(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療システムであって：
アクチュエーターと；
関節と；
第１の端が前記関節に取り付けられ、第２の端が前記アクチュエーターに機械的に接続され、前記関節接合に対して力を伝達できるリンクと；
前記関節の位置を測定するように接続されたセンサーと；
前記センサーから前記関節の位置の測定値を受け取るように接続されたコントロールシステムと；を含み
該コントロールシステムは、前記位置の測定値を使用して、前記アクチュエーターから前記リンクに対して伝達されるアクチュエーター力を調整し、それによって、前記関節の位置を制御し、
前記アクチュエーター力の調整された値の下で、前記リンクは、関節接合において許容される誤差範囲以上の伸びに対応する量だけ伸びる、
ことを特徴とする医療システム。
【請求項２】
前記関節は、ロータリージョイント、複数リンクの部位、および連続的でフレキシブルな部位、から成るグループから選択されたメカニズムである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントロールシステムは、前記リンクに対して伝達される前記アクチュエーター力を、前記アクチュエーターの位置とは独立したものであるように調整する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントロールシステムは、前記アクチュエーター力が最小値と最大値との間で変化する関数を使用して、前記アクチュエーター力を決定する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記最小値は、前記リンクの張力を保持する、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記関数の変化範囲に渡り、前記アクチュエーター力が、前記関節に係る現在の位置測定値と前記関節に係る現在の望ましい位置との間の相違によって変化する、
請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記力は、現在の位置測定値と現在の望ましい位置との間の相違によって線型的に変化する、
請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記関数の変化範囲に渡り、前記アクチュエーター力は、前記関節に係る速度と前記関節に係る現在の望ましい速度との相違によって変化する、
請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
前記アクチュエーター力は、前記関節に係る速度と前記関節に係る現在の望ましい速度との相違によって線型的に変化する、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記関数の変化範囲に渡り、前記アクチュエーター力は、前記アクチュエーターに係る現在の速度に依存する、
請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムは、さらに、
第２のアクチュエーターと；
第１の端が前記関節に取り付けられ、第２の端が前記第２のアクチュエーターに機械的に接続され、前記関節接合に対して力を伝達できる第２のリンクと；を含み、
前記関数の変化範囲に渡り、前記アクチュエーター力は、前記第２のアクチュエーターに係る現在の速度に依存する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記コントロールシステムは、前記関節に関連する前記アクチュエーターに係る現在の速度間の相違についての関数を使用して、前記アクチュエーター力を決定する、
請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コントロールシステムは、前記アクチュエーター力を、前記関節に係る現在の位置測定値と前記関節に係る現在の望ましい位置との間の相違、および前記関節に係る速度と前記関節に係る現在の望ましい速度との間の相違についての関数を使用して、前記アクチュエーター力を決定する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記コントロールシステムは、前記位置測定値と望ましい位置との違いに係る積分を使用して、前記アクチュエーター力を決定する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コントロールシステムは、前記アクチュエーター力を、前記リンクに係る現在の望ましい速度と現在のアクチュエーター速度に基づいて算出された前記リンクに係る現在の速度との間の相違についての関数を使用して、前記アクチュエーター力を決定する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記コントロールシステムは、毎秒２５０回以上感知された遠位位置に係る関数として前記アクチュエーター力を調整する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記リンクおよび前記アクチュエーターは、バック駆動可能である、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記アクチュエーターは、ダイレクトドライブの電気モーターを含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コントロールシステムは、モーター電流をコントロールすることによって前記リンクに対して伝達される前記アクチュエーター力を調整する、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記リンクは、ポリマー製テンドン、ロッドエレメント、およびボーデンケーブル、のうち少なくとも一つを含むテンドンを有する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記医療システムは、さらに、
第２のアクチュエーターと；
第１の端が前記関節に取り付けられ、第２の端が前記第２のアクチュエーターに機械的に接続され、前記関節接合に対して力を伝達できる第２のリンクと；を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
医療器具に係る関節をコントロールする方法であって：
前記医療器具が、関節の位置を測定するステップと；
前記医療器具が、前記関節に係る望ましい位置を指示するコマンドを受け取るステップと；
前記医療器具が、アクチュエーターに係る位置とは独立しているアクチュエーター力を決定するステップであり、
該アクチュエーター力を決定することは、前記関節に係る前記位置と前記関節に係る前記望ましい位置を使用することを含むステップと；
前記医療器具が、前記アクチュエーター力を前記関節に接続されたリンクに対して適用し、それによって、前記関節の位置を制御するようにアクチュエーターを動作するステップであり、
