JP6475804B2 - ゼロ空間を使用した関節運動の相殺のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して改良された手術用及び／又はロボットの装置、システム及び方法を提供する。
［関連出願の相互参照］
本出願は、“Systems and Methods for Cancellation of Joint Motion Using the Null-Space”と表題が付けられ、２０１２年８月１５日に出願された、米国仮特許出願第６１／６８３，６３８号（代理人整理番号ISRG03750PROV US）の正規の出願（Non-Provisional）であり、当該米国仮出願からの優先権の利益を主張する。当該米国仮出願の全ての開示は、参照により本明細書に取り込まれる。

本出願は、概して以下の共通に所有される複数の出願に関連する：“Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities”と表題が付けられ、２００９年６月３０日に出願された米国出願第１２／４９４，６９５号、“Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion”と表題が付けられ、２００９年３月１７日に出願された米国出願第１２／４０６，００４号、“Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses”と表題が付けられ、２００５年５月１９日に出願された米国出願第１１／１３３，４２３号（米国特許第８，００４，２２９号）、“Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery"と表題が付けられ、２００４年９月３０日に出願された米国出願第１０／９５７，０７７号（米国特許第７，５９４，９１２号）及び“Master Having Redundant Degrees of Freedom”と表題が付けられ、１９９９年９月１７日に出願された米国出願第０９／３９８，５０７号（米国特許第６，７１４，８３９号）、“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space”と表題が付けられ、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７５５号及び“System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space”と表題が付けられ、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７７３号。これらの出願の開示は、それらの全部について、参照により本明細書に取り込まれる。

低侵襲医療技術は、診断又は外科的処置中に損傷を受ける組織の量を低減し、それにより患者の回復期間、不快感及び有害な副作用を低減することを目的としている。数百万件の“開放性”の手術又は従来の手術が毎年米国内で実行され、これらの手術の多くが潜在的に低侵襲な方法で実行され得る。しかしながら、手術器具及び技術における制約並びにそれらを習得するために必要な追加的な外科訓練に起因して、現在は比較的小さな数の手術のみが低侵襲技術を使用する。

手術で使用するための低侵襲な遠隔手術システムは、外科医が離れた場所から患者に手術をすることを可能にするためだけでなく、外科医の器用さを向上させるように開発されている。遠隔手術は、外科医が、手術器具の動作を操作するために手で器具を直接的に保持して動かすのではなく、いくつかの形式の遠隔操作（例えばサーボ機構又は同種のもの）を使用する手術システムを表す一般的な用語である。そのような遠隔手術システムにおいて、外科医は、離れた場所で手術部位の画像を提供される。ビューア又はディスプレイ上に典型的には三次元の手術部位の画像を見ながら、外科医は、マスター制御入力装置を操作し、次いでマスター制御装置がロボット器具の運動を制御することによって患者に外科的処置を施す。ロボット手術器具は、小さく、低侵襲な外科的開口を通して挿入されて、患者の体内の手術部位で組織、しばしば開放性の手術のためのアクセスに関連付けられる外傷を治療することができる。これらのロボットシステムは、しばしば器具のシャフトを低侵襲な開口で回動させること、開口を通してシャフトを軸方向にスライドさせること、シャフトを開口内で回転させること及び／又は同種の動作によって、非常に複雑な外科的作業を実行するために十分な器用さで、手術器具の作業端部を動かすことができる。

遠隔手術のために使用されるサーボ機構は、しばしは二つのマスター制御部（外科医の手のそれぞれについて一つ）からの入力を受け入れることができ、二つ以上のロボットアーム又はマニピュレータ（manipulators）を含むことができる。画像取得装置によって表示されるロボット器具の画像への手の動作の対応付け（mapping）は、外科医に、それぞれの手に関連付けられた器具の正確な制御を提供することを助けることができる。多くの手術用ロボットシステムにおいて、内視鏡又はその他の画像取得装置、追加的な手術器具又は同種のものを動かすための一つ以上の追加的なロボットマニピュレータアームが含まれる。

