(57)【要約】ロボット外科用システムは、連結部、入力デバイス、及び処理装置を含む。連結部は、ベースに対して外科用ツールを移動可能に支持する。入力デバイスは、第１の回転軸及び第２の回転軸を中心に回転可能である。処理装置は、入力デバイスと通信し、連結部と動作可能に関連付けられ、第１のスケーリング因子による第１の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第１の移動軸を中心に外科用ツールを回転させ、第１のスケーリング因子とは異なる第２のスケーリング因子による第２の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第２の移動軸を中心に外科用ツールを回転させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット外科用システムであって、
ベースに対して外科用ツールを移動可能に支持する連結部と、
第１の回転軸及び第２の回転軸を中心に回転可能な入力デバイスと、
前記入力デバイスと通信し、かつ前記連結部と動作可能に関連付けられ、第１のスケーリング因子による前記第１の回転軸を中心とした前記入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第１の移動軸を中心に前記外科用ツールを回転させ、前記第１のスケーリング因子とは異なる第２のスケーリング因子による前記第２の回転軸を中心とした前記入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第２の移動軸を中心に前記外科用ツールを回転させる処理装置と、を備える、ロボット外科用システム。
【請求項２】
前記第２のスケーリング因子が、前記第１のスケーリング因子よりも小さい、請求項１に記載のロボット外科用システム。
【請求項３】
前記第１のスケーリング因子が１．０である、請求項１に記載のロボット外科用システム。
【請求項４】
前記入力デバイスが、第３の回転軸を中心に回転可能であり、前記処理装置が、前記連結部と動作可能に関連付けられ、第３のスケーリング因子による前記第３の回転軸を中心とした前記入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第３の移動軸を中心に前記外科用ツールを回転させる、請求項１に記載のロボット外科用システム。
【請求項５】
前記第３のスケーリング因子が、前記第２のスケーリング因子と等しい、請求項４に記載のロボット外科用システム。
【請求項６】
前記第３のスケーリング因子が、前記第１のスケーリング因子よりも大きい、請求項４に記載のロボット外科用システム。
【請求項７】
前記第２のスケーリング因子が、前記第１のスケーリング因子よりも小さい、請求項６に記載のロボット外科用システム。
【請求項８】
前記第１のスケーリング因子が１．０である、請求項７に記載のロボット外科用システム。
【請求項９】
前記第３のスケーリング因子が、前記第１及び第２のスケーリング因子とは異なる、請求項４に記載のロボット外科用システム。
【請求項１０】
前記第２のスケーリング因子が、前記第１のスケーリング因子よりも小さく、前記第３のスケーリング因子が、前記第１のスケーリング因子よりも大きい、請求項４に記載のロボット外科用システム。
【請求項１１】
ロボット外科用システムであって、
ベースに対して外科用ツールを移動可能に支持する連結部と、
第１の回転軸を中心に回転可能な入力デバイスであって、前記第１の回転軸を中心に第１の入力方向において、アイドル位置から第１の回転位置に向かって回転可能である、入力デバイスと、
前記入力デバイスと通信し、かつ前記連結部と動作可能に関連付けられ、前記入力デバイスが前記アイドル位置から前記第１の回転位置に向かって回転されるとき、前記外科用ツールを第１の出力方向において第１の移動軸を中心に回転させ、前記入力デバイスが前記アイドル位置にあるとき、前記第１の移動軸を中心に前記外科用ツールの半径方向位置を維持する、処理装置と、を備える、ロボット外科用システム。
【請求項１２】
前記処理装置が、前記アイドル位置から前記第１の回転位置に向かう前記入力デバイスの回転量に基づいて、前記第１の移動軸を中心に前記外科用ツールの半径方向速度を変化させる、請求項１１に記載のロボット外科用システム。
【請求項１３】
前記処理装置が、円滑な方法または段階的な方法のうちの少なくとも１つの方法で、前記第１の移動軸を中心に前記外科用ツールの前記半径方向速度を変化させる、請求項１２に記載のロボット外科用システム。
【請求項１４】
前記入力デバイスが、前記第１の回転軸を中心に、前記第１の方向とは反対の第２の方向において第２の回転位置に向かって回転可能であり、前記処理装置が、前記連結部と動作可能に関連付けられ、前記入力デバイスが前記アイドル位置から前記第２の回転位置に向かって回転されるとき、前記第１の移動軸を中心に、前記第１の出力方向とは反対の第２の出力方向において前記外科用ツールを回転させる、請求項１１に記載のロボット外科用システム。
【請求項１５】
前記入力デバイスが、第２の回転軸を中心に回転可能であり、前記処理装置が、前記連結部と動作可能に関連付けられ、第１のスケーリング因子による前記第２の回転軸を中心とした前記入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第２の移動軸を中心に前記外科用ツールを回転させる、請求項１１に記載のロボット外科用システム。
【請求項１６】
前記入力デバイスが、第３の回転軸を中心に回転可能であり、前記処理装置が、前記連結部と動作可能に関連付けられ、第２のスケーリング因子による前記第３の回転軸を中心とした前記入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第３の移動軸を中心に前記外科用ツールを回転させる、請求項１５に記載のロボット外科用システム。
【請求項１７】
前記第１のスケーリング因子が、前記第２のスケーリング因子とは異なる、請求項１６に記載のロボット外科用システム。
【請求項１８】
外科用ロボットを動作させる方法であって、
ロボット外科用システムのツールを、第１の移動軸を中心に第１の出力距離分回転させるために、ロボット外科用システムの入力デバイスを、第１の回転軸を中心に第１の入力距離分回転させることであって、前記第１の入力距離が、第１のスケーリング因子によって前記第１の出力距離にスケーリングされる、回転させることと、
