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JP7679467B2 - Limiting grip force and maintaining minimum jaw opening force in position control mode, and controlling grip force when transitioning between position control mode and force mode - Google Patents

Limiting grip force and maintaining minimum jaw opening force in position control mode, and controlling grip force when transitioning between position control mode and force mode Download PDF

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JP7679467B2 JP2023519672A JP2023519672A JP7679467B2 JP 7679467 B2 JP7679467 B2 JP 7679467B2 JP 2023519672 A JP2023519672 A JP 2023519672A JP 2023519672 A JP2023519672 A JP 2023519672A JP 7679467 B2 JP7679467 B2 JP 7679467B2
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Description

主題技術は、概して、ロボット及び外科手術用システムに関し、より具体的には、ロボット支援外科手術用システムの手首ジョーなどの外科手術用ツールのグリップ力又は開放力を制御することに関する。 The subject technology relates generally to robots and surgical systems, and more specifically to controlling the gripping or releasing force of a surgical tool, such as a wrist jaw, in a robotic-assisted surgical system.

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低減することを意図した技術を使用する。腹腔鏡処置は、典型的には、患者、例えば、腹部に多数の小さな切開を作成することを必要とし、次いで、この切開を通して、内視鏡、メス、把持具、及び針などのいくつかの外科手術用ツールが、患者に挿入される。ガスが腹部に注入されて腹部に通気し、それによってツールの先端の周りにより多くの空間を提供し、外科医が手術部位における組織を(内視鏡を介して)見て操作することをより容易にする。MISはまた、ロボットシステムを使用して行われ得、このロボットシステムでは、外科手術用ツールがロボットアームの遠位端に動作可能に取り付けられ、制御システムがアーム及びその取り付けられたツールを作動させて、後者が外科医によってその手で操作されているときに、その後者がユーザー入力装置(UID)の動き及びツール固有のコマンドを模倣するようにする。 Minimally invasive surgery (MIS), such as laparoscopic surgery, uses techniques intended to reduce tissue damage during surgery. Laparoscopic procedures typically require making multiple small incisions in a patient, e.g., the abdomen, through which several surgical tools, such as an endoscope, scalpels, graspers, and needles, are then inserted into the patient. Gas is insufflated into the abdomen to insufflate it, thereby providing more space around the tips of the tools, making it easier for the surgeon to see (through the endoscope) and manipulate the tissue at the surgical site. MIS can also be performed using a robotic system in which the surgical tools are operatively attached to the distal end of a robotic arm, and a control system actuates the arm and its attached tool such that the latter mimics the movements of a user input device (UID) and tool-specific commands as the latter is being manipulated by the surgeon's hand.

外科手術用ツールは、一対の対向するジョーを支持するロボット手首を含んでもよい。手首及びジョーは、遠隔操作者からのコマンドによって制御されるように、複数の自由度で動いて、把持、切断、縫合、及び他の外科手術用タスクを行ってもよい。例えば、ロボットアームのツール駆動部内のアクチュエータは、手首ジョーの多軸運動(例えば、ピッチ及びヨー)を駆動して、ジョーを枢動、開放、閉鎖するか、又は手首を任意の角度位置に動かしながらジョー間のグリップ力若しくは開放力を制御してもよい。ジョーは、患者の組織を把持すること、切断器具を保持したりすることなどを行ってもよい。ジョーを開閉するときのグリップ力又は開放力の正確な制御は、組織への損傷を防止するために、又は器具による正確な切断を確実にするために重要である。加えて、ジョーは、一対のジョー間の角度が所望のジョー角度に命令される位置モードと、ジョーが所望のグリップ力を加えるように命令される力モードとで動作してもよい。位置モードと力モードとの間の滑らかな遷移は、把持されている任意の物体の偶発的な落下を引き起こし得るグリップ力の望ましくない突然の変化を最小限に抑える。 The surgical tool may include a robotic wrist supporting a pair of opposing jaws. The wrist and jaws may move in multiple degrees of freedom to grasp, cut, suture, and perform other surgical tasks as controlled by commands from a remote operator. For example, actuators in a tool drive of the robotic arm may drive multi-axis motion (e.g., pitch and yaw) of the wrist jaws to pivot, open, close, or control the gripping or opening force between the jaws while moving the wrist to any angular position. The jaws may grasp tissue of a patient, hold a cutting instrument, and the like. Precise control of the gripping or opening force when opening and closing the jaws is important to prevent damage to tissue or to ensure accurate cutting by the instrument. In addition, the jaws may operate in a position mode in which the angle between the pair of jaws is commanded to a desired jaw angle, and a force mode in which the jaws are commanded to apply a desired gripping force. A smooth transition between the position mode and the force mode minimizes undesirable sudden changes in gripping force that may cause accidental dropping of any object being grasped.

グリップ力を生成するように命令される前に、ジョーが所望のジョー角度に命令される位置制御モードにおいて動作している間に、ロボット手首ジョーを閉じることによって生成されるグリップ力を制限するためのシステム及び方法が開示される。位置制御モード、又は単に位置モードにおいては、所望のジョー角度は、両方のジョーがジョー間の物体とちょうど同時に接触する角度、又は把持する物体がない場合、ジョーが互いに接触し始める角度に対応する閾値より高い。所望のジョーが閾値より低いときに、手首ジョーは、力制御モード、又は単に力モードにおいて動作しており、所望のジョー角度は、所望のグリップ力に変換される。開示されるシステム及び方法は、ジョーによって把持され得る組織への損傷を防止するために、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるときに、グリップ力の最大量を制限する。グリップ力は、推定又は測定されてもよい。フィードバックループは、所望のジョー角度及び測定グリップ力を分析して、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるかどうか、及び測定グリップ力が予め指定された最大グリップ力閾値を超えているかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバックループは、測定グリップ力を予め指定された最大グリップ力閾値に制限するようにグリップ力誤差を計算してもよい。 Systems and methods are disclosed for limiting the grip force generated by closing the robot wrist jaws while operating in a position control mode where the jaws are commanded to a desired jaw angle before being commanded to generate a grip force. In the position control mode, or simply the position mode, the desired jaw angle is higher than a threshold corresponding to the angle at which both jaws contact an object between the jaws just simultaneously, or the angle at which the jaws begin to contact each other if there is no object to grasp. When the desired jaws are lower than the threshold, the wrist jaws are operating in a force control mode, or simply the force mode, and the desired jaw angle is translated into a desired grip force. The disclosed systems and methods limit the maximum amount of grip force when the jaws are in the middle of closing in the position mode to prevent damage to tissue that may be grasped by the jaws. The grip force may be estimated or measured. A feedback loop may analyze the desired jaw angle and the measured grip force to determine if the jaws are in the middle of closing in the position mode and if the measured grip force exceeds a pre-specified maximum grip force threshold. If so, the feedback loop may calculate a grip force error to limit the measured grip force to the pre-specified maximum grip force threshold.

別の態様では、位置モードにおいて動作しているときに手首ジョーによる最小ジョー開放力を達成するためのシステム及び方法が開示される。ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にある間に最小ジョー開放力を維持することは、ジョーが所望のジョー角度まで開くことを防止し得る抵抗をジョーが克服するのを助ける。ジョー開放力を表す開放力及びジョー角度は、測定又は推定されてもよい。フィードバックループは、所望のジョー角度、推定ジョー角度、及び測定ジョー開放力を分析して、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にあるかどうか、及び測定ジョー開放力が予め指定された最小開放力閾値より低いかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバックループは、ジョー開放力を予め指定された最小開放力閾値より高く維持するためにジョー開放力誤差を計算してもよい。 In another aspect, a system and method are disclosed for achieving a minimum jaw opening force by the wrist jaws when operating in positional mode. Maintaining a minimum jaw opening force while the jaws are in the middle of opening in positional mode helps the jaws overcome resistance that may prevent the jaws from opening to a desired jaw angle. The opening force and jaw angle representing the jaw opening force may be measured or estimated. A feedback loop may analyze the desired jaw angle, the estimated jaw angle, and the measured jaw opening force to determine if the jaws are in the middle of opening in positional mode and if the measured jaw opening force is lower than a pre-specified minimum opening force threshold. If so, the feedback loop may calculate a jaw opening force error to maintain the jaw opening force above a pre-specified minimum opening force threshold.

別の態様では、手首ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移するときにグリップ力の滑らかな遷移を達成するためのシステム及び方法が開示される。位置モードから力モードへの、及びその逆の滑らかな遷移は、ジョーが2つのモード間の不連続点を横断するときに、手首ジョーが把持されている物体を偶発的に落下させ得るグリップ力の望ましくない突然の変化を最小限にする。一実施形態では、位置モードから力モードに遷移するために、デバウンシング戦略を使用して、手首ジョーが力モードに遷移する前の予め指定された最小持続時間にわたって、所望のジョー角度が位置モードと力モードとの間の閾値よりも小さいことを確実にしてもよい。 In another aspect, systems and methods are disclosed for achieving a smooth transition in grip force when the wrist jaws transition between position mode and force mode. A smooth transition from position mode to force mode and vice versa minimizes undesirable abrupt changes in grip force that may cause the wrist jaws to accidentally drop a grasped object as the jaws traverse the discontinuity between the two modes. In one embodiment, to transition from position mode to force mode, a debouncing strategy may be used to ensure that the desired jaw angle is less than a threshold between position mode and force mode for a pre-specified minimum duration before the wrist jaws transition to force mode.

一実施形態では、システム及び方法は、所望のジョー角度から所望のグリップ力を決定してもよく、グリップ力を測定又は推定してもよい。フィードバックループは、所望のジョー角度、所望のグリップ力、及び測定グリップ力を分析して、ジョーが位置モードから力モードに遷移しているかどうか、測定グリップ力と所望のグリップ力との間の誤差が予め指定された最大力誤差よりも大きいかどうか、及び所望のグリップ力が増加しているかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバックループは、ジョーが位置モードから力モードに遷移するときに、現在の測定グリップ力から予め指定されたマージンを引いたものとして所望のグリップ力を設定してもよい。 In one embodiment, the system and method may determine the desired grip force from the desired jaw angle and may measure or estimate the grip force. A feedback loop may analyze the desired jaw angle, the desired grip force, and the measured grip force to determine if the jaws are transitioning from position mode to force mode, if the error between the measured grip force and the desired grip force is greater than a pre-specified maximum force error, and if the desired grip force is increasing. If so, the feedback loop may set the desired grip force as the current measured grip force minus a pre-specified margin when the jaws transition from position mode to force mode.

一実施形態では、フィードバックループは、所望のジョー角度、所望のジョー角度から決定される所望のグリップ力、及び測定グリップ力を分析して、ジョーが力モードから位置モードに遷移しているかどうか、所望のグリップ力が最小グリップ力値よりも小さいかどうか、所望のグリップ力が減少しているかどうか、及び測定グリップ力と最小グリップ力との間の誤差の絶対値が予め指定された最大力誤差よりも小さいかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバックループは、ジョーが力モードから位置モードに遷移するときに、所望のグリップ力を最小グリップ力値に設定してもよい。 In one embodiment, the feedback loop may analyze the desired jaw angle, the desired grip force determined from the desired jaw angle, and the measured grip force to determine whether the jaws are transitioning from a force mode to a position mode, whether the desired grip force is less than a minimum grip force value, whether the desired grip force is decreasing, and whether the absolute value of the error between the measured grip force and the minimum grip force is less than a pre-specified maximum force error. If so, the feedback loop may set the desired grip force to the minimum grip force value when the jaws transition from a force mode to a position mode.

グリッパツールのジョーによって生成されるジョーグリップ力を制御するための方法が開示される。本方法は、ジョー間の所望のジョー角度に基づいて、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるかどうかを決定することを含んでもよい。位置モードは、位置コマンドを適用して、ジョーを所望のジョー角度で所望の位置に駆動することによって特徴付けられる。本方法はまた、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある場合、測定グリップ力が最大グリップ力閾値を超えているかどうかを決定することを含む。本方法は、測定グリップ力が最大グリップ力閾値を超える場合、測定グリップ力を最大グリップ力閾値に制限するように位置コマンドと組み合わされるグリップ力誤差を生成することを更に含む。 A method for controlling a jaw gripping force generated by jaws of a gripper tool is disclosed. The method may include determining whether the jaws are in the middle of closing in a position mode based on a desired jaw angle between the jaws. The position mode is characterized by applying position commands to drive the jaws to a desired position at the desired jaw angle. The method also includes determining whether the measured grip force exceeds a maximum grip force threshold if the jaws are in the middle of closing in the position mode. If the measured grip force exceeds the maximum grip force threshold, the method further includes generating a grip force error that is combined with the position command to limit the measured grip force to the maximum grip force threshold.

グリッパツールのジョーによって生成されるジョー開放力を制御するための別の方法が開示される。本方法は、ジョー間の所望のジョー角度に基づいて、ジョーが位置モードにあるかどうかを決定することを含んでもよい。位置モードは、位置コマンドを適用して、ジョーを所望のジョー角度で所望の位置に駆動することによって特徴付けられる。本方法はまた、ジョーが位置モードにある場合、所望のジョー角度と測定ジョー角度との間のジョー角度誤差が誤差閾値よりも大きいかどうかを決定することを含む。本方法は、ジョー角度誤差が誤差閾値よりも大きい場合、測定開放力が最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定することを更に含む。本方法は、測定開放力が最小開放力閾値よりも小さい場合、測定開放力が最小開放力閾値より高く維持するように、位置コマンドと組み合わされる開放力誤差を生成することを更に含む。 Another method for controlling a jaw opening force generated by jaws of a gripper tool is disclosed. The method may include determining whether the jaws are in a position mode based on a desired jaw angle between the jaws. The position mode is characterized by applying a position command to drive the jaws to a desired position at a desired jaw angle. The method also includes determining whether a jaw angle error between the desired jaw angle and the measured jaw angle is greater than an error threshold if the jaws are in the position mode. The method further includes determining whether the measured opening force is less than a minimum opening force threshold if the jaw angle error is greater than the error threshold. The method further includes generating an opening force error that is combined with the position command to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold if the measured opening force is less than the minimum opening force threshold.

グリッパツールのジョーによって生成されるグリップ力を制御するための更に別の方法が開示される。本方法は、ジョー間の所望のジョー角度の変化に基づいて、ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移していると決定することを含んでもよい。位置モード中に、ジョーは、所望のジョー角度であり得る命令ジョー角度で駆動される。力モード中に、ジョーは、負の値を有する所望のジョー角度に基づいて決定される命令グリップ力で駆動される。本方法はまた、命令グリップ力及び測定グリップ力に基づいて、位置モードと力モードとの間の遷移中に命令グリップ力を調整するかどうかを決定することを含む。そうである場合、本方法は、遷移中に所望のジョー角度に基づいて別様に決定される測定グリップ力の変化を低減するように、命令グリップ力を調整することを更に含む。 Yet another method for controlling a gripping force generated by the jaws of a gripper tool is disclosed. The method may include determining that the jaws are transitioning between a position mode and a force mode based on a change in a desired jaw angle between the jaws. During the position mode, the jaws are driven at a commanded jaw angle, which may be the desired jaw angle. During the force mode, the jaws are driven at a commanded gripping force determined based on the desired jaw angle having a negative value. The method also includes determining whether to adjust the commanded gripping force during the transition between the position mode and the force mode based on the commanded gripping force and the measured gripping force. If so, the method further includes adjusting the commanded gripping force to reduce a change in the measured gripping force otherwise determined based on the desired jaw angle during the transition.

添付の図面は、本発明のより良い理解のために、主題技術の様々な態様及び実施形態の以下の説明とともに提供される。図面及び実施形態は、本発明の例示であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。当業者は、図面を修正して、本発明の範囲内に依然として含まれる他の実施形態の図面を生成し得ることが理解される。
主題技術の態様による、手術室内の例示的な外科手術用ロボットシステム1の描写図である。 主題技術の態様による、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例示する概略図である。 それぞれ、主題技術の態様による、ツールが装填された例示的なツール駆動部及びツールが装填されていない例示的なツール駆動部を例示する概略図である。 それぞれ、主題技術の態様による、ツールが装填された例示的なツール駆動部及びツールが装填されていない例示的なツール駆動部を例示する概略図である。 主題技術の態様による、ロボット手首と、一対の対向するジョーと、ロボット手首及び一対のジョー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と、を有する例示的な把持具のエンドエフェクタを例示する概略図である。 主題技術の態様による、ロボット手首と、一対の対向するジョーと、ロボット手首及び一対のジョー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と、を有する例示的な把持具のエンドエフェクタを例示する概略図である。 主題技術の態様による、ロボット外科手術用ツールのエンドエフェクタの位置及びグリップ力を制御するための例示的な制御システムのブロック図である。 ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある間に測定グリップ力が制限されないときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、及び測定グリップ力を示す時間プロットである。 主題技術の態様による、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある間、制御システムが測定グリップ力を予め指定された最大閾値に制限するときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、及び測定グリップ力を示す時間プロットである。 主題技術の態様による、所望のジョー角度及び測定グリップ力を分析することによって、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある間、手首ジョーのグリップ力を予め指定された最大閾値に制限するための外科手術用ロボットシステムのフィードバック制御のための方法を例示するフローチャートである。 ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にある間に、測定開放力が最小レベルより高く維持されないときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、及び測定開放力を示す時間プロットである。 主題技術の態様による、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にある間、制御システムが測定開放力を予め指定された最小開放力閾値より高く維持するときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、及び測定開放力を示す時間プロットである。 主題技術の態様による、所望のジョー角度、推定ジョー角度、及び測定開放力を分析することによって、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にある間、手首ジョーの開放力を予め指定された最小開放力閾値より高く維持するための外科手術用ロボットシステムのフィードバック制御のための方法を例示するフローチャートである。 主題技術の態様による、エンドエフェクタが位置モード若しくは力モードにあるとき、又はエンドエフェクタが位置モードと力モードとの間で遷移するときに、ロボット外科手術用ツールのエンドエフェクタの位置及びグリップ力を制御するための例示的な制御システムのブロック図である。 デバウンシングアルゴリズムなしで、ジョー角度が位置モードと力モードとの間で閾値付近に設定されるときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、測定グリップ力、及びグリップ力コントローラの活動を示す時間プロットである。 主題技術の態様による、制御システムがデバウンシングアルゴリズムを用いるときに、ジョー角度を位置モードと力モードとの間で閾値付近に設定するときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、測定グリップ力、及びグリップ力コントローラの活動を示す時間プロットである。 ジョーが位置モードから力モードに遷移し、位置モードに戻るときに、測定グリップ力の変化が制約されないときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、及び測定グリップ力を示す時間プロットである。 主題技術の態様による、ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移する際に、制御システムがグリップ力の変化を制約するときの、手首ジョーの命令ジョー角度、測定ジョー角度、命令グリップ力、及び測定グリップ力を示す時間プロットである。 主題技術の態様による、位置モードと力モードとの間で閾値付近に手首ジョーの所望のジョー角度を設定するときに、デバウンシングアルゴリズムを用いるための、又はジョーが位置モードと力モードとの間で遷移するときに、測定グリップ力の変化を制限するように、命令グリップ力を調整するための、外科手術用ロボットシステムのフィードバック制御のための方法を例示するフローチャートである。 主題技術の態様による、外科手術用ロボットシステムの例示的なハードウェア構成要素を例示するブロック図である。
The accompanying drawings are provided together with the following description of various aspects and embodiments of the subject technology for a better understanding of the present invention. The drawings and embodiments are illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention. It is understood that those skilled in the art may modify the drawings to generate drawings of other embodiments that still fall within the scope of the present invention.
FIG. 1 is a pictorial diagram of an exemplary surgical robotic system 1 in an operating room, in accordance with aspects of the subject technology. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating one exemplary design of a robotic arm, tool drive, and cannula loaded with a robotic surgical tool, in accordance with aspects of the subject technology. 1A-1C are schematic diagrams illustrating an example tool drive with and without a tool loaded, respectively, in accordance with aspects of the subject technology; 1A-1C are schematic diagrams illustrating an example tool drive with and without a tool loaded, respectively, in accordance with aspects of the subject technology; FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an end effector of an exemplary grasper having a robotic wrist, a pair of opposing jaws, and a pulley and cable system for coupling the robotic wrist and the pair of jaws to an actuator of a tool drive, in accordance with aspects of the subject technology. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an end effector of an exemplary grasper having a robotic wrist, a pair of opposing jaws, and a pulley and cable system for coupling the robotic wrist and the pair of jaws to an actuator of a tool drive, in accordance with aspects of the subject technology. FIG. 1 is a block diagram of an exemplary control system for controlling the position and gripping force of an end effector of a robotic surgical tool, in accordance with an aspect of the subject technology. 13 is a time plot showing commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, and measured grip force of the wrist jaws when the measured grip force is not limited while the jaws are in the middle of closing in position mode. 11 is a time plot illustrating commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, and measured grip force of the wrist jaws when a control system limits the measured grip force to a pre-specified maximum threshold while the jaws are in the process of closing in position mode, in accordance with an aspect of the subject technology. FIG. 11 is a flowchart illustrating a method for feedback control of a surgical robotic system for limiting the grip force of the wrist jaws to a pre-specified maximum threshold while the jaws are in the mid-closing motion in position mode by analyzing the desired jaw angle and the measured grip force, in accordance with an aspect of the subject technology. 13 is a time plot showing commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, and measured opening force of the wrist jaws when the measured opening force is not maintained above a minimum level while the jaws are in the middle of opening in position mode. 11 is a time plot illustrating commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, and measured opening force of the wrist jaws as the control system maintains the measured opening force above a pre-specified minimum opening force threshold while the jaws are in the middle of opening in position mode, in accordance with an aspect of the subject technology. FIG. 11 is a flow chart illustrating a method for feedback control of a surgical robotic system to maintain a wrist jaw opening force above a pre-specified minimum opening force threshold while the jaws are in the mid-opening motion in positional mode by analyzing a desired jaw angle, an estimated jaw angle, and a measured opening force, in accordance with an aspect of the subject technology. FIG. 1 is a block diagram of an exemplary control system for controlling the position and grip force of an end effector of a robotic surgical tool when the end effector is in position mode or force mode, or when the end effector transitions between position mode and force mode, in accordance with aspects of the subject technology. 13 is a time plot showing the commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, measured grip force, and grip force controller activity for the wrist jaws when the jaw angle is set near a threshold between position mode and force mode without the debouncing algorithm; 11 is a time plot illustrating the commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, measured grip force, and grip force controller activity for the wrist jaws as the control system sets the jaw angle near a threshold between position mode and force mode when using a debouncing algorithm, in accordance with an aspect of the subject technology. 13 is a time plot showing the commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, and measured grip force of the wrist jaws when the change in measured grip force is unconstrained as the jaws transition from position mode to force mode and back to position mode. 11 is a time plot illustrating commanded jaw angle, measured jaw angle, commanded grip force, and measured grip force of the wrist jaws as a control system constrains the change in grip force as the jaws transition between position mode and force mode, in accordance with an aspect of the subject technology; FIG. 11 is a flow chart illustrating a method for feedback control of a surgical robotic system for using a debouncing algorithm when setting a desired jaw angle of the wrist jaws near a threshold between position and force modes, or for adjusting the commanded grip force to limit changes in the measured grip force when the jaws transition between position and force modes, in accordance with aspects of the subject technology. FIG. 1 is a block diagram illustrating exemplary hardware components of a surgical robotic system, in accordance with aspects of the subject technology.

主題技術の様々な態様及び変形例の例が本明細書に記載され、添付の図面に例示される。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、むしろ、当業者が本発明を作製及び使用することを可能にすることを意図するものである。 Examples of various aspects and variations of the subject technology are described herein and illustrated in the accompanying drawings. The following description is not intended to limit the invention to these embodiments, but rather to enable one of ordinary skill in the art to make and use the invention.

手首ジョーなどの外科手術用ロボットアームのエンドエフェクタのグリップ力又は開放力を制御するためのフィードバック制御システム及び方法が開示される。手首ジョーは、手首ジョーの多軸運動をもたらすために、ケーブルを介してツール駆動部のアクチュエータに結合され得る。フィードバック制御システムは、手首ジョーにピッチ角度、ヨー角度、及びジョー間のジョー角度を命令してもよい。命令ジョー角度が、戻り止めのための閾値とも称される閾値より高いときに、手首ジョーは、手首ジョーを命令された位置及び配向に移動させるための位置モードにおいて動作してもよい。命令ジョー角度は、所望のジョー角度とも称され得る。命令ジョー角度が戻り止めのための閾値より低いときに、手首ジョーは、位置モードにおける位置及び配向から力モードにおいて動作してもよく、所望のグリップ力が、命令ジョー角度に基づいてグリップ力コントローラによって生成される。一実施形態では、フィードバック制御システムは、所望のジョー角度を分析し、実際に適用されるグリップ力を測定又は推定して、測定グリップ力が予め指定された最大グリップ力閾値を超えているかどうかを決定することによって、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるときの最大グリップ力を制限してもよい。そうである場合、フィードバック制御システムは、測定グリップ力が予め指定された最大グリップ力閾値に制限されるようにグリップ力誤差を計算して、グリップ力を調整してもよい。 A feedback control system and method are disclosed for controlling the gripping or opening force of an end effector of a surgical robotic arm, such as a wrist jaw. The wrist jaw may be coupled to an actuator of a tool drive via a cable to effect multi-axis movement of the wrist jaw. The feedback control system may command a pitch angle, a yaw angle, and a jaw angle between the jaws to the wrist jaw. When the commanded jaw angle is higher than a threshold, also referred to as a threshold for detents, the wrist jaw may operate in a position mode to move the wrist jaw to a commanded position and orientation. The commanded jaw angle may also be referred to as a desired jaw angle. When the commanded jaw angle is lower than a threshold for detents, the wrist jaw may operate in a force mode from a position and orientation in the position mode, and a desired grip force is generated by a grip force controller based on the commanded jaw angle. In one embodiment, the feedback control system may limit the maximum grip force when the jaws are in the process of closing in the position mode by analyzing the desired jaw angle, measuring or estimating the actual applied grip force, and determining if the measured grip force exceeds a pre-specified maximum grip force threshold. If so, the feedback control system may calculate the grip force error and adjust the grip force such that the measured grip force is limited to a pre-specified maximum grip force threshold.

一実施形態では、フィードバック制御システムは、ジョーが位置モードで開いている動作途中にあるときに、最小ジョー開放力を維持してもよい。フィードバック制御システムは、実際に適用されるジョー角度を測定又は推定してもよい。フィードバック制御システムはまた、実際に適用されるジョーのグリップ力又は開放力を測定又は推定してもよい。フィードバック制御システムは、所望のジョー角度、測定ジョー角度、及び測定ジョー開放力を分析することによって、ジョーが位置モードにあるかどうか、所望のジョー角度と推定ジョー角度との間の差が閾値よりも大きいかどうか、及び測定ジョー開放力が予め指定された最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバック制御システムは、測定ジョー開放力を予め指定された最小開放力閾値より高く維持するために、開放力誤差を計算して、グリップ力又は開放力を調整してもよい。 In one embodiment, the feedback control system may maintain a minimum jaw opening force when the jaws are in the middle of opening in position mode. The feedback control system may measure or estimate the actual applied jaw angle. The feedback control system may also measure or estimate the actual applied jaw gripping or opening force. The feedback control system may determine if the jaws are in position mode by analyzing the desired jaw angle, the measured jaw angle, and the measured jaw opening force, if the difference between the desired jaw angle and the estimated jaw angle is greater than a threshold, and if the measured jaw opening force is less than a pre-specified minimum opening force threshold. If so, the feedback control system may calculate an opening force error and adjust the gripping or opening force to maintain the measured jaw opening force above the pre-specified minimum opening force threshold.

一実施形態では、フィードバック制御システムは、デバウンシングアルゴリズムを使用して、ジョー角度が戻り止め付近に設定されているときに、手首ジョーが位置モードと力モードとの間で振動するのを防止してもよい。フィードバック制御システムは、所望のジョー角度が、予め指定された持続時間にわたって、戻り止めのための閾値よりも小さいかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバック制御システムは、手首ジョーを位置モードから力モードに切り替えてもよい。一実施形態では、デバウンシングアルゴリズムは、所望のジョー角度が閾値以上になるとすぐに手首ジョーが位置モードに戻るように遷移し得るように、片側であってもよい。 In one embodiment, the feedback control system may use a debouncing algorithm to prevent the wrist jaws from oscillating between position mode and force mode when the jaw angle is set near a detent. The feedback control system may determine if the desired jaw angle is less than a threshold for the detent for a pre-specified duration. If so, the feedback control system may switch the wrist jaws from position mode to force mode. In one embodiment, the debouncing algorithm may be one-sided such that the wrist jaws may transition back to position mode as soon as the desired jaw angle is equal to or greater than the threshold.