様々な構造的な配列が、ロボット手術の間に手術部位で手術器具を支持するために使用されることができる。駆動されるリンク機構又は“スレーブ”は、しばしばロボット手術マニピュレータと呼ばれる。低侵襲ロボット手術の間にロボット手術マニピュレータとして使用されるための例示的なリンク機構配列は、米国特許第６，７５８，８４３号；第６，２４６，２００号；及び第５，８００，４２３号において記述されている。これらの米国特許の全ての開示は、参照により本出願に取り込まれる。これらのリンク機構は、シャフトを有する器具を保持するためにしばしば平行四辺形の配列を利用する。そのようなマニピュレータの構造は、硬質のシャフトの長さに沿う空間に配置された球面回転の遠隔中心（remote center）の回りを器具が回動することができるように、器具の動作を拘束することができる。この回転の中心を体内の手術部位への切開点と合わせる（例えば、腹腔鏡手術中に腹壁でトロカール又はカニューレと合わせる）ことによって、手術器具のエンドエフェクタは、腹壁に対して潜在的に危険な力をかけることなく、マニピュレータリンク機構を使用してシャフトの近位側端部を動かすことにより安全に配置されることができる。代替的なマニピュレータ構造は、例えば、米国特許第６，７０２，８０５号；第６，６７６，６６９号；第５，８５５，５８３号；第５，８０８，６６５号；第５，４４５，１６６号；及び第５，１８４，６０１号において記述されている。これらの米国特許の全ての開示は、参照により本出願に取り込まれる。

新たなロボット手術システム及び装置は、高度に効果的かつ有利であると判明しているが、更なる改良が望ましい。例えば、マニピュレータアームは、追加的な冗長関節を含んで、特定の状況下で増大した動作又は形状を提供してもよい。しかしながら、低侵襲な手術部位内で手術器具を動かすときに、これらの関節は患者の体外での有意な量の動作を見せる可能性がある。その動作は、しばしば必要な又は予期されるよりも大きな動作であり、特に低侵襲な開口の回りを大きな角度範囲に渡って器具を回動させるときに起こる。患者の体外での故意ではないマニピュレータ／マニピュレータの接触（又は同様のもの）を抑制すると同時に挿入部位への回動運動を抑えるために高度に設定可能な（configurable）動的マニピュレータ関節セットのソフトウェア制御を用いる代替的なマニピュレータ構造が提案されてきた。これらの高度に設定可能な“ソフトウェア中心の”手術用マニピュレータシステムは有意な利点をもたらし得るが、難しい課題もまた提示し得る。特に、機械的に拘束された遠隔中心リンク機構は、いくつかの状況において安全性の利点を有し得る。加えて、これらのマニピュレータにしばしば含まれる多数の関節の広範な形状は、特定の外科的処置のために望ましい形状に手動で設定することが難しいマニピュレータに結果する可能性がある。それでもなお、遠隔手術システムを使用して実行されている手術の範囲が拡大し続けるので、患者の体内の器具の利用可能な形状及び運動の範囲（又は可動域）を拡大することに対する、増大している需要が存在する。残念なことに、これらの変化の両方は、患者の体外でのマニピュレータの運動に関連する難しい課題を増大させるかも知れず、また、ある特定の作業のためのマニピュレータアームの不必要な動作を防止することの重要性を増大させるかも知れない。

これらの理由及びその他の理由により、手術、ロボット手術及びその他のロボットの適用のための改良された装置、システム及び方法を提供することは有利であろう。これらの改良された技術が、ある作業の間にマニピュレータアームの動作の量を限定する能力を提供する場合は特に有益であろう。加えて、これらのシステムの寸法、機械的な複雑さ又は費用を増大させることなく、少なくともいくつかの作業のために器具の運動の範囲を増大させつつ、且つそれらの器用さを維持又は改良しながら、そのような改良を提供することが望ましいであろう。

米国特許第６，７５８，８４３号明細書 米国特許第６，２４６，２００号明細書 米国特許第５，８００，４２３号明細書 米国特許第６，７０２，８０５号明細書 米国特許第６，６７６，６６９号明細書 米国特許第５，８５５，５８３号明細書 米国特許第５，８０８，６６５号明細書 米国特許第５，４４５，１６６号明細書 米国特許第５，１８４，６０１号明細書

