JP2007520361A - ロボットの姿勢確認システム - Google Patents

Abstract

エンドアクチュエータ及び基台の間に取り付けられた１個の追加センサーを利用することによって、ロボットのセンサー故障の有効なバックアップを担保する装置及び方法が提供される。前記１個の追加センサーは、システムに生じるかもしれないいずれか１個のエンコーダの故障についての絶対的なバックアップであって、いずれか２個のエンコーダの故障についての統計的に有意なバックアップを提供する。１個の追加センサーが前記ロボットシステムに該ロボットの制御アルゴリズムへの１個の冗長な情報入力を有効に提供し、該情報入力は、他の対照センサーのいずれか、あるいは、前記追加センサー自体かが故障し、誤った読み取り値を送達しているかどうかを決定して、該故障についてオペレータに警告するために用いられる場合がある。２個のセンサーの故障が検出されないようなやり方で同時に故障する可能性は統計的に有意ではないとみられる場合があるため、１個の追加センサーは２個のセンサーの同時故障の有用な警告をも提供する。

Description

本発明は、ロボットの制御されたエンドエフェクタの姿勢（ｐｏｓｅ）の信頼性に関し、特に、統計的に容認できるレベルのロボットの姿勢の信頼性を担保するために必要な最小限のバックアップ構成に関する。

ロボットシステムは、正確かつ最小限の侵襲で手術器具の位置を決めることにより外科医の能力を増強するために、医療分野に最近進出してきた。特にロボットは、遠隔操作（例えば、カリフォルニア州、ＳｕｎｎｙｖａｌｅのＩｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｃ．社によって供給されるｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システム）、脳生検用半自動装置（カリフォルニア州、ＤａｖｉｓのＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．社によって供給されるＮｅｕｒｏＭａｔｅ（商標）システム）及び腰及び膝の人工関節形成術用の自動ロボット（例えば、カリフォルニア州、ＤａｖｉｓのＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．社によって供給されるＲＯＢＯＤＯＣ（登録商標）システム）に使用されてきた。

かかる危険な業務では、位置制御コンポーネントの故障は重大な影響を及ぼす可能性がある。システムの信頼性を向上させるために、従来技術の外科用ロボットは、関節の動きを測定して、手術器具の位置及び配向、すなわち、ロボットの姿勢及び動作の経路を決定する制御アルゴリズムへの入力を提供するコンポーネントである、エンコーダ又は位置センサーを２組装備することがしばしばあった。前記２組のセンサーは、エンコーダの故障の場合のバックアップとしての役割を果たす。制御エンコーダと並列バックアップ用エンコーダとの読み取り値の食い違いは、センサーの故障を即座に示す。

リンク及び関節が直列に接続される直列型ロボットでは、関節アクチュエータのそれぞれはエンドエフェクタの場所に直列的に影響を与え、一般的に該エンドエフェクタの場所を測定する内部位置センサーは存在しない。したがって、エンコーダのそれぞれが、同じ軸上の第２のエンコーダによってバックアップされる必要がある。

反対に、並列型ロボット及び直並列ハイブリッド型ロボットでは、基台に対するエンドエフェクタの場所を直接測定することが可能であり、したがって、必ずしも関節自体にではなく、むしろ前記基台と出力エンドエフェクタとの間に第２の組のバックアップセンサーを配置することが可能である。

特許文献１では、自由度６の並列型ロボットについては、基台と可動プラットホームとの間に配置される少なくとも３個の追加センサーを用いて、センサー故障の容認できる安全なバックアップを提供することが可能であることが示唆される。
国際公開公報第ＷＯ ０１／１９２７２号明細書

しかし、各位置センサー及びこれに付随する制御回路のコストは安いとはいえないし、より重要なことには、かかる小型ロボットでは利用可能な空間は貴重であるため、かかるロボット用にバックアップ情報を提供しつつ、適切な安全マージンを提供する、より単純な方法を工夫することが望ましいであろう。

この節及び本明細書の他の節で言及される刊行物のそれぞれの開示内容は、引用によってそれぞれその全体が本明細書に取り込まれる。

発明の概要
本発明は、エンドエフェクタ及び基台の間に取り付けられる１個の追加センサーだけを用いることによって、ロボットのセンサー故障の効果的なバックアップを担保する新規装置及び方法を提供しようとするものである。かかる１個の追加センサーの使用は、ロボットの駆動リンク又はヒンジに付随するセンサーの１つであるか、追加センサー自体かにかかわらず、システムのどこかで発生するいずれかのセンサー／エンコーダの故障について、汎用で統計的に有意と考えられる場合がある有効なバックアップを提供する。

