JP7300508B2 - ロボットジョイント制御 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームなどのロボットシステムにおけるジョイントの制御に関し、特に、複数のジョイントのジョイント速度を、ジョイントのうちの１つから決定される共通のジョイント速度限界によって制限することに関する。

典型的なロボットマニピュレータは、ジョイントによって一緒に結合された一連の剛直な要素を備える。要素は、アームを形成するように直列に連結され得る。ジョイントは、剛直な要素の相対運動を引き起こすように駆動され得る。剛直な要素は、基部から発端し、器具またはエンドエフェクタの取付部で終端し得る。したがって、ジョイントの運動を使用して、所望の場所にエンドエフェクタを位置付けることができる。各ジョイントは、回転運動または直線運動を提供し得る。ジョイントは、任意の好適な手段、例えば、電気モータまたは油圧アクチュエータによって駆動され得る。

動作中、ロボットは、エンドエフェクタを所望の位置まで移動させる必要がある場合がある。例えば、ロボットは、エンドエフェクタを使用して、物体を拾い上げる必要がある場合がある。これは、物体がある所までエンドエフェクタを移動する必要がある。これを達成するために、ジョイントのいくつかの運動の組み合わせが必要である。これらの運動を計算するために、ロボットの制御システムが使用される。

従来、ロボットには位置センサが提供され、位置センサの各々は、ジョイントのそれぞれ１つの構成を検知する。この位置情報は制御システムに供給される。

制御システムの既知の戦略は、以下のとおりである。
１．エンドエフェクタの所望の位置を示す情報を受信する。
２．その位置にエンドエフェクタを至らせることになる、ロボットのジョイントの目標となる構成のセットを決定する。これは、逆運動学として知られている。
３．ロボットの各ジョイントの現在の構成を示す情報を受信し、これらの現在の構成を目標となる構成と比較し、それぞれのジョイントの現在の位置と目標となる位置との間の誤差を低減するために、各ジョイントで必要とされるトルクまたは力のセットを計算する。
４．これらのトルクまたは力をそれぞれのジョイントにかけるために、ロボットのアクチュエータに駆動信号を送信する。

この一連のステップは、経時的にロボットの運動が目標となる構成に適合するように、繰り返し実施される。

このアプローチは、逆運動学の問題を解くのは難しいと通常考えられるため、問題がある。この１つの理由は、マニピュレータの特定の姿勢が特異なものになり得ることであり、これは、有限のジョイント速度を有する全方向におけるエンドエフェクタの後続の動きを得ることが不可能であることを意味する。

ロボットマニピュレータなどの機械システムのための改善された制御システムに対するニーズがある。

この概要は、以下で詳細な説明でさらに記述される概念の選択を紹介するために提供される。この概要は、特許請求された主題の主要な特徴または必須の特徴を識別することを意図しておらず、特許請求された主題の範囲を制限するために使用することも意図していない。

本発明の一態様によれば、外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するための方法であって、外科手術ロボットシステムが、基部、および基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、アームが、複数のジョイントであって、それによって、アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、方法が、

アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
ｋ個のジョイントの各々について、
そのジョイントの運動許容範囲を、取得されたジョイント状態から決定することと、
そのジョイントのジョイント速度限界を、前記運動許容範囲を使用して導出することと、
ｋ個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界に選択することと、
ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を含み、ｋ個のジョイントの各々の速度が、共通のジョイント速度限界を使用して制限される、方法が提供される。

本発明の別の態様によれば、外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するための方法であって、外科手術ロボットシステムが、基部、および基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、アームが、複数のジョイントであって、それによって、アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、方法が、
アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
ｋ個のジョイントの各々について、そのジョイントの運動許容範囲を、取得されたジョイント状態から決定することと、
ｋ個のジョイントの最小運動許容範囲、およびその最小運動許容範囲に関連するジョイントを使用して、ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界を導出することと、
ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を含み、ｋ個のジョイントの各々の速度が、共通のジョイント速度限界を使用して制限される、方法が提供される。

以下は、本明細書の態様のうちの１つ以上に関連し得る。
ｋ個のジョイントの第１の群は、アームの基部の近位にあるｋ個のジョイントを含み得、共通のジョイント速度限界は、デカルト空間の直交方向に沿ってｋ番目のジョイントの位置的な速度を制限し得る。ｋ個のジョイントの第１の群は、アームの基部の近位にあるｋ個のジョイントを含み得、ｋ個のジョイントにより、（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの位置を一意的に決定することができる場合があり、式中、ｍ＞０である。共通のジョイント速度は、デカルト空間の直交方向に沿って（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの位置的な速度を制限し得る。ｋ個のジョイントの各々の速度は、共通のジョイント速度限界に個別に制限され得る。

アームは、ｎ個のジョイントを備えることができ、式中、ｎ＞ｋであり、方法は、アームの（ｎ－ｋ）個のジョイントの第２の群のジョイント状態を取得することと、（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々について、そのジョイントの運動許容範囲を、取得されたジョイント状態から決定することと、そのジョイントのジョイント速度限界を、運動許容範囲を使用して導出することと、（ｎ－ｋ）個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々に対するさらなる共通のジョイント速度限界に個別に選択することと、（ｎ－ｋ）個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を含み得、（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々の速度は、さらなる共通のジョイント速度限界に制限される。

ｋ個のジョイントの第１の群および（ｎ－ｋ）個のジョイントの第２の群のうちの一方または両方のジョイント状態を取得することは、ジョイント角度を取得することを含み得る。ジョイントの運動許容範囲を決定することは、そのジョイントのジョイント角度限界に最も近い角距離を決定することを含み得る。ジョイント速度限界を導出することは、それぞれのジョイントに対する最大減速度、およびジョイント角度限界に対する決定された最も近い角距離を使用することを含み得る。さらなる共通のジョイント速度限界は、（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの角速度を制限し得、式中、ｍ＞０である。さらなる共通のジョイント速度限界は、ｎ番目のジョイントの角速度を制限し得る。

ジョイントのジョイント角度限界およびジョイントの最大減速度のうちの少なくとも１つは、所定の値を含み得る。ジョイントのジョイント角度限界およびジョイントの最大減速度のうちの少なくとも１つは、ジョイントの物理的特性から決定され得る。ジョイントのジョイント角度限界およびジョイントの最大減速度のうちの少なくとも１つは、ユーザ定義可能であってもよい。ジョイント角度限界に対する決定された最も近い角距離が閾値の角距離を超えている場合、そのジョイントのジョイント速度限界は、所定のジョイント速度限界値を含み得る。所定のジョイント速度限界値は、ユーザ定義可能であってもよい。

ジョイント速度限界を導出することは、ジョイントの角度位置および／または角速度を、デカルト空間の位置および／または速度にそれぞれ変換することを含み得る。変換することは、ヤコビ行列を決定することを含み得る。変換することは、決定されたヤコビ行列を使用して逆行列を導出することを含み得る。変換することは、逆行列の各行に対するユークリッドノルムを決定することを含み得る。

本方法は、共通のジョイント速度限界を超えるジョイントに対する命令されたジョイント速度、またはそのジョイントに対するさらなる共通のジョイント速度限界に基づいて、外科手術ロボットシステムのユーザにフィードバックを提供することを含み得る。外科手術ロボットシステムは、入力コントローラであって、それによって、アームの構成を変更するようにユーザが操作可能である、入力コントローラを備えることができ、方法は、入力コントローラを介して触覚フィードバックを提供することを含み得る。触覚フィードバックは、入力コントローラの動きに抵抗力を加えることを含み得る。

本発明の別の態様によれば、外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するためのジョイント速度制限システムであって、外科手術ロボットシステムが、基部、および基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、アームが、複数のジョイントであって、それによって、アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、ジョイント速度制限システムが、
アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
ｋ個のジョイントの各々について、
そのジョイントの運動許容範囲を、取得されたジョイント状態から決定することと、
そのジョイントのジョイント速度限界を、運動許容範囲を使用して導出することと、
ｋ個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界に選択することと、
ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を行うように構成されており、ｋ個のジョイントの各々の速度が、共通のジョイント速度限界を使用して制限される、ジョイント速度制限システムが提供される。

本発明の別の態様によれば、外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するためのジョイント速度制限システムであって、外科手術ロボットシステムが、基部、および基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、アームが、複数のジョイントであって、それによって、アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、ジョイント速度制限システムが、
アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
ｋ個のジョイントの各々について、そのジョイントの運動許容範囲を、取得されたジョイント状態から決定することと、
ｋ個のジョイントの最小運動許容範囲、およびその最小運動許容範囲に関連するジョイントを使用して、ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界を導出することと、
ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を行うように構成されており、ｋ個のジョイントの各々の速度が、共通のジョイント速度限界を使用して制限される、ジョイント速度制限システムが提供される。

