JP6892967B2 - ロボット手首を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
図3A及び図3Bは、それぞれ、本技術の特徴に従う、隣接する装填されたツールを伴う場合及び伴わない場合の、例示的なツール駆動部を示す概略図である。図3A及び図3Bに示すように、一変形例では、ツール駆動部210は、長手方向軌道312を有する細長ベース(または「ステージ」)310と、長手方向軌道312に摺動可能に係合されるツールキャリッジ320と、を含み得る。ステージ310は、ロボットアームの遠位端に連結して、ロボットアームの関節が空間内においてツール駆動部210を位置決め及び/または方向付けるように構成され得る。更に、ツールキャリッジ320は、ツール220のツールベース352を受け入れるように構成され得て、ツールベース352は、当該ツールベース352からカニューレ214を通って延び、エンドエフェクタ222(図示せず)が遠位端に配置されたツールシャフト354を含み得る。
図4Bの角度と新たに定義された角度との間の変換は、以下の通りである。
a)r11は、ケーブル405A及び405Cがそれぞれ載っている外側プーリ425A及び425Cの半径である。
b)r12は、ケーブル405B及び405Dがそれぞれ載っている内側プーリ425B及び425Dの半径である(r11は、r12に等しくてもよいし、等しくなくてもよい)。
c)r21は、ケーブル405Aが載っている側のプーリ415Aの半径である(図4Aに示されるプーリ415A及び車軸412の中心に対して)。
d)r22は、ケーブル405Bが載っている側のプーリ415Aの半径である(図4Aに示されるプーリ415A及び車軸412の中心に対して)。
e)r31は、ケーブル405Cが載っている側のプーリ415Bの半径である。
f)r32は、ケーブル405Dが載っている側のプーリ415Bの半径である。
前記の例示的な対称設計では、r31=r21、r32=r22、r21≠r22(図4Aに示される)であるが、他の幾つかの設計では、r31=r21=r32=r22であって、r11=r12であり得る。
マトリックス(B)は、以下の形式を有する。
(ξ1,ξ2,ξ3,ξ4)は、それぞれ、ケーブル405A、405B、405C、及び405Dのケーブル張力に対応する。
ここで、(τ1)は、ピッチ関節トルクであり、(τ2)及び(τ3)は、それぞれ顎部401A、401Bの関節トルクである。
ここで、(q[4×1])は、ケーブル405A〜405Dの理想的な変位を含む4要素ベクトルであり、(θ[3×1])は、図4Bに示された角度のベクトルである。
ここで、keは、N/m単位でのケーブルの弾性定数である(全てのケーブルが類似していると仮定)。
以下に説明されるのは、ロボット手術器具の遠位のエンドエフェクタの角度位置と把持力とを制御する方法及びシステムである。エンドエフェクタは、ロボット手首及び一対の対向する部材(例えば、顎部または爪部)を含み得て、各々の部材は2つの相反(拮抗)ワイヤによって作動されて開位置と閉位置との間で移動可能である。合計4本のワイヤが、各々、図3及び図4に図示され対応する部分において説明されるように、独立したアクチュエータまたはモータによって駆動され得る。制御システムは、アクチュエータからの位置及び速度のフィードバック、並びに、4本のワイヤ上で測定された力のフィードバック、を含むフィードバックループを含み得て、所望の位置及び把持力をもたらし得る。幾つかの実装では、アクチュエータコントローラは、位置プラスフィードフォワード電流のモードを実行し得る。例えば、位置制御部が、位置フィードバックに基づいて遠位エンドエフェクタを空間内の所望の角度位置に駆動し得て、把持力制御部が、4本のワイヤ上のロードセルによって測定された把持力に基づいて追加のフィードフォワード電流を提供し得て、対向する部材間の所望の把持力を達成し得る。
3つの入力角のうち、所望のピッチ角(θpitch_d)801及び所望のヨー角(θyaw_d)802は、アクチュエータ指令生成部504に直接渡される。
所望の顎角(θjaw_d)803は、入力処理ユニット502に提供され、接触予測ユニット526によって推定され得る閾値(
)844と比較される。
で所望の角度を表すことにより、式(2)を用いて、当該ベクトルを関節空間の所望の角度θd[3×l]に変換可能である。
ここで、下付き文字「_d」は、対応する入力及び変換されたパラメータの所望の値を示す。把持力が望まれる場合、顎角の入力は、所望の把持力(Fgrip_d)804に変換され得て、把持力制御部508に送られ得る。
)841の推定に関して位置推定器522からのフィードバックを受容し得る。関節角度の一次推定値は、式(7)を使用して、アクチュエータ(モータ)の位置(x[4×1])831及びケーブル張力(ξ[4×1])833の測定値から見積もられ得る。
