(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータアーム及びプロセッサを有するシステムの作動方法であって、前記マニピュレータアームは、エンドエフェクタを含む可動遠位部分、ベースに結合される近位部分、及び前記遠位部分と前記ベースとの間の複数の関節を含み、前記複数の関節は、前記エンドエフェクタの与えられた状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にするように十分な自由度を有し、前記方法は：
前記プロセッサが、前記複数の関節の関節空間内の前記複数の関節の１又は複数の関節に対する位置ベースの拘束条件を定めるステップであって、前記位置ベースの拘束条件は、前記複数の関節の前記関節空間内の前記１又は複数の関節の所望の運動に対応する１又は複数の経路を含む、ステップ；
前記プロセッサが、前記エンドエフェクタを所望のエンドエフェクタ運動で動かすように操作指令を受信するステップ；
前記プロセッサが、前記複数の関節による前記所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるように前記複数の関節のエンドエフェクタ変位運動を計算するステップであって、前記複数の関節のエンドエフェクタ変位運動を計算するステップは、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ直交空間における前記複数の関節の関節速度を計算するステップを含む、ステップ；
前記プロセッサが、前記複数の関節の追従運動を計算するステップであって、前記複数の関節の前記追従運動を計算するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間にあるとともに、前記１又は複数の経路に向かって或いは前記１又は複数の経路に沿って前記１又は複数の関節を動かす、前記複数の関節の関節速度を計算するステップを含む、ステップ；並びに
前記プロセッサが、前記追従運動と同時に前記エンドエフェクタ変位運動を生じさせるように計算された前記エンドエフェクタ変位運動及び前記追従運動にしたがって前記複数の関節を駆動するステップ；を含む、
方法。
【請求項２】
前記位置ベースの拘束条件に含まれる前記１又は複数の経路のうちの第１の経路は、前記複数の関節の前記関節空間の部分空間の少なくとも１次元における前記複数の関節の少なくとも２つの関節の運動を定める、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１又は複数の経路は、前記複数の関節の前記関節空間内の区分的連続経路を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プロセッサが前記追従運動を計算するステップは：
前記プロセッサが、前記１又は複数の関節のうちのある関節の計算された位置と前記位置ベースの拘束条件に含まれる前記１又は複数の経路うちのある経路との間にポテンシャル場を定めるステップであって、前記ポテンシャル場の増加するポテンシャルが前記計算された位置と前記１又は複数の経路のうちの前記ある経路との間の増加する距離に対応する、ステップ；
前記プロセッサが、前記ポテンシャル場から、前記計算された位置と前記１又は複数の経路のうちの前記ある経路との間のポテンシャルを決定するステップ；及び
前記プロセッサが、前記計算された位置から前記１又は複数の経路のうちの前記ある経路に向かう方向を決定するために前記ポテンシャルを使用することによって前記追従運動を計算するステップ；を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記プロセッサが前記追従運動を計算するステップは：
前記プロセッサが、前記１又は複数の関節のポテンシャル関数を評価することによって、前記複数の関節の前記関節空間内の前記複数の関節の第１の運動を決定するステップであって、前記ポテンシャル関数は、前記１又は複数の関節のうちのある関節と前記１又は複数の経路うちのある経路との間の距離に基づいている、ステップ；及び
前記プロセッサが、前記複数の関節の前記第１の運動を前記マニピュレータアームの前記ヤコビアンの前記ゼロ空間上に投影することによって前記追従運動のための前記複数の関節の前記関節速度を決定するステップ；を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記マニピュレータアームの前記遠位部分は、前記エンドエフェクタに遠位に延びる細長いシャフトを有する手術器具を解放可能に支持する器具ホルダを含み、前記シャフトは、動作中、遠隔中心周りに枢動する、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
エンドエフェクタを含む可動遠位部分、ベースに結合される近位部分、及び前記遠位部分と前記ベースとの間の複数の関節を有するマニピュレータアームであって、前記複数の関節は、前記エンドエフェクタの与えられた状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を有する、マニピュレータアーム；
前記エンドエフェクタを所望のエンドエフェクタ運動で動かすように操作指令を受信するための入力装置；並びに
前記入力装置及び前記マニピュレータアームに動作可能に接続される１又は複数のプロセッサであって、前記１又は複数のプロセッサは：
前記複数の関節の関節空間内の前記複数の関節の１又は複数の関節に対する位置ベースの拘束条件を定めることであって、前記位置ベースの拘束条件は、前記複数の関節の前記関節空間内の前記１又は複数の関節の所望の運動に対応する１又は複数の経路を含む、位置ベースの拘束条件を定めること；
前記複数の関節による前記所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるように前記複数の関節のエンドエフェクタ変位運動を計算することであって、前記複数の関節の前記エンドエフェクタ変位運動を計算することは、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ直交空間における前記複数の関節の関節速度を計算することを含む、エンドエフェクタ変位運動を計算すること；
前記複数の関節の追従運動を計算することであって、前記複数の関節の前記追従運動を計算することは、前記ヤコビアンのゼロ空間にあるとともに、前記１又は複数の経路に向かって或いは前記１又は複数の経路に沿って前記１又は複数の関節を動かす、前記複数の関節の関節速度を計算することを含む、追従運動を計算すること；並びに
前記追従運動と同時に前記エンドエフェクタ変位運動を生じさせるように、計算された前記エンドエフェクタ変位運動及び前記追従運動にしたがって前記複数の関節を駆動するように前記マニピュレータアームに指令を伝達すること；
を含む動作を実行するように構成される、１又は複数のプロセッサ；を有する、
システム。
【請求項８】
前記位置ベースの拘束条件に含まれる前記１又は複数の経路のうちの第１の経路は、前記複数の関節の前記関節空間の部分空間の少なくとも１次元における前記複数の関節の少なくとも２つの関節の運動を定める、
請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記１又は複数の経路は、前記複数の関節の前記関節空間内の区分的連続経路を含む、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記追従運動を計算することは：
前記１又は複数の関節のうちのある関節の計算された位置と前記位置ベースの拘束条件に含まれる前記１又は複数の経路うちのある経路との間にポテンシャル場を定めることであって、前記ポテンシャル場の増加するポテンシャルが前記計算された位置と前記１又は複数の経路のうちの前記ある経路との間の増加する距離に対応する、ポテンシャル場を定めること；
前記ポテンシャル場から、前記計算された位置と前記１又は複数の経路のうちの前記ある経路との間のポテンシャルを決定すること；及び
前記計算された位置から前記１又は複数の経路のうちの前記ある経路に向かう方向を決定するために前記ポテンシャルを使用することによって前記追従運動を計算すること；を含む、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記追従運動を計算することは：
前記１又は複数の関節のポテンシャル関数を評価することによって、前記複数の関節の前記関節空間内の前記複数の関節の第１の運動を決定することであって、前記ポテンシャル関数は、前記１又は複数の関節のうちのある関節と前記１又は複数の経路うちのある経路との間の距離に基づいている、前記複数の関節の第１の運動を決定すること；及び
前記複数の関節の前記第１の運動を前記マニピュレータアームの前記ヤコビアンの前記ゼロ空間に投影することによって前記追従運動のための前記複数の関節の前記関節速度を決定すること；を含む、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記マニピュレータアームの前記遠位部分は、前記エンドエフェクタに遠位に延びる細長いシャフトを有する手術器具を解放可能に支持する器具ホルダを含み、前記シャフトは、動作中、遠隔中心周りに枢動する、
請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
マニピュレータアームを動かすためのプロセッサ実行プログラムを格納する可読メモリであって、前記マニピュレータアームは、エンドエフェクタを含む可動遠位部分、ベースに結合される近位部分、及び前記遠位部分と前記ベースとの間の複数の関節を含み、前記複数の関節は、前記エンドエフェクタの与えられた状態に対して異なる関節状態の範囲を可能にするように十分な自由度を有し、前記プロセッサ実行プログラムは、１又は複数のプロセッサによって実行されるとき、前記１又は複数のプロセッサに：
前記複数の関節の関節空間内の前記複数の関節の１又は複数の関節に対する位置ベースの拘束条件を定める値にアクセスするステップであって、前記位置ベースの拘束条件は、前記複数の関節の前記関節空間内の前記１又は複数の関節の所望の運動に対応する１又は複数の経路を含む、ステップ；
前記エンドエフェクタを所望のエンドエフェクタ運動で動かす操作指令のための値にアクセスするステップ；
前記複数の関節による前記所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるように前記複数の関節のエンドエフェクタ変位運動を計算するステップであって、前記複数の関節のエンドエフェクタ変位運動を計算するステップは、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ直交空間における前記複数の関節の関節速度を計算するステップを含む、ステップ；
前記複数の関節の追従運動を計算するステップであって、前記複数の関節の前記追従運動を計算するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間にあるとともに、前記１又は複数の経路に向かって或いは前記１又は複数の経路に沿って前記１又は複数の関節を動かす、前記複数の関節の関節速度を計算するステップを含む、ステップ；並びに
前記追従運動と同時に前記エンドエフェクタ変位運動を生じさせるように計算された前記エンドエフェクタ変位運動及び前記追従運動にしたがって前記複数の関節を駆動させるように前記マニピュレータに指令を伝達するステップ；を含む動作を実行させる命令を含む、
メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年３月１５日に出願され“Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  ａ  Ｐａｔｈ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｎｕｌｌ−Ｓｐａｃｅ”と題する米国仮出願第６１／７９９，４４４号（代理人整理番号ＩＳＲＧ０３７８０ＰＲＯＶ／ＵＳ）からの非仮出願であるとともに、同仮出願からの優先権を主張し、その全開示が参照により本出願に援用される。
【０００２】
本出願は概して、所有者が共通する次の出願：  “Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ａｂｏｕｔ  Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ”と題する、２００９年６月３０日に出願された米国特許出願第１２／４９４，６９５号；“Ｍａｓｔｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  Ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｅｄｏｍ  ａｎｄＡｄｄｅｄ  Ｆｏｒｃｅｓ  ｔｏ  Ｃｒｅａｔｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｍｏｔｉｏｎ”と題する、２００９年３月１７日に出願されたの米国特許出願第１２／４０６，００４号；“Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｃｅｎｔｅｒ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｅｒｙ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｕｓｅｓ”と題する、２００５年５月１９日に出願された米国特許出願第１１／１３３，４２３号（米国特許第８，００４，２２９号）；“Ｏｆｆｓｅｔ  Ｒｅｍｏｔｅ  Ｃｅｎｔｅｒ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｆｏｒ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ”と題する、２００４年９月３０日に出願された米国特許出願第１０／９５７，０７７号（米国特許第７，５９４，９１２号）；“Ｍａｓｔｅｒ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  Ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｅｄｏｍ”と題する、１９９９年９月１７日に出願された米国特許出願第０９／３９８，５０７号（米国特許第６，７１４，８３９号）；“Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ａｒｍ−ｔｏ−Ｐａｔｉｅｎｔ  Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  Ａｖｏｉｄａｎｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｎｕｌｌ−Ｓｐａｃｅ”と題する、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７５５号；“Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ａｖｏｉｄｉｎｇ  Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ａｒｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｎｕｌｌ−Ｓｐａｃｅ”と題する、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７７３号；に関連し、これらの開示は、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】
