JPWO2021198662A5

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Publication number: JPWO2021198662A5
Application number: JP2021560920A
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Publication date: 2023-05-15
Anticipated expiration: 2041-03-29

Description

本発明の第１の態様によれば、外科手術ロボットアームの制御システムであって、外科手術ロボットアームが、その外科手術ロボットアームの構成を変更することができる一連のジョイントと、１つ以上のトルクセンサと、を備え、各トルクセンサが、一連のジョイントのうちのあるジョイントのトルクを検知するように構成されており、制御システムが、外部から加えられた力またはトルクに応答して変更される外科手術ロボットアームの構成を、１つ以上のトルクセンサから、外部から加えられた力またはトルクに起因する外科手術ロボットアームの検知されたトルク状態を示す官能データを受信すること、検知されたトルク状態を、候補のトルク状態の集合（セット）のうちの選択されたトルク状態に写像すること、およびロボットアームの構成が選択されたトルク状態に準拠するように変更されるように、指令信号を外科手術ロボットアームに送信してロボットアームを駆動することによって、制御するように構成されている、制御システムが提供される。

制御システムは、受信するステップ、写像するステップ、および送信するステップを含む、制御ループを反復して実施するようにさらに構成され得る。

候補のトルク状態のセットの各トルク状態は、ヤコビ行列の像の要素であってもよい。

制御システムは、外科手術ロボットアームの現在の構成を推定するように、第２のヤコビ行列の行列式を計算することと、第１のヤコビ行列を使用して決定されたロボットアームの単一の点で作用する力と、第２のヤコビ行列を使用して決定されたロボットアームのｎ個の点の同じ点で作用する力との間を補間することであって、上記力が、第２のヤコビ行列の計算された行列式に依存して重み付けされる、補間することと、外部から加えられた力またはトルクに応答して変更される外科手術ロボットアームの構成を、補間された力に従って制御することと、を行うように構成され得る。

制御システムは、ヤコビ行列のムーア－ペンローズの擬似逆行列を使用して、検知されたトルク状態を選択されたトルク状態に写像し、選択されたトルク状態に対応する１つ以上の力を決定するようにさらに構成され得る。

本発明の第２の態様によれば、外科手術ロボットアームを制御する方法であって、外科手術ロボットアームが、その外科手術ロボットアームの構成を変更することができる一連のジョイントと、１つ以上のトルクセンサと、を備え、各トルクセンサが、一連のジョイントのうちのあるジョイントのトルクを検知するように構成されており、方法が、外部から加えられた力またはトルクに応答して変更される外科手術ロボットアームの構成を、１つ以上のトルクセンサから、外部から加えられた力またはトルクに起因する外科手術ロボットアームの検知されたトルク状態を示す官能データを受信すること、検知されたトルク状態を、候補のトルク状態のセットのうちの選択されたトルク状態に写像すること、およびロボットアームの構成が選択されたトルク状態に準拠するように変更されるように、指令信号を外科手術ロボットアームに送信してロボットアームを駆動することによって、制御することを含む、方法が提供される。

典型的な外科手術ロボットシステムを示す。外科手術ロボットシステムを示す。外科手術ロボットシステムの外科手術ロボットアームを示す。外部から加えられた力またはトルクに応答して、外科手術ロボットアームの構成を変更するように制御システムによって実施される第１の制御ループを示す流れ図である。外部から加えられた力またはトルクに応答して、外科手術ロボットアームの構成を変更するように制御システムによって実施される第２の制御ループを示す流れ図である。検知されたトルク状態を、候補のトルク状態のセットのうちの選択されたトルク状態に二次元で写像することを示す概略図である。器具回収モードにおいて、外部から加えられた力またはトルクに応答して、外科手術ロボットアームの構成を変更するように制御システムによって実施される制御ループを示す流れ図である。

