JP2020532405A - デュアルエンコーダを含むロボット手術システムの制御アーム - Google Patents

Abstract

ロボット手術システムの制御アームは、部材と、駆動モータと、第１の関節エンコーダと、制御装置と、を含む。部材は、第１の関節の周りに支持されている。駆動モータは、部材に動作可能に結合され、第１の関節の周りの部材を回転させるように構成されている。第１の関節エンコーダは、第１の関節の周りに配置され、第１の関節の周りの部材の位置を示す位置信号を伝達するように構成されている。制御装置は、第１の関節エンコーダからの位置信号を受信することに応答して制御信号を伝達するように構成されており、制御信号により、駆動モータは、第１の関節の周りの部材の動きに関連する摩擦を克服する。【選択図】図４

Description

ロボット手術システムは、侵襲を最小限に抑える医療手技に使用されている。そのような医療手技中、ロボット手術システムは、外科医または臨床医がロボット手術システムのユーザインターフェースとのインターフェースをとることにより制御される。ユーザインターフェースまたはコンソールにより、臨床医は、患者に作用する手術システムに関連するエンドエフェクタを操作することができる。

ユーザコンソールは、ロボット手術システムを制御するために臨床医が移動できる入力ハンドルまたはジンバルを支持する、１つまたは複数の制御アームを含む。制御アームは、医療手技中の作業空間内の制御アームの位置または姿勢に対応する信号を制御装置に伝達する。制御装置は、伝達装置によって入力ハンドルに動作可能に結合された１つまたは複数のモータを介して、力フィードバックを入力ハンドルに伝達してもよい。伝達装置には、伝達装置内の摩擦力を克服するために臨床医が追加の力を付加する必要があり得る。追加の力が必要な場合、臨床医は外科手技中に入力ハンドルを「重い」と感じることがある。

本開示は、一般に、ロボット手術システムの制御アームに関連付けられた伝達装置内の摩擦力を補償するシステムおよび方法に関する。

本開示の一態様によれば、ロボット手術システムの制御アームは、部材と、駆動モータと、第１の関節エンコーダと、制御装置と、を含む。部材は、第１の関節の周りに支持されている。駆動モータは、部材に動作可能に結合され、第１の関節の周りの部材を回転させるように構成されている。第１の関節エンコーダは、第１の関節の周りに配置され、第１の関節の周りの部材の姿勢を示す位置信号を伝達するように構成されている。制御装置は、位置信号を第１の関節エンコーダから受信することに応答して、制御信号を伝達するように構成されている。

態様では、制御アームは、伝達部品をさらに含む。伝達部品は、部材を駆動モータに結合するために、駆動モータと第１の関節との間に配置されてもよい。制御装置は、第１の関節の周りの部材を動かす伝達部品に関連する摩擦を克服する制御信号を伝達するように構成されてもよい。

態様によれば、制御アームは、モータの位置信号を制御装置に伝達するように構成されているモータエンコーダを含む。駆動モータは、第２の関節で伝達部品に結合されてもよい。モータエンコーダは、第２の関節で駆動モータに結合されてもよい。

態様によれば、制御装置は、第１の関節の周りで動く部材の方向を計算するように構成されている。制御装置は、第１の関節の周りで動く部材の方向を計算することに応答して、伝達摩擦を克服する制御信号を生成するように構成されてもよい。制御装置はまた、第１の関節の周りで動く部材の速度を計算するように構成されてもよい。制御装置は、第１の関節の周りの部材の方向および速度を計算することに応答して、伝達摩擦を克服する制御信号を生成するように構成されてもよい。

本開示の態様によれば、伝達部品の摩擦を補償する方法は、第１の関節の周りに配置された関節エンコーダから、第１の関節の周りで動く部材の第１の位置情報を受信することと、第１の位置情報を受信することに応答して、部材の第１の方向および第１の速度を計算することと、部材の動きと協働して伝達部品に関連する伝達摩擦を克服するために、制御信号を駆動モータに伝達することと、を含む。この部材は、伝達部品によって第１の関節で駆動モータに結合されている。

態様では、本方法は、第１の関節の周りで動く部材に応答して、関節エンコーダから第２の位置情報を受信することと、第１の関節の周りで動く部材の第２の方向および第２の速度を計算することと、第１の方向を第２の方向と比較することと、を含む。

特定の態様では、本方法は、第１の方向が第２の方向と異なるときに、駆動モータを第２の方向に所定の距離だけ移動させる制御信号を伝達することを含む。

本開示の態様によれば、部材と駆動モータとの間の位置オフセットを補償する方法は、第１の関節の周りに配置された第１の関節エンコーダから第１の位置情報を受信することと、第１の関節の周りの部材の第１の移動方向を計算することと、第１の関節エンコーダから第２の位置情報を受信することと、第１の関節の周りの部材の第２の移動方向を計算することと、第１の移動方向を第２の移動方向と比較することと、第１の移動方向が第２の移動方向と異なるときに、駆動モータを第１の移動方向に所定の距離だけ移動させる制御信号を伝達することと、を含む。第１の関節は、第１の関節で部材を駆動モータに動作可能に結合する。態様では、駆動モータは、第２の関節で伝達部品に結合されている。所定の距離は、オフセット距離に等しくてもよい。

