(57)【要約】空間内でエンドエフェクタの動きを制約する方法および装置。一態様では、前記装置は、機械的ポジショナならびに第一および第二のストップを含む。第一および第二のストップは、機械的ポジショナの動きを制約し、それによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するために駆動機構によって制御可能である。第一および第二のストップは、所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするために駆動機構によってさらに制御可能である。2010514512.tif 000003
2010514512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドエフェクタのための機械的ポジショナと、
機械的ポジショナの動きを制約し、それによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するために駆動機構によって制御可能であり、かつ所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするために駆動機構によって制御可能である、第一および第二のストップと
を含む、装置。
【請求項２】
駆動機構が、機械的ポジショナの動きに応じて第一および第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するために制御可能である、請求項1記載の装置。
【請求項３】
駆動機構が、ワークピースの動きに応じて第一のストップおよび第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するために制御可能である、請求項1記載の装置。
【請求項４】
駆動機構が、所定の運動範囲の少なくとも一部分を調節するため第一のストップおよび第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するために制御可能である、請求項1記載の装置。
【請求項５】
第一のストップが第一のアクチュエータによって可動であり、かつ第二のストップが第二のアクチュエータによって可動である、請求項1記載の装置。
【請求項６】
近位リンクと、
遠位リンクと、
被作動連結ジョイントおよび受動連結ジョイントを含む、前記近位リンクおよび前記遠位リンクの相対的な位置を制御するためのジョイント組立品と
をさらに含む、
前記被作動連結ジョイントおよび前記受動連結ジョイントが共同して第一および第二のストップならびに機械的ポジショナを含み、
所定の運動範囲内では、前記受動連結ジョイントがエンドエフェクタの自由な動きを可能にするために自由に動き、かつ
所定の運動範囲の外側では、前記受動連結ジョイントが第一および第二のストップのうちの少なくとも一方によって動きを制約される、
請求項1記載の装置。
【請求項７】
ジョイント組立品が、被作動連結ジョイントと受動連結ジョイントとの間の相対的な直線運動を可能にする直進ジョイント組立品を形成する、請求項6記載の装置。
【請求項８】
ジョイント組立品が、被作動連結ジョイントと受動連結ジョイントとの間の相対的な回転運動を可能にする回転ジョイント組立品を形成する、請求項6記載の装置。
【請求項９】
第一のストップと第二のストップとの間の距離が調節可能である、請求項1記載の装置。
【請求項１０】
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、連結ジョイントが自由に動くことを可能にする段階；
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しく、かつ第二の所定値より大きな距離に位置付けられている場合に、連結ジョイントが第一および第二のストップによって規定された所定の運動範囲内で自由に動くことを可能にする段階；ならびに
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第二の所定値とおよそ等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、第一および第二のストップのうちの一方によって、連結ジョイントが特定の方向へ動くことを制約し、連結ジョイントの該制約が空間内でエンドエフェクタの動きを制約する段階
を含む、空間内でエンドエフェクタの動きを制約する方法。
【請求項１１】
ワークピースの動きに応じて第一および第二のストップのうちの少なくとも一方を調節する段階をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１２】
空間内で第一および第二のストップのうちの少なくとも一方の場所を設定する段階をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１３】
連結ジョイントが機械的ポジショナを含む、
機械的ポジショナの動きを追尾して、機械的ポジショナの動きに応じて第一および第二のストップのうちの少なくとも一方を位置決めする段階をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１４】
ハプティック相互作用点が空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、第一のストップおよび第二のストップの位置決めが、機械的ポジショナを追尾し、
ハプティック相互作用点が空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しい距離に位置決めされている場合に、第一および第二のストップが静止したままである、
請求項13記載の方法。
【請求項１５】
ワークピースの姿勢を決定する段階；
エンドエフェクタの姿勢を決定する段階；
ワークピースの姿勢と、エンドエフェクタの位置、方向、速度および加速度のうちの少なくとも1つとの間の関係を規定する段階；
ワークピースの姿勢、エンドエフェクタの姿勢、および前記関係を関連付ける段階；ならびに
使用中にエンドエフェクタの動作を妨害することなく、ワークピースの運動およびエンドエフェクタの運動のうちの少なくとも一方に応じて前記関連付けを更新する段階
をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１６】
エンドエフェクタと、
基部と、
近位リンク、
遠位リンク、
1対のストップを含む被作動連結ジョイント、および
前記ストップの間に位置している機械的ポジショナを含む受動連結ジョイント
を含む、二つの該リンクの相対位置を制御するジョイント組立品
を含む、ポジティブストップ装置を有するロボットアームと
を含む、ロボット。
【請求項１７】
基部およびエンドエフェクタが、ジョイント組立品およびリンク組立品の連鎖によって接続されている、請求項16記載のロボット。
【請求項１８】
ジョイント組立品に連結され、機械的ポジショナの動きを制約しそれによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するためストップの対を制御し、かつ所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするためにストップの対を動かす駆動機構
をさらに含む、請求項16記載のロボット。
【請求項１９】
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントが自由に動き、
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しく、かつ第二の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントがストップの対によって規定された距離内で自由に動き、かつ
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第二の所定値とおよそ等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントがストップの対のうちの一方によって特定の方向への動きを制約される、
請求項16記載のロボット。
【請求項２０】
ワークピースの動きに応じて第一または第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するように構成されている駆動機構をさらに含む、請求項16記載のロボット。
【請求項２１】
ワークピースの姿勢を決定し、
