JP2022551585A - ロボットマニピュレータを誘導するための外科システム及び方法 - Google Patents

ロボットマニピュレータを誘導するための外科システム及び方法 Download PDF

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Abstract

目標部位に係合するためのツール、ツールを支持するように構成されたマニピュレータ、及びツール、マニピュレータ、目標部位、またはそれらの組み合わせの１つまたは複数に関連する１つまたは複数のシステム条件を検出するように構成された感知システムを含む外科システム。コントローラは、マニピュレータに結合され、感知システムは、第１の制約基準に従って目標部位に対するツールの整合を維持するための第１のモード、及び第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、目標部位に対するツールの整合を維持するための第２のモードの間でマニピュレータを操作するように構成されている。コントローラはさらに、１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つが所定の条件を満たすと判定することに応答して、マニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するように構成されている。【選択図】図１４Ｄ

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１９年１０月１日出願の米国特許仮出願第６２／９０８，９１５号の優先権及びすべての利益を主張し、その開示全体は、参照により本明細書において援用したものとする。
ロボットマニピュレータは、医療専門家が様々な従来の外科的処置を実行するのを支援するために頻繁に使用されている。この目的のために、外科医は、外科用ロボットまたは別のタイプのマニピュレータを使用して、外科手術中に様々なツール、コンポーネント、プロテーゼなどを誘導、配置、移動、作動、または他の方法で操作することができる。
外科用ロボットは、外科医が多くの様々な種類の外科手術を行うのを支援するために使用でき、患者の移動性を改善して痛みを軽減するために、変性した関節の矯正、切除、または置換を伴う手術で一般的に使用される。説明的な例として、股関節置換術では、外科医は患者の股関節の一部を人工補綴コンポーネントで交換する。この目的のために、人工股関節全置換術では、外科医は、通常、患者の大腿骨の一部を除去して、ヘッドを含む人工大腿骨コンポーネントを収容し、骨盤の寛骨臼をリーマーで再表面化して、人工大腿骨コンポーネントを受容するよう形作られる補綴カップを取り付けるよう促す。
実行される特定の処置に応じて、外科用ロボットは、外科医が手術部位に接近するのを補助し、関節及び／または骨の諸部分を除去し、補綴コンポーネントなどを取り付けるのに使用することができる。例えば、補綴カップを骨盤の寛骨臼に取り付けるために、外科医はカップをインパクターに接続し、インパクターを打撃して力を加える（例えば、木槌などで）ことにより、加工された寛骨臼にカップを植込む。カップの取り付けを容易にするために、外科用ロボットは寛骨臼に対してインパクターを整合させ続けるのを助け、外科医はインパクション中にカップの軌道と深さを注意深く監視して、カップの適切な整合を確実にする。ここで、寛骨臼のリーミングまたは切除は、一般に、カップの意図された位置を規定し、それは次にインパクションの軌道を規定し、それはナビゲーションシステムを介して追跡される骨盤に固定されたトラッカーを介して監視され得る。
補綴コンポーネント、インパクションツール、及び外科用ロボットの構成によっては、特定のアプローチ及び外科技術で、設定された軌道を維持することが困難な場合があり、それによってカップまたは他の補綴コンポーネントのずれが、多くの場合に、不適切な整合及び／または衝撃力の適用から生じる。さらに、カップがリーミングされた寛骨臼に植込まれているとき、患者の体は、１つまたは複数の自由度でインパクター及び外科用ロボットに効果的に物理的に取り付けられるようになる。ここで、外科用ロボットが通常、骨盤に固定されたトラッカーに基づいて軌道に対するインパクターの動きを制限するため、カップと軌道の間のインパクション中に発生する可能性のある不整合は、時に、インパクターと骨盤が、インパクターツールを軌道との整合状態に戻そうとする外科用ロボットによって同時に動かされる「逸走」（runaway）状態に至る。外科用ロボットと骨盤の間の物理的接続のために、このタイプの「逸走」状態は、患者の望ましくない動き及び／または植込みされたまたは部分的に植込みされたカップの脱着をもたらす可能性がある。
同様の「逸走」状態は、外科用ロボットによって誘導される様々なタイプのツールを使用する他の外科手術中に発生する可能性がある。非限定的な例として、動力付き外科用デバイスを含むツールを使用して、手術部位で組織を除去するように構成されたエネルギーアプリケータを駆動することができる。ここで、特定の動作条件下で、エネルギーアプリケータは、エネルギーアプリケータと組織との間にロックアップ状態を効果的に作り出すような方法で組織に係合することができる。例えば、脊椎の椎弓根に下穴を形成しているときに、ドリルビットを駆動する回転器具やバーが、ずれて骨に引っ掛かる可能性がある。ここでも、「逸走」状態は、患者、及び／または骨などの組織に係合するエネルギーアプリケータの望ましくない動きをもたらす可能性がある。
したがって、これらの欠陥の１つまたは複数に対処する必要性が、当技術分野において残存している。
本概要は、下段の発明を実施するための形態にさらに記述されている一連の概念を単純化された形式で紹介するために提供されている。本概要は、特許請求される主題の範囲を制限することを意図しておらず、特許請求される主題のすべての重要なまたは本質的な特徴を必ずしも特定するものではない。
第１の態様によれば、目標部位と係合するためのツールと、ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、ツール、マニピュレータ、目標部位、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数に関連する１つまたは複数のシステム条件を検出するように構成された感知システムと、マニピュレータ及び感知システムに結合され、第１の制約基準（constraint criteria）に従って目標部位に対するツールの整合を維持するための第１のモードと、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、目標部位に対するツールの整合を維持するための第２のモードとの間でマニピュレータを操作するように構成されているコントローラとを含み、コントローラはさらに、１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つが所定の条件を満たすと判定することに応答して、マニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するように構成されている、外科システムが提供される。
第２の態様によれば、第１の態様の外科システムを操作する方法が提供される。
第３の態様によれば、軌道に沿って目標部位を係合するためのツール、ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、目標部位とマニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサと、マニピュレータ及び少なくとも１つの感知システムに結合され、第１の制約基準に従って軌道に対するツールの整合を維持するための第１のモードと、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、軌道に対するツールの整合を維持するための第２のモードとの間でマニピュレータを操作するように構成されているコントローラとを含み、コントローラはさらに、力が所定の条件を満たしていると判定することに応答して、マニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するように構成されている、外科システムが提供される。
第４の態様によれば、第３の態様の外科システムを操作する方法が提供される。
第５の態様によれば、目標部位を係合するためのツールと、目標部位に対してツールを支持するように構成されたマニピュレータと、目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーと、患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムと、マニピュレータ及びナビゲーションシステムに結合され、第１の制約基準に従って目標部位に対するツールの整合を維持するための第１のモードと、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、目標部位に対するツールの整合を維持するための第２のモードとの間でマニピュレータを操作するように構成されているコントローラとを含み、コントローラは、ナビゲーションシステムから受信した追跡状態に基づいて、ツールの追跡された動きを患者トラッカーの動きと比較するようにさらに構成され、追跡されたツールの動きが患者トラッカーの動きに一致しているという判定に応答して、コントローラがマニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するようにさらに構成されている外科システムが提供される。
第６の態様によれば、第５の態様の外科システムを操作する方法が提供される。
第７の態様によれば、プロテーゼを解放可能に固定するためのインターフェースを有するインパクターアセンブリ、インパクターアセンブリを受け入れるように形成されたチャネルを有するガイド、軌道に沿った目標部位に対してガイドを支持するように構成されたマニピュレータ、少なくとも１つのセンサ、及びマニピュレータ及び少なくとも１つのセンサに結合されるコントローラを含む外科システムを操作する方法であって、コントローラが、第１の制約基準に従って軌道に関してガイドの整合を維持するための第１のモードでマニピュレータを操作するステップと、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、軌道に対するガイドの整合を維持するための第２のモードでマニピュレータを操作するステップと、少なくとも１つのセンサからの測定値に基づいて、目標部位とマニピュレータとの間に発生する力を検出するステップと、及び力が所定の条件を満たすことを判定し、それに応じてマニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するステップとを実行するよう構成されている方法が提供される。
第７の態様によれば、目標部位に係合するためのツールと、ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、ツール、マニピュレータ、目標部位、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数に関連する１つまたは複数のシステム条件を検出するように構成された感知システムと、マニピュレータ及び感知システムに結合されたコントローラであって、第１の制約基準に従って目標部位に対するツールの整合を維持するためマニピュレータを操作し、１つまたは複数のシステム条件の検出に応答して、マニピュレータを操作して、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、目標部位に対するツールの整合を維持するよう構成されているコントローラとを含む、外科システムが提供される。
第８の態様によれば、第７の態様の外科システムを操作する方法が提供される。
第９の態様によれば、軌道に沿って目標部位に係合するためのツールと、ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、目標部位とマニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサと、マニピュレータ及び少なくとも１つのセンサに結合され、第１の制約基準に従って軌道に対するツールの整合を維持するためマニピュレータを操作し、力を示す取得された測定値を評価し、評価に応じて、マニピュレータを操作して、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って軌道に対してツールの整合を維持するように構成されているコントローラとを含む、外科システムが提供される。
第１０の態様によれば、第９の態様の外科システムを操作する方法が提供される。
第１１の態様によれば、目標部位に係合するためのツールと、目標部位に対してツールを支持するように構成されたマニピュレータと、目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーと、患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムと、マニピュレータ及びナビゲーションシステムに結合され、第１の制約基準に従って目標部位に対するツールの整合を維持するためマニピュレータを操作し、ナビゲーションシステムから受信した患者トラッカーの追跡状態に基づいて、患者トラッカーの動きに対するツールの追跡された動きを評価し、評価に応じて、マニピュレータを操作して、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って目標部位に対してツールの整合を維持するように構成されているコントローラとを含む、外科システムが提供される。
第１２の態様によれば、第１１の態様の外科システムを操作する方法が提供される。
第１３の態様によれば、目標部位に係合するためのツールと、目標部位に対してツールを支持するように構成されたマニピュレータと、目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーと、患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムと、マニピュレータ及びナビゲーションシステムに結合されたコントローラであって、第１の制約基準に従って目標部位に関連する仮想境界に対するツールの動きを制約するようマニピュレータを操作し、ナビゲーションシステムから受信した患者トラッカーの追跡状態に基づいて、患者トラッカーの動きに対するツールの追跡された動きを評価し、比較に応じて、マニピュレータを操作して、第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って仮想境界に対するツールの動きを制限するように構成されているコントローラとを含む、外科システムが提供される。
第１４の態様によれば、第１３の態様の外科システムを操作する方法が提供される。
上記の態様のいずれかを部分的または全体的に組み合わせることができる。さらに、上記の態様のいずれかが、下記の実装形態のいずれかと実施され得る。
一実装形態では、第１の制約基準は、ツールの動きが目標部位に対して制限される第１の数の自由度を含む。一実装形態では、第２の制約基準は、ツールの動きが目標部位に対して制限される第２の数の自由度を含む。一実装形態では、第２の数の自由度は、第１の数の自由度とは異なる。一実装形態では、コントローラは、第１のモードでは、第１の数の自由度に基づいて、目標部位に対してツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の数の自由度に基づいて、目標部位に対してツールの整合を維持するように、マニピュレータを操作するようにさらに構成されている。
一実装形態では、第２の数の自由度は、第１の数の自由度よりも少なく、その結果、コントローラは、第２のモードにおいて、第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、目標部位に対するツールの移動を可能にする。一実装形態では、第１の制約基準は、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準及び第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準は、第２の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準及び第２の制約基準は、少なくとも１つの共通自由度を含む。
一実装形態では、第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータを含み、第２の制約基準は、第１の弾力性パラメータとは異なる第２の弾力性パラメータを含む。一実装形態では、コントローラは、さらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の弾力性パラメータに基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の弾力性パラメータに基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持するように構成されている。一実装形態では、コントローラは、第１のモードよりも第２のモードにおいて、目標部位に対してより弾力性のあるツールの動きを可能にする。一実装形態では、第１の弾力性パラメータ及び第２の弾力性パラメータはそれぞれ、共通自由度での目標部位に対するツールの弾力性のある動きに関連付けられている。
一実装形態では、ツールはツール中心点を規定する。一実装形態では、コントローラは、マニピュレータを第１のモードで動作させて、第１の制約基準に従って目標部位から離れるツール中心点の移動を制限するように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、マニピュレータを第２のモードで動作させて、第２の制約基準に従って目標部位から離れるツール中心点の移動を制限するように構成されている。
一実装形態では、モードインジケータがコントローラに結合されている。一実装形態では、コントローラは、１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つが所定の条件を満たすと判定したことに応答してモードインジケータを始動して、マニピュレータの動作の第１のモードから第２のモードへの変更をユーザに通知するように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、第１のモードでマニピュレータを動作させて、第１の制約基準に従って少なくとも１つの自由度で目標部位に対してツールの移動を可能にするように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、第２のモードでマニピュレータを動作させて、第２の制約基準に従って少なくとも１つの自由度で目標部位に対してツールの移動を可能にするように構成されている。
一実装形態では、コントローラはさらに、第１の制約基準及び第２の制約基準の両方とは異なる第３の制約基準に従って、目標部位に対するツールの整合を維持するために第３のモードでマニピュレータを操作するように構成されている。一実装形態では、所定の条件は、第１の所定の条件としてさらに規定される。一実装形態では、コントローラは、１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つが第１の所定の条件とは異なる第２の所定の条件を満たすと判定することに応答して、マニピュレータの動作を第２のモードから第３のモードに変更するようにさらに構成されている。
一実装形態では、第１の制約基準は、ツールの動きが目標部位に対して制限される第１の数の自由度を含む。一実装形態では、第２の制約基準は、ツールの動きが目標部位に対して制限される第２の数の自由度を含む。一実装形態では、第３の制約基準は、ツールの動きが目標部位に対して制限される第３の数の自由度を含む。一実装形態では、第３の数の自由度は第１の数の自由度と第２の数の自由度の１つ以上とは異なり、コントローラはさらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の数の自由度に基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の数の自由度に基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持し、第３のモードでは、第３の数の自由度に基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持するように構成されている。
一実装形態では、第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータをさらに含む。一実装形態では、第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータをさらに含む。一実装形態では、第３の制約基準は、第１の弾力性パラメータ及び第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータをさらに含む。一実装形態では、コントローラはさらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の数の自由度に基づいて、また第１の弾力性パラメータに基づき、目標部位に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の数の自由度に基づいて、また第２の弾力性パラメータに基づき、目標部位に対するツールの整合を維持し、第３のモードでは、第３の数の自由度に基づいて、また第３の弾力性パラメータに基づき、目標部位に対するツールの整合を維持するように構成されている。
一実装形態では、第３の数の自由度は、第１の数の自由度よりも少なく、その結果、コントローラは、第３のモードにおいて、第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、目標部位に対するツールの移動を可能にする。一実装形態では、第３の数の自由度は、第２の数の自由度よりも少なく、その結果、コントローラは、第３のモードにおいて、第２のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、目標部位に対するツールの移動を可能にする。一実装形態では、第１の制約基準及び第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準、第２の制約基準、及び第３の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準は、第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む。一実装形態では、第２の制約基準は、第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む。一実装形態では、コントローラは、第１のモードよりも第２のモードにおいて、目標部位に対してより弾力性のあるツールの動きを可能にする。一実装形態では、コントローラは、第３のモードよりも第２のモードにおいて、目標部位に対してより弾力性のあるツールの動きを可能にする。
一実装形態では、第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータを含み、第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータを含み、第３の制約基準は、第１の弾力性パラメータ及び第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータを含み、コントローラはさらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の弾力性パラメータに基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の弾力性パラメータに基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持して、第３のモードでは、第３の弾力性パラメータに基づいて、目標部位に対するツールの整合を維持するように構成されている。
一実装形態では、感知システムは、目標部位とマニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサを備え、少なくとも１つのセンサによって取得される力を示す測定値は、１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つを規定し、コントローラが、少なくとも１つのセンサによって検出された力が第１の所定の条件を満たすと判定したのに応答して、第１のモードから第２のモードに、また、少なくとも１つのセンサによって検出された力が第２の所定の条件を満たすと判定したのに応答して、第２のモードから第３のモードに、マニピュレータの動作を変更するように構成されている。一実装形態では、第１の所定の条件は、少なくとも１つのセンサによって検出される第１の力によって規定され、第２の所定の条件は、少なくとも１つのセンサによって検出される第２の力によって規定され、第２の力は、第１の力よりも大きい。
一実装形態では、患者トラッカーは、目標部位に対する取り付けに適合されている。一実装形態では、感知システムは、患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムを含む。一実装形態では、患者トラッカーの追跡状態は、１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つを規定し、患者トラッカーの追跡状態は所定の条件を満たすという判定に応答して、コントローラがマニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するように構成されている。一実装形態では、コントローラは、ナビゲーションシステムから受信した追跡状態に基づいて、ツールの追跡された動きを患者トラッカーの動きと比較するようにさらに構成されている。一実装形態では、ツールの追跡された動きは、１つまたは複数のシステム条件のうちの少なくとも１つを規定する。一実装形態では、所定の条件は、患者トラッカーの追跡された状態に対応するツールの追跡された動きに基づいて規定される。
一実装形態では、感知システムは、目標部位とマニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサを備える。一実装形態では、少なくとも１つのセンサによって取得される力を示す測定値は、１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つを規定し、コントローラが、少なくとも１つのセンサによって検出された力が所定の条件を満たすと判定したのに応答して、第１のモードから第２のモードにマニピュレータの動作を変更するように構成されている。
一実装形態では、コントローラはさらに、マニピュレータを第１のモードで動作させて、少なくとも１つのセンサによって取得される力を示す測定値が所定の条件に向かって増加するにつれて、弾力性の増加を伴い、目標部位に対するツールの動きに抵抗するように構成されている。一実装形態では、ツールは、インパクターアセンブリを受け入れ、ガイドに対してインパクターアセンブリの制限された動きを可能にするように形成されたチャネルを備えたガイドを含み、インパクターアセンブリは、プロテーゼを解放可能に固定するためのインターフェースを有する。一実装形態では、マニピュレータは、インパクターアセンブリがガイドのチャネルに受け入れられ、プロテーゼがインパクターアセンブリに固定されている間、目標部位に対する軌道に沿ってガイドを支持するように構成されている。一実装形態では、目標部位はさらに寛骨臼カップとして規定される。一実装形態では、少なくとも１つのセンサは、寛骨臼カップにプロテーゼを設置するためにインパクターアセンブリに加えられた力の結果として生じる力を検出するように構成されている。一実装形態では、コントローラは、検出された力に基づいて寛骨臼カップに加えられているトルクを推定するようにさらに構成されている。一実装形態では、寛骨臼カップに加えられた推定トルクが所定の条件を満たすと判定したことに応じて、マニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するようにコントローラをさらに構成する。
一実装形態では、少なくともセンサは、力トルク変換器、ジョイントアクチュエータ電流センサ、ジョイント力センサ、ジョイントトルクセンサ、及びジョイントエンコーダの１つまたは複数としてさらに規定される。
一実装形態では、第１の制約基準は、ツールの動きが軌道に対して制限される第１の数の自由度を含む。一実装形態では、第２の制約基準は、ツールの動きが軌道に対して制限される第２の数の自由度を含む。一実装形態では、第２の数の自由度は、第１の数の自由度とは異なる。一実装形態では、コントローラは、第１のモードでは、第１の数の自由度に基づいて、軌道に対してツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の数の自由度に基づいて、軌道に対してツールの整合を維持するように、マニピュレータを操作するようにさらに構成されている。
一実装形態では、第２の数の自由度は、第１の数の自由度よりも少なく、その結果、コントローラは、第２のモードにおいて、第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、軌道に対するツールの移動を可能にする。一実装形態では、第１の制約基準は、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準及び第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準は、第２の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準及び第２の制約基準は、少なくとも１つの共通自由度を含む。
一実装形態では、第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータを含み、第２の制約基準は、第１の弾力性パラメータとは異なる第２の弾力性パラメータを含む。一実装形態では、コントローラは、さらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の弾力性パラメータに基づいて、軌道に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の弾力性パラメータに基づいて、軌道に対するツールの整合を維持するように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、第１のモードよりも第２のモードにおいて、軌道に対してより弾力性のあるツールの動きを可能にする。一実装形態では、第１の弾力性パラメータ及び第２の弾力性パラメータはそれぞれ、共通自由度での軌道に対するツールの弾力性のある動きに関連付けられている。
一実装形態では、コントローラはさらに、マニピュレータを第１のモードで動作させて、少なくともセンサによって取得される力を示す測定値が所定の条件に向かって増加するにつれて、弾力性の増加を伴い、軌道に対するツールの動きに抵抗するように構成されている。
一実装形態では、ツールがツール中心点を規定し、コントローラは、マニピュレータを第１のモードで動作させて、第１の制約基準に従って軌道から離れるツール中心点の移動を制限するように構成されている。一実装形態では、コントローラは、マニピュレータを第２のモードで動作させて、第２の制約基準に従って軌道から離れるツール中心点の移動を可能にするように構成されている。
一実装形態では、モードインジケータがコントローラに結合され、コントローラは、少なくともセンサによって取得された力を示す測定値が、マニピュレータの動作の第１のモードから第２のモードへの変更をユーザに通信するための所定の条件を満たすと判定することに応答して、モードインジケータを起動するように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、第１のモードでマニピュレータを動作させて、第１の制約基準に従って少なくとも１つの自由度で軌道に対してツールの移動を可能にするように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、第２のモードでマニピュレータを動作させて、第２の制約基準に従って少なくとも１つの自由度で軌道に対してツールの移動を可能にするように構成されている。
一実装形態では、コントローラはさらに、第１の制約基準及び第２の制約基準の両方とは異なる第３の制約基準に従って、軌道に対するツールの整合を維持するために第３のモードでマニピュレータを操作するように構成されている。一実装形態では、所定の条件は、第１の所定の条件としてさらに規定される。一実装形態では、コントローラは、少なくとも１つのセンサによって取得された力を示す測定値が第１の所定の条件とは異なる第２の所定の条件を満たすと判定することに応答して、マニピュレータの動作を第２のモードから第３のモードに変更するようにさらに構成されている。一実装形態では、第１の所定の条件は、少なくとも１つのセンサによって取得される測定値によって検出される第１の力によって規定され、第２の所定の条件は、少なくとも１つのセンサから取得される測定値によって検出される第２の力によって規定され、第２の力は、第１の力よりも大きい。一実装形態では、第１の制約基準は、ツールの動きが軌道に対して制限される第１の数の自由度を含み、第２の制約基準は、ツールの動きが軌道に対して制限されている第２の数の自由度を含み、第３の制約基準は、ツールの動きが軌道に対して制限されている第３の数の自由度を含み、第３の数の自由度は第１の数の自由度と第２の数の自由度の１つ以上とは異なり、コントローラはさらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の数の自由度に基づいて、軌道に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の数の自由度に基づいて、軌道に対するツールの整合を維持し、第３のモードでは、第３の数の自由度に基づいて、軌道に対するツールの整合を維持するように構成されている。
一実装形態では、第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータをさらに含み、第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータをさらに含み、第３の制約基準は、第１の弾力性パラメータ及び第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータをさらに含み、コントローラはさらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の数の自由度に基づいて、また第１の弾力性パラメータに基づき、軌道に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の数の自由度に基づいて、また第２の弾力性パラメータに基づき、軌道に対するツールの整合を維持し、第３のモードでは、第３の数の自由度に基づいて、また第３の弾力性パラメータに基づき、軌道に対するツールの整合を維持するように構成されている。
一実装形態では、第３の数の自由度は、第１の数の自由度よりも少なく、その結果、コントローラは、第３のモードにおいて、第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、軌道に対するツールの移動を可能にする。一実装形態では、第３の数の自由度は、第２の数の自由度よりも少なく、その結果、コントローラは、第３モードにおいて、第２のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、軌道に対するツールの移動を可能にする。
一実装形態では、第１の制約基準及び第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準、第２の制約基準、及び第３の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む。一実装形態では、第１の制約基準は、第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む。一実装形態では、第２の制約基準は、第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む。一実装形態では、コントローラは、第１のモードよりも第２のモードにおいて、軌道に対してより弾力性のあるツールの動きを可能にする。一実装形態では、コントローラは、第３のモードよりも第２のモードにおいて、軌道に対してより弾力性のあるツールの動きを可能にする。
一実装形態では、第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータを含み、第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータを含み、第３の制約基準は、第１の弾力性パラメータ及び第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータを含む。一実装形態では、コントローラはさらに、マニピュレータを操作して、第１のモードでは、第１の弾力性パラメータに基づき、軌道に対するツールの整合を維持し、第２のモードでは、第２の弾力性パラメータに基づき、軌道に対するツールの整合を維持し、第３のモードでは、第３の弾力性パラメータに基づき、軌道に対するツールの整合を維持するように構成されている。