本発明は、概して、改良された手術及び／又はロボット装置、システム、及び方法を提供する。
【０００４】
低侵襲医療技術は、診断又は外科手術中に損傷を受ける組織の量を低減させることを目的とし、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減少させる。何百万という「観血」又は従来の手術が、米国で毎年行われており、これらの手術の多くは、潜在的に低侵襲的な方法で行うことができる。しかしながら、比較的少数の手術のみが、低侵襲手術器具や技術の制限、及びそれら低侵襲手術器具や技術を習得するために必要な追加の外科的トレーニングに起因して、低侵襲技術を現在使用している。
【０００５】
手術で使用される低侵襲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、及び外科医が離れた場所から患者を手術することを可能にするように開発されている。遠隔手術は、手で機器を直接的に保持し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、外科医が、例えばサーボ機構等の遠隔制御装置のいくつかのフォームを使用するような手術システムの総称である。このような遠隔手術システムでは、外科医には、遠離れた場所における手術部位の画像が提供される。典型的には適切なビューア又はディスプレイ上で手術部位の三次元画像を見ながら、外科医は、マスタ制御入力装置を操作することによって、患者に外科手術を行い、このマスタ制御入力装置はロボット器具の動作を制御する。ロボット手術器具は、患者内の手術部位において組織を治療するために、小さな、低侵襲手術開口部、大抵、観血手術のためにアクセスすることと関連付けられる外傷、を介して挿入されることができる。これらのロボットシステムは、大抵、低侵襲開口部において器具シャフトを枢動、開口部を通じた軸方向のシャフトの摺動、開口部内でのシャフトの回転、及び／又は同様の動作によって、非常に複雑な外科的タスクを行うために十分な器用さで手術器具の作業端部を移動させることができる。
【０００６】
遠隔手術用に使用されるサーボ機構は、大抵、２つのマスタ制御装置（外科医の手の各々に対して１つ）からの入力を受け取り、そして２以上のロボットアーム又はマニピュレータを含み得る。画像取込装置によって表示されたロボット器具の画像への手の動きのマッピングは、それぞれの手に関連付けられた器具についての正確な制御を外科医に提供するのに役立つことができる。多くの手術ロボットシステムでは、１又は複数の追加のロボットマニピュレータアームが、内視鏡又は他の画像取込装置、追加の手術器具等を移動させるために含められる。
【０００７】
様々な構造配置が、ロボットによる手術中に、手術器具を手術部位に支持するために、使用されることができる。従動リンク機構又は「スレーブ」は、大抵、ロボット手術マニピュレータと呼ばれており、低侵襲ロボット手術中にロボット手術マニピュレータとして使用される例示的なリンク機構配置は、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されており、これらの全体の開示は、参照により本明細書に援用される。これらのリンク機構は、大抵、シャフトを有する器具を保持するために、平行四辺形の配置を利用する。このようなマニピュレータ構造は、器具シャフトが、剛性シャフトの長さに沿った空間に位置する球状回転の遠隔センタの周りを枢動するように、器具の動きを拘束することができる。（例えば、腹腔鏡手術中、腹壁に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この回転の中心とを位置合わせすることによって、手術器具のエンドエフェクタは、腹壁に対して潜在的に危険な力を与えることなく、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移動させることによって、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４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、及び特許文献９に記載されており、これらの全体の開示は、参照により本明細書に援用される。
【０００８】
新しいロボット手術システム及び装置は非常に効果的であり且つ有用であることが判明しているが、依然としてさらなる改良が望まれている。例えば、マニピュレータアームが、特定の状況下で、さらなる運動又は形態を提供するために、追加的な冗長関節を含む可能性がある。しかし、低侵襲手術部位内で手術器具を移動させるとき、これらの関節は、特に、大きい角度範囲に亘って低侵襲開口部の周りに器具を枢動させるときに、患者の体外でのかなりの量の動き、しばしば、必要とされる又は予想されるより大きい動きを示す可能性がある。患者の体外での不慮のマニピュレータ／マニピュレータ接触（等）を防止しながら挿入部位に対する枢動運動を拘束するように高度に設定可能な運動学的マニピュレータ関節セットに対するソフトウェア制御を用いる代替のマニピュレータ構造が提案されている。これらの代替の高度に設定可能な「ソフトウェアセンタ」手術マニピュレータシステムは、重要な利点を提供し得るが、課題も存在し得る。特に、機械的に拘束された遠隔センタリンク機構は、いくつかの条件で安全性に関する利点を有し得る。加えて、これらのマニピュレータに大抵含まれる多くの関節の広範囲の構成は、マニピュレータが、特定の処置に望ましい形態に手動で設定することが困難であることをもたらし得る。それにもかかわらず、遠隔手術システムを用いて行われる手術の範囲は拡大し続けているので、利用可能な構成及び患者内の器具の可動域を拡張するための要求が高まっている。残念ながら、これらの両方の変化は、体外のマニピュレータの動きに関連する課題を増大させ、また、幾つかのタスクに対するマニピュレータアームの過度の動きを避けることの重要性も高め得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，７５８，８４３号
【特許文献２】米国特許第６，２４６，２００号
【特許文献３】米国特許第５，８００，４２３号
【特許文献４】米国特許第６，７０２，８０５号
【特許文献５】米国特許第６，６７６，６６９号
【特許文献６】米国特許第５，８５５，５８３号
【特許文献７】米国特許第５，８０８，６６５号
【特許文献８】米国特許第５，４４５，１６６号
【特許文献９】米国特許第５，１８４，６０１号
【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途のための、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り、これらの改良された技術が、幾つかのタスクの間にマニピュレータアームのより一貫性があり且つ予測可能な運動を提供する能力を提供する場合には、それは特に有益である。それらの器用さを維持又は向上させたまま、寸法、機械的な複雑さ、又はこれらのシステムのコストを大幅に増加させることなく、少なくともいくつかのタスクに対して器具の可動域を増加させながら、このような改良を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【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。多くの実施形態では、本発明は、高度に設定可能な手術ロボットマニピュレータを用いる。これらのマニピュレータは、例えば、関連付けられる手術用エンドエフェクタが手術作業空間内で有するよりも、大きい運動の自由度を有し得る。本発明によるロボット手術システムは、典型的には、ロボット手術器具を支持するマニピュレータアーム、及び、器具のエンドエフェクタを操作するために協調関節運動を計算するためのプロセッサを含む。エンドエフェクタを支持するロボットマニピュレータの関節は、マニピュレータが、与えられたエンドエフェクタの位置及び／又は与えられた枢動（ｐｉｖｏｔ）ポイント位置についての異なる形態の範囲に亘って移動することを可能にする。１つの態様では、本発明は、マニピュレータアームの１又は複数の関節に対してそれに沿った運動が望まれる拘束条件又は経路のセットを定めることによって、改良されたマニピュレータアームの運動の一貫性及び予測性を提供する。
【００１２】
１つの態様では、ロボット手術システムは、マニピュレータアームの関節空間又はデカルト座標空間内に定められ且つ遠位エンドエフェクタを有するマニピュレータアームの１又は複数の関節の所望の運動に対応するホロノミック又は位置ベースの拘束条件を利用し得る。仮想的なポテンシャル場が、計算され得るとともに、１又は複数の関節の位置が拘束条件に向かって動き、それによって、エンドエフェクタの所望の位置を保持しながら１又は複数の関節の所望の運動を提供するように、ゼロ空間内で１又は複数の関節の運動を決定するために使用され得る。このアプローチは、特に、１又は複数の関節の主要な計算が位置ではなく速度に基づくヤコビアンベースのコントローラを利用するマニピュレータアームにおいて、ゼロ空間内の１又は複数の関節の運動に対する改良された制御を可能にする。
【００１３】
幾つかの実施形態では、マニピュレータアームは、ユーザ指令又は外部の手動関節運動に応じた再配置運動のような、様々な種類の運動を可能にするように、付加的な冗長関節を含み得る。幾つかの態様では、空間の固定ポイント周りにツールを枢動させるように機械的に拘束されるロボット装置、又は低侵襲開口部の組織の周りに受動的に枢動する受動関節を有するロボット装置に依存するのではなく、本発明は、開口部位の周りにマニピュレータリンク機構のリンクを枢動させることを含む運動を計算し得る。エンドエフェクタを支持するロボットリンク機構の自由度は、リンク機構が与えられたエンドエフェクタ位置に対する形態の範囲にわたって動くことを可能にすることができ、システムは、リンク機構を、１又は複数の動いているロボット構造を巻き込む衝突を防止する形態に駆動し得る。高度に柔軟なロボットリンク機構のセットアップは、リンク機構の１又は複数の関節を駆動するプロセッサによって容易にされることができる一方、リンク機構は手動で位置決めされている。
【００１４】
幾つかの実施形態では、本発明は、所望のエンドエフェクタ運動、再配置運動又は様々な他の運動のような、１又は複数のタスクを達成するように動くとき、マニピュレータアームの運動が、制約条件の所定のセットに向けられることを可能にする。マニピュレータアームは拘束条件のセットに対して機械的に「ロック」される必要はなく、むしろ、拘束条件は、１又は複数の指令運動に従って動くとき、マニピュレータアームの１又は複数の関節の運動を拘束条件に向けるために利用されることができることが留意されるべきである。幾つかの実施形態では、マニピュレータアームは、マニピュレータアームの関節運動が定められた拘束条件によって制限されない様々な運動又は動作のモードを含み得る。
【００１５】
一般的に、遠位エンドエフェクタの運動を生じさせるためのマニピュレータアームの指令運動は、マニピュレータアームの全ての関節の運動を利用する。指令再配置運動又は衝突回避のような、様々な他の種類の運動が、エンドエフェクタの操作で使用されるのと同じ関節を使用し得る又は様々な他の選択された関節又は間接のセットを含み得る。エンドエフェクタの運動を生じさせるとき、マニピュレータアームが冗長自由度を有すると、使用されていないゼロ空間は特定されない運動を示すので、これらの種類の運動の１又は複数による関節の運動は、マニピュレータアームの不必要な、予測不能な、又は非ホロノミック運動をもたらし得る。加えて、マニピュレータアームの上部の運動は、隣接するマニピュレータアームの利用可能な可動範囲を不必要に制限し得る。マニピュレータアームの改良された運動を提供するために、冗長自由度が、マニピュレータアームの運動を制限するために又は繰り返し可能な運動パターンに向けて運動を管理するために拘束条件のセットに従うように使用され得る。幾つかの実施形態では、繰り返し可能な運動のパターンは、マニピュレータアームの所定の位置又は位置の範囲に基づき得る。幾つかの態様では、拘束条件は、関節速度を使用する関節空間又は位置を使用するデカルト座標空間内のいずれかに定められ得る。
【００１６】
１つの態様では、冗長自由度を有するマニピュレータアームの運動は、ヤコビアンベースのコントローラを使用することによってのように、関節速度に基づいた主要な計算を利用する。システムは、関節空間又はデカルト座標空間のいずれかにおいて、経路又は経路のネットワークのような、ホロノミック又は位置ベースの拘束条件のセットを定め得る。制約条件は、ヤコビアンのゼロ空間内の関節の運動を使用する拘束条件に向かうマニピュレータアームの運動を「引く」又は管理するように人工的なポテンシャル場を生じさせるために使用され得る。これは、指令エンドエフェクタ運動の間にエンドエフェクタの所望の状態を維持しながら、マニピュレータアームの１又は複数の関節が、制約条件に対応する運動の所望のパターンにしたがって動くことを可能にする。