ここで、keは、N/m単位でのケーブルの弾性定数であり、ケーブル張力(ξ[4×1])833は、式(3)に定義されており、(x[4×1])831は、アクチュエータユニット510上の位置センサ測定値のベクトルである。
閉ループ制御方式では、アクチュエータ指令生成部504が、位置推定器522からの角度位置を監視し続け、所望の関節角が達成されるまでその位置指令(xcmd1)805を調整し続け得る。代替的に、アクチュエータ指令生成部504は、開ループ制御を実行し得て、式(5)に基づく逆運動学技術を利用して4つのモータの所望の変位を取得し得る。
ここで、B及びθd[3×1]は、それぞれ、式(4)及び式(10)に定義されている。ケーブルの弾性の影響を考慮して、4つのモータの所望の変位は、式(9)を使用して更に改善され得る。
ここで、第1成分(xcmd1)805は、前述のアクチュエータ指令生成部504によって生成され得て、第2成分(xcmd2)は、弛み制御部514によって提供され得る。
ここで、C(z)は、入力(ξmin)851から出力(us)852への制御部伝達関数であり、zはz変換パラメータである。更に、パラメータai及びbiは、実数であり、C(z)の分子及び分母の対応する多項式は、厳密に単位円の内側に根を有しており、z=+1においては根を有しない。パラメータm、n及びpは、制御部伝達関数C(z)が適切であることを保証するために、p>0、及び、m≦n+p、である整数である。
ここで、kps及びkisは、それぞれ、比例ゲイン及び積分ゲインである。
ここで、(c)853は、最小の張力を伴うケーブルに対応するその要素が単位(すなわち1)に等しくなるように、ヌルスペースベクトルをスケールする定数である。
)832のフィードバックに基づいて、電流指令(icmd1[4×l])を生成し得る。
好ましくは、位置制御部506は、前述のように、非ゼロ定常偏差コントローラで実装され得る。このようなコントローラは、個別のドメインで、次の形式を取り得る(状態空間(state−space)や非線形などの他の形式も可能である)。
ここで、C(z)は、入力(xcmd)806と出力(icmd1)811〜814との間の制御部伝達関数であり、zはz変換パラメータである。更に、パラメータai及びbiは、実数であり、C(z)の分子及び分母の対応する多項式は、厳密に単位円の内側に根を有しており、z=+1においては根を有しない。パラメータm及びnは、制御部伝達関数C(z)が適切であることを保証するために、m≦nである整数である。
ここで、(kp)及び(kd)は、制御部ゲインであり、(x[4×1])831は、式(12)で定義されたアクチュエータ位置の4タプルベクトルであり、(
)は、アクチュエータ速度の4タプルベクトルであり、これは、直接的な速度センサ測定値または位置の導関数からの推定値であり得る。
)843に基づいて、把持力制御部508によって生成され得る。
ここで、(τ2)及び(τ3)は、式(1)からの2つの顎要素の関節トルクである。式(3)からの関節トルクで置き換えて、式(4)を用いることで、次式を得ることができる。
式(21)は、ケーブル512A上のロードセルまたはトルクセンサを使用して、ケーブルの力が直接測定されることを前提としている。ケーブルの力の値は、高度な推定アルゴリズムと組み合わせて(例えば、カルマンフィルターを使用して)、(
)832などのモータ電流及びモータ状態を用いることで、間接的に推定されてもよい。
)843が得られると、把持力制御部508は、当該値を所望の把持力値(Fgrip_d)804と比較し、所望の把持力を達成するために、第2電流指令(icmd2)815を生成し得る。
把持力を制御する目的で、式(16a)に示されているものと同様のゼロ定常偏差タイプ(zero steady−state error type)のコントローラが採用され得る。この場合、C(z)は、入力(Fgrip_d)804と出力(icmd2)815との間の制御部伝達関数になる。C(z)のある特別な場合は、比例プラス積分(PI)コントローラを含み、これは、把持力を調整するために使用され得て、時間領域で次の形式を取り得る。
ここで、kps及びkisは、それぞれ、比例ゲイン及び積分ゲインである。
)821〜824が、その後、アクチュエータまたはモータ510に適用され得る。例えば、第2電流指令(icmd2)815は、顎部を閉じる2つのアクチュエータの電流指令に追加され得て、また、顎部を開ける2つのアクチュエータへの電流指令から減算され得る。実装に応じて、スケーリングベクトル(Ci[4×2])の各成分(ci)816〜819に、異なる値が選択され得る。次式は、4つのモータのための様々な例示的な電流指令設定を示している。これは、様々な性能に帰結し得る。
