JP5765868B2 - ロボット制御式の記録装置、ならびにこれに対応する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットハンドを動かすためにロボット制御部を通じて制御可能である複数の運動軸を備えるロボットと、支持装置の上に支持された物体のデータを記録するためにロボットによって可動である、ロボットハンドに取り付けられた記録システムとを有する、特にＸ線画像データを記録するためのロボット制御式の記録装置に関するものである。本発明は、複数の運動軸を有するロボットのロボットハンドに記録システムが取り付けられるとともに、物体のデータを記録するためにロボットによって動かされる、特にＸ線画像データを記録するために支持装置の上に支持された物体のデータを記録する方法も対象としている。

記録装置ならびにこれに対応する方法の主要な適用分野は、Ｘ線画像作成の分野であり、特に、断層撮影法によるＸ線画像作成である。断層撮影法によるＸ線画像作成のためのＸ線装置は、例えば特許文献１から公知である。このＸ線装置はキャリッジに可動に取り付けられたＣアームを有し、このＣアームに、Ｘ線源とＸ線検出器とが向かい合う配置で取り付けられている。例えば手術室などでこのＸ線装置を使用するときには、患者を乗せている検査台に向かってキャリッジを動かし、そこで適切に位置決めする。断層撮影法によるＸ線画像撮影のために、異なる投影方向から二次元の複数のＸ線撮影を記録するためにＣアームが患者の周りを移動する。このとき、二次元のＸ線画像から三次元の再構成を行えるようにするために、１８０°を超える角度範囲がカバーされなくてはならない。

二次元のＸ線画像は、Ｃアームの運動に同期化されながら短い時間間隔で記録される。これは正しい画像再構成のために必要である。

このような種類のＸ線装置の原理的な欠点は、Ｘ線装置の所要の往復運動に手間がかかり、高い力のコストを要するという点にある。

このような欠点に対処して、患者へのできるだけ自由なアクセス性を確保するために、Ｘ線源と、Ｘ線源に向かい合うＸ線検出器とを備えるＣアームがロボットのハンドに連結され、このロボットが、二次元のＸ線画像を記録するために、着目する物体の周りでこのＸ線記録システムを動かすＸ線装置が、出願人によって開発されている。しかしこのことは、このような運動の種類によっては、二次元のＸ線画像を記録するための同期化の問題につながってしまう。従来使用されているＣアーム型Ｘ線設備では、Ｃアームの運動は、その都度常に１つの運動軸によってしか行われない。これは、Ｃアームの回転軸か軌道軸かのいずれかである。それにより、Ｘ線画像記録の同期化の役目をするトリガ信号を、これらの軸の運動から導き出すことができる。そのようにして、このような同期化信号および同期化パルス、ならびにこれに対応する２ＤＸ線撮影を用いて、正しい３Ｄ再構成を行うことができる。

ロボットで操られるＣアームの場合、このような種類の同期化は、回転軸を中心としてＣアームを回転させるときに限っては容易に可能である。そのためには、６つの回転軸を有するロボットの場合でも、やはり１つの運動軸しか回転しないからである。その一方で、Ｃアームの軌道運動のためにはロボットのすべての軸の運動が必要であり、しかもその場合、これらの軸は直線的に動くのではない。これに加えて、個々の軸がこのような運動中に後方へ動き、その結果として、その運動軸に合わせた同期化が不可能になるという事態が起こり得る。

ドイツ特許出願公開第１９９５７３３０Ａ１号明細書

本発明の課題は、記録システムの運動に合わせたデータ記録の正しい同期化を可能にする、支持装置の上に支持された物体のデータを記録するためのロボット支援式の記録装置ならびに方法を提供することである。このとき、記録装置ならびに方法は、Ｘ線Ｃアームシステムに匹敵する構成を有し、画像撮影時にロボットによって軌道運動で案内される記録システムを用いた、特に断層撮影法によるＸ線画像データの記録を可能にするのが望ましい。

