JP2017512078A - 動的な仮想の衝突対象物についてのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

動的な仮想の衝突対象物のシステム及び方法は、医療装置用の制御ユニットを含む。制御ユニットは、１つ又は複数のプロセッサと、制御ユニットを医療装置に結合するインターフェイスとを含む。制御ユニットは、医療装置の第１の可動セグメントの位置、１つ又は複数の第１の仮想的な衝突対象物（ＶＣＯ）によって近似される第１の可動セグメントが占有する体積を決定し；医療装置の位置及び運動目標に基づいて、第１のＶＣＯの１つ又は複数の特性を調整し；位置及び特性に基づいて、第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を決定し；第２の装置の第２のセグメントに関連する１つ又は複数の第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を受信し；第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の関係を決定し；この関係に基づいて、医療装置の運動計画を調整する；ように構成される。

Description

本開示は、概して、装置同士の間の協調運動に関し、より具体的には動的な仮想の衝突対象物に関する。

益々多くの装置が、自律的な及び半自律的な電子装置に置き換えられている。これは、自律的な及び半自律的な電子装置の大型アレイが、手術室、介入処置室、集中治療室、救急処置室等で見受けられるような、今日の病院に特に当てはまる。例えば、ガラス体温計や水銀体温計が、電子体温計に置き換えられ、点滴ラインが、現在、電子監視装置及び流れ調整器を含み、従来のハンドヘルド式手術用器具は、コンピュータ支援医療装置に置き換えられている。

これらの電子装置は、それら電子装置を操作する従事者に利点と課題との両方を与える。これらの電子装置の多くは、１つ又は複数の関節式アーム及び／又はエンドエフェクタの自律的な又は半自律的な運動が可能である。これらの電子装置が、自動的に及び／又は操作者のコマンドのいずれかで、関節式アーム及び／又はエンドエフェクタを作業空間の周辺に移動させる際に、それら電子装置は、一般的に、その作業空間内での関節式アーム、エンドエフェクタ、及び／又は他の対象物の間の衝突を回避するように試みる。大抵の場合、衝突によってその作業空間内の電子装置、関節式アーム、エンドエフェクタ、及び／又は他の対象物に損傷を与える可能性があるため、衝突を回避することは重要である。衝突は、作業空間及び／又は患者の近くにいる従事者にも損傷を与えるリスクを高める可能性がある。

衝突回避の問題に対する１つの解決策は、電子装置の操作者（例えば、医療従事者）が、適切な離間距離を維持しながら、それぞれの電子装置を操作及び監視し、及び／又はそれら電子装置が互いに干渉しない及び／又は互いに衝突することがないように装置を操作させことである。例えば、コンピュータ支援手術用装置は、手術室の領域内でのみ使用可能であり、手術室内にも存在する撮像システムと干渉又は衝突しなくなる。このような制約は、コンピュータ支援手術用装置と撮像システムとの両方の機能を制限し得る。

他のアプローチは、電子装置のそれぞれが他の電子装置によって占有される領域の外に留まり得るように、電子装置に、それら電子装置の現在の位置、幾何学的形状、及び／又は計画された運動に関する情報を交換させることを含む。いくつかの例では、これは、センサの不確実性、制御アルゴリズムの不正確性等を考慮して安全マージンを保持することも含み得る。これらのアプローチは、一般的に、安全マージンに静的なアプローチを用いており、電子装置の動的な挙動及び／又は運動目標の変化に基づいて、安全マージンを調整するためのサポートを殆ど或いは全く提供していない。

従って、移動するセグメントを含む装置同士の間での衝突回避及び／又は協調動作をサポートするための改良された方法及びシステムを提供することが望まれている。

いくつかの実施形態に一貫して、医療装置用の制御ユニットは、１つ又は複数のプロセッサと、制御ユニットを医療装置に結合するインターフェイスとを含む。制御ユニットは、医療装置の第１の可動セグメントの位置、１つ又は複数の第１の仮想的な衝突対象物（ＶＣＯ）によって近似される第１の可動セグメントが占有する体積を決定し；医療装置の位置及び運動目標に基づいて、第１のＶＣＯの１つ又は複数の特性を調整し；位置及び特性に基づいて、第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を決定し；第２の装置の第２のセグメントに関連する１つ又は複数の第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を受信し；第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の関係を決定し；この関係に基づいて、医療装置の運動計画を調整する；ように構成される。

いくつかの実施形態に一貫して、医療装置の運動を制御する方法は、制御ユニットによって、医療装置の第１のセグメントの位置を決定するステップであって、制御ユニットは、インターフェイスによって医療装置に結合される、決定するステップと；医療装置の位置及び運動目標に基づいて、第１のセグメントに関連する１つ又は複数の第１のＶＣＯの１つ又は複数の特性を調整するステップと；位置及び特性に基づいて、第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を決定するステップと；第２の装置に関連する１つ又は複数の第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を受信するステップと；第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の関係を決定するステップと；この関係に基づいて、医療装置の運動計画を調整するステップと；を含む。

いくつかの実施形態に一貫して、協調運動システムは、第１のインターフェイスを介して第１の医療装置に結合される第１の制御ユニットと、第２のインターフェイスを介して第２の医療装置に結合される第２の制御ユニットとを含む。第１の制御ユニットは、第１の医療装置の第１のセグメントの第１の位置を決定し；第１の医療装置の第１の位置及び第１の運動目標に基づいて、第１のセグメントに関連する１つ又は複数の第１のＶＣＯの１つ又は複数の第１の特性を調整し；第１の位置及び第１の特性に基づいて、第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を決定し；第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を第２の制御ユニットに送信し；第２の制御ユニットから第２の医療装置の第２のセグメントに関連する１つ又は複数の第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を受信し；第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の第１の関係を決定し；第１の関係に基づいて、第１の医療装置の第１の運動計画を調整する；ように構成される。第２の制御ユニットは、第２のセグメントの第２の位置を決定し；第２の医療装置の第２の位置及び第２の運動目標に基づいて、第２のＶＣＯの１つ又は複数の第２の特性を調整し；第２の位置及び第２の特性に基づいて、第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を決定し；第２の幾何学的形状を第１の制御ユニットに送信し；第１の制御ユニットから第１の幾何学的形状を受信し；第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の第２の関係を決定し；第２の関係に基づいて、第２の医療装置の第２の運動計画を調整する；ように構成される。第１の運動計画及び第２の運動計画は、第１の医療装置と第２の医療装置との間の協調運動を含む。

いくつかの実施形態に係る協調運動システムの概略図である。 いくつかの実施形態に係る作業空間における仮想的な衝突対象物の使用を示す概略図である。 いくつかの実施形態に係る衝突回避の方法の概略図である。 いくつかの実施形態に係る仮想的な弾性対象物の衝突の間の相互作用の概略図である。 いくつかの実施形態に係る協調動作の方法の概略図である。

図面において、同一の記号表示を有する要素は、同一又は同様の機能を有する。
以下の説明では、本開示に一致するいくつかの実施形態を説明する具体的な詳細について記載する。しかしながら、いくつかの実施形態は、これらの特定の詳細の一部又は全てを用いずに実施できることは、当業者には明らかであろう。本明細書に開示された特定の実施形態は、例示することを意図しており、限定するものではない。当業者は、ここでは特に説明しないが、本開示の範囲及び精神の範囲内にある他の要素を実現し得る。また、不必要な繰返しを避けるために、一実施形態に関連して示し且つ説明した１つ又は複数の特徴は、他に特に明記しない限り又は１つ又は複数の特徴が実施形態を機能的でないものにしない限り、他の実施形態に組み込むことができる。

図１は、いくつかの実施形態に係る協調運動システム１００の概略図である。図１に示されるように、協調運動システム１００は、１つ又は複数の可動式アーム及び／又は１つ又は複数のエンドエフェクタを有する装置１１０を含む。いくつかの例では、装置１１０は、コンピュータ支援手術用装置に一致し得る。装置１１０は、手術用器具、撮像装置及び／又は同様のものを支持するための１つ又は複数の可動セグメント又は関節式アーム１１５を含むことができる。装置１１０は、装置１１０及び／又は１つ又は複数の関節式アーム１１５を動作させるための１つ又は複数のマスター制御を含み得る操作者ワークステーション（図示せず）にさらに結合することができる。いくつかの実施形態では、装置１１０及び操作者ワークステーションは、カリフォルニア州のサニーベールのIntuitive Surgical社によって販売されているda Vinci（登録商標）手術システムに対応し得る。いくつかの実施形態では、他の構成、より少ない又はより多い関節式アーム、及び／又は同様なものを含むコンピュータ支援手術用装置は、協調運動システム１００と一緒に使用することができる。

