(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットシステムを設定する方法であって：
第１のロボットアームを支持するプラットホームリンク機構を、前記プラットホームリンク機構を支持する１又は複数の被駆動ジョイントを駆動することによって加速するステップであって、それによって前記第１のロボットアームに力又はモーメントを与える、ステップ；
前記第１のロボットアームの第１のジョイントの受動運動を、前記第１のロボットアームへの前記力又はモーメントに応じた前記第１のジョイントの前記受動運動が前記第１のジョイントを前記第１のジョイントの基準状態から離れる方に動かすときに、妨げるステップであって、前記基準状態は前記第１のロボットアームの所望の設定に対応する、ステップ；並びに
前記第１のロボットアームへの前記力又はモーメントに応じた前記第１のジョイントの前記受動運動が前記第１のジョイントを前記第１のジョイントの前記基準状態に向かって動かすとき、前記第１のジョイントの前記受動運動を容易にするステップ；を含む、
方法。
【請求項２】
前記第１のロボットアームの前記第１のジョイントの前記受動運動を、前記第１のジョイントが前記基準状態にあるとき、停止させるステップ、をさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所望の設定は：前記第１のロボットアームの伸張して展開された設定、前記第１のロボットアームの縮められてしまい込まれた設定、及び前記第１のロボットアームの部分的にしまい込まれた設定からなるグループから選択される設定を含む、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のジョイントの前記受動運動がいつ、前記基準状態から離れる方に向けられるか、前記基準状態に向けられるか、又は前記基準状態に配置されるかを、前記第１のジョイントのジョイントトルクを検知することによって決定するステップ、をさらに含む、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のジョイントの前記受動運動を妨げる前記ステップは、前記第１のジョイントに制動を少なくとも部分的に適用するステップを含み、前記受動運動を容易にする前記ステップは、前記第１のジョイントに適用される制動を、少なくとも部分的に解放するステップを含む、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のジョイントの前記受動運動を容易にする前記ステップは：
前記第１のジョイントを基準速度に加速するために選択的に制動を解放するステップ、及び、
前記基準速度を維持するために又は前記第１のジョイントを減速させるために、選択的に前記制動を適用するステップを含む、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記受動運動を容易にする前記ステップは、閾値トルクを超える前記第１のジョイントの検知されるトルクに応じて、前記第１のジョイントのジョイントブレーキを、少なくとも部分的に解放するステップを含む、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記プラットホームリンク機構を加速する前記ステップは、少なくとも１自由度を有する被駆動ジョイント運動により反対方向の間で前記プラットホームリンク機構を加速するステップを含む、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記基準状態は、ジョイント位置又はジョイント向きを含む、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記プラットホームリンク機構を加速する前記ステップは、垂直に延びる旋回軸周りに前記プラットホームリンク機構を旋回させるために回転ジョイントを駆動するステップを含む、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記プラットホームリンク機構を加速する前記ステップは：
前記基準状態からの前記第１のジョイントの変位が所定の変位を超えるとき、少なくとも第１の速度に前記プラットホームリンク機構を加速するステップ、及び
前記基準状態からの前記第１のジョイントの前記変位が前記所定の変位内であるとき、前記第１の速度より低い第２の速度に前記プラットホームリンク機構を加速するステップ、
を含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のジョイントの検知された状態及び前記プラットホームリンク機構の感知された状態の組み合わせが前記受動運動によって前記第１のジョイントをその基準状態に動かすのに十分な推進力に対応するとき、前記第１のジョイントの解放がもたらされる、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のジョイントの前記受動運動を容易にしながら、第２のジョイントが第２の基準状態にある間に前記第２のジョイントの第２のジョイントブレーキを部分的に適用するステップをさらに含み、前記第２のジョイントは、前記プラットホームリンク機構によって支持される第２のロボットアームの一部であり、前記第２の基準状態は、前記第２のロボットアームの所望の設定に対応する、
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
ロボット手術のためのシステムであって：
第１のジョイントブレーキの選択的な適用によって受動第１ジョイント運動を選択的に可能にするように構成される少なくとも第１のジョイントを有する第１のロボットアーム；
前記第１のロボットアームを支持するプラットホーム；
前記プラットホームを支持する支持構造であって、ベース部及び１又は複数の被駆動ジョイントで前記プラットホームを駆動するために前記支持構造に動作可能に結合される駆動システムを含む、支持構造；並びに
前記支持構造の前記１又は複数の被駆動ジョイント及び前記第１のジョイントブレーキに動作可能に結合されるプロセッサであって、前記プロセッサは：
前記１又は複数の被駆動ジョイントを駆動することによって前記プラットホームを加速し、それによって、前記第１のロボットアームに力又はモーメントを与える；
前記第１のジョイントブレーキを適用することによって前記第１のロボットアームの前記第１のジョイントの受動運動を、前記第１のロボットアームへの前記力又はモーメントに応じた前記第１のジョイントの前記受動運動が前記第１のジョイントを前記第１のジョイントの第１の基準状態から離れる方に動かすときに、妨げ、前記第１の基準状態は前記第１のロボットアームの所望の設定に対応する；並びに
前記力又はモーメントからの前記第１のジョイントの前記受動運動が前記第１のジョイントを前記第１のジョイントの前記第１の基準状態に向かって動かすとき、前記第１のジョイントブレーキを少なくとも部分的に解放することによって、前記第１のロボットアームの前記第１のジョイントの前記受動運動を容易にする；１又は複数のモードを備えて構成されている、
プロセッサ；を有する、
システム。
【請求項１５】
前記プロセッサに動作可能に結合される第２のジョイントブレーキの選択的な適用によって受動第２ジョイント運動を選択的に可能にするように構成される第２のジョイントを有する第２のロボットアームをさらに有し、前記第２のロボットアームは、前記プラットホームを加速することが前記第２のロボットアームに第２の力又はモーメントを与えるように、前記プラットホームによって支持され、
前記１又は複数のモードにおいて、前記プロセッサはさらに：
前記第２のジョイントブレーキを適用することによって前記第２のロボットアームの前記第２のジョイントの受動運動を、前記第２の力又はモーメントに応じた前記第２のジョイントの前記受動運動が前記第２のジョイントの第２の基準状態から離れる方に前記第２のジョイントを動かすときに、妨げるように；並びに
前記第２の力又はモーメントに応じた前記第２のジョイントの前記受動運動が前記第２のジョイントを前記第２の基準状態に向かって動かすとき、前記第２のジョイントブレーキを少なくとも部分的に解放することによって、前記第２のロボットアームの前記第２のジョイントの前記受動運動を容易にするように；構成される、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１のロボットアームは複数のセットアップジョイントを有し、それぞれの前記セットアップジョイントは、前記プロセッサに動作可能に結合される関連付けられるジョイントブレーキの選択的な適用によって受動ジョイント運動を選択的に可能にするように構成され、前記それぞれのセットアップジョイントはそれぞれの基準状態を有し、
前記１又は複数のモードにおいて、前記プロセッサはさらに：
前記それぞれの基準状態から変位される前記複数のセットアップジョイントのそれぞれのセットアップジョイントに関して、前記それぞれの基準状態から離れる前記受動運動を妨げることと前記それぞれの基準状態に向かう前記受動運動を容易にすることとの間を交互に行うように、並びに
前記複数のセットアップジョイントの変位に対応する１又は複数の自由度に沿った反対方向の間で前記プラットホームを加速するように、構成される、
請求項１４又は１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記１又は複数のモードは：
前記第１及び前記第２の基準状態が、前記第１及び前記第２のロボットアームが作業空間の中に延び且つ離間されている設定に対応する、展開モード；
前記第１及び前記第２の基準状態が、前記第１及び前記第２のロボットアームが、縮められ且つ、互いに接して又は互いにすぐ隣接して配置されている設定に対応する、しまい込みモード；並びに
前記第１及び前記第２の基準状態が、前記第１及び前記第２のロボットアームが少なくとも部分的に縮められ且つ互いに近くに配置される設定に対応する、部分的しまい込みモード；
からなるモードのグループから選択されるモードを含む、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記１又は複数のモードにおいて、前記プロセッサはさらに：
前記第１のジョイントを基準速度に加速するよう選択的に制動を解放するように；並びに
前記基準速度を維持するよう又は前記第１のジョイントを減速するよう選択的に前記制動を適用するように；
構成される、
請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記プラットホームは、前記プラットホームの加速運動中、実質的に水平に動く、
請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１のジョイントは第１のジョイント軸周りに回転する回転ジョイントを含み、前記第１のジョイント軸は垂直に延びる、
請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１のジョイントは第１のジョイント軸周りに回転する回転ジョイントを含み、前記第１のジョイント軸は、前記プラットホームを加速する前記１又は複数の被駆動ジョイントの軸と平行である、
請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記プロセッサに動作可能に結合される第２のジョイントブレーキの選択的な適用によって受動第２ジョイント運動を選択的に可能にするように構成される第２のジョイントを有する第２のロボットアームをさらに有し、前記第２のロボットアームは、前記プラットホームを加速することが前記第２のロボットアームに第２の力又はモーメントを与えるように、前記プラットホームによって支持され、
前記１又は複数のモードにおいて、前記プロセッサはさらに：
前記第１のジョイントの前記受動運動を容易にする間に、第２の基準状態において前記第２のジョイントに前記第２のジョイントブレーキを部分的に適用するように構成され、前記第２の基準状態は、前記第２のロボットアームの所望の設定に対応する、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項２３】
前記１又は複数のモードは、ファーモード及びニアモードを含み、前記プロセッサはさらに：
前記ファーモードの間に前記プラットホームにファーモード運動又は加速を適用するように；並びに
前記ニアモードの間に前記プラットホームにニアモード運動又は加速を適用するように；
構成され、
前記ファーモード運動又は加速は、前記ニアモード運動又は加速より大きい、
