JP6486380B2 - 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

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 Download PDF

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Description

[関連出願の参照]
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。
本出願は、概して、”Movable Surgical Mounting Platform Controlled by Manual Motion of Robotic Arms”と題する、2013年8月15日に出願された米国特許出願第13/967,573号及び"User Initialed Break-Away Clutching of a Surgical Mounting Platform"と題する、2013年8月15日に出願された米国特許出願第13/967,574号に関連し、これらの全内容は、その全体が参照により本明細書に援用される。
低侵襲医療技術は、診断又は外科手術中に損傷を受ける無関係な組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減させる。低侵襲手術の1つの効果は、例えば、低減した手術後病院回復時間である。標準的な手術に対する平均入院期間は、類似の低侵襲手術に対する平均入院期間より長いので、低侵襲技術の利用増加は、毎年の病院費を何百万ドル節約することができるかもしれない。米国で毎年行われる手術の多くが潜在的に低侵襲な方法で実行されることができるが、低侵襲手術器具の及びそれらを使いこなすことに関わる追加的な手術トレーニングの制限のために、現在の手術の一部しかこれらの有利な技術を使用していない。
低侵襲ロボット手術又は遠隔手術システムは、外科医の器用さを増大させるように及び従来の低侵襲技術の制限の幾つかを避けるように、開発されている。遠隔手術では、外科医は、手で手術器具を直接握り且つ動かすのではなく、手術器具の動きを操作するために何らかの形の遠隔制御(例えば、サーボ機構、等)を使用する。遠隔手術システムでは、外科医は、手術ワークステーションにおいて手術部位の画像を提供されることができる。ディスプレイで手術部位の2又は3次元画像を見ながら、外科医は、マスタ制御デバイスを操作することによって、患者に外科手術を行い、このマスタ制御デバイスは、サーボ機構的に操作される器具の動きを制御する。
遠隔手術に使用されるサーボ機構はしばしば、2つのマスタコントローラ(外科医の手のそれぞれに対して1つ)からの入力を受け取り、それぞれに手術器具が取付けられている2以上のロボットアームを含む場合がある。マスタコントローラと、関連付けられるロボットアーム及び器具アセンブリとの間の動作通信は、典型的には、制御システムによって達成される。制御システムは典型的には、少なくとも1つのプロセッサを含み、このプロセッサは、入力コマンドを、マスタコントローラから関連付けられるロボットアーム及び器具アセンブリに、並びに、例えば、フォースフィードバック等の場合に、器具及びアームアセンブリから関連付けられるマスタコントローラに戻って中継する。ロボット手術システムの一例は、California州SunnyvaleのIntuitive Surgical, Inc.から市販されているDA VINCI(登録商標)システムである。
種々の構造配置が、ロボット手術中に手術部位に手術器具を支持するために使用されることができる。駆動されるリンク機構又は「スレーブ」は、しばしば、ロボット手術マニピュレータと呼ばれ、低侵襲ロボット手術の間にロボット手術マニピュレータとして使用するための例示のリンク機構配置は、特許文献1、特許文献2、特許文献3及び特許文献4に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。これらのリンク機構はしばしば、シャフトを有する器具を保持するために平行四辺形装置(parallelogram arrangement)を使用する。このようなマニピュレータ構造は、器具が剛性軸の長さに沿った空間内に位置決めされる操作のリモートセンタ(remote center)周りに枢動する(pivot)ように、器具の運動を拘束することができる。操作のリモートセンタを、(例えば、腹腔鏡手術の間の腹壁におけるトロカール又はカニューレを用いて)内部手術部位への切開点と位置合わせすることにより、手術器具のエンドエフェクタが、腹壁に対して潜在的に危険な力をかけることなしに、マニピュレータリンク機構を用いてシャフトの近位端部を動かすことによって安全に位置決めされることができる。代替のマニピュレータ構造は、例えば、特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献8、特許文献9、特許文献10、及び特許文献11に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。
種々の構造配置もまた、ロボット手術中、手術部位にロボット手術マニピュレータ及び手術器具を支持し且つ位置決めするために使用されることができる。セットアップジョイント、又はセットアップジョイントアームと呼ばれることもある、支持リンク機構は、しばしば、各マニピュレータを患者の体のそれぞれの切開点に位置決めするとともに位置合わせするために使用される。支持リンク機構は、所望の手術切開点及び目標とされる解剖学的構造への手術マニピュレータの位置合わせ(alignment)を容易にする。例示的な指示リンク機構は、特許文献3及び特許文献12に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。
米国特許第7,594,912号 米国特許第6,758,843号 米国特許第6,246,200号 米国特許第5,800,423号 米国特許第7,763,015号 米国特許第6,702,805号 米国特許第6,676,669号 米国特許第5,855,583号 米国特許第5,808,665号 米国特許第5,445,166号 米国特許第5,184,601号 米国特許第6,788,018号
新しい遠隔手術システム及び装置は非常に効果的且つ有利であることが証明されているが、なお更なる改良が望まれている。一般に、改良された低侵襲ロボット手術システムが望まれている。これらの改良された技術がロボット手術システムの効率及び使いやすさを高める場合、特に有益である。例えば、操作性を高めること、手術室のスペース利用を改良すること、配置及びしまい込みにおいてより早く且つ簡単なセットアップを提供すること、使用中のロボット装置間の衝突を防止すること、及び/又はこれらの新しい手術システムの機械的な複雑さ及びサイズを減少させることは特に有益である。
以下は、本発明の基本的な理解を提供するために本発明の幾つかの実施形態の簡略化された概要を提供する。この概要は、本発明の広範囲にわたる概要ではない。本発明の鍵となる/重要な要素を識別することを又は本発明の範囲を線引きすることが意図されるものではない。その唯一の目的は、本発明の幾つかの実施形態を、後述されるより詳細な説明への前置きとして簡略化された形態で提供することである。
本発明は概して、改良されたロボット及び/又は手術装置、システム、及び方法を提供する。本明細書に記載されている運動学的リンク機構構造及び関連する制御システムは特に、システムユーザが、特定の患者への外科処置に備えて構造を展開すること又は使用後に構造をしまい込む(stow)ことを含む、使用に備えてロボット構造を配置するのを支援するのに有用である。本明細書に記載されている例示的なロボット手術システムは、マニピュレータ構造を手術作業部位と位置合わせすることを支援するように構成されている1又は複数の運動学的リンク機構サブシステム(kinematic linkage sub-system)を含み得る。これらのセットアップシステムのジョイントは、能動的に駆動され得る、受動的(それらが手動で関節運動されることができ、その後、マニピュレータは治療目的で使用される間に、所望の設定(configuration)にロックされることができる)であり得る、又は両方の混合であり得る。本明細書に記載されているロボットシステムの実施形態は、1又は複数のジョイントが、ジョイントを基準ジョイント状態に動かすために、運動学的チェーンの1又は複数の他のジョイントの受動運動を生じさせるように且つ受動運動を制御するように1又は複数の他のジョイントを選択的に制動するように能動的に駆動される、セットアップモードを用い得る。多くの実施形態では、1又は複数の他のジョイントは、受動セットアップジョイントであり、基準ジョイント状態は、セットアップジョイントに関連付けられるマニピュレータアーム又は複数のマニピュレータアームの所望の設定に対応する。多くの実施形態では、能動的に駆動されるジョイントは、多数のマニピュレータを支持するプラットホーム構造を動かし、このプラットホーム構造は、特定の基準ジョイント状態へ制御された受動ジョイント運動によって関連付けられるセットアップジョイントを動かし、それによって、作業空間に対する所望の配向及び/又は位置設定への全システムの配置を容易にし且つ促進する。有利には、このアプローチは、ジョイントの手動操作を必要とすることなしに、劣駆動(under-actuated)セットアップジョイントの運動を制御することによってシステムの再設定(reconfiguration)を可能にする。加えて、複数のアームのセットアップジョイントは、同時に制御されることができ、手動関節運動だけによって典型的には可能になるであろうより短い時間で、受動セットアップジョイントを使用する再設定を可能にする。任意選択で、配向プラットホームの運動が、マニピュレータとプラットホームとの間に配置されたセットアップジョイントリンク機構の運動、並びに、プラットホームによって支持されている追加のマニピュレータアセンブリに関連付けられるセットアップジョイントリンク機構の運動を、もたらすことができる。1又は複数のセットアップジョイントの受動運動の制御は、それぞれのセットアップジョイントの検知されたジョイント状態に応じて、セットアップジョイントに対応する1又は複数のジョイントブレーキの選択的な制動によって達成され得る。
したがって、代替の態様では、ロボット手術の準備をする方法が提供される。方法は、第1のロボットマニピュレータの1又は複数のセットアップジョイントの初期位置から、マニピュレータ又は複数のマニピュレータの所望の設定に対応する基準位置への変位を検知するステップ、受動ジョイント運動によってそれぞれの基準位置に向かってセットアップジョイントを動かすセットアップジョイントに関連付けられるリンク機構への力及び/又は運動を与えるセットアップ構造リンク機構の運動を計算するステップ、及びセットアップジョイントが基準場所に達するまで選択的に制動することによってセットアップジョイントの受動運動を制御するステップを含む。選択的な制動は、基準位置から離れる受動運動を妨げるとともに基準位置に向かう受動運動を容易にすることによって、セットアップジョイントの受動運動を制御する。いったんセットアップジョイントが基準位置になると、制動がセットアップジョイントを所定の位置にロックするように加えられることができる。
多くの実施形態では、セットアップ構造リンク機構は、取付ベース、コラム、部材、及び伸縮可能ブームを含み得る。コラムは、取付ベースに摺動可能に結合され得る。加えて、コラムは、垂直に向けられている第1の支持軸に沿って取付ベースに対して選択的に位置決めされ得る。部材は、ショルダージョイントを通じてコラムに回転可能に結合されているブームベース部材であり得る。部材は、垂直に向けられている第2の支持軸周りにコラムに対して選択的に向き合わせされ得る。伸縮可能ブームは、水平に向けられている第3の支持軸に沿って部材に対して伸縮可能ブームを選択的に位置決めするように、部材に摺動可能に結合され得る。配向プラットホームは、伸縮可能ブームに回転可能に結合され得る。計算された被駆動ジョイント運動は、1又は複数の劣駆動ジョイントを所望の基準状態又は位置に動かすより遠位のリンク機構に力及び/又は運動を与えるように駆動されるセットアップ構造リンク機構の複数のジョイントのいずれかの運動を含み得る。