【００１７】
幾つかの実施形態では、本発明は、近位ベースに対して遠位エンドエフェクタをロボット式に動かすためのマニピュレータアセンブリを有するロボットシステムを提供する。マニピュレータアセンブリは、複数の関節を有し、関節は、エンドエフェクタ状態に対して関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を提供する。入力部は、エンドエフェクタの所望の運動をもたらすための指令を受信する。プロセッサは、入力部をマニピュレータアセンブリに結合する。プロセッサは、第１のモジュール及び第２のモジュールを有する。第１のモジュールは、エンドエフェクタを所望の運動で動かすように、指令に応じて関節の運動を計算するのを助けるように構成される。第２のモジュールは、マニピュレータアセンブリの他の関節の外部の関節運動に応じて加熱の少なくとも１つを駆動するのを助けるように構成される。
【００１８】
幾つかの態様では、プロセッサの第１及び第２のモジュールは、異なる制御モードにおいて異なった方法で使用され得る。例えば、プロセッサは、第１及び第２のモードを有し得る。第１のモードは、大抵、デカルト空間においてエンドエフェクタに関する経路のネットワークをたどるためのモードを有する一方、第２のモードは、クラッチモードを有し得る。第１のモードでは、ツール先端は、外科医の位置及び配向指令に応答する。一方、クラッチモードでは、関節の手動関節運動に応じて、少なくとも１つの他の関節は、この第２のモードの関節の組み合わされた運動がヤコビアンのゼロ空間内にあるように、プロセッサによって駆動される。これは、被動クラッチ関節の自由度、及び他の関節の自由度と異なる、有効なクラッチ自由度を持つマニピュレータアセンブリを提供することができる。例えば、６の機械的自由度を持つエンドエフェクタを提供するマニピュレータアセンブリは、エンドエフェクタが、もっぱら、関節が存在しない所に位置する枢動回転中心周りの空間で動かされることを可能にするように、拘束されることができる。代替的には、このようなエンドエフェクタは、全てのリンク機構及びマニピュレータリンク機構アセンブリの関節軸に対してスキュー角にある任意の面に沿って並進移動可能であり得る。これらの及び／又は他の能力を提供するために、被動クラッチモードは、大抵、複数の被動クラッチ関節を有し、プロセッサは、プロセッサがクラッチモードにあるとき、マニピュレータアセンブリが複数の有効なクラッチ自由度を有するように、マニピュレータアセンブリの複数の関節の手動操作に応じて、各被動クラッチを駆動するように構成される。
【００１９】
マニピュレータアセンブリは、大抵、取付インターフェイスとエンドエフェクタの間に延びるシャフトを有する手術ツール又は器具を有する。第１のモードのプロセッサは、シャフトが低侵襲開口部位を通過するように、内部手術空間内のエンドエフェクタの所望の運動を引き出すように構成され得る。このようなマスタ／スレーブコントローラは、例えば、逆ヤコビ行列を使用する速度コントローラを有することができ、これは大抵第１のモジュールの一部を含む。第２のモジュールは、第２の又はクラッチモードで使用されることができ、クラッチモードで許容される関節速度の組み合わせを提供するためにヤコビアンのゼロ空間に沿った関節速度を提供する。クラッチモードのプロセッサは、手動で関節運動される及び／又はクラッチ被動関節の遠位に配置されるエンドエフェクタ又はマニピュレータアセンブリの他の構造の運動を拘束しながら、他の関節の（及び、大抵、マニピュレータシステムの複数の関節の）手動関節運動を可能にするように構成される。例えば、６自由度超を有するマニピュレータアセンブリは、エンドエフェクタ位置を作業空間に維持しながら、ユーザが、マニピュレータアセンブリの中間リンク機構を第１の位置から第２の位置に押すことを可能にし得る。これは、ベース及びエンドエフェクタを空間に固定されたままにしながら、手動で操配置可能である姿勢を有するマニピュレータアセンブリをもたらすことができる。幾つかの実施形態では、エンドエフェクタ（又はマニピュレータの他の構造）の配向は、その構造が手動で新しい場所に並進移動される間、被動クラッチ関節の駆動によって、配向に関して拘束され得る。
【００２０】
他の態様では、アームの運動は、指令エンドエフェクタ操作モードのような、第１のモードにおいて所望の経路に沿った運動をもたらすように拘束条件にしたがって計算され得る一方、クラッチモードの間の又は指令再配置運動中のアームの運動は同様に拘束されない。マニピュレータアームの位置がクラッチモードにおいて再配置された後又は指令再配置をゼロ空間内で生じさせることによって、システムは、マニピュレータアームの再配置された位置と一致させるために拘束条件の位置又は配向を変換又は変更するように拘束条件を修正し得る、又は代替的に、再配置された位置に最も近い拘束条件のセットから拘束条件を選択し得る。
【００２１】
本発明の１つの態様では、操作入力部を備える冗長自由度（ＲＤＯＦ）手術ロボットシステムが提供される。ＲＤＯＦ手術ロボットシステムは、マニピュレータアセンブリ、１又は複数のユーザ入力装置、及びコントローラを持つプロセッサを有する。アセンブリのマニピュレータアームは、与えられたエンドエフェクタ状態のための関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を提供する複数の関節を有する。ユーザによって入力される受信した再配置指令に応じて、システムは、ゼロ空間内の複数の関節の速度を計算する。関節は、エンドエフェクタの所望の状態を維持するように、再配置指令及び計算された運動に従って駆動される。典型的には、所望の運動でエンドエフェクタを動かすための操作指令を受信することに応じて、システムは、関節速度を直交ヤコビアンのゼロ直交空間内でゼロ空間に計算することによって関節のエンドエフェクタ変位運動を計算し、所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるように計算された運動にしたがって関節を駆動する。上述の様々な他の種類の運動のための増大した動作範囲を提供するために、システムは、マニピュレータの遠位器具シャフトのピッチに影響を及ぼす回転最近位関節及び／又は器具を器具シャフトの枢動運動に影響を及ぼすマニピュレータアームの近位部分に結合する遠位回転関節を含み得る。これらの関節は、個々に記載される実施形態のいずれかに利用され得る。
【００２２】
他の態様では、マニピュレータは、器具シャフトの中間部分が遠隔中心（ｒｅｍｏｔｅ  ｃｅｎｔｅｒ）周りに枢動するよう動くように構成される。マニピュレータと器具との間には、器具シャフトの中間部分がアクセス部位を通過するとき、エンドエフェクタ位置のための関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を提供する複数の被動関節がある。コントローラを有するプロセッサは、入力装置をマニピュレータに結合する。再配置指令に応じて、プロセッサは、器具の中間部分が、エンドエフェクタの所望の運動中にアクセス部位の中にあり且つその周りをシャフトが枢動する所望の遠隔中心位置を維持するよう、所望の再配置をもたらすように１又は複数の関節の運動を決定する。典型的には、所望のエンドエフェクタ運動をもたらす操作指令を受信することに応じて、システムは、ゼロ空間に直交するヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算することを含む、関節のエンドエフェクタ変位運動を計算し、器具シャフトが遠隔中心周りに枢動する所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるように計算された運動に従って関節を駆動する。
【００２３】
他の態様では、マニピュレータの関節の第１のセットからの関節が、マニピュレータアームをベースに結合する回転関節である。エンドエフェクタの所望の状態は、マニピュレータの所望の位置、速度又は加速度を含み得る。操作指令及び再配置指令は、典型的には別々の入力装置の別々のユーザから受信される、別々の入力であり得る、又は同じユーザから受信される別々の入力であり得る。幾つかの実施形態では、エンドエフェクタ操作指令は、手術コンソールマスタ入力部で指令を入力する外科医のような、第１のユーザによって入力装置から受信される一方、再配置指令は、患者側カート入力装置で再配置指令を入力する医師助手のような、別個の入力装置での第２のユーザによって入力装置から受信される。他の実施形態では、エンドエフェクタ操作指令及び再配置指令はいずれも、同じユーザによって手術コンソールの入力装置から受信される。
【００２４】
本発明のさらに他の態様では、近位回転関節及び遠位平行四辺形リンク機構を持つ手術ロボットマニピュレータが提供され、回転関節の枢動軸は、エンドエフェクタの器具シャフトの軸と、好ましくは、該当する場合は遠隔中心で、実質的に交差する。システムはさらに、入力部をマニピュレータアームと結合するコントローラを有し、ユーザの入力指令に応じて複数の関節の運動を計算するように構成されるプロセッサを含む。システムは、ゼロ空間内で所望の再配置運動を伴って複数の関節の関節の第１のセットを動かすように再配置指令を受信するための入力装置を含み得る、又はエンドエフェクタを所望の状態に維持するように、ユーザがゼロ空間内でマニピュレータアームの１又は複数の関節を手動で再配置することを可能にするクラッチモードを含み得る。システムは、エンドエフェクタの所望の状態を維持しながら、ユーザ入力又は手動再配置の付加的な能力を提供しながら、ゼロ空間内での１又は複数の関節の改良された一貫性及び予測性を可能にするように、クラッチモードにおけるような、マニピュレータアームのユーザ主導再配置又は手動再配置に応じて位置拘束条件を調整又は変換するように構成され得る。
【００２５】
本発明の性質及び利点のさらなる理解は、明細書の残りの部分及び図面を参照することによって明らかになるであろう。しかし、図のそれぞれは、単なる説明目的のために提供されているもので、本発明の範囲の限定の定義として意図されないことが理解されるべきである。さらに、記載される実施形態のいずれかの特徴のいずれも、修正され且つ本明細書に記載される又は当業者に知られている様々な他の特徴のいずれかと組み合わされることができ、依然として本発明の精神及び範囲の中に留まることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本発明の実施形態によるロボット手術システムの上面図であり、ロボット手術システムは、本発明の態様にしたがって、患者内の内部手術部位で手術用エンドエフェクタを有する手術器具をロボット式に動かすための複数のロボットマニピュレータを持つ手術ステーションを有する。
【図１Ｂ】図１Ａのロボット手術システムを概略的に示す。
【図２】図１Ａの手術システムに外科手術指令を入力するためのマスタ外科医コンソール又はワークステーションを示す斜視図であり、コンソールは、入力指令に応じてマニピュレータ指令信号を生成するためのプロセッサを含む。
【図３】図１Ａの電子機器カートの斜視図である。
【図４】４つのマニピュレータアームを有する患者側カートの斜視図である。
【図５Ａ】例示的なマニピュレータアームを示す。
【図５Ｂ】例示的なマニピュレータアームを示す。
【図５Ｃ】例示的なマニピュレータアームを示す。
【図５Ｄ】例示的なマニピュレータアームを示す。
【図６Ａ】それぞれピッチフォワード形態及びピッチバック形態にある例示的なマニピュレータアームを示す。
【図６Ｂ】それぞれピッチフォワード形態及びピッチバック形態にある例示的なマニピュレータアームを示す。
【図６Ｃ】ピッチフォワード及びピッチバック形態のそれぞれにおける沈黙円錐又は円錐ツールアクセス制限区域を含む、例示的なマニピュレータアームの手術器具ツール先端の運動の範囲の図形表現を示す。
【図７Ａ】近位回転関節の軸周りにマニピュレータアームを回転させる近位回転関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す。
【図７Ｂ】例示的なマニピュレータアーム並びに関連付けられる運動及び沈黙円錐の範囲を示し、例示的なマニピュレータアームは、近位回転関節の軸周りにマニピュレータアームを回転させる近位回転関節を有し、その運動は描かれた沈黙円錐を緩和するために使用されることができる。
【図８Ａ】遠位器具ホルダ近くに回転関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す。
【図８Ｂ】遠位器具ホルダ近くに回転関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す。
【図９Ａ】プロセッサが手動運動に応じてマニピュレータ関節を設定する間に低侵襲開口部に隣接して手術ツールを手動で位置決めすることを容易にするためにクラッチ入力スイッチを有する高度に柔軟なマニピュレータアセンブリを概略的に示す。
【図９Ｂ】アームの手動運動中の代替関節形態の範囲内のマニピュレータアセンブリの関節の再配置を概略的に示す。
【図９Ｃ】アームの手動運動中の代替関節形態の範囲内のマニピュレータアセンブリの関節の再配置を概略的に示す。
【図１０Ａ】関節が関節運動のその範囲にわたって動かされる際、遠位器具ホルダ近くに回転関節を有する例示的なマニピュレータアームの連続した図を示す。
【図１０Ｂ】関節が関節運動のその範囲にわたって動かされる際、遠位器具ホルダ近くに回転関節を有する例示的なマニピュレータアームの連続した図を示す。
【図１０Ｃ】関節が関節運動のその範囲にわたって動かされる際、遠位器具ホルダ近くに回転関節を有する例示的なマニピュレータアームの連続した図を示す。
【図１１Ａ】本発明の態様による、関節の角度変位がそれぞれ０°対９０°の角度変位であるときの遠位回転関節を有する例示的なマニピュレータアームの回転した側面図を示す。
【図１１Ｂ】本発明の態様による、関節の角度変位がそれぞれ０°対９０°の角度変位であるときの遠位回転関節を有する例示的なマニピュレータアームの回転した側面図を示す。
