JP2019503220A - Robot system for ultrasonic probe control - Google Patents
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Abstract
様々な実施形態によれば、頭内にエネルギーを放出するプローブを含む、頭部に装着可能なヘッドセットが提供される。ヘッドセットは、プローブに結合された支持構造をさらに含む。支持構造は、プローブを頭部の表面の周囲で軸に沿って並進させる並進アクチュエータを含む。【選択図】図3According to various embodiments, a headset is provided that can be worn on the head, including a probe that emits energy into the head. The headset further includes a support structure coupled to the probe. The support structure includes a translation actuator that translates the probe along an axis about the surface of the head. [Selection] Figure 3
Description
〔関連出願との相互参照〕
本出願は、2016年6月8日に出願された「可変剛性を有するプローブ支持構造(PROBE SUPPORT STRUCTURE WITH VARIABLE STIFFNESS)」という名称の米国仮特許出願第62/347,527号に対する優先権及びその利益を主張する、2015年6月19日に出願された「経頭蓋ドップラーセンサの初期配置(INITIAL PLACEMENT OF TRANSCRANIAL DOPPLER SENSORS)」という名称の米国仮特許出願第62/181,862号に対する優先権及びその利益を主張する、2015年6月19日に出願された「経頭蓋ドップラーウィンドウの自動発見(AUTOMATIC DISCOVERY OF TRANSCRANIAL DOPPLER WINDOW)」という名称の米国仮特許出願第62/181,859号に対する優先権及びその利益を主張する、2016年6月20日に出願されて現在も係属中である「経頭蓋ドップラープローブ(TRANSCRANIAL DOPPLER PROBE)」という名称の米国特許出願第15/187,397号の一部継続出願であり、これらの文献はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。本開示は、2016年1月5日に出願された「神経学的状態を検出するシステム及び方法(SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING NEUROLOGICAL CONDITIONS)」という名称の米国仮特許出願第62/275,192号に対する優先権及びその利益を主張するものであり、この文献はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。本開示は、2017年1月5日に出願された米国特許出願第15/399,648号に対する優先権及びその利益を主張するものであり、この文献はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。
[Cross-reference with related applications]
This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 62 / 347,527 entitled “PROBE SUPPORT STRUCTURE WITH VARIABLE STIFFNESS” filed Jun. 8, 2016, and its Priority to US Provisional Patent Application No. 62 / 181,862, filed June 19, 2015, entitled “INITIAL PLACEMENT OF TRANSCRANIAL DOPPLER SENSORS”, claiming benefit Claiming its benefits, filed on June 19, 2015, “Automatic DISCOVERY OF TRANSCRANIAL DOPPLER WIN” Filed on June 20, 2016 and is still pending, claiming priority and benefit to US Provisional Patent Application No. 62 / 181,859 entitled “OW)”, “Transcranial Doppler Probe (TRANSCRANIAL) US patent application Ser. No. 15 / 187,397 entitled “DOPPLER PROBE”, which is incorporated herein by reference in its entirety. The present disclosure is directed to US Provisional Patent Application No. 62 / 275,192, filed Jan. 5, 2016, entitled “Systems and Methods for Detecting Neurological Conditions” (NEUROLOGICAL CONDITIONS). This document claims priority and benefits, and is incorporated herein by reference in its entirety. This disclosure claims priority and benefit to US patent application Ser. No. 15 / 399,648, filed Jan. 5, 2017, which is incorporated herein by reference in its entirety. It is done.
本明細書において説明する主題は、一般に医療装置に関し、具体的には、医学的状態を診断するためのプローブを含むヘッドセットに関する。 The subject matter described herein relates generally to medical devices, and specifically to headsets that include probes for diagnosing medical conditions.
経頭蓋ドップラー(TCD)は、脳の主な伝達動脈(conducting arteries)(例えば、ウィリス動脈輪)の脳血流速度(CBFV)を非侵襲的に測定するために使用される。TCDは、くも膜下出血(SAH)後の動脈の評価などの複数の神経学的状態の診断及びモニタリングにおいて使用され、鎌状赤血球貧血を患う小児の予防治療、及び塞栓性脳卒中患者又は被験者のリスク評価に役立つ。 Transcranial Doppler (TCD) is used to non-invasively measure cerebral blood flow velocity (CBFV) in the main conducting arteries of the brain (eg, Willis Arterial Ring). TCD is used in the diagnosis and monitoring of multiple neurological conditions, such as the evaluation of arteries after subarachnoid hemorrhage (SAH), prophylactic treatment of children with sickle cell anemia, and risk of embolic stroke patients or subjects Useful for evaluation.
従来、TCD超音波法では、患者又は被験者に対するプローブの位置決めを技術者が手動で行っている。プローブは、患者又は被験者の頭内にエネルギーを放出する。技術者は、頭内の大脳動脈又は大脳静脈のCBFV波形特性(CBFV waveform signature)を識別する。この信号の識別には、複数の超音波ウィンドウのうちの1つにおけるプローブ超音波照射(probe insonation)の深さ、角度及び配置の統合と、波形スペクトル、音、Mモード及び速度を含む、超音波信号からの特性値とが必要である。プローブを利用する装置(例えば、自動経頭蓋ドップラー装置)には、位置合わせ及び使用中にプローブが加える圧力(例えば、人間に装着した時の快適性及び安全性、又はプローブの有効性の保証)に関する懸念がある。装置によっては、プローブ内にばねが組み込まれたものもあるが、このような装置は、プローブ内におけるばねの横方向へのずれ及び変位に起因して圧力制御に効果がない場合もある。 Conventionally, in the TCD ultrasonic method, a technician manually positions a probe with respect to a patient or a subject. The probe emits energy into the head of the patient or subject. The technician identifies the CBFV waveform characteristics of the intracerebral artery or vein in the head. This signal identification includes integration of probe probe depth, angle and placement in one of the plurality of ultrasound windows, and includes waveform spectrum, sound, M-mode and velocity. A characteristic value from the sound wave signal is required. For devices that utilize probes (eg, automatic transcranial Doppler devices), the pressure applied by the probe during alignment and use (eg, comfort and safety when worn on a person, or assurance of probe effectiveness) There are concerns about. Some devices incorporate a spring within the probe, but such a device may not be effective for pressure control due to lateral displacement and displacement of the spring within the probe.
様々な実施形態によれば、頭内にエネルギーを放出するプローブを含む、頭部に装着可能なヘッドセットが提供される。このヘッドセットは、頭部の表面に概ね平行な少なくとも2つの軸に沿ってプローブを並進させる並進アクチュエータを含む、プローブに結合された支持構造をさらに含むことができる。 According to various embodiments, a headset is provided that can be worn on the head, including a probe that emits energy into the head. The headset can further include a support structure coupled to the probe that includes a translation actuator that translates the probe along at least two axes generally parallel to the surface of the head.
いくつかの実施形態では、ヘッドセットが、頭部の表面に概ね垂直な垂直軸に沿ってプローブを並進させる少なくとも1つの垂直並進アクチュエータをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、ヘッドセットが、プローブを少なくとも1つの回転軸の周囲で回転させる少なくとも1つの回転アクチュエータをさらに含むことができる。ヘッドセットは、垂直軸と概ね直交するチルト軸をさらに含むことができる。ヘッドセットは、垂直軸と概ね直交するパン軸をさらに含むことができる。 In some embodiments, the headset can further include at least one vertical translation actuator that translates the probe along a vertical axis generally perpendicular to the surface of the head. In some embodiments, the headset can further include at least one rotary actuator that rotates the probe about at least one axis of rotation. The headset may further include a tilt axis that is generally orthogonal to the vertical axis. The headset can further include a pan axis that is generally orthogonal to the vertical axis.
いくつかの実施形態では、ヘッドセットが、頭部の表面に概ね平行な2つの軸(x、y)を通じた2つの作動自由度の並進と、頭部の表面に概ね垂直な垂直軸(z)を通じた1つの作動自由度と、チルト軸に沿った1つの作動自由度と、パン軸に沿った1つの作動自由度とを含む正確に5つの作動自由度のプローブの動きを提供することができる。 In some embodiments, the headset is translated in two degrees of freedom through two axes (x, y) that are generally parallel to the head surface and a vertical axis (z that is generally perpendicular to the head surface. Providing exactly 5 degrees of freedom of movement of the probe, including 1 degree of freedom of movement through, 1 degree of freedom along the tilt axis, and 1 degree of freedom along the pan axis Can do.
様々な実施形態によれば、標的表面と相互作用するように構成された装置が提供され、この装置は、標的表面と相互作用するように構成されたプローブを含む。装置は、プローブに結合されてプローブを標的表面に対して動かす支持構造をさらに含むことができる。支持構造は、標的表面に概ね平行な並進面に沿ってプローブを並進させるように構成することができる。支持構造は、プローブを少なくとも1つの回転軸の周囲で回転させるようにさらに構成することができる。 According to various embodiments, an apparatus configured to interact with a target surface is provided, the apparatus including a probe configured to interact with the target surface. The apparatus can further include a support structure coupled to the probe that moves the probe relative to the target surface. The support structure can be configured to translate the probe along a translation plane that is generally parallel to the target surface. The support structure can be further configured to rotate the probe about at least one axis of rotation.
いくつかの実施形態では、支持構造が、並進面に概ね垂直な並進軸に沿ってプローブを並進させるように構成される。いくつか実施形態では、支持構造が、並進軸と異なるチルト軸を含む。いくつかの実施形態では、支持構造が、並進軸及びチルト軸と異なるパン軸を含む。いくつかの実施形態では、支持構造が、チルト軸及びパン軸の周囲で標的表面の方に及び標的表面から離してプローブを回転させるようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、支持構造が、並進面及び並進軸の各々に沿った剛性を有し、並進面に沿った剛性は、並進軸に沿った剛性よりも高い。いくつかの実施形態では、プローブが、標的表面内に超音波を放出するように構成される。 In some embodiments, the support structure is configured to translate the probe along a translation axis generally perpendicular to the translation plane. In some embodiments, the support structure includes a tilt axis that is different from the translation axis. In some embodiments, the support structure includes a pan axis that is different from the translation and tilt axes. In some embodiments, the support structure is further configured to rotate the probe about and away from the target surface about the tilt and pan axes. In some embodiments, the support structure has a stiffness along each of the translation plane and the translation axis, and the stiffness along the translation plane is higher than the stiffness along the translation axis. In some embodiments, the probe is configured to emit ultrasound into the target surface.
