JP2019111352A - マニピュレータ関節動作を異方的に強調するためにゼロ空間を使用するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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しながら、マニピュレータのエンドエフェクタの指令運動を提供するための方法を提供する。【解決手段】方法は、関節の第１のセットの所望の運動を提供するために、ゼロ空間内の関節運動を異方的に強調するように関節空間で重み付き行列を使用して重み付き関節速度を計算することを含む。方法は、疑似逆行列解を使用して所望のエンドエフェクタ運動を達成する関節速度を計算すること及び関節の第１のセットの所望の運動に対応する関節空間内のポテンシャル関数勾配を使用して計算された関節速度を調整することを含み得る。方法は、重み付き疑似逆行列解及びまた拡張ヤコビアン解の使用を含み得る。１又は複数の補助運動も、疑似逆行列解から計算される関節速度を使用して提供され得る。【選択図】図１４

Description

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 Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｎｕｌｌ Ｓｐａｃｅ ｔｏ Ｅｍｐｈａｓｉｚｅ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｊｏｉｎｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ”と題する米国仮特許出願第６１／８００，９２４号（代理人整理番号ＩＳＲＧ０３８７０ＰＲＯＶ／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。

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 ａｎｄ Ａｄｄｅｄ Ｆｏｒｃｅｓ ｔｏ Ｃｒｅａｔｅ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍｏｔｉｏｎ”と題する、２００９年３月１７日に出願された米国特許出願第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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

米国特許第６，７５８，８４３号 米国特許第６，２４６，２００号 米国特許第５，８００，４２３号 米国特許第６，７０２，８０５号 米国特許第６，６７６，６６９号 米国特許第５，８５５，５８３号 米国特許第５，８０８，６６５号 米国特許第５，４４５，１６６号 米国特許第５，１８４，６０１号

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運動の量を制限する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。加えて、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動作範囲を増加させながら、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動くことを可能にする。マニピュレータは、ユーザ指令に応じた再配置運動のような、様々な種類の補助運動、又は衝突回避運動のような、他の種類の運動を可能にするために、追加の冗長関節を含み得る。

１つの態様では、本発明は、ユーザ入力エンドエフェクタ操作指令に応じて所望のエンドエフェクタ運動を生じさせながら、体外のマニピュレータの１又は複数の関節の所望の運動を提供するように、ゼロ空間異方性（ｎｕｌｌ−ｓｐａｃｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ）内でマニピュレータの１又は複数の関節の動作の強調を可能にする。関節動作の強調は、それが関節の方向に依存するので、「異方性」であると見なされることができ、強調は、所望のエンドエフェクタ操作運動を生じさせる関節の運動に直交する関節のゼロ空間内に延びる。ここでは関節の第１のセットと称される、１又は複数の関節の所望の運動は、関節状態、関節状態の組み合わせ、相対関節状態、関節状態の範囲、関節状態のプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）、又はこれらの任意の組み合わせを含み得る。例えば、所望の運動は、関節の第１のセットの関節の間で比較的均一な関節速度を維持すること、所望の範囲内に関節速度を制限すること、及び／又は所望の姿勢又はマニピュレータの衝突防止形態に対応する関節状態の組み合わせを維持することを含み得る。

概して、遠位エンドエフェクタの所望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。しかし、幾つかのマニピュレータ、特に、冗長自由度を有する高度に設定可能なマニピュレータアームでは、幾つかの関節の速度又はマニピュレータアームの全体の運動エネルギは、消耗のレベルを超え得る。ゼロ空間方向内で関節の第１のセットの動作を強調することによって、所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるようにゼロ直交空間内で複数の関節の計算された運動によって決定されるので、本発明は、本明細書に詳述されるように所望のエンドエフェクタ運動中に関節の第１のセットの所望の運動を提供する。加えて、指令再配置運動又はマニピュレータアームの衝突回避運動のような、幾つかの他のタスクを生じさせるように、追加の補助運動を組み入れることは有利であり得る。

幾つかの実施形態によれば、本発明は：移動可能な遠位手術エンドエフェクタ、ベースに結合される近位部分、及び遠位部分とベースとの間の複数の関節、を含むマニピュレータアームを提供するステップであって、複数の関節は、与えられたエンドエフェクタ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、ステップ；所望のエンドエフェクタ運動でエンドエフェクタを動かすように操作指令を受信するステップ；ヤコビ行列のゼロ直交空間内で関節速度を計算することによって及び計算された関節速度を、複数の関節の関節空間内で重み付けを適用することによりヤコビアンのゼロ空間内で調整することによって、重み付き関節速度を決定するステップであって、重み付けは、複数の関節の関節の第１のセットの所望の運動に対応する、ステップ；並びに所望のエンドエフェクタ運動及び関節の第１のセットの所望の運動を生じさせるように重み付き関節速度にしたがって関節を駆動するステップ；を含む。関節の第１のセットは、複数の関節の１又は複数の関節を含み得る。第１のセットの所望の運動は：関節状態、関節状態の組み合わせ、相対関節状態、関節状態の範囲、関節状態のプロファイル、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、限定されるものではない。幾つかの実施形態では、方法はさらに：重み付きでない計算された関節速度が、指令再配置又は衝突回避運動のような、様々な他の補助タスクでの使用のために利用可能なままであるように、そこから重み付き関節速度が計算される所望のエンドエフェクタ運動を達成する複数の関節に対するヤコビ行列のゼロ直交空間内で関節速度を計算することによって、所望の運度エフェクタ運動を生じさせるように複数の関節のエンドエフェクタ変位運動を決定するステップ、をさらに含み得る。

