(57)【要約】      （修正有）【課題】システムの複雑さ及び費用が低く、エラーのない方法において異なる種類のマニピュレータ及び／又はツールを切り換えることができるロボット手術システムのツール切り替えシステムを提供する。【解決手段】システム１０の第１のマニピュレータに接続される第１のツール２６及びシステムの第２のマニピュレータに接続される第２のツールが制御される。次に、第１のツールが第２のマニピュレータに接続され且つ第２のツールが第１のマニピュレータに接続されるようなツールの取換えが検出される。次に、第２のマニピュレータに接続される第１のツール及び第１のマニピュレータに接続される第２のツールが制御される。【選択図】図１Ａ
2019048108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマニピュレータと、
コントローラとを含み、
該コントローラは、
前記複数のマニピュレータの第１のマニピュレータへの画像化装置の取付けを検出し、
前記第１のマニピュレータへの前記画像化装置の前記取付けに基づいて前記画像化装置についての第１の基準系を決定し、
前記第１の基準系内でマスタ入力制御装置の動きをツールの動きに相関させることによって前記第１の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの先端の相対的な位置及び向きを制御することによって前記第１の基準系に対して前記ツールを制御し、
前記第１のマニピュレータと異なる前記複数のマニピュレータの第２のマニピュレータへの前記画像化装置の取付けを検出し、
前記第２のマニピュレータへの前記画像化装置の前記取付けに基づいて前記画像化装置についての第２の基準系を決定し、
前記第２の基準系に対して前記ツールを制御する、
ように構成される、
システム。
【請求項２】
前記第１の基準系は、前記第１のマニピュレータの運動学に基づいて決定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の基準系に対して前記ツールを制御するために、前記コントローラは、前記マスタ入力制御装置から受信する命令に基づいて前記ツールを遠隔操作するように構成される、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの前記先端の前記相対的な位置及び向きを制御するために、前記コントローラは、ユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の相対的な位置及び向きに基づいて前記ツールを制御するように構成される、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の基準系に対して前記ツールを制御するために、前記コントローラは、ユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の相対的な位置及び向きに基づいて前記第２の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの前記先端の前記相対的な位置及び向きを制御するように構成される、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記画像化装置についての前記第２の基準系を決定することに応答して、前記コントローラは、ユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の前記相対的な位置及び向きが前記第２の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの前記先端の相対的な位置及び向きに対応するよう、前記マスタ入力制御装置を移動させるように構成される、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記ツールは、前記複数のマニピュレータの第３のマニピュレータに取り付けられ、
前記ツールの制御は、前記第３のマニピュレータの運動学に更に基づく、
請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記画像化装置が前記第１のマニピュレータに取り付けられ、前記ツールが前記第２のマニピュレータに取り付けられる間に、前記ツールの制御は、前記第２のマニピュレータの運動学に更に基づき、
前記画像化装置が前記第２のマニピュレータに取り付けられ、前記ツールが前記第１のマニピュレータに取り付けられる間に、前記ツールの制御は、前記第１のマニピュレータの運動学に更に基づく、
請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
システムを制御する方法であって、
前記システムのコントローラが、前記システムの第１のマニピュレータへの画像化装置の取付けを検出するステップと、
前記コントローラが、前記第１のマニピュレータへの前記画像化装置の前記取付けに基づいて、前記画像化装置についての第１の基準系を決定するステップと、
前記コントローラが、前記第１の基準系内でマスタ入力制御装置の動きをツールの動きに相関させることによって前記第１の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの先端の相対的な位置及び向きを制御することによって前記第１の基準系に対して前記ツールを制御するステップと、
前記コントローラが、前記第１のマニピュレータと異なる前記システムの第２のマニピュレータへの前記画像化装置の取付けを検出するステップと、
前記コントローラが、前記第２のマニピュレータへの前記画像化装置の前記取付けに基づいて前記画像化装置についての第２の基準系を決定するステップと、
前記コントローラが、前記第２の基準系に対して前記ツールを制御するステップとを含む、
方法。
【請求項１０】
前記第１の基準系に対して前記ツールを制御するステップは、ユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の相対的な位置及び向きに基づいて前記ツールを制御するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の基準系に対して前記ツールを制御するステップは、前記第２の基準系内で前記マスタ入力制御装置の動きを前記ツールの動きに相関させることによって前記第２の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの前記先端の前記相対的な位置及び向きを制御するステップを更に含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記画像化装置についての前記第２の基準系を決定するステップに応答して、前記コントローラは、ユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の前記相対的な位置及び向きが前記画像化装置についての前記第２の基準系内の前記ツールの前記先端の相対的な位置及び向きに対応するよう、前記マスタ入力制御装置を移動させるように構成される、請求項９乃至１１のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
複数の指令を含む、非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記複数の指令は、システムと関連付けられる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、以下のステップを含む方法を実行させるように構成され、前記ステップは、
第１のマニピュレータへの画像化装置の取付けを検出するステップと、
前記第１のマニピュレータへの前記画像化装置の前記取付けに基づいて前記画像化装置についての第１の基準系を決定するステップと、
前記第１の基準系内のマスタ入力制御装置の動きをツールの動きに相関させることによって前記第１の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの先端の相対的な位置及び向きを制御することによって前記第１の基準系に対して前記ツールを制御するステップと、
前記第１のマニピュレータと異なる前記システムの第２のマニピュレータへの前記画像化装置の取付けを検出するステップと、
前記第２のマニピュレータへの前記画像化装置の前記取付けに基づいて前記画像化装置についての第２の基準系を決定するステップと、
前記第２の基準系に対して前記ツールを制御するステップとを含む、
非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
前記第１の基準系を決定するステップは、前記第１のマニピュレータの運動学に更に基づいて前記第１の基準系を決定するステップを含み、
前記第１の基準系に対して前記ツールを制御するステップは、ユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の相対的な位置及び向きに基づいて前記ツールを制御するステップを含む、
請求項１３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１５】
前記第２の基準系に対して前記ツールを制御するステップは、前記第２の基準系内で前記マスタ入力制御装置の動きを前記ツールの動きに相関させることによって前記第２の基準系内の前記画像化装置に対する前記ツールの前記先端の前記相対的な位置及び向きを制御するステップ、又はユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の相対的な位置及び向きに基づいて前記ツールを制御するステップを含み、
前記画像化装置が前記第１のマニピュレータに取り付けられ、前記ツールが前記第２のマニピュレータに取り付けられる間に、前記ツールの制御は、前記第２のマニピュレータの運動学に更に基づき、
前記画像化装置が前記第２のマニピュレータに取り付けられ、前記ツールが前記第１のマニピュレータに取り付けられる間に、前記ツールび制御は、前記第１のマニピュレータの運動学に更に基づき、或いは、
前記方法は、前記画像化装置についての前記第２の基準系を決定するステップに応答して、ユーザディスプレイに対する前記マスタ入力制御装置の前記相対的な位置及び向きが前記画像化装置についての前記第２の基準系内の前記ツールの前記先端の相対的な位置及び向きに対応するよう、前記マスタ入力制御装置を移動させるステップを更に含む、
請求項１３又は１４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２０１３年３月１５日に出願された米国仮出願第６１／７９３，２２７号の３５ＵＳＣ１１９（ｅ）の下の利益を主張する。全ての目的のために、その全開示をここに参照として援用する。
【０００２】
本出願は、以下の同一所有者による出願、即ち、２０１２年８月１５日に出願された「Phantom  Degrees  of  Freedom  for  Manipulating  the  Movement  of  Robotic Systems」という名称の米国仮出願第６１／６８３，４９５号、２０１２年６月１日に出願された「Commanded  Reconfiguration  of  a  Surgical  Manipulator  Using  the  Null  Space」という名称の米国仮出願第６１／６５４，７６４号、２００９年６月３０日に出願された「Control  of  Medical  Robotic  System  Manipulator  About  Kinematic  Singularities」という名称の米国出願第１２／４９４，６９５号（許可済み）、２００９年３月１７日に出願された「Master  Controller  Having  Redundant  Degrees  of  Freedom  and  Added  Forces  to  Create  Internal  Motion」という名称の米国出願第１２／４０６，００４号（今や米国特許第８，２７１，１３０号）、２００５年５月１９日に出願された「Software  Center  and  Highly  Configurable  Robotic  Systems  for  Surgery  and  Other  Use」という名称の米国出願第１１／１３３，４２３号（今や米国特許第８，００４，２２９号）、２００４年９月３０日に出願された「Offset  Remote  Center  Manipulator  For  Robotic  Surgery」という名称の米国出願第１０／９５７，０７７号（今や米国特許第７，５９４，９１２号）、１９９９年９月１７日に出願された「Master  Having  Redundant  Degrees  of  Freedom」という名称の米国出願第０９／３９８，５０７号（今や米国特許第６，７１４，８３９号）に概ね関連し、それらの全開示をここに参照として援用する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、改良された手術及び／又はロボット装置、システム、及び方法を概ね提供する。
【０００４】
最小侵襲的な医療技法は、診断又は外科処置中に損傷させられる外部組織の量を減少させ、それにより、患者の回復時間、不快さ、及び有害な副作用を減少させることを目指している。何百万もの手術が米国内で毎年執り行われる。これらの手術の多くは潜在的には最小侵襲的な方法において執り行われる。しかしながら、最小侵襲的な手術器具及び技法の制約並びにそれらを習得するのに要する追加的な手術訓練の故に、比較的少数の手術のみがこれらの技法を現在用いている。
【０００５】
手術における使用のための最小侵襲的な遠隔手術システムが開発されて、外科医の器用さを増大させ、外科医が遠隔場所から患者を手術するのを可能にしている。遠隔手術は手術システムの一般用語であり、遠隔手術では、外科医は、手術器具を手で直接的に保持して移動させるのではなくむしろ、何らかの形態の遠隔制御、例えば、サーボ機構又は同種の機構を用いて手術器具を操作する。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（イメージ）が提供される。手術部位の典型的には三次元画像を適切なビューア又はディスプレイ上で見ながら、外科医はマスタ制御入力装置を操作することによって患者に対する手術を行い、次いで、マスタ制御入力装置はロボット器具の運動を制御する。小さな最小侵襲的な手術孔を通じてロボット手術器具を挿入し、患者内の手術部位で組織を治療し、そのような手術孔は典型的には観血手術に関連する外傷を招く。これらのロボットシステムは、多くの場合に、最小侵襲的な孔で器具のシャフトを旋回させること、孔を通じて軸方向にシャフトを摺動させること、孔内でシャフトを回転させること、及び／又は同種の操作によって、十分な器用さで手術器具の作業端を移動させ、極めて複雑な手術タスクを遂行する。
【０００６】
遠隔手術のために用いられるサーボ機構は、多くの場合に、２つのマスタコントローラ（各１つが外科医の各々の手のためにある）を受容し、２つ又はそれよりも多くのロボットアーム又はマニピュレータを含み得る。イメージキャプチャ装置（画像捕捉装置）によって表示されるロボット器具の画像への手の動きのマッピングが、各々の手に関連する器具に対する正確な制御を外科医にもたらすのを助け得る。多くの手術ロボットシステムには、内視鏡又は他のイメージキャプチャ装置、追加的な手術器具、又は同種のものを移動させるために、１つ又はそれよりも多くの追加的なロボット操作アームが含められる。
【０００７】
ロボット手術中に外科部位で手術器具を支持するために、様々な器具構成を用い得る。多くの場合に、被駆動リンク装置又は「スレーブ」をロボット手術マニピュレータと呼び、最小侵襲的なロボット手術中のロボット手術マニピュレータとしての使用のための例示的なリンク装置構成が、２０１２年６月１日に出願された「Commanded  Reconfiguration  of  a  Surgical  Manipulator  Using  the  Null  Space」という名称の米国仮出願第６１／６５４，７６４号、米国特許出願第６，７５８，８４３号、第６，２４６，２００号、及び第５，８００，４２３号に記載されており、それらの全開示をここに参照として援用する。これらのリンク装置は、しばしば、平行四辺形構成を利用して、シャフトを有する器具を保持する。そのようなマニピュレータ構造は、器具シャフトが剛的なシャフトの長さに沿う空間内に位置付けられる球回転の遠隔中心について旋回するよう、器具の動きを制約し得る。（例えば、腹腔鏡手術中に腹壁でトロカール又はカニューレを用いて）この回転の中心を内部手術部位への切開地点と整列させることによって、腹壁に対して危険な力を加えずに、マニュピュレータリンク装置を用いてシャフトの近位端を移動させることにより、手術器具のエンドエフェクタを安全に位置付け得る。代替的なマニピュレータ構造は、例えば、米国特許第７，５９４，９１２号、６，７０２，８０５号、５，８５５，５８３号、５，８０８，６６５号、５，４４５，１６６号、及び５，１８４，６０１号に記載されており、それらの全開示をここに参照として援用する。
【０００８】
新しいロボット手術システム及び装置は極めて効果的で有利であることが証明されているが、一層更なる改良が望ましい。一部の場合には、マニピュレータアセンブリの一部又は全部を変更することが望ましい。その場合、マニピュレータアセンブリは、マニピュレータ（例えば、ロボットアーム）に接続されるツール（例えば、手術ツール）を含み得る。例えば、遠隔中心についての動きを構造的に制約する平行四辺形構成から、例えばソフトウェア制御を用いて遠隔中心についての動きを制約する代替的なマニピュレータ構造に、ロボットアームを変更することが望ましくあり得る。他の例として、マニピュレータに接続されるツールを、例えば、クランプジョーを備えるものから内視鏡を備えるものに変更することが望ましくあり得る。
【０００９】
いずれにしても、異なるマニピュレータアセンブリは、多くの場合に、異なる数の自由度、異なる種類の自由度等のような、異なる特徴を有する。従って、異なるマニピュレータアセンブリを制御するために同じコントローラを用い得ず、むしろ、例えば、関節空間（継手空間）内の計算を行う異なるコントローラが用いられなければならず、異なるコントローラは各特定のツール及び／又はマニピュレータのためにカスタマイズされる。異なるコントローラの使用は、システムをより誤り易くさせる追加的な層の複雑さをもたらし、既存のシステムと共に新しいマニピュレータ及び／又はツールを用いることを効果的に制約し得る。その全開示をここに参照として援用する２００８年５月２日に出願された「Tool  Memory-Based  Software  Upgrades  for  Robotic  Surgery」という名称の米国出願第１２／１１４，０８２号（米国特許第７，９８３，７９３号）で議論されるような、新しいツールとのシステム互換性をもたらす幾つかの技法が開示されているが、更なる改良が依然として望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらの及び他の理由のために、手術、ロボット手術、及び他のロボット用とのための改良された装置、システム、及び方法を提供することが有利である。これらの改良された技術が、システムの複雑さ及び費用を低く維持しながら、エラーのない方法において異なる種類のマニピュレータ及び／又はツールの間を便利に切り換える能力をもたらすならば、特に有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、改良されたロボット及び／又は手術装置、システム、及び方法を概ね提供する。１つの実施態様では、遠隔手術システムを制御する方法を開示する。方法は、システムの第１のマニピュレータに接続される第１のツールとシステムの第２のマニピュレータに接続される第２のツールとを制御することを含む、様々な操作を含む。方法は、第１のツールが第２のマニピュレータに接続されて第２のツールが第１のマニピュレータに接続されるような、ツールのスワップ（取換え）を検出することを更に含む。方法は、第２のマニピュレータに接続される第１のツール及び第１のマニピュレータに接続される第２のツールを制御することも含む。