１個の追加センサーの使用はロボット制御アルゴリズムに１つの冗長な情報入力を効果的に提供するが、該アルゴリズムは他の制御センサーのいずれか、あるいは、前記追加センサー自体かが故障していて、誤った読み取り値を送達しているかどうかを決定して、オペレータに故障について警告するために使用することができる。さらに、２個または３個以上のセンサーが、故障の検出ができない状態で同時に故障する確率が小さいので統計的に有意でないため外科手術用であってもかかるロボットの安全性の要求範囲内であるとみなされる場合に、１個の追加センサーの使用は２個または３個以上のセンサーが同時に故障したことの有用な警告を提供することができる。本発明の方法及び装置は、自由度がいくつのロボットでの使用にでも適用される場合があり、一般に、前記追加センサーは、該ロボットの自由度に必要な数のセンサーによって提供される読み取り値を超える１つの冗長な読み取り値を提供する。さらに、本発明に用いられるセンサーは、ロボットの駆動リンク又はヒンジの状態を決定するためのものであっても、前記追加センサー自体の状態を決定するためのものであっても、長さセンサーか角度センサーかこれらの組み合わせかのいずれかである場合がある。長さセンサーの場合には決定される駆動リンクの状態はその長さであり、角度センサーの場合には決定される状態は付随するリンク又はヒンジの配向角度である。

本明細書を通じて、センサーはリンクの長さ又は関節の角度を確かめるために用いられるいずれかの装置であり、該装置によって検出される長さ又は角度にしたがってデジタル出力信号を提供する装置がエンコーダであるけれども、エンコーダ及びセンサーという用語はしばしば交換可能なものとして用いられる。しかし、これらの異なる用語が本明細書で用いられるとき、機能の区別の便宜のためであることが一般的であること、及び、前記用語は実務上均等で交換可能なものであると理解されていて特許請求の範囲に用いられることが理解されるべきである。

したがって、本発明の好ましい実施態様にしたがってロボットが提供されるが、該ロボットは、基台部材と、該ロボットのエンドエフェクタとして作動する可動プラットホームと、前記基台部材を前記可動プラットホームに連結する複数の調節可能なリンクと、前記基台部材と可動プラットホームとの間を接続する１個の追加センサーとを含み、前記調節可能なリンクの状態は該リンクのそれぞれに付随するセンサーによって検知される。前記ロボットの調節可能なリンクの少なくとも１個は直線的に伸長可能なリンクであることが好ましい場合があり、その場合には、該リンクに付随するセンサーは長さセンサーである。代替的には、前記調節可能なリンクの少なくとも１個は回動可能なヒンジであることが好ましい場合があり、その場合には、該ヒンジに付随するセンサーは角度センサーである。前記ロボットにおける前記１個の追加センサーは、長さセンサーか角度センサーかのいずれかであることが好ましい場合がある。

本発明のさらに別の好ましい実施態様にしたがって、前記１個の追加センサーの出力を用いて前記複数のリンクのそれぞれに付随するセンサーにより決定される前記可動プラットホームの位置及び配向の少なくとも１つを確かめるコントローラをさらに含む前記ロボットが提供される。前記コントローラは、いずれか１個のセンサーが誤った出力を提供する事態においては、前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つの絶対的な確認を提供することが好ましい。

さらに前記コントローラは、２個または３個以上のセンサーが同時に誤った出力を提供する事態においては、前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つの確認であって、偽である確率が統計的に有意ではない確認を提供することが好ましい。後者の場合においては、前記統計的に有意ではない確率の最大値は、１個のセンサーが誤った出力を提供する確率の自乗を、最小の解像度を有する前記センサーの１個における位置のインクリメントの数で除算したものである。

本発明のさらに別の好ましい実施態様にしたがうと、前記ロボットのいずれかにおいて、前記複数の伸長可能なリンクは６個のリンクで、前記１個の追加センサーは７番目のセンサーであることが好ましいか、あるいは、前記複数のリンクは４個のリンクで、前記１個の追加センサーは５番目のセンサーであることが好ましいか、あるいはさらに一般的に、前記１個の追加センサーは、前記ロボットの自由度の数をＮとすると第Ｎ＋１番目のセンサーである。

本発明のさらに別の好ましい実施態様にしたがって、並列型か直並列ハイブリッド型かのいずれかである、前記ロボットが提供される。

本発明のさらに別の好ましい実施態様にしたがって、ロボットの位置の信頼性を確認する方法が提供されるが、該方法は、基台部材と、前記ロボットのエンドエフェクタとして作動する可動プラットホームと、前記基台部材を前記可動プラットホームとを連結する複数の調節可能なリンクとを含むロボットであって、該リンクのそれぞれの状態が前記リンクのそれぞれに付随するセンサーによってわかるロボットを提供するステップと、前記基台部材と、予め定められた点の間の可動プラットホームとの間に１個の追加センサーを接続するステップとを含む。

