【手続補正書】
【提出日】平成30年3月8日(2018.3.8)
【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】
遠隔操作制御方法であって、当該遠隔操作制御方法は、
マニピュレータアームの先端エンドエフェクタを作業空間内の所望の第１位置に移動させる第１の操作コマンドを受信するステップであって、前記マニピュレータアームは、基端ベースと前記先端エンドエフェクタとの間に延びる、受信するステップと、
前記マニピュレータアームの逆運動学を用いて、前記マニピュレータアームの複数の関節の計算された運動に対応するマスターコントロールの１つ又は複数の関節の関節運動を計算するステップと、
前記複数の関節のうちの少なくとも１つの関節が、該少なくとも１つの関節の関節可動域（ROM）の制限にあるときに、前記少なくとも１つの関節をロックするステップであって、該少なくとも１つの関節をロックするステップは、逆運動学内の入力変数を変更するステップを含み、前記入力変数は前記作業空間内の前記少なくとも１つの関節の運動に対応し、それによって前記マスターコントロールの前記１つ又は複数の関節の前記計算された関節運動が、改良された力フィードバックを提供する、ロックするステップと、を含む、
遠隔操作制御方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの関節がロックされたときに、前記逆運動学内の前記複数の関節のうちの１つ又は複数の非ロック関節に関連した関節運動を重み付けして、前記１つ又は複数の非ロック関節の所望の関節の運動を提供する、請求項１に記載の遠隔操作制御方法。
【請求項３】
前記複数の関節のうちの１つ又は複数の非ロック関節に関連した前記関節運動を重み付けするステップは、前記少なくとも１つの関節がロックされたときに、異なるタイプの関節運動の間に急激なシフトを回避するように、前記１つ又は複数の非ロック関節によって提供される異なるタイプの関節運動間の重み付けするステップを含む、請求項２に記載の遠隔操作制御方法。
【請求項４】
前記マニピュレータアームの前記先端エンドエフェクタを前記作業空間内の所望の第２位置に移動させる第２の操作コマンドを受信するステップと、
前記マニピュレータアームの前記逆運動学を用いて、前記先端エンドエフェクタの所望の第２位置を提供する、前記複数の関節の第２の関節運動を計算するステップと、
前記少なくとも１つの関節によって提供される前記運動が、前記関節可動域の制限から離れる方向に又は前記所望の第２の位置に向けて移動させたときに、前記少なくとも１つの関節のロック解除するステップであって、計算された第２の関節運動は前記少なくとも１つの関節の運動を含む、ロック解除するステップと、をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠隔操作制御方法。
【請求項５】
遠隔操作手術システムであって、当該遠隔操作手術システムは、
基端ベースに結合され、先端エンドエフェクタを有するマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームは前記基端ベースに対して先端エンドエフェクタをロボット操作で移動させるように構成され、該マニピュレータアームは、前記先端エンドエフェクタと前記基端ベースとの間に複数の関節を有しており、該複数の関節は、所定のエンドエフェクタ位置の所定範囲の関節状態を可能にする十分な自由度を有する、マニピュレータアームと、
プロセッサと、を有しており、
該プロセッサは、
前記マニピュレータアームの逆運動学を用いて、前記先端エンドエフェクタの所望の第１位置を提供する、前記複数の関節の第１の関節運動を計算し、
前記複数の関節のうちの少なくとも１つの関節が、該少なくとも１つの関節の関節可動域（ROM）の制限にあるときに、前記少なくとも１つの関節をロックすることであって、前記少なくとも１つの関節をロックすることは、前記逆運動学内の入力変数を変更することを含み、該入力変数は、作業空間内の前記少なくとも１つの関節の運動に対応する、ロックすることを含む、
遠隔操作手術システム。
【請求項６】
前記プロセッサは、前記マニピュレータアームのヤコビアンを使用して関節運動を計算するようにさらに構成され、及び前記逆運動学内の前記入力変数を変更することは、前記作業空間内の前記少なくとも１つの関節の運動に対応する前記ヤコビアンの列をゼロにする又は削除することを含む、請求項５に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記少なくとも１つの関節がロックされたときに、前記逆運動学内の前記複数の関節のうちの１つ又は複数の非ロック関節に関連した関節運動を重み付けして、前記１つ又は複数の非ロック関節の所望の関節の運動を提供するようにさらに構成される、請求項５又は６に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項８】
