が、挿入モードと検知モードとを切り替えるために設定されたモード切替条件に合致していない場合、ステップＳ６においてＮＯと判定されて、処理はステップＳ８に移行する。
一方、取得された物理量が、挿入モードと検知モードとを切り替えるために設定されたモード切替条件に合致している場合、ステップＳ６においてＹＥＳと判定されて、処理はステップＳ７に移行する。
【0059】
ステップＳ７において、伝達条件設定部３５１は、挿入モードと検知モードとを切り替える。即ち、伝達条件設定部３５１は、挿入モードに設定されていた場合、検知モードに切り替え、検知モードに設定されていた場合、挿入モードに切り替える。
ステップＳ８において、力触覚伝達部３５３は、力触覚伝達処理の終了が指示されたか否かの判定を行う。
力触覚伝達処理の終了が指示されていない場合、ステップＳ８において、ＮＯと判定されて、処理はステップＳ３に移行する。
一方、力触覚伝達処理の終了が指示された場合、ステップＳ８において、ＹＥＳと判定されて、力触覚制御処理は終了する。
ステップＳ８において、力触覚伝達部３５３は、力触覚伝達処理の終了が指示されたか否かの判定を行う。
力触覚伝達処理の終了が指示されていない場合、ステップＳ８において、ＮＯと判定されて、処理はステップＳ３に移行する。
一方、力触覚伝達処理の終了が指示された場合、ステップＳ８において、ＹＥＳと判定されて、力触覚制御処理は終了する。
【0060】
［効果の検証］
図７は、スレーブ装置２０に入力する外力の増幅のみを行った場合に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の大きさの時間変化を示す模式図である。
なお、図７においては、操作者がマスタ装置１０を操作し、スレーブ装置２０のカテーテルを被検体に挿入する場合に、スレーブ装置２０に入力する外力（二点鎖線）を一定の増幅率で増幅して、マスタ装置１０に力をフィードバックしたときの力の大きさ（実線）を示している。図７において、スレーブ装置２０において検出される外力（抵抗力）を増幅する増幅率はｋ１（一定）であるものとする。また、図７において、横軸は時間を表し、縦軸は操作者にフィードバックされる力の大きさを表している。
図７は、スレーブ装置２０に入力する外力の増幅のみを行った場合に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の大きさの時間変化を示す模式図である。
なお、図７においては、操作者がマスタ装置１０を操作し、スレーブ装置２０のカテーテルを被検体に挿入する場合に、スレーブ装置２０に入力する外力（二点鎖線）を一定の増幅率で増幅して、マスタ装置１０に力をフィードバックしたときの力の大きさ（実線）を示している。図７において、スレーブ装置２０において検出される外力（抵抗力）を増幅する増幅率はｋ１（一定）であるものとする。また、図７において、横軸は時間を表し、縦軸は操作者にフィードバックされる力の大きさを表している。
【0061】
期間Ｐ１では、操作開始に伴いカテーテルが動き始め、スレーブ装置２０において検出される外力（抵抗力）が増大している。
期間Ｐ２では、スレーブ装置２０のカテーテルが被検体内の定常的な環境（動脈内等）を進行しており、血管の内壁等からの動摩擦力を含む抵抗力が、ほぼ一定の大きさＦｂで作用している。期間Ｐ２において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力は、Ｆｂ×ｋ１として表される。
期間Ｐ３では、スレーブ装置２０のカテーテルが被検体内で病変等に接触することによって、加速度が生じている（抵抗力が増大している）。期間Ｐ３において、スレーブ装置２０に入力する力の最大値はＦｐであり、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の最大値は、Ｆｐ×ｋ１として表される。
期間Ｐ２では、スレーブ装置２０のカテーテルが被検体内の定常的な環境（動脈内等）を進行しており、血管の内壁等からの動摩擦力を含む抵抗力が、ほぼ一定の大きさＦｂで作用している。期間Ｐ２において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力は、Ｆｂ×ｋ１として表される。
期間Ｐ３では、スレーブ装置２０のカテーテルが被検体内で病変等に接触することによって、加速度が生じている（抵抗力が増大している）。期間Ｐ３において、スレーブ装置２０に入力する力の最大値はＦｐであり、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の最大値は、Ｆｐ×ｋ１として表される。
【0062】
ここで、図７に示す例では、期間Ｐ２において、スレーブ装置２０に入力する抵抗力は、ほぼ一定の大きさＦｂであるのに対し、マスタ装置１０にフィードバックされる力の大きさは、Ｆｐ×ｋ１となっている。
この場合、ユーザは、期間Ｐ２において、スレーブ装置２０に実際に入力する抵抗力よりも大きな抵抗力を感じることとなり、操作における負荷が大きくなる。一方、期間Ｐ３において、スレーブ装置２０に実際に入力する力の変化は、Ｆｐ－Ｆｂであり、比較的小さい差であるものの、マスタ装置１０にフィードバックされる力の変化は、（Ｆｐ－Ｆｂ）×ｋ１となっており、比較的大きい差となっている。
