JP2024513204A - 腹腔鏡下外科手術を実施するための外科手術用器具と併用するための協調操作式外科手術用システム - Google Patents

腹腔鏡下外科手術を実施するための外科手術用器具と併用するための協調操作式外科手術用システム Download PDF

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デイビッド ポール ヌーナン，
ジェフリー バイロン アルバレス，
ニコラ リナール，
エフサン バサファ，
リトウィック ウマラネニ，
ジャド ファイド，
ビクトリア チェン－タン ウー，
ニール タナー，
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ムーン サージカル エスアエス
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Abstract

腹腔鏡下外科手術手技を補助するために使用され得る、協調操作式ロボット型システムが、本明細書に説明される。協調操作式ロボット型システムは、外科医が、外科手術ロボット工学と関連付けられる、利益を提供しながら、市販の外科手術用ツールを使用することを可能にする。有利なこととして、外科手術用ツールは、ロボット腕の再使用可能部分が滅菌ドレープ内に残されたまま、使い捨て結合器を使用して、ロボット腕にシームレスに結合され得る。さらに、協調操作式ロボット型システムは、外科医が、直接、器具ハンドルを用いて、器具を位置付け、さらに、ロボット腕を使用して、器具の所望の位置を維持することを可能にしながら、複数のモードで動作し、有用性および安全性を向上させ得る。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、そのそれぞれの内容の全体が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０２１年１２月２２日に出願された、欧州特許出願第２１３０６９０４．０号、２０２１年１２月２２日に出願された、欧州特許出願第２１３０６９０５．７号、２０２１年７月５日に出願された、欧州特許出願第２１３０５９２９．８号、および２０２１年３月３１日に出願された、欧州特許出願第２１３０５４１７．４号の優先権を主張する。
本開示は、腹腔鏡下外科手術手技を補助するための協調操作式ロボット型システムを対象とする。
腹腔鏡下手技の間の視覚およびアクセスを管理することは、課題である。外科手術助手枠組は、助手が、外科医が立っている場所に立つことなく、外科医の視点から、予想および把握し、同様に、手技全体を通して、外科医が着目組織が暴露されることを所望する程度を予想および調節するように求められているため、本質的に不完全である。例えば、腹腔鏡下手技の間、ある助手は、開創器デバイスを保持し、外科医のために組織を暴露することが要求され得る一方、別の助手は、手技の間、腹腔鏡デバイスを保持し、患者内の外科手術空間の視野を外科医に提供することが要求され得、そのうちの一人は、個別のツールを、非実践的位置において、例えば、外科医が付加的外科手術用器具を能動的に動作させている間、外科医の腕の間から、保持することが要求され得る。
種々の試行が、本問題点を解決する際に成されている。例えば、患者ベッド／台に搭載される、純粋に機械的デバイスである、レール搭載型整形外科開創器が、腹腔鏡下手技の間、腹腔鏡デバイスを定位置に保持するために使用され得、別のレール搭載型整形外科開創器が、腹腔鏡下手技の間、開創器デバイスを定位置に保持するために使用され得る。しかしながら、レール搭載型整形外科開創器は、ツールを係止解除し、再位置付けし、定位置にロックするために、広範な手動相互作用を要求する。
Ｄａ Ｖｉｎｃｉ外科手術用システム（Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって市販されている）等の複雑なロボット補助システムが、外科医が外科手術用器具を保持する患者コンソールから遠隔の外科医コンソールから手技を遠隔可能に実施することを可能にすることによって、腹腔鏡下外科手術手技を向上させるために、外科医によって使用されている。そのような複雑なロボット補助システムは、非常に高価であって、非常に大占有面積を有し、手術室内の空間の多くを占める。さらに、そのようなロボット補助システムは、典型的には、システムと互換性がある、一意のシステム特有の外科手術用器具を要求し、したがって、外科医は、彼らが慣れている、標準的既製の外科手術用器具を使用することができない。したがって、外科医は、完全に異なる腹腔鏡下手技を実施する方法を習得することが要求される。
これまでに公知になっているシステムおよび方法の前述の短所に照らして、外科医に、必要に応じて、種々の外科手術用器具をシームレスに位置付け、操作するための能力を提供し、したがって、人間および機械的解決策の両方に固有のワークフロー限界を回避する、システムの必要がある。
本開示は、ハンドルと、動作端と、それらの間の伸長シャフトとを有する、外科手術用器具を使用して実施される、腹腔鏡下外科手術を補助するための、協調操作式外科手術用システムを提供することによって、これまでに公知になっているシステムおよび方法の短所を克服する。協調操作式外科手術用システムは、近位端と、外科手術用器具に除去可能に結合され得る、遠位端と、複数の連結部と、近位端と遠位端との間の複数のジョイントとを有する、ロボット腕を含んでもよい。協調操作式外科手術用システムはさらに、ロボット腕に動作可能に結合される、コントローラを含んでもよい。コントローラは、ロボット腕に、受動モードであって、外科手術用器具のハンドルにおける移動に起因する、ロボット腕の移動が、少なくとも所定の停留期間にわたって、所定の量未満であることを決定することに応答して、コントローラが、受動モードでは、ロボット腕に、静的位置を維持させるようにプログラムされ得る、受動モードと、協調操作モードであって、外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、ロボット腕において印加される力が、所定の閾値を超えることを決定することに応答して、コントローラが、ロボット腕が、外科手術用器具を使用して、腹腔鏡下外科手術を実施するために、協調操作モードでは、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にするようにプログラムされ得、コントローラが、協調操作モードでは、第１のインピーダンスをロボット腕に印加し、外科手術用器具およびロボット腕の重量を考慮するようにプログラムされ得る、協調操作モードとの間で自動的に切り替えさせるようにプログラムされてもよい。コントローラはさらに、ロボット腕の少なくとも一部が事前に定義された力覚障壁外にあることを決定することに応答して、ロボット腕を、力覚モードに自動的に切り替わらせるようにプログラムされてもよく、コントローラは、力覚モードでは、第１のインピーダンスを上回る第２のインピーダンスをロボット腕に印加し、それによって、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、ロボット腕の移動を、力覚モードでは、協調操作モードより粘弾性にするようにプログラムされてもよい。
加えて、協調操作式外科手術用システムは、ロボット腕が基部に対して移動し得るように、ロボット腕の近位端に回転可能に結合される、基部を含んでもよい。例えば、基部は、基部の回転が、第１の軸を中心として、ロボット腕の回転を引き起こすように、第１の軸を中心として回転可能であってもよい。故に、本システムはさらに、コントローラが、第１のモータに動作可能に結合され、第１のモータに、インピーダンスを基部に印加させるようにプログラムされるように、基部内に配置され、基部に動作可能に結合される、第１のモータを含んでもよい。さらに、複数の連結部の肩連結部の近位端が、肩連結部の回転が、肩ジョイントの第２の軸を中心として、肩連結部の遠位に複数の連結部の連結部の回転を引き起こすように、複数のジョイントの肩ジョイントにおいて、基部に回転可能に結合されてもよい。故に、本システムはさらに、コントローラが、第２のモータに動作可能に結合され、第２のモータに、インピーダンスを肩ジョイントに印加させるようにプログラムされるように、基部内に配置され、肩ジョイントに動作可能に結合される、第２のモータを含んでもよい。例えば、第２の軸は、第１の軸と垂直であってもよい。
さらに、複数の連結部の肘連結部の近位端が、肘連結部の回転が、肘ジョイントの第３の軸を中心として、複数の連結部の連結部の回転を肘連結部の遠位に引き起こすように、複数のジョイントの肘ジョイントにおいて、肩連結部の遠位端に回転可能に結合されてもよい。故に、本システムはさらに、コントローラが、第３のモータに動作可能に結合され、第３のモータに、インピーダンスを肘ジョイントに印加させるようにプログラムされるように、基部内に配置され、肘ジョイントに動作可能に結合される、第３のモータを含んでもよい。肩連結部は、基部に回転可能に結合される、近位肩連結部と、肘連結部に回転可能に結合される、遠位肩連結部とを含んでもよい。遠位肩連結部は、近位肩連結部に対する遠位肩連結部の回転が、肩連結部の縦軸と平行な第４の軸を中心として回転するように、複数の連結部の連結部の回転を遠位肩連結部の遠位に引き起こすように、近位肩連結部に対して回転可能であってもよい。
本システムはさらに、近位肩連結部に対する遠位肩連結部の回転を可能にするように作動され得る、アクチュエータを含んでもよく、非作動状態では、アクチュエータは、近位肩連結部に対する遠位肩連結部の回転を防止する。加えて、複数の連結部の手首連結部の近位端が、手首連結部が、近位手首ジョイントの第５の軸を中心として、肘連結部に対して回転され得るように、複数のジョイントの近位手首ジョイントにおいて、肘連結部の遠位端に回転可能に結合されてもよい。本システムはさらに、肘連結部に対する手首連結部の回転を可能にするように作動され得る、アクチュエータを含んでもよく、非作動状態では、アクチュエータは、肘連結部に対する手首連結部の回転を防止する。手首連結部は、肘連結部の遠位端に回転可能に結合される、近位手首連結部と、第６の軸を中心として、近位手首連結部に回転可能に結合される、中央手首連結部と、第７の軸を中心として、中央手首連結部に回転可能に結合される、遠位手首連結部とを含んでもよい。遠位手首連結部は、外科手術用器具に除去可能に結合されてもよい。
本システムはさらに、基部に結合される、プラットフォームを含んでもよい。プラットフォームは、プラットフォームに対して、基部の垂直および水平移動を可能にし、それによって、プラットフォームに対して、ロボット腕の垂直および水平移動を引き起こしてもよい。プラットフォームは、プラットフォームの移動性を可能にし得る、複数の車輪を含んでもよく、複数の車輪は、プラットフォームの移動性を防止するように作動され得る、制動機構を有する。さらに、コントローラは、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具と関連付けられる、情報を受信するようにプログラムされてもよく、情報は、器具タイプ、重量、質量中心、長さ、または器具シャフト直径のうちの少なくとも１つを含む。
本システムはさらに、複数の外科手術用器具と関連付けられる、情報を有する、データベースを含んでもよく、コントローラは、データベースにアクセスし、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具と関連付けられる、情報を読み出すようにプログラムされる。加えて、本システムは、コントローラが、測定された深度データに基づいて、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具を識別するようにプログラムされるように、深度データを測定し得る、光学スキャナを含んでもよい。さらに、コントローラは、外科手術用器具がロボット腕の遠位端に結合されると、外科手術用器具に対して較正されるようにプログラムされてもよい。
本システムはさらに、ロボット腕のためのモータが全て、基部筐体内に配置されるように、ロボット腕の近位端における、基部筐体と、ロボット腕を制御するためのモータとを含んでもよい。例えば、本システムはさらに、ロボット腕が基部に対して移動し得るように、ロボット腕の近位端に回転可能に結合される、基部と、コントローラが、複数のモータに動作可能に結合され、複数のモータの電流を測定するようにプログラムされるように、複数のジョイントの少なくともいくつかのジョイントに動作可能に結合される、基部内に配置される、複数のモータとを含んでもよい。
コントローラはさらに、複数のモータの測定された電流に基づいて、ロボット腕の遠位端に印加される力を計算するようにプログラムされてもよい。さらに、コントローラは、外科手術用器具がロボット腕の遠位端に結合されると、外科手術用器具の縦軸に基づいて、患者の中への外科手術用器具の進入点をリアルタイムで決定するようにプログラムされてもよい。例えば、コントローラは、外科手術用器具が進入点に対して移動するにつれて、外科手術用器具の縦軸と平行な複数の仮想線の交点を決定することによって、患者の中への外科手術用器具の進入点をリアルタイムで決定するようにプログラムされてもよい。加えて、コントローラは、ロボット腕の遠位端に印加される力、外科手術用器具の長さ、外科手術用器具の質量中心、および進入点に基づいて、外科手術用器具の動作端に印加される力を計算するようにプログラムされてもよい。加えて、コントローラは、ロボット腕の遠位端に印加される力、外科手術用器具の質量中心、および進入点に基づいて、患者の中への外科手術用器具の進入点において患者に印加される力を計算するようにプログラムされてもよい。コントローラはさらに、協調操作式外科手術用システムの障害条件を検出するようにプログラムされてもよく、重大な障害条件が、検出される場合、コントローラは、複数のモータの制動の作動を引き起こしてもよい。さらに、コントローラは、ロボット腕の遠位端に印加される力が、所定の期間内で所定の力閾値を超える場合、第３のインピーダンスをロボット腕に印加し、ロボット腕の移動に抵抗するようにプログラムされてもよい。
本システムはさらに、複数のジョイントの少なくともいくつかのジョイント上に配置される、複数のエンコーダを含んでもよく、複数のエンコーダは、コントローラが、複数のエンコーダによる形成角測定値に基づいて、３Ｄ空間内のロボット腕の遠位端の位置を決定するようにプログラムされ得るように、少なくともいくつかのジョイントにおける、複数の連結部の対応する連結部の形成角を測定してもよい。加えて、本システムは、ロボット腕の複数の連結部の少なくとも１つの連結部上に配置される、１つまたはそれを上回るインジケータを含んでもよく、１つまたはそれを上回るインジケータは、複数の色を照明してもよく、各色は、協調操作式外科手術用システムの状態を示す。例えば、複数の色の第１の色は、ロボット腕が受動モードにあることを示してもよく、複数の色の第２の色は、ロボット腕が協調操作モードにあることを示してもよく、複数の色の第３の色は、ロボット腕が力覚モードにあることを示してもよい。さらに、複数の色の第４の色は、協調操作式外科手術用システムの障害条件がコントローラによって検出されていることを示してもよい。加えて、複数の色の第５の色は、外科手術用器具がロボット腕の遠位端に結合されていないことを示してもよい。
事前に定義された力覚障壁が、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具を誘導し、腹腔鏡下外科手術を補助するために使用されてもよい。例えば、事前に定義された力覚障壁は、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具を、トロカールの中に誘導し得る、力覚漏斗であってもよい。コントローラは、外科手術用器具がロボット腕の遠位端に結合されていないとき、第３のインピーダンスをロボット腕に印加し、ロボット腕の重量を考慮するようにプログラムされてもよい。さらに、受動モードでは、コントローラは、第３のインピーダンスをロボット腕に印加し、外科手術用器具の重量、ロボット腕の重量、および外科手術用器具に印加される外力に起因して、ロボット腕の遠位端に印加される力を考慮し、ロボット腕に、静的位置を維持させるようにプログラムされてもよい。
本システムはさらに、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具と関連付けられる、情報を表示し得る、グラフィカルユーザインターフェースを含んでもよい。グラフィカルユーザインターフェースは、ユーザが、ロボット腕を受動モードに自動的に切り替わらせるための外科手術用器具のハンドルにおける所定の移動量または所定の停留期間、ロボット腕を協調操作モードに自動的に切り替わらせるための外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力の所定の閾値、事前に定義された力覚障壁の位置、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具の識別、ロボット腕の垂直高、またはロボット腕の水平位置のうちの少なくとも１つを調節することを可能にしてもよい。
本システムはさらに、ロボット腕の遠位端に配置される、結合器インターフェースに除去可能に結合され得る、結合器本体を含んでもよい。結合器本体は、それを通して、外科手術用器具の伸長シャフトを受容するようにサイズ決めおよび成形される、管腔を有してもよく、伸長シャフトが管腔内で摺動可能に移動可能である、開放状態と、結合器本体に対する伸長シャフトの縦方向移動が、阻止される一方、結合器本体に対する伸長シャフトの回転移動が、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、可能にされ得る、閉鎖状態との間で遷移してもよい。例えば、結合器本体が、閉鎖状態において、結合器インターフェースに結合されると、ロボット腕は、外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、ロボット腕において印加される力が、所定の閾値を超える場合、腹腔鏡下外科手術を実施するために、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にされてもよい。閉鎖状態では、結合器本体の管腔と外科手術用器具の伸長シャフトとの間の摩擦力に起因して、結合器本体に対する伸長シャフトの縦方向移動は、阻止され得る一方、結合器本体に対する伸長シャフトの回転移動は、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して可能にされる。
加えて、結合器本体は、磁気接続を介して、結合器インターフェースに除去可能に結合されてもよい。コントローラは、結合器本体が、結合器インターフェースに結合されると、磁気接続の整合に基づいて、ロボット腕の遠位端に対する外科手術用器具の配向を決定するようにプログラムされてもよい。本システムはさらに、滅菌ドレープが、腹腔鏡下外科手術の間、外科手術用器具とロボット腕との間の接触を防止するように、結合器本体と結合器インターフェースとの間に配置され得る、滅菌ドレープを含んでもよい。ロボット腕の遠位端は、腹腔鏡、開創器ツール、グラスパツール、または外科手術用切断ツールのうちの少なくとも１つに除去可能に結合されてもよい。例えば、ロボット腕の遠位端が、腹腔鏡に結合されると、コントローラは、腹腔鏡の視野内の１つまたはそれを上回る外科手術用器具のエンドエフェクタを光学的に追跡し、１つまたはそれを上回る外科手術用器具のエンドエフェクタが腹腔鏡の視野内の事前に定義された境界内にないことを決定することに応答して、ロボット腕を、ロボット補助モードに自動的に切り替わらせるようにプログラムされてもよい。さらに、コントローラは、１つまたはそれを上回る外科手術用器具のエンドエフェクタが腹腔鏡の視野内の事前に定義された境界内にあるように、ロボット腕に、腹腔鏡を移動させ、腹腔鏡の視野を調節させるようにプログラムされてもよい。
協調操作式外科手術用システムは、遠隔外科医コンソールにおいて受信されるユーザ入力を介して、遠隔操作され得ない。加えて、協調操作式外科手術用システムは、腹腔鏡下外科手術を実施する外科医が、腹腔鏡下外科手術を実施する間、協調操作式外科手術用システムの任意の部分に接触し、外科手術用器具を移動させないように、構造化されてもよい。さらに、本システムは、深度データを測定するために、光学スキャナ、例えば、ＬｉＤＡＲデバイスを含んでもよい。例えば、コントローラは、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具に印加される移動が、意図されるユーザによるものであるかどうかを決定するようにプログラムされてもよい。加えて、コントローラは、深度データに基づいて、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具を識別するようにプログラムされてもよい。
加えて、本システムは、近位端と、ハンドルと、動作端と、それらの間の伸長シャフトとを有する、第２の外科手術用器具に除去可能に結合され得る、遠位端と、複数の連結部と、近位端と遠位端との間の複数のジョイントとを有する、第２のロボット腕を含んでもよい。故に、コントローラは、第２のロボット腕に動作可能に結合され、第２のロボット腕を、受動モードであって、第２の外科手術用器具のハンドルにおける移動に起因する、第２のロボット腕の移動が、第２のロボット腕と関連付けられる、少なくとも所定の停留期間にわたって、所定の量未満であることを決定することに応答して、コントローラが、受動モードでは、第２のロボット腕に、静的位置を維持させるようにプログラムされ得る、受動モードと、協調操作モードであって、第２の外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、第２のロボット腕において印加される力が、第２のロボット腕と関連付けられる、所定の閾値を超えることを決定することに応答して、コントローラが、協調操作モードでは、第２の外科手術用器具を使用して、腹腔鏡下外科手術を実施するために、第２の外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、第２のロボット腕が自由に移動可能となることを可能にするようにプログラムされ得、コントローラが、協調操作モードでは、第３のインピーダンスを第２のロボット腕に印加し、第２の外科手術用器具およびロボット腕の重量を考慮するようにプログラムされ得る、協調操作モードと、随意に、力覚モードであって、第２のロボット腕の少なくとも一部が、事前に定義された力覚障壁外にあることを決定することに応答して、コントローラが、力覚モードでは、第３のインピーダンスを上回る第４のインピーダンスを第２のロボット腕に印加し、それによって、第２の外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、第２のロボット腕の移動を、力覚モードでは、協調操作モードより粘弾性にするようにプログラムされ得る、力覚モードとの間で自動的に切り替えさせるようにプログラムされてもよい。
本開示の別の側面によると、器具を操作するための協調操作式ロボット型外科手術用デバイスが、提供される。本デバイスは、基部部分と、基部部分と結合される、第１の腕と、第１の腕を基部部分に対して回転させ得る、第１の腕と結合される、モータと、第１の腕の端部部分と結合される、器具と、以下の動作モード、すなわち、受動補助モードと、協調操作補助モードと、ロボット補助モードと、力覚モードとのうちの少なくとも２つに従って、第１の腕を制御するようにプログラムされ得る、コントローラとを含んでもよい。例えば、受動補助モードでは、第１の腕は、静的である。協調操作補助モードでは、第１の腕は、オペレータによって自由に移動可能であり得る一方、モータは、少なくとも部分的に、同時に、第１の腕を移動させ、第１の腕の端部部分と結合される、器具の位置および／または配向を改善し、および／または少なくとも、第１の腕および第１の腕の端部部分と結合される器具上にかかる重力を補償する。ロボット補助モードでは、モータは、第１の腕を移動させ、第１の腕の端部部分と結合される、器具を再位置付けしてもよい。力覚モードでは、第１の腕は、オペレータによって移動可能であり得る一方、モータは、少なくとも、第１の腕および／または第１の腕の端部部分と結合される器具上にかかる重力を補償し、少なくとも、事前に定義された軌道に沿って、器具を誘導し、第１の腕および／または第１の腕の端部部分と結合される器具の望ましくない移動を防止し、特定の空間外の第１の腕の移動を防止および／または特定の空間の中への第１の腕の移動を防止する。
一実施形態では、コントローラは、動作モードの少なくとも３つのうちの任意のものの間で切替可能であってもよい。代替として、コントローラは、４つの動作モードのうちの任意のものの間で切替可能であってもよい。協調操作式ロボット型外科手術用デバイスは、ＲＦＩＤ送信機チップ、バーコード、近距離通信デバイス、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）送信機、および／または第１の腕の端部部分と結合される器具の重量を使用して、第１の腕の端部部分と結合される、特定の器具を自動的に識別するようにプログラムされてもよい。さらに、協調操作式ロボット型外科手術用デバイスは、特定の器具が第１の腕の端部部分と結合されると、オペレータからの任意の付加的入力を伴わずに、動作モードのうちの所定の１つに自動的に変化するようにプログラムされてもよい。例えば、協調操作式ロボット型外科手術用デバイスは、特定の器具が第１の腕の端部部分と結合されると、オペレータからの任意の付加的入力を伴わずに、受動補助モードに変化するようにプログラムされてもよい。
本発明の別の側面によると、ハンドルと、動作端と、それらの間の伸長シャフトとを有する、外科手術用器具を使用して実施される、腹腔鏡下外科手術を補助するための、別の協調操作式外科手術用システムが、提供される。協調操作式外科手術用システムは、近位端と、外科手術用器具に除去可能に結合され得る、遠位端と、複数の連結部と、近位端と遠位端との間の複数のジョイントとを有する、ロボット腕を含んでもよい。ロボット腕の遠位端は、結合器インターフェースを含んでもよい。本システムはさらに、結合器インターフェースに除去可能に結合され得る、結合器本体を含んでもよい。結合器本体は、それを通して、外科手術用器具の伸長シャフトを受容するようにサイズ決めおよび成形される、管腔を含んでもよく、伸長シャフトが管腔内で摺動可能に移動可能である、開放状態と、結合器本体に対する伸長シャフトの縦方向移動が、阻止される一方、結合器本体に対する伸長シャフトの回転移動が、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、可能にされ得る、閉鎖状態との間で遷移してもよい。例えば、結合器本体が、閉鎖状態において、結合器インターフェースに結合されると、ロボット腕は、腹腔鏡下外科手術を実施するために、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にされる。
結合器本体は、磁気接続を介して、結合器インターフェースに除去可能に結合されてもよい。故に、コントローラは、結合器本体が、結合器インターフェースに結合されると、磁気接続の整合に基づいて、ロボット腕の遠位端に対する外科手術用器具の配向を決定するようにプログラムされてもよい。本システムはさらに、滅菌ドレープが、腹腔鏡下外科手術の間、外科手術用器具とロボット腕との間の接触を防止するように、結合器本体と結合器インターフェースとの間に配置され得る、滅菌ドレープを含んでもよい。結合器本体は、１回の腹腔鏡下外科手術後、使い捨てであってもよい。
本発明の別の側面によると、器具、例えば、腹腔鏡下外科手術用器具または内視鏡を外科手術用ロボットの腕に結合するためのデバイスが、提供される。本デバイスは、外科手術において使用するための器具と選択的に結合するようにサイズ決めおよび成形される、本体と、本体と選択的に結合し得、ロボット腕の端部部分と結合され得る、インターフェースとを含んでもよい。例えば、本デバイスは、器具が、デバイスに対して器具の縦軸を中心として回転することを可能にし得、さらに、デバイスに対する器具の縦方向移動を阻止し得る。本体は、器具の外面の一部の周囲に圧着してもよい。例えば、本体は、ヒンジを用いて第２の部分と結合される、第１の部分を含んでもよく、第１の部分は、器具を本体内に形成される陥凹内に選択的に圧着させるように、第２の部分に対して、ヒンジを中心として回転してもよい。
加えて、本体は、器具の外面の一部の周囲に圧着し、通常動作条件下では、本体に対する器具の回転移動を防止してもよい。例えば、インターフェースは、本体をその中に除去可能に受容するようにサイズ決めおよび成形される、陥凹を含んでもよい。インターフェースの陥凹は、インターフェースに対する本体の縦方向移動を阻止し、インターフェースに対する本体の回転移動を可能にし得る。さらに、本デバイスは、その中で器具がデバイスから除去可能である、第１の状態と、その中で器具がデバイスから除去可能ではない、第２の状態との間で移動してもよい。本体は、本体の表面から離れるように延在する、１つまたはそれを上回る突起を有してもよく、インターフェースは、１つまたはそれを上回る突起を受容し、本体とインターフェースを整合させるための１つまたはそれを上回る凹部を有してもよい。
本発明のさらに別の側面によると、外科手術手技を実施するための協調操作式外科手術用ロボットシステムが、提供される。本システムは、基部と、基部と結合される、腕と、基部に対して腕を移動させ得る、腕と結合される、モータとを有する、第１の外科手術用ロボットと、腕を制御するようにプログラムされる、コントローラと、深度データを収集し得る、光学スキャナとを含んでもよい。例えば、光学スキャナは、協調操作式外科手術用ロボットに対する器具の位置および配向に関連する深度データを収集してもよい。本システムは、深度データを使用して、器具が第１の外科手術用ロボットと結合されているかどうかを決定するようにプログラムされてもよい。さらに、本システムは、少なくとも部分的に、深度データに基づいて、器具の識別を決定するようにプログラムされてもよい。
光学スキャナは、器具の位置および移動に関連する深度データを収集してもよく、器具は、外科医によって自由に保持され、外科手術用ロボットと結合され得ない。さらに、光学スキャナは、患者の中に挿入されるトロカールに関連する深度データを収集してもよい。故に、本システムは、トロカールの位置が閾値量を上回って変化する場合、第１の外科手術用ロボットの腕および／または基部を移動させるようにプログラムされてもよい。本システムはさらに、第２の基部と、第２の基部と結合される、第２の腕と、第２の腕と結合され、第２の腕を第２の基部に対して移動させ得る、第２のモータとを有する、第２の外科手術用ロボットを含んでもよい。光学スキャナは、１０メートルの範囲において、少なくとも５ｍｍの正確度を有してもよい。光学スキャナはさらに、外科手術手技の間、外科医の手に関連する深度データを収集してもよい。
さらに、コントローラは、以下の動作モード、すなわち、上記に説明されるように、受動補助モードと、協調操作補助モードと、ロボット補助モードと、力覚モードとのうちの少なくとも１つに従って、第１の外科手術用ロボットの腕を制御するようにプログラムされてもよい。光学スキャナは、深度データを使用して、第１の外科手術用ロボットの腕と、患者、少なくとも第１の外科手術用ロボットを支持する支持プラットフォーム、別の外科手術用ロボット、および／または手術室内の別の物体との間の潜在的不注意による衝突を識別し、ユーザに、潜在的不注意による衝突を警告し、および／または第１の外科手術用ロボットの腕の移動を阻止し、そのような衝突を回避してもよい。加えて、第１の外科手術用ロボットは、支持プラットフォームによって支持されてもよく、協調操作式外科手術用ロボットシステムは、光学スキャナによって収集された深度データに基づいて、第１の外科手術用ロボットを支持プラットフォームに対して移動させ、支持プラットフォーム上の第１の外科手術用ロボットの位置を最適化するようにプログラムされてもよい。加えて、光学スキャナは、外科手術手技の間、外科医の手の移動を記録するために使用される、深度データを収集してもよい。
本発明の別の側面によると、外科手術手技を実施するための別の協調操作式外科手術用ロボットシステムが、提供される。本システムは、基部と、基部と結合される、腕と、腕と結合される、モータとを有する、外科手術用ロボットと、患者の周囲の１つまたはそれを上回る物体の移動を追跡し得る、光学スキャナと、光学センサから、１つまたはそれを上回る物体の移動に関するデータを収集し、１つまたはそれを上回る物体の移動に応答して、外科手術用ロボットの腕を移動させるようにプログラムされる、コントローラとを含んでもよい。
本発明の別の側面によると、器具の操作を補助するための協調操作式ロボット型外科手術用システムが、提供される。本システムは、基部と、基部と結合される、腕であって、複数の腕区画と、複数の関節運動ジョイントとを有する、腕と、腕と結合される、複数のモータであって、複数の腕区画を複数の関節運動ジョイントを中心として回転させ得る、複数のモータと、少なくとも複数のモータを制御するようにプログラムされる、コントローラとを含んでもよい。例えば、腕は、ユーザが、直接、腕上に、および／または直接、腕と結合される器具上に、力を付与することによって、移動可能であってもよい。さらに、本システムは、腕および／または腕と結合される器具の第１の動作特性に関連するデータを収集するようにプログラムされてもよい。加えて、コントローラは、第１の動作特性に関連するデータを分析し、第１の条件が存在するかどうかを検出し、第１の条件が検出される場合、腕の第１の動作パラメータを修正するようにプログラムされてもよい。
本システムは、外科手術手技の間に収集されたデータと、器具を使用する同一ユーザに関する同一外科手術手技に関連する履歴データを比較し、第１の条件が存在するかどうかを検出するようにプログラムされてもよい。本システムはさらに、光学スキャナ、腕上に位置付けられる、１つまたはそれを上回るセンサ、および／または内視鏡を含み、腕および／または腕と結合される器具の第１の動作特性に関連するデータを収集してもよい。コントローラは、撮像デバイスの位置および／または配向が、器具の画像を捕捉するためのカメラの好ましいまたは最適な位置にない場合、腕によって支持される撮像デバイスの位置および／または配向を好ましいまたは最適な位置および／または配向に自動的に変化させるようにプログラムされてもよい。加えて、コントローラは、腕と結合される器具が置換されているかどうかを検出するようにプログラムされてもよい。
加えて、本システムは、第１のロボット腕に印加される１つまたはそれを上回る力の大きさおよび持続時間を検出し、さらに、腕に印加される力の変化が、閾値持続時間にわたって、第１の所定の値を満たすまたはそれを超える場合、第１の条件が存在することを検出するようにプログラムされてもよい。本システムはさらに、腕の遠位端におけるエンドエフェクタが向いている、実際の方向または実際の近似方向と、器具がエンドエフェクタと結合された場合、エンドエフェクタが向くであろう、計算された方向または計算された近似方向とを計算し、実際の方向または実際の近似方向と、計算された方向または計算された近似方向を比較し、実際の方向または実際の近似方向および計算された方向または計算された近似方向が異なるかどうかを決定するようにプログラムされてもよい。コントローラは、腕と結合される第１の器具が第２の器具によって置換される場合、コントローラが、第２の器具と関連付けられる、データファイルを更新するようにプログラムされてもよく、第２の器具と関連付けられる、データファイルは、少なくとも第２の器具の重心と、第２の器具の粘弾性パラメータとを含む。
加えて、コントローラは、腕と結合される器具の遠位端において付与される力の大きさが、第１の値以上であるかどうか、および／またはそれを通して器具が通過する、トロカール上に付与される力の大きさが、第２の値以上であるかどうかを検出し、腕と結合される器具の遠位端に付与される力の大きさが、第１の値以上である場合、および／またはそれを通して器具が通過する、トロカール上に付与される力の大きさが、第２の値以上である場合、アラートを腕のユーザに提供するようにプログラムされてもよい。さらに、コントローラは、腕および／または腕と結合される器具の停留時間が、閾値停留時間以上であるかどうかを検出し、さらに腕および／または腕と結合される器具の停留時間が、閾値停留時間以上である場合、腕の動作状態を静的保持状態に変化させるようにプログラムされてもよく、停留時間は、腕および／または腕と結合される器具が静的位置に保持される、時間量である。
静的保持状態では、本システムは、システムのユーザによって、腕および／または腕によって保持される器具に印加される力が、事前に定義された閾値解放力値以上であるときを除き、腕を静的位置に保持し、腕の静的位置からの腕の移動を阻止するようにプログラムされてもよい。腕および／または腕と結合される器具は、腕が、停留時間の間、５ｍｍを上回って、任意の方向に移動されないとき、静的位置に保持されていると見なされ得る。いくつかの実施形態では、閾値停留時間は、０．５秒未満であってもよい。加えて、コントローラは、コントローラが、コントローラが、ユーザが第１の器具を腕から除去するように試行していることを検出する場合、腕によって第１の器具に印加される結合力を低減させるようにプログラムされ得るように、ユーザが第１の器具を腕から除去するように試行しているかどうかを検出するようにプログラムされてもよい。
本システムはさらに、少なくとも基部を支持するための支持プラットフォームを含んでもよい。故に、コントローラは、外科手術手技が始動されているかどうかを検出し、コントローラが、外科手術手技が始動されていることを検出する場合、外科手術手技が開始する前に、特定の外科手術手技のために、基部を支持する支持プラットフォームを初期位置に移動させ、および／または腕を初期位置および／または配向に移動させるようにプログラムされてもよい。
本発明のさらに別の側面によると、器具の操作を補助するための別の協調操作式ロボット型外科手術用システムが、提供される。
本システムは、基部と、基部と結合される、腕であって、複数の腕区画と、複数の関節運動ジョイントとを有する、腕と、腕と結合される、複数のモータであって、複数の腕区画を複数の関節運動ジョイントを中心として回転させ得る、複数のモータと、少なくとも複数のモータを制御するようにプログラムされる、コントローラとを含んでもよい。例えば、腕は、ユーザが、直接、腕上に、および／または直接、腕と結合される器具上に、力を付与することによって、移動可能であってもよい。第１のユーザの識別に応じて、本システムは、協調操作式ロボット型外科手術用システムの動作特性を修正するように構成される、少なくとも第１の動作パラメータを含む、第１のユーザと関連付けられる、データファイルを自動的にロードするようにプログラムされてもよい。故に、コントローラは、少なくとも第１の動作パラメータに従って、複数のモータを制御するようにプログラムされてもよい。
第１の外科医と関連付けられる、データファイルの第１の動作パラメータは、少なくとも部分的に、第１のユーザによって実施された以前の外科手術手技の間に収集されたデータに基づいてもよい。加えて、第１のユーザと関連付けられる、データファイルの第１の動作パラメータは、少なくとも部分的に、第１のユーザのための手動で打ち込まれた選好に基づいてもよい。本システムは、光学スキャナを使用して、第１のユーザを自動的に識別するようにプログラムされてもよい。加えて、協調操作式システムは、第１のユーザの識別の手動入力に応じて、第１のユーザと関連付けられる、データファイルを自動的にロードするようにプログラムされてもよい。第１のユーザと関連付けられる、データファイルは、第１のユーザによって実施された手技から収集された停留時間データに基づく、閾値停留時間値、および／または第１のユーザのための手動で入力された選好を含んでもよい。さらに、第１のユーザと関連付けられる、データファイルは、第１のユーザによって実施された手技から収集されたデータに基づく停留速さ値および／または第１のユーザのための手動で入力された選好を含んでもよい。
加えて、第１のユーザと関連付けられる、データファイルは、コントローラが、第１のユーザによって実施された手技から収集された腹腔鏡下視野データに従って、腹腔鏡の位置および／または配向を自動的に変化させるようにプログラムされ得るように、第１のユーザによって実施された手技から収集された腹腔鏡下視野データに基づく、腹腔鏡下視野パラメータを含んでもよい。第１のユーザと関連付けられる、データファイルは、第１のユーザによって実施された過去の手技から収集された設定ジョイント位置データに基づく、設定ジョイントパラメータを含んでもよい。加えて、データファイルは、第１のユーザによって入力される器具較正値に基づく、器具較正パラメータを含んでもよい。第１の動作パラメータは、第１のユーザの姿勢、第１のユーザの身長、または第１のユーザの利き手のうちの少なくとも１つに基づいてもよい。
さらに、コントローラは、第１のユーザによって実施された手技から収集されたデータに基づいて、腕と結合される器具が、最適なまたは好ましい場所にないときを自動的に検出し、器具が最適なまたは好ましい場所にあるように、腕を移動させるようにプログラムされてもよい。加えて、本システムは、腕および／または腕と結合される器具の停留時間が閾値停留時間未満であるときでも、第１のユーザが、本システムの動作モードを静的保持モードに変化させることを所望するときを検出するようにプログラムされてもよい。データファイルは、協調操作式外科手術用ロボットシステムと通信するネットワークデータベースから通信可能であってもよい。加えて、第１のユーザと関連付けられる、データファイルの第１の動作パラメータは、少なくとも部分的に、複数のユーザによって実施される以前の外科手術手技の間に収集されたデータに基づいてもよい。
