JP2020510489A - 外科用器具の制御 - Google Patents

Abstract

遠隔外科医入力装置によって外科用器具の動作制御を調整するための制御システム。該外科用器具は関節連結されたロボットアームによって支持されていると共に、関節連結器によってシャフトに接続されたエンドエフェクタを含んで構成されている。該遠隔外科医入力装置は、該エンドエフェクタの関節を制御すること、および該ロボットアームと該関節連結器の関節を制御すること、によって該外科用器具を動作制御することが可能とされている。前記制御システムが、前記遠隔外科医入力装置による前記外科用器具の動作制御を係合する要求を受信すると、最初に、前記遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御の解除を維持しつつ、該遠隔外科医入力装置による前記ロボットアームと前記関節連結器の関節の動作制御を係合する。次に、前記遠隔外科医入力装置の操作後に、該遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御を係合する。【選択図】図５

Description

手術を補助し実行するためにロボットを使用することが知られている。図１は典型的な外科用ロボットシステムを示している。外科用ロボット１００は、ベース１０２、アーム１０４、および器具１０６で構成されている。ベースはロボットを支持し、それ自体は、例えば手術室の床、手術室の天井、またはトロリーに強固に取り付けられている。アームは、ベースと器具の間に延在している。アームは、その全長に沿って複数の可撓性ジョイント１０８によって関節連結されており、これらの可撓性ジョイントは、外科用器具を患者に対して所望の位置に配置するために使用される。外科用器具は、ロボットアームの遠位端に取り付けられている。外科用器具は、手術部位にアクセスするためにポートで患者の身体を貫通する。器具は、その遠位端において、外科的処置に従事するエンドエフェクタ１１０を含んでいる。図１では、例示されたエンドエフェクタは一対の顎部である。外科医は、遠隔外科医コンソール１１２を介して外科用ロボット１００を制御する。外科医コンソールは、１つ以上の外科医入力装置１１４を含む。外科医入力装置は、ハンドコントローラまたはフットペダルの形をとっていてもよい。外科医コンソールは、ディスプレイ１１６も含む。

制御システム１１８は、外科医コンソール１１２を外科用ロボット１００に接続する。制御システムは、外科医入力装置から入力を受信し、制御信号に変換して、ロボットアーム１０４とエンドエフェクタ１１０の関節を動かす。制御システムはこれらの制御信号をロボットに送信し、ロボットはそれに従って対応する関節を駆動する。ロボットは、フィードバック信号、例えばロボットアーム上の力センサによって測定されるフォースフィードバックなどのフィードバックを制御システム１１８に送信してもよい。制御システムは、フィードバック信号を受信し、外科医コンソール１１２への制御信号に変換する。例えば、制御システムは、フィードバック信号を制御信号に変換して、ディスプレイ１１６上に画像を生成してもよい。別の例として、制御システムがフィードバック信号を制御信号に変換することにより、外科医入力装置１１４が外科医に触覚指標を提供してもよい。制御システムは、内視鏡などの他の装置に接続されていてもよい。制御システムは、ディスプレイ１１６を制御して、内視鏡から受信したビデオ信号を表示する。

外科医入力装置がクラッチを含むことは知られている。制御システム１１８は、クラッチに従ってロボットアームの制御を調整する。具体的には、クラッチが係合されると、制御システム１１８は、外科医入力装置からのロボットアームおよび器具の制御を解除する。クラッチが解除されると、制御システム１１８は、ロボットアームおよび器具の制御を外科医入力装置に再係合する。外科医は、ロボットアームおよび器具の動作制御から外科医のハンドコントローラを切断するためにクラッチを係合してもよく、それによって外科医が、ハンドコントローラを外科医コンソール内で、より作業しやすい場所（またはより広い移動範囲の場所）に移動できるようになる。外科医は、一旦ハンドコントローラを所望の位置に移動すると、ハンドコントローラをロボットアームおよび器具に再接続するためにクラッチを解除する。

図２は、一対の可動顎部を備えたエンドエフェクタを操作するための公知の外科医のハンドコントローラ２００を示している。ハンドコントローラ２００は、一次入力ステム２０２を有している。一次入力ステムは、回転３自由度で一次入力ステムを動かすことができるジンバルシステム２０４の遠位端を構成する。ジンバルシステムの近位端は、一部が２０６で示されている平行四辺形システムによってベースに取り付けられており、それによって、一次入力ステムは並進３自由度で動くことができる。一次入力ステムには、ループ２１２，２１４によって外科医の指に固定できる、２つの回転可能な挟み要素２０８，２１０が設けられている。外科医は、一次入力ステム２０２を６自由度で動かしてエンドエフェクタの位置の変更を命令することができ、要素２０８，２１０を動かしてエンドエフェクタの顎部の開閉を命令することができる。

外科医は、図示しないフットクラッチペダルを係合／解除することにより、エンドエフェクタに対するハンドコントローラ２００の制御を解除／係合することができる。外科医がクラッチペダルを解除すると、制御システム１１８は、制御信号をハンドコントローラ２００内のドライバに送り、ドライバがハンドコントローラを外科用器具のエンドエフェクタの向きに一致する向きに駆動する。外科医は、エンドエフェクタの制御を再係合するために、ハンドコントローラをこの向きに保持しなければならない。外科医は、挟み要素２０８，２１０を完全に閉じる。次いで、外科医は、挟み要素２０８，２１０を開く。挟み要素の開き角度がエンドエフェクタの顎部の開き角度と一致すると、制御システムはロボットアームと器具の完全制御をハンドコントローラに再係合する。再係合は突然起こるため、外科医が十分に予想していなければ、エンドエフェクタが制御解除中の構成から急激に動く可能性がある。制御解除中にエンドエフェクタの顎部が物体を保持していた場合、突然の再係合と急激な動きにより顎部が物体を落とす可能性がある。

