【誤訳訂正書】
【提出日】平成20年4月28日(2008.4.28)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】発明の詳細な説明
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面、特に起伏のある表面の遠隔構築の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に分散仮想世界の開発およびテレプレゼンス・システムの開発において、遠距離における力フィードバックの送信に関して、計算または制御手段から遠隔位置にある表面の座標を決定する必要性は明らかであり、また較正の目的から表面の座標を決定する必要性も明らかである。
【０００３】
従来の方法、特に補間法、円滑法、Ｌａｇｒａｎｇｅ法、Ｈｅｒｍｉｔｅ法などの方法は、一般に、実際のモデルに近い結果を取得するように慎重に選択された空間位置データを使用する。その結果、計算は煩雑となって、リアルタイムに実行することがほとんどできない。そのような計算の結果の品質は、実際のオブジェクトの既知のポイントの数、測定されるポイントの適切性および仮想モデルと実モデルとの近似性に依存する。
【０００４】
デジタル・ビデオ符号化技術が視覚の知識に基づき、音声認識技術が聴覚の知識に基づいているのと同様に、触覚技術は運動の知識に基づく。
【０００５】
手で実施されることができる微細な運動には２つの種類がある。すなわち、グラスを握るためその方向へ手を動かすような弾道運動、および、グラスをつかみ、指の握りを閉じた後、グラスを口へ運ぶような接触フィードバックを伴う運動である。その後、手がグラスの周囲を締めつける力およびグラスの中にある液体に応じた重さの情報が脳に継続的に通知される。それに応じて、脳は、グラスを落としたり強く締めつけてグラスを壊さない程度にグラスをしっかり握るようにあるいは不必要にエネルギーを増大しないように運動命令を与える。
【０００６】
弾道運動は、運動反射弓を起動するが、触覚フィードバック感知反射弓を起動させない。情報のフィードバックは、空間における視覚表現であり得るが、身体マップすなわち脳に物理的に組み込まれた、学習されたまたは生まれつきの精神的表現でもある。空間特に手とグラスの間の仮定距離の特定の精神的表現の関数としてこの弾道運動を実行するため、脳は、肩、腕、手の筋肉に対する運動命令を自動的に生成する。
【０００７】
弾道運動に関する限り、１００Ｈｚのサンプリング周波数で運動に関する情報を脳に伝達すれば十分である。これは、信号のサンプルが１０ｍｓごとに送られるならば、伝送された信号が弾道運動に関連したすべての情報を含むことを意味する。
【０００８】
接触フィードバックによる運動は、運動反射弓と感覚反射弓を同時に起動させる。脳はループを閉じ、人間の場合、全サイクルは１ｍｓ未満の長さである。指の端に位置する感覚ニューロンの帯域幅、すなわち、そのようなニューロンが検出し脳に伝達することができる機械的信号の最大周波数は、５００Ｈｚを超える。微細運動をコンピュータで符合化するよう求められるとすれば、使用される力フィードバック・システムは、それ自体高い動作周波数、すなわち、Ｓｈａｎｎｏｎの定理に従えば指の帯域幅の少なくとも２倍に等しい動作周波数を持たなければならない。
【０００９】
実際問題として、ローカル・マシン上の力フィードバック・システムは、ローカル閉鎖ループにおいて１ＫＨｚという典型的周波数で動作する。これは、１秒の１０００分の１ごとにフィードバックが計算され、運動神経に適用され、手によって受け取られることを意味する。これは、手に保持される器具は振動の痕跡を与えてはならないという「電気的歯ブラシ」効果として知られている効果を回避することを可能にする。
【００１０】
この１ＫＨｚという周波数は次のような妥協から生まれる。触覚の痕跡がたくみに生成されねばならないとすれば、周波数は低すぎてはならないし、仮想の機械的世界で実行される運動の微細なシミュレーションを表すフィードバック力を計算する十分な時間をコンピュータが持つべきとすれば、周波数は高すぎてはならない。
【００１１】
力フィードバック・システムによって符合化される微細運動および遠隔通信ネットワークを介したフィードバックによる微細運動を伝達することが求められるとすれば、ネットワークによって持ち込まれる一般に非常に大きな遅延時間によって問題は一層複雑化する。
【００１２】
すなわち、ＩＳＤＮ技術を使用すれば、待ち時間は３０ｍｓ、ＡＤＳＬ技術を使用すれば２００ｍｓであり、インターネット上では待ち時間は６秒ほどとなり、メッセージの単純な拒絶につながることさえある。ネットワークの非同期特性のため、ＡＤＳＬおよびインターネットの待ち時間は変化する。従って、閉鎖ループがネットワークを介した戻り伝送を含むとすれば、すなわち、運動が符合化され次にネットワークを通して伝送され、遠隔オブジェクトに適用され、その後このオブジェクトからのフィードバックが符合化され、ネットワークを通して送り戻されるとすれば、１ＫＨｚの周波数は維持するには高すぎる。