本発明は、概して改良されたロボット装置及び／又は手術装置、システム及び方法を提供する。様々な実施形態において、本発明は、高度に設定可能な手術用ロボットマニピュレータを用いることができる。これらのマニピュレータは、例えば、関連する手術用エンドエフェクタが手術用作業空間内に有するよりも大きな動作の自由度を有してもよい。本発明によるロボット手術システムは、典型的に、ロボット手術器具を支持するマニピュレータアーム及び器具のエンドエフェクタを操縦するための連動した（coordinated）関節の動作を計算するためのプロセッサを含む。エンドエフェクタを支持するロボットマニピュレータの関節は、マニピュレータが所与のエンドエフェクタポジション及び／又は所与の回動の中心点位置についての異なる形状の範囲の全体に渡って動作することを可能にする。マニピュレータは、追加的な冗長関節を含んで、例えば使用者の命令又は補助的な動作に応じた再構成の動作、特に衝突防止の動作のような、様々な種類の動作を可能にしてもよい。本発明は、例えば所望のエンドエフェクタ動作のような第一の作業を生じさせる（effect）ために、マニピュレータアームの複数の関節の非動作サブセット（non-moving subset）（複数の関節の“ロックされた”セットとも呼ばれる）の一つ以上の関節の動作の相殺を可能にする。一方、本発明は同時に、例えば再構成の動作又は補助的な動作のような他の作業のために、非動作サブセットの一つ以上の関節の動作を可能にする。複数の関節の非動作サブセット（又はロックされたセット）は、動作を拘束するために機械的に“ロックされる”必要はなく、むしろ本明細書において記述される方法を利用して“動かない”又は“ロックされた”関節の態様をもたらすことによって効果上（若しくは実際上）ロックされてもよいことが留意されるべきである。用語“ロックされた”及び“非動作”（例えば、“非動作サブセット”又は複数の関節の“ロックされたセット”）は、本明細書の全体を通じて相互に交換可能に使用される。

概して、遠位側のエンドエフェクタ動作を生じさせるための、マニピュレータアームの命令された動作は、マニピュレータアームの全ての関節の動作を用いる。再構成動作は、エンドエフェクタの操作（manipulation）において使用されるものと同一の関節を利用してもよいが、マニピュレータアームの一つ以上の関節に関しては、例えば命令されたエンドエフェクタの操縦動作のような、ある種類の動作を生じさせているときに、ロックされたままであることが望ましいかもしれない。加えて、一つ以上の“ロックされた”又は“非動作”関節の動作を可能にして、例えば再構成作業又は様々な補助作業のようなある他の作業を、例えばマニピュレータアームの衝突防止動作のような、自律的アルゴリズムに基づいてもたらすことが、有利であり得る。いくつかの実施形態において、システムは、ある特定の動作を生じさせるために動作が望まれない、関節の“ロックされたセット”又は“非動作サブセット”の一つ以上の関節の動作を相殺するために、複数の関節について相殺動作を計算する。ある複数の態様において、システムは、少なくともある命令された動作について、所望の関節の運動相殺を可能にする。また、システムは、ある他の動作において、関節相殺動作の上に他の動作を重ねることによって、ロックされた関節の動作を可能にしてもよい。

ある複数の実施形態において、システム操作者は、使用者入力装置で再構成命令を入力し、要求通りにマニピュレータが再構成されるまで、ゼロ空間内でマニピュレータの一つ以上の関節を駆動する。いくつかの実施形態において、システムは、患者の表面又は隣接するマニピュレータアームのような障害物を避けるために、衝突防止動作を生じさせる。システムは、例えば命令されたエンドエフェクタ操縦動作のようなある特定の種類の動作に関して、マニピュレータアームの関節のロックされたセットのうちの一つ以上の関節の動作を相殺するために、複数の関節について、上述の運動相殺機構を利用してもよい。一方で、システムは、本明細書において記述される様々な他の種類の動作のうちの一つ以上に関して、一つ以上の関節の動作を可能にする。

