JP2018094446A - ゼロ空間を使用して手術用マニピュレータの命令された再構成を取るためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドエフェクタを準備する際に及び／又はエンドエフェクタの移動中にマニピュレータアームの再構成を可能にし、加えて、それらの手先の器用さを維持又は向上させたまま、器具の可動域を増加させる外科用ロボットシステムを提供する。【解決手段】再構成コマンドの受信に応答して、システムは、第１セットの関節ＴＪを駆動するとともに、ゼロ空間内に存在するように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又は器具シャフトが旋回するような遠隔センタを維持するように、再構成コマンドと計算された運動に従って駆動される。別の態様では、関節は、また、エンドエフェクタや遠隔センタの所望の運動と同時に所望の再構成がもたらされるように、計算されたエンドエフェクタ又は遠隔センタの移動速度に従ってヤコビアンのゼロ−垂直空間内で駆動される。【選択図】図１５Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年６月１日に出願された「Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using a Null-Space（代理人整理番号：ISRG03770PROV／US）」という標題の米国特許仮出願第６１／６５４，７６４号からの優先権の利益を主張するものであり、この文献の全体の開示は、参照として本明細書中に組み込まれる。

本出願は、以下の共通して所有される出願に概して関連している。
２００９年６月３０日に出願された「Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities」という標題の米国特許出願第１２／４９４，６９５号、２００９年３月１７日に出願された「Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion」という標題の米国特許出願第１２／４０６，００４号、２００５年５月１９日に出願された「Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses」という標題の米国特許出願第１１／１３３，４２３号（米国特許第８，００４，２２９号）、２００４年９月３０日に出願された「Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery」という標題の米国特許出願第１０／９５７，０７７号（米国特許第７，５９４，９１２号）、１９９９年９月１７日に出願された「Master Having Redundant Degrees of Freedom」という標題の米国特許出願第０９／３９８，５０７号（米国特許第６，７１４，８３９号）、本出願と同時に出願された「Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space」という標題の米国特許出願番号 （代理人整理番号ISRG03760／US）、「Systems and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space」という標題の米国特許出願番号 （代理人整理番号ISRG03810／US）に関連する。これらの文献の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して、改良された外科及び／又はロボット装置、システム、及び方法を提供する。

低侵襲性医療技術は、診断又は外科手術中に損傷する組織量を低減させ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減少させる。何百万という「公開された」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、手術用器具や技術の制限、及びそれら手術用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、低侵襲性技術を同時に使用しているのが実情である。

手術で使用される低侵襲性遠隔手術システムは、外科医の手先の器用さを増大させるだけでなく、外科医が遠隔位置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、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して、手で機器を直接的に保持し且つ動かすのではなく、手術用器具の動きを操作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、遠隔地における手術部位の画像が提供される。適当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典型的に見ながら、外科医は、マスター制御入力装置を操作し、次にロボット機器の動作を制御することによって、患者に外科手術を行う。ロボット手術用器具が、小さな、低侵襲性外科的開口部を介して挿入され、大抵の場合、切開手術のためのアクセスに関連する外傷が生じるような患者の体内の手術部位における組織が治療される。これらのロボットシステムは、大抵の場合、低侵襲性開口部において器具シャフトを旋回させ、開口部を介してシャフトを軸線方向に摺動させ、開口部内でシャフトを回転させ、及び／又は同様の動作を行うことによって、非常に複雑な外科的タスクを行うために十分な手先の器用さを有するような手術用器具の作業端部を移動させることができる。

遠隔手術用に使用されるサーボ機構は、大抵の場合、２つのマスター制御装置（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つ以上のロボットアームや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機器の画像に対して手の動きをマッピングすることによって、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ことができる。多くの手術用ロボットシステムでは、１つ又は複数の追加のロボット操作用マニピュレータアームが、内視鏡又は他の画像取込装置、追加の手術用器具等を移動させるために含められる。

様々な構造配置を使用して、ロボットによる手術中に、手術用器具を手術部位に支持することができる。従動リンク又は「スレーブ」は、大抵の場合、ロボット手術用マニピュレータと呼ばれており、ロボットによる低侵襲性手術中に、ロボット手術用マニピュレータとして使用される例示的なリンク配置は、米国特許第６，７５８，８４３号、第６，２４６，２００号及び第５，８００，４２３号に記載されており、これら文献の全体の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。これらのリンクは、大抵の場合、平行四辺形の配置を利用して、シャフトを有する器具を保持する。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て空間に位置付けされた球状回転体の遠隔センタの周りを旋回するように器具の動きを拘束することができる。（例えば、腹腔鏡手術中に腹壁で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体の中心とを位置合わせすることによって、手術用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、マニピュレータのリンク機構を用いてシャフトの基端端部を移動させることによって、安全に位置決めすることができる。代替のマニピュレータ構造は、例えば米国特許第６，７０２，８０５号、第６，６７６，６６９号、第５，８５５，５８３号、第５，８０８，６６５号、第５，４４５，１６６号及び第５，１８４，６０１号に記載されており、これらの文献の全体の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

新しいロボット手術システムや装置が、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、低侵襲性手術部位内に手術用器具を移動させるときに、ロボット手術用マニピュレータは、患者の体外でかなりの量の動きを示すことがあり、特に大きい角度範囲に亘って低侵襲性開口部の周りに器具を旋回させるときに、互いに、手術室の器具カート又は他の構造体と、手術従事者と、及び／又は患者の外面と不意に接触するようなマニピュレータの移動をもたらす可能性がある。患者（等）の体外でのマニピュレータ／マニピュレータの不意の接触を阻止しながら、挿入部位への旋回運動を拘束するような高度に設定可能な運動学的なマニピュレータの関節セットについて、ソフトウェア制御を用いるような代替のマニピュレータ構造が提案されている。これら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、重要な利点を提供することができるが、様々な課題も存在し得る。具体的には、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ている。さらに、大抵の場合これらのマニピュレータに含まれる多数の関節の広範囲な構成によって、特定の手術のために望ましい構成を手動でセットアップするには困難であるマニピュレータを生じさせることがある。とはいえ、遠隔手術システムを用いて行われる手術範囲が拡大し続けているが、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、体外で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、（手術作業空間内部のツールの器用さ及び／又は可動域を不必要に制限するような）不十分に条件付けされたマニピュレータの構成を回避することの重要性を高めている。

これらの理由及び他の理由のために、改良された装置、システム、及び手術方法、ロボット手術及び他のロボット用途を提供することが有利である。エンドエフェクタの所望の状態又は器具シャフトが旋回するような遠隔センタの所望の位置を維持しながら、これらの改良された技術が、所望の再構成に従ってマニピュレータアームを再構成する能力が提供される場合には、それは特に有益であろう。理想的には、これらの改良によって、第１のユーザが、外科手術中にマニピュレータアームのエンドエフェクタの動きを可能にする一方、第２ユーザが、エンドエフェクタを準備する際に及び／又はエンドエフェクタの移動中にマニピュレータアームの再構成を可能にすることである。加えて、それらの手先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手術につい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。

本発明は、概して、改良されたロボット及び／又は手術用装置、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用ロボットマニピュレータを使用するであろう。これらのマニピュレータは、例えば、関連する手術用エンドエフェクタが手術作業空間内にあるよりも、より大きな運動の自由度を有してもよい。本発明によるロボット手術システムは、典型的には、ロボット手術用器具を支持するマニピュレータアームと、この器具のエンドエフェクタを操作するための協働（連動）する関節の運動を計算するプロセッサとを含む。エンドエフェクタを支持するロボット操作用マニピュレータの関節によって、マニピュレータが、エンドエフェクタの所定位置及び／又は旋回点の所定位置について異なる構成の範囲に亘って移動することを可能にする。システムによって、高度に設定可能なロボット操作用マニピュレータの再構成が、ユーザコマンドに応答して、プロセッサによって計算された関節の協働（連動）運動に従ってマニピュレータの１つ又は複数の関節を駆動させることにより、エンドエフェクタの所望状態及び／又は旋回点の位置を維持するように、運動学的ヤコビアンのゼロ空間内にマニピュレータの１つ又は複数の関節の動きがもたらされる。様々な実施形態では、システムオペレータは、ユーザ入力装置を用いて再構成コマンドを入力し、マニピュレータが所望するように再構成されるまで、ゼロ空間内でマニピュレータの１つ又は複数の関節を駆動させる。

本発明の一態様では、操作入力部には、冗長自由度（ＲＤＯＦ）の手術用ロボットシステムが、提供される。ＲＤＯＦ手術用ロボットシステムは、マニピュレータ・アセンブリと、１つ又は複数のユーザ入力装置と、制御装置を備えたプロセッサとを有する。アセンブリのマニピュレータアームは、エンドエフェクタの所定状態のための関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を提供する複数の関節を有している。ユーザによって入力された受信した再構成コマンドに応答して、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、再構成コマンドと計算された運動とに従って駆動される。エンドエフェクタを所望の運動で移動させるような操作コマンドを受信することに応答して、システムは、ゼロ空間に直交するヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算することにより、関節のエンドエフェクタの移動運動を計算し、且つエンドエフェクタの所望の動作をもたらすように、計算された移動運動に従って関節を駆動させる。

本発明の別の態様では、マニピュレータは、器具シャフトの中間部分が、遠隔センタの周りを旋回するような移動をするように構成される。マニピュレータと器具との間において、器具シャフトの中間部分が、アクセス部位を通って延びるときに、エンドエフェクタ位置についての関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を提供する複数の従動関節が存在する。制御装置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。再構成コマンドに応答して、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動作中にアクセス部位内にあるような所望の再構成がもたらされるように、１つ又は複数の関節運動を決定するとともに、シャフトが旋回する遠隔センタの所望位置を維持する。様々な実施形態では、エンドエフェクタの所望の動作をもたらすような操作コマンドの受信に応答して、システムは、関節のエンドエフェクタの移動運動を計算し、その計算は、ゼロ空間に直交するヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算することを含む。そして、システムは、器具シャフトが遠隔センタの周りを旋回するようなエンドエフェクタの所望の動作を生じさせるように、計算された動きに従って関節を駆動させる。

特定の実施形態では、関節のエンドエフェクタの移動運動は、複数の関節の第１セットの関節の駆動を回避するように計算され、それによって、第１セットの関節が、効果的にロックアウトされる、又は第１セットの関節は、エンドエフェクタの移動運動をもたらすようには駆動されない。第１セットの関節は、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を含んでもよい。しかしながら、関節の再構成動作は、エンドエフェクタの所望の運動をもたらすべく複数の関節の第１セットの関節を駆動するように計算することができる。第１セットの関節の再構成動作は、第１セットの関節からの関節運動が、再構成の継続期間に亘って実質的に一定の関節速度を提供するように、計算することもできる。いくつかの実施形態では、マニピュレータの第１セットの関節からのある関節は、マニピュレータアームをベースに結合するようなレボリュート(revolute)関節である。エンドエフェクタの所望の状態は、エンドエフェクタの所望の位置、速度又は加速度を含んでもよい。一般的に、操作コマンド及び再構成コマンドは、典型的に、別の入力装置で別のユーザから受信される別々の入力である、又はこれらの別々の入力は、同じユーザから受信することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタの操作コマンドは、外科医コンソールのマスター入力部にコマンドを入力する外科医等の第１のユーザによって入力装置から受信される一方、再構成コマンドは、別の入力装置で、患者側カートの入力装置で再構成コマンドを入力する医師の助手等の第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、エンドエフェクタの操作コマンド及び再構成コマンドは両方とも、同じユーザによって外科医コンソールの入力装置から受信される。他の実施形態では、エンドエフェクタの操作コマンド及び再構成コマンドは両方とも、同じユーザによって患者側カートの入力装置から受信される。

一態様では、マニピュレータアームの基端部分は、関節を駆動させながら、ベースに対するこの基端部分の移動が阻止されるようにベースに取り付けられる。この基端部分は、関節を駆動させながら、マニピュレータアームの基端部分が、ベースに対して移動可能となるように関節によってベースに結合してもよい。例示的な実施形態では、関節は、マニピュレータアームを支持するレボリュート関節によって、マニピュレータの基端部分をベースに結合させ、それによって、このレボリュート関節の関節運動によって、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節をレボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させる。特定の実施形態では、レボリュート関節の旋回軸線は、関節から、エンドエフェクタの器具シャフトが旋回する遠隔センタを通って延びる。一態様では、レボリュート関節の動きによって、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を、先端側エンドエフェクタに向けて先端方向にテーパが付けられた及び向き合せされたコーン（円錐体）、典型的には遠隔センタの回りを旋回させる。マニピュレータアームがこの態様において旋回するコーンは、ツールチップの可動域内の円錐形状の空洞(void)に対応し、ツールの移動は、以下でさらに詳細に議論するように不可能又は不能にされる。

