(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット手術中にロボット手術ツールを制御する方法であって、
ロボット手術ツールの遠位エンドエフェクタであって、ロボット手首と、互いに対して回動するように前記ロボット手首に結合された２つの遠位エンドエフェクタ部材であって各遠位エンドエフェクタ部材は張力がかけられる時に力を与える一対の相反ケーブルを介してロボット的に操作される２つの遠位エンドエフェクタ部材と、を有する遠位エンドエフェクタの所望の状態のための入力を受信する工程と、
１または複数のプロセッサによって、前記所望の状態に基づいて、各対の相反ケーブルの変位を計算する工程と、
１または複数のプロセッサによって、前記計算された変位に基づいて、前記ロボット手首及び前記遠位エンドエフェクタ部材を駆動するための位置制御用の第１指令を生成する工程と、
１または複数のプロセッサによって、前記所望の状態が前記２つの遠位エンドエフェクタ部材間の所望の把持力を含むか否かを判別する工程と、
前記所望の状態が前記所望の把持力を含む時、１または複数のプロセッサによって、前記所望の把持力の判別に応じて、前記所望の把持力と前記２つの遠位エンドエフェクタ部材間の現在の把持力とに基づいて、前記一対の相反ケーブルの少なくとも１つに張力をかけるための把持力制御用の第２指令を生成する工程と、
１または複数のプロセッサによって、前記位置制御用の第１指令に、前記把持力制御用の第２指令を加えることによって、複合指令を生成する工程と、
１または複数のプロセッサによって、前記複合指令に基づいて前記所望の状態をもたらすべく前記遠位エンドエフェクタを駆動する工程と、
を備え、
前記２つの遠位エンドエフェクタ部材間の前記現在の把持力は、ロードセルまたはトルクセンサを用いての前記一対の相反ケーブルにおける現在の張力の測定に基づいて推定され、
前記複合指令は、前記遠位エンドエフェクタの様々な自由度のために同時の把持力制御及び位置制御を提供する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所望の状態は、前記ロボット手首の所望のピッチ角、前記遠位エンドエフェクタの所望のヨー角、及び、前記遠位エンドエフェクタの前記２つの対向する部材間の所望の顎角、のうちの少なくとも１つを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所望の状態が前記所望の顎角を含む時、前記所望の状態が所望の把持力を含むか否かを判別する工程は、前記所望の顎角を閾値と比較する工程を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記閾値は、物体を把持する時、または、何らの物体をも把持せずに互いに接触する時、の前記遠位エンドエフェクタの前記２つの対向する部材間の接触顎角である
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記接触顎角は、前記２つの対向する遠位エンドエフェクタ部材間の前記現在の把持力の前記推定と、現在の顎角度の推定と、に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
各対の相反ケーブルが、少なくとも１つのアクチュエータによって張力をかけられる
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記変位を計算する工程は、更に、
前記少なくとも１つのアクチュエータの現在の位置及び／または速度、並びに、各対の相反ケーブルにおける現在の張力、を測定する工程と、
前記ロボット手首のピッチ角、前記遠位エンドエフェクタのヨー角、前記遠位エンドエフェクタの前記２つの対向する部材間の顎角、及び、前記測定に基づく現在の把持力、の少なくとも１つの現在の状態を推定する工程と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複合指令は、前記少なくとも１つのアクチュエータを駆動する
を更に備えたことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
各対の相反ケーブルにおける張力をモニタリングする工程と、
各対の相反ケーブルにおいて所定の最小張力を維持してケーブルの弛みを防止する工程と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
一対のアクチュエータと当該一対のアクチュエータによって張力がかけられる時に力を与える一対の相反ケーブルとによって各々が操作される２つの対向する顎部を有するエンドエフェクタ、を先端に有するロボット手術ツールと、
前記ロボット手術ツールに結合された１または複数のプロセッサを有する制御部と、
を備え、
前記プロセッサは、
入力モジュールから、前記エンドエフェクタの所望の状態をもたらす入力であって、前記エンドエフェクタのピッチ角及びヨー角並びに前記２つの顎部間の顎角を含む入力を受容し、
前記一対のアクチュエータの位置、及び、前記一対の相反ケーブルにおける張力、を測定し、
前記ピッチ角及び前記ヨー角に基づいて前記エンドエフェクタの所望の位置を決定し、並びに、前記顎角に基づいて前記２つの顎部間の所望の把持力を決定し、
前記所望の位置と前記測定された位置及び張力とに基づいて、前記一対のアクチュエータの各々のための第１駆動指令を生成し、
前記一対の相反ケーブルにおける前記測定された張力に基づいて、前記２つの対向する顎部間の現在の把持力を推定し、
前記所望の把持力と前記推定された現在の把持力との間の差に基づいて、前記一対のアクチュエータの各々のための第２駆動指令を生成し、
前記第１駆動指令及び前記第２駆動指令の和に基づく複合駆動指令を用いて、前記所望の位置及び前記所望の把持力をもたらすべく前記一対のアクチュエータを駆動する
ように構成されている
ことを特徴とする手術ロボットシステム。
【請求項１１】
２つの把持部材を有する手術ツールの遠位エンドエフェクタと、
前記遠位エンドエフェクタの前記２つの把持部材間の入力顎角を受容するための入力部と、
１または複数のプロセッサと、
を備えたロボット手術ツール制御システムであって、
各把持部材は、個々に張力がかけられる時に当該各把持部材の反対向きの回動をもたらす一対の相反ケーブルを介してロボット的に操作され、
前記１または複数のプロセッサは、
当該手術ツールを駆動するための位置制御用の第１指令を生成し、
前記受容された入力顎角が前記２つの把持部材間の所望の把持力を示すか否かを判別し、
前記所望の状態が前記所望の把持力を含む時、前記所望の把持力の判別に応じて、前記所望の把持力と推定される現在の把持力との間の差に基づいて、各把持部材のために前記一対の相反ケーブルの少なくとも１つに張力をかけるための把持力制御用の第２指令を生成し、
前記位置制御用の第１指令に、前記把持力制御用の第２指令を加えることによって、複合指令を生成し、
前記所望の把持力をもたらすべく前記生成された複合指令に基づいて前記一対の相反ケーブルの前記少なくとも１つに張力をかける
ように構成されており、
前記現在の把持力は、ロードセルまたはトルクセンサを用いての前記一対の相反ケーブルにおける現在の張力の測定に基づいて推定され、
前記生成された複合指令は、前記遠位エンドエフェクタの様々な自由度のために同時の把持力制御及び位置制御を提供する
ことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記入力部は、前記入力顎角が閾値よりも小さい時に所望の把持力を示し、
前記閾値は、前記遠位エンドエフェクタが物体を把持している時の前記２つの把持部材間の接触顎角、または、前記遠位エンドエフェクタが物体を把持してない時の零度、である
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記接触顎角は、前記２つの把持部材間の前記現在の把持力の前記推定と、現在の顎角度の推定と、に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記プロセッサは、更に、
前記受容された前記入力顎角が所望の顎角を示すことを判別することに応答して、前記遠位エンドエフェクタの各把持部材のための前記一対の相反ケーブルの変位を決定し、
前記決定された変位に基づいて前記所望の顎角をもたらすべく前記一対の相反ケーブルを介して前記遠位エンドエフェクタを駆動する
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ロボティクス及び制御システムに関し、より具体的には、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
腹腔鏡手術などの低侵襲手術（ＭＩＳ）は、外科手術中の組織損傷を減らすことを意図した技術を含んでいる。例えば、腹腔鏡手術は、典型的には、患者（例えば、腹部）に幾つかの小さな切開を作成する工程と、当該切開を通して前記患者に１または複数の手術ツール（例えば、エンドエフェクタや内視鏡）を導入する工程と、を備えている。次いで、内視鏡によって提供される視覚補助とともに、導入された手術ツールを使用して、外科手術が実行され得る。
【０００３】
一般に、ＭＩＳは、患者の瘢痕の低減、患者の痛みの軽減、患者の回復期間の短縮、患者の回復に伴う医療費の削減など、複数の利点を提供する。最近の技術開発により、リモートオペレータからの指令（コマンド）に基づいて手術ツールを操作するための１または複数のロボットアームを含むロボットシステムで、より多くのＭＩＳが実行され得る。ロボットアームは、例えば、その遠位端で、手術用エンドエフェクタ、撮像装置、患者の体腔や臓器等へのアクセスを提供するためのカニューレ、等といった様々なデバイスを支持し得る。ロボットＭＩＳシステムでは、ロボットアームによって支持された手術ツールの高い位置決め精度を確立及び維持することが望ましい。
【０００４】
ロボットアーム用に支持される新しいクラスの手術器具は、同様の設計を共有し得て、例えば、ツールは、ロボット手首と１または複数の顎部とを有するエンドエフェクタと、当該エンドエフェクタをツール駆動部内のアクチュエータに結合するためのプーリ及びケーブルシステムと、を備え得て、当該ツール駆動部は、エンドエフェクタの多軸運動（例えば、ピッチ及びヨー）を駆動可能である。エンドエフェクタは、手術タスクの中でも特に、把持、切断、縫合、を実行するために相反ケーブルを介して作動される複数の顎部を含み得る。ロボット手首を任意の角度位置に高精度に動かしながら顎部間の把持力を制御する能力は、ロボット手術器具の使いやすさの基本的な要件である。現在のところ、４線式の相反ロボット手首に関して、これを達成できる既知の方法はない。
【発明の概要】
【０００５】