一実施形態では、フィードバック制御システムは、位置モードと力モードとの間で遷移するときにグリップ力の望ましくない突然の変化を最小限に抑えてもよい。グリップ力コントローラは、所望のジョー角度から所望のグリップ力のための電流コマンドを計算してもよい。フィードバック制御システムは、実際に適用されるグリップ力を測定又は推定してもよい。フィードバック制御システムは、所望のジョー角度、所望のグリップ力、及び測定グリップ力を分析して、ジョーが位置モードから力モードに遷移しているかどうか、測定グリップ力と所望のグリップ力との間の誤差が予め指定された最大力誤差よりも大きいかどうか、及び所望のグリップ力が増加しているかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバック制御システムは、位置モードから力モードに遷移するときに、測定グリップ力から予め指定されたマージンを引いたものとしてグリップ力を設定してもよい。 In one embodiment, the feedback control system may minimize undesired abrupt changes in grip force when transitioning between position mode and force mode. The grip force controller may calculate a current command for the desired grip force from the desired jaw angle. The feedback control system may measure or estimate the actual applied grip force. The feedback control system may analyze the desired jaw angle, the desired grip force, and the measured grip force to determine whether the jaws are transitioning from position mode to force mode, whether the error between the measured grip force and the desired grip force is greater than a pre-specified maximum force error, and whether the desired grip force is increasing. If so, the feedback control system may set the grip force as the measured grip force minus a pre-specified margin when transitioning from position mode to force mode.

一実施形態では、フィードバック制御システムは、所望のジョー角度、所望のグリップ力、及び測定グリップ力を分析して、ジョーが力モードから位置モードに遷移しているかどうか、所望のグリップ力が予め指定された最小グリップ力値よりも小さいかどうか、所望のグリップ力が減少しているかどうか、及び測定グリップ力と最小グリップ力との間の誤差の絶対値が予め指定された最大力誤差よりも小さいかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバック制御システムは、力モードから位置モードに遷移するときに、グリップ力を予め指定された最小グリップ力値に設定してもよい。一実施形態では、予め指定された最小グリップ力値は3Nに設定されてもよい。 In one embodiment, the feedback control system may analyze the desired jaw angle, the desired grip force, and the measured grip force to determine whether the jaws are transitioning from force mode to position mode, whether the desired grip force is less than a pre-specified minimum grip force value, whether the desired grip force is decreasing, and whether the absolute value of the error between the measured grip force and the minimum grip force is less than a pre-specified maximum force error. If so, the feedback control system may set the grip force to the pre-specified minimum grip force value when transitioning from force mode to position mode. In one embodiment, the pre-specified minimum grip force value may be set to 3 N.

図1は、主題技術の態様による、手術室内の例示的な外科手術用ロボットシステム1の描写図である。ロボットシステム1は、ユーザーコンソール2と、制御タワー3と、外科手術用ロボットプラットフォーム5、例えば、台、ベッドなどにおける1つ又は2つ以上の外科手術用ロボットアーム4と、を含む。アーム4は、図1の例に示すように、患者が載る台又はベッドに取り付けられてもよいし、台又はベッドとは別個のカートに取り付けられてもよい。システム1は、患者6に手術を行うために使用される任意の数の装置、ツール、又はアクセサリを組み込むことができる。例えば、システム1は、手術を行うために使用される1つ又は2つ以上の外科手術用ツール7を含み得る。外科手術用ツール7は、外科手術を実行するために外科手術用アーム4の遠位端に取り付けられたエンドエフェクタであってもよい。 1 is a depiction of an exemplary surgical robotic system 1 in an operating room, in accordance with aspects of the subject technology. The robotic system 1 includes a user console 2, a control tower 3, and one or more surgical robotic arms 4 on a surgical robotic platform 5, e.g., a table, bed, or the like. The arms 4 may be attached to a table or bed on which a patient rests, as shown in the example of FIG. 1, or may be attached to a cart separate from the table or bed. The system 1 may incorporate any number of devices, tools, or accessories used to perform surgery on a patient 6. For example, the system 1 may include one or more surgical tools 7 used to perform surgery. The surgical tools 7 may be end effectors attached to the distal ends of the surgical arms 4 to perform the surgical procedure.

各外科手術用ツール7は、手術中に、手動で、ロボットで、又はその両方で操作されてもよい。例えば、外科手術用ツール7は、患者6の内部解剖学的構造に入る、それを見る、又は操作するために使用されるツールであってもよい。一態様では、外科手術用ツール7は、患者の組織を把持することができる手首ジョーのような把持具である。外科手術用ツール7は、ベッドの傍にいる操作者8によって手動で、その外科用ツールが取り付けられている外科手術用ロボットアーム4の作動された動きを介してロボットで、又はその両方で制御されるように構成されてもよい。ロボットアーム4は、台に取り付けられて示されているが、他の構成では、アーム4は、カート、天井、若しくは側壁、又は別の好適な構造的支持体上に取り付けられてもよい。 Each surgical tool 7 may be manipulated manually, robotically, or both during surgery. For example, surgical tool 7 may be a tool used to enter, view, or manipulate the internal anatomy of patient 6. In one aspect, surgical tool 7 is a grasper such as a wrist jaw that can grasp patient tissue. Surgical tool 7 may be configured to be controlled manually by a bedside operator 8, robotically via actuated movement of a surgical robotic arm 4 to which it is attached, or both. Although robotic arm 4 is shown mounted on a table, in other configurations arm 4 may be mounted on a cart, ceiling, or sidewall, or another suitable structural support.

外科医又は他の人間の操作者などの遠隔操作者9が、ユーザーコンソール2を使用して、アーム4及びそれらの取り付けられた外科手術用ツール7を遠隔操作してもよいが、ここでは、テレオペレーションと称される。ユーザーコンソール2は、図1に示すように、システム1の残りの部分と同じ手術室内に位置してもよい。しかしながら、その他の環境では、ユーザーコンソール2は、隣接する部屋若しくは近くの部屋に位置してもよいし、又は遠隔地、例えば、異なる建物、都市、若しくは国にあってもよい。ユーザーコンソール2は、シート10と、足踏み式制御部13と、1つ又は2つ以上の手持ち式ユーザー入力装置(UID)14と、例えば、患者6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つのユーザーディスプレイ15と、を含み得る。例示的なユーザーコンソール2では、遠隔操作者9は、シート10に座ってユーザーディスプレイ15を見ながら、足踏み式制御部13及び手持ち式UID14を操作して、アーム4及びアーム4の遠位端に取り付けられた外科手術用ツール7を遠隔制御している。 A remote operator 9, such as a surgeon or other human operator, may use the user console 2 to remotely operate the arms 4 and their attached surgical tools 7, referred to herein as teleoperation. The user console 2 may be located in the same operating room as the rest of the system 1, as shown in FIG. 1. In other environments, however, the user console 2 may be located in an adjacent or nearby room, or in a remote location, e.g., a different building, city, or country. The user console 2 may include a seat 10, a foot-operated control 13, one or more handheld user input devices (UIDs) 14, and at least one user display 15, e.g., configured to display a view of a surgical site within the patient 6. In the exemplary user console 2, the remote operator 9 sits in the seat 10 and views the user display 15 while operating the foot-operated control 13 and the handheld UID 14 to remotely control the arms 4 and the surgical tools 7 attached to the distal ends of the arms 4.

いくつかの変形例では、ベッドの傍にいる操作者8は、「ベッド対面」モードにおいてシステム1を操作し得る。このモードにおいては、ベッドの傍にいる操作者8(ユーザー)が、患者6の傍にいて、片手に保持された手持ち式のUID14によるロボット駆動型ツール(アーム4に取り付けられたエンドエフェクタ)及び別の手で手動式腹腔鏡ツールを同時に操作している。例えば、ベッドの傍にいる操作者の左手は、手持ち式UIDを操作して、ロボット駆動型ツールを制御し、一方で、ベッドの傍にいる操作者の右手は、手動式腹腔鏡ツールを操作していてもよい。したがって、システム1の変形例では、ベッドの傍にいる操作者8は、患者6に対してロボット支援型低侵襲手術及び手動腹腔鏡手術の両方を行ってもよい。 In some variations, a bedside operator 8 may operate system 1 in a "bed-facing" mode. In this mode, the bedside operator 8 (user) is present near the patient 6 and simultaneously operates a robotically driven tool (end effector attached to arm 4) via a handheld UID 14 held in one hand and a manual laparoscopic tool with the other hand. For example, the bedside operator's left hand may operate the handheld UID to control the robotically driven tool, while the bedside operator's right hand may operate the manual laparoscopic tool. Thus, in variations of system 1, the bedside operator 8 may perform both robotically assisted minimally invasive surgery and manual laparoscopic surgery on the patient 6.

例示的な処置(手術)の間、患者6は、麻酔を達成するために、滅菌されて準備され覆われている。手術部位への当初のアクセスは、手動で実行され得るが、その間、ロボットシステム1のアームは、収容構成又は撤収構成にある(それによって、手術部位へのアクセスを容易にする)。アクセスが完了すると、アーム4を含むロボットシステム1の初期配置又は準備が実行され得る。次に、ユーザーコンソール2の傍の遠隔操作者9が、足踏み式制御部13及び手持ち式ユーザー入力装置14を利用して、様々なエンドエフェクタ及びおそらくは、手術を行うための撮像システムを操作することで手術が進行する。手動による支援はまた、滅菌ガウンを着たベッドの傍にいる要員、例えば、ベッドの傍にいる操作者8によって、処置用ベッド又は台で提供され得るが、この要員は、組織を退避させたり、手動再配置を実行したり、及びロボットアーム4のうちの1本以上に対してツールを交換したりなどの、タスクを実行し得る。また、ユーザーコンソール2の遠隔操作者9を支援するために、非滅菌要員が存在し得る。処置又は外科手術が完了すると、システム1及びユーザーコンソール2は、様々な術後の処置、例えば、洗浄又は滅菌、及びユーザーコンソール2を介した医療記録の入力又は印刷などを容易にする状態に構成又は設定することができる。 During an exemplary procedure, the patient 6 is sterilely prepped and draped to achieve anesthesia. Initial access to the surgical site may be performed manually while the arms of the robotic system 1 are in a stowed or retracted configuration (thereby facilitating access to the surgical site). Once access is complete, initial positioning or preparation of the robotic system 1, including the arms 4, may be performed. The procedure then proceeds with a remote operator 9 at the user console 2 utilizing a foot control 13 and a handheld user input device 14 to operate various end effectors and possibly an imaging system to perform the procedure. Manual assistance may also be provided at the procedure bed or table by sterile gowned bedside personnel, e.g., a bedside operator 8, who may perform tasks such as evacuating tissue, performing manual repositioning, and changing tools for one or more of the robotic arms 4. Non-sterile personnel may also be present to assist the remote operator 9 at the user console 2. Once the procedure or surgery is complete, the system 1 and user console 2 can be configured or set to a state that facilitates various post-operative procedures, such as cleaning or sterilization, and entry or printing of medical records via the user console 2.

一実施形態では、遠隔操作者9は、UID14を保持し、動かして、ロボットシステム1のロボットアームアクチュエータ17を動かすための入力コマンドを提供する。UID14は、例えば、コンソールコンピュータシステム16を介して、ロボットシステム1の残りの部分に通信可能に連結され得る。UID14は、UID14の動き、例えば、UIDの手持ち式ハウジングの位置及び配向に対応する空間状態信号を生成することができ、空間状態信号は、ロボットアームアクチュエータ17の運動を制御するための入力信号であってもよい。ロボットシステム1は、空間状態信号から導出された制御信号を使用して、アクチュエータ17の比例的運動を制御し得る。一実施形態では、コンソールコンピュータシステム16のコンソールプロセッサは、空間状態信号を受信し、対応する制御信号を生成する。これらの制御信号、すなわちアーム4のセグメント又はリンクを動かすためにアクチュエータ17がどのように通電されるかを制御する信号に基づいて、アームに取り付けられた対応する外科手術用ツールの動作は、UID14の動作を模倣し得る。同様に、遠隔操作者9とUID14との間の相互作用により、例えば、外科手術用ツール7の把持具のジョーが閉じて患者6の組織をグリップするグリップ制御信号を生成することができる。 In one embodiment, the teleoperator 9 holds and moves the UID 14 to provide input commands to move the robotic arm actuator 17 of the robotic system 1. The UID 14 may be communicatively coupled to the rest of the robotic system 1, for example, via the console computer system 16. The UID 14 may generate spatial state signals corresponding to the movement of the UID 14, e.g., the position and orientation of the hand-held housing of the UID, which may be input signals for controlling the movement of the robotic arm actuator 17. The robotic system 1 may use control signals derived from the spatial state signals to control the proportional movement of the actuator 17. In one embodiment, the console processor of the console computer system 16 receives the spatial state signals and generates corresponding control signals. Based on these control signals, i.e., signals that control how the actuator 17 is energized to move the segments or links of the arm 4, the movement of the corresponding surgical tool attached to the arm may mimic the movement of the UID 14. Similarly, the interaction between the teleoperator 9 and the UID 14 may generate grip control signals, for example, that cause the jaws of the grasper of the surgical tool 7 to close and grip tissue of the patient 6.

外科手術用ロボットシステム1は、数個のUID14を含み得るが、その場合、各手持ち式ユーザー入力装置についてそれぞれのアーム4のアクチュエータと外科手術用ツール(エンドエフェクタ)とを制御する、それぞれの制御信号が生成される。例えば、遠隔操作者9は、第1のUID14を動かして、左ロボットアーム内にあるアクチュエータ17の運動を制御し得るが、その場合、そのアクチュエータは、そのアーム4内の連結部、ギアなどを動作させることによって応答することになる。同様に、遠隔操作者9によって第2のUID14を動かすと、別のアクチュエータ17の運動を制御することになり、この動きは、ロボットシステム1の他の連結部、ギアなどを動作させることになる。ロボットシステム1は、患者の右側のベッド又は台に固定された右アーム4と、患者の左側にある左アーム4と、を含み得る。アクチュエータ17は、アーム4の関節の回転を駆動するように制御される、1つ又は2つ以上のモータを含み得るが、その回転により、例えば、患者に対して、そのアームに取り付けられた外科手術用ツール7の内視鏡又は把持器の配向を変更させる。同じアーム4内のいくつかのアクチュエータ17の運動は、ある特定のUID14から生成された空間状態信号によって制御することができる。UID14はまた、それぞれの外科手術用ツール把持具の運動を制御することができる。例えば、各UID14は、患者6内の組織を把持するために外科手術用ツール7の遠位端にある把持器のジョーを開放及び閉鎖するアクチュエータ、例えば、リニアアクチュエータの運動を制御するための、それぞれの把持信号を生成することができる。 The surgical robotic system 1 may include several UIDs 14, where each handheld user input device generates a respective control signal for controlling the actuator of the respective arm 4 and the surgical tool (end effector). For example, the teleoperator 9 may move a first UID 14 to control the movement of an actuator 17 in the left robotic arm, which responds by operating a linkage, gear, etc. in the arm 4. Similarly, the teleoperator 9 moves a second UID 14 to control the movement of another actuator 17, which operates another linkage, gear, etc. in the robotic system 1. The robotic system 1 may include a right arm 4 fixed to a bed or table on the right side of the patient, and a left arm 4 on the left side of the patient. The actuator 17 may include one or more motors controlled to drive the rotation of a joint of the arm 4, which may, for example, change the orientation of an endoscope or grasper of a surgical tool 7 attached to that arm, relative to the patient. The movement of several actuators 17 in the same arm 4 can be controlled by spatial state signals generated from a particular UID 14. The UIDs 14 can also control the movement of respective surgical tool graspers. For example, each UID 14 can generate a respective grasp signal to control the movement of an actuator, e.g., a linear actuator, that opens and closes the jaws of a grasper at the distal end of the surgical tool 7 to grasp tissue in the patient 6.

いくつかの態様では、プラットフォーム5とユーザーコンソール2との間の通信は、制御タワー3を介してもよいが、これは、ユーザーコンソール2から(より具体的には、コンソールコンピュータシステム16から)受信したユーザーコマンドをロボットプラットフォーム5上のアーム4に送信されるロボット制御コマンドに変換してもよい。制御タワー3はまた、プラットフォーム5からユーザーコンソール2に戻る、ステータス信号及びフィードバックを送信し得る。ロボットプラットフォーム5、ユーザーコンソール2、及び制御タワー3間の通信接続は、様々なデータ通信プロトコルの任意の好適なものを使用して、有線及び/又は無線リンクを介し得る。任意の有線接続が、手術室の床及び/又は壁若しくは天井に任意選択的に内蔵されていてもよい。ロボットシステム1は、手術室内のディスプレイ、及びインターネット又は他のネットワークを介してアクセス可能である遠隔ディスプレイを含む、1つ又は2つ以上のディスプレイにビデオ出力を提供し得る。ビデオ出力(ビデオフィード)はまた、プライバシーを確保するために暗号化されてもよく、ビデオ出力の全部又は一部は、サーバ又は電子健康管理記録システムに保存されてもよい。 In some aspects, communication between the platform 5 and the user console 2 may be via a control tower 3, which may translate user commands received from the user console 2 (more specifically, from the console computer system 16) into robotic control commands sent to the arm 4 on the robotic platform 5. The control tower 3 may also transmit status signals and feedback from the platform 5 back to the user console 2. The communication connections between the robotic platform 5, the user console 2, and the control tower 3 may be via wired and/or wireless links using any suitable of a variety of data communication protocols. Any wired connections may optionally be built into the floor and/or walls or ceiling of the operating room. The robotic system 1 may provide a video output to one or more displays, including displays in the operating room and remote displays accessible via the Internet or other networks. The video output (video feed) may also be encrypted to ensure privacy, and all or part of the video output may be stored on a server or electronic health care record system.

図2は、主題技術の態様による、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例示する概略図である。図2に示すように、例示的な外科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、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ジョイントモジュール(例えば、ジョイント204)と、を含んでもよい。ジョイントモジュールは、ピッチジョイント又はロールジョイントなどの様々なタイプを含むことができ、これらは、特定の軸の周りの他のものに対する隣接するリンクの動きを実質的に制約してもよい。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も示されている。ツール駆動部210は、外科手術用器具220(例えば、内視鏡、ステープラなど)を受容し、案内するために、その端部に結合されたカニューレ214を含んでもよい。外科手術用器具(又は「ツール」)220は、ツールの遠位端にエンドエフェクタ222を含んでもよい。ロボットアーム112の複数のジョイントモジュールは、ロボット手術のためにエンドエフェクタ222を作動させるツール駆動部210を位置決め及び配向するように作動させることができる。 FIG. 2 is a schematic diagram illustrating one exemplary design of a robotic arm, tool drive, and cannula loaded with a robotic surgical tool, in accordance with aspects of the subject technology. As shown in FIG. 2, the exemplary surgical robotic arm 112 may include a number of links (e.g., link 202) and a number of actuation joint modules (e.g., joint 204) for actuating the multiple links relative to one another. The joint modules may include various types, such as pitch joints or roll joints, which may substantially constrain the movement of adjacent links relative to others about a particular axis. Also shown in the exemplary design of FIG. 2 is a tool drive 210 attached to the distal end of the robotic arm 112. The tool drive 210 may include a cannula 214 coupled to its end for receiving and guiding a surgical instrument 220 (e.g., an endoscope, stapler, etc.). The surgical instrument (or "tool") 220 may include an end effector 222 at the distal end of the tool. The multiple joint modules of the robotic arm 112 can be actuated to position and orient a tool drive 210 that actuates an end effector 222 for robotic surgery.

図3A及び図3Bは、それぞれ、主題技術の態様による、ツールが装填された例示的なツール駆動部及びツールが装填されていない例示的なツール駆動部を例示する概略図である。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、長手方向トラック312と、長手方向トラック312と摺動可能に係合されるツールキャリッジ320と、を有する、細長い基部(又は「ステージ」)310を含んでもよい。ステージ310は、ロボットアームの遠位端に結合するように構成されてもよく、そのため、ロボットアームの関節運動は、ツール駆動部210を空間内に位置決め及び/又は配向し得る。加えて、ツールキャリッジ320は、ツール220のツール基部352を受容するように構成されてもよく、このツールは、ツール基部352からカニューレ214を通って延在するツールシャフト354も含んでもよく、エンドエフェクタ222(図示せず)が遠位端に配設されている。 3A and 3B are schematic diagrams illustrating an exemplary tool drive loaded with a tool and an exemplary tool drive unloaded with a tool, respectively, according to aspects of the subject technology. As shown in FIGS. 3A and 3B, in one variation, the tool drive 210 may include an elongated base (or "stage") 310 having a longitudinal track 312 and a tool carriage 320 slidably engaged with the longitudinal track 312. The stage 310 may be configured to couple to a distal end of a robotic arm, such that articulation of the robotic arm may position and/or orient the tool drive 210 in space. In addition, the tool carriage 320 may be configured to receive a tool base 352 of a tool 220, which may also include a tool shaft 354 extending from the tool base 352 through the cannula 214, with an end effector 222 (not shown) disposed at the distal end.

加えて、ツールキャリッジ320は、作動駆動部によって操作及び制御されるケーブルシステム又はワイヤなど(用語「ケーブル」及び「ワイヤ」は、本出願全体を通して互換的に使用される)を通して、エンドエフェクタの関節運動のセットを作動させてもよい。ツールキャリッジ320は、異なる構成の作動駆動部を含んでもよい。例えば、回転軸駆動部は、中空ロータを有するモータと、少なくとも部分的に中空ロータ内に配設された遊星歯車伝動装置と、を含んでもよい。複数の回転軸駆動部は、任意の好適な方法で配置されてもよい。例えば、ツールキャリッジ320は、基部に沿って長手方向に延在する2列に配置された6つの回転駆動部322A~322Fを含むことができ、これらの回転駆動部は、キャリッジの幅を低減し、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なっている。図3Bに明確に示すように、回転駆動部322A、322B、及び322Cは、概して、第1の列に配列されてもよく、回転駆動部322D、322E、及び322Fは、概して、第1の列からわずかに長手方向にオフセットされた第2の列に配列されてもよい。 In addition, the tool carriage 320 may actuate a set of end effector articulations through a cable system or wires or the like (the terms "cable" and "wire" are used interchangeably throughout this application) operated and controlled by an actuation drive. The tool carriage 320 may include actuation drives of different configurations. For example, the rotary shaft drive may include a motor having a hollow rotor and a planetary gear transmission disposed at least partially within the hollow rotor. The multiple rotary shaft drives may be arranged in any suitable manner. For example, the tool carriage 320 may include six rotary drives 322A-322F arranged in two rows extending longitudinally along the base, which are slightly staggered to reduce the width of the carriage and increase the compactness of the tool drive. As shown clearly in FIG. 3B, rotary drives 322A, 322B, and 322C may be generally arranged in a first row, and rotary drives 322D, 322E, and 322F may be generally arranged in a second row slightly longitudinally offset from the first row.

図4A及び図4Bは、主題技術の態様による、ロボット手首と、一対の対向するジョーと、ロボット手首及び一対のジョー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とを有する例示的な把持具のエンドエフェクタを例示する概略図である。以下のツールモデル及びコントローラ設計は、例示的な外科手術用ロボット把持具を参照して記載されるが、位置及びグリップ力制御のための提案された制御システムは、エンドエフェクタの多軸運動(例えば、ピッチ及びヨー)を可能にする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合され得ることに留意する。同様のツールとしては、把持具、グリッパ、鉗子、持針器、開創器、及び焼灼器具が挙げられるが、これらに限定されない。 4A and 4B are schematic diagrams illustrating an exemplary grasper end effector having a robotic wrist, a pair of opposing jaws, and a pulley and cable system for coupling the robotic wrist and pair of jaws to an actuator of a tool drive, in accordance with aspects of the subject technology. The following tool model and controller design are described with reference to an exemplary surgical robotic grasper, but it is noted that the proposed control system for position and grip force control can be adapted to any tool that includes an end effector coupled to a tool shaft via a robotic wrist that allows multi-axis motion (e.g., pitch and yaw) of the end effector. Similar tools include, but are not limited to, graspers, grippers, forceps, needle holders, retractors, and cautery instruments.

図4Aに示されるように、一対の対向するジョー401A及び401Bは、第1の軸410に沿って延在心棒412を介してロボット手首の第1のヨーク402に移動可能に結合される。第1のヨーク402は、第2の軸420に沿って第2の延在心棒422を介してロボット手首の第2のヨーク403に移動可能に結合されてもよい。一対のジョー401A及び401Bは各々、延在心棒412を介してプーリ415A及び415Bとそれぞれ結合されるか又は一体的に形成されてもよく、そのため、両方のジョーが軸410を中心に回転することができる。プーリ425A、425B、425C及び425Dは、延在心棒422に結合され、軸420の周りを回転する。プーリ425A、425B、425C及び425Dは、ヨーク402の一方の側のプーリ425B及び425Cの第1のセットと、ヨーク402の他方の側のプーリ425A及び425Dの第2のセットとに配置される。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、プーリ435A、435B、435C及び435Dの第3のセットは、第3の延在心棒432に結合され、軸420に平行な軸430の周りを回転する。 As shown in FIG. 4A, a pair of opposing jaws 401A and 401B are movably coupled to a first yoke 402 of the robot wrist via an extending axle 412 along a first axis 410. The first yoke 402 may be movably coupled to a second yoke 403 of the robot wrist via a second extending axle 422 along a second axis 420. The pair of jaws 401A and 401B may each be coupled to or integrally formed with pulleys 415A and 415B, respectively, via the extending axle 412, so that both jaws can rotate about the axis 410. Pulleys 425A, 425B, 425C, and 425D are coupled to the extending axle 422 and rotate about the axis 420. Pulleys 425A, 425B, 425C, and 425D are arranged in a first set of pulleys 425B and 425C on one side of the yoke 402 and a second set of pulleys 425A and 425D on the other side of the yoke 402. Pulleys 425A and 425C are outer pulleys and pulleys 425B and 425D are inner pulleys. Similarly, a third set of pulleys 435A, 435B, 435C, and 435D are coupled to a third elongated axle 432 and rotate about an axis 430 parallel to the axis 420.

把持具220は、ジョー401A及び401Bの一方又は両方を軸410の周りで様々な方法で移動させるように作動され得る。例えば、ジョー401A及び401Bは、互いに対して開閉してもよい。ジョー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てもよい。加えて、第1のヨーク402、プーリ415A及び415B、並びにジョー401A及び401Bは、把持具220のピッチ運動を提供するように、軸420を中心に回転することができる。 ツールのロボット手首及び/又はジョーの運動は、4つの独立したケーブル405A~405Dを制御することによって作動され得る。図4Aに示されるように、ケーブル405Aは、プーリ415Aの一方の側から始まり(又は終端し)、プーリ425A及び435Aに沿って進むことができ、ケーブル405Bは、プーリ415Aの他方の側で終端し、プーリ425B及び435Bを通って進むように構成されている。同様に、別の一対のケーブル405C及び405Dはジョー401Bに結合され得る。例えば、ケーブル405Cは、プーリ415Bの一方の側からプーリ425C及び435Cまで延在し、ケーブル405Dは、プーリ425D及び435Dを通って進み、プーリ415Bの他方の側で終端する。プーリ435A、435B、435C及び435Dの第3のセットは、ケーブル405A~405Dをプーリ425A~425Dの第2のセットに固定したままにし、ケーブルがプーリ425A~425Dに対してスリップ又は摺動するのを防止するように配置されている。 The gripper 220 can be actuated to move one or both of the jaws 401A and 401B in various ways about the axis 410. For example, the jaws 401A and 401B may open and close relative to one another. The jaws 401A and 401B may also be actuated to rotate together as a pair to provide yaw motion of the gripper 220. In addition, the first yoke 402, pulleys 415A and 415B, and jaws 401A and 401B can rotate about the axis 420 to provide pitch motion of the gripper 220. Movement of the tool's robotic wrist and/or jaws can be actuated by controlling four independent cables 405A-405D. 4A, cable 405A can begin (or terminate) on one side of pulley 415A and run along pulleys 425A and 435A, while cable 405B is configured to terminate on the other side of pulley 415A and run through pulleys 425B and 435B. Similarly, another pair of cables 405C and 405D can be coupled to jaw 401B. For example, cable 405C extends from one side of pulley 415B to pulleys 425C and 435C, while cable 405D runs through pulleys 425D and 435D and terminates on the other side of pulley 415B. The third set of pulleys 435A, 435B, 435C and 435D are positioned to keep the cables 405A-405D fixed to the second set of pulleys 425A-425D and prevent the cables from slipping or sliding relative to the pulleys 425A-425D.

