JP7434246B2 - ゼロ空間運動と同時にゼロ直交空間内でのクラッチングによりマニピュレータアームを位置決めするためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2013年3月15日に出願され“Systems and Methods for Positioning a Manipulator Arm by Clutching within a Null-Perpendicular Space Concurrent with Null-Space Movement”と題する米国仮特許出願第61/799,920号(代理人整理番号ISRG03900PROV/US)からの非仮出願であるとともに、同仮出願からの優先権を主張し、その全開示が参照により本出願に援用される。
多くの実施形態では、プロセッサの第1及び第2のモジュールは、上述のような、クラッチモード及び所望の組織操作運動にしたがうエンドエフェクタの運動が外科医によって命令される組織操作モードのような、異なる制御モードで異なって使用される。組織操作モードは、大抵、マスタ/スレーブモードを含む。特定の関節の有効な自由度は、組織操作モードと比べてクラッチモードにおいて異なり得る。例えば、6以上の機械的自由度を持つエンドエフェクタを提供するマニピュレータアセンブリは、エンドエフェクタが、もっぱら、関節が存在しない所に位置する枢動回転中心周りの空間で動かされることを可能にするように、拘束されることができる。代替的には、このようなエンドエフェクタは、全てのリンク機構及びマニピュレータリンク機構アセンブリの関節軸に対してスキュー角にある任意の面に沿って並進移動可能であり得る。
したがって、入力位置と出力位置との間に閉じた形のマッピングがない場合であっても、速度のマッピングが、指令ユーザ入力からマニピュレータの運動を実現するために、ヤコビアンベースのコントローラ等で、反復的に使用されることができる。しかし、様々な実装を使用することができる。多くの実施形態は、ヤコビアンベースのコントローラを含んでいるが、いくつかの実装は、本明細書で記載した特徴のいずれかを提供するために、マニピュレータアームのヤコビアンにアクセスするように構成され得る様々なコントローラを使用し得る。
dq/dt=J#dx/dt (2)
qi=qi-1+dq/dtΔt (3)
ヤコビアン(J)の擬似逆行列は、所望のツール先端動作(いくつかの場合では、枢動ツール動作の遠隔中心)を関節速度空間に直接マッピングする。使用されているマニピュレータが、(6までの)ツール先端の自由度より多くの有用な関節軸を有している場合、マニピュレータは冗長であると言われる。例えば、ツール動作の遠隔中心が使用されるとき、マニピュレータは、遠隔中心の位置に関連付けられた3つの自由度について追加の3つの関節軸を有するべきである。冗長なマニピュレータのヤコビアンは、少なくとも1つの次元を有する「ゼロ空間」を含む。この文脈において、ヤコビアン(N(J))の「ゼロ空間」は、エンドエフェクタ動作を瞬時に実現しない関節速度の空間である(そして、遠隔中心が使用されるとき、枢動点位置の移動がない);そして「ゼロ動作」は、エンドエフェクタ及び/又は遠隔中心の位置の瞬間的な移動も生成しない関節位置の組み合わせ、軌道、又は経路である。マニピュレータの所望の再配置を達成するために計算されたゼロ空間速度をマニピュレータの制御システムに組み込む又は注入することは、上記の式(2)を以下のように変形する:
dq/dt=dqprep/dt+dqnull/dt (4)
dqprep/dt=J#dx/dt (5)
dqnull/dt=(1-J#J)z=VnVn Tz=Vnα (6)
式(4)による関節速度は、2つの成分を有し:第1は、ゼロ直交空間成分、所望のエンドエフェクタ動作を生成する「純粋な(purest)」関節速度(最短ベクトルの長さ)(そして、遠隔中心が使用されるときに、所望の遠隔中心動作)であり;第2の成分は、ゼロ空間成分である。式(2)及び式(5)は、ゼロ空間成分なしで、同じ式が得られることを示している。式(6)は、左辺のゼロ空間成分についての従来の形式で始まり、最も右寄りの右辺で、例示的なシステムで用いられる形式を示し、ここで、(Vn)は、ゼロ空間についての直交基底ベクトルのセットであり、(α)は、それら基底ベクトルをブレンドする(blending)ための係数である。いくつかの実施形態では、αは、要望通りにゼロ空間内の動作を形成又は制御するために、例えばノブ又は他の制御手段の使用によって等、制御パラメータ、変数又は設定によって決定される。