前記プロセッサは、前記少なくとも１つの関節がロックされたときに、異なるタイプの関節運動の間に急激なシフトを回避するように、前記１つ又は複数の非ロック関節によって提供される異なるタイプの関節運動間の重み付けすることにより、前記複数の関節のうちの１つ又は複数の非ロック関節に関連した前記関節運動を重み付けするように構成される、請求項７に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項９】
前記異なるタイプの関節運動は、並進及び回転を含む、請求項８に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項１０】
前記プロセッサは、
前記マニピュレータアームの前記先端エンドエフェクタを前記作業空間内の所望の第２位置に移動させる第２の操作コマンドを受信し、
前記少なくとも１つの関節だけによって提供される位置の変化が、前記所望の第２の位置に向いたものであるという判定に応答して、前記少なくとも１つの関節をロック解除する、ようにさらに構成される、請求項５乃至９のいずれか一項に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項１１】
前記プロセッサは、
ヤコビアンの残りのゼロ空間を計算することと、
前記少なくとも１つの関節だけによって提供される位置の変化及び所望の第２位置に達することに関連した位置の変化を前記残りのゼロ空間上に投影することと、
前記投影が前記ヤコビアンの前記残りのゼロ空間に重なるかどうかを判定することと、により、
前記少なくとも１つの関節の運動だけによって提供される位置の変化が、所望の第２位置に向いていることを判定するようにさらに構成される、請求項１０に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項１２】
遠隔操作制御方法であって、当該遠隔操作制御方法は、
マニピュレータアームの先端エンドエフェクタを作業空間内の所望の位置に移動させる操作コマンドを受信するステップであって、前記マニピュレータアームは、基端ベースと前記先端エンドエフェクタとの間に延びており、且つ所定状態の先端エンドエフェクタの所定範囲の関節状態を可能にするために、十分な自由度を有する複数の関節を含む、受信するステップと、
前記マニピュレータアームの逆運動学を用いて、前記マニピュレータアームの前記複数の関節の計算された関節運動に対応するマスターコントロールの１つ又は複数の関節の関節運動を計算するステップと、
第１セットの関節の関節運動と第２セットの関節の関節運動との間の関係に基づいて、制約を決定するステップであって、第１セットの関節及び第２セットの関節はそれぞれ１つ又は複数の関節を含む、決定するステップと、
第１セットの関節が関節可動域（ROM）の制限にあるときに、前記マスターコントロールの前記１つ又は複数の関節の前記関節運動が改良された力フィードバックを提供するように、前記制約を前記逆運動学に適用するステップと、を含む、
遠隔操作制御方法。
【請求項１３】
前記制約を適用するステップは、ヤコビアンにスケーリング及び／又は重み付けの少なくとも一方を与えるステップをさらに含み、
前記複数の関節は、第１セットの関節が前記関節可動域の制限に達したときに、その上に加えられた負荷を有する運動学的連鎖を含み、
前記制約、前記スケーリング及び前記重み付けの少なくとも一方は、前記逆運動学に適用された場合に、１つ又は複数の関節の前記計算された関節運動が、前記制約、前記スケーリング及び前記重み付けの少なくとも一方の適用無しの逆運動学により計算された関節運動よりも、加えられた負荷を有する前記運動学的連鎖の単独の物理的モデルの決定された関節運動により近くなる、ようにされる、請求項１２に記載の遠隔操作制御方法。
【請求項１４】
前記制約は、
第２の運動エネルギーと実質的に同じである第１の運動エネルギーを含み、第１の運動エネルギーは、第１セットの関節が前記関節可動域の制限に達したときに、第１セットの関節及び第２セットの関節から構成され、第２の運動エネルギーは、第１セットの関節が前記関節可動域の制限に留まるときに、前記計算された関節運動内の第１セットの関節及び第２セットの関節から構成される、又は、
マニピュレータのマスターとスレーブとの間の仮想ばねのモデルを含む、又は
制約面を含む、
