(57)【要約】  コンピュータ支援された器具運動のためのシステム及び方法が記載されている。例えば、本開示は、コンピュータ支援マニピュレータアセンブリで器具を保持する機構及び技法、並びに器具のコンピュータ支援運動を作動させる方法を提供する。
2019522537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
器具に解放可能に連結するように構成される器具ホルダキャリッジと、
該器具ホルダキャリッジに連結されるマニピュレータアームと、
コンピュータプロセッサを含むコントローラとを含み、
前記コンピュータプロセッサは、
前記器具の長手軸に沿う移動を含む、前記器具の所望の動きを表す、信号を取得し、
該信号をフィルタに適用して、前記長手軸に沿う前記移動の第１の運動成分と、前記長手軸に沿う前記移動の第２の運動成分とを取得し、
前記第１の運動成分に基づいて前記マニピュレータアームを移動させることによって、並びに、前記第２の運動成分に基づいて前記マニピュレータアームに対して前記器具ホルダキャリッジを移動させることによって、前記器具を前記長手軸に沿う前記移動に従って移動させる、
ように構成される、
コンピュータ支援医療システム。
【請求項２】
前記長手軸は、湾曲している、請求項１に記載のコンピュータ支援医療システム。
【請求項３】
前記マニピュレータアームを移動させること及び前記器具ホルダキャリッジを移動させることは、同時に実行される、請求項１又は２に記載のコンピュータ支援医療システム。
【請求項４】
前記マニピュレータアームを移動させること及び前記器具ホルダキャリッジを移動させることは、順次的に実行される、請求項１又は２に記載のコンピュータ支援医療システム。
【請求項５】
前記第２の運動成分に基づいて前記器具ホルダキャリッジを移動させることは、前記器具を後退させ、前記第１の運動成分に基づいて前記器具ホルダキャリッジを移動させることは、前記器具を挿入させる、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医療システム。
【請求項６】
前記フィルタは、低域周波数フィルタを含み、前記第１の運動成分は、前記低域周波数フィルタの出力である、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医療システム。
【請求項７】
前記フィルタは、高域周波数フィルタを含み、前記第２の運動成分は、前記高域周波数フィルタの出力である、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医療システム。
【請求項８】
前記第１の運動成分は、前記第２の運動成分よりも遅い移動に対応する、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医療システム。
【請求項９】
器具ホルダフレームと、前記器具ホルダキャリッジとを含む、器具ホルダを更に含み、前記マニピュレータアームの移動は、前記器具ホルダがカニューレと衝突するのを防止するように制限され、前記器具ホルダキャリッジの移動は、前記器具のエンドエフェクタが前記カニューレから引き出されるのを防止するように制限される、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医療システム。
【請求項１０】
器具ホルダフレームと、前記器具ホルダキャリッジとを含む、器具ホルダを更に含み、前記コントローラは、前記器具ホルダキャリッジ及び前記器具ホルダフレームの組み合わせられた後退を制限す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医療システム。
【請求項１１】
器具ホルダフレームと、前記器具ホルダキャリッジとを含む、器具ホルダを更に含み、前記器具ホルダフレームが後退させられることが可能にされる距離は限定され、あらゆるより一層の後退は、前記器具ホルダキャリッジの移動によって行われる、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医療システム。
【請求項１２】
コントローラを含む医療システムの作動方法であって、
前記コントローラによって、器具の長手軸に沿う移動を含む、前記器具の所望の動きを表す、信号を取得するステップと、
前記コントローラによって、前記信号をフィルタに適用して、前記長手軸に沿う前記移動の第１の運動成分と、前記長手軸に沿う前記移動の第２の運動成分とを取得するステップと、
前記コントローラによって、前記第１の運動成分に基づいて前記医療システムのマニピュレータアームを移動させることによって並びに前記第２の運動成分に基づいて前記マニピュレータアームに対して器具ホルダキャリッジを移動させることによって、前記器具を前記長手軸に沿う前記移動に従って移動させるステップとを含み、
前記器具ホルダキャリッジは、前記器具に解放可能に連結するように構成され、
前記マニピュレータアームは、前記器具ホルダキャリッジに連結される、
作動方法。
【請求項１３】
前記マニピュレータアームを移動させること及び前記器具ホルダキャリッジを移動させることは、同時に実行される、請求項１２に記載の作動方法。
【請求項１４】
前記第２の運動成分に基づいて前記器具ホルダキャリッジを移動させることは、前記器具を後退させ、前記第１の運動成分に基づいて前記マニピュレータアームを移動させることは、前記器具を挿入させる、請求項１２又は１３に記載の作動方法。
【請求項１５】
前記フィルタは、周波数フィルタを含み、前記第１の運動成分及び前記第２の運動成分のうちの少なくとも１つは、前記周波数フィルタの出力である、請求項１２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】
前記第１の運動成分は、前記第２の運動成分よりも遅い移動に対応する、請求項１２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】
命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記命令は、医療システムのコンピュータプロセッサによって実行されるときに、前記コンピュータプロセッサに、
器具の長手軸に沿う移動を含む、前記器具の所望の動きを表す、信号を取得させ、
前記信号をフィルタに適用して、前記長手軸に沿う前記移動の第１の運動成分と前記長手軸に沿う前記移動の第２の運動成分とを取得させ、
前記第１の運動成分に基づいて前記医療システムのマニピュレータアームを移動させることによって、並びに前記第２の運動成分に基づいて前記マニピュレータアームに対して器具ホルダキャリッジを移動させることによって、器具を前記長手軸に沿う前記移動に従って移動させ、
前記器具ホルダキャリッジは、前記器具に解放可能に連結するように構成され、
前記マニピュレータアームは、前記器具ホルダキャリッジに連結される、
非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記フィルタは、周波数フィルタを含み、前記第１の運動成分は、前記周波数フィルタの出力である、請求項１７に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、２０１６年７月１日に出願された米国仮出願第６２／３５７，６７８号の利益を主張する。先行出願の開示は、この出願の開示の一部とみなされ、この出願に参照として援用される。
【０００２】
この開示は、最小侵襲手術、遠隔操作手術、及び最小侵襲コンピュータ支援遠隔操作手術のような、コンピュータ支援手術のためのシステム及び方法に関する。例えば、本開示は、ロボットマニピュレータの端で手術器具を保持する機構、及び手術器具のコンピュータ支援挿入動作を作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボットシステム及びコンピュータ支援デバイスは、しばしば、作業部位でタスクを行うための器具を操作するロボット又は可動アームと、作業部位の画像を取り込む画像取込みデバイスを支持する少なくとも１つのロボット又は可動アームとを含む。ロボットアームは、１以上（１つ又はそれよりも多く）の能動的に制御されるジョイント（関節）によって互いに連結される複数のリンクを含む。多くの実施形態では、複数の能動的に制御されるジョイントが設けられることがある。ロボットアームは、能動的に制御されないが、能動的に制御される、ジョイントの動きに従う、１以上の受動ジョイントを含むこともある。そのような能動及び受動ジョイントは、回転ジョイント又はプリズムジョイントであることがある。その場合、ロボットアームの構成は、ジョイントの位置及びリンクの構造及び連結の知識によって決定されることがある。
【０００４】
外科医の器用さを増大させるために、並びに外科医が遠隔の場所から患者を手術することを可能にするために、手術における使用のための最小侵襲遠隔手術システムが開発されている。遠隔手術は、外科医が手で器具を直接的に保持して動かすというよりもむしろ、外科医が手術器具の動きを操作する何らかの形態の遠隔制御装置、例えば、サーボ機構又は類似物を使用する、手術システムについての、一般用語である。そのような遠隔手術システムにおいて、外科医は、遠隔場所で手術部位の画像を提供される。外科医は、典型的には、適切なビューア又はディスプレイ上で手術部位の３次元画像を見ながら、マスタ制御入力デバイスを操作することによって患者に対して外科処置を行い、次いで、マスタ制御入力デバイスは、ロボット器具の動きを制御する。小さな最小侵襲手術孔を通じてロボット手術器具を挿入して、患者の手術部位にある組織を治療して、しばしば、観血技法によって手術作業部位にアクセスすることに概して関連する外傷を回避する。これらのロボットシステムは、しばしば、最小侵襲孔で器具のシャフトを枢動させること、最小侵襲孔を通じてシャフトを軸方向に摺動させること、最小侵襲孔内でシャフトを回転させること、及び／又は同様のことによって、手術器具の作業端を十分な器用さで動かして、非常に入り組んだ手術タスクを行うことができる。
【発明の概要】
【０００５】
この開示は、コンピュータ支援医療処置のためのシステム及び方法を提供する。例示的な処置は、最小侵襲手術、遠隔操作手術、及びコンピュータ支援遠隔操作医療デバイスを使用する最小侵襲コンピュータ支援遠隔操作手術のような、手術を含む。他の例示的な処置は、様々な医療処置および診断処置を含む。例えば、本開示は、ロボットマニピュレータアセンブリの端で医療器具を保持する機構及び器具の軸方向の並進運動又は挿入運動を作動させる方法を提供する。
【０００６】
最小侵襲コンピュータ支援医療処置の文脈において、ロボットマニピュレータアセンブリの移動は、手術器具のシャフト又は中間部分が、最小侵襲手術アクセス部位、口腔開口部及び肛門開口部を含む自然開口部、又は他の孔を通じた、安全な動きに制約されるよう、システムのプロセッサによって制御される。そのような動きは、例えば、孔部位を通じるシャフトの軸方向の挿入、シャフトの軸についてのシャフトの回転、及びアクセス部位に隣接するピボット点についてのシャフトのピボット運動を含むことがあるが、さもなければ孔に隣接する組織を引き裂くか或いはアクセス部位を意図せずに拡大することがあるシャフトの過剰な横方向の動きをしばしば排除する。アクセス部位でのロボットマニピュレータアセンブリ運動に対するそのような制約の一部又は全部は、ロボットデータ処理及び制御技法の一部又は全部を使用して課されることがある。本明細書では、ロボットマニピュレータアセンブリ運動を制約することについてそのような着想をソフトウェア制約された遠隔運動中心(software-constrained  remote  center  of  motion)と呼ぶことがある。
【０００７】
１つの態様において、本開示は、コンピュータ支援手術マニピュレータアームを移動させて、コンピュータ支援手術マニピュレータアームに連結される細長い手術器具を、手術器具の長手軸によって定められる空間内の固定的な線に沿って移動させること、及びコンピュータ支援手術マニピュレータアームの移動と無関係に空間内の固定的な線に沿って手術器具を移動させることを含む、最小侵襲コンピュータ支援手術方法に向けられている。コンピュータ支援手術マニピュレータアームは、遠隔操作されてよい。
【０００８】
そのような最小侵襲コンピュータ支援手術方法は、以下の構成のうちの１以上を任意的に含んでよい。手術器具の少なくとも遠位端部分は、移動させる操作の各々の間に患者の体内に配置されてよい。移動させる操作は、少なくとも幾分同時に起こってよい。移動さえる操作は、非同時的に起こってよい。手術器具の移動は、コンピュータ支援手術マニピュレータアームの移動とは無関係に、手術器具が解放可能に連結される器具ホルダキャリッジを移動させることを含んでよい。コンピュータ支援手術マニピュレータアームを移動させることは、長くゆっくりとした動きのために使用され、外科器具を動かすことは、より短くより速い動きのために使用され得る。長い遅い移動のために使用されてよく、手術器具を移動させることは、より短い迅速な移動のために使用されてよい。長い遅い移動は、周波数カットオフフィルタリング操作(frequency cut-off  filtering  operation)によって、より短いより迅速な移動と区別されてよい。手術器具を移動させることとの組み合わせにおいてコンピュータ支援手術マニピュレータアームを移動させることは、手術器具に命令された動作入力を受信することに応答して実行されてよい。コンピュータ支援手術マニピュレータアームを移動させることは、コンピュータ支援手術マニピュレータアームに対して手術器具ホルダを枢動させることを更に含んでよい。
【０００９】
他の態様において、本開示は、（ａ）コンピュータ支援手術マニピュレータアームへの枢動可能な取付けのために構成される器具ホルダ、（ｂ）器具ホルダに移動可能に連結される器具ホルダキャリッジ、（ｃ）器具ホルダキャリッジに連結可能な手術器具であって、細長いシャフト、細長いシャフトの端に配置されるエンドエフェクタとを含む、手術器具、及び（ｄ）細長いシャフトを摺動可能に受け入れる第１の管腔を定める管状カニューレであって、器具ホルダから取り外される使用のために構成される、管状カニューレを含む、コンピュータ支援手術システムに向けられている。
