JP2013176612A - 医療用ロボットに関する自動化された動作のための方法、装置、及びシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロボットアーム(例えば外科手術において用いるために構成されたロボットアーム)を用いて自動化された動きを特定し、そして実行するための方法、装置(例えばコンピュータ可読媒体)、及びシステム(例えばコンピュータシステム)であって、これによって、遠隔地にいる外科医は、ハンドコントローラのような入力装置の動きを介してロボットアームに自動移動を実行させる必要がなくなる。
【選択図】図1
Description
「備える(comprise)」(及び備えるの様々な形態、例えば「備える(comprises)」及び「備えている(comprising)」)、「有する(have)」(及び有するの様々な形態、例えば「有する(has)」及び「有している(having)」)、「含む(contain)」(及び含むの様々な形態、例えば「含む(contains)」及び「含んでいる(containing)」)、並びに、「含める(include)」(及び「含めるの様々な形態、例えば「含める(includes)」及び「含めている(including)」)という用語は、開放されたリンク動詞(open-ended linking verbs)である。その結果、列記された一つ又はそれ以上のステップ又は要素を「備える」、「有する」、「含む」あるいは「含める」方法、装置、あるいはシステムは、それらの列記されたステップ又は要素を備えるけれども、それらのステップ又は要素のみを備えることに限定されるわけではない。それは、特定されていない要素又はステップを備える(すなわち及ぶ)ことができる。同様に、一つ又はそれ以上の列記された特徴を「備える」、「有する」、「含む」又は「含める」方法、装置又はシステムの要素は、その特徴を有するが、それらの特徴のみを有する訳ではない。それは、列記されていない特徴を有することもできる。同様に、あるステップを実行するための、機械が読み取り可能な命令を「備える」(あるいは「エンコードされる(encoded with)」)コンピュータ可読媒体は、列記されたステップを少なくとも実装するための、機械が読み取り可能な命令を有するコンピュータ可読媒体であるだけでなく、追加的な、列記されていないステップを実装するための、機械が読み取り可能な命令を有する媒体に及ぶ。さらに、ある機能を少なくとも実行するように構成されたコンピュータシステムは、列記された機能だけを実行することに限定されるものではない。もし、そのシステムが、列記された機能を実行するように構成されているのであれば、そのシステムは、特定されていない方式で構成されていてもよい。
本自動移動についてのいくつかの実施形態は、顕微鏡手術の位置から道具交換位置にマニピュレータを移動させ、そして、戻すために使用できる。このとき、この技術においては、操作者は、関連するハンドコントローラを使った動作を実行しなくてもよい。いくつかの自動移動は、本コンピュータシステムの実施形態を用いて予めプログラムされそして保存されることができる。開始に際しては、操作者(例えば外科医)は、プログラムされた動きのうちで、動作させたいもの(例えば道具交換の自動移動)を選択する。コンピュータシステムは、選択された自動移動を、関連するハンドコントローラ上のボタン16に結びつけるように構成されており、これにより、操作者は、自動動作GUIページ(以下に議論されかつ示されている)に行かずに、あるいは、彼の手を関連のハンドコントローラから離さずに、動作を命令することができる。
本コンピュータシステムについてのある実施形態は、下記の機能のいくつかあるいは全てを実行するように構成される。この開示の利益を受ける当業者は、コード(機械読み取り可能な命令であり、それは、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエアあるいはそれらの二つ又はそれ以上の組み合わせを介して実装されうる)を書くことができるはずであって、下記及び図面に示した特徴及び機能(グラフィカルユーザインタフェースを含む)を完成するために過大な実験を行うことは不要である。