1つの態様では、プロセッサは、劣駆動ジョイントの検知されたジョイント状態及びジョイントの初期状態と基準状態との間の誤差に基づいて、1又は複数の劣駆動ジョイントの選択的な制動を決定する命令を具現化する非一時的機械可読コードを含む。多くの実施形態では、システムは、劣駆動ジョイントを基準状態に動かすのに必要なトルク制御入力を決定するための比例微分コントローラを利用するとともに、(しばしば、被駆動ジョイントの幾つかの周期運動にわたる)制動とジョイントトルクとの間の関係に基づいて時間にわたるインパルス(impulse)にしたがって検知されたジョイントトルクを消耗させるようにジョイントのジョイントブレーキを選択的にかける制動制御入力を決定するために、劣駆動ジョイントにおいて検知されたトルクに応じて時間にわたるインパルスを決定するためにトルク制御入力を積分するジョイントブレーキコントローラを用い得る。幾つかの態様では、ジョイントコントローラは、トルクが、ジョイントの受動運動中に実質的に一定の速度を提供するために及び/又は受動運動中にジョイントの一定の減速度を提供するために、時間にわたって消耗されるよう、制動制御入力を決定するように構成され、これは、幾つかの実施形態では、基準状態からの劣駆動ジョイントの変位の大きさに基づき得る。
本発明の性質及び利点のより完全な理解のために、次の説明及び添付の図面への参照がなされるべきである。本発明の他の態様、目的及び利点は、以下の図面及び詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明の幾つかの実施形態による、手術を行うために使用される低侵襲ロボット手術システムの平面図である。 幾つかの実施形態による、ロボット手術システム用の外科医の制御コンソールの斜視図である。 幾つかの実施形態による、ロボット手術システム電子装置カートの斜視図である。 幾つかの実施形態による、ロボット手術システムを概略的に描く。 幾つかの実施形態による、ロボット手術システムの患者側カート(手術ロボット)の部分図である。 幾つかの実施形態による、ロボット手術ツールの正面図である。 幾つかの実施形態による、ロボット手術システムの斜視概略図である。 幾つかの実施形態による、他のロボット手術システムの斜視概略図である。 図7の概略図に一致する、多くの実施形態による、ロボット手術システムを示す。 図8のロボット手術システムの配向プラットホームに対するセットアップリンク機構の回転配向を示す。 図8のロボット手術システムの配向プラットホームに対するセットアップリンク機構の回転配向を示す。 図8のロボット手術システムの配向プラットホームに対するセットアップリンク機構の回転配向を示す。 幾つかの実施形態による、セットアップジョイントリンク機構及び関連付けられる配向プラットホームを示す。 幾つかの実施形態による、セットアップジョイントリンク機構及び関連付けられる配向プラットホームを示す。 幾つかの実施形態による、1又は複数の受動セットアップジョイントを所望の状態に動かすためにセットアップ構造の配向プラットホームを駆動することによって手術のためにロボット手術システムの準備をする方法を概略的に示すフローチャートである。 幾つかの実施形態による、選択的な制動を通じてシステムの1又は複数のセットアップジョイントの受動運動を制御することによって、複数のマニピュレータアームの所望の位置合わせを提供する、カート取付セットアップ支持構造によって支持されている配向プラットホームの運動の斜視概略図である。 幾つかの実施形態による、関連する座標系及び自由度を示す配向プラットホームの概略図である。 幾つかの実施形態による、単一のマニピュレータアームの関連付けられる手術アクセス部位との所望の位置合わせを提供するように天井ガントリセットアップ支持構造によって支持されている配向プラットホームの斜視図である。 幾つかの実施形態による、配向プラットホームのシミー運動を提供するモードによって配向プラットホームによって支持されている受動セットアップジョイントを制御する方法を概略的に示す。 幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力を用いる受動ジョイントの運動を制御するための制御図を概略的に示す。 幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力を用いる受動ジョイントの運動を制御するための制御図を概略的に示す。 幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力を用いる受動ジョイントの運動を制御するための制御図を概略的に示す。 幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力に対応する計算ジョイントトルクを生じさせるための制動制御メカニズムをグラフで示す。
以下の説明では、本発明の様々な実施形態が説明される。説明の目的で、実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成及び詳細が記載される。しかし、本発明が特定の詳細なしで実施され得ることは、当業者にもまた明白となるであろう。さらに、記載されている実施形態を曖昧にしないために、良く知られた特徴は省略又は簡略化され得る。
本明細書に記載されている運動学的リンク機構構造及び制御システムは特に、システムユーザが、特定の患者への処置にロボット構造を配置するのを支援するのに有用である。治療中に組織などと相互に作用するために使用される能動被駆動マニピュレータと共に、ロボット手術システムは、マニピュレータ構造を支持するとともにマニピュレータ構造を手術作業部位と位置合わせするのに役立つように構成されている1又は複数の運動学的リンク機構システムを有し得る。これらのセットアップシステムは、能動的に駆動され得る、又は、それらが手動で関節運動されることができ、その後、マニピュレータは治療目的で使用される間に所望の設定にロックされることができるように、受動的であり得る。受動セットアップ運動学的システムは、サイズ、重量、複雑さ、及びコストにおいて利点を有し得る。複数のマニピュレータアームが、各患者の組織を処置するために使用され得るので、手術に備えてロボットシステムを迅速に配置することの挑戦は、重要であり得る。
1つのオプションは、複数のマニピュレータを単一のプラットホームに取り付けることであり、マニピュレータ支持プラットホームはときに配向プラットホームと称される。配向プラットホームは、能動被駆動支持リンク機構(ときに、本明細書において、セットアップ構造と称され、典型的には、セットアップ構造リンク機構等を有する)によって支持されることができる。システムはまた、ユーザ制御で配向プラットホームを支持するロボットセットアップ構造のモータ駆動軸を提供し且つ制御し得る、又は典型的には、検知された設定及び基準状態に関連付けられる所望の設定にしたがって自動である。
ロボットマニピュレータの受動及び能動被駆動ジョイントの両方の利点を維持するために、本明細書に記載されるロボットシステムの実施形態は、1又は複数のジョイントが、従動セットアップジョイントの所望の基準状態を達成するために受動ジョイント運動によって能動被駆動ジョイントの遠位の1又は複数の受動セットアップジョイントにおいて特定の応答を引き出すために能動的に駆動される、モードを用い得る。これらのセットアップジョイントの受動ジョイント運動は、ジョイントブレーキの選択的な適用を通じて制御されることができ、基準状態から離れる受動運動を妨げるとともにセットアップジョイントがそれぞれの基準状態に達するまで基準位置に向かう受動ジョイント運動を容易にする。基準状態は、作業空間内の所望の場所のいずれか又は全て、システムの特定の他のジョイントに対する所望の場所、特定の方向における所望の速度及び加速度を指し得る。
ある態様では、能動被駆動ジョイントは、手動関節運動を必要とすることなしに1又は複数の受動ジョイントの所望の運動を引き出すように1又は多自由度で反対の方向の間で連続的に動く複数のマニピュレータを支持するプラットホーム支持リンク機構構造を自動的に動かす。選択的な制動によって劣駆動ジョイントの受動運動を制御することによって、システムは、マニピュレータを所望の設定、向き及び/又は作業空間との位置合わせ(positional alignment)に動かすために各マニピュレータを支持する1又は複数のセットアップジョイントを同時位動かすことによって全システムの配置を非常に容易にする。所望の設定、向き又は位置合わせは、任意の数の配置を含み得る。幾つかの実施形態では、所望の配置は、展開された配置、しまい込まれた配置又は部分的にしまい込まれた配置のいずれかを含む。展開された設定では、マニピュレータは、マニピュレータのセットアップのために作業空間の中に延び、これは、1又は複数のマニピュレータ上の手術ツールの交換を含み得る。しまい込まれた及び部分的にしまい込まれた設定では、マニピュレータは、より少なく作業空間を占めるように、少なくとも部分的に、縮められ得るとともに互いに対して折り畳まれ得る。プラットホームによって支持されているマニピュレータの1つ、幾つか又は全ての独立した位置決めが、本明細書に記載される方法の態様を用いることによって、プラットホームに対するマニピュレータの1つ、幾つか、又は全てを支持する受動セットアップジョイントシステムの制御された運動を通じて、任意選択で提供されることができる。
1つの態様では、本発明による方法は、ジョイントの慣性効果(inertial effects)及び制御された制動を通じてセットアップジョイントの制御された運動を達成する。例えば、手術ロボットアーム(例えば、スレーブマニピュレータ)を支持する本明細書に記載されたセットアップジョイントは、典型的には、手術のためのロボットシステムの設定のために及び手術後にシステムのロボットアームをしまい込むために使用されるので、これらのジョイントはまれに動かされ、このようなジョイントがモータ駆動される必要は少ない。これらのセットアップジョイントは、ジョイントブレーキを持つ受動ジョイントとして構成されるので、ジョイントは、セットアップ又はしまい込み中のロボットアームの手動操作の間のジョイントの受動運動を可能にするように自由に浮動する(float)ことができるとともに、それぞれのジョイントブレーキをかけることによって所定位置にロックされることができる。あるシナリオでは、手術に備えたロボットアームのドレーピング(draping)、患者カート包み込み、及び外科処置後のロボットアームのしまい込みを支援するために所定の場所にロボットアームを動かすことが望ましい。本明細書に記載される例示の方法は、これらの受動セットアップジョイントの制御された運動を、このようなジョイントの手動運動を必要とすることなしに、プラットホームリンク機構(例えば、配向プラットホーム)、ロボットアームのセットアップジョイントがとりつけられている共通ベースを動かすことによって及びセットアップジョイントのジョイントブレーキの適用を選択的に制御することによって、可能にする。