従って、解除期間の後に外科医入力装置の制御をエンドエフェクタに対してより適切に再係合させる制御システムが必要とされている。

本発明の一態様によれば、遠隔外科医入力装置によって外科用器具の動作制御を調整するための制御システムであって、該外科用器具は関節連結されたロボットアームによって支持されていると共に、該外科用器具が、関節連結器によってシャフトに接続されたエンドエフェクタを含んで構成されており、該遠隔外科医入力装置が、（ｉ）該エンドエフェクタの関節を制御すること、および（ｉｉ）該ロボットアームと該関節連結器の関節を制御すること、によって該外科用器具を動作制御することが可能とされていると共に、前記制御システムが、前記遠隔外科医入力装置による前記外科用器具の動作制御を係合する要求を受信すると、最初に、前記遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御の解除を維持しつつ、該遠隔外科医入力装置による前記ロボットアームと前記関節連結器の関節の動作制御を係合し、次に、前記遠隔外科医入力装置の操作後に、該遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御を係合するように構成されている制御システムが提供される。

前記遠隔外科医入力装置が、前記エンドエフェクタの関節の動作制御を操作可能とされた、関節連結された部品を含んで構成されていると共に、前記制御システムが、該関節連結された部品の構成が該エンドエフェクタの構成と一致するように操作された時にのみ、該関節連結された部品の動作制御を該エンドエフェクタに係合するように構成されていてもよい。

前記制御システムが、前記関節連結された部品の構成を前記エンドエフェクタの構成に向けて駆動するようにアクチュエータを制御するように構成されていてもよい。

前記エンドエフェクタが、互いに対して回転可能であり、エンドエフェクタ角によって分離された一対のエンドエフェクタ要素を含んで構成されていてもよく、前記遠隔外科医入力装置の前記関節連結された部品が、該遠隔外科医入力装置の他の部分に対して回転可能であって、該遠隔外科医入力装置の他の部分から挟み角によって分離された挟み要素を含んで構成されており、該挟み要素が、該エンドエフェクタ要素の回転を制御して駆動角で分離するものであると共に、該駆動角が該挟み角の関数であってもよい。前記制御システムが、前記エンドエフェクタ角の指標を受信すると共に、前記駆動角の指標を受信し、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角と一致した時に、前記挟み要素による前記エンドエフェクタ要素の開閉の動作制御を係合するように構成されていてもよい。

前記制御システムが、（ｉ）前記挟み要素を、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角を超えるように、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して開くこと、そして次に、（ｉｉ）前記挟み要素を、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角と一致するまで、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して閉じること、の後に、前記挟み要素による前記エンドエフェクタ要素の開閉の動作制御を係合するように構成されていてもよい。

前記制御システムが、（ｉ）前記挟み要素を、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して最大分離角度まで開くこと、そして、（ｉｉ）前記挟み要素を、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角と一致するまで、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して閉じること、の後にのみ、前記挟み要素による前記エンドエフェクタ要素の開閉の動作制御を係合するように構成されていてもよい。

前記制御システムが、受信した前記エンドエフェクタ角の指標から前記エンドエフェクタ角を保存し、前記遠隔外科医入力装置による前記外科用器具の動作制御を係合する要求を受信すると、前記駆動角の指標を定期的に受信し、定期的に受信した最新の前記駆動角の指標からの前記駆動角と、保存された前記エンドエフェクタ角とを比較し、比較された前記駆動角が保存された前記エンドエフェクタ角と等しい場合に一致を判定するように構成されていてもよい。

前記制御システムが、前記挟み要素と前記遠隔外科医入力装置の他の部分が最大分離角度まで開いたことを検知した後にのみ、定期的に受信した最新の前記駆動角の指標からの前記駆動角と、保存された前記エンドエフェクタ角とを比較するように構成されていてもよい。

前記制御システムが、前記挟み要素が前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して閉じられている時、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角を所定のオフセット未満だけ超える場合に、前記アクチュエータを制御して、該駆動角が該エンドエフェクタ角と一致するまで、該挟み要素を該遠隔外科医入力装置の他の部分に向けて駆動するように構成されていてもよい。

前記駆動角が前記挟み角と同じであってもよい。

前記制御システムが、前記遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御を係合すると、該遠隔外科医入力装置を制御して、該遠隔外科医入力装置の使用者への触覚指標を生成するように構成されていてもよい。

前記制御システムが、前記遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御を係合すると、前記外科用器具から該遠隔外科医入力装置へのフォースフィードバックを有効化するように構成されていてもよい。

前記遠隔外科医入力装置の他の部分が該遠隔外科医入力装置の本体であってもよい。

前記遠隔外科医入力装置の他の部分が別の挟み要素であってもよい。

以下、本発明を、添付図面を参照しつつ説明する。

外科的処置を実行するための外科用ロボットシステムを示す図。 公知の外科医ハンドコントローラを示す図。 例示的な外科用器具の遠位端を示す図。 例示的な外科医入力装置を示す図。 外科医入力装置による外科用器具の動作制御を係合する方法のフローチャート。

