JP6787623B2 - 非常に器用なシステムのユーザインタフェース - Google Patents
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Description
本願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、本明細書の一部として考慮されるべきである、2015年2月24日に出願された米国仮出願第62/120,128号の米国特許法第119条(e)に基づく優先権及び利益を主張する。
外科手術におけるロボットの使用は、ますます一般的になってきている。かかるロボットシステムでは、典型的に、外科医等の操作者が、マスタ制御と呼ばれる制御を操作する。マスタ制御の動作は、次に、1つ以上の外科手術用ツールまたは器具を制御するために使用され得るスレーブシステム上に再現される。したがって、外科医は、マスタ制御を操作することによって患者に対して外科手術を行う場合があり、スレーブ制御で外科手術用ツールによって実行される対応する動作を生じ得る。
一定の実施形態及び例が下に記載されているが、さらなる主題事項は、他の代替的な実施形態及び/または使用に対して、かつその変形例及び等価物に対して明示的に開示されている実施形態を超えて拡大解釈される。したがって、本開示の範囲は、下に記載されている特定の実施形態のいずれかに限定されない。例えば、本明細書に開示されている任意の方法またはプロセスでは、方法またはプロセスの行動または操作は、任意の好適な順序で実行され得、任意の特定の開示された順序に必ずしも限定されない。様々な操作が、一定の実施形態の理解に役立ち得る方法で、複数の個別の操作として順に記載され得るが、説明の順序は、これらの操作が順序依存型であることを暗に示していると解釈されるべきでない。さらに、本明細書に記載されている構造、システム、及び/または装置は、一体化された構成要素または別個の構成要素として具現化され得る。様々な実施形態を比較する目的で、これらの実施形態の一定の態様及び利点が記載されている。全てのかかる態様または利点は、必ずしも任意の特定の実施形態により達成されるものでない。したがって、例えば、様々な実施形態が、本明細書でまた教示され、または提案され得るような他の態様または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような一利点または利点の集合を達成し、または最適化する方法で、実行される場合がある。
図1は、いくつかの実施形態に従った、非常に器用なシステム10を示している。図に示されているように、外科医等の操作者20は、ロボット制御されたツール40により患者30上で操作する。ロボット制御されたツールは、非接地型ユーザインタフェース装置(UID)50によって制御される。いくつかの実施形態では、ロボットツール40は、受動アーム75を介して手術台へと連結されるモータ駆動型接合アーム70によって保持される。いくつかの実施形態では、アームは受動的であり、他の実施形態では、アームは能動的である。例えば、モータ駆動型接合アーム70は、能動アームを介して手術台へと連結され得る。
図2は、いくつかの実施形態に従った、それらが関連し得るシステム10のセンサに対する座標枠を示している。図3は、いくつかの実施形態に従った、それらの間の変換を説明するために使用され得る方法で、図2に示されている座標枠を示している。これらの実施形態において機能する変換の数学に対して、これらの座標枠の全ての位置及び配向が、システム10と関連する制御システムに対するある方法で生成され、計算され、知られ、または入力されるべきである。
図4は、いくつかの実施形態に従った、UIDの回転がロボットツールに伝達される方法を示している。より容易に特定されるように、ロボットツールはまたロボットカメラを一般的に含むが、座標変換の目的のために、カメラ及びカメラと関連する座標枠が、個々に特定され得る。例えば、図4の200に示されているように、UID座標枠140及び目の座標枠160は、同じ原点で示されている。矢印240は、非接地型UID50がロール、ピッチ、及びヨー構成要素を有する回転運動を経験したことを図示している。操作者は、この運動を自身の座標系(自身が非常に上手くこの運動を生じているため)である目の座標枠160で最終的に理解しなければならない。したがって、UID座標枠内の運動は、目の座標枠へと変換される。矢印215は、この変換を示している。UID座標枠から目の座標枠へと回転を変換するために、2つの変換が生じ得る。第1の変換は、UID座標枠からUID基部の座標枠へと回転を変換することである。第2の変換は、UID基部の座標枠から目の座標枠へと回転を変換することである。