ある態様では、方法は、セットアップジョイント機構の受動運動状態(passive dynamics)を利用するセットアップジョイントブレーキコントローラを含む。例えば、その上にセットアップジョイントが取り付けられる配向プラットホームは、配向プラットホームの運動を制御する1又は複数の被駆動ジョイントの駆動を通じて配向プラットホームを動かすことによって、加速度を誘起する軌道を通るように命じられる(commanded through)ことができる。セットアップジョイントのブレーキコントローラは、(例えばジョイント状態センサを通じて等)その関連付けられるセットアップジョイントの状態、セットアップジョイントの基準状態(位置、速度、及び/又は加速度)及び配向プラットホームの加速度を受信する。セットアップジョイント機構の慣性及び配向プラットホームの加速度が、組み合わせで、セットアップジョイントリンクを基準に向けて加速させるのに十分であるとき、ジョイントブレーキは解放される。ある態様では、ジョイントブレーキは、ブレーキが、そのそれぞれのジョイントの検知されたジョイント状態に基づいて、部分的に解放されているかそれとも完全に解放されているかを決定する。例えば、ジョイント速度が、ゼロに下がる又はセットアップジョイントの運動の所望の方向と反対である場合、配向プラットホームの加速度が好ましくなるまでブレーキが掛けられ得る。ジョイントブレーキコントローラはまた、基準状態に達するとき、そのそれぞれのジョイントを所望の位置にロックするためにジョイントブレーキが掛けられるように構成され得る。他の態様では、ブレーキコントローラは、基準状態に向かって動くとき、受動ジョイントの受動運動を制御するように構成されることができる。例えば、受動ジョイントの速度が、基準速度を超える場合、部分的なブレーキ適用が、所望の位置へのセットアップジョイントのより滑らかな、より好ましい運動を提供するために、関連付けられるリンク機構の速度を止めることができる。
本発明の上述の態様は、本明細書に詳細に記載されるもののいずれかのような、遠隔手術システムにおける複数のロボットアームの展開及びしまい込みを提供する方法において特に有用である。多くのこのようなシステムは、ロボットアームのセットアップ及びしまい込みを支援する1又は複数の受動セットアップジョイントを有するロボットアームを含む。ロボットアームをセットアップすること、操作すること及びしまい込むことのワークフローはしばしば、ロボットアームが、特定のしまい込まれた及び展開された設定(形態)に置かれることを必要とする。これは、劣駆動セットアップジョイントの手動運動によって達成されることができるが、このアプローチは、問題を含むことが有り得る。例えば、このようなシステムでは、ユーザは、一般的に、セットアップジョイントブレーキを手動で開放し且つ各ロボットアームの様々なジョイントを手動で動かさなければならず、これは時間がかかり得るとともに、システムの使いやすさを著しく減らし得る。さらに、万一処置中に装置が再設定される又は部分的にしまい込まれる必要があると、ロボットアームが滅菌ドレープでドレープされ得るとき、本明細書に記載されている方法は、非滅菌エリアの外科医又はユーザが、受動セットアップジョイントの運動及びロボットアームの再設定又は部分的なしまい込みを制御することを可能にする。これらの方法は、ジョイントの受動運動を、対象のジョイントのジョイント制動と併せて他のジョイントの駆動によって、それに加えられる慣性力を使用して制御するために使用され得ることが理解される。このような方法が適用され得るシステムは、以下に詳細に記載される。
低侵襲ロボット手術
ここで図面を参照すると、図1は、典型的には手術台14に横たわっている患者12に低侵襲診断又は外科手術を行うために使用される、低侵襲ロボット手術(MIRS)システム10の平面図である。図面において、同様の参照番号は同様の部分を表す。システムは、手術中に外科医18による使用のための外科医用コンソール16を含む。1人又は複数の助手20も手術に参加し得る。MIRSシステム10は、患者側カート22(手術ロボット)及び電子装置カート24をさらに含み得る。患者側カート22は、外科医18がコンソール16を通して手術部位を視認している間、患者12の身体の低侵襲性切開部を通る少なくとも1つの取り外し可能に結合されたツールアセンブリ26(以降、単に「ツール」と呼ばれる)を操作することができる。手術部位の画像は、内視鏡28を位置決めするとともに方向付けするように患者側カート22によって操作され得る、立体内視鏡等の内視鏡28によって取得されることができる。電子装置カート24は、外科医用コンソール16を通じた外科医18への続く表示のために手術部位の画像を処理するために、使用され得る。一度に使用される手術ツール26の数は、一般的に、診断又は外科手術及び他の要因の中でも手術室内の空間的制約に依存する。手術中に使用されているツール26の1又は複数を交換することが必要な場合、助手20は、患者側カート22からツール26を取外し、それを手術室のトレイ30からの別のツール26に交換し得る。
図2は、外科医用コンソール16の斜視図である。この外科医用コンソール16は、奥行き知覚を可能にする手術部位の協調立体視を外科医18に提示するために左眼用ディスプレイ32及び右眼用ディスプレイ34を含む。コンソール16は、1又は複数の入力制御装置36をさらに含み、この装置36は、患者側カート22(図1に示される)に1又は複数のツールを操作させる。入力制御装置36は、テレプレゼンス(tele-presence)を、又は外科医がツール26を直接制御する強い感覚を有するように入力制御装置36がツール26と一体となる知覚を外科医に提供するために、それらの関連付けられるツール26(図1に示される)と同じ自由度を提供することができる。この目的のために、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ(図示せず)が、ツール26からの位置、力、及び触感を、入力制御装置36を通じて外科医の手に返送するために使用され得る。
外科医用コンソール16は通常、外科医が、手術を直接監視し得るように、必要であれば物理的に存在し得るように、及び電話又は他の通信媒体ではなく直接助手に話し掛け得るように、患者と同じ部屋の中に配置される。しかし、外科医は、患者とは異なる部屋、全く異なる建物、又は遠隔手術を可能にする患者から離れた他の場所にいることができる。
図3は、電子装置カート24の斜視図である。電子装置カート24は、内視鏡28と結合されることができ、外科医用コンソールで、或いは近くに及び/又は遠隔に位置する別の適切なディスプレイで、外科医に等、その後の表示のために取り込まれた画像を処理するためのプロセッサを含み得る。例えば、立体内視鏡が使用される場合、電子装置カート24は、手術部位の協調立体画像を外科医に提示するために、取り込まれた画像を処理することができる。このような協調は、対向画像間の位置合わせを含み得るとともに、立体内視鏡の立体作動距離を調整することを含み得る。別の例として、画像処理は、光学収差等、画像取込装置の結像誤差を補償するために、以前に決定されたカメラ較正パラメータの使用を含み得る。
図4は、ロボット手術システム50(図1のMIRSシステム10等)を図式的に示す。上述のように、外科医用コンソール52(図1の外科医用コンソール16等)が、低侵襲手術中に患者側カート(手術ロボット)54(図1の患者側カート22等)を制御するために外科医によって使用され得る。患者側カート54は、手術部位の画像を取込むとともに取込まれた画像を電子装置カート56(図1の電子装置カート24等)に出力するために、立体内視鏡等の撮像装置を使用し得る。上述のように、電子装置カート56は、任意の後に続く表示の前に、種々の方法で取込まれた画像を処理し得る。例えば、電子装置カート56は、外科医用コンソール52を介して組み合わされた画像を外科医に表示する前に、取込まれた画像を仮想制御インターフェースと重ね合わせることができる。患者側カート54は、電子装置カート56の外部で処理するために取込まれた画像を出力し得る。例えば、患者側カート54は、取込まれた画像を処理するために使用され得る、プロセッサ58に取込まれた画像を出力することができる。画像はまた、共同して、連続して、及び/又はそれらの組み合わせで、取込まれた画像を処理するために一緒に結合され得る、電子装置カート56及びプロセッサ58の組み合わせによって処理されることもできる。1又は複数の別個のディスプレイ60も、手術部位の画像、又は他の関連画像等、画像の局所及び/又は遠隔表示のために、プロセッサ58及び/又は電子装置カート56と結合され得る。
プロセッサ58は、典型的には、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせを含み、ソフトウェアは、本明細書に機能的に記載される制御の方法ステップを実行するための、コンピュータ可読コード命令を具体化する有形媒体を含む。ハードウェアは、典型的に、一又は複数のデータ処理ボードを含み、このデータ処理ボードは、同一箇所に位置してもよいが、しばしば、本明細書に記載されるロボット構造の中に分配された複数の構成要素を有する。ソフトウェアは、しばしは不揮発性媒体を含み、モノリシックなコードも含み得るが、より典型的には、任意選択で、多種多様な分散データ処理アーキテクチャのいずれかで動作する多数のサブルーチンを含む。
図5A及び5Bは、患者側カート22及び手術ツール26をそれぞれ示す。手術ツール26は、手術ツール26の例である。図示された患者側カート22は、3つの手術ツール26及び、手術野の画像を取り込むために使用される立体内視鏡のような、撮像装置28の操作を提供する。操作は、幾つかのロボットジョイントを有するロボット機構によって提供される。撮像装置28及び手術ツール26は、運動学的リモートセンタ(遠隔中心)(kinematic remote center)が切開部のサイズを最小化するよう切開部に保持されるように、切開部を通って患者内で位置決めされるとともに操作されることができる。手術野の画像は、手術ツール26が撮像装置28の視野内に位置しているとき、手術ツール26の遠位端部の画像を含むことができる。
手術ツール26は、例えば切開部、自然開口部、経皮的な貫通又は同種のもののような低侵襲アクセス開口を通して管状カニューレ64を挿入することによって、患者体内に挿入される。カニューレ64は、ロボットマニピュレータアームに取り付けられ、手術ツール26のシャフトはカニューレの管腔(lumen)を通過する。マニピュレータアームは、カニューレがその上に取り付けられたことを示す信号を送信し得る。
ロボット手術システム及びモジュール式マニピュレータ支持部
図6は、多くの実施形態による、ロボット手術システム70の斜視概略図である。手術システム70は、取付ベース72、支持リンク機構74、配向プラットホーム76、複数の外側セットアップリンク機構78(2つが示されている)、複数の内側セットアップリンク機構80(2つが示されている)、及び複数の手術器具マニピュレータ82を含む。マニピュレータ82のそれぞれは、マニピュレータ82に取り付けられるとともに挿入軸に沿って患者に挿入可能である手術器具を選択的に関節運動させるように動作可能である。マニピュレータ82のそれぞれは、セットアップリンク機構78、80の1つに取付けられるとともに支持される。外側セットアップリンク機構78のそれぞれは、第1のセットアップリンク機構ジョイント84によって配向プラットホーム76に回転結合されるとともに支持される。内側セットアップリンク機構80のそれぞれは、配向プラットホーム76に固定して結合されるとともに支持される。配向プラットホーム76は、支持リンク機構74に回転結合されるとともに支持される。そして、支持リンク機構74は、取付ベース72に固定して取付けられるとともに支持される。
多くの実施形態では、取付けベース72は、移動可能であるとともに床に支持され、それによって、例えば手術室内で、手術システム70全体の選択的な再位置決めを可能にする。取付けベース72は、操舵可能な車輪アセンブリ及び/又は選択的な再位置決めすること並びに選択された位置からの取付ベース72の移動を選択的に防ぐことの両方を提供する任意の他の適切な機能を含むことができる。取付ベース72はまた、例えば、天井マウント、固定フロア/台座マウント、壁マウント、又は任意の他の適切な取付面によって支持されるように構成されたインターフェース等、他の適切な構成を有することができる。