装置１１０は、インターフェイスを介して制御ユニット１２０に結合される。制御ユニット１２０は、メモリ１２４に結合されるプロセッサ１２２を含む。制御ユニット１２０の動作は、プロセッサ１２２によって制御される。１つのプロセッサ１２２のみを含む制御ユニット１２０が示されているが、プロセッサ１２２は、制御ユニット１２０内の１つ又は複数の中央処理装置、マルチコアプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（FPGA）、特定用途向け集積回路（ASIC）、及び／又は同様のものであってもよいことが理解される。制御ユニット１２０は、コンピュータ装置に追加されたスタンドアロン型のサブシステム及び／又はボード、或いは仮想マシンとして実現することができる。いくつかの実施形態では、制御ユニットは、操作者ワークステーションの一部として含まれてもよく、及び／又は操作者ワークステーションと別に動作されるが、操作者ワークステーションと連携してもよい。

メモリ１２４は、制御ユニット１２０によって実行されるソフトウェア及び／又は制御ユニット１２０の動作中に使用される複数のデータ構造を格納するために使用することができる。メモリ１２４は、１つ又は複数のタイプの機械可読媒体を含んでもよい。機械可読媒体のいくつかの一般的な形態は、フロッピーディスク（登録商標）、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、他の光媒体、パンチカード、紙テープ、ホール（holes）パターンを含む他の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、他のメモリチップ又はカートリッジ、及び／又はプロセッサ又はコンピュータが読み取るように適合された他の媒体を含むことができる。

示されるように、メモリ１２４は、装置１１０の自律的な及び／又は半自律的な制御をサポートするために使用され得る運動制御アプリケーション１２６を含む。運動制御アプリケーション１２６は、装置１１０から位置及び／又は運動情報を受信し、位置、運動、及び／又は衝突回避情報を他の装置に関する他の制御ユニットと交換し、及び／又は装置１１０、装置１１０の関節式アーム１１５及び／又はエンドエフェクタの運動を計画及び／又は支援するための１つ又は複数のアプリケーション・プログラミング・インターフェイス（API）を含むことができる。運動制御アプリケーション１２６は、ソフトウエア・アプリケーションとして示されているが、運動制御アプリケーション１２６は、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はハードウェアとソフトウェアとの組合せを用いて実現することができる。

協調運動システム１００は、装置１１０とは異なる構成の１つ又は複数の可動式アーム及び／又は１つ又は複数のエンドエフェクタを有する装置１３０をさらに含むことができる。いくつかの例では、装置１３０は、撮像サブシステム１３５を含む撮像装置と一致させることができ、この撮像装置を使用して、協調運動システム１００の作業空間内に位置する患者及び／又は他の対象物の１つ又は複数の画像を撮影することができる。装置１３０及び撮像サブシステム１３５は、撮像サブシステム１３５を位置付けして、所望の１つ又は複数の画像を撮影するために使用される１つ又は複数の可動要素を含んでもよい。図１の装置１３０は、Ｃ字型アームとして特徴付けられる撮像サブシステム１３５として示されているが、他のタイプの撮像装置も、協調運動システム１００において使用可能である。いくつかの実施形態では、撮像サブシステム１３５は、ＭＲボア等のドーナツ形状のボア、プローブを含む関節式アーム、１つ又は複数の関節式アーム、及び／又は同様のものを含んでもよい。いくつかの実施形態では、装置１３０は、装置１１０に使用される操作者ワークステーションと同じ又は別の操作者ワークステーションであってもよい操作者ワークステーション（図示せず）に結合することもできる。

装置１１０と同様に、装置１３０は、インターフェイスを介して制御ユニット１４０に結合される。制御ユニット１４０は、メモリ１４４に結合されるプロセッサ１４２を含む。制御ユニット１４０の動作は、プロセッサ１４２によって制御される。制御ユニット１４０は、１つのプロセッサ１４２のみを含むように示されているが、プロセッサ１４２は、制御ユニット１４０内の１つ又は複数の中央処理装置、マルチコアプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、及び／又は同様のものでもよいことが理解される。制御ユニット１４０は、コンピュータ装置に追加されたスタンドアロン型のサブシステム及び／又はボードとして、或いは仮想マシンとして実現することができる。いくつかの実施形態では、制御ユニットは、操作者ワークステーションの一部として含まれてもよく、及び／又は操作者ワークステーションとは別に動作されるが、操作者ワークステーションと連携してもよい。

メモリ１４４は、制御ユニット１４０によって実行されるソフトウェア及び／又は制御ユニット１４０の動作中に使用される１つ又は複数のデータ構造を格納するために使用することができる。メモリ１４４は、１つ又は複数のタイプの機械可読媒体を含んでもよい。機械可読媒体のいくつかの一般的な形態は、フロッピーディスク（登録商標）、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、他の光媒体、パンチカード、紙テープ、ホールパターンを含む他の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、他のメモリチップ又はカートリッジ、及び／又はプロセッサ又はコンピュータが読み取るように適合された他の媒体を含むことができる。

示されるように、メモリ１４４は、装置１３０の自律的な及び／又は半自律的な制御をサポートするために使用され得る運動制御アプリケーション１４６を含む。運動制御アプリケーション１４６は、装置１２０から位置及び／又は運動情報を受信し、位置、運動、及び／又は衝突回避情報を他の装置（例えば、装置１１０）に関する他の制御ユニット（例えば、制御ユニット１２０）と交換し、及び／又は、装置１３０及び／又は撮像サブシステム１３５の運動を計画及び／又は支援するための１つ又は複数のアプリケーション・プログラミング・インターフェイス（API）を含むことができる。運動制御アプリケーション１４６は、ソフトウエア・アプリケーションとして示されているが、運動制御アプリケーション１４６は、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はハードウェアとソフトウェアとの組合せを用いて実現することができる。

制御ユニット１２０，１４０は、ネットワーク１５０を使用して一緒に結合することができる。ネットワーク１５０は、１つ又は複数のコネクタ及び／又はケーブルを含むネットワーク、イーサネット（登録商標）等の１つ又は複数のローカルエリアネットワーク（LAN）、及び／又はインターネット等の１つ又は複数のワイドエリアネットワーク（WAN）のいずれかのタイプであってもよい。いくつかの例では、ネットワーク１５０は、制御ユニット１２０，１４０の間の位置、運動、及び／又は衝突回避情報の交換をサポートするための１つ又は複数のコンピュータ装置を含むことができる。いくつかの例では、１つ又は複数のコンピュータ装置は、２０１３年８月１６日に出願された、Mahdi Azizian、Jonathan Sorger、Simon DiMaioによる”System and Method for Coordinated Motion Among Heterogeneous Devices”という標題の米国仮特許出願第６１／８６６，９４９号に記載される共有インターフェイス等の共有インターフェイスをサポートすることができ、この文献の内容は、全ての目的のため、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

いくつかの実施形態では、協調運動システム１００は、手術室及び／又は介入処置室に確認することができる。協調運動システム１００は、２つの装置１１０，１３０のみを示しているが、当業者であれば、協調運動システム１００が、装置１１０，１３０と同様の及び／又は異なる設計の可動式アーム及び／又はエンドエフェクタを有する任意数の装置を含むことができることを理解するであろう。いくつかの例では、それぞれの装置は、より少ない又はより多い可動式アーム及び／又はエンドエフェクタを有してもよい。

いくつかの例では、協調運動システム１００に異なる配置及び／又は構成を使用してもよい。いくつかの例では、制御ユニットは、複数の装置の運動を制御する役割を担うことができる。いくつかの例では、制御ユニットは、１つの制御ユニットが、１つ又は複数の他の制御ユニットによって提供される運動計画及び／又は運動制御を指示することができるマスタースレーブ階層を形成することができる。