別の態様では、マニピュレータの基端部分をベースに結合する関節は、ある経路に沿ってベースに対して移動可能であり、この経路は、典型的には、この経路に沿った関節の運動によって、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を、器具付近のマニピュレータアームの先端部分を通って、好ましくは器具シャフトが旋回する遠隔センタを通って延びるような軸線の周りに旋回させるような弓形、又は実質的に円形の経路である。いくつかの実施形態では、マニピュレータは、マニピュレータの基端部分をベースに結合するようなレボリュート関節を含んでおり、このレボリュート関節は、直線状、弓形又は実質的に円形とすることができるような経路に沿ってベースに対して移動可能である。

本発明のさらに別の態様では、手術用ロボットマニピュレータには、基端側レボリュート関節と先端側平行四辺形リンク機構が設けられており、レボリュート関節の旋回軸線が、好ましくは該当する場合は遠隔センタで、エンドエフェクタの器具シャフトの軸線と実質的に交差する。システムは、マニピュレータアームに入力部を結合する制御装置を含むプロセッサをさらに有しており、関節の計算された速度がヤコビアンのゼロ空間の範囲内にあるような再構成コマンドに応答して、複数の関節運動を計算するように構成される。システムは、エンドエフェクタが所望の状態にある間に、所望の再構成動作で複数の関節のうちの第１セットの関節を移動させるような再構成コマンドを受信するための入力装置を含む。

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。

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、複数のロボット操作用マニピュレータを含む手術用ステーションを有しており、ロボット操作用マニピュレータは、手術用エンドエフェクタを有する手術用器具を患者内の内部手術部位にロボット操作によって移動させる。 図１Ａのロボット手術システムを示す概略図である。 図１の手術用システムに外科手術用コマンドを入力するためのマスター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、外科医コンソールは、入力コマンドに応答してマニピュレータ・コマンド信号を生成するためのプロセッサを含む。 図１Ａの電子機器カートの斜視図である。 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。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 順方向ピッチ運動構成の例示的なマニピュレータアームを示す図である。 逆方向ピッチ運動構成の例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームの手術用器具のツールチップの可動域を示す図形表現であり、この図形表現は、順方向ピッチ運動構成及び逆方向ピッチ運動構成の各々における静止コーン又は円錐体のツールアクセスの制限区域を含む。 基端側レボリュート関節の軸線の回りにマニピュレータアームを周転させるような基端側レボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームと、関連する可動域と、静止コーンを示す図であり、例示的マニピュレータアームは、基端側レボリュート関節の軸線の回りにマニピュレータアームを周転させる基端側レボリュート関節を有しており、この動きを使用して、図示される静止コーンを軽減することができる。 先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 器具ホルダを関節軸線の回りに周転させる又はねじるような、先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート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である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート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である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート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である。 関節の角度変位が０°であるときに、先端側レボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームの周転されたプロファイルを示す図である。 関節の角度変位が９０°であるときに、先端側レボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームの周転されたプロファイルを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを関節の経路に関して支持する基端側関節を並進させるような、基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータ・アセンブリについてゼロ空間とヤコビアンのゼロ−垂直空間との間の関係を図式的に表す図である。 例示的なマニピュレータ・アセンブリについてゼロ空間とヤコビアンのゼロ−垂直空間との間の関係を図式的に表す図である。 エンドエフェクタの所定位置についての例示的なマニピュレータ・アセンブリの再構成を示す図である。 エンドエフェクタの所定位置についての例示的なマニピュレータ・アセンブリの再構成を示す図である。 関連する機器シャフトが旋回するような遠隔センタの所定位置についての例示的なマニピュレータを示す図である。 関連する機器シャフトが旋回するような遠隔センタの所定位置についての例示的なマニピュレータを示す図である。 多くの実施形態による操作コマンド入力の例を示す図である。 多くの実施形態による操作コマンド入力の例を示す図である。 多くの実施形態による操作コマンド入力の例を示す図である。 多くの実施形態による方法を示す簡略化したブロック図である。 多くの実施形態による方法を示す簡略化したブロック図である。

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、複数の手術用ツール又は器具が、外科手術中に、関連する複数のロボット操作用マニピュレータ上に取り付けられており、且つこれらのマニピュレータによって移動されるような手術用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、マスター・スレーブ制御装置として構成されたプロセッサを含むような、遠隔ロボット、遠隔手術、及び／又はテレプレゼンス・システムを含む。マニピュレータ・アセンブリを移動させる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に、比較的大きい数の自由度を有する多関節リンク機構を設けることによって、リンク機構の動きは、低侵襲性アクセス部位を介して作業に合わせて調整することができる。多数の自由度によって、システムオペレータ又は助手が、随意に、手術の準備において及び／又は別の使用によって、外科手術中に、エンドエフェクタを操作する間に、エンドエフェクタの所望状態を維持しながら、マニピュレータ・アセンブリのリンク機構の再構成を行うのを可能にする。

本明細書に記載されるロボット操作用マニピュレータ・アセンブリは、大抵の場合、ロボット操作用マニピュレータと、そのマニピュレータ上に取付けられたツールとを有する（ツールは、大抵の場合、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、そのマニピュレータ上に取付けられたツールを用いないような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と専門のロボット手術器具との両方を包含し、後者である専門のロボット手術器具の構造は、大抵の場合、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、大抵の場合、代替ツールを用いてツールの迅速な取外し及び交換を可能にするクイック取外しツールホルダ又は結合器である。マニピュレータ・アセンブリは、大抵の場合、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ており、マニピュレータ・アセンブリは、このベースと、ツールのエンドエフェクタとの間に多数の自由度を含んでもよい。エンドエフェクタの作動（例えば、把持装置の顎部の開閉、電気外科パドルへの通電等）は、大抵の場合、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、及びこのアセンブリに追加される。

エンドエフェクタは、典型的に、２〜６の自由度で作業空間内を移動する。本明細書で使用されるように、用語「位置」は、位置と向きとの両方を包含する。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の向きから第２の向きへのエンドエフェクタの回転、又はこれらの両方の組み合わせを含んでもよい。低侵襲性ロボット手術に使用するときに、マニピュレータ・アセンブリの動きは、シャフト並びに、ツール又は器具の中間部分が、低侵襲性手術用アクセス部位又は他の開口部を介して安全な動作で拘束されるように、システムのプロセッサによって制御することができる。例えばこのような動作は、開口部位を通して外科用作業空間にシャフトを挿入する挿入軸線、その軸線の回りのシャフトの回転、アクセス部位に隣接する旋回点の周りにシャフトを旋回させる旋回動作を含むことができる。

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移動させる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、いくつかの実施形態では、低侵襲性開口部を介して内部手術部位において６つの自由度で位置決めされた手術用エンドエフェクタは、９つの自由度（エンドエフェクタについて６つの自由度（位置について３つの自由度、向きについて３つの自由度）、アクセス部位の拘束に適合するようにさらに３つの自由度）を有するが、１０以上の自由度を有することもある。エンドエフェクタの所定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・アセンブリが、作業空間内においてエンドエフェクタの位置についての関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を有する又は提供するものとして説明される。例えば、エンドエフェクタの所定位置について、マニピュレータ・アセンブリは、マニピュレータのリンク機構の代替的な位置の範囲のいずれかを占める（その間に駆動される）ことができる。同様に、エンドエフェクタの所定の速度ベクトルについて、マニピュレータ・アセンブリは、ヤコビアンのゼロ空間内にマニピュレータ・アセンブリの様々な関節について、異なる速度の関節可動域を有し得る。

本発明は、広い可動域が望まれる外科（及びその他の）用途に特に適したロボットのリンク構造体を提供し、限られた専用容積が、他のロボットリンク機構、手術従事者及び外科機器等の存在のために、利用可能になる。各ロボットのリンク機構のために必要とされる大きな可動域及び減少した容積によって、ロボット支持構造体の位置と、外科的又は他の作業空間との間により大きな柔軟性も提供し、それによって、セットアップを容易にし且つ高速化する。

用語、関節等の「状態」は、大抵の場合、本明細書において、関節に関連付けられた制御変数を指す。例えば、角度関節の状態は、その可動域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、軸線方向関節又は直動(prismatic)関節の状態は、関節の軸線方向の位置、及び／又はその軸線方向速度を指すことができる。本明細書中に記載される制御装置の多くは、速度制御装置を含むが、それら速度制御装置は、大抵の場合、いくつかの位置制御の態様も有している。代替実施形態は、位置制御装置、加速度制御装置等に主に又は完全に依拠することができる。そのような装置で使用され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、この文献の全体の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。こうして、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用いて行うことができる。

特定の実施形態では、例示的なマニピュレータアームのツールは、低侵襲性開口部に隣接する旋回点の周りを旋回する。システムは、米国特許第６，７８６，８９６号に記載される遠隔センタ運動学等のハードウェア遠隔センタを利用することができ、この文献の内容は、その全体が本明細書に組み込まれる。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センタ点の周りを旋回するように、リンク機構の動きを拘束する二重平行四辺形リンク機構を利用することができる。代替の機械的に拘束された遠隔センタのリンク機構システムが、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、本発明に関連する研究は、遠隔センタの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、低侵襲性手術用アクセス部位において又はその付近で交差する２つの軸線の回りの旋回運動可能にするようなリンク機構を有するときに、球状の旋回運動は、患者内の所望の可動域の全範囲を包含することができるが、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での接触等）に悩まされる。まず、アクセス部位において又はその付近の旋回動作に対して機械的にも拘束されるような１つ以上の自由度を追加することは、可動域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。とはいえ、そのような関節は、他の外科手術のための可動域をさらに拡張する等することにより、システム全体が、衝突防止姿勢に構成され又は衝突防止姿勢に向けて駆動す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。いくつかの実施形態では、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センタを実現するための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、参照することにより本明細書に組み込まれる。ソフトウェアの遠隔センタを有するシステムでは、機械的な拘束とは対照的に、プロセッサは、決定された旋回点の周りに器具シャフトの中間部分を旋回させるように、関節運動を計算する。ソフトウェア旋回点を計算する能力を有することによって、システムの適合性又は剛性によって特徴付けられる異なるモードを、選択的に実行することができる。より具体的には、旋回点／中心の範囲（例えば、可動旋回点、受動旋回点、固定／剛性旋回点、ソフト旋回点）に亘った異なるシステムモードは、必要に応じて実現することができる。

多重化されるように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の比較的多数の関節及びリンクを含んでいるため、リンクの手動位置決めが、困難且つ複雑となることがある。マニピュレータの構造が、重力の影響を回避するようにバランスが取れた場合であっても、各関節を適切な配置で整列させる、又はマニピュレータを所望するように再構成するような試みは、困難な場合があり、時間がかかり、かなりの訓練及び／又は技能を必要とする。マニピュレータのリンクが、関節の周りでバランスが取れていないときに、この困難性はさらに大きくなり、それによって、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構成で配置することは、マニピュレータアームの長さ、多くの手術システムにおける受動的で柔弱な(limp)設計に苦闘することになる。本発明は、医師のアシスタント等のユーザが、エンドエフェクタの所望の状態を維持しながら、随意に外科手術中のエンドエフェクタの移動の間に、マニピュレータアームを迅速且つ容易に再構成するのを可能にする。いくつかの実施形態では、操作入力や再構成入力が、同じ人物（例えば、外科医コンソール又は患者側カートにおけるユーザ）によってもたらされてもよい。

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たユーザ入力を含むことができる。マニピュレータを手動で再構成するというよりもむしろ、入力は、ユーザによる再構成コマンドの入力に応答して、マニピュレータの構造を再構成するような運動学的リンク機構の従動関節の使用を容易にする。特定の実施形態では、再構成コマンド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内に組み込まれ、及び／又はこのマニピュレータアームの付近に配置される。入力部は、患者側カートの一群のボタン又はジョイスティック等の、１つ又は複数の関節の再構成を容易にするための中央入力装置を含んでもよい。典型的に、再構成コマンドを受信するための入力装置は、エンドエフェクタの移動をもたらすような操作コマンドを受信する入力部とは別の装置である。手術システムの制御装置は、制御装置が再構成コマンドの入力に応答して所望の再構成をもたらすことを可能にするように、プロセッサがその上に記録された関節を駆動するために適した関節コマンドを導出することを可能にするような、関節制御装置のプログラミング指示又はその上に記録されたコードを有する読み取り可能なメモリが設けられたプロセッサを含むことができる。

以下の説明において、本発明の様々な実施形態を説明する。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。しかしながら、本発明を特定の詳細なしに実施できることは当業者には明らかであろう。さらに、周知の機構は、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る。

