JPH07509637A - 最適位置決めのための自動内視鏡システム - Google Patents
最適位置決めのための自動内視鏡システムInfo
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- A61B2090/508—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms with releasable brake mechanisms
Abstract
Description
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.ユーザが、患者の体内での手術器具の移動を遠隔制御できるようにするシス テムにおいて、手術器具が長手方向軸を有し、前記システムが、手術器具を保持 するための取付け手段と、手術器具を長手方向軸の周りで回転させるための回転 手段と、手術器具を虫者に対して移動するための移動手段と、ユーザによって提 供されたコマンドに応答して入力信号を提供するための入力手段と、 前記人力信号に応答して手術器具を位置決めするように前記移動手段および前記 回転手段を制御するための制御手段とを備えることを特徴とするシステム。 2.前記回転手段が、手術器具に取り付けられた対応する軸受部材を回転させる ようになされていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。 3.前記取付け手段が、手術器具に取り付けられカラー・ホルダに結合されたカ ラーを含むことを特徴とする請求の範囲第2項に記載のシステム。 4.前記移動手段が、前記取付け手段に取り付けられた第1のリンケージ・アー ムと、前記第1のリンケージ・アームを回転させることができる第1のアクチュ エータとを含み、前記取付け手段が第1のz軸に垂直な平面にあり、前記第1の アクチュエータが、第1のz軸に平行な軸に沿って前記取付け手段を並進させる ことができる線形アクチュエータに結合されることを特徴とする請求の範囲第1 項に記載のシステム。 5.前記制御手段が、第1のz軸上での前記第1のアクチュエータの位置に対応 する第1のフィードバック信号を提供するために前記線形アクチュエータに結合 された第1のアクチュエータ・センサ手段と、第1のz軸に垂直な平面での前記 取付け手段の位置に対応する第2のフォードバック信号を提供するために前記第 1のアクチュエータに結合された第2のアクチュエータ・センサ手段とを含むこ とを特徴とする請求の範囲第4項に記載のシステム。 6.前記移動手段が、第2のリンケージ・アームによって前記第1のアクチュエ ータに取り付けられた第2のアクチュエータを含み、前記第2のアクチュエータ が、前記第1のアクチュエータおよび前記取付け手段を第1のz軸に垂直な平面 で回転させるようになされていることを特徴とする請求の範囲第5項に記載のシ ステム。 7.前記制御手段が、第1のz軸に垂直な平面での前記第1のアクチュエータの 位置に対応する第3のフォードバック信号を提供するために前記第2のアクチュ エータに結合された第3のアクチュエータ・センサ手段を含むことを特徴とする 請求の範囲第6項に記載のシステム。 8.前記取付け手段が、手術器具が前記第1のリンケージ・アームの長手方向軸 の周りで回転できるようにする第1の継手と、手術器具が前記第1のリンケージ アームの長手方向軸に垂直な軸の周りで回転できるようにする第2の継手とを有 することを特徴とする請求の範囲第2項に記載のシステム。 9.前記制御手段が、第2のx軸に対する手術器具の第1の角位置に対応する第 1のジョイント・フィードバック信号を提供するために前記取付け手段に結合さ れた第1のジョイント・センサ手段と、第2のy軸に対する手術器具の第2の角 位置に対応する第2のジョイント・フィードパツク信号を提供するために前記取 付け手段に結合された第2のジョイント・センサ手段とを含むことを特徴とする 請求の範囲第8項に記載のシステム。 10.さらに、クラッチ入力信号を受け取ったときに、前記第1のアクチュエー タを前記線形アクチュエータから、前記第2のアクチュエータを前記第1のアク チュエータから、前記第3のアクチュエータを前記第2のアクチュエータから係 含解除するためのクラッチ手段を備えることを特徴とする請求の範囲第6項に記 載のシステム。 11.前記第1、第2、第3のアクチュエータが■動機であることを特徴とする 請求の範囲第6項に記載のシステム。 12.前記制御手段が、前記入力手段から入力信号を受け取り、手術器具の位置 を移動するための出力信号を前記制御手段に提供するコンピュータであることを 特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。 13.さらに、第1の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エフェクタ の第1の位置を記憶し、第2の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エ フェクタを前記第1の位置に移動するための記憶手段を備えることを特徴とする 請求の範囲第12項に記載のシステム。 14.前記人力手段が、ユーザが前記入力信号を生成するために押すことができ ろフット・ペダルを含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。 15.