前記ツールを、第２の移動軸を中心に第２の出力距離分回転させるために、前記入力デバイスを、第２の回転軸を中心に第２の入力距離分回転させることであって、前記第２の入力距離が、前記第１のスケーリング因子とは異なる第２のスケーリング因子によって前記第２の出力距離にスケーリングされる、回転させることと、を含む、方法。
【請求項１９】
前記ツールを、第３の移動軸を中心に第３の出力距離分回転させるために、前記入力デバイスを、第３の回転軸を中心に第３の入力距離分回転させることであって、前記第３の入力距離が、前記第１のスケーリング因子とは異なる第３のスケーリング因子によって前記第３の出力距離にスケーリングされる、回転させること、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ツールを、第３の移動軸を中心に第３の出力距離分回転させるために、前記入力デバイスを、第３の回転軸を中心に第３の入力距離分回転させることであって、前記第３の入力距離が、前記第１及び第２のスケーリング因子とは異なる第３のスケーリング因子によって前記第３の出力距離にスケーリングされる、回転させること、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
外科用ロボットを動作させる方法であって、
ロボット外科用システムのツールを、第１の出力速度で、第１の出力方向において、第１の移動軸を中心に回転させるために、ロボット外科用システムの入力デバイスを、アイドル位置から第１の回転位置に、第１の入力方向において、第１の回転軸を中心に回転させることと、
前記第１の移動軸を中心とした前記ツールの回転を停止させるために、前記入力デバイスを前記アイドル位置に戻すことと、を含む、方法。
【請求項２２】
前記ツールを、前記第１の出力速度よりも大きい第２の出力速度で、前記第１の出力方向において、前記第１の移動軸を中心に回転させるために、前記入力デバイスを、前記第１の回転位置を越えて第２の回転位置に、前記第１の入力方向において、前記第１の回転軸を中心に回転させること、をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ツールを、前記第１の出力速度で、前記第１の出力方向とは反対の第２の出力方向において、前記第１の移動軸を中心に回転させるために、前記入力デバイスを、前記アイドル位置から第３の回転位置に、前記第１の入力方向とは反対の第２の入力方向において、前記第１の回転軸を中心に回転させること、をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／２６５，４５７号の利益及びそれに対する優先権を主張し、その全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
ロボット外科用システムは、最小侵襲医療手技において使用されている。医療手技の間、ロボット外科用システムは、ユーザインターフェースとインターフェースを取っている外科医によって制御される。ユーザインターフェースは、外科医が、患者に作用するエンドエフェクタを操作することを可能にする。ユーザインターフェースは、ロボット外科用システムを制御するために外科医によって移動可能な入力コントローラまたはハンドルを含む。
【０００３】
ロボット外科用システムは、典型的には、外科医が患者の内部でエンドエフェクタをより精密に移動させ得るように、患者内のエンドエフェクタの所望の位置を決定するために、外科医の手の動きを縮小するためのスケーリング因子を使用していた。しかしながら、スケーリング因子が大きくなると、外科医は、入力デバイスハンドルをより遠くに移動させて、エンドエフェクタを同じ距離だけ移動させる必要があった。入力デバイスハンドルは、固定された動きの範囲を有するので、これはより大きなスケーリング因子の場合、外科医は、より頻繁に、入力ハンドルの動きの範囲の終りに達していた可能性があることを意味した。
【０００４】
加えて、医療手技の間、外科医は、エンドエフェクタを組織に作用させるように適切に位置付けるために、ロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸を中心にエンドエフェクタを回転させる必要がある。典型的には、入力デバイスハンドルのロール、ピッチ、及びヨー（ＲＰＹ）軸を中心とした回転は、ＲＰＹ軸を中心としたエンドエフェクタの回転にスケーリングされない。
【０００５】
ロボット外科用手技の間に、外科医の入力ハンドル回転をスケーリングすることができるロボット外科用手術システムの必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は概して、外科用手技の間に、ロボットシステムのツールの移動に対するユーザインターフェースの入力デバイスの移動のスケーリングに関する。本開示のある態様では、ロボット外科用システムは、連結部、入力デバイス、及び処理装置を含む。連結部は、ベースに対して外科用ツールを移動可能に支持する。入力デバイスは、第１及び第２の回転軸を中心に回転可能である。処理装置は、入力デバイスと通信する。処理装置はまた、連結部と動作可能に関連付けられ、第１のスケーリング因子による第１の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第１の移動軸を中心に外科用ツールを回転させ、第１のスケーリング因子とは異なる第２のスケーリング因子による第２の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第２の移動軸を中心に外科用ツールを回転させる。
【０００７】
態様では、第２のスケーリング因子は、第１のスケーリング因子よりも小さい。第１のスケーリング因子は、約１．０であってもよい。
【０００８】
いくつかの態様では、入力デバイスは、第３の回転軸を中心に回転可能である。処理装置は、連結部と動作可能に関連付けられ得、第３のスケーリング因子によって第３の回転軸を中心に入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第３の移動軸を中心に外科用ツールを回転させる。第１、第２及び第３のスケーリング因子は、互いに等しくてもよく、互いに異なっていてもよいし、２つのスケーリング因子が互いに等しく、他のスケーリング因子と異なっていてもよい。例えば、第２のスケーリング因子は、第１のスケーリング因子よりも小さくてもよく、第３のスケーリング因子は、第１のスケーリング因子よりも大きくてもよい。