【００１３】
弾道運動は、１０ｍｓというオーダーを持つ遅延を伴って伝送される。視覚は、実際には、単方向感覚である。目は、光景を記録する一種のカメラであり、脳は、一定の許容値の範囲内で、運動の実行を妨害することなくわずかな遅延で正確な視覚フィルムを知覚することができる。
【００１４】
一方、フィードバックを伴う微細運動は、１ｍｓ未満のループを必要とし、力の強さを決定するための戻り伝送には、
−運動感覚反射弓を介する筋肉への命令の送信、
−グラスに対する手の機械的動作、
−指の先端におけるグラスを接触するという感覚（接触圧力の増加）、および、
−握る力をどのように調整するかを脳が決定することができるように触感反射弓を介する脳への情報の戻し伝達、
が適用される。
【００１５】
この種の微細運動を伝送することを試みる「波動変換（ｗａｖｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）」法として知られている方法が、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｓｏｎ ａｎｄ Ｎｅｖｉｌｌｅ Ｈｏｇａｎ ｏｆ ＭＩＴ ”Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ−Ｂａｓｅｄ Ｆｏｒｃｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ”， Ｆｏｕｒｔｈ ＰＨＡＮＴＯＭ Ｕｓｅｒｓ Ｇｒｏｕｐ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ （ＰＵＧ ９９）に記載されている。この方法は、フィードバック・ループを安定させる人工的粘性によってネットワークによって導入される遅延をシミュレートする。すなわち、ネットワークによって導入される遅延が大きいほど、システムの粘性は増大する。
【００１６】
「波動変換」法は、純粋な遅延を持つ受動四極子の理論を力／速度空間に置き換えることから成り、この理論は、電圧／電流パラメータに関してよく知られているものである。この理論は、ラインの特有のインピーダンスの関数として到来電気波（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｗａｖｅｓ）と反射電気波（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｗａｖｅｓ）を計算するために使用される。このラインが同じ特有のインピーダンスで終端していれば、電気信号の送信は最適化される。
【００１７】
オームの法則Ｕ＝Ｚ＊Ｉは、機械的空間において、法則Ｆ＝粘性＊速度に置き換えられ、「波動変換」は、それに遠隔制御ロボットのインピーダンスである特有のインピーダンス（実際には粘性）を割り当てることによって仮想的純粋遅延ラインを適用する。信号は、次式に示されるようなＺ変換形式で伝送される。
【００１８】
【数１】
2004519340.tif 000001
上式においてＴはネットワークの固定的遅延である。ネットワークによって導入される遅延が大きくなればなるほど、閉鎖ループおよびネットワークにおいて微細運動の分散された機械的シミュレーションを安定させるためラインに付加されるべき人工的粘性が一層大きくなる。
【００１９】
運動感覚は疑いなくゆがめられるが、有用な信号の送信は最適化される。この方法は、Ｆｏｕｒｔｈ Ｕｓｅｒｓ Ｇｒｏｕｐ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ （ＰＵＧ９９）によって公刊された。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
「波動変換」法は、同期ネットワーク、すなわち固定した既知の遅延を含むネットワーク、例えばＩＳＤＮを必要とする。この方法は、その周期がネットワークのそのような既知の固定的遅延の周期と等しい離散信号サンプルのＺ表現に基づいている。
【００２１】
従って、この方法は、メッセージが失われるかネットワークを通過するのにあまりに長い時間を要する可変送信遅延という特徴を有するインターネット、ＡＴＭまたはＵＭＴＳのようなメッセージ型非同期ネットワークに適用できない。
【００２２】
力フィードバック・システムの過度に速いタイミングという問題は、以下のような理由から、これら非同期ネットワークの場合一層悪化する。
−肯定応答があまりにも長い時間遅れると、メッセージが失われるか、拒絶されるか、または到達できないことがある（ＴＣＰ／ＩＰ）。
−正しい伝送先に到着するメッセージがネットワークを通過する時間が可変的である。
−メッセージはそれらが送り出された順序で必ずしも到着するというわけではない。
−１ｍｓの範囲内の精度の、２つのマシンに共通なクロックが存在しない。
【００２３】