いくつかの実施形態では、装置が、並進面に沿った第1の方向に沿ってプローブを並進させるように構成された第1のアクチュエータをさらに含む。いくつかの実施形態では、装置が、並進面に沿った第1の方向に垂直な第2の方向に沿ってプローブを並進させるように構成された第2のアクチュエータをさらに含む。いくつかの実施形態では、装置が、並進面に垂直な並進軸に沿ってプローブを並進させるように構成された第3のアクチュエータをさらに含む。いくつかの実施形態では、第1のアクチュエータ及び第2のアクチュエータが、並進面の剛性を有するように構成され、第3のアクチュエータが、並進軸の剛性を有するように構成される。 In some embodiments, the apparatus further includes a first actuator configured to translate the probe along a first direction along the translation plane. In some embodiments, the apparatus further includes a second actuator configured to translate the probe along a second direction perpendicular to the first direction along the translation plane. In some embodiments, the apparatus further includes a third actuator configured to translate the probe along a translation axis perpendicular to the translation plane. In some embodiments, the first actuator and the second actuator are configured to have a translational surface stiffness, and the third actuator is configured to have a translational axis stiffness.
いくつかの実施形態では、第1、第2及び第3のアクチュエータがサーボモータである。 In some embodiments, the first, second, and third actuators are servo motors.
いくつかの実施形態では、プローブの支持構造の構成と、支持構造の第1、第2及び第3のアクチュエータの各々の構成とを決定するステップを含む方法によって、第1、第2及び第3のアクチュエータの各々の入力が決定される。いくつかの実施形態では、方法が、支持構造の構成と、支持構造の所望の条件付き剛性とに基づいて、支持構造の剛性行列を決定するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法が、プローブの所望の並進位置及び回転位置と実際の並進位置及び回転位置との差分のベクトルを剛性行列に乗算することによって力ベクトルを決定するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法が、支持構造のヤコビアンを計算するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法が、力ベクトルとヤコビアンの転置行列とを乗算することによって、第1、第2及び第3のアクチュエータの各々の入力を決定するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method includes determining the configuration of the probe support structure and the configuration of each of the first, second, and third actuators of the support structure by the first, second, and third methods. The input of each of the actuators is determined. In some embodiments, the method further includes determining a stiffness matrix of the support structure based on the configuration of the support structure and the desired conditional stiffness of the support structure. In some embodiments, the method further includes determining a force vector by multiplying the stiffness matrix by a vector of differences between the desired translational and rotational positions of the probe and the actual translational and rotational positions. In some embodiments, the method further includes calculating a Jacobian of the support structure. In some embodiments, the method further includes determining the input of each of the first, second, and third actuators by multiplying the force vector and the Jacobian transpose matrix.
様々な実施形態によれば、標的表面と相互作用するように構成された装置の製造方法であって、標的表面と相互作用するように構成されたプローブを準備するステップを含む方法が提供される。いくつかの実施形態では、この方法が、プローブを標的表面に対して動かす支持構造をプローブに結合するステップをさらに含み、支持構造は、標的表面に概ね平行な並進面、及び並進面に概ね垂直な並進軸の両方に沿ってプローブを並進させるとともに、少なくとも1つの回転軸の周囲でプローブを回転させるように構成される。いくつかの実施形態では、1つの回転軸が、並進軸と異なるチルト軸を含む。いくつかの実施形態では、1つの回転軸が、並進軸及びチルト軸と異なるパン軸を含む。 According to various embodiments, there is provided a method of manufacturing a device configured to interact with a target surface, the method comprising providing a probe configured to interact with the target surface. . In some embodiments, the method further includes coupling to the probe a support structure that moves the probe relative to the target surface, the support structure being a translation plane that is generally parallel to the target surface and a plane that is generally perpendicular to the translation plane. The probe is translated along both translation axes and configured to rotate the probe about at least one axis of rotation. In some embodiments, one axis of rotation includes a tilt axis that is different from the translation axis. In some embodiments, one axis of rotation includes a pan axis that is different from the translation and tilt axes.
様々な実施形態によれば、被験者の走査において使用されるロボットシステムであって、被験者内にエネルギーを放出するプローブと、プローブに結合されたロボット支持構造とを含み、ロボット支持構造が、プローブを被験者の表面と平行に動かすアクチュエータを含むロボットシステムが提供される。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、5つの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、6つの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、6つよりも多くの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、6つよりも多くの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、4つの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、ロボット支持構造の動きを制御するように構成された制御コンピュータを含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、ロボット支持構造の動きを制御するように構成された遠隔操作コントローラを含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、ロボット支持構造の動きを制御するように構成されたハイブリッド位置−力コントローラを含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、プローブに接触する力/トルクセンサを含む。 According to various embodiments, a robotic system used in scanning a subject comprising a probe that emits energy into the subject and a robot support structure coupled to the probe, the robot support structure comprising a probe A robotic system is provided that includes an actuator that moves parallel to the surface of the subject. In some embodiments, the robot system includes a robot support structure having five degrees of freedom of operation. In some embodiments, the robot system includes a robot support structure having six degrees of freedom of operation. In some embodiments, the robot system includes a robot support structure having more than six degrees of motion. In some embodiments, the robot system includes a robot support structure having more than six degrees of motion. In some embodiments, the robot system includes a robot support structure having four degrees of freedom of operation. In some embodiments, the robot system includes a control computer configured to control the movement of the robot support structure. In some embodiments, the robotic system includes a remotely operated controller configured to control movement of the robot support structure. In some embodiments, the robot system includes a hybrid position-force controller configured to control movement of the robot support structure. In some embodiments, the robotic system includes a force / torque sensor that contacts the probe.
様々な実施形態によれば、標的表面と相互作用するように構成された装置であって、標的表面と相互作用するように構成されたプローブと、プローブに結合されて、プローブを標的表面に対して動かす支持構造とを含み、支持構造が、支持構造の動きを制御するハイブリッド位置−力コントローラを含む装置が提供される。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを標的表面に押し付けて受動的に接触力を維持するように構成されたばねを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを第1の軸に沿って動かすように構成された第1のモータを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを第2の軸に沿って動かすように構成された第2のモータを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを第3の軸の周囲で回転させるように構成された第3のモータを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置力−コントローラが、プローブを第4の軸の周囲で回転させるように構成された第4のモータを含む。 According to various embodiments, an apparatus configured to interact with a target surface, wherein the probe is configured to interact with the target surface, and coupled to the probe, the probe is directed against the target surface. An apparatus is provided that includes a hybrid position-force controller that controls movement of the support structure. In some embodiments, the hybrid position-force controller includes a spring configured to press the probe against the target surface to passively maintain contact force. In some embodiments, the hybrid position-force controller includes a first motor configured to move the probe along a first axis. In some embodiments, the hybrid position-force controller includes a second motor configured to move the probe along a second axis. In some embodiments, the hybrid position-force controller includes a third motor configured to rotate the probe about a third axis. In some embodiments, the hybrid position force-controller includes a fourth motor configured to rotate the probe about a fourth axis.
様々な実施形態によれば、自動TCDシステムであって、患者の血管を超音波照射するように構成されたTCDプローブと、プローブに取り付けられたロボットと、ロボットに接続されてロボットの動きを制御するコンピュータとを含む自動TCDシステムが提供される。いくつかの実施形態では、自動化TCDシステムが、ロボットに取り付けられてプローブと通信する軸力センサを含むエンドエフェクタを含む。いくつかの実施形態では、自動TCDシステムが、少なくとも6つの作動自由度で動くように構成されたロボットを含む。いくつかの実施形態では、自動TCDシステムが、正確に5つの作動自由度で動くように構成されたロボットを含む。いくつかの実施形態では、自動TCDシステムが、正確に4つの作動自由度で動くように構成されたロボットを含む。 According to various embodiments, an automated TCD system, a TCD probe configured to ultrasonically illuminate a patient's blood vessel, a robot attached to the probe, and a robot connected to the robot to control movement of the robot. An automatic TCD system is provided. In some embodiments, an automated TCD system includes an end effector that includes an axial force sensor attached to a robot and in communication with a probe. In some embodiments, an automated TCD system includes a robot configured to move with at least six degrees of freedom of operation. In some embodiments, an automated TCD system includes a robot configured to move with exactly five degrees of freedom of operation. In some embodiments, the automated TCD system includes a robot configured to move with exactly four degrees of freedom of operation.
以下の説明、及び以下で簡単に説明する図面に示す付随する例示的な実施形態から、本発明の特徴、態様及び利点が明らかになるであろう。 The features, aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following description and the accompanying exemplary embodiments shown in the drawings briefly described below.
添付図面と共に後述する詳細な説明は、様々な構成の説明として意図するものであり、本明細書で説明する概念を実施できる唯一の構成を示すことを意図するものではない。詳細な説明は、様々な概念を完全に理解できるように具体的な詳細を含む。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細を伴わずにこれらの概念を実施できることが明らかであろう。場合によっては、このような概念を曖昧にしないように、周知の構造及び構成要素についてはブロック図形式で示す。 The detailed description set forth below in connection with the appended drawings is intended as a description of various configurations and is not intended to represent the only configurations capable of implementing the concepts described herein. The detailed description includes specific details for a thorough understanding of various concepts. However, it will be apparent to those skilled in the art that these concepts may be practiced without these specific details. In some instances, well-known structures and components are shown in block diagram form in order to avoid obscuring such concepts.
