JP2017512552A - 手術用セットアップ構造の劣駆動ジョイントの運動を制御する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本特許出願は、2014年3月17日に出願された米国仮出願第61/954,537号の優先権を主張し、この全内容は全ての目的のために参照により本明細書に援用される。
力及びモーメントの大きさ及び検知は、ジョイント状態センサ、又はトルクセンサを用いて決定されることができる。検知力及び/又はモーメントが最小閾値にある又は最小閾値を上回るときのジョイントブレーキの解放は、より大きい及び/又はより速い受動ジョイント運動を生じさせる関連付けられる増加した慣性をもたらす。代替的には、検知力が最大閾値を上回る場合にジョイントブレーキを掛けることによって、過度に又は不必要に速い受動ジョイント運動が回避されることができる。幾つかの態様では、システムは、受動ジョイントへの反作用トルクを検知することによって、力及び/又はモーメントに応じて受動ジョイントの速度及び/又は加速度を決定する。
Claims (40)
- 遠隔手術システムを設定する方法であって:
第1のロボットアームを支持するプラットホームリンク機構を、前記プラットホームリンク機構を支持する1又は複数の被駆動ジョイントを駆動することによって加速するステップであって、それによって前記第1のロボットアームに力及び/又はモーメントを与える、ステップ;
前記第1のロボットアームの第1のジョイントの受動運動を、前記第1のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントに応じた前記第1のジョイントの前記受動運動が前記第1のジョイントを前記第1のジョイントの基準状態から離れる方に動かすときに、妨げるステップであって、前記基準状態は前記第1のロボットアームの所望の設定に対応する、ステップ;並びに
前記第1のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントからの前記第1のジョイントの前記受動運動が前記第1のジョイントを前記第1のジョイントの前記基準状態に向かって動かす間に、前記第1のジョイントの前記受動運動を容易にするステップ;を含む、
方法。 - 前記第1のロボットアームの前記第1のジョイントの前記受動運動を、前記第1のジョイントが前記基準状態にあるとき、停止させるステップ、をさらに含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記所望の設定は、前記第1のロボットアームの伸張して展開された設定、前記第1のロボットアームの縮められてしまい込まれた設定、及び前記第1のロボットアームの部分的にしまい込まれた設定のいずれかを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1のジョイントの前記受動運動がいつ、前記基準状態から離れる方に向けられるか、前記基準状態に向けられるか、又は前記基準状態に配置されるかを、前記第1のジョイントのジョイントトルクを検知することによって決定するステップ、をさらに含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1のジョイントの前記受動運動を妨げる前記ステップは、前記第1のジョイントに制動を適用するステップを含み、前記受動運動を容易にする前記ステップは、前記第1のジョイントに適用される制動を、少なくとも部分的に、解放するステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1のジョイントの前記受動運動を容易にする前記ステップは、前記第1のジョイントを基準速度に加速するために選択的に制動を解放するステップ及び、前記基準速度を維持するために又は前記第1のジョイントを基準減速度で減速させるために、選択的に制動を適用するステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記受動運動を容易にする前記ステップは、閾値トルクを超える前記第1のジョイントの検知されるトルクに応じて、前記第1のジョイントのジョイントブレーキを、少なくとも部分的に、解放するステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記プラットホームリンク機構を加速する前記ステップは、少なくとも1自由度を有する被駆動ジョイント運動により反対方向の間で前記プラットホームリンク機構を加速するステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記プラットホームリンク機構を反対方向の間で加速する前記ステップは、前記第1のジョイントにおける反作用トルクが、加速中に反対方向の間で交互に生じるように、前記第1のロボットアームに内力及び/又はモーメントを与える、
請求項8に記載の方法。 - 前記基準状態は、ジョイント位置及び/又はジョイント向きを含む、
請求項8に記載の方法。 - 前記ジョイント位置は、作業空間内の場所及び/又は前記プラットホームリンク機構及び前記第1のロボットアームを含むセットアップ構造の1又は複数の他のジョイントに対する場所、を含む、
請求項10に記載の方法。 - 前記プラットホームリンク機構の反対方向の加速中に前記第1のジョイントが前記基準状態に達するまで、前記第1のジョイントの前記受動運動を妨げる前記ステップ及び前記第1のジョイントの前記受動運動を容易にする前記ステップの間を交互に行うステップをさらに含む、