非接地型UID50及びロボットツール40が位置ずれしている場合、または
いくつかの実施形態では、ロボットツールの配向は、最初の配向と関連する配向が変化した数量を知ることによって計算され得る。最初の配向は、様々な方法で測定され得る。例えば、「絶対制御方式」と呼ばれる方法では、ユーザがシステム10と関連するドライブ(「クラッチ」とも称され得る)に係合するときに最初の配向が確定される。基準に対して、ドライブへの係合は、非接地型UIDの運動がロボットツール動作へと変換される必要があるとシステム10に通知する。さらに係合解除された状態では、ロボットツールは、安定して保持され、非接地型UIDの運動によって影響をうけない。
オイラー角は、回転行列が生成され得る3つの角度から設定されている。これらの3つ角度は、結果として生じる座標枠を取得するために最初の座標枠が回転され得る方法を通知する。オイラー角は、任意の回転が3つのみのパラメータ(オイラー角と呼ばれる)によって記載され得ると述べている、オイラーの回転の定理から得られる。詳細な説明は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部と見なされるべきである、Craig,John J.,Introduction to Robotics:Mechanics and Control,1989に見られ得る。しかしながら、本開示の目的に対して、回転行列は、オイラー角によって特徴付けられることができる。この簡単な説明に基づいて、いくつかの実施形態に従った、下に記載されているように使用される2つの関数が定義されている。
3つのオイラー角のヨー、ピッチ、及びロールを出力する。関数gEulerYPRは、その入力として3つのオイラー角のヨー、ピッチ、及びロールをとり、かつ回転行列Rを出力する。この簡単な説明から、オイラー角及び回転行列が同義的な数学的定義であり、結果として、座標枠の同じ回転を生じると述べられ得る。
より容易に論じられる場合、非接地型UID50(マスタ制御)及びツールが整列していない場合であっても、把持具等のロボットツール(スレーブ)を操作することを可能にすることが、いくつかの実施形態では有益である。またより容易に述べられる場合、操作者は、非接地型UIDのロール運動が所望されない軸に沿った振れまたは回転へと変換される、図5に示されている効果に起因したマスタ及びスレーブのロール軸での位置ずれに最も敏感であり得る。
図8は、いくつかの実施形態に従った「ロールの投影」方法の適用を示している。本図では、グラフ500は、UIDがロール、ピッチ、及びヨー軸に沿ったUID座標枠140における運動を経験し得、これらの軸に沿った運動が曲線矢印515(ロール)、510(ピッチ)、及び520(ヨー)によって指定される。いくつかの実施形態では、UID運動(任意の並進運動は無視する)が、少なくとも2つの別個であるが平行している工程において把持具の座標枠へと変換され得る。
いくつかの実施形態では、非接地型UIDの運動が、システム10に対して内部的に分離された方法で処理され得る。ロボットツールの最終的な出力を演算する際に、各DOFにおける入力運動は、別様に分析され、かつ処理され得る。例えば、いくつかの入力運動に、他の入力運動を超える優先順位が与えられる場合があり、優先度のシステムは、最終的な出力運動を演算するために適用され得る。言い換えれば、操作者がシステム10の内部の複雑な方法で非接地型UIDを動かしている間、これらの運動は分離され、いくつかの確定された基準に従って別様に操作され得る。
図10は、いくつかの実施形態に従った、異方性の拡大縮小の一例を示している。いくつかの実施形態では、運動は、様々な条件に応じて別様に拡大縮小され得る。例えば、図10は、非接地型UID50を保持している操作者20のヒトの手810を示している。曲線矢印850は、手首の運動に起因した手の運動の快適な範囲を示している。破線で描かれている曲線矢印860及び870は、手首が延びているが緊張している領域を図示している。操作者は、これらの領域にアクセスしようとするときに不快さを感じ得る。図示されている実施形態では、非接地型UIDから軸方向に延在している円錐体820は、曲線矢印850に沿って手首を動かしている間にアクセスされ得る領域を表しており、破線によって図示されている円錐体830及び840は、曲線矢印860及び870に沿って手首を動かすことによってアクセスされ得る領域を表している。いくつかの実施形態では、システム10の操作をより容易にするために、UIDの運動は、操作者の手首が曲線矢印850に沿って、または860または870に沿って配置されているかどうかに応じて、それがロボットツールの運動へと変換されるときに、別様に拡大縮小され得る。