請求項１４乃至２２のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の参照］
本特許出願は、２０１４年３月１７日に出願された米国仮出願第61/954,537号の優先権を主張し、この全内容は全ての目的のために参照により本明細書に援用される。
【０００２】
本出願は、概して、”Movable  Surgical  Mounting  Platform  Controlled  by  Manual  Motion  of  Robotic  Arms”と題する、２０１３年８月１５日に出願された米国特許出願第13/967,573号及び"User  Initialed  Break-Away  Clutching  of  a  Surgical  Mounting  Platform"と題する、２０１３年８月１５日に出願された米国特許出願第13/967,574号に関連し、これらの全内容は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
低侵襲医療技術は、診断又は外科手術中に損傷を受ける無関係な組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減させる。低侵襲手術の１つの効果は、例えば、低減した手術後病院回復時間である。標準的な手術に対する平均入院期間は、類似の低侵襲手術に対する平均入院期間より長いので、低侵襲技術の利用増加は、毎年の病院費を何百万ドル節約することができるかもしれない。米国で毎年行われる手術の多くが潜在的に低侵襲な方法で実行されることができるが、低侵襲手術器具の及びそれらを使いこなすことに関わる追加的な手術トレーニングの制限のために、現在の手術の一部しかこれらの有利な技術を使用していない。
【０００４】
低侵襲ロボット手術又は遠隔手術システムは、外科医の器用さを増大させるように及び従来の低侵襲技術の制限の幾つかを避けるように、開発されている。遠隔手術では、外科医は、手で手術器具を直接握り且つ動かすのではなく、手術器具の動きを操作するために何らかの形の遠隔制御（例えば、サーボ機構、等）を使用する。遠隔手術システムでは、外科医は、手術ワークステーションにおいて手術部位の画像を提供されることができる。ディスプレイで手術部位の２又は３次元画像を見ながら、外科医は、マスタ制御デバイスを操作することによって、患者に外科手術を行い、このマスタ制御デバイスは、サーボ機構的に操作される器具の動きを制御する。
【０００５】
遠隔手術に使用されるサーボ機構はしばしば、２つのマスタコントローラ（外科医の手のそれぞれに対して１つ）からの入力を受け取り、それぞれに手術器具が取付けられている２以上のロボットアームを含む場合がある。マスタコントローラと、関連付けられるロボットアーム及び器具アセンブリとの間の動作通信は、典型的には、制御システムによって達成される。制御システムは典型的には、少なくとも１つのプロセッサを含み、このプロセッサは、入力コマンドを、マスタコントローラから関連付けられるロボットアーム及び器具アセンブリに、並びに、例えば、フォースフィードバック等の場合に、器具及びアームアセンブリから関連付けられるマスタコントローラに戻って中継する。ロボット手術システムの一例は、California州SunnyvaleのIntuitive  Surgical,  Inc．から市販されているDA  VINCI（登録商標）システムである。
【０００６】
種々の構造配置が、ロボット手術中に手術部位に手術器具を支持するために使用されることができる。駆動されるリンク機構又は「スレーブ」は、しばしば、ロボット手術マニピュレータと呼ばれ、低侵襲ロボット手術の間にロボット手術マニピュレータとして使用するための例示のリンク機構配置は、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。これらのリンク機構はしばしば、シャフトを有する器具を保持するために平行四辺形装置（parallelogram  arrangement）を使用する。このようなマニピュレータ構造は、器具が剛性軸の長さに沿った空間内に位置決めされる操作のリモートセンタ（remote  center）周りに枢動する（pivot）ように、器具の運動を拘束することができる。操作のリモートセンタを、（例えば、腹腔鏡手術の間の腹壁におけるトロカール又はカニューレを用いて）内部手術部位への切開点と位置合わせすることにより、手術器具のエンドエフェクタが、腹壁に対して潜在的に危険な力をかけることなしに、マニピュレータリンク機構を用いてシャフトの近位端部を動かすことによって安全に位置決めされることができる。代替のマニピュレータ構造は、例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、及び特許文献１１に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。
【０００７】
種々の構造配置もまた、ロボット手術中、手術部位にロボット手術マニピュレータ及び手術器具を支持し且つ位置決めするために使用されることができる。セットアップジョイント、又はセットアップジョイントアームと呼ばれることもある、支持リンク機構は、しばしば、各マニピュレータを患者の体のそれぞれの切開点に位置決めするとともに位置合わせするために使用される。支持リンク機構は、所望の手術切開点及び目標とされる解剖学的構造への手術マニピュレータの位置合わせ（alignment）を容易にする。例示的な指示リンク機構は、特許文献３及び特許文献１２に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，５９４，９１２号
【特許文献２】米国特許第６，７５８，８４３号
【特許文献３】米国特許第６，２４６，２００号
【特許文献４】米国特許第５，８００，４２３号
【特許文献５】米国特許第７，７６３，０１５号
【特許文献６】米国特許第６，７０２，８０５号
【特許文献７】米国特許第６，６７６，６６９号
【特許文献８】米国特許第５，８５５，５８３号
【特許文献９】米国特許第５，８０８，６６５号
【特許文献１０】米国特許第５，４４５，１６６号
【特許文献１１】米国特許第５，１８４，６０１号
【特許文献１２】米国特許第６，７８８，０１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
新しい遠隔手術システム及び装置は非常に効果的且つ有利であることが証明されているが、なお更なる改良が望まれている。一般に、改良された低侵襲ロボット手術システムが望まれている。これらの改良された技術がロボット手術システムの効率及び使いやすさを高める場合、特に有益である。例えば、操作性を高めること、手術室のスペース利用を改良すること、配置及びしまい込みにおいてより早く且つ簡単なセットアップを提供すること、使用中のロボット装置間の衝突を防止すること、及び／又はこれらの新しい手術システムの機械的な複雑さ及びサイズを減少させることは特に有益である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下は、本発明の基本的な理解を提供するために本発明の幾つかの実施形態の簡略化された概要を提供する。この概要は、本発明の広範囲にわたる概要ではない。本発明の鍵となる／重要な要素を識別することを又は本発明の範囲を線引きすることが意図されるものではない。その唯一の目的は、本発明の幾つかの実施形態を、後述されるより詳細な説明への前置きとして簡略化された形態で提供することである。
【００１１】
本発明は概して、改良されたロボット及び／又は手術装置、システム、及び方法を提供する。本明細書に記載されている運動学的リンク機構構造及び関連する制御システムは特に、システムユーザが、特定の患者への外科処置に備えて構造を展開すること又は使用後に構造をしまい込む（stow）ことを含む、使用に備えてロボット構造を配置するのを支援するのに有用である。本明細書に記載されている例示的なロボット手術システムは、マニピュレータ構造を手術作業部位と位置合わせすることを支援するように構成されている１又は複数の運動学的リンク機構サブシステム（kinematic  linkage  sub-system）を含み得る。これらのセットアップシステムのジョイントは、能動的に駆動され得る、受動的（それらが手動で関節運動されることができ、その後、マニピュレータは治療目的で使用される間に、所望の設定（configuration）にロックされることができる）であり得る、又は両方の混合であり得る。本明細書に記載されているロボットシステムの実施形態は、１又は複数のジョイントが、ジョイントを基準ジョイント状態に動かすために、運動学的チェーンの１又は複数の他のジョイントの受動運動を生じさせるように且つ受動運動を制御するように１又は複数の他のジョイントを選択的に制動するように能動的に駆動される、セットアップモードを用い得る。多くの実施形態では、１又は複数の他のジョイントは、受動セットアップジョイントであり、基準ジョイント状態は、セットアップジョイントに関連付けられるマニピュレータアーム又は複数のマニピュレータアームの所望の設定に対応する。多くの実施形態では、能動的に駆動されるジョイントは、多数のマニピュレータを支持するプラットホーム構造を動かし、このプラットホーム構造は、特定の基準ジョイント状態へ制御された受動ジョイント運動によって関連付けられるセットアップジョイントを動かし、それによって、作業空間に対する所望の配向及び／又は位置設定への全システムの配置を容易にし且つ促進する。有利には、このアプローチは、ジョイントの手動操作を必要とすることなしに、劣駆動（under-actuated）セットアップジョイントの運動を制御することによってシステムの再設定（reconfiguration）を可能にする。加えて、複数のアームのセットアップジョイントは、同時に制御されることができ、手動関節運動だけによって典型的には可能になるであろうより短い時間で、受動セットアップジョイントを使用する再設定を可能にする。任意選択で、配向プラットホームの運動が、マニピュレータとプラットホームとの間に配置されたセットアップジョイントリンク機構の運動、並びに、プラットホームによって支持されている追加のマニピュレータアセンブリに関連付けられるセットアップジョイントリンク機構の運動を、もたらすことができる。１又は複数のセットアップジョイントの受動運動の制御は、それぞれのセットアップジョイントの検知されたジョイント状態に応じて、セットアップジョイントに対応する１又は複数のジョイントブレーキの選択的な制動によって達成され得る。
【００１２】
したがって、代替の態様では、ロボット手術の準備をする方法が提供される。方法は、第１のロボットマニピュレータの１又は複数のセットアップジョイントの初期位置から、マニピュレータ又は複数のマニピュレータの所望の設定に対応する基準位置への変位を検知するステップ、受動ジョイント運動によってそれぞれの基準位置に向かってセットアップジョイントを動かすセットアップジョイントに関連付けられるリンク機構への力及び／又は運動を与えるセットアップ構造リンク機構の運動を計算するステップ、及びセットアップジョイントが基準場所に達するまで選択的に制動することによってセットアップジョイントの受動運動を制御するステップを含む。選択的な制動は、基準位置から離れる受動運動を妨げるとともに基準位置に向かう受動運動を容易にすることによって、セットアップジョイントの受動運動を制御する。いったんセットアップジョイントが基準位置になると、制動がセットアップジョイントを所定の位置にロックするように加えられることができる。
【００１３】
多くの実施形態では、セットアップ構造リンク機構は、取付ベース、コラム、部材、及び伸縮可能ブームを含み得る。コラムは、取付ベースに摺動可能に結合され得る。加えて、コラムは、垂直に向けられている第１の支持軸に沿って取付ベースに対して選択的に位置決めされ得る。部材は、ショルダージョイントを通じてコラムに回転可能に結合されているブームベース部材であり得る。部材は、垂直に向けられている第２の支持軸周りにコラムに対して選択的に向き合わせされ得る。伸縮可能ブームは、水平に向けられている第３の支持軸に沿って部材に対して伸縮可能ブームを選択的に位置決めするように、部材に摺動可能に結合され得る。配向プラットホームは、伸縮可能ブームに回転可能に結合され得る。計算された被駆動ジョイント運動は、１又は複数の劣駆動ジョイントを所望の基準状態又は位置に動かすより遠位のリンク機構に力及び／又は運動を与えるように駆動されるセットアップ構造リンク機構の複数のジョイントのいずれかの運動を含み得る。
【００１４】