この課題は、請求項１および５に記載されたロボット制御式の記録装置ならびに方法によって解決される。この記録装置ならびに方法の有利な実施形態は従属請求項の対象であり、もしくは、以下の説明ならびに実施例から読み取ることができる。

提案されるロボット制御式の記録装置は、ロボットハンドを動かすためにロボット制御部を通じて制御可能である複数の被駆動運動軸を備えるロボットと、支持装置の上に支持された物体のデータを記録するためにロボットによって可動である、ロボットハンドに取り付けられた記録システムとを含む。ロボット制御部に少なくとも１つの追加の駆動装置が接続され、この追加の駆動装置にエンコーダが接続され、該追加の駆動装置がロボットハンドの運動時にロボットの被駆動運動軸に同期しながら制御されると、エンコーダが追加の駆動装置により駆動されてデータの記録のための同期化信号が生起され、この追加の駆動装置が、あたかも、エンコーダではなくて、支持装置の駆動のために該装置と接続されているかのようにして、ロボットハンドの運動に従って記録システムがツールセンターポイントを中心として回転することにより生成される、支持装置の周りの記録システムの回転運動を、ロボットハンドが静止していると仮定してシミュレーションされる支持装置の回転運動だけに従って再現する。具体的には、ロボット制御部により制御される追加の駆動装置が、ロボットハンドに従って運動する記録システムのツールセンターポイントの回転運動をシミュレーションした仮想回転軸の回転運動を再現し、当該再現された回転運動に従い駆動されるエンコーダが同期化信号を生起する。

このように本記録装置では、ロボット制御部は、ロボットの運動軸のために必要な駆動装置に加えて、さらに追加の駆動装置および追加の軸を制御するようにセットアップおよびプログラミングされている。ロボット制御にとってこの駆動装置は、物体の支持装置をスライドまたは回転させる、ロボットの別の運動軸となる。このとき、ロボットによって生成される、静止した支持装置に対して相対的な記録システムの運動は、別の運動軸を中心とする、または別の運動軸に沿った、静止した記録システムに対して相対的な支持装置のスライドおよび／または回転によってシミュレーションできるという事実が活用される。このとき追加の軸および追加の駆動装置の制御は、他の運動軸と同期して、支持装置のこのようなスライドおよび／または回転が行われるべきであるかのように行われる。それによりこの追加の軸は、支持装置および物体に対する記録システムの位置に関わりなく、常に直線的に動く。ただし本装置では、追加の駆動装置によって支持装置が駆動されるのではなく、物体のデータを記録するための同期化信号、特にトリガパルスを供給するエンコーダが駆動される。このようにして、Ｘ線撮影システムのＣアームの軌道運動のような運動でも、ロボット制御式の記録装置によってこれを行い、問題なく同期化することができる。

したがって、提案される記録装置により、ロボットの複数の運動軸を動かさなくてはならない軸を中心としたロボット制御式の運動のときに、記録システムのための同期化信号を簡単な様式で導き出すことができる。

ロボットは少なくとも６つの回転軸を有するのが好ましい。これは、例えば自動車産業の生産ラインで使用されているような折り曲げアームロボットであってよい。ロボットは、ロボットハンドの任意の運動経過の設定と保存を可能にする、プログラミング可能な制御部を有する。そうすれば、このようなプログラミング可能な制御部により、追加の軸および追加の駆動装置の同期化された運動も実行することができる。

本記録装置およびこれに対応する方法においては、記録システムは画像記録のためだけでなく、それ以外の種類のデータ検出、例えば物体の計測のためにも構成されていてよい。このとき、本装置ならびにこれに対応する方法は、ロボットハンドによる運動中にデータを記録するために記録システムが同期化信号またはトリガ信号を必要とする用途に格別に適している。

