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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-20
(54)【発明の名称】外科手術ロボットアームの制御
(51)【国際特許分類】
A61B 34/35 20160101AFI20240912BHJP
【ＦＩ】
A61B34/35
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024510609
(86)(22)【出願日】2023-08-15
(85)【翻訳文提出日】2024-02-20
(86)【国際出願番号】 GB2023052143
(87)【国際公開番号】W WO2024038264
(87)【国際公開日】2024-02-22
(31)【優先権主張番号】2211913.5
(32)【優先日】2022-08-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516263638
【氏名又は名称】シーエムアール サージカル リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＣＭＲ ＳＵＲＧＩＣＡＬ ＬＩＭＩＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】110001966
【氏名又は名称】弁理士法人笠井中根国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100147717
【弁理士】
【氏名又は名称】中根 美枝
(74)【代理人】
【識別番号】100103252
【弁理士】
【氏名又は名称】笠井 美孝
(72)【発明者】
【氏名】ブレイク，マーティン
【テーマコード（参考）】
4C130
【Ｆターム（参考）】
4C130AA02
4C130AA04
4C130AA22
4C130AA24
4C130AB01
4C130AD02
4C130AD11
(57)【要約】
外科手術ロボットアームの第１の部品を動かすためのコントローラであって、外科手術ロボットアームは、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与されることに応答して、複数の従動ジョイントによって分離される複数のアームセグメントを備え、コントローラが、外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される力から結果的に生じる、複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することと、決定されたトルクから、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与された結果として、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、結果的に生じる力を計算することと、後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価することによって、現在の時間の後の時間に対する外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度を計算することであって、運動方程式が、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、計算された結果的に生じる力、及び外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間における現在の速度の入力を有する、計算することと、計算された所望の速度に従って、外科手術ロボットアームを駆動することと、を行うように構成されている、コントローラ。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
外科手術ロボットアームの第１の部品を動かすためのコントローラであって、前記外科手術ロボットアームは、外力が前記外科手術ロボットアームの第２の部品に付与されることに応答して、複数の従動ジョイントによって分離される複数のアームセグメントを備え、前記コントローラが、前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与される前記力から結果的に生じる、前記複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することと、
前記決定されたトルクから、前記外力が前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与された結果として、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、結果的に生じる力を計算することと、
後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価することによって、現在の時間の後の時間に対する前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の所望の速度を計算することであって、前記運動方程式が、
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、前記計算された結果的に生じる力、及び
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における現在の速度の入力を有する、計算することと、
前記計算された所望の速度に従って、前記外科手術ロボットアームを駆動することと、を行うように構成されている、コントローラ。
【請求項2】
前記運動方程式を評価することが、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における前記現在の速度、及び前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する前記計算された結果的に生じる力に基づいて、値のデッドバンド関数を評価することを含む、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項3】
前記デッドバンド関数が、デッドバンド領域を有し、前記デッドバンド領域の外側の前記デッドバンド関数の勾配が、前記外科手術ロボットアームに作用する所望の粘性摩擦力をモデル化するように選択される、請求項２に記載のコントローラ。
【請求項4】
前記デッドバンド関数の前記デッドバンド領域の限界が、前記外科手術ロボットアームに作用する所望のクーロン摩擦力をモデル化するように選択される、請求項３に記載のコントローラ。
【請求項5】
前記運動方程式が、次式に従い、【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【請求項6】
Ｄが、前記外科手術ロボットアームに作用する所望の粘性摩擦力をモデル化するように選択される、請求項５に記載のコントローラ。
【請求項7】
前記複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することが、前記外科手術ロボットアームから、前記複数のジョイントの各々における前記トルクの測定値を受信することと、
前記トルク測定値を処理して、前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与される前記外力から結果的に生じないトルクを考慮することと、を含む、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項8】
前記コントローラが、前記外科手術ロボットアームから、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の位置の測定値を受信することと、
前記位置の前記測定値から、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における前記現在の速度を計算することと、を行うように構成されている、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項9】
前記後退オイラー近似が、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の速度と前記所望の速度との間の差を、前記現在の時間と前記現在の時間の後の前記時間との間の差で除算したものとして、前記現在の時間の後の前記時間における前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記加速度を近似する、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項10】