本発明の別の態様によれば、本明細書に記載の方法を実施するように構成された外科手術ロボットシステムのためのジョイント速度制限システムが提供される。

本発明の別の態様によれば、基部、および基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備える、外科手術ロボットシステムと、本明細書に記載の方法によってジョイント速度を制限するように構成されたジョイント速度制限システムと、が提供される。

本発明の別の態様によれば、非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、そこに記憶されているコンピュータ可読命令が、コンピュータシステムで実行されると、コンピュータシステムに、本明細書に記載の方法を実施させる、非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。

本明細書に記載の任意の態様の任意の特徴は、本明細書に記載の任意の態様の任意の他の特徴と組み合わせることができる。任意の装具の特徴を、方法の特徴として書き変えることができ、逆もまた同様である。これらは、単に簡潔さのために、本明細書では完全には書き出されない。

ここで、添付図面を参照して、本発明を例として説明する。
典型的な外科手術ロボットを例示する。 ロボットアームを制御するためのシステムの概略図を例示する。 別の外科手術ロボットを例示する。 ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限する方法を例示する。 ジョイントの運動許容範囲を決定する方法を例示する。 ジョイントの角度位置および／またはジョイント速度をデカルト空間に変換する方法を例示する。 ロボットシステムの複数のさらなるジョイントのジョイント角速度を制限する方法を例示する。 ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限する別の方法を例示する。 ロボットシステムの複数のさらなるジョイントのジョイント角速度を制限する別の方法を例示する。

以下の説明は、当業者が本発明を作製および使用することができるようにするための実施例として提示されている。本発明は、本明細書に記載される実施形態に限定されないが、開示される実施形態に対する様々な修正は、当業者には明らかであろう。実施形態は、実施例としてのみ記載されている。

外科手術ロボットアームなどのロボットアームは、１つ以上の駆動信号に応答して移動するように制御され得る。駆動信号は、アームの１つ以上のジョイントの運動をもたらす。ロボットアームは、アームの命令された動きに従って、例えば、ロボットアームに結合された入力コントローラで受信した入力に従って、移動する。アームのジョイントの運動の速度は、入力コントローラの運動の速度に対応する。概して、入力コントローラが迅速に移動すればするほど、アームのジョイントが、より迅速に移動するように駆動される。

アームのジョイントは、制限された最大トルクを有する。したがって、アームの動きが命令された動きについていくことができない状況が生じる場合がある。ロボットアーム制御システムが、命令された動きについていくように高速でジョイントを駆動することを試みるのではなく、速度限界をジョイントに適用することが適切である。これは、ジョイントが、ジョイントのそれぞれのジョイント角度限界によって滑らかに停止するようにジョイントを制御することができないほどに速く移動しないことを確実にするのに役立つ場合がある。好適には、共通の速度限界は、アームのジョイントのサブセット、例えば、単一のジョイントから決定され、アームの２つ以上のジョイントの速度を制限するために適用または使用され得る。一部の事例では、共通のジョイント速度限界は、ジョイントに個別に適用され得る。共通のジョイント速度は、アームのジョイントのすべてに適用され得る。

各ジョイントに対して好適なジョイント速度限界を動的に、かつ命令された動きに基づいて決定することは、計算上の負荷が高い場合があり、命令されたジョイントの動きに関する知識を必要とする。本明細書に記載のより効率的なアプローチは、アームの姿勢の機能としてジョイント速度限界を計算することである。ジョイント速度限界は、好ましくは、アームのジョイントに基づいて、例えば、ジョイントの回転角度限界および／またはジョイントのジョイント最大減速度などのジョイント特性に基づいて、計算される。本発明のアプローチにより、ジョイント速度限界を、より低い処理能力で、および／または潜在的により迅速に計算することができ、これにより、制御システムの効率を改善することができる。本アプローチにより、命令された動きを知る必要なしに、例えば、入力コントローラから受信した入力へのアクセスを必要とすることなく、アームのジョイントの速度を制限することができる。本アプローチは、所与の姿勢がいつアームの１つ以上のジョイントの急速な運動をもたらすか、またはもたらす可能性が高くなるかを認識することができ、応答してアームの複数のジョイントを制限することによって、かかる急速な運動を予測することができる。

以下でより詳細に説明されるように、外科手術ロボットアームなどのロボットアームの複数のジョイントの速度は、アームの複数のジョイントのジョイント状態（ジョイント角度など）を取得することによって制限され得る。これらの複数のジョイントの各々について、運動許容範囲が決定される。これには、ジョイントがジョイントの現在の位置からいずれかの方向にどれだけ遠く移動または回転し得るかを計算することが含まれ得る。次いで、複数のジョイントの各々についてジョイント速度限界が導出される。この導出は、ジョイントが、ジョイントの回転限界、例えば、現在の角度位置に最も近い回転限界で停止し得ることを確実にするために、それぞれのジョイントの最大減速度に基づき得る。導出されたジョイント速度限界の最小値は、複数のジョイントの各々に個別に適用され得る、共通のジョイント速度限界として選択される。共通のジョイント速度限界を使用して、複数のジョイントの各々を個別に制限することができる。複数のジョイントを駆動するための駆動信号が計算され、複数のジョイントの各々の速度を共通のジョイント速度限界に制限し得る。

ジョイントの最小ジョイント速度限界を、すべてのジョイントに対する共通のジョイント速度限界として設定することにより、いずれのジョイントもそれらのそれぞれのジョイント速度限界を超えないことを確実にすることができる。複数のジョイントのアームの遠位の部分の運動は、ジョイントの各々の運動に個別に依存する。これらのジョイントの各々に対して共通のジョイント速度限界を個別に設定することによって、アームのその遠位部分の速度を便利な方法で制限することもできる。共通のジョイント速度限界は、複数のジョイントのアームの遠位の部分、例えば、複数のジョイントからの次のジョイント、または複数のジョイントからのより遠位のジョイントに適用され得る。共通のジョイント速度限界は、アームのその部分の位置が移動し得る速度（例えば、デカルト空間の３つの直交軸に沿った位置的な速度）を制限するように適用され得る。アームのその部分の速度は、複数のジョイント、すなわち、アームのその部分よりもアームの基部の近位にあるジョイントの速度に依存する。したがって、共通のジョイント速度限界をアームのその部分に適用することは、複数のジョイントの速度を制限する効果を有する。複数のジョイントの速度は、共通のジョイント速度限界に個別に制限され得る。複数のジョイントのうちの２つ以上が一度に移動する場合、これらのジョイントの最大速度は、共通のジョイント速度限界よりも小さくなる可能性が高い。

ロボットアームは、アームの基部と、アームの基部からアームの遠位の端部にある器具の取付部との間に同じ空間的関係をもたらす、アームのジョイントの複数の構成があるという点で、運動学的に冗長であり得るか、または単に「冗長」であり得る。冗長アームは、所与のタスクを実施し、（アームに取り付けられた）器具または内視鏡を、２つ以上の可能なアーム構成または「姿勢」で所望の位置に移動させることができる（向き付けすることを含む）。

かかる冗長性は、アームの構成に柔軟性を与えることができるが、問題につながる場合もあり、一部のアーム構成は、他のものよりも望ましくない場合がある。これは、アームが、別の構成のものと比べて、１つの構成において作業空間内で別の物体または人物と衝突する可能性が高くなるためであり得る。構成は、例えば、ジョイントまたはエンドエフェクタの後続の動きを制限するため、望ましくない場合がある。例えば、エンドエフェクタの特定の位置は、その動作範囲内の、またはその動作範囲の限界に近い、所与のジョイントで十分に達成可能であり得る。後者の構成は、所与のジョイントが、その動作限界に後続の動きで到達し、潜在的にエンドエフェクタの動きを限定するか、または限定された動きを補償するために他のジョイントでの望ましくない高速ジョイントの別の原因につながり得るという点で、望ましくない。ジョイント限界は、ジョイントの動き、ひいては、アームの制約として作用する。

本技術では、高い命令速度によって、および／もしくは高いジョイント速度を生じさせるアームの制約によって、または何らかの他の方法で引き起こされたかどうかにかかわらず、望ましくない高いジョイント速度を回避するための措置を、例えば、制御システムによって、講じることができる。この措置は、現在のジョイント状態または角度に基づいて講じることができる。例えば、アームまたはアームのジョイントの少なくともサブセットの姿勢に関する知識は、アームの複数のジョイントの速度を制限することを可能にするのに十分であり得る。命令された運動に関する知識は必要ない。