【図１２Ａ】本発明の態様による、湾曲経路の周りにマニピュレータアームを支持する近位関節を並進移動させる近位関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す。
【図１２Ｂ】本発明の態様による、湾曲経路の周りにマニピュレータアームを支持する近位関節を並進移動させる近位関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す。
【図１２Ｃ】本発明の態様による、湾曲経路の周りにマニピュレータアームを支持する近位関節を並進移動させる近位関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す。
【図１３Ａ】本発明の態様による、例示的なマニピュレータアセンブリのヤコビアンのゼロ空間とゼロ直交空間との間の関係を図で示す。
【図１３Ｂ】本発明の態様による、例示的なマニピュレータアセンブリのヤコビアンのゼロ空間とゼロ直交空間との間の関係を図で示す。
【図１３Ｃ】本発明の態様による、カート空間指令に関するゼロクラッチ又はゼロ空間クラッチ特徴部の態様を図で示す。
【図１４Ａ】本発明の態様による、マニピュレータアセンブリの運動をゼロ空間内で制御するのに使用するためのネットワーク経路セグメントの例を図で示す。
【図１４Ｂ】本発明の態様による、マニピュレータアセンブリの運動をゼロ空間内で制御するのに使用するためのネットワーク経路セグメントの例を図で示す。
【図１４Ｃ】本発明の態様による、ゼロクラッチ又はゼロ空間クラッチ特徴部の態様を図で示す。
【図１５】本発明の態様による方法を概略的に示す。
【図１６】本発明の態様による方法を概略的に示す。
【図１７】本発明の態様による例示的な方法を示す。
【図１８】本発明の態様による例示的な方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、概して、改良された手術及びロボット装置、システム、及び方法を提供する。本発明は、複数の手術ツール又は器具が、外科手術中に、関連付けられる複数のロボットマニピュレータに取り付けられ且つ動かされ得る手術ロボットシステムでの使用に特に有利である。ロボットシステムは、大抵の場合、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有する。比較的大きい数の自由度を有する多関節リンク機構を持つマニピュレータアセンブリを動かすように適切に構成されたプロセッサを用いるロボットシステムを提供することによって、リンク機構の運動は、低侵襲アクセス部位を通る作業に適合されることができる。多数の自由度は、任意選択で手術の準備において、所望のエンドエフェクタ状態を維持しながら、及び／又は手術中に他の使用がエンドエフェクタを操作しながら、システムオペレータ、又は助手が、マニピュレータアセンブリのリンク機構を再配置することを可能にする。本発明の態様は概して冗長自由度を有するマニピュレータを記載しているが、態様は、非冗長マニピュレータ、例えば、特異点に直面する又は近づくマニピュレータ、に当てはまり得ることが理解される。
【００２８】
本明細書に記載されるロボットマニピュレータアセンブリは、大抵、ロボットマニピュレータ及びそこに取付けられたツールを含む（ツールは、大抵、外科用の手術器具を有する）が、用語「ロボットアセンブリ」はまた、そこに取付けられたツールの無いマニピュレータも包含する。用語「ツール」は、汎用又は産業用ロボットツール及び専用ロボット手術器具の両方を包含し、これらの後者の構造は、大抵、組織の操作、組織の治療、組織の画像化等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イスは、大抵、迅速なツールの取り外し及び代替ツールとの交換を可能にする、クイック取り外しツールホルダ又はカップリングである。マニピュレータアセンブリは、大抵、ロボット手術の少なくとも一部の間に、空間内に固定されたベースを有し、マニピュレータアセンブリは、ベースとツールのエンドエフェクタとの間に多数の自由度を含み得る。エンドエフェクタの作動（例えば、把持装置の顎部の開閉、電気手術パドルへの通電等）は、大抵、これらマニピュレータアセンブリの自由度から分離され、及び追加される。
【００２９】
エンドエフェクタは、典型的には、２から６の間の自由度で作業空間内を動く。本明細書で使用されるとき、用語「位置」は、位置及び配向（向き）の両方を包含する。従って、（例えば）エンドエフェクタの位置の変化は、第１の位置から第２の位置へのエンドエフェクタの並進、第１の配向から第２の配向へのエンドエフェクタの回転、又は両方の組み合わせを含み得る。低侵襲ロボット手術に使用されるときに、マニピュレータアセンブリの運動は、シャフト又はツール若しくは器具の中間部分が、低侵襲手術アクセス部位又は他の開口部を介して安全な運動に拘束されるように、システムのプロセッサによって制御され得る。このような運動は、例えば、開口部位を通した手術用作業空間へのシャフトの軸方向挿入、その軸回りのシャフトの回転、及びアクセス部位に隣接する枢動ポイント周りのシャフトの枢動運動を含み得る。
【００３０】
本明細書中に記載される例示的なマニピュレータアセンブリの多くは、エンドエフェクタを手術部位内に位置決め及び動かすために必要とされるよりも多くの自由度を有する。例えば、低侵襲開口部を介して内部手術部位において６自由度で位置決めされることができ、いくつかの実施形態では、９つの自由度（６エンドエフェクタ自由度−位置について３つ、配向について３つ−アクセス部位拘束条件に適合するようにさらに３つの自由度）を有する手術用エンドエフェクタは、大抵、１０以上の自由度を有する。与えられたエンドエフェクタ位置のために必要とされるよりも多くの自由度を有する高度に設定可能なマニピュレータアセンブリは、作業空間内においてエンドエフェクタ位置のための関節状態の範囲を可能にするための十分な自由度を有する又は提供するものとして記載されることができる。例えば、与えられたエンドエフェクタ位置に関して、マニピュレータアセンブリは、代替マニピュレータリンク機構位置の範囲のいずれかを占め（且つその間に駆動され）得る。同様に、与えられたエンドエフェクタ速度ベクトルに関して、マニピュレータアセンブリは、ヤコビアンのゼロ空間内のマニピュレータアセンブリの様々な関節に対する異なる関節運動速度の範囲を有し得る。
【００３１】
本発明は、広い可動域が望まれ、限られた専用容積が、他のロボットリンク機構、手術従事者及び機器等の存在のために、利用可能である、外科（及びその他の）用途に特に適したロボットリンク機構構造を提供する。各ロボットリンク機構に必要とされる大きな可動域及び減少した容積はまた、ロボット支持構造の位置と手術又は他の作業空間との間により大きな柔軟性も提供することができ、それによって、セットアップを容易にし且つ高速化する。
【００３２】
用語、関節等の「状態」は、大抵、本明細書において、関節に関連付けられる制御変数を指す。例えば、角度関節の状態は、その動作範囲内のその関節によって規定される角度、及び／又は関節の角速度を指すことができる。同様に、軸方向又は直動関節の状態は、関節の軸方向位置、及び／又はその軸方向速度を指すことができる。本明細書中に記載されるコントローラの多くは、速度コントローラを含むが、それらはまた、大抵、いくつかの位置制御の態様も有する。代替実施形態は、位置コントローラ、加速度コントローラ等に主に又は完全に依拠し得る。そのような装置で使用されることができる制御システムの多くの態様が、米国特許第６，６９９，１７７号に記載されており、この文献の全開示は、参照により本明細書に援用される。したがって、記載される運動が、関連する計算に基づく限り、本明細書に記載される関節の運動及びエンドエフェクタの運動の計算は、位置制御アルゴリズム、速度制御アルゴリズム、これらの両方の組み合わせ等を使用して行なわれ得る。
【００３３】
多くの実施形態では、例示的なマニピュレータアームのツールは、低侵襲開口部に隣接する枢動点の周りを枢動する。いくつかの実施形態では、システムは、米国特許第６，７８６，８９６号に記載され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することができ、この文献の全内容は、全体が本明細書に援用される。こ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点の周りを枢動するようにリンク機構の運動を拘束する二重平行四辺形リンク機構を利用し得る。代替の機械的に拘束された遠隔中心リンク機構システムは、知られており、及び／又は将来開発され得る。驚くべきことに、本発明の様々な態様に関連する研究は、遠隔中心リンク機構システムが、高度に設定可能な運動学的なアーキテクチャから利益を得ることができることを示す。特に、手術用ロボットシステムが、低侵襲手術アクセス部位において又はその付近で交差する２つの軸の回りの枢動運動を可能にするリンク機構を有するとき、球状の枢動運動は、患者内の所望の動作範囲の全範囲を包含し得るが、依然として回避可能な欠点（不十分に条件付けされ、アームとアームとの間又はアームと患者との間で受けやすい患者の外部の接触等）に悩まされ得る。まず、アクセス部位での又はその付近の枢動運動に機械的にも拘束される１又は複数の付加的な自由度を追加することは、動作範囲のいくつか又はいずれかの改良を提供するように思えるかもしれない。それにもかかわらず、そのような関節は、他の外科手術のための動作範囲をさらに拡張することによって等、システム全体が、衝突防止姿勢に構成される又は衝突防止姿勢に向けて駆動されることを可能にすることによって、重要な利点を提供することができる。他の実施形態では、システムは、米国特許第８，００４，２２９号に記載されるような遠隔中心を実現するためにソフトウェアを利用することができ、この文献の全体の内容は、参照により本明細書に援用される。ソフトウェア遠隔中心を有するシステムでは、機械的な拘束条件とは対照的に、プロセッサは、決定された枢動点周りに器具シャフトの中間部分を枢動させるように、関節の運動を計算する。ソフトウェア枢動点を計算する能力を有することによって、システムのコンプライアンス又は剛性によって特徴付けられる異なるモードが、選択的に実装されることができる。より具体的には、枢動点／中心（例えば、可動枢動点、受動枢動点、固定／剛性枢動点、ソフト枢動点）の範囲に亘る異なるシステムモードが、必要に応じて実装されることができる。
【００３４】
多数の高度に設定可能なマニピュレータを有するロボット手術システムの多くの利点にも拘わらず、マニピュレータが、ベースと器具との間に比較的多数の関節及びリンクを含むので、リンクの手動位置決めは、挑戦的且つ複雑になり得る。マニピュレータ構造が、重力の影響を避けるためにバランスを取られているときでさえ、関節のそれぞれを適切な配置に位置合せすること又は要望通りにマニピュレータを再配置することを試みることは、難しく、時間がかかり、かなりのトレーニング及び／又は技能を必要とし得る。マニピュレータのリンクが関節の周りにバランスを取られていないとき、この挑戦はさらに大きくなり得るので、手術前又は手術中にこのような高度に設定可能な構造を適切な形態に位置決めすることは、マニピュレータアーム長さ並びに多くの手術システムにおける受動的且つ柔軟な設計に起因して苦闘になり得る。
【００３５】
これらの課題は、任意選択で、手術中のエンドエフェクタの運動中でさえ、所望のエンドエフェクタ状態を維持しながら、医師助手のようなユーザがマニピュレータアームを迅速かつ容易に再配置することを可能にすることによって、対処されることができる。１又は複数の付加的な関節が、この能力を高めるようにマニピュレータアームの動作及び形態の範囲を増やすためにマニピュレータアームに含まれ得る。付加的な関節を提供することは、幾つかのタスクに対して増加した動作範囲を提供し得るが、マニピュレータアームの多数の冗長関節は、運動が予測不能に見える又は全体の運動の量が様々な他の臨床上の懸念を引き起こすように、他のタスクに対してアームの様々な運動を過度に複雑にし得る。
【００３６】
幾つかの実施形態では、自律アルゴリズムに基づく回避運動のような、様々な他のタスクに関連する計算された運動は、１又は複数の関節が、必要に応じて、様々な他のタスクを生じさせるために動かされ得るように、追従運動に重なり得る。このような回避運動の例は、“Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ａｒｍ−ｔｏ−Ｐａｔｉｅｎｔ  Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  Ａｖｏｉｄａｎｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｎｕｌｌ−Ｓｐａｃｅ”と題する、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７５５号、及び“Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ａｖｏｉｄｉｎｇ  Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ａｒｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｎｕｌｌ−Ｓｐａｃｅ”と題する、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７７３号に記載され、これらの開示はそれらの全体が参照により本明細書に援用される。しかし、１又は複数の関節の追従運動に重なる計算された運動は、自律運動に限定されるものではなく、指令再配置運動又は様々な他の運動のような、様々な他の運動を含み得る。
【００３７】
