(57)【要約】      （修正有）【課題】ブレーキ及び／又はロックが関節作動アームのジョイント内で解放されるときに、関節作動アーム中のジョイントに、器具、関節作動アーム、及び／又はエンドエフェクタにおける望ましくない動きを矯正、コンピュータ支援医療デバイスを提供する。【解決手段】コンピュータ支援医療デバイスが、複数のジョイントを備える関節作動アームと、関節作動アームに連結される制御ユニットとを含む。制御ユニットは、関節作動アーム内の複数のブレーキに命令を送信して、所定の時差式な仕方において複数のブレーキの解放を開始するように構成される。所定の時差式な仕方は、複数のブレーキの同時解放を防止する、複数のブレーキ内の各ブレーキを相互の所定の時間内に解放させる、第１の複数のブレーキ内の各ブレーキを相互の所定の時間内で解放させる、および、第１の複数のブレーキ内の各ブレーキに、相互の所定の時間内に漸進的な解放を開始させる。【選択図】図６Ａ
2020078559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のジョイントを備える関節作動アームと、
該関節作動アームに連結される制御ユニットとを含む、
コンピュータ支援デバイスであって、
前記制御ユニットは、
ａ）前記関節作動アーム内の複数のブレーキに１つ又はそれよりも多くの第１の命令を送信して、所定の時差式な仕方において前記複数のブレーキの解放を開始するように構成され、前記複数のブレーキのうちの各ブレーキは、前記複数のジョイントのうちの対応するジョイントを制動するように構成され、
ｂ）前記ブレーキが解放されるときに、前記複数のブレーキの各ブレーキによって引き起こされる当該コンピュータ支援デバイスの感心の地点における外乱を検出するように構成され、
ｃ）前記複数のジョイントの１つ又はそれよりも多くのアクチュエータに１つ又はそれよりも多くの第２の命令を送信して、前記外乱を補償するように構成される、
コンピュータ支援デバイス。
【請求項２】
前記感心の地点は、前記関節作動アームに取り付けられるツールの先端である、請求項１に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項３】
前記制御ユニットは、
基準座標フレーム内で前記感心の地点についての基準変換を決定し、
前記外乱によって引き起こされる前記感心の地点についての予測される動きを決定し、
該予測される動きに基づいて予測される変換を決定し、且つ
前記基準変換と前記予測される変換との間の差に基づいて前記複数のジョイントについてのジョイント変化を補償することを決定する、
ように更に構成される、
請求項１又は２に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項４】
前記所定の時差式の仕方は、前記複数のブレーキの全てが解放される間の前記複数のブレーキの同時の解放を防止する計算された間隔で前記複数のブレーキを解放する、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項５】
前記１つ又はそれよりも多くの第１の命令は、
前記複数のブレーキのうちのブレーキを相互の所定の時間内に解放させ、或いは、
前記複数のブレーキのうちの各ブレーキの解放を開始するためにそれぞれのタイミング窓を割り当てる、
請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項６】
前記１つ又はそれよりも多くの第１の命令は、前記複数のブレーキのうちの各ブレーキに、前記複数のブレーキのうちの他のブレーキの解放の所定の時間内の漸進的な解放を開始させる、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項７】
前記所定の時差式な仕方は、前記複数のジョイントの垂直ジョイントのブレーキが最後に解放されるような順序において前記複数のブレーキを解放する、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項８】
前記所定の時差式な仕方は、最大の外乱を引き起こすブレーキが最後に解放されるような順序において前記複数のブレーキを解放する、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項９】
前記制御ユニットは、前記複数のブレーキの前記解放の間に前記関節作動アームを移動させるように更に構成される、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載のコンピュータ支援デバイス。
【請求項１０】
デバイス内の動きを制御する作動方法であって、
前記デバイスの制御ユニットが、関節作動アーム内の複数のブレーキに１つ又はそれよりも多くの第１の命令を送信して、所定の時差式な仕方において前記複数のブレーキの解放を開始するステップであって、前記複数のブレーキのうちの各ブレーキは、前記関節作動アームの複数のジョイントのうちの対応するジョイントを制動するように構成される、ステップと、
前記制御ユニットが、前記ブレーキが解放されるときに、前記複数のブレーキのうちの各ブレーキによって引き起こされる前記デバイスの感心の地点における外乱を検出するステップと、
前記制御ユニットが、前記複数のジョイントの１つ又はそれよりも多くのアクチュエータに１つ又はそれよりも多くの第２の命令を送信して、前記外乱を補償するステップとを含む、
作動方法。
【請求項１１】
前記感心の地点は、前記関節作動アームに取り付けられるツールの先端である、請求項１０に記載の作動方法。
【請求項１２】
前記制御ユニットが、基準座標フレーム内で前記感心の地点についての基準変換を決定するステップと、
前記制御ユニットが、前記外乱によって引き起こされる前記感心の地点についての予測される動きを決定するステップと、
前記制御ユニットが、前記予測される動きに基づいて予測される変換を決定するステップと、
前記制御ユニットが、前記基準変換と前記予測される変換との間の差に基づいて前記複数のジョイントについてのジョイント変化を補償することを決定するステップとを更に含む、
請求項１０又は１１に記載の作動方法。
【請求項１３】
前記所定の時差式の仕方は、前記複数のブレーキの全てが解放される間の前記複数のブレーキの同時の解放を防止する計算された間隔で前記複数のブレーキを解放する、請求項１０乃至１２のうちのいずれか１項に記載の作動方法。
【請求項１４】
前記１つ又はそれよりも多くの第１の命令は、
前記複数のブレーキのうちのブレーキを相互の所定の時間内に解放させ、或いは、
前記複数のブレーキのうちの各ブレーキの解放を開始するためのそれぞれのタイミング窓を割り当て、或いは、
前記複数のブレーキのうちの各ブレーキに、前記複数のブレーキのうちの他のブレーキの解放の所定の時間内の漸進的な解放を開始させる、
請求項１０乃至１３のうちのいずれか１項に記載の作動方法。
【請求項１５】
前記所定の時差式な仕方は、前記複数のジョイントの垂直ジョイントのブレーキが最後に解放されるような順序において前記複数のブレーキを解放する、請求項１０乃至１４のうちのいずれか１項に記載の作動方法。
【請求項１６】
前記所定の時差式な仕方は、最大の外乱を引き起こすブレーキが最後に解放されるような順序において前記複数のブレーキを解放する、請求項１０乃至１５のうちのいずれか１項に記載の作動方法。
【請求項１７】
複数の機械可読指令を含む非一時的な機械可読媒体であって、前記複数の機械可読指令は、デバイスと関連付けられる１つ又はそれよりも多くのプロセッサによって実行されるときに、該１つ又はそれよりも多くのプロセッサに請求項１０乃至１６のうちのいずれか１項に記載の作動方法を行わせるように構成される、非一時的機械可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本開示は、２０１４年１０月２７日に出願された「System  and  Method  for  Integrated  Operating  Table」という名称の米国仮特許出願第６２／０６９，２４５号及び２０１５年３月１７日に出願された「System  and  Method  for  Reducing  Tool  Disturbances」という名称の米国仮特許出願第６２／１３４，２２５号の優先権を主張し、それらの全文を本明細書中に参照として援用する。
【０００２】
本開示は、一般的には、関節作動アームを備えるデバイスの動作に関し、より具体的には、器具姿勢に対する外部的な外乱(external  disturbances)を減少させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
ますます多くのデバイスが自律的電子デバイス及び半自律的電子デバイスに取って代わられている。これは、手術室、介入室、集中治療病棟、救急室等において見出される、大きな配列（アレイ）の自律的電子デバイス及び半自律的電子デバイスを備える、今日の病院において特に当て嵌まる。例えば、ガラス及び水銀温度計は、電子体温計に取って代わられており、点滴静注線は、今や電子モニタ及び流量調整器を含み、従来的な手持ち式手術器具は、コンピュータ支援医療デバイスに取って代わられている。
【０００４】
これらの電子デバイスは、それらを操作する人員に利点及び挑戦の両方をもたらす。これらの電子デバイスの多くは、１つ又はそれよりも多くの関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタの自律的又は半自律的な動きが可能である。これらの１つ又はそれよりも多くの関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタは、それぞれ、関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタの動きをサポートするリンク及び関節作動ジョイントの組み合わせを含む。多くの場合、関節作動ジョイントは、対応する関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタのリンク及び関節作動ジョイントの遠位端に位置付けられる対応する器具の所望の位置及び／又は向き（集合的に、所望の姿勢）を得るために操作される。器具に対して近位の関節作動ジョイントの各々は、対応する器具の位置及び／又は向きを操作するために用いられてよい少なくとも１つの自由度を備える、対応する関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタを提供する。多くの場合、対応する関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタは、対応する器具のｘ、ｙ及びｚ位置（集合的に並進動作と呼ぶ）並びに対応する器具のロール、ピッチ及びヨー向き（集合的に回転動作と呼ぶ）を制御することを可能にする、少なくとも６つの自由度を含んでよい。対応する器具の姿勢の制御におけるより大きな柔軟性をもたらすために、対応する関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタは、しばしば、冗長自由度を含むように設計される。冗長自由度が存在するときには、関節作動ジョイントの位置及び／又は向きの多数の異なる組み合わせを用いて対応する器具の同じ姿勢を得ることが可能である。
【０００５】
関節作動アームを備えるデバイスが医療処置のために用いられるとき、関節作動アームの１つ又はそれよりも多くが器具及び／又はエンドエフェクタを患者の開口内に差し込むことがあるのは珍しくない。処置に依存して、関節作動アームの少なくとも部分を再配置するために、関節作動アームのジョイントの１つ又はそれよりも多くに対するロック及び／又はブレーキを解放するのが望ましいことがある。ロック及び／又はブレーキが解放されるとき、これは、患者内に位置付けられる関節作動アームの、より重要なことには、器具及び／又はエンドエフェクタの先端の位置及び／又は向きにおける、望ましくない動きを引き起こすことがある。この望ましくない動きは、患者に対する損傷、関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタに近接する人員に対する損傷、関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタに対する損害、関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタに近接する他のデバイスに対する損害、減菌野の破損、並びに／或いは他の望ましくない結果を引き起こすことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ブレーキ及び／又はロックが関節作動アームの１つ又はそれよりも多くのジョイント内で解放されるときに、関節作動アーム中の１つ又はそれよりも多くのジョイントに、器具、関節作動アーム、及び／又はエンドエフェクタにおける望ましくない動きを矯正させることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
幾つかの実施態様と調和して、コンピュータ支援医療デバイスが、第１の複数のジョイントを備える第１の関節作動アームと、第１の関節作動アームに連結される制御ユニットとを含む。幾つかの実施例において、制御ユニットは、第１の関節作動アーム内の第１の複数のブレーキに第１の命令を送信して、第１の所定の時差式な仕方において第１の複数のブレーキの解放を開始するように、構成される。
【０００８】
幾つかの実施態様と調和して、医療デバイス内の動きを制御する方法が、第１の関節作動アーム内の第１の複数のブレーキに第１の命令を送信して、第１の所定の時差式な仕方において第１の複数のブレーキの解放を開始することを含む。
【０００９】
幾つかの実施態様と調和して、持続性機械可読媒体が、複数の機械可読指令を含み、複数の機械可読指令は、医療デバイスと関連付けられる１つ又はそれよりも多くのプロセッサによって実行されるときに、１つ又はそれよりも多くのプロセッサに、第１の関節作動アーム内の第１の複数のブレーキに第１の命令を送信して第１の所定の時差式な仕方において第１の複数のブレーキの解放を開始することを含む方法を行わせるように、構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】幾つかの実施態様に従ったコンピュータ支援システムの簡略図である。
【００１１】
【図２】幾つかの実施態様に従ったコンピュータ支援システムを示す簡略図である。
【００１２】
【図３】幾つかの実施態様に従ったコンピュータ支援システムの運動学的モデルの簡略図である。
【００１３】
【図４】関節作動アームに対するブレーキの解放を互い違いにさせる方法の簡略図である。
【００１４】
【図５】１つのジョイントセットから第２のジョイントセットを備える関心の地点への外乱を補償する方法の簡略図である。
【００１５】
【図６Ａ】例示的なカメラビューの眺望図及び座標系を例示する簡略図である。
【００１６】
【図６Ｂ】センサ又はディスプレイの眺望からのカメラビュー及び関連する座標系を例示する簡略図である。
【００１７】
【図７】関節作動アーム内の１つ又はそれよりも多くのジョイントに対する外乱を補償しながら使用者命令に基づき関節作動アームを動かす方法の簡略図である。
【００１８】
【図８Ａ】上述の統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを示す簡略図である。
【図８Ｂ】上述の統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを示す簡略図である。
【図８Ｃ】上述の統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを示す簡略図である。
【図８Ｄ】上述の統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを示す簡略図である。
【図８Ｅ】上述の統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを示す簡略図である。
【図８Ｆ】上述の統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを示す簡略図である。
【図８Ｇ】上述の統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを示す簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図面中、同じ記号表示を有する要素は、同じ又は類似の機能を有する。
【００２０】
以下の記述には、本開示と調和する幾つかの実施態様を記載する特定の詳細が示される。しかしながら、幾つかの実施態様はこれらの詳細の一部又は全部を伴わずに実施されてよいことが当業者に明らかであろう。ここに開示する特定の実施態様は例示的であることを意図し、限定的であることを意図しない。当業者は、本明細書中では具体的に記載されないが、この開示の範囲及び精神内にある、他の要素を理解するであろう。加えて、不要な繰返しを避けるために、１つの実施態様との関連において示し且つ記載する１つ又はそれよりも多く構成は、その他のことが特に記載されない限り或いは１つ又はそれよりも多くの構成がある実施態様を機能しない限り、他の実施態様に組み込まれてよい。「含む」(“including”)という用語は、非限定的に含むことを意味し、含められる１つ又はそれよりも多くの個々の品目の各々は、その他のことが述べられない限り、任意的であると考えられるべきである。同様に、「ことがある／あってよい」(“may”)という用語も、ある品目が任意的であることを示す。