したがって、期間Ｐ２におけるユーザの負荷を軽減するために、増幅率を低く設定すると、期間Ｐ３においてマスタ装置１０にフィードバックされる力の変化が小さくなり、ユーザは力触覚を感じ難くなる。
この場合、ユーザは、期間Ｐ２において、スレーブ装置２０に実際に入力する抵抗力よりも大きな抵抗力を感じることとなり、操作における負荷が大きくなる。一方、期間Ｐ３において、スレーブ装置２０に実際に入力する力の変化は、Ｆｐ－Ｆｂであり、比較的小さい差であるものの、マスタ装置１０にフィードバックされる力の変化は、（Ｆｐ－Ｆｂ）×ｋ１となっており、比較的大きい差となっている。
したがって、期間Ｐ２におけるユーザの負荷を軽減するために、増幅率を低く設定すると、期間Ｐ３においてマスタ装置１０にフィードバックされる力の変化が小さくなり、ユーザは力触覚を感じ難くなる。
【0063】
図８は、スレーブ装置２０に入力する力を増幅すると共に、オフセット量を減じた場合に、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の大きさの時間変化を示す模式図である。
なお、図８においては、操作者がマスタ装置１０を操作し、スレーブ装置２０のカテーテルを被検体に挿入する場合に、図７における増幅率ｋ１と同一の増幅率に設定し、抵抗力が増幅された分の力をオフセット量として減じて、マスタ装置１０に力をフィードバックしたときの力の大きさ（二点鎖線）を示している。図８においては、参考として、スレーブ装置２０に入力する力を増幅率ｋ１で増幅した場合の力の大きさを実線で示している。また、図８において、横軸は時間を表し、縦軸は操作者にフィードバックされる力の大きさを表している。
なお、図８においては、操作者がマスタ装置１０を操作し、スレーブ装置２０のカテーテルを被検体に挿入する場合に、図７における増幅率ｋ１と同一の増幅率に設定し、抵抗力が増幅された分の力をオフセット量として減じて、マスタ装置１０に力をフィードバックしたときの力の大きさ（二点鎖線）を示している。図８においては、参考として、スレーブ装置２０に入力する力を増幅率ｋ１で増幅した場合の力の大きさを実線で示している。また、図８において、横軸は時間を表し、縦軸は操作者にフィードバックされる力の大きさを表している。
【0064】
期間Ｐ１では、操作開始に伴いカテーテルが動き始め、スレーブ装置２０において検出される外力（抵抗力）が増大している。
期間Ｐ２では、スレーブ装置２０のカテーテルが被検体内の定常的な環境（動脈内等）を進行しており、血管の内壁等からの動摩擦力を含む抵抗力が、ほぼ一定の大きさＦｂで作用している。期間Ｐ２において、スレーブ装置２０に入力する力は増幅率ｋ１で増幅されると共に、抵抗力Ｆｂが増幅された分の力は、オフセット量ＦＯＦＦ＝Ｆｂ×（ｋ１－１）として、マスタ装置１０にフィードバックされる力から減じられる。即ち、期間Ｐ２において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力は、スレーブ装置２０に実際に入力している力Ｆｂとなる。
期間Ｐ２では、スレーブ装置２０のカテーテルが被検体内の定常的な環境（動脈内等）を進行しており、血管の内壁等からの動摩擦力を含む抵抗力が、ほぼ一定の大きさＦｂで作用している。期間Ｐ２において、スレーブ装置２０に入力する力は増幅率ｋ１で増幅されると共に、抵抗力Ｆｂが増幅された分の力は、オフセット量ＦＯＦＦ＝Ｆｂ×（ｋ１－１）として、マスタ装置１０にフィードバックされる力から減じられる。即ち、期間Ｐ２において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力は、スレーブ装置２０に実際に入力している力Ｆｂとなる。
【0065】
期間Ｐ３では、スレーブ装置２０のカテーテルが被検体内で病変等に接触することによって、加速度が生じている（抵抗力が増大している）。
このとき、スレーブ装置２０に実際に入力する力の変化は、Ｆｐ－Ｆｂである一方、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の変化は、（Ｆｐ－Ｆｂ）×ｋ１となる。
即ち、本実施形態において、スレーブ装置２０に入力する力を増幅率ｋ１で増幅すると共に、オフセット量ＦＯＦＦ＝Ｆｂ×（ｋ１－１）を減じてマスタ装置１０に伝達することで、カテーテルの挿入において感じる抵抗力の増大を抑制しつつ、特定の区間（病変付近）等での力の変化を容易に知覚させることができる。
したがって、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつスレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができる。
このとき、スレーブ装置２０に実際に入力する力の変化は、Ｆｐ－Ｆｂである一方、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる力の変化は、（Ｆｐ－Ｆｂ）×ｋ１となる。
即ち、本実施形態において、スレーブ装置２０に入力する力を増幅率ｋ１で増幅すると共に、オフセット量ＦＯＦＦ＝Ｆｂ×（ｋ１－１）を減じてマスタ装置１０に伝達することで、カテーテルの挿入において感じる抵抗力の増大を抑制しつつ、特定の区間（病変付近）等での力の変化を容易に知覚させることができる。