本発明の実施形態は、マニピュレータ構造の自由度を利用するように構成されるユーザ入力部を含み得る。マニピュレータを手動で再配置するのではなく、入力部は、ユーザによる再配置指令の入力に応じて、マニピュレータ構造を再配置するように、運動学的リンク機構の被動関節の使用を容易にする。多くの実施形態では、再配置指令を受信するためのユーザ入力部は、マニピュレータアームに組み込まれる及び／又はマニピュレータアームの近くに配置される。他の実施形態では、入力部は、患者側カートのボタンの集団又はジョイスティックのような、１又は複数の関節の再配置を容易にするための集中入力装置を有する。典型的には、再配置指令を受信するための入力装置は、エンドエフェクタの運動を生じさせるように操作指令を受信するための入力部から離れている。手術システムのコントローラは、コントローラが再配置指令の入力に応じて所望の再配置を生じさせることを可能にするように、プロセッサがそこに記録された関節を駆動するための適切な関節指令を引き出すことを可能にするそこに記録された関節コントローラプログラミング命令又はコードを有する可読メモリを持つプロセッサを含み得る。しかし、本発明は、再配置機能を持つ又は再配置機能の無いマニピュレータアームで使用され得ることが、理解される。
【００３８】
以下の説明では、本発明の様々な実施形態が説明される。説明目的のために、特定の構成及び詳細が、実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかし、本発明を特定の詳細なしに実施され得ることが当業者には明らかであろう。さらに、良く知られた特徴は、説明される実施形態を不明瞭にしないために、省略又は簡略化され得る。
【００３９】
ここで図面を参照すると、同様の参照符号は、いくつかの図面を通じて同様の部品を表し、図１Ａは、手術台１４の上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際に使用するための、多くの実施形態に従う、低侵襲ロボット手術（ＭＩＲＳ）システム１０の上面図である。このシステムは、手術中に外科医１８による使用のための外科医側コンソール１６を含むことができる。１又は複数の助手２０もまた、手術に参加することができる。ＭＩＲＳシステム１０はさらに、患者側カート２２（手術用ロボット）と電子機器カート２４を含むことができる。患者側カート２２は、外科医１８がコンソール１６を通じて手術部位を視認しながら、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（以下、単に「ツール」という）を、低侵襲切開部を通して患者１２の体内で操作することができる。手術部位の画像は、立体内視鏡のような、内視鏡２８によって得ることができ、この内視鏡は、内視鏡２８を配向させるように、患者側カート２２によって操作されることができる。電子機器カート２４は、外科医側コンソール１６を通じた外科医１８への後続の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ることができる。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、及び特に手術室内の空間的制約に依存するであろう。手術中に使用される１又は複数のツール２６を変更する必要がある場合、助手２０は、患者側カート２２からツール２６を取り外し、それを手術室内のトレイ３０から別のツール２６と交換し得る。
【００４０】
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を示す概略的に示す。上述のように、（図１Ａの外科医側コンソール１６のような）外科医側コンソール５２は、（図１Ａの患者側カート２２のような）患者側カート（手術ロボット）５４を制御するために、低侵襲手術中に外科医によって使用されることができる。患者側カート５４は、手術部位の画像をキャプチャし且つキャプチャした画像を（図１Ａの電子機器カート２４のような）電子機器カート５６に出力するために、立体内視鏡ような、撮像装置を使用することができる。上述のように、電子機器カート５６は、任意の後続の表示の前に、キャプチャした画像を様々な方法で処理することができる。例えば、電子機器カート５６は、合成画像を外科医側コンソール５２を介して外科医に表示する前に、キャプチャした画像を仮想制御インターフェイスに重ねる（オーバーレイする）ことができる。患者側カート５４は、電子機器カート５６の外部で処理するためにキャプチャした画像を出力することができる。例えば、患者側カート５４は、キャプチャした画像をプロセッサ５８に出力することができ、このプロセッサはキャプチャした画像を処理するために使用されることができる。画像はまた、電子機器カート５６及びプロセッサ５８の組み合わせによっても処理されることができ、この電子機器カート５６及びプロセッサ５８は、キャプチャした画像を一緒に、順番に、及び／又はこれらの組み合わせで処理するように、共に結合されることができる。１又は複数の別個のディスプレイ６０もまた、手術部位の画像のような画像の、又は他の関連画像の局所的及び／又は遠隔表示のために、プロセッサ５８及び／又は電子機器カート５６に結合されることができる。
【００４１】
図２は、外科医側コンソール１６の斜視図である。外科医側コンソール１６は、奥行き知覚を可能にする手術部位の調整された立体視を外科医１８に表示するための左眼用ディスプレイ３２と右眼用ディスプレイ３４とを含む。コンソール１６はさらに、１又は複数の入力制御装置３６を含み、この入力制御装置は、（図１Ａに示される）患者側カート２２に１又は複数のツールを操作させる。入力制御装置３６は、外科医にテレプレゼンスを、又は外科医がツール２６を直接的に制御するための強く認識できる感覚を有するように、入力制御装置３６がツール２６と一体であるという知覚を提供するように、（図１Ａに示される）それらに関連付けられるツール２６と同じ自由度を提供することができる。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）が、位置、力、及び触覚感覚を、ツール２６から入力制御装置３６を介して外科医の手に戻って送信するために用いられ得る。
【００４２】
外科医側コンソール１６は、通常、外科医が手術を直接的に監視し得るように、必要に応じて物理的に存在するように、そして電話又は他の通信媒体を介して話すのではなく、助手に直接的に話すように、患者と同じ部屋に位置している。しかし、外科医は、別の部屋、完全に異なる建物、又は遠隔外科手術を許可している患者から遠隔の他の場所に位置することができる。
【００４３】
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は、内視鏡２８と結合されることができ、外科医側コンソール上で外科医に、又は局所的に及び／又は遠隔に位置する別の適切なディスプレイ上でのような、後続の表示のためにキャプチャした画像を処理するためのプロセッサを含むことができる。例えば、立体内視鏡が使用される場合、電子機器カート２４は、手術部位の調整された立体画像を外科医に提示するように、キャプチャした画像を処理することができる。このような調整は、対向する画像同士間の位置合わせを含むことができ、且つ立体内視鏡の立体作動距離を調節することを含むことができる。別の例として、画像処理は、光学収差のような、画像取込装置の結像誤差を補償するように、以前に決定されたカメラ較正パラメータの使用を含むことができる。
【００４４】
図４は、複数のマニピュレータアームを有する患者側カート２２を示し、各アームは、手術器具又はツール２６をマニピュレータアームの遠位端部で支持する。示される患者側カート２２は、手術ツール２６、又は手術部位の画像をキャプチャするために使用される立体内視鏡のような撮像装置２８のいずれかを支持するために使用されることができる、４つのマニピュレータアーム１００を含む。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によって提供される。撮像装置２８及び手術ツール２６は、運動学的遠隔中心が切開部の大きさを最小にするよう切開部に維持されるように、患者の切開部を介して位置決めされ且つ操作されることができる。手術部位の画像は、手術器具又はツール２６が撮像装置２８の視野内に配置されるとき、手術器具又はツール２６の遠位端部の画像を含むことができる。
【００４５】
手術ツール２６に関して、種々の代替のロボット手術ツール又は異なる種類の器具及び様々なエンドエフェクタが、外科手術中に取り外され、置き換えられるマニピュレータの少なくともいくつかの器具に使用することができる。ＤｅＢａｋｅｙ鉗子、マイクロピンセット、ポッツはさみ、及びクリップアプライヤを含む、これらのエンドエフェクタのいくつかは、エンドエフェクタ顎部のペアを規定するように、互いに対して枢動する第１及び第２のエンドエフェクタ要素を含む。メス及び電気焼灼プローブを含む他のエンドエフェクタは、単一のエンドエフェクタ要素を有する。エンドエフェクタ顎部を有する器具に関して、顎部は大抵、ハンドルの把持部材を絞ることによって作動される。単一のエンドエフェクタ器具もまた、例えば電気焼灼プローブにエネルギを与えるために、把持部材の把持によって作動され得る。
【００４６】
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部が、低侵襲開口部を介して、大抵、腹壁等を介して手術作業部位に遠位に挿入されることを可能にする。手術作業部位はガス注入されることができ、患者内のエンドエフェクタの運動は、大抵、シャフトが低侵襲開口部を通過する位置の周りに器具２６を枢動させることによって、少なくとも部分的に生み出される。換言すれば、マニピュレータ１００は、エンドエフェクタの所望の動きを提供するのに役立つように、シャフトが低侵襲開口部位置を通って延びるように、器具の近位ハウジングを患者の外部で動かす。こうして、マニピュレータ１００は、大抵、外科手術中、患者Ｐの外側で大きな動きを受ける。
【００４７】
本発明の多くの実施形態による例示的なマニピュレータアームは、図５Ａ−１３Ｃを参照して理解することができる。上述のように、マニピュレータアームは、一般的に、遠位器具又は手術ツールを支持し、ベースに対する器具の動きをもたらす。異なるエンドエフェクタを有する多数の異なる器具が、（典型的には、外科助手の助けを借りて）外科手術中に、各マニピュレータに順番に取り付けられるので、遠位器具ホルダは、好ましくは、取り付けられた器具又はツールの迅速な取り外し及び交換を可能にする。図４を参照して理解することができるように、マニピュレータは、患者側カートのベースに対して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機構及び関連する関節を含む。一態様では、例示的なマニピュレータは、マニピュレータアームの関節が与えられたエンドエフェクタ位置について異なる形態の範囲に駆動されることができるように、冗長自由度を有する複数の関節を含む。これは、本明細書に開示されたマニピュレータアームの実施形態のいずれの場合でも適用され得る。
【００４８】
図５Ａに示されるような、多くの実施形態では、例示的なマニピュレータアームは、関節のマニピュレータアームの遠位部を関節軸線の回りに回転させるように、第１関節軸線の回りに回転する近位回転関節Ｊ１を含む。いくつかの実施形態では、回転関節Ｊ１は、ベースに直接取り付けられるが、他の実施形態では、関節Ｊ１は、１又は複数の可動リンク機構又は関節に取り付けられ得る。マニピュレータの関節は、組み合わされて、マニピュレータアームの関節が、与えられたエンドエフェクタ位置について異なる形態の範囲内で駆動されることができるように、冗長自由度を有する。例えば、図５Ａ−図５Ｄのマニピュレータアームは、異なる形態で操作され得る一方、器具ホルダ５１０内に支持された（ツール５１２又は器具シャフトが貫通するカニューレのような）遠位部材５１１は、特定の状態を維持し且つエンドエフェクタの与えられた位置又は速度を含み得る。遠位部材５１１は、典型的には、ツールシャフト５１２が通って延びるカニューレであり、器具ホルダ５０１は、典型的には、カニューレを通って患者の体内に低侵襲開口部を通って延びる前に器具が付く（スパー上を並進する煉瓦状構造として示される）キャリッジである。
【００４９】
図５Ａ−図５Ｄのマニピュレータアーム５００の個々のリンクを、図５Ａ−図５Ｄに示されるようにリンクを接続する関節の回転軸に沿って説明すると、第１リンク５０４は、その関節軸の回りを枢動する回転関節Ｊ２から遠位に延び、その関節軸の回りを回転する回転関節Ｊ１に結合される。図５Ａに示されるように、関節の残りの多くは、それらの関連付けられる回転軸によって識別されることができる。例えば、示されるように、第１リンク５０４の遠位端部は、その枢動軸の回りを枢動する枢動関節Ｊ３で第２リンク５０６の近位端部に結合され、第３リンク５０８の近位端部は、その軸線の回りを枢動する枢動関節Ｊ４で第２リンク５０６の遠位端部に結合される。第３リンク５０８の遠位端部は、枢動関節Ｊ５で器具ホルダ５１０に結合される。典型的には、関節Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、及びＪ５のそれぞれの枢動軸は、実質的に平行であり、且つ図５Ｄに示されるように、互いに隣接して位置決めされたときに、リンク機構は、マニピュレータアームの減少幅ｗを提供するとともにマニピュレータアセンブリの操縦中の患者クリアランスを向上させるように、「積み重ねられた（ｓｔａｃｋｅｄ）」ように見える。多くの実施形態では、器具ホルダはまた、低侵襲開口部を通る器具３０６の軸方向運動を容易にするとともに、器具が摺動自在に挿通されるカニューレに対して器具ホルダの取り付けを容易にする直動関節Ｊ６のような、追加の関節を含む。
【００５０】
遠位部材又はそこを通ってツール５１２が延びるカニューレ５１１は、器具ホルダ５１０の遠位側に追加の自由度を含み得る。器具の自由度の作動は、大抵、マニピュレータのモータで駆動され、代替実施形態は、クイック取り外し可能器具ホルダ／器具インターフェイスにおいて、器具を、支持マニピュレータ構造から分離することができ、それによって、器具上に存在するものとしてここで示される１又は複数の関節が、代わりに、インターフェイス上に存在し、またその逆になる。いくつかの実施形態では、カニューレ５１１は、ツール先端の挿入ポイント又は枢動ポイントＰＰの近く又は近位の回転関節Ｊ８を含み、このツール先端の挿入ポイント又は枢動ポイントは、一般的に低侵襲開口部に配置される。器具の遠位手首は、器具手首における１又は複数の関節の器具関節軸周りの手術器具５１２のエンドエフェクタの枢動運動を可能にする。エンドエフェクタ顎部要素の間の角度は、エンドエフェクタの位置及び配向とは独立して制御され得る。
【００５１】