前記アクチュエーター力の調整された値の下で、前記リンクは、関節接合において許容される誤差範囲以上の伸びに対応する量だけ伸びるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記リンクは、前記関節に係る位置と前記アクチュエーターに係る位置との間の関係であり、該関係を使用して前記関節のコントロールをするために十分正確な関係を、前記リンクが提供することができないような特性を有する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記位置と前記望ましい位置を使用することは、前記関節に係る前記位置と前記関節に係る望ましい位置との間の相違、および前記関節に係る速度と前記関節に係る望ましい速度との間の相違に依存する関数を評価すること、を含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記方法は、さらに、
前記医療器具が、前記関節に係る速度を決定するステップと；
前記医療器具が、前記関節に係る望ましい速度を指示するコマンドを受け取るステップと、を含み、
前記アクチュエーター力を決定するステップは、前記関節に係る前記速度と前記関節に係る前記望ましい速度とを使用することを含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記方法は、さらに、
前記医療器具が、前記アクチュエーターに係る速度を決定するステップと；
前記医療器具が、前記関節に係る望ましい速度を指示するコマンドを受け取るステップと、を含み、
前記アクチュエーター力を決定するステップは、前記アクチュエーターに係る前記速度と前記アクチュエーターに係る前記望ましい速度とを使用することを含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記方法は、さらに、
前記医療器具が、前記アクチュエーターに係る第１の速度を決定するステップと；
前記医療器具が、第２のリンクを通じて前記関節に接続されている第２のアクチュエーターに係る第２の速度を決定するステップと、を含み、
前記アクチュエーター力を決定するステップは、前記第１と第２の速度とを使用することを含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記方法は、さらに、
前記医療器具が、累積された相違を決定するために、前記位置の測定値と望ましい位置との間の相違を合計するステップを含み、
前記アクチュエーター力を決定するステップは、前記累積された相違を使用することを含む、
請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
最小限の切開を伴う医療手術は、しばしばコンピューターを用いて、又はコンピューターインターフェイスを通じてコントロールされる機器を使用している。図１は、例として、いくつかの現行のロボット的にコントロールされた医療機器の基本的な動作原理を説明するために簡素化された構成を有するロボット的にコントロールされた機器を示している。（ここで使用されるように、「ロボット」や「ロボット的に」といった言葉は、遠隔操作もしくは遠隔制御ロボットサーバー装置の態様を含んでいる。）機器１００は、細長いシャフトや主チューブ（ｔｕｂｅ）１２０の遠位端におけるツールや先端効果器１１０を含んでいる。図示された例においては、先端効果器１１０は別個のあご１１２と１１４を有するピンセット又は鋏といったあごのあるツールであり、少なくともあご１１２はあご１１４に関して開いたり閉じたりするように動くことができる。医療手術の際の使用において、主チューブ１２０の遠位端上にある先端効果器１１０は、患者の小さな切り口を通じて挿入され、患者の内部の作業部位に位置決めされ得る。次に、あご１１２は、例えば、外科手術の実行中に開けたり閉めたりされ得る。従って、あごは望ましい動作のみを実行するように正確にコントロールされるべきである。一般的に、実用的な医療機器は、医療手術を実行するために、あご１１２と１１４の開け閉めに加えて、多くの動作の自由度を必要とする。
【０００２】
主チューブ１２０の近位端は、伝動装置又はときどきバックエンド（ｂａｃｋｅｎｄ）機構１３０として参照される駆動機構１３０に取付けられる。テンドン(ｔｅｎｄｏｎ)１２２と１２４は、バックエンド機構から主チューブ１２０を通じて走り先端効果器１１０に取付けられる。テンドンは、ケーブル、ロッド、チューブもしくはそうした構成物の組合せを撚り合わせたものであり得る。典型的な外科手術機器は、また、バックエンド機構１３０を、先端効果器１１０の他の動作部分もしくは関節、手首機構（図示なし）、または主チューブ１２０の動作脊椎に接続する追加的なテンドン（図示なし）を含む。バックエンド機構１３０が、先端効果器１１０及び／又は機器１００の他の動作要素を作用するようにテンドンを操作できるためである。図１は、あご１１２の動きに１次元の自由度を与えるピン関節機構１１６を有するものとして、あご１１２を描いている。２つのテンドン１２２と１２４は、あご１１２とバックエンド機構１３０のプーリー１３２に取付けられる。プーリー１３２の回転であご１１２を回転させるためである。
【０００３】
プーリー１３２は、メカニカルアーム（図示なし）の先端にある駆動モーター１４０に取付けられ、コントロールシステム１５０が電気的に駆動モーター１４０をコントロールする。コントロールシステム１５０は、一般的には、好適なソフトウェア、ファームウェア、そして周辺機器を伴ったコンピューターシステムを含んでいる。他の機能の中でも、コントロールシステム１５０は、外科医又は他のシステムオペレーターに作業部位と先端効果器１１０の画像（例えば、立体映像）を提供するインターフェイスを備えることができる。インターフェイスは、また、外科医が先端効果器１１０の動作をコントロールするよう操作できるコントロール装置を備える。コントロール装置のユーザーによる操作を解釈するために、それに対応したあご１１２の動作をさせるモーター信号の生成のために必要なソフトウェアもしくはファームウェアが、一般的には実際のロボット医療機器の中に複合的に存在している。コントロールタスクの一部を考えると、駆動モーター１４０のコントロール信号の生成は、一般に、あご１１２の角度又は位置と、駆動モーター１４０もしくはバックエンド機構１３０におけるプーリー１３２の角度又は位置との関係を利用する。仮に、テンドン１２２と１２４が極端に堅いとすれば（例えば、テンドンの伸びが無視できる場合である）、コントロールシステム１５０は、外科医が指示するようにあご１１２を動作させるのに必要なコントロール信号を決定することにおいて、機器１００の形状によって定義されるように、駆動モーター１４０の角位置と、あご１１２の角位置との直接的な関係を利用することができる。例えば、作業負荷の下でのテンドン１２２と１２４の少しの伸びは、効果器位置に対するモーター位置に関する幾つかの数学的モデルにより対処することができる。しかしながら、先端効果器１１０、テンドン１２２と１２４、およびバックエンド機構１３０を含む機械的構成が、高い次元の迎合性（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ：コンプライアンス）を有するとすれば、モーター１４０（またはプーリー１３２）の角位置と、あご１１２の角位置との関係を正確にモデル化するのは難しいか、もしくは不可能であろう。従って、このようなシステムは、適用されたアクチュエーターコントロール信号と、動作エレメントの位置との固定した関係に依存することのない、コントロールプロセスを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１２／４９４７９７号公報
【特許文献２】米国出願特許公開第２００７／０１５６０１９号公報
