JP2023510997A - 外科用ロボットアームの関節空間速度の調節 - Google Patents

Abstract

外科用ロボットシステムは、外科用ロボットアームと、プログラムされたプロセッサとを有し、このプロセッサは、アームの第１の構成について速度楕円の最長主軸を決定し、最大タスク空間速度（最長主軸の方向にある）を、潜在的な関節空間速度を計算する逆運動学式に適用し、ｉ）潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）アームの関節空間速度限界との比を計算し、初期関節空間速度にその比を適用して、調節された関節空間速度を生成する。他の態様もまた、記載され、特許請求される。

Description

本開示は、外科用ロボットアーム及びエンドエフェクタの操作者に、エンドエフェクタを再位置付けするときに均一な容易さの感覚をもたらすためのデジタル制御技術に関する。

腹腔鏡手術などの低侵襲手術（minimally-invasive surgery、ＭＩＳ）は、外科処置中の組織損傷を低減することを意図した技術を伴う。例えば、腹腔鏡手術は、典型的には、患者において（例えば、腹部内で）いくつかの小さな切開を作成することと、切開を通して患者内に１つ又は２つ以上のツール及び少なくとも１つの内視鏡カメラを導入することと、を伴う。次に、外科処置は、導入されたツールを使用して、カメラによって提供される視覚化補助を用いて実施される。一般に、ＭＩＳは、患者の瘢痕化の低減、患者の疼痛が少なく、患者の回復期間が短く、患者の回復に関連する医療治療のコストが低下するなど、複数の利点を提供する。

ＭＩＳは、いくつかのロボットアームを含む外科用ロボットシステムを用いて実行され得る。各アームは、手術部位で患者の身体に挿入される、把持顎、ハサミ、及び内視鏡カメラなどのエンドエフェクタである、外科用ツール又は器具をその端部に有する。外科手術は、操作者（例えば、外科医）によって「遠隔で」操作されるアーム及びエンドエフェクタを使用して、患者の身体組織に対して実行される。外科用ロボットシステムは、エンドエフェクタの位置及び配向が、外科医の手におけるユーザ入力デバイス（user input device、ＵＩＤ）の操作を模倣することを確実にする。これは、ＵＩＤの動きを追跡するデジタル制御システムによって可能であり、それに応答して、アームのモータ付き関節に対する適切なコマンドが計算され、ハンドヘルドＵＩＤの動きを模倣するエンドエフェクタの動きをもたらす。

操作者が外科用ロボットアームの端部でエンドエフェクタを操作するとき（その手でＵＩＤを介して遠隔に）、それらは、エンドエフェクタをどの方向により容易に動かすことができるかについて知識を有していない場合がある。それらは、エンドエフェクタの制御が等方性であるべきであり、全ての方向に同じ速度で、また、アームの全ての可能な構成（例えば、関節角度）に対して移動することができる。しかしながら、実際には、外科用ロボットアームは、等方性ではない。アームの任意の所与の構成（アームが現在それ自体を見つける一連の関節角度を含む）について、エンドエフェクタを移動させる容易さは、全ての方向において同じではない。人の実際の腕を考慮すると、人は、彼らが前方及び後方に押し得ることよりも速く、左から右に手を振ることができる。人がその身体の理解を有する場合でも、彼らは、典型的には、外科用ロボットアームの挙動について同じ理解を有しないであろう。

ここでの開示の様々な態様は、外科用ロボットアーム上でエンドエフェクタを操作する操作者に対して等方性又は均一な容易性の感覚を生み出すことを目的とするデジタル制御方法論である。これにより、システムが操作者により自然に感じることが可能になり得る。

一態様では、外科用ロボットアームの関節空間速度を調節するための方法は、プログラムされたプロセッサによって実行される以下の動作を有する。外科用ロボットアームの所与の構成について、タスク空間速度（例えば、ＵＩＤ追跡シーケンスに基づいて、線形又は並進速度）が受信される。アームの能動関節の各々について、潜在的な関節速度は、ｉ）受信したタスク空間速度のノルムを有し、エンドエフェクタの速度楕円の最長主軸に沿った配向を有するベクトルを生成することと、ｉｉ）ベクトルにアームに逆運動方程式を適用して、潜在的な関節速度を生成することと、によって計算される。計算された潜在的な関節速度がそれぞれの関節の関節速度限界を超えるとき、ｉ）関節速度限界と、ｉｉ）潜在的な関節速度との比が計算される。関節空間速度限界は、能動（モータ付き）及び受動関節の機械的特性によって定義され得、計算された潜在的な最大関節空間速度より大きいか、又は小さくてもよい。次いで、比を初期関節空間速度に適用（例えば、乗算）し、これは、受信されたタスク空間速度の関節空間への変換であり得、（所与の外科用ロボットアーム構成について）調節された関節空間速度を生成する。

調節された関節空間速度は、ＵＩＤを操作する操作者に、容易さのより均一な感覚を提供することができる。エンドエフェクタの動きを制御するこの様式は、操作者に、全ての方向に均一な容易さの感覚を与えることができる。

上記の概要は、本開示の全ての態様の網羅的なリストを含まない。本開示は、上記に要約された様々な態様の全ての好適な組み合わせから実施することができる全てのシステム及び方法、並びに以下の「発明を実施するための形態」に開示されているもの、特に「特許請求の範囲」のセクションにおいて指摘されているものを含むことが企図される。このような組み合わせは、上記の概要に具体的に記載されていない特定の利点を有し得る。