【０００９】
本開示の別の態様では、ロボット外科用システムは、連結部、入力デバイス、及び処理装置を含む。連結部は、ベースに対して外科用ツールを移動可能に支持する。入力デバイスは、第１の回転軸を中心に回転可能である。入力デバイスは、第１の回転軸を中心に第１の入力方向において、アイドル位置から第１の回転位置に向かって回転可能である。処理装置は、入力デバイスと通信し、かつ連結部と動作可能に関連付けられ、入力デバイスがアイドル位置から第１の回転位置に向けて回転されるとき、外科用ツールを第１の出力方向において第１の移動軸を中心に回転させ、入力デバイスがアイドル位置にあるとき、第１の移動軸を中心に外科用ツールの半径方向位置を維持する。
【００１０】
態様では、処理装置は、アイドル位置から第１の回転位置に向かう入力デバイスの回転量に基づいて、第１の移動軸を中心に外科用ツールの半径方向速度を変化させる。処理装置は、円滑なまたは段階的な方法のうちの少なくとも１つの方法で、第１の移動軸を中心に外科用ツールの半径方向速度を変化させることができる。
【００１１】
いくつかの態様では、入力デバイスは、第２の回転位置に向かって、第１の方向とは反対の第２の方向に第１の回転軸を中心に回転可能である。処理装置は、連結部と動作可能に関連付けられ得、入力デバイスがアイドル位置から第２の回転位置に向かって回転されるとき、第１の移動軸を中心に、第１の出力方向とは反対の第２の出力方向において外科用ツールを回転させる。
【００１２】
特定の態様では、入力デバイスは、第２の回転軸を中心に回転可能である。処理装置は、連結部と動作可能に関連付けられ、第１のスケーリング因子による第２の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第２の移動軸を中心に外科用ツールを回転させる。入力デバイスは、第３の回転軸を中心に回転可能である。処理装置は、連結部と動作可能に関連付けられ得、第２のスケーリング因子による第３の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第３の移動軸を中心に外科用ツールを回転させる。第１のスケーリング因子は、第１のスケーリング因子とは異なってもよい。
【００１３】
本開示の別の態様では、外科用ロボットを動作させる方法が、第１の回転軸を中心にロボット外科用システムの入力デバイスを回転させることと、第２の回転軸を中心に入力デバイスを回転させることとを含む。第１の回転軸を中心に入力デバイスを回転させることは、ロボット外科用システムのツールを、第１の移動軸を中心に第１の出力距離分回転させるために、入力デバイスを第１の入力距離分回転させることを含む。第１の入力距離は、第１のスケーリング因子によって第１の出力距離にスケーリングされる。第２の回転軸を中心に入力デバイスを回転させることは、ツールを、第２の移動軸を中心に第２の出力距離分回転させるために、入力デバイスを第２の入力距離分回転させることを含む。第２の入力距離は、第１のスケーリング因子とは異なる第２のスケーリング因子によって第２の出力距離にスケーリングされる。
【００１４】
態様では、本方法は、ツールを、第３の移動軸を中心に第３の出力距離分回転させるために、入力デバイスを、第３の回転軸を中心に第３の入力距離分回転させることを含む。第３の入力距離は、第１のスケーリング因子とは異なる第３のスケーリング因子によって第３の出力距離にスケーリングされ得る。第３のスケーリング因子もまた、第２のスケーリング因子とは異なってもよい。
【００１５】
本開示の別の態様では、外科用ロボットを動作させる方法が、ロボット外科用システムのツールを、第１の出力速度で、第１の出力方向において、第１の移動軸を中心に回転させるために、ロボット外科用システムの入力デバイスを、アイドル位置から第１の回転位置に、第１の入力方向において、第１の回転軸を中心に回転させることと、第１の移動軸を中心としたツールの回転を停止させるために、入力デバイスをアイドル位置に戻すことと、を含む。
【００１６】
態様では、本方法は、ツールを、第１の出力速度よりも大きい第２の出力速度で、第１の出力方向において、第１の移動軸を中心に回転させるために、入力デバイスを、第１の回転位置を越えて第２の回転位置に、第１の入力方向において、第１の回転軸を中心に回転させることを含む。
【００１７】
いくつかの態様では、本方法は、ツールを、第１の出力速度で、第１の出力方向とは反対の第２の出力方向において、第１の移動軸を中心に回転させるために、入力デバイスを、アイドル位置から第３の回転位置に、第１の入力方向とは反対の第２の入力方向において、第１の回転軸を中心に回転させることを含む。
【００１８】
本開示のある態様では、ロボット外科用シミュレータは、仮想連結部、入力デバイス、及び処理装置を含む。仮想連結部は、仮想ベースに対して仮想外科用ツールを事実上支持する。入力デバイスは、第１及び第２の回転軸を中心に回転可能である。処理装置は、入力デバイスと通信する。処理装置はまた、仮想連結部と動作可能に関連付けられ、ユーザインターフェースのディスプレイ上の第１のスケーリング因子による第１の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第１の移動軸を中心に仮想外科用ツールを回転させ、ディスプレイ上の第１のスケーリング因子とは異なる第２のスケーリング因子による第２の回転軸を中心とした入力デバイスのスケーリングされた回転に基づいて、第２の移動軸を中心に仮想外科用ツールを事実上回転させる。
【００１９】
本開示の別の態様では、ロボット外科用シミュレータは、仮想連結部、入力デバイス、及び処理装置を含む。仮想連結部は、仮想ベースに対して仮想外科用ツールを事実上支持する。入力デバイスは、第１の回転軸を中心に回転可能である。入力デバイスは、第１の回転軸を中心に第１の入力方向において、アイドル位置から第１の回転位置に向かって回転可能である。処理装置は、入力デバイスと通信し、かつ仮想連結部と動作可能に関連付けられ、入力デバイスがアイドル位置から第１の回転位置に向けて回転されるとき、仮想外科用ツールを第１の出力方向において第１の移動軸を中心に回転させ、入力デバイスがアイドル位置にあるとき、第１の移動軸を中心に仮想外科用ツールの半径方向位置を維持する。
【００２０】