図１は、基部１０８、アーム１０２、および器具１０５からなる、腹腔鏡手術を実施する際に使用するための典型的な外科手術ロボット１００を例示する。基部は、ロボットを支持し、それ自体が、例えば、手術室の床、手術室の天井、トロリー、または患者ベッドにしっかりと取り付けられる。アームは、基部と器具との間に延在する。アームは、その長さに沿って、外科手術器具を患者に対して所望の場所に位置特定する（向き付けすることを含み得る）ために使用される複数の柔軟性のあるジョイント１０３によって関節式に連結される。外科手術器具は、ロボットアームの遠位端１０４に取り付けられる。外科手術器具は、外科手術部位にアクセスするように、ポート１０７で患者１０１の身体を貫通する。その遠位端において、器具は、医療的手技で係合するためのエンドエフェクタ１０６を含む。

典型的なロボットアームは、ジョイントごとに、ジョイントを駆動して移動させるように構成されたドライバを備えるであろう。典型的なロボットアームは、ジョイントごとに、ジョイントの状態を検知するように構成されたジョイントセンサを備えるであろう。

本アプローチを、ロボットアームを制御するためのシステムを例示する図２を参照して説明する。本システムは、運動学的コントローラ２０４に結合された入力コントローラ２０２を備える。運動学的コントローラ２０４は、アーム基部コントローラなどのアームコントローラ２０６に結合される。アームコントローラ２０６は、ロボットアームのジョイントを駆動するための信号２０８を出力する。アームコントローラはまた、ジョイント速度制限器２１０に結合される。ジョイント速度制限器は、運動学的コントローラ２０４に結合される。ジョイント速度制限器２１０は、ジョイント速度制限システムの一部を好適に形成する。運動学的コントローラ２０４は、ジョイント速度制限システムの一部を形成し得る。アームコントローラ２０６は、ジョイント速度制限システムの一部を形成し得る。

入力コントローラ２０２は、ロボットアームの位置を制御するために操作可能である。外科医などの、システムのユーザは、アームの動きを含む、アームの所望の動作を命令するように、入力コントローラを操作することができる。入力コントローラの出力は、ロボットアームに対する命令された姿勢の表現であってもよい。例えば、入力コントローラの出力としては、ロボットアームの遠位ジョイントの所望の動きを挙げることができる。この出力は、運動学的コントローラ２０４で受信される。運動学的コントローラは、命令された姿勢に応答して、ロボットアームの所望の姿勢を決定するように構成されている。これは通常、現在の姿勢から所望の姿勢に向かうアームの所望の動きに対応する。運動学的コントローラは、所望の姿勢を、所望の姿勢を達成するようにアームのジョイントを駆動するために必要な駆動信号２０８を計算するように構成されたアームコントローラ２０６に出力する。所望の姿勢の決定および／または所望の姿勢を達成するために必要な駆動信号の計算は、任意の好適な方法で行うことができる。例えば、駆動されるジョイントの各々の所望のジョイント角度を含み得るアームの所望の姿勢は、アームの現在の姿勢に基づいて決定され得る。アームの遠位ジョイントの所望の動きを引き起こすためのジョイントの各々の動きを決定することができる。運動学的コントローラおよび／またはアームコントローラは、例えば、アームのジョイント状態にアクセスすることによって、および／またはアームを駆動するために使用される駆動信号などの、アーム位置に対する以前の調節の記録を、例えばメモリに維持することによって、アームの現在の姿勢に好適にアクセスする。例えば、運動学的コントローラおよび／またはアームコントローラは、ジョイントセンサからの信号を受信するように構成され得る。受信した信号は、それぞれのジョイントの現在の回転位置を示すことができる。

アームコントローラは、ジョイント状態、例えば、アームのジョイントの少なくともサブセットのジョイントの角度位置をジョイント速度制限器２１０に出力するように構成されている。ジョイント速度制限器は、受信したジョイント状態に依存して、アームの複数のジョイントに対する共通のジョイント速度限界を導出するように構成されている。共通のジョイント速度限界は、ジョイント速度制限器によって運動学的コントローラに出力される。したがって、運動学的コントローラは、アームの複数のジョイントに対する、命令された姿勢および共通のジョイント速度限界に依存して、アームの所望の姿勢を決定することができる。したがって、駆動信号２０８によって制御されるアームの動きは、アームの現在の姿勢、およびその現在の姿勢から導出された共通のジョイント速度限界を考慮に入れることができる。

好適には、アームは、アームの選択された部分、例えば、アームの手首などのアームのジョイントもしくは場所の位置が、その選択された部分の現在の位置と、その選択された部分の命令された位置とを連結する直線上にあるように、または他の制御基準を満たしながら達成され得る程度にその直線に近くなるように制御される。したがって、アームの選択された部分の位置は、アームを制御するユーザによって期待される経路に追従する。したがって、ジョイントの速度が限定される場合、他のジョイントの速度もまた、アームの選択された部分の位置が所望の経路に追従するように修正される必要がある可能性が高い。

ここで、本技術を、ロボットアームの特定の配置についてさらに説明する。図３は、基部３０１から延在するアーム３００を有する外科手術ロボットを例示する。アームは、いくつかの剛直な肢３０２を備える。肢は、外旋ジョイント３０３によって結合される。最近位肢３０２ａは、近位ジョイント３０３ａによって基部に結合される。それおよび他の肢は、ジョイント３０３のさらなるジョイントによって直列で結合される。好適には、手首３０４は、４つの個々の外旋ジョイントから構成される。手首の位置は、外旋ジョイントのうちの少なくとも２つの回転軸が交差する場所として定義され得る。手首３０４は、１つの肢（３０２ｂ）をアームの最遠位肢（３０２ｃ）に結合する。最遠位肢３０２ｃは、外科手術器具３０６のための取付具３０５を担持する。アームの各ジョイント３０３は、それぞれのジョイントで回転運動を引き起こすように操作され得る１つ以上のモータ３０７と、そのジョイントの現在の構成および／または負荷に関する情報を提供する１つ以上の位置および／またはトルクセンサ３０８と、を有する。好適には、モータは、重量分散を改善するために、運動をモータが駆動するジョイントの近位に配置される。明確にするために、モータおよびセンサのうちの一部のみが図３に示される。アームは、概して、我々の同時係属中の特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５３５２３号に記載されるとおりであり得る。

モータ、トルクセンサ、およびエンコーダのためのコントローラが、ロボットアーム内に分散する。コントローラは、通信バスを介して制御ユニット３０９に接続される。制御ユニット３０９は、プロセッサ３１０およびメモリ３１１を備える。メモリ３１１は、モータ３０７の動作を制御して、アーム３００を本明細書に記載の様式で動作させるように、プロセッサによって実行可能なソフトウェアを非一時的な方式で記憶する。特に、ソフトウェアは、プロセッサ３１０を制御して、モータを（例えば、分散型コントローラを介して）、センサ３０８からの入力および外科医コマンドインターフェース３１２からの入力に依存して駆動させることができる。制御ユニット３０９は、ソフトウェアの実行によって生成された出力に従ってモータ３０７を駆動するためにモータ３０７に結合される。制御ユニット３０９は、検知された入力をセンサから受信するためにセンサ３０８に結合され、コマンドインターフェース３１２から入力を受信するためにコマンドインターフェース３１２に結合される。それぞれの結合は、例えば、各々が電気もしくは光ケーブルであってもよく、かつ／または無線接続によって提供されてもよい。コマンドインターフェース３１２は、１つ以上の入力装置を備え、それによって、ユーザは、所望の方式でエンドエフェクタの運動を要求することができる。入力装置は、例えば、制御ハンドルまたはジョイスティックなどの手動で操作可能な機械的入力装置であっても、光学ジェスチャセンサなどの非接触型入力装置であってもよい。メモリ３１１に記憶されるソフトウェアは、これらの入力に応答し、それに応じて、アームおよび器具のジョイントを、所定の制御戦略に従って、移動させるように構成される。制御戦略には、コマンド入力に応答して、アームおよび器具の運動を緩和する安全機能が含まれ得る。したがって、要約すると、コマンドインターフェース３１２に位置する外科医は、所望の外科的手技を実施するような方式で、器具３０６を制御して移動させることができる。制御ユニット３０９および／またはコマンドインターフェース３１２は、アーム３００から遠隔にあってもよい。

例示の外科手術ロボットは、単一のロボットアームを備える。他の外科手術ロボットシステムは、複数の外科手術ロボットおよび／または複数のロボットアームを備え得る。例えば、他の例示的な外科手術ロボットシステムは、各々が外科手術器具を受容および操作することができる複数のロボットアームを有する外科手術ロボットを備え得るか、または外科手術器具を受容および操作することができるロボットアームを各々が有する複数の外科手術ロボットを備え得る。