ここでの本開示のいくつかの態様は、添付図面の図において、限定としてではなく例として例示され、図面中、同様の参照記号は、類似の要素を示す。本開示における「１つの（an）」又は「１つの（one）」態様への言及は、必ずしも同じ態様に対するものではなく、それらは、少なくとも１つを意味することに留意されたい。また、簡潔さ及び図の総数を減らす目的で、所与の図が、本開示の１つより多くの態様の特徴を例示するために使用され得、図中の全ての要素が、所与の態様に必要とされるわけではない場合がある。
外科用ロボットシステムを備える手術室配置の概略図である。 エンドエフェクタ線形速度の領域又は方向が、必要とされる最大エンドエフェクタ速度によってどのように影響されるか、及び異なる最大関節速度を有する異なる外科用ロボットアーム構成に対してどのように影響されるかを示す。 動作中の例示的な外科用ロボットアーム、及びアームの所与の構成の速度楕円を示す。 外科用ロボットアームの関節空間速度を調節するためのプロセスのフロー図である。

ここで添付の図面を参照して本開示のいくつかの態様について説明する。記載される部分の形状、相対位置、及びその他の態様が明示的に定義されていない場合はいつでも、本発明の範囲は、図示された部分にのみ限定されるものではなく、これは単に例示の目的を意図するものである。また、数多くの詳細が記載されているが、本開示のいくつかの態様は、これらの詳細なしに実施され得ることが理解される。他の場合では、周知の回路、構造、及び技術は、本説明の理解を不明瞭にしないように詳細には示されていない。

図１を参照すると、これは、手術場内の例示的な外科用ロボットシステム１の描写図である。ロボットシステム１は、ユーザコンソール２、制御タワー３、及び外科用ロボットプラットフォーム５、例えば、テーブル、ベッドなどに装着され得る１つ又は２つ以上の外科用ロボットアーム４を含む。図１は、アーム４が、患者が休息するテーブル又はベッドに装着されている例を示す。システム１は、患者６の手術を行うために使用される任意の数のデバイス、ツール、又はアクセサリを組み込むことができる。例えば、システム１は、手術を行うために使用される１つ又は２つ以上の外科用ツール７を含んでもよい。外科用ツール７は、外科処置を実行するために外科用アーム４の遠位端に取り付けられたエンドエフェクタであってもよい。

各外科用ツール７は、手術中に、手動で、ロボットで、又はその両方で操作されてもよい。例えば、外科用ツール７は、患者６の内部解剖学的構造に入る、それを見る、又は操作するために使用されるツールであってもよい。一実施形態では、外科用ツール７は、患者の組織を把持し得る把持器具である。外科用ツール７は、ベッドのそばの操作者８によって手動で制御されてもよい、又はそれが取り付けられた外科用ロボットアーム４の作動運動によってロボット制御されてもよい。ロボットアーム４は、テーブルに装着されたシステムとして示されているが、他の構成では、アーム４は、カート、天井、若しくは側壁、又は別の好適な構造的支持体に装着され得る。

一般に、外科医又は他の操作者などの遠隔操作者９は、ユーザコンソール２を使用して、アーム４及び／又は取り付けられた外科用ツール７を遠隔に操作（例えば、遠距離操作）してもよい。ユーザコンソール２は、図１に示すように、システム１の残りの部分と同じ手術室内に位置してもよい。しかしながら、その他の環境では、ユーザコンソール２は、隣接する部屋若しくは近くの部屋に位置してもよい、又は遠隔位置、例えば、異なる建物、都市、若しくは国にあってもよい。ユーザコンソール２は、シート１０と、足踏み式制御部１３と、１つ又は２つ以上のハンドヘルドユーザ入力デバイスと、ＵＩＤ１４と、例えば、患者６内の手術部位の視野を表示するように構成された、少なくとも１つのユーザディスプレイ１５と、を備えてもよい。例示的なユーザコンソール２では、遠隔操作者９は、アーム４及び（アーム４の遠位端に装着された）外科用ツール７を遠隔制御するために、足踏み式制御部１３及びハンドヘルドＵＩＤ１４を操作しながら、シート１０に座ってユーザディスプレイ１５を見ている。

いくつかの変形例では、ベッドのそばの操作者８はまた、ベッドのそばの操作者８（ユーザ）がここで患者６の側面にいて、例えば、片手に保持したハンドヘルドＵＩＤ１４でロボット駆動型ツール（アーム４に取り付けられたエンドエフェクタ）を、手動腹腔鏡ツールと同時に操作している、「ベッド対面」モードでシステム１を操作し得る。例えば、ベッドのそばの操作者の左手は、ロボット構成要素を制御するためにハンドヘルドＵＩＤを操作していてもよいが、一方で、ベッドのそばの操作者の右手は、手動腹腔鏡ツールを操作していてもよい。したがって、これらの変形形態では、ベッドのそばの操作者８は、患者６に対してロボット支援型低侵襲手術及び手動腹腔鏡手術の両方を行ってもよい。

例示的な処置（手術）の間、患者６は、麻酔を達成するために、滅菌されて準備され覆われている。手術部位への初期アクセスは、（手術部位へのアクセスを容易にするために）ロボットシステム１のアームが収容状態又は撤収状態にある間に、手動で実行され得る。アクセスが完了すると、そのアーム４を含むロボットシステム１の初期配置又は準備が実行され得る。次に、手術は、ユーザコンソール２の遠隔操作者９が足踏み式制御部１３及びＵＩＤ１４を利用して、様々なエンドエフェクタ及びおそらくは撮像システムを操作し手術を行って、進行する。手動支援はまた、組織の後退、手動再配置の実行、及びロボットアーム４のうちの１つ又は２つ以上に対するツール交換などのタスクを実行し得る、滅菌ガウンを着たベッドのそばの要員、例えば、ベッドのそばの操作者８によって、処置ベッド又はテーブルで提供され得る。また、ユーザコンソール２の遠隔操作者９を支援するために、非滅菌要員が存在し得る。処置又は手術が完了すると、システム１及びユーザコンソール２は、洗浄又は滅菌などの術後処置及びユーザコンソール２を介した医療記録の入力又は印刷を容易にする状態に構成又は設定することができる。

