JP2023543930A - 外科用ツールの関節運動継手のハードストップの対処法 - Google Patents

Abstract

開示された実施形態は、外科用ツール又は外科用ロボットシステムのためのシステム及び方法に関する。ハードストップに対処するための１つの例示的なシステムは、関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手位置を計算することと、関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手トルクを計算することと、関節運動継手位置及び関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定することと、トルク比に基づいてユーザから受信した命令された関節運動継手位置を調整して、エンドエフェクタが関与する衝突を補償することと、を行うように構成された１つ以上のプロセッサを含む。

Description

本開示は、外科用ツールの動作時のハードストップ検出及び対処法に関する。

腹腔鏡手術などの低侵襲手術（minimally invasive surgery、ＭＩＳ）は、外科手術中の組織損傷を低減することを意図した技術を伴う。例えば、腹腔鏡手術は、典型的には、患者に（例えば、腹部に）いくつかの小さな切開部を作成することと、切開部を通して患者に、１つ以上の外科用ツール（例えば、エンドエフェクタ及び内視鏡）を導入することとを伴う。次いで、導入された外科用ツールを使用し、内視鏡によって提供される視覚化補助を用いて、外科手術を実施することができる。

一般に、ＭＩＳは、患者に残る傷跡が小さく、患者の疼痛が少なく、患者の回復期間が短縮され、患者の回復に関連する医療コストが低減できるなど、複数の利点を提供する。近年の技術開発により、遠隔操作者からのコマンドに基づいて外科用ツールを操作するための１つ以上のロボットアームを含むロボットシステムを用いて、より多くのＭＩＳを実行することが可能である。ロボットアームは、例えば、その遠位端で、外科用エンドエフェクタ、撮像デバイス、患者の体腔及び器官へのアクセスを提供するためのカニューレなどの種々のデバイスを支持してもよい。ロボットＭＩＳシステムでは、ロボットアームによって支持される外科用器具の高い位置精度を確立及び維持することが望ましい場合がある。

いくつかの例では、外科用エンドエフェクタは、体内又は他の場所のハードストップに接触し得る。ハードストップは、エンドエフェクタが接触する身体の部分又は別の実質的に剛性の物体である場合がある。一部のシステムは、ハードストップとの接触に関してユーザにフィードバックを与えるものもあるが、他のシステムは、フィードバックを与えないか、又はビデオのみを与えるものもある。フィードバックなしでハードストップを識別することは不可能であり、ビデオのみでハードストップを識別することは困難であり得る。

以下の開示は、ハードストップを識別し、かつ外科用ツールによってハードストップに対処するためのシステム、装置、及び方法を提供するものである。

本明細書では、外科医が低侵襲手術を行うように設計されたロボット支援外科用電気機械システムが開示される。一連の互換性のあるツールは、ロボットアームの遠位端に取り付けられた器具ドライバから着脱することができ、外科医が様々な外科手術作業を実行することを可能にする。器具ドライバは、手術部位への体内アクセス、滅菌インターフェースを通した適合ツールの機械的作動、並びに滅菌インターフェース及びユーザタッチポイントを介した適合ツールとの通信を提供することができる。

外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための１つの例示的な装置は、ツールドライバ及び１つ以上のプロセッサを含む。ツールドライバは、シャフトによってエンドエフェクタに接続され、１つ以上の対応する回転モータによって駆動される少なくとも１つの関節運動駆動ディスクを有する。関節運動駆動ディスクは、ツールドライバをエンドエフェクタに接続するシャフトの長手方向軸に対応する平面内でのエンドエフェクタの関節運動に対応する。１つ以上のプロセッサは、関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手位置を計算することと、関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手トルクを計算することと、関節運動継手位置及び関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定することと、トルク比に応じて関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手調整を計算してハードストップを補償することと、を行うように構成されている。

外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための１つの例示的な方法は、エンドエフェクタを接続するシャフトの長手方向軸に対応する平面内でのエンドエフェクタの関節運動のための関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手位置を計算することと、関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手トルクを計算することと、関節運動継手位置及び関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定することと、ハードストップを補償するためにトルク比に応じて関節運動継手調整を計算することと、を含む。

外科用ロボットシステムを含む例示的な手術室環境を示す図である。 例示的な外科用ツールを示す図である。 ツールドライバの外科用ツールへのマッピングを示す図である。 外科用ツールの駆動システムを示す図である。 外科用ツールの駆動システムを示す別の図である。 外科用ツールの駆動システムの発射サブシステムを示す図である。 外科用ツールの駆動システムの関節運動サブシステムを示す図である。 関節運動サブシステムの平面図である。 外科用ツールの駆動システムのロールサブシステムを示す図である。 外科用ツールの駆動システムの閉鎖サブシステムを示す図である。 閉鎖サブシステムの手動ノブを示す図である。 ツールドライバ及び／又は外科用ツールのコントローラを示す図である。 ハードストップ制御のための制御システムの例示的なブロック図である。 図１３のハードストップ制御のためのトルク比を決定するための角度範囲を示す図である。

以下の実施形態は、ロボット内視鏡手術器具の制御システムに関する。内視鏡外科用器具は、一般的に、体内に直接挿入されて内部器官又は組織を観察するか、又は他の形で内部器官又は組織に対して作業を行う細長いチューブを含む。内視鏡手術器具は、切開部、又は口若しくは肛門などの身体の他の開口部を通して挿入され得る。内視鏡手術用器具は、カニューレを介して所望の手術部位にロボット遠位エンドエフェクタを正確に位置付けるのに適し得る。これらのロボット遠位エンドエフェクタは、診断又は治療効果を得るために様々な形で組織と係合する（例えば、超音波、高周波（radio frequency、ＲＦ）、治療薬、レーザなどを使用する、エンドカッター、把持器具、カッター、ステープル留め器具、クリップ適用器、アクセス装置、薬剤／遺伝子治療用送達装置、及びエネルギー装置など）。

多くの外科用器具と同様、内視鏡器具が直面する１つの問題は、ハードストップの対処にある。ハードストップは、ロボットエンドエフェクタが移動することを阻止し、ユーザの入力コマンドに従うことを妨げ得る剛性表面又は物体であり得る。あるいは、ハードストップという用語（tern）は、物体との衝突を指す場合もある。ハードストップは、外部の剛性物体又はロボットエンドエフェクタ内部の機械的ハードストップ自体であり得る。ロボットエンドエフェクタがハードストップに当たっている際に、ユーザがハードストップを識別することができない場合がある。例えば、視覚的フィードバックのみが利用可能である場合、ハードストップが患者の体内にあるため、ユーザがハードストップを識別しない場合がある。そのような状況では、ユーザが、ロボットエンドエフェクタに、ハードストップに対してさらに移動するようになおも命令してしまう可能性がある。しかし、エンドエフェクタは移動することはできないため、ユーザからの余分な継手コマンドは、エンドエフェクタをハードストップに対してさらに移動させようとするさらなるモータ変位／コマンドに変換される可能性があり、ロボットの機械的構造又は外部物体の破損につながるおそれがある。

以下の実施形態は、この課題を解決し、外科用器具の関節運動継手が、ロボット及び／又は外部物体のいかなる破損も伴わずに、器具の内部又は外部にあり得るハードストップと安全に衝突することを可能にする。

図１は、外科用ロボットシステム１００を含む例示的な手術室環境を示す図である。図１に示すように、外科用ロボットシステム１００は、ユーザコンソール１１０と、制御塔１３０と、外科用プラットフォーム１２４（例えば、テーブル又はベッドなど）上に取り付けられた１つ以上の外科用ロボットアーム１２２を有する外科用ロボット１２０とを備え、エンドエフェクタを有する外科用ツールが、外科手術を実行するためにロボットアーム１２２の遠位端に取り付けられる。ロボットアーム１２２は、テーブルに取り付けられたものとして示されているが、他の構成では、ロボットアームは、カート、天井、側壁、又は別の好適な支持面に取り付けられてもよい。

一般に、外科医又は他の操作者などのユーザは、ユーザコンソール１１０に着座して、ロボットアーム１２２及び／又は外科用器具を遠隔操作することができる（例えば、テレオペレーション）。ユーザコンソール１１０は、図１に示すように、システム１００と同じ手術室内に位置し得る。その他の環境では、ユーザコンソール１１０は、隣接する部屋若しくは近くの部屋に配置されてもよく、又は異なる建物、都市、若しくは国の遠隔地から遠隔操作されてもよい。ユーザコンソール１１０は、シート１１２と、ペダル１１４と、１つ以上の手持ち式ユーザインターフェースデバイス（user interface device、ＵＩＤ）１１６と、例えば、患者内の手術部位の視野を表示するように構成されたオープンディスプレイ１１８とを備えてもよい。例示的なユーザコンソール１１０に示すように、シート１１２に座ってオープンディスプレイ１１８を見ている外科医は、ペダル１１４及び／又は手持ち式ユーザインターフェースデバイス１１６を操作して、ロボットアーム１２２及び／又はアーム１２２の遠位端に取り付けられた外科用器具を遠隔制御することができる。

いくつかの変形形態では、ユーザはまた、外科用ロボットシステム１００を「ベッド対面」（over the bed、ＯＴＢ）モードで動作させてもよく、このモードでは、ユーザは患者の側にいて、（例えば、片手に保持された手持ち式ユーザインターフェースデバイス１１６を用いて）ロボット駆動ツール／それに取り付けられたエンドエフェクタと手動式腹腔鏡ツールとを同時に操作する。例えば、ユーザの左手は、手持ち式ユーザインターフェースデバイス１１６を操作してロボット外科用構成要素を制御していてもよく、一方、ユーザの右手は、手動式腹腔鏡ツールを操作していてもよい。したがって、これらの変形形態では、ユーザは、患者に対してロボット支援型低侵襲手術（ＭＩＳ）及び手動腹腔鏡手術の両方を実施することができる。

エンドエフェクタは、切断、把持、突き刺し、又はエネルギー放出などの外科的操作を実行するように構成されてもよい。外科用ツールは、手術中に、手動で、ロボットで、又はその両方で操作されてもよい。例えば、外科用ツールは、患者の内部解剖学的構造に入る、それを見る、又は操作するために使用されるツールであってもよい。一実施形態では、外科用ツールは、患者の組織を把持することができる把持器具である。外科用ツールは、ベッドわきの操作者の手によって手動で直接制御されてもよく、又は移動を作動させるための電子コマンドを送信することによってロボット制御されてもよい。