以下に、遠隔外科医コンソールから外科用ロボット器具を制御することについて説明する。器具とコンソールは、図１に示すタイプの外科用ロボットシステムの一部を形成する。

外科用器具はロボットアームによって支持されている。ロボットアーム自体はベースによって支持されている。手術中、ベースは手術室の一部、例えば床、天井、トロリー、あるいは患者のベッドに固定される。ロボットアームは常に患者の外部にある。外科用器具は、ベースの遠位であるロボットアームの端部に取り付けられる。この取付箇所は患者の外部にある。外科用器具は細長い外形を有し、ロボットアームに取り付けられたその近位端と患者体内の手術部位にアクセスするその遠位端との間に延びるシャフトを備えている。患者の体内に切開が行われ、その切開部を通じてポートが配置される。外科用器具は、そのポートを通じて患者の身体を貫通して、手術部位にアクセスしてもよい。あるいは、外科用器具は、身体の生来の関口部を通じて身体を貫通して、手術部位にアクセスしてもよい。外科用器具の遠位端では、シャフトが関節連結器によってエンドエフェクタに接続される。エンドエフェクタは、手術部位で外科的処置を行う。

ロボットアームは、関節が点在する一連のアームリンクで構成されている。これらのジョイントは回転ジョイントであってもよい。ロボットアームの遠位端は、１つ以上のジョイントの動きによってベースに対して関節運動することができる。外科用器具の近位端と器具シャフトは、互いに対して固定されてもよいし、ロボットアームに取り付けられた際、ロボットアームの遠位端に対して固定されてもよい。外科用器具の関節連結器は、１つ以上のジョイントを含んでもよい。このジョイントにより、エンドエフェクタの姿勢を器具シャフトの方向に対して変更できる。エンドエフェクタはジョイントを含んでもよい。図３に示される一例では、エンドエフェクタ３００は、関節連結器３１８によってシャフト３１６に接続されている。関節連結器３１８は、ピッチジョイント３１０を含む。エンドエフェクタ３００は、一対のエンドエフェクタ要素３０２，３０４（顎部等）を含み、それぞれがピッチジョイント３１０に対して軸３０６，３０８を中心に回転する。関節連結器とエンドエフェクタのジョイントはケーブルで駆動されてもよい。図３の例では、ピッチジョイント３１０とヨージョイント３１２，３１４は、それぞれケーブルＡ，ＢおよびＣによってそれぞれ独立して駆動される。

外科用ロボットアームと関節連結器のジョイントを関節運動させることにより、外科用器具を手術部位で動かすことができる。それとは別に、エンドエフェクタのジョイントを関節運動させることにより、外科用器具を手術部位で動かすことができる。通常、手術中、エンドエフェクタを所望の位置に配置し、所望の方法で操作するために、外科用ロボットアーム、関節連結器、エンドエフェクタの全てが関節運動する。外科用ロボットアームと関節連結器を単独で関節運動させると、器具、ひいてはエンドエフェクタが並進及び／又は向きにおいて移動する。エンドエフェクタを単独で関節運動させると、エンドエフェクタの姿勢が器具のシャフトに対して変化する。例えば、エンドエフェクタ要素の向きが、器具のシャフトに対して変化してもよい。エンドエフェクタを単独で関節運動させても、エンドエフェクタが並進移動することはない。また、器具のシャフトの向きが変化することもない。

外科医コンソールは、１つ以上の外科医入力装置を含んでいる。各外科医入力装置により、外科医は制御システムに制御入力を提供することができる。外科医入力装置は、例えば、ハンドコントローラ、ペダル等のフットコントローラ、手指または身体の別の部分によって制御されるタッチセンシティブ入力、音声制御入力装置、視線制御入力装置、ジェスチャーコントロール入力装置であってもよい。外科医入力装置は、外科医が個別に操作できるいくつかの入力を提供してもよい。図４は、例示的なハンドコントローラ４００を示す。ハンドコントローラは、例えば図示しないジンバル装置によって外科医コンソールに接続されている。これにより、ハンドコントローラを外科医コンソールに対して並進３自由度で動かすことができる。図示されたハンドコントローラは、右手で持つことを意図している。鏡像ハンドコントローラは左手で持つ可能性がある。ハンドコントローラは、手で握るのに適した本体４０２を含む。ハンドコントローラは、追加の入力、例えばボタン、スイッチ、レバー、スライド入力、またはトラックパッドを含んでもよい。図４のハンドコントローラは、ボタン４０４と挟み要素４０６を含んでいる。

エンドエフェクタの関節を制御する入力とは異なる外科医コンソールからの入力が、ロボットアームと関節連結器の関節を制御してもよい。図４のハンドコントローラを例にとると、ハンドコントローラを、（向きを変更したり、ハンドコントローラへの追加入力を操作したりせずに）並進移動させることで、ロボットアームジョイントの関節だけを制御してもよい。ハンドコントローラの並進移動は、ジンバルシステムの動きによって完全に対応される。ハンドコントローラを、（並進移動させたり、ハンドコントローラへの追加入力を操作したりせずに）その向きを変更することで、ロボットアームジョイント及び／又は関節連結器のジョイントの関節を制御してもよい。例えば、ハンドコントローラを回転させて、ロボットアームが器具の近位端を回転させることにより器具全体が回転してもよい。あるいは、ハンドコントローラを回転させて、ピッチジョイント３１０を作動させることによりエンドエフェクタが回転してもよい。ハンドコントローラの向きの変更は、ジンバルシステムの動きによって完全に対応される。追加の入力を作動させて、エンドエフェクタの関節を制御してもよい。例えば、挟み要素４０６の動きにより、エンドエフェクタの顎部が開閉してもよい。