ステップ５０２では、検知されたトルク状態が、候補のトルク状態のセットのうちの選択されたトルク状態に写像される。候補のトルク状態のセットは、ロボットアームに対する許容可能なトルク状態のセットであってもよい。候補のトルク状態のセットは、関数でエンコードされ得る。候補のトルク状態のセットは、あらかじめ決定され得る。

図６は、検知されたトルク状態６０２を、候補のトルク状態６０１のセットのうちの選択されたトルク状態６０１に二次元で写像することを示す概略図６００である。図６では、候補のトルク状態のセットは、直線的な関数６０１でエンコードされている。検知されたトルク状態６０２は、直線的な関数６０１の解ではなく、例えば、関数が写像される状態のセットの外側にある。検知されたトルク状態６０２は、その直線的な関数６０１に対する解である最も近いトルク状態、この場合では、選択されたトルク状態６０３に写像または投影される。選択されたトルク状態６０３は、検知されたトルク状態６０２に対して最も低いユークリッド距離または最小二乗距離を有する候補のトルク状態のセットのトルク状態であってもよい。選択されたトルク状態６０３は、候補のトルク状態のセットのトルク状態が、検知されたトルク状態６０２に対して最も低いユークリッド距離または最小二乗距離を有する近似値を反復して精密化することによって決定され得る。

検知されたトルク状態は、１つ以上のトルクセンサの各々から受信されたトルクデータを含む列ベクトルによって表され得る。トルク状態は、任意の他の適切な方法で表され得る。候補のトルク状態のセットの各トルク状態は、それぞれの１つ以上の力に対応し得る。各トルク状態は、各トルク状態のそれぞれの１つ以上の力とヤコビ行列との積であってもよい。トルク状態は、ジョイント空間で表現され得る。力は、デカルト座標で表現され得る。ヤコビ行列は、ジョイント空間の変化をデカルト座標の変化に変換し得る。候補のトルク状態のセットの各トルク状態は、ヤコビ行列の像の要素であってもよい。行列の像は、その行列を写像することができる値のセットである。

実施例４では、検知されたトルク状態は、実施例３を参照して説明されるのと同じ方法で、選択されたトルク状態に写像され得る。つまり、検知されたトルク状態は、候補のトルク状態のセットのうちの選択されたトルク状態に写像される。選択されたトルク状態は、方程式５に示されるヤコビ行列の像の要素である。選択されたトルク状態は、検知されたトルク状態に対して最も低いユークリッド距離または最小二乗距離を有する候補のトルク状態のセットのトルク状態であってもよい。

式中、βは、正味ジョイント角度の小さな変化が複数の点の各々の位置を変化させる程度を表すヤコビ行列の行列式（例えば、方程式５のヤコビアン）によって変化する重み付け値である。このヤコビ行列の行列式は、ロボットアームの現在の構成の推定値を提供し得る。例えば、このヤコビアンの行列式が閾値（例えば、ゼロに近い）を下回る場合、制御システムは、実施例３を参照して説明されるアプローチを使用して、その点で作用していると決定された力により大きな重みを加え得る。このヤコビアンの行列式が閾値（例えば、ゼロから遠い）を上回る場合、制御システムは、実施例４を参照して説明されるアプローチを使用して、その点で作用していると決定された力により大きな重みを加え得る。

任意選択で、制御システムは、１つ以上のトルクセンサが他のセンサよりも大きなノイズ干渉を経験すると決定し得る。このシナリオでは、制御システムは、より少ないノイズ干渉を経験すると決定されたセンサから受信された官能データに、より多くの重要性を割り当てることができる。これを達成するために、制御システムは、各トルクセンサから受信された官能データに重み付け値α_１，…，α_ｎを加えることができる。例えば、実施例３または４のいずれかで説明される逆ヤコビ行列は、トルク状態の値の各々に対応する重みを有する対角行列によって重み付けされ得る。つまり、各重み付け値α_ｎは、官能データτ _ｎを提供するトルクセンサが関連付けられているジョイントｊ_ｎの角度θ _ｎの変化に関する、逆ヤコビ行列の項に関連付けられ得る。ムーア－ペンローズの擬似逆行列を使用して、１つのステップで、検知されたトルク状態を選択されたトルク状態に写像し、選択されたトルク状態に対応する力を決定する実施例では、各トルクセンサから受信された官能データに加えられる重みをエンコードする対角重み付け行列が、ヤコビ行列のムーア－ペンローズの擬似逆行列内に統合され得る。制御システムは、