例示的な処置又は手術の間、患者は、麻酔を達成するために、滅菌状態で準備され、覆われている。手術部位への最初のアクセスは、手術部位へのアクセスを容易にするために、ロボットシステム１００が収納構成又は引き込み構成にある状態で手動で実施されてもよい。アクセスが完了すると、ロボットシステムの初期位置決め又は準備が実施され得る。処置中、ユーザコンソール１１０内の外科医は、ペダル１１４及び／又はユーザインターフェースデバイス１１６を利用して、様々なエンドエフェクタ及び／又は撮像システムを操作し、手術を行うことができる。滅菌ガウンを着用した人員によって処置台で手動支援が提供されてもよく、この人員は、組織を後退させること、又は１つ以上のロボットアーム１２２が関係する手動の再配置若しくはツール交換を行うことを含むが、それらに限定されない作業を行うことができる。また、ユーザコンソール１１０の外科医を支援するために、非滅菌要員が存在し得る。処置又は手術が完了すると、ロボットシステム１００及び／又はユーザコンソール１１０は、ロボットシステム１００の洗浄及び／若しくは滅菌、並びに／又は、例えばユーザコンソール１１０を介した医療記録の入力若しくは印刷（電子的であるか又はハードコピーであるかにかかわらない）を含むが、これらに限定されない、１つ若しくは２つ以上の術後処置を容易にするように構成又は設定され得る。

いくつかの態様では、外科用ロボット１２０とユーザコンソール１１０との間の通信は、ユーザコンソール１１０からのユーザ入力をロボット制御コマンドに変換し、制御コマンドを外科用ロボット１２０に送信することができる制御塔１３０を介してもよい。制御タワー１３０はまた、ロボット１２０からのステータス信号及びフィードバックをユーザコンソール１１０に送信して戻すことができる。外科用ロボット１２０と、ユーザコンソール１１０と、制御塔１３０との間の接続は、有線及び／又は無線接続を介してもよく、独自のものであってもよく、及び／又は様々なデータ通信プロトコルのいずれかを用いて行われてもよい。任意の有線接続が、手術室の床及び／又は壁若しくは天井に任意選択的に内蔵されていてもよい。外科用ロボットシステム１００は、手術室内のディスプレイ、並びにインターネット又は他のネットワークを介してアクセス可能である遠隔ディスプレイを含む、１つ以上のディスプレイにビデオ出力を提供し得る。ビデオ出力又はフィードはまた、プライバシーを確保するために暗号化され得、ビデオ出力のすべて又は一部は、サーバ又は電子医療記録システムに保存され得る。

外科用ロボットシステムで手術を開始する前に、外科チームは術前セットアップを行うことができる。術前セットアップ中、外科用ロボットシステムの主要な構成要素（テーブル１２４及びロボットアーム１２２、制御塔１３０、並びにユーザコンソール１１０）が手術室内に配置され、接続され、電力が供給される。外科用プラットフォーム１２４及びロボットアーム１２２は、保管及び／又は輸送の目的のために、外科用プラットフォーム１２４の下にアーム１２２を有する完全に収納された構成にあってもよい。外科チームは、滅菌ドレーピングのためにアームを収容位置から延ばすことができる。

ドレーピング後、使用に必要になるまで、アーム１２２を部分的に引き込むことができる。トロカールの配置及び設置を含むいくつかの従来の腹腔鏡工程を実施してもよい。例えば、各スリーブは、閉塞具の助けを借りて、小さい切開部に、かつ体壁を介して挿入することができる。スリーブ及び閉塞具は、挿入中の組織層の視覚化のための光学的入口を可能にして、配置中の損傷のリスクを最小限に抑える。通常、内視鏡が最初に配置されて、その他のトロカールの配置のための手持ち式カメラの視覚化を提供する。

吹送後、必要に応じて、手動器具がスリーブを通して挿入され、任意の腹腔鏡ステップを手動で実施することができる。次に、外科チームは、ロボットアーム１２２を患者の上に配置し、各アーム１２２をその対応するスリーブに取り付けることができる。外科用ロボットシステム１００は、各ツール（内視鏡及び外科用器具）が取り付けられるとすぐにそれを一意に識別することと、ユーザコンソール１１０のオープンディスプレイ又は没入型ディスプレイ１１８上と、制御塔１３０上のタッチスクリーンディスプレイ上とに、ツールの種類及びアーム位置を表示することとを行う能力を有する。対応するツール機能を有効にして、マスタＵＩＤ１１６及びフットペダル１１４を使用してそれらを起動することができる。患者側のアシスタントは、処置を通して必要に応じて、ツールを取り付け、取り外すことができる。ユーザコンソール１１０に着座した外科医は、２つのマスタＵＩＤ１１６及びフットペダル１１４によって制御されているツールを使用して手術を開始することができる。システムは、マスタＵＩＤ１１６を介した外科医の手、手首、及び指の動きを、外科用ツールの正確なリアルタイムの動きに変換する。したがって、システムは、外科医のすべての外科的操作を常に監視し、システムが外科医の手の動きを正確に反映することができない場合、器具の動きを一時停止する。内視鏡が手術中に１つのアームから別のアームに移動される場合、システムは、器具整列のためにマスタＵＩＤ１１６を調整し、器具制御及び運動を継続することができる。フットペダル１１４は、外科医がマスタＵＩＤ１１６から手を離すことなく、内視鏡制御及び単極焼灼並びに双極焼灼を含む様々な器具機能などの様々なシステムモードを起動するために使用され得る。

外科用プラットフォーム１２４は、手術中に再配置することができる。安全上の理由から、すべてのツールチップは、ユーザコンソール１１０において外科医によって視認され、能動的に制御されるべきである。外科医の能動的な制御下にない器具は取り外され、テーブルの脚がロックされる。テーブルの移動中、一体化されたロボットアーム１２２は、テーブルの動きに受動的に追従することができる。オーディオキュー及び視覚キューを使用して、テーブル移動中に外科チームを案内することができる。オーディオキューは、トーン及び音声プロンプトを含んでもよい。ユーザコンソール１１０及び制御塔１３０におけるディスプレイ上の視覚的メッセージングは、外科チームにテーブル移動ステータスを通知することができる。

図２は、例示的な外科用ツールアセンブリ２００を示す。外科用ツールアセンブリ２００は、ツールドライバ２３０に接続された外科用ツール２４０を有している。外科用ツール２４０は、シャフト２３３を介してエンドエフェクタ２２２に接続されている。追加の、異なる、又はより少ない構成要素が含まれてもよい。

外科用ツールアセンブリ２００は、内視鏡手術器具であってよい。外科用ツールアセンブリ２００は、エンドカッターであってもよい。エンドカッターは、組織を分割して封止するように構成することができる。別の言い方をすれば、エンドカッターは、関節運動継手によって与えられる運動によって組織を切断してステープル留めするように構成することができる。エンドカッターは、肥満、胸部、結腸直腸、産婦人科、泌尿器科、及び一般外科を含む、種々の外科的手技において組織を切断及びステープル留めするために使用することができる。一般的な臨床的使用場面としては、臓器の再形成、臓器の除去又は修復、組織固定、切開、又は吻合部の形成（又はこれらの任意の組み合わせ）が挙げられる。

図２は、外科用ロボットアーム１２２のツールドライバ２３０に対する外科用ツール２４０の係合を検出するための、外科用ロボットシステム１００のサブシステム又は一部の図である。外科用ロボットアーム１２２は、図１に関して図示及び考察された外科用ロボットシステム１００の外科用ロボットアームのうちの１つであってもよい。制御ユニット２１０は、例えば、図１の制御塔の一部であってもよい。本明細書でより詳細に考察されるように、係合は、ツールドライバ２３０における１つ以上のアクチュエータ（例えば、アクチュエータ２３８－ｊ）の１つ以上の回転モータ動作パラメータに基づいて、制御ユニット２１０によって検出され得る。

異なる外科用ツール（例えば、外科用ツール２４０、並びに内視鏡カメラの回転、把持ジョーの枢動、又は針の並進のための他の取り外し可能な外科用ツール）を選択的に（一度に１つずつ）取り付けることができるツールドライバ２３０が存在する。これは、例えば、人間のユーザが外科用ツール２４０のハウジングを手で保持し、この外科用ツール２４０を、１つ以上のツールディスク（例えば、後述するツールディスク２４４－ｉ）が存在する外科用ツール２４０の外面が、１つ以上の駆動ディスク（例えば、後述する駆動ディスク２３４－ｊ）が存在するツールドライバ２３０の外面と接触するまで、矢印２８０の方向に移動させることによって行われ得る。１つ以上のツールディスク及び／又は１つ以上の駆動ディスクは、プラスチック又は別の耐久性のある材料から形成することができるパックによって実施されてもよい。図示の例では、ツールドライバ２３０は、外科用ロボットアーム１２２の遠位端部分における外科用ロボットアーム１２２のセグメントである。アームの近位端部分は、上述の図１に示す手術台などの外科用ロボットプラットフォームに固定されている。

制御システムについて、以下に図１２に関して詳細に説明する。制御システムの導入により、図１２の制御システムは、外科用ロボットアーム１２２（駆動ディスク２３４を含む）における様々な電動継手の運動を制御するように構成された制御ユニット２１０を含み、これを通じて、ユーザ入力デバイスの動作を模倣するエンドエフェクタ２２２の動作（その位置及び向き、並びに開放、閉鎖、切断、圧力の印加などのその外科的機能）が達成される。これは、外科用ツール２４０がツールドライバ２３０から力又はトルクを伝達するように係合されているときに、外科用ツール２４０における機械的伝達を介して達成される。制御ユニット２１０は、例えば、図１の制御塔１３０の一部として、プログラムされたプロセッサとして実装され得る。制御ユニット２１０は、ローカル又は遠隔ユーザ入力（例えば、ジョイスティック、タッチ制御装置、ウェアラブルデバイス、又はコンソールコンピュータシステムを介して通信する他のユーザ入力デバイス）を介して受信された１つ以上のユーザコマンドに応答することができる。代替的に、制御ユニット２１０は、（例えば、制御ユニット２１０によって、若しくはコンソールコンピュータシステムによって実行されている訓練された外科用機械学習モデルから受信した）１つ以上の自律コマンド若しくは制御、又はそれらの組み合わせに応答することができる。コマンドは、ロボットアーム１２２の動き及びその取り付けられたエンドエフェクタ２２２の動作を指示する。

エンドエフェクタ２２２は、ジョー、切断ツール、内視鏡、スプレッダ、インプラントツール、ステープラなどの任意の外科用器具であってよい。図２は、切断ツール、ジョー、及びステープラなどのこれらの器具のうちの２つ以上の組み合わせを有するエンドカッターを含む。それぞれが異なるエンドエフェクタを有する異なる外科用ツールを、外科処置又は他の医療処置において使用するためにロボットアーム１２２に選択的に（一度に１つずつ）取り付けることができる。