１つの態様では、プロセッサは、劣駆動ジョイントの検知されたジョイント状態及びジョイントの初期状態と基準状態との間の誤差に基づいて、１又は複数の劣駆動ジョイントの選択的な制動を決定する命令を具現化する非一時的機械可読コードを含む。多くの実施形態では、システムは、劣駆動ジョイントを基準状態に動かすのに必要なトルク制御入力を決定するための比例微分コントローラを利用するとともに、（しばしば、被駆動ジョイントの幾つかの周期運動にわたる）制動とジョイントトルクとの間の関係に基づいて時間にわたるインパルス（impulse）にしたがって検知されたジョイントトルクを消耗させるようにジョイントのジョイントブレーキを選択的にかける制動制御入力を決定するために、劣駆動ジョイントにおいて検知されたトルクに応じて時間にわたるインパルスを決定するためにトルク制御入力を積分するジョイントブレーキコントローラを用い得る。幾つかの態様では、ジョイントコントローラは、トルクが、ジョイントの受動運動中に実質的に一定の速度を提供するために及び／又は受動運動中にジョイントの一定の減速度を提供するために、時間にわたって消耗されるよう、制動制御入力を決定するように構成され、これは、幾つかの実施形態では、基準状態からの劣駆動ジョイントの変位の大きさに基づき得る。
【００１５】
本発明の性質及び利点のより完全な理解のために、次の説明及び添付の図面への参照がなされるべきである。本発明の他の態様、目的及び利点は、以下の図面及び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】
【００１６】
【図１】本発明の幾つかの実施形態による、手術を行うために使用される低侵襲ロボット手術システムの平面図である。
【図２】幾つかの実施形態による、ロボット手術システム用の外科医の制御コンソールの斜視図である。
【図３】幾つかの実施形態による、ロボット手術システム電子装置カートの斜視図である。
【図４】幾つかの実施形態による、ロボット手術システムを概略的に描く。
【図５Ａ】幾つかの実施形態による、ロボット手術システムの患者側カート（手術ロボット）の部分図である。
【図５Ｂ】幾つかの実施形態による、ロボット手術ツールの正面図である。
【図６】幾つかの実施形態による、ロボット手術システムの斜視概略図である。
【図７】幾つかの実施形態による、他のロボット手術システムの斜視概略図である。
【図８】図７の概略図に一致する、多くの実施形態による、ロボット手術システムを示す。
【図９Ａ】図８のロボット手術システムの配向プラットホームに対するセットアップリンク機構の回転配向を示す。
【図９Ｂ】図８のロボット手術システムの配向プラットホームに対するセットアップリンク機構の回転配向を示す。
【図９Ｃ】図８のロボット手術システムの配向プラットホームに対するセットアップリンク機構の回転配向を示す。
【図１０Ａ】幾つかの実施形態による、セットアップジョイントリンク機構及び関連付けられる配向プラットホームを示す。
【図１０Ｂ】幾つかの実施形態による、セットアップジョイントリンク機構及び関連付けられる配向プラットホームを示す。
【図１１】幾つかの実施形態による、１又は複数の受動セットアップジョイントを所望の状態に動かすためにセットアップ構造の配向プラットホームを駆動することによって手術のためにロボット手術システムの準備をする方法を概略的に示すフローチャートである。
【図１２Ａ】幾つかの実施形態による、選択的な制動を通じてシステムの１又は複数のセットアップジョイントの受動運動を制御することによって、複数のマニピュレータアームの所望の位置合わせを提供する、カート取付セットアップ支持構造によって支持されている配向プラットホームの運動の斜視概略図である。
【図１２Ｂ】幾つかの実施形態による、関連する座標系及び自由度を示す配向プラットホームの概略図である。
【図１２Ｃ】幾つかの実施形態による、単一のマニピュレータアームの関連付けられる手術アクセス部位との所望の位置合わせを提供するように天井ガントリセットアップ支持構造によって支持されている配向プラットホームの斜視図である。
【図１３】幾つかの実施形態による、配向プラットホームのシミー運動を提供するモードによって配向プラットホームによって支持されている受動セットアップジョイントを制御する方法を概略的に示す。
【図１４Ａ】幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力を用いる受動ジョイントの運動を制御するための制御図を概略的に示す。
【図１４Ｂ】幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力を用いる受動ジョイントの運動を制御するための制御図を概略的に示す。
【図１４Ｃ】幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力を用いる受動ジョイントの運動を制御するための制御図を概略的に示す。
【図１４Ｄ】幾つかの実施形態による、モータ駆動制御入力に対応する計算ジョイントトルクを生じさせるための制動制御メカニズムをグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の説明では、本発明の様々な実施形態が説明される。説明の目的で、実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成及び詳細が記載される。しかし、本発明が特定の詳細なしで実施され得ることは、当業者にもまた明白となるであろう。さらに、記載されている実施形態を曖昧にしないために、良く知られた特徴は省略又は簡略化され得る。
【００１８】
本明細書に記載されている運動学的リンク機構構造及び制御システムは特に、システムユーザが、特定の患者への処置にロボット構造を配置するのを支援するのに有用である。治療中に組織などと相互に作用するために使用される能動被駆動マニピュレータと共に、ロボット手術システムは、マニピュレータ構造を支持するとともにマニピュレータ構造を手術作業部位と位置合わせするのに役立つように構成されている１又は複数の運動学的リンク機構システムを有し得る。これらのセットアップシステムは、能動的に駆動され得る、又は、それらが手動で関節運動されることができ、その後、マニピュレータは治療目的で使用される間に所望の設定にロックされることができるように、受動的であり得る。受動セットアップ運動学的システムは、サイズ、重量、複雑さ、及びコストにおいて利点を有し得る。複数のマニピュレータアームが、各患者の組織を処置するために使用され得るので、手術に備えてロボットシステムを迅速に配置することの挑戦は、重要であり得る。
【００１９】
１つのオプションは、複数のマニピュレータを単一のプラットホームに取り付けることであり、マニピュレータ支持プラットホームはときに配向プラットホームと称される。配向プラットホームは、能動被駆動支持リンク機構（ときに、本明細書において、セットアップ構造と称され、典型的には、セットアップ構造リンク機構等を有する）によって支持されることができる。システムはまた、ユーザ制御で配向プラットホームを支持するロボットセットアップ構造のモータ駆動軸を提供し且つ制御し得る、又は典型的には、検知された設定及び基準状態に関連付けられる所望の設定にしたがって自動である。
【００２０】
ロボットマニピュレータの受動及び能動被駆動ジョイントの両方の利点を維持するために、本明細書に記載されるロボットシステムの実施形態は、１又は複数のジョイントが、従動セットアップジョイントの所望の基準状態を達成するために受動ジョイント運動によって能動被駆動ジョイントの遠位の１又は複数の受動セットアップジョイントにおいて特定の応答を引き出すために能動的に駆動される、モードを用い得る。これらのセットアップジョイントの受動ジョイント運動は、ジョイントブレーキの選択的な適用を通じて制御されることができ、基準状態から離れる受動運動を妨げるとともにセットアップジョイントがそれぞれの基準状態に達するまで基準位置に向かう受動ジョイント運動を容易にする。基準状態は、作業空間内の所望の場所のいずれか又は全て、システムの特定の他のジョイントに対する所望の場所、特定の方向における所望の速度及び加速度を指し得る。
【００２１】
ある態様では、能動被駆動ジョイントは、手動関節運動を必要とすることなしに１又は複数の受動ジョイントの所望の運動を引き出すように１又は多自由度で反対の方向の間で連続的に動く複数のマニピュレータを支持するプラットホーム支持リンク機構構造を自動的に動かす。選択的な制動によって劣駆動ジョイントの受動運動を制御することによって、システムは、マニピュレータを所望の設定、向き及び／又は作業空間との位置合わせ（positional  alignment）に動かすために各マニピュレータを支持する１又は複数のセットアップジョイントを同時位動かすことによって全システムの配置を非常に容易にする。所望の設定、向き又は位置合わせは、任意の数の配置を含み得る。幾つかの実施形態では、所望の配置は、展開された配置、しまい込まれた配置又は部分的にしまい込まれた配置のいずれかを含む。展開された設定では、マニピュレータは、マニピュレータのセットアップのために作業空間の中に延び、これは、１又は複数のマニピュレータ上の手術ツールの交換を含み得る。しまい込まれた及び部分的にしまい込まれた設定では、マニピュレータは、より少なく作業空間を占めるように、少なくとも部分的に、縮められ得るとともに互いに対して折り畳まれ得る。プラットホームによって支持されているマニピュレータの１つ、幾つか又は全ての独立した位置決めが、本明細書に記載される方法の態様を用いることによって、プラットホームに対するマニピュレータの１つ、幾つか、又は全てを支持する受動セットアップジョイントシステムの制御された運動を通じて、任意選択で提供されることができる。
【００２２】
１つの態様では、本発明による方法は、ジョイントの慣性効果（inertial  effects）及び制御された制動を通じてセットアップジョイントの制御された運動を達成する。例えば、手術ロボットアーム（例えば、スレーブマニピュレータ）を支持する本明細書に記載されたセットアップジョイントは、典型的には、手術のためのロボットシステムの設定のために及び手術後にシステムのロボットアームをしまい込むために使用されるので、これらのジョイントはまれに動かされ、このようなジョイントがモータ駆動される必要は少ない。これらのセットアップジョイントは、ジョイントブレーキを持つ受動ジョイントとして構成されるので、ジョイントは、セットアップ又はしまい込み中のロボットアームの手動操作の間のジョイントの受動運動を可能にするように自由に浮動する（float）ことができるとともに、それぞれのジョイントブレーキをかけることによって所定位置にロックされることができる。あるシナリオでは、手術に備えたロボットアームのドレーピング（draping）、患者カート包み込み、及び外科処置後のロボットアームのしまい込みを支援するために所定の場所にロボットアームを動かすことが望ましい。本明細書に記載される例示の方法は、これらの受動セットアップジョイントの制御された運動を、このようなジョイントの手動運動を必要とすることなしに、プラットホームリンク機構（例えば、配向プラットホーム）、ロボットアームのセットアップジョイントがとりつけられている共通ベースを動かすことによって及びセットアップジョイントのジョイントブレーキの適用を選択的に制御することによって、可能にする。
【００２３】
ある態様では、方法は、セットアップジョイント機構の受動運動状態（passive  dynamics）を利用するセットアップジョイントブレーキコントローラを含む。例えば、その上にセットアップジョイントが取り付けられる配向プラットホームは、配向プラットホームの運動を制御する１又は複数の被駆動ジョイントの駆動を通じて配向プラットホームを動かすことによって、加速度を誘起する軌道を通るように命じられる（commanded  through）ことができる。セットアップジョイントのブレーキコントローラは、（例えばジョイント状態センサを通じて等）その関連付けられるセットアップジョイントの状態、セットアップジョイントの基準状態（位置、速度、及び／又は加速度）及び配向プラットホームの加速度を受信する。セットアップジョイント機構の慣性及び配向プラットホームの加速度が、組み合わせで、セットアップジョイントリンクを基準に向けて加速させるのに十分であるとき、ジョイントブレーキは解放される。ある態様では、ジョイントブレーキは、ブレーキが、そのそれぞれのジョイントの検知されたジョイント状態に基づいて、部分的に解放されているかそれとも完全に解放されているかを決定する。例えば、ジョイント速度が、ゼロに下がる又はセットアップジョイントの運動の所望の方向と反対である場合、配向プラットホームの加速度が好ましくなるまでブレーキが掛けられ得る。ジョイントブレーキコントローラはまた、基準状態に達するとき、そのそれぞれのジョイントを所望の位置にロックするためにジョイントブレーキが掛けられるように構成され得る。他の態様では、ブレーキコントローラは、基準状態に向かって動くとき、受動ジョイントの受動運動を制御するように構成されることができる。例えば、受動ジョイントの速度が、基準速度を超える場合、部分的なブレーキ適用が、所望の位置へのセットアップジョイントのより滑らかな、より好ましい運動を提供するために、関連付けられるリンク機構の速度を止めることができる。
