JP2015531624A - ゼロ空間を使用した関節運動の相殺のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[関連出願の相互参照]
本出願は、“Systems and Methods for Cancellation of Joint Motion Using the Null-Space”と表題が付けられ、2012年8月15日に出願された、米国仮特許出願第61/683,638号(代理人整理番号ISRG03750PROV US)の正規の出願(Non-Provisional)であり、当該米国仮出願からの優先権の利益を主張する。当該米国仮出願の全ての開示は、参照により本明細書に取り込まれる。
システムの適合性又は剛性によって特徴付けられる複数の異なるモードが、選択的に実行されることができる。より具体的には、回動点/中心の範囲にわたる複数の異なるシステムモード(例えば、可動な回動点、受動的な回動点、固定/剛性回動点、ソフト回動点)が、必要に応じて実行されることができる。
Claims (40)
- 遠隔手術方法であって、
マニピュレータアームを提供するステップであり、前記マニピュレータアームは、可動な遠位手術用エンドエフェクタ、基部に結合した近位部並びに遠位部及び前記基部との間の複数の関節を含み、前記複数の関節は、所与の遠位部状態について複数の異なる関節状態の範囲を可能にするために十分な自由度を有する、ステップ、
所望のエンドエフェクタ動作で前記エンドエフェクタを動作させるための操縦命令を受けるステップ、
前記所望のエンドエフェクタ動作を生じさせるために、前記複数の関節のエンドエフェクタ移動動作を計算するステップであり、前記関節の前記エンドエフェクタ移動動作を計算する当該ステップは、前記関節についてのヤコビ行列のゼロ直交空間内の関節速度を計算するサブステップを含み、計算された前記関節速度は、指定された関節の非動作サブセットの計算された速度を含み、関節の前記非動作サブセットは、前記複数の関節のうちの一つ以上を含む、ステップ、
関節の前記非動作サブセットの計算された速度を相殺するために、前記複数の関節の相殺動作を計算するステップであり、前記相殺動作を計算する当該ステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内の複数の関節の関節速度を計算するサブステップを含み、前記ゼロ空間は前記ゼロ直交空間に対して直角である、ステップ、及び
前記所望のエンドエフェクタ動作を生じさせ且つ前記関節の前記非動作サブセットの動作を抑制するように、計算された動作に従って前記関節を駆動するステップ、
を含む、
遠隔手術方法。 - 前記相殺動作を計算するステップは、関節の前記非動作サブセットの各関節について、計算された速度が、前記関節の前記エンドエフェクタ移動動作から計算された前記関節の速度を相殺するように、且つ相殺動作はゼロ空間内であり、関節の前記非動作サブセットは一つ以上の関節を含むように、複数の関節の動作を計算するサブステップを含む、請求項1記載の遠隔手術方法。
- 前記再構成動作及び前記相殺動作のそれぞれは、各関節の関節空間内で計算される、請求項1記載の遠隔手術方法。
- 前記関節のエンドエフェクタ移動動作を計算するステップは、前記関節のそれぞれについて移動関節速度ベクトルを計算するサブステップを含み、
関節の前記非動作サブセットの相殺動作を計算するステップは、関節の前記ロックされたセットのそれぞれについて前記移動関節速度ベクトルに対向する相殺関節速度ベクトル計算するサブステップを含み、
前記複数の関節の動作が所望のエンドエフェクタ動作を生じさせる間に、各ロックされた関節についての前記速度ベクトルの合計が、各ロックされた関節の動作が相殺されることをもたらす、
請求項1記載の遠隔手術方法。 - 前記マニピュレータアームの所望の補助動作を生じさせるために、第一の関節のセットの補助動作を計算するステップであり、前記補助動作は、前記第一の関節のセットの動作が前記ゼロ空間内であるように計算される、ステップ、及び
前記エンドエフェクタの所望の状態を維持しながら、前記計算された補助動作に従って前記関節を駆動するステップ、
を更に含む、請求項1記載の遠隔手術方法。 - 前記計算された補助動作に従って関節を駆動するステップは、前記マニピュレータアームの前記所望の補助動作を生じさせるように、関節の前記非動作サブセットのうちの少なくとも一つの関節を動作させるサブステップを含む、