コンピュータシステムは、次のように構成されていても良い。すなわち、自動移動が前記のように特定された後、自動移動はシミュレートされ、これにより、操作者は、プログラムされた動きが想定通りであるかどうかを検証できる。このような検証を行うために、GUI上に表示された仮想的マニピュレータは、選択された自動移動における開始又は終端の点についての有効範囲内にあるべきである(例えばそれは、本近接条件の一つを満たすべきである)。使用者は、「モード制御(Mode Controls)」タブの「教示(Teach)」ボックス内の「シミュレート(Simulate)」ボタン(図15参照)を押す。これにより、仮想的なマニピュレータを自動移動における一端から他端まで動かすことができる。図15に示されているように、仮想的なマニピュレータについての強調されたバージョンが、非強調バージョンのマニピュレータに重畳した状態で動く様子を表示するように構成されうる。ここで、非強調バージョンのマニピュレータは、実際のマニピュレータの姿勢を維持している。
コンピュータシステムを次のように構成することもできる。すなわち、ユーザは、いくつかの自動移動をプログラム(及び保存)できるが、ただ一つの自動移動(例えば道具交換の自動移動)を、所定のマニピュレータによる実行のために選択できる。自動動作ページ(Automove page)においては、「モード制御(Mode Controls)」タブの「実行(Execute)」ボタンのすぐ上に、実行する自動移動をロボットアームと関連付けるために、「道具交換として設定(Set As Tool Exchg)」と名付けられたチェックボックスが存在する。所定のロボットアームのための道具交換の自動移動として使用者が特定することを望む自動移動のために、使用者は、その自動移動の名前を、「自動動作(Automove)」ボックスの下のリスト中で強調し、「読み込み(Load)」ボタンを押し、そして、「道具交換として設定」ボックスをチェックすることができる。図16参照。
コンピュータシステムは、左及び右のロボットアームのために、独立に、多数の自動移動を保存するように構成されていても良い。
本コンピュータシステムは、複数の方法で自動移動を実行するように構成されていても良い。例えば、命令は、GUIとハンドコントローラのいずれから送られてもよい。
CSD GUIの自動動作ページから、図12〜16で例示されているように、使用者は次のことができる:ロボットアームを(上記したように)選択すること、保存された自動移動を(上記したように)読み込むこと、若しくは、自動移動の生成を(上記したように)完了すること、ロボットアームが(上記したように)起動されていること及び読み込まれ若しくはちょうど生成された自動移動と関連付けられていることを保障すること、関連するロボットアームが自動移動の開始又は終端の点の近くにあることを保障すること、並びに、「モード制御」タブ上のGUIの右手下部にある「実行」ボタンを選択する(例えば押す)こと。結果として、ロボットアームは、読み込まれた/完了された自動移動を実行できる。さらに、コンピュータシステムは、「実行」ボタンを再び押すことが、以前に実行された自動移動を逆転させるように構成されても良い。好ましい実施形態では、コンピュータシステムは、「実行」ボタンが押された後、ハンドコントローラ上の可能化ボタンが押し下げられ、そして、保持されることを要求する構成とされる。これにより、実際のマニピュレータ動作が生じるときに、作業者がハンドコントローラを保持していることを一層確実に保障することができる。そのような実施形態では、コンピュータシステムは、可能化ボタンの再度の押し下げが動作を停止させ、引き続く押し下げ及び保持が、動作を逆転させるように構成することもできる。
使用者は次のことが可能である:自動移動を(上記したように)読み込み、そして、それを道具交換動作として(上記したように)特定すること;顕微鏡手術モードを(上記したように)指定すること;関連する入力装置を用いて、GUI左側の「マスタ/スレーブ」ボタン(図17参照)を選択する(押す)こと;ロボットアームを道具交換の自動移動における始点又は終点に近い位置に動かすこと;そして、迅速なクリック(sharp click)とその後の入力装置上のボタン(例えば入力装置10のスタイラス12上のボタン16)の保持動作(例えば2秒)とを適用すること。ここで、コンピュータシステムは、延長された保持を、オペレータが道具交換を望む命令として認識するように構成されている。もし関連する近接条件が満足されるのであれば、道具交換動作(tool exchange motion)として特定された自動移動(automated movement)が次に行われる。この点に関して、近接条件は、マニピュレータに保持された道具の先端(例えば末端)が自動移動の始点又は終点に十分に近いかどうかについてのチェックを含む。そうでなければ、コンピュータシステムは、プログラムされたそれぞれのゾーンのための球を、CSD GUI上に表示し、受け入れ可能な境界を特定することができる。図18参照。使用者は、CSD GUIを使って、ロボットアームを動かし、それによって、道具先端を領域内に入れ、さらに、上記した方法で自動移動を再開させることができる。