請求項１２又は１３に記載の遠隔操作制御方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの関節が、該少なくとも１つの関節の関節可動域（ROM）の制限にあるときに、前記複数の関節のうちの少なくとも１つの関節をロックするステップをさらに含み、該少なくとも１つの関節をロックするステップは、前記作業空間内の前記少なくとも１つの関節の運動に対応する前記逆運動学内の入力変数を変更するステップを含む、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の遠隔操作制御方法。
【請求項１６】
遠隔操作手術システムであって、当該遠隔操作手術システムは、
基端ベースに結合され、先端エンドエフェクタを有しており、前記基端ベースに対して先端エンドエフェクタをロボット操作で移動させるように構成されたマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームは、前記先端エンドエフェクタと前記基端ベースとの間に複数の関節を有しており、該複数の関節は、所定のエンドエフェクタ位置の所定範囲の関節状態を可能にするのに十分な自由度を有する、マニピュレータアームと、
プロセッサと、を有しており、
該プロセッサは、
前記マニピュレータアームの逆運動学を用いて、前記先端エンドエフェクタの所望の位置を提供する、前記複数の関節の関節運動を計算し、
第１セットの関節の関節運動と第２セットの関節の関節運動との間の関係に基づいて、制約を決定し
第１セットの関節が関節可動域（ROM）の制限にあるときに、前記制約を前記逆運動学に適用する、ように構成される、
遠隔操作手術システム。
【請求項１７】
前記プロセッサは、第１セットの関節が関節可動域の制限にあるときに、第１セットの関節をロックするようにさらに構成され、
第１セットの関節をロックすることは、作業空間内の第１セットの関節の運動に対応する前記逆運動学内の入力変数を変更することを含む、請求項１６に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項１８】
前記関係は、第１セットの関節及び第２セットの関節の並進関節運動及び回転関節運動に基づくものであり、
前記関係は、第１セットの関節が前記関節可動域の制限に達したときの第１セットの関節及び第２セットの関節上の静的負荷の関係に基づいている、請求項１６又は１７に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項１９】
前記プロセッサは、スケーリング及び／又は重み付けの少なくとも一方をヤコビアンに与えることによって、前記制約を適用するように構成される、請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項２０】
前記複数の関節は、第１セットの関節が前記関節可動域の制限に達したときに、その上に加えられた負荷を有する運動学的連鎖を含み、
前記制約、スケーリング及び前記重み付けの少なくとも一方は、前記逆運動学に適用された場合に、前記複数の関節の前記計算された関節運動が、前記制約、前記スケーリング及び前記重み付けの少なくとも一方適用無しの逆運動学により計算された関節運動よりも、加えられた負荷を有する前記運動学的連鎖の単独の物理的モデルの決定された関節運動により近づく、ようにされる、請求項１９に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項２１】
前記制約は、前記マニピュレータアームのマスターとスレーブとの間の仮想ばねのモデルを含む、請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項２２】
前記プロセッサは、ヤコビアンの最小和二乗エラー（SSE）を計算すること、及び前記マニピュレータアームのマスターとスレーブとの間にスケールファクタを適用することにより、前記制約を決定するように構成される、請求項１６乃至２１のいずれか一項に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項２３】
前記制約は、
第２の運動エネルギーと実質的に同じである第１の運動エネルギーを含み、第１の運動エネルギーは、第１セットの関節が前記関節可動域の制限に達したときに、第１セットの関節及び第２セットの関節から構成され、第２の運動エネルギーは、第１セットの関節が前記関節可動域の制限に留まるときに、前記計算された関節運動内の第１セットの関節及び第２セットの関節から構成される、又は、
制約面を含む、
請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項２４】
前記プロセッサは、
第１セットの関節が前記関節可動域の制限にあるときに、１つ又は複数の関節の前記制約面に沿った運動に抵抗するように、合成摩擦力を前記制約面に加える、又は、