エンドエフェクタの姿勢を決定し、
ワークピースの姿勢と、エンドエフェクタの位置、方向、速度および加速度のうちの少なくとも1つとの間の関係を規定し、
ワークピースの姿勢、エンドエフェクタの姿勢、および前記関係を関連付け、かつ
使用中にエンドエフェクタの動作を妨害することなくワークピースの運動およびエンドエフェクタの運動のうちの少なくとも一方に応じて前記関連付けを更新する
ようにプログラムされたコンピューティングシステムをさらに含む、請求項16記載のロボット。
【請求項２２】
エンドエフェクタのための機械的ポジショナと、
機械的ポジショナの動きを制約しそれによって作業空間の禁止領域の中へエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するために駆動機構によって制御可能であり、かつ作業空間の望ましい領域内でエンドエフェクタの動きを可能にするために駆動機構によって制御可能である、第一および第二のストップと
を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2006年12月27日に出願された、「Apparatus and Method for Providing an Adjustable Positive Stop in Space」と題する、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国仮出願第60/877,412号の優先権を主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は概して、ロボットの分野に関し、より具体的にはハプティックロボットの分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
ハプティックインターフェースは、仮想またはハプティック環境においてユーザが触覚を体験することを可能にする。このようなインターフェースは、仮想現実ゲームにおいて、および仮想イメージ化されたタスクを実行する際に受け入れられている。ユーザがタスクを実行するのを助けるためにハプティックインターフェースを使用する一つの領域はコンピュータを利用した手術である。
【０００４】
コンピュータを利用した手術では、ハプティックインターフェースはハプティックガイダンスを外科医に提供するために使用することが可能である。たとえば、切断用具のような外科用器具をハプティックインターフェースに連結することが可能である。ハプティックインターフェースは、たとえば、ロボットアームのようなロボット装置の一部であってもよい。外科医が実空間において手術用器具を動かす際（たとえば、骨またはその他の解剖学的構造を切断するため）、手術用器具を操作する外科医の能力を制限するハプティックインターフェースを通じて制約が外科医に加えられることがあり得る。たとえば、手術用器具を操作する外科医の能力は、外科医が手術用器具を画定された切断領域内だけで動かすことができるように、制約されることがあり得る。制約は、たとえば、実空間における手術用器具と画定された切断領域との間の望ましい関係に基づいてもよい。この実空間の関係は、仮想器具が物理的な手術用器具に対応し、かつハプティック物体が画定された切断領域に対応している仮想空間における、仮想器具とハプティック物体との間の関係として仮想環境において表現することが可能である。手術中に、外科医は、手術用器具を、ハプティックインターフェースの端部に取り付けて操作する。仮想器具とハプティック物体との間の望ましい関係を保つために十分な力を外科医に加えるハプティックインターフェースを通じて、制約フィードバックが外科医に提供される。
【０００５】
たとえば、ハプティック物体は、解剖学上の構造または骨の解剖学的構造に切り込まれるべき形状のための仮想保護境界であってもよい。仮想境界は患者の解剖学的構造に位置合わせされ（または相互に関連付けられ）、仮想器具は実際の手術用器具に位置合わせされる（または相互に関連付けられる）。外科医がハプティックインターフェースを介して仮想環境と相互作用できるようにするため、ハプティックレンダリングアルゴリズムが用いられる。ハプティックレンダリングは、ユーザの仮想物体との相互作用に応じて力を計算して加えるプロセスである。ハプティックレンダリングアルゴリズムを使用して、ハプティックインターフェースは、仮想器具の仮想境界への接近に従って外科医が経験する力が増加するように、構成され得る。この増加する力は、外科医が作業空間の禁止領域（たとえば、対象となる解剖学上の構造またはその他の境界）の近くにおり、それゆえこの構造への不要な侵入および損傷を防止するため（たとえば、ドリルビットが骨のあまりにも奥深くまで入ることを防止するため）注意深く進めるべきであることを外科医に警告する。外科医が仮想境界を越えて器具を押し進めようとするならば、ハプティックインターフェースはこのような運動を妨げるため増加する力を与える。このような様式では、仮想境界は手術用器具を作業空間の望ましい領域内に維持するためハプティックストップとして機能する。
【０００６】
しかしながら、ハプティックストップを使用する防止の動きは、典型的には、アドミタンスまたはインピーダンスに基づくシステムを用いて達成される。アドミタンス装置は、ユーザによって加えられた力を感知し、装置の位置（たとえば、手術用器具の位置）を変化させることによって応答する。アドミタンス装置が堅固な境界を提供できるとしても、アドミタンス装置は力センサを必要とし、かつユーザが自由空間の中で装置を動かす際に一般にユーザにとって重く感じられる。対照的に、インピーダンス装置は、装置の位置（たとえば、手術用器具の位置）を感知し、制限されたパワーを逆駆動可能なハプティックインターフェースシステムのアクチュエータに加えることにより力を装置に加えることによって応答する。インピーダンス装置は、自由空間の中で動かされる場合に一般にユーザにとって比較的軽量に感じられ、かつ、ユーザが比較的軽い動きを経験しかつ自由空間内で動く場合に実物体との相互作用力を感じることを望む、ある種の用途のため好ましい。しかしながら、アクチュエータ出力の力は有限であり、かつインピーダンス装置はアドミタンス装置によって生成される境界と同じ堅固さの境界を生成できない。結果として、外科医にとって、アクチュエータによって加えられた制約に打ち勝って手術用器具に仮想境界またはハプティックストップを強制的に通過させることは可能であり得る。これは、手術が施されている組織に意図しない損傷を生じさせることになると考えられる。
【０００７】
必要とされているのは、ユーザがハプティック装置の動作中に動きの柔軟性を体験することが可能である状態を保ちながら、ハプティック装置のユーザによる誤った動きを防止するために十分なハプティック制約力を提供することができる調節可能なポジティブストップを有する、ハプティック装置である。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一例の態様は、機械的ポジショナならびに第一および第二のストップを含む装置に関する。第一および第二のストップは、機械的ポジショナの動きを制約し、それによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するため駆動機構によって制御可能である。第一および第二のストップは、所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするため駆動機構によってさらに制御可能である。
【０００９】
別の例の態様は、空間内でエンドエフェクタの動きを制約する方法に関する。この方法は、エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、連結ジョイントが自由に動くことを可能にすることを含む。この方法は、エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しい距離かつ第二の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、連結ジョイントが第一および第二のストップによって規定された所定の運動範囲内で自由に動くことを可能にすることをさらに含む。この方法は、エンドエフェクタが空間内の所定の場所からおよそ第二の所定値と等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、第一および第二のストップのうちの一方によって連結ジョイントが特定の方向へ動くことを制約することをさらに含む。連結ジョイントの制約は、空間内でのエンドエフェクタの動きを制約する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明は添付の特許請求の範囲において特に指摘されている。上述の本発明の例示的な態様の利点は、さらなる利点とともに、添付図面と共に取り込まれた以下の説明を参照することによってより深く理解され得る。図面中、類似の参照文字は概して様々な図を通じて同じ部品を参照する。図面は必ずしも正しい縮尺ではなく、むしろ、概して本発明の例示的な態様の原理を明らかにすることに重点が置かれている。