前記後退オイラー近似が、次式に従い、【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【請求項11】
前記運動方程式が、次式に従い、【数9】
【数10】
【数11】
【数12】
【請求項12】
前記計算された所望の速度に従って前記外科手術ロボットアームを駆動することが、前記所望の速度から、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の所望の位置を計算することと、
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が前記所望の位置を有することを可能にすることになる、前記複数のジョイントの各々の角度を決定することと、
前記外科手術ロボットアームに、前記複数のジョイントを前記決定された角度に駆動させる信号を送信することと、を含む、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項13】
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が、前記外科手術ロボットアームのアームセグメントである、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項14】
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が、前記外科手術ロボットアームの最遠位アームセグメントである、請求項１３に記載のコントローラ。
【請求項15】
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が、前記外科手術ロボットアームの前記複数の従動ジョイントのうちのジョイントである、請求項１～１２のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項16】
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が、前記外科手術ロボットアームのエルボである、請求項１５に記載のコントローラ。
【請求項17】
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が、前記外科手術ロボットアームのリストである、請求項１５に記載のコントローラ。
【請求項18】
前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品が、前記外科手術ロボットアームのアームセグメントである、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項19】
前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品が、前記外科手術ロボットアームの前記複数の従動ジョイントのうちのジョイントである、請求項１～１７のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項20】
前記第１の部品及び前記第２の部品が、前記外科手術ロボットアームの同じ部品である、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項21】
前記第１の部品及び前記第２の部品が、前記外科手術ロボットアームの異なる部品である、請求項１～１９のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項22】
前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与される前記外力が、回転力であり、前記外力の結果として前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する前記結果的に生じる力が、回転力である、先行請求項のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項23】
外科手術ロボットアームと、請求項１～２２のいずれか一項に記載のコントローラと、を備える、外科手術システム。
【請求項24】
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複数のジョイントの各ジョイントにトルクセンサを備え、前記外科手術ロボットアームが、前記複数のジョイントの各々における前記トルクを測定し、前記測定値を前記コントローラに送信するように構成されている、請求項７に従属する請求項２３に記載の外科手術システム。
【請求項25】
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に沿った複数の点に位置センサを備え、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第１の部品の位置を測定し、前記測定値を前記コントローラに送信するように構成されている、請求項８に従属する請求項２３又は２４に記載の外科手術システム。
【請求項26】
外科手術ロボットアームの第１の部品を動かすための方法であって、前記外科手術ロボットアームは、外力が前記外科手術ロボットアームの第２の部品に付与されることに応答して、複数のジョイントによって分離される複数のアームセグメントを備え、前記方法が、前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与される前記力の結果として、前記複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することと、
前記決定されたトルクから、前記外力が前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与された結果として、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、結果的に生じる力を計算することと、
後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価することによって、現在の時間の後の時間に対する前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の所望の速度を計算することであって、前記運動方程式が、
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、前記計算された結果的に生じる力、及び
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における現在の速度の入力を有する、計算することと、
前記計算された所望の速度に従って、前記外科手術ロボットアームを駆動することと、を含む、方法。
【請求項27】
コンピュータシステムで実行されると、前記コンピュータシステムに、請求項２６に記載の方法を実施させるコンピュータ可読命令を記憶している非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
手術を補助及び実施するためにロボットを使用することが知られている。図１は、基部１０１、外科手術ロボットアーム１０２、及び器具１０３を備える、典型的な外科手術システム１００を示している。基部は、外科手術ロボットアームを支持し、それ自体が、例えば、手術室の床、手術室の天井、又はトロリーに堅固に取り付けられている。アーム１０２は、基部と器具との間に延在する。アームは、複数のアームセグメント１０５で形成され、外科手術器具１０３を患者に対して所望の場所及び向きに位置決めするために使用されるアームセグメント間の複数の従動ジョイント１０４によって関節運動する。従動ジョイント１０４は、エルボ１０４ｅ及びリスト１０４ｗを含む。
【0002】
外科手術器具１０３は、ロボットアームの末端アームセグメント１０５ｔの遠位端に取り付けられる。手術中、外科手術器具は手術部位にアクセスするように、ポートにおいて患者の身体を貫通することができる。
【0003】
図１は、外科手術ロボット１００が、外科医コマンドインターフェース２０１及びコントローラ２０２も含む、システムの一部を形成することを例示する。コントローラは、プロセッサ２０３及びメモリ２０４を含む。コントローラ２０２のメモリ２０４は、アーム１０２を所望するように動作させるように、プロセッサ２０３によって実行可能であるソフトウェアを非一時的な方式で記憶する。コントローラは、外科手術ロボットアーム内のアクチュエータ（図示せず）に結合される。アクチュエータは、アクチュエータを駆動することがジョイントの角度を変化させ、アームを動かすように、ロボットアームのジョイントに結合される。したがって、コントローラ２０２は、ソフトウェアの実行によって生成される出力に従って、ロボットアーム１０２の運動をもたらすことができる。コントローラ２０２は、アーム１０２から遠隔であってもよい。
【0004】