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のうちの1つ又は2つ以上に運動を与えることによって、ジョー401A及び401Bを把持(例えば、軸410を中心に独立して回転するジョー)、ヨー(例えば、軸410を中心にともに回転するジョー)、及びピッチ(例えば、軸420を中心に回転するジョー)などの様々な方法で移動させ、それによって第1のヨーク402並びに/又はジョー401A及び401Bの一方又は両方に運動を与えるように作動され得る。ケーブル405A~405Dは、2つの拮抗対にグループ化することができ、すなわち、拮抗対の一方のケーブルが作動又は張力をかけられ、他方のケーブルが緩められている間に、ジョーは一方向に回転する。一方、他方のケーブルのみに張力がかけられるときに、ジョーは反対方向に回転する。 4A and 4B, the gripper 220 can be actuated to move the jaws 401A and 401B in various ways, such as gripping (e.g., jaws rotating independently about axis 410), yaw (e.g., jaws rotating together about axis 410), and pitch (e.g., jaws rotating about axis 420), by imparting motion to one or more of the pulleys 415A, 415B, 425A, 425B, 425C, and 425D, thereby imparting motion to the first yoke 402 and/or one or both of the jaws 401A and 401B. The cables 405A-405D can be grouped into two antagonistic pairs, i.e., the jaws rotate in one direction while one cable of the antagonistic pair is actuated or tensioned and the other cable is released. Meanwhile, when only the other cable is tensioned, the jaws rotate in the opposite direction.

例えば、ケーブル405A及び405Bは、ジョー401Aを移動させるための第1の拮抗対であり、ケーブル405C及び405Dは、ジョー401Bを制御するための第2の拮抗対である。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のうちの少なくとも1つによって)張力がかけられるときに、ジョー401Aは閉じる(対向するジョー401Bに向かって移動する)。一方、ケーブル405Bに張力がかけられ、ケーブル405Aが緩められるときに、ジョー401Aは開く(対向するジョー401Bから離れて移動する)。同様に、ケーブル405Cは、張力がかけられると、ジョー401Bを閉じ(対向するジョー401Aに向かって移動する)、他方のケーブルが緩められている間に、ケーブル405Dはジョー401Bを開く(対向するジョー401Aから離れて移動する)。別の例として、ジョー401Aとジョー401Bとの間のグリップ力は、ジョーが閉じられた(互いに接触した)後に(ケーブル405B及びケーブル405Dが緩められている間に)ケーブル405A及びケーブル405Cの両方に張力をかけ続けることによって達成され得る。 For example, cables 405A and 405B are a first antagonistic pair for moving jaw 401A, and cables 405C and 405D are a second antagonistic pair for controlling jaw 401B. When cable 405A is tensioned (e.g., by at least one of rotary drives 322a-322f) while cable 405B is slack, jaw 401A closes (moves toward opposing jaw 401B). Meanwhile, when cable 405B is tensioned and cable 405A is slack, jaw 401A opens (moves away from opposing jaw 401B). Similarly, cable 405C closes jaw 401B (moves toward opposing jaw 401A) when tensioned, and cable 405D opens jaw 401B (moves away from opposing jaw 401A) while the other cable is slack. As another example, the gripping force between jaws 401A and 401B can be achieved by keeping both cables 405A and 405C under tension after the jaws are closed (contacting each other) (while cables 405B and 405D are relaxed).

他方の対の両方のケーブルが緩められている間に、拮抗対の両方のケーブルに同時に張力がかけられる場合は、プーリ415A又はプーリ415Bは回転しない。代わりに、第1のヨーク402は、ジョー401A及び401Bとともに、プーリ415A及び415Bによって、軸420を中心にピッチするようにされる。例えば、一対のケーブル405C及び405Dが緩められている間に、一対のケーブル405A及び405Bに両方とも同時に張力がかけられ、ジョー(ヨーク402とともに)は、紙面から出る方向にピッチする。一方、ケーブル405C及び405Dの両方に同時に張力がかけられ、対405A及び405Bが緩められたままにされるときに、ジョーは紙面に入る方向にピッチする。 If both cables of an antagonistic pair are tensioned simultaneously while both cables of the other pair are slack, pulley 415A or pulley 415B will not rotate. Instead, the first yoke 402, along with jaws 401A and 401B, is caused to pitch about axis 420 by pulleys 415A and 415B. For example, if both cables of a pair 405A and 405B are tensioned simultaneously while pair 405C and 405D are slack, the jaws (along with yoke 402) will pitch out of the page. On the other hand, when both cables 405C and 405D are tensioned simultaneously and pair 405A and 405B are left slack, the jaws will pitch into the page.

図4Bは、主題技術の態様による、把持具220の様々な運動に対する例示的な角度定義を例示する概略図である。角度は、軸410及び420、並びに第1のヨーク402の軸452及び第2のヨーク403の軸453を参照して定義される。例えば、図4Bに示されるように、軸452と軸453との間の角度(θ)は、軸420の周りのヨーク402の回転角度を表してもよく、これはまた、把持具220のピッチ角度(θピッチ)として定義されてもよい(一方、図4Aでは、ジョーが基準位置にとどまっている、すなわち、ピッチ運動がないので、ヨーク402の軸452は、ヨーク403の軸453の上に重ねられている)。加えて、角度(θ)及び(θ)は、それぞれ、ジョー401A及び401Bの各々と(原点としての)ヨーク402の軸452との間の角度を表すことができる。軸452の側部を区別するために、角度(θ)及び(θ)は、異なる符号をとってもよい。例えば、図4Bに例示されるように、角度(θ)は負であり、角度θ()は正である。 4B is a schematic diagram illustrating exemplary angle definitions for various movements of gripper 220, in accordance with aspects of the subject technology. The angles are defined with reference to axes 410 and 420, as well as axis 452 of first yoke 402 and axis 453 of second yoke 403. For example, as shown in FIG. 4B, angle (θ 1 ) between axis 452 and axis 453 may represent the rotation angle of yoke 402 about axis 420, which may also be defined as the pitch angle (θ pitch ) of gripper 220 (whereas in FIG. 4A , axis 452 of yoke 402 is superimposed on axis 453 of yoke 403, since the jaws remain in the reference position, i.e., there is no pitch movement). In addition, angles (θ 2 ) and (θ 3 ) may represent angles between each of jaws 401A and 401B and axis 452 of yoke 402 (as the origin), respectively. To distinguish between sides of axis 452, angles (θ 2 ) and (θ 3 ) may take on different signs. For example, as illustrated in FIG. 4B , angle (θ 2 ) is negative and angle θ( 3 ) is positive.

制御タスクを行うために、ジョイント角度に対して一貫した座標フレームを定義することが有益であることが多い。例えば、ジョー角度(θジョー)を2つのジョー401Aとジョー401Bとの間の角度として、ヨー角度(θヨー)を軸452とジョー角度を二等分する線との間の角度として更に定義してもよい。上述したように、ピッチ角度(θピッチ)は、軸452と軸453との間の角度(θ)として定義されてもよい。したがって、 To perform control tasks, it is often useful to define a consistent coordinate frame for the joint angles. For example, one may further define the jaw angle (θ jaw ) as the angle between the two jaws 401A and 401B, and the yaw angle (θ yaw ) as the angle between the axis 452 and a line that bisects the jaw angle. As mentioned above, the pitch angle (θ pitch ) may be defined as the angle (θ 1 ) between the axis 452 and the axis 453. Thus,

Figure 0007679467000001
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以下、ロボット外科手術用器具の遠位エンドエフェクタの角度位置及びグリップ力を制御するための方法及びシステムが記載される。エンドエフェクタは、ロボット手首と、一対の対向部材(例えば、ジョー又は爪)とを含んでもよく、各々、2つの拮抗ワイヤによって作動される開位置と閉位置との間で移動可能である。図3及び図4に例示されるように、合計4本のワイヤが各々独立したアクチュエータ又はモータによって駆動されてもよい。制御システムは、所望の位置及びグリップ力をもたらすために、アクチュエータからの位置及び速度フィードバック並びに4本のワイヤ上で測定された力フィードバックを伴うフィードバックループを含んでもよい。いくつかの実装形態では、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モードを実行していてもよい。例えば、位置モードにおける位置コントローラは、位置フィードバックに基づいて、空間内の所望の角度位置に遠位エンドエフェクタを駆動してもよく、力モードにおいては、グリップ力コントローラは、対向部材間の所望のグリップ力を達成するために、4本のワイヤ上のロードセルによって測定されるグリップ力に基づいて、追加のフィードフォワード電流を提供する。 Below, methods and systems are described for controlling the angular position and grip force of a distal end effector of a robotic surgical instrument. The end effector may include a robotic wrist and a pair of opposing members (e.g., jaws or claws), each movable between an open position and a closed position actuated by two antagonistic wires. As illustrated in Figures 3 and 4, a total of four wires may each be driven by an independent actuator or motor. The control system may include a feedback loop with position and velocity feedback from the actuators and force feedback measured on the four wires to provide the desired position and grip force. In some implementations, the actuator controller may implement a position plus feedforward current mode. For example, the position controller in a position mode may drive the distal end effector to a desired angular position in space based on the position feedback, and in a force mode, the grip force controller provides additional feedforward current based on the grip force measured by the load cells on the four wires to achieve the desired grip force between the opposing members.

図5は、主題技術の態様による、外科手術用ツールを制御するための高レベル制御システムを例示するブロック図である。制御システムは、入力560、コントローラ562、プラント564、出力568、並びに出力568とコントローラ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含む。プラント564は、ツールアクチュエータとエンドエフェクタ(例えば、図3Bの回転駆動部322A~322F及び図4Aの手首ジョーのケーブル405A~405D、図10のアクチュエータユニット510並びにケーブル及び手首リンク512も参照のこと)とを含んでもよい。コントローラ562は、入力560に応答して、プラント564の運動を計算するために、メモリ上に記憶されたソフトウェア命令によって構成された1つ又は2つ以上のプロセッサを含んでもよく、この入力は、図4Bの手首ジョーの所望のθピッチ、所望のθヨー、及び所望のθジョーなどの外科手術用ツールのエンドエフェクタの所望の動きを示し得る。したがって、コントローラ562によって生成されるコマンドは、エンドエフェクタの所望の動きを促進するように、ツールアクチュエータを駆動してもよい。一実施形態では、所望のθピッチ、θヨー、及びθジョーは、図1の遠隔操作者9の制御下でUID14によって生成されてもよい。エンドエフェクタの位置、速度、ケーブル張力、及びグリップ力又は開放力などの出力568は、センサ及び推定器566によって直接測定又は推定され、閉ループ制御のためにコントローラ562にフィードバックされてもよい。 FIGURE 5 is a block diagram illustrating a high level control system for controlling a surgical tool in accordance with aspects of the subject technology. The control system includes an input 560, a controller 562, a plant 564, an output 568, and a sensor and estimator 566 on a feedback path between the output 568 and the controller 562. The plant 564 may include tool actuators and end effectors (see, e.g., rotational drives 322A-322F of FIGURE 3B and cables 405A-405D of the wrist jaws of FIGURE 4A, also actuator unit 510 and cable and wrist link 512 of FIGURE 10). The controller 562 may include one or more processors configured with software instructions stored on memory to calculate the motion of the plant 564 in response to an input 560, which may indicate a desired movement of an end effector of the surgical tool, such as a desired theta pitch , a desired theta yaw , and a desired theta jaw of the wrist jaws of FIGURE 4B. Thus, commands generated by controller 562 may drive the tool actuators to facilitate the desired movement of the end effector. In one embodiment, the desired theta pitch , theta yaw , and theta jaw may be generated by UID 14 under control of teleoperator 9 of FIG. 1. Outputs 568, such as end effector position, velocity, cable tension, and grip or release force, may be measured directly or estimated by sensors and estimators 566 and fed back to controller 562 for closed-loop control.

一実施形態では、手首ジョーの所望のジョー角度θジョーが閾値以上であるときに、命令θジョーとも称される所望のθジョーは、位置モードにおける位置制御コマンドとして扱われてもよい。閾値は、戻り止めを決定するために使用され、両方のジョーがその間の物体とちょうど同時に接触する角度に対応してもよい。把持すべき物体が存在しない場合、ジョーが互いに接触し始めるときの閾値は0度である。位置モードにおいて、コントローラ562は、所望のθジョー、並びに所望のθピッチ及び所望のθヨーを対応するアクチュエータ位置コマンドに変換して、手首ジョーを所望の位置及び配向に駆動してもよい。所望のθジョーが閾値より低いときに、手首ジョーは、力制御モード、又は単に力モードにおいて動作しており、所望のジョー角度は、所望のグリップ力コマンドに変換される。コントローラ562は、所望のグリップ力を達成するために、位置コマンドに加えて電流コマンドを生成してもよい。 In one embodiment, when the desired jaw angle θ jaw of the wrist jaw is equal to or greater than the threshold, the desired θ jaw , also referred to as command θ jaw, may be treated as a position control command in position mode. The threshold is used to determine the detent and may correspond to the angle at which both jaws contact the object between them exactly at the same time. If there is no object to be grasped, the threshold is 0 degrees when the jaws begin to contact each other. In position mode, the controller 562 may convert the desired θ jaw , as well as the desired θ pitch and desired θ yaw , into corresponding actuator position commands to drive the wrist jaws to the desired position and orientation. When the desired θ jaw is below the threshold, the wrist jaws are operating in force control mode, or simply force mode, and the desired jaw angle is converted into a desired grip force command. The controller 562 may generate current commands in addition to the position commands to achieve the desired grip force.

一実施形態では、コントローラ562は、ジョーによって把持され得る組織への損傷を防止するために、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるときに、グリップ力の最大量を制限してもよい。ジョーのグリップ力は、センサ及び推定器566によって推定又は測定されてもよい。コントローラ562は、所望のθジョー及び測定グリップ力を分析して、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるかどうか、及び測定グリップ力が予め指定された最大グリップ力閾値を超えているかどうかを決定してもよい。そうである場合、コントローラ562は、測定グリップ力を予め指定された最大グリップ力閾値に制限するようにグリップ力誤差を計算してもよい。例えば、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるかどうかを決定するために、コントローラ562は、最初に所望のθジョーが戻り止めのための閾値以上であること、したがって予め指定された持続時間を超えて位置モードにあることを検証してもよい。コントローラ562は、デバウンシング技法を用いて、所望のθジョーが予め指定された時間の長さにわたって減少していることを検証してもよい。一実施形態では、所望のθジョーが周期的頻度でサンプリングされる場合、コントローラ562は、所望のθジョーのサンプルが予め指定されたサンプル数にわたって減少していることを検証してもよい。 In one embodiment, the controller 562 may limit the maximum amount of grip force when the jaws are in the middle of closing in position mode to prevent damage to tissue that may be grasped by the jaws. The grip force of the jaws may be estimated or measured by a sensor and estimator 566. The controller 562 may analyze the desired θ jaws and the measured grip force to determine if the jaws are in the middle of closing in position mode and if the measured grip force exceeds a pre-specified maximum grip force threshold. If so, the controller 562 may calculate a grip force error to limit the measured grip force to the pre-specified maximum grip force threshold. For example, to determine if the jaws are in the middle of closing in position mode, the controller 562 may first verify that the desired θ jaws are equal to or greater than the threshold for detents and thus have been in position mode for more than a pre-specified duration. The controller 562 may use a debouncing technique to verify that the desired θ jaws are decreasing for a pre-specified length of time. In one embodiment, if the desired θ jaws are sampled at a periodic frequency, the controller 562 may verify that the samples of the desired θ jaws are decreasing for a pre-specified number of samples.

測定グリップ力が予め指定された最大グリップ力閾値を超えているかどうかを決定するために、コントローラ562はまた、デバウンシング技法を用いてもよい。一実施形態では、図5の制御システムのフィードバック制御ループは、ループサイクル時間で動作してもよい。グリップ力カウンタは、測定グリップ力が最大グリップ力閾値からマージンを引いた値未満である間、制御ループサイクルごとに1カウントずつ増加してもよい。一実施形態では、グリップ力カウンタは、最大カウントに達した後にインクリメントを停止してもよい。測定グリップ力が最大グリップ力閾値よりも大きいときに、グリップ力カウンタはリセットされてもよい。デバウンシング技法は、測定グリップ力が最大グリップ力からマージンを引いたものよりもウィンドウ内のどこかで大きいときに、グリップ力カウンタに等しいループサイクル数に及ぶウィンドウの全体にわたって、測定グリップ力が最大グリップ力閾値を超えることを宣言してもよい。 To determine whether the measured grip force exceeds a pre-specified maximum grip force threshold, the controller 562 may also use a debouncing technique. In one embodiment, the feedback control loop of the control system of FIG. 5 may operate with a loop cycle time. The grip force counter may increment by one count every control loop cycle while the measured grip force is less than the maximum grip force threshold minus a margin. In one embodiment, the grip force counter may stop incrementing after reaching the maximum count. When the measured grip force is greater than the maximum grip force threshold, the grip force counter may be reset. The debouncing technique may declare the measured grip force to exceed the maximum grip force threshold over a window spanning a number of loop cycles equal to the grip force counter when the measured grip force is greater than the maximum grip force minus a margin anywhere within the window.

一例として、測定グリップ力が最初に最大グリップ力閾値からマージンを引いたもの下回っており、グリップ力カウンタがインクリメントしていると仮定する。測定グリップ力が最大グリップ力閾値を超えて増加するときに、グリップ力カウンタはリセットされてもよい。コントローラ562のフィードバック制御ループは、アクチュエータ位置コマンドを変更して、測定グリップ力を最大グリップ力閾値に制限するように手首ジョーを駆動するように試みてもよい。しかしながら、測定グリップ力が最大グリップ力閾値より低いように低下するが、最大グリップ力閾値からマージンを引いたものを上回ったままである場合であっても、フィードバック制御ループは、最大測定グリップ力を制限するように、測定グリップ力が最大グリップ力閾値よりも大きいと依然としてみなしてもよい。測定グリップ力が、わずか数ループサイクルにわたってだけ最大グリップ力閾値からマージンを引いたものより低くなるように低下するが、その後、再度このレベルより高くなるように増加すると仮定する。グリップ力カウンタは、測定グリップ力が最大グリップ力閾値からマージンを引いたものより一時的に低いループサイクル数までインクリメントしてもよい。測定グリップ力が、グリップ力カウンタに等しいループサイクル数(例えば、測定グリップ力が最大グリップ力閾値からマージンを引いたものより一時的に低くなるように低下したループサイクル数)に及ぶウィンドウ内で最大グリップ力閾値からマージンを引いたものを上回ったままである限り、フィードバック制御ループは、最大測定グリップ力を制限するように、ウィンドウの持続時間全体にわたって、測定グリップ力が最大グリップ力閾値よりも大きいと依然としてみなしてもよい。 As an example, assume that the measured grip force is initially below the maximum grip force threshold minus a margin and that the grip force counter is incrementing. When the measured grip force increases above the maximum grip force threshold, the grip force counter may be reset. The feedback control loop of the controller 562 may attempt to modify the actuator position command to drive the wrist jaws to limit the measured grip force to the maximum grip force threshold. However, even if the measured grip force falls below the maximum grip force threshold but remains above the maximum grip force threshold minus a margin, the feedback control loop may still consider the measured grip force to be greater than the maximum grip force threshold so as to limit the maximum measured grip force. Assume that the measured grip force falls below the maximum grip force threshold minus a margin for only a few loop cycles, but then increases above this level again. The grip force counter may increment until the number of loop cycles that the measured grip force is temporarily below the maximum grip force threshold minus a margin. As long as the measured grip force remains above the maximum grip force threshold minus the margin within a window spanning a number of loop cycles equal to the grip force counter (e.g., the number of loop cycles during which the measured grip force is temporarily reduced to be lower than the maximum grip force threshold minus the margin), the feedback control loop may still consider the measured grip force to be greater than the maximum grip force threshold for the entire duration of the window so as to limit the maximum measured grip force.

コントローラ562が、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあり、かつ測定グリップ力が最大グリップ力閾値を超えていると決定するときに、コントローラは、測定グリップ力を最大グリップ力閾値に制限してもよい。一実施形態では、コントローラ562は、最大グリップ力閾値と測定グリップ力との間の差であるグリップ力誤差を計算してもよい。比例積分(PI)力コントローラなどの0定常状態型コントローラが、グリップ力誤差を受信して、測定グリップ力を最大グリップ力閾値に維持又は制限するように配備されてもよい。PI力コントローラの出力は、手首ジョーの所望の位置及び配向の誤差に作用する逆運動行列の出力と組み合わされて、補償されたアクチュエータ位置コマンドを生成してもよい。補償されたアクチュエータ位置コマンドは、ジョーが所望の位置及び配向で位置モードにおいて閉じている動作途中にあるときのグリップ力の最大量を制限するように手首ジョーを駆動するために既存のアクチュエータ位置コマンドに追加される。 When the controller 562 determines that the jaws are in the process of closing in position mode and the measured grip force exceeds the maximum grip force threshold, the controller may limit the measured grip force to the maximum grip force threshold. In one embodiment, the controller 562 may calculate a grip force error that is the difference between the maximum grip force threshold and the measured grip force. A zero steady state type controller, such as a proportional-integral (PI) force controller, may be deployed to receive the grip force error and maintain or limit the measured grip force to the maximum grip force threshold. The output of the PI force controller may be combined with the output of an inverse kinematic matrix that acts on the error in the desired position and orientation of the wrist jaws to generate a compensated actuator position command. The compensated actuator position command is added to the existing actuator position command to drive the wrist jaws to limit the maximum amount of grip force when the jaws are in the process of closing in position mode at the desired position and orientation.

図6Aは、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある間に測定グリップ力609が制限されないときの、手首ジョーの命令θジョー603、測定θジョー605、命令グリップ力607、及び測定グリップ力609を示す時間プロットである。位置モードと力モードとの間の閾値θジョーは、命令θジョー603が0度以上であるときに、手首ジョーが位置モードにおいて動作しているように、0に設定される。命令θジョー603が0度未満であるときに、手首ジョーが力モードにおいて動作している。 6A is a time plot showing the commanded θ jaw 603, measured θ jaw 605, commanded grip force 607, and measured grip force 609 of the wrist jaws when the measured grip force 609 is not limited while the jaws are in the process of closing in position mode. The threshold θ jaw between position mode and force mode is set to 0 such that when the commanded θ jaw 603 is equal to or greater than 0 degrees, the wrist jaws are operating in position mode. When the commanded θ jaw 603 is less than 0 degrees, the wrist jaws are operating in force mode.

図6Aは、20~35秒まで、再度44~47秒まで、手首ジョーが位置モードにおいて動作していることを示す。測定θジョー605は、命令θジョー603が位置モード内又は力モード内で変化しても、比較的狭い範囲内にとどまるが、これはおそらくジョーが物体を把持しているためである。位置モード中に、所望のグリップ力である命令グリップ力607は、手首ジョーが力モードにおいて動作していないので、0Nのデフォルト値に設定されてもよい。しかしながら、測定グリップ力609は、はるかにより大きくてもよい。例えば、26~28秒まで、及び31~35秒まで、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあるか、又は閉鎖位置に保持されているときに、測定グリップ力609は10Nを超え、測定グリップ力が制限されていないため、15Nもの高さになることがある。力モード(例えば、35~44秒及び47秒後)において、グリップ力コントローラは、命令θジョー603の関数として命令グリップ力607を設定してもよく、フィードバック制御ループは、測定グリップ力609を命令グリップ力607と同じになるように維持してもよい。 6A shows that from 20 to 35 seconds, and again from 44 to 47 seconds, the wrist jaws are operating in position mode. The measured θ jaws 605 remain within a relatively narrow range as the commanded θ jaws 603 change in position mode or in force mode, presumably because the jaws are gripping an object. During position mode, the commanded grip force 607, which is the desired grip force, may be set to a default value of 0 N since the wrist jaws are not operating in force mode. However, the measured grip force 609 may be much larger. For example, from 26 to 28 seconds, and from 31 to 35 seconds, when the jaws are in the process of closing or being held in a closed position in position mode, the measured grip force 609 exceeds 10 N and can be as high as 15 N because the measured grip force is not limited. In force mode (e.g., from 35 to 44 seconds and after 47 seconds), the grip force controller may set a commanded grip force 607 as a function of the commanded θ jaw 603, and a feedback control loop may maintain the measured grip force 609 to be the same as the commanded grip force 607.

図6Bは、主題技術の態様による、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある間、制御システムが測定グリップ力を予め指定された最大閾値に制限するときの、手首ジョーの命令θジョー613、測定θジョー615、命令グリップ力617、及び測定グリップ力619を示す時間プロットである。最大グリップ力閾値は、8.5Nに設定される。 6B is a time plot showing the commanded θ jaw 613, the measured θ jaw 615 , the commanded grip force 617, and the measured grip force 619 of the wrist jaws when the control system limits the measured grip force to a pre-specified maximum threshold while the jaws are in the process of closing in position mode, in accordance with an aspect of the subject technology . The maximum grip force threshold is set to 8.5 N.

図6Bにおいて、命令θジョー613及び測定θジョー615の時間プロットは、測定グリップ力が制限されていないときの図6Aの命令θジョー603及び測定θジョー605と同じである。位置モード中に、命令グリップ力617は、グリップ力コントローラによって0Nのデフォルト値に再度設定される。しかしながら、測定グリップ力619は、ジョーが閉じている動作途中にあるか、又は閉鎖位置に保持されている位置モード中(例えば、27~30秒、32~36秒、及び41~45秒)、グリップ力コントローラによって8.5Nの最大グリップ力閾値に制限される。位置モードにおける最大グリップ力に対する制限は、力モードには影響しないことに留意する。したがって、力モードにおいては、測定グリップ力619は、命令グリップ力617に従うことによって、8.5Nの最大グリップ力閾値を超えることが可能となり得る。 In Fig. 6B, the time plot of the commanded θ jaw 613 and the measured θ jaw 615 are the same as the commanded θ jaw 603 and the measured θ jaw 605 of Fig. 6A when the measured grip force is not limited. During position mode, the commanded grip force 617 is again set to a default value of 0 N by the grip force controller. However, the measured grip force 619 is limited to a maximum grip force threshold of 8.5 N by the grip force controller during position mode when the jaws are in the process of closing or are held in a closed position (e.g., 27-30 seconds, 32-36 seconds, and 41-45 seconds). Note that the limit on the maximum grip force in position mode does not affect force mode. Thus, in force mode, the measured grip force 619 may be allowed to exceed the maximum grip force threshold of 8.5 N by following the commanded grip force 617.

図7は、主題技術の態様による、所望のジョー角度及び測定グリップ力を分析することによって、ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある間、手首ジョーのグリップ力を予め指定された最大閾値に制限するための外科手術用ロボットシステムのフィードバック制御のための方法700を例示するフローチャートである。方法700は、ユーザー入力から所望のθジョー、及びセンサ及び推定器566から測定グリップ力を受信して、手首ジョーを駆動するためのアクチュエータ位置コマンドを生成する、図5の制御システムのコントローラ562によって実装されてもよい。 7 is a flow chart illustrating a method 700 for feedback control of a surgical robotic system to limit the grip force of the wrist jaws to a pre-specified maximum threshold while the jaws are in the midst of closing in position mode by analyzing the desired jaw angle and the measured grip force, in accordance with aspects of the subject technology. Method 700 may be implemented by controller 562 of the control system of FIG. 5, which receives the desired θ jaws from a user input and the measured grip force from sensor and estimator 566, and generates actuator position commands for driving the wrist jaws.

