JP2019532785A - ツールの使用を支援するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】ツールの使用を支援するための装置が開示される。この装置は、１つ以上のモータと、手首支持部と、例えば直接駆動、歯車による構成、あるいはケーブルまたはベルト駆動の構成にて１つ以上のモータに結合したシャフトとを備える。シャフトは、ユーザが手首を手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作できるように、例えば切削、穿孔、バー、加熱、または他の材料成形ツールなどのツールに結合する結合部を備える。この装置は、結合部に結合したツールの作用端の位置を表す位置データを受信し、ツールの作用端を位置させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信し、位置データおよび制約データを処理し、位置データによって表される位置が制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、ツールの作用端を制約データによって表される領域の外へと付勢するように１つ以上のモータを制御するように構成されたコントローラをさらに備える。関連の手術方法および手術以外の方法も開示される。【選択図】図１

Description

本開示は、例えば切削ツールまたはバーツールなどのツールの使用を支援するための装置および方法に関する。具体的には、これらに限られるわけではないが、本開示は、手術ツールの使用を支援するための手術ロボットに関する。

ロボットの支援によるツールの使用が、人間によるツールの直接使用が不利であるいくつかの分野において利用されることが知られている。一例は、放射性環境において行われ、遠隔制御のロボットが、遠方の場所でユーザによって行われるツールの使用の動作を再現することができる。別の例は、ロボット手術であり、例えば最小限の侵襲の手術においてより容易なアクセスを可能にし、あるいは動作の大きさを縮小することによって動きの細かな制御を可能にするために、ユーザインターフェースとやり取りをする外科医の動作をロボットが再現する。さらに、外科用ロボットを、ロボットの座標系を患者の座標系に位置合わせすることによって手術計画を支援するために使用することもできる。次いで、ロボットは、例えば、ロボットに取り付けられたツールの使用可能領域を制限する能動的拘束（「仮想の壁」）を適用することによって外科医を案内することができ、したがって周囲の組織への損傷を回避することができる。いずれも本明細書に援用されるＳ．Ａ．Ｂｏｗｙｅｒ，Ｂ．Ｌ．Ｄａｖｉｅｓ，Ｆ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ ｙ Ｂａｅｎａ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１，ｐａｇｅ １３８，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１４；国際公開第２００２／０６０６５３号パンフレット；国際公開第２００３／０４３５１５号パンフレット；Ｓ．Ｃ．Ｈｏ，Ｒ．Ｄ．Ｈｉｂｂｅｒｄ ａｎｄ Ｂ．Ｌ．Ｄａｖｉｅｓ，ＩＥＥＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｍａｙ／Ｊｕｎｅ １９９５，ｐａｇｅ ２９２を参照されたい。

本開示のいくつかの態様が、独立請求項に記載される。開示される実施形態の随意による特徴が、従属請求項に記載される。

いくつかの態様において、ツールの使用を支援するための装置が提供される。この装置は、１つ以上のモータと、手首支持部と、例えば直接駆動、または歯車による構成、あるいはケーブルまたはベルト駆動の構成にて１つ以上のモータに結合したシャフトとを備える。シャフトは、ユーザが手首を手首支持部に載せた手の２本以上の指でツールを保持および操作できるように、例えば切削、穿孔、バー、加熱、または他の材料成形ツール、あるいは測定ツールなどのツールに結合する結合部を備える。この装置は、
結合部に結合したツールの作用端の位置を表す位置データを受信し、
ツールの作用端を位置させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信し、
位置データおよび制約データを処理し、位置データによって表される位置が制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、ツールの作用端を制約データによって表される領域の外へと付勢するように１つ以上のモータを制御する
ように構成されたコントローラをさらに備える。

好都合なことに、この装置は、ツールの使用時に作用端を作業領域内に保つための制約を提供しつつ、小スケールでのロボットによって支援された精密なツールの使用を可能にするために、指の動きの高い精度を利用する。手首を固定された位置に置くことによって、微細かつ正確な指の動きがさらに容易になる。ツールの作用端が、例えば材料を成形するために、ツールが材料と相互作用する端部であることを、理解できるであろう。例えば、切削ツールの作用端は、ブレードまたはバーであってよい。

いくつかの実施形態において、１つ以上のモータは、逆方向に動かすことが可能であることにより、ユーザが結合部に取り付けられたツールを１つ以上のモータを作動させることなく動かすことができる。好ましくは、抵抗が、ユーザの動作を偏らせることがないように、モータ／アクチュエータ間で実質的に同じである。好都合なことに、これは、モータが能動的制約の生成に必要な力／またはトルクをもたらすだけでよく、すなわち作用端を制約データによって表される領域の外へと付勢するための力／トルクを生み出すだけでよい一方で、ユーザがツールの動きおよびツールによって加えられる力を直接制御するため、１つ以上のモータの制御を単純化する。モータを逆方向に動かすことができない他の実施形態においては、ユーザがツール、したがって結合部に生じさせる正味の力／トルクを感知し、ユーザが加えた力を再現または補助するように力／トルクを発生させるべくモータを制御することができる。