一実施形態では、遠隔操作者９は、ＵＩＤ１４を保持して移動させて、ロボットシステム１のロボットアームアクチュエータ１７を移動させるための入力コマンドを提供する。ＵＩＤ１４は、例えば、コンソールコンピュータシステム１６を介して、ロボットシステム１の残りの部分に通信可能に連結されてもよい。ＵＩＤ１４は、ＵＩＤ１４の移動、例えば、ＵＩＤのハンドヘルドハウジングの位置及び配向に対応する空間状態信号を生成することができ、空間状態信号は、ロボットアームアクチュエータ１７の動きを制御するための入力信号であってもよい。ロボットシステム１は、空間状態信号から導出された制御信号を使用して、アクチュエータ１７の比例運動を制御し得る。一実施形態では、コンソールコンピュータシステム１６のコンソールプロセッサは、空間状態信号を受信し、対応する制御信号を生成する。アーム４のセグメント又はリンクを移動させるためにアクチュエータ１７がどのように通電されるかを制御する、これらの制御信号に基づいて、アームに取り付けられた対応する外科用ツールの移動は、ＵＩＤ１４の移動を模倣し得る。同様に、遠隔操作者９とＵＩＤ１４との間の相互作用により、例えば、外科用ツール７の把持器具の顎部を閉鎖させて患者６の組織を把持させる、把持制御信号を生成し得る。

外科用ロボットシステム１は、各ＵＩＤについてそれぞれのアーム４のアクチュエータ及び外科用ツール（エンドエフェクタ）を制御するそれぞれの制御信号が生成される、いくつかのＵＩＤ１４を含んでもよい。例えば、遠隔操作者９は、第１のＵＩＤ１４を移動させて、左ロボットアーム内にあるアクチュエータ１７の動きを制御してもよく、アクチュエータは、そのアーム４内の連結部、ギアなどを移動させることによって応答する。同様に、遠隔操作者９による第２のＵＩＤ１４の移動は、別のアクチュエータ１７の動きを制御し、これは、次いでロボットシステム１の他の連結部、ギアなどを移動させる。ロボットシステム１は、患者の右側にベッド又は手術台に固定された右アーム４と、患者の左側にある左アーム４と、を含んでもよい。アクチュエータ１７は、例えば、患者に対して、そのアームに取り付けられた外科用ツール７の内視鏡又は把持器具の配向を変化させるために、アーム４の関節部の回転を駆動するように制御される、１つ又は２つ以上のモータを含んでもよい。同じアーム４内のいくつかのアクチュエータ１７の動きは、特定のＵＩＤ１４から生成された空間状態信号によって制御し得る。ＵＩＤ１４はまた、それぞれの外科用ツール把持器具の動きを制御し得る。例えば、各ＵＩＤ１４は、患者６内の組織を把持するために外科用ツール７の遠位端にある把持器のジョーを開放及び閉鎖するアクチュエータ、例えばリニアアクチュエータの動きを制御するための、それぞれの把持信号を生成することができる。

いくつかの態様では、プラットフォーム５とユーザコンソール２との間の通信は、制御タワー３を介し得、制御タワー３は、ユーザコンソール２から（より具体的には、コンソールコンピュータシステム１６から）受信したユーザコマンドをロボットプラットフォーム５上のアーム４に送信されるロボット制御コマンドに変換し得る。制御タワー３はまた、プラットフォーム５からユーザコンソール２に状態及びフィードバックを送信して戻してもよい。ロボットプラットフォーム５、ユーザコンソール２、及び制御タワー３間の通信接続は、種々のデータ通信プロトコルの任意の好適なものを使用して、有線及び／又は無線リンクを介してもよい。任意の有線接続が、手術室の床及び／又は壁若しくは天井に任意選択的に内蔵されていてもよい。ロボットシステム１は、手術室内のディスプレイ、並びにインターネット又はその他のネットワークを介してアクセス可能である遠隔ディスプレイを含む、１つ又は２つ以上のディスプレイにビデオ出力を提供してもよい。ビデオ出力又はフィードはまた、プライバシーを確保するために暗号化されてもよく、ビデオ出力の全て又は部分は、サーバ又は電子医療記録システムに保存されてもよい。

外科用ロボットアーム４は、関節位置変数ｑ１、ｑ２、．．．ｑＮを割り当てられ得る少なくとも７つの関節を番号付けするいくつかの関節を有するという点で、運動学的に冗長なマニピュレータである。関節は、例えば図３に示されるように、それらの隣接する剛性リンクをシーケンスに接続し、遠位先端又はエンドエフェクタ２０で終わる。アーム４は、エンドエフェクタ２０が患者６の体腔内に位置するように関節運動する。エンドエフェクタ２０は、関節ｑＮに取り付けられる外科用ツール７の一部である（図１を参照）。関節のいくつかは、機械的制約を受けて受動的であり得るが、他のものは、能動的又はモータ付きである。関節のいくつかは回転してもよく、他のものは角柱状であってもよい。関節位置変数は、関節の隣接するリンク間の相対変位（例えば、角度、線形）を表す。

タスク空間と呼ばれる座標系は、エンドエフェクタ２０又は先端が動くように定義され得る。この動きは、関節位置変数ｑ１、ｑ２、．．．ｑＮ全体によって支配され、これは、「関節空間」と呼ばれる座標系に関節ベクトルを形成し得る。順方向運動方程式のセットは、関節空間（アーム４の関節の位置）に関して、エンドエフェクタ２０の「タスク空間」デカルト位置及び配向を決定する関数を定義する。逆運動方程式のセットは、逆関数を定義し、エンドエフェクタ２０のタスク空間位置及び配向に関して、関節位置変数ｑ１、ｑ２、．．．ｑＮの値を決定する。