【００１２】
他の実施態様によれば、遠隔手術システムを制御する他の方法を開示する。方法は、ツールがシステムのマニピュレータに接続されているか否かを決定すること、ツールがマニピュレータに接続されていることが決定されるときに、ツールのためのマッピングを取得すること、取得したマッピングを用いてツールを制御すること、ツールがマニピュレータから取り外されて新しいツールがマニピュレータに接続されているか否かを決定すること、ツールがマニピュレータから取り外されて新しいツールがマニピュレータに接続されていることが決定されるときに、新しいツールのための新しいマッピングを取得すること、及び取得した新しいマッピングを用いて新しいツールを制御することを含む、様々な操作を含む。
【００１３】
他の実施態様によれば、患者の孔を通じて最小侵襲的な手術を行う遠隔手術システムを開示する。システムは、複数のロボットマニピュレータと、コントローラとを含み、各ロボットマニピュレータは、画像化装置と手術器具とを含む複数のツールのうちの１つを受け入れるように動作可能である。コントローラは、様々な機能を行うように動作可能であり得る。例えば、コントローラは、ロボットマニピュレータの第１のマニピュレータに接続される画像化装置とロボットマニピュレータの第２のマニピュレータに接続される手術器具とを制御し、画像化装置が第２のマニピュレータに接続されて手術器具が第１のマニピュレータに接続されるような、画像化装置と手術器具とのスワップを検出し、且つ第２のマニピュレータに接続される画像化装置と第１のマニピュレータに接続される手術器具とを制御し得る。
【００１４】
本発明の本質及び利点のより十分な理解のために、確実化する詳細な記載及び添付の図面を参照しなければならない。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、それらの図面及び後続な詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明の実施態様に従ったロボット手術システムを示す俯瞰図である。
【００１６】
【図１Ｂ】図１Ａのロボット手術システムを図式的に示す図である。
【００１７】
【図２】図１Ａの外科医コンソールを示す斜視図である。
【００１８】
【図３】図１Ａの電子機器カートを示す斜視図である。
【００１９】
【図４】各々が手術器具を支持する複数のマニピュレータアームを有する患者側カートを示す斜視図である。
【００２０】
【図５】ある実施態様に従ったマニピュレータアームを示す斜視図である。
【００２１】
【図６Ａ】ある実施態様に従った対向するクランプジョーを有するエンドエフェクタを含むロボット手術ツールを示す斜視図である。
【００２２】
【図６Ｂ】ある実施態様に従った手首部のある内視鏡を示す図である。
【００２３】
【図６Ｃ】ある実施態様に従った吸引ポートを備えるオーバーチューブの遠位端を示す斜視図である。
【００２４】
【図６Ｄ】ある実施態様に従った手首部のない内視鏡を示す図である。
【００２５】
【図７Ａ】ある実施態様に従ったマスタ制御入力装置を示す斜視図である。
【００２６】
【図７Ｂ】図７Ａのマスタ制御入力装置のジンバル又は手首部を示す斜視図である。
【００２７】
【図７Ｃ】図７Ａのマスタ制御入力装置の関節式アームを示す斜視図である。
【００２８】
【図８Ａ】第１の実施態様に従ったマニピュレータアセンブリと支持構造とを含むロボットシステムの一部を示す図である。
【００２９】
【図８Ｂ】第２の実施態様に従ったマニピュレータアセンブリと支持構造とを含むロボットシステムの一部を示す図である。
【００３０】
【図８Ｃ】第３の実施態様に従ったマニピュレータアセンブリと支持構造とを含むロボットシステムの一部を示す図である。
【００３１】
【図９Ａ】第１の実施態様に従ったコネクタ入力／出力要素と関節空間インターフェース要素との間のマッピングを示す図である。
【００３２】
【図９Ｂ】第２の実施態様に従ったコネクタ入力／出力要素と関節空間インターフェース要素との間のマッピングを示す図である。
【００３３】
【図９Ｃ】ある実施態様に従った関節空間インターフェース要素と作業空間インターフェース要素との間のマッピングを示す図である。
【００３４】
【図１０】ある実施態様に従ったコネクタ入力／出力要素と、関節空間インターフェース要素と、作業空間インターフェース要素との間のマッピングを示す図である。
【００３５】
【図１１Ａ】関節空間インターフェース要素によって制御される第１のマニピュレータアセンブリの自由度の第１の組のグループ分けを示す図である。
【００３６】
【図１１Ｂ】関節空間インターフェース要素によって制御される第２のマニピュレータアセンブリの自由度の第２の組のグループ分けを示す図である。
【００３７】
【図１２Ａ】ある実施態様に従ったコネクタ／関節空間を示す図である。
【００３８】
【図１２Ｂ】ある実施態様に従った関節空間／作業空間を示す図である。
【００３９】
【図１３Ａ】第１のマニピュレータアームに連結される画像化装置と第２のマニピュレータアームに連結される手術ツールとを含む患者側カートを示す図である。
【００４０】
【図１３Ｂ】第２のマニピュレータアームに連結される画像化装置と第１のマニピュレータアームに連結される手術ツールとを含む患者側カートを示す図である。
【００４１】
【図１４】同じマニピュレータアームに接続される多数の可能なツールからの１つのツールを制御するために用い得る一連の操作を示す図である。
【００４２】
【図１４Ａ】システムユーザに表示されるようなイメージキャプチャ装置によって画像化される手術ツールの動きとシステムユーザが操作する入力装置との間の対応を維持するよう、画像化装置が第１のマニピュレータアームから取り外されて第２のマニピュレータアームに連結されるときに用い得る一連の操作を示す図である。
【００４３】
【図１４Ｂ】ツール交換前のツール先端を示す図であり、手術器具を制御するためのカメラ基準座標系への関連する変化を概略的に示している。
【図１４Ｃ】ツール交換後のツール先端を示す図であり、手術器具を制御するためのカメラ基準座標系への関連する変化を概略的に示している。
【００４４】
【図１５】ある実施態様に従ったツールのためのマッピングを取得する一連の操作を示す図である。
【００４５】
【図１６Ａ】１つの実施態様に従って所得したマッピングを用いてツールを制御するために用い得る一連の操作を示す図である。
【００４６】
【図１６Ｂ】他の実施態様に従って取得したマッピングを用いてツールを制御するために用い得る一連の操作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明の実施態様は、多数の異なるマニピュレータアセンブリを制御する技法の改良を概ねもたらす。一部の実施態様は、手術ロボットシステムとの使用のために特に有利であり、手術ロボットシステムでは、複数の手術ツール（手術工具）又は器具が外科処置中に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移動させられる。ロボットシステムは、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、遠隔ロボット、遠隔手術、及び／又はテレプレゼンスシステムを含むことが多い。異なるロボットアーム及び／又は手術ツールのような多数の異なるマニピュレータアセンブリを制御するよう適切に構成される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、外科措置を行う際のロボットシステムの柔軟性を有意に増大させ得る。
【００４８】
ここに記載するロボットマニピュレータアセンブリは、多くの場合、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（ツールは、多くの場合、手術バージョンの手術器具を含む）とを含むが、「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、汎用又は工業ロボットツール及び特殊ロボット手術ツールの両方を含み、これらのより最近の構造は、しばしば、組織の操作、組織の治療、組織の画像化、又は同種のこと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ーフェースは、多くの場合、急速着脱ツールホルダ又はカプリングであり、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、多くの場合、ロボット処置の少なくとも一部の間に空間内に固定されるベースを含み、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み得る。例えば、マニピュレータアセンブリは、マニピュレータの運動学的な自由度並びにマニピュレータに接続されるツールの運動学的な自由度を含み得る。これらの組み合わせを「マニピュレータ自由度」と呼ぶことがあり、それらは典型的には関節空間（継手空間）内に定められる。（把持装置のジョーの開閉、電気外科パッドルを通電すること、真空のために空気圧をアクティブ化すること、又は同種のことのような）エンドエフェクタの作動は、これらのマニピュレータ自由度と別個であり、それらに加えてある。これらを「アクチュエータ自由度」と呼ぶことがある。
【００４９】
エンドエフェクタ（より一般的には、以下に記載するような制御フレーム）は、典型的には２〜６の間の自由度を備える作業空間内で移動するが、２つよりも少ない自由度又は６つよりも多い自由度で作業空間内を移動し得る。ここでは、エンドエフェクタの自由度（より一般的には、制御フレームの自由度）を「エンドエフェクタ自由度」と呼ぶことがあり、それらは典型的には（以下に記載する）デカルト作業空間内に定められる。ここで使用するとき、「位置」という用語は、場所（例えば、ｘ，ｙ，ｚ座標）及び向き（例えば、縦揺れ、偏揺れ、横揺れ）の両方を包含する。故に、エンドエフェクタの位置の変化は、（例えば）第１の場所から第２の場所へのエンドエフェクタの位置の並進（平行移動）、第１の向きから第２の向きへのエンドエフェクタの回転、又は両者の組み合わせを含み得る。最小侵襲的なロボット手術のために用いられるときには、ツール又は器具のシャフト又は中間部分が最小侵襲的な手術アクセス部位又は他の孔を通じる安全な運動に制約されるよう、システムの１つ又はそれよりも多くのプロセッサによって、マニピュレータアセンブリの動きを制御し得る。そのような運動は、例えば、孔部位を通じて手術作業空間内に至るシャフトの軸方向挿入、その軸についてのシャフトの回転、孔部位にある旋回地点についてのシャフトの旋回運動を含み得る。
【００５０】
１つの具体的な実施態様では、システムのモータを用いるコントローラを介して１つ又はそれよりも多くの関節（継手）を駆動させることによって、マニピュレータアセンブリの運動学的な自由度を制御し得る。関節はコントローラのプロセッサによって計算される協調関節動作に従って駆動させられる。算数的に、コントローラはベクトル及び／又は行列を用いて関節命令の計算の少なくとも一部を行い得る。ベクトル及び／又は行列の一部は、関節の構成（コンフィギュレーション）又は速度に対応する要素（成分）を有し得る。プロセッサに利用可能な代替的な関節構成を関節空間として概念化し得る。関節空間は、例えば、マニピュレータアセンブリが有する自由度と同じ数の次元を有してよく、一部の例示的な実施態様において、マニピュレータアセンブリは少なくとも１つの自由度を欠いてマニピュレータアセンブリと関連付けられるエンドエフェクタの位置を十分に定め得るので、関節空間はマニピュレータアセンブリが有する自由度よりも多い次元を有してもよい。更に、マニピュレータアセンブリの特定の構成は関節空間内の特定の地点を表してよく、各座標はマニピュレータアセンブリの関連付けられる関節の関節状態に対応し、そこには、マニピュレータの関連付けられる関節が存在する。
【００５１】
例示的な実施態様において、システムはコントローラを含み、そこでは、命令される位置及びデカルト空間としてここに示す作業空間内の機能の速度が入力である。機能は、制御入力を用いて関節式に連接されるべき制御フレームとして用い得るマニピュレータアセンブリ上の又はマニピュレータアセンブリから離れた如何なる機能であってもよい。ここに記載する多くの実施例において用いられるマニピュレータアセンブリ上の機能の例は、ツール先端である。マニピュレータアセンブリ上の機能の他の例は、ピン又は彩色パターンのような、ツール先端にないがマニピュレータアセンブリの一部である物理的な機能である。マニピュレータアセンブリの機能の例は、ツール先端から正に特定の距離及び角度だけ離れた空空間内の基準地点である。マニピュレータアセンブリから離れた機能の他の例は、マニピュレータアセンブリに対するその位置を確立し得る標的組織である。これらの場合の全てにおいて、エンドエフェクタは、制御入力を用いて関節式に連接されるべき仮想の制御フレームと関連付けられる。しかしながら、以下では「エンドエフェクタ」及び「ツール先端」を同義的に用いる。一般的には所望のデカルト空間エンドエフェクタ地点を均等な関節空間位置にマッピングする閉形式の関係(closed  form  relationship)はないが、デカルト空間エンドエフェクタと関節空間速度との間には閉形式の関係がある。運動学的なヤコビアンは、関節空間位置要素（成分）に対するエンドエフェクタのデカルト空間位置成分の偏導関数の行列である。このようにして、運動学的なヤコビアンは、エンドエフェクタとマニピュレータアセンブリの関節との間の運動学的な関係を捕捉（キャプチャ）する。換言すれば、運動学的なヤコビアンはエンドエフェクタ上の関節運動の効果を捕捉する。
【００５２】
ここに記載するマニピュレータアセンブリの多く（しかしながら、全部ではない）は、典型的には作業空間内のエンドエフェクタの位置付けに対する完全な制御に関連付けられる自由度よりも少ない、使用のために利用可能な自由度を有する（その場合、エンドエフェクタの完全な制御は、３つの独立した並進及び３つの独立した向きを含むエンドエフェクタ自由度を必要とする）。即ち、マニピュレータアセンブリは、６つのエンドエフェクタ自由度を独立して制御するために、不十分な数の又は種類の自由度を有し得る。例えば、関節式に連結する手首部（リスト）のない剛的な内視鏡先端は、手首部で２つの自由度を欠き得る。従って、内視鏡は、エンドエフェクタを位置決めするために、６つではなく、４つだけの自由度を有してもよく、それ故に、内視鏡の運動を潜在的に制約する。
【００５３】
しかしながら、ここに記載するマニピュレータアセンブリの一部は、エンドエフェクタの位置付けに対する完全な制御に要するよりも多い数の自由度を有する（その場合、エンドエフェクタの完全な制御は、３つの独立した並進及び３つの独立した向きを含むエンドエフェクタ自由度を必要とする）。しかしながら、マニピュレータアセンブリの関節の種類及び構成の故に、マニピュレータアセンブリは、エンドエフェクタの位置付けを依然として完全に制御し得ない。例えば、マニピュレータアセンブリは、７つのマニピュレータ自由度を有し得るが、それらの３つは余剰である。結果的に、エンドエフェクタは、効果的に５つの自由度を有する。一部の実施態様において、マニピュレータアセンブリは十分な自由度を有してエンドエフェクタの位置付けを完全に制御し得る。
【００５４】
エンドエフェクタの位置付けを制御するために利用可能な自由度の数に拘わらず、ここに記載するマニピュレータアセンブリは、ツールを作動させるための追加的な自由度（即ち、作動自由度）も促進し得る。例えば、作動後に選択的な組織を加熱するよう動作可能である電気焼灼プローブを有するツールを取り付けるようにマニピュレータアセンブリを構成してもよく、その場合、熱の作動／非作動は自由度である。他の例として、例えば、作動後に選択的な組織の周りに吸引力を適用するよう動作可能である真空を有するツールを取り付けるようにマニピュレータアセンブリを構成してもよく、その場合、吸引力を作動させることは自由度である。更なる他の例として、グリップを有するツールを取り付けるようにマニピュレータアセンブリを構成してもよく、その場合、グリップの作動は自由度である。一層更なる他の例として、グリップとカッタとを有するツールを取り付けるようにマニピュレータアセンブリを構成してもよく、その場合、グリップの作動は自由度であり、カッタの作動は自由度である。そのような場合、これらの追加的な自由度は運動的でない。何故ならば、それらはエンドエフェクタの位置（即ち、場所及び向き）に影響を与えないからである。従って、これらの追加的な自由度を「非運動的」又は「作動」自由度と呼び得る。これは運動的な自由度（例えば、ここに記載するマニピュレータ自由度）と対照的である。何故ならば、運動学的な自由度は、エンドエフェクタの位置に影響を与えるからである。
【００５５】
ここでは、しばしば、関節又は類似物の「状態」という用語を関節と関連付けられる制御変数と呼ぶ。例えば、角関節の状態は、その運動の範囲内でその関節によって定められる角度を指し、且つ／或いは関節の角速度を指し得る。同様に、軸又はプリズム状関節の状態は、関節の軸位置を指し、且つ／或いはその軸速度を指し得る。ここに記載するコントローラの多くは速度コントローラを含むが、それらは何らかの位置制御特徴も有することが多い。代替的な実施態様は、主として又は全体的に、位置コントローラ、加速度コントローラ、又は類似のコントローラに依存し得る。そのような装置において用い得る制御システムの多くの特徴は、米国特許第６，６９９，１７７号により完全に記載されており、その全文をここに参照として援用する。故に、記載する動作が関連付けられる計算に基づく限り、位置制御アルゴリズム、速度制御アルゴリズム、両者の組み合わせ、及び／又は同種のアルゴリズムを用いて、ここに記載する関節の動き及びエンドエフェクタの動きの計算を行い得る。
【００５６】
多くの実施態様において、例示的なマニピュレータアームのツールは、最小侵襲的な孔に隣接する旋回地点について旋回する。一部の実施態様において、システムは、その全文をここに参照として援用する米国特許第６，７８６，８９６号に記載する遠隔中心運動学のような、ハードウェア遠隔中心を利用し得る。そのようなシステムは、マニピュレータによって支持される器具のシャフトが遠隔中心地点について旋回するように、リンク装置(linkage)の動きを制約する二重平行四辺形のリンク装置を利用し得る。代替的な機械的に制約される遠隔中心リンク装置システムは知られており、且つ／或いは将来的に開発され得る。他の実施態様において、システムはソフトウェアを利用して米国特許第８，００４，２２９号に記載するような遠隔中心を達成することができ、その全文をここに参照として援用する。ソフトウェア遠隔中心を有するシステムにおいて、プロセッサは、機械的な制約とは対照的に、器具シャフトの中間部分を所望の旋回地点について旋回させるように関節の動きを計算する。ソフトウェア旋回地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（順応性）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し得る。より具体的には、ある範囲の旋回地点／中心に対する異なるシステムモード（例えば、ソフトウェアが定める旋回地点を１つの場所から他の場所に移動させ得るような移動可能な旋回地点、患者の体壁に依存して「中心」を通過することの制約を実施し得るような受動的な旋回地点、固定的／剛的な旋回地点、ソフト旋回地点等）を所望に実施し得る。
【００５７】
