JP7114709B2 - ロボットマニピュレータの位置決めのための制御モード及びプロセス - Google Patents
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Description
一般的に、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)に位置した1つ以上のロボットアーム160を備えてもよく、エンドエフェクタ又は外科用器具が、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機器駆動装置170を備えてもよい。機器駆動装置170の端部に連結されたカニューレ180は、外科用機器190(例えば、エンドエフェクタ、カメラなど)を受容及び誘導することができる。更に、ロボットアーム160は、外科用機器190を作動させる、機器駆動装置170を位置決め及び配向するように作動される複数の連結部を含んでもよい。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及び機器駆動装置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、非滅菌構成要素の汚染から保護するために)患者の滅菌野を維持するのに役立ち得る。
一般的に、上述のように、ロボット外科用システムの1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位置していてもよい。例えば、図2Aに示されるように、ロボットアーム200の1つの例示的な変形形態は、カップリング装置260を介して台250に連結されてもよい。カップリング装置260は、ロボットアーム200が、台250の表面に対して(図2Aの向きに示されるように、このページの内外に)旋回するか、又は横方向に移動することを可能にし得る。カップリング装置260は、例えば、旋回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カップリング連結部L0と、を含んでもよい。カップリング装置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の動力付き移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、モータ及びギヤトレーン)を更に含んでもよい。カップリング装置260は、カップリング装置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の位置又は向き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、台250に対するロボットアーム200の相対的移動を選択的に止めるように1つ以上のブレーキがカップリング装置260に含まれてもよい。
一般的に、ロボットアームを移動させるために誘導するための方法が本明細書に提供される。例えば、図3Aに示されるように、ロボット外科用システムのロボットアームを移動させるために誘導するための方法300は、ロボットアーム310の基準位置に基準面を画定することであって、ロボットアームは、複数の関節を含む、画定することと、ロボットアームを、基準面内に実質的に拘束された一連の所定の姿勢を経て誘導するために、複数の関節のうちの少なくとも1つを(例えば、1つ以上のアクチュエータを用いて)駆動すること320と、を含む。例えば、以下に記載されるように、ロボットアームは、複数の関節のうちの少なくとも1つを作業空間及び/又は関節空間内で駆動することによって誘導してもよい。いくつかの変形形態では、複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動すること320は、本明細書に更に記載されるように、ロボットアームの手動操作に応答して、ユーザがロボットアームを再位置決め又は再配置するのを支援することであり得る。
一般的に、いくつかの変形形態では、少なくともいくつかの状況において、ロボットアームは、作業空間仮想フィクスチャをロボットアームに生成及び適用することによって制御されてもよい。作業空間仮想フィクスチャは、例えば、(例えば、デカルト空間又は他の好適な空間座標内に画定された)三次元空間内の直線又は曲線、平面又は曲面、容積、又は他の構造体であってもよい。例えば、制御システムは、概して、ロボットアーム上の1つ以上の制御点(例えば、ロボットアーム上の任意の好適な仮想点)の動きを、仮想フィクスチャ上又はその内部の位置に制限してもよい。作業空間仮想フィクスチャは、所定のもの(例えば、メモリに記憶され、手術前及び/又は手術後プロセス中に使用するために受信される空間内の予め計算された又は予め定義された位置)であってもよい。例えば、特定の作業空間仮想フィクスチャは、多様な状況範囲に好適な一般的な仮想フィクスチャであってもよく、又は特定の手術タイプ、特定の患者タイプ、特定のユーザ(例えば、外科医の好みに基づいて)、患者台のタイプなどの特定の機器に関連付けられてもよい。いくつかの変形形態では、作業空間仮想フィクスチャは、手術前、手術中、及び/又は手術後プロセス中に使用するために、メモリに(例えば、ロボットアームの1つ以上の連結部の現在位置に対して)記憶されてもよい。