さらに別の好ましい実施態様にしたがうと、前記複数のリンクのそれぞれに付随するセンサーによって決定される前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つが、前記１個の追加センサーによって決定される前記予め定められた点の対応する相対的な位置又は配向と矛盾しないことをコントローラによって確認するステップを含む、前記方法が提供される。

前記方法のいずれかにおいては、前記調節可能なリンクの少なくとも１個は直線的に伸長可能なリンクであることが好ましい場合があり、その場合には、前記直線的に伸長可能なリンクに付随するセンサーは長さセンサーである。代替的には、前記調節可能なリンクの少なくとも１個は回動可能なヒンジであることが好ましい場合があり、その場合には、前記ヒンジに付随するセンサーは角度センサーである。前記方法のいずれにおいても、前記１個の追加センサーは長さセンサーか角度センサーかのいずれかであることが好ましい場合がある。

確認するステップのために前記コントローラを使用することを伴う前記方法では、前記コントローラは、いずれか１個のセンサーが誤った出力を提供する事態においては、前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つの絶対的な確認を提供することが好ましい。

さらに、前記コントローラは、２個または３個以上のセンサーが同時に誤った出力を提供する事態においては、前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つが偽である確率は統計的に有意ではないことの確認を提供することが好ましい。後者の場合においては、前記統計的に有意ではない確率の最大値は、１個のセンサーが誤った出力を提供する確率の自乗を、最小の解像度を有する前記センサーの１個におけるインクリメント位置の数で除算したものである。

本発明のさらに別の好ましい実施態様にしたがうと、前記方法のいずれかにおいては、前記複数の伸長可能なリンクは６個のリンクで、前記１個の追加センサーは第７番目のセンサーであることが好ましいか、あるいは、前記複数のリンクは４個のリンクで、前記１個の追加センサーは第５番目のセンサーであることが好ましいか、あるいはさらに一般的に、前記１個の追加センサーは前記ロボットの自由度の数をＮとすると第Ｎ＋１番目のセンサーである。

本発明のさらに別の好ましい実施態様にしたがって、並列型か直並列ハイブリッド型かのいずれかである、前記方法が提供される。

好ましい実施態様の詳細な説明
図１を参酌して、図１は、６個の伸長可能なリンク１０を有する従来技術の代表的な並列型ロボットの概念図である。前記６個の伸長可能なリンクのそれぞれは、基台プラットホーム１２と可動エンドエフェクタプラットホーム１４との間を、好ましくは一方の端の球体関節と他方の端のＵ字関節とによって連結する。さらに、各リンクの長さは該リンクとともに移動する位置又は長さセンサー１６によって測定され、該センサーは前記ロボットの制御システムに該リンクの長さを示すフィードバック信号を提供するが、これは他のリンクのセンサーからの情報と組み合わせて可動プラットホームの位置及び配向（姿勢）を示すフィードバック信号を提供することになる。ロボットの位置の信頼性を担保する方法は、各センサーについて１対１のバックアップを提供するというだけの目的で各リンクの主センサーに隣接して固定されるバックアップセンサーを各センサー１６と共存させることか、前掲の特許文献１に記載の方法にしたがって、基台プラットホーム１２と可動エンドエフェクタプラットホーム１４との間に連結された３個又は４個以上のセンサーを追加することかのいずれかである。

図２を参照して、図２は、前記可動プラットホームと基台プラットホームとの間、好ましくは、中央領域に、前記可動プラットホーム及び基台プラットホームの取り付け点の間の距離を測定するように取り付けられた１個の追加センサー、すなわち、第７番目のセンサー２０が追加される本発明の好ましい実施態様にしたがって改良された図１の並列型ロボットを示す概念図である。

前記伸長可能なリンクの長さの変化は、一般的には前記プラットホームの中心の間の距離の変化を起こし、該変化が第７番目のセンサーによって検出される。第７番目のセンサーからのデータは、好ましくは前記基台の中のコネクタを通じて、前記６個の伸長可能なリンクからのエンコーダ出力の全てとともにロボット制御システム２２に渡され、該データは矛盾しないかどうか比較される。第７番目のセンサーが接続される前記可動プラットホームは剛体なので、第７番目のセンサーの長さは前記６個のリンクの既知の長さによって一義的に定められ、プラットホームの位置が不正確な場合にバックアップ情報を提供する。センサー故障の結果、前記可動プラットホームが前記６個のセンサーの読み取り値によって定義される位置以外の位置とされる場合には、第７番目のセンサーが矛盾する読み取り値を提供し、コントローラ２２がセンサー故障の警報を発する。同様に、冗長な第７番目のセンサーの故障は、他の６個のセンサーによって提供される出力情報と矛盾する読み取り値を提供させることになる。長さセンサーは第７番目のセンサーについて特に便利な構成であり、かかる長さセンサーが本発明のさまざまな好ましい実施態様を例示するのに用いられるが、本発明は追加センサーとして長さセンサーを用いることに限定されることを意味するのではなく、前記追加センサーとして角度センサーを用いても実施可能であることが理解されるべきである。