多くの技術及びアプローチが、１つ又は複数の関節式アーム及び／又はエンドエフェクタ等の１つ又は複数の可動要素を有する１つ又は複数の装置を含むシステムにおいて衝突回避をサポートするために長年に亘って使用されてきた。このような１つのアプローチは、それぞれの装置及び／又は対象物によって占有される体積を近似するために使用される仮想的な衝突対象物（ＶＣＯ）を使用することである。多くのアプリケーションでは、ＶＣＯは、装置又は対象物の一部又は全てを境界線で囲む仮想的形状であってもよい。各ＶＣＯは、装置又は対象物の一部を中心決めすることができ、容易にパラメータ化し得る形状に基づくことができる。例えば、米国特許第４，５７８，７５７号は、独立して移動可能な移動体に沿って間隔を置いて配置される球形状のＶＣＯの使用について記載している。球形状のＶＣＯは、移動体によって占有されるサブ体積が、球形状のＶＣＯによって占有されるサブ体積内に完全に含まれるように位置付け及びサイズ調整される。サブ体積の間のこの包含関係のため、それぞれの移動体のＶＣＯによって占有されるサブ体積が重複しない限り、その後の移動体同士の間の衝突は起こらない。２つの球形状のＶＣＯ同士の間の重複が、２つのＶＣＯの中心点同士の間の距離を２つのＶＣＯの半径の合計と比較することにより決定することができるので、ＶＣＯについて球の使用は、衝突の計算を単純化することもできる。

図２は、いくつかの実施形態に係る作業空間２００における仮想的な衝突対象物の使用を示す概略図である。図２に示されるように、第１の装置は、セグメント２２０に結合されるセグメント２１０を含む。図示していないが、セグメント２１０，２２０は、回転関節等を介して互いに対して移動可能であり、及び／又は作業空間２００の周りに移動可能である。図２は、セグメント２３０を含む第２の装置も示す。セグメント２３０は、セグメント２１０，２２０に対して独立して移動可能でもある。いくつかの例では、セグメント２１０，２２０は、装置１１０の一部とすることができ、セグメント２３０は、装置１３０の一部とすることができる。いくつかの例では、１つ又は複数のセグメント２１０〜２３０は、固定されており、作業空間内の対象物及び／又は装置の一部又は全てを表すことができる。

（直方体として単純化して描かれているが）セグメント２１０〜２３０のいくらか複雑な幾何学的形状のため、１つ又は複数のＶＣＯを用いて、セグメント２１０〜２３０のモデリングを高めることが有利となり得る。図２に示されるように、セグメント２１０，２２０は、９つの関連するＶＣＯ２４１〜２４９で示されている。それぞれのＶＣＯ２４１〜２４９は、セグメント２１０，２２０の一部の周りに中心決めされる球形状として特徴付けられる。集合的に、ＶＣＯ２４１〜２４９によって占有されるサブ体積が、セグメント２１０，２２０によって占有されるサブ体積を境界線で囲む。セグメント２１０，２２０によって占有されるサブ体積を細かくモデル化するためのＶＣＯ２４１〜２４９の能力は、ＶＣＯ２４１〜２４９の数を変更すること、及び／又はセグメント２１０，２２０のサイズに対してＶＣＯ２４１〜２４９のサイズを変更することによって制御することができる。いくつかの例では、より少ないＶＣＯ２４１〜２４９を使用して計算コストを低減してもよいが、それに対応して、セグメント２１０，２２０のモデリングをより貧疎なものにし、ＶＣＯ２４１〜２４９が、一般的に、セグメント２１０，２２０の周りにより大きなサブ体積を占有することになり、それは望ましくない。セグメント２３０は、セグメント２３０の左側端に球形状のＶＣＯ２５１と、セグメント２３０の長さに沿った円柱形状のＶＣＯ２５２とを含む異なるパターンのＶＣＯで示されている。円柱形状のＶＣＯ２５２等の非球形状のＶＣＯの使用は、モデリングの複雑性と、セグメント又はセグメントのグループについてより少ないＶＣＯを使用することとの間のトレードオフとして使用される。いくつかの例では、ＶＣＯの形状を、球、円柱、直方体、卵形、カプセル（半球形状の端部を有する円柱）及び／又は同様の形状等の容易にモデル化又はパラメータ化できる形状に制限することが望ましい場合がある。

いくつかの実施形態では、ＶＣＯ２４１〜２４９，２５１，２５２を使用して、セグメント２１０〜２３０同士の間の衝突回避をサポートすることができる。いくつかの例では、ＶＣＯ２４１〜２４９，２５１，２５２のより単純な幾何学的形状を予備試験として使用して、セグメント２１０〜２３０同士の間の衝突及び／又は差し迫った衝突が存在するかどうかを判定することができる。ＶＣＯ２４１〜２４９及びＶＣＯ２５１，２５２によって占有されるサブ体積同士の間に重複がない限り、セグメント２１０，２２０と、セグメント２３０との間の衝突は存在しないはずである。いくつかの例では、ＶＣＯ２４１〜２４９と、ＶＣＯ２５１，２５２との間の最短距離２６０は、衝突の可能性の指標を提供することができる。距離２６０の大きさは、セグメント２１０，２２０が、セグメント２３０にどれ位近いかのおおよその推定を提供することができる。いくつかの例では、距離２６０の大きさが減少している場合に、これは、差し迫った高い可能性の衝突を示すこともできる。いくつかの例では、制御ユニット１２０及び／又は１４０等の制御ユニットは、ＶＣＯ２４１〜２４９及び／又は２５１，２５２の位置及びサイズに関する情報を交換して、それ自体の衝突回避の計算をサポートする、及び／又はＶＣＯ２４１〜２４９，２５１，２５２によって占有されるサブ体積を、それ自体のそれぞれの運動計画についての飛行禁止／回避ゾーンとして使用することができる。

いくつかの実施形態では、ＶＣＯ２４１〜２４９及び／又は２５１，２５２は、他の運動に関連する動作のサポートを提供することができる。いくつかの例では、ＶＣＯ２４１〜２４９及び／又は２５１，２５２を使用して、セグメント２１０〜２３０の位置を決定するときに、安全又はエラーマージンを提供することができる。セグメント２１０〜２３０の正確な位置がセンサの不確実性、制御アルゴリズムの不正確性等によって既知でない場合に、ＶＣＯ２４１〜２４９及び／又は２５１，２５２の使用は、セグメント２１０〜２３０の周りに十分なスペースを確保して、衝突及び／又は他の望ましくない結果を回避することができる。いくつかの例では、１つ又は複数のＶＣＯ２４１〜２４９が１つ又は複数のＶＣＯ２５１，２５２と重複するようにセグメント２１０，２２０がセグメント２３０に十分近くなったときに、これは、セグメント２１０〜２３０のより細かい及び／又はより繊細な制御を提供する１つ又は複数の異なる運動制御アルゴリズムの使用をトリガすることができる。

図３は、いくつかの実施形態に係る衝突回避の方法３００の概略図である。方法３００の１つ又は複数のプロセス３１０〜３５０は、１つ又は複数のプロセッサ（例えば、制御ユニットは１２０及び／又は１４０内のそれぞれのプロセッサ１２２及び／又は１４２）によって実行されたときに、１つ又は複数のプロセッサに、プロセス３１０〜３５０の１つ又は複数を実行させる非一時的な、有形の機械可読媒体に格納された実行可能コードの形態で少なくとも部分的に実施することができる。いくつかの実施形態では、方法３００は、運動制御アプリケーション１２６及び／又は１４６等のアプリケーションによって実行してもよい。

プロセス３１０では、１つ又は複数のセグメントの位置が決定される。制御ユニットは、制御ユニットが制御している装置の１つ又は複数のセグメントの位置を決定することができる。いくつかの例では、制御ユニット１２０は、装置１１０の１つ又は複数の関節式アーム１１５及び／又はエンドエフェクタに関連する１つ又は複数のセグメントの位置を決定することができる。いくつかの例では、制御ユニット１４０は、装置１３０の撮像サブシステム１３５に関連する１つ又は複数のセグメントの位置を決定することができる。制御ユニットは、１つ又は複数の関節センサを使用して、制御されている装置内のセグメント同士の間の様々な関節の相対位置及び／又は回転を決定することができる。いくつかの例では、関節センサは、ポテンショメータ、光学エンコーダ、及び／又は同様のものを含むことができる。いくつかの例では、関節センサからの情報を装置及びそのセグメントの１つ又は複数の運動学的モデルと組み合わせて、１つ又は複数のセグメントの位置を決定することができる。いくつかの例では、制御ユニットは、制御されるセグメント及び／又は装置が撮影した１つ又は複数の画像から得られた情報に基づいて、１つ又は複数のセグメントの位置を決定することができる。いくつかの例では、１つ又は複数のセグメントの位置は、ローカル座標系で決定し、及び／又はグローバル座標系に変換することができる。