【図１】本発明の態様のポジティブストップハプティックシステムの概略図である。
【図２】図2a〜2cは、仮想空間内で動くハプティック相互作用点の種々の条件下での図1のポジティブストップを示す図である。
【図３】図1の本発明の態様の別の概略図である。
【図３ａ】独立した遠位ポジティブストップおよび近位ポジティブストップを有する本発明の別の態様の概略図である。
【図３ｂ】マイクロおよびマクロ解像度の両方の駆動機構を有する本発明の別の態様の概略図である。
【図３ｃ】機械的ポジショナおよび様々な形状を有するポジティブストップを図示する本発明の別の態様の概略図である。
【図４】エンドエフェクタを制約するため配置された複数の図1のポジティブストップハプティックシステムの態様の概略図である。
【図５】エンドエフェクタを制約するため配置された複数の図1のポジティブストップハプティックシステムの別の態様の概略図である。
【図６】回転運動を利用する本発明の態様のポジティブストップハプティックシステムの概略図である。
【図７】本発明の態様の手術システムの概略図である。
【図８】アナトミートラッカーの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
好ましい態様の詳細な説明
一般に、種々の用途において、ツールまたは器具が使用されている場合、ツールの可能な運動範囲を制限することが望ましい。ツールの動きの制限は、たとえば、ツールのユーザがワークピースに深く切り込みすぎることを防止することによって、ワークピースへの損傷を防止することが可能である。ユーザが手術、製造、または他の用途のような特定のプロセスにおいてロボット装置に連結されたツールを操作している場合、ツールの動きへの制限は物理的ストップを使用して実施することが可能である。
【００１２】
一部では、本明細書に記載の本発明の例示的な態様は、規定の運動範囲内でツールの動きを制約するために適した様々な物理的ストップおよび制御を使用するロボット装置を含む。これは、特定の運動または距離の範囲に対して装置の部品が自由に移動することが許容され、一方、その他の規定の運動または距離の範囲に対しては、装置の部品の運動が速度の点で制約されるかまたは完全に停止されるように、ロボット装置の様々な連結部および部材の運動を制御することにより、実現される。このようにして、物理的ストップを、ユーザが作業空間の望ましい領域でツールを動かすことを可能にし、かつユーザが作業空間の禁止領域へツールを操作する能力を制約するために、制御することが可能である。アクチュエータおよび追尾装置を機械的連結部およびジョイントと組み合わせて使用することは、このようなシステムを可能にする。
【００１３】
例示的な態様は、移動中の物体に対する物理的ストップもしくは制約のリアルタイムのまたは動的な位置決めをさらに可能にする。すなわち、機械加工可能なブロックまたは患者の寛骨のような可動ワークピースに対し、本明細書に記載の例示のシステムは、ワークピースの運動に応じて物理的ストップを調節することによりワークピースの動きに応答することが可能である。これは、外科医または作業者が、患者またはワークピースの動きにもかかわらず物理的ストップと関連した安全性を伴って患者に手術を施すことまたはワークピースに操作を施すことを可能にする。
【００１４】
たとえば、ハプティック装置の医療用途において、ハプティックレンダリングプロセスにより作成される仮想環境は、医療器具の仮想表現と相互作用する仮想（またはハプティック）物体（例えばガイドワイヤー、インプラントモデル、または保護境界など）を含む。仮想医療器具は、物理的医療器具の動きが対応する仮想医療器具の動きを生じるように、物理的医療器具に連結される（または位置合わせされる）。同様に、仮想物体は、物理的な解剖学的構造の動きが対応するハプティック物体の動きを生じるように、患者の物理的な解剖学的構造に連結される（または位置合わせされる）。仮想環境および物理的環境は、互いに位置合わせされるかまたは関連付けられるので、ユーザによる医療器具の操作は、ハプティック相互作用点（HIP）と呼ばれる仮想空間内の点を典型的に利用する仮想物体と医療器具の仮想表現との間の相互作用に基づいて制約される。HIPは、医療器具上の物理的な点、たとえば、手術用バーまたはドリルビットの先端に対応する仮想空間内の点である。HIPが仮想空間内を動く際、ハプティックレンダリングアルゴリズムは、仮想物体の境界が許容作業空間（たとえば、作業空間の望ましい領域または作業空間内の所定の運動範囲）を画定しかつHIPが仮想物体の境界内に維持される関係のような、HIPと仮想物体との間の望ましい関係に基づいて、力を計算する。ハプティック装置のアクチュエータは計算された力を生成し、ハプティックインターフェースは、望ましい関係を維持するためにこれらの力をユーザへ伝達する。したがって、外科医が物理的器具を動かす際、外科医はHIPが仮想空間で経験する力を感知する。このようにして、医療器具の動きは、たとえば、医療器具を仮想物体によって画定された切断境界内に医療器具を維持し、かつ医療器具が作業空間の禁止領域内に移動することを阻止するために、制約されることが可能である。したがって、ユーザは作業空間の所定の運動範囲内でツールを動かすことは可能であるが、所定の運動範囲の外側でツールを操作するユーザの能力は制約される。
【００１５】
したがって、HIPの動きは、外科医が物理的医療器具を動かすことができる方向を制限するために制約され得る。たとえば、仮想物体は、HIPが特定のパスに沿って移動するように制約する仮想ガイドワイヤーであることが可能である。パスから逸脱する試みは、HIPがパスから逸脱する能力を阻止または少なくとも低減する力を生じさせる。これらの力はハプティックインターフェースを通じて外科医に伝達され、それによって器具があらかじめ画定された場所へ動かされる際に解剖学的特徴を避けるために、物理的空間内でガイドパスに沿って物理的器具を案内する。別の実施例では、仮想物体は、関節置換手術中に患者の骨に埋め込まれるインプラントの仮想モデルであることが可能である。たとえば、2006年2月21日に出願され、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第11/357,197号、米国特許出願公開第2006/0142657号に記載されているように、仮想インプラントモデルは、患者の物理的な骨と関連付けられ（または位置合わせされ）、かつ物理的インプラントが取り付けられ得るように除去される骨の部分を画定する。仮想環境において、HIPはインプラントモデルによって画定された切断境界（すなわち、望ましい作業空間の領域）内に留まるように制約される。HIPが境界を侵害し、かつ作業空間の禁止領域内へ移動することを試みるならば、物理的器具を用いて切断境界を侵害する外科医の能力を阻止または少なくとも低減するために、力がハプティックインターフェースを通じて外科医に伝達される。
【００１６】
仮想空間内でHIPに加えられる力は、HIPが仮想空間内のあらかじめ画定された点を越えて進むことを阻止するために実質的に無限になる可能性があるが、従来型のハプティック装置では、この「無限」の力はアクチュエータによって加えられるので、実際は、無限に満たない力がハプティックインターフェースを通じてユーザに加えられると考えられる。その結果として、ユーザは、故意または不注意のどちらかで制約力に打ち勝って、ガイドパスから外れるか、またはハプティック境界を侵害する場合がある。
【００１７】
本発明の一態様によれば、可動ポジティブストップが設けられる。可動ポジティブストップの一つの利点は、ポジティブストップが、ツールを動かす場合に外科医が運動の柔軟性を保つことを可能にし続けながら、ツールの動きを制限するために十分に強い制約を与え得ることである。図1は、本発明の例示的な態様に従って構築されたポジティブストップハプティックシステム10の一態様を示している。ポジティブストップハプティックシステム10は、駆動機構50、機械的ポジショナ30、被作動連結ジョイント26、非駆動または受動連結ジョイント34、近位ポジティブストップ18、および遠位ポジティブストップ22を含む。被作動連結ジョイント26および受動連結ジョイント34は、被作動連結ジョイント26と受動連結ジョイント34との間の相対的な直線運動を可能にする直進ジョイント組立品を形成する。