リンクセンサー故障の際に１個の追加センサーが望ましくないプラットホームの動きを全く検出しない状況は多数存在する。かかる状況の１つは、前記６個のリンクセンサーの全部が故障して、可動プラットホームが中心を固定したままで中心を貫く回転軸の配向を変えるような量の偽読み取り値を全部が提供して、第７番目のセンサーは変化のない正しい長さの読み取り値を提供する場合に発生する。

同様に、前記センサーのうち３個が故障して、他の３個が対称的に反対の意味になるように等量だけ故障する場合には、可動プラットホームは直径方向の軸の周りで純粋な回転を行うかもしれないが、これは第７番目のセンサーが長さセンサーの場合には検出されず、第７番目のセンサーが角度センサーの場合には角度センサーのタイプによっては検出されるかもしれない。

本発明の好ましい実施態様によれば、第７番目のセンサーの使用は、センサーの組み合わせと第７番目のセンサーによって検出されないセンサーの故障との発生確率が統計的に有意でないほど低いことを示すことが可能な場合には、センサー故障に対する唯一の実用的なバックアップシステムである。

この可能性を確かめるために、多数の故障のシナリオが分析される。まず、１個のリンクセンサーの故障の場合が調べられる。この状況では、アクチュエータが動いて、付随するリンクの長さを変えるとき、故障したセンサーによって発生する誤った位置信号で制御ループが閉じる。かかる誤りが第７番目のセンサーによって検出されない場合が分析される。

これらの問題のある場合を同定するために、第７番目のセンサーの読み取り値が一定となる可動プラットホームの軌跡が計算されるべきである。これが終わると、ロボットが１個または２個以上の特異点を有する状況が存在する場合があることが決定される。当業者に知られているかかる特異姿勢（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ）は、ロボットが物理的に命令された点に達することができないか、ロボットが可動プラットホームを制御できないときかのいずれかの場合で発生し、前者の場合にはロボットは自由度を１つ失ったといわれ、後者の場合は可動プラットホームは全てのアクチュエータが長さを保っているにもかかわらず変位を起こす場合があり、その場合にはロボットは自由度を１つ獲得したといわれる。大抵の実用的に使用されるロボットは、本発明の当実施態様を説明するのに用いられる６リンク並列型ロボットを含めて、可能な特異姿勢の全てがロボットの作業包絡線（ｗｏｒｋ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）の外側にあるようなやり方で設計される。

しかし、１個のセンサーが故障しても、まだプラットホームの間には６個の既知の測定された距離、すなわち、５個のリンク−長さセンサーと第７番目のセンサーとが存在する。これは、前記６個のリンクの長さが、元のロボットでの前記６個のリンクの場所に対してプラットホームでの異なる場所で測定される「新たな」ロボットを構成する。この「新たな」ロボットが元のロボットの作業空間体積（ｗｏｒｋ ｖｏｌｕｍｅ）内に特異姿勢を含む場合には、可動プラットホームは第７番目のセンサーで検出されることなく動くことができるため、バックアップシステムは役に立たない。

しかし、前記「新たな」ロボットの作業空間体積内に特異姿勢が存在しない場合には、誤作動するリンク−長さセンサーによって発生するいかなる想定外のプラットホームの動作でも第７番目のセンサーによって積極的に検出される。これは正しい、というのも、そうでなければ、前記５個のリンク−長さセンサーと第７番目のセンサーとから逆運動学によって単一のアッセンブリモードまでで決定される可動プラットホームの同一の位置及び配向のための前記リンク長さについて２つの異なる解が存在することになるからである。

