JP5444209B2 - フレームマッピングおよびフォースフィードバックの方法、装置およびシステム - Google Patents

Description

関係出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み入れてある、２００７年４月１６日出願の米国特許仮出願整理番号６０／９１２１４４号の優先権を主張するものである。
本発明の方法、装置およびシステムがそれに関係する処理手順において使用することのできる手術ロボットの一例が、参照により本明細書に組み入れてある、米国特許第７１５５３１６号に開示されている。

本発明の方法、装置およびシステムは、全体的には手術ロボット技術の分野に関係し、より具体的には、スレーブマニピュレータの実際の位置および方位に関係なく、スレーブマニピュレータの表示位置がオペレータに対して直感的にわかるように、スレーブマニピュレータの動きをディスプレイを介してオペレータに提示することのできるやり方で、オペレータがマスターマニピュレータを制御することによって、スレーブマニピュレータの動きを制御するための技法に関係する。本発明の方法、装置およびシステムは、また、フォースフィードバックシステムに関する。

広義においては、本発明の技法は、オペレータによってマスターマニピュレータまたは制御装置を介して指令されるときに、スレーブマニピュレータ（例えば、特許文献１（３１６特許）に開示されているロボットアームなどの多自由度を有するロボットアーム）の動きを、以下のように制御することに関係する。

オペレータが、ディスプレイを介してスレーブマニピュレータの実際の動きを目視しながら、マスターマニピュレータを操作することによって、スレーブマニピュレータに動くように指令する場合には、マスターマニピュレータの実際の位置および方位に対するスレーブマニピュレータの実際の位置および方位に関係なく、オペレータに対するその動きの表示が直感的にわかるように、スレーブマニピュレータが動き、スレーブマニピュレータの位置および方位は、任意の時間においてマスターマニピュレータの位置および方位と独立であり、ディスプレイは、表示される情報のある実際の場所に対応しない場所にある（例えば、オペレータは、（他の部屋にある）スレーブマニピュレータの隣の別の部屋に設置されたステレオカメラシステムを使用して撮られた、スレーブマニピュレータのステレオ表示を介して、スレーブマニピュレータを目視する）。

スレーブマニピュレータの動きをこのような方法で制御すると、オペレータおよび／またはオペレータが操作しているマスターマニピュレータに対するスレーブマニピュレータの実際の位置および方位に関係なく、スレーブマニピュレータの動きに対する直感的な感覚を、オペレータに与える。例えば、器具（例えば、手術用ツール）を保持するスレーブマニピュレータ（または、複数のマスターマニピュレータがある場合には、複数のスレーブマニピュレータ）が、表示される画像（複数を含む）を撮る実際の顕微鏡の下でオペレータがツールを保持しているかのごとく、同じ相対位置および方位において、オペレータに見える。

すなわち、本発明の技法の一部の態様は、少なくとも１つの医療用ロボットアームに使用するように構成された制御システムに具現化され、この制御システムは、少なくとも次のことを実行するように構成される。すなわち、医療用ロボットアームのツールの計算による動きを決定し、この場合に、計算による動きの決定は、ユーザからの入力を提供する制御装置から受け取る入力値に基づくとともに、計算による動きはツールの方位と、観測者基準構造の方位とに基づく観測者座標系で表わされること；および計算による動きに応じて医療用ロボットアームを動かす操作信号を出力することである。操作信号は、医療用ロボットアームを適切に動かすのに十分な情報を含む、任意好適な形式のデータであればよい。例えば、操作信号は、制御システムによって医療ロボットアームの局所コントローラに出力されるか、または直接、個々の関節アクチュエータに出力される、一組の関節変位および／または関節速度を表わしてもよい。

本発明の技法は、直感的にわかる方法で、オペレータにフォースフィードバック（force feedback）を提供することにも関する。フォースフィードバックは、スレーブマニピュレータにおいて測定される実際の力（ツール先端の力など）から、またはオペレータがプログラムすることができるか、またはスレーブマニピュレータの関節における（速度制限および関節角度制限を含む）制限の結果として存在する、仮想の力から、または実際の力と仮想の力の組合せから導出してもよい。実際の力は、手術用ツールを力センサとフレキシブル連結器を介してエンドエフェクタに結合することによってツール先端の力を測定するように構成されたスレーブマニピュレータによって測定してもよい。

フレキシブル連結器は、ツール先端力に、力センサを迂回する荷重経路を与えることなく、手術用ツールの操作を容易にすることができる。例えば、フレキシブル連結器は、その中心軸まわりの回転以外のすべての方向において順応性（compliant）をもたせて、それによって、ツール先端の力のいずれの成分をも（例えば、ロボットアームのエンドエフェクタを介して）ロボットアームに伝達しないように構成してもよい。結果的に、所与のツール先端力の全部が、力センサを介して作用する力によってバランスさせることができ、力センサにより測定される値から、そのツール先端力の計算を達成することができる。