一実装形態では、患者トラッカーは、目標部位に対する取り付けに適合し、ナビゲーションシステムは患者トラッカーの状態を追跡するように構成され、コントローラは、ナビゲーションシステムに結合され、ナビゲーションシステムから受信した患者トラッカーの追跡状態に基づいて軌道を規定するようにさらに構成されている。
一実装形態では、ツールは、インパクターアセンブリを受け入れ、ガイドに対してインパクターアセンブリの制限された動きを可能にするように形成されたチャネルを備えたガイドを含み、インパクターアセンブリは、プロテーゼを解放可能に固定するためのインターフェースを有する。一実装形態では、マニピュレータは、目標部位に対してガイドを支持するように構成されている。
一実装形態では、マニピュレータは、インパクターアセンブリがガイドのチャネルに受け入れられ、プロテーゼがインパクターアセンブリに固定されている間、目標部位に対してガイドを支持するように構成され、目標部位はさらに寛骨臼カップとして規定される。一実装形態では、少なくとも１つのセンサは、寛骨臼カップにプロテーゼを設置するためにインパクターアセンブリに加えられた力の結果として生じる力を示す測定値を得るように構成されている。一実装形態では、コントローラは、検出された力に基づいて寛骨臼カップに加えられているトルクを推定するようにさらに構成されている。一実装形態では、寛骨臼カップに加えられた推定トルクが所定の条件を満たすと判定したことに応じて、マニピュレータの動作を第１のモードから第２のモードに変更するようにコントローラをさらに構成する。
一実装形態では、コントローラは、感知システムから検出されたシステム条件に基づいて、第２の制約基準のパラメータを判定するように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、力を示す取得された測定値に基づいて、第２の制約基準のパラメータを判定するように構成されている。
一実装形態では、コントローラは、評価された追跡された動きに基づいて、第２の制約基準のパラメータを判定するように構成されている。
上記の実装形態のいずれも、上記の態様のいずれかに利用することができる。上記の実装形態のいずれも、上記の任意の１つまたは複数の態様について、全体的または部分的に、組み合わせることができる。
添付の図面と共に取得される続く説明を読んだ後に、本開示の他の特徴や利点は、より良好に理解されるため、容易に理解されるようになる。
マニピュレータ、ナビゲーションシステム、及び目標部位に係合するためのツールを含む外科システムの斜視図であり、ツールのうちの１つは、エネルギーアプリケータを駆動するための動力付き外科用デバイスを有して示されおり、ツールのうちの別のものは、プロテーゼに結合され、マニピュレータに取り付けられたガイドによって軌道に沿って支持されるインパクターアセンブリを有して示されている。 図１の外科システムを制御するための制御システムのブロック図である。 図２の制御システムのソフトウェアプログラムの機能ブロック図である。 図３のソフトウェアプログラムの境界発生器の出力を示す寛骨臼として実現された目標部位の例示的な図である。 図３のソフトウェアプログラムのパス発生器の出力を示す、図４の目標部位の例示的な図である。 目標部位と図１のツールの１つを示した図であり、外科システムの仮想的な制約を示している。 図２の制御システムによって動作可能なモジュールのブロック図である。 図２の制御システムの制約方程式の例を示している。 図２の制御システムを使用して仮想シミュレーションを実行するためのフォワードダイナミクスアルゴリズムの例を示している。 図９のフォワードダイナミクスアルゴリズムを実装するための例示的な一連のステップを示している。 制約の解を出し、フォワードダイナミクスを実行し、コマンドされたポーズを決定するために、図２の制御システムによって実行される例示的な一連のステップを示している。 目標部位の軌道と整合させた軸に沿ってエネルギーアプリケータを支持し、目標部位からエネルギーアプリケータが離間された状態で示されている、図１のツールの例示的な概略図である。 ツール、エネルギーアプリケータ、及び図１２の目標部位の別の例示的な概略図であり、エネルギーアプリケータが軌道に沿って目標部位に係合している状態で示されている。 ツール、エネルギーアプリケータ、及び図１３Ａの目標部位の別の例示的な概略図であり、エネルギーアプリケータが軌道に沿って前進し、目標部位の中により深く係合している状態で示されている。 ツール、エネルギーアプリケータ、及び図１３Ｂの目標部位の別の例示的な概略図であり、エネルギーアプリケータが目標部位と係合している間に軸の周りの回転に対する抵抗に遭遇している状態で示されている。 ツール、エネルギーアプリケータ、及び図１４Ａの目標部位の別の例示的な概略図であり、図１４Ａに示される回転に対する抵抗に応答して、軌道に対してずれた目標部位にエネルギーアプリケータが係合し、ツールとエネルギーアプリケータは、逸走状態を示す軌道に対してずれが誇張されて配置されている状態で示されている。 ツール、エネルギーアプリケータ、及び図１４Ｂの目標部位の別の例示的な概略図であり、図１のマニピュレータが目標部位によって規定された軌道にツールを整合させようとしているときの逸走状態を示すために、ツールがエネルギーアプリケータと共に移動し、目標部位が支持面から離れた状態で示されている。 ツール、エネルギーアプリケータ、及び図１４Ｃの目標部位の別の例示的な概略図であり、図１のマニピュレータが目標部位によって規定された軌道にツールを整合させようとし続けているときの逸走状態を示すために、ツールがエネルギーアプリケータと共にさらに移動し、目標部位が支持面から離れた状態で示されている。 図１の外科システムの一部の部分斜視図であり、トラッカーを介してナビゲーションシステムによって監視される目標部位によって規定される軌道から離間したプロテーゼを支持するガイド及びインパクターアセンブリを含むツールを示している。 図１５のインパクターアセンブリの斜視図であり、インターフェースと、フランジとヘッドとの間に延びるハンドルに隣接して配置されたフランジとの間に延びるシャフトを備えた、プロテーゼから離間したインターフェースを有して示されている。 図１６Ａのインパクターアセンブリの分解斜視図である。 図１５のガイドの斜視図である。 チャネルを規定する本体を含んで示されている、図１７Ａのガイドの部分的に分解された斜視図である。 図１５～１７Ｂのプロテーゼ及びツールの例示的な概略図であり、ガイドが目標部位の軌道に整合されたガイド軸を規定して示され、インパクターアセンブリがプロテーゼに取り付けられ、目標部位とガイドの両方から離間された状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図１８の目標部位の別の例示的な概略図であり、プロテーゼ及びインパクターアセンブリが目標部位に隣接して配置され、インパクターアセンブリのフランジがガイドのチャネルに支持され、加えた力がガイドに作用している状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図１９Ａの目標部位の別の例示的な概略図であり、図１９Ａに示されている加えられた力に応答して、ツール及びプロテーゼが軌道及び目標部位に対して移動された状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図１８の目標部位の別の例示的な概略図であり、プロテーゼ及びインパクターアセンブリが目標部位に隣接して配置され、インパクターアセンブリのフランジがガイドのチャネルに支持され、加えた力が軌道に実質的に沿ったインパクターアセンブリのヘッドに作用している状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図２０Ａの目標部位の別の例示的な概略図であり、図２０Ａに示されている加えられた力に応答して、プロテーゼが軌道に沿って目標位置で植込まれた状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図１８の目標部位の別の例示的な概略図であり、プロテーゼ及びインパクターアセンブリが目標部位に隣接して配置され、インパクターアセンブリのフランジがガイドのチャネルに支持され、加えた力が軌道に対して横断してインパクターアセンブリのヘッドに作用している状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図２１Ａの目標部位の別の例示的な概略図であり、図２０Ａに示される加えられた力に応答して、プロテーゼが軌道に対してずれた目標部位に植込まれ、ツールとプロテーゼは、逸走状態を示す軌道に対してずれが誇張されて配置された状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図２１Ｂの目標部位の別の例示的な概略図であり、図１のマニピュレータが目標部位によって規定された軌道にガイドを整合させようとしているときの逸走状態を示すために、ツールが植込まれたプロテーゼと共に移動し、目標部位が支持面から離れた状態で示されている。 ツール、プロテーゼ、及び図２１Ｃの目標部位の別の例示的な概略図であり、図１のマニピュレータが目標部位によって規定された軌道にガイドを整合させ続けようとしているときの逸走状態を示すために、ツールが植込まれたプロテーゼと共にさらに移動し、目標部位が支持面から離れた状態で示されている。 ガイド、プロテーゼを支持するインパクターアセンブリ、及び図１５～１７Ｂの目標部位の別の部分斜視図であり、プロテーゼが目標部位に配置され、マニピュレータに結合されたガイドから離間された状態で示されている。 ガイド、プロテーゼを支持するインパクターアセンブリ、及び図２２Ａの目標部位の別の部分斜視図であり、マニピュレータに結合されたガイドが、ガイドのチャネル内に配置されたインパクターアセンブリのシャフトと共に軌道に向かって移動した状態で示されている。 ガイド、プロテーゼを支持するインパクターアセンブリ、及び図２２Ｂの目標部位の別の部分斜視図であり、マニピュレータに結合されたガイドが、インパクターアセンブリのフランジをガイドのチャネルに係合するように軌道に沿って移動した状態で示されている。 ガイド、プロテーゼを支持するインパクターアセンブリ、及び図２２Ｃの目標部位の別の部分斜視図であり、マニピュレータに結合されたガイドが、ファントムで描かれた前の配置から１回転自由度で軌道の周りを移動した状態で示されている。 ガイド、プロテーゼを支持するインパクターアセンブリ、及び図２２Ｂの目標部位の別の部分斜視図であり、マニピュレータに結合されたガイドが、ガイドのチャネルに係合するように配置されたインパクターアセンブリのフランジと軌道に沿って配置され、加えられた力が軌道を横断するインパクターアセンブリのヘッドに作用した状態で示されている。 ガイド、プロテーゼを支持するインパクターアセンブリ、及び図２４Ａの目標部位の別の部分斜視図であり、プロテーゼが目標部位に部分的に植込まれ、図２４Ａに示される加えられた力に応答して軌道に対してずれ、ツールとプロテーゼは、軌道に対して、またファントムで描かれた以前の配置に対してずれが誇張されて配置された状態で示されている。 ガイド、プロテーゼを支持するインパクターアセンブリ、及び図２４Ｂの目標部位の別の部分斜視図であり、プロテーゼが目標部位に部分的に植込まれ、図２４Ａに示される加えられた力に応答して軌道に対してさらにずれ、ツールとプロテーゼは、軌道に対してずれがさらに誇張されて配置された状態で示されている。 本開示の実施形態による、図１の感知システム、コントローラ、及びマニピュレータ間の相互作用を示すブロック図である。 仮想境界と目標部位の骨の間にバーがトラップされた結果として発生する逸走状態を示している。
図面全体に示されている実施形態のいずれか１つまたは複数は、例示の目的で、特定の構成要素、構造的特徴、及び／またはアセンブリが除去され、概略的に示され、及び／またはファントムにて示され得る。
ここで図１を参照すると、ツール１０４を支持するロボットマニピュレータ１０２を含む外科システム１００が示されている。外科システム１００は、骨または軟組織などの患者Ｐの体Ｂの解剖学的体積または目標部位ＴＳを治療するのに有用である。この目的のために、マニピュレータ１０２は、一般に、ベース１０６、ロボットアーム１０８、及びカップリング１１０を備える。ロボットアーム１０８は、ベース１０６によって支持され、使用中にベース１０６に対するカップリング１１０の位置及び／または向きを移動、維持、または他の方法で制御するように構成されている。カップリング１１０は、１つまたは複数のタイプのツール１０４を解放可能に固定するように適合されており、ツール１０４は、順次様々なタイプの外科的処置に関連して利用される器具１１２を一般に支持する、または別様には含む。いくつかの実施形態では、器具１１２は、目標部位ＴＳでまたは隣接して治療を行うために使用されるエネルギーアプリケータ１１４（例えば、ドリルビット、タップ、バー、ブレード、のこぎり、リーマーなど）を支持、駆動、回転、発振、振動させる、及び／またはそうでなければそれにエネルギーを導くよう構成されている。いくつかの実施形態では、器具１１２は、マニピュレータ１０２によって維持される軌道Ｔに沿ったような、目標部位ＴＳに関して、植込み可能コンポーネント１１６（例えば、カップ、ステム、スクリュー、ピン、ロッド、ワイヤ、アンカー、プロテーゼなど）を支持、配置、整合、及び／または誘導するように構成され得る。
図１では、患者Ｐは、目標部位ＴＳが患者の股関節と大腿骨の一部を含むか、そうでなければ定められる、例示的な外科的処置を受けている。しかしながら、その様々なタイプの外科的処置は、本開示によって企図され、部分的または全体的な膝または股関節の置換手術、肩置換手術、脊椎手術、足首手術などを含むがこれらに限定されない外科的処置を含む。外科的処置は、組織除去または他の形態の治療（例えば、切断、穴あけ、リーミング、凝固、傷害、他のその場での組織治療など）を含み得る。いくつかの実施形態では、外科システム１００は、ユニコンパートメント、バイコンパートメント、マルチコンパートメント、または全膝インプラントを含む股関節及び膝のインプラントなどの植込み可能コンポーネント１１６（「インプラント」とも呼ばれる）によって置き換えられる材料を切断するのを容易にするように設計され得る。いくつかのタイプの植込み型コンポーネント１１６は、「Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ Ｉｍｐｌａｎｔ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ」と題された米国特許第９，３８１，０８５号に示され、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。しかしながら、以下の続く説明から理解されるように、他の構成が企図され、外科システム１００は、いくつかの異なる外科的処置に関連して利用でき、本開示の範囲から逸脱しなければ、マニピュレータ１０２、ツール１０４、器具１１２、エネルギーアプリケータ１１４、及び／または植込み可能コンポーネント１１６の様々なタイプ、スタイル、及び構成を使用することができる。さらに、本明細書に開示される外科システム１００及び技術は、外科的または非外科的である他の処置を実行するために使用され得るか、またはロボットシステムが利用される産業用途または他の用途で使用され得る。
マニピュレータ１０２（「外科用ロボット」とも呼ばれる）は、ツール１０４を目標部位ＴＳに対して、及びロボットアーム１０８を介してベース１０６に対して移動させ、とりわけ、動きに対し正確に制御しながら様々なタイプの外科的処置を実行すること、及びツール１０４、器具１１２、エネルギーアプリケータ１１４、及び／または植込み可能コンポーネント１１６の位置決めをすることで、医療専門家を補助する。上記のように、マニピュレータ１０２は、一般に、ベース１０６、ロボットアーム１０８、及びカップリング１１０を備える。ベース１０６は、マニピュレータカート１１８に固定され、ロボットアーム１０８を支持し、順次、使用中にベース１０６に対するカップリング１１０の位置及び／または向きを移動、維持、または他の方法で制御するように構成されている。この目的のために、図１に示されるロボットアーム１０８は、直列アーム構成に配置された複数のリンク１２０及びジョイントＪを備える。しかしながら、マニピュレータ１０２は、本開示の範囲から逸脱することなく、異なる構成を採用することができる。非限定的な例として、マニピュレータ１０２は、平行アーム構成、または任意の他の適切な構成を有することができる。いくつかの実施形態では、複数のアーム構成で２つ以上のマニピュレータ１０２を利用することができる。ロボットアーム１０８の１つの例示的な構成は、「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。ロボットアーム１０８及びマニピュレータ１０２の他の部分は、本開示の範囲から逸脱することなく、いくつかの異なる構成で配置することができる。
図１に示される例では、マニピュレータ１０２は、ジョイントＪの位置データを決定するためにジョイントＪに配置された複数のジョイントエンコーダ１２２を備える。簡潔さのため１つだけのジョイントエンコーダ１２２が図１にラベル付けされているが、他のジョイントエンコーダ１２２が、同様に示され得る。本明細書に示される代表的な実施形態では、ロボットアーム１０８は、マニピュレータ１０２に対して少なくとも６自由度（ＤＯＦ）を実施する６つのジョイントＪ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６を有する。しかしながら、マニピュレータ１０２は、任意の適切な数の自由度を有し得、任意の適切な数のジョイントＪを有し得、冗長なジョイントＪを有し得る。マニピュレータ１０２はジョイントエンコーダ１２２を必要としないが、代わりにまたは加えて、各ジョイントＪのモータ上に存在するモータエンコーダを利用する。さらに、マニピュレータ１０２は、回転性ジョイントを必要としないが、代わりに、またはさらに、１つまたは複数の角柱のジョイントを利用することができる。ジョイントのタイプの任意の適切な組み合わせが考えられる。
外科システム１００は、様々なタイプのトラッカー（例えば、複数の自由度の光学的、慣性的、及び／または超音波感知デバイス）、ナビゲーションシステム（例えば、マシンビジョンシステム、電荷結合デバイスカメラ、トラッカーセンサ、表面スキャナー、及び／または距離計）、解剖学的コンピューターモデル（例えば、患者の解剖学的構造の磁気共鳴イメージングスキャン）、以前のデータ外科的処置及び／または以前に実施された外科的技術（例えば、外科的処置の前のステップ中に記録されたデータ）などを利用することによって、共通の座標系内の、マニピュレータ１０２、ロボットアーム１０８、ツール１０４、器具１１２、エネルギーアプリケータ１１４、及び／または移植可能な構成要素１１６、ならびに患者の体Ｂの様々な部分の１つまたは複数の部分の相対的な位置及び／または向きの変化を監視、追跡、及び／または決定することができる。これらの目的のために、そして図１に概略的に示されているように、外科システム１００は、ロボット制御システム１２６、ナビゲーションシステム１２８、及びツール制御システム１３０のうちの１つまたは複数を含むか、そうでなければ通信することができる制御システム１２４（「コントローラ」１２４とも呼ばれる）を使用し、それは、より詳細に後に説明されるように、マニピュレータ１０２を介して、目標部位ＴＳ及び外科システム１００の他の部分に対してツール１０４の位置決め、移動、及び／または駆動を容易にするために協働する。例示的な制御方法論は、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｂａｃｋｄｒｉｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題された米国特許第１０，３２７，８４９号に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
ベース１０６、またはマニピュレータ１０２の別の部分は、一般に、マニピュレータ１０２の他の構成要素及び／または外科システム１００の他の構成要素のための固定基準座標系を提供する。一般に、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの原点は、ベース１０６の固定の基準で規定される。ベース１０６は、リンク１２０の１つまたは複数など、マニピュレータ１０２の任意の適切な部分に関して規定され得る。あるいは、またはさらに、ベース１０６は、マニピュレータ１０２がカート１１８に物理的に取り付けられている場合など、マニピュレータカート１１８に関して規定され得る。いくつかの実施形態では、ベース１０６は、ジョイントＪ１の軸とジョイントＪ２の軸との交点に規定される。したがって、ジョイントＪ１とジョイントＪ２は実際には可動コンポーネントであるが、ジョイントＪ１とジョイントＪ２の軸の交点は、仮想の固定基準ポーズであり、固定位置と方向基準の両方を提供し、マニピュレータ１０２及び／またはマニピュレータカート１１８に対して動かない。いくつかの実施形態では、マニピュレータ１０２は、ベース１０６が、ベース部分に対して可動のツールチップ（例えば、エンドエフェクタ）について、ツールのベース部分（例えば、ユーザによりフリーハンドで把持される部分）により定められる手持ち式であり得る。この実施形態では、ベース部分は追跡される参照座標系を有し、ツールチップは、参照座標系に対して計算されるツールチップ座標系を有する（例えば、モータ及び／またはジョイントエンコーダ及び順運動学計算を介して）。パスに対するツールチップのポーズを決定できるため、パスをたどるようにツールチップの動きを制御できる。このタイプのハンドヘルドマニピュレータ１０２の一例は、「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｈｏｕｓｉｎｇ， Ａ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ ｔｈａｔ Ｅｘｔｅｎｄｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｈｏｕｓｉｎｇ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｔｈａｔ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ Ｈｏｕｓｉｎｇ」と題する米国特許第９，７０７，０４３号に示されている。その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。上記は非限定的な説明的な例であり、他の構成が本開示によって企図される。
図１に概略的に示されているように、ロボット制御システム１２６は、マニピュレータコントローラ１３２を含み、ナビゲーションシステム１２８は、ナビゲーションコントローラ１３４を含み、ツール制御システム１３０は、ツールコントローラ１３６を含む。図示の実施形態では、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、及びツールコントローラ１３６は、一般に、例えば、物理的な電気接続（例えば、テザードワイヤハーネス）及び／または１つまたは複数のタイプのワイヤレス通信（例えば、ＷｉＦｉ（商標）ネットワーク、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、無線ネットワークなど）を介して互いに通信して（例えば、直接的または間接的に）、及び／または外科システム１００の他の構成要素と通信して配置される。マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、及び／またはツールコントローラ１３６は、コンピュータ、プロセッサ、制御ユニットなどの様々な配置として、またはそれと共に実現され得、個別の構成要素を含み得るか、または統合され得る（例えば、ハードウェア、ソフトウェア、入力、出力などを共有する）。他の構成が考えられる。
マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、及び／またはツールコントローラ１３６はそれぞれ、プロセッサ１３８（例えば、中央処理装置）及び／または他のプロセッサ、メモリ１４０、及び／またはストレージ（表示されていない）を備えたコンピュータとして実現され得、以下でより詳細に説明するように、一般的にソフトウェアがロードされる。プロセッサ１３８は、マニピュレータ１０２、ナビゲーションシステム１２８、またはツール１０４の動作を制御するための１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。プロセッサ１３８は、任意のタイプのプロセッサ、マルチプロセッサ及び／またはマルチコア処理システムであり得る。マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、及び／またはツールコントローラ１３６は、追加的に、または代替的に、１つまたは複数のマイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、システムオンチップ、ディスクリート回路、及び／または本明細書に記載される機能を実行することができる他の適切なハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアを含むことができる。プロセッサという用語は、任意の実施形態を単一のプロセッサに限定することを意図するものではない。ロボット制御システム１２６、ナビゲーションシステム１２８、及び／またはツール制御システム１３０はまた、１つまたは複数の出力デバイス１４４（例えば、画面、ディスプレイ、ステータスインジケータなど）及び／または入力デバイス１４６（例えば、プッシュボタン、キーボード、マウス、マイク、音声起動デバイス、ジェスチャ制御デバイス、タッチスクリーン、フットペダル、ペンダントなど）を備えるユーザインターフェース１４２を含む、定める、さもなければ、採用することができる。他の構成が企図される。
上記のように、１つまたは複数のツール１０４（「エンドエフェクタ」と呼ばれることもある）は、マニピュレータ１０２のカップリング１１０に解放可能に取り付けられ、ベース１０６に対して移動可能であり、特定のモードで患者Ｐの解剖学的構造と相互作用する（例えば、目標部位ＴＳ）。ツール１０４は、ユーザ（例えば、外科医）によって把持され得る。ツール１０４は、一般に、マニピュレータ１０２のカップリング１１０に解放可能に取り付けるように適合されたマウント１４８を含む。マウント１４８は、いくつかの実施形態では、取り付けられたエネルギーアプリケータ１１４を駆動するために使用される（例えば、チャック、カップリングなどを介して）発電アセンブリ１５２（例えば、モータ、アクチュエータ、ギアトレインなど）を使用する動力付き外科用デバイス１５０として構成され得る器具１１２を支持するか、そうでなければそれにより規定され得る。このタイプのマニピュレータ１０２、ツール１０４、及び器具１１２の１つの例示的な構成は、以前に参照された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。マニピュレータ１０２、ツール１０４、及び／または器具１１２は、代替の構成で配置することができる。いくつかの実施形態では、ツール１０４及び／または器具１１２は、「Ｅｎｄ Ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｏｆ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ」と題された米国特許第９，５６６，１２１号に示されるものと同様であり得る。その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、ツール１０４及び／または器具１１２は、「Ｅｎｄ Ｅｆｆｅｃｔｏｒｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｔｏｏｌｓ Ｇｕｉｄｅｄ Ｂｙ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された米国特許出願公開第２０１９／０２３１４４７Ａ１に示されるものと同様であり得る。その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。他の構成が企図される。いくつかの実施形態において、そして以下により詳細に説明されるように、器具１１２は、動力付き外科用デバイス１５０として構成されなくてもよい。
いくつかの実施形態では、エネルギーアプリケータ１１４は、目標部位ＴＳで患者Ｐの組織に接触して除去するように設計されている。この目的のために、エネルギーアプリケータ１１４は、いくつかの実施形態では、バー１５４を含み得る。バー１５４は、実質的に球形であり得、球形の中心、半径、及び直径を含むことができる。あるいは、エネルギーアプリケータ１１４は、ドリルビット、鋸刃、超音波振動チップなどであり得る。ツール１０４、器具１１２、及び／またはエネルギーアプリケータ１１４は、周囲長、円周、半径、直径、幅、長さ、体積、面積、表面／平面、（任意の１つまたは複数の軸に沿った）モーションエンベロープの範囲などを含むがこれらに限定されない任意の幾何学的特徴を含み得る。幾何学的特徴は、所望の治療を実行するために、目標部位ＴＳの組織に対してツール１０４をどのように配置するかを決定するために考慮され得る。本明細書に記載の実施形態のいくつかにおいて、ツール中心点（ＴＣＰ）を有するかまたはさもなければ規定する球形バー１５４は、例示の便宜及び容易さのために説明されるが、ツール１０４、器具１１２、及び／または任意の特定の形態へのエネルギーアプリケータ１１４に限定することを意図してはいない。本明細書で説明されるいくつかの実施形態では、ツール中心点ＴＣＰは、エネルギーアプリケータ１１４ではなく、器具１１２またはツール１０４の一部によって規定される。他の構成が企図される。
器具１１２が動力付き外科用デバイス１５０として実現される場合などのいくつかの実施形態では、ツール１０４は、ツールコントローラ１３６を使用して、発電アセンブリ１５２（例えば、回転モータ）への電力を制御し、ツール１０４の動きを制御し、ツール１０４の灌注／吸引を制御するなど、ツール１０４の動作を容易にすることができる。ツールコントローラ１３６は、マニピュレータコントローラ１３２及び／または外科システム１００の他の構成要素と通信することができる。いくつかの実施形態では、マニピュレータコントローラ１３２及び／またはツールコントローラ１３６は、マニピュレータ１０２及び／またはマニピュレータカート１１８に収容され得る。いくつかの実施形態では、ツールコントローラ１３６の部品は、ツール１０４に収容され得る。他の構成が企図される。ツール制御システム１３０はまた、ツール１０４の一部として形成され得る、及び／または外科システム１００及び／または制御システム１２４（例えば、ロボット制御システム１２６及び／またはナビゲーションシステム１２８）の他の部分によって実現され得る、１つまたは複数の出力デバイス１４４及び／または入力デバイス１４６を備えたユーザインターフェース１４２を備え得る。他の構成が企図される。
マニピュレータコントローラ１３２は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬなどの座標系に関して、ツール１０４（例えば、ツール中心点ＴＣＰ）の状態（位置及び／または向き）を制御する。マニピュレータコントローラ１３２は、ツール１０４の（線形または角度の）速度、加速度、または運動の他の導関数を制御することができる。一例では、ツール中心点ＴＣＰは、エネルギーアプリケータ１１４で規定された所定の基準点である。しかしながら、上記のように、ツール１０４及び／または器具１１２の他の構成要素は、いくつかの実施形態において、ツール中心点ＴＣＰを規定することができる。いずれにせよ、ツール中心点ＴＣＰは、他の座標系に対して既知のポーズをとる。ツール中心点ＴＣＰのポーズは、静的である場合もあれば、計算される場合もある。いくつかの実施形態では、エネルギーアプリケータ１１４の形状は、ツール中心点のＴＣＰ座標系において既知であるか、またはそれに対して規定されている。ツール中心点ＴＣＰは、１点のみが追跡されるように、ツール１０４の器具１１２によって支持または規定されるエネルギーアプリケータ１１４のバー１５４の球形中心に配置され得る。ツール中心点ＴＣＰは、エネルギーアプリケータ１１４、器具１１２、ツール１０４などの構成に応じて、様々な方法で規定することができる。
マニピュレータ１０２は、ジョイントエンコーダ１２２（及び／または上記のようなモータエンコーダ）、または任意の他の非エンコーダ位置検出方法を使用して、ツール中心点ＴＣＰのポーズを決定することを可能にすることができる。マニピュレータ１０２は、ジョイントＪ測定を使用して、ツール中心点ＴＣＰポーズを決定することができ、及び／または様々な技術を使用して、ツール中心点ＴＣＰポーズを直接測定することができる。ツール１０４の制御は、中心点に限定されない。例えば、任意の適切なプリミティブ、メッシュなどを使用して、ツール１０４を表すことができる。他の構成が企図される。
図１を引き続き参照すると、上記のように、外科システム１００は、とりわけ、ツール１０４などの様々な対象物の動きを追跡、監視、検出、または他の方法で感知するように構成されているナビゲーションシステム１２８、対象物（例えば、解剖学的構造の一部、トラッカーなど）、及び患者の体Ｂの部分（例えば、目標部位ＴＳにあるかまたはそれに隣接する骨または他の解剖学的構造）を登録するために使用されるポインタ１５６も含む。この目的のために、ナビゲーションシステム１２８は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内のトラッカー１６０の位置及び／または方向を感知するように構成されたローカライザ１５８を使用する。ナビゲーションコントローラ１３４は、ローカライザ１５８と通信して配置され、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内のローカライザ１５８の視野内で感知された各トラッカー１６０の位置及び／または方向データを収集する。
ローカライザ１５８は、複数のトラッカー１６０の位置及び／または向きを感知して、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内の対応する複数の対象物を追跡することができる。例として、図１に示されるように、トラッカー１６０は、ポインタ１５６に結合されたポインタトラッカー１６０Ｐ、マニピュレータ１０２のベース１０６に結合されたマニピュレータトラッカー１６０Ｍ、ツール１０４の部分に結合される１つまたは複数のツールトラッカー１６０Ｇ、１６０Ｉ、患者Ｐの解剖学的構造の一部に結合された第１の患者トラッカー１６０Ａ、及び患者Ｐの解剖学的構造の別の部分に結合された第２の患者トラッカー１６０Ｂ、ならびに追加の患者トラッカー、追加の医療及び／または外科用ツール、器具用のトラッカーなどを含み得る。
いくつかの実施形態では、図１に示されるように、１つまたは複数のツールトラッカー１６０Ｇ、１６０Ｉはそれぞれ、ツール１０４の異なる部分、例えば、互いに対して移動するように構成され得る部分、及び／またはマニピュレータ１０２のベース１０６にしっかりと取り付けられているマニピュレータトラッカー１６０Ｍにしっかりと取り付けられ得る。非限定的な例として、そして以下により詳細に説明されるように、第１のツールトラッカー１６０Ｇは、マニピュレータ１０２を介してカップリング１１０と同時に移動するために、マウント１４８（またはツール１０４の別の部分）に結合され得、及び第２のツールトラッカー１６０Ｉは、１つまたは複数の自由度でマウント１４８及び／またはカップリング１１０に対して移動するツール１０４の異なる部分に結合することができる。図１に示される第１のツールトラッカー１６０Ｇ及び第２のツールトラッカー１６０Ｉは、ローカライザ１５８を介してツール１０４の異なる部分の相対位置及び／または方向を容易に決定するためにナビゲーションシステム１２８によって使用され得るが、本開示の特定の実施形態は、他の方法（例えば、１つまたは複数のセンサを用いて）でこの決定を容易にするように構成され得る。ここで、他の構成が本開示によって企図され、トラッカー１６０、センサ、所定の幾何学的関係などの様々な組み合わせを利用して、特定の対象物を追跡するか、さもなければそれらの対象物を追跡される対象物に関連付けることができる。
図１を引き続き参照すると、第１の患者トラッカー１６０Ａは、目標部位ＴＳ（例えば、寛骨臼近くの骨盤）またはそれに隣接する患者の体Ｂの１つの骨にしっかりと固定され、第２の患者トラッカー１６０Ｂは、別の骨に（例えば、大腿骨の一部に）しっかりと固定される。詳細には示されていないが、患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂは、ねじ山係合、クランプ、または他の技術などの様々な方法で、患者の体Ｂ内のいくつかの異なる骨に結合することができる。同様に、第１のツールトラッカー１６０Ｇ及び／または第２のツールトラッカー１６０Ｉは、製造中の統合によって、または外科的処置の前または最中の解放可能な取り付けによってなど、様々な方法でツール１０４の部分に固定することができる。様々なトラッカー１６０は、いくつかの異なる方法で、異なるタイプの追跡された対象物（例えば、個別の骨、ツール、ポインタなど）にしっかりと取り付けられ得る。例えば、トラッカー１６０は、それぞれのトラッカー１６０の関連付けられている対象物または解剖学的構造への関係（例えば、測定）を決定するための適切な（例えば、補足的な）方法がある限り、堅固に固定されるか、柔軟に接続される（光ファイバ）、または物理的にまったく接続されない（超音波）ことができる。