外科医コンソールは、クラッチ入力を含んでもよい。外科医は、クラッチ入力を作動させることにより、外科医入力装置が制御していた、自身の外科用器具の動作制御を解除する。外科医は、クラッチ入力を停止させることにより、自身の外科用器具の動作制御を再係合する。クラッチ入力は、外科医入力装置自体への入力であってもよい。図４のハンドコントローラの例では、クラッチ入力はハンドコントローラ上のボタン４０４であってもよい。この場合、クラッチ入力は、それが配置されている外科医入力装置の動作制御を解除および再係合するためにのみ使用してもよい。あるいは、クラッチ入力は、外科医入力装置とは別体の外科医コンソール上の他の場所の入力であってもよい。例えば、クラッチ入力はフットペダルであってもよい。この場合、クラッチ入力は、１つの外科医入力装置の動作制御を解除および再係合するために使用してもよい。あるいは、クラッチ入力は、外科医が動作制御する外科医入力装置の２つ、それ以上、または全てについて動作制御を解除および再係合するために使用してもよい。

制御システムは、外科医コンソールを外科用ロボットに接続する。制御システムは、プロセッサとメモリを含んでいる。メモリは、プロセッサが外科医コンソール、ロボットアーム、および器具を本明細書に記載の方法で制御するようにプロセッサによって実行できるソフトウェアコードを非一時的な方法で格納する。制御システムは、外科医入力装置から入力を受信し、これらを制御信号に変換して、ロボットアームのジョイント及び／又は関節連結器のジョイント及び／又はエンドエフェクタのジョイントを動かす。制御システムはこれらの制御信号をロボットアームに送信し、それに従ってロボットアームにおいて対応する関節が駆動される。

制御システムは、外科医入力装置による外科用器具の動作制御を調整する。制御システムは、外科医入力装置を外科用器具の動作制御に対して接続および切断することができる。制御システムは、外科医入力装置が制御している装置を切り替えることが可能であってもよい。例えば、制御システムは、外科医入力装置を、あるロボットアームによって支持されたある外科用器具の制御から、異なるロボットアームによって支持された別の外科用器具に切り替えることが可能であってもよい。制御システムは、外科医入力装置を外科用器具の制御から外科用内視鏡の制御に切り替えることが可能であってもよい。制御システムは、外科医コンソールのディスプレイに表示される画像も制御する。例えば、制御システムは、どの内視鏡ビデオフィードが表示されるかを制御してもよい。制御システムはまた、表示される外科用システムに関するメタデータを制御してもよい。

制御システムは、外科医入力装置による外科器具の動作制御を調整して、外科医入力装置の向きをディスプレイに表示されるエンドエフェクタの向きと異ならせることが可能であってもよい。これにより、外科医は以下の処置を実行できる。まず、外科医はクラッチを係合し、それにより外科用器具の制御を外科医入力装置から解除することができる。クラッチが係合されている間、外科医は外科医入力装置を異なる位置及び／又は方向に動かすことができる。この結果、外科医入力装置の向きは、ディスプレイ上のエンドエフェクタの視覚的な向きと一致しなくなる。例えば、ハンドコントローラの場合、外科医は、コンソールで許可された範囲内で、ハンドコントローラをより作業しやすい位置及び／又は方向（またはより広い移動範囲の場所）に動かすことができる。そして、外科医はクラッチを解除し、これにより外科医入力装置による外科用器具の制御が再係合される。その後、外科医は外科的処置を続行できる。

制御システムは、図５のフローチャートに示すように、外科医入力装置による外科用器具の動作制御を調整してもよい。ステップ５００において、制御システムは、外科医入力装置による外科用器具の動作制御を係合する要求を受信したかどうかを判定する。この要求は、クラッチモードを解除するための外科医入力装置からの入力であってもよい。この要求は、例えば手術の開始時または器具交換に続いて、それまで制御していなかった器具の動作制御を係合する外科医入力装置からの入力であってもよい。制御システムが要求を受信した場合、ステップ５０２において、制御システムは、外科医入力装置によるロボットアームおよび関節連結器のジョイントの関節の動作制御を係合する。ステップ５００において制御システムが要求を受信した場合、次にステップ５０４において、制御システムは外科医入力装置が必要な構成にあるかどうかを判定する。

図４に関して説明したように、外科医入力装置は、エンドエフェクタの特定のジョイントまたは複数のジョイントの操作を制御するために外科医が操作する１つ以上の入力を含んでいてもよい。例えば、外科医入力装置は、エンドエフェクタのジョイントの関節を動作制御するために外科医が操作する関節連結された部品を含んでいてもよい。ステップ５０４における外科医入力装置の必要な構成は、関節連結された部品の構成が関節連結されたエンドエフェクタの構成と一致するときの外科医入力装置の構成であってもよい。

