DE112018001042T5

DE112018001042T5 - Steuersystem, Steuerungsverfahren und chirurgisches Armsystem

Info

Publication number: DE112018001042T5
Application number: DE112018001042.2T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Matsuda; Jun Arai; Kasai Takara; Yohei Kuroda; Wataru Kokubo
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-11-28
Also published as: WO2018159114A1; US20200000535A1; JP7251669B2; JPWO2018159114A1; US20220287787A1; US11850014B2; JP2022060279A; US11395709B2; JP7020473B2

Abstract

Es wird ein Steuerungssystem für das Steuern einer chirurgischen Armvorrichtung einer Mehrfachverbindungsstruktur bereitgestellt, in der mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit in einem Kraftsteuerungsmodus miteinander gekoppelt sind.In verallgemeinerter inverser Dynamik stellt das Steuerungssystem einen Bewegungszweck und eine Einschränkungsbedingung in einem Operationsraum ein, die eine auf einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkende Trägheitskraft und eine Beschleunigung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers beschreiben, und berechnet für das Implementieren einer Operationsraumbeschleunigung, die den Bewegungszweck anzeigt, eine virtuelle Kraft, die auf den Operationsraum wirkt, auf der Basis einer Bewegungsgleichung, die sich auf den Operationsraum bezieht, einschließlich eines Begriffs einer Operationsraumvorspannungsbeschleunigung unter Berücksichtigung einer Schwerkraftkompensation gemäß einer Neigungsinformation der chirurgischen Armvorrichtung, und berechnet einen Drehmomentbefehlswert für eine Gelenkeinheit auf der Basis einer von der virtuellen Kraft umgewandelten realen Kraft.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Eine hierin offenbarte Technik bezieht sich auf ein Steuerungssystem und ein Steuerungsverfahren für das Steuern einer Armvorrichtung einer Mehrfachverbindungsstruktur, bei der mehrere Verbindungen durch Gelenkeinheiten in einem Kraftsteuerungsmodus miteinander gekoppelt sind, und ein chirurgisches Armsystem bezieht sich zum Beispiel auf ein Steuerungssystem und ein Steuerungsverfahren für das Steuern einer chirurgischen Armvorrichtung, die auf einem medizinischen Gebiet in einem Kraftsteuerungsmodus angewendet wird, und auf ein chirurgisches Armsystem.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren wurden chirurgische Armvorrichtungen in verschiedenen industriellen Gebieten, einschließlich eines medizinischen Gebiets, populär gemacht. Das Ersetzen mindestens eines Teils der menschlichen Arbeit durch chirurgische Armvorrichtungen macht es möglich, hohe Präzision und hohe Arbeitsleistung zu implementieren.
Die chirurgische Armvorrichtung ist ein Mehrfachverbindungsstrukturkörper, in dem zum Beispiel mehrere Verbindungen durch Gelenkeinheiten miteinander gekoppelt sind. Das Steuern des Rotationsantriebs der mehreren Gelenkeinheiten macht es möglich, gewünschte Aktionen der gesamten chirurgischen Armvorrichtung zu implementieren. Beispiele eines Steuerungsverfahrens der chirurgischen Armvorrichtung und der Gelenkeinheiten weisen Positionssteuerung und Kraftsteuerung auf. In der Positionssteuerung wird einem Stellglied der Gelenkeinheiten ein Positionsbefehlswert von Winkel und dergleichen gegeben, und das Antreiben der Gelenkeinheiten wird auf eine solche Weise gesteuert, dass sie dem Befehlswert folgen. Andererseits wird zum Beispiel in der Kraftsteuerung ein Zielwert an Kraft, die durch die chirurgische Armvorrichtung auf ein Arbeitsziel angewendet werden soll, gegeben, und das Antreiben der Gelenkeinheiten (zum Beispiel an den Gelenkeinheiten erzeugtes Drehmoment) wird gesteuert, um die durch den Zielwert angezeigte Kraft zu implementieren.
Es ist einfach, für die positionsgesteuerte chirurgische Armvorrichtung eine Systemkonfiguration zu machen, sie hat jedoch Schwierigkeiten bei flexibler Reaktion auf externe Kraft. Im Gegensatz dazu ist die kraftgesteuerte chirurgische Armvorrichtung kompliziert in Systemkonfiguration, sie kann jedoch flexibel auf externe Kraft reagieren, was dazu geeignet ist, Aufgaben (Bewegungszwecke) durch verschiedene physikalische Interaktionen mit der Außenwelt auszuführen. Insbesondere wird von einer medizinisch-chirurgischen Armvorrichtung erwartet, in der Nähe eines chirurgischen Operateurs und von Assistenten in einem engen Operationssaal zu operieren und interpersonelle physikalische Interaktionen auszuführen, und daher kann gesagt werden, dass sie vorzugsweise Kraftsteuerung ausführt.
Zum Beispiel wurde eine chirurgische Armvorrichtung vorgeschlagen, die Folgendes aufweist: mehrere Gelenkeinheiten, die mehrere Verbindungen koppeln, um mindestens sechs oder mehr Freiheitsgrade für das Antreiben eines Mehrfachverbindungsstrukturkörpers, der die mehreren Verbindungen aufweist, zu implementieren; und eine Antriebssteuerungseinheit, die eine Kraftsteuerung des Antreibens der Gelenkeinheiten auf der Basis eines Zustands der Gelenkeinheiten ausführt (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). Eine Spitzeneinheit, die ein medizinisches Instrument, wie zum Beispiel ein Endoskop oder eine Zange, aufweist, ist an der Spitze des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers dieser Art von chirurgischer Armvorrichtung befestigt.
ZITATELISTE
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: WO 2015/046081 A
Patentdokument 2: Japanische Übersetzung der internationalen PCT-Anmeldung, Veröffentlichungsnummer 2016-518199

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLLEN
Eine Aufgabe einer hierin offenbarten Technik ist es, ein Steuerungssystem und ein Steuerungsverfahren für das Steuern einer chirurgischen Armvorrichtung einer Mehrfachverbindungsstruktur, in der mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit in einem Kraftsteuerungsmodus miteinander gekoppelt sind, und ein chirurgisches Armsystem bereitzustellen.
LÖSUNGEN FÜR PROBLEME
Eine hierin offenbarte Technik wird im Hinblick auf das vorstehende Problem entwickelt. Ein erster Aspekt der Technik ist ein Steuerungssystem, das eine chirurgische Armvorrichtung steuert. Das Steuerungssystem weist Folgendes auf: eine Neigungsinformationserfassungseinheit, die Neigungsinformationen der chirurgischen Armvorrichtung erfasst; eine Einstelleinheit, die eine Berechnungsbedingung einschließlich Gravitationskompensation gemäß der Neigungsinformation einstellt; und eine Berechnungseinheit, die einen Befehlswert für die chirurgische Armvorrichtung gemäß der Berechnungsbedingung berechnet.
Das „System“ bezieht sich hier jedoch auf ein Objekt, in dem mehrere Vorrichtungen (oder Funktionsmodule, die spezifische Funktionen implementieren) logisch zusammengesetzt sind, und die Vorrichtungen oder Funktionsmodule in einem einzelnen Gehäuse aufgenommen sein können oder nicht.
Die chirurgische Armvorrichtung weist grundsätzlich einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper auf, in dem mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit miteinander gekoppelt sind. Die Berechnungsbedingungseinstelleinheit stellt einen Bewegungszweck und eine Einschränkungsbedingung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in einem Operationsraum ein, die die Trägheit der auf den Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkenden Kraft und die Beschleunigung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in verallgemeinerter inverser Dynamik beschreiben. Dann berechnet die Berechnungseinheit eine virtuelle Kraft, die auf den Operationsraum agiert, um die Operationsraumbeschleunigung, die den Bewegungszweck anzeigt, auf der Basis einer Bewegungsgleichung zu implementieren, die sich auf den Operationsraum bezieht, einschließlich eines Begriffs einer Operationsraumvorspannungsbeschleunigung unter Berücksichtigung von Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation, wandelt die virtuelle Kraft in eine reale Kraft unter Berücksichtigung der Einschränkungsbedingung um, und berechnet einen Drehmomentbefehlswert für das Antreiben der Gelenkeinheit auf der Basis der realen Kraft.
Darüber hinaus korrigiert die Berechnungseinheit einen auf der Basis eines logischen Reaktionsmodells berechneten Drehmomentzielwert gemäß der auf die Gelenkeinheit wirkenden realen Kraft und dem auf die Gelenkeinheit wirkenden externen Drehmoment auf eine solche Weise, dass die Gelenkeinheit nicht von dem logischen Reaktionsmodell abweicht, durch Verwenden des Störungsdrehmoments der Gelenkeinheit, um den Drehmomentbefehlswert zu berechnen. Die Berechnungseinheit kann das auf die Gelenkeinheit wirkende Drehmoment von einer Winkelgeschwindigkeit der Gelenkeinheit schätzen, und das Störungsdrehmoment auf der Basis einer Differenz zwischen dem geschätzten Drehmoment und dem Drehmomentbefehlswert schätzen.
Darüber hinaus ist ein zweiter Aspekt der hierin offenbarten Technik ein Steuerungsverfahren für das Steuern einer chirurgischen Armvorrichtung. Das Steuerungsverfahren weist Folgendes auf: einen Neigungsinformationserfassungsschritt des Erfassens der Neigungsinformationen der chirurgischen Armvorrichtung; einen Einstellschritt des Einstellens einer Berechnungsbedingung einschließlich Gravitationskompensation gemäß der Neigungsinformation; und einen Berechnungsschritt des Berechnens eines Befehlswerts für die chirurgische Armvorrichtung gemäß der Berechnungsbedingung.
Darüber hinaus ist ein dritter Aspekt der hierin offenbarten Technik ein chirurgisches Armsystem, das Folgendes aufweist: einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper, in dem mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit gekoppelt sind; eine Neigungsinformationserfassungseinheit, die eine Neigungsinformation des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers erfasst; eine Gelenkzustandserkennungseinheit, die einen Zustand der Gelenkeinheit erkennt; und eine Antriebssteuerungseinheit, die den Antrieb der Gelenkeinheit gemäß einem Befehlswert steuert, der abhängig von der Neigungsinformation und dem Zustand der Gelenkeinheit berechnet wird.
AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der hierin offenbarten Technik ist es möglich, ein Steuerungssystem und ein Steuerungsverfahren für das Steuern einer chirurgischen Armvorrichtung einer Mehrfachverbindungsstruktur, in der mehrere Verbindungen durch eine Verbindungseinheit in einem Kraftsteuerungsmodus miteinander gekoppelt sind, und ein chirurgisches Armsystem bereitzustellen.
Es ist zu beachten, dass die hierin beschriebenen Auswirkungen nur Beispiele sind und die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung nicht auf diese beschränkt sind. Darüber hinaus kann in einigen Fällen die vorliegende Erfindung ferner andere Auswirkungen zusätzlich zu den vorstehenden haben.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der hierin offenbarten Technik werden unten durch detailliertere Beschreibungen von Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen geklärt.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer chirurgischen Armvorrichtung 100 veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, in dem die chirurgische Armvorrichtung 100 an einem Schlitten 200 montiert ist.
3 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, in dem die chirurgische Armvorrichtung 100 an einem Operationstisch 300 befestigt ist.
4 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, in dem der Operationstisch 300 mit der chirurgischen Armvorrichtung 100 um eine Vertikale geneigt ist.
5 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, in dem der Operationstisch 300 mit der chirurgischen Armvorrichtung 100 um eine Horizontale geneigt ist.
6 ist ein Diagramm, das eine Funktionskonfiguration eines Steuerungssystems 600 der chirurgischen Armvorrichtung 100 veranschaulicht.
7 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Stellglieds 700 veranschaulicht.
8 ist ein Diagramm, das Steuerungsblöcke für das Stellglied 700 veranschaulicht, um Reaktionen gemäß einem logischen Modell zu geben.
9 ist ein Diagramm, das eine Funktionskonfiguration eines Steuerungssystems 900 der chirurgischen Armvorrichtung 100 veranschaulicht, die eine Kraftsteuerung durch Verwenden einer verallgemeinerten inversen Dynamikberechnung implementiert.

