JP2022543572A - 拡張可能なプリズムリンクを有するロボットアーム - Google Patents

Abstract

ロボットアーム及びそのようなアームを組み込む外科用ロボットシステムが記載される。ロボットアームは、ピッチジョイントによってプリズムリンクに接続されたロールジョイントと、別のピッチジョイントによってプリズムリンクに接続されたツールドライブと、を含む。プリズムリンクは、プリズムジョイントによって接続されるいくつかのプリズムサブリンクを含む。ツールドライブによって支持された外科用ツールは、ロボットアームの遠隔運動中心を通して挿入軸に沿って患者に挿入することができる。ロボットアームの移動は、遠隔運動中心を固定したままにしながら、プリズムジョイントによってプリズムサブリンクを互いに対して入れ子状に移動させるように制御することができる。他の実施形態もまた、記載され、特許請求される。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年７月２９日に出願された米国特許出願第１６／５２５，４２７号の優先権の利益を主張するものであり、その全容が参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
ロボットシステムに関する実施形態が開示される。より具体的には、外科用ロボットシステム及び対応する機械的リンケージに関する実施形態が開示される。

内視鏡手術は、患者の身体を調べて、内視鏡及び他の外科用ツールを使用して体内の手術を行うことを伴う。例えば、腹腔鏡手術は、腹腔鏡を使用して腹腔にアクセスし、それを視認することができる。内視鏡手術は、手動ツール、及び／又はロボット支援型ツールを有する外科用ロボットシステムを使用して行うことができる。

外科用ロボットシステムは、手術台に位置するロボット支援型ツールを制御するために、外科医によって遠隔操作され得る。外科用ツールは、患者の腹壁の切開部などの患者のアクセス点に挿入することができる。外科医は、手術室に位置する、又は異なる都市に位置し得るコンピュータコンソールを使用して、ロボットに命令して外科用ツールを操作し得る。ロボット制御式外科用ツールは、ロボットアーム上に装着することができ、コマンドは、外科用ツールがその周りを枢動する空間内の固定点である遠隔運動中心に外科用ツールを維持しながら、ロボットアームを移動させて、外科用ツールを患者の体内に位置付ける。遠隔運動中心は、患者のアクセス点と並置することができる。したがって、外科用ロボットシステムは、ロボット手術中にロボットアームを移動させることによって外科用ツールを患者の体内に位置付けるように、遠隔外科医によって制御され得る。

ツールを遠隔運動中心に維持しながら外科用ツールを位置付けるために使用される既存のロボットアームは、ハードウェア拘束される。すなわち、ロボットアームは、所定の運動を与えるために互いに拘束される、固定長さのリンクを含む。例えば、ハードウェア拘束されたロボットアームは、単一のモータによって駆動され得る入力リンクの移動が、受動ジョイントによって入力リンクに接続されるいくつかの他の受動リンクの所定の移動を生じさせるように、平行四辺形に配設されたリンクを含むことができる。受動リンクの１つは、患者のアクセス点と並置された遠隔運動中心の周りで枢動するように拘束される出力リンクとすることができる。遠隔運動中心は、平行四辺形リンクの位置にかかわらず、空間内に固定されたままである。ハードウェア拘束されたロボットアームは、固定長さのリンクを必要とするが、これは、患者に対する所望の運動範囲を達成するために長くなる傾向がある。長い固定長さのリンクを必要とすることには、いくつかの課題を伴う。第１に、ハードウェア拘束されたロボットアームは、手術中に大きい空間体積をスイープするので、腕がぶつかることを回避しなければならない外科医又はサポートスタッフによる患者へのアクセスを抑制する場合がある。第２に、長い固定長さのリンクは、視覚的にも、並びに体積及び重量も大きい。したがって、リンクの慣性負荷が大きくなる場合があり、これは、嵩高くより高価なモータ及びジョイントの使用によって対応されなければならない。第３に、大きなサイズのリンクは、ハードウェア拘束されたリンケージの手術台の下への収容に好適でないものにする。代わりに、ロボットアームは、他の外科用器具及び操作者と共有されなければならない貴重な手術室空間である手術台の上側又は側面に格納されなければならない。

互いに対してハードウェア拘束されないいくつかのジョイント又はリンクを有するソフトウェア制御のロボットアームを有する、外科用ツールを位置付けるためのロボットアームが提供される。各ジョイント又はリンクは、１つ又は２つ以上のそれぞれのモータによって能動的に駆動することができる。ジョイント又はリンクの１つ又は２つ以上は、プリズムジョイントを含むことができる。したがって、ジョイント又はリンクは、拡張可能であり得、様々な長さを有し得る。ソフトウェア制御のロボットアームは、ハードウェア拘束されたロボットアームと比較して、（少なくとも１つの構成で）より小さい空間エンベロープを占め得る。したがって、ロボットアームは、収容構成で手術台の下に収容するように折り畳むこと又はコンパクト化することができ、かつ能動構成に拡張して患者の上へ移動させることができる。ロボットアームのサイズ及び配向は、能動構成にある場合、別のロボットアーム又は外科医がぶつかるリスクと、外科手術のための特定の運動範囲に対する必要性とをバランスさせるように調整することができる。

一実施形態では、ロボットアームは、ロール軸を中心に回転可能であるロールジョイントと、外科用ツール及び／又はツールガイドを支持するよう構成されたツールドライブと、を含む。例えば、ツールドライブは、挿入軸に沿って外科用ツールのシャフトを受容することができるツールガイドに結合され得る。ロール軸及び挿入軸は、遠隔運動中心で交差する。外科用ツール及び／又はツールガイドは、挿入軸に沿って延在し、また、遠隔運動中心を通して挿入軸に沿って患者に挿入するように構成されている。ロボットアームは、遠隔運動中心を固定したままにするように移動可能である、いくつかのジョイント接続リンクを含むことができる。例えば、拡張可能なプリズムリンクは、それぞれのピッチジョイントにおいてロールジョイント及びツールドライブに接続することができる。例えば、ロールジョイントは、第１のピッチジョイントにおいてプリズムリンクに結合することができ、ツールドライブは、第２のピッチジョイントにおいてプリズムリンクに結合することができる。ツールドライブは、挿入軸に沿って移動可能であり得る結合位置において第２のピッチジョイントに結合することができる。拡張可能なプリズムリンクは、プリズムジョイントによって互いに接続されて、線形軸に沿って互いに対して摺動することができる、いくつかのプリズムサブリンクを含むことができる。プロセッサは、外科手術を行うために外科用ツールを前方又は後方にピッチさせるときに、ロボットアームのジョイント又はリンクの移動、例えば回転又は摺動を制御して、遠隔運動中心を固定したままにすることができる。

ロボットアームは、リンクを接続する様々なジョイントと関連付けられた１つ又は２つ以上のアクチュエータを含むことができる。例えば、第１のモータは、第１のピッチ軸の周りでプリズムリンクに対して回転するようにロールジョイントを駆動することができる。同様に、第２のモータは、第２のピッチ軸の周りでプリズムリンクに対して回転するようにツールドライブを駆動することができる。更に、第３のモータは、線形軸に沿って互いに対して摺動させるようにプリズムサブリンクを駆動することができる。モータは、リンクを別個に独立して駆動するように作動させることができ、したがって、リンクは、互いに対する運動を拘束しない。第１のピッチ軸、第２のピッチ軸、及び線形軸は、同じ平面内で挿入軸及びロール軸を維持する様式で配設することができる。例えば、第１のピッチ軸は、第２のピッチ軸に平行とすることができ、線形軸は、両方のピッチ軸に対して直角とすることができる。したがって、線形軸、ロール軸、及び挿入軸は、遠隔運動中心に位置する頂点を有する基準三角形を形成することができる。様々なモータを作動させることで、遠隔運動中心の位置に頂点を維持しながら、基準三角形の形状を変化させることができる。ロボットアームの幾何学形状が変化するときに、挿入軸は、患者の体内の外科用ツール先端部の運動範囲を画定する作業角度にわたりスイープすることができる。

作業角度は、ロボットアームのホーム構成に依存し得る。より具体的には、ロボットアームは、例えば基準三角形が直角三角形である場合、ロール軸が挿入軸に対して直角であるいくつかのホーム構成を有することができる。異なる直角三角形を形成するために、プリズムジョイントを延在させることができ、かつピッチジョイントを回転させることができるので、いくつかのホーム構成が存在する。そのホーム構成のための第１のピッチジョイントと遠隔運動中心との間の距離に基づいて、ホーム構成ごとに、作業角度が異なり得る。例えば、遠隔運動中心が、ロールジョイントをプリズムリンクに接続する第１のピッチジョイントからより遠くに移動するにつれて、作業角度は減少し得る。作業角度の調整は、患者の体内の外科用ツールの運動範囲と、リンケージと別のリンケージ又は患者の外側の操作者との衝突のリスクを低減させたいという望みとをバランスさせるように、適切なホーム構成を選択することによって選択することができる。

一実施形態では、外科用ロボットシステムは、手術台上に装着されたロボットアームを含む。例えば、ロボットアームは、手術台の下に装着することができる。ロボットアームを収容構成に折り畳むために、ロボットアームのプリズムジョイントを短くすることができ、かつピッチジョイントを回転させることができる。収容構成では、ロボットアームは、リンケージが患者の上で能動構成にあるときよりも小さいフォームファクタを有する。例えば、ロボットアームの少なくとも１つのリンクは、収容構成時に、能動構成時よりも短くなり得る。したがって、プリズムリンクが能動構成へと延在したときに、リンケージを手術台の下に収容することが不可能であり得る場合であっても、ロボットアームをより小さいフォームファクタで手術台の下に収容することができる。

上記の概要は、本発明の全ての態様の網羅的なリストを含まない。本発明は、上記に要約された様々な態様の全ての好適な組み合わせから実施することができる全てのシステム及び方法、並びに以下の「発明を実施するための形態」に開示されているもの、特に本出願と共に提出された「特許請求の範囲」において指摘されているものを含むことが企図される。そのような組み合わせは、上記の概要に具体的に記載されていない特定の利点を有する。

本発明の実施形態は、添付図面の図において、限定としてではなく例として示され、同様の参照記号は、類似の要素を示す。本開示における本発明の「１つの（an）」又は「１つの（one）」実施形態への言及は、必ずしも同じ実施形態に対するものではなく、それらは、少なくとも１つを意味することに留意されたい。また、簡潔さ及び図の総数を減らす目的で、所与の図が、本発明の１つより多くの実施形態の特徴を例示するために使用され得、図中の全ての要素が、所与の実施形態に必要とされるわけではない場合がある。
一実施形態による、手術室内の例示的な外科用ロボットシステムの絵画図である。 一実施形態による、ロボットアームを有する外科用ロボットシステムの概略図である。 一実施形態による、ロボットアームの斜視図である。 一実施形態による、ホーム構成にあるロボットアームの側面図である。 一実施形態による、前方にピッチした構成のロボットアームの側面図である。 一実施形態による、後方にピッチした構成のロボットアームの側面図である。 一実施形態による、ツールドライブ上に装着された外科用ツールの側面図である。 一実施形態による、ツールドライブ上に装着された外科用ツールの側面図である。 一実施形態による、入れ子ツールドライブ上に装着された外科用ツールの側面図である。 一実施形態による、入れ子ツールドライブ上に装着された外科用ツールの側面図である。 一実施形態による、遠隔運動中心を固定したままにするようにロボットアームを制御する方法のフローチャートである。 一実施形態による、外科用ロボットシステムの例示的なハードウェア構成要素のブロック図である。

実施形態は、機械的リンケージ及びそのようなリンケージを組み込むロボットシステムを説明する。機械的リンケージは、ロボットアームとすることができ、ロボットシステムは、ロボット手術中に外科用ツールを位置付けるためにロボットアームを組み込む、外科用ロボットシステムとすることができる。しかしながら、機械的リンケージは、ほんのいくつかの可能な応用例を挙げれば、製造的応用又は軍事的応用などのための、他のロボットシステムにおいて使用され得る。

様々な実施形態では、説明は、図を参照してなされる。しかしながら、特定の実施形態は、これらの具体的な詳細のうちの１つ又は２つ以上を伴うことなく、又は他の既知の方法及び構成と組み合わせて実践され得る。以下の説明では、実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成、寸法、及びプロセスなど、多数の具体的な詳細が記載される。他の場合では、説明を不必要に不明瞭にしないために、周知のプロセス及び製造技術は、特に詳細に説明されていない。本明細書の全体を通して、「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」などの参照は、説明される特定の特徴、構造、構成、又は特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通した様々な場所での「一実施形態」、「一実施形態」などの句の出現は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、構成、又は特性は、１つ又は２つ以上の実施形態において任意の好適な様式で組み合わせられ得る。