本発明の方法、装置（例えば、コンピュータ可読媒体）、およびシステム（例えば、制御システムなどのコンピュータシステム）のいずれの態様も、前記の機能、ステップ、および／または特徴を備える（comprise/include/contain/have）のではなく、それらからなる（consist of）か、または本質的にそれらからなる（consist essentially of）としてもよい。すなわち、いずれの請求項においても、「consist of」または「consist essentially of」という語句を、所与の請求項の範囲を、オープンエンド形連結動詞を使用してそうしない場合の範囲から変更するために、上記のオープンエンド形連結動詞のいずれによって代用してもよい。

以下の図面は、限定としてではなく、例として示される。同一の参照数字は、必ずしも同一の構造、システム、または表示を示すものではない。むしろ、同一の参照数字は、類似の特徴または類似の機能を備える特徴を示すのに使用される。図を分かり易くするために、各態様のすべての特徴が、その態様が表われるすべての図に常に示されるわけではない。図に示されるコントーラ装置、マニピュレータ、およびツールは、縮尺通りに描かれており、記述された要素の寸法が、互いに相対的に正確であることを意味している。

図１は、本発明の態様での使用に好適な医療用ロボットシステムの斜視図である。 図２は、図１のロボットシステムの概略図である。本発明の態様に関係するいくつかの座標系。 図３は、図１のロボットシステムを制御するために、リモートオペレータが使用することのできる、ワークステーションを示す斜視図である。コントローラ装置座標系も図示されている。 図４は、図１のロボットシステムを制御するのに使用することのできる、（ハンドコントローラとして示されている）コントローラ装置ならびに関連する座標系の斜視図である。 図５は、観測者基準構造に対する場所を図示する概略図である。 図６は、本発明の態様に関係する、いくつかの座標系を示す概略図である。 図７は、観測者座標系の位置合せを図示する、本発明の態様での使用に好適な医療用ロボットアームの透視図である。

図８は、対応する観測者座標系の位置合せを示す、本発明の態様での使用に好適な、２本腕医療用ロボットシステムの上面図である。 図９は、観測者座標系の位置合せを示す、本発明の態様での使用に好適な医療用ロボットアームの上面図である。 図１０は、観測者座標系の位置合せを示す、本発明の態様での使用に好適な医療用ロボットアームの上面図である。 図１１は、本発明の態様での使用に好適な医療用ロボットアームのエンドエフェクタの側面図、上面図および端面図である。エンドエフェクタは、ツールを保持している。 図１２は、エンドエフェクタに結合されているセンサによって測定される、ツール先端の力を示す、図１１のエンドエフェクタの側面図である。 図１３は、図１１のエンドエフェクタの分解組立図である。 図１４は、本発明の方法、装置、およびシステムでの使用に好適な、オーバヘッドカメラおよび医療用ロボットアームの典型的な配置を示す図である。

用語「comprise」（および、「comprises」や「comprising」などのcompriseのすべての形態）、「have」（および「has」や「having」などのhaveのすべての形態）、「include」（および「includes」や「including」などのincludeのすべての形態）および「contain」（および「contains」や「containing」などのcontainのすべての形態）は、オープンエンド形連結動詞である。すなわち、あるステップを含む方法は、少なくとも記載のステップを含むが、その記載のステップだけを有することに限定はされない。

同様に、あるステップを実行するためのマシン可読命令を含む（comprising）コンピュータ可読媒体は、少なくとも記載のステップを実施するためのマシン可読命令を有するが、追加の不記載のステップを実施するためのマシン可読命令を有する媒体をも範囲に含む、コンピュータ可読媒体である。さらに、少なくともある機能を実行するように構成されたコンピュータシステムは、記載の機能だけを実行することに限定されるものではなく、システムが記載の機能を実行するように構成されている限り、明記されていない方法、または複数の方法で構成されてもよい。

用語「a」および「an」は、本明細書では、そうではないと明白に断らない限りは、１つまたは２つ以上と定義される。用語「another」は、少なくとも第２の、または２つ以上と定義される。
一部の態様においては、特許文献１（３１６特許）に開示されるもののような手術ロボットは、顕微鏡から見た手術シーンの画像を示す仮想顕微鏡ディスプレイを使用するオペレータによって、制御が可能である。オペレータは、そのシーンにおいて、仮想顕微鏡視界と整合して位置している、２つのハンドコントローラを使用して、マニピュレータ（ロボットのロボットアーム）を制御する。その効果は、仮想顕微鏡視界において手術用ツールを保持するマニピュレータが、外科医が実際の顕微鏡下で手術用ツールを保持しているかのような同じ相対位置と方位において、オペレータに見えることである。

そのような態様においては、外科医による、所与のマニピュレータの直感的な制御を達成するために、マニピュレータは、オペレータ入力に対して、外科医（オペレータ）がその手で行う動きを模倣する方向に応答しなくてはならない。外科医が、その手を自分の体から遠ざかる方向に押した場合には、その外科医は、顕微鏡視界におけるマニピュレータも、同じ視覚的方向に離れて行くことを期待するであろう。視覚的観点は、マニピュレータ上のいかなる物理基準フレームに対しても直接はマッピングされないので、仮想観測者基準フレームを作成して、オペレータが期待するものを、マニピュレータが実行するものの中にマッピングする。この基準フレームマッピングによって、ツールの動きをオペレータに対して直感的にわかるように維持しながら、ハンドコントローラスタイラスおよび手術用ツールを、独立して配向させることができる。