図１Ａおよび１Ｂは、外科医および１人またはそれを上回る助手によって実施される、従来の腹腔鏡下手技を図示する。
図２は、本開示の原理に従って構築される、例示的協調操作式外科手術用システムを図示する。
図３Ａ－３Ｄは、本開示の原理に従って構築される、図２のシステムの例示的ロボット腕を図示する。 図３Ａ－３Ｄは、本開示の原理に従って構築される、図２のシステムの例示的ロボット腕を図示する。 図３Ａ－３Ｄは、本開示の原理に従って構築される、図２のシステムの例示的ロボット腕を図示する。 図３Ａ－３Ｄは、本開示の原理に従って構築される、図２のシステムの例示的ロボット腕を図示する。
図４Ａおよび４Ｂは、本開示の原理に従って構築される、図３Ａ－３Ｄのロボット腕の例示的手首部分を図示する。 図４Ａおよび４Ｂは、本開示の原理に従って構築される、図３Ａ－３Ｄのロボット腕の例示的手首部分を図示する。
図４Ｃは、図４Ａおよび４Ｂの手首部分の例示的外科手術用器具結合機構の拡大図である。
図４Ｄは、本開示の原理に従って構築される、図４Ｃの外科手術用器具結合機構の例示的ロボット腕結合器インターフェースの拡大図である。
図５Ａおよび５Ｂは、本開示の原理に従って構築される、図４Ｃの外科手術用器具結合機構の例示的外科手術用器具結合器本体を図示する。
図６Ａは、本開示の原理に従って構築される、代替の例示的外科手術用器具結合器本体を図示する。
図６Ｂ－６Ｄは、本開示の原理による、図６Ａの結合器本体の外科手術用開創器デバイスへの取付を図示する。 図６Ｂ－６Ｄは、本開示の原理による、図６Ａの結合器本体の外科手術用開創器デバイスへの取付を図示する。 図６Ｂ－６Ｄは、本開示の原理による、図６Ａの結合器本体の外科手術用開創器デバイスへの取付を図示する。
図７Ａは、本開示の原理に従って構築される、別の代替の例示的外科手術用器具結合器本体を図示する。
図７Ｂ－７Ｄは、本開示の原理による、図７Ａの結合器本体の外科手術用腹腔鏡デバイスへの取付を図示する。 図７Ｂ－７Ｄは、本開示の原理による、図７Ａの結合器本体の外科手術用腹腔鏡デバイスへの取付を図示する。 図７Ｂ－７Ｄは、本開示の原理による、図７Ａの結合器本体の外科手術用腹腔鏡デバイスへの取付を図示する。
図８Ａおよび８Ｂは、滅菌ドレープ準備完了構成における、ロボット腕を図示する。
図９Ａおよび９Ｂは、滅菌ドレープ内に被覆される、ロボット腕を図示する。
図１０Ａ－１０Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の肩連結部の回転を図示する。 図１０Ａ－１０Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の肩連結部の回転を図示する。 図１０Ａ－１０Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の肩連結部の回転を図示する。 図１０Ａ－１０Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の肩連結部の回転を図示する。
図１１Ａは、本開示の原理による、光学スキャナを有する、例示的協調操作式外科手術用システムを図示し、図１１Ｂは、図１１Ａの光学スキャナを図示する。
図１２は、本開示の原理による、図１１Ａの協調操作式外科手術用システムを動作させるユーザを図示する。
図１３Ａは、腹腔鏡下外科手術手技の間の光学スキャナの視野を図示し、図１３Ｂは、図１３Ａの光学スキャナの視野の深度マップを図示する。 図１３Ａは、腹腔鏡下外科手術手技の間の光学スキャナの視野を図示し、図１３Ｂは、図１３Ａの光学スキャナの視野の深度マップを図示する。
図１４は、本開示の原理による、協調操作式ロボットプラットフォーム内に含まれ得る、いくつかの例示的構成要素を示す。
図１５は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムの動作を図示する、フローチャートである。
図１６は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムの外科手術用器具較正を図示する、フローチャートである。
図１７は、本開示の原理による、ロボット腕の動作を図示する、フローチャートである。
図１８Ａおよび１８Ｂは、腹腔鏡下外科手術手技の間、ロボット腕に結合される、外科手術用器具に印加される力を図示する、自由体図である。
図１９は、本開示の原理による、ロボット腕の受動モードのいくつかの配列に関連する、例示的値の表である。
図２０は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムのいくつかの特徴および能力の例示的概要を図示する。
図２１は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムのいくつかの電気構成要素およびコネクティビティの概略概要である。
図２２は、本開示の原理による、光学スキャナからのデータの入手および処理の例示的プロセスおよびデータの例示的用途を図示する、フローチャートである。
図２３は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムのデータフローの概略概要である。
図２４は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムのデータフローの別の概略概要である。
図２５は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムのデータフローおよび出力制御の概略概要である。
図２６は、本開示の原理による、協調操作式外科手術用システムのネットワーク内のデータフローの概略概要である。
図２７Ａ－２７Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の垂直および水平移動を図示する。 図２７Ａ－２７Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の垂直および水平移動を図示する。 図２７Ａ－２７Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の垂直および水平移動を図示する。 図２７Ａ－２７Ｄは、本開示の原理による、ロボット腕の垂直および水平移動を図示する。
図２８Ａ－２８Ｄは、協調操作式外科手術用システムの例示的グラフィカルユーザインターフェースを図示する。 図２８Ａ－２８Ｄは、協調操作式外科手術用システムの例示的グラフィカルユーザインターフェースを図示する。 図２８Ａ－２８Ｄは、協調操作式外科手術用システムの例示的グラフィカルユーザインターフェースを図示する。 図２８Ａ－２８Ｄは、協調操作式外科手術用システムの例示的グラフィカルユーザインターフェースを図示する。
図２９は、本開示の原理に従って構築される、代替の協調操作式外科手術用システムの概略図である。
図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。 図３０Ａ－４３は、本開示の原理に従って構築される、種々の代替の外科手術用器具結合機構を図示する。
詳細な説明
本明細書に開示されるものは、外科手術手技、例えば、腹腔鏡下手技を実施する際、オペレータ、例えば、外科医を補助するための協調操作式外科手術用ロボットシステムと、その使用の方法とである。現在、腹腔鏡下手技は、典型的には、外科医および１人またはそれを上回る助手を要求する。例えば、図１Ａに示されるように、腹腔鏡下手技の間、助手Ａ１は、外科医Ｓのために、開創器デバイス１２を保持し、組織を暴露することが要求され得る一方、別の助手Ａ２は、手技の間、腹腔鏡デバイス１０を保持し、ディスプレイ（図示せず）を介して、患者内の外科手術空間の視野を外科医Ｓに提供することが要求され得る。図１Ａに示されるように、助手Ａ２は、外科医が、付加的外科手術用器具、例えば、外科手術用器具１４および１６を能動的に動作させている間、非実践的位置において、例えば、外科医Ｓの腕の間から、腹腔鏡デバイス１０を保持することが要求され得る。さらに図１Ａに示されるように、外科医Ｓは、外科医によって所望される視野を達成するため、助手Ａ２によって保持される腹腔鏡デバイス１０を誘導／再位置付けするために、外科手術用器具１６から手を放す必要があり得る。
図１Ｂに示されるように、レール搭載型整形外科開創器１８が、他のタスクのために外科医および／または助手の手を自由にするための試行において、かつ安定性のために、腹腔鏡下手技の間、１つまたはそれを上回る外科手術用器具を定位置に保持するために使用され得る。図１Ｂに示されるように、第１のレール搭載型整形外科開創器１８ａは、係止部２２ａの作動に応じて、腹腔鏡デバイス１０と係合し、定位置に保持するために、開創器端２０ａを含んでもよい。例えば、係止部２２ａは、開創器１８ａが、手動で、患者に対して所望の場所に位置付けられ、再係合され、開創器１８ａ、故に、そこに結合される腹腔鏡下デバイス１０を所望の位置に係止し得るように、係脱されてもよい。図１Ｂに示されるように、開創器端２０ｂを有する、第２のレール搭載型整形外科開創器１８ｂも、手技の間、係止部２２ｂの作動に応じて、別の外科手術用器具と係合し、定位置に保持するために使用され得る。したがって、開創器１８ａおよび１８ｂは、個別のツールを再位置付けし、定位置にロックするために、係止部２２ａおよび２２ｂと、かつ開創器１８ａおよび１８ｂ自体とも、広範な手動相互作用を要求する。
本明細書に説明される協調操作式外科手術用ロボットシステムは、外科医および／または助手が、必要に応じて、種々の既製の外科手術用器具をシームレスに位置付け、したがって、人間および機械的解決策の両方に固有のワークフロー限界を回避し得るように、優れた制御および安定性を提供する。例えば、協調操作式外科手術用ロボットシステムのロボット腕は、手技全体を通して安定して、第１のロボット腕を介して、第１の外科手術用器具、例えば、腹腔鏡と、第２のロボット腕を介して、第２の外科手術用器具、例えば、開創器とを保持することによって、外科手術補助を提供し、外科手術用部位の最適視野を提供し、外科手術用器具によって、トロカール点における身体壁に印加される力の変動性を低減させ得る。当業者によって理解されるであろうように、本明細書に説明される協調操作式外科手術用ロボットシステムのロボット腕は、好ましくは、例えば、内視鏡／腹腔鏡、開創器、グラスパ、外科手術用鋏、持針器、持針器、クランプ、縫合器具、焼灼器ツール、ステープラ、クリップアプライヤ等を含む、腹腔鏡下手技等外科手術手技のために使用される、細長い器具シャフトを有する、任意の外科手術用器具を保持してもよい。
協調操作式外科手術用ロボットシステムはさらに、外科医が、必要であるとき、両方のツールを容易に操縦することを可能にし、手技にわたって優れた制御および安定性および全体的安全性を提供する。本明細書に説明されるシステムの任意の実装は、外科医が、患者ベッドサイドにおいて、滅菌状態のまま、直接、器具を協調操作することを可能にする。例えば、本システムは、外科医によって、腹腔鏡および開創器の両方を保持するために使用され得る、２つのロボット腕を含んでもよい。外科手術手技の間、本システムは、器具のいずれかをシームレスに再位置付けし、外科術野の最適可視化および暴露を提供してもよい。器具は両方とも、直接、本システムのロボット腕に結合されてもよく、本システムは、常に、手技全体を通して、２つの器具および／または２つのロボット腕の位置を監視および記録してもよい。さらに、本システムは、例えば、外科手術用進入ポートの位置、外科医の手の位置および移動、外科手術用器具の位置および配向、ロボット腕に取り付けられているかどうか、患者位置、および患者台の配向および高さを含む、ロボット腕に取り付けられる、外科手術用器具の位置および配向、ロボット腕に取り付けられる、外科手術用器具の近位および遠位端において印加される力に関連するセンサ読取値、各器具を定位置に保持するために要求される力、内視鏡下ビデオストリーム、アルゴリズムパラメータ、光学走査デバイスを用いて捕捉された手術室３Ｄストリーム等の情報を記録してもよい。
そのようなデータは、いくつかの実装では、本システムの動作の１つまたはそれを上回る側面を制御するために使用される、アルゴリズムを開発するために使用され得る、履歴データのデータベースを開発するために使用されてもよい。加えて、そのようなデータは、手技の間、本システムの動作の１つまたはそれを上回る側面／本システムの１つまたはそれを上回るアルゴリズムを制御するために使用されてもよい。例えば、データは、本システムのユーザの疲労のレベルを査定するために使用されてもよい。
オペレータが、移動をロボット腕に結合される外科手術用器具に印加することによって、協調操作式外科手術用ロボットシステムのロボット腕を操作するにつれて、本システムは、事前に定義された条件の決定に応じて、自動的に、ロボット腕を種々の動作モード間で遷移させてもよい。例えば、本システムは、受動モードでは、ロボット腕が、静的位置を維持し、例えば、機器への損傷および／または患者への傷害を防止するように、外科手術用器具のハンドルにおける移動に起因する、ロボット腕の移動が、少なくとも所定の停留期間にわたって、所定の量未満であることを決定することに応答して、ロボット腕を受動モードに遷移させてもよい。加えて、本システムは、協調操作モードでは、ロボット腕が、外科手術用器具を使用して、腹腔鏡下外科手術を実施するために、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にされる一方、第１のインピーダンスが、協調操作モードでは、ロボット腕に印加され、外科手術用器具およびロボット腕の重量を考慮するように、外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、ロボット腕において印加される力が、所定の閾値を超えることを決定することに応答して、ロボット腕を協調操作モードに遷移させてもよい。さらに、本システムは、力覚モードでは、第１のインピーダンスを上回る第２のインピーダンスが、ロボット腕に印加され、それによって、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、ロボット腕の移動を、力覚モードでは、協調操作モードより粘弾性にするように、ロボット腕の少なくとも一部が事前に定義された力覚障壁外にあることを決定することに応答して、ロボット腕を力覚モードに遷移させてもよい。本システムはさらに、そこに取り付けられる外科手術用器具を、例えば、計画された軌道に沿って誘導するために、または外科手術空間内の別の物体または人物との衝突を回避するために、ロボット腕の自動化された移動を正当とする、種々の条件を検出することに応答して、ロボット腕をロボット補助モードに遷移させてもよい。
ここで図２を参照すると、協調操作式外科手術用ロボットシステム２００が、提供される。図２に示されるように、システム２００は、１つまたはそれを上回るロボット腕３００、例えば、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂ（ロボット腕３００はそれぞれ、外科手術用器具に除去可能に結合するための外科手術用器具結合器インターフェース４００を有する）を支持するようにサイズ決めおよび成形される、プラットフォーム１００、例えば、外科手術用カートと、プラットフォーム１００およびロボット腕３００に動作可能に結合される、コンピューティングシステムとを含んでもよい。図２に示されるように、システム２００はさらに、動作情報を表示し、かつユーザ入力を受信するために、グラフィカルユーザインターフェースディスプレイ１１０を含んでもよい。
加えて、ロボット腕３００はそれぞれさらに、個別のロボット腕と関連付けられる動作モードをリアルタイムで視覚的に示すために、インジケータ３３４を含んでもよい。例えば、インジケータ３３４は、少なくとも、ロボット腕の肘ジョイント上に位置付けられてもよい。加えて、または代替として、インジケータ３３４は、システム２００上、例えば、プラットフォーム１００上、ディスプレイ１１０上等の、いずれかの場所に設置されてもよい。さらに、インジケータ３３４は、様々な明確に異なる色において、かつ明確に異なるパターン、例えば、点灯または点滅において照明し得る、ライト、例えば、ＬＥＤライトを含んでもよい。例えば、システム２００の各動作モードは、赤色、黄色、青色、緑色、紫色、白色、橙色等の一意に着色された光と関連付けられてもよい。故に、インジケータ３３４は、１つの動作モードから別の動作モードへの遷移を示してもよい。
図２に示されるように、プラットフォーム１００は、独立して、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂをプラットフォーム１００に対して垂直に移動させるための垂直延在部１０６と、独立して、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂをプラットフォーム１００に対して水平に移動させるための水平延在部１０８とを含み、それによって、ロボット腕３００を患者に対して設置する際のオペレータ柔軟性を可能にしてもよい。さらに、プラットフォーム１００は、複数の車輪１０４、例えば、キャスタ車輪を含み、手術室内でのプラットフォーム１００、故に、ロボット腕３００の移動性を提供してもよい。車輪１０４はそれぞれ、制動機構を含んでもよく、これは、車輪１０４を介して、プラットフォーム１００の移動を防止するように作動され得る。故に、プラットフォーム１００は、独立して、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂのそれぞれを、床に向かったおよびそこから離れるような第１または垂直方向、患者に向かったおよびそこから離れるような第２または水平方向、および／または患者の身長に沿った第３の方向または水平方向を含む、任意の方向に移動させてもよい。いくつかの実施形態では、プラットフォーム１００は、同時に、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂを同一方向に移動させてもよい。動作のために準備完了となると、プラットフォーム１００は、患者のベッドの側面における所望の位置に移動され、車輪１０４を介して、定位置に係止されてもよく、ロボット腕３００ａおよび３００ｂの垂直および水平位置は、グラフィカルユーザインターフェースディスプレイ１１０によって受信されるユーザ入力に応答して、垂直延在部１０６および水平延在部１０８を介して、手技のために、患者に対して最適位置に調節されてもよい。
外科手術用ロボットシステム２００は、ユーザが、ユーザによって外科手術用器具に提供される力入力に応答して、ロボット腕と結合される１つまたはそれを上回る外科手術用器具の操作に起因して、ロボット腕３００ａおよび／またはロボット腕３００ｂを自由に移動させることを可能にすることによって、システム２００が、ユーザまたはオペレータ、例えば、外科医および／または外科手術助手を補助し得るように、協調操作のために構成される。故に、システム２００は、ロボット腕３００が、直接、オペレータによるそこに結合される外科手術用器具の移動に応答して、移動する一方、外科手術用器具および個別のロボット腕の質量を補償し、ロボット腕に沿って、局在化されたインピーダンスを提供し、それによって、オペレータが外科手術用器具を操作するにつれたオペレータの移動または作用の正確度を増加させるように、遠隔で制御されないように構成され得る。
システム２００は、特に、例えば、カニューレを介して、患者の身体の中に挿入され、外科手術介入を可能にし得る、細長い器具を利用する、腹腔鏡下外科手術手技および／または他の外科手術手技において有用であり得る。当業者によって理解されるであろうように、システム２００は、任意の所望または好適な外科手術のために使用されてもよい。さらに、システム２００は、システム２００のオペレータが、結合器インターフェース４００を介してロボット腕３００と結合される、器具の使用を視認および監視し得るように、１つまたはそれを上回るカメラおよび／または１つまたはそれを上回る内視鏡によって提供される、ビデオ監視と併用または協働して使用されてもよい。例えば、ロボット腕３００ａは、内視鏡と除去可能に結合され、それを操作してもよい一方、ロボット腕３００ｂは、外科手術用器具と除去可能に結合され、それを操作してもよい。
ここで図３Ａ－３Ｄを参照すると、外科手術用支持腕、例えば、ロボット腕３００が、提供される。上記に説明されるように、システム２００は、複数のロボット腕、例えば、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂを含んでもよい。しかしながら、各ロボット腕は、同じように構築され得るため、単一ロボット腕のみが、簡潔にするために、集合的に、ロボット腕３００として、図３Ａ－３Ｄに関して説明される。本明細書に説明されるロボット腕の側面は、Ｌｏｕｖｅａｕの米国特許第１０，１１８，２８９号（その全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる）からの構造を利用してもよい。ロボット腕３００は、基部部分から延在する、複数の腕区画／連結部と、複数の関節運動ジョイント１０６とを含んでもよい。例えば、ロボット腕３００は、基部部分と、肩部分と、肘部分と、手首部分とを含み、それによって、人間の腕の運動学を模倣してもよい。図３Ａに示されるように、ロボット腕３００は、基部を含んでもよく、これは、基部ジョイント３０３において、肩部分３０４に回転可能に結合される、基部部分３０２を含む。例えば、肩部分３０４は、基部部分３０２の上部に着座してもよく、基部ジョイント３０３において、軸Ｑ１を中心として、基部部分３０２に対して回転されてもよい。いくつかの実施形態では、ロボット腕３００は、入れ替えられる、取り替えられる、または任意の所望の配列において基部と結合されてもよい。
ロボット腕３００はさらに、肩連結部３０５を含んでもよく、これは、遠位肩連結部３０８に回転可能に結合される、近位肩連結部３０６を含む。近位肩連結部３０６の近位端が、近位肩連結部３０６が、肩ジョイント３１８において、軸Ｑ２を中心として、肩部分３０４に対して回転され得るように、肩ジョイント３１８において、基部の肩部分３０４に回転可能に結合されてもよい。図３Ａに示されるように、軸Ｑ２は、軸Ｑ１と垂直であってもよい。近位肩連結部３０６の遠位端が、遠位肩連結部３０８が、ジョイント３２０において、軸Ｑ３を中心として、近位肩連結部３０６に対して回転され得るように、ジョイント３２０において、遠位肩連結部３０８の近位端に回転可能に結合されてもよい。図３Ａに示されるように、軸Ｑ３は、肩連結部３０５の縦軸と平行であってもよい。加えて、ロボット腕３００は、遠位肩連結部３０８が、アクチュエータ３３０の作動に応じて、近位肩連結部３０６に対してのみ回転され得るように、遠位肩連結部３０８および／または近位肩連結部３０６に動作可能に結合される、アクチュエータ３３０、例えば、レバー、ボタン、またはスイッチを含んでもよい。故に、軸Ｑ３は、図１０Ａ－１０Ｄに関してさらに詳細に説明されるように、遠位肩連結部３０８が、ロボット腕３００が外科手術手技において使用される、動作段階に先立って、設定段階の間、近位肩連結部３０６に対して回転および固定され得るような、「設定」軸であってもよい。
いくつかの実施形態では、遠位肩連結部３０８は、アクチュエータ３３０の作動に応じて、事前に定義された増分において、近位肩連結部３０６に対して手動で回転されてもよい。代替として、アクチュエータ３３０の作動に応じて、遠位肩連結部３０８は、アクチュエータ３３０が解放されるまで、近位肩連結部３０６に対して自動的に回転されてもよい。例えば、アクチュエータ３３０は、アクチュエータ３３０の作動に応じて、関連付けられるモータが、遠位肩連結部３０８を近位肩連結部３０６に対して回転させるように、遠位肩連結部３０８および／または近位肩連結部３０６に動作可能に結合される、モータに動作可能に結合される、ボタンまたはスイッチであってもよい。好ましくは、モータは、ロボット腕３００の基部内に配置される、または代替として、モータは、肩連結部３０５上に配置されてもよい。故に、アクチュエータ３３０は、二重作動、例えば、遠位肩連結部３０８を肩連結部３０６に対して第１の方向に回転させるための第１の作動と、遠位肩連結部３０８を第１の方向と対向する第２の方向に回転させるための第２の作動とを可能にする、ボタンまたはスイッチであってもよい。いくつかの実施形態では、ボタンまたはスイッチは、ディスプレイ１１０等のグラフィカルユーザインターフェース上に位置してもよい。
ロボット腕３００はさらに、肘連結部３１０を含んでもよい。肘連結部３１０の近位端が、肘連結部３１０が、肘ジョイント３２２において、軸Ｑ４を中心として、遠位肩連結部３０８に対して回転され得るように、肘ジョイント３２２において、遠位肩連結部３０８の遠位端に回転可能に結合されてもよい。ロボット腕３００はさらに、手首部分３１１を含んでもよく、これは、図４Ａおよび４Ｂにさらに示されるように、手首ジョイント３２４において、肘連結部３１０の遠位端に回転可能に結合される、近位手首連結部３１２と、ジョイント３２６において、近位手首連結部３１２に回転可能に結合される、中央手首連結部３１４と、ジョイント３２８において、中央手首連結部３１４に回転可能に結合される、遠位手首連結部３１６とを含んでもよい。故に、手首部分３１１は、手首ジョイント３２４において、軸Ｑ５を中心として、肘連結部３１０に対して回転されてもよく、中央手首部分３１４は、ジョイント３２６において、軸Ｑ６を中心として、近位手首連結部３１２に対して回転されてもよく、遠位手首連結部３１６は、ジョイント３２８において、軸Ｑ７を中心として、中央手首連結部３１４に対して回転されてもよい。加えて、図４Ｂに示されるように、ロボット腕３００は、近位手首連結部３１２が、アクチュエータ３３２の作動に応じて、肘連結部３１０に対してのみ回転され得るように、アクチュエータ３３２、例えば、肘連結部３１０および／または近位手首連結部３１２に動作可能に結合される、レバー、ボタン、またはスイッチを含んでもよい。故に、軸Ｑ５は、近位手首連結部３１２が、ロボット腕３００が外科手術手技において使用される、動作段階に先立って、設定段階の間、肘連結部３１０に対して回転および固定され得るような、「設定」軸であってもよい。いくつかの好ましい実施形態では、アクチュエータ３３２の作動に応じて、近位手首連結部３１２は、事前に定義された増分において、肘連結部３１０に対して手動で回転され、それによって、付加的モータおよび／または電子機器をロボット腕３００の遠位領域に有する必要性を除去してもよい。代替として、アクチュエータ３３０の作動に応じて、近位手首連結部３１２は、アクチュエータ３３２が解放されるまで、肘連結部３１０に対して自動的に回転されてもよい。
再び図３Ａを参照すると、ロボット腕３００は、複数のモータ、例えば、モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３を含んでもよく、これは全て、ロボット腕３００の基部内に配置されてもよい。モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３はそれぞれ、ロボット腕３００の個別のジョイント、例えば、基部ジョイント３０３、肩ジョイント３１８、および肘ジョイント３２２に動作可能に結合され、それによって、局在化されたインピーダンスを個別のジョイントにおいて印加してもよい。例えば、モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、それぞれ、基部ジョイント３０３、肩ジョイント３１８、および肘ジョイント３２２のいずれかにおいて、インピーダンスを生産し、それによって、事実上、インピーダンスをロボット腕の遠位端において、例えば、外科手術用器具との取付点において印加し、外科手術用器具の操作の間のオペレータによって被られる感覚および外科手術手技の間のオペレータの作用を改善してもよい。例えば、インピーダンスは、ロボット腕３００、故に、そこに結合される外科手術用器具の遠位端に印加され、粘弾性、硬直性、および／または慣性の感覚を外科手術用器具を操作するオペレータに提供してもよい。さらに、印加されるインピーダンスは、組織密度または硬直性をシミュレートし、外科手術境界をオペレータに通信し得、所望の経路に沿って、または別様に、外科手術用器具を指向するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、モータは、個別のジョイントを作動させ、それによって、個別のジョイントを中心として、ロボット腕３００の移動を引き起こしてもよい。故に、軸Ｑ１、軸Ｑ２、および軸Ｑ４はそれぞれ、モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３が、それぞれ、インピーダンス／トルクを基部ジョイント３０３、肩ジョイント３１８、および肘ジョイント３２２に印加し、個別の軸を中心とした回転を阻止または作動させ得るような、「モータ」軸であってもよい。下記にさらに詳細に説明されるように、モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、協調操作式ロボットプラットフォームのプロセッサによって制御されてもよい。３つのモータ軸を用いることで、ロボット腕３００のいくつかの実装は、力／トルクをロボット腕３００の遠位端において、３つの方向において印加し、それによって、ロボット腕３００の遠位端に結合される外科手術用器具を３自由度において移動させてもよい。
軸Ｑ６および軸Ｑ７は、中央手首連結部３１４が、システム２００からの任意の印加されるインピーダンスを用いずに、近位手首連結部３１２に対して回転され得、遠位手首連結部３１６が、システム２００からの任意の印加されるインピーダンスを用いずに、中央手首連結部３１４に対して回転され得るような、「受動」軸であってもよい。遠位手首連結部３１６の遠位端は、図４Ａおよび４Ｂに示されるように、例えば、下記にさらに詳細に説明されるように、外科手術用器具および結合器インターフェース４００に除去可能に結合され得る、結合器本体５００を介して外科手術用器具と除去可能に結合するための外科手術用器具結合器インターフェース４００を含んでもよい。代替として、手首部分１１は、米国特許第１０，５８２，９７７号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されるように、外科手術用器具との取付点に受動玉ジョイントを含んでもよい。
再び図３Ａを参照すると、ロボット腕３００はさらに、ロボット腕３００の複数のジョイントのうちの少なくともいくつか上に配置される、複数のエンコーダ、例えば、エンコーダＥ１－Ｅ７を含んでもよい。例えば、基部部分３０２と肩部分３０４との間の形成角を測定するためのエンコーダＥ１が、基部内の基部ジョイント３０３上またはそれに隣接して配置されてもよく、肩部分３０４と近位肩連結部３０６との間の形成角を測定するためのエンコーダＥ２は、基部内の肩ジョイント３１８上またはそれに隣接して配置されてもよく、近位肩連結部３０６と遠位肩連結部３０８との間の形成角を測定するためのエンコーダＥ３が、ジョイント３２０上またはそれに隣接して配置されてもよく、遠位肩連結部３０８と肘連結部３１０との間の形成角を測定するためのエンコーダＥ４が、肘ジョイント３２２における回転運動の伝達が、基部から肘ジョイント３２まで延在する接続ロッドを介して達成されるため、基部内の肘ジョイント３２２に動作可能に結合されるモータＭ３に隣接して配置されてもよく、肘連結部３１０と近位手首連結部３１２との間の形成角を測定するためのエンコーダＥ５が、手首ジョイント３２４上またはそれに隣接して配置されてもよく、近位手首連結部３１２と中央手首連結部３１４との間の形成角を測定するためのエンコーダＥ６が、ジョイント３２６上またはそれに隣接して配置されてもよく、中央手首連結部３１４と遠位手首連結部３１６との間の形成角を測定するためのエンコーダＥ７が、ジョイント３２８上またはそれに隣接して配置されてもよい。代替として、エンコーダＥ４は、肘ジョイント３２２上またはそれに隣接して配置されてもよい。エンコーダは、個別のジョイントにおける対応する連結部の位置および／または形成角および／またはロボット腕３００の遠位端に結合される外科手術用器具の正確な位置を正確に決定するためのデータを発生させるように構成される、絶対エンコーダまたは他の位置／形成角センサであってもよい。故に、ロボット３００の各連結部、ジョイント、および遠位端の正確な位置は、複数のエンコーダから取得される測定値に基づいて、決定されてもよい。好ましくは、冗長エンコーダが、下記にさらに詳細に説明されるように、エンコーダが設置される、ロボット腕３００に沿って、各場所に配置され、より正確な位置データを提供し、かつ障害条件を検出する。
外科手術用器具との取付に先立って、ロボット腕３００は、ユーザによって、手動で操作され、例えば、ロボット腕３００を外科手術用器具と結合するための所望の位置に位置付けてもよい。例えば、ユーザは、手首部分１１、アクチュエータ３３０、および／またはアクチュエータ３３２を介して、ロボット腕３００を手動で操作してもよい。アクチュエータ３３０の作動に応じて、ユーザは、遠位肩連結部３０８を手動で回転させてもよく、アクチュエータ３３２の作動に応じて、ユーザは、近位手首部分３１２を手動で操作してもよい。外科手術用器具への取付に応じて、ロボット腕３００は、依然として、ユーザが、力、例えば、１つまたはそれを上回る線形力および／または１つまたはそれを上回るトルクを、直接、ロボット腕３００に付与することによって、手動で操作されてもよい。しかしながら、腹腔鏡下手技の間、オペレータは、好ましくは、力／トルクをロボット腕３００の遠位端、故に、ロボット腕３００の連結部およびジョイントに印加する、外科手術用器具のハンドルのみを介して、ロボット腕３００を操作する。オペレータが、力をロボット腕３００に取り付けられる外科手術用器具に印加し、それによって、外科手術用器具の移動を引き起こすにつれて、ロボット腕３００は、外科手術用器具の移動に応答して、移動し、オペレータに、外科手術用器具を患者に対して自由に移動させるための能力を提供するであろう。下記にさらに詳細に説明されるように、ロボット腕３００は、オペレータが外科手術用器具を移動させるにつれて、インピーダンスを印加し、外科手術用器具およびロボット腕３００自体の重量、例えば、重力補償を考慮し、それによって、ロボット腕および／または外科手術用器具上に付与されている重力および／または慣性力にもかかわらず、オペレータが器具を移動させることをより容易にしてもよい。当業者によって理解されるであろうように、ロボット腕３００は、図３Ａに示されるものより少ないまたはより多い関節運動ジョイントおよびモータおよびエンコーダ／センサの対応する数を含んでもよい。
ここで図４Ｃを参照すると、結合器インターフェース４００および結合器本体５００の結合機構の拡大図が、提供される。結合器インターフェース４００は、任意の好適な締結具またはコネクタ、例えば、磁石、ねじ、ピン、クランプ、溶接、接着剤、リベット、および／または任意の他の好適な締結具または前述の任意の組み合わせを使用して、遠位手首連結部３１６の遠位端に結合されてもよい。図４Ｃに示されるように、結合器インターフェース４００は、ねじ山付きである、または締結具４１０、故に、結合器インターフェース４００が、遠位手首部分３１６に選択的に取り付けられることを可能にする、他の特徴を有し得る、締結具４１０を使用して、遠位手首部分３１６の遠位端と結合されてもよい。締結具４１０は、遠位手首部分３１６の遠位端にまたはその中に位置付けられる、締結具４１０をその中に受容するための開口部を有する挿入要素４０８と結合されてもよい。いくつかの実施形態では、締結具４１０は、ピンであってもよい、またはボール、ラッチ、またはその他等の他の特徴を有し、締結具４１０が遠位手首部分３１６と選択的に結合することを可能にしてもよい。
外科手術用器具の伸長シャフトをそれを通して摺動可能かつ解放可能に受容するようにサイズ決めおよび成形される、開口部５１４を有し得る、結合器本体５００が、結合器インターフェース４００と除去可能に結合されてもよい。例えば、結合器本体５００は、磁気接続を介して、結合器本体５００に除去可能に結合され、それによって、例えば、結合器本体５００と結合器インターフェース４００との間の磁気結合力を克服することによって、結合器本体５００と結合器インターフェース４００との間の効率的取付および取外を促進してもよい。故に、図４Ｃに示されるように、結合器本体５００は、組み立てられた状態では、結合器インターフェース４００の表面に接触する、結合器本体５００の表面から離れるように延在する、１つまたはそれを上回る磁石５０６を有してもよい。代替として、結合器インターフェースを有していない、実施形態では、磁石５０６は、直接、遠位手首部分３１６の遠位端に接触してもよい。
故に、結合器インターフェース４００または遠位手首部分３１６の遠位端は、結合器本体５００が結合器インターフェース５００および／または遠位手首部分３１６の遠位端と除去可能に結合され得るように、結合器本体５００の磁石５０６を受容し、それと磁気的に結合するように構成される、鉄系基部構成要素を有してもよい。図４Ｄは、外科手術用器具結合器インターフェース４００を図示する。図４Ｄに示されるように、結合器インターフェース４００は、隆起４０２によって定義される、結合器本体５００の相補的幾何学形状を受容するようにサイズ決めおよび成形される、陥凹された部分４０４を有してもよい。故に、結合器本体５００の相補的幾何学形状が、組み立てられた状態において、陥凹された部分４０４内に受容されると、結合器インターフェース４００に対する結合器本体５００の回転移動は、限定または別様に防止され得る。
加えて、結合器インターフェース４００は、１つまたはそれを上回る磁石５０６をその中に受容するようにサイズ決めおよび成形される、１つまたはそれを上回る陥凹または凹部４０６を有してもよい。結合器インターフェース４００は、鉄系基部構成要素または磁石を陥凹４０６内に有し、磁石５０６と磁気的に結合してもよい。例えば、陥凹４０６内の磁石は、南磁極を有してもよく、磁石５０６は、北磁極を有してもよい、またはその逆であってもよい。さらに、磁石の極性は、適切な結合配向を確実にすることができる。陥凹４０６は、結合器本体５００が結合器インターフェース４００と組み立てられた状態にあるとき、磁石５０６の軸方向（例えば、縦方向）中心線に対して半径方向または法線にある、任意の方向において、結合器本体５００と結合器インターフェース４００との間の移動を限定または別様に防止するようにサイズ決めおよび成形されてもよい。当業者によって理解されるであろうように、結合器インターフェース４００は、結合器本体５００が対応する磁石の量を有するであろうように、２つより少ないまたはより多い陥凹４０６を有してもよい。
ここで図５Ａおよび５Ｂを参照すると、結合器本体５００が、提供される。図５Ａに示されるように、結合器本体５００は、上記に説明されるように、結合器インターフェース４００の陥凹された部分４０４に相補的幾何学形状を有する、部分５０２上に配置される、１つまたはそれを上回る磁石５０６を有し、結合器本体５００と結合器インターフェース４００との間の整合を促進してもよい。加えて、結合器本体５００は、結合器インターフェース４００の相補的隆起４０２と係合するようにサイズ決めおよび成形される、１つまたはそれを上回る溝５０４を有してもよい。溝５０４および隆起４０２は、図４Ｃに示されるように、少なくとも２つの方向Ｄ１およびＤ２において、結合器本体５００と結合器インターフェース４００との間の移動を限定または別様に防止することによって、結合器本体５００と結合器インターフェース４００の整合を補助するように相互作用してもよい。故に、組み立てられた状態では、結合器本体５００は、結合器インターフェース４００に対して任意の軸方向に移動することを防止され得る。
図５Ａおよび５Ｂに示されるように、結合器本体５００は、第１の部分５０８と、第２の部分５１０とを有してもよい。第１の部分５０８は、例えば、第２の部分５１０が、第１の部分５０８に対して移動または回転され、第１の部分５０８および第２の部分５１０によって定義された開口部５１４を拡張（サイズの増加）または収縮（サイズの減少）させ得るように、第１および第２の部分５０８、５１０と同一材料から形成され、および／または第１および第２の部分５０８、５１０と一体的に形成される、一体型ヒンジであり得る、ヒンジ５１２を介して、第２の部分５１０と結合または一体的に形成されてもよい。第１の部分５０８および第２の部分５１０は、ねじ５１６、例えば、蝶ねじが、緊締され、器具１１２と結合器本体１４１を結合するにつれて、開口部５１４内に位置付けられる、外科手術用器具の伸長シャフトを中心として狭窄化し得る、クランプを形成してもよい。故に、結合器本体５００は、第１の非固着／開放状態または位置と、第２の固着／閉鎖状態または位置との間で遷移してもよい。
開口部５１４の直径は、結合器本体５００に結合されるべき外科手術用器具に基づいて選択されてもよい。例えば、結合器本体は、複数の結合器本体から選択されてもよく、各結合器本体は、整形外科および外傷外科手術（ＯＴＳ）のために使用される外科手術用器具、持針器、クランプ、鋏等を含む、腹腔鏡下または他の外科手術用器具等、事前に定義された伸長シャフト直径を有する、具体的外科手術用器具の伸長シャフトを受容するようにサイズ決めおよび成形される、開口部を有する。結合器本体５００は、外科手術用器具上の任意の所望の軸方向位置において、外科手術用器具と結合されてもよい。