(付記1) 移動可能な遠位エンドエフェクタ、ベースに結合される近位部分、及び前記エンドエフェクタと前記ベースとの間の複数の関節を含むマニピュレータアームを提供するステップであって、前記複数の関節は、手術作業空間の中で与えられたエンドエフェクタ状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を有する、ステップ;
ヤコビアンのゼロ直交空間内で前記複数の関節の関節の第1のセットを浮動させるステップであって、前記関節の第1のセットは、前記作業空間内の前記エンドエフェクタの位置に関連付けられ、前記ゼロ直交空間は、前記関節の第1のセットの運動が前記エンドエフェクタの運動をもたらす関節速度空間である、ステップ;
前記作業空間内の所望の位置への前記エンドエフェクタの手動バックドライブ運動を感知するステップ;
前記マニピュレータアームの近位部分の所望の運動を生じさせるように前記複数の関節の関節の第2のセットの補助運動を計算するステップであって、前記補助運動を計算するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で前記関節の第2のセットの関節速度を計算するステップを含み、前記ゼロ空間は前記ゼロ直交空間と直交する、ステップ;及び
前記関節の第1のセットの浮動と同時に計算された前記補助運動にしたがって前記関節の第2のセットを駆動するステップ;を含む、
ロボット方法。
(付記2) 前記エンドエフェクタの前記所望の位置は、カニューレを通る前記遠位エンドエフェクタの挿入又は低侵襲開口部に隣接した前記エンドエフェクタの位置決めを可能にするための前記作業空間内の前記エンドエフェクタの位置及び/又はアライメントを含む、
付記1に記載のロボット方法。
(付記3) 前記マニピュレータアームの前記近位部分の前記所望の状態又は運動は、所望の位置、速度、形態、姿勢、再配置運動、又は前記作業空間内での前記マニピュレータアームの衝突回避運動のいずれか又は全てである、
付記1に記載のロボット方法。
(付記4) 前記マニピュレータアームの前記近位部分の前記所望の状態又は運動は、前記遠位エンドエフェクタに近位の前記マニピュレータアームの一部の状態又は運動を含む、
付記3に記載のロボット方法。
(付記5) 前記関節の前記第1及び前記第2のセットのそれぞれは、1又は複数の関節を含む、
付記1に記載のロボット方法。
(付記6) 前記関節の前記第1及び前記第2のセットは、1又は複数の関節を共通に含む、
付記1に記載のロボット方法。
(付記7) 前記関節の第1のセットを浮動させるステップ、前記補助運動を計算するステップ、及び前記補助運動にしたがって前記関節を駆動するステップは、前記関節の運動を決定するプロセッサの第1のクラッチモードの中で発生し、前記プロセッサはさらに、組織操作モードを有し、前記方法はさらに:
所望の組織操作を生じさせるように前記エンドエフェクタを動かすためのユーザ入力から組織操作指令を受信するステップと;
前記マニピュレータを前記所望の運動で動かすように前記組織操作指令に応じて前記複数の関節の操作運動を計算するステップと;を含む、
付記1に記載のロボット方法。
(付記8) 前記組織操作モードにあるとき、前記方法はさらに:
前記組織操作中に前記マニピュレータアームの所望の状態又は運動を生じさせるように、前記複数の関節の関節のサブセットの補助運動を計算するステップであって、前記補助運動を計算するステップは、前記ゼロ空間内で前記関節のサブセットの関節速度を計算するステップを含む、ステップ;及び
前記マニピュレータアームの前記所望の運動と同時に前記指令操作運動にしたがって前記エンドエフェクタを動かすように、前記計算された補助運動及び前記操作運動にしたがって前記関節のサブセットを駆動するステップ;を含む、
付記7に記載のロボット方法。
(付記9) 前記マニピュレータアームは、中間部分を有するツールを支持するように構成され、前記中間部分は挿入軸に沿って前記近位部分の遠位に延び、前記エンドエフェクタは前記中間部分の遠位端部にあり、前記関節の少なくとも幾つかは、前記マニピュレータアームの前記ツールが、低侵襲開口部を通ってアクセスされる作業部位で前記エンドエフェクタの運動を容易にするよう前記挿入軸に沿って配置される遠隔中心周りに枢動するように、前記ベースに対して前記ツールの運動を機械的に拘束する、
