JP2019500945A - ロボット手術システムのためのグラフィカルユーザインタフェース - Google Patents

Abstract

ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を概略的に表現するための方法、装置およびコンピュータ可読媒体が開示される。器械は、エンドエフェクタを含み、このエンドエフェクタは、入力装置作業空間における入力装置のハンドコントローラの動きによって生成された入力信号に応答して、手術作業空間においてエンドエフェクタを空間的に位置決めするための位置決め装置に結合されている。方法は、プロセッサ回路に、入力装置から受信された現在の入力信号に関して、手術作業空間内での器械の現在の三次元空間位置を計算させることを含む。方法はまた、プロセッサ回路に、プロセッサ回路と通信するディスプレイに手術作業空間のグラフィック描写を表示するための表示信号を生成させることを含み、グラフィック描写は、平面的な表現を含み、この平面的な表現は、手術作業空間内での器械の横方向の動きに対する限界を示す境界を有する器械移動領域、および平面的な表現上への位置決め装置およびエンドエフェクタの現在の空間位置の二次元投影を含む。

Description

本開示は、手術用ロボットシステムに関し、より詳細には、ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を概略的に表現することに関する。

ロボット手術システムでは、外科医に外科的タスクを実行するための十分な情報を提供する警告および通知をもたらすために、グラフィカルユーザインタフェースが一般的に使用される。外科的タスクを実行中の領域および多くの場合にタスクを実行するために展開される手術用器械の一部分の両方を示す、患者の体腔内の手術部位の画像を提供することは一般的である。

開示する一態様によれば、ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を概略的に表現する方法であって、器械は、エンドエフェクタを含み、このエンドエフェクタは、入力装置作業空間における入力装置のハンドコントローラの動きによって生成された入力信号に応答して、手術作業空間においてエンドエフェクタを空間的に位置決めするための位置決め装置に結合されている、方法が提供される。方法は、プロセッサ回路に、入力装置から受信された現在の入力信号に関して、手術作業空間内での器械の現在の三次元空間位置を計算させることを含む。方法はまた、プロセッサ回路に、プロセッサ回路と通信するディスプレイに手術作業空間のグラフィック描写を表示するための表示信号を生成させることを含み、平面的な表現を含むグラフィック描写は、手術作業空間内での器械の横方向の動きに対する限界を示す境界を有する器械移動領域、および平面的な表現上への位置決め装置およびエンドエフェクタの現在の空間位置の二次元投影を含む。

エンドエフェクタは、インジケータによって表現され得、および位置決め装置は、位置決め装置の少なくとも一部分の二次元投影範囲に対応する領域によって表現され得る。

方法は、手術作業空間内に三次元境界を定義すること、および平面的な表現上に三次元境界の二次元投影を生成することによって境界を生成することを含み得る。

器械移動領域の境界は、手術作業空間内での器械の動きに対するさらなる限界を特定する少なくとも１つの締め出し（ｋｅｅｐ−ｏｕｔ）ゾーンをさらに含み得る。

締め出しゾーンは、入力装置においてオペレータから受信された入力、およびプロセッサ回路において受信された患者画像データの少なくとも一方に基づいて定義され得る。

方法は、器械が器械移動領域の境界の近傍にあるという決定に応答して、プロセッサ回路に境界におけるアクティブ拘束表示を表示させることをさらに含み得る。

ロボット手術システムは、手術作業空間内の複数の器械を含み得、およびグラフィック描写を表示することは、複数の器械のそれぞれのグラフィック描写を表示することを含み得る。

グラフィック描写を表示することは、ディスプレイの周辺領域にグラフィック描写を表示することを含み得る。

グラフィック描写は、手術作業空間内への器械の軸方向の動きに対する限界を示す器械深さ範囲、器械深さ範囲内でのエンドエフェクタの現在の深さを表現するインジケータ、および入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる器械深さ範囲の一部分を表現する入力装置深さ範囲をさらに含み得る。

方法は、エンドエフェクタが入力装置深さ範囲の端部の近傍にあるという決定に応答して、プロセッサ回路にアクティブ拘束表示を表示させることをさらに含み得る。

方法は、プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信することをさらに含み得、イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、アクティブ状態は、入力信号に応答して器械の動きを可能にし、および非アクティブ状態は、器械の動きを阻止して、入力装置作業空間内でのハンドコントローラの再位置決めを容易にし、および方法は、アクティブ状態から非アクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、プロセッサ回路に、エンドエフェクタの現在の空間位置の二次元投影からのオフセットとして、グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ位置インジケータを表示するための表示信号を生成させること、および非アクティブ状態からアクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、現在のハンドコントローラ位置インジケータの表示を停止することをさらに含み得る。

入力装置によって生じた入力信号は、ハンドコントローラの現在の回転を定義する回転信号を含み得、回転信号は、手術作業空間内でエンドエフェクタの回転を引き起こすように動作可能であり、およびグラフィック描写は、器械の回転運動に対する限界を示す器械回転範囲、エンドエフェクタの現在の回転を表現するインジケータ、および入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる器械回転範囲の一部分を表現する入力装置回転範囲を含み得る。

方法は、プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信することを含み得、イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、アクティブ状態は、入力信号に応答して器械の動きを可能にし、および非アクティブ状態は、器械の動きを阻止して、入力装置作業空間内でのハンドコントローラの再位置決めを容易にし、および方法は、アクティブ状態から非アクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、プロセッサ回路に、エンドエフェクタの現在の回転を表現するインジケータからのオフセットとして、グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ回転インジケータを表示するための表示信号を生成させること、および非アクティブ状態からアクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、現在のハンドコントローラ回転インジケータの表示を停止することをさらに含み得る。

開示する別の態様によれば、ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を概略的に表現するための装置であって、器械は、エンドエフェクタを含み、このエンドエフェクタは、入力装置作業空間における入力装置のハンドコントローラの動きによって生成された入力信号に応答して、手術作業空間においてエンドエフェクタを空間的に位置決めするための位置決め装置に結合されている、装置が提供される。装置は、プロセッサ回路を含み、プロセッサ回路は、入力装置から受信された現在の入力信号に関して、手術作業空間内での器械の現在の三次元空間位置を計算すること、およびプロセッサ回路と通信するディスプレイに手術作業空間のグラフィック描写を表示するための表示信号を生成することを行うように動作可能に構成される。グラフィック描写は、平面的な表現を含み、この平面的な表現は、手術作業空間内での器械の横方向の動きに対する限界を示す境界を有する器械移動領域、および平面的な表現上への位置決め装置およびエンドエフェクタの現在の空間位置の二次元投影を含む。

プロセッサ回路は、器械が器械移動領域の境界の近傍にあるという決定に応答して、境界にアクティブ拘束表示を表示するように動作可能に構成され得る。

グラフィック描写は、手術作業空間内への器械の軸方向の動きに対する限界を示す器械深さ範囲、器械深さ範囲内でのエンドエフェクタの現在の深さを表現するインジケータ、および入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる器械深さ範囲の一部分を表現する入力装置深さ範囲をさらに含み得る。

プロセッサ回路は、エンドエフェクタが入力装置深さ範囲の端部の近傍にあるという決定に応答して、アクティブ拘束表示を表示するように動作可能に構成され得る。

プロセッサ回路は、プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信するように動作可能に構成され得、イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、アクティブ状態は、入力信号に応答して器械の動きを可能にし、および非アクティブ状態は、器械の動きを阻止して、入力装置作業空間内でのハンドコントローラの再位置決めを容易にし、プロセッサ回路は、アクティブ状態から非アクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、エンドエフェクタの現在の空間位置の二次元投影からのオフセットとして、グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ位置インジケータを表示するための表示信号を生成すること、および非アクティブ状態からアクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、現在のハンドコントローラ位置インジケータの表示を停止することを行うように動作可能に構成される。

入力装置によって生じた入力信号は、ハンドコントローラの現在の回転を定義する回転信号を含み、回転信号は、手術作業空間内でのエンドエフェクタの回転を引き起こすように動作可能であり、およびグラフィック描写は、器械の回転運動に対する限界を示す器械回転範囲、エンドエフェクタの現在の回転を表現するインジケータ、および入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる器械回転範囲の一部分を表現する入力装置回転範囲を含み得る。

プロセッサ回路は、プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信するように動作可能に構成され得、イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、アクティブ状態は、入力信号に応答して器械の動きを可能にし、および非アクティブ状態は、器械の動きを阻止して、入力装置作業空間内でのハンドコントローラの再位置決めを容易にし、およびプロセッサ回路は、アクティブ状態から非アクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、エンドエフェクタの現在の回転を表現するインジケータからのオフセットとして、グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ回転インジケータを表示するための表示信号を生成すること、および非アクティブ状態からアクティブ状態へ移行するイネーブル信号に応答して、現在のハンドコントローラ回転インジケータの表示を停止することを行うように動作可能に構成され得る。

開示する別の態様によれば、ロボット手術システムのプロセッサ回路に、ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を表現するように指令するためのコードでコード化されたコンピュータ可読媒体であって、器械は、エンドエフェクタを含み、このエンドエフェクタは、入力装置作業空間における入力装置のハンドコントローラの動きによって生成された入力信号に応答して、手術作業空間においてエンドエフェクタを空間的に位置決めするための位置決め装置に結合されている、コンピュータ可読媒体が提供される。コードは、プロセッサ回路に、入力装置から受信された現在の入力信号に関して、手術作業空間内での器械の現在の三次元空間位置を計算すること、およびプロセッサ回路と通信するディスプレイに手術作業空間のグラフィック描写を表示するための表示信号を生成することを行うように指令し、グラフィック描写は、平面的な表現を含み、この平面的な表現は、手術作業空間内での器械の横方向の動きに対する限界を示す境界を有する器械移動領域、および平面的な表現上への位置決め装置およびエンドエフェクタの現在の空間位置の二次元投影を含む。

開示する特定の実施形態の以下の説明を添付図面と併せて検討すると、他の態様および特徴が当業者に明らかになる。

ロボット手術システムの斜視図である。 図１に示すロボット手術システムの器械マウントの斜視図である。 図１に示すロボット手術システムのプロセッサ回路素子のブロック図である。 図３に示すワークステーションプロセッサ回路に、器械の空間位置の表現を表示するように指令するコードのブロックで示すフローチャートである。 図３に示すワークステーションプロセッサ回路によって生成されたグラフィック描写の概略図である。 図１に示すロボット手術システムの右側器械に関する手術作業空間および入力装置作業空間の概略図である。 図１に示すロボット手術システムの右入力装置の斜視図である。 図１に示すロボット手術システムの右側器械の斜視図である。 図３に示すワークステーションプロセッサ回路に、ベース設定プロセスを実行するように指令するコードのブロックを示すフローチャートである。 図３に示すワークステーションプロセッサ回路に、器械の３Ｄ空間位置を計算するためのプロセスを実行するように指令するコードのブロックを示すフローチャートである。 図１に示すロボット手術システムの右側器械の、曲がった条件でのさらなる斜視図である。 図１に示すロボット手術システムの左側および右側器械の斜視図である。 図３に示すワークステーションプロセッサ回路に、図５に示すグラフィック描写を表示するための表示信号を生成するためのプロセスを実行するように指令するコードのブロックを示すフローチャートである。 左および右の器械の位置に関するグラフィック描写の一連の例である。