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す。図１Ａは、多くの実施形態に従った、手術台１４上に横たわっている患者１２に低侵襲性診断又は外科手術を行う際に使用される低侵襲性ロボット手術（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によって使用される外科医コンソール１６を含むことができる。１人以上のアシスタント２０が、手術に参加することができる。ＭＩＲＳシステム１０は、患者側カート２２（手術用ロボット）と電子機器カート２４をさらに含むことができる。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つの着脱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）を患者１２の体内の低侵襲性切開部を介して操作することができる。手術部位の画像は、立体内視鏡等の内視鏡２８により得ることができ、この内視鏡は、内視鏡２８を向合せさせるように、患者側カート２２によって操作することができる。電子機器カート２４を使用し、後続の表示のために手術部位の画像を処理して、外科医コンソール１６を介して外科医１８に表示することができる。一度に使用される手術用ツール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つ以上のツール２６を変更する必要がある場合に、アシスタント２０は、患者側カート２２からツール２６を取り外すことができ、手術室内のトレイ３０からの別のツール２６をその取り外したツールと置き換えることができる。

図１Ｂは、（図１ＡのＭＩＲＳシステム１０等の）ロボット手術システム５０を示す概略図である。上述したように、（図１Ａの外科医コンソール１６等の）外科医コンソール５２は、低侵襲性手術中に外科医によって使用されて、（図１Ａの患者側カート２２等の）患者側カート（手術ロボット）５４を制御することができる。患者側カート５４は、立体内視鏡等の撮像装置を使用して、手順部位の画像を捕捉することができ、この捕捉した画像を（図１Ａの電子機器カート２４等の）電子機器カート５６に出力することができる。上述したように、電子機器カート５６は、後続の表示の前に、取得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、合成画像を外科医コンソール５２を介して外科医に表示する前に、取得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取得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、取得した画像を、この取得した画像を処理するために使用されるプロセッサ５８に出力することができる。画像は、電子機器カート５６及びプロセッサ５８を組み合わせることによっても処理することができ、この画像は、取得した画像を一緒に、順番に、及び／又はこれらの組み合わせで処理するように、結合することができる。１つ又は複数の別個のディスプレイ６０は、プロセッサ５８に結合することができ、及び／又は手術部位の画像等の局所的及び／又は遠隔表示画像又は他の関連画像のための電子機器カート５６に結合することができる。

図２は、外科医コンソール１６の斜視図である。外科医コンソール１６は、深さの知覚を可能にするような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、１つ又は複数の入力制御装置３６をさらに含んでおり、この入力制御装置によって、次に、（図１Ａに示される）患者側カート２２に１つ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提供するように、（図１Ａに示される）それら関連するツール２６と同じ自由度を提供することができ、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再び送信するために用いることができる。

外科医コンソール１６は、通常、外科医が手術を直接的に監視できるように、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、アシスタントに直接的に話すように、患者と同じ部屋に位置している。しかしながら、外科医は、遠隔の外科手術を可能にするように、別の部屋、完全に異なる建物、又は患者から遠隔の他の位置に位置することができる。

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に結合することができ、後続の表示のために取得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、処理した画像を外科医コンソール上で、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外科医に表示する。例えば、立体内視鏡が使用される場合に、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、取り込まれ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業距離の調節も含むことができる。別の例として、画像処理は、光学収差等の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。

図４は、複数のマニピュレータアーム有する患者側カート２２を示しており、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先端端部に支持する。示される患者側カート２２は、４つのマニピュレータアーム１００を含んでおり、これらアームは、手術用ツール２６、又は手術部位の画像を捕捉するために使用される立体内視鏡等の撮像装置２８のいずれかを支持するために使用できる。操作は、多数のロボット関節を有するロボット操作用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及び手術器具２６は、運動学的遠隔センタが、切開部に維持されて切開部の大きさを最小にするように、患者の切開部を介して位置決めされ且つ操作することができる。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たときに、手術器具又はツール２６の先端端部の画像を含むことができる。

手術用ツール２６に関して、種々の代替のロボット手術用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、置き換えられた少なくともいくつかのマニピュレータ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、クリップ・アプライヤーを含むこれらのエンドエフェクタのいくつかは、エンドエフェクタの顎部のペアを規定するように、互いに対して旋回するような第１及び第２のエンドエフェクタ要素を含む。メス及び電気メス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部材を有する。エンドエフェクタの顎部を有する器具について、この顎部は、大抵の場合、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は、例えば電気焼灼プローブにエネルギーを送達するように、把持部材を把持することによって作動させることもできる。

器具２６の細長いシャフトによって、エンドエフェクタ及びシャフトの先端端部を、低侵襲性開口部を介して、大抵の場合腹壁等を介して手術作業部位に先端方向に挿入することが可能になる。手術作業部位にガス注入することができ、患者内のエンドエフェクタの動きは、大抵の場合、シャフトが低侵襲性開口部を通過する位置の周りに器具２６を旋回させることによって、少なくとも部分的に達成される。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、シャフトが低侵襲性開口部の位置を通って延びるように、器具の基端側ハウジングを患者の外部に移動させる。こうして、マニピュレータ１００は、大抵の場合、外科手術中に、患者Ｐの外側で大きな動きを受けることになる。

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。上述したように、マニピュレータアームは、一般的に、先端側器具や手術用ツールを支持しており、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際に、先端側器具ホルダは、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基端側に取り付けられる。典型的には、マニピュレータアームは、ベースと先端側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エンドエフェクタの所定位置について異なる構成の範囲で駆動することができるように、冗長自由度を有するような複数の関節を含む。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る。

図５Ａに示されるような特定の実施形態では、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先端端部を関節軸線の回りに周転(revolve)させるように、第１関節軸線の回りに回転するような基端側レボリュート(revolute)関節Ｊ１を含む。いくつかの実施形態では、レボリュート関節Ｊ１は、ベースに直接的に取り付けられるが、他の実施形態では、関節Ｊ１は、１つ以上の可動式リンク機構又は関節に取り付けてもよい。組み合わされた、マニピュレータの関節は、マニピュレータアームの関節が、エンドエフェクタの所定位置について異なる構成の範囲内で駆動することができるような、冗長自由度を有している。例えば、図５Ａ〜図５Ｄのマニピュレータアームは、異なる構成で操作することができる一方、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等の）先端部材５１１が、特定の状態を維持しており、且つエンドエフェクタの所定の位置又は速度を含むことができる。先端部材５１１は、典型的には、ツールシャフト５１２を通って延びるカニューレであり、器具ホルダ１０は、典型的には、器具が、カニューレ５１１を通って延びる前に、低侵襲性開口部を介して患者の体内に取り付けられる（スパー(spar)上で並進する煉瓦状構造として示される）キャリッジである。

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線に沿って説明する。第１リンク５０４は、その関節軸線の回りを旋回するような旋回関節Ｊ２から先端方向に延びており、その関節軸線の回りを回転するようなレボリュート関節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、それら残りの関節に関連する回転軸線によって同定することができる。例えば、示されるように、第１リンク５０４の先端端部は、その旋回軸線の回りを旋回するような旋回関節Ｊ３で第２リンク５０６の基端端部に結合され、第３リンク５０８の基端端部は、示されるように、その軸線の回りを旋回するような旋回関節Ｊ４で第２リンク５０６の先端端部に結合される。第３リンク５０８の先端端部は、旋回関節Ｊ５で器具ホルダ５１０に結合される。典型的には、関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５のそれぞれの旋回軸線は、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付けされたときに、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、「スタック(stacked)」されるように見える。特定の実施形態では、器具ホルダは、低侵襲性開口部を介して器具３０６の軸線方向の移動を容易にするとともに、器具が摺動自在に挿通された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ような直動関節Ｊ６等の追加の関節も含む。

先端部材又はツール５１２が通って延びるカニューレ５１１は、器具ホルダ５１０の先端側に追加の自由度を含むことができる。器具の自由度の作動は、大抵の場合、マニピュレータのモータで駆動され、代替実施形態は、器具上に示される１つ以上の関節が、代わりに、インターフェイス上に存在し、またその逆になるように、クイック取り外し可能な器具ホルダ／器具インターフェイスにおいて、支持マニピュレータ構造から器具を分離することができる。いくつかの実施形態では、カニューレ５１１は、ツールチップの挿入ポイント、又は低侵襲性開口部の部位に一般的に配置されるような旋回点ＰＰの付近に又はその基端側に回転(rotational)関節Ｊ７（図示せず）を含む。器具の先端側手首によって、手術ツール５１２のエンドエフェクタの動きが、器具の手首における１つ以上の関節の器具関節軸線の回りを旋回する旋回運動を可能にする。エンドエフェクタの顎部要素同士の間の角度は、エンドエフェクタの位置及び向きとは独立して制御することができる。

例示的なマニピュレータ・アセンブリの可動域は、図６Ａ〜図６Ｃを参照することによって理解することができる。外科手術中に、例示的なマニピュレータアームは、図６Ａに示されるように、順方向ピッチ(pitch)運動の構成で操作することができ、又は図６Ｂに示されるように、逆方向ピッチ運動構成で操作することができ、必要に応じて、手術用作業空間内の特定の患者の組織にアクセスすることができる。典型的なマニピュレータ・アセンブリは、少なくとも±６０°、好ましくは約±７５°だけ軸線の回りに前後方向にピッチ(pitch)運動することができ、また、±８０°だけ軸線の回りにヨー(yaw)運動することもできるようなエンドエフェクタを含む。この態様によって、アセンブリを含むエンドエフェクタの増大した操縦性が可能になるが、マニピュレータアームが、特に図６Ａ及び図６Ｂに示されるように順方向に完全にピッチ運動される又は逆方向に完全にピッチ運動される構成を取る場合に、エンドエフェクタの運動が制限される構成が存在してもよい。一実施形態では、マニピュレータアームは、外側ピッチ運動関節について（＋／−７５°）と、外側ヨー運動関節について（＋／−３００°）との可動域（ＲＯＭ）をそれぞれ有している。いくつかの実施形態では、ＲＯＭは、「静止（不動）コーン(cone of silence)」を完全に消滅させるが、挿入制限に関連付けられた一般な内球（内圏）が残る場合に、（＋／−９０°）よりも大きいＲＯＭを提供するように外側ピッチ運動について増加される。様々な実施形態は、増加した又は減少したＲＯＭを有するように構成してもよく、上述したＲＯＭは、例示目的のために提供されており、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を理解されたい。

図６Ｃは、図５Ａ〜図５Ｂの例示的なマニピュレータのツールチップの全体的な可動域と作業空間とを図式的に示している。作業空間は半球として示されているが、その作業空間は、関節Ｊ１等の、マニピュレータの１つ以上のレボリュート関節の可動域及び構成に依存して球体として表すこともできる。示されるように、図６Ｃの半球体は、中央の、小さな球状の空隙（ボイド）だけでなく２つの円錐形の空隙を含む。空隙は、ツールチップの動きが、機械的拘束により不可能になる、又はエンドエフェクタの運動を困難又は遅くさせるような極めて高い関節速度によって実現不可能にするような領域を表す。これらの理由のために、円錐形空隙（ボイド）は、「静止（不動）コーン(cone of silence)」と呼ばれる。いくつかの実施形態では、マニピュレータアームは、コーン内のポイントで特異点に到達することができる。静止コーン内部の又は付近でマニピュレータの動きが損なわれるおそれがあるので、マニピュレータのリンク機構及び関節を再構成するためにマニピュレータの１つ又は複数のリンクを手動で移動させることなく、マニピュレータアームを静止コーンから離れる方向に移動させることは困難であり、これは、大抵の場合、代替の動作モードを必要とし、外科手術を遅延させる。

これらの円錐形部分内に又は付近の器具シャフトの運動は、マニピュレータの先端側リンク機構同士の間の角度が比較的小さい場合に、一般的に発生する。このような構成は、（リンク機構が互いに対してより直交する位置に移動するように）リンク機構同士間の角度を増加させるようにマニピュレータを再構成することによって、回避することができる。例えば、図６Ａ及び図６Ｂに示される構成において、最も先端のリンクと器具ホルダとの間の角度（角度ａ）が、比較的小さな値となる場合に、マニピュレータの動きは、より困難になることがある。様々な実施形態での残りの関節の関節可動域に依存して、特定のリンク機構同士の間の角度が減少するときに、マニピュレータの動きが阻止され、いくつかのケースでは、マニピュレータアームはもはや冗長でないかもしれない。器具シャフトがこれらの円錐形部分に近づく、又はリンク機構同士の間の角度が比較的小さくなるようなマニピュレータの構成は、マニピュレータアームの操縦性と器用さとが制限されるような「不十分な条件付け」と言われる。マニピュレータが、器用さと可動域を維持するように、「十分に条件付け」されることが望ましい。一態様では、本発明によって、外科手術でのエンドエフェクタの移動中であっても、ユーザが、マニピュレータを所望するように再構成するようなコマンドを単に入力することにより、上述した円錐形部分の付近の器具シャフトの動きを回避することができる。この態様は、マニピュレータが、何らかの理由で「不十分な条件付け」となったときに特に有用である。