MODUS FÜR DAS AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der hierin offenbarten Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 veranschaulicht schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer chirurgischen Armvorrichtung 100, auf die die hierin offenbarte Technik anwendbar ist. Die in der Zeichnung veranschaulichte chirurgische Armvorrichtung 100 weist einen chirurgischen Arm 120 mit einem an einer Spitze befestigten Endeffektor 110 auf. Die chirurgische Armvorrichtung 100 ist ein medizinischer oder chirurgischer Roboter, der zum Beispiel für Operationen unter einem Endoskop an einer Bauchhöhle oder Brusthöhle verwendet wird, der in einem Master-Slave-System als ein Slave agiert.
Der chirurgische Arm 120 weist einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper auf, in dem mehrere Verbindungen durch Gelenkeinheiten miteinander gekoppelt sind. Die Verbindungen können dynamisch als starre Körper gehandhabt werden. Die Anzahl an Achsen (oder die Anzahl an Gelenken) des chirurgischen Arms 120, die Freiheitsgrade der Achsen und die Anzahl an Verbindungen (oder die Anzahl an Armen) können willkürlich eingestellt werden. Ein medizinischer oder chirurgischer Arm hat jedoch zum Beispiel sechs oder mehr Freiheitsgrade. Der Einfachheit halber werden die Verbindungen, die der in 1 veranschaulichte chirurgische Arm 120 aufweist, als eine erste Verbindung, eine zweite Verbindung, ..., bezeichnet, in Reihenfolge von der Nähe eines distalen Endes (oder eines hinteren Endes des Endeffektors 110). Darüber hinaus werden die Gelenke, die der chirurgische Arm 120 aufweist, als ein erstes Gelenk, ein zweites Gelenk, ..., bezeichnet, in Reihenfolge von der Nähe des distalen Endes (oder des hinteren Endes des Endeffektors 110) .
Der Endeffektor 110 ist an dem distalen Ende des chirurgischen Arms 120 mit Handgelenk 111 dazwischen befestigt. Der Endeffektor 110 weist verschiedene chirurgische Instrumente, wie zum Beispiel einen Linsentubus eines Endoskops, eine Sonde einer Ultraschalluntersuchungsvorrichtung, chirurgische Werkzeuge, wie zum Beispiel ein chirurgisches Messer und eine Zange, einen Pneumoperitoneumschlauch, ein Energiebehandlungswerkzeug, eine Pinzette und einen Retraktor, auf. Der Endeffektor 110 kann als ein abnehmbarer Endeffektor 110 ausgelegt sein, sodass der Endeffektor 110 bei Änderungen der chirurgischen Instrumente an dem distalen Ende des chirurgischen Arms 120 befestigt ist. Bei einer endoskopischen chirurgischen Operation wird, anstatt einen Einschnitt in die Bauchdecke zum Öffnen der Bauchhöhle zu machen, die Bauchdecke mit mehreren zylindrischen Öffnungsvorrichtungen, genannt Trokaren, durchstochen, und der Endeffektor 110 wird in die Körperhöhle des Patienten von den Trokaren eingeführt (nicht veranschaulicht).
Es wird angenommen, dass die chirurgische Armvorrichtung 100 in verschiedenen Formen verwendet wird, wie zum Beispiel auf der Bodenfläche eines Arbeitsraums, wie zum Beispiel eines in 1 veranschaulichten Operationssaals, installiert zu werden, auf einem Schlitten 200 mit Rollen für mobile Verwendung, wie in 2 veranschaulicht, montiert zu werden, oder an Seitenkantenabschnitt 301 des Operationstischs 300 befestigt zu werden, wie in 3 veranschaulicht.
Zum Beispiel ist eine AESOP-Vorrichtung (AESOP: automated endoscopic system for optimal positioning - automatisiertes endoskopisches System für das optimale Positionieren) bekannt, bei der ein chirurgischer Arm an einem Operationstisch befestigt ist, und ein starres Endoskop an dem distalen Ende des Arms befestigt ist, sodass der Operateur die Bewegung des Endoskops durch Stimme durch das Kopfmikrofon steuert.
Außerdem wurde ein Operationstisch bereitgestellt, der eine Patientenauflagefläche des Operationstisches 300 hat, die um eine Vertikale oder eine Horizontale drehbar ist (siehe zum Beispiel Patentdokument 2). In einem Fall, in dem die chirurgische Armvorrichtung 100 an einem solchen beweglichen Operationstisch 300 befestigt ist, ist die chirurgische Armvorrichtung 100 zusammen mit dem Operationstisch 300 (oder der Patientenauflagefläche) geneigt, wie in den 4 und 5 veranschaulicht. Als ein Ergebnis ändert sich eine Z-Achsenrichtung in einem lokalen Koordinatensystem zusammen mit der Neigung des Operationstisches 300 (oder der Patientenauflagefläche), sodass die auf den chirurgischen Arm 120 wirkende Schwerkraft nicht immer mit der Z-Richtung in dem lokalen Koordinatensystem übereinstimmen kann.
Andererseits weisen Steuerungsverfahren der Gelenkeinheiten des chirurgischen Arms 120 Positionssteuerung und Kraftsteuerung auf. In der vorliegenden Ausführungsform wird der chirurgische Arm 120 aus der Sicht der Verwendung der chirurgischen Armvorrichtung 100 für medizinische Zwecke und der Implementierung interpersoneller physikalischer Interaktionen in einem Kraftsteuerungsmodus gesteuert.
Hierbei agiert in dem Kraftsteuerungssystem eine elastische Kraft auf den chirurgischen Arm aufgrund der Schwerkraft (des Eigengewichts des chirurgischen Arms) abhängig von der Stellung des chirurgischen Arms. Dementsprechend ist es allgemein üblich, den chirurgischen Arm mit einem Mechanismus für das Aufheben des Eigengewichts des chirurgischen Arms oder für das Ausführen einer „Schwerkraftkompensation“ bereitzustellen, durch Berechnen der Kraft, die für das Überwinden der Schwerkraft in der aktuellen Stellung des chirurgischen Arms erforderlich ist, und Addieren des Berechnungsergebnisses zu einem Befehlssignal.
In einem Fall jedoch, in dem der Operationstisch 300, an dem die chirurgische Armvorrichtung 100 befestigt ist, geneigt ist, kann der chirurgische Arm 120 erwartete Aktionen nicht ausführen, da der Schwerkraftkompensationsmechanismus auf den chirurgischen Arm 120 in einer unterschiedlichen Richtung von der Richtung der Schwerkraft wirkte, oder da die Kraft, die durch Verwenden einer unterschiedlichen Richtung von der Richtung der Schwerkraft berechnet wurde, zu dem Befehlssignal addiert wurde. Wenn die Schwerkraftkompensation auf den chirurgischen Arm 120 in einer Richtung agiert, die unterschiedlich zu der Richtung der Schwerkraft ist, kann der Operateur kein leichtes Operationsgefühl erhalten, oder der chirurgische Arm 120 wird unausgewogen und beginnt, sich in eine unerwartete Richtung zu bewegen. Insbesondere wird in der chirurgischen Armvorrichtung 100 für medizinische Zwecke der Endeffektor 110 des chirurgischen Arms 120 in die Körperhöhle eines Patienten eingeführt und dort verwendet (wie oben beschrieben), und somit kann ein Unfall auftreten, es sei denn, die Position des Endeffektors 110 und die erzeugte Kraft stimmen mit spezifizierten Werten überein.
Somit wird hierin ein Steuerungssystem vorgeschlagen, das die Kraft für Schwerkraftkompensation auf der Basis der korrekten Richtung der Schwerkraft gemäß der Neigung der chirurgischen Armvorrichtung 100 berechnet und eine geeignete Kraftsteuerung implementiert.
6 veranschaulicht schematisch eine Funktionskonfiguration von Steuerungssystem 600, das die chirurgische Armvorrichtung 100 in dem Kraftsteuerungsmodus steuert. Das in der Zeichnung veranschaulichte Steuerungssystem 600 weist Zustandserfassungseinheit 601, Berechnungsbedingungseinstelleinheit 602, Kraftberechnungseinheit 603 und Befehlswertumwandlungseinheit 604 auf.
Die Zustandserfassungseinheit 601 erfasst den Zustand der chirurgischen Armvorrichtung 100. In einem allgemeinen Steuerungssystem in dem Kraftsteuerungsmodus werden Kraftinformationen, wie zum Beispiel an den Gelenkeinheiten erzeugtes Drehmoment, und Positionsinformationen, wie zum Beispiel Gelenkwinkel der Gelenkeinheiten, als Rückmeldungsinformationen von einem Steuerungsziel erfasst. In der vorliegenden Ausführungsform erfasst die Zustandserfassungseinheit 601 zusätzlich zu den Kraftinformationen und Positionsinformationen des chirurgischen Arms 120 einen Neigungswinkel des Hauptkörpers der chirurgischen Armvorrichtung 100.
Auf der Basis der durch die Zustandserfassungseinheit 601 erfassten Informationen stellt die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 602 Berechnungsbedingungen einer Berechnungsformel für das Berechnen von Kraft ein, die an den Gelenkeinheiten des chirurgischen Arms 120 erzeugt werden soll (zum Beispiel die dynamische Gleichung des chirurgischen Arms 120), und bildet die Berechnungsformel. Die Berechnungsformel weist einen Schwerkraftkompensationsterm auf. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Schwerkraftkompensationsterm für die korrekte Richtung der Schwerkraft als eine Berechnungsbedingung gemäß dem aktuellen Neigungswinkel des Hauptkörpers der chirurgischen Armvorrichtung 100, der von der Zustandserfassungseinheit 601 erfasst wird, eingestellt.
Die Kraftberechnungseinheit 603 löst die Berechnungsformel gemäß den durch die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 602 eingestellten Berechnungsbedingungen, um die Kraft zu berechnen, die an den Gelenkeinheiten des chirurgischen Arms 120 erzeugt werden soll. Die Berechnungsbedingungen, die durch die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 602 eingestellt werden, weisen den Schwerkraftkompensationsterm für die korrekte Richtung der Schwerkraft gemäß dem Neigungswinkel des Hauptkörpers der chirurgischen Armvorrichtung 100 auf. Daher kann in der vorliegenden Ausführungsform die Kraftberechnungseinheit 603 geeignete Schwerkraftkompensation zu der korrekten Richtung der Schwerkraft gemäß dem Neigungswinkel des Hauptkörpers der chirurgischen Armvorrichtung 100 ausführen, um die Kraft zu berechnen, die an den Gelenkeinheiten erzeugt werden soll. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Ausführungsform annimmt, dass das Antreiben der mehreren in der chirurgischen Armvorrichtung 100 bereitgestellten Gelenkeinheiten durch kooperative Ganzkörpersteuerung durch Verwenden später beschriebener verallgemeinerter inverser Dynamik gesteuert wird.
Die Befehlswertumwandlungseinheit 604 wandelt die durch die Kraftberechnung 603 berechnete Kraftinformation in einen Befehlswert für das Steuern der Gelenkeinheiten des chirurgischen Arms 120 um und gibt diesen an die chirurgische Armvorrichtung 100 aus. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Ausführungsform annimmt, dass eine ideale Gelenksteuerung auf die Antriebssteuerung der Gelenkeinheiten angewendet wird, so dass eine ideale Reaktion auf einen Befehlswert durch Korrigieren des Einflusses einer Störung implementiert wird.
In der chirurgischen Armvorrichtung 100 steuert eine Antriebssteuerungseinheit 613 das Antreiben einer Gelenkantriebseinheit 612-2 (wie zum Beispiel eines Stellglieds) von Gelenkeinheiten 612, die den chirurgischen Arm 120 bilden, gemäß dem von dem Steuerungssystem 600 empfangenen Befehlswert. Obwohl der chirurgische Arm 120 ein Mehrfachverbindungsstrukturkörper ist, der mehrere Gelenkeinheiten und mehrere Verbindungen aufweist, veranschaulicht 6 im Sinne einer Vereinfachung nur eine einzelne Gelenkeinheit 612. Es versteht sich, dass die anderen nicht veranschaulichten Gelenkeinheiten auf eine ähnliche Weise ausgelegt sind. Die Gelenkeinheit 612 koppelt drehbar zwischen den Verbindugen in dem chirurgischen Arm 120 und treibt den chirurgischen Arm 120 durch Steuerung des Drehantriebs durch Steuerung von der Antriebssteuerungseinheit 613 an.
Eine Gelenkzustandserkennungseinheit 612 - 1 erkennt den Zustand der Gelenkeinheit 612, wie zum Beispiel den Drehwinkel der Gelenkeinheit 612, und das an der Gelenkeinheit 612 erzeugte Drehmoment, und gibt diesen an die Zustandserfassungseinheit 601 des Steuerungssystems 600 aus.
Eine Neigungserkennungseinheit 611 erkennt den Neigungswinkel der chirurgischen Armvorrichtung 100 oder des chirurgischen Arms 120 und gibt diesen an die Zustandserfassungseinheit 601 des Steuerungssystems 600 aus. Wie in den 4 und 5 veranschaulicht, ändert sich in einem Fall, in dem die chirurgische Armvorrichtung 100 an einem beweglichen Operationstisch befestigt ist, der Neigungswinkel der chirurgischen Armvorrichtung 100 zusammen mit dem Operationstisch, und die Neigungserkennungseinheit 611 erkennt den Neigungswinkel. Es ist zu beachten, dass die chirurgische Armvorrichtung 100 die Neigungserkennungseinheit 611 nicht aufweisen kann, sondern dass der Operationstisch 300 die Neigungserkennungseinheit 611 aufweisen kann, sodass die Zustandserfassungseinheit 601 die Informationen bezüglich des Neigungswinkels der Patientenauflagefläche von dem mit der chirurgischen Armvorrichtung 100 integrierten Operationstisch 300 erfasst.
Nachfolgend wird der Überblick über verallgemeinerte inverse Dynamik für Verwendung in der kooperativen Ganzkörpersteuerung der chirurgischen Armvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt.
Die verallgemeinerte inverse Dynamik ist eine Basisberechnung in der kooperativen Ganzkörpersteuerung eines Mehrfachverbindungsstrukturkörpers, in dem mehrere Verbindungen durch mehrere Gelenkeinheiten miteinander gekoppelt sind (zum Beispiel der chirurgische Arm 120). Durch die Basisberechnungen werden Bewegungszwecke, die sich auf verschiedene Abmessungen in verschiedenen Operationsräumen beziehen, in Drehmoment umgewandelt, das an den mehreren Gelenkeinheiten unter Berücksichtigung verschiedener Einschränkungsbedingungen erzeugt werden soll.
Der Operationsraum hier ist ein wichtiges Konzept bei der Kraftsteuerung der chirurgischen Armvorrichtung. Der Operationsraum bezieht sich auf einen Raum für das Beschreiben der Beziehung zwischen der auf den Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkenden Kraft und der Beschleunigung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers. Wenn das Antreiben des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers durch Kraftsteuerung, nicht durch Positionssteuerung, gesteuert wird, ist das Konzept eines Operationsraums erforderlich, um die Beziehung zwischen dem Mehrfachverbindungsstrukturkörper und der Umgebung als eine Einschränkungsbedingung zu verwenden. Beispiele für Operationsräume weisen einen Gelenkraum, einen kartesischen Raum und einen Impulsraum auf, zu dem der Mehrfachverbindungsstrukturkörper gehört.
Darüber hinaus beziehen sich die Bewegungszwecke hier auf die Zielwerte bei der Antriebssteuerung eines Mehrfachverbindungsstrukturkörpers, die zum Beispiel den Zielwerten der Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft und Impedanz des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers entsprechen, die durch die Antriebssteuerung erreicht werden sollen.
Darüber hinaus beziehen sich die Einschränkungsbedingungen hier auf Einschränkungsbedingungen, die sich auf die Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft eines Mehrfachverbindungsstrukturkörpers beziehen, die durch die Form und Struktur des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers, die umgebenden Umgebungen des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers und die durch den Benutzer gemachten Einstellungen bestimmt werden. Beispiele der Einschränkungsbedingung weisen Informationen bezüglich erzeugter Kraft, Priorität, des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines nicht angetriebenen Gelenks, vertikaler Reaktion, Reibungsgewichts, Stützpolygons und dergleichen auf.
Um in der verallgemeinerten Dynamik sowohl die Stabilität numerischer Berechnungen als auch die Effizienz von Berechnungen, die für Echtzeitverarbeitungen geeignet sind, zu gewährleisten, weist der arithmetische Algorithmus in einer ersten Stufe einen Prozess zur Berechnung der virtuellen Kraft und in einer zweiten Stufe einen Prozess zur Berechnung der realen Kraft auf. Bei dem Prozess zur Berechnung der virtuellen Kraft in der ersten Stufe wird unter Berücksichtigung der Priorität des Bewegungszwecks und des Maximalwerts der virtuellen Kraft eine virtuelle Kraft bestimmt, die auf den Operationsraum agieren soll und die für das Erreichen jedes Bewegungszwecks erforderlich ist. In dem folgenden Prozess zur Berechnung der realen Kraft in der zweiten Stufe wird die virtuelle Kraft, die wie oben beschrieben erhalten wurde, in eine reale Kraft umgewandelt, die dazu geeignet ist, durch eine tatsächliche Konfiguration eines Mehrfachverbindungsstrukturkörpers, die eine Gelenkkraft oder eine externe Kraft aufweist, implementiert zu werden, unter Berücksichtigung von Einschränkungen bezüglich eines nicht angetriebenen Gelenks, einer vertikalen Reaktion, eines Reibungsgewichts, Stützpolygons und dergleichen.
Hier wird der Prozess der virtuellen Kraft in der ersten Stufe beschrieben.
Ein Vektor, der eine bestimmte physikalische Größe an jeder der Gelenkeinheiten des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers aufweist, wird als verallgemeinerte Variable q (auch bezeichnet als Gelenkwert q oder Gelenkraum q) bezeichnet. Ein Operationsraum x wird durch die folgende Gleichung (1) durch Verwenden eines Zeitableitungswerts und der Jacobi-Matrix J der verallgemeinerten Variablen q definiert:

[Gleichung 1] $\dot{x} = J \dot{q}$
In der chirurgischen Armvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht zum Beispiel q dem Drehwinkel jeder der Gelenkeinheiten, die den chirurgischen Arm 120 bilden. Die Impulsgleichung, die sich auf den Operationsraum x einer Gesamtverbindungsstruktur, wie zum Beispiel des chirurgischen Arms 120, bezieht, kann wie in der folgenden Gleichung (2) gezeigt ausgedrückt werden:

[Gleichung 2] $τ = H \ddot{q} + b - J^{T} f$
In der vorstehenden Gleichung (2) repräsentiert τ eine verallgemeinerte Kraft, die der verallgemeinerten Variablen q entspricht, b repräsentiert Schwerkraft, Coriolis-Kraft und Zentrifugalkraft und f repräsentiert eine externe Kraft, die auf den Operationsraum agiert. Darüber hinaus repräsentiert H eine Trägheitsmatrix zu dem Gelenkraum der gesamten Struktur, das heißt, eine Gelenkraumträgheitsmatrix. Die vorstehende Gleichung (2) wird wie in der folgenden Gleichung (3) deformiert:

[Gleichung 3] $\ddot{x} = Λ^{- 1} f + c$
In der vorstehenden Gleichung (3) wird Λ^-1 als eine inverse Operationsraumträgheitsmatrix bezeichnet. Die inverse Operationsraumträgheitsmatrix Λ^-1 wird wie in der folgenden Gleichung (4) durch Verwenden der Jacobi-Matrix J und der Gelenkraumträgheitsmatrix H ausgedrückt:

[Gleichung 4] $Λ^{- 1} = J H^{- 1} J^{T}$
Darüber hinaus entspricht c in dem dritten Term der rechten Seite der vorstehenden Gleichung (3) einer Operationsraumvorspannungsbeschleunigung, das heißt einer Beschleunigung, die auf den Operationsraum ohne Aktion einer externen Kraft wirkt. Die Operationsraumvorspannungsbeschleunigung wird wie in der folgenden Gleichung (5) ausgedrückt:

[Gleichung 5] $c = J H^{- 1} (τ - b) + \dot{J} \dot{q}$
In der vorstehenden Gleichung (5) entspricht b der Schwerkraft, Coriolis-Kraft und Zentrifugalkraft (wie oben beschrieben). In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass die chirurgische Armvorrichtung 100 an dem beweglichen Operationstisch 300 befestigt ist, und sich ihr Neigungswinkel dynamisch ändert (siehe 4 und 5). Deshalb sind Schwerkraft g, Coriolis-Kraft und Zentrifugalkraft v eine Funktion des Gelenkwinkels q oder der Gelenkwinkelgeschwindigkeit, b wird ausgedrückt wie in der folgenden Gleichung (6): Darüber hinaus kann die Operationsraumvorspannungsbeschleunigung c wie in der folgenden Gleichung (7) umgeschrieben werden: Gemäß der in 6 veranschaulichten Konfiguration des Steuerungssystems 600 wird der durch die Neigungserkennungseinheit 611 erkannte Gelenkwinkel q durch die Zustandserfassungseinheit 601 erfasst.

[Gleichung 6] $b = v (q, \dot{q}) - g (q)$

[Gleichung 7] $c = J H^{- 1} (τ - v (q, \dot{q}) + g (q)) + \dot{J} \dot{q}$
In verallgemeinerter inverser Dynamik ist es bekannt, dass die Bewegungszwecke der Position und der Geschwindigkeit, die sich auf den Operationsraum x beziehen, als eine Beschleunigung in dem Operationsraum x ausgedrückt werden können. In diesem Fall wird, um die Operationsraumbeschleunigung als einen Zielwert zu implementieren, der als ein Bewegungszweck von der vorstehenden Gleichung (1) gegeben ist, die virtuelle Kraft f_v, die auf den Operationsraum x wirken soll, erhalten, indem eine Art lineares komplementäres Problem wie in der folgenden Gleichung (8) gelöst wird:

[Gleichung 8] $\begin{array}{l} w + \ddot{x} = Λ^{- 1} f_{v} + c \\ s u b j e c t t o {\begin{matrix} ((w_{i} < 0) \cap (f_{v_{i}} = U_{i})) \cup \\ ((w_{i} > 0) \cap (f_{v_{i}} = L_{i})) \cup \\ ((w_{i} = 0) \cap (L_{i <} f_{v_{i}} < U_{i})) \end{matrix} \end{array}$
In dem zweiten Term der linken Seite der vorstehenden Gleichung (8) wird eine Operationsraumvorspannungsbeschleunigung c, die den Schwerkraftkompensationsterm für die korrekte Richtung der Schwerkraft aufweist, gemäß dem aktuellen von der Zustandserfassungseinheit 601 erfassten Neigungswinkel des Hauptkörpers der chirurgischen Armvorrichtung 100 verwendet, wie in der vorstehenden Gleichung (7) veranschaulicht. Infolgedessen versteht es sich, dass die virtuelle Kraft f_v, auf die eine geeignete Schwerkraftkompensation zu der korrekten Richtung der Schwerkraft angewendet wird, durch Lösen der vorstehenden Gleichung (8) bestimmt werden kann.
Hier, in der vorstehenden Gleichung (8), repräsentieren L_i und U_i den negativen unteren Grenzwert einer i-ten Komponente von f_v (einschließlich -∞), bzw. den positiven oberen Grenzwert der i-ten Komponente von f_v (einschließlich +∞). Das lineare komplementäre Problem kann zum Beispiel durch ein iteratives Verfahren, Pivot-Verfahren oder ein Verfahren, auf das eine robuste Beschleunigungssteuerung angewendet wird, gelöst werden.
Es ist zu beachten, dass das Berechnen der inversen Operationsraumträgheitsmatrix Λ^-1 und der Vorspannungsbeschleunigung c wie in den vorstehenden Gleichungen (4) und (5) als Definitionsgleichungen hohe Berechnungskosten erfordern würde. Dementsprechend wurde ein Verfahren vorgeschlagen, durch das der Berechnungsprozess der inversen Operationsraumträgheitsmatrix Λ^-1 mit einer höheren Geschwindigkeit durch Anwendung der Vorwärtsdynamik (Forward Dynamics - FWD) ausgeführt werden kann, um eine verallgemeinerte Beschleunigung (Gedenkbeschleunigung) von der verallgemeinerten Kraft (Gelenkkraft τ) des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers zu erhalten. Insbesondere können durch Verwenden von Vorwärtsdynamikberechnungen die inverse Operationsraumträgheitsmatrix Λ^-1 und die Vorspannungsbeschleunigung c von Informationen bezüglich der auf den Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkenden Kräfte, wie zum Beispiel des Gelenkraums q, der Gelenkkraft τ, und der Schwerkraft g, berechnet werden. Auf diese Weise macht es das Anwenden der Vorwärtsdynamikberechnungen, die sich auf den Operationsraum beziehen, möglich, die inverse Operationsraumträgheitsmatrix Λ^-1 durch einen Berechnungsbetrag von O(N) zu der Anzahl N der Gelenkeinheiten zu berechnen.
In dem in 6 veranschaulichten Steuerungssystem 600 werden bei der Berechnung der inversen Operationsraumträgheitsmatrix Λ^-1 die Informationen bezüglich der Kräfte, die auf die chirurgische Armvorrichtung 100 als ein Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirken (der Gelenkraum q, die Gelenkkraft τ und die Schwerkraft g), von der Gelenkzustandserkennungseinheit 612 - 1 und der Neigungserkennungseinheit 611 erfasst. Es versteht sich, dass die Informationen bezüglich der korrekten Richtung der Schwerkraft auf der Basis des Neigungswinkels von der Neigungserkennungseinheit 611 gemäß dem Neigungswinkel des Operationstisches 300, an dem die chirurgische Armvorrichtung 100 befestigt ist, erhalten werden können.
Als ein Beispiel des Einstellens eines Bewegungszwecks kann die Bedingung für das Erreichen des Zielwerts der Operationsraumbeschleunigung (repräsentiert durch Differenzieren zweiter Ordnung von x mit einem hochgestellten Strich) durch eine virtuelle Kraft f_vi eines Absolutwerts F_i oder weniger durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückt werden:

[Gleichung 9] $L_{i} = - F_{i}, U_{i} = F_{i}, {\ddot{x}}_{i} = {\ddot{\bar{x}}}_{i}$
Darüber hinaus kann, wie oben beschrieben, der Bewegungszweck, der sich auf die Position und die Geschwindigkeit des Operationsraums x bezieht, als ein Zielwert der Operationsraumbeschleunigung repräsentiert werden, und kann insbesondere durch die folgende Gleichung (10) repräsentiert werden (wobei die Zielwerte der Position und Geschwindigkeit des Operationsraums x durch x und Differenzierung erster Ordnung von x mit einem tiefgestellten Balken repräsentiert werden).

[Gleichung 10] ${\ddot{\bar{x}}}_{i} = K_{p} ({\bar{x}}_{i} - x_{i}) + K_{v} (\dot{\bar{x}} - {\dot{x}}_{i})$
Das Verwenden eines Konzepts eines Zerlegungsoperationsraums macht es außerdem möglich, Bewegungszwecke bezüglich eines Operationsraums einzustellen, der durch die lineare Summe anderer Operationsräume (Impuls, kartesische Relativkoordinaten, ineinandergreifende Gelenke und andere) repräsentiert wird. Es ist zu beachten, dass den konkurrierenden Bewegungszwecken Prioritäten gegeben werden müssen. Die linearen komplementären Probleme können in Reihenfolge jeder Priorität oder von niedrigeren Prioritäten gelöst werden, und die von dem vorhergehenden linearen komplementären Problem erhaltene virtuelle Kraft kann auf das folgende lineare komplementäre Problem als bekannte externe Kraft wirken.
Anschließend wird der Prozess zur Berechnung der realen Kraft in der zweiten Stufe beschrieben.
Die wie oben beschrieben erhaltene virtuelle Kraft f_v wird in eine reale Gelenkkraft und eine externe Kraft umgewandelt. Die Bedingung für das Erreichen einer verallgemeinerten Kraft τ_v (= J_v ^Tf_v) von der virtuellen Kraft durch Drehmoment τ_a und einer externen Kraft f_e, die an den Gelenkeinheiten erzeugt wird, wird durch die folgende Gleichung (11) ausgedrückt:

[Gleichung 11] $[\begin{matrix} J_{v u}^{T} \\ J_{v a}^{T} \end{matrix}] (f_{v} - Δ f_{v}) = [\begin{matrix} J_{e u}^{T} \\ J_{e a}^{T} \end{matrix}] f_{e} + [\begin{matrix} 0 \\ τ_{a} \end{matrix}]$
In der vorstehenden Gleichung repräsentiert der Index a eine Baugruppe von Antriebsgelenkeinheiten (Antriebsgelenkbaugruppe) und der Index u repräsentiert eine Baugruppe von Nichtantriebsgelenkeinheiten (Nichtantriebsgelenkbaugruppe). Mit anderen Worten repräsentiert die obere Stufe der vorstehenden Gleichung (11) das Gleichgewicht zwischen Kräften in dem Raum durch die Nichtantriebsgelenkeinheiten (Nichtantriebsgelenkraum), und die untere Stufe derselben repräsentiert das Gleichgewicht zwischen Kräften in dem Raum durch die Antriebsgelenkeinheiten (Antriebsgelenkraum) . Die Zeichen J_vu und J_va repräsentieren eine Nichtantriebsgelenkkomponente bzw. eine Antriebsgelenkkomponente von Jacobi-Matrix, die sich auf den Operationsraum bezieht, auf den die virtuelle Kraft f_v agiert. Die Zeichen J_eu und J_ea repräsentieren eine Nichtantriebsgelenkkomponente bzw. eine Antriebsgelenkkomponente von Jacobi-Matrix, die sich auf den Operationsraum bezieht, auf den die externe Kraft f_e agiert. Darüber hinaus repräsentiert das Zeichen Δf_v eine Komponente der virtuellen Kraft f_v, die durch die reale Kraft nicht erreicht werden kann.
Die obere Stufe der vorstehenden Gleichung (11) ist unbestimmt, und das Lösen eines quadratischen Programmierproblems, wie zum Beispiel in der folgenden Gleichung (12) gezeigt, macht es möglich, f_e und Δf_v zu erhalten.