【００１０】
そのようなコンピュータ支援手術システムは、以下の構成のうちの1以上を任意的に含んでよい。器具ホルダは、細長いシャフトとの摺動可能な係合のための第２の管腔を定めてよい。器具ホルダキャリッジは、器具ホルダに沿って線形に並進可能であってよい。システムは、ベースに連結されるコンピュータ支援手術マニピュレータアームも含んでよい。
【００１１】
他の態様において、コンピュータ支援手術システムは、コンピュータ支援手術マニピュレータアームに連結可能な器具ホルダと、器具ホルダに移動可能に連結される器具ホルダキャリッジと、器具ホルダに連結されるカニューレホルダとを含む。器具ホルダがコンピュータ支援手術マニピュレータアームに連結されている間に、器具ホルダキャリッジは、コンピュータ支援手術マニピュレータアームとは無関係に移動可能であり、カニューレホルダは、器具ホルダキャリッジとは無関係に移動可能である。
【００１２】
そのようなコンピュータ支援手術システムは、以下の構成のうちの１以上を任意的に含んでよい。システムは、カニューレホルダに解放可能に連結可能なカニューレを含んでよく、カニューレは、管腔を定める。システムは、器具ホルダキャリッジに解放可能に連結可能な手術器具も含んでよく、（手術器具は、カニューレの管腔内で摺動可能に連結可能である）。器具ホルダキャリッジは、器具ホルダに沿って線形に並進可能であってよい。システムは、ベースに連結されるコンピュータ支援手術マニピュレータアームも含んでよい。
【００１３】
他の態様において、本開示は、（ａ）コンピュータ支援手術マニピュレータアームへの枢動可能な取付けのために構成される器具ホルダ、（ｂ）器具ホルダに移動可能に連結される器具ホルダキャリッジ、（ｃ）器具ホルダキャリッジに連結可能な手術器具（手術器具は、細長いシャフトと、細長いシャフトの端に配置されるエンドエフェクタとを含む）、（ｄ）器具ホルダに移動可能に連結されるカニューレホルダ、及び（ｅ）カニューレホルダに連結可能な管状カニューレ（管状カニューレは、細長いシャフトを摺動可能に受け入れる管腔を定める）を含む、コンピュータ支援手術システムに向けられている。
【００１４】
そのようなコンピュータ支援手術システムは、以下の構成のうちの１以上を任意的に含んでよい。器具ホルダキャリッジは、器具ホルダに沿って線形に並進可能であってよい。システムは、ベースに連結されるコンピュータ支援手術マニピュレータアームも含んでよい。カニューレホルダは、器具ホルダに対して線形に並進可能であってよい。
【００１５】
他の態様において、本開示は、（ａ）枢動可能なジョイントでのコンピュータ支援手術マニピュレータアームへの取付けのために構成される器具ホルダ（枢動可能なジョイントは、器具ホルダに沿って並進可能である）、（ｂ）器具ホルダに移動可能に連結される器具ホルダキャリッジ、（ｃ）器具ホルダに連結可能な管状カニューレ（管状カニューレは、管腔を定める）、及び（ｄ）器具ホルダキャリッジに連結可能な手術器具を含む、コンピュータ支援手術システムに向けられている。手術器具は、細長いシャフトと、細長いシャフトの端に配置されるエンドエフェクタとを含む。細長いシャフトは、管腔内で摺動可能に連結可能である。
【００１６】
そのようなコンピュータ支援手術システムは、以下の構成のうちの１以上を任意的に含んでよい。器具ホルダキャリッジは、器具ホルダに沿って線形に並進可能であってよい。システムは、ベースに連結されるコンピュータ支援手術マニピュレータアームも含んでよい。
【００１７】
本明細書に記載する実施形態の一部又は全部は、以下の利点のうちの１以上を提供することがある。例えば、本明細書に記載する幾つかのロボットマニピュレータアセンブリの実施形態は、従来的なロボットマニピュレータアセンブリと比較して、よりコンパクトに構成される。そのようなコンパクトな設計は、ロボット手術システムのロボットマニピュレータアセンブリ間の物理的干渉の可能性を減少させることができる。加えて、そのようなコンパクトな設計は、ロボットマニピュレータアセンブリの重量及び慣性を減少させることができる。結果的に、ロボット手術システムのアクチュエータの大きさ及び電力を減少させることができる。
機械的リンケージの構造的な大きさ及び重量は、本明細書に記載するロボットマニピュレータアセンブリの実施形態を使用して減少させられることもある。そのようなより軽い機械的リンケージは、ユーザ入力に対してより応答性の高いロボット手術システムを容易にすることができる。加えて、本明細書で提供する幾つかの方法も、より小さくより応答性の高いロボットマニピュレータアセンブリを容易化する。
【００１８】
１以上の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の記述に示されている。他の構成、目的、及び利点は、本記述及び図面から並びに請求項から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ロボット手術システムの例示的な患者側カートの斜視図である。
【００２０】
【図２】ロボット手術システムの例示的な外科医コンソールの正面図である。
【００２１】
【図３】ロボットシステムの例示的なロボットマニピュレータアームアセンブリの側面図である。
【００２２】
【図４】第１の構成における例示的な手術器具の遠位端部分の斜視図である。
【００２３】
【図５】第２の構成における図４の手術器具の遠位端部分の斜視図である。
【００２４】
【図６】第３の構成における図４の手術器具の遠位端部分の斜視図である。
【００２５】
【図７】所与のエンドエフェクタ位置についてある範囲のジョイント状態を有する例示的なロボットマニピュレータアセンブリの底面図である。
【図８】所与のエンドエフェクタ位置についてある範囲のジョイント状態を有する例示的なロボットマニピュレータアセンブリの側面図である。
【図９】所与のエンドエフェクタ位置についてある範囲のジョイント状態を有する例示的なロボットマニピュレータアセンブリの背面図である。
【００２６】
【図１０】図７〜図９のロボットマニピュレータアセンブリによって提供される自由度を例示する概略図である。
【００２７】
【図１１】手術孔を通じて挿入されたロボットマニピュレータアセンブリを例示する概略図である。
【００２８】
【図１２】図１１の高度に構成可能なマニピュレータアセンブリを新しい孔位置に手作業で再位置決めする際の挑戦の一部を概略的に例示している。
【００２９】
【図１３】新しい孔位置へのマニピュレータの手動の再位置決めの間に動きの範囲又は同等のことを高めるような図１１のアームの再構成を概略的に例示している。
【００３０】
【図１４】アームの手動の動作中にある範囲の代替的なジョイント構成内のマニピュレータアセンブリのジョイントをロボット式に再構成することを概略的に例示している。
【図１５】アームの手動の動作中にある範囲の代替的なジョイント構成内のマニピュレータアセンブリのジョイントをロボット式に再構成することを概略的に例示している。
【００３１】
【図１６】完全に制約された逆ヤコビマスタ／スレーブ速度コントローラを概略的に例示する簡略化されたブロック図である。
【００３２】
【図１７】逆ヤコビコントローラモジュールが、マニピュレータアセンブリに対する制御を可能にするために、構成依存部分空間フィルタを有する第２のモジュールと組み合わせられた、修正されたマスタ／スレーブコントローラの簡略化された図である。
【００３３】
【図１８】図１７に例示する簡略化されたマスタ−スレーブ制御装置の精緻化を例示している。
【００３４】
【図１９】完全に制約されたマスタ／スレーブロボット手術システムのための例示的な逆ヤコビコントローラを概略的に例示している。
【００３５】
【図２０】コントローラがシステム制約及び／又は目標の異なるレベルの優先度を尊重するよう、逆ヤコビコントローラが構成依存フィルタで修正された、図１１のコントローラの修正された部分を概略的に例示している。
【００３６】
【図２１】幾つかの実施形態に従った例示的な患者側ロボットマニピュレータアセンブリの遠位部分の側面図であり、ロボットマニピュレータアセンブリは手術部位に対して第１の構成にある。
【００３７】
【図２２】図２１の例示的な患者側ロボットマニピュレータアセンブリの他の側面図であり、ロボットマニピュレータアセンブリは手術部位に対して第２の構成にある。
【００３８】
【図２３】幾つかの実施形態に従った手術器具の挿入を制御する２段階方法のフローチャートである。
【００３９】
【図２４】幾つかの実施形態に従った他の例示的な患者側ロボットマニピュレータアセンブリの遠位部分の側面図である。
【００４０】
【図２５】幾つかの実施形態に従った他の例示的な患者側ロボットマニピュレータアセンブリの遠位部分の側面図である。
【００４１】
【図２６】幾つかの実施形態に従った他の例示的な患者側ロボットマニピュレータアセンブリの遠位部分の側面図である。
【００４２】
【図２７】幾つかの実施形態に従った他の例示的な患者側ロボットマニピュレータアセンブリの遠位部分の側面図である。
【００４３】
【図２８】幾つかの実施形態に従った他の例示的な患者側ロボットマニピュレータアセンブリの遠位部分の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
様々な図面中の同等の参照記号は、同等の要素を示している。
【００４５】
本発明の態様、実施形態、実施又は適用を例示するこの記述及び添付の図面は、限定として理解されるべきでない−請求項が保護される発明を定める。この記述及び請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な機械的、組成的、構造的、電気的、及び動作的な変更が行われることがある。幾つかの例では、本発明を不明瞭にしないために、よく知られている回路、構造、また技法は、詳細に示されないか或いは詳細に記載されない。２以上（２つ又はそれよりも多くの）図における同等の数字は、同じ又は類似の要素を表している。
【００４６】
更に、１以上（１つ又はそれよりも多く）の実施形態及び任意的な要素又は構成を記載するために選択される特定の用語は、本発明を限定することを意図しない。例えば、「下」、「より下」、「下方」、「より上」、「上方」、「近位」、「遠位」、及び同等の表現のような、空間的に相対的な用語は、図１例示されるような他の要素又は構成に対する１つの要素又は構成の関係を記載するために使用されることがある。これらの空間的に相対的な用語は、図に示される位置及び向きに加えて、使用中又は動作中のデバイスの異なる位置（即ち、並進配置）及び向き（即ち、回転配置）を包含することを意図する。例えば、図中のデバイスがひっくり返されるならば、他の要素又は機能の「下」又は「より下」として記載された要素は、他の要素又は構成の「上」又は「より上」にある。よって、例示的な用語「下」は、上及び下の両方の位置及び向きを含むことができる。デバイスは、他の方法において（例えば、９０度回転させられて或いは他の向きで）方向付けられてよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子は相応して解釈される。同様に、様々な軸に沿った動き（並進）及び様々な軸の周りの動き（回転）の記述は、様々な特別なデバイスの位置及び向きを含む。身体の位置及び向きの組み合わせは、身体の姿勢を定める。
【００４７】
同様に、「平行」、「垂直」、「丸い」、又は「正方形」のような、幾何学的用語は、文脈が他のことを示さない限り、絶対的な数学的精度を要求することを意図しない。代わりに、そのような幾何学的用語は、製造又は均等な機能に起因する変動を許容する。例えば、ある要素が「丸い」又は「概ね丸い」ものと記載されるならば、精密に円形でないコンポーネント（例えば、僅かに長円形である或いは多面付き多角形であるコンポーネント）は、依然としてこの記述によって包含される。「含む」又は「有する」という用語は、含むことを意味するが、それに限定されない。
【００４８】
この記述は十分に明瞭であり、簡潔であり、正確であるように行われているが、綿密で網羅的な言語精度は常に可能でなく或いは望ましくないことが理解されるべきである。何故ならば、記述は合理的な長さに保たれるべきであり、熟練した読者は背景及び関連する技術を理解するからである。例えば、ビデオ信号を考えると、熟練した読者は、信号を表示するものとして記載されたオシロスコープが、信号自体を表示しないが、信号の表現を表示すること、並びに、信号を表示するものとして記載されたビデオモニタが、信号自体を表示しないが、信号が運ぶビデオ情報を表示することを理解するであろう。
【００４９】
加えて、単数形「ａ」、「an」、及び「the」は、文脈が他のことを示さない限り、複数形も含むことを意図する。また、「含む（comprises）」、「含む（includes）」、「有する（has）」という用語、及び同等の用語は、述べられた構成、ステップ、動作、要素、及び／又はコンポーネントの存在を特定するが、１以上の他の構成、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又は群の存在又は追加を妨げない。そして、１以上の個々の列挙される品目又は１以上の個々の列挙される品目の各々は、特に断りのない限り任意であると考えられるべきであり、よって、品目の様々な組み合わせは、各々の可能な組み合わせの網羅的なリストなしに記載される。同様に、補助動詞は、構成、ステップ、動作、要素、又はコンポーネントが任意的であることを意味することがある。
【００５０】
１つの実施形態、実施、又は適用を参照して詳細に記載される要素は実用的であるときにはいつでも、他の実施形態、実施、又はそれらが具体的に示され或いは記載される適用に含まれてよい。例えば、ある要素が１つの実施形態を参照して詳細に記載されており、第２の実施形態を参照して記載されていないならば、その要素は、それにも拘わらず、第２の実施形態に含まれているものとして請求される。よって、以下の記述における不必要な繰返しを避けるために、１つの実施形態、実施、又は適用との関連において示され且つ記載される１以上の要素は、他のことが記載されていない限り、１以上の要素が実施形態又は実施を機能しないものにしない限り、或いは、それらの要素の２以上が干渉する機能を提供しない限り、他の実施形態、