コンピュータシステムは、記載した実施形態のように、実行時において、遅い、中間、及び速いという三つの速度を提供するように構成されても良い。コンピュータシステムは、記載した実施形態のように、選択された速度が、実行のために引き続いて選択されたそれぞれの自動移動に、速度変更の選択がなされるまで、適用されるように構成されても良い。
所定の被験者(例えば患者)に使用する自動移動を生成する前に、訓練/模擬あるいはその他のものを介して、一つ又は両方のロボットアームが、一つ又はそれ以上の二次元画像(例えば、磁気共鳴画像(MRI)装置のような3D画像処置(3D imaging modality))で取得された被験者(例えば患者)の画像についての3Dデータセットの2D画像)として登録される。しかしながら、自動移動は、そのような登録なしで生成及び実行されても良い。これは、例えば、移動禁止ゾーン(no-go zone)(例えば、患者の頭部領域、あるいは、顕微鏡、MRI装置のボア(bore)若しくはカメラなどの、操作地域に近い構造物を特定する)との衝突が起きないことの安全チェックを介して行うことができる。そのような登録を、物理的登録及び画像空間に関する登録を含むプロセスを介して完了するための適宜な技術が、同時係属中の国際出願PCT/US08/60538に開示されており、これは、参照によってここに組み込まれる。
本装置及びコンピュータシステムについてのある実施形態においては、上記した機能を達成するためにソフトウエアが記述され、それは、3D可視化、経路生成、及び経路実行という三つの部分を備えることができる。
自動移動についての生成/決定段階の間において、所定の仮想的ロボットアームを、適宜なGUI上で可視化する(例えば図11〜18参照)ことは、OpenGL(登録商標)グラフィックスで描写されたロボットアーム機構要素についての工業的なコンピュータ補助デザイン(CAD)に基づく仮想現実モデリング言語(VRML)モデルの使用に基づいて行うことができる。このVRMLモデルは、OpenGLコールリストにコンパイルされ、そして、ロボット運動学計算(Robot kinematics calculations)を用いて、3D空間内に配置される。この運動学のルーチンは、アームジョイント角又はエンドエフェクタ姿勢に与えられる、それぞれのロボットアームセグメントについての位置と方向(x、y、z、ピッチ、ヨー、ロール)を提供する。
ある実施形態では、所定の自動移動は、二つ又はそれ以上の、使用者が特定した点のリストを持つことができる。それは、それぞれ、デカルト座標の完全な道具姿勢(x、y、z、ピッチ、ロール、ヨー)を記述するものである。これらの点は、自動移動の経路を生成するための基礎を形成する。この経路は、使用者が定義した各一対の点の間において、直線のセグメントに沿って中間点を補間することができる。中間の経路の点(使用者が特定していないもの)は、10ミリセカンドの動きに対応する間隔を保って配置されることができ、そしてそれは、ジョイント空間(joint space)において表現されうる。自動移動が実行されるべきであり、そして、それが、ロボットアームの6自由度を用いて設定された時には、経路に沿った各点(ユーザが特定したもの及び補間されたもの)は、六つのジョイント角のセット(ショルダーヨー、ショルダーロール、エルボーヨー、エルボーロール、リストピッチ、道具ロール)を備えるのであり、これは、添付の図面に示され、さらには、前記の316特許に記載された通りである。使用者が特定したデカルト座標上の経路点の間に、それぞれ、多数の補間された経路点があってもよい。
