JP6956081B2 - ロボットシステム及びロボットシステムをバックドライブする方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2015年11月11日に出願された米国仮特許出願第62/253,994号及び2015年11月16日に出願された米国仮特許出願第62/255,610号の利益を主張し、各々の内容は引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。
図3を参照すると、システム10はコントローラ40を備える。コントローラ40は、マニピュレータ14と通信し、マニピュレータ14を制御するための好適なソフトウェア及び/又はハードウェアを含む。一実施形態では、コントローラ40は、ポータブルカート19内に配置される。しかしながら、コントローラ40は、2つ以上の位置に配置されたサブコントローラを含む。コントローラ40は、ナビゲーションシステム等、本明細書には具体的に記載されていない他のシステムを制御し、それらと通信することができる。
このセクションに記載するロボットシステム10及び方法は、関節空間における加えられた外力を分解してマニピュレータ14に対する外力の位置を完全に捉えることによって、予測可能な関節運動をもたらすバックドライブ技法を提供することにより、上述した技法を改善する。システム10及び方法は、図6におけるブロック48においてこの改善されたバックドライブ法を実施する。本質的に、後述する方法は、外力がいかに計算されるかに関する改善を提供する。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項1:
手術器具と、
前記手術器具を支持し、複数の関節及び複数の関節アクチュエータを備えるマニピュレータと、
前記マニピュレータと通信し、仮想シミュレーションにおいて、仮想質量を有し、該仮想質量が前記関節のうちの少なくとも1つの周りの慣性を有する仮想剛体として前記手術器具を表すことにより、該手術器具の動力学をシミュレートするように構成されているコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、(1)前記少なくとも1つの関節に対して予測関節トルクを求め、(2)前記少なくとも1つの関節の前記予測関節トルクを実際の関節トルクと比較して関節トルク差を求め、(3)前記少なくとも1つの関節の周りの前記仮想質量の前記慣性を求め、(4)前記関節トルク差及び前記慣性を用いて前記少なくとも1つの関節の周りの角加速度を計算し、(5)該角加速度を前記仮想質量に投影して外力を求め、(6)前記仮想シミュレーションにおいて前記外力に応じて前記手術器具の動力学をシミュレートし、(7)前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を指令するように構成されている、ロボット手術システム。
請求項2:
前記コントローラは、前記関節の各々1つに対して個々に、(1)前記予測関節トルクを求め、(2)前記予測関節トルクを前記実際の関節トルクと比較し、(3)前記仮想質量の前記慣性を求め、(4)前記角加速度を計算するように更に構成されている、請求項1に記載のロボット手術システム。
請求項3:
前記コントローラは、前記複数の関節を組み合わせて使用することにより、(5)前記角加速度を前記仮想質量に投影し、(6)前記手術器具の動力学をシミュレートするように更に構成されている、請求項1に記載のロボット手術システム。
請求項4:
前記コントローラは、前記複数の関節の前記角加速度を結合して6自由度(6DOF)で前記仮想質量の加速度を取得することにより、(5)前記角加速度を前記仮想質量に投影して前記外力を求めるように更に構成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載のロボット手術システム。
請求項5:
前記コントローラは、前記関節の各々に対して指令関節角度を実際の関節角度と比較して該関節の各々に対する関節角度差を求めることにより、前記仮想質量の前記加速度を取得するように更に構成されている、請求項4に記載のロボット手術システム。
請求項6:
前記コントローラは、前記関節の各々に対して前記仮想質量の第1の運動を前記仮想質量の第2の運動と比較して該関節の各々に対する運動差を求めることにより、前記仮想質量の前記加速度を取得するように更に構成されている、請求項5に記載のロボット手術システム。
請求項7:
前記コントローラは、前記関節の各々に対する前記関節角度差と該関節の各々に対する前記運動差とをヤコビ行列において写像することにより、前記仮想質量の前記加速度を取得するように更に構成されている、請求項6に記載のロボット手術システム。
請求項8:
前記コントローラは、6DOFでの前記仮想質量の前記加速度を6DOFで前記仮想質量を定義する質量/慣性行列に入力して前記外力を求めることにより、(5)前記角加速度を前記仮想質量に投影して前記外力を求めるように更に構成されている、請求項4〜7のいずれか一項に記載のロボット手術システム。
請求項9:
前記手術器具に加えられた入力された力を検知する力−トルクセンサを更に備える、請求項1〜8のいずれか一項に記載のロボット手術システム。
請求項10:
前記コントローラは、前記仮想シミュレーションにおいて前記入力された力及び前記外力の両方に応じて前記手術器具の動力学を再度シミュレートし、前記入力された力及び前記外力の両方を考慮する前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を再度指令するように更に構成されている、請求項9に記載のロボット手術システム。
請求項11:
手術器具と、該手術器具を支持し、複数の関節及び複数の関節アクチュエータを備えるマニピュレータと、該マニピュレータと通信するコントローラとを備えるロボット手術システムを操作する方法であって、仮想シミュレーションが、前記関節のうちの少なくとも1つの周りの慣性を有する仮想質量を有する仮想剛体として前記手術器具を表し、該方法は、前記コントローラが、
前記少なくとも1つの関節に対して予測関節トルクを求めるステップと、
前記少なくとも1つの関節の前記予測関節トルクを実際の関節トルクと比較して関節トルク差を求めるステップと、
前記少なくとも1つの関節の周りの前記仮想質量の前記慣性を求めるステップと、
前記関節トルク差及び前記慣性を用いて前記少なくとも1つの関節の周りの角加速度を計算するステップと、
前記角加速度を前記仮想質量に投影して外力を求めるステップと、
前記仮想シミュレーションにおいて前記外力に応じて前記手術器具の動力学をシミュレートするステップと、
前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を指令するステップと、
を行うことを含む、方法。
請求項12:
前記予測関節トルクを求めるステップ、該予測関節トルクを前記実際の関節トルクと比較するステップ、前記仮想質量の前記慣性を求めるステップ、及び前記角加速度を計算するステップは、各々、前記関節の各々1つに対して個々に実行される、請求項11に記載の方法。
請求項13:
前記角加速度を前記仮想質量に投影するステップ、及び前記手術器具の動力学をシミュレートするステップは、各々、前記複数の関節を組み合わせて使用することにより実行される、請求項11に記載の方法。
請求項14:
前記角加速度を前記仮想質量に投影して前記外力を求めるステップは、前記複数の関節の前記角加速度を結合して6自由度(6DOF)で前記仮想質量の加速度を取得するステップを更に含む、請求項11〜13のいずれか一項に記載の方法。
請求項15:
前記仮想質量の前記加速度を取得するステップは、前記関節の各々に対して指令関節角度を実際の関節角度と比較して該関節の各々に対する関節角度差を求めるステップを更に含む、請求項14に記載の方法。
請求項16:
前記仮想質量の前記加速度を取得するステップは、前記関節の各々に対して前記仮想質量の第1の運動を前記仮想質量の第2の運動と比較して該関節の各々に対する運動差を求めるステップを更に含む、請求項15に記載の方法。
請求項17:
前記仮想質量の前記加速度を取得するステップは、前記関節の各々に対する前記関節角度差と該関節の各々に対する前記運動差とをヤコビ行列において写像するステップを更に含む、請求項16に記載の方法。
請求項18:
前記角加速度を前記仮想質量に投影して前記外力を求めるステップは、6DOFでの前記仮想質量の前記加速度を6DOFで前記仮想質量を定義する質量/慣性行列に入力して前記外力を求めるステップを更に含む、請求項14〜17のいずれか一項に記載の方法。
請求項19:
力−トルクセンサから、前記手術器具に加えられた入力された力を検知するステップを更に含む、請求項11〜18のいずれか一項に記載の方法。
請求項20:
前記コントローラにより、前記仮想シミュレーションにおいて前記入力された力及び前記外力の両方に応じて前記手術器具の動力学を再度シミュレートするステップと、前記入力された力及び前記外力の両方を考慮する前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を再度指令するステップとを更に含む、請求項19に記載の方法。