本開示の別の態様では、外科用手技をシミュレートする方法が、第１の回転軸を中心にロボット外科用システムの入力デバイスを回転させることと、第２の回転軸を中心に入力デバイスを回転させることとを含む。第１の回転軸を中心に入力デバイスを回転させることは、ロボット外科用システムの仮想ツールを、第１の移動軸を中心に第１の出力距離分回転させるために、入力デバイスを第１の入力距離分回転させることを含む。第１の入力距離は、第１のスケーリング因子によって第１の出力距離にスケーリングされる。第２の回転軸を中心に入力デバイスを回転させることは、仮想ツールを、第２の移動軸を中心に第２の出力距離分回転させるために、入力デバイスを第２の入力距離分回転させることを含む。第２の入力距離は、第１のスケーリング因子とは異なる第２のスケーリング因子によって第２の出力距離にスケーリングされる。
【００２１】
態様では、本方法は、仮想ツールを、第３の移動軸を中心に第３の出力距離分回転させるために、入力デバイスを、第３の回転軸を中心に第３の入力距離分回転させることを含む。第３の入力距離は、第１のスケーリング因子とは異なる第３のスケーリング因子によって第３の出力距離にスケーリングされ得る。第３のスケーリング因子もまた、第２のスケーリング因子とは異なってもよい。
【００２２】
本開示の例示的な実施形態のさらなる詳細及び態様が、添付の図面を参照して以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本開示の種々の態様は、図面を参照して本明細書において以下に説明され、該図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。
【００２４】
【図１】本開示に従うユーザインターフェース及びロボットシステムの概略図である。
【図２】図１のユーザインターフェースの制御アームの一端で支持された入力デバイスの斜視図である。
【図３】体腔内に挿入された図１のロボット外科用システムのツールを示す患者の体腔の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
ここで、本開示の実施形態が、図面を参照して詳細に説明され、図面中、同じ参照番号は、いくつかの図のそれぞれにおける同一または対応する要素を示す。本明細書に使用される際、用語「臨床家」は、医師、看護師、または任意の他の看護提供者を指し、支援要員を含み得る。この説明全体を通して、用語「近位」は、臨床家に最も近いデバイスまたはその構成要素の一部分を指し、用語「遠位」は、臨床家から最も遠いデバイスまたはその構成要素の一部分を指す。加えて、本明細書に使用される際、用語「ニュートラル」は、スケーリングされていないことを意味すると理解される。
【００２６】
本開示は概して、外科用手技の間に、ロボットシステムのツールの移動に対するユーザインターフェースの入力デバイスの移動のスケーリングに関する。具体的には、本開示は、ロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸を中心とした移動のスケーリングに関する。これらの軸の各々を中心としたスケーリングは、ポジティブ（すなわち、入力デバイスの移動に対するツールの移動の増加）、ネガティブ（すなわち、入力デバイスの移動に対するツールの移動の減少）、またはニュートラル（すなわち、入力デバイスの移動に対するツールの移動に等しい）であり得る。ポジティブな様態での移動のスケーリングは、臨床家が人体解剖学によって許容されるものからの器用さを増加させることを可能にする。例えば、手首作用（例えば、ロール軸を中心に）がポジティブな様態でスケーリングされる場合、臨床家は、臨床家の手首の４分の１回転で各方向にツールを完全に回転させることができる。
【００２７】
図１を参照すると、本開示に従うロボット外科用システム１が、ロボットシステム１０、処理装置３０、及びユーザインターフェース４０として概して示されている。ロボットシステム１０は、一般的に、連結部１２及びロボットベース１８を含む。連結部１２は、組織に作用するように構成されたエンドエフェクタまたはツール２０を移動可能に支持する。連結部１２は、組織に作用するように構成されたエンドエフェクタまたはツール２０を支持する末端部１４をそれぞれ有するアームの形態にあってもよい。加えて、アーム１２の末端部１４は、外科部位「Ｓ」を画像化するための画像化デバイス１６を含んでもよい。ユーザインターフェース４０は、処理装置３０を通してロボットベース１８と通信する。
【００２８】
ユーザインターフェース４０は、３次元画像を表示するように構成された表示デバイス４４を含む。表示デバイス４４は、アーム１２の末端部１４上に位置付けられた画像化デバイス１６によって取り込まれるデータを含み得、及び／または外科手術室の中に位置付けられた画像化デバイス（例えば、外科部位「Ｓ」内に位置付けられた画像化デバイス、患者「Ｐ」に隣接して位置付けられた画像化デバイス、画像化アーム５２の遠位端に位置付けられた画像化デバイス５６）によって取り込まれるデータを含み得る、外科部位「Ｓ」の３次元画像を表示する。画像化デバイス（例えば、画像化デバイス１６、５６）は、外科部位「Ｓ」の視覚画像、赤外線画像、超音波画像、Ｘ線画像、熱画像、及び／または任意の他の既知の実時間画像を取り込んでもよい。画像化デバイスは、取り込まれた画像化データを処理装置３０に伝送し、処理装置３０は、画像化データから実時間に外科部位「Ｓ」の３次元画像を生成して、その３次元画像を表示のために表示デバイス４４に伝送する。
【００２９】
ユーザインターフェース４０はまた、臨床家が、ロボットシステム１０を操作すること（例えば、アーム１２、アーム１２の末端部１４、及び／またはツール２０を移動すること）を可能にする制御アーム４３で支持されている入力ハンドル４２を含む。入力ハンドル４２のそれぞれは、処理装置３０と通信して、それに制御信号を伝送し、及びそこからフィードバック信号を受信する。さらにまたは代替的に、入力ハンドル４２のそれぞれは、外科医が、アーム１２の末端部１４に支持されたツール２０を操作すること（例えば、締める、把持する、発射する、開く、閉じる、回転する、突く、スライスすることなど）を可能にする入力デバイス４６（図２）を含んでもよい。
【００３０】