全体的に、幾つかの例において、遠位端にエンドエフェクタを有するロボット手術ツールを、ロボット手術中に制御するためのシステム及び方法である。エンドエフェクタは、ロボット手首と、互いに対して回動するように前記ロボット手首に結合された２つの部材であって各部材は張力がかけられる時に力を与える一対の相反ケーブルを介してロボット的に操作される２つの部材と、を有し得る。当該システムは、エンドエフェクタの所望の状態のための入力を受信し、前記所望の状態に基づいて、エンドエフェクタの各部材のための前記一対の相反ケーブルの変位を計算する。当該システムは、次いで、前記計算された変位に基づいて、前記ロボット手首及び前記エンドエフェクタ部材を駆動するための第１指令を生成する。当該システムは、次いで、前記所望の状態が前記２つのエンドエフェクタ部材間の所望の把持力を含むか否かを判別する。当該システムは、前記所望の把持力の判別に応じて、前記所望の把持力と前記２つのエンドエフェクタ部材間の現在の把持力とに基づいて、エンドエフェクタの部材のために前記一対の相反ケーブルの少なくとも１つに張力をかけるための第２指令を生成する。当該システムは、前記第１指令及び／または前記第２指令に基づいて前記所望の状態をもたらすべく前記エンドエフェクタを駆動する。
【０００６】
幾つかの例において、前記所望の状態は、前記ロボット手首の所望のピッチ角、前記エンドエフェクタの所望のヨー角、及び、前記エンドエフェクタの前記２つの対向する部材間の所望の顎角、のうちの少なくとも１つを含み、前記所望の状態が所望の把持力を含むか否かを判別する工程は、前記所望の顎角を閾値と比較する工程を含む。前記閾値は、物体を把持する時、または、何らの物体をも把持せずに互いに接触する時、の前記エンドエフェクタの前記２つの対向する部材間の接触顎角であり、前記接触顎角は、前記２つの対向する部材間の現在の把持力の推定、及び、現在の顎角度の推定、に基づいて決定される。前記２つのエンドエフェクタ部材間の前記現在の把持力は、前記一対の相反ケーブルにおける現在の張力の測定に基づいて推定される。
【０００７】
幾つかの例において、前記一対の相反ケーブルの各々が、少なくとも１つのアクチュエータによって張力をかけられ、前記変位を計算する工程は、更に、前記少なくとも１つのアクチュエータの現在の位置及び／または速度、並びに、前記一対の相反ケーブルにおける現在の張力、を測定する工程と、前記ロボット手首のピッチ角、前記エンドエフェクタのヨー角、前記エンドエフェクタの前記２つの対向する部材間の顎角、及び、前記測定に基づく現在の把持力、の少なくとも１つの現在の状態を推定する工程と、を有する。当該システムは、更に、前記少なくとも１つのアクチュエータを駆動するために、前記第１指令及び前記第２指令に基づいて複合指令を生成する工程を備え得る。当該システムは、また、前記一対の相反ケーブルにおける張力をモニタリングし得て、前記一対の相反ケーブルの各々において所定の最小張力を維持してケーブルの弛みを防止し得る。
【０００８】
全体的に、幾つかの例において、手術ロボットシステムが、遠位端にエンドエフェクタを有するロボット手術ツールを備えている。当該エンドエフェクタは、２つの対向する顎部を有し、その各々が、アクチュエータによって張力をかけられる時に力を与える一対の相反ケーブルを介して、少なくとも１つのアクチュエータによって操作される。当該システムは、また、ロボット手術ツールに結合された１または複数のプロセッサを有する制御部を備える。当該システムは、入力モジュールから、エンドエフェクタの所望の状態をもたらす指令を受容する。ツールの所望の状態は、エンドエフェクタのピッチ角及びヨー角並びに前記２つの顎部間の顎角の少なくとも１つを含み得る。当該システムは、次いで、前記ビッチ角及び前記ヨー角に基づいて前記エンドエフェクタの所望の位置を決定し、並びに、前記顎角に基づいて前記２つの顎部間の所望の把持力を決定する。前記所望の位置及び前記所望の把持力に基づいて、エンドエフェクタの所望の状態をもたらすべく、制御部が前記少なくとも１つのアクチュエータを駆動する。
【０００９】
全体的に、幾つかの例において、例示的なロボット手術ツール制御システムは、２つの把持部材を有するエンドエフェクタを有する手術ツールを備える。各把持部材は、個々に張力がかけられる時に当該各把持部材の反対向きの回動をもたらす一対の相反ケーブルを介してロボット的に操作される。当該ツール制御システムは、また、１または複数のプロセッサと、当該プロセッサに結合された入力部と、を備える。当該システムは、エンドエフェクタの２つの把持部材間の入力顎角を受容する。当該システムは、次いで、受容された入力顎角が２つの把持部材間の所望の把持力を示すか否かを判別する。当該システムは、入力顎角が所望の把持力を示すという判別に応じて、前記所望の把持力と推定される現在の把持力との間の差に基づいて、各把持部材のために前記一対の相反ケーブルの少なくとも１つに張力をかけるための指令を生成する。前記一対の相反ケーブルの少なくとも１つが、前記所望の把持力をもたらすべく、張力をかけられ得る。さもなければ、受容された入力が所望の顎角を示すと判別される場合、当該システムは、エンドエフェクタの各把持部材のための前記一対の相反ケーブルの変位を決定し、前記決定された変位に基づいて前記所望の顎角をもたらすべく前記一対の相反ケーブルを介してエンドエフェクタを駆動する。
【００１０】
ロボット手術ツールの位置及び把持力を制御するためのシステム及び方法の他の変形例が、本明細書において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本技術の特徴に従う、手術用ロボットシステムを備えた例示的な手術室環境を示す図である。
【００１２】
【図２】図２は、本技術の特徴に従う、ロボットアーム、ツール駆動部、及び、ロボット手術ツールが装填されたカニューレ、の１つの例示的な設計を示す概略図である。
【００１３】
【図３Ａ】図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本技術の特徴に従う、隣接する装填されたツールを伴う場合及び伴わない場合の、例示的なツール駆動部を示す概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本技術の特徴に従う、隣接する装填されたツールを伴う場合及び伴わない場合の、例示的なツール駆動部を示す概略図である。
【００１４】
【図４Ａ】図４Ａ及び図４Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手首、一対の対向する顎部、並びに、ロボット手首及び一対の顎部をツール駆動部のアクチュエータに結合するためのプーリ及びケーブルシステム、を有する例示的な把持具のエンドエフェクタを示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａ及び図４Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手首、一対の対向する顎部、並びに、ロボット手首及び一対の顎部をツール駆動部のアクチュエータに結合するためのプーリ及びケーブルシステム、を有する例示的な把持具のエンドエフェクタを示す概略図である。
【００１５】
【図５Ａ】図５Ａ及び図５Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための例示的な制御システムを示すブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ａ及び図５Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための例示的な制御システムを示すブロック図である。
【００１６】
【図６】図６は、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツール制御システムの例示的な入力処理モジュールを示すブロック図である。
【００１７】
【図７】図７は、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツール制御システムの例示的な把持制御モジュールを示すブロック図である。
【００１８】
【図８Ａ】図８Ａ及び図８Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための例示的な制御システムを示す詳細なブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ａ及び図８Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための例示的な制御システムを示す詳細なブロック図である。
【００１９】
【図９】本技術の特徴に従う、２つの対向する部材を有するエンドエフェクタを備えたロボット手術ツールを制御するための例示的なプロセスを示すフローチャートである。
【００２０】
【図１０】本技術の特徴に従う、２つの対向する部材を有するエンドエフェクタを備えたロボット手術ツールを制御するための別の例示的なプロセスを示すフローチャートである。
【００２１】
【図１１】本技術の特徴に従う、２つの対向する部材を有するエンドエフェクタを備えたロボット手術ツールを制御するための更に別の例示的なプロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の様々な特徴の実施例及び変形例が、本明細書に記載され、添付の図面に示されている。以下の説明は、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図するものではなく、当業者が本発明を作成して使用することを可能にすることを意図している。
【００２３】
手術用ロボットアームのエンドエフェクタの角度位置及び把持力を制御するためのシステム及び方法が開示される。ロボット手首及び１または複数の顎部（ジョー）を含むエンドエフェクタが、金属ケーブルまたはワイヤを介してアクチュエータに結合され得る。ワイヤは、例えば、ワイヤ対の一方のワイヤを引っ張るとワイヤ対の他方のワイヤに反対向きの力が生じる、というワイヤ対で機能し得る。従って、ロボット手首は、相反ロボット手首であり得る。制御アルゴリズムは、アクチュエータからの位置及び速度のフィードバック、並びに、４本のワイヤ上のロードセルからの力のフィードバック、を使用し得る。アクチュエータコントローラは、位置と電流のフィードフォワードモードで実行し得る。フィードフォワード電流は、把持力制御部によって提供され得る。把持力制御部は、４本のワイヤの力を利用して把持力を判別し、モータへの追加電流を調整して所望の把持力を達成することができる。適用される手術用ロボット器具は、とりわけ、把持具、鉗子、はさみ、針ドライバ、リトラクタ、ペンチ、及び、焼灼器、を含む。
【００２４】
図１は、本技術の特徴に従う、手術用ロボットシステム１００を備えた例示的な手術室環境を示す図である。図１に示すように、手術用ロボットシステム１００は、外科医コンソール１２０、制御タワー１３０、及び、手術用ロボットプラットフォーム１１０（例えば、テーブルまたはベッド等）に位置する１または複数の手術用ロボットアーム１１２、を含む。エンドエフェクタを有する手術用ツールが、手術処置を実行するために、ロボットアーム１１２の遠位端に取り付けられている。ロボットアーム１１２は、テーブルに取り付けられたシステムとして示されているが、他の形態では、ロボットアームは、カート、天井または側壁、または他の好適な支持面、に取り付けられ得る。