F=K*Δx+D*vx (1)
式中、F=デカルトの分力(3x1ベクトル)、K=ばね定数(3×3対角行列)、Δx=貫入深さ(3x1ベクトル)、D=減衰比(3×3対角行列)、及びvx=速度(3x1ベクトル)である。いくつかの変形形態では、仮想力Fは、仮想ばね力(ばね定数Kを有する構成要素)又は仮想減衰力(減衰比Dを有する構成要素)を省略してもよい。仮想力Fは、等式(2)に従ってロボットアームの関節Jにわたって抵抗関節トルクτを判定するために使用されてもよく、
τ=JT*[F,O]T (2)
式中、τ=抵抗関節トルク(n個の関節×1ベクトル)、F=力(3x1ベクトル)、及びO=ゼロ(3x1ベクトル)である。ロボットアームのそれぞれの関節モジュールを作動させることによって、各抵抗関節トルクがもたらされるか、又は課されてもよく、それにより、ロボットアームの関連する関節は、ロボットアームの少なくとも一部の面外移動の試みを妨害するように駆動される。等式(1)及び(2)における行列の次元は、デカルト力に対して構成されているが、他の変形形態では、行列は、力とトルクを他の種類の座標系(例えば、球形)で表すのに好適な任意の次元にすることができることを理解されたい。
一般的に、いくつかの変形形態では、少なくともいくつかの状況において、ロボットアームは、ロボットアームの1つ以上の関節にわたって関節単位レベルで適用される1つ以上の関節空間仮想フィクスチャを生成及び適用することによって制御されてもよい。上述の作業空間仮想フィクスチャと同様に、関節空間仮想フィクスチャは、例えば、(例えば、デカルト空間又は他の好適な空間座標内に画定された)三次元空間内の直線又は曲線、平面又は曲面、容積、又は他の構造体であってもよい。例えば、制御システムは、概して、ロボットアーム上の1つ以上の制御点(例えば、ロボットアーム上の任意の好適な仮想点)の動きを、仮想フィクスチャ上又はその内部の位置に制限してもよい。上述の作業空間仮想フィクスチャと同様に、関節空間仮想フィクスチャは、所定のもの(例えば、メモリに記憶され、手術前及び/又は手術後プロセス中に使用するために受信される空間内の予め計算された又は予め定義された位置)であってもよい。例えば、特定の関節空間仮想フィクスチャは、多様な状況範囲に好適な一般的な仮想フィクスチャであってもよく、又は特定の手術タイプ、特定の患者タイプ、特定のユーザ(例えば、外科医の好みに基づいて)、患者台のタイプなどの特定の機器に関連付けられてもよい。いくつかの変形形態では、関節空間仮想フィクスチャは、手術前、手術中、及び/又は手術後プロセス中に使用するために、メモリに(例えば、ロボットアームの1つ以上の連結部の現在位置に対して)記憶されてもよい。
τ=k*Δθ+d*vθ (3)
式中、τ=関節トルク、k=ばね定数、Δθ=貫入角度、d=減衰比、及びvθ=関節速度である。
更に他の変形形態では、ロボットアームの少なくとも一部の移動は、軌道追従モードで誘導してもよい。軌道追従モードでは、ロボットアームは、一連の1つ以上の軌道(例えば、デカルト軌道)コマンドに従うように移動してもよい。軌道コマンドは、例えば、速度コマンド(線形及び/又は角移動に関してフレーム化される)、又は目標姿勢コマンド(連結部及び関節モジュールの最終目的位置及び向きに関してフレーム化される)を含んでもよい。コマンドが現在の姿勢から目標姿勢に移行するために複数の連結部移動を必要とする目標姿勢である場合、制御システムは、必要な連結部移動を画定する軌道を生成することができる。コマンドが現在の姿勢と同じ目標姿勢に関連している場合、制御システムは、命令された「保持」位置を効果的にもたらす軌道コマンドを生成してもよい。例えば、軌道は、命令された速度又は姿勢(例えば、変換行列、回転行列、3Dベクトル、6Dベクトルなど)、制御されるアーム連結部、測定された関節パラメータ(角度、速度、加速度など)、器具パラメータ(タイプ、重量、サイズなど)、及び環境パラメータ(例えば、アーム連結部の侵入を阻止又は禁止している予め定義された領域など)を含む入力に基づく場合がある。次いで、制御システムは、1つ以上のアルゴリズムを使用して、ファームウェアへの命令された関節パラメータ(位置、速度、加速度など)の出力及び/又はファームウェアへの電流フィードフォワードとして命令されたモータ電流を生成することができる。これらの出力コマンドを判定するのに好適なアルゴリズムには、順運動学、逆運動学、逆動力学、及び/又は衝突回避(例えば、アーム連結部間、ロボットアームの異なるインスタンス間、アームと環境との間などの衝突)に基づくアルゴリズムを含む。