自動移動の実行は、自動移動の経路に沿う順次のポイントに、10ミリセカンド(ms)間隔で、ロボットハードウエアが移動するように命令することを含む。経路は、ジョイント空間(joint space)で表現されているので、逆運動学を再計算する必要はない。実行中においては、もし、シーンオブジェクト(scene objects)の位置が変更されたり、あるいは、命令された経路をロボットアームが正確には辿っていない場合には、安全のために、衝突検知を繰り返すことができる。滑らかな動きを達成するために、意図された目標点の一つ先のポイントは、20msの命令の間隔でジョイントモーション・コントローラに実際に命令されたものである。10msが経過した後、目標は、やはり20ms先にある新しい目標点と交換される。
Claims (33)
- 機械が読み取り可能な、以下のための命令を備えるコンピュータ可読媒体:
自動化されたロボットアームの動きにおける開始位置のための第1のデータセットを受け取ること;そして
前記自動化されたロボットアームの動きにおける第2の位置のための第2のデータセットを受け取ること;
ここで、前記自動化されたロボットアームの動きは、外科用途のために構成されたロボットアームの動きを含んでいる。 - 請求項1のコンピュータ可読媒体であって、ここでは、前記第1のデータセットが、(a)前記ロボットアームに保持され又はこれと一体化された道具の先端の位置と、ここで、前記道具は、長手方向軸を有しており、(b)前記道具の長手方向軸の方向と、についての決定を可能にするために十分なデータを備えている。
- 請求項2のコンピュータ可読媒体であって、ここでは、前記第2のデータセットが、(a)前記道具の先端についての第2の位置と、(b)前記道具の長手方向軸についての第2の方向と、についての決定を可能とするに十分なデータを備えている。
- 請求項1〜3のいずれかのコンピュータ可読媒体であって、以下のための、機械読み取り可能な命令をさらに備えている:
前記自動化されたロボットアームの動きについての第3の位置のための第3のデータセットを受け取ること。 - 請求項4のコンピュータ可読媒体であって、ここでは、前記第3のデータセットが、(a)前記道具の先端についての第3の位置と、(b)前記道具の長手方向軸についての第3の向きと、についての決定を可能とするために十分なデータを備えている。
- 請求項2のコンピュータ可読媒体であって、以下のための、機械読み取り可能な命令をさらに備える:
第2の自動化されたロボットアームの動きを、受け取った前記第1及び第2のデータセットを用いて決定すること;
ここで、前記自動化されたロボットアームの動きは、前記道具の先端における第2の位置へのロボットアームの動きを含んでおり、さらに、前記第2の自動化されたロボットアームの動きは、前記道具の先端における前記第2の位置から離れるロボットアームの動きを含んでいる。 - 少なくとも以下を実行するために構成されたコンピュータシステム:
自動化されたロボットアームの動きにおける開始位置のための第1のデータセットを受け取る;そして
前記自動化されたロボットアームの動きについての第2の位置のための第2のデータセットを受け取る;
ここで、前記自動化されたロボットアームの動きは、外科用途のために構成されたロボットアームの動きを含んでいる。 - 請求項7のコンピュータシステムであって、ここでは、前記第1のデータセットは、(a)前記ロボットアームに保持され又はこれと一体化された道具の先端の位置と、ここで、前記道具は、長手方向軸を有しており、(b)前記道具の長手方向軸の方向と、についての決定を可能とするために十分なデータを備える。
- 請求項8のコンピュータシステムであって、ここでは、前記第2のデータセットは、(a)前記道具の先端についての第2の位置と、(b)前記道具の長手方向軸についての第2の向きと、についての決定を可能とするために十分なデータを備える。
- 請求項7〜9のいずれかのコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
前記自動化されたロボットアームの動きにおける第3の位置のために第3のデータセットを受け取る。 - 請求項10のコンピュータシステムであって、ここでは、前記第3のデータセットが、(a)前記道具の先端についての第3の位置と、(b)前記道具の長手方向軸についての第3の向きと、についての決定を可能とするために十分なデータを備える。
- 請求項8のコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