ブロック701において、方法700は、手首ジョーが位置モードにあるかどうかを決定する。一実施形態では、ブロック701は、手首のジョーが位置モードにあることを確認するために、所望のθジョーが、予め指定された期間を超えて、位置モードと力モードとの間の閾値θジョー以上であるかどうかを決定してもよい。一実施形態では、閾値θジョーは、0に設定されてもよい。手首ジョーが位置モードにない場合、手首ジョーは力モードにあり、グリップ力は制限されない。ブロック709において、方法700は、グリップ力に制約を課すことなくアクチュエータ位置コマンドを生成する。一実施形態では、ブロック709は、アクチュエータ位置コマンドを生成することに加えて、所望のグリップ力を達成するために、所望のθジョーを所望のグリップ力コマンドに変換する。 At block 701, the method 700 determines whether the wrist jaws are in position mode. In one embodiment, block 701 may determine whether the desired θ jaws are equal to or greater than a threshold θ jaw between position mode and force mode for more than a pre-specified period of time to ensure that the wrist jaws are in position mode. In one embodiment, the threshold θ jaws may be set to 0. If the wrist jaws are not in position mode, the wrist jaws are in force mode and the grip force is not limited. At block 709, the method 700 generates actuator position commands without imposing constraints on the grip force. In one embodiment, in addition to generating actuator position commands, block 709 converts the desired θ jaws to a desired grip force command to achieve the desired grip force.

ジョーが位置モードにある場合、ブロック703は、ジョーが閉じている動作途中にあるかどうかを決定する。一実施形態では、ブロック703は、デバウンシング技法を用いて、所望のθジョーが予め指定された持続時間にわたって、又は予め指定されたサンプル数にわたって減少しているかどうかを決定してもよい。一実施形態では、所望のθジョーが増加することなく静止状態に保持される場合、ジョーは閉じている動作途中にあるとみなされてもよい。ジョーが閉じている動作途中にない場合、位置モードにあってもグリップ力は制限されない。方法700は、グリップ力に制約を課すことなくアクチュエータ位置コマンドを生成するブロック709をデフォルトとする。 If the jaws are in position mode, block 703 determines whether the jaws are in the process of closing. In one embodiment, block 703 may use a debouncing technique to determine whether the desired θ jaws are decreasing for a pre-specified duration or for a pre-specified number of samples. In one embodiment, the jaws may be considered to be in the process of closing if the desired θ jaws are held stationary without increasing. If the jaws are not in the process of closing, the grip force is not limited even when in position mode. Method 700 defaults to block 709 which generates an actuator position command without imposing any constraints on the grip force.

ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある場合、ブロック705は、測定グリップ力が予め指定された最大グリップ力閾値を超えているかどうかを決定する。一実施形態では、ブロック705は、デバウンシング技法を用いて、測定グリップ力が、グリップ力カウンタに等しいサンプル数に及ぶウィンドウ内のどこかで最大グリップ力閾値からマージンを引いたものよりも大きいかどうかを決定してもよい。一実施形態では、測定グリップ力は、図5のフィードバック制御システムのループサイクル時間でサンプリングされてもよい。グリップ力カウンタは、測定グリップ力が最大グリップ力閾値からマージンを引いたもの未満である制御ループサイクルごとに1ずつインクリメントしてもよい。測定グリップ力が最大グリップ力閾値よりも大きいときに、グリップ力カウンタはリセットされてもよい。測定グリップ力が、グリップ力カウンタに等しいサンプル数に及ぶウィンドウ内のどこかで最大グリップ力閾値からマージンを引いたものを超えている限り、測定グリップ力は、ウィンドウ全体に対して最大グリップ力閾値を超えているとみなされる。そうでなければ、測定グリップ力は最大グリップ力閾値を超えず、方法700は、グリップ力に制約を課すことなくアクチュエータ位置コマンドを生成するブロック709をデフォルトとする。 If the jaws are in the middle of closing in position mode, block 705 determines whether the measured grip force exceeds a pre-specified maximum grip force threshold. In one embodiment, block 705 may use a debouncing technique to determine whether the measured grip force is greater than the maximum grip force threshold minus a margin anywhere within a window spanning a number of samples equal to the grip force counter. In one embodiment, the measured grip force may be sampled at the loop cycle time of the feedback control system of FIG. 5. The grip force counter may be incremented by one for each control loop cycle in which the measured grip force is less than the maximum grip force threshold minus a margin. When the measured grip force is greater than the maximum grip force threshold, the grip force counter may be reset. As long as the measured grip force exceeds the maximum grip force threshold minus a margin anywhere within a window spanning a number of samples equal to the grip force counter, the measured grip force is considered to exceed the maximum grip force threshold for the entire window. Otherwise, the measured grip force does not exceed the maximum grip force threshold and method 700 defaults to block 709 which generates an actuator position command without imposing any constraints on the grip force.

ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にある間に、測定グリップ力が最大グリップ力閾値を超える場合、ブロック707は、測定グリップ力を最大グリップ力閾値に制限するように、補償されたアクチュエータ位置コマンドを生成する。一実施形態では、ブロック707は、最大グリップ力閾値と測定グリップ力との間の差であるグリップ力誤差を計算してもよい。比例積分(PI)力コントローラなどの0定常状態型コントローラは、グリップ力誤差を受信して、補償されたグリップ力コマンドを生成してもよい。PI力コントローラの出力は、手首ジョーの所望の位置及び配向の誤差に作用する逆運動行列の出力と組み合わされて、補償されたアクチュエータ位置コマンドを生成してもよい。補償されたアクチュエータ位置コマンドは、測定グリップ力を最大グリップ力閾値に制限するように、手首ジョーを駆動するために既存のアクチュエータ位置コマンドに追加されてもよい。 If the measured grip force exceeds the maximum grip force threshold while the jaws are in the middle of closing in position mode, block 707 generates a compensated actuator position command to limit the measured grip force to the maximum grip force threshold. In one embodiment, block 707 may calculate a grip force error, which is the difference between the maximum grip force threshold and the measured grip force. A zero steady state type controller, such as a proportional-integral (PI) force controller, may receive the grip force error and generate the compensated grip force command. The output of the PI force controller may be combined with the output of an inverse kinematic matrix that acts on the errors in the desired position and orientation of the wrist jaw to generate the compensated actuator position command. The compensated actuator position command may be added to the existing actuator position command to drive the wrist jaw to limit the measured grip force to the maximum grip force threshold.

別の態様では、コントローラ562は、位置モードにおいて動作しているとき、手首ジョーによる最小ジョー開放力を維持してもよい。最小ジョー開放力はまた、最小グリップ力とも称され得る。ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にある間に最小ジョー開放力を維持することは、ジョーが所望のジョー角度まで開くことを防止し得る抵抗をジョーが克服するのを助ける。ジョーのジョー角度及び開放力は、センサ及び推定器566によって推定又は測定されてもよい。コントローラ562は、所望のθジョー、推定θジョー、測定開放力を分析して、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にあるかどうか、所望のθジョーと推定θジョーとの間のジョー角度誤差が閾値よりも大きいかどうか、及び測定開放力が予め指定された最小ジョー開放力閾値より低いかどうかを決定してもよい。そうである場合、コントローラ562は、予め指定された最小ジョー開放力閾値と測定開放力との間の開放力誤差を計算して、測定開放力が予め指定された最小ジョー開放力閾値より高くなるように維持してもよい。 In another aspect, the controller 562 may maintain a minimum jaw opening force by the wrist jaws when operating in position mode. The minimum jaw opening force may also be referred to as a minimum grip force. Maintaining a minimum jaw opening force while the jaws are in the middle of opening in position mode helps the jaws overcome resistance that may prevent the jaws from opening to the desired jaw angle. The jaw angle and opening force of the jaws may be estimated or measured by the sensor and estimator 566. The controller 562 may analyze the desired θ jaws , the estimated θ jaws , and the measured opening force to determine whether the jaws are in the middle of opening in position mode, whether the jaw angle error between the desired θ jaws and the estimated θ jaws is greater than a threshold, and whether the measured opening force is lower than a pre-specified minimum jaw opening force threshold. If so, the controller 562 may calculate the opening force error between the pre-specified minimum jaw opening force threshold and the measured opening force to maintain the measured opening force above the pre-specified minimum jaw opening force threshold.

一実施形態では、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にあるかどうかを決定するために、コントローラ562は、最初に所望のθジョーが戻り止めのための閾値以上であること、したがって予め指定された持続時間よりも長い時間にわたって位置モードにあることを検証してもよい。次いで、コントローラ562は、位置モードにおいて開いている動作途中にあるジョーが、ジョーが所望のθジョーまで開くことを防止する抵抗を受けているかどうかを決定してもよい。一実施形態では、コントローラ562は、デバウンシング技法を使用して、所望のθジョーが推定θジョーよりも大きいこと、及び所望のθジョーと推定θジョーとの間の差であるθジョー誤差が、予め指定された時間の長さにわたってθジョー誤差閾値よりも大きいことを検証してもよい。一実施形態では、所望のθジョー及び推定θジョーが周期的頻度でサンプリングされる場合、コントローラ562は、θジョー誤差が予め指定されたサンプル数にわたってθジョー誤差閾値よりも大きいことを検証してもよい。 In one embodiment, to determine whether the jaws are partway open in position mode, the controller 562 may first verify that the desired θ jaws are equal to or greater than the threshold for detent and therefore in position mode for a time greater than a pre-specified duration. The controller 562 may then determine whether the jaws partway open in position mode are experiencing resistance that prevents the jaws from opening to the desired θ jaws . In one embodiment, the controller 562 may use a debouncing technique to verify that the desired θ jaws are greater than the estimated θ jaws and that the θ jaw error, which is the difference between the desired θ jaws and the estimated θ jaws , is greater than a θ jaw error threshold for a pre-specified length of time. In one embodiment, if the desired θ jaws and the estimated θ jaws are sampled at a periodic frequency, the controller 562 may verify that the θ jaw error is greater than a θ jaw error threshold for a pre-specified number of samples.

測定開放力が予め指定された最小ジョー開放力閾値より低いかどうかを決定するために、コントローラ562はまた、デバウンシング技法を用いてもよい。ジョー開放力カウンタは、測定開放力が最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものよりも大きい制御ループサイクルごとに1カウントずつ増加してもよい。一実施形態では、ジョー開放力カウンタは、最大カウントに達した後にインクリメントを停止してもよい。測定開放力が最小ジョー開放力閾値未満であるときに、ジョー開放力カウンタはリセットされてもよい。デバウンシング技法は、測定開放力がウィンドウ内のどこかで最小ジョー開放力閾値にマージを加えたものを下回っているときに、ジョー開放力カウンタに等しいループサイクル数に及ぶウィンドウの全体にわたって、測定開放力が最小ジョー開放力閾値未満であることを宣言してもよい。 To determine whether the measured opening force is less than a pre-specified minimum jaw opening force threshold, the controller 562 may also use a debouncing technique. The jaw opening force counter may increment by one count for each control loop cycle in which the measured opening force is greater than the minimum jaw opening force threshold plus a margin. In one embodiment, the jaw opening force counter may stop incrementing after reaching a maximum count. The jaw opening force counter may be reset when the measured opening force is less than the minimum jaw opening force threshold. The debouncing technique may declare the measured opening force to be less than the minimum jaw opening force threshold throughout a window spanning a number of loop cycles equal to the jaw opening force counter when the measured opening force is below the minimum jaw opening force threshold plus a margin anywhere within the window.

一例として、測定開放力が、最初に最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものより高くなっており、ジョー開放力カウンタがインクリメントしていると仮定する。測定開放力が最小ジョー開放力閾値より低いときに、ジョー開放力カウンタはリセットされてもよい。コントローラ562のフィードバック制御ループは、測定開放力が最小ジョー開放力閾値より高くなるように維持するために、手首ジョーを駆動するためにアクチュエータ位置コマンドを変化させるように試みてもよい。しかしながら、測定開放力が最小ジョー開放力閾値より高く増加するが、最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものより低いままである場合であっても、フィードバック制御ループは、最小ジョー開放力を維持するように、測定開放力が最小ジョー開放力閾値よりも小さいと依然としてみなしてもよい。測定開放力が、わずか数ループサイクルにわたってだけ最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものより高くなる上昇するが、その後、再度このレベルより低いように低下すると仮定する。ジョー開放力カウンタは、測定開放力が最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものより一時的に高くなったループサイクル数までインクリメントしてもよい。測定開放力が、ジョー開放力カウンタに等しいループサイクル数(例えば、測定開放力が最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものより一時的に高くなったループサイクル数)に及ぶウィンドウ内で最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものより低くなったままである限り、フィードバック制御ループは、最小ジョー開放力を維持するように、ウィンドウの持続時間全体にわたって、測定開放力が最小ジョー開放力閾値よりも小さいと依然としてみなしてもよい。 As an example, assume that the measured opening force is initially higher than the minimum jaw opening force threshold plus a margin and the jaw opening force counter is incrementing. When the measured opening force is lower than the minimum jaw opening force threshold, the jaw opening force counter may be reset. The feedback control loop of the controller 562 may attempt to vary the actuator position command to drive the wrist jaws to maintain the measured opening force higher than the minimum jaw opening force threshold. However, even if the measured opening force increases higher than the minimum jaw opening force threshold but remains lower than the minimum jaw opening force threshold plus a margin, the feedback control loop may still consider the measured opening force to be less than the minimum jaw opening force threshold so as to maintain the minimum jaw opening force. Assume that the measured opening force rises higher than the minimum jaw opening force threshold plus a margin for only a few loop cycles, but then falls below this level again. The jaw opening force counter may increment up to the number of loop cycles that the measured opening force was temporarily higher than the minimum jaw opening force threshold plus a margin. As long as the measured opening force remains below the minimum jaw opening force threshold plus a margin within a window spanning a number of loop cycles equal to the jaw opening force counter (e.g., the number of loop cycles during which the measured opening force was temporarily higher than the minimum jaw opening force threshold plus a margin), the feedback control loop may still consider the measured opening force to be less than the minimum jaw opening force threshold for the entire duration of the window so as to maintain the minimum jaw opening force.

コントローラ562が、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にあり、θジョー誤差がθジョー誤差閾値よりも大きく、かつ測定開放力が予め指定された最小ジョー開放力閾値より低いと決定するときに、コントローラは、測定開放力が最小ジョー開放力閾値より高くなるように維持してもよい。一実施形態では、コントローラ562は、最小ジョー開放力閾値と測定開放力との間の差であるジョー開放力誤差を計算してもよい。比例積分(PI)力コントローラなどの0定常状態型コントローラが、ジョー開放力誤差を受信し、測定開放力を最小ジョー開放力閾値以上に維持するように配備されてもよい。PI力コントローラの出力は、手首ジョーの所望の位置及び配向の誤差に作用する逆運動行列の出力と組み合わされて、補償されたアクチュエータ位置コマンドを生成してもよい。補償されたアクチュエータ位置コマンドは、ジョーが所望の位置及び配向で位置モードにおいて開いている動作途中にあるときの開放力の最小量を維持するように手首ジョーを駆動するために既存のアクチュエータ位置コマンドに加えられる。 When the controller 562 determines that the jaws are in the middle of opening in position mode and the theta jaw error is greater than the theta jaw error threshold and the measured opening force is less than a pre-specified minimum jaw opening force threshold, the controller may maintain the measured opening force above the minimum jaw opening force threshold. In one embodiment, the controller 562 may calculate a jaw opening force error that is the difference between the minimum jaw opening force threshold and the measured opening force. A zero steady state type controller, such as a proportional-integral (PI) force controller, may be deployed to receive the jaw opening force error and maintain the measured opening force above the minimum jaw opening force threshold. The output of the PI force controller may be combined with the output of an inverse kinematic matrix that acts on the error in the desired position and orientation of the wrist jaws to generate a compensated actuator position command. The compensated actuator position command is added to the existing actuator position command to drive the wrist jaws to maintain a minimum amount of opening force when the jaws are in the middle of opening in position mode at the desired position and orientation.

図8Aは、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にある間に、測定開放力809が最小レベルより高く維持されないときの、手首ジョーの命令θジョー803、測定θジョー805、命令グリップ力807、及び測定開放力809を示す時間プロットである。位置モードと力モードとの間の閾値θジョーは、命令θジョー603が0度以上であるときに、手首ジョーが位置モードにおいて動作しているように、0に設定される。命令θジョー603が0度未満であるときに、手首ジョーが力モードにおいて動作している。θジョー誤差閾値は5度に設定され、最小開放力閾値は4.4Nに設定される。 8A is a time plot showing the commanded θ jaw 803, measured θ jaw 805, commanded grip force 807, and measured opening force 809 of the wrist jaws when the measured opening force 809 is not maintained above a minimum level while the jaws are in the process of opening in position mode. The threshold θ jaw between position mode and force mode is set to 0 such that when the commanded θ jaw 603 is equal to or greater than 0 degrees, the wrist jaws are operating in position mode. When the commanded θ jaw 603 is less than 0 degrees, the wrist jaws are operating in force mode. The θ jaw error threshold is set to 5 degrees and the minimum opening force threshold is set to 4.4 N.

図8Aは、49~60秒まで、及び62~67秒まで、手首ジョーが位置モードにおいて動作していることを示す。測定θジョー805は、命令θジョー803がジョーを位置モード内で閉じるか又は開くように設定しても、比較的狭い範囲内にとどまるが、これはおそらく、位置モードにおいて開いている動作途中にあるジョーが抵抗を受けているか、又は命令θジョー803まで完全に開くことが制約されるためである。ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にあるか、又は同じθジョーにおいて維持されているときの49~52秒、56~59秒、及び62~66秒では、θジョー誤差、すなわち、より大きい命令θジョー803とより小さい測定θジョー805との間の差は、5度のθジョー誤差閾値よりも大きいことがある。 8A shows that from 49-60 seconds and from 62-67 seconds, the wrist jaws are operating in position mode. The measured θ jaws 805 remain within a relatively narrow range even as the commanded θ jaws 803 set the jaws to close or open in position mode, likely because the jaws halfway open in position mode are resisted or constrained from opening fully to the commanded θ jaws 803. From 49-52 seconds, 56-59 seconds, and 62-66 seconds, when the jaws are halfway open in position mode or maintained at the same θ jaw , the θ jaw error, i.e., the difference between the larger commanded θ jaws 803 and the smaller measured θ jaws 805, may be greater than the 5 degree θ jaw error threshold.

位置モード中、命令グリップ力807は、グリップ力コントローラによって0Nのデフォルト値に設定されてもよい。力モード中であっても、命令グリップ力807は、依然として0Nに設定される。測定開放力809の正の値は、位置モードにおけるジョーの開放力に対応し、負の値は、ジョーが閉じられるときの力モードにおけるグリップ力に対応する。位置モードにおける測定開放力809は、概して、命令θジョー803のプロファイルに従うが、これは、ジョーは、命令θジョー803まで開くことが制約されるためである。結果は、命令θジョー803がジョーのより広い開放のために増加されるときに、より強い測定開放力809であり、逆に、命令θジョー803がジョーのより狭い開放のために減少されるときに、より弱い測定開放力809である。フィードバック制御ループは、53~60秒の間、測定開放力809を4.4Nの最小開放力閾値より高く維持することができないため、測定開放力809は、最小開放力閾値より低く低下してもよい。 During position mode, the commanded grip force 807 may be set to a default value of 0 N by the grip force controller. Even during force mode, the commanded grip force 807 is still set to 0 N. A positive value of the measured opening force 809 corresponds to the opening force of the jaws in position mode, and a negative value corresponds to the grip force in force mode when the jaws are closed. The measured opening force 809 in position mode generally follows the profile of the commanded θ jaws 803 because the jaws are constrained to open up to the commanded θ jaws 803. The result is a stronger measured opening force 809 when the commanded θ jaws 803 are increased for a wider opening of the jaws, and conversely, a weaker measured opening force 809 when the commanded θ jaws 803 are decreased for a narrower opening of the jaws. Because the feedback control loop cannot maintain the measured opening force 809 above the minimum opening force threshold of 4.4 N between 53 and 60 seconds, the measured opening force 809 may drop below the minimum opening force threshold.

図8Bは、主題技術の態様による、制御システムが、位置モードにおいてのジョー開放中に、測定開放力819を予め指定された最小開放力閾値より高く維持するときの、手首ジョーの命令θジョー813、測定θジョー815、命令グリップ力817、及び測定開放力819を示す時間プロットである。θジョー誤差閾値は再度5度に設定され、最小開放力閾値は4.4Nに設定される。 8B is a time plot showing commanded theta jaw 813 , measured theta jaw 815, commanded grip force 817, and measured opening force 819 of the wrist jaws as the control system maintains the measured opening force 819 above a pre-specified minimum opening force threshold during jaw opening in position mode, in accordance with an aspect of the subject technology. Theta jaw error threshold is again set to 5 degrees and the minimum opening force threshold is set to 4.4 N.

図8Bにおいて、命令θジョー813及び測定θジョー815の時間プロットは、最小ジョー開放力が維持されないときの図8Aの命令θジョー803及び測定θジョー805と略同じである。位置モード中に、命令グリップ力817は、グリップ力コントローラによって0Nのデフォルト値に再度設定される。しかしながら、θジョー誤差、すなわちより大きい命令θジョー813とより小さい測定θジョー815との間の差が5度のθジョー誤差閾値よりも大きいときに、測定開放力819は、フィードバック制御ループ及びグリップ力コントローラによって、30~43秒の位置モード中に4.4Nの最小開放力閾値以上に維持される。具体的には、ジョーが開いている動作途中にあるとき、同じθジョーを維持しているとき、又は位置モードにおいて閉じている動作途中にあるときでさえ、最小測定開放力819が維持される。位置モードにおける最小開放力閾値は、測定開放力819が負であり得るときに、力モードに影響を及ぼさないことに留意する。 In Figure 8B, the time plot of the commanded θ jaw 813 and the measured θ jaw 815 is nearly the same as the commanded θ jaw 803 and the measured θ jaw 805 of Figure 8A when the minimum jaw opening force is not maintained. During position mode, the commanded grip force 817 is again set to a default value of 0 N by the grip force controller. However, when the θ jaw error, i.e., the difference between the larger commanded θ jaw 813 and the smaller measured θ jaw 815, is greater than the 5 degree θ jaw error threshold, the measured opening force 819 is maintained above the minimum opening force threshold of 4.4 N during 30-43 seconds of position mode by the feedback control loop and the grip force controller. Specifically, the minimum measured opening force 819 is maintained when the jaws are in the middle of opening, maintaining the same θ jaw , or even when they are in the middle of closing in position mode. Note that the minimum opening force threshold in position mode does not affect the force mode as the measured opening force 819 may be negative.

図9は、主題技術の態様による、所望のジョー角度、推定ジョー角度、及び測定開放力を分析することによって、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にある間、手首ジョーの開放力を予め指定された最小ジョー開放力閾値より高く維持するための外科手術用ロボットシステムのフィードバック制御のための方法900を例示するフローチャートである。方法900は、ユーザー入力から所望のθジョー、推定又は測定θジョー、及びセンサ及び推定器566から測定開放力を受信して、手首ジョーを駆動するためのアクチュエータ位置コマンドを生成する、図5の制御システムのコントローラ562によって実装されてもよい。 9 is a flow chart illustrating a method 900 for feedback control of a surgical robotic system to maintain the wrist jaw opening force above a pre-specified minimum jaw opening force threshold while the jaws are in the middle of opening in positional mode by analyzing the desired jaw angle , estimated jaw angle, and measured opening force, in accordance with aspects of the subject technology. Method 900 may be implemented by controller 562 of the control system of FIG. 5, which receives the desired θ jaw, estimated or measured θ jaw from user input, and the measured opening force from sensors and estimators 566, and generates actuator position commands for driving the wrist jaws.

ブロック901において、方法900は、手首ジョーが位置モードにあるかどうかを決定する。一実施形態では、ブロック901は、手首ジョーが位置モードにあることを確認するために、所望のθジョーが、予め指定された期間を超えて、位置モードと力モードとの間の閾値θジョー以上であるかどうかを決定してもよい。一実施形態では、閾値θジョーは、0に設定されてもよい。手首ジョーが位置モードにない場合、手首ジョーは力モードにあり、最小開放力は有効にされない。ブロック909において、方法900は、最小開放力を維持することなくアクチュエータ位置コマンドを生成する。一実施形態では、ブロック909は、アクチュエータ位置コマンドを生成することに加えて、所望のグリップ力又は開放力を達成するために、所望のθジョーを所望のグリップ力コマンドに変換する。 At block 901, the method 900 determines whether the wrist jaws are in position mode. In one embodiment, the block 901 may determine whether the desired θ jaws are equal to or greater than a threshold θ jaw between position mode and force mode for more than a pre-specified period of time to ensure that the wrist jaws are in position mode. In one embodiment, the threshold θ jaws may be set to 0. If the wrist jaws are not in position mode, the wrist jaws are in force mode and the minimum opening force is not enabled. At block 909, the method 900 generates actuator position commands without maintaining a minimum opening force. In one embodiment, the block 909, in addition to generating actuator position commands, converts the desired θ jaws to a desired grip force command to achieve a desired grip or opening force.

ジョーが位置モードにある場合、ブロック903は、所望のθジョーと推定又は測定θジョーとの間の差であるθジョー誤差が、θジョー誤差閾値以上であるかどうかを決定することによって、ジョーが所望θジョーまで開くことを防止されるかどうかを決定する。一実施形態では、ブロック903は、デバウンシング技法を用いて、所望のθジョーが推定θジョーよりも大きいかどうか、及びθジョー誤差が予め指定された長さの時間にわたってθジョー誤差閾値以上であるかどうかを決定してもよい。一実施形態では、ブロック903は、所望のθジョーが増加している、同じままである、又は減少していると決定することによって、それぞれ、ジョーが開いている動作途中にあること、静止θジョーのままであること、又は閉じている動作途中にあることを検出してもよい。θジョー誤差がθジョー誤差閾値よりも小さい場合、方法900は、最小開放力を維持することなくアクチュエータ位置コマンドを生成するブロック909をデフォルトにする。 If the jaws are in position mode, block 903 determines whether the jaws are prevented from opening to the desired θ jaws by determining whether a θ jaw error, which is the difference between the desired θ jaws and the estimated or measured θ jaws , is equal to or greater than a θ jaw error threshold. In one embodiment, block 903 may use a debouncing technique to determine whether the desired θ jaws are greater than the estimated θ jaws and whether the θ jaw error is equal to or greater than the θ jaw error threshold for a pre-specified amount of time. In one embodiment, block 903 may detect whether the jaws are in the middle of opening , remaining at a stationary θ jaw , or in the middle of closing by determining whether the desired θ jaws are increasing, staying the same, or decreasing, respectively. If the θ jaw error is less than the θ jaw error threshold, method 900 defaults to block 909 which generates an actuator position command without maintaining a minimum opening force.

ジョーが位置モードにあるときに、θジョー誤差がθジョー誤差閾値以上である場合、ブロック905は、測定開放力が予め指定された最小ジョー開放力閾値より低いと決定する。一実施形態では、ブロック905は、デバウンシング技法を用いて、測定開放力が、ジョー開放力カウンタに等しいサンプル数に及ぶウィンドウ内のどこかで最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたもの未満であると決定してもよい。一実施形態では、測定開放力は、図5のフィードバック制御システムのループサイクル時間でサンプリングされてもよい。ジョー開放力カウンタは、測定開放力が最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものよりも大きい制御ループサイクルごとに1ずつインクリメントしてもよい。測定開放力が最小ジョー開放力閾値未満であるときに、ジョー開放力カウンタはリセットされてもよい。測定開放力が、ジョー開放力カウンタに等しいサンプル数に及ぶウィンドウ内のどこかで最小ジョー開放力閾値にマージンを加えたものよりも小さい限り、測定開放力は、ウィンドウ全体に対して最小ジョー開放力閾値より低いとみなされる。そうでなければ、測定開放力は最小ジョー開放力閾値以上であり、方法900は、最小開放力を維持することなくアクチュエータ位置コマンドを生成するブロック909をデフォルトにする。 If the θ jaw error is equal to or greater than the θ jaw error threshold when the jaws are in position mode, block 905 determines that the measured opening force is less than a pre-specified minimum jaw opening force threshold. In one embodiment, block 905 may use a debouncing technique to determine that the measured opening force is less than the minimum jaw opening force threshold plus a margin anywhere within a window spanning a number of samples equal to the jaw opening force counter. In one embodiment, the measured opening force may be sampled at the loop cycle time of the feedback control system of FIG. 5. The jaw opening force counter may be incremented by one every control loop cycle in which the measured opening force is greater than the minimum jaw opening force threshold plus a margin. When the measured opening force is less than the minimum jaw opening force threshold, the jaw opening force counter may be reset. As long as the measured opening force is less than the minimum jaw opening force threshold plus a margin anywhere within a window spanning a number of samples equal to the jaw opening force counter, the measured opening force is considered to be less than the minimum jaw opening force threshold for the entire window. Otherwise, the measured opening force is greater than or equal to the minimum jaw opening force threshold and the method 900 defaults to block 909 which generates actuator position commands without maintaining a minimum opening force.