図１を参照すると、ロボット手術システムが全体的に１００で示されている。システム１００は、ワークステーション１０２および器械カート１０４を含む。器械カート１０４は、器械を操作するための器械駆動部を収納する可動器械マウント１０８に装着された少なくとも１つの器械１０６を含む。ワークステーション１０２は、患者に外科手術を行うために、器械駆動部を介して器械１０６を制御するために外科医によって使用される入力装置１１０を含む。入力装置１１０は、例えば、Ｆｏｒｃｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ（Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）から入手可能な触覚インターフェースを使用して実装され得る。

図２に器械１０６および器械マウント１０８を詳細に示す。図２を参照して説明すると、器械１０６は、体腔内の手術作業空間へのアクセスをもたらすために、患者の腹部または他の体腔の壁の切開を通して挿入される挿入管２０２を含む。手術作業空間に挿入されると、器械１０６は、図２の挿入部２０６に示すように展開される。この実施形態では、器械１０６は、位置決め装置２０９およびエンドエフェクタ２１０を含む右側器械２０８と、位置決め装置２１３およびエンドエフェクタ２１４を含む左側器械２１２とを含む。

図示の実施形態では、エンドエフェクタ２１０は、組織を掴むために器械駆動部によって制御される、対向する可動グリッパジョー２１６を有する鉗子の対である一方、エンドエフェクタ２１４は、湾曲した切開用鉗子の対である。器械１０６はまた、関節アーム２２０に配置されたカメラ２１８を含み、この関節アームは、カメラをパンしたり傾けたりすることができる。カメラ２１８は、手術作業空間の立体視を生じるために、離間した画像センサー２２２および２２４の対を含む。器械２０８および２１２およびカメラ２１８は、最初、切開を通して挿入する前に挿入管２０２と直列に位置決めされ、その後、２０６において示すように展開される。

図１に戻って説明すると、入力装置１１０は、右入力装置１１６および左入力装置１１８を含む。右入力装置１１６は右ハンドコントローラ１１２を含み、および左入力装置１１８は左ハンドコントローラ１１４を含み、それらのハンドコントローラは、それぞれの入力装置に機械的に結合される。ワークステーション１０２はまた、外科医からの入力を受信するために、入力装置１１６および１１８およびハンドコントローラ１１２および１１４と通信するワークステーションプロセッサ回路１２０を含む。器械カート１０４はまた、器械１０６を制御するための器械プロセッサ回路１３０を含む。この実施形態では、器械プロセッサ回路１３０は、インターフェースケーブル１３２を介してワークステーションプロセッサ回路１２０と通信して、ワークステーションプロセッサ回路１２０と器械プロセッサ回路１３０との間で信号を送信する。他の実施形態では、ワークステーションプロセッサ回路１２０とプロセッサ回路１３０との間の通信は、無線とであり得、またはコンピュータネットワークおよびワークステーション１０２を介し得、および器械カート１０４から離れて置かれ得る。

ワークステーション１０２はまた、手術作業空間のリアルタイム画像および／または他のグラフィック描写を表示するために、ワークステーションプロセッサ回路１２０と通信するディスプレイ１２２を含む。カメラ２１８が離間した画像センサー２２２および２２４の対を含むこの実施形態では、ディスプレイ１２２は、外科医によって装用される好適な立体視用眼鏡を通して見るときに３Ｄの奥行き効果をもたらす、手術作業空間の別個の２Ｄ立体視を提供するように構成される。

ワークステーション１０２はまた、ワークステーションプロセッサ回路１２０にイネーブル信号を提供するために外科医によって作動可能である足踏みスイッチ１３４を含む。イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、およびこの実施形態では、足踏みスイッチ１３４を押すことにより、イネーブル信号をアクティブ状態から非アクティブ状態へ変化させる。イネーブル信号のアクティブ状態は、入力装置１１０によって生じた入力信号に応じた器械１０６の動きを可能にするが、非アクティブ状態は器械の動きを阻止する。

入力信号は、入力装置作業空間内での外科医によるハンドコントローラ１１２および１１４の動きに応答して、右および左入力装置１１６および１１８によって生成される。器械２０８および２１２に関連付けられた位置決め装置２０９および２１３は、入力信号に応答して、それぞれのエンドエフェクタ２１０および２１４を手術作業空間内で空間的に位置決めする。

システム１００のプロセッサ回路素子のブロック図を図３に示す。図３を参照して説明すると、ワークステーションプロセッサ回路１２０はマイクロプロセッサ２５０を含む。ワークステーションプロセッサ回路１２０はまた、ワークステーションメモリ２５２、ＵＳＢインターフェース２５４、入力／出力部２５６および動き制御インターフェース２５８を含み、それら全てがマイクロプロセッサ２５０と通信している。入力／出力部２５６は、足踏みスイッチ１３４のイネーブル信号を受信するための入力部と、ディスプレイ１２２を駆動するための表示信号を生じるための出力部とを含む。

この実施形態では、入力装置１１０は、ＵＳＢプロトコルを使用して通信し、およびＵＳＢインターフェース２５４は、ハンドコントローラ１１２および１１４の動きに応答して入力装置が生じた入力信号を受信する。マイクロプロセッサ２５０は、入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに基づいて入力信号を処理し、および動き制御インターフェース２５８に制御信号を送信するようにさせ、それらの制御信号は、インターフェースケーブル１３２を経由して器械プロセッサ回路１３０に伝達される。マッピングは、入力装置作業空間内での動きを拡大縮小して、手術作業空間において、拡大縮小された動きを生成する倍率を含み得る。例えば、入力装置作業空間における１００ｍｍの平行移動は、微細な動き用の手術作業空間内では０．５の倍率によって縮小されて５０ｍｍの動きを生じ得る。

足踏みスイッチ１３４によって生じたイネーブル信号は、入力／出力部２５６において受信される。ワークステーションメモリ２５２は、本明細書において後述するように、制御信号に関連付けられた値を記憶する複数の記憶装置を含む現在のバッファ３２０および以前のバッファ３４０を含む。

器械プロセッサ回路１３０は、マイクロプロセッサ２８０、メモリ２８２、通信インターフェース２８４、および駆動制御インターフェース２８６を含み、これら全てがマイクロプロセッサと通信している。マイクロプロセッサ２８０は、通信インターフェース２８４において入力信号を受信する。マイクロプロセッサ２８０は、制御信号を処理し、かつ器械２０８および２１２を動かすための駆動信号を駆動制御インターフェース２８６が生じるようにする。

従って、ワークステーションプロセッサ回路１２０は、ユーザ入力を受信するためのマスターサブシステムの機能を果たす一方、器械プロセッサ回路１３０および器械２０８および２１２は、ユーザ入力に応答するスレーブサブシステムの機能を果たす。

図４を参照すると、ワークステーションプロセッサ回路１２０に、器械１０６の空間位置の表現を表示するように指令するコードをブロックで示すフローチャートが全体的に３００で示されている。ブロックは、全体的に、マイクロプロセッサ２５０に、様々な機能を実行するように指令するコードを表現している。各ブロックを実行するための実際のコードは、例えば、任意の好適なプログラム言語、例えばＣ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）、ＯｐｅｎＧＬ、および／またはアセンブリコードで記述され得る。

プロセス３００は、ブロック３０２で開始し、そこではマイクロプロセッサ２５０に指令して、イネーブル信号がアクティブであるかどうかを決定する。足踏みスイッチ１３４が現在押されていない場合、器械２０８および２１２は、入力装置１１０の制御下にあり、およびブロック３０２ではマイクロプロセッサ２５０をブロック３０６に進める。足踏みスイッチ１３４が現在押されている場合、器械１０６の動きが阻止され、およびブロック３０２は、マイクロプロセッサ２５０をブロック３０４に進めてベース設定プロセスを実行させ、これについて本明細書において後述する。ブロック３０４におけるベース設定プロセスに続いて、マイクロプロセッサ２５０はブロック３０６に進められる。

ブロック３０６は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、入力装置１１０から受信した現在の入力信号に関して、手術作業空間内での器械２０８および２１２の現在の三次元（３Ｄ）空間位置を計算する。図２に戻って説明すると、器械２０８および２１２の右側位置決め装置２０９および左側位置決め装置２１３は、器械プロセッサ回路１３０において受信した制御信号に従ってそれぞれ姿勢を取るように作動されて示されている。同様に、エンドエフェクタ２１０および２１４は、器械プロセッサ回路１３０において受信した制御信号に従った姿勢で配置される。本明細書では、器械２０８および２１２の３Ｄ空間位置は、位置決め装置２０９および２１３およびエンドエフェクタ２１０および２１４を含む器械の各部分の３Ｄ位置を指す。手術作業空間におけるこれら３Ｄ位置の計算の詳細は、本明細書において後述する。

次いで、ブロック３０６は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、手術作業空間のグラフィック描写をディスプレイ１２２上に表示するための表示信号を生成する。図１に戻って説明すると、右グラフィック描写１３６は、右側器械２０８に関してディスプレイ１２２に表示される。同様に、左グラフィック描写１３８は、左側器械２１２に関して表示される。グラフィック描写１３６および１３８は、ディスプレイ１２２の周辺領域に表示され、同様にディスプレイ上に表示される手術作業空間のライブビュー１４０が不明瞭になるのを防止する。

次いで、ブロック３０８は、マイクロプロセッサ２５０にブロック３０２に戻るように指令し、およびプロセス３００が繰り返される。一実施形態では、プロセス３００は、約１ｋＨｚの周波数で繰り返される。

図５を参照すると、図５ではグラフィック描写１３６および１３８が大きい規模で示されている。グラフィック描写１３６および１３８は、手術作業空間内での位置決め装置２０９の横方向の動き（平行移動および向き）の限界を示す境界４０２を有する位置決め装置移動領域４００を含む平面的な表現として提示される。グラフィック描写１３６および１３８はまた、エンドエフェクタ２１０が動くことができる、別の領域を表現する境界４０６を有するエンドエフェクタ移動領域４０４を含む。位置決め装置２０９が境界４０２にあるときでも、エンドエフェクタ２１０は、依然として外側に回転して、位置決め装置移動領域４００を越えてエンドエフェクタ移動領域４０４にアクセスすることができ得る。

グラフィック描写１３６および１３８にはまた、それぞれの位置決め装置２０９および２１３およびエンドエフェクタ２１０および２１４の現在の空間位置の二次元（２Ｄ）投影が含まれている。図示の実施形態では、エンドエフェクタ２１０および２１４は、それぞれのエンドエフェクタのジョーの少なくともおよその向きを示すインジケータ４０８および４１０によって表現されている。位置決め装置２０９および２１３は、平面的な表現上への位置決め装置の部分の２Ｄ投影範囲に対応する領域４１２および４１４によって表現されている。