図8Bは、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための代替的な制御システム800Bを示す詳細なブロック図である。制御システム800Bでは、図8Aに示されるように電流指令に追加される及び減算されるべき追加の電流設定点(icmd2)を生成する代わりに、把持力制御部508は、2つの閉鎖ケーブル位置設定点に追加される及び2つの開放ケーブル位置設定点から減算されるべき(またはその逆の)、図8Bに示される(xcmd3)807などの追加の位置設定点を生成し得る。従って、位置制御部506への位置入力指令(xcmd)806は、3つの成分を含み得る:前述のアクチュエータ指令生成部504によって生成される第1成分(xcmd1)805、弛み制御部514によって提供される第2成分(xcmd2)、及び、把持力制御部508によって計算される第3成分(xcmd3)807。複合位置指令(xcmd)806が、アクチュエータユニット510を駆動する電流指令(icmd)を生成するために位置制御部506に提供される。
Claims (14)
- ロボット手術中にロボット手術ツールを制御する方法であって、
ロボット手術ツールの遠位エンドエフェクタであって、ロボット手首と、互いに対して回動するように前記ロボット手首に結合された2つの遠位エンドエフェクタ部材であって各遠位エンドエフェクタ部材は張力がかけられる時に力を与える一対の相反ケーブルを介してロボット的に操作される2つの遠位エンドエフェクタ部材と、を有する遠位エンドエフェクタの所望の状態のための入力を受信する工程と、
1または複数のプロセッサによって、前記所望の状態に基づいて、各対の相反ケーブルの変位を計算する工程と、
1または複数のプロセッサによって、前記計算された変位に基づいて、前記ロボット手首及び前記遠位エンドエフェクタ部材を駆動するための位置制御用の第1指令を生成する工程と、
1または複数のプロセッサによって、前記所望の状態が前記2つの遠位エンドエフェクタ部材間の所望の把持力を含むか否かを判別する工程と、
前記所望の状態が前記所望の把持力を含む時、1または複数のプロセッサによって、前記所望の把持力の判別に応じて、前記所望の把持力と前記2つの遠位エンドエフェクタ部材間の現在の把持力とに基づいて、前記一対の相反ケーブルの少なくとも1つに張力をかけるための把持力制御用の第2指令を生成する工程と、
1または複数のプロセッサによって、前記位置制御用の第1指令に、前記把持力制御用の第2指令を加えることによって、複合指令を生成する工程と、
1または複数のプロセッサによって、前記複合指令に基づいて前記所望の状態をもたらすべく前記遠位エンドエフェクタを駆動する工程と、
を備え、
前記2つの遠位エンドエフェクタ部材間の前記現在の把持力は、ロードセルまたはトルクセンサを用いての前記一対の相反ケーブルにおける現在の張力の測定に基づいて推定され、
前記複合指令は、前記遠位エンドエフェクタの様々な自由度のために同時の把持力制御及び位置制御を提供する
ことを特徴とする方法。 - 前記所望の状態は、前記ロボット手首の所望のピッチ角、前記遠位エンドエフェクタの所望のヨー角、及び、前記遠位エンドエフェクタの前記2つの対向する部材間の所望の顎角、のうちの少なくとも1つを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記所望の状態が前記所望の顎角を含む時、前記所望の状態が所望の把持力を含むか否かを判別する工程は、前記所望の顎角を閾値と比較する工程を含む
ことを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 前記閾値は、物体を把持する時、または、何らの物体をも把持せずに互いに接触する時、の前記遠位エンドエフェクタの前記2つの対向する部材間の接触顎角である
ことを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 前記接触顎角は、前記2つの対向する遠位エンドエフェクタ部材間の前記現在の把持力の前記推定と、現在の顎角度の推定と、に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 各対の相反ケーブルが、少なくとも1つのアクチュエータによって張力をかけられる
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記変位を計算する工程は、更に、
前記少なくとも1つのアクチュエータの現在の位置及び/または速度、並びに、各対の相反ケーブルにおける現在の張力、を測定する工程と、
前記ロボット手首のピッチ角、前記遠位エンドエフェクタのヨー角、前記遠位エンドエフェクタの前記2つの対向する部材間の顎角、及び、前記測定に基づく現在の把持力、の少なくとも1つの現在の状態を推定する工程と、