１つの態様では、重み付き関節速度を決定することは、ヤコビアンの重み付き疑似逆行列を計算された関節速度に適用する。重み付けは、関節空間の重み付き行列であり得る。重み付けは、放物面のような、関節空間内の二次曲面を含み得る。幾つかの実施形態では、エンドエフェクタ運動を決定するステップは、ヤコビアンの疑似逆行列解を計算すること及び、疑似逆行列解と疑似逆行列解のポテンシャル関数勾配との間の差を計算し、それぞれの関節速度のゼロ空間ベクトルを決定するためにヤコビアンのゼロ空間上に差を射影することによって重み付き関節速度を決定することを含む。

他の態様では、本明細書に記載される方法のいずれかは：計算された関節速度を使用して複数の関節の１又は複数の補助運動を決定するステップ；及びエンドエフェクタの所望の状態を維持しながら計算された補助運動にしたがって関節を駆動するステップを含み得る。１又は複数の補助運動は、複数の関節の関節の第２のセットの所望の運動を含み得る。関節の第２のセットは、関節の第１のセット内の１又は複数の関節を含み得る１又は複数の関節を含み得る。１又は複数の補助運動は：指令再配置運動、衝突回避運動、補助タスク、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。

本発明の幾つかの態様では、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複数の関節を有する。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、関節速度をゼロ空間に直交するヤコビアンのゼロ直交空間内で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。マニピュレータの作業空間を拡大するために又は様々な補助タスクを可能にするために、システムは、マニピュレータアームの回転最近位関節及び／又は器具を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。

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。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する。プロセッサはさらに、複数の関節の関節の第１のセットに対する所望の運動を生じさせるように複数の関節の関節空間内で重み付けを適用することにより計算された関節速度を調整することによって重み付き関節速度を計算するように、及び所望のエンドエフェクタ運動及び関節の第１のセットの所望の運動を生じさせるように、計算された重み付き関節速度でマニピュレータアームを駆動するようにエンドエフェクタ変位運動に応じてマニピュレータアームに指令を送信するように構成される。プロセッサは、重み付き関節速度を計算することが、関節空間内で、又はより具体的には、放物面のような、二次曲面にしたがって適用される重み付き行列を使用するように構成されることができ、重み付けは、関節の運動が、関節の第１のセットの所望の運動を提供するようにゼロ直交空間に沿って強調されるように、関節の第１のセットの所望の運動に対応する。１つの態様では、所望の運動は、重み付き行列又は関節空間の表面に対応する運動に近づく又は接近する関節の第１のセットの運動である。

１つの態様では、マニピュレータアームの近位部分は、関節が駆動される間にベースに対する近位部分の運動が妨げられるようにベースに取付けられる。他の態様では、近位部分は、関節が駆動される間にマニピュレータアームの近位部分がベースに対して移動可能であるように、関節によって結合される。例示的な実施形態では、マニピュレータアームの近位部分をベースに結合する関節は、回転関節の関節運動が回転関節の枢動軸周りにマニピュレータアームの１又は複数の関節を枢動させるように、マニピュレータアームを支持する回転関節である。多くの実施形態では、回転関節の枢動軸は、関節からその周りでエンドエフェクタの器具シャフトが枢動する遠隔中心を通って延びる。１つの態様では、回転関節の運動は、マニピュレータアームの１又は複数の関節を遠位に先細にされ遠位エンドエフェクタに向けて配向される円錐、典型的にはリモートセンタ周りに枢動させる。この態様においてその周りをマニピュレータアームが枢動する円錐は、ツール先端の動作範囲内の円錐形状空隙に対応し、この中では、ツールの運動は不可能又は損なわれることができ、以下にさらに詳細に議論される。

他の態様では、マニピュレータアームの近位部分をベースに結合する関節は、経路に沿って、典型的には、経路に沿った関節の運動が、マニピュレータアームの１又は複数の関節を、器具の近くのマニピュレータアームの遠位部分を通って、好ましくはその周りを器具シャフトが枢動する遠隔中心を通って延びる軸周りに枢動させるように、アーチ形又は実質的に円形経路に沿って、ベースに対し移動可能である。幾つかの実施形態では、マニピュレータは、マニピュレータの近位部分をベースに結合する回転関節を含み、回転関節は、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、直線、アーチ形又は実質的に円形であり得る。

