(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（２３）と相互作用するシステムであって、
基部（５７）及び複数の連結部を有するロボットマニピュレータ（５６）と、
前記ロボットマニピュレータ（５６）に結合され、前記物体と相互作用するように前記基部（５７）に対し移動可能であるツール（２２）と、
第１の周波数においてプライマリ位置情報を提供する、前記複数の連結部に関連付けられた複数の位置センサと、
第２の周波数においてセカンダリ位置情報を提供するローカライザ（３４）と、
前記プライマリ位置情報及び前記セカンダリ位置情報に基づいて、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいて物体（２３）に対し前記ツール（２２）を位置決めするように構成される位置コントローラ（５４）と、
前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との差が、前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との差と異なるように、前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードの各々において前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整するように構成される周波数コントローラ（１２０）と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記プライマリ位置情報は、マニピュレータ座標系における前記ツール（２２）の動きを指令するためのエンコーダベースの位置コマンドを含み、及び／又は、前記セカンダリ位置情報は、ローカライザ座標系から前記マニピュレータ座標系に変換された、ナビゲーションベースの位置及び向きのデータを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は、前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差よりも大きい、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は非ゼロであり、及び／又は、前記第１の位置制御モードにおいて、前記第１の周波数は前記第２の周波数よりも高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差はゼロである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の位置制御モードにおいて、前記第１の周波数は前記第２の周波数に実質的に等しい、請求項１〜３及び５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の位置制御モードにおいて、前記第２の周波数は、前記第１の周波数の約１／１０以下であり、前記第２の位置制御モードにおいて、前記第２の周波数は、前記第１の周波数の１／１０以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は、前記ツール（２２）の位置速度に影響を与え、前記第１の位置制御モードにおける前記ツール（２２）の前記位置速度は、前記第２の位置制御モードにおける前記ツール（２２）の前記位置速度よりも高い、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は、前記ツール（２２）の位置正確度に影響を及ぼし、前記第２の位置制御モードにおける前記ツール（２２）の前記位置正確度は、前記第１の位置制御モードにおける前記ツール（２２）の前記位置正確度よりも高い、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つの選択的な調整を可能にするために前記周波数コントローラ（１２０）に結合されたインタフェース（２９）を更に備え、及び／又は、前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードの選択を可能にするために前記周波数コントローラ（１２０）に結合されたインタフェース（２９）を更に備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数の位置センサは複数の位置エンコーダを備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
ロボットシステムがツール（２２）を位置決めする方法であって、前記ロボットシステムは、複数の連結部を有するロボットマニピュレータ（５６）と、前記ロボットマニピュレータ（５６）に結合された前記ツール（２２）と、前記複数の連結部に関連付けられた複数の位置センサと、ローカライザ（３４）と、位置コントローラ（５４）と、周波数コントローラ（１２０）とを備え、前記方法は、
前記位置センサが、第１の周波数において前記ツール（２２）のためのプライマリ位置情報を求めることと、
前記ローカライザ（３４）が、第２の周波数において前記ツール（２２）のためのセカンダリ位置情報を求めることと、
前記位置コントローラ（５４）が、前記プライマリ位置情報及び前記セカンダリ位置情報に基づいて前記ツールを動かすために第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードを提供することと、
前記周波数コントローラ（１２０）が、前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の差が、前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との差と異なるように前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードのそれぞれにおいて前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することと、
を含む、方法。
【請求項１３】
プライマリ位置情報を求めることは、前記第１の周波数において、マニピュレータ座標系における前記ツールの動きを指令する位置コマンドを生成することを含み、及び／又は、セカンダリ位置情報を求めることは、前記第２の周波数において、ローカライザ座標系からマニピュレータ座標系への、ナビゲーションベースの位置及び向きのデータの変換を更新することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することは自律的に行われ、及び／又は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することが手動で行われるためのユーザインタフェース（１３０）を前記ロボットシステムが更に含む、請求項１２及び１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードのうちの少なくとも１つを手動で選択するためのユーザインタフェース（１３０）を前記ロボットシステムが更に含み、及び／又は、前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードを自律的に選択することを更に含む、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、物体と相互作用するシステム及び方法に関し、より詳細には、物体と相互作用するツールを制御するシステム及び方法に関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本特許出願は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする２０１３年１０月４日に出願された米国仮特許出願第６１／８８６，８３８号の優先権及び全ての利益を主張する。
【背景技術】
【０００３】
外科手技中に医療従事者を支援する、ロボットシステム等のシステムを用いる分野が台頭している。これらのシステムは、手術部位における対象となる物体に対しツールが操作されるように構成される。システムは通常、基部から延在する複数の連結部を有する基部を備える。システムは、複数の連結機構に結合されたツールを更に備える。医療従事者は、物体に対して複数の連結部及びツールを動かすことの命令をシステムに提供することによって、システムを用いて外科手技を行うことができる。
【０００４】
多くの場合、物体に対し所望の位置にツールを正確に動かすのを支援するナビゲーションシステムが用いられる。ナビゲーションシステムは、ツール及び追跡されている他の物体に関する正確な位置及び向きの情報を、特にこれらの物体が比較的大きな作業ボリューム内で移動しているときに提供する。ナビゲーションベースの位置及び向きの情報は、多くの場合、対象となる患者の解剖学的構造に対するシステムの連結部の動き及び位置決めに少なくとも部分的に影響を及ぼすように提供される。