本開示の一実施形態に従って提供される、ユーザコンソールおよび手術ロボットを有するロボット手術システムの概略図である。 図１の手術ロボットのタワーの斜視図である。 図１のロボット手術システムを制御するシステムアーキテクチャの機能ブロック図である。 図１のユーザコンソールの制御アームのカバーを取り外した斜視図である。 図４の制御アームの制御アームベースの下部斜視図である。 図４の制御アームの位置および図５の制御アームのモータの１つの位置の経時的な位置図である。 伝達部品の摩擦を補償する方法を示すフローチャートである。 位置オフセットを補償する方法を示すフローチャートである。

本ロボット手術制御システムの実施形態は、図面を参照して詳細に説明され、図面の中で同様の参照番号は、いくつかの図の各々において同一のまたは対応する要素を示す。

本明細書で使用するとき、「臨床医」という用語は、本明細書に記載のロボット手術システムの医師、看護師、医療提供者、サポート要員、または他のオペレータを指す。

本明細書で使用するとき、「術野」という用語は、手術ロボットが動作する空間を指す。そのような空間には、手術室、手術ロボットの保管および／またはメンテナンス施設、または他のそのような空間を含むことができるが、これらに限定されない。

本明細書で使用するとき、「姿勢」という用語は、空間または作業空間内の部品の位置および向きを指す。

本開示は、一般に、ロボット手術システムの制御アームにおける位置センサまたはエンコーダの位置決め、およびその使用に関する。エンコーダは、制御アームの駆動モータに関連付けられた伝達部品と、制御アームによって支持されている入力ハンドルとの間に位置決めされる。エンコーダは、制御アームの関節の姿勢を示す位置信号またはエンコーダ信号を制御装置に伝える。エンコーダ信号に応答して、制御装置は、臨床医が入力ハンドルを移動する方向および速度を判定する。入力ハンドルの移動の方向および速度に応答して、制御装置は、制御信号を送信して制御アームの関節に関連付けられたモータを動かし、モータは、伝達部品に関連する力を克服するために力を付加する。モータによる力の付加によって、そうでなければ臨床医が入力ハンドルを移動している間に遭遇する抵抗を低減または排除することができる。

最初に図１を参照すると、本開示によるロボット手術システムは、概してロボット手術システム１として示され、手術ロボット１００と、制御装置２００と、ユーザインターフェースまたはコンソール３００と、を含む。

手術ロボット１００は、一般に、リンク機構１１２を有するロボットカートまたはタワー１１６を含む。リンク機構１１２は、組織に作用するように構成されたエンドエフェクタまたはツール１０８を移動可能に支持する。リンク機構１１２は、組織に作用するように構成されたロボットアーム１０２を形成してもよい。各ロボットアーム１０２は、ツール１０８を支持する端部１０４を有してもよい。加えて、ロボットアーム１０２の端部１０４は、手術部位「Ｓ」を撮像する撮像装置１０６を含むことができる。さらに、ロボットアーム１０２の端部１０４は、ツール１０８を動かすおよび／または作動させるためにロボットアームの関節「Ｊ」（図２）の周りに力を付加する１つまたは複数のモータ１２２を含むことができる。

コンソール３００は、制御装置２００を介してタワー１１６と通信する。コンソール３００は、術野の周りに位置決めされた撮像装置１０６、１１４、例えば、手術部位「Ｓ」内に位置決めされた撮像装置によって捕捉されたデータを含み得る３次元画像を表示するように構成されるディスプレイ３０６、患者「Ｐ」に隣接して位置決めされた撮像装置、および／またはロボットアーム１０２の端部１０４によって支持されている撮像装置１１４を含む。撮像装置、例えば、撮像装置１０６、１１４は、手術部位「Ｓ」の視覚画像、赤外線画像、超音波画像、Ｘ線画像、感熱画像、および／または任意の他の既知のリアルタイム画像を捕捉することができる。撮像装置１０６、１１４は、捕捉した撮像データを制御装置２００に伝達し、制御装置２００は、手術部位「Ｓ」の３次元画像を撮像データからリアルタイムに生成し、３次元画像をディスプレイ３０６に伝達して表示する。

コンソール３００は、作業空間「Ｗ」内の入力ハンドル３０２を移動可能に支持する制御アーム３０４を含む。制御アーム３０４は、臨床医が手術ロボット１００を操作すること、例えば、ロボットアーム１０２、ロボットアーム１０２の端部１０４、および／またはツール１０８を動かすことを可能にする。入力ハンドル３０２の各々は、制御装置２００と通信して、そこに入力信号を伝達し、そこから出力またはフィードバック信号を受信する。追加的にまたは代替的に、外科医は、入力ハンドル３０２の各々により、ロボットアーム１０２の端部１０４で支持されているツール１０８を操作する、例えば、クランプする、把持する、突出させる、開放する、閉鎖する、回転させる、突き刺す、スライスするなどができる。

引き続き図１を参照すると、作業空間「Ｗ」を通る各入力ハンドル３０２の動作は、手術部位「Ｓ」内のロボットアーム１０２および／またはツール１０８の端部１０４を動かす。ディスプレイ３０６上の３次元画像の向きは、入力ハンドル３０２の移動により、ロボットアーム１０２の端部１０４がディスプレイ３０６上で見られるように移動するように設定されている。３次元画像は、ロボットアーム１０２の端部１０４の移動が３次元画像内に収まるように入力ハンドル３０２の移動をスケーリングしながら静止したままであり得る。３次元画像の向きを維持するために、入力ハンドル３０２の運動学的マッピングは、ロボットアーム１０２の端部１０４の向きに対するカメラの向きに基づいている。ディスプレイ３０６上の３次元画像の向きは、患者「Ｐ」の上方からのビューに対して鏡像折り返しを行うことができるか、または回転させることができる。加えて、ディスプレイ３０６上の３次元画像のサイズは、手術部位「Ｓ」の実際の構造よりも大きくなるように、または小さくなるようにスケーリングして、臨床医が内部の構造のより良好なビューを有することができるようにする。入力ハンドル３０２を移動させると、以下に詳述するように、ツール１０８が手術部位「Ｓ」内で移動する。ツール１０８の移動は、ツール１０８を支持するロボットアーム１０２の端部１０４の移動を含むこともできる。