請求項5記載の遠隔手術方法。 - 前記補助動作は自律的アルゴリズムに基づく、請求項5記載の遠隔手術方法。
- 前記補助動作は、前記マニピュレータアームと障害物との間の衝突を防ぐように計算される、請求項5記載の遠隔手術方法。
- 前記補助動作は、前記マニピュレータアームの所望の姿勢及び/又は前記マニピュレータアームの所望の構成をもたらすように計算される、
請求項5記載の遠隔手術方法。 - 前記補助動作は、衝突の防止、前記マニピュレータアームの所望の姿勢及び前記マニピュレータアームの所望の形状のうちのいずれか又は全てをもたらすように計算される、請求項5記載の遠隔手術方法。
- 前記マニピュレータアームの遠位部分は、前記エンドエフェクタに向かって遠位側に延びる細長いシャフトを有する手術器具を解放可能に支持するように器具保持部と結合しており、前記手術器具は、手術中に遠隔中心の回りを回動する、請求項1記載の遠隔手術方法。
- 所望の再構成動作を生じさせるための再構成命令を受けるステップ、
前記再構成命令に応じて、所望の再構成動作で複数の関節のうちの第一の関節のセットを駆動するステップ
前記再構成命令に応じて、計算された関節速度と組み合わされた前記第一の関節のセットの再構成動作がヤコビアンのゼロ空間内であるように、前記複数の関節のうちの一つ以上の関節の再構成動作を計算するステップ、及び
前記第一の関節のセットの駆動中、前記エンドエフェクタの所望の状態を維持するように、計算された再構成動作に従って、一つ以上の関節を駆動するステップ、
を更に含む、請求項1記載の遠隔手術方法。 - 前記第一の関節のセットは、関節の前記非動作サブセットのうちの少なくとも一つの関節を含む、請求項12記載の遠隔手術方法。
- 関節の前記非動作サブセットは、前記マニピュレータアームを前記基部に結合させる前記マニピュレータアームの最も近位の関節を含む、請求項13記載の遠隔手術方法。
- 前記再構成命令は、前記基部を支持する構造によって支持された、手術助手による入力であり、
前記操縦命令は外科医コンソール内への入力であり、前記外科医コンソールは前記支持構造から独立に可動である、
請求項12記載の遠隔手術方法。 - 前記マニピュレータアームは、中間部を有するツールを支持するように構成されており、前記中間部は、前記近位部から、前記中間部の遠位端に配置された前記エンドエフェクタに向かって挿入軸に沿って遠位側に延び、
前記マニピュレータアームの前記遠位部が、手術部位での前記エンドエフェクタの動作を助けるために、前記挿入軸に沿って配置された遠隔中心の回りを回動することができるように、前記関節のうちの少なくともいくつかは、前記基部に対する前記遠位部の動作を機械的に拘束し、且つ
前記手術部位は、挿入開口を通ってアクセスされる、
請求項13記載の遠隔手術方法。 - 複数の前記関節は、前記近位部の遠位側に配置され且つ前記遠位部の近位側に配置された遠隔球面中心関節を有し、
前記遠隔球面中心関節は機械的に拘束されており、前記遠隔中心関節の連結は、前記マニピュレータアームの前記遠位部を第一の遠隔中心軸、第二の遠隔中心軸及び第三の遠隔中心軸の回りで回動させ、前記第一の遠隔中心軸、前記第二の遠隔中心軸及び前記第三の遠隔中心軸は、前記遠隔中心と交差する、
請求項16記載の遠隔手術方法。 - 前記近位部は前記基部に対して機械的に拘束されており、前記マニピュレータアームの前記遠位部は、前記近位部が動作するときに前記遠隔中心の回りで回動する、
請求項16記載の遠隔手術方法。 - 関節の前記非動作サブセットからの第一の関節は、前記近位部を前記基部に結合させており、
前記第一の関節のセットからの前記第一の関節は、回転関節であって、前記回転関節の関節動作が前記マニピュレータアームの前記遠位部を前記遠隔中心の回動軸の回りで回動させるように、前記マニピュレータアームの前記遠位部を支持する回転関節を有し、
前記回動軸は、前記マニピュレータアームの前記挿入軸が、前記遠隔中心に向けられ遠位側で細くなる錐体に沿って動くように、前記回転関節から前記遠隔中心を通って延びる、
請求項16記載の遠隔手術方法。 - 関節の前記非動作サブセットのうちの第一の関節は、前記遠位部が前記基部に対して経路に沿って可動であるように前記近位部を前記基部に結合させ、
前記経路は弧状であるか又は実質的に円形であり、前記経路に沿った前記近位部の動作は、前記マニピュレータアームの前記遠位部の前記挿入軸を、前記遠隔中心で回動させる、
請求項16記載の遠隔手術方法。 - 関節の前記非動作サブセットからの第一の関節は、前記マニピュレータアームの前記遠位部を器具保持部に結合させ、