請求項8に記載の方法。 - 前記プラットホームリンク機構を加速する前記ステップは、垂直に延びる旋回軸周りに前記プラットホームリンク機構を旋回させるために回転ジョイントを駆動するステップを含む、
請求項8に記載の方法。 - 前記プラットホームリンク機構は、前記プラットホームリンク機構の加速運動中、実質的に水平である、
請求項13に記載の方法。 - 前記第1のジョイントは、第1のジョイント軸周りに回転する回転ジョイントを含む、
請求項14に記載の方法。 - 前記第1のジョイント軸は、垂直に延びる、
請求項15に記載の方法。 - 前記第1のジョイントの前記回転軸は、前記プラットホームリンク機構の運動を提供する前記被駆動ジョイントの回転軸と平行である、
請求項16に記載の方法。 - 遠隔手術システムを設定する方法であって:
第1のロボットアームを支持するプラットホームリンク機構を、前記プラットホームリンク機構を支持する1又は複数の被駆動ジョイントを駆動することによって加速するステップであって、それによって前記第1のロボットアームに力及び/又はモーメントを与え、
前記第1のロボットアームは複数のジョイントを有し、前記複数のジョイントの各ジョイントは、前記各ジョイントへのジョイントブレーキの選択的な適用によって受動ジョイント運動を選択的に可能にするように構成され、前記複数のジョイントの各ジョイントは、前記第1のロボットアームの所望の設定に対応する関連付けられる基準状態を有する、ステップ;
前記第1のロボットアームの前記複数のジョイントの各ジョイントの受動運動を、前記第1のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントに応じたそれぞれのジョイントの受動運動が前記それぞれのジョイントを前記それぞれのジョイントの基準状態から離れる方に動かすときに、妨げるステップ;並びに
前記第1のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントからの第1のジョイントの前記受動運動が前記第1のジョイントを前記それぞれのジョイントの前記基準状態に向かって動かす間に前記第1のロボットアームの前記複数のジョイントの前記各ジョイントの前記受動運動を容易にするステップ;を含む、
方法。 - 前記第1のロボットアームの前記複数のジョイントの前記各ジョイントの前記受動運動を、前記各ジョイントが前記基準状態に達するとき、停止させるステップ、をさらに含む、
請求項18に記載の方法。 - 前記それぞれの基準状態から変位し、前記複数のジョイントの前記受動運動の方向及び1又は複数の自由度に対応する1又は複数の自由度に沿って反対方向の間で前記プラットホームリンク機構を加速するとき、前記複数のジョイントのそれぞれの前記受動運動を妨げる前記ステップと容易にする前記ステップとの間を交互に行うステップをさらに含む、
請求項18に記載の方法。 - 前記プラットホームリンク機構は、第2のロボットアームを支持し、前記方法はさらに:
前記第2のロボットアームの第1のジョイントの受動運動を、前記第2のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントに応じた前記第1のジョイントの前記受動運動が前記第1のジョイントを基準状態から離れる方に動かすときに、妨げるステップであって、前記基準状態は前記第1及び前記第2のロボットアームの所望の設定に対応する、ステップ;並びに
前記第2のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントからの前記第1のジョイントの前記受動運動が前記第1のジョイントを前記基準状態に向かって動かす間に前記第2のロボットアームの前記第1のジョイントの前記受動運動を容易にするステップ;を含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1のロボットアームの前記複数のジョイントの前記各ジョイントの前記受動運動を、前記各ジョイントが前記基準状態に達するとき、停止させるステップをさらに含む、
請求項21に記載の方法。 - 前記それぞれの基準状態から変位するとき、前記複数のジョイントの前記受動運動の方向及び1又は複数の自由度に対応する1又は複数の自由度に沿って反対方向の間の前記プラットホームリンク機構の加速の間に、前記複数のジョイントのそれぞれの前記受動運動を妨げる前記ステップと容易にする前記ステップとの間を交互に行うステップをさらに含む、
請求項21に記載の方法。 - 前記第1及び前記第2のロボットアームの前記所望の設定は、前記第1及び前記第2のロボットアームが伸張され且つ離間されている展開された設定、前記第1及び前記第2のロボットアームが縮められ且つ互いに接して又は互いにすぐ隣接しているしまい込まれた設定、及び前記第1及び前記第2のロボットアームが部分的に縮められ且つ前記しまい込まれた設定におけるより離れて配置されている前記ロボットアームの部分的にしまい込まれた設定のいずれかを含む、
請求項21に記載の方法。 - 前記プラットホームリンク機構を加速する前記ステップは:
前記基準状態からの前記第1のジョイントの変位が所定の変位を超えるとき、少なくとも第1の速度に前記プラットホームリンク機構を加速するステップ、及び