ロボット手術システム１の構造および動作の詳細な説明については、米国特許第８，８２８，０２３号を参照されたく、この開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

入力ハンドル３０２の移動は、ツール１０８の移動に対してスケーリングされてもよい。入力ハンドル３０２が作業空間「Ｗ」内で移動するとき、制御アーム３０４は、エンコーダ信号を制御装置２００に伝達し、制御装置２００は、エンコーダ信号を分析し、エンコーダ信号に応答してツール１０８を移動する制御信号を生成する。制御装置２００は、入力ハンドル３０２の移動に応答して、制御信号をタワー１１６に伝達してツール１０８を移動させる。制御信号の伝達前に、制御装置２００はエンコーダ信号を、入力_距離、例えば、入力ハンドル３０２のうちの１つを作業空間「Ｗ」内で移動させた距離をスケーリング倍率Ｓ_Ｆで除算することによりスケーリングして、スケーリングした出力_距離、例えば、端部１０４のうちの１つを移動させた距離になるようにする。スケーリング倍率Ｓ_Ｆは、約１〜約１０の範囲、実施形態では約３であってもよい。このスケーリングは、次の式で表される。
出力_距離＝入力_距離／Ｓ_Ｆ
エンコーダ信号がスケーリングされた後、制御装置２００は、スケーリングされたエンコーダ信号に対応する制御信号をタワー１１６に伝達し、それに応じてツール１０８を移動させる。スケーリング倍率Ｓ_Ｆがより大きくなると、入力ハンドル３０２の移動に対するツール１０８の移動がより小さくなることを理解されたい。

ツール１０８の移動に対する入力ハンドル３０２の移動をＸ、Ｙ、およびＺ座標軸に沿ってスケーリングする場合の詳細な説明については、同一出願人が保有する２０１５年９月２１日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０５１１３０号（現在の国際特許公開第ＷＯ２０１６／０５３６５７）、および２０１６年１月２０日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／１４０３１号を参照されたく、これらの開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

図２を参照すると、手術ロボット１００は、ツール１０８を支持するリンク機構１１２を支持するロボットカートまたはタワー１１６を含む。リンク機構１１２は、リンク機構１１２および／またはリンク機構１１２によって支持されているツール１０８を操作するために、リンク機構１１２のそれぞれの関節「Ｊ」に各々関連付けられている１つ以上のモータ１２２を含む。

使用中、制御装置２００（図１）は、制御信号を手術ロボット１００に伝達する。手術ロボット１００は、制御信号に応答して、それぞれの関節「Ｊ」の周りに、またはそれぞれの関節「Ｊ」に力を付加するためにモータ１２２を作動させる。具体的には、手術ロボット１００は、制御信号に応答して、外科手技中に、電源電流をモータ１２２に送達し、モータ１２２は関節「Ｊ」に力を付加してリンク機構１１２および／またはツール１０８を移動させる。加えて、センサ１２０は、関節「Ｊ」への力の付加に応答して、関節「Ｊ」に結合され、関節「Ｊ」の周りのトルクを測定する。センサ１２０は、測定された力を制御装置２００（図１）に伝達する。

図３を参照すると、手術ロボット１００と、コンソール３００と、制御装置２００との間の通信は、本開示に従って説明されている。制御装置２００は、手術ロボット１００のタワー１１６と通信して、コンソール３００から受信したエンコーダ信号に応答して手術ロボット１００の動作について指示を提供する。

制御装置２００は、一般に、処理ユニット２０６と、メモリ２０８と、タワーインターフェース２０４と、コンソールインターフェース２０２と、を含む。処理ユニット２０６は、メモリ２０８に記憶された指示またはコンピュータプログラムを実行し、メモリ２０８は、コンソール３００の入力ハンドル３０２によって画定される移動に従って、タワー１１６の部品、例えば、リンク機構１１２に所望の移動を実行させるように機能する。これに関して、処理ユニット２０６は、一組の指示に従って計算を実施および／または動作させるように適合された任意の好適な論理制御回路を含む。処理ユニット２０６は、メモリ２０８に記憶された指示を実行および／またはデータを処理することができるマイクロプロセッサまたは他の物理装置など、１つまたは複数の処理装置（図示せず）を含むことができる。メモリ２０８は、例えば、ＲＡＭなどの一時的なタイプのメモリ、および／または例えば、フラッシュメディアまたはディスクメディアなどの非一時的なタイプのメモリを含むことができる。タワーインターフェース２０４およびコンソールインターフェース２０２は、無線接続形態、例えば、無線周波数、光学、ＷＩＦＩ、ブルートゥース（登録商標）（短距離の電波を使用して、固定装置および移動装置から短距離でデータを交換し、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）を作成するオープン無線プロトコル）、ジグビー（登録商標）（無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）のＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００３標準に基づく、小型で低電力のデジタル無線を使用する一式の高レベル通信プロトコルの仕様）などのいずれか、および／または有線接続形態を介して、タワー１１６およびコンソール３００とそれぞれ通信する。別個のモジュールとして示されているが、コンソールインターフェース２０２およびタワーインターフェース２０４は、単一の部品であってもよい。