本明細書全体を通した相対語の使用は、相対的な位置又は方向を表し得る。例えば、「遠位」は、基準点から離れた、例えば装着点から離れた、第１の方向を示し得る。同様に、「近位」は、第１の方向とは反対の第２の方向、例えば装着点に向かう位置を示し得る。しかしながら、そのような用語は、相対的な基準系を確立するために提供され、ロボットアームの使用又は方向を、以下の様々な実施形態で説明される特定の構成に限定することを意図するものではない。

一態様では、外科用ロボットアームは、腹腔鏡手術などの手術中に外科用ツール又は器具を位置付けて制御することが可能である。外科用ロボットアームは、ハードウェア拘束されるものと比較して、ソフトウェア制御され得、また、それぞれのアクチュエータのコンピュータベースの制御に基づいてそれらの長さ及び方向を独立して変化させることができる、１つ又は２つ以上のジョイント又はリンクを含み得る。例えば、モータは、外科用ロボットアームのいくつかのリンクを互いに対して回転させるように制御することができ、別のモータは、リンクの１つのいくつかのサブリンクを互いに対して摺動させるように制御することができる。モータは、外科用ツールが遠隔運動中心に維持されるように、手術中にロボットアームの全体的な幾何学形状を制御することができる。遠隔運動中心は、手術中に患者のアクセス点と一致させることができる。手術の前後に、モータは、全体的な幾何学形状を、ロボットアームがコンパクトである収容構成に駆動することができ、また、患者を支持する手術台の下に収容することができる。

図１を参照すると、これは、手術室内の例示的なロボットシステムの絵画図である。外科用ロボットシステム１００は、ユーザコンソール１２０と、制御タワー１３０と、例えば台、ベッドなどの外科用ロボットプラットフォーム１１１の１つ又は２つ以上の外科用ロボットアーム１１２と、を含む。システム１００は、患者１０２の手術を行うために、任意の数のデバイス、ツール、又は付属品を組み込むことができる。例えば、システム１００は、手術を行うために使用される１つ又は２つ以上の外科用ツール１０４を含み得る。外科用ツール１０４は、外科処置を実行するために外科用アーム１１２の遠位端に取り付けられたエンドエフェクタであり得る。

各外科用ツール１０４は、手術中に、手動で、ロボット的に、又は両方で操作され得る。例えば、外科用ツール１０４は、患者１０２の内部解剖学的構造に進入する、それを視認する、又は操作するために使用されるツールであり得る。一実施形態では、外科用ツール１０４は、患者１０２の組織を把持することができる把持具である。外科用ツール１０４は、ベッド横の操作者１０６によって手動で制御され得るか、又はそれが取り付けられる外科用ロボットアーム１１２の作動による移動を介してロボット的に制御され得る。ロボットアーム１１２は、台に装着されたシステムとして示されているが、他の構成では、アーム１１２は、カート、天井若しくは側壁、又は別の好適な構造的支持体に装着され得る。

一般に、外科医又は他の操作者などの遠隔操作者１０７は、ユーザコンソール１２０を使用して、例えばテレオペレーションによって、アーム１１２及び／又は外科用ツール１０４を遠隔で操作し得る。ユーザコンソール１２０は、図１に示されるように、システム１００の残部と同じ手術室内に位置し得る。しかしながら、他の環境では、ユーザコンソール１２０は、隣接する部屋若しくは近くの部屋に位置し得るか、又は遠隔位置、例えば異なる建物、都市、若しくは国にあり得る。ユーザコンソール１２０は、椅子１２２と、足踏み式制御装置１２４と、１つ又は２つ以上のハンドヘルドユーザインターフェースデバイスと、ＵＩＤ１２６と、例えば患者１０２の体内の手術部位の視野を表示するように構成される少なくとも１つのユーザディスプレイ１２８と、を備え得る。例示的なユーザコンソール１２０では、遠隔操作者１０７は、椅子１２２に着座して、アーム１１２及び（アーム１１２の遠位端部上に装着される）外科用ツール１０４を遠隔制御するために足踏み式制御装置１２４及びハンドヘルドＵＩＤ１２６を操作しながら、ユーザディスプレイ１２８を見ている。足踏み式制御１２４は、作動させたときに運動制御信号を生成する、７つのペダルなどの、フットペダルとすることができる。ユーザコンソール１２０は、ユーザコンソール１２０又は外科用ロボットシステム１００の動作を制御するための手動の入力を受信するために、キーボード又はジョイスティックなどの１つ又は２つ以上の追加のインターフェースデバイス（図１０）を含み得る。

いくつかの変形例では、ベッド横の操作者１０６はまた、ベッド横の操作者１０６（ユーザ）が現在患者１０２の横にいて、例えば片手に保持したハンドヘルドＵＩＤ１２６でロボット駆動型ツール（アーム１１２に取り付けられたエンドエフェクタ）を、手動腹腔鏡ツールと同時に操作している、「ベッド対面」モードでシステム１００を操作し得る。例えば、ベッド横の操作者の左手は、ロボット構成要素を制御するためにハンドヘルドＵＩＤ１２６を操作し得、一方で、ベッド横の操作者の右手は、手動の腹腔鏡ツールを操作し得る。したがって、これらの変形例では、ベッド横の操作者１０６は、患者１０２にロボット支援型低侵襲手術及び手動の腹腔鏡手術の両方を行い得る。

例示的な処置（手術）中に、患者１０２は、滅菌式で準備及びドレープされて、麻酔を達成する。手術部位への最初のアクセスは、手動で行われ得、その間、ロボットシステム１００のアームは、収容構成、例えばプラットフォーム１１１の下にあるか、又は（手術部位へのアクセスを容易にするために）引き出された構成にある。アクセスが完了すると、そのアーム１１２を含むロボットシステムの最初の位置付け又は準備が行われ得る。次に、ユーザコンソール１２０の遠隔操作者１０７は、足踏み式制御装置１２４及びＵＩＤ１２６を利用して様々なエンドエフェクタ及びおそらくは撮像システムを操作して手術を行って、手術を続ける。また、組織を後退させる、手動の再位置付けを行う、及びロボットアーム１１２の１つ又は２つ以上のツールの交換などのタスクを行い得る、滅菌ガウンを着たベッド横の要員、例えばベッド横の操作者１０６によって、手動の支援が処置ベッド又は台に提供され得る。また、ユーザコンソール１２０の遠隔操作者１０７を支援するために、非滅菌要員も存在し得る。処置又は手術が完了したとき、システム１００及び／又はユーザコンソール１２０は、ユーザコンソール１２０を介した洗浄又は滅菌及び医療記録の入力又は印刷などの手術後処置を容易にするための状態に構成又は設定され得る。

一実施形態では、遠隔操作者１０７は、ＵＩＤ１２６を保持して移動させて、ロボットシステム１００のロボットアームアクチュエータ１１４を移動させるための入力コマンドを提供する。ＵＩＤ１２６は、例えばコンソールコンピュータシステム１１０を介して、ロボットシステム１００の残部に通信可能に結合され得る。ＵＩＤ１２６は、ＵＩＤ１２６の移動、例えばＵＩＤのハンドヘルドハウジングの位置及び方向に対応する空間状態信号を生成することができ、空間状態信号は、ロボットアームアクチュエータ１１４の運動を制御するための入力信号であり得る。ロボットシステム１００は、空間状態信号から導出された制御信号を使用して、アクチュエータ１１４の比例運動を制御し得る。一実施形態では、コンソールコンピュータシステム１１０のコンソールプロセッサは、空間状態信号を受信して、対応する制御信号を生成する。アーム１１２のセグメント又はリンクを移動させるためにアクチュエータ１１４がどのように通電されるかを制御する、これらの制御信号に基づいて、アームに取り付けられる対応する外科用ツール１０４の移動は、ＵＩＤ１２６の移動を模倣し得る。同様に、遠隔操作者１０７とＵＩＤ１２６との間の相互作用は、例えば外科用ツール１０４の把持具のジョーを閉じさせて、患者１０２の組織を把持させる、把持制御信号を生成することができる。

外科用ロボットシステム１００は、ＵＩＤごとにそれぞれのアーム１１２のアクチュエータ及び外科用ツール（エンドエフェクタ）を制御するそれぞれの制御信号が生成される、いくつかのＵＩＤ１２６を含み得る。例えば、遠隔操作者１０７は、第１のＵＩＤ１２６を移動させて、左ロボットアーム内にあるアクチュエータ１１４の運動を制御し得、アクチュエータは、そのアーム１１２のリンケージ、歯車などを移動させることによって応答する。同様に、遠隔操作者１０７による第２のＵＩＤ１２６の移動は、別のアクチュエータ１１４の運動を制御し、これが次にロボットシステム１００の他のリンケージ、歯車などを移動させる。ロボットシステム１００は、患者の右側にベッド又は台に固定される右アーム１１２と、患者の左側にある左アーム１１２と、を含み得る。アクチュエータ１１４は、例えば、患者に対する、アームに取り付けられる外科用ツールの内視鏡又は把持具の方向を変化させるために、アーム１１２のジョイントの回転又は線形運動を駆動するように制御される、１つ又は２つ以上のモータを含み得る。同じアーム１１２内のいくつかのアクチュエータ１１４の運動は、特定のＵＩＤ１２６から生成された空間状態信号によって制御することができる。ＵＩＤ１２６はまた、それぞれの外科用ツール把持具の運動を制御することもできる。例えば、各ＵＩＤ１２６は、患者１０２の体内の組織を把持するために外科用ツールの遠位端で把持具のジョーを開閉するアクチュエータ、例えば線形アクチュエータの運動を制御するための、それぞれの把持信号を生成することができる。

いくつかの態様では、プラットフォーム１１１とユーザコンソール１２０との間の通信は、制御タワー１３０を通し得、制御タワーは、ユーザコンソール１２０から（及びより具体的には、コンソールコンピュータシステム１１０から）受信されるユーザコマンドを、ロボットプラットフォーム１１１上のアーム１１２に送信されるロボット制御コマンドに変換し得る。制御タワー１３０はまた、プラットフォーム１１１から状態及びフィードバックをユーザコンソール１２０に返信し得る。ロボットプラットフォーム１１１と、ユーザコンソール１２０と、制御タワー１３０との間の通信接続は、様々なデータ通信プロトコルのうちの任意の好適なものを使用して、有線及び／又は無線リンクを介し得る。任意の有線接続が、手術室の床及び／又は壁若しくは天井に任意選択的に内蔵され得る。ロボットシステム１００は、手術室内のディスプレイ、並びにインターネット又は他のネットワークを介してアクセス可能である遠隔ディスプレイを含む、１つ又は２つ以上のディスプレイにビデオ出力を提供し得る。ビデオ出力又はフィードはまた、プライバシーを確保するために暗号化され得、ビデオ出力の全て又は部分は、サーバ又は電子医療記録システムに保存され得る。

図１の手術室シーンは、例示的なものであり、特定の医療行為を正確に表し得ないことが理解されるであろう。

図２を参照すると、一実施形態による、ロボットアームを有する外科用ロボットシステムの概略図が示されている。外科用ロボットシステム１００は、下で説明するように、遠隔運動中心を固定したままにすることができる。外科用ロボットシステム１００は、外科用ロボットプラットフォーム１１１上に装着された外科用ロボットアーム１１２を含むことができる。外科用ロボットプラットフォーム１１１は、手術中に患者１０２が横たわる手術台２０２及び地面の上に手術台２０２を保持する支持カラム又は脚部などの、いくつかの構成要素を含むことができる。同様に、外科用ロボットアーム１１２は、いくつかのジョイント又はリンクを有するロボットアーム２０４、及びジョイント又はリンクを互いに対して駆動することができるいくつかのアクチュエータ、例えばモータなどの、いくつかの構成要素を含むことができる。図２では、回転ジョイントがシリンダとして表されており、リンクは、シリンダを接続する線を有するように示されている。一実施形態では、ロボットアーム２０４は、手術台２０２の下に装着されて、収容構成（図示せず）で手術台２０２の下に収容することができる。ロボットアーム２０４は、収容構成から、示されるように、外科用ツール１０４が手術台２０２の上に位置付けられる能動構成へと、アクチュエータによって移動させることができる。