例えば、関節連結されたエンドエフェクタが、図３に示す一対の顎部のような一対のエンドエフェクタ要素である例を考える。これらのエンドエフェクタ要素は、互いに対して回転可能である。エンドエフェクタ要素は、共通軸の周りで回転可能であってもよい。あるいは、エンドエフェクタ要素は、平行ではあるが一致しない軸の周りで回転してもよい。あるいは、エンドエフェクタ要素は、平行でない軸の周りで回転してもよい。エンドエフェクタ要素の長手方向の広がりは、開き角度によって隔てられており、これを以下ではエンドエフェクタ角と呼ぶ。図３の構成では、顎部が閉じているため、エンドエフェクタ角は０度である。外科医入力装置の関節連結された部品は、エンドエフェクタ要素の回転を制御する。外科医入力装置の関節連結された部品は、外科医入力装置の別の部分に対して回転可能な、図４のハンドコントローラの挟み要素４０６のような挟み要素を含んでいてもよい。挟み要素は、以下では挟み角と呼ばれる開き角度によって外科医入力装置の他の部分から分離されている。外科医入力装置の他の部分とは、外科医入力装置の本体であってもよい。例えば、図４のハンドコントローラでは、外科医入力装置の他の部分は、挟み要素に最も近接したハンドコントローラの本体の外面である。あるいは、外科医入力装置の他の部分は、別の挟み要素であってもよい。この場合、２つの挟み要素は、共通の軸の周りで互いに対して回転可能であってもよい。あるいは、挟み要素は、平行ではあるが一致しない軸の周りで回転してもよい。あるいは、挟み要素は、平行でない軸の周りで回転してもよい。

この例では、挟み要素がエンドエフェクタ要素の回転を制御して、駆動角で分離する。駆動角は、挟み角の関数である。駆動角は挟み角と同じでもよい。例えば、挟み角の範囲がエンドエフェクタ角の範囲と同じである場合、挟み要素はエンドエフェクタ要素を制御して、挟み角と同じ角度まで開いてもよい。挟み角の範囲がエンドエフェクタ角の範囲と異なる場合（例えば、ハンドコントローラの挟み要素がエンドエフェクタ要素よりも広くまたは狭く開く）、挟み角を駆動角にマッピングするために変換が適用されてもよい。この変換は線形であってもよい。例えば、マッピングは、挟み角が挟み要素を聞くのと同じ作動の割合で、駆動角がエンドエフェクタ要素を開くようにしてもよい。変換は非線形であってもよい。例えば、挟み角がその範囲の下端に達すると、これは上述の線形変換を使用して決定されるよりも小さな駆動角にマッピングされてもよい。このタイプの非線形変換は、例えば、針上のエンドエフェクタ要素の把持力を最大化するために、針駆動で使用されてもよい。

挟み要素によるエンドエフェクタ要素の開閉の動作制御を再係合するために、外科医入力装置の挟み要素は、エンドエフェクタ要素の構成に一致する構成であることが要求されてもよい。これにより、外科医は、再係合後のエンドエフェクタ要素の完全な作動範囲でエンドエフェクタ要素を制御できることが確実になる。これにより、例えば、エンドエフェクタ要素が完全に開いているときに外科医がクラッチを適用して外科医入力装置の制御を解除し、次に、挟み角が０度のときにクラッチを解除して外科医入力装置の制御を再係合してしまう問題を回避できる。この場合、エンドエフェクタ要素はまだ完全に開いているが、挟み要素がすでに完全に閉じた構成になっているため、外科医はエンドエフェクタ要素を閉じるように制御することができない。挟み要素の構成がエンドエフェクタの構成に一致するときにのみエンドエフェクタのジョイントの関節の動作制御を再係合することにより、この問題は解決される。

ステップ５０４を実施するために、制御システムは、エンドエフェクタ角の指標を受信するとともに、駆動角の指標も受信してもよい。制御システムは、外科医入力装置から器具の動作制御を係合する要求を受信する前に、エンドエフェクタ角の指標を受信してもよい。例えば、ステップ５００が、外科医が器具をクラッチした期間後にクラッチを解除することを外科医入力装置が要求している場合、当該器具が最初にクラッチされた時に、当該器具のエンドエフェクタ角が受信されていてもよい。制御システムは、受信した指標からエンドエフェクタ角を保存する。制御システムは、駆動角の指標を定期的に受信してもよい。制御システムはこの指標を要求してもよい。この指標は、駆動角そのものであってもよいし、挟み角であってもよい。制御システムは、ステップ５００において外科医入力装置による器具の動作制御を係合する要求後にのみ、駆動角の指標の受信を開始してもよい。制御システムは、保存されているエンドエフェクタ角を取り出し、駆動角と保存されているエンドエフェクタ角とを比較する。制御システムが駆動角の指標を定期的に受信していた場合、制御システムは、受信した最新の指標の駆動角と保存されたエンドエフェクタ角とを比較する。駆動角がエンドエフェクタ角と一致する場合にのみ、制御システムは外科医入力装置が必要な構成にあると判定する。駆動角がエンドエフェクタ角と一致しない場合、制御システムは外科医入力装置が必要な構成になっていないと判定する。