上述したマニピュレータの実施形態を、本発明で利用することができるが、いくつかの実施形態は、マニピュレータアームの器用さ及び条件付けを改善するために使用され得る追加の関節を含んでもよい。例えば、例示的マニピュレータは、静止コーンを低減又は除去するように、図５Ａのマニピュレータアーム及びその関連する静止コーンをレボリュート関節の軸線の回りを周転するために使用される、関節Ｊ１の基端側にレボリュート関節及び／又はリンク機構を含んでもよい。別の実施形態では、例示的なマニピュレータは、関節Ｊ５に対して実質的に垂直な軸線の回りに器具ホルダを旋回させる先端側旋回関節も含むことができ、それによって、静止コーンをさらに低減させるとともに、手術用ツールの可動域を改善するように、ツールチップをオフセットする。さらに別の実施形態では、関節Ｊ１等の、マニピュレータアームの基端側関節は、静止コーンを必要に応じて移動又はずらしたり、マニピュレータのツールチップの可動域を改善するように、ベースに移動可能に取り付けてもよい。このような追加の関節の使用法及び利点は、このような関節の例を示す図７Ａ〜図１３Ｃを参照することによって理解することができる。それぞれの関節は、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において、互いに独立して使用される又は組み合わせて使用することができる。

図７Ａ〜図７Ｂは、例示的なマニピュレータアームと一緒に使用するための追加の冗長関節を例示しており、第１関節は、マニピュレータアームの基端部分をベースに結合する。第１関節は、関節ＴＪの関節軸線の回りにマニピュレータアームを周転させるような基端側レボリュート関節ＴＪである。基端側レボリュート関節ＴＪは、所定の距離や角度だけ基端側レボリュート関節ＴＪから関節Ｊ１をオフセットするようなリンク５０１を含む。リンク５０１は、図７Ａに示されるように湾曲したリンク機構であってもよく、又は図７Ｂに示されるように、直鎖状又は角度が付いたリンク機構であってもよい。典型的に、関節ＴＪの関節軸線は、図７Ａのそれぞれの軸線に示されるように、遠隔センタＲＣ又はツールチップの挿入ポイントと整列される。例示的な実施形態では、関節ＴＪの関節軸線は、互いにマニピュレータアームのレボリュート関節軸線を通過する際に、遠隔センタを通過して、体壁での移動を防止するので、したがって、手術中に移動させることができる。関節ＴＪの軸（線）は、アームの後部の位置及び向きを変更することができるように、アームの基端部分に結合される。一般的に、このような冗長な軸線によって、器具チップが、他のアームや患者の解剖学的構造との衝突を同時に回避しながら、外科医のコマンドに追従することが可能になる。一態様では、基端側レボリュート関節ＴＪだけを使用して、床に対するマニピュレータの取り付け角度を変更する。この角度は、１）患者の外部での解剖学的構造との衝突を回避する、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、基端側レボリュート関節ＴＪに取り付けられたマニピュレータの基端側リンクと基端側レボリュート関節の軸線との間の角度ａは、約１５度である。

図７Ｂは、基端側レボリュート関節ＴＪと、その関連する関節軸線と、例示的なマニピュレータアームにおける静止コーンとの関係を示す図である。基端側レボリュート関節ＴＪの関節軸線は、静止コーンを通過してもよく、又は静止コーンの完全に外部に存在してもよい。基端側レボリュート関節ＴＪの軸線の回りにマニピュレータアームを周転させることによって、（関節ＴＪの軸線が、静止コーンを通過するような実施形態において）静止コーンを低減することができる、又は（基端側レボリュート関節の軸線が、静止コーンの完全に外部に延びるような実施形態において）静止コーンを効果的に排除することができる。リンク５０１の距離と角度は、静止コーンに対する関節ＴＪの軸線の位置を決定する。

図８は、例示的なマニピュレータアームと一緒に使用する冗長関節の別のタイプを示しており、先端側レボリュート関節ＴＷＪは、マニピュレータアーム５０８の先端リンクに器具ホルダ５１０を結合する。先端側レボリュート関節ＴＷＪによって、システムが、器具ホルダ５１０を、典型的に遠隔センタ又は挿入ポイントを通過する関節軸線の回りにねじることが可能になる。理想的には、レボリュート関節は、アームの先端方向に位置しており、従って、挿入軸線の向きを動かすのに特に適している。この冗長軸線の追加によって、マニピュレータが、任意の単一器具チップの位置についての複数の位置を想定することが可能になる。一般的に、このような冗長な軸線によって、器具チップが、他のアームや患者の解剖学的構造との衝突を同時に回避しながら、外科医のコマンドに追従することが可能になる。先端側レボリュート関節ＴＷＪは、ヨー軸線に挿入軸線を近づける機能を有しているので、それは、図８のアームの逆方向ピッチ運動の可動域を増加させることができる。先端側レボリュート関節ＴＷＪの軸線と、関節Ｊ１のヨー軸線と、ツールチップの挿入軸線との関係を、図９に示す。図１０Ａ〜図１０Ｃは、ＴＷＪの順次の動きを示しており、この図は、ツールチップの挿入軸線をどの様に左右にシフトするかを示す。

先端側レボリュート関節ＴＷＪの別の利点は、患者クリアランスコーンを低減させることができるということであり、この患者クリアランスコーンは、患者と、マニピュレータアームの器具ホルダ又は先端側リンク機構との間の衝突を回避するために患者をクリアにする必要があるような、挿入ポイントの基端側のマニピュレータアームの先端部分の押しのけ容積(swept volume)である。図１１Ａは、先端側レボリュート関節の角変位が０°のままであるときの、マニピュレータアームの基端部分の患者クリアランスコーンを示す図である。図１１Ｂは、先端側レボリュート関節が、その軸線回りに９０°の角変位を有して示されるときに、マニピュレータアームの基端部分の減少した患者クリアランスコーンを示す図である。従って、挿入ポイントの付近に最小の患者クリアランスを有する手術において、本発明による関節ＴＷＪの使用によって、遠隔センタの位置又はエンドエフェクタの位置を所望するように維持しながら、追加的なクリアランスを提供することができる。

図１２Ａ〜図１３Ｃは、例示的なマニピュレータアーム、マニピュレータアームを軸線の周りに並進又は周転させるような基端側関節を一緒に使用するための冗長関節の別のタイプを示す。特定の実施形態では、この並進可能な基端側関節は、マニピュレータアームのより良い条件付け及び向上した操作性を提供するためにマニピュレータアームの可動域をシフト又は回転させることによって、静止コーンを低減又は除外するように、経路に沿って、関節のＪ１又はＴＪ等の、マニピュレータの基端側関節を並進させる。並進可能な関節は、図１２Ａ〜図１２Ｄに関節ＨＪ１として示されるような円形の経路を含むことができ、又は図１３Ａ〜図１３Ｃに示されるような半円形又は弓形の経路を含むことができる。一般的に、関節は、カニューレ５１１を通って延びるツール５１２のシャフトが旋回するような遠隔センタＲＣと交差するような、並進可能な関節の軸線の回りにマニピュレータアームを周転させる。図１２Ａ〜図１２Ｄに示される実施形態では、関節ＨＪ１のこの軸線は、垂直方向軸線であるが、図１３Ａ〜図１３Ｃに示される実施形態では、関節ＨＪ２の軸線は、水平方向軸線である。

例示的な実施形態では、マニピュレータアーム５００は、基端側又は先端側レボリュート関節、並進可能な基端側関節、及び先端側リンク機構の平行四辺形構成のいずれか又は全てを含んでもよい。これらの機構のいずれか又は全ての使用によって、リンク機構同士の間の角度を増大させることによって、より良く「条件付け」されたマニピュレータ・アセンブリを提供するように、本発明による追加の自由冗長度が提供され且つ再構成が容易になり、それにより、マニピュレータの器用さと運動性を向上させる。この例示的なマニピュレータの増大した柔軟性によって、関節の制限、特異点等を回避するように、マニピュレータのリンク機構の運動学を最適化することができる。

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制御装置により１つ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、制御装置のプロセッサによって計算され、調整された関節運動に従って駆動される。数学的には、制御装置は、ベクトル及び／又は行列を使用して関節コマンドの計算の少なくとも一部を実行することができ、そのうちのいくつかは、関節の構成又は速度に対応する成分を有することができる。プロセッサについて利用可能な代替の関節構成の範囲は、関節空間として概念化することができる。例えば、関節空間は、マニピュレータが自由度を有するような多くの次元を有することができ、マニピュレータの特定の構成は、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する関節の関節状態に対応する。

例示的な実施形態では、システムは、その直交座標空間（本明細書で直交空間と呼ぶ）として本明細書で示される作業空間における機構の命令された位置及び速度が入力されるような制御装置を含む。この機構は、制御入力部を使用して関節運動するような制御フレームとして使用できるような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機構であり得る。本明細書に記載される様々な実施例で使用されるマニピュレータ上の機構の例は、ツールチップであろう。マニピュレータ上の機構の他の例は、ツールチップ上に存在しないが、ピン又はペイントパターン等のマニピュレータの一部である物理的な機構であろう。マニピュレータから離れた機構の例は、ツールチップから離れる正確な一定の距離及び角度である空き(empty)空間の基準点である。マニピュレータから離れた機構の別の例は、マニピュレータに対する位置が確立された標的組織であろう。これら全ての場合において、エンドエフェクタは、制御入力部を使用して関節運動されるような仮想制御フレームに関連付けられる。ただし、以下では、「エンドエフェクタ」と「ツールチップ」とは、同義的に使用される。一般的には、直交座標空間のエンドエフェクタの所望の位置を等価の関節空間の位置にマッピングするような閉形式の関係は存在しないが、一般的に、直交座標空間のエンドエフェクタと関節空間の速度との間に閉形式の関係が存在する。運動学的ヤコビアンは、関節空間の位置要素に対するエンドエフェクタの直交座標空間の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キャプチャする。換言すれば、運動学的ヤコビアンは、エンドエフェクタ上の関節動作の影響を捕捉する。運動学的ヤコビアン（Ｊ）は、以下の関係を用いて、関節空間の速度（ｄｑ／ｄｔ）を直交座標空間の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することができる。
ｄｘ／ｄｔ＝Ｊ ｄｑ／ｄｔ
このように、入力位置と出力位置との間に閉形式のマッピングが存在しない場合であっても、速度のマッピングは、ヤコビアンベースの制御装置で、反復的に使用することができ、命令されたユーザ入力からマニピュレータの動きを実現する。しかしながら、様々な実装形態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制御装置を含んでいるが、いくつかの実装形態は、本明細書で記載した機構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た各種制御装置を使用することができる。

そのような一実装形態は、以下の簡略化された関係で記述される。命令された関節位置を使用して、ヤコビアン（Ｊ）を計算する。各時間ステップ（Δｔ）中に、直交座標空間速度（ｄｘ／ｄｔ）は、所望の移動（ｄｘ_ｄｅｓ／ｄｔ）を実行するとともに、直交座標空間の所望位置から偏差（Δｘ）を構築するように補正するために計算される。この直交座標空間の速度は、次に、ヤコビアンの擬似逆行列（Ｊ^＃）を用いて、関節空間の速度（ｄｑ／ｄｔ）に変換される。得られた関節空間の命令速度は、次に、関節空間の命令位置（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。
ｄｘ／ｄｔ＝ｄｘ_ｄｅｓ／ｄｔ＋ｋΔｘ （１）
ｄｑ／ｄｔ＝Ｊ^＃ｄｘ／ｄｔ （２）
ｑ_ｉ＝ｑ_ｉ−１＋ｄｑ／ｄｔΔｔ （３）

ヤコビアン（Ｊ）の擬似逆行列は、ツールチップの所望の動作（いくつかの場合では、旋回ツール動作の遠隔センタ）を関節速度の空間内に直接的にマッピングする。使用されるマニピュレータが、（６までの）ツールチップの自由度より多くの有用な関節軸線を有している場合に、（そして、ツール動作の遠隔センタが使用されるときに、マニピュレータは、遠隔センタ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つの関節軸線を有する必要がある）、次に、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行列は、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、ツールチップ動作を瞬時に実現しない（そして、遠隔センタが使用されるときに、旋回点の位置の移動がない）ような関節速度の空間である。そして「ゼロ動作」は、ツールチップ及び／又は遠隔センタの位置の瞬間的な移動も生成しないような、関節の位置の組み合わせ、軌道、又は経路である。計算されたゼロ空間の速度をマニピュレータの制御システムに組み込む又は導入して、（本明細書に記載される任意の再構成を含む）マニピュレータの所望の再構成を達成するには、上記の式（２）を以下のように変形する：
ｄｑ／ｄｔ＝ｄｑ_垂直／ｄｔ＋ｄｑ_ゼロ／ｄｔ （４）
ｄｑ_垂直／ｄｔ＝Ｊ^＃ｄｘ／ｄｔ （５）
ｄｑ_ゼロ／ｄｔ＝（１−Ｊ^＃Ｊ）ｚ＝Ｖ_ｎＶ_ｎ ^Ｔｚ＝Ｖ_ｎα （６）