本発明のある複数の態様において、操作入力部を備えた冗長自由度（redundant degrees of freedom（RDOF））手術用ロボットシステムが提供される。RDOF手術用ロボットシステムは、マニピュレータアセンブリ、一つ以上の使用者入力装置及び制御部を備えたプロセッサを有する。アセンブリのマニピュレータアームは、複数の関節を有し、所与のエンドエフェクタ状態について関節状態の範囲を可能にするために十分な自由度を提供する。使用者によって入力され、受信された再構成命令に応じて、システムは、ゼロ空間内で複数の関節の速度を計算する。関節は、再構成命令及びエンドエフェクタの所望の状態を維持するように計算された動作に従って駆動される。所望の動作でエンドエフェクタを動作させるための操作命令を受けることに応じて、システムは、ゼロ空間に対して直角なヤコビアン（関数行列式（Jacobian））のゼロ直交空間内で関節速度を計算することによって関節のエンドエフェクタ移動動作を計算し、計算された動作に従って関節を駆動して所望のエンドエフェクタ動作を生じさせる。上述の様々な他の種類の動作のために増大した運動の範囲を提供するために、システムは、器具をマニピュレータアームの近位部に結合させる、回転する最も近位の関節及び／又は遠位の回転関節を有してもよい。使用者が、エンドエフェクタ操作を生じさせるためにこれらの関節の一つ又は両方が駆動若しくは動作されないこと又は効果上“ロックアウト”されることを望む場合は、システムは、命令されたエンドエフェクタ操作をもたらすためにこれらの関節について計算された動作を検出し、計算された動作に対向する（又は向かい合う）相殺動作を計算してもよい。これにより、組み合わされたエンドエフェクタ移動動作及び相殺動作に従って駆動されたときに、マニピュレータアームは、操作動作を生じさせるためにロックアウトされた（複数の）関節を駆動することなく、所望のエンドエフェクタ操作を提供することができる。

本発明の一つの他の態様において、マニピュレータは、器具シャフトの中間部が遠隔中心の回りを回動するように動作するように構成される。マニピュレータと器具との間に、複数の被駆動関節が存在し、器具シャフトの中間部がアクセス部位を通過するときに、あるエンドエフェクタポジションについての関節状態の範囲を可能にするために十分な自由度を与える。制御部を有するプロセッサは、入力装置をマニピュレータに結合させる。再構成命令に応じて、プロセッサは、エンドエフェクタの所望の動作の間器具の中間部がアクセス部位内にあり、それを中心としてシャフトが回動する所望の遠隔中心位置が維持されるように、所望の再構成をもたらすために一つ以上の関節の動作を決定する。様々な実施形態において、所望のエンドエフェクタの動作を生じさせるための操作命令を受け取ることに応じて、システムは、関節のエンドエフェクタ移動動作を計算する。その計算は、ゼロ空間に対して直角なヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算すること（ステップ）を含む。そして、システムは、器具シャフトが遠隔中心の回りで回動する、所望のエンドエフェクタの動作を生じさせるように計算された動作に従って関節を駆動する。

ある複数の態様において、マニピュレータの第一の関節のセットからの一つの関節は、マニピュレータアームを基部に結合させる回転関節である。エンドエフェクタの所望の状態は、エンドエフェクタの所望のポジション、速度又は加速度を含んでもよい。概して、操作命令及び再構成命令は、別個の入力装置上の別個の使用者から受け取られ得る、別個の入力である。しかしながら、いくつかの実施形態において、これらの別個の入力は、同一の使用者から受け取られる。ある複数の実施形態において、エンドエフェクタ操作命令は、例えば外科医用コンソールマスター入力装置上で命令を入力している外科医のような第一の使用者による入力装置から受け取られ、一方で再構成命令は、例えば患者側カートの入力装置上で再構成命令を入力している医者の助手のような、別個の入力装置上の第二の使用者による入力装置から受け取られる。いくつかの実施形態において、エンドエフェクタ操作命令及び再構成命令は、両方とも同一の使用者により、手術用コンソールにおいて入力装置から受け取られる。他の実施形態において、エンドエフェクタ操作命令及び再構成命令は、両方とも同一の使用者により、患者側カートにおいて入力装置から受け取られる。