ロボットアームは、アクチュエータ２３８－ｊなどの１つ以上のアクチュエータが内部に存在するツールドライバ２３０を備える。各アクチュエータは、１つ以上のそれぞれの電気モータ（例えば、ブラシレス永久磁石モータ）を有する線形又は回転アクチュエータであり得、その駆動シャフトは、伝達装置（例えば、所与の歯車減少比を達成する歯車列）を介してそれぞれの駆動ディスク２３４－ｊに結合され得る。ツールドライバ２３０は、ツールドライバ２３０の平面又は平坦な表面上に配置され得る１つ以上の駆動ディスク２３４を含み、この図は、平坦な表面の同じ平面上に配置されたいくつかのそのような駆動ディスクを示している。各駆動ディスク（例えば、駆動ディスク２３４－ｊ）は、ツールドライバ２３０の外面上に露出されており、これら２つの間の直接トルク伝達を可能にするために（例えば、スナップ、摩擦、又は他の嵌合特徴部を介してしっかりと締結するために）外科用ツール２４０の嵌合ツールディスク２４４－ｊを機械的に係合するように設計されている。トルク伝達は、例えば、外科用ツール２４０の平面又は平坦な表面と、ツールドライバ２３０の対応する又は嵌合する平面若しくは平坦な表面とを互いに接触させたときに起こり得る。

さらに、モータドライバ回路（例えば、ツールドライバ２３０内に、又は外科用ロボットアーム１２２内の他の場所に設置される）は、アクチュエータ２３８のうちの１つ以上の構成モータの入力駆動端子に電気的に結合されている。モータドライバ回路は、制御ユニット２１０によって設定又は制御することができるモータドライバ回路入力に従って、例えば、モータ又はそのトルクの速さを調節するために、モータによって引き出される動力を操作し、これにより、関連付けられた駆動ディスク（例えば、駆動ディスク２３４－ｊ）の電動回転がもたらされる。

嵌合駆動ディスク２３４－ｊがそれぞれのツールディスク２４４－ｊに機械的に係合されると、駆動ディスク２３４－ｊの電動回転は、ツールディスク２４４－ｊを回転させ、例えば、これら２つのディスクが、一体となって回転し、それにより、伝達デバイスに機械的に結合され得るエンドエフェクタ２２２の動き及び動作を制御するための、外科用ツール２４０内の、例えば、連結部、歯車、ケーブル、チェーン、又は他の伝達デバイスに運動を付与してもよい。

異なる外科用ツールは、回転、関節接合、開放、閉鎖、伸長、引き込み、圧力印加などの動きのタイプ及びこれらの動きがエンドエフェクタによって実施される自由度に基づいて、異なる数のツールディスクを有し得る。

さらに、外科用ツール２４０内で、２つ以上のツールディスク２４４が、嵌合駆動ディスク２３４をそれぞれ駆動している２つ又は３つ以上のモータによる負荷分散などの目標を達成するために、エンドエフェクタ２２２の単一の運動に寄与し得る。別の態様では、ツールドライバ２３０内には、２つ又は３つ以上のモータが存在してもよく、それらの駆動シャフトは、負荷を分散させるために（伝達装置を介して）結合されて同じ出力シャフト（又は駆動ディスク２３４）を回転させる。

さらに別の態様では、外科用ツール２４０内には、同じ自由度で相補的な動作を実施するために、（それぞれのツールディスク２４４を介して）２つの駆動ディスク２３４からのトルクを変換する伝達装置が存在し得、例えば、第１の駆動ディスク２３４－ｊは、外科用ツール２４０のハウジング内のドラムを回転させて、ロッドの一端を取り込み、第２の駆動ディスク２３４－ｉは、外科用ツール２４０のハウジング内の別のドラムを回転させて、ロッドの他端を取り込む。別の例として、単一の軸に沿ったエンドエフェクタの伸長及び短縮は、２つのツールディスク２３４－ｉ、２３４－ｊを使用して達成されてもよく、一方は伸長を実施し、他方は引き込みを実施する。これは、同様に１つの自由度（例えば、単一の動き軸に沿った長手方向の伸長及び短縮）で移動するが、その全動き範囲を制御するために単一のツールディスクのみを必要とするエフェクタとは対照的である。別の例として、複数の自由度（例えば、手関節運動する（wristed）動き、複数の軸に沿った動き、エンドエフェクタの動きに加えてエネルギーエミッタの起動など）で動くエフェクタは、いくつかのツールディスク（各々がそれぞれの駆動ディスクに係合されている）の使用を必要とし得る。別のタイプの外科用ツール２４０では、単一のツールディスク２４４が、直接入力（例えば、歯車）を介して、伸長運動及び引き込み運動の両方を実施するのに十分である。別の例として、エンドエフェクタ２２２がジョーである場合、２つ又は３つ以上のツールディスク２４４は、本明細書でより詳細に考察されるように、負荷分散のために、ジョー同士の運動を協働的に制御することができる。

さらに別の態様では、外科用ツール２４０内には、同じ自由度で相補的な動作を実施するために、（それぞれのツールディスク２４４を介して）２つの駆動ディスク２３４からのトルクを変換する伝達装置が存在し得、例えば、第１の駆動ディスク２３４－ｉは、外科用ツール２４０のハウジング内のドラムを回転させて、ケーブルの一端を取り込み、第２の駆動ディスク２３４－ｊは、外科用ツール２４０のハウジング内の別のドラムを回転させて、ケーブルの他端を取り込む。別の例として、単一の軸に沿ったエンドエフェクタの伸長及び短縮は、２つのツールディスク２３４－ｉ、２３４－ｊを使用して達成され得、例えば、異なるケーブルを介して、一方は伸長を実施し、他方は引き込みを実施する。これは、同様に１つの自由度（例えば、単一の動き軸に沿った長手方向の伸長及び短縮）で移動するが、その全動き範囲を制御するために単一のツールディスクのみを必要とするエフェクタとは対照的である。別の例として、複数の自由度（例えば、手関節運動する（wristed）動き、複数の軸に沿った動き、エンドエフェクタの動きに加えてエネルギーエミッタの起動など）で動くエフェクタは、いくつかのツールディスク（各々がそれぞれの駆動ディスクに係合されている）の使用を必要とし得る。別のタイプの外科用ツール２４０では、単一のツールディスク２４４が、直接入力（例えば、歯車）を介して、伸長運動及び引き込み運動の両方を実施するのに十分である。別の例として、エンドエフェクタ２４６がジョーである場合、２つ又は３つ以上のツールディスク２４４は、本明細書でより詳細に考察されるように、負荷分散のために、ジョーの運動を協働的に制御することができる。

図３は、ツールドライバ２３０の外科用ツール２４０へのマッピングを示す。図３は、ツールディスクＲ１～Ｒ６に対する回転装置の割り当て又はマッピングを示す。この例では、ツールディスクＲ１は、ナイフなどの切断器具に割り当てられる。ツールディスクＲ１が一方向（例えば、時計回り）に動かされると切断器具は前進し、ツールディスクＲ１が第２の方向（例えば、反時計回り）に動かされると切断器具は後退する。

ツールディスクＲ２及びＲ４は、関節運動継手に割り当てられている。ツールディスクＲ２とＲ４は、逆方向のペアとしてエンドエフェクタ２２２に接続することができ、すなわち、逆方向のペアの一方のケーブルが作動又は張力をかけられ、他方のケーブルが緩められると、ジョーが一方向に回転する。他方のケーブルのみに張力がかけられると、ジョーは反対方向に回転する。一方の方向（例えば、時計回り）は、エンドエフェクタ２２２の左への関節運動に対応し、他方の方向（例えば、反時計回り）は、エンドエフェクタの右への関節運動に対応する。関節運動は、器具のシャフトの長手方向軸を横切る軸におけるエンドエフェクタ２２２の向きの変化であり得る。この関節運動による位置決めは、臨床医が、場合に応じて組織をより容易に係合することを可能にする。加えて、関節運動による位置決めは有利に、器具シャフトによって遮断されることなく、エンドエフェクタの後ろに内視鏡を位置決めすることを可能にする。

ツールディスクＲ３は、エンドエフェクタのロール軸にマッピングされている。ツールディスクＲ３は、手首をロール軸の周りで回転駆動する１つ以上の歯車に結合されてもよい。ツールディスクの平面に対して第１の方向（例えば、時計回り）へのツールディスクＲ１の回転は、同じ方向（例えば、時計回り）へのエンドエフェクタのロール軸の回転を生じさせ、ツールディスクの平面に対して第２の方向（例えば、反時計回り）へのツールディスクＲ１の回転は、同じ方向（例えば、反時計回り）へのエンドエフェクタのロール軸の回転を生じさせることができる。

ツールディスクＲ５及びＲ６は、閉鎖装置又はジョーに割り当てられている。例えば、対向するジョーの一方を、ジョーを開く（すなわち、対向するジョーの間の角度を増加させる）ための１つの方向、及びジョーを閉じる（すなわち、対向するジョーの間の角度を減少させる）ための別の方向へのツールディスクＲ５及びツールディスクＲ６の動作に割り当てることができる。

いくつかの実施形態では、ツールディスクが対応する駆動ディスクと実質的に同一平面上になりかつ同軸に整列するように（しかしツールと駆動ディスクとはおそらく、まだ首尾よく係合されていない）外科用ツール２４０が最初にツールドライバ２３０に取り付けられるか又はツールドライバ２３０上に設置されると、制御ユニット２１０は、最初に外科用ツール２４０のタイプを検出する。一実施形態では、外科用ツール２４０は、ツール又はエンドエフェクタタイプの識別、固有のツール又はエンドエフェクタＩＤ、使用されるツールディスクの数、使用されているそれらのツールディスクの場所（例えば、合計６つの可能性のあるツールディスク２４４－ｅ、２４４－ｆ、２４４－ｇ、２４４－ｈ、２４４－ｉ、２４４－ｊから）、ツールディスクのための伝達装置のタイプ（例えば、直接的な駆動装置、ケーブル駆動型など）、ツールディスクがエンドエフェクタに与える運動又は作動の種類、１つ以上のツール較正値（例えば、ツールの係数試験／組み立て中に決定されるような、ツールディスクの回転位置）、エンドエフェクタの運動が最大又は最小の動きによって制約されているかどうか、並びに他のツール属性のうちの１つ以上などの、そのツール又はエンドエフェクタ情報を識別する、ソリッドステートメモリ、無線周波数識別（radio frequency identification、ＲＦＩＤ）タグ、バーコード（二次元若しくはマトリックスバーコードを含む）などの情報記憶ユニット２４２を有する。一実施形態では、情報記憶ユニット２４２は、ツールＩＤなどの最小情報を識別し、制御ユニット２１０はこの情報を使用して、様々なツール属性のルックアップを実施することができる。