トラッカー１６０が取り付けられている対象物または解剖学的構造に対するトラッカー１６０の位置及び／または向きは、既知の位置合わせの技術を利用することによって決定することができる。例えば、患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂが取り付けられている患者の体Ｂの部分に対するそれらの患者トラッカーのポーズを決定することは、ポインタ１５６の遠位先端が、どこで、特定の解剖学的ランドマークに対して係合するために使用されるか（例えば、骨の特定の部分に触れる）、またはローカライザ１５８がポインタトラッカー１６０Ｐの位置及び方向を監視するときに、表面ベースの位置合わせのために骨のいくつかの部分に係合するために使用されるなど、様々な形態の点ベースの位置合わせで達成することができる。次いで、従来の位置合わせの技法を用いて、患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂのポーズを患者の解剖学的構造（例えば、大腿骨と寛骨臼の各々）に相関させることができる。
また、骨に挟着させ、クランプが挟着する骨の形状を決定する触覚センサ（図示せず）を含む機械的クランプを備えた患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂを使用するなど、他のタイプの位置合わせも可能である。次に、骨の形状を、位置合わせのために骨の３次元モデルに一致させることができる。触覚センサと患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂ上のマーカー１６２との間の既知の関係は、ナビゲーションコントローラ１３４に入力されるか、そうでなければ既知である（例えば、メモリ１４０に格納される）ことができる。この既知の関係に基づいて、患者の解剖学的形態に対するマーカー１６２の位置を決定することができる。位置及び／または方向データは、ローカライザ座標系ＬＣＬＺまたは別の適切な座標系内の各トラッカー１６０の座標を決定するために、いくつかの異なる位置合わせ／ナビゲーション技術を使用して、ナビゲーションコントローラ１３４によって収集、決定、または他の方法で処理され得る。これらの座標は、以下でより詳細に説明するように、マニピュレータ１０２の関節運動を容易にするため、及び／または外科医が外科的処置を実行するのを支援するために、ロボット制御システム１２６などの制御システム１２４の他の部分に伝達される。
本明細書に示される代表的な実施形態では、マニピュレータコントローラ１３２及びツールコントローラ１３６は、マニピュレータ１０２のベース１０６に動作可能に取り付けられ、ナビゲーションコントローラ１３４及びローカライザ１５８は、マニピュレータ１０２のベース１０６に対して可動なモバイルカート１６４にサポートされている。モバイルカート１６４はまた、外科医または別のユーザに情報を表示することによって、及び／または外科医または別のユーザから情報を受け取ることによって、外科システム１００の動作を容易にするために、ユーザインターフェース１４２をサポートし得る。図１に示される代表的な実施形態ではナビゲーションシステム１２８の一部として示されているが、ユーザインターフェース１４２は、ロボット制御システム１２６及び／またはツール制御システム１３０などの制御システム１２４の一部を形成するか、別様には他の部分と通信することができる。この目的のために、ユーザインターフェース１４２は、ナビゲーションコントローラ１３４、マニピュレータコントローラ１３２、及び／またはツールコントローラ１３６と通信するように配置され得、同様に、１つ以上の出力デバイス１４４（例えば、モニタ、インジケータ、表示画面など）を含み得、外科医または他のユーザ（例えば、画像、ビデオ、データ、グラフィックス、ナビゲート可能なメニューなど）、及び１つまたは複数の入力デバイス１４６（例えば、物理的または仮想入力制御、ボタン、タッチスクリーン、キーボード、マウス、ジェスチャまたは音声ベースの入力デバイスなど）に情報を提示する。このタイプのナビゲーションシステム１２８で利用される１つのタイプのモバイルカート１６４及びユーザインターフェース１４２は、「Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国特許第７，７２５，１６２号に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
モバイルカート１６４及びマニピュレータ１０２のベース１０６は、互いに対して、また患者の体Ｂに対しても配置することができるので、外科システム１００の１つまたは複数の部分は、一般に、ローカライザ１５８を介して感知された各トラッカー１６０の座標を、ローカライザ座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬへ（または他の座標系へ）、またはその逆で、変換するように構成され、マニピュレータ１０２の関節運動が、共通の座標系（例えば、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ、または別の共通座標系）内の特定のトラッカー１６０の相対位置及び／または方向に少なくとも部分的に基づいて実行され得る。ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内の座標は、様々な変換手法を使用して、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ（または他の座標系）内の座標に変換でき、その逆も可能である。座標系間のデータの変換または変換の一例は、「Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｎａｔｏｍｉｃａｌ Ｄａｔａ Ｓｅｔｓ」と題された米国特許第８，６７５，９３９号に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
図示の実施形態では、ローカライザ１５８は、光学ローカライザであり、１つまたは複数の光学センサ１６８を備えたカメラユニット１６６と、いくつかの実施形態では、ビデオカメラ１７０とを含む。ローカライザ１５８はまた、ナビゲーションコントローラ１３４と通信するか、さもなければナビゲーションシステム１２８の一部を形成するローカライザコントローラ（図示せず）を含み得る。ナビゲーションシステム１２８は、カメラユニット１６６の光学センサ１６８を使用して、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内のトラッカー１６０の位置及び／または向きを感知する。本明細書に示される代表的な実施形態では、トラッカー１６０はそれぞれ、カメラユニット１６６の光学センサ１６８によって感知され得る複数のマーカー１６２（図２を参照）を使用する。このタイプのナビゲーションシステム１２８の一例は「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｎｏｎ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ」と題された米国特許第９，００８，７５７号に記載されており、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、マーカー１６２は、ローカライザ１５８によって感知され得る光を放出するアクティブマーカー（例えば、発光ダイオード「ＬＥＤ」）である。いくつかの実施形態では、トラッカー１６０は、ローカライザ１５８または別の光源から放出された光を反射するパッシブマーカー（例えば、反射器）を使用することができる。ナビゲーションシステム１２８の一実施形態が図面全体に示されているが、ナビゲーションシステム１２８は、トラッカー１６０を監視するための任意の適切な構成を有することができ、以下の説明から理解されるように、様々なタイプ及び構成であり得る。例えば、ナビゲーションシステム１２８は、同じまたは異なるタイプの複数のローカライザ１５８及び／またはトラッカー１６０を含むことができる。
いくつかの実施形態では、ナビゲーションシステム１２８及び／またはローカライザ１５８は、無線周波数（ＲＦ）ベースである。例えば、ナビゲーションシステム１２８は、ナビゲーションコントローラ１３４及び／または別のコンピューティングデバイス、コントローラなどに結合されたＲＦトランシーバを備え得る。ここで、トラッカー１６０は、ＲＦエミッタまたはトランスポンダを含み得、これは受動的であり得るか、または能動的にエネルギーを与えられ得る。ＲＦトランシーバは、ＲＦ追跡信号を送信し、ＲＦエミッタは、追跡された状態がナビゲーションコントローラ１３４に通信される（または解釈される）ように、ＲＦ信号で応答する。ＲＦ信号は、任意の適切な周波数のものであり得る。ＲＦトランシーバは、ＲＦ信号を効果的に使用して対象物を追跡するために、任意の適切な位置に配置することができる。さらに、ＲＦベースのナビゲーションシステムの実施形態は、本明細書に示されるアクティブマーカーベースのナビゲーションシステム１２８とは異なる構造構成を有し得る。
いくつかの実施形態では、ナビゲーションシステム１２８及び／またはローカライザ１５８は、電磁（ＥＭ）ベースである。例えば、ナビゲーションシステム１２８は、ナビゲーションコントローラ１３４及び／または別のコンピューティングデバイス、コントローラなどに結合されたＥＭトランシーバを備え得る。ここで、トラッカー１６０は、それに取り付けられたＥＭ構成要素（例えば、様々なタイプの磁気トラッカー、電磁トラッカー、誘導トラッカーなど）を含み得、これは、受動的であり得るか、または能動的にエネルギーを与えられ得る。ＥＭトランシーバは、ＥＭフィールドを生成し、ＥＭコンポーネントは、追跡された状態がナビゲーションコントローラ１３４に通信される（または解釈される）ように、ＥＭ信号で応答する。ナビゲーションコントローラ１３４は、受信したＥＭ信号を分析して、相対状態をそれに関連付けることができる。ここでもまた、ＥＭベースのナビゲーションシステムの実施形態は、本明細書に示されるアクティブマーカーベースのナビゲーションシステム１２８とは異なる構造構成を有し得る。
いくつかの実施形態では、ナビゲーションシステム１２８及び／またはローカライザ１５８は、それに関連する位置データを決定するためにトラッカー１６０を対象物に固定することを必ずしも必要としない１つまたは複数のタイプの画像化システムに基づくことができる。例えば、超音波ベースの画像化システムは、超音波画像（例えば、追跡された対象物の特定の既知の構造的特徴、追跡された対象物に固定されたマーカーまたはステッカーなど）の取得を容易にするために提供され得、追跡された状態（例えば、位置、向きなど）は、超音波画像に基づいてナビゲーションコントローラ１３４に伝達され（またはそれによって解釈され）得る。超音波画像は、三次元、二次元、またはそれらの組み合わせであり得る。ナビゲーションコントローラ１３４は、追跡された状態を決定するために、ほぼリアルタイムで超音波画像を処理することができる。超音波画像装置は、任意の適切な構成を有し得、図１に示すようにカメラユニット１６６とは異なり得る。さらなる例として、放射線不透過性マーカー（例えば、追跡された対象物に取り付けられる既知の構造的特徴を有するステッカー、タグなど）のＸ線画像の取得を容易にするために透視ベースの画像化システムを提供することができ、追跡された状態がＸ線画像に基づいてナビゲーションコントローラ１３４に伝達される（または解釈される）ようにする。ナビゲーションコントローラ１３４は、追跡された状態を決定するために、ほぼリアルタイムでＸ線画像を処理することができる。同様に、他のタイプの光学ベースの画像化システムを提供して、特定の既知の対象物（例えば、追跡された対象物またはその構造的構成要素または特徴の仮想表現との比較に基づいて）及び／またはマーカー（例えば、追跡される対象物に貼付されているステッカー、タグなど）のデジタル画像、ビデオなどの取得を（例えば、ビデオカメラ１７０などの電荷結合デバイス「ＣＣＤ」センサを介して）容易にすることができ、追跡された状態は、デジタル画像に基づいてナビゲーションコントローラ１３４に伝達される（またはそれによって解釈される）。ナビゲーションコントローラ１３４は、追跡された状態を決定するために、ほぼリアルタイムでデジタル画像を処理することができる。
したがって、同じまたは異なるタイプの複数のイメージングシステムを含む様々なタイプのイメージングシステムは、本開示の範囲から逸脱することなく、ナビゲーションシステム１２８の一部を形成することができる。ナビゲーションシステム１２８及び／またはローカライザ１５８は、本明細書に具体的に記載されていない他の適切な構成要素または構造を有し得る。例えば、ナビゲーションシステム１２８は、慣性追跡のみ、または追跡技術の任意の組み合わせを利用することができ、追加的または代替的に、光ファイバーベースの追跡、マシンビジョン追跡などを含むことができる。さらに、図１に示されるナビゲーションシステム１２８に関連する技術、方法、及び／またはコンポーネントのいずれかは、いくつかの異なる方法で実施することができ、他の構成が本開示によって企図される。
いくつかの実施形態では、外科システム１００は、追跡された対象物の相対的な位置及び向きの仮想表現を、外科医または外科システム１００の他のユーザに対して、例えば、１つまたは複数の出力デバイス１４４（例えば、表示画面）に提示される患者の体Ｂ、ツール１０４、器具１１２、エネルギーアプリケータ１１４などの画像及び／または解剖学的構造のグラフィック表現で表示することができる。マニピュレータコントローラ１３２及び／またはナビゲーションコントローラ１３４はまた、ユーザインターフェース１４２を利用して、外科医または他のユーザがロボット制御システム１２６と対話できるように（例えば、グラフィカルユーザインターフェースＧＵＩを使用して）、命令を表示するか、または情報を要求し、マニピュレータ１０２の関節運動を容易にすることができる。他の構成が企図される。
上記のように、ローカライザ１５８は、トラッカー１６０を追跡して、それぞれに取り付けられた対象物の状態にそれぞれ対応するトラッカー１６０のそれぞれの状態を決定する。ローカライザ１５８は、既知の三角測量技術を実行して、トラッカー１６０及び関連する対象物の状態を決定することができる。ローカライザ１５８は、トラッカー１６０の状態をナビゲーションコントローラ１３４に提供する。いくつかの実施形態では、ナビゲーションコントローラ１３４は、トラッカー１６０の状態を決定し、マニピュレータコントローラ１３２に伝達する。本明細書で使用される場合、対象物の状態には、追跡される対象物の位置及び／または方向、または位置及び／または方向の同等物／導関数を規定するデータが含まれるが、これらに限定されない。例えば、状態は、対象物のポーズであり得、線形速度データ、及び／または角速度データなどを含み得る。他の構成が企図される。
図２を参照すると、外科システム１００は、一般に、制御システム１２４を含み、制御システム１２４は、他の構成要素の中でも、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、ツールコントローラ１３６、及び／または上記のロボット制御システム１２６、ナビゲーションシステム１２８、及び／またはツール制御システム１３０を含み得る、またはそれらとして規定され得る。制御システム１２４は、図３に示す１つまたは複数のソフトウェアモジュールを含むこともできる。ソフトウェアモジュールは、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、ツールコントローラ１３６、またはそれらの任意の組み合わせであり、外科システム１００の制御を容易にするか、さもなければ支援するために使用されるデータを処理するため動作する１つ以上のプログラムの一部であり得る。ソフトウェアプログラム及び／またはモジュールは、コントローラ１３６、１３２、１３４の１つ以上の１つまたは複数のプロセッサ１３８によって実行される、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、ツールコントローラ１３６、またはそれらの組み合わせ上の非一時的メモリ１４０に格納されたコンピュータ可読命令を含む。
メモリ１４０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性メモリなどの任意の適切な構成であり得、ローカルにまたは遠隔の場所（例えば、データベース、サーバーなど）で実行され得る。さらに、ユーザにプロンプトを表示及び／または通信するためのソフトウェアモジュールは、モジュールまたはプログラムの一部を形成し得、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、ツールコントローラ１３６、またはそれらの任意の組み合わせ上のメモリ１４０に格納された命令を含み得る。ユーザは、ソフトウェアモジュール及び／またはプログラムと通信するために、任意のユーザインターフェース１４２（例えば、図１に示されるナビゲーションシステム１２８のユーザインターフェース１４２）の任意の入力デバイス１４６及び／または出力デバイス１４４と対話することができる。制御システム１２４はまた、ユーザインターフェース１４２（例えば、グラフィカルユーザインターフェースＧＵＩ）、またはマニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、及び／またはツールコントローラ１３６（例えば、タブレットコンピュータなどのポータブル電子デバイス）から各デバイスで実行できる他のソフトウェア、またはモジュールを含み得る。他の構成が企図される。
制御システム１２４は、本明細書に記載の機能及び方法を実行するのに適した入力、出力、及び処理デバイスの任意の適切な構成を含むことができる。外科システム１００は、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、またはツールコントローラ１３６、あるいはそれらの任意の組み合わせを含み得るか、またはこれらのコントローラの一部のみ、または追加のコントローラを含み得、これらのいずれも上記のように制御システム１２４の一部を形成し得る。コントローラ１３２、１３４、１３６は、図２に示されるように、有線バスまたは通信ネットワークを介して、無線通信を介して、または他の方法で通信することができる。制御システム１２４は、１つまたは複数のマイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、システムオンチップ、ディスクリート回路、センサ、ディスプレイ、ユーザインターフェース、インジケータ、及び／または本明細書に記載される機能を実行することができる他の適切なハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアを含むことができる。他の構成が企図される。
図３を参照すると、いくつかの実施形態では、制御システム１２４によって使用されるソフトウェアは、境界発生器１７２を含み得る。図４に示されるように、境界発生器１７２は、ツール１０４の動き及び／または動作を制限するための仮想境界１７４を生成するソフトウェアプログラムまたはモジュールである。仮想境界１７４は、１次元、２次元、または３次元であり得、点、線、軸、軌道、平面、または複雑な幾何学的形状を含む他の形状を含み得る。いくつかの実施形態では、仮想境界１７４は、三角形メッシュによって規定される表面である。このような仮想境界１７４は、仮想対象物と呼ばれることもある。仮想境界１７４は、３次元骨モデルなどの解剖学的モデルＡＭに関して規定され得る。解剖学的モデルＡＭは、位置合わせまたは他のプロセスを介して患者Ｐの解剖学的構造にマッピングされる解剖学的モデルＡＭに基づいて、患者Ｐの実際の解剖学的構造に関連付けられている。図４の例では、仮想境界１７４は、寛骨臼へのアクセスを提供する入口部分（例えば、開口部）を備えた寛骨臼を実質的に取り囲むほぼ球形のメッシュを含む。入口部分は漏斗状または円錐形である。この代表的な実施形態では、仮想境界１７４は、骨盤の寛骨臼の３次元モデルに関連付けられている。
解剖学的モデルＡＭ及び関連する仮想境界１７４は、１つまたは複数の患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂに位置合わせされている。したがって、解剖学的モデルＡＭ（及び患者Ｐの関連する実際の解剖学的構造）及び解剖学的モデルＡＭに固定された仮想境界１７４は、患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂによって追跡することができる。仮想境界１７４は、インプラント固有（例えば、植込み可能コンポーネント１１６のサイズ、形状、体積などに基づいて規定される）及び／または患者固有（例えば、患者Ｐの解剖学的構造に基づいて規定される）であり得る。仮想境界１７４は、術前、術中、またはそれらの組み合わせで作成される境界であり得る。言い換えれば、仮想境界１７４は、外科的処置が始まる前、外科的処置中（組織除去中を含む）、またはそれらの組み合わせで規定され得る。いずれにせよ、制御システム１２４は、メモリ１４０内／から仮想境界１７４を格納／検索する、メモリ１４０から仮想境界１７４を取得する、術前に仮想境界１７４を作成する、術中に仮想境界１７４を作成することなどによって、仮想境界１７４を取得する。
マニピュレータコントローラ１３２及び／またはナビゲーションコントローラ１３４は、仮想境界１７４に対するツール１０４の状態を追跡することができる。いくつかの実施形態では、ツール中心点ＴＣＰの状態は、ツール１０４が仮想境界１７４に対する所望の位置関係（例えば、それらを超えて移動されない）に留まるように、仮想シミュレーションＶＳを介して仮想剛体ＶＲＢモデルに適用される触覚力を決定する目的で、仮想境界１７４に対して測定される。仮想シミュレーションＶＳの結果は、マニピュレータ１０２に命令される。制御システム１２４（例えば、ロボット制御システム１２６のマニピュレータコントローラ１３２）は、物理的な境界／障壁の存在下で物理的なハンドピースが応答する方法をエミュレートするように、マニピュレータ１０２を制御／配置する。境界発生器１７２は、マニピュレータコントローラ１３２に実装され得る。あるいは、境界発生器１７２は、ナビゲーションコントローラ１３４、または制御システム１２４の他の部分などの他の構成要素に実装され得る。他の構成が企図される。
図３及び図５を参照すると、パス発生器１７６は、制御システム１２４によって実行され得る別のソフトウェアプログラムまたはモジュールである。いくつかの実施形態では、パス発生器１７６は、マニピュレータコントローラ１３２によって実行される。パス発生器１７６は、ツール１０４がトラバースするためのツールパスＴＰを生成する。例えば、目標部位ＴＳで患者Ｐの解剖学的構造のセクションを除去して、植込み可能コンポーネント１１６を受け取るためである。ツールパスＴＰは、複数のパスセグメントＰＳを含み得るか、または単一のパスセグメントＰＳを含み得る。パスセグメントＰＳは、直線セグメント、曲線セグメント、それらの組み合わせなどであり得る。ツールパスＴＰは、解剖学的モデルＡＭに関して規定することもできる。ツールパスＴＰは、インプラント固有（例えば、植込み可能コンポーネント１１６のサイズ、形状、体積などに基づいて規定される）、及び／または患者固有（例えば、患者Ｐの解剖学的構造に基づいて規定される）であり得る。他の構成が企図される。
本明細書に記載のいくつかの実施形態では、ツールパスＴＰは、目標部位ＴＳに隣接する組織除去パスとして規定される。しかしながら、いくつかの実施形態では、ツールパスＴＰは、組織除去以外の治療のために使用され得る。本明細書に記載の組織除去パスの一例は、ミリングパスＭＰを含む。「ミリングパス」という用語は、一般に、解剖学的構造をミリングするための目標部位ＴＳの近くのツール１０４のパスを指し、ツール１０４がパスの全期間にわたり解剖学的構造全体を動作可能にミリングすることを要求することを意図していないことを理解されたい。例えば、ミリングパスＭＰは、ツール１０４がミリングなしで、ある場所から別の場所に移行するセクションまたはセグメントを含み得る。さらに、組織切除など、ミリングパスＭＰに沿った他の形態の組織除去を使用することができる。ミリングパスＭＰは、術前、術中、またはそれらの組み合わせで作成される事前規定されたパスであり得る。言い換えれば、ミリングパスＭＰは、外科的処置が始まる前、外科的処置中（組織除去中を含む）、またはそれらの組み合わせで規定され得る。いずれにせよ、制御システム１２４は、メモリ１４０内にミリングパスＭＰを格納／メモリ１４０からミリングパスＭＰを検索し、メモリ１４０からミリングパスＭＰを取得し、術前にミリングパスＭＰを作成し、術中にミリングパスＭＰを作成することなどによって、ミリングパスＭＰを取得する。ミリングパスＭＰは、任意の適切な形状、または円形、らせん／栓抜き状、線形、曲線、それらの組み合わせなどの形状の組み合わせを有することができる。他の構成が企図される。
仮想境界１７４及び／またはミリングパスＭＰを生成するためのシステム及び方法の一例は、以前に参照された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。さらなる例は、「Ｈａｐｔｉｃ Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」と題された米国特許第８，０１０，１８０号及び「Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」と題された米国特許第７，８３１，２９２号に記載されており、これらの開示はそれぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、仮想境界１７４及び／またはミリングパスＭＰは、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、または外科システム１００の別の構成要素ではなく、オフラインで生成され得る。その後、仮想境界１７４及び／またはミリングパスＭＰは、実行時にマニピュレータコントローラ１３２によって利用され得る。
図３に戻ると、動作制御１７８を実行するために、マニピュレータコントローラ１３２及び／またはナビゲーションコントローラ１３４で実行され得る別のソフトウェアプログラムまたはモジュールが示されている。動作制御１７８は、ツール１０４の次の命令された位置及び／または方向（例えば、ポーズ）を示すデータを計算するプロセスである。ツール中心点ＴＣＰの位置または向きのみが動作制御１７８から出力される場合があるが、ツール中心点ＴＣＰの位置及び向きが動作制御１７８から出力される場合もある。いくつかの実施形態では、境界発生器１７２、パス発生器１７６、及びセンサ１８０（例えば、６自由度ＤＯＦ力／トルク変換器）からの出力は、次の命令位置／またはツール１０４の向きを決定するために動作制御１７８への入力として供給され得る。動作制御１７８は、コマンドされたポーズＣＰを決定するために、以下でより詳細に説明されるように、１つまたは複数の仮想制約ＶＣと共に、これらの入力を処理することができる。
図３を引き続き参照して、マニピュレータコントローラ１３２及び／またはナビゲーションコントローラ１３４で実行され得る別のソフトウェアプログラムまたはモジュールが、運動制御１８２を実行するために示されている。運動制御１８２の一態様は、マニピュレータ１０２の制御である。運動制御１８２は、動作制御１７８から次の命令されたポーズＣＰを規定するデータを受け取る。これらのデータに基づいて、運動制御１８２は、マニピュレータ１０２のロボットアーム１０８のジョイントＪの関節角度の次の位置を決定（例えば、逆運動学及びヤコビアン計算機を介して）し、そのため、マニピュレータ１０２は、動作制御１７８によって命令されたように（例えば、命令されたポーズＣＰで）ツール１０４を配置することができる。換言すれば、運動制御１８２は、デカルト空間で規定され得る命令されたポーズＣＰをマニピュレータ１０２のジョイント角度に処理し、その結果、マニピュレータコントローラ１３２は、ツール１０４の命令されたポーズＣＰに対応する命令されたジョイント角度へマニピュレータ１０２のジョイントＪを移動させるために、状況に応じてジョイントモータに命令することができる。いくつかの実施形態では、運動制御１８２は、ロボットアーム１０８の各ジョイントＪのジョイント角度を調節し、ジョイントモータが関連するジョイントＪを命令されたジョイント角度に駆動することを可能な限り厳密に保証するために、各ジョイントモータが出力するトルクを継続的に調整する。
境界発生器１７２、パス発生器１７６、動作制御１７８、及び運動制御１８２は、ソフトウェアプログラム１８４のサブセット（例えば、モジュール）であり得る。あるいは、それぞれは、別々に及び／または独立して、あるいはそれらの任意の組み合わせで動作するソフトウェアプログラムであり得る。「ソフトウェアプログラム」という用語は、本明細書では、説明された技術的解決策の様々な機能を実行するように構成されたコンピュータ実行可能命令を説明するために使用される。簡単にするために、「ソフトウェアプログラム」という用語は、少なくとも、境界発生器１７２、パス発生器１７６、動作制御１７８、及び／または運動制御１８２のうちの任意の１つまたは複数を包含することを意図している。ソフトウェアプログラム１８４は、マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、またはそれらの任意の組み合わせで実施することができ、または制御システム１２４によって任意の適切な方法で実施することができる。
いくつかの実施形態では、臨床アプリケーション１８６は、ユーザの相互作用を容易にし、術前計画、インプラントの配置、位置合わせ、骨加工の視覚化、インプラント適合の術後評価などを含む外科的ワークフローを調整するために提供され得る。臨床アプリケーション１８６は、出力デバイス１４４（例えば、ディスプレイ、スクリーン、モニタなど）にデータを出力するように、入力デバイス１４６から入力データを受信するように、または他の方法でユーザインターフェース１４２と相互作用するように構成され得、グラフィカルユーザインターフェースＧＵＩを含むか、その一部を形成する場合がある。臨床アプリケーション１８６は、それ自体の別個のプロセッサで実行することができ、またはナビゲーションコントローラ１３４、マニピュレータコントローラ１３２、及び／またはツールコントローラ１３６、または制御システム１２４の他の任意の適切な部分と一緒に実行することができる。
いくつかの実施形態では、臨床アプリケーション１８６は、インプラントの配置がユーザによって設定された後、境界発生器１７２及び／またはパス発生器１７６とインターフェースし、次いで、実行のため、境界発生器１７２及び／またはパス発生器１７６によって返される仮想境界１７４及び／またはツールパスＴＰを、マニピュレータコントローラ１３２へ送信する。ここで、マニピュレータコントローラ１３２は、本明細書で説明されるようにツールパスＴＰを実行する。マニピュレータコントローラ１３２は、機械加工を開始または再開し生成されたツールパスＴＰにスムーズに戻るときに、特定のセグメント（例えば、引き込みセグメント）をさらに作成することができる。マニピュレータコントローラ１３２はまた、仮想境界１７４を処理して、以下でより詳細に説明されるように、対応する仮想制約ＶＣを生成することができる。
外科システム１００は、以前に参照された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されたような手動モードで操作され得る。ここで、ユーザは手動で指示し、マニピュレータ１０２は、手術部位でツール１０４及びそのエネルギーアプリケータ１１４の移動を実行する。ユーザ（例えば、外科医）は、ツール１０４に物理的に接触して、手動モードでツール１０４の移動を引き起こす。いくつかの実施形態では、マニピュレータ１０２は、ツール１０４を配置するために、ユーザによってツール１０４に加えられる力及びトルクを監視する。この目的のために、外科システム１００は、ユーザによってツール１０４に加えられた力及びトルクを検出及び測定し、制御システム１２４によって使用される対応する入力（例えば、１つまたは複数の対応する入力／出力信号）を生成するセンサ１８０を使用することができる（例えば、複数の自由度のＤＯＦ力／トルク変換器）。ユーザによって加えられる力及びトルクは、手動モード（または他のモード）でツール１０４を動かす方法を決定するために使用される外力Ｆｅｘｔを少なくとも部分的に規定する。外力Ｆｅｘｔは、先に参照したように、米国特許第９，１１９，６５５号、発明の名称「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」に記載されているように、重力補償力、バックドライブ力など、ユーザによって加えられる力以外の他の力及びトルクを含み得る。したがって、ユーザによって加えられる力及びトルクは、外力Ｆｅｘｔを少なくとも部分的に規定し、場合によっては、手動モード及び／または以下でより詳細に説明する他のモードでツール１０４の全体的な動きに影響を与える外力Ｆｅｘｔを完全に規定し得る。
センサ１８０は、マニピュレータ１０２と目標部位ＴＳとの間に発生する力及び／またはトルク（例えば、ユーザによってツール１０４に加えられる力）を検出するように配置された６自由度のＤＯＦ力／トルク変換器を備え得る。説明のために、センサ１８０は、マニピュレータ１０２の結合１１０に隣接して、またはそうでなければその一部として（例えば、ロボットアーム１０８のジョイントＪ６に結合されて）一般的に示されている。ただし、他の構成及び配置が考えられる。マニピュレータコントローラ１３２、ナビゲーションコントローラ１３４、ツールコントローラ１３６、及び／または外科システム１００の他の構成要素は、センサ１８０から信号（例えば、入力として）を受信することができる。ユーザが加えた力及びトルクに応答して、マニピュレータ１０２は、ユーザによって加えられた力及びトルクに基づいて発生したであろう動きをエミュレートする方法でツール１０４を動かす。手動モードでのツール１０４の動きはまた、境界発生器１７２によって生成された仮想境界１７４に関連して制約され得る。いくつかの実施形態では、センサ１８０によって取得された測定値は、センサ１８０のセンサ座標系ＳＮから別の座標系、例えば仮想質量座標系ＶＭに変換され、その中で、以下に説明するように、仮想シミュレーションＶＳは、ツール１０４の仮想剛体ＶＲＢモデルで実行され、それにより、仮想シミュレーションＶＳで力とトルクを仮想剛体ＶＲＢに仮想的に適用して、これらの力とトルク（他の入力の中でも）が仮想剛体ＶＲＢの動きにどのように影響するかを最終的に決定できる。
外科システム１００はまた、マニピュレータ１０２のアクティブジョイントＪを操作してユーザからツール１０４への力／トルクを必要とせずにツール１０４を動かすことによってなど、マニピュレータ１０２がミリングパスＭＰに沿って自動化された方法でツール１０４のを動かす半自律モードで動作し得る。半自律モードでの動作の例はまた、以前に参照された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号にも記載されている。いくつかの実施形態では、マニピュレータ１０２が半自律モードで動作するとき、マニピュレータ１０２は、ユーザの支援なしにツール１０４を動かすことができる。ここで、「ユーザの支援なし」とは、ユーザがツール１０４またはロボットアーム１０８に物理的に接触せずツール１０４を動かさないことを意味し得る。代わりに、ユーザは何らかの形のリモートコントロール（例えば、ペンダント、図示せず）を使用して、動きの開始と停止を制御することができる。例えば、ユーザは、リモコンのボタンを押したままにしてツール１０４の動きを開始し、ボタンを離してツール１０４の動きを停止することができる。ユーザペンダントに具現化されたこのタイプのリモートコントロールの例は、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｔｏｏｌ Ｒｅｍｏｖｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｒｏｍ Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ」と題された米国特許第１０，１１７，７１３号に記載されており、その開示は全体が参照により本明細書に組み込まれる。他の構成が企図される。
手動モードでは、ユーザにとって、ツール１０４を現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴに（例えば、目標位置ＰＴ、目標方向ＯＴ、または目標ポーズに）動かすことは困難な場合がある。ツール１０４を特定の目標状態ＳＴに移動させることは、ツール１０４をミリングパスＭＰに所望の近接度で配置するなど、任意の数の理由で、ツール１０４を、特定の軌道／平面などに整合させるための、植込み可能コンポーネント１１６を受け入れるための組織の加工のために適切な方向にツール１０４を配置することが望ましい場合がある。しかしながら、ユーザがツール１０４を十分な精度で配置することは困難である可能性がある。これは、患者Ｐの解剖学的構造が、軟組織、体液などによってユーザの視界から部分的に遮られている場合に特に困難になる可能性がある。ここで、外科システム１００は、以前に参照された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されたように、手動モードから半自律モードに切り替えることができる。したがって、ツール１０４を目標状態ＳＴに配置するために、マニピュレータ１０２は、ツール１０４を現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴに自律的に移動させることができる。