【特許文献３】米国出願特許第１２／１６４８２９号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様に従って、コントロールシステム及びその方法は、一つまたはそれ以上の近位にあるアクチュエーターが機械的リンクを介して関節に適用する力を決定しコントロールするために遠心位置のフィードバックを使用する。力のコントロールと遠位のフィードバックを使用することにより、関節と近位のアクチュアーターの間の迎合性が無視できない機械的リンクを持った医療機器のロボットコントロールを可能にし、とりわけ、遠位の関節の位置が近位にあるモーターの位置から直接的に推察できないような場合においてさえ正確な機器の操作を可能にする。加えて、力をコントロールすることは、医療機器における離れた関節に対して、望ましい関節剛性を与えるように動的なコントロールを可能にする。例えば、関節剛性は、体内組織の操作といった医療的機能を達成するために必要とされる範囲内に保持することができるし、もしくは、周辺組織へのダメージを避けるために小さな内腔の中へ機器を挿入する際には、より迎合的にすることができる。さらに、力のコントロールと遠位のフィードバックの利用を通じて、コントロールシステムは、医療機器の離れた関節の位置コントロールと剛性コントロールの両方を、アクチュエーターの位置とは関係なく提供することができる。
【０００６】
本発明の一つの特定の実施例は、アクチュエーター、関節、リンク、センサー、そしてコントロールシステムを含む医療システムである。リンクの第一の端は関節に取付けられ、第二の端は、関節接合に対する力の伝達ができるように、機械的にアクチュエーターに連結されている。センサーが関節の位置を測定するように接続され、その位置測定結果を受け取るようにコントロールシステムが接続される。コントロールシステムは、アクチュエーターからリンクに対して伝達されるアクチュエーターの力をどのように調整するかを決定するために位置測定結果を使用する。
【０００７】
もう一つの本発明の特定の実施例は、医療機器の関節をコントロールする方法である。本方法は、一般的に、関節の位置を測定すること、関節の望ましい位置を示すコマンドを受取ること、関節の測定された位置と望ましい位置に拠るが、アクチュエーターの位置には関係が無いアクチュエーターの力を決定すること、および関節に連結されたリンクに対してアクチュエーターの力を適用するようにアクチュエーターを動作させること、を含んでいる。アクチュエーターの力を決定することは、関節位置と望ましい関節位置に依存する機能の値を算出することを含み得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、公知のロボット的にコントロールされた医療機器を示している。
【図２】図２は、本発明の実施例に従って、迎合的な駆動を伴った力のコントロールプロセスが使用された医療機器のブロックダイアグラムを示している。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施例に従って、最小及び最大の力を伝達するリンクを伴ったコントロールプロセスが使用された医療機器のブロックダイアグラムを示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、コントロールされた関節が連続的に柔軟な構造をしている、本発明の実施例を示している。
【図４】図４は、ロボット医療システムを模式的に示している。特には、迎合的な機械的リンクを通じてアクチュエーターに接続されている離れた関節のコントロールにおいて使用される要素を示している。
【図５】図５は、本発明の実施例に従ったコントロールプロセスのフロー図である。
【図６】図６は、アクチュエーター速度と関節速度との違いに伴う張力の貢献を決定するプロセスのフロー図である。
【図７】図７は、同じ関節を操作する２つのアクチュエーターの速度の違いに伴う張力の貢献を決定するプロセスのフロー図である。
【図８】図８は、適用される張力の最大と最小をコントロールする力の関数を示している。
【０００９】
同じ参照番号の異なる図における使用は、同様もしくは同一のものを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の態様に従って、医療機器における離れた関節は、アクチュエーター位置と関節位置との固定された関係を備えるものではないリンクを介して、コントロールされ得る。特に、システムオペレーター（例えば、外科医）の動作は、離れた関節の現時点で望ましい位置及び速度を示すことができ、一方、センサーは、その離れた関節の実際の位置及び速度を測定する。次に、望ましい位置と実際の位置を利用して力、張力、またはトルクを計算することができ、離れた関節を実際の位置から望ましい位置へ移動するようにリンクを通じて適用することができる。（一般的には、医療機器における力又は張力はトルクに比例する。比例性は、例えばアームのモーメントといった、機器の機械的もしくは幾何学的な特性によって設定され固定の要因によって定まる。それにより、力、張力、またはトルクのいずれか１つを計算すれば他の２つの値も示される。）アクチュエーターが適用する力の計算は、もし適用する力の以前の計算により関節がオーバーシュートしたり、望ましい位置に到達できなかったりすれば、訂正され又は適合され得る。
【００１１】
図２は、米国特許出願第１２／４９４７９７号、タイトル「Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ」により記載されたように、駆動リンクを有する迎合的な医療機器２００の一部を示している。本文献は、ここでは参考として導入されている。機器２００は、テンドン２２２と２２４のそれぞれの張力をコントロールすることを通じて操作される結合エレメント２１０を含んでいる。一般的に、機器２００は、結合エレメント２１０に類似する多くの機械的な関節を含むことができ、それぞれの関節はテンドン２２２と２２４に類似のテンドンを使用してコントロールすることができる。典型的な一実施例においては、機器２００は、患者の体内の自然の内腔に従うように操作することができる進入ガイド（ｅｎｔｒｙ  ｇｕｉｄｅ）である。典型的に進入ガイドは、脊椎（エレメント２１０を含む）を囲むフレキシブルな外側の覆いを含み、他の医療機器が作業部位にアクセスするために挿入される１つ又はそれ以上の中心的な内腔を提供する。進入ガイドにおいて迎合性は特に望ましい。進入ガイドの動作又は反動が、侵入ガイドに逆らって移動したり又は圧迫したりする周辺組織を傷付けることがないようにするためである。しかしながら、他のタイプの医療機器もまた、図２に示すタイプの迎合的な駆動機構から利益を得ている。
【００１２】