好ましい実施形態では、Ｘ線源と、Ｘ線源に向かい合う、ロボットハンドに取り付けられた、例えばロボットハンドに連結された、キャリヤのＸ線検出器とを有するＸ線撮影システムが記録システムとして用いられる。このときキャリヤは、ＣアームまたはＵアームのような形式でヨーク形に構成されているのが好ましい。そしてこのキャリヤは、異なる投影方向から物体の複数のＸ線画像を記録するために、ロボットハンドとともに軌道上を動くことができる。この運動は、キャリヤが通る平面に対して垂直に、かつＸ線源からＸ線検出器に向うＸ線束の放射軸に対して垂直に延びる軸を中心とする回転運動に相当している。いわゆるツールセンターポイントを中心として行われるのが好ましいこの回転運動は、同時に、ロボット制御部によって、追加の駆動装置の制御を通じて上に説明したようにシミュレーションされる。それにより、追加の駆動装置とエンコーダを接続することで、この回転軸およびツールセンターポイントを中心とする線形の回転運動について同期化信号が生成され、この同期化信号でＸ線撮影装置が起動する。そうすれば、その際にさまざまな角度位置から記録される個々の二次元のＸ線写真は、互いに正確に等しい角度間隔を有するので、これらの二次元の写真を元にした３Ｄ画像の三次元再構成が、公知の様式で可能となる。

同様にして、撮影システムの線形の並進運動についても、例えばＸ線システムのキャリヤの、支持装置に沿ったスライド運動についても、同期化信号を生成できることは当然である。この場合、追加の駆動装置はロボット制御部によってこの方向へのスライド運動のために制御され、追加の軸は並進軸である。回転運動についての同期化信号と、並進運動についての同期化信号との組み合わされた生成も、２つの追加の駆動装置および軸を適宜制御することによって可能である。このような同期化は、例えば物体を中心とする螺旋状の軌道上で撮影システムが動くときに必要となる場合がある。

次に、提案されるロボット制御式の記録装置、ならびにこれに対応する方法について、図面との関連で実施例を参照しながら、ただし特許請求の範囲によって設定される権利保護範囲を限定することなく、さらに詳しく説明する。

この実施例では、ロボット制御式の記録装置とこれに対応する方法について、断層撮影法によるＸ線画像データの記録という好ましい適用分野を参照しながら、再度詳しく説明する。図１は、６つの回転軸を備える公知のロボットを示している。例えば手術室の床面に固定して載置されていてよい基礎フレーム１に、第１の回転軸Ａ１を中心として回転可能なようにカルーセル２に収容されている。カルーセル２には、第２の回転軸Ａ２を中心として旋回可能なように揺り腕３が取り付けられている。揺り腕３には、第３の回転軸Ａ３を中心として回転可能なようにアーム４が取り付けられている。アーム４の端部には、第４の回転軸Ａ４を中心として回転可能なようにロボットハンド５が取り付けられている。ハンド５はツールを連結するためのインターフェース６を有し、このツールは、インターフェース６を介して、回転軸Ａ６を中心として回転可能であるとともに、これに対して垂直に延びる第５の回転軸Ａ５を中心として旋回可能である。ハンド５のインターフェース６には、全体として符号７が付されたキャリヤが連結されている。

キャリヤ７は、本例では、互いに向かい合う２つの脚部８ａおよび８ｂを備えるＵ形材のような形式で構成されている。第１の脚部８ａにはＸ線検出器９、および第２の脚部８ｂにはＸ線源１０が向かい合う配置で取り付けられている。第１の脚部８ａと第２の脚部８ｂは、キャリヤ７の中心部材１１に関して線形に可動なように取り付けられていてよく、それにより、Ｘ線検知器９とＸ線源１０の間の間隔Ａを調節可能である。