ツールドライバ２３０は、情報記憶ユニット２４２から情報を読み取り、かつ情報を制御ユニット２１０に送るための通信インターフェース２３２（例えば、メモリライタ、近距離の通信手段、近距離無線通信（near field communication、ＮＦＣ）、トランシーバ、ＲＦＩＤスキャナ、バーコードリーダなど）を含み得る。さらに、いくつかの実施形態では、各ツールディスク２４４と関連付けられた１つの情報記憶ユニットなど、外科用ツール２４０内に２つ以上の情報記憶ユニットが存在し得る。この実施形態では、ツールドライバ２３０はまた、所与のツールに存在するであろう各可能な情報記憶ユニットのための対応するセンサを含み得る。

ツールディスクが整列させられ、対応する駆動ディスクに重ね合わせられるように（必ずしも機械的に係合される必要はないが）外科用ツール２４０がツールドライバ２３０に取り付けられた後、また、ツールディスク情報が得られた（例えば、制御ユニット２１０によって読み取られた）後、制御ユニット２１０は、それぞれの駆動ディスクに取り付けられることが予想されるツールディスクのすべてが、それらの対応の駆動ディスクと機械的に係合された（例えば、それらの機械的係合が達成されている、又はツールドライバ２３０が今ツールと係合したと見なされる）ときを検出するための係合プロセスを実施する。すなわち、外科用ツール２４０をツールドライバ２３０に取り付けることは、対応する駆動ディスクとのツールディスクの機械的係合に必要な適切な嵌合を必ずしも保証しない（例えば、嵌合特徴部の位置ずれによって）。係合プロセスは、対応する駆動ディスク２３４－ｊを駆動するアクチュエータ（例えば、アクチュエータ２３８－ｊ）の１つ以上のモータを起動させることを含み得る。次いで、アクチュエータ２３８－ｊの１つ以上の監視されたモータ動作パラメータに基づいて、後者が駆動ディスク２３４－ｊを駆動している間、ツールディスク２４４－ｉと駆動ディスク２３４－ｊとの機械的係合を検出することができる。このプロセスは、（例えば、現在取り付けられている特定の外科用ツール２４０について得られたツールディスク情報に基づいて決定して）それぞれのツールディスク２４４に現在取り付けられていると予想される（ツールドライバ２３０の）すべての駆動ディスク２３４に対して繰り返され得る。

特定のタイプの外科用ツール２４０がツールドライバ２３０と取り付けられていることを検出すると、制御ユニット２１０は、そのタイプの外科用ツール２４０と前もって関連付けられているツールドライバ２３０の１つ以上のアクチュエータ（例えば、モータ）を起動する。いくつかの実施形態では、外科用ツール２４０の対応する駆動ディスク２３４と関連付けられた各アクチュエータは、同時に、連続的に、又は同時起動と連続的な起動との組み合わせで作動され得る。

図４～図１１は、外科用ツール２４０用の駆動システムを示す。図４は、外科用ツールの駆動システムの左側面図を示し、図５は、駆動システムの右側面図を示す。駆動システムは、発射サブシステム４０１と、関節運動サブシステム４０２と、ロールサブシステム４０３と、閉鎖サブシステム４０５とを含んでいる。追加の、異なる、又はより少ない構成要素が含まれてもよい。

図６は、外科用ツールの駆動システムの発射サブシステム４０１を示す。発射サブシステム４０１は、ツールディスクＲ１（発射入力パック４１１）に堅固に接続された発射シャフト４１０を含む。発射シャフト４１０は、発射入力パック４１１が発射シャフト４１０に取り付けられるように、発射入力パック４１１に連結されて発射入力パックを支持することができる。発射シャフト４１０には、駆動ギヤ４７６（発射シャフト駆動ギヤ）も取り付けることができる。駆動ギヤ４７６は、従動ギヤ４７３に運動及びトルクを与える。従動ギヤ４７３は、駆動バー４７０への駆動トレインの一部であり、脱出機構も促進する。駆動バー４７０への駆動トレインの残りの部分は、従動ギヤ４７３のシャフトによって駆動されるギヤ４７４と、駆動バー４７０のラックに沿って動作するピニオンギヤ４７５とを含むギヤ減速セットを含む。

脱出機構は、手動脱出入力シリンダ４７１を含む。ユーザ入力装置４７２は、手動脱出入力シリンダ４７１上に嵌合するか、あるいは他の形で手動脱出入力シリンダ４７１に連結される。手動脱出入力シリンダ４７１がユーザ入力によって回転すると、駆動トレインの一部が駆動バー４７０との係合から外れる。これにより、ツールドライバ２３０からの駆動バー４７０の移動が手動で無効となる。

図７は、外科用ツールの駆動システムの関節運動サブシステム４０２を示す図である。図８は、関節運動サブシステム４０２の平面図を示す。関節運動サブシステム４０２は、左関節運動シャフト４４０及び右関節運動シャフト４２０を含んでいる。左関節運動シャフト４４０は、ツールディスクＲ４（左関節入力パック４４１）に連結され、このツールディスクによって駆動される。右関節運動シャフト４２０は、ツールディスクＲ２（右関節入力パック４２１）に連結され、このツールディスクによって駆動される。左関節運動シャフト４４０は、関節運動継手に接続された左ピニオンギヤ４４４を含む。右関節運動シャフト４２０は、関節運動継手に接続された右ピニオンギヤ４２０を含む。

図８は、関節運動継手の駆動のさらなる詳細を示す。右ピニオンギヤ４２４は、関節運動継手に接続された右ラック４２５を駆動する。左ピニオンギヤ４４４は、関節運動継手に接続された左ラック４４５を駆動する。右ラック４２５（例えば、第１の剛性ロッド）は、右関節運動アーム４２６を移動させ、最終的に関節運動継手の右突起４２７を関節運動ディスクの中心の周りで回転させる。同様に、左ラック４４５（例えば、第２の剛性ロッド）は、左関節運動アーム４４６を移動させ、最終的に関節運動継手の左突起４４７を関節運動ディスクの中心の周りで回転させる。右ラック４２５及び／又は左ラック４４５の移動は、手首にトルクを作用させて関節運動を生じさせる。

ツールドライバ２３０は、１つ以上の対応する回転モータによって駆動される少なくとも１つの関節駆動ディスクを含み、関節駆動ディスクは、ツールドライバ２３０をエンドエフェクタに接続するシャフトの長手方向軸に対応する平面内のエンドエフェクタの関節運動に対応する。

図９は、外科用ツールの駆動システムのロールサブシステム４０３を示す図である。ロールサブシステム４０３は、ロールシャフト４３０を含んでいる。ロールシャフト４３０は、ツールディスクＲ３（ロール入力パック４３１）に連結され、このツールディスクによって駆動される。ロール入力パック４３１は、ロールギヤ４３９を駆動するためにウォームギヤ４３５と共にロールシャフト４３０に連結されている。ロールギヤ４３９は、ツールディスクＲ３の回転に応じて、時計回り又は反時計回りのいずれかの方向への運動をロール継手与える。

図１０は、外科用ツールの駆動システムの閉鎖サブシステム４０５を示す。閉鎖サブシステム４０５は、左閉鎖シャフト４５０及び右閉鎖シャフト４６０を含む。左閉鎖シャフト４５０は、ツールディスクＲ５（左閉鎖入力パック４５１）に連結され、このツールディスクによって駆動される。右閉鎖シャフト４６０は、ツールディスクＲ６（右閉鎖入力パック４６１）に連結され、このツールディスクによって駆動される。左駆動ギヤ４５２が左閉鎖シャフト４５０と連結され、右駆動ギヤ４６２が右閉鎖シャフト４６０と連結されている。左駆動ギヤ４５２と右駆動ギヤ４６２とは協働して閉鎖ギヤ４６５を駆動し、これにより閉鎖継手を動作させる。

カム／ヨーク機構４５９が、左閉鎖入力パック４５１及び右閉鎖入力パック４６１からの回転入力を直線出力に変換する。カム／ヨーク機構４５９によって、可変の機械的利点がその角度位置の関数として与えられる。例えば、カム／ヨーク機構４５９は、スロット４６８上を摺動してジョーの開閉運動を生じさせるピン４６７を遠位に有するプッシュプルロッドを含んでもよい。

図１１は、閉鎖サブシステム４０５の手動ノブ４８１を示す。１つ以上の連結ギヤ４６６が、駆動閉鎖ギヤ４６５を手動ノブ４８１に連結している。手動ノブ４８１は、手動ノブ４８１を回転させて左駆動ギヤ４５２及び／又は右駆動ギヤ４６２の回転を引き起こし、閉鎖継手を手動で動作させるために、ユーザが把持するための表面又はハンドルを含んでいる。

図１２は、ハウジングの嵌合表面上に同一平面的に配置された、ツールディスク２４４－ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊのような６個のツールディスクを利用する外科用ツール２４０の例を示す。ツールディスク２４４－ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊの任意の配置は、概ねツールディスクＲ１～Ｒ６、又は具体的には上記に述べた発射入力パック４１１、右関節運動入力パック４２１、ロール入力パック４３１、左関節運動入力パック４４１、左閉鎖入力パック４５１、及び右閉鎖入力パック４６１に対応させることができる。各ツールディスクは、エンドエフェクタ２２２の運動及び／又は起動の少なくとも一部に寄与する。外科用ツール２４０とツールドライバ２３０との取り付け（例えば、それぞれのハウジングの嵌合面の接合）を検出すると、制御ユニット２１０（又はメモリ３１４に記憶されている指示を実行している間のプロセッサ３１２）は、駆動ディスク２３４ｅ、２３４ｆ、２３４ｇ、２３４ｉ、２３４ｊなどの対応する駆動ディスクを回すべきである（対応するアクチュエータ２３８が起動される）と決定するプロセスを実行して、係合プロセスを実行する。

いくつかの実施形態では、制御ユニット２１０によって（センサ２３６を介して）監視されるモータ動作パラメータは、ツールディスクと駆動ディスクとの機械的係合の成功を意味すると解釈される。制御ユニット２１０は、存在センサ３４１、トルクセンサ３４２、位置センサ３４３、電気センサ３４５、光学センサ３４７、及び力センサ３４８の任意の組み合わせを含む例示的なセンサアレイ内のセンサ２３６と通信し、そこからセンサデータを受信する。センサアレイは、外科用ツールの異なる自由度（例えば、閉鎖継手、関節運動継手、回転運動継手、又は外科用ツールの他の動作）に対して別個のセンサを含んでもよい。すなわち、センサアレイ又はその１つ以上のセンサは、ツールドライバ２３０内の複数のツールディスク２４４に対して繰り返されてもよい。