ジョーが位置モードにあるときに、測定開放力が最小ジョー開放力閾値未満であり、θジョー誤差がθジョー誤差閾値以上である場合、ブロック907は、測定開放力を最小ジョー開放力閾値より高く維持するように、補償されたアクチュエータ位置コマンドを生成する。一実施形態では、ブロック907は、最小ジョー開放力閾値と測定開放力との間の差であるジョー開放力誤差を計算してもよい。比例積分(PI)力コントローラなどの0定常状態型コントローラが、ジョー開放力誤差を受信し、測定開放力を最小ジョー開放力閾値以上に維持するように配備されてもよい。PI力コントローラの出力は、手首ジョーの所望の位置及び配向の誤差に作用する逆運動行列の出力と組み合わされて、補償されたアクチュエータ位置コマンドを生成してもよい。補償されたアクチュエータ位置コマンドは、ジョーが位置モードにおいて開いている動作途中にあるときの開放力の最小量を維持するように手首ジョーを駆動するために既存のアクチュエータ位置コマンドに加えられる。 If the measured opening force is less than the minimum jaw opening force threshold and the theta jaw error is equal to or greater than the theta jaw error threshold when the jaws are in position mode, block 907 generates a compensated actuator position command to maintain the measured opening force above the minimum jaw opening force threshold. In one embodiment, block 907 may calculate a jaw opening force error that is the difference between the minimum jaw opening force threshold and the measured opening force. A zero steady state type controller, such as a proportional-integral (PI) force controller, may be deployed to receive the jaw opening force error and maintain the measured opening force above the minimum jaw opening force threshold. The output of the PI force controller may be combined with the output of an inverse kinematic matrix that acts on the desired position and orientation error of the wrist jaws to generate a compensated actuator position command. The compensated actuator position command is added to the existing actuator position command to drive the wrist jaws to maintain a minimum amount of opening force when the jaws are in the middle of moving open in position mode.

別の態様において、コントローラ562は、手首ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移するときに加えられるグリップ力を滑らかにするために、命令グリップ力を調整してもよい。モード遷移中に加えられるグリップ力を滑らかにすることは、ジョーが2つのモード間の不連続点を通過するときに把持されている物体をジョーに偶発的に落下させ得る、ジョーの位置及び命令グリップ力の変化によって引き起こされるグリップ力の望ましくない突然の変化を最小限に抑える。位置モード中に、所望のθジョーは、戻り止めための閾値以上である。位置コントローラは、所望のθ並びに所望のθピッチ及び所望のθヨーを対応するアクチュエータ位置コマンドに変換して、手首ジョーを所望の位置及び配向に駆動してもよい。力モード中に、所望のθジョーが戻り止めのための閾値より低いときに、例えば、所望のθジョーが0度に設定された戻り止めに対して負であるときに、グリップ力コントローラは、所望のθジョーをグリップ力コマンドとして解釈することを可能にされてもよく、所望のθジョーを補償電流に変換してもよく、この補償電流は、命令グリップ力を達成するように手首ジョーを駆動するために既存の位置コマンドのための電流に追加されてもよい。 In another aspect, the controller 562 may adjust the commanded grip force to smooth the applied grip force when the wrist jaws transition between the position mode and the force mode. Smoothing the applied grip force during the mode transition minimizes undesirable sudden changes in grip force caused by changes in the jaw position and commanded grip force that may cause the jaws to accidentally drop the grasped object as the jaws pass the discontinuity between the two modes. During the position mode, the desired θ jaws are equal to or greater than the threshold for detents. The position controller may convert the desired θ as well as the desired θ pitch and desired θ yaw into corresponding actuator position commands to drive the wrist jaws to the desired position and orientation. During the force mode, when the desired θ jaws are below the threshold for detents, e.g., when the desired θ jaws are negative with respect to a detent set at 0 degrees, the grip force controller may be enabled to interpret the desired θ jaws as a grip force command and may convert the desired θ jaws into a compensation current that may be added to the current for the existing position command to drive the wrist jaws to achieve the commanded grip force.

一実施形態において、モード遷移中に加えられるグリップ力を滑らかにするために、フィードバック制御システムは、戻り止めが0度に設定されるときにデバウンシング技法を用いてもよい。デバウンシング技法は、所望のθジョーが正の値及び負の値の周りで振動するときに、グリップ力コントローラが命令グリップ力の振動を生成するために繰り返し有効化及び無効化されることを防止してもよい。 In one embodiment, to smooth the applied grip force during mode transitions, the feedback control system may use a debouncing technique when the detents are set at 0 degrees. The debouncing technique may prevent the grip force controller from being repeatedly enabled and disabled to generate oscillations in the commanded grip force as the desired theta jaw oscillates around positive and negative values.

一実施形態では、フィードバック制御システムは、所望のθジョー、命令グリップ力、及び測定グリップ力を分析することによって、手首ジョーが位置モードから力モードに遷移するときのグリップ力の突然の変化を最小限に抑えてもよい。フィードバック制御システムは、所望のθジョーが戻り止めのための閾値より低く減少することによって示されるように、グリップ力コントローラが有効化されていることに起因して、命令グリップ力が増加しているかどうか、及び測定グリップ力と命令グリップ力との間の誤差が予め指定された最大力誤差よりも大きいかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバック制御システムは、手首ジョーが位置モードから力モードに遷移するときに、測定グリップ力から予め指定されたマージンを引いたものとして命令グリップ力を設定してもよい。 In one embodiment, the feedback control system may minimize sudden changes in grip force when the wrist jaws transition from position mode to force mode by analyzing the desired θ jaws , the commanded grip force, and the measured grip force. The feedback control system may determine whether the commanded grip force is increasing due to the grip force controller being enabled, as indicated by the desired θ jaws decreasing below a threshold for detent, and whether the error between the measured grip force and the commanded grip force is greater than a pre-specified maximum force error. If so, the feedback control system may set the commanded grip force as the measured grip force minus a pre-specified margin when the wrist jaws transition from position mode to force mode.

一実施形態では、フィードバック制御システムは、所望のθジョー、命令グリップ力、及び測定グリップ力を分析することによって、手首ジョーが力モードから位置モードに遷移するときのグリップ力の突然の変化を最小限に抑えてもよい。フィードバック制御システムは、命令グリップ力が予め指定された最小グリップ力値よりも小さいかどうか、所望のθジョーが戻り止めのための閾値より高く増加することによって示されるようにグリップ力コントローラが無効化にされているために命令グリップ力が減少しているかどうか、及び測定グリップ力と最小グリップ力との間の誤差の絶対値が予め指定された最大グリップ力誤差値より小さいかどうかを決定してもよい。そうである場合、フィードバック制御システムは、手首ジョーが力モードから位置モードに遷移するときに、命令グリップ力を予め指定された最小グリップ力値に設定してもよい。 In one embodiment, the feedback control system may minimize sudden changes in grip force when the wrist jaws transition from force mode to position mode by analyzing the desired θ jaws , the commanded grip force, and the measured grip force. The feedback control system may determine whether the commanded grip force is less than a pre-specified minimum grip force value, whether the commanded grip force is decreasing because the grip force controller has been disabled as indicated by the desired θ jaws increasing above a threshold for detent, and whether the absolute value of the error between the measured grip force and the minimum grip force is less than a pre-specified maximum grip force error value. If so, the feedback control system may set the commanded grip force to the pre-specified minimum grip force value when the wrist jaws transition from force mode to position mode.

図10は、主題技術の態様による、エンドエフェクタが位置モード若しくは力モードにあるとき、又はエンドエフェクタが位置モードと力モードとの間で遷移するときに、ロボット外科手術用ツールのエンドエフェクタの位置及びグリップ力を制御するための例示的な制御システム1000のブロック図である。一実施形態では、エンドエフェクタは手首ジョーを含む。ロボット制御システム1000は、入力処理ユニット502と、アクチュエータコマンド生成器504と、位置コントローラ506と、グリップ力コントローラ508と、1つ又は2つ以上のアクチュエータユニット510及び/又はケーブル及び手首リンク512を含むプラントと、スラックコントローラ514と、位置推定器522と、グリップ力推定器524と、を含む。 10 is a block diagram of an exemplary control system 1000 for controlling the position and grip force of an end effector of a robotic surgical tool when the end effector is in a position mode or a force mode, or when the end effector transitions between position and force modes, in accordance with aspects of the subject technology. In one embodiment, the end effector includes a wrist jaw. The robotic control system 1000 includes an input processing unit 502, an actuator command generator 504, a position controller 506, a grip force controller 508, a plant including one or more actuator units 510 and/or cables and wrist links 512, a slack controller 514, a position estimator 522, and a grip force estimator 524.

入力処理ユニット502及びアクチュエータコマンド生成器504は、手首ジョーの所望の角度位置を受信し、所望の角度位置を(逆運動アルゴリズムを介して)対応するアクチュエータ位置コマンドに変換するが、このアクチュエータ位置コマンドは、位置コントローラ506及び/又はグリップ力コントローラ508に出力される。例えば、入力された所望の角度位置は、所望のθジョー、所望のθピッチ、及び所望のθヨーを含んでもよい。所望のθジョーは、所望のθジョーが戻り止めのための閾値以上であるときに、位置コマンドとして扱われてもよい。所望のθジョーが戻り止めのための閾値未満であるときに、所望のθジョーは、所望のグリップ力を達成するために電流コマンドを生成し得るグリップ力コントローラ508によって、所望のグリップ力コマンド(例えば、コマンドグリップ力)に変換されてもよい。 The input processing unit 502 and actuator command generator 504 receive the desired angular positions of the wrist jaws and convert the desired angular positions (via an inverse kinematic algorithm) into corresponding actuator position commands that are output to the position controller 506 and/or the grip force controller 508. For example, the input desired angular positions may include a desired θ jaw , a desired θ pitch , and a desired θ yaw . The desired θ jaw may be treated as a position command when the desired θ jaw is equal to or greater than a threshold for a detent. When the desired θ jaw is less than a threshold for a detent, the desired θ jaw may be converted into a desired grip force command (e.g., a command grip force) by the grip force controller 508, which may generate a current command to achieve the desired grip force.

位置コントローラ506は、アクチュエータユニット510上の位置及び/又は速度センサから位置フィードバックを受信してもよい。所望のアクチュエータ位置を達成することは、次に、アクチュエータと手首ジョーとの間の運動学的関係に起因して、手首ジョーの所望の位置をもたらすことができる。アクチュエータユニット510は、力で長さが変化し得る弾性ケーブル(又はワイヤ)を通してロボット手首に結合されるため、アクチュエータ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、正確ではないことがある。位置推定器522は、推定アルゴリズムにおいて(例えば、カルマンフィルタを使用して)ケーブル弾性を考慮することによって、アクチュエータコマンド生成器504及びグリップ力推定器524に、手首ジョイント位置及び速度のより正確な推定値を提供してもよい。次いで、推定された位置及び速度情報は、手首の正確な位置決め及び摩擦の推定のために使用され得る。 The position controller 506 may receive position feedback from position and/or velocity sensors on the actuator unit 510. Achieving the desired actuator position may then result in the desired position of the wrist jaw due to the kinematic relationship between the actuator and the wrist jaw. Because the actuator unit 510 is coupled to the robot wrist through an elastic cable (or wire) whose length may change with force, an estimation based only on the pure kinematic relationship between the actuator position and the wrist movement may not be accurate. The position estimator 522 may provide more accurate estimates of the wrist joint position and velocity to the actuator command generator 504 and the grip force estimator 524 by taking into account the cable elasticity in the estimation algorithm (e.g., using a Kalman filter). The estimated position and velocity information may then be used for accurate positioning of the wrist and for estimating friction.

一実施形態では、グリップ力コントローラ508は、ケーブルワイヤ上のロードセル又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とる。次いで、グリップ力推定器524によってアルゴリズムを使用して、ケーブル上で測定された張力値に基づいてジョー間のグリップ力を推定することができる。グリップ力コントローラ508は、推定値を所望のグリップ力と比較してもよく、所望のグリップ力を達成するために追加の電流コマンドを生成する。手首ジョーは、各々が独立したモータによって作動される4つの独立したケーブルを介してツール駆動部に結合されてもよい。一実施形態において、モータは電流によって駆動されてもよい。電流コマンドは、2つの部分を含んでもよく、駆動電流の第1の部分は、位置コントローラ506からであってもよく、第2の部分は、グリップ力コントローラ508からであってもよい。2つの電流コマンドは合計され、アクチュエータユニット510に送信されてもよい。 In one embodiment, the grip force controller 508 takes feedback of the cable tension measured by a load cell or torque sensor on the cable wire. An algorithm can then be used by the grip force estimator 524 to estimate the grip force between the jaws based on the tension value measured on the cable. The grip force controller 508 may compare the estimate to the desired grip force and generate additional current commands to achieve the desired grip force. The wrist jaws may be coupled to the tool drive via four independent cables, each actuated by an independent motor. In one embodiment, the motors may be driven by current. The current command may include two parts, the first part of the drive current may be from the position controller 506 and the second part may be from the grip force controller 508. The two current commands may be summed and sent to the actuator unit 510.

スラックコントローラ514は、ケーブルの張力が決して0(又はスラックを補償するために所定の正の値)より低く降下しないようにするタスクを行ってもよい。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ができない。したがって、ケーブルの張力が0に落ちるのを防止することが望ましい。この目標を達成するために、スラックコントローラ514は、ケーブルのロードセルからの力値を監視し、力値の最小値を所定の閾値と比較してもよい。全てのケーブルにわたる最小力値が閾値より低くなるように降下する場合、スラックコントローラ514は、所望の最小張力が維持されることを確実にするために、全てのアクチュエータに対する追加の位置コマンドを生成してもよい。 The slack controller 514 may have the task of ensuring that the tension in the cables never drops below zero (or a predetermined positive value to compensate for slack). The cables are tension-only members of the end effector and cannot have negative forces applied to them. It is therefore desirable to prevent the tension in the cables from dropping to zero. To achieve this goal, the slack controller 514 may monitor the force values from the cable load cells and compare the minimum of the force values to a predetermined threshold. If the minimum force value across all cables drops below the threshold, the slack controller 514 may generate additional position commands to all actuators to ensure that the desired minimum tension is maintained.

モード遷移中に加えられるグリップ力を滑らかにするために、入力処理ユニット502は、戻り止めが0度に設定されているときにデバウンシング技法を用いてもよい。デバウンシング技法は、グリップ力コントローラ508が手首ジョーを位置モードから力モードに遷移させることを可能にする前に、所望のθジョーが、予め指定された最小持続時間にわたって、戻り止めのための閾値よりも小さいかどうかを決定してもよい。力モードから位置モードに遷移するときに、入力処理ユニット502は、所望のθジョーが戻り止めのための閾値以上になるとすぐに、グリップコントローラ508を無効化してもよい。したがって、デバウンシング技法は片側であってもよい。デバウンシング技法は、所望のθジョーが戻り止めの周りで振動するときに、命令グリップ力の振動を引き起こし得る状態である、グリップ力コントローラ508が繰り返し有効化及び無効化されることを防止する。 To smooth the grip force applied during mode transitions, the input processing unit 502 may use a debouncing technique when the detents are set to 0 degrees. The debouncing technique may determine whether the desired θ jaw is less than the threshold for the detents for a pre-specified minimum duration before allowing the grip force controller 508 to transition the wrist jaws from position mode to force mode. When transitioning from force mode to position mode, the input processing unit 502 may disable the grip controller 508 as soon as the desired θ jaw is equal to or greater than the threshold for the detents. Thus, the debouncing technique may be one-sided. The debouncing technique prevents the grip force controller 508 from being repeatedly enabled and disabled, a condition that can cause oscillations in the commanded grip force as the desired θ jaw oscillates around the detents.

図11Aは、命令θジョー1103がデバウンシングアルゴリズムなしで戻り止めのための閾値付近に設定されるときの、手首ジョーの命令θジョー1103、測定θジョー1105、命令グリップ力1107、測定グリップ力1109、及びグリップ力コントローラ(例えば、図10のグリップ力コントローラ508)からの電流コマンド1106を示す時間プロットである。戻り止めのための閾値は、命令θジョー1103が0度以上であるときに、手首ジョーが位置モードにおいて動作しているように、0に設定される。命令θジョー1103が0度未満であるときに、手首ジョーは力モードにおいて動作している。正のグリップ力は、力モードにおけるグリップ力を示し、負のグリップ力は、位置モードにおけるグリップ力を示す。 11A is a time plot showing the commanded θ jaw 1103, measured θ jaw 1105, commanded grip force 1107, measured grip force 1109, and current command 1106 from a grip force controller (e.g., grip force controller 508 of FIG. 10) of the wrist jaws when the commanded θ jaw 1103 is set near a threshold for detents without a debouncing algorithm. The threshold for detents is set to 0 so that when the commanded θ jaw 1103 is equal to or greater than 0 degrees, the wrist jaws are operating in position mode. When the commanded θ jaw 1103 is less than 0 degrees, the wrist jaws are operating in force mode. A positive grip force indicates a grip force in force mode and a negative grip force indicates a grip force in position mode.

図11Aは、時間11.6~12秒の間で、手首ジョーが位置モードにおいて動作していることを示す。時間12秒後、命令θジョー1103は、戻り止めに設定されたユーザー入力装置(UID)に起因して戻り止めのための閾値付近に設定される。測定θジョー1105は、おそらくジョーが物体を把持しているため、約20度より高いままである。グリップ力コントローラ508は、手首ジョーが位置モードと力モードとの間で揺動するときに、繰り返し有効化及び無効化され、グリップ力コントローラ508が力モード中に有効化されるときに、グリップ力コントローラ508からの命令グリップ力1107及び電流コマンド1106に振動を引き起こす。結果は、時間12~12.4秒との間に観察される測定グリップ力1109における望ましくない大きな揺れである。測定θジョー1105はまた、測定グリップ力1109の揺れに起因するいくつかの望ましくない振動を示す。 11A shows the wrist jaws operating in position mode between times 11.6 and 12 seconds. After time 12 seconds, the commanded theta jaw 1103 is set near the threshold for the detent due to the user input device (UID) being set to the detent. The measured theta jaw 1105 remains above about 20 degrees, likely because the jaw is gripping an object. The grip force controller 508 is repeatedly enabled and disabled as the wrist jaws swing between position mode and force mode, causing oscillations in the commanded grip force 1107 and current command 1106 from the grip force controller 508 when the grip force controller 508 is enabled during force mode. The result is an undesirable large oscillation in the measured grip force 1109 observed between times 12 and 12.4 seconds. The measured theta jaw 1105 also shows some undesirable oscillations due to oscillations in the measured grip force 1109.

図11Bは、主題技術の態様による、命令θジョー1113が戻り止め付近に設定されているときに、制御システム(例えば、図10の入力処理ユニット502及びアクチュエータコマンド生成器504)がデバウンシングアルゴリズムを使用するときの、手首ジョーの命令θジョー1113、測定θジョー1115、命令グリップ力1117、測定グリップ力1119、及びグリップ力コントローラ508からの電流コマンド1116を示す時間プロットである。戻り止めのための閾値は、再度0に設定される。時間30.2~30.9秒との間で、手首ジョーが位置モードにおいて動作している。時間30.9秒後、命令θジョー1113は、戻り止めのための閾値付近に設定される。 11B is a time plot illustrating the commanded theta jaw 1113, the measured theta jaw 1115, the commanded grip force 1117, the measured grip force 1119, and the current command 1116 from the grip force controller 508 for the wrist jaws when a control system (e.g., the input processing unit 502 and the actuator command generator 504 of FIG. 10) uses a debouncing algorithm when the commanded theta jaw 1113 is set near a detent, in accordance with aspects of the subject technology. The threshold for the detent is again set to 0. Between times 30.2 and 30.9 seconds, the wrist jaws are operating in position mode. After time 30.9 seconds, the commanded theta jaw 1113 is set near the threshold for the detent.

デバウンシングアルゴリズムは、所望のθジョーが予め指定された最小持続時間にわたって0度未満である場合にのみ、グリップ力コントローラ508が手首ジョーを位置モードから力モードに遷移させることを可能にし得る。制御システムはこの状態を検出しないため、手首ジョーは位置モードのままであり、グリップ力コントローラ508は有効化されない。その結果、命令グリップ力1117は0Nのデフォルト値のままであり、グリップ力コントローラ508からの現在の命令1116も0のままである。測定グリップ力1119は、大きな揺れを呈さず、測定θジョー1115は、図11Aで観察される振動を呈さず、グリップ力の滑らかな印加を確実にする(測定グリップ力1119は、手首ジョーが位置モードのままであっても、正として示される)。 The debouncing algorithm may allow the grip force controller 508 to transition the wrist jaws from position mode to force mode only if the desired θ jaws are less than 0 degrees for a pre-specified minimum duration. Because the control system does not detect this condition, the wrist jaws remain in position mode and the grip force controller 508 is not enabled. As a result, the commanded grip force 1117 remains at its default value of 0 N and the current command 1116 from the grip force controller 508 also remains at 0. The measured grip force 1119 does not exhibit large swings and the measured θ jaws 1115 do not exhibit the vibrations observed in FIG. 11A, ensuring a smooth application of the grip force (the measured grip force 1119 is shown as positive even though the wrist jaws remain in position mode).

位置モードと力モードとの間で遷移するときに手首ジョーが物体を把持しているときに、グリップ力の滑らかな適用も重要になってもよい。例えば、位置モード中に、グリップ力コントローラ508が有効化されていなくても、手首ジョーが物体を把持している場合、非0の測定グリップ力が存在してもよい。所望のθジョーが戻り止めのための閾値より低いように低下し、位置モードから力モードへの遷移を示すときに、グリップ力コントローラ508は、最初に命令グリップ力を0Nから駆動してもよい。同様に、力モードから位置モードに遷移するときに、グリップ力コントローラ508が無効化されるときに、命令グリップ力は、位置コントローラ506から出力される0Nのデフォルト値にリセットされてもよい。その結果、遷移中に測定グリップ力に突然の変化が生じる場合があり、手首ジョーが物体を落とす場合がある。 Smooth application of grip force may also be important when the wrist jaws are gripping an object when transitioning between position mode and force mode. For example, during position mode, a non-zero measured grip force may be present when the wrist jaws are gripping an object even if the grip force controller 508 is not enabled. The grip force controller 508 may initially drive the commanded grip force from 0 N when the desired θ jaws drop below a threshold for detents, indicating a transition from position mode to force mode. Similarly, when transitioning from force mode to position mode, the commanded grip force may be reset to a default value of 0 N output from the position controller 506 when the grip force controller 508 is disabled. As a result, there may be a sudden change in the measured grip force during the transition, which may cause the wrist jaws to drop the object.

図12Aは、手首ジョーが位置モードから力モードに遷移し、位置モードに戻るときに、制御システムが測定グリップ力1209の変化を制限しようとしないときの、手首ジョーの命令θジョー1203、測定θジョー1205、命令グリップ力1207、及び測定グリップ力1209を示す時間プロットである。戻り止めのための閾値は、命令θジョー1203が0度以上であるときに、手首ジョーが位置モードにおいて動作するように、再度0に設定される。命令θジョー1203が0度未満であるときに、手首ジョーが力モードにおいて動作している。 12A is a time plot showing the commanded theta jaw 1203, measured theta jaw 1205, commanded grip force 1207, and measured grip force 1209 of the wrist jaws when the control system makes no attempt to limit the change in measured grip force 1209 as the wrist jaws transition from position mode to force mode and back to position mode. The threshold for the detent is again set to 0 so that when the commanded theta jaw 1203 is equal to or greater than 0 degrees, the wrist jaws are operating in position mode. When the commanded theta jaw 1203 is less than 0 degrees, the wrist jaws are operating in force mode.

手首ジョーは、最初に位置モードにおいて動作している。命令θジョー1203は、最初に0度であり、命令グリップ力1207は、最初に0Nである。測定θジョー1205は、25度であり、測定グリップ力1209は、物体がジョー間に保持されていることに起因して8Nである。時間27.5秒では、命令θジョー1203は負になり、手首ジョーを位置モードから力モードに遷移させる。グリップ力コントローラ508が有効化されるときに、命令グリップ力1207は、命令θジョー1203がその最も負の値に達するまで、0Nからランプアップする。しかしながら、測定グリップ力1209は、命令されたようにランプアップする前に、遷移中に5Nの突然の低下を経験する。時間30秒では、命令θジョー1203は、負の値が小さくなり始める。命令グリップ力1207は、ランプダウンを開始し、測定グリップ力1209は、命令された通りに従う。時間31秒では、命令θジョー1203は正になり、手首ジョーを力モードから一モードに戻るように遷移させる。グリップ力コントローラ508が無効化されるときに、測定グリップ力1209は、いくつかのオーバーシュートを伴って、0Nから位置モードの静止8Nへの突然のジャンプを経験する。遷移中に測定グリップ力1209の突然の変化を最小限に抑えることが望ましい。 The wrist jaws are initially operating in position mode. The commanded theta jaw 1203 is initially at 0 degrees and the commanded grip force 1207 is initially at 0 N. The measured theta jaw 1205 is at 25 degrees and the measured grip force 1209 is 8 N due to an object being held between the jaws. At time 27.5 seconds, the commanded theta jaw 1203 goes negative, transitioning the wrist jaws from position mode to force mode. When the grip force controller 508 is enabled, the commanded grip force 1207 ramps up from 0 N until the commanded theta jaw 1203 reaches its most negative value. However, the measured grip force 1209 experiences a sudden drop of 5 N during the transition before ramping up as commanded. At time 30 seconds, the commanded theta jaw 1203 begins to become less negative. The commanded grip force 1207 begins to ramp down and the measured grip force 1209 complies as commanded. At time 31 seconds, the command theta jaw 1203 goes positive, transitioning the wrist jaws from force mode back to one mode. When the grip force controller 508 is disabled, the measured grip force 1209 experiences an abrupt jump from 0 N to a static 8 N in position mode, with some overshoot. It is desirable to minimize the abrupt change in the measured grip force 1209 during the transition.

一実施形態では、位置モードから力モードへの遷移中に物体を保持するときの手首ジョーのグリップ力の突然の変化を最小限に抑えるために、グリップ力コントローラ508は、命令グリップ力を調整してもよい。例えば、グリップ力コントローラ508は、命令θジョーが戻り止めのための閾値未満になるときにグリップ力コントローラ508が有効化されるとき、及び特定の条件が満たされる場合、命令グリップ力を、現在の測定グリップ力から予め指定されたマージンを引いたものに設定してもよい。そうすることによって、測定グリップ力が遷移中に0Nに近い値に低下することを防止することができ、それによって、ジョーがジョー間に保持された物体を落とす可能性を低減する。一実施形態では、測定グリップ力は、ケーブル及び手首リンク512からのケーブルで測定された張力値に基づいて、グリップ力推定器524によって生成されてもよい。 In one embodiment, the grip force controller 508 may adjust the commanded grip force to minimize sudden changes in the grip force of the wrist jaws when holding an object during the transition from position mode to force mode. For example, the grip force controller 508 may set the commanded grip force to the current measured grip force minus a pre-specified margin when the grip force controller 508 is enabled when the commanded θ jaws fall below a threshold for detents and if certain conditions are met. Doing so can prevent the measured grip force from dropping to a value close to 0 N during the transition, thereby reducing the possibility of the jaws dropping an object held between the jaws. In one embodiment, the measured grip force may be generated by the grip force estimator 524 based on tension values measured in the cables and cables from the wrist link 512.

命令グリップ力を調整するための第1の条件を評価するために、グリップ力コントローラ508は、命令θジョーが戻り止めのための閾値より低く減少することによって示されるように、グリップ力コントローラ508が有効化されることに起因して、命令グリップ力が増加しているかどうか、又は増加することになるかどうかを決定してもよい。第2の条件に対して、グリップ力コントローラ508は、測定グリップ力と命令グリップ力との間の誤差が予め指定された最大力誤差よりも大きいかどうかを決定してもよい。一実施形態では、グリップ力コントローラ528は、条件の一方又は両方に対してデバウンシング技法を使用してもよい。これらの2つの条件が満たされる場合、グリップ力コントローラ508は、命令グリップ力を、現在の測定グリップ力から予め指定されたマージンを引いたものに設定してもよい。 To evaluate the first condition for adjusting the commanded grip force, the grip force controller 508 may determine whether the commanded grip force is increasing or will increase due to the grip force controller 508 being enabled, as indicated by the commanded θ jaw decreasing below a threshold for detent. For the second condition, the grip force controller 508 may determine whether the error between the measured grip force and the commanded grip force is greater than a pre-specified maximum force error. In one embodiment, the grip force controller 528 may use a debouncing technique for one or both of the conditions. If these two conditions are met, the grip force controller 508 may set the commanded grip force to the current measured grip force minus a pre-specified margin.