式（４）による関節速度は、２つの成分を有する：第１の成分は、ゼロ−垂直空間成分、ツールチップの所望動作を生成する「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、遠隔センタの所望動作）である。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ている。ここで、（Ｖ_ｎ）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、ゼロ空間内の動作を所望されるように形成又は制御するために、ノブ又は他の制御手段等の使用による制御パラメータ、変数又は設定によって決定される。

図１４Ａは、ヤコビアンのゼロ空間と例示的なマニピュレータアームのヤコビアンのゼロ−垂線空間との関係を図式的に示す図である。図１４Ａは、水平軸線に沿ったゼロ空間と、垂直軸線に沿ったゼロ−垂直空間とを示す二次元の概略図を示しており、これら２つの軸線は、互いに直交する。対角ベクトルは、ゼロ空間における速度ベクトルとゼロ−垂直空間における速度ベクトルとの和を表し、この和は、上記の式（４）を表す。

図１４Ｂは、ゼロ空間と、「ゼロ動作マニホールド」として示された４次元の関節空間内のゼロ動作マニホールドとの関係を図式的に示す図である。各矢印（ｑ１，ｑ２，ｑ３，ｑ４）は、主要な関節軸線を表す。閉曲線は、エンドエフェクタの同じ位置を瞬時に実現するような、関節空間位置の集合であるゼロ動作マニホールドを表す。この閉曲線上の任意の点Ａについて、ゼロ空間は、エンドエフェクタの動作を瞬時に生じさせないような関節速度空間であるので、ゼロ空間は、点Ａでのゼロ動作マニホールドの接線に対して平行である。

図１５Ａ〜図１５Ｂは、ゼロ空間内でマニピュレータの関節を駆動させることにより、マニピュレータアームを再構成する前後の、例示的なマニピュレータ５００を概略的に示す図である。図１５Ａでは、ユーザによって入力された再構成コマンドに応答して、システムは、器具のエンドエフェクタの所与の位置について、残りの関節の計算された動きに従って、ゼロ空間内で関節ＴＪを反時計方向に駆動し、ゼロ空間内の残りの関節の協働（連動）運動が、システムによって計算される。ゼロ空間の関節速度が、エンドエフェクタの所与の状態を維持するようにシステムに導入され、それにより、外科手術中のエンドエフェクタの移動の間であっても、ユーザが、マニピュレータを所望するように再構成することを可能にする。別の態様では、図１６Ａ〜図１６Ｂに示される実施形態のように、システムは、マニピュレータアームの構造設計によって遠隔センタ位置を維持しながら、所望の構成を達成するように、ヤコビアンのゼロ空間内の関節の速度を計算することができる。

いくつかの実施形態では、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節は、１つ又は複数の関節が再構成を行うようにゼロ空間内で駆動されないように拘束されるが、そのような関節は、エンドエフェクタの所望の動きを達成するようにゼロ−垂直空間内で依然として駆動することができる。あるいはまた、基端側レボリュート関節等の１つ又は複数の関節は、１つ又は複数の関節が、エンドエフェクタの所望の動きを達成するように駆動されないが、マニピュレータの再構成動作を行うために駆動されるように、拘束することができる。他の実施形態では、制御装置は、ゼロ空間内で駆動される関節の速度が、制限される、又は再構成コマンドの継続期間に亘って実質的に一定の速度で保持されるように構成することができる。さらに他の実施形態では、システムは、ゼロ空間内の関節の速度が、関節の位置及び／又は構成、又は任意の数の条件に従ってスケーリングされるように構成してもよい。例えば、ユーザは、再構成の動作中に、最も基端側の関節が、マニピュレータアームのより先端側の関節よりも高い速度で駆動することを望んでもよい。さらに、システムは、マニピュレータアームの複数の関節のうちのいずれか１つの位置や状態を所望するように維持するように、構成してもよい。

別の態様では、システムは、システムユーザから多数の方法で再構成コマンドを受信してもよい。特定の実施形態では、マニピュレータは、ユーザからの再構成コマンドを受信するための入力装置を含む。入力装置は、１つ又は複数の関節を所望するように駆動させるための（又は代替的に、１つ又は複数のリンクを移動させるための）１つ又は複数のボタン又は機構を含むことができ、そして、マニピュレータアーム上に、好ましくは図１７Ａのように装置の起動に応答して駆動される関節に対応する位置に配置してもよい。あるいはまた、システムは、一群のボタン又は機構を有する入力装置を含むことができ、それぞれのボタン又は機構は、図１７Ｂの実施形態に示されるようなマニピュレータアームの関節又はリンクに対応する。この実施形態によって、ユーザが中央位置からアームを再構成することができる。入力装置は、図１７Ｃに示されるようなジョイスティックも含むことができ、このジョイスティックは、１つ又は複数の関節を駆動させるとともに、所望するような再構成を達成するように動作させることができる。入力装置が、任意の数の変形形態を含んでもよいことが理解される。

図１８Ａ〜図１８Ｂは、本発明の多くの実施形態に従った、ロボット手術システムのマニピュレータ・アセンブリを再構成する方法を示す。図１８Ａは、上述した式に関連して、患者側カートの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している。図１８Ａの方法によれば、システムは：マニピュレータアームの順方向運動学を計算し；次に、式（１）を用いてｄｘ／ｄｔを計算し、式（５）を用いてｄｑ_垂直／ｄｔを計算し；次に、ｄｑ_垂直／ｄｔに依存するｚ及び式（６）のヤコビアンからｄｑ_ゼロ／ｄｔを計算する。計算されたｄｑ_垂直／ｄｔ及びｄｑ_ゼロ／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、エンドエフェクタの所望の状態及び／又は遠隔センタの位置を維持しながら、制御装置がマニピュレータの所望の再構成をもたらすような運動を提供する。

図１８Ｂは、システムの例示的実施形態のブロック図を示す。ツールチップの所望の状態を命令するような操作命令に応答して、システムは、ツールチップの速度と、ｄｑ_垂直／ｄｔが計算された関節状態とを決定する。ユーザからの再構成コマンドを受信することに応答して、プロセッサは、決定されたツールチップの速度及び関節の速度（又は計算されたｄｑ_垂直／ｄｔ）を使用して、システムが、システムの関節（複数可）を駆動させるように、計算されたｄｑ／ｄｔにこれら速度を追加した後で、ｄｑ_ゼロ／ｄｔを計算し、それによって、エンドエフェクタの所望の運動（又は状態）及びマニピュレータアームの再構成がもたらされる。

例示的な実施例は、理解を明確にするためにある程度詳細に及び実施例によって説明してきたが、種々の適合、修正、及び変更は、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。