本発明は、上述のような従来技術の問題点を克服することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、短時間に参照ポイントを計算することができるようにするためローカルに所在する表面を遠隔位置で再構築する手段を提案する。
【００２５】
本発明は、特に、既知または不定の遅延を持つ同期または非同期ネットワーク上でデータ伝送を実行することができる遠隔配置フィードバック要素に関する制御システムを提案する。
【００２６】
本発明の１つの側面に従えば、表面の遠隔再構築のための方法は、以下のステップを含む。
−ローカル・システムが当該ローカル・システムの可動要素の位置に関する情報を遠隔システムへ送る。この場合、ローカル・システムの可動要素は遠隔システムの可動要素の位置を再現し、遠隔システムは表面の遠隔モデルを含む。
−遠隔操作者が遠隔システムの可動要素を変位させ、ローカル・システムの可動要素が前記表面と接触する時遠隔モデルが前期表面を近似するようにローカル・システムの可動要素と前記表面との間の接触ポイントの各々について修正される。
このようにして、遠隔モデルがローカルの表面を正確にシミュレートすることを意味する較正が実行される。
【００２７】
本発明の別の側面において、遠隔モデルは、メッシュ構成の平面である。遠隔モデルは、初期的には、複数の隣接する三角形要素からなる平坦な構成であってもよい。
【００２８】
本発明の更に別の側面において、遠隔モデルは、ローカル・システムの可動要素の前記表面との最初の接触ポイントに到達するまで、遠隔モデルの一部分に対して垂直でかつ前記表面の一部分に垂直な並進運動に沿って前記表面を全体に近似する。前記最初の接触ポイントの座標は、３次元座標システムの２つの軸に沿ってあらかじめ定められるが、該３次元座標システムの第３の軸に沿った座標は未決定のままとされる。
【００２９】
本発明の更に１つの側面において、接触ポイントは、ローカル・システムの可動要素と前期表面とに共通な空間におけるポイントであり、ローカル・システムの可動要素が前記表面に対してあらかじめ定められた力を励起する。一般に、前記力は前記表面に対して垂直である。
【００３０】
遠隔モデルは、各々が１つの軸に沿った並進運動によって前記表面を近似する複数のノードを備えるという特徴を持つ。並進運動の軸は、前記の第３の軸に対して平行である。代替的に、１つのノードが、２つのノードとの距離を維持しながら隣接ノードの周囲を回転することによって前記表面を近似することもできる。
【００３１】
本発明の１つの側面において、ローカル・システムの可動要素に対して前記表面によって励起される反力は、遠隔システムの可動要素によって再現される。従って、操作者は前記の反力を体験し、前記表面を感知することができる。
【００３２】
本発明に従えば、初期化の間、遠隔システムの可動要素はローカル・システムの可動要素の位置を再現する。
【００３３】
本発明の更に１つの側面において、ローカル・システムの可動要素がモデルと前記表面の間に含まれる空間の一部において前記表面の方向へ変位される時、遠隔システムの可動要素は制動力を励起する。このようにして、操作者が前記制動力を体験し、前記モデルを感知することができる。
【００３４】
本発明は、また、遠隔地での表面の再構築のためのシステムを提案する。該システムはローカル・システムおよび遠隔システムを備え、該ローカル・システムは、再構築されるべき表面と接触することができる可動要素を含み、該遠隔システムは、操作者によって操作されることができる可動要素、表面の遠隔モデル、および、遠隔モデルが前記表面を近似するようにローカル・システムの可動要素が前記表面と接触する時ローカル・システムの可動要素と前記表面との間の各接触ポイントについて前記遠隔モデルを修正する手段を含む。ローカル・システムは、前記ローカル・システムの可動要素の位置に関する情報を遠隔システムに送信する手段、および、遠隔システムの可動要素の位置を再現する手段を備える。
【００３５】
本発明は、更に、前記方法のステップをコンピュータ上で実施するプログラム・コード手段を含むコンピュータ・プログラムを提供する。
【００３６】
本発明は、更に、前記方法のステップをコンピュータ上で実施するプログラム・コード手段を含むコンピュータ・プログラムを記憶する媒体を提供する。該媒体は該コンピュータ・プログラムを読み取る装置によって読み取られることができる。
【００３７】
このようにして、完全に自由な形状を有する遠隔の３次元形状またはオブジェクトをモデル化し、較正することが可能となる。触覚データの流れは、前記遠隔形状に関する最大データ量を伝送するため使用される。
【００３８】
本発明は、双方向システム、例えば産科および腹部検査の分野において使用されることのできるロボット遠隔超音波検査に適用される。人の３Ｄ仮想マネキンを遠隔位置から較正することができる。
【００３９】