支持リンク機構74は、取付ベース72に対して配向プラットホーム76を選択的に位置決めする及び/又は配向するよう動作可能である。支持リンク機構74は、コラムベース86、並進移動可能コラム部材88、ショルダージョイント90、ブームベース部材92、ブーム第1段部材94、ブーム第2段部材96、及びリストジョイント98を含む。コラムベース86は、取付ベース72に固定して取付けられる。並進移動可能コラム部材88は、コラムベース86に対する並進移動のためにコラムベース86にスライド可能に結合される。多くの実施形態では、並進移動可能コラム部材88は、コラムベース86に対して垂直に配向された軸に沿って並進移動する。ブームベース部材92は、ショルダージョイント90によって並進移動可能コラム部材88に回転結合される。ショルダージョイント90は、ブームベース部材92を水平面内で並進移動可能コラム部材88に対して選択的に配向するように動作可能であり、この並進移動可能コラム部材88はコラムベース86及び取付ベース72に対して固定角度配向を有する。ブーム第1段部材94は、ブームベース部材92に対して水平方向に選択的に並進移動可能であり、この水平方向は、多くの実施形態においてブームベース部材92及びブーム第1段部材94の両方と一直線になる。ブーム第2段部材96は同様に、ブーム第1段部材94に対して水平方向に選択的に並進移動可能であり、この水平方向は、多くの実施形態においてブーム第1段部材94及びブーム第2段部材96の両方と一直線になる。したがって、支持リンク機構74は、ショルダージョイント90とブーム第2段部材96の遠位端部との間の距離を選択的に設定するよう動作可能である。リストジョイント98は、ブーム第2段部材96の遠位端部を配向プラットホーム76に回転結合する。リストジョイント98は、取付ベース72に対する配向プラットホーム76の角度配向を選択的に設定するよう動作可能である。
セットアップリンク機構78、80のそれぞれは、配向プラットホーム76に対して、関連付けられるマニピュレータ82を選択的に位置決めする及び/又は配向するよう動作可能である。セットアップリンク機構78、80のそれぞれは、セットアップリンク機構ベースリンク100、セットアップリンク機構延長リンク102、セットアップリンク機構平行四辺形リンク機構部分104、セットアップリンク機構垂直リンク106、第2のセットアップリンク機構ジョイント108、及びマニピュレータ支持リンク110を含む。外側セットアップリンク機構78のセットアップリンク機構ベースリンク100のそれぞれは、第1のセットアップリンク機構ジョイント84の動作を介して配向プラットホーム76に対して選択的に配向されることができる。図示された実施形態では、内側セットアップリンク機構80のセットアップリンク機構ベースリンク100のそれぞれは、配向プラットホーム76に固定して取付けられる。内側セットアップリンク機構80のそれぞれはまた、外側セットアップリンク機構と同様に、追加的な第1のセットアップリンク機構ジョイント84介して配向プラットホーム76に回転取付けされることもできる。セットアップリンク機構延長リンク102のそれぞれは、関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク100に対して水平方向に並進移動可能であり、この水平方向は、多くの実施形態において、関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク及びセットアップリンク機構延長リンク102と一直線になる。セットアップリンク機構部分104のそれぞれは、セットアップリンク機構垂直リンク106を垂直に配向させたまま、セットアップリンク機構垂直リンク106を垂直方向に選択的に並進移動可能に構成されるとともに動作可能である。例示的な実施形態では、セットアップリンク機構部分104のそれぞれは、第1のジョイント112、結合リンク114、及び第2のリンク機構116を含む。第1のジョイント112は、結合リンク114をセットアップリンク機構延長リンク102に回転結合する。第2のジョイント116は、セットアップリンク機構垂直リンク106を結合リンク114に回転結合する。セットアップリンク機構延長リンク102に対する結合リンク114の回転が、セットアップリンク機構垂直リンク106が垂直に選択的に並進移動される間にセットアップリンク機構垂直リンク106が垂直に配向されて保持されるよう、結合リンク114に対するセットアップリンク機構垂直リンク106の相殺回転によって整合されるように、第1のジョイント112は、第2の平行四辺形ジョイント116に回転が結び付けられる。第2のセットアップリンク機構ジョイント108は、セットアップリンク機構垂直リンク106に対してマニピュレータ支持リンク110を選択的に配向するように動作可能であり、それによって、セットアップリンク機構垂直リンク106に対して関連付けられる取り付けられたマニピュレータ82を選択的に配向する。
図7は、多くの実施形態による、ロボット手術システム120の斜視概略図である。手術システム120は図6の手術システム70の構成要素と同様の構成要素を含むので、同じ参照数字が同様の構成要素に関して使用され、上述の同様の構成要素の対応する説明は、手術システム120に適用可能であるとともに繰り返しを避けるためにここでは省略される。手術システム120は、取付ベース72、支持リンク機構122、配向プラットホーム124、複数のセットアップリンク機構126(4つが示されている)、及び複数の手術器具マニピュレータ82を含む。マニピュレータ82のそれぞれは、マニピュレータ82に取付けられるとともに挿入軸に沿って患者に挿入可能である手術器具を選択的に関節運動させるように動作可能である。マニピュレータ82のそれぞれは、セットアップリンク機構126の1つに取付けられるとともに支持される。セットアップリンク機構126のそれぞれは、第1のセットアップリンク機構ジョイント84によって配向プラットホーム124に回転結合されるとともに支持される。配向プラットホーム124は、支持リンク機構122に回転結合されるとともに支持される。そして、支持リンク機構122は、取付ベース72に固定して取付けられるとともに支持される。
支持リンク機構122は、取付ベース72に対して配向プラットホーム124を選択的に位置決めする及び/又は配向するよう動作可能である。支持リンク機構122は、コラムベース86、並進移動可能コラム部材88、ショルダージョイント90、ブームベース部材92、ブーム第1段部材94、及びリストジョイント98を含む。支持リンク機構122は、ショルダージョイント90とブーム第1段部材94の遠位端部との間の距離を選択的に設定するよう動作可能である。リストジョイント98は、ブーム第1段部材94の遠位端部を配向プラットホーム124に回転結合する。リストジョイント98は、取付ベース72に対する配向プラットホーム124の角度配向を選択的に設定するよう動作可能である。
セットアップリンク機構126のそれぞれは、配向プラットホーム124に対して、関連付けられるマニピュレータ82を選択的に位置決めする及び/又は配向するよう動作可能である。セットアップリンク機構126のそれぞれは、セットアップリンク機構ベースリンク100、セットアップリンク機構延長リンク102、セットアップリンク機構垂直リンク106、第2のセットアップリンク機構ジョイント108、トルネード機構支持リンク128、及びトルネード機構130を含む。セットアップリンク機構126のセットアップリンク機構ベースリンク100のそれぞれは、関連付けられる第1のセットアップリンク機構ジョイント84の動作を介して配向プラットホーム124に対して選択的に配向されることができる。セットアップリンク機構垂直リンク106のそれぞれは、関連付けられるセットアップリンク機構延長リンク102に対して垂直方向に選択的に並進移動可能である。第2のセットアップリンク機構ジョイント108は、セットアップリンク機構垂直リンク106に対してトルネード機構支持リンク128を選択的に配向するように動作可能である。
トルネード機構130のそれぞれは、トルネードジョイント132、結合リンク134、及びマニピュレータ支持部136を含む。結合リンク134は、マニピュレータ支持部136をトルネードジョイント132に固定して結合する。トルネードジョイント132は、トルネード機構支持リンク128に対してトルネード軸138周りにマニピュレータ支持部136を回転させるように動作可能である。トルネード機構130は、マニピュレータ82の操作のリモートセンタ(RC)がトルネード軸136と交差するようマニピュレータ支持部138を位置決めするとともに配向するように構成される。したがって、トルネードジョイント132の動作は、患者に対して関連付けられる操作のリモートセンタ(RC)を動かすことなしに、患者に対して関連付けられるマニピュレータ82を再配向するために使用されることができる。
図8は、図7のロボット手術システム120の概略図に一致する、多くの実施形態による、ロボット手術システム140の簡略化された図である。手術システム140は、図7のロボット手術システム120に一致するので、同じ参照番号が類似の構成要素に関して使用され、上述の類似の構成要素の対応する説明は、手術システム140に適用可能であるとともに繰り返しを避けるためにここでは省略される。
支持リンク機構122は、多数のセットアップ構造軸に沿って支持リンク機構122のリンク間の相対運動を介して取付ベース72に対して配向プラットホーム124を選択的に位置決め及び配向するように構成される。並進移動可能コラム部材88は、第1のセットアップ構造(SUS)軸142に沿ってコラムベース86に対して選択的に再位置決め可能であり、この第1のSUS軸142は、多くの実施形態において、垂直に配向される。ショルダージョイント90は、第2のSUS軸144周りに並進移動可能コラム部材88に対してブームベース部材92を選択的に配向するよう動作可能であり、この第2のSUS軸144は、多くの実施形態において、垂直に配向される。ブーム第1段部材94は、第3のSUS軸146に沿ってブームベース部材92に対して選択的に再位置決め可能であり、この第3のSUS軸146は、多くの実施形態において、水平に配向される。そして、リストジョイント98は、第4のSUS軸148に沿ってブーム第1段部材94配向プラットホーム124を選択的に配向するよう動作可能であり、この第4のSUS軸148は、多くの実施形態において、垂直に配向される。
セットアップリンク機構126のそれぞれは、多数のセットアップジョイント(SUJ)軸に沿ってセットアップリンク機構126のリンク間の相対運動を介して配向プラットホーム124に対して、関連付けられるマニピュレータ82を選択的に位置決め及び配向するように構成される。第1のセットアップリンク機構ジョイント84のそれぞれは、第1のSUJ軸150周りに配向プラットホーム124に対して、関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク100を選択的に配向するよう動作可能であり、この第1のSUJ軸150は、多くの実施形態において、垂直に配向される。セットアップリンク機構延長リンク102のそれぞれは、第2のSUJ軸152に沿って、関連付けられるセットアップベースリンク100に対して選択的に再位置決め可能であり、この第2のSUJ軸152は、多くの実施形態において、水平に配向される。セットアップリンク機構垂直リンク106のそれぞれは、第3のSUJ軸154に沿って、関連付けられるセットアップリンク機構延長リンク102に対して選択的に再位置決めされることができ、この第3のSUJ軸154は、多くの実施形態において、垂直に配向される。第2のセットアップリンク機構ジョイント108のそれぞれは、第3のSUJ軸154周りにセットアップリンク機構垂直リンク106に対してトルネード機構支持リンク128を選択的に配向するように動作可能である。トルネードジョイント132のそれぞれは、関連付けられるトルネード軸138周りに関連付けられるマニピュレータ82を回転させるように動作可能である。