グラフィック描写１３６および１３８にはまた、それぞれ手術作業空間内への器械の軸方向の動きに対する限界を示す器械深さ範囲４１６および４１８が含まれている。器械の軸方向の動きに対する限界は、器械深さ範囲４１
６の端部４２４および４２６および器械深さ範囲４１８の端部４２８および４３０によって表現されている。器械深さ範囲４１６および４１８はまた、それぞれの器械深さ範囲内でのエンドエフェクタの現在の深さを表現する現在の深さインジケータ４２０および４２２（この場合には円で示す）をそれぞれ含む。現在の深さインジケータ４２０は、右側器械２０８が左側器械２１２よりも手術作業空間内のさらに奥に置かれているため（図２に示すように）、現在の深さインジケータ４２２よりも範囲４１６の端部４２４に近い。器械深さ範囲４１６はまた、入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる器械深さ範囲４１６の一部分を表現する入力装置深さ範囲４３２（線が引かれた領域として示す）を含む。同様に、器械深さ範囲４１８は、入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる器械深さ範囲４１８の一部分を表現する入力装置深さ範囲４３４（線が引かれた領域として示す）を含む。

入力装置１１０が生じた入力信号にはまた、ハンドコントローラ１１２および１１４のそれぞれの現在の回転を定義する回転信号が含まれている。回転信号は、ワークステーションプロセッサ回路１２０によって使用されて、手術作業空間においてそれぞれのエンドエフェクタ２１０および２１４の回転を引き起こすための制御信号を生じる。図５に示すグラフィック描写１３６および１３８にはまた、エンドエフェクタ２１０および２１４の回転運動の限界を示す器械回転範囲４４０および４４２が含まれている。グラフィック描写１３６および１３８では、「Δ」インジケータは、図５では垂直線４４４（図５の右グラフィック描写１３６に対してのみ示す）として取られている基準に対するエンドエフェクタ２１０および２１４の現在の回転を表現している。グラフィック描写１３６および１３８は、入力装置作業空間と手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できるそれぞれの器械回転範囲４４０および４４２の一部分を表現する入力装置回転範囲４４６および４４８（線が引かれた領域として示す）をさらに表示している。

上述の通り、プロセス３００のブロック３０２〜３０８は、約１ｋＨｚの周波数で繰り返されるため、器械２０８および２１２の空間位置のほぼリアルタイムの表示を外科医にもたらすように、グラフィック描写１３６および１３８を更新する。図１〜４に示す実施形態では、器械１０６は、器械２０８および２１２の対を含むが、他の実施形態では、システム１００は、単一の器械を有してもよく、従って単一のグラフィック描写のみが表示される。あるいは、３つ以上の器械が使用される場合、グラフィック描写は各器械に対して表示され得る。

図６を参照すると、入力装置１１６装置の上から見たときの手術作業空間および右側器械２０８の入力装置作業空間の概略図が４８０で示されている。入力装置１１６のハンドコントローラ１１２は、半球形の３Ｄ体積部内で可動であり、および対応する入力装置作業空間が、水平の線が引かれた半円形領域４８２として図６に示されている。図６では、右側器械２０８によってアクセス可能である、垂直に線が引かれた領域によって表現されている手術作業空間４８４に重ね合わされた入力装置作業空間４８２が示されている。手術作業空間４８４も３Ｄ体積部であり、および位置決め装置２０９の動きに対する制約を定義する境界面４８５を有する。点４８６は、患者の体腔の壁を通る挿入管２０２の挿入点を表現している。

図６の境界面４８５、および図５の境界４０２の平面的な表現は、手術作業空間４８４内での入力装置作業空間４８２の範囲に基づく器械２０８およびエンドエフェクタ２１０の動きに対する限界を表現している。患者の解剖学的構造に起因して、追加的な限界が器械２０８およびエンドエフェクタ２１０の動きに加えられ得る。例えば、他の器官、血管系、および他の感受性組織の複数の部分も手術作業空間４８４内での器械２０８およびエンドエフェクタ２１０の動きを制限し得る。別の実施形態では、１つ以上の締め出しゾーン４９８が手術作業空間４８４内に指定され得、および境界面４８５は、これらの締め出しゾーンを含むように生成され得る。締め出しゾーン４９８は、入力装置作業空間４８２内の器械２０８およびエンドエフェクタ２１０の動きをさらに制限するために使用される。締め出しゾーン４９８の指定は、入力装置１１０において受信され得る外科医からの入力に従い得る。あるいは、締め出しゾーン４９８は、ワークステーションプロセッサ回路１２０にアップロードされる画像または他の患者データに従って指定され得る。例えば、患者が磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）またはＣＴスキャンなどの画像を有した場合、手術部位に関する患者特有のデータを使用して１つ以上の締め出しゾーン４９８を定義し得る。それに続いて、グラフィック描写１３６および１３８を生成するとき、締め出しゾーン４９８は、境界内の追加的なゾーン４３６として境界４０２の定義に含まれるであろう。

入力装置１１６のハンドコントローラ１１２の動きは、器械２０８の位置決め装置２０９を手術作業空間４８４内で動かすようにすることができる一方、エンドエフェクタ２１０は、現在のマッピングに関する領域４８８内に到達するように外向きに伸ばすことができる。領域４８８は、エンドエフェクタ２１０によってアクセスされ得る手術作業空間の追加的な部分を表現しており、および３Ｄ境界面４８９を有する。

図５に示す右グラフィック描写１３６は、全体的に、線５−５に沿って取った横断面図に対応し、図５に示すように、線５−５の交差点は、位置決め装置移動領域４００の境界４０２、およびエンドエフェクタ移動領域４０４の境界４０６を定義する。図６の図は、右入力装置１１６、および右側器械２０８を制御する右ハンドコントローラ１１２に関して示される。左入力装置１１８、左ハンドコントローラ１１４、および左側器械２１２は、明瞭にするために省略されたが、同様に表現され得る。

入力装置１１０が生じた入力信号と、動き制御インターフェース２５８においてワークステーションプロセッサ回路１２０が生じた制御信号との間のマッピングの変更は、足踏みスイッチ１３４が押されて、手術作業空間４８４の異なる部分にアクセスするためにハンドコントローラ１１２および１１４を再位置決めできるようにするか、または倍率の変更に応答して、手術作業空間のより広いまたはより狭い部分にアクセスできるようにするときに行われ得る。

入力装置
図７に右入力装置１１６をより詳細に示す。簡潔にするために、右入力装置１１６のみをさらに説明し、左入力装置１１８は同じように動作することが理解される。図７を参照して説明すると、入力装置１１６は、ベース５００上に支持され、かつアーム５０２、５０４、および５０６を含む。右ハンドコントローラ１１２は、アーム５０２〜５０６に取り付けられて、デカルト基準フレーム（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ）の直交軸ｘ_１、ｙ_１およびｚ_１の位置決めおよび軸周りでの回転を可能にする。デカルト基準フレームは、ハンドコントローラ１１２の本体に沿って中ほどの点に起点を有し、および起点の位置は、ハンドコントローラ位置５０８を定義する（すなわち起点において）。この実施形態では、ハンドコントローラ１１２は、ジンバルマウント５１０に取り付けられる。アーム５０２〜５０６は、ハンドコントローラ１１２の動きを、従ってハンドコントローラ位置５０８を、図６に示すような半球形の入力装置作業空間内に留める。一実施形態では、入力装置１１６はまた、アーム５０２〜５０６を通してハンドコントローラ１１２に触覚フィードバックを提供するために、触力覚を生成するように構成され得る。

入力装置１１６は複数のセンサー（図示せず）を有し、これらセンサーは、アーム５０２〜５０６のそれぞれの位置、ならびにｘ_１、ｙ_１およびｚ_１軸のそれぞれの周りでのハンドコントローラ１１２の回転を感知し、かつ入力装置のデカルト基準フレームｘ_ｒ、ｙ_ｒ、ｚ_ｒに対する作業空間内でのハンドコントローラの位置およびハンドコントローラの回転向きを表現する信号を生じる。この実施形態では、位置信号および向き信号は、入力信号として、ＵＳＢ接続５１８を経由してワークステーションプロセッサ回路１２０のＵＳＢインターフェース２５４へ送信される。

この実施形態では、ジンバルマウント５１０は、マウントから下方に延在するピン５１２を有し、およびベース５００は、ピンを受け入れるためのキャリブレーション用開口部５１４を含む。ピン５１２が開口部５１４に受け入れられると、入力装置１１６は、入力装置のデカルト基準フレームｘ_ｒ、ｙ_ｒ、ｚ_ｒに対して定義されるキャリブレーション位置に配置される。入力装置の基準フレームは、ベース５００に対して平行なｘ_ｒ−ｚ_ｒ平面およびベースに対して垂直なｙ_ｒ軸を有する。ｚ_ｒ軸は、ベース５００に対して平行であり、かつ入力装置１１６の中心を通る軸５１６と一致する。

入力装置１１６は、ハンドコントローラ１１２の現在の位置および向きを表現する現在のハンドコントローラ信号および現在のハンドコントローラ向き信号を生じる。それら信号は、現在のハンドコントローラ位置ベクトルおよび現在のハンドコントローラ回転行列によって表現され得る。現在のハンドコントローラ位置ベクトルは、

（式中、ｘ_１、ｙ_１およびｚ_１は、入力装置の基準フレームｘ_ｒ、ｙ_ｒ、ｚ_ｒに対するハンドコントローラ位置５０８の座標（すなわち、座標系ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１の起点）を表現している）
によって与えられる。現在のハンドコントローラ回転行列は、

（式中、行列の列は、入力装置の基準フレームｘ_ｒ、ｙ_ｒ、ｚ_ｒに対するハンドコントローラ基準フレームｘ_１、ｙ_１、ｚ_１の軸を表現している）
によって与えられる。従って、行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}は、ｘ_ｒ、ｙ_ｒ、およびｚ_ｒ固定マスター基準フレームに対するハンドコントローラ１１２の現在の回転向きを定義する。現在のハンドコントローラ位置ベクトル

および現在のハンドル回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}は、現在のハンドコントローラ位置信号および現在のハンドコントローラ向き信号として、ＵＳＢ接続５１８を経由してワークステーションプロセッサ回路１２０のＵＳＢインターフェース２５４へ送信される。ワークステーションプロセッサ回路１２０は、ワークステーションメモリ２５２の現在のバッファ３２０の記憶装置３２２に、現在のハンドル位置ベクトル

を表現する３個の値、および記憶装置３２４に、現在のハンドコントローラ回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}を表現する９個の値を記憶する。

器械
図８に右側器械２０８を詳細に示す。図８を参照して説明すると、位置決め装置２０９は、ワークステーションプロセッサ回路１２０からの、通信インターフェース２８４において受信した制御信号に応答して、器械プロセッサ回路１３０の駆動制御インターフェース２８６が生じた駆動信号に応答して、器械マウント１０８にある様々な駆動部を稼働させることにより、手術作業空間内にエンドエフェクタ２１０を位置決めするように構成されている。駆動信号は、現在のハンドコントローラ位置ベクトル

に基づいて生じ、および現在のハンドコントローラ回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}は、ワークステーションメモリ２５２内の現在のバッファ３２０の記憶装置３２２および３２４に記憶される。

器械２０８は、ＰＣＴ／カナダ特許出願公開第２０１３／００１０７６号明細書（これは本明細書に援用される）に説明されているような複数の同一の「椎骨部」５５０を含む。椎骨部５５０は、椎骨部を通過する制御ワイヤが位置決め装置２０９を動かすために伸ばされたりまたは収縮されたりするときに、互いに対して動くように動作可能である。エンドエフェクタ２１０の位置および向きは、軸ｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖを有する固定スレーブ基準フレームに対して定義され、これらの軸は、固定スレーブ基準位置５５２と呼ばれる点で交差する。固定スレーブ基準位置５５２は、器械２０８の縦軸５５４上にあり、および縦軸に対して垂直でありかつ挿入管２０２の遠位縁を含む平面に含まれる。