実施、又は適用に組み込まれてよい。
【００５１】
連結されているものとして記載される要素は、電気的又は機械的に直接的に連結されてよく、或いはそれらは１以上の中間コンポーネントを介して間接的に連結されてよい。
【００５２】
機械的構造、コンポーネント、又はコンポーネントアセンブリのような部品との関連における、「フレキシブル(可撓)(flexible)」という用語は、広く解釈されるべきである。本質的に、その用語は、部品を傷付けることなく、部品を繰り返し屈曲させて、元の形状に復元できることを意味する。多くの「剛性(rigid)」物体は、材料特性の故に僅かに固有の弾力性のある「曲がり」を有するが、その用語が本明細書で使用されるとき、そのような物体は「フレキシブル」と考えられない。フレキシブルな部分は、無限の自由度（ＤＯＦ）を有することがある。そのような部品の例は、多くの場合に有意な断面変形を伴わずに、様々な単純な又は複合的な曲線に曲げることができる、（例えば、ニチノール、ポリマ、軟質ゴム、及び同等物から作られた）閉鎖した曲げ可能なチューブ、らせんコイルバネなどを含む。他のフレキシブルな部品は、連続した「椎骨」の蛇のような配置に類似する一連の密接に離間したコンポーネントを使用することによって、そのような無限の自由度部分に近似してよい。そのような椎骨構成において、各コンポーネントは、運動連鎖における短いリンクであり、各リンク間の移動可能な機械的制約（例えば、ピンヒンジ、カップ及びボール、ライブヒンジ、及び同等物）は、リンク間の相対的な動きの１つのＤＯＦ（例えば、ピッチ）又は２つのＤＯＦ（例えば、ピッチ及びヨー）を可能にすることがある。短いフレキシブルな部品は、フレキシブルな部品自体が幾つかの連結されたリンクからなる運動連鎖であるとしても、運動連鎖内の２つのリンク間に１以上のＤＯＦを提供する、単一の機械的制約（ジョイント）として機能することがあり、且つそのような単一の機械的制約（ジョイント）としてモデル化されることがある。知識のある人は、部品のフレキシビリティ（可撓性）がその剛性に関して表わされることを理解するであろう。
【００５３】
この記述中で述べられない限り、機械的構造、コンポーネント、又はコンポーネントアセンブリのような、フレキシブルな部品は、能動的に又は受動的にフレキシブルであってよい。能動的にフレキシブルな部品は、部品自体と本質的に関連付けられる力を使用することによって曲げられることがある。例えば、１以上の腱（テンドン）は、部品に沿って長手方向に経路指定されることがあり、部品の長手軸からオフセットされることがあるので、1以上の腱に対する張力は、部品又は部品の一部分を曲がるようにさせる。能動的にフレキシブルな部品を能動的に屈曲させる他の方法は、空圧力又は液圧力、歯車、電気活性ポリマ（より一般的には「人工筋肉」）、及び同等物の使用を含むが、これらに限定されない。受動的にフレキシブルな部品は、部品に対して外部の力（例えば、加えられた機械的な又は電磁気的な力）を使用することによって曲げられる。受動的にフレキシブルの部品は、再び曲げられるまで、その曲げられた形状のままであってよく、或いはそれは部品を元の形状に戻す傾向を有する固有の特性を有してよい。固有の剛性を備える受動的にフレキシブルな部品の例は、プラスチックロッド又は弾力性ゴムチューブである。その固有に関連付けられる力によって作動させられないとき、能動的にフレキシブルな部品は、受動的にフレキシブルであることがある。単一の部品は、直列の１以上の能動的かつ受動的なフレキシブルな部品から作られてよい。
【００５４】
本発明の態様は、Sunnyvale,  CaliforniaのIntuitive  Surgical,  Inc.によって商品化されているda  Vinci（登録商標）Surgical  Systemを使用する実施に関して主に記載されている。そのような手術システムの例は、da  Vinci（登録商標）Xi（TM）Surgical  System（モデルIS4000）及びda  Vinci（登録商標）Si（TM）HD（TM）Surgical  System（モデルIS3000）である。しかしながら、知識のある人は、本明細書に開示する発明的な態様が、手動及びコンピュータ支援の実施形態と実施のコンピュータ支援、非コンピュータ支援、及び混成の組み合わせを含む、様々な方法で具現され且つ実施されてよいことを理解するであろう。da  Vinci（登録商標）Surgical  System（例えば、モデルIS4000、モデルIS3000、モデルIS2000、モデルIS1200）の実施は、単なる例示であり、本明細書に開示する発明的な態様の範囲を限定するものと考えられてならない。適用可能であるならば、発明的な態様は、比較的より小さな手持ち式の手操作デバイスにおいて、追加的な機械的支持体を有する比較的より大きなシステムにおいて、並びに、診断、非外科処置、最小侵襲外科処置、及び非最小侵襲外科処置のための処置のような、全ての種類の医療処置において使用される、非遠隔操作及び遠隔操作医療デバイスを含む、コンピュータ支援デバイスの他の実施形態において、具現又は実施されてよい。適用可能であるとき、発明的な態様は、産業ロボット及び他のロボットシステムのような、非医療システムにおいて具現及び実施されてよい。
【００５５】
開示の構造及び機構の小さなスケールは、より大きなスケールで構築された類似の構造及び機構において見出される構造及び機構とは異なる特異な機械的条件並びにこれらの構造及び機構の構築の困難を創り出すことが理解されるべきである。何故ならば、材料の力及び強度は、機構の大きさと同じ比率で増減しないからである。例えば、機械特性、材料特性、及び製造上の考慮事項の故に、８ｍｍのシャフト直径を有する手術器具を、５ｍｍのシャフト直径に単純に縮小させることができない。同様に、５ｍｍのシャフト直径のデバイスを、３ｍｍのシャフト直径のデバイスに単純に縮小させることはできない。物理的寸法が減少すると、有意な機械的懸念が存在する。
【００５６】
コンピュータは、プログラムされた命令に従って入力された情報に対して数学的又は論理的な機能を実行して処理された出力情報を生成する機械である。コンピュータは、数学的又は論理的機能を実行する論理ユニットと、プログラムされた命令、入力情報及び出力情報を格納するメモリとを含む。「コンピュータ」という用語及び「プロセッサ」又は「コントローラ」のような類似の用語は、単一の場所及び分散された実装の両方を含む。
【００５７】
この開示は、改良された医療及びロボットデバイス、システム、並びに方法を提供する。発明的な着想は、医療処置中に複数の手術ツール又は器具が関連する複数のロボットマニピュレータに取り付けられ且つそれらによって動かされる医療ロボットシステムのような、コンピュータ支援医療システムと共に使用されることができる。ロボットシステムは、しばしば、マスタスレーブコントローラとして構成されるプロセッサを含む、最小侵襲システム、非遠隔操作システム、遠隔操作システム、遠隔手術システム、及び／又はテレプレゼンスシステムを含む。比較的多数の自由度を有する関節作動リンケージを備えるマニピュレータアセンブリを動かすように適切に構成されたプロセッサを利用するロボットシステムを提供することによって、リンケージの動きを、最小侵襲自然開口部又は他のアクセス部位を通じた作業に合わせることができる。多数の自由度は、プロセッサがこれらの可動構造及び同等物の間の干渉又は衝突を抑制するようにマニピュレータを位置決めすることも可能にすることがある。
【００５８】
本明細書に記載するロボットマニピュレータアセンブリは、しばしば、ロボットマニピュレータと、その上に取り付けられるツール（外科バージョンの手術器具をしばしば含むツール）を含むが、「ロボットアセンブリ」という用語は、その上にツールが取り付けられていないマニピュレータも包含する。「ツール」という用語は、一般ロボットツール又は産業ロボットツール及び特殊なロボット手術器具の両方を包含し、これらの後者の構造は、しばしば、組織の操作、組織の治療、組織の撮像、又は同等の行為に適したエンドエフェクタを含む。ツール／マニピュレータインタフェースは、しばしば、迅速切断ツールホルダ又はカップリングであり、ツールの迅速な取外し及び代替的なツールとの迅速な交換を可能にする。マニピュレータアセンブリは、しばしば、ロボット処置の少なくとも一部の間に空間内で固定されるベースを有し、マニピュレータアセンブリは、ツールのエンドエフェクタとベースとの間に多数の自由度を含むことがある。エンドエフェクタの（把持デバイスのジョーの開閉、電気外科パドルの通電、又は同等のこと）のような作動は、しばしば、これらのマニピュレータアセンブリの自由度とは別個であり、且つこれらのマニピュレータアセンブリの自由度に追加的である。
【００５９】
エンドエフェクタは、典型的には、２〜６の間の自由度で作業空間内を動く。本明細書において使用するとき、「位置(position)」という用語は、位置及び向きの両方を包含する。故に、（例えば）エンドエフェクタの位置の変更は、第1の場所から第２の場所へのエンドエフェクタの移動、第１の方向から第２の方向へのエンドエフェクタの回転、又は両方の組み合わせを包含することがある。
【００６０】
最小侵襲ロボット手術又は他の医療処置のために使用されるとき、マニピュレータアセンブリの動きは、システムのプロセッサによって制御されることがあるので、ツール又は器具のシャフト又は中間部分は、最小侵襲手術アクセス部位又は他の孔を通じる安全な卯木器に制約される。そのような動きは、例えば、孔部位を通じるシャフトの軸方向の挿入、その軸についてのシャフトの回転、及びアクセス部位に隣接するピボット点についてのシャフトのピボット運動を含むが、しばしば、さもなければ孔に隣接する組織を引き裂くか或いはアクセス部位を意図せずに拡大することがある、シャフトの過剰な横方向の動きを排除する。アクセス部位でのマニピュレータの動きに関するそのような制約の一部又は全部は、不適切な動きを禁止する機械的マニピュレータジョイントリンクを使用して課されてよく、或いはロボットデータ処理及び制御技法を使用して部分的に又は完全に課されてよい。故に、マニピュレータアセンブリのそのような最小侵襲孔で制約された運動は、マニピュレータアセンブリの０〜３の間の自由度を採用することがある。
【００６１】
本明細書に記載する例示的なマニピュレータアセンブリの多くは、手術部位内でエンドエフェクタを位置決めし移動させるのに必要とされるよりも多くの自由度を有する。例えば、最小侵襲孔を通じて内部手術部位に６つの自由度で位置付けることができる外科エンドエフェクタは、幾つかの実施形態において、９つの自由度（６つのエンドエフェクタ自由度−位置について３つの自由度及び向きについて３つの自由度に加えて、アクセス部位制約に従う３つの自由度）を有することがあるが、しばしば１０よりも多くの自由度を有する。所与のエンドエフェクタ位置について必要とされる自由度よりも高い自由度を有する高度に構成可能な(highly  configurable)マニピュレータアセンブリを、作業空間内のエンドエフェクタ位置についてある範囲のジョイント状態を可能にするのに十分な自由度を有するか或いは提供するものとして記載することができる。例えば、所与のエンドエフェクタ位置について、マニピュレータアセンブリは、ある範囲の代替的なマニピュレータリンク位置のうちのいずれかを占めてよく（或いはその間で駆動させられてよい）。同様に、所与のエンドエフェクタ速度ベクトルについて、マニピュレータアセンブリは、マニピュレータアセンブリの様々なジョイントのためにある範囲の異なるジョイント移動速度を有してよい。
【００６２】
図１及び図２を参照すると、最小侵襲遠隔手術用のシステムが、患者側カート１００と、外科医コンソール４０とを含むことができる。外科手術は、外科医が、手で器具を直接的に保持して動かすというよりもむしろ、何らかの形態の遠隔制御、例えば、サーボ機構又は同等物を使用して、手術器具の動きを操作する、外科システムの一般用語である。例えば、外科医コンソール４０を用いて患者側カート１００を制御することは、遠隔手術の一種である。対照的に、マニピュレータ又は器具を手動で所望の構成に押す或いは引っ張ることによって患者側カートを直接的に制御することは、遠隔操作されない制御を含む。ロボット操作可能な手術器具は、観血手術のためにアクセスすることに伴う外傷を回避して、患者内の手術部位の組織を治療するために、小さな最小侵襲外科孔を通じて挿入されることができる。これらのロボットシステムは、しばしば、最小侵襲孔で器具のシャフトを枢動させること、孔を通じてシャフトを軸方向に摺動させること、孔内でシャフトを回転させること、及び／又は同等のことによって、極めて複雑な手術タスクを行う十分な器用さを伴って手術器具の作業端を動かすことができる。
【００６３】
描写する実施形態において、患者側カート１００は、ベース１１０と、第１のロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０と、第２のロボットマニピュレータアームアセンブリ１３０と、第３のロボットマニピュレータアームアセンブリ１４０と、第４のロボットマニピュレータアームアセンブリ１５０とを含む。各ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０は、ベース１１０に枢動可能に連結されている。幾つかの実施形態では、４つよりも少ない又は４つより多いロボットマニピュレータアームアセンブリが患者側カート１００の一部として含まれてよい。描写の実施形態において、ベース１１０は、移動の容易さを可能にするキャスタを含むが、幾つかの実施形態において、患者側カート１００は、床、天井、手術台、構造フレームワーク、又は同等物に固定的に取り付けられる。
【００６４】
