(57)【要約】【課題】性能及び安定性要件を満足しながら医療ロボットシステムにおける空間制約を克服し、性能及び安定性要件を満足しながら医療ロボットシステムにおける過剰な熱の問題を回避する、モータ制御システムの構成を提供する。【解決手段】医療ロボットシステムが、モータ作動させられる関節によって移動可能であるハウジングを形成するリンクを有するマニピュレータを含む。関節を作動させるモータ及びモータの状態を感知するセンサが、対応するリンク又はマニピュレータの他の構造から形成される１つ又はそれよりも多くの遠位ハウジング内に収容される。位置コントローラが、近位ハウジング内に収容され、モータのための電流命令を中間ハウジング内に収容される遠隔電流コントローラに提供し、提供される電流命令及び感知されるモータの状態を用いることによってモータのための駆動信号を生成する。【選択図】図３
2018171512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節位置コントローラと、
マニピュレータとを含み、
該マニピュレータは、
複数のハウジングであって、前記複数のハウジングの各々は、回転可能な関節によって、前記複数のハウジングのうちの隣接するハウジングに連結される、前記複数のハウジングと、
複数のモータ及び複数のセンサ処理ユニットであって、前記複数のモータ及び前記複数のセンサ処理ユニットは、前記複数のハウジングのうちの１つ又はそれよりも多くのハウジング内に収容される、前記複数のモータ及び前記複数のセンサ処理ユニットと、
前記複数のモータ及び前記複数のセンサ処理ユニットを収容する、前記複数のハウジングのうちの前記１つ又はそれよりも多くのハウジングとは異なる、前記複数のハウジングのうちの１つのハウジング内に収容される、遠隔電流コントローラとを含み、
前記複数のモータの各々は、デバイスの対応する自由度を作動させるよう、前記デバイスが前記マニピュレータによって保持されているときに、前記デバイスに連結され、
前記複数のセンサ処理ユニットは、前記複数のモータの状態を感知して、該感知した状態をデジタル式に送信可能な情報に変換し、
前記遠隔電流コントローラは、
前記関節位置コントローラから前記複数のモータの命令される位置を示す命令を受信し、
前記複数のセンサ処理ユニットから前記デジタル式に送信可能な情報を受信し、
前記受信する命令及び前記受信するデジタル式に送信可能な情報を使用して、前記複数のモータのための個々のモータ駆動信号を生成し、且つ
個々の信号線を通じて前記個々のモータ駆動信号を前記複数のモータに提供する、
ように構成される、
ロボットシステム。
【請求項２】
前記デジタル式に送信可能な情報は、前記複数のモータのロータ角の情報を含む、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記デバイスは、シャフトと、遠位先端と、該遠位先端を前記シャフトに連結するリスト機構とを有し、
前記複数のモータは、前記リスト機構の対応する自由度を作動させる１つ又はそれよりも多くのモータを含む、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記デバイスは、エンドエフェクタを有し、
前記複数のモータは、前記エンドエフェクタの対応する自由動を作動させる１つ又はそれよりも多くのモータを含む、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記遠隔電流コントローラは、デイジーチェーンネットワークに含められる複数の通信リンクを通じて前記複数のセンサ処理ユニットと通信し、
前記関節位置コントローラは、前記デイジーチェーンネットワーク内の近位通信リンクを通じて前記遠隔電流コントローラと通信する、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項６】
前記デイジーチェーンネットワークは、パケットベースのネットワークを含む、請求項５に記載のロボットシステム。
【請求項７】
前記複数のモータは、１つ又はそれよりも多くのブレシレスＤＣモータを含み、
前記個々のモータ駆動信号は、パルス幅変調された電流信号である、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項８】
前記関節位置コントローラを取り囲むベース構造と、
セットアップアームと、前記マニピュレータとを含む、ロボットアームとを更に含み、
前記セットアップアームの一端が、前記ベース構造に連結され、前記セットアップアームの他端が、前記マニピュレータに連結される、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項９】