手首が支持された状態でのユーザの指による操作に合致して、移動の範囲内の作用端の２つの位置の間の最大距離は、１０ｃｍ未満であってよく、随意により５ｃｍ、４ｃｍ、または３ｃｍ未満であってよい。これに加え、あるいはこれに代えて、装置を、いくつかの実施形態においては、結合部の移動の範囲を、この移動の範囲内の結合部の２つの位置の間の最大距離が１０ｃｍ未満になり、随意により５ｃｍ、４ｃｍ、または３ｃｍ未満になるよう、機械的に制約するように構成することができる。機械的制約と能動的制約との任意の組み合わせが可能であり、本明細書に開示されていることを、理解できるであろう。とくには、４ｃｍまたは５ｃｍの範囲が、手首を固定した状態における精密な把持での指の動きの典型的な範囲に相当するため、適切である。

いくつかの実施形態において、シャフトは、少なくとも１つの直線自由度および少なくとも１つの回転自由度を有する。例えば、シャフトは、例えば１つの直線自由度および２つの回転自由度など、少なくとも１つの直線自由度および少なくとも１つの回転自由度を含む３つの自由度を有することができる。少なくとも１つの直線自由度は、手首支持部へと向かいかつ手首支持部から遠ざかる方向に沿った自由度であってよい。

いくつかの実施形態において、１つ以上のモータは、ハウジング内に配置され、手首支持部は、ハウジングの一部であり、あるいはハウジングに固定されるなど、ハウジングに対して固定される。例えば、いくつかの実施形態において、手首支持部は、装置が使用されるときにハウジングの上に位置し、１つ以上のモータは、ハウジング内で手首支持部の下方に配置され、シャフトはハウジングの上壁の開口部を通って突出する。手首支持部は、例えばハウジングが存在するのであればハウジングの一態様に固定され、１つ以上のモータと所定の関係にあるクッションまたはパッドの形態で設けられてよく、あるいは単にハウジングの表面であってよい。手首支持部は、いくつかの実施形態においては、支持部に対してユーザの手を固定するためのストラップまたは他の機構を備えることができる。

いくつかの実施形態において、装置は、例えば絶対エンコーダまたは相対エンコーダなどの１つ以上の位置エンコーダを備え、１つ以上のモータの各々は、それぞれの自由度に沿ったシャフトの構成を割り出すことができる位置エンコーダに組み合わせられている。これらの実施形態において、位置データを受信することは、
１つ以上の位置エンコーダからエンコーダデータを受信すること、
１つ以上の位置エンコーダからのデータとツールの作用端との間の関係を表す較正データを受信すること、および
エンコーダおよび較正データを使用して位置データを得ること
を含む。
相対エンコーダが使用される実施形態においては、動作開始時のゼロ調整ステップが必要とされる可能性がある。
他の実施形態において、位置データは、例えば、ツールまたはシャフトに固定されたいくつかのマーカと、カメラシステムとを含む光学式位置検出システムを使用して取得される。

いくつかの実施形態において、ツールは外科用ツールであってよい。制約データおよび位置データは、例えば外科用ツールの場合における患者の一部分など、ツールによる作業対象物に位置合わせされた座標系におけるデータである。いくつかの実施形態においては、装置を、外科用ロボットとして構成することができる。

いくつかの実施形態においては、コントローラを、位置データおよび制約データを処理し、位置データによって表される位置が制約データによって表される領域内にあるときに、作用端を無効化するためのツールの制御信号を生成するように構成することができる。作用端を無効にすることが、ツールをオフにし（例えば、バーを回転させるモータを停止させる、加熱エネルギーを取り除く、など）、あるいは作用端の切削、バー、穿孔、などの作用を防止するために作用端をシールドおよび鞘で覆う信号をツールへと送信することを含むことができることを、理解できるであろう。

いくつかの態様においては、ツールの使用を支援するための装置であって、
１つ以上の位置エンコーダと、
手首支持部と、
１つ以上の位置に結合し、ユーザが手首を手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作できるようにツールに結合する結合部を備えているシャフトと、
コントローラと
を備えており、
コントローラは、
１つ以上の位置エンコーダからエンコーダデータを受信し、
１つ以上の位置エンコーダからのデータとツールの作用端との間の関係を表す較正データを受信し、
エンコーダおよび較正データを使用して、結合部に結合したツールの作用端の位置を表す位置データを取得し、
ツールの作用端を作動させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信し、
位置データおよび制約データを処理し、位置データによって表される位置が制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、作用端を無効化するツールの制御信号を生成する
ように構成されている、装置が提供される。