機器２００は、テンドン２２２と２２４によってモーター２４２と２４４を駆動するために、連結エレメント２１０に接続された迎合的なリンクを備えるバックエンド機構２３０を含む。特には、バックエンド機構２３０は、テンドン２２２と２２４と、駆動モーター２４２と２４４に取付けられたばねシステム２３５を含んでいる。図２におけるそれぞれの駆動システム２３５は機械的駆動システム２３２と一定力のバネ２３４を含んでいる。それぞれの駆動システム２３２はモーター２４２又は２４４と連結し、モーター２４２又は２４４の回転運動を直線運動に変換し、関連する一定力のバネ２３４によってテンドン２２２又は２２４に適用された一定の力を変える。図示された実施例においては、それぞれの一定力のバネ２３４は、従来のフックの法則に従うバネ２３６とカム２３８を含んでいる。それぞれのバネ２３６は、駆動システム２３２の直線運動がバネ２３６の近位端を移動させるために、関連する駆動システム２３２と接続する。それぞれのカム２３８は第１のガイド面を有し、関連するバネ２３６の遠位端に取付けられたケーブル２３７がその面上に取り付き、載る。そして、その面上にテンドン２２２又は２２４が取り付き、載る第２のガイド面を有する。それぞれのカム２３８のガイド面は一般的に取付けられたケーブル２３７と取付けられたテンドン２２２又は２２４の動作のための異なったモーメントアーム（ｍｏｍｅｎｔ  ａｒｍ）を備えている。そして、繰り出す、もしくは、繰り込むテンドン２２２又は２２４の長さが、取付けられたバネ２３６によって与えられる力を変化させる際にも、テンドン２２２又は２２４の張力が一定を維持するような形状になっている。それぞれのカム２３８のそれぞれの表面は、テンドン２２２又は２２４の張力を一定に維持しながらもテンドン２２２又は２２４の望ましい動作範囲を提供するために１回又はそれ以上の回転に広がるスパイラル形状の面であり得る。
【００１３】
それぞれの駆動システム２３２は、対応するバネ２３６の近位端の位置をコントロールし、それにより対応するバネ２３６におけるベースライン（ｂａｓｅｌｉｎｅ）の伸び量と取付けられたテンドン２２２又は２２４の張力に影響する。手術においては、もし、バネシステム２３５の駆動システム２３２が取付けられたバネ２３６を引っ張れば、バネ２３６は伸び始める。そして、もし、要素２１０とバネシステム２３５に取付けられたテンドン２２２と２２４が固定されているとすれば、バネ２３６がカム２３８に及ぼす力は増加し、それにより取付けられたケーブル２２２又は２２４の張力が増加する。従って、テンドン２２２と２２４における張力は（フックの法則、カム２３８のモーメントアーム、及びバネ２３６のバネ定数に従って）、バネ２３６のそれぞれの近位端の動きに線形に依存する。しかし、それぞれのバネシステム２３５は、例えば、テンドン２２２又は２２４を動かす外力もしくは遠位端の力に応じて一定の力で非対称的にふるまう。一定の力のバネ２３４と駆動システム２３２は、上記に参照された米国特許出願第１２／４９４７９７号においてさらに記載されているような種々の方法で代替的に実行され得る。
【００１４】
連結されたエレメント２１０は、１次元の動作の自由度を有しており（例えば、軸まわりの回転である）、一般的には、駆動モーター２４２又は２４４が、取付けられた一定の力のバネ２３８によって適用される力を変化させるために駆動システム２３２を回転させる際に動く。しかしながら、この駆動システムは迎合的なものであり、駆動システム２３２が対応する回転なしに、外力がエレメント２１０を動かすことができる。結果として、連結エレメント２１０の位置又は向きと駆動システム２３２又は駆動モーター２４２の位置との間には、固定した関係が無い。本発明の態様に従って、コントロールシステム２５０は、エレメント２１０の向きを測定するためにセンサー２６０を使用している。センサー２６０は、例えば、形状センサーであり得るし、エレメント２１０を含む機器２００の長さに沿って主チューブの形状を感知することができる。形状センサーのいくつかの例は、Ｌａｒｋｉｎ他によるタイトル「Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ」である米国出願特許公開公報第２００７／０１５６０１９  Ａ１号（２００６年７月２０日出願）、およびＧｉｕｓｅｐｐｅ  Ｍ．  Ｐｒｉｓｃｏによるタイトル「Ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃ  ｓｈａｐｅ  ｓｅｎｓｏｒ」である米国出願特許第１２／１６４８２９号（２００８年６月３０日出願）に記載されており、両者ともここにおいて参考として導入されている。しかしながら、連結エレメント２１０の角位置を測定することができるあらゆるセンサーが代替的に使用され得るだろう。以下にさらに記載されるように、コントロールプロセスは、連結エレメント２１０を操作するために必要な適用する力を計算するために、こうした測定値を使用している。
【００１５】
機器２００は、バックエンド機構２３０がモーターパックから切り離されたときの「バックドライブ（ｂａｃｋｄｒｉｖｉｎｇ）」能力を有している。一定力のバネ２３５は、なおもテンドン２２２と２２４が緩まないように保持し、機器の遠位端が、バックエンド機構２３０に被害を与えたり、テンドン２２２又は２２４に緩みが生じたりすること無く、手動で配置できる（もしくは姿勢をとる）ようにする。この「バックドライブ」能力は、一般的に、外科手術用機器の望ましい特性である。特に、機器がコントロールシステム２５０の動的なコントロールの下に無くて、機器の挿入の間に曲げられたり、操作されたりする、フレキシブルな主チューブを持った機器にとってはそうである。例えば、機器２００は、手動で姿勢をとることができ、主シャフトの中のテンドンは、過度な張力もしくは緩みを経験することはない。
【００１６】
図３Ａは、医療機器における関節のための迎合的な駆動リンクの別の例を示している。図３Ａは、機器の動作中において、駆動モーターが自由に回転すること、又は駆動テンドンが駆動モーターに対してスリップすることを許容する動作プロセスを使用する医療機器３００の典型的な実施例を示している。その全体がここにおいて参考として導入されているタイトル「Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｐｒｅｌｏａｄ  ａｎｄ  Ｃａｐｓｔａｎ  Ｄｒｉｖｅ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」の米国出願特許第１２／２８６６４４号に記載されているようにである。医療機器３００は、主チューブ３２０の端に先端効果器３１０を有しており、バックエンド機構３３０は、主チューブ３２０を通って走るテンドン３２２と３２４を操作して、先端効果器３１０の動作の自由度をコントロールする。図示された実施例においては、テンドン３２２と３２４は先端効果器３１０の機械的部分に取付けられ、テンドン３２２と３２４における張力が、先端効果器３１０を、ピボット関節構造に関して反対の方向に回転させる。
【００１７】
図３Ａに示す関節構造は、一例に過ぎないし、テンドンのペアに適用される張力に応じて運動の一自由度を提供する他の関節メカニズムが、本発明の代替的な実施例において採用され得る。例えば、図３Ｂは、テンドン３２２と３２４を通じて適用される力に応じて曲がったり、折れたりすることができるカテーテルの部位に対応する関節３１０の実施例を示している。カテーテルの関節は、テンドン３２２と３２４の張力の違いに応じて曲がるプラスチック材料の押し出し品を単に含み得る。この構成において、テンドン３２２と３２４は、カテーテルの中の内腔を通じて伸び、カテーテルの端に付着する。このように、テンドン３２２と３２４における力は、例えば、挿入の際にカテーテルを操作するためにカテーテルを曲げるように使用され得る。図３Ｂの実施例においては、遠位センサー３６０は、「関節」角度と速度を計測したり計算したりするために、カテーテルの遠位端部分の曲げ角度を測定することができる。図３Ｂにおけるカテーテルの関節のためのバックエンドやコントロール構成は、アクチュエーターケーブルの内腔と遠位のフレキシブルな部分の中心との間の距離を掛け算することにより、測定された関節角度と速度をテンドンの位置と速度に転換することができることを除いて、図３Ａの実施例の構成と同じである。