ある複数の態様において、マニピュレータアームの近位部は、関節が駆動されている間に基部に対する近位部の動作が抑制されるように、基部に取り付けられている。いくつかの実施形態において、近位部は、関節が駆動されている間にマニピュレータアームの近位部が基部に対して可動であるように、関節によって基部に結合している。マニピュレータアームの近位部を基部に結合させる関節は、回転関節の関節動作がマニピュレータアームの一つ以上の関節を回転関節の回動軸の回りで回動させるように、マニピュレータアームを支持する回転関節であってもよい。様々な実施形態において、回転関節の回動軸は、関節から、遠隔中心を通って延びる。エンドエフェクタの器具シャフトは、その遠隔中心の回りで回動する。ある複数の態様において、回転の動作は、マニピュレータアームの一つ以上の関節を、典型的には遠隔中心又はその近傍で、遠位のエンドエフェクタに向けられ遠位側で細くなる錐体（コーン）の回りで回動させる。この態様においてマニピュレータアームが回りを回動する錐体は、ツール先端の運動の範囲内の錐体形状の空洞に対応し、以下に更なる詳細について記述されるように、ツールの動作は不可能又は減じられ得る。

一つの他の態様において、マニピュレータの近位部を基部に結合されている関節は、基部に対して、経路、例えば弧状又は実質的に円形状の経路に沿って可動である。そのため、経路に沿った関節の動作は、マニピュレータアームの一つ以上の関節を軸の回りで回動させる。その軸は、器具に近いマニピュレータアームの遠位部を通って、例えば器具シャフトが回りを回動する遠隔中心を通って、延びる。いくつかの実施形態において、マニピュレータは、マニピュレータアームの近位部を基部に結合させる回転関節を含み、その回転関節は基部に対して経路に沿って可動であり、その経路は、直線状、弧状又は実質的に円形状であってもよい。

本発明の更に他の態様において、近位の回転関節及び遠位の平行四辺形リンク機構を備えた手術用ロボットマニピュレータが提供される。回転関節の回動軸は、妥当な場合は好ましくは遠隔中心又はその近傍で、エンドエフェクタの器具シャフトの軸と実質的に交差する。システムは、入力部をマニピュレータアームに結合させる制御部を有し、使用者入力命令に応じて複数の関節の動作を計算するように構成されたプロセッサを更に有する。システムは、エンドエフェクタを所望の状態に維持しながら、複数の関節のうちの第一の関節のセットを所望の再構成動作で動作させるための再構成命令を受け取るための、入力装置を更に有してもよい。