ソフトウェアは、プロセッサ２０３を制御して、ユーザが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１つ以上の入力デバイスを含み得る外科医コマンドインターフェース２０１からの入力に依存してアームを駆動することができる。入力デバイスは、例えば、制御ハンドル若しく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デバイス、又は光学ジェスチャセンサなどの非接触型入力デバイスであり得る。メモリ２０４に記憶されるソフトウェアは、これらの入力に応答するように構成されており、プロセッサ２０３は、ソフトウェアを実行して、それに応じて、アームのジョイントを動かすように構成されている。
【0005】
外科手術ロボットアームが適合モードにあるとき、ソフトウェアは、プロセッサ２０３を制御して、アーム１０２に作用する外力に依存してアームを駆動することができる。例えば、コントローラは、アームの一部を押す臨床チームのメンバーに応答してアームを動かし、それによって、臨床チームのメンバーがアームを物理的に動いているという印象を与えることができる。この機能は、臨床チームのメンバーがアームに接続された器具を変更しているシナリオ、及びアームの一部分が手術室内の別の装置の部品と衝突することに臨床チームのメンバーが気付くシナリオを含む、いくつかのシナリオで有用である。この例では、臨床チームのメンバーは、アームが隣接する装置の邪魔にならずに動くように、ロボットアームの一部を押し出すことができる。
【0006】
アームの一部に加えられる外力に応答してアームを駆動するプロセスは、アームに加えられた外力についての情報を集め、その力に基づいて、アームがその力に応答してどのように挙動すべきかを決定することを伴う。アームが力に応答してどのように挙動するかは、選択されたインピーダンスモデルによって決定され、その特性は、所望されるアームのどのような挙動も達成するために任意に選択され得る。
【0007】
本出願は、外力がアームに付与されるのに応答した外科手術ロボットアームの動きの改善された制御に関する。
【発明の概要】
【0008】
第１の実施形態によると、外科手術ロボットアームの第１の部品を動かすためのコントローラであって、外科手術ロボットアームは、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与されることに応答して、複数の従動ジョイントによって分離される複数のアームセグメントを備え、コントローラが、外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される力から結果的に生じる、複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することと、決定されたトルクから、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与された結果として、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、結果的に生じる力を計算することと、後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価する（すなわち、解く）ことによって、現在の時間の後の時間に対する外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度を計算することであって、運動方程式が、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、計算された結果的に生じる力、及び外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間における現在の速度の入力を有する、計算することと、計算された所望の速度に従って、外科手術ロボットアームを駆動することと、を行うように構成されている、コントローラが提供される。
【0009】
第２の実施形態によると、第１の実施形態による外科手術ロボットアーム及びコントローラを備える外科手術システムが提供される。
【0010】
運動方程式を評価することが、外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間における現在の速度、及び外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する計算された結果的に生じる力に基づいて、値のデッドバンド関数を評価することを含み得る。
【0011】
デッドバンド関数が、デッドバンド領域を有し得、デッドバンド領域の外側のデッドバンド関数の勾配が、外科手術ロボットアームに作用する所望の粘性摩擦力をモデル化するように選択され得る。
【0012】
デッドバンド関数のデッドバンド領域の限界が、外科手術ロボットアームに作用する所望のクーロン摩擦力をモデル化するように選択され得る。
【0013】
運動方程式が、次式に従い得、
式中、ｆが、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する結果的に生じる力を表し、
が、デッドバンド関数の逆数を表し、
が、現在の時間の後の時間における外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度を表し、
が、現在の時間の後の時間における外科手術ロボットアームの第１の部品の加速度を表し、Ｍ及びＤが、所定の定数である。
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【0014】
Ｄが、外科手術ロボットアームに作用する所望の粘性摩擦力をモデル化するように選択され得る。
【0015】
複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することが、外科手術ロボットアームから、複数のジョイントの各々におけるトルクの測定値を受信することと、トルク測定値を処理して、外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される外力から結果的に生じないトルクを考慮することと、を含み得る。
【0016】
コントローラが、外科手術ロボットアームから、外科手術ロボットアームの第１の部品の位置の測定値を受信することと、位置の測定値から、外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間における現在の速度を計算することと、を行うように構成され得る。
【0017】
後退オイラー近似が、外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の速度と所望の速度との間の差を、現在の時間と現在の時間の後の時間との間の差で除算したものとして、現在の時間の後の時間における外科手術ロボットアームの第１の部品の加速度を近似し得る。
【0018】
後退オイラー近似が、次式に従い得、
式中、
が、現在の時間の後の時間における外科手術ロボットアームの第１の部品の加速度であり、
が、所望の速度であり、
が、現在の速度であり、ｔkが、現在の時間であり、ｔk+1が、現在の時間の後の時間である。
【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【0019】
運動方程式が、次式に従い得、
式中、ｔkが、現在の時間を表し、ｔk+1が、現在の時間の後の時間を表し、
が、時間ｔk+1における外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度を表し、
が、現在の時間ｔkにおける外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の速度を表し、
が、デッドバンド関数を表し、ｆが、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する結果的に生じる力を表し、Ｍ及びＤが、所定の定数である。
【数9】
【数10】
【数11】
【数12】
【0020】
計算された所望の速度に従って外科手術ロボットアームを駆動することが、所望の速度から、外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の位置を計算することと、外科手術ロボットアームの第１の部品が所望の位置を有することを可能にすることになる、複数のジョイントの各々の角度を決定することと、外科手術ロボットアームに、複数のジョイントを決定された角度に駆動させる信号を送信することと、を含み得る。
【0021】
外科手術ロボットアームの第１の部品が、外科手術ロボットアームのアームセグメントであり得る。
【0022】
外科手術ロボットアームの第１の部品が、外科手術ロボットアームの最遠位アームセグメントであり得る。
【0023】
外科手術ロボットアームの第１の部品が、外科手術ロボットアームの複数の従動ジョイントのうちのジョイントであり得る。
【0024】
外科手術ロボットアームの第１の部品が、外科手術ロボットアームのエルボであり得る。