一実施形態では、力モードから位置モードへの遷移中に物体を保持するときの手首ジョーのグリップ力の突然の変化を最小限に抑えるために、グリップ力コントローラ508は、命令グリップ力を調整してもよい。例えば、グリップ力コントローラ508は、命令θジョーが戻り止めのための閾値よりも大きくなったときにグリップ力コントローラ508が無効化されるとき、及び特定の条件が満たされる場合、命令グリップ力を予め指定された最小グリップ力値に設定してもよい。位置モードのデフォルト0Nから開始する代わりにそのようにすることは、測定グリップ力が位置モードの静止グリップ力まで上昇する変化を低減してもよい。 In one embodiment, the grip force controller 508 may adjust the commanded grip force to minimize sudden changes in the grip force of the wrist jaws when holding an object during the transition from force mode to position mode. For example, the grip force controller 508 may set the commanded grip force to a pre-specified minimum grip force value when the grip force controller 508 is disabled when the commanded θ jaws become greater than a threshold for detents, and if certain conditions are met. Doing so instead of starting from the default 0N in position mode may reduce the change in the measured grip force as it rises up to the static grip force in position mode.

グリップ力を調整するための条件を評価するために、グリップ力コントローラ508は、命令グリップ力が予め指定された最小グリップ力値よりも小さいかどうかを決定してもよい。グリップ力コントローラ508はまた、命令θジョーが戻り止めのための閾値に向かって増加するか、又は戻り止めの閾値を超えることによって示されるように、命令グリップ力が減少しているかどうかを決定してもよい。加えて、グリップ力コントローラ508は、測定グリップ力と最小グリップ力値との間の誤差の絶対値が、予め指定された最大グリップ力誤差値よりも小さいかどうかを決定してもよい。一実施形態では、グリップ力コントローラ528は、1つ又は2つ以上の条件に対してデバウンシング技法を使用してもよい。全ての条件が満たされる場合、グリップ力コントローラ508は、命令グリップ力を予め指定された最小グリップ力値に設定してもよい。一実施形態では、予め指定された最小グリップ力値は3Nに設定されてもよい。 To evaluate the conditions for adjusting the grip force, the grip force controller 508 may determine whether the commanded grip force is less than a pre-specified minimum grip force value. The grip force controller 508 may also determine whether the commanded grip force is decreasing, as indicated by the commanded θ jaw increasing toward or exceeding a threshold for a detent. In addition, the grip force controller 508 may determine whether the absolute value of the error between the measured grip force and the minimum grip force value is less than a pre-specified maximum grip force error value. In one embodiment, the grip force controller 528 may use a debouncing technique for one or more conditions. If all conditions are met, the grip force controller 508 may set the commanded grip force to a pre-specified minimum grip force value. In one embodiment, the pre-specified minimum grip force value may be set to 3 N.

図12Bは、主題技術の態様による、手首ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移するときに制御システムが測定グリップ力1219の変化を制限するときの、手首ジョーの命令θジョー1213、測定θジョー1215、命令グリップ力1217、及び測定グリップ力1219を示す時間プロットである。戻り止めのための閾値は、命令θジョー1213が0度以上であるときに、手首ジョーが位置モードにおいて動作しているように、再度0に設定される。命令θジョー1213が0度未満であるときに、手首ジョーが力モードにおいて動作している。予め指定された最大グリップ力誤差値は、測定グリップ力と命令グリップ力との間の誤差の絶対値によって超えられるべきではなく、8Nよりも大きく設定される。予め指定された最小グリップ力値は、3Nに設定される。 12B is a time plot showing the commanded θ jaw 1213, measured θ jaw 1215, commanded grip force 1217, and measured grip force 1219 of the wrist jaws as the control system limits the change in the measured grip force 1219 as the wrist jaws transition between position mode and force mode , in accordance with an aspect of the subject technology. The threshold for the detent is again set to 0 such that when the commanded θ jaw 1213 is equal to or greater than 0 degrees, the wrist jaws are operating in position mode. When the commanded θ jaw 1213 is less than 0 degrees, the wrist jaws are operating in force mode. A pre-specified maximum grip force error value, which should not be exceeded by the absolute value of the error between the measured grip force and the commanded grip force, is set to be greater than 8N. A pre-specified minimum grip force value is set to 3N.

手首ジョーは、最初に位置モードにおいて動作しており、命令θジョー1213、測定θジョー1215、命令グリップ力1217、及び測定グリップ力1219の初期状態は、図12Aと同じである。時間37.4秒では、命令θジョー1203は負になり、手首ジョーを位置モードから力モードに遷移させる。しかしながら、力モードにおいて0Nから開始する代わりに、命令グリップ力1217は、この時点で測定グリップ力1219から予め指定されたマージンを減算することによって取得される約6.2Nから開始する。測定グリップ力1219と命令グリップ力1217との間の誤差の絶対値が予め指定された最大力誤差よりも小さいため、命令グリップ力1217に対する調整のための条件が満たされる。その結果、測定グリップ力1219は、位置モードから力モードへの遷移中に、命令グリップ力1217に対する調整がない場合よりも著しく小さい低下を経験する。命令グリップ力1217は、次第に負になる命令θジョー1213から決定される命令グリップ力1217が6.2Nよりも大きくなるまで、6.2Nのままである。 The wrist jaws are initially operating in position mode, with the initial states of commanded θ jaw 1213, measured θ jaw 1215, commanded grip force 1217, and measured grip force 1219 being the same as in FIG. 12A. At time 37.4 seconds, commanded θ jaw 1203 becomes negative, transitioning the wrist jaws from position mode to force mode. However, instead of starting at 0 N in force mode, commanded grip force 1217 starts at about 6.2 N, which is obtained by subtracting a pre-specified margin from measured grip force 1219 at this point. Because the absolute value of the error between measured grip force 1219 and commanded grip force 1217 is less than a pre-specified maximum force error, the condition for adjustment to commanded grip force 1217 is met. As a result, measured grip force 1219 experiences a significantly smaller drop during the transition from position mode to force mode than would occur without the adjustment to commanded grip force 1217. The command gripping force 1217 remains at 6.2N until the command gripping force 1217 determined from the increasingly negative command θ jaw 1213 is greater than 6.2N.

時間39.8秒では、命令θジョー1213は、負の値が小さくなることが開始する。命令グリップ力1217は、ランプダウンを開始し、測定グリップ力1219は、命令された通りに従う。時間40.5秒では、命令グリップ力1217は、命令θジョー1213が力モードから位置モードに手首ジョーを遷移させるために正になる際に調整なしでそうでなければ発生したであろう0Nまでランプダウンし続ける代わりに、3Nの予め指定された最小グリップ力値のままである。測定グリップ力1219が3Nの予め指定された最小グリップ力値より小さく、測定グリップ力1219と命令グリップ力1217との間の誤差の絶対値が予め指定された最大力誤差よりも小さいため、命令グリップ力1217に対する調整のための条件が満たされる。その結果、測定グリップ力1219は、遷移中に位置モードの静止8Nにジャンプするため、測定グリップ力1219は、命令グリップ力1217に対する調整がない場合よりも著しく小さい変化を経験する。命令グリップ力1217は、命令θジョー1213から決定される命令グリップ力1217が0Nになるまで、3Nのままである。 At time 39.8 seconds, the commanded theta jaw 1213 begins to become less negative. The commanded grip force 1217 begins to ramp down and the measured grip force 1219 follows as commanded. At time 40.5 seconds, the commanded grip force 1217 remains at the pre-specified minimum grip force value of 3N instead of continuing to ramp down to 0N as would otherwise occur without the adjustment as the commanded theta jaw 1213 goes positive to transition the wrist jaw from force mode to position mode. The condition for an adjustment to the commanded grip force 1217 is met because the measured grip force 1219 is less than the pre-specified minimum grip force value of 3N and the absolute value of the error between the measured grip force 1219 and the commanded grip force 1217 is less than the pre-specified maximum force error. As a result, the measured grip force 1219 experiences a significantly smaller change than it would without the adjustment to the commanded grip force 1217 as it jumps to a static 8N in the position mode during the transition. The commanded grip force 1217 remains at 3N until the commanded grip force 1217 determined from the commanded θ jaw 1213 becomes 0N.

図13は、主題技術の態様による、戻りのための閾値付近に手首ジョーの所望のθジョーを設定するときに、デバウンシングアルゴリズムを用いるための、又は手首ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移するときに、測定グリップ力の変化を制限するように命令グリップ力を調整するための、外科手術用ロボットシステムのフィードバック制御のための方法1300を例示するフローチャートである。方法1300は、図5の制御システムのコントローラ562又は図10の制御システムのグリップ力コントローラ508によって実装されてもよく、これは、ユーザー入力から所望のθジョー、並びに図5のセンサ及び推定器566又は図10のグリップ力推定器524から測定グリップ力をそれぞれ受信して、手首ジョーを駆動するための命令グリップ力を生成する。 13 is a flow chart illustrating a method 1300 for feedback control of a surgical robotic system for using a debouncing algorithm when setting a desired θ jaw of the wrist jaws near a threshold for return, or for adjusting a commanded grip force to limit changes in the measured grip force when the wrist jaws transition between position and force modes, in accordance with an aspect of the subject technology. Method 1300 may be implemented by controller 562 of the control system of FIG. 5 or grip force controller 508 of the control system of FIG. 10, which receives the desired θ jaws from a user input and the measured grip forces from sensors and estimators 566 of FIG. 5 or grip force estimator 524 of FIG. 10, respectively, and generates a commanded grip force for driving the wrist jaws.

ブロック1301における位置モードから開始し、方法1300は、ブロック1303において、所望のθジョーが最小持続時間にわたって戻り止めのための閾値よりも小さいかどうかを決定する。一実施形態では、最小持続時間は、予め指定されてもよいし、設定可能であってもよい。ブロック1303は、デバウンシングアルゴリズムを実装して、力モードが繰り返し有効化及び無効化されること、すなわち、所望のθジョーが戻り止めのための閾値付近に設定されるときに、命令グリップ力に振動を引き起こし得る状態を防止する。一実施形態では、ブロック1303は、所望のθジョーが戻り止めのための閾値より低く減少することによって示されるように、命令グリップ力が増加しているかどうか、又は増加することになるかどうかを決定してもよい。所望のθジョーが、予め指定された最小持続時間にわたって戻り止めのための閾値より小さくない場合、手首ジョーは、ブロック1301の位置モードのままである。 Starting in position mode at block 1301, method 1300 determines in block 1303 whether the desired θ jaw is less than the threshold for detents for a minimum duration. In one embodiment, the minimum duration may be pre-specified or configurable. Block 1303 implements a debouncing algorithm to prevent the force mode from being repeatedly enabled and disabled, a condition that may cause oscillations in the commanded grip force when the desired θ jaw is set near the threshold for detents. In one embodiment, block 1303 may determine whether the commanded grip force is increasing or will increase, as indicated by the desired θ jaw decreasing below the threshold for detents. If the desired θ jaw is not less than the threshold for detents for a pre-specified minimum duration, the wrist jaws remain in position mode at block 1301.

そうではなく、所望のθジョーが、予め指定された最小持続時間にわたって戻り止めのための閾値よりも小さい場合、手首ジョーは、位置モードから力モードに遷移している。ブロック1304は、命令グリップ力が増加しているかどうかを決定する。この条件が偽である場合、ブロック1307は、命令グリップ力を所望のθジョーから変換されたものとして設定し、命令グリップ力は、モード遷移中に測定グリップ力の変化を制限するように調整されない。そうではなく、ブロック1304の条件が真である場合、ブロック1305は、測定グリップ力と命令グリップ力との間の誤差が、モード遷移中の最大力誤差よりも大きいかどうかを決定する。命令グリップ力は、モード遷移前の位置モードにおいてデフォルト0Nであってもよい。手首ジョーが物体を把持している場合があるため、測定グリップ力は、モード遷移前の命令グリップ力とは異なることがある。一実施形態では、最大力誤差は、予め指定されてもよいし、設定可能であってもよい。 Otherwise, if the desired θ jaws are less than the threshold for detents for a pre-specified minimum duration, the wrist jaws are transitioning from position mode to force mode. Block 1304 determines whether the commanded grip force is increasing. If this condition is false, block 1307 sets the commanded grip force as transformed from the desired θ jaws , and the commanded grip force is not adjusted to limit the change in the measured grip force during the mode transition. Otherwise, if the condition of block 1304 is true, block 1305 determines whether the error between the measured grip force and the commanded grip force is greater than the maximum force error during the mode transition. The commanded grip force may be a default 0 N in the position mode before the mode transition. The measured grip force may differ from the commanded grip force before the mode transition because the wrist jaws may be gripping an object. In one embodiment, the maximum force error may be pre-specified or configurable.

ブロック1305の条件が真である場合、ブロック1309は、手首ジョーが位置モードから力モードに遷移するときに、命令グリップ力を、測定グリップ力からマージンを引いたものに設定する。一実施形態では、マージンは予め指定されてもよいし、設定可能であってもよい。そうではなく、ブロック1305の条件が偽である場合、ブロック1307は、命令グリップ力を所望のθジョーから変換されたものとして設定し、命令グリップ力は、モード遷移中に測定グリップ力の変化を制限するように調整されない。 If the condition of block 1305 is true, block 1309 sets the commanded grip force to the measured grip force minus a margin when the wrist jaws transition from position mode to force mode. In one embodiment, the margin may be pre-specified or configurable. Alternatively, if the condition of block 1305 is false, block 1307 sets the commanded grip force as transformed from the desired θ jaws , and the commanded grip force is not adjusted to limit the change in the measured grip force during the mode transition.

ブロック1311において、手首ジョーが力モードにあるときに、方法1300は、ブロック1313において、所望のθジョーが戻り止めのための閾値以上であるかどうかを決定する。一実施形態では、ブロック1311は、所望のθジョーが戻り止めのための閾値に向かって増加することによって示されるように、命令グリップ力が減少しているかどうか、及び所望のθジョーが戻り止めのための閾値よりすぐ低いところにあるかどうかを決定してもよい。所望のθジョーが戻り止めのための閾値以上でない場合、手首ジョーは、ブロック1311の力モードのままである。 When the wrist jaws are in force mode at block 1311, the method 1300 determines whether the desired θ jaws are greater than or equal to the detent threshold at block 1313. In one embodiment, block 1311 may determine whether the commanded grip force is decreasing, as indicated by the desired θ jaws increasing toward the detent threshold, and whether the desired θ jaws are just below the detent threshold. If the desired θ jaws are not greater than or equal to the detent threshold, the wrist jaws remain in force mode at block 1311.

そうではなく、所望のθジョーが戻り止めのための閾値以上である場合、手首ジョーは、力モードから位置モードに遷移している。ブロック1315は、命令グリップ力が減少しているかどうか、及び命令グリップ力がモード遷移中に最小グリップ力未満であるかどうかを決定する。一実施形態では、最小グリップ力は、予め指定されてもよいし、設定可能であってもよい。命令グリップ力が減少していない場合、又は命令グリップ力がモード遷移中に最小グリップ力未満でない場合、ブロック1307は、命令グリップ力を所望のθジョーから変換されたものとして設定し、命令グリップ力は、モード遷移中に測定グリップ力の変化を制限するように調整されない。 Otherwise, if the desired θ jaw is equal to or greater than the threshold for the detent, the wrist jaws are transitioning from force mode to position mode. Block 1315 determines whether the commanded grip force is decreasing and whether the commanded grip force is less than a minimum grip force during the mode transition. In one embodiment, the minimum grip force may be pre-specified or configurable. If the commanded grip force is not decreasing or is not less than the minimum grip force during the mode transition, block 1307 sets the commanded grip force as transformed from the desired θ jaw , and the commanded grip force is not adjusted to limit the change in measured grip force during the mode transition.

そうではなく、命令グリップ力が減少している場合、及び命令グリップ力がモード遷移中の最小グリップ力よりも小さい場合、ブロック1317は、測定グリップ力と最小グリップ力値との間の誤差の絶対値がモード遷移中の最大力誤差よりも小さいかどうかを決定する。一実施形態では、最大力誤差は、予め指定されてもよいし、設定可能であってもよい。力から位置へのモード遷移のためのブロック1317における最大力誤差は、位置から力へのモード遷移のためのブロック1305における最大力誤差と同じであっても異なっていてもよい。 Otherwise, if the commanded grip force is decreasing and if the commanded grip force is less than the minimum grip force during the mode transition, block 1317 determines whether the absolute value of the error between the measured grip force and the minimum grip force value is less than the maximum force error during the mode transition. In one embodiment, the maximum force error may be pre-specified or configurable. The maximum force error in block 1317 for the force to position mode transition may be the same or different than the maximum force error in block 1305 for the position to force mode transition.

ブロック1317の条件が真である場合、ブロック1319は、手首ジョーが力モードから位置モードに遷移するときに、命令グリップ力を最小グリップ力に設定する。そうではなく、ブロック1317の条件が偽である場合、ブロック1307は、命令グリップ力を所望のθジョーから変換されたものとして設定し、命令グリップ力は、モード遷移中に測定グリップ力の変化を制限するように調整されない。 If the condition of block 1317 is true, block 1319 sets the commanded grip force to the minimum grip force when the wrist jaws transition from force mode to position mode. Otherwise, if the condition of block 1317 is false, block 1307 sets the commanded grip force as transformed from the desired θ jaws , and the commanded grip force is not adjusted to limit the change in measured grip force during the mode transition.

図14は、主題技術の態様による、外科手術用ロボットシステムの例示的なハードウェア構成要素を例示するブロック図である。外科手術用ロボットシステムは、インターフェースデバイス50、外科手術用ロボット80、及び制御タワー70を含んでもよい。外科手術用ロボットシステムは、他の又は追加のハードウェア構成要素を含んでもよく、図は、一例として提供されるものであり、このシステムアーキテクチャへの限定ではない。 14 is a block diagram illustrating exemplary hardware components of a surgical robotic system in accordance with aspects of the subject technology. The surgical robotic system may include an interface device 50, a surgical robot 80, and a control tower 70. The surgical robotic system may include other or additional hardware components, and the diagram is provided as an example and not a limitation to this system architecture.

インターフェースデバイス50は、カメラ51、センサ52、ディスプレイ53、ユーザーコマンドインターフェース54、プロセッサ55、メモリ56、及びネットワークインターフェース57を含む。カメラ51及びセンサ52は、外科手術用ロボットシステムのカラー画像及び深度画像情報を捕捉するように構成されてもよい。カメラ51及びセンサ52によって撮影された画像は、ディスプレイ53上に投影されてもよい。プロセッサ55は、インターフェースデバイス50の動作を制御するためにオペレーティングシステムを動作させるように構成されてもよい。メモリ56は、プロセッサ55によって使用される画像処理アルゴリズム、オペレーティングシステム、プログラムコード、及び他のデータメモリを記憶してもよい。インターフェースデバイス50は、遠隔操作者の制御下で、手首ジョーの所望のθピッチ、θヨー、及びθジョーを生成するために使用されてもよい。 The interface device 50 includes a camera 51, a sensor 52, a display 53, a user command interface 54, a processor 55, a memory 56, and a network interface 57. The camera 51 and the sensor 52 may be configured to capture color and depth image information of the surgical robotic system. Images captured by the camera 51 and the sensor 52 may be projected onto the display 53. The processor 55 may be configured to operate an operating system to control the operation of the interface device 50. The memory 56 may store image processing algorithms, operating systems, program codes, and other data memories used by the processor 55. The interface device 50 may be used to generate a desired theta pitch , theta yaw , and theta jaw of the wrist jaws under the control of a teleoperator.

ユーザーコマンドインターフェース54は、ウェブポータルなどの他の機能のためのインターフェースを含んでもよい。ハードウェアコンポーネントは、バスを介して通信することができる。インターフェースデバイスは、ネットワークインターフェース57を使用して、外部インターフェースを通して外科手術用ロボットシステムと通信してもよい。外部インターフェースは、無線又は有線インターフェースであってもよい。 The user command interface 54 may include interfaces for other functions such as a web portal. The hardware components may communicate via a bus. The interface device may communicate with the surgical robotic system through an external interface using the network interface 57. The external interface may be a wireless or wired interface.

制御タワー70は、タッチスクリーンディスプレイ、外科医のロボット支援型の器具の操作を制御するコンピュータ、安全システム、グラフィカルユーザーインターフェース(GUI)、光源、並びにビデオ及びグラフィックコンピュータを収容する治療現場移動カートであってもよい。制御タワー70は、少なくとも視覚化コンピュータ、制御コンピュータ、及び補助コンピュータを含んでもよい中央コンピュータ71と、チームディスプレイ及び看護師ディスプレイを含んでもよい様々なディスプレイ73と、制御タワー70をインターフェースデバイス50及び外科手術用ロボット80の両方に結合するネットワークインターフェース78と、を含んでもよい。制御タワー70はまた、高度な光エンジン72、電気外科手術用発電ユニット(ESU)74、並びに吹入器及びCO2タンク75などの、サードパーティ装置も収容してもよい。制御タワー70は、看護師ディスプレイタッチスクリーン、ソフトパワー及びE-ホールドボタン、ビデオ及び静止画像のためのユーザーフェーシングUSB、並びに電子キャスタ制御インターフェースなどの、ユーザーの利便性のための追加的な特徴を提供してもよい。補助コンピュータはまた、リアルタイムLinuxを実行し得、ロギング/監視、及びクラウドベースのウェブサービスとの相互作用を提供する。制御タワー70の中央コンピュータ71は、インターフェースデバイス50によって生成される手首ジョーの所望のθピッチ、θヨー、及びθジョーを受信して、ジョーのグリップ力又は開放力を制御するための本明細書に記載の方法を実装してもよい。 The control tower 70 may be a treatment site mobile cart housing touch screen displays, computers to control the surgeon's operation of the robotic-assisted instruments, safety systems, graphical user interface (GUI), light sources, and video and graphics computers. The control tower 70 may include a central computer 71, which may include at least a visualization computer, a control computer, and an auxiliary computer, various displays 73, which may include team displays and nurse displays, and a network interface 78 that couples the control tower 70 to both the interface device 50 and the surgical robot 80. The control tower 70 may also house third party equipment, such as an advanced light engine 72, an electrosurgical generator unit (ESU) 74, and an insufflator and CO2 tank 75. The control tower 70 may provide additional features for user convenience, such as a nurse display touch screen, soft power and E-hold buttons, a user-facing USB for video and still images, and an electronic caster control interface. The auxiliary computer may also run real-time Linux and provide logging/monitoring and interaction with cloud-based web services. A central computer 71 in the control tower 70 may receive the desired theta pitch , theta yaw , and theta jaw of the wrist jaws generated by the interface device 50 and implement the methods described herein for controlling the gripping or opening force of the jaws.

外科手術用ロボット80は、標的の患者の解剖学的構造の上に位置決めすることができる複数の一体型アーム82を有する、関節運動手術台84を含む。互換性のあるツール83一式が、アーム82の遠位端に取り付けられても、又はそこから取り外されてもよく、外科医が、様々な外科手術を行うことを可能にする。外科手術用ロボット80はまた、アーム82、手術台84、及びツール83の手動制御のための制御インターフェース85も含んでもよい。制御インターフェース85は、限定されないが、遠隔制御、ボタン、パネル、及びタッチスクリーンなどのアイテムを含んでもよい。システムによって処置を行うために、トロカール(スリーブ、シールカートリッジ、及び栓子)及びドレープなどの他の付属品も操作されてもよい。一実施形態では、複数のアーム82は、各側に2つのアームを有する、手術台84の両側上に装着された4つのアームを含んでもよい。特定の外科手術の場合、手術台84の一方の側に装着されたアームは、手術台84及び他方の側に装着されたアームの下に伸ばして交差させることによって、手術台84の反対側に位置決めすることができ、これにより手術台84の同じ側に位置決めされた合計で3つのアームをもたらす。外科手術用ツールはまた、台のコンピュータ81及びネットワークインターフェース88を含んでもよく、これらは、制御タワー70と通信して外科手術用ロボット80を配置してもよい。 The surgical robot 80 includes an articulating operating table 84 with multiple integrated arms 82 that can be positioned over the target patient anatomy. A set of compatible tools 83 may be attached to or detached from the distal ends of the arms 82, allowing the surgeon to perform a variety of surgical procedures. The surgical robot 80 may also include a control interface 85 for manual control of the arms 82, operating table 84, and tools 83. The control interface 85 may include items such as, but not limited to, remote controls, buttons, panels, and touch screens. Other accessories such as trocars (sleeves, seal cartridges, and obturators) and drapes may also be manipulated to perform procedures with the system. In one embodiment, the multiple arms 82 may include four arms mounted on both sides of the operating table 84, with two arms on each side. For a particular surgical procedure, an arm mounted on one side of the operating table 84 can be positioned on the other side of the operating table 84 by extending under and crossing the operating table 84 and an arm mounted on the other side, resulting in a total of three arms positioned on the same side of the operating table 84. The surgical tool may also include a table computer 81 and a network interface 88, which may communicate with the control tower 70 to position the surgical robot 80.

前述の説明は、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために特定の用語体系を使用した。しかしながら、本発明を実施するためには、具体的な詳細の多くが必要とされないことは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の具体的な実施形態の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示してきたものである。それらは、網羅的であること、及び開示した正確な形態に本発明を制限することを意図するものではない。明確に、上記の教示に照らして、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用的な用途を最もよく説明するために選択され、説明された。それによって、他の当業者が、本発明及び様々な実施形態を、企図される特定の使用に適した様々な修正とともに最良に利用することが可能になる。以下の特許請求の範囲及びそれらの等価物が、本発明の範囲を定義することが意図される。 The foregoing description, for purposes of explanation, used specific terminology to provide a thorough understanding of the invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that many of the specific details are not required to practice the present invention. Thus, the foregoing descriptions of specific embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration and description. They are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed. Clearly, many modifications and variations are possible in light of the above teachings. The embodiments were chosen and described in order to best explain the principles of the invention and its practical application, thereby enabling others skilled in the art to best utilize the present invention and various embodiments with various modifications suited to the particular use contemplated. It is intended that the following claims and their equivalents define the scope of the present invention.

上述の方法、デバイス、処理、及び論理は、多くの異なる方法で、並びに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てもよい。コントローラ及び推定器は、電子回路を含んでもよい。例えば、実装の全部又は一部は、中央処理装置(CPU)、マイクロコントローラ、若しくはマイクロプロセッサなどの命令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)、若しくはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA);又は、アナログ回路構成要素、デジタル回路構成要素、若しくはその両方を含む、個別論理又は他の回路構成要素を含む回路;あるいはそれらの任意の組み合わせであり得る。回路は、例として、個別の相互接続されたハードウェア構成要素を含んでもよく、及び/又は単一の集積回路ダイ上で組み合わされてもよく、複数の集積回路ダイの間で分散されてもよく、又は共通パッケージ内の複数の集積回路ダイのマルチチップモジュール(MCM)内に実装されてもよい。 The methods, devices, processes, and logic described above may be implemented in many different ways and with many different combinations of hardware and software. The controller and estimator may include electronic circuitry. For example, all or part of the implementation may be a circuit including an instruction processor, such as a central processing unit (CPU), microcontroller, or microprocessor; an application specific integrated circuit (ASIC), programmable logic device (PLD), or field programmable gate array (FPGA); or a circuit including discrete logic or other circuit components, including analog circuit components, digital circuit components, or both; or any combination thereof. The circuitry may include, by way of example, separate interconnected hardware components and/or may be combined on a single integrated circuit die, distributed among multiple integrated circuit dies, or implemented in a multi-chip module (MCM) of multiple integrated circuit dies in a common package.

回路は、回路による実行のための命令を更に含み得るか、又は命令にアクセスし得る。命令は、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読取り専用メモリ(ROM)、消去可能プログラマブル読取り専用メモリ(EPROM)などの、一時的信号以外の有形記憶媒体内、又は、コンパクトディスク読み出し専用メモリ(CDROM)、ハードディスクドライブ(HDD)、又は他の磁気若しくは光ディスクなどの磁気若しくは光ディスク上、又は、別の機械可読媒体内若しくは媒体上に記憶され得る。コンピュータプログラム製品などの製品は、記憶媒体と、媒体内又は媒体上に記憶された命令とを含むことができ、命令は、デバイス内の回路によって実行されると、デバイスに、上記で説明した、又は図面に示した処理のいずれかを実行させることができる。 The circuitry may further include or have access to instructions for execution by the circuitry. The instructions may be stored in a tangible storage medium other than a temporary signal, such as flash memory, random access memory (RAM), read only memory (ROM), erasable programmable read only memory (EPROM), or on a magnetic or optical disk, such as a compact disk read only memory (CDROM), hard disk drive (HDD), or other magnetic or optical disk, or in or on another machine-readable medium. An article of manufacture, such as a computer program product, may include a storage medium and instructions stored in or on the medium, which, when executed by the circuitry in the device, may cause the device to perform any of the processes described above or shown in the figures.