図５Ｃに示されるように、結合器本体５００は、第２の部分５１０を通して延在する、陥凹５２０と、第１の部分５０８の少なくとも一部を通して延在する、陥凹５２２とを含んでもよい。陥凹５２０は、ねじ５１６の係止部分５１８を受容するための陥凹５２２と整合される。例えば、係止部分５１８は、オス型ねじ山付き表面を有してもよく、陥凹５２０、５２２は、メス型ねじ山付き表面を有し、係止部分５１８と係合してもよい。ねじ５１６は、手によって弛緩され、外科手術用器具が、除去、再位置付け、回転、および／または摺動等され得るように、開口部５１４を開放または拡張させてもよい。いったん結合器本体５００が、例えば、ねじ５１６を介して、外科手術用器具と結合されると、結合器本体５００および結合器本体５００と結合される外科手術用器具は、磁石５０６を介して、結合器インターフェース４００と除去可能に結合されてもよい。
開口部５１４は、結合器本体５００の第１の部分５０８内の第１の半円形カットアウトと、第２の部分５１０内の第２の半円形カットアウトとによって定義され、それによって、外科手術用器具の伸長シャフトの円形外面と係合してもよい。開口部５１４は、例えば、外科手術用器具の伸長シャフトの外面に接触し、それを把持するように構成される、ゴムパッド、シート、バンプ、Ｏリング、突起、または他の構成要素または特徴を含んでもよい。例えば、ゴム材料は、シリコーンゴムまたは任意の他の好適なタイプのゴムであってもよい。故に、いったん結合器本体５００が、例えば、ねじ５１６を固着させることによって、外科手術用器具と結合されると、外科手術用器具は、固着された状態では、少なくとも、軸方向に、例えば、外科手術用器具の縦軸に沿った方向に移動しないように、またはいくつかの実施形態では、結合器本体５００に対して軸方向かつ回転可能に移動しないように阻止または別様に防止され得る。好ましくは、結合器本体５００と結合される、外科手術用器具は、オペレータによって、結合器本体５００に対して自由に回転され得る一方、結合器本体５００に対する外科手術用器具の軸方向移動は、固着された状態では、阻止または別様に防止される。例えば、外科手術用器具の伸長シャフトの外面と開口部５１４を定義する結合器本体５００の内面との間の摩擦力は、固着された状態では、結合器本体５００に対する外科手術用器具の回転が結合器本体５００に対する外科手術用器具の軸方向移動未満の力を要求するように選択されてもよい。故に、結合器５００は、外科手術用器具の直径変動および表面変動（表面の摩擦係数における変動を含む）を考慮するように構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、外科手術用器具は、結合器本体５００に対する外科手術用器具上への少なくとも閾値力の印加に応じて、または解放の作動または結合器本体５００の状態変化に応じて、結合器本体５００に対して軸方向に移動されてもよい。例えば、そのような作動は、例えば、ボタンを押下する、係止ねじ５１６または他のコネクタ等の係止ねじを弛緩させる、ダイヤルを移動させる、または別様に、結合器本体５００および／または結合器インターフェース４００を第２の固着された状態から第１の非固着状態に変化させることによって達成されてもよい。故に、外科手術用器具は、ねじ５１６または結合器本体５００内のクランプ等の他の手動締結具または締結機構を弛緩させ、外科手術用器具を所望の軸方向位置に再位置付けし、ねじ５１６または他の手動締結具または締結機構を再緊締することによって、結合器本体５００に対して軸方向に再位置付けされてもよい。結合器本体５００は、使い捨てであってもよい、または代替として、外科手術手技の間に滅菌され得るように、滅菌可能であってもよい。
上記に説明されるように、結合器本体の開口部の直径は、結合器本体に結合されるべき外科手術用器具に基づいて選択されてもよい。最も一般に使用される腹腔鏡下外科手術用器具は、事前に定義された既知の伸長シャフト直径を有し、したがって、それぞれ、具体的外科手術用器具を受容し、それと係合するようにサイズ決めおよび成形される、開口部を有する、多数の結合器本体が、提供されてもよい。例えば、図６Ａは、５ｍｍ直径外科手術用器具、例えば、開創器デバイス１２を受容するようにサイズ決めおよび成形される、開口部６１４を有する、結合器本体６００を図示する。結合器本体６００は、結合器本体５００と同様に構築されてもよい。例えば、結合器本体６００は、ヒンジ部分６１２を介して、第２の部分６１０に結合される、第１の部分６０８と、ねじ６１６の係止部分６１８を固着して受容するための陥凹６２０、６２２とを含んでもよい。図６Ｂに示されるように、結合器本体６００は、図６Ｃに示されるように、結合器本体６００が、結合器本体６００が開創器１２の近位部分１２ｂと係合するまで、伸長シャフト１２ａにわたって摺動され得るように、例えば、開創器１２の動作端から、開口部６１４を通して、開創器１２の伸長シャフト１２ａを受容してもよい。好ましくは、結合器本体６００は、結合器本体６００が近位部分１２ｂに接触すると、下記にさらに詳細に説明されるように、開創器１２に沿った本点が、固定され、それによって、力測定値を計算するために、一貫した参照点を提供するため、開創器１２に結合される。故に、結合器本体６００が、開創器１２の伸長シャフトに沿って、例えば、近位部分１２ｂに隣接する、所望の場所に来ると、ねじ６１６が、結合器本体６００に結合され、結合器本体６００を開創器１２に固着させてもよい。上記に説明されるように、結合器本体６００は、結合器本体６００に対する開創器１２の回転移動が、可能にされる一方、結合器本体６００に対する開創器１２の軸方向移動が、拘束される、例えば、開創器１２を結合器本体６００に対して移動させるために要求される力が、開創器１２を結合器本体６００に対して回転させるために要求される力よりはるかに高いように、開創器１２に固着される。
図７Ａは、１０ｍｍ直径外科手術用器具、例えば、腹腔鏡デバイス１０を受容するようにサイズ決めおよび成形される、開口部７１４を有する、結合器本体７００を図示する。結合器本体７００は、結合器本体６００と同様に構築されてもよい。例えば、結合器本体７００は、ヒンジ部分７１２を介して、第２の部分７１０に結合される、第１の部分７０８と、ねじ７１６の係止部分７１８を固着して受容するための陥凹７２０、７２２とを含んでもよい。図７Ｂに示されるように、結合器本体７００は、図７Ｃに示されるように、結合器本体７００が、結合器本体７００が腹腔鏡１０の近位部分１０ｂと係合するまで、伸長シャフト１０ａにわたって摺動され得るように、例えば、腹腔鏡１０の動作端から、開口部７１４を通して、腹腔鏡デバイス１０の伸長シャフト１０ａを受容してもよい。好ましくは、結合器本体７００は、結合器本体７００が近位部分１０ｂに接触すると、下記にさらに詳細に説明されるように、腹腔鏡１０に沿った本点が、固定され、それによって、力測定値を計算するために、一貫した参照点を提供するため、腹腔鏡１０に結合される。故に、結合器本体７００が、腹腔鏡１０の伸長シャフトに沿って、例えば、近位部分１０ｂに隣接する、所望の場所に来ると、ねじ７１６が、結合器本体７００に結合され、結合器本体７００を腹腔鏡１０に固着させてもよい。上記に説明されるように、結合器本体７００は、結合器本体７００に対する腹腔鏡１０の回転移動が、可能にされる一方、結合器本体７００に対する腹腔鏡１０の軸方向移動が、拘束される、例えば、腹腔鏡１０を結合器本体７００に対して移動させるために要求される力が、腹腔鏡１０を結合器本体７００に対して回転させるために要求される力よりはるかに高いように、腹腔鏡１０に固着される。
適切にサイズ決めされた結合器本体が選択された外科手術用器具に結合されると、結合器本体は、ロボット腕３００の結合器インターフェース４００に除去可能に結合され得る。結合器本体５００および結合器インターフェース４００は、オペレータが、片手を使用して、結合器本体５００、故に、そこに結合される外科手術用器具をロボット腕３００の結合器インターフェース４００に結合し得るように、片手結合のために構成されてもよい。好ましくは、外科手術用ドレープが、結合器本体と結合器インターフェース４００との間に挟込または圧着され、ロボット腕３００にわたってドレープされ、外科手術空間の滅菌状態を維持し、ロボット腕３００の非滅菌構成要素との接触を防止してもよい。故に、滅菌ドレープは、結合器本体が、滅菌ドレープの第１の側にあって、システム２００の結合器インターフェース、ロボット腕３００、および／または他の構成要素が、滅菌ドレープの他側にあるように、結合器本体と結合器インターフェースとの間を持続的に（例えば、孔、細隙、または任意の他のタイプの開口部を伴わずに）通過し得る。いくつかの実施形態では、結合器本体は、外科手術用ドレープと統合されてもよい。加えて、または代替として、外科手術用ドレープは、結合器本体５００が、アダプタを介して、結合器インターフェース４００に結合され得るように、それと統合されるアダプタを含んでもよく、例えば、アダプタは、結合器本体５００と結合器インターフェース４００との間に位置付けられてもよい。
ここで図８Ａおよび８Ｂを参照すると、ロボット腕３００が、外科手術用ドレープ準備完了構成に位置付けられてもよい。図８Ａに示されるように、ロボット腕３００は、手首部分３１１、肘連結部３１０、および肩連結部３０５が、基部の肩部分３０４から離れるように延在し、外科手術用／滅菌ドレープがロボット腕３００の各構成要素にわたってドレープされることを可能にするように、延在されてもよい。さらに、図８Ｂに示されるように、２つのロボット腕、例えば、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂが存在するとき、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂは、例えば、手首部分３１１ａ、肘連結部３１０ａ、および肩連結部３０５ａが、手首部分３１１ｂ、肘連結部３１０ｂ、および肩連結部３０５ｂから離れるように延在するように、肩部分３０４ａをロボット腕３００ａの基部部分３０２ａに対して回転させることによって、かつ肩部分３０４ｂをロボット腕３００ｂの基部部分３０２ｂに対して回転させることによって、相互から離れるように角度付けられてもよい。本構成は、個別のロボット腕の外科手術用／滅菌ドレープでの効率的かつアクセス可能なドレープを可能にする。さらに、延在位置では、ロボット腕は、ロボット腕が、力覚モードにあって、高レベルのインピーダンスが、ロボット腕に印加され、それによって、ロボット腕の移動をより粘弾性にし、オペレータが、ロボット腕をドレープするが、必要に応じて、移動をそこに提供することをより容易にするように、仮想力覚境界外にあってもよい。例えば、図９Ａは、滅菌ドレープ８００でドレープされる、単一ロボット腕３００を図示し、図９Ｂは、それぞれ、滅菌ドレープ８００ａ、８００ｂでドレープされる、ロボット腕３００ａ、３００ｂを図示する。
滅菌ドレープ８００は、その端部部分において、完全に閉鎖されてもよい。いくつかの実施形態では、滅菌ドレープ８００は、その遠位部分内に、ロボット腕３００、結合器インターフェース４００、結合器本体５００、および／または外科手術用器具の一部がそれを通して通過し得る、開口部（随意に、滅菌シールまたはインターフェースを有し得る）を有してもよい。任意の開口部を伴わずに、かつその長さに沿ってシールされずに、シールされた端部部分を有する、ドレープは、システム２００のためのより良好な滅菌障壁を提供し得る。故に、ロボット腕３００は全て、滅菌ドレープ８００の近位端における、例えば、ロボット腕３００の基部の近傍の開口部を除き、滅菌ドレープ８００の内側に位置し、および／または滅菌ドレープ８００内に完全に封入され得る。いくつかの実施形態では、結合器本体５００および結合器インターフェース４００は、電気コネクタを有し、ロボット腕３００と外科手術用器具との間の電子接続を生産してもよい。故に、電気信号が、滅菌ドレープ８００を通して伝送されてもよい。代替として、滅菌ドレープ８００は、電気ワイヤまたは他の構成要素が、開口部を通して通過し、有線通信チャネルを、例えば、較正のためのメモリチップ、アブレーションのための高周波プローブ、カメラ、および他の電子構成要素を含み得る、電気構成要素に提供し得るように、開口部を含んでもよい。外科手術用器具および結合器本体は、代わりに、電気ワイヤが滅菌ドレープ８００を通して通過する必要がないように、受動的または非電子的であってもよい。
ここで図１０Ａ－１０Ｄを参照すると、肩連結部３０５の近位肩連結部３０６に対する遠位肩連結部３０８の回転が、提供される。上記に説明されるように、軸Ｑ３は、遠位肩連結部３０８が、例えば、外科手術手技におけるロボット腕３００の動作に先立って、ロボット腕３００の設定段階の間、アクチュエータ３３０の作動に応じて、近位肩連結部３０６に対して回転され得るような、「設定」軸であってもよい。図１０Ａに示されるように、肩部分３０４は、随意に、最初に、所望の位置に基部部分３０２に対して回転され、それによって、肩部分３０４に結合される、近位肩連結部３０６の遠位において、全ての連結部の回転を引き起こし、基部部分３０２に対して回転させ、ジョイント３２０を中心とするロボット腕３００の回転のための十分な空間を提供してもよい。さらに、図１０に示されるように、手首部分３１１が、ジョイント３２０を中心とするロボット腕３００の回転に応じて、ロボット腕３００の任意の構成要素と衝突しないように、少なくとも部分的に、基部部分３０２から離れるように延在されてもよい。図１０Ｂに示されるように、アクチュエータ３３０が、ジョイント３２０における近位肩連結部３０６に対する遠位肩連結部３０８の回転を可能にするために作動されなければならない。図１０Ｃは、近位肩連結部３０６に対する遠位肩連結部３０８の回転に応じた、具体的腹腔鏡下手技のための望ましい場所におけるロボット腕３００を図示する。図１０Ｄは、ロボット腕３００ｂと比較した、近位肩連結部３０６ａに対する遠位肩連結部３０８ａの回転に応じた、望ましい場所におけるロボット腕３００ａを図示する。
ここで図１１Ａおよび１１Ｂを参照すると、光学スキャナを有する、例示的協調操作式ロボット外科手術用システムが、提供される。図１１Ａに示されるように、本システムは、図２のシステム２００と同様に構築されてもよく、複数のロボット腕、例えば、ロボット腕３００ａおよびロボット腕３００ｂを有する。上記に説明されるように、２つのみのロボット腕が、図１１Ａに示されるが、より少ないまたはより多いロボット腕が、光学スキャナ１１００と併用されてもよい。加えて、本システムは、光学スキャナ１１００、例えば、ＲＧＢＤカメラまたはセンサ、機械学習を伴うＲＧＢカメラ、飛行時間深度カメラ、構造化された光、複数の投影カメラ、立体カメラ、超音波センサ、レーザスキャナ、他のタイプの座標測定面積スキャナ、または前述の任意の組み合わせ等、ＬｉＤＡＲスキャナまたは他の好適な光学走査デバイスを含んでもよい。例えば、ＬｉＤＡＲカメラ／スキャナは、外科術野の色（ＲＧＢ）および深度（Ｄ）の両方を記録することが可能であってもよく、例えば、限定ではないが、以下の仕様、すなわち、（ｉ）範囲：２５ｃｍ～５００ｃｍ、深度正確度：５ｍｍまたは約５ｍｍ、深度視野：７０×５５または約７０×５５（度）、深度出力分解能：１，０２４×７６８ピクセルまたは約１，０２４×７６８ピクセル、深度／ＲＧＢフレームレート：３０フレーム／秒、ＲＧＢフレーム分解能：１，９２０×１，０８０、および／またはＲＧＢ視野：７０×４３度または約７０×４３度のいずれかを含む、類似または好適な仕様を有する、Ｉｎｔｅｌ ＲｅａｌＳｅｎｓｅ ＬｉＤＡＲカメラＬ５１５またはＩｎｔｅｌ ＲｅａｌＳｅｎｓｅ深度カメラＤ４３５ｉ（Ｉｎｔｅｌ（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって市販されている）または他のＬｉＤＡＲまたは深度カメラを含んでもよい。ＬｉＤＡＲスキャナまたは光学スキャナはさらに、１／４－２０ＵＮＣねじ山または２×Ｍ３ねじ山搭載点の両方を含んでもよい。当業者によって理解されるであろうように、光学スキャナ１１００は、本明細書に説明される、他の協調操作式ロボット外科手術用システム、例えば、システム２００またはその任意の変形例において使用されてもよい。
図１１Ａに示されるように、ロボット腕３００ａ、３００ｂを支持するプラットフォームが、光学スキャナ１１００が外科手術空間内の他の物体に対して固定された場所に搭載されるように、光学スキャナ１１００および本システムの任意の他の電子機器、配線、または他の構成要素を支持してもよく、光学スキャナ１１００の位置および配向は、本システム、故に、ロボット腕の大域的座標系に対して把握または決定されてもよい。これは、開発目的のために、全てのデータストリームが単一座標系に転換されることを可能にする。例えば、光学スキャナ１１００は、ロッドまたはシャフト、例えば、ロッド１１０２上に支持されてもよく、これは、調節可能高さを有し、または別様に、任意の方向、例えば、上／下、左／右に、患者に向かって／から離れるように、調節可能であって、光学スキャナ１１００が、本システムの他の構成要素、例えば、ロボット腕３００ａ、３００ｂ、そこに取り付けられる外科手術用器具、外科医、および／または外科手術助手に対して最適視野または位置を得ることを可能にしてもよい。さらに、例えば、外科医の手、他の身体部分、および本システムの他の構成要素の移動を示す、光学スキャナ１１００によって捕捉された遠隔計測データが、手技全体を通して外科医によって印加される精密な移動および力を説明する、豊富かつ詳細なデータセットを提供するために記録されてもよい。
例えば、取得されるデータは、例えば、ロボット腕３００の１つまたはそれを上回る部分の自動サーボ制御（すなわち、移動）を含む、本システムによって実施される手技を最適化するために使用されてもよい。外科医がツールを特定の着目領域内に保つ傾向および／または外科医がツールを特定の着目領域の中に移動させることを回避する傾向を追跡することによって、本システムは、自動サーボ制御アルゴリズムを最適化し、特定の着目領域内でより安定性を提供してもよい。加えて、取得されるデータは、例えば、本システムの光学走査デバイスの視野の自動再心合を含む、本システムによって実施される手技を最適化するために使用されてもよい。例えば、本システムが、外科医が視野外に移動したことを検出する、または外科医が視野外に移動し得ることを予測する場合、本システムは、光学走査デバイス、例えば、腹腔鏡を支持するロボット腕に、腹腔鏡を自動的に調節させ、外科医が所望の手技を実施するにつれて、画像の所望の場所を追跡させてもよい。本挙動は、外科医特有であり得、着目動作領域のための特定の外科医の選好の理解を要求し得る。したがって、本システムは、特定の外科医の具体的動作要件および／または選好に従って、ロボット腕を制御してもよい。
図１２は、腹腔鏡下手技の間、光学スキャナ１１００が動作している、システムを示す。図１２に示されるように、随意の付加的光学スキャナ、例えば、カメラ１２００が、監視および分析のために、付加的視点、例えば、ロボット腕によって保持される器具の移動の冗長測定値を提供する、および／または、例えば、ストリーミングを介して、外科手術場面のビデオストリームを提供するために利用されてもよい。図１２に示されるように、本システムは、ロボット腕３００ａが、外科医が、ロボット腕３００ｂの遠位端に結合される、開創器１２を動作および操作する間、腹腔鏡１０を患者に対して固定された位置に保持するように、２つのロボット腕、例えば、ロボット腕３００ａ、３００ｂを含んでもよい。さらに、外科手術手技の間、ロボット腕３００ａ、３００ｂは、それぞれ、滅菌ドレープ８００ａ、８００ｂでドレープされてもよい。上記に説明されるように、外科医は、開創器１２が、ロボット腕３００ｂに結合され、それによって、外科医による開創器１２の移動に起因して、ロボット腕３００ｂの移動を引き起こしながら、かつロボット腕３００ｂが、開創器１２およびロボット腕３００ｂの重量を考慮しながら、開創器１２を自由に操作し得る。外科手術手技の間、光学スキャナ１１００が、ロボット腕３００ａに結合される、外科手術用器具、例えば、腹腔鏡１０の識別、位置、配向、および／または移動と、ロボット腕３００ｂに結合される、外科手術用器具、例えば、開創器１２の識別、位置、配向、および／または移動と、外科手術用器具のいずれかが、意図的または非意図的にのいずれかにおいて、個別のロボット腕から取り外されているかどうかとを監視するために使用されてもよい。さらに、光学スキャナ１１００は、トロカールＴｒのいずれかの識別、位置、配向、および／または移動／変位を監視し、個別のトロカールに対するロボット腕および／または外科手術用器具の適切な整合を確実にするために使用されてもよい。本システムは、本システムによって実施されるように意図される外科手術手技に応じて、１つ、２つ、３つ、４つ、またはそれを上回るトロカールを有する、外科手術手技において使用されてもよい。
図１３Ａおよび１３Ｂは、光学スキャナ１１００によって生産される、例示的データを図示する。例えば、図１３Ａは、光学スキャナ１１００によって捕捉された画像データを図示し、図１３Ｂは、光学スキャナ１１００によって捕捉されたデータから発生された外科手術空間内の少なくともいくつかの物体の深度マップを図示する。具体的には、光学スキャナ１１００は、深度マップ、例えば、点群を作成してもよく、各ピクセルの値は、光学スキャナ１１００からの距離に関連する。例えば、第１の物体（第１の外科手術用器具等）および第２の物体（例えば、トロカール）に関するピクセル間の差異は、本システムが、外科手術用器具とトロカールとの間の距離を計算することを可能にするであろう。さらに、第１の時点における第１の物体（第１の外科手術用器具等）および第２の時点における第１の物体に関するピクセル間の差異は、本システムが、第１の物体が移動したかどうか、移動の軌道、移動の速さ、および／または第１の物体の変化位置と関連付けられる他のパラメータを計算することを可能にするであろう。
図１３Ａおよび１３Ｂに示されるように、外科医Ｓは、送気されている腹部（Ａ）に対して位置付けられる、外科手術用ツールおよび／またはドレープされているロボット腕（ＤＡ）およびドレープされていないロボット腕（ＵＡ）を操作している。上記に説明されるように、ロボット腕からのデータストリーム、腹腔鏡からのカメラフィード、光学スキャナ１１００から入手されたデータ、および、随意に、ロボット腕に隣接する構造、壁、天井、または手術室内の他の構造上に配置される、１つまたはそれを上回る撮像デバイスから捕捉されたデータが、個々に、または組み合わせて、記録、記憶、および使用され、外科手術用システムおよび外科手術用システムの手技を理解および制御してもよい。前述の構成要素、デバイス、およびそれらの組み合わせは、集合的に、本明細書では、光学スキャナまたは光学走査デバイスと称される。
例えば、本システムは、本システムの座標空間内の以下、すなわち、外科医によって操作されるハンドヘルド外科手術用器具（ロボット腕に取り付けられる、またはそこから離れている）の運動、他の外科手術スタッフ（例えば、器械出し看護師、外回り看護師、麻酔科医等）の有無、外科手術台の高さおよび角度配向、外科手術台上の患者位置および体積、患者上のドレープの有無、トロカールポートの有無、存在する場合のその位置および配向、外科手術スタッフによって行われるジェスチャ、外科手術スタッフによって実施されているタスク、外科手術スタッフと本システムの相互作用、外科手術用器具識別、外科手術用器具と本システムの取付または取外「作用」、本システムに対する外科手術用器具の具体的特徴（例えば、カメラヘッド、結合器、基点マーカ等）の位置および配向追跡、外科手術の位相が識別されることを可能にする、場面内の運動プロファイルまたは具体的特徴の測定値、本システムの、または外科手術チームによって使用されている、任意の他の器具、特徴、および／または構成要素の位置、配向、識別、および／または移動のいずれかを測定および記録してもよい。
本システムは、上記に説明される測定値および／または他のデータと、本システムからの任意の他の遠隔計測データおよび／または腹腔鏡からのビデオデータを組み合わせ、包括的データセットを提供し、それを用いて、本明細書に説明される協調操作式ロボット補助外科手術用システムの全体的有用性、機能性、および安全性を改善してもよい。例えば、本システムが、ある手技を開始するように設定されるにつれて、光学スキャナ１１００は、外科手術台の高さおよび配向を検出してもよい。本情報は、本システムが、ロボット腕３００を支持するプラットフォーム２００の自由度を外科手術台に対して所望または正しい位置に自動的に構成することを可能にし得る。具体的には、光学スキャナ１１００は、プラットフォーム１００の高さが、ロボット腕３００が意図される外科手術作業空間と重複することを確実にするように最適に位置付けられることを確実にするために使用されてもよい。さらに、光学スキャナ１１００によって取得されるデータに基づいて、本システムは、外科手術スタッフに、本システムと手術室内の資本設備他の部品、例えば、外科手術台、腹腔鏡タワー、カメラブーム等、および外科手術スタッフのメンバとの間の潜在的衝突、例えば、スタッフメンバによる不注意によるバンプをアラートしてもよい（設定の間または術中のいずれかにおいて）。本システムは、本情報を使用して、プラットフォーム１００および／または本システムの他の構成要素、外科手術台、および／または患者を再位置付けすることを推奨し、および／またはスタッフメンバとの衝突によってロボット腕に印加される力の結果として、力がロボット腕の所定の力閾値を超える場合でも、ロボット腕が協調操作モードに切り替わることを防止してもよい。
加えて、光学スキャナ１１００から取得されるデータは、外科手術手技のための設定の進行度を監視するために使用されてもよく、本システムの既知の状態と組み合わせられ、遠隔病院スタッフ（例えば、外科医）に、手技を開始するための全体的準備状況を知らせてもよい。そのような進行度ステップは、（ｉ）台上の患者、（ｉｉ）ドレープされる患者、（ｉｉｉ）利用可能な滅菌器具、（ｉｖ）ドレープされるロボット腕、（ｖ）挿入されるトロカールポート、および（ｖｉ）器具（例えば、腹腔鏡および開創器）が本システムのロボット腕に取り付けられていることの確認を含んでもよい。例えば、光学スキャナ１１００から取得されるデータは、システム状態（例えば、システムがドレープされている）、手技を開始するための準備状況等を示す、検出されたジェスチャを含んでもよく、さらに、外科手術用器具の取付または取外のために本システムを調製するために使用されてもよい。
加えて、光学スキャナ１１００は、本システムが、外科医の識別を使用して、特定の外科医と関連付けられるシステムプロファイルを本システムの中にロードし得るように、手技を行う具体的外科医を識別してもよい。本システムプロファイルは、外科医の動作パラメータおよび／または選好、患者毎のパラメータを有する、外科医の患者リスト、外科医のための所望または要求されるアルゴリズム感度、支持プラットフォームの位置付け自由度等に関連する情報を含んでもよい。外科医特有であり得る、アルゴリズム感度の実施例は、受動モードから協調操作モードに遷移するために要求される力の適合／調節（例えば、低力から高力）、ロボット腕を協調操作するときに外科医によって感じられる粘弾性の適合／調節（例えば、低粘弾性から高粘弾性）等を含む。さらに、外科医の選好は、具体的外科手術用器具に関する、ロボット腕３００の好ましい配列、例えば、患者に対するロボット腕３００の連結部およびジョイントの位置付けを含んでもよく、例えば、好ましい配列は、腹腔鏡と開創器との間で異なり得る。
いくつかの実施形態では、外科医の選好は、過去の手技および／または外科医の現在の姿勢、外科医の身長、外科医の利き手、および他の類似要因を含む、現在の手技についての情報を収集するセンサからのデータに基づいて学習されてもよい。例えば、本システムは、データセットが、外科医選好が「学習」および経時的に更新されることを可能にし得るように、ユーザが本システムと相互作用するときを記録し、また、ユーザが本システムを用いて行っている内容を記録してもよい。本学習は、従来のアルゴリズム方法（すなわち、経時的傾向、平均、オプティカルフロー等）を介して、または機械学習アプローチ（分類、判別、ニューラルネットワーク、強化学習等）を介してのいずれかにおいて行われてもよい。図２４は、ユーザの学習された挙動に基づいてシステム構成を更新するためのデータフロー２４００を図示する。図２４に示されるように、本システムは、外科医プロファイルおよび複数の可能性として考えられるデータソースのそれぞれを記憶し得る、オンラインデータベースに接続されてもよく、これは、光学センサ、エンコーダ、および／または他のセンサ、および／または手動で打ち込まれたユーザ入力のデータベースを含み得る。データソースは、所与の外科医、その好ましいロボット腕配列および動作パラメータ、および本システムを用いて実施される各手技と関連付けられてもよく、これは、システム構成および手技から手技へおよび手技内での変化の様子の記録および分析を可能にし得る。機械学習の場合、本システムの協調操作能力は、ユーザの作用が、データに注釈を付け、訓練データセットを作成するために使用され得るように、活用されてもよい。
位置付け自由度に関して、外科手術台の高さは、典型的には、いくつかの手術室内において、外科医の身長に合わせるように調節される。したがって、外科医を検出し、外科医の具体的プロファイルをロードすることによって、本システムは、外科手術台の好ましい高さに合わせるように、プラットフォームを個別の外科医のために好適な高さに位置付けてもよい。加えて、ロボット腕の水平平行移動は、患者のサイズに依存し得る。したがって、患者リストにアクセスすることによって、本システムは、患者の体型指数（「ＢＭＩ」）に基づいて、腕の位置を調節してもよい。例えば、高ＢＭＩを伴う患者に関して、本システムは、ロボット腕を手術台から離れるように移動させてもよく、低ＢＭＩを伴う患者に関して、本システムは、ロボット腕を手術台により近くように移動させてもよい。故に、本システムは、外科手術チームが、必要に応じて、ロボット腕の位置を患者に対して微調整することを可能にする。本システムはさらに、病院医療記録データベースにアクセスし、手技タイプおよび利用可能な任意の他の医療データ（例えば、ＣＴ走査画像、Ｘ線画像、ＭＲＩ画像、および／または他の患者特有情報）にアクセスするように構成されてもよく、これは、トロカールポートの位置付けおよび患者に対するプラットフォーム１００の位置および配向を知らせるために使用されてもよい。
光学スキャナ１１００によって捕捉されたデータに基づいて、本システムは、仮想モデルが、記憶および監視され、例えば、潜在的衝突を検出し得るように、ロボット腕およびそこに結合される外科手術用器具と同一座標空間内のロボット腕の移動の範囲内にある、手術室内の資本設備および／または他の物体の部品の仮想モデルを発生させてもよい。加えて、本システムは、本システムが、仮想モデルまたは物体のいずれかの近接度（すなわち、それらの間の間隔）が、例えば、５０ｍｍ、７５ｍｍ以内、３０ｍｍまたはそれ未満～１００ｍｍ、またはそれを上回る事前に定義された閾値を下回る場合、ユーザにアラートし得るように、各仮想モデルおよび物体が相互に対して移動するにつれた仮想モデル内の物体の位置および配向を追跡してもよい。いくつかの実施形態では、距離閾値は、２つの仮想モデル上の最も近い点間のユークリッド距離、仮想モデルの２つの表面間の法線距離等に基づいてもよい。さらに、本システムは、仮想モデルまたは物体、例えば、ロボット腕のいずれかの近接度が、腹腔鏡タワー、または外科手術台の表面、または外科手術空間内の他の物体に対して事前に定義された閾値に到達する、またはそれを下回る場合、ロボット腕のさらなる移動を停止または阻止（例えば、防止）する、例えば、ロボット腕をフリーズさせてもよい。加えて、本システムは、本システムが、個別のロボット腕に向かって移動している物体、例えば、資本設備または外科医以外の外科手術スタッフのメンバとの間の近接度が、事前に定義された閾値に到達する、またはそれを下回ることを検出する場合、ロボット腕をフリーズさせ、それによって、そうでなければ、そのような衝突または不注意による力、例えば、スタッフのメンバまたは資本設備の別の部品等からの不注意によるバンプから生じ得る、不注意によるロボット腕の移動を防止してもよい。
さらに、光学スキャナ１１００によって捕捉されたデータに基づいて、本システムは、ロボット腕と結合されない、直接かつ独立して、外科医によって制御される、ハンドヘルド外科手術用器具の運動を追跡してもよい。例えば、光学スキャナ１１００は、器具の明確に定義された特徴、器具または外科医の手袋（例えば、滅菌手袋）に取り付けられる基点マーカ、ロボット腕と器具との間の結合器、器具の遠位先端、および／または器具上の任意の他の定義された場所を追跡してもよい。例えば、基点マーカは、Ｍａｎｕｓ仮想現実手袋（Ｍａｎｕｓ（Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）によって市販されている）または他の装着可能物および／またはＯｐｔｉＴｒａｃｋシステム（Ｎａｔｕｒａｌ Ｐｏｉｎｔ（Ｃｏｒｖａｌｌｉｓ， Ｏｒｅｇｏｎ）によって市販されている）を含んでもよい。以下は、運動データの使用および目的の実施例である。（ｉ）ハンドヘルド器具とカメラを保持するロボット腕との間の制御ループを閉鎖し、したがって、外科医が、ハンドヘルド器具を「向ける」ことによって、カメラをサーボ制御（すなわち、移動）させることを可能にする、（ｉｉ）独立して、または他のデータストリームと組み合わせて使用され得る、情報を追跡し、外科手術手技の位相を識別する、（ｉｉｉ）外科医の利き手を識別する、（ｉｖ）外科医の経験と関連付けられる、計測値を監視する、（ｖ）外科医が使用しているツールと、他のツールのためにそれらを変更するときを識別する、および／または（ｖｉ）患者の皮膚表面およびトロカールポートの数、位置、および配向の追跡。本データおよび情報はまた、本システムによって、協調操作式制御枠組の一部として使用および算出されてもよい。トロカールポートの真の位置および配向を測定することによって、本システムは、付加的安全性チェックを提供され、システムレベル算出が、正しいことを確実にし、例えば、ロボット腕または器具の実際の運動がロボット補助モードにおけるロボット腕または器具のコマンドされた運動に合致することを確実にし得る。
光学スキャナ１１００によって捕捉されたデータに基づいて、本システムはさらに、個別のポートにおいて使用されている器具、器具がポート間で取り替えられる頻度、本システムが患者または外科手術台が移動している間、器具を定位置に保持する場合（その場合、本システムは、ロボット腕の動作モードを受動モードに変化させ、ロボット腕３００および／またはプラットフォーム１００を再位置付けすることによって、移動に合わせてもよい）、付加的トロカールポートが追加されるかどうかを監視および決定するために、手動で保持される器具対ロボット腕に結合される器具を有するポート、および／または手術室またはシステムの他の条件またはパラメータを追跡してもよい。ロボット腕に対する皮膚表面およびトロカールポートの位置および配向の知識は、下記にさらに詳細に説明されるように、「仮想境界」の実装を促進し得る。
ここで図１４を参照すると、協調操作式ロボットプラットフォーム１４００内に含まれ得る、構成要素が、説明される。プラットフォーム１４００は、１つまたはそれを上回るプロセッサ１４０２、通信回路網１４０４、電力供給源１４０６、ユーザインターフェース１４０８、および／またはメモリ１４１０を含んでもよい。１つまたはそれを上回る電気構成要素および／または回路は、本明細書に説明される種々の構成要素の役割のうちのいくつかまたは全てを実施してもよい。別個に説明されるが、電気構成要素は、別個の構造要素である必要はないことを理解されたい。例えば、プラットフォーム１４００および通信回路網１４０４は、単一チップ内に具現化されてもよい。加えて、プラットフォーム１４００は、メモリ１４１０を有するものとして説明されるが、メモリチップは、別個に提供されてもよい。
プラットフォーム１４００は、メモリを含有し、および／または１つまたはそれを上回るバスを介して結合され、情報をメモリから読み取る、または情報をそこに書き込んでもよい。メモリ１４１０は、マルチレベル階層キャッシュを含む、プロセッサキャッシュを含んでもよく、その中で異なるレベルは、異なる容量およびアクセス速さを有する。メモリはまた、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、他の揮発性記憶デバイス、または不揮発性記憶デバイスを含んでもよい。メモリ１４１０は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュ、他の揮発性記憶デバイスまたは不揮発性記憶デバイス、または他の公知のメモリ、またはそれらのある組み合わせであってもよく、好ましくは、ストレージを含み、その中でデータは、選択的に保存されてもよい。例えば、記憶デバイスは、例えば、ハードドライブ、光学ディスク、フラッシュメモリ、およびＺｉｐドライブを含むことができる。プログラマブル命令が、メモリ１４１０上に記憶され、例えば、ロボット腕３００および／またはそこに結合される外科手術用器具に沿って印加されるべき所望の力を計算し、インピーダンスをロボット腕３００の個別のジョイントにおいて印加し、所望の力をもたらすために、アルゴリズムを実行してもよい。
プラットフォーム１４００は、プロセッサ１４０２を組み込んでもよく、これは、１つまたはそれを上回るプロセッサから成ってもよく、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブル論理デバイス、離散ゲートまたはトランジスタ論理、離散ハードウェア構成要素、または本明細書に説明される機能を実施するように設計される、それらの任意の好適な組み合わせであってもよい。プラットフォーム１４００はまた、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連動する１つまたはそれを上回るマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装されてもよい。
プラットフォーム１４００は、メモリ内に記憶される、ファームウェア／ソフトウェアと連動して、例えば、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、Ｍａｃ ＯＳ、ＱＮＸ、Ｕｎｉｘ（登録商標）、またはＳｏｌａｒｉｓ５．１０等のオペレーティングシステム（例えば、オペレーティングシステム１４４６）を実行してもよい。プラットフォーム１４００また、メモリ内に記憶される、ソフトウェアアプリケーションを実行する。例えば、ソフトウェアは、例えば、Ｃ＋＋、ＰＨＰ、またはＪａｖａ（登録商標）を含む、当業者に公知の任意の好適なプログラミング言語におけるプログラムであってもよい。
通信回路網１４０４は、プラットフォーム１４００が、光学スキャナおよび／または内視鏡等の画像捕捉デバイスと通信することを可能にする、回路網を含んでもよい。通信回路網１４０４は、当技術分野において公知の技法を使用して、インターネット、電話ネットワーク、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ネットワーク、および／またはＷｉｆｉネットワーク等を経由して、有線および／または無線通信ネットワークのために構成されてもよい。通信回路網１４０４は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）チップおよび／またはＷｉｆｉチップ等の当技術分野において公知の通信チップであってもよい。通信回路網１４０４は、プラットフォーム１４００が、トロカール挿入点における体壁上の力測定値等の情報を、ローカルで、および／またはサーバ等の遠隔場所に転送することを可能にする。
電力供給源１４０６は、交流電流または直流電流を供給してもよい。直流電流実施形態では、電力供給源は、交換可能バッテリまたは再充電可能バッテリ等の好適なバッテリを含んでもよく、装置は、再充電可能バッテリを充電するための回路網と、取外可能電源コードとを含んでもよい。電力供給源１４０６は、プラットフォーム１４００が、プラットフォーム１４００内の構成要素に給電するために、例えば、ＡＣ／ＤＣ電力コンバータを伴うコードおよび／またはＵＳＢポートを介して、従来の壁ソケットの中に差し込まれることを可能にするためのポートであってもよい。電力供給源１４０６は、緊急スイッチの作動に応じて、例えば、ロボット腕３００の複数のジョイントの少なくともいくつかのジョイント上に配置される、制動機構を含む、プラットフォーム１４００内の構成要素に供給されている電力が停止するように、緊急スイッチに動作可能に結合されてもよい。例えば、制動機構は、電力が制動機構に供給されていなくても、制動機構が、電力を伴わずに、ロボット腕３００の移動を防止するように働くように、電力が止められることを要求し得る。
ユーザインターフェース１４０８が、ユーザからの入力を受信し、および／または出力をユーザに提供するために使用されてもよい。例えば、ユーザインターフェース１４０８は、タッチスクリーン、ディスプレイ、スイッチ、ダイヤル、ライト等を含んでもよい。故に、ユーザインターフェース１４０８は、選択された外科手術用器具識別およびロボット腕３００の動作の間に観察される力測定値等の情報を表示してもよい。さらに、ユーザインターフェース１４０８は、プラットフォーム１４００が、適宜、情報／パラメータを調節し得るように、ロボット腕を受動モードに自動的に切り替わらせるための外科手術用器具のハンドルにおける所定の移動量または所定の停留期間、ロボット腕を協調操作モードに自動的に切り替わらせるための外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力の所定の閾値、事前に定義された力覚障壁の位置、ロボット腕の遠位端に結合される、外科手術用器具の識別、ロボット腕の垂直高、ロボット腕の水平位置等に対する調節を含む、ユーザ入力を受信してもよい。いくつかの実施形態では、ユーザインターフェース１４０８は、プラットフォーム１４００上に存在せず、代わりに、通信回路網１４０４を介して、プラットフォーム１４００に通信可能に接続される、遠隔外部コンピューティングデバイス上に提供される。