プロセス３２０では、１つ又は複数のＶＣＯの幾何学的形状が交換される。プロセス３１０の間に決定された１つ又は複数のセグメントの位置を用いて、制御ユニットは、１つ又は複数のセグメントに関連する１つ又は複数のＶＣＯの幾何学的形状（例えば、位置及び／又は向き）を決定することができる。例えば、制御ユニットがセグメント２１０，２２０を含む装置を制御している場合に、セグメント２１０，２２０の位置を使用して、ＶＣＯ２４１〜２４９の幾何学的形状を決定することができる。同様に、制御ユニットがセグメント２３０を含む装置を制御している場合にも、セグメント２３０の位置を使用して、ＶＣＯ２５１，２５２の幾何学的形状を決定することができる。制御ユニットは、その後、可動セグメントを含む他の装置を制御する役割を担う他の制御ユニットと、これらのＶＣＯの幾何学的形状を共有することができる。制御ユニットは、他の装置の可動セグメントの幾何学的形状に関する情報を受信することもできる。いくつかの例では、制御ユニットは、共有インターフェイス及び／又は同様のものを介して、ネットワーク１５０等のネットワークを使用して１つ又は複数のメッセージを交換することにより、ＶＣＯの幾何学的形状を交換することができる。いくつかの実施形態では、ＶＣＯの幾何学的形状の交換は、過去、現在、及び／又は計画した運動に対応する時系列の幾何学的形状を交換することを含んでもよい。

プロセス３３０では、１つ又は複数の近接点が検出される。プロセス３２０の間に決定され及び／又は交換されたＶＣＯの幾何学的形状を使用して、制御ユニットは、制御されている装置のセグメントと、ＶＣＯの幾何学的情報が既知である他の装置のセグメントとの間に１つ又は複数の近接点を検出することができる。１つ又は複数の近接点は、潜在的な衝突の領域（複数可）を示し、運動計画の間に、より詳細な幾何学モデルが望まれる領域等を回避することができる。いくつかの例では、１つ又は複数の近接点は、距離２６０を含むことができる。

プロセス３４０では、衝突のないパスが計画される。プロセス３２０の間に決定及び／又は交換されたＶＣＯの幾何学的形状、及び／又はプロセス３３０の間に検出された１又は複数の近接点を使用して、制御ユニットは、制御している装置のセグメントについて衝突のないパスを決定することができる。いくつかの例では、衝突のないパスは、制御されている装置のセグメントの１つ又は複数の運動学的モデルを使用することができる。いくつかの例では、パスや運動計画は、制御されている装置のセグメントのＶＣＯが重複しないように、プロセス３２０の間に受信したＶＣＯの幾何学的形状を飛行禁止／回避ゾーンとして使用することができる。いくつかの例では、ＶＣＯの幾何学的形状同士の間の距離は、最小しきい値を上回るように維持され、及び／又は計画したパスを使用して、衝突の可能性をさらに低減するために最大化することができる。いくつかの例では、パスの終端位置は、制御されている装置の１つ又は複数のエンドエフェクタの所望の位置及び／又は向きに対応させてもよい。

プロセス３５０では、運動が実行される。プロセス３４０の間に計画されたパスを使用して、制御ユニットは、１つ又は複数の移動コマンドを制御されている装置のアクチュエータに指示することができる。１つ又は複数のアクチュエータは、その後、装置のセグメントを計画したパスに一致して制御するように移動させることができる。いくつかの例では、これは、アクチュエータに供給される１つ又は複数の電流及び／又は電圧を調整することを含んでもよい。

運動計画がプロセス３５０の間に実行される場合に、これは、制御されている装置のセグメントの位置に変化をもたらし得る。従って、方法３００は、実行される運動が、制御されている装置の運動に関連する様々な装置のそれぞれのセグメントの位置、向き及び／又は運動の変化を反映するように連続的に更新されるように、定期的に繰り返すことができる。

方法３００の衝突回避は、一般的に、様々なセグメントに関連するＶＣＯについて静的モデルを使用する。これは、２つ以上の装置のセグメント同士の間の衝突回避が、セグメントの幾何学的形状の静的な飛行禁止／回避モデルを使用して効率的に達成することができるからである。異なる装置のＶＣＯの幾何学的形状とセグメントとの間の関係は、ＶＣＯ同士の間の重複を探すことにより衝突検出の良いテストを提供し、境界線で囲む体積を形成することによりセグメントの周りに有用な安全マージンをサポートし、及び／又は近接点及び近接点の距離の傾向を調べることによって差し迫った衝突予測についてのサポートを提供する。しかしながら、ＶＣＯのこの静的モデルは、その有用性を制限することがあり得る。

セグメントをモデル化するために使用されるＶＣＯの１つ又は複数の特性に動的な調整を行うことにより、追加の及び／又はより強力な衝突回避及び協調動作アルゴリズムをサポートすることができる。１つ又は複数の特性は、ＶＣＯのサイズ、形状、数、弾力性、及び／又は同様のものを含むことができる。１つ又は複数のこれらの特性を動的に調整することにより、ＶＣＯを使用して、運動目標の変化をモデル化し、運動特性の変化に適合させ、他の近くの装置及びセグメントの運動挙動の変化を誘導し、装置の操作者にフィードバックを提供する等することができる。

いくつかの実施形態では、ＶＣＯのサイズを動的に変化させることは、運動目標及び／又は運動特性の変化を調整する際に、他の運動アルゴリズムを補助することができる。いくつかの例では、装置内のセグメントの運動量は、セグメントが移動する速度と共に増大する。装置の運動量がより大きくなると、アクチュエータは、差し迫った衝突が検出された際に、衝突を防止する等のセグメントの速度を変更するのがより難しくなる。運動量のこの増大を反映するためにセグメントに関連するＶＣＯのサイズを大きくすることによって、衝突が発生し得る前に、早期の警告を提供するように高速で移動するセグメントについての更なる安全マージンを効果的に導入することが可能である。これは、大きい方のＶＣＯが、小さい方のＶＣＯよりも早期に他のセグメントのＶＣＯと重複する可能性が高いためである。いくつかの例では、サイズのこの変化は、セグメントに関連するＶＣＯの数の減少を伴うこともあり得る。いくつかの例では、セグメントに関連するＶＣＯのサイズを減少することによって、他の装置内のセグメントとの微細な運動及び／又は密接な動作のより良い使用を可能にすることができる。ＶＣＯのサイズが関連するセグメントの体積により密接に一致するように減少された場合に、微細な運動及び／又は密接な動作中に、ＶＣＯに関連する一般に、より効率的な衝突回避テストを使用することが可能となる。これは、セグメントと対応する装置との微細な運動及び／又は密接な動作に関連した計算効率を高めるのに役立つ。いくつかの例では、ＶＣＯのサイズの減少は、ＶＣＯのセグメント及び／又は形状に関連したＶＣＯの数の増加をもたらすことができ、それによって、セグメントの幾何学的形状により密接に一致させることができる。

いくつかの実施形態では、ＶＣＯのサイズを動的に変更することによって、１つの装置が他の装置の運動挙動に変化を誘導することを可能にし得る。いくつかの例では、高い速度の運動中のＶＣＯのサイズの増大は、早期の衝突警告に関連する早期の警告を他の装置に提供することができる。いくつかの例では、セグメントに関連する１つ又は複数のＶＣＯのサイズを急速に増大させることによって、緊急停止及び／又は緊急後退を他の装置に誘導し得る。ＶＣＯのサイズが急速に増大する場合に、これの装置が衝突を回避する及び／又は非常に大きいＶＣＯから効率的に離れることのいずれかができないのを見出した場合に、これは、１つ又は複数の衝突警告を他の装置にトリガすることができる。ＶＣＯが（例えば、作業空間と同じ大きさ等の）十分大きくなる場合は、それら警告は、作業空間内の他の装置に緊急停止を誘導させるために使用してもよい。いくつかの例では、セグメントに関連する１つ又は複数のＶＣＯは、他のＶＣＯに接触するように拡張することができる。このアプローチでは、それぞれのＶＣＯは、それらＶＣＯが別の装置内のセグメントの最も近いＶＣＯと重複する直前に、その接触点まで急速に拡張することができる。このように、最大量の操縦スペースをセグメントの周囲に要求することができる。いくつかの例では、ＶＣＯ２４３，２５１の間の距離２６０等の２つのＶＣＯ同士の間の近接点の距離を使用して、近接点の距離をＶＣＯの半径に追加する等によって、接触するように拡張されるＶＣＯの所望の拡大サイズを決定することができる。

いくつかの実施形態では、セグメントに関連するＶＣＯのサイズ、形状、及び／又は数を動的に変化させることは、セグメントの形状の変化及び／又は関節角度の変化、位置付け、及び／又は同一装置内のセグメントの相対的な向きをより良くモデリングする際に有用となり得る。いくつかの例では、サイズ、形状、及び／又は数のこれらの変化は、それぞれのセグメントの幾何学的形状をより効率的に近似するために、ＶＣＯの能力を用いてＶＣＯの使用に関連する計算効率を利用するために有用となり得る。