直感的マッピングを作成する目標には次のものがある：（ａ）ユーザに、まっすぐ近づくか、または遠ざかるスタイラスの動きから、処置を行う間、ロボットアームがそれに結合されている基台（ロボットベースとも呼ばれる）にまっすぐ近づくか、またはそれから遠ざかるツールの動きを発生させること、および（ｂ）スタイラスの軸に沿った方向のスタイラスの動きから、ツールの軸に沿ったツールの動きを発生させることである。本発明のフレームマッピングを達成するのに使用することのできる、変換方式の決定は、参照により組み入れてある同時係属の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／６０５３８に開示されている位置決め方法によることを含め、任意好適な方法によって行うことができる。

そのような態様においては、ロボットベースから遠ざかる方向を常に指すとともに、仮想顕微鏡フレームにおいてオペレータに対して、オペレータからまっすぐに遠ざかる方向を指すように見える正方向Ｘ軸を、仮想観測者フレームは有する。ハンドコントローラ基準フレームの正方向Ｚ軸は、スタイラスの後端から先端へと、ハンドコントローラスタイラス軸に沿った方向にある。ツールの正方向Ｚ軸は、ツールホルダから先端に向かうツール軸に沿っており、したがって、スタイラスのＺ軸にだけ沿う動きは、ツールのＺ軸にだけ沿った動きを生成する。

そのような態様においては、仮想観測者フレーム基準軸「Ｘ」は、オペレータから遠ざかる方向を常に指すように定義され、この軸は、オペレータに示される顕微鏡画像の下部から上部へ向かう方向として、位置づけられる。実際上は、観測者フレームは、マニピュレータエンドエフェクタ上のツール軸と整列された仮想フレームであり、次の特徴を有する：「Ｚ」は、ハンドコントローラ上のスタイラス軸にマッピングされて、ツールの長さ方向に沿って定義され；「Ｘ」は、上述のようにマッピングされて、ツール先端において、上から見たときのその軸の投影が、顕微鏡視界のＸ軸と常に整列するように定義され；「Ｙ」軸は、座標フレームの右手の法則から決まる。

したがって、この仮想観測者フレームは、ツール先端フレームであるが、ツールＸ軸のロボットベースＸ−Ｙ平面上への投影が、ロボットベースＸ軸と整列するように、ツールＺ軸の回りに回転されている。マニピュレータの動きに伴って、この仮想観測者フレームは、Ｘ軸を顕微鏡カメラＸ軸と整列させたままに維持するために、常時ではないとしても、頻繁に更新される。このフレームは、ツールおよびマニピュレータの方位、またはツールフレームの方位とは独立である。その結果、カメラ観測者フレームにおけるＸおよびＹのハンドコントローラ指令は、顕微鏡カメラ画像内で見られるときに、常に意図するＸおよびＹの動きを生じ、スタイラスのＺ移動は、常にツール軸に沿っていることになる。

１．０ 観測者フレームマッピング
以下の説明は、特許文献１（３１６特許）に開示されているタイプの手術ロボットでの使用に好適な、本発明のフレームマッピング技法の態様を実施する方法の一例に関する。
図１は、本発明のフレームマッピング技法での使用に好適なロボットシステムを示す。医療用ロボットアーム１００および第２の医療用ロボットアーム１０１が共通ベースである、システムべース１０に装着されている。各ロボットアームは、医療（例えば、外科）処置に好適な（計器としても特徴づけることもできる）ツールを有してもよい。

図２は、本発明の態様に関係するいくつかの座標系を示している。観測者基準構造２００は、（例えば医療処置の持続期間の間、）リモートオペレータに提示される画像の方位に固定されたままとなる、任意の構造とすることができる。すなわち、オペレータに医療処置の間に使用される画像を提供するオーバヘッドカメラに対して固定されている任意の構造が、観測者基準構造２００としての役割を果たすことができる。図１および図２に示された態様においては、システムベース１０は、カメラ２１の方位に対して固定されたままとなり、したがって観測者基準構造２００として好適である。図１４は、医療用ロボットアーム１００によって実施される処置を受ける患者の上方に設置されたオーバヘッドカメラ２１を示しており、これはステレオ視カメラであってもよい。その他の好適な観測者基準構造２００としては、オーバヘッドカメラ２１およびオーバヘッドカメラ２１に取り付けられた構造があげられる。