実装形態は、任意選択で複数の分散処理システムを含む、複数のプロセッサ及びメモリの間など、複数のシステム構成要素の間の回路として分散され得る。パラメータ、データベース、及び他のデータ構造は、別々に記憶及び管理されてもよく、単一のメモリ又はデータベースに組み込まれてもよく、多くの異なる方法で論理的及び物理的に編成されてもよく、リンクされたリスト、ハッシュテーブル、アレイ、レコード、オブジェクト、又は暗黙的記憶機構などのデータ構造を含む多くの異なる方法で実装されてもよい。プログラムは、単一のプログラムの一部(例えば、サブルーチン)、いくつかのメモリ及びプロセッサにわたって分散された別個のプログラムであってもよく、又は共有ライブラリ(例えば、ダイナミックリンクライブラリ(DLL))等のライブラリ等に多くの異なる方法で実装されてもよい。DLLは、例えば、回路によって実行されるときに、上述された又は図面に示された処理のいずれかを実行する命令を記憶してもよい。 The implementation may be distributed as a circuit among multiple system components, such as among multiple processors and memories, optionally including multiple distributed processing systems. Parameters, databases, and other data structures may be stored and managed separately, may be incorporated into a single memory or database, may be logically and physically organized in many different ways, and may be implemented in many different ways, including data structures such as linked lists, hash tables, arrays, records, objects, or implicit storage mechanisms. Programs may be parts of a single program (e.g., subroutines), separate programs distributed across several memories and processors, or may be implemented in many different ways, such as libraries, such as shared libraries (e.g., dynamic link libraries (DLLs)). A DLL may, for example, store instructions that, when executed by the circuit, perform any of the processes described above or shown in the figures.

また、本明細書で説明される種々のコントローラは、処理回路、マイクロプロセッサ又はプロセッサ、並びに(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)、プログラマブル論理コントローラ、及び埋め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)を記憶するコンピュータ可読媒体の形態をとることができる。コントローラは、以下で説明され、フロー図に示される様々な機能を実行するために、ハードウェア及び/又はファームウェアで構成することができる。また、コントローラの内部にあるものとして示されている構成要素のいくつかは、コントローラの外部に格納されてもよく、他の構成要素が使用されてもよい。 Additionally, the various controllers described herein may take the form of processing circuits, microprocessors or processors, and computer-readable media storing computer-readable program code (e.g., firmware) executable by (micro)processors, logic gates, switches, application specific integrated circuits (ASICs), programmable logic controllers, and embedded microcontrollers. The controllers may be configured with hardware and/or firmware to perform the various functions described below and illustrated in the flow diagrams. Additionally, some of the components shown as being internal to the controller may be stored external to the controller and other components may be used.

〔実施の態様〕
(1) 外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーによって生成されるグリップ力を制御するための方法であって、
プロセッサによって、前記ジョー間の入力ジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めするために位置コマンドを使用することによって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記ジョー間のグリップ力を測定することと、
前記プロセッサによって、前記位置モードにおいて前記測定グリップ力が閾値を超えているかどうかを決定することと、
前記プロセッサによって、前記測定グリップ力が前記閾値を超えていると決定することに応答して、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するようにグリップ力誤差を生成することと、を含む、方法。
(2) 前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することを含み、前記閾値ジョー角度は、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、実施態様1に記載の方法。
(3) 前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が前記位置モードにおいて最小期間にわたって減少していると決定することを含む、実施態様1に記載の方法。
(4) 前記測定グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、前記測定グリップ力が、時間ウィンドウ内のどこかで前記閾値からマージンを引いたものを超えている限り、前記測定グリップ力が前記閾値を超えていると決定することを含む、実施態様1に記載の方法。
(5) 前記時間ウィンドウの長さが、グリップ力カウンタによって測定され、前記グリップ力カウンタの動作が、
前記測定グリップ力がサンプリングされるたびに、前記測定グリップ力が前記閾値から前記マージンを引いたもの未満であるときに、前記グリップ力カウンタを1ずつインクリメントすることと、
前記測定グリップ力が前記閾値よりも大きいときに、前記グリップ力カウンタをリセットすることと、を含む、実施態様4に記載の方法。
[Embodiment]
(1) A method for controlling a gripping force generated by jaws of a gripper tool of a surgical robotic system, comprising:
determining, by a processor, that the jaws are in the process of closing in a position mode based on an input jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by using position commands to position the jaws at the input jaw angle;
measuring a gripping force between the jaws in the position mode;
determining, by the processor, whether the measured grip force exceeds a threshold in the position mode;
and in response to determining, by the processor, that the measured grip force exceeds the threshold, generating a grip force error to limit the measured grip force to the threshold.
(2) determining that the jaws are in the process of closing in the position mode includes:
2. The method of claim 1, further comprising determining, by the processor, that the input jaw angle is greater than or equal to a threshold jaw angle for more than a minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held.
(3) determining that the jaws are in the process of closing in the position mode includes:
2. The method of claim 1, comprising determining, by the processor, that the input jaw angle is decreasing for a minimum period of time in the position mode.
(4) determining whether the measured grip force exceeds the threshold value includes:
2. The method of claim 1, comprising determining, by the processor, that the measured grip force exceeds the threshold as long as the measured grip force exceeds the threshold minus a margin anywhere within a time window.
(5) The length of the time window is measured by a grip force counter, and the operation of the grip force counter is
incrementing the grip force counter by one each time the measured grip force is sampled when the measured grip force is less than the threshold minus the margin;
and resetting the grip force counter when the measured grip force is greater than the threshold.

(6) 前記測定グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、前記測定グリップ力が前記時間ウィンドウ内のどこかで前記閾値から前記マージンを引いたものを超えているときに、前記グリップ力カウンタに等しい前記時間ウィンドウの前記長さの全体にわたって、前記測定グリップ力が前記閾値を超えていると決定することを更に含む、実施態様5に記載の方法。
(7) 前記グリップ力誤差が、前記測定グリップ力と前記閾値との間の差を含む、実施態様1に記載の方法。
(8) 前記測定グリップ力を前記閾値に制限するように前記グリップ力誤差を生成することは、
前記プロセッサによって、前記グリップ力誤差から補償位置コマンドを生成することと、
前記プロセッサによって、前記補償位置コマンドと前記位置コマンドとを組み合わせて、更新された位置コマンドを生成することと、を含む、実施態様1に記載の方法。
(9) 前記測定グリップ力を前記閾値に制限するように前記ジョーを駆動するために前記更新された位置コマンドを適用することを更に含む、実施態様8に記載の方法。
(10) 外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーを制御する装置であって、
前記ジョーによって生成されるグリップ力を推定して、測定グリップ力を生成するように構成されたセンサと、
プロセッサであって、
前記ジョー間の所望のジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記所望のジョー角度に位置決めするための位置コマンドの適用によって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記測定グリップ力が閾値を超えているかどうかを決定することと、
前記測定グリップ力が前記閾値を超えているという決定に応答して、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するようにグリップ力誤差を生成して、前記位置コマンドを更新することと、を行うように構成されたプロセッサと、
前記更新された位置コマンドを適用して、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するように前記ジョーを駆動するように構成されたアクチュエータ駆動ユニットと、を含む、装置。
(6) determining whether the measured grip force exceeds the threshold value includes:
6. The method of claim 5, further comprising determining, by the processor, that the measured grip force exceeds the threshold value for the entire length of the time window equal to the grip force counter when the measured grip force exceeds the threshold value minus the margin anywhere within the time window.
7. The method of claim 1, wherein the grip force error comprises a difference between the measured grip force and the threshold value.
(8) generating the grip force error so as to limit the measured grip force to the threshold value,
generating, by the processor, a compensated position command from the grip force error;
combining, by the processor, the compensated position command and the position command to generate an updated position command.
9. The method of claim 8, further comprising applying the updated position commands to drive the jaws to limit the measured gripping force to the threshold value.
(10) An apparatus for controlling jaws of a gripper tool of a surgical robot system, comprising:
a sensor configured to estimate a gripping force generated by the jaws to generate a measured gripping force;
1. A processor comprising:
determining that the jaws are in the process of closing in a position mode based on a desired jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by application of position commands to position the jaws at the desired jaw angle;
determining whether the measured grip force exceeds a threshold in the position mode;
a processor configured to: in response to determining that the measured grip force exceeds the threshold, generate a grip force error to limit the measured grip force to the threshold and update the position command;
an actuator drive unit configured to apply the updated position commands to drive the jaws to limit the measured gripping force to the threshold value.

(11) 前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することを含み、前記閾値ジョー角度が、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、実施態様10に記載の装置。
(12) 前記ジョーが前記位置モードで閉じている動作途中にあると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が前記位置モードにおいて最小期間にわたって減少していると決定することを含む、実施態様10に記載の装置。
(13) 前記測定グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記測定グリップ力が、時間ウィンドウ内のどこかで前記閾値からマージンを引いたものを超えている限り、前記測定グリップ力が前記閾値を超えていると決定することを含む、実施態様10に記載の装置。
(14) 前記時間ウィンドウの長さが、グリップ力カウンタによって測定され、前記グリップ力カウンタが、
前記測定グリップ力が前記センサによって推定されるたびに、前記測定グリップ力が前記閾値から前記マージンを引いたもの未満であるときに、1ずつインクリメントすることと、
前記測定グリップ力が前記閾値よりも大きいときに、前記グリップ力カウンタをリセットすることと、を行うように構成されている、実施態様13に記載の装置。
(15) 前記測定グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記測定グリップ力が前記時間ウィンドウ内のどこかで前記閾値から前記マージンを引いたものを超えているときに、前記グリップ力カウンタに等しい前記時間ウィンドウの前記長さの全体にわたって、前記測定グリップ力が前記閾値を超えていると決定することを更に含む、実施態様14に記載の装置。
(11) The processor is configured to determine that the jaws are in the middle of closing in the position mode,
11. The apparatus of claim 10, further comprising determining that the desired jaw angle is greater than or equal to a threshold jaw angle for more than a minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held.
(12) The processor is configured to determine that the jaws are in the process of being closed in the position mode,
11. The apparatus of claim 10, further comprising determining that the desired jaw angle is decreasing for a minimum period of time in the position mode.
(13) The processor is configured to determine whether the measured grip force exceeds the threshold,
11. The apparatus of claim 10, further comprising determining that the measured grip force exceeds the threshold as long as the measured grip force exceeds the threshold minus a margin anywhere within a time window.
(14) The length of the time window is measured by a grip force counter, and the grip force counter:
incrementing by one each time the measured grip force is estimated by the sensor when the measured grip force is less than the threshold minus the margin;
and resetting the grip force counter when the measured grip force is greater than the threshold.
(15) The processor is configured to determine whether the measured grip force exceeds the threshold,
15. The apparatus of claim 14, further comprising determining that the measured grip force exceeds the threshold value for the entire length of the time window equal to the grip force counter when the measured grip force exceeds the threshold value minus the margin anywhere within the time window.

(16) 前記グリップ力誤差が、前記測定グリップ力と前記閾値との間の差を含む、実施態様10に記載の装置。
(17) 前記グリップ力誤差を生成して、前記位置コマンドを更新するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記グリップ力誤差から補償位置コマンドを生成することと、
前記補償位置コマンドと前記位置コマンドとを組み合わせて、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するように前記更新された位置コマンドを生成することと、を含む、実施態様10に記載の装置。
(18) 外科手術用ロボットシステムであって、
一対のジョーを含むエンドエフェクタと、
前記ジョー間の入力ジョー角度を生成するように構成されたユーザーインターフェースデバイスと、
前記エンドエフェクタに通信可能に結合されたプロセッサと、を含み、前記プロセッサが、
前記ジョー間の前記入力ジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めするための位置コマンドの適用によって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記ジョー間のグリップ力を測定することと、
前記位置モードにおいて前記測定グリップ力が閾値を超えているかどうかを決定することと、
前記測定グリップ力が前記閾値を超えているという決定に応答して、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するようにグリップ力誤差を生成して、前記位置コマンドを更新することと、
前記更新された位置コマンドを適用して、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するように前記ジョーを位置決めすることと、を行うように構成されている、外科手術用ロボットシステム。
(19) 前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記入力ジョー角度が第1の最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することであって、前記閾値ジョー角度が、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、決定することと、
前記入力ジョー角度が前記位置モードにおいて第2の最小期間にわたって減少していると決定することと、を含む、実施態様18に記載の外科手術用ロボットシステム。
(20) 前記測定グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
デバウンシングアルゴリズムを使用して、前記測定グリップ力が前記閾値からマージンを引いたものを超えていると決定することを含む、実施態様18に記載の外科手術用ロボットシステム。
16. The apparatus of claim 10, wherein the grip force error comprises a difference between the measured grip force and the threshold value.
(17) The processor is configured to generate the grip force error and update the position command,
generating a compensated position command from the grip force error;
and combining the compensated position command with the position command to generate the updated position command to limit the measured grip force to the threshold value.
(18) A surgical robot system, comprising:
an end effector including a pair of jaws;
a user interface device configured to generate an input jaw angle between the jaws;
a processor communicatively coupled to the end effector, the processor comprising:
determining that the jaws are in the process of closing in a position mode based on the input jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by application of position commands to position the jaws at the input jaw angle;
measuring a gripping force between the jaws in the position mode;
determining whether the measured grip force exceeds a threshold in the position mode;
in response to determining that the measured grip force exceeds the threshold, generating a grip force error to limit the measured grip force to the threshold and updating the position command;
and applying the updated position commands to position the jaws to limit the measured gripping force to the threshold value.
(19) The processor is configured to determine that the jaws are in the middle of closing in the position mode,
determining that the input jaw angle is greater than or equal to a threshold jaw angle for more than a first minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held;
determining that the input jaw angle is decreasing for a second minimum period of time in the position mode.
(20) The processor is configured to determine whether the measured grip force exceeds the threshold,
20. The surgical robot system of claim 18, further comprising using a debouncing algorithm to determine that the measured grip force exceeds the threshold minus a margin.

(21) 外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーによって生成される開放力を制御するための方法であって、
プロセッサによって、前記ジョー間の入力ジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めするために位置コマンドを使用することによって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記ジョー間のジョー角度及び開放力を測定することと、
前記プロセッサによって、前記位置モードにおいて、前記入力ジョー角度と前記測定ジョー角度との間のジョー角度誤差がジョー角度誤差閾値よりも大きいかどうかを決定することと、
前記プロセッサによって、前記ジョー角度誤差が前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいと決定することに応答して、前記測定開放力が最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定することと、
前記プロセッサによって、前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいと決定することに応答して、前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように開放力誤差を生成することと、を含む、方法。
(22) 前記ジョーが前記位置モードにあると決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することを含み、前記閾値ジョー角度が、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、実施態様21に記載の方法。
(23) 前記ジョー角度誤差が前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が前記測定ジョー角度よりも大きいと決定することと、
前記プロセッサによって、前記ジョー角度誤差が少なくとも最小期間にわたって前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいと決定することと、を含む、実施態様21に記載の方法。
(24) 前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、前記測定開放力が、時間ウィンドウ内のどこかで前記最小開放力閾値にマージンを加えたものよりも小さい限り、前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいと決定することを含む、実施態様21に記載の方法。
(25) 前記時間ウィンドウの長さが、開放力カウンタによって測定され、前記開放力カウンタの動作は、
前記測定開放力がサンプリングされるたびに、前記測定開放力が前記最小開放力閾値に前記マージンを加えたものよりも大きいときに、前記開放力カウンタを1ずつインクリメントすることと、
前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいときに、前記開放力カウンタをリセットすることと、を含む、実施態様24に記載の方法。
(21) A method for controlling an opening force generated by jaws of a gripper tool of a surgical robotic system, comprising:
determining, by a processor, that the jaws are in a position mode based on an input jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by using position commands to position the jaws at the input jaw angle;
measuring a jaw angle and an opening force between the jaws in the position mode;
determining, by the processor, in the position mode, whether a jaw angle error between the input jaw angle and the measured jaw angle is greater than a jaw angle error threshold;
determining, by the processor, in response to determining that the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold, whether the measured opening force is less than a minimum opening force threshold;
and in response to determining, by the processor, that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold, generating an opening force error to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold.
(22) Determining that the jaws are in the position mode includes:
22. The method of claim 21, comprising determining, by the processor, that the input jaw angle is greater than or equal to a threshold jaw angle for more than a minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held.
(23) determining whether the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold includes:
determining, by the processor, that the input jaw angle is greater than the measured jaw angle;
determining, by the processor, that the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold for at least a minimum period of time.
(24) Determining whether the measured opening force is less than the minimum opening force threshold comprises:
22. The method of claim 21, comprising determining, by the processor, that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold as long as the measured opening force is less than the minimum opening force threshold plus a margin anywhere within a time window.
(25) The length of the time window is measured by an opening force counter, and the operation of the opening force counter comprises:
incrementing the opening force counter by one each time the measured opening force is sampled when the measured opening force is greater than the minimum opening force threshold plus the margin;
25. The method of claim 24, comprising resetting the opening force counter when the measured opening force is less than the minimum opening force threshold.

(26) 前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、前記測定開放力が前記時間ウィンドウ内のどこかで前記最小開放力閾値に前記マージンを加えたものよりも小さいときに、前記開放力カウンタに等しい前記時間ウィンドウの前記長さの全体にわたって、前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいと決定することを更に含む、実施態様25に記載の方法。
(27) 前記開放力誤差が、前記測定開放力と前記最小開放力閾値との間の差を含む、実施態様21に記載の方法。
(28) 前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように前記開放力誤差を生成することは、
前記プロセッサによって、前記開放力誤差から補償位置コマンドを生成することと、
前記プロセッサによって、前記補償位置コマンドと前記位置コマンドとを組み合わせて、更新された位置コマンドを生成することと、を含む、実施態様21に記載の方法。
(29) 前記更新された位置コマンドを適用して、前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように前記ジョーを位置決めすることを更に含む、実施態様28に記載の方法。
(30) 外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーを制御する装置であって、
センサであって、
前記ジョー間の角度を推定して、測定ジョー角度を生成することと、
前記ジョーによって生成される開放力を推定して、測定開放力を生成することと、を行うように構成された、センサと、
プロセッサであって、
前記ジョー間の所望のジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記所望のジョー角度に位置決めするための位置コマンドの適用によって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて、前記所望のジョー角度と前記測定ジョー角度との間のジョー角度誤差がジョー角度誤差閾値よりも大きいかどうかを決定することと、
前記ジョー角度誤差が前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいと決定することに応答して、前記測定開放力が最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定することと、
前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいと決定することに応答して、前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように前記位置コマンドを更新するための開放力誤差を生成することと、を行うように構成された、プロセッサと、
前記更新された位置コマンドを適用して、前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように前記ジョーを位置決めするように構成されたアクチュエータ駆動ユニットと、を含む、装置。
(26) Determining whether the measured opening force is less than the minimum opening force threshold comprises:
26. The method of claim 25, further comprising determining, by the processor, that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold value over the entire length of the time window equal to the opening force counter when the measured opening force is less than the minimum opening force threshold value plus the margin anywhere within the time window.
27. The method of claim 21, wherein the opening force error comprises a difference between the measured opening force and the minimum opening force threshold.
(28) generating the opening force error to maintain the measured opening force higher than the minimum opening force threshold,
generating, by the processor, a compensated position command from the opening force error;
combining, by the processor, the compensated position command and the position command to generate an updated position command.
29. The method of claim 28, further comprising applying the updated position commands to position the jaws to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold.
(30) An apparatus for controlling jaws of a gripper tool of a surgical robot system, comprising:
A sensor comprising:
estimating an angle between the jaws to generate a measured jaw angle;
a sensor configured to estimate an opening force generated by the jaws to generate a measured opening force; and
1. A processor comprising:
determining that the jaws are in a position mode based on a desired jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by application of position commands to position the jaws at the desired jaw angle;
determining, in the position mode, whether a jaw angle error between the desired jaw angle and the measured jaw angle is greater than a jaw angle error threshold;
determining whether the measured opening force is less than a minimum opening force threshold in response to determining that the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold;
in response to determining that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold, generate an opening force error for updating the position command to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold; and
and an actuator drive unit configured to apply the updated position commands to position the jaws to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold.

(31) 前記ジョーが前記位置モードにあると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することを含み、前記閾値ジョー角度が、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、実施態様30に記載の装置。
(32) 前記ジョー角度誤差が前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が前記測定ジョー角度よりも大きいと決定することと、
前記ジョー角度誤差が少なくとも最小期間にわたって前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいと決定することと、を含む、実施態様30に記載の装置。
(33) 前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記測定開放力が、時間ウィンドウ内のどこかで前記最小開放力閾値にマージンを加えたものよりも小さい限り、前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいと決定することを含む、実施態様30に記載の装置。
(34) 前記時間ウィンドウの長さが、開放力カウンタによって測定され、前記開放力カウンタが、
前記測定開放力が前記センサによって推定されるたびに、前記測定開放力が前記最小開放力閾値に前記マージンを加えたものよりも大きいときに、1ずつインクリメントすることと、
前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいときに、前記開放力カウンタをリセットすることと、を行うように構成されている、実施態様33に記載の装置。
(35) 前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記測定開放力が前記時間ウィンドウ内のどこかで前記最小開放力閾値に前記マージンを加えたものよりも小さいときに、前記開放力カウンタに等しい前記時間ウィンドウの前記長さの全体にわたって、前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいと決定することを更に含む、実施態様34に記載の装置。
(31) The processor is configured to determine that the jaws are in the position mode,
31. The apparatus of claim 30, further comprising determining that the desired jaw angle is greater than or equal to a threshold jaw angle for more than a minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held.
(32) The processor is configured to determine whether the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold,
determining that the desired jaw angle is greater than the measured jaw angle;
determining that the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold for at least a minimum period of time.
(33) The processor is configured to determine whether the measured opening force is less than the minimum opening force threshold,
The apparatus of claim 30, further comprising determining that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold as long as the measured opening force is less than the minimum opening force threshold plus a margin anywhere within a time window.
(34) The length of the time window is measured by an opening force counter, the opening force counter comprising:
incrementing by one each time the measured opening force is estimated by the sensor when the measured opening force is greater than the minimum opening force threshold plus the margin;
34. The apparatus of claim 33, configured to reset the opening force counter when the measured opening force is less than the minimum opening force threshold.
(35) The processor is configured to determine whether the measured opening force is less than the minimum opening force threshold,
35. The apparatus of claim 34, further comprising determining that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold over the entire length of the time window equal to the opening force counter when the measured opening force is less than the minimum opening force threshold plus the margin anywhere within the time window.

(36) 前記開放力誤差が、前記測定開放力と前記最小開放力閾値との間の差を含む、実施態様30に記載の装置。
(37) 前記開放力誤差を生成して、前記位置コマンドを更新するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記開放力誤差から補償位置コマンドを生成することと、
前記補償位置コマンドと前記位置コマンドとを組み合わせて、前記更新された位置コマンドを生成して、前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように前記ジョーを位置決めすることと、を含む、実施態様30に記載の装置。
(38) 外科手術用ロボットシステムであって、
一対のジョーを含むエンドエフェクタと、
前記ジョー間の入力ジョー角度を生成するように構成されたユーザーインターフェースデバイスと、
前記エンドエフェクタに通信可能に結合されたプロセッサと、を含み、前記プロセッサが、
前記ジョー間の前記入力ジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めするための位置コマンドの適用によって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記一対のジョー間のジョー角度及び開放力を測定することと、
前記位置モードにおいて、前記入力ジョー角度と前記測定ジョー角度との間のジョー角度誤差がジョー角度誤差閾値よりも大きいかどうかを決定することと、
前記ジョー角度誤差が前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいと決定することに応答して、前記測定開放力が最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定することと、
前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいと決定することに応答して、前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように、前記位置コマンドを更新するための開放力誤差を生成することと、
前記測定開放力を前記最小開放力閾値より高く維持するように、前記ジョーを位置決めするために前記更新された位置コマンドを適用することと、を行うように構成されている、外科手術用ロボットシステム。
(39) 前記ジョー角度誤差が前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記入力ジョー角度が前記測定ジョー角度よりも大きいと決定することと、
前記ジョー角度誤差が少なくとも最小期間にわたって前記ジョー角度誤差閾値よりも大きいと決定することと、を含む、実施態様38に記載の外科手術用ロボットシステム。
(40) 前記測定開放力が前記最小開放力閾値よりも小さいかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
デバウンシングアルゴリズムを使用して、前記測定開放力が前記最小開放力閾値にマージンを加えたものよりも小さいと決定することを含む、実施態様38に記載の外科手術用ロボットシステム。
36. The apparatus of claim 30, wherein the opening force error comprises a difference between the measured opening force and the minimum opening force threshold.
(37) The processor is configured to generate the opening force error and update the position command,
generating a compensated position command from the opening force error;
and combining the compensation position command with the position command to generate the updated position command to position the jaws to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold.
(38) A surgical robot system, comprising:
an end effector including a pair of jaws;
a user interface device configured to generate an input jaw angle between the jaws;
a processor communicatively coupled to the end effector, the processor comprising:
determining that the jaws are in a position mode based on the input jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by application of position commands to position the jaws at the input jaw angle;
measuring a jaw angle and an opening force between the pair of jaws in the position mode;
in the position mode, determining whether a jaw angle error between the input jaw angle and the measured jaw angle is greater than a jaw angle error threshold;
determining whether the measured opening force is less than a minimum opening force threshold in response to determining that the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold;
in response to determining that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold, generating an opening force error for updating the position command to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold;
and applying the updated position commands to position the jaws to maintain the measured opening force above the minimum opening force threshold.
(39) The processor is configured to determine whether the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold,
determining that the input jaw angle is greater than the measured jaw angle;
determining that the jaw angle error is greater than the jaw angle error threshold for at least a minimum period of time.
(40) The processor is configured to determine whether the measured opening force is less than the minimum opening force threshold,
39. The surgical robot system of claim 38, further comprising using a debouncing algorithm to determine that the measured opening force is less than the minimum opening force threshold plus a margin.