【００２５】
一般に、外科医または他のオペレータなどのユーザは、ユーザコンソール１２０を使用して、ロボットアーム１１２及び／または手術器具を遠隔操作することができる（例えばテレオペレーション）。図１に示すように、ユーザコンソール１２０は、ロボットシステム１００と同じ手術室に配置され得る。他の環境では、ユーザコンソール１２０は、隣接する部屋または近くの部屋に配置され得るか、あるいは、異なる建物、都市、または国の遠隔地から遠隔操作され得る。ユーザコンソール１２０は、座席１２２、足で操作される制御部１２４、１または複数の手持ち式ユーザインタフェース装置１２６、及び、例えば患者の体内の手術部位のビューを表示するように構成された少なくとも１つのユーザディスプレイ１２８、を含み得る。例示的なユーザコンソール１２０に示されるように、座席１２２に座ってユーザディスプレイ１２８を見る外科医が、足で操作される制御部１２４及び／または手持ち式ユーザインタフェース装置１２６を操作して、ロボットアーム１１２及び／または当該アームの遠位端に取り付けられた手術器具を遠隔制御することができる。
【００２６】
幾つかの変形例では、ユーザが手術ロボットシステム１００を「ベッド上方」（ＯＴＢ）モードで操作することもでき、当該モードでは、ユーザは患者側におり、ロボット駆動ツール／それに取り付けられたエンドエフェクタ（例えば、片手に保持された手持ち式のユーザインタフェース装置１２６を用いて）と、手動の腹腔鏡ツールと、を同時に操作する。例えば、ユーザの左手が、手持ち式のユーザインタフェース装置１２６を操作してロボット手術コンポーネントを制御し得て、一方、ユーザの右手が、手動の腹腔鏡ツールを操作し得る。従って、これらの変形例において、ユーザは、患者に、ロボット支援ＭＩＳと手動腹腔鏡手術との両方を実行し得る。
【００２７】
例示的な処置または手術中、患者は、無菌状態に準備されてドレープで覆われ、麻酔をかけられる。手術部位への初期アクセスは、当該手術部位へのアクセスを容易にするために、収納形態または撤回形態のロボットシステム１００を用いて手動で実行され得る。アクセスが完了すると、ロボットシステムの初期の位置決め及び／または準備が実行され得る。当該処置中、ユーザコンソール１２０内の外科医が、足で操作される制御部１２４及び／またはユーザインタフェース装置１２２を利用して、様々なエンドエフェクタ及び／または撮像システムを操作して手術を実行し得る。手術テーブルにおいて、滅菌ガウンを装着した担当者によって、手技支援も提供され得る。当該担当者は、組織の引き込み、１または複数のロボットアーム１１２に関する手動での再配置またはツール交換、を含むがこれらに限定されないタスクを実施し得る。ユーザコンソール１２０で外科医を支援するために、滅菌されていない担当者が存在する場合もあり得る。処置ないし手術が完了すると、ロボットシステム１００及び／またはユーザコンソール１２０は、ロボットシステム１００の洗浄及び／または滅菌、並びに／または、電子的でもハードコピーでも例えばユーザコンソール１２０を介したヘルスケア記録の入力または印刷、を含むがこれらに限定されない、１または複数の術後手順を容易にする状態に構成または設定され得る。
【００２８】
一部の態様では、ロボットプラットフォーム１１０とユーザコンソール１２０との間の通信は、制御タワー（管制塔）１３０を介してなされ得る。制御タワー１３０は、ユーザコンソール１２０からのユーザコマンドをロボット制御コマンドに変換し得て、ロボットプラットフォーム１１０に送信し得る。制御タワー１３０は、また、ロボットプラットフォーム１１０からの状態及びフィードバックをユーザコンソール１２０に送り返し得る。ロボットプラットフォーム１１０、ユーザコンソール１２０、及び管制塔１３０間の接続は、有線及び／または無線の接続を介してなされ得て、専有的であり得て、及び／または、様々なデータ通信プロトコルのいずれかを使用して実行され得る。手術室の床及び／または壁または天井に、選択的に、任意の有線接続が組み込まれ得る。手術用ロボットシステム１００は、手術室内のディスプレイ並びにインターネットや他のネットワークを介してアクセス可能なリモートディスプレイを含む、１または複数のディスプレイにビデオ出力を提供し得る。ビデオ出力またはフィードは、また、プライバシーを保証するべく暗号化され得て、ビデオ出力の全てまたは一部は、サーバまたは電子医療記録システムに保存され得る。
【００２９】
図２は、本技術の特徴に従う、ロボットアーム、ツール駆動部、及び、ロボット手術ツールが装填されたカニューレ、の１つの例示的な設計を示す概略図である。図２に示すように、例示的な手術用ロボットアーム１１２は、複数のリンク（例えば、リンク２０２）と、当該複数のリンクを互いに対して作動させるための複数の作動関節モジュール（例えば、関節２０４）と、を含み得る。関節モジュールは、ピッチジョイントまたはロールジョイントなど、様々なタイプを含み得て、これらは、特定の軸回りの他のリンクに対する隣接リンクの動きを実質的に制限し得る。図２の例示的な設計には、ロボットアーム１１２の遠位端に取り付けられたツール駆動部２１０も図示されている。ツール駆動部２１０は、手術器具２２０（例えば、内視鏡、ステープラ等）を受け入れて案内するために、その端部に結合されたカニューレ２１４を含み得る。手術器具（または「ツール」）２２０は、当該ツールの遠位端にエンドエフェクタ２２２を含み得る。ロボットアーム１１２の複数の関節モジュールは、ツール駆動部２１０を位置決め及び方向付けるために作動され得る。ツール駆動部２１０は、ロボット手術のためにエンドエフェクタ２２２を作動させる。
【００３０】
（ツール駆動部とツール）
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本技術の特徴に従う、隣接する装填されたツールを伴う場合及び伴わない場合の、例示的なツール駆動部を示す概略図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、一変形例では、ツール駆動部２１０は、長手方向軌道３１２を有する細長ベース（または「ステージ」）３１０と、長手方向軌道３１２に摺動可能に係合されるツールキャリッジ３２０と、を含み得る。ステージ３１０は、ロボットアームの遠位端に連結して、ロボットアームの関節が空間内においてツール駆動部２１０を位置決め及び／または方向付けるように構成され得る。更に、ツールキャリッジ３２０は、ツール２２０のツールベース３５２を受け入れるように構成され得て、ツールベース３５２は、当該ツールベース３５２からカニューレ２１４を通って延び、エンドエフェクタ２２２（図示せず）が遠位端に配置されたツールシャフト３５４を含み得る。
【００３１】
また、ツールキャリッジ３２０は、例えば作動される駆動部によって操作及び制御されるケーブルシステムまたはワイヤを介して、エンドエフェクタの関節運動のセットを作動し得る（「ケーブル」及び「ワイヤ」という用語は、本願全体で交換可能に使用される）。ツールキャリッジ３２０は、作動される駆動部の様々な形態を含み得る。例えば、回転軸駆動部は、中空ロータと、少なくとも部分的に中空ロータ内に配置された遊星歯車ギヤと、を備えたモータを含み得る。複数の回転軸駆動部が、任意の好適な態様で配置され得る。例えば、ツールキャリッジ３２０は、キャリッジの幅を縮小してツール駆動部のコンパクト性を高めるためにわずかに互い違いに配置された、ベースに沿って縦方向に延びる２列配置の６つの回転駆動部３２２Ａ〜３２２Ｆを含み得る。図３Ｂに示すように、回転駆動部３２２Ａ、３２２Ｂ、及び３２２Ｃは、全体に第１列に配置され、回転駆動部３２２Ｄ、３２２Ｅ、及び３２２Ｆは、全体に第１列からわずかに長手方向にオフセットされた第２列に配置される。
【００３２】
図４Ａ及び図４Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手首、一対の対向する顎部、並びに、ロボット手首及び一対の顎部をツール駆動部のアクチュエータに結合するためのプーリ及びケーブルシステム、を有する例示的な把持具のエンドエフェクタを示す概略図である。以下のツールモデルとコントローラの設計は、例示的な手術ロボット把持具を参照して説明されるが、位置と把持力との制御用に提案される制御システムは、ロボット手首を介してツールシャフトに結合されたエンドエフェクタを含む任意のツールに適用され得る。それは、エンドエフェクタの多軸運動（例えば、ピッチ及びヨー）を許容する。同様のツールは、把持具（グラスパー）、把持器（グリッパー）、鉗子、針ドライバ、リトラクタ、焼灼器、を含むが、これらに限定されない。
【００３３】
図４Ａに示されるように、一対の対向する顎部４０１Ａ及び４０１Ｂは、第１軸４１０に沿った延長車軸４１２を介してロボット手首の第１ヨーク４０２に移動可能に連結されている。第１ヨーク４０２は、第２軸４２０に沿った第２延長車軸４２２を介してロボット手首の第２ヨーク４０３に移動可能に連結され得る。一対の顎部４０１Ａ及び４０１Ｂは、各々、延長車軸４１２を介して、プーリ４１５Ａ及び４１５Ｂとそれぞれ結合または一体的に形成され得て、両方の顎部は軸４１０回りを回転できる。プーリ４２５Ａ、４２５Ｂ、４２５Ｃ、及び４２５Ｄは、延長車軸４２２に連結され、軸４２０回りを回転する。プーリ４２５Ａ、４２５Ｂ、４２５Ｃ、及び４２５Ｄは、ヨーク４０２の一方側の第１セットのプーリ４２５Ｂ及び４２５Ｃ、及び、ヨーク４０２の他方側の第２セットのプーリ４２５Ａ及び４２５Ｄ、に配置されている。プーリ４２５Ａ及び４２５Ｃは、外側プーリであり、プーリ４２５Ｂ及び４２５Ｄは、内側プーリである。同様に、第３セットのプーリ４３５Ａ、４３５Ｂ、４３５Ｃ、及び４３５Ｄが、第３延長車軸４３２に連結され、軸４２０に平行な軸４３０回りを回転する。
【００３４】
把持具２２０は、軸４１０回りで様々な態様で顎部４０１Ａ及び４０１Ｂの一方または両方を動かすように作動され得る。例えば、顎部４０１Ａ及び４０１Ｂは、互いに対して開閉可能であり得る。顎部４０１Ａ及び４０１Ｂはまた、把持具２２０のヨー運動を提供するために、一対として一緒に回転するように作動され得る。また、第１ヨーク４０２、プーリ４１５Ａ及び４１５Ｂ、並びに、顎部４０１Ａ及び４０１Ｂは、軸４２０回りに回転し得て、把持具２２０のピッチ運動を提供することができる。ロボット手首及び／またはツール顎部のこれらの動きは、４本の独立したケーブル４０５Ａ〜４０５Ｄを制御することにより実現され得る。図４Ａに示されるように、ケーブル４０５Ａは、プーリ４１５Ａの一方側から開始し得て（または終端し）、プーリ４２５Ａ及び４３５Ａに沿って延び、ケーブル４０５Ｂは、プーリ４１５Ａの他方側で終端し、プーリ４２５Ｂ及び４３５Ｂを介して延びるように構成されている。同様に、別の対のケーブル４０５Ｃ及び４０５Ｄが、顎部４０１Ｂに結合され得る。例えば、ケーブル４０５Ｃは、プーリ４１５Ｂの一方側からプーリ４２５Ｃ及び４３５Ｃまで延び、ケーブル４０５Ｄは、プーリ４２５Ｄ及び４３５Ｄを経由して、プーリ４１５Ｂの反対側で終端する。第３セットのプーリ４３５Ａ、４３５Ｂ、４３５Ｃ及び４３５Ｄは、ケーブル４０５Ａ〜４０５Ｄを第２セットのプーリ４２５Ａ〜４２５Ｄに固定し続け、ケーブルがプーリ４２５Ａ〜４２５Ｄに対して滑ったり摺動したりしないように、配置されている。