ユーザがツール１０４との手での接触を維持して、目標状態ＳＴに向かって移動する間にツール１０４の制御を達成することを望む場合、外科システム１００はまた、誘導触覚モードで動作することができる。誘導触覚モードは、ユーザがツール１０４を目標状態ＳＴ（引力）に配置するように、または他の場合には目標状態ＳＴ（引力）に配置するように誘導するのを助けるために、またはユーザを目標状態から遠ざけるように誘導する（反発）ために使用され得る。誘導触覚モードでは、手動モードと半自律モードの両方で使用される制御の態様が利用される。例えば、ユーザによって加えられた力及びトルクは、依然としてセンサ１８０によって検出され、仮想シミュレーションＶＳに供給されてツール１０４の全体的な動きに少なくとも部分的に影響を与える外力Ｆｅｘｔを決定する。さらに、誘導触覚モードでは、外科システム１００は、仮想制約ＶＣ力Ｆｃに具現化された仮想引力（または反発）力ＶＦ（またはトルク）を生成し、これは、外力Ｆｅｘｔと共に仮想シミュレーションＶＳに供給される。誘導触覚モードは、ツール１０４を目標状態ＳＴ（反発性触覚）から遠ざけるため、及び／またはツール１０４を目標状態ＳＴ（引力性触覚）に引き付けるために使用され得る。
仮想引力ＶＦは、仮想シミュレーションＶＳにおいて仮想剛体ＶＲＢに仮想的に適用することができ、ツール１０４を目標状態ＳＴに向けて引き付けるか、さもなければ促すように適合された力及び／またはトルクを含む。仮想引力ＶＦは、ツール１０４が目標状態ＳＴに到達するためにどのように動かされるべきかをユーザに示す触覚フィードバックをユーザに提供する方法で、ツール１０４の全体的な動きに影響を与える。より具体的には、仮想シミュレーションＶＳでは、仮想引力ＶＦに関連する力及び／またはトルクは、外力Ｆｅｘｔの力及び／またはトルク（及び／または他の力及び／またはトルク）の影響を無効にでき、ツール１０４が、ユーザに触覚相互作用効果を提供する方法で最終的に動かされるようになり、この触覚相互作用効果は、目標状態ＳＴに到達するためにツール１０４を動かす必要がある方向／回転を示す。したがって、誘導触覚モードは、ツール１０４を動かすために手動の操作に依存するが、そのような動きは、ユーザによって加えられる力及びトルクに基づいて発生するであろう動きを単にエミュレートするのではなく、目標状態ＳＴに向かってユーザを誘導するようアクティブに制御する。したがって、誘導触覚モードは、ツール１０４の自律的（または半自律的）な動きに関連する利点を提供しながら、ツール１０４との直接的なユーザの関与を可能にする。
誘導触覚モードでは、ツール１０４は、目標状態ＳＴに効果的に引き付けられて、触覚的相互作用効果をユーザに提供する。これらの効果は、１つまたは複数の自由度ＤＯＦで生成されて、ツール１０４を目標状態ＳＴに引き付けることができる。したがって、目標状態ＳＴは、ツール１０４が１自由度ＤＯＦのみで引き付けられるように規定され得るか、またはツール１０４が２つ以上の自由度ＤＯＦで引き付けられるように規定され得る。したがって、目標状態ＳＴは、目標座標系ＴＦで規定された、目標位置ＰＴ、目標方向ＯＴ、またはその両方（例えば、目標ポーズＴＰ）を含み得る。目標位置ＰＴは、目標座標系ＴＦのｘ、ｙ、及び／またはｚ軸に関する１つまたは複数の位置成分（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、及び／またはｚ位置ＺＰ）を含み得る。場合によっては、目標位置ＰＴは、目標座標系ＴＦの原点として表すことができる。同様に、目標方向ＯＴは、目標座標系ＴＦのｘ、ｙ、及び／またはｚ軸に関して１つまたは複数の方向成分（例えば、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及び／またはｚ方向ＺＯ）を含み得る。ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、ｚ位置ＺＰ、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及びｚ方向ＺＯは、それぞれ、それぞれの自由度ＤＯＦ（例えば、座標系の）を表す。場合によっては、目標の方向ＯＴは、目標座標系ＴＦのｘ、ｙ、ｚ軸の向きとして表すことができる。「目標ポーズ」ＴＰという用語は、１つまたは複数の位置成分ＸＰ、ＹＰ、ＺＰと、１つまたは複数の方向成分ＸＯ、ＹＯ、ＺＯとの組み合わせを意味する。場合によっては、目標ポーズＴＰは、目標座標系ＴＦの６自由度ＤＯＦすべてにおいて、目標位置ＰＴ及び目標方向ＯＴを含み得る。場合によっては、目標位置ＰＴ及び／または目標方向ＯＴは、開始位置及び／または開始方向と呼ばれることもある。
目標座標系ＴＦは、目標状態ＳＴが規定されている任意の座標系であり得、目標状態ＳＴは、ツール１０４の目標状態ＳＴに対するツール１０４の現在の状態ＳＣを監視するために望まれる任意の他の座標系に変換され得る。目標状態ＳＴは、トラッカー座標系、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ、仮想質量座標系ＶＭ、ツール中心点ＴＣＰ座標系などで追跡することができる。目標状態ＳＴは、患者Ｐの解剖学的モデルＡＭに関して規定され得、解剖学的モデル座標系、解剖学的トラッカー座標系（例えば、１つまたは複数の患者トラッカー１６０Ａ、１６０Ｂによって追跡される）などにおける患者Ｐの解剖学的構造に関して固定され得る。ツール１０４の現在の状態ＳＣは、誘導座標系ＧＦに関して規定され得る。誘導座標系ＧＦは、別の座標系に結び付けられ得るか、または現在の状態ＳＣは、目標状態ＳＴに対する現在の状態ＳＣの追跡を可能にするために任意の誘導座標系ＧＦに変換され得る。例えば、現在の状態ＳＣは、トラッカー座標系、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ、仮想質量座標系ＶＭ、ツール中心点ＴＣＰ座標系などで追跡することができる。いくつかの実施形態では、ツール１０４の現在の状態ＳＣは、最初に、ツール中心点ＴＣＰ座標系によって規定され得（例えば、ＴＣＰ座標系及び誘導座標系ＧＦは、例示の目的で同じであると示されている）、目標状態ＳＴは、最初は解剖学的モデル座標系に関して規定できるが、ガイド座標系ＧＦと目標座標系ＴＦの両方を、追跡目的で共通の座標系に変換できる。目標状態ＳＴは、術前、術中、またはその両方で規定できる。術中計画、解剖学的モデルなどの様々な態様は、「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆａｃｉｌｉｔａｔｉｎｇ Ａｄ－ｈｏｃ Ｉｎｔｒａｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」と題された米国特許出願公開第ＵＳ２０１８／０３３３２０７Ａ１に記載されている。この開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。他の構成が企図される。
制御システム１２４は、ツール１０４を目標状態ＳＴに引き付ける仮想シミュレーションＶＳで使用される仮想引力ＶＦ（例えば、力及び／またはトルク）を生成するように規定される仮想制約ＶＣを使用する。これらの仮想制約ＶＣは、本明細書ではガイド制約ＧＣと呼ばれる。ガイド制約ＧＣは、最終的に、ツール１０４の目標状態ＳＴへの動きに影響を与えるように規定され、その結果、ユーザは、上記の触覚相互作用効果のうちの１つまたは複数を提供される。一般に、仮想制約ＶＣは、マニピュレータ１０２にツール１０４を動かすように命令する方法を決定するために、他の動き関連情報と共に、制御システム１２４によって考慮される剛体の動きに対する制限である。以下でさらに説明するように、ガイド制約ＧＣは、ガイド制約ＧＣが無限に硬くならないように、構成可能なばねパラメータＰＳ及び減衰パラメータＰＤを有する。より具体的には、いくつかのバージョンでは、ガイド制約ＧＣは、目標状態ＳＴと反対方向にユーザによって加えられる力及びトルクから生じる動きなど、それらに違反する動きを妨げないように「ソフト制約」として規定される。したがって、誘導触覚モードまたは他のモードでは、ユーザは、ガイド制約ＧＣに違反しても、ガイドの制約ＧＣが依然として、ユーザが感じる（例えば、触覚相互作用効果）ユーザに対抗する引力とトルクを生成し、目標状態ＳＴと反対の方向へのツール１０４の動きに影響を与えることができる可能性が依然としてあり、これにより、ユーザは、目標状態ＳＴに到達するためにツール１０４をどの方向に動かす必要があるかを知ることができる。例えば、ユーザは、目標状態ＳＴから離れるのと比較して、ツール１０４が目標状態ＳＴに向かって移動することが容易であるという理由で、これらの触覚相互作用効果を感じることができる（例えば、ユーザは、目標状態ＳＴに向かって移動するのと比較して、ツール１０４を目標状態ＳＴから遠ざけるために、すべきことがより必要であるように感じる可能性がある）。言い換えれば、物理的なばねが、ツール１０４の誘導座標系ＧＦを目標座標系ＴＦと相互接続しているように、ユーザは感じる可能性がある（図６のばね及びダンパーの図を参照）。
１つまたは複数のガイド制約ＧＣは、目標位置ＰＴに関連付けられた最大３つのガイド制約ＧＣ及び目標方向ＯＴに関連付けられた最大３つのガイド制約ＧＣを含み、ユーザを案内するために制御システム１２４によって使用され得る。以下でより詳細に説明するように、制御システム１２４は、ガイド制約ＧＣ（及び使用される場合は他の仮想制約ＶＣ）を満たす制約力Ｆｃを計算するように動作する。制約力Ｆｃは、ツール１０４を目標状態ＳＴに引き付けるために、その中に仮想引力ＶＦ（例えば、力及び／またはトルク）を組み込む。各ガイド制約ＧＣは、１次元の仮想制約ＶＣと見なされる。いくつかの実施形態では、ガイド制約ＧＣは速度インパルス制約である。いくつかの実施形態では、制約は、以前に参照された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されたインパルスモデリングで使用されるものと同様である。いくつかの実施形態では、これらの仮想制約ＶＣは、手動モードまたは半自律モードではなく、誘導触覚モードでのみ規定される。いくつかの実施形態では、仮想制約ＶＣはすべてのモードで使用される。他の構成が企図される。
図６では、目標位置ＰＴに関連付けられた３つのガイド制約ＧＣが、目標座標系ＴＦで規定されているとして例示的に表されている。これらの３つのガイド制約ＧＣの結果として最終的に計算される制約力Ｆｃは、ツール１０４のツール中心点ＴＣＰを目標位置ＰＴ（例えば、目標座標系ＴＦの原点まで）に導くばねパラメータＰＳと減衰パラメータＰＤを組み込んだ引力を含むものとして示されている。これはほんの一例である。制約力Ｆｃは、ツール１０４を目標の向きに整合させるための力及びトルクの成分を含み得る。
ガイド制約ＧＣ（及び使用されている場合は他の仮想制約ＶＣ）は、主に、制約ヤコビアンＪｐ、目的の速度Ｖｄｅｓ（またはＶｐ２）、及び制約距離Δｄという３つの実行時パラメータによって規定される。ヤコビアンＪｐは、各１次元のガイド制約ＧＣを、仮想シミュレーションＶＳに使用される座標系（例えば、仮想質量座標系ＶＭ）にマッピングする。目的の速度Ｖｄｅｓ（またはＶｐ２）は、目標座標系ＴＦのガイド制約ＧＣのスカラー速度である。ここで、所望の速度Ｖｄｅｓは、患者Ｐが動かず、患者Ｐに対して規定された関連する目標状態ＳＴが動いていないときはゼロであり得るが、患者Ｐが動いているときは目標状態ＳＴは、患者Ｐに結び付けられ得るのでゼロではない可能性がある。制約距離Δｄは、ガイド座標系ＧＦが制約にどれだけ近いかを示し、制約に違反しているかどうかを示す。場合によっては、Δｄは目標状態ＳＴからの現在の状態ＳＣの距離／角度を指し、現在の状態ＳＣが関連する自由度で目標状態ＳＴと一致しないときはいつでも、ガイド制約ＧＣに違反する。
ガイド制約ＧＣは完全に剛性というわけではないが、代わりに各ガイド制約ＧＣには、仮想制約ＶＣの剛性を調整するための調整パラメータＴＰＡがある（例えば、ばねパラメータＰＳ及び／または減衰パラメータＰＤを組み込むことによって）。そのような調整パラメータＴＰＡは、制約力混合パラメータＣ及び誤差低減パラメータεを含み得る。ばねパラメータＰＳ及び減衰パラメータＰＤは、誘導触覚モードでの動作中に、または以下でより詳細に説明するように他のモードの間に、調整することができる。いくつかの実施形態では、調整パラメータＴＰＡの値は、現在の状態ＳＣと目標状態ＳＴとの間の関係に基づいて変化し得る。例えば、調整パラメータＴＰＡは、ツール１０４が目標状態ＳＴに近づくにつれて剛性が増加するように構成され得るか、または調整パラメータＴＰＡは、ツール１０４が目標状態ＳＴに近づくにつれて剛性が減少する可能性がある。調整パラメータＴＰＡは、ガイド制約ＧＣごとに異なる場合がある。例えば、ガイド制約ＧＣは、調整パラメータＴＰ１の第１の値を有する第１の仮想制約ＶＣと、調整パラメータＴＰＡの第２の値を有する第２の仮想制約ＶＣとを含み得、第１の値は、制約力Ｆｃに具体化された結果として生じる仮想引力ＶＦ（例えば、力及び／またはトルク）が、第２の仮想制約ＶＣと比較して第１の仮想制約ＶＣの結果としてツール１０４をより強く引き付けるように適合されるように、第２の値より大きい。調整パラメータＴＰＡの値は、方向の制約よりも位置の制約の方が大きい（例えば、硬い）場合があり、その逆の場合もある。他の構成が企図される。
調整パラメータＴＰＡは、現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴまでの距離／角度に関係なく一定のまま、現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴまでの距離に応じて指数関数的に上昇／下降する、現在の状態ＳＣと目標状態ＳＴの間の距離に比例して変化する、制約の方向によって異なる、重力の影響を考慮に入れる、などに設定することもできる。１つの自由度ＤＯＦに関連付けられた１つの仮想制約ＶＣの調整パラメータＴＰＡは、別の自由度ＤＯＦに関連付けられた関係に基づいて設定できる（例えば、ｘ軸制約の剛性は現在の状態ＳＣと目標状態ＳＴの間のｙ軸に沿った距離に基づいて変化する場合がある）。調整パラメータＴＰＡはまた、目標状態ＳＴに到達するためにツール１０４が移動する必要がある方向に応じて変化し得る（例えば、ｘ軸に沿った反対方向と比較して、ｘ軸に沿った一方向に移動するとき、より剛性である）。調整パラメータＴＰＡは、制約力Ｆｃまたはその任意のコンポーネントの大きさに応じて剛性を増減することなどにより、ガイド制約ＧＣに基づいて最終的に計算される制約力Ｆｃに応じてスケーリングすることもできる。場合によっては、１つまたは複数の仮想引力ＶＦの固定の値を仮想シミュレーションＶＳに追加することもできる。
ガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡは、ユーザがツール１０４を目標位置ＰＴ及び／または目標方向ＯＴから容易に移動させることができるように設定され得る。言い換えれば、調整パラメータＴＰＡは、仮想シミュレーションＶＳにおいて、ユーザによって加えられる力及びトルクの影響が、仮想引力ＶＦ（例えば、力及びトルク）の影響を上回ることができるように設定され得る。したがって、制御システム１２４は、ガイド制約ＧＣが有効にされている場合でも、ユーザがツール１０４を目標位置ＰＴ及び／または目標方向ＯＴから離れて再配置及び／または再方向できるように構成され得る。ガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡは、術前または術中に設定することができ、術中に更新することができ、あるいはそれらの組み合わせであることができる。調整パラメータＴＰＡ及びそれらの値、特定の関係とのそれらの相関、及びそれらがスケーリングされ得る方法は、後で検索するために、制御システム１２４の任意の適切なメモリ１４０内の１つまたは複数のルックアップテーブルに格納され得る。
各ガイド制約ＧＣには、構成パラメータＣＰＡもある。構成パラメータＣＰＡは、制約力混合パラメータＣ及び誤差低減パラメータεなどの調整パラメータＴＰＡに関する情報、力の上限ＦＬＵ及び／または力の下限ＦＬＬ、及び／または上限制約距離オフセットＤＯＵ及び／または下限制約距離オフセットＤＯＬを含み得る。力の上限と下限ＦＬＵ、ＦＬＯは、以下でさらに説明するように、制約ソルバー１９２によって最終的に解かれ制約力Ｆｃを生成する、各ガイド制約ＧＣに対して計算された力の限界を指す。ガイド制約ＧＣは両側制約であり（例えば、制約を満たすために計算された力は正または負になる）、力制限ＦＬＵ、ＦＬＯは正及び負の方向に高く（例えば、－１００，０００／＋１００，０００ニュートン）または任意の制限で設定できる。上限と下限の制約距離オフセットＤＯＵ、ＤＯＬは、制約がアクティブになるタイミングを決定する。ガイド制約ＧＣに関しては、上下の制約距離オフセットＤＯＵ、ＤＯＬは、現在の状態ＳＣが目標状態ＳＴと異なるときはいつでも制約がアクティブになるように設定することができる。
図７は、いくつかの実施形態において誘導触覚モードを実行するために実行されるプロセスを示している。ここで、動作制御１７８は、パスハンドラ１８８、ガイドハンドラ１９０、制約ソルバー１９２、及び仮想シミュレータ１９４を備える。動作制御１７８は、境界発生器１７２によって生成された１つまたは複数の仮想境界１７４に基づいて仮想境界制約ＢＣを生成するための境界ハンドラ１９６をさらに備える。パスハンドラ１８８、ガイドハンドラ１９０、制約ソルバー１９２、仮想シミュレータ１９４、及び境界ハンドラ１９６はそれぞれ、前述のコントローラ１３２、１３４、１３６のいずれか１つまたは複数の非一時メモリ１４０に格納され、制御システム１２４によって実装される実行可能ソフトウェアを含む。上で紹介された動作制御１７８の各部分は、以下でより詳細に説明される。
ガイドハンドラ１９０は、ツール１０４の目標状態ＳＴを取得し、ツール１０４の目標状態ＳＴ及び現在の状態ＳＣに基づいて、１つまたは複数のガイド制約ＧＣを生成する。図７に示されるように、ガイドハンドラ１９０への２つの入力は、現在の状態ＳＣ及び目標状態ＳＴを含む。最後に命令されたポーズＣＰはツール１０４の現在のポーズに相関するので、現在の状態ＳＣは、最後に命令されたポーズＣＰに関して規定され得る。目標状態ＳＴは、解剖学的座標系、解剖学的トラッカー座標系などで規定され、現在の状態ＳＣとの共通の座標系に変換され得る。ガイドハンドラ１９０への他の入力は、ガイド制約ＧＣのための構成パラメータＣＰＡ及び調整パラメータＴＰＡを含む。ガイドハンドラ１９０は、現在の状態ＳＣと目標状態ＳＴとの間の関係、ならびに構成パラメータＣＰＡ及び調整パラメータＴＰＡとの間の関係に基づいて、１つまたは複数のガイド制約ＧＣを規定する。ガイド制約ＧＣは、ガイドハンドラ１９０から制約ソルバー１９２に出力される。
ガイド制約ＧＣ、パス制約ＰＣ、境界制約ＢＣ、及び他の制約を含む、様々な仮想制約ＶＣを制約ソルバー１９２に供給することができる。これらの仮想制約ＶＣは、制御システム１２４によってオン／オフされ得る。例えば、場合によっては、パス制約ＰＣ、境界制約ＢＣ、及びその他の制約が生成されないことがある。同様に、場合によっては、特定の動作モードでは、ガイド制約ＧＣが生成されない場合がある。動作制御１７８で使用される仮想制約ＶＣのすべては、ツール１０４の動きに影響を及ぼし得る。図解のために、ガイド制約ＧＣのみを詳細に説明する。
制約ソルバー１９２は、制約ソルバー１９２に供給される仮想制約ＶＣに基づいて、仮想シミュレータ１９４でツール１０４に仮想的に適用される制約力Ｆｃを計算する。誘導触覚モードでは、制約力Ｆｃは、１つまたは複数のガイド制約ＧＣに基づいて、現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴに向かってツール１０４を引き付けるように適合された力及び／またはトルクの成分を含む。ガイド制約ＧＣのみが制約ソルバー１９２に入力される場合、制約力Ｆｃは、上記の仮想引力ＶＦであると見なすことができる。ただし、他の仮想制約ＶＣが使用される場合、制約ソルバー１９２は、すべての仮想制約ＶＣを満たす制約力Ｆｃの解を提供するという最終的な任務を負い、したがって、他の仮想制約ＶＣも制約力Ｆｃの大きさ／方向に影響を与える可能性がある。これらの場合、仮想引力ＶＦ（例えば、力及び／またはトルク）は、ガイド制約ＧＣの結果として目標状態ＳＴに向けられる制約力Ｆｃの力及びトルク成分と見なされる。
図８に示される制約方程式ＣＥＱを参照して、制約ソルバー１９２は、Ｆｐを解くために、各仮想制約ＶＣの制約データを制約方程式ＣＥＱの対応する行に行列形式で配置する。ここで、Ｆｐは目標座標系ＴＦの力ベクトルであり、Ｆｐの各成分は対応する制約方向に作用するスカラー制約力である。Ｆｐを解くために、以下でより詳細に説明するように、図８に示す方程式は、各行が単一の１次元仮想制約ＶＣを表す行列方程式に変換される。制約データは、外力Ｆｃｇｅｘｔ、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ、仮想質量行列Ｍ、仮想質量速度Ｖｃｇ１、及び時間ステップΔｔ（例えば、１２５マイクロ秒）などの制約ソルバー１９２によって既知の他の情報と共に制約方程式ＣＥＱに配置される。
仮想質量行列Ｍは、３×３の質量行列と慣性行列を組み合わせたものである。減衰力と慣性力Ｆｄａｍｐｉｎｇ力とＦｉｎｅｒｔｉａｌ力Ｆは、仮想シミュレータ１９４によって計算されるか、そうでなければ既知であり、前のタイムステップで仮想シミュレータ１９４によって出力される仮想質量速度Ｖｃｇ１（例えば、仮想質量座標系ＶＭの速度）に基づいている。仮想質量速度Ｖｃｇ１は、線形及び角速度成分を含む６自由度ＤＯＦの速度ベクトルである。減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇは、仮想質量速度Ｖｃｇ１と減衰係数行列の関数として計算された６自由度ＤＯＦの力／トルクベクトルである（線形係数と回転係数は等しくない場合がある）。仮想質量にダンピングを適用して、その安定性を向上させる。慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌはまた、仮想質量速度Ｖｃｇ１と仮想質量行列Ｍの関数として計算された６自由度ＤＯＦの力／トルクベクトルでもある。減衰力と慣性力、ＦｄａｍｐｉｎｇとＦｉｎｅｒｔｉａｌは、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，５６６，１２２号に記載されている方法で決定することができ、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
制約ソルバー１９２は、連立方程式を最もよく満たす（例えば、様々な仮想制約ＶＣを最もよく満たす）解を求めるために、連立方程式ＣＥＱを解くために、任意の適切なアルゴリズム命令（例えば、反復制約ソルバー、投影ガウス－ザイデルソルバーなど）で構成され得る。場合によっては、すべての仮想制約ＶＣが同時に満たされないことがある。例えば、運動が様々な仮想制約ＶＣによって過度に制約されている場合、制約ソルバー１９２は、様々な仮想制約ＶＣの相対的な剛性／減衰を考慮して、本質的に「最適な」解を見つける。制約ソルバー１９２は連立方程式を解き、最終的に制約力Ｆｃを出力する。
投影ガウス－ザイデルソルバーを使用する場合、制約ソルバー１９２は仮想制約ＶＣに基づいてＡ及びｂの行列を作成し、投影ガウス－ザイデルソルバーを使用して連立方程式を解き、結果の力ベクトルＦｐを決定する。次に、制約ソルバー１９２は、投影ガウス－ザイデルソルバーの出力を受け取り、それを目標座標系ＴＦ（例えば、制約座標系）から仮想質量座標系ＶＭに変換する。例えば、方程式Ｆｃ＝ＪｐＴＦｐを使用すると、Ｆｃは制約力であり、結果として取得される各力ベクトルＦｐは、仮想質量座標系ＶＭに適用される力／トルクベクトルに変換される。
投影ガウス－ザイデルソルバーを使用して複数の制約の連立方程式を解く方法は、例えば、”Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｂａｓｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ ｓｏｌｖｅｒ” ｂｙ Ｍａｒｉｊｎ Ｔａｍｉｓ ａｎｄ Ｇｉｕｓｅｐｐｅ Ｍａｇｇｉｏｒｅ、２０１５年６月１５日（ｖ１．０２）に示されており、これはｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｆｔ－ｓｐｉｒｉｔ．ｎｌ／ｆｉｌｅｓ／ＭＴａｍｉｓ＿ＣｏｎｓｔｒａｉｎｔＢａｓｅｄＰｈｙｓｉｃｓＳｏｌｖｅｒ．ｐｄｆにて見出すことができ、または“Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ Ｇａｕｓｓ－Ｓｅｉｄｅｌ ａｎｄ Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｓｏｌｖｅｒｓ ｆｏｒ Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ”、Ｍａｒｉｊｎ Ｔａｍｉｓ著、２０１５年７月１日（ｖ１．０１）に示されており、これはｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｆｔ－ｓｐｉｒｉｔ．ｎｌ／ｆｉｌｅｓ／ＭＴａｍｉｓ＿ＰＧＳ＿ＳＩ＿Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．ｐｄｆ；にて見出すことができ、これらの両方は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
投影ガウス－ザイデルソルバー法は、線形相補性問題ＬＣＰに対処する。一部の制約タイプ（例えば、境界制約ＢＣなどの片側仮想制約ＶＣ）は、一方向にのみプッシュまたは「力を適用」できるため（例えば、正の制約力）、ＬＣＰに関連する不等式が発生する。そのような仮想制約ＶＣについて計算された力が、無効である制約ソルバー１９２の所与の反復に対して負である（または、より広義には、その許容範囲外である）場合、所与の仮想制約ＶＣは剪定されなければならず（または上限または下限の許容値ＦＬＵ、ＦＬＯで制限／上限が設定される）、残りの仮想制約ＶＣは、適切な結果（収束など）が見つかるまで解かれる。このようにして、制約ソルバー１９２は、所与の時間ステップについて仮想制約ＶＣのアクティブなセットを決定し、次にそれらの値を解く。他の仮想制約ＶＣタイプは、正と負の両方の方向に力を加えることができる（例えば、両側仮想制約ＶＣ）。そのような仮想制約ＶＣは、ツール１０４を目標状態ＳＴに向かって移動するようにユーザを案内するために使用されるガイド制約ＧＣを含む。このような両側仮想制約ＶＣは、有効になっている場合、通常はアクティブであり、制約ソルバー１９２の反復中にプルーニング／制限されない。
制約ソルバー１９２によって計算された制約力Ｆｃは、ｘ、ｙ、ｚ軸に沿った力の３つの成分と、ｘ、ｙ、ｚ軸の周りのトルクの３つの成分を含む。仮想シミュレータ１９４は、その仮想シミュレーションＶＳにおいて、外力Ｆｃｇｅｘｔ、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ（これらはすべて、力／トルクの６つの成分を含み得る）と共に、制約力Ｆｃを利用する。場合によっては、力／トルクのこれらの成分は、最初に共通の座標系（例えば、仮想質量座標系ＶＭ）に変換され、次に合計されて総力ＦＴが規定される。結果として生じる６自由度ＤＯＦの力（例えば、力及びトルク）は、仮想剛体ＶＲＢに適用され、結果として生じる運動は、仮想シミュレータ１９４によって計算される。したがって、仮想シミュレータ１９４は、とりわけ、様々な仮想制約ＶＣが仮想剛体ＶＲＢの動きにどのように影響するかを効果的にシミュレートするように機能する。仮想シミュレータ１９４は、フォワードダイナミクスを実行して、仮想剛体ＶＲＢに加えられる所与の総力ＦＴに基づいて、仮想剛体ＶＲＢの結果として生じる６自由度ＤＯＦのポーズ及び速度を計算する。いくつかの実施形態では、仮想シミュレータ１９４は、前述のコントローラ１３２、１３４、１３６のいずれか１つまたは複数の非一時的メモリ１４０に格納され、制御システム１２４によって実装される実行可能ソフトウェアとして実現される物理エンジンを備える。
仮想シミュレーションＶＳの場合、仮想シミュレータ１９４は、仮想質量座標系ＶＭの原点は仮想剛体ＶＲＢの質量の中心に位置し、座標軸が仮想剛体ＶＲＢの主軸と整合されている状態で、ツール１０４を仮想質量座標系ＶＭ内の仮想剛体ＶＲＢとしてモデル化する。仮想剛体ＶＲＢは、仮想シミュレーションＶＳの目的のための動的対象物及びツール１０４の剛体表現である。仮想剛体ＶＲＢは、仮想シミュレーションＶＳに従って、デカルト空間の６自由度ＤＯＦに従って自由に移動できる。仮想シミュレーションＶＳは、視覚的またはグラフィカルな表現なしで計算的に処理される場合がある。したがって、仮想シミュレーションＶＳが仮想剛体ＶＲＢのダイナミクスを表示する必要はない。言い換えると、仮想剛体ＶＲＢは、処理ユニットで実行されるグラフィックスアプリケーション内でモデル化する必要はない。仮想剛体ＶＲＢは、仮想シミュレーションＶＳに対してのみ存在する場合がある。しかし、他の構成が企図される。
仮想剛体ＶＲＢ及びその特性（例えば、質量、慣性マトリックス、重心、主軸など）は、加えられた力及びトルク（例えば、ユーザによって加えられた力とトルク、及び仮想引力ＶＦ及び／またはトルクを組み込んでいる総力ＦＴから）に応答してツール１０４がどのように動くかを規定する。仮想剛体ＶＲＢは、ツール１０４が重く感じるか軽いか、及び加えられた力及びトルクに応答してツール１０４がどのように動くか（例えば、並進及び／または回転で加速する）を支配する。仮想剛体ＶＲＢの特性を調整することにより、制御システム１２４は、ツール１０４がユーザに対してどのように感じるかを調整することができる。可能な限り現実的であるが必須ではない動き／感触を与えるなど、ツール１０４の実際の特性に合理的に近くなるようにモデル化された仮想剛体ＶＲＢの特性を有することが望ましい場合がある。制御の安定性の理由から（例えば、マニピュレータの有限の加速度、制御の待ち時間などが与えられた場合）、仮想の質量と慣性は、物理的なツール１０４のそれよりもいくらか高くなるようにモデル化できる。
仮想剛体ＶＲＢは、ツール１０４上またはツール１０４内にあり得る構成要素に対応し得る。さらに、または代わりに、仮想剛体ＶＲＢは、部分的に、物理的ツール１０４を超えて延びることができる。仮想剛体ＶＲＢは、エネルギーアプリケータ１１４を備えたツール１０４を考慮し得るか、またはエネルギーアプリケータ１１４を備えていないツール１０４を考慮し得る。さらに、仮想剛体ＶＲＢは、ツール中心点ＴＣＰに基づいている場合がある。一例では、仮想剛体ＶＲＢの重心は、仮想力が仮想剛体ＶＲＢの別の点に加えられ、仮想剛体ＶＲＢが他の方法で制約されていない場合（例えば、マニピュレータ１０２によって制約されていない場合）に、仮想剛体ＶＲＢが回転する中心点であると理解される。仮想剛体ＶＲＢの重心は、ツール１０４の実際の重心に近くにあることができるが、同じである必要はない。仮想剛体ＶＲＢの重心は、経験的に決定できる。ツール１０４がマニピュレータ１０２に取り付けられると、個々のユーザの好みに対応するために、重心の位置をリセットすることができる。
仮想シミュレータ１９４は、仮想シミュレーションＶＳにおいて仮想剛体ＶＲＢに力及び／またはトルクを仮想的に適用することによって、例えば、力及びトルクの成分を全力ＦＴから仮想質量座標系ＶＭの仮想剛体ＶＲＢの重心に仮想的に適用することによって、ツール１０４の剛体ダイナミクスを効果的にシミュレートする。したがって、仮想剛体ＶＲＢに仮想的に適用される力／トルクは、外力Ｆｃｇｅｘｔ（例えば、１つまたは複数のセンサ１８０からの入力に基づく）、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ、及び様々な仮想制約ＶＣ（制約力Ｆｃで具体化されることによる）に関連付けられた制約力Ｆｃからの力／トルクを含むことができる。
剛体ヤコビアンは、速度と力を同じ仮想剛体ＶＲＢ上の１つの座標系（または「参照フレーム」）から別の座標系に変換するために使用でき、ここで使用して、外力Ｆｅｘｔの力とトルクを仮想質量座標系ＶＭに変換できる（例えば、制約方程式ＣＥＱで使用される外力Ｆｃｇｅｘｔを生成するため）。次に、仮想シミュレータ１９４は、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌを内部的に計算して、総力ＦＴを決定し、また、制約ソルバー１９２によって使用するために、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌを次のタイムステップの連立方程式で出力する。
図９及び１０に示すように、仮想フォワードダイナミクスアルゴリズムＶＦＡを仮想シミュレーションＶＳで使用して、全力ＦＴの適用時に移動する仮想剛体ＶＲＢの動きをシミュレートできる。事実上、仮想フォワードダイナミクスアルゴリズムＶＦＡは、方程式Ｆ＝ｍａ（またはａ＝Ｆ／Ｍ）を６自由度ＤＯＦで解き、加速度を積分して速度を生成する。これは、図１０に示すように、新しいポーズを決定するために使用される。制御システム１２４は、仮想力及び／またはトルク（例えば、全力ＦＴ）を仮想シミュレータ１９４に入力し、これらの仮想力及び／またはトルクは、仮想剛体ＶＲＢが初期速度で初期ポーズにあるとき仮想シミュレーションＶＳにて重心で（例えば、ＣＧ）仮想剛体ＶＲＢに加えられる。仮想剛体ＶＲＢは、入力された仮想力及び／またはトルクを満たす制御システム１２４に応答して、異なる状態（例えば、位置及び／または向き）を有する最終ポーズに、デカルト空間内の最終速度で移動される。運動制御１８２に送られる次の命令されたポーズＣＰは、仮想シミュレータ１９４によって計算された最終ポーズに基づく。したがって、仮想シミュレータ１９４は、図１０に示すように、仮想フォワードダイナミクスを使用して仮想剛体ＶＲＢに全力ＦＴを加える効果をシミュレートすることによって、次のコマンドポーズＣＰを決定するように動作する。
速度制限ＶＬは、仮想シミュレーションＶＳの仮想剛体ＶＲＢに課せられる場合がある。場合によっては、速度制限ＶＬを高く設定して、一般に仮想シミュレーションＶＳに影響を与えないようにするか、任意の所望の値に設定することができる。仮想剛体ＶＲＢは、初期ポーズ（例えば、初期状態）にあり、仮想シミュレーションＶＳの各反復の開始時（例えば、各時間ステップ／間隔ｄｔ）に初期速度を有する。初期ポーズ及び初期速度は、前の時間ステップで仮想シミュレータ１９４によって出力された最終ポーズ及び最終速度として規定することができる。
最終的に、仮想シミュレータ１９４は、その仮想シミュレーションＶＳに基づいて、次のコマンドされたポーズＣＰを計算して出力する。制御システム１２４は、命令されたポーズＣＰに基づいてツール１０４を動かすようにマニピュレータ１０２に命令するように構成され、それは、ツール１０４を目標状態ＳＴに配置するようにユーザを案内する触覚フィードバックをユーザに提供することによって、ユーザを目標状態ＳＴにツール１０４を配置するように誘導する目標状態ＳＴに配置するように、ツール１０４の動きを理想的に生じさせる。したがって、ユーザは、手動でツール１０４を操作することができ、一方、制御システム１２４が、ガイド制約ＧＣを利用することによって、ツールの動きをガイドするのを支援する。ユーザによってツール１０４に加えられた力とトルク（例えば、センサ１８０によって検出されたもの）は、コマンドポーズＣＰを決定するための仮想シミュレーションＶＳを実行する前に外力Ｆｅｘｔが制約力Ｆｃと組み合わされるため、ツール１０４の全体的な動きに影響を与える可能性がある。場合によっては（例えば、時間ステップ）、全力ＦＴには、制約力Ｆｃの力とトルクに打ち勝ち、ツール１０４が目標状態ＳＴから離れて移動可能であるように十分な大きさと方向を持つ外力Ｆｅｘｔを形成する力とトルクの成分が含まれる。ただし、上記のように、ガイド制約ＧＣには、特定の状況で外力Ｆｅｘｔの影響が少なくなるように調整できる、構成可能な剛性と減衰（例えば、ばねパラメータＰＳと減衰パラメータＰＤに基づく）がある。
図１１は、動作制御１７８によって実行される様々なステップを要約している。これらには、上記のように制約ソルバー１９２及び仮想シミュレータ１９４によって実行されるステップが含まれる。ステップ１１００において、外力Ｆｅｘｔは、センサ１８０から取得された読み取り値に基づいて計算される。ステップ１１０２において、様々な仮想制約ＶＣに関連する制約データは、パスハンドラ１８８、ガイドハンドラ１９０、境界ハンドラ１９６、及び／または他の制約ソースから制約ソルバー１９２に供給される。
ステップ１１０４～１１０８において、剛体計算が仮想シミュレータ１９４によって実行されて、仮想剛体ＶＲＢの逆質量行列Ｍ－１、慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ、及び減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇが決定される。ステップ１１１０～１１１４において、制約ソルバー１９２は、ステップ１１０４～１１０８で実行された剛体計算からの出力、及びステップ１１０２で提供された制約データを利用して、前述の制約力計算を実行し、最終的に制約力Ｆｃを生成する。ステップ１１１６で、制約力Ｆｃは、仮想質量座標系ＶＭ（Ｆｃｇｅｘｔ）に変換された外力Ｆｅｘｔ、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌと合計され、総力ＦＴが生成される。ステップ１１１８において、全力ＦＴが、仮想シミュレータ１９４によって実施される仮想シミュレーションＶＳにおいて仮想剛体ＶＲＢに加えられ、ステップ１１２０において、仮想剛体ＶＲＢの新しいポーズ及び速度を決定し、最終的には、ステップ１１２２で、新しいポーズと速度をツール中心点ＴＣＰに変換する。新しいコマンドポーズＣＰ（ＴＴＣＰ）と速度（ＶＴＣＰ）は、ステップ１１２４で仮想シミュレータ１９４によって出力される。