(41) 外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーによって生成されるグリップ力を制御するための方法であって、
プロセッサによって、前記ジョー間の入力ジョー角度の変化に基づいて、前記ジョーが位置モードと力モードとの間を遷移していると決定することであって、前記位置モードは、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めすることによって特徴付けられ、前記力モードは、負の値を有する前記入力ジョー角度に基づいて決定される命令グリップ力に前記ジョーを駆動することによって特徴付けられる、決定することと、
前記ジョー間のグリップ力を測定することと、
前記プロセッサによって、前記命令グリップ力及び前記測定グリップ力に基づいて、前記位置モードと前記力モードとの間の前記遷移中に前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定することと、
前記プロセッサによって、前記命令グリップ力を調整することを決定することに応答して、前記位置モードと前記力モードとの間の前記遷移中に、前記測定グリップ力の変化を滑らかにするように前記命令グリップ力を調整することと、を含む、方法。
(42) 前記ジョーが前記位置モードと前記力モードとの間で遷移していると決定することは、
前記入力ジョー角度が最初に0以上であり、かつ最小持続時間にわたって0未満になるときに、前記ジョーが前記位置モードから前記力モードに遷移していると決定すること、又は
前記入力ジョー角度が最初に0未満であり、かつ0以上になるときに、前記ジョーが前記力モードから前記位置モードに遷移していると決定することを含む、実施態様41に記載の方法。
(43) 前記ジョーが前記位置モードと前記力モードとの間で遷移していると決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が閾値ジョー角度以上であるときに、前記ジョーが最初に前記位置モードにあると決定することであって、前記閾値ジョー角度は、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、決定することと、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が最小持続時間を超えて前記閾値ジョー角度未満になるときに、前記ジョーが前記位置モードから前記力モードに遷移すると決定することと、を含む、実施態様41に記載の方法。
(44) 前記遷移中に、前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、前記位置モードから前記力モードへの前記遷移中に、前記命令グリップ力が増加しており、かつ前記測定グリップ力と前記命令グリップ力との間の差が最大グリップ力誤差よりも大きいときに、前記命令グリップ力を調整することを決定することを含む、実施態様43に記載の方法。
(45) 前記命令グリップ力を調整することは、
前記プロセッサによって、前記命令グリップ力を調整することを決定することに応答して、前記命令グリップ力を、前記測定グリップ力からマージンを引いたものに設定すること、又は
そうでなければ、前記プロセッサによって、前記力モードにおいて前記入力ジョー角度に基づいて前記命令グリップ力を設定することを含む、実施態様44に記載の方法。
(41) A method for controlling a gripping force generated by jaws of a gripper tool of a surgical robotic system, comprising:
determining, by a processor, based on a change in an input jaw angle between the jaws, that the jaws are transitioning between a position mode and a force mode, the position mode being characterized by positioning the jaws at the input jaw angle and the force mode being characterized by actuating the jaws to a commanded grip force determined based on the input jaw angle having a negative value;
measuring the gripping force between the jaws; and
determining, by the processor, whether to adjust the commanded grip force during the transition between the position mode and the force mode based on the commanded grip force and the measured grip force;
and in response to determining, by the processor, to adjust the commanded grip force, adjusting the commanded grip force to smooth changes in the measured grip force during the transition between the position mode and the force mode.
(42) Determining that the jaws are transitioning between the position mode and the force mode comprises:
42. The method of claim 41, comprising determining that the jaws are transitioning from the position mode to the force mode when the input jaw angle is initially greater than or equal to 0 and becomes less than 0 for a minimum duration; or determining that the jaws are transitioning from the force mode to the position mode when the input jaw angle is initially less than 0 and becomes greater than or equal to 0.
(43) Determining that the jaws are transitioning between the position mode and the force mode comprises:
determining, by the processor, that the jaws are initially in the position mode when the input jaw angle is equal to or greater than a threshold jaw angle, the threshold jaw angle including a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held;
determining, by the processor, that the jaws transition from the position mode to the force mode when the input jaw angle is less than the threshold jaw angle for more than a minimum duration.
(44) During the transition, determining whether to adjust the commanded grip force includes:
44. The method of claim 43, further comprising determining, by the processor, to adjust the commanded grip force when the commanded grip force is increasing during the transition from the position mode to the force mode and a difference between the measured grip force and the commanded grip force is greater than a maximum grip force error.
(45) Adjusting the command grip force includes
45. The method of claim 44, further comprising: in response to determining, by the processor, to adjust the commanded grip force, setting the commanded grip force to the measured grip force minus a margin; or otherwise setting, by the processor, the commanded grip force based on the input jaw angle in the force mode.

(46) 前記ジョーが前記位置モードと前記力モードとの間で遷移していると決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が閾値ジョー角度未満であるときに、前記ジョーが最初に前記力モードにあると決定することであって、前記閾値ジョー角度は、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、決定することと、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が前記閾値ジョー角度以上になるときに、前記ジョーが前記力モードから前記位置モードに遷移すると決定することと、を含む、実施態様41に記載の方法。
(47) 前記遷移中に、前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、前記力モードから前記位置モードへの前記遷移中に、前記命令グリップ力が減少しており、前記命令グリップ力が最小グリップ力未満であり、かつ前記測定グリップ力と前記最小グリップ力との間の差の絶対値が最大グリップ力誤差未満であるときに、前記命令グリップ力を調整することを決定することを含む、実施態様46に記載の方法。
(48) 前記命令グリップ力を調整することは、
前記プロセッサによって、前記命令グリップ力を調整することを決定することに応答して、前記命令グリップ力を前記最小グリップ力に設定すること、又は
そうでなければ、前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度に基づいて前記命令グリップ力を設定することを含む、実施態様47に記載の方法。
(49) 前記命令グリップ力が調整されるときに、前記プロセッサによって、前記位置モードから前記力モードへの前記遷移に続いて、前記力モードにおいて前記入力ジョー角度に基づくように前記命令グリップ力を変化させること、又は
前記命令グリップ力が調整されるときに、前記プロセッサによって、前記力モードから前記位置モードへの前記遷移に続いて、前記位置モードにおいて前記入力ジョー角度に基づくように前記命令グリップ力を変化させることを更に含む、実施態様41に記載の方法。
(50) 外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーを制御する装置であって
前記ジョー間のグリップ力を推定して、測定グリップ力を生成するように構成されたセンサと、
プロセッサと、を含み、前記プロセッサが、
前記ジョー間の所望のジョー角度の変化に基づいて、前記ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移すると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記所望のジョー角度に位置決めすることによって特徴付けられ、前記力モードが、負の値を有する前記所望のジョー角度に基づいて決定される命令グリップ力に前記ジョーを駆動することによって特徴付けられる、決定することと、
前記命令グリップ力及び前記測定グリップ力に基づいて、前記位置モードと前記力モードとの間の前記遷移中に、前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定することと、
前記命令グリップ力を調整する決定に応答して、前記位置モードと前記力モードとの間の前記遷移中に、前記測定グリップ力の変化を滑らかにするように前記命令グリップ力を調整することと、を行うように構成されている、装置。
(46) Determining that the jaws are transitioning between the position mode and the force mode comprises:
determining, by the processor, that the jaws are initially in the force mode when the input jaw angle is less than a threshold jaw angle, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held;
determining, by the processor, that the jaws transition from the force mode to the position mode when the input jaw angle is greater than or equal to the threshold jaw angle.
(47) During the transition, determining whether to adjust the commanded grip force includes:
47. The method of claim 46, further comprising determining, by the processor, to adjust the commanded grip force during the transition from the force mode to the position mode when the commanded grip force is decreasing, the commanded grip force is less than a minimum grip force, and an absolute value of the difference between the measured grip force and the minimum grip force is less than a maximum grip force error.
(48) Adjusting the command grip force includes
48. The method of claim 47, further comprising: in response to determining, by the processor, to adjust the commanded grip force, setting the commanded grip force to the minimum grip force; or otherwise setting, by the processor, the commanded grip force based on the input jaw angle.
49. The method of claim 41, further comprising: varying, by the processor, the commanded grip force in the force mode based on the input jaw angle following the transition from the position mode to the force mode when the commanded grip force is adjusted; or varying, by the processor, the commanded grip force in the position mode based on the input jaw angle following the transition from the force mode to the position mode when the commanded grip force is adjusted.
(50) An apparatus for controlling jaws of a gripper tool of a surgical robotic system, comprising: a sensor configured to estimate a gripping force between the jaws to generate a measured gripping force;
a processor, the processor comprising:
determining that the jaws transition between a position mode and a force mode based on a change in a desired jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by positioning the jaws at the desired jaw angle and the force mode being characterized by actuating the jaws to a commanded grip force determined based on the desired jaw angle having a negative value;
determining whether to adjust the commanded grip force during the transition between the position mode and the force mode based on the commanded grip force and the measured grip force;
in response to a decision to adjust the commanded grip force, adjust the commanded grip force to smooth changes in the measured grip force during the transition between the position mode and the force mode.

(51) 前記ジョーが前記位置モードと前記力モードとの間で遷移すると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が最初に0以上であり、かつ最小持続時間にわたって0未満になるときに、前記ジョーが前記位置モードから前記力モードに遷移すると決定することと、
前記所望のジョー角度が最初に0未満であり、かつ0以上になるときに、前記ジョーが前記力モードから前記位置モードに遷移すると決定することと、を含む、実施態様50に記載の装置。
(52) 前記ジョーが前記位置モードと前記力モードとの間で遷移すると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が閾値ジョー角度以上であるときに、前記ジョーが最初に前記位置モードにあると決定することであって、前記閾値ジョー角度は、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、決定することと、
前記所望のジョー角度が最小持続時間を超えて前記閾値ジョー角度未満になるときに、前記ジョーが前記位置モードから前記力モードに遷移すると決定することと、を含む、実施態様50に記載の装置。
(53) 前記遷移中に、前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記位置モードから前記力モードへの前記遷移中に、前記命令グリップ力が増加しており、かつ前記測定グリップ力と前記命令グリップ力との間の差が最大グリップ力誤差よりも大きいときに、前記命令グリップ力を調整すると決定することを含む、実施態様52に記載の装置。
(54) 前記命令グリップ力を調整するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記命令グリップ力を調整する前記決定に応答して、前記命令グリップ力を、前記測定グリップ力からマージンを引いたものに設定すること、又は
そうでなければ、前記力モードにおいて前記所望のジョー角度に基づいて前記命令グリップ力を設定することを含む、実施態様53に記載の装置。
(55) 前記ジョーが前記位置モードと前記力モードとの間で遷移すると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が閾値ジョー角度未満であるときに、前記ジョーが最初に前記力モードにあると決定することであって、前記閾値ジョー角度は、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、決定することと、
前記所望のジョー角度が前記閾値ジョー角度以上になるときに、前記ジョーが前記力モードから前記位置モードに遷移すると決定することと、を含む、実施態様50に記載の装置。
(51) The processor is configured to determine that the jaws transition between the position mode and the force mode,
determining that the jaws transition from the position mode to the force mode when the desired jaw angle is initially greater than or equal to zero and becomes less than zero for a minimum duration;
determining that the jaws will transition from the force mode to the position mode when the desired jaw angle is initially less than 0 and becomes greater than or equal to 0.
(52) The processor is configured to determine that the jaws transition between the position mode and the force mode,
determining that the jaws are initially in the position mode when the desired jaw angle is equal to or greater than a threshold jaw angle, the threshold jaw angle including a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held;
determining that the jaws transition from the position mode to the force mode when the desired jaw angle is less than the threshold jaw angle for more than a minimum duration.
(53) The processor is configured to determine whether to adjust the commanded grip force during the transition,
53. The apparatus of claim 52, further comprising: determining to adjust the commanded grip force when the commanded grip force is increasing during the transition from the position mode to the force mode and a difference between the measured grip force and the commanded grip force is greater than a maximum grip force error.
(54) The processor is configured to adjust the command grip force,
54. The apparatus of claim 53, further comprising: in response to the decision to adjust the commanded grip force, setting the commanded grip force to the measured grip force minus a margin; or otherwise setting the commanded grip force based on the desired jaw angle in the force mode.
(55) The processor is configured to determine that the jaws transition between the position mode and the force mode,
determining that the jaws are initially in the force mode when the desired jaw angle is less than a threshold jaw angle, the threshold jaw angle including the jaws simultaneously contacting an object held between the jaws or the jaws beginning to contact each other without an object being held;
determining that the jaws will transition from the force mode to the position mode when the desired jaw angle is greater than or equal to the threshold jaw angle.

(56) 前記遷移中に、前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記力モードから前記位置モードへの前記遷移中に、前記命令グリップ力が減少しており、前記命令グリップ力が最小グリップ力未満であり、かつ前記測定グリップ力と前記最小グリップ力との間の差の絶対値が最大グリップ力誤差未満であるときに、前記命令グリップ力を調整すると決定することを含む、実施態様55に記載の装置。
(57) 前記命令グリップ力を調整するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記命令グリップ力を調整する前記決定に応答して、前記命令グリップ力を、前記最小グリップ力に設定すること、又は
そうでなければ、前記力モードにおいて前記所望のジョー角度に基づいて前記命令グリップ力を設定することを含む、実施態様56に記載の装置。
(58) 前記プロセッサが、
前記プロセッサが前記命令グリップ力を調整するように構成されているときに、前記位置モードから前記力モードへの前記遷移に続いて、前記力モードにおいて前記所望のジョー角度に基づくように前記命令グリップ力を変化させること、又は
前記プロセッサが前記命令グリップ力を調整するように構成されているときに、前記力モードから前記位置モードへの前記遷移に続いて、前記位置モードにおいて前記所望のジョー角度に基づくように前記命令グリップ力を変化させること、を行うように更に構成されている、実施態様50に記載の装置。
(59) 外科手術用ロボットシステムであって、
一対のジョーを含むエンドエフェクタと、
前記ジョー間の入力ジョー角度を生成するように構成されたユーザーインターフェースデバイスと、
前記エンドエフェクタに通信可能に結合されたプロセッサと、を含み、前記プロセッサが、
前記入力ジョー角度の変化に基づいて、前記ジョーが位置モードと力モードとの間で遷移すると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めすることによって特徴付けられ、前記力モードが、負の値を有する前記入力ジョー角度に基づいて決定される命令グリップ力に前記ジョーを駆動することによって特徴付けられる、決定することと、
前記一対のジョー間のグリップ力を測定することと、
前記命令グリップ力及び前記測定グリップ力に基づいて、前記位置モードと前記力モードとの間の前記遷移中に、前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定することと、
前記命令グリップ力を調整する決定に応答して、前記位置モードと前記力モードとの間の前記遷移中に、前記測定グリップ力の変化を滑らかにするように前記命令グリップ力を調整することと、を行うように構成されている、外科手術用ロボットシステム。
(60) 前記ジョーが前記位置モードと前記力モードとの間で遷移すると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記入力ジョー角度が閾値ジョー角度以上であるときに、前記ジョーが最初に前記位置モードにあると決定することであって、前記閾値ジョー角度は、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、決定することと、
前記入力ジョー角度が最小持続時間を超えて前記閾値ジョー角度未満になるときに、前記ジョーが前記位置モードから前記力モードに遷移すると決定することと、を含み、
前記遷移中に、前記命令グリップ力を調整するかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記位置モードから前記力モードへの前記遷移中に、前記命令グリップ力が増加しており、かつ前記測定グリップ力と前記命令グリップ力との間の差が最大グリップ力誤差よりも大きいときに、前記命令グリップ力を調整することを決定することを含み、
前記命令グリップ力を調整するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記命令グリップ力を調整する前記決定に応答して、前記命令グリップ力を、前記測定グリップ力からマージンを引いたものに設定すること、又は
そうでなければ、前記力モードにおいて前記入力ジョー角度に基づいて前記命令グリップ力を設定することを含む、実施態様59に記載の外科手術用ロボットシステム。
(56) The processor is configured to determine whether to adjust the commanded grip force during the transition,
56. The apparatus of claim 55, further comprising: determining to adjust the commanded grip force when, during the transition from the force mode to the position mode, the commanded grip force is decreasing, the commanded grip force is less than a minimum grip force, and an absolute value of the difference between the measured grip force and the minimum grip force is less than a maximum grip force error.
(57) The processor is configured to adjust the command grip force,
57. The apparatus of claim 56, further comprising: in response to the decision to adjust the commanded grip force, setting the commanded grip force to the minimum grip force; or otherwise setting the commanded grip force based on the desired jaw angle in the force mode.
(58) The processor,
51. The apparatus of claim 50, further configured to: vary the commanded grip force in the force mode based on the desired jaw angle following the transition from the position mode to the force mode when the processor is configured to adjust the commanded grip force; or vary the commanded grip force in the position mode based on the desired jaw angle following the transition from the force mode to the position mode when the processor is configured to adjust the commanded grip force.
(59) A surgical robot system, comprising:
an end effector including a pair of jaws;
a user interface device configured to generate an input jaw angle between the jaws;
a processor communicatively coupled to the end effector, the processor comprising:
determining, based on a change in the input jaw angle, that the jaws transition between a position mode and a force mode, the position mode being characterized by positioning the jaws at the input jaw angle and the force mode being characterized by actuating the jaws to a commanded grip force determined based on the input jaw angle having a negative value;
Measuring a gripping force between the pair of jaws; and
determining whether to adjust the commanded grip force during the transition between the position mode and the force mode based on the commanded grip force and the measured grip force;
in response to a decision to adjust the commanded grip force, adjust the commanded grip force to smooth changes in the measured grip force during the transition between the position mode and the force mode.
(60) The processor is configured to determine that the jaws transition between the position mode and the force mode,
determining that the jaws are initially in the position mode when the input jaw angle is equal to or greater than a threshold jaw angle, the threshold jaw angle including a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held;
determining that the jaws transition from the position mode to the force mode when the input jaw angle is less than the threshold jaw angle for more than a minimum duration;
The processor is configured to determine whether to adjust the commanded grip force during the transition,
determining to adjust the commanded grip force when, during the transition from the position mode to the force mode, the commanded grip force is increasing and a difference between the measured grip force and the commanded grip force is greater than a maximum grip force error;
The processor is configured to adjust the commanded grip force,
60. The surgical robot system of claim 59, further comprising: in response to the decision to adjust the commanded grip force, setting the commanded grip force to the measured grip force minus a margin; or otherwise setting the commanded grip force based on the input jaw angle in the force mode.

Claims (18)

外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーを制御する装置であって、
前記ジョーによって生成されるグリップ力を推定して、測定グリップ力を生成するように構成されたセンサと、
プロセッサであって、
前記ジョー間の所望のジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記所望のジョー角度に位置決めするための位置コマンドの適用によって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記測定グリップ力が閾値を超えているかどうかを決定することと、
前記測定グリップ力が前記閾値を超えているという決定に応答して、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するようにグリップ力誤差を生成して、前記位置コマンドを更新することと、を行うように構成されたプロセッサと、
更新された前記位置コマンドを適用して、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するように前記ジョーを駆動するように構成されたアクチュエータ駆動ユニットと、を含む、装置。
1. An apparatus for controlling jaws of a gripper tool of a surgical robotic system, comprising:
a sensor configured to estimate a gripping force generated by the jaws to generate a measured gripping force;
1. A processor comprising:
determining that the jaws are in the process of closing in a position mode based on a desired jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by application of position commands to position the jaws at the desired jaw angle;
determining whether the measured grip force exceeds a threshold in the position mode;
a processor configured to: in response to determining that the measured grip force exceeds the threshold, generate a grip force error to limit the measured grip force to the threshold and update the position command;
and an actuator drive unit configured to apply the updated position command to drive the jaws to limit the measured gripping force to the threshold value.
前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することを含み、前記閾値ジョー角度が、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、請求項1に記載の装置。
The processor is configured to determine that the jaws are in the process of closing in the position mode,
2. The apparatus of claim 1, comprising determining that the desired jaw angle is equal to or greater than a threshold jaw angle for more than a minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held.
前記ジョーが前記位置モードで閉じている動作途中にあると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記所望のジョー角度が前記位置モードにおいて最小期間にわたって減少していると決定することを含む、請求項1に記載の装置。
The processor is configured to determine that the jaws are in the process of being closed in the position mode,
The apparatus of claim 1 including determining that the desired jaw angle is decreasing for a minimum period of time in the position mode.
前記測定グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記測定グリップ力が、時間ウィンドウ内のどこかで前記閾値からマージンを引いたものを超えている限り、前記測定グリップ力が前記閾値を超えていると決定することを含む、請求項1に記載の装置。
The processor is configured to determine whether the measured grip force exceeds the threshold value,
2. The apparatus of claim 1, further comprising determining that the measured grip force exceeds the threshold as long as the measured grip force exceeds the threshold minus a margin anywhere within a time window.
前記時間ウィンドウの長さが、グリップ力カウンタによって測定され、前記グリップ力カウンタが、
前記測定グリップ力が前記センサによって推定されるたびに、前記測定グリップ力が前記閾値から前記マージンを引いたもの未満であるときに、1ずつインクリメントすることと、
前記測定グリップ力が前記閾値よりも大きいときに、前記グリップ力カウンタをリセットすることと、を行うように構成されている、請求項4に記載の装置。
The length of the time window is measured by a grip force counter, the grip force counter
incrementing by one each time the measured grip force is estimated by the sensor when the measured grip force is less than the threshold minus the margin;
and resetting the grip force counter when the measured grip force is greater than the threshold value.
前記測定グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記測定グリップ力が前記時間ウィンドウ内のどこかで前記閾値から前記マージンを引いたものを超えているときに、前記グリップ力カウンタに等しい前記時間ウィンドウの前記長さの全体にわたって、前記測定グリップ力が前記閾値を超えていると決定することを更に含む、請求項5に記載の装置。
The processor is configured to determine whether the measured grip force exceeds the threshold value,
6. The apparatus of claim 5, further comprising determining that the measured grip force exceeds the threshold value for the entire length of the time window equal to the grip force counter when the measured grip force exceeds the threshold value minus the margin anywhere within the time window.
前記グリップ力誤差が、前記測定グリップ力と前記閾値との間の差を含む、請求項1に記載の装置。 The device of claim 1, wherein the grip force error comprises a difference between the measured grip force and the threshold value. 前記グリップ力誤差を生成して、前記位置コマンドを更新するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記グリップ力誤差から補償位置コマンドを生成することと、
前記補償位置コマンドと前記位置コマンドとを組み合わせて、前記測定グリップ力を前記閾値に制限するように更新された前記位置コマンドを生成することと、を含む、請求項1に記載の装置。
The processor is configured to generate the grip force error and update the position command,
generating a compensated position command from the grip force error;
and combining the compensated position command with the position command to generate an updated position command to limit the measured grip force to the threshold value.
外科手術用ロボットシステムであって、
一対のジョーを含むエンドエフェクタと、
前記ジョー間の入力ジョー角度を生成するように構成されたユーザーインターフェースデバイスと、
前記エンドエフェクタに通信可能に結合されたプロセッサと、を含み、前記プロセッサが、
前記ジョー間の前記入力ジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めするための位置コマンドの適用によって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記ジョー間のグリップ力を測定することと、
前記位置モードにおいて測定された前記グリップ力が閾値を超えているかどうかを決定することと、
測定された前記グリップ力が前記閾値を超えているという決定に応答して、測定された前記グリップ力を前記閾値に制限するようにグリップ力誤差を生成して、前記位置コマンドを更新することと、
更新された前記位置コマンドを適用して、測定された前記グリップ力を前記閾値に制限するように前記ジョーを位置決めすることと、を行うように構成されている、外科手術用ロボットシステム。
1. A surgical robotic system, comprising:
an end effector including a pair of jaws;
a user interface device configured to generate an input jaw angle between the jaws;
a processor communicatively coupled to the end effector, the processor comprising:
determining that the jaws are in the process of closing in a position mode based on the input jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by application of position commands to position the jaws at the input jaw angle;
measuring a gripping force between the jaws in the position mode;
determining whether the grip force measured in the position mode exceeds a threshold;
in response to determining that the measured grip force exceeds the threshold, generating a grip force error to limit the measured grip force to the threshold and updating the position command;
and applying the updated position commands to position the jaws to limit the measured gripping force to the threshold.
前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
前記入力ジョー角度が第1の最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することであって、前記閾値ジョー角度が、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、決定することと、
前記入力ジョー角度が前記位置モードにおいて第2の最小期間にわたって減少していると決定することと、を含む、請求項9に記載の外科手術用ロボットシステム。
The processor is configured to determine that the jaws are in the process of closing in the position mode,
determining that the input jaw angle is greater than or equal to a threshold jaw angle for more than a first minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held;
and determining that the input jaw angle is decreasing for a second minimum period of time in the position mode.
測定された前記グリップ力が前記閾値を超えているかどうかを決定するように前記プロセッサが構成されていることは、
デバウンシングアルゴリズムを使用して、測定された前記グリップ力が前記閾値からマージンを引いたものを超えていると決定することを含む、請求項9に記載の外科手術用ロボットシステム。
The processor is configured to determine whether the measured grip force exceeds the threshold.
The surgical robot system of claim 9, further comprising using a debouncing algorithm to determine when the measured grip force exceeds the threshold minus a margin.
外科手術用ロボットシステムのグリッパツールのジョーによって生成されるグリップ力を制御するための方法であって、
プロセッサによって、前記ジョー間の入力ジョー角度に基づいて、前記ジョーが位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することであって、前記位置モードが、前記ジョーを前記入力ジョー角度に位置決めするために位置コマンドを使用することによって特徴付けられる、決定することと、
前記位置モードにおいて前記ジョーが閉じている動作途中にある間に前記ジョー間のグリップ力を測定することと、
前記プロセッサによって、前記位置モードにおいて測定された前記グリップ力がグリップ力閾値を超えているかどうかを決定することと、
前記プロセッサによって、測定された前記グリップ力が前記グリップ力閾値を超えていると決定することに応答して、グリップ力誤差を生成することであって、前記グリップ力誤差が、測定された前記グリップ力と前記グリップ力閾値との間の差を含む、ことと、
前記グリップ力誤差に基づいて、更新された位置コマンドを生成することと、
前記ジョーを位置決めするために前記更新された位置コマンドを適用し、これにより前記グリップ力を前記グリップ力閾値に制限することと、を含む、方法。
1. A method for controlling a gripping force generated by jaws of a gripper tool of a surgical robotic system, comprising:
determining, by a processor, that the jaws are in the process of closing in a position mode based on an input jaw angle between the jaws, the position mode being characterized by using position commands to position the jaws at the input jaw angle;
measuring a gripping force between the jaws while the jaws are in the process of closing in the position mode;
determining, by the processor, whether the grip force measured in the position mode exceeds a grip force threshold;
generating, by the processor, a grip force error in response to determining that the measured grip force exceeds the grip force threshold, the grip force error comprising a difference between the measured grip force and the grip force threshold; and
generating an updated position command based on the grip force error; and
applying the updated position commands to position the jaws, thereby limiting the grip force to the grip force threshold.
前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が最小期間を超えて閾値ジョー角度以上であると決定することを含み、前記閾値ジョー角度は、前記ジョーが前記ジョー間に保持された物体に同時に接触するとき、又は物体が保持されずに前記ジョーが互いに接触し始めるときのジョー角度を含む、請求項12に記載の方法。
Determining that the jaws are in the process of closing in the position mode includes:
13. The method of claim 12, comprising determining, by the processor, that the input jaw angle is greater than or equal to a threshold jaw angle for more than a minimum period of time, the threshold jaw angle comprising a jaw angle when the jaws simultaneously contact an object held between the jaws or when the jaws begin to contact each other without an object being held.
前記ジョーが前記位置モードにおいて閉じている動作途中にあると決定することは、
前記プロセッサによって、前記入力ジョー角度が前記位置モードにおいて最小期間にわたって減少していると決定することを含む、請求項12に記載の方法。
Determining that the jaws are in the process of closing in the position mode includes:
The method of claim 12 including determining, by the processor, that the input jaw angle is decreasing for a minimum period of time in the position mode.
測定された前記グリップ力が前記グリップ力閾値を超えているかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、測定された前記グリップ力が、時間ウィンドウ内のどこかで前記グリップ力閾値からマージンを引いたものを超えている限り、測定された前記グリップ力が前記グリップ力閾値を超えていると決定することを含む、請求項12に記載の方法。
Determining whether the measured grip force exceeds the grip force threshold includes:
13. The method of claim 12, comprising determining, by the processor, that the measured grip force exceeds the grip force threshold so long as the measured grip force exceeds the grip force threshold minus a margin anywhere within a time window.
前記時間ウィンドウの長さが、グリップ力カウンタによって測定され、前記グリップ力カウンタの動作が、
測定された前記グリップ力がサンプリングされるたびに、測定された前記グリップ力が前記グリップ力閾値から前記マージンを引いたもの未満であるときに、前記グリップ力カウンタを1ずつインクリメントすることと、
測定された前記グリップ力が前記グリップ力閾値よりも大きいときに、前記グリップ力カウンタをリセットすることと、を含む、請求項15に記載の方法。
The length of the time window is measured by a grip force counter, the operation of which is determined by:
incrementing the grip force counter by one each time the measured grip force is sampled when the measured grip force is less than the grip force threshold minus the margin;
and resetting the grip force counter when the measured grip force is greater than the grip force threshold.
測定された前記グリップ力が前記グリップ力閾値を超えているかどうかを決定することは、
前記プロセッサによって、測定された前記グリップ力が前記時間ウィンドウ内のどこかで前記グリップ力閾値から前記マージンを引いたものを超えているときに、前記グリップ力カウンタに等しい前記時間ウィンドウの前記長さの全体にわたって、測定された前記グリップ力が前記グリップ力閾値を超えていると決定することを更に含む、請求項16に記載の方法。
Determining whether the measured grip force exceeds the grip force threshold includes:
17. The method of claim 16, further comprising determining, by the processor, that the measured grip force exceeds the grip force threshold for the entire length of the time window equal to the grip force counter when the measured grip force exceeds the grip force threshold minus the margin anywhere within the time window.
前記更新された位置コマンドを生成することは、
前記プロセッサによって、前記グリップ力誤差から補償位置コマンドを生成することと、
前記プロセッサによって、前記補償位置コマンドと前記位置コマンドとを組み合わせて、前記更新された位置コマンドを生成することと、を含む、請求項12に記載の方法。
Generating the updated position command
generating, by the processor, a compensated position command from the grip force error;
and combining, by the processor, the compensated position command and the position command to generate the updated position command.
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