様々な実施形態によれば、時間ウィンドウ品質の評価を完全に自動化して完全な信号消失後であっても時間ウィンドウを再発見できる5作動自由度(DOF)運動学的機構が使用される。当業者にとっては、一方の能動自由度又は作動自由度と、他方の受動自由度との間に区別が存在する。能動自由度又は作動自由度は、例えばモータなどのアクチュエータを含む。受動自由度は、このようなアクチュエータを必要としない。本明細書において、「自由度」という用語を受動的として限定することなく用いている場合、この自由度は能動自由度又は作動自由度を意味する。いくつかの実施形態では、コンピュータが、この機構に対し、候補信号が見つかるまでプローブを頭部の表面に沿って並進させて再配向するように命令及び指示を行う。候補信号が見つかると、信号強度を高めるようにプローブを再配向する。いくつかの実施形態では、機構及びプローブを頬骨弓などの既知の解剖学的特徴に位置合わせすることにより、自動システムの探索時間の短縮及び時間ウィンドウの発見が行われる。いくつかの実施形態では、ユーザが耳と眼の間の頬骨弓に沿った初期開始点にプローブを配置できるようにする視覚的ウィンドウガイドを用いて位置合わせが行われる。 According to various embodiments, a five-degree-of-freedom (DOF) kinematic mechanism is used that can fully automate the evaluation of time window quality and rediscover the time window even after complete signal loss. For those skilled in the art, there is a distinction between one active or operational degree of freedom and the other passive degree of freedom. The active degree of freedom or the degree of freedom of operation includes an actuator such as a motor. Passive degrees of freedom do not require such an actuator. In this specification, when the term “degree of freedom” is used without limitation as passive, this degree of freedom means an active degree of freedom or a degree of freedom of operation. In some embodiments, the computer instructs and directs the mechanism to translate and reorient the probe along the head surface until a candidate signal is found. When a candidate signal is found, the probe is reoriented to increase the signal strength. In some embodiments, automatic system search time reduction and time window discovery are accomplished by aligning mechanisms and probes to known anatomical features such as the zygomatic arch. In some embodiments, alignment is performed using a visual window guide that allows the user to position the probe at an initial starting point along the zygomatic arch between the ear and eye.
いくつかの実施形態では、プローブが正しく位置合わせされた後、プローブが頭部の表面をたどって頭部に対して内外に動く際に、プローブが着座したままであるほどの高いレベルではあるがユーザにとっては快適なほどの低いレベルでプローブの剛性を表面と垂直に保つ。いくつかの実施形態では、プローブ位置の精密な制御を維持するために、X軸及びY軸が高サーボ剛性を維持することができる。プローブの垂直抗力はZ軸剛性によって決まるので、いくつかの実施形態では、X軸及びY軸が受ける摺動力が快適なレベルに制限され、プローブにTCDウィンドウの探索を実行するように指示することができる。いくつかの実施形態では、プローブの配向を変化させる必要がある場合、ソフトウェアを介して配向剛性を高めることができる。 In some embodiments, after the probe is properly aligned, the probe remains seated as it moves in and out of the head following the surface of the head. The probe stiffness is kept perpendicular to the surface at a low level that is comfortable for the user. In some embodiments, the X and Y axes can maintain high servo stiffness to maintain precise control of probe position. Since the normal drag of the probe is determined by the Z-axis stiffness, in some embodiments, the sliding force experienced by the X and Y axes is limited to a comfortable level and the probe is instructed to perform a TCD window search. Can do. In some embodiments, the orientation stiffness can be increased via software if the orientation of the probe needs to be changed.
いくつかの実施形態では、プローブの運動学的機構が、5つの位置及び配向自由度X={x,y,z,パン、チルト}(すなわち、タスク空間)をもたらす5つのモータ自由度又は作動自由度Q={J1,J2,J3,J4,J5}(すなわち、モータ空間又は関節空間)を含む。従って、順運動学は、モータ座標とプローブ座標との間の関係:X=fwd_kin(Q)として表すことができ、fwd_kinは、典型的にはDenavit−Hartenbergパラメータによって分析される、機構設計に基づく一連の方程式を表す関数である。 In some embodiments, the kinematic mechanism of the probe provides five position and orientation degrees of freedom X = {x, y, z, pan, tilt} (ie, task space), five motor degrees of freedom or actuation. Degree of freedom Q = {J1, J2, J3, J4, J5} (ie, motor space or joint space). Thus, forward kinematics can be expressed as the relationship between motor coordinates and probe coordinates: X = fwd_kin (Q), where fwd_kin is typically based on a mechanism design analyzed by the Denavit-Hartenberg parameter. A function that represents a series of equations.
いくつかの実施形態では、TCDプローブの配置が、逆運動学を通じて、解析的逆解法Q=inv_kin(X)、又はヤコビアン逆解法dQcmd(n)=J-l(Xerr(n))などの数値微分のいずれかを用いて指定され、Jは、モータの差動運動をプローブの差動運動に関連付けるヤコビアンであり、Xerr(n)は、時点nにおけるプローブの位置及び配向誤差であり、dQcmd(n)は、時点nにおける差動モータ命令である。制御されるプローブの位置座標及び配向座標よりもモータ自由度又は作動自由度の方が多い機構では、この運動学が冗長と呼ばれ、このような機構は5つよりも多くのモータを有する。冗長機構では、逆運動学が、逆ヤコビアンからヤコビアンのムーア・ペンローズ擬似逆行列dQcmd(n)=J†(Xerr(n))(又はその他の一般逆行列)に変化する。 In some embodiments, the placement of the TCD probe is through inverse kinematics such as analytical inverse Q = inv_kin (X), or Jacobian inverse dQ cmd (n) = J −l (X err (n)) Where J is the Jacobian that relates the differential motion of the motor to the differential motion of the probe, and X err (n) is the position and orientation error of the probe at time n , DQ cmd (n) is the differential motor command at time n. For mechanisms that have more motor or operating degrees of freedom than the position and orientation coordinates of the probe to be controlled, this kinematics is called redundant and such mechanisms have more than five motors. In a redundant mechanism, the inverse kinematics changes from the inverse Jacobian to the Jacobian Moore-Penrose pseudoinverse matrix dQ cmd (n) = J † (X err (n)) (or other general inverse matrix).
図1は、例示的な実施形態による、プローブ20の仮想支持構造10のモデルを示す図である。支持構造10は、プローブ20を標的表面22に対して位置付けるように構成される。いくつかの実施形態では、プローブ20が、標的表面22に向けた超音波放射を放出する、経頭蓋ドップラー(TCD)装置と共に使用される医療プローブなどの医療プローブである。他の実施形態では、プローブ20が、限定するわけではないが、赤外線波及びX線などの他のタイプの波動を動作中に放出するように構成される。様々な実施形態では、プローブ20を、経頭蓋色分け超音波検査法(transcranial color−coded sonography:TCCS)プローブ、或いは波動を放出する連続アレイ又は位相アレイなどのアレイとすることができる。
FIG. 1 is a diagram illustrating a model of a
いくつかの実施形態では、プローブ20が、第1の端部20aと第2の端部20bとを有する。いくつかの実施形態では、第1の端部20aが支持構造10と相互連結される。いくつかの実施形態では、第2の端部20bが標的表面22に接触し、この表面上の接点21においてプローブ20が動作する。いくつかの実施形態では、第2の端部20bが凹状構造であることにより、接点21がリング形状になる(すなわち、第2の端部20bは、凹状の第2の端部20bの円形の外縁に沿って標的表面22に接触する)。支持構造10は、プローブ20の相対的位置(例えば、z軸力、y軸力、x軸力、垂直位置合わせなど)を制御する。支持構造10は、プローブ20と仮想表面12との間に結合されてz軸13に沿った力を及ぼす第1の仮想ばね11と、プローブ20と仮想表面15との間に結合されてy軸16に沿った力を及ぼす第2の仮想ばね14と、プローブ20と仮想表面19との間に結合されてx軸18に沿った力を及ぼす第3の仮想ばね17とを含む仮想構造として示している。仮想支持構造10は、チルト軸27を中心とするトルクをもたらすねじりばね23と、パン軸29を中心とするトルクをもたらす第2のねじりばね25とをさらに含む。いくつかの実施形態では、仮想支持構造10が、仮想ダンパー(図示せず)などの他の仮想要素を含む。仮想ダンパーは、システムの安定性を向上させる要素に相当し、システムの動的応答を調整するのに役立つ。プローブの仮想的な又は見掛けの慣性は、機構の慣性の効果、モータ回転の慣性、求心/遠心効果をモデル化してフィードフォワードし、これらを装置の物理的性能限界内で任意の慣性特性に置き換えることによって、等方性又は異方性を有するように設定することもできる。
In some embodiments, the
仮想支持構造10は、以下でさらに詳細に説明するような、プローブ20を標的表面22に対して位置付けるために利用できる様々な機械構造を表す。いくつかの実施形態では、プローブ20の第2の端部20bが、患者又は被験者の皮膚などの比較的繊細な表面に接触する。支持構造は、その剛性(例えば、インピーダンス、コンプライアンスなど)を調整してプローブ20に可変線形力及び回転力を与えるように構成され、方向によって比較的剛性であったり比較的柔軟であったりすることができる。例えば、支持構造10は、標的表面22に概ね垂直な平面では、(例えば、患者又は被験者が支持構造に対して動いた場合に)患者又は被験者に加わる力を最小化するようにz軸13に沿って最小限の力を及ぼして比較的柔軟であることができ、標的表面22に概ね平行な平面沿いでは、プローブ20の位置の正確さ及び精密さを向上させるようにy軸16及びx軸18に沿って比較的剛性であることができる。さらに、様々な軸に沿った支持構造10の所望の剛性は、その時のタスクに応じて時間と共に変化することができる。例えば、支持構造は、支持構造10が患者又は被験者に対して動いている状況(例えば、プローブ構造の初期配置中、プローブ構造の取り外し中など)、又は比較的自由に動くことが有利である時(例えば、保守中/清掃中など)には、比較的柔軟であるように構成することができ、プローブ20の位置決めの正確さ及び精密さが有利である状況(例えば、TCD手順中又はプローブ20を用いて行われる他の処置中)には、いくつかの方向に比較的剛性であるように構成することができる。