これらの態様におけるエンコーダは、モータを置き換えるものと見なすことができるので、１つ以上のモータを有する実施形態の文脈における上記の開示は、モータを有さない実施形態にも同様に当てはまることが理解されよう。

いくつかの態様においては、ツールの使用を支援するための方法であって、
手首支持部で手首を支持するステップと、
ユーザが手首を手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作するときに、ツールの作用端の動きを制約するように、手首支持部に対して固定された関係に配置された１つ以上のモータを使用して、ツールに力および／またはトルクを加えるステップと
を含んでおり、
作用端の動きを制約することは、
作用端の位置を表す位置データを受信すること、
作用端を位置させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信すること、および
位置データおよび制約データを処理し、位置データによって表される位置が制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、ツールの作用端を領域の外へと付勢するように１つ以上のモータを制御すること
を含む、方法が提供される。

この方法は、ツールによる作業対象物に座標系を位置合わせすることを含むことができ、制約データおよび位置データは、対象物に位置合わせされた座標系におけるデータであってよい。対象物は、例えば、患者の一部分であってよい。したがって、ツールを、例えば小児外科手術などの外科手術を実施するために保持および操作することができる。あるいは、ツールを、手術以外の作業を実施するために保持および操作することができる。

いくつかの態様においては、ツールの使用を支援するための方法であって、
作用端を有するツールを保持および操作する手の手首を手首支持部において支持するステップと、
作用端の位置を表す位置データを、手首支持部に対して固定に配置された１つ以上の位置エンコーダから受信するステップと、
作用端を位置させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信するステップと、
位置データおよび制約データを処理し、位置データによって表される位置が制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、作用端を無効化するためのツールの制御信号を生成するステップと
を含む、方法が提供される。

いくつかの態様においては、手術を実行し、随意により小児科手術を実行する方法であって、
手の手首を手首支持部に載せることと、手の２本以上の指でツールを保持することと、対象領域内でツールの作用端によって外科手術を実行することとを含んでおり、
ツールの作用端は、１つ以上のモータを使用してツールに復元力および／またはトルクを加えることによって対象領域に制約され、復元力および／またはトルクは、作用端が対象領域の外側にあるときに作用端を対象領域に向かって付勢する、方法が提供される。

いくつかの態様においては、被加工物を製作する方法であって、
手の手首を手首支持部に載せることと、手の２本以上の指でツールを保持することと、被加工物を製作する対象物の対象領域内でツールの作用端によって手術以外の作業を実行することとを含んでおり、
ツールの作用端は、１つ以上のモータを使用してツールに復元力および／またはトルクを加えることによって対象領域に制約され、復元力および／またはトルクは、作用端が対象領域の外側にあるときに作用端を対象領域に向かって付勢する、方法が提供される。

いくつかの実施形態においては、ツールの使用を支援するための装置であって、１つ以上のモータと、手首支持部と、１つ以上のモータに結合したシャフトとを備える装置が提供される。シャフトは、ユーザが手首を手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作できるように、ツールに結合する結合部を備える。装置は、１つ以上のモータが配置されたハウジングをさらに備える。ハウジングは、開口部を定めており、シャフトは、開口部を通って配置され、１つ以上のモータに結合する。手首支持部は、ハウジング上に設けられ、あるいはハウジングの上面によってもたらされる。

この態様と上記の態様および実施形態のいずれかとの組み合わせも開示され、以下の実施形態は、上記の態様および実施形態のすべてと組み合わせて開示される。

いくつかの実施形態において、シャフトは、手首支持部から遠ざかるように傾斜し、いくつかの実施形態において、開口部は、前後方向に沿った細長いスロットである。いくつかの実施形態においては、１つ以上のモータのうちの２つが、それぞれの回転軸を中心とする回転の自由度をそれぞれ駆動し、２つのモータのうちの１つは、前後に整列した直線軸に沿った直線の自由度を駆動し、回転軸は、直線軸に実質的に一致する地点において交わる。いくつかの実施形態において、ハウジングは、動作時にハウジングを実質的に固定された位置に保つための重りベースまたはクランプ機構を備える。１つ以上のモータは、逆方向に動かすことが可能であることにより、ユーザが結合部に取り付けられたツールを１つ以上のモータを作動させることなく動かすことができる。