本発明の本質及び利点の更なる理解は、本明細書の残りの部分及び図面を参照することによって明らかになるであろう。

図１Ａは、本発明の複数の実施形態によるロボット手術システムの俯瞰図である。ロボット手術システムは、複数の手術器具をロボット制御で動かすための複数のロボットマニピュレータを備えた手術ステーションを有する。複数の手術器具は、患者体内の内部手術部位で手術用エンドエフェクタを有する。 図１Ｂは、図１Ａのロボット手術システムを模式的に示す。 図２は、図１Ａの手術システム内の、外科的処置命令を入力するためのマスター外科医コンソール又はワークステーションを示す斜視図である。コンソールは、入力された命令に応じてマニピュレータ命令信号を生成するためのプロセッサを含む。 図３は、図１Ａの電子カートの斜視図である。 図４は、４つのマニピュレータアームを有する患者側カートの斜視図である。 図５Ａ−５Ｄは、図１Ａの電子カートの斜視図を示す。 図５Ａ−５Ｄは、図１Ａの電子カートの斜視図を示す。 図５Ａ−５Ｄは、図１Ａの電子カートの斜視図を示す。 図５Ａ−５Ｄは、図１Ａの電子カートの斜視図を示す。 図６Ａ−６Ｂは、それぞれ前方ピッチ構成及び後方ピッチ構成の、一つの例示的なマニピュレータアームを示す。 図６Ａ−６Ｂは、それぞれ前方ピッチ構成及び後方ピッチ構成の、一つの例示的なマニピュレータアームを示す。 図６Ｃは、前方ピッチ構成及び後方ピッチ構成のそれぞれにおける不活動円錐域（cone of silence）又は円錐形のツールアクセス制限区域を含む、一つの例示的なマニピュレータアームの手術器具ツール先端の運動の範囲の図式的な表現を示す。 図７Ａは、近位の回転関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す。近位の回転関節は、マニピュレータアームを近位の回転関節の軸の回りで回転させる。 図７Ｂは、一つの例示的なマニピュレータアーム並びに関連する運動の範囲及び不活動円錐域を示す。例示的なマニピュレータアームは、マニピュレータアームを近位の回転関節の軸の周りで回転させる近位の回転関節を有する。その動作は、描かれる不活動円錐域を減じるために使用されることができる。 図８は、遠位の器具保持部に近い回転関節を有する一つの例示的なマニピュレータアームを示す。 図９は、器具保持部を関節軸の回りで周回させるか又はひねる、遠位の器具保持部に近い回転関節を有する一つの例示的なマニピュレータアームを示す。 図１０Ａ−１０Ｃは、関節がその関節運動の範囲の全体に渡って動かされる場合の、遠位の器具保持部に近い回転関節を有する一つの例示的なマニピュレータアームの、連続的な複数の図を示す。 図１０Ａ−１０Ｃは、関節がその関節運動の範囲の全体に渡って動かされる場合の、遠位の器具保持部に近い回転関節を有する一つの例示的なマニピュレータアームの、連続的な複数の図を示す。 図１０Ａ−１０Ｃは、関節がその関節運動の範囲の全体に渡って動かされる場合の、遠位の器具保持部に近い回転関節を有する一つの例示的なマニピュレータアームの、連続的な複数の図を示す。 図１１Ａ−１１Ｂは、それぞれ、関節の角変位が０°場合と、関節の角変位が９０°の場合を対比して、遠位の回転関節を有する一つの例示的なマニピュレータアームの回転された外形を示す。 図１１Ａ−１１Ｂは、それぞれ、関節の角変位が０°場合と、関節の角変位が９０°の場合を対比して、遠位の回転関節を有する一つの例示的なマニピュレータアームの回転された外形を示す。 図１２Ａ−１２Ｄは、近位の関節を有する複数の例示的なマニピュレータアームを示す。複数の例示的なマニピュレータアームは、関節の経路の回りでマニピュレータアームを支持する近位の関節を平行移動させる。 図１２Ａ−１２Ｄは、近位の関節を有する複数の例示的なマニピュレータアームを示す。複数の例示的なマニピュレータアームは、関節の経路の回りでマニピュレータアームを支持する近位の関節を平行移動させる。 図１２Ａ−１２Ｄは、近位の関節を有する複数の例示的なマニピュレータアームを示す。複数の例示的なマニピュレータアームは、関節の経路の回りでマニピュレータアームを支持する近位の関節を平行移動させる。 図１２Ａ−１２Ｄは、近位の関節を有する複数の例示的なマニピュレータアームを示す。複数の例示的なマニピュレータアームは、関節の経路の回りでマニピュレータアームを支持する近位の関節を平行移動させる。 図１３Ａ−１３Ｃは、近位の関節を有する複数の例示的なマニピュレータアームを示す。複数の例示的なマニピュレータアームは、関節の経路の回りでマニピュレータアームを支持する近位の関節を平行移動させる。 図１３Ａ−１３Ｃは、近位の関節を有する複数の例示的なマニピュレータアームを示す。複数の例示的なマニピュレータアームは、関節の経路の回りでマニピュレータアームを支持する近位の関節を平行移動させる。 図１３Ａ−１３Ｃは、近位の関節を有する複数の例示的なマニピュレータアームを示す。複数の例示的なマニピュレータアームは、関節の経路の回りでマニピュレータアームを支持する近位の関節を平行移動させる。 図１４Ａ−１４Ｂは、一つの例示的なマニピュレータ又はアセンブリの、ヤコビアンのゼロ空間とゼロ直交空間との間の関係を図式的に表す。 図１４Ａ−１４Ｂは、一つの例示的なマニピュレータ又はアセンブリの、ヤコビアンのゼロ空間とゼロ直交空間との間の関係を図式的に表す。 図１４Ｃは、他の関節に対して相対的に“ロックされた”関節の関節空間を図式的に描写する。 図１５Ａ−１５Ｂは、エンドエフェクタ移動動作と同時の再構成動作による、一つの例示的なマニピュレータの動作を示す。その動作において、最も近位の関節は、エンドエフェクタ移動動作からロックアウトされている。 図１５Ａ−１５Ｂは、エンドエフェクタ移動動作と同時の再構成動作による、一つの例示的なマニピュレータの動作を示す。その動作において、最も近位の関節は、エンドエフェクタ移動動作からロックアウトされている。 図１６Ａ−１６Ｂは、多くの実施形態による方法を表す単純化されたブロック図である。 図１６Ａ−１６Ｂは、多くの実施形態による方法を表す単純化されたブロック図である。