以下でさらに詳細に説明するように、支持構造10の運動学的モデルを利用して、プローブ20が標的表面22に加える力と、支持構造10を作動させるアクチュエータが加える力(例えば、トルク)との間の関係を計算することができる。従って、理想的なシステムにおいてプローブ20が標的表面22に加える力は、直接力を感知することなく理論的に求めることができ、これによってプローブ20と一直線に配置されたロードセル及び/又はプローブ20に結合された力トルクセンサが信号品質を最大化する適切な接触力を維持する必要性がなくなる。物理系では、静止摩擦及びその他のモデル化されていない物理的影響によって何らかの不確実性が導入されることもある。
As described in more detail below, the kinematic model of the
図2に、例示的な実施形態による、ジンバル構造24として示す支持構造の一部に取り付けられた、第1の端部20aが複数の軸を中心に回転できるプローブ20を示す。ジンバル構造24は、チルト軸27を中心に回転できる第1のフレーム部材26と、パン軸29を中心に回転できる第2のフレーム部材28とを含む。標的表面22は、非平坦(例えば、非平面)とすることができる。ジンバル構造24は、プローブ20を、接点21において標的表面22と垂直になるように配向することができる。
FIG. 2 illustrates a
次に、図3〜図5に、例示的な実施形態による、2リンク回転(例えば、回転−回転)ロボットとしてのプローブ20の支持構造30を示す。支持構造30は、第1のフレーム部材32と、第2のフレーム部材34と、第3のフレーム部材36と、第4のフレーム部材38と、ジンバル構造24とを含む。第1のフレーム部材32は、静止部材として構成される。第1のフレーム部材32は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット33に、或いは第1のフレーム部材32を患者又は被験者に取り付ける、又は第1のフレーム部材32の位置を患者又は被験者に対して固定する他の構造に取り付けることができる。プローブ20は、患者又は被験者の頭内にエネルギーを放出するように構成される。
Next, FIGS. 3-5 illustrate a
図3を参照すると、第2のフレーム部材34は、z軸13の周囲で回転するように構成されたリンクである。z軸13は、頭部の表面に対して概ね垂直である。第2のフレーム部材34の第1の端部40は、第1のフレーム部材32に結合される。例示的な実施形態によれば、第1のフレーム部材32に対する第2のフレーム部材34の回転は、第1のフレーム部材32を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ42によって制御される。アクチュエータ42は、頭部の表面に対して概ね垂直な垂直軸に沿ってプローブを並進させる垂直並進アクチュエータとして機能する。
Referring to FIG. 3, the
第3のフレーム部材36は、z軸13の周囲で回転するように構成されたリンクである。第3のフレーム部材36の第1の端部44は、第2のフレーム部材34の第2の端部46に結合される。例示的な実施形態によれば、第2のフレーム部材34に対する第3のフレーム部材36の回転は、第2のフレーム部材34を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ48によって制御される。
The
第4のフレーム部材38は、z軸13に沿って(例えば、頭部に近付いたり離れたりなどして内外に)並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第4のフレーム部材38は、第3のフレーム部材36の第2の端部52に固定されたレール部材50に沿って摺動する。第3のフレーム部材36に対する第4のフレーム部材38の位置は、電気モータ及び送りねじ(明確にするために図示せず)などのアクチュエータによって制御される。
The
ジンバル構造24及びプローブ20は、第4のフレーム部材38に取り付けられる。ジンバル構造24は、チルト軸27及びパン軸29の周囲のプローブ20の配向(例えば、パン及びチルト)を制御する。チルト軸27の周囲のプローブ20の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ54によって制御される。アクチュエータ54は、プローブを回転させる回転アクチュエータとして機能する。パン軸29の周囲のプローブ20の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ56によって制御される。アクチュエータ56は、プローブを回転させる回転アクチュエータとして機能する。1つの実施形態では、チルト軸27及びパン軸29の周囲のプローブ20の回転が、フレーム部材34及び36の回転に関わらずz軸13と異なる。
The
プローブ20は、第2のフレーム部材34及び第3のフレーム部材36の回転を通じて、x軸18及びy軸16によって定められるx−y平面、すなわち並進面上で動くことができる。プローブ20は、第4のフレーム部材38の並進を通じて、z軸13、すなわち並進軸に沿って動くことができる。さらに、プローブ20は、ジンバル構造24を通じてチルト軸27及びパン軸29を中心に回転することができる。これらの5つの作動自由度を組み合わせると、標的表面22に対するプローブ20の位置及び配向を完全に表現して制御できるようになり、パン軸29及びチルト軸27に直交する第3の軸を中心とする回転を無視することができる。
The
例示的な実施形態によれば、支持構造30の位置決めに利用されるアクチュエータがサーボモータである。サーボモータを用いて支持構造を制御すると、モータのトルク出力、回転位置及び角速度、並びに対応するプローブ20の位置及びプローブ20と標的表面22との間の相互作用に関し、ステッパモータに比べて正確な制御が可能になる。当然ながら、当業者に周知の他の好適なモータを使用することもできる。
According to an exemplary embodiment, the actuator utilized for positioning the
次に、図6〜図8に、別の例示的な実施形態による、プリズム(例えば、デカルト、直線など)ロボットとしてのプローブ20の支持構造60及びジンバル構造24を示す。図6には、例示的なプリズム−プリズム−プリズムロボットを示す。支持構造60は、第1のフレーム部材62と、第2のフレーム部材64と、第3のフレーム部材66と、第4のフレーム部材68と、ジンバル構造24とを含む。第1フレーム部材62は、静止部材として構成される。第1のフレーム部材62は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット33に、或いは患者又は被験者に対する第1のフレーム部材62の位置を固定する他の構造に取り付けることができる。
6-8 illustrate a
第2のフレーム部材64は、y軸16に沿って(例えば、耳の底部から耳の頂部などに上下に)並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第2のフレーム部材64は、第1のフレーム部材62に固定されたレール部材70に沿って摺動する。第1のフレーム部材62に対する第2のフレーム部材64の位置は、電気モータ及び送りねじ(明確にするために図示せず)などのアクチュエータによって制御される。
The
第3のフレーム部材66は、x軸18に沿って(例えば、目から耳などへ前方及び後方に)並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第3のフレーム部材66は、第2のフレーム部材64に固定されたレール部材72に沿って摺動する。レール部材72は、レール部材70と直交する。第2のフレーム部材64に対する第3のフレーム部材66の位置は、電気モータ及び送りねじ(明確にするために図示せず)などのアクチュエータによって制御される。
The
第4のフレーム部材68は、z軸13に沿って(例えば、頭部に近付いたり離れたりなどして内外に)並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第4のフレーム部材68は、第3のフレーム部材66に固定されたレール部材74に沿って摺動する。第3のフレーム部材66に対する第4のフレーム部材68の位置は、電気モータ及び送りねじ(明確にするために図示せず)などのアクチュエータによって制御される。
The
ジンバル構造24及びプローブ20は、第4のフレーム部材68に取り付けられる。ジンバル構造24は、チルト軸27及びパン軸29の周囲のプローブ20の配向(例えば、チルト及びパン)を制御する。チルト軸27の周囲のプローブ20の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ84によって制御される。パン軸29の周囲のプローブ20の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ86によって制御される。
The
プローブ20は、第2のフレーム部材64及び第3のフレーム部材66の並進を通じてx−y平面上で動くことができ、第4のフレーム部材68の並進を通じてz軸13に沿って動くことができ、ジンバル構造24を通じてチルト軸27及びパン軸29を中心に回転することができる。これらの5つの作動自由度を組み合わせると、標的表面22に対するプローブ20の位置及び配向を完全に表現して制御できるようになり、パン軸29及びチルト軸27に直交する第3の軸を中心とする回転を無視することができる。
The
プローブ20の支持構造のいずれかの実施形態のための運動学的モデルを開発して、プローブ20に加わる力と、支持構造を制御するアクチュエータによって加えられる力との間の関係を求めることができる。
A kinematic model for any embodiment of the support structure of the
最初に、支持構造の剛性行列を求める。剛性行列は、(フレーム部材の幾何学的形状、個々のフレーム部材の剛性などの)支持構造の物理的特性、選択された座標系軸に沿ったシステム剛性、及びシステム減衰のための速度ベースの項を含む数多くの変数を用いて求められる。例示的な実施形態によれば、支持構造の所望の剛性は、(例えば、図1の仮想ばね11、14及び17によって表されるような)z方向(Kz)、y方向(Ky)及びx方向(Kx)において、並びに(例えば、図1の仮想のねじりばね23及び25によって表されるような)パン軸29(Kωx)及びチルト軸27(Kωy)の周囲において定められる。上述したように、いくつかの実施形態では、仮想剛性が、プローブ20を用いて達成されるタスクに基づいて時間と共に変化する。例えば、y方向及びx方向の剛性は、支持構造が比較的柔軟に構成される配置手順中又は取り外し手順中の比較的低い横方向剛性に対応する下限と、支持構造が比較的剛性に構成されてプローブ20のより正確な位置付けを可能にする走査手順中の比較的高い剛性に対応する上限とを有することができる。同様に、z方向の剛性は、(例えば、患者又は被験者の不快感を最小限に抑えるように)支持構造が比較的柔軟に構成されてプローブ20の自己位置合わせを可能にするプローブ20のz方向の初期位置決め中の比較的低い剛性に対応する下限と、プローブ20と標的表面22との間の摩擦力に打ち勝ってプローブ20の配向を維持するように支持構造がより剛性に構成される走査手順中の比較的高い剛性に対応する上限とを有することができる。さらに、y軸及びx軸の周囲の回転剛性は、(例えば、患者又は被験者の不快感を最小限に抑えるように)支持構造(例えば、ジンバル構造24)が比較的柔軟に構成される、プローブ20を標的表面22の輪郭(例えば、患者又は被験者の頭部)に適合するように位置決めしている最中の比較的低い回転剛性に対応する下限と、プローブ20のより正確な位置決め(例えば、パン、チルトなど)が望ましい時の比較的高い回転剛性に対応する上限とを有することができる。
First, the stiffness matrix of the support structure is obtained. The stiffness matrix is the physical properties of the support structure (such as frame member geometry, individual frame member stiffness), system stiffness along the selected coordinate system axis, and velocity-based for system damping. It is obtained using a number of variables including terms. According to an exemplary embodiment, the desired stiffness of the support structure is expressed in z-direction (K z ), y-direction (K y ) (eg, as represented by
次に、以下の式を用いて力ベクトルを導き出す。
(式1)
式中、Kは剛性行列であり、
は、プローブ20のx、y及びz方向における望ましい並進位置と実際の並進位置、並びにx軸18及びy軸16の周囲の望ましい回転位置と実際の回転位置の差分のベクトルである。
Next, the force vector is derived using the following equation.
(Formula 1)
Where K is the stiffness matrix,
Is a vector of the desired and actual translation positions of the
次に、以下の式を用いて、支持構造の位置を制御するアクチュエータによって加えられる力(例えば、回転アクチュエータによって加えられるトルク)を求めることができる。
(式2)
The following equation can then be used to determine the force applied by the actuator that controls the position of the support structure (eg, torque applied by the rotary actuator).