ここで図１２を参照すると、図１のツール１０４の１つを含む外科システム１００の部分、及び一般的に描写された目標部位ＴＳが概略的に示され、目標部位ＴＳは、例えば、手術台（詳細は示していない）などの作業面ＷＳにて支持される。ここで、目標部位ＴＳは、外科的処置中に治療される、骨または別のタイプの組織などの患者Ｐの解剖学的構造の一部を表す。この目的のために、ツール１０４は、軌道Ｔに沿って目標部位ＴＳから離間して示され、軌道Ｔは、上記のように、目標部位ＴＳに固定された第１の患者トラッカー１６０Ａの追跡状態からナビゲーションシステム１２８によって監視される、またはそうでなければこのシステムによって既知である。説明のために、第１のツールトラッカー１６０Ｇは、ツール１０４にしっかりと固定されて示されている。しかしながら、ナビゲーションシステム１２８は、上記のように共通の座標系内で複数のトラッカー１６０の状態を追跡することができるが、追跡される対象物（例えば、ツール１０４）のポーズは、他の方法（例えば、既知の幾何学的関係に基づく）で決定し、座標系間（例えば、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬとローカライザ座標系ＬＣＬＺ間）で変換することができる。言い換えると、外科システム１００は、とりわけ、ツール１０４及びエネルギーアプリケータ１１４の形状が既知であるために、図示の第１のツールトラッカー１６０Ｇを必ずしも利用することなく、第１の患者トラッカー１６０Ａに対するツール１０４のポーズの変化を決定することができる。
この代表的な例では、ツール１０４は、同様に、マニピュレータ１０２のカップリング１１０への解放可能な取り付けを容易にするためのマウント１４８（ファントムで示される）を含み、器具１１２は、ツールコントローラ１３６または制御システム１２４の別の部分によって駆動される発電アセンブリ１５２（ファントムで示されている）を伴う動力付き外科用デバイス１５０として実現される。ここで、発電アセンブリ１５２は、１つまたは複数のタイプのエネルギーアプリケータ１１４を駆動するために、駆動軸ＡＤの周りに回転トルクを選択的に生成するように構成された電気モータとして実現される。この目的のために、動力付き外科用デバイス１５０は、エネルギーアプリケータ１１４の解放可能な取り付けを容易にするために、発電アセンブリ１５２と回転で連絡して配置されたチャックアセンブリ１９８（図１２を参照、ファントムで示される）を備え、この説明的実施形態では、バー１５４によって実現される（付属物は詳細には示されていない）。しかしながら、ツール１０４、器具１１２、及び／またはエネルギーアプリケータ１１４は、本開示の範囲から逸脱することなく、いくつかの異なる構成であり得る。ここで、ツール１０４は、入力デバイス１４６として機能し得る（例えば、エネルギーアプリケータ１１４の回転を開始及び停止する）トリガを備えた、ユーザによって把持されるように配置された処理領域２００を備える。いくつかの実施形態では、ツール１０４及び／または動力付き外科用デバイス１５０は、以前に参照された「Ｅｎｄ Ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｏｆ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ」と題された米国特許第９，５６６，１２１号に示されるものと同様であり得る。いくつかの実施形態では、ツール１０４及び／または動力付き外科用デバイス１５０は、「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｗｉｔｈ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ」と題された米国特許出願公開第２０１８／０１１０５７２号Ａ１に示されるものと同様であり得、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。他の構成が企図される。
図１２を引き続き参照すると、動力付き外科用デバイス１５０の発電アセンブリ１５２は、フレーム２０２（一般にファントムで示される）によって、例えば１つまたは複数の留め具（図示せず）によって、マウント１４８に動作可能に取り付けられる。フレーム２０２は、図示の実施形態ではマウント１４８とは別に形成されるが、他の構成が企図され、マウント１４８は、マニピュレータ１０２への結合を容易にするのに十分な任意の適切な数の構成要素から形成される、そうでなければそれによって実現され得る。同様に、フレーム２０２は、同様に、発電アセンブリ１５２及びツール１０４の他の部分を支持するために協働するいくつかの異なる構成要素によって規定することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のカバー２０４をツール１０４によって使用して、特定の構成要素（例えば、マウント１４８）を外部環境から隠蔽、保護、または別様にはシールドすることができる。カバー２０４はまた、電気部品（例えば、ワイヤ、電気コネクタ、プリント回路基板など）を隠すことができ、ツール１０４をマニピュレータ１０２に取り外し可能に取り付けることを容易にするためにマウント１４８とマニピュレータ１０２のカップリング１１０との間に配置される滅菌インターフェースシステム（図示せず、しかし関連する技術分野で一般に知られている）へのアクセスを可能にするように成形及び配置することができる。ここで、カップリング１１０のマウント１４８への解放可能な取り付けは、ツール１０４をマニピュレータ１０２に固定するのに十分な、いくつかの異なる方法で、達成することができる。
図１２では、目標部位ＴＳの一部がファントムで示され、例示の目的で、この代表的な例でミリングパスＭＰとして機能する軌道Ｔに沿ってバー１５４によって除去される組織（例えば、骨）の意図された体積を示している。ここでも、目標部位ＴＳでの組織の除去の意図された「深さ」は、ツール中心点ＴＣＰと同様に、座標系として規定できる目標基準点ＴＲＰによって表される。ここでは、ツール中心点ＴＣＰと目標基準点ＴＲＰの両方が軌道Ｔに沿って配置されて示されている。
図１２から図１３Ａに続くと、ツール１０４は、本明細書に記載の様々なモードの１つまたは複数でマニピュレータ１０２を操作することによってなど、マニピュレータ１０２によって維持される軌道Ｔに沿って配置されたエネルギーアプリケータ１１４のバー１５４と共に、目標部位ＴＳと係合するよう、軌道Ｔに沿って前進している。より具体的には、バー１５４によって規定されるエネルギーアプリケータ１１４のツール中心点ＴＣＰは、軌道Ｔに沿って配置され、エネルギーアプリケータ１１４は、同様に軌道Ｔと整合する駆動軸ＡＤを中心に回転する。ここで、ツール中心点ＴＣＰは、ツール１０４が軌道Ｔに沿って前進するときにバー１５４によって除去される組織（例えば、骨）の残りの体積を示すために、目標基準点ＴＲＰから離間されている。これは、図１３Ｂでは、（図１３Ｂと図１３Ａを比較して）目標基準点ＴＲＰのより近くに配置されたツール中心点ＴＣＰを示している。
図１４Ａ～１４Ｄは、エネルギーアプリケータ１１４またはツール１０４の別の部分がマニピュレータ１０２に効果的に「取り付け」られて、目標部位ＴＳとツール１０４は、瞬間的または長時間のいずれかで、１つまたは複数の自由度ＤＯＦで一緒に移動するに至る特定の使用例で発生する可能性のある、外科システム１００の仮想的な「逸走」状態を順次示す。ここで、説明的な例として、エネルギーアプリケータ１１４は、組織のタイプまたは特性の変化、不規則性、または摩擦及び／または熱、切断性能の低下、組織断片の蓄積（例えば、「切り端」）などによって引き起こされる他のタイプの増加した抵抗などに遭遇する可能性があり、これは、組織の除去を中断し、エネルギーアプリケータ１１４が瞬間的または長期間のいずれかで目標部位ＴＳで組織に「ロック」されるに至るのに、十分大きいものであり得る。場合によっては、上記の抵抗により、エネルギーアプリケータ１１４が軌道Ｔから離れた目標部位ＴＳで組織に「ロック」される可能性がある。
上記の架空のシナリオは、図１４Ａ～１４Ｂを比較することで説明できる。ここで、図１４Ａでは、エネルギーアプリケータ１１４は、目標部位ＴＳと係合しており、駆動軸ＡＤの周りの回転に対する大きな抵抗に遭遇し、これにより、ツール中心点ＴＣＰがマニピュレータ１０２によって維持される軌道Ｔから外れ、図１４Ｂに示される軌道Ｔと駆動軸ＡＤとの間の誇張された不整合によって示されるように、エネルギーアプリケータ１１４が目標部位ＴＳに「ロック」されるに至る。ツール１０４の目標状態ＳＴは、いくつかの異なる方法で規定することができるが、この代表的な例の説明の目的のために、目標状態ＳＴは、駆動軸ＡＤと軌道Ｔとの間の同時の整合を含む。しかし、図１４Ｂに示されるツール１０４の現在の状態ＳＣは、駆動軸ＡＤと、エネルギーアプリケータ１１４が目標部位ＴＳに「ロック」された軌道Ｔとの間の不整合を含むので、マニピュレータ１０２が現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴに移動することを試みるときに「逸走」状態が起こり得る。「逸走」状態はまた、患者トラッカー１６０が目標部位ＴＳから緩み、それによって追跡精度の損失を引き起こす結果として起こり得る。
この説明的な例では、図１４Ｂ～１４Ｄを連続して比較することによって示されるように、ツール１０４の目標部位ＳＴへの移動はまた、上記のように、ナビゲーションシステム１２８によって監視される第１の患者トラッカー１６０Ａの追跡された状態に基づき軌道Ｔ（及び、したがって、目標状態ＳＴ）を規定する目標部位ＴＳの対応する移動をもたらす。言い換えると、マニピュレータ１０２がツール１０４を現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴに移動させようとすると（例えば、駆動軸ＡＤが軌道Ｔとの同時の整合に戻るようにすると）、目標部位ＴＳはツール１０４と一緒に移動し、目標状態ＳＴに到達しない（例えば、同時の整合は起こらない）。図１４Ｃ～１４Ｄに示されているように、これにより、最終的に目標部位ＴＳが作業面ＷＳから「持ち上げられる」可能性がある。
「逸走」状態が発生したときにそれを検出及び／または応答するための様々な技術が本明細書に開示されている。この目的のために、そして以下でより詳細に説明するように、いくつかの実施形態では、外科システム１００は、目標部位ＴＳに係合するためにツール１０４を使用し、マニピュレータ１０２は、目標部位ＴＳ（例えば、ツール中心点ＴＣＰが軌道Ｔに沿って配置されている目標状態ＳＴ）に対してツール１０４を支持するように構成されている。以下でより詳細に説明するように、感知システム２０６（図１～２を参照）は、ツール１０４、マニピュレータ１０２、目標部位ＴＳ、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数に関連する１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣを検出するように構成されている。マニピュレータ１０２及び感知システム２０６に結合されたコントローラ１２４（例えば、マニピュレータコントローラ１３２、ツールコントローラ１３６、または外科システム１００の別の適切なコントローラ、図２５を参照）は、マニピュレータ１０２を、第１の制約基準Ｃ１に従って目標部位ＴＳに関してツール１０４の整合を維持する第１のモードＭ１と、第１の制約基準Ｃ１とは異なる第２の制約基準Ｃ２に従って目標部位ＴＳに関してツール１０４の整合を維持する第２のモードＭ２との間で動作させるように構成されている。コントローラ１２４はさらに、１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣの少なくとも１つが所定の条件ＰＲを満たすと判定することに応答して、マニピュレータ１０２の動作を第１のモードＭ１から第２のモードＭ２に変更するように構成されている。感知システム２０６、システム条件ＳＹＣ、第１及び第２のモードＭ１、Ｍ２、第１及び第２の制約基準Ｃ１、Ｃ２、及び所定の条件ＰＲがそれぞれ以下により詳細に説明されるが、本明細書に記載の技術は、エネルギーアプリケータ１１４を介して目標部位ＴＳに係合するツール１０４に関連して、ならびに、図１５に示されているように植込み可能コンポーネント１１６を介して目標部位ＴＳに係合するツール１０４に関連しての両方で、利用することができる。ただし、他の構成も考えられ、追加の手法については以下で詳しく説明する。
いくつかの実装形態では、第１のモードＭ１及び第２のモードＭ２は、アクティブ化及び非アクティブ化することができ、例えば、ユーザにモードの変更を直接通知することができるかまたはモードの変更間に一時停止があるような、マニピュレータ１０２の個別の別個の動作モードである。あるいは、しかしながら、別の実施形態では、第１及び第２のモードＭ１及びＭ２は、フィードバック制御方式に従ってマニピュレータ１０２を制御する異なる方法として理解することができる。例えば、制約基準Ｃ１、Ｃ２は、特定のモードをアクティブ化または非アクティブ化することなく、ユーザに直接通知することなく、またはモードの変更間に一時停止することなく、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで変更できる。言い換えると、制約基準Ｃ１、Ｃ２は、ユーザがモードＭ１、Ｍ２のいずれかを認識または開始する場合でも、その有無にかかわらず、シームレスな移行で変更できる。これらの実装の任意の組み合わせが企図され、「第１のモード」及び「第２のモード」という用語は、これらの実装のいずれかを限定なく含むと理解されるべきである。
一実装形態では、第１及び第２の制約基準Ｃ１、Ｃ２、及びそれに関連するパラメータの値は、臨床データ、実験データ、外科医の好み、またはシステムのデフォルト設定などの情報に基づいて術前に決定または事前決定される。別の実装形態では、第１及び第２の制約基準Ｃ１、Ｃ２、及びそれに関連する任意のパラメータの値は、感知システム、センサ、ナビゲーションシステムなどからの測定に基づいて、システム条件ＳＹＣ、または目標部位とマニピュレータの間に発生する力を検出するコントローラによって、動的かつ術中に、決定及び／または調整され得る。他の実装形態では、第１及び第２の制約基準Ｃ１、Ｃ２の１つは術前に決定または事前に決定され、第１及び第２の制約基準Ｃ１、Ｃ２の他方の１つは術中に決定される。
ここで図１５を参照すると、図１のツール１０４の１つを含む外科システム１００の部分が、一般的に描写された目標部位ＴＳに隣接して示されている。この実施形態では、ツール１０４は、マニピュレータ１０２によって維持される軌道Ｔに沿って、目標部位ＴＳ（例えば、リーミングされた寛骨臼）で植込み可能なコンポーネント１１６（例えば、人工寛骨臼カップ）にインパクションすることを容易にするように構成されている。この目的のために、ツール１０４の器具１１２は、以下でより詳細に説明するように、とりわけ、ロボットアーム１０８のカップリング１１０に取り付けられ、１つまたは複数の自由度での相対運動のためにインパクターアセンブリ２１０を支持するように構成されているガイド２０８として実現される。インパクターアセンブリ２１０は、とりわけ、植込み可能コンポーネント１１６を解放可能に固定するためのインターフェース２１２と、衝撃力ＦＩを受けるように配置されたヘッド２１４（例えば、ヘッド２１４を木槌で打つことによって加えられる）とを備える。
本明細書に示される代表的な実施形態では、植込み可能コンポーネント１１６は、患者Ｐの寛骨臼へのインパクションに適合した人工股関節の一部を形成する、略半球形のカップである。インパクションの前に、患者Ｐの寛骨臼は、目標部位ＴＳを規定するためにリーミングまたはその他の方法で加工される。リーミング、加工、及びインパクションのプロセスは、「Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｉｍｐａｃｔｉｏｎ」と題された米国特許第８，９７９，８５９号及び「Ｔｏｏｌ， Ｋｉｔ－ｏｆ－Ｐａｒｔｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｔｏｏｌ， ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓａｍｅ」と題された米国特許第８，７５３，３４６号に詳細に記載されており、これらの開示はそれぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本開示は股関節を含む様々な整形外科的処置を記載しているが、本明細書に記載の主題は、例えば、肩、肘、手首、脊椎、膝、足首など、患者Ｐの体Ｂの他の関節に適用可能であり得る。さらに、本開示の外科システム１００は、いくつかの異なるタイプの整形外科手術に関連して利用することができ、植込み可能コンポーネント１１６は、いくつかの異なるタイプ、スタイル、構成など（例えば、カップ、ステム、スクリュー、ピン、ロッド、ワイヤ、アンカー、プロテーゼなど）であり得る。したがって、様々なツール１０４が企図され、ガイド２０８、インパクターアセンブリ２１０、及び／または植込み型コンポーネント１１６の様々なスタイル、タイプ、及び／または構成を、本開示の範囲から逸脱することなく利用することができる。
ここで図１５～１７Ｂを参照すると、ガイド２０８の代表的な実施形態は、インパクターアセンブリ２１０の動きの前にインパクターアセンブリ２１０と共に植込み可能コンポーネント１１６の有利な位置決めを容易にするように構成され、植込み可能コンポーネント１１６は、ガイド２０８（及び、したがって、マニピュレータ１０２）による支持により限定されている。言い換えると、ユーザ（例えば、外科医）は、ガイド２０８でインパクターアセンブリ２１０を最初に支持する必要なしに、手動で、植込み可能コンポーネント１１６を伴って目標部位ＴＳに近づくことができる。アプローチが手動で完了し、植込み可能コンポーネント１１６が目標部位ＴＳに配置された後、外科医は、その後、植込み可能コンポーネント１１６及びインパクターアセンブリ２１０を、迅速、効率的、かつ信頼できる方法でガイド２０８と係合するように関節接合させることができ、植込み可能コンポーネント１１６をマニピュレータ１０２によって維持される軌道Ｔと整合させることを容易にする。適切な整合が維持された状態で、外科医は、衝撃力ＦＩをインパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４に加えて、植込み可能コンポーネント１１６を目標部位ＴＳに取り付けることができる。この目的のために、また以下により詳細に説明されるように、ガイド２０８は、外科システム１００の特定の動作条件下で、ガイド２０８に対して１つまたは複数の自由度でインパクターアセンブリ２１０の移動を可能にするように構成されている。
ここで図１６Ａ～１６Ｂを参照すると、インパクターアセンブリ２１０は、一般に、植込み可能コンポーネント１１６を解放可能に固定するためのインターフェース２１２と、上記のように衝撃力ＦＩを受けるように配置されたヘッド２１４とを備える。インパクターアセンブリ２１０はまた、以下でより詳細に説明されるように、使用中のインパクターアセンブリ２１０の動きを制限するためにガイド２０８に隣接する第１の係合面２１８を画定するフランジ２１６を備える。インパクターアセンブリ２１０は、一般に、第１の軸Ａ１に沿って、インターフェース２１２に隣接する遠位端２２０と、ヘッド２１４に隣接する近位端２２２との間で延びる。フランジ２１６は、インターフェース２１２とヘッド２１４との間に配置され、第１の係合面２１８を規定する球形プロファイルを有し、フランジ２１６の中心に配置される第１の軸Ａ１に沿ったフランジ基準点ＦＲＰを規定する（例えば、第１の係合面２１８を画定する球形プロファイルの幾何学的中心で）。同様に、植込み可能コンポーネント１１６は、プロテーゼが解放可能に取り付けられるインパクターアセンブリ２１０の第１の軸Ａ１に沿ったインプラント基準点ＩＲＰを規定し（図１５を参照）、目標部位ＴＳは、軌道Ｔに沿った目標基準点ＴＲＰを規定する（図１５を参照）。シャフト２２４は、第１の軸Ａ１に沿って遠位端２２０からフランジ２１６まで延在し、グリップ２２８を備えたハンドル２２６は、フランジ２１６とヘッド２１４との間に延在する。上で紹介したインパクターアセンブリ２１０の各構成要素について、以下でより詳細に説明する。
本明細書に示される代表的な実施形態では、ヘッド２１４、フランジ２１６、及びシャフト２２４は、一般に２３０で示されるインパクター本体によって規定され、インターフェース２１２は、インパクター本体２３０内に収容されるキャリアシャフト２３２によって規定される。より具体的には、インパクター本体２３０は、第１の軸Ａ１に沿って遠位端２２０からシャフト２２４及びハンドル２２６を通ってヘッド２１４に向かって延びる中空領域２３４を規定する。キャリアシャフト２３２は、概して、遠位シャフト端２３６と近位シャフト端２３８との間の第１の軸Ａ１に沿って延在し、１つまたは複数のベアリング領域２４０が、回転及び力の分配を容易にするためにそれらの間に設けられる。インターフェース２１２は、遠位シャフト端部２３６に配置され、インパクターアセンブリ２１０と植込み可能コンポーネント１１６が取り付けられたときに一緒に動くように、植込み可能コンポーネント１１６と解放可能に係合する。この目的のために、インターフェース２１２及び植込み可能コンポーネント１１６は、それぞれ、一般に２４２で示されるそれぞれのねじ込み係合（例えば、めねじ及びおねじ、図１６Ａを参照）を備え、これにより、植込み可能コンポーネント１１６を、インパクターアセンブリ２１０に解放可能に取り付ける。
キャリアシャフト２３２のねじ込み係合２４２に隣接して、インパクター本体２３０は、シャフト２２４の遠位端２２０に形成されたキー部分２４４を備えている。キー部分２４４は、植込み可能コンポーネント１１６に形成された対応する形状のノッチ部分２４６と係合するように成形されたほぼ長方形のプロファイルを有する（図１５Ａを参照、ファントムにて示されている）。この構成は、植込み可能コンポーネント１１６がシャフト２２４（したがって、ハンドル２２６）に対してインデックス付けされることを可能にし、これは、植込み可能コンポーネント１１６が、目標部位ＴＳに対して整合される必要がある特定の特徴を有する用途に有利であり得る。さらに、この構成はまた、シャフト２２４に対するキャリアシャフト２３２の回転及び並進を使用して、シャフト２２４を第１の軸Ａ１の周りに回転させることなく、ねじ込み係合２４２を解除することができるという点で、植込み可能コンポーネント１１６とインパクターアセンブリ２１０との間の解放可能な取り付けを容易にするのに役立つ。この目的のために、ハンドル２２６がまた、ヘッド２１４とグリップ２２８との間に配置されたケージ２４８を備えており、ノブ２５０に対応し、アクセスを容易にするように成形され、ノブ２５０は、次に、キャリアシャフト２３２の近位シャフト端２３８に動作可能に取り付けられる。図示の実施形態では、ノブ２５０は、第１の軸Ａ１に沿って形成された軸方向ノブアパーチャ２５２と、第１の軸Ａ１を横切って形成され、軸方向ノブアパーチャ２５２と連通して配置された横方向ノブアパーチャ２５４とを備える。軸方向ノブアパーチャ２５２は、キャリアシャフト２３２の近位シャフト端部２３８を受け入れるように形作られ、横ノブアパーチャ２５４は、キャリアシャフト２３２に形成された横シャフトアパーチャ２５８内にも受け入れられる横ピン２５６を受け入れるように形作られる（図１６Ｂを参照）。キャリアシャフト２３２の保持を確実にすることに加えて、この構成はまた、ノブ２５０及びキャリアシャフト２３２が第１の軸Ａ１の周りで同時に回転及び並進することも可能にする。ここで、ハンドル２２６のケージ２４８は、略Ｕ字形のプロファイルを有し、外科医にノブ２５０へのアクセスも提供しながら、第１の軸Ａ１に沿ったノブ２５０の限定された並進を可能にするように構成されている。
ここで図１５及び１７Ａ～１７Ｂを参照すると、上記のように、ツール１０４の図示の実施形態は、とりわけ、第１の軸Ａ１とマニピュレータ１０２のロボットアーム１０８を介した軌道Ｔの整合を維持するよう促すべく、インパクターアセンブリ２１０を解放可能に固定するためのガイド２０８を含む。この目的のために、ガイド２０８は、一般に、マニピュレータ１０２に取り付けられるように適合されたマウント１４８（図１５を参照、全体的にファントムで描かれる）、及びマウント１４８に動作可能に取り付けられ、第２軸Ａ２に沿って延びるチャネル２６２を有する本体２６０を備える。本明細書に示される代表的な実施形態では、ガイド２０８の本体２６０は、ファスナー（図示せず）などを介してマウント１４８（図１５を参照、一般的に描写されている）に固定するように成形及び配置された１つまたは複数のねじ穴２６４及び陥凹領域２６６（図１７Ａ～１７Ｂを参照）を備えている。図１５に描写されているマウント１４８は、図示の実施形態では本体２６０とは別に形成されるが、他の構成が企図され、ガイド２０８は、マニピュレータ１０２への結合を容易にするのに十分な任意の適切な数の構成要素から形成される、そうでなければそれによって実現され得る。ここでもまた、いくつかの実施形態では、１つまたは複数のカバー２０４をツール１０４のガイド２０８によって使用して、特定の構成要素（例えば、マウント１４８）を外部環境から隠蔽、保護、または別様にはシールドすることができる。カバー２０４はまた、電気部品（例えば、ワイヤ、電気コネクタ、プリント回路基板など）を隠すことができ、ツール１０４をマニピュレータ１０２に取り外し可能に取り付けることを容易にするためにマウント１４８とロボットアーム１０８のカップリング１１０との間に配置される滅菌インターフェースシステム（図示せず、しかし関連する技術分野で一般に知られている）へのアクセスを可能にするように成形及び配置することができる。ここでもまた、カップリング１１０のマウント１４８への解放可能な取り付けは、ツール１０４をマニピュレータ１０２に固定するのに十分な、いくつかの異なる方法で、達成することができる。
図１７Ａ～１７Ｂに示されるように、ガイド２０８の本体２６０に形成されたチャネル２６２は、それを通してインパクターアセンブリ２１０のシャフト２２４の一部を受け入れるように配置された開口部２６８を規定する。ガイド２０８はまた、一般に２７０で示される第２の係合面（図１５も参照）、及びリミッタ２７２を備える。第２の係合面２７０は、第１の係合面２１８に隣接するように成形され、リミッタ２７２は、係合面２１８、２７０間の隣接を維持し、軸Ａ１、Ａ２とマニピュレータ１０２によって維持される軌道Ｔとの同軸整合を容易にするように構成されている。ガイド２０８の開口部２６８は、第１の軸Ａ１を第２の軸Ａ２と整合させるのを容易にすることができるように、ガイド２０８がフランジ２１６とインパクターアセンブリ２１０のインターフェース２１２との間に配置されたときに、インパクターアセンブリ２１０のシャフト２２４が通過できるように構成されている。図１６Ａの想像線で示されているように、インパクターアセンブリ２１０のシャフト２２４は、第１の周囲２７４を有し、インパクターアセンブリ２１０のフランジ２１６は、第１の周囲２７４よりも大きい第２の周囲２７６を有する。言い換えると、フランジ２１６は、シャフト２２４よりも大きく、ガイド２０８の開口部２６８を通過することができないが、シャフト２２４は、開口部２６８を通過することができるようなサイズである。
図１７Ａ～１７Ｂを引き続き参照すると、上記のように、ガイド２０８のリミッタ２７２は、インパクション中に第１の係合面２１８と第２の係合面２７０との間の隣接を維持し、軸Ａ１、Ａ２とマニピュレータ１０２によって維持される軌道Ｔとの同軸整合を容易にするように構成されている。この目的のために、図示の実施形態のリミッタ２７２は、チャネル２６２に隣接して配置された、一般に２７８で示される一対のフィンガーを含む。フィンガー２７８は、ガイド２０８の本体２６０から、間の開口部２６８を規定するように、互いに間隔を置いて配置されたそれぞれのフィンガーエンド２８０まで延びる（図１５を参照）。フィンガー２７８はまた、それぞれ、一般に２８２で示されるそれぞれの弧状の表面を規定する。弧状の表面２８２は、第２の係合面２７０が第１の係合面２１８に隣接するときにインパクターアセンブリ２１０のフランジ２１６に接触するように配置され、第１の係合面２１８と第２の係合面２７０との隣接を維持し、以下に説明するように、ガイド２０８に対するインパクターアセンブリ２１０の動きを制限する。リミッタ２７２の弧状の表面２８２は、ガイド２０８の第２の係合面２７０と実質的に連続しており、第２の係合面２７０及び弧状の表面２８２の両方は、チャネル２６２によって少なくとも部分的に規定される。より具体的には、図１７Ａに最もよく示されているように、リミッタ２７２の弧形状の表面２８２及びガイド２０８の第２の係合面２７０は、チャネル２６２が実質的に連続的でほぼ円筒形のＣ字形のプロファイルを有し、第２の係合面２７０及び弧状の面２８２の両方を規定するように、共通の半径２８４で第２の軸Ａ２からそれぞれ離間している。
衝撃力ＦＩがインパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４に加えられるとき、植込み可能コンポーネント１１６及びインパクターアセンブリ２１０は、必然的に軌道Ｔに沿って並進する。したがって、ガイド２０８及びインパクターアセンブリ２１０は、フランジ２１６がチャネル２６２内を移動するとき（例えば、外科医が連続的に木槌でインパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４を打撃するとき）、第１の係合面２１８と第２の係合面２７０との間の隣接が維持されることを確実にするように構成されている。この目的のために、ガイド２０８のチャネル２６２（詳細は示さず）は、フランジ２１６の厚さよりも大きい深さで第２の軸Ａ２に沿って互いに間隔を置いて配置された第１及び第２の軸方向チャネル端部２６２Ａ、２６２Ｂの間に延びる。ここで、ガイド２０８は、チャネル２６２の中心の第２の軸Ａ２に沿って配置される（例えば、第１及び第２の軸方向チャネル端部２６２Ａ、２６２Ｂの間で等間隔に配置される）ツール中心点ＴＣＰを、この実施形態で規定する。しかしながら、ツール中心点ＴＣＰは、本開示の範囲から逸脱することなく、他の方法で規定することができる。
フランジ２１６は、上記のようにほぼ球形のプロファイルを有するので、第２の係合面２７０が第１の係合面２１８に隣接するとき、第１の係合面２１８を規定するフランジ２１６の一部のみが、実際に円筒形チャネル２６２に係合する。したがって、チャネル２６２は、フランジ２１６がインパクション中にチャネル２６２内に容易に配置され、チャネル２６２と隣接し続けることができることを確実にするのに十分な深さになるように、有利にも構成されている。しかしながら、第２の係合面２７０と第１の係合面２１８との間の隣接を維持することは、他の方法で達成することができる。例えば、インパクション中にマニピュレータ１０２を用いて、軌道Ｔに沿って目標部位ＴＳに向かってガイド２０８を前進させることによって（例えば、ツール中心点ＴＣＰをフランジ基準点ＦＲＰに配置するために）達成することができる。他の構成が企図される。
図１７Ｂに最もよく示されるように、ガイド２０８の本体２６０はまた、センササブアセンブリ２８８、フォロワサブアセンブリ２９０、及び入力モジュール２９２を収容するポケット２８６を含み、これらのそれぞれは、以下でより詳細に説明される。ポケット２８６は、チャネル２６２と連通するように延在して、チャネル２６２に隣接するポケット２８６内に位置するフォロアサブアセンブリ２９０の取り付けを容易にする。ここで、フォロアサブアセンブリ２９０の一部はまた、第２の係合面２７０の一部を規定する（図１７Ａを参照）。
センササブアセンブリ２８８は、概して、固定具（詳細には示されていない）を介してガイド２０８の本体２６０に固定され、第１のトリガセンサ２９６、第２のトリガセンサ２９８、及び入力センサ３００を支持するセンサハウジング２９４を備え、各センサは、コントローラ１２４（例えば、マニピュレータコントローラ１３２、ツールコントローラ１３６、または別の適切なもの）または外科システム１００の他の構成要素と通信（例えば、有線または無線電気通信）するよう配置され得る。入力センサ３００は、入力モジュール２９２と係合するか、または通信するよう配列されるように配置され、第１及び第２のトリガセンサ２９６、２９８は、フォロアサブアセンブリ２９０と係合するか、または通信するように配置される。以下の後続の説明から理解されるように、センササブアセンブリ２８８の各センサは、いくつかの異なるタイプ、スタイル、構成などであり得、本明細書に具体的に示されるもの以外の他の構成が本開示によって企図される。
入力モジュール２９２は、外科医による選択的作動のために構成され、一般に、入力フレーム３０２及び入力ボタン３０４を備える。入力フレーム３０２は、１つまたは複数のファスナ（詳細には示されていない）を介してガイド２０８の本体２６０に固定され、それに対して移動するために入力ボタン３０４を支持する。入力ボタン３０４は、外科医による作動に応答して（例えば、入力ボタン３０４を押すことによって）入力センサ３００と係合するように配置された突起３０６を備える。いくつかの実施形態では、入力ボタン３０４は、ばね（図示せず）などによって、入力フレームから離れるように弾性的にバイアスすることができる。しかし、他の構成が企図される。入力モジュール２９２は、外科的処置中に異なる方法でマニピュレータ１０２を操作することを容易にするように構成され得、入力デバイス１４６として機能し得る。
フォロアサブアセンブリ２９０は、センササブアセンブリ２８８と同様に、ガイド２０８の本体２６０に形成されたポケット２８６内に収容され、ファスナ（詳細には示されていない）で本体２６０に固定される。フォロアサブアセンブリ２９０は、概して、図示の実施形態においてインパクターアセンブリ２１０のフランジ２１６に対して係合するように成形及び配置された第１及び第２のトリガ３１０、３１２を支持するフォロアハウジング３０８を備える。この目的のために、第１及び第２のトリガ３１０、３１２は、チャネル２６２内に延在し、フランジ２１６との係合に応答してセンササブアセンブリ２８８に向かって偏向するようにフォロアハウジング３０８によって支持され、第１及び第２のトリガセンサ２９６、２９８にそれぞれ係合するフォロアハウジング３０８内で支持される、それぞれのプッシュロッドを独立して作動させる（示さず）。ここで、フォロアサブアセンブリ２９０及びセンササブアセンブリ２８８は、チャネル２６２内のフランジ２１６の存在の１つまたは複数、及び／または第１及び第２の軸方向チャネル端部２６２Ａ、２６２Ｂとの間のフランジ２１６の相対位置を決定し得ることを容易にし、チャネル２６２に沿ったフランジ２１６の軸方向位置の変化に対応することに基づいて、目標部位ＴＳでのインパクション中に軌道Ｔに沿った植込み可能コンポーネント１１６の「追跡」運動を促進するようにする。
上記のように、マニピュレータ１０２は、目標部位ＴＳに対してツール１０４を配置し、実施形態では植込み可能構成要素１１６に衝撃を与える方に向けられた、略線形であり、軸Ａ１、Ａ２と整合している軌道Ｔを維持するように構成されている。ここで、インパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４に加えられた外部衝撃力ＦＩは、インパクターアセンブリ２１０を通って植込み可能コンポーネント１１６に移動し、次に、植込み可能コンポーネント１１６を軌道Ｔに沿って目標部位ＴＳに向かって前進させる。植込み可能コンポーネント１１６に衝撃を与えるプロセスは、以下でより詳細に説明されるが、軌道Ｔを維持することは、特定の条件において、目標部位ＴＳに対するガイド２０８のすべてまたは特定のタイプの動きを制限するマニピュレータ１０２を含み得、及び／またはいくつかの実施形態では、ガイド２０８の動きを制限するか、または目標部位ＴＳに対して軌道Ｔに沿った並進に向けることを含み得る。マニピュレータ１０２は、外科医がガイド２０８を軌道Ｔに沿って並進させ、とりわけ、上記のように、インパクターアセンブリ２１０のシャフト２２４をガイド２０８の開口部２６８に通すことを容易にすることができる。外科的処置の特定のステップは、異なる方法でマニピュレータ１０２を制御することを含み得る。さらに、ツール１０４の様々な構成が本開示によって企図され、いくつかの実施形態では、外科システム１００、ツール１０４、器具１１２、及び／または植込み可能コンポーネント１１６の１つまたは複数の部分は、「Ｅｎｄ Ｅｆｆｅｃｔｏｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｉｍｐａｃｔｉｎｇ Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｓ Ｇｕｉｄｅｄ Ｂｙ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｓ」と題された米国特許出願公開第２０１９／０２３１４４６Ａ１に記載されているものと類似していてよく、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。他の構成が企図される。
ここで図１８～２１Ｄを参照すると、外科システム１００の一部及び一般的に描写された目標部位ＴＳが概略的に示され、目標部位ＴＳは、作業面ＷＳ（例えば、手術台、詳細には示されていない）で支持されて示されている。ここで、目標部位ＴＳは、寛骨臼カップにインパクションしたときの植込み可能コンポーネント１１６の意図された位置を表す（図１８のファントムにて示されている意図された位置）。ここでの寛骨臼は、軌道Ｔを規定するためにリーミングされるか、さもなければ加工されており、第１の患者トラッカー１６０Ａがそれにしっかりと固定されている。上記のように、ナビゲーションシステム１２８によって監視される第１の患者トラッカー１６０Ａの追跡された状態（例えば、位置及び／または方向データ、またはそれに基づくデータ）は、マニピュレータ１０２と目標部位ＴＳとの整合を確実にするために目標状態ＳＡの維持を容易にするために使用される。このことは、例えば、マニピュレータ１０２のロボットアーム１０８を制御して、ガイド２０８によって規定された第２の軸Ａ２を、目標部位ＴＳによって規定された軌道Ｔとの一致整合を保つようにすることなどによってなされる。