【0025】
外科手術ロボットアームの第１の部品が、外科手術ロボットアームのリストであり得る。
【0026】
外科手術ロボットアームの第２の部品が、外科手術ロボットアームのアームセグメントであり得る。
【0027】
外科手術ロボットアームの第２の部品が、外科手術ロボットアームの複数の従動ジョイントのうちのジョイントであり得る。
【0028】
第１の部品及び第２の部品が、外科手術ロボットアームの同じ部品であり得る。
【0029】
第１の部品及び第２の部品が、外科手術ロボットアームの異なる部品であり得る。
【0030】
外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される外力が、回転力であり得、外力の結果として外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する結果的に生じる力が、回転力であり得る。
【0031】
外科手術ロボットアームが、外科手術ロボットアームの複数のジョイントの各ジョイントにトルクセンサを備え得、外科手術ロボットアームが、複数のジョイントの各々におけるトルクを測定し、測定値をコントローラに送信するように構成され得る。
【0032】
外科手術ロボットアームが、外科手術ロボットアームに沿った複数の点に位置センサを備え得、外科手術ロボットアームが、外科手術ロボットアームの第１の部品の位置を測定し、測定値をコントローラに送信するように構成され得る。
【0033】
第３の実施形態によると、外科手術ロボットアームの第１の部品を動かすための方法であって、外科手術ロボットアームは、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与されることに応答して、複数のジョイントによって分離される複数のアームセグメントを備え、方法が、外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される力の結果として、複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することと、決定されたトルクから、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与された結果として、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、結果的に生じる力を計算することと、後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価する（すなわち、解く）ことによって、現在の時間の後の時間に対する外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度を計算することであって、運動方程式が、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、計算された結果的に生じる力、及び外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間における現在の速度の入力を有する、計算することと、計算された所望の速度に従って、外科手術ロボットアームを駆動することと、を含む、方法が提供される。
【0034】
第４の実施形態によると、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、第３の実施形態による方法を実施させるコンピュータ可読命令を記憶している非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】外科手術システムを例示する。
【図2】関数
【数13】
【図3】クーロン及び粘性摩擦に対応する関数
【数14】
【図4】関数
【数15】
【図5】外科手術システムがクーロン及び粘性摩擦モデルを実装することを実施するように構成されている方法を例示する。
【図6】外科手術システムが外科手術ロボットアームを駆動することを実施するように構成されている方法を例示する。
【発明を実施するための形態】
【0036】
入力外力に応答して、ロボットアームは、選択された質量、ばね、ダンパ係数に従って非常に硬いばねであるかのように挙動するように、質量、ばね、ダンパインピーダンスモデルを使用することが効果的であることが既に見出されている。質量、ばね、ダンパ係数は、ロボットアームがその最大伸長の近くで非常に硬いばねとして挙動するように選択される。モデルによると、ばねの設定値は、ばね伸長をその最大に維持するように動かされ、係数は、ばねの最大伸長が非常に小さいように選択される。質量、ばね、ダンパモデルは、様々な用途にわたってロボットアームが所望の挙動を呈することを可能にするのに非常に効果的であることが見出されている。しかしながら、手術用のロボットアームの適用については、代替的なアプローチが有利であることが見出された。
【0037】
手術で使用されるロボットアームは、アームに取り付けられた器具が人体内の外科手術部位内で複雑かつ精密な操作を実施する必要があるという事実に起因して、他の用途（例えば、製造）で使用されるロボットアームよりもはるかに高いレベルの安定性を必要とする。アームに取り付けられた器具は、例えば、ナイフ又は焼灼器であり得るため、アームが外科手術部位内で器具を静止状態に保つように命令されたときに、その位置が変化しないことが重要である。
【0038】
質量、ばね、ダンパモデルの使用は、結果的に、最大ばね伸長を下回るか、又はその近傍の運動の振幅に対する安定性マージンの低下をもたらすことが見出されており、これは、アームの位置がこれらの境界内で振動し得ることを意味する。モデルは、振動運動が非常に小さく、多くの場合、知覚できないように、質量、ばね、ダンパ係数を変更することによって調整され得るが、これは、結果的に、長期間にわたってばねのモデル化された設定値がドリフトすることをもたらし得る。これは、結果的に、アームの部品（例えば、器具に取り付けられた末端アームセグメント）の位置が、それらが静止したままであることが望ましいときに変化することをもたらす。
【0039】
本出願は、本明細書ではクーロン及び粘性摩擦モデルと称される、外科手術ロボットアームの運動を制御する際に使用される代替的なモデルに関する。このモデルを実装する結果として外科手術ロボットアームによって呈される挙動は、スティックスリップ状態で別の物体の上を摺動する物体の挙動に類似している。したがって、このモデルの使用は、アームが、別の表面と密接に接触し、かつ別の表面に対して動く表面を有するかのように、アームに付与される外力に応答してアームが動くことを可能にする。
【0040】
以下に説明されるようにクーロン及び粘性摩擦モデルを実装するために使用される技術は、外科手術ロボットアームの任意の部品の動きを指示するために使用され得る。外科手術ロボットアームに加えられた外力に基づいて、力が動かすように意図されたロボットアームの部品（本明細書では、外科手術ロボットアームの第１の部品又は第１のアーム部分と称される）が推定され、モデルは、第１の部品の所望の挙動を計算するために使用される。部品という用語は、本明細書では、外科手術ロボットアームの任意の部分を指すために使用される。外科手術ロボットアームの第１の部品は、アームセグメント１０５、ジョイント１０４、又は１つ以上のアームセグメント１０５及び／若しくはジョイント１０４の組み合わせの一部又は全部であってもよい。
【0041】
説明されるクーロン及び粘性摩擦モデルを実装するために使用される技術はまた、外力が外科手術ロボットアーム１０２の任意の部品に加えられるときに使用され得る。力が加えられるロボットアームの部品は、例えば、アームセグメント１０５又はジョイント１０４であってもよい。例えば、外力は、エルボジョイント１０４ｅ、リストジョイント１０４ｗ、又は器具が取り付けられる末端アームセグメント１０５ｔに加えられ得る。力が加えられるロボットアームの部品は、例えば、アームセグメント１０５の一部分、いくつかのアームセグメント１０５、いくつかのジョイント１０５、又は１つ以上のアームセグメント１０５及び／若しくはジョイント１０４の組み合わせであってもよい。外力が付与されるロボットアームの部品は、本明細書では、外科手術ロボットアーム又は第２のアーム部品の第２の部品と呼ばれる。
【0042】
第１の実施例（実施例１）によると、臨床チームのメンバーは、アームの同じ部品を動かす意図で、アームの部品に力を付与し得る。例えば、臨床チームのメンバーは、エルボを異なる場所に動かすことを望んでエルボを押し得る。そのようなシナリオでは、外科手術ロボットアームの第１の部品は、外科手術ロボットアームの第２の部品と同じである。
【0043】
しかしながら、器具が外科手術部位内に位置決めされ、臨床チームのメンバーが遠位アームセグメント１０５ｔに取り付けられた器具を変更することを望む第２の実施例（実施例２）によると、臨床チームのメンバーは、外科手術部位から末端アームセグメント１０２ｔ（及び器具）を後退させる意図で、アームセグメント１０２の別の部品に力を加え得る。この実施例によると、外科手術ロボットアームの第１の部品は、外科手術ロボットアームの第２の部品とは異なる。