マスタコントローラを更に含み、該マスタコントローラは、前記関節位置コントローラが、前記マスタコントローラから受信する入力に応答して、前記複数のモータの命令される位置を示す前記命令を生成するよう、前記関節位置コントローラに動作的に連結される、請求項１に記載のロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、医療ロボットシステムに関し、具体的には、複数の遠位に収容されるモータを制御する遠隔電流コントローラを備える医療ロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最小侵襲的な外科処置を行うために用いられるシステムのような医療ロボットシステムは、より少ない痛み、より短い病院滞在、通常活動へのより素早い復帰、最小の瘢痕化、回復時間の減少、及び組織へのより少ない損傷を含む、従来的な観血手術技法に対する多くの利益をもたらす。結果的に、そのような医療ロボットシステムの要求は強く、そして、増大している。
【０００３】
そのような医療ロボットシステムの１つの例は、Sunnyvale,  CaliforniaのIntuitive  Surgical,  Inc.からのda  Vinci（登録商法）Surgical  Systemであり、それは最小侵襲的なロボット医療システムである。da  Vinci（登録商法）Surgical  Systemは、スレーブマニピュレータを備える多数のロボットアームを有し、スレーブマニピュレータは、外科医がイメージキャプチャ装置（画像捕捉装置）によってキャプチャ（捕捉）される手術部位のディスプレイスクリーンを見ているときに、外科医によって作動させられる関連するマスタコントローラの動きに応答して、手術器具を関節接続するIntuitive  Surgicalが製造販売の独占権を有するEndoWrist（登録商標）及びイメージキャプチャ装置のような、付属の医療装置を動かす。
【０００４】
複数のモータが医療ロボットシステム内に設けられて、スレーブマニピュレータ及びそれらの付属の医療装置の対応する自由度を作動させる。一例として、ここに参照として援用する「Camera  Referenced  Control  in  a  Minimally  Invasive  Surgical  Apparatus」という名称の米国特許第６４２４８８５号は、関連するマスタコントローラの動きに応答してそのマニピュレータを動かすことによって、付属の医療装置の位置及び向き（配向）を制御する、マスタ／スレーブ制御システムを記載している。
【０００５】
実際には、複数のモータは、それらがそれぞれ作動させる関節（継手）又は他の機械的要素の付近にあるように、ロボットアーム内の様々な場所に分散させられてよい。制御目的のために、モータの状態を感知するセンサは、それらのそれぞれのモータの付近に概ね配置される。実施における単純性のために、モータの電流コントローラをモータのセンサへの近接近内に配置するのが有利なことがある。しかしながら、モータ及びそのセンサが小さなハウジング内に配置される状況では、電流コントローラをそのモータと同じハウジング内に配置するのを試みることは、空間及び／又は加熱問題を引き起こすことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の１つ又はそれよりも多くの特徴の１つの目的は、性能及び安定性要件を満足しながら医療ロボットシステムにおける空間制約を克服する、モータ制御システムの構成である。
【０００７】
本発明の１つ又はそれよりも多くの特徴の他の目的は、性能及び安定性要件を満足しながら医療ロボットシステムにおける過剰な熱の問題を回避する、モータ制御システムの構成である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの及び追加的な目的は、本発明の様々な特徴によって達成され、簡潔に述べると、１つの特徴は、ロボット操作される装置の動作を作動させる複数のモータを制御する分散制御システムであって、複数のモータの状態を感知するために複数のモータに連結される複数のセンサと、位置コントローラからの複数のモータの命令される位置を示す電流命令を受信し、複数のモータの感知される状態の情報を受信し、受信される電流命令及び複数のモータの感知される状態の受信される情報を用いることによって複数のモータのために個々のモータ駆動信号を生成し、且つ個々のモータ駆動信号を複数のモータに送信するように構成される、遠隔電流コントローラとを含み、複数のセンサ及び複数のモータは、１つ又はそれよりも多くの遠位ハウジング内に配置され、位置コントローラは、近位ハウジング内に配置され、遠隔電流コントローラは、近位ハウジングと１つ又はそれよりも多くの遠位ハウジングとの間にある中間ハウジング内に配置される、分散制御システムである。
【０００９】
他の特徴は、複数のモータ及び複数のセンサを収容する１つ又はそれよりも多くの遠位ハウジングと、位置コントローラを収容する近位ハウジングと、遠隔電流コントローラを収容する中間ハウジングとを含み、複数のセンサは、複数のモータの状態を感知するために複数のモータに連結され、位置コントローラは、複数のモータの命令される位置を示す電流命令を生成し、中間ハウジングは、近位ハウジングと前記１つ又はそれよりも多くの遠位ハウジングとの間にあり、遠隔電流コントローラは、電流命令を受信し、複数のモータの感知される状態の情報を受信し、受信される電流命令及び複数のモータの感知される状態の受信される情報を用いて複数のモータのために個々のモータ駆動信号を生成し、個々の信号線を通じて個々のモータ駆動信号を複数のモータに送信するように構成される、ロボットシステムである。