参照を容易にするために、図３に例示されるアームのジョイントは、Ｊ１（３０３ａ）、Ｊ２（３０３ｂ）、Ｊ３（３０３ｃ）、Ｊ４（３０３ｄ）、Ｊ５（３０３ｅ）、Ｊ６（３０３ｆ）、Ｊ７（３０３ｇ）、およびＪ８（３０３ｈ）としてラベル付けされ得る。ジョイントＪ４は、例示のアームの「肘」とみなすことができる。このアーム配置の運動学により、肘のジョイントは、所望の位置で、器具の取付部に結合するアームの手首を保ちながら、既知および可変の「ヌル空間」内で移動することができる（例示される実施例では、ジョイントＪ６およびＪ７の回転軸の交点）。所望の位置は、アームの複数のジョイントに適用される共通のジョイント速度限界を考慮に入れて、コマンドインターフェースによって命令される、命令された位置から導出される。アームの動きおよび／または位置を調節するように適用される制約は、ユーザが指定した動作モード内で任意の所与のタスクを実施するために、肘がそのヌル空間内の最適な場所にあることを確実にするのに役立つ場合がある。アームのジョイントの動きにより、別様に共通のジョイント速度限界を超える可能性がある場合、これを補償するために、肘のジョイントを移動させることができ、これにより、いくつかの事例では、共通のジョイント速度限界に依然として適合しつつ、手首の運動が影響を受ける（例えば、減速される）ことを回避することができる。

ここで、本アプローチの具体的な実施例を説明する。本実施例は、図３に例示されるタイプの外科手術ロボットアームを指す。１つの実施例では、ロボットアームは、８つのジョイントを備える。基部からの最初の４つのジョイント（Ｊ１～Ｊ４）、すなわち、基部の近位にある４つのジョイントにより、アームのより遠位の部分を、３Ｄデカルト空間において、その空間の３つの直交軸に沿って位置付けることができる。ジョイントは、以下のタイプのジョイントであってもよい。Ｊ１（ロールジョイント）、Ｊ２（ピッチジョイント）、Ｊ３（ロールジョイント）、Ｊ４（ピッチジョイント）。後続ジョイント、この実施例では、第５～第８のジョイント（Ｊ５～Ｊ８）により、第４のジョイントのアームの遠位の部分を、その位置を中心として角度方向に回転させることができる。これらの後続ジョイントは、以下のタイプのジョイントであってもよい。Ｊ５（ロールジョイント）、Ｊ６（ピッチジョイント）、Ｊ７（ヨージョイント）、Ｊ８（ロールジョイント）。したがって、この実施例では、ジョイントＪ１～Ｊ４は、デカルト空間における、アームの遠位部分の位置を画定するのに十分である。アームの遠位部分は、ジョイントＪ５～Ｊ８を備え得る。

ジョイントＪ１～Ｊ４の各々は、それぞれの最小ジョイント回転位置と、それぞれの最大ジョイント回転位置と、を有する。これらの最小ジョイント回転位置および最大ジョイント回転位置は、物理的な終点、すなわち、ジョイントが通り越して物理的に回転することができない角度であり得るか、または例えばソフトウェア制御で選択される角度であり得る。ジョイントの各々は、その最小ジョイント回転位置と最大ジョイント回転位置との間で回転可能である。この実施例では、Ｊ１は、－７２０度～７２０度の間で回転可能である。Ｊ２は、－９０度～１３５度の間で回転可能である。Ｊ３は、－７２０度～７２０度の間で回転可能である。Ｊ４は、－５度～１８０度の間で回転可能である。Ｊ１および／またはＪ３に関する最小ジョイント回転位置と最大ジョイント回転位置との差は、好適には、Ｊ２および／またはＪ４に関する最小ジョイント回転位置と最大ジョイント回転位置との差よりも大きい。これは、例えば、Ｊ１および／またはＪ３が、アームの動作中にＪ２および／またはＪ４よりも移動しない傾向がある場合であり得る。

ジョイントＪ５～Ｊ８の各々は、それぞれの最小ジョイント回転位置と、それぞれの最大ジョイント回転位置と、を有する。これらの最小ジョイント回転位置および最大ジョイント回転位置は、物理的な終点、すなわち、ジョイントが通り越して物理的に回転することができない角度であり得るか、または例えばソフトウェア制御で選択される角度であり得る。ジョイントの各々は、その最小ジョイント回転位置と最大ジョイント回転位置との間で回転可能である。この実施例では、Ｊ５は、－７２０度～７２０度の間で回転可能である。Ｊ６は、－２０度～２３度の間で回転可能である。Ｊ７は、－１２０度～１２０度の間で回転可能である。Ｊ８は、－３６０度～３６０度の間で回転可能である。

４つのジョイントＪ１～Ｊ４の各々のジョイント状態に関する知識により、各ジョイントの運動許容範囲を決定することができる。例えば、ジョイント状態は、特定のジョイントが現在位置するジョイント角度の範囲内のジョイント角度を含むか、または示すことができる。例えば、ジョイントＪ２の状態は、Ｊ２が１２５度の現在の角度位置にあることを示し得る。Ｊ２の運動許容範囲は、現在の角度位置（１２５度）を、最小角度位置および最大角度位置、それぞれ－９０度および１３５度と比較することによって見つけることができる。ここでは、運動許容範囲には、一方の方向の範囲（－９０～１２５度）、およびもう一方の方向の範囲（１３５～１２５度）が含まれる。したがって、この実施例におけるＪ１の運動許容範囲は、一方の方向では２１５度、もう一方の方向では１０度である。他のジョイントＪ１、Ｊ３、およびＪ４の各々について、同様の計算を実施することができる。これは、これら４つのジョイント、すなわち、Ｊ１～Ｊ４の各々に関する運動許容範囲の計算につながる。本明細書の技術は、ジョイント速度がジョイント回転の終点でゼロに到達する場合を考慮するため、より小さい運動許容範囲、すなわち、上記の実施例では１０度だけを考慮する必要がある。したがって、決定された運動許容範囲は、好適には、現在のジョイント角度位置から最も近い回転の終点までの運動の範囲である。ジョイントがその回転の中間点にある場合、運動の範囲はいずれの方向でも同じである。この場合、その範囲は、そのジョイントの運動許容範囲とみなされる。

ジョイントＪ１～Ｊ４の各々は、それぞれの最大速度を有する。これらの最大速度は、物理的な速度、すなわち、ジョイントが物理的に超えることができない速度であり得るか、または例えばソフトウェア制御で選択される速度であり得る。この実施例では、Ｊ１は、最大３ラジアン／秒で回転可能である。Ｊ２は、最大３ラジアン／秒で回転可能である。Ｊ３は、最大３ラジアン／秒で回転可能である。Ｊ４は、最大３ラジアン／秒で回転可能である。これらのジョイントの最大速度は同じである必要はない。

ジョイントＪ１～Ｊ４の各々は、それぞれ最大加速度（または減速度）を有する。これらの最大減速度は、物理的な減速、すなわち、ジョイントが物理的に超えることができない減速であり得るか、または例えばソフトウェア制御で選択される減速であり得る。ジョイントの各々の速度の変化は、最大減速度までであり得る。この実施例では、Ｊ２は、５ラジアン／秒＾２の最大減速度を有する。Ｊ４は、５ラジアン／秒＾２の最大減速度を有する。Ｊ１および／またはＪ３の最大減速度は、例えば、Ｊ１および／またはＪ３がアームの動作中にＪ２および／またはＪ４よりも少なく移動する傾向がある場合、ジョイントＪ２および／またはＪ４の最大減速度よりも高く設定され得る。一部の事例では、Ｊ１および／またはＪ３の最大減速度は、これらの減速が実際には達成される可能性が低いほどに十分に高く、例えば、１０００ラジアン／秒＾２を超える減速に設定され得る。Ｊ１の最大減速度は、Ｊ３の最大減速度と同じである必要はない。Ｊ２およびＪ４の最大減速度は同じである必要はない。

好適には、ジョイント角度は、ラジアンで決定され得るか、もしくはラジアンに変換され得、または速度および減速度は、度数で決定され得るか、もしくは度数に変換され得る。使用される単位は重要ではないが、計算のために同じ単位が一貫した方法で使用されることが理解されよう。

ジョイント速度限界は、決定された運動許容範囲から導出される。所与のジョイントのジョイント速度限界は、好適には、そのジョイントの運動許容範囲およびそのジョイントの最大減速度を使用して導出される。ジョイント速度限界は、ジョイントが回転することができる一方で、依然としてジョイント回転限界まで（すなわち、運動許容範囲内で）（最大減速度で）減速および停止することができる、最も高い速度であり得る。例えば、標準的な運動の方程式から、ジョイント速度限界が以下のとおりであることを見出すことができる。
（２×（運動許容範囲）×（最大減速度））＾（１／２）