【0044】
以下でより詳細に説明されることになるように、クーロン及び粘性摩擦モデルを実装することは、外力がロボットアームの第２の部品に付与された結果として、ロボットアームの第１の部品に作用する結果的に生じる力を決定することを伴う。上記の第２の実施例を使用して、方法は、アームセグメント１０２の別のものに付与される力の量が、末端アームセグメント１０２ｔに作用する力にどの程度寄与するかを決定することを伴うことになる。
【0045】
以下でより詳細に説明されるように、クーロン及び粘性摩擦モデルを実装することは、モデルに従って運動方程式を定義し、それを解いて、所望の挙動を呈するために、第１のアーム部品が将来の時間において動くべき所望の速度を得ることを伴う。現在の時間は、本明細書では、ｔkと称されるが、一方で、第１のアーム部品が所望の速度で動くことになる将来の時間は、ｔk+1と称される。したがって、クーロン及び粘性摩擦モデルを実装することは、所望の速度
の値を得るために、運動方程式を解くことを伴う。
【数16】
【0046】
モデルは、摩擦力が、アームに付与される外力の方向とは反対方向に、外科手術ロボットアームの表面上に作用することを決定する。摩擦力は、クーロン摩擦（Ｆc）成分及び粘性摩擦（Ｆv）成分の２つの成分を有するものとして、クーロン及び粘性摩擦モデルを使用してモデル化される。
【0047】
粘性摩擦成分（Ｆv）は、速度に比例するものとしてモデル化される。言い換えると、粘性摩擦成分は、速度に比例する大きさを有し、速度の方向と反対の方向に作用する。クーロン摩擦成分（Ｆc）は、一定の大きさを有し、速度の方向と反対の方向に作用するものとしてモデル化される。クーロン摩擦成分（Ｆc）は、２つの表面間で作用する静止摩擦と等しいものとしてモデル化される。クーロン摩擦成分（Ｆc）は、ゼロではない。
【0048】
図２は、速度に比例する成分と、速度の方向と反対の方向にｙの一定の大きさを有する成分との合計である関数
を例示する。速度が正であるとき、定数成分は、ｙの値を有する。速度が負であるとき、定数成分は、－ｙの値を有する。図２は、関数
が、限界
の間の
における無限勾配、並びにＤと等しい勾配を有する
の両側における傾き部分を有する、逆デッドバンド関数の形態をとることを示す。デッドバンド関数は、本明細書では、０の勾配を有する領域を有する任意の関数を包含するものとして定義される。逆デッドバンド関数は、本明細書では、無限勾配を有する領域を有する任意の関数を包含するものとして定義される。
【数17】
【数18】
【数19】
【数20】
【数21】
【0049】
【0050】
２つの成分の合計は、結果的に、値ｙがクーロン摩擦力Ｆcで置き換えられたことを除いて、図２に示される逆デッドバンド関数と同じように見える関数をもたらす。したがって、クーロン及び粘性摩擦成分の合計は、次のように記述され得る。
式中、Ｄは、
から離れた逆デッドバンド関数の領域の勾配を表す定数である。
定数Ｄの値は、所望の粘性摩擦力をモデル化するように選択され得る。
Ｆcの値は、外科手術ロボットアームに作用する所望のクーロン摩擦力をモデル化するように選択される。
【数23】
【数24】
定数Ｄの値は、所望の粘性摩擦力をモデル化するように選択され得る。
Ｆcの値は、外科手術ロボットアームに作用する所望のクーロン摩擦力をモデル化するように選択される。
【0051】
上記に説明されたように、クーロン及び粘性摩擦モデルを実装することは、モデルに従って定義される運動方程式を解いて、第１のアーム部品が所望の挙動を達成するために動くべき所望の速度を決定することを伴う。
【0052】
第１のアーム部品が所望の速度
で動くことになる、現在の時間の後の時点である時間ｔk+1では、クーロン及び粘性摩擦モデルに対応する運動方程式は、次のように記述され得る。
式中、ｆは、第１のアーム部品に作用する結果的に生じる力であり、Ｍは、第１のアーム部品が有するようにモデル化される質量を表す定数であり、
は、時間ｔ＝ｔk+1における第１のアーム部品の加速度であり、
は、逆デッドバンド関数であり、Ｄは、
から離れた
の領域の勾配を表す定数であり、
は、時間ｔ＝ｔk+1における第１のアーム部品の所望の速度である。
【数25】
【数26】
【数27】
【数28】
【数29】
【数30】
【数31】
【0053】
上記に説明されたように、クーロン及び粘性摩擦モデルを実装することは、モデル（例えば、方程式２）に対応する運動方程式を解いて、アームに加えられる外力に応答してアームが所望の挙動を呈することを可能にすることになる、第１のアーム部品の所望の速度を得ることを伴う。
【0054】
本実施例によると、運動方程式（方程式２）を解くことは、後退オイラー近似の使用を伴う。
【0055】
後退オイラー近似は、後続の時間ｔk+1から開始し、後続の時間
における速度と、より早い（本実施例では、現在の）時間ｔkにおける以前の速度
との間の差を見ることによって、加速度を近似する。
【数32】
【数33】
【0056】
後退オイラー近似は、現在の速度
と第１のアーム部品の所望の速度
との間の差を、現在の時間ｔkと現在の時間の後の時間ｔk+1との間の差で除算したものとして、現在の時間ｔk+1の後の時間における第１のアーム部品の加速度を近似する。
【数34】
【数35】
【0057】
後退オイラー近似は、次のように記述され得る。
【数36】
【0058】
クーロン及び粘性摩擦モデル（方程式２）に対応する運動方程式に後退オイラー近似を挿入することは、結果的に次式をもたらす。
これは、次式のように変形され得る。
【数37】
【数38】
【0059】
【0060】
方程式７が解かれて、所望の速度
の値を得ることができる。
【数41】
【0061】
方程式４～７から分かるように、所望の速度
を得るために運動方程式を解くことは、逆デッドバンド関数
を反転させて、デッドバンド関数である関数
を得ることと、関数
を評価することと、を含む。
【数42】
【数43】
【数44】
【数45】
【0062】
図４は、関数
を例示する。図４は、関数
が、ゼロの値（及びゼロの勾配）を有する限界
及び
の間の部分（本明細書ではデッドバンド領域と呼ばれる）、並びに
に等しい勾配を有するデッドバンド領域の両側の傾き部分を有することを示す。
【数46】
【数47】
【数48】
【数49】
【数50】
【0063】
【0064】
前進オイラー近似の使用などの、運動方程式（方程式２）を解くための他のアプローチは、図３に見られるように、不連続関数である逆デッドバンド関数
を評価することを必要とする。
における関数
の出力は、明確に定義されておらず、範囲
内の任意の値であり得る。したがって、不連続関数
を評価する結果は、速度
がゼロに留まらないが、代わりに、ゼロの周囲で振動することが引き起こされることになる。
【数53】
【数54】
【数55】
【数56】
【数57】
【数58】
【0065】
したがって、本明細書に説明されるように、後退オイラー近似を使用して運動方程式（方程式２）を解くことは、質量、ばね、ダンパモデル、及び前進オイラー近似の両方から結果的に生じる小さい振動の問題が排除されるため、有利であり、これは、外科手術ロボットアームの安定性が改善されることを意味する。
【0066】
図５は、コントローラ２０２がクーロン及び粘性摩擦モデルを実装することを実施するように構成されている方法を例示する。
【0067】
図５に示されるステップ５０１は、コントローラが、外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される外力から結果的に生じる、複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することを記述する。
【0068】
図１に例示された外科手術ロボットアーム１０２は、各ジョイントに位置するトルクセンサ１０６（全ては図示せず）を備える。各トルクセンサは、それが位置するジョイントに加えられるトルクを測定するように構成されている。外科手術ロボットアーム１０２は、ジョイントに加えられるトルクの測定値をコントローラ２０２に送信するように構成されている。
【0069】
外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される力から結果的に生じる複数のジョイントの各々におけるトルクを決定するステップ５０１は、外科手術ロボットアームから、複数のジョイントの各々におけるトルクの測定値を受信すること（トルクセンサ１０６によって測定された際）を含み得る。
【0070】
ステップ５０１はまた、受信されたトルク測定値を処理することと、受信された測定値を処理して、外力が第２のアーム部品に付与されることに起因しないトルクを考慮することと、を含み得る。例えば、受信されたトルク測定値は、ロボットアームの質量に起因する重力から結果的に生じるトルク、内部ギアトレインの伸張から結果的に生じるトルク、並びに／又はポート及び外科手術部位と相互作用する器具から結果的に生じる反作用トルクを除去するように調整され得る。上記の処理の結果は、第２のアーム部品に付与される外力から結果的に生じるトルクのみである。
