JP7047091B2 - ロボットアーム用のアクティブバック駆動 - Google Patents
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Description
一般に、図1Aに示されるように、ロボットシステム150は、外科用プラットフォーム(例えば、台、ベッド、カートなど)に配置された1つ又は2つ以上のロボットアーム160を含んでもよく、エンドエフェクタ又は外科用ツールが、外科的処置を行うためにロボットアーム160の遠位端に取り付けられている。例えば、ロボットシステム150は、図1Bの例示的な概略図に示されるように、外科用プラットフォームに連結された少なくとも1つのロボットアーム160、及びロボットアーム160の遠位端に概ね取り付けられた器具ドライバ170を含んでもよい。器具ドライバ170の端部に連結されたカニューレ180は、外科用器具190(例えば、エンドエフェクタ、カメラなど)を受容及びガイドすることができる。更に、ロボットアーム160は、外科用器具190を作動させる器具ドライバ170を位置決め及び配向するように作動される複数のリンクを含んでもよい。滅菌ドレープ152又は他の滅菌バリアは、非滅菌構成要素(例えば、ロボットアーム160及び器具ドライバ170)と滅菌構成要素(例えば、カニューレ180)との間に挿入されて、(例えば、非滅菌構成要素からの汚染から保護するために)患者のための滅菌野を維持するのを助けることができる。
一般に、上記のように、ロボット外科用システム内の1つ又は2つ以上のロボットアームは、台、ベッド、カートなどの外科用プラットフォームに配置されてもよい。例えば、図2Aに示すように、ロボットアーム200の1つの例示的な変形形態は、連結構成260を介して台250に連結されてもよい。連結構成260は、ロボットアーム200が、台250の表面に対して(図2Aの配向に示されるように、ページの内外)に回動するか、又は横方向に移動することを可能にし得る。連結構成260は、例えば、回動関節又はピン関節を形成するように、台250に連結されたピン252と、ピン252に回転可能に連結された連結リンクL0とを含んでもよい。連結構成260は、ピン252の周りの作動可能な関節を介して台250に対するロボットアーム200の動力運動を可能にするように構成されたアクチュエータ(例えば、モータ及び歯車列)を更に含んでもよい。連結構成260は、連結構成260内のアクチュエータに連結されたエンコーダ、又は台250に対するロボットアーム200の位置又は配向を測定するように構成された別の好適な角度センサなどの、少なくとも1つの位置センサを含んでもよい。更に、いくつかの変形形態では、1つ又は2つ以上のブレーキが、台250に対するロボットアーム200の相対運動を選択的に阻止するように連結構成260に含まれてもよい。
いくつかの変形形態では、ロボットアームは、ロボットアームの動作を支配する制御システムによって概ね制御されてもよい。制御システムは、ロボット支援外科用システムが2つ以上のロボットアームを含む場合、複数のロボットアームを制御することができる。例えば、図2Bに示すように、制御システムは、1つ又は2つ以上のプロセッサ220(例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、及び/又は他の論理回路)を含んでもよい。ロボットアーム自体上に配置され得るプロセッサ220は、カート搬送ユニット又は他の好適な構造において、コンソール210(例えば、ユーザーインターフェース)に通信可能に連結されてもよい。プロセッサ220は、本方法の態様の任意の組み合わせ、及び/又は本明細書に説明される方法の組み合わせを実施するための命令を実行するように構成されてもよい。制御システムは、1組の1つ又は2つ以上のモータコントローラ(例えば、230a~230g)を更に含んでもよく、これらはそれぞれ、プロセッサ220に通信可能に連結され、ロボットアーム内のそれぞれの関節モジュール(例えば、240a~240g)内の少なくとも1つのアクチュエータを制御及び動作させる専用である。
重力補償制御モードでは、制御システムは、ロボットアームが、重力によって下方に漂うことなく、ロボットアーム自体を特定の姿勢で保持するように、ロボットアーム内の1つ又は2つ以上のアクチュエータに命令する。重力補償モードでは、制御システムは、ロボットアーム内のリンクの少なくとも一部分に作用する重力を(例えば、重力補償モデル342に基づいて)決定する。これに応答して、制御システムは、決定された重力を相殺するために少なくとも1つの関節モジュールを作動させ、これにより、ロボットアームは、現在の姿勢を維持することができる。重力を決定するために、例えば、制御システムは、隣接するリンク間の測定された関節角度、ロボットアーム及び器具ドライバの既知の運動学的特性及び/若しくは動力学的特性、並びに/又はアクチュエータの既知の特性(例えば、歯車比、モータトルク定数)、関節上の検出された力(複数可)などに基づいて、計算を実施してもよい。更に、ロボットアームは、アーム上の印加された重力の方向を決定するように構成された少なくとも1つの加速度計又は他の好適なセンサ(複数可)を含んでもよい。