【００３５】
４本の独立したケーブルを介して把持具２２０の動作を制御することには、幾つかの利点がある。１つの利点は、６本のケーブル（または６本のケーブル端を有する３本のケーブルループ）を使用する典型的な市販の設計と比較して、ツールベース３５２からロボット手首まで延びるケーブルの数の低減であり得る。ケーブルの数が少ないと、ツールサイズを低減でき、手首アセンブリの複雑さを軽減できる。これは、最小侵襲の外科手術、あるいは、非外科的な用途にも、利益をもたらし得る。更に、２つまたは３つのケーブルループの代わりに４つの独立したケーブルを配置することで、ケーブルに事前に張力をかける必要無しで各ケーブルの張力を独立して制御できるだけでなく、手首の関節の可変のコンプライアンス及び外部負荷に対する感度の向上が可能になる。更に、各ケーブルの張力を個別に再調整できるため、ツールの性能が更に向上する。
【００３６】
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、把持具２２０は、プーリ４１５Ａ、４１５Ｂ、４２５Ａ、４２５Ｂ、４２５Ｃ、及び４２５Ｄの１または複数に動きを与え、それによって第１ヨーク４０２及び／または顎部４０１Ａ、４０１Ｂの一方または両方に動きを与えることによって、把持（例えば、顎部は軸４１０回りに独立に回転する）、ヨー（例えば、顎部は軸４１０回りに一緒に回転する）、ピッチ（例えば、顎部は軸４２０回りに回転する）などの様々な態様で、顎部４０１Ａ及び４０１Ｂを動かすように作動され得る。ケーブル４０５Ａ〜４０５Ｄは、２つの相反（拮抗）ペアにグループ化され得る。すなわち、相反ペアの一方のケーブルが作動ないし張力をかけられ、他方のケーブルが緩められる時、顎部が一方向に回転する。他方のケーブルのみに張力がかかっている場合、顎部は反対方向に回転する。
【００３７】
例えば、ケーブル４０５Ａ及び４０５Ｂは、顎部４０１Ａを動かすための第１相反対であり、ケーブル４０５Ｃ及び４０５Ｄは、顎部４０１Ｂを制御するための第２相反対である。ケーブル４０５Ｂが緩められている間にケーブル４０５Ａに（例えば、回転駆動部３２２ａ〜３２２ｆの少なくとも１つによって）張力がかけられると、顎部４０１Ａは閉じる（反対側の顎部４０１Ｂに向かって移動する）。他方、ケーブル４０５Ｂに張力がかけられて、ケーブル４０５Ａが緩められると、顎部４０１Ａが開く（反対側の顎部４０１Ｂから離れる）。同様に、張力がかけられて他方のケーブルが緩められている時、ケーブル４０５Ｃは顎部４０１Ｂを閉じ（反対側の顎部４０１Ａに向かって移動する）、ケーブル４０５Ｄは顎部４０１Ｂを開く（反対側の顎部４０１Ａから離れる）。別の例として、顎部が閉じられた後（互いに接触する）、（ケーブル４０５Ｂとケーブル４０５Ｄが緩められている間に）、ケーブル４０５Ａとケーブル４０５Ｃの両方に張力をかけ続けることにより、顎部４０１Ａと顎部４０１Ｂとの間の把持力が達成され得る。
【００３８】
相反ペアの両方のケーブルが同時に張力をかけられ、他のペアの両方のケーブルが緩められている場合、プーリ４１５Ａまたはプーリ４１５Ｂは回転しない。代わりに、第１ヨーク４０２が、顎部４０１Ａ及び４０１Ｂと共に、プーリ４１５Ａ及び４１５Ｂによって力を付与されて、軸４２０回りにピッチング移動する。例えば、一対のケーブル４０５Ａ及び４０５Ｂが両方とも同時に張力をかけられて、一対のケーブル４０５Ｃ及び４０５Ｄが緩められると、顎部が（ヨーク４０２と共に）紙面外へピッチング移動する。両方のケーブル４０５Ｃ及び４０５Ｄが同時に張力をかけられ、対４０５Ａ及び４０５Ｂが緩められたままである時、顎部は紙面内へとピッチング移動する。
【００３９】
図４Ｂは、本技術の特徴に従う、把持具２２０の様々な動きのための例示的な角度定義を示す概略図である。これらの角度は、軸４１０及び４２０、並びに、第１ヨーク４０２の軸４５２及び第２ヨーク４０３の軸４５３、を基準として定義されている。例えば、図４Ｂに示されるように、軸４５２と軸４５３との間の角度（θ1）は、軸４２０回りのヨーク４０２の回転角を表し得て、それは、把持具２２０のピッチ角度（θpitch）としても定義され得る（図４Ａでは、顎部が基準位置にとどまっていてピッチ移動がないため、ヨーク４０２の軸４５２がヨーク４０３の軸４５３上に重なっている。）加えて、角度（θ2）及び（θ3）が、顎部４０１Ａ及び４０１Ｂの各々と（原点としての）ヨーク４０２の軸４５２との間の角度を、それぞれ表し得る。軸４５２の側を区別するために、角度（θ2）及び（θ3）は異なる符号を取り得る。例えば、図４Ｂに示すように、角度（θ2）は負であり、角度（θ3）は正である。
【００４０】
制御タスクを実行するために、関節角度のための一貫した座標フレームを定義することが、しばしば有益である。例えば、顎角（θjaw）を２つの顎部４０１Ａ、４０１Ｂ間の角度として更に定義し得て、ヨー角度（θyaw）を軸４５２と顎角の二等分線との間の角度として更に定義し得る。従って、以下が成り立つ。
0006892967.tif 000002
図４Ｂの角度と新たに定義された角度との間の変換は、以下の通りである。
0006892967.tif 000003
【００４１】
更に、プーリの幾何学的特性について、以下の命名が確立され得る。
ａ）ｒ11は、ケーブル４０５Ａ及び４０５Ｃがそれぞれ載っている外側プーリ４２５Ａ及び４２５Ｃの半径である。
ｂ）ｒ12は、ケーブル４０５Ｂ及び４０５Ｄがそれぞれ載っている内側プーリ４２５Ｂ及び４２５Ｄの半径である（ｒ11は、ｒ12に等しくてもよいし、等しくなくてもよい）。
ｃ）ｒ21は、ケーブル４０５Ａが載っている側のプーリ４１５Ａの半径である（図４Ａに示されるプーリ４１５Ａ及び車軸４１２の中心に対して）。
ｄ）ｒ22は、ケーブル４０５Ｂが載っている側のプーリ４１５Ａの半径である（図４Ａに示されるプーリ４１５Ａ及び車軸４１２の中心に対して）。
ｅ）ｒ31は、ケーブル４０５Ｃが載っている側のプーリ４１５Ｂの半径である。
ｆ）ｒ32は、ケーブル４０５Ｄが載っている側のプーリ４１５Ｂの半径である。
前記の例示的な対称設計では、ｒ31＝ｒ21、ｒ32＝ｒ22、ｒ21≠ｒ22（図４Ａに示される）であるが、他の幾つかの設計では、ｒ31＝ｒ21＝ｒ32＝ｒ22であって、ｒ11＝ｒ12であり得る。
【００４２】
ケーブルの張力（ξ[4×1]）を関節トルク（τ[3×1]）に関連付ける基本的な方程式は、以下で表される。
0006892967.tif 000004
マトリックス（Ｂ）は、以下の形式を有する。
0006892967.tif 000005
（ξ1，ξ2，ξ3，ξ4）は、それぞれ、ケーブル４０５Ａ、４０５Ｂ、４０５Ｃ、及び４０５Ｄのケーブル張力に対応する。
0006892967.tif 000006
【００４３】
式（３）において、（τ[3×1]）は、ケーブルによって加えられる仮想的な関節トルクのベクトルであり、関節が摩擦を克服して外力に逆らって動くことを引き起こし得るものである。ベクトル（τ[3×1]）は、３つの成分を有する。
0006892967.tif 000007
ここで、（τ1）は、ピッチ関節トルクであり、（τ2）及び（τ3）は、それぞれ顎部４０１A、４０１Ｂの関節トルクである。
【００４４】
理想的なケーブルの変位（ケーブルの弾性はないと仮定）と顎角とに関連する運動学的関係は、以下の通りである。
0006892967.tif 000008
ここで、（ｑ[4×1]）は、ケーブル４０５Ａ〜４０５Ｄの理想的な変位を含む４要素ベクトルであり、（θ[3×1]）は、図４Ｂに示された角度のベクトルである。
0006892967.tif 000009
【００４５】
ケーブルが弾性を有する実際のケースでは、実際のケーブル変位と理想的なケーブル変位とが、以下のように関係している。
0006892967.tif 000010
ここで、ｋeは、Ｎ／ｍ単位でのケーブルの弾性定数である（全てのケーブルが類似していると仮定）。
【００４６】
（制御システム設計）
以下に説明されるのは、ロボット手術器具の遠位のエンドエフェクタの角度位置と把持力とを制御する方法及びシステムである。エンドエフェクタは、ロボット手首及び一対の対向する部材（例えば、顎部または爪部）を含み得て、各々の部材は２つの相反（拮抗）ワイヤによって作動されて開位置と閉位置との間で移動可能である。合計４本のワイヤが、各々、図３及び図４に図示され対応する部分において説明されるように、独立したアクチュエータまたはモータによって駆動され得る。制御システムは、アクチュエータからの位置及び速度のフィードバック、並びに、４本のワイヤ上で測定された力のフィードバック、を含むフィードバックループを含み得て、所望の位置及び把持力をもたらし得る。幾つかの実装では、アクチュエータコントローラは、位置プラスフィードフォワード電流のモードを実行し得る。例えば、位置制御部が、位置フィードバックに基づいて遠位エンドエフェクタを空間内の所望の角度位置に駆動し得て、把持力制御部が、４本のワイヤ上のロードセルによって測定された把持力に基づいて追加のフィードフォワード電流を提供し得て、対向する部材間の所望の把持力を達成し得る。
【００４７】
図５Ａは、本技術の特徴に従う、手術ツールを制御するための高レベル制御システムを示すブロック図である。当該制御システムは、入力部５６０、制御部５６２、プラント部５６４、出力部５６８、及び、出力部５６８と制御部５６２との間のフィードバック経路上のセンサ及び推定器５６６、を含む。プラント部５６４は、ツールアクチュエータ及びエンドエフェクタ（例えば、図５Ｂのアクチュエータユニット５１０並びにケーブル及びリストリンク５１２）を含み得る。制御部５６２は、メモリ上に格納されたソフトウェア指令によって構成される１または複数のプロセッサを含み得て、入力部５６０に応答してプラント部５６４の動きを計算し得る。それは、手術ツールのエンドエフェクタの所望の動きを示し得る。制御部５６２によってこのように生成される指令は、ツールアクチュエータを駆動し得て、エンドエフェクタの所望の動きを促進し得る。エンドエフェクタの位置、速度、ケーブル張力、把持力などの出力５６８は、センサ及び推定器５６６によって直接測定または推定され得て、閉ループ制御のために制御部５６２にフィードバックされ得る。
【００４８】
図５Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための例示的な制御システム５００を示すブロック図である。ロボット制御システム５００は、入力処理ユニット５０２、アクチュエータ指令生成部５０４、位置制御部５０６、把持力制御部５０８、１または複数のアクチュエータユニット５１０並びに／またはケーブル及びリストリンク５１２を含むプラント部、スラック制御部５１４、位置推定器５２２、及び、把持力推定器５２４、を備える。図に示されているのと比較して、追加的なコンポーネント（構成要素）、異なるコンポーネント、あるいは、より少ないコンポーネント、が使用され得る。特許請求の範囲の趣旨または範囲から逸脱することなく、コンポーネントの配置及びタイプの変更がなされ得る。