ユーザが患者の体内での手術器具の移動を遠隔制御できるようにするシス テムにおいて、 患者を支持するようになされた台と、 長手方向軸を有する第1のリンケージ・アームと、前記リンケージ・アームに取 り付けられ、手術器具を保持するようになされ、手術器具が前記第1のリンケー ジ・アームの長手方向軸の周りで回転てきるようにする第1の継手を有し、さら に、手術器具が前記第1のリンケージ・アームの長手方向軸に垂直な軸の周りで 回転できるようにする第2の継手を有するエンドエフェクタと、 前記エンド・エフェクタに作動可能に接続されたウォーム・ギァと、手術器具に 取り付けられ、前記ウォーム・ギアに作動可能に結合された軸受と、第1のz軸 に垂直な平面で前記第1のリンケージ・アームを回転させることができるように 、前記第1のリンケージ・アームに接続された第1のアクチュエータと、 前記第1のアクチュエータに接続された第2のリンケージ・アームと、第1のz 軸に垂直な平面で前記第2のリンケージ・アームを回転させることができるよう に、前記第2のリンケージ・アームに接続された第2のアクチュエータと、 前記第2のアクチュエータを第1のz軸に沿って並進させることができるように 前記台および前記第2のアクチュエータに取り付けられた線形アクチュエータと 、 人力信号を提供するようになされた手動入力装置と、前記フット・ペダルからの 前記入力信号に応答して、手術器具を患者に対して移動するように前記アクチュ エータを作動させる出力信号を提供するための制御手段とを備えることを特徴と するシステム。 16.きらに、クラッチ入力信号を受け取ったときに、前記第1のアクチュエー タを前記線形アクチュエータから、前記第2のアクチュエータを前記第1のアク チュエータから、前記第3のアクチュエータを前記第2のアクチュエータから係 合解除するためのクラッチ手段を備えることを特徴とする請求の範囲第15項に 記載のシステム。 17.前記制御手段が、第1のz軸上での前記第3のアクチュエータの位置に対 応する第1のフィードバック信号を提供するために前記線形アクチュエータに結 合された第1のアクチュエータ・センサ手段と、第1のz軸に垂直な平面での前 記エンド・エフェクタの位置に対応する第2のフォードバック信号を提供するた めに前記第1のアクチュエータに結合された第2のアクチュエータ・センサ手段 と、第1のz軸に垂直な平面での前記第1のアクチュエータの位置に対応する第 3のフォードバック信号を提供するために前記第2のアクチュエータに結合され た第3のアクチュエータ・センサ手段とを含むことを特徴とする請求の範囲第1 4項に記載のシステム。 18.前記制御手段が、第2のx軸に対する手術器具の第1の角位置に対応する 第1のジョイント・フィードバック信号を提供するために前記エンド・エフェク タに結合された第1のジョイント・センサ手段と、第2のy軸に対する手術器具 の第2の角位置に対応する第2のジョイント・フィードバック信号を提供するた めに前記エンド・エフェクタに結合された第2のジョイント・センサ手段とを含 むことを特徴とする請求の範囲第17項に記載のシステム。 19.さらに、第1の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エフェクタ の第1の位置を記憶し、第2の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エ フエクタを前記第1の位置に移動するための記憶手段を備えることを特徴とする 請求の範囲第18項に記載のシステム。 20.長手方向軸と、患者に挿入される端部とを有する手術器具を患者に対して 移動するための方法において、 a)手術器具を長手方向軸の周りで回転させるたの回転手段を有し、かっ第2の x柚、第2のy軸と第2のz軸とを有する第2の座標系内に位置するエンド・エ フェクタを、ユーザからの入力コマンドに応答して患者に対して移動するように なされた、第1のx軸と第1のy軸と第1のZ軸とを有する第1の座標系内に位 置する、ロボット式アーム・アセンブリを提供するステップと、b)手術器具を 前記エンド・エフェクタに取り付けるステップと、c)手術器具が、第3のx軸 と第3のy軸と第3のz軸とを有する第3の座標系を形成し、第4のx軸と第4 のy軸と第4のz軸とを有する第4の座標系内に位置するように、手術器具を患 者に挿入するステップと、d)手術器具を第3の座標系である増分だけ移動する ための入力コマンドを入力するステップと、 e)第3の座標系での手術器具の端部の増分運動量から第2の座標系での前記エ ンド・エフェクタの増分運動量を算出するステップと、f)第2の座標系での前 記エンド・エフェクタの増分運動量から第1の座標系内での前記エンド・エフェ クタの増分運動量を算出するステップと、g)前記エンド・エフェクタが、第1 の座標系で、算出された増分運動量だけ移動するまで、前記ロボット式アーム・ アセンブリを移動するステップと、h)第3のx軸が、第3のz軸の単位ベクト ルおよび第4のz軸の単位ベクトルの外積に直交するような手術器具の回転角度 を算出するステップと、i)手術器具を、算出された回転角度だけ回転させるス テップとを含むことを特徴とする方法。 21.前記第2の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分連動量が以下の 変換マトリックスで算出され、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 Δx′′=第3のx軸に沿った手術器具の端部の増分運動量、Δy′′=第3の y軸に沿った手術器具の端部の増分運動量、Δz′′=第3のx軸に沿った手術 器具の端部の増分運動量、a5=手術器具と第2の座標系の第2のx−z平面の 角度、a6=手術器具と第2の座標系の第2のy−z平面の角度、Δx′=第2 のx軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δy′=第2 のy軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δz′=第2 のz軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量であることを特 徴とする請求の範囲第20項に記載の方法。 