【０００５】
さらに、ツールの動きは、複数の連結部に関連付けられた複数のエンコーダから導出された位置及び向きの情報を用いて開ループ形式で制御することができる。比較的小さな動きに対して利用されるとき、そのようなエンコーダは、対象となる局所的なエリア内のナビゲーションシステムよりも高い精度を与えることができる。したがって、エンコーダに基づく位置及び向きの情報は、ナビゲーションシステムの閉ループ制御の外側で、より高速なレートで動作することが所望されているときに有用とすることができる。このため、動きコマンドを生成するためにナビゲーションシステム及び／又はエンコーダを用いることには様々な利点がある。
【０００６】
従来のシステムは、ナビゲーションベースの情報及びエンコーダベースの情報を管理することに対する課題に直面している。主に、連結部は、ナビゲーションベースの位置及び向きの情報が提供される周波数よりも低速な応答周波数を示す。より詳細には、ほとんどのシステムの連結部、モータ、関節等は、何らかの可撓性(flexibility)又は遊び(play)を有する。この可撓性により、動きコマンドと、ツールの最終的な動き(ultimate movement)及び整定(settling)との間の応答時間が制限される。ナビゲーションシステムからの位置及び向きの情報が、ツールが動きコマンドに応答して動き、整定することができるよりも高速な周波数におけるそのような動きコマンドの生成に利用される場合、システムの閉ループ制御が不安定になる。さらに、連結部の低速な応答周波数は、このナビゲーションベースの位置及び向きの情報を、ツールの位置決めに影響を及ぼすように利用することができる周波数に、その周波数を抑制する。またさらに、従来のシステムは、上記の周波数の動的調整を可能にしない。このため、従来のシステムの汎用性及び安定性は、様々な用途及び状況について制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、上記の問題を解決するシステム及び方法が当該技術分野において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
物体と相互作用するシステムが提供される。本システムは、基部及び複数の連結部を有するロボットマニピュレータを備える。ツールがロボットマニピュレータに結合され、物体と相互作用するように基部に対し移動可能である。複数の位置センサが、第１の周波数においてプライマリ(primary)位置情報を提供するように、複数の連結部に関連付けられる。ローカライザが第２の周波数においてセカンダリ(secondary)位置情報を提供する。位置コントローラがプライマリ位置情報及びセカンダリ位置情報に基づいて、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいて物体に対しツールを位置決めするように構成される。周波数コントローラが、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの各々において第１の周波数及び第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整するように構成される。第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差が、第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差と異なる。
【０００９】
ロボットシステムにおいてツールを位置決めする方法が提供される。本方法は、第１の周波数においてツールのためのプライマリ位置情報を求めることを含む。第２の周波数においてツールのためのセカンダリ位置情報が求められる。ツールは、プライマリ位置情報及びセカンダリ位置情報に基づいて第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいて動かされる。第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードのそれぞれにおいて第１の周波数及び第２の周波数のうちの少なくとも１つが調整される。第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差は、第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差と異なる。
【００１０】
システム及び方法は、ツールのカスタマイズされた制御を効果的に与える。第１の周波数と第２の周波数との差は、ツールの位置正確度及び位置速度に影響を与える。このため、第１の周波数と第２の周波数との差を調整することによって、ツールの位置速度及び位置正確度に対する制御が可能になる。
【００１１】
さらに、第１の周波数と第２の周波数との差は、第１の位置制御モードと第２の位置制御モードとの間で異なる。したがって、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードは、ツールの位置正確度及び位置速度のために異なるパラメータを有する。システム及び方法は、用途及び状況に適した所望の位置正確度及び速度に依拠して第１の位置制御モード又は第２の位置制御モードに従って動作することができる。
【００１２】
第１の周波数及び第２の周波数は動的に調整することができるので、システム及び方法は安定性を更に提供する。第１の周波数と第２の周波数との差により不安定性が生じる場合、この差は動的に調整することができる。
【００１３】
本発明の利点は、添付図面とともに考慮したときに、以下の詳細な説明を参照することで本発明がより良く理解されるにつれて、容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ロボットマニピュレータと連動して用いられるガイダンスステーションの斜視図である。
【図２】ガイダンスステーション、追跡デバイス、ポインタ及びロボットマニピュレータの概略図である。
【図３】ロボットマニピュレータのエンコーダ及び関節モータコントローラの概略図である。
【図４】ローカライザ及びマニピュレータ及び他の物体のための座標系の概略図である。
【図５】１つの方法においてとられるステップのフローチャートである。
【図６】マニュアル周波数調整及びマニュアル位置制御モード選択を可能にするための１つの実施形態によるインタフェースの斜視図である。
【図７】自律周波数調整及び自律位置制御モード選択を表示するための別の実施形態によるインタフェースの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ロボットシステムのツール２２を位置決めするシステム及び方法が開示される。ツール２２はロボットマニピュレータ５６に結合され、所定の経路又は解剖学的境界に対して移動する。ツール２２は１つ又は複数の物体２３に対して位置決めされる。限定ではないが、物体２３の例には、患者の解剖学的特徴が含まれる。図１において、示される患者の解剖学的構造は、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔを含む。ツール２２は物体２３と相互作用し、場合によっては物体２３を操作する。
【００１６】
図１及び図２を参照すると、１つの実施形態において、システムは、ロボットマニピュレータ５６に結合されたガイダンスステーション２０を備える。図１において、医療施設の手術室内のガイダンスステーション２０が示される。ガイダンスステーション２０は、手術室内の様々なアイテムの動きを追跡するようにセットアップされる。そのようなアイテムは、患者の解剖学的構造及びツール２２を含むことができる。ガイダンスステーション２０は、これらのアイテムを、医療従事者に対するそれらの相対位置及び向きを表示する目的で追跡する。幾つかの場合、ガイダンスステーション２０は、これらのアイテムを、所定の経路又は解剖学的境界に対するツール２２の動きを制御又は制約する目的で追跡する。
【００１７】
ガイダンスステーション２０は、ナビゲーションコンピュータ２６を収容するコンピュータカートアセンブリ２４又は他のタイプの制御ユニットを備える。ナビゲーションインタフェースは、ナビゲーションコンピュータ２６と動作可能に通信する。１つの実施形態では、ナビゲーションインタフェースは、滅菌野の外側に配置されるようになっている第１のディスプレイ２８と、滅菌野の内側に配置されるようになっている第２のディスプレイ２９とを備える。ディスプレイ２８、２９は、コンピュータカートアセンブリ２４に調整可能に装着される。キーボード及びマウス等の第１の入力デバイス３０及び第２の入力デバイス３２を用いて、ナビゲーションコンピュータ２６に情報を入力するか、又は他の形でナビゲーションコンピュータ２６の幾つかの態様を選択／制御することができる。他の入力デバイスは、タッチスクリーン（図示せず）又は音声駆動を含むことが予期される。