超音波検査の場合、人の皮膚は、一般に、超音波の適切な送信のためゼラチンでおおわれる。超音波検査のプローブが操作者によって遠隔位置から操作される。ゼラチンの存在のため、患者によってプローブに対して適用される力成分は、ローカルの皮膚の表面に対して垂直であるとみなされる。プローブは、３次元座標システムの３つの軸に沿った力フィードバックおよび３次元座標システムの３つの軸に沿ったトルク・フィードバックに関して６つの自由度を持つ。
【００４０】
システムは、また、視力の不自由な人々が形状を知覚できるように利用されることができる。
【００４１】
システムは、また、人間に害を及ぼす環境または視認の容易でない環境においてロボット遠隔式機械加工または遠隔制御などの産業適用業務に応用されることができる。システムは遠隔触診の実施に非常に適している。
【００４２】
【発明の実施の形態】
超音波検査を目的とする本発明の１つの実施形態が図１に示されている。制御システムＳ１は、例えば、専門の産科を持たない機関、小さい町の機関、または田園地域をサービスする車両に設置されている。システムＳ２は、有資格操作者が超音波検査操作を実施することができる状態にある専門病院、例えば地域病院または大学病院に設置されている。患者Ｊ３がベッドまたはテーブルＴに横たわっている。超音波検査プローブＳＥが患者の腹部に接触している。プローブＳＥのためのパラメータ調整テーブルＴＲが近くに設置されている。プローブＳＥは、システムＳ１に接続され、該システムＳ１に超音波検査のイメージ・データを送信し、位置およびシステムＳ１に適用される効果に関するデータを交換する。図の簡略化のため、プローブＳＥに関する支持具（例えば多関節アーム）は図示されてない。しかしながら、プローブは、支持具によっていくつかの自由度をもって（患者Ｊ３の腹部と接触する適当な位置を取るには一般的に６つの自由度をもって）空間を運動することを可能とされる点は理解されることであろう。更に、マイクロホンＭＩ３およびスピーカＨＰ３がシステムＳ１に接続され、患者が離れた場所に位置する操作者と会話することを可能にする。また、離れて位置する操作者または超音波検査のイメージを患者が見ることができるように、患者Ｊ３に向けられたカメラＣＡ３および映像画面ＥＶ３が備えられている。カメラＣＡ３および映像画面ＥＶ３もシステムＳ１に接続している。システムＳ１およびＳ２は、図１および図２に関連して記述される諸要素から離れて位置し、例えばＡＤＳＬタイプのようなネットワーク３を経由してデータを伝送することを可能にするマルチプレクサ／デマルチプレクサＤＭ１およびＤＭ２を備えている。
【００４３】
システムＳ２の側では、操作者Ｊ４，例えば超音波検査専門の医師がハンドルＰ３を操作する。この時、ハンドルの空間における位置がプローブＳＥによって再現される。ハンドルＰ３は、上述されたインタフェースＩ１、Ｉ２タイプのインタフェースＩ３にそれ自体接続された多関節アームＢＡに接続され、１つまたは複数のアクチュエータおよび１つまたは複数の位置検出器ならびに力検出器を備えている。効果は、応力ゲージによってアクチュエータのエネルギー・パラメータを計測することによって（例えば消費される電流によって）計測されることができる。インタフェースＩ３はシステムＳ２に接続されている。
【００４４】
また、操作者Ｊ４が患者Ｊ３と会話することができるようにするため、操作者の画像が表示画面ＥＶ３に表示されるように操作者Ｊ４に向けられたカメラＣＡ４、マイクロホンＭＩ４および拡声器ＨＰ４が備えられている。これらの要素は、システムＳ２に接続している。大型映像表示画面ＥＶ４は、例えば、超音波検査のイメージ、患者Ｊ３の顔のイメージ、患者の腹部に対するプローブＳＥの位置を示すイメージなど複数のイメージを同時に表示することを可能にする。
【００４５】
図２に見られるように、超音波検査システムは、超音波検査プローブに近い形状の、ユーザＵ１のための要素ＳＥ１および患者（図示されてない）のための超音波検査プローブＳＥ２を備える。各要素ＳＥ１、ＳＥ２はインタフェースＩ１、Ｉ２に接続され、インタフェースＩ１、Ｉ２は、要素ＳＥ１、ＳＥ２に力を適用する手段（例えば、電気シリンダ型のアクチュエータ）およびユーザＵ１および患者によって要素ＳＥ１、ＳＥ２に対して適用される力を計測する手段（例えばトルク・センサまたは応力ゲージ）を備えている。インタフェースＩ１、Ｉ２は、また、力を適用し測定する手段に接続された取得マップを含み、コンピュータのような別のデジタル・システムとデジタル・データを交換することができる。
【００４６】
各インタフェースＩ１、Ｉ２は制御システムＳ１、Ｓ２に接続されている。本例においては、システムＳ１およびＳ２は同等である。以下においてはシステムＳ１だけを記述するが、２つのシステムのうちの１つが別の一方に比較して単純化された構造を持つことは可能である。
【００４７】
一般に、システムＳ１は、パーソナル・コンピュータ・タイプのコンピュータの形態をとり、少なくとも１つのマイクロプロセッサ、揮発性および不揮発性メモリ、通信バス、入出力ポートおよびメモリに記憶されマイクロプロセッサによって実行されることができる１つまたは複数のソフトウェア・プログラムを備える。