図１８では、マウント１４８（説明の目的でカバー２０４によって表されている、図１５も参照）及びツール１０４のガイド２０８は、マニピュレータ１０２（部分的に描かれ、ファントムで示されている）によって支持される目標部位ＴＳに隣接して配置され、第２の軸Ａ２が軌道Ｔに整合されている（したがって、ツール中心点ＴＣＰが軌道Ｔに沿って配置されている）。インパクターアセンブリ２１０は、目標部位ＴＳとガイド２０８の両方から離間して示され、植込み可能コンポーネント１１６がインターフェース２１２に固定され、第１の軸Ａ１に沿って配置されている。説明のために、第１のツールトラッカー１６０Ｇはガイド２０８にしっかりと固定されて示され、第２のツールトラッカー１６０Ｉはインパクターアセンブリ２１０にしっかりと固定されて示されている。しかしながら、ナビゲーションシステム１２８は、上記のように共通の座標系内で複数のトラッカー１６０の状態を追跡することができるが、追跡される対象物（例えば、ツール１０４）のポーズは、他の方法（例えば、既知の幾何学的関係に基づく）で決定し、座標系間（例えば、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬとローカライザ座標系ＬＣＬＺ間）で変換することができる。言い換えると、外科システム１００は、図示の第１のツールトラッカー１６０Ｇ及び／または第２のツールトラッカー１６０Ｉを必ずしも利用することなく、第１の患者トラッカー１６０Ａに対するツール１０４のポーズの変化を決定することができる。とりわけ、ガイド２０８、インパクターアセンブリ２１０、及び植込み可能コンポーネント１１６の形状は既知であり、フランジ２１６がチャネル２６２内に（例えば、センササブアセンブリ２８８を介して）配置されるときに、ツール中心点ＴＣＰに対するフランジ基準点ＦＲＰの配置を決定することができるためである。
ここで図１９Ａを参照すると、インパクターアセンブリ２１０は、植込み可能コンポーネント１１６と共に、目標部位ＴＳ（ここでは、リーミングされた寛骨臼）に隣接する初期位置に移動され、第１の軸Ａ１は、ガイド２０８によって規定された第２の軸Ａ２と、目標部位ＴＳによって規定された軌道Ｔの両方との同軸の整合において、インパクターアセンブリ２１０によって規定される。ここで、インパクターアセンブリ２１０のフランジ２１６は、ガイド２０８のチャネル２６２内に配置され、フランジ基準点ＦＲＰは、ツール中心点ＴＣＰと整合して配置される。植込み可能コンポーネント１１６によって規定されるインプラント基準点ＩＲＰは、目標部位ＴＳによって規定される目標基準点ＴＲＰから離間している。
上記のように、誘導触覚モードまたは他のモードで動作する場合、外科システム１００は、センサ１８０の入力によって検出された力を解釈するように構成され得、それは、マニピュレータ１０２のロボットアーム１０８を駆動するために使用され、とりわけ、外科医がロボットアーム１０８及び／またはツール１０４の異なる部分に接触するか、さもなければ係合して、特定の動作条件の間にそれらを特定の方向に動かすことを可能にし得る。この概念を説明するために、図１９Ａは、外科医がガイド２０８またはインパクターアセンブリ２１０を手で押す及び／または引くことなどから、ガイド２０８に作用する加えられた力ＦＡを示している（詳細は示されていない）。説明のために、マニピュレータ１０２が、ここに示されるように軌道Ｔとの整合を維持するように構成されていない場合（例えば、第２の軸Ａ２と軌道Ｔとの間の一致する整合をもたらすように目標状態ＳＴが規定される場合）、図１９Ａに示されている加えられた力ＦＡは、ツール１０４が（ロボットアーム１０８を介して）図１９Ｂに示される配置に移動して、軸Ａ１、Ａ２が軌道Ｔと一致する位置から外れる（例えば、図１９Ａに示されているように）ことを生じる可能性がある。この仮説的な説明的な例では、外科医は、図２０Ａに示されるように、インパクション前、後続的に軸Ａ１、Ａ２を目標部位ＴＳによって規定される軌道Ｔと一致する整合をし、マニピュレータ１０２との一致する整合を維持する前に、目標部位ＴＳで係合させ、アプローチ及び植込み可能コンポーネント１１６の初期位置決めを調整または確定するよう手動モードまたは別のモード（例えば、入力ボタン３０４を介して起動される）で、ロボットアーム１０８を操作することができる。
図２０Ａに示される説明的な例では、マニピュレータ１０２は、第２の軸Ａ２（ガイド２０８によって規定される）と目標部位ＴＳとの整合を維持するように（例えば、軌道Ｔとの一致を介して）動作し、それはまた、（インパクターアセンブリ２１０によって規定される）第１の軸Ａ１と整合される。ここで、目標状態ＳＴは、軌道Ｔに沿って配置されたツール中心点ＴＣＰによって規定できる。ここに示すようにマニピュレータ１０２によって整合が維持されると、外科医は衝撃力ＦＩをインパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４に加えることができ、例えば、植込み可能コンポーネント１１６を目標部位ＴＳに設置するために、木槌（図示せず）でヘッド２１４を連続的に打つことによる。図２０Ｂに示すように、ヘッド２１４への衝撃力ＦＩの適切な適用に応じて、インパクターアセンブリ２１０と植込み可能コンポーネント１１６は、軌道Ｔに沿って一緒に移動し、インプラント基準点ＩＲＰ（植込み可能コンポーネント１１６によって規定される）を目標基準点ＴＲＰ（目標部位ＴＳで規定される）と整合するようにする。
ここで、マニピュレータ１０２は、ツール中心点ＴＣＰ（ガイド２０８のチャネル２６２によって規定される）をフランジ基準点ＦＲＰ（インパクターアセンブリ２１０のフランジ２１６によって規定される）と整合に戻すために、インパクション中の木槌の打撃の間に軌道Ｔに沿って目標部位ＴＳに向かってガイド２０８を前進させるように構成することができる。これは、上記のように、フォロワサブアセンブリ２９０及び／またはセンササブアセンブリ２８８を介して、及び／または第２のツールトラッカー１６０Ｉ及び第１のツールトラッカー１６０Ｇの追跡された状態に基づき、ナビゲーションシステム１２８を介して、決定され得る。マニピュレータ１０２は、例えば、軸方向チャネル端部２６２Ａ、２６２Ｂが、フランジ２１６がインパクション中、チャネル２６２と係合したままであることを保証するのに十分な距離で互いに離間している場合、必ずしも軌道Ｔに沿ってガイド２０８を前進させることができない。これは、外科システム１００が、ツール１０４に結合された線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）コイル配置を使用することなどによって、チャネル２６２に沿ったフランジ２１６の相対位置を高精度で決定することができる実施形態において、有利であり得る。このタイプのＬＶＤＴコイル配置の実施形態は、以前に参照された「Ｅｎｄ Ｅｆｆｅｃｔｏｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｉｍｐａｃｔｉｎｇ Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｓ Ｇｕｉｄｅｄ Ｂｙ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｓ」と題された米国特許出願公開第ＵＳ２０１９／０２３１４４６Ａ１に記載されている。他の構成が企図される。
上記のように、ツール１０４の図示の実施形態は、一般に、ガイド２０８に対するインパクターアセンブリ２１０の並進を可能にして、植込み可能コンポーネント１１６を目標部位ＴＳと係合させるのを容易にするように構成されている。さらに、ツール１０４の実施形態はまた、一般に、１つまたは複数の自由度において、ガイド２０８に対してインパクターアセンブリ２１０の回転を可能にするように、及び／またはその逆を可能にするように構成されている。この相対回転は、第１の係合面２１８と第２の係合面２７０との間に発生するベアリングタイプの接触（例えば、滑り接触）によって達成される。ここで、インパクターアセンブリ２１０がガイド２０８に対して回転及び並進する能力は、例えば、衝撃力ＦＩの適用中、かなりの量の力及び／またはトルクがインパクターアセンブリ２１０からガイド２０８（したがって、マニピュレータ１０２）に並進するのを防ぐのに役立つ。しかしながら、一定量の力及び／またはトルクは、ガイド２０８とインパクターアセンブリ２１０との間に生じる物理的接触のために、１つまたは複数の自由度ＤＯＦでマニピュレータ１０２に必然的に変換される。
図２１Ａでは、インパクターアセンブリ２１０、ガイド２０８、植込み可能コンポーネント１１６、及びマニピュレータ１０２は、一般に、図２０Ａに示されるのと同じ方法で配置され、第２の軸Ａ２（ガイド２０８によって規定される）は、同様に第１の軸Ａ１（インパクターアセンブリ２１０によって規定される）、及びインパクション前に目標部位ＴＳと係合して配置された植込み可能コンポーネント１１６と整合される目標部位ＴＳ（例えば、軌道Ｔとの一致を介して）と整合させる。しかしながら、図２１Ａでは、衝撃力ＦＩは、インパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４に不適切に加えられている（例えば、軌道Ｔを横切る）ものとして示されている。ここで、衝撃力ＦＩの不適切な適用（例えば、大きさが比較的大きい、及び／または軌道Ｔとずれている）は、植込み可能コンポーネント１１６が、軌道Ｔとずれている（例えば、第１の軸Ａ１及び第２の軸Ａ２が軌道Ｔと一致しない場合）ように目標部位ＴＳに着座する（例えば、部分的に着座する）結果となる可能性がある。このような仮説的なシナリオを図２１Ｂに示すと、これは、説明のために、軸Ａ１、Ａ２と軌道Ｔの間の誇張されたミスアライメントを示している。
図２１Ｂでは、図１４Ａ～１４Ｄに関連して上記で説明したシナリオのように、軌道Ｔとの不整合の結果として、外科システム１００の仮想的な「逸走」状態が発生する可能性がある。ここで、衝撃力ＦＩの不適切な適用は、第１及び第２の軸Ａ１、Ａ２と軌道Ｔとの不整合を引き起こす方法で、植込み可能コンポーネント１１６を目標部位ＴＳに着座させた。ツール１０４の目標状態ＳＴは、この代表的な例における例示の目的のために、いくつかの方法で規定され得るが、目標状態ＳＴは、（例えば、軌道Ｔに沿って配置されたツール中心点ＴＣＰを用いることでの）第２の軸Ａ２と軌道Ｔとの間の一致する整合を含む（またはそうでなければ結果として生じる）。しかしながら、図２１Ｂに示されるツール１０４の現在の状態ＳＣは、第２の軸Ａ２と軌道Ｔとの間の不整合を含み、植込み可能コンポーネント１１６が目標部位ＴＳに「ロック」されているので、マニピュレータ１０２が、現在の状態から目標状態のＳＴへの移動を試みるとき、「逸走」状態が、同様に生じ得る。「逸走」状態はまた、患者トラッカー１６０が目標部位ＴＳから緩んで、それによって追跡精度の損失を引き起こす結果として起こり得る。
この説明的な例では、図２１Ｂ～２１Ｄを連続して比較することによって示されるように、ツール１０４の目標状態ＳＴ（例えば、ツール中心点ＴＣＰを軌道Ｔに戻すため）への移動（例えば、ガイド２０８）はまた、目標部位ＴＳの対応する移動をもたらし、これは、上記のように、ナビゲーションシステム１２８によって監視される第１の患者トラッカー１６０Ａの追跡状態に基づいて軌道Ｔ（したがって、目標状態ＳＴ）を規定する。言い換えると、マニピュレータ１０２がツール１０４（例えば、ガイド２０８）を現在の状態ＳＣから目標状態ＳＴに移動させようとすると（例えば、第１、第２の軸Ａ１、Ａ２が軌道Ｔとの同時の整合に戻るようにすると）、目標部位ＴＳはツール１０４と一緒に移動し、目標状態ＳＴに到達していない（例えば、同時の整合は起こらない）。ここでもまた、図２１Ｃ～２１Ｄに示されているように、これにより、最終的に目標部位ＴＳが作業面ＷＳから「持ち上げられる」可能性がある。
上記のように、発生する「逸走」状態を検出及び／または応答するための様々な技術が本開示によって企図され、それは、植込み可能コンポーネント１１６と目標部位ＴＳ（例えば、図１８～２１Ｄに関連して上記で説明したように）との係合を容易にするためにインパクターアセンブリ２１０を支持するためにガイド２０８などの器具１１２を備えたツール１０４を利用する外科システム１００用、ならびに動力付き外科用デバイス１５０などの（例えば、図１２～１４Ｄに関連して上記で説明したように）目標部位ＴＳとエネルギーアプリケータ１１４との係合を容易にするような器具１１２を備えたツール１０４を利用する外科用システム１００用のものを含む。この目的のために、コントローラ１２４は、上記のように、及び以下でより詳細に説明されるように、１つまたは複数の所定の条件ＰＲ（例えば、第１の所定の条件ＰＲ１、第２の所定の条件ＰＲ２など）に対する１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣ（例えば、感知システム２０６によって感知されるように）を監視することで「逸走」状態を検知し得る。
感知システム２０６は、上記（図２５を参照）のように、ツール１０４、マニピュレータ１０２、目標部位ＴＳ、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数に関連する１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣを検出するように構成されている。言い換えると、感知システム２０６は、ツール１０４に関連する１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣ、マニピュレータ１０２に関連する１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣ、及び／または目標部位ＴＳに関連する１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣを検出することができる。この目的のために、いくつかの実施形態では、感知システム２０６は、目標部位ＴＳとマニピュレータ１０２との間に発生する力ＦＤを検出するためのセンサ１８０を備え得る。ここで、例えば、センサ１８０によって検出される力ＦＤの追跡状態は、以下でより詳細に説明するように、第１及び第２のモードＭ１、Ｍ２の間でマニピュレータ１０２の動作の変更を容易にするためにコントローラ１２４によって使用されるシステム条件ＳＹＣを規定することができる。いくつかの実施形態では、感知システム２０６は、ナビゲーションシステム１２８の１つまたは複数の構成要素（例えば、ローカライザ１５８）及び／または１つまたは複数のトラッカー１６０を備え得る。ここで、例えば、ローカライザ１５８によって監視されるトラッカー１６０の追跡状態は、以下でより詳細に説明するように、第１及び第２のモードＭ１、Ｍ２の間でマニピュレータ１０２の動作の変更を容易にするためにコントローラ１２４によって使用されるシステム条件ＳＹＣを規定することができる。ここでも、上記のように、外科システム１００の１つまたは複数の構成要素は、１つまたは複数の座標系内のツール１０４の配置（例えば、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内のツール中心点ＴＣＰのポーズ）を（直接的または間接的に）決定することができる。ここで、ツール１０４の配置、ならびにツール１０４の配置の変更（例えば、１つまたは複数のトラッカー１６０に対する動き）は、以下でより詳細に説明するように、第１及び第２のモードＭ１、Ｍ２の間でマニピュレータ１０２の動作の変更を容易にするためにコントローラによって使用されるシステム条件ＳＹＣを規定することができる。いくつかの実施態様では、感知システム２０６またはセンサ１８０は、追加的または代替的に、ジョイントＪのアクチュエータの任意の１つまたは複数からの電流を検出するように構成されたセンサ１８０、ジョイントＪまたはジョイントアクチュエータのいずれか１つまたは複数に加えられた１つまたは複数のトルクを検出するセンサ、または、任意の１つまたは複数のジョイントＪに加えられた任意の他の外部（バックドライブなど）の力またはトルクを検出するセンサを含み得る。ジョイントへのバックドライブ力を計算する方法の一例は、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｂａｃｋｄｒｉｖｉｎｇ Ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題された米国特許第１０，３２７，８４９号に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。ジョイントＪの任意の１つまたは複数のアクチュエータでセンサ１８０によって取得された電流測定値は、力またはトルク測定値に変換することができ、これは、ツール１０４が相互作用している目標部位ＴＳに投影することができる。いくつかの例では、ジョイントから取得されたこれらの力トルク測定値は、マニピュレータ１０２と目標部位ＴＳとの間で発生する力及び／またはトルクを検出するように配置された６自由度ＤＯＦ力／トルク変換器からの測定値を、ナビゲーションシステムによって取得された患者またはツールに関する状態データと比較することができる。感知システム２０６は、非限定的な例として、１つまたは複数の器具１１２、ジョイントエンコーダ１２２、コントローラ１２４、１３２、１３４、１３６、入力デバイス１４６、出力デバイス１４４、ユーザインターフェース１４２、発電アセンブリ１５２、ポインタ１５６、ローカライザ１５８、トラッカー１６０、ビデオカメラ１７０などを含む、外科システム１００の様々な構成要素を含む（またはそうでなければ通信する）ことができる。他の構成が企図される。
システム条件ＳＹＣは、外科システム１００の異なる構成要素及び／または目標部位ＴＳとの間の関係に基づくことを含む、いくつかの異なる方法で規定することができる。例えば、第１の患者トラッカー１６０Ａのポーズ（例えば、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内で追跡される）及びツール１０４のツール中心点ＴＣＰのポーズ（例えば、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内に変換または追跡される）は、それぞれがそれぞれのシステム条件ＳＹＣを規定し得、ツール中心点ＴＣＰのポーズと共に第１の患者トラッカー１６０Ａのポーズの同時の移動は、異なるシステム条件ＳＹＣを規定することができる。したがって、本開示では、ツール１０４、マニピュレータ１０２、及び／または目標部位ＴＳのうちの１つまたは複数で及び／またはそれらの間で発生する変化に基づいて様々な方法で規定できる、いくつかの異なるシステム条件ＳＹＣが企図される。
ここで図２２Ａを参照すると、上記のように、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１でマニピュレータ１０２を動作させて、第１の制約基準Ｃ１に基づいて、目標部位ＴＳに関しツール１０４の整合を維持し、マニピュレータ１０２を第２のモードＭ２で動作させて、第１の制約基準Ｃ１とは異なる第２の制約基準Ｃ２に基づいて、目標部位ＴＳに対してツール１０４の整合を維持するように構成されている。この目的のために、いくつかの実施形態では、第１の制約基準Ｃ１と第２の制約基準Ｃ２との間の差は、目標部位ＴＳに対するツール１０４の動きが制限（または許可）される自由度ＤＯＦ、ならびに、１つ以上の自由度ＤＯＦでの移動にどのように影響するか（図２５も参照）ということに基づくことができる。この概念は、図２４Ａ～２４Ｃに関連して以下でより詳細に説明されるが、例示の目的で、図２２Ａは、作業面ＷＳ上で支持された目標部位ＴＳと最初に係合して配置された植込み可能コンポーネント１１６に固定されたインパクターアセンブリ２１０から離間されたツール１０４（ここではガイド２０８）の器具１１２を支持するマニピュレータ１０２を示しており、ツール１０４のツール中心点ＴＣＰと目標部位ＴＳの目標基準点ＴＲＰとが、デカルト形式で表される６つのそれぞれの自由度ＤＯＦを含んで各々示されている。
より具体的には、ツール中心点ＴＣＰ及び目標基準点ＴＲＰはそれぞれ、共通の座標系内（例えば、ローカライザ座標系ＬＣＬＺまたは別の適切な座標系）にて、それぞれのｘ位置ＸＰ自由度ＤＯＦ、ｙ位置ＹＰ自由度ＤＯＦ、ｚ位置ＺＰ自由度ＤＯＦ、ｘ方向ＺＯ自由度ＤＯＦ、ｙ方向ＹＯ自由度ＤＯＦ、及びｚ方向ＺＯ自由度ＤＯＦを規定する。ここで、ツール中心点ＴＣＰは、ツール１０４に対して「固定」されており、コントローラ１２４によって認識されている（例えば、ツール１０４とマニピュレータ１０２のカップリング１１０との間の幾何学的関係に基づく）。同様に、目標基準点ＴＲＰは、目標部位ＴＳに対して「固定」されており、コントローラ１２４によって認識されている（例えば、目標部位ＴＳに結合され、寛骨臼をリーミングすることによって規定される第１の患者トラッカー１６０Ａの追跡状態に基づく）。説明のために、ツール中心点ＴＣＰと目標基準点ＴＲＰは、図２２Ａ～２４Ｃに座標系として示され、ｘ、ｙ、ｚ軸はそれぞれ２つの自由度ＤＯＦ、すなわち、ある方向への軸に沿った座標系の平行移動、及び軸を中心とした方向での座標系の回転を表す。図２２Ａでは、説明の目的で、ツール中心点ＴＣＰは、そのｚ軸が軌道Ｔに平行であり、そのｘ軸が軌道Ｔを横切るように配置され、目標基準点ＴＲＰは、そのｚ軸が軌道Ｔに一致するように配置される。
いくつかの実施形態では、第１の制約基準Ｃ１は、ツール１０４の動きが目標部位ＴＳに対して制限される第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦを含み得、第２の制約基準Ｃ２は、ツール１０４の動きが目標部位ＴＳに対して制限されている第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦを含み得、第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦは、第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦとは異なる。したがって、いくつかの実施形態では、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１では、第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦに基づいて、目標部位ＴＳに対してツール１０４の整合を維持し、第２のモードＭ２では、（異なる）第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦに基づいて、目標部位ＴＳに対してツール１０４の整合を維持するように、マニピュレータ１０２を操作するように構成され得る。
ここで、第１の数Ｎ１は、第１のモードＭ１における目標状態ＳＴを規定する「アクティブ」自由度ＤＯＦの数を表すことができ、第２の数Ｎ２は、第２のモードＭ２の目標状態ＳＴを規定する「アクティブ」自由度ＤＯＦの数を表すことができる。例えば、感知システム２０６が、目標部位ＴＳとマニピュレータ１０２との間に発生する力ＦＤを検出してシステム条件ＳＹＣを規定するためのセンサ１８０を備える場合、いくつかの実施形態で、コントローラ１２４は、マニピュレータ１０２を第１のモードＭ１で動作させるための合計６つの自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、ｚ位置ＺＰ、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及びｚ方向ＺＯ）に基づいて、目標状態ＳＴを規定することができ、センサ１８０によって検出された力ＦＤが所定の条件ＰＲを満たすとすぐに、３つの自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及びｚ方向ＺＯ）に基づいて、第２のモードＭ２でマニピュレータ１０２を動作させるために目標状態ＳＴがどのように規定されるかを自動的に変更することができる。ここで、所定の条件ＰＲは、センサ１８０によって検出された力ＦＤ（例えば、１つまたは複数の自由度ＤＯＦにおける力及び／またはトルク）として規定することができ、これは、植込み可能コンポーネント１１６が、目標部位ＴＳで患者Ｐの解剖学的構造に「固定」されることなどにより、規定される潜在的な「逸走」条件を示し、それにより、コントローラ１２４は、第２のモードＭ２で、目標部位ＴＳに対するツール中心点ＴＣＰの位置（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、及びｚ位置ＺＰ）をもはや維持しないように、目標状態ＳＴを効果的に変更する。
したがって、いくつかの実施形態では、コントローラ１２４はマニピュレータ１０２を第１のモードＭ１で動作させて、第１の制約基準Ｃ１（例えば、目標方向ＯＴと目標位置ＰＴに基づいて目標状態ＳＴを規定する）に従って、また第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦに基づいて、目標部位ＴＳ（または軌道Ｔ）から離れるツール中心点ＴＣＰの移動を制限し、マニピュレータ１０２を第２のモードＭ２で動作させて、第２の制約基準Ｃ１（例えば、目標方向ＯＴに基づいて目標状態ＳＴを規定するが、目標位置ＰＴには基づかない）に従って、また（異なる）第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦに基づいて、目標部位ＴＳから離れるツール中心点ＴＣＰの移動を許可するよう構成することができる。この説明的な例は、図２４Ａ～２４Ｃに関連して以下でより詳細に説明されるが、他の構成が企図され、所定の条件ＰＲを満たすことに基づくモード間の変更は、感知システム２０６を介して決定される様々なシステム条件ＳＹＣに基づいて、いくつかの異なる方法で起こり得る。
一実施形態では、第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦは、第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦよりも少なく、その結果、コントローラ１２４は、第２のモードＭ２において、第１のモードＭ１よりも少なくとも１つ多くの自由度で、目標部位ＴＳに対するツール１０４の移動を可能にする。ここでも、いくつかの実施形態では、第１の制約基準Ｃ１及び第２の制約基準Ｃ２は、それぞれ、少なくとも１つの方向自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及び／またはｚ方向ＺＯ）を含み得、第１の制約基準Ｃ１は、第２の制約基準Ｃ２よりも少なくとも１つ多い位置自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、及び／またはｚ位置ＺＰ）を含み得、及び第１の制約基準Ｃ１と第２の制約基準Ｃ２の両方は、少なくとも１つの共通自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及び／またはｚ方向ＺＯ）を含み得る。さらに、いくつかの実施形態では、第１の制約基準Ｃ１は、少なくとも１つの位置自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、及び／またはｚ位置ＺＰ）及び少なくとも１つの方向自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及び／またはｚ方向ＺＯ）を含み得る。しかし、以下の説明からわかるように、他の構成が考えられ、第１の基準Ｃ１及び／または第２の制約基準Ｃ２は、例えば、目標部位ＴＳで実施される外科的処置のタイプに応じて、ツール１０４（及び／またはエネルギーアプリケータ１１４または植込み型コンポーネント１１６）の特定の配置及び構成、ツール１０４がマニピュレータ１０２によって目標部位ＴＳに対してどのように配置されるか、などいくつかの異なる方法で規定することができる。
いくつかの実施形態では、第１の制約基準Ｃ１は、第１の弾力性パラメータＲ１を含み得、第２の制約基準Ｃ２は、第１の弾力性パラメータＲ１とは異なる第２の弾力性パラメータＲ２を含み得る。したがって、いくつかの実施形態では、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１では、第１の弾力性パラメータＲ１に基づいて目標部位ＴＳに関してツール１０４の整合を維持するように動作させ、第２のモードＭ２では、（異なる）第２の弾力性パラメータＲ２に基づいて目標部位ＴＳに関してツール１０４の整合を維持するようにマニピュレータ１０２を動作させるよう構成され得る。ここで、第１の弾力性パラメータＲ１は、第１のモードＭ１を規定する１つまたは複数のガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡ（例えば、ばねパラメータＰＳ及び／または減衰パラメータＰＤ）を表すか、そうでなければそれに対応させることができ、第２の弾力性パラメータＲ２は、第２のモードＭ２を規定する１つまたは複数のガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡ（例えば、ばねパラメータＰＳ及び／または減衰パラメータＰＤ）を表すか、そうでなければそれに対応させることができる。以下の後続の説明から理解されるように、第１の制約基準Ｃ１及び／または第２の制約基準Ｃ２は、いくつかの異なる方法で構成または規定され得、例えば、非限定的な例として、第１のモードＭ１または第２のモードＭ２のいずれかで動作している間、各「アクティブな」自由度ＤＯＦに対して弾力性パラメータが規定される。別の言い方をすれば、第１の制約基準Ｃ１は、３つの「アクティブな」自由度ＤＯＦを含み得、それぞれがそれぞれの第１の弾力性パラメータを有し、これは互いに同じであっても異なっていてもよい。他の構成が企図される。
いくつかの実施形態では、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１よりも第２のモードＭ２において、目標部位ＴＳに対してツール１０４のより弾力性のある動きを可能にするように構成され得る。言い換えると、第２の弾力性パラメータＲ２は、第１の弾力性パラメータＲ１よりも「剛性」が低く、第２のモードＭ２よりも第１のモードＭ１の方が目標状態ＳＴからの逸脱がより困難である可能性がある。しかし、他の構成が企図される。いくつかの実施形態では、第１の弾力性パラメータＲ１及び第２の弾力性パラメータＲ２はそれぞれ、少なくとも１つの共通自由度ＤＯＦにおける目標部位ＴＳに対するツール１０４のレジリエンスのある動きに関連している（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、ｚ位置ＺＰ、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、またはｚ方向ＺＯにおいて）。非限定的な例として、ｚ方向のＺＯ自由度ＤＯＦが「アクティブ」であり、第１及び第２の弾力性パラメータＲ１、Ｒ２がそれぞれｚ方向ＺＯ自由度ＤＯＦに関連付けられていて、第１の制約基準Ｃ１と第２の制約基準Ｃ２の両方の一部を形成することができる。
いくつかの実施形態では、第１の制約基準Ｃ１、第２の制約基準Ｃ２、及び／または所定の条件ＰＲは、ユーザインターフェース１４２などを介して、ユーザによって調整可能及び／または構成可能であり得る。この目的のために、閾値制御３１４（図２を参照、図２５も参照）を設けて、所定の条件ＰＲがどのように規定されるかを調整することを容易にすることができる。例として、閾値制御３１４は、所定の条件ＰＲを満たすために必要とされるセンサ１８０によって検出される力ＦＤの量（例えば、システム条件ＳＹＣ）を変更する入力デバイス１４６として構成することができ、例えば、コントローラ１２４が第１のモードＭ１から第２のモードＭ２に変わる前に、より多くのまたはより少ない力ＦＤが検出される（例えば、特定の方向の力及び／またはトルク）ことを要求するようにする。さらなる例として、閾値制御３１４は、所定の条件ＰＲを満たすために、ツール１０４と目標部位ＴＳが一緒に移動する時間を（例えば、ナビゲーションシステム１２８を介して決定されるように）変更する入力デバイス１４６として構成することができ、例えば、コントローラ１２４が第１のモードＭ１から第２のモードＭ２に変わる前に、より多くの時間またはより少ない時間の同時移動を必要とするようにする。上記の例は説明的で非限定的なものであり、他の構成が企図されている。
いくつかの実施形態では、剛性制御３１６（図２を参照、図２５も参照）は、第１の制約基準Ｃ１（または、いくつかの実施形態では、第２の制約基準Ｃ２）がどのように規定されるかを調整することを容易にするために提供され得る。例として、剛性制御３１６は、第１のモードＭ１を規定するために（例えば、目標状態ＳＴの維持を容易にするため）使用される１つまたは複数のガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡ及び／または構成パラメータＣＰＡを変更する入力デバイス１４６として構成することができ、例えば、第１の弾力性パラメータＲ１を増加または減少させて、マニピュレータ１０２が目標状態ＳＴからの動きを制限する程度に対応する変化をもたらす（例えば、より少ないまたはより多い「剛性」で）ことによってなされる。ここでも、前述の例は説明的で非限定的なものであり、他の構成が企図されている。
他の実装形態では、第１の制約基準Ｃ１または第２の制約基準Ｃ２は、感知システムまたはセンサ１８０からの測定に基づいて動的に決定または調整することができる。コントローラは、例えばメモリに保存されているルックアップテーブルを使用して、感知された測定値の大きさまたは値を剛性の値に相関させることができる。この手法は、上記の閾値を使用して、または閾値に関係なく実装できる。
いくつかの実施形態では、外科システム１００はまた、マニピュレータ１０２の第１のモードＭ１から第２のモードＭ２への（または他のモード間）動作の変化を伝えるコントローラ１２４に結合されたモードインジケータ３１８（図２を参照、図２５も参照）を含む。ここで、モードインジケータ３１８は、ユーザインターフェース１４２の一部を形成することができ（例えば、アラーム、スピーカー、インジケータライト、表示画面の一部、及び／または別のタイプの出力デバイス１４４として）、コントローラ１２４は、１つまたは複数のシステム条件ＳＹＣのうちの少なくとも１つが所定の条件ＰＲを満たすと判定することに応答して、モードインジケータ３１８をアクティブにするように構成することができる。
上記のように、図２２Ａは、作業面ＷＳ上で支持された目標部位ＴＳと最初に係合して配置された植込み可能コンポーネント１１６に固定されたインパクターアセンブリ２１０から離間されたツール１０４（ここではガイド２０８）の器具１１２を支持するマニピュレータ１０２を示しており、ツール１０４のツール中心点ＴＣＰと目標部位ＴＳの目標基準点ＴＲＰとが、互いに離間している。図２２Ａを図２２Ｂと比較することは、ｘ位置ＸＰ自由度ＤＯＦ（例えば、ツール中心点ＴＣＰのｘ軸に沿った方向）におけるツール１０４の動きを示し、これにより、インパクターアセンブリ２１０のシャフト２２４は、ガイド２０８の開口部２６８を通過してチャネル２６２に入り、ツール中心点ＴＣＰを軌道Ｔに（また、目標基準点ＴＲＰのｚ軸上にも）もたらす。
図２２Ｂを図２２Ｃと比較することは、ｚ位置ＺＰ自由度ＤＯＦ（例えば、ツール中心点ＴＣＰのｚ軸に沿った方向）におけるツール１０４の動きを示し、それにより、インパクターアセンブリ２１０のフランジ２１６は、ガイド２０８のチャネル２６２内に配置され、第１の係合面２１８が第２の係合面２７０に隣接し、ツール中心点ＴＣＰがフランジ基準点ＦＲＰと一致して配置され、依然として軌道Ｔに沿って配置される。
いくつかの実施形態では、コントローラ１２４は、第２のモードＭ２でマニピュレータ１０２を動作させて、第２の制約基準Ｃ２に従って、少なくとも１自由度ＤＯＦで目標部位ＴＳに対してツール１０４の移動を可能にするように構成され得る。同様に、いくつかの実施形態では、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１でマニピュレータ１０２を動作させて、第１の制約基準Ｃ１に従って、少なくとも１自由度ＤＯＦで目標部位ＴＳに対してツール１０４の移動を可能にするように構成され得る。ここで、例えば、図２２Ｃを図２３と比較することは、ｚ方向のＺＯ自由度ＤＯＦ（例えば、ツール中心点ＴＣＰのｚ軸の周りの方向）におけるツール１０４の動きを示しており、これにより、ガイド２０８は、図２２Ｃに示される配置（図２３にファントムの輪郭として示される）から、インパクターアセンブリ２１０及び目標部位ＴＳに対して移動したが、しかし、ツール１０４のツール中心点ＴＣＰは、フランジ基準点ＦＲＰと一致して配置されたままであり、同様に軌道Ｔに沿って配置される。
言い換えると、図２２Ｃ～２３を比較することによって示されるツール１０４の動きは、第１の制約基準Ｃ１が、５つのアクティブな自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、ｚ位置ＺＰ、ｘ方向ＸＯ、及びｙ方向ＹＯ）を含み、１自由度ＤＯＦ（例えば、Ｚ方向ＺＯ）での移動を許可し、第１のモードＭ１で動作している間の目標状態ＳＴを規定する。この構成は、例えば、ユーザが、軌道Ｔ（例えば、インパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４への木槌の打撃の間隔）についてガイド２０８を、マニピュレータ１０２によって（例えば、ガイド２０８がユーザによって配置された場所がどこであってもそれに基づいて、目標状態ＳＴを再規定することによって）維持される異なる配置に対して、「回転」させるよう実施され得る。