引き続き図２〜図３を参照すると、タワー１１６は、タワーインターフェース２０４から通信および／またはデータを受信する通信インターフェース１１８を含む。通信インターフェース１１８は、タワー１１６に関連するリンク機構１１２を移動させるためにモータ１２２を操作する信号を伝達する。モータ１２２は、ロボットアーム１０２および／またはリンク機構１１２に位置付けされてもよい。実施形態では、モータ１２２は、モータ１２２に供給される電力に応答して、ロボットアーム１０２、リンク機構１１２、および／またはツール１０８（図１）を機械的に操作する。ロボットアーム１０２、リンク機構１１２、および／またはツール１０８の機械的な操作には、処理ユニット２０６からの指示に応答して、ロボットアーム１０２および／またはロボットアーム１０２に結合されたツール１０８を移動するための、モータ１２２からの力の付加を含んでもよい。例えば、モータ１２２は、ロボットアーム１０２を操作するために、ケーブル（図示せず）を介して関節「Ｊ」に動作可能に結合されてもよい。

コンソール３００は、例えば、制御アーム３０４の部材を関節Ｊ_１、Ｊ_２、Ｊ_３の周りで動かすために、位置センサまたはエンコーダＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３からエンコーダ信号を受信し、エンコーダ信号を制御装置２００に伝達し、制御装置２００から制御信号を受信するコンピュータ３０８を含む（図４〜図５）。各入力ハンドル３０２は、制御アーム３０４に結合されている。制御アーム３０４は、コンピュータ３０８と有線または無線で通信する第１、第２、および第３の駆動モータ３２４、３２６、３２８を含む。エンコーダＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３は、駆動モータ３２４、３２６、３２８にそれぞれ配置され、関節Ｊ_１、Ｊ_２、Ｊ_３に関連付けられた制御アーム３０４（図４〜図５）の部材の姿勢を表すエンコーダ信号を生成するように構成されている。関節Ｊ_１、Ｊ_２、Ｊ_３の周りの制御アーム３０４の部材の姿勢を表すエンコーダ信号は、エンコーダＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３によってコンピュータ３０８に伝達され、コンピュータ３０８はエンコーダ信号を制御装置２００に伝達する。エンコーダ信号に応答して、制御装置２００は、制御信号をタワー１１６に伝達して、上で詳述したようにロボットアーム１０２および／またはツール１０８の動きに影響を与える。

入力ハンドル３０２は、ハンドル、ペダル、またはコンピュータアクセサリ（例えば、キーボード、ジョイスティック、マウス、ボタン、タッチスクリーン、スイッチ、トラックボールなど）であってもよい。ディスプレイ３０６は、制御装置２００から受信した画像または他のデータを表示して、臨床医にデータを伝える。コンピュータ３０８は、処理ユニット、ならびにデータ、指示、および／または様々な部品、アルゴリズム、および／またはタワー１１６の動作に関連している情報を含むメモリ（図示せず）を含み、任意の好適な電子サービス、データベース、プラットフォーム、クラウドなどを使用して動作することができる。コンピュータ３０８は、制御装置２００に関して同様に説明されるように、メモリ（図示せず）にある一組の指示に従って計算を実施および／または動作させるように適合された任意の好適な論理制御回路を含む処理ユニット（図示せず）を含むことができる。

手術ロボット１００の詳細な説明については、２０１６年６月３日に出願され、「Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｈｅｍｅ」と題された米国仮特許出願第６２／３４５，０３２号を参照されたく、この開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

図４〜図５を参照すると、コンソール３００の制御アーム３０４には、ベース３１０、旋回部材３１２、垂直部材３１４、支持アーム３１６、水平部材３１８、および支持部材３２０（「制御アーム３０４の部材」と総称される）を含む。ベース３１０は、第１の回転軸Ａ_１を規定する第１の関節Ｊ_１の周りで旋回部材３１２を回転可能に支持する。旋回部材３１２は、第２の回転軸Ａ_２を規定する第２の関節Ｊ_２の周りで垂直部材３１４および支持アーム３１６を旋回可能に支持する。支持アーム３１６は、垂直部材３１４と実質的に平行な関係にあり得る支持部材３２０の下端を支持する。支持部材３２０は、垂直部材３１４から斜めになり得ると考えられる。垂直部材３１４は、第３の回転軸Ａ_３を規定する第３の関節Ｊ_３の周りで水平部材３１８を旋回可能に支持する。水平部材３１８は、第４の回転軸Ｇ−Ｇを規定する関節Ｊ_４の周りで入力ハンドル３０２（図１）を回転可能に支持する。

ベース３１０は、第１、第２、および第３の回転軸Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の各々の周りで制御アーム３０４を操作する駆動機構３２２を含む。駆動機構３２２は、入力ハンドル３０２（図１）を介して制御アーム３０４を操作する臨床医に力フィードバックを提供するために、制御アーム３０４を操作してもよい。駆動機構３２２はまた、外科手技中に、制御アーム３０４を操作して、制御アーム３０４の部品を再位置決めしてもよい。