基準構造座標系２１０の方位は、観測者基準構造２００の方位に固定されるとともに、その座標系が概して水平であって、外科処置が行われる患者の領域を指す方向に向いているＸ軸を有するように、選択される。この対象領域は、外科処置の間、観測者基準構造２００に対して場所が概して固定されたままとなる。そのような方位によって、基準構造座標系２１０のＸ軸と、オーバヘッドカメラによってオペレータに提示される画像との間の相関が得られる。この方位の選択は、基準構造座標系２１０が画像の垂直軸と対応して、＋Ｘ方向が画像の上部を指すようにされる。Ｚ軸は、上方を指すように選択され、結果として得られるＹ軸方向は、右手座標系の慣用規則に従う。

観測者座標系２５０の方位は、ツール４００の方位および観測者基準構造２００の方位から決定される。一部の態様においては、観測者座標系２５０のＺ軸は、ツール４００のツール軸４６０に整列し、観測者座標系２５０のＸ軸は、基準構造座標系２１０のＸ−Ｙ平面におけるその投影が、基準構造座標系２１０のＸ軸に平行であり、かつ同一方向を指すように整列される。図６は観測者座標系２５０を示しており、この座標系は、（１）ツール軸４６０と整列されたＺ軸、および（２）基準構造座標系２１０のＸ軸に対して平行であるとともに、同一方向を指す基準構造座標系２１０のＸ−Ｙ平面における投影２６９を有するＸ軸、を有するように方位を決められている。結果として得られる観測者座標系２５０のＹ軸方向は、右手座標系の慣用規則に従う。図７〜図１１は、観測者座標系２５０の整列をさらに示す。図１１は、医療用ロボットアームのエンドエフェクタ１１０、ツール４００、ツール軸４６０、およびツール軸４６０に整列された軸２６０を有する座標系２５０の、側面図、上面図および端面図を示す。

顕微鏡外科処置においての使用に好適なロボットアームのような、同時に作動する複数のロボットアームを含むシステムにおいては、各ロボットアームは固有の観測者座標系を有し、各観測者座標系の方位は、観測者基準構造の方位およびそれぞれのロボットアームのツールの方位に依存する。一部の態様においては、複数の観測者座標系は方位が変わることがあるが、そのすべてのものが、基準構造座標系のＸ−Ｙ平面におけるその投影が、基準構造座標系のＸ軸と平行であり、かつそれと同一方向を指すように整列された、それぞれの観測者座標系のＸ軸を有することになる。

図８は２本腕構成（医療用ロボットアーム１００および第２の医療用ロボットアーム１０１）を示しており、この構成は以下を有する：（１）ツール４００のツール軸４６０に整列された観測者座標系２５０であって、この観測者座標系２５０のＸ軸は、基準構造座標系２１０のＸ−Ｙ平面におけるそのＸ軸の投影が、基準構造座標系２１０のＸ軸と平行であって、かつそれと同一方向を指すように整列されている、および（２）ツール４０１のツール軸４６１に整列された観測者座標系２５１であって、この観測者座標系そのＸ軸は、基準構造座標系２１０のＸ−Ｙ平面におけるそのＸ軸の投影が、基準構造座標系２１０のＸ軸と平行であって、かつそれと同一方向を指すように整列されている。

図３は、リモートオペレータが、医療用ロボットアーム１００および第２の医療用ロボットアーム１０１の一部の態様を制御する上で好適な、ワークステーションを示す。ビデオカメラ、磁気共鳴撮像システム、またはその他のデータ提示システムからの情報を目視するために、複数のビデオモニタがオペレータに対して利用可能である。視界装置（viewing instrument）２２は、オーバヘッドステレオカメラからの高解像度画像を提供してもよい。一部の態様においては、視界装置２２は、双眼顕微鏡である。コントローラ装置３００および第２のコントローラ装置３０１は、医療用ロボットアーム１００および第２の医療用ロボットアーム１０１のそれぞれに対して、所望する挙動のユーザ入力を与える。各コントローラ装置は、コントローラ装置座標系（３５０、３５１）と対応している。

図４は、コントローラ装置３００および第２のコントローラ装置３０１の一態様の別の視野を示す。コントローラ装置座標系３５０のＺ軸は、観測者座標系２５０のＺ軸がツール４００のツール軸４６０と整列されていたのと同様に、コントローラ装置３００の垂直軸と整列されている。＋Ｘ軸は、オペレータから遠ざかる方向を指すように整列されており、Ｙ軸の方位は、右手座標系の慣用規則に従う。このコントローラ装置座標系３５０の整列によって、ワークステーションにおけるオペレータの視点から見た、コントローラ装置座標系３５０のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が、観測者基準構造から見た観測者座標系２５０のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対して同一の方位となる（図６を参照）。観測者座標系２５０は、視界装置２２に表示される対象領域の画像を提供するオーバヘッドカメラの方位に固定されているので、コントローラ装置座標系３５０のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、オペレータが対象領域を目視するときにオペレータに見える方向と直感的に関係している。

したがって、コントローラ装置座標系３５０において表わされたコントローラ装置３００への入力信号は、観測者座標系２５０において表わされたツールの計算による動きに直接、マッピングすることができ、生成された動きは、オペレータに対して直感的にわかるものとなる。例えば、オペレータがコントローラ装置３００をオペレータの体から遠ざかる方向に動かすことによって生成される、コントローラ装置座標系３５０のＸ軸における（任意単位の）＋２の動きは、観測者座標系２５０のＸ方向における（同一単位での）＋２の、ツール４００の計算による動きに直接、マッピングすることができる。