いくつかの変形形態では、上述のように、方法300は、外科的処置前にロボット外科用システムの組み立てを助ける(例えば、ロボットアームを格納姿勢から、別の好適な開始姿勢に移行させる、又はさもなければ外科的処置中に使用する準備をする)ために使用されてもよい。手術前のワークフロー設定における方法400の例示的な変形形態の態様を図4Aに示す。例えば、方法400は、ロボットアームが、格納位置(ロボットアームが、以下に記載されるように、折り畳まれる格納姿勢410などの格納姿勢にあってもよい)から、基準位置(ロボットアームが、以下に記載されるように、台から離れた姿勢420、又はロボットアームが折り畳まれた格納姿勢410から展開されたときに、付近の物体と衝突するリスクを十分に低減する位置で別の好適な姿勢にあってもよい)に移動するのを支援することを含んでもよい。ロボット外科用システムを更に組み立てるために、ロボットアームの関節のうちの少なくとも1つを駆動して、ロボットアームを、一連の展開される所定の姿勢又は基準位置に画定された基準面内の姿勢を経て誘導することができる。ロボットアームは、作業空間仮想フィクスチャによる誘導、関節空間仮想フィクスチャによる誘導、軌道による誘導などを介して、このような平面上の姿勢430(例えば、低置姿勢、高置姿勢、ドレープ姿勢)、これに続いてカニューレ(例えば、患者のポート内に置いたカニューレ)に連結するためのドッキング位置450の間で誘導してもよい。ロボットアームは更に、1つ以上の平面外の姿勢440内へのように基準面の外側に移動してもよく、1つ以上の平面上の姿勢430及び/又はドッキング位置450に向けて戻るように誘導してもよい。一度ドッキング位置450に入ると、ロボットアームは、外科用機器(例えば、ロボットアーム上の機器駆動装置が駆動するエンドエフェクタ)を受容するように位置決めされてもよく、及び/又はさもなければ外科的処置中に使用するために準備されてもよい。
いくつかの変形形態では、図4Aに示されるように、方法は、ロボットアームが格納姿勢410から移動するのを支援することを含んでもよい。格納姿勢410は、例えば、ロボット外科用システムが使用されていないとき(例えば、外科的処置の合間)ロボットアームを位置決めするため、及び/又は手術室間での引き渡し中にロボット外科用システムの移送のためなどに使用されてもよい。一般的に、格納姿勢410にあるとき、ロボットアームは、コンパクトな姿勢であってもよく、患者台の下又は隣接するような好適な格納位置に位置してもよい。格納姿勢410のコンパクトな姿勢及び/又は格納位置は、予め判定されてもよく、ロボットアームの手術前及び/又は手術後プロセス中に使用するためにメモリ装置に記憶され、受容されると、ロボットアームの姿勢モード又は状態に関連付けられてもよい。いくつかの変形形態では、ロボットアームが組み立て開始時に指定された格納姿勢及び/又は格納位置にない異なる姿勢408にある場合、ロボットシステムは、ロボットアームが格納姿勢460にないこと、及び/又はロボットアームを格納姿勢460に移動若しくはさもなければ誘導するというエラーをユーザに示すことができる。
図4Aに示されるように、ロボットアームは、格納姿勢410から、台から離れた姿勢420、又は台及び/又は他の付近の物体と衝突することなく、ロボットアームを展開することを可能にするのに好適な基準位置内の別の好適な姿勢に移行してもよい。例えば、図6A及び図6Bに示されるように、ロボットアームの少なくとも第1の部分200aは、ロボットアームの第2の部分200bが、展開するために台250から離れることなどを可能にするために、台250から外向きに旋回することができる。例えば、図2を参照すると、ロボットアームが台から離れた姿勢に移行しているとき、連結部L0及びL1は、ロボットアームのより遠位の連結部(例えば、L2~L7及びロボットアームの他の遠位部分)が、台と衝突することなく、展開する及び/又はさもなければ再構成することができるように、台250に対してピン252を介して周りを外向きに旋回することができる。ロボットアーム及び/又はカップリング装置の1つ以上のブレーキは、格納姿勢410から基準位置へのロボットアームのこのような移動を促進にするために解除されてもよい。
いくつかの変形形態では、図4Aに示されるように、一度ロボットアームが基準位置に位置する基準面内に位置決めされると、ロボットアームを、一連の平面上の姿勢430又は基準面内に実質的に拘束された1つ以上の姿勢を経て動かしてもよい。例えば、いくつかの変形形態では、基準面内に実質的に拘束された姿勢は、ロボットアーム(又はロボットアーム上の選択された主要な位置又は点)が基準面内にある姿勢とすることができる。ロボットアームの1つ以上のブレーキは、ロボットアームの再配置を可能にするように解除されてもよい。このようなブレーキの解除は、例えば、外力(ロボットアームを手動で操作し始めたユーザ、及び/又はボタン、機構、又はロボットアームの制御点上の他の表面の係合など)が加えられた際に引き起こされ得る。