付記1に記載のロボット方法。
(付記10) 前記エンドエフェクタに隣接する前記マニピュレータアームの一部は、前記拘束される部分が動くとき前記エンドエフェクタの器具シャフトが遠隔中心周りに枢動するように、前記ベースに対して機械的に拘束される、
付記9に記載のロボット方法。
(付記11) 前記複数の関節の第1の関節は、前記近位部分を前記ベースに結合し、前記第1の関節は、回転関節の関節運動が前記マニピュレータアームの前記遠位部分を前記回転関節の枢動軸周りに枢動させるように、前記マニピュレータアームの前記遠位部分を支持する回転関節を有し、前記枢動軸は、前記マニピュレータアームの前記挿入軸が前記遠隔中心に向かって配向される遠位に先細にされた円錐に沿って動くように、前記回転関節から前記遠隔中心を通って延びる、
付記9に記載のロボット方法。
(付記12) 前記関節の第2のセットは前記第1の関節を含む、
付記11に記載のロボット方法。
(付記13) 移動可能な遠位エンドエフェクタ、ベースに結合される近位部分、及び前記エンドエフェクタと前記ベースとの間の複数の関節を含むマニピュレータアームを提供するステップであって、前記複数の関節は、手術作業空間の中で与えられたエンドエフェクタ状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を有し、前記エンドエフェクタは、手術中に前記作業空間内で低侵襲開口部に隣接する遠隔中心周りに枢動する器具シャフトを有する、ステップ;
ヤコビアンのゼロ直交空間内で前記複数の関節の関節の第1のセットを浮動させるステップであって、前記ゼロ直交空間は、前記関節の第1のセットの運動が前記作業空間内の前記遠位エンドエフェクタの運動をもたらす関節速度空間である、ステップ;
前記遠隔中心を前記作業空間で制御された位置に保つように前記複数の関節を駆動するステップ;
前記作業空間内の所望の位置への前記遠位エンドエフェクタの手動バックドライブ運動を感知するステップ;
前記マニピュレータアームの所望の運動を生じさせるように前記複数の関節の第2のセットの補助運動を計算するステップであって、前記補助運動を計算するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で前記関節の第2のセットの関節速度を計算するステップを含み、前記ゼロ空間は前記ゼロ直交空間と直交し、前記ゼロ空間は、関節運動が前記エンドエフェクタの状態を維持する関節速度空間である、ステップ;及び
前記遠隔中心の前記位置を維持すること及び前記マニピュレータアームの前記所望の運動と同時に、計算された前記補助運動にしたがって前記関節の第2のセットを駆動するステップ;を含む、
ロボット方法。
(付記14) 前記関節の前記第1及び前記第2のセットは、1又は複数の関節を共通に含む、
付記13に記載のロボット方法。
(付記15) 前記制御された位置は、前記作業空間内の固定された場所を含む、
付記13に記載のロボット方法。
(付記16) 移動可能な遠位エンドエフェクタ、ベースに結合される近位部分、及び前記エンドエフェクタと前記ベースとの間の複数の関節を含むマニピュレータアームを提供するステップであって、前記複数の関節は、与えられたエンドエフェクタ状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を有し、前記遠位エンドエフェクタは、手術中に手術作業空間内で低侵襲開口部に隣接する遠隔中心周りに枢動する器具シャフトを有する、ステップ;
ヤコビアンのゼロ直交空間内で前記複数の関節の第1のセットを浮動させるステップであって、前記ゼロ直交空間は、前記関節の運動が前記作業空間内の前記遠隔中心の運動をもたらす関節速度部分空間である、ステップ;
前記エンドエフェクタの制御された位置を前記作業空間内に保つように前記複数の関節を駆動するステップ;
前記作業空間内の所望の場所への前記遠隔中心の手動バックドライブ運動を感知するステップ;
前記マニピュレータアームの所望の運動を生じさせるように前記複数の関節の第2のセットの補助運動を計算するステップであって、前記補助運動を計算するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で前記関節の第2のセットの関節速度を計算するステップを含み、前記ゼロ空間は前記ゼロ直交空間と直交し、前記ゼロ空間は、関節運動が前記遠位エンドエフェクタの状態を維持する関節速度空間である、ステップ;及び