外科用ロボットアーム１１２は、手術中に外科用ツール１０４を位置付けて制御することが可能な、多軸ロボットマニピュレータとすることができる。外科用ロボットアーム１１２の軸は、ロボットアーム２０４の全体的な幾何学形状を制御する自由度を表す。例えば、いくつかのリンクされたジョイントを有する設定アーム２５０は、手術台２０２に、例えば手術台２０２の下側に取り付けることができる。設定アーム２５０は、１又は２以上の自由度を有する台アダプタジョイント２０８によって手術台２０２に結合され得る。台アダプタジョイント２０８は、設定アーム２５０がいくつかの軸の周りで手術台２０２に対して移動することを可能にする、サブジョイントの任意の組み合わせ、例えば一対の回転ジョイントとすることができる。同様に、設定アーム２５０は、アダプタジョイント２０９を含むことができ、これは、台アダプタジョイント２０８と組み合わせたときに、手術台２０２に対する設定アーム２５０の１又は２以上の自由度を提供する。設定アーム２５０は、相互接続したアームに１又は２以上の自由度を付与する、１つ又は２つ以上の追加のジョイント、例えば、ジョイント２０６及び／又はジョイント２１０などのロールジョイント、又はジョイント２０７及び／又はジョイント２１１などのピッチジョイントを含むことができる。各ジョイントは、それぞれの軸の周りの回転を可能にし得、したがって、対応する用語は、「ピッチ」及び「ロール」である。設定アーム２５０のリンクされたアーム、及び手術台２０２と遠隔運動中心機構との間のロボットアーム２０４の任意の他のリンクは、所定の自由度で、空間内に遠隔運動中心機構を位置付けることができる。例えば、手術台２０２とロボットアーム２０４のロールジョイント２１２との間のリンクは、組み合わせて、空間のロールジョイント２１２の近位端を位置付ける、５自由度のアーム、例えば設定アーム２５０を形成することができる。

遠隔運動中心機構は、いくつかのジョイント又はリンクを含むことができる。一実施形態では、ロールジョイント２１２は、遠隔運動中心機構の第１のジョイントである。遠隔運動中心機構は、球状アーム２５２とも称することができ、球状アーム２５２の近位端は、設定アーム２５０の遠位端に接続することができる。同様に、球状アーム２５２の遠位端は、ツールドライブ２１４に接続することができる。遠隔運動中心機構は、手術中に遠隔運動中心２１６で外科用ツール１０４（又は外科用ツール１０４を保持するツールドライブ２１４）を保持及び配向するように構成されている。したがって、球状アーム２５２は、本質的に、外科用ツール１０４がその周りを枢動する遠隔運動中心２１６を画定する、ロボットアーム２０４の一部分である。

ロールジョイント２１２及びツールドライブ２１４に加えて、遠隔運動中心機構は、ロールジョイント２１２をツールドライブ２１４に接続するプリズムリンク２１８を含む。より具体的には、ロールジョイント２１２の遠位端は、プリズムリンク２１８の近位端に接続することができる。第１のピッチジョイント２２０はまた、ロールジョイント２１２及びプリズムリンク２１８に結合され得る。例えば、第１のピッチジョイント２２０は、ロールジョイント２１２とプリズムリンク２１８との間の中間にあり得る。一実施形態では、第１のモータは、ロールジョイント２１２及びプリズムリンク２１８に接続されて、第１のピッチジョイント２２０に１又は２以上の自由度を提供する。例えば、プリズムリンク２１８は、第１のピッチジョイント２２０の周りでロールジョイント２１２に対して枢動することができる。同様に、プリズムリンク２１８の遠位端は、第２のピッチジョイント２２４においてツールドライブ２１４に接続することができる。第２のモータは、プリズムリンク２１８及びツールドライブ２１４に接続して、第２のピッチジョイント２２４に１又は２以上の自由度を提供することができる。例えば、ツールドライブ２１４は、第２のピッチジョイント２２４の周りでプリズムリンク２１８に対して枢動することができる。

遠隔運動中心機構を形成するリンクの１つ又は２つ以上は、可変長を有する。例えば、遠隔運動中心機構のリンクは、プリズムジョイント２３０によって互いに接続されたサブリンクを含むことができる。プリズムジョイント２３０は、サブリンク間の摺動運動を可能にし、したがって、サブリンクからなるリンクの全体的な長さを増減させることができる。一実施形態では、ロボットアーム２０４のプリズムリンク２１８は、ロールジョイント２１２とツールドライブ２１４との間にプリズムジョイント２３０を含む。例えば、下で説明するように、プリズムリンク２１８は、プリズムジョイント２３０によって結合されたいくつかのプリズムサブリンクを有することができ、プリズムサブリンクに接続されたモータは、サブリンクを互いに対して摺動させて、プリズムリンク２１８の長さ、及び結果的に、ツールドライブ２１４とロールジョイント２１２との間の距離を増減させることができる。

プリズムジョイント２３０は、外科用ロボットアーム１１２の他の構成要素に組み込まれ得る。例えば、ツールドライブ２１４は、外科用ツール１０４がツールドライブ２１４と第２のピッチジョイント２２４との間で取り付け点に対して線形に移動することを可能にするように、プリズムジョイント２３０を含み得る。ツールドライブ２１４のプリズムジョイント２３０は、患者１０２に対して前進又は後退させることができる、入れ子体とすることができる。摺動移動は、外科用ツール１０４を患者１０２に挿入すること、及びそこから後退させることを可能にすることができる。更に、外科用ロボットアーム１１２のアクチュエータの全ては、外科用ツール１０４を遠隔運動中心２１６に維持するように協調して制御され得る。

図３を参照すると、一実施形態によるロボットアームの斜視図が示されている。ロボットアーム２０４は、球状アーム２５２を含むことができる。ロボットアーム２０４は、ロール軸３０２に沿って延在するロールジョイント２１２を含むことができる。ロール軸３０２は、その周りでロールジョイント２１２が回転し得る幾何学的基準特徴である。例えば、ロールジョイント２１２の近位端は、回転ジョイント、例えばジョイント２１１において設定アーム２５０に取り付けられ得る。モータは、回転ジョイントでのロールジョイント２１２の回転を駆動して、ロールジョイント２１２の遠位端をロール軸３０２の周りで回転させることができる。したがって、ロールジョイント２１２は、ロボットアーム２０４に少なくとも１の自由度を、例えばロール軸３０２の周りの回転を提供し得る。

ロール軸３０２は、ロールジョイント２１２が第１のピッチジョイント２２０においてプリズムリンク２１８に接続する、ロールジョイント２１２の遠位端を通って延在することができる。第１のピッチジョイント２２０は、第１のピッチ軸３０４の周りで回転することができる。より具体的には、ロールジョイント２１２の遠位端は、第１のピッチジョイント２２０によってプリズムリンク２１８の近位端に接続することができ、対応するアクチュエータは、第１のピッチジョイント２２０でのロールジョイント２１２に対するプリズムリンク２１８の回転を駆動することができる。例えば、モータは、第１のピッチジョイント２２０においてロールジョイント２１２及びプリズムリンク２１８に接続することができ、モータの作動は、プリズムリンク２１８を第１のピッチ軸３０４の周りでロールジョイント２１２に対して回転させることができる。したがって、第１のピッチジョイント２２０は、ロボットアーム２０４に少なくとも１の自由度を、例えば第１のピッチ軸３０４の周りの回転を提供することができる。

プリズムリンク２１８は、線形軸３０６に沿って、第１のピッチジョイント２２０の近位端から第２のピッチジョイント２２４の遠位端へと延在することができる。第２のピッチジョイント２２４は、プリズムリンク２１８をツールドライブ２１４に接続することができる。第２のピッチジョイント２２４は、第２のピッチ軸３０８の周りで回転することができる。より具体的には、対応するアクチュエータは、第２のピッチジョイント２２４でのツールドライブ２１４に対するプリズムリンク２１８の回転を駆動することができる。例えば、モータは、第２のピッチジョイント２２４においてツールドライブ２１４及びプリズムリンク２１８に接続することができ、モータの作動は、プリズムリンク２１８を第２のピッチ軸３０８の周りでツールドライブ２１４に対して回転させることができる。したがって、第２のピッチジョイント２２４は、ロボットアーム２０４に少なくとも１の自由度を、例えば第２のピッチ軸３０８の周りの回転を提供することができる。

第１のピッチジョイント２２０及び第２のピッチジョイント２２４に加えて、プリズムリンク２１８は、ロボットアーム２０４に追加の自由度を付与するプリズムジョイント２３０と関連付けられ得る。プリズムジョイント２３０は、プリズムリンク２１８が、線形軸３０６に沿って延在及び後退することを可能にする。一実施形態では、プリズムリンク２１８は、プリズムリンク２１８の近位端を有する第１のプリズムサブリンク３１０を含む。第１のプリズムサブリンク３１０の近位端は、第１のピッチジョイント２２０によってロールジョイント２１２に接続することができる。同様に、プリズムリンク２１８は、プリズムリンク２１８の遠位端を有する第２のプリズムサブリンク３１２を含むことができる。第２のプリズムサブリンク３１２の遠位端は、第２のピッチジョイント２２４によってツールドライブ２１４に接続することができる。第１のプリズムサブリンク３１０は、プリズムジョイント２３０によって第２のプリズムサブリンク３１２に直接的又は間接的に接続することができる。

プリズムリンク２１８のプリズムジョイント２３０は、１つ又は２つ以上の段を含むことができる。例えば、第１のプリズムサブリンク３１０は、細長いチューブ状構造を有することができ、第１のプリズムサブリンク３１０の管状壁の内面は、第２のプリズムサブリンク３１２の外面に対して摺動し得る。プリズムリンク２１８の入力サブリンク及び出力サブリンクが直接接続されたとき、例えばプリズムリンク２１８が２つのセグメントだけを有するとき、プリズムジョイント２３０は、単段プリズムジョイント２３０であり得る。

一実施形態では、プリズムリンク２１８は、２つを超えるセグメントを有する入れ子構造である。より具体的には、プリズムリンク２１８は、第１のプリズムサブリンク３１０と、第２のプリズムサブリンク３１２と、少なくとも１つの追加のプリズムサブリンクと、を含むことができる。追加のプリズムサブリンクリンクは、プリズムジョイント２３０によって第１のプリズムサブリンク３１０及び第２のプリズムサブリンク３１２に接続された中間プリズムサブリンク３１４であり得る。より具体的には、プリズムジョイント２３０は、第１のプリズムサブリンク３１０と中間プリズムサブリンク３１４との間の摺動接点と、中間プリズムサブリンク３１４と第２のプリズムサブリンク３１２との間の摺動接点と、を含むことができる。プリズムリンク２１８の入力サブリンク及び出力サブリンクが直接接続されないとき、例えばプリズムリンク２１８が第１のプリズムサブリンク３１０と第２のプリズムサブリンク３１２との間に少なくとも１つの中間プリズムサブリンクを有するとき、プリズムジョイント２３０は、多段プリズムジョイント２３０であり得る。

プリズムジョイント２３０が単段プリズムジョイントであるか多段プリズムジョイントであるかにかかわらず、第１のピッチジョイント２２０と第２のピッチジョイント２２４との間の距離は、第２のプリズムサブリンク３１２を第１のプリズムサブリンク３１０から離れて駆動することによって増加され得、距離は、第２のプリズムサブリンク３１２を第１のプリズムサブリンク３１０に向かって駆動することによって減少され得る。対応するアクチュエータは、プリズムサブリンクの、例えば第１のプリズムサブリンク３１０及び第２のプリズムサブリンク３１２の線形軸３０６に沿った互いに対する並進を駆動することができる。例えば、モータは、直接的に又は中間プリズムサブリンク３１４を通して、第１のプリズムサブリンク３１０及び第２のプリズムサブリンク３１２に接続して、第１のプリズムサブリンク３１０を線形軸３０６に沿って第２のプリズムサブリンク３１２に対して摺動させることができる。