多くの構成において、ロボット手術システムは、遠隔操作されるロボットマニピュレータアーム及び／又はツールが有する自由度と同じ、よりも少ない、又はよりも多い、多数の自由度を有するマスタコントローラを含み得る。そのような場合には、典型的には、ロボットマニピュレータアーム及び／又はツールを制御するために用いるヤコビアンに基づく又は他のコントローラが、完全な数学的な解及び満足な制御をもたらす。例えば、剛的な本体の位置（例えば、場所及び向き）を完全に制御することは、並進のための３つの自由度と回転のための３つの自由度を含む、剛的な本体の６つの独立して制御可能な自由度を利用し得る。これはヤコビアンに基づく制御アルゴリズムに上手く適し、そこでは、６×Ｎヤコビアン行列が用いられる。
【００５８】
エンドエフェクタの位置を完全に制御するための６つの自由度と同じ数の、よりも少ない、又はよりも多い自由度を有するアセンブリを含む、様々な自由度を有するマニピュレータアセンブリをここに開示するが、これらのアセンブリの多くの実施態様は、エンドエフェクタの位置を完全に制御するための少なくとも１つの自由度を欠く。マニピュレータアセンブリは、これらの自由度のうちの１つを欠き得るが、マニピュレータアセンブリを制御する入力装置（例えば、マスタ制御入力装置）は、欠いている自由度を含み得る。本発明の実施態様によれば、マニピュレータアセンブリで欠いている自由度を制御する入力に応答して、マニピュレータアセンブリで利用可能な他の自由度は、欠いている自由度の制御を擬態（シュミレート）するような運動をもたらし得る。これは欠いているマニピュレータ自由度のための計算を含み且つ行うマニピュレータアセンブリの運動学的モデルを用いることによって行われ得る。そのような計算を行うことによって、マニピュレータアセンブリの残余の自由度をより効果的に制御して、エンドエフェクタが所要の自由度に沿って移動するように見えるようにさせ得る。更に、そのような運動学的モデルの使用は、異なる数の自由度を有するツールの位置決め及び／又は作動を促進することの複雑さを有利に低減させ得る。
【００５９】
少なくとも１つの実施態様では、ロボット手術システムの同じベース又は支持構造に繋がるように異なるマニピュレータアセンブリを構成し得る。例えば、同じ支持構造に繋がるように異なるロボットアームを構成し得るし、且つ／或いは同じロボットアームに繋がるように異なるロボットアームを構成し得る。一部の実施態様において、異なるロボットアームにある同じコネクタ要素は、ロボットアームの異なる特徴を制御し得る。例えば、１つのロボットアームにある最上部のコネクタ要素は、ロボットアームの偏揺れを制御し得るのに対し、他のロボットアームにある最上部のコネクタ要素は、ロボットアームの横揺れを制御し得る。
【００６０】
ロボットアームから支持構造内のコントローラによって受信される信号の正しい解釈を促進するために、マッピングユニットを設けて、ロボットアームから受信する信号を関節空間コントローラのようなコントローラの特定の入力にマッピングし得る。例えば、多数の異なるマニピュレータアセンブリのために用い得る共通の関節空間コントローラが、一定の組の入力要素を有し得る。次に、特定のロボットアームのためのマッピングユニットは、ロボットアームから受信する信号を関節空間コントローラの適切な入力要素にマッピングし得る。例えば、マッピングユニットは、ロボットアームの「横揺れ」コネクタ要素から受信する信号を関節空間コントローラの汎用入力要素にマッピングし得る。異なるロボットアームのために、マッピングユニットは、（第１のロボットアームのためのコネクタ要素と異なるコネクタ要素であり得る）ロボットアームの「横揺れ」コネクタ要素から受信する信号を関節空間コントローラの同じ汎用入力要素にマッピングし得る。そのようにして、同じ関節空間コントローラを用いて多数の異なるマニピュレータアセンブリのための関節空間計算を行い得る。
【００６１】
同様に、マニピュレータアセンブリに特異なマッピングを用いて、異なる種類の空間内の計算を行うコントローラの間の信号をマッピングし得る。例えば、支持構造は、関節空間コントローラに加えて、例えば、三次元作業空間内の計算を行うように動作可能であるデカルト空間(cart  space)コントローラのような、作業空間コントローラを含み得る。よって、マッピングユニットを設けて、関節空間コントローラから出力される信号を作業空間コントローラの入力要素にマッピングし得る。
【００６２】
以下の記述では、本発明の様々な実施態様を記載する。説明の目的のために、実施態様の網羅的な理解をもたらすよう、特定の構成及び詳細を示す。しかしながら、特定の詳細がなくても本発明を実施し得ることも当業者に明らかであろう。更に、記載する実施態様を曖昧にしないために、周知の機能を省略し或いは簡略化し得る。
【００６３】
図面を今や参照すると、幾つかの図面を通じて同等の参照番号は同等の部分を示しており、図１Ａは、手術テーブル１４の上に横たわっている患者１２に対して最小侵襲的な診断又は外科処置を行う際の使用のための、多くの実施態様に従った、最小侵襲的ロボット手術システム１０（ＭＩＲＳシステム）を例示する俯瞰図である。システムは、手術中の外科医１８による使用のための外科医コンソール１６を含み得る。１人以上の助手２０も手術に参加し得る。ＭＩＲＳシステム１０は、患者側カート２２（手術ロボット）及び電子機器カート２４を更に含み得る。患者側カート２２は、多数のロボットアームを含み得る。各々のロボットアームは、外科医１８が外科医コンソール１６を通じて手術部位を見る間に、患者１２の身体の最小侵襲的な切開部を通じて少なくとも１つの取外し可能に連結されるツールアセンブリ２６（以下単に「ツール」と呼ぶ）を操作し得る。入れ子式の内視鏡のような画像化装置２８（イメージング装置）によって手術部位の画像を取得可能であり、画像化装置２８を方向付けるよう患者側カート２２によって画像化装置２８を操作し得る。電子機器カート２４を用いて、引き続き外科医コンソール１６を通じて外科医１８に表示するために手術部位の画像を処理し得る。一度に用いられる手術ツール２６の数は、他の要因の中でもとりわけ、診断又は外科処置及び手術室内の空間的制約に概ね依存する。手術中に使用しているツール２６の１つ又はそれよりも多くを変更することが必要であるならば、助手２０は患者側カート２２からツール２６を取り外して、それを手術室内のトレイ３０からの他のツール２６と交換し得る。更に、患者側カート２２に取り付けられる特定のロボットアームも、診断又は外科処置に依存し、同様に、手術前、手術中、又は手術後にツール２６も変更し得る。
【００６４】
特定の実施態様におけるＭＩＲＳシステム１０は、患者に対して最小侵襲的な診断又は外科処置を行うためのシステムであり、外科医コンソール１６、電子機器カート２４、及び患者側カート２２のような、様々な構成部品を含む。しかしながら、システムは図１Ａに例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによって同様に十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。更に、ＭＩＲＳシステム１０の１つの特定の要素によって行うものとしてここに記載する計算作業又は機能をＭＩＲＳシステム１０の他の要素によって行ってもよく、一部の実施態様では、ＭＩＲＳシステム１０の２つ又はそれよりも多くの要素に分配してもよい。例えば、電子機器カート２４によって行うものとしてここに記載する機能を、一部の実施態様では、外科医コンソール１６及び／又は患者側カート２２によって行い得る。更に、同じ又は類似の機能性を提供する多数の要素もＭＩＲＳシステム１０内で実施し得ることが認識されるべきである。例えば、ＭＩＲＳシステム１０は、独立して或いは組み合わせにおいて、１つ、２つ、又はそれよりも多くの患者側カート２２を制御する／それらと相互作用する、２つ又はそれよりも多くの外科医コンソール１６を含み得る。同様に、１つよりも多くの電子機器カート２４（例えば、各コンソールについて１つずつ）を設けてもよいし、一部の実施態様では、カート２４を設けず、それにより、カート２４と関連付けられるここに記載する機能性を１つ又はそれよりも多くのコンソール１６、カート２２、及び／又はＭＩＲＳシステム１０の他の要素に分配してもよい。よって、図１Ａ中のシステム１０の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないと理解されるべきである。
【００６５】
図１Ｂは、（図１ＡのＭＩＲＳシステム１０のような）ロボット手術システム５０を図式的に例示している。上で議論したように、外科医１８は、最小侵襲的な手術中に、（図１Ａ中の外科医コンソール１６のような）外科医コンソール５２を用いて、（図１Ａ中の患者側カート２２）のような患者側カート５４（手術ロボット）を制御し得る。患者側カート５４は、入れ子式の内視鏡のような画像化装置を用いて、手術部位の画像を捕捉（キャプチャ）し、捕捉画像を（図１Ａ中の電子機器カート２４のような）電子機器カート５６に出力し得る。上で議論したように、電子機器カート５６は、如何なる後続の表示に先立って、捕捉画像を様々な方法において処理し得る。例えば、電子機器カート５６は、外科医コンソール５２を介して組み合わせ画像を外科医に表示するに先立って、捕捉画像を仮想の制御インターフェースでオーバーレイし得る。患者側カート５４は、電子機器カート５６の外側での処理のために、捕捉画像を出力し得る。例えば、患者側カート５４は捕捉画像をプロセッサ５８に出力してよく、プロセッサ５８を用いて捕捉画像を処理し得る。電子機器カート５６とプロセッサ５８との組み合わせによって画像を処理してもよく、捕捉画像を一緒に、順次的に、及び／又はそれらの組み合わせで処理するよう、電子機器カート５６及びプロセッサ５８を連結してよい。手術部位の画像又は他の関連画像のような画像の局所表示（ローカル表示）及び／又は遠隔表示のために、１つ又はそれよりも多くの別個のディスプレイ６０をプロセッサ５８及び／又は電子機器カート５６と連結させてもよい。
【００６６】
特定の実施態様において、ＭＩＲＳシステム５０は、患者に対して最小侵襲的な診断又は外科処置を行うためのシステムであり、外科医コンソール５２、電子機器カート５６、及び患者側カート５４のような、様々な構成部品を含む。しかしながら、システムが図１Ｂに例示するよりも少ない又は多い数の構成部品によって等しく十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。よって、図１Ｂ中のシステム５０の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【００６７】
図２は、外科医コンソール１６の斜視図である。外科医コンソール１６は、奥行知覚を可能にする手術部位の協調的な立体図を外科医１８に提示するために、左眼ディスプレイ３２及び右眼ディスプレイ３４を含む。外科医コンソール１６は、１つ又はそれよりも多くの入力制御装置３６を更に含み、次いで、入力制御装置３６は、（図１Ａに示す）患者側カート２２に１つ又はそれよりも多くのツールを操作させる。外科医がツール２６を直接的に制御しているという強い感覚を得るよう、テレプレゼンス又は入力制御装置３６がツール２６と一体的であるという知覚を外科医にもたらすために、入力制御装置３６は、（図１Ａに示す）入力制御装置の関連するツール２６と同じ自由度又はそれらよりも多くの自由度をもたらし得る。この目的を達成するために、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ（図示せず）を利用して、入力制御装置３６を通じてツール２６からの位置、力、及び触覚感覚を外科医の両手に戻し得る。
【００６８】
外科医が手術を直接的に監視し、必要であれば、物理的に存在し、電話又は他の通信媒体を通じてではなく直接的に助手と話し得るよう、外科医コンソール１６は、患者と同じ部屋内に配置されるのが普通である。しかしながら、外科医を異なる部屋、完全に異なる建物、又は遠隔外科処置を可能にする患者から遠く離れた他の場所に配置し得る。
【００６９】
外科医コンソール１６は、特定の実施態様において、手術部位に関する情報を外科医に提示し且つ外科医から入力情報を受信する装置であり、両眼ディスプレイ及び入力制御装置のような様々な構成部品を含む。しかしながら、外科医コンソールが図２に例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。よって、図２中の外科医コンソール１６の描写は例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【００７０】
図３は、電子機器カート２４の斜視図である。電子機器カート２４を画像化装置２８と連結させてよく、電子機器カート２４は、外科医コンソール１６上の外科医への或いは局所（ローカル）及び／又は遠隔に配置される他の適切なディスプレイ上へのような後続の表示のために捕捉画像を処理するプロセッサを含み得る。例えば、入れ子式の内視鏡が用いられる場合、電子機器カート２４は、手術部位の協調的な立体画像を外科医に提示するように捕捉画像を処理し得る。そのような協調は、対向する画像の間の整列（アライメント）を含み得るし、入れ子式の内視鏡の立体作動距離を調節することを含み得る。他の例として、画像処理が、光学収差のようなイメージキャプチャ装置（画像捕捉装置）の画像エラーを補償するために、従前に決定したカメラキャリブレーションパラメータを使用することを含み得る。
【００７１】
電子機器カート２４は、特定の実施態様において、手術に関する情報を手術チームに提示する装置であり、様々な構成部品、ディスプレイ、プロセッサ、記憶要素(storage  element)等を含む。しかしながら、電子機器カート２４が図３に例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。よって、図３中の電子機器カート２４の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【００７２】
図４は、支持構造１１０に取り付けられる複数のマニピュレータアーム１００を有する患者側カート２２を示しており、各々のマニピュレータアーム１００は、その遠位端でツール２６を支持する。図示の患者側カート２２は、４つのマニピュレータアーム１００を含み、手術ツール２６又は手術部位の画像を捕捉（キャプチャ）するために用いる入れ子式の内視鏡のような画像化装置２８のいずれかを支持するためにマニピュレータアームを用い得る。支持構造１１０は、ホイール、ベース、脚、スパイン（脊椎部）等のような、マニピュレータアーム１００を支持するのに適した１つ又はそれよりも多くの要素を含み得る。一部の実施態様において、支持構造１１０は、プロセッサ、記憶要素等のような、電子機器構成部品を含んでよく、少なくとも１つの実施態様では、マニピュレータアーム１００を支持構造１１０に機械的に連結させ且つマニピュレータアーム１００及び／又はツール２６の構成部品（例えば、モータ及びアクチュエータ）を支持構造１１０の構成部品（例えば、プロセッサ、記憶要素等）に電気的に連結させるコネクタを含む。
【００７３】
ツール２６の操作は、多数のロボット関節を有するロボットマニピュレータアーム１００によってもたらされ、その場合、各々の関節は、マニピュレータ自由度をもたらす。モータ又はモータアセンブリのようなアクチュエータによって各関節の角度を制御し得るし、一部の実施態様では、各関節上に又は各関節に近接して配置される１つ又はそれよりも多くのセンサ（例えば、エンコーダ、ポテンシオメータ、又は同等物）を用いて、各関節の角度を測定し得る。切開部の大きさを最小限化するために運動学的な遠隔中心が切開部に維持されるよう、患者の切開部を通じて画像化装置２８及び手術ツール２６を位置付けて操作し得る。手術器具又はツール２６が画像化装置２８の視野内に位置付けられるとき、手術部位の画像は手術器具又はツール２６の遠位端の画像を含み得る。
【００７４】
手術ツール２６に関して、異なる種類の様々な代替的なロボット手術ツール又は器具及び異なるエンドエフェクタを用いてよく、外科処置中に少なくとも一部のマニピュレータの器具は取り外されて交換される。ドべーキー鉗子(DeBakey  Forceps)、マイクロ鉗子(microforceps)、ポット鋏(Potts  scissors)、及びクリッププライヤ(clip  a  plier)を含む、これらのエンドエフェクタの幾つかは、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旋回する第１及び第２のエンドエフェクタ要素を含む。外科用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関して、ジョーは、多くの場合、ハンドルのグリップ部材を狭窄することによって作動させられる。例えば、電気焼灼プローブを通電させるよう、グリップ部材を把持することによっても、単一のエンドエフェクタ器具を作動させ得る。
【００７５】
器具２６の細長いシャフトは、エンドエフェクタ及びシャフトの遠位端が、最小侵襲的な孔を通じて、多くの場合には、腹壁又は類似の壁を通じて、手術作業部位内に遠位に挿入されるのを可能にする。手術作業部位を通気し得るし、シャフトが最小侵襲的な孔を通過する場所について器具２６を旋回させることによって、少なくとも部分的に、患者内のエンドエフェクタの動きに影響を与え得る。換言すれば、エンドエフェクタの所望の動きをもたらすのに役立つために、シャフトが最小侵襲的な孔を通じて延びるよう、マニピュレータ１００は患者の外側の器具の近位ハウジングを動かす。故に、マニピュレータ１００は、しばしば、外科処置中に患者１２の外側で有意な動きを受ける。
【００７６】
患者側カート２２は、特定の実施態様において、患者に対する外科処置を補助する手術ツールをもたらす装置であり、支持構造１１０、マニピュレータアーム１００、及びツール２６のような、様々な構成部品を含み得る。しかしながら、患者側カートは図４に例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者に明らかであろう。よって、図４中の患者側カート２２の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【００７７】
図５を参照して本発明の一部の実施態様に従った例示的なマニピュレータアームを理解し得る。上述のように、マニピュレータアームは、遠位器具又は手術ツールを概ね支持し、ベースに対する器具の動きに影響を与える。（典型的には手術助手の助けを受けて）手術中に異なるエンドエフェクタを有する多数の異なる器具を各マニピュレータに順次的に取り付け得るので、遠位器具ホルダが、好ましくは、取り付けられる器具又はツールの迅速な取外し及び交換を可能にする。図４を参照して理解し得るように、マニピュレータは、患者側カートのベースに近位に取り付けられる。典型的には、マニピュレータアームは、ベースと遠位器具ホルダとの間に延びる複数のリンク装置及び関連する関節を含む。１つの特徴において、例示的なマニピュレータは、余剰な又は余剰でない自由度を有する複数の関節を含むが、エンドエフェクタの位置（即ち、場所及び向き）を十分に規定するのに必要な少なくとも１つの自由度を欠いている。
【００７８】
図５に示すような多くの実施態様において、例示的なマニピュレータアームは、関節の遠位にあるマニピュレータアームを関節軸について回転させるために、第１の関節軸について回転する近位回転関節Ｊ１を含む。一部の実施態様において、回転関節Ｊ１はベースに直接的に取り付けられるのに対し、他の実施態様では、回転関節Ｊ１を１つ又はそれよりも多くの移動可能なリンク装置又は関節に取り付け得る。マニピュレータアームの関節に連結させられるツールの位置及び／又は向きを制御するために、マニピュレータアームの関節を操作し得る。一部の実施態様では、所与のエンドエフェクタ位置のために、マニピュレータアームの関節をある範囲の異なる構成にさせ得るように、マニピュレータの関節は、組み合わせにおいて、余剰な自由度を有し得る。例えば、１つ又はそれよりも多くの追加的な余剰な自由度が図５のマニピュレータアームに加えられるならば、結果として得られるマニピュレータアームを異なる構成にさせ得るのに対し、器具ホルダ５１０内で支持される遠位器具又はツール５１１は特定の状態を維持し、それはエンドエフェクタの所与の位置又は速度を含み得る。マニピュレータアームが余剰な自由度を含むか否かに拘わらず、一部の実施態様において、マニピュレータの関節は、ツール５１１の位置を十分に定める６つのエンドエフェクタ自由度のうちの少なくとも１つを独立的に制御するように動作可能でない。例えば、マニピュレータは、ツール５１１を１つ又はそれよりも多くの方向において独立的に横揺れ、縦揺れ、偏揺れ、及び／又は並進させるように動作可能でないかもしれない。