前記エンドエフェクタの前記制御された位置を維持すること及び前記マニピュレータアームの前記所望の運動と同時に、前記関節の第1のセットの浮動の間に、計算された前記補助運動にしたがって前記関節の第2のセットを駆動するステップ;を含む、
ロボット方法。
(付記17) 前記関節の前記第1及び前記第2のセットは、1又は複数の関節を共通に含む、
付記16に記載のロボット方法。
(付記18) 前記制御された位置は、前記遠隔中心に対する前記エンドエフェクタの固定された位置又はアライメントを含む、
付記17に記載のロボット方法。
(付記19) 前記制御された位置は、前記作業空間内の前記エンドエフェクタの固定された位置又はアライメントを含む、
付記17に記載のロボット方法。
(付記20) 移動可能な遠位エンドエフェクタ、ベースに結合される近位部分、及び前記エンドエフェクタと前記ベースとの間の複数の関節を含むマニピュレータアームを提供するステップであって、前記複数の関節は、手術作業空間の中で与えられたエンドエフェクタ状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を有し、前記エンドエフェクタは、手術中に前記手術作業空間内で低侵襲開口部に隣接する遠隔中心周りに枢動する器具シャフトを有する、ステップ;
ヤコビアンのゼロ直交空間内で前記複数の関節の関節の第1のセットを浮動させるステップであって、前記ゼロ直交空間は、関節運動が前記遠位エンドエフェクタの位置及び前記作業空間内の前記遠隔中心の場所の両方の運動をもたらす関節速度部分空間である、ステップ;
前記作業空間内の所望の位置への前記エンドエフェクタの手動バックドライブ運動及び前記作業空間内の所望の場所への前記遠隔中心の運動を感知するステップ;
前記マニピュレータアームの所望の状態又は運動を生じさせるように前記複数の関節の関節の第2のセットの補助運動を計算するステップであって、前記補助運動を計算するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で前記関節の第2のセットの関節速度を計算するステップを含み、前記ゼロ空間は前記ゼロ直交空間と直交し、前記ゼロ空間は、前記関節の第2のセットの運動が前記エンドエフェクタの状態及び前記遠隔中心を維持する関節速度部分空間である、ステップ;及び
前記マニピュレータアームの前記所望の状態又は運動と同時に、前記作業空間内で、前記遠位エンドエフェクタ及び前記遠隔中心両方の所望の位置及び場所それぞれへの手動バックドライブ運動を可能にするように、前記関節の第1のセットを浮動させながら、計算された前記補助運動にしたがって前記関節の第2のセットを駆動するステップ;を含む、
ロボット方法。
(付記21) 近位ベースに対して遠位エンドエフェクタをロボット式に動かすように構成されるマニピュレータアームであって、前記マニピュレータアームは、前記エンドエフェクタと前記ベースに結合される近位部分との間に複数の関節を有し、前記複数の関節は、手術作業空間の中で与えられたエンドエフェクタ状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を有し、前記エンドエフェクタは、手術中に前記作業空間内で低侵襲開口部に隣接する遠隔中心周りに枢動する器具シャフトを有する、マニピュレータアーム;
前記エンドエフェクタの所望の組織操作運動を生じさせるように操作指令を受信するための入力部;及び
前記入力部を前記マニピュレータアームに結合する、操作モード及びクラッチモードを有する、プロセッサ;を有し、
前記操作モードの前記プロセッサは、前記操作指令に応じて前記所望のエンドエフェクタ運動を生成するための関節運動を計算するように構成され、
前記クラッチモードの前記プロセッサは:
前記作業空間内の所望の位置への前記エンドエフェクタの手動バックドライブ運動を可能にするためにヤコビアンのゼロ直交空間内で前記複数の関節の関節の第1のセットを浮動させるようにであって、前記ゼロ直交空間は、前記関節の運動が前記遠位エンドエフェクタの運動をもたらす関節速度部分空間であり;