逆キネマティクス問題を解いた後に、適当な制御信号を出力して、ロボットアーム１００を作動させて、観測者基準構造２００からまっすぐに遠ざかる方向のツール４００の動きを得ることができる。この動きは、視界装置２２上では、オペレータに対して、スクリーンの上部に向かうツール４００の動きとして現れ、コントローラ装置のオペレータの動きとよく一致することになる。一部の態様では、同じ方向を維持しながら、計算による動きの絶対値を拡大縮小してもよい（例えば、上記の例において、観測者座標系２５０のＸ方向における＋２の代わりに＋１の、ツール４００の計算による動きにマッピングする）。

図５は、本発明の技法の態様の観測者座標系およびコントローラ装置座標系の使用により得られる直感的な関係を説明している。一部の態様においては、観測者基準構造は、それが主外科医であるかのように、患者の近くに配置される。補助外科医の配置は、人間の主外科医がいる場合に行われるのと同様にすることができる。リモートワークステーションからロボットシステムを制御するオペレータは、手でツールを操作して、双眼鏡を通して対象領域を目視している、人間の外科医と同じ眺望が提示され、この双眼鏡は、顕微鏡ヘッドによって撮像された画像の左右の視界を外科医に提示する。ロボットシステムオペレータは、コントローラ装置を通して、ロボットのツールを、あたかもそれがオペレータのすぐ前にあるツールであるかのように操作し、（人間の外科医の顕微鏡によって撮像される視界に対応する、）ステレオカメラによって撮像される左右の視界を提示する双眼顕微鏡を通して対象領域を目視する。

２．０ フォースフィードバックに使用される観測者フレームマッピング
前述した座標系の決定は、直感的にわかる方法でオペレータに対してフォースフィードバックを提供する上でも有用である。一部の態様においては、典型的にはセンサの装着方位と関連するセンサ座標系において測定される、測定による力を、観測者座標系の数式に変換して、次いでそれをコントローラ装置座標系にマッピングしてもよい。測定による力を、仮想の力と組み合わせてもよく、この仮想の力は、オペレータに追加の情報を提供し、例えば、仮想衝突、関節制限（joint limits）および動きの逸脱源（motion divergence sources）に基づいてもよい。

この制御システムは、ロボットアーム、ツール、およびオペレータフォースフィードバックに関係するその他の構造の３次元モデルを含むように構成してもよい。一部の態様においては、ツール同士の衝突は許容するが、その他の衝突を禁止してもよい。意図する動きが、モデル同士の衝突を引き起こすことになる場合には、マニピュレータの動きが一時停止されて、コントローラ装置に対して、指令による動きの反対の方向にフィードバックの力がフィードバックされる。衝突検出アルゴリズムについては、当該技術においてよく知られており、衝突回避限界を決定するために、これらのアルゴリズムを使用することは、当業者には理解されるであろう。コントローラ装置にかけられるフィードバック力は、衝突回避限界により指令される距離に比例させてもよい。物理的な構造とは関連しない、追加の除外限界をモデル化して、オペレータが入力してもよい。

一部の態様においては、関節制限が衝突と同様な方法で取り扱われる。関節が、関節制限に対して指定された近傍の範囲に入ると、マニピュレータの動きが一時停止されて、コントローラ装置に対して指令による動きと反対の方向に力がフィードバックされる。コントローラ装置にかけられるこのフィードバックの力は、指令された関節角度が限界を超えた分の角度に比例させてもよい。

実際のマニピュレータ位置が、指令された位置から逸脱するか、または遅れるときに、動きの逸脱（motion divergence）が発生する。このことは、指令による動きがマニピュレータのアクチュエータが処理するのに速すぎる場合、または何かがマニピュレータに押し当てられている場合に発生する可能性がある。一部の態様においては、指令された軌道と実際の軌道との間に逸脱が発生するときに、コントローラ装置に対して指令による動きに対して反対の方向に力がフィードバックされる。コントローラ装置にかけられるフィードバック力は、逸脱誤差に比例させてもよい。
一部の態様においては、コントローラ装置に対してかけられるフォースフィードバックは、仮想衝突、関節制限、および動き逸脱源に基づく。それぞれの仮想フォースフィードバック源は、スケーリングして、次いで合計するか、または合計した力をスケーリングしてもよい。制御システムは、非ゼロ値だけを監視し、合計するように構成してもよい。