【００１８】
駆動機構50は被作動連結ジョイント26の一端に位置し、ポジティブストップ18および22は被作動連結ジョイント26の他端に位置している。図1に示されているように、ポジティブストップ18と22との間の距離は（2δ）によって示され、ポジティブストップ18と22との間の中間点の距離はδである。受動連結ジョイント34の一端に配置されている機械的ポジショナ30は、近位ポジティブストップ18と遠位ポジティブストップ22との間に位置している。受動連結ジョイント34の他端はエンドエフェクタ（図示せず）に接続されている。エンドエフェクタは、たとえば、医療器具、ツール、または別のリンクであってもよい。
【００１９】
動作中に、受動連結ジョイント34に連結されたエンドエフェクタがユーザによって（たとえば、骨を造形するための外科的処置中に外科医によって）動かされる際、機械的ポジショナ30は近位ポジティブストップ18と遠位ポジティブストップ22との間で動く。被作動連結ジョイント26が駆動機構50によって適所に固定される場合、ポジティブストップ18および22もまた適所に固定され、機械的ポジショナ30がポジティブストップ18および22を越えて動くことを阻止すると考えられる。この様式では、ポジティブストップ18および22は、機械的ポジショナ30（および、したがって、エンドエフェクタ）のための所定の運動範囲を画定し、かつ所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを許可し、かつ所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを動かすユーザの能力を制約するために機能する。望ましい場合、駆動機構50は、駆動機構50へ近づくまたは遠ざかるポジティブストップ18および22の動きを生じる被作動連結ジョイント26を動かすため作動させることが可能である。この様式では、駆動機構50は、例えば所定の運動範囲の空間内での位置を調整するために、所定の運動範囲を調節するためにポジティブストップ18および22を調節するため制御可能である。エンドエフェクタの自由な運動を可能にするため、ポジティブストップ18および22は、機械的ポジショナ30が近位ポジティブストップ18または遠位ポジティブストップ22のどちらにも接触しないように機械的ポジショナ30が動く場合に動くように構成することが可能である。これは、機械的ポジショナ30が受動連結ジョイント34の軸に沿って完全な運動の自由度を有しているので、ユーザがエンドエフェクタを自由に動かすことを可能にする。ポジティブストップ18および22が機械的ポジショナ30と共に動くことを可能にするため、ポジティブストップ18および22が機械的ポジショナ30と共に進み、したがって機械的ポジショナ30と接触しないように、システムは、機械的ポジショナ30の運動を検出するセンサと、被作動連結ジョイント26を動かす駆動機構50を制御するコントローラとを含むことが可能である。この様式では、ポジティブストップ18および22は機械的ポジショナ30の動きに応じて調整することが可能である。物理的ストップを誘発するため（たとえば、エンドエフェクタが作業空間の禁止領域の近くにあるとき）、駆動機構50は停止され、それによってポジティブストップ18および22のさらなる運動を阻止する。機械的ポジショナ30がポジティブストップ18および22のうちの一方と接触する場合、ユーザによるエンドエフェクタの運動は制約される。この様式では、ポジティブストップハプティックシステム10は、動く場合に外科医が運動の柔軟性を保つことを可能にした状態のままで、ユーザが打ち勝つことのできない物理的ストップ（アクチュエータによって生成された力に基づくストップと対照的）を用いてエンドエフェクタを制約することが可能な可動ポジティブストップを提供する。
【００２０】
上述されているように、物理的空間内でのエンドエフェクタの一部分（たとえば、ツールまたは器具の先端）の位置は仮想空間内のHIPに対応する。したがって、器具またはエンドエフェクタが実空間内で動く際、HIPは、たとえば、仮想空間内で仮想物体へ向かって動く。図2a〜2cを参照すると、HIP 27が、仮想物体25の境界のような仮想物体25の一部分から距離（d）に位置決めされる場合、三つの条件のうちの一つが満たされる。第一に、図2aに示されているように、（d）の値は第一の所定値、たとえば、機械的ポジショナ30とポジティブストップ18および22の一方との間の距離より大きくてもよい（d＞（δ））。この条件は自由運動である。第二に、図2bに示されているように、（d）の値は、第二の所定値より大きく、かつ第一の所定値未満であるかまたはこれと等しくてもよい（たとえば、0＜d≦（δ））。この条件は接近運動である。第三に、図2cに示されているように、（d）は、HIP 27が仮想物体の境界にあるか、または、仮想物体の境界の内にあることを意味する第二の所定値未満であるかまたはこれと等しくてもよい（たとえば、d≦0）。この条件は制約運動である。
【００２１】
自由運動を明らかにする図2aを参照すると、（d＞（δ））である場合、すなわち、HIP 27がストップ18と22との間の距離の半分より大きな距離（d）に位置している場合、受動連結ジョイント34は自由に動く。この受動連結ジョイント34の運動が自由であるのは、機械的ポジショナ30がストップ18と22との間で自由に動く（矢印A）ことによるだけでなく、ポジティブストップ18および22もまた動くように機械的ポジショナ30の運動を追尾するために被作動連結ジョイント26が駆動機構50によって駆動されることにもよる（矢印B）。駆動機構50は、好ましくは、機械的ポジショナ30と近位ポジティブストップ18または遠位ポジティブストップ22との間の距離が中間点の距離δで名目上維持されるように、被作動連結ジョイント26を動かす。
【００２２】
接近運動を示す図2bを参照すると、一旦HIP 27が（δ）に等しい距離（d）にあると、駆動機構50はさらなる前進運動に抵抗するため被作動連結ジョイント26をサーボ（servo）する。これは、遠位ポジティブストップ22および近位ポジティブストップ18を静止させ、それゆえに、機械的ポジショナ30がストップ18と22との間で動くことだけを可能にする（矢印A）。したがって、受動連結ジョイント34は、機械的ポジショナ30がさらなる運動を阻止する遠位ポジティブストップ22に接触する前に、被作動連結ジョイント26から遠ざかる方向に最大距離（δ）だけ動くことが可能である。その後、これはHIP 27を物体の表面に到達させる（d＝0）。
【００２３】
制約運動を示す図2cを参照すると、HIP 27がd＝0に到達すると、機械的ポジショナ30は遠位ポジティブストップ22に接触し、その結果さらなる運動が阻止される。したがって、システムは、HIP 27が仮想物体25と接触する場合に物理的ストップを提供する。
【００２４】
本発明の例示的な態様は、アクチュエータおよび可動構成要素が種々の適当な直列または並列の構成で共に連結されているシステムにも関する。すなわち、直列構成では、駆動機構50は別のポジティブストップ組立品の受動連結ジョイントの自由端に取り付けられてもよい。整形外科手術のような種々の医療用の用途は本明細書に記載の技術に適している。
【００２５】
図3を参照すると、本発明の例示的な態様に従って構築されたポジティブストップハプティックシステムの態様に対応するシステム10の物理的具現は、被作動連結ジョイント26の遠位端に取り付けられた、近位ポジティブストップ18および遠位ポジティブストップ22を含む機械的ストップ組立品14を含む。システム10は受動連結ジョイント34の近位端に取り付けられた機械的ポジショナ30をさらに含む。受動連結ジョイント34は、機械的ポジショナ30が近位ポジティブストップ18または遠位ポジティブストップ22に接触しない限り、（ポジティブストップ18および22によって設定された制限内で）自由に動かすことが可能である。
【００２６】
図3に示されているように、受動連結ジョイント34の遠位端は回転ジョイント38に取り付けられている。回転ジョイント38は、第二の回転ジョイント46に接続された遠位リンク42にも接続されている。第二の回転ジョイント46はエンドエフェクタ（図示せず）に接続されている。