したがって、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつスレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができる。
【0066】
［変形例１］
上述の実施形態において、カテーテルを挿入した後、病変に到達するまでをアクチュエータで動作させる構成を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、病変付近までカテーテルを手動で挿入し、病変付近の特定の区間において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に力をフィードバックさせることとしてもよい。この場合、スレーブ装置２０のカテーテルを操作者が病変付近まで手動で挿入し、病変付近において、スレーブ装置２０に入力した力を増幅すると共に、スレーブ装置２０に入力した抵抗力が増幅された分の力をオフセット量（摩擦補償量）として、スレーブ装置２０がマスタ装置１０に伝達する力から減じることができる。
上述の実施形態において、カテーテルを挿入した後、病変に到達するまでをアクチュエータで動作させる構成を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、病変付近までカテーテルを手動で挿入し、病変付近の特定の区間において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に力をフィードバックさせることとしてもよい。この場合、スレーブ装置２０のカテーテルを操作者が病変付近まで手動で挿入し、病変付近において、スレーブ装置２０に入力した力を増幅すると共に、スレーブ装置２０に入力した抵抗力が増幅された分の力をオフセット量（摩擦補償量）として、スレーブ装置２０がマスタ装置１０に伝達する力から減じることができる。
【0067】
図９は、スレーブ装置２０のカテーテルを操作者が手動で挿入した後、力のフィードバックを行う制御システム１の構成を示す模式図である。
図９に示すように、本変形例の制御システム１は、スレーブ装置２０のカテーテルに操作用のレバー（把持部）等が設置され、操作者による手動操作が可能となっている。
また、本変形例の制御システム１は、図１に示す第１実施形態の制御システム１が備える直動用のアクチュエータのうち、検知用アクチュエータ１０４，２０４のみを備え、挿入用アクチュエータ１０３，２０３は備えていない。
操作者がカテーテルを手動で挿入する場合、スレーブ装置２０において、カテーテルが検知用アクチュエータ２０４及び回転用アクチュエータ２０５による移動制御からリリースされ、従来のカテーテルと同様に操作することが可能である。
このとき、操作者によって病変付近の手前の位置までカテーテルが挿入されるものとし、この状態を初期状態として、力触覚伝達処理が開始される。
図９に示すように、本変形例の制御システム１は、スレーブ装置２０のカテーテルに操作用のレバー（把持部）等が設置され、操作者による手動操作が可能となっている。
また、本変形例の制御システム１は、図１に示す第１実施形態の制御システム１が備える直動用のアクチュエータのうち、検知用アクチュエータ１０４，２０４のみを備え、挿入用アクチュエータ１０３，２０３は備えていない。
操作者がカテーテルを手動で挿入する場合、スレーブ装置２０において、カテーテルが検知用アクチュエータ２０４及び回転用アクチュエータ２０５による移動制御からリリースされ、従来のカテーテルと同様に操作することが可能である。
このとき、操作者によって病変付近の手前の位置までカテーテルが挿入されるものとし、この状態を初期状態として、力触覚伝達処理が開始される。
【0068】
力触覚伝達処理が開始される場合、カテーテルが検知用アクチュエータ２０４及び回転用アクチュエータ２０５による移動制御のために保持され、マスタ装置１０に対する操作に応じて、スレーブ装置２０がカテーテルを移動させると共に、カテーテルに入力した外力が、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックされる。
本変形例の力触覚伝達処理においては、第１実施形態と同様に、スレーブ装置２０に入力した力が所定の増幅率で増幅されると共に、スレーブ装置２０に入力した抵抗力が増幅された分の力がオフセット量（摩擦補償量）として、スレーブ装置２０がマスタ装置１０に伝達する力から減じられる。
本変形例においては、アクチュエータによってカテーテルを移動させる距離が比較的短くなるため、ボイスコイルモータ等のストロークが短いアクチュエータを備えれば足りる。
本変形例の力触覚伝達処理においては、第１実施形態と同様に、スレーブ装置２０に入力した力が所定の増幅率で増幅されると共に、スレーブ装置２０に入力した抵抗力が増幅された分の力がオフセット量（摩擦補償量）として、スレーブ装置２０がマスタ装置１０に伝達する力から減じられる。
本変形例においては、アクチュエータによってカテーテルを移動させる距離が比較的短くなるため、ボイスコイルモータ等のストロークが短いアクチュエータを備えれば足りる。
【0069】