【００１８】
主チューブ３２０の近位端に付着するバックエンド機構３３０は、駆動モーター３４２と３４４により適用されたトルクを、テンドン３２２と３２４のそれぞれの張力や先端効果器３１０における駆動関節に適用される力やトルクに転換する伝動装置のように振舞う。図示された実施例においては、駆動モーター３４２と３４４は、その周りにそれぞれタンドン３２２と３２４が巻きつくキャプスタン３３２と３３４に直接的に結合されているダイレクトドライブの電気モーターであり得る。特に、テンドン３２２は、対応するキャプスタン３２２の周りに、設定巻き付き角度だけ（全ターンよりは小さいか、もしくは、１またはそれ以上のターンと同じであり得る）巻き付いており、キャプスタン３３２に付着しておらず、キャプスタン３３２から受動的プリロードシステム３３３に向かって伸びる端面を有している。同様に、テンドン３２４は、対応するキャプスタン３２４の周りに、設定巻き付き角度だけ巻き付いており、キャプスタン３３４から受動的プリロードシステム３３５に向かって伸びる端面を有している。テンドン３２２と３２４は、永久にキャプスタン３３２と３３４に取り付く必要もないので、テンドン３２２と３２４はキャプスタン３３２と３３４に対してスリップし得るし、それぞれがキャプスタン３３２と３３４に接続された駆動モーター３４２と３４４の軸に対してスリップし得る。
【００１９】
テンドン３２２と３２４の近位端は、それぞれ受動的プリロードシステム３３３と３３５に取り付いており、一緒に、一定力のバネとして動作するカムと、フックの法則に従うバネとして、それぞれが図３Ａの中に含まれている。受動的プリロードシステム３３３と３３５にはバイアスがかかっており、システム３３２と３３４が、機器３００の動作範囲の初めから終わりまで、テンドン３２２と３２４に対するゼロでない力または張力を適用している。この構成により、キャプスタン３３２と３３４が回転自由であるときに、受動的プリロードシステム３３３と３３５は、テンドン３２２と３２４における張力をコントロールし、テンドン３２２と３２４の必要な長さを巻き込んだり、もしくは繰り出すことによって、テンドン３２２と３２４の緩みを回避する。バックエンド機構３３０がモーター３４２と３４４から分離されたときは、受動的プリロードシステム３３３と３３５は、なおもテンドン３２２と３２４が緩まないように保持し、バックエンド機構３３０に被害を与えたり、テンドン３２２又は３２４に緩みに生じたりすること無く、先端効果器３１０と主チューブ３２０（フレキシブルなときに）が、手動で配置できる（もしくは姿勢をとる）ようにする。従って、機器３００もまた、図２の機器２００について上述されたのと同様に、“バックドライブ”能力を有している。
【００２０】
先端効果器３１０は、動的コントロールシステム３５０と人による入力（例えば、マスタースレイブ（ｍａｓｔｅｒ−ｓｌａｖｅ）サーボコントロールシステムにおける入力）の下で、駆動モーター３４２と３４４を使用して操作され得る。例えば、モーター３４２がテンドン３２２を引くときには、テンドン３２２の遠位部分に適用された張力として、モータートルクが伝達される。（キャプスタン３３２がテンドン３２２の近位部分に適用できる最大の張力は、テンドン３２２がキャプスタン３３２に対してスリップし始める張力に依存する。しかし一般的には、実際に使用される最大の張力は、テンドン３２２と３２４がキャプスタン３３２と３３４の上で滑ることを防ぐように、選定することができる。）同時に、モーター３４４へのパワーを切ったときに、モーター３４４とキャプスタン３３４を自由回転にすることにより、テンドン３２４は最小の張力を維持することができる。つまり、受動的プリロードシステム３３５が、キャプスタン３３４を通じて、テンドン３２４の近位端に適用する一定力である。テンドン３２２における張力が大きいほど、先端効果器３１０の図３Ａにおける反時計回りの回転を引き起こしやすい。同様に、モーター３４２のパワーを切り、テンドン３２４を通じて先端効果器３１０に力を適用するためにモーター３４４のパワーを入れることは、先端効果器３１０の図３Ａにおける時計回りの回転を引き起こしやすい。テンドン３２２と３２４に張力がかかっているときにモーター３４２と３４４が自由回転する能力と、キャプスタン３３２と３３４の上でのテンドン３２２と３２４の滑りを許容することは、コントロールシステム３５０がモーター３４０と先端効果器３１０の角度位置の間の固定した関係に依存することを許さない。しかしながら、コントロールシステム３５０は、テンドン３２２と３２４を通じて駆動された関節に関して、先端効果器３１０の角度位置を測定するセンサー３６０を使用することができる。
【００２１】
図２と図３Ａに示す器具の、アクチュエーターと関節の間で駆動されるリンクは、特にフレキシブルな主チューブを持った器具にとって、望ましい迎合性を提供する。しかしながら、迎合性を持ったリンクもまた、より伝統的な器具において存在していた。例えば、図１の既知の器具は、カバーで覆われた、もしくはボーデン（Ｂｏｗｄｅｎ）ケーブルを器具の曲がる部分に使用し、ロッド（ｒｏｄ）要素を直線部分に使用することができる。ロッド要素は、アクチュエーターと関節位置の直接的な関係と干渉する伸びを削減し得る。しかしながら、いくつかのアプリケーションにおいては、よりフレキシブルな材料のテンドン（例えば、電気的絶縁、または最小限の摩擦が望まれるポリマー製テンドン）を使用することが望ましい、しかし、そのようなテンドンは、アクチュエーターと関節位置の直接的な関係に依存することで、コントロールプロセスのためには許容できない量の伸びを招いてしまう。本発明の一つの態様に従えば、図２と図３に係る医療器具、または、そうでなければ迎合性のあるリンクを持った器具のためのコントロールプロセスは、メカニカル関節を駆動するのに適用される張力を決定するために、メカニカル関節の位置のリモート測定を使用することができる。図４は、角度または位置θに応じた動作の自由度を有するメカニカル関節４１０を備える医療器具４００の一般的な概念を模式的に示している。
【００２２】
一般的に、関節４１０は、医療器具の二つの部分の間で一次元の自由度を提供するメカニカルな手段であり得る。一つの実施例においては、関節４１０は、二つの堅いリンク部品が関節軸まわりに回転できるようにするロータリーメカニズムであり得る。他の実施例においては、二つの堅いリンク部品の間の回転は固定された軸まわりのものではない。別の実施例においては、二つの堅いリンク部品の間の回転は、リンクを結合するフレキシブルな曲げ部分によって実現される。他の実施例においては、関節４１０は、リンク４２０と４２２の駆動によって曲げられる曲げ部分であり、このようにしてカテーテルといった連続的にフレキシブルな器官に係る二つの隣接した部分の間の相対的な角度を変えている。
【００２３】
位置という用語は、ここにおいて、デカルト座標系における位置、角度位置、もしくはメカニカルシステムの自由度の構成に係る他の指標、を含んで広く使用される。センサー（図示なし）は、遠く離れた関節４１０における位置θを測定し、測定されたθをコントロールシステム４５０に対して提供する。例えば、センサーから器具４００の遠位端まで延びている信号ワイヤー（図示なし）を通じ、そして、器具の近位端においてコントロールシステム４５０までの器具４００の主チューブ（図示なし）を通じてである。センサーは、加えて関節１４０の動作としての速度
【数１】
0005936607.tif 000002