非一過性コンピュータ可読媒体の一実施例である、メモリ１４１０が、オペレーティングシステム（ＯＳ）１４４６、外科手術用器具識別モジュール１４１２、外科手術用器具較正モジュール１４１４、エンコーダインターフェースモジュール１４１６、ロボット腕位置決定モジュール１４１８、トロカール位置検出モジュール１４２０、力検出モジュール１４２２、インピーダンス計算モジュール１４２４、モータインターフェースモジュール１４２６、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８、ジェスチャ検出モジュール１４３０、受動モード決定モジュール１４３２、協調操作モード決定モジュール１４３４、力覚モード決定モジュール１４３６、ロボット補助モード決定モジュール１４３８、障害検出モジュール１４４０、インジケータインターフェースモジュール１４４２、および疲労検出モジュール１４４４を記憶するために使用されてもよい。モジュールは、本開示による種々の動作を実施するためのプロセッサ１４０２によって実行され得る、コンピュータ実行可能命令／アルゴリズムの形態において提供される。
例えば、手技の間、本システムは、本システムによって収集されたデータに基づいて、本明細書に説明されるアルゴリズムを持続的に起動してもよい。そのデータは、例えば、ロボット内のセンサ／エンコーダから、ロボット型システムの他の構成要素と通信する光学走査デバイスから、および／または本システムのオペレータによる手動入力からを含む、本明細書に開示される構成要素および方法のいずれかを使用して、収集および／または記録されてもよい。故に、本システムのアルゴリズム、データ、および構成は、ユーザが、ロボット腕および／またはそこに結合される外科手術用器具の重量、重力、および従来のロボット腕が補償することができない他の力から、最小限の衝撃および影響を伴って、ロボット腕を協調操作することを可能にし得る。本明細書に説明されるアルゴリズムのパラメータのうちのいくつかは、例えば、検出される特徴のロバスト性、誤検出に対する感度、ロボット制御利得、追跡すべき特徴の数、不感帯半径等を含む、本システムの挙動の側面を制御してもよい。
外科手術用器具識別モジュール１４１２は、ロボット腕のそれぞれに結合される外科手術用器具を識別し、適切な較正ファイルをコントローラシステムの中にロードするために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、外科手術用器具毎に較正ファイルが、外科手術用器具識別モジュール１４１２によってアクセス可能なデータベース内に記憶されてもよく、例えば、器具タイプ、重量、質量中心、長さ、器具シャフト直径等、外科手術用器具と関連付けられる情報を含んでもよい。故に、適切な較正ファイルが、ロードされ、関連付けられる外科手術用器具が、ロボット腕３００に結合されると、本システムは、ロボット腕３００が、外科手術用器具が、ロボット腕に結合され、オペレータが、外科手術用器具を放した後、外科手術用器具を定位置に保持し得るように、較正ファイル内のデータに基づいて、外科手術用器具の質量を自動的に考慮し、例えば、外科手術用器具がロボット腕３００に取り付けられるときに外科手術用器具にかかる重力を補償するであろう。例えば、外科手術用器具識別モジュール１４１２は、ユーザインターフェース１４０８を介したユーザ入力に基づいて、外科手術用器具を識別してもよく、例えば、オペレータは、外科手術用器具をメモリ１４１０内に記憶される外科手術用器具のデータベースから選択してもよい。
いくつかの実施形態では、外科手術用器具識別モジュール１４１２は、例えば、ＲＦＩＤ送信機チップおよび読取機または受信機（例えば、外科手術用器具についての情報を本システムの受信機に伝送し得る、ＲＦＩＤステッカまたは送信機を外科手術用器具上に設置する）、近距離磁気誘導通信デバイス等の近距離通信（「ＮＦＣ」）デバイス、バーコードおよびスキャナまたは他の光学デバイス、磁石ベースの通信システム、リードスイッチ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）送信機、光学スキャナおよびルックアップテーブルから集められた器具の重量および／またはデータ、および／または本明細書に説明されるまたは外科手術用器具の識別のために好適な任意の他の特徴または機構を使用して、結合器本体および結合器インターフェースを介してロボット腕と結合される、外科手術用器具を自動的に識別してもよい。上記に説明されるように、結合器本体は、既知の伸長シャフト直径を有する外科手術用器具を収容し、それと係合するために、それを通して延在する管腔のサイズおよび形状に基づいて選択されてもよい。故に、外科手術用器具識別モジュール１４１２は、結合器本体と結合器インターフェースとの間の磁気接続を介して外科手術用器具に結合される、結合器本体に基づいて、外科手術用器具を自動的に識別し得る。
いくつかの実施形態では、外科手術用器具識別モジュール１４１２は、下記にさらに詳細に説明される、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８を介して、光学スキャナ１１００によって取得されるデータに基づいて、外科手術用器具を識別してもよい。例えば、データは、外科手術用器具識別モジュール１４１２が、測定データとデータベース内に含有される情報を比較し、器具を識別し、適切な較正ファイルをコントローラシステムの中にロードするように、具体的器具と関連付けられるそのようなデータを含んでもよい。同様に、外科手術用器具識別モジュール１４１２は、器具が除去されるかどうかを検出し、較正パラメータをデフォルト構成に戻してもよい。
外科手術用器具較正モジュール１４１４は、外科手術用器具、例えば、現在、メモリ１４１０内に記憶されるデータベース内に関連付けられる較正ファイルを有していない、外科手術用器具の較正のために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。故に、外科手術用器具較正モジュール１４１４は、図１６に関して下記にさらに詳細に説明されるように、それが、ロボット腕３００に結合され、本システムが、較正モードにあるとき、力検出モジュール１４２２を介した、外科手術用器具によって印加されるロボット腕３００の力測定値に基づいて、外科手術用器具の測定値および仕様を計算してもよい。例えば、外科手術用器具較正モジュール１４１４は、外科手術用器具の器具タイプ、重量、質量中心、長さ、器具シャフト直径、粘弾性パラメータ等の情報を含む、外科手術用器具のための較正ファイルを発生させてもよい。較正ファイル内の外科手術用器具情報のうちの少なくともいくつか、例えば、器具タイプは、ユーザインターフェース１４０８を介して、ユーザ入力によって提供されてもよい。
外科手術用器具較正モジュール１４１４が、再較正結果が、本システムの中にすでにロードされている構成と一貫して異なることを決定する場合、外科手術用器具較正モジュール１４１４は、任意のユーザ入力を伴わずに、既存の情報を置換する、またはその既知のツールのリストに追加し、それらを自動的にロードしてもよい。外科手術用器具較正モジュール１４１４は、例えば、外科手術用器具が、ロボット腕と結合されるとき、ロボット腕が、外科手術用器具が患者の身体の完全に外側に位置付けられるときに行われ得る、ロボット腕および／または外科手術用器具に作用する重力のみに起因して移動する場合、較正係数が重力を補償するために適正ではないことを決定し得る。さらに、外科手術用器具較正モジュール１４１４は、較正係数が重力を補償するために適正ではないことを決定する場合、較正係数（例えば、ロボット腕のジョイントに印加される力）を自動的に更新または調節してもよい。したがって、外科手術用器具較正モジュール１４１４は、特定の外科手術用器具のための較正係数を更新し、将来的使用のために、関連付けられる較正ファイル内に特定の外科手術用器具のための更新された較正係数を記憶してもよい。
エンコーダインターフェースモジュール１４１６が、ロボット腕３００複数のエンコーダの、例えば、エンコーダＥ１－Ｅ７から、リアルタイムで、形成角測定データを受信および処理するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、エンコーダインターフェースモジュール１４１６は、エンコーダと関連付けられる所与のジョイントに回転可能に結合される、ロボット腕３００の連結部の形成角の経時的変化を計算してもよい。上記に説明されるように、本システムは、冗長エンコーダをロボット腕３００の各ジョイントに含み、それによって、ロボット腕３００の安全動作を確実にしてもよい。さらに、付加的エンコーダが、プラットフォーム１００上に配置され、プラットフォーム１００に対する各ロボット腕の形成角／位置、例えば、プラットフォーム１００に対するロボット腕の垂直および水平位置を測定してもよい。故に、あるエンコーダが、プラットフォーム１００上に配置され、プラットフォーム１００の垂直軸に沿ったロボット腕の移動を測定してもよく、別のエンコーダが、プラットフォーム１００上に配置され、プラットフォーム１００の水平軸に沿ったロボット腕の移動を測定してもよい。
ロボット腕位置決定モジュール１４１８は、リアルタイムで、エンコーダインターフェースモジュール１４１６によって発生された形成角測定データに基づいて、３Ｄ空間内のロボット腕３００と、該当する場合、そこに取り付けられる外科手術用器具との位置を決定するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、ロボット腕位置決定モジュール１４１８は、ロボット腕３００の種々の連結部およびジョイントの位置およびロボット腕３００に結合される外科手術用器具に沿った位置を決定してもよい。ロボット腕３００および／または外科手術用器具の位置データに基づいて、ロボット腕位置決定モジュール１４１８は、リアルタイムで、ロボット腕３００およびそこに取り付けられる外科手術用器具の移動の速度および／または加速を計算してもよい。
トロカール位置検出モジュール１４２０は、患者内に挿入される１つまたはそれを上回るトロカールポートの位置および／または配向を決定するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。トロカールポートの位置および／または配向は、例えば、慣性測定ユニットおよび／または加速度計、光学スキャナ、電気機械的追跡器具、線形エンコーダ、上記に説明されるようなセンサおよびデータから取得される、データに基づいて、導出されてもよい。例えば、患者上のトロカールポートの位置は、本システムの構成要素のうちの１つまたはそれを上回るもの、例えば、ロボット腕の手首部分３１１上に搭載され得、本システムによって、トロカールを挿入するための患者の身体上の最適なまたは決定された位置に向けるように制御され得る、レーザポインティングシステムを使用して決定されてもよい。さらに、トロカールを通してロボット腕３００に取り付けられる、外科手術用器具の挿入に応じて、仮想線が、外科手術用器具の縦軸に沿って、持続的に確立されてもよく、その整合／配向は、上記に説明されるように、磁気接続を介して、結合器本体を介した外科手術用器具の結合器インターフェース４００への取付に応じて、外科手術用器具がトロカール点を中心として移動するにつれて、リアルタイムで、自動的に決定されてもよい。さらに、外科手術用器具は、トロカールポート内に挿入されると、トロカール点に向かって向けられ、故に、遠位手首連結部３１６もまた、トロカール点に向かって向けられ、その角度は、それと関連付けられるエンコーダによって測定されてもよい。故に、トロカール点は、外科手術用器具の縦軸に沿って持続的に確立される、複数の仮想線の交点として計算されてもよい。このように、計算されたトロカール点は、外科手術用器具が、トロカールポートを中心として操縦される、例えば、患者の内外に回転または移動されるにつれて、患者に対して固定されたままであろう。
ロボット腕位置決定モジュール１４１８からのロボット腕３００の遠位端の既知の位置に加え、トロカールポートの既知の位置および／または配向に基づいて、本システムは、例えば、プラットフォーム１００によるその垂直または水平調節を介して、ロボット腕３００が移動するにつれて、または患者台の高さが調節され、それによって、患者の腹部の高さを移動させるにつれて、ロボット腕３００の遠位端の位置をトロカール点に対して維持し、それによって、これらの外部移動の間、患者の身体内にあって、ロボット腕３００に結合される、外科手術用器具を定常に保ってもよい。これを達成するために、ロボット腕位置決定モジュール１４１８からのロボット腕３００の遠位端の既知の位置が、プラットフォーム１００の位置を運動学計算（例えば、直列連鎖ロボット型マニピュレータの文脈におけるロボット腕３００の「順運動学」）に追加することによって、本システムの大域的フレーム内で計算される。大域的に把握されるロボット腕３００の遠位端の位置を用いることで、本システムは、外部移動の間、その現在の位置と所望の位置との間の誤差を最小限にする、適切な力を、ロボット腕３００に印加することによって、その位置を定常に保持し得る。
力検出モジュール１４２２は、ロボット腕３００上に、例えば、ロボット腕３００のジョイントまたは連結部において、または外科手術用器具に沿って印加される、およびトロカール上に印加される力、例えば、体壁力を検出するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、力検出モジュール１４２２は、リアルタイムで、それぞれ、ロボット腕３００のジョイント、例えば、基部ジョイント３０３、肩ジョイント３１８、肘ジョイント３２２、手首ジョイント３３２に動作可能に結合される、ロボット腕３００の基部内に配置される、各モータ、例えば、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３におけるモータ電流測定値を受信してもよい。モータ電流測定値は、関連付けられるジョイントに印加される力の量を示す。故に、ロボット腕３００の各ジョイントおよびそこに取り付けられる外科手術用器具に印加される力は、モータ電流測定値およびロボット腕位置決定モジュール１４１８および／またはトロカール位置検出モジュール１４２０によって発生された位置データに基づいて計算されてもよい。
ロボット腕３００の遠位端における受動軸に起因して、トロカール上のロボット腕と結合される器具によって印加される力は、概して、ロボット腕の作業空間全体を通して一貫したままであり得る。トロカールにかかる力は、器具の遠位先端と身体内の組織の相互作用によって影響され得る。例えば、トロカールを通して前進される、組織開創器が、本体組織または身体の内側の別の物体と係合される（例えば、それを握持する）場合、身体組織または他の物体から器具の端部上に付与される力は、トロカールに印加される力の変化を引き起こし得る。いくつかの側面では、トロカールにかかる力は、使用されている器具によって持ち上げられている重量の量の関数であり得る。
インピーダンス計算モジュール１４２４は、ロボット腕３００の個別のジョイントに印加されるために必要とされる、インピーダンス／トルクの量を決定し、所望の効果を達成する、例えば、受動モードにおいて、ロボット腕３００を静的位置に保持する、協調操作モードにおいて、ロボット腕およびそこに取り付けられる外科手術用器具の重力を補償しながら、ロボット腕３００が自由に移動することを可能にする、力覚モードにおいて、ロボット腕３００および／またはそこに取り付けられる外科手術用器具が事前に定義された仮想力覚障壁内にあるとき、増加されたインピーダンスをロボット腕３００に印加する等のために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、力検出モジュール１４２２を介して、ロボット腕３００上に印加される力、およびロボット腕位置決定モジュール１４１８を介して、３Ｄ空間内のロボット腕３００の遠位端の位置／速度／加速を決定することによって、印加される力を補償するためにロボット腕３００に印加されるべき所望の力／インピーダンスが、例えば、重力補償のために、または受動モードにおいてロボット腕３００を静的位置に保持するために、計算されてもよい。故に、所望の力は、例えば、ロボット腕３００のジョイントに動作可能に結合されるモータによって、ロボット腕３００のジョイントにおいて印加されるべきトルクに変換されてもよい。例えば、ロボットヤコビ行列が、本目的のために使用されてもよい。ヤコビ行列は、ロボット腕の各所与の支柱において算出され、ジョイントにおける速さをロボット腕３００の遠位端における速度に関連させる、行列である。
式中、Ｖは、ロボット腕３００の遠位端における速度ベクトルであって、Ｊは、そのヤコビ行列であって、ｑｄｏｔは、ベクトル形態で表される、そのジョイント速さである。エネルギー原理を使用して、ロボット腕３００の連結部に関する質量が無視可能であって、摩擦／減衰が無視可能であると仮定すると、システムの電力は、その力および速度を乗算することによって決定され得る。
式中、Ｆは、ロボット３００の遠位端における一般化された力ベクトルである。さらに、ベクトル操作は、以下をもたらす。
式中、ｔは、ロボット腕３００の遠位端における力が、ヤコビ行列を使用して、ジョイントにおいて印加されるべきトルクに変換され得るような、行列の転置を示す。
モータインターフェースモジュール１４２６は、ロボット腕３００の基部内に配置される、各モータ、例えば、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３におけるモータ電流読取値を受信するために、かつ、例えば、所定のインピーダンスを印加することによって、個別のモータを作動させ、本明細書に説明されるような所望の結果を達成し、および／またはロボット補助モード等において、個別のモータに動作可能に結合されるジョイントを移動させるために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。
光学スキャナインターフェースモジュール１４２８は、光学スキャナ１１００によって取得される深度データを受信し、深度データを処理し、例えば、その中の事前に定義された条件を検出するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。さらに、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８は、受信された深度データを示す、深度マップを発生させてもよく、これは、例えば、モニタを介して、オペレータに表示されてもよい。例えば、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８は、トロカールポートのマッピングが、例えば、ディスプレイまたはユーザインターフェース１４０８を介して、オペレータに通信され得るように、トロカールポートの場所を３Ｄ空間内にマッピングしてもよい。光学スキャナインターフェースモジュール１４２８はさらに、画像データを、例えば、本システムに動作可能に結合される内視鏡を含む、本明細書に定義されるような付加的光学走査デバイスから受信してもよい。
ジェスチャ検出モジュール１４３０は、事前に定義されたジェスチャパターンをユーザ入力として検出し、ユーザ入力と関連付けられる作用を実行するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。事前に定義されたジェスチャパターンは、例えば、外科手術用器具の移動（ロボット腕３００に取り付けられているかどうか）、ロボット腕３００または本システムの他の構成要素、例えば、フットペダル、ボタン等の移動、および／または事前に定義されたパターンにおけるオペレータの移動を含んでもよい。例えば、第１の方向（例えば、左／右、上／下、前方／後方、円形）における外科手術用器具の往復移動は、本システムによる第１の作用を要求する、第１のユーザ入力と関連付けられてもよく、および／または第１の方向と異なる、第２の方向（例えば、左／右、上／下、前方／後方、円形）における往復移動は、本システムによる第２の作用を要求する、第２のユーザ入力と関連付けられてもよい。同様に、事前に定義された様式における、本システムと動作可能に結合される、フットペダルまたはボタンの押下は、本システムによる第３の作用を要求する、第３のユーザ入力と関連付けられてもよく、オペレータの頭部の前後または上下繰り返しの移動は、本システムによる第４の作用を要求する、第４のユーザ入力と関連付けられてもよい。本システムの異なる構成要素またはオペレータと関連付けられる、種々の事前に定義されたジェスチャパターンは、関連付けられるユーザ入力が異なるジェスチャパターンに関して同一であり得るように、冗長であってもよい。事前に定義されたジェスチャパターンは、例えば、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８を介して、腹腔鏡または光学スキャナ１１００等の光学走査デバイスによって、または直接、力検出モジュール１４２２または本システムの他の構成要素を介して、ロボット腕３００に印加される力によって、検出されてもよい。
事前に定義されたジェスチャパターンと関連付けられるユーザ入力に応答する、作用は、例えば、ツール追跡を有効にし、ハンドヘルドツールの運動に基づいて、腹腔鏡をサーボ制御（すなわち、移動）させること、制動力をロボット腕上で働かせる（例えば、そのさらなる移動を防止する）こと、ソフトウェアロックをロボット腕上で働かせること、ロボット腕がデフォルト設定から状態間で遷移するためにかかる時間の長さを動的に変化させること、および／または、該当する場合、ロボット腕に触れている、外科手術スタッフのメンバを識別することを含んでもよい。本情報は、本システムが、外科医が触れていない場合、ロボット腕を移動させず、例えば、外力がロボット腕に作用する（例えば、光ケーブルまたは他のワイヤがロボット腕を横断して引動される）シナリオを回避し、本システムが、外科医から意図的である力を知覚することを確実にするために使用されてもよい。同一情報は、本システムが、外科医の視線があるべき方向にない場合、ロボット腕をフリーズさせ得るように、外科医の視線方向、例えば、外科医がビデオフィードまたは部屋内の他の場所を見ているかどうかを検出するために使用されてもよい。加えて、本システムは、例えば、光学スキャナ１１００からのデータに基づく、外科医が面している方向に基づいて、または外科医が見ていると考えられる物体に基づいて、カメラの視野を再位置付けしてもよい。
いくつかの実施形態では、オペレータは、例えば、ユーザインターフェース１４０８を介して、本システムを、ロボット腕、外科手術用器具、オペレータ、または本明細書に説明されるようなその他の特定の移動またはジェスチャが、ジェスチャ検出モジュール１４３０によって監視され、それらが、事前に定義されたユーザ入力と関連付けられる、事前に定義されたジェスチャパターンと一貫するかどうかを決定する、コマンドモードに能動的に切り替えてもよい。
受動モード決定モジュール１４３２は、ロボット腕３００の動作特性を分析し、ロボット腕３００の動作モードを、本システムが、モータインターフェースモジュール１４２６を介して、ロボット腕３００、故に、該当する場合、そこに取り付けられる外科手術用器具を静的位置に維持するために十分な量において、インピーダンスをロボット腕３００のジョイントに印加し、それによって、ロボット腕３００および外科手術用器具の質量およびロボット腕３００および／または外科手術用器具に作用する任意の他の外力を補償する、受動モードに切り替えるかどうかを決定するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。ロボット腕３００が、受動モードにある間、若干移動されるが、受動モードから切り替わるために十分な力を伴わない場合、本システムは、ロボット腕３００に印加されるインピーダンスの量を調節し、静的位置を維持し、ロボット腕３００が静的位置に保持されるまで、本プロセスを継続してもよい。例えば、受動モード決定モジュール１４３２は、力検出モジュール１４２２によって決定されるような、外科手術用器具のハンドルにおける移動に起因する、ロボット腕の移動が、ロボット腕３００と関連付けられる、少なくとも所定の停留期間にわたって、所定の量未満、例えば、１～５ｍｍ以下である場合、ロボット腕３００の動作モードを受動モードに切り替えることを決定してもよい。所定の停留期間は、ロボット腕３００および／または、該当する場合、そこに取り付けられる外科手術用器具が、静的位置に保持される、時間の長さを指す。例えば、所定の停留時間は、例えば、０．１～３秒に及ぶ、またはそれを上回ってもよく、オペレータによって調節されてもよい。図１９は、ある範囲のサンプル器具タイプに関する閾値停留時間の表または例示的値を図示する。
いくつかの実施形態では、受動モード決定モジュール１４３２は、力検出モジュール１４２２によって決定されるような、外科手術用器具のハンドルにおける移動に起因する、ロボット腕の移動が、所定の停留速度／速さ未満である、速度を有する場合、ロボット腕３００の動作モードを受動モードに切り替えることを決定してもよい。例えば、受動モード決定モジュール１４３２が、ロボット腕３００および／または、該当する場合、そこに取り付けられる外科手術用器具が、所定の停留期間全体の間、所定の停留速さより遅い速さで移動していることを決定する場合、受動モード決定モジュール１４３２は、ロボット腕３００の動作モードを受動モードに切り替えてもよい。図１９は、ある範囲のサンプル器具タイプに関する閾値停留速さの表または例示的値を図示する。例えば、検鏡および組織操作デバイス等の外科手術用器具に関して、閾値停留速さは、例えば、３～５ｍｍ／秒であってもよく、縫合器具、持針器、高力器具、ステープラ、およびクリップアプライヤ等の外科手術用器具に関して、閾値停留速さは、例えば、１～２ｍｍ／秒であってもよい。いくつかの実施形態では、受動モード決定モジュール１４３２は、外科手術用器具のロボット腕３００への取付および／または外科手術用器具のロボット腕３００からのそれに応じた取外に応じて、外科手術用器具の識別に基づいて、ロボット腕３００の動作モードを受動モードに切り替えることを決定してもよい。
協調操作モード決定モジュール１４３４は、ロボット腕３００の動作特性を分析し、ロボット腕３００の動作モードを、ロボット腕３００が、外科手術用器具を使用して、腹腔鏡下外科手術を実施するために、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にされる一方、本システムが、モータインターフェースモジュール１４２６を介して、外科手術用器具およびロボット腕３００の質量を考慮するために十分な量において、インピーダンスをロボット腕３００に印加する、協調操作モードに切り替えるかどうか決定するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。さらに、ロボット腕３００に印加されるインピーダンスは、オペレータによって知覚可能な所定のレベルの粘弾性を提供してもよい。図１９は、ある範囲のサンプル器具タイプに関する粘弾性レベルの表または例示的値を図示する。いくつかの実施形態では、粘弾性レベルは、外科手術用器具が移動されている速さおよびトロカール点から器具の先端までの距離の関数であり得る。例えば、協調操作モード決定モジュール１４３４は、外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、ロボット腕３００において印加される力が、ロボット腕３００と関連付けられる所定の閾値（例えば、「離脱力」）を超える場合、ロボット腕３００の動作モードを協調操作モードに切り替えることを決定してもよい。事前に定義された力閾値は、例えば、少なくとも７ニュートン、約７ニュートン、少なくとも７ニュートン、４～１５ニュートン、４～１０ニュートンであってもよい。事前に定義された力閾値は、使用されている外科手術用器具のタイプおよび／または外科手術用器具に印加されている外力が存在するかどうかに依存し得る。
図１９は、ある範囲のサンプル器具タイプに関する事前に定義された力閾値の表または例示的値を図示する。図１９に示されるように、事前に定義された力閾値は、外科手術用器具上に付与され得る、典型的外部組織力を反映させてもよい。いくつかの実施形態では、事前に定義された力閾値は、離脱力の方向に応じて、力が組織または器官またはその他によって外科手術用器具上に付与される場合、増加され得る。例えば、離脱力が、組織または器官から外科手術用器具上に付与される力と同一方向にある場合、事前に定義された力閾値は、組織または器官から外科手術用器具上に付与される力に等しいまたは相当する量だけ増加され得る。いくつかの実施形態では、個別のロボット腕のための事前に定義された力閾値は、患者の体型指数（「ＢＭＩ」）に基づいて調節される。例えば、より高いＢＭＩを伴う患者は、より大きい力を器具上に付与する可能性が高いであろう、より重い肝臓を有し得る。故に、事前に定義された力閾値は、より高いＢＭＩを伴う患者に関して、より高くなるように選択されてもよい。故に、オペレータは、例えば、ユーザインターフェース１４０８を介して、「高力モード」を作動させてもよく、事前に定義された力閾値は、より重い組織または器官に関して働くために合わせるように増加される。例えば、事前に定義された力閾値は、２０～１００％またはそれを上回って選択的に増加されてもよい。
さらに、ユーザによって外科手術用器具上に付与される力および外科手術用器具に印加される任意の外部組織力は、方向依存であり得る。例えば、ユーザによって外科手術用器具上に付与される力が、外科手術用器具に印加される外部組織力と同一方向にある場合、２つの力は、事前に定義された力閾値より低い力が、受動モードから出て、協調操作モードに入るために要求されるであろうように、ユーザによって事前に定義された力閾値を克服するために必要とされる外科手術用器具上に付与される力の量が、外部組織力の大きさだけ低減され得るように、加算式であり得る。他方では、ユーザによって外科手術用器具上に付与される力が、外科手術用器具に印加される外部組織力と反対方向にある場合、ユーザによって事前に定義された力閾値を克服するために必要とされる外科手術用器具上に付与される力の必要量は、事前に定義された力閾値より高い力が、受動モードから出て、協調操作モードに入るために要求されるであろうように、外部組織力の大きさだけ増加され得る。
加えて、ユーザによって外科手術用器具上に付与される力が、外科手術用器具に印加される外部組織力と垂直な方向にある場合、ユーザによって事前に定義された力閾値を克服するために必要とされる外科手術用器具上に付与される力の必要量は、受動モードから出て、協調操作モードに入るために必要とされる、ユーザによって外科手術用器具上に付与される必要力が、事前に定義された力閾値に等しいであろうように、外部組織力の大きさによって影響され得ない。他の方向に関して、印加される力の力ベクトルは、該当する場合、外部組織力、およびユーザによって印加される力の方向に応じて、本システムまたはロボット腕と結合される特定の外科手術用器具のための事前に定義された力閾値を克服するために、外部組織力の力ベクトルに追加またはそこから相殺されてもよい。いくつかの実施形態では、協調操作モード決定モジュール１４３４は、外科手術用器具の識別に基づいて、ロボット腕３００の動作モードを協調操作モードに切り替えることを決定してもよい。
力覚モード決定モジュール１４３６は、ロボット腕３００の動作特性を分析し、ロボット腕３００の動作モードを、本システムが、モータインターフェースモジュール１４２６を介して、協調操作モードで印加されるものより高い量において、インピーダンスをロボット腕３００に印加し、外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、ロボット腕３００の移動を、協調操作モードより粘弾性にする、力覚モードに切り替えるかどうか決定するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、力覚モード決定モジュール１４３６は、ロボット腕３００および／またはそこに取り付けられる外科手術用器具の少なくとも一部が、事前に定義された仮想力覚境界内にある場合、ロボット腕３００の動作モードを力覚モードに切り替えることを決定してもよい。具体的には、仮想力覚境界が、ロボット腕またはそこに結合される外科手術用器具が境界を侵害すべきではないように、本システムによって確立されてもよい。例えば、仮想境界は、患者の表面において確立され、ロボット腕またはロボット腕によって支持される器具の任意の部分が、１つまたはそれを上回るトロカールを通して以外、患者に接触することを防止してもよい。同様に、仮想力覚境界は、オペレータが器具をトロカールポートの中に挿入するにつれて、器具を患者の中に誘導することに役立つための力覚漏斗を含んでもよい。故に、例えば、ロボット腕位置決定モジュール１４１８および／またはトロカール位置検出モジュール１４２０によって受信される、ロボット腕３００および／またはそこに結合される外科手術用器具の位置データに基づいて、力覚モード決定モジュール１４３６は、ロボット腕３００および／または外科手術用器具が事前に定義された仮想力覚境界内にあるかどうか、故に、ロボット腕３００を、プロセッサ１４０２が、関連付けられるモータに、オペレータによって知覚可能な有効量のインピーダンスをロボット腕３００のジョイントに印加し、オペレータに、仮想力覚境界を通信するように命令し得る、力覚モードに遷移させるかどうかを決定してもよい。故に、オペレータによって観察されるロボット腕３００の粘弾性は、協調操作モードよりはるかに高いであろう。いくつかの実施形態では、力覚モード決定モジュール１４３６は、外科手術用器具の識別に基づいて、ロボット腕３００の動作モードを力覚モードに切り替えることを決定してもよい。
ロボット補助モード決定モジュール１４３８は、ロボット腕３００の動作特性を分析し、ロボット腕３００の動作モードを、プロセッサ１４０２が、関連付けられるモータに、モータインターフェースモジュール１４２６を介して、ロボット腕３００の対応する連結部およびジョイントの移動に所望の結果を達成させるように命令し得る、ロボット補助モードに切り替えるかどうか決定するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、ロボット補助モード決定モジュール１４３８は、例えば、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８から取得されるデータに基づいて、事前に定義された条件が存在する場合、ロボット腕３００の動作モードをロボット補助モードに切り替えることを決定してもよい。
例えば、ロボット補助モード決定モジュール１４３８は、腹腔鏡または光学スキャナ１１００に結合される、ロボット腕が、オペレータのための外科手術用部位の視野を最適化するように再位置付けまたはズームインアウトされるべきであるように、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８を介して、腹腔鏡または光学スキャナ１１００から取得される画像データに基づいて、ある条件が存在する、例えば、ロボット腕３００または光学スキャナ１１００に結合される腹腔鏡の視野が、例えば、外科医または助手または本システムの別の構成要素による遮断に起因して、所与の外科手術手技のために最適ではないことを決定し得る。したがって、ロボット補助モードでは、プロセッサ１４０２は、ロボット腕３００に、自動的／準自動的に、またはオペレータによるユーザ入力に応答してのいずれかにおいて、腹腔鏡を移動させ、再位置付けし、および／または腹腔鏡をズームインまたはズームアウトさせる、または画像の分解能を増加させるように、または別様に命令してもよい。例えば、オペレータによるユーザ入力は、第１の方向では、事前に定義されたジェスチャパターンにおけるロボット腕または外科手術用器具の移動が、内視鏡に、分解能または拡大率を増加させ、第２の方向では、内視鏡に、分解能または拡大率を減少させ、別の事前に定義されたジェスチャパターンにおける移動が、ロボット腕に、腹腔鏡を保持させ、患者の身体から離れるように後退させるように、上記に説明されるように、ジェスチャ検出モジュール１４３０によって決定されてもよい。
加えて、ロボット補助モード決定モジュール１４３８は、ロボット腕３００が、再位置付けされ、トロカールを最適位置、例えば、ロボット腕３００の移動範囲の近似中心に維持し、それによって、手技の間、ロボット腕のジョイント限界に到達するリスクを最小限にするべきであるように、ある条件が存在する、例えば、１つまたはそれを上回るトロカールが、例えば、患者の移動に起因して、最適位置にないことを決定し得る。したがって、ロボット補助モードでは、プロセッサ１４０２は、本システムに、例えば、プラットフォーム１００による垂直／水平調節を介して、またはロボット腕３００のジョイントおよび連結部を介して、ロボット腕３００を再位置付けし、外科手術用器具作業空間をより良好に整合させるように命令してもよい。
ロボット補助モード決定モジュール１４３８は、ロボット腕が、物体との衝突を回避するために、フリーズされるべきであるように、光学スキャナインターフェースモジュール１４２８を介して、腹腔鏡または光学スキャナ１１００から取得される画像データに基づいて、ある条件が存在する、例えば、物体とロボット腕３００との間の距離が、所定の閾値内にあることを決定し得る。したがって、ロボット補助モードでは、プロセッサ１４０２は、ロボット腕３００に、制動力を印加し、ロボット腕を減速させる、または他の物体から所定の距離内での移動を阻止または防止するように命令してもよい。
障害検出モジュール１４４０は、本システムの動作特性を示す、データ、例えば、ロボット腕位置決定モジュール１４１８および／またはトロカール位置検出モジュール１４２０によって発生された位置データおよび／または力検出モジュール１４２２によって計算される力測定値を分析し、障害条件が存在するかどうかを検出するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、障害検出モジュール１４４０は、本システムの障害条件を検出し、障害条件が、「軽微な障害」「重大な障害」、または「致命的障害」かどうかを決定してもよく、障害条件の各カテゴリは、異なる事前に定義された様式において解消されてもよい。
例えば、障害検出モジュール１４４０は、所定の速度閾値を超える速度で移動されているロボット腕３００等の軽微な障害条件を検出し得、これは、例えば、ロボット腕３００の移動を減速させることによって解消され得る。いくつかの実施形態では、本システムは、ロボット腕３００が、あまりに高速で移動しており、それによって、ロボット腕３００の移動を減速させるようにオペレータを強制することができないとき、自動的に、付加的インピーダンスをロボット腕３００に印加してもよい。さらに、障害検出モジュール１４４０は、オペレータ以外の人物によってロボット腕３００に印加される大きな力によって示されるような、ロボット腕３００の不注意によるバンプ等の重大な障害条件を検出し得る。重大な障害条件の検出に応答して、障害検出モジュール１４４０は、ロボット腕３００の各モータ式ジョイント（または少なくとも、重大な障害条件と関連付けられるジョイント）と関連付けられる、制動機構を作動させ、それによって、ロボット腕３００をフリーズさせ、ロボット腕３００のさらなる移動を阻止してもよい。そのような重大な障害条件は、オペレータが、ユーザインターフェース１４０８上に表示される、「解消」オプションを作動させることによって、解消され得る。障害検出モジュール１４４０は、ロボット腕３００の所与のジョイントと関連付けられる冗長エンコーダが、所定の閾値を超えるデルタを伴う、異なる形成角測定値を発生させる等の致命的障害条件を検出し得る。致命的障害条件の検出に応答して、障害検出モジュール１４４０は、ロボット腕３００の各モータ式ジョイントと関連付けられる、制動機構を作動させ、それによって、ロボット腕３００をフリーズさせ、ロボット腕３００のさらなる移動を阻止してもよい。そのような致命的障害条件は、オペレータが本システムを再始動することによって、解消され得る。本システムの再始動に応じて、致命的障害条件が、依然として、障害検出モジュール１４４０によって検出される場合、ロボット腕３００は、致命的障害条件が解消されるまで、フリーズされたままであろう。
インジケータインターフェースモジュール１４４２は、例えば、受動モード決定モジュール１４３２、協調操作モード決定モジュール１４３４、力覚モード決定モジュール１４３６、および／またはロボット補助モード決定モジュール１４３８によって行われる決定に基づいて、インジケータ３３４に、本システムの状態、例えば、ロボット腕３００の動作モードをオペレータまたは他のユーザに通信させるために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、インジケータインターフェースモジュール１４４２は、本システムの具体的状態と関連付けられる、具体的色の光において、インジケータ３３４を照明させてもよい。例えば、インジケータインターフェースモジュール１４４２は、外科手術用器具がロボット腕に取り付けられておらず、ロボット腕が、本システムがロボット腕の質量を補償するように、自由に移動され得ることを示すために、第１の色（例えば、黄色）において、外科手術用ツールが、ロボット腕に取り付けられており、ロボット腕が、本システムがロボット腕の質量およびロボット腕に結合される外科手術用器具の質量を補償するように、自由に移動され得ることを示すために、第２の色（例えば、紫色）において、外科手術用器具が、ロボット腕に取り付けられており、ロボット腕が、受動モード決定モジュール１４３２によって決定されるように、受動モードにあることを示すために、第３の色（例えば、青色）において、ロボット腕および／またはそこに取り付けられる外科手術用器具の少なくとも一部が、仮想力覚境界内に、例えば、接地面から１．４ｍまたはそれを上回る上方にあることを示すために、第４の色（例えば、パルス化橙色）において、障害が、障害検出モジュール１４４０によって、本システムによって検出されていることを示すために、第５の色（例えば、パルス化赤色）において、インジケータ３３４を照明させてもよい。当業者によって理解されるであろうように、異なる色およびパターンが、インジケータ３３４によって、上記に説明される本システムの状態を示すために通信されてもよい。