22.前記第1の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分運動量が以下の 変換マトリックスに従って算出され、 上式で、 Δx=第1のx軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δ y=第1のy軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δz =第1のz軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、II= 前記エンド・エフェクタと第1のx軸の間の角度であることを特徴とする請求項 21に記載の方法。 23.さらに、以下のステップに従って長手方向軸の周りで手術器具を回転させ るための計算上の回転角度を求めるステップを含み、Δθ6=zi′′×(yo ′′×yi′′)上式で、 Δθ6=第3のz′′軸の周りで器具を回転させるべき角度、yo′′=器具が 第1の位置にあるときのy′′軸のベクトル配向、yi′′=器具が第2の位置 にあるときのy′′軸のベクトル配向、zi′′=器具が第2の位置にあるとき のz′′軸のベクトル配向であり、yi′′軸およびzi′′軸のベクトルが以 下のアルゴリズムで算出され、▲数式、化学式、表等があります▼ xi′′=zi′′×z yi′′=zi′′×xi′′ 上式で、 θ4=y−z平面での器具とz軸の間の角度、θ5=x−z平面での器具とz軸 の間の角度、z=第1の座標系での第4のz軸の単位ベクトルであることを特徴 とする請求の範囲第22項に記載の方法。 24.さらに、 Po(x,y,z)=第1の座標系内の第1の位置でのエンド・エフェクタと器 具の交差点の座標、 P1(x.y,Z)=第1の座標系内の第2の位置でのエンド・エフェクタと器 具の交差点の座標であり、 以下のように手術器具の角運動量Δθを算出し、Δθ=arcsin(|T|) T=Uo×U1 上式で、 T=Tが線LoとL1の両方に垂直になる点で線LoとL1の両方に交差する線 の配向を定義する、単位ベクトルU0とU1の外積であるベクトル、Uo(x, y,z)=第1の座標系内の第1の位置での器具の単位ベクトル、U1(x,y ,z)=第1の座標系内の第2の位置での器具の単位ベクトルであり、 Δθが所定の値よりも大きい場合、第1の位置での手術器具を表す線Loを以下 のように定義し、 xo=Mxo・Zo+Cxo yo=Myo・Zo+Cyo 第2の位置での手術器具を表すL1を以下のように定義し、x1=Mx1・Z1 +Cx1 y1=My1・Z1+Cy1 上式で、 Zo=第1の座標系のz軸に対する線Loに沿ったz座標、Z1=第1の座標系 のz軸に対する線L1に沿ったz座標、Mxo=Zoの関数としての線Loの勾 配、Myo=Zoの関数としての線Loの勾配、Mx1=Z1の関数としての線 L1の勾配、My1=Z1の関数としての線L1の勾配、Cxo=線Loと第1 の座標系のx軸の交差点を表す定数、Cyo=線Loと第1の座標系のy軸の交 差点を表す定数、Cx1=L1と第1の座標系のx軸の交差点を表す定数、Cy 1=線L1と第1の座標系のy軸の交差点を表す定数であるステップと、以下の ように項Mxo、Myo、Mx1、My1、Cxo、Cyo、Cx1、Cy1を 算出するステップと、 Mxo=Uxo/Uzo Myo=Uyo/Uzo Mx1=Ux1/Uz1 My1=Uy1/Uz1 Cx0=Pox−Mx1・Poz Cy0=Poy−My1・Poz Cx1=P1x−Mx1・P1z Cy1=P1y−My1・P1z 以下のようにベクトルの勾配txおよびtyを算出し、tx=Tx/Tz ty=Ty/Tz 上式で、 tx=第1の座標系のz−x平面に対する、ベクトルTによって定義される線の 勾配、 Ly=第1の座標系のZ−y平面に対する、ベクトルTによって定義される線の 勾配、 Tx=ベクトルTのx成分、 Ty=ベクトルTのy成分、 Tz=ベクトルTのz成分であり、 ピボット・ポイントR(xo,yo,Zo)およびR(x1,y1,Z1)を以 下のように算出するステップと、 ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ピボット ポイントRxyzを以下のように算出するステップ▲数式、化学式、表等があり ます▼ に従って手術器具および患者のピボット・ポイントRxyzを見つけるステップ を含むことを特徴とする請求の範囲第20項に記載の方法。 25.前記エンド・エフェクタが以下の数式に従って前記第1の座標系で移動し 、▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 t=時間、 θo=前記エンド・エフェクタの最初の位置、θ1=前記エンド・エフェクタの 最後の位置、■o=位置θoでの前記エンド・エフェクタの速度、■1=位置θ 1での前記エンド・エフェクタの速度であることを特徴とする請求の範囲第20 項に記載の方法。 26.