エンドエフェクタ２０を操作する容易さの考慮に更に関連するのは、外科用ロボットアーム４の速度運動学である。これは、エンドエフェクタ２０の線形速度（タスク空間線形速度）及び関節速度変数ｄｑ１／ｄｔ、ｄｑ２／ｄｔ、．．．ｄｑＮ／ｄｔ（関節角速度、及びまた、アームがプリズム関節を含む場合の関節線形速度）の関係を定義する。これに関して、図２は、いくつかの概念を描写するために使用される。第１に、（アーム４が制御システムによって駆動されているとき）エンドエフェクタ２０の最大達成可能速度がどのように全ての方向に均一ではないかを例示する。これは、外科用ロボットアーム４の多リンク、多関節性質、及びエンドエフェクタ４が任意の方向に移動することを制約されないという事実によるものである（当然のことながら、有限電力を有するモータ付き関節に起因して速度が制限される）。示されている９つの実施例に見られるように、エンドエフェクタ２０が所与の最大タスク空間速度で駆動され得る方向が限定されているが、その速度でエンドエフェクタ２０を駆動することができない方向がある。図２はまた、３つの異なる最大タスク空間速度に対応する３つの列を示す。各列において、所与の最大タスク空間速度を満たすことができる作業空間が利用可能な最大関節速度の関数としてどのように増加するかが分かる。利用可能な最大関節速度が増加する場合、所望の最大タスク空間速度を満たすことができる方向がより多くなる。

図２の３つの行を考慮すると、各行は、最大タスク空間速度を満たすことができる、すなわち最大タスク空間速度を下げることによって、作業空間を拡張する方法を示す。したがって、全てではないにしてもほとんどの方向に均一に容易にエンドエフェクタ２０を移動させることができるほぼ等方性のシステムを生成するために、図２は、最大タスク空間速度を十分に下げる必要がある一方で、最大関節空間速度を十分に高くする必要があることを示唆している。外科用ロボットアーム４上のエンドエフェクタ２０を移動させることにおける等方性の容易さの感覚をどのように確保するかの問題を解決するために、これらの２つの態様、すなわち、最大関節速度（ほとんどの場合、能動関節のモータ電力及び伝達比によって決定される）及び最大タスク空間速度（臨床的必要性に由来する可能性がある）をリンクする必要がある。また、所与の関節速度要件を満たすことができるようにタスク空間速度を調節することが望ましい場合があり、等方性の容易さの感覚が達成される。ここで、関節空間速度が特定の状況下で制限又は調節され、それによって操作者が（ハンドヘルドＵＩＤ１４を介して遠隔でエンドエフェクタ２０を操作するとき）等方性の動きを感じることを可能にする、そのような問題を解決するための系統的なアプローチが、図３及び図４のフロー図に関連して提示される。

図３は、それぞれの関節位置変数ｑ１、ｑ２、．．．ｑＮに関連付けられた関節を有する例示的な外科用ロボットアーム４、及び患者６（外科用ロボットプラットフォーム５の一部として、テーブル上に横たわっている）の体腔内に位置付けられたエンドエフェクタ２０を示す。アーム４の任意の所与の構成について、ここでの「構成」とは、関節変数ｑ１、ｑ２、．．．ｑＮのセットの特定のインスタンスを指し、３Ｄ表面によって画定される様々な方向において、エンドエフェクタ２０を駆動することができる利用可能な最大タスク空間線形速度を定義する３Ｄ表面である速度楕円を計算することができる。これはまた、可操作性楕円と称され得る。楕円は、アーム４の逆ヤコビアンを使用して計算することができる。速度楕円の最長主軸は図に示されており、最大タスク空間線形速度が達成され得る方向を表す。計算された楕円が本質的に球体（点線で示される）である構成が存在する場合、その構成では、アーム４は等方性とみなされ、操作者は全ての方向に均一な容易さを経験する。

一態様では、外科用ロボットアームの能動的又はモータ付き関節を制御するモータ制御コマンドを継続的に更新するデジタル制御アルゴリズムは、アームの関節空間速度を調節するための以下の方法を実行することによって修正される。プロセスの目標は、操作者がハンドヘルドＵＩＤ１４を介してエンドエフェクタ２０を操作するにつれて、操作者が全ての方向に均一な容易さを経験するためである。図４のプロセスフロー図を参照すると、外科用ロボットシステム内のプログラムされたプロセッサによって実行される動作を指し、所与の外科用ロボットアーム構成に対する速度楕円の最長主軸が決定される（動作４０４）。これは、可操作性楕円、ＭＥ、又は線形速度ＭＥとも呼ばれる。しかしながら、最長主軸は、ＭＥ全体を計算する必要なく直接計算されてもよく、又はアーム４の逆ヤコビアンを使用してＭＥを最初に計算し、次いでＭＥを調査して最長主軸を決定することに基づいて決定されてもよい。

次に、（例えば、ＵＩＤ追跡シーケンスの現在の要素に基づいて受信される）タスク空間速度が最長主軸に適用されて、新しいベクトルを生成する。この新しいベクトルは、最長主軸（又は楕円の原点が（０，０，０）にある場合の最長主半軸）の方向にある最大又は最悪の場合のタスク空間速度であるとみなされ得る。ＭＥが１に正規化されている場合、最長主軸上にある最大タスク空間線形速度（例えば、メートル／秒の単位）を見つけるために、このベクトルの変換が必要とされ得る。次いで、最大タスク空間速度が、潜在的な関節空間速度を計算（又は変換）するために適用される（動作４０６）。これは、アーム４の逆運動学式（逆ヤコビアンを含む）を使用して行うことができる。潜在的な関節空間速度は、エンドエフェクタ２０が最大タスク空間速度を示すために、能動関節がそれらの位置をどのくらい速く変更する必要があるかどうかを表す。