図4は、別の物体と接触する移動物体の相対速度Vの関数として摩擦力Fを説明する例示的な摩擦モデルを例示する。より具体的には、図4は、ストライベック(Stribeck)効果を用いる、クーロン摩擦及び線形粘性摩擦を含む摩擦モデルを示す。いくつかの状況では、速度がゼロであるとき、開始時の静止摩擦力Fmは、相対運動が始まった直後に生じる摩擦力よりも高い。摺動が開始した後、かつ速度Vが特定の速度レジーム内にある間、摩擦は、ストライベック効果と呼ばれる速度を増加させて減少する。ストライベック効果を説明する曲線の最小値に対応するクーロン摩擦力Fcは、2つの物体の接触部分間のせん断抵抗から生じる。移動物体の相対速度がストライベック曲線の最小値から増加するにつれて、粘性摩擦力は、速度Vに対して概ね線形である。摩擦モデルの正領域(第1の方向の速度に対応する)及び負領域(第1の方向とは反対の第2の方向の速度に対応する)の両方が、図4の概略図に示されている。1つの構成要素を、その移動構成要素と接触している別の構成要素に対して移動させるために、外部力が、図4の概略図に要約されるような摩擦力を概ね超えるように、外部力をその移動構成要素に印加されなければならない。
Claims (12)
- 少なくとも1つの可動関節を有するロボット外科用アームの運動を支援するための方法であって、
第1の周波数を有し、かつ第2の周波数を有する第2の振動波形によって変調される第1の振動波形を含む第1の信号を生成することであって、前記第2の周波数が前記第1の周波数よりも高い、第1の振動波形を含む第1の信号を生成することと、
前記少なくとも1つの可動関節における摩擦を少なくとも部分的に補償するために、前記第1の信号に基づいて前記少なくとも1つの可動関節内のアクチュエータを駆動することと、
前記少なくとも1つの可動関節の運動を検出することと、前記少なくとも1つの可動関節の運動を検出することに応答して、前記第1の信号とは異なる第2の信号に基づいて前記少なくとも1つの可動関節内の前記アクチュエータを駆動することと、を含み、
前記第2の信号が、動的摩擦モデルに基づく、すなわち、前記第2の信号の振幅が、前記少なくとも1つの可動関節の速度に線形的に比例する、
方法。 - 前記第1の振動波形が、正弦波である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の周波数が、約1Hz~約5Hzである、請求項2に記載の方法。
- 前記第2の振動波形が、正弦波である、請求項2に記載の方法。
- 前記第2の周波数が、約200Hz以下である、請求項4に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの可動関節に作用する重力を少なくとも部分的に補償するように、前記少なくとも1つの可動関節内の前記アクチュエータを駆動することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- ロボット外科用システムであって、
少なくとも1つの可動関節、及び前記少なくとも1つの可動関節を駆動するように構成されたアクチュエータを備える、少なくとも1つのロボットアームと、
第1の信号を生成するように構成されたコントローラであって、前記第1の信号は、第1の周波数を有し、かつ第2の周波数を有する第2の振動波形によって変調される第1の振動波形を含み、前記第2の周波数が前記第1の周波数よりも高い、コントローラと、を備え、
前記アクチュエータは、前記少なくとも1つの可動関節における摩擦を少なくとも部分的に補償するために、前記変調信号に基づいて前記少なくとも1つの可動関節を駆動するように構成されており、
前記アクチュエータが、前記少なくとも1つの可動関節の運動の検出に応答して、前記第1の信号とは異なる第2の信号に基づいて前記少なくとも1つの可動関節を駆動するように構成されており、
前記第2の信号が、動的摩擦モデルに基づく、すなわち、前記第2の信号の振幅が、前記少なくとも1つの可動関節の速度に線形的に比例する、
ロボット外科用システム。 - 前記第1の振動波形及び前記第2の振動波形のうちの少なくとも1つが、正弦波である、請求項7に記載のシステム。
- 前記第1の周波数が、約1Hz~約5Hzである、請求項8に記載のシステム。
- 前記第2の周波数が、約200Hz以下である、請求項8に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのロボットアームが、前記少なくとも1つの可動関節の運動を検出するように構成された少なくとも1つのセンサを備える、請求項7に記載のシステム。
- 前記アクチュエータが、前記少なくとも1つの可動関節に作用する重力を少なくとも部分的に補償するように、前記少なくとも1つの可動関節を駆動するように構成されている、請求項7に記載のシステム。
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