測定値は、トルクセンサ３４２又は力センサ３４８によって測定されるような、アクチュエータ２３８－ｊによって印加されるトルクの測定値、ある特定の速度で動くようにアクチュエータを駆動しようと試みるとき（例えば、センサ２３６－ｊが、モータ入力駆動端子と直列の電流感知抵抗を含み得る場合）にアクチュエータ２３８－ｊのモータに供給される電気センサ３４５による電流の測定値、ある特定の速度で動くようにモータを駆動しようと試みるとき（例えば、センサ２３６－ｊが、モータ入力駆動端子の電圧を測定するための電圧感知回路も含み得る場合）に、アクチュエータ２３８のモータの入力駆動端子に見られるような電気センサ３４５による電気インピーダンスの測定値、アクチュエータ２３８－ｊの速度（例えば、光学センサ３４７が、アクチュエータ２３８－ｊの出力シャフト上又はモータの駆動シャフト上に位置エンコーダを含み得る場合）、並びに、本明細書ではモータ動作パラメータと呼ばれる他のパラメータを含むことができる。測定値は、センサアレイ２３６内の任意のセンサから暗示された、又は情報記憶ユニット２４２と通信インターフェース２３２との間の相互作用から決定された、存在センサ３４１からの存在データを含んでもよい。位置センサ３４３は、別個に示されているが、存在センサ３４１、トルクセンサ３４２、電気センサ３４５、光学センサ３４７、及び力センサ３４８の組み合わせを使用して実装されてもよい。一例では、同じタイプの追加のセンサを位置センサ３４３に使用してもよい。

特定のアクチュエータの１つ以上のモータ動作パラメータを監視する間、これらのパラメータのうちの１つ以上が所定の条件又は閾値を満たす（例えば、クリアするか、又はこれらに達する）とき、そのような状況の検出は、制御ユニット２１０によって機械的係合事象と解釈されることができる。所定の条件を満たすことは、例えば、監視されている動作パラメータが、同じアクチュエータ２３８－ｊの一部であるか、又は係合検出プロセス中に制御ユニット２１０によって同時に制御されている別のアクチュエータ２３８－ｉの一部である別のモータの動作パラメータに対して、閾値に従って特定の変化を示すことを意味する場合があることに留意されたい。

いくつかの実施形態では、ｉ）トルク閾値を満たす（例えば、上昇し、到達する）トルク、ｉｉ）電流閾値を満たす（例えば、上昇し、到達する）モータ電流、ｉｉｉ）インピーダンス閾値を下回るインピーダンス、ｉｖ）モータ速度閾値を下回るモータ速度、又はそれらの組み合わせ、のうちの１つ以上など、アクチュエータ２３８－ｊの動作中のある特定のモータ動作パラメータの検出は、駆動ディスク２３４－ｊに対するツールディスク２４４－ｊの機械的係合が生じたことを決定するために、制御ユニット２１０によって使用される。

プログラムされたプロセッサ３１２を含む制御ユニット２１０は、例えば、制御塔１３０内の共有マイクロプロセッサ及びプログラムメモリとして、外科用ロボットシステム１００（図１）に組み込まれてもよい。代替的に、制御ユニット２１０は、手術室とは異なる部屋、又は図１に示される手術室とは異なる建物などにある遠隔コンピュータに実装されてもよい。さらに、制御ユニット２１０はまた、図示されていないが、ロボットアーム及びその取り付けられた外科用ツール２４０、電源デバイス（例えば、バッテリ）、並びに外科用ロボットシステムを制御するための電子デバイスと典型的に関連付けられた他の構成要素の手動制御を可能にし得るユーザインターフェースハードウェア（例えば、キーボード、タッチスクリーン、マイクロフォン、スピーカ）も含んでもよい。

メモリ３１４は、１つ以上のプロセッサ３１２（簡略化するために本明細書ではプロセッサと総称的に呼ばれる）に結合されて、プロセッサ３１２による実行のための指示を記憶する。いくつかの実施形態では、メモリは、非一時的であり、張力制御アルゴリズム３１５及びトルク制御アルゴリズム３１６を含む１つ以上のプログラムモジュールを記憶することができ、その命令は、本明細書に記載される張力アルゴリズム３１５及びトルク制御アルゴリズム３１６を実行するようにプロセッサ３１２を設定する。言い換えれば、プロセッサ３１２は、張力制御アルゴリズム３１５及びトルク制御アルゴリズム３１６の一部としてメモリ３１４に記憶されたプログラム、ルーチン、又は命令の実行の制御下で動作して、本明細書に記載される態様及び特徴に従って方法又はプロセスを実行し得る。メモリ３１４は、外科用ツール２４０及び／又はツールドライバ２３０のための１つ以上の設定、係数値、閾値、許容値、較正値を含んでもよい。これらの値は、構成ファイル、テーブル、又は行列としてメモリ３１４に記憶されてもよい。構成ファイル内のいくつかの値は、ユーザによって提供されてもよく、いくつかは、外科用ツール２４０又はツールドライバ２３０の識別子に基づいてアクセス又は検索されてもよく、他の値は、制御ユニット２１０によって設定されてもよい。

図１３は、制御ユニット２１０によって実行されることで、ツールドライバ２３０内の１つ以上のアクチュエータを制御して、１つ以上のツールディスク（本明細書で説明される例示的な関節運動継手の場合ではツールディスクＲ２及びＲ４を含む）を駆動することができる、ハードストップ制御のための制御システムの例示的なブロック図を示す。ツールディスクＲ２及びＲ４は、ロッドを引くか又は解放するように構成されたスライダに接続することができる。ツールディスクＲ２は、Ｒ４が解放されている間に一方向に引っ張られ、別のときには、ツールディスクＲ４は、Ｒ３が解放されている間に別の方向に引っ張られる。このようにして、関節運動は２つの回転方向に制御される。

制御システムは、分析下の継手の位置及びトルクを計算する。これらの値から、トルク比が決定される。関節に対するユーザ入力が受信されると、制御システムは、トルク比を考慮して継手の状態を分析して、ユーザ入力が継手の現在の動きにどう作用すべきかを決定する。手術器具が接触している可能性があるハードストップを考慮して測定される継手の状態に応じて、継手における要求された運動を停止させるか、又は継手における要求された運動を減少させるように、調整又は補償が計算される。

制御システムの各反復において、ブロック５０１でデータが受信される。データは、モータ位置及びモータトルクを含むことができる。例えば、トルクセンサ３４２は、ツールドライバ２３０内の対応するアクチュエータ又はモータのトルクを測定して、ツールディスクＲ２のトルク測定値及びツールディスクＲ４のトルク測定値を計算することができる。位置センサ３４３、又は位置エンコーダを有する光センサ３４７は、ツールドライバ２３０内の対応するアクチュエータ又はモータの位置を測定して、ツールディスクＲ２のトルク測定値及びツールディスクＲ４のトルク測定値を計算することができる。

説明したセンサのいずれも、モータトルクを決定するために使用されるセンサデータを生成することができる。トルクは、ツールディスク又はモータに適用される付随するトルクセンサ３４２又は力センサ３４８によって直接測定されてもよい。モータトルクは、特定の速度で動作するようにアクチュエータを駆動しようとする際に対応するモータに供給される、電気センサ３４５によって検知される電流（例えば、モータ入力駆動端子と直列の電流検知抵抗器）から間接的に測定することができる。モータトルクは、特定の速度で動作するようにモータを駆動しようとする際に、アクチュエータ２３８のモータの入力駆動端子に見られるような電気センサ３４５による電気インピーダンスのサンプルによって間接的に測定することもできる。モータトルクは、ツールディスク又はアクチュエータ（例えば、アクチュエータ２３８－ｊの出力シャフト又はモータの駆動シャフト上の位置エンコーダ）の速度によって間接的に測定することもできる。

ブロック５０３において、継手位置及び継手トルクが計算される。モータ位置及びモータトルクは、センサ及び付随する回路によって測定することができる。以下の計算は、任意の継手に適用され得るが、関節運動継手に関して説明される。制御ユニット２１０は、センサデータを受信し、関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータのための関節運動継手位置を計算することができる。制御ユニット２１０は、関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータのための関節運動継手トルクを計算することができる。継手位置及び継手トルクの計算は、例示のために時間間隔ｋとして記述される所定の時間単位で繰り返し行われてもよい。したがって、任意の所与の時間（ｋ）について、前の時間はｋ－１であり、後の時間はｋ＋１である。

ブロック５０５において、現在の時間間隔についてのトルク比が計算される。制御ユニット２１０は、関節運動継手位置及び関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定するように構成されている。外科用ツール２４０の関節運動継手は、２個のモータ（例えば、各モータはツールディスクＲ２及びＲ４に対応する）によって駆動される。関節運動継手の物理的変位（θ_ｊ）は、式１によって与えられる。

式１における関係は、第１のアクチュエータ又はモータ（例えば、ツールディスクＲ２に対応する）の第１の位置（θ_ｍ１）及び第２のアクチュエータ又はモータ（例えば、ツールディスクＲ４に対応する）の第２の位置（θ_ｍ２）、並びに第１の定数ａ及び第２の定数ｂを含む少なくとも１つの特性定数に基づいている。特性定数は、構成部品の材料、構成部品の相対的寸法、又は他の因子に依存し得る。制御ユニット２１０は、機器の識別子を用いて表から特性定数を検索することができる。

静的力解析に基づいて、モータ対継手トルクマップを、以下の関係によって記述することができる。例えば、式２は、継手トルク（ｔ）τ_ｊ）と、第１のアクチュエータ（例えば、ツールディスクＲ２に対応する）の第１のモータトルク（τ_ｍ１）と、第２のアクチュエータ（例えば、ツールディスクＲ４に対応する）の第２のモータトルク（τ_ｍ２）と、例えば、第１の定数ａ、第２の定数ｂ、及び２つ以上の特性定数の比を含む少なくとも１つの特性定数との間の関係を示す。

式３は、［－１，１］の範囲内の数であってよく、関節運動継手の物理的変位（θ_ｊ）及び関節運動継手の継手トルク（τ_ｊ）の関数であるトルク比（ｒ_τ）を記述する。このようにして、関節運動継手トルク（τ_ｊ）は、１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたトルクと、外科用ツール２４０の少なくとも１つの特性定数との関係に基づいて計算される。式３は、以下の例に従って定義されるように、連続し、かつ微分可能な少なくとも１つの例を含む。
ｒ_τ＝ｆ（θ_ｊ，τ_ｊ） 式３