駆動機構３２２は、第１の駆動モータ３２４、第２の駆動モータ３２６、および第３の駆動モータ３２８を含む。第１の駆動モータ３２４は、第１の回転軸Ａ_１の周りで制御アーム３０４を操作し、ベース３１０を通って延在する第１の駆動シャフト３３０を含む。第１の駆動シャフト３３０は、第１の回転軸Ａ_１の周りに回転フランジ３３８を回転させる、第１のケーブル３３４および第２のケーブル３３６に結合された第１のスピンドル３３２を回転させる。回転フランジ３３８は、旋回部材３１２が円筒部材３４０と共同して回転するように、旋回部材３１２に結合する円筒部材３４０を含む。

第２の駆動モータ３２６は、第２の軸Ａ_２の周りの制御アーム３０４の垂直部材３１４を操作し、ベース３１０を通って延在する第２の駆動シャフト３４２を含む。第２の駆動シャフト３４２は、第３のケーブル３４６および第４のケーブル３５０に結合された第２のスピンドル３４４を回転させて、プーリアセンブリ３４８の下部プーリ３４８Ａを回転させる。下部プーリ３４８Ａは、下部プーリ３４８Ａの回転に応答して、垂直部材３１４を第２の回転軸Ａ_２の周りで旋回させるように、垂直部材３１４に動作可能に結合されている。

第３の駆動モータ３２８は、支持アーム３１６を操作して、水平部材３１８を第３の軸Ａ_３の周りに旋回させ、ベース３１０を通って延在する第３の駆動シャフト３５２を含む。第３の駆動シャフト３５２は、第５のケーブル３５６および第６のケーブル３５８に結合された第３のスピンドル３５４を回転させて、プーリアセンブリ３４８の上部プーリ３４８Ｂを回転させる。上部プーリ３４８Ｂは、上部プーリ３４８Ｂの回転に応答して、水平部材３１８を第３の軸Ａ_３の周りで旋回させるように、水平部材３１８に動作可能に結合されている。

制御アーム３０４の詳細な説明については、２０１６年６月３日に出願され、「Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｍ ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国仮特許出願第６２／３４５，５３７号を参照されたく、この開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

図５を続けて参照すると、ベース３１０は、それぞれの駆動モータ３２４、３２６、３２８に各々関連付けられているモータエンコーダＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３を含む。第１、第２、および／または第３のエンコーダＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３は、第１の駆動モータ３２４、第２の駆動モータ３２６、または第３の駆動モータ３２８の内部または外部にそれぞれ配置することができる。第１のモータエンコーダＥ_１は、第１の駆動シャフト３３０の姿勢および／または速度を計測するコンピュータ３０８にエンコーダ信号を伝達する。第２のモータエンコーダＥ_２は、第２の駆動シャフト３４２の姿勢および／または速度を計測するコンピュータ３０８にエンコーダ信号を伝達する。第３のモータエンコーダＥ_３は、第３の駆動シャフト３５２の姿勢および／または速度を計測するコンピュータ３０８にエンコーダ信号を伝達する。追加的にまたは代替的に、第１、第２、および第３のモータエンコーダＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３は、制御装置２００と直接通信して、それぞれのエンコーダＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３によって測定されたエンコーダ信号を制御装置２００に伝達してもよい（図１）。位置信号を受信することに応答して、制御装置２００は、それぞれの駆動シャフト３３０、３４２、３５２の対応する姿勢、速度、または回転方向を判定してもよい。

制御アーム３０４の部品または部材、例えば、旋回部材３１２、垂直部材３１４、および／または水平部材３１８の姿勢を正確に判定するために、制御アーム３０４は、制御アーム３０４の第１、第２、および第３の関節Ｊ_１、Ｊ_２、Ｊ_３のそれぞれ１つに各々結合された関節エンコーダＥ_４、Ｅ_５、Ｅ_６（関節エンコーダと総称される）を含む。具体的には、第１の関節エンコーダＥ_４は、第１の関節Ｊ_１の周りのベース３１０および旋回部材３１２の姿勢および／または速度を判定するように構成され、第２の関節エンコーダＥ_５は、第２の関節Ｊ_２の周りの垂直部材３１４および支持アーム３１６の姿勢および／または速度を判定するように構成され、第３の関節エンコーダＥ_６は、第３の関節Ｊ_３の周りを回転する垂直部材３１４および水平部材３１８の姿勢および／または速度を判定するように構成されている。臨床医が入力ハンドル３０２を操作すると、旋回部材３１２、垂直部材３１４、および／または水平部材３１８は、第１、第２、および第３の関節それぞれＪ_１、Ｊ_２、Ｊ_３の周りをそれぞれ回転することができる。

簡潔にするために、本明細書では、旋回部材３１２およびベース３１０の第１の軸Ａ_１の周りの動きのみを詳細に説明する。具体的には、図４および図５を参照して、第１の軸Ａ_１の周りの旋回部材３１２の回転が、本開示に従って説明される。旋回部材３１２が第１の関節Ｊ_１の周りを回転すると、第１の関節エンコーダＥ_４は、エンコーダ信号を制御装置２００に伝達する。エンコーダ信号に応答して、制御装置２００は、旋回部材３１２の姿勢、方向、および／または速度を判定する。