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するとともに、所望のエンドエフェクタ運動を生じさせる重み付き関節速度を計算することによって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み、関節速度の重み付けは、近位ベースとエンドエフェクタとの間の関節の１又は複数の所望の運動に対応する。幾つかの実施形態では、プロセッサはさらに、１又は複数の補助タスクを生じさせるように重み付きでない関節速度からゼロ空間内で関節速度を計算するように構成される。

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、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１Ａのロボット手術システムを概略的に示す。 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。 例示的なマニピュレータアームを示す。 例示的なマニピュレータアームを示す。 例示的なマニピュレータアームを示す。 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。 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。 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動作範囲の図形表現を示す。 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。 例示的なマニピュレータアーム並びに関連付けられる動作範囲及び沈黙円錐を示し、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。 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。 器具ホルダを関節軸周りに回転させる又はねじる遠位器具ホルダの近くに回転関節を有する例示のマニピュレータを示す。 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。 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。 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。 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。 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。 関節の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。 関節の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。 関節の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。 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。 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。 ヤコビアンの疑似逆行列及びポテンシャル関数勾配を使用して関節空間内で重み付き関節速度を計算する方法を図式的に描く。 例示的なマニピュレータアセンブリに一般的なアルゴリズムを実装するために使用されるブロック図を示す。 本発明による例示的な方法のブロック図を示す。 本発明による例示的な方法のブロック図を示す。

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、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、リンク機構の動作は、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。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。

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。

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通る安全な動作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。このような動作は、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動作を含み得る。

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で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る手術用エンドエフェクタは、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）を有し得るが、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に対する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対して、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対して、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。

本発明は、広い動作範囲が望まれ、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動作範囲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。

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号により完全に記載されており、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。

幾つかの態様では、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動作を可能にするリンク機構を有するとき、球状の枢動動作は、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動作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、驚くべきことに、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。

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、ベースと冗長自由度を持つ器具との間に比較的多数の関節及びリンクを含むので、遠位エンドエフェクタ及び／又は遠隔中心の所望の運動を達成するための複数の関節の指令運動は、１又は複数の関節に関連付けられる望ましくない、過度な運動エネルギを生み出し得る、又は、所望の動作選択に適合しない動作を生み出し得る。望ましくない関節速度の例は、関節状態の望ましくない組み合わせ、１又は複数の関節に対する過度な関節速度、或いは不釣合いな関節状態を含み得る。本発明は、指令エンドエフェクタ運動の間の１又は複数の関節に対する、関節状態の組み合わせ又は本明細書に記載される他のこのような運動のような、所望の運動を提供する。

１つの態様では、システムは、ツール先端及び／又は遠隔中心の指令運動を達成する重み付き関節速度を計算するように構成される。関節速度は、ゼロ空間方向に異方性の関節の動作を強調するように関節空間に重み付けされ、重み付けは、重み付き関節速度にしたがって関節を駆動することが関節の第１のセットの所望の運動を提供しながら指令運動を達成するように、関節の第１のセットの所望の状態又は運動に対応する。第１のアプローチでは、重み付き関節速度は、関節空間内で重み付き行列を適用することによって計算される。第２のアプローチでは、ツール先端及び／又は遠隔中心の指令運動を達成する重み付きでない関節速度並びに重み付き関節速度が、重み付きでない関節速度を使用して計算される。このアプローチは、重み付きでない関節速度が、指令再配置及び衝突回避タスクのような、１又は複数の様々な他のタスクを生じさせるために使用されることができるので、特に便利である。幾つかの態様では、重み付きでない及び重み付き関節速度は、放物面又は楕円面のような、関節空間内の二次曲面を有する重み付けを使用する同じカーネル内で計算される。重み付き関節速度は、例えば以下にさらに詳細に記載されるように、重み付きでない関節速度から、疑似逆行列解及び解のポテンシャル関数勾配の間の差を使用して計算されることができる。

１つの態様では、手術空間内での指令エンドエフェクタ運動は、運動学的ヤコビアンのゼロ空間直交内でプロセッサによって計算された関節の協調エンドエフェクタ変位運動にしたがってマニピュレータの１又は複数の関節を駆動することによって、もたらされる。再配置運動又は衝突回避運動のような、様々な他のタスクは、しばしばエンドエフェクタ変位運動と同時に、ヤコビアンのゼロ空間内で計算される関節の協調運動にしたがってマニピュレータの１又は複数の関節を駆動することによってエンドエフェクタの所望の状態を維持しながら、もたらされ得る。幾つかの実施形態では、これらの様々な他のタスクは、システムが同じイテレーション又はカーネルの中で重み付き及び重み付きでない関節速度の両方を計算するように構成されることができるように、重み付きでない関節速度を利用し得る。このような実施形態は、重み付き関節速度を決定するために必要な計算を減少させるように重み付きでない関節速度を使用して関節速度に重みを付けるための代替方法を利用し得る。

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、様々な他のタスクを生じさせるために計算された関節速度に重なり得る。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、異方的に強調された関節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、運動の範囲、器用さ又は状態を向上させるための運動のような、様々な他の運動を含み得る。このような指令再配置の例は、“Ｃｏｍｍａｎｄｅｄ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｎｕｌｌ‐Ｓｐａｃｅ”と題する、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７６４号に記載され、この開示はその全体が参照により本明細書に援用される。