図示の実施形態では、エンドエフェクタ２１０はグリッパジョー２１６を含み、グリッパジョーは、エンドエフェクタ作業空間内に位置決めされかつ向きを決定され得る。グリッパジョー２１６の先端部は、エンドエフェクタデカルト基準フレームｘ_２、ｙ_２、ｚ_２の起点として定義されるエンドエフェクタ位置５６０と指定され得る。エンドエフェクタ位置５６０は、スレーブ基準位置５５２に対して定義され、およびエンドエフェクタは、位置決め装置２０９および／またはエンドエフェクタ２１０を動かすために、固定スレーブ基準フレームｘ_ｖ、ｙ_ｖ、ｚ_ｖに対して位置決めされかつ向きを決定され得る。

現在のハンドコントローラ位置信号

および現在のハンドコントローラ向き信号Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}は、器械２０８のエンドエフェクタ２１０を新しいエンドエフェクタ位置および所望の新しいエンドエフェクタ向きに動かし、および新しいエンドエフェクタ位置ベクトル

によって表現され、

（式中、ｘ_２、ｙ_２、およびｚ_２は、ｘ_ｖ、ｙ_ｖ、ｚ_ｖ固定スレーブ基準フレームに対するエンドエフェクタ作業空間内のエンドエフェクタ位置５６０の座標を表現している）
および３×３のエンドエフェクタ回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}によって表現されている。

（式中、Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}行列の列は、固定スレーブ基準フレームｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖで記述されるエンドエフェクタ基準フレームｘ_２、ｙ_２、およびｚ_２の軸を表現している）
従って、Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}は、ｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖ固定スレーブ基準フレームに対するエンドエフェクタ作業空間のエンドエフェクタ２１０の新しい向きを定義する。ベクトル

および回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}の値は、本明細書において後述するように計算され、かつワークステーションメモリ２５２の現在のバッファ３２０の記憶装置３３０および３３２にそれぞれ記憶される。

ベース設定プロセス
システム１００が最初に起動するとき、ワークステーションプロセッサ回路１２０は、マスターベース位置ベクトル

を現在のハンドコントローラベクトル

に等しく設定し、および定義可能なマスターベース回転行列Ｒ_{ＭＢＡＳＥ}が、現在のハンドコントローラ回転に関連付けられるハンドコントローラ回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}によって定義される現在の向きと同じである向きを定義するようにする。従って、起動時に以下のオペレーションが行われる。

図７に示す軸ｘ_１、ｙ_１およびｚ_１によって表現されるハンドコントローラ１１２の基準フレームおよび軸ｘ_ｍｂ、ｙ_ｍｂ、およびｚ_ｍｂ（同様に図７に示す）によって表現される定義可能なマスターベース基準フレームは、従って、システム１００の起動時に一致する。図３に戻って説明すると、ワークステーションプロセッサ回路１２０は、定義可能なマスターベース位置ベクトル

および定義可能なマスターベース回転行列Ｒ_{ＭＢＡＳＥ}を表現する値をワークステーションメモリ２５２の現在のバッファ３２０の記憶装置３２６および３２８に記憶する。

システム１００の起動時、新しいエンドエフェクタ位置ベクトル

および新しいエンドエフェクタ回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}の以前に記憶された値はなく、および一実施形態では、これらの値は、ホーム構成値に設定される。ホーム構成は、図８に示すように器械２０８のほぼ直線の位置決め装置２０９を生成すると定義され得、およびホーム構成のための

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}の値は、初期設定時に事前設定され得る。システム１００の起動時、ワークステーションプロセッサ回路１２０はまた、定義可能なエンドエフェクタベース位置ベクトル

および定義可能なエンドエフェクタベース回転行列Ｒ_{ＥＥＢＡＳＥ}が、

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}のホーム構成値に設定されるようにする。他の実施形態では、ホーム構成は、構成変数を定義して異なる曲げを生じ得るか、または直線のおよび曲げられた器械位置決め装置の両方がホーム構成を取る。従って、起動時に以下のオペレーションが行われる。

従って、図８に示す軸ｘ_２、ｙ_２、およびｚ_２によって表現されるエンドエフェクタ基準フレームおよび軸ｘ_ｓｂ、ｙ_ｓｂ、およびｚ_ｓｂによって表現される定義可能なスレーブベース基準フレームは、システム１００の起動時に一致する。図３に戻って説明すると、ワークステーションプロセッサ回路１２０は、定義可能なスレーブベース位置ベクトル

を表現する値ｘ_ｓｂ、ｙ_ｓｂ、およびｚ_ｓｂをワークステーションメモリ２５２の現在のバッファ３２０の記憶装置３３４に記憶し、および定義可能なスレーブベース回転行列Ｒ_{ＭＢＡＳＥ}を表現する値を記憶装置３３６に記憶する。

ベース設定プロセス（図４に示すプロセス３００のブロック３０４）は、ブロック３０２において足踏みスイッチ１３４によって生じたイネーブル信号がアクティブ状態から非アクティブ状態へ移行するときに非同期的に実行される。ベース設定プロセス３０４のさらなる詳細を図９にプロセスフローチャートとして示す。ベース設定プロセス３０４はブロック６００で開始し、ここで、ワークステーションプロセッサ回路１２０のマイクロプロセッサ２５０に指令して、動き制御インターフェース２５８を介して制御信号を送信し、制御信号により、器械プロセッサ回路１３０が駆動制御インターフェース２８６において、器械２０８のさらなる動きを生じないようにする駆動信号を生じるようにすることにより、器械２０８のさらなる動きを阻止する。一実施形態では、マイクロプロセッサ２５０は、同じ制御信号を維持し、および駆動制御インターフェース２８６によって生じる駆動信号が制御信号に応答して生じるため、駆動信号も、足踏みスイッチ１３４が押されたときにアクティブであった値に維持される。従って、器械２０８は、現在の位置および向きで不動のままとなる。

次いで、ブロック６０２は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、イネーブル信号が非アクティブ状態からアクティブ状態へ再度移行されたかどうかを決定する。イネーブル信号が非アクティブ状態のままである場合、ブロック６０２は、マイクロプロセッサ２５０にブロック６０２を繰り返すように指令し、従って、イネーブル信号が非アクティブ状態にある間、プロセス３０４は実際上保留にされる。イネーブル信号が非アクティブ状態からアクティブ状態へ移行すると、ブロック６０２は、マイクロプロセッサ２５０をブロック６０４へ進める。

ブロック６０４は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、それぞれハンドコントローラ１１２およびエンドエフェクタ２１０に対して新しいベース位置および向きを設定する。足踏みスイッチ１３４が押されている間、外科医は、ハンドコントローラ１１２を新しい箇所に動かして、手術作業空間に対して入力装置作業空間を再配置し得る。イネーブル信号がアクティブ状態へ移行すると、ブロック６０４は、マイクロプロセッサ２５０に、現在のハンドコントローラ位置ベクトル

およびハンドコントローラ回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}の現在の値を、マスターベース位置ベクトル

およびマスターベース回転行列Ｒ_{ＭＢＡＳＥ}に対する新しい値として、ワークステーションメモリ２５２の現在のバッファ３２０の箇所３２６および３２８に記憶するようにさせる。ブロック６０４はまた、マイクロプロセッサ２５０に指令して、エンドエフェクタ位置信号

およびエンドエフェクタ向き信号Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}の現在の値を、定義可能なエンドエフェクタベース位置ベクトル

および定義可能なスレーブベース回転行列Ｒ_{ＭＢＡＳＥ}として、現在のバッファ３２０の記憶装置３３４および３３６に記憶させる。

次いで、ベース設定プロセス３０４は、ブロック６０６に進み、そこではマイクロプロセッサ２５０に指令し、１３４によって生じたイネーブル信号がアクティブなままである間、器械２０８のさらなる動きを可能にさせる。

従って、ベース設定プロセス３０４は、入力装置１１６のハンドコントローラ１１２が新しい箇所に動かされる間、足踏みスイッチ１３４を押すことによって器械２０８を不動にできるようにする。足踏みスイッチ１３４が解放されると、器械２０８の制御は、ハンドコントローラ１１２の新しい位置において再開する。従って、ハンドコントローラ１１２は、器械が不動のままである間に必要に応じて再位置決めされ得、患者に傷害を加え得る意図しない動きを防止する。

一実施形態では、足踏みスイッチ１３４がイネーブル信号を非アクティブ状態へ移行させるとき、それぞれ左および右の器械２０８および２１２の位置および向きを表現する図５のインジケータ４０８、４１２、４１０および４１４は、それらの現在のそれぞれの位置においてグラフィック描写１３６および１３８上で不動であり、および現在の入力装置１１０の入力を表現する追加的なインジケータ４５０および４５２が表示される。不動のインジケータ４０８、４１２、４１０および４１４は、不動の器械２０８および２１２の位置および向きを表現する一方、追加的なインジケータ４５０および４５２は、入力装置１１６および１１８およびハンドコントローラ１１２および１１４の現在の位置を表現する。それに続いて、イネーブル信号が再度アクティブ状態へ移行すると、追加的なインジケータ４５０および４５２が削除されるかまたは次第に消え、およびインジケータ４０８、４１２、４１０および４１４が再度アクティブにされる。足踏みスイッチ１３４を解放する前に、表示されるインジケータ４０８および４５０、ならびにインジケータ４１０および４５２を位置合わせすることにより、ハンドコントローラ１１２および１１４とそれぞれの器械２０８および２１２との間のオフセットを最小限にする。同様に、現在のハンドコントローラ回転インジケータ４５４および４５６は、エンドエフェクタ２１０および２１４の現在の回転を表現するインジケータからのオフセットで表示され得る。従って、足踏みスイッチ１３４が押されている間、ユーザは、ロール、向きおよび平行移動（ＸＹＺ）にオフセットを生じさせ得る。足踏みスイッチ１３４が解放されると、器械２０８および２１２は再係合され、およびロールおよび平行移動のオフセットが固定される。

器械の位置および向き
器械の３Ｄ空間位置を計算するための、図３に示すプロセス３００のブロック３０６のさらなる詳細を図１０に示す。図１０を参照して説明すると、プロセス３０６は、新しいエンドエフェクタ位置および向き制御信号

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}を、現在のハンドコントローラ位置

およびハンドコントローラ向きＲ_{ＭＣＵＲＲ}に応答して計算するために、ワークステーションプロセッサ回路１２０によって実行されるコードのブロックを含む。これらの制御信号は、通信インターフェース２８４において器械プロセッサ回路１３０によって受信されると、マイクロプロセッサ２８０によって使用されて、駆動制御インターフェース２８６において駆動信号を生じ、エンドエフェクタ２１０を位置決めしかつその向きを決定する。一実施形態では、プロセス３０６は、約１ｋＨｚの速度で周期的に実行される。

プロセス３０６はブロック６３０において開始し、そこではマイクロプロセッサ２５０に指令して、ワークステーションメモリ２５２の現在のバッファ３２０から、現在のハンドコントローラ位置ベクトル