次に、特定の実施形態を、添付の図面を参照して、記載される態様および実施形態を例示するために、あくまでも例として説明する。

ツールの使用を支援するための装置を示している。 ツールの使用を支援するための装置を示している。 ツールの使用を支援するための装置を示している。 ハウジングの一部が取り除かれた状態の装置の図を示している。 装置のコントローラを示している。 装置の使用方法を示している。

図１〜図３を参照すると、ユーザによる手６を用いたツール４の操作を支援するための装置２が、ハウジング８を備える。手首支持部１０が、使用時に装置２の上部に位置するハウジング８の表面１２に設けられている。手首支持部は、手首を快適に支持するために、例えばメモリフォームなどの弾性発泡体材料のパッドを備えることができる。ツール４は、本体１４と、例えばバー（ｂｕｒｒ）として構成された作用端１６とを有する。いくつかの実施形態において、ツールは、被加工物または患者から例えば骨または関節のサイズなどのデータを集めるために使用することができる測定ツールである。装置２は、ハウジング８の表面１２のスロット２０を通って延びるシャフト１８を備える。シャフト１８の一端に、ツール４の本体１４との係合のための結合部２２が形成されている。例えば、いくつかの実施形態において、結合部２２は、本体１４を受け入れるためのリングとして構成され、本体１４を結合部２２の内側に固定するための１つ以上の止めねじ（図示せず）を備える。当然ながら、本体１４を固定するための結合部２２の種々の他の実施形態が、当業者にとって明らかであろう。

スロット２０は、ツール４の本体１４を保持するユーザの手の指の曲げ伸ばしによってシャフト１８を後方および前方にそれぞれ移動させることができるように、ユーザが手を手首支持部１０に載せたときの前腕におおむね沿う方向に細長い。さらに、スロット２０は、以下で詳しく説明されるように、シャフト１８の左右への移動を可能にするための前後方向に対して垂直な範囲を有する。いくつかの実施形態において、スロットは、シャフトの移動の範囲を機械的に制限する。シャフト１８は、とくには指が曲げられたときの後方位置において、手首を手首支持部１０に載せたときのユーザの手のひらの傾きに対応するように、前後方向に傾けられ、手首支持部１０から前方へと遠ざかる方向に立ち上がる。

ハウジング８は、作業中にハウジングを作業対象物に対して実質的に固定された位置に配置するための重りベースまたはクランプ機構（図示せず）を備える。装置２は、装置２の位置決めを補助するための機械式または電動の可動位置決め機構を備えてもよい。

図４を参照すると、シャフト１８は、シャフト１８の３つの自由度、すなわち図４に示されているとおりのヨー、ピッチ、および前後移動のそれぞれを制御するための３つのモータに結合している。第１のモータ機構２４が、ハウジング８のベース２６に固定され、ヨーの運動およびトルクを制御する。第１のモータ機構２４の出力は、プラットフォーム２８へと接続され、プラットフォーム２８は、ピッチの運動およびトルクを制御する第２のモータ機構３０を備えている。第２のモータ機構３０の出力は、プラットフォーム３２に固定され、プラットフォーム３２は、前後の運動および力を制御する第３のモータ機構３４を備えている。モータ機構３４の出力が、シャフト１８に接続されている。モータ機構２４、３０、３４は、電気モータと、電気モータのトルクを出力へと伝達する低摩擦ギアボックスとを備える。第３のモータ機構３４の場合、ギアボックスは、例えばトルクの出力を前後方向の直線運動／直線力の出力へと変換するためのウォームギアまたは再循環ボールねじを備える。当然ながら、他の実施形態においては、リニアモータなど、直線的な出力を生成するための他の機構を使用してもよい。

モータ機構２４、３０、３４は、電気モータによる力またはトルクの生成を必要とすることなくユーザがツールを操作できるよう、ユーザがツール４、したがって結合部２２に力またはトルクを加えることによって逆方向に駆動することができるように充分に低摩擦である。この目的のために、モータ機構２４、３０、３４の逆方向の駆動への抵抗を打ち負かすために結合部において必要とされる力は、０．４Ｎ未満であり、好ましくは０．３Ｎ、０．２Ｎ、０．１Ｎ、または０．０５Ｎ未満である。いくつかの実施形態において、モータ機構２４および３０の回転軸は、モータ機構３４の平行移動の直線軸に整列（公差は許される）した場所において交わる。

図５を参照すると、モータ機構２４、３０、３４のためのコントローラ３６が、位置モジュール３６を備える。位置モジュール３６は、位置データを受け取り、ツール４の作用端１６の位置を表すデータを導出するように構成される。位置データは、いくつかの実施形態においては、モータ機構２４、３０、３４に組み合わせられたエンコーダから受信され、作用端１６の位置が、当業者にとって周知のとおり、おそらくは較正ルーチン（必要であれば）の後で、装置２およびツール４の構成に関する知識に基づいて、このデータから導出される。いくつかの実施形態においては、ツール４および／またはシャフト１８上の光学マーカが、エンコーダを用いる代わりに、ツール４の位置および向きを測定するために、光学検出システムを使用して空間内で検出される。