一度ロボットアームが滅菌ドレープで覆われると、ロボットアームは、患者に配設されたカニューレにドッキングするための姿勢450に移動して、外科用機器を患者内に挿入され得る通路を提供することができる。例えば、ロボットアームは、ロボットアームの遠位端が配設されたカニューレに近くなるように移動される(例えば、重力補償及び/又は摩擦補償の下でユーザが手動で操作してもよい)。ロボットアームの遠位端上に配置された機器駆動装置は、ロボットアームがカニューレにドッキングされた姿勢450にあるように、カニューレに連結してもよい。ドッキングされた姿勢450は、例えば、ロボットアームが、ロボットアームに関連付けられた外科用機器を使用して外科的処置中に使用するために準備される(例えば、機器駆動装置に連結し、カニューレを患者内に通過させる)ことを示すことができる。
いくつかの変形形態では、上述のように、方法300は、外科的処置後にロボット外科用システムを「分解」するのを助けるために使用され得る。手術後のワークフロー設定における方法の例示的な変形形態の態様を図4Bに示す。一般的に、図4Bに要約された手術後のワークフローは、手術後のワークフローが、手術前のワークフローと比較して逆の順序のプロセスを含み得ることを除いて、図4Cに要約された手術前のワークフローと同様であり得る。
外科的処置の後(又はロボットアームを患者部位から取り外す他の状況において)、ロボットアームは、カニューレから分離され、ドッキング解除された姿勢460に移動され得る。ドッキング解除された姿勢460は、ロボットアームが患者から離れて(例えば、患者から少なくとも数フィート離れてなど、患者の周りの予め画定された境界の外側に)移動する任意の好適な姿勢であってもよい。ロボットアームは、例えば、重力補償及び/又は摩擦補償の支援を用いて(又は代替的に軌道追従を用いてなど)、患者から離れて、ドッキング解除された姿勢460へと手動で操作されてもよい。いくつかの変形形態では、ドッキング解除された姿勢460は、(例えば、基準面上の)平面上の姿勢430であってもよいが、別の方法としては、ドッキングされた姿勢460は、基準面内にない任意の好適な姿勢であってもよい。
図4Bに示されるように、カニューレからドッキング解除された後、ロボットアームは、基準面上にある平面上の姿勢430に向けて移動してもよい。手術後のワークフローの間、ロボットアームの平面上の姿勢430に向けて、及び平面上の姿勢430及び/又は基準面内の他の姿勢間での移動は、いくつかの変形形態では、手術前のワークフローについて上述したような1つ以上の様式で誘導されてもよい(例えば、作業空間仮想フィクスチャ及び/又は関節空間仮想フィクスチャなどを用いて誘導されてもよい)。
いくつかの変形形態では、図4Bに示されるように、ロボットアームは、基準位置又は基準面の台から離れた姿勢420から格納姿勢410に移行することができる。いくつかの変形形態では、ロボットアームを、移動コマンドに応答して(例えば、手持ち式通信装置又は他のインターフェースからの遠隔コマンドを介して)、軌道追従モードを介してなどで格納姿勢410に誘導することができる。いくつかの変形形態では、ロボットアームを、ロボットアームのユーザ操作(例えば、重力補償及び/又は摩擦補償による)、1つ以上の作業空間仮想フィクスチャによる誘導、及び/又は1つ以上の関節空間仮想フィクスチャによる誘導を用いて、格納姿勢に誘導することができる。上述したものと同様に、一般的に、格納姿勢410にあるとき、ロボットアームは、格納モード又はロボットアームの状態に関連付けられたコンパクトな姿勢(例えば、患者台の下又は隣接して)にあってもよい。いくつかの変形形態では、ロボットアームが組み立て開始時に指定された格納姿勢及び/又は格納位置にない異なる姿勢408にある場合、ロボットシステムは、ロボットアームが格納姿勢460にないこと、及び/又はロボットアームを格納姿勢460に移動若しくはさもなければ誘導するというエラーをユーザに示すことができる。
Claims (16)
- プロセッサを備えるロボット外科用システムにより、ロボットアームを制御するための方法であって、
前記プロセッサが以下の工程:
ロボットアームの所定の基準位置に基準面を画定することであって、前記ロボットアームが、複数の関節を含む、画定することと、
前記ロボットアームを、前記基準面内に拘束された一連の所定の姿勢を経て誘導するように、前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することであって、前記複数の関節の内の少なくとも1つに設定される三次元空間内に画定される領域である関節空間仮想フィクスチャを、前記複数の関節の内の少なくとも1つが当該関節空間仮想フィクスチャに拘束されるように適用することを含む、駆動することと、