(Formula 2)
式中、JTは、特定の支持構造の運動学によって決まるヤコビアン転置行列である。ヤコビアンは、関節位置とエンドエフェクタの位置及び配向(例えば、プローブ20の位置)との間の微分関係である。関節位置は、ラジアン単位(例えば、回転関節の場合)又は長さ単位(たとえば、プリズム関節又は線形関節の場合)のいずれかである。ヤコビアンは静的ではなく、支持構造の位置が連接するにつれて変化する。 Where J T is a Jacobian transpose matrix determined by the kinematics of a particular support structure. Jacobian is a differential relationship between joint position and end effector position and orientation (eg, probe 20 position). The joint position is either in radians (eg, in the case of rotating joints) or length units (eg, in the case of prism joints or linear joints). Jacobian is not static and changes as the position of the support structure articulates.
次に、図9に、支持構造30の概略的正面図を示す。第2のフレーム部材34は、長さl1を有する第1のリンク90によって表される。第1のリンク90は、回転をq1として示す回転アクチュエータ94によって関節接合される。第3のフレーム部材36は、長さl2を有する第2のリンク92によって表される。第2のリンク92は、回転をq2として示す回転アクチュエータ96によって関節接合される。アクチュエータ94及び96は、プローブ20をx−y平面内で動かす。
Next, FIG. 9 shows a schematic front view of the
この装置の順運動学は以下の通りである。
(式3)
(式4)
The forward kinematics of this device is as follows.
(Formula 3)
(Formula 4)
このような回転−回転ロボットのヤコビアンは、q1及びq2の両方に関する順運動学の偏導関数を取ることによって導き出される。
(式5)
式5に示すヤコビアンは、関節運動とプローブ運動との間の微分関係を表現する、x−y平面における回転−回転ロボットのデカルト運動(例えば、y軸16及びx軸18に沿った並進)のヤコビアンである。当業者であれば、他の実施形態では、このヤコビアンに追加項を含めて、プローブ20の動きとロボットの他の動きと(例えば、チルト軸27及びパン軸29の周囲のプローブ20の回転と、z軸13に沿った並進と)の間の微分関係を表現することもできると理解するであろう。
The Jacobian of such a rotation-rotation robot is derived by taking the forward kinematic partial derivative for both q 1 and q 2 .
(Formula 5)
The Jacobian shown in Equation 5 represents the Cartesian motion of a rotation-rotation robot (eg, translation along y-
次に、図10に、支持構造60の概略的正面図を示す。プローブ20は、第1の線形アクチュエータ100(例えば、電気モータ及び送りねじ)によってy方向に動き、第2の線形アクチュエータ102(例えば、電気モータ及び送りねじ)によってx方向に動く。アクチュエータ100及び102は、プローブ20をx−y平面内で動かす。各関節は他方の関節と直交し、関節運動をデカルト運動に1対1でマッピングするので、このようなプリズムロボットのヤコビアンは単位行列になる。
(式6)
式6に示すヤコビアンは、関節運動とプローブ運動との間の微分関係を表現する、x−y平面におけるプリズムロボットのデカルト運動(例えば、y軸16及びx軸18に沿った並進)のヤコビアンである。他の実施形態では、このヤコビアンに追加項を含めて、プローブ20の動きとロボットの他の動きと(例えば、チルト軸27及びパン軸29の周囲のプローブ20の回転と、z軸13に沿った並進と)の間の微分関係を表現することもできる。
Next, FIG. 10 shows a schematic front view of the
(Formula 6)
The Jacobian shown in Equation 6 is a Jacobian of the Cartesian motion (eg, translation along the y-
図3を参照すると、支持構造30は、単一の線形アクチュエータ(例えば、電気モータ及び送りねじ)を用いた第4のフレーム部材38の並進によってプローブ20のz方向の位置を制御する。図6を参照すると、同様に、支持構造60も、単一の線形アクチュエータ(例えば、電気モータ及び送りねじ)を用いた第4のフレーム部材68の並進によってプローブ20のz方向位置を制御する。いずれの支持構造についても、アクチュエータの位置とプローブ20の位置との間には直接相関が存在する。
Referring to FIG. 3, the
次に、図11に、例示的な実施形態による、プローブ支持構造のアクチュエータの入力又はトルクを決定する方法110を示す。最初に、プローブの支持構造の構成を決定する(ステップ112)。この構成は、あらゆる数の回転関節及び/又はプリズム関節を含むことができる。いくつかの実施形態では、支持構造が、1又は2以上の軸(例えば、デカルト座標系のx軸、y軸及びz軸、極座標系のr、θ及びz軸など)に沿ったプローブの並進、及び/又は1又は2以上の軸の周囲の回転をもたらす。
Next, FIG. 11 illustrates a
支持構造の構成と支持構造の所望の可変剛性とに基づいて、支持構造の剛性行列を求める(ステップ114)。剛性行列は、フレーム部材の幾何学的形状及び個々のフレーム部材の剛性と、z方向(Kz)、y方向(Ky)及びx方向(Kx)における支持構造の所望の剛性と、支持構造の所望の回転剛性(Kωx,Kωy)と、システム減衰のための速度ベースの項とを含む、支持構造の物理的特性に基づく項を含む。 Based on the structure of the support structure and the desired variable stiffness of the support structure, a stiffness matrix of the support structure is obtained (step 114). The stiffness matrix is the frame member geometry and individual frame member stiffness, the desired stiffness of the support structure in the z-direction (Kz), y-direction (Ky) and x-direction (Kx), and the desired stiffness of the support structure. Including terms based on the physical properties of the support structure, including rotational stiffness (Kω x , Kω y ) and velocity-based terms for system damping.
剛性行列とプローブの所望の並進位置及び回転位置とに基づいて力ベクトルを求める(ステップ116)。プローブの所望の位置は、いずれかの座標系を用いて決定することができる。例示的な実施形態によれば、力ベクトルは、式1に示すように、剛性行列とプローブの所望の並進位置及び回転位置の行列との積から導き出される。
A force vector is determined based on the stiffness matrix and the desired translational and rotational positions of the probe (step 116). The desired position of the probe can be determined using either coordinate system. According to an exemplary embodiment, the force vector is derived from the product of the stiffness matrix and the desired translational and rotational position matrix of the probe, as shown in
次に、支持構造のヤコビアンを計算する(ステップ118)。ヤコビアンは、特定の支持構造の運動学によって決定される。ヤコビアンは、関節位置とエンドエフェクタ位置との間の微分関係である。関節位置は、ラジアン単位(例えば、回転関節の場合)又は長さ単位(たとえば、プリズム関節又は線形関節の場合)のいずれかである。ヤコビアンは静的ではなく、支持構造の位置が連接するにつれて変化する。 Next, the Jacobian of the support structure is calculated (step 118). Jacobian is determined by the kinematics of a particular support structure. Jacobian is a differential relationship between joint position and end effector position. The joint position is either in radians (eg, in the case of rotating joints) or length units (eg, in the case of prism joints or linear joints). Jacobian is not static and changes as the position of the support structure articulates.
力ベクトルとヤコビアンとに基づいて、アクチュエータの入力を決定する(ステップ120)。例示的な実施形態によれば、アクチュエータの入力は、式2に示すようにヤコビアンと力ベクトルとの積から導き出される。 Based on the force vector and the Jacobian, the actuator input is determined (step 120). According to an exemplary embodiment, the actuator input is derived from the product of the Jacobian and the force vector as shown in Equation 2.
次に、図12〜図14に、別の例示的な実施形態による、5リンク回転ロボットとしてのプローブ20の支持構造130を示す。支持構造130は、第1のフレーム部材132と、第1のフレーム部材132に結合された、第2のフレーム部材134a及び第3のフレーム部材134bとして示す1対の近位部材と、それぞれの近位フレーム部材に結合されるとともに互いに結合された、第4のフレーム部材136a及び第5のフレーム部材136bとして示す1対の遠位部材と、遠位フレーム部材に結合された第6のフレーム部材138と、ジンバル構造24とを含む。第1のフレーム部材132は、静止部材として構成される。第1のフレーム部材132は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット33に、或いは患者又は被験者に対する第1のフレーム部材132の位置を固定する他の構造に取り付けることができる。
Next, FIGS. 12-14 illustrate a
第2のフレーム部材134a及び第の3フレーム部材134bは、z軸13の周囲で回転するように構成されたリンクである。第2のフレーム部材134aの第1の端部140aは、第1のフレーム部材132に結合される。同様に、第3のフレーム部材134bの第1の端部140bは、第1のフレーム部材132の別個の部分に結合される。例示的な実施形態によれば、第1のフレーム部材132に対する第2のフレーム部材134aの回転は、第1のフレーム部材132を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ142aによって制御される。例示的な実施形態によれば、第1のフレーム部材132に対する第3のフレーム部材134bの回転は、第1のフレーム部材132を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ142bによって制御される。
The
第4のフレーム部材136a及び第5のフレーム部材136bは、z軸13の周囲で回転するように構成されたリンクである。第4のフレーム部材136aの第1の端部144a及び第2のフレーム部材134aの第2の端部146aは、それぞれ軸受(例えば圧入軸受など)を介してハブ部材148aに結合される。同様に、第5のフレーム部材136bの第1の端部144b及び第3のフレーム部材134bの第2の端部146bは、それぞれ軸受(例えば圧入軸受など)を介してハブ部材148bに結合される。
The
第4のフレーム部材136a及び第5のフレーム部材136bは、軸受(例えば、圧入軸受など)を介して共に結合されて、5バーリンク機構を形成する。ハブ部材148a及び148bは、近位部材をz軸13に沿って遠位部材からオフセットさせ、これによってアクチュエータ142a及び142bによるリンクの回転時に、近位フレーム部材(例えば、第2のフレーム部材134a及び第3のフレーム部材134b)が遠位フレーム部材(例えば、第4のフレーム部材136a及び第5のフレーム部材136b)を越えて自由に動けるようになる。
The