図１４は、図１３のハードストップ制御のためのトルク比を決定するための角度範囲を示す。図１４は、図１３のハードストップ制御のためのトルク比を決定するための角度範囲を示す。関節運動継手（θ_ｊ）は任意の角度として計算することができる。制御ユニット２１０は、関節運動継手（θ_ｊ）が含まれる角度範囲を決定する。角度範囲は、外側範囲５２３、中間範囲５２１、及び内側範囲５２１を含み得る。内側範囲５２１は、ｊｍｉｎとθｊｍａｘの間の関節動作継手（θ_ｊθの値を含み得る。内側範囲５２１では、補償を必要としない場合もある。すなわち、ユーザコマンドを修正しなくてもよい。内側範囲５２１は、非補償範囲と呼ばれる場合もある。

中間範囲５２１は、θｊｍｉｎ～θｊｍａｘの外側であるがθｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ～θｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔの内側である、関節運動継手（θ_ｊ）の値を含み得る。中間範囲５２１は、補償が実行される補償範囲と呼ぶことができる。すなわち、継手に対するユーザコマンドは修正され得るが、ユーザコマンドは依然、継手の運動に影響する。

外側範囲５２３は、θｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ～θｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔの外側の値を含む。外側範囲５２３は、境界外範囲と呼ぶことができる。ユーザコマンドは、この境界外範囲内では拒否され得る。すなわち、継手における運動は、ユーザコマンドによって影響されない。

制御ユニット２１０は、関節運動継手（θ_ｊ）に基づいてトルク比（ｒ_τ）を定義する。式４～９はこの関係を定義する。関節運動継手（θ_ｊ）が、θｊｍｉｎ及びθｊｍａｘに等しい場合、トルク比（ｒ_τ）は、０である。
Ｉｆθｊ∈［θｊｍｉｎ，θｊｍａｘ］，ｒ_τ＝０ 式４

関節運動継手（θ_ｊ）が外側範囲の外側である場合、トルク比（ｒ_τ）は、式５及び式６に示されるように＋１又は－１に設定される。関節運動継手（θ_ｊ）がθｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ未満である場合、トルク比（ｒ_τ）は－１に設定される。関節運動継手（θ_ｊ）がθｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔより大きい場合、トルク比（ｒ_τ）は１に設定される。
Ｉｆ θｊ＜θｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ ｒ_τ＝－１ 式５
Ｉｆ θｊ＞θｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔ ｒ_τ＝１ 式６

他の制限は、ツールのトルク制限に従って定義される。限界値τ_{ｊｎｏｒｍａｌ}は、外科用ツール２４０の通常使用時の継手トルク限界値であり、τ_ｊｍａｘは、外科用ツール２４０の破損を回避するうえでの最大許容継手トルクである。ユーザは、τ_{ｊｎｏｒｍａｌ}の値を与えることができ、τ_ｊｍａｘもユーザによって与えられる。測定された継手トルク（τｊ）が限界値τ_{ｊｎｏｒｍａｌ}よりも小さい場合、トルク比（ｒ_τ）は、式７に示されるように０に設定される。
Ｉｆ ｜τｊ｜＜τｊｎｏｒｍａｌ，ｒ_τ＝０ 式７

測定された継手トルク（τ_ｊ）が限界値τ_ｊｍａｘよりも大きい場合、トルク比（ｒ_τ）は、式８に示されるように１に設定される。
Ｉｆ τｊ＞τｊｍａｘ，ｒ_τ＝１ 式８

測定された継手トルク（τｊ）が限界値－τ_ｊｍａｘよりも小さい場合、トルク比（ｒ_τ）は、式９に示されるように－１に設定される。
Ｉｆ τｊ＜－τｊｍａｘ，ｒ_τ＝－１ 式９

式４～９の条件のいずれも成り立たない場合、式１０～１３がトルク比（ｒ_τ）を与える。制御ユニット２１０は、継手位置が最小値（θ_ｊｍｉｎ）と最大値（θ_ｊｍａｘ）とを境界とする補償範囲内にある場合、継手位置パーセンテージ（Δθ）を計算するように構成される。継手位置パーセンテージ（Δθ）は、継手位置が、最小限界値（θ_{ｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ}）と最大限界値（θ_{ｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔ}）とを境界とする非補償範囲内にあるか又は境界外範囲である場合、使用されなくてもよい。

θｊ＜θｊｍｉｎである場合、継手位置パーセンテージΔθは、式１０によって与えられる。

θｊ＞θｊｍａｘである場合、継手位置パーセンテージΔθは、式１１によって与えられる。

継手位置パーセンテージΔθが閾値よりも小さい場合（例えば、Δθ＜０．８）、トルク比は式１２によって与えられる。

継手位置パーセンテージΔθが閾値よりも大きい場合、トルク比は式１３によって与えられる。

式１２及び１２に関して、ｓｉｇｎ（τ_ｊ）は、トルクの符号をトルクと整合させ、負のトルク比では、トルクも負であり、関節運動継手は、トルクの絶対値がさらに大きくならないように、さらに負の方向に動くことは許容されるべきではない。

ｃの値は予め定められた値であり、ユーザによって設定されてもよいし、制御ユニット２１０によって設定されてもよい。ｃ＝１．１２５かつΔθ＝０．８である場合、項１－（１．２５Δθ－１）^２は、１であり、これは、継手が継手限界に十分に近づいた後、トルク比がトルク変化に完全に応答し（例えば、１００％パーセント）、継手位置からの影響が減少することを保証する。トルク比は、［－１，１］の間であることが保証され、（－１，１）の間の数であり、継手位置及びトルクがユーザによって定義される所望の操作範囲の間にある場合である。ｃの値は、トルクがトルク変化に応答し、継手位置からの影響がより大きなスパンで減少するように、他の値に設定することもできる。一実現形態では、継手位置パーセンテージ（Δθ）がパーセンテージ閾値を下回る場合、ｃは０に設定される。

次に継手コマンドの調整に関しては、エンドエフェクタをハードストップから保護するために、トルク比ｒ_τ）が、特定の状況において個々のユーザコマンドに適用されることができる。式１４は、時間（ｋ＋１）における継手コマンドが、時間ｋにおける継手コマンドに、ユーザ入力に応じた相対継手コマンドを加えたものによって定義されることを記述している。言い換えれば、特定の継手のアクチュエータに適用される任意の所与の現在／初期のコマンドに対して、アクチュエータに適用される次のコマンドを調整するために、後続のユーザコマンドが相対継手コマンドに加算される。
θ_ｊｃｍｄ（ｋ＋１）＝θ_ｊｃｍｄ（ｋ）＋θ_{ｊｒｅｌａｔｉｖｅ} 式１４

ブロック５０７において、継手コマンド補償比がトルク比に基づいて最初に計算される。継手コマンド補償比は、継手の状態を考慮して、継手位置に対するユーザコマンドが調整されるべき量を定義する。ブロック５０９において、相対継手コマンドが計算される。相対継手コマンドは、継手コマンド補償比及びユーザコマンド５０８に基づくことができる。

継手を制御するこのプロセスは、制御ユニット２１０によって計算されたトルク比（ｒ_τ）に応じて修正される。θ_{ｊｒｅｌａｔｉｖｅ}＞０かつトルク比（ｒ_τ）＞０である場合、式１５が、継手コマンド補償比（１－ｒ_τ）に基づいて新しい継手コマンドを与える。この場合、相対継手コマンドは、例えば、（１－ｒ_τ）^＊θ_{ｊｒｅｌａｔｉｖｅ}である。

θ_{ｊｒｅｌａｔｉｖｅ}＜０かつトルク比（ｒ_τ）＜０である場合、式１６が、継手コマンド補償比（１－ｒ_τ）に基づいて新しい継手コマンドを与える。この場合、相対継手コマンドは、例えば、（１＋ｒ_τ）^＊θ_{ｊｒｅｌａｔｉｖｅ}である。相対継手コマンドは、ハードストップを補償するためのトルク比に応じた、継手駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータに対する関節運動継手調整である。
θ_ｊｃｍｄ（ｋ＋１）＝θ_ｊｃｍｄ（ｋ）＋（１－ｒ_τ）^＊θ_{ｊｒｅｌａｔｉｖｅ} 式１５
θ_ｊｃｍｄ（ｋ＋１）＝θ_ｊｃｍｄ（ｋ）＋（１＋ｒ_τ）^＊θ_{ｊｒｅｌａｔｉｖｅ} 式１６

いずれの場合も、ブロック５１２において、１つ以上のハードウェア要素の論理表現であり得る加算点が、相対継手コマンドと前の継手コマンド５１１（例えば、θ_ｊｃｍｄ（ｋ））とを加え合わせる。

ブロック５１３において、制御ユニット２１０による継手位置制御は、ハードストップ又は衝突を補償するために、相対継手コマンド及び前の継手コマンドに基づいて継手位置を計算して、関節運動継手の位置、角度、又は位置を決定する。制御ユニット２１０は、初期の継手位置又は継手位置の変化を識別又は計算する。初期の継手位置は、ユーザ入力から決定することができる。初期の継手位置はまた、ユーザ入力から逸脱する継手の初期位置を決定するために、較正、ホーミング、係合、又はハードストップハンドリングなどの１つ以上の補助的位置決定アルゴリズムを考慮してもよい。

トルク比の計算に使用される特性定数のため、関節運動継手位置は、１つ以上の対応する回転モータについての少なくとも１つの測定されたモータ位置と、外科用ツールについての少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される。

ブロック５１５において、制御ユニット２１０によるモータ制御は、対応するアクチュエータを制御ユニット２１０によって決定された位置又は角度に動かすために、１つ以上のモータコマンドを計算する。モータコマンドは、例えば、アクチュエータＲ２及び／又はＲ４を制御するために、ツールドライバ２３０に与えられる。制御ユニット２１０。制御ユニット２１０は、モータコマンドを分析下の継手の継手位置に関連付ける手術ツール２４０のモデルを参考にすることができる。モデルは、外科用ツール２４０内の駆動トレインに依存し得る。

本明細書では、「と結合される」という語句は、直接接続されるか、又は１つ以上の中間構成要素を介して間接的に接続されることを意味するように定義される。そのような中間構成要素は、ハードウェアベースの構成要素及びソフトウェアベースの構成要素の両方を含んでもよい。さらに、係属中の特許請求の範囲における使用を明確にし、本明細書によって公衆に通知するために、「＜Ａ＞、＜Ｂ＞、．．．及び＜Ｎ＞のうちの少なくとも１つ」又は「＜Ａ＞、＜Ｂ＞、．．．＜Ｎ＞のうちの少なくとも１つ、又はそれらの組み合わせ」という語句は、本出願人によって最も広い意味で定義され、出願人によって明示的に反対に主張されない限り、Ａ、Ｂ、．．．及びＮを含む群から選択される１つ以上の要素、すなわち、任意の１つの要素を単独で含むか、又は列挙されていない追加の要素も組み合わせで含み得る１つ以上の他の要素との組み合わせを含む、要素Ａ、Ｂ、．．．又はＮのうちの１つ以上の任意の組み合わせを意味するように、上記又は下記の暗示的な任意の定義に取って代わる。