図２をさらに参照すると、入力ハンドル４２のそれぞれは、事前定義された作業空間を通して移動可能であり、外科部位「Ｓ」内でアーム１２の末端部１４、例えばツール２０を移動させる。表示デバイス４４上の３次元画像は、入力ハンドル４２の移動が、表示デバイス４４上に見られるように、アーム１２の末端部１４を移動させるように配向される。３次元画像は静止したままである一方で、入力ハンドル４２の移動は、３次元画像内のアーム１２の末端部１４の移動にスケーリングされる。３次元画像の配向を維持するために、入力ハンドル４２の運動学的マッピングは、アーム１２の末端部１４の配向に対するカメラの向きに基づいている。表示デバイス上の３次元画像の配向は、患者「Ｐ」の上方からの見え方に対して鏡映を作ってもよいし、または回転されてもよいことが認識されるであろう。加えて、表示デバイス４４上の３次元画像のサイズが、外科部位の実際の構造よりも大きいまたは小さいようにスケーリングされてもよく、臨床家が外科部位「Ｓ」内の構造をより良く見えることを可能にすることが、認識されるであろう。入力ハンドル４２が移動されると、ツール２０は、以下に詳述されるように、外科部位「Ｓ」内で移動される。本明細書に詳述されるように、ツール２０の移動はまた、ツール２０を支持するアーム１２の末端部１４の移動を含んでもよい。
【００３１】
ロボット外科用システム１の構造及び動作の詳細な考察に関しては、米国特許第８，８２８，０２３号が参照され得、その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
上で詳述したように、ユーザインターフェース４０は、ロボットシステム１０と動作可能に通信して、患者に対して外科用手技を実行するが、シミュレートされた環境において、ロボットシステム及び／またはツールを事実上作動させるために、ユーザインターフェース４０が外科用シミュレータ（図示せず）と動作可能に通信可能であることが想定されている。例えば、外科用ロボットシステム１は、ユーザインターフェース４０がロボットシステム１０を作動させるために結合された第１のモードと、ユーザインターフェース４０がロボットシステムを事実上作動させるための外科用シミュレータに結合された第２のモードと、を有することができる。外科用シミュレータは、スタンドアロン装置または処理装置３０に一体化されていてもよい。外科用シミュレータは、ユーザインターフェース４０を介して臨床家に視覚、聴覚、力、及び／または触覚フィードバックを提供することによって、ユーザインターフェース４０とインターフェースを取っている臨床家に事実上応答する。例えば、臨床家が入力ハンドル４２とインターフェースを取ると、外科用シミュレータは、事実上組織に作用する代表的なツールを移動させる。外科用シミュレータは、患者に対して外科用手技を行う前に、臨床家が外科用手技を行うことを可能にすることが想定される。加えて、外科用シミュレータを使用して、外科用手技を行う臨床家を訓練することができる。さらに、外科用シミュレータは、臨床家が外科用手技を計画することができるように、提案された外科用手技の間に「合併症」をシミュレートすることができる。
【００３３】
ツール２０の移動は、入力ハンドル４２の移動に対してスケーリングされる。入力ハンドル４２が事前定義された作業空間内で移動されるとき、入力ハンドル４２は、制御信号を処理装置３０に送信する。処理装置３０は、制御信号を分析して、制御信号に応答してツール２０を移動させる。処理装置３０は、スケーリングされた制御信号をロボットベース１８に伝送して、入力ハンドル４２の移動に応答してツール２０を移動させる。処理装置３０は、Ｉｎｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ（例えば、入力ハンドル４２のうちの一方によって移動された距離）をスケーリング因子ＳＦで除算することによって制御信号をスケーリングして、スケーリングされたＯｕｔｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ（例えば、末端部１４の一方が移動される距離）に到達する。スケーリング因子ＳＦは、約１〜約１０の範囲内（例えば、３）にある。このスケーリングは、以下の式によって表わされる。
Ｏｕｔｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ＝Ｉｎｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ／ＳＦ
スケーリング因子ＳＦが大きいほど、入力ハンドル４２の移動に対するツール２０の移動が小さくなることが認識されるであろう。
【００３４】
Ｘ、Ｙ及びＺ座標軸に沿った入力ハンドル４２のツール２０の移動に対するスケーリング移動の詳細な説明については、２０１５年９月２１日に出願された「Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｉｎｐｕｔ  Ｓｃａｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する共通所有の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０５１１３０号、及び２０１６年１月２０日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／１４０３１号に参照が記載されているが、これらの開示の各々の全ての内容は、参照により本明細書に組み入れられる。
【００３５】
図２及び３をさらに参照すると、Ｘ、Ｙ及びＺ座標軸の各々に対する入力デバイス４６の回転は、ロール軸「Ｒ」、ピッチ軸「Ｐ」、及びヨー軸「Ｙ」（ＲＰＹ）を中心としたツール２０の回転にスケーリングされ得る。ＲＰＹ軸は、ハンドル装置４２及び／または入力デバイス４６の移動が、表示デバイス４４の臨床家の見え方に関連するように、表示デバイス４４上に表示されるカメラフレームに配向されていることが認識されるであろう。具体的には、ロール軸「Ｒ」はＺ座標軸を中心に、ピッチ軸「Ｐ」はＸ座標軸を中心に、ヨー軸「Ｙ」はＹ座標軸を中心にする。ＲＰＹ軸の各々を中心とした入力デバイス４６の回転のスケーリングは、ポジティブ、ネガティブ、あるいはニュートラルな様態でスケーリングされ得る。ポジティブな様態で回転をスケーリングすることによって、臨床家は、ＲＰＹ軸の特定の１つを中心とした入力デバイス４６の回転を減少させて、それぞれのＲＰＹ軸を中心としたツール２０の所望の回転を達成することができる。ポジティブなスケーリングは、臨床家が人体の自然な動きを超えた器用さを有することを可能にする。例えば、臨床家は、入力デバイス４６を解放することなく、臨床家の手首の動きに可能な範囲を超えてツール２０を転がすことができる。対照的に、ネガティブな様態で回転をスケーリングすることによって、臨床家は、入力デバイス４６の回転に応答して、ツール２０のＲＰＹ軸の特定の１つを中心としたツール２０の回転をより正確に制御することができる。