このように、本変形例の制御システム１によってカテーテルを被検体に挿入する場合にも、第１実施形態の制御システム１と同様に、スレーブ装置２０に入力する力を所定の増幅率で増幅すると共に、オフセット量を減じてマスタ装置１０に伝達することで、カテーテルの挿入において感じる抵抗力の増大を抑制しつつ、特定の区間（病変付近）等での力の変化を容易に知覚させることができる。
したがって、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつスレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができる。
したがって、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつスレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができる。
【0070】
［他の変形例］
上述の実施形態において、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で、カテーテルのスラスト方向（進退方向）の力を力触覚伝達するものとして説明したが、これに限られない。例えば、進退方向に沿う回転軸周りの回転、あるいは、エンドエフェクタの操作に関する力をマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚伝達してもよい。また、この場合に、スレーブ装置２０に入力する力を所定の増幅率で増幅すると共に、オフセット量を減じてマスタ装置１０に伝達することとしてもよい。
上述の実施形態において、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で、カテーテルのスラスト方向（進退方向）の力を力触覚伝達するものとして説明したが、これに限られない。例えば、進退方向に沿う回転軸周りの回転、あるいは、エンドエフェクタの操作に関する力をマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚伝達してもよい。また、この場合に、スレーブ装置２０に入力する力を所定の増幅率で増幅すると共に、オフセット量を減じてマスタ装置１０に伝達することとしてもよい。
【0071】
また、上述の実施形態において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックする力の増幅率を一定の値に設定するものとして説明したが、これに限られない。即ち、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚の伝達を行う際に、増幅率を変化させる制御を行うことが可能である。
一例として、図７及び図８における期間Ｐ２の初期には、増幅率の初期値を設定してマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚の伝達を行い、期間Ｐ２において、物理量取得部３５４がカテーテルに入力する定常的な抵抗力（定常摩擦力）を検出した場合に、定常摩擦力に合わせて増幅率を変化させると共に、マスタ装置１０に伝達される力から減じるオフセット量（摩擦補償量）を設定することができる。例えば、定常摩擦力が大きい場合、他の外力が入力した場合の力の変化を感じ取り難くなるため、増幅率を高く設定し、これに応じて、オフセット量も増加させること等が可能である。
一例として、図７及び図８における期間Ｐ２の初期には、増幅率の初期値を設定してマスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力触覚の伝達を行い、期間Ｐ２において、物理量取得部３５４がカテーテルに入力する定常的な抵抗力（定常摩擦力）を検出した場合に、定常摩擦力に合わせて増幅率を変化させると共に、マスタ装置１０に伝達される力から減じるオフセット量（摩擦補償量）を設定することができる。例えば、定常摩擦力が大きい場合、他の外力が入力した場合の力の変化を感じ取り難くなるため、増幅率を高く設定し、これに応じて、オフセット量も増加させること等が可能である。
【0072】
また、上述の実施形態において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックする力の増幅率は、図７及び図８における期間Ｐ１及び期間Ｐ２においてカテーテルに入力する抵抗力の変化を反映させた関数として設定することとしてもよい。また、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックする力から減じられるオフセット量（摩擦補償量）も、関数として設定される増幅率に応じて設定することとしてもよい。これにより、カテーテルに入力する抵抗力の変化を適応的に反映させて、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に力をフィードバックしつつ、フィードバックする力からオフセット量（摩擦補償量）を減じることができる。
【0073】
また、上述の実施形態において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に伝達する力を増幅した上で、抵抗力の増幅分に相当する力を減じてマスタ装置１０に伝達するものとして説明したが、これに限られない。即ち、抵抗力の増幅分に相当する力を全て減じることなく、一定の割合のみを減じる（例えば、９０［％］を減じる等）こととしてもよい。