線形軸３０６に沿ったプリズムリンク２１８の延在及び後退は、ロボットアーム２０４の全体的なサイズを変化させることができる。例えば、第２のプリズムサブリンク３１２は、第２のピッチジョイント２２４が第１のプリズムサブリンク３１０の遠位端に隣接するまで、線形軸３０６に沿って第１のプリズムサブリンク３１０に向かって駆動して、プリズムリンク２１８の長さを減少させることができる。この状態では、プリズムリンク２１８は、最小又はほぼ最小の長さである。したがって、ロボットアーム２０４は、第２のプリズムサブリンク３１２が後退したときの状態において、第２のプリズムサブリンク３１２が延在したときの状態よりもコンパクトにすることができる。一実施形態では、ロボットアーム２０４は、プリズムリンク２１８が最小又はほぼ最小の長さの状態であるときに、手術台２０２の下に収容される。したがって、可変長の拡張可能なプリズムリンク２１８は、ロボットアーム２０４にコンパクトさを付与し、かつロボットアーム２０４を、使用していないときに、手術台２０２の上又は側面のスペースを取ることなく、収容することを可能にする。

プリズムリンク２１８の最大長は、より多くのリンクセグメントを使用することによって増加され得ることが理解されるであろう。例えば、プリズムジョイント２３０のいくつかの段を増加させることは、線形軸３０６に沿ったプリズムリンク２１８の運動範囲の比例的な増加を有することができる。しかしながら、ステージの数を増加させることは、システムのサイズ、重量、及び複雑さを増加させ得る。ある設計は、外科手術を行うために必要なアームの届く範囲と、手術台の下にコンパクト化されたリンケージを収容する能力とをバランスさせ得ることが示されている。一実施形態では、このバランスは、図３に示されるような２つの段（プリズムリンク２１８は、２つの摺動接触点で接続される３つのサブリンクを含む）を有するプリズムジョイント２３０によって達成される。

プリズムリンク２１８は、外科用ツール１０４を保持し、移動させることができるツールドライブ２１４を支持することができる。ツールドライブ２１４はまた、手術中の外科用ツール１０４の移動を案内することもできる。一実施形態では、ツールドライブ２１４は、外科用ツール１０４（図３に示さず）及び／又はツールガイド３５０を支持するように構成されている。外科用ツール１０４及び／又はツールガイド３５０は、挿入軸３５２に沿って延在することができる。外科用ツール１０４及び／又はツールガイド３５０は、挿入軸３５２に沿って遠隔運動中心２１６を通して患者１０２に挿入するように構成することができる。ツールガイド３５０の構成要素、例えばガイドチューブ３５４は、外科用ツール１０４の特徴、例えば外科用ツール１０４の遠位シャフトを受容し、案内することができる。例えば、ガイドチューブ３５４は、挿入軸３５２と同軸である管腔を有するトロカールを含むことができ、したがって、シャフトが管腔に挿入されるときに外科用ツール１０４のシャフトを受容することができる。ガイドチューブ３５４は、ツール特徴を患者１０２のアクセス点の中へ、又はそれを通して案内することができる。したがって、挿入軸３５２、外科用ツール１０４のシャフト、及びガイドチューブ３５４の管腔は、遠隔運動中心２１６を通って延在することができる。

一実施形態では、挿入軸３５２は、遠隔運動中心２１６においてロール軸３０２と交差する。挿入軸３５２とロール軸３０２との間の交差は、遠隔運動中心機構の他の基準幾何学形状の相対配向によって容易になる。例えば、第１のピッチ軸３０４は、第２のピッチ軸３０８と平行であり得る。したがって、第１のピッチジョイント２２０及び／又は第２のピッチジョイント２２４の回転は、平面の外へ軸を移動させることなく、ロール軸３０２に沿った第１のピッチ軸３０４と挿入軸３５２との間の距離を変化させることができる。すなわち、平行なピッチ軸３０４、３０８は、軸３０２、３５２が共平面である同じ平面に対して直角であり、したがって、軸３０４、３０８の周りのリンクの回転は、同じ平面内の軸３０２、３５２の相対移動を生じさせる。したがって、ロール軸３０２及び挿入軸３５２は、遠隔運動中心機構の移動中に同一平面上のままである。同様に、プリズムジョイント２３０は、第１のピッチ軸３０４及び第２のピッチ軸３０８に対して直角であり得る線形軸３０６に沿って摺動することができる。線形軸３０６とピッチ軸との間の直交性は、プリズムリンク２１８の長さが収容構成から能動構成へと変化したときであっても、挿入軸３５２をロール軸３０２と同じ平面内のままにすることを可能にする。

ロボットアーム構成要素と基準幾何学形状との間の相対位置は、ロール軸３０２、線形軸３０６及び挿入軸３５２によって基準三角形が形成される構造を作ることができる。ロール軸３０２及び挿入軸３５２は、三角形の脚部を形成し、線形軸３０６は、第１のピッチ軸３０４と第２のピッチ軸３０８との間で挿入軸３５２へと延在して、三角形の斜辺を形成する。斜辺の長さは、プリズムジョイント２３０においてプリズムリンク２１８のサブリンクを移動させることによって、例えば、第１のピッチジョイント２２０及び第２のピッチジョイント２２４を通って延在している線形軸３０６に沿ってプリズムジョイント２３０を摺動させることによって変化させることができる。同様に、第１のピッチジョイント２２０及び第２のピッチジョイント２２４においてリンクを移動させることによって挿入軸３５２とロール軸３０２との間の角度が変化したときに、脚部の長さが変化する。脚部及び三角形の斜辺は、ロール軸３０２の周りで回転することができる平面内に存在する。三角形は、挿入軸３５２がロール軸３０２と交差する頂点を有する。一実施形態では、ロボットアーム２０４のリンクは、遠隔運動中心２１６に頂点を位置付けるために、第１のピッチジョイント２２０、プリズムジョイント２３０、及び第２のピッチジョイント２２４でのそれぞれのモータの移動によって制御される。

ツールドライブ２１４は、外科用ツール１０４（図７Ａ～図８Ｂ）を保持するためにキャリッジ３５６を含むことができる。下で説明するように、キャリッジ３５６は、ツールガイド３５０に対して挿入軸３５２の方向に移動可能である。より具体的には、ツールドライブ２１４は、キャリッジ３５６をツールガイド３５０に接続するそれぞれのプリズムジョイントを有することができ、プリズムジョイントは、キャリッジ３５６が、挿入軸３５２に沿って、ガイドチューブ３５４に向かって、又はそこから離れて移動することを可能にすることができる。したがって、キャリッジ３５６上に装着される外科用ツール１０４の遠位端又はシャフトは、キャリッジ３５６の移動と平行に移動することができる。ガイドチューブ３５４の位置、例えばガイドチューブ３５４の管腔の位置が、リンケージジョイントのそれぞれの運動軸の周りの／に沿ったリンケージジョイントのソフトウェア制御の移動に基づいて、遠隔運動中心２１６に維持されている間、外科用ツール１０４の遠位端及び／又はシャフトを、ガイドチューブ３５４の管腔を通して挿入又は後退させることができる。外科用ツール１０４の遠位端及び／又はシャフトは、遠隔運動中心２１６に並置される患者１０２のアクセス点を通って移動させることができる。したがって、ツール特徴は、遠隔運動中心２１６の周りで枢動することができる。

図４を参照すると、一実施形態による、ホーム構成にあるロボットアームの側面図が示されている。ロボットアーム２０４は、リンケージジョイントでの移動を制御することによって、多数の構成又は状態の間で連続的に移動することができる。一実施形態では、リンケージの移動は、遠隔運動中心２１６が空間の固定点に維持され、ガイドチューブ３５４が遠隔運動中心の周りで枢動するように制御することができる。よって、ガイドチューブ３５４の遠位端、例えばロール軸３０２の下、及び／又は外科用ツール１０４の遠位端は、ガイドチューブ３５４が遠隔運動中心２１６の周りで枢動するときに、円錐作業空間４０２を通してスイープすることができることが理解されるであろう。円錐作業空間４０２のスイープされる作業角度４０４は、下で説明するように、可変長リンクの長さに依存することができる。例えば、作業角度４０４が最大になる最適リンク長が存在し得る。同様に、円錐作業空間４０２の半径は、挿入軸３５２に沿ったキャリッジ３５６の位置に依存することができる。例えば、外科用ツール１０４の遠位端を挿入軸３５２に沿って遠位方向に駆動することで、遠隔運動中心２１６の下の円錐作業空間４０２の半径を増加させることができる。

ロボットアーム２０４は、いくつかのホーム構成４０６を有することができる。ホーム構成は、ロール軸３０２が挿入軸３５２に対して直角であるリンケージ構成として画定され得る。ホーム構成４０６では、ロール軸３０２は、遠隔運動中心２１６において挿入軸３５２と交差することができる。遠隔運動中心機構を画定する基準三角形は、ホーム構成の直角三角形とすることができる。各ホーム構成に対応する基準三角形は、プリズムリンク２１８の長さに応じて、異なる長さの斜辺を有することができ、同様に、各ホーム構成４０６の基準三角形は、第１のピッチジョイント２２０と遠隔運動中心２１６との間のそれぞれのホーム距離４０８を有することができる（ホーム距離４０８は、基準三角形のベース脚部の長さである）。ロボットアーム２０４のホーム構成４０６ごとに、ロボットアーム２０４の第１のピッチジョイント２２０、プリズムジョイント２３０、及び第２のピッチジョイント２２４は、遠隔運動中心２１６に外科用ツール１０４及び／又はツールガイド３５０を維持しながら、作業角度４０４を通して挿入軸３５２をスイープするように移動可能である。

作業角度４０４は、ロボットアーム１１２がツールガイド３５０を遠隔運動中心２１６で維持することができる傾斜ゾーンを表す。この範囲外では、遠隔運動中心機構の１つ又は２つ以上のジョイントは、運動を続けることが不可能であり得、したがって、遠隔運動中心２１６と一致するようにツールガイド３５０を更に調整することが不可能であり得る。例えば、プリズムジョイント２３０及び／又は第２のピッチジョイント２２４は、第１の方向の運動範囲の端部（図５）、又は反対方向の運動範囲の端部（図６）にあり得る。したがって、いずれの場合でも、第１のピッチジョイント２２０での運動が続けられる場合、ツールガイド３５０上の位置は、第１のピッチジョイント２２０の周りで枢動して、遠隔運動中心２１６から離れて移動する。

図５を参照すると、一実施形態による、前方にピッチした構成のロボットアームの側面図が示されている。挿入軸３５２は、枢動ガイドチューブ３５４を遠隔運動中心２１６の周りで枢動するように前方にピッチさせることができる。ツールガイド３５０のピッチ運動は、第１のピッチジョイント２２０、第２のピッチジョイント２２４、又はプリズムジョイント２３０のうちの１つ又は２つ以上での同時の運動を作動させることによって生じされ得る。より具体的には、プリズムリンク２１８は、伸ばすことができ、同時に挿入軸３５２とロール軸３０２との間の角度５０２を（時計回り方向に）増加させて、遠隔運動中心２１６でのガイドチューブ３５４上の同じ位置を維持することができる。ツールガイド３５０が前方にピッチするとき、運動範囲が設定される。運動範囲は、ロール軸３０２と遠隔運動中心２１６を通って延在している挿入軸３５２との間の角度５０２内であり得る。ロール軸３０２に対して直角に延在している垂直軸（図示せず）は、基準幾何学形状として使用することができる。垂直軸は、ホーム構成４０６において挿入軸３５２と共線とすることができる。前方ピッチ構成では、前方作業サブ角度を、垂直軸と挿入軸３５２との間に形成することができる。前方作業サブ角度は、円錐作業空間４０２の一部分を画定することができる。より具体的には、前方作業サブ角度は、垂直軸基準幾何学形状を含み、かつページに対して直角である平面の第１の側に、円錐作業空間４０２の一部分を画定することができる。

図６を参照すると、一実施形態による、後方ピッチ構成のロボットアームの側面図が示されている。挿入軸３５２は、遠隔運動中心２１６の周りでガイドチューブ３５４を枢動するために後方にピッチさせることができる。より具体的には、プリズムリンク２１８は、縮めることができ、同時に挿入軸３５２とロール軸３０２との間の角度６０２を角度５０２から減少させて、遠隔運動中心２１６でのガイドチューブ３５４上の同じ位置を維持することができる。外科用ツール１０４及び／又はツールガイド３５０が後方にピッチするとき、図５の角度５０２と図６の角度６０２との間の差が、円錐作業空間４０２の作業角度４０４を画定することができる。後方ピッチ構成では、後方作業サブ角度を、垂直軸と挿入軸３５２との間に形成することができる。後方作業サブ角度は、前方作業サブ角度によって画定される作業空間の一部分の反対側の円錐作業空間４０２の一部分を画定することができる。