【００３６】
ＲＰＹ軸の各々を中心とした入力デバイス４６の回転は、ツール２０の回転に対して異なる様態でスケーリングされ得る。例えば、コントロールシャフト４３を中心とした入力デバイス４６の回転、すなわちロール軸「Ｒ」を中心とした回転は、ポジティブな様態でスケーリングされ得、ピッチ軸「Ｐ」を中心とした入力デバイス４６の回転は、ニュートラルな様態でスケーリングされ得、かつヨー軸「Ｙ」を中心とした入力デバイス４６の回転は、ネガティブな様態でスケーリングされ得る。本明細書では、スケーリングの任意の他の組み合わせが考えられ、本開示の一部を形成する。
【００３７】
ツール２０の回転は、ＲＰＹ軸のそれぞれの１つを中心とした入力デバイス４６の回転に応答してスケーリングされる。それぞれのＲＰＹ軸を中心とした移動は、上で詳述したように、ＸＹＺ座標軸に沿った移動と同様に、スケーリング因子ＳＦによってスケーリングされた角度で測定される。上記の例を続けると、ロール軸「Ｒ」を中心とした回転がポジティブな様態でスケーリングされ、ロールスケーリング因子ＲＳＦは、Ｏｕｔｐｕｔａｎｇｌｅがロール軸「Ｒ」を中心としたＩｎｐｕｔａｎｇｌｅよりも大きいように、１．０未満、例えば約０．１０〜約０．９５である。加えて、ピッチ軸「Ｐ」を中心とした回転がニュートラルな様態でスケーリングされ、ピッチスケーリング因子ＰＳＦは、Ｏｕｔｐｕｔａｎｇｌｅがピッチ軸「Ｐ」を中心としたＩｎｐｕｔａｎｇｌｅに等しくなるように、約１．０に等しい。さらに、ヨー軸「Ｙ」を中心とした回転がネガティブな様態でスケーリングされ、ヨースケーリング因子ＹＳＦは、Ｏｕｔｐｕｔａｎｇｌｅがヨー軸「Ｙ」を中心としたＩｎｐｕｔａｎｇｌｅよりも小さいように、１．０よりも大きい、例えば約１．１０〜約１０．０である。ＲＰＹスケーリング因子ＲＳＦ、ＰＳＦ、及びＹＳＦの各々は、ＲＰＹスケーリング因子の別の１つと等しくてもよく、またはＲＰＹスケーリング因子の各々が互いに異なっていてもよいことが考えられる。
【００３８】
さらにまたは代替的に、ＲＰＹスケーリング因子のうちの１つは、入力デバイス４６がアイドル位置からそれぞれのＲＰＹ軸を中心とした移動の限界まで、ＲＰＹ軸のうちのそれぞれの１つを中心に回転されるとき、変化されてもよい。例えば、入力デバイス４６がアイドル位置（図２）からロール軸「Ｒ」を中心に回転されるとき、ロールスケーリング因子ＲＳＦは、最初約１．０であり、入力デバイス４６がロール軸「Ｒ」を中心とした回転の限界に近づいたとき、約０．５のロールスケーリング因子ＲＳＦに減少する。ロールスケーリング因子ＲＳＦのこの変化は、線形様態、指数的様態、または関数的様態であり得る。さらに、ロールスケーリング因子ＲＳＦの変化は、アイドル位置に隣接する第１の様態（例えば、固定、線形、指数的、または関数的）であってもよく、かつ回転の限界に隣接する第２の様態（例えば、固定、線形、指数的、または関数的）であってもよい。ＲＰＹスケーリング因子の変化は、それぞれの連結部１２に取り付けられたユーザインターフェース４０（図１）またはツール２０（図１）とインターフェースを取っている臨床家に対してカスタマイズ可能であり得る。さらにまたは代替的に、ＲＰＹスケーリング因子の変化は、臨床家または処理装置３０（図１）が、１つ以上のＲＰＹスケーリング因子の様態（例えば、ポジティブ、ニュートラル、またはネガティブ）、または１つ以上のＲＰＹスケーリング因子の値を変化させる際の様態（例えば、固定、線形、指数的、または関数的）を変化させ得るように、外科用手技の間、動的であり得る。移動または回転が限界に近づくときにスケーリング因子を変化させる方法の詳細な考察については、「Ｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｉｎｐｕｔ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題された２０１５年２月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／１１８，１２３号が参照され得、その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３９】
１つ以上のＲＰＹスケーリング因子は、交換または置換ツール（例えば、ツール２０）がアーム１２の末端部に取り付けられた後に変化され得、ツールが入力デバイス４６から位置ずれして取り付けられたとき、入力デバイス４６をツールと整列させることが考えられる。具体的には、臨床家が入力ハンドル４６を中心または整列位置から離れて移動するとき、各方向のＲＰＹスケーリング因子はよりネガティブになり得、臨床家が、ツールが入力デバイス４６と整列されるまで、入力ハンドル４６を中心または整列位置に向けて移動するとき、よりポジティブになり得る。ツールが入力デバイス４６と整列されるとき、ＲＰＹスケーリング因子は、対称的に、ポジティブ、ニュートラル、またはネガティブに動作するように戻る。
【００４０】
本開示の別の実施形態では、ＲＰＹ軸を中心としたツール２０の回転は、初期またはアイドル位置から変位または回転位置までの入力デバイス４６の変位に応答して抑制されてもよい。そのような実施形態では、入力デバイス４６が図２に示すアイドル位置にあるとき、ツール２０は、ＲＰＹ軸に対するその位置を維持する。入力デバイス４６が特定のＲＰＹ軸を中心に回転されるとき、ツール２０は、等速度で、入力デバイス４６の回転方向に関連する方向において、特定のＲＰＹ軸を中心に回転される。例えば、入力デバイス４６がアイドル位置（図２）からロール軸「Ｒ」を中心に回転されるとき、ツール２０は、最初に約１°／秒の角速度で回転する。ロール軸「Ｒ」を中心とした入力デバイス４６のさらなる回転は、ツール２０の回転に影響を与えない。ツール２０の回転を停止するために、入力デバイス４６をアイドル位置に戻す。入力デバイス４６がアイドル位置を越えて回転されたときにツール２０が回転されるように、アイドル位置は、単数または０度の位置であってもよく、または約−５°〜約５°の回転の範囲であってもよいことが考えられる。
【００４１】