前記マニピュレータアームの所望の運動を生じさせるために前記複数の関節の関節の第2のセットの補助運動を計算するようにであって、前記補助運動を計算することは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で前記関節の第2のセットの関節速度を計算することを含み、前記ゼロ空間は前記ゼロ直交空間と直交し、;及び
前記関節の第1のセットの浮動と同時に前記計算された前記補助運動にしたがって前記関節の第2のセットを駆動するように;構成される、
ロボットシステム。
(付記22) 前記クラッチモードでは、前記プロセッサは、前記補助運動の計算及び前記計算された補助運動に従う前記関節の第2のセットの駆動と同時に前記関節の第1のセットを浮動させるように構成される、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記23) 前記エンドエフェクタの前記所望の位置は、カニューレを通る前記遠位エンドエフェクタの挿入又は低侵襲開口部に隣接した前記エンドエフェクタの位置決めを可能にするための前記作業空間内の前記エンドエフェクタの位置及び/又はアライメントを含む、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記24) 前記マニピュレータアームの前記所望の状態又は運動は、所望の位置、速度、形態、姿勢、再配置運動、又は前記作業空間内での前記マニピュレータアームの衝突回避運動のいずれか又は全てである、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記25) 前記マニピュレータアームは、前記関節の前記第1及び前記第2のセットのそれぞれが、1又は複数の関節を含むように構成される、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記26) 前記マニピュレータアームは、前記関節の前記第1及び前記第2のセットが、1又は複数の関節を共通に含む、ように構成される、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記27) 前記近位部分を前記ベースに結合する前記複数の関節の第1の関節は、回転関節の関節運動が前記マニピュレータアームの1又は複数の前記関節を前記回転関節の枢動軸周りに枢動させるように、前記マニピュレータアームの前記関節を支持する回転関節であり、前記枢動軸は、前記回転関節から前記エンドエフェクタのシャフトを通って延びる、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記28) 前記関節の前記第1及び前記第2のセットの一方又は両方は、前記第1の関節を含む、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記29) 前記マニピュレータの関節は、前記マニピュレータアームの遠位部分の運動を、低侵襲開口部に隣接する挿入軸に沿って遠隔中心枢動点周りに枢動させるよう機械的に拘束するように構成され、前記プロセッサはさらに、前記枢動点周りに前記中間部分を維持するよう前記関節を駆動するように構成される、
付記21に記載のロボットシステム。
(付記30) 近位ベースに対して遠位エンドエフェクタをロボット式に動かすように構成されるマニピュレータアームであって、前記マニピュレータアームは、前記エンドエフェクタと前記ベースに結合される近位部分との間に複数の関節を有し、前記複数の関節は、手術作業空間の中で与えられたエンドエフェクタ状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を有し、前記エンドエフェクタは、手術中に前記作業空間内で低侵襲開口部に隣接する遠隔中心周りに枢動する器具シャフトを有する、マニピュレータアーム;
前記エンドエフェクタの所望の組織操作運動を生じさせるように操作指令を受信するための入力部;及び
前記入力部を前記マニピュレータアームに結合するプロセッサであって、前記プロセッサは、操作モード及びクラッチモードを持つように構成され;
前記操作モードの前記プロセッサは、前記エンドエフェクタを前記所望の操作運動で動かすように前記指令に応じて前記関節の運動を計算するように構成され、
前記クラッチモードの前記プロセッサは:
前記エンドエフェクタ及び/又はその周りを前記エンドエフェクタが枢動する関連付けられる遠隔中心の手動バックドライブ運動を可能にするためにヤコビアンのゼロ直交空間内で前記複数の関節の関節の第1のセットを浮動させるようにであって、前記ゼロ直交空間は、前記関節の第1のセットの運動が前記作業空間内で前記エンドエフェクタ及び/又は前記遠隔中心の運動をもたらす関節速度部分空間であり;
前記マニピュレータアームの所望の運動を生じさせるために前記複数の関節の関節の第2のセットの補助運動を計算するようにであって、前記補助運動を計算することは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で前記関節の第2のセットの関節速度を計算することを含み、前記ゼロ空間は前記ゼロ直交空間と直交し、前記ゼロ空間は、関節運動が前記エンドエフェクタ及び/又は前記関連付けられる遠隔中心の状態を維持する関節速度部分空間であり;及び
前記エンドエフェクタ及び/又は前記関連付けられる遠隔中心の所望の運動と同時に前記計算された前記補助運動にしたがって前記関節の第2のセットを駆動するように;構成される、
ロボットシステム。
(付記31) 前記クラッチモードの前記プロセッサは、前記ゼロ直交空間が、前記関節の運動が前記作業空間内での前記遠位エンドエフェクタの運動をもたらす関節速度部分空間であるように構成され、
前記プロセッサはさらに、前記遠隔中心を制御された位置に保つように前記クラッチモードにおいて前記複数の関節の運動を計算するように構成される、
付記30に記載のロボットシステム。
(付記32) 前記クラッチモードの前記プロセッサは、前記ゼロ直交空間が、前記関節の運動が前記作業空間内での前記遠隔中心の運動をもたらす関節速度部分空間であるように構成され、
前記プロセッサはさらに、前記遠隔中心の運動及び前記マニピュレータアームの前記所望の運動を可能にするよう前記関節の第1のセットを浮動させることと同時に前記エンドエフェクタを制御された位置に保つように、前記クラッチモードにおいて前記複数の関節の運動を計算するように構成される、
付記30に記載のロボットシステム。
(付記33) 前記遠隔中心の前記制御された位置は、前記遠隔中心に対する前記エンドエフェクタの固定された位置又はアライメントを含む、
付記32に記載のロボットシステム。
(付記34) 前記遠隔中心の前記制御された位置は、前記作業空間内での前記エンドエフェクタの固定された位置又はアライメントを含む、
付記32に記載のロボットシステム。
(付記35) 前記クラッチモードの前記プロセッサは、前記ゼロ直交空間が、前記関節運動が前記作業空間内での前記エンドエフェクタの位置及び前記遠隔中心の場所の両方の運動をもたらす関節速度部分空間であるように構成され、
前記クラッチモードの前記プロセッサはさらに、前記マニピュレータアームの前記所望の状態又は運動を提供すると同時に、前記作業空間内で、所望の位置及び場所への前記エンドエフェクタ及び前記遠隔中心の両方の手動バックドライブ運動をそれぞれ可能にするように、前記関節の第1のセットを浮動させながら、前記計算された補助運動にしたがって前記関節の第2のセットを駆動するように構成される、
付記30に記載のロボットシステム。
Claims (14)
- エンドエフェクタを有する器具を支持するように構成されたマニピュレータアームであって、前記マニピュレータアームは、遠位部分、ベースに結合された近位部分、及び前記遠位部分と前記ベースとの間の複数の関節を有し、前記複数の関節は、冗長性を有するとともに前記遠位部分の状態に対して前記複数の関節の異なる関節状態の範囲を可能にする自由度を提供し、前記複数の関節は、サーボ作動することによって動作可能であり、前記複数の関節をサーボ作動させることは、所望の状態に向かって前記複数の関節を駆動することを含む、マニピュレータアームと;
前記器具の器具シャフトを遠隔中心周りで枢動させながら前記エンドエフェクタの所望の操作運動を実行する操作指令を受信する入力部と;
を有する、システムであって、
前記異なる関節状態の範囲は部分空間A、B、C、D、E、及びFを有する前記複数の関節の関節速度の関節空間内にあり:
部分空間Aは、前記遠隔中心の瞬間的な動きをもたらす前記関節速度の部分空間である前記遠隔中心のゼロ直交空間であり、
部分空間Bは、前記遠隔中心の瞬間的な動きをもたらさない前記関節速度の部分空間である前記遠隔中心のゼロ空間であり、
部分空間Cは、前記エンドエフェクタの瞬間的な動きをもたらす前記関節速度の部分空間である前記エンドエフェクタのゼロ直交空間であり、