前記第一の関節は、回転関節であって、前記器具保持部及び関連する器具シャフトを前記回転関節の回動軸の回りで回動させるように前記器具保持部を支持する回転関節を有し、
前記回動軸は、前記マニピュレータアームの前記挿入軸が、前記遠隔中心に向けられ遠位側で細くなる錐体に沿って動くように、前記回転関節から前記遠隔中心を通って延びる、
請求項16記載の遠隔手術方法。 - 関節の前記非動作サブセットからの第二の関節は、前記マニピュレータアームの前記遠位部を器具保持部に結合させ、
前記第二の関節は、回転関節であって、前記器具保持部及び関連する器具シャフトを前記回転関節の回動軸の回りで回動させるように前記器具保持部を支持する回転関節を有し、
前記回動軸は、前記マニピュレータアームの前記挿入軸が、前記遠隔中心に向けられ遠位側で細くなる錐体に沿って動くように、前記回転関節から前記遠隔中心を通って延びる、
請求項19記載の遠隔手術方法。 - 遠隔手術方法であって、
遠位のエンドエフェクタ及び細長い中間部を備えた遠位ツールを支持するように構成されたマニピュレータアームを提供するステップであり、前記遠位ツールは、低侵襲な開口を通して前記エンドエフェクタを操作するように挿入軸に沿って配置され且つ前記エンドエフェクタを支持し、前記マニピュレータアームは基部に結合した近位部及び複数の関節を有し、前記複数の関節は、所与のエンドエフェクタポジションに関する関節状態の範囲を可能にするために十分な自由度を有し、前記関節のうちの少なくともいくつかは、挿入軸に沿い且つ前記低侵襲な開口に隣接した遠隔中心の回りの回動動作に機械的に拘束された遠隔中心関節を有する、ステップ、
前記エンドエフェクタを所望のエンドエフェクタ動作で動作させるための操縦命令を受けるステップ、
前記所望のエンドエフェクタ動作を生じさせるために、関節のエンドエフェクタ移動動作を計算するステップであり、前記関節の前記エンドエフェクタ移動動作を計算する当該ステップは、前記関節のヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算するサブステップを含む、ステップ、
前記関節の指定された非作動サブセットの前記計算された速度を相殺するために、前記ヤコビアンのゼロ空間内で前記複数の関節の相殺動作を計算するステップであり、前記動作を計算する当該ステップは関節速度を計算するサブステップを含み、前記ゼロ空間は、前記ゼロ直交空間に対して直角である、ステップ、及び
前記所望のエンドエフェクタ動作を生じさせるように、計算された動作に従って前記関節を駆動するステップ、
を含む、遠隔手術方法。 - 平行四辺形リンク機構システムを使って前記遠隔中心の動作を拘束するステップを更に含み、
前記平行四辺形リンク機構システムは、
前記遠隔中心と交差する第一の遠隔中心軸の回りの回転のために前記基部に結合した、平行四辺形リンク機構基部、
第一リンク近位端及び第一リンク遠位端を有する第一のリンクであり、前記第一リンク近位端は前記平行四辺形リンク機構基部に結合しており、前記第一リンク遠位端は前記ツールを支持するように構成されている、第一のリンク、及び
第二リンク近位端及び第二リンク遠位端を有する第二のリンクであり、前記第二リンク近位端は前記第一リンク遠位端に結合しており、前記第二リンク遠位端は、前記ツールの挿入軸が前記遠隔中心と交差する第二の遠隔中心軸の回りの回転に拘束されるように、前記ツールを支持するように構成されている、第二のリンク、
を含む、
請求項23記載の遠隔手術方法。 - 前記遠隔中心関節は、前記挿入軸の運動を、前記遠隔中心を通る第一の遠隔中心軸及び第二の遠隔中心軸の回りの回動運動に拘束し、
関節の非動作サブセットの第一の関節は、前記遠隔中心を通って延びる第一の遠隔中心軸の回りの回転に前記挿入軸の運動を拘束するように構成されている、
請求項23記載の遠隔手術方法。 - 前記エンドエフェクタを所望の再構成動作で動作させるために、使用者入力からの再構成命令を受けるステップ、
前記エンドエフェクタが所望の状態にある間に、再構成命令に応じて第一の関節のセットを駆動するステップであり、前記第一の関節のセットは、関節の非動作サブセットのうちの少なくとも一つの関節を含む、ステップ、
前記関節の前記計算された速度と組み合わされた、前記第一の関節のセットの前記動作が前記ゼロ空間内であるように、前記再構成命令に応じて関節の動作を計算するステップ、