【００２７】
図3の態様では、被作動連結ジョイント26の近位端は駆動機構50の可動部に接続されている。駆動機構50は近位リンク58によって固定基部54に接続されたハウジングを含む。示されている種々の態様では、駆動機構50は、アクチュエータまたはモータを含むことができるが、これに限定されることはない。たとえば、アクチュエータまたはモータは、直線型、回転型、逆駆動可能型、または、非逆駆動可能型であってもよい。非逆駆動可能型機構部50は物理的ストップと関連した剛性および安全性の余裕を高める。
【００２８】
動作中、エンドエフェクタがユーザによって動かされる際、回転ジョイント38および46ならびに遠位リンク42は、運動を受動連結ジョイント34へ伝達し、機械的ポジショナ30を近位ポジティブストップ18と遠位ポジティブストップ22との間で動かす。ストップ18または22のいずれかに到達したとき、機械的ポジショナ30はその方向にさらに動くことができない。その結果として、エンドエフェクタもまたその方向にさらに動くことが阻止される。
【００２９】
ポジティブストップが存在する空間内の位置は、駆動機構50内の被作動連結ジョイント26の位置によってある程度決定される。駆動機構50は近位リンク58によって基部54にしっかりと固定される。駆動機構50は、基部54と相対的に被作動連結ジョイント26を空間内で位置決めするために使用される。
【００３０】
図3aを参照すると、本発明の別の態様では、共に駆動されるように遠位ポジティブストップ22および近位ポジティブストップ18を単一の被作動連結ジョイント26に取り付けるのではなく、各ポジティブストップ18および22がそれぞれの独自の被作動連結ジョイントに取り付けられている。図3aに示されているように、遠位ポジティブストップ22は第一の被作動連結ジョイント26に配置され、近位ポジティブストップ18は第二の被作動連結ジョイント26'に配置されている。本態様は、第二の被作動連結ジョイント26'を駆動するために第二の駆動機構50'を利用する。本態様では、各被作動連結ジョイント26、26'は、両方ともに同じ基部54または近位リンク58に取り付けられているそれぞれの独自の駆動機構50、50'によって駆動されるので、ポジティブストップ18と22との間の距離は調節可能である。したがって、機械的ポジショナ30のためのポジティブストップの場所が決定され（および調節され）ることが可能であるだけでなく、ポジティブストップ18と22との間の機械的ポジショナ30の移動距離（δ）もまた調節することが可能である。したがって、駆動機構50、50'は、ポジティブストップ18と22との間の距離を調節するように、所定の運動範囲を調節するためにポジティブストップ18、22を調節するため制御可能である。この特徴は、ユーザが遠位ストップおよび近位ストップと素早く連続的に交互に接触する際、他の状態では共通の連結ジョイント（たとえば、図3に示されている被作動連結ジョイント26）に配置されたポジティブストップの高速運動を必要とすると考えられる、狭い制約の特徴と相互作用するときに有利である。
【００３１】
図3bを参照すると、さらに別の態様では、第二の駆動機構50''は第一の駆動機構50の被作動連結ジョイント26に接続されている。この態様では、第二の被作動連結ジョイント26''は第二の駆動機構50''によって駆動される。第二の被作動連結ジョイント26''は機械的ストップ組立品14を含む。この態様では、駆動機構50および駆動機構50''は、異なる分解能および/または異なる運動範囲を有している。したがって、たとえば、駆動機構50は、駆動機構50''よりも粗い粒度およびより広い運動範囲を有することがある。本態様は、より粗いマクロ駆動機構50を、被作動連結ジョイント26の大体の場所を決定することによりポジティブストップ18および22の大体の場所へ設置することを可能にし、かつより細かいミクロ駆動機構50''を、最終的なポジティブストップ18および22の細かい位置に設定することを可能にする。この態様は、調節可能なポジティブストップに粗い位置決めおよび細かい位置決めを行うために、図3aに示されている態様と組み合わせて使用することも可能である。
【００３２】
図3cを参照すると、他の態様では、当業者によって認識されるように、機械的ポジショナ30ならびにポジティブストップ18、22の形態は、エンドエフェクタを動かすユーザの能力を制約する目的を達成するため適した任意の様式で変更してもよい。たとえば、「凹型」または「雌型」の形状を形成するポジティブストップ18および22、および「凸型」または「雄型」の形状を有する機械的ポジショナ30を明らかにする図1〜3bとは対照的に、ポジティブストップ装置は、図3cに示されているように、凹型形状を有する機械的ポジショナ30'ならびに凸型形状を有するポジティブストップ18'および22'を含むことがある。機械的ポジショナ30'ならびにポジティブストップ18'および22'の形状は所望の制約を実現するために所望の通りに調節することが可能である。
【００３３】
図4を参照すると、エンドエフェクタ62と基部54との間に位置決めされている3個のポジティブストップハプティックシステム10が示されている。複数のポジティブストップハプティックシステム10の位置決めは、制約が複数の自由度に対して加えられることを可能にする。図5に示されているように、エンドエフェクタ62と併せて、一般に全部で6個である複数のポジティブストップハプティックシステム10を設置することにより、エンドエフェクタ62を物理的空間内の任意の点で停止するように制約することが可能である。
【００３４】
図6を参照すると、本発明の例示的な態様は、回転運動を使用してエンドエフェクタを制約するために使用することも可能である。図6において、被作動連結ジョイント26'''と受動連結ジョイント34'''との間の相対的な回転運動を可能にする回転ジョイント組立品が示されている。回転運動を使用してエンドエフェクタを制約するため、回転する機械的ストップ組立品14'はその回転軸に沿って駆動軸70によって回転モータ50'に取り付けられている。示されている態様では、グラウンドへの共通のマウント、または、別の装置の基部は描かれていない。回転要素は、共通軸、および典型的には共通マウントを共有する。一態様では、機械的ストップ組立品14'は、第一のポジティブストップ74および第二のポジティブストップ78を規定するために、機械的ストップ組立品14'の周囲に切り欠き部73を組み込む。機械的ストップ組立品14'は、受動連結ジョイント34'''上に実装され、受動連結ジョイント34'''と同軸上にある。受動連結ジョイント34'''は、切り欠き部73内に拡張する機械的ポジショナ30を含む。モータ50'は、機械的ストップ組立品14'を回転させ、それによって、第一のポジティブストップ74および第二のポジティブストップ78が機械的ポジショナ30の動きを制約することができるように、所定の角度で切り欠き部73を位置決めする。
【００３５】
受動連結ジョイント34'''は遠位リンク82によって上側リンク（たとえば、エンドエフェクタまたはその他のリンク）に接続されている。上側リンクが動かされている際、遠位リンク82は、機械的ポジショナ30が第一のポジティブストップ74または第二のポジティブストップ78のいずれかと接触するまで、受動連結ジョイント34'''を回転させる。モータ50'を第一の位置から第二の位置まで回転させることにより、機械的ポジショナ30がポジティブストップ74および78と接触する位置が変化し、それによってエンドエフェクタに課される制約が変化する。したがって、図6の態様では、ポジティブストップは可動ワークピースに対して相対的な、ポジティブストップのリアルタイムのまたは動的な位置決めを可能にするため調節可能である。さらに、図1〜3cの上述の態様は同様の様式でワークピースの動きを補償することが可能である。たとえば、ポジティブストップ18および22の位置を調節することにより、所定の運動範囲の場所は変化したワークピースの位置に対応するように変化させることが可能である。
【００３６】