部分空間Dは、前記エンドエフェクタの瞬間的な動きをもたらさない前記関節速度の部分空間である前記エンドエフェクタのゼロ空間であり、
部分空間Eは、前記部分空間Aと前記部分空間Cの直和であり、前記直和は、前記遠隔中心、前記エンドエフェクタ、又は両方のいずれかの瞬間的な動きをもたらす前記関節速度の部分空間を確立し、
部分空間Fは、前記部分空間Bと前記部分空間Dの交わりであり、前記交わりは、前記遠隔中心又は前記エンドエフェクタいずれの瞬間的な動きももたらさない前記関節速度の部分空間を確立し、
前記システムはさらに:
前記マニピュレータアームに前記入力部を結合するプロセッサであって、前記プロセッサは、操作モードを備えるように構成され、前記プロセッサはさらに、前記エンドエフェクタの位置を保持しながら前記遠隔中心の手動再位置決めを可能にするポートクラッチモード、又は前記遠隔中心の位置及び前記エンドエフェクタの位置を保持しながら前記マニピュレータアームの手動再位置決めを可能にするゼロクラッチモードを備えるように構成され、前記プロセッサは:
前記操作モードにおいて、前記操作指令を受信することに応答して、前記器具を前記遠隔中心周りで枢動させながら前記複数の関節を駆動して前記器具の前記エンドエフェクタを動かすこと、及び
前記ポートクラッチモード又は前記ゼロクラッチモードにおいて、前記ポートクラッチモード又は前記ゼロクラッチモードにしたがって前記複数の関節を動作させること、
を含む、動作を実行するように構成される、プロセッサ、
を有し、
前記ポートクラッチモードにしたがって前記複数の関節を動作させることは、前記プロセッサが前記複数の関節を、同時に:
前記エンドエフェクタのゼロ直交空間において、前記エンドエフェクタの位置が維持されるように前記複数の関節をサーボ作動させること、及び
前記エンドエフェクタのゼロ空間において、前記遠隔中心が外力によって動かされることを可能にするように前記複数の関節を浮動させること、
を行うように動作させることを含み、
前記ゼロクラッチモードにしたがって前記複数の関節を動作させることは、前記プロセッサが前記複数の関節を、同時に:
前記遠隔中心の位置及び前記エンドエフェクタの位置が維持されるように前記部分空間Eに沿って前記複数の関節をサーボ作動させること、及び
前記部分空間Fに沿って前記複数の関節を浮動させること、
を行うように動作させることを含む、
システム。 - 前記プロセッサは、前記ポートクラッチモードを備えるように構成される、
請求項1に記載のシステム。 - 前記プロセッサは、前記ゼロクラッチモードを備えるようにさらに構成される
請求項2に記載のシステム。 - 前記プロセッサは、前記ゼロクラッチモードを備えるように構成される、
請求項1に記載のシステム。 - 関節部分空間において前記複数の関節の関節を浮動させることが、前記外力に応じて前記関節部分空間において前記関節の動きを容易にし:前記関節部分空間における前記関節の動きに関連付けられるモータのトルクをゼロにすることを含む、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のシステム。 - 関節部分空間において前記複数の関節の前記関節を浮動させることが、前記外力に応じて前記関節部分空間における前記関節の動きを容易にし:差をゼロに設定することであって、前記差は、前記関節の測定位置と指令位置との間、又は前記関節の測定速度と指令速度との間である、設定することを含む、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記動作は、前記複数の関節の少なくとも1つの浮動関節に摩擦又は重力補償を提供することをさらに含む、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載のシステム。 - マニピュレータアーム及び入力部を前記マニピュレータアームに結合するプロセッサを有するシステムの作動方法であって、前記マニピュレータアームは、エンドエフェクタを有する器具を支持し、前記マニピュレータアームは、遠位部分、ベースに結合された近位部分、及び前記遠位部分と前記ベースとの間の複数の関節を有し、前記複数の関節は、冗長性を有するとともに前記遠位部分の状態に対して前記複数の関節の異なる関節状態の範囲を可能にする自由度を提供し、前記複数の関節は、サーボ作動することによって動作可能であり、前記複数の関節をサーボ作動させることは、所望の状態に向かって前記複数の関節を駆動することを含み、前記入力部は、前記器具の器具シャフトを遠隔中心周りで枢動させながら前記エンドエフェクタの所望の操作運動を実行する操作指令を受信するように構成され、前記プロセッサは、操作モードを備えるように構成され、前記プロセッサはさらに、前記エンドエフェクタの位置を保持しながら前記遠隔中心の手動再位置決めを可能にするポートクラッチモード、又は前記遠隔中心の位置及び前記エンドエフェクタの位置を保持しながら前記マニピュレータアームの手動再位置決めを可能にするゼロクラッチモードを備えるように構成され、
前記異なる関節状態の範囲は部分空間A、B、C、D、E、及びFを有する前記複数の関節の関節速度の関節空間内にあり:
部分空間Aは、前記遠隔中心の瞬間的な動きをもたらす前記関節速度の部分空間である前記遠隔中心のゼロ直交空間であり、
部分空間Bは、前記遠隔中心の瞬間的な動きをもたらさない前記関節速度の部分空間である前記遠隔中心のゼロ空間であり、
部分空間Cは、前記エンドエフェクタの瞬間的な動きをもたらす前記関節速度の部分空間である前記エンドエフェクタのゼロ直交空間であり、
部分空間Dは、前記エンドエフェクタの瞬間的な動きをもたらさない前記関節速度の部分空間である前記エンドエフェクタのゼロ空間であり、
部分空間Eは、前記部分空間Aと前記部分空間Cの直和であり、前記直和は、前記遠隔中心、前記エンドエフェクタ、又は両方のいずれかの瞬間的な動きをもたらす前記関節速度の部分空間を確立し、
部分空間Fは、前記部分空間Bと前記部分空間Dの交わりであり、前記交わりは、前記遠隔中心又は前記エンドエフェクタいずれの瞬間的な動きももたらさない前記関節速度の部分空間を確立し、
前記方法は:
前記操作モードにおいて、前記操作指令を受信することに応答して、前記プロセッサが、前記器具の器具シャフトを前記遠隔中心周りで枢動させながら前記複数の関節を駆動して前記器具の前記エンドエフェクタを動かすステップ;及び
前記ポートクラッチモード又は前記ゼロクラッチモードにおいて、前記プロセッサが、前記ポートクラッチモード又は前記ゼロクラッチモードにしたがって前記複数の関節を動作させるステップ;
を含み、
前記ポートクラッチモードにしたがって前記複数の関節を動作させることは、前記プロセッサが前記複数の関節を、同時に:
前記エンドエフェクタのゼロ直交空間において、前記エンドエフェクタの位置が維持されるように前記複数の関節をサーボ作動させること、及び
前記エンドエフェクタのゼロ空間において、前記遠隔中心が外力によって動かされることを可能にするように前記複数の関節を浮動させること、
を行うように動作させることを含み、
前記ゼロクラッチモードにしたがって前記複数の関節を動作させることは、前記プロセッサが前記複数の関節を、同時に:
前記遠隔中心の位置及び前記エンドエフェクタの位置が維持されるように前記部分空間Eに沿って前記複数の関節をサーボ作動させること、及び
前記部分空間Fに沿って前記複数の関節を浮動させること、
を行うように動作させることを含む、
方法。 - 前記プロセッサは、前記ポートクラッチモードを備えるように構成される、
請求項8に記載の方法。 - 前記プロセッサは、前記ゼロクラッチモードを備えるようにさらに構成される、
請求項9に記載の方法。 - 前記プロセッサは、前記ゼロクラッチモードを備えるように構成される、
請求項8に記載の方法。 - 関節部分空間において前記複数の関節の関節を浮動させることが、前記外力に応じて前記関節部分空間において前記関節の動きを容易にし、前記関節部分空間における前記関節の動きに関連付けられるモータのトルクをゼロにする、
請求項8乃至11のいずれか1項に記載の方法。 - 関節部分空間において前記複数の関節の前記関節を浮動させることが、前記外力に応じて前記関節部分空間における前記関節の動きを容易にし:
差をゼロに設定することであって、前記差は、前記関節の測定位置と指令位置との間、又は前記関節の測定速度と指令速度との間である、
請求項8乃至11のいずれか1項に記載の方法。 - 前記プロセッサが、前記複数の関節の少なくとも1つの浮動関節に摩擦又は重力補償を提供するステップをさらに含む、
請求項8乃至13のいずれか1項に記載の方法。
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