JP6026515B2 - ツールの動作を制御するのに使用されるフレームの位置及び向きの推定 - Google Patents
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Description
と題する)、及び米国特許第7,736,356号(2004年11月1日に出願され、“Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon−Actuated Multi−Disk Wrist Joint”と題する)を参照されたい。これらは参照により本願に援用される。
(外1)
を推定するプロセッサ102によって決定され;図12を参照すると、カメラフレームの未知の位置及び向きは、画像フレーム1221のポイントを機械要素フレーム1210の対応するポイントに変換する変換
(外2)
を推定するプロセッサ102によって決定され;図13を参照すると、可動構造1302、1312巻の未知の距離及び/又は相対的な向きは、可動構造フレーム1301のポイントを、この場合固定フレームであると仮定される可動構造フレーム1311の対応するポイントに変換する変換
(外3)
を推定するプロセッサ102によって決定される。このような変換の計算、操作、及び用語の詳細については、例えば、John J. Craig, Introduction to Robotics Mechanics and Control, 2nd Edition, Addison−Wesley Publishing Company, Inc., 1989.を参照されたい。
(外4)
)及びツール変換(例えば、
(外5)
)の一般化された概略図を示す図4に示される。画像フレーム変換はこの場合、画像フレーム610、中間フレーム(例えば、1412、1413)、及び固定フレーム1401間のポイントを変換するため又はマッピングするために使用される。同様に、ツールフレーム変換は、ツールフレーム618、中間フレーム(例えば、1402、1403)、及び固定フレーム1401間のポイントを変換するため又はマッピングするために使用される。
このようなマーカの例及びそれらの使用は、米国特許出願公開第2010/0168562号(2009年4月23日出願;“Fiducial Marker Design and Detection for Locating Surgical Instrument in Images”と題する)及び米国特許出願公開第2010/0168763号(2009年4月23日出願;“Configuration Marker Design and Detection for Instrument Tracking”と題する)に記載され、いずれも参照により本願に援用される。
(外6)
は、画像(又はカメラ“c”)フレームからツール(又はエンドエフェクタ“e”)への変換(これは、1505において画像フレームにおけるエンドエフェクタの姿勢を示すポイントを識別した後に数学的に決定され得る)であり、
(外7)
は、画像フレームから固定(又はワールド“w”)フレーム変換であり、
(外8)
は、ツールフレームから固定フレーム変換の逆である。
(外9)
及び
(外10)
は、変換のチェーンを含む。例として、図14を参照すると、フレーム1401が固定フレーム(すなわち、静止フレーム)である場合、ツールフレームから固定フレームへの変換のチェーン(ここでは「ツールフレーム変換」と正される)は、その開始においてフレーム618からフレーム1403への変換、及びその最後においてフレーム1402からフレーム1401への変換を含む。また、画像フレームから固定フレームへの変換のチェーン(ここでは「画像フレーム変換」と呼ばれる)は、その開始においてフレーム610からフレーム1413への変換、及びその最後においてフレーム1412からフレーム1401への変換を含む。ツールフレーム変換の逆は次に、フレーム1401からフレーム1402への変換で開始し、フレーム1403からフレーム618への変換で終了する。
(外14)
が プロセッサが方程式(3)から(8)の計算を実行し得るように、プロセッサによって最初に決定されることを仮定している。
代替アプローチとして、ツールフレームのポイントepが以下の変換によって画像のポイントcpと結び付けられ得る:
(外15)
に方程式(2)の右側を代入することによって、画像フレームのポイントは、最初に
(外16)
を決定すること無しに、ツールフレームのポイントに直接マッピングされ得る。ブロック1506を実行するためのこの代替的なアプローチを適用することの例として、方程式(10)は以下のように一般的な形に書き換えられ得る:
(外18)
(及び、したがって、その逆変換
(外19)
)はポイントのペア
(外20)
のセットによって解かれることができ、ここでi=1...mである。ポイントのペアは、1つの瞬間から又はいくつかの瞬間から導出され得る。方程式(12)を解く方法の例としては、例えば、A. Lorusso, D.W. Eggert, and R.B. Fisher “A Comparison of Four Algorithms for Estimating 3−D Rigid Transformations,” Proceedings BMVC, 1995を参照。
Claims (32)
- マスタフレームを有するマスタコントロール装置;
固定フレームに対する位置及び向きが1つ又は複数の画像フレーム変換を通じて決定できる画像フレームを有する画像取得システム;
前記画像取得システムの視野内に配置されるとともに前記固定フレームに対する位置及び向きが1つ又は複数のツールフレーム変換を通じて決定できるツールフレームを有する、ツール;並びに
少なくとも1つのプロセッサであって:
前記画像取得システムによって取得された1つ又は複数の画像の情報から前記ツールの姿勢を示すポイントを特定すること;
特定された前記姿勢を示すポイント並びに前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の既知のものを使用することによって前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の未知の1つに関する第1のフレームから第2のフレームへの推定された変換を決定することであって、前記推定された変換は、対応するフレームを互いに関連付けるそれぞれの既知の前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換並びに前記ツールフレームを前記画像フレームに関連付けるポイントを示す特定された前記姿勢を用いて、前記第1のフレームと前記第2のフレームとの間のフレームの関係のチェーンから決定される、決定すること;