【００２４】
本発明の上述の態様は、本明細書に詳細に記載されるもののいずれかのような、遠隔手術システムにおける複数のロボットアームの展開及びしまい込みを提供する方法において特に有用である。多くのこのようなシステムは、ロボットアームのセットアップ及びしまい込みを支援する１又は複数の受動セットアップジョイントを有するロボットアームを含む。ロボットアームをセットアップすること、操作すること及びしまい込むことのワークフローはしばしば、ロボットアームが、特定のしまい込まれた及び展開された設定（形態）に置かれることを必要とする。これは、劣駆動セットアップジョイントの手動運動によって達成されることができるが、このアプローチは、問題を含むことが有り得る。例えば、このようなシステムでは、ユーザは、一般的に、セットアップジョイントブレーキを手動で開放し且つ各ロボットアームの様々なジョイントを手動で動かさなければならず、これは時間がかかり得るとともに、システムの使いやすさを著しく減らし得る。さらに、万一処置中に装置が再設定される又は部分的にしまい込まれる必要があると、ロボットアームが滅菌ドレープでドレープされ得るとき、本明細書に記載されている方法は、非滅菌エリアの外科医又はユーザが、受動セットアップジョイントの運動及びロボットアームの再設定又は部分的なしまい込みを制御することを可能にする。これらの方法は、ジョイントの受動運動を、対象のジョイントのジョイント制動と併せて他のジョイントの駆動によって、それに加えられる慣性力を使用して制御するために使用され得ることが理解される。このような方法が適用され得るシステムは、以下に詳細に記載される。
【００２５】
低侵襲ロボット手術
【００２６】
ここで図面を参照すると、図１は、典型的には手術台１４に横たわっている患者１２に低侵襲診断又は外科手術を行うために使用される、低侵襲ロボット手術（ＭＩＲＳ）システム１０の平面図である。図面において、同様の参照番号は同様の部分を表す。システムは、手術中に外科医１８による使用のための外科医用コンソール１６を含む。１人又は複数の助手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）及び電子装置カート２４をさらに含み得る。患者側カート２２は、外科医１８がコンソール１６を通して手術部位を視認している間、患者１２の身体の低侵襲性切開部を通る少なくとも１つの取り外し可能に結合されたツールアセンブリ２６（以降、単に「ツール」と呼ばれる）を操作することができる。手術部位の画像は、内視鏡２８を位置決めするとともに方向付けするように患者側カート２２によって操作され得る、立体内視鏡等の内視鏡２８によって取得されることができる。電子装置カート２４は、外科医用コンソール１６を通じた外科医１８への続く表示のために手術部位の画像を処理するために、使用され得る。一度に使用される手術ツール２６の数は、一般的に、診断又は外科手術及び他の要因の中でも手術室内の空間的制約に依存する。手術中に使用されているツール２６の１又は複数を交換することが必要な場合、助手２０は、患者側カート２２からツール２６を取外し、それを手術室のトレイ３０からの別のツール２６に交換し得る。
【００２７】
図２は、外科医用コンソール１６の斜視図である。この外科医用コンソール１６は、奥行き知覚を可能にする手術部位の協調立体視を外科医１８に提示するために左眼用ディスプレイ３２及び右眼用ディスプレイ３４を含む。コンソール１６は、１又は複数の入力制御装置３６をさらに含み、この装置３６は、患者側カート２２（図１に示される）に１又は複数のツールを操作させる。入力制御装置３６は、テレプレゼンス（tele-presence）を、又は外科医がツール２６を直接制御する強い感覚を有するように入力制御装置３６がツール２６と一体となる知覚を外科医に提供するために、それらの関連付けられるツール２６（図１に示される）と同じ自由度を提供することができる。この目的のために、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ（図示せず）が、ツール２６からの位置、力、及び触感を、入力制御装置３６を通じて外科医の手に返送するために使用され得る。
【００２８】
外科医用コンソール１６は通常、外科医が、手術を直接監視し得るように、必要であれば物理的に存在し得るように、及び電話又は他の通信媒体ではなく直接助手に話し掛け得るように、患者と同じ部屋の中に配置される。しかし、外科医は、患者とは異なる部屋、全く異なる建物、又は遠隔手術を可能にする患者から離れた他の場所にいることができる。
【００２９】
図３は、電子装置カート２４の斜視図である。電子装置カート２４は、内視鏡２８と結合されることができ、外科医用コンソールで、或いは近くに及び／又は遠隔に位置する別の適切なディスプレイで、外科医に等、その後の表示のために取り込まれた画像を処理するためのプロセッサを含み得る。例えば、立体内視鏡が使用される場合、電子装置カート２４は、手術部位の協調立体画像を外科医に提示するために、取り込まれた画像を処理することができる。このような協調は、対向画像間の位置合わせを含み得るとともに、立体内視鏡の立体作動距離を調整することを含み得る。別の例として、画像処理は、光学収差等、画像取込装置の結像誤差を補償するために、以前に決定されたカメラ較正パラメータの使用を含み得る。
【００３０】
図４は、ロボット手術システム５０（図１のＭＩＲＳシステム１０等）を図式的に示す。上述のように、外科医用コンソール５２（図１の外科医用コンソール１６等）が、低侵襲手術中に患者側カート（手術ロボット）５４（図１の患者側カート２２等）を制御するために外科医によって使用され得る。患者側カート５４は、手術部位の画像を取込むとともに取込まれた画像を電子装置カート５６（図１の電子装置カート２４等）に出力するために、立体内視鏡等の撮像装置を使用し得る。上述のように、電子装置カート５６は、任意の後に続く表示の前に、種々の方法で取込まれた画像を処理し得る。例えば、電子装置カート５６は、外科医用コンソール５２を介して組み合わされた画像を外科医に表示する前に、取込まれた画像を仮想制御インターフェースと重ね合わせることができる。患者側カート５４は、電子装置カート５６の外部で処理するために取込まれた画像を出力し得る。例えば、患者側カート５４は、取込まれた画像を処理するために使用され得る、プロセッサ５８に取込まれた画像を出力することができる。画像はまた、共同して、連続して、及び／又はそれらの組み合わせで、取込まれた画像を処理するために一緒に結合され得る、電子装置カート５６及びプロセッサ５８の組み合わせによって処理されることもできる。１又は複数の別個のディスプレイ６０も、手術部位の画像、又は他の関連画像等、画像の局所及び／又は遠隔表示のために、プロセッサ５８及び／又は電子装置カート５６と結合され得る。
【００３１】
プロセッサ５８は、典型的には、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせを含み、ソフトウェアは、本明細書に機能的に記載される制御の方法ステップを実行するための、コンピュータ可読コード命令を具体化する有形媒体を含む。ハードウェアは、典型的に、一又は複数のデータ処理ボードを含み、このデータ処理ボードは、同一箇所に位置してもよいが、しばしば、本明細書に記載されるロボット構造の中に分配された複数の構成要素を有する。ソフトウェアは、しばしは不揮発性媒体を含み、モノリシックなコードも含み得るが、より典型的には、任意選択で、多種多様な分散データ処理アーキテクチャのいずれかで動作する多数のサブルーチンを含む。
【００３２】
図５Ａ及び５Ｂは、患者側カート２２及び手術ツール２６をそれぞれ示す。手術ツール２６は、手術ツール２６の例である。図示された患者側カート２２は、３つの手術ツール２６及び、手術野の画像を取り込むために使用される立体内視鏡のような、撮像装置２８の操作を提供する。操作は、幾つかのロボットジョイントを有するロボット機構によって提供される。撮像装置２８及び手術ツール２６は、運動学的リモートセンタ（遠隔中心）（kinematic  remote  center）が切開部のサイズを最小化するよう切開部に保持されるように、切開部を通って患者内で位置決めされるとともに操作されることができる。手術野の画像は、手術ツール２６が撮像装置２８の視野内に位置しているとき、手術ツール２６の遠位端部の画像を含むことができる。
【００３３】
手術ツール２６は、例えば切開部、自然開口部、経皮的な貫通又は同種のもののような低侵襲アクセス開口を通して管状カニューレ６４を挿入することによって、患者体内に挿入される。カニューレ６４は、ロボットマニピュレータアームに取り付けられ、手術ツール２６のシャフトはカニューレの管腔（lumen）を通過する。マニピュレータアームは、カニューレがその上に取り付けられたことを示す信号を送信し得る。
【００３４】
ロボット手術システム及びモジュール式マニピュレータ支持部
【００３５】
図６は、多くの実施形態による、ロボット手術システム７０の斜視概略図である。手術システム７０は、取付ベース７２、支持リンク機構７４、配向プラットホーム７６、複数の外側セットアップリンク機構７８（２つが示されている）、複数の内側セットアップリンク機構８０（２つが示されている）、及び複数の手術器具マニピュレータ８２を含む。マニピュレータ８２のそれぞれは、マニピュレータ８２に取り付けられるとともに挿入軸に沿って患者に挿入可能である手術器具を選択的に関節運動させるように動作可能である。マニピュレータ８２のそれぞれは、セットアップリンク機構７８、８０の１つに取付けられるとともに支持される。外側セットアップリンク機構７８のそれぞれは、第１のセットアップリンク機構ジョイント８４によって配向プラットホーム７６に回転結合されるとともに支持される。内側セットアップリンク機構８０のそれぞれは、配向プラットホーム７６に固定して結合されるとともに支持される。配向プラットホーム７６は、支持リンク機構７４に回転結合されるとともに支持される。そして、支持リンク機構７４は、取付ベース７２に固定して取付けられるとともに支持される。
【００３６】
多くの実施形態では、取付けベース７２は、移動可能であるとともに床に支持され、それによって、例えば手術室内で、手術システム７０全体の選択的な再位置決めを可能にする。取付けベース７２は、操舵可能な車輪アセンブリ及び／又は選択的な再位置決めすること並びに選択された位置からの取付ベース７２の移動を選択的に防ぐことの両方を提供する任意の他の適切な機能を含むことができる。取付ベース７２はまた、例えば、天井マウント、固定フロア／台座マウント、壁マウント、又は任意の他の適切な取付面によって支持されるように構成されたインターフェース等、他の適切な構成を有することができる。
【００３７】
支持リンク機構７４は、取付ベース７２に対して配向プラットホーム７６を選択的に位置決めする及び／又は配向するよう動作可能である。支持リンク機構７４は、コラムベース８６、並進移動可能コラム部材８８、ショルダージョイント９０、ブームベース部材９２、ブーム第１段部材９４、ブーム第２段部材９６、及びリストジョイント９８を含む。コラムベース８６は、取付ベース７２に固定して取付けられる。並進移動可能コラム部材８８は、コラムベース８６に対する並進移動のためにコラムベース８６にスライド可能に結合される。多くの実施形態では、並進移動可能コラム部材８８は、コラムベース８６に対して垂直に配向された軸に沿って並進移動する。ブームベース部材９２は、ショルダージョイント９０によって並進移動可能コラム部材８８に回転結合される。ショルダージョイント９０は、ブームベース部材９２を水平面内で並進移動可能コラム部材８８に対して選択的に配向するように動作可能であり、この並進移動可能コラム部材８８はコラムベース８６及び取付ベース７２に対して固定角度配向を有する。ブーム第１段部材９４は、ブームベース部材９２に対して水平方向に選択的に並進移動可能であり、この水平方向は、多くの実施形態においてブームベース部材９２及びブーム第１段部材９４の両方と一直線になる。ブーム第２段部材９６は同様に、ブーム第１段部材９４に対して水平方向に選択的に並進移動可能であり、この水平方向は、多くの実施形態においてブーム第１段部材９４及びブーム第２段部材９６の両方と一直線になる。したがって、支持リンク機構７４は、ショルダージョイント９０とブーム第２段部材９６の遠位端部との間の距離を選択的に設定するよう動作可能である。リストジョイント９８は、ブーム第２段部材９６の遠位端部を配向プラットホーム７６に回転結合する。リストジョイント９８は、取付ベース７２に対する配向プラットホーム７６の角度配向を選択的に設定するよう動作可能である。