ジンバル構造24及びプローブ20は、第6のフレーム部材138に取り付けられる。第6のフレーム部材138は、遠位部材の一方(例えば、第4のフレーム部材136a又は第5のフレーム部材136b)に結合され、ジンバル構造24及びプローブ20をz軸13に沿って(例えば、頭部に近付いたり離れたりなどして内外に)並進させるように構成される。第6のフレーム部材138は、支持構造30の第4のフレーム部材38に関して上述したように(図3〜図5を参照)、例えばレール上で並進することができる。ジンバル構造24は、チルト軸27及びパン軸29の周囲のプローブ20の配向(例えば、パン及びチルト)を制御する。チルト軸27の周囲のプローブ20の位置は、電気モータ及びギヤボックスなどのアクチュエータ(図示せず)によって制御される。パン軸29の周囲のプローブ20の位置は、電気モータ及びギヤボックスなどのアクチュエータ(図示せず)によって制御される。1つの実施形態では、チルト軸27及びパン軸29の周囲のプローブ20の回転が、フレーム部材134及び136の回転に関わらずz軸13と異なる。
The
プローブ20は、第1のフレーム部材132と、第2のフレーム部材134aと、第3のフレーム部材134bと、第4のフレーム部材136aと、第5のフレーム部材136bとによって形成された5バーリンク機構の動きを通じてx−y平面内で動くことができる。プローブ20は、第6のフレーム部材138の並進を通じてz軸13に沿って動くことができる。さらに、プローブ20は、ジンバル構造24を通じてチルト軸27及びパン軸29の周囲で回転することができる。これらの5つの作動自由度を組み合わせると、標的表面22(図1〜図2を参照)に対するプローブ20の位置及び配向を完全に表現して制御できるようになり、パン軸29及びチルト軸27に直交する第3の軸を中心とする回転を無視することができる。
The
例示的な実施形態によれば、支持構造130の位置決めに利用されるアクチュエータがサーボモータである。当然ながら、サーボモータの代わりにいずれかの好適なモータを使用することもできる。サーボモータを用いて支持構造を制御すると、モータの回転位置及び角速度、並びに対応するプローブ20の位置及びプローブ20と標的表面22との間の相互作用に関し、ステッパモータに比べて正確な制御が可能になる。
According to an exemplary embodiment, the actuator utilized to position the
アクチュエータ142a及び142bの入力は、上述した方法と同様に、力ベクトルを求め、支持構造130の順運動学を求め、アクチュエータ142a及び142bの各々の回転に関する順運動学の偏導関数を取ることによってヤコビアンを計算することによって計算することができる。
The inputs of the actuators 142a and 142b are obtained by determining the force vector, determining the forward kinematics of the
いくつかの実施形態では、プローブ20の接触及び着座のために、プローブ20の正確な位置及び配向を予測して制御しようと試みる代わりに、機械設計又はソフトウェアのいずれによって行うかに関わらず、プローブ20のインピーダンスを選択的に制御する。従って、プローブ20の配向自由度は、プローブ20を接触及び着座に抗して頭部と同じ高さで回転できるように柔軟にすることができるのに対し、並進自由度は、プローブ20を動かして頭部への接触配置を保つほど十分に剛性にされる。いくつかの実施形態では、各方向が異なるインピーダンスを有する。
In some embodiments, for contact and seating of the
いくつかの実施形態では、プローブ20のモータトルク及びモータサーボ剛性を制限するソフトウェアが実装される。いくつかの実施形態では、方向毎に異なる制限が存在し、異なる方向において異なる剛性が生じることができる。いくつかの実施形態では、パン及びチルトが非常に柔軟であるのに対し、並進運動は適度に剛性である。いくつかの実施形態では、プローブ20を通る剛性が、X、Yの並進自由度よりも柔軟である。
In some embodiments, software is implemented that limits the motor torque and motor servo stiffness of the
いくつかの実施形態では、タスク空間のインピーダンス制御のためのソフトウェアが実装される。換言すれば、プローブ20の配向を考慮して、プローブ20の中心を通るZ軸を含むローカル座標系を定めることができる。モータのサーボ剛性及びトルクの制限を調整することによってプローブ20のインピーダンスを操作する代わりに、いくつかの実施形態では、ロボット全体の運動学を考慮して、プローブ20の座標フレームの局所的なX、Y、Z、パン及びチルトの5つの方向の各々のインピーダンスを設定することができる。従って、プローブ20の中心線を通じてプローブ20をさらに柔軟にしながらも、依然として皮膚の表面との接触を維持し、プローブ20の位置を正確に制御できるほどの局所的なX剛性及びY剛性を有するようにすることができる。
In some embodiments, software for task space impedance control is implemented. In other words, the local coordinate system including the Z axis passing through the center of the
様々な実施形態によれば、プローブ20が、一連の弾性アクチュエータを含む。いくつかの実施形態では、モータ内へのばね要素又はロボットの構造部材としての柔軟な部材を機械設計に追加することによって装置のインピーダンスを変化させる。いくつかの実施形態では、プローブ20の正確な位置及び配向を測定するために撓み量の測定を行う。一連の弾性アクチュエータは、正確なコンプライアンスに合わせて設計され、さらには減衰要素も追加される一方で、インピーダンスのプログラミングに関連する計算上の非線形性及び不安定性を回避するという利点を有する。
According to various embodiments, the
いくつかの実施形態では、モータの印加電流をモニタすることによって間接的に力を測定する。静的な例では、ロボットの運動学を考慮して、ヤコビアンF=(JT)-1τからシステムの力ベクトル/トルクベクトルを計算し、τは、モータへの印加電流によって予測されるモータトルクのベクトルである。 In some embodiments, the force is measured indirectly by monitoring the applied current of the motor. In the static example, considering the kinematics of the robot, the force / torque vector of the system is calculated from the Jacobian F = (J T ) −1 τ, where τ is the motor predicted by the applied current to the motor. This is a torque vector.
いくつかの実施形態では、プローブ20の背後に力/トルク検知機構を配置することによって、プローブ20と頭部との間の相互作用力及びトルクを制御する。測定された力及びトルクに関連してプローブの位置及び配向を特定して所望の力/トルクベクトルを達成する。この種の閉ループコントローラはアドミッタンス制御と呼ばれ、ソフトウェアにプログラムされる。アドミッタンス制御は、以下の式に示すように、測定された力をプローブの所望の位置及び配向に関連付ける。
In some embodiments, a force / torque sensing mechanism is placed behind the
この所望の位置ベクトルを用いて、逆運動学から所望の関節位置を計算する。モータ関節コントローラは、高いサーボ剛性で外乱除去を強化して低いサーボ追従誤差を有するようにプログラムされる。ハイブリッド位置−力アドミッタンスコントローラ150を図15に示す。
The desired joint position is calculated from the inverse kinematics using this desired position vector. The motor joint controller is programmed to have high servo stiffness, enhanced disturbance rejection and low servo tracking error. A hybrid position-
このハイブリッド位置−力コントローラの例では、プローブのz方向において力が制御される一方で、x方向及びy方向、並びにパン及びチルト方向において位置が制御される。探索などのタスク指向のプローブの動きを決定するプローブ命令入力ブロック154によって、タスク空間における位置と力のハイブリッド命令[xcmd,ycmd,Fcmd,pancmd,tiltcmd]152が送信される。この場合、位置及び配向は、x、y、パン及びチルトで指定されて長さ及び角度の単位(mm及びラジアン)で与えられる。力は、z方向に指定されてニュートン単位で与えられる。アドミッタンスコントローラでは、力命令を所望の位置に変換しなければならない。プローブ入力命令ブロック154からは、アドミッタンス力制御ブロック154のための命令として使用される力命令Fcmd156が抽出される。アドミッタンス力制御法則ブロック158は、測定された力であるFmeasuredを用いてz位置の変化であるΔzを計算する。単純な単一の比例ゲインコントローラを示しているが、他のコントローラ形態を使用することもできる。z命令位置更新ブロック160では、古いz命令位置にΔz162を加えて、更新されたz命令であるZcmd164を作成する。この情報は、プローブ命令調和ブロック166において他のプローブ位置及び方向命令と融合される。調和した命令Rcmd168は、プローブの位置及び配向を長さ及び角度の単位[xcmd,ycmd,zcmd,pancmd,tiltcmd]で指定する。逆運動学ブロック170は、調和した命令Rcmd168を用いて、特定のロボットの機構に基づいて新たなロボット関節命令位置qcmd172を決定する。上記の説明から、このロボットは、自由度の数に応じて、直接解析逆解法、或いは逆ヤコビアン又は擬似逆ヤコビアンに基づく数値解法を有すると理解される。
In this hybrid position-force controller example, the force is controlled in the z direction of the probe, while the position is controlled in the x and y directions, and the pan and tilt directions. A probe
関節命令位置qcmd172は、関節モータコントローラブロック174と、出力トルク176と、物理的ロボットであるロボット機構ブロック178と、測定された関節位置q180とから成る内部位置制御ループの入力として使用される。ロボット機構ブロック178は、測定された力であるFmeasured182を出力する力センサも含む。測定された力Fmeasured182は、アドミッタンス力制御法則ブロック158への第2の入力であり、この入力によって力制御ループが閉じられる。
The joint
測定された関節位置q180は、プローブの現在の位置及び配向である[x,y,z,pan,tilt]186を計算してプローブ命令生成アルゴリズムで使用できるようにプローブ命令入力ブロック154に返送する順運動学計算ブロック184への入力として使用される。
The measured joint position q180 calculates [x, y, z, pan, tilt] 186, the current position and orientation of the probe, and sends it back to the probe
インピーダンス法則と組み合わせると、プローブ20における異なる方向及び配向の剛性をプログラムすることができる。アドミッタンス制御は、力−トルクセンサが無ければユーザに抵抗する静止摩擦を停止中に観測できないという理由で純粋なインピーダンスコントローラと共に使用するのが困難な非逆駆動モータに適する。
Combined with the impedance law, the stiffness of the different directions and orientations in the
支持構造の他の構成は、過駆動機構(over actuated mechanism)及び劣駆動機構(under actuated mechanism)を含む。過駆動機構又は冗長マニピュレータは、制御しようとするタスク空間座標よりも多くの作動自由度を含み、例えばモータの数Q={J1,J2,J3,J4,J5,…}が、制御されているプローブの5つの位置及び配向自由度X={x,y,z,pan,tilt}よりも多い。このような機構では、多くの、場合によっては無限数の逆運動学解法が存在すると思われる。 Other configurations of the support structure include an over actuated mechanism and an under actuated mechanism. An overdrive mechanism or redundant manipulator includes more degrees of freedom of operation than the task space coordinates to be controlled, eg, the number of motors Q = {J1, J2, J3, J4, J5,. More than five positions and orientation degrees of freedom of the probe X = {x, y, z, pan, tilt}. In such a mechanism, there may be many, in some cases, an infinite number of inverse kinematic solutions.