【００４８】
システムＳ１は、一方の側で、例えばＲＳ２３２バスを経由してインタフェースＩ１に接続され、他方の側で、全体的に符号３としてあらわされる通信ネットワーク３を経由してシステムＳ２に接続されている。この通信ネットワークは、例えば、ＩＳＤＮのような同期タイプ、または、ＡＴＭ、ＵＭＴＳあるいはインターネット（ＴＣＰ／ＩＰ）のような非同期タイプのネットワークである。システムＳ１は、ユーザＵ１の近く、例えば同じ部屋に配置される。システムＳ２は、システムＳ１から数メートル乃至数千キロメートル離れた場所に配置される。言い換えると、システムＳ１、インタフェースＩ１、要素ＳＥ１およびユーザＵ１はローカルに配置され、一方、システムＳ２、インタフェースＩ２、要素ＳＥ２および患者は、前記要素に対して遠隔位置に配置されている。
【００４９】
一層具体的に述べれば、システムＳ１は、インタフェースＩ１に設定値を送り、インタフェースＩ１によって測定された変量（例えば要素ＳＥ１の位置Ｘ）をインタフェースＩ１から受け取ることができるローカル・モデルＭＬ１を含む。設定値は、力またはトルク変量Ｆｅである。システムＳ１は、システムＳ２のローカル・モデルＭＬ２の状態を計算する遠隔モデルＭＤ２を備える。システムＳ１の遠隔モデルＭＤ２は、システムＳ２から到来するデータまたはローカル・モデルＭＬ１から到来するデータを受け取り、ローカル・モデルＭＬ１へデータを送ることができる。一層具体的に述べれば、システムＳ１は、通信ネットワーク３を通してシステムＳ２からデータを受け取り、システムＳ２から到来する再同期メッセージを処理し、最後に受け取った再同期メッセージの関数として遠隔モデルＭＤ２へ更新データを伝送する推定機構ＥＸＴ２を含む。
【００５０】
システムＳ１は、ローカル・モデルＭＬ１からのデータ、例えば、適用された力および要素ＳＥ１、ＳＥ２の位置に関する時間的変化を検証する曲線を表示するためローカル・モデルＭＬ１に接続された表示画面Ｅ１を含む。
【００５１】
システムＳ１は、ローカル・モデルＭＬ１からデータを受け取り、システムＳ２、特に、システムＳ２の推定機構ＥＸＴ１に向けて出力データを送信する機能を持つ再同期機構Ｒ１を含む。再同期機構Ｒ１は、そのような出力データを再同期メッセージの形式で送信するように準備することができる。この再同期メッセージは、日時、要素ＳＥ１の位置Ｘ、以前の日時において要素ＳＥ１に適用された力と共に前述の日時に要素ＳＥ１に適用された力Ｆを含めることができる。
【００５２】
更に、システムＳ１は、システムＳ１の再同期機構Ｒ１から到来する再同期メッセージを受け取り、再同期機構Ｒ１に送出されシステムＳ２によって受信される再同期メッセージに従ってインタフェースＩ１の状況変量を計算するファントム・モデルＭＦ１を含む。言い換えると、ファントム・モデルＭＦ１は、システムＳ２の遠隔モデルＭＤ１によって受け取られるものと同じデータに基づいて計算を実施する。従って、ファントム・モデルＭＦ１は、システムＳ２によるモデル化と同じようにインタフェースＩ１の変量をモデル化することができる。
【００５３】
ファントム・モデルＭＦ１の出力は、ファントム・モデルＭＦ１から到来する状況変量の計算とローカル・モデルＭＬ１から到来する状況変量とを比較する再同期機構Ｒ１に接続されている。あらかじめ定められたしきい値より差が大きい場合には、再同期機構Ｒ１は、ファントム・モデルＭＦ１およびシステムＳ２の推定機構ＥＴ１に向けて再同期メッセージを送る。２つのシステムＳ１、Ｓ２のうちの一方が他方のシステムがこれら状況変量を計算するのに適した位置にもはやないと見なすとしても、再同期メッセージだけが送信される限り、２つのシステムＳ１、Ｓ２の間で交換されるデータ量は比較的少ない。
【００５４】
ここで図３を参照して、システムの動作を以下に記述する。ユーザＵ１に関して、状態ベクトルＸは、要素ＳＥ１とのインタフェースに位置する変量Ｘｅ、ユーザＵ１の機械的モデルの内部変数Ｘｍおよび他の関係者とのインタフェースに位置する対話変量Ｘｉという３つの部分に分解される。同様に、力またはトルクＦに関連した変量は、要素ＳＥ１に対してユーザＵ１によって励起される力Ｆｅ、加重、他のオブジェクト、他の可能な関係者によって適用される力Ｆｍおよび患者に対してユーザＵ１によって励起される力Ｆｉに分解される。同様に、患者の状態ベクトルＹは、Ｙ’ｅ、Ｙ’ｍとＹ’ｉに分解され、関連連結力ベクトルＧは、Ｇ’ｅ、Ｇ’ｍとＧ’ｉに分解される。ユーザＵ１および患者は仮想的に接触している。従ってＸｉ＝Ｙｉである。作用と反作用の法則に従って、Ｆｉ＋Ｇ’ｉ＝０である。
【００５５】