【００７９】
図５に例示するようなリンク(link)を接続する関節の回転軸と共に、図５のマニピュレータアーム５００の個々のリンクを記載すると、第１のリンク５０４が旋回関節Ｊ２から遠位に延び、旋回関節Ｊ２はその関節軸について旋回し且つ回転関節Ｊ１に連結され、回転軸Ｊ１はその関節軸について回転する。図５に示すように、それらの関連する回転軸によって、残余の関節の多くを特定し得る。例えば、第１のリンク５０４の遠位端が旋回関節Ｊ３で第２のリンク５０６の近位端に連結され、旋回関節Ｊ３はその旋回軸について回転し、第３のリンク５０８の近位端が旋回関節Ｊ４で第２のリンク５０６の遠位端に連結され、図示のように、旋回関節Ｊ４はその軸について回転する。第３のリンク５０８の遠位端は旋回関節Ｊ５で器具ホルダ５１０に連結される。典型的には、マニピュレータアームの幅の減少をもたらしてマニピュレータアセンブリの操作中の患者隙間を向上させるために、各関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５の旋回軸は実質的に平行であり、リンク装置は隣り合って位置付けられるときに「積み重ねられて」見える。多くの実施態様において、器具ホルダ５１０は、最小侵襲的な孔を通じる器具５１１の軸方向の動きを促進し且つ器具５１１を摺動可能に挿入するカニューレへの器具ホルダ５１０の取付けを容易化する角柱関節Ｊ６のような、追加的な関節も含む。一部の実施態様では、器具ホルダ５１０の自由度をマニピュレータアーム５００の自由度の残余と組み合わせるときでさえ、結果として得られる自由度は、ツール５１１の位置を十分に定める６つの自由度のうちの少なくとも１つをもたらすのに依然として不十分である。
【００８０】
器具５１１は、器具ホルダ５１０の遠位に追加的な自由度を含み得る。器具の自由度の作動は、マニピュレータのモータによって駆動させられることが多く、代替的な実施態様は、器具上にあるものとしてここに示す１つ又はそれよりも多くの関節がむしろインターフェース上にある或いはその逆であるよう、素早く取り外し可能な器具ホルダ／器具表面で支持マニピュレータ構造から器具を分離し得る。一部の実施態様において、器具５１１は、最小侵襲的な阿南お部位に概ね配置される旋回地点ＰＰ又はツール先端の挿入地点の付近又は近傍に回転関節Ｊ７（図示せず）を含む。器具の遠位手首部は、器具手首部で１つ又はそれよりも多くの関節の器具関節軸についての手術ツール５１１のエンドエフェクタの旋回運動を可能にする。エンドエフェクタの場所及び向きと無関係に、エンドエフェクタジョー要素間の角度を制御し得る。マニピュレータ自由度の一部と考え得る、手術ツール５１１によってもたらされるこれらの追加的な運動学的な自由度にも拘わらず、一部の実施態様では、手術ツール５１１の運動学的な自由度を（例えば、器具ホルダ５１０の自由度を含む）マニピュレータアーム５００の自由度と組み合わせるときでさえ、結果として得られる運動学的な自由度は、ツール５１１の先端に位置を完全に制御するのに依然として不十分である。
【００８１】
多数の実施態様において、マニピュレータアーム５００は、支持構造及びツールに機械的に、そして、一部の実施態様では電気的に繋がるコネクタを含み得る。１つの実施態様において、マニピュレータアーム５００は、支持構造上の対応するコネクタと係合するように成形される支持構造コネクタ５１２を含み得る。支持構造コネクタ５１２は、支持構造の要素（例えば、１つ又はそれよりも多くのプロセッサ）とマニピュレータアーム５００の要素（例えば、モータ及び／又はセンサ）との間で情報を通信する１つ又はそれよりも多くの要素を含み得る。例えば、支持構造コネクタ５１２は、モータ、センサ、及び／又はマニピュレータアーム５００の他の要素に連結される電気的及び／又は光学的な構成部品を含み得る。
【００８２】
他の実施態様において、マニピュレータアーム５００は、ツール上の対応するコネクタと係合するように成形されるツールコネクタ５１４を含み得る。ツールコネクタ５１４は、ツールの要素（例えば、モータ又は他のアクチュエータ、センサ等）とマニピュレータアーム５００の要素（例えば、リンク内の電気的及び／又は光学的な導体、支持構造コネクタ５１２の電気的及び／又は光学的な構成部品等）との間で情報を通信する１つ又はそれよりも多くの要素を含み得る。例えば、マニピュレータアーム５００は、支持構造コネクタ５１２の１つ又はそれよりも多くの構成部品とツールコネクタ５１２との間に配置され且つそれらに連結される導体（例えば、ワイヤ又は光ファイバ）を含み得る。その場合、ツールコネクタ５１２は、取り付けられるツールと情報を通信する電気的及び／又は光学的な構成部品も含み、それにより、情報が支持構造と接続されるツールとの間で通信されるのを促進し得る。一部の実施態様において、ツールコネクタ５１４は、ツールの対応する入力カプラと機械的に係合し得る１つ又はそれよりも多くの出力カプラ（図示せず）を含んでよく、その場合、出力カプラの動き（例えば、回転、並進等）は、機械的な係合を介して入力カプラの対応する動きを引き起こす。
【００８３】
マニピュレータアーム５００は、特定の実施態様において、ツールを保持し且つ制御する機械的な本体であり、多数のリンク及び関節を含み得る。しかしながら、マニピュレータアームは図５に例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者に明らかであろう。よって、図５中のマニピュレータアーム５００の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【００８４】
図６は、手術ツール６００を示しており、手術ツール６００は、近位シャーシ６０２と、器具シャフト６０４と、患者組織を把持するよう関節式に連結し得るジョー６０８を有する遠位エンドエフェクタ６０６とを含む。近位シャーシ６０２は、フレーム６１２を含み、一部の実施態様では、マニピュレータアームの遠位端と係合するように成形される（例えば、図５を参照して記載したツールコネクタ５１４に繋がるように成形される）バネアセンブリ６１０を含む。近位シャーシ６０２は、マニピュレータアームの出力カプラとインターフェース接続し且つそれによって駆動させられる入力カプラも含み得る。入力カプラは、バネアセンブリ６１０の入力リンクと駆動的に連結させられる。バネアセンブリ６１０は近位シャーシ６０２のフレーム６１２に取り付けられ、器具シャフト６０４内に配置される駆動シャフトと駆動的に連結させられる出力リンクを含む。駆動シャフトは、ジョー６０８と駆動的に連結させられる。一部の実施態様において、近位シャーシ６０２は、マニピュレータアームの対応する要素（例えば、ツールコネクタ５１４の対応する要素）に電気的及び／又は光学的に連結させるための電気的及び／又は光学的要素も含み得る。このようにして、ツール６００の要素（例えば、モータ、アクチュエータ、センサ等）とマニピュレータアームの要素との間で情報を通信し得る。
【００８５】
図６Ａに示すように、一部の実施態様によれば、手術ツール６００は、エンドエフェクタ６０６の位置を変更するための如何なる自由度をも含み得ない。他の実施態様において、手術ツール６００は、エンドエフェクタ６０６の位置を変更するための自由度を追加するための１つ又はそれよりも多くの関節を含み得る。例えば、器具シャフト６０４は、エンドエフェクタ６０６の縦揺れ及び／又は偏揺れを変更するための関節を含み得る。更に、図６Ａに示すように、一部の実施態様において、手術ツール６００は、エンドエフェクタ６０６を作動させるための１つ又はそれよりも多くの自由度を含み得る。例えば、バネアセンブリ６１０はジョー６０８を作動させるように動作可能であり得る。手術ツール６００並びに他の手術ツールの追加的な特徴は、同一所有者により２０１１年１１月１５日に出願された「Method  for  Passively  Decoupling  Torque  Applied  By  a  Remote  Actuator  Into  an  Independently  Rotating  Member」という名称の米国出願第１３／２９７，１５８号に記載されており、その全開示をここに参照として援用する。
【００８６】
図６Ｂは、一部の実施態様ではロボット最小侵襲的手術において用い得る、手首部のある内視鏡６２０を例示している。内視鏡６２０は、細長いシャフト６２２と、シャフト６２２の作業端に配置される可撓な手首部６２４とを含む。ハウジング６２２は、手術器具６２０がシャフト６２４の反対端に配置されるマニピュレータに解放可能に連結させられることを可能にする。内視鏡カメラレンズが可撓な手首部６２４の遠位端に実装される。内腔（図示せず）がシャフト６２２の長さに沿って走る。シャフト６２２は可撓な手首部６２４の遠位端をハウジング６２６に接続する。「ファイバースコープ」の実施態様では、電荷結合素子（ＣＣＤ）のような内視鏡６２０の画像化センサをハウジング６２６の内側に取り付けてよく、接続される光ファイバはシャフト６２２の長さに沿って内腔の内側を走り、可撓な手首部６２４の実質的に遠位端で収攬する。代替的な「スティック上のクリップ」(“clip-on-a-stick”)の実施態様では、内視鏡６２０の画像化センサを可撓な手首部６２４の遠位端に取り付け得る。画像化センサは二次元又は三次元であり得る。
【００８７】
一部の実施態様において、可撓な手首部６２４は、少なくとも１つの自由度を有し、内視鏡が関節式に連結して内部身体組織、器官等の周りで容易に動いて所望の目的場所（例えば、心外膜又は心筋組織）に達することを可能にし得る。ハウジング６２６は、可撓な手首部６２４の遠位部分を関節式に連結する駆動機構を収容する。駆動機構は、ケーブル駆動、歯車駆動、又は可撓な手首部６２４をその自由度に沿って駆動するのに適した他の種類の駆動機構であり得る。例えば、１つの実施態様において、可撓な手首部６２４は２つの並進自由度を有してよく、シャフト６２２はシャフト６２２の長さに沿う軸の周りで回転するよう動作可能であってよい。一部の医療措置において、関節式の内視鏡６２０は、内部器官、組織等の周りで関節式に連結し且つ動いて、見るのが難しい及び／又は到達するのが難しい場所の視覚的画像を取得する。内視鏡６２０並びに他の手術ツールの追加的な特徴は、同一所有者により２００５年１２月２７日に出願された「Articulate  and  Swapable  Endoscope  for  a  Surgical  Robot」という名称の米国出願第１１／３１９，０１１号に記載されており、その全開示をここに参照として援用する。
【００８８】
少なくとも１つの実施態様では、マニピュレータアームの遠位端と係合するように（例えば、図５を参照するツールコネクタ５１４に接続されるように）ハウジング６２６を成形し得る。更に、ハウジング６２６は、マニピュレータアームの対応する要素に電気的及び／又は光学的に連結させるための電気的及び／又は光学的な要素を含み得る。このようにして、ツール６２０の要素（例えば、モータ、アクチュエータ、センサ等）とマニピュレータアームの要素との間で情報を通信し得る。図６Ｃは、吸引ポートを備えるオーバーチューブ(overtube)の遠位端の斜視図である。オーバーチューブ６３０は、オーバーチューブ６３０を通じて延びて器具の通過を許容する器具内腔６３２を定める。オーバーチューブ６３０は、真空源に連結させられる１つ又はそれよりも多くの吸引通路６３４を更に含む。様々な実施態様では、外科用途に適した様々な材料のうちのいずれからもオーバーチューブ６３０を形成し得るし、様々な剛性のうちのいずれかを備え得る。例えば、オーバーチューブ６３０は、実質的に剛的な材料を含み得るし、可撓な材料を含み得るし、或いは曲げられる構造をもたらすように１つ又はそれよりも多くの実質的に剛的な部分及び１つ又はそれよりも多くの可撓な部分の組み合わせを含み得る。オーバーチューブ６３０の断面形状も異なり得る。例示の実施態様において、オーバーチューブ６３０は実質的に円形の断面形状を有し、ポリウレタンから作成される。他の実施態様では、用途に応じて、例えば、卵形、長方形、三角形等のような、他の断面形状を用い得る。
【００８９】
例示の実施態様において、吸引通路６３４は、オーバーチューブ６３０の壁内に複数の真空内腔を含み、各真空内腔は真空源（図示せず）に連結される。真空源は各吸引通路６３４内に真空圧を創り出し、それにより、吸引通路６３４が接触する組織表面上に吸引力を創り出すように動作可能であり得る。この吸引力の結果として、オーバーチューブ６３０は組織表面に付着させられる。真空圧が止むならば、組織表面は解放され、オーバーチューブ６３０はもはや組織に付着させられない。従って、吸引通路６３４を介して吸引力を制御可能に提供することによって、オーバーチューブ６３０を患者の組織表面に解放可能に付着させ得る。次に、器具内腔２００を通じて洗浄ツール、切断ツール等のような、手術器具を挿入して、器具内腔６３２内に配置される組織を処置し得る。
【００９０】
一部の実施態様によれば、オーバーチューブ６３０を実質的に剛的な材料で作製してよく、オーバーチューブ６３０はその位置を変更するための如何なる自由度も含まない。他の実施態様において、オーバーチューブ６３０は、オーバーチューブ６３０の遠位端の位置を変更する自由度を加えるための１つ又はそれよりも多くの関節を含み得る。例えば、オーバーチューブ６３０は、その遠位端の縦揺れ及び／又は偏揺れを変更するための関節を含み得る。更に、一部の実施態様において、オーバーチューブ６３０は、その機能性を作動させるための１つ又はそれよりも多くの自由度を含み得る。例えば、真空源（図示せず）は１つ又はそれよりも多くの吸引通路６３４内の真空圧を創り出し或いは取り除くように動作可能であり得る。オーバーチューブ６３０並びに他の手術ツールの追加的な特徴は、同一所有者により２００６年１２月２９日に出願された「Vacuum  Stabilized  Overtube  for  Endoscopic  Surgery」という名称の米国出願第１１／６１８，３７４号に記載されており、その全開示をここに参照として援用する。
【００９１】
更に、少なくとも１つの実施態様では、マニピュレータアームの遠位端と係合するように成形し得る（例えば、図５を参照するツールコネクタ５１４に繋がるように成形し得る）ハウジング（図示せず）内にオーバーチューブ６３０を設け或いは連結し得る。更に、ハウジングは、マニピュレータアームの対応する要素に電気的及び／又は光学的に連結させるための電気的及び／又は光学的な要素を含み得る。このようにして、オーバーチューブ６３０の要素（例えば、モータ、アクチュエータ、センサ等）とマニピュレータアームの要素との間で情報を通信し得る。
【００９２】
図６Ｄは、一部の実施態様ではロボット最小侵襲的手術において用い得る、手首部のない内視鏡６４０を例示している。手首部のない内視鏡６４０は、図６Ｂを参照して描写し且つ議論した手首部のある内視鏡６２０と類似し、よって、ハウジング６４６及びシャフト６２２を同様に含む。相違は手首部のない内視鏡６４０が可撓な手首部を含まないことである。手首部のない内視鏡６４０は、手首部のある内視鏡に比べて減少させられた数の自由度を有し、この特定の実施例において、手首部のない内視鏡６４０は手首部縦揺れ又は手首部偏揺れを有さない。
【００９３】
手術ツール６００、内視鏡６２０、及びオーバーチューブ６３０は、様々な構成部品を含む様々なツールである。しかしながら、これらのツールが図６Ａ乃至６Ｃに例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。更に、把持装置、電気外科パッドル、真空、洗浄、ステープラー（針金綴り）、鋏、ナイフ等のような、他のツールも用い得ること或いは代替的に用い得ることも理解されるであろう。よって、図６Ａ乃至６Ｃ中の手術ツールの描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【００９４】
図７Ａは、ある実施態様に従った外科医コンソール１６（図１Ａ）の一部であり得るマスタ制御入力装置７００の斜視図である。マスタ制御入力装置７００は、関節式連結アーム７４０に動作的に連結させられるジンバル又は手首部７２０を含む。
【００９５】
マスタ制御入力装置７００は、多数の自由度を有し、マニピュレータアセンブリ（例えば、図５のマニピュレータアーム）を制御するように動作可能である。入力装置７００の自由度は、マニピュレータアーム５００の運動学を制御するよう用いられる、入力装置７００の関節によって定められる運動学的な自由度を含み、マニピュレータアーム５００に接続されるツール（例えば、器具５１１）を作動させるよう用いられる、作動自由度も含む。入力装置７００は、マニピュレータアーム５００のツールと同様に、それと関連付けられるエンドエフェクタ（又は、より一般的に、制御フレーム）を有するものと考えられてもよく、それ自体が多数の運動学的な自由度を有する。
【００９６】
一部の実施態様において、入力装置７００は、エンドエフェクタの位置を完全に制御するのに十分な数の自由度を有し得る。例えば、入力装置７００は、器具５１１のエンドエフェクタの３つの並進及び３つの向きの自由度を独立的に制御し得る６つの自由度を有し得る。一部の場合には、入力装置７００がそのような十分な数の自由度を有するとしても、マニピュレータアセンブリ（例えば、マニピュレータアーム５００）は、エンドエフェクタの３つの並進及び３つの向きの自由度を独立的に制御するのに不十分な数の自由度を有する。例えば、マニピュレータアーム５００は、５つだけの自由度を有し得る。
【００９７】
一部の実施態様において、入力装置７００は、追加的な自由度を有してよく、追加的な自由度は、エンドエフェクタの位置を制御するよう動作可能な自由度（例えば、余剰な自由度）であり得るし、且つ／或いは器具２６を作動させるように動作可能な自由度（例えば、吸引又は洗浄のスイッチを入れ或いは消すこと、クランプを作動させること、ステープルを組織と係合させること等）であり得る。追加的な自由度を有する入力装置が、同一所有者による２００２年４月１１日に出願された「Master  Having  Redundant  Degrees  of  Freedom」という名称の米国出願第１０／１２１，２８３号中に記載されており、その全開示をここに参照として援用する。更に、少なくとも１つの実施態様において、器具５１１は、単独で或いはマニピュレータアーム５００との組み合わせにおいて、マニピュレータアーム５００の自由度を増大させる追加的な運動学的な自由度を有し得る。例えば、器具５１１は、エンドエフェクタの位置を制御する関節を有し得る。一部の場合には、マニピュレータアーム５００の運動学的な自由度を器具の運動学的な自由度と組み合わせるときでさえも、エンドエフェクタの位置を完全に制御し得ない。これは、例えば、マニピュレータアーム５００によって既にもたらされている運動学的な自由度にとって余剰な運動学的な自由度を加えるに過ぎない器具５１１の関節の故であり得る。一部の実施態様において、器具５１１は、器具５１１を作動させるための追加的な作動自由度（例えば、吸引又は洗浄のスイッチを入れ或いは消すこと、クランプを作動させること、ステープルを組織と係合させること等）を有し得る。
【００９８】
器具５１１の制御を容易化するために、マスタ制御入力装置７００は、１つ又はそれよりも多くのアクチュエータ又はモータを含み得るし、一部の実施態様では、マスタ制御入力装置７００の複数の関節の各関節のためのセンサを含み得る。例えば、外科医コンソール１６、電子機器カート２４、及び／又は患者カート２２、及び／又はＭＩＲＳシステム１０の他の要素（図１）内に配置される制御システムを介して、入力装置７００のモータ及びセンサを、マニピュレータアーム５００（例えば、図５のマニピュレータアーム５００）と関連付けられるモータ及びセンサ並びにそれに取り付けられる手術器具（例えば、図５の器具５１１）に動作的に連結させ得る。制御システムは、マスタ制御装置入力とそれぞれのロボットアーム及び手術器具出力との間の制御をもたらすための、並びに、例えば、力フィードバックの場合に、ロボットアーム及び手術器具入力とそれぞれのマスタ制御出力との間の制御をもたらすための、１つ又はそれよりも多くのプロセッサを含み得る。