長手方向軸と、患者に挿入される端部とを有する手術器具を患者に対して 移動ずるための方法において、 a)第1のx軸と第1のy軸と第1のz軸とを有する第1の座標系内に位置し、 第2のx軸と第2のy軸と第2のz軸とを有する第2の座標系内に位置するエン ド・エフェクタを有し、共に、第1のz軸に垂直な平面で前記エンド・エフェク タを移動するようになされた、第1のリンケージ・アームによって前記エンド・ エフェクタに結合された第1のアクチュエータと第2のリンケージ・アームによ って前記第1のアクチュエータに結合された第2のアクチュエータとを有し、さ らに、前記第2のアクチュエータを第1のz軸に沿って移動するために前記第3 のアクチュエータに結合された線形アクチュエータを有する、ロボット式アーム アセンブリを提供するステップと、 b)手術器具を前記エンド・エフェクタに取り付けるステップと、c)手術器具 が、第3のx軸と第3のy軸と第3のz軸とを有する第3の座標系を形成し、第 4のx軸と第4のy軸と第4のz軸とを有する第4の座標系内に位置するように 、手術器具を患者に挿入するステップと、d)手術器具を第3の座標系である増 分だけ移動するための入力コマンドを入力するステップと、 c)第3の座標系での手術器具の端部の増分運動量から第2の座標系内での前記 エンド・エフェクタの増分運動量を算出するステップと、f)第2の座標系での 前記エンド・エフェクタの増分運動量から第1の座標系内での前記エンド・エフ ェクタの増分運動量を算出するステップと、g)前記エンド・エフェクタが、第 1の座標系で、算出された増分運動量だけ移動するまで、前記ロボット式アーム ・アセンブリを移動するステップと、h)第3のx軸が、第3のz軸のベクトル および第4のz軸のベクトルの外積に直交するような手術器具の回転角度を算出 するステップと、i)手術器具を、算出された回転角度だけ回転させるステップ とを含むことを侍従とする方法。 27.前記第2の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分運動量が以下の 変換マトリックスで算出さオれ、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 Δx′′=第3のx軸に沿った手術器具の端部の増分運動量、Δy′′=第3の y軸に沿った手術器具の端部の増分運動量、Δz′′=第3のz軸に沿った手術 器具の端部の増分運動量、a5=第2の座標系のy−z平面での手術器具と第2 のz軸の間の角度、a6=第2の座標系のX−Z平面での手術器具と第2のz軸 の間の角度、Δx′=第2のx軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された 増分運動量、Δy′=第2のy軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された 増分運動量、Δz′=第2のz軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された 増分運動量であることを特徴とする請求の範囲第26項に記載の方法。 28.前記第1の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分運動量が以下の 変換マトリックスに従って算出され、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 Δx=第1のx軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δ y=第1のy軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、ΔZ =第1のz軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、II= 前記エンド・エフェクタと第1のx軸の間の角度であることを特徴とする請求の 範囲第27項に記載の方法。 29.前記線形アクチュエータが前記第3のアクチュエータをΔzだけ並進させ 、前記第3のアクチュエータが前記第3のリンケージ・アームをΔa2の角度だ け回転させ、a2が以下の数式によって算出され、▲数式、化学式、表等があり ます▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼前記第2のアクチュエータが前記第2のリン ケージ・アームを角皮Δa3だけ回転させ、Δa3が以下の数式によって算出さ れ、▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 L1=前記第3のリンケージ・アームの長さ、L2=前記第2のリンケージ・ア ームの長さ、L3=前記第1のリンケージ・アームの長さであり、前記第1のア クチュエータが前記第1のリンケージ・アームを角度Δa4だけ回転させ、Δa 4が以下の数式によって算出されることを特徴とする請求の範囲第28項に記載 の方法。 Δa4=π−Δa2−Δa3 30.さらに、以下のステップに従って長手方向軸の周りで手術器具を回転させ るための計算上の回転角度を求めるステップを含み、▲数式、化学式、表等があ ります▼ 上式で、 Δθ6=第3のz′′軸の周りで器具を回転させるべき角度、yo′′=器具が 第1の位置にあるときのy′′軸のベクトル配向、yi′′=器具が第2の位置 にあるときのy′′軸のベクトル配向、zi′′=器具が第2の位置にあるとき のz′′軸のベクトル配向であり、yi′′軸およびzi′′軸のベクトルが以 下のアルゴリズムで算出され、▲数式、化学式、表等があります▼ xi′′=zi′′×z yi′′=zi′′×xi′′ 上式で、 θ4=y−z平面ての器具とz軸の間の角度、θ5=x−z平面での器具とz軸 の間の角度、z=第1の座標系での第4のz軸の単位ベクトルであることを特徴 とする請求の範囲第29項に記載の方法。 