【００１８】
ローカライザ３４は、ナビゲーションコンピュータ２６と通信する。示される実施形態では、ローカライザ３４は光学ローカライザであり、カメラユニット３６（検知デバイスとも呼ばれる）を備える。カメラユニット３６は、１つ又は複数の光位置センサ４０を収容する外側ケーシング３８を有する。幾つかの実施形態では、少なくとも２つ、好ましくは３つ以上の光センサ４０が用いられる。光センサ４０は、３つの別個の電荷結合素子（ＣＣＤ）とすることができる。１つの実施形態では、３つの一次元ＣＣＤが用いられる。他の実施形態では、それぞれ別個のＣＣＤ、又は２つ以上のＣＣＤを備えた別個のカメラユニットも手術室の周囲に配置することができる。ＣＣＤは赤外線（ＩＲ）信号を検出する。ローカライザ３４は、ナビゲーションコンピュータ２６と通信する任意の適切な構成を有することができる。
【００１９】
カメラユニット３６は、理想的には障害物のない、以下で論考するトラッカの視野を有する光センサ４０を位置決めするように、調整可能なアーム上に装着される。調整可能なアームは、カメラユニット３６を少なくとも１自由度で調整し、幾つかの実施形態では、２以上の自由度で調整することを可能にする。
【００２０】
カメラユニット３６は、光センサ４０から信号を受け取るように光センサ４０と通信するカメラコントローラ４２を備える。カメラコントローラ４２は、有線接続又は無線接続（図示せず）を通じてナビゲーションコンピュータ２６と通信する。位置及び向きの信号及び／又はデータは、アイテムを追跡する目的でカメラユニット３６からナビゲーションコンピュータ２６に送信される。
【００２１】
ディスプレイ２８、２９及びカメラユニット３６は、２０１０年５月２５日に発行された、「Surgery System」と題するMalackowski他に対する米国特許第７，７２５，１６２号に記載されているものと同様とすることができる。この米国特許は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００２２】
ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータ又はラップトップコンピュータとすることができる。ナビゲーションコンピュータ２６は、ディスプレイ２８、２９、中央処理装置（ＣＰＵ）及び／又は他のプロセッサ、メモリ（図示せず）及びストレージ（図示せず）を有する。ナビゲーションコンピュータ２６は、以下で説明するようなソフトウェアをロードされる。ソフトウェアは、カメラユニット３６から受信した信号／データを、追跡されているアイテムの位置及び向きを表すデータに変換する。
【００２３】
ガイダンスステーション２０は、本明細書においてトラッカとも呼ばれる複数の追跡デバイス４４、４６、４８と通信する。示される実施形態では、１つのトラッカ４４は、患者の大腿骨Ｆにしっかり固定され、別のトラッカ４６は、患者の脛骨Ｔにしっかり固定される。トラッカ４４、４６は、骨の複数の部分にしっかり固定される。１つの実施形態では、トラッカ４４、４６は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第７，７２５，１６２号に示すように、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔに取り付けることができる。トラッカ４４、４６は、２０１３年１月１６日に出願された、「Tracking Devices and Navigation Systems and Methods for Use Thereof」と題する米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号に示すものと同様に装着することもできる。この米国仮特許出願は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。更なる実施形態では、トラッカは、膝蓋骨の位置及び向きを追跡するために膝蓋骨（図示せず）に取り付けられる。また更なる実施形態では、トラッカ４４、４６は、他の組織タイプ又は部分の解剖学的構造に取り付けることができる。
【００２４】
ツールトラッカ４８は、ツール２２に動かないように取り付けられる。ツールトラッカ４８は、製造中にツール２２に一体化することもできるし、外科手技の準備時にツール２２に別個に装着することもできる。ツールトラッカ４８によって追跡されているツール２２の作業端は、回転式の掘削器具、電気アブレーションデバイス等とすることができる。ツール２２の作業端は、ツール２２の一部を形成する、回転式の掘削器具、電気アブレーションデバイス等の別個のエネルギーアプリケータによって与えられる場合もある。
【００２５】
トラッカ４４、４６、４８は、内部バッテリによるバッテリ電源式とすることもできるし、ナビゲーションコンピュータ２６を通じて電力を受け取るリードを有することもできる。ナビゲーションコンピュータ２６は、カメラユニット３６と同様に、外部電力を受け取る。
【００２６】
示される実施形態では、ツール２２は、ロボットマニピュレータ５６におけるエンドエフェクタの一部を形成する。ロボットマニピュレータ５６は、基部５７と、基部５７から延在する複数の連結部と、基部５７に対しツール２２を動かすための複数の能動関節とを有する。ロボットマニピュレータ５６は、マニュアルモード、自律モード、又は半自律モードで動作する機能を有する。そのような構成は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes」と題する米国特許出願第１３／９５８，０７０号に示されている。この米国特許出願の開示は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。別個のトラッカ（図示せず）をロボットマニピュレータ５６の基部５７に取り付けて、基部５７の動きを追跡することができる。
【００２７】
ローカライザ３４の光センサ４０は、トラッカ４４、４６、４８から光信号を受信する。示す実施形態では、トラッカ４４、４６、４８はアクティブトラッカである。この実施形態では、各トラッカ４４、４６、４８は、光信号を光センサ４０に送信するための少なくとも３つのアクティブな追跡素子又はマーカを有する。アクティブマーカは、例えば、赤外光等の光を送信する発光ダイオードすなわちＬＥＤ５０とすることができる。光センサ４０は、好ましくは少なくとも１００Ｈｚ、より好ましくは少なくとも３００Ｈｚ、最も好ましくは少なくとも５００Ｈｚ以上のサンプリングレートを有する。幾つかの実施形態では、光センサ４０は８０００Ｈｚのサンプリングレートを有する。サンプリングレートは、連続して発光されるＬＥＤ５０からの光信号を光センサ４０が受け取るレートである。幾つかの実施形態では、ＬＥＤ５０からの光信号は、トラッカ４４、４６、４８ごとに異なるレートで発光される。
【００２８】
図２を参照すると、各ＬＥＤ５０は、関連するトラッカ４４、４６，４８のハウジング（図示せず）内に位置し、ナビゲーションコンピュータ２６との間でデータを送受信するトラッカコントローラ６２に接続される。１つの実施形態では、トラッカコントローラ６２は、ナビゲーションコンピュータ２６との有線接続を通じて数メガバイト／秒単位でデータを送信する。他の実施形態では、無線接続を用いることができる。これらの無線実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカコントローラ６２からデータを受け取る送受信機（図示せず）を有する。
【００２９】
他の実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、カメラユニット３６から発せられる光を反射する反射器等のパッシブマーカ（図示せず）を有することができる。次に、反射光は光センサ４０によって受け取られる。アクティブな追跡素子及びパッシブな追跡素子は、当該技術分野において既知である。
【００３０】
ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を備える。カメラユニット３６はトラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０から光信号を受け取り、ローカライザ３４に対するトラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０の位置に関する信号をプロセッサ５２に出力する。受信光信号に基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、ローカライザ３４に対するトラッカ４４、４６、４８の相対的な位置及び向きを示すデータを生成する。幾つかの実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、「Tracking Devices and Navigation Systems and Methods for Use Thereof」と題する２０１３年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号に示すトラッカ等のジャイロスコープセンサ６０及び加速度計７０も備える。この米国仮特許出願は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００３１】