加えて、インジケータ３３４は、他の明確に異なる色および／またはパターンにおいて照明され、例えば、ロボット腕３００が、ロボット補助モードにおいて、外科手術用腕を後退させる、またはロボット補助モードにおいて、別のロボット補助操縦を実施するとき、ロボット腕３００による付加的操縦を通信してもよい。上記に説明されるように、インジケータ３３４はさらに、可聴アラートまたはテキストアラート等の他のアラートを放出するためのデバイスを含んでもよい。故に、インジケータインターフェースモジュール１４４２は、インジケータ３３４に、オーディオまたはテキストおよび光を使用して、または光の代わりに、それらを使用して、本システムの状態をオペレータに通信させてもよい。
疲労検出モジュール１４４４は、図２５に関して下記にさらに詳細に説明されるように、外科手術手技におけるロボット腕３００の動作の間に生じ得る、ユーザ疲労を検出するために、プロセッサ１４０２によって実行されてもよい。例えば、例えば、ロボット腕位置決定モジュール１４１８、力検出モジュール１４２２、インピーダンス計算モジュール１４２４からのデータに基づいて、疲労検出モジュール１４４４は、ロボット腕３００に結合される外科手術用器具を使用する、オペレータの疲労のレベルを決定し、疲労のレベルと所定の疲労閾値を比較してもよい。例えば、疲労検出モジュール１４４４は、例えば、オペレータの手の振戦、器具先端によって進行される距離／最小経路、手技ステップを達成するまでの時間、および／または手技を完了するまでの時間に基づいて、所与の手技に関する全体的スコアを査定し、疲労のレベルを決定してもよい。疲労検出モジュール１４４４によって発生されたデータに基づいて、インピーダンス計算モジュール１４２２は、モータインターフェースモジュール１４２６が、関連付けられるモータに、必要なインピーダンスをロボット腕３００に印加させ得るように、ロボット腕３００に印加し、例えば、オペレータの振戦を低減させるために必要なインピーダンスの量を決定してもよい。さらに、疲労検出モジュール１４４４によって発生されたデータに基づいて、モータインターフェースモジュール１４２６は、関連付けられるモータに、ロボット腕３００の連結部を移動させ、そこに取り付けられる外科手術用器具のオペレータの操作を誘導させてもよい。
本明細書に説明される協調操作式外科手術用ロボットシステムは、取得されるデータに基づいて、付加的タスクを実行するために、付加的モジュールをプラットフォーム２００のメモリ１４１０内に含んでもよい。例えば、本システムは、力検出モジュール１４２２を介して、例えば、結合器本体と結合器インターフェース４００との間の磁気接続の引力に起因してロボットに印加される、力の高速または突然の変化（「スナップ運動」）を検出することによって、外科手術用器具がロボット腕３００に取り付けられていることを決定し得る。例えば、結合器本体および結合器インターフェース４００上の磁石の引力は、磁石が整合しているとき、少なくともロボット腕の端部部分上における突然の移動および／またはロボット腕の最後のジョイントの突然の回転を引き起こし得る。故に、本突然の移動は、検出され得、外科手術用器具識別モジュール１４１２が、器具が、ロボット腕に取り付けられている、またはそこから取り外されていることを決定するようにトリガし得る。同様に、外科手術用器具識別モジュール１４１２は、例えば、ロボット腕３００の遠位端の後続運動が、ロボット腕３００の最遠位ジョイントにおける回転を殆どまたは全く伴わないとき、外科手術用器具がロボット腕３００から取り外されていることを決定し得る。
加えて、本システムは、トロカール位置検出モジュール１４２０によって発生されたトロカール点に対するロボット腕３００の遠位端の位置、および器具シャフトの方向および／またはロボット腕３００の最遠位連結部、例えば、遠位手首連結部３１６の配向を示すデータに基づいて、外科手術用器具がロボット腕３００から取り外されているかどうかを決定してもよい。例えば、器具が、直接、トロカールに向いている場合、ツールがロボット腕に取り付けられていることのより高い確率が存在する。さらに、ロボット腕３００の軸Ｑ７は、器具の向いている方向を示し得、器具が、トロカールポートを通して通過している場合、遠位手首連結部３１６は、トロカールポートの方向に向いているであろう。したがって、遠位手首連結部３１６が、トロカールポートに向かって向いていない場合、本システムは、ロボット腕が器具を支持していない、または器具がトロカールポートを通して前進されていないことを決定し得る。例えば、器具が、ロボット腕３００から取り外され、ロボット腕３００が、移動されると、器具シャフトの算出された方向（例えば、器具がロボット腕３００に取り付けられる場合に向くであろう、方向）は、もはやトロカール進入点に向いていない場合があり、トロカール進入点を向いていない可能性が高いであろう。故に、本システムが、ツールがロボット腕３００と結合されていないことを決定する場合、例えば、インジケータ３３４を介して、ユーザにアラートしてもよい。
加えて、本システムは、ユーザが外科手術用器具をロボット腕３００から除去または結合解除するように試行している可能性があるときを識別し、外科手術用器具、故に、結合器本体を結合器インターフェース４００から結合解除するために要求される、除去力を調節してもよい。例えば、１つまたはそれを上回る磁石が、付勢力を提供し、外科手術用結合器本体を結合器インターフェースに対して付勢するために使用される場合、１つまたはそれを上回る磁石によって提供される引力を上回る力が、１つまたはそれを上回る磁石によって提供される力に対向する方向において、引力を克服し、結合器本体および外科手術用器具を結合器インターフェースから結合解除するために、外科手術用器具および／または外科手術用器具と結合される結合器本体上に付与されなければならない。例えば、除去力は、３０～６０ニュートンであってもよい。
さらに、本システムは、ロボット腕に印加されている力に関する遠隔計測データを集め、分析し、ユーザがツールをロボット腕から除去するように試行しているかどうかを査定または推定し、該当する場合、結合器本体と結合器インターフェースとの間の結合力を低減させ、ユーザが外科手術用器具をロボット腕から係脱することをより容易にしてもよい。例えば、結合／除去力は、５０～８０％低減されてもよい。履歴データおよびユーザフィードバック、および器具の不注意による除去を示し得る、ユーザが器具の場所を調節せずに器具を置換するかどうか等のデータに基づいて、本システムは、結合器本体と結合器インターフェースとの間の結合力を低減させるための最適時間を推定し得る。さらに、結合力は、動作の間、外科手術用器具のロボット腕からの不注意による除去を防止するために増加されてもよい。
加えて、本システムは、本システムと併用される光学走査デバイスから取得されるデータに基づいて、ロボット腕３００およびそのジョイント、ロボット腕と結合される外科手術用器具、またはロボット腕および／または本システムの他の構成要素の最適位置付けを決定し、最適位置付けを達成するために、指針を本システムのオペレータに提供してもよい。最適位置付けを示す、データはさらに、プロセッサ１４０２によって、例えば、設定段階の間またはその後、例えば、ロボット補助モードにおいて、モータに、ロボット腕３００の対応する連結部およびジョイントを移動させ、ロボット腕３００および／または光学走査デバイスを最適位置に自動的に再位置付けするように命令するために使用されてもよい。
加えて、本システムは、プロセッサ１４０２が、モデルまたは最適移動パターンと比較して、現在のユーザの移動またはプロセスの逸脱を検出し、逸脱を現在のユーザにリアルタイムで通信し得るように、手技の間、例えば、ロボット腕３００の設定または動作の間、センサからのデータ、例えば、エンコーダまたは光学走査デバイスを介して、ロボット腕３００またはそこに取り付けられる外科手術用器具の位置データ、および／または身体センサまたは光学走査デバイスを介して、オペレータの位置データを収集してもよい。例えば、プロセッサ１４０２は、モニタに、現在のユーザに対して逸脱をリアルタイムで、および最適および／または実際の移動パターンを表示させてもよい。加えて、または代替として、インジケータインターフェースモジュール１４４０は、例えば、具体的色および／または具体的パターンにおいて照明することによって、インジケータ３３４に、モデルまたは最適移動パターンからの逸脱を示させてもよい。加えて、または代替として、モータインターフェースモジュール１４２６は、振動、移動に関する制限、または感覚を含む、力覚フィードバックとして、オペレータによって知覚可能なインピーダンスをロボット腕３０に印加し、モデルまたは最適移動パターンからの逸脱を示してもよい。故に、本システムは、そのようなデーが外科手術用デバイスの位置をリアルタイムで最適化するために使用され得るように、新しいユーザのための訓練ツールとして使用されてもよい。
本システムはさらに、光学走査デバイスによって発生された深度マップを分析し、（深度）ピクセルの異なる群を一意の物体の中にクラスタ化してもよく、そのプロセスは、物体区画化と称される。区画化のためのそのようなアルゴリズムの実施例は、入手された深度マップデータを区画化するための物体の既知のテンプレートに合致させるステップ、深度とＲＧＢ色画像の組み合わせを使用して、物体のための関連ピクセルを識別および隔離するステップ、および／または識別および区画するための物体に対する実際のまたは合成データセット上で訓練された機械学習アルゴリズムを含んでもよい。深度マップ上のそのような区画化の実施例は、ロボット腕を位置特定する、またはロボット腕の位置を決定するステップ、患者ポート（例えば、トロカールポート）を識別し、器具からトロカールポートまでの距離を決定するステップ、外科医を識別し、外科医を部屋内の他のオペレータから区別するステップ、および／またはセンサの視野内の外科医を識別するステップを含んでもよい。さらに、本システムは、物体区画化アルゴリズムを使用して、外科医を一意に識別し、例えば、外科手術台、患者、１つまたはそれを上回るロボット腕等に対して、外科医を追跡してもよい。加えて、本システムは、物体区画化アルゴリズムを使用して、外科医が、ロボット腕のいずれかに触れている、またはそれを取り扱っているかどうかを決定し、該当する場合、外科医によって触れられている、または取り扱われている、ロボット腕を識別してもよい。
ここで図１５を参照すると、本明細書に説明される協調操作式外科手術用ロボットシステムの動作１５００が、提供される。図１５に示されるように、ステップ１５０２では、オペレータは、結合器本体、例えば、結合器本体５００、６００、７００を介して、選択された外科手術用器具をロボット腕３００の結合器インターフェース４００に結合してもよい。上記に説明されるように、オペレータは、例えば、外科手術用器具の伸長シャフト直径に基づいて、選択された外科手術用器具と結合するようにサイズ決めおよび成形される、結合器本体を選択してもよい。外科手術用器具および結合器本体が、ロボット腕３００に結合される準備ができると、オペレータは、選択された外科手術用器具、例えば、腹腔鏡または開創器と関連付けられる情報が、本システムの中にロードされるように、例えば、ユーザインターフェース１４０８を介して、選択された外科手術用器具の較正ファイルをロードしてもよい。例えば、オペレータは、較正ファイルを様々な外科手術用器具のための較正ファイルのデータベースから選択してもよい。較正ファイルは、以前の手技から記憶されてもよく、一般に使用される腹腔鏡下器具の較正ファイルを含むように、事前にロードされてもよい。
選択された外科手術用器具のための較正ファイルが、データベース内で利用不可能である場合、オペレータは、本システムを使用して、外科手術用器具を自己較正してもよい。例えば、図１６は、外科手術用器具を較正し、例えば、動作の間、外科手術用器具およびロボット腕３００にかかる正確な力測定値を計算する際に使用され得る、外科手術用器具の質量中心を決定するための外科手術用器具較正プロセス１６００を図示する。ステップ１６０１では、オペレータは、「始動」オプションをユーザインターフェース１４０８上で作動させてもよい。ステップ１６０２では、オペレータは、「装填ツール較正」を選択し、較正プロセスを開始してもよい。ステップ１６０３では、本システムは、外科手術用器具の重力補償のために、任意のインピーダンスをロボット腕３００に印加しない。本システムは、インピーダンスをロボット腕３００に印加し、ロボット腕３００の重量を考慮し、例えば、ロボット腕３００が接地面から落下することを防止してもよい。ステップ１６０４では、外科手術用器具は、適切にサイズ決めされた結合器本体を介して、ロボット腕３００の結合器インターフェース４００に結合され、これは、ロボット腕３００の手首部分４１１を軸Ｑ７を中心として回転させ、結合器本体と係合させ得る。
ステップ１６０５では、本システムは、例えば、外科手術用器具の質量に起因して、ロボット腕３００の遠位端に印加される力を測定することによって、外科手術用器具の重力およびオペレータの手によって印加される力を補償する。上記に説明されるように、ロボット腕３００の遠位端に印加される力は、ロボット腕３００の基部内に配置されるモータを横断するモータ電流を測定することによって測定されてもよい。本システムが、外科手術用器具の重力を過補償する場合、ステップ１６０６では、ロボット腕３００は、「暴走」、例えば、上向きにドリフトし得る。暴走効果は、ステップ１６０７において検出され得、ステップ１６０８では、インジケータ３３４が、点滅し、オペレータに、暴走を示してもよい。ステップ１６０９では、本システムは、暴走を軽微な障害として識別し、故に、付加的インピーダンスをロボット腕３００に印加し、付加的インピーダンスを除去する前に、ロボット腕３００が減速するとき、ロボット腕３００をフリーズさせてもよい。いったん軽微な障害が、対処されると、較正プロセス１６００は、ステップ１６０３に戻り得る。
ステップ１６０５後、本システムが、外科手術用器具の重力を補償するとき、外科手術用器具が、偶発的に、またはステップ１６１１において、オペレータによって手動でのいずれかにおいて、取り外される場合、ステップ１６１０では、本システムは、外科手術用器具のロボット腕３００からの取外を検出する。結果として、本システムは、外科手術用器具の重力の補償を停止し、較正プロセス１６００は、ステップ１６０３に戻り得る。ステップ１６０５後、本システムが、外科手術用器具の重力を補償すると、較正プロセス１６００は、ステップ１６１２において、較正モードに入る準備ができる。例えば、オペレータは、ステップ１６１３において、ユーザインターフェース１４０８を介して、較正モードを始動させてもよい。ステップ１６１４では、本システムは、オペレータが、ステップ１６１６において、外科手術用器具を放し得るように、オペレータに、例えば、ユーザインターフェース１４０８および／またはインジケータ３３４の点滅を介して、外科手術用器具を放しても安全であることを示してもよい。ステップ１６１５では、本システムは、外科手術用器具を較正する。
再び図１５を参照すると、外科手術用器具および結合器本体が、ロボット腕３００に結合される準備ができ、適切な較正ファイルが、ロードされると、オペレータは、結合器本体と結合器インターフェース４００との間の磁気接続が、外科手術用器具をロボット腕３００に自動的に整合および結合されるように、結合器本体を結合器インターフェース４００の近傍に容易に設置し得る。本システムは、ここで、選択された外科手術用器具の重力を正確に補償するであろう。ステップ１５０４では、ユーザは、そこに結合されるロボット腕３００を伴わずに、オペレータが行うであろう、通常の様式において、ロボット腕３００に結合される外科手術用器具を自由に操作することによって、協調操作式外科手術用システムを使用してもよい。図１５に示されるように、オペレータが、外科手術用器具、故に、そこに結合されるロボット腕３００を操作するにつれて、本システムは、図１７に関して下記に説明されるように、事前に定義された条件の検出に応じて、自動的に、例えば、協調操作モード１５０６と、受動モード１５０８と、力覚モード１５１０と、ロボット補助モード１５１２（集合的に、「動作モード」と称される）との間で切り替えてもよい。いくつかの実施形態では、本システムは、協調操作モード１５０６、受動モード１５０８、および力覚モード１５１０のみ間で自動的に切り替えてもよい。いくつかの実施形態では、オペレータは、ステップ１５０４において、協調操作式外科手術用システムを使用することに先立って、本システムを設定するための動作モードを選択してもよい。
例えば、オペレータは、オペレータが特定のロボット腕の動作モードを変化させることを所望することを示すために、例えば、ロボット腕３００に結合される外科手術用器具を操作することによって、特定の力をロボット腕３００の遠位端上に付与してもよい。センサおよび／またはモータ電流読取値が、ロボット腕３００の遠位端に印加される力を検出し、例えば、力と本システム内に記憶される１つまたはそれを上回る事前に定義された力シグネチャを比較することによって、力が動作変化と関連付けられる事前に定義された力シグネチャに合致するかどうかを決定するために使用されてもよい。合致が存在する場合、本システムは、ロボット腕の動作モードを、力シグネチャに合致する、特定の動作モードに変化させてもよい。
上記に説明されるように、協調操作式外科手術用システムの動作の間、本システムは、図１７の方法１７００に説明されるように、ロボット腕およびそこに印加される力を持続的に監視し、本システムの動作モードを切り替えることを要求する、事前に定義された条件を検出してもよい。図１７に示されるように、ステップ１７０２では、本システムは、ロボット腕および／またはロボット腕と結合される外科手術用器具の第１の動作特性に関連する、データを持続的に収集する。例えば、上記に説明されるように、本システムは、ロボット腕のエンコーダによる測定値に基づいて、ロボット腕のジョイントに動作可能に結合されるモータのモータ電流およびロボット腕の連結部の形成角を測定し、ロボット腕の位置および外科手術用器具、およびロボット腕の任意の部分と、該当する場合、外科手術用器具とに作用する力を、リアルタイムで計算してもよい。ステップ１７０４では、本システムは、第１の動作特性に関連するデータを分析し、第１の条件が存在するかどうかを決定してもよい。例えば、ロボット腕および／または外科手術用器具の位置および力データに基づいて、本システムは、そこに結合される外科手術用器具の移動に起因するロボット腕の移動が、ロボット腕の所定の停留時間より長いある期間にわたって、ロボット腕の所定の移動閾値内にあるかどうかを決定してもよい。本第１の条件の検出に応じて、ステップ１７０６では、本システムは、ロボット腕の第１の動作パラメータを修正してもよい。例えば、本システムは、ロボット腕の動作モードを、ロボット腕が外科手術用器具を静的位置に維持する、受動モードに切り替えてもよい。
例えば、第１のロボット腕は、腹腔鏡に結合されてもよく、オペレータは、例えば、腹腔鏡からの画像を給送することを表示するモニタを介して、望ましい視野が腹腔鏡によって提供されるまで、腹腔鏡を患者内で操作してもよい。協調操作モードにおいて、第１のロボット腕に結合される、腹腔鏡を自由に移動させるために、オペレータは、所定の力閾値を超える、十分な力を腹腔鏡に印加しなければならない。所定の力閾値は、腹腔鏡を自由に移動させるためにオペレータによる力をあまり要求しないように、十分に低くあるべきである。さらに、所定の力閾値は、受動モードから離れるような不注意による移動に抵抗するように選択されてもよい。オペレータが、上記に説明されるように、協調操作モードにおいて、腹腔鏡を自由に移動させるにつれて、本システムは、第１のロボット腕の質量または重量が、オペレータによって検出可能ではない、または別様に有意に減衰されるように、十分なインピーダンスを第１のロボット腕に印加し、移動の間、第１のロボット腕および腹腔鏡の質量（すなわち、慣性）および／または重力の影響を補償するであろう。いくつかの実施形態では、オペレータが、腹腔鏡を第１のロボット腕に結合するとき、腹腔鏡が、患者の本体内にまだ位置付けられていない場合、本システムは、外科手術用器具に作用する外力が存在しないことを決定し得、例えば、トロカールポートを中心として確立される、仮想力覚漏斗を介して、オペレータが、トロカールポートを通して、腹腔鏡を適切な場所に移動させることを誘導するために、自動的に、第１のロボット腕を力覚モードに切り替えてもよい。
腹腔鏡が、患者および患者内の外科手術用部位に対して所望の位置にあるとき、本システムは、外科手術用器具の移動に起因する第１のロボット腕の移動が、所定の停留時間を超える、ある期間にわたって、所定の移動閾値内にあることの検出に応じて、協調操作モードから受動モードに自動的に切り替わるであろう。例えば、所望の位置に到達することに応じて、オペレータは、例えば、少なくとも０．２５秒にわたって、腹腔鏡を所望の位置に保持するであろう。したがって、所定の停留時間が、０．２５秒である場合、所定の停留期間よりさらに長い時間にわたって、腹腔鏡を所望の位置に保持することは、本システムを、自動的に、受動モードに切り替わらせるであろう。さらに、オペレータが、腹腔鏡を完璧に静止して保持することが不可能であり得るため、腹腔鏡の少なくともある程度の移動は、受動モードに入るために、所定の停留時間の持続時間にわたって許容される。上記に説明されるように、受動モードでは、第１のロボット腕は、例えば、本システムが十分なインピーダンスを第１のロボット腕に印加し、腹腔鏡に作用する全ての外力を補償することによって、腹腔鏡を静的位置に保持するであろう。
同様に、第２のロボット腕が、開創器に結合されてもよく、オペレータは、協調操作モードにおいて、開創器を患者内で自由に操作し、例えば、第２のロボット腕の所定の力閾値を超える、開創器において印加される力に起因して、十分な力を第２のロボット腕に印加することによって、患者内の組織を握持し、組織を後退させ、第１のロボット腕に結合される腹腔鏡によって、外科手術用部位の鮮明な視野を提供してもよい。オペレータが、開創器を用いて、組織を握持し／持ち上げ／後退させるにつれて、本システムは、オペレータが、限定ではないが、組織から器具に作用する力を含む、開創器に作用する任意の他の力を感じ得るように、第２のロボット腕および／または器具の重力のみを補償し、握持されている組織のものは補償しなくてもよい。本随意の構成では、故に、握持されている組織と関連付けられる、力覚が、保存され得る。
開創器が、組織を十分に握持し、後退させると、本システムは、オペレータが、例えば、第２のロボット腕の所定の停留期間を超える、ある期間にわたって、第２のロボット腕の所定の移動閾値を超えない、移動を伴って、開創器を定位置に保持することに応じて、自動的に、受動モードに遷移してもよい。故に、開創器が、受動モードにおいて、患者内の組織を後退させるとき、第２のロボット腕は、開創器および第２のロボット腕の質量に加え、組織の質量を考慮するであろう。したがって、第２のロボット腕を受動モードから切り替えさせるための所定の力閾値は、組織によって外科手術用器具に印加される力が、第２のロボット腕の所定の第１の閾値を超える場合、本システムが、自動的に、第２のロボット腕を受動モードから、例えば、協調操作モードに切り替わらせるであろうように、組織によって開創器の先端に印加される力に起因して第２のロボット腕に印加される、力を上回らなければならない。しかしながら、所定の力閾値は、オペレータが開創器を移動させることが非常に困難であるほど高くあるべきではない。上記に説明されるように、オペレータは、例えば、ユーザインターフェース１４０８を介して、所定の力閾値を調節してもよい。
第２のロボット腕に結合される開創器を介した組織の後退に応じて、オペレータは、第１のロボット腕に結合される腹腔鏡の視野を再調節する必要があり得る。故に、オペレータは、本システムが、自動的に、第１のロボット腕を受動モードから協調操作モードに切り替えるように、第１のロボット腕の所定の力閾値を超える、力を腹腔鏡に印加してもよい。腹腔鏡の新しい所望の位置が、達成されると、第１のロボット腕は、上記に説明される事前に定義された条件が満たされる場合、自動的に、受動モードに戻ってもよい。代替として、腹腔鏡を再調節し、または第１のロボット腕の連結部を再位置付けし、腹腔鏡下手技の間の潜在的衝突を回避するために、または腹腔鏡を完全に異なるロボット腕に切り替えるために、オペレータは、腹腔鏡を結合解除し、ロボット腕および／または腹腔鏡を再調節し、腹腔鏡を第１のロボット腕（または他のロボット腕）に再取付することを選んでもよい。腹腔鏡の第１のロボット腕への再取付に応じて、第１のロボット腕は、上記に説明される事前に定義された条件が満たされる場合、受動モードに自動的に切り替わってもよい。
さらに、オペレータが、例えば、開創器の先端を患者内のトロカールを通して挿入することに先立って、協調操作モードにおいて、開創器を自由に移動させるにつれて、オペレータが、開創器の先端をトロカールポートから離れるように患者の皮膚の非常に近くまで移動させ、仮想力覚境界が、本システムによって、トロカールポートの外側の患者の皮膚上に確立された場合、本システムは、力覚モードに自動的に切り替わってもよい。故に、本システムは、協調操作モードにおいて第２のロボット腕に印加されるものよりはるかに高い、インピーダンスを第２のロボット腕に印加し、オペレータに、それらが仮想力覚境界に接近する、またはその中にあることを示してもよい。例えば、オペレータによる開創器の移動は、力覚モードでは、はるかに粘弾性を感じ得る。本システムは、オペレータが開創器を仮想力覚境界から外に移動させるまで、力覚モードに留まってもよい。いくつかの実施形態では、力覚モードでは、第２のロボット腕は、重力の影響を低減させ、器具先端の振戦を排除し、力フィードバックを印加し、仮想力覚境界によって定義されるような重要な構造を回避してもよい。故に、本システムは、オペレータに取って代わるのではなく、むしろ、重力補償、振戦除去、力覚障壁、力フィードバック等の特徴を通して、オペレータの能力を増強させる。
いくつかの実施形態では、本システムは、第２のロボット腕をロボット補助モードに切り替えてもよい。例えば、オペレータが、組織を後退させるようと試行するにつれて、オペレータが、開創器に印加することが可能である、またはそれを厭わないものより多くの力が、組織を後退させるために要求される場合、オペレータは、ユーザ入力をシステムに提供し、オペレータが、第２のロボット腕が組織の後退を補助することを所望することを示してもよい。例えば、上記に説明されるように、オペレータは、本システムが、第２のロボット腕をロボット補助モードに切り替え、第２のロボット腕のモータを第２のロボット腕、故に、開創器まで移動させ、組織を後退させるために要求される付加的力を提供させるように、例えば、光学スキャナ１１００によって検出され得る、事前に定義されたジェスチャパターンを実施してもよい。
加えて、説明されるように、第１のロボット腕に結合される腹腔鏡を手動で操作する代わりに、オペレータは、別のユーザ入力をシステムに提供し、オペレータが、本システムが腹腔鏡を再位置付けすることを所望することを示してもよい。例えば、オペレータが、外科手術用鋏の先端が、第１のロボット腕に結合される腹腔鏡の視野内にあるように、本システムのロボット腕に結合される場合とそうではない場合がある、外科手術用鋏を能動的に操作する場合、オペレータは、外科手術用鋏の先端を用いて、事前に定義されたジェスチャパターンを実施する、例えば、外科手術用鋏を迅速に特定の方向に前後に移動させてもよい。外科手術用鋏の事前に定義されたジェスチャパターンは、腹腔鏡によって、画像データとして捕捉されてもよく、データに基づいて、本システムは、事前に定義されたジェスチャパターンを検出し、それを、本システムが第１のロボット腕を受動モードからロボット補助モードに切り替えることを要求する、事前に定義されたユーザ入力と関連付け、第１のロボット腕自体を再位置付けさせ、故に、腹腔鏡に、視野を外科手術用鋏のパターン運動の方向に調節させてもよい。上記に説明されるように、付加的ジェスチャパターンは、外科手術用鋏を介して、腹腔鏡の視野内で実施され、第１のロボット腕に、腹腔鏡を後退させ、および／または腹腔鏡自体をズームインまたはズームアウトさせる、または分解能を改善させてもよい。いくつかの実施形態では、腹腔鏡によって捕捉されたデータ画像に基づいて、腹腔鏡の視野内の付加的ツール、例えば、オペレータによって能動的に動作される外科手術用鋏の物体追跡を使用して、本システムは、腹腔鏡に結合される第１のロボット腕をロボット補助モードに自動的に切り替わらせ、第１のロボット腕自体を再位置付けさせ、視野を調節させ、外科手術用鋏の先端が、手技の間、腹腔鏡の視野内の最適位置内に留まることを確実にしてもよい。
ロボット腕のうちの任意の１つの動作モードは、本システムの他のロボット腕の動作モードから独立して、変化されてもよい。加えて、各ロボット腕の動作パラメータは、そこに結合される具体的外科手術用器具に合わせて調整されてもよい。例えば、開創器デバイスに結合されるロボット腕のための所定の力閾値は、開創器が、手技の間、より高い力に耐えるであろうため、腹腔鏡に結合されるロボット腕のための所定の力閾値より高くあり得る。本システムのセンサ、モータ等は、全てのモードにおいてアクティブであってもよいが、例えば、非アクティブであるかのように作用することを含め、各モードで非常に異なるように作用してもよい。当業者によって理解されるであろうように、本システムは、オペレータが、腹腔鏡下手技の間、動作のために、第３の外科手術用器具、例えば、グラスパデバイスを第３のロボット腕に、第４の外科手術用器具、例えば、外科手術用鋏デバイスを第４のロボット腕に結合し得るように、２つを上回るロボット腕を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、ロボット腕の動作モードは、オペレータによって提供されるユーザ入力に応答して、変化されてもよい。例えば、オペレータは、ロボット腕上に位置する、ボタン、ダイヤル、またはスイッチ、フットペダルまたはフットスイッチ、音声コマンド、タッチスクリーン上の入力を作動させることによって、または上記に説明されるように、ジェスチャまたは力シグネチャを使用して、ロボット腕の動作モードを選択的に変化させてもよい。いくつかの実施形態では、ロボット腕の動作モードは、結合器本体を介した外科手術用器具の結合器インターフェースへの結合のみに基づいて、変化されてもよい。上記に説明されるように、本システムは、結合器本体の結合器インターフェースへの結合に基づいて、外科手術用器具を自動的に識別してもよい。故に、ロボット腕に結合される外科手術用器具の識別に基づいて、本システムは、外科手術用器具が内視鏡である場合、自動的に、ロボット腕の動作モードを所定の動作モード、例えば、受動モードに切り替えてもよい、またはロボット腕がすでに受動モードにある場合、本システムは、内視鏡とロボット腕の結合に応じて、受動モードに留まるであろう。
同様に、外科手術用器具のロボット腕への取付に応じた、外科手術用器具の識別に基づいて、本システムは、例えば、外科手術用器具識別が、腹腔鏡下手技の間、オペレータによって能動的に動作されるであろうツールであることを示す場合、自動的に、ロボット腕の動作モードを協調操作モードに切り替えてもよい。加えて、外科手術用器具のロボット腕への取付に応じた、外科手術用器具の識別に基づいて、本システムは、例えば、外科手術用器具識別が、潅注デバイス等、オペレータが完全にロボット制御されることを所望するツールであることを示す場合、自動的に、ロボット腕の動作モードをロボット補助モードに切り替えてもよい。故に、潅注デバイスのロボット腕への取付に応じて、本システムは、ロボット補助モードに切り替え、ロボット腕に、潅注デバイスを身体内の所望の位置に位置付けさせるであろう。
さらに、本システムは、オペレータによって、例えば、ユーザインターフェース１４０８を介して、上記に議論される４つ未満の動作モードにおいて、ロボット腕を動作させるように命令されてもよい。例えば、オペレータは、所与の手技のために、動作モードのうちの任意の１つをアクティブ化解除してもよい。いくつかの実施形態では、本システムは、ロボット腕をロックモード等の付加的動作モードで動作させてもよく、これは、ロボット腕が受動／ロックモードから不注意に切り替わらないように保護する、例えば、ロボット腕の不注意によるバンプに起因する移動を回避するように、受動／ロックモードから切り替えるためのロボット腕の所定の力閾値が、ロボット腕が事実上フリーズされるほど高くあり得ることを除き、受動モードに類似し得る。本ロックモードでは、不注意によるバンプからの力が、ロボット腕の若干の移動でさえ引き起こすほど十分に高い場合、本システムは、ロボット腕自体を不注意によるバンプに先立ってあった位置に再位置付けさせてもよい。
加えて、外科手術用器具が、本システムのロボット腕の遠位端に結合されていないとき、本システムは、依然として、上記に説明される事前に定義された条件の検出に応じて、オペレータによるロボット腕の移動に応答して、ロボット腕の動作モードを自動的に切り替えることが可能である。故に、本システムは、ロボット腕が、受動モードにあるとき、静的位置に留まり得、協調操作モードでは、本システムが、オペレータによってロボット腕に印加される力がロボット腕の所定の力閾値を超えることを検出する場合、ロボット腕がオペレータによって自由に移動可能となることを可能にするであろうように、インピーダンスをロボット腕のジョイントに印加し、ロボット腕の質量を補償するであろう。加えて、本システムは、オペレータがロボット腕の任意の部分を事前に定義された仮想力覚障壁内で移動させようと試行する場合、ロボット腕を力覚モードに切り替えるであろう。
ステップ１５１４では、腹腔鏡下手技が完了すると、オペレータは、外科手術用器具を個別のロボット腕から除去してもよい。
ここで図１８Ａ－１８Ｃを参照すると、ロボット腕３００の動作の間の力測定値が、提供される。上記に説明されるように、外科手術用器具に結合される結合器本体を介した外科手術用器具の結合器インターフェース４００への取付に応じて、外科手術用器具の配向が、自動的に、結合器インターフェースと結合器本体との間の磁気接続に基づいて、決定されてもよい。さらに、上記に説明されるように、本システム上にロードされる、ロボット腕３００に結合される外科手術用器具の較正ファイルは、質量中心と器具先端との間の距離Ｄ３が導出され得るように、例えば、外科手術用器具の質量、外科手術用器具の質量中心、および外科手術用器具の長さを含む、外科手術用器具の情報を含んでもよい。加えて、上記に説明されるように、例えば、外科手術用器具が患者の身体に進入する、トロカールにおける外科手術用器具の位置が、外科手術用器具の質量中心およびトロカールとの間の距離Ｄ２がリアルタイムで導出され得るように、リアルタイムで計算されてもよい。加えて、上記に説明されるように、結合器本体は、好ましくは、外科手術用器具の伸長シャフトに沿って、例えば、外科手術用器具の近位部分に隣接して、固定された既知の位置（較正ファイル内に含まれてもよい）において、外科手術用器具に結合され、したがって、外科手術用器具の質量中心と結合器本体との間の距離Ｄ１、例えば、ロボット腕３００の遠位端への取付点が、導出されてもよい。代替として、または加えて、上記に説明されるように、光学走査デバイスが、Ｄ１、Ｄ２、またはＤ３のうちの任意の１つを決定するために使用されてもよい。
図１８Ａに示されるように、外科手術用器具が、トロカールＴｒにおいて以外、外科手術用器具に作用する任意の付加的外力を伴わずに、トロカールＴｒを通して位置付けられる、例えば、外科手術用器具が、患者内の組織を持ち上げていない、または後退させていないとき、体壁によってトロカールＴｒにおいて外科手術用器具に印加される力（例えば、「体壁力」または「トロカール力」）が、以下の方程式を用いて計算されてもよい。
式中、Ｆｅｆｆは、ロボット腕３００の遠位端における力（例えば、ロボット腕３００の「エンドエフェクタ力」）であって、Ｗは、外科手術用器具の重量ベクトル（＝－ｍｇｚ）であって、Ｆｔｒは、トロカール力である。故に、Ｆｅｆｆは、システムに送られる所望の力であって、これは、例えば、重力補償、保持等を含む、アルゴリズムパイプライン内で発生された全ての力の和である。
図１８Ｂに示されるように、外科手術用器具が、外力が外科手術用器具の先端に印加されるように、トロカールＴｒおよび保持／後退組織を通して位置付けられると、分解するための２つの力、すなわち、ＦｔｒおよびＦｔｔが、存在する。故に、２つの方程式が、２つの未知のベクトルを解決するために必要とされ、これは、外科手術用器具の質量中心、例えば、Ｌｃｇの周囲の力の平衡およびまたモーメントの平衡であり得る。
式中、距離Ｄ１およびＤ３は、上記に説明されるように把握され、Ｄ２は、ロボット腕３００の遠位端の既知の位置と、トロカールＴｒの計算された位置とに基づいて、導出されてもよい。図１８Ｂに示されるように、外科手術用器具の質量中心Ｌｃｇは、結合器本体のロボット腕３００の遠位端への取付点の背後にある。
上記に説明されるように、本システムは、力、例えば、器具の先端に印加される力Ｆｔｔおよび／または使用しているトロカールにおいて器具によって印加される力Ｆｔｒが、個別の閾値力を上回る場合、オペレータにアラートし、故に、計算された力が、閾値力を上回る場合、本システムをフリーズさせる、および／または制動または停止力をロボット腕３００に自動的に印加することによって、器具またはトロカールの先端において印加される力を増加させるであろう方向における器具のさらなる移動を減速または妨害することによって、および／またはロボット腕を器具先端および／または体壁におけるトロカール点において付与されている力を低減させる方向に自動的に移動させることによって、体壁におけるトロカール点または器具の先端において付与される力を低減させてもよい。
ここで図２０を参照すると、本明細書に開示されるシステム、例えば、システム２００の種々のセンサおよびデバイスのためのデータ入力と、本明細書に開示されるシステムの任意の実装が有し得、少なくとも部分的に、複数の可能性として考えられるデータ入力に基づいて、生産し得る、複数の特徴および能力との異なる組み合わせの高レベル実施例２０００が、提供される。図２０に示されるように、本システムのいくつかの実装は、本システムからの遠隔計測（ロボット腕からの力データ、ロボット腕からの位置データ等を含み得る）、腹腔鏡タワーからのビデオ、および／または光学スキャナ１１００からのデータを含む、少なくとも３つの監視源２００２からデータを集めるように構成されてもよい。監視源２００２から集められたデータは、本システム内の１つまたはそれを上回るプロセッサを使用して、データ処理ステップ２００４を受けてもよい。データ処理ステップは、例えば、データ融合（例えば、監視源２００２から集められたデータの融合）と、アルゴリズム算出を含み得る、データ分析とを含んでもよい。加えて、監視源２００２からのデータは、システム有用性特徴２００６、本システム安全性特徴２００８、およびシステム性能特徴２０１０の開発のために、処理２００４を受けてもよい。本システムは、特徴をリアルタイムで提供してもよい。例えば、本システム有用性特徴は、外科医を識別し、外科医のプロファイルに基づいて、プラットフォーム高さを調節するステップ、患者の皮膚表面を検出し、仮想境界を皮膚表面の周囲に作成し、患者の皮膚表面との不注意による接触を防止するステップ、器具タイプを検出し、特定の器具のために適切な較正ファイルを自動的にロードするステップ等を含んでもよい。
図２１を参照すると、本システムの電気システムおよびコネクティビティ２１００の電気構成要素の概略概要が、提供される。これは、本システムの図示される部分全体を通したエネルギーのフロー、コネクティビティのために使用され得るポート、および種々の電子構成要素に関連する他の詳細を含む。例えば、本システムは、データを光学走査デバイスから入手し、他の機能を実施するために使用され得る、非リアルタイムコンピュータ２１０２を含んでもよい。非リアルタイムコンピュータ２１０２はまた、外科医が相互作用するためのシステムのグラフィカルユーザインターフェースを制御してもよい。上記に説明されるように、グラフィカルユーザインターフェースは、タッチスクリーンを含んでもよい。非リアルタイムコンピュータ２１０２は、例えば、第１０世代Ｉｎｔｅｌ（Ｒ） ＣｏｒｅＴＭ ｉ７－１０７００プロセッサ、３２ＧＢのＲＡＭ（随意に、２×１６ＧＢ、ＤＤＲ４、２９３３Ｍｈｚであり得る）、標準的キーボードおよび５１２ＧＢ ＰＣＩｅ Ｍ．２ ＳＳＤ ＋１ＴＢ ＳＡＴＡ ７２００ ＲＰＭハードドライブ、無線およびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）カード、例えば、ＫｉｌｌｅｒＴＭ Ｗｉ－Ｆｉ ６ ＡＸ１６５０ｉ（２×２）８０２．１１ａｘ無線およびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） ５．１、および／またはＮＶＩＤＩＡ（Ｒ） ＧｅＦｏｒｃｅ ＲＴＸＴＭ ２０６０ ６ＧＢ ＧＤＤＲ６グラフィックカードを含んでもよい。本システムはさらに、ロボット腕および関連ロボットコントローラおよび／またはデータおよび情報を光学走査デバイスから入手する等の他の機能を動作および制御するために使用され得る、リアルタイムコンピュータ２１０４を含んでもよい。リアルタイムコンピュータ２１０４は、例えば、Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｅ ｉ７（第８世代）プロセッサ、メモリのための３２ＧＢのＲＡＭ、５００ＧＢ ＳＤＤハードドライブ、および／またはＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）コネクティビティのための２つまたはそれを上回るＲＪ４５コネクタを含んでもよい。