31.さらに、 Po(x,y,z)=第1の座標系内の第1の位置でのエンド・エフェクタと器 具の交差点の座標、 P1(x,y,z)=第1の座標系内の第2の位置でのエンド・エフェクタと器 具の交差点の座標であり、 以下のように手術器具の角運動量Δθを算出し、▲数式、化学式、表等がありま す▼ T=U0×U1 上式で、 T=Tが線LoとL1の両方に垂直になる点で線LoとL1の両方に交差する線 の配向を定義する、単位ベクトルU0とU1の外積であるベクトル、Uo(x, y,Z)=第1の座標系内の第1の位置での器具の単位ベクトル、U1(x,y ,Z)=第1の座標系内の第2の位置での器具の単位ベクトルであり、 Δθが所定の値よりも大きい場合に第1の位置での手術器具を表す線Loを以下 のように定義し、 xo=Mxo・Zo+Cxo yo=Myo・Zo+Cyo 第2の位置での手術器具を表すL1を以下のように定義し、x1=Mx1・Z1 +Cx1 y1=My1・Z1+Cy1 上式で、 Zo=第1の座標系のz軸に対する線Loに沿ったz座標、Z1=第1の座標系 のz軸に対する線L1に沿ったz座標、Mxo=Zoの関数としての線Loの勾 配、Myo=Zoの関数としての線Loの勾配、Mx1=Z1の関数としての線 L1の勾配、My1=Z1の関数としての線L1の勾配、Cxo=線Loと第1 の座標系のx軸の交差点を表す定数、Cyo=線Loと第1の座標系のy軸の交 差点を表す定数、Cx1=線L1と第1の座標系のx軸の交差点を表す定数、C y1=線L1と第1の座標系のy軸の交差点を表す定数であるステップと、以下 のように項Mxo、Myo、Mx1、My1、Cxo、Cyo、Cx1、Cy1 を耳出するステップと、 Mxo=Uxo/Uzo Myo=Uyo/Uzo Mx1=Ux1/Uz1 My1=Uy1/Uz1 Cx0=Pox−MX1・Poz Cy0=Poy−My1・Poz Cx1=P1x−Hx1・P1z Cy1=P1y−My1・P1z 以下のように単位ベクトルの勾配txおよびtyを算出し、tx=Tx/Tz ty=Ty/Tz 上式で、 tx=第1の座標系のz−x平面に対する、ベクトルTによって定義される線の 勾配、 ty=第1の座標系のz−y平面に対する、ベクトルTによって定義される線の 勾配、 Tx=ベクトルTのx成分、 Ty=ベクトルTのy成分、 TZ=ベクトルTのz成分であり、 ピボット・ポイントR(xo,yo,Zo)およびR(x1,y1,Z1)を以 下のように算出するステップと、 ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ピボット・ポイントRxyzを以下のように算出するステップ▲数式、化学式、 表等があります▼ に従って手術器具と患者のピボット・ポイントRxyzを見つけるステップを含 むことを特徴とする請求の範囲第30項に記載の方法。 32.前記エンド・エフェクタが以下の数式に従って移動し、▲数式、化学式、 表等があります▼ 上式で、 t=時間、 θ0=前記エンド・エフェクタの最初の位置、θ1に前記エンド・エフェクタの 最後の位置、■0=位置θ0での前記エンド・エフェクタの速度、■1=位置θ 1での前記エンド・エフェクタの速度であることを特徴とする請求の範囲第29 項に記載の方法。 33.ユーザが、患者の体内での手術器具の移動を遠隔制御できるようにするシ ステムにおいて、手術器具が長手方向軸を有し、前記システムが、手術器具を保 持するための取付け手段と、前記取付け手段および手術器具を患者に対して移動 するための移動手段と、ユーザによって提供されたコマンドに応答して入力信号 を提供するための入力手段と、 前記入力信号に応答して前記移動手段および手術器具の位置を制御するための制 御手段とを備えることを特徴とするシステム。 34.前記移動手段が、前記取付け手段に取り付けられた第1のリンケージ・ア ームと、前記第1のリンケージ・アームを回転させることができる第1のアクチ ュエータとを含み、前記取付け手段が第1のz軸に垂直な平面にあり・前記第1 のアクチュエータが、第1のz軸に平行な軸に沿って前記取付け手段を並進させ ることができる線形アクチュエータに結合されることを特徴とする請求の範囲第 33項に記載のシステム。 35.前記制御手段が、第1のz軸上での前記第1のアクチュエータの位置に対 応する第1のフィードバック信号を提供するために前記線形アクチュエータに結 合された第1のアクチュエータ・センサ手段と、第1のz軸に垂直な平面での前 記取付け手段の位置に対応する第2のフォードバック信号を提供するために前記 第1のアクチュエータに結合された第2のアクチュエータ・センサ手段とを含む ことを特徴とする請求の範囲第34項に記載のシステム。 36.前記移動手段が、第2のリンケージアームによって前記第1のアクチュ エータに取り付けられた第2のアクチュエータを含み、前記第2のアクチュエー タが、前記第1のアクチュエータおよび前記取付け手段を第1のz軸に垂直な平 面で回転させるようになされていることを特徴とする請求の範囲第34項に記載 のシステム。 37.前記制御手段が、第1のz軸に垂直な平面での前記第1のアクチュエータ の位置に対応する第3のフォードバック信号を提供するために前記第2のアクチ ュエータに結合された第3のアクチュエータ・センサ手段を含むことを特徴とす る請求の範囲第36項に記載のシステム。 38.前記移動手段が、第3のリンケージ・アームによって前記線形アクチュエ ータに接続され前記第2のアクチュエータに取り付けられた第3のアクチュエー タを含み、前記第3のアクチュエータが、前記第2のアクチュエータ、前記第1 のアクチュエータ、および前記取付け手段を第1のz軸に垂直な平面で回転させ るようになされていることを特徴とする請求の範囲第36項に記載のシステム。 