前記エンドエフェクタの所望の状態を維持するように、命令された動作に応じて前記第一の関節のセットを駆動しながら、前記計算された再構成動作に従って前記遠隔中心関節のうちの一つ以上を駆動するステップ、
を更に含む、請求項23記載の遠隔手術方法。 - 所望の補助動作を生じさせるために、第一の関節のセットの補助動作を計算するステップであり、前記補助動作は、自律的アルゴリズムに基づき、前記第一の関節のセットの動作が前記ゼロ空間内であるように計算される、ステップ、及び
組み合され、計算された、エンドエフェクタ移動動作、相殺動作及び補助動作に従って前記関節を駆動するステップ、
を更に含む、請求項23記載の遠隔手術方法。 - 前記計算された補助動作に従って関節を駆動するステップは、前記マニピュレータアームの前記所望の補助動作を生じさせるように、関節の非動作サブセットのうちの少なくとも一つの関節を動作させるサブステップを含む、
請求項5記載の遠隔手術方法。 - 前記複数の関節のうちの第一の関節は前記近位部を前記基部に結合させ、関節の非動作サブセットからの前記第一の関節は、前記マニピュレータアームの前記遠隔中心関節を支持する回転関節を有して、前記回転関節の関節動作が、前記マニピュレータアームの前記遠隔中心関節を、前記回転関節の回動軸の回りで回動させるようにし、
前記回動軸は前記回転関節から前記遠隔中心に向かって延び、関節の前記非動作サブセットは前記第一の関節を含む、
請求項23記載の遠隔手術方法。 - 前記複数の関節のうちの第一の関節は、前記遠隔中心関節を前記ツールに結合させるように構成され、前記第一の関節は、前記ツールを支持するように構成された回転関節を有して、前記回転関節の関節動作が、前記挿入軸を、前記回転関節の回動軸の回りで回動させるようにし、
前記回動軸は前記回転関節から前記遠隔中心に向かって延び、関節の非動作サブセットは前記第一の関節を含む、
請求項23記載の遠隔手術方法。 - 遠隔手術システムであって、
近位の基部に対して遠位のエンドエフェクタをロボットで動作させるように構成されたマニピュレータアームであり、当該マニピュレータアームは、遠位部と前記基部に結合した近位部との間の複数の関節を有し、前記関節は、前記遠位部の所望の状態のための関節状態の範囲を可能にするために十分な自由度を提供する、マニピュレータアーム、
所望のエンドエフェクタ動作で前記エンドエフェクタを動作させるための操縦命令を受けるための、入力部、及び
入力装置を前記マニピュレータアームに結合させるプロセッサであり、当該プロセッサは、
前記関節のヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算することによって、前記操縦命令に応じて前記関節のエンドエフェクタ移動動作を計算し、前記計算された関節速度は、前記複数の関節に含まれる指定された非動作関節の速度を含み、
ゼロ空間内で前記関節の相殺動作を計算し、前記計算された相殺動作は、前記指定されたゼロ動作関節の前記計算された速度を相殺するように構成された非動作関節の速度を含み、
前記操縦命令ごとに前記マニピュレータアームを駆動し且つ前記非動作関節の動作を抑制するように、前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作に応じて前記マニピュレータアームに命令を送信する、
ように構成された、プロセッサ、
を有する、遠隔手術システム。 - 前記プロセッサは更に、
前記ゼロ直交空間内のロックされた関節のセットの各関節の前記エンドエフェクタ移動動作を相殺するために、前記ゼロ空間内で関節の非動作サブセットのそれぞれの動作を計算するように構成されている、
請求項31記載の遠隔手術システム。 - 前記プロセッサは更に、
前記それぞれの関節の関節空間内で操縦動作及び前記相殺動作のそれぞれを計算するように構成されている、
請求項31記載の遠隔手術システム。 - 前記プロセッサは更に、
前記マニピュレータアームの所望の補助動作を生じさせるように、第一の関節のセットの補助動作を計算し、前記補助動作は、前記第一の関節のセットの動作が前記ヤコビアンのゼロ空間内であるように計算されるように構成されており、
前記計算された補助動作は、前記マニピュレータアームの前記所望の補助動作を生じさせるように、関節の非動作サブセットのうちの少なくとも一つの関節の動作を含む、
請求項31記載の遠隔手術システム。 - 前記プロセッサは、前記補助動作が自律的アルゴリズムに基づくように構成されている、請求項34記載の遠隔手術システム。
- 当該システムは、