【００４９】
入力処理ユニット５０２及びアクチュエータ指令生成部５０４は、エンドエフェクタの所望の角度位置を受け入れ、当該所望の角度位置を対応するアクチュエータ位置指令（逆運動学アルゴリズムを介して）及び／または把持力指令に変換する。それらの指令は、位置制御部５０６及び／または把持力制御部５０８に出力される。例えば、入力される所望の角度位置は、ピッチ角（θpitch）、ヨー角（θyaw）及び顎角（θjaw）を含み得る。所望の顎角の入力は、当該角度が閾値以上である場合、位置制御指令として扱われ得る。当該閾値は、両方の顎部がその間にある物体にちょうど同時に接触する角度に対応する。把持する物体がない場合、閾値は、顎部が互いに接触し始める零度である。閾値より小さい任意の所望の顎角に対しては、入力は所望の把持力指令に変換され得て、把持力制御部５０８に伝送され得て、位置指令に加えての電流指令を生成し得て所望の把持力を達成し得る。
【００５０】
図６は、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツール制御システムの入力処理ユニット５０２及びアクチュエータ指令生成部５０４の例示的設計を示すブロック図である。幾つかの実装において、所望のピッチ角（θpitch_d）６１０及び所望のヨー角（θyaw_d）６１２は、常にエンドエフェクタの所望の位置として扱われ、入力としてアクチュエータ指令生成部５０４に直接渡される。一方、その入力がエンドエフェクタのための所望の位置の指令であるのか所望の力の指令であるのかを判別するために、所望の顎角（θjaw_d）６１４は、最初に入力処理ユニット５０２によって閾値（θth）６１６に対して比較される。入力処理ユニット５０２に提供される閾値（θth）６１６は、所定の値であり得て、あるいは、動的に決定され得る（例えば、把持力推定器５２４による）。閾値の決定方法の詳細は、以下でさらに説明される。
【００５１】
例えば、入力処理ユニット５０２によって判別される時に所望の顎角（θjaw_d）６１４が閾値（θth）６１６より低い場合、当該所望の顎角（θjaw_d）６１４は、把持力指令として解釈されて、当該角度の値は、所望の把持力（Ｆgrip_d）６２２に変換されて把持力制御部５０８に出力される。当該所望の把持力は、所望の顎角（θjaw_d）６１４及び／または閾値（θt）６１６の関数に基づいて決定されてもよい。この関数は、線形関数、指数関数、二次関数、または、任意の他の適切な関数、であり得る。他方、所望の顎角（θjaw_d）６１４が閾値（θth）６１６を超えている場合、それは位置指令として解釈され、所望のピッチ角（θpitch_d）６１０及び所望のヨー顎角（θyaw_d）６１２と共に位置入力としてアクチュエータ指令生成部５０４に渡される。
【００５２】
続いて、アクチュエータ指令生成部５０４は、逆運動学を使用して、位置制御部５０６がエンドエフェクタを作動させるための位置指令（ｘcmd1）６２０を生成する。アクチュエータ指令生成部５０４はまた、フィードバック角度位置（θfb）６１８（例えば、位置推定器５２２から）を受信し得て、フィードバックに基づいて、生成された位置指令（ｘcmd1）６２０を調整し得る（例えば、ケーブル弾性を補償する）。
【００５３】
ここで図５Ｂに戻る。位置制御部５０６は、アクチュエータユニット５１０上の位置センサ及び／または速度センサから位置フィードバックを受容し得る。アクチュエータとロボット手首との間の運動学的関係により、所望のアクチュエータ位置を達成することが、ロボット手首の所望の位置を導くことができる。従って、非ゼロ定常偏差タイプ（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ  ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ  ｅｒｒｏｒ  ｔｙｐｅ）のコントローラが位置制御部５０６で採用されることが好ましい。なぜなら、ゼロ定常タイプ（ｚｅｒｏ  ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ  ｔｙｐｅ）のコントローラは正確な位置を強制することによって把持力制御部と「戦う」ことができてしまって（これによりプロセス中の電流指令を飽和状態にする）所望の把持力の達成を困難にするからである。好適な非ゼロ定常偏差コントローラの例は、比例プラス微分（ＰＤ）コントローラを含む。ＰＤコントローラは、把持力制御部が所望の把持力を生成するために必要な把持具顎部のコンプライアンスを許容する。次いで、把持力制御部５０８は、（位置制御部５０６とは対照的に）把持力制御中の顎部閉鎖の自由度のコンプライアンスを支配する主要因となり得る。
【００５４】
アクチュエータユニット５１０は、力によって長さが変化し得る弾性ケーブル（またはワイヤ）を介してロボット手首に結合されているため、アクチュエータの位置と手首の動きとの間の純粋な運動学的関係のみに基づく推定は、正確ではない場合がある。位置推定器５２２は、推定アルゴリズムでケーブル弾性を考慮することにより（例えば、カルマンフィルターを使用して）、手首関節の位置及び速度のより正確な推定値をアクチュエータ指令生成部５０４及び把持力推定器５２４に提供し得る。推定された位置と速度の情報は、摩擦の推定と同様、手首の正確な位置決めに利用され得る。
【００５５】
幾つかの実装では、把持力制御部５０８は、ケーブルワイヤ上のロードセルまたはトルクセンサによって測定されたケーブル張力のフィードバックを取得する。この時、把持力推定器５２４によってアルゴリズムが使用され得て、ケーブルで測定された張力値に基づいて顎部間の把持力を推定し得る。把持力制御部５０８は、推定値を所望の把持力と比較し得て、当該所望の把持力を達成するために追加の電流コマンドを生成し得る。あるいは、力／トルクを感知するロードセルからの測定値の代わりに、把持力制御部５０８は、幾つかの推定技術と組み合わせて、フィードバックとしてモータ電流を使用し得て、把持力生成のための追加の電流コマンドを生成し得る。
【００５６】
前述のように、エンドエフェクタは、その各々が独立したモータによって作動される４本の独立したケーブルを介してツール駆動部に結合され得る。特に、エンドエフェクタは、ロボット手首及び一対の対向する顎部材を含み得て、各顎部材は開位置と閉位置との間で移動可能である。幾つかの実装では、モータは電流によって駆動され得る。電流指令は、２つの部分を含み得る：駆動電流の第１部分が関節角制御部５０６からのものであり得て、第２部分が把持力制御部５０８からのものであり得る。２つの電流指令が合計され得て、アクチュエータユニット５１０に送信され得る。
【００５７】
図７は、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツール制御システムの例示的なアクチュエータユニット５１０及びその入力／出力を示すブロック図である。アクチュエータユニットは、各々が対応するアクチュエータないしモータ７０４を駆動する、１または複数の低レベルアクチュエータないしモータ駆動部７０２を含み得る。アクチュエータユニットでは、追加のコンポーネント、異なるコンポーネント、またはより少ないコンポーネント、が使用され得る。幾つかの実装では、アクチュエータないしモータ７０４は、電流駆動ＤＣモータである。低レベルアクチュエータないしモータ駆動部７０２は、位置制御部５０６からの所望の電流指令（ｉposition_d）７１０と把持力制御部５０８からの所望の電流指令（ｉgrip_d）７１２との合計である入力電流指令（ｉd）７１４を受容する。次いで、アクチュエータないしモータ駆動部７０２は、アクチュエータないしモータ７０４を駆動し得て、それは出力電流（ｉmotor）７１８でエンドエフェクタを駆動する。モータ７０４の状態、例えば電流（ｉmotor）７１８は、モータ駆動部７０２にフィードバックされ得る。所望の電流指令（ｉposition_d）７１０、（ｉgrip_d）７１２を合計することにより、アクチュエータユニット５１０は、１または複数のモータを駆動し得て、エンドエフェクタの所望の動き及び／または把持力をもたらし得る。
【００５８】
ロボット手首の相反特性により、異なるモータの所望の把持力指令（ｉgrip_d）７１２は相反的（拮抗的）であり得て、例えば、アクチュエータを閉じる場合は正であり得て、アクチュエータを開く場合は負であり得る。追加の電流指令が、２つの閉鎖アクチュエータにおいて顎部を閉じるための既存の電流指令に追加されて、及び、２つの開放アクチュエータにおいて顎部を開けるための電流指令から差し引かれる、ということが有利な場合がある。他の実装では、追加の電流指令は、閉鎖ケーブルを制御するための２つの閉鎖アクチュエータにのみ送信され得るが、これは、性能低下に帰結し得る。後者のシナリオでは、把持力を制御するために入力顎角、例えば所望の顎角（θjaw_d）６１４、が使用される際の閾値（θth）６１６が、重要になり得る、すなわち、当該閾値が正確な接触角に設定される必要がある。そうでないと、把持力を増大させながら顎部が近づくにつれて、開放ケーブルがより強く抵抗し得る。アクチュエータ及びケーブル力の飽和のため、把持具の閉鎖が不可能になるポイントに到達する場合がある。従って、摩擦を推定し、接触角を推定するために、別個の推定器が必要とされ得て、その結果、閾値が決定され得て、入力処理ユニット５０２に提供され得る。
【００５９】
あるいは、把持力制御部５０８は、モデルを使用し得て、所望の把持力を生成するために必要とされる追加の電流を計算し得る。更に、位置制御部５０６によって生成される電流指令に追加及び／または減算され得る追加の電流設定点を生成する代わりに、把持力制御部５０８は、２つの閉鎖ケーブル位置設定点に追加され２つの開放ケーブル位置設定点から減算される追加の位置設定点を提供し得る（設定点は、単純には、所望の角度位置などの、システムの重要な変数の所望値または目標値である）。
【００６０】
図５Ｂに戻って、弛み制御部５１４は、ケーブルの張力がゼロ（または弛みを補償するための所定の正の値）を決して下回らないことを保証するタスクを実行し得る。ケーブルは、エンドエフェクタの張力のみの部材であり、負の力を加えることはできない。また、ケーブルが弛む時、ケーブルの両端間の運動学的関係が保持されない。従って、どのような状況下でもケーブルの張力がゼロになることを防止することが望ましい。この目標を達成するために、弛み制御部５１４は、ケーブル上のロードセルからの力の値を監視し得て、当該力の値の最小値を所定の閾値と比較し得る。全てのケーブルに亘って最小の力の値が閾値を下回る場合、弛み制御部５１４は、全てのアクチュエータに追加の位置コマンドを生成し得て、所望の最小の張力が維持されることを保証し得る。これらの追加の位置指令は、把持力を変更したり手首に不所望の動きを生じさせたりしないように、リストケーブルシステムのヌルスペース内に吸収される（ｂｉｎ）する必要がある。あるいは、弛み制御部は、追加の位置指令の代わりに、リストケーブルシステムのヌルスペースの大きさで、アクチュエータに追加の電流を提供し得る（同一のアクチュエータを仮定）。どちらの場合でも、ケーブル上の所望の最小の力を維持するべく、比例プラス積分（ＰＩ）コントローラなどのゼロ定常タイプ（ｚｅｒｏ  ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ  ｔｙｐｅ）のコントローラが弛み制御部５１４として配備され得る。