【００２１】
図１は、幾つかの実施態様に従ったコンピュータ支援システム１００の簡略図である。図１に示すように、コンピュータ支援システム１００は、１つ又はそれよりも多くの移動可能な又は関節作動するアーム１２０を備えるデバイス１１０を含む。１つ又はそれよりも多くの関節作動アーム１２０の各々は、１つ又はそれよりも多くのエンドエフェクタを支持する。幾つかの実施例において、デバイス１１０は、コンピュータ支援手術デバイスと調和してよい。１つ又はそれよりも多くの関節作動アーム１２０は、それぞれ、関節作動アーム１２０のうちの少なくとも１つの関節作動アームの遠位端に取り付けられる、１つ又はそれよりも多くの器具、手術器具、撮像デバイス、及び／又は同等物のための支持をもたらす。幾つかの実施態様において、デバイス１１０及び操作者ワークステーションは、Sunnyvale,  CaliforniaのIntuitive  Surgical,  Inc.によって表品化されているda  Vinci（登録商標）Surgical  Systemに対応してよい。幾つかの実施態様では、コンピュータ支援システム１００と共に、他の構成、より少ない又はより多い関節作動アーム、及び／又は同等物を備える、コンピュータ支援手術デバイスを任意的に用いてよい。
【００２２】
デバイス１１０は、インターフェースを介して制御ユニット１３０に連結される。インターフェースは、１つ又はそれよりも多くの無線リンク、ケーブル、コネクタ、及び／又はバスを含んでよく、１つ又はそれよりも多くのネットワーク切換え及び／又は経路決定デバイスを備える１つ又はそれよりも多くのネットワークを更に含んでよい。制御ユニット１３０は、メモリ１５０に連結されるプロセッサ１４０を含む。制御ユニット１３０の動作は、プロセッサ１４０によって制御される。そして、制御ユニット１３０は１つだけのプロセッサ１４０と共に示されているが、プロセッサ１４０は、制御ユニット１３０内の１つ又はそれよりも多くの中央処理装置、マルチコアプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレ（ＦＰＧＡｓ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、及び／又は同等物の代表であってよい。制御ユニット１３０は、スタンドアローン（独立型）サブシステム及び／又は計算デバイスに追加されるボードとして或いは仮想マシンとして実施されてよい。幾つかの実施態様において、制御ユニットは、操作者ワークステーションの部分として含められてよく、且つ／或いは、操作者ワークステーションと協調して、操作者ワークステーションと別個に作動させられてよい。制御ユニット１３０のような、制御ユニットの幾つかの実施例は、１つ又はそれよりも多くのプロセッサ（例えば、プロセッサ１４０）によって実行されるときに、１つ又はそれよりも多くのプロセッサに方法４００のプロセスを行わせることがある、実行可能なコードを含む、持続性の有形の機械可読媒体を含んでよい。
【００２３】
メモリ１５０は、制御ユニット１３０及び／又は制御ユニット１３０の動作中に用いられる１つ又はそれよりも多くのデータ構造によって実行されるソフトウェアを格納するために用いられる。メモリ１５０は、１つ又はそれよりも多くの種類の機械可読媒体を含んでよい。機械可読媒体の幾つかの一般的な形態は、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンを備える任意の他の物理的な媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ若しくはカートリッジ、及び／又はプロセッサ若しくはコンピュータが読み取るように構成される任意の他の媒体を含んでよい。
【００２４】
図示するように、メモリ１５０は、デバイス１１０の自律的な及び／又は半自律的な制御をサポートする運動制御アプリケーション１６０(motion  control  application)を含む。運動制御アプリケーション１６０は、デバイス１１０から位置、動き、及び／又は他のセンサ情報を受信するための、手術台及び／又は撮像デバイスのような他のデバイスに関して、他の制御ユニットと位置、動き、及び／又は衝突回避情報を交換するための、並びに／或いは、デバイス１１０、関節作動アーム１２０、及び／又はデバイス１１０のエンドエフェクタについての動きを計画し且つ／或いは計画するのを支援するための、１つ又はそれよりも多くのアプリケーションプログラミングインターフェース（ＡＰＩｓ）を含んでよい。そして、運動制御アプリケーション１６０は、ソフトウェアアプリケーションとして描かれているが、運動制御アプリケーション１６０は、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせを用いて実施されてよい。
【００２５】
幾つかの実施態様において、コンピュータ支援システム１００は、手術室及び／又は介入室内で見出されることがある。そして、コンピュータ支援システム１００は、２つの関節作動アーム１２０を備える１つのデバイス１１０のみを含むが、当業者は、コンピュータ支援システム１００が、デバイス１１０と類似の及び／又は異なる設計の関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタを備える、任意の数のデバイスを含んでよいことを理解するであろう。幾つかの実施例において、デバイスの各々は、より少ない又はより多い関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタを含んでよい。
【００２６】
コンピュータ支援システム１００は、手術台１７０を更に含む。１つ又はそれよりも多くの関節作動アームと同様に、手術台１７０は、手術台１７０のベースに対するテーブルトップ１８０の関節動作を支持する。幾つかの実施例において、テーブルトップ１８０の関節動作は、テーブルトップ１８０の高さ、傾斜、スライド、トレンデレンブルグ向き、及び／又は同等のものを変更するための、サポートを含んでよい。図示していないが、手術台１７０は、テーブルトップ１８０の位置及び／又は向きを制御するための、手術台命令ユニットのような、１つ又はそれよりも多くの命令入力部を含んでよい。幾つかの実施態様において、手術台１７０は、独国のTrumpf  Medical  Systems  GmbHによって商品化されている手術台の１つ又はそれよりも多くに対応してよい。
【００２７】
手術台１７０は、対応するインターフェースを介して制御ユニット１３０にも連結される。インターフェースは、１つ又はそれよりも多くの無線リンク、ケーブル、コネクタ、及び／又はバスを含んでよく、１つ又はそれよりも多くのネットワーク切換え及び／又は経路決定デバイスを備える１つ又はそれよりも多くのネットワークを更に含んでよい。幾つかの実施態様において、手術台１７０は、制御ユニット１３０と異なる制御ユニットに連結されてよい。幾つかの実施例において、運動制御アプリケーション１６０は、手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０と関連付けられる位置、動き、及び／又は他のセンサ情報を受信するための、１つ又はそれよりも多くのアプリケーションプログラミングインターフェース（ＡＰＩｓ）を含んでよい。幾つかの実施例において、運動制御アプリケーション１６０は、ジョイント及びリンクにおける運動限界の範囲、関節作動アーム、器具、エンドエフェクタ、手術台コンポーネント、及び／又は同等物の動きに適合し且つ／或いは回避する、衝突回避と関連付けられる運動計画に寄与して、関節作動アーム、器具、エンドエフェクタ、手術台コンポーネント、及び／又は同等物における他の動きを補償し、内視鏡のような視認デバイスを調節して、視認デバイスの視野内の１つ若しくはそれよりも多くの器具若しくはエンドエフェクタ及び／又は関心の領域を維持し且つ／或いは配置する。幾つかの実施例において、運動制御アプリケーション１６０は、手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０についての動きを計画し且つ／或いは計画するのを支援してよい。幾つかの実施例において、運動制御アプリケーション１６０は、例えば、手術台命令ユニットの使用を通じて手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０の移動を防止することによって、手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０の移動を防止してよい。幾つかの実施例において、運動制御アプリケーション１６０は、デバイス１１０と手術台１７０との間の幾何学的関係が知られるように、デバイス１１０を手術台１７０と位置合わせするのを助けてよい。幾つかの実施例において、幾何学的関係は、デバイス１１０のために維持される座標フレームと手術台１７０との間の１つ若しくはそれよりも多くの回転及び／又は並進を含んでよい。
【００２８】
制御ユニット１３０は、インターフェースを介して操作者ワークステーション１９０に更に連結されてよい。操作者ワークステーション１９０は、関節作動アーム１２０及びエンドエフェクタの動き及び／又は動作を制御するために、外科医のような操作者によって用いられてよい。関節作動アーム１２０及びエンドエフェクタの操作をサポートするために、操作者ワークステーション１９０は、関節作動アーム１２０及び／又はエンドエフェクタのうちの１つ又はそれよりも多くの、少なくとも部分の画像を表示するディスプレイシステム１９２を含む。例えば、操作者が関節作動アーム１２０及び／又はエンドエフェクタが用いられているときに、それらを見るのが実際的でない且つ／或いは不可能である場合に、ディスプレイシステム１９２が用いられてよい。幾つかの実施態様において、ディスプレイシステム１９２は、関節作動アーム１２０のうちの１つ又は第３の関節作動アーム（図示せず）によって制御される、内視鏡のようなビデオ取込みデバイスからのビデオ画像を表示する。
【００２９】
操作者ワークステーション１９０は、デバイス１１０、関節作動アーム１２０、及び／又は関節作動アーム１２０に取り付けられるエンドエフェクタを作動させるために用いられてよい、１つ又はそれよりも多くの入力又はマスタ制御装置１９５を備えるコンソール作業空間を含む。入力制御装置１９５の各々は、入力制御装置１９５の動きが操作者ワークステーション１９０によって検出されて制御ユニット１３０に伝えられるよう、それらの独自の関節作動アームの遠位端に連結されてよい。改良された人間工学をもたらすために、コンソール作業空間は、操作者が入力制御装置１９５を操作している間に彼らの腕を載せてよい、肘掛け１９７(arm  rest)のような、１つ又はそれよりも多くの台(rest)も含んでよい。幾つかの実施例において、ディスプレイシステム１９２及び入力制御装置１９５は、関節作動アーム１２０及び／又は関節作動アーム１２０に取り付けられるエンドエフェクタを遠隔操作するために、操作者によって用いられてよい。幾つかの実施態様において、デバイス１１０、操作者ワークステーション１９０、及び制御ユニット１３０は、Sunnyvale,  CaliforniaのIntuitive  Surgical,  Inc.によって表品化されているda  Vinci（登録商標）Surgical  Systemに対応してよい。
【００３０】
幾つかの実施態様では、コンピュータ支援システム１００と共に他の構成及び／又はアーキテクチャが用いられてよい。幾つかの実施例において、制御ユニット１３０は、操作者ワークステーション１９０及び／又はデバイス１１０の部分として含められてよい。幾つかの実施態様において、コンピュータ支援システム１００は、手術室及び／又は介入室内で見出されてよい。そして、コンピュータ支援システム１００は、２つの関節作動アーム１２０を備える１つのデバイス１１０のみを含むが、当業者は、コンピュータ支援システム１００が、デバイス１１０と類似する及び／又は異なる設計の関節作動アーム及び／又はエンドエフェクタを備える、任意の数のデバイスを含んでよいことを理解するであろう。幾つかの実施態様において、デバイスの各々は、より少ない又はより多くの関節作動アーム１２０及び／又はエンドエフェクタを含んでよい。加えて、デバイス１１０に取り付けられることがある追加的なアームを制御するために、追加的なワークステーション１９０があってよい。加えて、幾つかの実施態様において、ワークステーション１９０は、手術台１７０を制御する制御装置を有してよい。
【００３１】
図２は、幾つかの実施態様に従ったコンピュータ支援システム２００を示す簡略図である。例えば、コンピュータ支援システム２００は、コンピュータ支援システム１００と調和してよい。図２に示すように、コンピュータ支援システム２００は、１つ又はそれよりも多くの関節作動アームと手術台２８０とを備える、コンピュータ支援デバイス２１０を含む。図２に示していないが、少なくとも手術台２８０についての運動学的情報がコンピュータ支援デバイス２１０の関節作動アームの運動を行うために用いられる運動制御アプリケーションに知られるように、コンピュータ支援デバイス２１０及び手術台２８０は、１つ又はそれよりも多くのインターフェース及び１つ又はそれよりも多くの制御ユニットを用いて互いに連結される。
【００３２】
コンピュータ支援デバイス２１０は、様々なリンク及びジョイントを含む。図２の実施態様において、コンピュータ支援デバイスは、３つの異なるセットのリンク及びジョイントに概ね分割されている。近位端で開始して、移動式又は患者側カート２１５がセットアップ構造２２０である。セットアップ構造の遠位端に連結されているのは、一連のリンク及びセットアップジョイントである。そして、セットアップジョイント２４０の遠位端に連結されているのは、多関節マニピュレータ２６０である。幾つかの実施例において、一連のセットアップジョイント２４０及びマニピュレータ２６０は、関節作動アーム１２０の１つに対応してよい。そして、コンピュータ支援デバイス２１０は、１つの一連のセットアップジョイント２４０と対応するマニピュレータ２６０のみを備えて示されているが、当業者は、コンピュータ支援デバイスが多数の関節作動アームを具備するように、コンピュータ支援デバイスが１つよりも多くの一連のセットアップジョイント２４０及び対応するマニピュレータ２６０を含んでよいことを理解するであろう。
【００３３】
図示するように、コンピュータ支援デバイス２１０は、移動式カート２１５に取り付けられる。移動式カート２１５は、コンピュータ支援デバイス２１０が、コンピュータ支援デバイス２１０を手術台１８０に近接してより良好に位置付けるために、手術室間又は手術室内のように、場所から場所に移されるのを可能にする。セットアップ構造２２０は、移動式カート２１５に取り付けられる。図２に示すように、セットアップ構造２２０は、コラムリンク２２１及び２２２(column  links)を含む二部コラム(two  part  column)を含む。コラムリンク２２２の上端又は遠位端に連結されているのは、ショルダジョイント２２３である。ショルダジョイント２２３に連結されているのは、ブームリンク２２４及び２２５(boom  links)を含む、二部ブーム(two-part  boom)である。ブームリンク２２５の遠位端には、リストジョイント２２６があり、リストジョイント２２６に連結されているのは、アーム取付けプラットフォーム２２７である。
【００３４】
セットアップ構造２２０のリンク及びジョイントは、アーム取付けプラットフォーム２２７の位置及び向き（即ち、姿勢）を変更するための様々な自由度を含む。例えば、二部コラムは、ショルダジョイント２２３を軸２３２に沿って上下に動かすことによってアーム取付けプラットフォーム２２７の高さを調節するために用いられる。アーム取付けプラットフォーム２２７は、追加的に、ショルダジョイント２２３を用いて、移動式カート２１５、二部コラム、及び軸２３２について回転させられる。アーム取付けプラットフォーム２２７の水平位置は、二部ブームを用いて軸２３４に沿って調節される。そして、アーム取付けプラットフォーム２２７の向きも、リストジョイント２２６を用いてアーム取付けプラットフォーム配向軸２３６についての回転によって調節されてよい。よって、セットアップ構造２２０におけるリンク及びジョイントの運動限界に制約されて、アーム取付けプラットフォーム２２７の位置は、二部コラムを用いて移動式カート２１５の上に垂直に調節されてよい。アーム取付けプラットフォーム２２７の位置も、二部ブーム及びショルダジョイント２２３をそれぞれ用いて移動式カート２１５について径方向に角度的に調節されてよい。そして、アーム取付けプラットフォーム２２７の角向きも、リストジョイント２２６を用いて調節されてよい。
【００３５】