制約モジュール４０が、いくつかの実施形態においては、作業対象物のモデルおよび１つ以上の領域を定義するユーザ入力を入力として得て、ツール４の作用端１６を進入させるべきではない１つ以上の空間領域を定義する。

位置合わせモジュール４２が、位置データおよび制約データを共通の座標系において定義でき、あるいは共通の座標系へと変換できるように、装置２および作業対象物の相対的な位置および向きに関する情報を含む。この情報を、当業者にとって周知のとおり、設置手順における較正を使用して、例えば装置の座標における物体上の点を取得するための既知の構成の較正ツールを使用して、導出することができる。例えば、装置が外科手術において使用される場合、物体上の点は、ツール４によって作業される身体領域のモデルとの位置合わせに使用することができる身体構造上の目印であってよい。

処理モジュール４４は、作用端１６の位置を表す情報と、１つ以上の領域を示す情報とを組み合わせて、作用端１６を１つ以上の領域から作用端１６の存在が望ましくない領域へと移動させ、すなわちツールの使用を案内する能動的制約または「仮想の壁」を生成するように、ツール４を付勢する力／トルクを発生させるように構成される。いくつかの実施形態においては、これに加え、あるいはこれに代えて、処理モジュールは、作用端が１つ以上の領域のうちの１つに進入する場合に、作用端を無力化する。後者の場合、モータは不要かもしれず、装置はモータを省略してもよい（ただし、必要に応じてエンコーダは残される）。

いくつかの特定の実施形態において、１つ以上の領域の生成および定義を含む能動的制約は、いずれも本明細書に援用されるＳ．Ａ．Ｂｏｗｙｅｒ，Ｂ．Ｌ．Ｄａｖｉｅｓ，Ｆ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ ｙ Ｂａｅｎａ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１，ｐａｇｅ １３８，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１４；国際公開第２００２／０６０６５３号パンフレット；国際公開第２００３／０４３５１５号パンフレット；Ｓ．Ｃ．Ｈｏ，Ｒ．Ｄ．Ｈｉｂｂｅｒｄ ａｎｄ Ｂ．Ｌ．Ｄａｖｉｅｓ，ＩＥＥＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｍａｙ／Ｊｕｎｅ １９９５，ｐａｇｅ ２９２のうちの任意の１つ以上に開示された技術を使用して実行される。いくつかの実施形態において使用される位置合わせ技術は、どちらも本明細書に援用される国際公開第２００３／０４５１５号パンフレットおよび／または国際公開第２００６／０４８６５１号パンフレットに記載されている。いくつかの実施形態においては、本明細書に援用される国際公開第２００２／０６１６８８号パンフレットに開示されているとおりのシミュレーションを使用したツールの使用の計画が採用される。

次に、図６を参照して、装置２の動作の方法を、外科手術の文脈において説明する。しかしながら、この開示が、患者の身体部分以外の対象物におけるツールの使用にも同様に当てはまることは、明らかであろう。

ステップ４６において、典型的には外科手術の場合における患者の身体部分である作業対象物が、装置２に対して位置決めされる。周知のように、身体部分を動かぬように固定することができる。患者を、装置２に対して移動させることができる動力付きのベッドに載せることができ、あるいは、いくつかの実施形態においては、装置２を単に患者の隣に配置し、摩擦またはクランプ機構によって動かぬように保持することができる。ツール４が、まだ存在していないのであれば、装置２に組み合わせられる。これらの準備を、例えば、手術室の看護師が行うことができる。ステップ４８において、周知かつ上記で簡単に説明したように、装置２の基準枠／座標系が対象物と位置合わせされ、制約領域がコントローラ３６へとロードされる。

ステップ５０において、外科医が、例えば切除または焼灼など、手術によって必要とされるとおりに組織を修正するために、手首を手首支持部１０に載せ、ツール４を２本以上の指（あるいは、ツールに固定されたストールまたはスリーブ内の１本の指）で操作することによって、手術を実行する。外科医が手術を実行するときに、例えば上述のようにツールの作用端１６の位置が取得され、ツールの作用端を手術のための所望の領域に留め、周囲の組織の損傷を回避するために、制約が適用される。外科医がツール４によって処置を実行している限りにおいて、位置が取得され、制約が適用される。