典型的な用途では、ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０のうちの２つが手術器具を保持し、第３の手術器具が立体内視鏡を保持する。残余のロボットマニピュレータアームアセンブリは、別の器具が作業部位で導入されることがあるよう、利用可能である。代替的に、残余のロボットマニピュレータアームアセンブリは、第２の内視鏡又は超音波変換器のような別の画像取込みデバイスを作業部位に導入するために使用されてよい。
【００６５】
ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０の各々は、従来的には、互いに連結されて作動可能なジョイントを通じて操作されるリンクで形成される。ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０の各々は、セットアップアームと、デバイスマニピュレータとを含む。セットアップアームは、ピボット点が患者内へのその入口孔で生じるよう、その保持されるデバイスを位置付ける。次に、デバイスマニピュレータは、その保持されるデバイスがピボット点について枢動させられ、入口孔に挿入され、入口孔から引き抜かれ、そのシャフト軸について回転するよう、その保持されるデバイスを操作する。
【００６６】
描写する実施形態において、外科医コンソール４０は、ユーザが患者側カート１００の立体視カメラによって取り込まれる画像から立体視野(stereo vision)で手術部位を見ることがあるよう、立体視野ディスプレイ４５を含む。左右の接眼レンズ４６，４７は、ユーザがユーザの左眼及び右眼でディスプレイ４５の内側の左ディスプレイスクリーン及び右ディスプレイスクリーンをそれぞれ見ることがあるよう、立体視野ディスプレイ４５内に設けられている。典型的には、適切なビューア又はディスプレイ上の手術部位の画像を見ながら、外科医は、マスタ制御入力デバイスを操作することによって患者に対して外科手術を行い、次いで、マスタ制御入力デバイスは、ロボット器具の動きを制御する。
【００６７】
外科医コンソール４０は、好ましくは、６つの自由度（ＤＯＦ）において患者側カート１００のロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０によって保持されているデバイス（例えば、手術器具）を操作するために、ユーザが自分の左右の手でそれぞれ把持してよい左右の入力デバイス４１，４２も含む。褄先及び踵制御装置を備えるフットペダル４４が外科医コンソールに設けられているので、ユーザはフットペダルと関連付けられるデバイスの動き及び／又は作動を制御することがある。
【００６８】
プロセッサ４３は、制御及び他の目的のために外科医コンソール４０に設けられる。プロセッサ４３は、医療ロボットシステムにおいて様々な機能を実行する。プロセッサ４３によって実行される1つの機能は、入力デバイス４１，４２の機械的な動きを変換して伝達して、外科医が手術器具のようなデバイスを効果的に操作することができるようそれらの関連するロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０内のそれらのそれぞれのジョイントを作動させることである。プロセッサ４３の別の機能は、本明細書に記載する方法、クロスカップリング制御ロジック、及びコントローラを実施することである。
【００６９】
プロセッサとして記載されるが、プロセッサ４３は、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの任意の組み合わせによって実装されてよいことが理解されるべきである。また、本明細書に記載するようなその機能は、１つのユニットによって実行されてよく、或いは多数のサブユニットの間で分割されてよく、サブユニットの各々は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの任意の組み合わせによって順に実装されてよい。更に、外科医コンソール４０の一部として示され或いは外科医コンソール４０に物理的に隣接して示されているが、プロセッサ４３は、遠隔手術システムを通じてサブユニットとして分散されてもよい。
【００７０】
図３も参照すると、ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０は、最小侵襲手術を実行するために手術器具のようなデバイスを操作することができる。例えば、描写の構成において、ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０は、器具ホルダ１２２に枢動可能に連結されている。次に、カニューレ１８０及び手術器具２００が、器具ホルダ１２２に解放可能に連結されている。カニューレ１８０は、手術中に患者インタフェース部位に配置される管状部材である。カニューレ１８０は、手術器具２００の細長いシャフト２２０が摺動可能に配置される管腔を定める。
【００７１】
器具ホルダ１２２は、ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０の遠位端に枢動可能に連結されている。幾つかの実施形態において、器具ホルダ１２２とロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０の遠位端との間の枢動可能な連結は、外科医コンソール４０及びプロセッサ４３によって作動可能な電動ジョイントである。
【００７２】
器具ホルダ１２２は、器具ホルダフレーム１２４と、カニューレクランプ１２６と、器具ホルダキャリッジ１２８とを含む。描写の実施形態において、カニューレクランプ１２６は、器具ホルダフレーム１２４の遠位端に固定されている。カニューレクランプ１２６を作動させて、カニューレ１８０と連結させることができ或いはカニューレ１８０から外すことができる。器具ホルダキャリッジ１２８は、器具ホルダフレーム１２４に移動可能に連結されている。より具体的には、器具ホルダキャリッジ１２８は、器具ホルダフレーム１２４に沿って線形に並進可能である。幾つかの実施形態において、器具ホルダフレーム１２４に沿う器具ホルダキャリッジ１２８の動きは、プロセッサ４３によって作動可能／制御可能な電動の並進運動である。
【００７３】
手術器具２００は、伝動装置アセンブリ２１０(transmission  assembly)と、細長いシャフト２２０と、エンドエフェクタ２３０とを含む。伝動装置アセンブリ２１０は、器具ホルダキャリッジ１２８と解放可能に連結可能である。シャフト２２０は、伝動装置アセンブリ２１０から遠位に延びている。エンドエフェクタ２３０は、シャフト２２０の遠位端に配置されている。
【００７４】
シャフト２２０は、カニューレ１８０の長手軸と一致する長手軸２２２を定める。器具ホルダキャリッジ１２８が器具ホルダフレーム１２４に沿って並進すると、手術器具２００の細長いシャフト２２０は、長手軸２２２に沿って移動させられる。そのようにして、エンドエフェクタ２３０を患者の体内の外科作業空間に挿入することができ且つ／或いはそこから後退させることができる。
【００７５】
また、 図４〜図６を参照すると、異なる種類の様々な代替的なロボット手術器具及び異なるエンドエフェクタ２３０が使用されてよく、マニピュレータのうちの少なくとも幾つかのマニピュレータの器具は、外科処置中に取り除かれて、交換される。例えば、ドベーキー鉗子５６ｉ（DeBakey  Forceps）、マイクロ鉗子５６ｉｉ(microforceps)、及びポット鋏５６ｉｉｉ（Potts  scissors）を含む、これらのエンドエフェクタのうちの幾つかは、一対のエンドエフェクタジョーを定めるよう互いに対して枢動する第1及び第２のエンドエフェクタ要素５６ａ，５６ｂを含む。メス及び電気焼灼プローブを含む他のエンドエフェクタは、単一のエンドエフェクタ要素を有する。エンドエフェクタジョーを有する器具について、ジョーは、しばしば、入力デバイス４１，４２のグリップ部材を握ることによって作動させられる。
【００７６】
細長いシャフト２２０は、エンドエフェクタ２３０及びシャフト２２０の遠位端が、しばしば腹壁又は同等物を通じて（カニューレ180を介して）最小侵襲孔を通じて手術部位に遠位に挿入されることを可能にする。外科作業部位は通気されてよく、患者内のエンドエフェクタ２３０の動きは、しばしば、少なくとも部分的に、シャフト２２０が最小侵襲孔を通過する場所についての器具２００の枢動(pivoting)によってもたらされる。換言すると、ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０は、エンドエフェクタ５０の所望の動きを提供するのを助けるために、シャフト２２０が最小侵襲孔の場所を通じて延びるよう、伝動装置アセンブリ２１０を患者の外側に移動させる。故に、ロボットマニピュレータアームアセンブリ１２０，１３０，１４０，１５０は、しばしば、外科処置中に患者の外側で有意な動きを受ける。
【００７７】
図７〜図１０を参照すると、例示的なロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４を手術器具３０６と連結して、ベース３０２に対する手術器具３０６の動きに影響を及ぼすことができる。異なるエンドエフェクタを有する多数の異なる手術器具が（典型的には外科助手の助けを借りて）外科処置中に各ロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４に順次取り付けられることがあるので、器具ホルダ３２０は、取り付けられる手術器具３０６の迅速な取外し及び交換を可能にすることが好ましい。例示的なロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４は、この開示の範囲内で想定される様々な種類のロボットマニピュレータアームアセンブリの1つの非限定的な例であるに過ぎない。
【００７８】
例示的なロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４は、ロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４の残部が第１のジョイント軸Ｊ１について回転するのを可能にするよう、枢動的な取付けジョイント３２２によってベース３０２に取り付けられ、第１のジョイント３２２は、例示的な実施形態において垂直軸についての回転をもたらす。ベース３０２及び第１のジョイント３２２は、一般的に、ロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４の近位部分を含み、マニピュレータが、ベースから器具ホルダ３２０及びエンドエフェクタ５０に向かって遠位に延びる。
【００７９】
図１０に例示されるようなリンクを接続するジョイントの回転の軸と共に、図７〜図９に例示されるようなロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４の個々のリンクを記載すると、第１のリンク３２４がベース３０２から遠位に延び、ジョイント３２２で第１の枢動ジョイント軸Ｊ１について回転する。ジョイントの残余の多くを、図１０中のそれらの関連する回転軸によって特定することができる。例えば、第１のリンク３２４の遠位端が、水平枢動軸Ｊ２を提供するジョイントで第２のリンク３２６の近位端に連結される。第３のリンク３２８の近位端が、ロールジョイントで第２のリンク３２６の遠位端に連結されるので、第３のリンクは、概して、第２及び第３のリンクの軸に沿って（並びに理想的には第２及び第３のリンクと整列して）延びる軸についてジョイントＪ３で回転又は転動する。遠位に進むと、別の枢動ジョイントＪ４の後で、第４のリンク３３０の遠位端は、器具ホルダリスト３３２を一緒に定める一対の枢動ジョイントＪ５，Ｊ６によって、器具ホルダ３２０に連結される。ロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４の並進又はプリズムジョイントＪ７は、最小侵襲孔を通じる手術器具３０６の軸方向移動を容易にし、手術器具３０６が摺動可能に挿入されるカニューレへの器具ホルダ３２０の取付けも容易にする。
【００８０】
器具ホルダ３２０の遠位に、手術器具３０６は、追加的な自由度を含んでよい。手術器具３０６の自由度の作動は、しばしば、ロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４のモータによって駆動される。代替的な実施形態は、ここでは手術器具３０６上にあるものとして示されている１以上のジョイントが代わりにインタフェース上にあるか或いはその逆であるよう、迅速に取外し可能な器具ホルダ／器具インタフェースで手術器具３０６を支持マニピュレータアーム構造から分離してよい。換言すれば、手術器具３０６とロボットマニピュレータアームアセンブリ３０４との間のインタフェースは、（手術器具３０６及びマニピュレータアームアセンブリ３０４の両方を含むことがある）マニピュレータアームアセンブリ３０４の運動連鎖に沿ってより近位に又はより遠位に配置されてよい。例示的な実施形態において、手術器具３０６は、最小侵襲孔の部位に概ね配置されるピボット点ＰＰの近位に、回転ジョイントＪ８を含む。手術器具３０６の遠位リストは、器具リストジョイント軸Ｊ９，Ｊ１０についてのエンドエフェクタ５０のピボット運動を可能にする。エンドエフェクタジョー要素間の角度αは、エンドエフェクタ５０の場所及び向きと無関係に制御されることがある。
【００８１】
ここで図１１〜図１３を参照すると、例示的なロボットマニピュレータアームアセンブリ５０２は、マニピュレータアームアセンブリ５０４と、エンドエフェクタ５０８を有する手術器具５０６とを含む。本明細書で使用するとき、マニピュレータアセンブリという用語は、幾つかの場合には、その上に取り付けられる手術器具のないマニピュレータアームも包含する。例示のロボットマニピュレータアームアセンブリ５０２は、概して、近位ベース５１０からエンドエフェクタ５０８に対して遠位に延び、エンドエフェクタ５０８及び手術器具５０６の遠位部分は、最小侵襲手術アクセス５１４を介して内部手術部位５１２への挿入のために構成される。ロボットマニピュレータアームアセンブリ５０２のジョイント構造は、図１０に関して上述したものと類似し、手術器具５０６が最小侵襲孔５１４を通過するよう拘束されるときでさえも、マニピュレータアセンブリが所与のエンドエフェクタ位置のために異なるジョイント状態の範囲内のどこかにあることを可能にするのに十分な自由度を含む。