アーム取付けプラットフォーム２２７は、１つ又はそれよりも多くの関節作動アームの取付け地点として用いられる。移動式カート２１５についてアーム取付けプラットフォーム２２７の高さ、水平位置、及び向きを調節する能力は、操作又は処置が行われるべき、移動式カート２１５の近くに位置する作業空間の周りに、１つ又はそれよりも多くの関節作動アームを位置付け且つ方向付ける、フレキシブルなセットアップ構造を提供する。例えば、アーム取付けプラットフォーム２２７は、様々な関節作動アーム及びそれらの対応するマニピュレータ及び器具が患者に対して外科処置を行うのに十分な運動範囲を有するよう、患者より上に位置付けられてよい。図２は、第１のセットアップジョイント２４２を用いてアーム取付けプラットフォーム２２７に連結された単一の関節作動アームを示している。そして、１つの関節作動アームだけが示されているが、当業者は追加的な第１のセットアップジョイントを用いて多数の関節作動アームがアーム取付けプラットフォーム２２７に連結されてよいことを理解するであろう。
【００３６】
第１のセットアップジョイント２４２は、患者側カート２１５に対して最も近位である関節作動アームのセットアップジョイント２４０区画を形成する。セットアップジョイント２４０は、一連のジョイント及びリンクを更に含んでよい。図２に示すように、セットアップジョイント２４０は、（明示的に示されていない）１つ又はそれよりも多くのジョイントを介して連結されるリンク２４４及び２４６を含んでよい。セットアップジョイント２４０のジョイント及びリンクは、セットアップジョイント２４０を用いて軸２５２についてアーム取付けプラットフォーム２２７に対してセットアップジョイント２４０を回転させ、軸２５４に沿ってアーム取付けプラットフォーム２２７に対してリンク２４６の遠位端でマニピュレータマウント２６２の高さを調節し、且つ軸２５４についてマニピュレータマウント２６２を回転させる、能力を含む。幾つかの実施例において、セットアップジョイント２４０は、アーム取付けプラットフォーム２２７に対するマニピュレータマウント２６２の姿勢を変更するための追加的な自由度を許容する、追加的なジョイント、リンク、及び軸を更に含んでよい。
【００３７】
マニピュレータ２６０は、マニピュレータマウント２６２を介してセットアップジョイント２４０の遠位端に連結される。マニピュレータ２６０は、マニピュレータ２６０の遠位端に取り付けられる器具キャリッジ２６８を備える、追加的なジョイント２６４及びリンク２６６を含む。器具２７０が器具キャリッジ２６８に取り付けられる。器具２７０は、挿入軸に沿って整列させられるシャフト２７２を含む。シャフト２７２は、典型的には、それが遠隔運動中心を通過するように整列させられる。遠隔運動中心２７４の場所は、マニピュレータ２６０内のジョイント２６４の動作が遠隔運動中心についてのシャフト２７２の回転をもたらすように、マニピュレータマウント２６２に対する一定の並進関係に維持されるのが典型的である。実施態様に依存して、マニピュレータマウント２６２に対する遠隔運動中心２７４の一定の並進関係は、マニピュレータ２６０のジョイント２６４及びリンク２６６における物理的な拘束を用いて、ジョイント２６４のために許容される運動に対して置かれるソフトウェア拘束を用いて、並びに／或いは両方の組み合わせを用いて、維持される。ジョイント及びリンクにおける物理的な拘束を用いて維持される遠隔運動中心を用いるコンピュータ支援デバイスの代表的な実施態様は、２０１３年５月１３日に出願された「Redundant  Axis  and  Degree  of  Freedom  for  Hardware-Constrained  Remote  Center  Robotic  Manipulator」という名称の米国特許出願第１３／９０６，８８８号に記載されており、ソフトウェア拘束によって維持される遠隔運動中心を用いるコンピュータ支援デバイスの代表的な実施態様は、２００５年５月１９日に出願された「Software  Center  and  Highly  Configurable  Robotic  Systems  for  Surgery  and  Other  Uses」という名称の米国特許第８，００４，２２９号に記載されており、それらの明細書の全文をここに参照として援用する。幾つかの実施例において、遠隔運動中心２７４は、患者２７８の切開部位又は開口部(orifice)のような身体開口(body  opening)の場所に対応してよい。遠隔運動中心２７４は身体開口に対応するので、器具２７０が用いられるとき、遠隔運動中心２７４は患者２７８に対して静止的なままであり、遠隔運動中心２７４での患者２７の解剖学的構造に対する応力を制限する。幾つかの実施例において、シャフト２７２は、身体開口に配置されるカニューレ（図示せず）を通じて進められてよい。幾つかの実施例において、比較的より大きなシャフト又はガイドチューブ外径（例えば、４〜５ｍｍ以上）を有する器具が、カニューレを用いて身体開口を通じて進められてよく、カニューレは、比較的より小さなシャフト又はガイドチューブ外径（例えば、２〜３ｍｍ以下）を有する器具について任意的に省略されてよい。
【００３８】
シャフト２７２の遠位端にはエンドエフェクタ２７６がある。ジョイント２６４及びリンク２６６の故のマニピュレータ２６０における自由度は、少なくとも、マニピュレータマウント２６２に対するシャフト２７２及び／又はエンドエフェクタのロール、ピッチ、及びヨーの制御を許容してよい。幾つかの実施例において、マニピュレータ２６０における自由度は、エンドエフェクタ２７６が挿入軸に沿って遠隔運動中心に対して前進させられ且つ／或いは後退させられてよいよう、器具キャリッジ２６８を用いてシャフト２７２を前進させ且つ／或いは後退させる能力を更に含んでよい。幾つかの実施例において、マニピュレータ２６０は、Sunnyvale,  CaliforniaのIntuitive  Surgical,  Inc.によって表品化されているda  Vinci（登録商標）Surgical  Systemとの使用のためのマニピュレータと調和してよい。幾つかの実施例において、器具２７０は、内視鏡のような撮像デバイス、グリッパ、焼灼器若しくはメスのような手術ツール、及び／又は同等物であってよい。幾つかの実施例において、エンドエフェクタ２７６は、シャフト２７２の遠位端に対するエンドエフェクタ２７６の部分の追加的な局所化された操作を可能にする、ロール、ピッチ、ヨー、グリップ、及び／又は同等のことのような、追加的な自由度を含んでよい。
【００３９】
手術又は他の医療処置の間に、患者２７８は、典型的には、手術台２８０の上に位置付けられる。手術台２８０は、テーブルベース２８２と、テーブルトップ２８４とを含み、器具２７０のシャフト２７２が身体開口で患者２７８内に差し込まれる間に、器具２７０及び／又はエンドエフェクタ２７６がコンピュータ支援デバイス２１０によって操作されてよいよう、テーブルベース２８２は、移動式カート２１５に近接して位置付けられる。テーブルベース２８０に対するテーブルトップ２８４の、よって、患者２７８の、相対的な場所が制御されるよう、手術台２８０は、テーブルベース２８２とテーブルトップ２８４との間に１つ又はそれよりも多くのジョイント又はリンクを含む、関節作動構造２９０を更に含む。幾つかの実施例において、関節作動構造２９０は、テーブルトップ２８４が、テーブルトップ２８４より上の地点に位置付けられることがある仮想的に定められるテーブル動作アイソセンタ２８６に対して制御されるように、構成されてよい。幾つかの実施例において、アイソセンタ２８６は、患者２７８の内部内に位置付けられてよい。幾つかの実施例において、アイソセンタ２８６は、遠隔運動中心２７４に対応する身体開口の部位のような、身体開口の１つ又はその付近で、患者の体壁と同一平面上に位置付けられてよい。
【００４０】
図２に示すように、関節作動構造２９０は、テーブルトップ２８４がテーブルベース２８２に対して上昇させられ且つ／或いは下降させられてよいように、高さ調節ジョイント２９２を含む。関節作動構造２９０は、アイソセンタ２８６に対するテーブルトップ２８４の傾斜２９４及びトレンデレンブルグ２９６向きの両方を変更するジョイント及びリンクを更に含む。傾斜２９４は、患者２７８の右側又は左側のいずれかが患者２７８の他の側に対して（即ち、テーブルトップ２８４の長手軸又は頭から褄先までの軸(head-to-toe  axis)について）上向きに回転させられるように、テーブルトップ２８４が側側傾斜させられるのを可能にする。トレンデレンブルグ２９６は、患者２７８」の足が上昇させられるか（トレンデレンブルグ）或いは患者２７８の頭が上昇させられる（逆トレンデレンブルグ）ように、テーブルトップ２８４が回転させられるのを可能にする。幾つかの実施例では、傾斜２９４回転及び／又はトレンデレンブルグ２９６回転のいずれかを調節して、アイソセンタ２８６についての回転を生成してよい。関節作動構造２９０は、テーブルトップ２８４を、図２に描写するような概ね左及び／又は右の動きを伴って、テーブルベース２８２に対して長手（頭側−尾側）軸に沿ってスライドさせる追加的なリンク及びジョイント２９８を更に含む。
【００４１】
図８Ａ−８Ｇは、本明細書中に記載する統合コンピュータ支援デバイス及び可動手術台構成を含む様々なコンピュータ支援デバイスシステムアーキテクチャを例示する簡略図である。様々な例示するシステムコンポーネントは、本明細書中に記載する原理に従っている。これらの例示において、コンポーネントは明瞭性のために簡略化されており、個々のリンク、ジョイント、マニピュレータ、器具、エンドエフェクタなどのような、様々な詳細は示されていないが、それらは様々な例示するコンポーネント内に含められていると理解されるべきである。
【００４２】
これらのアーキテクチャにおいて、１つ又はそれよりも多くの手術器具又は器具の集まりと関連付けられるカニューレは示されておらず、比較的より大きいシャフト又はガイドチューブ外径（例えば、４〜５ｍｍ以上）を有する器具又は器具の集まりのためにカニューレ及び他の器具ガイドデバイスを任意的に用いてよく、任意的に、比較的より小さいシャフト又はガイドチューブ外径（例えば、２〜３ｍｍ以下）を有する器具のために省略してよいことが理解されなければならない。
【００４３】
また、これらのアーキテクチャにおいて、遠隔操作マニピュレータは、手術中に、ハードウェア拘束（例えば、一定の交差する器具ピッチ軸、ヨー軸、及びロール軸）又はソフトウェア拘束（例えば、ソフトウェア拘束される交差する器具ピッチ軸、ヨー軸、及びロール軸）を用いることによって、遠隔運動中心を定める、マニピュレータを含むものと理解されなければならない。そのような器具回転軸の混成が定められてよい（例えば、ハードウェア拘束ロール軸並びにソフトウェア拘束ピッチ軸及びヨー軸も可能である）。更に、幾つかのマニピュレータは、処置中に手術器具回転軸を定めてよく或いは拘束しなくてよく、幾つかのマニピュレータは、処置中に１つ又は２つだけの器具回転軸を定めてよく且つ拘束してよい。
【００４４】
図８Ａは、移動可能な手術台１１００を例示しており、単一器具コンピュータ支援デバイス１１０１ａが示されている。手術台１１００は、移動可能なテーブルトップ１１０２と、遠位端でテーブルトップ１１０２を支持するよう機械的に接地される近位ベース１１０４から延びるテーブル支持構造１１０３とを含む。幾つかの実施例において、手術台１１００は、手術台１７０及び／又は２８０と調和してよい。コンピュータ支援デバイス１１０１ａは、遠隔操作マニピュレータと、単一器具アセンブリ１１０５ａとを含む。コンピュータ支援デバイス１１０１ａは、近位ベース１１０７ａで機械的に接地され且つ遠位端でマニピュレータ及び器具アセンブリ１１０５ａを支持するように延びる、支持構造１１０６ａも含む。支持構造１１０６ａは、アセンブリ１１０５ａが移動させられるように構成され、手術台１１０を基準にして様々な固定的な姿勢において保持される。ベース１１０７ａは、任意的に、手術台１１００を基準にして恒久的に固定され或いは移動可能である。
【００４５】
図８Ａは、任意的な第２のコンピュータ支援デバイス１１０１ｂを更に示しており、それは、各々が対応する支持構造１１０６ｂによって支持される対応する個々の（複数の）遠隔操作マニピュレータ及び単一器具アセンブリ１１０５ａを有する、２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれよりも多くの個々のコンピュータ支援デバイスが含められてよいことを例示している。コンピュータ支援デバイス１１０１ｂは、機械的に接地され、アセンブリ１１０５ｂは、コンピュータ支援デバイス１１０１ａと同様に、姿勢を取らされる。手術台１１００並びにコンピュータ支援デバイス１１０１ａ及び１１０１ｂは、マルチ器具手術システムを共に成し、それらは本明細書中に記載するように協働する。幾つかの実施例において、コンピュータ支援デバイス１１０１ａ及び／又は１１０１ｂは、コンピュータ支援デバイス１１０及び／又は２１０と調和してよい。
【００４６】
図８Ｂに示すように、他の移動可能な手術台１１００及びコンピュータ支援デバイス１１１１を示す。コンピュータ支援デバイス１１１１は、代表的なマニピュレータ及び器具アセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂによって示すような、２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれよりも多くの個々の遠隔操作マニピュレータ及び単一器具アセンブリを含む、マルチ器具デバイスである。コンピュータ支援デバイス１１１１のアセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂは、アセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂが手術台１１００を基準にしてグループとして共に移動させられ且つ姿勢を取らせられるのを可能にする、組み合わせ支持構造１１１２によって支持される。コンピュータ支援デバイス１１１１のアセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂは、各々、対応する個々の支持構造１１１３ａ及び１１１３ｂによってもそれぞれ支持され、それは各アセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂが手術台１１００を基準にして並びに１つ又はそれよりも多くの他のアセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂを基準にして個々に移動させられ且つ姿勢を取らされるのを可能にする。そのようなマルチ器具手術システムアーキテクチャの例は、Intuitive  Surgical,  Inc.によって商品化されているda  Vinci  Si（登録商標）及びda  Vinci（登録商標）Xi（ＴＭ）Surgical  Systemである。手術台１１００及び手術マニピュレータシステム１１１１は、本明細書中に記載するように協働する。幾つかの実施例において、コンピュータ支援デバイス１１１１は、コンピュータ支援デバイス１１０及び／又は２１０と調和する。
【００４７】
図８Ａ及び８Ｂのコンピュータ支援デバイスは、各々、床に機械的に設置されて示されている。しかしながら、１つ又はそれよりも多くのそのようなコンピュータ支援デバイスは、任意的に、壁又は天井に機械的に接地されてよく、そのような壁面(wall  ground)又は天井面(ceiling  ground)を基準にして恒久的に固定され或いは移動可能である。幾つかの実施例において、コンピュータ支援デバイスは、コンピュータ支援システムの支持ベースが手術台に対して移動させられるのを可能にするトラックシステム又はグリッドシステムを用いて、壁又は天井に取り付けられてよい。幾つかの実施例では、１つ又はそれよりも多くの固定的な又は解放可能な取付けクランプを用いて、それぞれの支持ベースをトラックシステム又はグリッドシステムに取り付けてよい。図８Ｃに示すように、コンピュータ支援デバイス１１２１ａは、壁に機械的に接地され、コンピュータ支援デバイス１１２１ｂは、天井に機械的に接地される。
【００４８】
加えて、コンピュータ支援デバイスは、移動可能な手術台１１００を介して間接的に機械的に接地させられてよい。図８Ｄに示すように、コンピュータ支援デバイス１１３１ａは、手術台１１００のテーブルトップ１１０２に連結される。コンピュータ支援デバイス１１３１ａは、任意的に、図８Ｄに示す破線の構造によって示すように、テーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４のような、手術台１１００の他の部分に連結されてよい。テーブルトップ１１０２がテーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４を基準にして動くとき、コンピュータ支援デバイス１１３１ａも同様にテーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４を基準にして動く。しかしながら、コンピュータ支援デバイス１１３１ａがテーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４に連結されるとき、コンピュータ支援デバイス１１０３１ａのベースは、テーブルトップ１１０２が動くときに、地面を基準にして固定されたままである。テーブルの動きが起こると、器具を患者内に差し込む身体開口も動くことがある。何故ならば、患者の体が動いてテーブルトップ１１０２に対する身体開口の場所を変えることがあるからである。従って、コンピュータ支援デバイス１１３１ａがテーブルトップ１１０２に連結される実施態様について、テーブルトップ１１０２は、局所的な機械的な面(ground)として機能し、身体開口はテーブルトップ１１０２を基準として動き、よって、コンピュータ支援デバイス１１３１ａを基準としても動く。図８Ｄは、マルチ器具システムを創るよう、コンピュータ支援デバイス１１３１ａと同様に構成される、第２のコンピュータ支援デバイス１１３１ｂが任意的に追加されてよいことも示している。手術台に連結される１つ又はそれよりも多くのコンピュータ支援デバイスを含むシステムは、本明細書中に開示するように動作する。