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。

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。

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、立体内視鏡のような、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、外科医側コンソール５２を介して合成画像を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。

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。

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。

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。

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。

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、使用されることができ、マニピュレータの少なくともいくつかの器具は、外科手術中に取り外されるとともに置き換えられる。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。

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、低侵襲開口部を通して、大抵、腹壁等を通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。

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−１２Ｃ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。１つの態様では、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対し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。

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、マニピュレータアームを関節の遠位で関節軸回りに回転させるように、第１関節軸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。

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のリンク５０４は、その関節軸の回りを枢動する枢動関節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のリンク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のリンク５０６の近位端部に結合され、第３のリンク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のリンク５０６の遠位端部に結合される。第３のリンク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。

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Ｊ７（図示せず）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の部位に配置される。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ツール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。

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のように、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、関節の運動が制限又は不可能である空間の円錐（ｃｏｎｅ ｏｆ ｓｐａｃｅ）が完全に消されることができるが、一般的に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。

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範囲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。

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。したがって、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の運動を異方的に強調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。

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、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、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動作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−１２Ｃ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得る又は組み合わせて使用され得る。

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、体壁での動作を防ぐために、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。

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。

図８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する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、他のアーム又は患者の解剖学的構造との衝突を回避しながら、器具先端が、外科医の指令に従うことを可能にする。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、アームピッチバック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それがツール先端の挿入軸を左右に移動させるかを示す。

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。

図１２Ａ−１２Ｃは、例示的なマニピュレータアームと共に使用するための他の種類の冗長関節を示し、近位関節は、軸周りにマニピュレータアームを並進又は回転させる。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、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。図示された実施形態では、Ｊ１”の軸は垂直軸であるが、様々な他の実施形態では、軸はある角度又は水平であり得る。

幾つかの実施形態では、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遠位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動作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、関節限度、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。

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。

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た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動作の影響を捕える。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。

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運動を実現するために、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。

１つのそのような実装は、以下の簡略化された項で記述される。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）の間、デカルト空間速度（ｄｘ／ｄｔ）が、所望の移動（ｄｘ_ｄｅｓ／ｄｔ）を実行するとともに所望のデカルト空間位置からの蓄積された偏差（Δｘ）を補正するように、計算される。この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。

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、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。使用されてい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べきである）、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＝ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ＋ｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔ （４）
ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ＝Ｊ^＃ｄｘ／ｄｔ （５）
ｄｑ_ｎｕｌｌ／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、遠隔中心が使用されるときに、所望の遠隔中心動作）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、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（ｂｌｅｎｄｉｎｇ）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、例えばノブ又は他の制御手段の使用によって等、制御パラメータ、変数又は設定によって決定される。

図１３Ａ−１３Ｂ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直交空間との間の関係を図式的に示す。図１３Ａ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、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、「ゼロ動作多様体」として示される、４次元関節空間内のゼロ空間と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セット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の空間であるので、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。

第１のアプローチ、上記の関節空間重み付き疑似逆行列アプローチでは、システムは、ヤコビ行列の重み付き疑似逆行列を計算する。例えば、ヤコビアンの定義に沿った連鎖律を使用して、結果が以下の式にしたがって得られることができ、この中でＷは関節速度に重み付けするために使用される重み付き行列であり、（）^＃は疑似逆行列解である：
ｄｘ／ｄｔ＝Ｊ＊ｄｑ／ｄｔ （７）
ｄｘ／ｄｔ＝Ｊ＊Ｗ＊Ｗ^（−１）＊ｄｑ／ｄｔ （８）
Ｗ^（−１）＊ｄｑ／ｄｔ＝（Ｊ＊Ｗ）^＃＊ｄｘ／ｄｔ （９）
ｄｑ／ｄｔ＝Ｗ＊（Ｊ＊Ｗ）^＃＊ｄｘ／ｄｔ （１０）
他のアプローチ、カート空間重み付き疑似逆行列アプローチでは、以下の式が使用され得る：
ｄｘ／ｄｔ＝Ｊ＊ｄｑ／ｄｔ
Ｗ＊ｄｘ／ｄｔ＝Ｗ＊Ｊ＊ｄｑ／ｄｔ
ｄｑ／ｄｔ＝（Ｗ＊Ｊ）^＃（Ｗ＊ｄｘ／ｄｔ）
例：
Ｗ＝対角（［１１０１１１］）に設定する。これは、第３のカート空間速度要素、すなわちＺに沿った並進移動を、ｄｑ／ｄｔに０の影響を与えさせ、したがって、結果として得られる関節速度がエンドエフェクタＺに沿って０の並進移動を生み出す。

重み付き関節速度は、上述の式の使用によって得られることができるが、このアプローチに関連付けられる幾つかの欠点があり得る。例えば、マニピュレータ運動に関連付けられる様々なタスクが、様々な他のアルゴリズムで使用されるゼロ空間基底ベクトルのような、特異値分解計算の重み付きでない関節速度を使用する場合、このアプローチは、これらの様々な他のタスクに関する追加の特異値分解計算を必要とし得る。