例示的なマニピュレータアセンブリの動作範囲は、図６Ａ−６Ｃを参照することによって理解することができる。手術中、例示的なマニピュレータアームは、手術作業部位内の特定の患者組織にアクセスすることが必要なとき、図６Ａに示されるように、ピッチフォワード形態に、又は図６Ｂに示されるように、ピッチバック形態に操作されることができる。典型的なマニピュレータアセンブリは、少なくとも±６０度で、好ましくは約±７５度で前方及び後方にピッチ動作することができ、且つまた±８０度でヨー動作することができるエンドエフェクタを含む。この態様は、アセンブリでエンドエフェクタの増大した操作性を可能にするが、特に、マニピュレータアームが図６Ａ及び６Ｂに示されるように、最大のピッチフォワード又は最大のピッチバック形態にあるとき、エンドエフェクタの運動が制限され得る形態があり得る。１つの実施形態では、マニピュレータアームは、外側ピッチに関して（＋／−７５度）の、及び外側ヨー関節に関して（＋／−３００度）の動作範囲（ＲＯＭ）をそれぞれ有する。幾つかの実施形態では、ＲＯＭは、（＋／−９０度）より大きいＲＯＭを提供するように外側ピッチに関して増大されることができ、この場合、「沈黙円錐（ｃｏｎｅ  ｏｆ  ｓｉｌｅｎｃｅ）」は完全に消されることができるが、概して挿入制限に関連付けられる内球はそのままである。様々な実施形態はＲＯＭを増大又は減少させるように構成されることができ、上述のＲＯＭは説明目的で提供され、さらに、本発明は本明細書に記載されるＲＯＭに限定されるものではないことが理解される。
【００５２】
図６Ｃは、図５Ａ−５Ｂの例示的なマニピュレータのツール先端の全動作範囲及び作業空間を図式的に示す。作業空間は半球として示されているが、関節Ｊ１のような、マニピュレータの１又は複数の回転関節の動作及び構成に依存して球としても示され得る。示されるように、図６Ｃの半球は、中心の、球状の空隙並びに２つの円錐状の空隙を含む。空隙は、ツール先端の運動が、機械的な制約のために不可能又は、エンドエフェクタの運動を難しく若しくは遅くする過度に高い関節速度のために、実行不可能であり得る領域を示す。これらの理由のために、円錐状の空隙は、「沈黙円錐（ｃｏｎｅ  ｏｆ  ｓｉｌｅｎｃｅ）」と称される。幾つかの実施形態では、マニピュレータアームは、円錐内のあるポイントで特異点に到達し得る。沈黙円錐内又は沈黙円錐近くでのマニピュレータの運動は損なわれ得るので、マニピュレータのリンク機構及び関節を再配置するためにマニピュレータの１又は複数のリンクを手動で動かすことなしに、マニピュレータアームを沈黙円錐から離すことは難しく、この手動で動かすことは大抵、代替動作モードを必要とし且つ手術を遅らせる。
【００５３】
これらの円錐部分への又はこれらの円錐部分の近くの器具シャフトの運動は、典型的には、マニピュレータの遠位リンク機構の間の角度が比較的小さいときに、発生する。このような形態は、（リンク機構が互いに対してより直交位置に動かされるように）リンク機構の間の角度を増加させるためにマニピュレータを再配置することによって回避されることができる。例えば、図６Ａ及び６Ｂに示された形態では、最遠位リンクと器具ホルダとの間の角度（角度ａ）が比較的小さくなるとき、マニピュレータの運動はより困難になり得る。様々な実施形態の残りの関節における関節運動の範囲に依存して、あるリンク機構の間の角度が減少するとき、マニピュレータの運動は、妨げられる場合があり、幾つかの場合には、マニピュレータアームはもはや冗長ではなくなり得る。器具シャフトがこれらの円錐状部分に近づく、又はリンク機構間の角度が比較的低いマニピュレータ形態は、マニピュレータアームの操作性及び器用さが制限されるように「不完全な状態」にあると言われる。器用さ及び運動範囲を維持するようにマニピュレータが「良い状態」にあることが望ましい。１つの態様では、本発明は、ユーザが、手術におけるエンドエフェクタの運動中でさえ、要望通りにマニピュレータを再配置するための指令を単に入力することによって、上述の円錐部分近くの器具シャフトの運動を避けることを可能にする。この態様は、マニピュレータが、何らかの理由で、「不完全な状態」になる場合に、特に有益である。
【００５４】
上述のマニピュレータの実施形態は本発明に利用され得るが、幾つかの実施形態は、追加の関節を含むことができ、この追加の関節はまた、マニピュレータアームの器用さ及び調整を改良するために使用され得る。例えば、例示的なマニピュレータは、図５Ａのマニピュレータアームを回転させるために使用されることができる関節Ｊ１の近位の回転関節及び／又はリンク機構、及び沈黙円錐を減少又は排除するために回転関節の軸周りの、それに関連付けられる沈黙円錐を含み得る。他の実施形態では、例示的なマニピュレータはまた、器具ホルダを関節Ｊ５と実質的に直交する軸周りに枢動させる遠位枢動関節を含むことができ、それによって、沈黙円錐をさらに減少させ且つ手術ツールの運動範囲を向上させるようにツール先端をオフセットする。さらに他の実施形態では、Ｊ１のような、マニピュレータアームの近位関節は、必要に応じて沈黙円錐を動かす又は位置を変える且つマニピュレータツール先端の運動範囲を向上させるように、ベースに移動可能に取り付けられ得る。このような追加の関節の使用及び利点は、図７Ａ−１３Ｃを参照することによって理解されることができ、これらの図はこのような関節の例を示し、このような関節は、それぞれ、本明細書に記載される例示的なマニピュレータアームのいずれかの中で、互いに独立して使用される又は組み合わせて使用され得る。
【００５５】
図７Ａ−７Ｂは、例示的なマニピュレータアームでの使用のための追加の冗長関節−マニピュレータアームの近位部分をベースに結合する第１の関節を示す。第１の関節は、マニピュレータアームを関節Ｊ１’の関節軸周りに回転させる近位回転関節Ｊ１’である。近位回転関節Ｊ１’は、関節Ｊ１を近位回転関節Ｊ１’から所定の距離又は角度だけオフセットするリンク５０１を含む。リンク５０１は、図７Ａに示されるように、湾曲リンク機構、又は図７Ｂに示されるように、直線又は傾斜リンク機構であることができる。典型的には、関節Ｊ１’の関節軸は、図７Ａのそれぞれに示されるように、遠隔中心ＲＣ又はツール先端の挿入ポイントと位置合わせされる。例示的な実施形態では、関節Ｊ１’の関節軸は、体壁での運動を防ぐために、マニピュレータアームのそれぞれの他の回転関節がするように、遠隔中心を通過し、したがって、手術中に動かされることができる。関節Ｊ１’の軸は、アームの近位部分に結合されるので、アームの後部の位置及び配向を変更するために使用されることができる。一般的に、これのような、冗長軸は、器具先端が、外科医の指令に従うことを可能にする一方同時に他のアーム又は患者の解剖学的構造との衝突を回避する。１つの態様では、近位回転関節Ｊ１’は、単にフロアに対するマニピュレータの取付角度を変更するために使用される。この角度は、１）外部の患者の解剖学的構造との衝突を回避し且つ２）体内の解剖学的構造に到達するために、重要である。典型的には、近位回転関節Ｊ１’に取付けられたマニピュレータの近位リンクと近位回転の軸との間の角度ａは約１５度である。
【００５６】
図７Ｂは、近位回転関節Ｊ１’とその関連付けられる関節軸と例示的なマニピュレータアームの沈黙円錐との関係を示す。近位回転関節Ｊ１’の関節軸は、沈黙円錐を通過し得る又は沈黙円錐の完全に外側にあり得る。近位回転関節Ｊ１’の軸周りにマニピュレータアームを回転させることによって、沈黙円錐は（関節Ｊ１’軸が沈黙円錐を通過する実施形態において）減らされることができる、又は（近位回転関節軸が沈黙円錐の完全に外側に延びる実施形態において）有効に除去されることができる。リンク５０１の距離及び角度は、沈黙円錐に対する関節Ｊ１’軸の位置を決定する。
【００５７】
図８Ａ−８Ｂは、例示的なマニピュレータアームでの使用のための他の種類の冗長関節を示し、遠位回転関節Ｊ７は、器具ホルダ５１０をマニピュレータアーム５０８の遠位リンクに結合する。遠位回転関節Ｊ７は、システムが、関節軸周りに器具ホルダ５１０を横方向に枢動させる又はねじることを可能にし、この関節軸は、典型的には、遠隔中心又は切開点を通過する。理想的には、回転関節はアームの遠位に位置し、したがって、特に、挿入軸の配向を動かすことによく適合している。この冗長軸の追加は、マニピュレータが、任意の１つの器具先端位置に対しても多数の位置を取ることを可能にする。一般的に、これのような冗長軸は、器具先端が、外科医の指令に従うことを可能にする一方同時に他のアーム又は患者の解剖学的構造との衝突を回避する。遠位回転関節Ｊ７は挿入軸をヨー軸の近くに動かす能力を有するので、マニピュレータアームがピッチバック位置にあるとき動作範囲を増加させることができる。遠位回転関節Ｊ７の軸、Ｊ１のヨー軸及びツール先端の挿入軸の間の関係は図９に示される。図１０Ａ−１０Ｃは、関節Ｊ７の連続的な運動及びどのように関節Ｊ７の運動がツール先端の挿入軸を左右に移動させるかを示す。
【００５８】
ここで図９Ａを参照すると、他の代替マニピュレータアセンブリ５２０は、手術ツール５２４を取り外し可能に支持するためのマニピュレータリンク機構アーム５２２を含む。クラッチ入力部５１６が、手術中にアクセス部位５１４に隣接して配置されることになるマニピュレータのリンク５１８と関わる手によって作動されることができる入力ボタンを有する。これは、手が、入力部を作動させること及び手術のための適切な位置にマニピュレータを操作するのを助けることの両方を可能にする。幾つかの実施形態では、追加のクラッチ入力部が、クラッチ入力部が配置されたリンクの手動関節運動を可能にするために様々な他のリンクに取付けられ得る。多くの実施形態では、クラッチ入力部５１６があるリンク５１８は取り外し可能ツールのシャフトに軸方向挿入関節によって結合される。幾つかの実施形態では、クラッチ入力部５１６を作動させる手は、他の手からの援助なしにクラッチモードにおいてマニピュレータを再配置することができ得る。他の実施形態では、マニピュレータの再配置は、特に、リンクを所望の軸方向挿入角度に再配向するとき、ユーザの位置を、クラッチ入力部５１６に隣接するマニピュレータリンク５１８の第１の手、及びクラッチ入力部からある距離離れている第２の手の両方にすることによって、容易にされ得る。クラッチ入力部５１６が手によって作動される間、システムプロセッサは、リンク５１８の手動運動に応じて、マニピュレータ５２０の関節を駆動する。
【００５９】
掴まれた（ｃｌｕｔｃｈｅｄ）スレーブマニピュレータリンク機構の自由度が１又は複数の関節自由度と一致する場合（すなわち、幾つかの関節がロックされ且つ幾つかの関節がクラッチモードにおいて自由に動くことができる場合）、掴むこと（ｃｌｕｔｃｈｉｎｇ）は直接であり、人は単純に自由に動くことが出来るこれらの関節に対するコントローラを切る。しかし、独立した方法で関節を掴むことは大抵有利であり、この場合、１つの関節の運動は、それらが１つの自由度として一緒に手動で関節運動されることができるように、少なくとも１つの他の関節の運動にコントローラによってリンクされる。これは、ロボットマニピュレータアセンブリの少なくとも１つの関節を、少なくとも１つの他の関節の外部関節運動に応じて、駆動することによって達成され得る。コントローラは、大抵、機械的システムの任意の自由度とは異なるこの運動を、任意選択で、幾つか又は全ての他の機械的な自由度がロックされたままである間に、オペレータが操作し得る１つの自由度として扱われることができる速度（ｒａｔｅｓ）の任意の所望の任意の線形結合を定めることによって、生じさせることができる。この一般概念は、ポートクラッチング、器具クラッチング、エルボクラッチング（中間エルボが、例えば、エンドエフェクタにおける運動が妨げられたまま、上に配向された頂点形態から横に配向された頂点形態の周りまで、動くことを可能にされる）、及び他のクラッチングモードを含む。
【００６０】
ここで図９Ａ及び９Ｂを参照すると、マニピュレータアセンブリ５０２は、様々な異なる理由のいずれかのためにプロセッサによって再配置され得る。例えば、関節５２６は、隣接するアーム、機器、又は人との衝突を防ぐために；エンドエフェクタ５０８の動作範囲を増やすために；患者が呼吸している等のような患者の生理学上の運動に応じて；手術台を再配向することによってのような、患者の再位置決めに応じて；等、下方に配向された頂点形態から上方に配向された頂点形態に駆動され得る。マニピュレータアセンブリの形態のこれらの変化の、全てではないが、幾つかは、マニピュレータアセンブリに加えられた外部の力に応答することができ、大抵、プロセッサは、外部の力によって作用されているものとは異なるマニピュレータの関節を駆動する。他の場合には、プロセッサは、プロセッサによって実行される計算に応じて、マニピュレータアセンブリを再配置する。何れの場合でも、プロセッサは、好ましいマニピュレータアセンブリ形態を提供するように信号に応じてマニピュレータアセンブリを駆動するために、単純なマスタスレーブコントローラから変わり得る。このようなマニピュレータアセンブリの形態は、マスタスレーブエンドエフェクタ運動の間に、マニピュレータアセンブリの手動又は他の再位置決めの間に、及び／又はクラッチ入力部を解放した後のような、別の時間の少なくとも一部で、発生し得る。
【００６１】
幾つかの実施形態では、アームの運動は、指令エンドエフェクタ操作モードのような、第１のモードにおける所望の経路に沿った運動を生じさせるために拘束条件に従って計算され得る一方、クラッチモードにのときのアームの運動は同様に拘束されない。マニピュレータアームの位置がクラッチモードにおいて再配置された後、システムは、マニピュレータアームの再配置された位置に対する拘束条件に関連付けられる所望の経路に変換又は変更するように、拘束条件を修正し得る。例えば、拘束条件は、その再配置された場所でのマニピュレータアームのその後の運動が、運動の変更された経路に向かって又は同経路に沿って動くように、再配置されたマニピュレータアームの最も近いポイントに所望の経路を動かすように修正され得る。
【００６２】