図9Aは、多くの実施形態による、配向プラットホーム124に対するセットアップリンク機構126の回転配向限度を示す。セットアップリンク機構126のそれぞれは、配向プラットホーム124に対する時計回りの限度配向で示されている。対応する反時計回りの限度配向は、垂直に配向された鏡面に対する図9の鏡像によって示される。図示されるように、2つの内側セットアップリンク機構126のそれぞれは、垂直基準156から一方向に5度から垂直基準156から反対方向に75度まで配向されることができる。また、図示されるように、2つの外側セットアップリンク機構のそれぞれは、垂直基準156から対応する方向に15度から95度まで配向されることができる。1つの態様では、セットアップリンク機構が、図9Aに示されるようなそれらに関連付けられる限度の近く又は同限度に位置する配向は、この位置が、1又は複数のマニピュレータにおけるツールの交換を容易にするために又は手術台の患者に対する1又は複数のツールを手動で位置決めするために、患者側助手がアームのそれぞれへの容易なアクセスを可能にするので、初期セットアップのための展開された設定に適し得る。
図9B−9Cは、セットアップリンク機構の配向及び位置が、マニピュレータが縮められ且つ互いの近くに又は互いに隣接して位置するようになっている設定を示す。このような配向は、マニピュレータアームがより少ない作業空間を占めるしまい込まれた設定に適し得る。これは、手術台を調整するための又は手術台に患者を位置決めするための患者側助手の追加のクリアランスを可能にし得る。ある態様では、システムは、図9Cに示されるように、部分的にしまい込まれた設定(例えば、滅菌しまい込み(sterile stow))を用いることができ、ここでは、セットアップジョイントは、マニピュレータがより少ない作業空間を占めるが、マニピュレータの1又は複数が配置され得る任意の手術ドレープのためのクリアランスを可能にするように互いから十分離れるように、位置決めされ且つ配向される。この滅菌しまい込み設定は、滅菌状態にあるシステムの1又は複数の構成要素の検出に応じて生じることができ、滅菌構成要素状の手術ドレーピングの存在を示し得る。他の態様では、システムは、図9Bに示されるように、完全にしまい込まれた設定(例えば、完全しまい込み)を用いることができ、ここでは、セットアップジョイントは、マニピュレータによって占められる作業空間を実質的に最小にするために、互いに対して縮められた又は互いに直接隣接するように、位置決めされ且つ配向される。
セットアップジョイントの受動運動制御
1つの態様では、システムのセットアップ構造の所望の設定が、上述のセットアップジョイントの受動運動を制御することによって実現されることができる。ある適用では、これは、セットアップジョイントが自由に浮動し且つ所望の場所にセットアップジョイントを手動で動かすことによって成し遂げられ、このプロセスは、特に、高度に設定可能且つ冗長自由度を有する複数のロボットアームを含むセットアップ構造では、複雑且つ時間がかかるようになり得る。所望の設定を達成するために受動運動を有するセットアップジョイントを使用することの使いやすさ及び効率を向上させるために、本発明の態様による方法は、セットアップ構造の特定の他のジョイントを能動的に駆動することと併せた受動ジョイントの協調制動によって、受動ジョイント運動を制御する。ある態様では、セットアップジョイントの基準状態は、セットアップ構造の所望の設定と一致することが決定され、ジョイント状態センサが基準状態からのセットアップジョイントの変位を決定するために使用される。セットアップ構造の1又は複数の他のジョイントは、セットアップ構造を駆動し、セットアップジョイントに関連付けられるリンク機構に力及び/又はモーメントを与えるように、能動的に駆動される。セットアップジョイントの受動運動は、リンク機構が剛体ボディとして機能するように、プラットホームリンク機構が加速し始めるとき、ジョイントブレーキによって妨げられる。リンク機構への力及び/又はモーメントが、セットアップジョイントの受動運動が基準状態に向かって動くようであるとき、リンク機構への力及び/又はモーメントの慣性によって生じるジョイントの受動運動を容易にするために、ブレーキは、少なくとも部分的に、解放される。1つの態様では、動いているリンク機構の慣性が、それぞれのリンク機構を推進して又は「投げつけて(fling)」所望の方向のジョイント運動を生じさせるように、関連付けられるリンク機構への力及び/又はモーメントが閾値の大きさを超えるとき、特定のセットアップジョイントのブレーキは解放される
ある態様では、制御方法は、1又は複数の被駆動ジョイントを通じたセットアップ構造の駆動によって与えられる関連付けられた力及び/又はモーメントからのジョイントへの慣性力に基づいて、受動ジョイントにブレーキを選択的に掛ける。1つの態様では、受動ジョイントは、ジョイントへの慣性力が、受動ジョイントを基準状態から離れて動かす受動運動をもたらすであろうとき、制動され、ジョイントへの慣性力が、基準状態へ向かう受動運動をもたらすであろうとき、浮動することを許容される。1つの態様では、慣性力によって生じたジョイントの受動運動は、受動ジョイントを所望の基準位置に完全に動かすのに十分でない場合があるので、1又は複数の被駆動ジョイントは、それに応じて提供される受動ジョイントの受動運動が完全な運動を生じさせるまで、周期的に動かされ(cycled)得る。それぞれが関連付けられるジョイント限度又はジョイント運動の範囲を有するセットアップ構造の様々な被駆動ジョイントを考えると、1又は複数の被駆動ジョイントは、1方向に所定の変位駆動されることができ、その後逆転されて反対方向に駆動されることができる。力及び/又はモーメントの特定の大きさがジョイントの必要な受動運動を生じさせるのに十分な慣性を提供するために必要とされ得るので、ロボットアームへの必要な力及び/又はモーメントは、受動ジョイント運動を生じさせるのに必要な所望の力をもたらすシミー運動(shimmying movement)又は様々な他の運動のような、計算された運動にしたがって1又は複数のモータ駆動ジョイントの制御された駆動によって決定されることができる。例えば、特定のトルクで運動学的チェーンに沿って直列に配置された平行軸を有する2つの回転ジョイントのそれぞれを駆動することは、そのトルクを同じ方向に2つの被駆動回転ジョイントのいずれか一方だけへ加えることより、チェーンのより遠位のリンク機構においてより大きい慣性力及び/又はモーメントをもたらす。被駆動ジョイントの組み合わされた運動を使用することは、より近位のジョイントのジョイント運動のトルク能力又は範囲における限度を克服するのに有用であり得る。他の態様では、より大きい慣性力及び/又はモーメントが、より大きいジョイント変位にわたってより近位のリンク機構を加速することによって又は増加された加速度によって、達成されることができる。
ある態様では、ブレーキ解放は、受動ジョイントが浮動するとともに特定の範囲内の受動ジョイントへのトルクの検知に応じて受動的に動くことを可能にするように、タイミングを合わせられる(timed)。例えば、ブレーキは、より高いジョイント速度又は加速度を達成するジョイントへの増加した慣性を可能にするように検知されるトルクが最小閾値を超えているとき、解放されることができ、受動運動中の過度に高い速度又は加速度を防ぐために検知されるトルクが最大閾値を超えているとき、少なくとも部分的に、掛けられることができる。ジョイントブレーキは、受動運動中にジョイントの速度を実質的に一定速度に維持するために反作用トルクを最大値に維持するように掛けられ得る又は可変ブレーキが、ジョイントが所望の基準状態に近づくような受動運動中に、ジョイントの実質的に一定の減速度を提供するように、掛けられ得る。ある態様では、ブレーキの適用は、少なくとも部分的に、受動ジョイントの検知トルク及び所望の基準ジョイント状態からの実際のジョイント状態の変位(例えば、誤差)に基づく。このアプローチは、ジョイントが基準状態からどのくらい離れているかに基づく受動運動中の受動ジョイントの速度及び/又は加速度の制御を可能にする。例えば、ジョイントが、基準状態から所定の変位上回るとき、ブレーキの適用は、(受動ジョイントが基準に向かって動いているとき)受動ジョイントの実質的に一定のジョイント速度を提供するように制御され、ジョイント変位が十分に基準に近い(例えば、所定変位内の)とき、可変制動が、ジョイントが所望の基準状態に達するまで、実質的に一定の減速度を提供するように適用される。
1つの態様では、いったん受動ジョイントが所望の基準状態に達すると、ブレーキは、受動ジョイントを基準状態でロックするために完全に掛けられる。他の態様では、システムは、それぞれのロボットアームに関連付けられる全ての受動ジョイント、又はセットアップ構造に関連付けられる全ての受動ジョイントが、実質的にそれらのそれぞれの基準状態に又はそれらのそれぞれの基準状態の近くになるまで、部分的にブレーキを掛け得る。このアプローチは、配向プラットホーム又はセットアップ構造の他のリンク機構の前後の交互運動中に複数ロボットアームが剛体ボディとして揺動することを可能にされたセットアップ構造の近位ジョイントに生じ得る実質的な反作用トルクを防ぎ得る又は減らし得る。
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。
上記の例示の設定、展開、滅菌しまい込み及び完全しまい込みのそれぞれは、ある基準状態への特定のセットアップジョイントの受動運動を、典型的には、セットアップジョイントの位置及び/又は向きを制御することによって、もたらされ得る。ある実施形態は、1又は複数のセットアップジョイントを減給しているが、本明細書に記載される態様のいずれも、受動運動を提供できるジョイントを有する任意のリンク機構に適用でき且つ所望の状態(例えば、位置、向き、速度及び/又は加速度)を達成するようこのようなジョイントの受動運動を制御するために使用できることが理解される。典型的には、本明細書に記載されるように、1又は複数の被駆動ジョイントは、制御されている受動ジョイントにより近位であるが、受動ジョイントのより遠位の1又は複数の駆動ジョイントの運動が、(例えば、揺動ポンピングタイプの機構(swing pumping type mechanism)のような)受動ジョイントの運動を制御するのに十分な受動ジョイントにおける反作用力を誘起し得ることが理解される;しかし、より遠位のジョイントの投げつけるタイプの運動(flinging type motion)を誘起するように受動ジョイントの近位の1又は複数の被駆動ジョイントを用いることが概してより効率的であり、このより遠位のジョイントの慣性は、受動ジョイントを所望の状態に動かすための選択的な制動によって使用される。
上述の概念をさらに説明するために、ある態様が以下の例においてより詳細に記載される。
図10Aは、配向プラットホームへのセットアップジョイントの簡略化された2−D図を示し、この配向プラットの位置及び向きは、モータ被駆動ジョイントによって制御される。セットアップジョイントは、受動ジョイント運動を提供できる受動ジョイント及び、部分的に或いは完全に、受動ジョイント運動を選択的に制動できるジョイントブレーキである。ジョイントブレーキがセットアップジョイントに掛けられる間に、配向プラットホームが動くと、セットアップジョイントリンクは、配向プラットホームと共に剛体ボディとして並進し且つ回転する。ジョイントブレーキが解放されるとき、セットアップジョイントリンクの運動は、セットアップジョイントリンクの慣性パラメータ(m及びJ)、配向プラットホームの加速度及びセットアップジョイントにおける摩擦によって支配される。
図10Bは、ジョイントブレーキが解放された状態の図10Aのセットアップジョイントリンクの自由体(free body)図を示す。ジョイントにおける摩擦が簡単化のために省略される場合、座標系の加速は、並進及び回転項、それぞれに比例する、及びある意味では反対の、力及びモーメントを発生させる。リンク機構へのモーメントは、ジョイントブレーキが解放された状態の受動加速度を決定するためにジョイント周りに生じ得る。加速度の並進成分は、トルクmα(t)Lsin(θ(t))に寄与し、及び回転加速度成分はJ(α(t)))に寄与する。