【００９９】
図８Ｂは、ある実施態様に従ったジンバル又は手首部７２０の斜視図である。この実施態様によれば、ジンバル又は手首部７２０は、３つの軸、即ち、軸１、軸２、及び軸３についての作動可能なハンドル７２２の回転を可能にする。より具体的には、ハンドル７２２は、第１の旋回関節７２６によって第１の肘形状リンク７２４に連結させられる。第１のリンク７２４は、第２の旋回関節７３０によって第２の肘形状リンク７２８に連結させられる。第２のリンク７２８は、第３の旋回関節７３４によって第３の肘形状リンク７３２に旋回的に連結させられる。ジンバル又は手首部７２０が軸４について角度的に変位し得るように、ジンバル又は手首部７２０を軸４で（図７Ａに示すような）関節式連結アーム７４０に取り付け得る。そのようなリンク及び関節によって、ジンバル又は手首部７２０は、制御入力装置７００のための多数の運動学的な自由度をもたらし得るし、ジンバル又は手首部７２０はエンドエフェクタ自由度のうちの１つ又はそれよりも多くを制御するように動作可能であり得る。
【０１００】
一部の実施態様において、ハンドル７２２は、ツール又はエンドエフェクタを作動させる一対の把持部材７２３（グリップ部材）を含み得る。例えば、把持部材７２３を開放し又は閉塞することによって、エンドエフェクタ６０６のジョー６０８（図６）を同様に開放し又は閉塞し得る。他の実施態様において、ハンドル７２２の及び／又は外科医コンソール１６の他の要素の１つ又はそれよりも多くの入力要素は、器具２６の位置を制御するための自由度以外の器具５１１の１つ又はそれよりも多くの自由度を作動させるように動作可能であり得る。例えば、外科医コンソール１６は、真空圧を作動させ且つ停止させる制御システムに連結させられるフットペダルを含み得る。
【０１０１】
一部の実施態様では、ジンバル又は手首部７２０の関節をアクチュエータ、例えば、電気モータ又は同等物に動作的に接続して、例えば、力フィードバック、重力補償、及び／又は同等物をもたらし得る。更に、ジンバル又は手首部７２０の関節位置が制御システムによって決定されるのを可能にするために、エンコーダ、ポテンシオメータ、及び同等物のようなセンサを、ジンバル又は手首部７２０の各関節上に又はその近位に位置付け得る。
【０１０２】
図７Ｃは、ある実施態様に従った関節式連結アーム７４０の斜視図である。この実施態様によれば、関節式連結アーム７４０は、３つの軸、即ち、軸Ａ、軸Ｂ、及び軸Ｃについてのジンバル又は手首部７２０（図７Ｂ）の回転を可能にする。より具体的には、図７Ｂを参照して前述したように、ジンバル又は手首部７２０を軸４でアーム７４０に取り付け得る。ジンバル又は手首部７２０は、第１のリンク７４２に連結させられ、第１のリンク７４２は、第１の旋回関節７４６によって第２のリンク７４４に旋回的に連結させられる。第２のリンク７４４は、第２の旋回関節７５０によって第３のリンク７４８に旋回的に連結させられる。第３の旋回関節７５２によって第３のリンク７４８を外科医コンソール１６（図１）に旋回的に連結させ得る。そのようなリンク及び関節によって、関節式連結アーム７４０は、制御入力装置７００のための多数の運動学的な自由度をもたらし得るし、マニピュレータアセンブリの運動学的な自由度のうちの１つ又はそれよりも多くを制御し、それにより、器具（例えば、図５の器具５１１）の位置を制御するように動作可能であり得る。
【０１０３】
一部の実施態様では、関節式連結アーム７４０の関節をアクチュエータ、例えば、電気モータ又は同等物に動作的に接続して、例えば、力フィードバック、重力補償、及び／又は同等物をもたらし得る。更に、関節式連結アーム７４０の関節位置が制御システムによって決定されるのを可能にするために、エンコーダ、ポテンシオメータ、及び同等物のようなセンサを、関節式連結アーム７４０の各関節上に又はその近位に位置付け得る。
【０１０４】
入力装置７００は、特定の実施態様において、外科医又は他の操作者からの入力を受信する装置であり、ジンバル又は手首部７２０及び関節式連結アーム７４０のような様々な構成部品を含む。しかしながら、入力装置は図７Ａ乃至７Ｃに例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。よって、図７Ａ乃至７Ｃ中の入力装置７００の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【０１０５】
図８Ａは、第１の実施態様に従ったマニピュレータアセンブリ８１０と支持構造８５０とを含むロボットシステムの一部である。マニピュレータアセンブリ８１０は、マニピュレータ８２０及びツール８４０を含み、その場合には、マニピュレータ８２０は支持構造８５０とツール８４０との間に配置され、マニピュレータ８２０を支持構造８５０及びツール８４０の各々に接続し得る。
【０１０６】
マニピュレータ８２０は、関節８２４によって連結させられる複数のリンク８２２を含む。マニピュレータ８２０は、モータのような多数のアクチュエータ８２６や、ポテンシオメータのような多数のセンサ８２８を含んでもよく、各関節をアクチュエータ及び／又はセンサと関連付け得る。例えば、１つ又はそれよりも多くの関節を制御して回転、並進等させることによって、アクチュエータはマニピュレータの自由度を制御するように動作可能であり得る。更に、センサは対応する関節の各々の位置又は状態を測定するように動作可能であり得る。
【０１０７】
マニピュレータ８２０は、支持構造８５０の対応するコネクタと係合するように成形される近位端にあるコネクタ８３０も含み、コネクタ８３０は、マニピュレータアーム８２０を支持構造８５０に機械的に連結させるように動作可能な機械的インターフェースを形成する。コネクタ８３０は、電気的及び／又は光学的な接点８３２も含んでよく、電気的及び／又は光学的な接点８３２は、支持構造８５０の対応する接点と係合するような位置、大きさ、及び形状にされ、それにより、電気的及び／又は光学的な接点８３２は、マニピュレータアセンブリ８１０の要素と支持構造８５０の要素との間で情報を通信するように動作可能な電気的インターフェースを形成し得る。接点８３２をアクチュエータ８２６及び／又はセンサ８２８のようなマニピュレータ８２０の要素に直接的に又は間接的に（例えば、電気的、光学的等に）連結させ得る。１つの実施態様において、各接点８３２は１つのアクチュエータ８２６又はセンサ８２８に連結させられる。従って、マニピュレータ８２０の要素（例えば、アクチュエータ８２６及びセンサ８２８）と支持構造８５０の要素との間で情報を通信し得る。例えば、支持構造からモータ８２６に情報を伝達して、モータにマニピュレータアーム８２０の対応する自由度を制御させ得るし、センサ８２８から支持構造８５０の要素に位置／状態情報を伝達し得る。
【０１０８】
一部の実施態様において、マニピュレータ８２０は、ツール８４０の対応するコネクタと係合するように成形される遠位端にあるコネクタ８３４も含んでよく、コネクタ８３４は、マニピュレータアーム８２０をツール８４０に機械的に連結させるように動作可能な機械的インターフェースを形成する。コネクタ８３４は、ツール８４０内に含められる対応する機械的な要素８４２と係合するような大きさ及び形状にし得る。ツール８４０がマニピュレータ８２０と係合した後、機械的な要素８３６の作動がツール８４０内の対応する機械的な要素８４０の作動を引き起こし得るように、アクチュエータ８２６によって機械的な要素８３６を作動させ或いはその他の方法において制御し得る。ツール８４０内の対応する機械的な要素８４２は、ツール８４０の自由度（例えば、ツール８４０のエンドエフェクタ８４４を作動させること）を操作するように動作可能であり得る。一部の実施態様において、マニピュレータ８２０内に含められる又はマニピュレータ８２０上に配置される１つ又はそれよりも多くのセンサ８２８は、ツール８４０の位置及び／又は状態を感知するように動作可能であり得る。
【０１０９】
支持構造８５０は、マニピュレータ８２０の対応するコネクタ（例えば、コネクタ８３０）と係合するように成形されるコネクタ８５２を含む。コネクタ８５２は、マニピュレータ８２０の対応する接点（例えば、接点８３２）と係合するような位置、大きさ、及び形状にされる電気的及び／又は光学的な接点８５４も含み、それにより、電気的及び／又は光学的な接点８５４は、マニピュレータアーム８２０の要素とツール８４０の要素との間で情報を通信するように動作可能な電気的インターフェースを形成し得る。接点８５４を、ハードウェアマッピングユニット８５６、関節空間コントローラ８５８、関節空間作業空間マッピングユニット８６０、及び／又は作業空間コントローラ８６２のような支持構造８５０の要素に、直接的に又は間接的に（例えば、電気的に、光学的等に）連結させ得る。
【０１１０】
１つの実施態様において、ハードウェアマッピングユニット８５６は、マニピュレータアセンブリ８１０（例えば、電気的／光学的な接点８５４を介した、例えば、マニピュレータアセンブリのアクチュエータ、センサ等への／アクチュエータ、センサ等からの信号）と関節空間コントローラ８５８との間の信号をマッピングするように動作可能である。ハードウェアマッピングユニット８５６は、異なるマニピュレータアーム８２０及び／又は異なるツール８４０のような、複数の異なるマニピュレータアセンブリの各々のために特別なマップを含み（且つ／或いは取得し）得る。一部の実施態様において、ハードウェアマッピングユニット８５６は、入力マップ及び出力マップを含み得る。１つの実施態様において、入力マップ及び出力マップは互いに異なり得る。例えば、アクチュエータ８２６及びセンサ８２８が、単一の接点８５４を介して支持構造８５０とそれぞれ通信し得る。従って、入力マップは、センサ８２８に対応する接点８５４からの信号を関節空間コントローラ８５８にマッピングし得るし、出力マップは、関節空間コントローラ８５８からの信号をアクチュエータ８２６に対応する接点８５４にマッピングし得る。他の実施態様において、入力マップ及び出力マップは互いに同じであり得る。例えば、アクチュエータ８２６及びセンサ８２８が、両方とも、単一の接点８５４を介して支持構造８５０と通信し得る。従って、入力マップ及び出力マップは同じであり得る。何故ならば、それらは関節空間コントローラ８５８の入力及び出力要素を同じ接点８５４にマッピングし得るからである。
【０１１１】
関節空間コントローラ８５８は、関節空間内で計算を行って多数のアルゴリズムを実行するように動作可能なプロセッサであり得る。例えば、関節空間コントローラ８５８は、関節運動アルゴリズム、各関節上の余剰なセンサの比較、モータ健康アルゴリズム等を実行するように動作可能であり得る。
【０１１２】
関節空間コントローラ８５８は、多数の異なるセンサからの入力情報を受信し得る。例えば、関節空間コントローラ８５８は、関節空間作業空間マッピングユニット８６０を介して作業空間コントローラ８６２からの出力を受信し得る。他の例として、関節空間コントローラ８５８は、ハードウェアマッピングユニット８５６を介してマニピュレータ８２０からの入力（例えば、センサ８２６からのセンサ信号）を受信し得る。更に他の例として、関節空間コントローラ８５８は、マスタ制御入力装置（図７Ａ乃至７Ｃ）のような入力装置からの入力を受信し得る。更に、関節空間コントローラ８５８は、出力情報を多数の異なる目的場所に提供し得る。例えば、関節空間コントローラ８５８は、ハードウェアマッピングユニット８５６を介して、情報（例えば、制御情報）をマニピュレータ８２０に（例えば、アクチュエータ８２６に）出力し得る。他の例として、関節空間コントローラ８５８は、更なる処理のために、関節空間作業空間マッピングユニット８６０を介して、作業空間コントローラ８６２に出力を提供し得る。更に他の例として、関節空間コントローラ８５８は、マスタ制御入力装置（図７Ａ乃至７Ｃ）のような入力装置に出力を提供し得る。
【０１１３】
関節空間作業空間マッピングユニット８６０は、関節空間コントローラ８５８（例えば、マニピュレータアセンブリ８１０の自由度の所望の又は実際の位置又は状態を表す信号）と作業空間コントローラ８６２との間の信号をマッピングし得る。関節空間作業空間マッピングユニット８６０は、異なるマニピュレータアーム８２０及び／又は異なるツール８４０のような、複数の異なるマニピュレータアセンブリの各々のための特別なマップを含み得る。従って、関節空間作業空間マッピングユニット８６０は、支持構造８５０に接続される特定のマニピュレータアセンブリ８１０に基づき、関節空間コントローラ８５８の入力／出力インターフェース要素を作業空間コントローラ８６２の入力／出力インターフェース要素にマッピングするように動作可能であり得る。
【０１１４】
作業空間コントローラ８６２は、多次元（例えば、三次元）作業空間内で計算を行って多数のアルゴリズムを実行するように動作可能なプロセッサであり得る。これは、例えば、極座標、デカルト座標、又は他の種類の座標系に基づく作業空間であり得る。作業空間コントローラ８６２は、様々なアルゴリズムを実行するように動作可能であり得る。例えば、作業空間コントローラ８６２は、順運動学、逆運動学を行い、所望の及び実際の位置／向き等の間の作業空間エラーを決定するように動作可能であり得る。
【０１１５】
作業空間コントローラ８６２は、多数の異なるソース（源）から入力情報を受信し得る。例えば、作業空間コントローラ８６２は、関節空間作業空間マッピングユニット８６０を介して関節空間コントローラ８５８からの出力を受信し得る。他の例として、作業空間コントローラ８６２は、マスタ制御入力装置（図７Ａ乃至７Ｃ）のような入力装置からの入力を受信し得る。更に、作業空間コントローラ８６２は、多数の異なる目的場所に出力情報を提供し得る。例えば、作業空間コントローラ８６２は、関節空間作業空間マッピングユニット８６０を介して関節空間コントローラ８５８に情報（例えば、制御情報）を出力し得る。更に他の例として、作業空間コントローラ８６２は、マスタ制御入力装置（図７Ａ乃至７Ｃ）のような入力装置に出力を提供し得る。
【０１１６】
少なくとも１つの実施態様では、同じ又は異なる数の自由度を有する、複数の異なるツールを設け得る。ツールを全て同じマニピュレータアームに取り付け、一部の場合には、外科処置中に交換し得るように、ツールは全て同じ機械的インターフェースを有し得る。更に、同じ又は異なる自由度を有する、複数の異なるマニピュレータアームを設け得る。マニピュレータアームを全て同じ支持構造に並びに同じツールに取り付け、一部の場合には、外科処置中に又は外科処置の間に交換し得るように、マニピュレータアームは同じ機械的インターフェースも有し得る。
【０１１７】
１つの実施態様において、ここに記載するコントローラ及び／又はマッピングユニットは、個別の又は共通の情報記憶要素に連結させられる個別のプロセッサであり得る。他の実施態様では、ここに記載するコントローラ及び／又はマッピングユニットを有形の持続性のコンピュータ読出し可能な記憶媒体として実施し得る。これらの要素は支持構造８５０の一部として記載されるが、一部の実施態様では、これらの要素の一部又は全部を、例えば、マニピュレータ８２０、外科医コンソール１６、電子機器カート２４、及び／又は患者カート２２、及び／又はＭＩＲＳシステムの任意の他の要素（図１）内に配置される制御システム内のような、ロボットシステムの他の部分に含め得る。
【０１１８】
図８Ｂは、第２の実施態様に従ったマニピュレータアセンブリ８１０と支持構造８５０とを含むロボットシステムの一部である。この実施態様におけるマニピュレータアセンブリ８１０及び支持構造８５０は、図８Ａを参照して議論したものと類似し、よって、図８Ａを参照して議論した構造及び機能は、この実施態様に等しく当て嵌まる。
【０１１９】
しかしながら、この実施態様によれば、ツール８４０は、ツール８４０の内部要素８４８と情報を通信するように連結され且つ動作可能である電気的／光学的な接点８４６を含む。要素８４８は、例えば、アクチュエータ８２６のようなアクチュエータ及び／又はセンサ８２８のようなセンサであり得る。アクチュエータは、ツール８４０の自由度を制御するように動作可能であり得るし、センサ８２８は、自由度の位置及び／又は状態を感知するように動作可能であり得る。例えば、アクチュエータはツール８４０の関節を制御するように動作可能であり得るし、センサは関節の位置を感知するように動作可能であり得る。一部の実施態様において、ツール８４０は、ツール８４０の多数の自由度を制御するために多数のアクチュエータ及び／又はセンサを含み得る。少なくとも１つの実施態様において、各ツール８４０内の同じ電気的／光学的な接点８４６、即ち、接点８３７に連結する接点は、異なるツール内の異なる自由度を制御するように動作可能であり得る。例えば、１つの実施態様において、接点８３７及び８４６は、第１のツールの横揺れを制御するように動作可能であり得るのに対し、接点８３７及び接点８４６は、第２のツールの縦揺れを制御するように動作可能であり得る。
【０１２０】
更に、マニピュレータアーム８２０の接点８３４は、ツール８４０とマニピュレータアーム８２０との間の通信を促進するために、ツール８４０の接点８４６と電気的／光学的に係合するための電気的／光学的な接点８３７も含み得る。マニピュレータアーム８２０のアクチュエータ８２６及びセンサ８２８と同様に、ツール８４０と支持構造８５０との間で情報を通信し得るうように、接点８３７をマニピュレータアーム８２０の近位端で接点８３０の１つ又はそれよりも多くの接点８３２に連結させ得る。
【０１２１】
図８Ｃは、第３の実施態様に従ったマニピュレータアセンブリ８１０と支持構造８５０とを含むロボットシステムの一部である。この実施態様におけるマニピュレータアセンブリ８１０及び支持構造８５０は、図８Ａを参照して議論したものに類似し、よって、図８Ａを参照して議論した構造及び機能は、この実施態様にも等しく当て嵌まる。
【０１２２】
ツール８４０は、この実施態様において、ツール識別ユニット８４５を含む。ツール識別ユニット８４５は、ツールの１つ又はそれよりも多くの特徴を識別するツール識別子を格納し得る。例えば、ツール識別子は、ツールの種類（例えば、内視鏡、ジョー、真空、電気外科パッドル等）、ツールの自由度の数（例えば、３つの自由度、４つの自由度、５つの自由度等）、自由度の種類（例えば、横揺れ、並進等のような運動自由度、真空又は電極を作動させることのような作動自由度等）等を識別し得る。ツール識別ユニット８４５は、ツール識別子を支持構造の要素のようなロボットシステムの他の要素に伝達するように動作可能であり得る。その場合には、ハードウェアマッピングユニット８５６及び／又は関節空間作業空間マッピングユニット８６０を構成するためのような様々な目的のためにツール識別子を用い得る。
【０１２３】
様々な技法のうちの１つ又はそれよりも多くを用いてツール識別ユニット８４５を実施し得る。例えば、ツール識別ユニット８４５をツール８４０の接点（例えば、接点８４６）に連結させてよく、よって、ツール識別ユニット８４５は、１つ又はそれよりも多くのワイヤを介してツール識別子と通信するように動作可能であってよい。他の例として、ツール識別ユニット８４５は、ツール識別子と無線通信するように動作可能であり得る。例えば、ツール識別ユニット８４５は、ツール８４０の１つ又はそれよりも多くの特徴と関連付けられる識別子を有する無線ＩＣタグ（ＲＦＩＤ）であり得る。従って、マニピュレータアーム８２０は、ツール８４０がマニピュレータアーム８２０の範囲内にあるときにツール識別子を読み取るＲＦＩＤリーダ８３９を含み得る。ＲＦＩＤリーダ８３９がツール識別子を支持構造８５０の要素のようなロボットシステムの他の要素に通信するように動作可能であり得るように、ＲＦＩＤリーダ８３９をコネクタ８３０の１つ又はそれよりも多くの接点８３２に連結させ得る。
【０１２４】