39.前記制御手段が、第1のz軸に垂直な平面での前記第2のアクチュエータ の位置に対応する第4のフォードバック信号を提供するために前記第3のアクチ ュエータに結合された第4のアクチュエータ・センサ手段を含むことを特徴とす る請求の範囲第38項に記載のシステム。 40.前記取付け手段が、手術器具が前記第1のリンケージ・アームの長手方向 軸の周りで回転できるようにする第1の継手と、手術器具が前記第1のリンケー ジ・アームの長手方向軸に垂直な軸の周りで回転できるようにする第2の継手と を有することを特徴とする請求の範囲第34項に記載のシステム。 41.前記制御手段が、第2のx軸に対する手術器具の第1の角位置に対応する 第1のジョイント・フィードバック信号を提供するために前記取付け手段に結合 された第1のジョイント・センサ手段と、第2のy軸に対する手術器具の第2の 角位置に対応する第2のジョイント・フィードバック信号を提供するために前記 取付け手段に結合された第2のジョイント・センサ手段とを含むことを特徴とす る請求の範囲第40項に記載のシステム。 42.さらに、クラッチ入力信号を受け取ったときに、前記第1のアクチュエー タを前記線形アクチュエータから、前記第2のアクチュエータを前記第1のアク チュエータから、前記第3のアクチュエータを前記第2のアクチュエータから係 合解除するためのクラッチ手段を備えることを特徴とする請求の範囲第38項に 記載のシステム。 43.前記第1、第2、第3のアクチュエータが電動機であることを特徴とする 請求の範囲第38項に記載のシステム。 44.前記制御手段が、前記入力手段から入力信号を受け取り、手術器具の位置 を移動するための出力信号を前記制御手段に提供するコンピュータであることを 特徴とする請求の範囲第33項に記載のシステム。 45.さらに、第1の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エフェクタ の第1の位置を記憶し、第2の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エ フェクタを前記第1の位置に移動するための記憶手段を備えることを特徴とする 請求の範囲第44項に記載のシステム。 46.前記入力手段が、ユーザが前記入力信号を生成するために押すことができ るフット・ペダルを含むことを特徴とする請求項33に記載のシステム。 47.ユーザが患者の体内での手術器具の移動を遠隔制御できるようにするシス テムにおいて、 患者を支持するようになされた台と、 長手方向軸を有する第1のリンケージ・アームと、前記リンケージ アームに取り付けられ、手術器具を保持するようになきれ、手術器具が前記第1 のリンケージ・アームの長手方向軸の周りで回転できるようにする第1の継手を 有し、さらに、手術器具が前記第1のリンケージ・アームの長手方向軸に垂直な 軸の周りで回転できるようにする第2の継手を有するエンド・エフェクタと、 第1のz軸に垂直な平面で前記第1のリンケージ・アームを回転させることがで きるように、前記第1のリンケージ・アームに接続された第1のアクチュエータ と、 前記第1のアクチュエータに接続された第2のリンケージ・アームと、第1のz 軸に垂直な平面で前記第2のリンケージ・アームを回転させることができるよう に、前記第2のリンケージ・アームに接続された第2のアクチュエータと、 前記第2のアクチュエータに接続された第3のリンケージ・アームと、第1のz 軸に垂直な平面で前記第3のリンケージ・アームを回転させることができるよう に、前記第3のリンケージ・アームに接続された第3のアクチュエータと、 前記第3のアクチュエータを第1のz軸に沿って並進させることができるように 前記台および前記第3のアクチュエータに取り付けられた線形アクチュエータと 、 ユーザによって押されたときに入力信号を送るようになされたフット・ペダルと 、 前記フット・ペダルからの前記入力信号に応答して、手術器具を患者に対して移 動するように前記アクチュエータを作動させる出力信号を提供するための制御手 段とを備えることを特徴とするシステム。 48.さらに、クラッチ入力信号を受け取ったときに、前記第1のアクチュエー タを前記線形アクチュエータから、前記第2のアクチュエータを前記第1のアク チュエータから、前記第3のアクチュエータを前記第2のアクチュエータから係 合解除するためのクラッチ手段を備えることを特徴とする請求の範囲第47項に 記載のシステム。 49.前記制御手段が、第1のz軸上での前記第3のアクチュエータの位置に対 応する第1のフィードバック信号を提供するために前記線形アクチュエータに結 合された第1のアクチュエータ・センサ手段と、第1のz軸に垂直な平面での前 記エンド・エフェクタの位置に対応する第2のフォードバック信号を提供するた めに前記第1のアクチュエータに結合された第2のアクチュエータ・センサ手段 と、第1のz軸に垂直な平面での前記第1のアクチュエータの位置に対応する第 3のフォードバック信号を提供するために前記第2のアクチュエータに結合され た第3のアクチュエータ・センサ手段と、第1のz軸に垂直な平面での前記第2 のアクチュエータの位置に対応する第4のフォードバック信号を提供するために 前記第3のアクチュエータに結合された第4のアクチュエータ・センサ手段とを 含むことを特徴とする請求の範囲第46項に記載のシステム。 50.