エンドエフェクタ角は、位置センサによって取得された位置測定値から決定してもよい。これらの位置センサは、（ｉ）各エンドエフェクタジョイント上、または（ｉｉ）ロボットアームと器具の間のインターフェースの駆動エレメント上のいずれかに配置してもよい。駆動エレメントは、ロボットアームと器具の間で駆動力を伝達する。例えば、駆動エレメントが移動すると、器具の駆動ケーブルに張力が及ぼされ、それによってエンドエフェクタジョイントが回転してもよい。従って、駆動エレメントの位置をその作動範囲内で測定することにより、当該駆動エレメントが駆動しているエンドエフェクタジョイントの位置を決定することができる。エンドエフェクタ角は、測定を行わずに決定してもよい。例えば、ステップ５００が、外科医が器具をクラッチした期間後にクラッチを解除することを外科医入力装置が要求している場合、エンドエフェクタ角は、クラッチが係合された時の駆動角であると解釈されてもよい。別の例として、エンドエフェクタ角は、位置を測定する必要なく、駆動エレメントの位置から決定されてもよい。制御システムは駆動エレメントの動きを制御するため、制御システムは、駆動エレメントの初期位置と、当該駆動エレメントが既知の初期位置以降に行った既知の動きから、駆動エレメントの現在位置を決定することができる。制御システムは、エンドエフェクタの内視鏡画像を処理することによってエンドエフェクタ角を決定してもよい。例えば、エンドエフェクタ角は、表示されている手術部位の器具の画像から測定されてもよい。

挟み角は、外科医入力装置の関節連結された部品上に配置された位置センサによって取得された位置測定値から決定されてもよい。制御システムは、関節連結された部品の位置を測定する必要なく、挟み角を決定してもよい。制御システムは外科医入力装置の動きから入力を受信するため、制御システムは、関節連結された部品の初期位置と、当該関節連結された部品が既知の初期位置以降に行った既知の動きから、関節連結された部品の現在位置を決定できる。

外科医入力装置が必要な構成にない場合、ステップ５０６において、制御システムは外科医入力装置によるエンドエフェクタの関節の動作制御の解除を維持する。次に、制御システムはステップ５０４に戻り、外科医入力装置が必要な構成にあるかどうかを再評価する。制御システムは、外科医入力装置が必要な構成になっているかどうかを継続的に評価してもよい。あるいは、制御システムは、外科医入力装置が必要な構成にあるかどうかを定期的に評価してもよい。この場合、制御システムは、ステップ５０６の後、ステップ５０４に進む前に、所定の間隔で待機してもよい。外科医入力装置が必要な構成にある場合、ステップ５０８において、制御システムは外科医入力装置によるエンドエフェクタの関節の動作制御を係合する。

外科医入力装置が最初にステップ５０４で必要とされる構成にない場合、外科医入力装置を必要な構成にして、外科医入力装置によるエンドエフェクタの関節の動作制御を有効にするために、外科医入力装置は、必要な構成になるよう操作される。この操作は、外科医が手動で実行してもよい。それに代えて、あるいはそれに加えて、制御システムは、アクチュエータを制御して、外科医入力装置の関節連結された部品を必要な構成に向けて駆動してもよい。アクチュエータを駆動するモータは、外科医入力装置に配置されていてもよい。モータは、関節連結された部品上の外科医の手からの抵抗を克服するのに十分なトルクを有している。制御システムは、関節連結された部品の構成が必要な構成の所定のオフセット内にある場合にのみ、関節連結された部品を必要な構成に向けて駆動するようにアクチュエータを制御してもよい。例えば、制御システムは、駆動角がエンドエフェクタ角と所定のオフセット未満だけ異なる場合にのみ、アクチュエータを起動して挟み要素を駆動してもよい。次に、制御システムは、駆動角がエンドエフェクタ角と一致するまで、挟み要素を駆動する。これは、外科医が判断するのがより難しい場合がある、関節連結された部品を必要な構成にする最終段階で外科医を支援する。さらに、関節連結された部品の操作の最後の部分のみが駆動され、残りは手動であるため、完全に駆動された動きと比較して、モータによって放散される熱は減少する。

制御システムが、ステップ５０４において、外科医入力装置が必要な構成にあると判定した場合、それによって外科医入力装置で触覚指標が生成されてもよい。この触覚指標は、エンドエフェクタの関節の動作制御が係合されたことを外科医に示す。従って、この触覚指標は、（ロボットアームおよび関節連結器のジョイントの制御と、エンドエフェクタのジョイントの制御の両方を介して）器具の完全な制御が係合されたことを外科医に示す。触覚フィードバックは、モータによって提供されるクリック、戻り止め、または振動音（振動）のうちのいずれか１つまたは複数であってもよい。このモータは、外科医入力装置に配置されていてもよい。制御システムは、外科医入力装置が必要な構成にあることを示すために、外科医コンソールで可聴指標を生成させてもよい。制御システムは、外科医入力装置が必要な構成にあることを示すために、外科医コンソールで、例えばディスプレイ上に視覚指標を生成させてもよい。

ステップ５０４において、制御システムが外科医入力装置が必要な構成にあると判定した場合、制御システムは、器具から外科医入力装置へのフォースフィードバックループを有効化してもよい。フォースフィードバックは、外科医に、手術部位でのエンドエフェクタとその周囲との間の係合に関する感覚を提供する。制御システムは、ロボットアームジョイントの力センサから測定値を受信し、そこから器具に加えられた力を決定する。従って、制御システムにより、モータは、外科医が感じることができるが、外科医の行動を妨げないように、外科医入力装置を動かす。この動きにより、器具に加えられた力が外科医に示される。従って、外科医は、フォースフィードバックを通じて、例えば組織をつかんで操作する感覚を有することになる。