を測定する、もしくは速度
【数２】
0005936607.tif 000003
は二つまたはそれ以上の位置θの測定から推察され得る。
【００２４】
関節４１０は、迎合的なリンク４２０を通じてアクチュエーター４４０に接続されており、関節４１０はアクチュエーターから遠く離れている。例えば、関節４１０は器具の遠位端にあり、一方、アクチュエーター４４０は器具の近位端にある。図示された実施例においては、迎合的なリンク４２０が関節４１０に接続され、アクチュエーター４４０によってリンク４２０に対して適用される張力Ｔが、関節４１０を時計回り方向に回転させる。しかしながら、リンク４２は迎合的（必ずしもそうである必要はないが）に過ぎて関節４１０の位置とアクチュエーター４４０の位置との直接的な関係が、関節４１０をコントロールするのに十分に正確ではない。例えば、リンク４２０は、適用される張力Ｔの最小値と最大値の間の張力で伸び、リンク４２０の有効長の違いは関節接合の４５度に相当する。反対に、典型的な医療装置は、アクチュエーター位置に基づいて関節の位置を正確にモデル化することができるように、関節接合のたった数度に対応する伸びしか許さない。一般的な場合、迎合性は、スプリング構造の伸びに係る単なるフックの法則に制限されるものではないことが理解されるべきである。迎合的なリンク４２０は、例えば、図２に係る実施例におけるテンドン２２２とバックエンドメカニズム２３０の少なくとも一部分、もしくは図３Ａに係る実施例におけるテンドン３２２とバックエンドメカニズム３３０の少なくとも一部分、を含み得る。一般的に、リンク４２０の近位端において適用された張力Ｔに対するリンク４２０の応答、およびリンク４２０の長手方向に沿って関節４１０に対して適用された外力に対するリンク４２０の応答はモデル化することが難しい。
【００２５】
アクチュエーター４４０は、図２または図３Ａに係る駆動モーター２４２または３４２を含み得るが、リンク４２０の近位端に対して張力Ｔを適用し、リンク４２０を通じて関節４１０に対して力またはトルクを加える。しかし、他の力やトルクもまた関節４１０に対して加えられる。特には、一つまたはそれ以上の他のリンク４２０は、関節４１０に接続され、関節４１０の回転を引き起こす正味の張力または力を集合的に加える。図４に図示された実施例においては、単一のリンク４２２が関節４１０と駆動モーター４４２に接続されている、リンク４２２における張力が、加えられた張力Ｔに抗し、関節４１０を図４における時計回り方向に回転させるようにする。追加的なリンク４２２または他のリンクはリンク４２０と同様であり、違いは、リンク４２２が関節４１０に接続していることだけである。
【００２６】
コントロールシステム４５０は、アクチュエーターが迎合的なリンク４２０に加える張力Ｔをコントロールする駆動信号を生成するためのプログラムまたは回路を実行する汎用のコンピューターであり得る。アクチュエーター４４０が電気モーターである場合には、駆動信号は、アクチュエーター４４０からのトルク出力をコントロールする駆動電圧または電流であり、張力Ｔは、モータートルクをリンク４２０に対して張力Ｔが加わっている地点の有効なモーメントアームで割った値に等しい。以下にさらに述べるように、コントロールシステム４５０は、関節４１０に対する望ましい位置θＤ、望ましい速度
【数３】
0005936607.tif 000004
、そして現状と過去の時点における関節４１０の位置θの一つまたはそれ以上の測定値を使用して、張力Ｔの大きさもしくはモータートルクを算出することができる。ユーザー（例えば、システム４００をコントロールする外科医）は、コントローラー４６０を操作することで望ましい位置θＤと速度
【数４】
0005936607.tif 000005
を提供することができる。コントローラー４６０の正確な構成は、コントローラー４６０が、そこから望ましい位置θＤと速度
【数５】
0005936607.tif 000006
が決定されるところの信号を提供することができることを除いては、本発明にとって重大なものではない。複合的な医療器具にとって好適な手動コントローラーは、一般的に、医療器具の動作のための多くの同時指令を示す信号を生成し、そうした動作は器具における複合的な関節を含み得る。コントローラー４６０としての使用に好適なマニピュレーターが、例えば、Ｉｎｔｕｏｔｉｖｅ  Ｓｕｒｇｉｖａｌ，Ｉｎｃ．のダビンチサージカルシステム（ｄａ  Ｖｉｎｃｉ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）のマスターコントローラーの中に備えられている。
【００２７】
一般的に関節４１０を現在の測定された位置θからタイムインターバルΔｔで望ましい位置θＤに移動するために必要な張力Ｔは、以下の多くの要因に因っている。すなわち、適用された張力Ｔに抗する関節４１０の有効イナーシャ、張力Ｔを適用するアクチュエーター４４０のイナーシャ、関節４１０に接続され正味の有効な力を適用するあらゆるリンクのイナーシャ、関節４１０に適用する外力、関節４２０の駆動もしくはリンクの移動に抗する内部および外部の摩擦力、関節４１０の現在の速度
【数６】
0005936607.tif 000007
、そして内部および外部のダンピング力、である。これらの要因の多くは、器具４００の作業環境に拠って変化し得るし、測定またはモデル化することが難しい。しかしながら、システムのメカニズムに基づいて、または、その医療器具の特定の関節について実験的に、モデルを作ることができる。一つの特定の実施例においては、コントロールシステム４５０は遠位関節誤差である（θＤ−θ）と
【数７】
0005936607.tif 000008
から張力Ｔを決定する。これらは、それぞれが、関節４１０の測定された位置と望ましい位置との相違であり、関節４１０の測定された速度と望ましい速度との相違である。特に、誤差（θＤ−θ）と
【数８】
0005936607.tif 000009
を増加させる適用された張力Ｔは、関節４１０の位置が望ましい位置に収束するようにさせる。
【００２８】
図５は、図４に係るシステム４００の基本的構成を有する医療器具をコントロールするためのプロセス５００についてのフロー図を示している。プロセス５００は、ステップ５１０において、関節４１０の位置θの現在値を読み込み、関節速度
【数９】
0005936607.tif 000010
の現在値を決定すること、から始まる。速度は、現在の位置θ、以前の位置θ’、測定間のタイムインターバルΔｔを使用して、よく知られた方法で、直接的に測定され、または決定され、もしくは見積もることができる。例えば、速度が一定（例えば、
【数１０】
0005936607.tif 000011
）であるという仮定の下で、もしくは以前の速度決定が与えられ加速度が一定であるという仮定の下においてである。次に、ステップ５１５は、関節４１０の望ましい位置θＤと望ましい速度
【数１１】
0005936607.tif 000012
を獲得し、ステップ５２０は、測定値と望ましい位置との間の相違または誤差である（θＤ−θ）、および測定値と望ましい速度との間の相違または誤差である
【数１２】
0005936607.tif 000013
を算出する。
【００２９】
ステップ５２０において算出された位置と速度の誤差は、関節４１０を望ましい位置θＤに近づけるために必要な張力Ｔを決定するために使用される。図５に係る実施例においては、適用される張力Ｔは複数の貢献を含み得る。最も重要な貢献は遠位張力ＴＤＳＴであり、位置誤差（θＤ−θ）と速度誤差