前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記推定された並びに前記既知のものを使用することによってマスタ−ツール変換を更新すること;及び
前記更新されたマスタ−ツール変換を使用することによって前記マスタコントロール装置の動作に応じて前記ツールの動作を指令すること;
を含む動作を実行するようにプログラムされた、少なくとも1つのプロセッサ;を有する、
ロボットシステム。 - オペレータが見ることができるディスプレイであって、アイフレームが前記オペレータの目において定められる、ディスプレイ;及び
前記画像取得システムによって取得された画像の情報を前記ディスプレイに表示するように構成された視覚システム;をさらに有し、
前記少なくとも1つのプロセッサは、アイ−マスタ変換を画像−ツール変換にそろえるオフセットを調整することによって、前記マスタ−ツール変換を更新し、
前記アイ−マスタ変換は、前記マスタフレームのポイントを前記アイフレームの対応するポイントに変換し、
前記画像−ツール変換は、前記ツールフレームのポイントを前記画像フレームの対応するポイントに変換する、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つは、1つ又は複数の前記ツールフレーム変換の1つである、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記ツールは、ピボットポイントフレームを有するピボットポイントに対して動き、前記ツールは、エンドエフェクタフレームを有するエンドエフェクタを有し、前記未知のツールフレーム変換は、前記ピボットポイントフレームのポイントを前記エンドエフェクタフレームの対応するポイントに変換する、
請求項3に記載のロボットシステム。 - 前記未知のツールフレーム変換はツールガイドを特定し、前記エンドエフェクタが前記ツールガイドの遠位端から延びるように前記ツールは前記ツールガイドを通って延び、
特定された前記ツールガイドは、エンドエフェクタ変換への異なるピボットポイントを有する幾つかの候補ツールガイドの1つである、
請求項4に記載のロボットシステム。 - 前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つは、1つ又は複数の前記画像フレーム変換の1つである、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記画像取得システムは、機械要素フレームを有する機械要素に繋ぎ止められ、
前記未知の画像フレーム変換は、前記機械要素フレームのポイントを前記画像フレームの対応するポイントに変換する、
請求項6に記載のロボットシステム。 - 前記画像取得システムに結合された第1のロボットアームを有する第1の構造であって、第1の構造フレームを有する、第1の構造;及び
前記ツールに結合された第2のロボットアームを有する第2の構造であって、第2の構造フレームを有する、第2の構造;をさらに有し、
前記第1及び第2の構造フレームの一方は前記固定フレームであり、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つは、前記第1及び第2の構造フレームの他方のポイントを前記固定フレームの対応するポイントに変換する変換である、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記第1及び前記第2の構造フレームの他方に対応する前記第1又は第2の構造は、可動構造である、
請求項8に記載のロボットシステム。 - 前記固定フレームに対応する前記第1又は第2の構造は、可動構造である、
請求項8に記載のロボットシステム。 - 1つ又は複数の前記画像フレーム変換の前記既知のものは、前記画像取得システムに延びる運動学的チェーンに沿って配置された1つ又は複数のセンサを使用して決定される、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 1つ又は複数の前記画像フレーム変換の前記既知のものは、三角法を前記画像取得システムに機械的に結合された1つ又は複数の構造の既知の寸法に適用することによって決定される、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 1つ又は複数の前記ツールフレーム変換の前記既知のものは、前記ツールに延びる運動学的チェーンに沿って配置された1つ又は複数のセンサを使用して決定される、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 1つ又は複数の前記ツールフレーム変換の前記既知のものは、三角法を前記ツールに機械的に結合された1つ又は複数の構造の既知の寸法に適用することによって決定される、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記少なくとも1つのプロセッサは、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の一方の前記推定された変換を平滑化し、平滑化された前記推定された変換を使用して前記マスタ−ツール変換を更新する、
請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記少なくとも1つのプロセッサは、前記画像フレームに対する前記ツールフレームの前記位置及び向きの以前の推定を周期的に更新することによって、前記画像フレームに対する前記ツールフレームの前記位置及び向きを推定するように、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する前記推定された変換の以前の決定を更新することによって、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する前記推定された変換を決定するように、及び前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する現在及び以前の前記推定された変換を平均することによって、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する前記推定された変換を平滑化するように、プログラムされる、
請求項15に記載のロボットシステム。 - マスタフレームを有するマスタコントロール装置、固定フレームに対する位置及び向きが1つ又は複数の画像フレーム変換を通じて決定できる画像フレームを有する画像取得システム、前記画像取得システムの視野内に配置されるとともに前記固定フレームに対する位置及び向きが1つ又は複数のツールフレーム変換を通じて決定できるツールフレームを有するツール、を有するロボットシステムに実装される方法であって:
前記画像取得システムによって取得された1つ又は複数の画像の情報から前記ツールの姿勢を示すポイントを特定するステップ;
特定された前記姿勢を示すポイント並びに前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の既知のものを使用することによって前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の未知の1つに関する第1のフレームから第2のフレームへの推定された変換を決定するステップであって、前記推定された変換は、対応するフレームを互いに関連付けるそれぞれの既知の前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換並びに前記ツールフレームを前記画像フレームに関連付けるポイントを示す特定された前記姿勢を用いて、前記第1のフレームと前記第2のフレームとの間のフレームの関係のチェーンから決定される、ステップ;
前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記推定された並びに前記既知のものを使用することによって、マスタ−ツール変換を更新するステップ;及び
前記更新されたマスタ−ツール変換を使用することによって前記マスタコントロール装置の動作に応じて前記ツールの動作を指令するステップ;を有する
方法。 - 前記ロボットシステムは、オペレータが見ることができるディスプレイであって、アイフレームが前記オペレータの目において定められる、ディスプレイ、及び前記画像取得システムによって取得された画像の情報を前記ディスプレイに表示するように構成された視覚システム、をさらに有し、
前記マスタ−ツール変換の前記更新するステップは:
アイ−マスタ変換を画像−ツール変換にそろえるオフセットを調整するステップを有し、
前記アイ−マスタ変換は、前記マスタフレームのポイントを前記アイフレームの対応するポイントに変換し、
前記画像−ツール変換は、前記ツールフレームのポイントを前記画像フレームの対応するポイントに変換する、
請求項17に記載の方法。 - 前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つは、1つ又は複数の前記ツールフレーム変換の1つである、
請求項17に記載の方法。 - 前記ツールは、ピボットポイントフレームを有するピボットポイントに対して動き、前記ツールは、エンドエフェクタフレームを有するエンドエフェクタを有し、前記未知のツールフレーム変換は、前記ピボットポイントフレームのポイントを前記エンドエフェクタフレームの対応するポイントに変換する、
請求項19に記載の方法。 - 前記未知のツールフレーム変換はツールガイドを特定し、前記エンドエフェクタが前記ツールガイドの遠位端から延びるように前記ツールは前記ツールガイドを通って延び、
特定された前記ツールガイドは、エンドエフェクタ変換への異なるピボットポイントを有する幾つかの候補ツールガイドの1つである、
請求項20に記載の方法。 - 前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つは、1つ又は複数の前記画像フレーム変換の1つである、
請求項17に記載の方法。 - 前記画像取得システムは、機械要素フレームを有する機械要素に繋ぎ止められ、
前記未知の画像フレーム変換は、前記機械要素フレームのポイントを前記画像フレームの対応するポイントに変換する、
請求項22に記載の方法。 - 前記ロボットシステムは、前記画像取得システムに結合された第1のロボットアームを有する第1の構造であって、第1の構造フレームを有する、第1の構造、及び前記ツールに結合された第2のロボットアームを有する第2の構造であって、第2の構造フレームを有する、第2の構造、をさらに有し;
前記第1及び第2の構造フレームの一方は前記固定フレームであり、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つは、前記第1及び第2の構造フレームの他方のポイントを前記固定フレームの対応するポイントに変換する変換である、
請求項17に記載の方法。 - 前記第1及び前記第2の構造フレームの他方に対応する前記第1又は第2の構造は、可動構造である、
請求項24に記載の方法。 - 前記固定フレームに対応する前記第1又は第2の構造は、可動構造である、
請求項24に記載の方法。 - 前記画像取得システムに延びる運動学的チェーンに沿って配置された1つ又は複数のセンサを使用して1つ又は複数の前記画像フレーム変換の前記既知のものを決定するステップをさらに含む、
請求項17に記載の方法。 - 三角法を前記画像取得システムに機械的に結合された1つ又は複数の構造の既知の寸法に適用することによって、1つ又は複数の前記画像フレーム変換の前記既知のものを決定するステップをさらに有する、
請求項17に記載の方法。 - 前記ツールに延びる運動学的チェーンに沿って配置された1つ又は複数のセンサを使用することによって、1つ又は複数の前記ツールフレーム変換の前記既知のものを決定するステップをさらに有する、
請求項17に記載の方法。 - 三角法を前記ツールに機械的に結合された1つ又は複数の構造の既知の寸法に適用することによって、1つ又は複数の前記ツールフレーム変換の前記既知のものを決定するステップをさらに有する、
請求項17に記載の方法。 - 前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の一方の前記推定された変換を平滑化するステップをさらに有し、
前記マスタ−ツール変換の前記更新するステップは、平滑化された前記推定された変換を使用する、
請求項17に記載の方法。 - 前記画像フレームに対する前記ツールフレームの前記位置及び向きの前記推定するステップは、前記画像フレームに対する前記ツールフレームの前記位置及び向きの以前の推定を周期的に更新するステップを有し;
前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する前記推定された変換の前記決定するステップは、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する前記推定された変換の以前の決定を更新するステップを有し;及び
前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する前記推定された変換の前記平滑化するステップは、前記画像フレーム変換及び前記ツールフレーム変換の前記未知の1つに関する現在及び以前の前記推定された変換を平均するステップを有する、
請求項31に記載の方法。
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