次いで、プロセスは、外科用ロボットアーム４のｉ）潜在的な関節空間速度及びｉｉ）関節空間速度限界が計算される動作４０８を継続する。関節空間速度限界は、その成分又は値が、それぞれ、外科用ロボットアーム４の能動関節の最大速度を指すベクトルであり得る。一態様では、関節空間速度限界（ベクトル）は、アーム４の様々な構成に対して変化しない場合がある。次いで、比は、初期関節空間速度に適用され（例えば、乗算され）、これは、受信されたタスク空間速度の関節空間速度への変換であり得、調節された関節空間速度を生成する（動作４１０）。

外科用ロボットアーム構成の関節空間速度限界が潜在的な関節空間速度より大きい場合、調節された関節空間速度は、（受信されたタスク空間速度の関節空間への変換に起因する）初期関節空間速度と同じであるように作られる。言い換えれば、その場合の初期関節空間速度は、モータ制御コマンドを更新するために変更せずに適用することができる。しかし、関節空間速度限界が潜在的な関節空間速度未満である場合、初期関節空間速度にダウンスケーリング係数として、１未満の比が適用される。結果として、デジタル制御アルゴリズムは、このようにして、任意の要求された関節空間速度を、関節空間速度限界を超えないように自動的に制限するため、全ての方向における均一な容易さの感覚が達成される。これがどのように機能するかの例は以下のとおりである。デジタル制御アルゴリズムは、アーム４の変更された構成を検出し、ＵＩＤ追跡シーケンスに従う新しいタスク空間速度を受信すると考える（エンドエフェクタ２０は、ＩＵＤ１４の追跡された位置及び配向を模倣することができる）。制御アルゴリズムは、新しいタスク空間速度を新しい又は初期の関節空間速度に変換する（例えば、逆ヤコビアンを含む逆運動学を使用して）。従来のアプローチでは、アルゴリズムは単に新しい関節空間速度をそのまま適用して、アーム４のモータ付き関節を制御するいくつかのモータ制御コマンドを更新する。しかしながら、ここでは、アーム４の複数の能動関節の各々について、受信された新しいタスク空間速度を、アーム４の現在の構成の速度楕円の最長主軸に沿って適用することによって、それぞれの潜在的な関節速度が計算される（例えば、新しいタスク空間速度のノルムを有し、最長主軸の方向に配向された新しいベクトルを生成する）。それぞれの潜在的な関節速度がそれぞれの関節の関節速度限界を超えるとき、ｉ）関節速度限界と、ｉｉ）それぞれの潜在的な関節速度との比が計算される。

次いで、複数の能動関節の各々についてのそれぞれの調節された関節速度が、その比に基づいて生成される。したがって、そのような状況では、 関節空間速度限界が、潜在的な関節空間速度未満であり、比を適用する結果として、調節された関節空間速度が、関節空間速度限界未満である。言い換えれば、潜在的な関節空間速度が、（例えば、潜在的な関節空間速度を関節空間速度限界と比較することによって決定されるように）一部の閾値量だけ関節空間速度限界を超える場合、（モータ制御コマンドを更新するために修正された新しい関節空間速度を適用する前に）関節空間速度限界を超えないように、比をそれに適用することによって、アルゴリズムは新しい関節空間速度を修正する。修正された新しい又は調節された関節空間速度は、外科用ロボットアーム４の複数のモータ付き関節（能動関節）を制御する複数のモータ制御コマンドを更新するために適用される。更新されたモータ制御コマンドは、エンドエフェクタ２０が新しいＵＩＤ位置（ＵＩＤ追跡シーケンスによって示される）に従って新しいタスク空間位置に駆動されるように、アーム４のモータ付き関節を制御するように機能する。

上記のプロセスは、ｉ）更新された潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）外科用ロボットアームの関節空間速度限界との更新された比を計算することと、更新された比を新しいタスク空間速度の変換に適用して、別の調節された関節空間速度を生成することとによって、新しいタスク空間速度を繰り返すことができる。これは、アーム４の構成が変化しない場合、最長主軸を再計算する必要なく行うことができる。

複数の能動関節において、それぞれの潜在的な関節速度がそれぞれの関節の関節速度限界を超える、２つ又はそれ以上の関節が存在する場合、２つ又はそれ以上の関節の各１つについて（上記のアプローチを使用して）、いくつかの比がそれぞれ計算される。次に、これらの比の最小値か、又は言い換えれば、それぞれの潜在的な関節速度がその関節速度限界を最も超える能動関節が選択される。例えば、関節ａ及びｂの両方がそれらのそれぞれの限界を超えるが、関節ｂがその限界を超えるより多く関節ａがその限界を超える場合、関節ａが、比を計算するために選択される。言い換えれば、関節ａのそれぞれの潜在的な関節速度の（関節ａの）関節速度限界に対する比が選択され、能動関節の全てのそれぞれの調節された関節速度を生成する際に使用される。上述のように、これは、能動関節の全ての初期関節空間速度に、（関節ａの）選択された比を乗算することによって行うことができる。

図４のプロセスは、アーム４の構成が変化しない状況において、以下のように継続することができる。（外科用ロボットアーム４の遠位端上にある）エンドエフェクタの別のタスク空間速度を受信すると、ブロック４０６のように、別のそれぞれの潜在的な関節速度が、速度楕円の最長主軸に沿って別のタスク空間速度を適用することによって、能動関節のそれぞれについて計算される（アームの構成が変化していないため、最長主軸が再計算される必要はなく、すなわち、ブロック４０４を省略することができる）。