1つの態様では、ジョイントブレーキは、電圧信号入力によってのように、電気的に作動される。ジョイントは、電圧入力の大きさに比例して部分的に係合するように構成され得る。この構成は、ブレーキの電圧制御が、電圧に対するブレーキ力をニュートンメートルのトルクに関連付ける既知のカーブを使用することによって決定されることを可能にするので、ブレーキは、1トルク方向にのみ制御されることができるトルクモータと同様の方法で用いられることができる。加えて、内力は、基準状態へのジョイントの所望の運動を生じさせるのに十分なトルクを提供するのに不十分である可能性があるので、より近位のリンク機構(例えば、配向プラットホームリンク機構)は、ジョイントが基準状態になるまで各周期動作(each cycling)において基準状態に向かう受動運動を生じさせるのに誘起されたトルクが適切な大きさ且つ方向にあるとき、ブレーキが選択的に開放され得るように、周期運動にしたがって前後に駆動され得るしたがって、ジョイントの受動運動は、運動学的チェーンに沿う1又は複数の能動的に駆動されるジョイントの被駆動運動と協調させられる選択的な制動によって制御される。
図11は、1又は複数の被駆動ジョイントとともに関連付けられるセットアップ構造を駆動することによってロボットアームのセットアップジョイント(SUJ)のモーメントを制御する例示の方法を概略的に示す。典型的には、ロボットアームの所望の姿勢又は設定(形態)に対応する、所望のセットアップジョイント状態を生じさせるためにユーザからのコマンドを受信することに応じて、システムは、セットアップジョイント制御ノードに入る、システムは、ジョイント状態センサの使用によってのように、セットアップジョイントの現在の状態を決定し、セットアップジョイントが所望の状態にない場合、セットアップジョイントを受動ジョイント運動の制御を通じて所望の状態に動かすために使用され得るセットアップ構造運動が計算される。例えば、セットアップジョイントが1又は複数の自由度に沿って所望の状態から変位されている場合、セットアップ構造の運動は、受動セットアップジョイントを基準状態に動かすために利用されることができるセットアップジョイントに関連付けられるリンク機構への力及び/又はモーメントを誘起するように、対応する自由度に沿って計算され得る。セットアップ構造はその後、セットアップ構造を支持する1又は複数のモータ駆動ジョイントを駆動することによって計算された運動にしたがって駆動される。このような運動中、(動くことが許容される場合)セットアップジョイントのいずれかの受動ジョイント運動が所望の基準状態に向かうとき、ジョイントは、これらの特定のセットアップジョイントに関するジョイントブレーキを部分的に又は完全に解放することによって浮動することを許容される。セットアップ構造運動中、(動くことが許容される場合)セットアップジョイントのいずれかの受動運動がゼロ又は所望状態から離れて向けられる場合、ジョイント運動は制動される。セットアップジョイントのジョイント状態は、再び評価され、セットアップジョイントのいずれかが依然として所望の状態にない場合、プロセスは、システムが、全てのセットアップジョイントが所望の状態にあることを決定するまで、任意のこのようなジョイントに対して繰り返され、この所望の状態のポイントにおいて、制御モードは終了される。本明細書に記載されるマニピュレータ構造でのような、多くのこのような実施形態では、この全プロセスは、1分未満、しばしば約10秒以下で生じる。しかし、プロセスが生じる時間は、もちろん、特定のシステムの運動学、並びに加速度及び関連付けられるジョイント変位にしたがって、変化する。1つの態様では、図11の方法は、SUSについて1つ及びSUJについて他があるように、最後に一致する第2の実行経路を含み得る。2つのSUSとSUJとの間で、トルク要求は、その運動を滑らかにするのに役立つようにSUSに渡され、SUS加速度は、ブレーキを解放する又は掛けるかどうか及びいつブレーキを解放する又は掛けるかを決定するためにSUJに戻って伝達される。
ある実施形態では、全てのセットアップジョイントが約20秒のような、記載された方法を実行するある期間内にそれらに関連付けられる基準状態に到達しない場合、方法は終わり得る。通知が、全てのジョイントが所望の基準状態にあるわけではないことをユーザに提供され得るとともに、任意選択で、どのジョイントがそれらの関連付けられる基準状態から変位したままであるかを特定し得る。ユーザはその後、セットアップジョイントを関連付けられる基準状態に手動で関節運動し得る又は、マニピュレータの1又は複数又はセットアップ構造を他の設定に駆動し得るとともに、モードに再び入り、再びプロセスを繰り返し得る。幾つかのシステムでは、例えば、クリアランスの欠如又はマニピュレータ間の衝突に起因する等、あるセットアップジョイントの受動運動を妨げ得る特定の設定があり得る。このような設定が特定され得るこのような場合、方法は、本明細書に記載される受動ジョイントの制御された運動を試みる前に、セットアップ構造又は1若しくは複数のマニピュレータをそのような設定から離れるように自動的に駆動することを含み得る。
ある態様では、記載される方法は、マニピュレータ又はセットアップ構造の1又は複数の所望の配置に対応する所望の基準状態に1又は複数のロボットアームの1又は複数のジョイントの受動運動を制御するための1又は複数のモードで用いられ得る。基準状態は典型的には、ロボットアームの所望の設定に対応する。例えば、特定のロボットアームが所望の設定(例えば、展開された、しまい込まれた、滅菌しまい込み)にあるとき、そのアームの各受動セットアップジョイントは、特定の基準状態(例えば、場所)を有する。加えて、各ジョイントの基準状態は、ジョイントがその所望の状態の場所に動くときの基準速度及び/又は加速度を含み得る。各モードへは、追加の入力又はユーザの手動操作なしに被駆動ジョイントの自動的な運動及び所望の基準状態へのジョイントの受動運動の制御を生じさせるボタンを押すことによって入り得る。
図12Aは、ツール170に関連付けられる第1のマニピュレータの及びツール172に関連付けられる第2のマニピュレータ82のそれぞれのセットアップジョイント78運動を生じさせるように配向プラットホームを駆動する方法を概略的に示す。各セットアップジョイントの基準状態は、ロボットシステムのセットアップジョイントの制御された受動運動によりそれぞれのマニピュレータ間により大きいクリアランスを可能にする位置(破線で示される)に縮められたマニピュレータ及びそれぞれのツールの位置に対応する。セットアップジョイントの基準状態は、作業空間に関する又は特定のマニピュレータの様々な他のジョイント又はマニピュレータの間に関する、マニピュレータの設定、並びにセットアップジョイントそれ自体の様々な位置、速度、及び/又は加速度の幾らにでも対応し得ることが理解される。1つの態様では、システムは、本明細書に記載される方法が、所望の運動、設定又はマニピュレータ又は関連付けられるセットアップ構造の姿勢を生じさせるためにセットアップジョイントを任意の数の基準状態に動かすようにセットアップジョイントの受動運動を制御するために使用されることができる、様々なモードを含み得る。本明細書で使用されるとき用語「マニピュレータ」は、手術器具を操作するために使用され得る又は、内視鏡で若しくは様々な他のツールのために使用され得るような、様々な他のロボットアームを含み得る、ロボットアームを示す
配向プラットホーム運動コマンドの計算
1つの態様では、セットアップジョイントの受動運動は、1又は複数の被駆動ジョイント、典型的には、セットアップジョイントの上流にあるジョイントの駆動によって達成されるセットアップ構造の運動によってリンク機構に加えられる内力及び/又はモーメントによってもたらされる。1つの態様では、セットアップ構造の運動は、1自由度の配向プラットホームの計算された運動、典型的には以下の例にさらに詳述されるように、駆動システムを使用する垂直回転軸回りの配向プラットホーム124の往復旋回運動(back-and-forth pivoting movement)によって提供される。他の態様では、方法は、受動ジョイントの所望の基準状態を達成するために受動ジョイントの好ましいジョイント運動を利用し且つ好ましくない運動を抑制するので、配向プラットホームの運動は、マニピュレータの任意の特定の設定にしたがってカスタマイズされる必要はない。有利には、配向プラットホームの完全に自動的な運動(例えば、配向プラットホームを前後に加速する往復回転)が、マニピュレータ又はセットアップ構造設定を幾らでも達成するように所望の基準状態に向かって受動ジョイントの運動を制御することで、本明細書に記載される方法のいずれかで使用されることができる。
図12B−12Cは、x、y、及びz軸に沿ったセットアップ構造の運動を可能にする配向プラットホーム124のための駆動システムを描いている。x、y、z及びθ軸に沿った1又は複数の方向に沿った速度及び/又は加速度を発生させるように1又は複数のモータ駆動ジョイントを駆動することによって、セットアップジョイント198に関連付けられるリンク機構の対応する運動がもたらされることができ、これはセットアップジョイント198の受動運動をもたらす。上述のもののようなカート取付セットアップ構造によって支持される配向プラットホームに加えて、天井取付セットアップ構造190及び1、2、3、4、又はそれより多い自由度を持つ他の被駆動ロボットリンク機構が用いられ得る。そのため、システムは幾つかの例示のロボット運動学的構造を参照して記載されるかもしれないが、制御技法は、冗長自由度及び/又は大きい数のジョイントを持つ他のロボットシステムの範囲に適用されることができ、能動及び受動ジョイントの混合を有するこのようなシステム;セットアップの間に駆動されるジョイントの1セット及び(幾つかの重複する部材有り又は無しの)手術中に駆動されるジョイントの他の異なるセットを持つシステム;個々のマニピュレータコントローラが限られた状態情報のみを交換するシステム;その他同種類のものを考慮するとき、特に興味深い。
1つの態様では、セットアップの間にシステムのロボット能力を使用するために、ロボットシステムのプロセッサは、ロボット構造が、本明細書に記載される受動ジョイント制御モード中に配向プラットホームとマニピュレータリモートセンタとの間の所望の関係又は姿勢に向かって駆動される及び/又は同所望の関係又は姿勢を維持するモードを実行するソフトウェアを含み得る。実行状態のとき、このアルゴリズムは、配向プラットホームとマニピュレータリモートセンタとの間の実際の及び所望の関係を入力として受け取り、任意選択で、マニピュレータリモートセンタの位置及び向きを乱すことなしに、実際の姿勢を所望のものに駆動する。言い換えると、受動ジョイントが動くとき、能動軸は、任意選択で、特定のロボット姿勢を達成又は維持するような方法に従い得る。
他の態様では、受動ジョイントの運動が本明細書に記載されるように制御されるモードは、システムの1又は複数の変数又は属性(attribute)に基づいてどのようにこれらの概念が適用されるかの複数のサブモード又は変化を含み得る。例えば、受動運動は、受動ジョイントが所望の基準状態から実質的な変位にあるとき(例えば、FARモード)特定の方法にしたがって制御され得るとともに、受動ジョイントが所望の基準状態に十分近いとき(例えば、NEARモード)他の方法にしたがって制御され得る。例えば、より大きい及び/又はより速い受動運動を可能にする、配向プラットホームリンク機構のより大きい運動又はより速い加速度は、ジョイントが所定の変位より大きいそれらのそれぞれの基準状態から変位しているときに使用され得る。今度は、配向プラットホームリンク機構のより小さい運動又はより遅い速度及び加速度が、より微細に調整された受動ジョイント運動を可能にし且つセットアップ構造を所持するより近位のジョイントへの過度な反作用トルクを避けるために、セットアップジョイントがそれらの所望の状態に十分に近いとき使用され得る。