ここで図２２を参照すると、光学走査デバイスからのデータの入手および処理のためのプロセス２２００のフローチャートが、提供される。図２２に示されるように、ステップ２２０２では、深度データが、１つまたはそれを上回る光学走査デバイス、例えば、光学スキャナ１１００から入手されてもよい。ステップ２２０４では、フィルタ処理／他の信号処理アルゴリズム、例えば、中央値フィルタ、ガウス雑音除去、アンチエイリアシングアルゴリズム、モルフォロジー演算、周囲光調節等が実施されてもよい。ステップ２２０６では、３Ｄ物体区画化が、例えば、テンプレートマッチング、機械学習、総当たりマッチング、色＋深度区画化、２Ｄ－３Ｄ検知、ピクセル値閾値処理等を使用して実施されてもよい。ステップ２２０８では、物体座標が、タスク空間に転換されてもよい。例えば、物体座標をタスク空間に転換するステップは、物体の位置および配向を光学走査デバイスの座標フレームから必要とされるタスクの座標フレーム（例えば、ロボット制御のためのロボットフレーム、システム設定のためのカートフレーム等）に変換するステップを含んでもよい。加えて、または代替として、物体座標をタスク空間に転換するステップは、既知の光学走査デバイスから支持プラットフォーム（例えば、カート）への転換、外科手術用ロボット転換、および／またはユーザインターフェース画面転換を使用するステップと、本システムの異なる要素（例えば、支持プラットフォーム、ロボット腕、画面等）に対して外科医の身体（例えば、顔、手等）を追跡する、カートプラットフォームに対して外科手術台を追跡する、システム設定のために患者配向を追跡する、設定のためにトロカールポート場所および配向を追跡する、安全性のために手術室スタッフの位置を追跡する等の具体的タスクのための新しい転換を発生させるステップとを含んでもよい。ステップ２２１０では、所望のタスク、例えば、容易な設定のためにロボット腕を患者／トロカールポートの近傍に移動させること、手術室スタッフを追跡し、本システムが外科医コマンドのみに応答することを確実にすること、外科手術の異なる位相の間、外科医の手の移動を記録すること等が実施されてもよい。
加えて、図２２は、光学走査デバイスからのデータの入手および処理のためのプロセス２２１２のフローチャートを図示する。ステップ２２１４では、深度データが、１つまたはそれを上回る光学走査デバイス、例えば、光学スキャナ１１００から入手されてもよい。ステップ２２１６では、鏡面反射雑音フィルタ処理が、実施されてもよい。ステップ２２１８では、患者／トロカールポート区画化および識別が、実施されてもよい。ステップ２２１８では、追跡されたポート座標が、ロボット座標空間に転換されてもよい。ステップ２２２２では、ロボット腕が、患者／トロカールポートの所望の近傍に移動されてもよい。
ここで図２３を参照すると、本システムの例示的データフロー２３００が、提供される。図２３に示されるように、非リアルタイムコンピュータ２３０２は、光学走査デバイス、例えば、光学スキャナ１１００から、および／または腹腔鏡からのカメラフィードから、データを集めてもよい。非リアルタイムコンピュータ２３０２はまた、ロボットコントローラを有する、リアルタイムコンピュータ２３０８から、ロボット腕の位置、ロボット腕の種々のモータ／センサに印加される力、動作モード情報等の遠隔計測情報を含む、データを受信してもよい。非リアルタイムコンピュータ２３０２はまた、例えば、ＣＴ走査データ、関連健康条件、および外科医によって所望され得る他の情報を含む、手技における患者に特有の情報を有する、患者データベース２３１０から、データを受信してもよい。
非リアルタイムコンピュータ２３０２はさらに、ユーザインターフェース２３１４を介して、ユーザフィードバック２３１２をユーザに提供してもよい。ユーザフィードバックは、例えば、衝突通知、本システムの種々の構成要素に関する位置付け情報および／または推奨、本システムによって検出されている動作モード等を含んでもよい。非リアルタイムコンピュータ２３０２はさらに、コマンド２３１８、例えば、高レベルコマンドをリアルタイムコンピュータ２３０８に提供してもよい。高レベルコマンドは、例えば、モード変化、軌道、力覚障壁、ユーザ構成等を含んでもよい。リアルタイムコンピュータ２３０８は、ロボットコマンド２３２２、例えば、運動または力コマンドを１つまたはそれを上回るロボット腕２３２４、例えば、ロボット腕３００に提供するようにプログラムされる、ロボットコントローラ２３２０を含んでもよい。ロボットコントローラ２３２０は、ロボットフィードバックデータ２３２６、例えば、運動、力、および／またはタッチ点データ等を１つまたはそれを上回るロボット腕２３２４から受信してもよい。
ここで図２５を参照すると、ロボット腕３００を使用する外科手術手技の間のユーザ疲労を推定するための方法２５００が、提供される。上記に説明されるように、重力補償、粘弾性、および／または質量の影響に関するアルゴリズムが、ユーザ疲労を考慮するために使用されてもよい。具体的には、腹腔鏡下手技の間、外科医は、手技が進捗するにつれて、疲労を被り得、例えば、鋏、持針器、焼灼器ツール、グラスパ等の外科手術用ツールに関して、手振戦または誤ったツール運動を体験し得る。図２５に示されるように、ステップ２５０２では、本システムは、例えば、外科手術手技中、オペレータがロボット腕３００に結合される外科手術用器具を操縦する間、ＬｉＤＡＲカメラ、ロボット遠隔計測、および／または内視鏡等の光学スキャナ１１００から、オペレータの性能を示す、データを受信および監視してもよい。臨床手技の大量のデータセットから学習し、および／または手技または手技の一部の間、データを集め、分析することは、本システムが、ステップ２５０４において、手技が進捗するにつれて、外科医の能力のレベルを推測することを可能にし得、さらに、本システムが、外科医が、ロボット腕に取り付けられる外科手術用器具を協調操作しながら、より効果的に移動することに役立つために、アルゴリズムパラメータを適合させることを可能にし得る。例えば、ステップ２５０６では、本システムは、ロボット腕３００の１つまたはそれを上回る動作パラメータを調節し、その挙動を変化させてもよい。疲労レベルが、具体的閾値を上回る場合、ステップ２６０８では、本システムは、外科医に警告してもよい。加えて、手技をランク付けするステップが、本システムが、外科医に、所与の手技に関するその性能の概要を提供し、手技毎のその全体的進行度を示すことを可能にするために使用されてもよい。
いくつかの実施形態では、本システムは、手技の間、オペレータの手の振戦、器具先端によって進行される距離／最小経路、手技ステップを達成するまでの時間、および／または手技を完了するまでの時間のうちの少なくとも１つを示す、データを収集し、係数毎に、そのようなデータと閾値または事前に定義された値を比較し、係数のうちの任意の１つの大きさが、本システムに、オペレータに警告させるために十分な、および／または本システムに、１つまたはそれを上回る動作パラメータを調節させ、ユーザの疲労を軽減させるために十分なレベルに到達するかどうかを決定してもよい。例えば、本システムは、力を器具上に付与し、器具のインピーダンスまたは粘弾性を増加させ、重要な構造を回避し、および／または力フィードバックを印加することによって、器具先端の振戦を排除または低減させてもよい。ユーザ疲労は、例えば、手技時間が特定の手技のための閾値を超えて増加するとき、外科手術用器具の移動の回数が特定の手技のための閾値を超えて増加する、または別様に、誤ったまたは非制御移動を示すとき、オペレータが、事前に定義された回数、器具を力覚障壁の中に移動させる場合、オペレータが、１回または所定の回数、過剰な力をトロカール上に付与する場合等、識別されてもよい。上記に説明されるように、そのようなデータは、ロボット腕上のセンサおよび／または１つまたはそれを上回る光学走査デバイスを使用して、収集されてもよい。ユーザ疲労の特定のレベルが、本システムによって識別されると、本システムは、器具および／または器具と関連付けられるロボット腕の粘弾性またはインピーダンスを増加させ、外科手術用器具および／またはロボット腕の移動の大きさおよび／または移動の数を低減させてもよい。
加えて、本システムは、移動に関わる振戦の量の推定値とともに、それを用いてオペレータが種々の器具／腹腔鏡を移動させる、速さおよび頻度に関するデータを収集し、その運動を妨害せずに、または不必要な疲労をオペレータに追加せずに、振戦を低減させるために要求される追加粘弾性を推定してもよい。いくつかの実施形態では、ロボット腕３００のコントローラは、特定の器具のための粘弾性値を反復的に調節し、器具の移動に関連するデータを収集し、付加的調節が器具に印加される粘弾性に対して必要とされるかどうかを査定してもよい。さらに、本システムは、特定の動作特性またはパラメータに関連するデータを収集するステップと、動作特性またはパラメータを変化させるステップと、動作特性またはパラメータに関連する付加的データを収集するステップと、データを分析し、例えば、動作特性またはパラメータの実際のデータ値と好ましいまたは最適な値との間の逸脱に基づき得る、動作特性またはパラメータに対する付加的変化が行われるべきであるかどうかを決定するステップとを含む、付加的アルゴリズムを使用して、反復アプローチを採用し、ロボット腕３００の特定の動作特性またはパラメータを最適化してもよい。
ここで図２６を参照すると、協調操作式外科手術用ロボットシステムの分散型ネットワークのデータフロー２６００が、提供される。例えば、協調操作式ロボット型（「コボット」）外科手術用システムの分散型ネットワークは、それぞれ、オンラインデータベースに接続され得る、複数の病院において使用されてもよい。本配列は、動作時、コボットシステムのいずれかによって使用され得る、著しくより多くのデータおよびユーザ情報を提供し得る。本システムは、データを本システムの分散型ネットワークから集約し、手技タイプ、外科医経験、患者属性等の係数に基づいて、最適構成を識別し得る。分析または臨床医入力を通して、コボットシステムは、ルーチン手技対より複雑であり得る手技を識別してもよい。本情報は、助言または指針を未熟外科医に提供するために使用されてもよい。
さらに、一元化手技データは、異なるユーザから生じる広範囲の臨床手技に関する大量のデータ分析の起動を可能にし得る。データの分析は、例えば、最適化されたシステムの位置付け、最適ポート設置、ロボット腕毎の最適アルゴリズム設定、および／または手技異常（例えば、過剰な力、時間、出血等）の検出を含む、具体的手技のための最適化された設定をもたらし得る。これらの最適設定またはパラメータは、患者およびツール特性に依存し得る。上記に説明されるように、外科医は、最適設定を別の外科医または外科医群からロードし、使用してもよい。このように、最適設定は、例えば、外科医の専門知識のレベルに応じて、達成されてもよい。種々のユーザをコボットシステムの分散型ネットワーク内で追跡するために、各ユーザを識別することが有益であり得る。したがって、ユーザは、コボットシステムにログインし、必要に応じて、オンラインでそのプロファイルにアクセスしてもよい。このように、ユーザは、任意の場所において、そのプロファイルへのアクセスを有し得、異なる病院場所におけるその設定を用いて臨床手技を実施することが可能であろう。
例示的ユーザプロファイルは、例えば、ユーザ名、専門知識のレベル、実施される異なる手技、および／または臨床実践の領域を含む、ユーザの具体的設定および情報を含有してもよい。加えて、臨床手技は、ユーザが、臨床手技（例えば、胆嚢摘出術、ヘルニア等）、台配向および高さ、好ましいポート設置、アルゴリズム毎の補助腕あたりの設定、患者特性（例えば、ＢＭＩ、年齢、性別）、および／または外科手術用ツール特性および仕様（例えば、重量、長さ、重心等）等の具体的設定を記憶することを要求し得る。ユーザは、その独自のプロファイルを有効にすることが可能であり得、随意に、同僚のプロファイル、ユーザの実践分野の外科医の最も代表的プロファイル、具体的専門知識のレベルを伴う外科医の最も代表的プロファイル、および／または患者特性に従って推奨されるプロファイル等、別のユーザのプロファイルを有効にしてもよい。
ユーザの識別は、パスワード、ＲＦＩＤキー、顔認識等を介して、実施されてもよい。多数の手技からの学習は、所与の手技のためのコボットシステム設定より大きいレベルの最適化をもたらし得る。これは、例えば、カート位置、個々のロボット腕位置、外科手術台高さおよび配向、ポート設置、および／または設定ジョイント位置を含んでもよい。これらの設定は、患者身長、体重、および性別に基づいてもよく、さらに、相互依存であってもよい。例えば、最適ポート設置は、患者台配向に依存し得る。
加えて、臨床手技は、臨床手技ステップのシーケンスとして説明されてもよい。これらの異なるステップを学習することは、コボットシステムが、所与の手技のためのリアルタイムで実際のステップを推測することを可能にし得る。例えば、臨床ステップを手技から学習することは、アルゴリズム設定の調節、本システムが実践的カスタムリマインダを与えること、本システムがスタッフに推定手技終了時間を通知すること、必要な機器が部屋内で利用不可能である場合、本システムがスタッフにアラートすること、および／または本システムがスタッフに緊急状況の発生をアラートすることを可能または有効にし得る。
臨床手技の間、外科医は、多くの場合、握持、後退、切断等の単純かつルーチン外科手術用タスクを認識するであろう。これらの異なるタスクを学習することは、コボットシステムが、リアルタイムの手技のシーケンスに関する外科医の選好および習慣をリアルタイムで推測することを可能にし得る。コボットシステムのいくつかのアルゴリズムは、手技の間、本シーケンス認識に基づいて、調整（すなわち、調節および最適化）され、ユーザが本単純外科手術用タスクをより良好に行うことに役立ち得る。そのようなタスクの実施例は、胆嚢手技の間の肝臓の自動化された後退である。情報を多くの症例にわたって集約することによって、最適化された力ベクトルが、開発され得る。
さらに、予期しないステップまたは外科手術行為をもたらし得る、いくつかの合併症が、臨床手技の間、生じ得る。これらの予期しない事象を判別する方法を学習することは、コボットシステムが、いくつかの具体的安全性特徴を有効にすることに役立つであろう。緊急の場合、ロボット腕は、本システムによって検出される緊急のレベルに応じて、停止または運動制限されてもよい。
ここで図２７Ａ－２７Ｄを参照すると、協調操作式外科手術用システムの設定が、提供される。プラットフォーム２７００は、プラットフォーム２７００が、１つまたはそれを上回るロボット腕、例えば、ロボット腕３００ａ’およびロボット腕３００ｂ’を支持し、ロボット腕をプラットフォーム２７００に対して移動させ得るように、プラットフォーム１００と同様に構築されてもよい。図２７Ａに示されるように、プラットフォーム２７００は、ユーザによって、例えば、車輪１０４’を介して、患者台ＰＴに対して望ましい位置に移動されてもよい一方、ロボット腕３００ａ’、３００ｂ’は、その個別の格納された構成にある。
プラットフォーム２７００が、患者に向かって移動されるにつれて、場面は、直接、深度マッピングセンサ、例えば、プラットフォーム２７００上に搭載され得る、光学スキャナ１１００’によって、観察されてもよい。光学スキャナ１１００’によって観察および発生された深度マップから、例えば、患者台ＰＴの高さおよび／または場所、患者の腹部の表面、外科医の身長を含む、外科医の位置および他の特性、およびトロカールポート、ロボット腕３００ａ’、３００ｂ’の基部、例えば、基部部分３０２ａ’、３０２ｂ’および肩部分３０４ａ’、３０４ｂ’、ロボット腕３００ａ’、３００ｂ’、および／またはロボット腕と結合される１つまたはそれを上回る外科手術用器具等の重要な特徴が、識別されてもよい。そのような重要な特徴の識別は、テンプレートマッチング、特徴追跡、エッジ検出等の標準的コンピュータビジョン技法を使用して、行われてもよい。各特徴が、位置合わせされるにつれて、その位置および配向は、局所座標系を割り当てられ、標準的転換行列を使用して、本システムの大域的座標系に転換されてもよい。いったん全ての特徴が、単一大域的座標系に転換されると、最適化アルゴリズム、例えば、最小二乗および勾配降下法が、ロボット腕３００ａ’、３００ｂ’の最も適切な垂直および水平位置を識別するために使用されてもよく、これは、プラットフォーム２７００を介して、患者上の挿入点に対してロボット腕の作業空間を最大限にするように調節されてもよい。最適作業空間は、実施されるべき外科手術および／または外科医の好ましい位置に依存し得る。
図２７Ｂに示されるように、プラットフォーム２７００が、車輪１０４’がロックされるように、患者台ＰＴに対してその所望の位置にあるとき、ロボット腕３００ａ’、３００ｂ’は、その個別の格納された構成から離れるように延在されてもよい。図２７Ｃに示されるように、プラットフォーム２７００に対するロボット腕の垂直位置は、所望の位置に調節されてもよく、図２７Ｄに示されるように、プラットフォーム２７００に対するロボット腕の水平位置は、所望の位置に調節されてもよい。
ここで図２８Ａ－２８Ｄを参照すると、例示的グラフィカルユーザインターフェース２８００のスクリーンショットが、提供される。例示的グラフィカルユーザインターフェース２８００は、ユーザによって構成可能であってもよく、ディスプレイ１１０と統合されてもよい。図２８Ａは、例示的開始メニューを図示する。オペレータは、「開始」オプションを作動させることによって、協調操作式システムの動作を始動させてもよい。図２８Ｂは、例示的システム設定画面を図示する。図２８Ｂに示されるように、本システムが、２つのロボット腕を含むとき、グラフィカルユーザインターフェース２８００は、どのロボット腕がどの器具、例えば、開創器腕２８０６および内視鏡腕２８０８と併用されるべきかと、完了されるべき手技とを識別してもよい。グラフィカルユーザインターフェース２８００は、ユーザが、実施されている手技および／または手技を実施する外科医に基づいて、具体的較正ファイルまたは設定ジョイント位置を事前にロードすることを可能にし得る。例えば、ユーザが、手技が腹腔鏡下胆嚢摘出術であることを入力する場合、本システムは、その手技と関連付けられるべきであることが既知のツールタイプを事前にロードしてもよい。これらの事前にロードされた設定を取り込むことは、ユーザが所与の手技のために手動で選択するツールを監視することによって達成されてもよい。所与のツールが、所定の数の手技のために一貫して選択される場合、本システムは、自動的に、次回、手技がユーザによって選択されると、そのツールを事前に取り込んでもよい。
加えて、オペレータは、上記の図２７Ｃおよび２７Ｄに示されるように、各ロボット腕の垂直および水平位置を調節してもよい。図２８Ｂに示されるように、開創器デバイスに結合されるであろう、または現在結合されている、ロボット腕の垂直および／または水平位置を調節するために、オペレータは、調節アクチュエータ２８０２をトグルしてもよく、内視鏡デバイスに結合されるであろう、または現在結合されている、ロボット腕の垂直および／また水平位置を調節するために、オペレータは、調節アクチュエータ２８０４をトグルしてもよい。いくつかの実施形態では、ユーザは、感力入力デバイスとして、ロボット腕を使用することによって、ロボット腕の水平および垂直位置を調節してもよい。例えば、ロボット腕は、ユーザによってロボット腕上に印加される力を測定することによって、ユーザの意図を感知するように構成されてもよい。ユーザが、力を正の水平方向に印加する場合、プラットフォームは、ユーザがもはや力を印加しなくなるまで、ロボット腕をその方向に移動させてもよい。類似アプローチは、他の方向、例えば、負の水平、正の垂直、および負の垂直に関しても行われる。図２８Ｂに示されるように、グラフィカルユーザインターフェース２８００は、エラー通知２８１０を介して、エラー、例えば、障害条件が、本システムの設定または動作の間、本システムによって検出されるかどうかを示してもよい。
図２８Ｃに示されるように、グラフィカルユーザインターフェース２８００は、上記に説明されるように、選択された外科手術用器具と関連付けられる、情報を表示してもよい。例えば、グラフィカルユーザインターフェース２８００は、各ロボット腕に結合されるべき器具毎に、器具タイプ、全長、結合器本体と器具先端との間の距離、質量中心と器具先端との間の距離、質量、および器具をロック解除するために要求される事前に設定されたロック解除力を表示してもよい。図２８Ｃに示されるように、グラフィカルユーザインターフェース２８００は、オペレータが、外科手術用器具の高ロック解除力と低ロック解除力との間で選択することを可能にし得る。加えて、グラフィカルユーザインターフェース２８００は、オペレータが、例えば、本システム内に記憶される関連付けられる較正ファイルをまだ有していない、新しい外科手術用器具のために、外科手術用器具較正を始動させることを可能にし得る。図２８Ｄは、本システムの動作の間の、例えば、外科手術手技の間の、例示的画面を図示する。図２８Ｄに示されるように、グラフィカルユーザインターフェース２８００は、トロカール力と、例えば、患者の身体内の組織によって外科手術用器具の先端に印加されている力とを表示してもよい。
ここで図２９を参照すると、代替の協調操作式外科手術用ロボットシステムが、提供される。システム２９００は、図２のシステム２００と同様に構築されてもよい。例えば、プラットフォーム１４００’、基部部分３０２’、肩部分３０４’、エンコーダＥ１’、Ｅ２’、Ｅ３’、Ｅ５’、Ｅ６’、Ｅ７’、モータＭ１’、肩ジョイント３１８’、肩連結部３０５’、肘ジョイント３２２’、肘連結部３１０’、手首部分３１１’、および外科手術用器具ＳＩをロボット腕に結合するための結合器インターフェース４００’は、それぞれ、プラットフォーム１４００、基部部分３０２、肩部分３０４、エンコーダＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ６、Ｅ７、モータＭ１、肩ジョイント３１８、肩連結部３０５、肘ジョイント３２２、肘連結部３１０、手首部分３１１、および結合器インターフェース４００と同様に構築されてもよい。システム２９００は、システム２９００が、ロボット腕のジョイントに配置される、モータを含むという点で、システム２００と異なる。例えば、システム２９００は、関連付けられる連結部を回転させ、ロボット腕を操作するように構成される、肘ジョイント３１８’に配置される、モータＭ２’と、肘ジョイント３２２’に配置される、モータＭ３’とを含んでもよい。加えて、エンコーダＥ４’は、肘ジョイント３２２’上に、またはそれに隣接して、位置付けられてもよい。
本明細書に説明されるシステムのいくつかの実装は、遠隔で、例えば、ジョイスティックまたは他の好適な遠隔制御デバイス、コンピュータビジョンアルゴリズム、力測定アルゴリズムを介して、および／または他の手段によって、制御または操作されるように構成されてもよい。しかしながら、好ましい実施形態では、本明細書に説明されるシステムは、任意の遠隔計測を伴わずに動作し、例えば、ロボット腕は、ロボット腕と別個の遠隔外科医コンソールを介して、遠隔操作されず、代わりに、ロボット腕は、そこに結合される外科手術用器具に印加される移動に応答して、移動する。例えば、ロボット補助モードにおいて、本システムによって外科手術用器具に印加される、任意のロボット補助移動は、遠隔外科医コンソールにおいて受信されるユーザ入力に応答しない。
図３０Ａは、結合器インターフェース３００１（本明細書には、インターフェースとも称される）と結合される、結合器本体３００２（本明細書には、本体とも称される）を示す、外科手術用器具ＳＩをロボット腕に結合するための結合器３０００の上面図を図示する。図２Ｂは、結合器インターフェース３００１から結合解除される、結合器本体３００２を示す、図３０Ａの結合器３０００の上面図を図示する。図３０Ａおよび３０Ｂに示されるように、結合器３０００は、結合器本体３００２と、結合器インターフェース３００１とを有してもよい。結合器インターフェース３００１は、ロボット腕３００と結合されてもよく、結合器本体３００２が結合器インターフェース３００１と除去可能に結合され得るように構成されてもよい。結合器本体１５０は、外科手術用器具ＳＩ上の任意の所望の軸方向位置において、外科手術用器具ＳＩと結合されてもよい。いったん結合器本体３００２が、外科手術用器具ＳＩと結合されると、結合器本体３００２および結合器本体３００２と結合される外科手術用器具ＳＩは、結合器インターフェース３００１と結合されてもよい。結合器本体３００２は、いったん結合器本体３００２が、外科手術用器具ＳＩと結合されると、外科手術用器具ＳＩが、少なくとも、結合器本体３００２に対して軸方向に移動しないように、またはいくつかの実施形態では、軸方向およびに回転可能に移動しないように阻止（例えば、防止）され得るように構成されてもよい。結合器３０００は、結合器本体３００２が、少なくとも、結合器インターフェース３００１に対して任意の軸方向に移動しないように阻止（例えば、防止）されるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、結合器３０００は、結合器本体３００２が、結合器インターフェース３００１に対して自由に回転するように構成されてもよい。本構成では、結合器本体３００２と結合される、外科手術用器具ＳＩは、結合器本体３００２が結合される、結合器インターフェース３００１に対して自由に回転してもよく、少なくとも、結合器本体３００２が結合される、結合器インターフェース３００１に対する任意の軸方向移動から阻止（例えば、防止）されてもよい。
他の実施形態では、結合器３００は、外科手術用器具ＳＩが、結合器本体３００２に対する外科手術用器具ＳＩ上への少なくとも閾値力の印加に応じて、または結合器本体３００２の解放または状態変化の作動に応じて、結合器本体３００２に対して軸方向に移動され得るように構成されてもよい。そのような作動は、いくつかの実施形態では、例えば、ボタンを押下する、止めねじまたは他のコネクタを弛緩させる、ダイヤルを移動させる、または別様に、結合器３０００、結合器本体３００２、および／または結合器インターフェース３００１を第２の固着状態から第１の非固着状態に変化させることによって、達成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、外科手術用器具ＳＩは、結合器本体３００２内の１つまたはそれを上回る蝶ねじ３０１０またはクランプ等の他の手動締結具または締結機構を弛緩させ、外科手術用器具ＳＩを所望の軸方向位置に再位置付けし、蝶ねじ３０１０または他の手動締結具または締結機構を再緊締することによって、結合器３０００に対して軸方向に再位置付けされてもよい。
図３０Ｂに示されるように、結合器インターフェース３００１は、結合器本体３００２を受容するようにサイズ決めおよび成形される、陥凹３００３を有してもよい。陥凹３００３は、結合器インターフェース３００１に対する結合器本体３００２の軸方向移動、またはいくつかの実施形態では、軸方向および回転移動を阻止（例えば、防止）し得る一方、結合器インターフェース３００１に対する結合器本体３００２の自由な回転移動を可能にする。結合器３０００は、外科手術用器具ＳＩが、少なくとも、結合器３０００に対する回転移動から阻止（例えば、防止）され得るように構成されてもよい。これは、少なくとも、外科手術用器具ＳＩと結合器３０００との間または結合器本体３００２と結合器インターフェース３００１との間の回転移動を阻止（例えば、防止）することによって達成されてもよい。いくつかの実施形態では、外科手術用ドレープが、結合器本体３００２と結合器インターフェース３００１との間に挟込または圧着されてもよい。
図３０Ｃは、その中で外科手術用器具ＳＩが除去および置換または結合器本体３００２に対して再位置付けされ得る、第１の非固着または開放状態における結合器本体３００２を示す、結合器本体３００２および外科手術用器具ＳＩの端面図を図示する。図３０Ｄは、その中で外科手術用器具ＳＩが、少なくとも、結合器本体３００２に対する軸方向移動、またはいくつかの実施形態では、軸方向および回転移動から阻止（例えば、防止）され得る、第２の固着または閉鎖状態における結合器本体３００２を示す、図３０Ｃの結合器本体３００２の端面図を図示する。いくつかの実施形態では、結合器本体３００２は、第１の部分３００４と、第２の部分３００６とを有してもよい。いくつかの実施形態では、第１の部分３００４は、ヒンジ３００５またはシャフトを介して、または別様に、第２の部分３００６と堅く結合されてもよい。いくつかの実施形態では、第１および第２の部分３００４、３００６は、外科手術用器具ＳＩをその中に受容するようにサイズ決めおよび成形される、半円形カットアウトまたは陥凹３００８をその中に有してもよい。締結具３０１０は、図３０Ｄに示されるように、外科手術用器具ＳＩが陥凹３００８内に位置付けられるとき等、第１の部分３００４と第２の部分３００６を結合するために使用されてもよい。上記に説明されるように、結合器本体３００２は、少なくとも、結合器本体３００２に対する外科手術用器具ＳＩの軸方向移動、またはいくつかの実施形態では、軸方向および回転移動を実質的に阻止（例えば、防止）するように構成されてもよい。外科手術用器具ＳＩの外側を把持するように構成される、ゴムパッド、シート、バンプ、Ｏリング、突起、または他の構成要素または特徴が、本明細書に開示される結合器実施形態のいずれかと併用されてもよい。例えば、ゴムインターフェースは、結合器本体３００２の第１の部分３００４および／または第２の部分３００６の陥凹３００８等の結合器本体の陥凹または複数の陥凹内に位置付けられてもよく、結合器本体３００２に結合されてもよい。ゴムは、シリコーンゴムまたは任意の他の好適なタイプのゴムであってもよい。
図３１Ａ－３１Ｄは、器具をロボット腕の端部部分に結合するために本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され得る、結合器３１００の別の実施形態を図示する。結合器３１００は、結合器本体３１０１と、結合器本体３１０１をその中に受容するように構成される、陥凹または凹部３１９０を有し得る、結合器インターフェース３１２０とを含んでもよい。結合器インターフェース３１２０は、ロボット腕３００の端部部分と結合されてもよい。結合器３１００は、直接、ロボット腕３００の端部部分と除去可能にまたは非除去可能に結合する、結合器本体３１０１を有してもよい。
図３１Ａに示されるように、結合器本体３１０１は、円筒形本体部分３１０２の表面から離れるように突出する、環状フランジ３１０４を有する、円筒形本体部分３１０２を有してもよい。本体部分３１０２は、本体部分３１０２を通して軸方向に延在する、開口部３１０６を有してもよい。開口部３１０６は、外科手術用器具ＳＩをその中に受容するようにサイズ決めおよび成形されてもよい。開口部３１０６は、外科手術用器具ＳＩの直径または外側サイズより若干大きくてもよい。結合器本体３１０１は、タブ３１０８が半径方向内向きに偏向されると、タブ３１０８が力を外科手術用器具ＳＩの外面上に付与するように、半径方向内向きに偏向するように構成され得る、１つまたはそれを上回る偏向可能タブ３１０８（２つが示される）または４つまたはそれを上回る偏向可能タブ３１０８を有してもよい。結合器３１００は、結合器本体３１０１が、結合器インターフェース３１２０の陥凹３１０９内に位置付けられ、結合器インターフェース３１２０が、第２の閉鎖または固着状態にあるとき、結合器インターフェース３１２０が、外科手術用器具ＳＩを把持し、少なくとも、結合器本体３１０１に対する外科手術用器具ＳＩの軸方向移動または軸方向および回転移動を阻止（例えば、防止）するように、力をタブ３１０８に付与する、または別様に、それを半径方向内向きに偏向し得るように構成されてもよい。例えば、タブ３１０８は、弛緩状態または第１の開放状態では、タブ３１０８の遠位端３１１０が、結合器本体３１０１の本体部分３１０２の外面から離れるように突出または膨出し得るように、タブ３１０８の遠位端３１１０の近傍により大きい厚さを有してもよい。本構成では、結合器本体３１０１が、結合器インターフェース３１２０の陥凹３１０９内に位置付けられると、結合器インターフェース３１２０を第２の閉鎖状態に移動させることは、力をタブ３１０８の遠位端部分３１１０に印加させ、それによって、タブ３１０８を外科手術用器具ＳＩの外面に対して内向きに偏向させ得る。
いくつかの実施形態では、陥凹３１０９は、環状フランジ３１０４をその中に受容し、フランジ３１０４の回転移動を可能にする一方、また、軸方向限界を環状フランジ３１０４の移動に提供することによって、結合器本体３１０１の軸方向移動を制限または少なくとも阻止（例えば、防止）するようにサイズ決めおよび成形される、拡大部分３１１１を有してもよい。本配列では、外科手術用器具ＳＩは、結合器本体３１０１の開口部３１０６を通して任意の所望の場所まで軸方向に前進されてもよい。その後、外科手術用器具ＳＩは、そこに結合される結合器本体３１０１とともに、結合器インターフェース３１２０の陥凹３１０９内に位置付けられてもよい。結合器インターフェース３１２０は、本明細書に開示される協調操作式外科手術用システムのいずれかのロボット腕３００の端部部分と除去可能にまたは非除去可能に結合されてもよい。
図３１Ｃに示されるように、外科手術用器具ＳＩの外側を把持するように構成される、ゴムパッド、シート、バンプ、Ｏリング、突起、または他の把持特徴３１１２（Ｏリングが示される）が、結合器本体３１０１内に位置付けられ、外科手術用器具ＳＩと結合器本体３１０１との間の摩擦力を増加させてもよい。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るタブ３１０８は、１つまたはそれを上回るタブ３１０８が内向きに偏向されるとき、力を把持特徴３１１２上に付与するように構成されてもよい。
図３１Ｄに示されるように、結合器インターフェース３１２０は、第２の部分３１０３と結合され得る、第１の部分３１０５を有してもよい。いくつかの実施形態では、第１および第２の部分３１０５、３１０３は、剛性であってもよく、機械的ヒンジ３１０７を介して、相互に結合されてもよい。代替として、一体型ヒンジ、シャフト、１つまたはそれを上回る締結具、または他の構成要素または特徴が、第１および第２の部分３１０５、３１０３をともに結合するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、第２の部分３１０３は、弾性的に伸長可能なまたは弾性的に剛性のストラップ等、可撓性であってもよく、陥凹３１０９内に支持される外科手術用器具ＳＩおよび／または結合器本体３１０１にわたって延在するように構成されてもよい。付加的締結具、クランプ、留め金、または他の構成要素または特徴が、ヒンジ３１０７と併用され、またはその代わりに使用され、いったん結合器本体３１０１が、結合器インターフェース３１２０の陥凹３１０９内に受容され、外科手術用器具ＳＩと結合器３１００を固着して結合すると、第１および第２の部分３１０５、３１０３をともに固着して結合してもよい。
いくつかの実施形態では、結合器は、結合器本体と、結合器本体を受容するように構成される、陥凹を有する、結合器インターフェースを含んでもよい。結合器本体は、器具を受容するように構成される、それを通して軸方向に延在する、開口部と、その外面の周囲に延在する、環状フランジとを有してもよい。結合器インターフェース内の陥凹は、環状フランジを受容し、フランジの回転移動を可能にする一方、軸方向限界を環状フランジの移動に提供することによって、少なくとも、結合器本体の軸方向移動を阻止（例えば、防止）するように構成される、拡大部分を有してもよい。結合器インターフェースは、ロボット腕の端部部分と結合するように構成されてもよい。
図３２Ａおよび３２Ｂは、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器本体３２００を図示する。結合器本体３２００は、図３２Ａおよび３２Ｂに示される結合器本体３２００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される結合器本体の他の実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される結合器本体の他の実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器本体実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器本体３２００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器本体３２００は、外科手術用器具をその中に受容するようにサイズ決めおよび成形される、軸方向にそれを通る開口部３２０２と、結合器本体３２００を、図３２Ａに示されるような第１の非固着または開放状態から、図３２Ｂに示されるような第２の固着または閉鎖状態に移動させるように、咬持機構３２０４が作動されるにつれて、開口部３２０２の内径を低減させるように構成される、咬持機構３２０４とを有してもよい。本配列では、結合器本体３２００は、結合器本体３２００が第１の開放または非固着状態にある間、外科手術用器具の外面の周囲に位置付けられてもよい。その後、咬持機構３２０４は、結合器本体３２００自体を外科手術用器具の外面に固着させるように、作動されてもよい。次いで、結合器本体３２００は、結合器本体３２００を受容および支持するようにサイズ決めおよび構成される、結合器インターフェースと結合されてもよい。
図３３Ａおよび３３Ｂは、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器本体３３００を図示する。結合器本体３３００は、結合器本体３３００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される結合器本体の他の実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される結合器本体の他の実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器本体実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器本体３３００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器本体３３００は、外科手術用器具をそれを通して受容するようにサイズ決めおよび成形される、軸方向にそれを通る開口部３３０２と、結合器本体３３００を、図３３Ａに示されるような第１の非固着または開放状態から、図３３Ｂに示されるような第２の固着または閉鎖状態に移動させるように、咬持機構３３０４が、作動されるにつれて、開口部３３０２の内径を低減させるように構成される、第１および第２のハンドル部材またはタブを有する、咬持機構３３０４とを有してもよい。本配列では、結合器本体３３００は、結合器本体３３００が第１の開放または非固着状態にある間、外科手術用器具の外面の周囲に位置付けられてもよい。結合器本体３３００は、図３３Ａに示されるように、咬持機構３２０４のハンドルをともに圧搾または移動させることによって、第１の開放または非固着状態に移動されてもよい。その後、咬持機構３２０４は、結合器本体３３００自体を外科手術用器具の外面に固着させるように、解放されてもよい。結合器本体３３００は、次いで、結合器本体３３００を受容および支持するようにサイズ決めおよび構成される、結合器インターフェースと結合されてもよい。
図３４Ａ－３４Ｃは、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器３４００を図示する。結合器３４００は、結合器３４００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器３４００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器３４００は、結合器インターフェース３４０４と結合される、１つまたはそれを上回る結合器本体３４０２（２つが示される）を有してもよい。結合器本体３４０２は、結合器インターフェース３４０４内の開口部３４０６内に摺動可能に受容されてもよい。結合器インターフェース３４０４は、陥凹３４０８を有してもよく、これは、外科手術用器具ＳＩの外面をその中に受容するように構成され得る、その長さに沿って延在する、外科手術用器具の外面の形状に合致する、半円形断面形状または他の断面形状を有してもよい。結合器本体３４０２は、少なくとも部分的に、外科手術用器具ＳＩの外面の周囲に配策または湾曲するようにサイズ決めおよび成形される、湾曲端部部分３４１０を有してもよい。本構成では、結合器本体３４０２は、図３４Ａに示されるような第２の固着または閉鎖位置にあるとき、外科手術用器具ＳＩを陥凹３４０８内に選択的に固着させる、または別様に、外科手術用器具ＳＩを結合器インターフェース３４０４に固着させるために使用されてもよい。ばねまたは他の付勢機構３４１２が、結合器本体３４０２を図３４Ａに示されるような第２の閉鎖または固着位置に付勢するために使用されてもよい。ユーザは、結合器本体３４０２を第２の閉鎖または固着位置から第１の開放または非固着位置に移動させるように、結合器本体３４０２を矢印Ａ１によって示される軸方向に押動させてもよい。結合器本体３４０２上に付与される力は、結合器本体３４０２のそれぞれと結合される、ばねまたは付勢機構３４１２からのばねまたは付勢力を上回るべきである。