別のそれぞれの潜在的な関節速度がそれぞれの関節の関節速度限界を超えない場合、別のそれぞれの潜在的な関節速度は変化しないままである（ブロック４１０は本質的に省略されているか、又は同等に、ブロック４１０の比は単一に設定されている）。更に別のそれぞれの潜在的な関節速度がそれぞれの関節の関節速度限界を超えている場合、新しい比がブロック４０８で計算される。

いくつかの状況では、新しいタスク空間速度に対応する新しい潜在的な関節空間速度を計算する必要なく、新しい比を計算することができることに留意されたい。すなわち、外科用ロボットアームの構成が変化する場合とは対照的に、その場合の新しい比は、更新された最長主軸（新しい構成での楕円のものである）を使用して計算される必要がある。新しい比は、例えば、タスク空間速度のノルムのみが変化する状況では（その配向は、直前又は以前のタスク空間速度に対して変化しないままである）、以下のように計算することができる。新しいタスク空間速度ｖ＿ｂを受信した後、それを以前のタスク空間速度ｖ＿ａと比較し、次いで、以前の比をｖ＿ａ／ｖ＿ｂとスケーリングすることによって新しい比を計算する。例えば、前の比が０．６であり、ｖ＿ｂ＝２^＊ｖ＿ａである場合、新しい比は０．３であろう。このような理由は、関節空間速度限界が固定され、最長主軸が変更されず、（以前のタスク空間速度に対する）唯一の変化が新しいタスク空間速度のノルムにあるためである。

前述の説明は、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために特定の専門用語を使用する。しかしながら、本発明を実施するために特定の詳細が必要ではないことは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の特定の実施形態の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示されるものである。それらは、包括的であることも、開示されたまさにその形態に本発明を限定することも意図していない。明らかに、上記の教示の観点から、多くの修正及び変形形態が可能である。本発明の原理及びその実際的な用途の最良の説明のために、本実施形態が選択され記載されており、それによって、それらは、その他の当業者が、企図される特定の用途に適する様々な修正を伴った様々な実施形態における本発明の最良の利用をすることを可能にする。

〔実施の態様〕
（１） 外科用ロボットアームの関節空間速度を調節するための方法であって、前記方法は、
ａ）外科用ロボットアーム構成の速度楕円の最長主軸を計算することと、
ｂ）タスク空間速度を受信し、前記最長主軸に沿って前記タスク空間速度のノルムを適用して、逆運動学を使用して潜在的な関節空間速度を計算することと、
ｄ）ｉ）前記潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）前記外科用ロボットアームの関節空間速度限界との比を計算することと、
ｅ）前記比を初期関節空間速度に適用して、調節された関節空間速度を生成することと、を含む、方法。
（２） 前記関節空間速度限界が、前記潜在的な関節空間速度未満であり、前記調節された関節空間速度が、前記関節空間速度限界未満である、実施態様１に記載の方法。
（３） 新しいタスク空間速度を受信することと、
前記新しいタスク空間速度を新しい関節空間速度に変換することと、
前記新しいタスク空間速度を以前のタスク空間速度と比較することに基づいて、新しい比を計算することと、
前記新しい関節空間速度に前記新しい比を適用して、新しい調節された関節空間速度を生成することと、を更に含む、実施態様２に記載の方法。
（４） 前記新しい調節された関節空間速度を適用して、前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節を制御する複数のモータ制御コマンドを更新することを更に含む、実施態様３に記載の方法。
（５） 前記外科用ロボットアームの変更された構成を検出することに応答して、前記変更された構成の速度楕円の新しい最長主軸を計算することと、
新しいタスク空間速度を受信し、前記新しいタスク空間速度のノルム及び前記新しい最長主軸の配向を有する新しいベクトルを生成し、前記新しいベクトルに基づいて、更新された潜在的な関節空間速度を計算することと、
ｉ）前記更新された潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）前記外科用ロボットアームの前記関節空間速度限界との更新された比を計算することと、
前記新しいタスク空間速度の変換に前記更新された比を適用して、別の調節された関節空間速度を生成することと、を更に含む、実施態様１に記載の方法。

（６） 前記アーム上のエンドエフェクタが、ＵＩＤ追跡シーケンスによって示される新しいＵＩＤ位置に従って新しいタスク空間位置に駆動されるように、前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節を制御する複数のモータ制御コマンドを更新するように、前記更新された調節された関節空間速度を適用することを更に含む、実施態様５に記載の方法。
（７） 前記アームの逆ヤコビアンを使用して、前記速度楕円を計算することを更に含む、実施態様１に記載の方法。
（８） 外科用ロボットシステムであって、
外科用ロボットアームと、
プロセッサと、
内部に命令を記憶しているメモリと、を備え、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
ａ）前記外科用ロボットアームの第１の構成の速度楕円の最長主軸を計算し、
ｂ）タスク空間速度を前記最長主軸に適用して、新しいベクトルを生成し、前記新しいベクトルに基づいて潜在的な関節空間速度を計算し、
ｃ）ｉ）前記潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）前記外科用ロボットアームの関節空間速度限界との比を計算し、
ｄ）前記比を使用して、調節された関節空間速度を生成する、外科用ロボットシステム。
（９） 前記メモリが、内部に更なる命令を記憶しており、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
前記外科用ロボットアーム上のエンドエフェクタが新しいタスク空間位置に誘導されることに応答して、前記外科用ロボットアームの第２の構成を決定し、
前記第２の構成のために動作ａ）～ｄ）を繰り返すことによって、前記第２の構成に対して調節された関節空間速度を生成する、実施態様８に記載の外科用ロボットシステム。
（１０） 前記メモリが、内部に前記第１の構成を記憶しており、前記第１の構成が、
前記外科用ロボットアームの複数の関節の現在の関節空間位置データを含む、実施態様８に記載の外科用ロボットシステム。