臨床医が入力ハンドル３０２を操作すると、旋回部材３１２は、第１の軸Ａ_１を中心に回転可能であり、その結果、旋回部材に関連付けられた、対応する伝達部品、例えば、円筒部材３４０、回転フランジ３３８、第２のケーブル３３６、第１のケーブル３３４、第１のスピンドル３３２、および第１の駆動シャフト３３０は、旋回部材３１２の回転に応答して回転して、第１の駆動モータ３２４を逆駆動することができる。伝達部品が回転すると、伝達装置の伸展性、例えば、結束、固縛、および／または圧縮などの伝達部品の弾性変形は、入力ハンドル３０２からの入力に応答して第１の駆動モータ３２４の逆駆動を遅らせる場合がある。第１の駆動モータ３２４の逆駆動の遅延は、第１の駆動モータ３２４と関節Ｊ_１との間の位置誤差をもたらし得る。位置誤差は、第１のモータエンコーダＥ_１から送信されたエンコーダ信号と関節エンコーダＥ_４との間の差を計算することによって測定することができる

図６を参照して、臨床医が制御アーム３０４によって支持された入力ハンドル３０２の姿勢を操作すると、旋回部材３１２は、第１の軸Ａ_１の周りでベース３１０に対して回転する。旋回部材３１２および第１の関節Ｊ_１の周りのベース３１０の姿勢は、エンコーダ信号をコンピュータ３０８に伝達する第１の関節エンコーダＥ_４によって測定される。図示のように、入力ハンドル３０２の移動に応答する第１の駆動モータ３２４の回転は、伝達部品の伸展性に起因して遅れる。この遅延は、時間Ｔ_０と時間Ｔ_１との間で発生し、第１の駆動モータ３２４が旋回部材３１２の動きに応答して動く前に、旋回部材３１２が第１の関節Ｊ_１の周りを移動する距離として定義されるオフセット距離という結果になる。

オフセット距離は、制御アーム３０４の初期のまたは周期的な較正中に測定可能な所定の距離であってもよい。例えば、ディスプレイ３０６は、臨床医に制御アーム３０４を１つ以上の姿勢に動かすよう促し、コントローラ２００は、第１の関節エンコーダＥ_４および第１のモータエンコーダＥ_１からの位置データを測定することができる。制御装置２００は、第１の関節エンコーダＥ_４および第１のモータエンコーダＥ_１からのエンコーダ信号を受信することに応答して、所望の姿勢への第１の軸Ａ_１の周りの入力ハンドル３０２の移動に関連付けられたオフセット距離を計算する。追加的にまたは代替的に、制御装置２００は、入力ハンドル３０２を第１の軸Ａ_１の周りで、ある姿勢に移動するために、制御信号を第１の駆動モータ３２４に送信してもよい。入力ハンドル３０２を所望の姿勢に移動することに応答して、制御装置２００は、第１の駆動モータ３２４に対する第１の関節Ｊ_１の周りの旋回部材３１２およびベース３１０の動きに関連付けられたオフセット距離を計算する。

具体的には、臨床医による入力ハンドル３０２の操作に応答して、制御装置２００は、旋回部材３１２およびベース３１０に対する第１の駆動モータ３２４の位置をより正確に判定し、臨床医が第１の駆動モータ３２４の位置を調整するために入力ハンドル３０２を作業空間「Ｗ」の周りに移動すると、制御信号を伝達することができる。旋回部材３１２およびベース３１０に対するモータの位置のこの調整により、伝達部品の伸展性が修正される。

図７を参照すると、本開示に従って、伝達部品の摩擦を補償する方法４００が説明されている。伝達摩擦は、伝達部品の回転に関連する摩擦として定義される。最初に、制御装置２００は、関節エンコーダＥ_４から第１の位置情報を受信し（ステップ４０２）、第１の関節Ｊ_１におけるベース３１０に対する旋回部材３１２の第１の方向および第１の速度を計算する（ステップ４０４）。関節Ｊ_１におけるベース３１０に対する旋回部材３１２の第１の方向および第１の速度を計算した後、制御装置２００は、伝達部品の摩擦を補償するために第１の駆動モータ３２４を回転させる制御信号を伝達する。具体的には、制御信号に応答して、第１の駆動モータ３２４は、旋回部材３１２が、第１の関節Ｊ_１でベース３１０に対して動いている方向に力を付加して、伝達部品の推定摩擦または伝達摩擦を克服する（ステップ４０６）。

具体的には、方法４００は、入力ハンドル３０２および制御アーム３０４の移動方向を変更するときに外科医が感じる摩擦を最小限に抑えるのに役立つ。第１のモータエンコーダＥ_１のみを使用した場合、外科医は、入力ハンドル３０２および／または制御アーム３０４の移動方向を変更するときに、入力ハンドル３０２および制御アーム３０４に最大レベルの摩擦を感じるため、それらの摩擦が正から負、負から正になるために、関節および駆動列はすべて移動していなければならない。しかしながら、本開示および方法４００に従って観察および／または測定された時間および摩擦は、関節エンコーダＥ_４の方向の変化を測定し、監視することによって、第１のモータエンコーダＥ_１の時間および摩擦と比較して低減される。

制御装置２００が制御信号を伝達して推定摩擦を克服した後、制御装置２００は、関節エンコーダＥ_４から第２の位置情報を受信する（ステップ４０８）。第２の位置情報を受信することに応答して、制御装置２００は、第１の関節Ｊ_１におけるベース３１０に対する旋回部材３１２の第２の方向および第２の速度を計算する（ステップ４１０）。制御装置２００が、第２の方向が第１の方向と同じであると判定したとき（ステップ４１２）、制御装置２００は、制御信号を第１の駆動モータ３２４に伝達して、第１の駆動モータ３２４を第２の速度で入力ハンドル３０２に動作可能に結合する伝達部品の回転に関連する推定摩擦を克服する（ステップ４１６）。第１の速度および／または第２の速度がゼロに等しいとき、推定摩擦を克服するために制御装置２００によって伝達される制御信号は、第１の駆動モータ３２４を回転させないことが理解されるであろう。