ロボットアーム２０４のホーム構成４０６ごとに、挿入軸３５２によってスイープされる作業角度４０４は、ホーム構成４０６のそれぞれのホーム距離４０８に基づき得る。所与のホーム距離４０８の場合、挿入軸３５２は、ロール軸３０２に対して特定の運動範囲を有する。運動範囲は、図５の前方作業サブ角度及び図６の後方作業サブ角度を通したピッチ運動を含むことができる。あるホーム構成４０６の場合、前方作業サブ角度及び後方作業サブ角度は、等しい。そのホーム構成の場合、円錐作業空間４０２の対称軸は、垂直軸基準幾何学形状と同軸である。作業角度４０４は、対称のホーム構成において最大になり得る。他のホーム構成の場合、前方作業サブ角度及び後方作業サブ角度は、等しくない。そうしたホーム構成４０６の場合、円錐作業空間４０２の対称軸は、垂直軸に対して傾斜している。例えば、下で説明するように、ホーム構成４０６のホーム距離４０８が増加するにつれて、前方作業サブ角度が減少し、後方作業サブ角度が増加する。対照的に、ホーム構成４０６のホーム距離４０８が減少するにつれて、前方作業サブ角度が増加し、後方作業サブ角度が減少する。換言すれば、前方作業サブ角度は、ホーム距離４０８に反比例し得、後方作業サブ角度は、所与のホーム構成４０６の場合、ホーム距離４０８に比例し得る。

設計されているホーム距離に基づく作業角度４０４のいくつかの例をここで一例として説明するが、限定するものではない。対称の前方及び後方作業サブ角度を有するホーム構成は、４２５ｍｍのホーム距離４０８を有することができる。すなわち、ホーム構成の場合、挿入軸３５２がロール軸３０２に対して直角であるとき、遠隔運動中心２１６は、第１のピッチジョイント２２０から４２５ｍｍ離間され得る。ホーム構成４０６では、ロール軸３０２は、挿入軸３５２及び垂直軸基準幾何学形状に対して直角であり、かつ遠隔運動中心２１６において両方の軸と交差する。ツールドライブ２１４が、ツールガイド３５０上の同じ位置を遠隔運動中心２１６に位置付けることができる最大角度へと、すなわち対称ホーム構成４０６の場合の作業角度５０２へと前方にピッチされるとき、挿入軸３５２は、垂直軸基準幾何学形状から７０度離れ得る。同様に、ツールドライブ２１４が、ツールガイド３５０上の同じ位置を遠隔運動中心２１６に位置付けることができる最大角度へと、すなわちホーム構成４０６の場合の図６の後方作業サブ角度へと後方にピッチされるとき、挿入軸３５２は、垂直軸基準幾何学形状から－７０度離れ得る。

非対称前方及び後方作業サブ角度を有する代替のホーム構成４０６は、５２５ｍｍのホーム距離４０８を有することができる。すなわち、非対称ホーム構成４０６の場合、挿入軸３５２がロール軸３０２に対して直角であるとき、遠隔運動中心２１６は、第１のピッチジョイント２２０から５２５ｍｍ離間され得る。非対称ホーム構成４０６では、ロール軸３０２は、挿入軸３５２及び垂直軸基準幾何学形状に対して直角であり、かつ遠隔運動中心２１６において両方の軸と交差する。ツールドライブ２１４が、非対称ホーム構成４０６の場合の角度５０２へと前方にピッチされるとき、挿入軸３５２は、垂直軸基準幾何学形状から３０°（前方方向における全運動範囲未満）離れ得る。対照的に、ツールドライブ２１４が、代替のホーム構成４０６の場合の角度６０２へと後方にピッチされるとき、挿入軸３５２は、垂直軸基準幾何学形状から－７０度（後方方向における全運動範囲）離れ得る。

別の非対称ホーム構成は、３２５ｍｍの代替のホーム距離４０８を有する。すなわち、非対称ホーム構成４０６の場合、挿入軸３５２がロール軸３０２に対して直角であるとき、遠隔運動中心２１６は、第１のピッチジョイント２２０から３２５ｍｍ離間され得る。外科用ツール１０４及び／又はツールドライブ２１４が非対称ホーム構成４０６の場合の前方作業角度５０２へと前方にピッチされるとき、挿入軸３５２は、垂直軸基準幾何学形状から７０度（前方方向における全運動範囲）離れ得る。対照的に、外科用ツール１０４及び／又はツールドライブ２１４が、非対称ホーム構成４０６の場合の後方作業角度６０２へと後方にピッチされるとき、挿入軸３５２は、垂直軸基準幾何学形状から－５度（後方方向における全運動範囲未満）離れ得る。

上記の例は、入力ジョイントから遠隔運動中心２１６まで一定の距離を有するハードウェア拘束されたロボットアームとは対照的に、ソフトウェア制御のロボットアームが、ホーム距離４０８を変化させる能力を提供することを示す。更に、ホーム距離４０８を変化させることによって、外科用ツール１０４及び／又はツールガイド３５０の運動範囲を制御することができる。これは、運動範囲を、特定の動作状態に対して最適化することを可能にする。例えば、ホーム距離４０８を増加させ、それに応じて前方作業角度５０２を減少させることによって、外科用ツール１０４及び／又はツールドライブ２１４と患者１０２又はベッド横の操作者１０６との間に追加のクリアランスが提供され得る。追加の患者クリアランスによって、ベッド横の操作者１０６が、ロボットアームにぶつかるリスクを少なくしながら、患者１０２のアクセス点の周囲の空間内で作業することを可能にすることができる。同様に、ホーム距離４０８を減少させることによって、外科用ロボットアーム１１２を全体的により小さくして、隣接するロボットアームとの衝突を回避することができる。円錐作業空間４０２を最大にすることが必要である場合、例えば、外科手術によって患者１０２の体内での最大運動範囲が必要とされる場合、ホーム距離４０８を、対称ホーム構成及び対応する最大作業サブ角度を達成するように変化させることができる。したがって、ハードウェア拘束されたロボットアームと比較して、本明細書で説明される外科用ロボットアーム１１２は、特定の外科用シナリオのニーズに適合され得る。

図７Ａ～図７Ｂを参照すると、一実施形態による、ツールドライブ上に装着された外科用ツールの側面図が示されている。ツールドライブ２１４は、挿入軸３５２に沿って、遠位方向（ガイドチューブ３５４に向かう）及び近位方向（ガイドチューブ３５４から離れる）にキャリッジ３５６を移動させることができる。線形運動は、外科用ツール１０４を、挿入軸３５２に沿った異なる位置において、完全後退状態から完全挿入状態へと移動させることができる。

図７Ａは、完全後退状態のキャリッジ３５６及び外科用ツール１０４を示す。一実施形態では、ツールドライブ２１４は、ツールガイド３５０に固定されたガイドベース７０２を含む。例えば、ツールガイド３５０は、ガイドベース７０２上に装着することができる。転じて、ガイドチューブ３５４は、ガイドベース７０２に対する空間内の一貫した位置を有することができる。他方では、キャリッジ３５６は、ベース７０２を案内するように移動可能に結合され得る。例えば、ガイドベース７０２は、モータ駆動ねじなどの線形アクチュエータによって挿入軸３５２と平行に駆動される、段などの直動軸受を含み得る。キャリッジ３５６は、ガイドベース７０２に対して遠位方向及び近位方向に移動させるように、直動軸受に直接装着することができる。外科用ツール１０４は、外科用ツール１０４のシャフト７０４が挿入軸３５２に沿って遠位方向に延在するように、キャリッジ３５６上に装着することができる。完全後退状態では、シャフト７０４は、キャリッジ３５６とツールガイド３５０との間の垂直空間に保持され得る。

図７Ｂは、完全延在状態のキャリッジ３５６及び外科用ツール１０４を示す。キャリッジ３５６及び外科用ツール１０４は、挿入軸３５２に沿ってガイドベース７０２に対して遠位に駆動することができる。キャリッジ３５６が前方に駆動されると、外科用ツール１０４のシャフト７０４は、ガイドチューブ３５４の管腔に進入することができる。キャリッジ３５６の継続的な線形運動は、シャフト７０４の遠位端が現れるまで、ガイドチューブ３５４を通してシャフト７０４を挿入することができる。手術中に、シャフト７０４の遠位端は、ガイドチューブ３５４を外科用アクセス点内に挿入するときに患者１０２の体内で外科手術を行うために使用され得るカメラ、把持具、又は別のエンドエフェクタを含むことができる。

図８Ａ～図８Ｂを参照すると、一実施形態による、入れ子ツールドライブ上に装着された外科用ツールの側面図が示されている。一実施形態では、ツールドライブ２１４は、多段のプリズムジョイントを含むことができる。より具体的には、プリズムリンク２１８のように、ツールドライブ２１４は、入れ子式でキャリッジ３５６の移動を生じさせる構成要素を組み込むことができる。

図８Ａは、完全後退状態のキャリッジ３５６及び外科用ツール１０４を示す。一実施形態では、ガイドベース７０２は、ツールガイド３５０に固定される。他方では、キャリッジ３５６は、ベース７０２を案内するように移動可能に結合され得る。１つ又は２つ以上のアイドラリンク８０２は、ガイドベース７０２及びキャリッジ３５６の両方に接続することができ、アイドラリンク８０２は、ガイドベース７０２及びキャリッジ３５６の一方又は両方に対して同時に移動させることができる。ツールドライブ２１４のプリズムジョイントは、キャリッジ３５６及びツールベース７０２のうちの１つ又は２つ以上をアイドラリンク８０２に対して遠位方向及び近位方向に移動させるための機構を含むことができる。例えば、第１の線形軸受は、ツールベース７０２をアイドラリンク８０２に接続することができ、第１の線形アクチュエータは、軸受によって画定された運動の方向にアイドラリンク８０２を駆動することができる。同様に、第２の線形軸受は、アイドラリンク８０２をキャリッジ３５６に接続することができ、第２の線形アクチュエータ（又はベルトなどの伝達要素）は、軸受によって画定された運動の方向にキャリッジ３５６を駆動することができる。したがって、キャリッジ３５６は、入れ子式でツールベース７０２に対して移動させることができる。一実施形態では、第２のピッチジョイント２２４は、ガイドベース７０２をアイドラリンク８０２に沿った第２のピッチジョイント２２４における接続部に対して前方及び後方に駆動することができるように、アイドラリンク８０２に接続することができる。

図８Ｂは、完全延在状態のキャリッジ３５６及び外科用ツール１０４を示す。キャリッジ３５６及び外科用ツール１０４は、挿入軸３５２に沿ってガイドベース７０２に対して遠位に駆動することができる。例えば、アイドラリンク８０２は、ガイドベース７０２に対して遠位に駆動することができ、及び／又はキャリッジ３５６は、アイドラリンク８０２に対して遠位に駆動することができる。キャリッジ３５６が前方に駆動されると、外科用ツール１０４のシャフト７０４は、ガイドチューブ３５４の管腔に進入することができる。キャリッジ３５６の継続的な線形運動は、外科手術を行うためにシャフト７０４の遠位端が患者１０２の体内に現れるまで、ガイドチューブ３５４を通してシャフト７０４を挿入することができる。一実施形態では、図８Ａ～図８Ｂに示されるツールドライブ２１４の入れ子作用は、ツールドライブ２１４の全体的なエンベロープを最小にすることを可能にする。より具体的には、追加のプリズムジョイント段の使用によって、ツールドライブ２１４がコンパクト化された状態でより小さい空間内に適合することを可能にすることができる。したがって、入れ子プリズムジョイント２３０を有するツールドライブ２１４は、手術台２０２の下に収容することができる。

一実施形態では、ツールドライブ２１４の運動範囲は、ツールドライブ２１４と患者１０２との間のクリアランスを調整することによって増加させることができる。より具体的には、運動範囲は、ツールドライブ２１４が挿入軸３５２に沿って第２のピッチジョイント２２４に結合される位置を移動させること、又は入れ子体をツールガイド３５０に動作可能に組み込んで挿入軸３５２に沿って入れ子にすること、のうちの１つ又は２つ以上によって増加させることができる。これらの特徴は、上で説明した実施形態のうちのいずれかに組み込むことができるが、特徴は、図８Ａ～図８Ｂにのみ例示されていることが理解されるであろう。