【００４９】
幾つかの実施態様において、同じ又は混成の機械的な接地を伴うコンピュータ支援デバイスの他の組み合わせが可能である。例えば、システムは、床に機械的に接地される１つのコンピュータ支援デバイスと、手術台を介して床に機械的に接地される第２のコンピュータ支援デバイスとを含んでよい。そのような混成の機械的な接地システムは、本明細書中に開示するように動作する。
【００５０】
発明的な特徴は、２つ又はそれよりも多くの手術器具が単一の身体開口を介して体に入る単一身体開口システムも含む。そのようなシステムの例は、２０１０年８月１２日に出願された「Surgical  System  Instrument  Mounting」という名称の米国特許第８，８５２，２０８号及び２００７年６月１３日に出願された「Minimally  Invasive  Surgical  System」という名称の米国特許第９，０６０，６７８号に示されており、それらの両方を参照として援用する。図８Ｅは、上述のような手術台１１００と共に、遠隔操作マルチ器具コンピュータ支援デバイス１１４１を例示している。２つ又はそれよりも多くの器具１１４２は、各々、対応するマニピュレータ１１４３に連結され、器具マニピュレータ１１４４及び器具１１４２の集まりは、システムマニピュレータ１１４４によって一緒に移動させられる。システムマニピュレータ１１４４は、システムマニピュレータ１１４４が様々な姿勢で移動させられ且つ固定されるのを可能にする支持アセンブリ１１４５によって支持される。支持アセンブリ１１４５は、上述と調和してベース１１４６に機械的に接地される。２つ又はそれよりも多くの器具１１４２は、単一の身体開口で患者内に差し込まれる。任意的に、器具１１４２は、単一のガイドチューブを通じて一緒に延び、ガイドチューブは、任意的に、上で引用した参考文献に記載するように、カニューレを通じて延びる。コンピュータ支援デバイス１１４１及び手術台１１００は、本明細書中に記載するように協働する。
【００５１】
図８Ｆは、任意的に、テーブルトップ１１０２、テーブル支持構造１１０３、又はテーブルベース１１０４に連結されることによって、手術台１１００を介して機械的に接地される、他のマルチ器具の、単一身体開口の、コンピュータ支援デバイス１１５１を例示している。図８Ｄを参照する上の記載は、図８Ｆに例示する機械的接地オプションにも当て嵌まる。コンピュータ支援デバイス１１５１及び手術台１１００は、本明細書中に記載するように協働する。
【００５２】
図８Ｇは、１つ又はそれよりも多くの遠隔操作される、マルチ器具の、単一の身体開口の、コンピュータ支援デバイス１１６１を例示しており、１つ又はそれよりも多くの遠隔操作される単一器具のコンピュータ支援デバイス１１６２は、本明細書中に記載するように、手術台１１００と協働するように組み合わせられてよい。コンピュータ支援デバイス１１６１及び１１６２の各々は、上述のような様々な仕方において、直接的に或いは他の構造を介して、機械的に接地されてよい。
【００５３】
図３は、幾つかの実施態様に従ったコンピュータ支援医療システムの運動学的モデル３００の簡略図である。図３に示すように、運動学的モデル３００は、多くのソース及び／又はデバイスと関連付けられる運動学的情報を含んでよい。運動学的情報は、コンピュータ支援デバイス及び手術台のリンク及びジョイントについての既知の運動学的モデルに基づく。運動学的情報は、更に、コンピュータ支援デバイス及び手術台のジョイントの位置及び／又は向きと関連付けられる情報に基づく。幾つかの実施例において、ジョイントの位置及び／又は向きと関連付けられる情報は、プリズム状ジョイント(prismatic  joints)の直線位置及び回転ジョイント(revolute  joints)の回転位置を測定する、エンコーダのような１つ又はそれよりも多くのセンサに由来してよい。
【００５４】
運動学的モデル３００は、幾つかの座標フレーム又は座標系と、座標フレームのうちの１つから座標フレームのうちの他のものに位置及び／又は向きを変換する同次変換(homogeneous  transformation)のような変換とを含む。幾つかの実施例では、運動学的モデル３００を用いて、図３に含められるような変換リンケージによって示される順変換(forward  transform)及び／又は逆／反変換(reverse/inverse  transform)を構成すること(composing)によって、座標フレームのうちの任意の他の座標フレーム内での座標フレームのうちの１つの座標フレームにおける位置及び／又は向きの順及び／又は逆マッピングを可能にしてよい。幾つかの実施例において、変換が行列形態(matrix  form)において同次変換としてモデル化（モデリング）されるとき、構成すること(composing)は、行列乗算(matrix  multiplication)を用いて達成されてよい。幾つかの実施態様において、システムは、座標基準系を運動連鎖内の１つ又はそれよりも多くの地点に結び付け且つ運動学的モデル３００内で１つの基準系から他の基準系に変換するために、Denavit-Hartenbergパラメータ及び変換を用いてよい。幾つかの実施態様では、運動学的モデル３００を用いて、図２のコンピュータ支援デバイス２１０及び手術台２８０の運動学的関係をモデル化してよい。
【００５５】
運動学的モデル３００は、手術台１７０及び／又は手術台２８０のような手術台の位置及び／又は向きをモデル化するために用いられるテーブルベース座標フレーム３０５を含む。幾つかの実施例では、テーブルベース座標フレーム３０５を用いて、手術台と関連付けられる基準地点及び／又は向きに対する手術台上の他の地点をモデル化してよい。幾つかの実施例において、基準地点及び／又は向きは、テーブルベース２８２のような、手術台のテーブルベースと関連付けられてよい。幾つかの実施例において、テーブルベース座標フレーム３０５は、コンピュータ支援システムのための世界座標フレームとしての使用に適することがある。
【００５６】
運動学的モデル３００は、テーブルトップ２８４のような、手術台のテーブルトップを表す座標フレーム内の位置及び／又は向きをモデル化するために用いられてよい、テーブルトップ座標系３１０を更に含む。幾つかの実施例において、テーブルトップ座標フレーム３１０は、アイソセンタ２８６のような、テーブルトップの回転アイソセンタの周りに中心化されてよい。幾つかの実施例において、テーブルトップ座標フレーム３１０のｚ軸は、手術台が位置付けられる床又は表面に対して垂直に且つ／或いはテーブルトップの表面に対して直交して方向付けられてよい。幾つかの実施例において、テーブルトップ座標フレーム３１０のｘ軸及びｙ軸は、テーブルトップの長手方向（頭から褄先）及び又は横方向（側側）の主軸を取り込むように方向付けられてよい。幾つかの実施例において、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５は、テーブルトップ座標フレーム３１０とテーブルベース座標フレーム３０５との間の位置及び／又は向きをマッピングするために用いられる。幾つかの実施例において、関節作動構造２９０のような、過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、手術台の関節作動構造の１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルを用いて、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５を決定してよい。幾つかの実施例では、図２の実施態様と調和して、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５は、手術台と関連付けられる高さ、傾斜、トレンデレンブルグ、及びスライド設定の複合効果をモデル化する。
【００５７】
運動学的モデル３００は、コンピュータ支援デバイス１１０及び／又はコンピュータ支援デバイス２１０のような、コンピュータ支援デバイスの位置及び／又は向きをモデル化するために用いられるデバイスベース座標フレームを更に含む。幾つかの実施例では、デバイスベース座標フレーム３２０を用いて、コンピュータ支援デバイスと関連付けられる基準地点及び／又は向きに対するコンピュータ支援デバイス上の他の地点をモデル化してよい。幾つかの実施例において、基準地点及び／又は向きは、移動式カート２１５のような、コンピュータ支援デバイスのデバイスベースと関連付けられてよい。幾つかの実施例において、デバイスベース座標フレーム３２０は、コンピュータ支援システムのための世界座標フレームとしての使用に適していることがある。
【００５８】
手術台とコンピュータ支援デバイスとの間の位置的な及び／又は向き的な関係をトラッキング（追跡）するために、手術台とコンピュータ支援デバイスとの間の位置合わせを行うことがしばしば望ましい。図３に示すように、位置合わせを用いて、テーブルトップ座標フレーム３１０とデバイスベース座標フレーム３２０との間の位置合わせ変換３２５を決定してよい。幾つかの実施態様において、位置合わせ変換３２５は、テーブルトップ座標フレーム３１０とデバイスベース座標フレーム３２０との間の部分又は完全変換であってよい。位置合わせ変換３２５は、手術台とコンピュータ支援デバイスとの間の構造的構成(architectural  arrangements)に基づき決定される。
【００５９】
コンピュータ支援デバイスがテーブルトップ１１０２に取り付けられる図８Ｄ及び８Ｆの実施例において、位置合わせ変換３２５は、テーブルベースからテーブルトップの座標変換３１５及びコンピュータ支援デバイスがテーブルトップに取り付けられる場所を知ることから決定される。
【００６０】
コンピュータ支援デバイスが床に位置付けられる或いは壁又は天井に取り付けられる図８Ａ−８Ｃ、８Ｅ、及び８Ｆの実施例において、位置合わせ変換３２５の決定は、デバイスベース座標フレーム３２０及びテーブルベース座標フレーム３０５の上に幾つかの制約を置くことによって簡略化される。幾つかの実施例において、これらの制約は、デバイスベース座標フレーム３２０及びテーブルベース座標フレーム３０５の両方が、同じ垂直上り(vertical  up)又はｚ軸で一致することを含む。手術台が平らな床の上に配置されているという推定の下で、（例えば、床に対して垂直な）部屋の壁及び（例えば、床と平行な）天井の相対的な向きは既知であり、共通の垂直上り又はｚ軸（又は適切な向き変換）がデバイスベース座標フレーム３２０及びテーブルベース座標フレーム３０５の両方又は適切な向き変換のために維持されることが可能である。幾つかの実施例では、共通のｚ軸の故に、位置合わせ変換３２５は、テーブルベース座標フレーム３０５のｚ軸についてテーブルトップに対するデバイスベースの回転的な関係だけをモデル化してよい（例えば、θｚ位置合わせ）。幾つかの実施例において、位置合わせ変換３２５は、任意的に、テーブルベース座標フレーム３０５とデバイスベース座標フレーム３２０との間の水平方向オフセット（偏心）をモデル化してもよい（例えば、ＸＹ位置合わせ）。これはコンピュータ支援デバイスと手術台との間の垂直（ｚ）関係が既知である故に可能である。よって、テーブルベース対テーブルトップ変換３１５におけるテーブルトップの高さの変化は、デバイスベース座標フレーム３２０における垂直方向調節に類似する。何故ならば、テーブルベース座標フレーム３０５及びデバイスベース座標フレーム３２０における垂直軸は、同じであるか或いはほぼ同じであるので、テーブルベース座標フレーム３０５とデバイスベース座標フレーム３２０との間の高さの変化は、互いの合理的な許容差内にあるからである。幾つかの実施例において、テーブルベース対テーブルトップ変換３１５における傾斜及びトレンデレンブルグ調節は、テーブルトップの高さ（若しくはそのアイソセンタ）並びにθｚ及び／又はＸＹ位置合わせを知ることによって、デバイスベース座標フレーム３２０にマッピングされてよい。幾つかの実施例では、それが構造的に当て嵌まらないときでさえも、恰もコンピュータ支援デバイスがテーブルトップに取り付けられているものとして、位置合わせ変換３２５及びテーブルベース対テーブルトップ変換３１５を用いて、コンピュータ支援デバイスをモデル化してよい。
【００６１】
運動学的モデル３００は、コンピュータ支援デバイスの関節作動アーム上の最近位地点と関連付けられる共用座標フレームのための適切なモデルとして用いられてよい、アーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０を更に含む。幾つかの実施態様において、アーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０は、アーム取付けプラットフォーム２２７のような、アーム取付けプラットフォーム上の便利な地点と関連付けられてよく、それに対して方向付けられてよい。幾つかの実施例において、アーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０の中心地点は、ｚ軸がアーム取付けプラットフォーム軸２３６と整列させられた状態で、アーム取付けプラットフォーム配向軸２３６に位置してよい。幾つかの実施例では、デバイスベース座標フレーム３２０とアーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０との間の位置及び／又は向きをマッピングするために、デバイスベース対アーム取付けプラットフォーム座標変換３３５が用いられる。幾つかの実施例では、でバースベース対アーム取付けプラットフォーム座標変換３３５を決定するために、セットアップ構造２２０のようなアーム取付けプラットフォームとデバイスベースとの間のコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルが、過去の及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に用いられる。図２の実施態様と調和する幾つかの実施例において、デバイスベース対アーム取付けプラットフォーム座標変換３３５は、コンピュータ支援デバイスのセットアップ構造のリストジョイント、二部ブーム、ショルダジョイント、二部コラムの複合効果をモデル化してよい。
【００６２】
運動学的モデル３００は、コンピュータ支援デバイスの関節作動アームの各々と関連付けられる一連の座標フレーム及び変換を更に含む。図３に示すように、運動学的モデル３００は、３つの関節作動アームのための座標フレーム及び変換を含むが、当業者は異なるコンピュータ支援デバイスがより少ない及び／又はより多い（例えば、１つ、２つ、４つ、５つ、又はそれよりも多くの）関節作動アームを含んでよいことを理解するであろう。図２のコンピュータ支援デバイス２１０のリンク及びジョイントの構成と調和して、関節作動アームの各々は、関節作動アームの遠位端に取り付けられる器具の種類に応じて、マニピュレータマウント座標フレーム、遠隔運動中心座標フレーム、及び、器具、エンドエフェクタ、又はカメラ座標フレームを用いて、モデル化される。
【００６３】
運動学的モデル３００において、関節作動アームの第１のものの運動学的関係は、マニピュレータマウント座標フレーム３４１、遠隔運動中心座標フレーム３４２、器具座標フレーム３４３、アーム取付けプラットフォーム対マニピュレータマウント変換３４４、マニピュレータマウント対遠隔運動中心変換３４５、及び遠隔運動中心対器具変換３４６を用いて、取り込まれる。マニピュレータマウント座標フレーム３４１は、マニピュレータ２６０のような、マニピュレータと関連付けられる位置及び／又は向きを表すための適切なモデルを提示する。マニピュレータマウント座標フレーム３４１は、典型的には、対応する関節作動アームのマニピュレータマウント２６２のような、マニピュレータマウントと関連付けられる。その場合、アーム取付けプラットフォーム対マニピュレータマウント変換３４４は、対応するセットアップジョイント２４０の過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、対応するセットアップジョイント２４０のような、アーム取付けプラットフォームと対応するマニピュレータマウントとの間のコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。
【００６４】