図１２は、測定によるツール先端力を提供することのできる医療用ロボットアームの一部を示す図である。ツール先端力９０１がツール４００に作用し、その結果として、第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２によって測定可能な力が生じる。ツール４００は、第１のツール保持具１５０および第２のツール保持具１５２によって保持されおり、これらの保持具は、第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２にそれぞれ結合されている。第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２は、エンドエフェクタ１１０に装着されている。また、フレキシブル連結器１３０がエンドエフェクタ１１０に結合されて、エンドエフェクタツール作動歯車１４０を介してツール４００の作動が可能になる。しかしながら、フレキシブル連結器１３０は、その中心軸の回りの回転を除いて、すべての方向に順応するように設計されており、したがって、ツール先端力９０１のいかなる成分をも、エンドエフェクタ１１０に伝達しない。したがって、ツール先端力９０１の全体が、第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２を介して作用する力によってバランスされ、ツール先端力９０１の計算は、第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２により測定される値から行うことができる。

図１３は、分解組立図で示された、図２に示す構成要素を表わす。ある態様においては、第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２は、それぞれが円筒状センサ内部に複数のシリコン歪ゲージを使用する、６軸センサである。第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２は市販の力センサとしてもよいが、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）環境との整合性のために、利用可能な候補が制限されたり、修正を必要とすることがある。測定による力のフィードバックを組み込んだ医療用ロボットアームの一部の態様においては、第１のセンサ１２０および第２のセンサ１２２は、強磁性体をチタンで置き換えることによってＭＲ対応にした、ＡＴＩインダストリアルオートメーション（ＡＴＩ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）社の、Ｎａｎｏ１７力／トルクセンサの修正版である。

一部の態様における測定による力の測定と処理は以下のとおりである。
各力センサは電気信号を出力し、この電気信号は各センサに固有の較正マトリックスを通され、最終出力は、各センサに対する６軸の力およびトルクである。次いで、２つの力センサ出力の座標方位が、Ｘ／Ｙ／Ｚ軸の力が各センサに対して同じ方向を表わすように整列される。コントローラ装置がユーザに対してトルクをフィードバックしない場合には、トルクは無視される。次いで、２つのセンサからの力が、合計実際力を計算するために合計され、この合計実際力はバイアス力、ツールおよび保持具の重力、ツール作動力、およびツール先端力の組合せである。これらの力は、以下のように取り扱われる。

センサにおける（時間経過に対する）ドリフトが原因で、バイアス力が存在することがあり、新規のツールを走査した後に消去してもよい。（ツール交換後に）スタイラスが使用可能にされると、力センサからの力が読み取られて、ゼロに設定される。ツールが方位を変えない場合には、これによって、重力による力も消去されるが、方位の変化にともなって、ツール／保持具にかかる重力による力の成分（Ｘ／Ｙ／Ｚ）が変化して、有害なフォースフィードバックを生じさせることになる。これを避けるために、重力補償が用いられる。初期位置においては、重力による力は、（例えば初期化ファイルからの）ツールの質量と、（ロボットキネマティクスからの）ツールの方位とから既知である。方位が変化するにつれて、計算された重力ベクトルにおける変化を、検知された力に単純に加えて、重力による力が消去される。

（初期化ファイルからの）質量と、（ロボットキネマティクスから）ツールおよび保持具の方位を知ることによって、それらの重力の力が数学的に計算されて消去され、ユーザがツール／保持具の重量を感じないようになり、それによって疲労が最小化されるとともにツール先端力の知覚が最大化される。

本発明の方法の態様は、任意好適なコンピュータ可読媒体（例えば、実体的なコンピュータ可読媒体（tangible computer readable media））に記憶されるソフトウエアとしてコーディングしてもよく、それらの媒体としては、それに限定はされないが、ハードドライブ媒体、光学媒体、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、テープ媒体、カートリッジ媒体、フラッシュメモリ、メモリスティック、および／またはその他を含む、任意好適な形態のメモリまたはデータ記憶装置がある。実体的なコンピュータ可読媒体としては、情報を記憶または転送することのできる、任意の物理的媒体があげられる。そのような態様は、あるステップ（複数を含む）を実行するためのコンピュータ実行可能な（例えばマシン可読の）命令を有する（または命令がコーディングされている）、実体的なコンピュータ可読媒体として特徴づけられる。

「実体的なコンピュータ可読媒体」という用語は、搬送波などの無線伝送媒体を含まない。しかしながら、「コンピュータ可読媒体」の用語は、無線伝送媒体をその範囲に含み、本発明の方法の一部の態様には、上述のコンピュータ可読命令を搬送する無線伝送媒体を含めてもよい。ソフトウエアは、当該技術において知られている任意の技法によって書き込むことができる。例えば、ソフトウエアは、いずれか１つまたは２つ以上のコンピュータ言語（例えば、アッセンブリ（ＡＳＳＥＭＢＬＹ）、パスカル（ＰＡＳＣＡＬ）、フォートラン（ＦＯＲＴＲＡＮ）、ベーシック（ＢＡＳＩＣ）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｐｅｒｌ、Ｐｙｔｈｏｎ）によるか、またはそれに限定はされないが、Ｍａｔｌａｂ（登録商標）、Ｒ、Ｓ−ｐｌｕｓ（登録商標）、およびＳＡＳ（登録商標）などの科学パッケージを使用して書き込むことができる。コードは、それを共通プラットフォーム（例えば、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ（登録商標）ＯＳ Ｘ、Ｕｎｉｘ（登録商標））にコンパイルさせるためのものであってもよい。