【００１０】
本発明の様々な特徴の追加的な目的、構成、及び利点は、添付の図面と共に理解されるべき後続の記述から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】医療ロボットシステムを示す斜視図である。
【００１２】
【図２】医療ロボットシステムにおいて使用可能な代替的な患者側カートを示す図である。
【００１３】
【図３】医療ロボットシステム中にロボットアームの一部として含められるマニピュレータを示す斜視図である。
【００１４】
【図４】医療ロボットシステムに含め得る取り付け可能な器具を示す斜視図である。
【００１５】
【図５】医療ロボットシステムに含められるマスタ／スレーブ制御システムを示すブロック図である。
【００１６】
【図６】医療ロボットシステムに含められる関節制御システムを示すブロック図である。
【００１７】
【図７】医療ロボットシステムに含められるネットワーク化されたモータ制御システムの第１の構成を示すブロック図である。
【００１８】
【図８】医療ロボットシステムに含められるネットワーク化されたモータ制御システムの第２の構成を示すブロック図である。
【００１９】
【図９】医療ロボットシステムに含められるネットワーク化されたモータ制御システムの混成構成の一部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、一例として、ケーブル１８１，１８２を通じて互いに通信する、外科医コンソール１００（サージョンコンソール）と、患者側カート１１０（ペイシェントカート）と、ビジョンカート１７０とを含む、医療ロボットシステム１０００の斜視図を例示している。外科医コンソール１００は、立体像ビューア１０１と、手動操作可能なマスタコントローラ１０２，１０３と、少なくとも１つのフットペダル１０４とを含む。患者側カート１１０は、ベース１２０と、取り外し可能に取り付け可能な医療装置を保持し、動かし、且つ操作するように構成される、ロボットアーム１１１，１１３，１１５，１１７とを含む。
【００２１】
図１の実施例において、ロボットアーム１１１，１１３，１１７は、外科器具１１２，１１４，１１８を保持し、ロボットアーム１１５は、立体内視鏡１１６を保持する。代替的に、ロボットアーム１１１，１１３，１１５，１１７の各々は、医療処置が執り行われている間に、異なる種類の医療装置を保持してよく、或いはいずれの医療装置をも保持しなくてよい。一例として、超音波変換器のような第２のイメージキャプチャ装置（画像捕捉装置）が、ロボットアーム１１１によって保持される外科器具１１２に取って代わってよい。他の例として、ロボットアーム１１１は、外科処置の全部及び一部の間に、いずれの医療装置もそれに取り付けられない状態で、使用されないままにされてよい。
【００２２】
立体内視鏡１１６は、ビデオストリームとしてビジョンカート１７０に連続的に送信される立体画像（立体イメージ）をキャプチャ（捕捉）する。ビジョンカート１７０は、各対の立体画像を受信すると、それを処理し、立体像ビューア１０１での実質的に実時間における表示のために、処理済みの対の立体画像を外科医コンソール１００に送信する。よって、外科医は、マスタコントローラ１０２、１０３、及び／又はフットペダル１０４のうちの関連するものを操作することによって外科器具１１２、１１４、１１８、及び／又は立体内視鏡１１６を遠隔ロボット式に操作しながら、立体内視鏡１１６によってキャプチャされる作業部位の立体画像を見てよい。そのような遠隔ロボット式の操作を容易化するために、マスタ／スレーブ制御システムが、医療ロボットシステム１０００中に設けられる。
【００２３】
ロボットアーム１１１，１１３，１１５，１１７は、ベース１２０に対して垂直方向に（即ち、天井に向かって或いは床に向かって）個々に上又は下に移動させられてよい。ロボットアーム１１１，１１３，１１５，１１７の各々は、マニピュレータ及び設定アーム（セットアップアーム）を含むのが好ましい。マニピュレータは、医療装置を保持して医療装置を旋回地点について操作するように構成される。設定アームは、マニピュレータを空間内で水平方向に並進させるように構成されるので、マニピュレータの保持する医療装置及び医療装置の旋回地点も、空間内で水平方向に並進させられる。
【００２４】
図２は、一例として、ロボットアーム１１１’，１１３’，１１５’，１１７’を有する、代替的且つ好適な患者側カート１１０’を例示しており、ロボットアーム１１１’，１１３’，１１５’，１１７’は、各ロボットアームが図示の外科器具のうちのいずれか１つを保持し且つ操作してよいよう、互いに同様に構成される。また、アーム１１１’，１１３’，１１５’，１１７’の各々は、患者側カート１１０のその対応物のアームよりも概ね軽量で寸法的に小さい。また、患者側カート１１０のそれらの対応物と異なるのは、ロボットアーム１１１’，１１３’，１１５’，１１７’が、それらのベース１２０’に対して垂直方向において上又は下に一致して動かされてよいことである。
【００２５】