遠隔運動中心座標フレーム３４２は、対応するマニピュレータ２６０の対応する遠隔運動中心２７４のような、マニピュレータに取り付けられる器具の遠隔運動中心と関連付けられる。その場合、マニピュレータマウント対遠隔運動中心変換３４５は、対応するジョイント２６４の過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、対応するマニピュレータ２６０の対応するジョイント２６４、対応するリンク２６６、及び対応するキャリッジ２６８のような、対応するマニピュレータマウントと対応する遠隔運動中心との間のコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。図２の実施態様におけるように、対応する遠隔運動中心が、対応するマニピュレータマウントに対する一定の位置関係に維持されるとき、マニピュレータマウント対遠隔運動中心変換３４５は、本質的に静止的な並進コンポーネントと、マニピュレータ及び器具が作動させられるに応じて変化する動的な回転コンポーネントとを含む。
【００６５】
器具座標フレーム３４３は、対応する器具２７０上の対応するエンドエフェクタ２７６のような、器具の遠位端に位置付けられるエンドエフェクタと関連付けられる。その場合、遠隔運動中心対器具変換３４６は、過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、対応する器具及び対応する遠隔運動中心を移動させ且つ／或いは方向付ける、コンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。幾つかの実施例において、遠隔運動中心対器具変換３４６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが遠隔運動中心を通過する向き及びシャフトが遠隔運動中心に対して前進させられる／後退させられる距離を考慮する。幾つかの実施例において、遠隔運動中心対器具変換３４６は、器具のシャフトの挿入軸が遠隔運動中心を通過し且つシャフトによって定められる軸についてのシャフト及びエンドエフェクタの回転を考慮することを反映するよう、更に制約されることがある。
【００６６】
運動学的モデル３００において、関節作動アームの第２のものの運動学的関係が、マニピュレータマウント座標フレーム３５１、遠隔運動中心座標フレーム３５２、器具座標フレーム３５３、アーム取付けプラットフォーム対マニピュレータマウント変換３５４、マウント対遠隔運動中心変換３５５、及び遠隔運動中心対器具変換３５６を用いて、取り込まれる。マニピュレータマウント座標フレーム３５１は、マニピュレータ２６０のような、マニピュレータと関連付けられる位置及び／又は向きを表すための適切なモデルを提示する。マニピュレータマウント座標フレーム３５１は、対応する関節作動アームのマニピュレータマウント２６２のような、マニピュレータマウントと関連付けられる。その場合、アーム取付けプラットフォーム変換３５４は、対応するセットアップジョイント２４０の過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、対応するセットアップジョイント２４０のような、対応するアーム取付けプラットフォームと対応するマニピュレータマウントとの間のコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。
【００６７】
遠隔運動中心座標フレーム３５２は、対応するマニピュレータ２６０の対応する遠隔運動中心のような、関節作動アームのマニピュレータの遠隔運動中心と関連付けられる。その場合、マウント対遠隔運動中心変換３５５は、対応するジョイント２６４の過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に対応するマニピュレータ２６０の対応するジョイント２６４、対応するリンク２６６、及び対応するキャリッジ２６８のような、対応するマニピュレータマウントと対応する遠隔運動中心との間のコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。対応する遠隔運動中心が、図２の実施態様におけるように、対応するマニピュレータマウントに対する一定の位置関係に維持されるとき、マウント対遠隔運動中心変換３５５は、マニピュレータ及び器具が作動させられるに応じて変化しない本質的に静止的な並進コンポーネントと、マニピュレータ及び器具が作動させられるに応じて変化する動的な回転コンポーネントとを含む。
【００６８】
器具座標フレーム３５３は、対応する器具２７０上の対応するエンドエフェクタ２７６のような、関節作動アームに取り付けられるエンドエフェクタ、器具、ツール、及び／又は器具上のツール先端上の地点と関連付けられる。その場合、遠隔運動中心対器具変換３５６は、過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、対応する器具及び対応する遠隔運動中心を移動させ且つ／或いは方向付ける、コンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。幾つかの実施例において、遠隔運動中心対器具変換３５６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが遠隔運動中心を通過する向き及びシャフトが遠隔運動中心に対して前進させられる且つ／或いは後退させられる距離を考慮する。幾つかの実施例において、遠隔運動中心対器具変換３５６は、器具のシャフトの挿入軸が遠隔運動中心を通過することを反映するように制約されることがあり、シャフトによって定められる挿入軸についてのシャフト及びエンドエフェクタの回転を考慮することがある。
【００６９】
運動学的モデル３００において、関節作動アームの第３のものの運動学的関係は、マニピュレータマウント座標フレーム３６１、遠隔運動中心座標フレーム３６２、カメラ座標フレーム３６３、アーム取付けプラットフォーム対マニピュレータマウント変換３６４、マウント対遠隔運動中心変換３６５、及び遠隔運動中心対カメラ変換３６６を用いて、取り込まれる。マニピュレータマウント座標フレーム３６１は、マニピュレータ２６０のような、マニピュレータと関連付けられる位置及び／又は向きを表すための適切なモデルを提示する。マニピュレータマウント座標フレーム３６１は、対応する関節作動アームのマニピュレータマウント２６２のような、マニピュレータマウントと関連付けられる。その場合、アーム取付けプラットフォーム対マニピュレータマウント変換３６４は、対応するセットアップジョイント２４０の過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、対応するセットアップジョイント２４０のような、アーム取付けプラットフォームと対応するマニピュレータマウントとの間のコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。
【００７０】
遠隔運動中心座標フレーム３６２は、対応するマニピュレータ２６０の対応する遠隔運動中心のような、関節作動アームのマニピュレータの遠隔運動中心と関連付けられる。その場合、マウント対遠隔運動中心変換３６５は、対応するジョイント２６４の過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、対応するマニピュレータ２６０の対応するジョイント２６４、対応するリンク２６６、及び対応するキャリッジ２６８のような、対応するマニピュレータマウントと対応する遠隔運動中心との間のコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。対応する遠隔運動中心が、図２の実施態様におけるように、対応するマニピュレータマウントに対して一定の位置関係に維持されるとき、マウント対遠隔運動中心変換３６５は、マニピュレータ及び器具が作動させられるに応じて変化しない本質的に静止的な並進コンポーネントと、マニピュレータ及び器具が作動させられるに応じて変化する動的な回転コンポーネントとを含む。
【００７１】
カメラ座標フレーム３６３は、関節作動アームに取り付けられる、内視鏡のような、撮像デバイスと関連付けられる。その場合、遠隔運動中心対カメラ変換３６６は、過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取りと共に、撮像デバイス及び／又は対応する遠隔運動中心を移動させ且つ／或いは方向付けるコンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルに基づく。幾つかの実施例において、遠隔運動中心対カメラ変換３６６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが遠隔運動中心を通過する向き及びシャフトが遠隔運動中心に対して前進させられる且つ／或いは後退させられる距離を考慮する。幾つかの実施例において、遠隔運動中心対カメラ変換３６６は、撮像デバイスのシャフトの挿入軸が遠隔運動中心を通過し且つシャフトによって定められる軸についての撮像デバイスの回転を考慮することを反映するように制約されてよい。
【００７２】
幾つかの実施態様において、カメラ座標フレーム３６３と関連付けられる撮像デバイスは、使用者がカメラ座標フレーム３６３からのビデオストリームを見てよいように、ビデオを操作者ワークステーションにストリーミングしてよい。例えば、撮像デバイスによって取り込まれるビデオは中継されて、図１の操作者ワークステーション１９０のディスプレイシステム１９２に表示されてよい。幾つかの実施態様において、撮像デバイスは、それが器具座標フレーム３４３と関連付けられる器具及び／又は器具座標フレーム３５３と関連付けられる器具のビデオ及び／又は画像を取り込むように、方向付けられてよい。器具座標フレーム３４３と関連付けられる器具及び／又は器具座標フレーム３５３と関連付けられる器具は、図１の入力又はマスタ制御装置１９５のような、コントローラを通じて使用者によって作動させられてよい。幾つかの実施態様では、器具及び／又はエンドエフェクタの直観的な操作を可能にするために、制御装置からの使用者命令は、カメラ座標フレーム３６３の座標系と相関してよい。例えば、コントローラを用いた、上及び下、左及び右、並びに内及び外の命令は、カメラ座標フレーム３６３に対する器具の上及び下、左及び右、並びに内及び外の動きに変換されてよい。上及び下、左及び右、内及び外は、座標フレーム３６３のｘ、ｙ、及びｚ並進軸によって表されてよい。同様に、ロール、ピッチ、及びヨー命令は、カメラ座標フレームに対して器具をロール運動させ、ピッチ運動させ、且つヨー運動させてよい。幾つかの実施態様において、図１のプロセッサ１４０のような、１つ又はそれよりも多くのプロセッサが、カメラ座標フレーム３６３からの使用者命令を、器具座標フレーム３４３及び３５３における動き及びそれぞれの命令に変換してよい。変換命令は、運動学的関係を通じてであってよい。例えば、器具座標フレーム３４３と関連付けられる器具に対する命令は、変換３６６を用いてカメラ座標フレーム３６３から遠隔運動中心基準フレーム３６３に進んでよく、次に、変換３６５を用いて遠隔運動中心基準フレーム３６２からマウント座標フレーム３６１に進み、変換３６４を用いてマウント座標フレーム３６１からアーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０に進み、変換３４４を用いてアーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０からマニピュレータマウント座標フレーム３４１に進み、変換３４５を用いてマニピュレータマウント座標フレーム３４１から遠隔運動中心座標フレーム３４２に進み、そして、変換３４６を用いて遠隔運動中心座標フレーム３４２から器具座標フレーム３４３に進んでよい。このようにして、１つの基準フレームにおいて既知の運動命令を、１つ又はそれよりも多くの他の座標フレーム内で対応する命令に変換させ得る。
【００７３】
上で議論し、そして、本明細書中で更に強調するように、図３は、請求項の範囲をむやみに限定してならない例であるに過ぎない。当業者は、多くの変形、変更、及び修正を認識するであろう。幾つかの実施態様によれば、手術台とコンピュータ支援デバイスとの間の位置合わせは、代替的な位置合わせ変換を用いて、テーブルトップ座標フレーム３１０とデバイスベース座標フレーム３２０との間で決定されてよい。代替的な位置合わせ変換が用いられるとき、位置合わせ変換３２５は、テーブルベース対テーブルトップ変換３１５の反転／逆転(inverse/reverse)で代替的な位置合わせ変換を構成することによって決定される。幾つかの実施態様によれば、コンピュータ支援デバイスでモデル化するために用いられる座標フレーム及び／又は変換は、コンピュータ支援デバイスのリンク及びジョイント、その関節作動アーム、そのエンドエフェクタ、そのマニピュレータ、及び／又はその器具の具体的な構成に依存して、異なって構成されてよい。幾つかの実施態様によれば、運動学的モデル３００の座標フレーム及び変換を用いて、１つ又はそれよりも多くの仮想の器具及び／又は仮想のカメラと関連付けられる座標フレーム及び変換をモデル化してよい。幾つかの実施例において、仮想の器具及び／又はカメラは、以前に格納され且つ／或いは掛止された器具位置、運動に起因する器具及び／又はカメラの突出、外科医及び／又は他の人員によって定められる基準地点、並びに／或いは同等のものと関連付けられてよい。
【００７４】
コンピュータ支援デバイス１１０及び／又は２００のようなコンピュータ支援デバイスが作動させられるとき、目標のうちの１つは、１つ又はそれよりも多くのジョイント及び／又はリンクから、（複数の）器具、（複数の）リンク、及び／又は（複数の）ジョイントの１つ又はそれよりも多くの地点の位置への、外乱(disturbances)及び／又は動き(movements)の伝搬を最小にし且つ／或いは排除することである。例えば、図２を参照すると、ジョイント２４２及び／又はリンク２４６のうちの１つ又はそれよりも多くのに対する外乱は、エンドエフェクタが患者２７８の内側にある間に、外乱がエンドエフェクタ２７６（エンドエフェクタ２７６は例示的な関心の地点である）に伝搬されるならば、患者２７８に損傷を引き起こすことがある。
【００７５】
コンピュータ支援システムのための１つの動作モードにおいて、手術台の１つ又はそれよりも多くのジョイント及び関節作動アームのジョイントは、ジョイントの動きが制限され且つ／或いは完全に禁止されるよう、サーボ制御装置及び／又はブレーキ（制動装置）の使用を通じて所定の場所に係止され且つ／或いは保持されることがある。幾つかの実施例において、これは、所望の処置を達成するときに、マニピュレータのジョイントが他のジョイントからの動きによって乱されない器具を制御するのを可能にすることがある。幾つかの実施態様において、マニピュレータは、遠隔運動中心を維持するよう物理的に拘束されてよく、マニピュレータを構成しない１つ又はそれよりも多くのジョイントの動きは、遠隔運動中心を望ましくなく移動させることがある。それらの実施例では、マニピュレータを構成しないジョイントを物理的及び／又はサーボ制御装置制動システムを通じて所定の場所に係止させることが有益なことがある。しかしながら、遠隔運動中心への移動を可能にする、よって、遠隔運動中心の位置に影響を及ぼすことがあるジョイントのうちの１つ又はそれよりも多くを係止するブレーキの解放を可能にするのが有益な場合があることがある。
【００７６】
幾つかの実施例において、器具は、処置中に患者の身体開口を通じて挿入されてよい。幾つかの実施例において、器具の位置は、図１のワークステーション１９０のような操作者コンソールでの外科医による遠隔操作を介して制御されてよい。しかしながら、器具が患者の身体開口を通じて挿入されたままである間に、関節作動アームにおける動きを可能にする、コンピュータ支援システムのための他の動作モードをサポートするのが望ましいことがある。これらの他の動作モードは、器具が患者の身体開口内に挿入されていないときの動作モードにおいては存在しないリスクを持ち込むことがある。幾つかの実施例において、これらのリスクは、器具が患者に対して動くことが可能にされるときの患者に対する損傷、減菌野を破る器具、関節作動アーム間の衝突からの損害、及び／又は同等のことを含むことがあるが、それらに限定されない。
【００７７】
一般的な場合には、これらの他の動作モードは、器具に近接する１つ又はそれよりも多くのジョイントが、１つ又はそれよりも多くのジョイントの位置及び／又は向きの変化（即ち、移動）を引き起こす外乱に晒されるときに、患者に対する患者の開口内に挿入される器具の地点を維持するという目標によって特徴付けられることがある。器具に近接する１つ又はそれよりも多くの第１のジョイント又は外乱ジョイント(乱されるジョイント)(disturbed  joints)における外乱は、器具の位置の変化を引き起こすので、外乱ジョイントの動きによって引き起こされる器具の動きを補償する１つ又はそれよりも多くの第２のジョイント又は補償ジョイント(補償するジョイント)(compensating  joints)に動きを導入することが望ましいことがある。外乱の程度及び補償の量を決定することは、外乱が手術台又は患者の動きと関連付けられているか否か又は外乱が器具を制御するために用いられる関節作動アームに限定されているか否かのような、外乱の種類及び性質に依存する。
【００７８】