【００３８】
セットアップリンク機構７８、８０のそれぞれは、配向プラットホーム７６に対して、関連付けられるマニピュレータ８２を選択的に位置決めする及び／又は配向するよう動作可能である。セットアップリンク機構７８、８０のそれぞれは、セットアップリンク機構ベースリンク１００、セットアップリンク機構延長リンク１０２、セットアップリンク機構平行四辺形リンク機構部分１０４、セットアップリンク機構垂直リンク１０６、第２のセットアップリンク機構ジョイント１０８、及びマニピュレータ支持リンク１１０を含む。外側セットアップリンク機構７８のセットアップリンク機構ベースリンク１００のそれぞれは、第１のセットアップリンク機構ジョイント８４の動作を介して配向プラットホーム７６に対して選択的に配向されることができる。図示された実施形態では、内側セットアップリンク機構８０のセットアップリンク機構ベースリンク１００のそれぞれは、配向プラットホーム７６に固定して取付けられる。内側セットアップリンク機構８０のそれぞれはまた、外側セットアップリンク機構と同様に、追加的な第１のセットアップリンク機構ジョイント８４介して配向プラットホーム７６に回転取付けされることもできる。セットアップリンク機構延長リンク１０２のそれぞれは、関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク１００に対して水平方向に並進移動可能であり、この水平方向は、多くの実施形態において、関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク及びセットアップリンク機構延長リンク１０２と一直線になる。セットアップリンク機構部分１０４のそれぞれは、セットアップリンク機構垂直リンク１０６を垂直に配向させたまま、セットアップリンク機構垂直リンク１０６を垂直方向に選択的に並進移動可能に構成されるとともに動作可能である。例示的な実施形態では、セットアップリンク機構部分１０４のそれぞれは、第１のジョイント１１２、結合リンク１１４、及び第２のリンク機構１１６を含む。第１のジョイント１１２は、結合リンク１１４をセットアップリンク機構延長リンク１０２に回転結合する。第２のジョイント１１６は、セットアップリンク機構垂直リンク１０６を結合リンク１１４に回転結合する。セットアップリンク機構延長リンク１０２に対する結合リンク１１４の回転が、セットアップリンク機構垂直リンク１０６が垂直に選択的に並進移動される間にセットアップリンク機構垂直リンク１０６が垂直に配向されて保持されるよう、結合リンク１１４に対するセットアップリンク機構垂直リンク１０６の相殺回転によって整合されるように、第１のジョイント１１２は、第２の平行四辺形ジョイント１１６に回転が結び付けられる。第２のセットアップリンク機構ジョイント１０８は、セットアップリンク機構垂直リンク１０６に対してマニピュレータ支持リンク１１０を選択的に配向するように動作可能であり、それによって、セットアップリンク機構垂直リンク１０６に対して関連付けられる取り付けられたマニピュレータ８２を選択的に配向する。
【００３９】
図７は、多くの実施形態による、ロボット手術システム１２０の斜視概略図である。手術システム１２０は図６の手術システム７０の構成要素と同様の構成要素を含むので、同じ参照数字が同様の構成要素に関して使用され、上述の同様の構成要素の対応する説明は、手術システム１２０に適用可能であるとともに繰り返しを避けるためにここでは省略される。手術システム１２０は、取付ベース７２、支持リンク機構１２２、配向プラットホーム１２４、複数のセットアップリンク機構１２６（４つが示されている）、及び複数の手術器具マニピュレータ８２を含む。マニピュレータ８２のそれぞれは、マニピュレータ８２に取付けられるとともに挿入軸に沿って患者に挿入可能である手術器具を選択的に関節運動させるように動作可能である。マニピュレータ８２のそれぞれは、セットアップリンク機構１２６の１つに取付けられるとともに支持される。セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、第１のセットアップリンク機構ジョイント８４によって配向プラットホーム１２４に回転結合されるとともに支持される。配向プラットホーム１２４は、支持リンク機構１２２に回転結合されるとともに支持される。そして、支持リンク機構１２２は、取付ベース７２に固定して取付けられるとともに支持される。
【００４０】
支持リンク機構１２２は、取付ベース７２に対して配向プラットホーム１２４を選択的に位置決めする及び／又は配向するよう動作可能である。支持リンク機構１２２は、コラムベース８６、並進移動可能コラム部材８８、ショルダージョイント９０、ブームベース部材９２、ブーム第１段部材９４、及びリストジョイント９８を含む。支持リンク機構１２２は、ショルダージョイント９０とブーム第１段部材９４の遠位端部との間の距離を選択的に設定するよう動作可能である。リストジョイント９８は、ブーム第１段部材９４の遠位端部を配向プラットホーム１２４に回転結合する。リストジョイント９８は、取付ベース７２に対する配向プラットホーム１２４の角度配向を選択的に設定するよう動作可能である。
【００４１】
セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、配向プラットホーム１２４に対して、関連付けられるマニピュレータ８２を選択的に位置決めする及び／又は配向するよう動作可能である。セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、セットアップリンク機構ベースリンク１００、セットアップリンク機構延長リンク１０２、セットアップリンク機構垂直リンク１０６、第２のセットアップリンク機構ジョイント１０８、トルネード機構支持リンク１２８、及びトルネード機構１３０を含む。セットアップリンク機構１２６のセットアップリンク機構ベースリンク１００のそれぞれは、関連付けられる第１のセットアップリンク機構ジョイント８４の動作を介して配向プラットホーム１２４に対して選択的に配向されることができる。セットアップリンク機構垂直リンク１０６のそれぞれは、関連付けられるセットアップリンク機構延長リンク１０２に対して垂直方向に選択的に並進移動可能である。第２のセットアップリンク機構ジョイント１０８は、セットアップリンク機構垂直リンク１０６に対してトルネード機構支持リンク１２８を選択的に配向するように動作可能である。
【００４２】
トルネード機構１３０のそれぞれは、トルネードジョイント１３２、結合リンク１３４、及びマニピュレータ支持部１３６を含む。結合リンク１３４は、マニピュレータ支持部１３６をトルネードジョイント１３２に固定して結合する。トルネードジョイント１３２は、トルネード機構支持リンク１２８に対してトルネード軸１３８周りにマニピュレータ支持部１３６を回転させるように動作可能である。トルネード機構１３０は、マニピュレータ８２の操作のリモートセンタ（ＲＣ）がトルネード軸１３６と交差するようマニピュレータ支持部１３８を位置決めするとともに配向するように構成される。したがって、トルネードジョイント１３２の動作は、患者に対して関連付けられる操作のリモートセンタ（ＲＣ）を動かすことなしに、患者に対して関連付けられるマニピュレータ８２を再配向するために使用されることができる。
【００４３】
図８は、図７のロボット手術システム１２０の概略図に一致する、多くの実施形態による、ロボット手術システム１４０の簡略化された図である。手術システム１４０は、図７のロボット手術システム１２０に一致するので、同じ参照番号が類似の構成要素に関して使用され、上述の類似の構成要素の対応する説明は、手術システム１４０に適用可能であるとともに繰り返しを避けるためにここでは省略される。
【００４４】
支持リンク機構１２２は、多数のセットアップ構造軸に沿って支持リンク機構１２２のリンク間の相対運動を介して取付ベース７２に対して配向プラットホーム１２４を選択的に位置決め及び配向するように構成される。並進移動可能コラム部材８８は、第１のセットアップ構造（ＳＵＳ）軸１４２に沿ってコラムベース８６に対して選択的に再位置決め可能であり、この第１のＳＵＳ軸１４２は、多くの実施形態において、垂直に配向される。ショルダージョイント９０は、第２のＳＵＳ軸１４４周りに並進移動可能コラム部材８８に対してブームベース部材９２を選択的に配向するよう動作可能であり、この第２のＳＵＳ軸１４４は、多くの実施形態において、垂直に配向される。ブーム第１段部材９４は、第３のＳＵＳ軸１４６に沿ってブームベース部材９２に対して選択的に再位置決め可能であり、この第３のＳＵＳ軸１４６は、多くの実施形態において、水平に配向される。そして、リストジョイント９８は、第４のＳＵＳ軸１４８に沿ってブーム第１段部材９４配向プラットホーム１２４を選択的に配向するよう動作可能であり、この第４のＳＵＳ軸１４８は、多くの実施形態において、垂直に配向される。
【００４５】
セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、多数のセットアップジョイント（ＳＵＪ）軸に沿ってセットアップリンク機構１２６のリンク間の相対運動を介して配向プラットホーム１２４に対して、関連付けられるマニピュレータ８２を選択的に位置決め及び配向するように構成される。第１のセットアップリンク機構ジョイント８４のそれぞれは、第１のＳＵＪ軸１５０周りに配向プラットホーム１２４に対して、関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク１００を選択的に配向するよう動作可能であり、この第１のＳＵＪ軸１５０は、多くの実施形態において、垂直に配向される。セットアップリンク機構延長リンク１０２のそれぞれは、第２のＳＵＪ軸１５２に沿って、関連付けられるセットアップベースリンク１００に対して選択的に再位置決め可能であり、この第２のＳＵＪ軸１５２は、多くの実施形態において、水平に配向される。セットアップリンク機構垂直リンク１０６のそれぞれは、第３のＳＵＪ軸１５４に沿って、関連付けられるセットアップリンク機構延長リンク１０２に対して選択的に再位置決めされることができ、この第３のＳＵＪ軸１５４は、多くの実施形態において、垂直に配向される。第２のセットアップリンク機構ジョイント１０８のそれぞれは、第３のＳＵＪ軸１５４周りにセットアップリンク機構垂直リンク１０６に対してトルネード機構支持リンク１２８を選択的に配向するように動作可能である。トルネードジョイント１３２のそれぞれは、関連付けられるトルネード軸１３８周りに関連付けられるマニピュレータ８２を回転させるように動作可能である。
【００４６】
図９Ａは、多くの実施形態による、配向プラットホーム１２４に対するセットアップリンク機構１２６の回転配向限度を示す。セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、配向プラットホーム１２４に対する時計回りの限度配向で示されている。対応する反時計回りの限度配向は、垂直に配向された鏡面に対する図９の鏡像によって示される。図示されるように、２つの内側セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、垂直基準１５６から一方向に５度から垂直基準１５６から反対方向に７５度まで配向されることができる。また、図示されるように、２つの外側セットアップリンク機構のそれぞれは、垂直基準１５６から対応する方向に１５度から９５度まで配向されることができる。１つの態様では、セットアップリンク機構が、図９Ａに示されるようなそれらに関連付けられる限度の近く又は同限度に位置する配向は、この位置が、１又は複数のマニピュレータにおけるツールの交換を容易にするために又は手術台の患者に対する１又は複数のツールを手動で位置決めするために、患者側助手がアームのそれぞれへの容易なアクセスを可能にするので、初期セットアップのための展開された設定に適し得る。
【００４７】