および現在のハンドコントローラ行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}を表現する

およびＲ_{ＭＣＵＲＲ}に関する現在の値を読み取る。次いで、ブロック６３２は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、固定スレーブ基準位置５５２およびスレーブベース向きに対する所望のエンドエフェクタ位置５６０および所望のエンドエフェクタ向きを表現する新しいエンドエフェクタ位置信号

および新しいエンドエフェクタ向き信号Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}を計算する。ブロック６３２はまた、マイクロプロセッサ２５０に指令して、新しいエンドエフェクタ位置ベクトル

を表現する値をワークステーションメモリ２５２の現在のバッファ３２０の記憶装置３３０に記憶し、および所望のエンドエフェクタ向き行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}を表現する値を記憶装置３３２に記憶する。

新しいエンドエフェクタ位置信号

および新しいエンドエフェクタ向き信号Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}は、以下の式に従って計算される。

（式中、

は、エンドエフェクタ作業空間におけるエンドエフェクタ７３の新しい所望の位置を表現する新しいエンドエフェクタ位置ベクトルであり、およびスレーブベース基準位置に対して定義され；
Ａは、マスターとスレーブとの間の平行移動の動きの倍率を表現するスカラー値であり；

は、現在のバッファ３２０の記憶装置３２２に記憶されたハンドコントローラ位置ベクトルの現在の表現であり、ハンドコントローラ位置ベクトルは、固定マスター基準フレームｘ_ｒ、ｙ_ｒ、およびｚ_ｒに対して定義され；

は、非アクティブ状態からアクティブ状態へのイネーブル信号の最後の移行において、またはシステム初期設定時に、またはオペレータによる制御インターフェースの動作によってシフトされたハンドコントローラ１１２に対して最後に保存された位置ベクトル

であり；

は、非アクティブ状態からアクティブ状態へのイネーブル信号の最後の移行においてまたはシステム初期設定時にシフトされたエンドエフェクタ２１０に対して最後に保存された位置ベクトル

であり；
Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}は、エンドエフェクタ２１０の現在の向きを表現する新しいエンドエフェクタ向き行列であり、および固定スレーブ基準位置５５２に対して定義され；
Ｒ_{ＥＥＢＡＳＥ}は、非アクティブ状態からアクティブ状態へのイネーブル信号の最後の移行においてシフトされたエンドエフェクタ２１０の最後に保存された回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}であり；
Ｒ_{ＭＢＡＳＥ} ^−１は、回転行列Ｒ_{ＭＢＡＳＥ}の逆行列であり、これは、非アクティブ状態からアクティブ状態へのイネーブル信号の最後の移行で保存されたハンドコントローラ１１２の最後に保存された回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}であり；および
Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}は、固定マスター基準フレームｘ_ｒ、ｙ_ｒ、およびｚ_ｒに対してハンドコントローラ１１２の向きを表現する現在取得された回転行列である）。

次いで、ブロック６３４は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、イネーブル信号がアクティブ状態にあるかどうかを決定する。イネーブル信号がアクティブ状態にある場合、ブロック６３６は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、動き制御インターフェース２５８が、

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}に関する新しく計算した値に基づいて制御信号を送信する。制御信号が器械プロセッサ回路１３０の通信インターフェース２８４で受信される場合、マイクロプロセッサ２８０は、駆動信号が生じるようにし、エンドエフェクタ２１０が、ハンドコントローラ１１２の現在の位置および現在の向きによって決定された位置および向きを取るようにする。

次いで、ブロック６３８は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、現在のバッファ３２０の記憶装置３２２および３２４に記憶された現在の位置ベクトル

および現在の回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}をワークステーションメモリ２５２の以前のバッファ３４０の記憶装置３４２

および３４４（Ｒ_{ＭＰＲＥＶ}）にコピーする。ブロック６３８はまた、マイクロプロセッサ２５０に指令して、新しく計算したエンドエフェクタ位置ベクトル

および新しく計算したエンドエフェクタ回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}を以前のバッファ３４０の記憶装置３４６および３４８にコピーする。新しく計算したエンドエフェクタ位置ベクトル

および新しく計算したエンドエフェクタ回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}を記憶することにより、以前に計算されたエンドエフェクタ位置ベクトル

および以前に計算されたエンドエフェクタ回転行列Ｒ_{ＥＥＰＲＥＶ}、それに続いて取得した新しいエンドエフェクタ位置ベクトル

およびそれに続いて取得した新しいエンドエフェクタ回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}が、入力装置１１６によって提供された、次に受信したハンドコントローラ位置ベクトル

および次に受信したハンドコントローラ回転行列Ｒ_{ＭＣＵＲＲ}から計算され得る。

ブロック６３４において、イネーブル信号が非アクティブ状態にある場合、マイクロプロセッサ２５０はブロック６４２に進められる。ブロック６４２は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、動き制御インターフェース２５８が、ワークステーションメモリ２５２の以前のバッファ３４０のそれぞれの記憶装置３４６および３４８にある、

およびＲ_{ＥＥＰＲＥＶ}の以前に計算された値に基づいて制御信号を送信する。従って、動き制御インターフェース２５８によって送信された制御信号は、

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}の最後に保存された値から得られ、以前に決定された同じ制御信号が器械プロセッサ回路１３０の通信インターフェース２８４に送信されるため、エンドエフェクタ２１０を静止したままにする。次いで、マイクロプロセッサ２５０はブロック６４０に進められる。

イネーブル信号が非アクティブに留まる間（すなわち足踏みスイッチ１３４が押されている間）、動き制御インターフェース２５８によって送信された制御信号は、イネーブル信号が非アクティブへ移行される前に有効であった以前に計算されたエンドエフェクタ位置および以前に計算された向き信号

およびＲ_{ＥＥＰＲＥＶ}のみに基づくものである。

別の実施形態では、イネーブル信号がブロック６３４においてアクティブ状態にあると決定されると、ブロック６３６を実行する前にいくつかの特別な機能が実行され得る。そのような特別な機能の一例は、本出願人の同時係属中の米国仮特許出願第６２／１０１，７３４号明細書および同第６２／１０１，８０４号明細書（それら全体が参照により本明細書に援用される）に説明されているようなアライメント制御機能である。例えば、一実施形態では、アライメント制御機能は、２つの結果の１つになり得る。第１の結果は、マイクロプロセッサ２５０に、ブロック６３６を実行するように指令してもよく、ここで、マイクロプロセッサに指令して、動き制御インターフェース２５８が器械プロセッサ回路１３０へ、新しく計算したエンドエフェクタ位置および新しく計算したエンドエフェクタ向き

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}に基づいて制御信号を送信する。第２の結果は、マイクロプロセッサ２５０にブロック６３８を実行するように指令し、ここで、マイクロプロセッサに、動き制御インターフェース２５８が、以前に計算されたエンドエフェクタ位置および以前に計算されたエンドエフェクタ向き

およびＲ_{ＥＥＰＲＥＶ}に基づいて制御信号を送信するようにさせる。これにより、エンドエフェクタ２１０は、ハンドコントローラ１１２の以前の位置および以前の向きによって決定された位置および向きを取る。

従って、イネーブル信号が非アクティブ状態にあるとき、ハンドコントローラ１１２は、動かされかつ回転されることができ、かつ

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}の計算は、依然として、ブロック６３２によって実行されるが、以前の制御信号が器械プロセッサ回路１３０へ送信されるため、エンドエフェクタ２１０の動きはない。これにより、エンドエフェクタ２１０の対応する動きがなくてもハンドコントローラ１１２の「クラッチ」または再位置決めを可能にする。動きは、入力装置作業空間内でのハンドコントローラの快適な位置への再配置および／または手術作業空間内でのエンドエフェクタ２１０の動きの範囲の増加に有用であり得る。

ブロック６３６またはブロック６３８で生じたエンドエフェクタ位置ベクトル

およびエンドエフェクタ向き行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}またはＲ_{ＥＥＰＲＥＶ}は、固定スレーブ基準位置５５２に対して所望の箇所のエンドエフェクタ先端部５６０を提供する。しかしながら、図３に示す実施形態では、マイクロプロセッサ２５０は、動き制御インターフェース２５８から運動制御信号を送信させて、エンドエフェクタ２１０を所望のエンドエフェクタ位置および向きに位置決めしかつその向きにするために位置決め装置２０９によって必要とされるポーズを定義する。従って、運動制御信号は、エンドエフェクタ位置５６０を所望の位置および向きに位置決めするための位置決め装置２０９およびエンドエフェクタ２１０の運動学的構成に基づいて生成される。

運動制御信号
右側器械２０８を図１１および図１２において曲げたポーズで示す。左側器械２１２も、図１２においてホーム構成に対応する直線ポーズで示す。図１１および図１２を参照して説明すると、器械２０８の位置決め装置２０９は、Ｓ字状セグメント７００と呼ばれる第１の関節セグメントと、遠位セグメント７０２と呼ばれる第２の関節セグメントとを有する。これらセグメントは、それぞれ複数の椎骨部５５０を含む。Ｓ字状セグメント７００は、挿入管２０２から、挿入距離ｑ_ｉｎｓと呼ばれる距離をおいて開始し、この挿入距離は、固定スレーブベース基準フレームｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖの起点において定義される固定スレーブ基準位置５５２と、第１の位置基準フレームｘ_３、ｙ_３、およびｚ_３の起点にある第１の位置７０４との間の距離である。挿入距離ｑ_ｉｎｓは、挿入管２０２の端部から延出する、位置決め装置２０９の曲げることができない部分を表す。図示の実施形態では、挿入距離ｑ_ｉｎｓは、約１０〜２０ｍｍであり得るが、他の実施形態では、挿入距離は、それよりも長くてもまたは短くてもよく、例えば、０〜１００ｍｍで様々である。

Ｓ字状セグメント７００は、第１の位置７０４から、軸ｘ_５、ｙ_５、およびｚ_５を有する第３の基準フレームの起点として定義される第３の位置７０６へ延在し、かつＳ字状セグメント７００内の制御ワイヤ（図示せず）が押されたり引かれたりするときに滑らかなＳ字形状を取ることができる。Ｓ字状セグメント７００は、軸ｘ_４、ｙ_４、およびｚ_４を有する第２の位置基準フレームの起点として定義される第２の位置７０８に中間点を有する。Ｓ字状セグメント７００は、図１２に最もよく示す、左側器械位置決め装置２１３に関する長さＬ_１を有する。図示の実施形態では、長さＬ_１は約６５ｍｍであり得る。

遠位セグメント７０２は、第３の位置７０６から、軸ｘ_６、ｙ_６、およびｚ_６を有する第４の基準フレームの起点として定義される第４の位置７１０へ延在する。遠位セグメント７０２は、図１２に最もよく示す、左側器械位置決め装置２１３に関する長さＬ_２を有する。図示の実施形態では、長さＬ_２は約２３ｍｍであり得る。

各エンドエフェクタ２１０および２１４はまた、エンドエフェクタ長さを有し、これは、図示の実施形態では、第４の位置７１０から、軸ｘ_２、ｙ_２、およびｚ_２の起点として定義されるエンドエフェクタ先端部位置５６０まで延在するグリッパ長さＬ_３である。グリッパ長さＬ_３は、ここでも、左側器械位置決め装置２１３に関して図１２に最もよく示し、および一実施形態では、約２５ｍｍであり得る。スレーブ基準位置５５２、第１の位置７０４、第２の位置７０８、第３の位置７０６、第４の位置７１０、およびエンドエフェクタ位置５６０は、集合的に器械基準位置と呼ばれ得る。