これらの動作モードの１つのカテゴリには、器具の位置及び／又は器具上の地点があらゆる適切な世界座標フレーム内でモニタリングされ且つ維持されてよいよう、患者が動いていないときがある。これは関節作動アームの制御された動きと関連付けられる外乱を含んでよい。幾つかの実施例において、関節作動アームの制御された動きは、処置を行う前に関節作動アーム及び／又はマニピュレータを組み立てるために用いられる１つ又はそれよりも多くのジョイントにおける動きを含んでよい。これの１つの例は、処置中にマニピュレータ２６０の十分な範囲の動きをもたらすために、セットアップジョイント２４０が移動させられるのを可能にするよう、アーム取付けプラットフォーム２２７が並進させられ且つ整列させられる、図２の実施態様と調和するコンピュータ支援デバイスのセットアップ構造の１つ又はそれよりも多くの動きを含む。この種類の動きの例は、ここに参照として援用する、２０１４年３月１７日に出願された「System  and  Method  for  Aligning  with  a  Reference  Target」という名称の米国仮特許出願第６１／９５４，２６１号により詳細に記載されている。このカテゴリは、他の動きを開始する前のブレーキ及び／又は他のジョイントロックの解放と関連付けられる外乱を更に含んでよい。幾つかの実施例において、患者内に挿入される間に患者の体壁によって器具に加えられる力及びトルクに起因するような、器具のシャフトに対する外力及び／又はトルクは、ブレーキ及び／又はロックが解放されて、力及び／又はトルクが解放されるジョイントによって吸収されるときに、器具の望ましくない動きを引き起こすことがある。このカテゴリは、操作者による関節作動アームの手動再配置中に起こることがあるような及び／又は関節作動アームと障害物との間の衝突に起因するような、クラッチ状態又は浮動状態における関節作動アームの動作によって引き起こされる外乱を更に含むことがある。この種類の動きの例は、ここに参照として援用する、２０１４年３月１７日に出願された、「System  and  method  for  Breakaway  Clutching  in  an  Articulated  Arm」という名称の米国仮特許出願第９１／９５４，１２０号により詳細に記載されている。この種類の動きの追加的な例は、コンピュータ支援デバイスが、１つ又はそれよりも多くのブレーキ又はロックを解放することによって、統合的な手術台が準備され、体壁によって身体開口内に挿入される器具に加えられる力及びトルクが解放されるときに、起こることがある。これらの種類の動き及び外乱は、２０１５年３月１７日に出願された「System  and  Method  for  Integrated  Surgical  Table」という名称の米国仮特許出願第６２／１３４，２０７号及び代理人整理番号ＩＳＲＧ００６９３０ＰＣＴ／７０２２８．４９８ＷＯ０１と共に同時に出願された「System  and  Method  for  Integrated  Surgical  Table」という名称のＰＣＴ出願により詳細に記載されており、それらの両方の全文をここに参照として援用する。
【００７９】
関節作動アームの１つ又はそれよりも多くのジョイントに対するブレーキ解放に関して、ブレーキ解放後にジョイントに加えられるあらゆる力及び／又はトルクは、ジョイント及びそれらのそれぞれのリンクが動く原因となることがある。これらの外乱は、しばしば、関節作動アームに取り付けられるエンドエフェクタ及び／又は器具に、素早い、時として大きな、急激な動き(jumps  in  movements)を引き起こすことがある。単一のブレーキ解放からのいずれの単一の外乱は小さいかもしれないが、多数のジョイントのためのブレーキが同時に解放されるときに組み合わせられる外乱は、幾分大きいことがある。これらの大きな急激な動きは、エンドエフェクタが患者を傷付ける原因となることがある。更に、これらの急激な動きは、しばしば、人間が反応するには素早すぎ、従って、手動制御を通じて是正することは、不可能ではないとしても、困難である。急激な動き(jumps)を減少させて、反応する能力を使用者にもたらす１つの方法は、各ブレーキのための制動力を時間の経過に亘ってゆっくりと減少させ、且つ／或いは１つずつブレーキを解放することである。しかしながら、外科処置中は、あらゆる不要な時間消費を最小にすることが重要である。何故ならば、手術中の死亡率は、患者が手術している時間の長さに関連して高くなるからである。従って、短い時間期間内に（数秒未満に亘って）ブレーキを解放するのが望ましい。
【００８０】
図４は、幾つかの実施態様に従った時差式ブレーキ解放(staggered  brake  release)のための例示的な方法４００の簡略図である。幾つかの実施例において、方法４００は、図１の関節作動アーム１２０のような、１つ又はそれよりも多くの関節作動アームのジョイント上の１つ又はそれよりも多くのブレーキの解放を時間的にずらすために用いられてよい。幾つかの実施態様によれば、方法４００は、１つ又はそれよりも多くのプロセッサ（例えば、図１の制御ユニット１３０中のプロセッサ１４０）上で実行されるときに、１つ又はそれよりも多くのプロセッサにプロセス４１０〜４３０のうちの１つ又はそれよりも多くを行わせることがある、少なくとも部分的に、持続性の有形の機械可読な媒体上に格納される実行可能なコードの形態において、実施されてよい、プロセス４１０〜４３０のうちの１つ又はそれよりも多くを含んでよい。
【００８１】
プロセス４１０で、ブレーキ解放のための関節作動アームの数が決定される。幾つかの実施態様において、関節作動アームの数は予め決定されてよい。例えば、デバイスは、特定の数の関節作動アームでハードコードされてよい。幾つかの実施態様において、使用者は、ブレーキ解放のために設定される関節作動アームの数を設定してよい。例えば、図１のワークステーション１９０のような、ワークステーション上のボタン及び／又はスイッチを用いて、使用者及び／又は操作者は、どのアームが解放されるか且つ／或いはブレーキを有するアームの数を選択し得てよい。幾つかの実施態様において、関節作動アームの数は、１つ又はそれよりも多くのポート及び／又は他の通信インターフェースへの接続によって検出されてよい。例えば、図１のコンピュータ支援システム１００のような、コンピュータ支援システムが、関節作動アーム内の１つ又はそれよりも多くのブレーキを解放するためのブレーキ解放モードを有してよく、制御ユニット１３０は、関節作動アームとの通信インターフェースを通じてシステムによって制御される関節作動アームの数を決定してよい。
【００８２】
プロセス４２０で、各関節作動アームのためのブレーキ解放のタイミングが決定される。幾つかの実施態様において、各ブレーキ解放のタイミングは、如何なる単一のブレーキも他のブレーキと同時に解放されないことを保証するために、時間的にずらされてよい。幾つかの実施態様において、関節作動アーム上のジョイントは、素早い連続においてブレーキを自動的に解放するように設定されてよく、図１の制御ユニット１３０のような、中央コントローラが、各アームのために各ブレーキ解放の開始をどのように時間的にずらすかを決定してよい。例えば、図２の関節作動アーム１２０のような、関節作動アームが、図２のセットアップジョイント２４０のような、ジョイントのセットのために解放される、ブレーキを有してよい。４つのセットアップジョイントがあると仮定すると、これらのジョイントは、０．２５秒毎のような、素早い連続において、解放されてよい。異なるブレーキの解放の間の時間及びブレーキが解放される順序は事前設定されてよく、ブレーキ解放についての指令がひとたび受信されると自動的であってよい。これは通信及び処理時間の遅延のない素早く確実なブレーキ解放を可能にする。
【００８３】
如何なる単一の関節作動アームのためのブレーキ解放も他の関節作動アームのためのブレーキ解放と同時に解放されないことを保証するために、各アームのためのブレーキ解放を開始する命令は、同時のブレーキ解放を防止する計算された間隔で送信される。例えば、各アームは、各関節作動アームにおけるブレーキ解放の間の間隔が０．２秒であるとき、互いから０．２５秒でブレーキ解放を開始するように命令されてよい。この例において、第１のアーム内で解放される４つのジョイントは、０秒、０．２秒、０．４秒、及び０．６秒で解放される。次のアーム及び次のアームの４つのジョイントのためのブレーキの解放は、０．２５秒、０．４５秒、０．６５秒、及び０．８５秒である。第３のアームは、０．５秒、０．７秒、０．９秒、及び１．１秒でブレーキを解放する。最後に、第４のアームは、０．７５秒、０．９５秒、１．１５秒、及び１．３５秒で解放する。当業者はいずれのブレーキも同時に解放されないようなブレーキ解放間隔及び命令間の間隔の多くの可能性があることを認識し、それらの全ては本明細書中で想定されている。各アームがブレーキ解放を介するときを決定する１つの単純な例示的な方法は、アーム上のブレーキ解放の間の時間間隔をアームの数で割ることである。
【００８４】
幾つかの実施態様において、ブレーキ解放の順序は予め定められる。例えば、ブレーキは、最も少ない動きを有するジョイントのためのブレーキから最も多くの動きを有するジョイントのためのブレーキの順序において解放されてよい。幾つかの実施態様において、どのジョイントがブレーキ解放中に最も多くを引き起こし或いは最も多く動くかを決定することは、経験的な同調を通じて決定されてよい。実験に基づき、（水平運動を伴うジョイントと呼ぶことがある）床と平行な動きのために回転ジョイント及び／又は並進ジョイントのためのブレーキを解放することは、最も少ない量の動きを引き起こしがちであり、（垂直運動を伴うジョイントと呼ぶことがある）床に対して垂直な動きを可能にするジョイントのためのブレーキを解放することは、最も多くの動きを引き起こしがちである。幾つかの実施態様では、力センサが、どのブレーキが最も多くの力及び／又はトルクを支えているかを示してよく、それらのジョイントが最も動くことを決定してよい。幾つかの実施態様において、ブレーキ解放の順序は、各ジョイントの構成及び位置に基づき決定されてよい。例えば、ジョイントは、その運動範囲の終わりに、ジョイントのためのブレーキが解放されるときに動く可能性は低い。
【００８５】
幾つかの実施態様において、関節作動アームは、如何なる他の関節作動アームとも通信しなくてよい。よって、１つ又はそれよりも多くのアームに送信されるブレーキ解放命令があるとき、これは１つ又はそれよりも多くのジョイントを同時に解放させることがある。幾つかの実施例では、ブレーキ解放が起こらないことを保証するために、各ロボットアームは、システム全体のためにグローバルクロックサイクル(global  clock  cycle)を共用してよく、各アームには、ブレーキを解放させ得る時間の窓が与えられてよい。例えば、システムが、全てのアームのブレーキ解放を、１秒の時間枠（タイムフレーム）内に開始させなければならないならば、１ｋＨｚプロセッサは、その時間枠内に１０００クロックサイクルを有する。４つの関節作動アームがあるならば、１秒内のクロックサイクルを４つの窓の２５０サイクルに分割し得る。サイクル０〜２４９を１つのアームのために指定し、２５０〜４９９を第２のアームのために指定し、５００〜７４９を第３のアームのために指定し、そして、７５０〜９９９を第４のアームのために指定し得る。その場合、タイミング窓は、１０００によるグローバルクロックサイクルの法(モジューロ)(modulo)によって決定され得る。このようにして、各窓は、１０００クロックサイクル毎に１回繰り返される。アームがクロックサイクル内のブレーキ解放のための窓を逃すとき、その関節作動アームのためのブレーキ解放は、その関節作動アームのための２５０クロックサイクル窓が再び現れるときに解放する。
【００８６】
より一般的には、ブレーキ解放のための時間の窓は、時間限界に亘るクロックサイクルの数をアームの数によって割ることによって決定される。所与のグローバルクロックタイム(global  clock  time)のためのブレーキ解放窓は、時間限界に亘るクロックサイクルの数によるグローバルクロックの法(モジューロ)(modulo)を用いることによって、決定される。幾つかの実施態様では、互いの１つのクロックサイクル内でブレーキ解放が起こるのを防止するために、バッファ(buffers)が各クロックサイクル窓に加えられてよい。例えば、２５０クロックサイクル窓に基づき、ブレーキ解放のための窓は、２４９、４９９、７４９、及び９９９で、各アームのために単一のクロックサイクルであってよい。このようにして、ブレーキ解放が各関節作動アームのために開始するときの間に２４９クロックサイクルがあり、或いは１ｋＨｚプロセッサに基づき約０．２５秒がある。
【００８７】
幾つかの実施態様において、中央コントローラは、どのブレーキが解放されるか、ブレーキ解放の順序、及びブレーキ解放の時を直接的に決定する。このようにして、中央制御装置は、いずれのブレーキも同時に解放されないことを保証し得る。幾つかの実施態様において、ブレーキは、時間の経過に亘って徐々に解放されてよい。しかしながら、方法４００は、制動力における漸進的な減少のない、二進ブレーキ(binary  brakes)と協働するようにも設定される。これは方法が遺産的なシステム中に存在するより安価でより単純なブレーキと共に用いられることを可能にする。更に、二進ブレーキは、より安価であり、より確実であり、且つより単純であるために、望ましい。
【００８８】
プロセス４３０で、関節作動アームのジョイントに対するブレーキは、プロセス４２０で設定されるブレーキ解放タイミングに従って解放される。
【００８９】
幾つかの実施態様において、関節作動アームのジョイントは、漸進的に解放されてよいブレーキを有してよい。幾つかの実施例において、ブレーキの各々は、時間の経過に亘って同時に漸進的に解放され得る。幾つかの実施態様において、ブレーキは、プロセス４２０で決定されるタイミングに従って解放されてよく、ブレーキは割り当てられるタイミング窓内で漸進的に解放し、且つ／或いは漸進的なブレーキ解放は割り当てられるタイミング窓の開始に開始する。幾つかの実施例において、ブレーキの漸進的な解放は、時間に亘って制動力を制御する信号を増減させること(ramping)によって達成されてよい。幾つかの実施例において、増減させられる信号は、電圧、電流、パルス幅デューティサイクル、及び／又は同等物であってよい。ランプ信号(ramped  signal)と制動力との間の移転関係に依存して、時間の経過に亘る増減される信号の値の変化は、線形及び／又は非線形であってよい。
【００９０】
図５は、幾つかの実施態様に従ったブレーキ解放によって引き起こされる外乱のような、外乱を補償する方法５００の簡略図である。幾つかの実施例において、集合的に第１のセットのジョイント又は外乱ジョイントと呼ぶ、１つ又はそれよりも多くのジョイントのためのブレーキの解放によって引き起こされる外乱は、関節作動アームと関連付けられる地点（関心の地点）及び／又は器具が、外乱によって最小に影響を受けるように或いは全く影響を受けないように、集合的に第２のセットのジョイント又は補償ジョイントと呼ぶ、１つ又はそれよりも多くの他のジョイントによって補償されてよい。関心の地点は、特定のジョイントの場所、遠隔運動中心、器具、エンドエフェクタ、ツール、ツールの先端、運動連鎖に沿う地点、先行する地点のいずれかの近似、及び／又は同等のものであってよい。幾つかの実施態様において、補償ジョイントは、外乱ジョイントの変化によって引き起こされる動きを補償するために用いられる１つ又はそれよりも多くの冗長自由度をもたらしてよい。
【００９１】
幾つかの実施例において、外乱ジョイントは、全て、補償ジョイントと比較して関心の地点に対して遠位又は近位であってよい。例えば、図２の一連のセットアップジョイント２４０は、外乱ジョイントであってよく、ジョイント２６４は、補償ジョイントであってよく、エンドエフェクタ２７６は、関心の地点であってよい。この実施例において、セットアップジョイント２４０は、補償ジョイントであってよい、マニピュレータ２６０のジョイント２６４よりも、エンドエフェクタ２７６からより遠位である。
【００９２】
他の実施例において、外乱ジョイントの一部は、補償ジョイントの間にあってよい。しかしながら、これらの実施例において、運動連鎖は、各サブセットが、サブセット内の補償ジョイントと比較して（運動連鎖全体のために同じ関心の地点であってよい或いは同じ関心の地点でなくてよい）サブセット関心の地点に対して近位又は遠位に、サブセット内に全ての外乱ジョイントを有するように、ジョイント及びコネクタのサブセットに分けられてよい。このようにして、全てが全ての補償ジョイントに関して関心の地点に対してより遠位又は近位にある、外乱ジョイントを補償するためのモデルを、運動連鎖に適用することができ、その場合、運動連鎖を下位運動連鎖(sub-kinematic  chains)に分けることによって、外乱ジョイントの一部は、１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントに関して関心の地点に対してより近位にあり、外乱ジョイントの一部は、１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントに関して関心の地点に対してより遠位にある。
【００９３】