[Gleichung 12] $\begin{array}{l} min \frac{1}{2} ε^{T} Q_{1} ε + \frac{1}{2} ξ^{T} Q_{2} ξ \\ s u b j e c t t o U ξ \geq v \end{array}$
In der vorstehenden Gleichung (12) repräsentiert das Symbol ε einen variablen Vektor auf der oberen Stufe der vorstehenden Gleichung (11). Die Symbole Q1 und Q2 repräsentieren positive definite symmetrische Matrizen, die die Gewichte für Minimalisierung anzeigen. Darüber hinaus wird die Ungleichheitseinschränkung in der vorstehenden Gleichung (12) verwendet, um Einschränkungsbedingungen zu repräsentieren, die sich auf externe Kraft, wie zum Beispiel vertikale Reaktion, Reibungskegel, Maximalwert einer externen Kraft und Stützpolygon, beziehen. Zum Beispiel wird die Ungleichheitseinschränkung, die sich auf ein rechteckiges Stützpolygon bezieht, durch die folgende Gleichung (13) ausgedrückt:
[Gleichung 13] $\begin{array}{l} | F_{x} | \leq μ_{t} F_{z}, | F_{y} | \leq μ_{t} F_{z}, F_{z} \geq 0 \\ | M_{x} | \leq d_{y} F_{z}, | M_{y} | \leq d_{x} F_{z}, | M_{x} | \leq μ_{r} F_{z} \end{array}$
wobei z die Richtung der Normalen zu der Kontaktfläche repräsentiert, und x und y zwei orthogonale tangentiale Richtungen senkrecht zu z repräsentieren. (F_x, F_y, F_z) und (M_x, M_y, M_z) repräsentieren eine externe Kraft und ein externes Kraftmoment, die auf den Kontaktpunkt wirken. µ_t und µ_r repräsentieren Reibungskoeffizienten bezüglich Translation bzw. Rotation. (d_x, d_y) repräsentiert die Größe des Stützpolygons.
Aus den vorstehenden Gleichungen (12) und (13) Lösungen f_e und Δf_v minimaler Norm oder minimalen Fehlers. Das Substituieren von f_e und Δf_v, die aus der vorstehenden Gleichung (12) erhalten wurden, in die untere Stufe der vorstehenden Gleichung (11) macht es möglich, die für das Erreichen des Bewegungszwecks erforderliche Gelenkkraft τ_a zu erhalten.
In einem System, in dem die Basis fest ist und kein nicht angetriebenes Gelenk bereitgestellt wird, können alle virtuellen Kräfte durch nur die Gelenkkraft und f_e=0, Δf_v=0 in der vorstehenden Gleichung (11) ersetzt werden. In diesem Fall kann die reale Gelenkkraft τ_a aus der unteren Stufe der vorstehenden Gleichung (11) gemäß der folgenden Gleichung (14) erhalten werden:

[Gleichung 14] $τ_{a} = J_{v a}^{T} f_{v}$
Wie oben beschrieben, macht es das sequentielle Ausführen des Berechnungsprozesses der virtuellen Kraft und des Berechnungsprozesses der realen Kraft durch Verwenden der verallgemeinerten inversen Dynamik möglich, die Gelenkkraft τ_a für das Erreichen des gewünschten Bewegungszwecks zu erhalten. Umgekehrt macht es das Reflektieren der Gelenkkraft τ_a, die durch Verwenden der verallgemeinerten inversen Dynamik an einem logischen Modell in der Bewegung der Gelenkeinheit 612 der chirurgischen Armvorrichtung 100 berechnet wurde, möglich, die Gelenkeinheiten 612 anzutreiben, um den gewünschten Bewegungszweck in dem Kraftsteuermodus zu erreichen.
Darüber hinaus kann in der vorliegenden Ausführungsform in dem Prozess des Berechnens der Gelenkkraft τ_a (strikter dem Prozess des Berechnens der virtuellen Kraft) die an den Gelenkeinheiten erzeugte Kraft berechnet werden, indem eine geeignete Schwerkraftkompensation zu der korrekten Richtung der Schwerkraft auf der Basis des durch die Neigungserkennungseinheit 611 erkannten Neigungswinkels des Hauptkörpers der chirurgischen Armvorrichtung 100 ausgeführt wird.
Es ist zu beachten, dass man sich für Details der kooperativen Ganzkörpersteuerung durch Verwenden der bisher beschriebenen verallgemeinerten inversen Dynamik, insbesondere des Prozesses des Ableitens der virtuellen Kraft f_v, des Verfahrens für das Bestimmen der virtuellen Kraft f_v durch Lösen der vorstehenden linearen komplementären Probleme und des Verfahrens für das Lösen des sekundären Planungsproblems zum Beispiel auf die japanische Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2009-95959 und die japanische Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2010-188471 , die bereits auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden, beziehen soll.
Nachfolgend wird eine ideale Gelenksteuerung beschrieben, die auf das Antriebssteuerungsverfahren der Gelenkeinheiten in der vorliegenden Ausführungsform angewendet wird.
Gemäß dem Gelenkkraftbefehlswert τ_a, der durch die Berechnung durch Verwenden der oben beschriebenen verallgemeinerten inversen Dynamik bestimmt wird, wird das die Gelenkeinheit 612 antreibende Stellglied in dem Kraftsteuerungsmodus gesteuert.
7 veranschaulicht ein Konfigurationsbeispiel eines Stellglieds 700, das die Gelenkeinheit 612 antreibt. Das in der Zeichnung veranschaulichte Stellglied 700 weist einen Motor für das Erzeugen eines Drehmoments (zum Beispiel einen bürstenlosen Gleichstrommotor) 701 und einen Verzögerer 702 für das Umwandeln der Drehkraft des Motors 701 in eine ausreichende erzeugende Kraft auf. Darüber hinaus hat das Stellglied 700 auch Encoder einen 703 für das Messen des Gelenkwinkels und einen Drehmomentsensor 704 für das Erkennen des an einer Ausgangswelle des Verzögerers 702 befestigten Drehmoments. Der Encoder 703 und der Drehmomentsensor 704 entsprechen der in 6 veranschaulichten Gelenkzustandserkennungseinheit 612 - 1. Es ist zu beachten, dass als Drehmomentsensor 704 zum Beispiel die Drehmomentmessvorrichtung, die in der japanischen Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2009-288198 offenbart ist, die bereits auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, angewendet werden kann.
Das Ausführen der Kraftsteuerung auf das Stellglied 700 durch Verwenden der durch die Berechnung durch Verwenden der verallgemeinerten inversen Dynamik für den Gelenkkraftbefehlswert berechneten realen Kraft τ_a macht es möglich, den Einfluss einer Störung zu vermeiden. Wenn jedoch das Gelenkstellglied eine von einem logischen Modell abweichende Reaktion für Verwendung bei der Dynamikberechnung macht, kann der gewünschte Bewegungszustand nicht erreicht werden, selbst wenn das durch die Dynamikberechnung berechnete Drehmoment an dem Stellglied wirkt.
In Wirklichkeit weist das Stellglied 700 mit dem Verzögerer 702, wie in 7 veranschaulicht, Dynamikparameter, wie zum Beispiel Reibung und Trägheit, auf, die das Modellieren und Identifizieren erschweren und zu einer Hauptursache für eine die Kraftsteuerung beeinflussende Störung werden. Wenn bei dem Problem mit Störung keinerlei Maßnahmen ergriffen werden, weicht die Kraftsteuerung leicht von dem logischen Modell ab. Mit anderen Worten, es ist ferner erforderlich, ein ideales Stellglied in den Gelenken zu verwenden, sodass die Reibung und Trägheit der Gelenkeinheit, die zu der Hauptfehlerursache werden, mit dem logischen Modell übereinstimmen.
Dementsprechend wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Verfahren für das Korrigieren der Reaktionen des Stellglieds 700 gemäß dem logischen Modell selbst unter dem Einfluss von Störungen, wie zum Beispiel Reibung und Trägheit, die nicht modelliert werden können, verwendet, um eine Antriebssteuerung mit der Gelenkeinheit 612 als ideales Gelenk auszuführen. Nachfolgend wird ein Verfahren idealer Gelenksteuerung für das Stellglied 700, das die Gelenkeinheit 612 antreibt, um Reaktionen gemäß dem logischen Modell zu machen, beschrieben.
Bei der Dynamikberechnung der chirurgischen Armvorrichtung 100 (oder des chirurgischen Arms 120) wird das Stellglied 700 durch eine Bewegungsgleichung eines Verzögerungssystems zweiter Ordnung modelliert, wie in der folgenden Gleichung (15) gezeigt:

[Gleichung 15] $I_{a} \ddot{q} = τ_{a} + τ_{e} - v_{a} \dot{q}$
In der vorstehenden Gleichung (15) repräsentiert I_a das Trägheitsmoment des Gelenks (virtuelle Trägheit), q repräsentiert den Gelenkwinkel des Gelenks (erhalten als Ausgabe des Encoders 704), τ_a repräsentiert den Befehlswert des erzeugenden Drehmoments an dem Gelenk, τ_e repräsentiert das auf das Gelenk wirkende externe Drehmoment, und ν_a repräsentiert einen virtuellen Viskositätskoeffizienten des Inneren des Gelenks (unbekannt und schwierig zu modellieren). Die vorstehende Gleichung (15) kann auch als ein logisches Modell bezeichnet werden, das die Bewegung des Stellglieds 700 anzeigt.
Durch die Berechnung durch Verwenden der oben beschriebenen verallgemeinerten inversen Dynamik kann die reale Kraft τ_a, die auf das Stellglied 700 wirken soll, gemäß dem Bewegungszweck und der Einschränkungsbedingung berechnet werden. Darüber hinaus sollte das Stellglied 700 idealerweise Reaktionen gemäß dem in der vorstehenden Gleichung (15) veranschaulichten logischen Modell machen, um den gewünschten Bewegungszweck zu erreichen.
In Wirklichkeit können jedoch Fehler auftreten, das heißt Modellierungsfehler zwischen der Bewegung des Stellglieds 700 und dem in der vorstehenden Gleichung (15) veranschaulichten logischen Modell, aufgrund des Einflusses von Störungen, wie zum Beispiel Reibung und Trägheit, die nicht modelliert werden können. Die Modellierungsfehler werden grob in Fehler unterteilt, die sich aus den Masseneigenschaften eines Mehrfachverbindungsstrukturkörpers ergeben, wie zum Beispiel Gewicht, Schwerpunkt und Trägheitstensor, und Fehler, die sich aus Reibung und Trägheit in dem Inneren des Stellglieds 700 in dem Mehrfachverbindungsstrukturkörper ergeben.
Unter diesen können die früheren Modellierungsfehler, die sich aus den Masseneigenschaften ergeben, relativ leicht verringert werden, indem die Präzision von Computer-Aided-Design(CAD)-Daten und die Anwendung eines Identifikationsverfahrens zu der Zeit der Erstellung des logischen Modells erhöht werden. Andererseits werden die letzteren Modellierungsfehler, die sich aus Reibung und Trägheit in dem Inneren des Stellglieds 700 ergeben, durch Phänomene, wie zum Beispiel Reibung in dem Verzögerer 702 des Stellglieds 700, verursacht, die schwierig zu modellieren sind. Dementsprechend können die nicht zu vernachlässigenden Modellierungsfehler zu der Zeit der Erstellung des logischen Modells verbleiben.
Darüber hinaus können Fehler zwischen den Werten der Trägheit I_a und des Viskositätswiderstandskoeffizienten ν_e in der vorstehenden Bewegungsgleichung (15) und den tatsächlichen Werten des Stellglieds 700 auftreten. Die schwierig zu modellierenden Fehler können Störungen in der Antriebssteuerung des Stellglieds 700 sein.
Deshalb kann in Wirklichkeit das Stellglied 700 keine Reaktionen gemäß dem in der vorstehenden Gleichung (15) veranschaulichten logischen Modell machen, aufgrund des Einflusses solcher Störungen. Als ein Ergebnis kann, selbst wenn die reale Kraft τ_a als die durch verallgemeinerte inverse Dynamik berechnete Gelenkkraft auf das Stellglied 700 angewendet wird, der Bewegungszweck als das Steuerungsziel nicht erreicht werden.
Dementsprechend wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Reaktionskorrekturverfahren in Betracht gezogen, durch das dem Stellglied 700 ein aktives Steuerungssystem hinzugefügt wird, sodass das Stellglied 700 eine ideale Reaktion gemäß dem in der vorstehenden Gleichung (15) veranschaulichten logischen Modell macht. Insbesondere erlaubt die vorliegende Ausführungsform nicht nur eine reibungskompensierte Drehmomentsteuerung durch Verwenden des Drehmomentsensors 704 des Stellglieds 700, sondern auch ideale Reaktionen gemäß den logischen Werten der Trägheit I_a und des Viskositätswiderstandskoeffizienten ν_a auf das erforderliche erzeugte Drehmoment τ_a und das externe Drehmoment τ_e.
8 ist ein Steuerungsblockdiagramm für das Stellglied 700, um Reaktionen gemäß dem logischen Modell zu machen. Der in der Zeichnung veranschaulichte Steuerungsblock entspricht einem Prozess durch die Befehlswertumwandlungseinheit 604, die durch die Kraftberechnungseinheit 603 berechnete reale Kraft τ_a zu korrigieren, um zum Beispiel in dem in 6 veranschaulichten Steuerungssystem 600 ideale Reaktionen zu machen.
In 8 entspricht der durch eine gestrichelte Linie umgebene Teil einem Störungsbeobachter 810, der Störungsdrehmoment τ_d für das Stellglied 700 schätzt und den Einfluss auf das Steuerungssystem beseitigt, um ein robustes Beschleunigungs- und Steuerungssystem aufzubauen. J_n repräsentiert jedoch den nominalen Trägheitswert in dem Gelenk, J repräsentiert den tatsächlichen (unbekannten) Trägheitswert in dem Gelenk und q repräsentiert den Gelenkwinkel. Darüber hinaus wird der virtuellen Trägheit I_a des Gelenks eine virtuelle Konstante als ein Gestaltungsgegenstand in der Dynamikberechnung zugewiesen.
Die Kraftberechnungseinheit 603 bestimmt den Drehmomentbefehlswert τ_a an das Stellglied 700 durch Berechnung durch Verwenden der oben beschriebenen verallgemeinerten inversen Dynamik in jedem Steuerungszyklus. Darüber hinaus sendet die Gelenkzustandserkennungseinheit 612 - 1 einen externen Drehmoment-Ist-Messwert τ_e, der durch den an der Ausgangswelle des Verzögerers 702 des Stellglieds 700 angebrachten Drehmomentsensor 704 gemessen wird, und einen tatsächlichen Winkelgeschwindigkeitsmesswert, der von dem Gelenkwinkel q erhalten wird, der durch den an der Ausgangswelle des Verzögerers 702 befestigten Encoder 703 gemessen wird, an die Befehlswertumwandlungseinheit 604.
Bezugszeichen 801 repräsentiert eine Berechnungseinheit, die Berechnungen gemäß dem idealen Reaktionsmodell ausführt, das durch die in der vorstehenden Gleichung (15) veranschaulichte Bewegungsgleichung ausgedrückt wird. Die Berechnungseinheit 801 empfängt den Drehmomentbefehlswert τ_a, den tatsächlichen externen Drehmomentmesswert τ_e und den tatsächlichen Messwert der Gelenkwinkelgeschwindigkeit (Differenzierung erster Ordnung des Gelenkwinkels q), berechnet eine Beschleunigung des Gelenkwinkels q auf der linken Seite der vorstehenden Gleichung (15) (Differenzierung zweiter Ordnung eines Gelenkwinkelzielwerts q^ref) und gibt das berechnete Ergebnis als einen Gelenkwinkelbeschleunigungszielwert in den Störungsbeobachter 810 ein.
Bezugszeichen 802 repräsentiert eine Berechnungseinheit, die das an dem Stellglied 700 erzeugte Drehmoment auf der Basis der Drehwinkelbeschleunigung des Stellglieds 700 berechnet. Die Berechnungseinheit 802 multipliziert den Beschleunigungszielwert des Gelenkwinkels q, der in den Störungsbeobachter 810 eingegeben wird, mit dem virtuellen nominalen Trägheitswert J_n des Gelenks, um den Beschleunigungszielwert in dem vorliegenden Steuerungszyklus in den Drehmomentzielwert τ^ref umzuwandeln.
In der idealen Reaktion sollte der gewünschte Bewegungszweck erreicht werden, indem das Stellglied 700 dazu veranlasst wird, den Drehmomentzielwert τ^ref zu erzeugen. Wie oben beschrieben, können die tatsächlichen Reaktionen jedoch unter dem Einfluss von Störungen und anderen stehen. Dementsprechend weist in der vorliegenden Ausführungsform der Steuerungsblock den Störungsbeobachter 810 auf, um das Störungsdrehmoment τ_d zu schätzen. Deshalb kann der Steuerungsblock durch Ausführen einer Feedforward-Steuerung, bei der eine Korrektur des Drehmomentzielwerts τ^ref in dem vorliegenden Steuerungszyklus durch das durch den Störungsbeobachter 810 in dem vorhergehenden Steuerungszyklus geschätzte Störungsdrehmoment τ_d gemacht wird, den Drehmomentbefehlswert τ zu dem Gelenk in dem vorliegenden Steuerungszyklus erhalten.
Bezugszeichen 803 repräsentiert das Gelenk, das eine Übertragungsfunktion 1/J_n aufweist. Wenn das Gelenk 803 einer Kraftsteuerung mit dem Drehmomentbefehlswert τ ausgesetzt wird, wird das Gelenk 803 unter Einfluss von Störungen, wie zum Beispiel Reibung und Trägheit, drehend angetrieben. Insbesondere wandelt die Befehlswertumwandlungseinheit 604 den Drehmomentbefehlswert τ in einen aktuellen Befehlswert um, der eine Anweisungseingabe an die Antriebssteuerungseinheit 613 (oder den Motorantrieb, der den Motor 701 antreibt) bildet.
Das an dem Gelenk erzeugte externe Drehmoment τ_e und der Gelenkwinkel q zu der Zeit des Antreibens des Gelenks 803 werden durch den Drehmomentsensor 704 bzw. den Encoder 703 gemessen. Darüber hinaus repräsentiert Bezugszeichen 804 eine Berechnungseinheit, die Differentialoperationen ausführt und den durch den Encoder 703 gemessenen Gelenkwinkel q einer zeitlichen Differenzierung aussetzt, um die Gelenkwinkelgeschwindigkeit zu erhalten. Die hier erhaltene Gelenkwinkelgeschwindigkeit bildet eine Eingabe in die Berechnungseinheit 801 (oben beschrieben), die Berechnungen gemäß dem idealen Reaktionsmodell ausführt.
Der Störungsbeobachter 810 weist Berechnungseinheiten auf, die mit Bezugszeichen 811 bzw. 812 angezeigt werden. Die Berechnungseinheit 811 wendet eine Übertragungsfunktion J_ns, die den virtuellen nominalen Trägheitswert J_n des Gelenks aufweist, auf die von der Berechnungseinheit 804 ausgegebene Gelenkwinkelgeschwindigkeit an, um das auf das Gelenk wirkende Drehmoment zu schätzen. Dann macht es das Subtrahieren des durch die Berechnungseinheit 811 geschätzten Drehmoments von dem Drehmomentbefehlswert τ in dem vorliegenden Steuerungszyklus zu dem Stellglied 700 möglich, das Störungsdrehmoment τ_d zu schätzen. Darüber hinaus ist es durch Ausführen einer Vorwärtskopplungssteuerung, bei der eine Korrektur des Drehmomentzielwerts τ^ref in dem nächsten Steuerungszyklus des in dem vorliegenden Steuerungszyklus erhaltenen Störungsdrehmoments gemacht wird, möglich, den Drehmomentbefehlswert τ für das Gelenk in dem nächsten Steuerungszyklus zu erhalten.
Darüber hinaus bildet die Berechnungseinheit 812 auch einen Tiefpassfilter (Low Pass Filter - LPF), der in dem Verlauf des Ausgebens des geschätzten Wertes des Störungsdrehmoments τ_d zur Verhinderung von Systemdivergenz eingefügt wird. Die Berechnungseinheit 812 führt die durch die Übertragungsfunktion g/(s+g) ausgedrückte Berechnung aus, um nur die Niederfrequenzkomponenten an den Eingabewert auszugeben, um Stabilität in dem System zu erreichen.
Auf diese Weise kann die Beschleunigungsreaktion des Stellglieds 700 dem Beschleunigungszielwert folgen, selbst wenn Störungskomponenten existieren, die nicht modelliert werden können, wie zum Beispiel Reibung und Trägheit in der Gelenkeinheit. Mit anderen Worten, wenn die rechte Seite der vorstehenden Gleichung (15) zugewiesen ist, wird die Gelenkwinkelbeschleunigung auf der linken Seite erreicht, und somit kann das Stellglied 700 selbst unter dem Einfluss von Störungen gemäß dem logischen Modell reagieren. Es ist zu beachten, dass, da der Tiefpassfilter g/(s+g) 812 in dem Verlauf des Ausgebens des Störungsdrehmoments τ_d (wie oben beschrieben) eingefügt wird, dieses Verfahren nicht für das Beseitigen von Störungen in dem Hochfrequenzband geeignet ist.
Gemäß der in 8 veranschaulichten Steuerungsblockkonfiguration kann bei der Antriebssteuerung des Stellglieds 700 die Reaktion des Stellglieds 700 dem Zielwert selbst bei Störungskomponenten, wie zum Beispiel Reibung und Trägheit, folgen. Darüber hinaus kann das Stellglied 700 bei der Antriebssteuerung der Gelenkeinheit 612 ideale Reaktionen gemäß der Trägheit I_a und dem Viskositätswiderstandskoeffizienten ν_a, die in dem logischen Modell angenommen werden, machen.
Es ist zu beachten, dass für Details der idealen Gelenksteuerung zum Beispiel auf die japanische Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2009-269102, die bereits auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, Bezug genommen wird.
9 ist ein Diagramm, das eine Funktionskonfiguration eines Steuerungssystems 900 der chirurgischen Armvorrichtung 100 veranschaulicht, das eine Kraftsteuerung durch Verwenden einer verallgemeinerten inversen Dynamikberechnung implementiert.
Die durch das Steuerungssystem 900 zu steuernde chirurgische Armvorrichtung 100 weist eine Abbildungseinheit als den Endeffektor 110 des chirurgischen Arms 120, eine Neigungserkennungseinheit 911, den chirurgischen Arm 120 und eine Antriebssteuerungseinheit 913, die das Antreiben einer Gelenkeinheit 912 des chirurgischen Arms 120 steuert, auf.
Die als der Endeffektor 110 befestigte Abbildungseinheit ist ein starres Endoskop, das zum Beispiel während einer Operation von einem Trokar in die Körperhöhle eines Patienten eingeführt wird.
Insbesondere ist die Abbildungseinheit eine Kamera oder dergleichen, die ein Bild eines Abbildungsobjekts in der Form eines Bewegtbilds oder eines Standbilds erfasst.
Die Abbildungseinheit hat mehrere Lichtempfangselemente, die zweidimensional ausgerichtet sind und ein Bildsignal erfassen, das ein Bild der Körperhöhle eines Patienten als ein Abbildungsobjekt durch fotoelektrische Umwandlung durch die Lichtempfangselemente anzeigt.
Eine Anzeigevorrichtung 920 kann, um das von der Abbildungseinheit erfasste Bild anzuzeigen, extern mit der chirurgischen Armvorrichtung 100 verbunden sein, oder die chirurgische Armvorrichtung 100 kann die Anzeigevorrichtung 920 aufweisen. Die Anzeigevorrichtung 920 ist eine Vorrichtung, die verschiedene Arten von Informationen in verschiedenen Formen, wie zum Beispiel Text und Bild, auf einem Anzeigebildschirm anzeigt. Die Anzeigevorrichtung 920 weist eine Bildsignalverarbeitungseinheit auf, die verschiedene Arten von Bildverarbeitung an dem Bildsignal ausführt, und eine Anzeigeantriebseinheit, die das Bild basierend auf dem verarbeiteten Bildsignal auf dem Bildschirm ausgibt und anzeigt. In der vorliegenden Ausführungsform zeigt die Anzeigevorrichtung 920 das durch die Abbildungseinheit als der Endeffektor 110 des chirurgischen Arms 120 erfasste Bild auf dem Bildschirm an.
Die Neigungserkennungseinheit 911 erkennt den Neigungswinkel der chirurgischen Armvorrichtung 100 oder des chirurgischen Arms 120. Wie zum Beispiel in den 4 und 5 veranschaulicht, ändert sich in einem Fall, in dem die chirurgische Armvorrichtung 100 an einem beweglichen Operationstisch befestigt ist, der Neigungswinkel der chirurgischen Armvorrichtung 100 dynamisch zusammen mit dem Operationstisch, und die Neigungserkennungseinheit 911 erkennt den Neigungswinkel. Es ist zu beachten, dass die chirurgische Armvorrichtung 100 die Neigungserkennungseinheit 911 nicht aufweisen kann, sondern dass der Operationstisch 300 die Neigungserkennungseinheit 911 aufweisen kann, um die Informationen bezüglich des Neigungswinkels der Patientenauflagefläche von dem mit der chirurgischen Armvorrichtung 100 integrierten Operationstisch 300 zu erfassen. Die Neigungserkennungseinheit 911 überträgt den erkannten Neigungswinkel an das Steuerungssystem 900.
Die Z-Achsenrichtung in dem lokalen Koordinatensystem ändert sich zusammen mit der Neigung des Operationstisches 300 (oder der Patientenauflagefläche), sodass die auf den chirurgischen Arm 120 wirkende Schwerkraft nicht immer mit der Z-Richtung in dem lokalen Koordinatensystem übereinstimmen kann. Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Ausführungsform die Richtung der auf den chirurgischen Arm 120 wirkenden Schwerkraft nicht in der Z-Richtung festgelegt, sondern die Richtung der Schwerkraft kann als eine Funktion des durch die Neigungserkennungseinheit 911 erkannten Neigungswinkels gehandhabt werden.
Der chirurgische Arm 120 ist ein Mehrfachverbindungsstrukturkörper mit mehreren Gelenkeinheiten und mehreren Verbindungen und weist die Antriebssteuerungseinheit 913 auf, die das Antreiben der Gelenkeinheiten steuert. Obwohl der chirurgische Arm 120 ein Mehrfachverbindungsstrukturkörper ist, der die mehreren Gelenkeinheiten und die mehreren Verbindungen aufweist, veranschaulicht 9 im Sinne einer Vereinfachung nur eine einzelne Gelenkeinheit 912. Es versteht sich, dass die nicht veranschaulichten Gelenkeinheiten auf eine ähnliche Weise ausgelegt sind. Mit anderen Worten werden die mehreren Gelenkeinheiten durch die Antriebssteuerungseinheit 913 gesteuert und innerhalb ihres jeweiligen Bewegungsbereichs angetrieben, wodurch die Position und Stellung der Abbildungseinheit als der Endeffektor 110 gesteuert werden kann.
Die Antriebssteuerungseinheit 913 steuert die Menge an Strom, die an den Motor des Stellglieds für das Antreiben der Gelenkeinheit 912 geliefert werden soll, um zum Beispiel die Drehzahl des Motors und den Drehwinkel und das erzeugende Drehmoment der Gelenkeinheit 912 zu steuern. Die Antriebssteuerungseinheit 913 führt jedoch die Antriebssteuerung der Gelenkeinheit 912 auf der Basis der Ergebnisse der Berechnung durch das Steuerungssystem 900 aus. Deshalb wird die Menge an Strom, die durch die Antriebssteuerungseinheit 913 an das Stellglied und den Motor der Gelenkeinheit 912 geliefert werden soll, grundsätzlich unter Steuerung des Steuerungssystems 900 bestimmt.
Die Gelenkeinheit 912 koppelt drehbar zwischen den Verbindungen in dem chirurgischen Arm 120 und treibt den chirurgischen Arm 120 durch Steuerung des Drehantriebs durch die Antriebssteuerungseinheit 913 an. Die Gelenkeinheit 912 weist eine Gelenkantriebseinheit 912-2 und eine Gelenkzustandserkennungseinheit 912-1 auf.
Die Gelenkantriebseinheit 912-2 ist ein Antriebsmechanismus der Gelenkeinheit 912, der zum Beispiel den Motor des in 7 veranschaulichten Stellglieds aufweist. Die Gelenkantriebseinheit 912-2 wird unter Steuerung der Antriebssteuerungseinheit 913 angetrieben, wodurch die Gelenkeinheit 912 drehend angetrieben wird.
Die Gelenkzustandserkennungseinheit 912-1 erkennt den Zustand der Gelenkeinheit 912, wie zum Beispiel den Drehwinkel der Gelenkeinheit 912 und das an der Gelenkeinheit 912 erzeugte Drehmoment. Die Gelenkzustandserkennungseinheit 912-1 weist den Encoder 703 und den Drehmomentsensor 704 auf, die an der Ausgangswelle des Verzögerers 702 des in 7 veranschaulichten Stellglieds 700 befestigt sind. Die Gelenkzustandserkennungseinheit 912-1 überträgt den erkannten Zustand der Gelenkeinheit 912 an das Steuerungssystem 900.
Währenddessen weist das Steuerungssystem 900 eine kooperative Ganzkörpersteuerungseinheit 930, eine ideale Gelenksteuerungseinheit 940, eine Eingabeeinheit 950 und eine Speicherungseinheit 960 auf. Das Steuerungssystem 900 weist zum Beispiel verschiedene extern mit der zu steuernden chirurgischen Armvorrichtung 100 verbundene Informationsverarbeitungsvorrichtungen auf, wie zum Beispiel einen Personal Computer (PC) und einen Server. Alternativ kann das Steuerungssystem 900 eine Vorrichtung sein, wie zum Beispiel eine Steuerung, die an der zu steuernden chirurgischen Armvorrichtung 100 montiert ist.
Die Eingabeeinheit 950 ist eine Eingabeschnittstelle für den Benutzer, um Informationen und Befehle bezüglich der Antriebssteuerung der chirurgischen Armvorrichtung 100 in das Steuerungssystem 900 einzugeben. Insbesondere weist die Eingabeeinheit 950 Operationsvorrichtungen, wie zum Beispiel eine Maus, eine Tastatur, ein Touch-Panel, Knöpfe, Schalter, einen Hebel, einen Joystick und ein Pedal, auf. Zum Beispiel wird das Antreiben des chirurgischen Arms 120 gemäß der Operationseingabe des Benutzers in die Eingabeeinheit 950 gesteuert, wodurch die Position und Stellung der Abbildungseinheit als der Endeffektor 110 gesteuert werden.
Die Speicherungseinheit 960 speichert verschiedene Arten von Informationen, die von dem Steuerungssystem 900 verarbeitet werden sollen. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Speicherungseinheit 960 verschiedene Parameter für die Verwendung bei der kooperativen Ganzkörpersteuerung der chirurgischen Armvorrichtung 100 speichern, die in dem Steuerungssystem 900 und bei Berechnungen bezüglich der idealen Gelenksteuerung der Gelenkeinheiten ausgeführt werden sollen. Zum Beispiel kann die Speicherungseinheit 960 Informationen bezüglich der Bewegungszwecke und Einschränkungsbedingungen speichern, die von Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 bei Berechnungen bezüglich der kooperativen Ganzkörpersteuerung (später beschrieben) verwendet werden sollen. Darüber hinaus kann in der vorliegenden Ausführungsform die Speicherungseinheit 960 verschiedene Arten von Arminformationen bezüglich des chirurgischen Arms 120 (zum Beispiel die Anzahl an Gelenken und Verbindungen, die den chirurgischen Arm 120 bilden, den Verbindungsstatus zwischen den Gelenken und den Verbindungen und die Länge der Verbindungen) speichern.
Die kooperative Ganzkörpersteuerungseinheit 930 ist ein Funktionsblock, der auf der Basis der Bewegungszwecke und Einschränkungsbedingungen des chirurgischen Arms 120 den Drehmomentbefehlswert τ_a an die Gelenkeinheit 912 in dem Operationsraum durch Berechnung durch Verwenden der verallgemeinerten inversen Dynamik berechnet. Die kooperative Ganzkörpersteuerungseinheit 930 weist eine Gelenkzustandserfassungseinheit 931, die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932, eine Schätzeinheit für virtuelle Kraft 933 und eine Berechnungseinheit für reale Kraft 934 auf.