図９Ｂ−９Ｃは、セットアップリンク機構の配向及び位置が、マニピュレータが縮められ且つ互いの近くに又は互いに隣接して位置するようになっている設定を示す。このような配向は、マニピュレータアームがより少ない作業空間を占めるしまい込まれた設定に適し得る。これは、手術台を調整するための又は手術台に患者を位置決めするための患者側助手の追加のクリアランスを可能にし得る。ある態様では、システムは、図９Ｃに示されるように、部分的にしまい込まれた設定（例えば、滅菌しまい込み（sterile  stow））を用いることができ、ここでは、セットアップジョイントは、マニピュレータがより少ない作業空間を占めるが、マニピュレータの１又は複数が配置され得る任意の手術ドレープのためのクリアランスを可能にするように互いから十分離れるように、位置決めされ且つ配向される。この滅菌しまい込み設定は、滅菌状態にあるシステムの１又は複数の構成要素の検出に応じて生じることができ、滅菌構成要素状の手術ドレーピングの存在を示し得る。他の態様では、システムは、図９Ｂに示されるように、完全にしまい込まれた設定（例えば、完全しまい込み）を用いることができ、ここでは、セットアップジョイントは、マニピュレータによって占められる作業空間を実質的に最小にするために、互いに対して縮められた又は互いに直接隣接するように、位置決めされ且つ配向される。
【００４８】
セットアップジョイントの受動運動制御
【００４９】
１つの態様では、システムのセットアップ構造の所望の設定が、上述のセットアップジョイントの受動運動を制御することによって実現されることができる。ある適用では、これは、セットアップジョイントが自由に浮動し且つ所望の場所にセットアップジョイントを手動で動かすことによって成し遂げられ、このプロセスは、特に、高度に設定可能且つ冗長自由度を有する複数のロボットアームを含むセットアップ構造では、複雑且つ時間がかかるようになり得る。所望の設定を達成するために受動運動を有するセットアップジョイントを使用することの使いやすさ及び効率を向上させるために、本発明の態様による方法は、セットアップ構造の特定の他のジョイントを能動的に駆動することと併せた受動ジョイントの協調制動によって、受動ジョイント運動を制御する。ある態様では、セットアップジョイントの基準状態は、セットアップ構造の所望の設定と一致することが決定され、ジョイント状態センサが基準状態からのセットアップジョイントの変位を決定するために使用される。セットアップ構造の１又は複数の他のジョイントは、セットアップ構造を駆動し、セットアップジョイントに関連付けられるリンク機構に力及び／又はモーメントを与えるように、能動的に駆動される。セットアップジョイントの受動運動は、リンク機構が剛体ボディとして機能するように、プラットホームリンク機構が加速し始めるとき、ジョイントブレーキによって妨げられる。リンク機構への力及び／又はモーメントが、セットアップジョイントの受動運動が基準状態に向かって動くようであるとき、リンク機構への力及び／又はモーメントの慣性によって生じるジョイントの受動運動を容易にするために、ブレーキは、少なくとも部分的に、解放される。１つの態様では、動いているリンク機構の慣性が、それぞれのリンク機構を推進して又は「投げつけて（fling）」所望の方向のジョイント運動を生じさせるように、関連付けられるリンク機構への力及び／又はモーメントが閾値の大きさを超えるとき、特定のセットアップジョイントのブレーキは解放される
【００５０】
ある態様では、制御方法は、１又は複数の被駆動ジョイントを通じたセットアップ構造の駆動によって与えられる関連付けられた力及び／又はモーメントからのジョイントへの慣性力に基づいて、受動ジョイントにブレーキを選択的に掛ける。１つの態様では、受動ジョイントは、ジョイントへの慣性力が、受動ジョイントを基準状態から離れて動かす受動運動をもたらすであろうとき、制動され、ジョイントへの慣性力が、基準状態へ向かう受動運動をもたらすであろうとき、浮動することを許容される。１つの態様では、慣性力によって生じたジョイントの受動運動は、受動ジョイントを所望の基準位置に完全に動かすのに十分でない場合があるので、１又は複数の被駆動ジョイントは、それに応じて提供される受動ジョイントの受動運動が完全な運動を生じさせるまで、周期的に動かされ（cycled）得る。それぞれが関連付けられるジョイント限度又はジョイント運動の範囲を有するセットアップ構造の様々な被駆動ジョイントを考えると、１又は複数の被駆動ジョイントは、１方向に所定の変位駆動されることができ、その後逆転されて反対方向に駆動されることができる。力及び／又はモーメントの特定の大きさがジョイントの必要な受動運動を生じさせるのに十分な慣性を提供するために必要とされ得るので、ロボットアームへの必要な力及び／又はモーメントは、受動ジョイント運動を生じさせるのに必要な所望の力をもたらすシミー運動（shimmying  movement）又は様々な他の運動のような、計算された運動にしたがって１又は複数のモータ駆動ジョイントの制御された駆動によって決定されることができる。例えば、特定のトルクで運動学的チェーンに沿って直列に配置された平行軸を有する２つの回転ジョイントのそれぞれを駆動することは、そのトルクを同じ方向に２つの被駆動回転ジョイントのいずれか一方だけへ加えることより、チェーンのより遠位のリンク機構においてより大きい慣性力及び／又はモーメントをもたらす。被駆動ジョイントの組み合わされた運動を使用することは、より近位のジョイントのジョイント運動のトルク能力又は範囲における限度を克服するのに有用であり得る。他の態様では、より大きい慣性力及び／又はモーメントが、より大きいジョイント変位にわたってより近位のリンク機構を加速することによって又は増加された加速度によって、達成されることができる。
【００５１】
ある態様では、ブレーキ解放は、受動ジョイントが浮動するとともに特定の範囲内の受動ジョイントへのトルクの検知に応じて受動的に動くことを可能にするように、タイミングを合わせられる（timed）。例えば、ブレーキは、より高いジョイント速度又は加速度を達成するジョイントへの増加した慣性を可能にするように検知されるトルクが最小閾値を超えているとき、解放されることができ、受動運動中の過度に高い速度又は加速度を防ぐために検知されるトルクが最大閾値を超えているとき、少なくとも部分的に、掛けられることができる。ジョイントブレーキは、受動運動中にジョイントの速度を実質的に一定速度に維持するために反作用トルクを最大値に維持するように掛けられ得る又は可変ブレーキが、ジョイントが所望の基準状態に近づくような受動運動中に、ジョイントの実質的に一定の減速度を提供するように、掛けられ得る。ある態様では、ブレーキの適用は、少なくとも部分的に、受動ジョイントの検知トルク及び所望の基準ジョイント状態からの実際のジョイント状態の変位（例えば、誤差）に基づく。このアプローチは、ジョイントが基準状態からどのくらい離れているかに基づく受動運動中の受動ジョイントの速度及び／又は加速度の制御を可能にする。例えば、ジョイントが、基準状態から所定の変位上回るとき、ブレーキの適用は、（受動ジョイントが基準に向かって動いているとき）受動ジョイントの実質的に一定のジョイント速度を提供するように制御され、ジョイント変位が十分に基準に近い（例えば、所定変位内の）とき、可変制動が、ジョイントが所望の基準状態に達するまで、実質的に一定の減速度を提供するように適用される。
【００５２】
１つの態様では、いったん受動ジョイントが所望の基準状態に達すると、ブレーキは、受動ジョイントを基準状態でロックするために完全に掛けられる。他の態様では、システムは、それぞれのロボットアームに関連付けられる全ての受動ジョイント、又はセットアップ構造に関連付けられる全ての受動ジョイントが、実質的にそれらのそれぞれの基準状態に又はそれらのそれぞれの基準状態の近くになるまで、部分的にブレーキを掛け得る。このアプローチは、配向プラットホーム又はセットアップ構造の他のリンク機構の前後の交互運動中に複数ロボットアームが剛体ボディとして揺動することを可能にされたセットアップ構造の近位ジョイントに生じ得る実質的な反作用トルクを防ぎ得る又は減らし得る。
力及びモーメントの大きさ及び検知は、ジョイント状態センサ、又はトルクセンサを用いて決定されることができる。検知力及び／又はモーメントが最小閾値にある又は最小閾値を上回るときのジョイントブレーキの解放は、より大きい及び／又はより速い受動ジョイント運動を生じさせる関連付けられる増加した慣性をもたらす。代替的には、検知力が最大閾値を上回る場合にジョイントブレーキを掛けることによって、過度に又は不必要に速い受動ジョイント運動が回避されることができる。幾つかの態様では、システムは、受動ジョイントへの反作用トルクを検知することによって、力及び／又はモーメントに応じて受動ジョイントの速度及び／又は加速度を決定する。
【００５３】
上記の例示の設定、展開、滅菌しまい込み及び完全しまい込みのそれぞれは、ある基準状態への特定のセットアップジョイントの受動運動を、典型的には、セットアップジョイントの位置及び／又は向きを制御することによって、もたらされ得る。ある実施形態は、１又は複数のセットアップジョイントを減給しているが、本明細書に記載される態様のいずれも、受動運動を提供できるジョイントを有する任意のリンク機構に適用でき且つ所望の状態（例えば、位置、向き、速度及び／又は加速度）を達成するようこのようなジョイントの受動運動を制御するために使用できることが理解される。典型的には、本明細書に記載されるように、１又は複数の被駆動ジョイントは、制御されている受動ジョイントにより近位であるが、受動ジョイントのより遠位の１又は複数の駆動ジョイントの運動が、（例えば、揺動ポンピングタイプの機構（swing  pumping  type  mechanism）のような）受動ジョイントの運動を制御するのに十分な受動ジョイントにおける反作用力を誘起し得ることが理解される；しかし、より遠位のジョイントの投げつけるタイプの運動（flinging  type  motion）を誘起するように受動ジョイントの近位の１又は複数の被駆動ジョイントを用いることが概してより効率的であり、このより遠位のジョイントの慣性は、受動ジョイントを所望の状態に動かすための選択的な制動によって使用される。
【００５４】
上述の概念をさらに説明するために、ある態様が以下の例においてより詳細に記載される。
【００５５】
図１０Ａは、配向プラットホームへのセットアップジョイントの簡略化された２−Ｄ図を示し、この配向プラットの位置及び向きは、モータ被駆動ジョイントによって制御される。セットアップジョイントは、受動ジョイント運動を提供できる受動ジョイント及び、部分的に或いは完全に、受動ジョイント運動を選択的に制動できるジョイントブレーキである。ジョイントブレーキがセットアップジョイントに掛けられる間に、配向プラットホームが動くと、セットアップジョイントリンクは、配向プラットホームと共に剛体ボディとして並進し且つ回転する。ジョイントブレーキが解放されるとき、セットアップジョイントリンクの運動は、セットアップジョイントリンクの慣性パラメータ（ｍ及びＪ）、配向プラットホームの加速度及びセットアップジョイントにおける摩擦によって支配される。
【００５６】
図１０Ｂは、ジョイントブレーキが解放された状態の図１０Ａのセットアップジョイントリンクの自由体（free  body）図を示す。ジョイントにおける摩擦が簡単化のために省略される場合、座標系の加速は、並進及び回転項、それぞれに比例する、及びある意味では反対の、力及びモーメントを発生させる。リンク機構へのモーメントは、ジョイントブレーキが解放された状態の受動加速度を決定するためにジョイント周りに生じ得る。加速度の並進成分は、トルクｍα（ｔ）Ｌｓｉｎ（θ（ｔ））に寄与し、及び回転加速度成分はＪ（αｂ（ｔ）））に寄与する。
【００５７】
１つの態様では、ジョイントブレーキは、電圧信号入力によってのように、電気的に作動される。ジョイントは、電圧入力の大きさに比例して部分的に係合するように構成され得る。この構成は、ブレーキの電圧制御が、電圧に対するブレーキ力をニュートンメートルのトルクに関連付ける既知のカーブを使用することによって決定されることを可能にするので、ブレーキは、１トルク方向にのみ制御されることができるトルクモータと同様の方法で用いられることができる。加えて、内力は、基準状態へのジョイントの所望の運動を生じさせるのに十分なトルクを提供するのに不十分である可能性があるので、より近位のリンク機構（例えば、配向プラットホームリンク機構）は、ジョイントが基準状態になるまで各周期動作（each  cycling）において基準状態に向かう受動運動を生じさせるのに誘起されたトルクが適切な大きさ且つ方向にあるとき、ブレーキが選択的に開放され得るように、周期運動にしたがって前後に駆動され得るしたがって、ジョイントの受動運動は、運動学的チェーンに沿う１又は複数の能動的に駆動されるジョイントの被駆動運動と協調させられる選択的な制動によって制御される。