各時間ステップにおいて、インタフェースＩ１は、位置Ｘｅｎを取り出しローカル・モデルＭＬ１にそれを伝送する。インタフェースＩ１は、ローカル・モデルＭＬ１から到来する設定値力Ｆｅｎを受け取り、フィードバック力−Ｆｅｎで１つまたは複数のアクチュエータを制御する。同じように、インタフェースＩ２は、位置Ｙ’ｅｎを取り出しローカル・モデルＭＬ２にそれを送信し、ローカル・モデルＭＬ２から到来する力Ｇ’ｅｎを受け取り、フィードバック力−Ｇ’ｅｎでその１つまたは複数のアクチュエータを制御する。
【００５６】
開始時であるｎ＋１において、ローカル・モデルＭＬ１は、インタフェースＩ１の位置Ｘｅｎ＋１、遠隔モデルＭＤ２の相互作用計算値
【数２】
2004519340.tif 000002
およびあらかじめ記録された固有変量Ｆｍｎ＋１を受け取る。ローカル・モデルＭＬ１は、患者に対して関係者Ｊ１によって適用される力
【数３】
2004519340.tif 000003
要素ＳＥ１に対してユーザＵ１によって適用される力
【数４】
2004519340.tif 000004
を計算する。ここで、マトリックスＡおよびＢは、Ｘ＝ＡＸ＋ＢＦとするユーザＵ１の変換のマトリックスである。
【００５７】
ローカル・モデルＭＬ１は、再び次式を計算する。
【数５】
2004519340.tif 000005
【００５８】
ローカル・モデルＭＬ１は、再同期機構Ｒ１へＸｎ＋１とＦｎ＋１を、インタフェースＩ１へ設定値−Ｆｅｎ＋１を、遠隔モデルＭＤ２へ位置変量Ｘｉｎ＋１をそれぞれ送る。
【００５９】
ファントム・モデルＭＦ１が再同期機構Ｒ１からメッセージを受け取らない場合、ファントム・モデルＭＦ１は、
【数６】
2004519340.tif 000006
（Ｋ１はシステムＳ２によって与えられる）およびシステムＳ２によって予測されるユーザＵ１の機械的状態である位置
【数７】
2004519340.tif 000007
（Ｉは単位行列である）を計算する。
【００６０】
再同期機構Ｒ１から到来する再同期メッセージ
【数８】
2004519340.tif 000008
の受領とともに、ファントム・モデルＭＦ１は、次の再同期を実行する。
【数９】
2004519340.tif 000009
【００６１】
再同期機構Ｒは、各時間ステップｎにおいて、ローカル・モデルＭＬ１から到来する位置変量Ｘｎおよび力変量Ｆｎ、Ｆｎ＋１、および、ファントム・モデルＭＦ１から到来する計算値
【数１０】
2004519340.tif 000010
を受け取る。
【００６２】
再同期機構Ｒは、受け取った位置変数Ｘｎと計算値
【数１１】
2004519340.tif 000011
との間の差の絶対値をあらかじめ定められたしきい値と比較して、絶対値がしきい値より小さければ、何もしない。そうでなければ、再同期機構Ｒは、再同期メッセージＭｎ＝｛ｎ，Ｘｎ，Ｆｎ，Ｆｎ−１｝を作成する。再同期機構Ｒ１は、再同期メッセージＭｎを、即刻再同期化されるようにファントム・モデルＭＦ１へ、また可能な限り早期に再同期化されるようにシステムＳ２の推定機構ＥＸＴ１を経由して遠隔モデルＭＤ１へ、それぞれ送信する。
【００６３】
システムＳ１の推論機構ＥＸＴ２は、同期を生成することが可能である。実際、システムＳ２の再同期機構Ｒ２によって発信されたメッセージＭｐ＝｛ｐ、Ｙｐ、Ｇｐ、Ｇｐ−１｝はｎとｎ＋１の間の時間にシステムＳ１に到着する。しかしながら、メッセージＭｐは、システムＳ２から到来する日時ｐをスタンプされる。推定機構ＥＸＴ２は、Ｋ２＝Ｇｐ−Ｇｐ−１を計算し、また、
【数１２】
2004519340.tif 000012
を、そしてその後の任意の時間に
【数１３】
2004519340.tif 000013
を実行することによって遠隔モデルＭＤ２を再同期化させる。上式でＣおよびＤは患者に関するマトリックスＡおよびＢと同等のマトリックスである。推定機構ＥＸＴ２は、再同期の結果
【数１４】
2004519340.tif 000014
を遠隔モデルＭＤ２へ送信する。
【００６４】
システムＳ１の遠隔モデルＭＤ２は、推定機構ＥＸＴ２から到来するメッセージを受け取ると、推定機構ＥＸＴ２によって供給される値を取ることによって再同期化される。この値は
【数１５】
2004519340.tif 000015
と表される。
【００６５】
そのようなメッセージの受領とは別に、遠隔モデルＭＤ２は、各時間ステップにおいて、ローカル・モデルＭＬ１から到来する位置変量Ｘｉｎ＋１を受け取り、以下の予測値の計算を実行する。
【数１６】
2004519340.tif 000016
【００６６】
遠隔モデルＭＤ２は、患者に相対的な位置変量の予測値
【数１７】
2004519340.tif 000017
をローカル・モデルＭＬ１へ送信する。
【００６７】
好ましくは、推定機構ＥＸＴ１は、変化を円滑化させることを可能にするベベル再同期（ｂｅｖｅｌ ｒｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）を実施する（図３参照）。
【００６８】
推定機構ＥＸＴ２によって計算される変数
【数１８】
2004519340.tif 000018