【0071】
コントローラが、外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される外力から結果的に生じる、複数のジョイントの各々におけるトルクを決定すると、コントローラは、ステップ５０２に移動する。
【0072】
図５に示されるステップ５０２は、コントローラが、ステップ５０１で決定されたトルクから、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与された結果として、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、結果的に生じる力ｆを計算することを記述する。
【0073】
結果的に生じる力ｆを計算することは、ステップ５０１で決定されたトルクτを使用して、ロボットアームに沿った一連の点で作用する結果的に生じる力に対応する力ベクトルｆを計算することを含み得る。力ベクトルｆは、仮想作業の原理をジョイントトルクτに適用することによって計算され得る。アーム上の点Ｐを距離
だけ動かすという仮想作業状態の原理は、ジョイントＪが角度∂θJだけ動くことを必要とし、次いで、力が点Ｐで
の方向に加えられる場合、ジョイントＪによって見られるトルクτJは、θJに対する変位に比例する。これは、ヤコビ行列Ｊpに書かれ得る。
式中、τは、外科手術ロボットアームのｎ個のジョイントの各々に作用するトルクのベクトルであり、τは、各ジョイントに作用するトルクであり、∂ｐxは、ロボットアームに沿った一連の点によって方向ｘに動く距離であり、∂θnは、ジョイントｎによって動かされる角度であり、ｆは、ロボットアームに沿った一連の点に作用する結果的に生じる力に対応する力ベクトルである。ヤコビ行列Ｊpは、アームの幾何学的形状及び姿勢の関数である。
【数59】
【数60】
【数61】
【0074】
方向ｘ，ｙ及びｚにおける解法の結果は、次のとおりである。
これは、次の形態に変形され得る。
ｆ＝Ｋτ（方程式１０）
式中、Ｋは、
の逆数である。
【数62】
ｆ＝Ｋτ（方程式１０）
式中、Ｋは、
【数63】
【0075】
したがって、ステップ５０２は、変位及びジョイント角変位
のヤコビ行列を計算することと、ヤコビアンＫの逆数を見つけることと、それを外科手術ロボットアームのｎ個のジョイントの各々に作用するトルクで乗算して、ロボットに沿った一連の点で作用する結果的に生じる力を表すベクトルｆを計算することと、を含み得る。
【数64】
【0076】
図１に例示された外科手術ロボットアーム１０２は、外科手術ロボットアームに沿った複数の点に位置する位置センサ１０７を備える（全ては図示せず）。各位置センサは、それが位置する外科手術ロボットアーム上の点の位置を測定するように構成されている。外科手術ロボットアーム１０２は、アームに沿った点における位置の測定値をコントローラ２０２に送信するように構成されている。コントローラは、位置センサによる位置の測定値、及び外科手術ロボットアームの幾何学的形状の知識から、ジョイントｎの各々の角度を推定するように構成され得る。したがって、ヤコビアンＪpは、外科手術ロボットアームから受信された測定値に従って、コントローラによって生成され得る。したがって、ステップ５０２は、外科手術ロボットアームから位置の測定を受信することを含み得る。
【0077】
上記に説明されるように、外科手術ロボットアームτのｎ個のジョイントの各々に作用するトルクのベクトルに逆ヤコビアンＫを乗じた結果は、ロボットアームに沿った一連の点に作用する結果的に生じる力に対応するベクトルｆである。
【0078】
上記に説明されるように、クーロン及び粘性摩擦モデルを実装するために使用される技術は、外科手術ロボットアームの任意の部品の動きを指示するために使用され得る。コントローラは、第２のアーム部品に加えられた力が動かすように意図されたアームの部品を推定する（本明細書では第１のアーム部品と呼ばれる）。外力が第２のアーム部品に付与された結果として第１のアーム部品に作用する力に関する情報は、方程式８～１０を使用して計算されたベクトルｆ内に含有される。この情報は、ベクトルｆ（アームの他の部品に作用する力を無視する）から抽出されて、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する結果的に生じる力を決定する。
【0079】
結果的に生じる力ｆを計算するためのステップ５０１及び５０２は、当技術分野で既知であり、当業者は、外科手術ロボットアームを制御するためのこれらのステップを実装するやり方を知るであろうことに留意されたい。コントローラが、外力が外科手術ロボットアームの第２の部品に付与された結果として、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する、結果的に生じる力ｆを計算すると、コントローラは、ステップ５０３に移動する。
【0080】
図５のステップ５０３は、コントローラが、後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価することによって、現在の時間の後の時間ｔk+1に対する外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度
を計算するように構成されていることを記述する。運動方程式は、外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する計算された結果的に生じる力ｆ、及び外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間における現在の速度
の入力を有する。ステップ５０３は、方程式２で与えられる形態の運動方程式を評価することを含み得る。
【数65】
【数66】
【0081】
上記に説明されたように、図１に例示された外科手術ロボットアーム１０２は、外科手術ロボットアームに沿った複数の点に位置する位置センサ１０７を備え、各位置センサは、位置する外科手術ロボットアーム上の点の位置を測定し、アームに沿った点の位置の測定値をコントローラ２０２に送信するように構成されている。コントローラ２０２が、外科手術ロボットアームから、外科手術ロボットアームの第１の部品の位置の測定値を受信することと、位置の測定値から、外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間ｔkにおける現在の速度
を計算することと、を行うように構成され得る。
【数67】
【0082】
コントローラは、後退オイラー近似を使用して、運動方程式を評価するように構成されている。後退オイラー近似は、方程式３に与えられる形態であってもよい。方程式２に与えられる運動方程式の評価は、方程式４～７によって示されるように方程式を操作することによって実行され得る。コントローラは、方程式７で与えられる形態の方程式を解くことによって、外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度
を計算するように構成され得る。
【数68】
【0083】
運動方程式を解くことが、
を評価すること、すなわち、外科手術ロボットアームの第１の部品の現在の時間における現在の速度、及び外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する計算された結果的に生じる力に基づいて、値のデッドバンド関数
を評価することを含み得る。外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する計算された結果的に生じる力ｆは、ステップ５０２で実施される計算の結果から得られる。
【数69】
【数70】
【0084】
コントローラが、現在の時間の後の時間に対する外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の速度
を計算すると、コントローラは、ステップ５０４に移動する。ステップ５０４は、コントローラが、ステップ５０３で計算された、計算された所望の速度
に従って、外科手術ロボットアーム１０２を駆動するように構成されていることを記述する。言い換えると、コントローラは、第１のアーム部品が時間ｔ＝ｔk+1で所望の速度
を達成するように、ロボットアームを制御する。当業者であれば、ステップ５０４を実装するやり方を知るであろう。したがって、当業者は、ステップ５０１、５０２、及び５０４を実装するやり方を知るであろう。ステップ５０３（後退オイラー近似を使用してクーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価することによる所望の速度の計算）は、本開示の一次的改善を提供する。
【数71】
【数72】
【数73】
【0085】