方法５００は、外乱ジョイントの全てが運動連鎖中の補償ジョイントよりも関心の地点に対してより近位にある、実施態様の脈絡において議論される。しかしながら、当業者は、この方法が、外乱ジョイントの全てが補償ジョイントに対して近位にあるよりもむしろより遠位にある状況にも適用可能であることを理解するであろう。その上、上で議論したように、この方法は、運動連鎖全体を下位運動連鎖の集合として取扱うことによって、外乱ジョイントが運動連鎖中の補償ジョイントの中に差し込まれる状況にも適用可能であることができ、その場合、各下位運動連鎖は、外乱ジョイントの全てが１つ又はそれよりも多くの関心の地点に関して補償ジョイントに対して近位又は遠位であるように、選択されてよい、
【００９４】
方法５００は、１つ又はそれよりも多くのプロセッサ（例えば、図１の制御ユニット１３０中のプロセッサ１４０）上で実行されるときに、１つ又はそれよりも多くのプロセッサにプロセス５１０〜５６０のうちの１つ又はそれよりも多くを行わせることがある、少なくとも部分的に、持続性の有形の機械可読な媒体上に格納される実行可能なコードの形態において、実施されてよい、プロセス５１０〜５６０のうちの１つ又はそれよりも多くを含んでよい。
【００９５】
幾つかの実施態様において、方法５００は、１つ又はそれよりも多くの補償ジョイント内に補償運動を導入することによって、１つ又はそれよりも多くの外乱ジョイントにおける動きに起因する器具の位置の変化を補償するために用いられてよい。幾つかの実施例に帆いて、方法５００は、外乱ジョイントにおける動きが、制御された動き、クラッチされた動き、ブレーキ又はロック解放、及び／又は同等のものに起因するときに、用いられてよい。幾つかの実施例において、方法５００は、外乱ジョイントにおける動きが、プロセス４３０中のような、ブレーキの解放に起因するときに、用いられてよい。図２の実施態様と調和する幾つかの実施例において、１つ又はそれよりも多くの外乱ジョイント及び／又は１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントは、セットアップ構造２２０中のジョイント、セットアップジョイント２４０、及び／又は器具に近接するマニピュレータ２６０のあらゆるジョイントのうちのいずれかを含んでよい。幾つかの実施態様において、方法５００の使用は、関節作動アーム、エンドエフェクタ、及び／又はマニピュレータのための遠隔運動中心が定められてよいように、器具、カニューレ、及び／又は同等物が、対応する関節作動アーム、エンドエフェクタ、及び／又はマニピュレータの遠位端に連結されるときの動作に限定されてよい。幾つかの実施態様において、方法５００は、患者の開口部又は切開部の壁からの抵抗を用いて並びに／或いはコンピュータ支援デバイスの操作者によって、器具の姿勢及び／又は位置を少なくとも部分的に維持させることを含んでよい。幾つかの実施態様において、方法５００は、操作者が１つ又はそれよりも多くの器具の動きに対する制御を依然として有するように、コンピュータ支援デバイスの操作者からの動作命令と共に並びに／或いはコンピュータ支援デバイスの操作者からの動作命令に加えて適用されてよい。
【００９６】
プロセス５１０で、基準座標フレームが構築される。計算の容易さのために、プロセス５１０は、運動連鎖内の動かない／固定的な地点を基準フレームとして用いてよい。例えば、図２及び図３に関して、セットアップジョイント２４０が外乱ジョイントであり、マニピュレータジョイント２６０が補償ジョイントであるならば、図３のアーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０であってよいジョイント２３６を含む、セットアップジョイント２４０よりもカート２１０に対してより近位のあらゆる地点を、基準フレームとして用い得る。
【００９７】
プロセス５２０で、基準座標フレームから、図２のエンドエフェクタ２７６のような、安定化のための地点への、基準変換が構築される。この基準変換は、外乱ジョイントに対する如何なる外乱にも先立って構築されてよい。幾つかの実施態様において、この変換は、１つ又はそれよりも多くのジョイント、器具、リンク、及び／又は運動連鎖内の任意の他の物体の特定の位置のための変換であってよい。幾つかの実施態様において、基準変換は、幾つかの座標フレームの間の幾つかの下位変換(sub-transforms)で構成されてよい。例えば、アーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０から器具座標フレーム３５３への変換は、変換３５４、３５５、及び３５６で構成される。幾つかの実施態様において、これらの変換は、図１のメモリ１５０のような、メモリ中に格納されてよい。
【００９８】
プロセス５３０で、ジョイントにおける外乱が検出され、外乱によって引き起こされる関心の地点に対する動きの予測が、外乱ジョイントの新しい位置を用いて決定される。
【００９９】
以下は、外乱ジョイントにおける外乱によって引き起こされる関心の地点に対する外乱を決定する例示的な方法である。第１のステップで、分裂(disruption)前の外乱ジョイントに亘る２つの座標フレームの間の変換が、図１のメモリ１５０のような、メモリ内に格納されてよい。幾つかの実施例において、２つの座標フレームは、座標フレームの第１のものが外乱ジョイントの最近位に対して近位にあり、座標フレームの第２のものが外乱ジョイントの最遠位に対して遠位にあるとき、外乱ジョイントに亘る。第２のステップにおいて、補償ジョイントに亘る２つの座標フレームの間の変換が、メモリ内に格納されてよい。第３のステップにおいて、外乱のない関心の地点のための場所が、第１及び第２のステップにおける保存された変換を用いて決定される。幾つかの実施例において、この関心の地点の場所は、如何なる外乱又は補償運動が行われる前に、関心の地点をモデル化する。第４のステップにおいて、関心の地点についての推定場所が、外乱ジョイントに亘る２つの座標フレームの間のライブの／現在の変換及び第２のステップにおいて保存された変換を用いることによって、決定される。幾つかの実施例において、補償ジョイントではなく、外乱ジョイントの変化を考慮する関心の地点の推定場所が、決定されてよい。第５のステップにおいて、外乱のない関心の地点の場所と推定される関心の地点との間の相違を用いて、外乱ジョイントの動きが関心の地点をどのように動かしたかを決定する。当業者が認識するように、補償ジョイントに亘る２つの座標フレームの間の格納される変換は、行列及び／又は同等物の形態におけるような、均質な変換を提示し得る任意の適切なデータ構造において格納されてよい。幾つかの実施例において、変換は、ジョイント角度及び／又は位置として格納されてよく、変換は、補償ジョイントの１つ又はそれよりも多くの運動学的モデルを用いて、そこから再計算されてよい。格納される変換は、特定の構成及び／又は特定の時間地点のための構成のために行われてよい。図３へのこの方法の例示的な適用は、以下を含んでよく、外乱によって引き起こされるジョイント運動は、変換３５５及び３５６ではなく変換３５４を変更してよい。このようにして、変更された変化３５４並びに保存された変換３５５及び３５６を用いることによって、外乱によって引き起こされる位置の変化の予測を決定し得る。更に、これは使用者命令によって引き起こされる作動させられる動きから外乱によって引き起こされる器具基準フレーム３５３の動きを隔離することを可能にする。従って、器具の実際の位置を決定するために保存された変換３５５及び３５６が用いられることがないとしても、乱によって引き起こされる関心の位置に対する動きを予測するためにそれを用い得る。
【０１００】
任意的なプロセス５４０で、プロセス５３０での予測は、実世界誤差のために調節される。ジョイントの間の全てのリンクが完全に剛的である完全な世界では、プロセス５３０での予測は、関心の地点がジョイントにおける外乱の故に動かされる場合に完全に一致する。しかしながら、ジョイント間のリンクは、リンクに対して加えられる力の量及びリンク材料の曲げ強度に依存して、曲がり且つ撓む。例えば、手術中、手術している被験者の皮膚は、しばしば、被験者に入るカニューレをテント状に覆い(tent)或いはカニューレに乗り上がる(ride  up)傾向を有する。このテンティング(tenting)は、カニューレに対して力を加え、次に、それはデバイスのリンク及びジョイントに対して力を加える。ブレーキが係合させられる間、皮膚はデバイスによって支えられて、その位置を維持するが、ジョイントの一部についてブレーキが解放されると、それらのジョイントは自由に動くことが可能にされ、乱される。次いで、テント状の(tented)皮膚は、皮膚がもはや皮膚の移動方向に力を加えなくなるまで、解放されたジョイントを動かす。皮膚はもはやカニューレに対して力を加えない（或いはより少ない力を加える）ので、テンティングによって引き起こされる力に耐えていたジョイント間のリンクは反曲する(de-flex)。反曲(de-flexing)は、しばしば、ジョイントによる動きの一部を相殺し、よって、ジョイント移動に基づく動き予測を過大推定にさせる。これはプロセス５３０での予測に誤差をもたらす。プロセス５４０で、予測に対するこの誤差源及び他の誤差源を考慮するために、調節が行われる。
【０１０１】
幾つかの実施態様において、誤差矯正は、プロセス５３０の間に予測される並進運動における誤差の量を推定するスカラー倍(scalar  multiple)であってよい。推定は、患者、処置、及び／又は関節作動デバイスの向きのような、１つ又はそれよりも多くの要因に依存することがある。例えば、子供、大人、獣医（例えば、動物種）、手術の領域（例えば、腕、足、胃、胸、頭蓋等）、及び／又は同等のものについての設定があってよい。幾つかの実施例において、全ての場合のために、一般的な誤差推定が用いられてよい。幾つかの実施態様では、関心の地点での外乱についてプロセス５３０の間に予測される、並進運動の８０〜９５％の間の（例えば、８５％）及び回転運動の１００％の単一の誤差推定が、関心の地点の誤差矯正された位置として用いられてよい。計算の容易さのために、誤差矯正は、関心の地点の座標フレームで計算されてよい。このようにして、関心の地点での並進運動に対する矯正は、（例えば、予測される並進外乱の１つの部分及び予測される回転外乱の他の部分を用いて）回転誤差と異なって処理されてよい。矯正は異なる基準フレームで適用されてよいが、計算は困難になることがある。何故ならば、他の座標フレームにおける回転は、関心の地点の座標フレームにおける並進運動に寄与するからである。幾つかの実施態様において、プロセス５４０が省略されるとき、プロセス５３０の間に決定される予測は、誤差矯正された予測として用いられてよい。しかしながら、プロセス５３０の間に決定される予測を用いることは、僅かな過大矯正を導入することがある。
【０１０２】
プロセス５５０で、誤差矯正された予測変換と基準変換との間の差が決定される。プロセス５４０の間に決定される誤差矯正された予測変換とプロセス５２０の間に決定される基準変換との間の差は、外乱によって関心の地点に導入されている誤差を表す。関節作動アームの１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントを用いる移動によって誤差が補償されないならば、関心の地点の配置は、望ましくなく変化することがある。幾つかの実施例において、それらの差は、対応する行列並びに／或いは実際の変換及び基準変換を表すベクトルを増大させることによって、決定されてよい。幾つかの実施例において、それらの差は、基準変換の反転／逆転を誤差矯正された予測変換で構成することによって決定される誤差変換として表されてよい。
【０１０３】
プロセス５６０で、補償ジョイント変化は、それらの差に基づき決定される。プロセス５５０の間に決定される基準変換と実際の変換との間の差を用いることで、１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントにおける変化が決定される。誤差矯正された予測変換と基準変換との間の差は、基準変換の基準座標系から補償ジョイントの各々と関連付けられる１つ又はそれよりも多くの局所的な座標系にマッピングされる。実際には、これは関心の地点の配置における誤差を基準座標系から補償ジョイントに対する関心の地点の相対誤差に変換する。幾つかの実施例では、１つ又はそれよりも多くのの運動学的モデルを用いて、それらの差を局所的な座標系に変換する。幾つかの実施例において、補償ジョイントは、外乱ジョイントの１つでない関節作動アーム及び／又はマニピュレータのジョイントのうちのいずれかを含んでよい。関心の地点の相対誤差がひとたび決定されると、それらは補償ジョイントの各々についての動作を決定するために用いられてよい。幾つかの実施例では、逆ヤコビアン(inverse  Jacobian)を用いて相対誤差を補償ジョイントの動きにマッピングしてよい。幾つかの実施例において、補償ジョイントにおける動きは、補償ジョイントに対して適用されるジョイント速度として適用されてよい。
【０１０４】
プロセス５７０で、補償ジョイントは駆動させられる。１つ又はそれよりも多くの命令が、プロセス５６０の間に決定される補償ジョイントの動きに基づき、補償ジョイント中の１つ又はそれよりも多くのアクチュエータに送信される。補償ジョイントに送信される命令は、１つ又はそれよりも多くの外乱ジョイントにおける動きによって導入される関心の地点に対する外乱を矯正するので、基準座標系における関心の地点の配置は、僅かの外乱で或いは外乱を伴わずに維持される。１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントが関心の地点の配置に対する矯正的な変更を行う限り、プロセス５３０〜５７０を繰り返して、関心の地点の位置及び配置に導入されるあらゆる誤差を補償してよい。
【０１０５】
幾つかの実施態様によれば、関心の地点を矯正し、駆動し、或いは移動することは、関心の地点と異なる基準地点から行われてよい。これは、ジョイント位置決め及び速度のような、ジョイント移動を推進するためのより単純な計算並びに／或いは関数及び／又はアルゴリズの再使用を可能にすることがある。例えば、図２を参照すると、コンピュータ支援デバイス２００のマニピュレータジョイント２６０に、エンドエフェクタ２７６でよりも、マニピュレータマウント２６２で誤差を調節させることは、計算的により容易であることがある。幾つかの実施例では、方法５００を実施するシステムが、プロセス５４０の間に決定される誤差調節された予測を包含する異なる基準地点のために、基準地点を創り出してよい。その場合、この基準地点は、補償ジョイントを駆動して外乱を調節するために用いられてよい。これは、関心の地点の外乱が、基準地点のような、運動連鎖における他の地点での外乱によって提示されることがある故に、機能する。基準位置は、プロセス５２０の間に構築される基準変換のような、１つ又はそれよりも多くの基準変換を用いて決定されてよい。幾つかの場合には、基準変換の逆が用いられてよい。図２によれば、エンドエフェクタ２７６の動きを調節することは、セットアップジョイント２４０にある１つ又はそれよりも多くのブレーキの解放中にセットアップジョイント２４０に対する外乱によって引き起こされることがある、エンドエフェクタ２７６の誤差矯正された予測位置に基づき、基準マニピュレータマウント２６２位置を創り出すことを包含してよい。
【０１０６】
幾つかの実施態様によれば、プロセス５７０は、実際的な制限に制約されてよい。幾つかの実施例において、補償ジョイントのうちの１つ又はそれよりも多くが関心の地点の位置における誤差を補償する能力は、１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントの運動範囲（ＲＯＭ）限界によって限定されることがある。幾つかの実施例では、補償ジョイントの１つ又はそれよりも多くについてのＲＯＭ限界に達するとき及び／又は達しようとするとき、方法５００及び／又はプロセス５７０は停止させられてよく、そして、１つ又はそれよりも多くの可視の及び／又は可聴のキュー(cues)を用いて、誤差が操作者に示されてよい。幾つかの実施例では、方法５００及び／又はプロセス５７０の操作を停止させるよりもむしろ、プロセス５７０は、制御可能な誤差を最小にしながら、外乱によって引き起こされる動きの全てが補償されているとは限らないというフィードバックを操作者に提供するために、外乱からの動きを部分的に補償するよう、修正された形態において作動してよい。幾つかの実施例において、フィードバックは、補償が限定されること及び１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントに対する抵抗の適用を示す、１つ又はそれよりも多くの可視の及び／又は可聴のキューを含んでよい。幾つかの実施例において、抵抗は、１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントと関連付けられる１つ又はそれよりも多くのブレーキを部分的に適用すること並びに／或いは１つ又はそれよりも多くの補償ジョイントと関連付けられる１つ又はそれよりも多くのアクチュエータ内に運動抵抗電圧及び／又は信号を印加／適用することを含んでよい。
【０１０７】