他の実施態様では、他の無線技法を用いてツール８４０からロボットシステムの他の要素にツール識別子を伝達し得る。例えば、ツール８４０及びロボットシステムの他の要素（例えば、マニピュレータ８２０、支持構造８５０、又は他の要素）は、Bluetooth(登録商標)(TM)回路構成、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に従って通信するための無線通信回路、ＩｒＤＡ規格、又は他の無線通信規格を含み得る。
【０１２５】
更に、一部の実施態様において、マニピュレータアーム８２０は、マニピュレータ及び／又は接続されるツールの１つ又はそれよりも多くの特徴を識別するマニピュレータ識別子を格納し得るマニピュレータ識別ユニット（図示せず）も含み或いは代替的に含み得る。例えば、マニピュレータ識別子は、マニピュレータの種類（例えば、平行四辺形）、マニピュレータ及び／又は接続されるツールの自由度の数（例えば、３つの自由度、４つの自由度、５つの自由度等）、マニピュレータ及び／又は接続されるツールの自由度の種類（例えば、横揺れ、並進等のような運動自由度、真空又は電極を作動させるような作動自由度等）等を識別子得る。マニピュレータ識別ユニットは、マニピュレータ識別子を支持構造の要素のようなロボットシステムの他の要素に通信するように動作可能であり得る。その場合には、ハードウェアマッピングユニット８５６及び／又は関節空間作業空間マッピングユニット８６０を構成するためのような様々な目的のためにマニピュレータ識別子を用い得る。ツール識別ユニット８４５と同様に、マニピュレータ識別ユニットは、有線手段を介して（例えば、接点８３２を通じて）又は無線手段を介して（例えば、マニピュレータアーム８２０に連結させられるＲＦＩＤタグ及び支持構造８５０に連結させられるＲＦＩＤリーダを介して）、マニピュレータ識別子をロボットシステムの他の要素に通信するように動作可能であり得る。
【０１２６】
マニピュレータアセンブリ８１０及び支持構造８５０は、特定の実施態様において、アクチュエータ、センサ、関節、ツール、コネクタ、マッピングユニット、及びコントローラのような、様々な構成部品を含む。しかしながら、入力装置が図８Ａ乃至８Ｃに例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を有することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。更に、図８Ａ乃至８Ｃの各々を参照して記載した要素を同時に又は互いに別々に用い得ることが当業者によって理解されるであろう。例えば、図８Ｃを参照して記載する識別システムを、図８Ｂを参照して記載するシステムと共に用い得る。よって、図８Ａ乃至８Ｃにおけるマニピュレータアセンブリ８１０及び支持構造８５０の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【０１２７】
図９Ａは、第１の実施態様に従ったコネクタ入力／出力要素と関節空間インターフェース要素との間のマッピングを例示している。コネクタ入力要素９１０とコネクタ出力要素９２０と関節空間インターフェース要素９３０との間の第１のマッピングとして図示のマッピングを例示している。
【０１２８】
コネクタ入力要素９１０は、一部の実施態様において、マニピュレータアセンブリのセンサ信号を受信する要素のような、ハードウェア装置の層の一部である。例えば、コネクタ入力要素９１０は、マニピュレータアセンブリ内に配置される知覚装置（例えば、センサ８２８）のような装置からの情報を受信するように指定される電気的及び／又は光学的な接点（例えば、接点８５４）に対応し得る。従って、各接点はマニピュレータアセンブリの要素からの情報を受信するように動作可能であり得る。
【０１２９】
１つの実施態様において、コネクタ入力要素９１０のうちの１つ又はそれよりも多くは、センサ信号９１２を受信する。センサ信号９１２は、接続されるマニピュレータアセンブリの関節状態を示し得る。例えば、センサ信号９１２は、マニピュレータアセンブリ８１０の自由度の位置又は状態を測定するセンサ８２８から受信される情報であり得る。その自由度は、マニピュレータアーム８２０の自由度に対応し得るし、一部の実施態様では、接続されるツール８４０の自由度に対応し得る。
【０１３０】
図９Ａに例示する実施例において、センサ信号９１２は、マニピュレータアームの外側偏揺れ（Ａ１）の状態又は位置を示している。センサ信号９１４のような他のセンサ信号は、接続されるマニピュレータアセンブリの異なる関節の状態又は位置を示し得る。例えば、センサ信号９１４は、この実施例において、マニピュレータアームの外側縦揺れ（Ａ２）の状態又は位置を示し得る。更に他のセンサ信号は、外側横揺れ（Ａ３）、挿入関節（Ａ４）、及び器具横揺れ（Ａ５）のような、接続されるマニピュレータアセンブリのより多くの関節の状態又は位置を示し得る。コネクタ入力要素９１０で受信されるセンサ信号によって示される特定の関節は、多くの実施態様において、マニピュレータアセンブリ８１０によって決定されることが認識されるべきである。即ち、コネクタ入力要素９１０で受信されるセンサ信号は、取り付けられるマニピュレータアセンブリ上の対応する接点（例えば、電気的及び／又は光学的な接点８３２）でもたらされるセンサ信号に対応してよく、その場合、マニピュレータアセンブリの接点でもたらされるセンサ信号は、異なるマニピュレータアーム及び／又はツールのための異なる関節又は自由度を示してよい。一部の実施態様において、マニピュレータアセンブリの異なる関節又は自由度は、マニピュレータアセンブリのツールを変更することに起因し得る。
【０１３１】
次に、コネクタ入力要素９１０でもたらされるセンサ信号は、第１のマッピング９４０を介して関節空間インターフェース要素９３０に伝達される。例えば、ハードウェアマッピングユニット８５６によって第１のマッピング９４０を生成し得る。第１のマッピング９４０は、受信するセンサ信号を特定の関節空間インターフェース要素９３０にマッピングするように動作可能であり得る。
【０１３２】
関節空間インターフェース要素９３０は、一定の又はその他の方法において事前設定される特徴を有する１つ又はそれよりも多くの要素を含み得る。例えば、１つ又はそれよりも多くのマニピュレータアセンブリ（即ち、マニピュレータアーム及び／又はツール）の特定の自由度にそれぞれ対応するように関節空間インターフェース要素９３０を定め得る。図９Ａに例示する実施例において、関節空間インターフェース要素９３０は、例えば、二次的な外側偏揺れ（Ｊ１）、外側偏揺れ（Ｊ２）、外側縦揺れ（Ｊ３）、外側横揺れ（Ｊ４）、器具横揺れ（Ｊ６）、及び追加的な関節（Ｊ７）乃至（Ｊ１０）に対応するように予め定められる。
【０１３３】
一部の実施態様において、関節空間インターフェース要素９３０は、プロセッサによって実行される、或いは一部の実施態様では、関節空間コントローラ８５８のようなコントローラ内に実行されるアルゴリズムの入力／出力要素として作動し得る。従って、関節空間コントローラ８５８は、例えば、個々の関節の上をループする１つ又はそれよりも多くのアルゴリズムを実行することによって、関節空間内でセンサ信号を処理するように動作可能であり得る。
【０１３４】
次に、関節空間コントローラ８５８は、同じ又は異なる関節空間インターフェース要素９３０を介して、結果を出力するように動作可能であり得る。図９Ａに例示する実施例において、関節空間コントローラ８５８は、同じ関節空間インターフェース要素９３０を用いて結果を出力する。出力信号は、例えば、アクチュエータ８２６のようなマニピュレータアセンブリの１つ又はそれよりも多くの要素を制御する制御信号であり得る。第２のマッピング９５０を介して関節空間インターフェース要素９３０を１つ又はそれよりも多くのコネクタ出力要素９２０にマッピングし得る。例えば、ハードウェアマッピングユニット８５６によって第２のマッピング９５０を生成し得る。第２のマッピング９５０は、関節空間インターフェース要素９３０の出力をコネクタ出力要素９２０にマッピングするように動作可能であり得る。
【０１３５】
コネクタ出力要素９２０は、一部の実施態様において、制御信号をマニピュレータアセンブリに送信する要素のような、ハードウェア装置の層の一部である。例えば、コネクタ出力要素９２０は、マニピュレータアセンブリ内に配置されるアクチュエータ（例えば、アクチュエータ８２６）のような装置に情報を送信するよう指定される電気的及び／又は光学的な接点（例えば、接点８５４）に対応し得る。従って、各接点は、マニピュレータアセンブリの要素に情報を伝達するように動作可能であり得る。図９Ａに示す実施例では、制御信号９２２が、マニピュレータアセンブリ８１０の外側偏揺れを制御するためにマニピュレータアセンブリ８１０のアクチュエータに出力されるのに対し、制御信号９２４が、マニピュレータアセンブリ８１０の外側縦揺れを制御するためにマニピュレータアセンブリ８１０のアクチュエータに出力される。
【０１３６】
一部の実施態様において、コネクタ入力要素９１０及びコネクタ出力要素９２０は互いに別個であるのに対し、他の実施態様において、コネクタ入力要素９１０及びコネクタ出力要素９２０は互い同じであり得る。図９Ａに示す実施例において、コネクタ出力要素９２０はコネクタ入力要素９１０と異なり、センサ８２８からのセンサ信号を受信するために一部の接点８３２を用い得るのに対し、制御信号をアクチュエータ８２６に送信するために他の接点８３２を用い得ることを示している。しかしながら、他の実施態様では、コネクタ出力要素９２０はコネクタ入力要素９１０と同じであってよく、センサ８２８からセンサ信号を受信すること及びアクチュエータ８２６に制御信号を送信することの両方のために一部の接点８３２を用い得ることを示している。
【０１３７】
第１のマッピング９４０及び第２のマッピング９５０に戻ると、これらのマッピングはコネクタ入力／出力要素に受信される／伝達される信号を適切な関節空間インターフェース要素に／からマッピングするように動作することが明らかであるはずである。多くの実施態様において、これらのマッピングは異なるマニピュレータアセンブリのために異なる。例えば、図９Ａに例示する実施態様において、第１のコネクタ入力要素９１０ａは、マニピュレータアセンブリから如何なる信号をも受信しないのに対し、第２のコネクタ入力要素９２０ｂは、マニピュレータアセンブリの外側偏角の位置又は状態を示すセンサ信号を受信し得る。次に、第１のマッピング９４０は、その特定のマニピュレータアセンブリに合わせてカスタマイズされ、第２のコネクタ入力要素９１０ｂを第２の関節空間（例えば、関節空間インターフェース要素９３０）インターフェース要素９３０ｂにマッピングするように作動し、関節空間コントローラ８５８は、第２の関節空間インターフェース要素９３０ｂを取り、外側偏揺れ自由度として処理する。第１のマッピング９４０は、如何なる信号をも第１の関節空間インターフェース要素９３０ａにマッピングしない。何故ならば、マニピュレータアセンブリは、第２の外側偏揺れ地点に対応する如何なる自由度をも有さないからである。
【０１３８】
図９Ｂを一時的に参照すると、図９Ｂは、第２の実施態様に従ったコネクタ入力／出力要素と関節空間インターフェース要素との間のマッピングを例示している。この実施態様は、この場合には、センサ信号９１２が第２のコネクタ入力要素９１０ｂで受信されず、むしろ第３のコネクタ入力要素９１０ｃで受信されるように、支持構造８５０が異なるマニピュレータアセンブリ８２０に連結させられている（マニピュレータアセンブリはアセンブリのツールの交換の結果として異なり得る）点を除き、図９Ａを参照して議論したものに類似している。関節空間インターフェース要素９３０は異なるマニピュレータアセンブリと交換しないので、コネクタ入力要素９１０で受信されるセンサ信号が適切な関節空間インターフェース要素９３０にマッピングされるように、第１のマッピング９４０が変わらなければならない。図９Ｂの実施例において、新しいマニピュレータアセンブリに対応する第１のマッピング９４１は、第３のコネクタ入力要素９１０ｃを、図９Ａの実施例において行ったように第３の関節空間インターフェース要素９３０ｃにマッピングするのではなく、第２の関節空間インターフェース要素９３０ｂにマッピングする。同様に、図９Ｂ中の実施例は、図９Ａ中の実施例において用いたものと異なる第２のマッピング９５１を用い得る。異なるマニピュレータアセンブリのために異なるマッピングを用いることによって、有利なことには、異なるマニピュレータアセンブリのために同じ関節空間コントローラ８５８を用い得る。
【０１３９】
図９Ｃは、ある実施態様に従った関節空間インターフェース要素と作業空間インターフェース要素との間オンマッピングを例示している。関節空間インターフェース要素９６０は、この実施態様において、関節空間作業空間マッピング９８０を介して作業空間インターフェース要素９７０にマッピングされる。関節空間インターフェース要素９６０は、図９Ａ及び９Ｂを参照して議論したものと類似し得るが、この実施態様では、関節空間コントローラ８５８と作業空間コントローラ８６２との間で情報を通信するように動作可能であり得る。
【０１４０】
一部の実施態様において、作業空間インターフェース要素９７０は、プロセッサによって実行される、或いは一部の実施態様では、作業空間コントローラ８６２のようなコントローラ内に実行されるアルゴリズムの入力／出力要素として作動し得る。従って、作業空間コントローラ８６２は、作業空間インターフェース要素９７０を介して作業空間内で関節空間コントローラ８５８によって出力される信号を受信することによって、それらの信号を処理するように動作可能であり得る。少なくとも１つの実施態様において、作業空間コントローラ８６２は、機械的リンク装置又は作業空間自由度の層に対応する。例えば、作業空間インターフェース要素９７０の各々は、マニピュレータアセンブリの特定のリンク装置に対応し得る。作業空間コントローラ８６２は、任意の適切な数の次元（例えば、一次元、二次元、三次元、三次元よりも大きい次元等）において、デカルト座標系、極座標系等のような、１つ又はそれよりも多くの座標系内で、関節空間コントローラ８５８からの出力に対する計算を行うように動作可能であり得る。作業空間コントローラが行う計算は、例えば、順運動学、逆運動学、及び他のデカルト空間(cart-space)及び零空間(null-space)を含み得る。
【０１４１】
関節空間作業空間マッピング９８０は、図９Ａ及び９Ｂを参照して議論したものと同様に、異なるマニピュレータアセンブリのために異なり得る。関節空間作業空間マッピング９８０は、関節空間インターフェース要素９６０作業空間インターフェース要素９７０にマッピングするように動作する。例えば、関節空間作業空間マッピング９８０は、関節空間コントローラ８５８からの出力信号を適切な作業空間インターフェース要素９７０にマッピングし得るし、同様に、作業空間インターフェース要素９７０からの出力信号を適切な関節空間インターフェース要素９６０にマッピングし得る。一部の実施態様では、例えば、関節空間作業空間マッピングユニット８６０によって、関節空間作業空間マッピング９８０を作成し得る。
【０１４２】
一部の実施態様では、関節空間インターフェース要素を作業空間インターフェース要素に全くマッピングし得ず、固定的なフレーム変換がもたらされる。例えば、第１の関節空間インターフェース要素９６０ａは、如何なる作業空間インターフェース要素９７０にもマッピングされず、第１の作業空間インターフェース要素９７０ａは、如何なる関節空間インターフェース要素９６０にもマッピングされない。これが当て嵌まり得るのは、取り付けられるマニピュレータアセンブリが第１の関節空間インターフェース要素９６０ａの自由度に対応する自由度（例えば、第２の外側偏揺れ地点）を有さない場合である。
【０１４３】
少なくとも１つの実施態様では、単一の関節空間インターフェース要素を単一の作業空間インターフェース要素にマッピングし得る。例えば、第２の関節空間インターフェース要素９６０ｂを第２の作業空間インターフェース要素９７０ｂにマッピングし得る。これが当て嵌まり得るのは、取り付けられるマニピュレータアセンブリが第２の関節空間インターフェース要素９６０ｂの自由度に対応する自由度（例えば、外側偏揺れ自由度）を有する場合であり、その自由度は、単一のリンクの動きに対応する。
【０１４４】
少なくとも１つの実施態様では、単一の関節空間インターフェース要素を多数の作業空間インターフェース要素にマッピングし得る。例えば、第３の関節空間インターフェース要素９６０ｃを、第３の作業空間インターフェース要素９７０ｃ、第４の作業空間インターフェース要素９７０ｄ、及び第５の作業空間インターフェース要素９７０ｅにマッピングし得る。これが当て嵌まり得るのは、マニピュレータの一部が並列機構(parallel  mechanism)である場合である。並列機構は、単一の独立した自由度に基づき多数の物理的関節が同時に移動する場合である。物理的関節の１つを独立して制御し得るのに対し、他の物理的関節の運動は独立して制御される関節の動きに依存する。並列機構の実施例は、（ツール先端を単一の軸に沿って旋回させる代わりに曲線の周りに移動させる）スネークツール(snake  tool)、平行四辺形軸等を含む。
【０１４５】
図１０は、ある実施態様に従ったコネクタ入力／出力要素と関節空間インターフェース要素と作業空間インターフェース要素との間のマッピングを例示している。様々な装置、インターフェース要素、信号、及びマッピングは、図９Ａ及び９Ｃを参照して議論したものと類似しているが、この場合には、マニピュレータアセンブリに通信される並びにマニピュレータアセンブリから通信される信号を作業空間コントローラによって最終的に処理される信号にマッピングする単一の相互接続されるシステムとして示されている。
【０１４６】
少なくとも１つの実施態様では、マニピュレータセンブリの自由度を制御するために受信され且つ伝達される実際の信号を処理することに加えて、システムは、擬態(simulated)又は仮想(phantom)自由度のための処理を行うように動作可能であり得る。例えば、一部の実施態様では、マニピュレータアセンブリは、１つ又はそれよりも多くの自由度を欠いていてもよく、例えば、それは横揺れするように動作可能でなくてもよい。しかしながら、関節空間コントローラ８５８及び／又は作業空間コントローラ８６２のようなコントローラによって実行される計算を、そのような自由度がマニピュレータアセンブリに実際に存在するという推定に基づき行い得る。
【０１４７】
例えば、関節空間コントローラ８５８は、マニピュレータアセンブリの特定の横揺れ及び縦揺れのような自由度に対応し得る関節空間インターフェース要素９３０ａ及び９３０ｈで入力信号を受信せず、関節空間コントローラ８５８は、関節空間インターフェース要素９３０ａ及び９３０ｈで出力をもたらさないが、関節空間コントローラ８５８は、それにも拘わらず、関節空間インターフェース要素９３０ｇ及び９３０ｈに対応する自由度が制御されると仮定してアルゴリズムを実行し得る。
【０１４８】
従って、一部の実施態様において、関節空間作業空間マッピング９８０は、これらの仮想の自由度と関連付けられる信号を処理するマッピングを含み得る。例えば、関節空間作業空間マッピング９８０は、例えば、仮想の縦揺れに対応する、関節空間インターフェース要素９３０ｇを、作業空間インターフェース要素９７０ｉにマッピングし得るし、例えば、仮想の偏揺れに対応する、関節空間インターフェース要素９３０ｈを、作業空間インターフェース要素９７０ｊにマッピングし得る。次に、作業空間コントローラ８６２も、作業空間インターフェース要素９７０ｉ及び９７０ｊに対応するリンクが存在し且つ制御されると仮定して、関節空間コントローラ８５８と同様に計算を行い得るが、実際には、それらは制御されず、接続されるマニピュレータアセンブリ上に存在さえしない。
【０１４９】