いくつかの実施形態では、ＶＣＯを使用して、作業空間の１つ又は複数の体積を保護することができる。いくつかの例では、１つ又は複数のＶＣＯを使用して、１つ又は複数のセグメントの動作容積を装置内に確保することができる。１つ又は複数のＶＣＯは、作業空間内に固定又は可動してもよく、他の装置の他のセグメントが侵入するのを阻止及び／又は防止するような動作容積を提供することができる。これらの１つ又は複数のＶＣＯは、１つ又は複数のセグメントと共に移動することができる、又は１つ又は複数のセグメントとは独立して移動することができる。いくつかの例では、１つ又は複数の動的なＶＣＯは、作業空間内に他の対象物についての立入禁止(stay out)、飛行禁止、及び／又は保護領域を形成することができる。いくつかの例では、１つ又は複数の動的なＶＣＯは、作業空間内の患者の解剖学的構造及び／又は対象物の一部を保護することができる。いくつかの例では、保護される解剖学的構造は、腫瘍、１つ又は複数の臓器、及び／又は同様のものの周囲にマージンを形成することができる。いくつかの例では、１つ又は複数の動的なＶＣＯは、患者の解剖学的構造を撮影した１つ又は複数の画像に基づいて、モデル化することができる。いくつかの例では、１つ又は複数の動的なＶＣＯは、患者の移動及び／又は鼓動する心臓及び／又は呼吸する肺の周り伸縮等の他の代謝プロセスの発生に伴って変化することができる。

いくつかの実施形態では、ＶＣＯは、衝突のような活動に関連する影響を超えるより複雑な影響を運動に与えるために使用することもできる。いくつかの例では、ＶＣＯを弾力性のある変形可能な対象物としてモデル化することにより、１つのセグメントのＶＣＯが、他のセグメントのＶＣＯに仮想変位力を与えることが可能となる。いくつかの例では、この仮想変位力を使用して他のセグメントを押しのけ、こうして、これらの他のセグメントに衝突回避動作を誘導することができる。いくつかの例では、この仮想変位力を使用して、触覚及び／又は他のフィードバックを操作者に提供し、操作者が望ましくない運動を続行するのを阻止することができる。いくつかの例では、仮想変位力は、その仮想変位力がしきい値を超えた場合に、非常停止動作をトリガすることもできる。いくつかの例では、仮想変位力は、運動目標が仮想変位力を所定の値に維持するためのものである場合に、コンプライアント運動を誘導するために使用することができる。いくつかの例では、ＶＣＯの弾力性を動的に変化させて、異なるレベルの仮想変位力を異なる状況下で提供することができる。いくつかの例では、弾力性は、位置の優先順位が与えられ、且つ他の装置内のセグメントとして所望の位置及び／又は運動から容易に変位させることができないセグメントに関連するＶＣＯで増大させることができる。いくつかの例では、弾力性は、衝突及び／又は衝突に近い状況で増大させることができ、他の装置の隣接するセグメントにフィードバック及び／又は運動抵抗を増大させることができる。

図４は、いくつかの実施形態に係る仮想的な弾性対象物の衝突の間の相互作用の概略図である。図４に示されるように、半径Ｒ_１及び弾性係数Ｋ_１を有する第１の弾性体ＶＣＯ４１０は、半径Ｒ_２及び弾性係数Ｋ_２を有する第２の弾性体ＶＣＯ４２０と接触している。弾性体ＶＣＯ４１０の中心４１５と弾性体ＶＣＯ４２０の中心４２５との間の距離ｄがＲ_１＋Ｒ_２未満であり、弾性体ＶＣＯ４１０，４２０に関連する非圧縮状態のサブ体積同士の間に重複が存在することになるので、弾性体４１０，４２０は、接触している。いくつかのモデルを使用して、弾性体ＶＣＯ４１０，４２０によって互いに加えられた仮想変位力を決定することができる。式１は、仮想変位力を３つのゾーンでモデル化した場合のそのようなモデルの１つを示す。

弾性体ＶＣＯ４１０，４２０に関連する非圧縮状態のサブ体積に重複が存在しない場合（すなわち、ｄがＲ_１＋Ｒ_２以上である場合）の第１のゾーンでは、仮想変位力は、存在しない。重複が始まる場合の第２ゾーンでは、仮想変位力は、距離ｄに対して逆比例して増大する。いくつかの例では、距離の二乗が、より効率的な計算を行うために使用され得る。比例定数Ｋは、仮想変位力のスケールを制御するために設定され得る。ｄ_最小の値は、固定値としてしきい値に設定される、及び／又は最小近接点を設定するために、Ｒ_１＋Ｒ_２のパーセンテージ、例えば１０，２０，５０％として設定される、又は、Ｒ_１＋Ｒ_２の他のパーセンテージとして設定される。いくつかの例では、ｄ_最小は、ＶＣＯ４１０，４２０によって近似されるそれぞれのセグメントのサイズに基づいて設定してもよい。δの値を小さなノミナル値に設定して、その式のゼロエラーによる除算を防止してもよい。そして、第３のゾーンでは、仮想変位力は、潜在的なセグメント同士の間の非常な近接性を反映して、ｄがｄ_最小を下回るときに、緊急停止の状況として解釈される最大量に達する。ＶＣＯモデルの他の態様と同様に、ｄ_最小、δ、ｋ_１、ｋ_２、及びＫの値は、動的に設定することができる。

いくつかの実施形態では、Ｆについての式は、他の弾性体ＶＣＯによって加えられる仮想変位力のみを考慮するように第２のゾーンで変更することができる。例えば、弾性体ＶＣＯ４２０によって弾性体ＶＣＯ４１０に加えられた仮想変位力は、式２に示されるように、その式にｋ_２を含み、ｋ_１は省略されるだろう。

式１及び式２の例は、単なる代表例であり、他のモデリングアプローチを使用して、仮想変位力を決定することができる。いくつかの実施形態では、仮想変位力の式は、球形状の弾性体ＶＣＯ以外の円柱、卵形、カプセル、直方体等に適合させることができる。いくつかの実施形態では、弾性体ＶＣＯの弾性係数は、非等方性及び／又は非均質性としてもよい。いくつかの例では、弾性係数は、円柱形のＶＣＯの半径に沿って弾性係数が軸線に沿った弾性係数よりも高くなる等の、ＶＣＯの幾何学的形状に基づいて変化し得る。いくつかの例では、その方向が差し迫った衝突の可能性がより高い場合に運動方向に沿ってより高い仮想変位力を提供するように、関連するセグメントの運動方向の弾性係数を高くすることができる。いくつかの例では、弾性係数は、弾性体ＶＣＯの体積に適用されるベクトル及び／又はテンソル場としてモデル化することができる。いくつかの実施形態では、気体及び／又は流体の動的モデルを使用して、ＶＣＯが気体及び／又はゲルで充填されたかのように仮想変位力を決定することができる。いくつかの実施形態では、ＶＣＯは、剛性又は変形可能のいずれであってもよいペレット及び／又は他の小さな物体で充填された体積としてモデル化することができる。いくつかの実施形態では、有限要素モデルを使用して、仮想変位力を決定することができる。いくつかの実施形態では、弾性係数を負にして、仮想吸引力を生成し、所望の位置及び／又は向きに１つ又は複数のセグメントの運動を促すことができる。

図５は、いくつかの実施形態に係る協調動作の方法５００の概略図である。方法５００の１つ又は複数のプロセス５１０〜５７０は、１つ又は複数のプロセッサ（例えば、制御ユニット１２０及び／又は１４０内のそれぞれのプロセッサ１２２及び／又は１４２）によって実行されたときに、１つ又は複数のプロセッサに、プロセス５１０〜５７０の１つ又は複数を実行させる非一時的な、有形の機械可読媒体に格納された実行可能コードの形態で少なくとも部分的に実施することができる。いくつかの実施形態では、方法５００は、運動制御アプリケーション１２６及び／又は１４６等のアプリケーションによって実行してもよい。