可動ワークピースを伴う本発明の一つの用途は、整形外科の関節置換のような骨の切断または造形を伴う外科的用途である。図7を参照すると、膝置換処置用の手術システム100が示されている。ワークピース（すなわち、太腿骨Fおよび/または脛骨T）の運動を検出するため、手術システム100は、物体の動きを検出するために外科的処置中に1個または複数の物体を追尾するように構成されている追尾システム118を含む。追尾システム118は、検出装置120の基準の座標枠に対して物体の姿勢（すなわち、位置および方向）を取得する検出装置120を含む。物体が基準の座標枠内を動く際、検出装置120は物体を追尾する。物体の姿勢の変化は物体が動いたことを示している。対応して、コンピューティングシステム102は、プラットフォーム116上に実装されたハプティック装置112（たとえば、ロボットアーム）の制御パラメータに対して適切な調節を行うことが可能である。たとえば、解剖学的構造（たとえば、大腿骨Fまたは脛骨T）が動く場合、コンピューティングシステム102は、解剖学的構造に位置合わせされた仮想ハプティック物体（たとえば、仮想切断境界）に対応する調節を行うことが可能である。したがって、仮想切断境界は解剖学的構造と共に動く。仮想切断境界が動く際、本発明の態様のポジティブストップの位置は、たとえば、上述されているように、それに応じて調節することが可能である。コンピューティングシステム102は、手術システム100の動作および制御のためのハードウェアおよびソフトウェアを含み、コンピュータ104、コンピュータ114、ディスプレイ装置106、入力装置108、および、カート110を含み得る。コンピュータ114は、ハプティック装置112が追尾システム118からのデータを利用することを可能にさせるハプティック制御ユーティリティおよびプログラムを含む。
【００３７】
追尾システム118は、手術システム100が患者の関連する解剖学的構造の姿勢、およびツール124（および/または、ハプティック装置112）の姿勢を連続的に決定（または追尾）することを可能にさせる任意の追尾システムであってもよい。たとえば、追尾システム118は、外科環境での使用に適した非機械的追尾システム、機械的追尾システム、または、非機械的追尾システムおよび機械的追尾システムの任意の組み合わせを含むことがある。
【００３８】
一態様では、図7に示されているように、追尾システム118は、非機械的追尾システムを含む。非機械的追尾システムは、検出装置120と、追尾対象物体（たとえば、関連する解剖学的構造）に配置されるように構成されて、検出装置120によって検出可能である追尾可能要素（またはトラッカー）とを含む、光学的追尾システムである。一態様では、検出装置120は、追尾中の要素上のパターン（たとえば、チェッカー盤パターン）を検出するミクロントラッカーのような可視光ベースの検出器を含む。別の態様では、検出装置120は、赤外線に感応し、かつ、外科的処置が実行される手術室内で位置決め可能であるステレオカメラの対を含む。トラッカーは、安全かつ安定した様式で追尾対象物体に貼付されるように構成され、かつ追尾対象物体との既知の幾何学的関係を有しているマーカーのアレイ（たとえば、図8に示されているアレイS1）を含んでいる。周知のように、マーカーは、能動型（たとえば、発光ダイオード、または、LED）でもよく、もしくは、受動型（たとえば、反射球、チェッカー盤パターンなど）でもよく、かつ固有のジオメトリ（たとえば、マーカーの固有の幾何学的配置）を有し、または、能動型の場合、有線マーカー、固有の発火パターンであってもよい。動作中に、検出装置120は、マーカーの位置を検出し、手術システム100（たとえば、内蔵エレクトロニクスを使用する検出装置120）は、マーカーの位置と、固有のジオメトリと、追尾対象物体に対する既知の幾何学的関係とに基づいて追尾対象物体の姿勢を計算する。追尾システム118は、ユーザが追尾を望む物体毎に、アナトミートラッカー122（患者の解剖学的構造を追尾するため）、ハプティック装置トラッカー（ハプティック装置112の全体的位置または総体的位置を追尾するため）、エンドエフェクタトラッカー（ハプティック装置112の遠位端を追尾するため）、および、機器トラッカー（ユーザによって手で保持された機器を追尾するため）のようなトラッカーを含む。
【００３９】
一態様では、アナトミートラッカー122は、患者の解剖学的構造に配置され、解剖学的構造が検出装置120によって追尾されることを可能にする。アナトミートラッカー122は、骨ピン、手術用ステープル、スクリュー、クランプ、または髄内ロッドなどの解剖学的構造への装着用の固定装置を含む。一態様では、アナトミートラッカー122は、患者の大腿骨Fおよび脛骨Tを追尾するため、膝置換手術中に使用するように構成されている。本態様では、図7に示されているように、アナトミートラッカー122は、大腿骨Fに配置されるように適合した第一のトラッカー122a、および脛骨Tに配置されるように適合した第二のトラッカー122bを含む。図8に示されているように、第一のトラッカー122aは、骨ピンP、クランプ126、およびマーカー（たとえば、反射球）の固有のアレイS1を含む固定装置を含む。第二のトラッカー122bは、第二のトラッカー122bが脛骨Tに取り付けられ、かつその自身の固有のマーカーのアレイを有する点を除いて、第一のトラッカー122aと同じである。患者に取り付けられた場合、第一のトラッカー122aおよび第二のトラッカー122bは、検出装置120が大腿骨Fおよび脛骨Tの位置を追尾することを可能にする。2007年5月18日に出願され、「Method and Apparatus for Controlling a Haptic Device」と題する、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第11/750,840号は、図7および8に示された配置に関するさらなる詳細を提供する。さらに、上記の米国特許出願第11/750,840号の段落［0063］〜［0081］は、外科的処置中に手術用装置の動作を妨害することなく、外科的処置中に物体（患者、手術用ツール、ロボット）の運動を補償する技術に関する詳細を提供する。
【００４０】
上述されているように、本発明の態様はハプティック医療用途の観点で説明されているが、本発明はその他の用途のため可動ポジティブストップを提供するために使用することが可能である。
【００４１】
本発明はある例示的な態様に関して記載されているが、本発明がそのように限定されることなく、かつ例示的な態様への多数の追加、削除および変更が以下で主張されているような本発明の範囲内でなされうることは当業者によって容易に理解されかつ認められる。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって限定される。
【図１】
2010514512.tif 000004
【図２】
2010514512.tif 000005
【図３】
2010514512.tif 000006
【図３ａ】
2010514512.tif 000007
【図３ｂ】
2010514512.tif 000008
【図３ｃ】
2010514512.tif 000009
【図４】
2010514512.tif 000010
【図５】
2010514512.tif 000011
【図６】
2010514512.tif 000012
【図７】
2010514512.tif 000013
【図８】
2010514512.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月20日(2009.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドエフェクタのための機械的ポジショナと、
機械的ポジショナの動きを制約し、それによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するために駆動機構によって制御可能であり、かつ所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするために駆動機構によって制御可能である、第一および第二の物理的ストップと
を含む、装置。
【請求項２】
駆動機構が、機械的ポジショナの動きに応じて第一の物理的ストップおよび第二の物理的ストップのうちの少なくとも一方の場所を調節するために制御可能である、請求項1記載の装置。
【請求項３】
駆動機構が、ワークピースの動きに応じて第一の物理的ストップおよび第二の物理的ストップのうちの少なくとも一方の場所を調節するために制御可能である、請求項1記載の装置。
【請求項４】
駆動機構が、所定の運動範囲の少なくとも一部分を調節するため第一の物理的ストップおよび第二の物理的ストップのうちの少なくとも一方の場所を調節するために制御可能である、請求項1記載の装置。
【請求項５】
第一の物理的ストップが第一のアクチュエータによって可動であり、かつ第二の物理的ストップが第二のアクチュエータによって可動である、請求項1記載の装置。
【請求項６】
近位リンクと、
遠位リンクと、