ナビゲーションプロセッサ５２は、ナビゲーションコンピュータ２６の動作を制御する１つ又は複数のプロセッサを備えることができることを理解されたい。プロセッサは、任意のタイプのマイクロプロセッサ又はマルチプロセッサシステムとすることができる。プロセッサという用語は、範囲を単一のプロセッサに限定することを一切意図していない。
【００３２】
ＬＥＤ５０の位置と、患者の解剖学的構造及びツール２２に関連する幾何学的情報に関係する以前にロードされたデータとに基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、作業端(working end)が当てられる組織（例えば、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔ）に対するツール２２の位置及び向きを求める。以前にロードされたデータは、例えば、外科手技(surgical procedure)前に撮像されたＭＲＩ画像及びＣＴスキャンを含む術前画像に関連付けられたデータを含む。また、以前にロードされたデータは、ツール２２の作業端と、ツールトラッカ４８上のＬＥＤ５０との間の幾何学的関係も含む。
【００３３】
レジストレーション及び座標系変換のための既知のナビゲーション技法を用いて、患者の解剖学的構造及びツール２２の作業端を、ローカライザ３４の基準座標系にレジストレーションすることができ、それによって、ＬＥＤ５０を用いて作業端及び解剖学的構造を共に追跡することができる。以下で説明するように、ツール２２及び患者の解剖学的構造の座標をローカライザ座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換する変換行列が提供される。
【００３４】
マニピュレータコントローラ５４は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Tool in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」と題する米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号において記載されているように、ツール２２及び患者の解剖学的構造の位置及び向きのデータを用いてロボットマニピュレータ５６を制御することができる。この米国仮特許出願の開示は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。位置及び向きのデータ及び他のデータは、ナビゲーションコンピュータ２６によって、有線又は無線接続を通じてマニピュレータコントローラ５４に送信することができる。
【００３５】
ナビゲーションプロセッサ５２又はマニピュレータコントローラ５４は、手術部位に対するツール作業端の相対位置を示す画像信号も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８、２９に適用される。ディスプレイ２８、２９は、これらの信号に基づいて、外科医及び外科人員が、手術部位に対するツール作業端の相対位置を見ることを可能にする画像を生成する。上記で論考したように、ディスプレイ２８、２９は、コマンドの入力を可能にするタッチスクリーン又は他の入出力デバイスを備えることができる。
【００３６】
図２を参照すると、ローカライゼーションエンジン１００は、ガイダンスステーション２０（又は幾つかの実施形態ではマニピュレータコントローラ５４）の一部とみなすことができるソフトウェアモジュールである。ローカライゼーションエンジン１００は、カメラコントローラ４２から信号を受け取り、幾つかの実施形態では、トラッカコントローラ６２から非光ベースの信号を受け取る。これらの信号に基づいて、ローカライゼーションエンジン１００は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるトラッカ４４、４６、４８の姿勢を求める。ローカライゼーションエンジン１００は、トラッカ４４、４６、４８の姿勢を表す信号を座標変換器１０２に転送する。座標変換器１０２は、ガイダンスステーション２０（又は幾つかの実施形態ではマニピュレータコントローラ５４）の一部を形成する別のソフトウェアモジュールである。座標変換器１０２は、患者の術前画像と、患者トラッカ４４、４６との間の関係を定義するデータを参照する。座標変換器１０２は、ツールトラッカ４８に対するツール２２の作業端の姿勢を示すデータも記憶する。ツール２２、トラッカ４４、４６、４８及び物体２３の様々な座標系が図４に示される。
【００３７】
次に、座標変換器１０２は、作業端が当てられる組織（例えば、骨）に対するツール２２の作業端の位置及び向きを示すデータを生成する。座標変換器１０２はまた、組織に対するツール２２の作業端の姿勢を示すデータを、以下で更に説明するマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換するように動作する。これらのデータを表す画像信号はディスプレイ２８、２９に転送され、ディスプレイ２８、２９は外科医及び外科人員がこの情報を見ることを可能にする。このデータの中断を回避するために、トラッカ４４、４６、４８とセンサ４０との間の見通し線が維持される。見通し線に対する障害物が存在する場合、エラーが生じる場合がある。
【００３８】
図３を参照すると、複数の位置センサがロボットマニピュレータ５６の複数の連結部に関連付けられる。１つの実施形態では、位置センサは、エンコーダ１１２、１１４、１１６である。エンコーダ１１２、１１４、１１６は、回転エンコーダ等の任意の適切なタイプのエンコーダとすることができる。図３に示すように、各エンコーダ１１２、１１４、１１６は、モータＭ等のアクチュエータに関連付けられる。各エンコーダ１１２、１１４、１１６は、エンコーダが関連付けられたロボットマニピュレータ５６の３つのモータ駆動コンポーネントのうちの１つのモータ駆動コンポーネントの角度位置を監視するセンサである。ロボットマニピュレータ５６は、２つの追加のエンコーダ、すなわちエンコーダ１１７及び１１８を含む。エンコーダ１１７及び１１８は、追加の駆動連結部に関連付けられる。幾つかの実施形態において、ロボットマニピュレータ５６は、６つの能動関節において６つのエンコーダを有する２アーム構造を含む。
【００３９】
マニピュレータコントローラ５４は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Tool in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」と題する米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に記載されているように、ツール２２が動かされるべき所望の位置を決定する。この米国仮特許出願の開示は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。この決定、及びツール２２の現在の位置（例えば、姿勢）に関する情報に基づいて、マニピュレータコントローラ５４は、各連結部が、ツール２２を現在の位置から所望の位置に再位置決めするために動かされる必要がある範囲を求める。連結部が位置決めされることになる場所に関するデータは、ロボットマニピュレータ５６の能動関節を、連結部を動かすように、それによってツール２２を現在のロケーションから所望のロケーションに動かすように制御する関節モータコントローラＪＭＣに転送される。
【００４０】
ツール２２の現在のロケーションを求めるために、エンコーダ１１２、１１４、１１６、１１７及び１１８からのデータを用いて、測定された関節角度が求められる。能動関節の測定された関節角度は、順運動学モジュール（図示せず）に転送される。また、エンコーダ１１７及び１１８からの信号も順運動学モジュールに印加される。これらの信号は、これらのエンコーダと一体化した受動関節のための測定された関節角度である。測定された関節角度及びプリロードされたデータに基づいて、順運動学モジュールは、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおけるツール２２の姿勢を決定する。プリロードされたデータは、連結部及び関節の幾何学を定義するデータである。
【００４１】