【００８２】
最小侵襲外科処置へのアクセス部位が第１の孔場所５１４ａから第２の孔場所５１４ｂに変更されるべきときには、ロボットマニピュレータアームアセンブリ５０２のリンクの一部又は全部を手動で再位置決めする(reposition)ことがしばしば望ましい。同様に、手術のためにロボットマニピュレータアセンブリ５０２を最初に設定するとき、マニピュレータアセンブリ５０２は、関連する手術器具５０６が手術部位５１２にアクセスできる孔場所と整列させられた所望の位置に手動で移動させられてよい。しかしながら、（例えば）ベース５１０と器具／マニピュレータインタフェース（図１０を参照）との間に比較的多数のジョイントを有する高度に構成可能なマニピュレータアーム構造に鑑みると、リンクのそのような手動位置決めは挑戦的であり得る。ロボットマニピュレータアセンブリ５０２構造が重力の効果を回避するように均衡させられるときでさえも、ジョイントの各々を適切な配置において整列させることを試みることは、一人の人にとっては困難である可能性があり、時間がかかる可能性があり、有意な訓練及び／又は技能を伴うことがある。ロボットマニピュレータアセンブリ５０２のリンクがジョイントについて均衡させられないとき、挑戦はより一層大きい可能性がある。何故ならば、手術を開始する適切な構成においてそのような高度に構成可能な構造を位置決めすることは、マニピュレータのアームの長さ及びその受動的で柔軟な(limp)設計の故に、苦闘であり得る。
【００８３】
外科処置のためのロボットマニピュレータアセンブリ５０２を設定するのを容易にするために（或いは患者の異なる組織にアクセスするためにマニピュレータアセンブリ５０２を再構成するのを容易にするために）、外科医コンソール４０（図２を参照）のプロセッサ４３は、５０２中にマニピュレータアセンブリのジョイントを能動的に駆動させてよい。幾つかの場合、そのような駆動は、マニピュレータアセンブリ５０２の少なくとも１つのジョイントの手動の動きに応答してよい。図１３では、システム操作者（任意的に、外科医、助手、技術者、又は同等の人）の手Ｈが、ロボットマニピュレータアームアセンブリ５０２又は手術器具５０６のリンクを手動で動かして、所望の最小侵襲孔５１４ｂと整列させる。この移動の間に、プロセッサは、手／マニピュレータ係合の近位のジョイントを駆動させる。ロボットマニピュレータアームアセンブリ５０２は、しばしば、代替的な構成の範囲内にあるよう十分な自由度を有するので、近位ジョイントは、ロボットマニピュレータアームアセンブリ５０２の遠位部分の手動の位置決めを妨げずに、所望のマニピュレータ状態に駆動させられることがある。任意的に、ジョイントは、運動量効果(momentum  effects)を抑制して、構成可能なリンケージアセンブリを所望の姿勢に維持するために或いは同様の目的のために、そのジョイントでマニピュレータ構造を塑性変形させる印象を手に与えるよう手動運動に対する所望の（しばしば容易に克服される）抵抗を提供するよう、重力を補償するように駆動させられてよい。この動きは、ロボットマニピュレータアームアセンブリ５０４に取り付けられた手術器具５０６で行われるものとして図3に示されているが、マニピュレータアセンブリは、しばしば、ロボットマニピュレータアームアセンブリ５０４への手術器具５０６の取付けに先立ち、手動で位置決めされる。
【００８４】
図１４及び１５を参照すると、ロボットマニピュレータアセンブリ５０２は、様々な異なる理由のうちのいずれかの故に、プロセッサ４３（図２）によって再構成されてよい。例えば、関節５２６は、呼吸している患者などのような患者の生理学的な動きに応答して、手術台の向きの変更によるような患者の位置変更に応答して、並びに同等のことに応答して、エンドエフェクタ５０８の動作範囲を広げるよう、隣接するアーム、機器、又は人員との衝突を妨げるために、下向きに向けられた頂点構成から上向きに向けられた頂点構成に駆動されてよい。ロボットマニピュレータアセンブリ５０２の構成におけるこれらの変化の全部ではないが、それらの一部は、マニピュレータアセンブリ５０２に加えられる外力に応答してよく、プロセッサ４３は、しばしば、外力によって作用されるジョイント以外のマニピュレータアセンブリ５０２の異なるジョイントを駆動する。他の場合、プロセッサ４３は、プロセッサ４３によって行なわれる計算に応答して、ロボットマニピュレータアセンブリ５０２を再構成する。いずれの場合においても、プロセッサ４３は、好ましいマニピュレータアセンブリ５０２構成を提供する信号に応答して、単純なマスタ−スレーブコントローラからロボットマニピュレータアセンブリ５０２に変わってよい。ロボットマニピュレータアセンブリ５０２のそのような構成は、マスタ−スレーブエンドエフェクタの動作中に、マニピュレータアセンブリ５０２の手動の又は他の再構成中に、及び／又は少なくとも部分的にクラッチ入力の解放後のような異なる時間に起こることがある。
【００８５】
ここで図１６を参照すると、簡略化されたコントローラ概略図５３０は、マスタ入力デバイス５３４をスレーブマニピュレータ５３６に連結するマスタ／スレーブコントローラ５３２を示している。この例において、コントローラ入力、出力、及び計算は、ベクトル数学的表記(mathematical  notation)を使用して記載され、その場合、ベクトルｘは、デカルト座標内の位置ベクトルを頻繁に参照し、ベクトルｑは、ジョイント空間内のリンケージ位置と呼ぶことがある、関連するリンケージ（最も頻繁にはマニピュレータスレーブリンケージ）のジョイント関節作動構成ベクトル(joint  articulation  configuration  vector)を参照する。それにも拘わらず曖昧さが存在するときには、これらのベクトルに下付き文字(subscripts)を付けて特定の構造を識別することができるので、（例えば）ｘｍは、関連するマスタ作業空間又は座標系内のマスタ入力デバイスの位置であるのに対し、ｘｓは、作業空間内のスレーブの位置である。位置ベクトルと関連付けられる速度ベクトルは、マスタ速度ベクトルについてのｘｄｏｔｍ又は
2019522537.tif 000003
のように、ベクトル上の点又はベクトルと下付き文字との間の単語「ドット」で示され、速度ベクトルは、時間の変化に伴う位置ベクトルの変化として数学的に定められる（マスタ速度ベクトルの例についてはｄｘｍ／ｄｔ）。
【００８６】
例示的なコントローラ５３２は、逆ヤコビ速度コントローラを含む。ｘｍがマスタ入力デバイスの位置であり、
2019522537.tif 000004
がマスタ入力デバイスの速度である場合、コントローラ５３２は、マニピュレータ５３６への伝送(transmission)のためのモータコマンドを計算して、マスタ速度から入力デバイスに対応するスレーブエンドエフェクタ動作をもたらす。同様に、コントローラ５３２は、スレーブ位置ｘｓ及び／又はスレーブ速度
2019522537.tif 000005
からマスタ入力デバイスに適用されるべき（並びにそこから操作者の手に適用されるべき）力反射信号(force  reflection  signals)を計算することができる。図１９に例示される精緻化及びその完全な開示を参照として本明細書に援用する米国特許第６，４２４，８８５号（「第８８５号特許」）に記載されている精緻化を含む、この単純なマスタ／スレーブ逆ヤコビコントローラの概略に対する数多くの精緻化が望ましい。
【００８７】
ここで図１７を参照すると、（「コントローラ５４２」とも呼ぶ）プロセッサ５４２が、第１のコントローラモジュール５４４と第２のコントローラモジュール５４６とを含むものとして特徴付けられることがある。第１のコントローラモジュール５４４は、逆ヤコビマスタ−スレーブコントローラのような、一次ジョイントコントローラである。第１のコントローラモジュール５４４の一次ジョイントコントローラは、マスタ入力デバイス５３４からの入力に応答して所望のマニピュレータアセンブリの動きを生成するように構成されてよい。しかしながら、上述のように、本明細書に記載するマニピュレータリンケージの多くは、空間内の所与のエンドエフェクタについてのある範囲の代替的な構成を有する。結果として、エンドエフェクタが所与の位置を取るというコマンドが、多種多様な異なるジョイント動作及び構成がもたらし、それらのうちの幾つかは、他のものよりもはるかに望ましいことがある。故に、第２のコントローラモジュール５４６は、マニピュレータアセンブリを所望の構成に駆動するのを助けるように構成されてよく、幾つかの実施形態では、マスタ−スレーブ動作中にマニピュレータを好ましい構成に向けて駆動する。多くの実施形態において、第２のコントローラモジュール５４６は、構成依存フィルタ(configuration  dependent  filter)を含む。
【００８８】
広い数学的用語では、第１のモジュール５４４の一次ジョイントコントローラ及び第２のモジュール５４６の構成依存フィルタの両方が、ジョイントの線形の結合(linear  combinations)についての制御権限(control  authority)を１以上の外科目標又はタスクへの貢献(service)に経路指定する(route)ためにプロセッサ５４２によって使用されるフィルタを含んでよい。Ｘがジョイント運動の空間であると仮定すると、Ｆ（Ｘ）は、ｉ）所望のエンドエフェクタ動作を提供し且つｉｉ）孔部位で器具シャフトのピボット運動を提供するよう、ジョイントに対する制御をもたらす、フィルタであってよい。故に、第１のモジュール５４４の一次ジョイントコントローラは、フィルタＦ（Ｘ）を含んでよい。概念的には、（１−Ｆ−１Ｆ）（Ｘ）は、一次ジョイントコントローラの目標（この例では、エフェクタ動作及び枢動器具シャフト運動）に貢献すること(serving)に対して直交するジョイント速度の線形結合に対して制御作動権限を与える構成依存部分空間フィルタを記述することができる。故に、この構成依存フィルタは、マニピュレータアセンブリの所望の姿勢を維持すること、衝突を抑制すること、又は同等のことのような、第２の目標に貢献するよう、コントローラ５４２の第２のモジュール５４６によって使用されることができる。両方のフィルタは、より特定のタスクに貢献することに対応するより多くのフィルタに更に細分されてよい。例えば、フィルタＦ（Ｘ）は、エンドエフェクタの制御及び枢動シャフト運動の制御のために、Ｆ１（Ｘ）及びＦ２（Ｘ）にそれぞれ分離されることができ、それらのうちのいずれかがプロセッサの一次タスク又は最優先タスクとして選択されてよい。
【００８９】
モジュールによって実行される数学的計算は（少なくとも部分的に）類似することがあるが、本明細書に記載するロボットプロセッサ及び制御技法は、（一次コントローラタスクと呼ぶことがある）第１のコントローラタスクのために構成される一次ジョイントコントローラと、（二次タスクと呼ぶことがある）第２のタスクのために一次ジョイントコントローラによって生成される不十分な制約のある解(under-constrained  solution)を活用する構成依存フィルタとを活用する。以下の記述の大部分では、第１のモジュールを参照して一次ジョイントコントローラを記載し、第２のモジュールを参照して構成依存フィルタを記載する。（追加的な部分空間フィルタのような）追加的な機能及び／又は様々な優先順位の追加的なモジュールが含まれてもよい。
【００９０】
本明細書の他の場所に記したように、そのような第１及び第２のモジュールを参照して記載した機能を実行するためのハードウェア及び／又はプログラミングコードは、完全に統合されてよく、部分的に統合されてよく、或いは完全に分離されてよい。コントローラ５４２は、２つのモジュールの機能を同時に使用してよく、且つ／或いは一方又は両方のモジュールが別個に又は異なる方法において使用される複数の異なるモードを有してよい。例えば、幾つかの実施形態において、第１のモジュール５４４は、マスタ−スレーブ操作中の第２のモジュール５４６及びマニピュレータアセンブリのポートクラッチ操作(port  clutching)又は他の手動の関節作動の間のようなエンドエフェクタがロボット式に駆動されていないときのシステムの構成中により大きな役割を有する第２のモジュール５４６から殆ど又は全く影響がない状態で使用されてよい。それにも拘わらず、多くの実施形態において、両方のモジュールは、ロボット運動が有効にされる殆どのとき又は全部のときに能動的であってよい。例えば、ｘｓをｘｓ，ａｃｔｕａｌに設定することにより第１のモジュールの利得をゼロに設定することによって、及び／又は逆ヤコビコントローラが構成依存フィルタを余り制御せず、構成依存フィルタにより多くの制御権限を有させるよう、逆ヤコビコントローラ内の行列のランクを減少させることによって、プロセッサ５４２のモードを組織マニピュレータモードからクラッチモードに変更するために、マニピュレータアセンブリの状態に対する第１のモジュールの影響を減少させ或いは排除することができる。
【００９１】