図８Ａを再度参照すると、ツールドライブ２１４が第２のピッチジョイント２２４（図示せず）に結合される結合位置は、挿入軸３５２に沿って動作可能に移動可能である。一実施形態では、結合位置８１０の装着点は、ツールドライブ段に沿って、例えばツールガイドベース７０２上を移動可能であり得る。例えば、ツールガイドベース７０２は、近位結合位置８１０、及び中間結合位置８１２、遠位結合位置８１４など、のうちの１つ又は２つ以上においてツールガイド３５０に接続することができる。接続部は、例えば、ツールガイド３５０に個々に接続する結合位置８１０、８１２、及び８１４に位置するそれぞれの結合部を通した、様々な離散した位置とすることができる。代替的に、ツールガイドベース７０２及びツールガイド３５０は、線形スライドの移動可能部分上に装着され得、したがって、スライドを作動させることによって互いに対して移動させることができる。スライドが作動すると、ツールガイド３５０が点８１０、８１２、８１４などへ移動することができ、したがって、ツールガイドベース７０２に対する位置を変化させることができる。したがって、ツールガイド３５０は、ツールガイドベース７０２に対する離散した位置に対してラッチ係合解除及びラッチ係合して、又はツールガイドベース７０２に対して連続的に移動させて、ツールドライブ２１４と患者１０２との間の距離を変化させることができる。例えば、ツールガイド３５０が位置８１４においてツールガイドベース７０２に取り付けられたとき、ツールドライブは、患者１０２からより遠くにある。ツールガイド３５０の装着点をツールドライブ段に沿って移動可能にすることによって、運動範囲５０２を増加させることができる。

図８Ｂを再度参照すると、ツールガイド３５０は、挿入軸３５２に沿って動作可能に入れ子である、入れ子体８２０を含む。入れ子体８２０は、一例として挿入軸３５２に沿って共線的にネストされる、近位ガイドチューブ８２２及び遠位ガイドチューブ８２４を含むことができる。一実施形態では、遠位ガイドチューブ８２４は、近位ガイドチューブ８２２内を前方又は後方に摺動して、ツールガイド３５０を入れ子にすることができる。入れ子体８２０を手動で又は自動的に作動させると、遠位ガイドチューブ８２４の遠位端の位置を変化させることができ、よって、患者１０２に対する遠隔運動中心２１６の位置を変化させることができる。これらの点が変化することで、運動範囲５０２が変化し得る。例えば、ガイドチューブは、ツールガイドベース７０２と患者１０２との間のクリアランスを増加させるように延在させることができる。したがって、運動範囲５０２を増加させることができる。

図９を参照すると、一実施形態による、遠隔運動中心を固定したままにするようにロボットアームを制御する方法のフローチャートが示されている。ロボットアーム２０４は、第１の構成に位置付けること、又はそれへと移動させることができる。第１の構成では、ロールジョイント２１２のロール軸３０２は、遠隔運動中心２１６においてツールドライブ２１４の挿入軸３５２と交差する。ロール軸３０２は、第１の構成において、挿入軸３５２から第１の角度離れる。例えば、第１の構成は、ホーム構成４０６とすることができ、第１の角度は、９０度であり得る。代替的に、第１の構成は、ツールガイド３５０が垂直軸基準幾何学形状に対して傾斜される状態とすることができ、よって、第１の角度は、９０度とは異なり得る。

ロボットアーム２０４を第１の構成に移動させるために、リンケージの各ジョイントのモータを移動させることができる。例えば、第１のピッチジョイント２２０に位置付けられたステッパモータは、線形軸３０６とロール軸３０２との間の角度を変化させることができる。同様に、第２のピッチジョイント２２４に位置付けられたステッパモータは、線形軸３０６と挿入軸３５２との間の角度を変化させることができる。ステッパモータによって設定された角度は、プリズムリンク２１８のリンクに接続された線形アクチュエータによって駆動されるときに、プリズムリンク２１８の長さに対応することができる。プリズムリンク２１８のプリズムジョイント２３０を駆動する線形アクチュエータは、親ねじを含むことができる。例えば、入れ子プリズムリンク２１８の場合、中間サブリンク３１４は、親ねじの回転によって移動する、線形駆動軸受を含むことができる。他のサブリンク、例えば第１のサブリンク及び第２のサブリンクは、ベルト及びプーリ機構などの伝達機構を通して中間サブリンクに接続され得る。中間サブリンクが親ねじの回転によって移動すると、サブリンクを相互接続するベルトも移動して、リンクを押し得、及び／又は引き得る。したがって、サブリンクは、プリズムリンク２１８の全体的な長さの変化に同調して移動することができる。

遠隔運動中心機構の構成要素の位置は、１つ又は２つ以上の位置センサによって検知することができる。例えば、ロールジョイント２１２、プリズムリンク２１８、及びツールドライブ２１４の移動及び／又は位置を検出するために、絶対位置センサのネットワークがロボットアーム２０４の全体にわたって分配され得る。一実施形態では、絶対センサは、ジョイントの位置を検出するために、ロボットアーム２０４の各ジョイントに、又はロボットアーム２０４（球状アームなど）の一部分の各ジョイントに位置付けられる。センサのネットワークからのフィードバックは、外科用ロボットシステム１００（図１０）のプロセッサによって受信して、ロボットアーム２０４の全体的な幾何学形状を決定するために処理することができる。プロセッサは、フィードバックを使用して、遠隔運動中心２１６を固定したままに保つジョイント構成を決定することができる。例えば、遠隔運動中心２１６は、ツールガイド３５０上の位置に固定したままにすることができる。プロセッサは、所望の幾何学形状を達成するようにアクチュエータを移動させる、駆動信号を生成することができる。例えば、プロセッサは、下で説明するように、ロボットアーム２０４の移動を第１の構成へと、又は後続の構成へと制御するための駆動信号を生成する。構成間の移動は、遠隔運動中心２１６を固定したままにしながら行うことができる。

動作９０２で、プロセッサは、挿入軸３５２に沿って遠隔運動中心２１６を通して患者１０２に挿入される外科用ツール１０４を移動させるように、ロボットアーム２０４を駆動することができる。例えば、プロセッサは、作業角度４０４を通して挿入軸３５２をスイープさせるように、ロボットアーム２０４を駆動することができる。挿入軸３５２は、外科用ツール１０４及び／又はツールガイド３５０が患者１０２に挿入されるとき、作業角度４０４を通してスイープさせることができる。外科用ツール１０４及び／又はツールガイド３５０は、挿入軸３５２に沿って遠隔運動中心２１６を通して患者１０２に挿入することができる。

動作９０４で、プロセッサは、遠隔運動中心２１６を固定したままにするように、ロボットアーム２０４の移動、例えばロボットアーム２０４の設定アーム２５０及び球状アーム２５２のいくつかのジョイント又はリンクの移動を決定することができる。プロセッサは、位置センサのネットワークからのフィードバックを、ロボットアーム２０４の移動を制御するために使用される制御アルゴリズムへの入力として使用することができる。例えば、球状アームは、作業角度４０４を通して挿入軸３５２をスイープしている間、遠隔運動中心２１６を固定したままにするために、プロセッサの制御装置の下で移動又は案内されるように構成することができる。

動作９０６で、プロセッサは、動作９０４で決定された、例えば球状アーム２５２のいくつかのジョイント又はリンクの移動を達成するように、ロボットアーム２０４を駆動することができる。ロボットアーム２０４の構成要素は、ロボットアーム２０４を第２の構成へと移動させるように再位置決めすることができる。ロボットアーム２０４の再位置付けは、プリズムサブリンクを互いに対して入れ子状に移動させることを含むことができる。より具体的には、プロセッサは、プリズムリンク２１８のいくつかのプリズムサブリンクが互いに対して摺動するように、プリズムリンク２１８の移動を制御することができる。プリズムジョイント２３０と関連付けられた線形アクチュエータは、第１のプリズムサブリンク３１０をプリズムジョイント２３０の線形軸３０６に沿って第２のプリズムサブリンク３１２に対して摺動するように作動させることができる。プリズムサブリンクを摺動させることは、線形軸３０６に沿って第１のプリズムサブリンク３１０を中間プリズムサブリンク３１４に対して第１の方向に摺動させることと、第２のプリズムサブリンク３１２を中間プリズムサブリンク３１４に対して第１の方向とは反対の第２の方向に摺動させることと、を含むことができる。より具体的には、サブリンクは、プリズムリンク２１８の全体的な長さを増加させるように、離れて摺動することができる。いずれの場合でも、プリズムサブリンクは、プリズムジョイント２３０によって互いに対して移動することができる。

第２の構成では、ロール軸３０２は、挿入軸３５２から第２の角度離れる。第２の角度は、第１の角度とは異なり得る。第２の構成では、遠隔運動中心２１６は、第１の構成と同じ位置にあり得る。したがって、第１の構成から第２の構成への移動は、プロセッサによって、挿入軸３５２が作業角度４０４を通してスイープされる間、遠隔運動中心２１６を固定したままにするように制御される。

一実施形態では、ツールドライブ２１４のキャリッジ３５６は、挿入軸３５２の方向に移動する。より具体的には、キャリッジ３５６は、ツールガイド３５０に対して移動することができる。例えば、キャリッジ３５６は、挿入軸３５２に沿って遠位に駆動して、キャリッジ３５６上に装着される外科用ツール１０４のシャフト７０４を、ガイドチューブ３５４の管腔を通して患者１０２の中へ進ませることができる。

図１０を参照すると、一実施形態による、外科用ロボットシステムの例示的なハードウェア構成要素のブロック図が示されている。例示的な外科用ロボットシステム１００は、ユーザコンソール１２０、外科用ロボット１００２、及び制御タワー１３０を含むことができる。外科用ロボットシステム１００は、他の追加のハードウェア構成要素を含み得、したがって、図は、一例として提供されるものであり、このシステムアーキテクチャに限定するものではない。

上で説明したように、ユーザコンソール１２０は、コンソールコンピュータ１１０と、１つ又は２つ以上のＵＩＤ１２６と、を含む。ユーザコンソール１２０は、コンソールアクチュエータ１００４と、ディスプレイ１２８と、ＵＩＤトラッカ１００６と、フットペダル１２４と、ネットワークインターフェース１１０８と、を含むことができる。ユーザコンソール１２０に着座しているユーザ又は外科医は、ユーザコンソール１２０の人間工学的な設定を手動で調整することができ、又は設定は、ユーザプロファイル又は選好に従って自動的に調整され得る。手動調整及び自動調整は、ユーザ入力又はコンソールコンピュータ１１０によって記憶された構成に基づいてコンソールアクチュエータ１００４を駆動することを通して達成され得る。ユーザは、２つのマスタＵＩＤ１２６及びフットペダル１２４を使用して外科用ロボット１００２を制御することによって、ロボット支援手術を行い得る。ＵＩＤ１２６の位置及び方向は、ＵＩＤトラッカ１００６によって連続的に追跡され、状態の変化は、コンソールコンピュータ１１０によってユーザ入力として記録されて、ネットワークインターフェース１００８を介して制御タワー１３０に送られる。患者の解剖学的構造のリアルタイム外科用ビデオ、器具、及び関連するソフトウェアアプリケーションは、開放型又は没入型ディスプレイを含む、高解像度三次元ディスプレイ１２８上でユーザに提示することができる。

他の既存の外科用ロボットシステムとは異なり、本明細書に開示されるユーザコンソール１２０は、単一の光ファイバケーブルを通じて制御タワー１３０に通信可能に結合され得る。ユーザコンソールはまた、改善された人間工学のための追加的な特徴も提供する。例えば、開放型及び没入型ディスプレイのどちらも、没入型ディスプレイと比較するためにだけ提供される。更に、改善された人間工学のために、外科医のための高度に調整可能な椅子及び電磁又は光トラッカを通して追跡されるマスタＵＩＤがユーザコンソール１２０に含まれる。安全性を向上させるために、視線追跡、頭部追跡、及び／又は椅子の旋回追跡は、例えばユーザの視線が所定の期間を超えて開放型ディスプレイの手術部位に係合されていないときに遠隔操作を一時停止又はロックすることによって、偶発的なツールの運動を防止するために実行することができる。