上述の装置２によって実行され、あるいは上述の装置２に関連して実行される種々の方法は、コンピュータプログラムによって実施することが可能である。コンピュータプログラムは、上述のさまざまな方法のうちの１つ以上の方法の機能を実行するようにコンピュータに命令するように構成されたコンピュータコードを含むことができる。そのような方法を実行するためのコンピュータプログラムおよび／またはコードを、１つ以上のコンピュータ可読媒体、あるいはより一般的にはコンピュータプログラム製品にて、コンピュータなどの装置へと提供することができる。コンピュータ可読媒体は、一時的または非一時的であってよい。１つ以上のコンピュータ可読媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、または半導体システムであってよく、あるいは例えばインターネットを介してコードをダウンロードするためのデータ伝送用の伝搬媒体であってよい。あるいは、１つ以上のコンピュータ可読媒体は、半導体または固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、剛体磁気ディスク、ならびにＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、またはＤＶＤなどの光ディスクなど、１つ以上の物理的なコンピュータ可読媒体の形態をとることができる。

一実施例においては、本明細書に記載のモジュール、構成要素、および他の特徴を、個別の構成要素として実装することができ、あるいはＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、または同様のデバイスなどのハードウェア構成要素の機能に統合することができる。

「ハードウェア構成要素」は、特定の動作を実行することができる有形の（例えば、非一時的な）物理的な構成要素（例えば、１つ以上のプロセッサの組）であり、特定の物理的なやり方で構成または配置されてよい。ハードウェア構成要素は、特定の動作を実行するように恒久的に構成された専用の回路または論理を含むことができる。ハードウェア構成要素は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはＡＳＩＣなどの専用プロセッサであってよく、あるいはそのような専用プロセッサを含むことができる。さらに、ハードウェア構成要素は、特定の動作を実行するためにソフトウェアによって一時的に構成されるプログラマブルな論理または回路も含むことができる。

したがって、「ハードウェア構成要素」という表現は、本明細書に記載の特定のやり方で動作し、あるいは本明細書に記載の特定の動作を実行するように、物理的に構築でき、恒久的に構成（例えば、配線）でき、あるいは一時的に設定（例えば、プログラム）できる有形の実体を包含するものと理解されるべきである。

さらに、モジュールおよび構成要素を、ハードウェアデバイス内のファームウェアまたは機能回路として実装することができる。さらに、モジュールおよび構成要素を、ハードウェアデバイスおよびソフトウェア構成要素の任意の組み合わせにて実装することができ、あるいはソフトウェア（例えば、機械可読媒体または伝送媒体に格納または別のやり方で具現化されたコード）のみにて実装することができる。

本開示の方法を実施するコンピューティングデバイスを、ハウジング８内に組み込むことができ、あるいは本開示の装置は、コンピューティングデバイスを別個の構成要素または別個の分散型構成要素として含んでもよい。コンピューティングデバイスは、クライアント−サーバネットワーク環境におけるサーバまたはクライアントマシンの役割にて動作することができ、あるいはピアツーピア（または、分散型）ネットワーク環境におけるピアマシンとして動作することができる。コンピューティングデバイスは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットコンピュータ、ウェブアプライアンス、サーバ、ネットワークルータ、スイッチまたはブリッジ、あるいは一連の（順次的またはその他の）命令を実行して、それらの命令によって指定される動作を行うことができる任意のマシンであってよい。さらに、単一のコンピューティングデバイスについてのみ言及したが、用語「コンピューティングデバイス」は、本明細書に記載の方法のうちの任意の１つ以上を実行すべく１組（または、複数組）の命令を個別に、または共同して実行するマシン（例えば、コンピュータ）の任意の集合を含むように解釈されるべきである。

とくに断らない限り、以下の説明から明らかなように、本明細書の全体を通して、「処理する」、「受信する」、「導出する」、「組み合わせる」、などの用語を利用した説明が、コンピュータシステムまたは同様の電子コンピューティングデバイスの動作および処理であって、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理的（電子的）な量として表されるデータを、コンピュータシステムのメモリまたはレジスタあるいは他のそのような情報記憶、伝送、または表示装置における物理的な量として同様に表される他のデータへと操作および変換する動作および処理を指すことを、理解すべきである。

以上の説明が例示を意図しており、限定を意図していないことを、理解すべきである。以上の説明を検討および理解することで、多数の他の実施例が、当業者にとって明らかであろう。本開示を、特定の典型的な実施例を参照して説明したが、本開示が、説明した実施例に限定されず、むしろ添付の特許請求の範囲の技術的思想および技術的範囲の範囲内で、変更および調整を伴って実施可能であることを、理解できるであろう。したがって、本明細書および図面は、限定の意味ではなく、例示の意味で考慮されるべきである。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲に与えられる均等物の全範囲とともに決定されるべきである。