前記「新たな」ロボットの特異姿勢とは何かを決定するためには、以下に掲げる文献に説明される方法のうちの１つのような分析を実施するか、それとも、マニピュレータの作業空間全体の検索を行うかのいずれの必要がある。
Ｊ−Ｐ．Ｍｅｒｌｅｔ、“Ｓｉｎｇｕｌａｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｇｒａｓｓｍａｎｎ ｇｅｏｍｅｔｒｙ” ， Ｉｎｔ．Ｊ．ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， １９８９年８巻（５号）４５−５６頁、１９８９年１０月；Ｊ−Ｐ．Ｍｅｒｌｅｔ， “Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ａ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ａ ｐａｒａｌｌｅｌ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ” “ＮＡＴＯ−ＡＳＩ， Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ” Ｓｔｓ．Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ ａｎｄ Ｅｌｅｎａ Ｒｅｓｏｒｔ編， １９９７年６月１６−２８日；Ｃ．Ｇｏｓｓｅｌｉｎ及びＪ．Ａｎｇｅｌｅｓ， “Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｃｈａｉｎｓ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、６巻３号、１９９０年６月；Ｒ．Ｂｅｎ−Ｈｏｒｉｎ 学位論文、表題“Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ”、Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｏｎ、イスラエル、１９９８年。

かかる特異姿勢がロボットの作業空間内に存在しないことがわかる場合には、たった１個のセンサーが故障しただけで第７番目のセンサーによって検出できないロボットの可能な動作はないと結論できる。

つぎに、２個のセンサーが同時に故障する状況が検討される。かかる状況が起こる可能性は非常に低い。さらに、２個のセンサーが同時に故障して誤った読み取り値を出すとしても、故障した前記２個のセンサーによって出された値が他のセンサー及び第７番目のセンサーによって決定された可動プラットホームの正しい変位とたまたま一致するような比率でないかぎり、第７番目のセンサーによって検出される。

この状況は、図３に概念図として示されるが、図３は、図２の型の６リンク並列型ロボットの２個のリンク３０、３２と、第７番目のセンサー３４とを示す。可動プラットホーム１４の「正しい」位置は実線で示される。右側のリンク３０のセンサーの出力読み取り値が正しくないために、制御システムは、点線で示される傾いた位置１４’に前記可動プラットホームがあると信じさせる前記センサーからの信号が与えられる一方、前記可動プラットホームが第７番目のセンサーの取り付け点を軸に回動する傾斜を起こすので、第７番目のセンサー３４は長さが変化していないことを正しく出力する。しかし、前記可動プラットホームのかかる不正確な位置は、該可動プラットホームを点線の位置１４’で検出すると予想されるのに実際には「正しい」実線の位置１４にあるとする左側のリンク３２の出力と矛盾するため、該左側のリンクによって検出されるであろう。このようにして、左側のリンク３２も故障し、かつ、前記可動プラットホームが見かけ上傾斜した点線の位置１４’にあるとした場合に得られる読み取り値を正確にシミュレーションする読み取り値を出力するようなやり方で故障する場合を除いて、右側のリンクのセンサーの故障は検出される。

特に、可動プラットホームの場所が５個の距離の読み取り値（４個のリンクの長さセンサー及び第７番目のセンサー）だけによって定義されるとき、完全には定義されず、可動プラットホームは自由に動き、無数の場所に配置される。１個の故障したセンサーの読み取り値がどうであれ、１個のセンサーだけが故障した上述の場合と状況は実質的に同じであるため、読み取り値が可動プラットホームの位置を正確には定義しない。第１の故障したセンサーの読み取り値がどうであれ、その他に、５個の読み取り値が正しいセンサーと第７番目のセンサーとの６個の読み取り値が存在する。これが前記プラットホームの場所を（アッセンブリモードまで）一義的に決定するので、１個のセンサーが故障した場合の分析と同じ地点にあり１個のセンサーの故障については検出されずには済まないことに留意することにより、この点から継続することができる。これは、２個のセンサーが残り５個の正しく動作するセンサーと適合するという、１つの組み合わせだけが現行のアッセンブリモードに存在することを意味する。

上記の分析に基づくと、プラットホームが１個または２個のいずれかのセンサーが同時に故障するときに第７番目のセンサーに検出されない動きをする確率は、以下の手順で計算できる場合がある。
（ｉ）5個のリンクと第７番目のセンサーとで構成されるロボットにおいて、ロボットの全作業空間内に動作の特異点がないことが確保されるべきである。
（ｉｉ）この点が確認される場合には、１個のセンサーが故障する確率が決定される。
（ｉｉｉ）２個のセンサーが同時に故障する確率は1個が故障する確率の自乗である。
（ｉｖ）2個のセンサーが同時に故障し、かつ、妥当な読み取り値を与える確率は、１個が故障する確率の自乗を１個のセンサーのインクリメントの数で除算したものであるが、その理由は、不正確な故障した読み取り値が、偶然、予想される「正しい」読み取り値に等しいという確率は、インクリメントの個数をｍとするとその逆数、すなわち、１／ｍ存在するからである。上記の計算は、全てのセンサーが異なる分解能、すなわち、インクリメントの個数を有するときに適用される。異なるセンサーが異なる分解能を有する場合には、２個のセンサーが同時に故障するときに妥当な読み取り値を得る最も高い確率は、１個が故障する確率の自乗を最も分解能が低い１個のセンサーのインクリメントの数で除算したものである。