上述の、第２のアプローチでは、計算の必要な数を最小にするために、システムは、重み付きでない関節速度に基づいて関節速度に重みを適用するように構成されることができ、それによって、各カーネルサイクルに関して１つの特異値分解のみを必要とする。したがって、様々な他のタスク又は運動は、重み付きでない関節速度を利用することができる一方、重み付けが指令運動中に関節の第１のセットの所望の関節状態又は運動を提供するように関節速度に適用される。このアプローチでは、上述の式（２）又は（５）から得られ得るように、ヤコビアンの疑似逆行列からのｄｑ／ｄｔが、勾配を決定するために関節速度空間の重みを示す異方性表面に適用される。その後、疑似逆行列解と疑似逆行列解における表面の勾配との間の差が、重み付き補正値になり、この重み付き補正値は、重み付き関節速度を決定するためにゼロ空間の上に射影される。

図１４は、第２のアプローチの例を図式的に示す。重み付けＷは、関節空間内の異方性放物面として描かれる。ｄｑ／ｄｔで標識されるベクトルは、ツール先端及び／又は遠隔中心の指令運動に応じて計算されるオリジナルの疑似逆行列解である。関節速度の重みを示す異方性放物面の勾配ｇは、ｄｗ／ｄｔベクトルと勾配との間の差Δを決定するために（ｇ’で示される）オリジナルに動かされ、この勾配は、その後、ｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔを決定するために関節のゼロ空間の上に射影され、このｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔは、重み付き関節速度を決定するために使用される。理想的な関節速度ベクトルは、常に達成可能とは限らないので、結果として得られるベクトル、ｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔ＋ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔは重み付けによって定められる関節運動に近づく。

このアプローチは、以下の式の使用によって達成され、そこではＣは放物面によって定められるコスト関数であり、ｇは勾配であり、Ｖ_ｎはゼロ空間基底ベクトルを示す。

典型的には、上述の勾配標記では、括弧内の式は、勾配が式に対して取られることを示すために、下げられなければならない。そのため、ｇ_（ｘ）ｙ＝（ｄｙ／ｄｘ）^Ｔ。
（１２）とオリジナルのｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔとの間の差である、補正値は：
Δ＝Ｗ^Ｔ＊Ｗ＊ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ−ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ＝（Ｗ^Ｔ＊Ｗ−１）＊ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ （１３）
Δをゼロ空間上に、規定ベクトルＶ_ｎを用いて射影することは次に式をもたらす：
ｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔ＝Ｖ_ｎ＊Ｖ_ｎ ^Ｔ＊Δ＝Ｖ_ｎ＊Ｖ_ｎ ^Ｔ＊（Ｗ^Ｔ＊Ｗ−１）＊ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ （１４）
ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔは疑似逆行列解であるので、ゼロ空間へのその射影はゼロであり、したがって、
Ｖ_ｎ＊Ｖ_ｎ ^Ｔ＊ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ＝０ （１５）
ｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔ＝Ｖ_ｎ＊Ｖ_ｎ ^Ｔ＊Ｗ^Ｔ＊ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ （１６）
上述の式の使用によって、所望の重み付き関節速度が、対角に沿ってゼロを持つ対角行列であることができ、重み付きでない特異分解値は、上述のアルゴリズムのいずれかでの使用を含む、様々なタスクの多数のユーザによって共有されることができる。関節に対して重みを設定することによって、式（１６）は、かなり最小の計算で重み付き関節速度にしたがって関節の速度プロファイルを調整するためにゼロ空間ベクトルを生成するように使用されることができる。

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／ｄｔ^Ｔ ｄｙ／ｄｔ^Ｔ］^Ｔ＝［Ｊ^Ｔ ∂ｈ／∂ｑ^Ｔ］^Ｔ＊ｄｑ／ｄｔ
ｄ（ｘ；ｙ）／ｄｔ＝［Ｊ；ｈ’］＊ｄｑ／ｄｔ
ｄｑ／ｄｔ＝［Ｊ；ｈ’］^＃ｄ（ｘ；ｙ）／ｄｔ
第１の例では：ｄｙ／ｄｔ＝０、∂ｈ／∂ｑ＝［０ ０ １ −２ ０ ０ ０］に設定し、これは、関節３の速度を関節４の速度の２倍と等しくさせることを試みる。

第２の例では：ｄｙ／ｄｔ＝０、∂ｈ／∂ｑ＝［０ ０ １ ０ ０ ０ ０］に設定し、これは、関節３の速度を０と等しくさせることを試みる。

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ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔを計算し、次に、式（６）を用いて、ｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ及びヤコビアンに依存し得るｚからｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔを計算する。計算されたｄｑ_ｐｒｅｐ／ｄｔ及びｄｑ_ｎｕｌｌ／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計算された運動を提供する。