図３は、一例として、ロボットアーム１１１’，１１３’，１１５’，１１７’のマニピュレータを代表する、マニピュレータ２００を例示している。マニピュレータ２００は、取り外し可能に取り付け可能な医療装置２５０（図示せず）を保持するように構成される。この実施例において、医療装置２５０は、立体内視鏡又は超音波変換器のような、イメージキャプチャ装置であってよい。代替的に、医療装置２５０は、外科器具(instrument)又は工具(tool)のような、医療用具(implement)であってよい。例示的な医療装置２５０を図４に示す。マニピュレータ２００は、旋回地点２５５で交差する直角のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対する、ピッチ（縦揺れ）、ヨー（偏揺れ）、ロール（横揺れ）、及び出入れ(in/out)（Ｉ／Ｏ）自由度において、医療装置２５０を動かすように更に構成される。医療装置２５０が、医療装置２５０の遠位端を制御可能に配向する手首機構、及び／又は医療装置２５０の遠位端にある作動可能なエンドエフェクタを含むとき、マニピュレータ２００は、医療装置２５０の手首機構及び／又はエンドエフェクタの自由度を作動させるように更に構成される。
【００２６】
マニピュレータ２００は、複数の接続されるリンク及び関節（継手）を含む。リンク２３１は、関節２１１で設定アームの近位端２３０に連結される。また、リンク２３１は、リンク２３１の長手軸２３２がＺ軸と一致するよう、リンク２０１に取り付けられる。リンク２０１，２０２，２０３，２０４は、図示のように、関節２１２，２１３，２１４で連結させられる。
【００２７】
モータ２２１が作動させられるときに、リンク２３１が関節２１１でその長手軸２１１について回転するよう、ヨーモータ２２１がリンク２３１内に収容される。リンク２３１がその長手軸について回転する結果として、医療装置２５０を挿入可能であるカニューレ２６３が、旋回地点２５５でＺ軸についてヨー角度２５２において回転する。
【００２８】
モータ２２２が作動させられるときに、モータ２２２が、ケーブル及び／又は平坦な金属バンドを利用する機械的アセンブリのような従来的な内部の機械的アセンブリを用いて、リンク２０２をリンク２０１に対して関節２１２で回転させ、リンク２０２をリンク２０３に対して関節２１３で回転させ、そして、リンク２０４をリンク２０３に対して関節２１４で回転させるよう、ピッチモータ２２２が、リンク２０１内に収容される。モータ２２２が作動させられるときに、モータ２２２が旋回地点２５５でＹ軸についてピッチ角度２５１において回転させられるカニューレ２６３をもたらすよう、リンク２０１，２０２，２０３，２０４は一致して動くように制約される。
【００２９】
出入れ（Ｉ／Ｏ）モータ２２３が作動させられるときに、Ｉ／Ｏモータ２２３がカートリッジ２６２をレール２６１に沿って移動させるよう、Ｉ／Ｏモータ２２３はリンク２０４内に収容される。レール２６１は、リンク２０４の長手軸と平行に延びるよう、リンク２０４内に又は上に設けられる。カニューレ２６３は、リンク２０４の遠位端に取り付けられる。医療装置２５０がカニューレ２６３内に挿入され且つキャリッジ２６２に取り付けられるときには、モータ２２３の作動は、取り付けられる医療装置２５０のシャフト８０１がカニューレ２６３内に挿入され且つカニューレ２６３によって案内されるときに、（矢印２５４によって示すような）出入れ方向に動くキャリッジ２６２及びＸ軸に沿ってシャフト８０１をもたらす。複数のモータ２２４がキャリッジ２６２内に収容されて、医療装置２５０の対応する自由度を作動させる。一例として、伝動装置(gearing)を作動させるために、複数のモータ２２４のうちの第１のモータが設けられ、伝動装置は、作動させられると、医療装置２５０をその長手軸について（図４に矢印２５３によって示すように）回転させる。図３及び４に示すように、Ｘ軸は、医療装置２５０の長手軸と一致し、Ｚ軸は、リンク２３１の長手軸２３２と一致し、Ｙ軸は、Ｘ軸及びＺ軸に対して直交する。他の例として、医療装置２５０が（医療装置２５０の遠位端をピッチ方向において及びヨー方向において配向することのような）２つの自由度を備える手首関節８０６を有するときには、２つの自由度をそれぞれ作動させるために、複数のモータ２２４のうちの第２及び第３のモータが設けられる。更に他の例として、医療装置２５０が（一対のジョーの開閉のような）１つの自由度を備える作動可能なエンドエフェクタ８０２を有するときには、その自由度を作動させるために、複数のモータ２２４のうちの第４のモータが設けられる。
【００３０】
医療装置２５０の実施例を図４に示しており、そこでは、医療装置２５０は、キャリッジ２６２への取付けのためのインターフェース８０８と、カニューレ２６３内に挿入可能なシャフト８０１と、手首機構８０６と、エンドエフェクタ８０２とを有する、外科器具である。インターフェース８０８の下面から見られるように、機械的インターフェース８１０がインターフェース８０８上に設けられ、医療装置２５０がキャリッジ２６２に取り付けられるときに、マニピュレータ２００の複数のモータ２２４を医療装置２５０内の機械的要素に機械的に結合し、それはモータ２２４の運動２５６を変換して、医療装置２５０の対応する自由度を作動させる。