コントローラは、図６に例示された方法に従って、外科手術ロボットアームを駆動するように構成され得る。図６に示される方法のステップ６０１は、クーロン及び粘性摩擦モデルを使用して、ロボットアームの第１の部品の所望の速度
を決定することである。ステップ６０１は、図６に見られるステップ５０１～５０３の全てを包含し得る。所望の速度
の値が決定されると、コントローラは、ステップ６０２に移動する。ステップ６０２では、コントローラは、アームの第１の部品の所望の位置ｘk+1を計算する。所望の位置は、第１のアーム部品が、現在の時間の後の時間ｔk+1において有することが所望される位置を指す。所望の位置ｘk+1は、時間ｔに対して所望の速度
を積分することと、ｔ＝ｔk+1における位置を評価することと、によって計算され得る。したがって、コントローラは、所望の速度から、外科手術ロボットアームの第１の部品の所望の位置を計算するように構成され得る。
【数74】
【数75】
【数76】
【0086】
第１のアーム部品の所望の位置の値が計算されると、コントローラは、ステップ６０３に移動する。ステップ６０３では、コントローラは、アームの第１の部品が所望の位置ｘk+1を有することを可能にする姿勢を画定することになる、ロボットアームの複数の（ｎ）個のジョイントの各々の角度θを決定する。角度θ1,2…nを決定することは、当技術分野で公知のように、逆運動学の使用を伴い得る。角度θ1,2…nを決定することは、ヤコビ行列を使用して計算を実施することを必要とし得る。角度θ1,2…nを決定することは、アームの幾何学的形状、例えば、各アームセグメントの長さの知識を必要とし得る。
【0087】
従動ジョイントの各々の角度θの値が決定されると、コントローラは、ステップ６０４に移動する。ステップ６０４では、コントローラは、決定された角度θ1,2…nを達成するためにジョイントが駆動されるべきであることを示す信号をロボットアームに送信する。外科手術ロボットアームに、決定された角度に複数のジョイントを駆動させる信号を送信することは、決定された角度θ1,2…nにジョイントを駆動するようにアクチュエータが回転するように、外科手術ロボットアーム内のアクチュエータに信号を送信することを含み得る。
【0088】
図６に示される方法を実装するコントローラの結果は、アームがクーロン及び粘性摩擦モデルによって指示される所望の挙動を呈するように、ロボットアームの第１の部品が所望の位置に駆動されることである。
【0089】
上記に説明されたように、この方法は、アームの部品によって呈される運動を指示するように、外科手術ロボットアームの任意の部品に適用され得る。以下に説明される実施例などの一部のシナリオでは、クーロン及び粘性摩擦モデルを実装することは、ロボットアームによって呈される挙動を更に制御するために、追加の制約を適用することを伴い得る。
【0090】
上記に導入された実施例１によると、臨床チームのメンバーは、エルボ（第１のアーム部品）を異なる場所に動かすことを望んで、エルボを押し得る（それによって、第２のアーム部品に対して外力を加える）。そのようなシナリオでは、第１の部品及び第２の部品は、外科手術ロボットアームの同じ部品である。この実施例によるエルボに作用する結果的に生じる力ｆは、力の線形成分のみを含み得る。器具が末端アームセグメントに取り付けられ、外科手術部位内に位置する間に力がエルボに作用する場合、外科手術部位内の器具の位置に影響を与えることなく、外力の結果としてエルボの位置が動かされ得ることが望ましい。そのような場合のクーロン及び粘性摩擦モデルは、エルボの所望の速度が、外科手術部位内の器具の位置を維持しながらエルボが達成し得る値のみであるように計算され得るように、所望の速度の値に更なる制約を適用し得る。この機能は、外科手術ロボットアームの冗長性の性質に起因して、容易にされ得る。
【0091】
関連する実施例は、外科手術部位への入口に位置する器具上の点（すなわち、外科手術部位へのポートのすぐ内側に位置決めされる器具上の点）に枢動点を画定する。特定のシナリオでは、枢動点を動かすことなく、外力に応答してエルボの位置を変更することが望ましい場合がある。そのような場合のクーロン及び粘性摩擦モデルは、エルボの所望の速度が、器具が外科手術部位内の枢動点を中心として枢動することを可能にするが、器具上の枢動点が器具上の別の点に動くことを可能にしない値のみであるように計算され得るように、所望の速度の値に更なる制約を適用し得る。
【0092】
器具が外科手術部位内に位置決めされ、臨床チームのメンバーが遠位アームセグメント１０５ｔに取り付けられた器具を変更することを望む、上記に説明された実施例２によると、臨床チームのメンバーは、外科手術部位から末端アームセグメント１０２ｔ（及び器具）を後退させる意図で、末端アームセグメント１０５ｔに隣接するアームセグメント１０２に力を加え得る。この実施例によると、第１の部品及び第２の部品は、外科手術ロボットアームの異なる部品である。この実施例によるアームセグメントに作用する結果的に生じる力ｆは、力の線形成分のみを含み得る。末端アームセグメントに取り付けられた器具が外科手術部位内に位置する間にアームセグメントに外力が付与される場合、器具が取り外されたときに人体に生じる損傷を最小化するために、器具の長手方向軸と同一直線上にある経路を辿る間に、末端アームセグメントが外科手術部位から抜き取られることが望ましい。そのような場合のクーロン及び粘性摩擦モデルは、末端アームセグメントの所望の速度が、器具の長手方向軸に沿った方向に作用する速度としてのみ計算され得るように、末端アームセグメントの所望の速度の値に更なる制約を適用し得る。
【0093】
他の実施例によると、外科手術ロボットアームに加えられる外力は、力の線形成分及び力の回転成分を含み得る。
【0094】
更なる実施例では、アームに加えられる外力は、力の回転成分のみを含み得る。外科手術ロボットアームの第２の部品に付与される外力は、回転力のみであってもよい。したがって、外力の結果として外科手術ロボットアームの第１の部品に作用する結果的に生じる力もまた、回転力（すなわち、トルク）のみであってもよい。この実施例は、臨床チームのメンバーが、その軸を中心として器具を回転させる意図で、末端アームセグメント１０５ｔに隣接するアームセグメントを把持するシナリオに適用され得る。
【0095】
そのような実施例では、結果的に生じる力を計算するステップ５０２は、第１のアーム部品に作用する結果的に生じるトルクを計算することを含み得る。所望の速度を計算するステップ５０３は、方程式４に示される運動方程式を評価し、計算された結果的に生じる力ｆを計算された結果的に生じるトルクτと置換し、現在の速度
を現在の角速度
と置換し、有効質量Ｍを「有効」慣性モーメントと置換することによって、１つ以上のジョイントの所望の角速度
を計算することを含み得る。したがって、ステップ５０４は、計算された所望の角速度
に従って、外科手術ロボットアームを駆動することを含み得る。
【数77】
【数78】
【数79】
【数80】
【0096】
同じ実施例によると、アームを駆動するために図６に記載されるようにコントローラによって実施されるように構成されている方法は、クーロン及び粘性摩擦モデルを使用して、ロボットアームの第１の部品の所望の角速度
を決定するステップ６０１を含み得る。ステップ６０２は、１つ以上のジョイントの所望の角度位置θk+1を計算することを含み得、ステップ６０３は、アームの第１の部品が所望の角度位置θk+1を有することを可能にする姿勢を画定するロボットアーム（θ1,2…n）のｎ個のジョイントの各々の角度θを得るために、１つ以上のジョイント以外のジョイントの各々の角度を決定することを含み得る。
【数81】
【0097】
本明細書によって、本出願人は、本明細書に説明される各個々の特徴及び２つ以上のかかる特徴の任意の組み合わせを、かかる特徴又は組み合わせが、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、かかる特徴又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又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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【手続補正書】
【提出日】2024-02-20
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
外科手術ロボットアームの第１の部品を動かすためのコントローラであって、前記外科手術ロボットアームは、外力が前記外科手術ロボットアームの第２の部品に付与されることに応答して、複数の従動ジョイントによって分離される複数のアームセグメントを備え、前記コントローラが、前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与される前記力から結果的に生じる、前記複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することと、