図３４Ｂに示されるように、結合器本体３４０２は、傾きが付けられた端部表面３４１４を有してもよい。傾きが付けられた端部表面３４１４は、外科手術用器具ＳＩが、結合器インターフェース３４０４内の陥凹３４０８に向かって側方に前進されるにつれて、外科手術用器具ＳＩの外面が、結合器本体の端部表面３４１４に接触し得、結合器本体３４００の端部表面３４１４の傾きが、結合器本体３４００を第２の閉鎖または固着状態から第１の開放または非固着状態に向かって移動させ、外科手術用器具ＳＩが陥凹３４０８内に受容されることを可能にするであろうように、結合器端部表面３４１４と結合器インターフェース３４０４の隣接する表面との間の空間が、陥凹からより離れた結合器端部表面３４１４の位置において、より大きいように構成されてもよい。結合器本体３４００は、結合器本体３４００を第２の閉鎖または固着状態または位置に付勢するように構成される、ばねまたは他の付勢機構３４１６を有してもよい。
図３４Ｃに示されるように、結合器本体３４０２の任意の実施形態の傾きが付けられた端部表面３４１４は、外科手術用器具ＳＩが、結合器本体３４００の端部表面３４１８に対して下向き方向に前進されるにつれて、外科手術用器具ＳＩの外面と結合器本体３４０２の傾き付き表面３４１８との間のそのような相互作用が、陥凹３４０８から離れるように、結合器本体３４００を枢動点３４２０を中心として回転させ、外科手術用器具ＳＩが陥凹３４０８内に受容されることを可能にし得るように、傾きが付けられてもよい。
図３５Ａ－３５Ｄは、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器３５００を図示する。結合器３５００は、結合器３５００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器３５００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器３５００は、結合器インターフェース３５０４と結合または係合され得る、結合器本体３５０２を有してもよい。例えば、結合器本体３５０２は、結合器インターフェース３５０４内に形成される、陥凹３５０６内に摺動可能に受容されてもよい。結合器本体３５０２はまた、少なくとも、結合器３５００が図３５Ｂに示されるような第２の状態にあるとき、外科手術用器具ＳＩの外面を受容し、少なくとも部分的に、それを囲繞する、またはいくつかの実施形態では、完全に囲繞するように構成され得る、結合器本体３５０２の長さに沿って延在する、外科手術用器具の外面の形状に合致する、半円形断面形状または他の断面形状を有し得る、陥凹３５０５を有してもよい。
結合器本体３５０２は、ネオプレンを含む、ゴム等の可撓性材料から作製されてもよい。結合器本体３５０２は、陥凹の幅を上回る幅を有してもよく、図３５Ａに示されるように、平面または略平面形状に向かって付勢されてもよい。結合器本体３５０２は、結合器本体３５０２が、陥凹３５０６の遠位表面３５０６ａに向かって押勢されると、結合器本体３５０２は、中央部分または陥凹３５０５に隣接する他の部分を中心として屈曲または折畳するように十分に可撓性であってもよい。いったん結合器本体３５０２が、結合器インターフェース３５０４の陥凹３５０６の中に完全に前進されると、結合器３５００は、結合器本体３５０２を付勢し、陥凹３５０６内の第２の固着位置内に留まるように構成されてもよい。本構成では、外科手術用器具ＳＩを結合器３５００内に固着させるために、オペレータは、外科手術用器具ＳＩを結合器本体３５０２の陥凹３５０５の中に前進させ、外科手術用器具ＳＩおよび／または結合器本体３５０２を遠位表面３５０６ａに向かって前進させ続けることができる。結合器３５００のいくつかの実施形態は、いったん結合器本体３５０２および外科手術用器具ＳＩが、結合器インターフェース３５０４の陥凹３５０６の中に前進されると、外科手術用器具ＳＩが、結合器３５００に軸方向および／または回転可能に固着されるであろうように構成されてもよい。その後、結合器３５００は、ロボット腕３００が外科手術用器具ＳＩと結合され得るように、ロボット腕３００の端部部分と結合されてもよい。任意の実施形態では、陥凹は、陥凹の中につながる、傾きが付けられた、湾曲された、または別様にテーパ状の前縁表面３５０７を有し、結合器本体３５０２の結合器インターフェース３５０４の陥凹３５０６の中への前進を促進してもよい。
図３５Ｅに示されるように、外科手術用ドレープ８００が、外科手術用器具ＳＩと結合器本体３３０２との間に位置付けられてもよい。他の実施形態では、外科手術用ドレープ８００は、図３５Ｆに示されるように、結合器本体３５０２が外科手術用ドレープの一部を形成し得るように、結合器本体３０５２の中に統合されてもよい。結合器本体３５０２は、いったん結合器本体３５０２が陥凹３５０６から除去されると、結合器本体３５０２の元々の形状に戻るために十分に可撓性であってもよい。本明細書に開示される任意の実施形態では、結合器本体または結合器の他の構成要素または特徴は、器具を半径方向に制約するように構成されることができる。
図３５Ｃに示されるように、結合器３５００は、結合器本体３５０２が、結合器本体３５０２が図３５Ｃに示されるような第１の開放または非固着状態にあるときでも、結合器インターフェース３５０４の陥凹３５０６の中に延在するように構成される、突起３５０３を有するように構成されてもよい。突起３５０３は、結合器本体３５０２を付勢し、結合器本体３５０２が第１の開放または非固着状態にあるときでも、結合器インターフェース３５０４の陥凹３５０６と係合されたままであることに役立ち得る。図３５Ｄに示されるように、結合器本体３５０２はまた、結合器本体３５０２の把持および陥凹３５０６からの除去を促進するように構成される、突出部、フランジ、ハンドル、タブ、または他の突起３５０９をその近位端部分に有してもよい。
いくつかの実施形態では、結合器は、可撓性材料から作製される、結合器本体と、結合器本体を受容するように構成される陥凹を有する、結合器インターフェースとを含んでもよい。結合器本体は、器具をその中に受容するように構成される、その第１の主要表面の長さに沿って湾曲プロファイルを有する、陥凹を有してもよい。結合器本体は、結合器本体が、陥凹の遠位表面に向かって押勢されると、結合器本体が、陥凹に隣接するその一部を中心として折畳し、それによって、器具を少なくとも軸方向および半径方向に制約するであろうように十分に可撓性であってもよい。結合器本体は、いったん結合器本体が陥凹から除去されると、結合器本体３５０２の元々の形状に戻るために十分に可撓性であってもよい。
図３６は、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器３６００を図示する。結合器３６００は、結合器３６００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器３６００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器３６００は、結合器インターフェース３６０４と結合または係合され得る、結合器本体３６０２を有してもよい。例えば、結合器本体３６０２は、結合器インターフェース３６０４内に形成される、陥凹３６０６内に受容されてもよい。結合器本体３６０２はまた、少なくとも、結合器３６００が第２の状態にあるとき、外科手術用器具ＳＩの外面を受容し、少なくとも部分的に、それを囲繞する、またはいくつかの実施形態では、完全に囲繞するように構成され得る、結合器本体３６０２の長さに沿って延在する、外科手術用器具の外面の形状に合致する、半円形断面形状または他の断面形状を有し得る、陥凹３６１５を有してもよい。
結合器本体３２０２は、ネオプレンを含む、ゴム等の可撓性材料から作製されてもよい。結合器本体３２０２の他の実施形態は、ゴム等、増加された把持力を有し得る、可撓性材料から作製される、第１の層３６０８と、プラスチック、金属、またはその他等、より剛性材料から作製され得る、第１の層３６０８のための基材層または支持層であり得る、第２の層３６１０とを含む、複数の材料から作製されてもよい。陥凹３６１５が、第１の層３６０８内に形成されてもよい。陥凹３６１５は、第１の層３６０８の中央部分内に形成されてもよい。第２の層３６１０のいくつかの実施形態は、その中央部分にある、またはそこに取り付けられる、ヒンジ３６１２を有してもよい。いくつかの実施形態では、ヒンジ３６１２は、第１の層３６０８内に形成される、陥凹３６１５と、結合器インターフェース３６０４内に形成される、陥凹３６０６と略平行に延設されてもよい。いくつかの実施形態では、結合器本体３６０２は、ヒンジ３６１２を中心として折畳または蝶着することによって、外科手術用器具ＳＩを中心として第１の開放状態と第２の閉鎖または固着状態との間で折畳または蝶着してもよい。
結合器本体３６００は、陥凹３６０６の幅を上回る幅を有してもよい。結合器本体３６０２は、結合器本体３６０２が、陥凹３６０６の遠位表面３６０６ａに向かって押勢されると、結合器本体３６０２が、外科手術用器具ＳＩを結合器本体３６０２および結合器インターフェース３６０４内に固着させるように、結合器本体３６０２の陥凹３６１５内に位置付けられる外科手術用器具ＳＩを中心として圧潰または閉鎖するように、ヒンジ３６１２を中心として屈曲または折畳するであろうように構成されてもよい。
結合器インターフェース３６０４のいくつかの実施形態は、１つまたはそれを上回るローラ３６１４（２つが示される）を、結合器インターフェース３６０４内に形成される、陥凹３６０６の近位端３６０６ｂに有してもよい。１つまたはそれを上回るローラ３６１４は、結合器本体３６０２が陥凹３６０６の中に前進されるにつれて、結合器本体３６０２がローラ上で転動することを可能にすることによって、結合器本体３６０２の陥凹３６０６の中への移動を促進し得る。結合器インターフェース３６０４のいくつかの実施形態は、陥凹３６０６の側壁表面３６０６ｃに沿って、付加的ローラ３６１６を有し、結合器本体３６０２の陥凹３６０６の中への前進を促進し続けてもよい。いくつかの実施形態では、陥凹３６０６は、略長方形状を有してもよい。他の実施形態では、陥凹３６０６は、テーパ状または狭窄プロファイルを有してもよい。
いったん結合器本体３６０２が、結合器インターフェース３６０４の陥凹３６０６の中に完全に前進されると、結合器３６００のいくつかの実施形態は、結合器本体３６０２を付勢し、陥凹３６０６内の第２の固着位置内に留まるように構成されてもよい。本構成では、外科手術用器具ＳＩを結合器３６００内に固着させるために、オペレータは、外科手術用器具ＳＩを結合器本体３６０２の陥凹３６１５の中に前進させ、外科手術用器具ＳＩおよび／または結合器本体３６０２を陥凹３６０６の遠位表面３６０６ａに向かって前進させ続けてもよい。結合器３６００のいくつかの実施形態は、いったん結合器本体３６０２および外科手術用器具ＳＩが、結合器インターフェース３６０４の陥凹３６０６の中に前進されると、外科手術用器具ＳＩが、結合器３６００に軸方向および／または回転可能に固着されるであろうように構成されてもよい。その後、結合器３６００は、ロボット腕３００が外科手術用器具ＳＩと結合され得るように、ロボット腕３００の端部部分と結合されてもよい。
図３７は、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器３７００を図示する。結合器３７００は、結合器３７００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器３７００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器３７００は、結合器インターフェース３７０４と結合または係合され得る、結合器本体３７０２を有してもよい。結合器本体３７０２は、結合器インターフェース３７０４内に形成される、陥凹３７９６内に受容されてもよい。結合器本体３７０２はまた、少なくとも、結合器３７０４が図３７に示されるような第２の状態にあるとき、外科手術用器具ＳＩの外面を受容し、少なくとも部分的に、それを囲繞する、またはいくつかの実施形態では、完全に囲繞するように構成され得る、結合器本体３７０２の長さに沿って延在する、外科手術用器具の外面の形状に合致する、半円形断面形状または他の断面形状を有し得る、陥凹３７０５を有してもよい。
結合器本体３７０２は、ゴム等、増加された把持力を有し得る、可撓性材料から作製される、第１の層３７１０と、プラスチック、金属、またはその他等、より剛性材料から作製され得る、第１の層３７１０のための基材層または支持層であり得る、第２の層３７１２とを含む、複数の材料から作製されてもよい。陥凹３７０５が、第１の層３７１０内に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、陥凹３７０５は、第１の層３７１０の中央部分内に形成されてもよい。第２の層３７１２のいくつかの実施形態は、その中央部分にある、またはそこに取り付けられる、ヒンジ３７１４を有してもよい。いくつかの実施形態では、ヒンジ３７１４は、第１の層３７１０内に形成される、陥凹３７０５と、結合器インターフェース３７０４内に形成される、陥凹３７０６と略平行に延設されてもよい。いくつかの実施形態では、結合器本体３７０２は、ヒンジ３７１４を中心として折畳または蝶着することによって、外科手術用器具ＳＩを中心として第１の開放状態と第２の閉鎖または固着状態との間で折畳または蝶着してもよい。
結合器本体３７０２は、陥凹３７０６の幅を上回る幅を有してもよい。結合器本体３７０２は、結合器本体３７０２が、陥凹３７０６の遠位表面３７０６ａに向かって押勢されると、結合器本体３７０２が、外科手術用器具ＳＩを結合器本体３７０２および結合器インターフェース３７０４内に固着させるように、結合器本体３７０２の陥凹３７０５内に位置付けられる外科手術用器具ＳＩを中心として圧潰または閉鎖するように、ヒンジ３７１４を中心として屈曲または折畳するであろうように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第２の層３７１２は、結合器本体３７０２の陥凹３７０６からの除去を促進するために使用され得る、ウィングまたはタブ３７１６を有してもよい。タブ３７１６は、結合器本体３７０２が図３７に示されるような第２の位置にあるとき、タブ３７１６が、間隙または空間３７２０がタブ３７１６と結合器インターフェース３７０４の上側表面３７０４ａとの間に存在するように、第１の表面３７０４ａ（結合器インターフェース３７０４は、図３７に示されるように、位置付けられるとき、上側表面であり得る）から離間され得るように形成されてもよい。空間３７２０は、力が、第１の表面３７０４ａの方向に、タブ３７１６に印加されると、タブ３７１６が第１の表面３７０４ａに向かって移動することを可能にするために十分に大きくあり得る。タブ３７１６が、第１の表面３７０４ａに向かって偏向されるにつれて、タブ３７１６のそのような移動は、結合器本体３７０２の残部を陥凹３７０６の遠位表面３７０６ａから離れるように移動させるように押勢し、それによって、結合器本体３７０４が陥凹３７０６から除去されることを可能にし得る。
結合器インターフェース３７０４のいくつかの実施形態は、１つまたはそれを上回るローラ３７１７（２つが示される）を、結合器インターフェース３７０４内に形成される、陥凹３７０６の近位端３７０６ｂに有してもよい。１つまたはそれを上回るローラ３７１７は、結合器本体３７０２が陥凹３７０６の中に前進されるにつれて、結合器本体３７０２がローラ上で転動することを可能にすることによって、結合器本体３７０２の陥凹３７０６の中への移動を促進し得る。結合器インターフェース３７０４のいくつかの実施形態は、陥凹４７０６の側壁表面３７０６ｃに沿って、付加的ローラ３７１８を有し、結合器本体３７０２の陥凹３７０６の中への前進を促進し続けてもよい。
いったん結合器本体３７０２が、結合器インターフェース３７０４の陥凹３７０６の中に完全に前進されると、結合器３７００のいくつかの実施形態は、結合器本体３７０２を付勢し、陥凹３７０６内の第２の固着位置内に留まるように構成されてもよい。本構成では、外科手術用器具ＳＩを結合器３７００内に固着させるために、オペレータは、外科手術用器具ＳＩを結合器本体３７０３の陥凹３７０５の中に前進させ、外科手術用器具ＳＩおよび／または結合器本体３７０２を陥凹３７０６の遠位表面３７０６ａに向かって前進させ続けてもよい。結合器３７００のいくつかの実施形態は、いったん結合器本体３７０２および外科手術用器具ＳＩが、結合器インターフェース３７０４の陥凹３７０６の中に前進されると、外科手術用器具ＳＩが、結合器３７００に軸方向および／または回転可能に固着されるであろうように構成されてもよい。その後、結合器３７００は、ロボット腕３００が外科手術用器具ＳＩと結合され得るように、ロボット腕３００の端部部分と結合されてもよい。
図３８Ａおよび３８Ｂは、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器３８００を図示する。結合器３８００は、結合器３８００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器３８００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器３８００は、結合器インターフェース（図示せず）と結合または係合され得る、または結合器インターフェースの存在を伴わずに、ロボット腕と結合または係合され得る（例えば、本明細書に開示される任意の実施形態の結合器本体は、直接、ロボット腕３００の端部部分と係合またはインターフェースすることができる）、結合器本体３８０２を有してもよい。結合器本体３８０２は、第１の部分３８０４と、第１の部分３８０４と結合される、第２の部分３８０６とを有してもよい。いくつかの実施形態では、第１の部分３８０４は、第２の部分３８０６と蝶着または回転可能に結合されてもよい。例えば、結合器本体３８０２は、第１および第２の部分３８０４、３８０６をともに結合し得る、ヒンジまたはジョイント３８１０を有してもよい。
いくつかの実施形態では、結合器本体３８０２の第１の部分３８０４は、近位部分３８０４ａと、近位部分３８０４ａと一体的に形成または結合される、遠位部分３８０４ｂとを有してもよい。結合器本体３８０２の第１の部分３８０４は、陥凹３８１２を有してもよく、結合器本体３８２０の第２の部分３８０６は、陥凹３８１４を有してもよく、それぞれ、少なくとも、結合器３８００が第２の状態にあるとき、外科手術用器具ＳＩの外面を受容し、少なくとも部分的に、それを囲繞する、またはいくつかの実施形態では、完全に囲繞するように構成され得る、結合器本体３８０２の長さに沿って延在する、外科手術用器具の外面の形状に合致する、半円形断面形状または他の断面形状を有することができる。結合器本体３８０２の第２の状態は、図３８Ｂに示される。いくつかの実施形態では、第２の部分３８０６は、近位部分３８０６ａと、近位部分３８０６ａと一体的に形成または結合される、遠位部分３８０６ｂとを伴い、第１の部分３８０４と同様に据え付けられてもよく、その鏡映複製物であってもよい。
結合器３８００のいくつかの実施形態は、結合器３８００が、第１の開放または非固着状態または第２の閉鎖または固着状態のいずれかに向かって付勢され、第１および第２の状態を除く、任意の位置または状態では、不安定であるという点で、双安定であるように構成されてもよい。第１の状態では、結合器３８００の第１の部分３８０４の遠位部分３８０４ｂは、結合器３８００の第２の部分３８０６の遠位部分３８０６ｂと接触し、結合器３８００の第１の部分３８０４の近位部分３８０４ａは、結合器３８００の第２の部分３８０６の近位部分３８０６ａから離れるように回転および離間される。第１の開放または非固着状態では、外科手術用器具ＳＩは、結合器３８００の中に装填される、またはそこから除去されてもよい。第２の状態では、結合器３８００の第１の部分３８０４の近位部分３８０４ａは、結合器３８００の第２の部分３８０６の近位部分３８０６ａと接触し、結合器３８００の第１の部分３８０４の遠位部分３８０４ｂは、結合器３８００の第２の部分３８０６の遠位部分３８０６ｂから離れるように回転および離間される。第２の閉鎖または固着状態では、結合器３８００の中に装填される、外科手術用器具ＳＩは、外科手術用器具ＳＩが、少なくとも、結合器３８００に対する軸方向移動、またはいくつかの実施形態では、軸方向および回転移動から阻止（例えば、防止）され得るように、結合器３８００によって固着または支持されてもよい。
本構成では、結合器３８００が、図３８Ａに示されるような第１の開放状態にあるとき、外科手術用器具ＳＩを陥凹３８１２または陥凹３８１４のいずれか内に位置付けた後、オペレータは、図３８Ａに示されるように、方向Ａ３およびＡ４に沿って、力を第１および第２の部分３８０４、３８０６の近位部分３８０４ａ、３８０６ａ上に付与すること等によって（例えば、第１および第２の部分３８０４、３８０６の近位部分３８０４ａ、３８０６ａをともに圧搾することによって）、第１の部分３８０４の近位部分３８０４ａを第２の部分３８０６の近位部分３８０６ａに向かって挟込または移動させることによって、結合器３８００を第２の閉鎖状態に変化させてもよい。結合器３８００が、図３８Ｂに示されるような第２の閉鎖状態にあるとき、オペレータは、図３８Ｂに示されるように、方向Ａ５およびＡ６に沿って、力を第１および第２の部分３８０４、３８０６の遠位部分３８０４ｂ、３８０６ｂ上に付与すること等によって（例えば、第１および第２の部分３８０４、３８０６の遠位部分３８０４ｂ、３８０６ｂをともに圧搾することによって）、第１の部分３８０４の遠位部分３８０４ｂを第２の部分３８０６の遠位部分３８０６ｂに向かって挟込または移動させることによって、結合器３８００を第１の開放状態に変化させてもよい。
図３９Ａおよび３９Ｂは、本明細書に開示される任意のロボット型システム実施形態と併用され、器具をロボット腕の端部部分に結合し得る、結合器３９００を図示する。
結合器３９００は、結合器３９００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器３９００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
結合器３９００は、結合器インターフェース（図示せず）と結合または係合され得る、または結合器インターフェースの存在を伴わずに、ロボット腕と結合または係合され得る、結合器本体３９０２を有してもよい。結合器本体３９０２は、結合器本体３９０２を結合器インターフェースに対して心合または位置付けるために使用され得る、１つまたはそれを上回る突起３９０３（２つが示される）を有してもよい。例えば、突起３９０３は、結合器インターフェース内の凹部または開口部と係合し、結合器本体３９０２と結合器インターフェースを整合させるように構成される、円錐形突起であってもよい。いくつかの実施形態では、結合器インターフェースは、突起３９０３の数と比較して、等しい数または異なる数の凹部または開口部を有してもよい。他の実施形態では、突起３９０３は、円筒形状に成形されてもよい。いくつかの実施形態では、結合器本体３９０２は、３つまたはそれを上回る突起３９０３を有してもよい。
結合器本体３９０２は、結合器本体３９０２と蝶着または回転可能に結合される、第１のタブ３９０４と、結合器本体３９０２と蝶着または回転可能に結合される、第２のタブ３９０６とを有してもよい。例えば、結合器本体３９０２は、第１のタブ３９０４と結合器本体３９０２を結合し得る、第１のヒンジまたはジョイント３９１０と、第２のタブ３９０６と結合器本体３９０２を結合し得る、第２のヒンジまたはジョイント３９１１とを有してもよい。第１のタブ３９０４は、図３９Ｂに示されるように、近位端部分３９０４ａと、遠位端部分３９０４ｂとを有してもよい。第２のタブ３９０６は、近位端部分４９０６ａと、遠位端部分４９０６ｂとを有してもよい。
結合器本体３９０２は、その中に形成される、陥凹３９１４を有してもよく、第１のタブ３９０４は、その遠位端部分内に形成される、陥凹３９１６を有してもよく、第２のタブ３９０６は、その遠位端部分内に形成される、陥凹３９１８を有してもよく、それぞれ、全て合わせると、結合器本体３９０２、第１のタブ３９０４号、および第２のタブ３９０６の長さに沿って延在する、外科手術用器具ＳＩの外面の形状に合致し得、少なくとも、結合器３９００が第２の状態にあるとき、外科手術用器具ＳＩの外面を受容し、少なくとも部分的に、それを囲繞する、またはいくつかの実施形態では、完全に囲繞するように構成され得る、半円形断面形状または他の断面形状を有してもよい。結合器本体３９０２の第２の状態は、図３９Ｂに示される。いくつかの実施形態では、第２のタブ３９０６は、第１のタブ３９０４と同様に据え付けられてもよく、その鏡映複製物であってもよい。
結合器３９００のいくつかの実施形態は、ばねまたは他の捻転付勢要素を使用して、第２の状態に向かって付勢されてもよい。オペレータは、ともにまたは相互に向かって、第１および第２のタブ３９０４、３９０６の近位端部分３９０４ａ、３９０６ａを圧搾することによって、結合器本体３９０２を、図３９Ｂに示されるような第２の状態から、図３９Ａに示されるような第１の状態に付勢力を克服する、または別様に移動させてもよい。第１の状態では、オペレータは、外科手術用器具ＳＩを結合器３９００から除去してもよい。結合器３９００が第１の開放状態にある間、外科手術用器具ＳＩを結合器３９００内に支持するために、オペレータは、外科手術用器具ＳＩを陥凹３９１４と接触させてまたはその近傍に位置付け、第１および第２のタブ３９０４、３９０６に印加された力を解放する、または別様に、第１および第２のタブ３９０４、３９０６を弛緩させ、第１および第２のタブ３９０４、３９０６が、第１および第２のタブ３９０４、３９０６の弛緩位置に戻ることを可能にしてもよい。
図４０－４３は、付加的結合器４０００、４１００、４２００、４３００を図示する。結合器４０００、４１００、４２００、４３００は、結合器４０００、４１００、４２００、４３００の実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかの構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。本明細書に開示される他の結合器実施形態のいずれかは、本明細書に開示される他の結合器実施形態の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかとの任意の組み合わせにおいて、結合器４０００、４１００、４２００、４３００の構成要素、特徴、および／または他の詳細のいずれかを有してもよい。
図４０に示されるように、結合器４０００は、第１の本体部分４００２と、第１の本体部分４００２と摺動可能に結合または係合され得る、第２の本体部分４００４とを有してもよい。結合器４０００は、第２の本体部分４００４が、第１の本体部分４００２に向かって移動されると、拡大され得、外科手術用器具ＳＩをその中に受容するように構成され得る、陥凹または開口部４００６を有してもよい。ばねまたは他の付勢機構４００８が、オペレータが第１および第２の本体部分４００２、４００４を解放すると、結合器４０００が、力を外科手術用器具上に付与し、外科手術用器具をその中に固着させ得るように、結合器４０００を第２の閉鎖または固着状態に向かって付勢するために使用されてもよい。結合器４００のいくつかの実施形態は、外科手術用器具をその中で軸方向に制約するが、外科手術用器具の回転を可能にするように構成されてもよい。結合器４０００は、結合器インターフェース、または、直接、ロボット腕３００の端部部分と結合されてもよい。
図４１に示されるように、結合器４１００は、第１の本体部分４１０２と、第１の本体部分４１０２と摺動可能に結合または係合され得る、第２の本体部分４１０４とを有してもよい。結合器４１００は、第２の本体部分４１０４が、第１の本体部分４１０２に向かって移動されると、拡大され得、外科手術用器具ＳＩをその中に受容するように構成され得る、陥凹または開口部４１０６を有してもよい。ばね４１０８または他の付勢機構が、オペレータが、第１および第２の本体部分４１０２、４１０４を解放すると、結合器４１００が、力を外科手術用器具上に付与し、外科手術用器具をその中に固着させ得るように、結合器４１００を第２の閉鎖または固着状態に向かって付勢するために使用されてもよい。結合器４１００のいくつかの実施形態は、外科手術用器具をその中で軸方向に制約するが、外科手術用器具の回転を可能にするように構成されてもよい。結合器４１００は、結合器インターフェース、または、直接、ロボット腕３００の端部部分と結合されてもよい。
図４２に示されるように、結合器４２００は、近位端部分４２０２ａと、遠位端部分４２０２ｂとを有する、第１の本体部分４２０２と、軸またはシャフト４２０７を中心として、第１の本体部分４２０２と回転可能に結合または係合され得る、近位端部分４２０４ａと、遠位端部分４２０４ｂとを有する、第２の本体部分４２０４とを有してもよい。結合器４２００は、第２の本体部分４２０４の遠位端部分４２０４ｂが、第１の本体部分４２０２の遠位端部分４２０２ｂから離れるように回転されると、拡大され得、外科手術用器具ＳＩをその中に受容するように構成され得る、遠位端部分４２０２ｂ、４２０４ｂ内に形成される、陥凹または開口部４２０６を有してもよい。ばね４２０８または他の付勢機構が、オペレータが、第１および第２の本体部分４２０２、４２０４を解放すると、結合器４２００が、力を外科手術用器具に付与し、外科手術用器具をその中に固着させ得るように、結合器４２００を第２の閉鎖または固着状態に向かって付勢するために使用されてもよい。結合器４２００のいくつかの実施形態は、外科手術用器具をその中で軸方向に制約するが、外科手術用器具の回転を可能にするように構成されてもよい。結合器４２００は、結合器インターフェース、または、直接、ロボット腕３００の端部部分に結合されてもよい。
図４３に示されるように、結合器４３００は、ロボット腕の結合器インターフェースまたは遠位端部分４３０１と係合するように構成されてもよい。結合器４３００は、結合器４２００と同様に構築されてもよく、類似構成要素は、同様のプライム付き参照番号を有する。結合器４３００は、結合器４３００が第２の閉鎖状態にあるとき、結合器４３００が、ロボット腕の遠位端部分４３０１内に形成される、陥凹４３０４内に受容され得る、第１の本体部分４２０２’の近位端部分４２０２ａ’の内面および第２の本体部分４２０４’の近位端部分４２０４ａ’の内面から内向きに延在する、突起４３０２を有し得るという点で、結合器４２００と異なる。
本発明の種々の例証的実施形態が、上記に説明されるが、種々の変更および修正が、本発明から逸脱することなく、その中で行われてもよいことが当業者に明白であろう。添付の請求項は、本発明の真の範囲内に該当する、全てのそのような変更および修正を網羅するように意図される。

Claims (115)

  1. ハンドルと、動作端と、それらの間の伸長シャフトとを有する外科手術用器具を使用して実施される腹腔鏡下外科手術を補助するための協調操作式外科手術用システムであって、前記協調操作式外科手術用システムは、
    近位端と、前記外科手術用器具に除去可能に結合されるように構成される遠位端と、複数の連結部と、前記近位端と前記遠位端との間の複数のジョイントとを備えるロボット腕と、
    前記ロボット腕に動作可能に結合されるコントローラであって、前記コントローラは、
    受動モードであって、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に起因する前記ロボット腕の移動が、少なくとも所定の停留期間にわたって、所定の量未満であることを決定することに応答して、前記コントローラは、前記受動モードでは、前記ロボット腕に、静的位置を維持させるように構成される、受動モードと、
    協調操作モードであって、前記外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、前記ロボット腕において印加される力が、所定の閾値を超えることを決定することに応答して、前記コントローラは、前記協調操作モードでは、前記外科手術用器具を使用して、腹腔鏡下外科手術を実施するために、前記ロボット腕が、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にするように構成され、前記コントローラは、前記協調操作モードでは、第１のインピーダンスを前記ロボット腕に印加し、前記外科手術用器具および前記ロボット腕の重量を考慮するように構成される、協調操作モードと
    の間で前記ロボット腕を自動的に切り替わらせるようにプログラムされる、コントローラと
    を備える、協調操作式外科手術用システム。
  2. 前記コントローラは、前記ロボット腕の少なくとも一部が事前に定義された力覚障壁外にあることを決定することに応答して、前記ロボット腕を力覚モードに自動的に切り替わらせるようにプログラムされ、前記コントローラは、前記力覚モードでは、前記第１のインピーダンスを上回る第２のインピーダンスを前記ロボット腕に印加し、それによって、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、前記力覚モードでは、前記ロボット腕の移動を前記協調操作モードより粘弾性にするように構成される、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  3. 前記ロボット腕が基部に対して移動するように構成されるように、前記ロボット腕の近位端に回転可能に結合される基部であって、前記基部は、前記基部の回転が第１の軸を中心として前記ロボット腕の回転を引き起こすように、前記第１の軸を中心として回転可能であるように構成される、基部と、
    前記基部内に配置され、前記基部に動作可能に結合される第１のモータと
    をさらに備え、
    前記コントローラは、前記第１のモータに動作可能に結合され、前記第１のモータに、インピーダンスを前記基部に印加させるようにプログラムされる、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  4. 前記複数の連結部の肩連結部の近位端は、前記肩連結部の回転が、前記肩ジョイントの第２の軸を中心として、前記肩連結部の遠位に前記複数の連結部の連結部の回転を引き起こすように、前記複数のジョイントの肩ジョイントにおいて、前記基部に回転可能に結合され、前記システムはさらに、
    前記基部内に配置され、前記肩ジョイントに動作可能に結合される第２のモータ
    を備え、
    前記コントローラは、前記第２のモータに動作可能に結合され、前記第２のモータに、インピーダンスを前記肩ジョイントに印加させるようにプログラムされる、請求項３に記載の協調操作式外科手術用システム。
  5. 前記第２の軸は、前記第１の軸と垂直である、請求項４に記載の協調操作式外科手術用システム。
  6. 前記複数の連結部の肘連結部の近位端は、前記肘連結部の回転が、前記肘ジョイントの第３の軸を中心として、前記複数の連結部の連結部の回転を前記肘連結部の遠位に引き起こすように、前記複数のジョイントの肘ジョイントにおいて、前記肩連結部の遠位端に回転可能に結合され、前記システムはさらに、
    前記基部内に配置され、前記肘ジョイントに動作可能に結合される第３のモータ
    を備え、
    前記コントローラは、前記第３のモータに動作可能に結合され、前記第３のモータに、インピーダンスを前記肘ジョイントに印加させるようにプログラムされる、請求項４に記載の協調操作式外科手術用システム。
  7. 前記肩連結部は、前記基部に回転可能に結合される近位肩連結部と、前記肘連結部に回転可能に結合される遠位肩連結部とを備え、前記遠位肩連結部は、前記近位肩連結部に対する前記遠位肩連結部の回転が、前記肩連結部の縦軸と平行な第４の軸を中心として回転するように、前記複数の連結部の連結部の回転を前記遠位肩連結部の遠位に引き起こすように、前記近位肩連結部に対して回転可能であるように構成される、請求項６に記載の協調操作式外科手術用システム。
  8. 前記近位肩連結部に対する前記遠位肩連結部の回転を可能にするように作動されるように構成されるアクチュエータをさらに備え、非作動状態では、前記アクチュエータは、前記近位肩連結部に対する前記遠位肩連結部の回転を防止する、請求項７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  9. 前記複数の連結部の手首連結部の近位端は、前記手首連結部が、前記近位手首ジョイントの第５の軸を中心として、前記肘連結部に対して回転されるように構成されるように、前記複数のジョイントの近位手首ジョイントにおいて、前記肘連結部の遠位端に回転可能に結合される、請求項７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  10. 前記肘連結部に対する前記手首連結部の回転を可能にするように作動されるように構成されるアクチュエータをさらに備え、非作動状態では、前記アクチュエータは、前記肘連結部に対する前記手首連結部の回転を防止する、請求項９に記載の協調操作式外科手術用システム。
  11. 前記手首連結部は、前記肘連結部の遠位端に回転可能に結合される近位手首連結部と、第６の軸を中心として、前記近位手首連結部に回転可能に結合される中央手首連結部と、第７の軸を中心として、前記中央手首連結部に回転可能に結合される遠位手首連結部とを備え、前記遠位手首連結部は、前記外科手術用器具に除去可能に結合されるように構成される、請求項９に記載の協調操作式外科手術用システム。
  12. 前記基部に結合されるプラットフォームをさらに備え、前記プラットフォームは、前記プラットフォームに対して、前記基部の垂直および水平移動を可能にし、それによって、前記プラットフォームに対して、前記ロボット腕の垂直および水平移動を引き起こすように構成される、請求項２に記載の協調操作式外科手術用システム。
  13. 前記プラットフォームは、前記プラットフォームの移動性を可能にするように構成される複数の車輪を備え、前記複数の車輪は、前記プラットフォームの移動性を防止するように作動されるように構成される制動機構を備える、請求項１２に記載の協調操作式外科手術用システム。
  14. 前記コントローラは、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具と関連付けられる情報を受信するように構成され、前記情報は、器具タイプ、重量、質量中心、長さ、または器具シャフト直径のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  15. 複数の外科手術用器具と関連付けられる情報を備えるデータベースをさらに備え、前記コントローラは、前記データベースにアクセスし、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具と関連付けられる情報を読み出すように構成される、請求項１４に記載の協調操作式外科手術用システム。
  16. 深度データを測定するように構成される光学スキャナをさらに備え、前記コントローラは、前記測定された深度データに基づいて、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具を識別するように構成される、請求項１４に記載の協調操作式外科手術用システム。
  17. 前記コントローラは、前記外科手術用器具が前記ロボット腕の遠位端に結合されると、前記外科手術用器具に対して較正されるように構成される、請求項１４に記載の協調操作式外科手術用システム。
  18. 前記ロボット腕の近位端における基部筐体と、
    前記ロボット腕を制御するためのモータであって、前記ロボット腕のためのモータは全て、前記基部筐体内に配置される、モータと
    をさらに備える、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  19. 前記ロボット腕が基部に対して移動するように構成されるように、前記ロボット腕の近位端に回転可能に結合される基部と、
    前記基部内に配置される複数のモータであって、前記複数のモータは、前記複数のジョイントの少なくともいくつかのジョイントに動作可能に結合される、複数のモータと
    をさらに備え、
    前記コントローラは、前記複数のモータに動作可能に結合され、前記複数のモータの電流を測定するように構成され、前記コントローラは、前記複数のモータの測定された電流に基づいて、前記ロボット腕の遠位端に印加される力を計算するようにプログラムされる、請求項１８に記載の協調操作式外科手術用システム。
  20. 前記コントローラは、前記外科手術用器具が前記ロボット腕の遠位端に結合されると、前記外科手術用器具の縦軸に基づいて、患者の中への前記外科手術用器具の進入点をリアルタイムで決定するようにプログラムされる、請求項１９に記載の協調操作式外科手術用システム。
  21. 前記コントローラは、前記外科手術用器具が前記進入点に対して移動するにつれて、前記外科手術用器具の縦軸と平行な複数の仮想線の交点を決定することによって、前記患者の中への前記外科手術用器具の進入点をリアルタイムで決定するようにプログラムされる、請求項２０に記載の協調操作式外科手術用システム。
  22. 前記コントローラは、前記ロボット腕の遠位端に印加される力、前記外科手術用器具の長さ、前記外科手術用器具の質量中心、および前記進入点に基づいて、前記外科手術用器具の動作端に印加される力を計算するようにプログラムされる、請求項２０に記載の協調操作式外科手術用システム。