いくつかの実施形態では、異方性の拡大縮小に対する一般式(式26)は、様々な方法で使用され得る。一例では、システム10の1つ以上の関節が操作のそれらの限度に近づき得るように操作者がUIDを駆動させるときに、式26における拡大縮小は、ユーザが関節の限度への到達を生じ得る領域へとさらに進むことが困難であると分かるように、システム10によって自動的に修正され得る。例えば、各関節は、操作のその限度と関連する関節の位置に少なくとも部分的に基づいて1つ以上の領域と関連し得、到達領域における拡大縮小は、異なる場合がある。いくつかの実施形態では、システム10は、関節または複数の関節がそれらの限度に到達することを防ぐ方向に、ユーザがその限度に近づいているUID及び結果として関節を動かすように促す方法で、他の軸における運動を拡大縮小し得る。
UID及びロボットツールが位置ずれしているときにUIDのロール運動を保存するための技術が上に記載されているが、いくつかの実施形態では、システム10は、位置ずれが一定の閾値内にあるときに、ロボットツールが非接地型UIDに従うことを可能にする。図11A及びBは、ロボットツールが、いくつかの実施形態に従った、位置ずれの量に基づいて非接地型UIDに従い得る例を示している。
いくつかの実施形態では、把持具の速度は、ロボットツールがドライバビリティ円錐体内にある限り、非接地型UIDとロボットツールとのベクトル誤差に応じて調節可能であり得る。速度は、ある確定された基準に基づいて調節され得る。例えば、ベクトル誤差が増加していると見られる場合、把持具は、把持具が非接地型UIDに追いつくように速度を上げられ得る。他方、誤差が減少していると見られる場合、把持具は、UIDが把持具に追いつくように、速度が下げられ得る。誤差は、いくつかの方法で計算され得る。例えば、いくつかの実施形態では、下に数学的に記載され得る理由で、UID座標枠のX軸と把持具の座標との間の角度が見つけられる。
同様に、
先に記載されているように、システム10は、操作者が1つまたは複数のロボットツールを制御するために使用し得る非接地型UIDを提供する。操作者が着座し、または立っている場合があるコンソールを提供し得る接地型UIDを有するシステムとは違い、システム10は、操作者が自由に動き回り、かつ患者に対する最適な位置に自身を位置付ける能力を提供する。接地型UIDでは、操作者は、自身を配向するためにコンソールを使用する。しかしながら、システム10がコンソールまたはユーザインタフェース台を提供し得るが、操作者がかかるコンソールまたは台に戻ることを必要とすることで、いくつかの実施形態本システムの利点が損なわれる。
ヒトが自身の手を動かすとき、動作は、脳によって複雑な方法で解釈される。いくつかの状況では、動作は、内側座標の座標系に対する基準により理解され得る。いくつかの事例では、動作は、他の座標枠に対して理解され得、例えば、動作は、その前腕に取り付けられた座標枠に対して理解され得る。
操作者の手の連結された運動を切り離すための方法についての上の実施形態が記載されていた。いくつかの実施形態では、切り離しは、追加の追跡装置の使用によって達成され得る。例えば、図17は、いくつかの実施形態に従った、操作者の手の連結された運動を切り離すための複数のセンサを有する非常に器用な外科手術システムを示している。
実施形態に従って、本明細書に記載されている非常に器用なシステムのユーザインタフェース及び他の方法ならびに技術は、1つ以上の特殊な用途のコンピューティングデバイスによって実行され得る。特殊な用途のコンピューティングデバイスは、本技術を実行するように配線され得、または1つ以上の特定用途向け集積回路(ASIC)または本技術を実行するように持続的にプログラムされた現場プログラム可能ゲートアレイ(FPGA)等のデジタル電子装置を含み得、もしくはファームウエア、メモリ、他の記憶装置、またはそれらの組み合わせでプログラムの指示に従った技術を実行するようにプログラムされた1つ以上の汎用ハードウエアプロセッサを含み得る。かかる特殊な用途のコンピューティングデバイスはまた、カスタム配線論理、ASIC、またはFPGAを、本技術を達成するためのカスタムプログラミングと組み合わせ得る。特殊な用途のコンピューティングデバイスは、デスクトップコンピュータシステム、サーバコンピュータシステム、ポータブルコンピュータシステム、手持ち装置、ネットワーキング装置、または本技術を実行するための配線及び/またはプログラム論理を組み込む他の装置または装置の組み合わせであり得る。