1つの態様では、シミーFARモードにおけるセットアップジョイントのための「基準」又は「目標」位置は、SUSのシミー運動なしの基準ジョイント位置を指す。このアイディアは、動かなくなることなしに最終的な目標位置の近くに移動する(hover)ことである。基準が、生ジョイント位置(raw joint position)である場合、コントローラは、SUSの各シミー周期の間に前後に位置を効率的に追跡するだろう。1つのアプローチでは、SUSシミーによって誘起されるジョイント誤差は、正弦波運動の周波数におけるノッチフィルタリングによって効率的に除去されることができる。しかし、この効果は、様々な他の方法で達成され得ることが理解される。対照的に、シミーNEARモードでは、ジョイント位置は、我々が特定のジョイント設定を正確に標的とすることを望むとき、任意の補償なしに標的にされ得る。
図13は、基準状態からのセットアップジョイントの変位に基づく異なる2つのこのようなサブモード(FARモード及びNEARモード)を利用する劣駆動ジョイント制御モードを示す。図13に示されるように、完全しまい込み設定を生じさせるためにユーザがボタンを押した後、ユニバーサル手術マニピュレータ(USM)のそれぞれは、しまい込まれるのに適する設定への被駆動ジョイント運動によって動く。垂直軸に沿ったセットアップジョイント(SUJ−Z)は、その範囲の最上部位置に作動される。システムは次に、セットアップジョイント(SUJ)のジョイント状態を検知し、システムがSUJジョイントを「シミー(shimmy)」と本明細書で称される、配向プラットホームの交互運動(alternating movement)によってSUJジョイントを動かす必要があるかどうかを決定する。シミーが必要とされない場合、セットアップ構造(SUS)は完全にしまい込まれる(典型的には、水平ブームをベースの垂直支持コラムに向かって引っ込めることによって完了される)。SUJジョイントが調整されることを必要としていることをシステムが決定する場合、SUSはシミー場所に展開する。SUSをシミーするために展開するとき、配向プラットホームは、マニピュレータがシステムのベース上のより近位の支持コラムから十分なクリアランスを有するが、シミー運動中により近位のジョイントへの過度な反作用トルクを避けるのに必要であるよりさらには延ばされないように位置決めされるべきである。ジョイントが実質的に解放されているとき、内力及び/又はモーメントが効率的な方法でセットアップジョイントを基準状態に投げつける(fling)又は動かすのに十分であるように、配向プラットホームのシミング運動が、剛体ボディとしてのマニピュレータ及びセットアップジョイントリンク機構を通じて力及び/又はモーメントを加えるために、SUJブレーキが掛けられる。SUSは次に、シミングし始め、結果として生じるSUJの受動運動は、全てのSUJがそれらの関連付けられる基準状態からの閾値変位内になるまで、本明細書に記載されるように、各SUJの選択的な制動を通じて制御される。SUJのより少なく運動が所望の基準状態に達するのに必要とされるので、システムは次に、SUSシミーがより小さい加速度又はより小さい交互ジョイント変位を有する、NEARモードに切り替わる。これは、SUJがそれらのそれぞれの基準状態に達するにつれて、より微細な調整された運動を可能にし、その後、SUJブレーキはロックされ、SUSシミーは終了する。SUJジョイントは今やそれらのそれぞれの基準状態でロックされているので、SUSはブームの水平引っ込みによって完全にしまい込まれることができる。
1つの態様では、受動運動を提供するジョイントのブレーキは、典型的なモータトルクコントローラと同様の方法で受動運動によってジョイントに誘起される検知トルクを加えるように、ジョイントブレーキコントローラによって制御される。このアプローチは、追加のソフトウェアを通じてのように、ジョイントブレーキの制御機構を修正することによって、比例微分コントローラのような、従来のモータトルクコントローラを有するシステムで利用され得るので有利である。このアプローチは、図14A、図14B(図14Aの箱Aの詳細)及び図14C(図14Bに示された箱Bの詳細)にさらに詳述される。
図14Aは、セットアップジョイントの受動運動が、従来のモータ駆動ジョイント制御ループにおけるその使用と同様の、比例微分コントローラ(PDコントローラ)で制御されるフィードバック制御ループを示す。Bは、設定限度に関する最大ブレーキ力及び/又はトルクである一方、εは、それより下でブレーキが解放されたままであるべきである速度閾値である。システムは、基準状態をその実際の位置と比較することによってセットアップジョイントの誤差(e)を決定し、この実際の位置は、PDコントローラへの入力であり、このPDコントローラはその後、基準状態を達成するために必要とされるジョイントトルクを生じさせるために制御信号(u)を計算する。従来のモータ駆動ジョイントでは、“u”信号は、関連付けられるジョイントモータを基準状態へ必要なトルクで駆動するために、モータジョイント動特性(motor joint dynamics)制御部に入力される。しかし、受動ジョイントでは、ジョイントは、駆動されることができない。運動学的チェーンの様々な他のリンク機構の運動に起因して、受動ジョイントに関連付けられるリンク機構に与えられる力及び/又はモーメントが、ジョイントを所望の基準状態に動かす受動運動を生じさせるために使用され得る受動ジョイント内にトルクを生み出す。
図14Bは、ジョイントブレーキの選択的な適用によって受動運動を制御するのに使用するための従来のモータ駆動ジョイントにおけるモータ/ジョイント動特性(図14Aの箱Aの詳細)をシミュレートするブレーキ制御ループを示す。図14Bのブレーキ制御ループでは、モータトルク制御信号は、セットアップジョイントで検知された実際のトルクと比較され、次に、時間にわたるインパルスを得るために積分され、速度(v)の方向又は速度(v)の符号(符号(u)=−符号(v))を評価し、(v)の符号が基準に向かう方向である場合、ジョイントに存在するトルクが、ある期間にわたるジョイントブレーキの解放、又は部分的な解放によって使い果たされる、ロジックが、適用される。受動運動に起因するジョイントに存在するトルクは、ジョイントを基準状態に動かすために必要なものより小さい場合がある(そしてしばしば小さい)ので、このループは、ジョイントの駆動による配向プラットホームの各周期動作(cycling)で複数回繰り返され得る。配向プラットホームのこの周期動作は、配向プラットホームが正の変位と負の変位との間で前後に加速して動くようにプラットホームリンク機構のジョイントを(例えば、正弦波入力を使用することによって等)反対方向に連続して前後に駆動することによって生じる「シミー」運動と称され得る。上述のジョイントブレーキ制御ループは、セットアップジョイントが基準状態に達するまで、配向プラットホームの各周期動作又はシミーによる受動運動によってセットアップジョイントに作り出されたトルクを利用し、この基準状態のポイントにおいて、ブレーキがセットアップジョイントを定位置にロックするために掛けられる。複数のセットアップジョイントを有するシステムでは、それぞれが上述の受動運動を制御するために使用される関連付けられるジョイントブレーキコントローラを有し、1方向への配向プラットホームの運動中、あるセットアップジョイントは浮動し得る一方ある他のジョイントは制動され得ることが理解される。
図14Cは、本発明の態様に従う例における、図14BのブロックBの詳細を示す。ブロックBは、ジョイント速度が与えられた物理的に達成可能な制動(片側の)を決定するブロック及び利用可能な制動力に対する力又はトルク要求を取り出す他のブロックを含む。所望のインパルスが、1制御ループにおいて全インパルスを満足する力又はトルクを見つけるための、制御システムのサンプリングレート(例えば、0.75ms)、Tによって除算されることに留意されたい。限度Bは、最大ブレーキ摩擦であり得るが、典型的には、SUSに与えられる負荷を減らすためにより低い値に下げて調整される。イプシロン閾値は、ジョイント速度が小さいときはいつでも制動力をゼロに強制し、それによって、ジョイントが、シミーFARモードに固定することを防ぐ。
ある態様では、ブレーキ力の適用を決定するのに適用されるロジックが、最大ブレーキ値までの連続スペクトルに沿った選択的な制動又は可変制動を適用し得る。可変制動を適用することは、ジョイントブレーキが、受動セットアップジョイントのより制御された運動を達成することを可能にする。例えば、ブレーキ力対セットアップジョイントのジョイント状態を描く図14Dのグラフに示されるように、受動セットアップジョイントに誘起されたトルクが支持配向プラットホームの前後シミーの間に方向を変えるにつれて、可変ブレーキ力は、受動ジョイントが動いているとき、受動ジョイントが、実質的に一定速度で動くことを可能にする。加えて、ロジックは、例えば、基準状態に向かって動き且つセットアップジョイントが基準状態に十分近い(例えば、閾値変位内にある)ときセットアップジョイントの一定の減速度を提供するように等、様々な他の制御運動を達成するために可変ブレーキ力を適用し得る。ある実施形態では、図14Dに示されるように、定速制御機能は、セットアップジョイント変位が変位閾値を上回るとき「シミーFARモード」で使用され、定減速度制御機能は、基準からのセットアップジョイントの変位が閾値内にあるとき、使用される。
図14Dは、本発明の態様による例におけるシミーNEARモードの段階を示す。破線でプロットされている正弦波誤差は、目標位置に対するブレーキを掛けられていない軌道である。ポイント1及び2において、接線は、将来にわたっていずれのポイントにおいてもx軸と交差しないので、一定の減速度プロフィールがない。ポイント3において、目標に収束するための一定の減速度が所望のものより小さく、制御可能なブレーキ力レベル未満である、ポイント4において、収束するための一定減速度が、ソフトウェアにおいて調整可能な所望の値に一致し、ブレーキ適用が始まる。ブレーキは、その後、目標で停止するように調節される−これは特に、コントローラがブレーキを調整するとき、ゼロにおけるその頂点及びこの軌道より上及び下の変位を持つ滑らかな放物線軌道を提供する。この図におけるコントローラによるこの決定は、快適な減速度での停止を可能にするポイントにおいて制動すること及び所望の位置で停止するためにブレーキを調整することを提供する。
他の変形形態は本発明の精神の中にある。したがって、本発明は、様々な変更形態及び代替構造が可能であるが、幾つかの説明された実施形態は図面に示されるとともに詳細に記載されている。しかし、本発明を開示された特定の形態又は複数の形態に限定する意図はなく、それどころか、全ての修正、代替構造、及び添付の特許請求の範囲に定められるように、本発明の精神及び範囲内に属する均等物をカバーすることを意図していることが理解されるべきである。
本発明を記載する文脈における(特に以下の請求項の範囲の文脈における)用語“a”、“an”、“the”(1つの、ある)、及び同様の指示対象の使用は、本願にそうでないことが示されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、単数形及び複数形の両方を包含するように解釈されるべきである。用語「有する、含む、備える(“comprising”、“having”、“including”、及び“containing”)」は、そうでないことが記載されない限りオープンエンドタームとして(すなわち、「含んでいるが限定されない」ことを意味する)解釈されるべきである。用語「接続される」は、たとえ何かが介在していても、部分的に又は完全に中に含まれる、取り付けられる、又は一緒に結合されるとして解釈されるべきである。本願における値の範囲の列挙は、本願にそうでないことが明記されない限り、範囲に入るそれぞれの独立した値を個別に参照する省略表現方法として機能することが単に意図され、それぞれの独立した値は、それが本願に個別に参照されるように、明細書に組み込まれる。本願に記載された全ての方法は、本願に明記されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、任意の適切な順番で実行され得る。任意の及び全ての例、又は本願に用いられる例示的な言語(例えば、「等」)の使用は、本発明の実施形態をより良く明らかにすることを単に意図し、特許請求の範囲に記載されない限り、本発明の範囲の限定をもたらさない。明細書の言語は、本発明の実施に必須であるような任意の請求項に記載されていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。