ジョイントＪ１～Ｊ４のいずれか１つの角度が、そのジョイントの最小ジョイント角度と最大ジョイント角度との間の範囲の中心部分内にある場合、そのジョイントの速度限界を、最大速度であると決定することができるる。例えば、所与のジョイントのジョイント角度がその範囲の中間点にある場合、ジョイント速度を最大速度よりも低く制限する必要はない場合がある。これは、ジョイント角度がこの中間点にある場合に、運動許容範囲および最大減速度から導出され得るジョイント速度限界が、そのジョイントの最大速度よりも大きい場合があるためである。

したがって、好適には、所与のジョイントの最大速度と、そのジョイントに対して計算されるジョイント速度限界との比較が行われる。これらの値のうちの小さい方が、そのジョイントの制限速度として使用される。

特定の最大速度および最大減速度について、ジョイント速度限界が最大速度を超える運動許容範囲を決定することができる。この運動許容範囲は、閾値の値として選択され得る。そのジョイントの運動許容範囲がこの閾値の値を下回っている場合、そのジョイントのジョイント速度限界を計算することのみが必要な場合がある。運動許容範囲がこの閾値の値を満たすか、またはそれを超える場合、そのジョイントの最大速度を、そのジョイントの制限速度として使用することができる。このアプローチにより、ジョイント速度限界を導出する際の処理オーバーヘッドを低減することができる。閾値の値は、ジョイントの最大減速度ならびに／または最小および／もしくは最大ジョイント回転位置など、ジョイント特性が異なるため、ジョイント間で異なる可能性が高い。閾値の値が異なる必要はない。所与のジョイントのジョイント特性が同じである場合、それらのジョイントの閾値の値は同じであってもよい。

これらの計算をジョイントＪ１～Ｊ４の各々に対して実施すると、４つのジョイント速度限界をもたらす（ジョイントごとに１つ）。本技術では、これらのうち最も重要なもの、例えば、最小ジョイント速度限界が考慮される。したがって、４つのジョイント速度限界の最小値は、共通のジョイント速度限界であるように選択される。共通のジョイント速度限界は、Ｊ１～Ｊ４の４つのジョイントの各々に個別に適用され得る限界である。共通のジョイント速度限界は、ジョイントＪ４からより遠位のジョイント、例えば、手首（すなわち、Ｊ６／Ｊ７の交点）に適用され得る。このより遠位のジョイントに共通のジョイント速度限界を適用することにより、ジョイントＪ１～Ｊ４の速度が制限され得る。

共通のジョイント速度限界は、角度ジョイントの速度限界に基づいて選択され得る。一部の事例では、共通のジョイント速度限界は、角度ジョイントの速度限界をデカルト空間に変換することに依存して選択され得る。共通のジョイント速度限界は、共通のジョイント速度限界をデカルト空間に変換し、変換された共通のジョイント速度限界を使用して、そのより遠位のジョイントのデカルト空間における位置的な速度を制限することによって、より遠位のジョイントに適用され得る。例えば、ヤコビ行列は、アームのジョイントのジョイント角度に基づいて決定され得る。この場合、ジョイントＪ１～Ｊ４のジョイント角度のみを考慮する必要がある。残りのジョイント（Ｊ５～Ｊ８）のジョイント角度を考慮する必要はない。したがって、ヤコビ行列を計算する際に、Ｊ４の遠位のジョイントのジョイント角度をゼロに設定することができる。

逆行列をヤコビ行列から計算することができる。各行のユークリッドノルムを逆行列から導出することができる。これは、ジョイントＪ１～Ｊ４の各々に対して、デカルトｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各々に沿って単位ベクトルを提供し得る。逆行列は、ジョイントの角度位置およびジョイント速度を、デカルト空間のジョイント位置およびジョイント速度に変換することができる。

したがって、デカルト座標における速度は、ジョイントＪ１～Ｊ４ごとに計算され得る。デカルト座標におけるこれらの速度の最小値は、共通のジョイント速度限界になるように選択され得る。

共通の速度限界は、アームの複数のジョイントの速度を制限するために使用される。例えば、共通のジョイント速度限界は、Ｊ１～Ｊ４の４つのジョイントのうちの２つ以上、例えば、ジョイントＪ１～Ｊ４の各々の速度を個別に制限するために使用される。例を挙げると、ジョイントＪ１～Ｊ４の各々についての別個のジョイント速度限界は、Ｊ１_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}、Ｊ２_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}、Ｊ３_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}、およびＪ４_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}となるように計算され得る。この実施例では、Ｊ４_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}は、Ｊ１_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}、Ｊ２_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}、およびＪ３_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}のいずれかよりも小さい。したがって、Ｊ４_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}は、共通のジョイント速度限界であるように選択される。Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、およびＪ４の各々の速度は、Ｊ４_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}に制限される。追加的または代替的に、手首のデカルト空間における位置的な速度をＪ４_{ｖｅｌ－ｌｉｍｉｔ}に制限することによって、共通のジョイント速度限界を複数のジョイントに適用することができる。

この共通のジョイント速度限界を、任意の好適な方法で適用することができる。例えば、共通のジョイント速度限界を運動学的コントローラに渡すことができ、これにより、この共通のジョイント速度限界を、命令された姿勢に応答してアームの所望の姿勢を決定する際に考慮に入れることができる。運動学的コントローラは、共通のジョイント速度限界を使用して、ジョイントＪ１～Ｊ４の各々の速度を個別に制限することができる。例えば、運動学的コントローラは、アームの複数のジョイントの速度を計算する際に、手首の位置（すなわち、Ｊ６およびＪ７の軸が交差する位置）に適用されるように、共通のジョイント速度限界を使用し得る。手首の位置的な速度を制限することにより、限界を、個々のジョイントＪ１～Ｊ４の速度に対して設置することができる。共通のジョイント速度限界が手首に適用される場合、運動学的コントローラは、手首の速度が共通のジョイント速度限界を超えないように、手首の近位のジョイントの所望されるジョイントの動きを計算することができる。そうすることで、運動学的コントローラは、共通のジョイント速度限界を使用して、手首の近位のジョイントの各々のジョイント速度を効果的に制限することができる。

運動学的コントローラは、アームの複数のジョイントの速度を計算する際に、ジョイントＪ１～Ｊ４に個別に適用されるように、共通のジョイント速度限界を使用することができる。共通のジョイント速度限界がＪ１～Ｊ４に個別に適用される場合、運動学的コントローラは、アームの他のジョイントのジョイント速度を含むジョイントの動きを計算する際に、これを考慮に入れることができる。したがって、冗長アームの場合である可能性が高い、アームが２つ以上の方法で第１の構成から第２の構成まで移動し得る場合、運動学的コントローラは、個々のジョイントの速度を共通のジョイント速度限界未満に保つことを試みるジョイントの動きを計算することができる。これが不可能である場合、運動学的コントローラは、ジョイントの速度を、この限界を超えないように、共通のジョイント速度限界で「上限を課す」ことができる。

第１のジョイントの運動により、手首が、仮に正のｘ方向に移動し、第２のジョイントの運動により、手首が、仮に負のｘ方向に移動する場合がある。したがって、手首の動きの速度は、第１のジョイントの動きの速度よりも低い場合がある。かかる事例では、運動学的コントローラは、共通のジョイント速度限界を第１のジョイントが超えることを可能にしながら、手首の速度が依然として共通のジョイント速度限界に制限される方法で、ジョイントの所望の動きを計算することができる。したがって、これは、手首（またはより広くは、複数のジョイントのアームの遠位の部分）の速度を共通のジョイント速度限界に制限するのに十分であり得る。複数のジョイントの速度を個別に、共通のジョイント速度限界に直接制限する必要もない。しかしながら、実際には、複数のジョイントの速度を共通のジョイント速度限界に個別に制限することが望ましい場合がある。例えば、複数のジョイントの各々の速度は、複数のジョイントの各々の速度が個別に共通のジョイント速度限界を超えないように、共通のジョイント速度限界によって制限され得る。

いくつかの実装例では、例えば、個々のジョイントの速度が共通のジョイント速度限界に制限される場合、手首（またはより広くは、複数のジョイントからアームのより遠位の部分）の位置的な速度が共通のジョイント速度限界に制限されるように、スケール因子を適用することが可能である。スケール因子は、一部の例では、共通のジョイント速度限界および命令された手首の速度、例えば、以下の比から導出され得る。

この比は、ジョイントＪ１～Ｊ４の各々の速度限界に個別に適用され得、例えば、比は、共通のジョイント速度限界に適用され得る。このアプローチは、手首の速度が共通のジョイント速度限界を超えないことを確実にするのに役立つ場合がある。