ＯｐｅｎＧＬ（登録商標）などのよく確立されたプラットフォーム間ライブラリを利用して、本発明の方法、装置およびシステムを実行してもよい。現代のシングルプロセッサおよびマルチプロセッサベースのハードウエアプラットフォーム上で、計算時間を低減するために、適用可能な場合にはいつでも、マルチスレッディングを使用してもよい。上記で考察し、図に示したように、ソフトウエアには、ソフトウエアを実行するときにユーザにより直感的な感覚を提供することのできる、ＧＵＩを含めてもよい。スクリーンタッチ、マウスおよび／またはキーボードによって異なるフィールドにアクセスしてもよい。ポップアップウィンドウ、音響アラート、または当該技術において知れられている任意その他の技法を介して、アラーム、キュー、その他を行ってもよい。

上記の章で説明したステップの一部（全部までを含む）を、ファームウエアおよび／または実行ソフトウエアでプログラミングされた、プロセッサ（例えば、１つまたは２つ以上の集積回路）を有するコンピュータを使用して実施してもよい。上記の章で説明したステップの一部（全部までを含む）を、コンピュータシステムの一例（例えば制御システム）である、分散コンピューティング環境を使用して実施してもよい。分散コンピューティング環境においては、任意好適な数の接続媒体（例えば、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、またはそれには限定されないが、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、企業内コンピュータネットワーク、イントラネットおよびインターネットを含むその他コンピュータネットワーク）によって接続されたものなど、複数のコンピュータを使用してもよく、コンピュータ間の接続は有線または無線とすることができる。

サーバーおよびユーザ端末は、任意のコンピュータシステムの一部とすることができる。さらに、好適なコンピュータシステムの態様は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または大規模集積（ＶＬＳＩ）回路上に実装してもよく、またさらに（あるいは代替的に）、リソースの仮想化、仮想コンピューティング、および／またはクラウドコンピューティング（cloud computing）を使用して指定された機能を達成するように構成してもよい。実際に、当業者であれば、本開示と整合性のあるコンピュータシステムにおいて上述した機能を達成するために、論理演算を実行することのできる任意の数の好適な構造を利用することができる。

よく知られた処理技法、構成要素および機器の説明は、不必要な詳細さにおいて、本発明の方法、装置およびシステムを不必要に曖昧にしないように、省略されている。本発明の方法、装置およびシステムの説明は、例示的であり、限定的ではない。請求の範囲に含まれるが、本明細書に明白に記載されていない、ある種の置換、修正、追加および／または再配設が、この開示に基づいて、当業者には明白になる。さらに、実動する態様の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、実装毎に変わる、システム関連またはビジネス関連の制約への準拠などの、多数の実装固有の決定を行わなければならないことが、理解されるであろう。そのような開発努力は複雑で時間がかかるが、それでも、本開示の利益を有する当業者には、定型的な業務であろう。

添付の特許請求の範囲は、所与の請求項に「means for」および／または「step for」の語句（複数を含む）を用いて、ミーンズ・プラス・ファンクション（means-plus- function）の限定が明示的に記載されない限り、そのような限定を含むものとは解釈すべきではない。

Claims (19)