開示されたメカニズムは、関連する情報／データ（例えば、メッセージトラフィック及びそれに対する応答）が監視若しくは流され得る、又は他の方法でアクセス可能若しくは測定可能である、任意の論理的及び／若しくは物理的ポイント、又はそれらの組み合わせで実装されてもよく、これには、１つ以上のデートウェイデバイス、モデム、１以上の市場参加者のコンピュータ又は端末、例えば、クライアントコンピュータなどが含まれる。

当業者は、本明細書に記載の１つ以上のモジュールが、とりわけ、コンピュータ実行可能指示（例えば、実行可能ソフトウェアコード）を含む有形コンピュータ可読媒体を使用して実装され得ることを理解するであろう。あるいは、モジュールは、ソフトウェアコード、ファームウェアコード、特別に構成されたハードウェア若しくはプロセッサ、及び／又は前述のものの組み合わせとして実装されてもよい。

図１～図２５に示すコンピュータデバイス及びシステムの動作は、非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されたコンピュータ実行可能指示によって制御することができる。例えば、例示的なコンピュータデバイス又は制御ユニット２１０は、コンピュータ実行可能指示を記憶し、電子メッセージを生成し、電子メッセージから情報を抽出し、電子メッセージに関連する動作を実行し、及び／又は電子メッセージから値を計算して、本明細書に記載のアルゴリズム又は動作のいずれかを容易にすることができる。多数の追加のサーバ、コンピュータ、手持ち式デバイス、携帯情報端末、電話、及び他のデバイスもまた、制御ユニット２１０に接続されてもよい。

図１２に示すように、コンピュータシステムは、中央処理装置（central processing unit、ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（graphics processing unit、ＧＰＵ）、又はその両方によって実装されるプロセッサ３１２を含んでもよい。プロセッサ３１２は、様々なシステムの構成要素であってもよい。例えば、プロセッサ３１２は、標準的なパーソナルコンピュータ又はワークステーションの一部であってもよい。プロセッサ３１２は、１つ以上の汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、特別に構成されたプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、サーバ、ネットワーク、デジタル回路、アナログ回路、それらの組み合わせ、又はデータを分析及び処理するための他の現在知られているデバイス若しくは今後開発されるデバイスであってもよい。プロセッサ３１２は、手動で生成された（すなわち、プログラムされた）コードなどのソフトウェアプログラムを実装することができる。

コンピュータシステムは、バスを介して通信することができるメモリ３１４を含む。メモリ３１４は、メインメモリ、スタティックメモリ、又はダイナミックメモリであってもよい。メモリ３１４は、限定はしないが、ランダム・アクセス・メモリ、読み出し専用メモリ、プログラマブル読み出し専用メモリ、電気的プログラマブル読み出し専用メモリ、電気的消去可能読み出し専用メモリ、フラッシュメモリ、磁気テープ又はディスク、光媒体などを含む、様々なタイプの揮発性及び不揮発性記憶媒体などのコンピュータ可読記憶媒体を含むことができるが、これらに限定されない。一実施形態において、メモリ３１４は、プロセッサ３１２のためのキャッシュ又はランダム・アクセス・メモリを含む。代替実施形態では、メモリ３１４は、プロセッサのキャッシュメモリ、システムメモリ、又は他のメモリなど、プロセッサ３１２とは別個のものである。メモリ３１４は、データを記憶するための外部記憶デバイス又はデータベースであってもよい。例としては、ハードドライブ、コンパクトディスク（「compact disk、ＣＤ」）、デジタル・ビデオ・ディスク（「digital video disc、ＤＶＤ」）、メモリカード、メモリスティック、フロッピーディスク、ユニバーサル・シリアル・バス（「universal serial bus、ＵＳＢ」）メモリデバイス、又はデータを記憶するように動作する任意の他のデバイスが挙げられる。メモリ３１４は、プロセッサ３１２によって実行可能な指示を記憶するように動作可能である。図に示されている、又は本明細書で説明されている機能、動作、又は作業は、メモリ３１４に記憶された指示を実行するプログラムされたプロセッサ３１２によって実行されてもよい。機能、動作、又は作業は、特定のタイプの指示セット、記憶媒体、プロセッサ、又は処理戦略から独立しており、単独で又は組み合わせて動作するソフトウェア、ハードウェア、集積回路、ファームウェア、マイクロコードなどによって実行されてもよい。同様に、処理戦略は、マルチプロセッシング、マルチタスキング、並列処理などを含み得る。

コンピュータシステムは、液晶ディスプレイ（liquid crystal display、ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（organic light emitting diode、ＯＬＥＤ）、フラット・パネル・ディスプレイ、ソリッドステートディスプレイ、陰極線管（cathode ray tube、ＣＲＴ）、プロジェクタ、プリンタ、又は決定された情報を出力するための他の現在知られている又は今後開発されるディスプレイデバイスなどのディスプレイユニット３１９をさらに含んでもよい。ディスプレイ３１９は、ユーザがプロセッサ３１２の機能を見るためのインターフェースとして、又は具体的には、メモリ３１４若しくは制御ユニット２１０内の他の場所に記憶された指示とのインターフェースとして作用することができる。

さらに、コンピュータシステムは、ユーザがシステムの構成要素のいずれかと対話することを可能にするように構成された入力デバイス３１７を含むことができる。入力デバイス３１７は、数字パッド、キーボード、又はマウスなどのカーソル制御デバイス、又はジョイスティック、タッチスクリーンディスプレイ、リモートコントロール、又は制御ユニット２１０と対話するように動作する任意の他のデバイスであってもよい。入力装置３１７は、ユーザからツール位置制御を受信することができる。ツール位置制御は、上述のアクチュエータのうちの１つ以上に適用することができる。入力デバイス３１７はまた、ハードストップ処理を調整するための物理定数ａ及びｂ並びに／又は所定の定数ｃを含む設定又は構成を受信することもできる。入力デバイス３１７は、θｊｍｉｎ、θｊｍａｘ、θｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ、及びθｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔの値といった外側範囲５２３、中間範囲５２１、及び内側範囲５２１を定義するための１つ以上の境界を受信してもよい。

本開示は、ネットワークに接続されたデバイスがネットワークを介して音声、ビデオ、オーディオ、画像、又は任意の他のデータを通信することができるように、指示を含むか、又は信号に応答して指示を受信及び実行するコンピュータ可読媒体を企図する。さらに、指示は、通信インターフェース３１８を介してネットワーク上で送信又は受信することができる。通信インターフェース３１８は、プロセッサ３１２の一部であってもよく、別個の構成要素であってもよい。通信インターフェース２１８は、ハードウェアにおける物理的接続であってもよい。通信インターフェース３１８は、ネットワーク、外部媒体、ディスプレイユニット３１９、若しくはシステム内の任意の他の構成要素、又はそれらの組み合わせと接続するように構成される。ネットワークとの接続は、有線イーサネット接続などの物理的接続であってもよく、又は無線で確立してもよい。同様に、システムの他の構成要素との追加の接続は、物理的接続であってもよく、又は無線で確立してもよい。

本明細書に記載の実施形態の例示は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することを意図している。例示は、本明細書に記載の構造又は方法を利用する装置及びシステムの要素及び特徴のすべての完全な説明として役立つことを意図するものではない。多くの他の実施形態は、本開示を検討すれば当業者には明らかであろう。本開示の範囲から逸脱することなく構造的及び論理的な置換及び変更を行うことができるように、他の実施形態を利用し、本開示から導出することができる。さらに、図は単に代表的なものであり、縮尺通りに描かれていない場合がある。図中の特定の比率は誇張されている場合があり、他の比率は最小化されている場合がある。したがって、本開示及び図面は、限定ではなく例示と見なされるべきである。

本明細書は、多くの詳細を含むが、これらは本発明の範囲又は主張され得るものの範囲に対する限定としてではなく、むしろ、本発明の特定の実施形態に特有の形態の説明として解釈されるべきである。別個の実施形態の文脈の中で本明細書で記載される特定の形態はまた、単一の実施形態において組み合わされて実施され得る。逆に、単一の実施形態の文脈の中で記載される様々な形態はまた、複数の実施形態において別個に、又は任意の適切な部分的組み合わせで実施され得る。さらには、特徴が特定の組み合わせで機能するものとして記載され得、さらには最初にそのように主張され得るが、主張された組み合わせからの１つ以上の形態が、場合によってはこの組み合わせから削除され得、並びに主張された組み合わせが、部分的組み合わせ又は部分的組み合わせの変形を目的としてもよい。

同様に、操作が特定の順序で図面中に示され、かつ本明細書に記載されるとはいえ、これは、このような操作が、所望の結果を達成するために、示された特定の順序で若しくは順次に実施されること、又は図示するすべての操作が実施されることが必要であると理解されるべきではない。特定の環境では、多重タスキング及び並行処理が有利である場合がある。さらに、記載された実施形態における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実施形態においてこのような分離が必要であると理解されるべきではなく、記載されるプログラム構成要素及びシステムが、一般的に、単一のソフトウェア製品内に一緒に一体化され得るか又は複数のソフトウェア製品にパッケージ化され得ることが理解されるべきである。

〔実施の態様〕
（１） 外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための装置であって、
シャフトによって前記エンドエフェクタに接続されたツールドライバであって、１つ以上の対応する回転モータによって駆動される少なくとも１つの関節運動駆動ディスクを有し、前記関節運動駆動ディスクは、前記ツールドライバを前記エンドエフェクタに接続する前記シャフトの長手方向軸に対応する平面内の前記エンドエフェクタの関節動作に対応している、ツールドライバと、
１つ以上のプロセッサであって、
前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手位置を計算することと、
前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手トルクを計算することと、
前記関節運動継手位置と前記関節運動継手トルクとに基づいてトルク比を決定することと、
ハードストップを補償するため、前記トルク比に応答して、前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手調整を計算することと、を行うように構成された、１つ以上のプロセッサと、を備える、装置。
（２） 前記１つ以上のプロセッサが、
前記関節運動継手調整を使用してユーザコマンドを調整することと、
前記調整されたユーザコマンドを前記ツールドライバに与えることと、を行うように構成されている、実施態様１に記載の装置。
（３） 前記関節運動継手位置が、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたモータ位置と、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、実施態様１に記載の装置。
（４） 前記継手位置（θ_ｊ）についての前記関係が、

によって与えられ、
式中、前記少なくとも１つの測定されたモータ位置は、前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第１のモータについての第１のモータ位置（θ_ｍ１）及び前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第２のモータについての第２のモータ位置（θ_ｍ２）を含み、前記少なくとも１つの特性定数が、第１の定数ａ及び第２の定数ｂを含む、実施態様３に記載の装置。
（５） 前記関節運動継手トルクが、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたトルクと、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、実施態様１に記載の装置。