【００５８】
図１１は、１又は複数の被駆動ジョイントとともに関連付けられるセットアップ構造を駆動することによってロボットアームのセットアップジョイント（ＳＵＪ）のモーメントを制御する例示の方法を概略的に示す。典型的には、ロボットアームの所望の姿勢又は設定（形態）に対応する、所望のセットアップジョイント状態を生じさせるためにユーザからのコマンドを受信することに応じて、システムは、セットアップジョイント制御ノードに入る、システムは、ジョイント状態センサの使用によってのように、セットアップジョイントの現在の状態を決定し、セットアップジョイントが所望の状態にない場合、セットアップジョイントを受動ジョイント運動の制御を通じて所望の状態に動かすために使用され得るセットアップ構造運動が計算される。例えば、セットアップジョイントが１又は複数の自由度に沿って所望の状態から変位されている場合、セットアップ構造の運動は、受動セットアップジョイントを基準状態に動かすために利用されることができるセットアップジョイントに関連付けられるリンク機構への力及び／又はモーメントを誘起するように、対応する自由度に沿って計算され得る。セットアップ構造はその後、セットアップ構造を支持する１又は複数のモータ駆動ジョイントを駆動することによって計算された運動にしたがって駆動される。このような運動中、（動くことが許容される場合）セットアップジョイントのいずれかの受動ジョイント運動が所望の基準状態に向かうとき、ジョイントは、これらの特定のセットアップジョイントに関するジョイントブレーキを部分的に又は完全に解放することによって浮動することを許容される。セットアップ構造運動中、（動くことが許容される場合）セットアップジョイントのいずれかの受動運動がゼロ又は所望状態から離れて向けられる場合、ジョイント運動は制動される。セットアップジョイントのジョイント状態は、再び評価され、セットアップジョイントのいずれかが依然として所望の状態にない場合、プロセスは、システムが、全てのセットアップジョイントが所望の状態にあることを決定するまで、任意のこのようなジョイントに対して繰り返され、この所望の状態のポイントにおいて、制御モードは終了される。本明細書に記載されるマニピュレータ構造でのような、多くのこのような実施形態では、この全プロセスは、１分未満、しばしば約１０秒以下で生じる。しかし、プロセスが生じる時間は、もちろん、特定のシステムの運動学、並びに加速度及び関連付けられるジョイント変位にしたがって、変化する。１つの態様では、図１１の方法は、ＳＵＳについて１つ及びＳＵＪについて他があるように、最後に一致する第２の実行経路を含み得る。２つのＳＵＳとＳＵＪとの間で、トルク要求は、その運動を滑らかにするのに役立つようにＳＵＳに渡され、ＳＵＳ加速度は、ブレーキを解放する又は掛けるかどうか及びいつブレーキを解放する又は掛けるかを決定するためにＳＵＪに戻って伝達される。
【００５９】
ある実施形態では、全てのセットアップジョイントが約２０秒のような、記載された方法を実行するある期間内にそれらに関連付けられる基準状態に到達しない場合、方法は終わり得る。通知が、全てのジョイントが所望の基準状態にあるわけではないことをユーザに提供され得るとともに、任意選択で、どのジョイントがそれらの関連付けられる基準状態から変位したままであるかを特定し得る。ユーザはその後、セットアップジョイントを関連付けられる基準状態に手動で関節運動し得る又は、マニピュレータの１又は複数又はセットアップ構造を他の設定に駆動し得るとともに、モードに再び入り、再びプロセスを繰り返し得る。幾つかのシステムでは、例えば、クリアランスの欠如又はマニピュレータ間の衝突に起因する等、あるセットアップジョイントの受動運動を妨げ得る特定の設定があり得る。このような設定が特定され得るこのような場合、方法は、本明細書に記載される受動ジョイントの制御された運動を試みる前に、セットアップ構造又は１若しくは複数のマニピュレータをそのような設定から離れるように自動的に駆動することを含み得る。
【００６０】
ある態様では、記載される方法は、マニピュレータ又はセットアップ構造の１又は複数の所望の配置に対応する所望の基準状態に１又は複数のロボットアームの１又は複数のジョイントの受動運動を制御するための１又は複数のモードで用いられ得る。基準状態は典型的には、ロボットアームの所望の設定に対応する。例えば、特定のロボットアームが所望の設定（例えば、展開された、しまい込まれた、滅菌しまい込み）にあるとき、そのアームの各受動セットアップジョイントは、特定の基準状態（例えば、場所）を有する。加えて、各ジョイントの基準状態は、ジョイントがその所望の状態の場所に動くときの基準速度及び／又は加速度を含み得る。各モードへは、追加の入力又はユーザの手動操作なしに被駆動ジョイントの自動的な運動及び所望の基準状態へのジョイントの受動運動の制御を生じさせるボタンを押すことによって入り得る。
【００６１】
図１２Ａは、ツール１７０に関連付けられる第１のマニピュレータの及びツール１７２に関連付けられる第２のマニピュレータ８２のそれぞれのセットアップジョイント７８運動を生じさせるように配向プラットホームを駆動する方法を概略的に示す。各セットアップジョイントの基準状態は、ロボットシステムのセットアップジョイントの制御された受動運動によりそれぞれのマニピュレータ間により大きいクリアランスを可能にする位置（破線で示される）に縮められたマニピュレータ及びそれぞれのツールの位置に対応する。セットアップジョイントの基準状態は、作業空間に関する又は特定のマニピュレータの様々な他のジョイント又はマニピュレータの間に関する、マニピュレータの設定、並びにセットアップジョイントそれ自体の様々な位置、速度、及び／又は加速度の幾らにでも対応し得ることが理解される。１つの態様では、システムは、本明細書に記載される方法が、所望の運動、設定又はマニピュレータ又は関連付けられるセットアップ構造の姿勢を生じさせるためにセットアップジョイントを任意の数の基準状態に動かすようにセットアップジョイントの受動運動を制御するために使用されることができる、様々なモードを含み得る。本明細書で使用されるとき用語「マニピュレータ」は、手術器具を操作するために使用され得る又は、内視鏡で若しくは様々な他のツールのために使用され得るような、様々な他のロボットアームを含み得る、ロボットアームを示す
【００６２】
配向プラットホーム運動コマンドの計算
【００６３】
１つの態様では、セットアップジョイントの受動運動は、１又は複数の被駆動ジョイント、典型的には、セットアップジョイントの上流にあるジョイントの駆動によって達成されるセットアップ構造の運動によってリンク機構に加えられる内力及び／又はモーメントによってもたらされる。１つの態様では、セットアップ構造の運動は、１自由度の配向プラットホームの計算された運動、典型的には以下の例にさらに詳述されるように、駆動システムを使用する垂直回転軸回りの配向プラットホーム１２４の往復旋回運動（back-and-forth  pivoting  movement）によって提供される。他の態様では、方法は、受動ジョイントの所望の基準状態を達成するために受動ジョイントの好ましいジョイント運動を利用し且つ好ましくない運動を抑制するので、配向プラットホームの運動は、マニピュレータの任意の特定の設定にしたがってカスタマイズされる必要はない。有利には、配向プラットホームの完全に自動的な運動（例えば、配向プラットホームを前後に加速する往復回転）が、マニピュレータ又はセットアップ構造設定を幾らでも達成するように所望の基準状態に向かって受動ジョイントの運動を制御することで、本明細書に記載される方法のいずれかで使用されることができる。
【００６４】
図１２Ｂ−１２Ｃは、ｘ、ｙ、及びｚ軸に沿ったセットアップ構造の運動を可能にする配向プラットホーム１２４のための駆動システムを描いている。ｘ、ｙ、ｚ及びθ軸に沿った１又は複数の方向に沿った速度及び／又は加速度を発生させるように１又は複数のモータ駆動ジョイントを駆動することによって、セットアップジョイント１９８に関連付けられるリンク機構の対応する運動がもたらされることができ、これはセットアップジョイント１９８の受動運動をもたらす。上述のもののようなカート取付セットアップ構造によって支持される配向プラットホームに加えて、天井取付セットアップ構造１９０及び１、２、３、４、又はそれより多い自由度を持つ他の被駆動ロボットリンク機構が用いられ得る。そのため、システムは幾つかの例示のロボット運動学的構造を参照して記載されるかもしれないが、制御技法は、冗長自由度及び／又は大きい数のジョイントを持つ他のロボットシステムの範囲に適用されることができ、能動及び受動ジョイントの混合を有するこのようなシステム；セットアップの間に駆動されるジョイントの１セット及び（幾つかの重複する部材有り又は無しの）手術中に駆動されるジョイントの他の異なるセットを持つシステム；個々のマニピュレータコントローラが限られた状態情報のみを交換するシステム；その他同種類のものを考慮するとき、特に興味深い。
【００６５】
１つの態様では、セットアップの間にシステムのロボット能力を使用するために、ロボットシステムのプロセッサは、ロボット構造が、本明細書に記載される受動ジョイント制御モード中に配向プラットホームとマニピュレータリモートセンタとの間の所望の関係又は姿勢に向かって駆動される及び／又は同所望の関係又は姿勢を維持するモードを実行するソフトウェアを含み得る。実行状態のとき、このアルゴリズムは、配向プラットホームとマニピュレータリモートセンタとの間の実際の及び所望の関係を入力として受け取り、任意選択で、マニピュレータリモートセンタの位置及び向きを乱すことなしに、実際の姿勢を所望のものに駆動する。言い換えると、受動ジョイントが動くとき、能動軸は、任意選択で、特定のロボット姿勢を達成又は維持するような方法に従い得る。
【００６６】
他の態様では、受動ジョイントの運動が本明細書に記載されるように制御されるモードは、システムの１又は複数の変数又は属性（attribute）に基づいてどのようにこれらの概念が適用されるかの複数のサブモード又は変化を含み得る。例えば、受動運動は、受動ジョイントが所望の基準状態から実質的な変位にあるとき（例えば、ＦＡＲモード）特定の方法にしたがって制御され得るとともに、受動ジョイントが所望の基準状態に十分近いとき（例えば、ＮＥＡＲモード）他の方法にしたがって制御され得る。例えば、より大きい及び／又はより速い受動運動を可能にする、配向プラットホームリンク機構のより大きい運動又はより速い加速度は、ジョイントが所定の変位より大きいそれらのそれぞれの基準状態から変位しているときに使用され得る。今度は、配向プラットホームリンク機構のより小さい運動又はより遅い速度及び加速度が、より微細に調整された受動ジョイント運動を可能にし且つセットアップ構造を所持するより近位のジョイントへの過度な反作用トルクを避けるために、セットアップジョイントがそれらの所望の状態に十分に近いとき使用され得る。
【００６７】
１つの態様では、シミーＦＡＲモードにおけるセットアップジョイントのための「基準」又は「目標」位置は、ＳＵＳのシミー運動なしの基準ジョイント位置を指す。このアイディアは、動かなくなることなしに最終的な目標位置の近くに移動する（hover）ことである。基準が、生ジョイント位置（raw  joint  position）である場合、コントローラは、ＳＵＳの各シミー周期の間に前後に位置を効率的に追跡するだろう。１つのアプローチでは、ＳＵＳシミーによって誘起されるジョイント誤差は、正弦波運動の周波数におけるノッチフィルタリングによって効率的に除去されることができる。しかし、この効果は、様々な他の方法で達成され得ることが理解される。対照的に、シミーＮＥＡＲモードでは、ジョイント位置は、我々が特定のジョイント設定を正確に標的とすることを望むとき、任意の補償なしに標的にされ得る。
【００６８】