請求項21:
器具と、該器具を支持し、複数の関節及び複数の関節アクチュエータを備えるマニピュレータと、該マニピュレータと通信するコントローラとを備えるロボットシステムをバックドライブする方法であって、仮想シミュレーションが、前記関節の各々の周りの慣性を有する仮想質量を有する仮想剛体として前記器具を表し、該方法は、前記コントローラが、
各関節に対して個々に、予測関節トルクを求めるステップと、
各関節に対して個々に前記予測関節トルクを実際の関節トルクと比較して関節トルク差を求めるステップと、
各関節の周りの前記仮想質量の前記慣性を個々に求めるステップと、
前記関節トルク差及び前記慣性を用いて各関節の周りの角加速度を個々に計算するステップと、
前記複数の関節の前記角加速度を組み合わせて使用して、2自由度以上で前記仮想質量の加速度を取得するステップと、
2自由度以上で前記角加速度を前記仮想質量に投影して外力を求めるステップと、
前記仮想シミュレーションにおいて前記外力に応じて前記器具の動力学をシミュレートするステップと、
前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を指令するステップと、
を行うことを含む、方法。
Claims (15)
- 器具と、
前記器具を支持し、複数の関節及び複数の関節アクチュエータを備えるマニピュレータと、
前記マニピュレータと通信し、仮想シミュレーションにおいて、仮想質量を有し、該仮想質量が前記関節のうちの少なくとも1つの周りの慣性を有する仮想剛体として前記器具を表すことにより、該器具の動力学をシミュレートするように構成されているコントローラと
を備え、前記コントローラは、
前記少なくとも1つの関節に対して予測関節トルクを求め、
前記少なくとも1つの関節の前記予測関節トルクを実際の関節トルクと比較して関節トルク差を求め、
前記少なくとも1つの関節の周りの前記仮想質量の前記慣性を求め、
前記関節トルク差及び前記慣性を用いて前記少なくとも1つの関節の周りの角加速度を計算し、
前記複数の関節の前記角加速度を結合して6自由度(6DOF)で前記仮想質量の加速度を取得することにより、該角加速度を前記仮想質量に投影して外力を求め、
前記仮想シミュレーションにおいて前記外力に応じて前記器具の動力学をシミュレートし、
前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を指令するように構成されている、ロボットシステム。 - 前記コントローラは、前記関節の各々に対して、前記予測関節トルクを求め、前記予測関節トルクを前記実際の関節トルクと比較し、前記仮想質量の前記慣性を求め、前記角加速度を計算するように更に構成されている、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記コントローラは、前記複数の関節を組み合わせて使用することにより、前記器具の動力学をシミュレートするように更に構成されている、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記コントローラは、
前記関節の各々に対して指令関節角度を実際の関節角度と比較して該関節の各々に対する関節角度差を求め、
前記関節の各々に対して前記仮想質量の第1の運動を、該第1の運動と異なる前記仮想質量の第2の運動と比較して該関節の各々に対する運動差を求め、
前記関節の各々に対する前記関節角度差と該関節の各々に対する前記運動差とをヤコビ行列において写像することにより、前記仮想質量の前記加速度を取得するように更に構成されている、請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記コントローラは、6DOFでの前記仮想質量の前記加速度を6DOFで前記仮想質量を定義する質量/慣性行列に入力することにより、前記角加速度を前記仮想質量に投影して前記外力を求めるように更に構成されている請求項1又は4に記載のロボットシステム。
- 前記器具に入力された力を検知する力−トルクセンサを更に備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載のロボットシステム。
- 前記コントローラは、前記仮想シミュレーションにおいて前記入力された力及び前記外力の両方に応じて前記器具の動力学を再度シミュレートし、前記入力された力及び前記外力の両方を考慮する前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を再度指令するように更に構成されている、請求項6に記載のロボットシステム。