このようにジョイント速度を制限することは、アームジョイントの命令されたジョイント速度と実際のジョイント速度との間に差があることを意味する可能性が高い。好適には、実際の動きを超える命令された動きの「キャッチアップ」はない。つまり、命令されたジョイント速度が共通のジョイント速度を下回ると、アームのジョイントは、新しい命令されたジョイント速度で移動するように制御される。共通のジョイント速度限界を上回る任意の命令された動きは、「失われた」動きとして扱われ得る。このアプローチは、外科手術ロボットシステムのユーザが、入力コントローラでの命令された動きに応答して、アームジョイントの動きの範囲を常に認識することを確実にするのに役立つ場合がある。このアプローチは、ユーザによって期待される範囲を超えて、アームのジョイントが「行き過ぎる」ことがないことを確実にするのに役立つ。したがって、本技術は、ロボットアームの制御の安全な実行を支援することができる。

上の考察では、ジョイントＪ１～Ｊ４の４つすべてのジョイント速度が計算され、これらのジョイント速度の最小値が共通のジョイント速度として選択される。代替として、各ジョイントの運動許容範囲が決定されると、これらの運動許容範囲の最小値を選択することができ、かつ関連するジョイント（すなわち、最小運動許容範囲を有する角度位置のジョイント）の最大減速度と一緒に使用して、共通のジョイント速度を導出することができる。この場合、任意の他のジョイントのジョイント速度を計算する必要はない。したがって、処理の節約を行うことができ、これにより、アームの制御の効率を増加させるのを支援することができる。このアプローチは、ジョイントの重要度または特性が同じである場合に有用であり得る。例えば、検討中のジョイントの各々、例えば、ジョイントＪ１～Ｊ４が、同じ最大減速度を有する場合。このアプローチは、ジョイントの各々が同じ最大速度を有する場合に有用であり得る。

本明細書で考察される技術では、共通のジョイント速度限界は、測定されたジョイント角度に基づいて、有用に取得され得る。追加のデータ、例えば、命令されたジョイントの位置または命令された姿勢を、共通のジョイント速度限界を取得する際に考慮する必要はない。

本明細書で考察される実施例では、ジョイントＪ１～Ｊ４のジョイント角度は、ジョイントＪ４の位置を画定するのに十分であり、かつＪ４の遠位にあるジョイントの位置を画定するのにも十分な場合がある。例えば、手首ジョイントは、Ｊ６およびＪ７の軸の交点によって画定され得る。手首ジョイントの位置は、好適には、Ｊ１～Ｊ４の角度によってのみ画定され得る。したがって、手首ジョイントの位置的な速度を制限する場合、Ｊ１～Ｊ４のみを考慮する必要がある。ここで、位置的な速度を、デカルト空間の３つの直交軸に沿った速度とみなすことができる。

Ｊ４の遠位にあるジョイント、例えば、手首ジョイントの角速度を制限することも可能である。これを達成することができる１つの方法は、Ｊ４の遠位にあるジョイント、例えば、Ｊ５～Ｊ７のジョイント角度に基づいて、第２のヤコビ行列（および共通のジョイント速度限界を導出することに関連して上述した逆行列）を考慮することである。Ｊ８のジョイント角度を、所望に応じて考慮に入れることもできる。

さらなる共通のジョイント速度限界（または共通のジョイント角速度限界）を計算するために講じられるアプローチは、共通のジョイント速度限界を計算することに関して本明細書で説明されるものと同じであってもよく、ジョイントＪ５～Ｊ７は、ジョイントＪ１～Ｊ４の代わりに考慮される。さらなる共通のジョイント速度がジョイントＪ５～Ｊ７に個別に適用される場合、スケール因子は、ジョイントＪ１～Ｊ４を参照して本明細書の他の箇所に記載されるものと同様の方法で適用され得る。

代替として、２つのヤコビ行列（一方はＪ１～Ｊ４に対して、もう一方はＪ５～Ｊ７に対して）を決定するのではなく、単一のヤコビ行列を、Ｊ１～Ｊ７に基づいて決定することができる。したがって、位置および角度のマッピングを一度に考慮することができる。Ｊ１～Ｊ７に基づくこの「より大きな」ヤコビ行列が、Ｊ１～Ｊ４に基づく「より小さな」ヤコビ行列を決定することに加えて決定され得ることに留意されたい。しかしながら、これにより、処理作業がいくぶん重複することにつながる場合がある。

最小ジョイント回転位置、最大ジョイント回転位置、ジョイント最大速度、およびジョイント最大減速度のうちの１つ以上は、以下のうちの少なくとも１つに依存して決定され得る。
・アームの特性、
・アームに取り付けられる器具、
・アームの環境、
・アームを使用して実施する（またはアームを使用して実施する予定の手技、および
・遠隔測定によりシステムから収集された利用状況データ。

ここで、外科手術ロボットシステムなどのロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限する方法を、図４を参照して説明する。複数のジョイントのジョイント状態が取得される（４０２）。例えば、ｎ個のジョイントを備えるロボットアームの場合、ｋ個のジョイントのジョイント状態を取得することができ、式中、ｋ≦ｎである。運動許容範囲が、ジョイントごとに、すなわち、ｋ個のジョイントの各々に対して決定される（４０４）。ジョイント速度限界が、ジョイントごとに、すなわち、ｋ個のジョイントの各々に対して導出される（４０６）。最小ジョイント速度限界は、共通のジョイント速度限界として選択される（４０８）。次いで、共通のジョイント速度限界を使用して、アームのジョイント、例えば、少なくともｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することができる（４１０）。

図５は、ジョイントの運動許容範囲を決定する方法を例示する。複数のジョイントのジョイント角度が取得される（５０２）。複数のジョイントは、好適には、図４の文脈で考察されるｋ個のジョイントである。ジョイント角度限界が、ジョイントの各々に対して取得される（５０４）。ジョイント角度限界は、任意の好適なソース、例えば、メモリから取得され得る。各ジョイントに対して、最も近い角距離がジョイント角度限界に決定される（５０６）。これは、現在のジョイント角度と、最小および最大ジョイント角度の両方との間の角距離を計算し、結果として得られる値のうちのより小さな値を得ることによって決定され得る。この最も近い角距離は、そのジョイントの運動許容範囲として使用され得る。

図６は、ジョイントの角度位置および／またはジョイント速度をデカルト空間に変換する方法を例示する。６０２では、ヤコビ行列が複数のジョイントに関して決定される。ヤコビ行列は、アームジョイントのサブセット（すなわち、ｋ個のジョイント）またはアームのすべてのジョイント（すなわち、ｎ個のジョイント）に関して決定され得る。６０４では、逆行列がヤコビ行列から導出される。逆行列の各行に関してユークリッドノルムが取得される（６０６）。これは、いくつかの実施例では、逆行列の行のサブセットに対するユークリッドノルムを取得するのに十分であり得るが、行ごとにユークリッドノルムが取得されることが好ましい。６０８では、ジョイントの角度位置および／または角速度がデカルト空間に変換される。この変換は、好適には、６０４で導出された逆行列、および６０６で取得されたユークリッドノルムを使用する。

図７は、外科手術ロボットシステムなどのロボットシステムの複数のジョイントのジョイント角速度を制限する方法を例示する。複数のさらなるジョイントのジョイント状態が取得される（７０２）。例えば、ｎ個のジョイントを備えるロボットアームの場合、（ｎ－ｋ）個のジョイントのジョイント状態を取得することができ、式中、ｋ＜ｎである。運動許容範囲が、複数のさらなるジョイントの各ジョイント、すなわち、（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々に対して決定される（７０４）。ジョイント速度限界が、複数のさらなるジョイントの各々、すなわち、（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々に対して導出される（７０６）。最小ジョイント速度限界は、さらなる共通のジョイント速度限界として選択される（７０８）。次いで、さらなる共通のジョイント速度限界を使用して、アームのジョイント、例えば、少なくとも（ｎ－ｋ）個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することができる（７１０）。

図８は、外科手術ロボットシステムなどのロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限する別の方法を例示する。複数のジョイントのジョイント状態が取得される（８０２）。例えば、ｎ個のジョイントを備えるロボットアームの場合、ｋ個のジョイントのジョイント状態を取得することができ、式中、ｋ≦ｎである。運動許容範囲が、ジョイントごとに、すなわち、ｋ個のジョイントの各々に対して決定される（８０４）。共通のジョイント速度限界が、ｋ個のジョイントの最小運動許容範囲から導出される（８０６）。次いで、共通のジョイント速度限界を使用して、アームのジョイント、例えば、少なくともｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することができる（８０８）。

図９は、外科手術ロボットシステムなどのロボットシステムの複数のジョイントのジョイント角速度を制限する別の方法を例示する。複数のさらなるジョイントのジョイント状態が取得される（９０２）。例えば、ｎ個のジョイントを備えるロボットアームの場合、（ｎ－ｋ）個のジョイントのジョイント状態を取得することができ、式中、ｋ＜ｎである。運動許容範囲が、複数のさらなるジョイントの各ジョイント、すなわち、（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々に対して決定される（９０４）。さらなる共通のジョイント速度限界が、（ｎ－ｋ）個のジョイントの最小運動許容範囲から導出される（９０６）。次いで、さらなる共通のジョイント速度限界を使用して、アームのジョイント、例えば、少なくとも（ｎ－ｋ）個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することができる（９０８）。