プロセス５１０では、１つ又は複数のセグメントの位置及び／又は運動が決定される。制御ユニットは、制御ユニットが制御している装置の１つ又は複数のセグメントの位置及び／又は運動を決定することができる。いくつかの例では、制御ユニット１２０は、装置１１０の１つ又は複数の関節式アーム１１５及び／又はエンドエフェクタに関連する１つ又は複数のセグメントの位置及び／又は運動を決定することができる。いくつかの例では、制御ユニット１４０は、装置１３０の撮像サブシステム１３５に関連する１つ又は複数のセグメントの位置及び／又は運動を決定することができる。制御ユニットは、１つ又は複数の関節センサを使用して、制御されている装置内のセグメント同士の間の様々な関節の相対位置及び／又は回転を決定することができる。いくつかの例では、関節センサは、ポテンショメータ、光学エンコーダ、及び／又は同様のものを含むことができる。いくつかの例では、関節センサからの情報を装置及びそのセグメントの１つ又は複数の運動学的モデルと組み合わせて、１つ又は複数のセグメントの位置を決定することができる。いくつかの例では、制御ユニットは、制御されているセグメント及び／又は装置が撮影した１つ又は複数の画像から得られた情報に基づいて、１つ又は複数のセグメントの位置を決定することができる。いくつかの例では、１つ又は複数のセグメントの位置は、ローカル座標系で決定され、及び／又はグローバル座標系に変換することができる。いくつかの例では、１つ又は複数の運動学的モデルに関連した関節速度を使用して、１つ又は複数のセグメントの相対的な運動を決定することができる。いくつかの例では、数値微分法を使用して、経時的に記録された１つ又は複数のセグメントの１つ又は複数の位置に基づいて、１つ又は複数のセグメントの運動を決定することができる。

プロセス５２０では、運動目標及び／又は特性の変化を決定することができる。制御されている装置内の１つ又は複数のセグメントの所望の運動目標に基づいて、１つ又は複数のセグメントに関連する１つ又は複数のＶＣＯの特性を変更することが適切となり得る。いくつかの例では、プロセス５１０の間に決定された運動を使用して、１つ又は複数の安全マージンを調整するために使用される１つ又は複数のセグメントの速度を決定することができる。いくつかの例では、プロセス５１０の間に決定された運動を１つ又は複数のセグメントの質量モデルと組み合わせて、１つ又は複数の安全マージンを調整するために使用される１つ又は複数のセグメントの運動量を決定することができる。いくつかの例では、微細な運動及び／又は密接な動作へのスイッチを使用して、１つ又は複数のセグメントに関連するＶＣＯのサイズ、形状、及び／又は数を調整することができる。いくつかの例では、１つ又は複数のセグメントの相対的な向きの変化を使用して、１つ又は複数のセグメントに関連するＶＣＯのサイズ、形状、及び／又は数を調整することができる。いくつかの例では、接触するように拡張する及び／又は緊急停止を実施する要望は、制御戦略の一部として行うことができる。いくつかの例では、運動目標及び／又は特性の変化は、制御されている装置を使用する操作者及び／又はアプリケーションによって提供してもよい。

プロセス５３０では、１つ又は複数の仮想的な衝突対象物の特性が調整される。プロセス５２０の間に決定された運動目標及び／又は運動特性の変化に基づいて、１つ又は複数の仮想的な衝突対象物の特性が調整される。これは、制御されている装置のセグメントに関連するいずれかのＶＣＯのサイズ、形状、数、及び／又は弾力性を変化させることを含み得る。いくつかの例では、１つ又は複数のＶＣＯのサイズは、緊急停止を実施するために及び／又は接触するように拡張を実施するために、決定された速度及び／又は運動量に基づいて、スケーリングすることができる。いくつかの例では、１つ又は複数のセグメントの間の関係の変化をサポートするようにＶＣＯのサイズ、形状、及び／又は数を変更して、微細な運動又は密接な操作との間で切り替える、及び／又はＶＣＯの他の特性の変化に適応させることができる。いくつかの例では、１つ又は複数のＶＣＯの弾力性を調整して、他の装置内のセグメントのＶＣＯから受信したモーションキューに対して多少なりとも感受性を示す対応するセグメントを形成することができる。

プロセス５４０では、１つ又は複数のＶＣＯの幾何学的形状及び特性が交換される。プロセス５１０の間に決定された１つ又は複数のセグメントの位置と、ＶＣＯの変化した特性及び変化してない特性の両方とを使用して、制御ユニットは、１つ又は複数のセグメントに関連する１つ又は複数のＶＣＯの幾何学的形状（例えば、位置及び／又は向き）を決定することができる。例えば、制御ユニットが、セグメント２１０，２２０を含む装置を制御している場合に、セグメント２１０，２２０の位置及び／又はＶＣＯ２４１〜２４９の特性を使用して、ＶＣＯ２４１〜２４９の幾何学的形状を決定することができる。同様に、制御ユニットが、セグメント２３０を含む装置を制御している場合に、セグメント２３０の位置及び／又はＶＣＯ２５１，２５２の特性を使用して、ＶＣＯ２５１，２５２の幾何学的形状を決定することができる。制御ユニットは、次に、これらのＶＣＯの幾何学的形状及び特性を、可動セグメントを含む他の装置を制御する役割を担う他の制御ユニットと共有することができる。制御ユニットは、他の装置の可動セグメントの幾何学的形状及び特性に関する情報を受信することもできる。いくつかの例では、制御ユニットは、共有インターフェイス及び／又は同様のものを介して、ネットワーク１５０等のネットワークを使用して１つ又は複数のメッセージを交換することにより、ＶＣＯの幾何学的形状及び特性を交換することができる。いくつかの実施形態では、ＶＣＯの幾何学的形状及び特性の交換は、過去、現在及び／又は計画された運動に対応する時系列の幾何学的形状及び／又は特性の交換を含むことができる。

プロセス５５０では、１つ又は複数の仮想的な衝突対象物の間の関係が決定される。プロセス５４０の間に交換された１つ又は複数のＶＣＯの幾何学的形状及び／又は特性を検査して、衝突回避、運動計画、及び／又は同様のものに関心のあるＶＣＯ同士の間に関係が存在するかどうかを決定する。いくつかの例では、この関係は、しきい値を下回る重複及び／又は近接が、制御されている装置に関連する１つ又は複数のＶＣＯと他の装置のＶＣＯとの間に存在するかどうかを決定することを含むことができる。いくつかの例では、しきい値は、システム構成に基づいて予め決定する、及び／又は、操作者及び／又は様々な位置、速度、幾何学的形状、及び／又は運動目標によって動的に設定することができる。ＶＣＯの近接性及び／又は重複を使用して、回避すべき差し迫った衝突を示すことができる。いくつかの例では、この重複を使用して、制御されている装置の１つ又は複数のセグメントの位置付け及び／又は将来の運動を変化させ得る１つ又は複数の仮想変位力を決定することができる。いくつかの例では、この関係は、緊急停止の状況を示すことができる。いくつかの実施形態では、セグメントに関連する複数のＶＣＯが、１つ又は複数の他のセグメント又は装置のＶＣＯとの関係と関連付けられたときに、この関係の累積的な影響は、複数のソースからの入力の効果を組み合わせるために重畳及び／又は他の技術を使用してモデル化することができる。いくつかの実施形態では、この関係の影響は、１つのセグメントから別のセグメントに少なくとも部分的に伝達され得る。これは、例えば、１つのセグメントに加えられた仮想変位力がセグメント関節を介して隣接するセグメントに伝達されたときに、発生する可能性がある。いくつかの例では、１つ又は複数の逆運動学モデルを使用して、セグメント同士の間の関係の影響を伝達してもよい。

プロセス５６０では、運動計画が調整され、及び／又はフィードバックが、この関係に基づいて提供される。プロセス５５０の間に検出された関係に基づいて、制御されている装置の１つ又は複数のセグメントについての運動計画を調整することができる、及び／又はフィードバックを提供することができる。いくつかの例では、プロセス５１０の間に決定された位置及び／又は運動を１つ又は複数の運動学的モデルと共に使用して、制御されている装置の１つ又は複数のセグメントについての運動計画を準備することができる。いくつかの例では、制御ユニットは、装置が制御している１つ又は複数のセグメントについての衝突回避パスを決定することができる。いくつかの例では、運動計画は、プロセス５４０の間に受信したＶＣＯの幾何学的形状及び／又は特性を、制御ユニットが制御している装置のセグメントのＶＣＯが重複しないような飛行禁止／回避ゾーンとして使用することができる。いくつかの例では、ＶＣＯの幾何学的形状同士の間の距離は、最小しきい値より上に維持され及び／又は計画したパスを使用して、衝突の可能性をさらに低減するために最大化してもよい。いくつかの例では、この距離を制御して、他の装置に関連するＶＣＯとの所望量の仮想変位力を維持することができる。いくつかの例では、所望量の仮想変位力を、衝突回避を実現するためにゼロにする、及び／又は協調動作を実現するために非ゼロにしてもよい。いくつかの例では、運動計画の終了位置は、制御されている装置の１つ又は複数のエンドエフェクタの所望の位置及び／又は向きに対応させてもよい。いくつかの例では、プロセス５５０の間に決定された仮想変位力を使用して、制御されている装置の操作者にフィードバックを提供することができる。いくつかの例では、フィードバックは、触覚制御によって、及び／又は、視覚及び／又は音声キューによって提供してもよい。いくつかの例では、フィードバックは、制御されている装置の関節にフィードバック力又はトルクを誘導することによって、制御されている装置のエンドエフェクタ及び／又はセグメントに再びマッピングすることができる。いくつかの例では、誘導されたフィードバック力又はトルクは、他の運動計画及び／又は操作者がコマンドを送る運動から決定される対応する関節についての力又はトルクを変更することができる。いくつかの例では、ヤコビアンの転置行列又は同様の方法を使用して、誘導されたフィードバック力又はトルクにフィードバックをマッピングすることができる。