（１１） 前記第１の構成が、
前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節の関節空間速度限界データを更に含む、実施態様１０に記載の外科用ロボットシステム。
（１２） 前記関節空間速度限界が、前記潜在的な関節空間速度未満であり、前記調節された関節空間速度が、前記潜在的な関節空間速度未満である、実施態様８に記載の外科用ロボットシステム。
（１３） 前記メモリが、更なる命令を有し、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
ＵＩＤ追跡シーケンスに従って新しいタスク空間速度を計算し、
前記新しいタスク空間速度を新しい関節空間速度に変換し、
新しい潜在的な関節空間速度を使用して、前記最長主軸を再計算することなく、ｂ）及びｃ）におけるように新しい比を計算し、
前記新しい関節空間速度に前記新しい比を適用して、新しい調節された関節空間速度を生成する、実施態様１２に記載の外科用ロボットシステム。
（１４） 前記メモリが、更なる命令を有し、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
前記新しい調節された関節空間速度を適用して、前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節を制御する複数のモータ制御コマンドを更新する、実施態様１３に記載の外科用ロボットシステム。
（１５） 前記メモリが、更なる命令を有し、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、前記比を、
前記外科用ロボットアーム内の複数の能動関節の各々について、前記受信されたタスク空間速度に基づいて、前記速度楕円の前記最長主軸に沿って潜在的な関節速度値を計算することと、
前記潜在的な関節速度が、それぞれの関節の関節速度限界を超えるとき、前記それぞれの関節の、ｉ）前記関節速度限界と、ｉｉ）前記潜在的な関節速度との前記比を計算することと、によって計算する、実施態様８に記載の外科用ロボットシステム。

（１６） 外科用ロボットアームの速度を調節するための方法であって、前記方法が、
ａ）ロボットアーム構成のためのエンドエフェクタの速度楕円を決定することであって、前記ロボットアームが、複数の能動関節を有し、前記エンドエフェクタが、前記ロボットアームの遠位端に位置付けられている、決定することと、
ｂ）前記複数の能動関節の各々について、前記速度楕円の最長主軸に沿って受信されたタスク空間速度を適用することによって、それぞれの潜在的な関節速度を計算することと、
ｃ）前記それぞれの潜在的な関節速度が、それぞれの関節の関節速度限界を超えるとき、ｉ）前記関節速度限界と、ｉｉ）前記それぞれの潜在的な関節速度との比を計算することと、
ｄ）前記比に基づいて、前記複数の能動関節の各々について、それぞれの調節された関節速度を生成することと、を含む、方法。
（１７） 前記それぞれの潜在的な関節速度が、線形速度又は角速度を含む、実施態様１６に記載の方法。
（１８） 前記タスク空間速度を初期関節空間速度に変換することを更に含み、それぞれの調節された関節速度を生成することが、前記初期関節空間速度に計算された前記比を乗算することを含む、実施態様１６に記載の方法。
（１９） 前記複数の能動関節において、前記それぞれの潜在的な関節速度が前記それぞれの関節の関節速度限界を超える、２つ又はそれ以上の関節が存在する場合、前記２つ又はそれ以上の関節の複数の前記比をそれぞれ計算することと、
前記複数の能動関節の各々について前記それぞれの調節された関節速度を生成する際に使用するために、前記複数の前記比の最小値を選択することと、を更に含む、実施態様１６に記載の方法。
（２０） 前記エンドエフェクタの別のタスク空間速度を受信することと、
前記複数の能動関節の各々について、前記速度楕円の前記最長主軸に沿って前記別のタスク空間速度を適用することによって、別のそれぞれの潜在的な関節速度を計算することと、
前記別のそれぞれの潜在的な関節速度が前記それぞれの関節の前記関節速度限界を超えない場合、前記別のそれぞれの潜在的な関節速度を変更せずに残し、前記別のそれぞれの潜在的な関節速度が前記それぞれの関節の前記関節速度限界を超えている場合、ｃ）におけるように新しい比を計算することと、を更に含む、実施態様１６に記載の方法。

Claims (20)