【００３１】
図５は、一例として、操作者が（マスタコントローラ１０２，１０３のうちの１つのような）マスタコントローラ３０１を操作して、所望の状態へのスレーブマニピュレータ２００による医療装置２５０の動作を命令する、マスタ／スレーブ制御システム３００のブロック図を例示している。その時点での医療装置と関連付けられるマスタコントローラの操作者の操作に応答して、他のスレーブマニピュレータによって保持される他の医療装置を制御するために、類似のマスタ／スレーブ制御システムが医療ロボットシステム１０００中に設けられてよい。マスタコントローラ３０１は、マスタ順運動学ユニット３０２（前進運動学ユニット）へのその接合状態の情報を提供する。マスタ順運動学ユニット３０２は、マスタコントローラ３０１の感知された接合の状態を医療装置２５０の所望の状態にマッピングする。次に、スレーブ逆運動学ユニット３０３（逆進運動学ユニット）が、医療装置２５０の所望の状態をスレーブマニピュレータ２００及び／又は医療装置２５０の関節位置にマッピングし、それは所望の状態にある医療装置２５０をもたらす。次に、関節位置コントローラ３０４が、スレーブマニピュレータ２００及び医療装置２５０の所望の関節位置
［外１］
2018171512.tif 000003
を、スレーブマニピュレータ２００内のモータを駆動してそれらのそれぞれの関節をそれらの所望の関節位置に作動するための電流命令
［外２］
2018171512.tif 000004
に変換する。フィードバックが途中でもたらされて医療装置２５０の滑らかな制御を促進する。
【００３２】
図６は、一例として、スレーブマニピュレータ２００又は医療装置２５０の関節４１０を作動させるモータ４０１を制御するために用いられる関節制御システム４００のブロック図を例示している。スレーブマニピュレータ２００又は医療装置２５０の他の関節を作動させる他のモータを制御するために、類似の制御システムを医療ロボットシステム１０００中に設けてよい。本実施例において、モータ４０１は、好ましくは、電流コントローラ４０２によって制御される三相ブラシレス直流（ＤＣ）モータである。電流コントローラ４０２は関節位置コントローラ３０４から電流命令ＩＣを受信し、パルス幅変調された電圧信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを生成し、それはそれらを三相ブラシレスＤＣモータ４０１のそれぞれのモータ巻線にもたらす。センサ処理ユニット４０３が、ホール効果センサ及び／又は回転エンコーダのような１つ又はそれよりも多くのセンサを含み、それはモータ４０１のロータ角度Ｒを感知し、感知したロータ角度Ｒの情報を電流コントローラ４０２にフィードバックする。感知したロータ角度Ｒは、関節位置コントローラ３０４に直接的にフィードバックされてよく、或いは、図示のように、電流コントローラ４０２を通じて間接的にフィードバックされてよい。電流コントローラ４０２は、位相調節のために感知したロータ角度Ｒフィードバックを用いることによって並びに電流制御フィードバックのために内部的に感知した出力電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ及び／又は電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃ（即ち、モータ巻線に流入する電流）を用いて、従来的な方法において電流命令ＩＣに応答して、パルス幅変調された電圧信号Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを生成する。
【００３３】
図７は、一例として、そのロボットアームのうちの１つの動きを制御するために医療ロボットシステム１０００中に含められてよい、ネットワーク化されたモータ制御システムの第１の構成５００のブロック図を例示している。この構成において、電流コントローラ（例えば、４０２−１，４０２−２）は、好ましくは、ローカルにあり（局所的であり）、或いはマニピュレータ２００内のそれらのそれぞれのモータ（例えば、４０１−１，４０１−２）に少なくとも近接する。電流コントローラ（例えば、４０２−１，４０２−２）の各々は、対応する送信器／受信器（例えば、４０４−１，４０４−２）を有する。この実施例において、送信器／受信器（例えば、４０４−１，４０４−２）は、デイジーチェーンにおいて関節位置コントローラ３０４にネットワーク化される。よって、電流コントローラ４０２−１のための送信器／受信器４０４−１は、通信リンク５０１を介して関節位置コントローラ３０４と通信し、隣の電流コントローラのための隣の送信器／受信器は、リンク５０３を介して電流コントローラ４０２−２のための送信器／受信器４０４−２と通信する等である。スターパターン(star  patterns)及びスターリンク(star  links)とデイジーチェーンリンク(daisy  chain  links)との混成的な組み合わせのような、他の通信スキームが使用可能であることも想定される。
【００３４】