かかる確率の桁（オーダー）の推定値を提供するために、イスラエル、ＣａｅｓａｒｅａのＭａｚｏｒ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ社によって供給される、ＳｐｉｎｅＡｓｓｉｓｔ小型外科ロボットについて代表的な計算がされる。このロボットについては、エンコーダ／センサーの寿命は１０，０００時間とする。１時間かかる手術中に１個のエンコーダ／センサーが故障する確率は１０^−４である。センサーの分解能は１２ビット、すなわち、４０９６個のインクリメントのステップ数である。したがって、２個のセンサーが故障した結果生じる不正確な動きが第７番目のセンサーによって検出されないままである確率ｐは以下の式で示される。

各ロボットの設計寿命は５００時間なので、ロボットの全寿命の間に２個のセンサーが同時に故障することによって発生するプラットホームの動きが検出されない確率は、ｐ＝１．２２ｘ１０^−９である。

上記の計算は、前記エンコーダ／センサーの予想寿命のみに基づいている。前記エンコーダ／センサーの読み取り値が、Ａ／Ｄコンバータ、エンコーダカード及び電源のような他の因子によっても影響を受けることを考慮すると、１時間の手術の間に１個のセンサーの読み取り値のエラーが起こる確率は、１０^−３のオーダーで減少するかもしれない。したがって、２個のセンサーの故障のために第７番目のセンサーによって検出されない不正確な動きが起こる確率は以下の式で表される。

ロボットの寿命の５００時間の間は、確率はｐ＝１．２２ｘ１０^−７である。この５００時間に５００回の手術が該ロボットによって施されることに留意すると、１回の手術で故障が検出されない確率は２．４４ｘ１０^−１０である。これは、本発明の第７番目のセンサーのバックアップシステムを利用する前記ロボットがかかる１時間の手術が地球上の現在の人口の全員に実施するために使用される場合に、センサーの２重故障から生じる故障が検出されないことがたった１回あることが統計的に予測される確率に等しい。

もちろん、３個又は４個以上のセンサーの故障が第７番目のセンサーの使用によって検出されない確率は、２個のセンサーが検出されることなく故障する確率よりも小さい。

図４を参酌すると、図４は、本発明の発明者に付与された、「骨取り付け型外科用小型ロボット」という名称の米国特許第６，８３７，８９２号明細書に説明されるのと類似した、さらに好ましい並列型ロボットへの本発明の方法の適用を概念図で表す。図４に示す並列型ロボットは、基台部材４０と、該基台部材に柔軟に連結された４個の伸長可能なリンク４２とを有し、該伸長可能なリンクのそれぞれはそれぞれに長さセンサーが設けられ、制御された動きをエンドエフェクタに提供し、該エンドエフェクタは、図４では、リンク４２の伸長によって動かされる２個の環状関節４６によって支持される案内管４４として示されるものであることが好ましい。工具が案内管４４を通じて挿入され、所望の位置で操作される場合がある。第５のセンサー４８は、基台部材４０の既知の点と、エンドエフェクタ４６の既知の点との間に取り付けられ、この第５番目のセンサーの出力は、上述の図２の６−リンクロボットにおける第７番目のセンサーと同様に、４個の伸長可能なリンクのセンサーによって提供される前記エンドエフェクタの位置を確認するためのバックアップ情報を提供するために用いられる。

次に図５を参酌すると、図５は、直並列ハイブリッド型の構成を有するさらなるロボットの型の運動学的構成の概念図である。図５は、かかるハイブリッド型ロボットの構成への本発明の方法の適用を概念的に示す。前記ロボットは、３個のリニアモータを有する機械構造で、Ｈ．Ｂａｍｂｅｒｇｅｒ及び本発明の発明者による「ＭＥＭＳ加工用並列型ロボットの運動学的構造」と題して、２００４年にイタリアのＡＲＫ、Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｒｏｂｏｔ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓに発表された機械構造と、６個のリニアモータを有する機械構造で、同じ発表者らにより「ＭＥＭＳ加工用自由度６のロボットの新規な構成」と題して、米国ルイジアナ州ニューオーリンズでのロボット科学と自動化に関するＩＥＥＥ国際コンフェレンス（ＩＣＲＡ、２００４）で発表された論文に説明された機械構造とに類似する。しかし、図５に示す好ましいロボットの構成は、上記の第１のロボットとは、ロボットの基台に位置する３個のリニアモータを除くと、可動プラットホームが全部で自由度６を有するように連結アームのそれぞれに角度アクチュエータを含む点で相違する。