以下に、出願当初の特許請求の範囲の内容を実施例として記載しておく。
［実施例１］
ロボットの作動方法であって、当該作動方法は：
可動式先端部分と、ベースに結合された基端部分と、前記先端部分と前記ベースとの間に複数の関節とを有するマニピュレータアームを設けるステップであって、前記複数の関節は、前記先端部分の所与の状態について複数の関節の異なる関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を有する、設けるステップと；
前記先端部分が所望の状態にある間に、ユーザによってユーザ入力に入力された再構成コマンドを受信するステップと；
前記再構成コマンドに応答して、所望の再構成動作で前記複数の関節の第１セットの関節を駆動するステップと；
前記再構成コマンドに応答して、前記複数の関節の１つ又は複数の関節の再構成動作を計算するステップであって、該計算された関節の速度と組み合わされた第１セットの関節の再構成動作が、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ空間の範囲内にある、計算するステップと；
前記先端部分の所望の状態を維持するように、第１セットの関節の駆動中に、前記計算された運動に従って前記１つ又は複数の関節を駆動するステップと；を含む、
ロボットの作動方法。
［実施例２］
第１セットの関節は、前記マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を含む、
実施例１に記載のロボットの作動方法。
［実施例３］
前記先端部分は、手術用エンドエフェクタに対して先端方向に延びる細長いシャフト有する手術用器具を含むか、又は該手術用器具を着脱可能に支持するように構成されており、前記器具シャフトは、手術中に遠隔センタの周りを旋回し、前記１つ又は複数の関節の計算された運動は、第１セットの関節の駆動中に、前記遠隔センタの位置を維持するように計算される、
実施例１に記載のロボットの作動方法。
［実施例４］
前記エンドエフェクタの所望の運動で該エンドエフェクタを移動させるような操作コマンドを受信するステップと；
前記エンドエフェクタの所望の運動をもたらすように、前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算するステップと；
前記エンドエフェクタの操作コマンドに従って前記関節を駆動するステップであって、前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算するステップは、ヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算するステップをさらに含み、前記ゼロ−垂直空間は、前記ゼロ空間に直交する、計算するステップと；をさらに含む、
実施例３に記載のロボット作動方法。
［実施例５］
操作コマンドは、エンドエフェクタの入力装置で第１のシステムオペレータから受信され、及び前記再構成コマンドは、第２のシステムオペレータによってユーザ入力に入力される、
実施例４に記載のロボットの作動方法。
［実施例６］
前記再構成コマンドは、外科助手による入力であり、前記ユーザ入力のインターフェイスは、前記ベースを支持する構造体によって支持されており、前記操作コマンドは、前記ユーザインターフェイスの外科医コンソールに入力され、該外科医コンソールは、前記支持構造体とは独立して移動可能である、
実施例４に記載のロボットの作動方法。
［実施例７］
第１セットの関節が駆動されないように、前記関節のエンドエフェクタの移動運動が計算される、
実施例３に記載のロボットの作動方法。
［実施例８］
前記エンドエフェクタの所望の運動をもたらすべく第１セットの関節が駆動されないように、前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算する、
実施例３に記載のロボットの方法。
［実施例９］
前記ユーザから受け取った入力は、所望の再構成動作の継続期間を含み、第１セットの関節を駆動するステップが、第１セットの関節からの第１関節の実質的に一定の関節接合速度を提供するステップを含み、及び前記再構成動作は、前記再構成コマンドの継続期間中に、第１関節の実質的に一定の速度を提供するように計算される、
実施例１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１０］
前記先端部分の所望の状態は、前記ベースに対する先端部分の位置、向き、及び／又は速度を含む、
実施例１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１１］
前記マニピュレータアームは、中間部分を有するツールであって、該中間部分は挿入軸線に沿って前記基端部分の先端方向に延びる、ツールと、前記中間部分の先端端部におけるエンドエフェクタとを支持するように構成されており、前記関節の少なくともいくつかは、前記ベースに対する前記先端部分の移動を機械的に拘束し、それによって、前記マニピュレータアームの先端部分は、前記挿入軸線に沿って配置された遠隔センタの周りを旋回して、作業部位でのエンドエフェクタの運動を容易にさせ、前記作業部位は、挿入口を介してアクセスされる、
実施例１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１２］
複数の関節が、前記基端部分の先端方向に及び前記先端部分の基端方向に配置された球状の遠隔センタ関節を含んでおり、該球状の遠隔センタ関節は、前記球状の遠隔センタ関節の関節が、前記マニピュレータアームの先端部分を、第１、第２、及び第３の遠隔センタ軸線の回りを旋回させるように機械的に拘束されており、第１、第２、及び第３の遠隔センタ軸線が、前記遠隔センタと交差する、
実施例１１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１３］
前記基端部分は、前記ベースに対して機械的に拘束されており、それによって、前記マニピュレータアームの先端部分は、前記基端部分が移動するときに、前記遠隔センタの周りを旋回する、
実施例１１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１４］
第１セットの関節からの第１関節によって、前記基端部分を前記ベースに結合させ、第１セットの関節からの第１関節は、前記マニピュレータアームの先端部分を支持するレボリュート関節を含んでおり、それによって、該レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの先端部分を前記レボリュート関節の旋回軸線の回りを旋回させ、前記旋回軸線が、前記レボリュート関節から前記遠隔センタを通って延びており、それによって、前記マニピュレータアームの挿入軸線が、前記遠隔センタに向けて向き合わせされた先端方向にテーパが付けられた円錐体に沿って移動する、
実施例１１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１５］
第１セットの関節からの第１関節によって、前記先端部分が、経路に沿って前記ベースに対して移動可能となるように前記基端部分を前記ベースに結合させ、前記経路は、該経路に沿った前記基端部分の運動が、前記マニピュレータアームの先端部分の挿入軸線を前記遠隔センタにおいて旋回するような、弓形又は実質的に円形である、
実施例１１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１６］
中間リンクが、第１セットの関節からの第１関節を用いて前記先端部分の基端側に配置されるとともに、該先端部分に隣接して配置されており、第１関節は、前記中間リンクに対する先端部分の運動を第１関節軸線の回りの回転に対して機械的に拘束するようなレボリュート関節を含んでおり、第１関節軸線は、前記遠隔センタを介して前記挿入軸線と交差するように、第１関節から前記中間部分に向けて先端方向に延びる、
実施例１１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１７］
マニピュレータアームを設けることは、前記先端部分によって支持された先端側エンドエフェクタと、前記基端部分と前記先端側エンドエフェクタとの間に延びる一連の運動学的に接合されたリンクとを含み、前記基端部分は、第１セットの関節からの第１関節によって前記ベースに結合され、それによって、前記マニピュレータアームの基端部分は、前記リンクの再構成動作中に前記ベースに対して移動され、第１関節は、前記マニピュレータアームのリンクを支持するレボリュート関節を含んでおり、該レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームのリンクを前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させ、該旋回軸線は、前記レボリュート関節から前記遠隔センタを通って延びる、
実施例１に記載のロボットの作動方法。
［実施例１８］
ロボットの作動方法であって、当該作動方法は：
先端側エンドエフェクタと、挿入軸線に沿って配置された細長い中間部分とを用いて先端ツールを支持するように構成されたマニピュレータアームを設けるとともに、低侵襲性開口部を介してエンドエフェクタを操作するためのエンドエフェクタを支持するステップであって、前記マニピュレータアームが、ベースに結合された基端部分と、複数の関節と、エンドエフェクタの所定位置のための関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を有する複数の関節とを有しており、前記関節の少なくとも一部が、前記挿入軸線に沿って且つ前記低侵襲性開口部に隣接する遠隔センタの周りの旋回運動に対して機械的に拘束されるような遠隔センタ関節を含む、支持するステップと；
前記エンドエフェクタが所望の状態にある間に、再構成コマンドに応答して前記複数の関節の第１セットの関節を駆動するステップと；
第１セットの関節の運動と、前記関節の計算された速度とが、ヤコビアンのゼロ空間の範囲内に一緒にあるような再構成コマンドに応答して、関節運動を計算するステップと；
前記エンドエフェクタの所望の状態を維持するような命令された運動に応答して、第１セットの関節を駆動しながら、前記計算された運動に従って前記遠隔センタ関節の１つ又は複数の関節を駆動するステップと；を含む、
ロボットの作動方法。
［実施例１９］
平行四辺形リンク機構システムを用いて前記遠隔センタ関節の運動を拘束するステップをさらに含んでおり、前記平行四辺形リンク機構は：
前記遠隔センタと交差する第１の遠隔センタ軸線の回りの回転のために、前記ベースに結合された平行四辺形リンク機構ベースと；
第１リンクの基端端部と第１リンクの先端端部とを有する第１リンクであって、第１リンクの基端端部は、ベース関節において前記平行四辺形リンク機構のベースに結合されており、第１リンクの先端端部は、前記ツールを支持するように構成されている、第１リンクと；
第２リンクの基端端部と第２リンクの先端端部とを有する第２リンクであって、第２リンクの基端端部は、第１リンクの先端端部に結合されており、第２リンクの先端端部は、前記ツールの挿入軸線が、前記遠隔センタと交差する第２の遠隔センタ軸線の回りの回転に対して拘束されるように、前記ツールを支持するよう構成される、第２リンクと；を有する、
実施例１８に記載のロボットの作動方法。
［実施例２０］
前記遠隔センタ関節は、前記遠隔センタを通って延びる第１及び第２の遠隔センタ軸線の回りの旋回運動に対して前記挿入軸線の動きを拘束しており、第１セットの関節の第１関節は、前記遠隔センタを通って延びる第１の遠隔センタ軸線の回りの回転に対して前記挿入軸線の動きを拘束するように構成される、
実施例１８に記載のロボットの作動方法。
［実施例２１］
エンドエフェクタの所望の運動で前記エンドエフェクタを移動させるような操作コマンドをユーザ入力部から受信するステップと；
前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算するステップと；
前記エンドエフェクタの操作コマンドに従って前記関節を駆動するステップであって、前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算するステップは、ヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算するステップをさらに含み、前記ゼロ−垂直空間は、前記ゼロ空間に直交する、駆動するステップと；をさらに含む、
実施例１８に記載のロボットの作動方法。
［実施例２２］
第１セットの関節が、エンドエフェクタの所望の運動をもたらすべく駆動されないように、前記関節のエンドエフェクタの計算された移動運動を計算する、
実施例２１に記載のロボットの作動方法。
［実施例２３］
第１セットの関節からの第１関節の運動が、前記再構成コマンドの継続期間に亘って第１関節の実質的に一定の速度を提供するように、前記関節の計算された再構成動作が計算される、
実施例１８に記載のロボットの作動方法。
［実施例２４］
前記操作コマンドは、エンドエフェクタの入力装置で第１のシステムオペレータから受信され、前記再構成コマンドは、ユーザ入力インターフェイスによって第２のシステムオペレータから受信される、
実施例２１に記載のロボットの作動方法。
［実施例２５］
前記基端部分は、前記複数の関節によって前記ベースに結合されており、それによって、前記マニピュレータアームの基端部分は、関節が駆動される間に、前記ベースに対して移動可能にされる、
実施例１８に記載のロボットの作動方法。
［実施例２６］
第１セットの関節からの第１関節によって、前記基端部分を前記ベースに結合され、第１セットの関節からの第１関節は、前記マニピュレータアームの遠隔センタ関節を支持するレボリュート関節を含んでおり、該レボリュート関節旋回の関節運動によって、前記マニピュレータアームの遠隔センタ関節を前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させ、前記旋回軸線が、前記レボリュート関節から前記遠隔センタに向けて延びる、
実施例１８に記載のロボットの作動方法。
［実施例２７］
第１セットの関節からの第１関節は、前記遠隔センタ関節を前記ツールに結合するように構成されており、第１セットの関節からの第１関節は、前記ツールを支持するように構成されたレボリュート関節を含んでおり、該レボリュート関節の関節運動によって、前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに前記挿入軸線を旋回させ、前記旋回軸線は、前記レボリュート関節から前記遠隔センタに向けて延びる、
実施例１８に記載のロボットの作動方法。
［実施例２８］
前記レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を遠隔センタの周りに旋回させる、
実施例２６に記載のロボットの作動方法。
［実施例２９］
ロボットの作動方法であって、当該作動方法は：
挿入軸線に沿って低侵襲性開口部を介して延びる先端側エンドエフェクタを用いて先端ツールを支持するように構成されたマニピュレータアームを設けるステップであって、基端リンクの基端部分は、ベースに結合されており、運動学的に接合する複数のリンクは、それら接合されたリンクの間に延びており、前記リンクのいくつかは、遠隔センタを通って延びるような前記挿入軸線を横断する第１及び第２の遠隔センタ軸線の回りの回転に対して前記挿入軸線の動きを機械的に拘束するように構成された遠隔センタ関節によって、一緒に結合された遠隔センタリンクを含む、設けるステップと；
ユーザによりユーザ入力装置に入力された再構成コマンドに応答して、第１リンクに接合された１つ又は複数の関節を駆動することにより、所望の再構成をもたらすように前記複数のリンクの第１リンクを移動させるステップであって、前記１つ又は複数の関節を駆動させることは、前記挿入軸線を第１関節軸線の回りに旋回可能に移動させ、第１関節軸線は、前記遠隔センタを通って延びる前記挿入軸線を横断する、移動させるステップと；を含む、
ロボットの作動方法。
［実施例３０］
ユーザ入力から操作コマンドを受信して、エンドエフェクタの所望の運動で前記エンドエフェクタを移動させるステップと；
前記リンクのエンドエフェクタの移動運動を計算するステップと；
前記エンドエフェクタの操作コマンドに従って、前記複数のリンクを結合する関節を駆動するステップであって、前記関節のエンドエフェクタの移動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−垂直空間内の関節速度を計算するステップを含み、前記ゼロ−垂直空間は、ゼロ空間に直交する、計算するステップと；をさらに含む、
実施例２９に記載のロボットの作動方法。
［実施例３１］
前記ベースに対する第１リンクの運動を阻止するように、前記リンクの計算されたエンドエフェクタの移動運動を計算する、
実施例３０に記載のロボットの作動方法。
［実施例３２］
第１リンクの動きが、前記再構成コマンドの継続期間に亘って実質的に一定の速度を提供するように、前記関節の計算された再構成動作が計算される、
実施例２９に記載のロボットの作動方法。
［実施例３３］
前記再構成コマンドは、ユーザ入力インターフェイスの患者側カートに入力され、前記操作コマンドは、ユーザインターフェイスの外科医コンソールに入力される、
実施例３０に記載のロボットの作動方法。
［実施例３４］
前記再構成コマンドは、ユーザ入力インターフェイスの外科医コンソールに入力され、前記操作コマンドは、外科医コンソールに入力される、
実施例３０に記載のロボットの作動方法。
［実施例３５］
前記再構成コマンドは、ユーザ入力インターフェイスの患者側カートに入力され、前記操作コマンドは、前記患者側カートに入力される、
実施例３０に記載のロボットの作動方法。
［実施例３６］
前記基端部分は、前記ベースに対する前記基端部分の移動が、前記リンクの運動中に阻止されるように前記ベースに取り付けられる、
実施例２９に記載のロボットの作動方法。
［実施例３７］
前記基端部分を前記ベースに結合する関節は、前記マニピュレータアームのリンクを支持するレボリュート関節であり、該レボリュート関節の運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数のリンクを前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させ、該旋回軸線は、前記レボリュート関節から前記遠隔センタに向けて延びる、
実施例２９に記載のロボットの作動方法。
［実施例３８］
前記レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数のリンクを前記遠隔センタの周りに旋回させる、
実施例３７に記載のロボットの作動方法。
［実施例３９］
前記基端部分を前記ベースに結合させる関節は、弓形、又は実質的に円形である経路に沿って前記ベースに対して移動可能であり、前記経路に沿った関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数のリンクを、前記遠隔センタに向けて延びる軸線の回りに旋回させる、
実施例２９に記載のロボットの作動方法。
［実施例４０］
ロボットシステムであって、当該ロボットシステムは：
基端側ベースに対して先端部分をロボット操作によって移動するように構成されたマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームは、先端部分と、前記ベースに結合された基端部分との間に複数の関節を有しており、該関節は、前記先端部分の所与の状態について関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を提供する、マニピュレータアームと；
前記複数の関節の第１セットの関節を所望の再構成動作で移動させるような再構成コマンドを受信するための入力装置と；
前記入力装置を前記マニピュレータアームに結合するプロセッサであって、該プロセッサは、前記関節の計算された速度と一緒に第１セットの関節の命令された動きが、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ空間内にあるような再構成コマンドに応答して、前記複数の関節運動を計算するように構成されており、前記プロセッサは、再構成の動作中に、前記先端部分の所望の状態を維持するように、第１セットの関節の命令された運動中に、前記計算された運動に従って前記関節を駆動するように構成される、
ロボットシステム。
［実施例４１］
第１セットの関節は、前記マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を含む、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例４２］
先端部分の所望の動きで前記先端部分を移動させるような操作コマンドを受信するための入力装置；をさらに有しており、
前記プロセッサは、前記操作コマンドに応答して、前記関節の先端部分の移動運動を計算するようにさらに構成されており、前記関節の先端部分の移動運動を計算することは、ヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算することを含み、前記ゼロ−垂直空間は、前記ゼロ空間に直交しており、
前記プロセッサは、前記先端部分の所望の動きをもたらすように、前記関節の先端部分の計算された移動運動に従って前記関節を駆動するようにさらに構成される、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例４３］
前記プロセッサは、第１セットの関節が、前記関節の先端部分の移動運動を計算する際に駆動されないように、関節運動を計算するように構成される、
実施例４２に記載のロボットシステム。
［実施例４４］
前記プロセッサは、第１セットの関節が、前記関節の先端部分の移動運動を計算する際に、前記関節の先端部分の移動運動を行うべく駆動されないように、関節運動を計算するように構成される、
実施例４２に記載のロボットシステム。
［実施例４５］
前記プロセッサは、第１セットの関節の第１関節の運動が、前記再構成コマンドの継続期間に亘って第１関節の実質的に一定の速度を提供するように、関節運動を計算するように構成される、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例４６］
前記再構成コマンドを受信するための入力装置は、前記マニピュレータアームの一部に配置されており、前記入力装置を使用してコマンドを入力することが、前記入力装置が配置される前記マニピュレータアームの一部を移動させるように、隣接する関節を駆動させる、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例４７］
再構成の操作コマンドを受信するための入力装置は、一群のボタンを含み、該一群のボタンは、複数のボタンを含み、各ボタンは、複数の異なる関節に対応する、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例４８］
再構成の操作コマンドを受信するための入力装置は、ジョイスティックを有しており、それによって、前記複数の関節が、前記ジョイスティックの移動によって選択的に駆動可能である、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例４９］
前記ユーザインターフェイスが、外科医コンソールと、患者側カートとを含んでおり、操作入力部と再構成入力部との両方が、前記患者側カート上に配置される、或いは前記外科医コンソールに配置される、又は前記操作入力部が、前記外科医コンソール上に配置される一方、前記再構成入力部が、前記患者側カート上に配置されるように構成される、
実施例４２に記載のロボットシステム。
［実施例５０］
前記マニピュレータアームの基端部分は、第１セットの関節からの第１関節によって前記ベースに結合される、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例５１］
前記マニピュレータアームの基端部分は、前記複数の関節によって前記ベースに結合されており、それによって、前記マニピュレータアームの基端部分は、前記ベースに対して移動可能にされる一方、関節が、前記計算された再構成動作に従って駆動される、
実施例４０に記載のロボットシステム。
［実施例５２］
前記基端部分を前記ベースに結合する関節は、前記マニピュレータアームの関節を支持するレボリュート関節であり、該レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させ、該旋回軸線は、前記レボリュート関節から前記先端部分を通って延びる、
実施例５０に記載のロボットシステム。
［実施例５３］
前記レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を、前記遠隔センタに向けて向き合わされた軸線の回りに旋回させる、
実施例５２に記載のロボットシステム。
［実施例５４］
前記基端部分を前記ベースに結合する関節は、弓形又は実質的に円形の経路に沿って前記ベースに対して移動可能であり、それによって、前記経路に沿った関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を、前記遠隔センタを通って延びる軸線の回りに旋回させる、
実施例５１に記載のロボットシステム。
［実施例５５］
ロボットシステムであって、当該ロボットシステムは：
基端側ベースに対して先端側エンドエフェクタをロボット操作で移動させるためのマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームは、運動学的に接合された複数のリンクを有しており、該リンクは、前記エンドエフェクタの所与の状態について、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ空間内での動きを可能にするような十分な自由度を有する、マニピュレータアームと；
所望の再構成動作で前記複数のリンクのうちの少なくとも１つを移動させるような再構成コマンドを受信するための入力手段と；
前記マニピュレータアームに再構成入力部を結合するプロセッサであって、該プロセッサは、少なくとも１つのリンクの再構成動作と前記リンクの計算された動きが、ヤコビアンのゼロ空間内にあるような再構成コマンドに応答して、前記複数のリンクの動きを計算するように構成される、プロセッサと；を有しており、
前記プロセッサは、前記複数のリンクを運動学的に接合する１つ又は複数の関節を駆動して、前記エンドエフェクタの所望の状態を維持するように、前記再構成コマンドと前記計算された運動に従って前記リンクを移動するように構成される、
ロボットシステム。
［実施例５６］
エンドエフェクタの所望の運動で前記エンドエフェクタを移動させるような操作コマンドを受信するための入力部；をさらに有しており、該入力部が、ユーザインターフェイス上に配置されており、
前記プロセッサは、前記操作コマンドに応答して、前記リンクのエンドエフェクタの移動運動を計算するようにさらに構成され、前記リンクのエンドエフェクタの移動運動を計算することは、ヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算することを含み、前記ゼロ−垂直空間は、前記ゼロ空間に直交しており、
前記プロセッサは、前記エンドエフェクタの所望の運動をもたらすために、前記リンクの計算されたエンドエフェクタの移動運動に従って前記リンクを運動学的に結合するような関節を駆動するようにさらに構成される、
実施例５５に記載のロボットシステム。
［実施例５７］
前記マニピュレータアームの第１リンクは、関節によって前記基端側ベースに接合されており、それによって、第１リンクは、前記基端側ベースに対して移動可能にされる一方、前記リンクは、前記再構成動作に従って移動される、
実施例５５に記載のロボットシステム。
［実施例５８］
第１リンクを前記ベースに結合する関節は、前記マニピュレータアームの関節を支持するレボリュート関節であり、該レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数のリンクを前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させ、該旋回軸線は、前記レボリュート関節から前記エンドエフェクタに向けて延びる、
実施例５７に記載のロボットシステム。
［実施例５９］
手術用ロボットシステムであって、当該手術用ロボットは：
基端端部と、患者への挿入に適した先端側エンドエフェクタと、それら基端端部及び先端側エンドエフェクタの間に挿入軸線を有する中間部分とを有する手術用器具と；
前記患者の体外から前記器具を旋回させるように、前記器具の基端端部を支持するように構成されたマニピュレータアームであって、該マニピュレータアーム及び器具は、複数の駆動関節を含み、該関節は、前記エンドエフェクタの所与の状態のための関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を提供し、前記マニピュレータの関節は、前記挿入軸線に沿って且つ低侵襲性開口部に隣接する遠隔センタの旋回点を中心に旋回するように前記先端部分の移動を機械的に拘束するように構成された遠隔センタ関節を含む、マニピュレータアームと；
所望の再構成動作で前記複数の関節の第１セットの関節を移動するような再構成コマンドを受信するための入力ドライブと；
前記マニピュレータアーム及び前記器具に入力部を結合するプロセッサであって、該プロセッサは、前記関節の計算された速度が、ヤコビアンのゼロ空間内にあるような再構成コマンドに応答して、関節運動を計算するように構成される、プロセッサと；を有しており、
前記プロセッサは、前記中間部分を前記旋回点に維持するように、前記再構成コマンドと前記計算された運動に従って前記関節を駆動するようにさらに構成される、
手術用ロボット。
［実施例６０］
エンドエフェクタの所望の運動で前記エンドエフェクタを移動させるような操作コマンドを受信するための入力部であって、該入力部は、ユーザインターフェイス上に配置されており、且つ前記再構成コマンドを受信するための入力装置とは別に配置される、入力部；をさらに有しており、
前記プロセッサは、前記操作コマンドに応答して、前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算するようにさらに構成されており、前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算することは、ヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算することを含み、前記ゼロ−垂直空間は、前記ゼロ空間と直交しており、
前記プロセッサは、前記関節のエンドエフェクタの計算された移動運動に従って前記関節を駆動して、前記エンドエフェクタの所望の運動をもたらすとともに、前記中間部分を前記旋回点に維持するようにさらに構成される、
実施例５９に記載のロボットシステム。
［実施例６１］
前記関節のエンドエフェクタの移動運動を計算するときに、第１セットの関節が駆動されないように、前記プロセッサは、関節運動を計算するように構成される、
実施例６０に記載のロボットシステム。
［実施例６２］
前記プロセッサは、第１セットの関節からの第１関節が、前記再構成コマンドの継続期間に亘って第１関節の実質的に一定の速度を提供するような関節運動を計算するように構成される、
実施例５９に記載のロボットシステム。
［実施例６３］
前記再構成コマンドを受信するための入力装置は、前記マニピュレータアームの一部に配置されており、それによって、前記入力装置を使用してコマンドを入力することが、前記入力装置が位置する前記マニピュレータアームの部分を移動させるように、隣接する関節を駆動させる、
実施例５９に記載のロボットシステム。
［実施例６４］
再構成の操作コマンドを受信するための入力装置は、一群のボタンを含んでおり、一群のボタンは、複数のボタンを含み、各ボタンは、複数の異なる関節に対応する、
実施例５９に記載のロボットシステム。
［実施例６５］
再構成の操作コマンドを受信するための入力装置は、ジョイスティックを含んでおり、前記複数の関節は、前記ジョイスティックの移動によって選択的に駆動可能である、
実施例５９に記載のロボットシステム。
［実施例６６］
前記マニピュレータアームの基端部分は、第１関節によって前記ベースに結合される、
実施例５９に記載のロボットシステム。
［実施例６７］
第１関節は、前記マニピュレータアームの関節を支持するレボリュート関節であり、該レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させ、該旋回軸線は、前記レボリュート関節から前記遠隔センタを通って延びる、
実施例６６に記載のロボットシステム。
［実施例６８］
手術用ロボットシステムであって、当該ロボットシステムは：
基端端部と、患者への挿入に適した先端側エンドエフェクタと、それら基端端部及び先端側エンドエフェクタの間の挿入軸線に沿って延びる中間部分とを有する手術用器具と；
前記中間部分が遠隔センタの周りを旋回するように、前記患者の体外から前記器具を移動させるために、前記器具の基端端部を支持するように構成されたマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームは、運動学的に接合された複数のリンクを含み、前記リンクの一部は、前記遠隔センタを通って延びる前記挿入軸線を横断する第１及び第２の遠隔センタ軸線の回りの回転に対して前記挿入軸線の動きを機械的に拘束するように構成された遠隔センタ関節によって、互いに結合された遠隔センタリンクを有している、マニピュレータアームと；
所望の再構成動作で前記複数のリンクの少なくとも１つのリンクを移動させるような再構成コマンドを受信するための入力部であって、該入力部は、前記マニピュレータの第１セットの関節が、前記コマンドに応答して所望の移動によって駆動されるように、マニピュレータに結合されており、第１セットの関節の駆動によって、第１セットの関節軸線の回りに前記挿入軸線を旋回可能に移動させ、第１セットの関節軸線は、前記遠隔センタを通って前記挿入軸線を横断しており、第１セットの関節軸線は、第１及び第２の遠隔センタ軸線から角度的にオフセットされている、入力部と；を有する、
手術用ロボットシステム。
［実施例６９］
前記マニピュレータアームに前記入力部を結合するプロセッサをさらに有しており、該プロセッサは、再構成コマンドに応答して、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ空間内のリンクの再構成動作を計算するように構成される、
実施例６８に記載のロボットシステム。
［実施例７０］
エンドエフェクタの所望の運動で前記エンドエフェクタを移動させるような操作コマンドを受信するための入力部であって、該入力部は、ユーザインターフェイス上に配置されており、且つ前記再構成コマンドを受信するための入力部とは別に配置されている、入力部をさらに有しており、
前記プロセッサは、前記操作コマンドに応答して、前記リンクのエンドエフェクタの移動運動を計算するようにさらに構成されており、前記リンクのエンドエフェクタの移動運動を計算することは、ヤコビアンのゼロ−垂直空間内の前記関節の速度を計算することを含み、前記ゼロ−垂直空間は、前記ゼロ空間に直交しており、
前記制御装置は、前記エンドエフェクタの所望の運動をもたらすように、前記リンクを運動学的に結合する１つ又は複数の関節を駆動することによって、前記エンドエフェクタの計算された移動運動に従って前記リンクを移動させるようにさらに構成される、
実施例６９に記載のロボットシステム。
［実施例７１］
前記ユーザインターフェイスは、外科医コンソールと、患者側カートとを含んでおり、操作入力部は、前記外科医コンソールに配置され、再構成入力部は、前記患者側カート上に配置される、
実施例６９に記載のロボットシステム。
［実施例７２］
前記ユーザインターフェイスは、外科医コンソールと、患者側カートとを含んでおり、操作入力部は、前記外科医コンソールに配置され、再構成入力部は、前記外科医コンソールに配置される、
実施例６９に記載のロボットシステム。
［実施例７３］
前記ユーザインターフェイスは、外科医コンソールと、患者側カートとを含んでおり、操作入力部は、前記患者側カートに配置され、再構成入力部は、前記患者側カートに配置される、
実施例６９に記載のロボットシステム。
［実施例７４］
前記マニピュレータアームの基端部分は、前記関節によってベースに結合されており、それによって、前記リンクが前記再構成動作に従って移動するときに、前記マニピュレータアームの基端部分が、前記ベースに対して移動可能となる、
実施例６８に記載のロボットシステム。
［実施例７５］
前記基端部分を前記ベースに結合する関節は、前記マニピュレータアームのリンクを支持するレボリュート関節であり、該レボリュート関節の関節運動によって、前記マニピュレータアームの１つ又は複数のリンクを前記レボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させ、該旋回軸線は、前記レボリュート関節から前記遠隔センタに向けて延びる、
実施例７４に記載のロボットシステム。