プロセス５７０では、運動が実行される。プロセス５６０の間に調整された運動計画を使用して、制御ユニットは、制御されている装置のアクチュエータに１つ又は複数の移動コマンドを指示することができる。１つ又は複数のアクチュエータは、次に、制御されている装置のセグメントを、運動計画と一致して移動させることができる。いくつかの例では、これは、アクチュエータに供給される１つ又は複数の電流及び／又は電圧を調整することを含み得る。

運動計画がプロセス５７０の間に実行される場合に、これは、制御されている装置のセグメントの位置及び／又は運動に変化をもたらし得る。従って、方法５００は、実施される運動が、制御されている装置の運動に関連する様々な装置の各セグメントの位置、向き、及び／又は運動の変化を反映するように連続的に更新されるように、定期的に繰り返すことができる。

上記で説明し且つさらにここで強調するように、図５は、単に例であり、特許請求の範囲を不当に制限すべきものではない。当業者であれば、多くの変形、代替、及び修正を認識するだろう。いくつかの実施形態によれば、方法５００の協調運動は、作業空間内に１つ又は複数の保護領域を形成する及び／又は１つ又は複数の動作容積を確保するために、１つ又は複数のＶＣＯをさらに形成することを含むことができる。いくつかの例では、１つ又は複数の保護領域は、作業空間内の患者の解剖学的構造及び／又は他の対象物に関連付けることができる。いくつかの例では、１つ又は複数の保護領域は、動的な幾何学的形状を含み得る。

制御ユニット１２０及び／又は１４０等の制御ユニットのいくつかの例は、１つ又は複数のプロセッサ（例えば、プロセッサ１２２及び／又は１４２）によって実行されたときに、１つ又は複数のプロセッサに方法３００及び／又は５００のプロセスを実行させる実行可能なコードを含む非一時的な、有形の機械可読媒体を含むことができる。方法３００及び／又は５００のプロセスを含む機械可読媒体のいくつかの一般的な形態は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、他の光媒体、パンチカード、紙テープ、孔パターンを有する他の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、他のメモリチップ又はカートリッジ、及び／又はプロセッサ又はコンピュータが読み取るように適合された他の媒体である。

例示的な実施形態について図示し且つ説明してきたが、広範な修正、変更及び置換が、前述した開示において企図されており、いくつかの例では、実施形態のいくつかの特徴は、他の特徴の対応する使用なしに用いることができる。当業者は、多くの変形形態、代替形態、及び修正形態を認識するであろう。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲は、広範に及び本明細書に開示された実施形態の範囲と一致する態様で解釈することが適切である。

Claims (62)