ロボットのロボット制御部１２には、本記録装置では、ロボット制御部１２によって制御される追加のモータ１３が接続されている。このモータ１３によってエンコーダ１４が駆動され、するとエンコーダは、Ｘ線源１０およびＸ線検出器９からなるＸ線システムによる画像記録をするためにトリガパルスを供給する。各々のトリガパルスごとに２Ｄ-Ｘ線画像撮影が記録される。

このロボット制御式の記録装置の機能形態について、同じく６つの回転軸Ａ１からＡ６と、Ｘ線源１０およびＸ線検出器９を有するキャリヤ７とを備えるロボットの模式図を示す図２を参照しながら詳しく説明する。この図面では、これに追加して、Ｘ線撮影のときに患者（図示せず）が支持される患者支持台１５が図示されている。

まず最初に、キャリヤ７がロボットにより患者支持台１５の近くまで動き、Ｘ線撮影を開始することができる所定の初期位置へと移される。ロボットハンドがＸ線撮影のために、本例では患者支持台１５およびその上に支持されている患者を中心とする軌道運動を行うために、キャリヤ７を動かす。このときキャリヤ７の運動は、放射されるＸ線束に対して垂直にツールセンターポイントを通って延びる回転軸Ａ７を中心として、該軸に垂直な平面に沿って行われる。このようにして、Ｘ線検出器９とＸ線管１０は患者を中心として１８０°を超える角度範囲にわたって連続的に動き、それにより、異なる投影方向で多数の二次元のＸ線撮影を記録することができる。このとき個々のＸ線撮影の記録は、Ｘ線源とＸ線検出器からなるＸ線撮影システムがエンコーダ１４から受けとるトリガパルスによって開始される。

ロボットハンドに伴うキャリヤ７の運動は、ロボット制御部１２によって制御される。このロボット制御部は、ロボット制御部にとってロボットの第７の軸Ａ７となる追加のモータ１３も同じく制御する。この第７の軸はロボット制御部において、常にＸ線と同期して動かされ、それによってツールセンターポイントにおける回転運動をシミュレーションするようにプログラミングされている。本装置およびこれに対応する方法では、患者台１５を中心とするキャリヤ７の回転がＸ線撮影の同期化のために利用されるのではなく、図２に示すように、キャリヤ７が静止したままで患者台１５が軸Ａ７を中心として回転するかのように、第７の軸Ａ７が制御される。それによって同期化軸すなわち第７の軸Ａ７は、台に対するキャリヤ７の角度位置に関わりなく、常に線形に進行する。この第７の軸Ａ７およびこれに付属するモータ１３によってエンコーダ１４が駆動されることで、トリガパルスが生成され、このトリガパルスがＸ線撮影を開始させるようにＸ線システムを制御する。このような種類のパルスは既存のＸ線システムで評価することができ、このことは、公知のＣアーム型Ｘ線設備ですでに今日当てはまる。

撮影を実施した後、ロボットがキャリヤ７をＸ線システムとともに再び患者支持台１５から離れるように動かし、それにより、医師にとって患者が自由にアクセスすることができる。

本発明による記録装置を示す斜視図である。 方法を説明するために本発明の記録装置を模式化して示す図である。

Claims (8)