図１３は、基準状態からのセットアップジョイントの変位に基づく異なる２つのこのようなサブモード（ＦＡＲモード及びＮＥＡＲモード）を利用する劣駆動ジョイント制御モードを示す。図１３に示されるように、完全しまい込み設定を生じさせるためにユーザがボタンを押した後、ユニバーサル手術マニピュレータ（ＵＳＭ）のそれぞれは、しまい込まれるのに適する設定への被駆動ジョイント運動によって動く。垂直軸に沿ったセットアップジョイント（ＳＵＪ−Ｚ）は、その範囲の最上部位置に作動される。システムは次に、セットアップジョイント（ＳＵＪ）のジョイント状態を検知し、システムがＳＵＪジョイントを「シミー（shimmy）」と本明細書で称される、配向プラットホームの交互運動（alternating  movement）によってＳＵＪジョイントを動かす必要があるかどうかを決定する。シミーが必要とされない場合、セットアップ構造（ＳＵＳ）は完全にしまい込まれる（典型的には、水平ブームをベースの垂直支持コラムに向かって引っ込めることによって完了される）。ＳＵＪジョイントが調整されることを必要としていることをシステムが決定する場合、ＳＵＳはシミー場所に展開する。ＳＵＳをシミーするために展開するとき、配向プラットホームは、マニピュレータがシステムのベース上のより近位の支持コラムから十分なクリアランスを有するが、シミー運動中により近位のジョイントへの過度な反作用トルクを避けるのに必要であるよりさらには延ばされないように位置決めされるべきである。ジョイントが実質的に解放されているとき、内力及び／又はモーメントが効率的な方法でセットアップジョイントを基準状態に投げつける（fling）又は動かすのに十分であるように、配向プラットホームのシミング運動が、剛体ボディとしてのマニピュレータ及びセットアップジョイントリンク機構を通じて力及び／又はモーメントを加えるために、ＳＵＪブレーキが掛けられる。ＳＵＳは次に、シミングし始め、結果として生じるＳＵＪの受動運動は、全てのＳＵＪがそれらの関連付けられる基準状態からの閾値変位内になるまで、本明細書に記載されるように、各ＳＵＪの選択的な制動を通じて制御される。ＳＵＪのより少なく運動が所望の基準状態に達するのに必要とされるので、システムは次に、ＳＵＳシミーがより小さい加速度又はより小さい交互ジョイント変位を有する、ＮＥＡＲモードに切り替わる。これは、ＳＵＪがそれらのそれぞれの基準状態に達するにつれて、より微細な調整された運動を可能にし、その後、ＳＵＪブレーキはロックされ、ＳＵＳシミーは終了する。ＳＵＪジョイントは今やそれらのそれぞれの基準状態でロックされているので、ＳＵＳはブームの水平引っ込みによって完全にしまい込まれることができる。
【００６９】
１つの態様では、受動運動を提供するジョイントのブレーキは、典型的なモータトルクコントローラと同様の方法で受動運動によってジョイントに誘起される検知トルクを加えるように、ジョイントブレーキコントローラによって制御される。このアプローチは、追加のソフトウェアを通じてのように、ジョイントブレーキの制御機構を修正することによって、比例微分コントローラのような、従来のモータトルクコントローラを有するシステムで利用され得るので有利である。このアプローチは、図１４Ａ、図１４Ｂ（図１４Ａの箱Ａの詳細）及び図１４Ｃ（図１４Ｂに示された箱Ｂの詳細）にさらに詳述される。
【００７０】
図１４Ａは、セットアップジョイントの受動運動が、従来のモータ駆動ジョイント制御ループにおけるその使用と同様の、比例微分コントローラ（ＰＤコントローラ）で制御されるフィードバック制御ループを示す。Ｂｍは、設定限度に関する最大ブレーキ力及び／又はトルクである一方、εは、それより下でブレーキが解放されたままであるべきである速度閾値である。システムは、基準状態をその実際の位置と比較することによってセットアップジョイントの誤差（ｅ）を決定し、この実際の位置は、ＰＤコントローラへの入力であり、このＰＤコントローラはその後、基準状態を達成するために必要とされるジョイントトルクを生じさせるために制御信号（ｕ）を計算する。従来のモータ駆動ジョイントでは、“ｕ”信号は、関連付けられるジョイントモータを基準状態へ必要なトルクで駆動するために、モータジョイント動特性（motor  joint  dynamics）制御部に入力される。しかし、受動ジョイントでは、ジョイントは、駆動されることができない。運動学的チェーンの様々な他のリンク機構の運動に起因して、受動ジョイントに関連付けられるリンク機構に与えられる力及び／又はモーメントが、ジョイントを所望の基準状態に動かす受動運動を生じさせるために使用され得る受動ジョイント内にトルクを生み出す。
【００７１】
図１４Ｂは、ジョイントブレーキの選択的な適用によって受動運動を制御するのに使用するための従来のモータ駆動ジョイントにおけるモータ／ジョイント動特性（図１４Ａの箱Ａの詳細）をシミュレートするブレーキ制御ループを示す。図１４Ｂのブレーキ制御ループでは、モータトルク制御信号は、セットアップジョイントで検知された実際のトルクと比較され、次に、時間にわたるインパルスを得るために積分され、速度（ｖ）の方向又は速度（ｖ）の符号（符号（ｕ）＝−符号（ｖ））を評価し、（ｖ）の符号が基準に向かう方向である場合、ジョイントに存在するトルクが、ある期間にわたるジョイントブレーキの解放、又は部分的な解放によって使い果たされる、ロジックが、適用される。受動運動に起因するジョイントに存在するトルクは、ジョイントを基準状態に動かすために必要なものより小さい場合がある（そしてしばしば小さい）ので、このループは、ジョイントの駆動による配向プラットホームの各周期動作（cycling）で複数回繰り返され得る。配向プラットホームのこの周期動作は、配向プラットホームが正の変位と負の変位との間で前後に加速して動くようにプラットホームリンク機構のジョイントを（例えば、正弦波入力を使用することによって等）反対方向に連続して前後に駆動することによって生じる「シミー」運動と称され得る。上述のジョイントブレーキ制御ループは、セットアップジョイントが基準状態に達するまで、配向プラットホームの各周期動作又はシミーによる受動運動によってセットアップジョイントに作り出されたトルクを利用し、この基準状態のポイントにおいて、ブレーキがセットアップジョイントを定位置にロックするために掛けられる。複数のセットアップジョイントを有するシステムでは、それぞれが上述の受動運動を制御するために使用される関連付けられるジョイントブレーキコントローラを有し、１方向への配向プラットホームの運動中、あるセットアップジョイントは浮動し得る一方ある他のジョイントは制動され得ることが理解される。
【００７２】
図１４Ｃは、本発明の態様に従う例における、図１４ＢのブロックＢの詳細を示す。ブロックＢは、ジョイント速度が与えられた物理的に達成可能な制動（片側の）を決定するブロック及び利用可能な制動力に対する力又はトルク要求を取り出す他のブロックを含む。所望のインパルスが、１制御ループにおいて全インパルスを満足する力又はトルクを見つけるための、制御システムのサンプリングレート（例えば、０．７５ｍｓ）、Ｔｓによって除算されることに留意されたい。限度Ｂｍは、最大ブレーキ摩擦であり得るが、典型的には、ＳＵＳに与えられる負荷を減らすためにより低い値に下げて調整される。イプシロン閾値は、ジョイント速度が小さいときはいつでも制動力をゼロに強制し、それによって、ジョイントが、シミーＦＡＲモードに固定することを防ぐ。
【００７３】
ある態様では、ブレーキ力の適用を決定するのに適用されるロジックが、最大ブレーキ値までの連続スペクトルに沿った選択的な制動又は可変制動を適用し得る。可変制動を適用することは、ジョイントブレーキが、受動セットアップジョイントのより制御された運動を達成することを可能にする。例えば、ブレーキ力対セットアップジョイントのジョイント状態を描く図１４Ｄのグラフに示されるように、受動セットアップジョイントに誘起されたトルクが支持配向プラットホームの前後シミーの間に方向を変えるにつれて、可変ブレーキ力は、受動ジョイントが動いているとき、受動ジョイントが、実質的に一定速度で動くことを可能にする。加えて、ロジックは、例えば、基準状態に向かって動き且つセットアップジョイントが基準状態に十分近い（例えば、閾値変位内にある）ときセットアップジョイントの一定の減速度を提供するように等、様々な他の制御運動を達成するために可変ブレーキ力を適用し得る。ある実施形態では、図１４Ｄに示されるように、定速制御機能は、セットアップジョイント変位が変位閾値を上回るとき「シミーＦＡＲモード」で使用され、定減速度制御機能は、基準からのセットアップジョイントの変位が閾値内にあるとき、使用される。
【００７４】
図１４Ｄは、本発明の態様による例におけるシミーＮＥＡＲモードの段階を示す。破線でプロットされている正弦波誤差は、目標位置に対するブレーキを掛けられていない軌道である。ポイント１及び２において、接線は、将来にわたっていずれのポイントにおいてもｘ軸と交差しないので、一定の減速度プロフィールがない。ポイント３において、目標に収束するための一定の減速度が所望のものより小さく、制御可能なブレーキ力レベル未満である、ポイント４において、収束するための一定減速度が、ソフトウェアにおいて調整可能な所望の値に一致し、ブレーキ適用が始まる。ブレーキは、その後、目標で停止するように調節される−これは特に、コントローラがブレーキを調整するとき、ゼロにおけるその頂点及びこの軌道より上及び下の変位を持つ滑らかな放物線軌道を提供する。この図におけるコントローラによるこの決定は、快適な減速度での停止を可能にするポイントにおいて制動すること及び所望の位置で停止するためにブレーキを調整することを提供する。
【００７５】
他の変形形態は本発明の精神の中にある。したがって、本発明は、様々な変更形態及び代替構造が可能であるが、幾つかの説明された実施形態は図面に示されるとともに詳細に記載されている。しかし、本発明を開示された特定の形態又は複数の形態に限定する意図はなく、それどころか、全ての修正、代替構造、及び添付の特許請求の範囲に定められるように、本発明の精神及び範囲内に属する均等物をカバーすることを意図していることが理解されるべきである。
【００７６】
本発明を記載する文脈における（特に以下の請求項の範囲の文脈における）用語“a”、“an”、“the”（１つの、ある）、及び同様の指示対象の使用は、本願にそうでないことが示されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、単数形及び複数形の両方を包含するように解釈されるべきである。用語「有する、含む、備える（“comprising”、“having”、“including”、及び“containing”）」は、そうでないことが記載されない限りオープンエンドタームとして（すなわち、「含んでいるが限定されない」ことを意味する）解釈されるべきである。用語「接続される」は、たとえ何かが介在していても、部分的に又は完全に中に含まれる、取り付けられる、又は一緒に結合されるとして解釈されるべきである。本願における値の範囲の列挙は、本願にそうでないことが明記されない限り、範囲に入るそれぞれの独立した値を個別に参照する省略表現方法として機能することが単に意図され、それぞれの独立した値は、それが本願に個別に参照されるように、明細書に組み込まれる。本願に記載された全ての方法は、本願に明記されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、任意の適切な順番で実行され得る。任意の及び全ての例、又は本願に用いられる例示的な言語（例えば、「等」）の使用は、本発明の実施形態をより良く明らかにすることを単に意図し、特許請求の範囲に記載されない限り、本発明の範囲の限定をもたらさない。明細書の言語は、本発明の実施に必須であるような任意の請求項に記載されていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。
【００７７】
本発明を実施するために発明者に知られているベストモードを含む、本発明の好適な実施形態がここに記載されている。これらの好適な実施形態の変形形態は、前述の記載を読むことで当業者に明らかになり得る。発明者は、熟練した職人がこのような変形形態を適切に用いることを予期し、発明者は発明が、本願に具体的に記載されるものとは違う他の方法で実施されることを意図する。したがって、本発明は、全ての修正形態及び適用される法律によって許されるように添付された特許請求の範囲に記載された主題の均等物を含む。さらに、それらの全ての可能な変形形態の上述の構成要素の任意の組み合わせが、本願に明記されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、本発明によって包含される。
【００７８】
本願に引用された、出版物、特許出願、特許を含む全ての参考文献は、各参考文献が参照により組み込まれることが個々に且つ明確に示されるような、並びに且つ完全に本願に述べられているような、同じ程度まで、参照により本願に組み込まれる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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