１つの実施形態では、マニピュレータコントローラ５４及び関節モータコントローラＪＭＣは、指令された位置及び／又は向きにツール２２を動かすように動作する位置コントローラを集合的に形成する。位置コントローラは位置制御ループにおいて動作する。位置制御ループは、能動関節ごとに並列又は直列の複数の位置制御ループを含むことができる。位置制御ループは、ツール２２の位置を示し、方向付けするように、位置及び向きの情報を処理する。
【００４２】
以下で詳細に示すように、位置センサはプライマリ位置情報を提供する。１つの例において、プライマリ位置情報は、エンコーダ１１２、１１４、１１６、１１７及び１１８からの情報と、プリロードされたデータとに基づいて計算されたツール２２の姿勢を含む。ステップ２０４において、エンコーダ１１２、１１４、１１６、１１７及び１１８からのデータと、プリロードされたデータとを用いてプライマリ位置情報を計算することができる。さらに又は代替的に、プライマリ位置情報は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおけるツール２２の位置及び向きを含む。代替的に、プライマリ位置情報は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおけるツール２２の動きを指令する位置コマンドを含む。
【００４３】
ナビゲーションシステムは、セカンダリ位置情報を提供する。より詳細には、ローカライザ３４はセカンダリ位置情報を提供する。１つの例では、セカンダリ位置情報は、ステップ２００においてローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいて計算されたツール２２のナビゲーションベースの姿勢を含む。別の例では、セカンダリ位置情報は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換された位置及び向きのデータを含む。セカンダリ位置情報はナビゲーションコンピュータ２６によって処理することができる。
【００４４】
図４を参照すると、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ及びマニピュレータ座標系ＭＮＰＬの相対的な位置は、ナビゲーションコンピュータ２６によって変換行列を生成することができるように確立される。変換行列は、アイテムの位置及び向きのデータを、ローカライザ座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換する。このステップは、外科手技が始まる前に行うことができ、以下で更に説明するように、外科手技中に周期的に行うことができる。さらに、変換行列が最初に生成された後にプライマリ位置情報を生成することができる。
【００４５】
図５を参照すると、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいてツールトラッカ４８の位置及び向きが求められ、それによって局所的な座標系ＬＣＬＺにおいてセカンダリ位置情報を計算することができる。ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるツール２２のナビゲーションベースの姿勢は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの相対姿勢を運動学的に求めることができる姿勢として設定される。
【００４６】
ローカライザ座標系ＬＣＬＺに対するマニピュレータ座標系ＭＮＰＬの姿勢は、エンコーダ１１２、１１４、１１６、１１７及び１１８からのデータと、プリロードされたデータとに基づく。プリロードされたデータは、エンコーダ１１２、１１４、１１６、１１７及び１１８、連結部等に対するマニピュレータ座標系ＭＮＰＬの関係に関連付けられる。結果として、ステップ２０２において２つの座標系間の変換行列を生成することができる。ツール２２は位置コントローラによって動かされ、それによって、ステップ２０６において、ツール２２、そしてツール２２の作業端が、次の指令された位置に動かされる。
【００４７】
ツール２２の新たに取得されたナビゲーションベースの姿勢データを用いて周期的な調整が行われ、変換行列が更新される。変換行列を更新することによって、ローカライザ座標系ＬＣＬＺに対し、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬがリセットされる。これらの周期的調整の１つの理由は、エンコーダベースのデータが、ロボットマニピュレータ５６の連結部の曲げを一切考慮に入れることができないことである。代わりに、そのような曲げは、アームに対する力を推定することによって考慮に入れられる。結果として、ナビゲーションベースのデータは、エンコーダベースのデータを補完する。なぜなら、連結部の曲げに関連付けられた任意の誤差が、例えば、ローカライザ３４及びツールトラッカ４８を用いて姿勢を測定するときに自動的に考慮に入れられるためである。
【００４８】
ナビゲーションコンピュータ２６は、変換行列を周期的に更新して、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬをリセットする。これは、エンコーダ駆動の姿勢データのみに基づいて、開ループ形式で、ツール２２の位置決めの結果生じ得る位置の誤りについて調整するために行われる。これを行うことによって、ツール２２のエンコーダベースの位置及び向きが、ナビゲーションコンピュータ２６によって提供されるナビゲーションベースの位置及び向きの情報を用いて（すなわち、制御ループを閉じることによって）補正／再較正される。
【００４９】
プライマリ位置情報が第１の周波数で求められる。１つの実施形態では、位置センサが第１の周波数においてプライマリ位置情報を求める。さらに又は代替的に、位置コントローラが第１の周波数においてプライマリ位置情報を求めることができる。より詳細には、位置コントローラは、位置センサからの信号を用いて、第１の周波数において位置コマンドを生成することができる。したがって、第１の周波数は、幾つかの例では、位置コマンド周波数として定義することができる。本明細書において説明される例等のそのような例では、「位置コマンド周波数」という用語は、「第１の周波数」の代わりに用いることができる。
【００５０】
さらに、セカンダリ位置情報が第２の周波数において求められる。詳細には、セカンダリ位置情報は、第２の周波数において変換行列を更新することによって求められる。言い換えると、ローカライザ座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬへの位置及び向きのデータの変換は、第２の周波数においてに更新される。したがって、第２の周波数は、幾つかの例において、変換更新周波数として定義することができる。本明細書において説明されるもの等のそのような例では、「変換更新周波数」という用語は、「第２の周波数」の代わりに用いることができる。変換更新周波数は、マニピュレータコントローラ５４によって確立することができる。さらに又は代替的に、変換更新周波数は、ナビゲーションコンピュータ２６及び／又はローカライザ３４によって確立することができる。
【００５１】
ステップ２０８において、変換更新周波数に基づいて、変換行列が更新されるか否かの判断が行われる。変換更新周波数による指示によれば変換行列がまだ更新されない場合、本方法はステップ２０４に続く。変換行列が更新される場合、本方法はステップ２００に戻って継続する。
【００５２】
位置コントローラは、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいて物体２３に対してツール２２を位置決めするように構成される。位置コントローラは、プライマリ位置情報及びセカンダリ位置情報に基づいて第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいてツール２２を位置決めする。
【００５３】
図１及び図２に示すように、システムは、周波数コントローラ１２０を含む。周波数コントローラは、第１の周波数及び第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整するように構成される。第１の周波数及び第２の周波数の調整は、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいて行われる。
【００５４】
１つの実施形態において、周波数コントローラ１２０は、マニピュレータコントローラ５４及びナビゲーションコンピュータ２６の双方に結合される。周波数コントローラ１２０は、任意の適切なロケーションに配置することができる。例えば、図１に示すように、周波数コントローラ１２０は、ロボットマニピュレータ５６内に配置される。代替的に、周波数コントローラ１２０は、ガイダンスステーション２０内に配置することができる。周波数コントローラ１２０は、スタンドアロンコンポーネントとすることもできるし、マニピュレータコントローラ５４又はナビゲーションコンピュータ２６等のより大きなデバイスのサブコンポーネントとして一体化することもできる。