図１８は、図１７からの単純化されたマスタ−スレーブ制御の概略５４０の精緻化を例示しており、異なるプロセッサモードのためにどのように異なるモジュールが使用されることがあるかを示している。図１８に例示するように、第１のモジュール５４４は、例えば、ヤコビ関連行列を有する何らかの形態のヤコビコントローラを含んでよい。第２のモジュール５４６は、ポートクラッチモードにおいて、スレーブマニピュレータリンケージの手動の関節作動によって少なくとも部分的に生成されるスレーブの位置又は速度を示す、スレーブマニピュレータ５３６から信号を受信することがある。この入力に応答して、第２のモジュール５４６は、スレーブを所望のジョイント構成に構成しながら、スレーブリンケージの手動の関節作動を可能にするよう、スレーブのジョイントを駆動するのに適したモータコマンドを生成することができる。マスタ−スレーブエンドエフェクタ操作の間、コントローラは、第２のモジュール５４６を使用して、異なる信号ｂｑｄｏｔ０に基づいてモータコマンドを導出するのを助けてよい。コントローラ５４２の第２のモジュール５４６へのこの代替的な入力信号は、マニピュレータ構造に沿う最小侵襲孔ピボット場所を維持し或いは移動させるように、複数のマニピュレータ間の衝突を回避するように、マニピュレータ構造の動作範囲を拡張し且つ／或いは特異点(singularities)を回避するように、マニピュレータの所望の姿勢医をもたらすように、或いは同等のことをするように、マニピュレータリンケージを駆動させるために使用されてよい。故に、ｂｑｄｏｔ０は、一般的に、（例えば）ジョイント速度の所望のセットを含み且つ／或いは示すことができ、より一般的には、典型的にはジョイント空間内の二次的な制御目標を表すことができる。他の実施形態において、プロセッサは、クラッチ操作、二次コントローラタスク、及び同等のことのために、別個のモジュール及び／又は依存構成フィルタを含んでよい。
【００９２】
ここで図２０を参照すると、部分制御概略図５５０が、図１９に例示するコントローラの変形を例示している。制御概略図５５０は、図１１のコントローラの部分５５１の修正を極めて大まかに表している。マニピュレータアセンブリに対する制御を容易にするために、多数の自由度を有する。図２０に例示する実施形態において、第1のモジュール５４４は逆ヤコビ速度コントローラを含み、仮想スレーブ経路５５２に従って修正された逆ヤコビ行列を使用して行われる計算からの出力を備える。先ず、仮想スレーブ経路を記述すると、仮想スレーブと関連付けられるベクトルは、概ね下付き文字ｖによって示されるので、ジョイント空間内の仮想スレーブ速度ｑｄｏｔｖは、ｑｖをもたらすよう積分され、それは逆運動学モジュール５５４を使用して処理されて、仮想スレーブジョイント位置信号ｘｖが生成される。仮想スレーブ位置及びマスタ入力コマンドｘｍは、順運動学５５６を使用して結合され且つ処理される。明細書に援用した第８８５号特許を参照してより完全に理解され得るように、（しばしば単純化された動力学を有する）仮想スレーブの使用は、システムのハード限界に近づくときに、システムのソフト限界を超えるときに、及び同等のときに、よりスムーズな制御及び力反射を促進する。同様に、適切なジョイントコントローラ、入力及び出力処理、並びに同等物を介して（第２のモジュール５４６によって修正又は増強されるような）逆ヤコビ行列からの出力に応答するジョイントコントローラからのジョイントトルク信号又は同等物のようなモータコマンドの計算は、第８８５号特許により完全に記載されている。
【００９３】
第１及び第２の制御モジュール５４４，５４６によって概ね示される構造並びに本明細書に記載する制御概略図５５０の他のコンポーネント及び他のコントローラの構造に取り組むと、これらの構造は、しばしば、データ処理ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアを含む。そのような構造は、しばしば、機械可読コードで具現され且つ外科医コンソール４０のプロセッサ４３（図２を参照）による使用のために有形媒体に格納されることがある、再プログラム可能なソフトウェア、データ及び同等物を含む。機械可読コードは、ランダムアクセスメモリ、不揮発性、ライトワンスメモリ、磁気記録媒体、光記録媒体、及び同等物を含む、多種多様な異なる構成で格納されてよい。コード及び／又はそれと関連付けられるデータを具現する信号は、インターネット、イントラネット、イーサネット（登録商標）、無線通信ネットワーク及びリンク、電気信号及び導体、光ファイバ及びネットワーク、並びに同等物を含む、多種多様な通信リンクによって伝送されてよい。プロセッサ４３は、図２に例示するように、外科医コンソール４０の１以上のデータプロセッサを含み、且つ／或いは、マニピュレータ、器具、別個の及び／又は遠隔の処理構造又は場所、並びに同等物のうちの１以上のもののローカライズされたデータ処理回路を含んでよく、本明細書に記載するモジュールは、（例えば）単一の共通のプロセッサボード、複数の別個のボードを含んでよく、或いは、モジュールのうちの１以上は、複数のボード上に分離されてよく、それらの一部は、他のモジュールの計算の一部又は全部も実行する。同様に、モジュールのソフトウェアコードは、単一の統合されたソフトウェアコードとして書かれてよく、モジュールは、それぞれ、個々のサブルーチンに分離されてよく、或いは、1つのモジュールのコードの部分が、別のモジュールのコードの一部又は全部と結合されてよい。故に、データ及び処理構造は、多種多様な集中型又は分散型のデータ処理及び／又はプログラミングアーキテクチャのいずれかを含んでよい。
【００９４】
図２０のコントローラの出力により詳細に取り組むと、コントローラは、しばしば、これらの高度に構成可能なスレーブマニピュレータ機構のためのコマンドを生成する際の使用のために、１つの特定のマニピュレータジョイント構成ベクトルｑについて解くことを試みる。上述のように、マニピュレータリンケージは、しばしば、所与のエンドエフェクタ状態についてある範囲のジョイント状態を占めるのに十分な自由度を有する。そのような構造は、真の冗長自由度、即ち、１つのジョイントの作動が運動連鎖に沿う異なるジョイントの類似の作動によって直接的に置換されることがある構造を有する、リンケージを含むことがある（しかしながら、しばしば、含まない）。それにも拘わらず、これらの構造は、過剰な、余分な、又は冗長な自由度を有するものとして参照されることがあり、（広義の）これらの用語は、（例えば）中間リンクがエンドエフェクタの（場所及び向きの両方を含む）位置を変えずに動くことができる、運動連鎖を概ね包含する。
【００９５】
図２０の速度コントローラを使用して高度に構成可能なマニピュレータの移動を指示するとき、第１のモジュールの一次ジョイントコントローラは、しばしば、エンドエフェクタがマスタコマンドｘｍに正確に従うようにスレーブマニピュレータ５３６のジョイントを駆動させるために使用することができる仮想ジョイント速度ベクトルｑｄｏｔｖを決定又は解決しようとする。しかしながら、冗長自由度を備えるスレーブ機構について、逆ヤコビ行列は、一般的に、ジョイントベクトル解を完全に定義しない。例えば、所与のエンドエフェクタ状態についてある範囲のジョイント状態を占めることができるシステムにおけるデカルトコマンドｘｄｏｔからジョイント運動ｑｄｏｔへのマッピングは、１対複数のマッピングである。換言すれば、この機構は冗長であるので、逆が生きる部分空間によって表される数学的に無限の解がある。コントローラは、行よりも多くの列を有するヤコビ行列を使用してこの関係を具現して、複数のジョイント速度を比較的より少ないデカルト速度にマッピングする。我々の回解
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は、しばしば、デカルト作業空間へのスレーブ機構の自由度のこの崩壊を元に戻そうとする。
【００９６】
ロボットマニピュレータアームアセンブリのソフトウェア制約された遠隔運動中心を計算するためにソフトウェア命令によって構成されたプロセッサを使用することに関連する追加的な記述を米国特許第８，００４，２２９号に見出すことができ、その全文を参照として本明細書に援用する。
【００９７】
手短に言えば、上記記述（及び米国特許第８，００４，２２９号中の記述）は、ピボット点（遠隔運動中心）、故に、ソフトウェア制約される遠隔運動中心の概念(notion)が、ソフトウェアを通じて決定／推定されることを可能にする。ソフトウェアピボット点を計算する能力を有することによって、システムのコンプライアンス又は剛性によって特徴付けられる異なるモードを選択的に実施することができる。より具体的には、推定ピボット点が計算された後に、ある範囲のピボット点／中心に亘る（即ち、受動ピボット点を有するものから固定的／剛的なピボット点を有するものに及ぶ）異なるシステムモードを実施することができる。例えば、固定的なピボットの実施では、推定されるピボット点を所望のピボット点と比較して、機器のピボットを所望の場所に駆動するために使用することができるエラー出力を生成することができる。逆に、受動的なピボットの実施では、所望のピボット場所は優先する目的ではないことがあるが、エラー検出のために、結果的に、安全性のために、推定されるピボット点を使用することができる。何故ならば、推定されるピボット点場所の変化は、患者が動かされたか或いはセンサが誤動作していることを示すことにより、システムに補正行為を取る機会が与えることがあるからである。
【００９８】
移動する器具と最小侵襲孔の組織との間の相互作用は、プロセッサによって少なくとも部分的に決定されてよく、プロセッサは、任意的に、システムのコンプライアンス又は剛性が、受動的なピボット点から固定的なピボット点まで延びる範囲を通じて変更させられることを可能にする。受動的／剛的な範囲の受動端で、器具の近位端は空間内で移動させられてよいのに対し、器具ホルダのリストジョイントのモータはトルクを殆ど又は全く加えないので、器具は、器具が一対の受動ジョイントによってマニピュレータ又はロボットアームに連結されるように効果的に作用する。このモードにおいて、器具シャフトと最小侵襲孔に沿う組織との間の相互作用は、ピボット点についての器具のピボット運動を引き起こす。手術器具が最小侵襲孔に挿入されないか或いは他の方法において拘束されないならば、手術器具は、重力の影響下で下方を指し、マニピュレータアームの動きは、器具シャフトに沿う部位についてのピボット運動を伴わずに、吊り下がる器具を並進させる。受動的／剛的な範囲の剛性端部に向かって、最小侵襲孔の場所は、空間内の固定点として入力され或いは計算されることがある。次に、ピボット点の近位に配置される運動連鎖の各ジョイントと関連付けられるモータは、マニピュレータを駆動させるので、計算ピボット点でのシャフトに対して横方向のあらゆる横方向の力は、反応力をもたらして、ピボット点を通じてシャフトを保持する。そのようなシステムは、幾つかの点において、機械的に制約された遠隔中心リンケージと同様に挙動することがある。多くの実施形態は、これらの２つの極端の間に入り、アクセス部位で概ね枢動する計算された運動を提供し、それは、組織に対して過度の横方向の力を課すことなく、最小侵襲アクセス部位に沿う組織が移動するときにピボット運動中心を許容範囲内に適合させ或いは移動させる。
【００９９】
図２１及び図２２を参照すると、例示的な器具ホルダ６２０が、本明細書に記載する遠隔手術システム及び概念に従って遠隔手術を行うために使用することができる構成においてロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク６００に、ジョイント６１０で、枢動可能に連結されている。手術器具６４０が、器具ホルダ６２０に解放可能に連結されている。カニューレ６６０が、最小侵襲手術インタフェース部位１０に配置されている。描写の実施形態において、カニューレ６６０は、器具ホルダ６２０から取り外されている。描写の実施形態において、器具ホルダ６２０は、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク６００に枢動可能に連結されているが、幾つかの実施形態では、器具ホルダ６２０を最遠位リンク６００に連結するために、並進連結又はプリズムジョイント連結が使用される。そのような枢動、並進、及び／又はプリズムジョイントを本明細書に記載する実施形態のうちのいずれかに組み込むことができる。
【０１００】
器具ホルダ６２０は、器具ホルダフレーム６２２と、器具ホルダキャリッジ６２４と、任意的な器具シャフトガイド６２６とを含む。器具ホルダキャリッジ６２４は、器具ホルダフレーム６２２に移動可能に連結される。より具体的には、器具ホルダキャリッジ６２４は、器具ホルダフレーム６２２に沿って線形に並進可能である。幾つかの実施形態において、器具ホルダフレーム６２２に沿う器具ホルダキャリッジ６２４の移動は、遠隔手術システムのプロセッサによって作動可能／制御可能な電動並進移動である。任意的な器具シャフトガイド６２６を器具ホルダフレーム６２２に固定することができ或いは解放可能に連結することができる。
【０１０１】
手術器具６４０は、伝動装置アセンブリ６４２と、細長いシャフト６４４と、エンドエフェクタ６４６とを含む。伝動装置アセンブリ６４２は、器具ホルダキャリッジ６２４と解放可能に連結可能である。シャフト６４４は、伝動装置アセンブリ６４２から遠位に延びる。シャフト６４４は、
カニューレ６６０によって定められる管腔及び任意的な器具シャフトガイド６２６によって定められる管腔と摺動可能に連結される。エンドエフェクタ６４６は、シャフト６４４の遠位端に配置され、遠隔外科処置中に患者の体内の手術作業空間内に配置される。
【０１０２】
細長いシャフト６４４は、器具軸を定め、この特定の器具軸は、長手軸６４１である。シャフト６４４とカニューレ６６０との間の物理的係合の故に、長手軸６４１は、カニューレ６６０の長手軸と一致する。器具ホルダキャリッジ６２４が器具ホルダフレーム６２２に沿って並進すると、手術器具６４０の細長いシャフト６４４は長手軸６４１に沿って移動する。器具ホルダキャリッジ６２４が器具ホルダフレーム６２２に沿って並進するとき、長手軸６４１は空間内で固定されたままである。そのようにして（器具ホルダキャリッジ６２４を器具ホルダフレーム６２２に沿って並進させることによって）、エンドエフェクタ６４６を、空間内に固定される（長手軸６４１によって定められる）線に沿って患者の体内の手術作業空間内に挿入することができ、且つ／或いはそこから引っ込めることができる。
【０１０３】
加えて、描写の実施形態では、エンドエフェクタ６４６を、第２の方法において（長手軸６４１によって定められる）空間内に固定される線に沿って手術作業空間内に挿入することができ、且つ／或いはそこから引っ込めることができる。即ち、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔動作中心技法を使用するならば、枢動可能なジョイント６１０の移動と組み合わせられたロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク６００の移動は、長手軸６４１に沿う手術器具の移動をもたらすことができる一方で、長手軸６４１は空間内で固定されたままである。