代替的に、特定のＲＰＹ軸を中心としたツール２０の回転速度は、特定のＲＰＹ軸を中心とした入力デバイス４６の角変位に応答して変化してもよい。例えば、入力デバイス４６がアイドル位置（図２）からロール軸「Ｒ」を中心に回転されるとき、ツール２０は、最初に約１°／秒の角速度で回転し、入力デバイス４６がロール軸「Ｒ」を中心とした回転の限界に近づいたとき、ロール軸「Ｒ」を中心に回転するツールの角速度が約１０°／秒に増加する。ツール２０の回転の角速度の変化は、ロール軸「Ｒ」を中心とした入力デバイス４６の回転に応答して、線形、指数的、または関数的であってもよい。さらに、ツール２０の回転の角速度の変化は、円滑または段階的であってもよい。
【００４２】
以下に詳述されるように、ロール軸「Ｒ」を中心としたツール２０の回転をスケーリングするための方法は、本開示に従って以下に詳述される。方法は、ユーザインターフェース４０のワールドフレームにおける入力デバイスまたはハンドル４６の回転に基づいて、ツール２０の配向または回転をスケーリングする。ワールドフレームにおける入力ハンドル４６の配向は、
【化１】
2018538047.tif 000002
として表される。処理装置３０（図１）は、
【化２】
2018538047.tif 000003
としてワールドフレーム内の入力デバイス４６の回転をスケーリングし、入力ハンドル４６の回転に応答して、ツール２０の回転を増加させる。スケーリングのニュートラルな配向では、入力ハンドル４６は、
【化３】
2018538047.tif 000004
などその物理的な配向がニュートラルな配向に一致するように、位置付けられている。
【００４３】
ニュートラルな配向は、ハンドルＲorientationの配向の任意の配向が、以下のようなニュートラルな配向に関連するように、ワールドフレーム内に
【化４】
2018538047.tif 000005
行列として定義され得る。
【数１】
2018538047.tif 000006
【００４４】
次に、スケーリングＳは、
【化５】
2018538047.tif 000007
などの
【化６】
2018538047.tif 000008
に適用され得る。上記の２つの式を組み合わせると、次のようになる。
【数２】
2018538047.tif 000009
【００４５】
固定スケーリング因子による入力ハンドル４６の回転のスケーリングは、回転ベクトル「Ｒ」が、下記の式のように、回転ベクトルにスケイラ「ｓ」を乗算することによってスケーリングされ得るように、オイラー回転ベクトルとして表現され得る。
【数３】
2018538047.tif 000010
入力及び出力が回転行列である場合、
【化７】
2018538047.tif 000011
がオイラー回転ベクトル「Ｒ」を回転行列に変換して、
【化８】
2018538047.tif 000012
が回転行列「Ｒ」をオイラー回転ベクトルに変換して、
【化９】
2018538047.tif 000013
のような変換が必要である。
【００４６】
上記の式は、１つの行列表現を有するが、２πの倍数で異なる無限個の回転ベクトル表現を有する剛体回転に基づくエイリアシングを被る可能性がある。ツール２０の大きな回転が許容される場合、回転ベクトルの変換は、同じ姿勢が、スケーリングされた出力に不連続を生じさせる可能性のある回転ベクトル値の数にマッピングされるように、異なる方法でエイリアスすることができる。不連続を避けるために、２πの倍数で大きさを変更することによって、回転ベクトル「Ｒ」が以前の配向に一致するように、回転ベクトル「Ｒ」からエイリアシングが除去される。このアンチエイリアシング関数は、最終式が以下のようになるように、
【化１０】
2018538047.tif 000014
として表すことができる。
【数４】
2018538047.tif 000015
【００４７】
入力ハンドル４６のスケーリングはまた、各軸を中心とした回転が異なる様態でスケーリングされるように、所与の軸に対して固有であってもよい。例えば、ピッチまたはヨー軸を中心としたスケーリングは、異なる様態で、またはロール軸を中心としたスケーリングから分離してスケーリングされてもよい。個々の軸のスケーリングを分離するために、相対的な配向
【化１１】
2018538047.tif 000016
は、
【化１２】
2018538047.tif 000017
のように、ピッチ及びヨーコンポーネントとロールコンポーネントとに分解される。次に、各回転をオイラー回転ベクトルに変換し、その後に角度をスケーリングすることによって、Ｒｐｙ及びＲｒｏｌｌの各々に均一なスケーリングを適用することができる。ピッチ／ヨーコンポーネントのＲｐｙは、ピッチ／ヨースケーリング因子Ｓｐｙ及びロールコンポーネントのＲｒｏｌｌがロールスケーリング因子Ｓｒｏｌｌによってスケーリングされることによってスケーリングされ得る。上で詳述したように、エイリアシングを避けるために、２πより大きい回転は避けるべきであることが認識されるであろう。
【００４８】
分離したスケーリングが、
【数５】
2018538047.tif 000018
として、表され得る。
ここで
【化１３】
2018538047.tif 000019
は、因子「ｓ」によって回転「Ｒ」の均一なスケーリングを表す。
【００４９】
【化１４】
2018538047.tif 000020
からＲｒｏｌｌを抽出することは、入力ハンドル４６の軸の配向を考慮に入れ、入力ハンドル４６の軸に対してロールをスケーリングする。Ｒｐｙは、スケーリングされた配向が、ハンドルのニュートラルな配向及びロール軸「Ｒ」の両方に依存するように、入力ハンドル４６の方向またはハンドルのロール軸「Ｒ」（図２）に依存して、抽出されたＲｒｏｌｌを除去することによりＲｐｙを計算することによって考慮されるニュートラルな配向に対してスケーリングされる。
【００５０】
単一の動作として、軸に特化した配向を実行することが効果的であり得る。単一の動作を使用するこのような方法は、スケールされた配向に対応する物理的な配向を計算する本開示に従って本明細書に記載される。この単一の動作から、スケーリングされた配向の誤差を表すために、または、ツール２０の減少した自由度によって制限に達する（すなわち、特異点に近づくまたは特異点に達する）とき、あるいは作業空間の縁に達しているとき、フィードバックが臨床家に提供され得る。単一の動作は、全ての配向で正確であるために逆になる。具体的には、エイリアシングは、スケーリングされた回転の各々について考慮されるべきである。
【００５１】