【００５５】
周波数コントローラ１２０は、第１の位置制御モードにおける第１の周波数及び第２の周波数が、第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差と異なるように、第１の周波数及び第２の周波数を調整する。１つの実施形態では、第１の周波数と第２の周波数との差は、第１の周波数からの第２の周波数の算術的減算である。例えば、第１の周波数が１ＫＨｚであり、第２の周波数が９００Ｈｚである場合、差は１００Ｈｚである。代替的に、第１の周波数と第２の周波数との差は、第２の周波数からの第１の周波数の算術的減算である。この差は、第１の周波数と第２の周波数との差の絶対値が求められる絶対差とすることができる。当業者であれば、第１の周波数と第２の周波数との差を、限定ではないが、加算、除算、微分、積分等を含む様々な他の算術演算に従って導出することができることを理解する。
【００５６】
この差は、任意の所与の位置制御モードにおける動作中の任意の所与の時点に離散的に測定することができる。例えば、第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差は、所与の時点において瞬時に測定される。所与の時点において瞬時に測定された第１の位置制御モードにおける差は、同じ所与の時点において瞬時に測定された第２の位置制御モードにおける差と離散的に異なることができる。代替的に、任意の所与の位置制御モードにおいて、動作中に差を継続的に測定することができる。そのような例では、第１の位置制御モードにおける差は、第２の位置制御モードにおける差と継続的に異なる場合がある。１つの例では、差は或る期間にわたって平均化される。ここで、第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との平均的な差は、第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との平均的な差と異なる。
【００５７】
第１の周波数と第２の周波数との差は、ツール２２の位置速度及びツール２２の位置精度又は正確度に影響を及ぼす。位置速度は、ツール２２が動く送り速度としても知られる。
【００５８】
１つの意味において、第１の周波数と第２の周波数との差は、ツール２２を動かす際にプライマリ位置情報及びセカンダリ位置情報が用いられる範囲を表す。説明したように、ツール２２が比較的大きな対象エリア内に位置決めされているとき、ツール２２の位置正確度は、エンコーダベースのプライマリ位置情報から導出されるときよりも、ナビゲーションベースのセカンダリ位置情報から導出されるときに、より高い。
【００５９】
高度の位置正確度に対するトレードオフとして、ツール２２の位置速度は、プライマリ位置情報から導出されるときと比較して、セカンダリ位置情報から導出されるときに、より低速となる。換言すれば、ツール２２の位置速度は、セカンダリ位置情報と比較して、プライマリ位置情報から導出されるときに、より高速となる。
【００６０】
一般的に、第１の周波数と第２の周波数との差が増大すると位置速度が増大する。逆に、第１の周波数と第２の周波数との差が減少すると位置速度が減少する。
【００６１】
さらに、第１の周波数と第２の周波数との差が減少すると、位置精度が増大する。例えば、ツール２２が比較的大きな対象エリア内に位置決めされているとき等の幾つかの例では、変換更新周波数が位置コマンド周波数に近づくほど、ツール２２の位置決めの正確度が高くなる。他方で、第１の周波数と第２の周波数との差が増大すると、位置正確度が減少する。
【００６２】
１つの実施形態では、第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差は、第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差よりも大きい。幾つかの例では、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの双方において第１の周波数と第２の周波数との差が非ゼロである。ここで、第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との非ゼロの差は、第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との非ゼロの差よりも大きい。
【００６３】
別の実施形態では、第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差は非ゼロである。第１の位置制御モードにおいて、第１周波数は第２の周波数よりも高い。変換行列は、位置コマンドが位置コントローラによって生成される周波数よりも低い変換更新周波数で周期的に更新される。その間、第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差は概ねゼロである。この差は、第１の位置制御モードにおける非ゼロ差よりも低い。第１の周波数は、第２の位置制御モードにおいて実質的に第２の周波数に等しい。言い換えると、変換行列は、位置コマンドが位置コントローラによって生成される周波数と実質的に等しい変換更新周波数において周期的に更新される。
【００６４】
したがって、この実施形態では、第１の位置制御モードにおけるツール２２の位置速度は、第２の位置制御モードにおけるツール２２の位置速度よりも高い。第２の位置制御モードでは、ツール２２の位置正確度は、第１の位置制御モードにおけるツール２２の位置正確度よりも高い。したがって、第１の位置制御モードは、より大きな対象エリアにおけるバルク切断が所望される場合に、第２の位置制御モードよりも好ましい。一方、第２の位置制御モードは、精密切断が所望される場合に、第１の位置制御モードよりも好ましい。
【００６５】
この実施形態の場合、第１の位置制御モードにおけるツール２２の位置決めは、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおけるエンコーダベースの姿勢情報を用いて位置コントローラによって開ループ形式で主に制御される。この第１の位置制御モードでは、比較的高いコマンド周波数、すなわち、複数の連結部及びツール２２に関連付けられた応答周波数よりも高い周波数において、位置コマンドが関節モータコントローラＪＭＣに送信される。複数の連結部及びツール２２の応答周波数は、位置コマンドに応答してツール２２の完全な動き及び整定が生じる周波数である。ロボットマニピュレータ５６の連結部、モータ、関節等は、或る程度の可撓性又は遊びを有するので、位置コマンドと、ツール２２の完全な動き及び整定との間の応答時間に制限がある。
【００６６】
したがって、この実施形態では、第１の位置制御モードにおける変換更新周波数は、位置コマンド周波数未満、かつ連結部及びツール２２の応答周波数未満になるように調整される。そうではなく、変換更新周波数が応答周波数よりも高速に設定される場合、システムは不安定になる場合がある。結果として、位置コマンドは、変換更新周波数よりも高い周波数において生成されるので、手術部位においてツール２２を位置決めする際の正確度が潜在的により低くなる。
【００６７】
第１の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差は、様々な度合いとすることができる。幾つかの例では、第１の位置制御モードにおける変換更新周波数は、位置コマンドが関節モータコントローラＪＭＣに送信される周波数の１／１０以下である。
【００６８】
第２の位置制御モードでは、変換更新周波数は、位置コマンドが関節モータコントローラＪＭＣに送信されるのと概ね同じコマンド周波数とすることができる。したがって、ツール２２が比較的大きな対象エリアに位置決めされている状況のような幾つかの状況では、システムは、第１の位置制御モードよりも正確に手術部位においてツール２２を配置することができる。第２の位置制御モードに切り換えるとき、システムは「低速化」する。換言すれば、ナビゲーションコンピュータ２６及び位置制御ループは、ツール２２を追跡及び位置決めするように共に機能するが、これは、複数の連結部並びにツール２２の動き及び整定に関連付けられた応答周波数未満の周波数で行われる。ここでも、これは不安定性を回避するために行われる。このため、幾つかの実施形態では、変換更新周波数は、連結部の応答周波数に基づいて固定することができ、コマンド周波数は、正確度を調整するために、変換更新周波数に対して調整される。
【００６９】
第２の位置制御モードにおける第１の周波数と第２の周波数との差は、度合いが変動することができる。幾つかの実施形態では、第２の位置制御モードにおける変換更新周波数は、位置コマンドが関節モータコントローラＪＭＣに送信されるコマンド周波数の１／１０よりも高い。
【００７０】