図１６−１７は、本発明による例示的な方法のフローチャートを示す。例示的な方法では、図１６に示されるように、システムは、所望のエンドエフェクタ運動にしたがってエンドエフェクタを動かすようにユーザによる操作指令入力に応じて関節の第１のセットの所望の運動に対応する重み付き行列を使用して重み付き関節速度を決定することを含む。システムは次に、所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるとともに関節の第１のセットの所望の運動を提供するように、重み付き関節速度にしたがって関節を駆動する。図１７に示されるように、方法はさらに、疑似逆行列解を使用して指令エンドエフェクタ運動を達成する関節速度を決定することを含み得る。重み付き関節速度は、上述のように、疑似逆行列解の勾配（例えば、ポテンシャル関数勾配）を使用して及び関節空間内で重み付き行列を使用して関節速度を調整することによって計算されることができる。システムは、所望のエンドエフェクタ運動を生じさせるとともに関節の第１のセットの所望の運動を提供するように、重み付き関節速度にしたがって関節を駆動する。任意選択で、システムは、指令再配置又は衝突回避のような、１又は複数の補助タスクに関連付けられる関節速度を計算するために重み付き表面での疑似逆行列解を使用し得るので、関節は、指令エンドエフェクタ運動の間、関節の第１のセットの所望の運動をなお提供しながら、補助タスクを生じさせるために駆動されることができる。