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、複数のロボット操作用マニピュレータを含む手術用ステーションを有しており、ロボット操作用マニピュレータは、手術用エンドエフェクタを有する手術用器具を患者内の内部手術部位にロボット操作によって移動させる。 図１Ａのロボット手術システムを示す概略図である。 図１の手術用システムに外科手術用コマンドを入力するためのマスター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、外科医コンソールは、入力コマンドに応答してマニピュレータ・コマンド信号を生成するためのプロセッサを含む。 図１Ａの電子機器カートの斜視図である。 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。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 順方向ピッチ運動構成の例示的なマニピュレータアームを示す図である。 逆方向ピッチ運動構成の例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームの手術用器具のツールチップの可動域を示す図形表現であり、この図形表現は、順方向ピッチ運動構成及び逆方向ピッチ運動構成の各々における静止コーン又は円錐体のツールアクセスの制限区域を含む。 基端側レボリュート関節の軸線の回りにマニピュレータアームを周転させるような基端側レボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームと、関連する可動域と、静止コーンを示す図であり、例示的マニピュレータアームは、基端側レボリュート関節の軸線の回りにマニピュレータアームを周転させる基端側レボリュート関節を有しており、この動きを使用して、図示される静止コーンを軽減することができる。 先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 器具ホルダを関節軸線の回りに周転させる又はねじるような、先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート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である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート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である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート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である。 関節の角度変位が０°であるときに、先端側レボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームの周転されたプロファイルを示す図である。 関節の角度変位が９０°であるときに、先端側レボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームの周転されたプロファイルを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを支持する基端側関節を関節の経路に関して並進させるような基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 マニピュレータアームを関節の経路に関して支持する基端側関節を並進させるような、基端側関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータ・アセンブリについてゼロ空間とヤコビアンのゼロ−垂直空間との間の関係を図式的に表す図である。 例示的なマニピュレータ・アセンブリについてゼロ空間とヤコビアンのゼロ−垂直空間との間の関係を図式的に表す図である。 エンドエフェクタの所定位置についての例示的なマニピュレータ・アセンブリの再構成を示す図である。 エンドエフェクタの所定位置についての例示的なマニピュレータ・アセンブリの再構成を示す図である。 関連する機器シャフトが旋回するような遠隔センタの所定位置についての例示的なマニピュレータを示す図である。 関連する機器シャフトが旋回するような遠隔センタの所定位置についての例示的なマニピュレータを示す図である。 多くの実施形態による操作コマンド入力の例を示す図である。 多くの実施形態による操作コマンド入力の例を示す図である。 多くの実施形態による操作コマンド入力の例を示す図である。 多くの実施形態による方法を示す簡略化したブロック図である。 多くの実施形態による方法を示す簡略化したブロック図である。