図５のフローチャートにおいて、外科医入力装置が必要な構成を有する場合、制御システムは、エンドエフェクタの動作制御を外科医入力装置に再係合する。制御システムは、外科医入力装置が特定の方法で必要な構成になるように操作されていることを要求してもよい。図３のエンドエフェクタ要素および図４の挟み要素を例にとると、制御システムは、挟み要素が、駆動角がエンドエフェクタ角を超えるように、外科医入力装置の他の部分に対して開かれ、次に、挟み要素が、駆動角がエンドエフェクタ角と一致するまで、外科医入力装置の他の部分に対して閉じるように、外科医入力装置が操作されることを要求してもよい。駆動角がエンドエフェクタ角と一致すると、制御システムは外科医入力装置が必要な構成にあると判定し、外科医入力装置によるエンドエフェクタの動作制御を係合する。駆動角がエンドエフェクタ角を超えるように挟み要素が開かれることを要求することにより、制御システムは、外科医が挟み要素を閉じている間にエンドエフェクタの動作制御が開始されることを確実にする。従って、動作制御が開始されると、エンドエフェクタ要素が閉じ始める。これにより、外科医の動作制御が解除されている間にエンドエフェクタ要素が物体を保持していた場合、外科医の動作制御を再係合した際、物体が落下しないことが保証される。

エンドエフェクタに対する外科医の動作制御を係合させるために、制御システムは、まず、挟み要素が、外科医入力装置の他の部分に対して、駆動角が最大になるように開くことを要求してもよい。例えば、これは、挟み要素が外科医入力装置の他の部分に対して最大分離角度まで開いている場合であってもよい。次に、外科医入力装置の他の部分に対して挟み要素を閉じると、駆動角がエンドエフェクタ角と一致したときに、外科医のエンドエフェクタに対する動作制御が係合される。これにより、どのようなエンドエフェクタ角に対しても、外科医が、駆動角がエンドエフェクタ角を超えるように挟み要素を開いたことが確実になる。

制御システムは、駆動角が一旦最大になった後にのみ、駆動角とエンドエフェクタ角の比較を開始してもよい。例えば、制御システムは、挟み要素が、外科医入力装置の他の部分に対して一旦最大分離角度まで開かれたと判定した後にのみ、駆動角とエンドエフェクタ角の比較を開始してもよい。これにより、外科医が挟み要素を外科医入力装置の他の部分に対して開く際に駆動角がエンドエフェクタ角に一致したとしても、制御システムが、外科医入力装置が必要な構成にあると判定（ひいては、外科医によるエンドエフェクタの動作制御を再係合）しないことが保証される。

制御システムがアクチュエータを制御して、挟み要素を必要な構成に向けて駆動する場合、制御システムは、駆動角がエンドエフェクタ角を超える場合にのみ、このアクションを実行してもよい。制御システムは、駆動角が一旦最大値に達した後にのみ、このアクションを実行してもよい。

外科医は、意図的に、エンドエフェクタの制御を無効にしながらロボットアームの制御を有効にするために、本明細書に記載の方法を利用してもよい。これは、例えば、外科医が手術部位のある場所から手術部位の別の場所に器具を動かしている間に利用される場合がある。この動作中、外科医はエンドエフェクタをある構成、例えば、顎部を閉じたままにしておきたい場合がある。外科医は、外科医入力装置をクラッチアウトしてから、挟み要素を開いた状態でクラッチバックインすることにより、ロボットアームと関節連結器のみを制御することを確実にできる。従って、外科医は、器具を手術部位の別の場所に移動させる際に、エンドエフェクタの構成を不注意に変更してしまうことはない。外科医は、自身によるエンドエフェクタの制御を再係合する準備ができたら、上述のように外科医入力装置を必要な構成に手動で操作して、それにより制御システムは外科医によるエンドエフェクタの制御を再係合することができる。

本明細書に記載のロボットは、手術以外の目的に使用されてもよい。例えば、ポートは、自動車エンジンなどの製造品の検査ポートであってもよく、ロボットはエンジン内部を検視するための検視ツールを制御してもよい。

エンドエフェクタは、任意の適切な形をとってもよい。例えば、エンドエフェクタは、ハサミ、ブレード、ピンサー、顎部、鋸歯状の顎部、ステープラー、持針器、または焼灼器であってもよい。

出願人はこれによって、ここに記載の各個別の特徴および２つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを別々に開示しており、そのような特徴または特徴の組み合わせが当業者の共通の一般的な知識に照らして全体として本明細書に基づいて実施されることが可能な程度に開示されている。なお、そのような特徴または特徴の組合せが本明細書に開示される任意の問題を解決するかどうかは関係がなく、またかかる具体的記載が特許請求の範囲を限定するものでもない。出願人は、本発明の態様は、このような個々の特徴または特徴の組み合わせから成ってもよいことを示している。以上の説明に鑑みて、種々の改変が本発明の範囲内でなされ得ることは当業者にとって明らかであろう。

Claims (14)