別段記載されない限り、または使用されている文脈内で別段理解されない限り、特に「できる」、「できるだろう」、「し得るだろう」、「し得る」等の条件言語は、一般に、他の実施形態が含まないが、一定の実施形態が一定の特徴、要素及び/または工程を含むことを伝えることを意図している。したがって、かかる条件言語は、一般に、特徴、要素及び/または工程が、1つ以上の実施形態に対して必要とされる任意の方法にあること、または1つ以上の実施形態が、ユーザの入力または指示により、またはこれらなしに、これらの特徴、要素及び/または工程が任意の特定の実施形態に含まれ、もしくはこれで実行されるかどうかを決定するための論理を必ずしも含むことを意図していない。
Claims (7)
- システムであって、
第1のロボットツールと、
第1の座標系を用いて前記第1のロボットツールを制御するように構成された、操作者によって使用されるための第1の非接地型ユーザインタフェース装置(UID)であって、前記第1のUIDに関連する前記制御は、
前記第1のUIDの第1のUID運動を特定すること、及び
前記第1のUIDの前記特定された第1のUID運動に基づいて前記第1のロボットツールの第1のロボットツール動作を実行することを含む、第1の非接地型ユーザインタフェース装置と、を備え、
前記第1のロボットツールの制御は、
第1の座標枠に対する前記第1のUIDの配向を第2の座標枠に対する前記第1のロボットツールの配向と比較することをさらに含み、
前記第1の座標枠に対する前記第1のUIDの前記配向が前記第2の座標枠に対する前記第1のロボットツールに対して一定の領域内にある場合に、前記第1のUIDが前記第1のロボットツールを制御し、
前記一定の領域は、前記第1のロボットツールの周りに円錐体を備え、前記円錐体は、前記第1のロボットツールの端に対応する頂点を備える、
システム。 - 第2のロボットツールと、前記第1の座標系とは独立した第2の座標系を用いて前記第2のロボットツールを制御するように構成された、前記操作者によって使用されるための第2の非接地型ユーザインタフェース装置(UID)と、をさらに備え、前記第2のUIDに関連する前記制御は、
前記第2のUIDの第2のUID運動を特定することと、
前記第2のUIDの前記特定された第2のUID運動に基づいて前記第2のロボットツールの第2のロボットツール動作を実行することと、を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記第1のロボットツールは、把持具、外科手術用ツール、またはカメラのうちの少なくとも1つを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1のUIDは、前記操作者の第1の手によって制御されるようにさらに構成され、前記第2のUIDは、前記操作者の第2の手によって制御されるようにさらに構成されている、請求項2に記載のシステム。
- 前記第1のツールの制御は、
操作者によってドライブが係合されたことを判定することと、
前記ドライブが係合されたことの判定に応答して、第1の手と関連する前記操作者の第1の前腕上のある位置を確定することと、をさらに含み、前記第1のUIDのUID運動が、前記第1の前腕上の前記位置に関連して測定される、請求項4に記載のシステム。 - 前記第2の座標枠は、前記第1のロボットツールと関連するカメラ枠に対応している、請求項3に記載のシステム。
- 前記第1のロボットツールは、複数の異なる領域と関連する複数の制御方式と関連し、前記第1のロボットツールを制御するために前記第1のUIDによって使用される前記複数の制御方式のうちの1つが、第2の座標枠に対する前記第1のロボットツールの配向と関連する第1の座標枠に対する前記第1のUIDの配向に基づいている、請求項1に記載のシステム。
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