前記基準状態からの前記第1のジョイントの前記変位が前記所定の変位内であるとき、前記プラットホームリンク機構が少なくとも前記第1の速度に加速されるときに与えられるより小さい内力及び/又はモーメントを前記第1のジョイントに与えるように、前記第1の速度より低い第2の速度に前記プラットホームリンク機構を加速するステップ、を含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1のジョイントの前記受動運動を妨げる前記ステップは、ジョイントブレーキで前記第1のジョイントを制動するステップを含み、前記第1のジョイントの前記受動運動を容易にする前記ステップは、前記ジョイントブレーキで制動する前記ステップを少なくとも部分的に解放するステップを含む、
請求項25に記載の方法。 - 特定のジョイントの検知された状態及び前記プラットホームリンク機構の検知された状態の組合せが、前記ジョイントブレーキの解放によりもたらされる前記特定のジョイントの前記受動運動によって前記特定のジョイントを前記基準状態に動かすための前記システムの十分な慣性に対応するとき、前記特定のジョイントの前記解放がもたらされる、
請求項26に記載の方法。 - ジョイントの受動運動を制御する方法であって:
第1のジョイントの実際の状態と前記第1のジョイントの基準状態との間の誤差を決定するステップ;
前記第1のジョイントを前記実際の状態から前記基準状態に駆動するのに十分なジョイントモータトルクを決定するステップ;
決定された前記ジョイントモータトルクを与えるようにモータトルク制御信号を出力するステップ;
前記モータトルク制御信号を受信し、前記モータトルク制御信号を、前記トルクの少なくとも一部が前記第1のジョイントを前記基準状態に動かすように、前記第1のジョイントの検知されたトルクの方向に、部分的に、基づいて、ジョイントブレーキで前記第1のジョイントを選択的に制動する制動制御信号に変換するステップ;及び
前記制動制御信号を前記ジョイントブレーキに出力するステップ;を含む、
方法。 - 前記モータトルク制御信号をジョイント制動制御信号に変換するステップは、インパルスを得るために前記ジョイントモータトルクを積分するステップ及び制動力と与えられるトルクとの間の関係に基づいてある期間にわたって前記インパルスを生じさせる制動の選択的な適用を決定するステップ、を含む、
請求項28に記載の方法。 - 前記ある期間は、10秒未満である、
請求項29に記載の方法。 - 前記誤差が所定の変位を超えるとき、前記第1のジョイントの受動運動が、前記基準状態に向かって動く間に、前記第1のジョイントを実質的に一定速度で動かすように、前記検知されるトルクの方向及び大きさに基づいて制動を選択的に適用するために、前記制動制御信号を計算するステップをさらに含む、
請求項28に記載の方法。 - 前記誤差が前記所定の変位内であるとき、前記第1のジョイントの前記受動運動が、前記第1のジョイントを前記基準状態に向かって実質的に一定の減速度で動かすように、前記検知されるトルクの大きさに基づいて可変制動を適用するために、前記制動制御信号を計算するステップをさらに含む、
請求項31に記載の方法。 - ロボット手術のためのシステムであって:
ジョイントブレーキの選択的な適用によって受動ジョイント運動を選択的に可能にするように構成される少なくとも第1のセットアップジョイントを有する第1のロボットアーム;
前記第1のロボットアームを支持する配向プラットホーム;
前記配向プラットホームを支持する支持構造であって、ベース部及び1又は複数の被駆動ジョイントで前記配向プラットホームを駆動するために前記支持構造に動作可能に結合される駆動システムを含む、支持構造;並びに
前記支持構造の前記1又は複数の被駆動ジョイント及び前記第1のセットアップジョイントの前記ジョイントブレーキに動作可能に結合されるプロセッサであって、前記プロセッサは:
前記支持構造の前記1又は複数の被駆動ジョイントを駆動することによって前記第1のロボットアームを支持する前記配向プラットホームを加速し、それによって、前記第1のロボットアームに力及び/又はモーメントを与える;
前記ジョイントブレーキを適用することによって前記第1のロボットアームの前記第1のセットアップジョイントの受動運動を、前記第1のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントに応じた前記第1のセットアップジョイントの前記受動運動が前記第1のセットアップジョイントを前記第1のセットアップジョイントの基準状態から離れる方に動かすときに、妨げ、前記基準状態は前記第1のロボットアームの所望の設定に対応する;並びに
前記第1のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントからの前記第1のセットアップジョイントの前記受動運動が前記第1のセットアップジョイントを前記第1のセットアップジョイントの前記基準状態に向かって動かす間、少なくとも部分的に前記ジョイントブレーキを解放することによって、前記第1のロボットアームの前記第1のセットアップジョイントの前記受動運動を容易にする;1又は複数のモードを備えて構成されている、
プロセッサ;を有する、
システム。 - 前記プロセッサに動作可能に結合されるジョイントブレーキの選択的な適用によって受動ジョイント運動を選択的に可能にするように構成される少なくとも第1のセットアップジョイントを有する第2のロボットアームをさらに有し、前記第2のロボットアームは、前記配向プラットホームを加速することが前記第2のロボットアームに力及び/又はモーメントを与えるように、前記配向プラットホームによって支持され、