過駆動機構又は冗長マニピュレータの一例に、Universal Robot社によって製造されたUR3ロボットがあり、このロボットは、それぞれが独自のアクチュエータ又はモータによって6つの作動自由度の動きを可能にするように制御される6つの回転関節を有する。図16を参照すると、いくつかの実施形態では、プローブ20を冗長マニピュレータ190上に配置することができる。図17参照すると、いくつかの実施形態では、冗長マニピュレータ190を、ディスプレイ画面194を含むことができるモニタリングステーション192に都合良く取り付けることができる。図18を参照すると、冗長マニピュレータを制御して頬骨弓196を走査することができる。図19を参照すると、冗長マニピュレータを制御して、眼窩又は眼球孔198を通じて眼窩走査を行うことができる。図20を参照すると、冗長マニピュレータを制御して後頭部骨200を走査することができる。図21を参照すると、冗長マニピュレータを制御して顎下202を走査することができる。
An example of an overdrive mechanism or redundant manipulator is the UR3 robot manufactured by Universal Robot, which is controlled by a unique actuator or motor, each allowing six movements of freedom of movement. It has 6 rotary joints. Referring to FIG. 16, in some embodiments, the
図22に示すように、いくつかの実施形態では、自動TCDシステム203が、ロボットの位置決めを行う冗長マニピュレータ190と、力センサ206を含むプローブホルダ204と、プローブドライバ基板208と、制御コンピュータ210とを含む。冗長マニピュレータ190のいくつかの実施形態は、十分な運動学的精度を提供し、作業空間内の人間の周囲での使用が認定されており、速度及び衝撃力を制限するための設定可能な安全レベルを有する。これらの特徴は、安全上の懸念に対応して人間との使用を可能にすることができる。「エンドエフェクタ」と呼ばれるプローブホルダ204には、患者又は被験者の血管を超音波照射するSpencerTCDプローブとすることができるプローブ20が取り付けられる。プローブホルダ204は、冗長マニピュレータ190の端部に取り付けられ、走査する表面に冗長マニピュレータ190が加える力を直接モニタする軸力センサ206を有する。力センサ206は、冗長マニピュレータ190に力センサ情報212を送信する。この力センサ206は、プローブ20と走査する表面との間に十分な接触力が生じることを確実にする役割を果たすだけでなく、接触力の過負荷を防ぐ第2の安全措置でもある。いくつかの実施形態では、プローブに電力214を送信して超音波エネルギーを放出し、戻ってきたセンサ出力信号216を処理する電子機器を提供するプローブドライバ基板208がプローブ20に接続される。
As shown in FIG. 22, in some embodiments, an
いくつかの実施形態では、制御コンピュータ210が、TCP/IP通信218を介して冗長マニピュレータ190のコントローラ220に接続されるとともに、USB222によってプローブドライバ基板208にも接続される。冗長マニピュレータ190は、その現在の位置、速度、エンドエフェクタに加わる推定力、カスタムセンサの読み取り値及びその他のステータス情報などに関する情報224をコントローラ220に提供し、この情報224は、その後にTCP/IP218を介して制御コンピュータ210に通信される。プローブドライバ基板208のUSB222のインターフェイスは、プローブ20の深さなどのパラメータ及び動作の設定方法を提供し、速度エンベロープなどの処理データを戻す。制御コンピュータ210は、この情報を全て取り込んでプローブ探索アルゴリズムを実行し、新たな冗長マニピュレータ190命令を発行して冗長マニピュレータを動かす。実施形態は、超音波照射された血管を突き止める熟練技術者の専門技術を模倣する機械学習アルゴリズムを使用することもできる。いくつかの実施形態では、制御コンピュータ210がプローブ20の走査プロセスを自律的に制御するが、他の実施形態では、NeuroArm及びDaVinci手術ロボットにおいて使用される技術などの当業者に周知の技術を用いて人間がプローブ20の走査プロセスを遠隔操作することもできる。
In some embodiments, the
次に、図23A及び図23Bを参照すると、図23Aには、図22の冗長マニピュレータ190と、力センサ206と、プローブホルダ204と、プローブ20とを示している。図23Bには、2N〜10Nの不感帯範囲220に制御された力出力を示す、この構成を用いたテスト結果を示す。
Next, referring to FIGS. 23A and 23B, FIG. 23A shows the
結合テスト(integration testing)では、プローブドライバ基板208からの全てのデータを読み取り、冗長マニピュレータ190からの全ての状態データを読み取り、信号処理及び計画アルゴリズムを更新し、冗長マニピュレータ190にそのサーボ速度での新たな動作命令を発行するのに十分な速さの125Hzの制御ループをシステム全体にわたって維持できることが示された。
In integration testing, all data from the
いくつかの実施形態では、UR3の代わりに、6よりも多くの作動自由度を有するモジュール式蛇型ロボット又はその他のロボットの運動学的構成が冗長マニピュレータとして使用される。 In some embodiments, instead of UR3, a modular snake robot or other robot kinematic configuration with more than 6 degrees of freedom of operation is used as the redundant manipulator.
次に、図24〜図26に、作動中のシステム300を示す。このようなシステムは、x軸、y軸、パン軸、チルト軸における4つの作動自由度と、z軸に沿った力をもたらすばねとを有する。図示の作動中のシステム300では、システムの作動自由度が5よりも少ないが、依然としてTCD位置決めタスクを実行することができる。図示の作動中のシステム300は、プローブ20を位置決めして配向することができる4作動自由度機構X={x,y,pan,tilt}である。作動中のシステム300では、ばね302がz軸13に沿ってプローブ20に力を及ぼす。5作動自由度システムでは、作動中のシステム300においてばねが及ぼす力をモータ駆動機構によって作動させる。ジンバル構造24は、プローブ20の配向を可能にする。z軸13における力は、実際にはばね302に関連するばね定数の特性によってモニタされる。x軸18における作動は、電気モータ及び送りねじとして示すアクチュエータ304によって制御される。y軸16における作動は、電気モータ及び送りねじとして示すアクチュエータ306によって制御される。パン軸29における作動は、モータ308によって制御される。チルト軸27における作動は、モータ310によって制御される。
Next, FIGS. 24-26 show the
次に、図27、図28及び図29にプローブ20の支持構造400を示しており、ジンバル構造24については、別の例示的な実施形態によるプリズム(例えば、デカルト、直線などの)ロボットとして示す。支持構造400は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット33、或いはその他の構造に取り付けることができる。支持構造400は、支持構造400の機構の一部を覆うカバー401を含む。支持構造400の分解図である図29には、支持構造400から取り外したカバー401を示す。
27, 28 and 29 show a
第1のモータ402は、第1の平歯車404を用いて送りねじ405機構を作動させるように構成される。第1の平歯車403は、第1のモータ402の回転運動を送りねじ405に沿った線形運動に変換してプローブ20をy軸16に沿って(例えば、耳の底部から耳の頂部などに上下に)並進させる第2の平歯車404に結合される。第2のモータ406は、ラックアンドピニオン機構409に結合された第4の平歯車408に結合された第3の平歯車407を用いて、プローブ20をz軸13に沿って被験者の頭部の方に及び頭部から離して並進させるように構成される。図28に示すように、第3のモータ412及び軸受410は、この実施形態ではx軸18に平行なチルト軸27の周囲におけるジンバル24の回転を可能にする。プレート414は、2つの線形レール416、418を収容して、x軸18に沿って(例えば、耳から目などへ前方及び後方に)並進する第4のモータ(明確にするために図示せず)の取り付けを可能にする。図29に示すように、第5のモータ420は、この実施形態ではy軸16に平行なパン軸29の周囲におけるジンバル24の回転の制御を可能にし、この結果、5自由度作動ロボットシステムを規定するのに必要な自由度が完結する。
The
以上、プローブ20の支持構造のごくわずかな構成を説明して図示したが、当業者であれば、他にも多くの構成が可能であり、同様の方法を用いて支持システムのアクチュエータの、又は力−トルクセンサからの入力を決定して、あらゆる方向における所望の可変剛性を達成することができると理解するであろう。
Although only a few configurations of the support structure of the
上記で使用した「取り付けられた(attached)」、「接続された(connected)」及び「固定された(secured)」などを含む用語は、同義的に使用するものである。また、実施形態によっては、第2の要素に「結合された(coupled)」(又は「取り付けられた(attached)」、「接続された(connected)」、「締結された(fastened)」など)第1の要素を含むように説明したものもあるが、第1の要素は、第2の要素に直接結合することも、或いは第3の要素を介して第2の要素に間接的に結合することもできる。 The terms “attached”, “connected”, “secured” and the like used above are used interchangeably. Also, in some embodiments, the second element is “coupled” (or “attached”, “connected”, “fastened”, etc.) Some have been described as including a first element, but the first element can be coupled directly to the second element or indirectly to the second element via the third element. You can also.
上記の説明は、本明細書で説明した様々な態様をあらゆる当業者が実施できるように行ったものである。当業者には、これらの態様の様々な修正が容易に明らかになると思われ、また本明細書で定めた一般的原理は、他の態様に適用することもできる。従って、特許請求の範囲は、本明細書に示した態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲の文言に一致する完全な範囲が認められるものであり、単数形の要素についての言及は、特にそのように記載していない限り「唯一の」を意味するものではなく、むしろ「1又は2以上」を意味するように意図される。別途明示していない限り、「いくつかの(some)」という用語は、1又は2以上を意味する。上記の説明全体を通じて説明した様々な態様の要素の、当業者に周知の又は後で知られるようになる全ての構造的及び機能的同等物は、引用によって本明細書に明確に組み入れられ、特許請求の範囲に含まれるように意図される。さらに、本明細書に開示した内容は、これらが特許請求の範囲に明示されているかどうかに関わらず、一般に公開されることを意図するものではない。請求項の要素については、この要素が「〜のための手段」という表現を用いて明確に示されていない限りミーンズプラスファンクションとして解釈すべきではない。 The above description is provided to enable any person skilled in the art to implement the various aspects described herein. Various modifications of these aspects will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other aspects. Accordingly, the claims are not to be limited to the embodiments shown herein, but are to be accorded the full scope consistent with the language of the claims, and references to singular elements are not intended. Unless specifically stated otherwise, it is not intended to mean “one”, but rather is intended to mean “one or more”. Unless stated otherwise, the term “some” means one or more. All structural and functional equivalents of the elements of the various aspects described throughout the above description, well known to those skilled in the art or later become known, are expressly incorporated herein by reference. It is intended to be included in the scope of the claims. Further, the contents disclosed herein are not intended to be publicly disclosed regardless of whether they are expressly recited in the claims. A claim element should not be construed as a means plus function unless this element is clearly indicated using the expression “means for”.