【0074】
また、上述の実施形態において、スレーブ装置２０からマスタ装置１０にフィードバックする力の増幅率は、力の変化率が設定された閾値以上となるように設定したり、力の変化量が設定された閾値以上となるように設定したりすることができる。
【0075】
また、上述の実施形態において、マスタ装置１０に備えられたアクチュエータと、スレーブ装置２０に備えられたアクチュエータとを１対１に対応付けて、力触覚の伝達を行う場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。即ち、マスタ装置１０の複数のアクチュエータをスレーブ装置２０の１つのアクチュエータと対応付けて力触覚の伝達を行ったり、マスタ装置１０の１つのアクチュエータをスレーブ装置２０の複数のアクチュエータと対応付けて力触覚の伝達を行ったりすることが可能である。また、マスタ装置１０の複数のアクチュエータをスレーブ装置２０の複数のアクチュエータと対応付けて力触覚の伝達を行うことも可能である。一例として、図３に示すスレーブ装置２０の挿入用アクチュエータ２０３及び検知用アクチュエータ２０４を、マスタ装置１０の挿入用アクチュエータ１０３を対応付けて力触覚の伝達を行うことが可能である。この場合、マスタ装置１０の検知用アクチュエータ１０４を備える必要がなくなり、コストの削減及び装置の軽量化等を実現することができる。
【0076】
また、上述の実施形態において、スレーブ装置２０のカテーテルを進退させるアクチュエータとして、挿入用アクチュエータ２０３及び検知用アクチュエータ２０４を備える構成を例に挙げて説明したが、これに限られない。即ち、動作のストローク及び精度において、要求される性能を充足するアクチュエータであれば、１つのアクチュエータでスレーブ装置２０のカテーテルを進退させることとしてもよい。
【0077】
以上のように、本実施形態に係る制御システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０と、制御装置３０と、を備える。また、制御装置３０は、伝達条件設定部３５１と、力触覚伝達部３５３と、を備える。
力触覚伝達部３５３は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。
伝達条件設定部３５１は、スレーブ装置２０に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、マスタ装置１０に伝達させる。
これにより、スレーブ装置２０に入力する力を所定の増幅率で増幅すると共に、オフセット量を減じてマスタ装置１０に伝達することで、カテーテルの挿入において感じる抵抗力の増大を抑制しつつ、力の変化を容易に知覚させることができる。
したがって、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつスレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができる。
力触覚伝達部３５３は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御する。
伝達条件設定部３５１は、スレーブ装置２０に入力する力に対して、設定された増幅率で力を増幅すると共に、増幅した力から、増幅率に基づいて設定された力のオフセット量を減じて、マスタ装置１０に伝達させる。
これにより、スレーブ装置２０に入力する力を所定の増幅率で増幅すると共に、オフセット量を減じてマスタ装置１０に伝達することで、カテーテルの挿入において感じる抵抗力の増大を抑制しつつ、力の変化を容易に知覚させることができる。
したがって、マスタ装置１０を操作するユーザの負荷を低減しつつスレーブ装置２０の状態変化を知覚させ易くすることができる。
【0078】
設定された増幅率で前記スレーブ装置２０に入力する力を増幅した場合に、スレーブ装置２０に入力する定常的な力の成分が増幅されることによる力の変化量に基づいて、オフセット量を設定する。
これにより、定常的な抵抗力等が増幅され、操作者の操作における負担が増大することを抑制できる。
これにより、定常的な抵抗力等が増幅され、操作者の操作における負担が増大することを抑制できる。
【0079】
スレーブ装置２０に入力する力に基づいて、増幅率を設定すると共に、設定された増幅率に基づいて、オフセット量を設定する。
これにより、スレーブ装置２０に入力する抵抗力の変化を適応的に反映させて、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に力をフィードバックしつつ、フィードバックする力からオフセット量（摩擦補償量）を減じることができる。
これにより、スレーブ装置２０に入力する抵抗力の変化を適応的に反映させて、スレーブ装置２０からマスタ装置１０に力をフィードバックしつつ、フィードバックする力からオフセット量（摩擦補償量）を減じることができる。
【0080】
スレーブ装置２０に入力する力は、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０における力触覚の伝達を制御するための制御パラメータに基づいて算出される