1. 医療用ロボットシステムのロボットアーム（１００）の動きを制御するための方法であって、該ロボットアームはツール（４００）に動作可能に関連しており、前記医療用ロボットシステムは：
   少なくとも１つのロボットアームを有するオペレータ制御下の医療用ロボット、
   前記ツールの画像を提供するように構成されるカメラ（２１）、および、
   前記カメラに対して固定された方位を有する基準構造（２００）を含み、
   前記方法は：
   ａ．ツールの所望の動きを表わす、コントローラ装置（３００）からの入力値を受け取ること、但し、前記入力値はコントローラ装置座標系（３５０）で表わされる；
   ｂ．前記入力値に基づいて、前記ツールの計算による動きを決定すること、但し、前記計算による動きは、ツール（４００）の軸（４６０）と固定関係に配向された第１軸（２６０）、および、前記第１軸に直角に配向された第２軸を含む、観測者座標系で表わされ、前記基準構造に関連して決定される直角座標系（２１０）のＸおよびＹ軸で決定される平面への前記第２軸の投影が、Ｘ軸と平行であり、かつそれと同一方向を指すように整列され；
   ｃ．前記計算による動きおよびロボットアームの位置に基づいて、ロボットアームの指令による動きを決定すること；および
   ｄ．前記指令による動きに応じて、前記ロボットアームを動かす操作信号を出力すること、
   を含む。
2. 入力値を、入力絶対値と入力方向を有する入力ベクトルとしてコントローラ装置座標系で表わすことが可能であり；
   計算による動きを、計算による動きの絶対値と計算による動きの方向とを有する、計算による動きのベクトルとして観測者座標系で表わすことが可能であり；かつ
   前記計算による動きの方向は前記入力方向に等しい、請求項１に記載の方法。
3. 観測者座標系で表わされ、仮想力値に基づく、計算による観測者力値を決定すること；および
   前記計算による観測者力値に応じて、コントローラ装置にフィードバック信号を出力すること
   をさらに含む、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 観測者座標系で表わされ、ロボット用アームからの測定による力値に基づく、計算による観測者力値を決定すること；および
   前記計算による観測者力値に応じて、コントローラ装置にフィードバック信号を出力すること
   をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記測定による力値は、前記ロボットアーム上の場所において測定された力を表わし、センサ座標系で表わされており、計算による観測者力値の決定は、前記測定による力値と前記ロボットアームの位置とに基づく、請求項４に記載の方法。
6. 計算による観測者力値も仮想力値に基づいている、請求項４または５に記載の方法。
7. 仮想力値の計算が、１つまたは２つ以上の計算による仮想衝突、１つまたは２つ以上の関節制限、動きの逸脱、またはこれらの組み合わせを使用することを含む、請求項３または６に記載の方法。
8. 医療用ロボットが２つのロボットアーム（１００、１０１）を含み、それぞれがツール（４００、４０１）に動作可能に関連しており、前記方法が、
   第２のツールの第２の所望の動きを表わす第２のコントローラ装置（３０１）からの第２の入力値を受け取ること、但し、前記第２の入力値は第２のコントローラ装置座標系（３５１）で表わされる；
   前記第２の入力値に基づいて、第２のツール（４０１）の第２の計算による動きを決定すること、但し、前記第２の計算による動きは、第２の観測者座標系（２５１）で表され、前記第２の観測者座標系は、前記第２のツール（４０１）の軸（４６０）と固定関係に配向された第１軸（２６０）、および、前記第１軸に直角に配向された第２軸を含む、観測者座標系で表わされ、前記基準構造に関連して決定される直角座標系（２１０）のＸおよびＹ軸で決定される平面への前記第２軸の投影が、Ｘ軸と平行であり、かつそれと同一方向を指すように整列され； 前記第２の計算による動きおよび前記第２のロボットアームの位置に基づいて、前記第２のロボットアームの第２の指令による動きを決定すること；および
   前記第２の指令による動きに応じて、前記第２のロボットアームを動かす第２の操作信号を出力すること、
   をさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 第２の観測者座標系で表わされ、第２の仮想力値に基づく、第２の計算による観測者力値を決定すること；および
   前記第２の計算による観測者力値に応じて、コントローラ装置に第２のフィードバック信号を出力すること
   をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 第２の観測者座標系で表わされ、第２の医療用ロボットアームからの第２の測定による力値に基づく、第２の計算による観測者力値を決定すること；および
    前記第２の計算による観測者力値に応じて、コントローラ装置に第２のフィードバック信号を出力すること
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記第２の測定による力値は、前記第２のロボットアーム上の場所において測定された力を表わし、センサ座標系で表わされて、前記第２の計算による観測者力値の決定は、前記第２の測定による力値と前記第２のロボットアームの位置とに基づく、請求項１０に記載の方法。
12. 第２の計算による観測者力値も第２の仮想力値に基づいている、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 第２の仮想力値の計算が、１つまたは２つ以上の計算による仮想衝突、１つまたは２つ以上の関節制限、動きの逸脱、または、これらの組み合わせを使用することを含む、請求項９または１２に記載の方法。
14. 観測者座標系が、第１の軸および第２の軸の両方に直角な第３の軸をさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. コントローラ装置座標系が３つの直角な軸を含み、コントローラ装置から受け取る入力値がツールの計算による動きに直接マッピングされる、請求項１４に記載の方法。
16. コントローラ装置座標系が３つの直角な軸を含み、観測者の視点から見たコントローラ装置座標系（３５０）のそれぞれの軸が、基準構造（２００）の視点から見た観測者座標系（２５０）の対応する軸に同一に配向される、請求項１４に記載の方法。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法を実行するための機械可読命令を含む、コンピュータ可読媒体。
18. 医療用ロボットシステムの少なくとも１つのロボットアーム（１００、１０１）の動きを制御するように構成された制御システムであって、該ロボットアームはツール（４００、４０１）に動作可能に関連しており、前記医療用ロボットシステムは：
    少なくとも１つのロボットアームを有するオペレータ制御下の医療用ロボット、
    前記ツールの画像を提供するように構成されるカメラ（２１）、および、
    前記カメラに対して固定された方位を有する基準構造（２００）を含み、
    前記制御システムは：
    前記医療用ロボットに動作可能に関連するコンピュータ機器であって、前記コンピュータ機器は、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法を実装するように構成され、および、
    前記コンピュータ機器に動作可能に関連し、ロボットアームの所望の動きの入力を受け取るように構成された、少なくとも１つのコントローラ装置（３００、３０１）、
    を含む。
19. ツールの画像を表示するように構成された視界装置（２２）をさらに含む、請求項１８に記載の制御システム。