上で議論し且つここで更に強調するように、図５は実施例であるに過ぎず、それは請求項の範囲をむやみに限定してならない。当業者は、多くの変形、変更、及び修正を認識するであろう。幾つかの実施態様によれば、方法５００は、コンピュータ支援デバイスによって操作される器具の各々について独立して適用されてよい。幾つかの実施例において、器具は、患者の身体開口を通じて挿入される器具のいずれかを含んでよい。幾つかの実施例において、補償ジョイントは、エンドエフェクタの配置を維持する補償がエンドエフェクタの各々について別個に適用されるよう、コンピュータ支援デバイスの、アーム取付けプラットフォーム２２７のような、アーム取付けプラットフォームに対して、遠位に位置付けられてよい。
【０１０８】
幾つかの実施態様によれば、外乱ジョイント及び補償ジョイントは、関節作動アーム及び／又はマニピュレータにおけるジョイントの各々を含まなくてよい。幾つかの実施例において、補償ジョイントは、マニピュレータのロールジョイント、ピッチジョイント、及びヨージョイントだけを含んでよい。幾つかの実施例において、関節作動アーム及び／又はマニピュレータにおける他のジョイントは、方法５００の間のそれらの相対的な動きを阻止するよう、係止されてよい。幾つかの実施例において、関節作動アーム及び／又はマニピュレータの１つ又はそれよりも多くの非作動ジョイントは、エンドエフェクタの配置に対する外乱が、係止解除されるジョイントにおける変化によって少なくとも部分的に減少させられるよう、方法５００の間に係止解除されてよく、且つ／或いは浮動状態において配置されてよい。幾つかの実施例において、係止解除されるジョイントにおける変化は、補償ジョイントが駆動させられるべき量を減少させることがある。幾つかの実施例において、器具の姿勢は、器具の挿入地点での体壁からの抵抗を用いて且つ／或いはコンピュータ支援デバイスの操作者によって、少なくとも部分的に維持されてよい。
【０１０９】
幾つかの実施態様によれば、プロセス５３０〜５７０のうちの１つ又はそれよりも多くは、同時に行われてよい。幾つかの実施態様によれば、追加的な条件が、例えば、コンピュータ支援デバイスの制御を操作者に戻すことによって並びに／或いはコンピュータ支援デバイスの操作の停止によって、方法５００の時期尚早の終了をもたらしてよい。幾つかの実施例において、追加的な条件は、補償動作を完了する能力の欠如、操作者ワークステーション及び／又は関節作動アームにある１つ又はそれよりも多くの制御装置を用いた操作者からのオーバーライド及び／又は手動の介入、１つ又はそれよりも多くの安全インターロックを用いた操作者ワークステーションとの操作者係合解除の検出、コンピュータ支援デバイスにおける位置トラッキング誤差、システム故障、及び／又は同等のことを含んでよい。幾つかの実施例では、コンピュータ支援デバイスのリンク及び／又はジョイント中の切迫した衝突の検出、コンピュータ支援デバイスのジョイントの１つ又はそれよりも多くにおける運動範囲限界、患者の動きの故に器具の姿勢を維持し得ないこと、及び／又は同等のことの故に、所望の動きが可能でないことがある。幾つかの実施例において、方法５００の時期尚早の終了は、エラー通知が操作者に送信されることを招くことがある。幾つかの実施例において、エラー通知は、テキストメッセージ、点滅する光、可聴トーン、音声表現(spoken  phrase)、及び／又は同等のことのような、あらゆる可視の及び／又は可聴の表示を含んでよい。
【０１１０】
図４の方法４００及び／又は図５の方法５００を実施するときのような、ジョイントの外乱又は外乱の補償の間に、操作者による器具の遠隔操作制御を依然として可能にすることが有益なことがある。遠隔操作制御は、外乱を操作するために並びに／或いは外乱の一部が外乱補償によって完全に相殺されない場合に並びに／或いは過剰な補償があるときに、外科医が小さな調節を行うのを可能にする。更に、外科医は外乱の間に処置を続けてよい。図２のコンピュータ支援デバイス２００の器具２７０のような、システムの器具のうちの１つ又はそれよりも多くを操作者制御することの調整を助けるために、システムは、制御システムが直観的な基準フレームを有するように構成してよい。
【０１１１】
幾つかの実施態様において、操作者は、図１のディスプレイシステム１９２のようなディスプレイシステムを通じて、図２のコンピュータ支援システム２００の器具を見る。ディスプレイシステム１９２は、コンピュータ支援システム２００の関節作動アームに器具として取り付けられる、内視鏡のようなカメラからのビデオストリームであってよい。カメラは、図１の入力制御装置１９５のようなコントローラによって制御されてよい、他の関節作動アームから器具を表示してよい。器具の直観的な制御及び命令のために、コントローラは、撮像デバイス／ビデオカメラ／内視鏡の基準フレームであってよいディスプレイの基準フレームにおいて命令を受信してよい。
【０１１２】
幾つかの実施態様において、補償のために或いは使用者制御命令に従ってジョイントを駆動させるとき、ジョイントの動きは、関節作動アームに対するエンドエフェクタ及び関節作動アームの構成に基づき、帯域幅限定されてよく、速度限定されてよく、帯域幅制御されてよく、且つ／或いは速度制御されてよい。例えば、図２に関して、エンドエフェクタ２７６が器具キャリッジ２６８から離れる方向に完全に延出されるとき、１つ又はそれよりも多くのジョイントを駆動させることからのアームの小さな動き及び小さな速度動作は、エンドエフェクタ２７６で大きな動作及びより素早い動作を引き起こす。対照的に、エンドエフェクタ２７６が完全に引っ込められるとき、１つ又はそれよりも多くのジョイントを駆動させることからの大きな動き及び大きな速度動作は、エンドエフェクタ２７６で小さな動作及びより遅い速度に変換する。同様に、どれぐらい前方に関節作動アームが前方に及び／又は後方に据えられるか(pitched  forward  and/or  back)に依存して、ヨー回転動作及び速度が拡大され且つ／或いは縮小される。
【０１１３】
幾つかの実施態様において、補償のためにジョイントを駆動させることは、補償動作を幾つかの反復部分に、例えば、０．２秒の時間スパンに亘って１０の反復部分に分けることによって、帯域幅限定されてよく且つ／或いは速度限定されてよい。このようにして、補償ジョイントは、極めて短い時間期間内に大きな動作を行って追加的な外乱を外乱ジョイントに引き起こすことが防止されてよい。例えば、器具が完全に引っ込められる状態に近いとき、エンドエフェクタでの小さな補償的な動きは、補償ジョイントの１つ又はそれよりも多くでより大きな動きを必要とすることがある。大きな動きのための１つ又はそれよりも多くのジョイントによる素早い応答は、外乱ジョイントを急に動かして追加的な外乱を引き起こし、そして、時折、補償中に外乱ジョイントを妨げることと、次にその外乱を補償することとの間で、フィードバックループを引き起こし、それは他の外乱を引き起こす。よって、１つ又はそれよりも多くのジョイントの及び／又はエンドエフェクタの向きに依存して、ジョイントは、速度限定されてよい。幾つかの実施態様では、全ての構成において、ハード速度限界がジョイントに適用されてよい。
【０１１４】
図６Ａ及び６Ｂは、２つの異なる眺望(perspective)からの例示的なカメラビュー６００を示している。図６Ａは、上からの眺望であり、図６Ｂは、撮像デバイス６１０のセンサの眺望である。図６Ｂの眺望からのカメラビュー６００は、撮像デバイス６１０からストリーミングビデオキャプチャを受信する、図１の操作者ワークステーション１９０のディスプレイシステム１９２のような、ディスプレイから見られてよい。幾つかの実施態様において、撮像デバイス６１０は、内視鏡であり、図１の関節作動アーム１２０及び／又は図２の関節作動アームのような、関節作動アームによって制御される。図６Ａにおいて、カメラビュー６００は、撮像デバイス６１０のための例示的な視野(field  of  view)及び焦点領域(focus  area)を表すことがある点線によって境界付けられている。図６Ｂにおいて、例示的なカメラビュー６００は、図１の操作者ワークステーション１９０のディスプレイシステム１９２のような、ディスプレイ上の撮像デバイス６１０からのビデオストリームを見る使用者の眺望から、示されている。幾つかの実施態様において、撮像デバイス６１０によって提供されるビデオストリームは、立体視であってよい。撮像デバイス６１０は、立体視ビデオストリームをもたらすために、１つ又はそれよりも多くのセンサを用いてよい。このようにして、操作者は、図１のコンピュータ支援システム１００のようなシステムを用いるときに、奥行き知覚の感覚を有してよい。カメラ座標フレーム６１１が、撮像デバイス６１０の座標フレームを例示する。図６Ａにおいて、カメラ座標フレーム６１１は、カメラ座標フレーム６１１のＸ１軸及びＹ１軸を示しており、Ｘ１軸（図示せず）はページを出入りする。図６Ｂには、カメラ座標フレーム６１１のＸ１軸及びＹ１軸が示されており、Ｚ１軸（図示せず）はページを出入りする。幾つかの実施態様において、カメラ座標フレーム６１１は、図３のカメラ座標フレーム３６３であってよい。
【０１１５】
図６Ａ及び６Ｂは、図１の関節作動アーム１２０及び／又は図２の関節作動アームのような、１つ又はそれよりも多くの関節作動アームによって制御される、器具６２０及び６３０も含む。器具６２０及び６３０は、カメラビュー６００内にあってよく、図１の入力制御装置１９５のような制御装置、並びに図６Ｂの眺望からの視認器具６２０及び６３０を用いて、１つ又はそれよりも多くの使用者又は操作者によって操作されてよい。図６Ａ及び６Ｂは、異なる眺望から、それぞれ、器具６２０及び６３０の座標フレーム６２１及び６３１も例示している。幾つかの実施例において、座標フレーム６２１及び６３１は、図３の器具座標フレーム３４３及び３５３と同じであってよい。
【０１１６】
使用者遠隔操作器具６２０及び６３０は、カメラビュー６００の図６Ｂの眺望から器具を見ることがあるので、使用者命令がカメラ基準フレーム６１１内に伝えられるのが有用であることがある。図３の運動学的モデル３００のような、運動学的モデルを用いることによって、カメラ座標フレーム６１１内にもたらされるあらゆる命令を、器具の座標フレーム６２１及び６３１内の命令に変換させ得る。このようにして、上及び下は、使用者の眺望と概ね一致するカメラビューに関する。器具６２０又は６３０を上及び下に動かす使用者命令は、カメラ座標フレーム６１１のＸ１軸に沿って動く器具に変換してよい。同様に、他の並進動作についての使用者命令は、カメラ座標フレーム６１１のＹ１軸及びＺ１軸に従ってよい。幾つかの実施態様において、ロール、ピッチ、及びヨーのような、回転運動についての命令も、カメラ座標フレーム６１１から器具の座標基準フレーム６２１及び６３１に変換されてよい。
【０１１７】
幾つかの実施態様において、カメラ座標フレーム６１１は、物理的な撮像デバイス６１０から分離されてよい。これは器具の動きがカメラ座標フレームと固定される幾つかの実施態様において有益なことがある。例えば、器具６２０及び６３０の位置がカメラ座標フレームに対して命令され、カメラ座標フレームが撮像デバイス６１０に固定されるならば、撮像デバイス６１０に対する望ましくない外乱が、器具６２０及び６３０に対する望ましくない外乱に変換するであろう。幾つかの実施態様において、使用者は、カメラ座標フレームを動かし且つ／或いはカメラ座標フレームを撮像デバイス６１０と最整列させるオプションを有してよい。このようにして、器具動作が使用者にとって余り直観的でなくなるときのように、撮像デバイス６１０がカメラ座標フレーム６１１から遠く離れ過ぎるときに、使用者はカメラ座標フレームを再設定し且つ／或いは再配置し得る。
【０１１８】
幾つかの場合には、各アームの器具及び／又は撮像デバイスに影響を及ぼす多数のアームの１つ又はそれよりも多くのジョイントに対して外乱があることがある。これは、例えば、方法４００において議論した時差式ブレーキ解放及び／又は方法５００のブレーキ解放のように、幾つかのジョイントのためにブレーキが解放されるときに、起こることがある。更に、外乱の間に、使用者が、アーム、器具、及び／又は撮像デバイスのうちの１つ又はそれよりも多くの、直観的な制御及び動作を維持するのを可能にすることが、望ましいことがある。
【０１１９】
図７は、幾つかの実施態様に従った外乱の間に１つ又はそれよりも多くの器具の直観的な制御を維持する例示的な方法７００を例示している。幾つかの実施例において、外乱は、図１のコンピュータ支援システム１００のような、コンピュータ支援システムの１つ又はそれよりも多くの関節作動アーム及びカメラの１つ又はそれよりも多くのジョイントにおいて起こることがある。
【０１２０】
プロセス７１０で、カメラ座標フレームが撮像デバイスの位置で設定される。幾つかの実施態様では、これを「ラッチング」(“latching”)又は「ラッチされ」(“latched”)ていると呼ぶことがある。撮像デバイスは、図１の関節作動アーム１２０及び／又は図２の関節作動アームのような、関節作動アームによって制御され且つ／或いは保持されてよい。幾つかの実施態様では、カメラ座標フレームが、ブレーキ解放及び／又は外乱の導入前のような、特定の時間の瞬間での、座標基準フレームからカメラ座標フレームへの変換を記録することによって設定され／ラッチされてよい。幾つかの実施態様において、変換は、図３の運動学的モデル３００のような、運動学的モデルを用いることによって決定されてよい。図３によれば、カメラ座標フレームは、カメラ座標フレーム３６３であってよく、基準フレームは、アーム取付けプラットフォーム座標フレーム３３０であってよい。記録される変換は、撮像デバイスを制御する関節作動アームの特定の構成を伴う特定の時間地点での、基準フレームからカメラ座標フレームへの変換であってよい。幾つかの実施態様において、変換を記録することは、図１のメモリ１５０のようなコンピュータ可読媒体に、カメラ座標フレームと基準座標フレームとの間の変換及び／又は運動学的関係を格納することを含んでよい。
【０１２１】
プロセス７２０で、外乱が許容され且つ／或いはシステム内に導入されることがある。例えば、１つ又はそれよりも多くの関節作動アームに対する１つ又はそれよりも多くのジョイントのための１つ又はそれよりも多くのブレーキが解放されてよい。これは撮像デバイス及び／又は器具を制御する関節作動アームの１つ又はそれよりも多くのジョイントに対するブレーキの解放を含んでよい。幾つかの実施態様において、外乱は方法４００の時差式ブレーキ解放及び／又は方法５００のブレーキ解放によって引き起こされることがある。
【０１２２】
プロセス７３０で、器具及び／又は撮像デバイスに対する外乱は、外乱によって引き起こされるエンドエフェクタ及び撮像デバイスの移動が減少させられ且つ／或いは排除されるように、補償される。幾つかの実施態様において、各器具及び撮像デバイスのためにプロセス７３０で行われる補償は、図５の方法におけるプロセスのうちの１つ又はそれよりも多くを用いて行われてよい。幾つかの実施態様において、撮像デバイスはそのままにさせられてよく、補償を伴わずに乱されるのが可能にされてよい。
【０１２３】
プロセス７４０で、コンピュータ支援システムは、器具運動命令を受信してよい。器具運動命令は、図１の入力制御装置１９５のような、使用者操作制御装置から来てよい。器具運動命令は、外乱と同時であってよい。
【０１２４】
プロセス７５０で、プロセス７４０で受信される命令は、プロセス７１０の間に記録される／格納される変換を用いて、プロセス７１０の間に記録されるカメラ座標フレームからそれぞれの器具の座標フレームに変換される。幾つかの実施態様において、カメラ座標フレームによって提示される物理的な撮像デバイスは乱されて離れる方向に動かされ、従って、もはやプロセス７１０の間に記録されるカメラ座標フレームと同じ位置にない。幾つかの実施例において、この差は器具の制御における直感レベルの減少を招き、それは、カメラが取り付けられる関節作動アームを用いて且つ／或いはカメラ座標フレームを再設定して、操作者にカメラを再配置させることによって、何時でも矯正されてよい。
【０１２５】
プロセス７６０で、コンピュータ支援システムは、プロセス７５０でカメラ座標フレームから器具基準フレームに変換される命令に従って、ジョイントに器具を移動させる。幾つかの実施態様によれば、プロセス７１０〜７６０のうちの１つ又はそれよりも多くは、同時に行われてよい。
【０１２６】
幾つかの実施態様において、７６０のプロセスは、外乱を補償するためにジョイントを駆動させるコンピュータ支援システムと同時に起こり得る。例えば、ジョイントを駆動させる使用者命令は、外乱補償に基づきジョイントを駆動させる命令に重ね合わせられてよい。上で議論したようなジョイントの移動は、帯域幅限定されてよく、速度限定されてよく、帯域幅制御されてよく、且つ／或いは速度制御されてよい。補償命令の上に重ね合わせられる使用者命令に基づきジョイントを駆動させることは、図４及び図５に関して上で議論した実施例における方法と類似の方法において制御され且つ／或いは限定されてよい。
【０１２７】
例示的な実施態様を示し且つ記載したが、広範な修正、変更、及び置換が、前述の開示において想定され、幾つかの場合には、実施態様の一部の構成は、他の構成の対応する使用を伴わずに利用されてよい。当業者は、多くの変形、変更、及び修正を認識するであろう。よって、本発明の範囲は、以下の請求項によってのみ限定されるべきであり、請求項は本明細書中に開示する実施態様の範囲と調和する方法において広く解釈されることが適切である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【外国語明細書】
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