開示したプロセスにおけるステップの特定の順序又は階層は、例示的な方法の一例であると理解されたい。設計嗜好に基づいて、プロセスにおけるステップの特定の順序又は階層は、上記の説明の範囲を超えない状態で再構成することができると理解されたい。付随する方法の請求項は、様々なステップの要素をサンプル順で提示したものであり、提示する特定の順序又は階層に限定する意図はない。 It is to be understood that the specific order or hierarchy of steps in the processes disclosed is an example of an exemplary method. Based on design preferences, it should be understood that the specific order or hierarchy of steps in the process can be reconfigured without exceeding the scope of the above description. The accompanying method claims present elements of the various steps in a sample order, and are not intended to be limited to the specific order or hierarchy presented.
開示した実装についての上記の説明は、開示した主題をあらゆる当業者が実施又は利用できるように行ったものである。当業者には、これらの実装の様々な修正が容易に明らかになると思われ、また本明細書で定めた一般的原理は、上記の説明の趣旨又は範囲から逸脱することなく他の実装にも適用することができる。従って、上記の説明は、本明細書に示した実装に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示した原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲を許容すべきものである。 The above description of the disclosed implementations is provided to enable any person skilled in the art to make or use the disclosed subject matter. Various modifications of these implementations will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other implementations without departing from the spirit or scope of the above description. Can be applied. Accordingly, the above description is not intended to be limited to the implementations shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
13 z軸
16 y軸
18 x軸
20 プローブ
24 ジンバル構造
27 チルト軸
29 パン軸
30 支持構造
32 第1のフレーム部材
33 ヘッドセット
34 第2のフレーム部材
36 第3のフレーム部材
38 第4のフレーム部材
40 第2のフレーム部材の第1の端部
42 アクチュエータ
44 第3のフレーム部材の第1の端部
46 第2のフレーム部材の第2の端部
48 アクチュエータ
50 レール部材
52 第3のフレーム部材の第2の端部
54 アクチュエータ
56 アクチュエータ
13 z-axis 16 y-
Claims (20)
前記被験者内にエネルギーを放出するプローブと、
前記プローブに結合されたロボット支持構造と、
を備え、前記ロボット支持構造は、前記プローブを前記被験者の表面と平行に移動させるアクチュエータを含む、
ことを特徴とするロボットシステム。 A robotic system used in scanning a subject,
A probe that emits energy into the subject;
A robot support structure coupled to the probe;
The robot support structure includes an actuator that moves the probe in parallel with the surface of the subject.
A robot system characterized by this.
請求項1に記載のロボットシステム。 A robot support structure having five degrees of freedom of operation;
The robot system according to claim 1.
請求項1に記載のロボットシステム。 A robot support structure having six degrees of freedom of operation;
The robot system according to claim 1.
請求項1に記載のロボットシステム。 Further comprising a robot support structure having more than six operational degrees of freedom;
The robot system according to claim 1.
請求項1に記載のロボットシステム。 A robot support structure having four degrees of freedom of operation;
The robot system according to claim 1.
請求項1に記載のロボットシステム。 A control computer configured to control movement of the robot support structure;
The robot system according to claim 1.
請求項1に記載のロボットシステム。 A remote control controller configured to control movement of the robot support structure;
The robot system according to claim 1.
請求項1に記載のロボットシステム。 A hybrid position-force controller configured to control movement of the robot support structure;
The robot system according to claim 1.
請求項1に記載のロボットシステム。 A force / torque sensor in contact with the probe;
The robot system according to claim 1.
前記標的表面と相互作用するように構成されたプローブと、
前記プローブに結合されて、該プローブを前記標的表面に対して動かす支持構造と、
を備え、前記支持構造は、前記支持構造の動きを制御するハイブリッド位置−力コントローラを含む、
ことを特徴とする装置。 A device configured to interact with a target surface,
A probe configured to interact with the target surface;
A support structure coupled to the probe to move the probe relative to the target surface;
The support structure includes a hybrid position-force controller that controls movement of the support structure;
A device characterized by that.
請求項10に記載の装置。 The hybrid position-force controller further includes a spring configured to press the probe against the target surface to passively maintain contact force.
The apparatus according to claim 10.
請求項11に記載の装置。 The hybrid position-force controller further includes a first motor configured to move the probe along a first axis;
The apparatus of claim 11.
請求項12に記載の装置。 The hybrid position-force controller further includes a second motor configured to move the probe along a second axis.
The apparatus according to claim 12.
請求項13に記載の装置。 The hybrid position-force controller further includes a third motor configured to rotate the probe about a third axis.
The apparatus of claim 13.
請求項14に記載の装置。 The hybrid position-force controller further includes a fourth motor configured to rotate the probe about a fourth axis.
The apparatus according to claim 14.
患者の血管を超音波照射するように構成されたTCDプローブと、
前記プローブに取り付けられたロボットと、
前記ロボットに接続されて、該ロボットの動きを制御するコンピュータと、
を備えることを特徴とする自動TCDシステム。 An automatic TCD system,
A TCD probe configured to ultrasonically illuminate a patient's blood vessel;
A robot attached to the probe;
A computer connected to the robot for controlling movement of the robot;
An automatic TCD system comprising:
請求項16に記載の自動TCDシステム。 An end effector including an axial force sensor attached to the robot and in communication with the probe;
The automatic TCD system according to claim 16.
請求項16に記載の自動TCDシステム。 The robot is configured to move with at least six degrees of freedom of operation;
The automatic TCD system according to claim 16.
請求項16に記載の自動TCDシステム。 The robot is configured to move with exactly five degrees of freedom of operation;
The automatic TCD system according to claim 16.
請求項16に記載の自動TCDシステム。 The robot is configured to move with exactly four degrees of freedom of operation;
The automatic TCD system according to claim 16.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022549468A (en) * | 2019-09-26 | 2022-11-25 | オリセル セラピューティクス カンパニー リミテッド | Modified immune cells and uses thereof |
| KR20230032575A (en) * | 2021-08-31 | 2023-03-07 | 이무형 | Headgear for Transcranial Doppler |
| JP2023030782A (en) * | 2021-08-24 | 2023-03-08 | ダブル技研株式会社 | Humanoid hand |
| JP2023070607A (en) * | 2021-11-09 | 2023-05-19 | 学校法人早稲田大学 | ultrasonic inspection robot |
| JP2024500466A (en) * | 2020-12-22 | 2024-01-09 | ロプカ、アンパルトゼルスカブ | Robotic system for performing ultrasound scanning |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11076797B2 (en) | 2018-04-10 | 2021-08-03 | Cerenetex, Inc. | Systems and methods for the identification of medical conditions, and determination of appropriate therapies, by passively detecting acoustic signals from cerebral vasculature |
| US12004846B2 (en) | 2018-04-10 | 2024-06-11 | Cerenetex, Inc. | Non-invasive systems and methods for the improved evaluation of patients suffering from undiagnosed headaches |
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| EP4203770A1 (en) | 2020-08-28 | 2023-07-05 | Covidien LP | Detection of patient conditions using signals sensed on or near the head |
| US12285264B2 (en) | 2020-08-28 | 2025-04-29 | Covidien Lp | Determining composite signals from at least three electrodes |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05143161A (en) * | 1991-04-09 | 1993-06-11 | Hewlett Packard Co <Hp> | Hybrid system for controlling position and force |
| JP2003245280A (en) * | 2002-02-25 | 2003-09-02 | Ichiro Sakuma | Endothelial function test method |
| JP2007143704A (en) * | 2005-11-25 | 2007-06-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic probe moving and holding device |
| WO2015073903A1 (en) * | 2013-11-15 | 2015-05-21 | Neural Analytics Inc. | Monitoring structural features of cerebral blood flow velocity for diagnosis of neurological conditions |
| JP2015533299A (en) * | 2012-10-19 | 2015-11-24 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. | Ultrasonic head frame for emergency medical services |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DK2197547T3 (en) * | 2007-09-13 | 2014-07-07 | Toby D Henderson | IMAGING POSITIONING SYSTEM AND HAVING ROBOT LOCATED D-ARM |
-
2017
- 2017-01-05 WO PCT/US2017/012395 patent/WO2017120382A1/en not_active Ceased
- 2017-01-05 JP JP2018534131A patent/JP2019503220A/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05143161A (en) * | 1991-04-09 | 1993-06-11 | Hewlett Packard Co <Hp> | Hybrid system for controlling position and force |
| JP2003245280A (en) * | 2002-02-25 | 2003-09-02 | Ichiro Sakuma | Endothelial function test method |
| JP2007143704A (en) * | 2005-11-25 | 2007-06-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic probe moving and holding device |
| JP2015533299A (en) * | 2012-10-19 | 2015-11-24 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. | Ultrasonic head frame for emergency medical services |
| WO2015073903A1 (en) * | 2013-11-15 | 2015-05-21 | Neural Analytics Inc. | Monitoring structural features of cerebral blood flow velocity for diagnosis of neurological conditions |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022549468A (en) * | 2019-09-26 | 2022-11-25 | オリセル セラピューティクス カンパニー リミテッド | Modified immune cells and uses thereof |
| JP7677643B2 (en) | 2019-09-26 | 2025-05-15 | オリセル セラピューティクス カンパニー リミテッド | Modified immune cells and uses thereof |
| JP2024500466A (en) * | 2020-12-22 | 2024-01-09 | ロプカ、アンパルトゼルスカブ | Robotic system for performing ultrasound scanning |
| JP2023030782A (en) * | 2021-08-24 | 2023-03-08 | ダブル技研株式会社 | Humanoid hand |
| JP7610909B2 (en) | 2021-08-24 | 2025-01-09 | ダブル技研株式会社 | Humanoid Hand |
| KR20230032575A (en) * | 2021-08-31 | 2023-03-07 | 이무형 | Headgear for Transcranial Doppler |
| KR102570809B1 (en) | 2021-08-31 | 2023-08-24 | 이무형 | Headgear for Transcranial Doppler |
| JP2023070607A (en) * | 2021-11-09 | 2023-05-19 | 学校法人早稲田大学 | ultrasonic inspection robot |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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