本発明を実施するために発明者に知られているベストモードを含む、本発明の好適な実施形態がここに記載されている。これらの好適な実施形態の変形形態は、前述の記載を読むことで当業者に明らかになり得る。発明者は、熟練した職人がこのような変形形態を適切に用いることを予期し、発明者は発明が、本願に具体的に記載されるものとは違う他の方法で実施されることを意図する。したがって、本発明は、全ての修正形態及び適用される法律によって許されるように添付された特許請求の範囲に記載された主題の均等物を含む。さらに、それらの全ての可能な変形形態の上述の構成要素の任意の組み合わせが、本願に明記されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、本発明によって包含される。
本願に引用された、出版物、特許出願、特許を含む全ての参考文献は、各参考文献が参照により組み込まれることが個々に且つ明確に示されるような、並びに且つ完全に本願に述べられているような、同じ程度まで、参照により本願に組み込まれる。

Claims (23)

  1. ロボット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のジョイントの前記基準状態に向かって動かすとき、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。
  2. 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。
  3. 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からなるグループから選択される設定を含む、
    請求項1又は2に記載の方法。
  4. 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乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 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少なくとも部分的に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乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 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のジョイントを減速させるために、選択的に前記制動を適用するステップを含む、
    請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  7. 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乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  8. 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乃至7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記基準状態は、ジョイント位置又はジョイント向きを含む、
    請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 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1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 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乃至10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記第1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感知された状態の組み合わせが前記受動運動によって前記第1のジョイントをその基準状態に動かすのに十分な推進力に対応するとき、前記第1のジョイントの解放がもたらされる、
    請求項1乃至11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記第1のジョイントの前記受動運動を容易にしながら、第2のジョイントが第2の基準状態にある間に前記第2のジョイントの第2のジョイントブレーキを部分的に適用するステップをさらに含み、前記第2のジョイントは、前記プラットホームリンク機構によって支持される第2のロボットアームの一部であり、前記第2の基準状態は、前記第2のロボットアームの所望の設定に対応する、
    請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法。
  14. ロボット手術のためのシステムであって:
    第1のジョイントブレーキの選択的な適用によって受動第1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プラットホーム;
    前記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又はモーメントを与える;
    前記第1の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のジョイントの第1の基準状態から離れる方に動かすときに、妨げ、前記第1の基準状態は前記第1のロボットアームの所望の設定に対応する;並びに
    前記力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第1の基準状態に向かって動かすとき、前記第1のジョイントブレーキを少なくとも部分的に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。
  15. 前記プロセッサに動作可能に結合される第2のジョイントブレーキの選択的な適用によって受動第2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第2の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第2の力又はモーメントを与えるように、前記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:
    前記第2のジョイントブレーキを適用することによって前記第2のロボットアームの前記第2のジョイントの受動運動を、前記第2の力又はモーメントに応じた前記第2のジョイントの前記受動運動が前記第2のジョイントの第2の基準状態から離れる方に前記第2の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の力又はモーメントに応じた前記第2のジョイントの前記受動運動が前記第2のジョイントを前記第2の基準状態に向かって動かすとき、前記第2のジョイントブレーキを少なくとも部分的に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2の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14に記載のシステム。
  16. 前記第1のロボットアームは複数のセットアップジョイントを有し、それぞれの前記セットアップジョイントは、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構成され、前記それぞれのセットアップジョイントはそれぞれの基準状態を有し、
    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:
    前記それぞれの基準状態から変位される前記複数のセットアップジョイントのそれぞれのセットアップジョイントに関して、前記それぞれの基準状態から離れる前記受動運動を妨げることと前記それぞれの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を加速するように、構成される、
    請求項14又は15に記載のシステム。
  17. 前記1又は複数のモードは:
    前記第1及び前記第2の基準状態が、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、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;
    からなるモードのグループから選択されるモードを含む、
    請求項15に記載のシステム。
  18. 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:
    前記第1のジョイントを基準速度に加速するよう選択的に制動を解放するように;並びに
    前記基準速度を維持するよう又は前記第1のジョイントを減速するよう選択的に前記制動を適用するように;
    構成される、
    請求項14乃至17のいずれか1項に記載のシステム。
  19. 前記プラットホームは、前記プラットホームの加速運動中、実質的に水平に動く、
    請求項14乃至18のいずれか1項に記載のシステム。
  20. 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み、前記第1のジョイント軸は垂直に延びる、
    請求項14乃至19のいずれか1項に記載のシステム。
  21. 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み、前記第1のジョイント軸は、前記プラットホームを加速する前記1又は複数の被駆動ジョイントの軸と平行である、
    請求項14乃至19のいずれか1項に記載のシステム。
  22. 前記プロセッサに動作可能に結合される第2のジョイントブレーキの選択的な適用によって受動第2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第2の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第2の力又はモーメントを与えるように、前記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:
    前記第1のジョイントの前記受動運動を容易にする間に、第2の基準状態において前記第2のジョイントに前記第2のジョイントブレーキを部分的に適用するように構成され、前記第2の基準状態は、前記第2のロボットアームの所望の設定に対応する、
    請求項14に記載のシステム。
  23. 前記1又は複数のモードは、ファーモード及びニアモードを含み、前記プロセッサはさらに:
    前記ファーモードの間に前記プラットホームにファーモード運動又は加速を適用するように;並びに
    前記ニアモードの間に前記プラットホームにニアモード運動又は加速を適用するように;
    構成され、
    前記ファーモード運動又は加速は、前記ニアモード運動又は加速より大きい、
    請求項14乃至22のいずれか1項に記載のシステム。
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