よって、そのようなデイジーチェーン構成において、デイジーチェーン中の各送信器／受信器（例えば、４０４−１，４０４−２）は、隣接する上流／下流の送信器／受信器から情報のパケットを受信し、情報のパケット中の宛先フィールド(destination  field)を確認し、そのパケットがその電流コントローラのために意図されているか否かを決定する。次に、送信器／受信器は、その電流コントローラがその宛先であることを宛先フィールドが示すならば、受信した情報のパケットをその電流コントローラに送り、或いは、その電流コントローラがその宛先でないことをその宛先フィールドが示すならば、受信した情報のパケットを隣接する下流／上流の送信器／受信器に送る（即ち、パケットが隣接する上流の送信器／受信器から受信されたならば、その宛先は更に下流にあり、或いは、パケットが隣接する下流の送信器／受信器から受信されたならば、その宛先は更に上流にある）。
【００３５】
２つのモータ４０１−１，４０１−２のみを示しているが、マニピュレータ２００内の全てのモータのための全ての電流コントローラをこのような仕方においてネットワーク化してよいことが理解されるべきである。ここにおいて理解されるべきこととして、「ローカル」という用語は、電流コントローラが、そのモータ及びセンサ処理ユニットと同じハウジング内にあることを意味する。ローカル電流コントローラの一例として、図３において、モータ２２２（及びその送信器／受信器）のための電流コントローラは、モータ２２２と共にリンク２０１内に収容されるプリント回路基板７３０上にある。従って、プリント回路基板７３０上の電流コントローラは、そのモータ２２２に対してローカルである。なぜならば、リンク２０１は、プリント回路基板７３０とモータ２２２とを取り囲むハウジングとしての機能を果たすからである。
【００３６】
図８は、一例として、医療ロボットシステム１０００中に含めてよいネットワーク化されたモータ制御システムの第２の構成６００のブロック図を例示している。この構成において、単一の電流コントローラ６１０は、モータ（例えば、４０１−３，４０１−４）から遠隔にあり、電流コントローラは、マニピュレータ２００内でモータのためにパルス幅変調された電流信号をもたらす。ここにおいて理解されるべきこととして、「遠隔」という用語は、電流コントローラがモータと異なるハウジング内にあることを意味し、電流コントローラは、モータのためにパルス幅変調された電流信号をもたらす。遠隔電流コントローラの一例として、図３では、遠隔電流コントローラ（及びその送信器／受信器）が、リンク２０２内に収容されるプリント回路基板７４０上に設けられるのに対し、モータ２２３，２２４は、リンク２０４及びキャリッジ２６２内にそれぞれ収容され、遠隔電流コントローラは、モータのためにパルス幅変調された電流信号をもたらす。よって、プリント回路基板７４０上の遠隔電流コントローラは、モータから遠隔にあり、遠隔電流コントローラは、モータのためにパルス幅変調された電流信号をもたらす。なぜならば、遠隔電流コントローラは、モータとは異なるハウジング内にあるからである。具体的には、モータは、遠隔電流コントローラのためのハウジングの遠位にあるハウジング内に配置される。
【００３７】
モータ（例えば、４０１−３，４０１−４）の状態を感知するために、センサ処理ユニット（例えば、４０３−３，４０３−４）が設けられる。遠隔電流コントローラ６１０及びセンサ処理ユニット（例えば、４０３−３，４０３−４）は、デイジーチェーン内の遠隔電流コントローラ６１０の送信器／受信器６１５とネットワーク化される。センサ処理ユニット（例えば、４０３−３，４０３−４）がデイジーチェーンネットワーク上で通信するために、送信器／受信器（例えば、６１１−３，６１１−４）が感知処理ユニット（例えば、４０３−３，４０３−４）の各々のために設けられて、遠位センサ処理ユニット（例えば、６１２−３，６１２−４）を形成する。よって、遠隔電流コントローラ６１０の送信器／受信器６１５は、通信リンク６０１を介して関節位置コントローラ３０４と通信し、センサ処理ユニット４０３−３のための送信器／受信器６１１−３は、通信リンク６０２を介して電流コントローラ６１０の送信器／受信器６１５と通信し、感知処理ユニット４０３−４のための送信器／受信器６１１−４は、通信リンク６０３を介して感知処理ユニット４０３−３のための送信器／受信器６１１−３と通信し、デイジーチェーン内の隣の感知処理ユニットのための隣の送信器／受信器は、通信リンク６０４を介して感知処理ユニット４０３−４のための送信器／受信器６１１−４と通信する等である。
【００３８】