ＰＣＴ／カナダ特許出願公開第２０１３／００１０７６号明細書（その全体が本明細書に援用される）に説明されるように、位置決め装置２０９および２１３内で制御ワイヤを押したり引いたりすることにより、位置決め装置２０９および２１３のＳ字状セグメント７００は、図８に示す直線条件から、完全なＳ字形状までの図１１および図１２に示す右側器械２０８に関する部分的なＳ字形状まで、様々な度合いのＳ字形状に曲げられ得る。Ｓ字状セグメント７００は、区分されており、第１のセクション７１２と、第２の位置７０８の反対側にある第２のセクション７１４とを有する。図５を参照して説明すると、第１および第２のセクション７１２および７１４は、第１の位置７０４、第２の位置７０８、および第３の位置７０６を含む第１の曲げ平面にある。第１の曲げ平面は、固定スレーブ基準フレームｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖのｘ_ｖ−ｚ_ｖ平面に対して角度δ_ｐｒｏｘにある。第１のセクション７１２および第２のセクション７１４は、第１の曲げ平面において反対側であるが等しい角度θ_ｐｒｏｘで曲げられ、いかなる角度θ_ｐｒｏｘまたは曲げ平面角度δ_ｐｒｏｘでも、第３の位置７０６のｚ_５軸は、常に固定スレーブ基準位置５５２のｚ_ｖ軸に対して平行であり、かつそれと同じ方向に位置合わせされる。従って、位置決め装置２０９内で制御ワイヤを押したり引いたりすることにより、第３の位置７０６は、第１の位置７０４の周りのシリンダー状体積部内の空間内のいくつかの個別の位置のいずれかに配置され得る。このシリンダー状体積部は、Ｓ字状セグメント作業空間と称し得る。

さらに、遠位セグメント７０２は、第３の位置７０６および第４の位置７１０を含む第２の曲げ平面内にある。第２の曲げ平面は、固定スレーブ基準フレームｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖのｘ_ｖ−ｚ_ｖ平面に対して角度δ_ｄｉｓｔにある。遠位セグメント７０２は、第２の曲げ平面において角度θ_ｄｉｓｔに曲げられている。従って、位置決め装置２０９内で制御ワイヤを押したり引いたりすることにより、第４の位置７１０は、第４の位置７１０の周りの、空間内の別の体積部内に配置され得る。この体積部は、遠位作業空間と称し得る。Ｓ字状セグメント作業空間および遠位作業空間の組み合わせは、これが、位置決め装置２０９によって達成される器械２０８の発生し得る動き全体を表すため、位置決め装置作業空間と称し得る。左側器械２１２は、位置決め装置２１３によって同様に位置決めされ得る。

第４の位置７１０とエンドエフェクタ位置５６０との間の距離は、図示の実施形態では、遠位セグメント７０２の可動部分とグリッパエンドエフェクタ２１０の先端部との間の距離であり、すなわち図１２に示すグリッパ長さＬ_３の長さである。一般的に、第４の位置７１０とエンドエフェクタ位置５６０との間のグリッパの一部分は曲げることができないであろう。

図示の実施形態では、エンドエフェクタ２１０は、エンドエフェクタ基準フレームｘ_２−ｙ_２平面においてｚ_２軸の周りで回転可能である可動グリッパジョー２１６を含み、回転角度は、ｘ_２正軸に対する角度γによって表わされる。最後に、グリッパジョー２１６は、完全な閉鎖から完全な開放までの様々な開放度合のいずれかであり得る（ジョーのヒンジ継手によって制限されるように）。様々な開放度合は、「グリッパ」と定義され得る。従って、要するに、運動制御信号は、以下の構成変数によって定義されるような位置決め装置２０９およびエンドエフェクタ２１０の運動学的構成に基づいて生成される：
ｑ_ｉｎｓは、軸ｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖによって定義されるスレーブ基準位置５５２から、位置決め装置２０９のＳ字状セグメント７００が開始する、軸ｘ_３、ｙ_３、およびｚ_３によって定義される第１の位置７０４までの距離を表し；
δ_ｐｒｏｘは、Ｓ字状セグメント７００が固定スレーブ基準フレームのｘ_ｖ−ｙ_ｖ平面に対して曲げられる第１の曲げ平面を表し；
θ_ｐｒｏｘは、Ｓ字状セグメント７００の第１および第２のセクション７１２および７１４が第１の曲げ平面において曲げられる角度を表し；
δ_ｄｉｓｔは、遠位セグメント７０２が固定スレーブ基準フレームのｘ_ｖ−ｙ_ｖ平面において曲げられる第２の曲げ平面を表し；
θ_ｄｉｓｔは、第２の曲げで遠位セグメント７０２が曲げられる角度を表し；
γは、軸ｚ_２の周りでのエンドエフェクタ２１０の回転を表し；および
グリッパは、エンドエフェクタ２１０のグリッパジョー２１６のある度合の開放を表す（これは、ジョー２１６が閉鎖するように作動させるために、アクチュエータを握ることによってオペレータが加える圧力の量を示す、ハンドコントローラ１１２のアクチュエータ（図示せず）によって生じる信号に対して正比例で計算される値である）。

構成変数を計算するために、エンドエフェクタ回転行列Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}が３×３の行列であることがまず想起される。

（式中、Ｒ_{ＥＥＮＥＷ}の最後の列は、固定スレーブ基準フレームｘ_ｖ、ｙ_ｖ、およびｚ_ｖに対して記述されたエンドエフェクタ基準フレームのｚ軸である）
遠位セグメント７０２に関連付けられた値θ_ｄｉｓｔ、δ_ｄｉｓｔ、およびγは、式に従って計算され得る。

その後、第３の位置７０６は、固定スレーブ基準位置５５２から第３の位置へのベクトル

の項で記述され得る。同様に、ベクトル

は、第３の位置７０６から第４の位置７１０まで定義され得、およびベクトル

は、第４の位置７１０からエンドエフェクタ位置５６０まで定義され得る。そのため、これらの値を使用して、エンドエフェクタ位置ベクトル

からベクトル

を減算することにより、固定スレーブ基準位置５５２に対する第３の位置７０６の箇所を演算し得る。

ここで、

は、ｘ方向の単位ベクトルであり、

は、ｙ方向の単位ベクトルであり、および

は、ｚ方向の単位ベクトルである。

その後、固定スレーブ基準位置５５２から第３の位置７０６へのベクトル

を使用して、Ｓ字状セグメント７００に関する構成変数δ_ｐｒｏｘおよびθ_ｐｒｏｘを見つけ得る。角度δ_ｐｒｏｘは、δ_ｐｒｏｘに関する以下の２つの式を解くことによって計算される。

式８ｂと式８ａとの比を取ることにより、

（式中、

は、それぞれｘ方向およびｙ方向における単位ベクトルである）
を生じる。閉形式解は、θ_ｐｒｏｘに関して見つけることができず、従って、θ_ｐｒｏｘは、式８ａまたは式８ｂのいずれかに対して数式の解を使用して見つけられる必要がある。例えば、ニュートン・ラフソン法が用いられ得、これは、実数値関数のより良好な根を連続して繰り返し概算する。ニュートン・ラフソン法は、以下の式を使用して実動化され得る。

（式中、

は、ｘ方向の単位ベクトルである）
式１０は、式ｆ（θ_ｐｒｏｘ）＝０において書き換えられた式８ａである。ニュートン・ラフソン法は、範囲０＜θ_ｐｒｏｘ＜πにおいて、関数は、大きい曲率半径を有し、かつ局所的な停留点を有しないため、非常に迅速に収束する傾向を有する。ニュートン・ラフソン法に続いて、以下の式を使用して式１０を満たすために、θ_ｐｒｏｘの改善された連続的な推定を繰り返し行い得る。

最後に、θ_ｐｒｏｘを決定すると、以下の式を使用してｑ_ｉｎｓを見つけ得る。

（式中、

は、ｚ方向における単位ベクトルであり、および

は、ベクトル

と単位ベクトル

とのドット積である。

上述の構成変数は、プロセス３０６のブロック６３６においてエンドエフェクタ位置信号および向き信号

およびＲ_{ＥＥＮＥＷ}、またはブロック６４２において

およびＲ_{ＥＥＰＲＥＶ}に関して計算した。構成変数は、一般的に、エンドエフェクタ２１０をエンドエフェクタ作業空間における所望の箇所および向きに位置決めするために必要な位置決め装置２０９のポーズを定義する。構成変数は、それぞれ右側および左側器械２０８および２１２の各エンドエフェクタ２１０および２１４に対して生じる。従って、左および右構成変数とそれぞれ称する２組の構成変数が動き制御インターフェース２５８によって生じて、器械プロセッサ回路１３０へ送信され、かつマイクロプロセッサ２８０によって使用されて、手術作業空間において器械２０８の位置決め装置２０９およびエンドエフェクタ２１０を空間的に位置決めするために駆動制御信号を生成する。

３Ｄ空間位置決め
図３に示すプロセス３００のブロック３０８のさらなる詳細を図１３に示す。図１３を参照して説明すると、プロセス３０８は、図５に示すグラフィック描写１３６および１３８を表示するための表示信号を生成するための、ワークステーションプロセッサ回路１２０によって実行されるコードのブロックを含む。プロセス３０８は、ブロック３０６において決定された構成変数の値を使用して、入力装置１１０および足踏みスイッチ１３４からの現在の入力に関して、手術作業空間において位置決め装置２０９に沿った点の箇所を決定する。複数の箇所が固定スレーブ基準位置５５２に対して手術作業空間内で決定される。プロセス３０８は、一般的に、基準点のそれぞれに関する理論的な個所、すなわち手術作業空間における第１の位置７０４、第２の位置７０８、第３の位置７０６、第４の位置７１０およびエンドエフェクタ位置５６０を決定することを含む。各基準点の理論的な個所が決定されると、手術作業空間内の、位置決め装置２０９に沿った様々な中間点の理論的な個所が決定され得る。位置決め装置２０９のＳ字状セグメント７００、および遠位セグメント７０２のセクション７１２、７１４のそれぞれは、複数の椎骨部５５０を含み、および椎骨部の中心は、同じ距離だけ離間している。Ｓ字状セグメント７００および遠位セグメント７０２は、曲げられると、滑らかで連続的な一定半径の湾曲を形成するため、各椎骨部の中心の理論的な個所は数学的に計算され得る。理論的な個所を使用して、器械プロセッサ回路１３０によって使用される運動制御信号を決定し、手術作業空間での器械２０８の実際の位置決めのための駆動信号を生成し得る。理論的な個所はまた、ワークステーションプロセッサ回路１２０によって使用されて、図５に示すグラフィック描写１３６および１３８を生成する。