（６） 前記継手トルク（τ_ｊ）についての前記関係が、

によって与えられ、
式中、前記少なくとも１つの測定されたトルクは、前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第１のモータについての第１のトルク（τ_ｍ１）及び前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第２のモータについての第２のトルク（τ_ｍ２）を含み、前記少なくとも１つの特性定数が、第１の定数ａ及び第２の定数ｂを含む、実施態様５に記載の装置。
（７） 前記継手トルク（τ_ｊ）についての前記関係が、静的力分析に基づいている、実施態様１に記載の装置。
（８） 前記トルク比が、前記継手位置と位置閾値との間の少なくとも１つの比較、又は前記継手トルクとトルク閾値との間の少なくとも１つの比較に基づいて決定される、実施態様１に記載の装置。
（９） 前記１つ以上のプロセッサが、
前記継手位置が、最小値（θ_ｊｍｉｎ）と最大値（θ_ｊｍａｘ）とを境界とする補償範囲の内側、かつ最小限界値（θ_{ｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ}）と最大限界値（θ_{ｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔ}）とを境界とする境界外範囲の外側にある場合、継手位置パーセンテージ（Δθ）を計算するように構成されている、実施態様１に記載の装置。
（１０） 前記継手位置パーセンテージ（Δθ）が、
θ_ｊ＜θ_ｊｍｉｎである場合に、

であるか、又は、
θ_ｊ＞θ_ｊｍａｘである場合に、

である、実施態様９に記載の装置。

（１１） 前記トルク比（ｒ_τ）が、

に基づいて決定され、
式中、定数ｃは所定の値である、実施態様１０に記載の装置。
（１２） 前記継手位置パーセンテージ（Δθ）がパーセンテージ閾値を下回る場合、前記ｃが０に設定される、実施態様１１に記載の装置。
（１３） 外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための方法であって、
前記エンドエフェクタを接続するシャフトの長手方向軸に対応する平面内の前記エンドエフェクタの関節運動のための関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手位置を計算することと、
前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手トルクを計算することと、
前記関節運動継手位置及び前記関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定することと、
ハードストップを補償するために、前記トルク比に応答して関節運動継手調整を計算することと、を含む、方法。
（１４） 前記関節運動継手調整を使用してユーザコマンドを調整することと、
前記調整されたユーザコマンドを前記関節運動駆動ディスクに与えることと、をさらに含む、実施態様１３に記載の方法。
（１５） 前記関節運動継手位置が、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたモータ位置と、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、実施態様１３に記載の方法。

（１６） 前記関節運動継手トルクが、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたトルクと、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、実施態様１３に記載の方法。
（１７） 前記継手位置が、最小値（θ_ｊｍｉｎ）と最大値（θ_ｊｍａｘ）とを境界とする補償範囲の内側、かつ最小限界値（θ_{ｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ}）と最大限界値（θ_{ｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔ}）とを境界とする境界外範囲の外側にある場合、継手位置パーセンテージ（Δθ）を計算することをさらに含む、実施態様１３に記載の方法。
（１８） 前記継手位置パーセンテージ（Δθ）が、
θ_ｊ＜θ_ｊｍｉｎである場合に、

であるか、又は、
θ_ｊ＞θ_ｊｍａｘである場合に、

である、実施態様１７に記載の方法。
（１９） 前記トルク比（ｒ_τ）が、

に基づいて決定され、
式中、定数ｃは所定の値である、実施態様１８に記載の方法。
（２０） 外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための装置であって、
シャフトによって前記エンドエフェクタに接続されたツールドライバであって、第１のモータによって駆動される第１の関節運動駆動ディスクと、第２のモータによって駆動される第２の関節運動駆動ディスクとを有し、前記第１の関節運動駆動ディスクと前記第２の関節運動駆動ディスクとが協働して、前記ツールドライバを前記エンドエフェクタに接続する前記シャフトの長手方向軸に対応する平面内で前記エンドエフェクタを動作させる、ツールドライバと、
１つ以上のプロセッサであって、
前記第１のモータ又は前記第２のモータの関節運動継手位置を計算することと、
前記第１のモータ又は前記第２のモータの関節運動継手トルクを計算することと、
前記関節運動継手位置及び前記関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定することと、
前記エンドエフェクタが関与する衝突を補償するために前記トルク比に基づいて、ユーザから受信された命令された関節運動継手位置を調整することと、を行うように構成された、プロセッサと、を備える、装置。

Claims (20)

1. 外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための装置であって、
   シャフトによって前記エンドエフェクタに接続されたツールドライバであって、１つ以上の対応する回転モータによって駆動される少なくとも１つの関節運動駆動ディスクを有し、前記関節運動駆動ディスクは、前記ツールドライバを前記エンドエフェクタに接続する前記シャフトの長手方向軸に対応する平面内の前記エンドエフェクタの関節動作に対応している、ツールドライバと、
   １つ以上のプロセッサであって、
   前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手位置を計算することと、
   前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手トルクを計算することと、
   前記関節運動継手位置と前記関節運動継手トルクとに基づいてトルク比を決定することと、
   ハードストップを補償するため、前記トルク比に応答して、前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手調整を計算することと、を行うように構成された、１つ以上のプロセッサと、を備える、装置。
2. 前記１つ以上のプロセッサが、
   前記関節運動継手調整を使用してユーザコマンドを調整することと、
   前記調整されたユーザコマンドを前記ツールドライバに与えることと、を行うように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記関節運動継手位置が、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたモータ位置と、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、請求項１に記載の装置。
4. 前記継手位置（θ_ｊ）についての前記関係が、
   

   

   によって与えられ、
   式中、前記少なくとも１つの測定されたモータ位置は、前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第１のモータについての第１のモータ位置（θ_ｍ１）及び前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第２のモータについての第２のモータ位置（θ_ｍ２）を含み、前記少なくとも１つの特性定数が、第１の定数ａ及び第２の定数ｂを含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記関節運動継手トルクが、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたトルクと、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、請求項１に記載の装置。
6. 前記継手トルク（τ_ｊ）についての前記関係が、
   

   

   によって与えられ、
   式中、前記少なくとも１つの測定されたトルクは、前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第１のモータについての第１のトルク（τ_ｍ１）及び前記１つ以上の対応する回転モータのうちの第２のモータについての第２のトルク（τ_ｍ２）を含み、前記少なくとも１つの特性定数が、第１の定数ａ及び第２の定数ｂを含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記継手トルク（τ_ｊ）についての前記関係が、静的力分析に基づいている、請求項１に記載の装置。
8. 前記トルク比が、前記継手位置と位置閾値との間の少なくとも１つの比較、又は前記継手トルクとトルク閾値との間の少なくとも１つの比較に基づいて決定される、請求項１に記載の装置。
9. 前記１つ以上のプロセッサが、
   前記継手位置が、最小値（θ_ｊｍｉｎ）と最大値（θ_ｊｍａｘ）とを境界とする補償範囲の内側、かつ最小限界値（θ_{ｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ}）と最大限界値（θ_{ｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔ}）とを境界とする境界外範囲の外側にある場合、継手位置パーセンテージ（Δθ）を計算するように構成されている、請求項１に記載の装置。
10. 前記継手位置パーセンテージ（Δθ）が、
    θ_ｊ＜θ_ｊｍｉｎである場合に、
    

    

    であるか、又は、
    θ_ｊ＞θ_ｊｍａｘである場合に、
    

    

    である、請求項９に記載の装置。
11. 前記トルク比（ｒ_τ）が、
    

    

    に基づいて決定され、
    式中、定数ｃは所定の値である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記継手位置パーセンテージ（Δθ）がパーセンテージ閾値を下回る場合、前記ｃが０に設定される、請求項１１に記載の装置。
13. 外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための方法であって、
    前記エンドエフェクタを接続するシャフトの長手方向軸に対応する平面内の前記エンドエフェクタの関節運動のための関節運動駆動ディスク又は１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手位置を計算することと、
    前記関節運動駆動ディスク又は前記１つ以上の対応する回転モータの関節運動継手トルクを計算することと、
    前記関節運動継手位置及び前記関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定することと、
    ハードストップを補償するために、前記トルク比に応答して関節運動継手調整を計算することと、を含む、方法。
14. 前記関節運動継手調整を使用してユーザコマンドを調整することと、
    前記調整されたユーザコマンドを前記関節運動駆動ディスクに与えることと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記関節運動継手位置が、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたモータ位置と、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記関節運動継手トルクが、前記１つ以上の対応する回転モータの少なくとも１つの測定されたトルクと、前記外科用ツールの少なくとも１つの特性定数との間の関係に基づいて計算される、請求項１３に記載の方法。
17. 前記継手位置が、最小値（θ_ｊｍｉｎ）と最大値（θ_ｊｍａｘ）とを境界とする補償範囲の内側、かつ最小限界値（θ_{ｊｍｉｎ，ｌｉｍｉｔ}）と最大限界値（θ_{ｊｍａｘ，ｌｉｍｉｔ}）とを境界とする境界外範囲の外側にある場合、継手位置パーセンテージ（Δθ）を計算することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記継手位置パーセンテージ（Δθ）が、
    θ_ｊ＜θ_ｊｍｉｎである場合に、
    

    

    であるか、又は、
    θ_ｊ＞θ_ｊｍａｘである場合に、
    

    

    である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記トルク比（ｒ_τ）が、
    

    

    に基づいて決定され、
    式中、定数ｃは所定の値である、請求項１８に記載の方法。
20. 外科用ツールのエンドエフェクタとハードストップとの間の衝突を補償するための装置であって、
    シャフトによって前記エンドエフェクタに接続されたツールドライバであって、第１のモータによって駆動される第１の関節運動駆動ディスクと、第２のモータによって駆動される第２の関節運動駆動ディスクとを有し、前記第１の関節運動駆動ディスクと前記第２の関節運動駆動ディスクとが協働して、前記ツールドライバを前記エンドエフェクタに接続する前記シャフトの長手方向軸に対応する平面内で前記エンドエフェクタを動作させる、ツールドライバと、
    １つ以上のプロセッサであって、
    前記第１のモータ又は前記第２のモータの関節運動継手位置を計算することと、
    前記第１のモータ又は前記第２のモータの関節運動継手トルクを計算することと、
    前記関節運動継手位置及び前記関節運動継手トルクに基づいてトルク比を決定することと、
    前記エンドエフェクタが関与する衝突を補償するために前記トルク比に基づいて、ユーザから受信された命令された関節運動継手位置を調整することと、を行うように構成された、プロセッサと、を備える、装置。

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