に対する位置変数Ｙの推定値を、上記で説明したように、以下の計算に従って時間ｎとｎ＋４の間で４つのステップで再同期化が実行される。
【数１９】
2004519340.tif 000019
ｋが２より大であれば、ｋ：＝ｋ−１である。
【００６９】
さもなければ、ループを終了し、
【数２０】
2004519340.tif 000020
となる。ベベル再同期は、システムが一層円滑に動作することを可能にするので、ユーザに一層好ましく認められ、結果として機械的ストレスが小さい。
【００７０】
一般的に述べれば、ファントム・モデルＭＦ１は、他方のシステムの遠隔モデルＭＤ１と同じデータを受け取り、該他方のシステムと同じシミュレーションを実施することができる。言い換えると、再同期の目的から、検索を実行して、他方のシステムが何を知らないかを検出する。再同期機構は、他方のシステムと無関係に動作し、他方のシステムから到来する再同期メッセージによって伝送される適切なデータがない場合にもシミュレーションの続行を可能にする。推定機構ＥＸＴ２は、特にベベル再同期の場合、通信ネットワークによる送信遅延の間他方システムによって計測される運動を考慮に入れることを可能にする。簡略化された実施形態においては、両方のシステムまたはいずれかのシステムがファントム・モデルを持たないことは可能である。システムの数が２つを超える場合でも動作することができる。
【００７１】
複数のローカル・モデルが２人のユーザの機械モデルを表す。複数の遠隔モデルが複数のローカル機械モデルの遠隔再現を表す。遠隔再現は、通信ネットワークを介したローカル・モデルの状況伝送における遅延のため、必然的にローカル・モデルの近似である。ファントム・モデルは遠隔モデルの近似ローカル・コピーを表す。遠隔モデルとファントム・モデルは、予測−補正モードで協調動作する。推定機構は、他方システムのクロック値に遠隔モデルを同期させるためある遅延をもって受け取られるメッセージを推論する。再同期機構は、ローカル・モデルと遠隔予測モデルのローカル予測制御ファントム・モデルとの間に過大な差が発生すると直ちに再同期方法を通信ネットワークに送出させる必要性を検討する。再同期機構は、通信ネットワーク上の輻輳を回避するため通信ネットワークを通して送り出されるメッセージの数を制限することを可能にする。１つのシステムの範囲内で情報は１ｋＨｚのレートで交換されることができる。複数システムの間では、すなわち通信ネットワークを経由して、再同期機構の１つが必要であると見なせば、メッセージが交換される。
【００７２】
図５は、特に超音波検査に適した別の１つの実施形態を示す。それ自体がシステムＳ２に接続するインタフェースＩ２に接続されたアームＢＡによって支持された超音波検査のプローブＳＥ２が患者Ｐの近くに配置されている。これらの要素は支持具５によって支持されている。システムＳ１、インタフェースＩ１およびプローブＳＥ２と同一外観、同一質量、同一慣性の可動要素ＳＥ１が遠隔位置に配置されている。
【００７３】
遠隔モデルＭｏは、その最終状態、すなわち患者Ｐの形状に極めて似た状態で、細線で示されている。可動要素ＳＥ１は、この場合、患者Ｐと相対的で、それから離れているプローブＳＥ２の位置と一致する遠隔モデルＭｏと相対的な位置で静止状態に置かれている。可動要素ＳＥ１は、実際の超音波検査プローブであるかのように、医師によって握られ、下方へ徐々に降ろされる。超音波検査プローブＳＥ２は、可動要素ＳＥ１と同じ変位を追随する。最初に、医師は、可動要素ＳＥ１を動かすことによって、患者の最も高い表面、通常は患者の腹部の頂上部分に超音波検査プローブＳＥ２を置く。患者の腹部によってプローブＳＥ２に対して励起されるフィードバック力が遠隔地でコピーされ、可動要素ＳＥ１を取り扱っている医師が同じ効果を体験する、すなわち、医師はあたかも患者の腹部に対して実際の超音波検査プローブを操作しているのと同じフィードバックを体験する。
【００７４】
医師は、可動要素ＳＥ１を患者Ｐの腹部の頂上から垂直および水平に移動させることによって、図１に示された表示画面ＥＶ４のような表示画面の助けを借りて、患者Ｐの輪郭をとらえる。医師は、可動要素ＳＥ１を扱いながら、その可動要素の運動を再現するプローブＳＥ２に対する患者Ｐの腹部を明らかにする。プローブＳＥ２に対して患者の腹部によって励起される力は可動要素ＳＥ１によって再現される。
【００７５】
可動要素ＳＥ１とプローブＳＥ２の位置は仮想的に同一であるので、可動要素ＳＥ１は、患者の腹部の上を移動する実際のプローブとほぼ同じ位置に置かれる。システムＳ１は、可動要素ＳＥ１の種々の位置を記録し、それによって、十分な数の測定ポイントに基づいて、患者の腹部の外部表面の３次元再構築を実施することを可能とし、従って遠隔モデルＭｏを取得することを可能にする。
【００７６】
可動要素ＳＥ１が患者の腹部表面に対応する位置にあるとシステムＳ１がみなすようなフィードバック力領域を提供することは可能である。そのような領域の上限を超えると、可動要素ＳＥ１が腹部からあまりに遠くへ動かされているとみなされる。そのような領域の下限より下では、接触がなく、可動要素が患者Ｐの腹部の表面から離れた位置にあると見なされる。