引き続き図７を参照すると、制御装置２００が、第１の方向と第２の方向が異なると判定したとき（ステップ４１２）、制御装置２００は、制御信号を伝達して、第１の駆動モータ３２４を第２の方向に所定の距離だけ回転させる（ステップ４１４）。所定の距離は、制御アーム３０４の初期のまたは周期的な較正中に測定されたオフセット距離に等しい距離であってもよい（図６）。第１の駆動モータ３２４の第２の方向への回転は、第１の駆動モータ３２４と、旋回部材３１２と、ベース３１０との間の位置誤差を低減または排除し、位置誤差は、そうでなければ伝達部品の伸展性の結果として存在し得る。伸展性に起因する位置誤差を低減または排除することによって、制御装置２００によって送信される制御信号は、伝達摩擦を克服するために第１の駆動モータ３２４による力のより正確な付加を可能にする。その結果、臨床医は、入力ハンドル３０２が、その他の点で伝達摩擦によるものよりも応答性が良いように感じることができる。

図８を参照すると、本開示に従って、位置オフセットを補償する方法が説明されている。最初に、制御装置２００は、関節エンコーダＥ_４から第１の位置情報を受信する（ステップ５０２）。それに応答して、制御装置２００は、第１の関節Ｊ_１の周りのベース３１０に対する旋回部材３１２の第１の方向を計算する。制御装置２００は、その後、関節エンコーダＥ_４から第２の位置情報を受信し（ステップ５０６）、第１の関節Ｊ_１に関連付けられた制御アーム３０４の部材の第２の方向を計算する。制御装置２００が、第１の方向と第２の方向が異なると判定した場合（ステップ５１０）、制御装置２００は、制御信号を伝達して、第１の駆動モータ３２４を第１の方向に所定の距離だけ回転させる（ステップ５１２）。所定の距離は、オフセット距離に等しい距離であってもよい（図６）。第１の駆動モータ３２４を第１の方向に所定の距離だけ回転させることによって、その後、臨床医が入力ハンドル３０２を操作し、第１の駆動モータ３２４を逆駆動すると、第１の駆動モータ３２４による力フィードバックの付加がほぼ瞬時に付加され、それにより、力フィードバックのより正確な付加が可能になる。具体的には、入力ハンドル３０２への力フィードバックの付加は、伝達部品の伸展性に起因して遅れることはない。

伝達部品の摩擦を補償する方法４００および位置オフセットを補償する方法５００は、第１の回転軸Ａ_１に沿ったベース３１０に関する旋回部材３１２の動きに関して説明されてきたが、本開示は、特定された部品に限定されるとみなされるべきではない。方法４００、５００は、第２の回転軸Ａ_２の周りの旋回部材３１２に対する垂直部材３１４および支持アーム３１６の動きにも適用され得ることが理解されるであろう。加えて、方法４００、５００は、第３の回転軸Ａ_３の周りの垂直部材３１４に対する水平部材３１８の動きに適用され得ることが理解されるであろう。

開示された実施形態は、手術ロボット１００の外部の制御装置２００の場所を企図しているが、制御装置２００は、制御アーム３０４内に位置付けられ得る、あるいはロボット手術システム１の要素は、制御装置２００とは無関係に、記載されたエンコーダ測定および計算を実行する回路を含み得ると考えられる。

上に詳述したように、コンソール３００は、外科手技を患者に行う手術ロボット１００と動作可能に通信するが、コンソール３００は、手術シミュレータ（図示せず）と動作可能に通信して、手術ロボットおよび／またはツールを、シミュレートされた環境で仮想的に作動させることができることが想定される。例えば、ロボット手術システム１は、コンソール３００が手術ロボット１００を作動させるように結合される第１のモードと、ディスプレイ３０６が手術シミュレータに結合されてロボット手術システムを仮想的に作動させる第２のモードと、を有することができる。手術シミュレータは、スタンドアロンユニットであっても、または制御装置２００内に組み込まれてもよい。手術シミュレータは、コンソール３００とのインターフェースをとる臨床医に、視覚、聴覚、力、および／または触覚フィードバックを臨床医に対してコンソール３００を通じて行うことにより仮想的に応答する。例えば、臨床医が入力ハンドル３０２とのインターフェースをとると、手術シミュレータは、組織に仮想的に作用する担当ツールを移動させる。手術シミュレータにより臨床医が、外科手技を患者に行う前に、外科手技を施すことができるようにすることが想定される。加えて、外科用シミュレータを使用して、外科手技に関して臨床医を訓練することができる。さらに、手術シミュレータは、「合併症」を、提案した外科手技中にシミュレートして臨床医が、外科手技を計画することができるようにする。

加えて、本出願では、制御アームの部材を、一般に伝達部品を通じて入力ハンドルが受ける力を受け取り、かつ伝搬するものを指すが、制御アームの特定された部材は、例示のみを目的として特定されており、本開示を限定することを意図したものではない。そのため、制御アームの部材は、一般に、制御アーム３０４の上で臨床医が付加する力を受けることができる制御アーム３０４の部品であると理解されるべきである。同様に、特定された伝達部品は、例示のみを目的として特定されており、本開示を限定することを意図したものではない。したがって、伝達部品は、概して、入力部品の部材が受け取った力を第１、第２、および／または第３の駆動モータ３２４、３２６、３２８に伝播する部品であると理解されるべきである。