受け取った前記第1及び第2のデータセットを用いて、第2の自動化されたロボットアームの動きを決定する;
ここで、前記自動化されたロボットアームの動きは、前記道具の先端についての第2の位置へ向かうロボットアームの動きを含んでおり、前記第2の自動化されたロボットアームの動きは、前記道具の先端についての第2の位置から離れるロボットアームの動きを含んでいる。 - 少なくとも以下を実行するために構成されたコンピュータシステム:
自動化されたロボットアームの動きについての指定を受け取る;
指定された前記自動化されたロボットアームの動きを始めるための命令を受け取る;そして
指定された前記自動化されたロボットアームの動きを始める;
ここで、前記自動化されたロボットアームの動きは、外科的な道具の交換位置へ向かうロボットアームの動きを含む。 - 請求項13のコンピュータシステムであって、ここでは、前記自動化されたロボットアームの動きは、前記ロボットアームに保持され又はこれと一体化された道具の先端のための開始位置を含んでおり、前記ロボットアームは、前記自動化されたロボットアームの動きを実行するものであり、前記開始は、前記道具の先端が、前記自動化されたロボットアームの動きにおける前記開始位置または目標位置のいずれかから既定の距離内にあるときのみに行われるものとなっており、前記既定の距離は、零より大となっている。
- 請求項14のコンピュータシステムであって、ここでは、前記既定の距離は、前記開始位置を囲む領域の一部となっている。
- 請求項13のコンピュータシステムであって、ここでは、前記自動化されたロボットアームの動きは、前記ロボットアームに保持され又はこれと一体化された道具の先端のための開始位置を含んでおり、前記ロボットアームは、前記自動化されたロボットアームの動きを実行するものとされており、前記開始は、前記道具の先端が既定の領域内にある場合にのみ行われる。
- 請求項16のコンピュータシステムであって、ここでは、前記既定の領域は、前記開始位置と交差しない境界において始まる。
- 請求項13〜17のいずれかのコンピュータシステムであって、ここでは、使用者によるボタンの押し下げ、又はマスタのハンドコントローラのレバーは、前記命令の生成のきっかけとなる。
- 請求項13のコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
前記外科道具の交換位置から離れるロボットアームによる動きを含む、第2の自動化されたロボットアームの動きを始めるための命令を受け取る。 - 請求項13〜19のいずれかのコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
前記自動化されたロボットアームの動きを中断するための命令を受け取る;そして
前記自動化されたロボットアームの動きを停止させる。 - 少なくとも以下を実行するために構成されたコンピュータシステム:
複数の自動移動を決定するために十分な命令を受け取る、ここで、それぞれの自動移動は、医学ロボットにおけるロボットアームとの関連付けが可能とされている;並びに
ユーザが少なくとも以下を行うことを可能にする一つ又は複数のデータエントリ要素を有するグラフィカルユーザインターフェイスを表示する:
各自動移動についての二つ又はそれ以上のデータセットを指定する、ここで、各自動移動における各データセットは、道具がロボットアームに保持されているために前記自動移動の実行中に前記道具の一部が通過する位置の決定を可能とするために十分なものとなっている;及び
前記自動移動の一つを医学ロボットのロボットアームと関連付ける;
並びに、
医学ロボットのロボットアームと関連付けられた自動移動を実行するための命令を受け取る、ここで、前記ロボットアームは、道具を保持しており;並びに
もし、近接条件が満足されていれば、前記自動移動を実行する、ここで、近接条件は、前記自動移動における道具先端の開始又は終了位置と比較した道具の位置に関連している。 - 請求項21のコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実施するためにさらに構成されている:
前記複数の自動移動のそれぞれを保存する。 - 請求項21〜22のいずれかのコンピュータシステムであって、ここでは、前記自動移動の実行により、前記自動移動に関連する前記ロボットアームが、道具先端の開始点から、前記自動移動における道具先端の目標点まで移動する、そして、前記コンピュータシステムは、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