前記決定されたトルクから、前記外力が前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与された結果として、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、結果的に生じる力を計算することと、
後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価することによって、現在の時間の後の時間に対する前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の所望の速度を計算することであって、前記運動方程式が、
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、前記計算された結果的に生じる力、及び
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における現在の速度の入力を有する、計算することと、
前記計算された所望の速度に従って、前記外科手術ロボットアームを駆動することと、を行うように構成されている、コントローラ。
【請求項2】
前記運動方程式を評価することが、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における前記現在の速度、及び前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する前記計算された結果的に生じる力に基づいて、値のデッドバンド関数を評価することを含む、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項3】
前記デッドバンド関数が、デッドバンド領域を有し、前記デッドバンド領域の外側の前記デッドバンド関数の勾配が、前記外科手術ロボットアームに作用する所望の粘性摩擦力をモデル化するように選択される、請求項２に記載のコントローラ。
【請求項4】
前記デッドバンド関数の前記デッドバンド領域の限界が、前記外科手術ロボットアームに作用する所望のクーロン摩擦力をモデル化するように選択される、請求項３に記載のコントローラ。
【請求項5】
前記運動方程式が、次式に従い、【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【請求項6】
前記複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することが、前記外科手術ロボットアームから、前記複数のジョイントの各々における前記トルクの測定値を受信することと、
前記トルク測定値を処理して、前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与される前記外力から結果的に生じないトルクを考慮することと、を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項7】
前記コントローラが、前記外科手術ロボットアームから、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の位置の測定値を受信することと、
前記位置の前記測定値から、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における前記現在の速度を計算することと、を行うように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項8】
前記後退オイラー近似が、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の速度と前記所望の速度との間の差を、前記現在の時間と前記現在の時間の後の前記時間との間の差で除算したものとして、前記現在の時間の後の前記時間における前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記加速度を近似する、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項9】
前記後退オイラー近似が、次式に従い、【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【請求項10】
前記運動方程式が、次式に従い、【数9】
【数10】
【数11】
【数12】
【請求項11】
前記計算された所望の速度に従って前記外科手術ロボットアームを駆動することが、前記所望の速度から、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の所望の位置を計算することと、
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が前記所望の位置を有することを可能にすることになる、前記複数のジョイントの各々の角度を決定することと、
前記外科手術ロボットアームに、前記複数のジョイントを前記決定された角度に駆動させる信号を送信することと、を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項12】
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が、前記外科手術ロボットアームのアームセグメントであるか、あるいは前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品が、前記外科手術ロボットアームの前記複数の従動ジョイントのうちのジョイントである、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項13】
前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品が、前記外科手術ロボットアームのアームセグメントであるか、あるいは前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品が、前記外科手術ロボットアームの前記複数の従動ジョイントのうちのジョイントである、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項14】
前記第１の部品及び前記第２の部品が、前記外科手術ロボットアームの異なる部品である、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラ。
【請求項15】
外科手術ロボットアームと、請求項１～４のいずれか一項に記載のコントローラと、を備える、外科手術システム。
【請求項16】
外科手術ロボットアームと、請求項６に記載のコントローラと、を備える、外科手術システムであって、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前記複数のジョイントの各ジョイントにトルクセンサを備え、前記外科手術ロボットアームが、前記複数のジョイントの各々における前記トルクを測定し、前記測定値を前記コントローラに送信するように構成されている、外科手術システム。
【請求項17】
外科手術ロボットアームの第１の部品を動かすための方法であって、前記外科手術ロボットアームは、外力が前記外科手術ロボットアームの第２の部品に付与されることに応答して、複数のジョイントによって分離される複数のアームセグメントを備え、前記方法が、前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与される前記力の結果として、前記複数のジョイントの各々におけるトルクを決定することと、
前記決定されたトルクから、前記外力が前記外科手術ロボットアームの前記第２の部品に付与された結果として、前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、結果的に生じる力を計算することと、
後退オイラー近似を使用して、クーロン及び粘性摩擦力をモデル化する運動方程式を評価することによって、現在の時間の後の時間に対する前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の所望の速度を計算することであって、前記運動方程式が、
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品に作用する、前記計算された結果的に生じる力、及び
前記外科手術ロボットアームの前記第１の部品の前記現在の時間における現在の速度の入力を有する、計算することと、
前記計算された所望の速度に従って、前記外科手術ロボットアームを駆動することと、を含む、方法。
【請求項18】
コンピュータシステムで実行されると、前記コンピュータシステムに、請求項１７に記載の方法を実施させるコンピュータ可読命令を記憶している非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【国際調査報告】