1. ロボットハンド（５）を動かすためにロボット制御部（１２）を通じて制御可能である複数の被駆動運動軸を備えるロボットと、支持装置（１５）の上に支持された物体のデータを記録するために前記ロボットによって可動である、前記ロボットハンド（５）に取り付けられた記録システム（７〜１１）と、を有するロボット制御式の記録装置において、
   前記ロボット制御部（１２）に少なくとも１つの追加の駆動装置（１３）が接続され、
   この追加の駆動装置（１３）にエンコーダ（１４）が接続され、該追加の駆動装置（１３）が前記ロボットハンド（５）の運動時に前記ロボットの前記被駆動運動軸に同期しながら制御されると、前記エンコーダ（１４）が前記追加の駆動装置（１３）により駆動されてデータの記録のための同期化信号が生起され、
   前記ロボット制御部（１２）により制御される前記追加の駆動装置（１３）が、前記ロボットハンド（５）に従って運動する前記記録システム（７〜１１）のツールセンターポイントの回転運動をシミュレーションした仮想回転軸（Ａ７）の回転運動を再現し、当該再現された回転運動に従い駆動される前記エンコーダ（１４）が前記同期化信号を生起する、
   ロボット制御式の記録装置。
2. 前記ロボットは、前記被駆動運動軸を少なくとも６つ備える折り曲げアームロボットである、請求項１に記載のロボット制御式の記録装置。
3. 前記記録システム（７〜１１）は、断層撮影法によるＸ線画像作成のためのＸ線源（１０）および前記Ｘ線源（１０）に向かい合うＸ線検出器（９）を備えるキャリヤ（７）を有し、
   前記キャリヤ（７）は、前記支持装置（１５）の上に支持された物体の複数のＸ線画像を異なる投影方向から記録するために、前記ロボットにより可動である、
   請求項１または２に記載のロボット制御式の記録装置。
4. 前記キャリヤ（７）は、
   第１の脚部及び第２の脚部を備えたヨーク形に構成されて、前記Ｘ線検出器（９）及び前記Ｘ線源（１０）が前記第１及び第２の脚部にそれぞれ取り付けられ、
   Ｘ線画像を記録するときに、前記Ｘ線源（１０）から前記Ｘ線検出器（９）に向けられたＸ線束の放射軸に対して垂直に延びる軸に対して垂直な平面に前記第１及び第２の脚部が沿うように、前記ロボットにより回転させられる、請求項３に記載のロボット制御式の記録装置。
5. 複数の被駆動運動軸を有するロボットのロボットハンド（５）に記録システム（７〜１１）を取り付け、該記録システム（７〜１１）を、物体のデータを記録するために前記ロボットによって動かして、支持装置（１５）の上に支持された物体のデータを記録する方法において、
   少なくとも１つの追加の駆動装置（１３）にエンコーダ（１４）を接続し、該追加の駆動装置（１３）を、前記ロボットのロボット制御部（１２）により前記被駆動運動軸に同期させながら制御し、この追加の駆動装置（１３）により駆動される前記エンコーダ（１４）からデータの記録のための同期化信号を生起し、
   当該追加の駆動装置（１３）は、前記ロボットハンド（５）に従って運動する前記記録システム（７〜１１）のツールセンターポイントの回転運動をシミュレーションした仮想回転軸（Ａ７）の回転運動を再現するように、前記ロボット制御部（１２）により制御され、当該再現した回転運動に従い駆動される前記エンコーダ（１４）から前記同期化信号を生起する、
   ことを含む方法。
6. 前記記録システム（７〜１１）は、断層撮影法によるＸ線画像作成のためのＸ線源（１０）および前記Ｘ線源（１０）に向かい合うＸ線検出器（９）を備えるキャリヤ（７）を有し、
   前記キャリヤ（７）を、前記支持装置（１５）の上に支持された物体の複数のＸ線画像を異なる投影方向から記録するために前記ロボットにより動かす、請求項５に記載の方法。
7. 前記キャリヤ（７）は、第１の脚部及び第２の脚部を備えたヨーク形に構成し、前記Ｘ線検出器（９）及び前記Ｘ線源（１０）を前記第１及び第２の脚部にそれぞれ取り付けてあり、
   当該キャリア（７）を、Ｘ線画像を記録するときに、前記Ｘ線検出器（９）に向けられたＸ線束の放射軸に対して垂直に延びる軸に対して垂直な平面に前記第１及び第２の脚部が沿うように、前記ロボットにより回転させる、請求項６に記載の方法。
8. 前記キャリヤ（７）を、Ｘ線画像を記録するときに、物体を中心とする螺旋状の軌道上で前記ロボットにより案内する、請求項６に記載の方法。

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