情報は、パケット交換プロトコルを用いて、パケットにおいてデイジーチェーンネットワーク上で通信されるのが好ましい。パケット交換プロトコルの一例として、ここに参照として援用する「Synchronous  Data  Communication」という名称の米国特許第８，０５４，７５２号を参照。関節位置コントローラ３０４から遠隔電流コントローラ６１０への通信において電流命令をそれらの意図されるモータと関連付けるために、電流命令はパケット内のデータフィールド内に提供され、電流命令が向けられるモータは、パケット内の宛先フィードル内で識別される。同様に、遠位センサ処理ユニット（例えば、６１２−３，６１２−４）から遠隔電流コントローラ６１０への通信においてセンサ情報をそれらのそれぞれのモータと関連付けるために、センサ情報はパケット内のデータフィールド内に提供され、センサ情報を利用するモータは、パケット内のソースフィールド内で識別される。この後者の場合において、遠隔電流コントローラ６１０は、宛先フィールド内で識別される。遠隔電流コントローラ６１０の送信器／受信器６１５と遠位センサ処理ユニット（例えば６１２−３，６１２−４）との間の通信リンク（例えば、６０２，６０３，６０４）は、システム性能及び安定性要件を保証するために、高速通信リンクであるのが好ましい。
【００３９】
ネットワーク化されるモータ制御システム内に２つの制御ループを定め得る。「位置ループ」が関節位置コントローラ３０４の処理サイクルによって定められ、「電流ループ」が遠隔電流コントローラ６１０の処理サイクルによって定められる。１つの実施態様において、「位置ループ」は約７５０μｓ（マイクロ秒）ループであり、「電流ループ」は約２５μｓループである。これは関節位置コントローラ３０４が、その処理サイクロの各々の間に（即ち、それが隣の組の関節位置命令
［外３］
2018171512.tif 000005
を受信するまで）、遠隔電流コントローラ６１０及び／又は電流コントローラ４０２−１のような、全てのロボットアーム電流コントローラに必要なものを提供する(service)ことを可能にする。また、それは遠隔電流コントローラ６１０が遠位センサ処理ユニット（例えば、６１２−３，６１２−４）から位置情報を受信して、その処理サイクルの各々の間に（即ち、それが隣の組の電流命令
［外４］
2018171512.tif 000006
を受信するまで）、その制御されるモータ（例えば、４０１−３，４０１−４）の各々のためのモータ制御信号（例えば、６２１−３，６２１−４）を生成することを可能にする。
【００４０】
遠隔電流コントローラ６１０は、一組のパルス幅変調された電流信号を、個々の信号線（例えば、複数組の信号線６２１−３，６２１−４）を通じて、その制御されるモータ（例えば、４０１−３，４０１−４）の各々にもたらす。典型的には、各組の信号線は、三相ブラシレスＤＣモータの対応する巻線への接続のための３つの電圧／電流線を含む。電流及び／又は電圧センサが遠隔電流コントローラ６１０に含められて、各信号線を通じて引かれる電流及び／又は各信号線上に適用される電圧を感知するのが好ましい。感知される電流は、遠隔電流コントローラ６１０における電流制御目的のために、従来的な方法において用いられてよい。
【００４１】
ここに記載するようなネットワーク化されるモータ制御システムの第１及び第２の構成に加えて、第１及び第２の構成の特徴を組み合わせる混成構成（ハイブリッド構成）が医療ロボットシステム１０００内で利用されてもよい。そのような混成システムは、第１の構成５００の特徴が第２の構成６００の特徴よりも有利であるときに第１の構成５００の特徴を使用すること及びその逆を可能にする。例えば、第１の構成５００の特徴は、空間及び加熱の懸念が最小であるときに、実施目的のために有利であってよい。他方、第２の構成６００の特徴は、空間及び加熱が特に懸念であるときに有利であってよい。
【００４２】
戻って図３を参照すると、マニピュレータ２００は、ネットワーク化されたモータ制御システムの混成構成を含む。混成構成は、図７の第１の構成５００の特徴を図８の第２の構成６００の特徴と組み合わせる。
【００４３】
図７の第１の構成５００は、マニピュレータのピッチ及びヨー制御のために用いられる。具体的には、ヨー電流コントローラ（例えば、４０２−１）及びその対応する送信器／受信器（例えば、４０４−１）がプリント回路基板７３０上に設けられて、ヨーセンサ処理ユニット７２１（例えば、４０３−１）からのフィードバックを用いてヨーモータ２２１（例えば、４０１−１）を制御する。ピッチ電流コントローラ（例えば、４０２−２）及びその対応する送信器／受信器（例えば、４０４−２）もプリント回路基板７３０上に設けられて、ピッチセンサ処理ユニット７２２（例えば、４０３−２）からのフィードバックを用いてピッチモータ２２２（例えば、４０１−２）を制御する。この実施例において、関節位置コントローラ３０４は、患者側カート１１０’のベース１２０’内に、分散的な方法において全体的に又は部分的に配置されてよい。代替的に、関節位置コントローラ３０４は、ビジョンカート１７０及び外科医コンソール１００内のような、医療ロボットシステム１０００の他の部品内に、分散的な方法において全体的に又は部分的に配置されてよい。更に、ヨー及び電流コントローラ（例えば、４０２−１，４０２−２）は、同じプリント回路基板上に配置されるので、それらはそれらの独自の個々の送信器／受信器を有するよりむしろ、同じ送信器／受信器を共用してもよい。
【００４４】