- 器具と、該器具を支持し、複数の関節及び複数の関節アクチュエータを備えるマニピュレータと、該マニピュレータと通信するコントローラとを備えるロボットシステムを操作する方法であって、仮想シミュレーションが、前記関節のうちの少なくとも1つの周りの慣性を有する仮想質量を有する仮想剛体として前記器具を表し、該方法は、前記コントローラが、
前記少なくとも1つの関節に対して予測関節トルクを求めるステップと、
前記少なくとも1つの関節の前記予測関節トルクを実際の関節トルクと比較して関節トルク差を求めるステップと、
前記少なくとも1つの関節の周りの前記仮想質量の前記慣性を求めるステップと、
前記関節トルク差及び前記慣性を用いて前記少なくとも1つの関節の周りの角加速度を計算するステップと、
前記複数の関節の前記角加速度を結合して6自由度(6DOF)で前記仮想質量の加速度を取得することにより、前記角加速度を前記仮想質量に投影して外力を求めるステップと、
前記仮想シミュレーションにおいて前記外力に応じて前記器具の動力学をシミュレートするステップと、
前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を指令するステップと
を行うことを含む、方法。 - 前記予測関節トルクを求めるステップと、該予測関節トルクを前記実際の関節トルクと比較するステップと、前記仮想質量の前記慣性を求めるステップと、前記角加速度を計算するステップとは、各々、前記関節の各々に対して実行される、請求項8に記載の方法。
- 前記器具の動力学をシミュレートするステップは、前記複数の関節を組み合わせて使用することにより実行される、請求項8に記載の方法。
- 前記仮想質量の前記加速度を取得するステップは、
前記関節の各々に対して指令関節角度を実際の関節角度と比較して該関節の各々に対する関節角度差を求めるステップと、
前記関節の各々に対して前記仮想質量の第1の運動を、該第1の運動と異なる前記仮想質量の第2の運動と比較して該関節の各々に対する運動差を求めるステップと、
前記関節の各々に対する前記関節角度差と該関節の各々に対する前記運動差とをヤコビ行列において写像するステップと
を更に含む、請求項8に記載の方法。 - 前記角加速度を前記仮想質量に投影して前記外力を求めるステップは、6DOFでの前記仮想質量の前記加速度を6DOFで前記仮想質量を定義する質量/慣性行列に入力して前記外力を求めるステップを更に含む、請求項8又は11に記載の方法。
- 力−トルクセンサから、前記手術器具に入力された力を検知するステップを更に含む、請求項8〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コントローラにより、前記仮想シミュレーションにおいて前記入力された力及び前記外力の両方に応じて前記器具の動力学を再度シミュレートするステップと、前記入力された力及び前記外力の両方を考慮する前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を再度指令するステップとを更に含む、請求項13に記載の方法。
- 器具と、該器具を支持し、複数の関節及び複数の関節アクチュエータを備えるマニピュレータと、該マニピュレータと通信するコントローラとを備えるロボットシステムをバックドライブする方法であって、仮想シミュレーションが、前記関節の各々の周りの慣性を有する仮想質量を有する仮想剛体として前記器具を表し、該方法は、前記コントローラが、
各関節に対して個々に、予測関節トルクを求めるステップと、
各関節に対して個々に前記予測関節トルクを実際の関節トルクと比較して関節トルク差を求めるステップと、
各関節の周りの前記仮想質量の前記慣性を個々に求めるステップと、
前記関節トルク差及び前記慣性を用いて各関節の周りの角加速度を個々に計算するステップと、
前記複数の関節の前記角加速度を組み合わせて使用して、2自由度以上で前記仮想質量の加速度を取得するステップと、
2自由度以上で前記角加速度を前記仮想質量に投影して外力を求めるステップと、
前記仮想シミュレーションにおいて前記外力に応じて前記器具の動力学をシミュレートするステップと、
前記仮想シミュレーションに従って前記関節アクチュエータの動作を指令するステップと
を行うことを含む、方法。
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