制御タワー１３０は、タッチスクリーンディスプレイを収容するモバイルポイントオブケアカート、外科医のロボット支援型の器具の操作を制御するコンピュータ、安全システム、グラフィカルユーザインターフェース（graphical user interface、ＧＵＩ）、光源、並びにビデオ及びグラフィックコンピュータとすることができる。図１０に示されるように、制御タワー１３０は、少なくとも視覚化コンピュータ、制御コンピュータ、及び補助コンピュータを含む中央コンピュータ１０１０と、チームディスプレイ及び看護師ディスプレイを含む様々なディスプレイ１０１２と、制御タワー１３０をユーザコンソール１２０及び外科用ロボット１００２の両方に結合するネットワークインターフェース１０１４と、を含み得る。制御タワー１３０はまた、高度な光エンジン１０１６、電気外科用発電ユニット（electrosurgical generator unit、ＥＳＵ）１０１８、並びに送気器及びＣＯ_２タンク１０２０などの、サードパーティデバイスも収容し得る。制御タワー１３０は、看護師ディスプレイタッチスクリーン、ソフトパワー及びｅホールドボタン、ビデオ及び静止画像のためのユーザフェーシングＵＳＢ、並びに電子キャスタ制御インターフェースなどの、ユーザの利便性のための追加的な特徴を提供し得る。補助コンピュータはまた、リアルタイムＬｉｎｕｘを実行し得、ロギング／監視、及びクラウドベースのウェブサービスとの相互作用を提供する。

外科用ロボット１００２は、標的の患者の解剖学的構造の上に位置付けることができる複数の一体型アーム１１２を有する、関節運動手術台１１１を含む。互換ツール１０４一式は、アーム１１２の遠位端に取り付けること、又はそこから取り外すことができ、外科医が、様々な外科処置を行うことを可能にする。外科用ロボット１００２はまた、アーム１１２、台１１１、及びツール１０４の手動制御機器のための制御インターフェース１０２２も含み得る。制御インターフェースは、限定されないが遠隔制御装置、ボタン、パネル、及びタッチスクリーンなどの物品を含むことができる。また、システムによって処置を行うために、トロカール（スリーブ、シールカートリッジ、及び栓子）及びドレープなどの他の付属品も必要であり得る。いくつかの変形例では、複数のアーム１１２は、各側上に２つのアームを有する、手術台１１１の両側上に装着された前アームを含む。特定の外科処置の場合、台の一方の側上に装着されたアームは、台及び反対側に装着されたアームの下に伸ばして交差させることによって、台の反対側に位置付けることができ、台１１１の同じ側に位置付けられた合計で３つのアームをもたらす。外科用ロボット１００２はまた、台のコンピュータ１０２４及びネットワークインターフェース１０２６を含むこともでき、これらは、制御タワー１３０と通信して外科用ロボット１００２を配置することができる。

ロボットアーム２０４は、他の用語で説明することができる。ロボットアーム２０４は、いくつかの制御モードを可能にするためにアーム幾何学形状に組み込まれた冗長性を有する多自由度のアームとすることができ、制御モードは、患者クリアランスを最大にすること、アームによって患者の組織に加えられる力を最小にすること、及び外科用ロボットシステム１００のアームと他の構造、例えば別のアームとの間の衝突を最小にすることができる。より具体的には、ロボットアーム２０４が外科用ロボットプラットフォーム１１１上に装着されたとき、ロボットアーム２０４は、患者１０２へのリーチ及びアクセスを最大にすることができる。冗長な制御システムは、患者クリアランス、力、及びエンドエフェクタの制御を最適化することを可能にすることができる。

多自由度アーム２０４は、機械的に独立した少なくとも４の遠位自由度を含むことができる。例えば、ロボットアーム２０４の球状アーム２５２は、遠隔運動中心２１６の周りで２の交差回転自由度を可能にすることができる、遠位自由度を含み得る。追加的に、遠隔運動中心２１６と交差する、第３の遠位線形自由度を提供することができる。これらの自由度は、球状アーム２５２の遠位球状機構を提供する。遠位球状機構の回転自由度の少なくとも１つは、２つの回転ジョイントと連動する線形入れ子機構を含むことができる。組み合わせは、遠隔運動中心２１６の周りでの外科用ツール１０４の回転の１つを可能にすることができる。遠隔運動中心２１６の周りの第２の回転自由度は、アーム２０４のジョイントの残部の回転と組み合わせた回転ジョイントによって可能にすることができる。

一実施形態では、多自由度アームは、少なくとも５の近位自由度を有することができる。例えば、ロボットアーム２０４の設定アーム２５０は、球状アーム２５２が２つの追加の冗長度によって位置付けることを可能にすることができる、近位自由度を含むことができる。冗長な自由度によって、球状アーム２５２の運動範囲を拡張するために、ロボットアーム２０４の近位本体の遠隔又はシステム駆動の再位置付けを可能にすることができる。そのような再位置付けは、外科用ツール１０４を同じ姿勢に保ちながら、患者１０２へのアクセスを提供することができる。そのような再位置付けはまた、手術中の、外科用ロボットシステム１００のアーム２０４の任意の部分と別のアームとの間の衝突を回避することもできる。

多自由度アームは、交換可能な外科用ツール１０４のためのキャリッジを有する線形段を含むことができる。線形段は、冗長な線形自由度を有することができる。より具体的には、冗長な線形自由度は、線形段を球状アーム２５２に取り付けて、線形段を保持するジョイントが、ロボットアーム２０４と患者１０２の身体との間により多くのクリアランスを作り出すことを可能にすることができる。

上で説明したように、多自由度アームは、段に沿ったピッチ機構の取り付けの位置を変化させることを可能にする自由度を有することができる。より具体的には、図８Ａに関して説明されるように、取り付け位置８１０を調整することができる。同様に、一実施形態では、多自由度アームは、トロカール本体を患者１０２から引き離すことを可能にする、入れ子トロカールを有することができる。例えば、図８Ｂに関して明白であるように、入れ子トロカールは、伸ばしてガイド７０２と患者１０２との間にクリアランスを作り出すことができる。

上で説明した物理的な機構に加えて、ロボットアーム２０４は、１つ又は２つ以上のセンサを組み込むことができる。一実施形態では、ロボットアーム２０４は、手術室内の外科用ロボットシステム１００の他の構成要素又は他の物体への近接を検出するために、皮膚センサを含む。例えば、皮膚センサによって、他のアーム、付属品、患者１０２の身体、ユーザ１０６の身体などへの近接を検出することができる。

ロボットアーム２０４は、ロボットアーム２０４のジョイント又は構成要素のうちの１つ又は２つ以上に、１つ又は２つ以上のトルク又は力センサを組み込むことができる。例えば、手術中にジョイントに加えられた力及び／又はトルクを検出するために、力又はトルクを検知することができる多自由度センサが、アームのジョイントに組み込まれ得る。同様に、手術中に加えられた力又はトルクを検知するために、ツールガイド３５０内に、例えばガイドチューブ３５４のカニューレ内に、力又はトルクセンサを一体化することができる。

ロボットアーム２０４のセンサは、距離又は位置検知センサを含むことができる。例えば、ロボットアーム２０４から患者１０２までの距離を検出又は測定するために、ツールガイド３５０上に、例えば近位上又は遠位ガイドチューブに位置センサを装着することができる。同様に、手術室内の手術台１１１及び他の物体に対するロボットアーム２０４の位置の追跡を可能にするために、アーム２０４の１つ又は２つ以上の位置に光学センサを装着することができる。

上記のロボットアーム２０４の力及び／又は距離の検知センサは、外科用ロボットシステム１００によって使用され、ロボットアーム２０４をいくつかの動作モードに従って制御することができる。ある動作モードでは、ロボットアーム２０４のセンサによって得られた指示値に基づいて、外科用ツール１０４のエンドエフェクタの位置及び方向を制御することができる。ある動作モードでは、ロボットアーム２０４のセンサによって得られた指示値に基づいて、遠隔運動中心２１６の位置を制御することができる。同様に、ある動作モードでは、ロボットアーム２０４のセンサによって得られた指示値に基づいて、遠隔運動中心２１６への力を制御することができる。

遠隔運動中心２１６、ツールガイド３５０、及びロボットアーム２０４の他の構成要素への力を検知する能力は、例えば、ユーザ１０６又は患者１０２と衝突し得るアームの部分のうちのいくつかのコンプライアンスを制御することを可能にすることができる。例えば、段のコンプライアンスは、遠隔運動中心２１６の剛性を所定のレベルに維持しながら制御することができる。

ある動作モードでは、ロボットアーム２０４のセンサは、ロボットアーム２０４と患者１０２との間のクリアランスを最大にするための距離又は方向の指示値を提供することができる。最大化されたクリアランスは、アームと患者との間の衝突を回避することができる。同様に、アーム２１４の位置は、外科用ロボットシステム１００のアーム２１４と別のアームとの、アーム２１４と外科用ロボットシステム１００の付属品との、アーム２１４と患者１０２との、又はアーム２１４と操作者１０６との衝突を最小にするように最適化することができる。

多自由度アームは、アーム２５０、２５２及び／又はツールドライブ２１４に組み込まれたセンサから収集されたセンサデータを使用して、追加の動作モードで動作させることができる。例えば、ある動作モードでは、アーム２０４は、アーム２５２の遠位部分との自動トロカールドッキング、例えばツールガイド３５０の段へのドッキングを可能にすることができる。アーム２５２の遠位部分は、例えば機械的に独立した遠位自由度の動作を介して、緻密なドッキング運動を達成するために使用することができる。

多自由度アームの近位自由度及び遠位自由度は、アーム構成要素の移動を可能にすることができる。例えば、球状アーム２５２の２の回転自由度は、エンドエフェクタ、例えば外科用ツール１０４の回転移動を可能にすることができる段のピッチ／ロール運動を可能にする。ロボットアームの近位ジョイント、例えば設定アーム２５０のジョイントは、患者１０２に対する球状アーム２５２の作業空間を再配向するために、球状アーム２５２が移動しているか、移動していないかにかかわらず、手術中に再位置決めすることができる。

一実施形態では、アーム構成要素の移動は、ロール軸３０２に沿って遠隔運動中心２１６を移動させることができる。例えば、アーム構成要素は、ロール軸３０２に沿った遠隔運動中心２１６と第１のピッチジョイント２２０との間の距離を変化させるように調整することができる。

前述の明細書では、その特定の例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明してきた。以下の特許請求の範囲に記載される本発明のより広範な趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正がなされ得ることが明らかになるであろう。したがって、本明細書及び図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味であるとみなされるべきである。

〔実施の態様〕
（１） ロボットアームであって、
遠隔運動中心を通して挿入軸に沿って患者に挿入するように構成された外科用ツールを支持するためのツールドライブと、
前記ツールドライブに結合された複数のジョイント又はリンクであって、
前記遠隔運動中心で前記挿入軸と交差するロール軸に沿って延在するロールジョイントと、
第１のピッチジョイントによって前記ロールジョイントに結合された第１のプリズムサブリンクと、第２のピッチジョイントによって前記ツールドライブに結合された第２のプリズムサブリンクと、を含む、プリズムリンクであって、前記第１のプリズムサブリンクが、プリズムジョイントによって前記第２のプリズムサブリンクに結合され、前記ツールドライブが前記第２のピッチジョイントに結合される結合位置が、前記挿入軸に沿って動作可能に移動可能である、プリズムリンクと、を含む、複数のジョイント又はリンクと、を備え、
前記複数のジョイント又はリンクが、前記プリズムジョイントによって前記第１のプリズムサブリンクに対して前記第２のプリズムサブリンクを入れ子状に移動させて、前記遠隔運動中心を固定したままにすることを含め、プロセッサの制御の下で移動又は案内されるように構成されている、ロボットアーム。
（２） 前記第１のピッチジョイントが、第１のピッチ軸の周りで回転し、前記第２のピッチジョイントが、第２のピッチ軸の周りで回転し、前記第１のピッチ軸が、前記第２のピッチ軸と平行である、実施態様１に記載のロボットアーム。
（３） 前記プリズムジョイントが、線形軸に沿って摺動し、前記線形軸が、前記第１のピッチ軸及び前記第２のピッチ軸に対して直角である、実施態様２に記載のロボットアーム。
（４） 前記プリズムリンクが、前記第１のピッチ軸の周りで前記ロールジョイントに対して回転し、前記プリズムリンクが、前記第２のピッチ軸の周りで前記ツールドライブに対して回転し、前記第１のプリズムサブリンクが、前記線形軸に沿って前記第２のプリズムサブリンクに対して摺動する、実施態様３に記載のロボットアーム。
（５） 前記ロボットアームが、複数のホーム構成を有し、前記ロール軸が前記挿入軸に対して直角であるときに、各ホーム構成が、前記第１のピッチジョイントと前記遠隔運動中心との間にそれぞれのホーム距離を有し、前記第１のピッチジョイント、前記プリズムジョイント、及び前記第２のピッチジョイントが、前記遠隔運動中心を固定したままにしながら、作業角度にわたり前記挿入軸を移動させるように移動可能であり、前記作業角度が、前記ホーム距離に基づく、実施態様１に記載のロボットアーム。