1. 外科用ロボットシステムであって、
   外科用ロボットアームと、
   プロセッサと、
   内部に命令を記憶しているメモリと、を備え、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
   ａ）前記外科用ロボットアームの第１の構成の速度楕円の最長主軸を計算し、
   ｂ）タスク空間速度を前記最長主軸に適用して、新しいベクトルを生成し、前記新しいベクトルに基づいて潜在的な関節空間速度を計算し、
   ｃ）ｉ）前記潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）前記外科用ロボットアームの関節空間速度限界との比を計算し、
   ｄ）前記比を使用して、調節された関節空間速度を生成する、外科用ロボットシステム。
2. 前記メモリが、内部に更なる命令を記憶しており、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
   前記外科用ロボットアーム上のエンドエフェクタが新しいタスク空間位置に誘導されることに応答して、前記外科用ロボットアームの第２の構成を決定し、
   前記第２の構成のために動作ａ）～ｄ）を繰り返すことによって、前記第２の構成に対して調節された関節空間速度を生成する、請求項１に記載の外科用ロボットシステム。
3. 前記メモリが、内部に前記第１の構成を記憶しており、前記第１の構成が、
   前記外科用ロボットアームの複数の関節の現在の関節空間位置データを含む、請求項１に記載の外科用ロボットシステム。
4. 前記第１の構成が、
   前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節の関節空間速度限界データを更に含む、請求項３に記載の外科用ロボットシステム。
5. 前記関節空間速度限界が、前記潜在的な関節空間速度未満であり、前記調節された関節空間速度が、前記潜在的な関節空間速度未満である、請求項１に記載の外科用ロボットシステム。
6. 前記メモリが、更なる命令を有し、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
   ＵＩＤ追跡シーケンスに従って新しいタスク空間速度を計算し、
   前記新しいタスク空間速度を新しい関節空間速度に変換し、
   新しい潜在的な関節空間速度を使用して、前記最長主軸を再計算することなく、ｂ）及びｃ）におけるように新しい比を計算し、
   前記新しい関節空間速度に前記新しい比を適用して、新しい調節された関節空間速度を生成する、請求項５に記載の外科用ロボットシステム。
7. 前記メモリが、更なる命令を有し、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、
   前記新しい調節された関節空間速度を適用して、前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節を制御する複数のモータ制御コマンドを更新する、請求項６に記載の外科用ロボットシステム。
8. 前記メモリが、更なる命令を有し、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、前記比を、
   前記外科用ロボットアーム内の複数の能動関節の各々について、前記受信されたタスク空間速度に基づいて、前記速度楕円の前記最長主軸に沿って潜在的な関節速度値を計算することと、
   前記潜在的な関節速度が、それぞれの関節の関節速度限界を超えるとき、前記それぞれの関節の、ｉ）前記関節速度限界と、ｉｉ）前記潜在的な関節速度との前記比を計算することと、によって計算する、請求項１に記載の外科用ロボットシステム。
9. 外科用ロボットアームの関節空間速度を調節するための方法であって、前記方法は、
   ａ）外科用ロボットアーム構成の速度楕円の最長主軸を計算することと、
   ｂ）タスク空間速度を受信し、前記最長主軸に沿って前記タスク空間速度のノルムを適用して、逆運動学を使用して潜在的な関節空間速度を計算することと、
   ｄ）ｉ）前記潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）前記外科用ロボットアームの関節空間速度限界との比を計算することと、
   ｅ）前記比を初期関節空間速度に適用して、調節された関節空間速度を生成することと、を含む、方法。
10. 前記関節空間速度限界が、前記潜在的な関節空間速度未満であり、前記調節された関節空間速度が、前記関節空間速度限界未満である、請求項９に記載の方法。
11. 新しいタスク空間速度を受信することと、
    前記新しいタスク空間速度を新しい関節空間速度に変換することと、
    前記新しいタスク空間速度を以前のタスク空間速度と比較することに基づいて、新しい比を計算することと、
    前記新しい関節空間速度に前記新しい比を適用して、新しい調節された関節空間速度を生成することと、を更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記新しい調節された関節空間速度を適用して、前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節を制御する複数のモータ制御コマンドを更新することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記外科用ロボットアームの変更された構成を検出することに応答して、前記変更された構成の速度楕円の新しい最長主軸を計算することと、
    新しいタスク空間速度を受信し、前記新しいタスク空間速度のノルム及び前記新しい最長主軸の配向を有する新しいベクトルを生成し、前記新しいベクトルに基づいて、更新された潜在的な関節空間速度を計算することと、
    ｉ）前記更新された潜在的な関節空間速度と、ｉｉ）前記外科用ロボットアームの前記関節空間速度限界との更新された比を計算することと、
    前記新しいタスク空間速度の変換に前記更新された比を適用して、別の調節された関節空間速度を生成することと、を更に含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記アーム上のエンドエフェクタが、ＵＩＤ追跡シーケンスによって示される新しいＵＩＤ位置に従って新しいタスク空間位置に駆動されるように、前記外科用ロボットアームの複数のモータ付き関節を制御する複数のモータ制御コマンドを更新するように、前記更新された調節された関節空間速度を適用することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記アームの逆ヤコビアンを使用して、前記速度楕円を計算することを更に含む、請求項９に記載の方法。
16. 外科用ロボットアームの速度を調節するための方法であって、前記方法が、
    ａ）ロボットアーム構成のためのエンドエフェクタの速度楕円を決定することであって、前記ロボットアームが、複数の能動関節を有し、前記エンドエフェクタが、前記ロボットアームの遠位端に位置付けられている、決定することと、
    ｂ）前記複数の能動関節の各々について、前記速度楕円の最長主軸に沿って受信されたタスク空間速度を適用することによって、それぞれの潜在的な関節速度を計算することと、
    ｃ）前記それぞれの潜在的な関節速度が、それぞれの関節の関節速度限界を超えるとき、ｉ）前記関節速度限界と、ｉｉ）前記それぞれの潜在的な関節速度との比を計算することと、
    ｄ）前記比に基づいて、前記複数の能動関節の各々について、それぞれの調節された関節速度を生成することと、を含む、方法。
17. 前記それぞれの潜在的な関節速度が、線形速度又は角速度を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記タスク空間速度を初期関節空間速度に変換することを更に含み、それぞれの調節された関節速度を生成することが、前記初期関節空間速度に計算された前記比を乗算することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記複数の能動関節において、前記それぞれの潜在的な関節速度が前記それぞれの関節の関節速度限界を超える、２つ又はそれ以上の関節が存在する場合、前記２つ又はそれ以上の関節の複数の前記比をそれぞれ計算することと、
    前記複数の能動関節の各々について前記それぞれの調節された関節速度を生成する際に使用するために、前記複数の前記比の最小値を選択することと、を更に含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記エンドエフェクタの別のタスク空間速度を受信することと、
    前記複数の能動関節の各々について、前記速度楕円の前記最長主軸に沿って前記別のタスク空間速度を適用することによって、別のそれぞれの潜在的な関節速度を計算することと、
    前記別のそれぞれの潜在的な関節速度が前記それぞれの関節の前記関節速度限界を超えない場合、前記別のそれぞれの潜在的な関節速度を変更せずに残し、前記別のそれぞれの潜在的な関節速度が前記それぞれの関節の前記関節速度限界を超えている場合、ｃ）におけるように新しい比を計算することと、を更に含む、請求項１６に記載の方法。

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