の値がα_１，…，α_ｎに対して最小限になるように、各トルクセンサに加えられる重要性を決定することができ、式中、α_ｎは、ｎ番目のトルクセンサから受信された官能データに加えられる重み付け値である。

検知された力またはトルクを解くために、制御システムは、図５を参照して説明されるものと同様の方法を実装し得る。つまり、官能データは、１つ以上のトルクセンサから受信され、外部から加えられた力またはトルクに起因する、定義された点における検知されたトルク状態を示し得る。次いで、制御システムは、検知されたトルク状態を、候補のトルク状態のセットのうちの選択されたトルク状態に写像することによって、検知されたトルク状態を解くことができる。図５を参照して説明されるように、候補のトルク状態のセットの各トルク状態は、ヤコビ行列の像の要素であってもよい。検知されたトルク状態を選択されたトルク状態に写像すると、制御システムは、外部から加えられた力またはトルクの結果として、定義された点において、外科手術器具の長手方向軸と平行な方向に作用する力を示す、対応する力を決定することができる。器具回収モードでは、制御システムは、ヤコビ行列に、外科手術器具の長手方向軸に平行な軸の方向を表す列ベクトルを乗算するように構成され得、それにより、対応する力を決定する１つ以上の力は、外科手術器具の長手方向軸に平行な軸に沿って作用する力からなる（例えば、力のみを含む）。実施例５は、ステップ７０２がどのように実施され得るかを図示する詳細な実施例である。