（６） 前記プリズムリンクが、前記プリズムジョイントによって前記第１のプリズムサブリンク及び前記第２のプリズムサブリンクに結合された中間プリズムサブリンクを含む、実施態様１に記載のロボットアーム。
（７） 前記外科用ツールのシャフトを受容するために前記挿入軸と同軸の管腔を有するガイドチューブを含む、ツールガイドを更に備える、実施態様１に記載のロボットアーム。
（８） 前記ツールドライブが、前記外科用ツールを保持するためにキャリッジを含み、前記キャリッジが、前記挿入軸の方向に前記ツールガイドに対して移動可能である、実施態様７に記載のロボットアーム。
（９） 前記ツールドライブが、前記ツールガイド及び前記キャリッジに移動可能に結合されたアイドラリンクを含む、実施態様８に記載のロボットアーム。
（１０） 遠隔運動中心を固定したままにするための外科用ロボットシステムであって、
手術台と、
前記遠隔運動中心を通して挿入軸に沿って患者に挿入するように構成された外科用ツールと、
前記手術台の下に装着されたロボットアームであって、前記ロボットアームが、
前記外科用ツールを支持するツールドライブと、
複数のジョイント又はリンクであって、
前記遠隔運動中心で前記挿入軸と交差するロール軸に沿って延在するロールジョイントと、前記ロールジョイントを前記ツールドライブに接続するプリズムリンクと、を含み、前記プリズムリンクが、プリズムジョイントによって前記ロールジョイントと前記ツールドライブとの間に結合された複数のプリズムサブリンクを含む、複数のジョイント又はリンクと、を含む、ロボットアームと、を備え、
前記複数のジョイント又はリンクが、前記プリズムジョイントによって互いに対して前記プリズムサブリンクを入れ子状に移動させて、前記遠隔運動中心を固定したままにすることを含め、プロセッサの制御の下で移動又は案内されるように構成されている、外科用ロボットシステム。

（１１） 第１のピッチジョイントが、前記プリズムリンクを前記ロールジョイントに結合し、第２のピッチジョイントが、前記プリズムリンクを前記ツールドライブに結合し、前記プリズムジョイントが、前記第１のピッチジョイント及び前記第２のピッチジョイントを通って延在している線形軸に沿って摺動する、実施態様１０に記載の外科用ロボットシステム。
（１２） 前記プリズムリンクが、前記第１のピッチジョイントで前記ロールジョイントに対して回転し、前記プリズムリンクが、前記第２のピッチジョイントで前記ツールドライブに対して回転し、前記プリズムサブリンクが、前記線形軸に沿って互いに対して摺動する、実施態様１１に記載の外科用ロボットシステム。
（１３） 前記ロボットアームが、複数のホーム構成を有し、前記ロール軸が前記挿入軸に対して直角であるときに、各ホーム構成が、第１のピッチジョイントと前記遠隔運動中心との間にそれぞれのホーム距離を有し、前記第１のピッチジョイント、前記プリズムジョイント、及び第２のピッチジョイントが、前記遠隔運動中心を固定したままにしながら、作業角度にわたり前記挿入軸をスイープするように移動可能であり、前記作業角度が、前記ホーム距離に基づく、実施態様１０に記載の外科用ロボットシステム。
（１４） 前記プリズムサブリンクが、前記プリズムジョイントによって第１のプリズムサブリンク及び第２のプリズムサブリンクに結合された中間プリズムサブリンクを含む、実施態様１０に記載の外科用ロボットシステム。
（１５） 前記ツールドライブが、外科用ツールを保持するためにキャリッジを含み、ツールガイドが、前記外科用ツールのシャフトを受容するために前記挿入軸と同軸の管腔を有するガイドチューブを含み、前記キャリッジが、前記管腔を通して前記シャフトを挿入するために、前記ツールガイドに対して前記挿入軸の方向に移動可能である、実施態様１０に記載の外科用ロボットシステム。

（１６） 前記ツールガイドが、前記挿入軸に沿って動作可能に入れ子運動する入れ子体を含む、実施態様１５に記載の外科用ロボットシステム。
（１７） 遠隔運動中心を固定したままにするようにロボットアームを制御する方法であって、
プロセッサによって、前記ロボットアームを駆動して、前記遠隔運動中心を通して挿入軸に沿って患者に挿入される外科用ツールを移動させることと、
前記プロセッサによって、前記遠隔運動中心を固定したままにするために、前記ロボットアームの複数のジョイント又はリンクの移動を決定することであって、前記遠隔運動中心が、前記挿入軸と前記ロボットアームのロールジョイントのロール軸との交差部にあり、プリズムリンクが、前記ロールジョイントを、前記外科用ツールを支持するツールドライブに接続し、前記プリズムリンクが、プリズムジョイントによって結合された複数のプリズムサブリンクを含む、決定することと、
前記プリズムジョイントによって前記プリズムサブリンクを互いに対して入れ子状に移動させて、前記外科用ツールを移動させながら前記遠隔運動中心を固定したままにすることを含め、前記プロセッサによって、前記ロボットアームを駆動して、前記複数のジョイント又はリンクの移動を達成することと、を含む、方法。
（１８） 前記プリズムサブリンクを入れ子状に移動させることが、第１のプリズムサブリンクを、第２のプリズムサブリンクに対して前記プリズムジョイントの線形軸に沿って摺動させることを含む、実施態様１７に記載の方法。
（１９） 前記プリズムサブリンクを摺動させることが、前記第１のプリズムサブリンクを、前記線形軸に沿って第１の方向に中間プリズムサブリンクに対して摺動させることと、前記第２のプリズムサブリンクを、前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記中間プリズムサブリンクに対して摺動させることと、を含む、実施態様１８に記載の方法。
（２０） 前記ツールドライブのキャリッジを、前記挿入軸の方向にツールガイドに対して移動させることを更に含む、実施態様１７に記載の方法。

Claims (16)

1. ロボットアームであって、
   遠隔運動中心を通して挿入軸に沿って患者に挿入するように構成された外科用ツールを支持するためのツールドライブと、
   前記ツールドライブに結合された複数のジョイント又はリンクであって、
   前記遠隔運動中心で前記挿入軸と交差するロール軸に沿って延在するロールジョイントと、
   第１のピッチジョイントによって前記ロールジョイントに結合された第１のプリズムサブリンクと、第２のピッチジョイントによって前記ツールドライブに結合された第２のプリズムサブリンクと、を含む、プリズムリンクであって、前記第１のプリズムサブリンクが、プリズムジョイントによって前記第２のプリズムサブリンクに結合され、前記ツールドライブが前記第２のピッチジョイントに結合される結合位置が、前記挿入軸に沿って動作可能に移動可能である、プリズムリンクと、を含む、複数のジョイント又はリンクと、を備え、
   前記複数のジョイント又はリンクが、前記プリズムジョイントによって前記第１のプリズムサブリンクに対して前記第２のプリズムサブリンクを入れ子状に移動させて、前記遠隔運動中心を固定したままにすることを含め、プロセッサの制御の下で移動又は案内されるように構成されている、ロボットアーム。
2. 前記第１のピッチジョイントが、第１のピッチ軸の周りで回転し、前記第２のピッチジョイントが、第２のピッチ軸の周りで回転し、前記第１のピッチ軸が、前記第２のピッチ軸と平行である、請求項１に記載のロボットアーム。
3. 前記プリズムジョイントが、線形軸に沿って摺動し、前記線形軸が、前記第１のピッチ軸及び前記第２のピッチ軸に対して直角である、請求項２に記載のロボットアーム。
4. 前記プリズムリンクが、前記第１のピッチ軸の周りで前記ロールジョイントに対して回転し、前記プリズムリンクが、前記第２のピッチ軸の周りで前記ツールドライブに対して回転し、前記第１のプリズムサブリンクが、前記線形軸に沿って前記第２のプリズムサブリンクに対して摺動する、請求項３に記載のロボットアーム。
5. 前記ロボットアームが、複数のホーム構成を有し、前記ロール軸が前記挿入軸に対して直角であるときに、各ホーム構成が、前記第１のピッチジョイントと前記遠隔運動中心との間にそれぞれのホーム距離を有し、前記第１のピッチジョイント、前記プリズムジョイント、及び前記第２のピッチジョイントが、前記遠隔運動中心を固定したままにしながら、作業角度にわたり前記挿入軸を移動させるように移動可能であり、前記作業角度が、前記ホーム距離に基づく、請求項１に記載のロボットアーム。
6. 前記プリズムリンクが、前記プリズムジョイントによって前記第１のプリズムサブリンク及び前記第２のプリズムサブリンクに結合された中間プリズムサブリンクを含む、請求項１に記載のロボットアーム。
7. 前記外科用ツールのシャフトを受容するために前記挿入軸と同軸の管腔を有するガイドチューブを含む、ツールガイドを更に備える、請求項１に記載のロボットアーム。
8. 前記ツールドライブが、前記外科用ツールを保持するためにキャリッジを含み、前記キャリッジが、前記挿入軸の方向に前記ツールガイドに対して移動可能である、請求項７に記載のロボットアーム。
9. 前記ツールドライブが、前記ツールガイド及び前記キャリッジに移動可能に結合されたアイドラリンクを含む、請求項８に記載のロボットアーム。
10. 遠隔運動中心を固定したままにするための外科用ロボットシステムであって、
    手術台と、
    前記遠隔運動中心を通して挿入軸に沿って患者に挿入するように構成された外科用ツールと、
    前記手術台の下に装着されたロボットアームであって、前記ロボットアームが、
    前記外科用ツールを支持するツールドライブと、
    複数のジョイント又はリンクであって、
    前記遠隔運動中心で前記挿入軸と交差するロール軸に沿って延在するロールジョイントと、前記ロールジョイントを前記ツールドライブに接続するプリズムリンクと、を含み、前記プリズムリンクが、プリズムジョイントによって前記ロールジョイントと前記ツールドライブとの間に結合された複数のプリズムサブリンクを含む、複数のジョイント又はリンクと、を含む、ロボットアームと、を備え、
    前記複数のジョイント又はリンクが、前記プリズムジョイントによって互いに対して前記プリズムサブリンクを入れ子状に移動させて、前記遠隔運動中心を固定したままにすることを含め、プロセッサの制御の下で移動又は案内されるように構成されている、外科用ロボットシステム。
11. 第１のピッチジョイントが、前記プリズムリンクを前記ロールジョイントに結合し、第２のピッチジョイントが、前記プリズムリンクを前記ツールドライブに結合し、前記プリズムジョイントが、前記第１のピッチジョイント及び前記第２のピッチジョイントを通って延在している線形軸に沿って摺動する、請求項１０に記載の外科用ロボットシステム。
12. 前記プリズムリンクが、前記第１のピッチジョイントで前記ロールジョイントに対して回転し、前記プリズムリンクが、前記第２のピッチジョイントで前記ツールドライブに対して回転し、前記プリズムサブリンクが、前記線形軸に沿って互いに対して摺動する、請求項１１に記載の外科用ロボットシステム。
13. 前記ロボットアームが、複数のホーム構成を有し、前記ロール軸が前記挿入軸に対して直角であるときに、各ホーム構成が、第１のピッチジョイントと前記遠隔運動中心との間にそれぞれのホーム距離を有し、前記第１のピッチジョイント、前記プリズムジョイント、及び第２のピッチジョイントが、前記遠隔運動中心を固定したままにしながら、作業角度にわたり前記挿入軸をスイープするように移動可能であり、前記作業角度が、前記ホーム距離に基づく、請求項１０に記載の外科用ロボットシステム。
14. 前記プリズムサブリンクが、前記プリズムジョイントによって第１のプリズムサブリンク及び第２のプリズムサブリンクに結合された中間プリズムサブリンクを含む、請求項１０に記載の外科用ロボットシステム。
15. 前記ツールドライブが、外科用ツールを保持するためにキャリッジを含み、ツールガイドが、前記外科用ツールのシャフトを受容するために前記挿入軸と同軸の管腔を有するガイドチューブを含み、前記キャリッジが、前記管腔を通して前記シャフトを挿入するために、前記ツールガイドに対して前記挿入軸の方向に移動可能である、請求項１０に記載の外科用ロボットシステム。
16. 前記ツールガイドが、前記挿入軸に沿って動作可能に入れ子運動する入れ子体を含む、請求項１５に記載の外科用ロボットシステム。

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