Claims (34)

1. ツールの使用を支援するための装置であって、
   １つ以上のモータと、
   手首支持部と、
   前記１つ以上のモータに結合し、ユーザが手首を前記手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作できるように前記ツールに結合する結合部を備えているシャフトと、
   コントローラと
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記結合部に結合したツールの作用端の位置を表す位置データを受信し、
   前記ツールの作用端を位置させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信し、
   前記位置データおよび制約データを処理し、前記位置データによって表される位置が前記制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、前記ツールの作用端を領域外へと付勢するように前記１つ以上のモータを制御する
   ように構成されている、装置。
2. 前記１つ以上のモータは、逆方向に動かすことが可能であることにより、ユーザが前記結合部に取り付けられたツールを前記１つ以上のモータを作動させることなく動かすことができる、請求項１に記載の装置。
3. 前記１つ以上の領域は、前記作用端の移動の範囲を制約するように構成され、
   前記移動の範囲の範囲内の前記作用端の２つの位置の間の最大距離が、１０ｃｍ未満であり、随意により５ｃｍ、４ｃｍ、または３ｃｍ未満である、請求項１に記載の装置。
4. 前記結合部の移動の範囲を機械的に制約するように構成されており、
   前記移動の範囲の範囲内の前記結合部の２つの位置の間の最大距離が、１０ｃｍ未満であり、随意により５ｃｍ、４ｃｍ、または３ｃｍ未満である、請求項１、２、または３に記載の装置。
5. 前記シャフトは、少なくとも１つの直線自由度および少なくとも１つの回転自由度を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの直線自由度は、前記手首支持部へと向かいかつ前記手首支持部から遠ざかる方向に沿った自由度である、請求項５に記載の装置。
7. 前記１つ以上のモータは、ハウジング内に配置され、前記手首支持部は、前記ハウジングに対して固定され、あるいは前記ハウジングの一部である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. １つ以上の位置エンコーダを備えており、前記１つ以上のモータの各々が、それぞれの自由度に沿った前記シャフトの構成を明らかにすることができる位置エンコーダに組み合わせられており、
   位置データを受信することは、
   前記１つ以上の位置エンコーダからエンコーダデータを受信すること、
   前記１つ以上の位置エンコーダからのデータと前記ツールの作用端との間の関係を表す較正データを受信すること、および
   前記エンコーダおよび較正データを使用して前記位置データを得ること
   を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記ツールは、切削ツール、穿孔ツール、バーツール、加熱ツール、および測定ツールのうちの１つ以上を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記ツールは、手術用ツールである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記制約データおよび位置データは、前記ツールによる作業対象物に位置合わせされた座標系におけるデータである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記対象物は、患者の一部分である、請求項１０に記載の装置。
13. 手術用ロボットとして構成された、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記コントローラは、
    前記位置データおよび制約データを処理し、前記位置データによって表される位置が前記制約データによって表される領域内にあるときに、前記作用端を無効化するための前記ツールの制御信号を生成する
    ように構成されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. ツールの使用を支援するための装置であって、
    １つ以上の位置エンコーダと、
    手首支持部と、
    前記１つ以上の位置に結合し、ユーザが手首を前記手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作できるように前記ツールに結合する結合部を備えているシャフトと、
    コントローラと
    を備えており、
    前記コントローラは、
    前記１つ以上の位置エンコーダからエンコーダデータを受信し、
    前記１つ以上の位置エンコーダからのデータと前記ツールの作用端との間の関係を表す較正データを受信し、
    前記エンコーダおよび較正データを使用して、前記結合部に結合したツールの前記作用端の位置を表す位置データを取得し、
    前記ツールの前記作用端を作動させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信し、
    前記位置データおよび制約データを処理し、前記位置データによって表される位置が前記制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、前記作用端を無効化する前記ツールの制御信号を生成する
    ように構成されている、装置。
16. ツールの使用を支援するための方法であって、
    手首支持部で手首を支持するステップと、
    ユーザが手首を前記手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作するときに、前記ツールの作用端の動きを制約するように、前記手首支持部に対して固定された関係に配置された１つ以上のモータを使用して、前記ツールに力および／またはトルクを加えるステップと
    を含んでおり、
    前記作用端の動きを制約することは、