Claims

外科手術ロボットアームの制御システムであって、前記外科手術ロボットアームが、前記外科手術ロボットアームの構成を変更することができる一連のジョイントと、１つ以上のトルクセンサと、を備え、各トルクセンサが、前記一連のジョイントのうちのあるジョイントのトルクを検知するように構成されており、前記制御システムが、外部から加えられた力またはトルクに応答して変更される前記外科手術ロボットアームの前記構成を、
受信するステップにおいて、前記１つ以上のトルクセンサから、前記外部から加えられた力またはトルクに起因する前記外科手術ロボットアームの検知されたトルク状態であって、前記外科手術ロボットアームの前記１つ以上のトルクセンサが検知した１つ以上の前記トルクを表すトルク状態を示す官能データを受信すること、
選択するステップにおいて、前記検知されたトルク状態を、候補のトルク状態の集合のうちの、前記検知されたトルク状態に最も近いトルク状態に写像することによって、前記候補のトルク状態の集合のうちの１つのトルク状態を選択すること、および
送信するステップにおいて、前記ロボットアームの前記構成が前記選択されたトルク状態に準拠するように変更されるように、指令信号を前記外科手術ロボットアームに送信して前記ロボットアームを駆動することによって、制御するように構成されている、制御システム。
前記制御システムが、前記受信するステップ、選択するステップ、および送信するステップを含む、制御ループを反復して実施するようにさらに構成されている、請求項１に記載の制御システム。
前記検知されたトルク状態が、前記１つ以上のトルクセンサの各々から受信されたトルクデータを含む列ベクトルによって表される、請求項１または２に記載の制御システム。
前記制御システムが、
前記選択されたトルク状態に対応する１つ以上の力を決定するように構成されており、各力が、前記外部から加えられた力またはトルクの結果として、前記ロボットアームのある点で作用する力を示し、前記力が、前記点に対して定義される方向に対して定義される、請求項１～３のいずれか一項に記載の制御システム。
前記制御システムが、各決定された力に対して、
前記外科手術ロボットアームの前記点の位置を決定することであって、前記点で作用する前記力が、前記点を前記決定された位置へと移動させることによって準拠され得るか、または低減され得るように前記点の位置を決定することと、
指令信号を前記外科手術ロボットアームに送信して、前記決定された位置へと前記外科手術ロボットアームの前記点を駆動することと、を行うように構成されている、請求項４に記載の制御システム。
前記制御システムが、
前記ロボットアームの単一の点で作用する力、および／または
前記ロボットアームのｎ個（ｎ＞１）の点の各々で作用する少なくとも１つの力を決定するように構成されている、請求項４または５に記載の制御システム。
前記候補のトルク状態の集合の各トルク状態が、各トルク状態のそれぞれの１つ以上の力とヤコビ行列との積であり、前記ヤコビ行列は、ジョイント角度の変化が前記外科手術ロボットアーム上の１つ以上の点を移動させる程度を表し、任意選択で、
前記候補のトルク状態の集合の各トルク状態が、前記ヤコビ行列の像の要素である、請求項１～６のいずれか一項に記載の制御システム。
前記制御システムが、前記ロボットアームの単一の点で作用する力を決定するように構成されており、
前記制御システムが単一の点で作用する力を決定するように構成されている場合、前記候補のトルク状態の集合の各トルク状態が、各トルク状態のそれぞれの１つ以上の力と、前記一連のジョイントのうちの１つ以上のジョイントのジョイント角度の変化が前記ロボットアームの前記単一の点の前記位置をどのように変化させるかを表す、第１のヤコビ行列との積である、請求項７に記載の制御システム。
前記制御システムが、前記ロボットアームのｎ個（ｎ＞１）の点の各々で作用する少なくとも１つの力を決定するように構成されており、
前記制御システムが、ｎ個（ｎ＞１）の点の各々で作用する少なくとも１つの力を決定するように構成されている場合、前記候補のトルク状態の集合の各トルク状態が、各トルク状態のそれぞれの１つ以上の力と、前記一連のジョイントのうちの１つ以上のジョイントのジョイント角度の変化が前記ｎ個の点の各々の前記位置をどのように変化させるかを表す、第２のヤコビ行列との積である、請求項７に記載の制御システム。
前記第２のヤコビ行列が、前記一連のジョイントのジョイントのサブセットの各ジョイントのジョイント角度の変化が前記ｎ個の点のうちの第１の点の前記位置をどのように変化させるか、および前記一連のジョイントのジョイントの異なるサブセットの各ジョイントのジョイント角度の変化が前記ｎ個の点のうちの第２の点の前記位置をどのように変化させるかを表す、請求項９に記載の制御システム。
前記制御システムが、
前記ロボットアームの現在の動作モードに依存して、外部から加えられた力またはトルクに応答して変更される前記外科手術ロボットアームの前記構成を、
（ｉ）前記ロボットアームの単一の点で作用する力、または
（ｉｉ）前記ロボットアームの前記ｎ個の点の各々で作用する少なくとも１つの力に従って、制御するかどうかを決定するように構成されている、請求項６～１０のいずれか一項に記載の制御システム。