図５の好ましい実施態様では、固定ロボット基台５２は３個の連結式の脚によって可動プラットホーム５４に連結される。脚のそれぞれは３個のアームを有し、各アームは１個のリニアモータと１個の回転モータとを含む。したがって、脚Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｐ１は基台に点Ａ１で取り付けられ、リニアモータにより該基台の面で移動し、角度回転モータを好ましくは回転ヒンジＢ１に備え、受動的回転ヒンジがＣ１にあり、可動プラットホーム５４に点Ｐ１で連結する。かかるロボット構造は純粋な並列式の構成ではないが、それは、各ループに接続される追加のリンク及び関節の作用のためであり、その効果は前記基台のリニアモータによって各脚に伝達される動きに直列である。かかるハイブリッド型の構成では、前記並列リニアモータ及び直列角度アクチュエータ上のセンサーの組み合わせが一緒に可動プラットホームのエンドエフェクタの一義的な位置を定義する。本発明のこの好ましい実施態様によれば、図５に示すロボットは、基台の中央領域のＯ点と、可動プラットホームの中央領域のＰ点との間を接続する追加の冗長なセンサー５０を含む。この第７番目のセンサーは予測される可動プラットホームの位置についての確認情報を提供するために作動する。１個または２個以上のエンコーダ／センサーの故障は、リニアであっても回転式であっても、前記純粋な並列式ロボット構成について説明したのと類似のやり方で前記追加の冗長なセンサーによって検出されるであろう。

図５に示すロボットの構成は、本発明の方法が首尾良く適用できるハイブリッド型ロボットの１つの好ましい実施態様にすぎず、他のハイブリッド型ロボットの構成もセンサーの故障を検出するために１個の冗長なセンサーを使用する場合があることが理解されるべきである。かかる異なる型の一般的な好ましい構成の１つは、図５に示す好ましい実施態様における角度アクチュエータのかわりに、前記リンク内の並列アクチュエータとしてリニアモータを有する場合がある。

本発明は、本明細書に具体的に図示され、説明された内容によって限定されないことは当業者に理解される。むしろ、本発明の範囲は、本明細書に説明されたさまざまな特徴と、前記説明を読めば当業者に思いつくが先行技術ではない変更及び改良との組み合わせを含む。

６個の伸長可能なリンクと、該リンクのそれぞれの長さセンサーとを有する代表的な先行技術の並列型ロボットの概念図。 本発明の好ましい実施態様にしたがって、可動プラットホームと基台プラットホームとの間に取り付けられた１個のセンサーの追加によって改良された、図１の並列型ロボットの概念図。 ２個のセンサーが誤った読み取り値出力を提供する状況における、図２の実施態様に示される型の６リンク並列型ロボットの２個のリンクと第７番目のセンサーとを示す、概念図。 ４個の伸長可能なリンクと、基台部材及びエンドエフェクタの間に取り付けられた１個のセンサーとを有する並列型ロボットの別の好ましい実施態様への本発明の方法の適用の概念図。 直並列ハイブリッド型構成を有する別の型のロボットへの本発明の方法の適用を示す、該ロボットの運動学的構成の透視図。

符号の説明

１０、４２ 伸長可能なリンク
１２ 基台プラットホーム
１４ エンドエフェクタプラットホーム
１６ 位置又は長さのセンサー
２０、３４ 第７番目のセンサー
２２ ロボット制御システム
３０、３２ リンク
４０ 基台部材
４４ 案内管
４６ 環状関節
４８ 第５番目のセンサー
５０ 追加の冗長なセンサー
５２ 固定ロボット基台
５４ 可動プラットホーム

Claims (32)