前記1又は複数のモードにおいて、前記プロセッサはさらに:
前記ジョイントブレーキを適用することによって前記第1のロボットアームの前記第1のセットアップジョイントの前記受動運動を、前記第2のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントに応じた前記第1のセットアップジョイントの受動運動が前記第1のセットアップジョイントの基準状態から離れる方に前記第1のセットアップジョイントを動かすときに、妨げるように;並びに
前記第2のロボットアームへの前記力及び/又はモーメントからの前記第1のセットアップジョイントの前記受動運動が前記第1のセットアップジョイントを前記第1のセットアップジョイントの前記基準状態に向かって動かす間、少なくとも部分的に前記ジョイントブレーキを解放することによって、前記第2のロボットアームの前記第1のセットアップジョイントの前記受動運動を容易にするように;構成される、
請求項33に記載のシステム。 - 前記第1のロボットアームは、前記プロセッサに動作可能に結合される関連付けられるジョイントブレーキの選択的な適用によって受動ジョイント運動を選択的に可能にするようにそれぞれが構成され且つそれぞれが基準状態を有する、複数のセットアップジョイントを有し、
前記1又は複数のモードにおいて、前記プロセッサはさらに:
それぞれの前記基準状態から変位されるとき、前記複数のセットアップジョイントのそれぞれに関して、それぞれの前記基準状態から離れる前記受動運動を妨げることとそれぞれの前記基準状態に向かう前記受動運動を容易にすることとの間を交互に行うように、並びに
前記複数のセットアップジョイントの前記変位に対応する1又は複数の自由度に沿った反対方向の間で前記プラットホームリンク機構を加速するように、構成される、
請求項33に記載のシステム。 - 前記1又は複数のモードは:
前記第1及び前記第2のロボットアームの前記第1のセットアップジョイントの前記基準状態が、前記第1及び前記第2のロボットアームが作業空間の中に延び且つ離間されている設定に対応する、展開モード;
前記第1及び前記第2のロボットアームの前記第1のセットアップジョイントの前記基準状態が、前記第1及び前記第2のロボットアームが、縮められ且つ、前記第1及び前記第2のロボットアームによって占められる前記作業空間の量を実質的に最小にするように、互いに接して又は互いにすぐ隣接して配置されている設定に対応する、しまい込みモード;並びに
前記第1及び前記第2のロボットアームの前記第1のセットアップジョイントの前記基準状態が、前記第1及び前記第2のロボットアームが少なくとも部分的に縮められ且つより少ない前記作業空間を占めるように互いに近くに配置される設定に対応する、部分的しまい込みモード;のうちのいずれか又は全てを含む、
請求項33に記載のシステム。 - ジョイントブレーキコントローラであって:
ジョイントブレーキが解放されているとき第1のジョイントの受動運動が可能にされ且つ前記ジョイントブレーキが適用されているとき前記第1のジョイントの前記受動運動が妨げられるように、前記受動運動を提供する前記第1のジョイントのジョイントブレーキに動作可能に結合される機構;及び
プロセッサ;を有し、
前記プロセッサは:
実際の状態と基準状態との間の誤差に基づいて、前記実際の状態から前記基準状態にジョイントを駆動するために、モータトルク制御信号を受信するように;
前記第1のジョイントの検知されたジョイントトルクを受信するように;
前記トルクの少なくとも一部が、前記第1のジョイントを前記基準状態に動かすように、前記モータトルク制御信号を、前記第1のジョイントの前記検知されたトルクに、部分的に、基づいて前記第1のジョイントを選択的に制動する制動信号に変換するように;並びに
前記制動信号を前記ジョイントブレーキに出力するように;構成される、
ジョイントブレーキコントローラ。 - 前記プロセッサはさらに:
インパルスを得るために前記ジョイントモータトルクを積分すること及び制動力と適用されるトルクとの間の関係に基づいて、ある期間にわたって前記インパルスを生じさせる制動の選択的な適用を決定することによって、前記モータトルク制御信号をジョイント制動制御信号に変換するように構成される、
請求項37に記載のジョイントブレーキコントローラ。 - 前記プロセッサはさらに、
前記誤差が所定の変位を超えるとき、前記第1のジョイントの前記受動運動が、
前記基準状態に向かって動く間に、前記第1のジョイントを実質的に一定速度で動かすように、前記検知されるトルクの方向及び大きさに基づいて制動を選択的に適用するために、前記制動信号を計算するように構成される、
請求項37に記載のジョイントブレーキコントローラ。 - 前記プロセッサはさらに、
前記誤差が所定の変位内であるとき、前記第1のジョイントの前記受動運動が、前記第1のジョイントを前記基準状態に向かって実質的に一定の減速度で動かすように、前記検知されるトルクの大きさに基づいて可変制動を適用するために、前記制動信号を計算するように構成される、
請求項37に記載のジョイントブレーキコントローラ。
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