単一の動作は、上述したように分解を回避し、ロール軸を中心とした回転をスケーリング因子Ｓｒｏｌｌによってスケーリングするスケーリングを組み合わせ、ロールコンポーネントのない回転を異なるスケーリング因子Ｓｐｙによってスケーリングし、中間の回転を途中である様態で処理する。このようなスケーリングされた回転は、下記の式で表される。
【数６】
2018538047.tif 000021
【化１５】
2018538047.tif 000022
は、ニュートラルな配向から離れた全体の回転であり、
【化１６】
2018538047.tif 000023
は、以下で説明するように導出される、組み合わせられたスケーリング演算子である。Ｓ２は、Ｓｒｏｌｌ及びＳｐｙスケーリング因子に依存し、かつニュートラルフレームに対するロール軸
【化１７】
2018538047.tif 000024
の方向に依存することに留意されたい。
【００５２】
異方性スケーリングを使用してツール２０のスケーリングされた配向を計算する別の方法は、本開示に従って記載される。異方性スケーリングは、入力回転に加えて３つのパラメータによって入力ハンドル４６の動きをスケーリングする。第１のパラメータは、
【化１８】
2018538047.tif 000025
（すなわち、上で詳述したロール軸「Ｒ」）である固定軸「ｗ」であり、第２のパラメータは、スケーリング因子
【化１９】
2018538047.tif 000026
であり、第３のパラメータは、スケーリング因子
【化２０】
2018538047.tif 000027
である。スケーリング因子
【化２１】
2018538047.tif 000028
とスケーリング因子
【化２２】
2018538047.tif 000029
とは、互いに等しくてもよく、または互いに異なっていてもよい。軸「ｗ」を中心とした回転は、スケーリング因子
【化２３】
2018538047.tif 000030
によってスケーリングされ、軸「ｗ」（すなわち、
【化２４】
2018538047.tif 000031
）に垂直な任意の軸を中心とした回転は、スケーリング因子
【化２５】
2018538047.tif 000032
によってスケーリングされる。異方性スケーリングが正確であるためには、以下の条件を満たす必要がある。まず、軸「ｗ」を中心とした回転、または軸「ｗ」に垂直な任意の軸を中心とした回転が、それぞれスケーリング因子
【化２６】
2018538047.tif 000033
、またはスケーリング因子
【化２７】
2018538047.tif 000034
、によって正確にスケーリングされ、第２に、任意の中間軸を中心とした回転が、スケーリング因子ｓ０とｓｗとの間の因子によってスケーリングされ、第３に、
【化２８】
2018538047.tif 000035
である場合、スケーリングが等方的な回転スケーリングに対応することである。
【００５３】
入力ハンドル４６の動きを異方性的にスケーリングするために、鏡映のためのハウスホルダー変換を引き起こす演算子
【化２９】
2018538047.tif 000036
は、回転ベクトル「ｒ」が以下のように表現されるように、上で詳述したオイラー回転ベクトル「Ｒ」に適用される。
【数７】
2018538047.tif 000037
ここで
【化３０】
2018538047.tif 000038
は、オイラー回転ベクトル「Ｒ」を回転行列に変換し、
【化３１】
2018538047.tif 000039
は、回転行列「Ｒ」をオイラー回転ベクトルに変換し、
【化３２】
2018538047.tif 000040
は、回転ベクトル「Ｒ」の大きさを２πの倍数だけ変化させることによって、回転ベクトル「Ｒ」からエイリアシングを除去する。
【００５４】
上で詳述した条件において異方性スケーリングの検証が正確であることは、以下で説明される。第１の条件では、
【化３３】
2018538047.tif 000041
なので、
【化３４】
2018538047.tif 000042
である。軸「ｗ」を中心とせず、軸「ｗ」から独立していない第２の回転条件では、回転軸は、方向を変更することができ（すなわち、
【化３５】
2018538047.tif 000043
である場合、軸は「ｖ」平面から±ｗに向かって離れて移動する、または反対の方向に移動する）、回転角度は、ｓ０とｓｗとの間の因子によってスケーリングされる。最後に、第３の条件を満たすためには、スケーリン因子が、
【化３６】
2018538047.tif 000044
であるとき、
【化３７】
2018538047.tif 000045
である。
【００５５】
異方性スケーリングの最終変換の逆数は、以下のように計算することができる。
【数８】
2018538047.tif 000046
【００５６】
軸「ｗ」が可変である場合、
【化３８】
2018538047.tif 000047
を計算するためにベクトル演算が使用され得る。例えば、ベクトル演算は
【化３９】
2018538047.tif 000048
となり、
【化４０】
2018538047.tif 000049
を再計算し、演算子行列として
【化４１】
2018538047.tif 000050
を使用することができる。三角法の代わりにベクトル演算を用いることにより、上記の異方性スケーリング法を実行するコスト及び／または時間を低減することができる。
【００５７】
本開示のいくつかの実施形態が図面に示されているが、本開示は、当該技術分野が認めるような広さの範囲にあること及び明細書が同様に読み取られることが意図されるように、本開示をそれらの実施形態に限定することは意図されない。上記実施形態の任意の組み合わせもまた、想定され、添付の特許請求の範囲内にある。したがって、上記説明は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単に特定の実施形態の例示として解釈されるべきである。当業者は、本明細書に添付された特許請求の範囲内の他の修正を想定するであろう。
【図１】
2018538047.tif 000051
【図２】
2018538047.tif 000052
【図３】
2018538047.tif 000053
【国際調査報告】
2018538047.tif 000054
2018538047.tif 000055
2018538047.tif 000056
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2018538047.tif 000058
2018538047.tif 000059
2018538047.tif 000060