Die Zustandserfassungseinheit 931 kann den durch die Gelenkzustandserkennungseinheit 912-1 erkannten Drehwinkel der Gelenkeinheit 912 und ein auf das Gelenk 912 wirkendes externes Drehmoment erfassen. Darüber hinaus speichert die Speicherungseinheit 960 verschiedene Arten von Informationen, die durch das Steuerungssystem 900 verarbeitet werden sollen. Insbesondere speichert die Speicherungseinheit 960 verschiedene Arten von Arminformationen bezüglich des chirurgischen Arms 120 (zum Beispiel die Anzahl der Gelenke und der Verbindungen, die den chirurgischen Arm 120 bilden, den Verbindungsstatus zwischen den Verbindungen und den Gelenken und die Länge der Verbindungen) (wie oben beschrieben). Die Zustandserfassungseinheit 931 kann solche Arminformationen von der Speicherungseinheit 960 erfassen. Deshalb kann die Zustandserfassungseinheit 931 auf der Basis des Zustands der Gelenkeinheit 912 und der Arminformation Informationen bezüglich der mehreren Gelenke, der mehreren Verbindungen und der Position der Abbildungseinheit in dem Raum (Koordinaten) (mit anderen Worten, die Form des chirurgischen Arms 120 und die Position und Stellung der Abbildungseinheit) und Kräfte, die auf die Gelenke, die Verbindungen und die Abbildungseinheit einwirken, als einen Armzustand erfassen. Die Zustandserfassungseinheit 931 überträgt die erfassten Arminformationen an die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932. Darüber hinaus kann die Zustandserfassungseinheit 931 auch den durch die Neigungserkennungseinheit 911 erkannten Neigungswinkel der chirurgischen Armvorrichtung 100 oder des chirurgischen Arms 120 erfassen.
Die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 stellt Berechnungsbedingungen für Berechnungen in Bezug auf die kooperative Ganzkörpersteuerung durch Verwenden verallgemeinerter inverser Dynamik ein. Die Berechnungsbedingungen hier sind zum Beispiel Bewegungszwecke und Einschränkungsbedingungen. Die Bewegungszwecke sind verschiedene Arten von Informationen bezüglich der Bewegung des chirurgischen Arms 120, insbesondere die Zielwerte der Position und Stellung (Koordinaten), Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft und dergleichen der Abbildungseinheit und die Zielwerte der Positionen (Koordinaten), Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte und dergleichen der mehreren Gelenkeinheiten und der mehreren Verbindungen, die den chirurgischen Arm 120 bilden. Darüber hinaus sind die Einschränkungsbedingungen hier verschiedene Arten von Informationen für das Begrenzen oder Einschränken der Bewegung des chirurgischen Arms 120, insbesondere die Werte der Koordinaten eines Bereichs, in dem die Bestandteile des chirurgischen Arms 120 unbeweglich sind, die Geschwindigkeiten, bei denen die Bestandteile des chirurgischen Arms 120 unbeweglich sind, die Beschleunigungen der Bestandteile des chirurgischen Arms 120, die Kräfte, die die Bestandteile des chirurgischen Arms 120 nicht erzeugen können, und dergleichen.
Darüber hinaus stellt die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 die Schwerkraft, Coriolis-Kraft und Zentrifugalkraft b abhängig von dem Neigungswinkel der chirurgischen Armvorrichtung 100 oder des chirurgischen Arms 120, der durch die Zustandserfassungseinheit 931 gemäß der vorstehenden Gleichung (6) erfasst wurde, ein.
Darüber hinaus kann die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 die Grenzbereiche verschiedener physikalischer Größen, die der chirurgische Arm 120 strukturell nicht implementieren kann, als Einschränkungsbedingungen einstellen. Darüber hinaus kann die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 ein physikalisches Modell der Struktur des chirurgischen Arms 120 haben (zum Beispiel ein Modell der Anzahl und Länge der Verbindungen, die den chirurgischen Arm 120 bilden, des Verbindungsstatus zwischen den Verbindungen über die Gelenkeinheiten und der Bewegungsbereiche der Gelenkeinheiten), und kann Bewegungsbedingungen und Einschränkungsbedingungen durch Erzeugen eines Steuerungsmodells einstellen, das gewünschte Bewegungsbedingungen und Einschränkungsbedingungen für das physikalische Modell reflektiert.
In der vorliegenden Ausführungsform erlaubt es das geeignete Einstellen der Bewegungszwecke und der Einschränkungsbedingungen dem chirurgischen Arm 120, die gewünschten Aktionen auszuführen. Zum Beispiel ist es eine Selbstverständlichkeit, dass es das Einstellen des Zielwerts der Position der Abbildungseinheit als der Endeffektor 110 als ein Bewegungszweck der Abbildungseinheit erlaubt, sich zu der Zielposition zu bewegen. Darüber hinaus erlaubt es das Einstellen einer Einschränkungsbedingung so, dass der chirurgische Arm 120 nicht in einen vorgegebenen Bereich in dem Raum eintritt (zum Beispiel so, dass der chirurgische Arm 120 nicht in die Körperhöhle des Patienten eindringt), dem chirurgischen Arm 120, unter der Einschränkung der Bewegung angetrieben zu werden.
Ein spezifisches Beispiel für einen Bewegungszweck ist ein Schwenkvorgang, durch den, während die Abbildungsrichtung der Abbildungseinheit als der Endeffektor 110 auf eine Richtung zu einem bestimmten zu operierenden Abschnitt festgelegt ist, die Abbildungseinheit in einer Ebene eines kreisförmigen Kegels schwenkt, wobei die Spitze an dem bestimmten Abschnitt um die Achse des kreisförmigen Kegels als eine Schwenkachse operiert werden soll. Bei dem Schwenkvorgang schwenkt zum Beispiel die Abbildungseinheit, während der Abstand zwischen der Abbildungseinheit und einem Punkt, der der Spitze des kreisförmigen Kegels entspricht, konstant gehalten wird. Der Schwenkvorgang einer solchen Abbildungseinheit macht es möglich, den Beobachtungsabschnitt von verschiedenen Winkeln in einem gleichem Abstand zu beobachten, um den Komfort des Operateurs zu verbessern.
Darüber hinaus kann ein anderes spezifisches Beispiel für einen Bewegungszweck eine Steuerung eines Drehmoments sein, das an den Gelenkeinheiten erzeugt wird, die den chirurgischen Arm 120 bilden. Insbesondere kann der Bewegungszweck eine Kraftunterstützungsaktion des Steuerns des Zustands der Gelenkeinheiten 130, um die auf die Armeinheit 120 wirkende Schwerkraft aufzuheben, und des Steuerns der Zustände der Gelenkeinheiten, um die Bewegung der Armeinheit 120 in die Richtung einer von extern angewendeten Kraft zu unterstützen, sein. Bei der Kraftunterstützungsaktion wird der Antrieb der Gelenkeinheiten gesteuert, um ein Drehmoment zu erzeugen, das ein externes Drehmoment aufgrund der Schwerkraft an den Gelenkeinheiten, die den chirurgischen Arm 120 bilden, aufhebt, sodass die Position und Stellung des chirurgischen Arms 120 in einem vorgegebenen Zustand gehalten werden kann. In einem Fall, in dem externes Drehmoment ferner von außen angewendet wird (zum Beispiel von dem Benutzer), wird der Antrieb der Gelenkeinheiten gesteuert, um ein erzeugendes Drehmoment in der gleichen Richtung wie das angewendete externe Drehmoment zu erzeugen. In einem Fall, in dem der Benutzer den chirurgischen Arm 120 manuell bewegt, ermöglicht es das Ausführen einer solchen Kraftunterstützungsaktion dem Benutzer, den chirurgischen Arm 120 manuell mit einer geringeren Kraft zu bewegen und sich so zu fühlen, als ob er/sie den chirurgischen Arm 120 in Schwerelosigkeit bewegt. Darüber hinaus können der Schwenkvorgang und die Kraftunterstützungsaktion miteinander kombiniert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Bewegungszweck ein Konzept, das sowohl einen momentanen Bewegungszweck (zum Beispiel die Zielwerte der Position, Geschwindigkeit, Kraft und dergleichen der Bestandteile des chirurgischen Arms 120 zu einer bestimmten Zeit) als auch mit der Zeit implementierte Bewegung der Bestandteile des chirurgischen Arms 120 als ein Ergebnis des kontinuierlichen Erreichens des momentanen Bewegungszwecks aufweist. Zum Beispiel werden bei dem oben beschriebenen Schwenkvorgang, obwohl der Schwenkvorgang der Abbildungseinheit ein Bewegungszweck für sich selbst ist, die Werte der Position und Geschwindigkeit der Abbildungseinheit in der Ebene des kreisförmigen Kegels während des Schwenkvorgangs als momentane Bewegungszwecke (die Zielwerte für die Bewegungszwecke) eingestellt. Darüber hinaus wird bei der Kraftunterstützungsaktion, obwohl das Ausführen der Kraftunterstützungsaktion zum Unterstützen der Bewegung des chirurgischen Arms 120 in die Richtung der von extern angewendeten Kraft der Bewegungszweck für sich selbst ist, der Wert des erzeugenden Drehmoments in die gleiche Richtung wie das externe Drehmoment, das auf die Gelenkeinheiten während der Kraftunterstützungsaktion angewendet wird, als ein momentaner Bewegungszweck (der Zielwert für den Bewegungszweck) eingestellt. In jedem der Berechnungsschritte für die kooperative Ganzkörpersteuerung durch eine Ganzkörperkoordinationssteuerung 240 werden die momentanen Bewegungszwecke jedes Mal eingestellt, und die Berechnungen werden wiederholt ausgeführt, um schließlich den gewünschten Bewegungszweck zu erreichen.
Es ist zu beachten, dass zu der Zeit des Einstellens der Bewegungszwecke durch die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 der Viskositätswiderstandskoeffizient in der Drehbewegung jeder der Gelenkeinheiten auch als geeignet eingestellt werden kann (sofern das Stellglied für den Gelenkantrieb dazu ausgelegt ist, den Viskositätswiderstandskoeffizienten in der Drehbewegung anzupassen). Zum Beispiel können gemäß dem einzustellenden Bewegungszweck die Gelenkeinheiten in Bezug auf die von extern angewendete Kraft in den Zustand leicht zu drehen, oder den Zustand schwer zu drehen eingestellt werden. Insbesondere erlaubt es bei der Kraftunterstützungsaktion das Einstellen eines geringen Viskositätswiderstandskoeffizienten für die Gelenkeinheiten dem Benutzer, den chirurgischen Arm 120 durch eine geringere Kraft zu bewegen und ein Gefühl der Gewichtslosigkeit zu spüren.
Darüber hinaus kann die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 den Bewegungszweck auf der Basis des von der Zustandserfassungseinheit 931 erfassten Zustands des chirurgischen Arms 120 einstellen. Zum Beispiel erfasst in einem Fall, in dem der Benutzer wünscht, den chirurgischen Arm 120 manuell zu bewegen, die Zustandserfassungseinheit 931 die Positionsinformationen des chirurgischen Arms 120 und die Informationen bezüglich der auf den chirurgischen Arm 120 wirkenden Kraft, und die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 kann die Position, Geschwindigkeit, Kraft und dergleichen der Bewegung des chirurgischen Arms 120 durch den Benutzer als einen momentanen Bewegungszweck einstellen. Gemäß dem Verfahren für das Einstellen eines solchen Bewegungszwecks ist es möglich, den Antrieb des chirurgischen Arms 120 zu steuern, um der Bewegung des chirurgischen Arms 120 durch den Benutzer zu folgen und diese zu unterstützen.
Darüber hinaus kann die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 die Bewegungszwecke und die Einschränkungsbedingungen gemäß der Anweisung von dem Benutzer über die Eingabeeinheit 950 einstellen. Zum Beispiel kann die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 gemäß der durch den Benutzer an der Operationsvorrichtung, wie zum Beispiel dem als die Eingabeeinheit 950 vorgesehenen Hebel oder Pedal, ausgeführten Operation die momentanen Bewegungszwecke, wie zum Beispiel die Positionen und Geschwindigkeiten der Bestandteile des chirurgischen Arms 120, einstellen.
Darüber hinaus kann in einem Fall, in dem die Berechnungsbedingungen, wie zum Beispiel die Bewegungszwecke und die Einschränkungsbedingungen, in der Speicherungseinheit 960 gespeichert sind, die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 die von der Speicherungseinheit 960 gelesene Berechnungsbedingung einstellen. Zum Beispiel können in einem Fall, in dem es der Bewegungszweck ist, die Abbildungseinheit als den Endeffektor 110 dazu zu veranlassen, an einer vorgegebenen Position in dem Raum stillzustehen, die Koordinaten der vorgegebenen Position in der Speicherungseinheit 960 als der Bewegungszweck vorgespeichert werden. Darüber hinaus können zum Beispiel in einem Fall, in dem es der Bewegungszweck ist, die Abbildungseinheit dazu zu veranlassen, sich auf einem vorgegebenen Weg in dem Raum zu bewegen, die Koordinaten von mehreren Punkten, die den Weg interpolieren können, in der Speicherungseinheit 960 als der Bewegungszweck vorgespeichert werden. Darüber hinaus können in einem Fall, in dem der Bewegungszweck der Schwenkvorgang der Abbildungseinheit ist (wie oben beschrieben), die Zielwerte der Position, Geschwindigkeit und dergleichen der Abbildungseinheit, die in der Ebene des kreisförmigen Kegels schwenkt, in der Speicherungseinheit 960 vorgespeichert werden. Darüber hinaus kann in einem Fall, in dem der Bewegungszweck die Kraftunterstützungsaktion ist, der Zielwert der Kraft in der Speicherungseinheit 960 vorgespeichert werden. Es ist zu beachten, dass die Prioritäten der Bewegungszwecke auf die in der Speicherungseinheit 960 gespeicherten Einschränkungsbedingungen eingestellt werden können. In einem Fall, in dem es mehrere unterschiedliche Bewegungszwecke gibt, kann die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 den Bewegungszweck gemäß der Priorität der Einschränkungsbedingung einstellen.
Bisher wurden Beispiele von Verfahren für das Einstellen durch die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 von Berechnungsbedingungen, die bei der verallgemeinerten inversen Dynamikberechnung verwendet werden sollen, wie zum Beispiel Bewegungszwecke und Einschränkungsbedingungen, beschrieben. Welches dieser Verfahren verwendet werden soll, kann durch den Benutzer gemäß dem Verwendungszweck der chirurgischen Armvorrichtung 100 oder dergleichen als geeignet ausgewählt werden. Selbstverständlich können die mehreren beispielhaften obigen Verfahren kombiniert werden, um die Berechnungsbedingungen durch die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 einzustellen. Die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 überträgt den von der Zustandserfassungseinheit 931 empfangenen Zustand der chirurgischen Armvorrichtung 100 und die durch die Berechnungsbedingungseinstelleinheit 932 selbst eingestellten Bewegungsbedingungen und Einschränkungsbedingungen an die Schätzeinheit für virtuelle Kraft 933.
Die Schätzeinheit für virtuelle Kraft 933 führt eine Berechnung durch Verwenden der verallgemeinerten inversen Dynamik gemäß dem Berechnungsprozess für virtuelle Kraft aus, um die sich auf die kooperative Ganzkörpersteuerung beziehende virtuelle Kraft f_v zu berechnen. Die Schätzeinheit für virtuelle Kraft 993 überträgt die berechnete virtuelle Kraft f_v an die Berechnungseinheit für reale Kraft 934.
Die Berechnungseinheit für reale Kraft 934 löst die Bedingung für das Implementieren der verallgemeinerten Kraft τ_v (= J_v ^Tf_v) durch eine virtuelle Kraft von dem an den Gelenkeinheiten erzeugten erzeugenden Drehmoment τ_a und der externen Kraft f_e als ein sekundäres Planungsproblem gemäß dem oben beschriebenen Berechnungsprozess für reale Kraft, um die reale Kraft τ_a zu berechnen. Die Berechnungseinheit für reale Kraft 934 überträgt die berechnete reale Kraft τ_a als einen Drehmomentbefehlswert an die ideale Gelenksteuerungseinheit 940.
Die in der vorstehenden Gleichung (5) ausgedrückte Vorspannungsbeschleunigung c des Operationsraums (zum Beispiel des Gelenkraums des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers) weist den Ausdruck b, der der Schwerkraft, Coriolis-Kraft und Zentrifugalkraft entspricht, auf. In einem Fall, in dem die chirurgische Armvorrichtung 100 an einem beweglichen Operationstisch befestigt ist, ändert sich die Z-Achsenrichtung in dem lokalen Koordinatensystem zusammen mit der Neigung des Operationstisches 300 (oder der Patientenauflagefläche), sodass die auf den chirurgischen Arm 120 wirkende Schwerkraft nicht immer mit der Z-Richtung in dem lokalen Koordinatensystem übereinstimmen kann. Wie oben beschrieben, werden in der vorliegenden Ausführungsform die Schwerkraft g, Coriolis-Kraft und die Zentrifugalkraft v als eine Funktion des Gelenkwinkels oder der Gelenkwinkelgeschwindigkeit (entsprechend dem Neigungswinkel der chirurgischen Armvorrichtung 100, der durch die Neigungserkennungseinheit 911 erkannt wird) behandelt, wie in der vorstehenden Gleichung (6) ausgedrückt. Dementsprechend kann die Schätzeinheit für virtuelle Kraft 933 die virtuelle Kraft, zu der eine Schwerkraftkompensation gemacht wird, auf die korrekte Richtung der Schwerkraft durch eine Berechnung basierend auf der verallgemeinerten inversen Dynamik durch Verwenden der Bewegungsgleichung einschließlich der Operationsraumvorspannungsbeschleunigung c mit dem Term der Schwerkraft, die in die korrekte Richtung der Schwerkraft wirkt, gemäß dem gegenwärtigen Neigungswinkel des Hauptkörpers der chirurgischen Armvorrichtung 100, der durch die Neigungserkennungseinheit 911 erfasst wird, schätzen. Dementsprechend kann die Berechnungseinheit für reale Kraft 934 die reale Kraft berechnen, auf die Schwerkraftkompensation in der korrekten Richtung der Schwerkraft gemacht wird, und diese an die ideale Gelenksteuerungseinheit 940 weitergeben.
Die ideale Gelenksteuerungseinheit 940 ist ein Funktionsmodul, das bei der Kraftsteuerung an der Gelenkeinheit 912 die Reaktionen eines die Gelenkeinheit 912 antreibenden Stellglieds gemäß einem logischen Modell korrigiert, während es den Einfluss von Störungen vermeidet, die sich aus Parametern von Dynamik ergeben, die schwierig zu modellieren und zu identifizieren sind, wie zum Beispiel die Reibung und Trägheit des Stellglieds. Die ideale Gelenksteuerungseinheit 940 weist eine Störungsschätzeinheit 941 und eine Befehlswertberechnungseinheit 942 auf.
Die Störungsschätzeinheit 941 schätzt das auf das Gelenkdrehmoment wirkende Drehmoment auf der Basis der Drehwinkelgeschwindigkeit, die aus dem von der Gelenkzustandserkennungseinheit 912-2 (dem an der Ausgangswelle des Verzögerers 702 in dem Stellglied 700 befestigten Encoder 703) erkannten Drehwinkel q berechnet wird, und schätzt das Störungsdrehmoment τ_d von der Differenz zwischen dem geschätzten Drehmoment und dem Drehmomentbefehlswert τ.
Die Befehlswertberechnungseinheit 942 verwendet das durch die Störungsschätzeinheit 941 geschätzte Störungsdrehmoment τ_d, um den an der Gelenkeinheit 912 zu erzeugenden Drehmomentbefehlswert τ zu berechnen. Insbesondere addiert die Befehlswertberechnungseinheit 942 das Störungsdrehmoment τ_d zu dem Drehmomentbefehlswert τ^ref, der von dem in der vorstehenden Gleichung (15) ausgedrückten idealen Reaktionsmodell der Gelenkeinheit 912 berechnet wurde, um den Drehmomentbefehlswert τ zu berechnen. Dann überträgt die Befehlswertberechnungseinheit 942 den berechneten Drehmomentbefehlswert τ an die Antriebssteuerungseinheit 913. Die Antriebssteuerungseinheit 913 steuert den Drehwinkel und das erzeugende Drehmoment der Gelenkeinheiten 912 gemäß dem Drehmomentbefehlswert τ.
Wie oben beschrieben, führt das Steuerungssystem 900 die kooperative Ganzkörpersteuerung des chirurgischen Arms 120 und verschiedene Berechnungen bezüglich der idealen Gelenksteuerung der Gelenkeinheiten 912 auf der Basis des Gelenkzustands der chirurgischen Armvorrichtung 100, der Bewegungszwecke und der Einschränkungsbedingungen aus, und überträgt den als Berechnungsergebnis erhaltenen Drehmomentbefehlswert τ an die chirurgische Armvorrichtung 100. Andererseits steuert die chirurgische Armvorrichtung 100 das Antreiben der Gelenkeinheiten 912, die den chirurgischen Arm 120 bilden, gemäß dem empfangenen Drehmomentbefehlswert τ, und erkennt den Gelenkzustand der Gelenkeinheiten 912 während und nach dem Antreiben, und überträgt die Erkennungsergebnisse an das Steuerungssystem 900. Während des Antreibens der chirurgischen Armvorrichtung 100 werden solche Übertragungen und Empfänge zwischen dem Steuerungssystem 900 und der chirurgischen Armvorrichtung 100 kontinuierlich wiederholt.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die hierin offenbarte Technik wurde bisher unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen im Detail beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass Fachleute Modifikationen und Ersetzungen der Ausführungsformen erreichen können, ohne von dem Hauptinhalt der hierin offenbarten Technik abzuweichen.
In den hierin beschriebenen Ausführungsformen wird die hierin offenbarte Technik hauptsächlich auf eine chirurgische Armvorrichtung angewendet. Der Hauptinhalt der hierin offenbarten Technik ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern ist auch in einer ähnlichen Weise auf kraftgesteuerte Armvorrichtungen anwendbar, die für andere medizinische Zwecke als Chirurgie oder verschiedene andere technische Gebiete als das medizinische Gebiet verwendet werden.
Kurz, die hierin offenbarte Technik wurde in der Form von Erläuterung beschrieben, und somit sollte die Beschreibung hierin nicht auf eine beschränkte Weise interpretiert werden. Der Hauptinhalt der hierin offenbarten Technik sollte unter Bezugnahme auf die Ansprüche interpretiert werden.
Es ist zu beachten, dass die hierin offenbarte Technik auch wie folgt ausgelegt werden kann:

(1) Ein Steuerungssystem, das eine chirurgische Armvorrichtung steuert, das Folgendes aufweist:
- eine Neigungsinformationserfassungseinheit, die eine Neigungsinformation der chirurgischen Armvorrichtung erfasst;
- eine Einstelleinheit, die eine Berechnungsbedingung einschließlich einer Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation einstellt; und
- eine Berechnungseinheit, die einen Befehlswert für die chirurgische Armvorrichtung gemäß der Berechnungsbedingung berechnet.
(2) Das Steuerungssystem gemäß (1), in dem die Neigungsinformationserfassungseinheit eine Neigungsinformation erfasst, die sich von der Neigung eines Operationstisches ergibt, an dem die chirurgische Armvorrichtung befestigt ist.
(3) Das Steuerungssystem gemäß (2), in dem die Neigungsinformation eine Winkelinformation ist.
(4) Das Steuerungssystem gemäß (2), in dem die Neigungsinformationserfassungseinheit Informationen bezüglich eines Neigungswinkels einer Patientenauflagefläche des Operationstisches erfasst.
(5) Das Steuerungssystem gemäß einem von (1) bis (4), in dem die chirurgische Armvorrichtung einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper aufweist, in dem mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit miteinander gekoppelt sind, die Berechnungsbedingungseinstelleinheit einen Bewegungszweck und eine Einschränkungsbedingung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in einem Operationsraum einstellt, die die Trägheit der auf den Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkenden Kraft und die Beschleunigung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in verallgemeinerter inverser Dynamik beschreiben, und die Berechnungseinheit eine virtuelle Kraft berechnet, die auf den Operationsraum wirkt, um die Operationsraumbeschleunigung, die den Bewegungszweck anzeigt, auf der Basis einer Bewegungsgleichung zu implementieren, die sich auf den Operationsraum bezieht, einschließlich eines Begriffs einer Operationsraumvorspannungsbeschleunigung unter Berücksichtigung der Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation, die virtuelle Kraft in eine reale Kraft unter Berücksichtigung der Einschränkungsbedingung umwandelt, und einen Drehmomentbefehlswert für das Antreiben der Gelenkeinheit auf der Basis der realen Kraft berechnet.
(6) Das Steuerungssystem gemäß (4), in dem die Berechnungseinheit eine weitere Korrektur der realen Kraft macht, sodass die Gelenkeinheit nicht von einem logischen Reaktionsmodell abweicht.
(7) Das Steuerungssystem gemäß (6), in dem die Berechnungseinheit einen auf der Basis des logischen Reaktionsmodells berechneten Drehmomentzielwert gemäß der auf die Gelenkeinheit wirkenden realen Kraft und dem auf die Gelenkeinheit wirkenden externen Drehmoment durch Verwenden eines Störungsdrehmoments der Gelenkeinheit korrigiert, um den Drehmomentbefehlswert zu berechnen.
(8) Das Steuerungssystem gemäß (7), in dem die Berechnungseinheit ein auf die Gelenkeinheit wirkendes Drehmoment von einer Winkelgeschwindigkeit der Gelenkeinheit schätzt, und das Störungsdrehmoment auf der Basis einer Differenz zwischen dem geschätzten Drehmoment und dem Drehmomentbefehlswert schätzt.
(9) Ein Steuerungsverfahren für das Steuern einer chirurgischen Armvorrichtung, das Folgendes aufweist:
- einen Neigungsinformationserfassungsschritt des Erfassens einer Neigungsinformation der chirurgischen Armvorrichtung;
- einen Einstellschritt des Einstellens einer Berechnungsbedingung einschließlich einer Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation; und
- einen Berechnungsschritt des Berechnens eines Befehlswerts für die chirurgische Armvorrichtung gemäß der Berechnungsbedingung.
(10) Ein chirurgisches Armsystem, das Folgendes aufweist:
- einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper, in dem mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit gekoppelt sind;
- eine Neigungsinformationserfassungseinheit, die eine Neigungsinformation des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers erfasst;
- eine Gelenkzustandserkennungseinheit, die einen Zustand der Gelenkeinheit erkennt; und
- eine Antriebssteuerungseinheit, die das Antreiben der Gelenkeinheit gemäß einem Befehlswert steuert, der abhängig von der Neigungsinformation und dem Zustand der Gelenkeinheit berechnet wird.
(11) Das chirurgische Armsystem gemäß (10), in dem die Neigungsinformationserfassungseinheit eine Neigungsinformation erfasst, die sich von der Neigung eines Operationstisches ergibt, an dem die chirurgische Armvorrichtung befestigt ist.
(12) Das chirurgische Armsystem gemäß (11), in dem die Neigungsinformation eine Winkelinformation ist.
(13) Das chirurgische Armsystem gemäß (11), in dem die Neigungsinformationserfassungseinheit Informationen bezüglich eines Neigungswinkels einer Patientenauflagefläche des Operationstisches erfasst.
(14) Das chirurgische Armsystem gemäß einem von (10) bis (13), in dem, in verallgemeinerter inverser Dynamik, für das Implementieren einer Operationsraumbeschleunigung, die einen Bewegungszweck des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in einem Operationsraum anzeigt, der eine auf den Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkende Trägheitskraft und eine Beschleunigung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers beschreibt, die Antriebssteuerungseinheit die Gelenkeinheit antreibt, gemäß einem Drehmomentbefehlswert, der auf einer realen Kraft basiert, die durch Umwandeln einer virtuellen Kraft, die auf den Operationsraum einwirkt, die auf der Basis einer Bewegungsgleichung, die sich auf den Operationsraum bezieht, berechnet wird, erhalten wird, einschließlich eines Begriffs einer Operationsraumvorspannungsbeschleunigung unter Berücksichtigung von Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation.
(15) Das chirurgische Armsystem gemäß (14), in dem die Antriebssteuerungseinheit die Gelenkeinheit gemäß einem Drehmomentbefehlswert antreibt, der auf der realen Kraft basiert, auf die eine Korrektur gemacht wird, sodass die Gelenkeinheit nicht von einem logischen Reaktionsmodell abweicht.
(16) Das chirurgische Armsystem gemäß (15), in dem die Gelenkeinheit gemäß einem Drehmomentbefehlswert angetrieben wird, bei dem ein Drehmomentzielwert, der auf der Basis des logischen Reaktionsmodells gemäß der auf die Gelenkeinheit wirkenden realen Kraft und dem auf die Gelenkeinheit wirkenden externen Drehmoment berechnet wird, durch Verwenden eines Stördrehmoments, das auf einer Differenz zwischen dem geschätzten Drehmoment, das auf die Gelenkeinheit wirkt, und einem Drehmomentbefehlswert basiert, korrigiert wird.