【００６１】
次の段落は、例示的な制御システムの各コンポーネントの入力、出力、及び機能に関して、例示的な制御アルゴリズムをより詳細に説明する。提案される方法論は、エンドエフェクタを駆動するアクチュエータの位置プラスフィードフォワード電流制御の使用に依存し得る。位置制御部は、ケーブルを介して空間内の所望の位置設定点にエンドエフェクタを駆動し得て、追加のフィードフォワード電流が、２つのエンドエフェクタ部材間に所望の把持力をもたらすべく追加され得る。
【００６２】
図８Ａを参照すると、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための例示的な制御システム８００Ａを示す詳細なブロック図である。この説明は、制御システムを特定の実装に限定することを意図するものではなく、当業者が本発明を作成及び使用することを可能にすることを意図している。更に、制御システム及び方法は、より多くのまたはより少ないコンポーネント（構成要素）を含んでいてもよい。これらのコンポーネントの各々は、様々な目的で、互いと共に使用され得るし、個別に使用され得る。例えば、例示的な制御システム５００と同様に、制御システム８００Ａは、入力処理ユニット５０２、アクチュエータ指令生成部５０４、位置制御部５０６、把持力制御部５０８、弛み制御部５１４、位置推定器５２２、把持力推定器５２４、及び、４つのアクチュエータユニット（モータ及び駆動部）５１０、を備えている。制御システム８００Ａにおいては、ケーブル５１２Ａとリストリンク５１２Ｂとが分離されており、接触予測ユニット５２６が、制御システム５００（図５Ｂに示されている）に追加されている。
【００６３】
制御システム８００Ａは、所望の角度の入力８０１、８０２、８０３を取得し得る。
３つの入力角のうち、所望のピッチ角（θpitch_d）８０１及び所望のヨー角（θyaw_d）８０２は、アクチュエータ指令生成部５０４に直接渡される。
所望の顎角（θjaw_d）８０３は、入力処理ユニット５０２に提供され、接触予測ユニット５２６によって推定され得る閾値（
0006892967.tif 000011
）８４４と比較される。
【００６４】
前述したように、エンドエフェクタの入力ピッチ角８０１（図４Ｂの軸４２０回りの回転）及びヨー角８０２（図４Ｂに示されるように軸４５２と顎部の中間点との間の角度）は、位置制御部５０６によって位置モードで制御され得る。入力顎角（２つの顎部材間の角度）は、所望の顎角８０３が閾値８４４よりも小さいか大きいかに応じて異なって解釈され得る。入力処理ユニット５０２によって判別される際に所望の顎角８０３が閾値８４４未満である場合、所望の把持力（Ｆgrip_d）８０４が把持力制御部５０８に対して生成される。所望の把持力は、所望の顎角８０３及び／または閾値８４４の関数に従って決定され得る。この関数は、線形関数、指数関数、二次関数、または、他の関数であり得る。所望の顎角８０３は、比較の結果に関係なく、位置指令の一部としてアクチュエータ指令生成部５０４に渡されてもよいが、閾値８４４よりも大きい場合にのみ位置指令として扱われる。
【００６５】
閾値８４４は、顎部の２つの部材が互いにちょうど接触する際、あるいは、それらの間に物体が把持されている際の、角度値に対応する。換言すれば、入力顎角は、当該閾値によって、角度位置指令から把持力指令に切り替えられる。閾値８４４は、所定の値（例えば、零度）であり得る。好ましくは、閾値は、把持される物体との接触が最初に生じる実際の顎角を推定することにより、リアルタイムで決定される。例えば、接触予測ユニット５２６は、当該閾値を決定するために、顎角及び把持力の値の推定に基づいて、接触が起こる事例を検出及び／または予測し得る。次に、決定された閾値は、入力顎角を解釈するために、入力処理ユニット５０２に渡される。アクチュエータ指令生成部５０４の出力は、位置制御部５０６が４つのケーブル変位を生成するための変位指令（ｘcmd）８０６を含み得て、これは４つのアクチュエータユニット（またはモータ）５１０に適用され得る。
【００６６】
ベクトル
0006892967.tif 000012
で所望の角度を表すことにより、式（２）を用いて、当該ベクトルを関節空間の所望の角度θd[3×l]に変換可能である。
0006892967.tif 000013
ここで、下付き文字「＿ｄ」は、対応する入力及び変換されたパラメータの所望の値を示す。把持力が望まれる場合、顎角の入力は、所望の把持力（Ｆgrip_d）８０４に変換され得て、把持力制御部５０８に送られ得る。
【００６７】
アクチュエータ指令生成部５０４は、関節角度（
0006892967.tif 000014
）８４１の推定に関して位置推定器５２２からのフィードバックを受容し得る。関節角度の一次推定値は、式（７）を使用して、アクチュエータ（モータ）の位置（ｘ[4×1]）８３１及びケーブル張力（ξ[4×1]）８３３の測定値から見積もられ得る。
0006892967.tif 000015
ここで、ｋeは、Ｎ／ｍ単位でのケーブルの弾性定数であり、ケーブル張力（ξ[4×1]）８３３は、式（３）に定義されており、（ｘ[4×1]）８３１は、アクチュエータユニット５１０上の位置センサ測定値のベクトルである。
0006892967.tif 000016
【００６８】
幾つかの実装では、制御システム８００Ａは、所望の関節位置（ピッチ及びヨー）を達成するために閉ループ制御を採用し得る。
閉ループ制御方式では、アクチュエータ指令生成部５０４が、位置推定器５２２からの角度位置を監視し続け、所望の関節角が達成されるまでその位置指令（ｘcmd1）８０５を調整し続け得る。代替的に、アクチュエータ指令生成部５０４は、開ループ制御を実行し得て、式（５）に基づく逆運動学技術を利用して４つのモータの所望の変位を取得し得る。
0006892967.tif 000017
ここで、Ｂ及びθd[3×1]は、それぞれ、式（４）及び式（１０）に定義されている。ケーブルの弾性の影響を考慮して、４つのモータの所望の変位は、式（９）を使用して更に改善され得る。
0006892967.tif 000018
【００６９】
更に、図８に示されるように、位置設定点または指令（ｘcmd）８０６は、２つの成分の合計であり得る：
0006892967.tif 000019
ここで、第１成分（ｘcmd1）８０５は、前述のアクチュエータ指令生成部５０４によって生成され得て、第２成分（ｘcmd2）は、弛み制御部５１４によって提供され得る。
【００７０】
第２変位指令（ｘcmd2）８５４は、（例えば、４本のケーブル５１２Ａ上のロードセルからの）ケーブル張力（ξ[4×1]）８３３のフィードバックに基づいて、弛み制御部５１４によって生成され得る。ケーブル張力フィードバック（ξ[4×1]）８３３の中の最小の張力値（ξmin）８５１が、最初に「最小」ユニット５１４Ａによって決定される。
0006892967.tif 000020
【００７１】
次に、弛み制御部は、最小値（ξmin）８５１を所望の最小張力値（ξmin_d）と比較して、追加の変位指令（ｕs）８５２を生成し得る。４本のケーブル全てに最小の所望の張力を維持する目的で、ゼロ定常偏差タイプ（ｚｅｒｏ  ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ  ｅｒｒｏｒ  ｔｙｐｅ）のコントローラが採用され得る。このようなコントローラは、個別のドメインで、次の形式を取り得る（状態空間（ｓｔａｔｅ−ｓｐａｃｅ）や非線形などの他の形式も可能である）。
0006892967.tif 000021
ここで、Ｃ（ｚ）は、入力（ξmin）８５１から出力（ｕs）８５２への制御部伝達関数であり、ｚはｚ変換パラメータである。更に、パラメータａi及びｂiは、実数であり、Ｃ（ｚ）の分子及び分母の対応する多項式は、厳密に単位円の内側に根を有しており、ｚ＝＋１においては根を有しない。パラメータｍ、ｎ及びｐは、制御部伝達関数Ｃ（ｚ）が適切であることを保証するために、ｐ＞０、及び、ｍ≦ｎ＋ｐ、である整数である。
【００７２】
比例プラス積分（ＰＩ）コントローラは、Ｃ（ｚ）の特殊なケースであり、前述のように４本のケーブルの最小の張力を調整するために使用され得て、時間領域で次の形式を取り得る。
0006892967.tif 000022
ここで、ｋps及びｋisは、それぞれ、比例ゲイン及び積分ゲインである。
【００７３】
ケーブルの張力を調整して最小の張力を維持する一方で関節角度位置または把持力を乱さないようにするには、位置指令（ｘcmd2）８５４がリストケーブルシステムのヌルスペース内である必要がある。これを達成するために、スカラー変位（ｕs）８５２は、行列（Ｂ）のヌルスペースによって更に乗算され得る。従って、２番目の変位指令（Ｘcmd2）８５４は、次の形式を取り得る。
0006892967.tif 000023
ここで、（ｃ）８５３は、最小の張力を伴うケーブルに対応するその要素が単位（すなわち１）に等しくなるように、ヌルスペースベクトルをスケールする定数である。
【００７４】
あるいは、弛み制御部５１４は、位置制御部５０６に提供される追加の位置指令（ｘcmd2）８５４の代わりに、（リストケーブルシステムのヌルスペースの大きさで）アクチュエータ５１０を直接駆動する追加の電流を含む指令を生成し得る。そのような実装では、追加の電流の指令が（ｉcmd）コンポーネント８２１〜８２４の各々に追加され得る。
【００７５】
位置制御部５０６が使用され得て、所望のアクチュエータ位置を達成することができ、その結果、運動学的関係を通して、手首の所望の位置を得ることができる。各モータに送られる電流指令を調整するために、位置制御部５０６は、アクチュエータの位置及び／または速度センサないし速度推定器からのフィードバックに依存し得る。更に、モータ５１０の各々が、追加のまたはより少ない電流と組み合わされた位置制御部５０６からの電流設定点ないし指令を受容し得る。追加のまたはより少ない電流は、把持力制御部５０８からのスケーリングベクトル（ｃi[4×l]＝[ｃl  ｃ2  ｃ3  ｃ4]T）の各値（ｃi）８１６〜８１９に依存する。
0006892967.tif 000024
【００７６】
位置制御部５０６は、位置設定点ないし指令（Ｘcmd）８０６、並びに、位置（ｘ[4×1]）及び速度（
0006892967.tif 000025
）８３２のフィードバックに基づいて、電流指令（ｉcmd1[4×l]）を生成し得る。