さらに、システムは、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードに加えて複数の位置制御モードを含むことができる。例えば、システムは、第１の制御モード及び第２の制御モードと異なる周波数及び／又は位置正確度及び速度パラメータを有する混合モードを含むことができる。
【００７１】
１つの実施形態では、図６に示すように、第１の周波数及び第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することは自律的に行われる。１つの例では、第１の周波数又は第２の周波数は自律的に増大又は減少する。別の例では、第１の周波数と第２の周波数との差は自律的に調整される。
【００７２】
図６に示すように、システムは、周波数コントローラ１２０と通信するユーザインタフェース１３０を含むことができる。１つの実施形態では、ユーザインタフェース１３０はナビゲーションインタフェースであり、第１のディスプレイ２８及び／又は第２のディスプレイ２９を含む。ユーザインタフェース１３０は、第１の周波数及び第２の周波数の自律調整に関する情報を医療従事者に通信する。１つの実施形態では、ユーザインタフェース１３０は、第１の周波数及び第２の周波数のリアルタイムの自律調整を表示する。ユーザインタフェース１３０は、数値的なリアルタイムの周波数及び周波数間のリアルタイムの差を表示することができる。幾つかの例では、ユーザインタフェース１３０は、第１の周波数を第２の周波数で除算することによって計算された第１の周波数と第２の周波数との差の大きさを更に表示することができる。例えば、図６に示すように、第１の周波数は第２の周波数の１．２５倍高い。さらに、ユーザインタフェース１３０は、第１の周波数及び第２の周波数のリアルタイムの自律調整を示すチャート等のグラフ情報を表示することができる。ユーザインタフェース１３０は、医療従事者を支援するための任意の他の適切な情報を提供することができる。例えば、ユーザインタフェース１３０は、第１の周波数と第２の周波数とのリアルタイムの差を、ツール２２の推定の又はリアルタイムの位置正確度及び位置速度と並置することができる。
【００７３】
自律調整は、任意の適したイベントに応答して行うことができる。１つの実施形態では、変換更新周波数は、フィードバックに基づいて自律的に変更される。例えば、自律調整は、システムが上記で説明したような自律動作モード又は半自律動作モードに携わっているときに行うことができる。さらに、自律調整は、システムの安定性又は不安定性が判断されるのに応答して行うことができる。更に別の例では、自律調整は、対象ターゲットエリアを決定するのに応答して行われる。第１の周波数及び第２の周波数は、扱われているターゲットエリアの大きさに基づいて自律的に調整することができる。例えば、ターゲットエリアが、ツール２２がいずれの方向にも１０ｍｍを超えて移動することができないような大きさにされている場合において、ツール２２が小さなエリア内で操作されているとき、エンコーダベースのデータを非常に精密することができるので、変換更新周波数を自律的に下げることができる。他方で、ターゲットエリアが、ツール２２がいずれの方向にも１００ｍｍを超えて移動することができるような大きさにされている場合、変換更新周波数を自律的により高く設定することができる。
【００７４】
さらに、第１の周波数及び第２の周波数の自律調整は、第１の位置制御モードと第２の位置制御モードとの切換えに応答して行うことができる。第１の周波数又は第２の周波数への変更は、例えば、ロボットマニピュレータ５６が、より低い位置正確度を要する全体的な切断動作又はバルク切断動作から、より高い位置正確度を要する最終的な切断動作又は微細切断動作に遷移しているときに関連付けることができる。これは、ツール２２のバルク切断バーが微細切断バーに交換されるときに行うことができる。バーは、挿入時にマニピュレータコントローラ５４によって自動的に認識することができ、このため、位置制御モード間で位置制御モジュールを切り換えることができる。
【００７５】
同様に、第１の位置制御モード又は第２の位置制御モードの選択は自律的に行うことができる。第１の位置制御モード又は第２の位置制御モードの自律選択は、限定ではないが、第１の周波数及び第２の周波数の自律調整に関係して上記で説明したイベントを含む任意の適切なイベントに応答して行うことができる。他の状況は、様々な理由から位置制御モード間で自動的に切り換えることを必要とする場合がある。さらに、ユーザインタフェース１３０は、第１の位置制御モード又は第２の位置制御モードの自律選択に関する任意の適切な情報を表示することができる。
【００７６】
図７に示すような別の実施形態では、第１の周波数及び第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することは手動で行われる。ユーザインタフェース１３０は、医療従事者が、第１の周波数及び第２の周波数のうちの少なくとも１つを選択的に調整することを可能にする。例えば、ユーザインタフェース１３０は、医療従事者が、任意の所与の位置制御モードについて、第１の周波数又は第２の周波数を選択的に増大又は減少させることを可能にすることができる。また、ユーザインタフェース１３０は、第１の周波数と第２の周波数との差の選択的な調整を可能にすることができる。ユーザインタフェース１３０は、任意の所与の位置制御モードについてそのような手動の調整を可能にすることができる。１つの実施形態では、第１の周波数及び第２の周波数の手動の調整は、ユーザ入力パラメータに応答して行うことができる。システムは、ガイダンスステーション２０に入力される所望のパラメータに基づいて第１の周波数又は第２の周波数を変更するようにナビゲーションコンピュータ２６によって操作されるソフトウェアモジュールである位置制御モジュール１０９を備えることができる。これらのパラメータは、所望の正確度、精度、手術時間、これらの組合せ等を含むことができる。当然ながら、第１の周波数又は第２の周波数の手動の調整は、限定ではないが、第１の周波数及び第２の周波数の自律調整に関係して上記で説明したイベントを含む任意の他の適切なイベントに応答して行うことができる。
【００７７】
第１の周波数及び第２の周波数及び／又は第１の周波数と第２の周波数との差は、所与の位置制御モードごとに設定し、メモリに記憶することができる。例えば、図７において、サンプルの第１の位置制御モード（バルク）が、１ＫＨｚに設定された第１の周波数及び１００Ｈｚに設定された第２の周波数を用いて選択される。設定されたパラメータはメモリに記憶することができ、この位置制御モードが後の時点で選択されるときにロードすることができる。
【００７８】
さらに、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの選択は手動で行うことができる。ユーザインタフェース１３０は、医療従事者が、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードを、又は複数の他の位置制御モード若しくは混合モード間で、手動で選択することを可能にする。第１の位置制御モード又は第２の位置制御モードの手動の選択は、限定ではないが、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの自律選択に関して上記で説明したイベントを含む任意の適切なイベントに応答して行うことができる。
【００７９】
第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの手動の調整、及び／又は第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの手動の選択を通じて、ユーザインタフェース１３０は、ツール２２の位置正確度及び速度にわたるカスタマイズされた制御を可能にする。
【００８０】
幾つかの実施形態では、第１の周波数及び第２の周波数を調整することは手動で行われるのに対し、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの選択は自律的に行われる。代替的に、第１の周波数及び第２の周波数を調整することは自律的に行われるのに対し、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードの選択は手動で行われる。
【００８１】
詳述された明細書から本発明の数多くの特徴及び利点が明らかであり、それゆえ、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の趣旨及び範囲に入る本発明の全てのそのような特徴及び利点に及ぶことを意図している。さらに、当業者には数多くの変更及び変形が容易に思い浮かぶことになるので、本発明を図示及び説明されたのと全く同じ構成及び動作に限定することは望ましくなく、それゆえ、本発明の範囲内に入る、全ての適切な変更形態及び均等物が採用される場合がある。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