所望の再構成動作で前記複数の関節のうちの第一の関節のセットを動作させるための再構成命令を受けるための入力装置であり、前記第一の関節のセットは、関節の非動作サブセットのうちの少なくとも一つを含む、入力装置、
を更に含み、
前記プロセッサは更に、
前記再構成命令に応じて、前記第一の関節のセットの前記命令された動作が、z戦記関節の前記計算された速度と共に、前記ゼロ空間内であるように、前記複数の関節の動作を計算し、且つ
前記再構成動作の間、前記遠位部の所望の状態を維持するように、前記第一の関節のセットの前記命令された動作の間、前記計算された動作に従って前記関節を駆動する、
請求項31記載の遠隔手術システム。 - 前記マニピュレータアームの近位部は、前記複数の関節のうちの第一の関節によって、前記基部に結合しており、
前記第一の関節は前記マニピュレータアームの前記関節を支持する回転関節であり、前記回転関節の関節動作が前記マニピュレータアームのうちの一つ以上の関節を前記回転関節の回動軸の回りで回動させ、前記回動軸は前記回転関節から前記エンドエフェクタの器具シャフトの遠隔中心を通って延び、
関節の非動作サブセットは、前記第一の関節を含む、
請求項31記載の遠隔手術システム。 - 第一の関節を更に有し、当該第一の関節は前記マニピュレータアームの遠位部を器具保持部に結合させる回転関節を有し、前記器具保持部は器具を支持し、前記器具は器具シャフトを有し、前記器具シャフトは前記エンドエフェクタに向かって延び、当該第一の関節の前記動作は、前記回転関節から遠隔中心を通って延びる前記回転関節の軸の回りで前記器具シャフトを回動させ、前記器具シャフトは前記遠隔中心の回りを回動し、
前記マニピュレータアームの前記器具シャフトは、前記遠隔中心に向けられ遠位側で細くなる錐体に沿って動き、
関節の非動作サブセットは、前記第一の関節を含む、
請求項31記載の遠隔手術システム。 - 遠隔手術システムであって、
手術器具であり、近位端、患者の体内への挿入に適した遠位エンドエフェクタ及び前記近位端及び前記遠位エフェクタの間の挿入軸を備えた中間部を有する、手術器具、
患者の外側から器具を回動させるために前記手術器具の前記近位端を支持するように構成されたマニピュレータアームであり、当該マニピュレータアーム及び前記器具は複数の被駆動関節を有し、前記関節は前記エンドエフェクタの所与の状態のための関節状態の範囲を可能にするために十分な自由度を提供し、当該マニピュレータアームの前記関節は遠隔中心関節を含み、前記遠隔中心関節は、遠位部の動作を、前記挿入軸に沿い低侵襲な開口に隣接する遠隔中心回動点の回りの回動に機械的に拘束する、マニピュレータアーム、
所望のエンドエフェクタ動作で前記エンドエフェクタを動作させるために、操縦命令を受けるための入力部であり、当該入力部はユーザーインターフェイスに配置されている、入力部、及び
前記再構成入力部を前記マニピュレータアームに結合させるプロセッサであり、当該プロセッサは、
所望のエンドエフェクタ動作を生じさせるために、前記操縦命令に応じて前記関節のエンドエフェクタ移動動作を計算し、前記関節の前記エンドエフェクタ移動動作を計算することは、ヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算することを含み、
複数の関節について、関節の非動作サブセットの各関節についての前記エンドエフェクタ移動動作を相殺する相殺動作を計算し、前記相殺動作を計算することはヤコビアンのゼロ空間内で関節速度を計算することを含み、前記ゼロ直交空間は前記ゼロ空間に対して直角であり、前記非動作サブセットは前記複数の関節のうちの一つ以上の関節を含む、
ように構成されている、プロセッサ、
を有する、遠隔手術システム。 - 所望の再構成動作で前記複数の関節のうちの第一の関節のセットを動作させるために、再構成命令を受けるための再構成入力部であり、前記第一の関節のセットは、関節の前記非動作サブセットのうちの少なくとも一つを含む、再構成入力部、
を更に有し、
前記プロセッサは更に、
前記再構成命令に応じて関節のうちの一つ以上の再構成動作を計算するように構成され、前記再構成動作に従って前記関節が駆動される場合に、前記エンドエフェクタの前記所望の状態を維持するために、前記計算された関節速度と組み合わされた前記第一の関節のセットの前記再構成動作は、ゼロ空間内である、
請求項39記載の遠隔手術システム。
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