前記制御手段が、第2のx軸に対する手術器具の第1の角位置に対応する 第1のジョイント・フィードバック信号を提供するために前記エンド・エフェク タに結合された第1のジョイント・センサ手段と、第2のy軸に対する手術器具 の第2の角位置に対応する第2のジョイント・フィードバック信号を提供するた めに前記エンド・エフェクタに結合された第2のジョイント・センサ手段とを含 むことを特徴とする請求の範囲第49項に記載のシステム。 51.さらに、第1の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エフェクタ の第1の位置を記憶し、第2の記憶入力信号を受け取ったときに前記エンド・エ フェクタを前記第1の位置に移動するための記憶手段を備えることを特徴とする 請求の範囲第50項に記載のシステム。 52.患者に挿入される端部を有する手術器具を患者に対して移動するための方 法において、 a)第1のx軸と第1のy軸と第1のz軸とを有ずる第1の座標系内に位置し、 第2のx軸、第2のy軸と第2のz軸とを有する第2の座標系内に位置するエン ド・エフェクタを、ユーザからの入力コマンドに応答して患者に対して移動する ようになされた、ロボット式アーム・アセンブリを提供するステップと、b)手 術器具を前記エンド・エフェクタに取り付けるステップと、c)手術器具の端部 がが、第3のx軸と第3のy軸と第3のz軸とを有する第3の座標系内に位置す るように、手術器具を患者に挿入するステップと、d)手術器具の端部を第3の 座標系である増分だけ移動するための入力コマンドを入力するステップと、 c)第3の座標系での手術器具の端部の増分運動量から第2の座標系での前記エ ンド・エフェクタの増分運動量を算出するステップと、f)第2の座標系での前 記エンド・エフェクタの増分運動量から第1の座標系内での前記エンド・エフェ クタの増分運動量を算出するステップと、g)前記エンド・エフェクタが、第1 の座標系で、算出された増分運動量だけ移動するまで、前記ロボット式アーム・ アセンブリを移動するステップとを含むことを特徴とする方法。 53.前記第2の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分運動量が以下の 変換マトリックスで算出され、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 Δx′′=第3のx軸に沿った手術器具の端部の増分運動量、Δy′′=第3の y軸に沿った手術器具の端部の増分運動量、Δz′′=第3のz軸に沿った手術 器具の端部の増分運動量、a5=第2の座標系での手術器具と第2のx−z平面 との角度、a6=第2の座標系での手術器具と第2のy−z平面との角度、Δx ′=第2のx軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δy ′=第2のy軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δz ′=第2のz軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量である ことを特徴とする請求の範囲第52項に記載の方法。 54.前記第1の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分運動量が以下の 変換マトリックスに従って算出され、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 Δx=第1のx軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δ y=第1のy軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δz =第1のz軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、II= 前記エンド・エフェクタと第1のx軸の間の角度であることを特徴とする請求の 範囲第53項に記載の方法。 55.さらに、前記エンド・エフェクタが回転した後に角度a6を求め、角度a 6がゼロにほぼ等しくなるまで、以下のサブルーチンに従ってロボット式アーム ・アセンブリを移動するステップを含み、a6>ゼロの場合、前記エンド・エフ ェクタが4π=π+定数 に等しい増分だけ移動し、 a6<ゼロの場合、前記エンド・エフェクタが、4π=π−定数 に等しい増分だけ移動し、 上式で、 Δπ=前記エンド・エフェクタの角運動量の増分量、π=前の角度π、 定数=前記エンド・エフェクタのある所定の増分角運動量であることを特徴とす る請求の範囲第54項に記載の方法。 56.前記エンド・エフェクタが以下の数式に従って前記第1の座標系で移動し 、▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 t=時間、 θo=前記エンド・エフェクタの最初の位置、θ1=前記エンド・エフェクタの 最後の位置、■o=位置θ0での前記エンド・エフェクタの速度、■1=位置θ 1での前記エンド・エフェクタの速度であることを特徴とする請求の範囲第52 項に記載の方法。 57.