1. 基台部材と、ロボットのエンドエフェクタとして作動する可動プラットホームと、該可動プラットホームに前記基台部材を連結する複数の調節可能なリンクと、前記基台部材及び前記可動プラットホームの間に接続される１個の追加センサーとを含み、前記調節可能なリンクのそれぞれの状態は該リンクのそれぞれに付随するセンサーによって検知される、ロボット。
2. 前記調節可能なリンクの少なくとも１個は直線的に伸長可能なリンクである、請求項１に記載のロボット。
3. 前記直線的に伸長可能なリンクに付随するセンサーは長さセンサーである、請求項２に記載のロボット。
4. 前記調節可能なリンクの少なくとも１個は角度回転式ヒンジである、請求項１に記載のロボット。
5. 前記角度回転式ヒンジに付随するセンサーは角度センサーである、請求項４に記載のロボット。
6. 前記１個の追加センサーは長さセンサーである、請求項１ないし５のいずれかに記載のロボット。
7. 前記１個の追加センサーは角度センサーである、請求項１ないし６のいずれかに記載のロボット。
8. 前記１個の追加センサーの出力を用いて、前記複数のリンクのそれぞれに付随するセンサーによって決定される前記可動プラットホームの位置及び配向のうちの少なくとも１つを確認するコントローラを含む、請求項１ないし７のうちいずれかに記載のロボット。
9. 前記コントローラは、いずれか１個のセンサーが誤った出力を提供する場合に、前記可動プラットホームの位置及び配向の少なくとも１つの絶対的な確認を提供する、請求項１ないし８のいずれかに記載のロボット。
10. 前記コントローラは、２個または３個以上のセンサーが誤った出力を同時に提供する場合に、前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つの確認を提供し、該確認は偽である確率が統計的に有意ではない、請求項１ないし９のいずれかに記載のロボット。
11. 前記統計的に有意でない確率の最大値は、１個のセンサーが誤った出力を提供する確率の自乗を、前記センサーのうち分解能が最も低い１個のインクリメント位置の個数で除算したものである、請求項１０に記載のロボット。
12. 前記複数の伸長可能なリンクは６個であり、前記１個の追加センサーは第７番目のセンサーである、請求項１ないし１１のいずれかに記載のロボット。
13. 前記複数のリンクは４個のリンクで、前記１個の追加センサーは第５番目のセンサーである、請求項１ないし１１のいずれかに記載のロボット。
14. 前記１個の追加センサーは、前記ロボットの自由度をＮとすると第Ｎ＋１番目のセンサーである、請求項１ないし１３のうちいずれかに記載のロボット。
15. 前記ロボットは並列型ロボットである、請求項１ないし１４のうちいずれかに記載のロボット。
16. 前記ロボットは直並列ハイブリッド型ロボットである、請求項１ないし１４のうちいずれかに記載のロボット。
17. ロボットの位置信頼性を確認する方法であって、
    基台部材と、前記ロボットのエンドエフェクタとして作動する可動プラットホームと、該可動プラットホームに前記基台部材を連結する調節可能な複数のリンクとを含むロボットを提供するステップと、
    前記基台部材及び可動プラットホームの間に１個の追加センサーを接続するステップとを含み、
    前記調節可能なリンクのそれぞれの状態は前記リンクのそれぞれに付随するセンサーを用いて検知される、ロボットの位置信頼性を確認する方法。
18. 前記複数のリンクのそれぞれに付随するセンサーをによって決定される前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つが、前記１個の追加センサーによって決定される予め定められた点の対応する相対的な位置又は配向と矛盾しないことをコントローラによって確認するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記調節可能なリンクの少なくとも１個は直線的に伸長可能なリンクである、請求項１７及び１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記直線的に伸長可能なリンクに付随するセンサーは長さセンサーである、請求項１９に記載の方法。
21. 前記調節可能なリンクの少なくとも１個は角度回転式ヒンジである、請求項１７及び１８のいずれかに記載の方法。
22. 前記角度回転式ヒンジに付随するセンサーは角度センサーである、請求項２１に記載の方法。
23. 前記１個の追加センサーは長さセンサーである、請求項１７及び１８のいずれかに記載の方法。
24. 前記１個の追加センサーは角度センサーである、請求項１７及び１８のいずれかに記載の方法。
25. 前記コントローラは、いずれか１個のセンサーが誤った出力を提供する場合に、前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つの絶対的な確認を提供する、請求項１７ないし２４のうちいずれかに記載の方法。
26. ２個または３個以上のセンサーが同時に誤った出力を提供する場合に、前記可動プラットホームの位置及び配向のうち少なくとも１つの確認を提供し、該確認は偽である確率が統計的に有意ではない、請求項１７ないし２５のうちいずれかに記載の方法。
27. 前記統計的に有意でない確率の最大値は、１個のセンサーが誤った出力を提供する確率の自乗を、前記センサーのうち分解能が最も低い１個のインクリメント位置の個数で除算したものである、請求項２６に記載の方法。
28. 前記複数の伸長可能なリンクは６個であり、前記１個の追加センサーは第７番目のセンサーである、請求項１７ないし２７のうちいずれかに記載の方法。
29. 前記複数のリンクは４個のリンクで、前記１個の追加センサーは第５番目のセンサーである、請求項１７ないし２７のうちいずれかに記載の方法。
30. 前記１個の追加センサーは、前記ロボットの自由度をＮとすると第Ｎ＋１番目のセンサーである、請求項１７ないし２９のいずれかに記載の方法。
31. 前記ロボットは並列型ロボットである、請求項１７ないし３０のいずれかに記載の方法。
32. 前記ロボットは直並列ハイブリッド型ロボットである、請求項１７ないし３０のいずれかに記載の方法。

Images