【００７７】
図６は、遠隔モデルを生成するステップを示すブロック図である。まず、遠隔モデルは、断面メッシュ化された平面形態である初期モデルＭＯｉｎｔｅｒの形式をとる。次に、医師が、可動要素ＳＥ１を操作することによって、患者Ｐの腹部の頂上部分に超音波検査プローブＳＥ２を位置づける。そこで、初期モデルＭＯｉｎｉｔは、中間モデルＭＯｉｎｔｅｒとなり、依然として平面形式をなしているが、患者の腹部の頂上部分に対する接線の上に位置する。言い換えると、初期モデルＭＯｉｎｉｔが患者の腹部の頂上から離れている距離だけモデルのポイントの垂直座標が減少したこととなる。初期ＭＯｉｎｉｔおよび中間ＭＯｉｎｔｅｒは水平平面である。
【００７８】
次に、医師は、プローブＳＥ１を水平に、例えば、中間モデルＭＯｉｎｔｅｒの位置７のレベルに移動させ、更に、高周波検査プローブＳＥ２が患者Ｐの腹部と接触する位置８まで可動要素を動かす。プローブＳＥ２に対して患者Ｐの腹部によって励起されるフィードバック力が領域下方限界を超え、その事象がシステムＳ１に伝送されると、システムＳ１は、患者Ｐの腹部の上部表面に属しているものとしてその位置を記録する。実際には、医師は、患者の快適さと操作の速度という２つの点からプローブＳＥ２が患者Ｐの腹部をたどるように曲線運動を実施することができる。更に、可動要素ＳＥ１がモデルを越えた位置に動くと、医師がそのことを認知することができるように、医師の手に対して可動要素ＳＥ１によって励起されるわずかなフィードバック力が与えられる。そのような力は、システムＳ１によって制御され、インタフェースＩ１によって適用され、前記領域の下方限界より小さい範囲で調節可能である。この力が、乾式摩擦と同等の一定部分および可動要素ＳＥ１の変位の速度に比例した可変部分を含むことは可能である。
【００７９】
図７は、本発明の方法のステップの流れを示す。初期化ステップ１０において、プローブＳＥ２および可動の要素ＳＥ１は待機または停止位置に置かれ、患者Ｐが検査テーブルに着くかあるいはそのようなテーブルから離れることを可能にする。ステップ１１において、医師は患者Ｐの腹部の頂部へのプローブＳＥ２の接近を制御する。ステップ１２において、プローブＳＥ２と患者の腹部の頂部が接触し、最初の接触ポイントの座標がシステムＳ１によって記録され、遠隔モデルＭｏが、初期遠隔モデルＭＯｉｎｉｔから中間遠隔モデルＭＯｉｎｔｅｒへ移る。ステップ１３において、医師はプローブＳＥ２を患者の腹部の上部表面に沿って移動させる。特定の座標のポイントが患者Ｐの腹部の上部表面に属しているとみなされるたびに、患者Ｐの腹部の上面の形状が一致するように、中間遠隔モデルＭＯｉｎｔｅｒがメッシュまたはノードごとに変形される。このようにして、最終遠隔モデルＭＯｆｉｎが徐々に完成される。
【００８０】
遠隔モデルＭＯは、可変または固定メッシュ・サイズを含むことができる。ある領域においてモデルを更に改良するため再細分化を実行することは可能である。
【００８１】
この較正プロセスが終了すると、システムＳ１は最終遠隔モデルをメモリに記憶し、これによって、たとえ伝送ネットワーク３が長い送信遅延に苦しむとしても、非常に短い応答時間で反応することが可能とされる。その後、医師が、最終遠隔モデルに対して可動要素ＳＥ１を移動させると、システムＳ１は、可動性要素ＳＥ１に力を適用して、プローブＳＥ２に対する患者Ｐの腹部からのフィードバック力をシミュレートする。可動要素ＳＥ１ひいては超音波検査プローブＳＥ２の急激な運動を回避するように、摩擦限界を付加することもできる。
【００８２】
このように、本発明は、使用者である医師の運動によって幾何学的メッシュの変形を実行する。その構造特に妊娠の段階が人ごとに非常に変わる患者の形状へ開始時メッシュまたは初期モデルを展開させるため医師の直観的走査によって仮想マネキンまたは遠隔モデルの遠隔較正が実施される。かくして、制御ステーションから離れた位置にある人またはオブジェクトを触診することが可能であり、従って、３次元形状を近似し、カメラが必ずしも存在しない場合でも人またはオブジェクトの形状を認識することが可能である。力フィードバック・システムをすでに使用しているアプリケーション環境においても、本発明によって提案された方法は、レーザ記録または立体写真のような従来方法に頼ることなく３次元形状の遠隔再構築を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態に従ったシステムのブロック図である。
【図２】図１の２つのシステムＳ１およびＳ２の詳細図である。
【図３】一層詳細に図２のシステムを示す図である。
【図４】一致性の曲線を示す図である。
【図５】本発明の１つの実施形態に従ったシステムのブロック図である。
【図６】１つのポイントの再構築を示すブロック図である。
【図７】本発明による方法のステップを示す流れ図である。