前記制御システムが、前記ロボットアームの単一の点で作用する力を決定するように構成されており、前記制御システムが単一の点で作用する力を決定するように構成されている場合、前記候補のトルク状態の集合の各トルク状態が、各トルク状態のそれぞれの１つ以上の力と、前記一連のジョイントのうちの１つ以上のジョイントのジョイント角度の変化が前記ロボットアームの前記単一の点の前記位置をどのように変化させるかを表す、第１のヤコビ行列との積であり、
前記制御システムが、前記ロボットアームのｎ個（ｎ＞１）の点の各々で作用する少なくとも１つの力を決定するように構成されており、前記制御システムが、ｎ個（ｎ＞１）の点の各々で作用する少なくとも１つの力を決定するように構成されている場合、前記候補のトルク状態の集合の各トルク状態が、各トルク状態のそれぞれの１つ以上の力と、前記一連のジョイントのうちの１つ以上のジョイントのジョイント角度の変化が前記ｎ個の点の各々の前記位置をどのように変化させるかを表す、第２のヤコビ行列との積であり、
前記制御システムが、
前記外科手術ロボットアームの現在の構成を推定するように、前記第２のヤコビ行列の行列式を計算することと、
前記第１のヤコビ行列を使用して決定された前記ロボットアームの単一の点で作用する力と、前記第２のヤコビ行列を使用して決定された前記ロボットアームの前記ｎ個の点の同じ点で作用する力との間を補間することであって、前記力が、前記第２のヤコビ行列の前記計算された行列式に依存して重み付けされる、補間することと、
外部から加えられた力またはトルクに応答して変更される前記外科手術ロボットアームの前記構成を、前記補間された力に従って制御することと、を行うように構成されている、請求項６～７および１０～１１のいずれか一項に記載の制御システム。
前記選択されたトルク状態が、前記検知されたトルク状態に対して最も低いユークリッド距離を有する前記候補のトルク状態の集合の前記トルク状態であるか、または前記選択されたトルク状態が、前記検知されたトルク状態に対して最も低い最小二乗距離を有する前記候補のトルク状態の集合の前記トルク状態である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の制御システム。
前記制御システムが、各トルクセンサに関連付けられたノイズ干渉の決定されたレベルに依存して、前記１つ以上のトルクセンサの各トルクセンサから受信された前記官能データを重み付けするようにさらに構成されており、それにより、より大きな重みが、より低いレベルのノイズ干渉に関連付けられると決定されたトルクセンサから受信された官能データに加えられる、請求項１～１３のいずれか一項に記載の制御システム。
前記外科手術ロボットアームが、前記ロボットアームの遠位端に外科手術器具のための取り付け部をさらに備え、前記制御システムが、前記ロボットアームに、
前記取り付け部に取り付けられた外科手術器具が患者の体の内側にある外科手術モード、および
前記外部から加えられた力またはトルクに応答して、前記外科手術器具が患者の体から回収可能である器具回収モードで動作させるように構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の制御システム。
前記候補のトルク状態の集合の各トルク状態が、各トルク状態のそれぞれの１つ以上の力とヤコビ行列との積であり、
前記器具回収モードでは、前記制御システムが、前記ヤコビ行列に、前記外科手術器具の長手方向軸に平行な軸の方向を表す列ベクトルを乗算するように構成されており、それにより、前記１つ以上の力が、前記外科手術器具の前記長手方向軸に平行な前記軸に沿って作用する力からなる、請求項１５に記載の制御システム。
外科手術ロボットアームを制御する方法であって、前記方法は、前記外科手術ロボットアームの制御システムが実行する方法であり、前記外科手術ロボットアームが、前記外科手術ロボットアームの前記構成を変更することができる一連のジョイントと、１つ以上のトルクセンサと、を備え、各トルクセンサが、前記一連のジョイントのうちのあるジョイントのトルクを検知するように構成されており、前記方法が、外部から加えられた力またはトルクに応答して変更される前記外科手術ロボットアームの前記構成を、
前記制御システムが、前記１つ以上のトルクセンサから、前記外部から加えられた力またはトルクに起因する前記外科手術ロボットアームの検知されたトルク状態であって、前記外科手術ロボットアームの前記１つ以上のトルクセンサが検知した１つ以上の前記トルクを表すトルク状態を示す官能データを受信すること、
前記制御システムが、前記検知されたトルク状態を、候補のトルク状態の集合のうちの、前記検知されたトルク状態に最も近いトルク状態に写像することによって、前記候補のトルク状態の集合のうちの１つのトルク状態を選択すること、および
前記制御システムが、前記ロボットアームの前記構成が前記選択されたトルク状態に準拠するように変更されるように、指令信号を前記外科手術ロボットアームに送信して前記ロボットアームを駆動することによって、制御することを含む、方法。