【数１３】
0005936607.tif 000014
の関数Ｆ１として決定される。遠位張力ＴＤＳＴは、アクチュエーターの位置、例としてモーターシャフトの角度、とは独立しており、関節４１０の位置とアクチュエーター４４０の位置との間に直接的な関係が無い場合においてさえも遠位張力ＴＤＳＴを決定することができる。一つの特定の実施例においては、関数Ｆ１は以下の式１の形式である。ｇ１とｇ２はゲインファクターであり、Ｃは定数または配置に依存するパラメーターであり、そしてＴｓｉｇｎはリンクのサイン（ｓｉｇｎ）である。サインＴｓｉｇｎはリンク４２０における張力によって生じる関節４１０の動作と関連しており、例えば、リンク４２０における張力が位置座標θを増加させようとする場合には正の値（例えば、プラス１）であり、リンク４２０における張力が位置座標θを減少させようとする場合には負の値（例えば、マイナス１）であり得る。別の実施例においては、関数Ｆ１は力についてより低い縛りを課す、例えば、力が常に正の値であるようにである。パラメーターＣは、システムの他の部分によって関節４１０に対して適用される既知またはモデル化された力に応じて選択された定数であり得る。例えば、パラメーターＣは、関節４１０に対して力を適用している他のリングによって生じるトルクとバランスをとるために、もしくは予想される摩擦力または外力を説明するために選択された定数であり得る。しかしながら、パラメーターＣは、厳格に定数である必要は無く、効果的にモデル化できる重力またはメカニズム剛性といった特性を補填する定数ではない項を含むことができる。従って、測定された関節位置または速度に依存し得るものである。ゲインファクターｇ１とｇ２は、関節４１０の望ましい剛性に応じて選択され得る。特に、関節４１０が静的なグリップとして使用される場合は、体組織に適用される正味のグリップ力またはトルクは、式１に係る項ｇ１（θＤ−θ）に依存する。一般的に、ゲインファクターｇ１とｇ２および定数Ｃは、関節４１０の望ましい剛性または応答性に応じて、もしくは誤差の累積に応じて選択され得る。例えば、器具４００を患者の自然な内腔に従って挿入する場合には、関節４１０を優しく振る舞うようにさせ、関節４１０が周囲の組織を傷つけないようにするために、ゲインｇ１を低い値に設定することができる。挿入が終わると、外科医がその器具を使って正確な外科手術が行えるように、ゲインファクターｇ１をより高い値に設定することができる。
【数１４】
0005936607.tif 000015
式１
【００３０】
式１に係る項
【数１５】
0005936607.tif 000016
は、与えられた時間Δｔ内に、リンク４２０を使用して、望ましい位置θＤに到達するように関節４１０を回転させるのに現在必要とされる関節４１０におけるトルクまたは力を、おおよそ決定するために使用される。トルクと力は、トルクは力と有効なモーメントアームＲとの積であるという点で関係している。Ｒは、関節４１０に対するリンク４２０の接合と関節４１０の回転軸との間の垂直距離によって定義されるものである。有効なモーメントアームＲは、ゲインファクターｇ１とｇ２および定数Ｃのどちらかに取り込まれ得るし、もしくは算出された遠位張力ＴＤＳＴを計算されたトルクに変換するために使用され得る。
【００３１】
遠位張力ＴＤＳＴは、例えば、式１におけるパラメーターｇ１、ｇ２、およびＣの適正な選択といった、関数Ｆ１を適正に選択することで、人間オペレーターによるマスターコントローラー２６０の操作に応じたやり方で関節４１０を動作させるために、アクチュエーター４４０が適用する必要のある力を概算することができる。しかしながら、ある条件下においては、ステップ５３０、５３５，５４０、そして５４５による任意的な修正が行われる。特に、任意的なステップ５３０と５３５は、それぞれ位置誤差（θＤ−θ）の飽和した累計または積分Ｉを計算し、統合的な張力ＴＩＮＴを算出する。統合的な張力ＴＩＮＴは、正の値、ゼロ、もしくは負の値であり、ステップ５２５において算出された遠位張力ＴＤＳＴに加えることができる。統合的な張力ＴＩＮＴは、飽和した積分Ｉの関数Ｆ２として算出することができ、単純に積分Ｉとゲインファクターとの積であり得る。ステップ５３０において算出される飽和した積分Ｉは、Ｎ個のインターバルについて、インターバルの最後において測定された位置と達成されるべき望ましい位置との間の位置誤差（θＤ−θ）もしくは相違（θＤ、ｉ−θｉ−１）の単純な合計であり得る。合計に含まれるインターバルの回数Ｎ個は制限されていてもいなくてもよく、積分Ｉは、積分の大きさは最大の飽和値を超えられないというところで飽和し得る。一般的に飽和値は統合的な張力ＴＩＮＴの最大値または最小値を定めるように選択される。しかしながら、統合的な張力ＴＩＮＴの最小値または最大値は、関数Ｆ２の値を算出する際に代替的に限度を定められる。
【００３２】
任意的なステップ５４０は、ここにおいて近位張力ＴＰＲＯＸとして参照される別の調整値を算出する。それは、正の値、ゼロ、もしくは負の値であり得る。近位張力ＴＰＲＯＸは遠位張力ＴＤＩＳＴに付加することができ、ステップ５２５において算出される。図６は、近位張力ＴＰＲＯＸを算出するためのプロセス６００に係るフロー図である。プロセス６００は、ステップ６１０においてアクチュエーター４００の現在の速度
【数１６】
0005936607.tif 000017
を読み込むことから始まる。速度
【数１７】
0005936607.tif 000018
は、アクチュエーター４４０のベースに取り付く一般的なタコメーターによって測定することができる。計算効率を改善するために、ステップ６１０は、また、図５に係るステップ５１０とステップ５１５との間にスケジュールされ得る。次に、ステップ６２０は、近位リンク速度差または誤差
【数１８】
0005936607.tif 000019
を算出する。これは、関節４１０の望ましい速度
【数１９】
0005936607.tif 000020
に基づいて算出された望ましいリンク速度と、現在のアクチュエーター速度
【数２０】
0005936607.tif 000021
に基づいて算出された現在のリンク速度との差または誤差として定義されるものである。一つの特定の実施例においては、望ましいリンク速度は有効モーメントアームＲと、リンクのサインＴｓｉｇｎと、関節４１０の望ましい速度
【数２１】
0005936607.tif 000022
との積であり得るし、一方、現在のリンク速度はアクチュエーター４４０の有効モーメントアームＲと、アクチュエーター速度
【数２２】
0005936607.tif 000023
との積であり得る。図６に係る実施例において、近位張力ＴＰＲＯＸは近位リンク速度誤差
【数２３】
0005936607.tif 000024
の関数Ｆ４として決定される。一つの特定の実施例においては、関数Ｆ４は単純に、近位リンク速度誤差
【数２４】
0005936607.tif 000025
とゲインファクターとの積である。ゲインファクターは、リンク４２０に対して追加的なダンピング効果を提供するように選択することができる。
【００３３】
図５に係る任意的なステップ５４５は、一対の張力ＴＰＡＩＲを算出する。これは、ステップ５２５において算出される遠位張力ＴＤＩＳＴに対する正の、ゼロの、もしくは負の調整であり得る。図７は、一対の張力ＴＰＡＩＲを算出するためのプロセス７００に係るフロー図である。プロセス７００は、ステップ７１０において、アクチュエーター４４０の速度
【数２５】
0005936607.tif 000026