1. 医療装置用の制御ユニットであって、当該制御ユニットは、
   １つ又は複数のプロセッサと、
   前記制御ユニットを前記医療装置に結合するインターフェイスと、有しており、
   前記制御ユニットは、
   前記医療装置の第１の可動セグメントの位置、１つ又は複数の第１の仮想的な衝突対象物（ＶＣＯ）によって近似される第１の可動セグメントが占有する体積を決定し、
   前記医療装置の前記位置及び運動目標に基づいて、第１のＶＣＯの１つ又は複数の特性を調整し、
   前記位置及び前記特性に基づいて、第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を決定し、
   第２の装置の第２のセグメントに関連する１つ又は複数の第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を受信し、
   第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の関係を決定し、
   該関係に基づいて、前記医療装置の運動計画を調整する、ように構成される、
   制御ユニット。
2. 前記制御ユニットは、第１の幾何学的形状及び前記特性を第２の装置に関連する第２の制御ユニットに送信するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
3. 前記運動計画には、衝突がない、請求項１に記載の制御ユニット。
4. 前記運動計画の調整によって、第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の重複を回避する、請求項１に記載の制御ユニット。
5. 第１のＶＣＯの前記特性は、第１のＶＣＯのそれぞれのサイズ、第１のＶＣＯのそれぞれの形状、第１のＶＣＯの数、及び第１のＶＣＯのそれぞれの弾性係数から構成されるグループから選択される１つ又は複数の特性を含む、請求項１に記載の制御ユニット。
6. 前記弾性係数は、少なくとも１つの第１のＶＣＯの体積について不均一である、請求項５に記載の制御ユニット。
7. 前記少なくとも１つの第１のＶＣＯの弾性係数は、前記少なくとも１つの第１のＶＣＯの対応する第１の幾何学的形状に基づいて変化する、請求項５に記載の制御ユニット。
8. 前記少なくとも１つの第１のＶＣＯの弾性係数は、前記少なくとも１つの第１のＶＣＯの運動方向に基づいて変化する、請求項５に記載の制御ユニット。
9. 前記少なくとも１つの第１のＶＣＯの弾性係数は、前記少なくとも１つの第１のＶＣＯの対応する第１の幾何学的形状に関してベクトル又はテンソルとしてモデル化される、請求項５に記載の制御ユニット。
10. 前記制御ユニットは、第１の可動セグメントの速度を決定するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
11. 前記制御ユニットは、第１の可動セグメントの速度に基づいて、１つ又は複数の第１のＶＣＯのサイズを調整するようにさらに構成される、請求項１０に記載の制御ユニット。
12. 前記制御ユニットは、第１の可動セグメントの運動量に基づいて、１つ又は複数の第１のＶＣＯのサイズを調整するように構成される、請求項１０に記載の制御ユニット。
13. 前記制御ユニットは、第１の可動セグメントの速度に基づいて、複数の第１のＶＣＯを調整するようにさらに構成される、請求項１０に記載の制御ユニット。
14. 前記制御ユニットは、第１の可動セグメントの運動量に基づいて、複数の第１のＶＣＯを調整するようにさらに構成される、請求項１０に記載の制御ユニット。
15. 前記制御ユニットは、第２の装置に緊急停止を誘導するように、第１のＶＣＯのうちの１つのサイズを増大させるようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
16. 前記サイズは、前記医療装置及び第２の装置によって占有される作業空間のサイズにまで増大される、請求項１１に記載の制御ユニット。
17. 前記制御ユニットは、第２の装置に後退を誘導するように、第１のＶＣＯのうちの１つのサイズを増大させるようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
18. 前記制御ユニットは、選択された第１のＶＣＯによって占有される第１の体積が第２のＶＣＯのうちの最も近い１つによって占有される第２の体積に接触する直前に、第１の体積を拡張させるように、第１のＶＣＯのうちの選択された１つのサイズを増大させるようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
19. 前記制御ユニットは、前記医療装置のための動作容積を確保するために、１つ又は複数の第３のＶＣＯを形成するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
20. 前記制御ユニットは、作業空間内に１つ又は複数の保護領域を形成するために、１つ又は複数の第３のＶＣＯを形成するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
21. 前記１つ又は複数の保護領域は、対象物又は患者の保護される解剖学的構造を含む、請求項２０に記載の制御ユニット。
22. 前記１つ又は複数の保護領域は、動的に変化する、請求項２０に記載の制御ユニット。
23. 前記制御ユニットは、
    第１のＶＣＯと第３のＶＣＯとの間の追加の関係を決定し、
    該追加の関係に基づいて、前記医療装置の前記運動計画を調整する、ようにさらに構成される、
    請求項２０に記載の制御ユニット。
24. 前記制御ユニットは、前記医療装置の微細な運動動作をサポートするために、第１のＶＣＯの前記特性を調整するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
25. 前記制御ユニットは、前記医療装置と第２の装置との密接な動作をサポートするために、第１のＶＣＯの前記特性を調整するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
26. 前記制御ユニットは、前記医療装置の第１の可動セグメントと第３のセグメントの間の向きの変化に基づいて、第１のＶＣＯの前記特性を調整するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御ユニット。
27. 第１のＶＣＯのそれぞれの形状は、球、円柱、卵形、カプセル、及び直方体から構成されるグループから選択される、請求項１に記載の制御ユニット。
28. 前記関係を決定することは、第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間に重複が存在するかどうかを決定することを含む、請求項１に記載の制御ユニット。
29. 前記関係を決定することは、１つの第１のＶＣＯ及び１つの第２のＶＣＯがしきい値距離未満離れているかどうかを決定することを含む、請求項１に記載の制御ユニット。
30. 前記関係を決定することは、第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の仮想変位力を決定することを含む、請求項１に記載の制御ユニット。
31. 前記仮想変位力は、第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間のそれぞれの距離に基づくものである、請求項３０に記載の制御ユニット。
32. 前記仮想変位力は、それぞれの前記距離に反比例する関係である、請求項３１に記載の制御ユニット。
33. 前記仮想変位力は、第２のＶＣＯのそれぞれの弾性係数に基づくものである、請求項３０に記載の制御ユニット。
34. 前記仮想変位力は、それぞれの弾性係数に比例する、請求項３３に記載の制御ユニット。
35. 第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の対応する１つに重複がない場合に、それぞれの仮想変位力は、ゼロである、請求項３０に記載の制御ユニット。
36. いずれかの前記仮想変位力がしきい値を超えたときに、前記運動計画は、前記医療装置の動作を停止させることを含む、請求項３０に記載の制御ユニット。
37. 前記仮想変位力は、第１のＶＣＯ及び第２のＶＣＯの、気体、液体、又はゲルモデルに基づくものである、請求項３０に記載の制御ユニット。
38. 前記仮想変位力は、第１のＶＣＯ又は第２のＶＣＯがペレットで充填される場合のモデルに基づくものである、請求項３０に記載の制御ユニット。
39. 前記ペレットは、剛性又は変形可能である、請求項３８に記載の制御ユニット。
40. 前記仮想変位力は、有限要素モデルを使用して決定される、請求項３０に記載の制御ユニット。
41. 少なくとも１つの弾性係数は、負であり、仮想吸引力を形成する、請求項３０に記載の制御ユニット。
42. 前記運動計画によって、前記仮想変位力を低減させる、請求項３０に記載の制御ユニット。
43. 前記運動計画によって、前記仮想変位力を所定のレベルに維持する、請求項３０に記載の制御ユニット。
44. 前記制御ユニットは、前記仮想変位力に基づいて、フィードバックを操作者に提供するようにさらに構成される、請求項３０に記載の制御ユニット。
45. 前記フィードバックは、触覚フィードバック、視覚的フィードバック、音声フィードバックから構成されるグループから選択された１つ又は複数を含む、請求項４４に記載の制御ユニット。
46. 第１のＶＣＯの弾性係数は、第１の可動セグメントの質量又は運動量に基づくものである、請求項１に記載の制御ユニット。
47. 第１のＶＣＯの弾性係数は、第１の可動セグメントの位置の優先順位に基づくものである、請求項１に記載の制御ユニット。
48. 前記運動計画に対する調整は、前記医療装置の１つ又は複数の関節に力又はトルクフィードバックを提供することを含む、請求項１に記載の制御ユニット。
49. 医療装置の運動を制御する方法であって、当該方法は、
    制御ユニットによって、前記医療装置の第１のセグメントの位置を決定するステップであって、前記制御ユニットは、インターフェイスによって前記医療装置に結合される、決定するステップと、
    前記医療装置の前記位置及び運動目標に基づいて、第１のセグメントに関連する１つ又は複数の第１の仮想的な衝突対象物（ＶＣＯ）の１つ又は複数の特性を調整するステップと、
    前記位置及び前記特性に基づいて、第１のＶＣＯ第１の幾何学的形状を決定するステップと、
    第２の装置に関連する１つ又は複数の第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を受信するステップと、
    第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の関係を決定するステップと、
    前記関係に基づいて、前記医療装置の運動計画を調整するステップと、を含む、
    方法。
50. 第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の重複を回避するために、前記運動計画を調整するステップをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
51. 第１のセグメントの速度及び運動量を決定するステップと、
    第１の可動セグメントの前記運動量に基づいて、第１のＶＣＯのうちの１つ又は複数のサイズを調整するステップと、をさらに含む、
    請求項４９に記載の方法。
52. 第２の装置に緊急停止を誘導するように、第１のＶＣＯのうちの１つのサイズを増大させるステップをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
53. 前記医療装置の動作容積を確保するために、１つ又は複数の第３のＶＣＯを形成するステップをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
54. 作業空間内に１つ又は複数の保護領域を形成するために、１つ又は複数の第３のＶＣＯを形成するステップをさらに含み、前記１つ又は複数の保護領域は、対象物又は患者の保護される解剖学的構造を含む、請求項４９に記載の方法。
55. 協調運動システムであって、当該システムは、
    第１のインターフェイスを介して第１の医療装置に結合される第１の制御ユニットと、
    第２のインターフェイスを介して第２の医療装置に結合される第２の制御ユニットと、を有しており、
    第１の制御ユニットは、
    第１の医療装置の第１のセグメントの第１の位置を決定し、
    第１の医療装置の第１の位置及び第１の運動目標に基づいて、第１のセグメントに関連する１つ又は複数の第１の仮想的な衝突対象物（ＶＣＯ）の１つ又は複数の第１の特性を調整し、
    第１の位置及び第１の特性に基づいて、第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を決定し、
    第１のＶＣＯの第１の幾何学的形状を第２の制御ユニットに送信し、
    第２の制御ユニットから第２の医療装置の第２のセグメントに関連する１つ又は複数の第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を受信し、
    第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の第１の関係を決定し、
    第１の関係に基づいて、第１の医療装置の第１の運動計画を調整する、ように構成され、
    第２の制御ユニットは、
    第２のセグメントの第２の位置を決定し、
    第２の医療装置の第２の位置及び第２の運動目標に基づいて、第２のＶＣＯの１つ又は複数の第２の特性を調整し、
    第２の位置及び第２の特性に基づいて、第２のＶＣＯの第２の幾何学的形状を決定し、
    第２の幾何学的形状を第１の制御ユニットに送信し、
    第１の制御ユニットからの第１の幾何学的形状を受信し、
    第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の第２の関係を決定し、
    第２の関係に基づいて、第２の医療装置の第２の運動計画を調整する、ように構成され、
    第１の運動計画及び第２の運動計画は、第１の医療装置と第２の医療装置との間の協調運動を含む、
    システム。
56. 前記協調運動によって、第１のＶＣＯと第２のＶＣＯとの間の重複を回避する、請求項５５に記載のシステム。
57. 第１の制御ユニットは、
    第１のセグメントの速度及び運動量を決定し、
    第１の可動セグメントの前記運動量に基づいて、１つ又は複数の第１のＶＣＯのサイズを調整する、ようにさらに構成される、
    請求項５５に記載のシステム。
58. 第１の制御ユニットは、第２の医療装置に緊急停止を誘導するように、第１のＶＣＯのうちの１つのサイズを増大させるようにさらに構成される、請求項５５に記載のシステム。
59. 第１の制御ユニットは、第１の医療装置の動作容積を確保するために１つ又は複数の第３のＶＣＯを形成し、１つ又は複数の第３のＶＣＯの第３の幾何学的形状を第２の制御ユニットに送信するようにさらに構成され、
    第２の制御ユニットは、第２のＶＣＯと第３のＶＣＯとの間の重複を回避するために、第２の運動計画をさらに調整するようにさらに構成される、
    請求項５５に記載のシステム。
60. 第１の制御ユニットは、作業空間内に１つ又は複数の保護領域を形成するために１つ又は複数の第３のＶＣＯを形成し、１つ又は複数の第３のＶＣＯの第３の幾何学的形状を第２の制御ユニットに送信するようにさらに構成され、
    第２の制御ユニットは、第２のＶＣＯと第３のＶＣＯとの間の重複を回避するために、第２の運動計画をさらに調整するようにさらに構成され、
    前記１つ又は複数の保護領域は、対象物又は患者の保護される解剖学的構造を含む、
    請求項５５に記載のシステム。
61. 第１の制御ユニット及び第２の制御ユニットは、同一のユニットである、請求項５５に記載のシステム。
62. 第１の制御ユニット及び第２の制御ユニットは、ネットワークを介して結合される、請求項５５に記載のシステム。
    
    
    

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