    前記作用端の位置を表す位置データを受信すること、
    前記作用端を位置させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信すること、および
    前記位置データおよび制約データを処理し、前記位置データによって表される位置が前記制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、前記ツールの前記作用端を前記領域の外へと付勢するように前記１つ以上のモータを制御すること
    を含む、方法。
17. 前記１つ以上の領域は、前記作用端の移動の範囲を制約するように構成され、
    前記移動の範囲の範囲内の前記作用端の２つの位置の間の最大距離が、１０ｃｍ未満であり、随意により５ｃｍ、４ｃｍ、または３ｃｍ未満である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記１つ以上のモータは、ハウジング内に配置され、前記手首支持部は、前記ハウジングに対して固定され、あるいは前記ハウジングの一部である、請求項１６または１７に記載の方法。
19. 前記ツールは、切削ツール、穿孔ツール、バーツール、加熱ツール、および測定ツールのうちの１つ以上を備える、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記制約データおよび位置データは、前記ツールによる作業対象物に位置合わせされた座標系におけるデータである、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記対象物は、患者の一部分である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記位置データおよび制約データを処理し、前記位置データによって表される位置が前記制約データによって表される領域内にあるときに、前記作用端を無効化するための前記ツールの制御信号を生成すること
    を含む、請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の方法。
23. ツールの使用を支援するための方法であって、
    作用端を有するツールを保持および操作する手の手首を手首支持部において支持するステップと、
    前記作用端の位置を表す位置データを、前記手首支持部に対して固定に配置された１つ以上の位置エンコーダから受信するステップと、
    前記作用端を位置させるべきではない１つ以上の空間領域を表す制約データを受信するステップと、
    前記位置データおよび制約データを処理し、前記位置データによって表される位置が前記制約データによって表される領域の範囲内にあるときに、前記作用端を無効化するための前記ツールの制御信号を生成するステップと
    を含む、方法。
24. 前記ツールは、手術、随意により小児科手術を実行するために保持および操作される、請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記ツールは、手術以外の作業を実行するために保持および操作される、請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の方法。
26. 手術、随意により小児科手術を実行する方法であって、手の手首を手首支持部に載せることと、前記手の２本以上の指でツールを保持することと、対象領域内で前記ツールの作用端によって外科手術を実行することとを含んでおり、前記ツールの前記作用端は、１つ以上のモータを使用して前記ツールに復元力および／またはトルクを加えることによって前記対象領域に制約され、前記復元力および／またはトルクは、前記作用端が前記対象領域の外側にあるときに前記作用端を前記対象領域に向かって付勢する、方法。
27. ツールを使用する方法であって、手の手首を手首支持部に載せることと、前記手の２本以上の指でツールを保持することと、被加工物を構成する対象物の対象領域内で前記ツールの作用端によって手術以外の作業を実行することとを含んでおり、前記ツールの前記作用端は、１つ以上のモータを使用して前記ツールに復元力および／またはトルクを加えることによって前記対象領域に制約され、前記復元力および／またはトルクは、前記作用端が前記対象領域の外側にあるときに前記作用端を前記対象領域に向かって付勢する、方法。
28. ツールの使用を支援するための装置であって、
    １つ以上のモータと、
    手首支持部と、
    前記１つ以上のモータに結合し、ユーザが手首を前記手首支持部に載せた手の１本以上の指でツールを保持および操作できるように前記ツールに結合する結合部を備えているシャフトと、
    前記１つ以上のモータが配置されたハウジングと
    を備えており、
    前記ハウジングは、開口部を定めており、前記シャフトは、前記１つ以上のモータに結合するように前記スロットを通って配置され、
    前記手首支持部は、前記ハウジングの上面に設けられ、あるいは前記ハウジングの上面によってもたらされている、装置。
29. 前記シャフトは、前記手首支持部から遠ざかるように傾斜している、請求項２８に記載の装置。
30. 前記開口部は、前後方向に沿った細長いスロットである、請求項２８または２９に記載の装置。
31. 前記１つ以上のモータのうちの２つは、それぞれの回転軸を中心とする回転の自由度をそれぞれ駆動し、前記２つのモータのうちの１つは、前後に整列した直線軸に沿った直線の自由度を駆動し、前記回転軸は、前記直線軸に実質的に一致する地点において交わる、請求項２８〜３０のいずれか一項に記載の装置。
32. 前記ハウジングは、動作時に前記ハウジングを実質的に固定された位置に保つための重りベースまたはクランプ機構を備える、請求項２８〜３１のいずれか一項に記載の装置。
33. 前記１つ以上のモータは、逆方向に動かすことが可能であることにより、ユーザが前記結合部に取り付けられたツールを前記１つ以上のモータを作動させることなく動かすことができる、請求項２８〜３２のいずれか一項に記載の装置。
34. 前記結合部の移動の範囲を機械的に制約するように構成されており、
    前記移動の範囲の範囲内の前記結合部の２つの位置の間の最大距離が、１０ｃｍ未満であり、随意により５ｃｍ、４ｃｍ、または３ｃｍ未満である、
    請求項２８〜３３のいずれか一項に記載の装置。