被作動連結ジョイントおよび受動連結ジョイントを含む、前記近位リンクおよび前記遠位リンクの相対的な位置を制御するためのジョイント組立品と
をさらに含む、
前記被作動連結ジョイントおよび前記受動連結ジョイントが共同して第一および第二の物理的ストップならびに機械的ポジショナを含み、
所定の運動範囲内では、前記受動連結ジョイントがエンドエフェクタの自由な動きを可能にするために自由に動き、かつ
所定の運動範囲の外側では、前記受動連結ジョイントが第一および第二の物理的ストップのうちの少なくとも一方によって動きを制約される、
請求項1記載の装置。
【請求項７】
ジョイント組立品が、被作動連結ジョイントと受動連結ジョイントとの間の相対的な直線運動を可能にする直進ジョイント組立品を形成する、請求項6記載の装置。
【請求項８】
ジョイント組立品が、被作動連結ジョイントと受動連結ジョイントとの間の相対的な回転運動を可能にする回転ジョイント組立品を形成する、請求項6記載の装置。
【請求項９】
第一の物理的ストップと第二の物理的ストップとの間の距離が調節可能である、請求項1記載の装置。
【請求項１０】
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、連結ジョイントが自由に動くことを可能にする段階；
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しく、かつ第二の所定値より大きな距離に位置付けられている場合に、連結ジョイントが第一および第二の物理的ストップによって規定された所定の運動範囲内で自由に動くことを可能にする段階；ならびに
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第二の所定値とおよそ等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、第一および第二の物理的ストップのうちの一方によって、連結ジョイントが特定の方向へ動くことを制約し、連結ジョイントの該制約が空間内でエンドエフェクタの動きを制約する段階
を含む、空間内でエンドエフェクタの動きを制約する方法。
【請求項１１】
ワークピースの動きに応じて第一および第二の物理的ストップのうちの少なくとも一方の場所を調節する段階をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１２】
空間内で第一および第二の物理的ストップのうちの少なくとも一方の場所を設定する段階をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１３】
連結ジョイントが機械的ポジショナを含む、
機械的ポジショナの動きを追尾して、機械的ポジショナの動きに応じて第一および第二の物理的ストップのうちの少なくとも一方を位置決めする段階をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１４】
ハプティック相互作用点が空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、第一および第二の物理的ストップの位置決めが、機械的ポジショナを追尾し、
ハプティック相互作用点が空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しい距離に位置決めされている場合に、第一および第二の物理的ストップが静止したままである、
請求項13記載の方法。
【請求項１５】
ワークピースの姿勢を決定する段階；
エンドエフェクタの姿勢を決定する段階；
ワークピースの姿勢と、エンドエフェクタの位置、方向、速度および加速度のうちの少なくとも1つとの間の関係を規定する段階；
ワークピースの姿勢、エンドエフェクタの姿勢、および前記関係を関連付ける段階；ならびに
使用中にエンドエフェクタの動作を妨害することなく、ワークピースの運動およびエンドエフェクタの運動のうちの少なくとも一方に応じて前記関連付けを更新する段階
をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１６】
エンドエフェクタと、
基部と、
近位リンク、
遠位リンク、
1対のストップを含む被作動連結ジョイント、および
前記ストップの間に位置している機械的ポジショナを含む受動連結ジョイント
を含む、二つの該リンクの相対位置を制御するジョイント組立品
を含む、ポジティブストップ装置を有するロボットアームと
を含む、ロボット。
【請求項１７】
基部およびエンドエフェクタが、ジョイント組立品およびリンク組立品の連鎖によって接続されている、請求項16記載のロボット。
【請求項１８】
ジョイント組立品に連結され、機械的ポジショナの動きを制約しそれによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するためストップの対を制御し、かつ所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするためにストップの対を動かす、駆動機構
をさらに含む、請求項16記載のロボット。
【請求項１９】
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントが自由に動き、
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しく、かつ第二の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントがストップの対によって規定された距離内で自由に動き、かつ
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第二の所定値とおよそ等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントがストップの対のうちの一方によって特定の方向への動きを制約される、
請求項16記載のロボット。
【請求項２０】
ワークピースの動きに応じて第一または第二のストップのうちの少なくとも一方の場所を調節するように構成されている駆動機構をさらに含む、請求項16記載のロボット。
【請求項２１】
ワークピースの姿勢を決定し、
エンドエフェクタの姿勢を決定し、
ワークピースの姿勢と、エンドエフェクタの位置、方向、速度および加速度のうちの少なくとも1つとの間の関係を規定し、
ワークピースの姿勢、エンドエフェクタの姿勢、および前記関係を関連付け、かつ
使用中にエンドエフェクタの動作を妨害することなくワークピースの運動およびエンドエフェクタの運動のうちの少なくとも一方に応じて前記関連付けを更新する
ようにプログラムされたコンピューティングシステムをさらに含む、請求項16記載のロボット。
【請求項２２】
エンドエフェクタのための機械的ポジショナと、
機械的ポジショナの動きを制約しそれによって作業空間の禁止領域の中へエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するために駆動機構によって制御可能であり、かつ作業空間の望ましい領域内でエンドエフェクタの動きを可能にするために駆動機構によって制御可能である、第一および第二の物理的ストップと
を含む、装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
別の例の態様は、空間内でエンドエフェクタの動きを制約する方法に関する。この方法は、エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、連結ジョイントが自由に動くことを可能にすることを含む。この方法は、エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しい距離かつ第二の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、連結ジョイントが第一および第二のストップによって規定された所定の運動範囲内で自由に動くことを可能にすることをさらに含む。この方法は、エンドエフェクタが空間内の所定の場所からおよそ第二の所定値と等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、第一および第二のストップのうちの一方によって連結ジョイントが特定の方向へ動くことを制約することをさらに含む。連結ジョイントの制約は、空間内でのエンドエフェクタの動きを制約する。
[請求項101]
エンドエフェクタのための機械的ポジショナと、