Bezugszeichenliste

100: Chirurgische Armvorrichtung
110: Endeffektor
111: Handgelenk
120: Chirurgischer Arm
200: Schlitten
300: Operationstisch
600: Steuerungssystem
601: Zustandserfassungseinheit
602: Berechnungsbedingungseinstelleinheit
603: Kraftberechnungseinheit
604: Befehlswertumwandlungseinheit
611: Neigungserkennungseinheit
612: Gelenkeinheit
612-1: Gelenkzustandserkennungseinheit
612-2: Gelenkantriebseinheit
613: Antriebssteuerungseinheit
700: Stellglied
701: Motor
702: Verzögerer
703: Encoder
704: Drehmomentsensor
801: Berechnungseinheit (ideales Reaktionsmodell)
802: Berechnungseinheit (Drehmomentberechnung)
803: Gelenk (Übertragungsfunktion 1/J_n)
804: Berechnungseinheit (Differenzierungsoperation)
810: Störungsbeobachter
811: Berechnungseinheit (Schätzung wirkendes Drehmoment)
812: Berechnungseinheit (Tiefpassfilter)
900: Steuerungssystem
911: Neigungserkennungseinheit
912: Gelenkeinheit
912-1: Gelenkzustandserkennungseinheit
912-2: Gelenkantriebseinheit
913: Antriebssteuerungseinheit
920: Anzeigevorrichtung
930: Kooperative Ganzkörpersteuerungseinheit
931: Zustandserfassungseinheit
932: Berechnungsbedingungseinstelleinheit
933: Schätzeinheit für virtuelle Kraft
934: Berechnungseinheit für reale Kraft
940: Ideale Gelenksteuerungseinheit
941: Störungsschätzeinheit
942: Befehlswertberechnungseinheit
950: Eingabeeinheit
960: Speicherungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/046081 A [0005]
JP 2016518199 [0005]
JP 200995959 [0065]
JP 2010188471 [0065]
JP 2009288198 [0068]

Claims

Steuerungssystem, das eine chirurgische Armvorrichtung steuert, das Folgendes umfasst: eine Neigungsinformationserfassungseinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Neigungsinformation der chirurgischen Armvorrichtung zu erfassen; eine Einstelleinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Berechnungsbedingung einschließlich einer Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation einzustellen; und eine Berechnungseinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Befehlswert für die chirurgische Armvorrichtung gemäß der Berechnungsbedingung zu berechnen.
Steuerungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Neigungsinformationserfassungseinheit eine Neigungsinformation erfasst, die sich von der Neigung eines Operationstisches ergibt, an dem die chirurgische Armvorrichtung befestigt ist.
Steuerungssystem gemäß Anspruch 2, wobei die Neigungsinformation eine Winkelinformation ist.
Steuerungssystem gemäß Anspruch 2, wobei die Neigungsinformationserfassungseinheit Informationen bezüglich eines Neigungswinkels einer Patientenauflagefläche des Operationstisches erfasst.
Steuerungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die chirurgische Armvorrichtung einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper aufweist, in dem mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit miteinander gekoppelt sind, die Berechnungsbedingungseinstelleinheit einen Bewegungszweck und eine Einschränkungsbedingung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in einem Operationsraum einstellt, die die Trägheit der auf den Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkenden Kraft und die Beschleunigung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in verallgemeinerter inverser Dynamik beschreiben, und die Berechnungseinheit eine virtuelle Kraft berechnet, die auf den Operationsraum wirkt, um die Operationsraumbeschleunigung, die den Bewegungszweck anzeigt, auf einer Basis einer Bewegungsgleichung zu implementieren, die sich auf den Operationsraum bezieht, einschließlich eines Begriffs einer Operationsraumvorspannungsbeschleunigung unter Berücksichtigung der Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation, die die virtuelle Kraft in eine reale Kraft unter Berücksichtigung der Einschränkungsbedingung umwandelt, und einen Drehmomentbefehlswert für das Antreiben der Gelenkeinheit auf einer Basis der realen Kraft berechnet.
Steuerungssystem gemäß Anspruch 5, wobei die Berechnungseinheit eine weitere Korrektur der realen Kraft macht, sodass die Gelenkeinheit nicht von einem logischen Reaktionsmodell abweicht.
Steuerungssystem gemäß Anspruch 6, wobei die Berechnungseinheit einen auf einer Basis des logischen Reaktionsmodells berechneten Drehmomentzielwert gemäß der auf die Gelenkeinheit wirkenden realen Kraft und dem auf die Gelenkeinheit wirkenden externen Drehmoment durch Verwenden des Störungsdrehmoments der Gelenkeinheit korrigiert, um den Drehmomentbefehlswert zu berechnen.
Steuerungssystem gemäß Anspruch 7, wobei die Berechnungseinheit ein auf die Gelenkeinheit wirkendes Drehmoment von einer Winkelgeschwindigkeit der Gelenkeinheit schätzt, und das Störungsdrehmoment auf einer Basis einer Differenz zwischen dem geschätzten Drehmoment und dem Drehmomentbefehlswert schätzt.
Steuerungsverfahren für das Steuern einer chirurgischen Armvorrichtung, das Folgendes umfasst: einen Neigungsinformationserfassungsschritt des Erfassens einer Neigungsinformation der chirurgischen Armvorrichtung; einen Einstellschritt des Einstellens einer Berechnungsbedingung einschließlich einer Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation; und einen Berechnungsschritt des Berechnens eines Befehlswerts für die chirurgische Armvorrichtung gemäß der Berechnungsbedingung.
Chirurgisches Armsystem, das Folgendes umfasst: einen Mehrfachverbindungsstrukturkörper, in dem mehrere Verbindungen durch eine Gelenkeinheit gekoppelt sind; eine Neigungsinformationserfassungseinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Neigungsinformation des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers zu erfassen; eine Gelenkzustandserkennungseinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Zustand der Gelenkeinheit zu erkennen; und eine Antriebssteuerungseinheit, die dazu ausgelegt ist, das Antreiben der Gelenkeinheit gemäß einem Befehlswert zu steuern, der abhängig von der Neigungsinformation und dem Zustand der Gelenkeinheit berechnet wird.
Chirurgisches Armsystem gemäß Anspruch 10, wobei die Neigungsinformationserfassungseinheit eine Neigungsinformation erfasst, die sich von der Neigung eines Operationstisches ergibt, an dem die chirurgische Armvorrichtung befestigt ist.
Chirurgisches Armsystem gemäß Anspruch 11, wobei die Neigungsinformation eine Winkelinformation ist.
Chirurgisches Armsystem gemäß Anspruch 11, wobei die Neigungsinformationserfassungseinheit Informationen bezüglich eines Neigungswinkels einer Patientenauflagefläche des Operationstisches erfasst.
Chirurgisches Armsystem gemäß Anspruch 10, wobei, in verallgemeinerter inverser Dynamik, für das Implementieren einer Operationsraumbeschleunigung, die einen Bewegungszweck des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers in einem Operationsraum anzeigt, der eine auf den Mehrfachverbindungsstrukturkörper wirkende Trägheitskraft und eine Beschleunigung des Mehrfachverbindungsstrukturkörpers beschreibt, die Antriebssteuerungseinheit die Gelenkeinheit antreibt, gemäß einem Drehmomentbefehlswert, der auf einer realen Kraft basiert, die durch Umwandeln einer virtuellen Kraft, die auf den Operationsraum wirkt, die auf einer Basis einer Bewegungsgleichung, die sich auf den Operationsraum bezieht, berechnet wird, erhalten wird, einschließlich eines Begriffs einer Operationsraumvorspannungsbeschleunigung unter Berücksichtigung von Schwerkraftkompensation gemäß der Neigungsinformation.
Chirurgisches Armsystem gemäß Anspruch 14, wobei die Antriebssteuerungseinheit die Gelenkeinheit gemäß einem Drehmomentbefehlswert antreibt, der auf der tatsächlichen Kraft basiert, an der eine Korrektur gemacht wird, sodass die Gelenkeinheit nicht von einem logischen Reaktionsmodell abweicht.
Chirurgisches Armsystem gemäß Anspruch 15, wobei die Gelenkeinheit gemäß einem Drehmomentbefehlswert angetrieben wird, bei dem ein Drehmomentzielwert, der auf einer Basis des logischen Reaktionsmodells gemäß der auf die Gelenkeinheit wirkenden realen Kraft und dem auf die Gelenkeinheit wirkenden externen Drehmoment berechnet wird, durch Verwenden eines Störungsdrehmoments, das auf einer Differenz zwischen dem geschätzten Drehmoment, das auf die Gelenkeinheit wirkt, und einem Drehmomentbefehlswert basiert, korrigiert wird.