【０１０４】
幾つかの実施形態において、カニューレ６６０は、（線形カニューレ６６０とは対照的に）湾曲しており、手術器具６４０の細長いシャフト６４４は、細長いシャフト６４４がカニューレ６６０の湾曲に適合することができるようにフレキシブル（可撓）である。そのような場合、湾曲カニューレ６６０に対して近位に伝動装置アセンブリ６４２から線形に延びる細長いシャフト６４４の端部分、長手軸６４１を定める。本明細書に記載する実施形態のいずれも湾曲カニューレを代替的に含むことができることが理解されるべきである。
【０１０５】
幾つかの実施形態において、手術器具６４０の細長いシャフト６４４は、（図示する線形の細長いシャフト６４４とは対照的に）湾曲している。そのような場合、長手軸６４１は、湾曲した細長いシャフト６４４と一致する曲線である。本明細書に記載する実施形態のいずれかも代替的に湾曲した細長いシャフトを備える手術器具を含むことができることが理解されるべきである。
【０１０６】
図２１は、第1の深さＤ１で挿入されたエンドエフェクタ６４６を示している。図２２は、第２の深さＤ２で挿入されたエンドエフェクタ６４６を示している。第２の深さＤ２は、第１の深さＤ１よりも大きい。両方の構成において、長手軸６４１は、空間内の同じ線に沿って配置される。
【０１０７】
図２１の構成から図２２の構成に変えることは、２つの種類の動きを含むことができる。第１に、器具ホルダキャリッジ６４６は、器具ホルダフレーム６２２に沿って並進させられ、患者内へのより深い手術器具６４０の第１の移動をもたらす。第２に、枢動可能なジョイント６１０の移動と組み合わせにおけるロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク６００の移動は、患者内へのより一層深い手術器具６４０の第２の移動をもたらす。第２の深さＤ２と第１の深さＤ１との間の差は、第１の移動及び第２の移動の和で構成される。長手軸６４１を空間内の線に沿って固定された状態（一貫して一致した状態）に維持しながら、両方の種類の移動を行うことができる。
【０１０８】
直前の記述は、両方とも患者内へのより深い手術器具６４０の移動をもたらす、２つの動きを含むが、同じ原理が手術器具６４０を患者から引っ込めるために適用可能であることが理解されるべきである。その上、前述の第１及び第２の移動の任意の組み合わせを行うことができる。例えば、手術器具６４０を患者から引っ込めるために、器具ホルダフレーム６２２に沿う器具ホルダキャリッジ６２４の第１の移動を行うことができ、手術器具６４０を患者内に挿入するために、ロボットマニピュレータアームの最遠位リンク６００及び枢動可能なジョイント６１０の第２の移動を行うことができる。そのような移動を同時（同時発生的）に又は順次（非同時発生的）に行うことができる。
【０１０９】
図２３も参照すると、空間内で固定された線に沿って手術器具を動かすための２段階方法７００のフローチャートが提示されている。方法７００は、図２１及び図２２を参照して上述した着想を使用する。
【０１１０】
操作７１０において、ロボットマニピュレータアームを移動して、ロボットマニピュレータアームに連結された細長い手術器具を、手術器具の長手軸によって定められる空間内で固定された線に沿って移動させる。そのような移動は、例えば、図２１及び図２２の比較によって例示されることができる。図２２において、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク６００は、図２１におけるよりも患者により近い。上述のように、最遠位リンク６００が患者により近く移動させられると、手術器具６４０は、空間内で固定された線に沿って一貫して維持される長手軸６４１に沿って相応して移動させられる。別の言い方をすれば、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔運動中心技法を使用するならば、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク６００の移動は、長手軸６４１に沿う手術器具６４０の移動をもたらす一方で、長手軸６４１は固定されたままである。最遠位リンク６００の移動は、枢動可能なジョイント６１０の移動と協調して行われることがある。代替的に、幾つかの場合には、ロボットマニピュレータアームを移動させて、細長い手術器具を手術空間内により深く延ばすと、器具は遠隔中心についてピッチ及びヨー運動を受けることがある一方で、器具の深さも制御される。三次元エンドエフェクタ軌跡は、器具のピッチ、ヨー、及び挿入における幾らかの変化で構成されることがある。そのような場合、手術器具の長手軸は、必ずしも空間内で固定されない。
【０１１１】
操作７２０において、ロボットマニピュレータアームの移動とは無関係に、（操作７１０毎に長手軸６４１によって定められるような）空間内で固定される線に沿って手術器具を移動させる。例えば、図２１及び図２２の間の比較を再び参照すると、器具ホルダキャリッジ６２４を器具ホルダフレーム６２２に沿って並進させて、長手軸６４１に沿う手術器具６４０の移動をもたらす一方で、長手軸６４１は空間内に固定されたままである。ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク６００の移動とは無関係に、そのような移動を行うことができる。
【０１１２】
幾つか場合、操作７２０は、器具ホルダキャリッジ６２４を器具ホルダフレーム６２２上で定期的に再中心化（再芯出し）することを含んでよい。器具ホルダキャリッジ６２４を器具ホルダフレーム６２２上で再中心化することによって、器具ホルダフレーム６２２に対する器具ホルダキャリッジ６２４の全走行の略半分は、いずれかの方向（挿入及び後退）における移動のために利用可能にされる。（複数の）再中心化運動が起こると、幾つかの場合には、エンドエフェクタ６４６の位置を実質的に静止的に保持することができる。
【０１１３】
幾つか場合、（操作７１０及び操作７２０に関する）ロボットマニピュレータアーム及び／又は器具ホルダキャリッジの移動に関して制限を設けることができる。１つのそのような例において、図２１及び図２２の実施形態を参照すると、幾つかの場合には、器具ホルダフレーム６２２の挿入は、器具ホルダフレーム６２２がカニューレ６６０と衝突しないように制限される。他の例では、幾つかの場合において、器具ホルダキャリッジ６２４及び器具ホルダフレーム６２２の組み合わせられた後退は、器具エンドエフェクタ６４６がカニューレ６６０から引き出されないように制限される。他の例では、幾つかの場合において、器具ホルダフレーム６２２がカニューレ６６０から引っ込められることが可能にされる距離が制限され、長手軸６４１に沿うあらゆる更なる後退は器具ホルダキャリッジ６２４の移動によって行われる。
【０１１４】
方法７００の範囲から逸脱することなく、操作７１０及び操作７２０をいずれかの順序で行うことができることが理解されるべきである。その上、方法７００の範囲から逸脱することなく、操作７１０及び操作７２０を同時（同時発生的）に又は順次（非同時発生的）に行うことができる。
【０１１５】
方法７００の使用は、遠隔手術システムの設計及び動作に関する利点を提供することができる。例えば、器具ホルダフレーム６２２に沿う器具ホルダキャリッジ６２４の移動は比較的低い慣性を伴うので、操作７２０は、手術器具６４０の短い迅速な移動を作動させるのに特に適するのに対し、操作７１０におけるようにロボットマニピュレータアームを移動することによって、より長いより緩やかな移動を行うことができる。方法７００に従って利用可能な移動のそのような組み合わせを有することによって、ロボットマニピュレータアーム及び／又は器具ホルダ６２０をより小さく且つより軽くすることができる。従って、システムのロボットマニピュレータアームアセンブリの間の干渉の可能性は少なくされる。加えて、システムのロボットマニピュレータアームアセンブリの作動のためのより少ない強さのモータ及びより軽量のリンクの使用は、方法７００の使用によって実現可能にされることがある。
【０１１６】
幾つかの実施形態では、周波数カットオフ(frequency  cut  off)を定義することによって、低速移動（即ち、ロボットマニピュレータアームによる実行のために設計された移動）を、迅速な移動（即ち、器具ホルダキャリッジによる実行のために設計される移動）から区別することができる。例えば、幾つかの実施形態において、コントローラは、器具の所望の動きに対して低域フィルタリング操作を使用し、このフィルタの出力を使用して、ロボットマニピュレータアームの動きを駆動する。残余の高周波運動成分は、器具ホルダキャリッジの動きを駆動するために、コントローラによって使用される。逆に、幾つかの実施形態において、制御システムは、高域スフィルタを使用して器具の所望の動きをフィルタリングし、このフィルタの出力を使用して、器具ホルダキャリッジの動きを駆動する一方で、信号の残余の部分を使用して、ロボットマニピュレータアームの動きを駆動する。図２４を参照すると、例示的な器具ホルダ８２０が、本明細書に記載する遠隔手術システム及び着想に従った遠隔手術を行うために使用することができる構成におけるロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク８００に、ジョイント８１０で枢動可能に連結されている。手術器具８４０は、器具ホルダ８２０に解放可能に連結されている。カニューレ８６０が、最小侵襲手術インタフェース部位１０に配置されている。
【０１１７】
（図２１及び図２２では、カニューレ６６０が器具ホルダ６２０から取り外されているのに対し）、描写の構成では、カニューレ８６０が線形に調節可能なアセンブリ８２６を介して器具ホルダ８２０に結合されている点を除いて、描写の構成は、図２１及び図２２の構成に概ね類似している。線形に調節可能なアセンブリ８２６は、器具ホルダ８２０から延びる。カニューレクランプ８２７を線形に調節可能なアセンブリ８２６の自由端に配置することができる。カニューレクランプ８２７を使用して、カニューレ８６０を、線形に調節可能なアセンブリ８２６を介して、器具ホルダ８２０に解放可能に連結することができる。そのような構成は、器具シャフト８４４に加えられる横方向の荷重を支持することができ、カニューレ８６０が手術インタフェース部位１０に対して移動するのを防止するのに役立つことがある。
【０１１８】
幾つかの実施形態において、線形に調整可能なアセンブリ８２６は能動的である。即ち、幾つかの実施形態において、線形に調節可能なアセンブリ８２６は、線形に調節可能なアセンブリ８２６が動力作動(powered actuation)によって伸長及び収縮するよう、アクチュエータ（例えば、モータ）によって駆動される。例えば、（図２のように）外科医コンソールのプロセッサによって、そのような動力作動を作動／制御することができる。幾つかの実施形態において、線形に調整可能なアセンブリ８２６は受動的である。即ち、幾つかの実施形態において、線形に調整可能なアセンブリ８２６は、アクチュエータによって駆動されない。代わりに、線形に調整可能なアセンブリ８２６は、隣接する物体との接触からの外力、重力、及び同等物によって作用されることに応答して、伸長及び収縮してよい。幾つかの受動的及び／又は能動的な実施形態において、線形に調整可能なアセンブリ８２６は、必要とされるときにその位置を保持することができるよう制動される。
【０１１９】
図２４に描写する構成を図２３の方法７００に従って作動させ得ることが認識されるべきである。即ち、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔運動中心技法を使用するならば、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク８００を移動させて、長手軸８４１に沿う手術器具８４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸８４１は空間内で固定されたままである。加えて、器具ホルダキャリッジ８２４を器具ホルダフレーム８２２に沿って並進させて、長手軸８４１に沿う手術器具８４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸８４１は空間内で固定されたままである。ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク８００の移動とのは無関係にそのような移動を行うことができる。
【０１２０】
図２５を参照すると、例示的な器具ホルダ９２０が、本明細書に記載する遠隔手術システム及び着想に従って遠隔手術を行うために使用することができる構成におけるロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク９００に、ジョイント９１０で枢動可能に連結されている。手術器具９４０は、器具ホルダ９２０に解放可能に連結されている。カニューレ９６０は、最小侵襲手術インタフェース部位１０に配置されている。
【０１２１】
描写の構成は、器具ホルダフレーム９２２に沿うジョイント９１０の並進を容易にする線形アクチュエータ機構９２６を含む。従って、器具ホルダ９２０は、最遠位リンク９００に対して枢動することができ且つ並進することができる。幾つかの実施形態では、線形アクチュエータ機構９２６は、親ネジアセンブリ、ラックピニオンギア構成、伸縮アセンブリ、及び同等物のような機構であることができるが、これらに限定されない。
【０１２２】