1. 遠隔外科医入力装置によって外科用器具の動作制御を調整するための制御システムであって、該外科用器具は関節連結されたロボットアームによって支持されていると共に、該外科用器具が、関節連結器によってシャフトに接続されたエンドエフェクタを含んで構成されており、該遠隔外科医入力装置が、（ｉ）該エンドエフェクタの関節を制御すること、および（ｉｉ）該ロボットアームと該関節連結器の関節を制御すること、によって該外科用器具を動作制御することが可能とされていると共に、
   前記制御システムが、
   前記遠隔外科医入力装置による前記外科用器具の動作制御を係合する要求を受信すると、
   最初に、前記遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御の解除を維持しつつ、該遠隔外科医入力装置による前記ロボットアームと前記関節連結器の関節の動作制御を係合し、
   次に、前記遠隔外科医入力装置の操作後に、該遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御を係合する
   ように構成されている制御システム。
2. 前記遠隔外科医入力装置が、前記エンドエフェクタの関節の動作制御を操作可能とされた、関節連結された部品を含んで構成されていると共に、前記制御システムが、該関節連結された部品の構成が該エンドエフェクタの構成と一致するように操作された時にのみ、該関節連結された部品の動作制御を該エンドエフェクタに係合するように構成されている請求項１に記載の制御システム。
3. 前記関節連結された部品の構成を前記エンドエフェクタの構成に向けて駆動するようにアクチュエータを制御するように構成されている請求項２に記載の制御システム。
4. 前記エンドエフェクタが、互いに対して回転可能であり、エンドエフェクタ角によって分離された一対のエンドエフェクタ要素を含んで構成されていると共に、前記遠隔外科医入力装置の前記関節連結された部品が、該遠隔外科医入力装置の他の部分に対して回転可能であって、該遠隔外科医入力装置の他の部分から挟み角によって分離された挟み要素を含んで構成されており、該挟み要素が、該エンドエフェクタ要素の回転を制御して駆動角で分離するものであると共に、該駆動角が該挟み角の関数であって、
   前記制御システムが、
   前記エンドエフェクタ角の指標を受信すると共に、
   前記駆動角の指標を受信し、
   前記駆動角が前記エンドエフェクタ角と一致した時に、前記挟み要素による前記エンドエフェクタ要素の開閉の動作制御を係合する
   ように構成されている請求項２または３に記載の制御システム。
5. 前記制御システムが、
   （ｉ）前記挟み要素を、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角を超えるように、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して開くこと、そして次に、
   （ｉｉ）前記挟み要素を、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角と一致するまで、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して閉じること、
   の後に、前記挟み要素による前記エンドエフェクタ要素の開閉の動作制御を係合するように構成されている請求項４に記載の制御システム。
6. 前記制御システムが、
   （ｉ）前記挟み要素を、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して最大分離角度まで開くこと、そして、
   （ｉｉ）前記挟み要素を、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角と一致するまで、前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して閉じること、
   の後にのみ、前記挟み要素による前記エンドエフェクタ要素の開閉の動作制御を係合するように構成されている請求項５に記載の制御システム。
7. 受信した前記エンドエフェクタ角の指標から前記エンドエフェクタ角を保存し、
   前記遠隔外科医入力装置による前記外科用器具の動作制御を係合する要求を受信すると、前記駆動角の指標を定期的に受信し、
   定期的に受信した最新の前記駆動角の指標からの前記駆動角と、保存された前記エンドエフェクタ角とを比較し、
   比較された前記駆動角が保存された前記エンドエフェクタ角と等しい場合に一致を判定する
   ように構成されている請求項４〜６の何れか１項に記載の制御システム。
8. 前記挟み要素と前記遠隔外科医入力装置の他の部分が最大分離角度まで開いたことを検知した後にのみ、定期的に受信した最新の前記駆動角の指標からの前記駆動角と、保存された前記エンドエフェクタ角とを比較するように構成されている請求項６に従属する場合の請求項７に記載の制御システム。
9. 前記挟み要素が前記遠隔外科医入力装置の他の部分に対して閉じられている時、前記駆動角が前記エンドエフェクタ角を所定のオフセット未満だけ超える場合に、前記アクチュエータを制御して、該駆動角が該エンドエフェクタ角と一致するまで、該挟み要素を該遠隔外科医入力装置の他の部分に向けて駆動するように構成されている請求項５〜８の何れか１項に記載の制御システム。
10. 前記駆動角が前記挟み角である請求項４〜９の何れか１項に記載の制御システム。
11. 前記遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御を係合すると、該遠隔外科医入力装置を制御して、該遠隔外科医入力装置の使用者への触覚指標を生成するように構成されている請求項１〜１０の何れか１項に記載の制御システム。
12. 前記遠隔外科医入力装置による前記エンドエフェクタの関節の動作制御を係合すると、前記外科用器具から該遠隔外科医入力装置へのフォースフィードバックを有効化するように構成されている請求項１〜１１の何れか１項に記載の制御システム。
13. 前記遠隔外科医入力装置の他の部分が該遠隔外科医入力装置の本体である請求項４〜１０の何れか１項、または請求項４〜１０の何れか１項に従属する場合の請求項１１または１２に記載の制御システム。
14. 前記遠隔外科医入力装置の他の部分が別の挟み要素である請求項４〜１０の何れか１項、または請求項４〜１０の何れか１項に従属する場合の請求項１１または１２に記載の制御システム。

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