物体と相互作用するシステムであって、
基部及び複数の連結部を有するロボットマニピュレータと、
前記ロボットマニピュレータに結合され、前記物体と相互作用するように前記基部に対し移動可能であるツールと、
第１の周波数においてプライマリ位置情報を提供する、前記複数の連結部に関連付けられた複数の位置センサと、
第２の周波数においてセカンダリ位置情報を提供するローカライザと、
前記プライマリ位置情報及び前記セカンダリ位置情報に基づいて、第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいて物体に対し前記ツールを位置決めするように構成される位置コントローラと、
前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との差が、前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との差と異なるように、前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードの各々において前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整するように構成される周波数コントローラと、
を備える、システム。
請求項２：
前記プライマリ位置情報は、マニピュレータ座標系における前記ツールの動きを指令するためのエンコーダベースの位置コマンドを含む、請求項１に記載のシステム。
請求項３：
前記セカンダリ位置情報は、ローカライザ座標系から前記マニピュレータ座標系に変換された、ナビゲーションベースの位置及び向きのデータを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
請求項４：
前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は、前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差よりも大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
請求項５：
前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は非ゼロである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
請求項６：
前記第１の位置制御モードにおいて、前記第１の周波数は前記第２の周波数よりも高い、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
請求項７：
前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差はゼロである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
請求項８：
前記第２の位置制御モードにおいて、前記第１の周波数は前記第２の周波数に実質的に等しい、請求項１〜４及び７のいずれか１項に記載のシステム。
請求項９：
前記第１の位置制御モードにおいて、前記第２の周波数は、前記第１の周波数の約１／１０以下であり、前記第２の位置制御モードにおいて、前記第２の周波数は、前記第１の周波数の１／１０以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１０：
前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は、前記ツールの位置速度に影響を与える、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１１：
前記第１の位置制御モードにおける前記ツールの前記位置速度は、前記第２の位置制御モードにおける前記ツールの前記位置速度よりも高い、請求項１０に記載のシステム。
請求項１２：
前記第１の周波数と前記第２の周波数との前記差は、前記ツールの位置正確度に影響を及ぼす、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１３：
前記第２の位置制御モードにおける前記ツールの前記位置正確度は、前記第１の位置制御モードにおける前記ツールの前記位置正確度よりも高い、請求項１２に記載のシステム。
請求項１４：
前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つの選択的な調整を可能にするために前記周波数コントローラに結合されたインタフェースを更に備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１５：
前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードの選択を可能にするために前記周波数コントローラに結合されたインタフェースを更に備える、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１６：
前記複数の位置センサは複数の位置エンコーダを備える、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１７：
ロボットシステムにおいてツールを位置決めする方法であって、
第１の周波数において前記ツールのためのプライマリ位置情報を求めることと、
第２の周波数において前記ツールのためのセカンダリ位置情報を求めることと、
前記プライマリ位置情報及び前記セカンダリ位置情報に基づいて第１の位置制御モード及び第２の位置制御モードにおいて前記ツールを動かすことと、
前記第１の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の差が、前記第２の位置制御モードにおける前記第１の周波数と前記第２の周波数との差と異なるように前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードのそれぞれにおいて前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することと、
を含む、方法。
請求項１８：
プライマリ位置情報を求めることは、前記第１の周波数において、マニピュレータ座標系における前記ツールの動きを指令する位置コマンドを生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
請求項１９：
セカンダリ位置情報を求めることは、前記第２の周波数において、ローカライザ座標系からマニピュレータ座標系への、ナビゲーションベースの位置及び向きのデータの変換を更新することを含む、請求項１７又は１８に記載の方法。
請求項２０：
前記第１の位置制御モードにおける前記位置速度が、前記第２の位置制御モードにおける前記位置速度よりも高くなるように、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に基づいて前記ツールの位置速度に影響を与えることを更に含む、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の方法。
請求項２１：
前記第２の位置制御モードにおける前記位置正確度が、前記第１の位置制御モードにおける前記位置正確度よりも高くなるように、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に基づいて前記ツールの位置正確度に影響を与えることを更に含む、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の方法。
請求項２２：
前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することは自律的に行われる、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の方法。
請求項２３：
前記第１の周波数及び前記第２の周波数のうちの少なくとも１つを調整することは手動で行われる、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の方法。
請求項２４：
前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードのうちの少なくとも１つを手動で選択することを更に含む、請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の方法。
請求項２５：
前記第１の位置制御モード及び前記第２の位置制御モードを自律的に選択することを更に含む、請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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