Claims (20)

1. ロボットシステムであって、当該ロボットシステムは、
   器具の支持体と、移動可能な先端部分と、ベースに結合された基端部分と、前記先端部分と前記ベースとの間の複数の関節とを含むマニピュレータアームであって、前記複数の関節は、前記先端部分の所与の状態について前記複数の関節をある範囲内において異なる関節状態にさせることを可能にするのに十分な自由度を有する、マニピュレータアームと、
   該マニピュレータアームの再構成動作のための再構成コマンドを受信するように構成された入力装置と、
   該入力装置及び前記マニピュレータアームに結合されたプロセッサと、を有しており、
   該プロセッサは、
   前記再構成動作に従って、且つ前記再構成コマンドに応答して、前記複数の関節のうちの第１セットの関節の第１の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算することと、
   前記複数の関節のうちの第２セットの関節の第２の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算することであって、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度と、第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度との組合せによって、前記器具の中間部分が旋回点に維持され、前記中間部分は、前記器具の基端部と前記器具のエンドエフェクタとの間にある、計算することと、
   前記マニピュレータアームの前記再構成動作中に前記中間部分を前記旋回点に維持するように、前記組合せに応じて前記複数の関節を駆動させることと、を含む動作を行うように構成される、
   ロボットシステム。
2. ロボットシステムであって、当該ロボットシステムは、
   器具の支持体と、移動可能な先端部分と、ベースに結合された基端部分と、前記先端部分と前記ベースとの間の複数の関節とを含むマニピュレータアームであって、前記複数の関節は、前記先端部分の所与の状態について前記複数の関節をある範囲内において異なる関節状態にさせることを可能にするのに十分な自由度を有する、マニピュレータアームと、
   該マニピュレータアームの再構成動作のための再構成コマンドを受信するように構成された入力装置と、
   該入力装置及び前記マニピュレータアームに結合されたプロセッサと、を有しており、
   該プロセッサは、
   前記再構成動作に従って、且つ前記再構成コマンドに応答して、前記複数の関節のうちの第１セットの関節の第１の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算することと、
   前記複数の関節のうちの第２セットの関節の第２の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算することであって、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度と、第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度との組合せによって、前記器具のエンドエフェクタの所望の状態が維持される、計算することと、
   前記マニピュレータアームの再構成動作中に前記エンドエフェクタの前記所望の状態を維持するように、前記組合せに応じて前記複数の関節を駆動させることと、を含む動作を行うように構成される、
   ロボットシステム。
3. 前記エンドエフェクタを移動させるための操作コマンドを受信する第２の入力装置をさらに有し、
   前記プロセッサは、さらに、
   前記操作コマンドに応答して、前記複数の関節のエンドエフェクタの移動運動を計算することであって、前記エンドエフェクタの移動運動によって、前記器具の中間部分が旋回点に維持される、計算することと、
   前記エンドエフェクタの移動運動に応じて前記複数の関節を駆動して、前記中間部分を前記旋回点に維持しながら前記エンドエフェクタを移動させることと、を含む動作を行うように構成される、
   請求項１又は２に記載のロボットシステム。
4. 前記操作コマンドを受信するための第２の入力装置は、前記再構成コマンドを受信するための前記入力装置とは別個のユーザインターフェース上に配置される、請求項３に記載のロボットシステム。
5. 第１セットの関節の第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することは、
   第１セットの関節の第１の関節が、前記再構成コマンドの継続期間に亘って一定の速度を有するように、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することを含む、
   請求項１又は２に記載のロボットシステム。
6. 第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算すること、及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することは、
   前記組合せによって、関節位置に応じてスケーリングされた速度が前記複数の関節の関節に与えられるように、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することを含む、
   請求項１又は２に記載のロボットシステム。
7. 前記組合せにおいて、前記複数の関節のより基端側の関節が、前記複数の関節のより先端側の関節よりも高い速度を有する、請求項６に記載のロボットシステム。
8. 関節位置に応じてスケーリングされた前記速度は、前記器具の基端部の近くの関節に、前記器具の前記エンドエフェクタの近くの関節よりも高い速度を与える、請求項７に記載のロボットシステム。
9. 第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算すること、及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することは、
   前記組合せによって、関節の構成に応じてスケーリングされた速度が前記複数の関節の関節に与えられるように、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することを含む、
   請求項１又は２に記載のロボットシステム。
10. 第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算すること、及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することは、
    前記組合せによって、前記再構成コマンドの継続期間に亘って一定であるか又は制限を下回る速度が前記複数の関節の関節に与えられるように、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算することを含む、
    請求項１又は２に記載のロボットシステム。
11. 第１セットの関節は、前記複数の関節のうちの第２セットの関節と重なり合わず、前記マニピュレータアームの前記複数の関節は、遠隔センタを含み、該遠隔センタは、前記器具の挿入軸線に沿って旋回点を前記遠隔センタの周りに旋回させるように前記先端部分の運動を機械的に拘束するように構成される、請求項１又は２に記載のロボットシステム。
12. 器具の支持体と、移動可能な先端部分と、ベースに結合された基端部分と、前記先端部分と前記ベースとの間の複数の関節とを含むマニピュレータアームで実施されるロボット方法であって、前記複数の関節は、前記先端部分の所与の状態について前記複数の関節をある範囲内において異なる関節状態にさせることを可能にするのに十分な自由度を有し、当該ロボット方法は、
    前記マニピュレータアームの再構成動作のための再構成コマンドを入力装置を介して受信するステップと、
    前記再構成動作に従って、且つ前記再構成コマンドに応答して、前記複数の関節のうちの第１セットの関節の第１の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算するステップと、
    前記複数の関節のうちの第２セットの関節の第２の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算するステップであって、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度と、第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度との組合せによって、前記器具の中間部分が旋回点に維持され、前記中間部分は、前記器具の基端部と前記器具のエンドエフェクタとの間にある、計算するステップと、
    前記マニピュレータアームの前記再構成動作中に前記中間部分を前記旋回点に維持するように、前記組合せに応じて前記複数の関節を駆動させるステップと、を含む、
    ロボット方法。
13. 器具の支持体と、移動可能な先端部分と、ベースに結合された基端部分と、前記先端部分と前記ベースとの間の複数の関節とを含むマニピュレータアームで実施されるロボット方法であって、前記複数の関節は、前記先端部分の所与の状態について前記複数の関節をある範囲内において異なる関節状態にさせることを可能にするのに十分な自由度を有し、当該ロボット方法は、
    前記マニピュレータアームの再構成動作のための再構成コマンドを入力装置を介して受信するステップと、
    前記再構成動作に従って、且つ前記再構成コマンドに応答して、前記複数の関節のうちの第１セットの関節の第１の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算するステップと、
    前記複数の関節のうちの第２セットの関節の第２の運動についての１つ又は複数の関節速度を計算するステップであって、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度と、第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度との組合せによって、前記器具のエンドエフェクタの所望の状態が維持される、計算するステップと、
    前記マニピュレータアームの再構成動作中に前記エンドエフェクタの前記所望の状態を維持するように、前記組合せに応じて前記複数の関節を駆動させるステップと、を含む、
    ロボット方法。
14. 第１セットの関節の第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップは、
    第１セットの関節の第１の関節が、前記再構成コマンドの継続期間に亘って一定の速度を有するように、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップを含む、
    請求項１２又は１３に記載のロボット方法。
15. 第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップ、及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップは、
    前記組合せによって、関節位置又は関節構成に応じてスケーリングされた速度が前記複数の関節の関節に与えられるように、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップを含む、
    請求項１２又は１３に記載のロボット方法。
16. 前記組合せにおいて、前記複数の関節のより基端側の関節が、前記複数の関節のより先端側の関節よりも高い速度を有する、請求項１５に記載のロボット方法。
17. 第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップ、及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップは、
    前記組合せによって、該組合せに応じて前記複数の関節を駆動させる継続期間に亘って一定であるか又は制限を下回る速度が前記複数の関節の関節に与えられるように、第１の運動についての前記１つ又は複数の関節速度及び第２の運動についての前記１つ又は複数の関節速度を計算するステップを含む、
    請求項１２又は１３に記載のロボット方法。
18. システムであって、当該システムは、
    移動可能な先端部分と、ベースに結合された基端部分と、前記先端部分と前記ベースとの間の複数の関節とを含むマニピュレータアームであって、前記複数の関節は、前記先端部分の所与の状態について前記複数の関節をある範囲内において異なる関節状態にさせることを可能にするのに十分な自由度を有する、マニピュレータアームと、
    前記先端部分が所望の状態にある間に再構成コマンドを受信するように構成された入力装置であって、前記再構成コマンドは、前記マニピュレータアームの第１の部分の再構成動作と組み合わされた前記先端部分の前記所望の状態を維持するように、前記ベースと前記先端部分との間の、前記マニピュレータアームの第１の部分の再構成動作のためのコマンドである、入力装置と、
    該入力装置及び前記マニピュレータアームに結合されたプロセッサと、を有しており、
    該プロセッサは、
    前記再構成コマンドに応答して前記マニピュレータアームの第１の部分の前記再構成動作に従って、前記複数の関節のうちの第１セットの関節の第１の運動についての関節速度を計算することと、
    第１セットの関節の第１の運動についての関節速度と第２セットの関節の第２の運動についての関節速度との組合せが、前記先端部分の所望の状態を維持する関節速度方向に対応するように、前記再構成コマンドに応答して、前記複数の関節のうちの第２セットの関節の第２の運動の関節速度を計算することと、
    前記マニピュレータアームの第１の部分の前記再構成動作中に前記先端部分の前記所望の状態を維持するように、第２の運動について計算された関節速度と組み合わされた第１の運動について計算された関節速度に応じて、前記複数の関節を駆動させるべくコマンドを前記マニピュレータアームに送信することと、を含む動作を行うように構成される、
    システム。
19. 前記複数の関節のうちの第１セットの関節は、前記複数の関節のうちの第２セットの関節と重なり合わない、請求項１８に記載のシステム。
20. 第１セットの関節の第１の運動についての前記関節速度と第２セットの関節の第２の運動についての前記関節速度との組合せは、前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ空間内にあり、
    前記先端部分の前記所望の状態は、前記ベースに対する先端部分の位置、向き、又は速度を含む、
    請求項１８又は１９に記載のシステム。
    
    
    
    

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