コネクタ入力要素９１０、コネクタ出力要素９２０、関節空間インターフェース要素９３０、及び作業空間インターフェース要素９７０の数は、複数のマニピュレータアセンブリを制御するのに適した如何なる数であってもよい。１つの実施態様において、関節空間インターフェース要素の数は、コネクタ（入力／出力）要素の数よりも大きい。そのような構成は、制御し得る多数の異なる自由度を有する多数の異なるマニピュレータアセンブリが全て同じ関節空間コントローラによって制御されることを有利に可能にする。関節空間インターフェース要素の数がコネクタ要素の数よりも大きい場合には、コネクタ要素を関節空間インターフェース要素のサブセット（部分集合）にマッピングし得る。更に、異なるマニピュレータアセンブリが同じ数の自由度を有するが、少なくとも１つの異なる自由度を有する（例えば、１つのマニピュレータが外側縦揺れ自由度を含むのに対し、他のマニピュレータは外側縦揺れ自由度を含まず、追加的なツール自由度を含む）場合には、マニピュレータの各々のためのコネクタ要素を関節空間インターフェース要素の異なるサブセットにマッピングし得る。他の実施態様では、異なるマニピュレータアセンブリによって用いられるコネクタ要素の数も異なり得る。
【０１５０】
一部の実施態様において、作業空間インターフェース要素の数は、関節空間インターフェース要素の数よりも大きい。そのような構成は、１つの関節空間インターフェース要素が１つよりも多くのデカルト空間インターフェース要素にマッピングされるのを有利に可能にし、それにより、所与のマニピュレータアセンブリ自由度のための様々な機械的リンク装置の制御を容易化し得る。
【０１５１】
図１１Ａ及び１１Ｂを一時的に参照すると、図１１Ａは、関節空間インターフェース要素９３０によって制御される第１のマニピュレータアセンブリの自由度の第１の組のグループ分け１１００を示しており、図１１Ｂは、関節空間インターフェース要素９３０によって制御される第２のマニピュレータアセンブリの自由度の第２の組のグループ分け１１５０を示している。ここでは、第２のマニピュレータアセンブリは第１のマニピュレータアセンブリと異なり、よって、グループ分けも異なり得る。
【０１５２】
一部の実施態様において、例えば、関節空間コントローラによって実行されるアルゴリズムは、利用可能な入力のサブセットのみに対して働き得る。例えば、関節空間コントローラ８５８によって実行されるアルゴリズムは、インターフェース要素９３０のサブセットのみに対して働き得る（例えば、サブセットから入力を取得し、処理し、サブセットに出力を送信し得る）。異なる組の入力を受信し且つ作動しながら、異なるアルゴリズムを互いに同時に実行し得る。異なるマニピュレータ（そして、一部の実施態様では、異なるツール）が支持構造の同じコネクタに引き続き接続される（即ち、１つのマニピュレータが他のマニピュレータと取り換えられる（スワップされる））状況では、インターフェース要素９３０によって制御されるマニピュレータの関節は変化し得る。結果的に、アルゴリズムがその上で働く特定のインターフェース要素９３０も同様に変化し得る。
【０１５３】
これらの変化を考慮に入れるために、異なる関節グループ分けを用いてよく、その場合、関節グループ分けは、特定の関節グループ分けを定める。例えば、各々が特定のインターフェースグループ分けを例示する図１１Ａ及び１１Ｂを参照すると、インターフェース要素９３０ｂ乃至９３０ｅは、第１のマニピュレータ（図１１Ａ）の外側関節に対応し得るのに対し、インターフェース要素９３０ａ乃至９３０ｅは、第２のマニピュレータ（図１１Ｂ）の外側関節に対応し得る。１つ又はそれよりも多くのアルゴリズムがマニピュレータの外側関節に対してのみ働くように構成されるとき、第１のマニピュレータ（図１１Ａ）が接続されるときに、アルゴリズムはそのマニピュレータのための関節グループ分け定義を読み取って、インターフェース要素９３０ｂ乃至９３０ｅを用いて外側関節が完全に定められることを決定し得る。よって、アルゴリズムはそれらのインターフェース要素に対してのみ働き得る。例えば、第１のアルゴリズムがインターフェース要素９３０ｂ乃至９３０ｅの「外側」グループを用いて働き得るし、第２のアルゴリズムがインターフェース要素９３０ｆ乃至９３０ｉの「ツール」グループを用いて（同時に又は順次的に）働き得る。対照的に、第２のマニピュレータ（図１１Ｂ）が接続されるとき、アルゴリズムはそのマニピュレータのための関節定義を読み取って、インターフェース要素９３０ａ乃至９３０ｅを用いて外側関節が完全に定められることを決定し得る。よって、アルゴリズムはそれらのインターフェース要素に対して働き得る（即ち、インターフェース要素９３０ａを含む）。例えば、第３のアルゴリズムがインターフェース要素９３０ａ乃至９３０ｅの「外側」グループを用いて働き得るし、第４のアルゴリズムがインターフェース要素９３０ｆ乃至９３０ｉの「ツール」グループを用いて働き得る。第１、第２、第３、及び第４のアルゴリズムの各々は互いに異なってもよく、インターフェース要素の特定のグループ実行するよう最適化され得る。例えば、マニピュレータアセンブリの外側関節と関連付する入力要素のグループを実行し得るよう１つのアルゴリズムを最適化し得るのに対し、ツールの自由度に関連する入力要素のグループを実行するよう他のアルゴリズムを最適化し得る。
【０１５４】
関節グループ分け定義は、特定のマニピュレータのためのコントローラ内のアルゴリズムによって用いられる関節グループ分けの全てを定め得る。例えば、図１１Ａを参照すると、関節グループ分け定義は、図１１Ａに描写するような第１のマニピュレータのための「関節」、「ツール」、「ジョー」等のためのグループ分けを定め得る。図１１Ｂを参照すると、異なる関節グループ分け定義が、図１１Ｂを参照に描写するような第２のマニピュレータのための「関節」、「ツール」、「ジョー」等のための（一部の場合には、異なる）グループ分けを定め得る。異なるマニピュレータのための関節グループ分け定義を（例えば、支持構造８５０内の）コントローラに格納し得るし、或いはマニピュレータが使用のために接続される時に又は前に適切なソースから（例えば、マニピュレータから、遠隔記憶装置から等）取得し得る。
【０１５５】
図１１Ａ及び１１Ｂに描写する特定の実施態様において、図１１Ａに例示するグループ分けのうちの少なくとも一部は、図１１Ｂを参照に例示するものと同じである。何故ならば、図１１Ａのインターフェース要素によって制御されるマニピュレータアセンブリは、図１１Ｂのインターフェース要素によって制御されるマニピュレータアセンブリの自由度と同じ自由度の少なくとも一部を有するからである。例えば、両方の組のグループ分けは、８つの関節空間インターフェース要素９３０ｈ及び９つの関節空間インターフェース要素９３０ｉを、ツールのジョーを制御するように動作する関節空間インターフェース要素を示す「ジョー」グループ分けにグループ化する。更に、両方の組のグループ分けは、６つの関節空間インターフェース要素９３０ｆ、７つの関節空間インターフェース要素９３０ｇ、及び８つの関節空間インターフェース要素９３０ｈを、ツールの手首部を制御するように動作する関節空間インターフェース要素を示す「手首部」グループ分けにグループ化する。
【０１５６】
更に、図１１Ａに例示するグループ分けのうちの少なくとも一部は、図１１Ｂに例示するものと異なる。何故ならば、図１１Ａのインターフェース要素によって制御されるマニピュレータアセンブリは、二次的な外側偏揺れ関節を含まないのに対し、図１１Ｂのインターフェース要素によって制御されるマニピュレータアセンブリは、二次的な外側偏揺れ関節を含むからである。従って、マニピュレータアームを制御するように動作する関節空間インターフェース要素を識別する「外側」と定義されるグループ分けが、第１の組のグループ分け１１００のために定められ、第２、第３、第４、及び第５の関節空間インターフェース要素９３０ｂ乃至９３０ｅを含む。対照的に、「外側」と定義されるグループ分けは、第２の組のグループ分け１１００のために定められ、第１、第２、第３、第４、及び第５の関節空間インターフェース要素９３０ａ乃至９３０ｅを含む。何故ならば、二次的な外側偏角関節は、接続されるツールではなくマニピュレータアームの自由度に対応するからである。
【０１５７】
既述のように、関節空間コントローラによって実行されるアルゴリズムは、アルゴリズムのために受信される入力データに基づき関節空間インターフェース要素９３０から使用する信号を選択し得る。例えば、センサ、アクチュエータ、及び／又は作業空間コントローラからの入力データは、どの関節空間インターフェース要素が、例えば、ツール自由度に対応するかをアルゴリズムに示し得るし、よって、関節空間コントローラは、適切な関節空間インターフェース要素から受信される信号を用い（且つ処理された信号を適切な関節空間インターフェース要素に伝達し）得る。他の実施態様では、関節空間インターフェース要素とマニピュレータアセンブリの自由度との間の所定の対応に基づき信号を選択し得る。例えば、特定のマニピュレータアセンブリを接続した後に、その特定のマニピュレータアセンブリに対応する、異なる関節空間インターフェース要素のグループ分けを示すグループ分け情報をロードし得る。よって、関節空間コントローラは、特定のグループ分けによって定義される適切な関節空間インターフェース要素から受信される信号を使用し（且つ処理された信号を特定のグループ分けによって定義される適切な関節空間インターフェース要素に伝達し）得る。
【０１５８】
図１２Ａ及び１２Ｂを今や参照すると、図１２Ａは、ある実施態様に従ったコネクタ／関節空間マップ１２００を示しているのに対し、図１２Ｂは、ある実施態様に従った関節空間／作業空間マップ１２５０を示している。支持構造８５０内の記憶要素のような、ロボットシステムの任意の適切な要素内に、それらのマップを格納し得る。コネクタ／関節空間マップ１２００は、コネクタ要素１２１０（例えば、接点８５４）を関節空間インターフェース要素１２２０（例えば、関節空間インターフェース要素９３０）にマッピング（例えば、第１のマッピング９４０及び／又は第２のマッピング９５０）するマップである。コネクタ／関節空間マップ１２００は、Ａ１乃至Ａｉ（ここで、ｉは任意の整数である）のような、任意の適切な数のコネクタ要素と、Ｊ１乃至Ｊｋ（ここで、ｋは任意の整数である）のような、関節空間インターフェース要素とを含み得る。マッピングインジケータ１２３０は、特定のコネクタ要素と特定の関節空間インターフェース要素との間の特定のマッピングを示し得る。例えば、図９Ａを参照すると、コネクタ要素「Ａ２」は、第２のコネクタ入力要素９１０ｂに対応し得るし、関節空間インターフェース要素「Ｊ２」は、第２の関節空間インターフェース要素９６０ｂに対応し得る。従って、マッピングインジケータ１２３０は、第２のコネクタ入力要素９１０ｂと第２の関節空間インターフェース要素９６０ｂとの間の信号をマッピングするように動作可能であり得る。
【０１５９】
関節空間／作業空間マップ１２５０は、関節空間インターフェース要素１２６０（例えば、関節空間インターフェース要素９３０）を作業空間インターフェース要素１２２０（例えば、作業空間インターフェース要素９７０）にマッピング（例えば、関節空間作業空間マッピング９８０）するマップである。関節空間／作業空間マップ１２５０は、Ｊ１乃至Ｊｋ（ここで、ｋは任意の整数である）のような、任意の適切な数の関節空間要素と、Ｗ１乃至Ｗｍ（ここで、ｍは任意の整数である）のような、任意の数の作業空間インターフェース要素とを含み得る。マッピングインジケータ１２８０が、特定の関節空間要素と特定の作業空間インターフェース要素との間の特定のマッピングを示し得る。例えば、図９Ｃを参照すると、関節空間インターフェース要素「Ｊ２」は、第２の関節空間インターフェース要素９６０ｂに対応し得るし、作業空間インターフェース要素「Ｗ１」は、第２の作業空間インターフェース要素９７０ｂに対応し得る。従って、マッピングインジケータ１２８０は、第２の関節空間インターフェース要素９６０ｂと第２の作業空間インターフェース要素９７０ｂとの間の信号をマッピングするように動作可能であり得る。
【０１６０】
更に、それらのマップは１つの要素を１つよりも多くの要素にマッピングするように動作可能であり得る。例えば、再び図９Ｃを参照すると、関節空間インターフェース要素「Ｊ３」は、第サインの関節空間インターフェース要素９６０ｃに対応し得るし、作業空間インターフェース要素「Ｗ２」、「Ｗ３」、及び「Ｗ４」は、第２、第３、及び第４の作業空間インターフェース要素９７０ｃ乃至９７０ｅにそれぞれ対応し得る。よって、第１、第２、及び第３のマッピングインジケータ１２８２，１２８４，１２８６が、第３の関節空間インターフェース要素と、第２、第３、及び第４の作業空間インターフェース要素９７０ｃ乃至９７０ｅの各々との間の信号をマッピングするように動作可能であり得る。
【０１６１】
支持構造は、特定の実施態様において、コネクタ要素、インターフェース要素、マッピング、関節空間コントローラ、作業空間コントローラ等のような、様々なインターフェース要素及びコントローラを含む。しかしながら、入力装置が図９Ａ乃至１２Ｂに例示するよりも少ない又は多い数の構成部品を幽することによっても等しく十分に作動し得ることが当業者によって理解されるであろう。図９Ａ乃至１２Ｂの各々を参照して記載した要素が特定のマッピング及びこれらの実施態様を参照して例示し且つ議論した特定の自由度を必要としないことが当業者によって更に理解されるであろう。例えば、一部の自由度は接続されるマニピュレータアームの動きに対応し得るのに対し、他の自由度は接続されるツールの動きに対応し得るし、更に他の自由度はツール又はマニピュレータアームの作動に対応し得る。よって、図９Ａ乃至１２Ｂ中の様々な要素の描写は本質的に例示的であり、本開示の範囲を限定しないことが理解されるべきである。
【０１６２】
図１３Ａは、図４を参照して描写し且つ議論した患者側カートに類似する患者側カート１３００を示している。しかしながら、この実施態様において、マニピュレータアームは個々に識別され、第１のマニピュレータアーム１００Ａ、第２のマニピュレータアーム１００Ｂ、第３のマニピュレータアーム１００Ｃ、及び第４のマニピュレータアーム１００Ｄを含む。第１のマニピュレータアーム１００Ａは、画像化装置２８に連結させられるのに対し、第２、第３、及び第４のマニピュレータアーム（１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）は、各々、それぞれの手術ツール２６に連結させられる。
【０１６３】
図１３Ｂは、患者側カート１３００に類似する患者側カート１３５０を示している。しかしながら、この実施態様において、第１のマニピュレータアーム１００Ａは、手術ツール２６に連結させられるのに対し、第２のマニピュレータアーム１００Ｂは、画像化装置２８に連結させられる。即ち、画像化装置は手術ツールのうちの１つと取り換えられる。
【０１６４】
多くの実施態様では、患者側カート１３５０又はＭＩＲＳシステム１０（図１）の他の要素を実行するソフトウェアをオフにしたりその他の方法において再起動させたりせずに、患者に対する医療処置中を含む任意の適切な時に、画像化装置２８を手術ツール２６と取り換え得る。画像化装置２８を手術ツール２６と取り換えることは、画像化装置の視野を変更するのを容易化し得るし、取り換えられる手術ツールに利用可能な、アクセス可能な作業空間内の変化を促進し得る。
【０１６５】
少なくとも１つの実施態様では、手術ツール先端の基準座標系(frame  of  reference)が、１つのマニピュレータから他のマニピュレータに画像化装置２８（例えば、カメラ）を移動させる結果として変更される。例えば、手術を執り行うときには、カメラ先端に対する手術ツール先端の基準座標系が、外科医が見る画像ディスプレイ（イメージディスプレイ）に対して手術ツールを制御するために外科医が用いる入力装置の基準座標系と整合するように、空間内の物を再配置することが概ね望ましい。手術ツールが第１のマニピュレータアームに連結させられ、画像化装置が第２のマニピュレータアームに連結させられるとき、外科医は（例えば、入力装置を介して）、第１のマニピュレータを介して手術ツールを駆動させる。よって、画像化装置座標系(imaging  device  frame)に対する手術ツール先端座標系(surgical  tool  tip  frame)は、遠隔手術のために用いられる。しかしながら、手術ツール及び画像化装置は互いに取り換えられ、外科医は最後には画像化装置を駆動させることになる。結果的に、システム（例えば、関節空間コントローラ及び／又は作業空間コントローラによって実行される１つ又はそれよりも多くのアルゴリズム）は、世界座標系(world  frame)に対する画像化装置座標系が遠隔手術のために用いられるように、無作為な基準座標系（即ち、世界座標系）を定める。
【０１６６】
当業者は、ここに開示する様々な技法を用いて画像化装置及び手術ツールの交換を容易化するのを助け得ることを認識するであろう。例えば、第１のマニピュレータアーム１００Ａ及び第２のマニピュレータアーム１００Ｂは、マニピュレータ８２０（図８Ａ乃至８Ｃ）にそれぞれ類似し得るし、画像化装置２８及び手術ツール２６の各々は、ツール８４０に類似し得る。従って、第１のマニピュレータアーム１００Ａ及び第２のマニピュレータアーム１００Ｂの各々は、画像化装置２８及び手術ツール２６の対応するコネクタと係合するに成形されるコネクタ（例えば、コネクタ８３４）を含み得る。
【０１６７】
画像化装置及び手術ツールのホットスワッピング(hot-swapping)を促進するよう、例えば支持構造８５０が行い得る様々な処理を、図１４乃至１６Ｂを参照して更に記載する。当業者は、実施態様が画像化装置を手術ツールとスワッピングすることに限定されず、手術ツールを他の手術ツールと取り換える（スワッピングする）こと、画像化装置を他の種類の画像化装置と取り換える（スワッピングする）こと等を含むことを認識するであろう。
【０１６８】
図１４は、同じマニピュレータアームに接続される多数の可能なツールからの１つを制御するために用い得る、或いはより一般的に、マニピュレータアセンブリがマニピュレータアーム及びツールの両方を含む場合、多数の異なるマニピュレータアセンブリを制御するために用い得る、一連の操作を示している。支持構造８５０（図８Ａ乃至８Ｃ）を参照してここに記載したコントローラのいずれかのような、任意の適切なコントローラによって、それらの操作を行い得る。
【０１６９】
操作１４１０において、ツールがマニピュレータに接続されているか否かを決定する。例えば、関節空間コントローラ８５８（又は異なるコントローラ）は、ツール８４０がマニピュレータアーム８２０に接続されているか否かを決定し得る。ツールがマニピュレータアームに接続されていないことが決定されるとき、システムはマニピュレータアームを監視し続けて、ツールが接続されているか否かを決定する。さもなければ、処理は操作１４２０に進み得る。
【０１７０】
操作１４２０では、接続されるツールのためのマッピングを取得する。マッピングは、図８Ａ乃至１２Ｂを参照して記載したマッピングのような、１つ又はそれよりも多くのマッピングを含み得る。例えば、マッピングは、コネクタ／関節空間マップ１２００（図１２Ａ）、関節空間／作業空間マップ１２５０（図１２Ｂ）、又は接続されるツールに関連する任意の他の適切なマップを含み得る。図１５を参照してその一部を記載する多数の技法のうちの任意の１つ又はそれよりも多くを用いて、マッピングを取得し得る。
【０１７１】
ツールのためのマッピングを取得するや否や、処理は操作１４３０に進む。操作１４３０では、取得したマッピングを用いて、接続されるツールを制御する。例えば、コネクタ／関節空間マップ及び関節空間／作業空間マップを用いて、関節空間コントローラ８５８及び作業空間コントローラ８６２を用いて、ツールを制御し得る。図８Ａ乃至１２Ｂを参照して、１つ又はそれよりも多くのマップを用いてツールを制御する様々な技法を記載する。これらの技法のうちの任意の１つ又はそれよりも多くが、接続されるツールを制御するために適用可能である。図１６Ａ及び１６Ｂを参照して、接続されるツールを制御する更なる技法を記載する。
【０１７２】
操作１４４０では、ツールがマニピュレータから取り外されたか否かを決定する。例えば、コントローラは、ツール８４０がマニピュレータアーム８２０から取り外されたか否かを決定する。ツールがマニピュレータアームから取り外されていないことが決定されるならば、取得したマッピングを用いてツールを制御し続け得る。さもなければ、処理は操作１４５０に進む。
【０１７３】