第１セットの関節が前記関節可動域の制限にあるときに、１つ又は複数の関節の前記制約面に沿った剛性を変更する、ようにさらに構成される、請求項２３に記載の遠隔操作手術システム。
【請求項２５】
前記プロセッサは、
前記複数の関節のうちの少なくとも１つの関節が、該少なくとも１つの関節の関節可動域（ROM）の制限にあるときに、前記少なくとも１つの関節をロックするようにさらに構成され、該少なくとも１つの関節をロックすることは、前記少なくとも１つの関節の運動に対応する前記逆運動学内の入力変数を変更することを含む、請求項１６乃至２４のいずれか一項に記載の遠隔操作手術システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
本発明の実施形態による例示的な方法は、エンドエフェクタの所望の状態を実現するために、マニピュレータのヤコビアンを計算して、マニピュレータの計算された関節運動を決定するステップと、マニピュレータの関節がそれぞれの関節可動域の制限に又はその近くにある場合に、マニピュレータの関節の運動に関するヤコビアン内の入力変数を変更するステップとを含む。ヤコビアンの入力変数は、それぞれの入力変数（例えば、作業空間内のロックされた関節の運動に関連したヤコビアンの列）をゼロにすること、又はその入力変数を完全に削除することによって変更することができる。後者の削除する手法は、システムが、逆運動学又は少なくともヤコビアン行列を利用して、ロックされた関節によって提供される可動域を利用できるゼロ空間の運動等の様々な他の運動を生じさせるときに適用することが有用となり得る。一態様では、本方法は、それぞれの関節が、関節の飽和状態に応答して又は、関節同士の間の状態又は相対的な状態に関連する出力変数から決定し得る、その関連する関節制限にあると判定された場合に、特定の関節をロックする。特定の実施形態では、特定の関節がロックされた後に、システムは、所望のツールチップ位置を達成することに応じた関節の後続の運動によって、それぞれの関節をそれぞれの関節制限から離れる方向に動かすという決定に応答して、関節のロック解除を行う、なお、その関節は、所望のツールチップ位置を実現するために逆運動学に含められる。これは、変更された入力変数を含まない逆演算を並行して実行することによって決定してもよく、又はロックされた関節によって提供されるツールチップの投影の変化と、変更された入力を有するヤコビアンの残りのゼロ空間上の目標に関連したツールの位置の変化のとの間の重なりを決定すること、且つその投影が残りのゼロ空間に重複することを決定すること、によって決定することができる。入力をゼロにする又は変数を完全に削除することにより入力変数が変更される、修正されたヤコビアンを利用するこの手法は、逆運動学を用いて計算した後に、関節運動を変更する手法とは根本的に異なるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
一態様では、「ロック」された関節は、関節の運動が目標に向かうツールチップの位置の変化を与えるときに、ロック解除される。この機能を実現するための１つの手法が、図１６に示されている。ヤコビアンの列空間が、到達可能な距離ｄｘを表す一方、ヤコビアンの残りのゼロ空間（left-nullspace）が、到達不可能である距離ｄｘを表す。関節がロックされたときに、ロックされた関節に関連した距離ｄｘには、もはやアクセスできない。ロックされた関節からの距離ｄｘをヤコビアンの残りのゼロ空間に投影することにより、ロックされた関節の運動が、他に到達不可能なままであるツールチップの位置の変化を与えることができるかどうかを判定することができる。しかしながら、これは、ツールチップの所望の目標位置を達成する位置の変化、すなわち距離ｄｘがこの到達不可能な距離ｄｘ内にある場合にのみ、関連する可能性がある。従って、ロックされた関節からのｄｘ及び所望の目標ｄｘの各々を残りのゼロ空間に投影することによって、ロックされた関節が、ツールチップを所望の目標位置に向けて移動させるための関節位置の変化を与えることができるかどうかを判定することができる。各投影光線が残りのゼロ空間上の成分を有している場合に、次に、ロックされた関節に関連するｄｘが、目標ｄｘに向けた動きを与えることができる。この判定に応答して、システムは、ロックされた関節をロック解除する。複数の関節がロックされるときに、この基準を満たす選択された関節のみがロックが解除されるように、各ロックされた関節に対して、この手法を利用することができる。この手法によって、デカルト座標で最小ＳＳＥに達する。この手法は、以下の式によって実証され、Ｕは、以下の式のように、残りのゼロ空間上に投影するために直交基底である。
ＪＶ＝ＵＳＶＴＶ＝ＵＳ