の現在の値、および関節４１０に関連する他の全てのアクチュエーターの速度の値を読み込むことから始まる。図４に係るシステムにおいては、関節４１０に接続された二つのアクチュエーター４４０と４４２が存在し、二つのアクチュエーター速度
【数２６】
0005936607.tif 000027
と
【数２７】
0005936607.tif 000028
がある。計算効率を改善するために、ステップ７１０は、図５に係るステップ５１０とステップ５１５との間に実行するようにスケジュールされ得る。次に、ステップ７２０は、一対のリンク速度差または誤差
【数２８】
0005936607.tif 000029
を算出する。これは、関節４１０に関連するアクチュエーター４４０と４４２の現在のリンク速度
【数２９】
0005936607.tif 000030
と
【数３０】
0005936607.tif 000031
との差または誤差として定義されるものであり、アクチュエーター４４０と４４２が実質的に同一である場合である。例えば、リンク４２０と４２２それぞれの動作のための有効モーメントアームが同一である場合である。一つの特定の実施例においては、現在のリンク速度誤差
【数３１】
0005936607.tif 000032
は、差
【数３２】
0005936607.tif 000033
とアクチュエーター４４０と４４２の有効モーメントアームとの積であり得る。図７に係る実施例においては、一対の張力ＴＰＡＩＲは、一対のリンク速度誤差
【数３３】
0005936607.tif 000034
の関数Ｆ５として決定される。一つの特定の実施例においては、関数Ｆ５は単純に、一対のリンク速度誤差
【数３４】
0005936607.tif 000035
とゲインファクターとの積である。ゲインファクターは、リンク４２０に対して追加的なダンピング効果を提供するように選択することができる。
【００３４】
張力Ｔは、図５に係るステップ５５０において、関数Ｆ３として決定される。関数Ｆ３は、遠位張力ＴＤＩＳＴと、近位張力ＴＰＲＯＸと、一対の張力ＴＰＡＩＲと、統合的な張力ＴＩＮＴとの和である。図８に係る実施例において、関数Ｆ３は張力Ｔの最大値および最小値を制限する。最大張力ＴＭＡＸおよび最小張力ＴＭＩＮは、コントロールシステム４５０のプログラミング（例えば、ソフトウェア）において設定され得る。しかしながら、迎合的なリンクは、自分自身で張力の最小値と最大値を持っている。例えば、図３Ａで図示されたリンクは、モーター／アクチュエーター３４２又は３４４がフリーホイール（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ）であるときは、プリロードシステム３３３又は３３５の設定によってコントロールされる最小張力ＴＭＩＮを有し、対のモーター３４２又は３４４のトルクが、テンドン３２２又は３２４がキャプスタン３３２又は３３４の上をスリップするポイントを超えてしまうときは、結果としてスリップを生じる最大張力ＴＭＡＸを有する。一般的に、最大張力ＴＭＡＸは、ハードウェアとソフトウェアの両方によって設定されるのが望ましい。特に、最大張力ＴＭＡＸは、大きな力を加えることにより生じる器具の損傷を避けるために設定されるべきであり、最小張力ＴＭＩＮは、リンクにおけるテンドンが緩くなったり、脱線したり、ねじれたりすることがないことを確実にするために設定されるべきである。
【００３５】
図５に係るステップ５５５は、コントロール信号を生成し、アクチュエーター４４０はステップ５５０において算出した張力Ｔを適用する。例えば、アクチュエーター４４０がダイレクトドライブの電気モーターであるときは、コントロール信号は、算出された張力Ｔに対して比例するようにコントロールされた駆動電流であり得る。ステップ５６０において、コントロールシステム４５０は、アクチュエーター４４０が、タイムインターバルΔｔの間、算出された張力Ｔを適用し、保持するようにする。その間に、関節４１０は現在の望ましい位置θＤに向かって動作する。張力Ｔを変えると、アクチュエーター４４０のイナーシャに応じた時間によって、全張力Ｔの適用が遅れることになる。望ましくは、素早く反応するために、アクチュエーター４４０のイナーシャは比較的に小さいほうが良い。例えば、アクチュエーター４４０として動作しているドライブモーターのイナーシャは、関節４１０のイナーシャの５倍以下であることが望ましい。時間Δｔの経過後、プロセス５００はステップ５１０に戻り、関節位置の測定、目標とする位置と速度の獲得、そして次のタイムインターバルの間に適用される張力Ｔの計算、を繰り返す。一般的に、時間Δｔは、器具のオペレーターに対してスムーズであるように見える動作を提供し、器具において望ましくない振動を生じることがないように、十分小さくあるべきである。例えば、一秒間に２５０回以上の張力Ｔを算出し、設定することは、人の目に対してスムーズに見える動作を提供し、人の命令、例えば、人によるコントローラー４６０の操作、に応じた器具の動作を提供する。張力Ｔの算出において誤差を使用することは、一般的に、関節４１０を望ましい位置に収束させる。その際、統合的な張力ＴＩＮＴを伴っても伴わなくてもよく、器具または外部環境のモデル化もしくは測定は伴わない。しかしながら、上述のように、適用する張力Ｔの算出において使用されるゲインｇ１とｇ２といったパラメーターは、特定の器具について調整され、その器具に係る外部の環境変化を補償するために、使用において、さらに調整される。
【００３６】
アクチュエーター４４２がリンク４２２に対して適用する張力は、図５に係るコントロールプロセス５００を使用してもコントロールできる。プロセス５００においてアクチュエーター４４２とリンク４２２に対して使用されたパラメーターは、アクチュエーター４４２とリンク４２２を比較した際の、アクチュエーター４４２とリンク４２２についての類似性と相違性に基づいた、アクチュエーター４４２とリンク４２２に対するパラメーターと同一であっても異なっていてもよい。特に、図４に係る構成におけるアクチュエーター４４２に対するサイン値Ｔｓｉｇｎは、アクチュエーター４４０に対するサイン値Ｔｓｉｇｎとは逆の関係にある。リンク４２２と４２０は、関節４１０を回転させるように反対方法から接続されているからである。結果として、ステップ５２５で算出される主要な張力の貢献であるＴＤＳＴは、典型的にはアクチュエーター４４０または４４２の一方について負の値になり得る。適用する張力Ｔを算出する、ステップ５５０は、図８に示すように、最小張力ＴＭＩＮとして、負の張力総計ＴＤＩＳＴ＋ＴＰＲＯＸ＋ＴＰＡＩＲ＋ＴＩＮＴを設定することができる。従って、例えば、定数Ｃといった、ステップ５２５における遠位張力ＴＤＩＳＴの算出のためのパラメーターは、一般的に、他方のアクチュエーターが作用張力ＴＭＩＮを適用するという仮定に基づいて選択することができる。
【００３７】
本発明は、特定の実施例に関して述べられてきたが、こうした記載は本発明のアプリケーションについての単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものと理解されるべきではない。特許請求の範囲によって定義されるように、開示された実施例に係る特徴の多様な適用や組み合わせは、本発明の範囲内のものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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