しかしながら、第１の制約基準Ｃ１は、第１のモードＭ１で動作している間に目標状態ＳＴを規定するためにいくつかの異なる方法で構成することができる。例えば、ユーザが軌道Ｔの周りでガイド２０８を「回転」させることに基づいて、マニピュレータ１０２が目標状態ＳＴを再規定するように、ユーザが第１のモードＭ１の軌道Ｔの周りのガイド２０８の向きを調整できるようにするよりもむしろ、代わりに、第１の制約基準Ｃ１を、６つの自由度ＤＯＦすべてで目標状態ＳＴを規定する一方で、他のものよりも１つまたは複数の自由度ＤＯＦでの弾力性のある動き（例えば、より少ない「硬い」動き）を可能にするように構成できる。説明的な例として、図２２Ｃに示される配置は、代わりに、第１のモードＭ１における目標状態ＳＴを表すことができ、第１の制約基準Ｃ１は、ｚ方向ＺＯ自由度ＤＯＦに関連する第１の弾力性パラメータＲ１が比較的「弱い」値を有するように構成され、その値は、図２３に示されるように、ユーザが軌道Ｔの周りでガイド２０８を「回転」させることを可能にするが、それにもかかわらず、ツール１０４を目標状態ＳＴに向かうよう促す。本例のこの場合、図２３に示されているツール１０４の配置は、現在の状態ＳＣを表し、目標状態ＳＴはファントムの輪郭として示されている（図２２Ｃも参照）。
ここで図２４Ａ～２４Ｃを参照すると、いくつかの実施形態では、コントローラ１２４は、第１の制約基準Ｃ１及び第２の制約基準Ｃ２の両方とは異なる第３の制約基準Ｃ３に従って、目標部位ＴＳに対するツール１０４の整合を維持するために第３のモードＭ３でマニピュレータ１０２を操作するようにさらに構成され得る。ここで、この実施形態では、コントローラ１２４は、１つまたは複数のシステム条件ＳＹＳの少なくとも１つが第１の所定の条件ＰＲ１を満たすと判定することに応答して、マニピュレータ１０２の動作を第１のモードＭ１から第２のモードＭ２に変更して、１つまたは複数のシステム条件ＳＹＳの少なくとも１つが第１の所定の条件ＰＲ１とは異なる第２の所定の条件ＰＲ２を満たすと判定したことに応答して、マニピュレータ１０２の動作を第２のモードＭ２から第３のモードＭ３に変更するように構成されている。ここで、この例示的な実施形態では、第１の制約基準Ｃ１は、ツール１０４の動きが目標部位ＴＳに対して制限される第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦを含み、第２の制約基準Ｃ２は、ツール１０４の動きが目標部位ＴＳに対して制限される第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦを含み、第３の制約基準Ｃ３は、ツール１０４の動きが目標部位ＴＳに対して制限される第３の数Ｎ３の自由度ＤＯＦを含む。さらに、この説明的な実施形態では、第１の制約基準Ｃ１はまた、第１の弾力性パラメータＲ１を含み、第２の制約基準Ｃ２はまた、第２の弾力性パラメータＲ２を含み、第３の制約基準Ｃ３はまた、第３の弾力性パラメータＲ３を含む。
したがって、図２４Ａ～２４Ｃに関連して示される代表的な実施形態では、コントローラ１２４は、マニピュレータ１０２を操作して、第１のモードＭ１では、第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦに基づいて、また第１の弾力性パラメータＲ１に基づき、目標部位ＴＳに対するツール１０４の整合を維持し、第２のモードＭ２では、第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦに基づいて、また第２の弾力性パラメータＲ２に基づき、目標部位ＴＳに対するツール１０４の整合を維持し、第３のモードＭ３では、第３の数Ｎ３の自由度ＤＯＦに基づいて、また第３の弾力性パラメータＲ３に基づいて、目標部位ＴＳに対するツール１０４の整合を維持するようにさらに構成されている。ここで、第３の数Ｎ３の自由度ＤＯＦは、第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦ及び第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦのうちの１つまたは複数とは異なる。より具体的には、この実施形態で、第３の数Ｎ３の自由度ＤＯＦは、第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦよりも少なく、その結果、コントローラ１２４は、第３のモードＭ３において、第１のモードＭ１よりも少なくとも１つ多い自由度ＤＯＦで、目標部位ＴＳに対するツール１０４の移動を可能にする。同様に、この実施形態で、第３の数の自由度ＤＯＦは、第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦよりも少なく、その結果、コントローラ１２４は、第３のモードＭ３において、第２のモードＭ２よりも少なくとも１つ多い自由度ＤＯＦで、目標部位ＴＳに対するツール１０４の移動を可能にする。
より具体的には、この代表的な実施形態では、第１の数Ｎ１の自由度ＤＯＦは、第２の数Ｎ２の自由度ＤＯＦに等しく、これらは両方とも、第３の数Ｎ３の自由度ＤＯＦとは異なる。しかし、他の構成が企図される。ここで、この実施形態では、第１の制約基準Ｃ１と第２の制約基準Ｃ２との差は、第１及び第２のモードＭ１、Ｍ２で「アクティブ」である第１及び第２の数Ｎ１、Ｎ２の自由度ＤＯＦではなく、以下でより詳細に説明するような、第１及び第２の弾力性パラメータＲ１、Ｒ２に基づく。
図２４Ａ～２４Ｃに関連して示されている実施形態などの、いくつかの実施形態において、第１の制約基準Ｃ１及び第２の制約基準Ｃ２は、それぞれ、少なくとも１つの位置自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、及び／またはｚ位置ＺＰ）及び、少なくとも１つの方向自由度ＤＯＦ（例えば、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及び／またはｚ方向ＺＯ）を含み、第１の制約基準Ｃ１、第２の制約基準Ｃ２、及び第３の制約基準Ｃ３の各々は、少なくとも１つの方向自由度（例えば、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及び／またはｚ方向ＺＯ）を含む。ここでも、第１の制約基準Ｃ１及び第２の制約基準Ｃ２はそれぞれ、第３の制約基準Ｃ３よりも少なくとも１つ多い位置自由度ＤＯＦを含む。しかし、他の構成が企図される。
上記のように、図２４Ａ～２４Ｃに示される代表的な実施形態では、第１の制約基準Ｃ１と第２の制約基準Ｃ２との差は、第１及び第２のモードＭ１、Ｍ２で「アクティブ」である第１及び第２の数Ｎ１、Ｎ２の自由度ＤＯＦではなく、第１及び第２の弾力性パラメータＲ１、Ｒ２に基づく。ここで、第３の弾力性パラメータＲ３は、第１の弾力性パラメータＲ１及び第２の弾力性パラメータＲ２のうちの１つまたは複数とは異なり、これらはまた、この実施形態では互いに異なる。より具体的には、以下でより詳細に説明するように、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１よりも第２のモードＭ２において、目標部位ＴＳに対してより弾力性のあるツール１０４の運動（例えば、より「硬くない」運動）を可能にして、第３のモードＭ３よりも第２のモードＭ２において、目標部位ＴＳに対するツール１０４のより弾力性のある動き（例えば、より少ない「硬い」動き）を可能にする。ここでも、上記は非限定的な例であることが意図されており、外科システム１００の他の構成が企図されている。
図２４Ａでは、コントローラ１２４は、第１の制約基準Ｃ１に従ってマニピュレータ１０２を第１のモードＭ１で動作させており、この代表的な実施形態では、ツール１０４が、上記のように軸Ａ１、Ａ２の軌道Ｔと一致する整合が行われるように配置されて、図示のように目標状態ＳＴを規定する。この目的のために、第１の制約基準Ｃ１は、自由度ＤＯＦの第１の数Ｎ１及び第１の弾力性パラメータＲ１の両方を含む。この説明的な例の目的のために、第１の数Ｎ１は、６つの「アクティブな」自由度ＤＯＦ、つまりｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、ｚ位置ＺＰ、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及びｚ方向ＺＯを含む。さらに、この説明的な例では、第１の弾力性パラメータＲ１は、例えば、ばねパラメータＰＳが６つのアクティブな自由度ＤＯＦのそれぞれでの動きに抵抗するために、比較的高く設定されているガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡによって規定される、比較的「硬い触覚」で、ツール１０４が目標状態ＳＴに維持されるように設定される。
図２４Ａを引き続き参照すると、衝撃力ＦＩが、インパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４に不適切に加えられていることが示されている（例えば、軌道Ｔを横切る）。ここで、衝撃力ＦＩの不適切な適用（例えば、比較的大きい、及び／または軌道Ｔとずれている）は、植込み可能コンポーネント１１６が、軌道Ｔとずれた方法で目標部位ＴＳに部分的に着座する結果となる可能性があり、これは、例示の目的で、軸Ａ１、Ａ２と軌道Ｔとの間の誇張されたミスアライメントを伴う、図２４Ｂに示されている。ここで、図２４Ｂにおいて、センサ１８０は、目標状態ＳＴ（ここではファントムの輪郭で示されている）からの図示された現在の状態ＳＣの偏差から生じる目標部位ＴＳとマニピュレータ１０２との間の力ＦＤを検出し、センサ１８０は感知システム２０６の一部として機能し、システム条件ＳＹＣ（例えば、力ＦＤ）を検出する。このシナリオで、ツール１０４を目標状態ＳＴに戻すためにマニピュレータ１０２を動かし続ける（例えば、ツール中心点ＴＣＰを軌道Ｔに戻すことによって）のではなく、力ＦＤが第１の所定の条件ＰＲ１を満たしたセンサ１８０によって検出されたのに応答して、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１から第２のモードＭ２に変更し、それは、この実施形態では、センサ１８０によって検出される第１の力Ｆ１として規定される（例えば、１つまたは複数の自由度ＤＯＦにおける力及び／またはトルク）。したがって、図２４Ｂは、第２の制約基準Ｃ２に従った第２のモードＭ２でのマニピュレータ１０２の動作を示している。
図２４Ｂでは、コントローラ１２４は、第２の制約基準Ｃ２に従って第２のモードＭ２でマニピュレータ１０２を動作させており、目標状態ＳＴは、図２４Ａに示される配置によって依然として規定されている（図２４Ｂにファントムの輪郭として示される）。ここで、第２の制約基準Ｃ２は、第２の自由度ＤＯＦの数Ｎ２及び第２の弾力性パラメータＲ２を含む。この説明的な例の目的のために、第２の数Ｎ２は、６つの「アクティブな」自由度ＤＯＦ、つまりｘ位置ＸＰ、ｙ位置ＹＰ、ｚ位置ＺＰ、ｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及びｚ方向ＺＯを含む。しかしながら、この説明的な例では、第２の弾力性パラメータＲ２は、ツール１０４が、例えばガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡによって規定される、比較的「緩い触覚」（例えば、第２の弾力性パラメータＲ２は、第１の弾力性パラメータＲ１よりも小さい）で目標状態ＳＴに向かって促されるように設定され、この場合ばねパラメータＰＳは比較的低く設定されており、６つのアクティブな自由度ＤＯＦのそれぞれで一定量の弾力性のある動きが可能である。この構成では、マニピュレータ１０２は依然として目標状態ＳＴに戻ろうとしているが（例えば、ツール中心点ＴＣＰを軌道Ｔに戻すことによって）、第２の制約基準Ｃ２によって提供される「緩い触覚」は、目標状態ＳＴからの特定の量の逸脱が発生することを許容し、それにより、植込み可能コンポーネント１１６がずれている間に目標部位ＴＳに部分的に着座したときの「逸走」状態を防ぎ、目標部位ＴＳを作業面ＷＳで支持したままにする。
図２４Ｂを引き続き参照すると、さらなる衝撃力ＦＩが、インパクターアセンブリ２１０のヘッド２１４に不適切に加えられていることが示されている（例えば、軌道Ｔを横切る）。ここで、衝撃力ＦＩの不適切な適用（例えば、比較的大きい、及び／または軌道Ｔとずれている）は、依然として、植込み可能コンポーネント１１６が、軌道Ｔとさらにずれた方法でさらに目標部位ＴＳに着座する結果となる可能性があり、これは、例示の目的で、軸Ａ１、Ａ２と軌道Ｔとの間の誇張された不整合を伴う、図２４Ｃに示されている。ここで図２４Ｃにおいて、センサ１８０は、同様に、目標状態ＳＴ（ここでは軌道Ｔの終点として示される）からの図示の現在の状態ＳＣのさらなる偏差から生じる目標部位ＴＳとマニピュレータ１０２との間の力ＦＤを検出する。このシナリオのこの箇所でも、ツール１０４を目標状態ＳＴに戻すためにマニピュレータ１０２を動かし続ける（例えば、ツール中心点ＴＣＰを軌道Ｔに戻すことによって）のではなく、力ＦＤが第２の所定の条件ＰＲ２を満たしたセンサ１８０によって検出されたのに応答して、コントローラ１２４は、第２のモードＭ２から第３のモードＭ３に変更し、それは、この実施形態では、センサ１８０によって検出される第２の力Ｆ２として規定され（例えば、１つまたは複数の自由度ＤＯＦにおける力及び／またはトルク）、第２の力Ｆ２は第１の力Ｆ１よりも大きい。いくつかの実施形態では、第２の力Ｆ２は、そうでなければ部分的または完全に「脱着する」植込み可能コンポーネント１１６になり得る植込み型コンポーネント１１６との係合を介して１つまたは複数の方向で目標部位ＴＳに作用する力及び／またはトルクの量よりも小さくてもよい。
図２４Ｃでは、コントローラ１２４は、第３の制約基準Ｃ３に従って第３のモードＭ３でマニピュレータ１０２を動作させており、目標状態ＳＴは、図２４Ａに示される配置で依然規定される（図２４Ｃに、軌道Ｔの終点として示されている）。ここで、第３の制約基準Ｃ３は、第３の自由度ＤＯＦの数Ｎ３及び第３の弾力性パラメータＲ３を含む。この説明的な例の目的のために、第３の数Ｎ３は、３つの「アクティブな」自由度ＤＯＦ、つまりｘ方向ＸＯ、ｙ方向ＹＯ、及びｚ方向ＺＯを含む。言い換えると、第３の制約基準Ｃ３に従って、位置自由度ＤＯＦはアクティブにならない。ここでは、この説明的な例では、第３の弾力性パラメータＲ３は、例えば、ばねパラメータＰＳが３つのアクティブな自由度ＤＯＦのそれぞれでの動きに抵抗するために、比較的高く設定されているガイド制約ＧＣの調整パラメータＴＰＡによって規定される、比較的「硬い触覚」で、ツール１０４が目標状態ＳＴに向けて駆動されるように設定される。ここで、ツール１０４は、位置ではなく方向に基づいて、目標状態ＳＴに向かって促される。この構成では、マニピュレータ１０２は依然として目標状態ＳＴに戻ろうとしているが（例えば、ツール中心点ＴＣＰを目標部位ＴＳに向けることによって）、アクティブな位置自由度ＤＯＦの欠如は、植込み可能コンポーネント１１６が、位置がずれている間に目標部位ＴＳにさらに着座したときに「逸走」状態が発生することを防ぎ、目標部位ＴＳが、同様に、作業面ＷＳ上で支持されたままである。ここで、外科医または別のユーザは、上記のように、１つまたは複数のユーザインターフェース１４２の一部を形成し得るモードインジケータ３１８を介して、第３のモードＭ３への変更について警告され得る。非限定的な例として、コントローラ１２４が第１のモードＭ１から第２のモードＭ２に切り替わるとき、「低レベル」アラート（例えば、スピーカーで再生される音、点滅するライトによって表示される警告、または画面に表示されるグラフィックなど）を生成して、ユーザに警告することができ、コントローラ１２４が第２のモードＭ２から第３のモードＭ２に（または第１のモードＭ１から第３のモードＭ３に）切り替わるとき、ユーザに警告するために異なるまたは「高レベル」アラートを生成することができる。アラートは、互いに区別するのに十分な様々な方法で規定でき（例えば、一方が視覚的でもう一方が聴覚的、またはそれらの組み合わせ）、上記のように、モードインジケータ３１８は、いくつかの異なるスタイル、タイプ、及び／または構成であり得る。
図２４Ａ～２４Ｃに関連して上記の代表的な実施形態は、３つの制約基準Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、３つのモードＭ１、Ｍ２、Ｍ３、及び２つの所定の条件ＰＲ１、ＰＲ２を使用するが、同様の機能は、いくつかの実施形態における２つのモード及び１つの所定の条件ＰＲを提供することができる。非限定的な例として、センサ１８０を利用して、所定の条件ＰＲが検出された力ＦＤ（例えば、１つまたは複数の自由度ＤＯＦにおける力及び／またはトルク）として規定されるシステム条件ＳＹＣを監視する場合で、コントローラ１２４が、第１のモードＭ１（例えば、第１の制約基準Ｃ１に従って６自由度ＤＯＦを維持するため）から第２のモードＭ２（例えば、第２の制約基準Ｃ２に応じて方向自由度ＤＯＦのみを維持するため）に切り替えるように構成されている場合に、コントローラ１２４は、第１のモードＭ１でマニピュレータ１０２を動作させて、センサ１８０によって検出された力ＦＤが所定の条件ＰＲに向かって増加するにつれて、弾力性を増加させながら、目標部位ＴＳに対するツール１０４の動きに抵抗するように構成することができる。別の言い方をすれば、図２４Ｂは、図２４Ａに示されているものとは異なるモードでの動作を示しているのではなく、代わりに、第１の制約基準Ｃ１が弾力性パラメータを含む同じモード（例えば、第１のモードＭ１）の一部を表すことができる。これは、例えば、検出された力ＦＤが所定の条件ＰＲを満たす（例えば、力ＦＤが図２４Ｃに関連して上記した第２の力Ｆ２を超える場合）まで、センサ１８０によって検出された力ＦＤの関数として規定される。しかし、先行の例は説明的な例で非限定的なものであり、他の構成が企図される。
モード（例えば、第１のモードＭ１及び第２のモードＭ２）間の変更を容易にするために感知システム２０６の一部としてセンサ１８０を利用する実施形態では、センサ１８０は、１つまたは複数の自由度ＤＯＦにおいて、マニピュレータ１０２と目標部位ＴＳとの間に発生する力ＦＤ（例えば、力及び／またはトルク）を検出するように構成されている力トルクセンサ１８０としてさらに規定され得る。この目的のために、そして図１及び１５に一般的に示されているように、センサ１８０は、ロボットアーム１０８に結合され得る（例えば、結合１１０の一部として）。しかしながら、センサ１８０は、マニピュレータ１０２と目標部位ＴＳとの間に発生する力ＦＤを検出するのに十分な任意の適切な方法で配置することができ、本開示の範囲から逸脱することなく、いくつかの異なるタイプ、スタイル、または構成であり得る。非限定的な例として、センサ１８０は、カップリング１１０の一部として、ロボットアーム１０８の一部として（例えば、ジョイントの１つに配置されて）、及び／またはツール１０４の一部として（例えば、器具１１２及び／または移植可能コンポーネント１１６に配置される）実現され得る。同様に、センサ１８０は、マウント１４８及び／またはガイド２０８の本体２６０に配置することができる。さらに、本明細書に示される代表的な実施形態は、マニピュレータ１０２に結合された単一の複数の自由度のＤＯＦ力トルク変換器に向けられているが、センサ１８０はまた、複数の構成要素によって実現され得て、同じ場所または異なる場所に配置され（例えば、１つはガイド２０８に、もう１つはカップリング１１０に）、これらは、目標部位ＴＳとロボットアーム１０８との間に発生する力ＦＤの検出を容易にするために協働する。他の構成が企図される。
いくつかの実施形態では、所定の条件ＰＲ（例えば、第１の力Ｆ１、第２の力Ｆ２、または他の値）を満たすセンサ１８０によって検出される力ＦＤの量は、植込み可能コンポーネント１１６に適用されているトルク（または力）の量を表すか、またはそれに基づく。ここで、ツール１０４及び植込み可能コンポーネント１１６の既知の特性を使用して、センサ１８０での力／トルクを、植込み型コンポーネント１１６で加えられる力／トルクに関連付けることができる。センサ１８０から植込み可能コンポーネント１１６までの剛体ヤコビアンの計算は、ＦＩＭＰＬＡＮＴ＝ＪＳＥＮＳＯＲ＿ＴＯ＿ＩＭＰＬＡＮＴ－Ｔ＊ＦＳＥＮＳＯＲに従って実行できる。センサ１８０によって検出された力ＦＤは、いくつかの異なる方法で所定の条件ＰＲを規定することができ、アプリケーション及び／または手順に固有であり得る。いくつかの実施形態では、植込み可能コンポーネント１１６のタイプ、スタイル、サイズ、または他のパラメータは、１つまたは複数の所定の条件ＰＲを少なくとも部分的に規定することができる。ここで、例えば、比較的「大きい」植込み可能コンポーネント１１６は、比較的「小さい」植込み可能コンポーネント１１６と比較して、目標部位ＴＳで脱着するようになる前にそれに加えられる異なる量のトルク（または力）を必要とし得る。センサ１８０に基づく所定の条件ＰＲの特定のパラメータ（例えば、１つまたは複数の自由度ＤＯＦにおける力及び／またはトルクの大きさ）は、実験を実行することによる使用を含む他の方法で決定することができる。例えば、インパクションアセンブリ２１０の並進の制約を解放し始めるベースライン力を決定する際に、寛骨臼カップについてレバーアウトトルクが分析された。しっかりと固定されたカップ１１６が移動または脱着する可能性が高いおおよそのトルクを知ることにより、指定された限界または範囲で制約を解放することによってカップのレバーアウトを回避しながら、カップの配置の精度を最適化することができる。カップ１１６のレバーアウトの強度が約５から２５Ｎｍの範囲で、インパクションアセンブリ２１０で可能な力の限界は、様々なカップ固定シナリオに対応するために、２０Ｎから１００Ｎ（エンドエフェクタアタッチメントからカップ中心まで０．２５ｍのレバーアームを想定）の範囲である可能性がある。一実装形態では、実験室評価ごとに所定の条件ＰＲを満たすための力ＦＤの量は、約６４Ｎ（約１６Ｎｍのレバーアウトトルク）である。ただし、カップのタイプ、圧入、試験方法、及び材料に応じて、他の値または値の範囲が考慮されるか、可能である。他の例では、所定の条件ＰＲを満たす力ＦＤの量は、５８～６６Ｎ、５０～７０Ｎ、または４０～８０Ｎの間、またはこれらの範囲の間の任意の値である。
いくつかの実施形態では、閾値制御３１４（及び／または剛性制御３１６）は、主観的考察、観察などに基づいて、術中にユーザによって手動で調整され得る（例えば、ユーザの好みに応じて特定の所定の条件ＰＲは、より高くまたはより低く調整される）。いくつかの実施形態では、所定の条件ＰＲは、患者固有のデータ（例えば、身長、体重、年齢、骨密度、肥満度指数ＢＭＩなど）に基づくことができ、そのデータは、ユーザインターフェース１４２の入力デバイス１４６を使用して入力することができる。いくつかの実施形態では、所定の条件ＰＲは、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ Ａｎａｔｏｍｙ ｏｆ ａ Ｐａｔｉｅｎｔ Ｄｕｒｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ」と題された米国特許出願公開第２０１５／００９４７３６Ａ１に記載されているものと同様の「ウィグルテスト」などによって、少なくとも部分的に術中に決定され得る。その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。しかし、他の構成が企図される。
他の実装形態では、第１の制約基準Ｃ１または第２の制約基準Ｃ２は、感知システムまたはセンサ１８０からの測定に基づいて動的に決定または調整することができる。コントローラは、例えばメモリに保存されているルックアップテーブルを使用して、検出された測定値の大きさまたは値を剛性値に関連付けることができる。この手法は、上記の閾値を使用して、または閾値に関係なく実装できる。
上記のように、第１のモードと第２のモードＭ１、Ｍ２（及び／または他のモード）との間の切り替えにおいて外科システム１００によって提供される機能は、センサ１８０以外の感知システム２０６の他の構成要素を使用して（及び／またはそれに加えて）実行され得る。非限定的な例として、また再度図２４Ａ～２４Ｃを参照すると、ローカライザ１５８及び１つまたは複数のトラッカー１６０（例えば、第１の患者トラッカー１６０Ａ及び第２のツールトラッカー１６０Ｉ）を利用して、所定の条件ＰＲを満たす方法でのインパクターアセンブリ２１０との目標部位ＴＳの同時移動など、システム条件ＳＹＣを監視することができる。ここで、１つまたは複数の所定の条件ＰＲを満たす動きは、持続時間及び方向の様々な組み合わせに基づくことができ、例えば、インパクターアセンブリ２１０が第１の軸Ａ１と軌道Ｔとの間に不整合を有する目標部位ＴＳに「固定」されていることを示唆する動き、目標部位ＴＳが作業面ＷＳから持ち上げられているか、または意図しない方向に移動していることを示唆する動きなどに基づくことができる。ここで、感知システム２０６の構成要素の組み合わせは、モードＭ１、Ｍ２の間で変化をもたらすために所定の条件ＰＲを満たすことが、同じまたは異なるタイプのシステム条件ＳＹＣに基づいて満たされる複数の所定の条件ＰＲを必要とするように一緒に使用することができる。非限定的な例として、センサ１８０は、ユーザが衝撃力ＦＩを適用しているときを検出するために使用でき、インパクションイベントを含む期間の所定の条件ＰＲの規定方法を変更でき、例えば、インパクション時に第１の患者トラッカー１６０Ａを介して目標部位ＴＳの動きを別の方法で簡単に解釈して、目標部位ＴＳが最初に衝撃力ＦＩの適用に反応するときに、「逸走」状態の誤検出を防ぐようにする。他の構成が企図される。
外科システム１００は、衝撃力ＦＩ（または軸外力）を検出し、逸走状態制御アルゴリズムのためにそのような衝撃力ＦＩを無視または軽視することができる。そうすることで、外科システム１００は、イベントが予想される衝撃力ＦＩであり、望ましくない「逸走」状態ではないことを識別することができる。次に、外科システム１００は、第２のモードＭ２に従ってマニピュレータを制御する必要がないと判断することができる。一例では、逸走状態と衝撃力ＦＩとを区別するために、システム１００は、力トルクセンサ１８０からのＸ及びＹ成分の力信号を分析する。Ｚ軸の力は機械設計で制約されていないため、Ｚ成分の力は無視された。逸走状態を検出するために、一実装形態では、システム１００は、組み合わされたＸ軸及びＹ軸の力の特定の期間（例として１２５ミリ秒）にわたって大きさの力を平均し、この平均の大きさの力が力の閾値より大きいかどうかを決定することができる。同じ期間の標準偏差を計算して、同じ期間が閾値を下回っているかどうかを判断できる。閾値が満たされる場合、システム１００は、逸走状態が存在することを判断することができる。ある実験では、逸走状態でのＸ及びＹ方向の力の偏差の例は、＋／－１０～６０Ｎの範囲であった。逸走状態が存在することを判定する他の方法があり得る。例えば、測定されたＸとＹの力は、時間の経過と共に閾値制限と個別に比較できる。逸走状態を検出するための閾値を決定する際には、他の要因を考慮することができる。
他方、（逸走状態と比較して）衝撃力ＦＩを検出するために、センサ１８０によって取得される力のＸ、Ｙ、及びＺ成分は、衝撃が発生する期間にわたって（例えば、３０～６０秒）感知システム１００によって分析され得る。一例では、衝撃イベント中の力の大部分は、アセンブリの機械的性質のためにＺ方向に発生する。ただし、Ｘ及びＹの力は、ユーザがインパクターを叩く方法または精度に応じて発生する。この期間中、Ｘ、Ｙ、Ｚの各成分は、それぞれの衝撃を示す個別の信号スパイクを生成する。感知システム１００は、各インパクションを示す信号スパイクのそれぞれを分離することができる。一例では、各信号スパイクは、１００～１５０ミリ秒の範囲内の持続時間の間続くように実験的に決定された。次に、感知システム１００は、各インパクションイベントの持続時間を計算し、その計算された持続時間中の標準偏差を計算することができる。そこから、インパクションイベントを規定するための閾値が設定される。閾値が満たされると、システム１００は、衝撃イベントが発生したと判断することができる。ある実験では、インパクションイベントに応じたＸ及びＹ方向の力の偏差の例は、＋／－１０～３０Ｎの範囲であり、インパクションイベントに応じたＺ方向の力の偏差の例は、＋／－２０～４０Ｎの範囲であった。インパクションイベントが発生したことを判断する他の方法がある可能性がある。例えば、測定された力は、時間の経過と共に閾値と個別に比較できる。また、逸走状態を検出するための閾値は、カップのタイプ、カップのサイズ、患者データ、インパクターのパラメータ、予想される衝撃力などの要因によって変化する可能性がある。システム１００は、逸走とインパクションイベントとの間でフィルタリングできることにより、逸走状態を打ち消すために必要な場合にのみ、制約基準をインテリジェントに変更することができる。
さらに、モードＭ１、Ｍ２の間で変更する前に満たされるべき異なるタイプの所定の条件ＰＲを組み合わせることはまた、図１２～１４Ｄに関連して上記の動力付き外科用デバイス１５０などの他のタイプのツール１０４を用いて実施できる。例えば、発電アセンブリ１５２の動作によって規定されるシステム条件ＳＹＣに関連する所定の条件ＰＲは（例えば、モータ速度、負荷など）、ナビゲーションシステム１２８、センサ１８０などによって規定されるシステム条件ＳＹＣに関連する所定の条件ＰＲと比較することができ、例えば、別の場合にはコントローラ１２４がモードＭ１、Ｍ２の間で変化するツール１０４と目標部位ＴＳが同時に移動する場合でも、エネルギーアプリケータ１１４が依然回転している場合、モードＭ１、Ｍ２の間で変化するのを避けるようにする。ここでも、上記の例は、例示的かつ非限定的であることを意図しており、他の構成が企図されている。
一例では、図２６に示されるように、「逸走」状態は、エネルギーアプリケータ１１４としてバー１５４を有するツールなどのツール１０４が、目標部位ＴＳに関連付けられた仮想境界１７４によって制約されながら、目標部位ＴＳの骨と係合する状況に存在し得る。より具体的には、バー１５４が仮想境界１７４と目標部位ＴＳの骨との間に閉じ込められ、配置され、または挟まれた場合、逸走状態が存在し得る。この状況の結果として、バー１５４は、仮想境界１７４の外側に部分的に押し出される可能性がある。仮想境界１７４は、ツール１０４の動きを制限するように構成されているので、システムは、反力ＲＦをバー１５４に適用するようにマニピュレータを制御する。この反力ＲＦにより、バー１５４が目標部位ＴＳの骨に押し付けられ、目標部位ＴＳの骨が移動する。目標部位ＴＳは、トラッカー１６０Ａを介してナビゲーションシステムによって追跡される。したがって、目標部位ＴＳを押すと、関連する仮想境界１７４の対応する動きが引き起こされ、次に、反力ＲＦが逸走状態まで持続する。上記のシステム、方法、及び手法の実装は、このシナリオを防ぐために完全に適用できる。この例では、第１の制約基準Ｃ１及び第２の制約基準Ｃ２は、逸走状態を防ぐために上記のいずれかのようにすることができる。追加的または代替的に、制約基準Ｃ１、Ｃ２は、反力ＲＤの大きさまたは方向、反力ＲＦに関連する剛性または減衰パラメータ、仮想境界１７４の形状、仮想境界１７４の柔軟性、ツール１０４及び／またはエネルギーアプリケータ１１４の方向に関連する剛性または減衰パラメータ、またはツール１０４及び／またはエネルギーアプリケータ１１４の有効な位置または方向の自由度に関連し得る。
一実施態様では、本開示はまた、外科システム１００を操作する方法を対象としており、外科システムは、植込み可能コンポーネント１１６を解放可能に固定するためのインターフェース２１２を有するインパクターアセンブリ２１０、インパクターアセンブリ２１０を受容するように形成されたチャネル２６２を有するガイド２０８、軌道Ｔに沿った目標部位ＴＳに対してガイド２０８を支持するように構成されマニピュレータ１０２、センサ１８０、及びマニピュレータ１０２及びセンサ１８０に結合され、異なるステップを実行するように構成されたコントローラ１２４を含む。ステップは、第１の制約基準Ｃ１に従って軌道Ｔに関してガイド２０８の整合を維持するための第１のモードＭ１でマニピュレータ１０２を操作するステップ、第１の制約基準Ｃ１とは異なる第２の制約基準Ｃ２に従って、軌道Ｔに関してガイド２０８の整合を維持する第２のモードＭ２でマニピュレータ１０２を操作するステップ、センサ１８０を用いて、目標部位ＴＳとマニピュレータ１０２との間に発生する力ＦＤを検出するステップ、及びセンサ１８０によって検出された力ＦＤが所定の条件ＰＣを満たすことを判定し、それに応じてマニピュレータ１０２の動作を第１のモードＭ１から第２のモードＭ２に変更するステップを含む。
このように、本開示の外科システム１００の技術、方法、及び実施形態は、目標部位ＴＳに対して異なるタイプのツール１０４をサポートするためにマニピュレータ１０２を使用して実行される様々なタイプの外科的処置に関連して重要な利点を提供する。コントローラ１２４、感知システム２０６、及びマニピュレータ１０２によって提供される機能は、外科医及び他のユーザが安全で、信頼性があり、予測可能な方法で外科的処置を実行できることを確実にするのに役立つ。具体的には、所定の条件ＰＲを満たす異なるタイプのシステム条件ＳＹＣの検出に応答してモードＭ１、Ｍ２を切り替えられることは、そうでなければマニピュレータ１０２を介して患者Ｐを「持ち上げる」または「回転」させる「逸走」状態（及び他のタイプのツール１０４の望ましくない動き）を防ぐのに役立つ。
当業者は、本明細書に記載及び図示された実施形態の態様を交換するか、さもなければ組み合わせることができることを理解する。
さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、及びｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、及びｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同じ意味を有することが理解されよう。さらに、本明細書では、「第１」、「第２」、「第３」などの用語を使用して、明確性及び一貫性の非限定的で例示的な目的のために特定の構造的特徴及び構成要素を区別していることが理解されよう。
前述の構成では、いくつかの実施形態について説明してきた。しかしながら、本明細書で論じられる構成は、網羅的であること、または本発明をいずれかの特定の形態に限定することを意図するものではない。使用されている用語は、限定ではなく説明の言葉の性質にあることを意図するものである。上記の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が可能であり、本発明は、具体的に記載されている以外のもので実施されることができる。

Claims (77)

  1. 目標部位と係合するためのツールと、
    前記ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、
    前記ツール、前記マニピュレータ、前記目標部位、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数に関連する１つまたは複数のシステム条件を検出するように構成された感知システムと、
    前記マニピュレータ及び前記感知システムに結合されたコントローラであって、
    第１の制約基準に従って前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するための第１のモードと、
    前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するための第２のモードと
    の間で前記マニピュレータを操作するように構成されているコントローラと
    を含み、
    前記コントローラはさらに、前記１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つが所定の条件を満たすと判定することに応答して、前記マニピュレータの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに変更するように構成されている、外科システム。
  2. 前記第１の制約基準は、前記ツールの動きが前記目標部位に対して制限される第１の数の自由度を含み、前記第２の制約基準は、前記ツールの動きが前記目標部位に対して制限されている第２の数の自由度を含み、前記第２の数の自由度は前記第１の数の自由度とは異なり、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の数の自由度に基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の数の自由度に基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持する
    ように構成されている、請求項１に記載の外科システム。
  3. 前記第２の数の自由度は、前記第１の数の自由度よりも少なく、前記コントローラは、前記第２のモードにおいて、前記第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、前記目標部位に対する前記ツールの移動を可能にする、請求項２に記載の外科システム。
  4. 前記第１の制約基準が、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項２または３のいずれか一項に記載の外科システム。
  5. 前記第１の制約基準及び前記第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項２から４のいずれか一項に記載の外科システム。