図２５に描写する構成を図２３の方法７００に従って作動させ得ることが認識されるべきである。即ち、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔運動中心技法を使用するならば、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク９００を移動させて、長手軸９４１に沿う手術器具９４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸９４１は空間内に固定されたままである。加えて、器具ホルダキャリッジ９２４を器具ホルダフレーム９２２に沿って並進させて、長手軸９４１に沿う手術器具９４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸９４１は空間内に固定されたままである。ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク９００の移動とは無関係にそのような移動を行うことができる。
【０１２３】
図２６を参照すると、例示的な器具ホルダ１０２０が、本明細書に記載する遠隔手術システム及び着想に従って遠隔手術を行うために使用することができる構成におけるロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１００に、ジョイント１０１で枢動可能に連結されている。手術器具１０４０が、器具ホルダ１０２０に解放可能に連結されている。カニューレ１０６０が最小侵襲手術インタフェース部位１０に配置されている。
【０１２４】
器具ホルダ１０１０は、線形に調節可能な上方部分１０２２と、線形に調節可能な下方部分１０２６とを含む。線形に調節可能な上方部分１０２２及び線形に調節可能な下方部分１０２６は、ジョイント１０１０で最遠位リンク１０００と枢動可能に連結される中間部分１０２１に連結されている。線形に調節可能な部分１０２２及び１０２６を中間部分１０２１に対して伸長及び／又は収縮させることができる。幾つかの実施形態において、線形に調節可能な部分１０２２及び１０２６は、伸縮アセンブリである。幾つかの実施形態では、線形に調整可能な部分１０２２及び１０２６の一方又は両方が能動的である（動力作動される）。幾つかの実施形態では、線形に調整可能な部分１０２２及び１０２６の一方又は両方が受動的である（電力作動されない）。
【０１２５】
器具ホルダキャリッジ１０２４は、線形に調節可能な上方部分１０２２と連結される。故に、最遠位リンク１０００とは無関係に、器具ホルダキャリッジ１０２４を（軸１０４１と平行に）並進させることができる。カニューレ１０６０は、線形に調節可能な上方部分１０２２に解放可能に連結可能である。故に、最遠位リンク１０００が移動するときに、（線形に調節可能な下方部分１０２６の補償運動によって）カニューレ１０６０を最小侵襲手術インタフェース部位１０に対して概ね静止的な位置に維持することができる。
【０１２６】
図２６に描写する構成を図２３の方法７００に従って作動させることができる。即ち、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔運動中心技法を使用するならば、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１０００を移動させて、長手軸１０４１に沿う手術器具１０４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸１０４１は空間内に固定されたままである。加えて、器具ホルダキャリッジ１０２４を器具ホルダ１０２０に沿って（中間部分１０２１に対して）並進させて、長手軸１０４１に沿う手術器具１０４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸１０４１は空間内に固定されたままである。ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１０００の移動とは無関係に、そのような移動を行うことができる。
【０１２７】
図２７を参照すると、例示的な器具ホルダ１１０２が、本明細書に記載する遠隔手術システム及び着想に従って遠隔手術を行うために使用することができる構成においてロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１１００に、ジョイント１１０で枢動可能に連結されている。手術器具１１４０が器具ホルダ１１２０に解放可能に連結されている。カニューレ１１６０が最小侵襲手術インタフェース部位１０に配置されている。
【０１２８】
描写の構成では、内側カニューレ１１６２が器具ホルダ１１２０に連結され、内側カニューレ１１６２が最小侵襲手術インタフェース部位１０に配置されるカニューレ１１６０を通じて延びる点を除いて、描写の構成は、図２１及び図２２の構成に概ね類似している。内側カニューレ１１６２は、カニューレ１１６０によって定められる管腔内に摺動可能に連結されている。手術器具１１４０の細長い器具シャフト１１４４は、内側カニューレ１１６２によって定められる管腔と摺動可能に連結されている。そのような構成は、器具シャフト１１４４に加えられる横方向の荷重を支持することができ、カニューレ１１６０が手術インタフェース部位１０に対して移動するのを防止するのに役立つことがある。内側カニューレ１１６２は、カニューレ１１６０よりも長い。
【０１２９】
図２７に描写する構成は、図２３の方法７００に従って動作させることができる。即ち、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔運動中心技法を使用するならば、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１１００を移動させて、長手軸１１４１に沿う手術器具１１４０の移動をもたらす一方で、長手軸１１４１は空間内に固定されたままである。加えて、器具ホルダキャリッジ１１２４を器具ホルダフレーム１１２２に沿って並進させて、長手軸１１４１に沿う手術器具１１４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸１１４１は空間内に固定されたままである。ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１１００の移動とは無関係に、そのような移動を行うことができる。
【０１３０】
図２８を参照すると、例示的な器具ホルダ１２２０が、本明細書に記載する遠隔手術システム及び着想に従って遠隔手術を行うために使用することができる構成においてロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１２００に連結されている。手術器具１２４０が器具ホルダ１２２０に解放可能に連結されている。カニューレ１２６０が最小侵襲手術インタフェース部位１０に配置されている。
【０１３１】
器具ホルダ１２２０は、器具ホルダフレーム１２２２と、器具ホルダキャリッジ１２２４と、カニューレクランプ１２２７とを含む。器具ホルダキャリッジ１２２４は、器具ホルダフレーム１２２２に移動可能に連結される。より具体的には、器具ホルダキャリッジ１２２４は、器具ホルダフレーム１２２２に沿って線形に並進可能である。幾つかの実施形態において、器具ホルダフレーム１２２２に沿う器具ホルダキャリッジ１２２４の移動は、遠隔手術システムのプロセッサによって作動可能／制御可能な電動並進運動である。カニューレクランプ１２２７を器具ホルダフレーム１２２２に固定することができる。カニューレクランプ１２２７は、カニューレ１２６０と解放可能に連結するよう器具ホルダフレーム１２２２を適合させることができる。
【０１３２】
器具ホルダ１２２０の近位端部分が最遠位リンク１２２０に連結されている。器具ホルダ１２２０は、器具ホルダフレーム１２２３の関節作動可能な部分を含む。器具ホルダフレーム１２２３の関節作動可能な部分を最遠位リンク１２００に対して操作することができる。幾つかの実施形態において、器具ホルダフレーム１２２３の関節作動可能な部分を遠隔手術システムのプロセッサによって作動可能／制御可能な電動運動によって操作することができる。最遠位リンク１２００に対して器具ホルダフレーム１２２３を操作することによって、カニューレ１２６０の向きを調節することができる。カニューレ１２６０の向きを調節することによって、手術器具１２４０の遠位部分を物理的に制御することができる。
【０１３３】
手術器具１２４０は、伝動装置アセンブリ１２４２と、フレキシブルな細長いシャフト１２４４と、エンドエフェクタ１２４６とを含む。伝動装置アセンブリ１２４２は、器具ホルダキャリッジ１２２４と解放可能に連結可能である。フレキシブルな細長いシャフト１２４４は、伝動装置アセンブリ１２４２から遠位に延びる。フレキシブルな細長いシャフト１２４４は、カニューレ１２６０によって定められる管腔と摺動可能に連結される。幾つかの実施形態では、伝動装置アセンブリ１２４２とカニューレ１２６０との間でフレキシブルな細長いシャフト１２４４の横方向の撓みを容易にするために、ガイド部材１２４８が含められる。エンドエフェクタ１２４６は、フレキシブルな細長いシャフト１２４４の遠位端に配置され、遠隔外科処置中に患者の体内の手術作業空間内に配置される。
【０１３４】
カニューレ１２６０及びカニューレ１２６０の遠位に延びるフレキシブルな細長いシャフト１２４４の部分は、長手軸１２４１を定める。器具ホルダキャリッジ１２２４が器具ホルダフレーム１２２２に沿って並進すると、カニューレ１２６０の遠位に延びるフレキシブルな細長いシャフト１２４４の部分は、長手軸１２４１に沿って移動する。長手軸１２４１は、器具ホルダキャリッジ１２２４が器具ホルダフレーム１２２２に沿って並進するとき、空間内に固定されたままである。そのようにして（器具ホルダキャリッジ１２２４を器具ホルダフレーム１２２２に沿って並進させることによって）、エンドエフェクタ１２４６を、空間内に固定される（長手軸１２４１によって定められる）線に沿って患者の体内の手術作業空間内に挿入することができ且つ／或いはそのような手術作業空間内から後退させることができる。
【０１３５】
加えて、描写の実施形態では、エンドエフェクタ１２４６を、第２の方法において（長手軸１２４１によって定められる）空間内に固定される線に沿って手術作業空間内に挿入することができ、且つ／或いはそのような手術作業空間から後退させることができる。即ち、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔運動中心技法を使用するならば、器具ホルダフレーム１２２３の関節作動可能な部分の移動との組み合わせにおけるロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１２００の移動は、長手軸１２４１に沿う手術器具１２４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸１２４１は空間内に固定されたままである。
【０１３６】
図２８に描写する構成を図２３の方法７００に従って作動させることができる。即ち、本明細書に記載するソフトウェア制約された遠隔運動中心技法を使用するならば、ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１２００を移動させて、長手軸１２４１に沿う手術器具１２４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸１２４１は空間内に固定されたままである。加えて、器具ホルダキャリッジ１２２４を器具ホルダフレーム１２２２に沿って並進させて、長手軸１２４１に沿う手術器具１２４０の移動をもたらすことができる一方で、長手軸１２４１は空間内に固定されたままである。ロボットマニピュレータアームアセンブリの最遠位リンク１２００の移動とは無関係に、そのような移動を行うことができる。
【０１３７】
この明細書は多くの具体的な実施の詳細を含むが、これらはいずれかの発明の範囲に対する限定又は特許請求することがあるものに対する限定として解釈されてならず、むしろ特定の発明の特定の実施形態に特有であることがある構成の記述として解釈されるべきである。別個の実施形態の文脈において本明細書に記載する特定の構成を、単一の実施形態において組み合わせにおいて実施することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈において記載する様々な構成を、複数の実施形態において別個に又は任意の適切なサブコンビネーションにおいて実施することもできる。その上、それらの構成は、特定の組み合わせにおいて作用するものとして記載されることがあり、最初はそのように特許請求されることさえあるが、幾つかの場合には、特許請求される組み合わせからの１以上の構成をその組み合わせから削除することができ、特許請求される組み合わせは、サブコンビネーション又は様々なサブコンビネーションに向けられてよい。
【０１３８】
同様に、操作は特定の順序で図面に描写されているが、これはそのような操作が図示される特定の順序又は順次的な順序で実行されるべきこと又は所望の結果を達成するために全ての操作が実行されるべきことが必要とされるものとして理解されるべきでない。特定の状況では、マルチタスク処理及び並列処理が有利なことがある。その上、本明細書に記載する実施形態における様々なシステムモジュール及びコンポーネント（構成要素）の分離は、全ての実施形態においてそのような分離を必要とするものと理解されるべきでなく、一般的には、記載するプログラムコンポーネント及びシステムを単一の製品に一緒に統合することができるか或いは複数の製品にパッケージ化することができることが理解されるべきである。
【０１３９】
主題の特定の実施形態を記載した。他の実施形態は、後続の請求項の範囲内にある。例えば、請求項において列挙する行為を異なる順序で実行することができ、望ましい結果を依然として達成することができる。一例として、添付の図面に描写するプロセスは、所望の結果を達成するために、図示する特定の順序又は順次式の順序を必ずしも必要としない。特定の実施では、マルチタスク処理及び並列処理が有利なことがある。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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