好ましくは、位置制御部５０６は、前述のように、非ゼロ定常偏差コントローラで実装され得る。このようなコントローラは、個別のドメインで、次の形式を取り得る（状態空間（ｓｔａｔｅ−ｓｐａｃｅ）や非線形などの他の形式も可能である）。
0006892967.tif 000026
ここで、Ｃ（ｚ）は、入力（ｘcmd）８０６と出力（ｉcmd1）８１１〜８１４との間の制御部伝達関数であり、ｚはｚ変換パラメータである。更に、パラメータａi及びｂiは、実数であり、Ｃ（ｚ）の分子及び分母の対応する多項式は、厳密に単位円の内側に根を有しており、ｚ＝＋１においては根を有しない。パラメータｍ及びｎは、制御部伝達関数Ｃ（ｚ）が適切であることを保証するために、ｍ≦ｎである整数である。
【００７７】
比例プラス微分（ＰＤ）コントローラは、式（１９ａ）のＣ（ｚ）の特殊なケースであり、電流指令（ｉcmd1）８１１〜８１４を生成するために使用され得る。これにより、式（１９ｂ）で示されるように、４つのアクチュエータへの電流指令の最初の成分は、以下のように生成され得る（時間領域で表現される）。
0006892967.tif 000027
ここで、（ｋp）及び（ｋd）は、制御部ゲインであり、（ｘ[4×1]）８３１は、式（１２）で定義されたアクチュエータ位置の４タプルベクトルであり、（
0006892967.tif 000028
）は、アクチュエータ速度の４タプルベクトルであり、これは、直接的な速度センサ測定値または位置の導関数からの推定値であり得る。
【００７８】
把持力制御部５０８は、把持力をもたらすべく、アクチュエータ５１０の各々について、位置制御部５０６からの電流指令（ｉcmd1[4×1]）と組み合わされ得る第２電流指令（ｉcmd2[4×1]）８１５を生成し得る。第２電流指令（ｉcmd2[4×1]）８１５は、所望の把持力入力（Ｆgrip_d）８０４及び把持力推定器５２４によって提供される把持力フィードバック（
0006892967.tif 000029
）８４３に基づいて、把持力制御部５０８によって生成され得る。
【００７９】
Ｌが顎部の回転軸から把持荷重印加点までの顎部の長さを定義すると仮定すると、２つの顎部材間の把持力は次式を用いて推定され得る。
0006892967.tif 000030
ここで、（τ２）及び（τ３）は、式（１）からの２つの顎要素の関節トルクである。式（３）からの関節トルクで置き換えて、式（４）を用いることで、次式を得ることができる。
0006892967.tif 000031
式（２１）は、ケーブル５１２Ａ上のロードセルまたはトルクセンサを使用して、ケーブルの力が直接測定されることを前提としている。ケーブルの力の値は、高度な推定アルゴリズムと組み合わせて（例えば、カルマンフィルターを使用して）、（
0006892967.tif 000032
）８３２などのモータ電流及びモータ状態を用いることで、間接的に推定されてもよい。
【００８０】
把持力推定値（
0006892967.tif 000033
）８４３が得られると、把持力制御部５０８は、当該値を所望の把持力値（Ｆgrip_d）８０４と比較し、所望の把持力を達成するために、第２電流指令（ｉcmd2）８１５を生成し得る。
把持力を制御する目的で、式（１６ａ）に示されているものと同様のゼロ定常偏差タイプ（ｚｅｒｏ  ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ  ｅｒｒｏｒ  ｔｙｐｅ）のコントローラが採用され得る。この場合、Ｃ（ｚ）は、入力（Ｆgrip_d）８０４と出力（ｉcmd2）８１５との間の制御部伝達関数になる。Ｃ（ｚ）のある特別な場合は、比例プラス積分（ＰＩ）コントローラを含み、これは、把持力を調整するために使用され得て、時間領域で次の形式を取り得る。
0006892967.tif 000034
ここで、ｋps及びｋisは、それぞれ、比例ゲイン及び積分ゲインである。
【００８１】
従って、スカラーの第２電流指令（ｉcmd2）８１５は、個々のゲイン増幅器８１６〜８１９を通過し得て、スケーリングされた電流指令をもたらし得て、それが、電流指令（ｉcmd1[4×1]）８１１〜８１４にそれぞれ追加され得る。組み合わされた電流指令（ｉcmd）の各成分
0006892967.tif 000035
）８２１〜８２４が、その後、アクチュエータまたはモータ５１０に適用され得る。例えば、第２電流指令（ｉcmd2）８１５は、顎部を閉じる２つのアクチュエータの電流指令に追加され得て、また、顎部を開ける２つのアクチュエータへの電流指令から減算され得る。実装に応じて、スケーリングベクトル（Ｃi[4×2]）の各成分（ｃi）８１６〜８１９に、異なる値が選択され得る。次式は、４つのモータのための様々な例示的な電流指令設定を示している。これは、様々な性能に帰結し得る。
0006892967.tif 000036
0006892967.tif 000037
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【００８２】
幾つかの実装では、把持力制御アルゴリズムは、ケーブル張力測定に基づく推定ではなく、モデルを使用し得て、所望の把持力を生成するために必要とされる追加の電流を計算し得る。当該モデルは、モータの位置や電流などの既知のパラメータに基づいて、把持力を予測し得る。
図８Ｂは、本技術の特徴に従う、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの位置及び把持力を制御するための代替的な制御システム８００Ｂを示す詳細なブロック図である。制御システム８００Ｂでは、図８Ａに示されるように電流指令に追加される及び減算されるべき追加の電流設定点（ｉcmd2）を生成する代わりに、把持力制御部５０８は、２つの閉鎖ケーブル位置設定点に追加される及び２つの開放ケーブル位置設定点から減算されるべき（またはその逆の）、図８Ｂに示される（ｘcmd3）８０７などの追加の位置設定点を生成し得る。従って、位置制御部５０６への位置入力指令（ｘcmd）８０６は、３つの成分を含み得る：前述のアクチュエータ指令生成部５０４によって生成される第１成分（ｘcmd1）８０５、弛み制御部５１４によって提供される第２成分（ｘcmd2）、及び、把持力制御部５０８によって計算される第３成分（ｘcmd3）８０７。複合位置指令（ｘcmd）８０６が、アクチュエータユニット５１０を駆動する電流指令（ｉcmd）を生成するために位置制御部５０６に提供される。
【００８３】
図９は、本技術の特徴に従う、２つの対向する部材を有するエンドエフェクタを備えたロボット手術ツールを制御するための例示的なプロセス９００を示すフローチャートである。もっとも、当該手術ツール制御システムによって実行されるプロセス９００は、制御部の動作の例示的な説明のみを提供し、より多くのまたはより少ない工程がプロセス中に含まれ得て、及び／または、それらの工程は図９に示されるブロック順序とは異なる１または複数の順序で生じ得る。
【００８４】
第１に、手術ツール制御システムは、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの所望の状態の入力を受容する（９０２）。エンドエフェクタは、遠位端にロボット手首を有し、当該ロボット手首に連結されて互いに回転する２つの部材を有する。所望の状態は、ロボット手首の所望のピッチ角、エンドエフェクタの所望のヨー角、及び、エンドエフェクタの２つの対向する部材間の所望の顎角、等の所望の角度を含み得る。例えば、図５に示されるツール制御システム５００では、入力処理ユニット５０２は、ロボット手首及びエンドエフェクタ部材の所望の角度位置を受容し得る。２つの対向する部材の各々は、張力をかけられたときに力を与える一対の相反（拮抗）ケーブルを介してロボット的に操作され得る。例えば、図４Ａに示されている把持具２２０のエンドエフェクタは、一対の顎部４０１Ａ、４０１Ｂを含み、ケーブル４０５Ａ、４０５Ｂが顎部４０１Ａを操作するための第１の相反対（拮抗対）である。個々に張力をかけられる時、ケーブル４０５Ａが顎部４０１Ａを閉じ、ケーブル４０５Ｂが顎部４０１Ａを開く。
【００８５】
ツール制御システムは、続いて、所望の状態に基づいて、エンドエフェクタの各部材の相反ケーブルの対の変位を計算し得る（９０４）。所望の顎角が所望の把持力を示す場合、所望のピッチ角及びヨー角に応じて、変位が計算される。それ以外の場合、変位の計算は、所望のピッチ角、ヨー角及び顎角に対応する。両方の場合において、ツール制御システム内の位置制御部５０６は、図８Ａ及び図８Ｂに示されるように、少なくとも１つのアクチュエータの現在の位置及び／または速度の測定値に基づいて計算を行い得る。次に、制御システムは、計算された変位に基づいて、ロボット手首及びエンドエフェクタ部材を駆動するための第１指令を生成し得る（９０６）。例えば、図８Ａ及び図８Ｂのアクチュエータ指令生成部５０４は、所望のピッチ及びヨー角（並びに、それが所望の把持力の代わりに所望の角度を表す場合の顎角）に基づいて、変位または位置指令（ｘcmd1）を生成し得る。制御システムは、一対の相反ケーブルの張力を監視し、ケーブルの所定の最小張力を維持するため、図８Ａ及び図８Ｂの弛み制御部５１４など、ケーブルの弛みを防止するための別のフィードバック制御ループを選択的に採用し得る。弛み制御部５１４からの出力（ｘcmd2）は位置指令（ｘcmd1）と合計され得て、位置制御部５０６に位置設定点として提供され得る。
【００８６】
次に、手術ツール制御システムは、所望の状態がエンドエフェクタの２つの対向する部材間の所望の把持力を含むか否かを判別（決定）し得る（９０８）。幾つかの実装では、所望の状態が所望の把持力を含むか否かを判別することは、所望の顎角を閾値と比較することを伴い得る。閾値は、物体を把持する時、または、物体を把持しないで互いに接触する時（すなわち零度）、のエンドエフェクタの２つの対向する部材間の接触顎角であり得る。例えば、把持具２２０が物体を把持していない時、接触角は零度である。接触角は、例えば、把持されるべき物体のサイズに基づいて、事前に決定され得る。代替的または追加的に、接触角は、動的に決定され得るか、あるいは、現在の顎角の推定及び／または２つの対向する部材間の現在の把持力の推定に基づいて例えば図８Ａ及び図８Ｂに示される接触予測ユニット５２６によって予測され得る。所望の顎角が閾値よりも小さい時、当該所望の顎角は、エンドエフェクタの２つの対向する部材間の所望の把持力の指標及び範囲（程度）の両方として解釈され得る。
【００８７】
所望の状態が所望の把持力を含むという判別（決定）に応じて（例えば、所望の顎角が閾値より小さい時）、ツール制御システムは、所望の顎角によって示される所望の把持力と２つのエンドエフェクタ部材間の現在の把持力とに基づいて、エンドエフェクタの一部材のために一対の相反ケーブルの少なくとも一方に張力をかけるための第２指令を生成し得る（９１０）。前述のように、エンドエフェクタの一部材（例えば、図４Ａの顎部４０１Ａ）に対する一対の相反ケーブル（例えば、図４Ａのケーブル４０５Ａ、４０５Ｂ）の各々は、例えば図３Ｂに示される回転駆動部３２２Ａ〜３２２Ｆのような少なくとも１つのアクチュエータによって引っ張られ得るないし張力をかけられ得る。第２指令は、所望の把持力と把持力推定器５２４からの現在の把持力の推定値８４３との間の差に基づいて、例えば、図８Ａ及び図８Ｂに示される把持力制御部５０８によって、計算され得る。現在の把持力の推定値８４３は、一対の相反ケーブル上の現在の張力の測定値８３３と、位置推定器５２２からの角速度８４２と、を考慮し得る。