前記自動移動の実行が完了した後に前記自動移動の逆動作を実行するための命令を使用者から受け取る;そして
前記自動移動における道具先端の目標点から道具先端の開始点に前記道具が移動するように、前記ロボットアームを移動させる。 - 請求項21〜23のいずれかのコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
前記自動移動を中断するために入力装置から命令を受け取る;そして
前記自動移動を停止させる。 - 請求項21〜24のいずれのコンピュータシステムであって、ここでは、前記グラフィカルユーザインタフェースにおける一つ又はそれ以上のデータエントリ要素により、ユーザは、少なくとも以下を行うことが可能となる:
前記自動移動を定義するためのシミュレーションモードを選択する;ここで、前記コンピュータシステムは、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
シミュレーションモード中では、前記ロボットアームの実際の動きを生じることなしに、前記グラフィカルユーザインタフェース上におけるロボットアームの図的な表示を、入力装置の動きに対応して動かす。 - 請求項21〜25のいずれかのコンピュータシステムであって、ここでは、前記グラフィカルユーザインタフェースにおける前記一つ又は複数のデータエントリ要素により、ユーザは、少なくとも以下を行うことができる:
所定の自動移動が定義されるロボットアームを選択する;そして
選択された前記ロボットアームに保持されるべき道具を選択する。 - 請求項26のコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
グラフィカルユーザインタフェースに、選択された前記道具についての図示的表現を表示させる。 - 請求項21〜27のいずれかのコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
前記グラフィカルユーザインタフェースに、被験者の頭部についての図示的表現と、一つ又は二つのロボットアームについての図示的表現とを表示させる;
所定のロボットアームに関連付けられた入力装置から命令を受け取る;そして
前記ロボットアームの図示的表現を、前記グラフィカルユーザインタフェース上において、前記入力装置の操作に対応して動かし、これによって、使用者は、前記グラフィカルユーザインタフェースを見て、前記ロボットアームの動きにおける、前記入力装置の操作の効果を決定することができる。 - 請求項21〜28のいずれかのコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
所定のロボットアームに関連付けられた入力装置から不能化命令を受け取る;そして
前記入力装置の動きが、前記グラフィカルユーザインタフェース上における前記ロボットアームについての図示的表現の動きを生じないように、前記入力装置を、前記ロボットアームから遮断する。 - 請求項21〜29のいずれかのコンピュータシステムであって、少なくとも以下を実行するためにさらに構成されている:
所定の自動移動のための、道具先端の目標点を決定するために十分なデータセットが一旦受け取られたら、前記グラフィカルユーザインターフェイスに、前記自動移動における二つ又はそれ以上の道具先端点により定義された経路を表示させる。 - 請求項21〜30のいずれかのコンピュータシステムであって、ここでは、前記グラフィカルユーザインタフェイスにおける前記一つ又はそれ以上のデータエントリ要素により、使用者は、少なくとも以下をさらに行うことができる:
編集のために、保存された自動移動を選択する。 - 請求項21〜31のいずれかのコンピュータシステムであって、ここでは、前記グラフィカルユーザインタフェースにおける一つ又はそれ以上のデータエントリ要素により、使用者は、少なくとも以下をさらに行うことができる:
ストレージから削除するために、保存された自動移動を選択する。 - 請求項21〜32のいずれかに記載した機能を少なくとも実行するための、機械で読み取り可能な命令を備えるコンピュータ可読媒体。
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