プロセス３０８はブロック７４０で開始し、ここで、マイクロプロセッサ２５０に指令して、処理のための第１の基準位置（図１１において７０４で示す）を選択する。次いで、ブロック７４２は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、長さｑ_ｉｎｓを有する位置決め装置２０９の曲げることができない部分だけ固定スレーブ基準位置５５２から離間している第１の位置７０４の箇所を決定する。従って、第１の位置７０４の箇所は、ｚ_ｖ軸において固定スレーブ基準位置５５２にｑ_ｉｎｓ構成変数を単に加えることによって決定される。その箇所は、手術作業空間内の固定スレーブ基準位置５５２から第１の位置７０４までのベクトル

の項で表わされ得る。

その後、ブロック７４４は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、位置決め装置２０９の第１のセクション７１２に沿った中間点の箇所を決定する（すなわち第１の位置７０４と第２の位置７０８との間）。ブロック７４０において決定された第１の位置７０４の箇所を使用して、Ｓ字状セグメント７００の第１のセクション７１２における全ての椎骨部の箇所を決定する。例えば、図１１に示す実施形態では、第１の位置７０４と第２の位置７０８との間の第１のセクション７１２には１５個の椎骨部５５０があると仮定し、ｎ個目の椎骨部の中心は、第１の位置７０４に対して、

として計算される第１のセクション２２０に沿った中間点である理論的な個所にある。第１の位置７０４からｎ個目の椎骨部の位置までのベクトルは、そのように決定され、かつ固定スレーブ基準位置５５２から第１の位置７０４までのベクトル

に加えられて、手術作業空間内の固定スレーブ基準位置５５２に対する第１のセクション７１２のｎ個の椎骨部のそれぞれの箇所を決定する。

その後、ブロック７４６は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、基準位置の全てが処理されたかどうかを決定し、および処理されていない場合、マイクロプロセッサは、ブロック７４８に進められ、そこで次の基準位置が処理のために選択される。その後、ブロック７４８は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、ブロック７４２に戻らせ、および各基準位置に関してブロック７４２および７４４が繰り返される。

固定スレーブ基準位置５５２に対する第２の位置７０８の箇所は、構成変数ｑ_ｉｎｓ、θ_ｐｒｏｘ、およびδ_ｐｒｏｘから決定され得る。固定スレーブ基準位置５５２から第２の位置７０８までのベクトル

を決定することにより、手術作業空間内での絶対項における第２の位置の理論的な個所を提供する。図１１に示す実施形態では、再度、第２のセクション７１４に１５個の椎骨部があると仮定し、第２のセクションのｎ個目の椎骨部の中心は、第２のセクションに沿った中間点にある。第２のセクション２２２が第１の曲げ平面δ_ｐｒｏｘにおいて曲げられる角度は、第１のセクション７１２の椎骨部に関する計算に使用される角度θ_ｐｒｏｘと等しく、かつそれとは反対方向である。従って、ｎ個目の椎骨部の中間点は、第２の位置７０８に対して、

と計算され得る。第２の位置７０８からｎ個目の椎骨部の位置までのベクトルは、そのように決定され、かつスレーブ基準位置５５２から第２の位置７０８までのベクトル

に加えられ、位置決め装置作業空間内での絶対項における第２のセクション７１４のｎ個目の椎骨部の理論的な個所を提供し得る。このプロセスは、固定スレーブ基準位置５５２に対する手術作業空間内の各椎骨部中間点の絶対的な個所を見つけるために、Ｓ字状セグメント７００の第２のセクション７１４の１５個の椎骨部のそれぞれに対して繰り返され得る。

Ｓ字状セグメント７００の端部における第３の位置７０６の箇所は、上述の式８ａ、８ｂ、および８ｃで設定されるようなベクトル成分を有するベクトル

の項で表わされ得る。第３の位置７０６の箇所は、上記で提供された方法を使用して、遠位セグメント７０２における全ての椎骨部５５０の理論的な個所を決定するための基準点として使用され得る。遠位セグメント７０２に１５個の椎骨部があると仮定すると、ｎ個目の椎骨部の中心は、遠位セグメントに沿った中間点にある。遠位セグメント７０２が第２の曲げ平面δ_ｄｉｓｔにおいて曲げられる角度はθ_ｄｉｓｔである。従って、ｎ個目の椎骨部の中間点は、第３の位置７０６に対して、

と計算され得る。第３の位置７０６からｎ個目の椎骨部の位置までのベクトルは、そのように決定され、かつベクトル

に加えられて、手術作業空間内での絶対項の遠位セグメント７０２のｎ個目の椎骨部の理論的な個所に到達し得る。この手順は、固定スレーブ基準位置５５２に対して、絶対項で位置決め装置作業空間における各椎骨部中間点の理論的な個所を見つけるために、遠位セグメント７０２にある１５個の椎骨部のそれぞれに対して繰り返される。

第４の位置７１０の箇所は、上記の式６ａ、６ｂ、および６ｃにおいて設定されるようなベクトル成分を有する第３の位置７０６に対するベクトル

から決定され得る。ベクトル

を固定スレーブ基準位置５５２から第３の位置２３４までのベクトル

に加えることにより、手術作業空間内の固定スレーブ基準位置に対する絶対項で第４の位置の理論的な個所に到達するであろう。

最後に、エンドエフェクタ位置５６０の理論的な個所は、上記の式７ａ、７ｂおよび７ｃにおいて設定されるようなベクトル成分の式による第４の位置７１０に対するベクトル

として決定され得る。第４の位置７１０からエンドエフェクタ位置５５０までのベクトルをベクトル

および固定スレーブ基準位置５５２からのベクトル

に加えることにより、固定スレーブ基準位置に対する絶対項でエンドエフェクタ位置５６０の理論的な個所に到達するであろう。

ブロック７４６において、位置決め装置２０９に沿った基準位置のそれぞれが処理された場合、２０９およびエンドエフェクタ２１０に沿った複数の点の箇所が決定されるため、手術作業空間における器械２０８の３Ｄ空間位置決めを定義する。

その後、プロセス３０８はブロック７４８に進み、そこではマイクロプロセッサ２５０に指令して、位置決め装置２０８の現在の３Ｄ空間位置の二次元投影を生成して、図５のグラフィック描写１３６に示す位置決め装置を表現する領域４１２を生成する。ブロック７４８はまた、マイクロプロセッサ２５０に指令して、エンドエフェクタ２１０の現在の３Ｄ空間位置の二次元投影を生成して、図５に示すエンドエフェクタを表現するインジケータ４０８を生成する。一実施形態では、平面的な表現１３６が、ｘ_ｙ−ｙ_ｖ平面（すなわちｚ_ｖ軸に対して垂直な）と位置合わせされた平面に対して生成され、かつその投影は、位置決め装置２０９およびエンドエフェクタ２１０に沿った各中間点の位置のｘ_ｖ成分およびｙ_ｖ成分から生成される（すなわち、ｚ_ｖ成分はゼロに設定されない）。

その後、プロセス３０８はブロック７５０に進み、そこではマイクロプロセッサ２５０に指令して、位置決め装置２０９のいずれかの投影部分が図５の境界４０６の近傍にあり、位置決め装置のさらなる動きに対する拘束がアクティブであることを示すかどうかを決定する。ブロック７５０はまた、マイクロプロセッサ２５０に指令して、エンドエフェクタ２１０のいずれかの投影部分が境界４０２の近傍にあるかどうかを決定する。これらの条件のいずれかが検出される場合、ブロック７５０は、マイクロプロセッサ２５０をブロック７５２に進める。

ブロック７５２は、マイクロプロセッサ２５０に指令して、アクティブ拘束警告を生成する。一実施形態では、境界４０２または４０６の色または表示される強さを変更することにより、またはディスプレイ１２２上に警告シンボルを表示することにより可視警告が生成され得る。あるいは、警告は、インジケータ４１２および４１４の箇所にかぶせて、グラフィック描写１３６および１３８に表示され得る。他の実施形態では、可聴警告が生成され得る。代わりにまたは加えて、マイクロプロセッサ２５０は、入力装置１１０に、ハンドコントローラ１１２を介して触覚フィードバックを生成させるようにし得る。その後、ブロック７５２は、マイクロプロセッサ２５０に図４のブロック３０２に戻るように指令する。

ブロック７５０において、位置決め装置２０９およびエンドエフェクタ２１０がいずれの境界の近傍にもない場合、マイクロプロセッサ２５０は、図４のブロック３０２に戻るように指令される。

深さ
図５に示す器械深さ範囲４１６の描写は、以下の通り生成される。深さ範囲は、図６に示す軸４９２に沿って取られ、この範囲の端部４２４は、領域４８８内のエンドエフェクタ２１０の最大深さ４９４に対応する。器械深さ範囲４１６の端部４２６は、領域４８８内のエンドエフェクタ２１０の最小深さ４９６に対応する。入力装置深さ範囲４３２は、同様に、軸４９２に沿った、横線が引かれた領域４８２の部分に対応する。現在の深さインジケータ４２０は、エンドエフェクタ位置５６０のｚ値に対応する箇所において器械深さ範囲４１６上に位置決めされる。一実施形態では、マイクロプロセッサ２５０は、エンドエフェクタ２１０が入力装置深さ範囲の端部４２４または４２６のいずれかの近傍にあるとき、アクティブ拘束表示が生成されるようにし得る。警告は、可聴警告、ディスプレイ１２２に表示される可視警告、または右入力装置１１６およびハンドコントローラ１１２を通した触覚フィードバックの形態を取り得る。器械深さ範囲４１８は、同様に左側器械２１２に対して生成される。

回転
図５に示す器械回転範囲４４０は、構成変数γから生成される（すなわち、図１１に示すような軸ｚ_２の周りでのエンドエフェクタ２１０の回転）。「Δ」インジケータは、エンドエフェクタ２１０の現在の回転角度γを表し、ここで、垂直線４４４は、一般的に非回転位置に保持されている右ハンドコントローラ１１２に対応する基準を取られる。一連の器械回転範囲４４０は、ハンドコントローラ１１２によってもたらされる回転範囲の程度に対応する程度を有する。器械回転範囲４４０はまた、入力装置作業空間と手術作業空間との間のマッピングに依存してオフセットされ得る。例えば、足踏みスイッチ１３４が押された後、ハンドコントローラ１１２は、足踏みスイッチ１３４を解放する前に回転され得るため、図５に示すように作業回転範囲をオフセットする。

位置決め装置のアクティブ拘束
説明されるように計算された右側器械２０８の位置決め装置２０９の中間位置は、手術作業空間（図５において４８４で示す）内の器械２０８の位置決め装置２０９の３Ｄ箇所を定義する。椎骨部５５０の各中間箇所に対し、マイクロプロセッサ２５０は、その箇所が手術作業空間４８４の３Ｄ境界面４８５の一部分の近傍にあるかどうかを決定する。器械２０８および２１２の位置決め装置２０９の複数の位置のグラフィック描写の例を図１４に示す。図１４を参照して説明すると、第１の例８００は、挿入後の開始位置における器械２０８および２１２に関するグラフィック描写１３６および１３８を示し、そこでは、位置決め装置２０９および２１３は、器械の図の左側の側面図に示すように実質的に直線の位置にある。グラフィック描写１３６および１３８は、それぞれ中心に配置された点として位置決め装置２０９および２１３を示す。