一部の事例では、ジョイント状態は、アームの１つ以上のジョイント、例えば、遠位アームジョイントの位置から取得され得る。ジョイント状態は、手首ジョイントの位置に依存して取得され得る。ジョイント状態は、外科手術コンソールの入力コントローラによって命令される位置から取得され得る。ジョイント状態が既知のサンプリングレートで取得される場合、ジョイントおよび／またはアームの一部分の速度は、サンプリングされた位置から決定され得る。

ロボットアームは、ｎ個のジョイントを備える。ｋ個のジョイントのジョイント状態を取得することができる（式中、ｋ＜ｎである）。好適には、ｋ個のジョイントは、アームのｋ個の最近位のジョイント、すなわち、Ｊ１～Ｊｋである。ジョイント状態には、好適には、ジョイント角度が含まれる。ジョイント角度は、例えば、式中、ｋ＝４であるベクトルとして表現され得る。
ｑ＝［ｑ_１、ｑ_２、ｑ_３、ｑ_４］

必要に応じて、残りのジョイントに関して、ｑにゼロを付け加えることができる。そのため、８つのジョイント（Ｊ１～Ｊ８）がある場合、ｑは以下のように記述され得る。
ｑ＝［ｑ_１、ｑ_２、ｑ_３、ｑ_４、０、０、０、０］

アームのジョイントのすべてを考慮する必要はない。したがって、これは、８つのジョイントがある場合、最近位の７つのジョイントを考慮するのに十分であり得る。この場合、ｑは次のように記述され得る。
ｑ＝［ｑ_１、ｑ_２、ｑ_３、ｑ_４、０、０、０］

アームから、またはジョイント角度などのアーム制御システムのジョイント状態から、ｎ個のジョイントすべてを一度に取得することが好都合である。これらの角度は、好都合には、ローカルに記憶され得る。次いで、ｋ個のジョイントの角度にアクセスすることができる。

上述のように、ロボットアームは、ユーザが操作可能な入力コントローラによって制御され得る。一部の事例では、触覚フィードバックなどのフィードバックが、システムのユーザに提供され得る。フィードバックは、入力コントローラを介して提供され得る。例えば、入力コントローラは、共通のジョイント速度限界および／またはさらなる共通のジョイント速度限界に到達したときに振動し得る。フィードバックの性質は、到達される共通のジョイント速度限界と、到達されるさらなる共通のジョイント速度限界との間で異なってもよい。

システムは、入力コントローラの動きに対する抵抗力を提供するように構成することができ、これは、アームの運動が共通のジョイント速度限界および／またはさらなる共通のジョイント速度限界を超える原因となり得る。このようにして、システムのユーザは、「失われた」動き、すなわち、ロボットアームの１つ以上のジョイントのさらなる動き、またはより速い動きをもたらさない、入力コントローラの動きを認識することができる。

フィードバックは、任意の好都合な方法で、例えば、視聴覚信号の放出によって、提供され得る。視聴覚信号は、光を含み得る。視聴覚信号は、音を含み得る。視聴覚信号は、異なる色、強度、連続および／または点滅パターンなどを備えた光を含み得る。視聴覚信号は、異なるトーン、音量、メッセージなどを備えた音を含み得る。好適には、システムは、視聴覚信号の視覚要素を出力するように構成された１つ以上の光を備える。好適には、システムは、視聴覚信号の聴覚要素を出力するように構成された１つ以上のスピーカを備える。

光および／またはスピーカは、システム上の任意の好都合な場所、例えば、ユーザコンソール上、入力コントローラ上、ロボットアーム上などに提供され得る。

視聴覚信号は、触覚フィードバックの提供と一緒に、またはその代わりに放出され得る。

上述の説明では、説明を容易にするために、システムによって講じられた措置は機能ブロックまたはモジュールに分割されている。実際には、これらのブロックのうちの２つ以上を、建築的に組み合わせることができる。機能を異なる機能ブロックに分割することもできる。

本技術を外科手術ロボットシステムの文脈において説明してきたが、以下に説明される特徴は、かかるシステムに限定されるものではなく、より広くはロボットシステムに適用され得る。いくつかの実施例では、本技術は、遠隔で動作するロボットシステムに適用され得る。本技術が有用であり得る状況のいくつかの実施例には、探索、調査、または修理のために「ヘビのような」ロボットを使用する実施例が含まれる。外科手術ロボットの場合、エンドエフェクタは、メス、外科手術カッタ、外科手術ピンサ、または焼灼器（ｃａｕｔｅｒｉｓｅｒ）などの外科手術道具であってもよい。

ロボットシステムには、車両製造システム、部品取り扱いシステム、実験室システムなどの製造システム、および危険物などのためのマニピュレータまたは外科用マニピュレータが含まれ得る。

ジョイントは、ロータリモータもしくはリニアモータであり得る電気モータによって、または油圧式もしくは空気圧式アクチュエータなどの他の手段によって駆動され得る。これらは、同じ制御アルゴリズムから駆動され得る。

本明細書によって、本出願人は、本明細書に記載の各個々の特徴および２つ以上のかかる特徴の任意の組み合わせを、かかる特徴または組み合わせが、当業者に共通する一般知識に照らして、全体として本明細書に基づいて行うことができるような程度まで、かかる特徴または特徴の組み合わせが、本明細書に開示する任意の問題を解決するかにかかわらず、かつ特許請求の範囲を限定することなく、分離して開示する。本出願人は、本発明の態様が、任意のかかる個々の特徴または特徴の組み合わせからなり得ることを示している。前述の説明を考慮すると、本発明の範囲内で様々な修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
［態様１］
外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するための方法であって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記方法が、
前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
前記ｋ個のジョイントの各々について、
そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
そのジョイントのジョイント速度限界を、前記運動許容範囲を使用して導出することと、
前記ｋ個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、前記ｋ個のジョイントの各々を制限するために使用される共通のジョイント速度限界に個別に選択することと、
前記ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を含み、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、方法。
［態様２］
外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するための方法であって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記方法が、
前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
前記ｋ個のジョイントの各々について、そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
前記ｋ個のジョイントの最小運動許容範囲、およびその最小運動許容範囲に関連する前記ジョイントを使用して、前記ｋ個のジョイントの各々を制限するために使用される共通のジョイント速度限界を個別に導出することと、
前記ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を含み、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、方法。
［態様３］
前記ｋ個のジョイントの第１の群が、前記アームの前記基部の近位にあるｋ個のジョイントを含み、前記共通のジョイント速度限界が、デカルト空間の直交方向に沿ってｋ番目のジョイントの位置的な速度を制限する、態様１または２に記載の方法。
［態様４］
前記ｋ個のジョイントの第１の群が、前記アームの前記基部の近位にあるｋ個のジョイントを含み、前記ｋ個のジョイントにより、（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの位置を一意的に決定することができ、式中、ｍ＞０である、態様１～３のいずれかに記載の方法。
［態様５］
前記共通のジョイント速度が、デカルト空間の直交方向に沿って（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの位置的な速度を制限する、態様１～４のいずれかに記載の方法。
［態様６］
前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界に個別に制限される、態様１～５のいずれかに記載の方法。
［態様７］
前記アームが、ｎ個のジョイントを備え、式中、ｎ＞ｋであり、前記方法が、
前記アームの（ｎ－ｋ）個のジョイントの第２の群のジョイント状態を取得することと、
前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々について、
そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
そのジョイントのジョイント速度限界を、前記運動許容範囲を使用して導出することと、
前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々に対するさらなる共通のジョイント速度限界に個別に選択することと、
前記（ｎ－ｋ）個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を含み、前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々の速度が、前記さらなる共通のジョイント速度限界に制限される、態様１～６のいずれかに記載の方法。
［態様８］
前記ｋ個のジョイントの第１の群および前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの第２の群のうちの一方または両方のジョイント状態を取得することが、ジョイント角度を取得することを含む、態様１～７のいずれかに記載の方法。
［態様９］
ジョイントの前記運動許容範囲を決定することが、そのジョイントのジョイント角度限界に最も近い角距離を決定することを含む、態様１～８のいずれかに記載の方法。
［態様１０］
前記ジョイント速度限界を導出することが、前記それぞれのジョイントに対する最大減速度、および前記ジョイント角度限界に対する前記決定された最も近い角距離を使用することを含む、態様９に記載の方法。
［態様１１］
前記さらなる共通のジョイント速度限界が、（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの角速度を制限し、式中、ｍ＞０である、態様７～１０のいずれかに記載の方法。
［態様１２］
ジョイントの前記ジョイント角度限界およびジョイントの前記最大減速度のうちの少なくとも１つが、所定の値を含み、かつ／または前記ジョイントの物理的特性から決定され、かつ／またはユーザ定義可能である、態様９～１１のいずれかに記載の方法。
［態様１３］
前記ジョイント角度限界に対する前記決定された最も近い角距離が閾値の角距離を超えている場合に、そのジョイントの前記ジョイント速度限界が、所定のジョイント速度限界値を含む、態様９～１２のいずれかに記載の方法。
［態様１４］
前記ジョイント速度限界を導出することが、ジョイントの角度位置および／または角速度を、デカルト空間の位置および／または速度にそれぞれ変換することを含む、態様１～１３のいずれかに記載の方法。
［態様１５］
前記変換することが、ヤコビ行列を決定することを含む、態様１４に記載の方法。
［態様１６］
前記変換することが、前記決定されたヤコビ行列を使用して逆行列を導出することを含む、態様１５に記載の方法。
［態様１７］
前記変換することが、前記逆行列の各行に対するユークリッドノルムを決定することを含む、態様１６に記載の方法。
［態様１８］
前記共通のジョイント速度限界を超えるジョイントに対する命令されたジョイント速度、またはそのジョイントに対するさらなる共通のジョイント速度限界に基づいて、前記外科手術ロボットシステムのユーザにフィードバックを提供することを含む、態様１～１７のいずれかに記載の方法。
［態様１９］
前記外科手術ロボットシステムが、入力コントローラであって、それによって、前記アームの構成を変更するようにユーザが操作可能である、入力コントローラを備え、前記方法が、前記入力コントローラを介して触覚フィードバックを提供することを含む、態様１８に記載の方法。
［態様２０］
外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するためのジョイント速度制限システムであって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記ジョイント速度制限システムが、
前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
前記ｋ個のジョイントの各々について、
そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
そのジョイントのジョイント速度限界を、前記運動許容範囲を使用して導出することと、
前記ｋ個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、前記ｋ個のジョイントの各々を制限するために使用される共通のジョイント速度限界に個別に選択することと、
前記ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を行うように構成されており、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、ジョイント速度制限システム。
［態様２１］
外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するためのジョイント速度制限システムであって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記ジョイント速度制限システムが、
前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
前記ｋ個のジョイントの各々について、そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
前記ｋ個のジョイントの最小運動許容範囲、およびその最小運動許容範囲に関連する前記ジョイントを使用して、前記ｋ個のジョイントの各々を制限するために使用される共通のジョイント速度限界を個別に導出することと、
前記ｋ個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を行うように構成されており、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、ジョイント速度制限システム。