ピッチ及びヨー電流コントローラが実施目的のためにそれらのそれぞれのモータに近接するのが有利であることがある。他方、それらをリンク２０１内に配置することは、極めて少ない空間要件の問題を提示する。なぜならば、リンク２０１は比較的大きく、プリント回路基板７３０を容易に収容するからである。また、ピッチ及びヨーコントローラによって生成される熱は、それらをリンク２０１内に配置することによって問題を提示しない。なぜならば、このリンクは、マニピュレータ２００の近位端にあるからである。従って、リンク２０１は、より遠位のリンク２０２，２０３，２０４よりも、その時に治療されている患者から更に離れているからである。更に、リンク２０１は、より遠位のリンク２０２，２０３，２０４に比べて比較的大きいので、リンク２０１は、リンクによって収容されるピッチ及びヨー電流コントローラによって生成される如何なる熱をも放散するよう、より内部容積及び外部表面積を有する。
【００４５】
対照的に、Ｉ／Ｏモータ２２３は、リンク２０４の遠位端に配置される。この場所は患者に近く、空間的に制約されるので、その電流コントローラをモータ２２３の付近に配置することは、加熱問題を提示する。更に、医療装置２５０の対応する自由度を作動させるモータ２２４が、キャリッジ２６２内に収容される。キャリッジ２６２の内部は、特に空間的に制約されるので、更に、キャリッジ２６２は、患者の付近にあるように、リンク２０４の遠位端に向かって動くことがあるので、モータ２２４のための電流コントローラをキャリッジ２６２内に収容することも加熱の問題を提示し、それは患者を害すること又は構成部品の稼働寿命を減少させることを招く。
【００４６】
よって、モータ２２３のための電流コントローラをリンク２０４とは異なるハウジング内に収容することが望ましい。また、モータ２２４のための電流コントローラをキャリッジ２６２とは異なるハウジング内に収容することが望ましい。対照的に、遠位センサ処理ユニット（例えば、６１２−３，６１２−４）をそれらのそれぞれのモータと同じハウジング内に収容するのが望ましい。なぜならば、それらのセンサは、それらのロータ角度を感知するために、モータ付近になければならないからである。また、それらの送信器／受信器（例えば、６１１−３，６１１−４）によって生成される熱は、遠隔電流コントローラ６１０の動作によって生成される熱よりも比較的小さい。
【００４７】
従って、遠隔電流コントローラ（例えば、６１０）がモータ２２３，２２４の電流制御のために実施されてよいように、図８の第２の構成６００の特徴が適用されてよい。しかしながら、この場合には、遠隔電流コントローラ６１０の送信器／受信器６１５を図６に示すような関節位置コントローラ３０４と直接的に通信させるよりもむしろ、それは、デイジーチェーンネットワーク内の図７及び９に示すような通信リンク５０３を介して、むしろプリント回路基板７３０上のヨー電流コントローラ（例えば、４０２−２）の送信器／受信器（例えば、４０４−２）と直接的に通信する。
【００４８】
図９の構成９００を実施するために、モータ２２３，２２４のための電流制御をもたらす遠隔電流コントローラ６１０は、リンク２０２内に収容されるプリント回路基板７４０上のその送信器／受信器６１５に沿って設けられる。これは遠隔電流コントローラ６１０のための好適なハウジングである。なぜならば、リンク２０２は、リンク２０４よりも大きいハウジングであり、それは特にキャリッジ２６２よりも大きいので、それによって生成される熱は、放散するためにより多くの内部容積及び外部表面積を有するからである。また、リンク２０２は、患者から更に離れている。従って、リンク２０２内で生成されるあらゆる熱が患者に対して不快感や害を引き起こす可能性はより少ない。Ｉ／Ｏモータ２２３のための遠位センサ処理ユニット（例えば、６１２−３）は、モータ２２３に近接近するセンサ７２３によってもたらされ、処理及び通信はプリント回路基板７５０上で遂行される。また、モータ２２４のための遠位センサ処理ユニットは、モータ２２４に近接近するセンサによってもたらされ、処理及び通信はキャリッジ２６２内のプリント回路基板７２４上で遂行されるので、それらもそれらのそれぞれのモータ２２４に近接近する。よって、この実施例において、関節位置コントローラ３０４は、患者側カート１１０’のベース１２０’のような、近位ハウジング内に収容される。遠位センサ処理ユニット６１２−３，６１２−４は、リンク２０４及びキャリッジ２６２のような、遠位ハウジング内に収容される。遠隔電流コントローラ６１０及びその送信器／受信器６１５は、リンク２０２のような、中間ハウジング（即ち、近位ハウジングと遠位ハウジングとの間のハウジング）内に収容される。
【００４９】
本発明の様々な特徴を好適な実施態様を参照して記載したが、本発明は付属の請求項の全範囲内の完全な保護の資格がある。
【図１】
2018171512.tif 000007
【図２】
2018171512.tif 000008
【図３】
2018171512.tif 000009
【図４】
2018171512.tif 000010
【図５】
2018171512.tif 000011
【図６】
2018171512.tif 000012
【図７】
2018171512.tif 000013
【図８】
2018171512.tif 000014
【図９】
2018171512.tif 000015
【外国語明細書】
2018171512000001.pdf