患者に挿入される端部を有する手術器具を患者に対して移動するための方 法において、 a)第1のX軸と第1のy軸と第1のz軸とを有する第1の座標系内に位置し、 第2のx軸と第2のy軸と第2のz軸とを有する第2の座標系内に位置するエン ド・エフェクタを有し、それぞれ、第1のz軸に垂直な平面で前記エンド・エフ ェクタを移動するようになされた、第1のリンケージ・アームによって前記エン ド・エフェクタに結合きれた第1のアクチュエータと第2のリンケージ・アーム によって前記第1のアクチュエータに結合された第2のアクチュエータと第3の リンケージ・アームによって前記第2のアクチュエータに結合された第3のアク チュエータとを有し、さらに、前記第3のアクチュエータを第1のz軸に沿って 移動するために前記第3のアクチュエータに結合された線形アクチュエータを有 する、ロボット式アーム・アセンブリを提供するステップと、b)手術器具を前 記エンド・エフェクタに取り付けるステップと、c)手術器具の端部が、第3の x軸と第3のy軸と第3のz軸とを有する第3の座標系内に位置するように、手 術器具を患者に挿入するステップと、d)手術器具の端部を第3の座標系で1増 分だけ移動ずるための入力コマンドを入力するステップと、 c)第3の座標系での手術器具の端部の増分運動量から第2の座標系内での前記 エンド・エフェクタの増分運動量を算出するステップと、f)第2の座標系での 前記エンド・エフェクタの増分運動量から第1の座標系内での前記エンド・エフ ェクタの増分運動量を算出するステップと、g)前記エンド・エフェクタが、第 1の座標系で増分運動量だけ移動ずるまで、前記ロボット式アーム・アセンブリ を移動するステップとを含むことを特徴とする方法。 58.前記第2の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分連動量が以下の 変換マトリックスで算出され、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 Δx′′=第3のx軸に沿った手術器具の端部の増分運動量、Δy′′=第3の y軸に沿った手術器具の端部の増分連動量、Δz′′=第3のz軸に沿った手術 器具の端部の増分運動量、a5=第2の座標系のy−z平面での手術器具と第2 のz軸の問の角度、a6=第2の座標系のx−z平面での手術器具と第2のz軸 の間の角度、ΔX′=第2のx軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された 増分運動量、Δy′=第2のy軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された 増分運動量、Δz′=第2のz軸に沿った前記エンド・エフェクタの算出された 増分連動量であることを特徴とする請求の範囲第57項に記載の方法。 59.前記第1の座標系での前記エンド・エフェクタの前記増分運動量が以下の 変換マトリックスに従って算出され、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 上式で、 Δx=第1のx軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δ y=第1のy軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、Δz =第1のz軸の沿った前記エンド・エフェクタの算出された増分運動量、=前記 エンド・エフェクタと第1のx軸の間の角度であることを特徴とする請求の範囲 第58項に記載の方法。 60.前記線形アクチュエータが前記第3のアクチュエータをΔzだけ並進させ 、前記第3のアクチュエータが前記第3のリンケージ・アームをΔa2の角度だ け回転させ、a2が以下の数式によって算出され、▲数式、化学式、表等があり ます▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ 前記第2のアクチュエータが前記第2のリンケージ・アームを角度Δa3だけ回 転させ、Δa3が以下の数式によって算出され、▲数式、化学式、表等がありま す▼ 上式で、 L1=前記第3のリンケージ・アームの長さ、L2=前記第2のリンケージ・ア ームの長さ、L3=前記第1のリンケージ・アームの長さであり、前記第1のア クチュエータが前記第1のリンケージ・アームを角度Δa4だけ回転させ、Δa 4が以下の数式によって算出されることを特徴とする請求の範囲第59項に記載 の方法。 Δa4=π−Δa2−Δa3 61.さらに、前記エンド・エフェクタが回転した後に角度a6を求め、角度a 6がゼロにほぼ等しくなるまで、以下のサブルーチンに従ってロボット式アーム ・アセンブリを移動するステップを含み、a6>ゼロの場合、前記エンド・エフ ェクタが4π=π+定数 に等しい増分だけ移動し、 a6<ゼロの場合、前記エンド・エフェクタが、4π=π−定数 に等しい増分だけ移動し、 上式で、 Δπ=前記エンド・エフェクタの角運動量の増分量、π=前の角度π、 定数=前記エンド・エフェクタのある所定の増分角運動量であることを特徴とす る請求の範囲第60項に記載の方法。 62.前記エンド・エフェクタが以下の数式に従って移動し、▲数式、化学式、 表等があります▼ 上式で、 t=時間、 θo=前記エンド・エフェクタの最初の位置、θ1=前記エンド・エフェクタの 最後の位置、θ0=位置θ0での前記エンド・エフェクタの速度、θ1=位置θ 1での前記エンド・エフェクタの速度であることを特徴とする請求の範囲第61 項に記載の方法。 53.手術器具を患者に対して移動するようになされたロボット式アーム・アセ ンブリ用の装置において、 手術器具に取り付けられるようになされたカラーと、前記カラーおよび手術器具 を保持するようになされた磁石を有するエンド・エフェクタとを備えることを特 徴とする装置。 64.手術器具を患者に対して移動するようになされたロボット式アーム・アセ ンブリ用の保護カバーにおいて、 ロボット式アーム・アセンブリを密封するようになされたバッグを備えることを 特徴とする保護カバー。
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