Claims (19)

1. 外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するための方法であって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記方法が、
   前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
   前記ｋ個のジョイントの各々について、
   そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
   そのジョイントのジョイント速度限界を、前記運動許容範囲を使用して導出することと、
   前記ｋ個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、前記ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界に選択することと、
   前記ｋ個のジョイントを駆動して、前記ｋ個のジョイントのうちの少なくとも１つを作動させるための駆動信号を計算することと、を含み、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、方法。
2. 外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するための方法であって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記方法が、
   前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
   前記ｋ個のジョイントの各々について、そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
   前記ｋ個のジョイントの最小運動許容範囲、およびその最小運動許容範囲に関連する前記ジョイントを使用して、前記ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界を導出することと、
   前記ｋ個のジョイントを駆動して、前記ｋ個のジョイントのうちの少なくとも１つを作動させるための駆動信号を計算することと、を含み、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、方法。
3. 前記ｋ個のジョイントの第１の群が、前記アームの前記基部の近位にあるｋ個のジョイントを含み、前記共通のジョイント速度限界が、デカルト空間の直交方向に沿ってｋ番目のジョイントの位置的な速度を制限する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ｋ個のジョイントの第１の群が、前記アームの前記基部の近位にあるｋ個のジョイントを含み、前記ｋ個のジョイントにより、（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの位置を一意的に決定することができ、式中、ｍ＞０である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記共通のジョイント速度限界が、デカルト空間の直交方向に沿って前記（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの位置的な速度を制限する、請求項４に記載の方法。
6. 前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界に個別に制限される、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記アームが、ｎ個のジョイントを備え、式中、ｎ＞ｋであり、前記方法が、
   前記アームの（ｎ－ｋ）個のジョイントの第２の群のジョイント状態を取得することと、
   前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々について、
   そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
   そのジョイントのジョイント速度限界を、前記運動許容範囲を使用して導出することと、
   前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々に対するさらなる共通のジョイント速度限界に個別に選択することと、
   前記（ｎ－ｋ）個のジョイントを駆動するための駆動信号を計算することと、を含み、前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの各々の速度が、前記さらなる共通のジョイント速度限界に制限される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ｋ個のジョイントの第１の群および前記（ｎ－ｋ）個のジョイントの第２の群のうちの一方または両方のジョイント状態を取得することが、ジョイント角度を取得することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記ｋ個のジョイントの第１の群が、前記アームの前記基部の近位にあるｋ個のジョイントを含み、前記ｋ個のジョイントにより、（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの位置を一意的に決定することができ、式中、ｍ＞０であり、
   前記さらなる共通のジョイント速度限界が、前記（ｋ＋ｍ）番目のジョイントの角速度を制限する、請求項７または８のいずれか一項に記載の方法。
10. ジョイントの前記運動許容範囲を決定することが、そのジョイントのジョイント角度限界に最も近い角距離を決定することを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. ジョイントの前記ジョイント速度限界を導出することが、そのジョイントに対する最大減速度、および前記ジョイント角度限界に対する前記決定された最も近い角距離を使用することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. ジョイントの前記ジョイント角度限界およびジョイントの前記最大減速度のうちの少なくとも１つが、所定の値を含み、かつ／または前記ジョイントの物理的特性から決定され、かつ／またはユーザ定義可能である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ジョイント角度限界に対する前記決定された最も近い角距離が閾値の角距離を超えている場合に、そのジョイントの前記ジョイント速度限界が、所定のジョイント速度限界値を含む、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記ジョイント速度限界を導出することが、ジョイントの角度位置および／または角速度を、デカルト空間の位置および／または速度にそれぞれ変換することを含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記変換することが、
    ヤコビ行列を決定することと、
    前記決定されたヤコビ行列を使用して逆行列を導出することと、
    前記逆行列の各行に対するユークリッドノルムを決定することと、を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記共通のジョイント速度限界を超えるジョイントに対する命令されたジョイント速度、またはそのジョイントに対するさらなる共通のジョイント速度限界に基づいて、前記外科手術ロボットシステムのユーザにフィードバックを提供することを含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記外科手術ロボットシステムが、入力コントローラであって、それによって、前記アームの構成を変更するようにユーザが操作可能である、入力コントローラを備え、前記方法が、前記入力コントローラを介して触覚フィードバックを提供することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するためのジョイント速度制限システムであって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記ジョイント速度制限システムが、
    前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
    前記ｋ個のジョイントの各々について、
    そのジョイントの運動許容範囲を、取得されたジョイント状態から決定することと、
    そのジョイントのジョイント速度限界を、前記運動許容範囲を使用して導出することと、
    前記ｋ個のジョイントの最小ジョイント速度限界を、前記ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界に選択することと、
    前記ｋ個のジョイントを駆動して、前記ｋ個のジョイントのうちの少なくとも１つを作動させるための駆動信号を計算することと、を行うように構成されており、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、ジョイント速度制限システム。
19. 外科手術ロボットシステムの複数のジョイントのジョイント速度を制限するためのジョイント速度制限システムであって、前記外科手術ロボットシステムが、基部、および前記基部から器具の取付部まで延在するアーム、を有するロボットを備え、前記アームが、複数のジョイントであって、それによって、前記アームの構成を変更することができる、複数のジョイントを備え、前記ジョイント速度制限システムが、
    前記アームのｋ個のジョイントの第１の群のジョイント状態を取得することであって、式中、ｋ＞１である、取得することと、
    前記ｋ個のジョイントの各々について、そのジョイントの運動許容範囲を、前記取得されたジョイント状態から決定することと、
    前記ｋ個のジョイントの最小運動許容範囲、およびその最小運動許容範囲に関連する前記ジョイントを使用して、前記ｋ個のジョイントの各々を個別に制限するために使用される共通のジョイント速度限界を導出することと、
    前記ｋ個のジョイントを駆動して、前記ｋ個のジョイントのうちの少なくとも１つを作動させるための駆動信号を計算することと、を行うように構成されており、前記ｋ個のジョイントの各々の速度が、前記共通のジョイント速度限界を使用して制限される、ジョイント速度制限システム。

Images