他の態様では、本明細書に記載されたシステムのいずれも、１又は複数の関節を駆動するように且つマニピュレータアームの１又は複数の関節を様々な理由のために所望の再配置を生じさせるようゼロ空間内に再配置するように、ユーザ入力装置を利用し得る。上述のように指令再配置のためのユーザ入力部又はクラッチモードの一方又は両方を有する実施形態では、システムは、指令操作運動を生じさせるために運動中に上述の拘束条件を利用し得るとともに、再配置運動中又はクラッチモードの間、拘束条件の適用を中断し得る。再配置運動が完了する又はマニピュレータアームがクラッチモードから切り替えられるとき、システムは、マニピュレータアームの再配置された位置にしたがって、位置ベースの拘束条件を修正し得る。他の実施形態では、拘束条件は、デカルト座標空間内の最も近い経路に関連付けられる拘束条件が選択されることができるように、運動の複数の位置経路を定め得る。これらの態様は、システムが、駆動された再配置又はクラッチモードの間の手動再配置による、再配置された後のマニピュレータアームの１又は複数の関節の所望の運動を提供することを可能にする。
【００６３】
遠位回転関節Ｊ７の１つの利点は、それが患者クリアランス円錐を減少させ得ることであり、この患者クリアランス円錐は、患者と器具ホルダ又はマニピュレータアームの遠位リンク機構との間の衝突を回避するように患者を除去しなければならない切開ポイントの近位のマニピュレータアームの遠位部分の掃引容積（ｓｗｅｐｔ  ｖｏｌｕｍｅ）である。図１１Ａは、遠位回転関節の角度変位が０°のままである間のマニピュレータアームの近位部分の患者クリアランス円錐を示す。図１１Ｂは、遠位回転関節がその軸周りに９０°の角度変位を有して示される間のマニピュレータアームの近位部分の減少した患者クリアランス円錐を示す。したがって、切開ポイントの近くに最少の患者クリアランスを有する手術では、本発明による関節Ｊ７の使用は、遠隔中心位置又は要望通りのエンドエフェクタ位置を維持しながら追加のクリアランスを提供し得る。
【００６４】
図１２Ａ−１２Ｃは、例示的なマニピュレータアーム、軸周りにマニピュレータアームを並進又は回転させる近位関節と共に使用するための他の種類の冗長関節を示す。多くの実施形態では、この近位並進移動可能関節は、マニピュレータアームのより良い調整及び改良された操作性を提供するためにマニピュレータアームの動作範囲を変える又は回転させることによって沈黙円錐を減少又は排除するように、関節Ｊ１又はＪ１’のような、マニピュレータの近位関節を経路に沿って並進移動させる。並進移動可能関節は、図１２Ａ−１２Ｄに関節Ｊ１”で示されるように、円形経路を含み得る、又は、図１３Ａ−１３Ｃに示されるように、半円形又はアーチ形経路を含み得る。一般的に、関節は、その周りをカニューレ５１１を通って延びるツール５１２のシャフトが枢動する遠隔中心ＲＣと交差する並進移動可能関節の軸周りにマニピュレータアームを回転させる。図１２Ａ−１２Ｃに示された実施形態では、Ｊ１”の軸は垂直軸であるが、Ｊ１”の軸は水平又は様々な傾斜角度であり得ることが理解される。
【００６５】
例示的な実施形態では、マニピュレータアーム５００は、近位又は遠位回転関節、近位並進移動可能関節及び延期リンク機構の平行四辺形構造のいずれか又は全てを含み得る。これらの特徴のいずれか又は全ての使用は、追加の冗長自由度を提供し、リンク機構の間の角度を増加させ、それによってマニピュレータの器用さ及び運動を向上させることによって、より良く「調整された」マニピュレータアセンブリを提供するように、本発明による再配置を容易にする。この例示的なマニピュレータの増加した柔軟性はまた、関節限界、特異点等を回避するために、マニピュレータリンク機構の運動学を最適化するために使用されることができる。
【００６６】
例示的な実施形態では、マニピュレータの関節運動は、システムのモータを使用してコントローラにより１又は複数の関節を駆動することによって制御され、関節は、コントローラのプロセッサによって計算された、調整された関節運動に従って駆動される。数学的には、コントローラは、ベクトル及び／又は行列を使用して関節指令の計算の少なくとも幾つかを実行することができ、そのうちのいくつかは、関節の形態又は速度に対応する要素を有し得る。プロセッサに利用可能な代替の関節形態の範囲は、関節空間として概念化され得る。例えば、関節空間は、マニピュレータが自由度を有するのと同数の次元を有し得るとともに、マニピュレータの特定の形態は、関節空間内の特定の点を表すことができ、各座標は、マニピュレータの関連付けられる関節の関節状態に対応する。
【００６７】
例示的な実施形態では、システムは、そのデカルト空間として本明細書で示される、作業空間における特徴部の指令位置及び速度が入力であるコントローラを含む。特徴部は、制御入力を使用して関節運動されることになる制御フレームとして使用できるマニピュレータ上の、又はマニピュレータから離れた任意の特徴部であり得る。本明細書に記載される多くの例で使用されるマニピュレータ上の特徴部の例は、ツール先端である。マニピュレータ上の特徴部の他の例は、ツール先端上に存在しないが、ピン又はペイントパターンのようなマニピュレータの一部である物理的な特徴部である。マニピュレータから離れた特徴部の例は、ツール先端から離れる正確な一定の距離及び角度である空き空間の基準点である。マニピュレータから離れた特徴部の別の例は、マニピュレータに対する位置が確立されることができる標的組織である。これら全ての場合において、エンドエフェクタは、制御入力を使用して関節運動されることになる仮想制御フレームに関連付けられる。しかし、以下では、「エンドエフェクタ」と「ツール先端」とは、同義的に使用される。一般的には、所望のデカルト空間のエンドエフェクタ位置を等価の関節空間位置にマッピングする閉じた形の関係はないが、一般的に、デカルト空間のエンドエフェクタと関節空間速度との間に閉じた形の関係がある。運動学的ヤコビアンは、関節空間位置要素に対するエンドエフェクタのデカルト空間位置要素の偏導関数の行列である。このように、運動学的ヤコビアンは、エンドエフェクタと関節との間の運動学的関係を捕える。換言すれば、運動学的ヤコビアンは、エンドエフェクタの関節運動の影響を捕える。運動学的ヤコビアン（Ｊ）は、以下の関係を用いて、関節空間速度（ｄｑ／ｄｔ）をデカルト空間エンドエフェクタ速度（ｄｘ／ｄｔ）にマッピングするために使用されることができる。
【００６８】
ｄｘ／ｄｔ＝Ｊ    ｄｑ／ｄｔ
したがって、入力位置と出力位置との間に閉じた形のマッピングがない場合であっても、速度のマッピングが、指令ユーザ入力からマニピュレータの動きを実現するために、ヤコビアンベースのコントローラ等で、反復的に使用されることができる。しかし、様々な実装を使用することができる。多くの実施形態は、ヤコビアンベースのコントローラを含んでいるが、いくつかの実装は、本明細書で記載した特徴のいずれかを提供するために、マニピュレータアームのヤコビアンにアクセスするように構成され得る様々なコントローラを使用し得る。
【００６９】
そのような実装は、以下の簡略化された用語で記述される。指令関節位置は、ヤコビアン（Ｊ）を計算するために使用される。各時間ステップ（Δｔ）間、デカルト空間速度（ｄｘ／ｄｔ）が、所望の移動（ｄｘｄｅｓ／ｄｔ）を実行するとともに所望のデカルト空間位置からたまった偏差（Δｘ）を補正するように、計算される。こデカルト空間速度は、次に、ヤコビアンの擬似逆行列（Ｊ＃）を用いて、関節空間速度（ｄｑ／ｄｔ）に変換される。得られた関節空間指令速度は、次に、関節空間指令位置（ｑ）を生成するために積分される。これらの関係は次の通りである。
【００７０】
ｄｘ／ｄｔ＝ｄｘｄｅｓ／ｄｔ＋ｋΔｘ      （１）
ｄｑ／ｄｔ＝Ｊ＃ｄｘ／ｄｔ              （２）
ｑｉ＝ｑｉ−１＋ｄｑ／ｄｔΔｔ            （３）
ヤコビアン（Ｊ）の擬似逆行列は、所望のツール先端動作（いくつかの場合では、枢動ツール動作の遠隔中心）を関節速度空間に直接マッピングする。使用されるマニピュレータが、（６までの）ツール先端の自由度より多くの有用な関節軸を有している場合、（そして、ツール動作の遠隔中心が使用されるとき、マニピュレータは、遠隔中心の位置に関連付けられた３つの自由度について追加の３つの関節軸を有する必要がある）、マニピュレータは冗長であると言われる。冗長なマニピュレータのヤコビアンは、少なくとも１つの次元を有する「ゼロ空間」を含む。この文脈において、ヤコビアン（Ｎ（Ｊ））の「ゼロ空間」は、ツール先端動作を瞬時に実現しないような関節速度の空間である（そして、遠隔中心が使用されるとき、枢動点位置の移動がない）。そして「ゼロ動作」は、ツール先端及び／又は遠隔中心の位置の瞬間的な移動も生成しない関節の位置の組み合わせ、軌道、又は経路である。マニピュレータの所望の再配置（本明細書に記載される任意の再配置を含む）を達成するために計算されたゼロ空間速度をマニピュレータの制御システムに組み込む又は注入することは、上記の式（２）を以下のように変形する：
ｄｑ／ｄｔ＝ｄｑｐｒｅｐ／ｄｔ＋ｄｑｎｕｌｌ／ｄｔ              （４）
ｄｑｐｒｅｐ／ｄｔ＝Ｊ＃ｄｘ／ｄｔ                            （５）
ｄｑｎｕｌｌ／ｄｔ＝（１−Ｊ＃Ｊ）ｚ＝ＶｎＶｎＴｚ＝Ｖｎα        （６）
式（４）による関節速度は、２つの成分を有し：第１は、ゼロ直交空間成分、所望のツール先端動作を生成する「純粋な（ｐｕｒｅｓｔ）」関節速度（最短ベクトルの長さ）（そして、遠隔センタが使用されるときに、所望の遠隔センタ動作）であり、第２の成分は、ゼロ空間成分である。式（２）及び式（５）は、ゼロ空間成分なしで、同じ式が得られることを示している。式（６）は、左辺のゼロ空間成分についての従来の形式で始まり、最も右寄りの右辺で、例示的なシステムで用いられる形式を示し、ここで、（Ｖｎ）は、ゼロ空間についての直交基底ベクトルのセットであり、（α）は、それら基底ベクトルをブレンドするための係数である。いくつかの実施形態では、αは、要望通りにゼロ空間内の動作を形成又は制御するために、ノブ又は他の制御手段の使用によってのように、制御パラメータ、変数又は設定によって決定される。
【００７１】
代替的には、幾つかの態様では、ポテンシャル関数勾配を組み込み且つデカルト空間エンドエフェクタ速度に適用される拡張ヤコビアンが使用され得る。ヤコビアンの拡張は、要望通りに関節速度を計算する。ヤコビアンを使用して関節運動を計算することを述べることにおいて、このような計算は拡張ヤコビアンアプローチを含み得ることが理解される。拡張ヤコビアンアプローチにしたがって、以下の式が使用されるが、列ベクトルが使用され得ることが理解される：
ｄｘ／ｄｔ＝Ｊ＊ｄｑ／ｄｔ
ｙ＝ｈ（ｑ）
ｄｙ／ｄｔ＝∂ｈ／∂ｑ＊ｄｑ／ｄｔ
［ｄｘ／ｄｔＴ  ｄｙ／ｄｔＴ］Ｔ＝［ＪＴ  ∂ｈ／∂ｑＴ］Ｔ＊ｄｑ／ｄｔ
ｄ（ｘ；ｙ）／ｄｔ＝［Ｊ；ｈ’］＊ｄｑ／ｄｔ
ｄｑ／ｄｔ＝［Ｊ；ｈ’］＃ｄ（ｘ；ｙ）／ｄｔ
１つの例では、ｙ＝ｈ（ｑ）をポテンシャル場関数の複素ネットワーク（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｎｅｔｗｏｒｋ）に設定する。ｄｙ／ｄｔ＝∂ｈ／∂ｑ＊ｄｑ／ｄｔ。ｄｙ／ｄｔ及び∂ｈ／∂ｑ及びｄｑ／ｄｔは、ポテンシャル場関数に基づいて要望通りに決定されることができ、拡張された式は、エンドエフェクタを駆動すること及び関節空間で経路をたどることの両方の組み合わされた所望の結果を生成する。１つの態様では、拡張ヤコビアンは、ポテンシャル関数勾配を組み込むとともに、デカルト空間エンドエフェクタ速度に適用され、ヤコビアンの拡張は、本明細書に記載された有利な特徴を提供するために、要望通りに関節速度を計算する。
【００７２】
図１３Ａは、ヤコビアンのゼロ空間とヤコビアンのゼロ直交空間との間の関係を図式的に示す。図１４Ａは、水平軸に沿ったゼロ空間と、垂直軸に沿ったゼロ直交空間とを示す二次元の概略図を示し、これら２つの軸は、互いに直交する。斜めのベクトルは、ゼロ空間における速度ベクトルとゼロ直交空間における速度ベクトルの和を表し、この和は、上記の式（４）を表す。図１３Ｂは、ゼロ空間と、「ゼロ動作多様体」として示された４次元の関節空間内のゼロ動作多様体との間の関係を図式的に示す。各矢印（ｑ１、ｑ２、ｑ３、及びｑ４）は、主要な関節軸を表す。閉曲線は、同じエンドエフェクタ位置を瞬時に実現する関節空間位置の集合であるゼロ動作多様体を表す。この曲線上の与えられた点Ａに関して、ゼロ空間は、エンドエフェクタの運動を瞬時に生じさせない関節速度空間であるので、ゼロ空間は、点Ａでのゼロ動作多様体の接線に対して平行である。本明細書に記載されたゼロ空間概念をさらに強調するとともに説明するために、図１３Ｃは、本発明の態様による、カート空間指令に対するゼロ空間クラッチ特徴部の態様を図式的に示す。ゼロクラッチ又はゼロ空間クラッチ特徴部に関して、概念は、感知された関節動作が、関節指令によってできる限り近くに適合されるが、ゼロ空間に沿うだけということである。
【００７３】
図１４Ａは、本発明の１つの態様による、例示的なマニピュレータアセンブリの関節空間の２次元部分空間を図式的に示す。水平及び垂直軸は、独立関節運動を有する２つの関節の運動を示し、マニピュレータアームの器具ホルダのピッチに影響を与える関節の運動（水平軸）対そこを通ってマニピュレータアームの近位部分が延びる面から器具ホルダを横方向に枢動させる遠位回転関節の運動（垂直軸）である。関節経路の最も右の点は、ツール先端の最大前方ピッチを示す一方、経路の最も左の点は、ツール先端の最大後方ピッチを示す。幾つかの実施形態では、マニピュレータアームは、関節Ｊ３、Ｊ４、及びＪ５が、相互に関係する運動で関節Ｊ３、Ｊ４、及びＪ５並びに枢動点ＰＰ（例えば図５Ａ参照）によって形成される平行四辺形を維持するように構成される、平行四辺形リンク機構を使用する。この相互に関係する運動のために、器具シャフトのピッチは、ピッチ関節（例えばＪ３）の状態によって決定され得る。図５Ａの関節Ｊ３のような、ピッチ関節の運動は、ピッチフォワード位置（図６Ａ参照）からピッチバック位置（図６Ｂ参照）まで挿入軸のピッチを変化させる。様々な他の実施形態では、ピッチ関節は、マニピュレータアームの１又は複数の関節を含むことができ、これらの関節の運動は、器具シャフトのピッチを決定する。器具ホルダ５１０及び関連するカニューレ５１１を支持する遠位回転関節Ｊ７（図８Ａ参照）のような、遠位回転関節の運動は、そこを通って関節Ｊ７の近位のマニピュレータの部分が延びる平面に対して横方向に器具ホルダ５１０を通って延びる器具シャフトを枢動又はねじる。マニピュレータ関節空間の部分空間は、ピッチ関節Ｊ３、及び回転関節Ｊ７に関する関節状態の可能な組み合わせの範囲を示す。この実施形態では、位置の拘束条件は、上述のピッチ関節及び遠位回転関節によって定められる関節空間の部分空間内に定められるが、部分空間は、様々な他の関節によって又は３以上の関節によって定められ得ることが理解される。