本開示に記載されるシステムおよび方法は、遠隔操作技術を実装するロボット手術システムで実装され得ることが企図される。「遠隔操作」とは一般に、臨床医による遠隔コンソールからの手術システムの操作を指す。例として、遠隔操作は、患者に対する、ロボット手術器具の位置の遠隔調整であってもよい。あるいは、遠隔操作には、ロボット手術器具に、器具が行うことができる１つまたは複数の機能を行わせる個人を含んでもよい。

本開示のいくつかの実施形態が図面に示されているが、本開示は当該技術分野が許容する広い範囲として捉えられるべきであり、本明細書も同様に読み取られるべきであると考えられるので、本開示はこれらの実施形態に限定されるものではないことが意図される。上記の実施形態の任意の組み合わせもまた想定され、これらは、添付の特許請求の範囲内である。したがって、上記の説明は、限定として解釈されるべきではなく、特定の実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者は本明細書に添付される特許請求の範囲内での他の修正を想定するであろう。

Claims (16)

1. ロボット手術システムの制御アームであって、
   第１の関節の周りに支持されている部材と、
   前記部材に動作可能に結合され、前記第１の関節の周りの前記部材を回転させるように構成されている駆動モータと、
   前記第１の関節の周りに配置されている第１の関節エンコーダであって、前記第１の関節の周りの前記部材の姿勢を示す位置信号を伝達するように構成されている、第１の関節エンコーダと、
   前記第１の関節エンコーダからの位置信号を受信することに応答して、制御信号を伝達するように構成されている制御装置と、を備える、制御アーム。
2. 前記部材を前記駆動モータに結合するために、前記駆動モータと前記第１の関節との間に配置されている伝達部品をさらに備える、請求項１に記載の制御アーム。
3. 前記制御装置が、前記第１の関節の周りの前記部材を動かす前記伝達部品に関連する摩擦を克服するために、制御信号を伝達するように構成されている、請求項２に記載の制御アーム。
4. モータの位置信号を前記制御装置に伝達するように構成されたモータエンコーダをさらに備える、請求項３に記載の制御アーム。
5. 前記駆動モータが、第２の関節で前記伝達部品に結合される、請求項４に記載の制御アーム。
6. 前記モータエンコーダが、前記第２の関節で前記駆動モータに結合される、請求項５に記載の制御アーム。
7. 前記制御装置が、前記第１の関節の周りで動く前記部材の方向を計算するように構成されている、請求項１に記載の制御アーム。
8. 前記制御装置が、前記第１の関節の周りで動く前記部材の前記方向を計算することに応答して、伝達摩擦を克服する制御信号を生成するように構成されている、請求項７に記載の制御アーム。
9. 前記制御装置が、前記第１の関節の周りで動く前記部材の速度を計算するように構成されている、請求項７に記載の制御アーム。
10. 前記制御装置が、前記第１の関節の周りの前記部材の前記方向および前記速度を計算することに応答して、伝達摩擦を克服する制御信号を生成するように構成されている、請求項９に記載の制御アーム。
11. 伝達部品の摩擦を補償する方法であって、
    第１の関節の周りで動く部材の第１の位置情報を前記第１の関節の周りに配置された関節エンコーダから受信することであって、前記部材が、伝達部品によって前記第１の関節で駆動モータに結合されている、受信することと、
    前記第１の位置情報を受信することに応答して、前記部材の第１の方向および第１の速度を計算することと、
    前記部材の動きと協働して前記伝達部品に関連付けられた伝達摩擦を克服するために、制御信号を前記駆動モータに伝達することと、を含む、方法。
12. 前記部材が前記第１の関節の周りで動くことに応答して、前記関節エンコーダから第２の位置情報を受信することと、
    前記第１の関節の周りで動く前記部材の第２の方向および第２の速度を計算することと、
    前記第１の方向を前記第２の方向と比較することと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の方向が前記第２の方向と異なるときに、前記駆動モータを前記第２の方向に所定の距離だけ移動させるために制御信号を伝達することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 部材と駆動モータとの間の位置オフセットを補償する方法であって、
    第１の関節の周りに配置された第１の関節エンコーダから第１の位置情報を受信することであって、前記第１の関節が、部材を駆動モータに動作可能に結合する、受信することと、
    前記第１の関節の周りの前記部材の第１の移動方向を計算することと、
    前記第１の関節エンコーダから第２の位置情報を受信することと、
    前記第１の関節の周りの前記部材の第２の移動方向を計算ことと、
    前記第１の移動方向を前記第２の移動方向と比較することと、
    前記第１の移動方向が前記第２の移動方向と異なるときに、前記駆動モータを前記第１の移動方向に所定の距離だけ移動させるために制御信号を伝達することと、を含む、方法。
15. 制御信号を伝達することが、前記駆動モータを前記第１の移動方向に前記所定の距離だけ回転させることを含み、前記駆動モータは、第２の関節で伝達部品に結合されている、請求項１４に記載の方法。
16. 制御信号を伝達することが、前記駆動モータを前記所定の距離だけ回転させることを含み、前記所定の距離は、オフセット距離に等しい、請求項１４に記載の方法。