操作１４５０では、新しいツールがマニピュレータに接続されているか否かを決定する。この操作は操作１４１０に類似する。新しいツールが接続されていることが決定されるならば、操作１４２０において新しいツールのためのマッピングを取得し得るし、操作１４３０において新しいマッピングを用いて新しいツールを制御し得る。さもなければ、システムは新しいツールの接続を監視し続け得る。
【０１７４】
マッピングの結果、同じマニピュレータアームに接続される異なるツールを制御するプロセッサ（例えば、関節空間コントローラ８５８及び／又は作業空間コントローラ８６２）は、同じソフトウェアカーネルを用い得る。ソフトウェアカーネルは、画像化装置から画像を取得すること、鉗子を作動すること等のような、マニピュレータアームに接続し得る全ての種類のツールの機能性を含み得る。その場合には、ソフトウェアカーネルは、全てのツールの如何なる機能をも作動させる能力を有するのに対し、ツールマッピングは、同じマニピュレータアームに接続されるときに、異なる自由度を有する異なるツールを効果的に制御し得るように、適切な信号経路制御(signal  routing)をもたらす。
【０１７５】
図１４Ａを今や参照すると、適切なときに基準座標系への変更を容易化するために、例えば患者側カートのマニピュレータに取り付けられるツールがイメージキャプチャ装置又は手術器具であるときに用い得る１つ又はあるツールのためのマッピングを取得する、一連の操作１４２１の実施例を示している。この例示的な一連の操作は、マッピングを取得しているときに図１４の操作１４２０に含められてよく、（入力装置のハンドルを移動させることによるような）システムユーザによる動作命令と（マニピュレータに新しく取り付けられるイメージキャプチャ装置を含む）イメージキャプチャ装置によって画像化させられ且つシステムユーザに表示される手術器具の先端の対応する動作との間の相関を維持するのを助け得る。例えば、その全文をここに参照として援用する「Camera  Referenced  Control  in  a  Minimally  Invasive  Surgical  Apparatus」という名称の米国特許第６，４２４，８８５号を参照して、移動する器具の入力と表示との間の相関に関する追加的な詳細を理解し得る。
【０１７６】
操作１４２３では、カメラ又は他のイメージキャプチャ装置がマニピュレータに接続されたか否かを決定する。カメラとマニピュレータとの間で送信される信号によって或いはシステムユーザからの入力によって、マニピュレータへのカメラの取付けを決定し得る。操作１４２５では、マニピュレータに取り付けられたカメラ又は他のイメージキャプチャ装置が基準カメラであることを決定する。１つだけのカメラがマニピュレータシステムに取り付けられるべき場合及び／又は取り付けられたカメラがマニピュレータシステムに取り付けられるべき第１のカメラである場合、システムは、応答して、取り付けられたカメラを基準カメラとして指定する。任意的に、基準カメラの指定は、システムユーザによる入力、カメラの種類、又は同等物に応答し得る。カメラが取り付けられていない或いは取り付けられたカメラが基準カメラでないならば、システムは基準カメラの取付けを監視し続け得る。
【０１７７】
操作１４２７では、基準カメラがマニピュレータシステムに取り付けられたとき、システムはカメラマッピングのマッピングを取得する。例えば、図１４Ｂを参照すると、カメラ交換操作の前、カメラ２８は、（関節状態センサと関連するシステムの運動学のような）ロボットアームの既知の属性と共に、（図１３Ａに示すような第１のマニピュレータ１００Ａを含む）ロボットアームの関節及び設定関節(set-up  joint)又はカメラを支持する他の構造の各々と関連するポテンシオメータ又は他の関節状態センサからの信号を用いて、システムコントローラによって（任意的に、世界座標基準系に対して）特定し得る、カメラ基準座標の基準座標系Ｒｃａｍを有し得る。コントローラは、Ｒｃａｍへの手術器具２６ａ，２６ｂ，２６ｃのカメラの視野内のツール先端及びそれらの関連するマニピュレータ１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄの類似のマッピングを用いて、動作命令ベクトルと結果として得られるツール先端動作との間の相関を維持するのを助け得る。図１４Ｃを参照すると、ツール交換操作の後、マニピュレータ１００Ｂ又は他のマニピュレータにカメラを取り付け得る。操作１４２７は、マニピュレータ１００Ｂ又は他の関節状態信号を用いて新しく取り付けられるカメラ２８の新しいマッピングを取得して、新しいカメラ基準座標系Ｒｃａｍ’を導き出し得る。次に、新しいカメラ基準座標系を用いて、カメラの動き及び／又は（従前はカメラ２８を支持した）マニピュレータ１００Ａに取り付けられる手術器具２６ｄを含む他のマニピュレータに取り付けられる全ての手術器具の動きのための関節命令を決定する。器具２６ｄは、任意的には、ツール交換に先立ちマニピュレータ１００Ｂから取り外した器具２６ｂと同じであっても或いは異なる器具であってもよいことに留意のこと。同様に、カメラ２８は、ツール交換に先立ちマニピュレータ１００Ａによって支持されたカメラと同じであっても或いは異なるカメラであってもよい。
【０１７８】
操作１４２９では、入力装置と手術器具との間の初期設定のマスタ−スレーブ関連性(association)を設定し得る。例えば、ユーザディスプレイに対する入力装置の相対位置及びカメラ基準座標系に対する手術器具のツール先端の相対的位置に応じて、関連性を決定し得る。故に、左右の入力装置は、作業空間の左右側にそれぞれあるとしてディスプレイ内に現れる手術器具と関連付けられる。ユーザは所望のときに関連性を手作業で設定し得ること、並びにツールの配置が（左右のツールが幾分任意的である図１３Ｂの配置におけるような）自動化された又は初期設定の関連性に修正可能でないときに、システムは適切なマスタ−スレーブ関連性についてのユーザ入力を促し且つ／或いは待ち得ることに留意のこと。多数の同時ユーザを有するより複雑なシステムにおけるマスタ−スレーブ関連性は、その全文をここに参照として援用する「Cooperative  Minimally  Invasive  Telesurgical  System」という名称の米国特許第８，６６６，５４４号中により詳細に記載されているような、関連性に対するユーザ制御を可能にし得る。
【０１７９】
操作１４３１では、マスタ入力装置を（向き及び／又は位置において）移動させて、関連するスレーブツール先端と整合させ得る。例えば、その全文をここに参照として援用する「Alignment  of  Master  and  Slave  in  a  Minimally  Invasive  Surgical  Apparatus」という名称の米国特許第６，３６４，８８８号に記載されるような、マスタの作動モータによって、マスタの移動を行い得る。マスタが移動させられるや否や、システムは、後続のテレプレゼンスを開始する準備が出来ており、或いは後続に備えた他の所望の操作のための準備が出来ている。
【０１８０】
図１５を今や参照すると、図１５は、ある実施態様に従ってツールのためのマッピングを取得するための一連の操作を示している。操作１４２２では、ツールがその中に格納されたマッピングを有するか否かを決定する。例えば、マッピングをツールの記憶媒体上に格納し得る。
【０１８１】
ツールがその中に格納されたマッピングを有さないことが決定されると、処理は操作１４２８に進む。操作１４２８では、ツール以外のソースからマッピングを受信する。例えば、ハードウェアマッピングユニット８５６及び／又は関節空間／作業空間マッピングユニット８６０は、ツール以外のソースからのマッピングを受信し得る。ソースはその上に格納されるマッピングを有するツール以外の如何なる電子装置であってもよい。例えば、ソースは、遠隔サーバ、ローカルハードドライブ等であり得る。ツールを制御するために、そのようなソースから受信するマッピングを引き続き用い得る。
【０１８２】
ツールがその中に格納されるマッピングを有さないことが決定されると、処理は操作１４２４に進む。操作１４２４では、マッピングはツールから受信される。例えば、ハードウェアマッピングユニット８５６及び／又は関節空間／作業空間マッピングユニット８６０は、ツールの記憶要素からマッピングを受信し得る。これは任意の適切な通信プロトコルを用いる有線又は無線通信であり得る。マッピングがツールから受信されるや否や、処理は操作１４２６に進み得る。
【０１８３】
操作１４２６では、ツールから受信されるマッピングが有効か否かを決定する。例えば、ハードウェアマッピングユニット８５６、作業空間コントローラ８６２、又は他の適切なコントローラのようなコントローラが、受信するマッピングが有効か否かを決定し得る。これはマッピングが期限切れでないか、破損していないか、間違ったツールのためのものでないか等を決定することを含み得る。マッピングが無効であると決定されるならば、処理は前述のような操作１４２８に進み得る。さもなければ、ツールから受信されるマッピングを引き続き用いてツールを制御し得る。
【０１８４】
ツールのためのマッピングを取得するための技法は図１５を参照して記載するものに限定されないことが認識されるべきである。むしろ、実施態様はマッピングを取得するための他の技法も含む。例えば、コントローラはツール又はツール以外のソースによって提供されるマッピングを単にダウンロードして使用し得る。他の例として、コントローラは、各ツールのためにローカルに格納されるマッピングを有し得る。当業者は他の変形を認識し、そのような変形はこの出願の範囲内に含まれることが意図される。
【０１８５】
図１６Ａ及び１６Ｂを今や参照すると、図１６Ａは、１つの実施態様に従って取得したマッピングを用いてツールを制御するために用い得る一連の操作１４３０を示している。操作１６０２では、複数の関節空間インターフェース要素で複数のセンサ信号を受信する。例えば、図９Ａを参照すると、第１のマッピング９４０を介してコネクタ入力要素９１０から関節空間インターフェース要素９３０でセンサ信号９１２，９１４等を受信し得る。
【０１８６】
操作１６０４では、受信したセンサ情報を関節空間コントローラで処理し得る。例えば、関節空間コントローラ８５８によってセンサ信号を処理し得る。１つの実施態様において、関節空間コントローラは、関節空間内で受信した信号に対してアルゴリズムを実行し、次に、出力信号を提供し、接続されるマニピュレータアセンブリを制御し得る。図１６Ｂを参照して議論したような他の実施態様において、関節空間コントローラは、関節空間内で受信した信号に対してアルゴリズムを実行し、次に、更なる処理のために、作業空間コントローラ８６２のような他のコントローラに出力信号を提供し得る。
【０１８７】
一部の実施態様では、受信したセンサ信号に加えて、少なくとも１つの追加的な信号を処理し得る。例えば、図１０を参照して議論したように、システムは模擬又は仮想の自由度を処理することを行うように動作可能であり得る。従って、関節空間コントローラ８５８は、関節空間インターフェース要素９３０ｇ及び／又は関節空間インターフェース要素９３０ｈで、そのような仮想の入力のような追加的な信号を処理するように動作可能であり得る。
【０１８８】
操作１６０６では、関節空間インターフェース要素を介して処理した信号をアクチュエータに出力する。例えば、処理した信号を関節空間インターフェース要素９３０から出力し、第２のマッピング９５０を介してコネクタ出力要素９２０に送信してよく、その場合、処理した信号は、接続されるマニピュレータアセンブリの１つ又はそれよりも多くの自由度を制御するように働く。
【０１８９】
マニピュレータアセンブリが変更される（例えば、マニピュレータアームのスワッピング及び／又はツールのスワッピング）実施態様では、新しいマニピュレータアセンブリのために、同じ操作を引き続き行い得る。例えば、画像化装置が先ずマニピュレータアームに接続されるならば、その画像化装置に特異な取得したマッピングを介して複数のセンサ信号を受信し得る。次に、画像化装置が手術ツールと取り換えられるならば、新しい複数のセンサ信号が、手術ツールに特異な取得したマッピングを介して、同じ関節空間インターフェース要素で受信される。そのようにして、単一のソフトウェアカーネルを用いて、異なるマニピュレータアセンブリを制御し得る。
【０１９０】
図１６Ｂを今や参照すると、図１６は、他の実施態様に従って取得したマッピングを用いてツールを制御し得る一連の操作１４３０を示している。１つの実施態様では、これらの操作を図１４のステップ１４３０内の操作として行い得る。他の実施態様では、これらの操作を操作１６０４（図１６Ａ）の一部として行い得る。
【０１９１】
操作１６５２では、取得したマッピングを介して、複数の作業空間インターフェース要素で、関節レイヤー出力信号を受信する。例えば、図９Ｃを参照すると、関節空間作業空間マッピング９８０を介して、関節空間インターフェース要素９６０から作業空間インターフェース要素９８０で、関節空間コントローラ８５８から出力される信号を受信し得る。そのような関節レイヤー出力信号は、第１のマニピュレータアセンブリから受信するそれらの処理済み信号に対応してよく、よって、第１のマニピュレータアセンブリの自由度に対応してよい。
【０１９２】
１つの実施態様において、単一の作業空間インターフェース要素（例えば、９７０ｂ）は、単一の対応する関節レイヤーインターフェース要素（例えば、９６０ｂ）から出力信号を受信してよく、その場合、他の実施態様では、多数の作業空間インターフェース要素（例えば、９７０ｃ，９７０ｄ，９７０ｅ）が、単一の関節レイヤーインターフェース要素（例えば、９６０ｃ）から同じ出力信号を受信してよい。更に、少なくとも１つの実施態様では、作業空間インターフェース要素（例えば、９７０ｉ）が、マニピュレータアセンブリ（例えば、９３０ｇ）の模擬自由度に対応する関節空間インターフェース要素から出力信号を受信してよい。
【０１９３】
操作１６５４では、作業空間コントローラで関節レイヤー出力信号を処理する。例えば、作業空間コントローラ８６５によって出力信号を処理し得る。１つの実施態様において、作業空間コントローラは、作業空間内で受信した信号に対してアルゴリズムを実行し、次に、出力信号を関節空間コントローラに戻して、接続されるマニピュレータアセンブリを制御し得る。他の実施態様において、作業空間コントローラは、処理した信号を、マスタ入力装置のような、制御システムの他の要素に伝達し得る。
【０１９４】
操作１６５６では、処理した信号を複数の関節空間インターフェース要素に出力する。例えば、関節空間作業空間マッピング９８０を介して作業空間インターフェース要素９７０から関節空間インターフェース要素９６０に処理した信号を出力してよく、その場合、信号を関節空間コントローラ８５８によって更に処理してよく、一部の実施態様では、引き続き用いて第１のマニピュレータアセンブリを制御してよい。
【０１９５】
図１４乃至１６Ｂに例示する特定の操作は、本発明の特定の実施態様に従ってマニピュレータアセンブリを制御する特定の方法を提供することが理解されなければならない。代替的な実施態様に従って他の一連の操作も行い得る。例えば、本発明の代替的な実施態様は、上記に概説した操作を異なる順序において行い得る。その上、図１４乃至１６Ｂに例示する個々の操作は、個々の操作に適するような様々な順序において行い得る多数の副操作を含み得る。更に、具体的な用途に応じて、追加的な操作を追加し得るし或いは既存の操作を取り除き得る。当業者は多くの変形、変更、及び代替を認識し且つ理解するであろう。
【０１９６】
更に、多くの場合に、ツール、器具、手術ツール、手術器具、及び類似の用語は、交換可能に用いられているが、一部の実施態様では、それらは同じ意味を有さないかもしれない。例えば、手術器具及び手術ツールは、鉗子、クランプ、カッタ、吸引チューブ、針、ドリル等のような、患者を能動的に扱うために用いられる器具又はツールを指し得る。対照的に、非手術器具又はツールは、画像化装置のような、患者を能動的に扱うために用いられないものを指し得る。ツール又は器具の一般用語は、手術及び非手術器具又はツールを広くカバーし得る。
【０１９７】
この出願において記載する操作を、例えば、従来的な又はオブジェクト指向技法を用いて、例えば、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｃ＋＋、又はPerlのような、任意の適切なコンピュータ言語を用いて、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べきソフトウェアコードとして実施し得る。ソフトウェアコードを、一連の指令又は命令として、ランダムアクセス記憶装置（ＲＡＭ）、読出し専用記憶装置（ＲＯＭ）、ハードドライブ又はフロッピーディスクのような磁気媒体、又はＣＤ−ＲＯＭのような光学媒体のようなコンピュータ読出し可能な媒体上に格納し得る。いずれのそのようなコンピュータ読出し可能な媒体は、単一の計算装置（コンピュータ装置）上に又は内に存してもよく、システム又はネットワーク内の異なる計算装置上に又は内に存在してもよい。
【０１９８】
本発明をソフトウェア又はハードウェア又は両者の組み合わせにおいて制御論理の形態において実施し得る。制御論理を、情報処理装置に命じて本発明の実施態様中に開示する一連のステップを行わせるように構成される複数の指令として、情報記憶媒体内に格納し得る。ここに提供する開示及び教示に基づき、当業者は本発明を実施する他の手段及び／又は方法を理解するであろう。
【０１９９】
記載する実施態様の脈絡における（特に後続の請求項の脈絡における）単数形（「a」及び「an」及び「the」）の用語並びに類似の参照の使用は、ここにおいてその他のことが示されない限り或いは明らかに文脈と矛盾しない限り、単数及び複数の両方をカバーすると解釈されるべきである。「含む」(“comprising”)、「有する」(“having”)、「含む」(“including”)、及び「包含する」(“containing”)という用語は、その他のことが付記されない限り、開放端の用語である（即ち、「含む」(“including”)が、それに限定されない）と解釈されるべきである。「接続される」(“connected”)という用途は、何かが介在しているとしても、部分的に又は全体的に収容され、取り付けられ、或いは連結されるものとして解釈されるべきである。ここにおける値の範囲の引用は、ここにおいて他のことが示されない限り、その範囲に入る各別個の値に個別に言及する省略方法としての機能を果たすことを意図するに過ぎず、各別個の値はそれが恰もここにおいて個別に引用されているかのように明細書中に組み込まれる。ここにおいて他のことが示されない限り或いは文脈が明らかに矛盾しない限り、ここに記載する全ての方法を任意の適切な順序において行い得る。ここで提供するありとあらゆる実施例又は例示的な言語（例えば、「のような」(“such  as”)の使用は、実施態様をより良く鮮明にすることを意図するに過ぎず、その他の方法で請求されない限り、範囲に対する限定を提示しない。明細書中のいずれの言語も、いずれかの請求されていない要素が少なくとも１つの実施態様を実施するのに本質的であることを示すものとして解釈されてはならない。
【０２００】
本発明者に既知の最良の形態（ベストモード）を含む好適な実施態様をここに記載する。上述の記載を判読した後、それらの好適な実施態様の変形は当業者に明らかになり得る。本発明者は当業者がそのような変形を必要に応じて利用することを期待し、本発明者は実施態様がここに具体的に記載される以外に解釈されることを意図する。従って、適切な実施態様は、適用可能な法律によって許容されるような、ここに添付される請求項中に引用される主題の全ての変形物及び均等物を含む。その上、ここにおいて他のことが示されない限り或いは文脈が明らかに矛盾し内限り、その全ての可能な変形における上述の要素のあらゆる組み合わせが、ある適切な実施態様中に組み込まれるものとして想定される。従って、本発明の範囲は、上述の記載を参照して決定されるべきではなく、むしろ、それらの全範囲又は均等物と共に、添付の請求項を参照して決定されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【外国語明細書】
2019048108000001.pdf