【００７４】
幾つかの実施形態では、位置制約条件は、部分空間内の経路のネットワークによって定められ、それに沿ってユーザがマニピュレータアームを動かすことを望む位置経路を定める各ネットワークは、ピッチ関節と回転関節との間の状態の組み合わせを示すマニピュレータ関節空間の部分空間を通って延びる経路セグメントに対応する。図１４Ａの例では、マニピュレータアームの所望の位置経路は、共通の交点で接続される区分的連続セグメントＡ、Ｂ及びＣであるように定められる３つの一次元経路セグメントによって定められる。この例では、遠位回転関節Ｊ７の動作範囲は、マニピュレータアーム近位関節Ｊ７の部分の平面から横方向に両方向で器具ホルダを枢動させることができるので、所望の経路が、（セグメントＡ及びＢによって示されるように）両方向の関節の運動を含むように定められる。このような実施形態では、システムは、１又は複数の関節の位置が所望の経路上の最も近い点に向かって動くよう、マニピュレータアームの追従運動を制御するように構成され得る。例えば、経路追従運動が実行されるとき、回転関節Ｊ７がセグメントＢにより近い場合、回転関節Ｊ７は、セグメントＡよりも、セグメントＢに沿って動くようにされることができる。
【００７５】
この実施形態では、所望の経路は、増大したピッチバック位置へのピッチ関節の運動が回転関節の増大した回転変位に対応し、ピッチフォワード位置へのピッチ関節の運動が遠位回転関節の最小又はゼロ変位に対応するように、遠位回転関節とピッチ関節との相対運動を含む。外側ピッチ関節がピッチバックされるとき、器具シャフトのツール先端は前方に動く。外側ピッチ関節が、ピッチバック位置の限度に達する場合、器具シャフト５１２の端部のツール先端の前方運動は、遠位回転関節Ｊ７の運動によって依然として達成されることができる。しかし、外側ピッチ関節Ｊ３がピッチバック位置の限度に近づくとき、遠位回転関節Ｊ７の運動を開始させることは、有益であり得る。同様に、後方向きのツール先端運動を生じさせる、ピッチフォワード方向において、最も後方のツール先端位置は、遠位回転関節のゼロ角度変位である、遠位回転関節の運動が最小であるとき、得ることができる。加えて、遠位回転関節の角度変位が、ゼロより大きい又はゼロ未満であるとき、マニピュレータアームの断面は、アームが、隣接するアームとの衝突により影響されやすくなり得るように、より大きく見える。それによって、上述の理由のために運動が望まれない限り遠位回転関節の角度変位がゼロであるように、本明細書に記載された位置拘束条件を使用して遠位回転関節を拘束することは有利である。したがって、外側ピッチ関節と遠位回転関節との間のこの所望の運動を提供するために、拘束条件が、図１４Ａに示される３つのネットワーク経路のように定められる。
【００７６】
任意の時点で、経路セグメントのネットワークのいずれかにあることは、１次元ゼロ空間を要求する１次元拘束条件を満たすことと一致する。マニピュレータ関節空間のこの２次元部分空間は、定められた経路セグメント、典型的には最も近い１つの経路セグメント又は複数の経路セグメントに向かって又は沿って、関節状態の位置Ｐを「引っ張る」又は向ける傾向がある引力ポテンシャル場を作ることによって、マニピュレータアームの運動を所望の位置経路に向けるために使用されることができる。システムは、関節の追従運動が、特定の関節を定められた経路セグメントに沿って動かすように構成され得る又は全体的な運動が所望の経路に近づくように関節をセグメント経路に向かって動かすためにポテンシャル場の中で様々な大きさの引力を使用し得る。１つのアプローチでは、これは、高いポテンシャルがＸ（例えば、現在の又は計算されたマニピュレータ関節位置）と位置拘束条件（例えば、経路のネットワーク）との間の長い距離を示し、低いポテンシャルが短い距離を示すように、関節空間にポテンシャル場を発生させることによって達成される。ゼロ空間係数（α）が次に、出来る限り、ポテンシャル場の負の勾配を下げるように計算される。幾つかの実施形態では、各経路（例えば、ｂ’及びｃ’）に関連付けられるポテンシャルは、１又は複数のマニピュレータ関節の計算された位置と定められた経路との間の距離から決定される。現在の関節位置での人工ポテンシャル場の計算された引力に応じて、システムは、ゼロ空間内でマニピュレータの１又は複数の関節の運動を計算する。
【００７７】
拘束条件は、図１４Ａ−１４Ｂに示されるように、遠位回転関節及び外側ピッチ関節によって定められる部分空間内の３つのセグメントＡ、Ｂ及びＣとして定められ得るが、上述の利点は与えらえたマニピュレータアームの特定の運動学に関連付けられることが理解される。したがって、運動学がマニピュレータアームの間で異なり得るので、所望の関節運動及びネットワーク経路セグメントの構成はマニピュレータアームの間で異なり得る。例えば、マニピュレータアームの設計に依存して、位置拘束条件がマニピュレータアームの２以上の他の関節によって定められる部分空間を定めることは有益であり得る。例えば、Ｎ次元ゼロ空間を仮定すると、全Ｐ次元関節空間の任意のＭ次元部分空間におけるＮ次元多様体のネットワークが定められることができ、ここでＮ≦Ｍ≦Ｐである。第１の例では、１又は複数次元ゼロ空間では、１次元のカーブ又は直線セグメントのネットワークが、関節空間全体に又はその中の任意の部分空間に定められ得る。引力ポテンシャル又は速度が、次に、計算され得るとともに、１又は複数の関節の位置が定められた経路をたどるように追従運動を決定するためにゼロ空間に投影され得る。第２の例では、２以上の次元のゼロ空間を仮定すると、２次元表面のネットワークが関節空間全体に又はその中の任意の部分空間に定められ得る。この場合もまた、引力ポテンシャル又は速度が、次に、計算され得るとともに上述のようにゼロ空間に投影され得る。両方の例では、アプローチは、マニピュレータを、所望の運動を生じるように経路のネットワークに従わせる。第３の例では、１次元のゼロ空間を仮定すると、２次元表面のネットワークが依然として関節空間全体に又はその中の部分空間に定められることができるが、速度又は引力ポテンシャルをゼロ空間にマッピングすることは、ネットワーク表面に従うのに限られた能力を提供し得る、例えば、表面の１次元部分集合のみが追従され得る。
【００７８】
図１４Ｂは、経路セグメントが、例えば、マニピュレータアームの様々な計算された関節状態又は動作モードに応じて経路セグメントの位置又は配向を並進移動又は変えることによって等、修正され得ることを除いて、図１４Ａに記載されたものと同様に、所望の経路に沿ったマニピュレータアームの追従運動を決定する方法を示す。例えば、上述のように、マニピュレータアームは、要望通りにマニピュレータの位置又は形態を再配置するために、マニピュレータアームの１又は複数の関節に外力を加えること又はユーザが１又は複数の関節を駆動することを可能にする再配置入力によって、ユーザがマニピュレータアームを手動で再配置することができるクラッチモードを含み得る。マニピュレータアームの再配置が、クラッチモードを脱することで、完了した後、所望の位置経路に対応する経路セグメントが、ユーザによって再配置された１又は複数の関節の位置に一致するように修正され得る、又は代替的に、衝突回避アルゴリズムのような自律アルゴリズムによって再配置され得る。この態様は、マニピュレータアームが、１又は複数の関節の所望の運動を提供し且つこのような所望の運動に関連付けられる任意の利点（例えば、増大した動作範囲、増大した運動の予測性及び一貫性、減少した衝突の可能性等）を提供しながら、再配置能力の利点を保持することを可能にする。
【００７９】
他の実施形態では、定められた経路は、経路セグメントの複数の異なるネットワークを含むことができ、経路セグメントの各ネットワークは、１又は複数の関節の異なる位置又は位置の範囲に対応する。したがって、マニピュレータアームが異なる位置に再配置されるとき、経路の特定のネットワークを修正するのではなく、システムは、マニピュレータアームの位置に最も近い経路の特定のネットワークを選択し得る。
【００８０】
１つの態様では、アプローチは、例えば、関節空間又はツール先端（又はマニピュレータの他の部分で、ハードウェア又はソフトウェア中心システムのいずれかで見られるような、遠隔中心を含み得る）のデカルト座標空間等での、位置拘束条件を定めることを含む。１次元拘束条件を有する場合に関して、これは、区分的連続拘束条件のセットを含み得る。例えば、直線セグメント又は曲線セグメントのネットワークが、関節空間又はデカルト座標空間内のいずれかの経路のネットワークを定めるために使用され得る。経路のネットワークは、静的又は手術中に動的に再定義されるかのいずれかであり得る。静的ネットワーク経路は、起動時に定められ得る又は複数の静的ネットワーク経路からユーザ又はシステムによって選択され得る一方、動的ネットワーク経路は、手術中に、システムによって、又はユーザによって動的に再定義され得る。
【００８１】
いったん経路のネットワークが決定されると、マニピュレータアームの関節の運動は、１又は複数の関節が、１又は複数の関節の所望の運動を提供するために、経路をたどるように、計算される。１つの態様では、マニピュレータアームの関節は、マニピュレータを経路に引きつけるようにその経路の各セグメントに対して生成される仮想又は人工ポテンシャル場に基づいて経路セグメントのネットワークをたどる。計算されたポテンシャルから生じる運動は、次に、所望の追従運動を提供する関節速度を提供するために、ゼロ空間係数の計算のためにゼロ空間に投影され得る。経路のネットワークが有る場合、経路のセグメントの全てのセット（又はそれらの一部）からの結果として得られるポテンシャル場は、加算され得るとともに、幾つかの種類の重みを含み得る。代替的には、システムは、最も近い経路セグメントに関連付けられるポテンシャル場のみを利用するように構成され得る。結果として生じる動作は、外科医による指令エンドエフェクタ運動の間でさえ、マニピュレータアームが、ゼロ空間内で関節の所望の運動を生成するために経路の特定のネットワークを通るように、ゼロ空間コントローラが関節を動かすことを提供する。
【００８２】
図１５−１６は、本発明の多くの実施形態によるロボット手術システムのマニピュレータアセンブリを再配置する方法を示す。図１５は、上述の式に関連して、患者側カート関節状態を制御するための一般的なアルゴリズムを実装する必要がある必須のブロックの簡略図を示す。図１５の方法によれば、システムは：マニピュレータアームの順運動学を計算し；次に、式（１）を用いてｄｘ／ｄｔを計算し、式（５）を用いてｄｑｐｒｅｐ／ｄｔを計算し、次に、式（６）を用いて、ｄｑｐｒｅｐ／ｄｔ及びヤコビアンに依存し得るｚからｄｑｎｕｌｌ／ｄｔを計算する。計算されたｄｑｐｒｅｐ／ｄｔ及びｄｑｎｕｌｌ／ｄｔから、システムは、式（４）及び式（３）使用してｄｑ／ｄｔ及びｑをそれぞれ計算し、それによって、所望のエンドエフェクタの状態及び／又は遠隔中心の位置を維持しながら、コントローラがマニピュレータの所望の再配置を生じさせることができる運動を提供する。
【００８３】
図１６は、システムの例示的実施形態のブロック図を示す。所望のツール先端状態を指令する、操作指令に応じて、システムのプロセッサは、そこからｄｐｐｒｅｐ／ｄｔが計算されるツール先端の速度及び関節の状態を決定する。マニピュレータアームに対する関節運動の所望の経路を提供するために、システムは、経路のネットワークのような、制御された運動が望まれる関節の部分空間内に位置ベースの拘束条件を決定する。任意選択で、定められた拘束条件は、ユーザによって駆動される１又は複数の関節の再配置或いはクラッチモードにおける手動再配置のような、ユーザ入力によって変更され得る。ｄｐｎｕｌｌ／ｄｔが次に、所望の運動にしたがってゼロ空間内で１又は複数の関節の所望の運動を提供しながら、システムの関節を駆動し且つエンドエフェクタの所望の運動（又は状態）をもたらすように、ｄｑ／ｄｔを計算するためにｄｑｐｒｅｐ／ｄｔに加えられる得るネットワーク経路の１又は複数のセグメントに対する引力ポテンシャル場の使用によってのように、定められたネットワーク経路に沿って関節を動かすために計算される。
【００８４】
図１７−１８は、マニピュレータの１又は複数の関節の所望の運動を提供する方法を示す。図１７の方法は：１又は複数の関節の所望の関節運動に対応する関節空間内の位置ベースの拘束条件のセットを決定すること；人工ポテンシャル場の中で１又は複数の関節の位置と拘束条件との間のポテンシャルを決定すること；１又は複数の関節が拘束条件をたどるように決定されたポテンシャルを使用してゼロ空間内でマニピュレータアームの運動を計算すること；及び関節の様々な他の運動と同時でさえ、１又は複数の関節の所望の運動を生じさせるように、計算された運動に従って関節を駆動すること；を含む。図１８の方法は：遠位エンドエフェクタにまで及ぶ複数の関節を有するマニピュレータアームを提供することであって、アームは与えられたエンドエフェクタ状態に対して異なる形態の範囲を有する、こと；複数の関節の１又は複数の関節の所望の運動に対応する位置ベースの拘束条件のセットを定めること；任意選択で、１又は複数の再配置された位置に基づいて拘束条件を修正すること；拘束条件と１又は複数の関節の計算された位置との間のポテンシャルを使用してゼロ空間内で複数の関節の追従運動を決定すること；及び関節の様々な他の運動と同時でさえ、１又は複数の関節の所望の運動を生じさせるように、計算された運動に従って関節を駆動すること；を含む。
【００８５】
例示的な実施例は、理解を明確にするために及び例としてある程度詳細に記載されているが、種々の適合、修正、及び変更が、当業者には明らかであろう。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１０Ｃ】
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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１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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