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。

次の付記を記す。
（付記１） 移動可能な遠位手術エンドエフェクタ、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、を含むマニピュレータアームを提供するステップであって、前記複数の関節は、与えられたエンドエフェクタ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、ステップ；
所望のエンドエフェクタ運動で前記エンドエフェクタを動かすように操作指令を受信するステップ；
前記複数の関節の関節空間内で重み付けを使用して調整される関節速度を計算することによって、前記複数の関節の重み付き関節速度を決定するステップであって、前記重み付けは、前記複数の関節の関節の第１のセットの所望の運動に対応する、ステップ；並びに
前記所望のエンドエフェクタ運動及び前記関節の第１のセットの所望の運動を生じさせるように前記重み付き関節速度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、
ロボット方法。
（付記２） 前記関節の第１のセットは、前記複数の関節の１又は複数の関節を含む、
付記１に記載のロボット方法。
（付記３） 前記所望の運動は：関節状態、関節状態の組み合わせ、相対関節状態、関節状態の範囲、関節状態のプロファイル、運動エネルギ、又はこれらの任意の組み合わせ、を含む、
付記１に記載のロボット方法。
（付記４） 前記重み付き関節速度を決定するステップは、ヤコビアンの重み付き疑似逆行列をデカルト空間エンドエフェクタ速度に適用する、
付記１に記載のロボット方法。
（付記５） 前記重み付けは、前記関節空間の重み付き行列を含む、
付記１に記載のロボット方法。
（付記６） 前記所望のエンドエフェクタ運動を達成する前記複数の関節に対する関節速度を計算することによって、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決定するステップ、をさらに含み、前記計算された関節速度は、前記重み付き関節速度を決定するのに使用される、
付記１に記載のロボット方法。
（付記７） 前記エンドエフェクタ運動を決定するステップは、ヤコビアンの疑似逆行列解を計算することを含み、前記重み付き関節速度を決定するステップは、前記疑似逆行列解と前記疑似逆行列解のポテンシャル関数勾配との間の差を計算することを含む、
付記６に記載のロボット方法。
（付記８） 前記重み付けは、前記関節空間内の二次曲面を含む、
付記７に記載のロボット方法。
（付記９） 前記重み付けは、前記関節空間内の放物面を含む、
付記８に記載のロボット方法。
（付記１０） 前記差は、前記関節速度のゼロ空間ベクトルを決定するためにヤコビアンの前記ゼロ空間上に射影される、
付記７に記載のロボット方法。
（付記１１） 計算された前記関節速度を使用して前記複数の関節の１又は複数の補助運動を決定するステップ；及び
前記エンドエフェクタの所望の状態を維持しながら計算された前記補助運動にしたがって前記関節を駆動するステップ、をさらに含む、
付記７に記載のロボット方法。
（付記１２） 前記１又は複数の補助運動は、指令再配置運動、衝突回避運動、補助タスク、又はそれらの任意の組み合わせを含む、
付記１１に記載のロボット方法。
（付記１３） 前記１又は複数の補助運動は、前記複数の関節の関節の第２のセットの所望の運動を含む、
付記１１に記載のロボット方法。
（付記１４） 前記マニピュレータアームの遠位部分は、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に結合され、前記器具シャフトは、手術中、遠隔中心周りに枢動する、
付記１に記載のロボット方法。
（付記１５） 前記関節の第１のセットは、関節のサブセットを含み、前記関節の第１のセットからの第１の関節は、前記近位部分を前記ベースに結合し、前記第１の関節は、回転関節の関節運動が前記マニピュレータアームの前記遠位部分を前記回転関節の枢動軸周りに枢動させるように前記マニピュレータアームの前記遠位部分を支持する回転関節を有し、前記枢動軸は、前記マニピュレータアームの挿入軸が遠隔中心に向かって配向される遠位に先細にされた円錐に沿って動くように、前記回転関節から前記遠隔中心を通って延びる、
付記１に記載のロボット方法。
（付記１６） 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ように構成されるマニピュレータアームであって、前記マニピュレータアームは、前記遠位部分と前記ベースに結合された近位部分との間に複数の関節を有し、前記関節は、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、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部；並びに
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：
前記複数の関節の関節空間内で重み付けを用いて関節速度を計算することにより、前記操作指令を受信することに応じて、前記関節のエンドエフェクタ変位運動を計算することによって、重み付き関節速度を計算し、前記重み付けは前記複数の関節の関節の第１のセットの所望の運動に対応し、
前記所望のエンドエフェクタ運動及び前記関節の第１のセットの所望の運動を生じさせるように計算された前記重み付き関節速度で前記マニピュレータアームを駆動するように、前記エンドエフェクタ変位運動に応じて前記マニピュレータアームに指令を送信する、
プロセッサ、を有する、
ロボットシステム。
（付記１７） 前記関節の第１のセットは、前記複数の関節の１又は複数の関節を含む、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記１８） 前記所望の運動は：関節状態、関節状態の組み合わせ、相対関節状態、関節状態の範囲、関節状態のプロファイル、又はこれらの任意の組み合わせ、を含む、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記１９） 前記プロセッサは、前記重み付き関節速度を決定することが、ヤコビアンの重み付き疑似逆行列をデカルト空間エンドエフェクタ速度に適用するように、構成される、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記２０） 前記重み付けは、前記関節空間の重み付き行列を含む、
付記１９に記載のロボットシステム。
（付記２１） 前記プロセッサは：
前記所望のエンドエフェクタ運動を達成するヤコビ行列のゼロ直交空間内で関節速度を計算することによって、前記操作指令に応じて前記関節のエンドエフェクタ変位運動を計算するように、構成される、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記２２） 前記プロセッサは、前記エンドエフェクタ運動を決定することが、前記ヤコビアンの疑似逆行列解を計算することを含み、前記重み付き関節速度を決定することが、前記疑似逆行列解と前記疑似逆行列解のポテンシャル関数勾配との間の差を計算することを含む、ように構成される、
付記２１に記載のロボットシステム。
（付記２３） 前記重み付けは、前記関節空間内の二次曲面を含む、
付記２２に記載のロボットシステム。
（付記２４） 前記差は、前記関節速度のゼロ空間ベクトルを決定するために前記ヤコビアンの前記ゼロ空間上に射影される、
付記２２に記載のロボットシステム。
（付記２５） 計算された前記関節速度を使用して前記複数の関節の１又は複数の補助運動を決定すること；及び
前記エンドエフェクタの所望の状態を維持しながら計算された前記補助運動にしたがって前記関節を駆動すること、をさらに含む、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記２６） 前記１又は複数の補助運動は、指令再配置運動、衝突回避運動、補助タスク、又はそれらの任意の組み合わせを含む、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記２７） 前記１又は複数の補助運動は、前記複数の関節の関節の第２のセットの所望の運動を含む、
付記２５に記載のロボットシステム。
（付記２８） 前記マニピュレータアームの遠位部分は、器具シャフトが手術中に遠隔中心周りに枢動するように、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ように構成される器具ホルダと結合される、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記２９） 前記複数の関節は、前記近位部分の遠位に且つ前記遠位部分の近位に配置された遠隔球形中心関節を含み、前記遠隔球形中心関節は、前記遠隔球形中心関節の関節運動が、前記マニピュレータアームの前記遠位部分を第１、第２、及び第３の遠隔中心軸周りに枢動させるように、機械的に拘束され、前記第１、前記第２、及び前記第３の遠隔中心軸は、前記遠隔中心と交差する、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記３０） 前記近位部分は、前記近位部分が動くとき、前記マニピュレータアームの前記遠位部分が前記遠隔中心周りに枢動するように、前記ベースに対して機械的に拘束される、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記３１） 前記関節の第１のセットは、関節のサブセットを含み、前記関節の第１のセットからの第１の関節は、前記近位部分を前記ベースに結合し、前記第１の関節は、回転関節の関節運動が前記マニピュレータアームの前記遠位部分を前記回転関節の枢動軸周りに枢動させるように前記マニピュレータアームの前記遠位部分を支持する回転関節を有し、前記枢動軸は、前記マニピュレータアームの挿入軸が前記遠隔中心に向かって配向される遠位に先細にされた円錐に沿って動くように、前記回転関節から前記遠隔中心を通って延びる、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記３２） 前記重み付き関節速度を決定することは、拡張ヤコビアンをデカルト空間エンドエフェクタ速度に適用し、前記ヤコビアンの拡張は、要望通りに計算された前記関節速度に重み付けする、
付記１に記載のロボット方法。
（付記３３） 前記重み付けは、前記エンドエフェクタのデカルト空間における重み付き行列を含む、
付記１に記載のロボット方法。
（付記３４） 前記プロセッサは、前記重み付き関節速度を決定することが、拡張ヤコビアンをデカルト空間エンドエフェクタ速度に適用するように、構成され、前記ヤコビアンの拡張は、要望通りに計算された前記関節速度に重み付けする、ように構成される、
付記１６に記載のロボットシステム。
（付記３５） 前記重み付けは、前記エンドエフェクタのデカルト空間における重み付き行列を含む、
付記１９に記載のロボットシステム。