次の例８０２では、位置決め装置２０９は上に動かされ、および位置決め装置２１３は下に動かされており、および８０４にある中間箇所は、境界面４８５の上方部分および下方部分の近傍となるようにマイクロプロセッサ２５０によって決定される。器械２０８および２１２を示すドットは、境界の近傍の箇所に示されている。警告が、境界の複数の部分を目立つ色に色付けして生成されて、外科医に状態を表示し得る。

位置決め装置２０９および２１３の左限／右限の例が８０６に示されている。８０８に示す例では、位置決め装置２０９および２１３は、一般的に例８０６におけるように位置決めされるが、エンドエフェクタ２１０および２１４は外側に向けられている。エンドエフェクタ２１０および２１４は、図５に示す領域４８８の境界面４８９の近傍に配置され、かつそれぞれインジケータ４０８および４１０によって示される。位置決め装置２０９および２１０は、それぞれ領域４１２および４１４によって表現される。警告は、外科医に状態を示すために、境界面４８９において目立つ色の領域として生成されて示され得る。

例８１０は、エンドエフェクタインジケータ４０８および４１０および領域４１２および４１４が見えるように、わずかに向きを変えられた器械２０８および２１２を示す。例８１２では、エンドエフェクタ２１０および２１４は内側に向けられたままであるが、位置決め装置２０９および２１３は、８１４において示すように上限および下限に到達している。例８１６では、エンドエフェクタ２１０および２１４は外側に向けられ、かつそれぞれ３Ｄ境界面４８９の上方部分および下方部分の近傍にある。最終的な例８１８では、位置決め装置の動きに対する左限／右限に関する、例８１２に示すのと同様の状況が示されている。

具体的な実施形態を説明しかつ図示したが、そのような実施形態は本発明の説明にすぎず、添付の特許請求の範囲に従って構成されるような本発明の限定ではないと考慮されるべきである。

Claims (21)

1. ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を概略的に表現する方法であって、前記器械は、エンドエフェクタを含み、前記エンドエフェクタは、入力装置作業空間における入力装置のハンドコントローラの動きによって生成された入力信号に応答して、手術作業空間において前記エンドエフェクタを空間的に位置決めするための位置決め装置に結合されており、前記方法は、
   プロセッサ回路に、前記入力装置から受信された現在の入力信号に関して、前記手術作業空間内での前記器械の現在の三次元空間位置を計算させること；
   前記プロセッサ回路に、前記プロセッサ回路と通信するディスプレイに前記手術作業空間のグラフィック描写を表示するための表示信号を生成させること
   を含み、前記グラフィック描写は、平面的な表現を含み、前記平面的な表現は、
   前記手術作業空間内での前記器械の横方向の動きに対する限界を示す境界を有する器械移動領域；および
   前記平面的な表現上への前記位置決め装置および前記エンドエフェクタの前記現在の空間位置の二次元投影
   を含む、方法。
2. 前記エンドエフェクタは、インジケータによって表現され、および前記位置決め装置は、前記位置決め装置の少なくとも一部分の二次元投影範囲に対応する領域によって表現される、請求項１に記載の方法。
3. 前記手術作業空間内に三次元境界を定義すること；および
   前記平面的な表現上に前記三次元境界の二次元投影を生成すること
   によって前記境界を生成することをさらに含む、前記境界を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記器械移動領域の前記境界は、前記手術作業空間内での前記器械の動きに対するさらなる限界を特定する少なくとも１つの締め出しゾーンをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記締め出しゾーンは、入力装置においてオペレータから受信された入力、および前記プロセッサ回路において受信された患者画像データの少なくとも一方に基づいて定義される、請求項４に記載の方法。
6. 前記器械が前記器械移動領域の前記境界の近傍にあるという決定に応答して、前記プロセッサ回路に前記境界におけるアクティブ拘束表示を表示させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記ロボット手術システムは、前記手術作業空間内の複数の器械を含み、前記グラフィック描写を表示することは、前記複数の器械のそれぞれのグラフィック描写を表示することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記グラフィック描写を表示することは、前記ディスプレイの周辺領域に前記グラフィック描写を表示することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記グラフィック描写は、
   前記手術作業空間内への前記器械の軸方向の動きに対する限界を示す器械深さ範囲；
   前記器械深さ範囲内での前記エンドエフェクタの現在の深さを表現するインジケータ；および
   前記入力装置作業空間と前記手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる前記器械深さ範囲の一部分を表現する入力装置深さ範囲
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記エンドエフェクタが前記入力装置深さ範囲の端部の近傍にあるという決定に応答して、前記プロセッサ回路にアクティブ拘束表示を表示させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信することをさらに含み、前記イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、前記アクティブ状態は、前記入力信号に応答して前記器械の動きを可能にし、および前記非アクティブ状態は、前記器械の動きを阻止して、前記入力装置作業空間内での前記ハンドコントローラの再位置決めを容易にし、および前記方法は、
    前記アクティブ状態から前記非アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、前記プロセッサ回路に、前記エンドエフェクタの前記現在の空間位置の前記二次元投影からのオフセットとして、前記グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ位置インジケータを表示するための表示信号を生成させること；および
    前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、前記現在のハンドコントローラ位置インジケータの表示を停止すること
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記入力装置によって生じた前記入力信号は、前記ハンドコントローラの現在の回転を定義する回転信号を含み、前記回転信号は、前記手術作業空間内で前記エンドエフェクタの回転を引き起こすように動作可能であり、前記グラフィック描写は、
    前記器械の回転運動に対する限界を示す器械回転範囲；
    前記エンドエフェクタの現在の回転を表現するインジケータ；および
    前記入力装置作業空間と前記手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる前記器械回転範囲の一部分を表現する入力装置回転範囲
    を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信することをさらに含み、前記イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、前記アクティブ状態は、前記入力信号に応答して前記器械の動きを可能にし、および前記非アクティブ状態は、前記器械の動きを阻止して、前記入力装置作業空間内での前記ハンドコントローラの再位置決めを容易にし、および前記方法は、
    前記アクティブ状態から前記非アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、前記プロセッサ回路に、前記エンドエフェクタの現在の回転を表現する前記インジケータからのオフセットとして、前記グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ回転インジケータを表示するための表示信号を生成させること；および
    前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、現在のハンドコントローラ回転インジケータの表示を停止すること
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を概略的に表現するための装置であって、前記器械は、エンドエフェクタを含み、前記エンドエフェクタは、入力装置作業空間における入力装置のハンドコントローラの動きによって生成された入力信号に応答して、手術作業空間において前記エンドエフェクタを空間的に位置決めするための位置決め装置に結合されており、前記装置は、プロセッサ回路であって、
    前記入力装置から受信された現在の入力信号に関して、前記手術作業空間内での前記器械の現在の三次元空間位置を計算すること；
    前記プロセッサ回路と通信するディスプレイに前記手術作業空間のグラフィック描写を表示するための表示信号を生成すること
    を行うように動作可能に構成されたプロセッサ回路
    を含み、前記グラフィック描写は、平面的な表現を含み、前記平面的な表現は、
    前記手術作業空間内での前記器械の横方向の動きに対する限界を示す境界を有する器械移動領域；および
    前記平面的な表現上への前記位置決め装置および前記エンドエフェクタの前記現在の空間位置の二次元投影
    を含む、装置。
15. 前記プロセッサ回路は、前記器械が前記器械移動領域の前記境界の近傍にあるという決定に応答して、前記境界にアクティブ拘束表示を表示するように動作可能に構成される、請求項１４に記載の装置。
16. 前記グラフィック描写は、
    前記手術作業空間内への前記器械の軸方向の動きに対する限界を示す器械深さ範囲；
    前記器械深さ範囲内での前記エンドエフェクタの現在の深さを表現するインジケータ；および
    前記入力装置作業空間と前記手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる前記器械深さ範囲の一部分を表現する入力装置深さ範囲
    をさらに含む、請求項１４に記載の装置。
17. 前記プロセッサ回路は、前記エンドエフェクタが前記入力装置深さ範囲の端部の近傍にあるという決定に応答して、アクティブ拘束表示を表示するように動作可能に構成される、請求項１６に記載の装置。
18. 前記プロセッサ回路は、前記プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信するように動作可能に構成され、前記イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、前記アクティブ状態は、前記入力信号に応答して前記器械の動きを可能にし、および前記非アクティブ状態は、前記器械の動きを阻止して、前記入力装置作業空間内での前記ハンドコントローラの再位置決めを容易にし、前記プロセッサ回路は、
    前記アクティブ状態から前記非アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、前記エンドエフェクタの前記現在の空間位置の前記二次元投影からのオフセットとして、前記グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ位置インジケータを表示するための表示信号を生成すること；および
    前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、前記現在のハンドコントローラ位置インジケータの表示を停止すること
    を行うように動作可能に構成される、請求項１４に記載の装置。
19. 前記入力装置によって生じた前記入力信号は、前記ハンドコントローラの現在の回転を定義する回転信号を含み、前記回転信号は、前記手術作業空間内での前記エンドエフェクタの回転を引き起こすように動作可能であり、前記グラフィック描写は、
    前記器械の回転運動に対する限界を示す器械回転範囲；
    前記エンドエフェクタの現在の回転を表現するインジケータ；および
    前記入力装置作業空間と前記手術作業空間との間の現在のマッピングに利用できる前記器械回転範囲の一部分を表現する入力装置回転範囲
    を含む、請求項１４に記載の装置。
20. 前記プロセッサ回路は、前記プロセッサ回路においてイネーブル信号を受信するように動作可能に構成され、前記イネーブル信号は、アクティブ状態および非アクティブ状態を有し、前記アクティブ状態は、前記入力信号に応答して前記器械の動きを可能にし、および前記非アクティブ状態は、前記器械の動きを阻止して、前記入力装置作業空間内での前記ハンドコントローラの再位置決めを容易にし、前記プロセッサ回路は、
    前記アクティブ状態から前記非アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、前記エンドエフェクタの現在の回転を表現する前記インジケータからのオフセットとして、前記グラフィック描写上に現在のハンドコントローラ回転インジケータを表示するための表示信号を生成すること；および
    前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態へ移行する前記イネーブル信号に応答して、現在のハンドコントローラ回転インジケータの表示を停止すること
    を行うように動作可能に構成される、請求項１９に記載の装置。
21. ロボット手術システムのプロセッサ回路に、ロボット手術システムにおいて使用される器械の空間位置を表現するように指令するためのコードでコード化されたコンピュータ可読媒体であって、前記器械は、エンドエフェクタを含み、前記エンドエフェクタは、入力装置作業空間における入力装置のハンドコントローラの動きによって生成された入力信号に応答して、手術作業空間においてエンドエフェクタを空間的に位置決めするための位置決め装置に結合されており、前記コードは、前記プロセッサ回路に、
    前記入力装置から受信された現在の入力信号に関して、前記手術作業空間内での前記器械の現在の三次元空間位置を計算すること；
    前記プロセッサ回路と通信するディスプレイに前記手術作業空間のグラフィック描写を表示するための表示信号を生成すること
    を行うように指令し、前記グラフィック描写は、平面的な表現を含み、前記平面的な表現は、
    前記手術作業空間内での前記器械の横方向の動きに対する限界を示す境界を有する器械移動領域；および
    前記平面的な表現上への前記位置決め装置および前記エンドエフェクタの前記現在の空間位置の二次元投影
    を含む、コンピュータ可読媒体。

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