【００８８】
ブロック９１２において、ツール制御システムは、第１指令及び／または第２指令に基づいて、エンドエフェクタを駆動して所望の状態を達成する。図８Ａに示されるような幾つかの実装では、ツール制御システムは、エンドエフェクタを駆動するために、計算された変位に基づいて少なくとも１つのアクチュエータに対する第１電流指令（ｉcmd1）を生成し得る。所望の顎角が所望の把持力を示すと判別される場合、当該所望の把持力と推定された現在の把持力とに基づいて、少なくとも１つのアクチュエータに対して第２駆動指令（ｉcmd2）が生成される。アクチュエータユニット５１０への実際の入力は、例えば、少なくとも１つのアクチュエータを駆動するための第１駆動指令及び第２駆動指令に基づく複合指令であり得る。複合指令は、式（２３）〜式（２６）に示されるように、第１指令及び第２指令の任意の線形結合であり得る。図８Ｂに示されるような他の幾つかの実装では、把持力制御部５０８が、追加の変位ないし位置指令（ｘcmd3）を出力し、これが、アクチュエータ指令生成部５０４及び弛み制御部５１４からの位置設定点と組み合わされて、複合位置指令（ｘcmd）を生成し得る。当該複合位置指令は、アクチュエータユニット５１０を駆動するための電流指令を生成するために位置制御部５０６に入力され得る。
【００８９】
図１０は、本技術の特徴に従う、２つの対向する部材を有するエンドエフェクタを備えたロボット手術ツールを制御するための別の例示的なプロセス１０００を示すフローチャートである。この例では、手術ロボットシステムは、遠位端にエンドエフェクタを有するロボット手術ツールを備えている。エンドエフェクタは、２つの対向する顎部を有しており、その各々が、アクチュエータによって張力をかけられる時に力を付与する一対の相反（拮抗）ケーブルを介して、少なくとも１つのアクチュエータによって操作される。当該システムはまた、ロボット手術ツールに結合された１または複数のプロセッサを含む制御部を備えていてもよい。
【００９０】
当該制御部は、入力モジュールから、ロボット手術ツールのエンドエフェクタの所望の状態をもたらすための入力を受容し得る（１００２）。当該入力は、エンドエフェクタのピッチ角及びヨー角、並びに、エンドエフェクタの２つの顎部間の顎角、のうちの少なくとも１つを含み得る。次に、当該制御部は、ピッチ角及びヨー角に基づいてエンドエフェクタの所望の位置を決定し、且つ、顎角に基づいてエンドエフェクタの２つの顎部間の所望の把持力を決定する（１００４）。所望の位置及び所望の把持力に基づいて、制御部は、エンドエフェクタの所望の位置及び顎部間の所望の把持力を含むツールの所望の状態をもたらすべく、少なくとも１つのアクチュエータを駆動し得る（１００６）。
【００９１】
幾つかの実装では、ツールの所望の状態をもたらすために、制御部は、少なくとも１つのアクチュエータの現在の位置と、一対の相反ケーブル上の現在の張力と、を測定し得て、当該少なくとも１つのアクチュエータの第１駆動指令を生成し得る。制御部は、更に、一対の相反ケーブル上の測定される張力に基づいて、エンドエフェクタの２つの対向する部材間の現在の把持力を推定し得て、少なくとも１つのアクチュエータに対する第２駆動指令を生成し得る。第１及び第２駆動指令が組み合わされ得て、ツールを所望の状態に駆動し得る。
【００９２】
図１１は、本技術の特徴に従う、２つの把持部材を有するエンドエフェクタを備えたロボット手術ツールを制御するための更に別の例示的なプロセス１１００を示すフローチャートである。図１１に示すように、例示的なロボット手術ツール制御システムは、２つの把持部材を有するエンドエフェクタを有する手術ツールを備え、その各々は、個々に張力をかけられる時に各把持部材の反対向きの回動をもたらす一対の相反ケーブルを通じて、ロボット的に操作される。ツール制御システムは、１または複数のプロセッサと、当該プロセッサに結合された入力部と、をも備える。
【００９３】
ツール制御システムは、エンドエフェクタの２つの把持部材間の入力顎角を受容し得る（１１０２）。次に、ツール制御システムは、受容された入力顎角が２つの把持部材間の所望の把持力を示しているか否かを判別し得る（１１０４）。例えば、所望の顎角が閾値よりも小さい時、指令は所望の把持力を示し、ここで、当該閾値は、エンドエフェクタが物体を把持している時の２つの把持部材間の接触角であり得る。幾つかの実装では、当該接触角は、２つの把持部材間の現在の把持力の推定値と現在の顎角の推定値に基づいて判別（決定）され得る。
【００９４】
所望の顎角が所望の力を示すという判別に応じて、ツール制御システムは、所望の把持力と現在の把持力の推定値との間の差に基づいて、各把持部材の相反ケーブル対の少なくとも一方に張力をかける指令を生成し得る（１１０６）。例えば、入力顎角は、当該入力顎角度が閾値よりも小さい時、所望の把持力を示す。当該閾値は、エンドエフェクタが物体を把持している時の２つの把持部材間の接触顎角、または、物体を把持していない時の零度である。接触角は、２つの把持部材間の現在の把持力の推定値と現在の顎角の推定値とに基づいて決定され得る。幾つかの実装では、２つの把持部材間の現在の把持力は、一対の相反ケーブル上の現在の張力の測定値に基づいて推定され得る。次いで、所望の把持力をもたらすべく、一対の相反ケーブルの少なくとも一方に張力がかけられ得る（１１０８）。
【００９５】
さもなければ、受容された入力が実際に所望の顎角であると判別される場合（例えば、入力顎角が閾値を超える場合）、ツール制御システムは、エンドエフェクタの各把持部材の一対の相反ケーブルの変位を決定し得て（１１１０）、当該決定された変位に基づいて所望の顎角をもたらすべく一対の相反ケーブルを介してエンドエフェクタを駆動し得る（１１１２）。
【００９６】
前述の記載は、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するべく、特定の用語（命名）を使用した。もっとも、本発明を実施するために、特定の詳細は要求されないことが、当業者には明らかであろう。従って、本発明の特定の実施形態の前述の記載は、例示及び説明の目的で提示されている。それらは、本発明を開示された正確な形態に限定することを意図していない。明らかに、前述の教示を考慮して、多くの修正及び変形が可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際の適用を最もよく説明するために選択されて説明されており、それによって、他の当業者が、企図される特定の用途に適した様々な修正を伴って本発明及び様々な実施形態を最大限に利用することを可能にしている。以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物が本発明の範囲を定義することが意図されている。
【００９７】
前述の方法、デバイス、処理、及びロジックは、多くの異なる態様で、ハードウェア及びソフトウェアの多くの異なる組み合わせで、実装され得る。制御部及び推定器は、電子回路を有し得る。例えば、実装の全てまたは一部は、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ等の指示プロセッサを含む回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、個別ロジックや、アナログ回路成分、デジタル回路成分ないしそれらの両方を含む他の回路成分を含む回路、または、それらの任意の組み合わせ、であり得る。当該回路は、例として、個別の相互接続されたハードウェア成分を含み得て、及び／または、単一の集積回路ダイ上で組み合わされ得て、複数の集積回路ダイ間に分散され得て、あるいは、共通パッケージ内の複数の集積回路ダイの複数チップモジュール（ＭＣＭ）に実装され得る。
【００９８】
回路は更に、当該回路による実行のための指令（命令）を含み得るか、あるいは、それにアクセスし得る。当該指令は、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）など、一時的な信号ではない有形の記憶媒体に記憶され得るし、あるいは、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、または他の磁気または光学ディスクなどの磁気または光学ディスク上に記憶され得るし、他の機械読み取り可能な媒体内または当該媒体上に記憶され得る。コンピュータープログラム製品などの製品は、記憶媒体と、当該記憶媒体内または当該記憶媒体上に記憶された指令と、を含み得て、当該指令は、デバイス内の回路によって実行される時、前述のまたは図面内に図示された処理のいずれかをデバイスに実装させ得る。
【００９９】
実装は、複数のプロセッサ及びメモリ間のような、複数のシステムコンポーネント間の回路として配布され得て、選択的に複数の分散処理システムを含む。パラメータ、データベース、及び他のデータ構造が、個別に記憶及び管理され得て、単一のメモリまたはデータベースに組み込まれ得て、多くの異なる態様で論理的及び物理的に編成され得て、多くの異なる態様で実装され得て、リンクリスト、ハッシュテーブル、配列、レコード、オブジェクト、または暗黙的なストレージ機構のようなデータ構造を含み得る。プログラムは、単一のプログラムの一部（サブルーチンなど）であり得て、個別のプログラム群であり得て、幾つかのメモリ及びプロセッサに亘って分散され得て、あるいは、共有ライブラリ（例えば、動的リンクライブラリ（ＤＬＬ））などのライブラリ内のように多くの異なる態様で実装され得る。ＤＬＬは、例えば、回路によって実行される時に前述のまたは図面に図示された処理のいずれかを実行する指令を記憶し得る。
【０１００】
また、本明細書で説明された様々な制御部は、処理回路、マイクロプロセッサまたはプロセッサ、及び、コンピュータ可読媒体、の形態を取り得る。当該コンピュータ可読媒体は、例えば、（マイクロ）プロセッサ、論理ゲート、スイッチ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックコントローラ、及び、組み込みマイクロコントローラ、によって実行可能なコンピュータ可読プログラムコード（例えばファームウェア）を記憶する。制御部は、以上に説明されフロー図に示された様々な機能を実行するために、ハードウェア及び／またはファームウェアと共に構成され得る。また、また、制御部の内部にあると示されているコンポーネントの幾つかは、制御部の外部にも記憶され得るし、他のコンポーネントが使用されてもよい。
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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