Claims (12)

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器具を支持するように構成された遠位部分、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、を有し、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提供し、前記方法は：
   前記プロセッサが、所望のエンドエフェクタ運動で前記エンドエフェクタを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、前記所望のエンドエフェクタ運動にしたがって前記エンドエフェクタを動かすために前記複数の関節によるエンドエフェクタ変位運動を決定するステップであって、前記エンドエフェクタ変位運動は、前記複数の関節の重み付けされていない関節速度を含む、ステップ；
   前記プロセッサが、前記複数の関節の重み付き関節速度を計算することによって前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ空間における前記複数の関節の所望の運動を決定するステップであって、
   前記重み付き関節速度を計算することは、前記複数の関節の前記重み付けされていない関節速度に重み付けすることを含み、
   前記複数の関節の前記重み付けされていない関節速度に重み付けすることは、関節動作を異方的に強調する、ステップ；並びに
   前記プロセッサが、前記複数の関節による前記エンドエフェクタ変位運動及び前記複数の関節の前記所望の運動の組合せ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。
2. 前記複数の関節の前記所望の運動は、前記複数の関節を：関節状態、関節状態の組み合わせ、相対関節状態、関節状態の範囲、関節状態のプロファイル、及び関節状態の運動エネルギの少なくとも１つに向けて、駆動する、
   請求項１に記載の方法。
3. 
   前記重み付き関節速度を計算することは、前記プロセッサが、勾配を前記ゼロ空間上に射影することを含み、前記勾配は、前記複数の関節の前記重み付けされていない関節速度の前記の重み付けすることから取得される、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記の重み付けすることは、関節速度空間内の二次曲面の値に基づいて前記関節動作を異方的に強調する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記の重み付けすることは、関節速度空間内の放物面の値に基づいて前記関節動作を異方的に強調する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記重み付けされていない関節速度は、前記マニピュレータアームの前記ヤコビアンの疑似逆行列を使用して取得され、
   前記複数の関節の前記所望の運動を決定するステップは、前記重み付けされていない関節速度と、前記重み付けされていない関節速度の前記の重み付けすることから取得された勾配との間の差を計算するステップを含む、
   請求項１又は２に記載の方法。
7. エンドエフェクタを含む器具を解放可能に支持するように構成される遠位部分、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関節状態の範囲を可能にする十分な自由度を提供する、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結合されるプロセッサであって：
   前記所望のエンドエフェクタ運動にしたがって前記エンドエフェクタを動かすために前記複数の関節によるエンドエフェクタ変位運動を決定するステップであって、
   前記エンドエフェクタ変位運動は、前記複数の関節の重み付けされていない関節速度を含む、ステップ；
   前記複数の関節の重み付き関節速度を計算することによって前記マニピュレータアームのヤコビアンのゼロ空間における前記複数の関節の所望の運動を決定するステップであって、
   前記重み付き関節速度を計算することは、前記複数の関節の前記重み付けされていない関節速度に重み付けすることを含み、
   前記複数の関節の前記重み付けされていない関節速度に重み付けすることは、関節動作を異方的に強調する、ステップ；並びに
   前記複数の関節による前記エンドエフェクタ変位運動及び前記複数の関節の前記所望の運動の組合せにしたがって、前記複数の関節を駆動するように、前記エンドエフェクタ変位運動に応じて前記マニピュレータアームに指令を送信するステップ、
   を含む動作を実行するように構成される、プロセッサ、を有する、
   システム。
8. 前記複数の関節の前記所望の運動は、前記複数の関節を：関節状態、関節状態の組み合わせ、相対関節状態、関節状態の範囲、関節状態のプロファイル、及び関節状態の運動エネルギの少なくとも１つに向けて、駆動する、
   請求項７に記載のシステム。
9. 前記重み付き関節速度を計算することは、勾配を前記ゼロ空間上に射影することを含み、前記勾配は、前記複数の関節の前記重み付けされていない関節速度の前記の重み付けすることから取得される、
   請求項７又は８に記載のシステム。
10. 前記の重み付けすることは、関節速度空間内の二次曲面の値に基づいて前記関節動作を異方的に強調する、
    請求項７乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記の重み付けすることは、関節速度空間内の放物面の値に基づいて前記関節動作を異方的に強調する、
    請求項７乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記重み付けされていない関節速度は、前記マニピュレータアームの前記ヤコビアンの疑似逆行列を使用して取得され、
    前記複数の関節の前記所望の運動を決定するステップは、前記重み付けされていない関節速度と、前記重み付けされていない関節速度の前記の重み付けすることから取得された勾配との間の差を計算するステップを含む、
    請求項７又は８に記載のシステム。

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