機械的ポジショナの動きを制約し、それによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するために駆動機構によって制御可能であり、かつ所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするために駆動機構によって制御可能である、第一および第二のストップと
を含む、装置。
[請求項102]
駆動機構が、機械的ポジショナの動きに応じて第一および第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するために制御可能である、請求項101記載の装置。
[請求項103]
駆動機構が、ワークピースの動きに応じて第一のストップおよび第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するために制御可能である、請求項101記載の装置。
[請求項104]
駆動機構が、所定の運動範囲の少なくとも一部分を調節するため第一のストップおよび第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するために制御可能である、請求項101記載の装置。
[請求項105]
第一のストップが第一のアクチュエータによって可動であり、かつ第二のストップが第二のアクチュエータによって可動である、請求項101記載の装置。
[請求項106]
近位リンクと、
遠位リンクと、
被作動連結ジョイントおよび受動連結ジョイントを含む、前記近位リンクおよび前記遠位リンクの相対的な位置を制御するためのジョイント組立品と
をさらに含む、
前記被作動連結ジョイントおよび前記受動連結ジョイントが共同して第一および第二のストップならびに機械的ポジショナを含み、
所定の運動範囲内では、前記受動連結ジョイントがエンドエフェクタの自由な動きを可能にするために自由に動き、かつ
所定の運動範囲の外側では、前記受動連結ジョイントが第一および第二のストップのうちの少なくとも一方によって動きを制約される、
請求項101記載の装置。
[請求項107]
ジョイント組立品が、被作動連結ジョイントと受動連結ジョイントとの間の相対的な直線運動を可能にする直進ジョイント組立品を形成する、請求項106記載の装置。
[請求項108]
ジョイント組立品が、被作動連結ジョイントと受動連結ジョイントとの間の相対的な回転運動を可能にする回転ジョイント組立品を形成する、請求項106記載の装置。
[請求項109]
第一のストップと第二のストップとの間の距離が調節可能である、請求項101記載の装置。
[請求項110]
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、連結ジョイントが自由に動くことを可能にする段階;
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しく、かつ第二の所定値より大きな距離に位置付けられている場合に、連結ジョイントが第一および第二のストップによって規定された所定の運動範囲内で自由に動くことを可能にする段階;ならびに
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第二の所定値とおよそ等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、第一および第二のストップのうちの一方によって、連結ジョイントが特定の方向へ動くことを制約し、連結ジョイントの該制約が空間内でエンドエフェクタの動きを制約する段階
を含む、空間内でエンドエフェクタの動きを制約する方法。
[請求項111]
ワークピースの動きに応じて第一および第二のストップのうちの少なくとも一方を調節する段階をさらに含む、請求項110記載の方法。
[請求項112]
空間内で第一および第二のストップのうちの少なくとも一方の場所を設定する段階をさらに含む、請求項110記載の方法。
[請求項113]
連結ジョイントが機械的ポジショナを含む、
機械的ポジショナの動きを追尾して、機械的ポジショナの動きに応じて第一および第二のストップのうちの少なくとも一方を位置決めする段階をさらに含む、請求項110記載の方法。
[請求項114]
ハプティック相互作用点が空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、第一のストップおよび第二のストップの位置決めが、機械的ポジショナを追尾し、
ハプティック相互作用点が空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しい距離に位置決めされている場合に、第一および第二のストップが静止したままである、
請求項113記載の方法。
[請求項115]
ワークピースの姿勢を決定する段階;
エンドエフェクタの姿勢を決定する段階;
ワークピースの姿勢と、エンドエフェクタの位置、方向、速度および加速度のうちの少なくとも1つとの間の関係を規定する段階;
ワークピースの姿勢、エンドエフェクタの姿勢、および前記関係を関連付ける段階;ならびに
使用中にエンドエフェクタの動作を妨害することなく、ワークピースの運動およびエンドエフェクタの運動のうちの少なくとも一方に応じて前記関連付けを更新する段階
をさらに含む、請求項110記載の方法。
[請求項116]
エンドエフェクタと、
基部と、
近位リンク、
遠位リンク、
1対のストップを含む被作動連結ジョイント、および
前記ストップの間に位置している機械的ポジショナを含む受動連結ジョイント
を含む、二つの該リンクの相対位置を制御するジョイント組立品
を含む、ポジティブストップ装置を有するロボットアームと
を含む、ロボット。
[請求項117]
基部およびエンドエフェクタが、ジョイント組立品およびリンク組立品の連鎖によって接続されている、請求項116記載のロボット。
[請求項118]
ジョイント組立品に連結され、機械的ポジショナの動きを制約しそれによって所定の運動範囲の外側でエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するためストップの対を制御し、かつ所定の運動範囲内でのエンドエフェクタの動きを可能にするためにストップの対を動かす駆動機構
をさらに含む、請求項116記載のロボット。
[請求項119]
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントが自由に動き、
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第一の所定値未満であるかまたはこれと等しく、かつ第二の所定値より大きな距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントがストップの対によって規定された距離内で自由に動き、かつ
エンドエフェクタが空間内の所定の場所から第二の所定値とおよそ等しいかまたはそれ未満である距離に位置決めされている場合に、受動連結ジョイントがストップの対のうちの一方によって特定の方向への動きを制約される、
請求項116記載のロボット。
[請求項120]
ワークピースの動きに応じて第一または第二のストップのうちの少なくとも一方を調節するように構成されている駆動機構をさらに含む、請求項116記載のロボット。
[請求項121]
ワークピースの姿勢を決定し、
エンドエフェクタの姿勢を決定し、
ワークピースの姿勢と、エンドエフェクタの位置、方向、速度および加速度のうちの少なくとも1つとの間の関係を規定し、
ワークピースの姿勢、エンドエフェクタの姿勢、および前記関係を関連付け、かつ
使用中にエンドエフェクタの動作を妨害することなくワークピースの運動およびエンドエフェクタの運動のうちの少なくとも一方に応じて前記関連付けを更新する
ようにプログラムされたコンピューティングシステムをさらに含む、請求項116記載のロボット。
[請求項122]
エンドエフェクタのための機械的ポジショナと、
機械的ポジショナの動きを制約しそれによって作業空間の禁止領域の中へエンドエフェクタを操作するユーザの能力を制約するために駆動機構によって制御可能であり、かつ作業空間の望ましい領域内でエンドエフェクタの動きを可能にするために駆動機構によって制御可能である、第一および第二のストップと
を含む、装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2010514512.tif 000015
【国際調査報告】
2010514512.tif 000016
2010514512.tif 000017