  23. 前記コントローラは、前記ロボット腕の遠位端に印加される力、前記外科手術用器具の質量中心、および前記進入点に基づいて、前記患者の中への前記外科手術用器具の進入点において前記患者に印加される力を計算するようにプログラムされる、請求項２０に記載の協調操作式外科手術用システム。
  24. 前記コントローラは、前記協調操作式外科手術用システムの障害条件を検出するようにプログラムされ、重大な障害条件が、検出される場合、前記コントローラは、前記複数のモータの制動の作動を引き起こす、請求項１９に記載の協調操作式外科手術用システム。
  25. 前記コントローラは、前記ロボット腕の遠位端に印加される力が、所定の期間内で所定の力閾値を超える場合、第３のインピーダンスを前記ロボット腕に印加し、前記ロボット腕の移動に抵抗するように構成される、請求項１９に記載の協調操作式外科手術用システム。
  26. 前記複数のジョイントの少なくともいくつかのジョイント上に配置される複数のエンコーダであって、前記複数のエンコーダは、前記少なくともいくつかのジョイントにおける前記複数の連結部の対応する連結部の形成角を測定するように構成される、複数のエンコーダ
    をさらに備え、
    前記コントローラは、前記複数のエンコーダによる形成角測定値に基づいて、３Ｄ空間内の前記ロボット腕の遠位端の位置を決定するようにプログラムされる、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  27. 前記ロボット腕の複数の連結部の少なくとも１つの連結部上に配置される１つまたはそれを上回るインジケータをさらに備え、前記１つまたはそれを上回るインジケータは、複数の色を照明するように構成され、各色は、前記協調操作式外科手術用システムの状態を示す、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  28. 前記複数の色の第１の色は、前記ロボット腕が前記受動モードにあることを示し、前記複数の色の第２の色は、前記ロボット腕が前記協調操作モードにあることを示し、前記複数の色の第３の色は、前記ロボット腕が力覚モードにあることを示す、請求項２７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  29. 前記複数の色の第４の色は、前記協調操作式外科手術用システムの障害条件が前記コントローラによって検出されていることを示す、請求項２８に記載の協調操作式外科手術用システム。
  30. 前記複数の色の第５の色は、外科手術用器具が前記ロボット腕の遠位端に結合されていないことを示す、請求項２９に記載の協調操作式外科手術用システム。
  31. 前記事前に定義された力覚障壁は、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具を誘導し、前記腹腔鏡下外科手術を補助するように構成される、請求項２に記載の協調操作式外科手術用システム。
  32. 前記事前に定義された力覚障壁は、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具をトロカールの中に誘導するように構成される力覚漏斗を備える、請求項３１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  33. 前記コントローラは、外科手術用器具が前記ロボット腕の遠位端に結合されていないとき、第３のインピーダンスを前記ロボット腕に印加し、前記ロボット腕の重量を考慮するように構成される、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  34. 前記受動モードでは、前記コントローラは、第３のインピーダンスを前記ロボット腕に印加し、前記外科手術用器具の重量、前記ロボット腕の重量、および前記外科手術用器具に印加される外力に起因して、前記ロボット腕の遠位端に印加される力を考慮し、前記ロボット腕に、前記静的位置を維持させるように構成される、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  35. 前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具と関連付けられる情報を表示するように構成されるグラフィカルユーザインターフェースをさらに備える、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  36. 前記グラフィカルユーザインターフェースは、前記ロボット腕を前記受動モードに自動的に切り替わらせるための前記外科手術用器具のハンドルにおける所定の移動量または前記所定の停留期間、前記ロボット腕を前記協調操作モードに自動的に切り替わらせるための前記外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力の所定の閾値、事前に定義された力覚障壁の位置、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具の識別、前記ロボット腕の垂直高、または前記ロボット腕の水平位置のうちの少なくとも１つをユーザが調節することを可能にするように構成される、請求項３５に記載の協調操作式外科手術用システム。
  37. 前記ロボット腕の遠位端に配置される結合器インターフェースに除去可能に結合されるように構成される結合器本体であって、前記結合器本体は、それを通して前記外科手術用器具の伸長シャフトを受容するようにサイズ決めおよび成形される管腔を備え、前記結合器本体は、前記伸長シャフトが前記管腔内で摺動可能に移動可能である開放状態と、前記結合器本体に対する前記伸長シャフトの縦方向移動が、阻止される一方、前記結合器本体に対する前記伸長シャフトの回転移動が、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して可能にされる閉鎖状態との間で遷移するように構成される、結合器本体
    をさらに備え、
    前記結合器本体が、前記閉鎖状態において、前記結合器インターフェースに結合されると、前記ロボット腕は、前記外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、前記ロボット腕において印加される力が、前記所定の閾値を超える場合、腹腔鏡下外科手術を実施するために、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にされる、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  38. 前記閉鎖状態では、前記結合器本体の管腔と前記外科手術用器具の伸長シャフトとの間の摩擦力に起因して、前記結合器本体に対する前記伸長シャフトの縦方向移動は、阻止される一方、前記結合器本体に対する前記伸長シャフトの回転移動は、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して可能にされる、請求項３７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  39. 前記結合器本体は、磁気接続を介して、前記結合器インターフェースに除去可能に結合されるように構成される、請求項３７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  40. 前記コントローラは、前記結合器本体が、前記結合器インターフェースに結合されると、前記磁気接続の整合に基づいて、前記ロボット腕の遠位端に対する前記外科手術用器具の配向を決定するように構成される、請求項３９に記載の協調操作式外科手術用システム。
  41. 滅菌ドレープが、前記腹腔鏡下外科手術の間、前記外科手術用器具と前記ロボット腕との間の接触を防止するように、前記結合器本体と前記結合器インターフェースとの間に配置されるように構成される滅菌ドレープをさらに備える、請求項３７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  42. 前記ロボット腕の遠位端は、腹腔鏡、開創器ツール、グラスパツール、または外科手術用切断ツールのうちの少なくとも１つに除去可能に結合されるように構成される、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  43. 前記ロボット腕の遠位端が、腹腔鏡に結合されると、前記コントローラは、前記腹腔鏡の視野内の１つまたはそれを上回る外科手術用器具のエンドエフェクタを光学的に追跡し、前記１つまたはそれを上回る外科手術用器具のエンドエフェクタが前記腹腔鏡の視野内の事前に定義された境界内にないことを決定することに応答して、前記ロボット腕をロボット補助モードに自動的に切り替わらせるようにプログラムされ、前記コントローラは、前記１つまたはそれを上回る外科手術用器具のエンドエフェクタが前記腹腔鏡の視野内の事前に定義された境界内にあるように、前記ロボット腕に、前記腹腔鏡を移動させ、前記腹腔鏡の視野を調節させるように構成される、請求項４２に記載の協調操作式外科手術用システム。
  44. 前記協調操作式外科手術用システムは、遠隔外科医コンソールにおいて受信されるユーザ入力を介して遠隔操作されない、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  45. 前記協調操作式外科手術用システムは、前記腹腔鏡下外科手術を実施する外科医が、前記腹腔鏡下外科手術を実施する間、前記協調操作式外科手術用システムの任意の部分に接触し、前記外科手術用器具を移動させないように構成される、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  46. 深度データを測定するように構成される光学スキャナをさらに備える、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  47. 前記光学スキャナは、ＬｉＤＡＲデバイスである、請求項４６に記載の協調操作式外科手術用システム。
  48. 前記コントローラは、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具に印加される移動が、意図されるユーザによるものであるかどうかを決定するように構成される、請求項４６に記載の協調操作式外科手術用システム。
  49. 前記コントローラは、前記深度データに基づいて、前記ロボット腕の遠位端に結合される前記外科手術用器具を識別するように構成される、請求項４６に記載の協調操作式外科手術用システム。
  50. 近位端と、ハンドル、動作端、およびそれらの間の伸長シャフトを有する第２の外科手術用器具に除去可能に結合されるように構成される遠位端と、複数の連結部と、前記近位端と前記遠位端との間の複数のジョイントとを備える第２のロボット腕をさらに備え、前記コントローラは、前記第２のロボット腕に動作可能に結合され、前記コントローラは、
    受動モードであって、前記第２の外科手術用器具のハンドルにおける移動に起因する前記第２のロボット腕の移動が、少なくとも所定の停留期間にわたって、所定の量未満であることを決定することに応答して、前記コントローラは、前記受動モードでは、前記第２のロボット腕に、静的位置を維持させるように構成される、受動モードと、
    協調操作モードであって、前記第２の外科手術用器具のハンドルにおいて印加される力に起因して、前記第２のロボット腕において印加される力が、所定の閾値を超えることを決定することに応答して、前記コントローラは、前記第２の外科手術用器具を使用して、腹腔鏡下外科手術を実施するために、前記協調操作モードでは、前記第２の外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、前記第２のロボット腕が自由に移動可能となることを可能にするように構成され、前記コントローラは、前記協調操作モードでは、第３のインピーダンスを前記第２のロボット腕に印加し、前記第２の外科手術用器具および前記ロボット腕の重量を考慮するように構成される、協調操作モードと
    の間で前記第２のロボット腕を自動的に切り替えさせるようにプログラムされる、請求項１に記載の協調操作式外科手術用システム。
  51. 器具を操作するための協調操作式ロボット型外科手術用デバイスであって、
    基部部分と、
    前記基部部分と結合される第１の腕と、
    前記第１の腕と結合され、前記第１の腕を前記基部部分に対して回転させるように構成されるモータと、
    前記第１の腕の端部部分と結合される器具と、
    コントローラであって、以下の動作モード、すなわち、
    受動補助モードと、
    協調操作補助モードと、
    ロボット補助モードと、
    力覚モードと
    のうちの少なくとも２つに従って、前記第１の腕を制御するように構成される、コントローラと
    を備え、
    前記受動補助モードでは、前記第１の腕は、静的であり、
    前記協調操作補助モードでは、前記第１の腕は、オペレータによって自由に移動可能である一方、前記モータは、少なくとも部分的に、同時に、前記第１の腕を移動させ、前記第１の腕の端部部分と結合される前記器具の位置および／または配向を改善および／または少なくとも前記第１の腕および前記第１の腕の端部部分と結合される前記器具上にかかる重力を補償することと、
    前記ロボット補助モードでは、前記モータは、前記第１の腕を移動させ、前記第１の腕の端部部分と結合される前記器具を再位置付けすることと、
    前記力覚モードでは、前記第１の腕は、オペレータによって移動可能である一方、前記モータは、少なくとも、前記第１の腕および／または前記第１の腕の端部部分と結合される前記器具上にかかる重力を補償し、少なくとも、事前に定義された軌道に沿って、前記器具を誘導し、前記第１の腕および／または前記第１の腕の端部部分と結合される前記器具の望ましくない移動を防止し、特定の空間外の前記第１の腕の移動を防止および／または特定の空間の中への前記第１の腕の移動を防止することと
    を行う、協調操作式ロボット型外科手術用デバイス。
  52. 前記コントローラは、前記動作モードの少なくとも３つのうちの任意のものの間で切替可能である、請求項５１に記載の協調操作式ロボット型外科手術用デバイス。
  53. 前記コントローラは、前記４つの動作モードのうちの任意のものの間で切替可能である、請求項５１に記載の協調操作式ロボット型外科手術用デバイス。
  54. 前記協調操作式ロボット型外科手術用デバイスは、ＲＦＩＤ送信機チップ、バーコード、近距離通信デバイス、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）送信機、および／または前記第１の腕の端部部分と結合される前記器具の重量を使用して、前記第１の腕の端部部分と結合される、前記特定の器具を自動的に識別するように構成される、請求項５３に記載の協調操作式ロボット型外科手術用デバイス。
  55. 前記協調操作式ロボット型外科手術用デバイスは、特定の器具が前記第１の腕の端部部分と結合されると、オペレータからの任意の付加的入力を伴わずに、前記動作モードのうちの所定の１つに自動的に変化するように構成される、請求項５１－５４のいずれか１項に記載の協調操作式ロボット型外科手術用デバイス。
  56. 前記協調操作式ロボット型外科手術用デバイスは、特定の器具が前記第１の腕の端部部分と結合されると、オペレータからの任意の付加的入力を伴わずに、前記受動補助モードに変化するように構成される、請求項５１－５５のいずれか１項に記載の協調操作式ロボット型外科手術用デバイス。
  57. ハンドルと、動作端と、それらの間の伸長シャフトとを有する外科手術用器具を使用して実施される腹腔鏡下外科手術を補助するための協調操作式外科手術用システムであって、前記協調操作式外科手術用システムは、
    近位端と、前記外科手術用器具に除去可能に結合されるように構成される遠位端と、複数の連結部と、前記近位端と前記遠位端との間の複数のジョイントとを備えるロボット腕であって、前記ロボット腕の遠位端は、結合器インターフェースを備える、ロボット腕と、
    前記結合器インターフェースに除去可能に結合されるように構成される結合器本体であって、前記結合器本体は、それを通して前記外科手術用器具の伸長シャフトを受容するようにサイズ決めおよび成形される管腔を備え、前記結合器本体は、前記伸長シャフトが前記管腔内で摺動可能に移動可能である開放状態と、前記結合器本体に対する前記伸長シャフトの縦方向移動が、阻止される一方、前記結合器本体に対する前記伸長シャフトの回転移動が、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して可能にされる閉鎖状態との間で遷移するように構成される、結合器本体と
    を備え、
    前記結合器本体が、前記閉鎖状態において、前記結合器インターフェースに結合されると、前記ロボット腕は、腹腔鏡下外科手術を実施するために、前記外科手術用器具のハンドルにおける移動に応答して、自由に移動可能となることを可能にされる、協調操作式外科手術用システム。
  58. 前記結合器本体は、磁気接続を介して、前記結合器インターフェースに除去可能に結合されるように構成される、請求項５７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  59. 前記コントローラは、前記結合器本体が、前記結合器インターフェースに結合されると、前記磁気接続の整合に基づいて、前記ロボット腕の遠位端に対する前記外科手術用器具の配向を決定するように構成される、請求項５８に記載の協調操作式外科手術用システム。
  60. 滅菌ドレープをさらに備え、前記滅菌ドレープは、前記滅菌ドレープが、前記腹腔鏡下外科手術の間、前記外科手術用器具と前記ロボット腕との間の接触を防止するように、前記結合器本体と前記結合器インターフェースとの間に配置されるように構成される、請求項５７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  61. 前記結合器本体は、１回の腹腔鏡下外科手術後、使い捨てである、請求項５７に記載の協調操作式外科手術用システム。
  62. 器具を外科手術用ロボットの腕に結合するためのデバイスであって、
    外科手術において使用するための器具と選択的に結合するように構成される本体と、
    前記本体と選択的に結合するように構成され、ロボット腕の端部部分と結合されるように構成されるインターフェースと
    を備え、
    前記デバイスは、前記器具が前記デバイスに対して前記器具の縦軸を中心として回転することを可能にするように構成され、
    前記デバイスは、前記デバイスに対する前記器具の縦方向移動を阻止するように構成される、デバイス。
  63. 前記本体は、前記器具の外面の一部の周囲に圧着するように構成される、請求項６２に記載のデバイス。
  64. 前記本体は、ヒンジを用いて第２の部分と結合される第１の部分を備え、前記第１の部分は、前記器具を前記本体内に形成される陥凹内に選択的に圧着させるように、前記第２の部分に対して、前記ヒンジを中心として回転することができる、請求項６１－６３のいずれか１項に記載のデバイス。
  65. 前記本体は、前記器具の外面の一部の周囲に圧着し、通常動作条件下では、前記本体に対する前記器具の回転移動を防止するように構成される、請求項６１－６４のいずれか１項に記載のデバイス。
  66. 前記インターフェースは、前記本体をその中に除去可能に受容するように構成される陥凹を備える、請求項６１－６５のいずれか１項に記載のデバイス。
  67. 前記インターフェースの陥凹は、前記インターフェースに対する前記本体の縦方向移動を阻止し、前記インターフェースに対する前記本体の回転移動を可能にするように構成される、請求項６６に記載のデバイス。
  68. 第１の状態であって、それにおいて、前記器具が前記デバイスから除去可能である、第１の状態と、第２の状態であって、それにおいて、前記器具が前記デバイスから除去可能ではない、第２の状態との間で移動するように構成される、請求項６１－６７のいずれか１項に記載のデバイス。
  69. 前記本体は、前記本体の表面から離れるように延在する１つまたはそれを上回る突起を有し、前記インターフェースは、前記１つまたはそれを上回る突起を受容し、前記本体と前記インターフェースを整合させるように構成される１つまたはそれを上回る凹部を有することができる、請求項６１－６８のいずれか１項に記載のデバイス。
  70. 前記器具は、腹腔鏡下外科手術用器具または内視鏡である、請求項６１－６９のいずれか１項に記載のデバイス。
  71. 外科手術手技を実施するための協調操作式外科手術用ロボットシステムであって、
    第１の外科手術用ロボットであって、
    基部と、
    前記基部と結合される腕と、
    前記腕と結合され、前記腕を前記基部に対して移動させるように構成されるモータと、
    を備える、第１の外科手術用ロボットと、
    前記腕を制御するように構成されるコントローラと、
    深度データを収集するように構成される光学スキャナと
    を備える、協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  72. 前記光学スキャナは、前記協調操作式外科手術用ロボットに対する器具の位置および配向に関連する深度データを収集するように構成される、請求項７１に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  73. 前記システムは、前記深度データを使用して、前記器具が前記第１の外科手術用ロボットと結合されているかどうかを決定するように構成される、請求項７２に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  74. 前記協調操作式外科手術用ロボットシステムは、少なくとも部分的に、前記深度データに基づいて、前記器具の識別を決定するように構成される、請求項７２または７３に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  75. 前記光学スキャナは、器具の位置および移動に関連する深度データを収集するように構成され、前記器具は、外科医によって自由に保持され、外科手術用ロボットと結合されない、請求項７１－７４のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  76. 前記光学スキャナは、前記患者の中に挿入されるトロカールに関連する深度データを収集するように構成される、請求項７１－７５のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  77. 前記システムは、前記トロカールの位置が閾値量を上回って変化する場合、前記第１の外科手術用ロボットの腕および／または基部を移動させるように構成される、請求項７６に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  78. 第２の外科手術用ロボットを備え、前記第２の外科手術用ロボットは、第２の基部と、前記第２の基部と結合される第２の腕と、前記第２の腕と結合され、前記第２の腕を前記第２の基部に対して移動させるように構成される第２のモータとを備える、請求項７１－７７のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  79. 前記光学スキャナは、１０メートルの範囲において、少なくとも５ｍｍの正確度を有する、請求項７１－７８のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  80. 前記光学スキャナは、外科手術手技の間、外科医の手に関連する深度データを収集するように構成される、請求項７１－７９のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  81. 前記コントローラは、以下の動作モード、すなわち、
    受動補助モードと、
    協調操作補助モードと、
    ロボット補助モードと、
    力覚モードと
    のうちの少なくとも１つに従って、前記第１の外科手術用ロボットの腕を制御するように構成され、
    前記受動補助モードでは、前記腕は、静的であり、
    前記協調操作補助モードでは、前記腕は、オペレータによって自由に移動可能である一方、前記モータは、少なくとも部分的に、同時に、前記腕を移動させ、前記腕の端部部分と結合される前記器具の位置および／または配向を改善および／または少なくとも前記腕および前記腕の端部部分と結合される前記器具にかかる重力を補償することと、
    前記ロボット補助モードでは、前記モータは、前記腕を移動させ、前記腕の端部部分と結合される前記器具を再位置付けすることと、
    前記力覚モードでは、前記腕は、オペレータによって移動可能である一方、前記モータは、少なくとも、前記腕および／または前記腕の端部部分と結合される前記器具にかかる重力を補償し、少なくとも、事前に定義された軌道に沿って、前記器具を誘導し、前記腕および／または前記腕の端部部分と結合される前記器具の望ましくない移動を防止し、特定の空間外への前記腕の移動を防止および／または特定の空間の中への前記腕の移動を防止することと
    を行う、前記請求項のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  82. 前記光学スキャナは、前記深度データを使用して、前記第１の外科手術用ロボットの腕と、患者、少なくとも前記第１の外科手術用ロボットを支持する支持プラットフォーム、別の外科手術用ロボット、および／または手術室内の別の物体との間の潜在的不注意による衝突を識別し、ユーザに、前記潜在的不注意による衝突を警告および／または前記第１の外科手術用ロボットの腕の移動を阻止し、そのような衝突を回避するように構成される、請求項７１－８１のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  83. 前記第１の外科手術用ロボットは、支持プラットフォームによって支持され、前記協調操作式外科手術用ロボットシステムは、前記光学スキャナによって収集された前記深度データに基づいて、前記第１の外科手術用ロボットを前記支持プラットフォームに対して移動させ、前記支持プラットフォーム上の前記第１の外科手術用ロボットの位置を最適化するように構成される、請求項７１－８２のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  84. 前記光学スキャナは、外科手術手技の間、外科医の手の移動を記録するために使用される深度データを収集するように構成される、請求項７１－８３のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  85. 外科手術手技を実施するための協調操作式外科手術用ロボットシステムであって、
    外科手術用ロボットであって、
    基部と、
    前記基部と結合される腕と、
    前記腕と結合されるモータと
    を備える、外科手術用ロボットと、
    患者の周囲の１つまたはそれを上回る物体の移動を追跡するように構成される光学スキャナと、
    前記光学センサから、１つまたはそれを上回る物体の移動に関するデータを収集し、１つまたはそれを上回る物体の移動に応答して、前記外科手術用ロボットの腕を移動させるように構成されるコントローラと
    を備える、協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  86. 器具の操作を補助するための協調操作式ロボット型外科手術用システムであって、前記システムは、
    基部と、
    前記基部と結合される腕であって、前記腕は、前記複数の腕区画と、複数の関節運動ジョイントとを有する、腕と、
    前記腕と結合される複数のモータであって、前記複数のモータは、前記複数の腕区画を前記複数の関節運動ジョイントを中心として回転させるように構成される、複数のモータと、
    少なくとも前記複数のモータを制御するように構成されるコントローラと
    を備え、
    前記腕は、ユーザが、直接、前記腕上に、および／または直接、前記腕と結合される器具上に、力を付与することによって、移動可能であるように構成され、
    前記システムは、前記腕および／または前記腕と結合される器具の第１の動作特性に関連するデータを収集するように構成され、
    前記コントローラは、前記第１の動作特性に関連する前記データを分析し、第１の条件が存在するかどうかを検出するように構成され、
    前記コントローラは、前記第１の条件が検出される場合、前記腕の第１の動作パラメータを修正するように構成される、システム。
  87. 前記システムは、外科手術手技の間に収集された前記データと、前記器具を使用する同一ユーザに関する同一外科手術手技に関連する履歴データとを比較し、前記第１の条件が存在するかどうかを検出するように構成される、請求項８６に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  88. 光学スキャナ、前記腕上に位置付けられる１つまたはそれを上回るセンサ、および／または内視鏡を備え、前記腕および／または前記腕と結合される器具の第１の動作特性に関連するデータを収集する、請求項８６－８７のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  89. 前記コントローラは、撮像デバイスの位置および／または配向が、前記器具の画像を捕捉するための前記カメラの好ましいまたは最適な位置にない場合、前記腕によって支持される撮像デバイスの位置および／または配向を好ましいまたは最適な位置および／または配向に自動的に変化させるように構成される、請求項８６－８８のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  90. 前記コントローラは、前記腕と結合される器具が置換されているかどうかを検出するように構成される、請求項８６－８９のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  91. 前記外科手術用ロボットシステムは、前記第１のロボット腕に印加される１つまたはそれを上回る力の大きさおよび持続時間を検出するように構成され、前記システムは、前記腕に印加される力の変化が、閾値持続時間にわたって、第１の所定の値を満たすまたはそれを超える場合、前記第１の条件が存在することを検出するように構成される、請求項９０に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  92. 前記外科手術用ロボットシステムは、前記腕の遠位端におけるエンドエフェクタが向いている実際の方向または実際の近似方向と、器具が前記エンドエフェクタと結合された場合、前記エンドエフェクタが向くであろう計算された方向または計算された近似方向とを計算し、前記実際の方向または前記実際の近似方向と、前記計算された方向または前記計算された近似方向を比較し、前記実際の方向または前記実際の近似方向および前記計算された方向または前記計算された近似方向が異なるかどうかを決定するように構成される、請求項９０－９１のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  93. 前記コントローラは、前記腕と結合される第１の器具が第２の器具によって置換される場合、前記コントローラが、前記第２の器具と関連付けられるデータファイルを更新するように構成され、前記第２の器具と関連付けられる前記データファイルは、少なくとも、前記第２の器具の重心と、前記第２の器具の粘弾性パラメータとを含む、請求項９０－９２のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  94. 前記コントローラは、前記腕と結合される器具の遠位端において付与される力の大きさが、第１の値以上であるかかどうか、および／またはそれを通して前記器具が通過するトロカール上に付与される力の大きさが、第２の値以上であるかどうかを検出し、前記腕と結合される器具の遠位端に付与される力の大きさが、前記第１の値以上である場合、および／またはそれを通して前記器具が通過する前記トロカール上に付与される力の大きさが、前記第２の値以上である場合、アラートを前記腕のユーザに提供するように構成される、請求項８６－９３のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  95. 前記コントローラは、前記腕および／または前記腕と結合される器具の停留時間が、閾値停留時間以上であるかどうかを検出するように構成され、前記コントローラは、前記腕および／または前記腕と結合される器具の停留時間が、前記閾値停留時間以上である場合、前記腕の動作状態を静的保持状態に変化させるように構成され、前記停留時間は、前記腕および／または前記腕と結合される器具が静的位置に保持される時間量である、請求項８６－９４のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  96. 前記静的保持状態では、前記システムは、前記システムのユーザによって、前記腕および／または前記腕によって保持される器具に印加される力が、事前に定義された閾値解放力値以上であるときを除き、前記腕を静的位置に保持し、前記腕の静的位置からの前記腕の移動を阻止するように構成される、請求項９５に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  97. 前記腕および／または前記腕と結合される器具は、前記腕が、前記停留時間の間、５ｍｍを上回り、任意の方向に移動されないとき、静的位置に保持されていると見なされる、請求項９５－９６のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  98. 前記閾値停留時間は、０．５秒未満である、請求項９５－９７のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  99. 前記コントローラは、ユーザが第１の器具を前記腕から除去するように試行しているかどうかを検出するように構成され、前記コントローラは、前記コントローラが、前記ユーザが前記第１の器具を前記腕から除去するように試行していることを検出する場合、前記腕によって前記第１の器具に印加される結合力を低減させるように構成される、請求項８６－９８のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  100. 前記システムはさらに、少なくとも前記基部を支持するための支持プラットフォームを備え、
    前記コントローラは、外科手術手技が始動されているかどうかを検出するように構成され、
    前記コントローラは、前記コントローラが、外科手術手技が始動されていることを検出する場合、前記外科手術手技が開始する前に、前記特定の外科手術手技のために、前記基部を支持する前記支持プラットフォームを初期位置に移動させ、および／または、前記腕を初期位置および／または配向に移動させるように構成される、
    請求項８６－９９のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  101. 器具の操作を補助するための協調操作式ロボット型外科手術用システムであって、前記システムは、
    基部と、
    前記基部と結合される腕であって、前記腕は、複数の腕区画と、複数の関節運動ジョイントとを有する、腕と、
    前記腕と結合される複数のモータであって、前記複数のモータは、前記複数の腕区画を前記複数の関節運動ジョイントを中心として回転させるように構成される、複数のモータと、
    少なくとも前記複数のモータを制御するように構成されるコントローラと
    を備え、
    前記腕は、ユーザが、直接、前記腕上に、および／または直接、前記腕と結合される器具上に、力を付与することによって、移動可能であるように構成され、
    第１のユーザの識別に応じて、前記システムは、前記協調操作式ロボット型外科手術用システムの動作特性を修正するように構成される少なくとも第１の動作パラメータを含む前記第１のユーザと関連付けられるデータファイルを自動的にロードするように構成され、
    前記コントローラは、少なくとも前記第１の動作パラメータに従って、前記複数のモータを制御するように構成される、システム。
  102. 前記第１の外科医と関連付けられる前記データファイルの第１の動作パラメータは、少なくとも部分的に、前記第１のユーザによって実施された以前の外科手術手技の間に収集されたデータに基づく、請求項１０１に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  103. 前記第１のユーザと関連付けられる前記データファイルの第１の動作パラメータは、少なくとも部分的に、前記第１のユーザのための手動で打ち込まれた選好に基づく、請求項１０１－１０２のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  104. 前記システムは、光学スキャナを使用して、前記第１のユーザを自動的に識別するように構成される、請求項１０１－１０３のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  105. 前記協調操作式外科手術用ロボットシステムは、前記第１のユーザの識別の手動入力に応じて、前記第１のユーザと関連付けられる前記データファイルを自動的にロードするように構成される、請求項１０１－１０４のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  106. 前記第１のユーザと関連付けられる前記データファイルは、前記第１のユーザによって実施された手技から収集された停留時間データに基づく閾値停留時間値、および／または前記第１のユーザのための手動で入力された選好を含む、請求項１０１－１０５のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  107. 前記第１のユーザと関連付けられる前記データファイルは、前記第１のユーザによって実施された手技から収集されたデータに基づく停留速さ値、および／または前記第１のユーザのための手動で入力された選好を含む、請求項１０１－１０６のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  108. 前記第１のユーザと関連付けられる前記データファイルは、前記第１のユーザによって実施された手技から収集された腹腔鏡下視野データに基づく腹腔鏡下視野パラメータを含み、前記コントローラは、前記第１のユーザによって実施された手技から収集された前記腹腔鏡下視野データに従って、腹腔鏡の位置および／または配向を自動的に変化させるように構成される、請求項１０１－１０７のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  109. 前記第１のユーザと関連付けられる前記データファイルは、前記第１のユーザによって実施された過去の手技から収集された設定ジョイント位置データに基づく設定ジョイントパラメータを含む、請求項１０１－１０８のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  110. 前記データファイルは、前記第１のユーザによって入力される器具較正値に基づく器具較正パラメータを含む、請求項１０１－１０９のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  111. 前記第１の動作パラメータは、前記第１のユーザの姿勢、前記第１のユーザの身長、または前記第１のユーザの利き手のうちの少なくとも１つに基づく、請求項１０１－１１０のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  112. 前記コントローラは、前記第１のユーザによって実施された手技から収集されたデータに基づいて、前記腕と結合される器具が、最適なまたは好ましい場所にないときを自動的に検出し、前記器具が前記最適なまたは好ましい場所にあるように、前記腕を移動させるように構成される、請求項１０１－１１１のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  113. 前記システムは、前記腕および／または前記腕と結合される器具の停留時間が閾値停留時間未満であるときでも、前記第１のユーザが、前記システムの動作モードを静的保持モードに変化させることを所望するときを検出するように構成される、請求項１０１－１１２のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  114. 前記データファイルは、前記協調操作式外科手術用ロボットシステムと通信するネットワークデータベースから通信可能である、請求項１０１－１１３のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
  115. 前記第１のユーザと関連付けられる前記データファイルの第１の動作パラメータは、少なくとも部分的に、複数のユーザによって実施された以前の外科手術手技の間に収集されたデータに基づく、請求項１０１－１１４のいずれか１項に記載の協調操作式外科手術用ロボットシステム。
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