を実行し、
前記プロセッサが、現在の関節位置と目標関節位置との差が所定の閾値よりも大きい場合に、前記関節空間仮想フィクスチャを一方向性に設定する、方法。 - 前記一連の所定の姿勢が、順序付けられた一連の漸進的に展開される所定の姿勢を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記一連の所定の姿勢が、順序付けられた一連の漸進的に折り畳まれる所定の姿勢を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ロボットアームを、前記一連の所定の姿勢を経て誘導して、格納姿勢から移行させるように、前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ロボットアームを、前記一連の所定の姿勢を経て誘導して、格納姿勢に移行させるように、前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することを更に含む、請求項4に記載の方法。
- 前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することが、前記関節空間仮想フィクスチャの前記少なくとも1つの関節に仮想引力を生成することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記一連の所定の姿勢が、順序付けられた順序を含み、前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することが、前記複数の関節のうちの少なくとも1つを、前記順序付けられた順序の少なくとも一部を経て前方及び後方に駆動することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することが、前記ロボットアームへの外力に応答して前記少なくとも1つの関節を駆動することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することが、前記複数の関節のうちの少なくとも1つに重力補償トルクを加えることを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することが、前記複数の関節のうちの少なくとも1つに摩擦補償トルクを加えることを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することが、順序付けられた一連の漸進的に折り畳まれる所定の姿勢及び順序付けられた一連の斬新的に展開される所定の姿勢を経て所定の軌道に従って前記少なくとも1つの関節を駆動することを含む、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、
複数の関節を含む少なくとも1つのロボットアームと、
所定の基準位置に基準面を画定し、前記ロボットアームを、前記基準面内に拘束された一連の所定の姿勢を経て誘導するように、前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することによって、前記ロボットアームの移動を制御するように構成されたプロセッサと、を備え、
前記複数の関節のうちの少なくとも1つを駆動することが、前記複数の関節の内の少なくとも1つに設定される三次元空間内に画定される領域である関節空間仮想フィクスチャを、前記複数の関節の内の少なくとも1つが当該関節空間仮想フィクスチャに拘束されように適用することを含み、
前記プロセッサが、現在の関節位置と目標関節位置との差が所定の閾値よりも大きい場合に、前記関節空間仮想フィクスチャを一方向性に設定する、ロボット外科用システム。 - 前記一連の所定の姿勢が、順序付けられた一連の漸進的に展開される所定の姿勢を含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記一連の所定の姿勢が、順序付けられた一連の漸進的に折り畳まれる所定の姿勢を含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記プロセッサが、前記ロボットアームへの外力に応答して前記少なくとも1つの関節を駆動するように構成されている、請求項12に記載のシステム。
- 前記プロセッサが、前記一連の所定の姿勢を経て所定の軌道に従って前記少なくとも1つの関節を駆動するように構成されている、請求項13に記載のシステム。
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