を有することを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 前記複合指令は、前記少なくとも1つのアクチュエータを駆動する
を更に備えたことを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 各対の相反ケーブルにおける張力をモニタリングする工程と、
各対の相反ケーブルにおいて所定の最小張力を維持してケーブルの弛みを防止する工程と、
を更に備えたことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 一対のアクチュエータと当該一対のアクチュエータによって張力がかけられる時に力を与える一対の相反ケーブルとによって各々が操作される2つの対向する顎部を有するエンドエフェクタ、を先端に有するロボット手術ツールと、
前記ロボット手術ツールに結合された1または複数のプロセッサを有する制御部と、
を備え、
前記プロセッサは、
入力モジュールから、前記エンドエフェクタの所望の状態をもたらす入力であって、前記エンドエフェクタのピッチ角及びヨー角並びに前記2つの顎部間の顎角を含む入力を受容し、
前記一対のアクチュエータの位置、及び、前記一対の相反ケーブルにおける張力、を測定し、
前記ピッチ角及び前記ヨー角に基づいて前記エンドエフェクタの所望の位置を決定し、並びに、前記顎角に基づいて前記2つの顎部間の所望の把持力を決定し、
前記所望の位置と前記測定された位置及び張力とに基づいて、前記一対のアクチュエータの各々のための第1駆動指令を生成し、
前記一対の相反ケーブルにおける前記測定された張力に基づいて、前記2つの対向する顎部間の現在の把持力を推定し、
前記所望の把持力と前記推定された現在の把持力との間の差に基づいて、前記一対のアクチュエータの各々のための第2駆動指令を生成し、
前記第1駆動指令及び前記第2駆動指令の和に基づく複合駆動指令を用いて、前記所望の位置及び前記所望の把持力をもたらすべく前記一対のアクチュエータを駆動する
ように構成されている
ことを特徴とする手術ロボットシステム。 - 2つの把持部材を有する手術ツールの遠位エンドエフェクタと、
前記遠位エンドエフェクタの前記2つの把持部材間の入力顎角を受容するための入力部と、
1または複数のプロセッサと、
を備えたロボット手術ツール制御システムであって、
各把持部材は、個々に張力がかけられる時に当該各把持部材の反対向きの回動をもたらす一対の相反ケーブルを介してロボット的に操作され、
前記1または複数のプロセッサは、
当該手術ツールを駆動するための位置制御用の第1指令を生成し、
前記受容された入力顎角が前記2つの把持部材間の所望の把持力を示すか否かを判別し、
前記所望の状態が前記所望の把持力を含む時、前記所望の把持力の判別に応じて、前記所望の把持力と推定される現在の把持力との間の差に基づいて、各把持部材のために前記一対の相反ケーブルの少なくとも1つに張力をかけるための把持力制御用の第2指令を生成し、
前記位置制御用の第1指令に、前記把持力制御用の第2指令を加えることによって、複合指令を生成し、
前記所望の把持力をもたらすべく前記生成された複合指令に基づいて前記一対の相反ケーブルの前記少なくとも1つに張力をかける
ように構成されており、
前記現在の把持力は、ロードセルまたはトルクセンサを用いての前記一対の相反ケーブルにおける現在の張力の測定に基づいて推定され、
前記生成された複合指令は、前記遠位エンドエフェクタの様々な自由度のために同時の把持力制御及び位置制御を提供する
ことを特徴とするシステム。 - 前記入力部は、前記入力顎角が閾値よりも小さい時に所望の把持力を示し、
前記閾値は、前記遠位エンドエフェクタが物体を把持している時の前記2つの把持部材間の接触顎角、または、前記遠位エンドエフェクタが物体を把持してない時の零度、である
ことを特徴とする請求項11に記載のシステム。 - 前記接触顎角は、前記2つの把持部材間の前記現在の把持力の前記推定と、現在の顎角度の推定と、に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項12に記載のシステム。 - 前記プロセッサは、更に、
前記受容された前記入力顎角が所望の顎角を示すことを判別することに応答して、前記遠位エンドエフェクタの各把持部材のための前記一対の相反ケーブルの変位を決定し、
前記決定された変位に基づいて前記所望の顎角をもたらすべく前記一対の相反ケーブルを介して前記遠位エンドエフェクタを駆動する
ことを特徴とする請求項11に記載のシステム。
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