  6. 前記第１の制約基準は、前記第２の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む、請求項２から５のいずれか一項に記載の外科システム。
  7. 前記第１の制約基準及び前記第２の制約基準は、少なくとも１つの共通自由度を含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の外科システム。
  8. 前記第１の制約基準が第１の弾力性パラメータを含み、前記第２の制約基準が前記第１の弾力性パラメータとは異なる第２の弾力性パラメータを含み、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の弾力性パラメータに基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の弾力性パラメータに基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するように構成されている、請求項の１から７のいずれか一項に記載の外科システム。
  9. 前記コントローラは、前記第１のモードよりも前記第２のモードにおいて、前記目標部位に対してより弾力性のある前記ツールの動きを可能にする、請求項８に記載の外科システム。
  10. 前記第１の弾力性パラメータ及び前記第２の弾力性パラメータはそれぞれ、共通自由度における前記目標部位に対する前記ツールの弾力性のある動きに関連する、請求項８または９に記載の外科システム。
  11. 前記ツールがツール中心点を規定し、
    前記コントローラは、前記マニピュレータを前記第１のモードで動作させて、前記第１の制約基準に従って前記目標部位から離れる前記ツール中心点の移動を制限するように構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の外科システム。
  12. 前記コントローラは、前記第２の制約基準に従って前記目標部位から離れる前記ツール中心点の移動を可能にするように、前記第２のモードで前記マニピュレータを動作させるように構成されている、請求項１１に記載の外科システム。
  13. 前記コントローラに結合されたモードインジケータをさらに備え、
    前記コントローラは、前記１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つが前記所定の条件を満たすと判定したことに応答して前記モードインジケータを始動して、前記マニピュレータの動作の前記第１のモードから前記第２のモードへの変更をユーザに通知するように構成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の外科システム。
  14. 前記コントローラは、前記第１の制約基準に従って、少なくとも１つの自由度で前記目標部位に対する前記ツールの移動を可能にするように、前記第１のモードで前記マニピュレータを動作させるように構成されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の外科システム。
  15. 前記コントローラは、前記第２の制約基準に従って、少なくとも１つの自由度で前記目標部位に対する前記ツールの移動を可能にするように、前記第２のモードで前記マニピュレータを動作させるように構成されている、請求項１４に記載の外科システム。
  16. 前記コントローラは、前記第１の制約基準及び前記第２の制約基準の両方とは異なる第３の制約基準に従って、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持する第３のモードで、前記マニピュレータを操作するようにさらに構成され、
    前記所定の条件は、第１の所定の条件としてさらに規定され、
    前記コントローラは、前記１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つが前記第１の所定の条件とは異なる第２の所定の条件を満たすと判定することに応答して、前記マニピュレータの動作を前記第２のモードから前記第３のモードに変更するようにさらに構成されている、請求項１から１５のいずれか一項に記載の外科システム。
  17. 前記第１の制約基準は、前記ツールの動きが前記目標部位に対して制限される第１の数の自由度を含み、前記第２の制約基準は、前記ツールの動きが前記目標部位に対して制限される第２の数の自由度を含み、前記第３の制約基準は、前記ツールの動きが前記目標部位に対して制限される第３の数の自由度を含み、前記第３の数の自由度は前記第１の数の自由度と前記第２の数の自由度との１つ以上とは異なり、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の数の自由度に基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の数の自由度に基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第３のモードでは、前記第３の数の自由度に基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するように構成されている、請求項１６に記載の外科システム。
  18. 前記第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータをさらに含み、前記第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータをさらに含み、前記第３の制約基準は、前記第１の弾力性パラメータ及び前記第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータをさらに含み、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の数の自由度に基づいて、また前記第１の弾力性パラメータに基づき、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の数の自由度に基づいて、また前記第２の弾力性パラメータに基づき、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第３のモードでは、前記第３の数の自由度に基づいて、また前記第３の弾力性パラメータに基づき、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持する、請求項１７に記載の外科システム。
  19. 前記第３の数の自由度は、前記第１の数の自由度よりも少なく、前記コントローラは、前記第３のモードにおいて、前記第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、前記目標部位に対する前記ツールの移動を可能にする、請求項１８に記載の外科システム。
  20. 前記第３の数の自由度は、前記第２の数の自由度よりも少なく、前記コントローラは、前記第３のモードにおいて、前記第２のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、前記目標部位に対する前記ツールの移動を可能にする、請求項１９に記載の外科システム。
  21. 前記第１の制約基準と前記第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の外科システム。
  22. 前記第１の制約基準、前記第２の制約基準、及び前記第３の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の外科システム。
  23. 前記第１の制約基準は、前記第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む、請求項１８から２２のいずれか一項に記載の外科システム。
  24. 前記第２の制約基準は、前記第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む、請求項２３に記載の外科システム。
  25. 前記コントローラは、前記第１のモードよりも前記第２のモードにおいて、前記目標部位に対するより弾力性のある前記ツールの動きを可能にする、請求項１８から２４のいずれか一項に記載の外科システム。
  26. 前記コントローラは、前記第３のモードよりも前記第２のモードにおいて、前記目標部位に対するより弾力性のある前記ツールの動きを可能にする、請求項２５に記載の外科システム。
  27. 前記第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータを含み、前記第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータを含み、前記第３の制約基準は、前記第１の弾力性パラメータ及び前記第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータを含み、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の弾力性パラメータに基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の弾力性パラメータに基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第３のモードでは、前記第３の弾力性パラメータに基づいて、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するように構成されている、請求項１６から２６のいずれか一項に記載の外科システム。
  28. 前記感知システムは、前記目標部位と前記マニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサを備え、
    前記少なくとも１つのセンサによって取得される前記力を示す前記測定値は、前記１つまたは複数のシステム条件のうちの少なくとも１つを規定し、前記コントローラが前記マニピュレータの動作を、
    前記少なくとも１つのセンサによって検出された前記力が前記第１の所定の条件を満たすと判定することに応答して、前記第１のモードから前記第２のモードへ、及び
    前記少なくとも１つのセンサによって検出された前記力が前記第２の所定の条件を満たすと判定することに応答して、前記第２のモードから前記第３のモードへ、変更するように構成されている、請求項１６から２７のいずれか一項に記載の外科システム。
  29. 前記第１の所定の条件は、前記少なくとも１つのセンサによって検出された第１の力によって規定され、前記第２の所定の条件は、前記少なくとも１つのセンサによって検出された第２の力によって規定され、前記第２の力は、前記第１の力よりも大きい、請求項２８に記載の外科システム。
  30. 前記目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーをさらに含み、
    前記感知システムは、前記患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムを含み、
    前記患者トラッカーの追跡状態は、前記１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つを規定し、前記患者トラッカーの追跡状態は前記所定の条件を満たすという判定に応答して、前記コントローラが前記マニピュレータの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに変更するように構成されている、請求項１から２９のいずれか一項に記載の外科システム。
  31. 前記コントローラは、前記ナビゲーションシステムから受信した追跡状態に基づいて、前記ツールの追跡された動きを前記患者トラッカーの動きと比較するようにさらに構成され、
    前記ツールの追跡された動きは、前記１つまたは複数のシステム条件のうちの少なくとも１つを規定し、
    前記所定の条件は、前記患者トラッカーの追跡された状態に対応する前記ツールの追跡された動きに基づいて規定される、請求項３０に記載の外科システム。
  32. 前記感知システムは、前記目標部位と前記マニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサを備え、
    前記少なくとも１つのセンサによって取得される前記力を示す前記測定値は、前記１つまたは複数のシステム条件の少なくとも１つを規定し、前記コントローラが、前記少なくとも１つのセンサによって検出された前記力が前記所定の条件を満たすと判定したのに応答して、前記第１のモードから前記第２のモードに前記マニピュレータの動作を変更するように構成されている、請求項１から３１のいずれか一項に記載の外科システム。
  33. 前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを前記第１のモードで動作させて、前記少なくとも１つのセンサによって取得される前記力を示す前記測定値が前記所定の条件に向かって増加するにつれて、弾力性の増加を伴い、前記目標部位に対する前記ツールの動きに抵抗するように構成されている、請求項３２に記載の外科システム。
  34. 前記ツールは、インパクターアセンブリを受け入れ、前記ガイドに対して前記インパクターアセンブリの制限された動きを可能にするように形成されたチャネルを備えたガイドを含み、前記インパクターアセンブリは、プロテーゼを解放可能に固定するためのインターフェースを有し、
    前記マニピュレータは、前記インパクターアセンブリが前記ガイドの前記チャネルに受け入れられ、前記プロテーゼが前記インパクターアセンブリに固定されている間、前記目標部位に対する軌道に沿って前記ガイドを支持するように構成され、
    前記目標部位はさらに寛骨臼カップとして規定され、
    前記少なくとも１つのセンサは、前記寛骨臼カップに前記プロテーゼを設置するために前記インパクターアセンブリに加えられた力の結果として生じる前記力を検出するように構成され、
    前記コントローラは、前記検出された力に基づいて前記寛骨臼カップに加えられているトルクを推定するようにさらに構成され、
    前記コントローラは、前記寛骨臼カップに加えられた前記推定トルクが前記所定の条件を満たすと判定したことに応じて、前記マニピュレータの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに変更するようにさらに構成されている、請求項３２または３３のいずれか一項に記載の外科システム。
  35. 前記少なくともセンサは、力トルク変換器、ジョイントアクチュエータ電流センサ、ジョイント力センサ、ジョイントトルクセンサ、及びジョイントエンコーダの１つまたは複数としてさらに規定される、請求項２８、２９、及び３２から３４のいずれか一項に記載の外科システム。
  36. 軌道に沿って目標部位を係合するためのツールと、
    前記ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、
    前記目標部位と前記マニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサと、
    前記マニピュレータ及び前記少なくとも１つの感知システムに結合されたコントローラであって、
    第１の制約基準に従って前記軌道に対する前記ツールの整合を維持するための第１のモードと、
    前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持するための第２のモードと
    の間で前記マニピュレータを操作するように構成されているコントローラと
    を含み、
    前記コントローラはさらに、前記力が所定の条件を満たしていると判定することに応答して、前記マニピュレータの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに変更するように構成されている、外科システム。
  37. 前記第１の制約基準は、前記ツールの動きが前記軌道に対して制限される第１の数の自由度を含み、前記第２の制約基準は、前記ツールの動きが前記軌道に対して制限される第２の数の自由度を含み、前記第２の数の自由度は前記第１の自由度とは異なり、
    前記コントローラは、前記マニピュレータを操作するようにさらに構成され、
    前記第１のモードでは、前記第１の数の自由度に基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の数の自由度に基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持する、請求項３６に記載の外科システム。
  38. 前記第２の数の自由度は、前記第１の数の自由度よりも少なく、前記コントローラは、前記第２のモードにおいて、前記第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、前記軌道に対する前記ツールの移動を可能にする、請求項３７に記載の外科システム。
  39. 前記第１の制約基準が、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項３７または３８のいずれか一項に記載の外科システム。
  40. 前記第１の制約基準及び前記第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項３７から３９のいずれか一項に記載の外科システム。
  41. 前記第１の制約基準は、前記第２の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む、請求項３７から４０のいずれか一項に記載の外科システム。
  42. 前記第１の制約基準及び前記第２の制約基準は、少なくとも１つの共通自由度を含む、請求項３７から４１のいずれか一項に記載の外科システム。
  43. 前記第１の制約基準が第１の弾力性パラメータを含み、前記第２の制約基準が前記第１の弾力性パラメータとは異なる第２の弾力性パラメータを含み、
    前記コントローラは、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持するようにさらに構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  44. 前記コントローラは、前記第１のモードよりも前記第２のモードにおいて、前記軌道に対してより弾力性のある前記ツールの動きを可能にする、請求項４３に記載の外科システム。
  45. 前記第１の弾力性パラメータ及び前記第２の弾力性パラメータはそれぞれ、共通自由度における前記軌道に対する前記ツールの弾力性のある動きに関連する、請求項４３または４４のいずれか一項に記載の外科システム。
  46. 前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを前記第１のモードで動作させて、前記少なくとも１つのセンサによって取得される前記力を示す前記測定値が前記所定の条件に向かって増加するにつれて、弾力性の増加を伴い、前記軌道に対する前記ツールの動きに抵抗するように構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  47. 前記ツールがツール中心点を規定し、
    前記コントローラは、前記マニピュレータを前記第１のモードで動作させて、前記第１の制約基準に従って前記軌道から離れる前記ツール中心点の移動を制限するように構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  48. 前記コントローラは、前記第２の制約基準に従って前記軌道から離れる前記ツール中心点の移動を可能にするように、前記第２のモードで前記マニピュレータを動作させるように構成されている、請求項４７に記載の外科システム。
  49. 前記コントローラに結合されたモードインジケータをさらに備え、
    前記コントローラは、前記少なくともセンサによって取得された前記力を示す前記測定値が、前記マニピュレータの動作の前記第１のモードから前記第２のモードへの前記変更をユーザに通信するための前記所定の条件を満たすと判定することに応答して、前記モードインジケータを起動するように構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  50. 前記コントローラは、前記第１の制約基準に従って、少なくとも１つの自由度で前記軌道に対する前記ツールの移動を可能にするように、前記第１のモードで前記マニピュレータを動作させるように構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  51. 前記コントローラは、前記第２の制約基準に従って、少なくとも１つの自由度で前記軌道に対する前記ツールの移動を可能にするように、前記第２のモードで前記マニピュレータを動作させるように構成されている、請求項５０に記載の外科システム。
  52. 前記コントローラは、前記第１の制約基準及び前記第２の制約基準の両方とは異なる第３の制約基準に従って、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持する第３のモードで、前記マニピュレータを操作するようにさらに構成され、
    前記所定の条件は、第１の所定の条件としてさらに規定され、
    前記コントローラは、前記少なくとも１つのセンサによって取得された力を示す測定値が前記第１の所定の条件とは異なる第２の所定の条件を満たすと判定することに応答して、前記マニピュレータの動作を前記第２のモードから前記第３のモードに変更するようにさらに構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  53. 前記第１の所定の条件は、前記少なくとも１つのセンサによって取得される測定値によって検出される第１の力によって規定され、前記第２の所定の条件は、前記少なくとも１つのセンサから取得される測定値によって検出される第２の力によって規定され、前記第２の力は、前記第１の力よりも大きい、請求項５２に記載の外科システム。
  54. 前記第１の制約基準は、前記ツールの動きが前記軌道に対して制限される第１の数の自由度を含み、前記第２の制約基準は、前記ツールの動きが前記軌道に対して制限されている第２の数の自由度を含み、前記第３の制約基準は、前記ツールの動きが前記軌道に対して制限されている第３の数の自由度を含み、前記第３の数の自由度は前記第１の数の自由度と前記第２の数の自由度の１つ以上とは異なり、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の数の自由度に基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の数の自由度に基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第３のモードでは、前記第３の数の自由度に基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持する
    ように構成されている、請求項５２または５３のいずれか一項に記載の外科システム。
  55. 前記第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータをさらに含み、前記第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータをさらに含み、前記第３の制約基準は、前記第１の弾力性パラメータ及び前記第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータをさらに含み、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の数の自由度に基づいて、また前記第１の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の数の自由度に基づいて、また前記第２の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第３のモードでは、前記第３の数の自由度に基づいて、また前記第３の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持する
    ように構成されている、請求項５４に記載の外科システム。
  56. 前記第３の数の自由度は、前記第１の数の自由度よりも少なく、前記コントローラは、前記第３のモードにおいて、前記第１のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、前記軌道に対する前記ツールの移動を可能にする、請求項５５に記載の外科システム。
  57. 前記第３の数の自由度は、前記第２の数の自由度よりも少なく、前記コントローラは、前記第３のモードにおいて、前記第２のモードよりも少なくとも１つ多い自由度で、前記軌道に対する前記ツールの移動を可能にする、請求項５６に記載の外科システム。
  58. 前記第１の制約基準と前記第２の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの位置自由度及び少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項５５に記載の外科システム。
  59. 前記第１の制約基準、前記第２の制約基準、及び前記第３の制約基準はそれぞれ、少なくとも１つの方向自由度を含む、請求項５５に記載の外科システム。
  60. 前記第１の制約基準は、前記第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む、請求項５５に記載の外科システム。
  61. 前記第２の制約基準は、前記第３の制約基準よりも少なくとも１つ多い位置自由度を含む、請求項６０に記載の外科システム。
  62. 前記コントローラは、前記第１のモードよりも前記第２のモードにおいて、前記軌道に対してより弾力性のある前記ツールの動きを可能にする、請求項５５に記載の外科システム。
  63. 前記コントローラは、前記第３のモードよりも前記第２のモードにおいて、前記軌道に対してより弾力性のある前記ツールの動きを可能にする、請求項６２に記載の外科システム。
  64. 前記第１の制約基準は、第１の弾力性パラメータを含み、前記第２の制約基準は、第２の弾力性パラメータを含み、前記第３の制約基準は、前記第１の弾力性パラメータ及び第２の弾力性パラメータの１つまたは複数とは異なる第３の弾力性パラメータを含み、
    前記コントローラはさらに、前記マニピュレータを操作して、
    前記第１のモードでは、前記第１の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第２のモードでは、前記第２の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持し、
    前記第３のモードでは、前記第３の弾力性パラメータに基づいて、前記軌道に対する前記ツールの整合を維持するように構成されている、請求項５２に記載の外科システム。
  65. 前記目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーと、
    前記患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムと
    をさらに含み、
    前記コントローラは、前記ナビゲーションシステムに結合され、前記ナビゲーションシステムから受信した前記患者トラッカーの前記追跡状態に基づいて前記軌道を規定するようにさらに構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  66. 前記ツールは、インパクターアセンブリを受け入れ、前記ガイドに対して前記インパクターアセンブリの制限された動きを可能にするように形成されたチャネルを備えたガイドを含み、前記インパクターアセンブリは、プロテーゼを解放可能に固定するためのインターフェースを有し、
    前記マニピュレータは、前記目標部位に対して前記ガイドを支持するように構成されている、請求項３６に記載の外科システム。
  67. 前記マニピュレータは、前記インパクターアセンブリが前記ガイドの前記チャネルに受け入れられ、前記プロテーゼが前記インパクターアセンブリに固定されている間、前記目標部位に対して前記ガイドを支持するように構成され、
    前記目標部位はさらに寛骨臼カップとして規定され、
    前記少なくとも１つのセンサは、前記寛骨臼カップに前記プロテーゼを設置するために前記インパクターアセンブリに加えられた力の結果として生じる前記力を示す測定値を得るように構成され、
    前記コントローラは、前記検出された力に基づいて前記寛骨臼カップに加えられているトルクを推定するようにさらに構成され、
    前記コントローラは、前記寛骨臼カップに加えられた前記推定トルクが前記所定の条件を満たすと判定したことに応じて、前記マニピュレータの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに変更するようにさらに構成されている、請求項６６に記載の外科システム。
  68. 前記少なくともセンサは、力トルク変換器、ジョイントアクチュエータ電流センサ、ジョイント力センサ、ジョイントトルクセンサ、及びジョイントエンコーダの１つまたは複数としてさらに規定される、請求項３６、４６、４９、５２、５３、及び６７のいずれか一項に記載の外科システム。
  69. 目標部位に係合するためのツールと、
    前記目標部位に対する前記ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、
    前記目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーと、
    前記患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムと、
    前記マニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合されたコントローラであって、
    第１の制約基準に従って前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するための第１のモードと、
    前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するための第２のモードと
    の間で前記マニピュレータを操作するように構成されているコントローラと
    を含み、
    前記コントローラは、前記ナビゲーションシステムから受信した追跡状態に基づいて、前記ツールの追跡された動きを前記患者トラッカーの動きと比較するようにさらに構成され、
    前記コントローラは、前記ツールの追跡された動きが前記患者トラッカーの動きに対応すると判定することに応答して、前記マニピュレータの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに変更するようにさらに構成されている、外科システム。
  70. プロテーゼを解放可能に固定するためのインターフェースを有するインパクターアセンブリ、前記インパクターアセンブリを受け入れるように形成されたチャネルを有するガイド、軌道に沿った目標部位に対して前記ガイドを支持するように構成されたマニピュレータ、少なくとも１つのセンサ、及び前記マニピュレータ及び前記少なくとも１つのセンサに結合されるコントローラを含む外科システムを操作する方法であって、
    前記コントローラが、
    第１の制約基準に従って前記軌道に関して前記ガイドの整合を維持するための第１のモードで前記マニピュレータを操作するステップと、
    前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、前記軌道に対する前記ガイドの整合を維持するための第２のモードで前記マニピュレータを操作するステップと、
    前記少なくとも１つのセンサからの測定値に基づいて、前記目標部位と前記マニピュレータとの間に発生する力を検出するステップと、
    前記力が所定の条件を満たすことを判定し、それに応じて前記マニピュレータの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに変更するステップと
    を実行するよう構成されている、方法。
  71. 目標部位に係合するためのツールと、
    前記ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、
    前記ツール、前記マニピュレータ、前記目標部位、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数に関連する１つまたは複数のシステム条件を検出するように構成された感知システムと、
    前記マニピュレータ及び前記感知システムに結合され、
    第１の制約基準に従って前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するため前記マニピュレータを操作し、
    前記１つまたは複数のシステム条件の検出に応答して、前記マニピュレータを操作して、前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って、前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持する
    ように構成されているコントローラと
    を含む、外科システム。
  72. 前記コントローラは、前記感知システムから検出されたシステム条件に基づいて前記第２の制約基準のパラメータを判定するように構成されている、請求項７１に記載の外科システム。
  73. 軌道に沿って目標部位に係合するためのツールと、
    前記ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、
    前記目標部位と前記マニピュレータとの間に発生する力を示す測定値を取得するように構成された少なくとも１つのセンサと、
    前記マニピュレータ及び前記少なくとも１つのセンサに結合されたコントローラであって、
    第１の制約基準に従って前記軌道に対する前記ツールの整合を維持するため前記マニピュレータを操作し、
    前記力を示す前記取得された測定値を評価し、
    前記評価に応じて、前記マニピュレータを操作して、前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って前記軌道に対して前記ツールの整合を維持する
    ように構成されているコントローラと
    を含む、外科システム。
  74. 前記コントローラは、前記力を示す前記取得された測定値に基づいて、前記第２の制約基準のパラメータを判定するように構成されている、請求項７３に記載の外科システム。
  75. 目標部位に係合するためのツールと、
    前記目標部位に対して前記ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、
    前記目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーと、
    前記患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムと、
    前記マニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合されたコントローラであって、
    第１の制約基準に従って前記目標部位に対する前記ツールの整合を維持するため前記マニピュレータを操作し、
    前記ナビゲーションシステムから受信した前記患者トラッカーの追跡状態に基づいて、前記患者トラッカーの動きに対する前記ツールの追跡された動きを評価し、
    前記評価に応じて、前記マニピュレータを操作して、前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って前記目標部位に対して前記ツールの整合を維持する
    ように構成されているコントローラと
    を含む、外科システム。
  76. 前記コントローラは、前記評価された追跡された動きに基づいて、前記第２の制約基準のパラメータを判定するように構成されている、請求項７５に記載の外科システム。
  77. 目標部位に係合するためのツールと、
    前記目標部位に対して前記ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、
    前記目標部位に対する取り付けに適合した患者トラッカーと、
    前記患者トラッカーの状態を追跡するように構成されたナビゲーションシステムと、
    前記マニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合されたコントローラであって、
    第１の制約基準に従って前記目標部位に関連する仮想境界に対する前記ツールの動きを制約するよう前記マニピュレータを操作し、
    前記ナビゲーションシステムから受信した前記患者トラッカーの追跡状態に基づいて、前記患者トラッカーの動きに対する前記ツールの追跡された動きを評価し、
    前記比較に応じて、前記マニピュレータを操作して、前記第１の制約基準とは異なる第２の制約基準に従って前記仮想境界に対する前記ツールの動きを制限する
    ように構成されているコントローラと
    を含む、外科システム。
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