これにより、力触覚の伝達を行うことでスレーブ装置２０に入力される力を検出することができるため、力センサ等により力を検出することなく、環境に応じた力触覚の伝達条件を設定することができる。
これにより、力触覚の伝達を行うことでスレーブ装置２０に入力される力を検出することができるため、力センサ等により力を検出することなく、環境に応じた力触覚の伝達条件を設定することができる。
【0081】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本発明は、上述の実施形態における制御システム１として実現することの他、制御システム１を制御する制御装置、制御システム１において実行される各ステップによって構成される制御方法、あるいは、制御システム１の機能を実現するためにプロセッサによって実行されるプログラムとして実現することができる。
また、上述の実施形態では、制御装置３０を独立した装置として実現する構成を例に挙げて説明したが、制御装置３０の機能をマスタ装置１０の制御ユニット１０１及びスレーブ装置２０の制御ユニット２０１の一方に実装したり、これらの両方に分散して実装したりすることができる。
例えば、本発明は、上述の実施形態における制御システム１として実現することの他、制御システム１を制御する制御装置、制御システム１において実行される各ステップによって構成される制御方法、あるいは、制御システム１の機能を実現するためにプロセッサによって実行されるプログラムとして実現することができる。
また、上述の実施形態では、制御装置３０を独立した装置として実現する構成を例に挙げて説明したが、制御装置３０の機能をマスタ装置１０の制御ユニット１０１及びスレーブ装置２０の制御ユニット２０１の一方に実装したり、これらの両方に分散して実装したりすることができる。
【0082】
また、上述の実施形態における処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
即ち、上述の処理を実行できる機能が制御システム１に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
即ち、上述の処理を実行できる機能が制御システム１に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
【0083】
プログラムを記憶する記憶媒体は、装置本体とは別に配布されるリムーバブルメディア、あるいは、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体等で構成される。リムーバブルメディアは、例えば、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、または光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ－Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ），Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標） Ｄｉｓｋ等により構成される。光磁気ディスクは、ＭＤ（Ｍｉｎｉ－Ｄｉｓｋ）等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体は、例えば、プログラムが記憶されているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やハードディスク、あるいは、半導体メモリ等で構成される。
【0084】
なお、上記実施形態は、本発明を適用した一例を示しており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。即ち、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができ、上記実施形態以外の各種実施形態を取ることが可能である。本発明が取ることができる各種実施形態及びその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0085】
１ 制御システム、１０ マスタ装置、２０ スレーブ装置、３０ 制御装置、４０ ネットワーク、Ｌ ディスプレイ、Ｃ カメラ、ＦＴ 機能別力・速度割当変換ブロック、ＦＣ 理想力源ブロック、ＰＣ 理想速度（位置）源ブロック、ＩＦＴ 逆変換ブロック、Ｓ 制御対象システム、１０１，２０１ 制御ユニット、１０２，２０２ 通信ユニット、１０３，２０３ 挿入用アクチュエータ、１０４，２０４ 検知用アクチュエータ、１０５，２０５ 回転用アクチュエータ、１０６，２０６ 操作用アクチュエータ、１０７，１０８，２０７，２０８ リニアエンコーダ、１０９，１１０，２０９，２１０ ロータリーエンコーダ、１１１～１１４，２１１～２１４ ドライバ、３１１ プロセッサ、３１２ ＲＯＭ、３１３ ＲＡＭ、３１４ バス、３１５ 入力部、３１６ 出力部、３１７ 記憶部、３１８ 通信部、３１９ ドライブ、３３１ リムーバブルメディア、３５１ 伝達条件設定部、３５２ センサ情報取得部、３５３ 力触覚伝達部、３５４ 物理量取得部、３７１ 制御パラメータ記憶部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】