本発明は概して、改良された手術用装置及びロボット装置、システム及び方法を提供する。本発明は、外科的処置中に、複数の手術ツール又は器具が関連する複数のロボットマニピュレータに取り付けられ、これによって動かされることができる、手術用ロボットシステムと共に使用するために特に有利である。ロボットシステムは、しばしば、マスター−スレーブ制御部として構成されるプロセッサを有する、遠隔ロボット、遠隔手術及び／又はテレプレゼンスのシステムを含むことがある。比較的大きな数の自由度を有する有関節リンク機構を使ってマニピュレータアセンブリを動作させるように適切に構成されたプロセッサを用いるロボットシステムを提供することにより、リンク機構の運動は、低侵襲なアクセス部位を通しての作業に適合されることができる。大きな数の自由度は、システム操作者又は助手が、所望のエンドエフェクタ状態を維持しながら、任意的に手術に備えて及び／又は外科的処置中に他の使用者がエンドエフェクタを操縦している間に、マニピュレータアセンブリのリンク機構を再構成することを可能にする。

本明細書において記述されるロボットマニピュレータアセンブリは、しばしば、ロボットマニピュレータ及びそれに取り付けられたツール（ツールはしばしば手術用のものにおいて手術器具を含む）を含むことがある。ただし、用語“ロボットアセンブリ”はまた、それに取り付けられたツールがないマニピュレータを包含することがある。用語“ツール”は、一般用又は工業用のロボットツール及び特化したロボット手術器具の両方を包含する。これらと共に、後者の構造はしばしば、組織の操作、組織の治療、組織の画像化又は同種の作業に適したエンドエフェクタを含む。ツール／マニピュレータインターフェイスは、しばしば、急速着脱式のツール保持部又は結合器であることがあり、ツールの迅速な取り外し及び代替のツールとの交換を可能にする。マニピュレータアセンブリは、しばしば、ロボット装置の少なくとも一部の間に空間に固定される基部を有することがある。また、マニピュレータアセンブリは、基部とツールのエンドエフェクタとの間に、複数の自由度を包含してもよい。エンドエフェクタの作動（例えば把持装置の顎部を開くこと又は閉じること、電気外科的パドルに電圧を加えること又は同種のこと）は、しばしば、これらのマニピュレータアセンブリ自由度とは別個に及びそれに加えて、行われることがある。

様々な実施形態において、エンドエフェクタは、２から６の間の自由度で作業空間内を動くことができる。本明細書において使用される場合、用語“ポジション”は、位置と方向の両方を包含する。それ故に、（例えば）エンドエフェクタのポジションの変化は、第一の位置から第二の位置へのエンドエフェクタの平行移動（若しくは並進）、第一の方向から第二の方向へのエンドエフェクタの回転又は両方の組合せを伴ってもよい。低侵襲ロボット手術のために使用されるときに、マニピュレータアセンブリの動作は、ツール又は器具のシャフト又は中間部分が、低侵襲手術用アクセス部位又は他の開口を通る安全な運動に拘束されるように、システムのプロセッサによって制御されてもよい。そのような動作は、例えば、開口部位を通じた外科用作業空間内へのシャフトの軸方向の挿入、シャフトの軸の回りでのシャフトの回転及び、アクセス部位に隣接する回動点の回りでのシャフトの回動運動を含んでもよい。

本明細書において記述されるマニピュレータアセンブリの例の多くは、手術部位内でエンドエフェクタを配置し（position）、動作させるために必要とされるよりも大きな自由度を有する。例えば、６自由度を使って内部の手術部位で低侵襲な開口を通して配置されることができる手術用エンドエフェクタは、いくつかの実施形態において、９自由度（６のエンドエフェクタの自由度−位置についての３自由度及び方向についての３自由度−に加えて、アクセス部位の拘束に従うための３自由度）を有してもよいが、１０以上の自由度を有してもよい。高度に設定可能なマニピュレータアセンブリは、所望のエンドエフェクタポジションのために必要とされるよりも大きな自由度を有し、作業空間内のエンドエフェクタポジションに適した関節状態の範囲を可能にするために十分な自由度を有するか又は提供するものとして記述されることができる。例えば、所与のエンドエフェクタポジションについて、マニピュレータアセンブリは、代替的なマニピュレータリンク機構ポジションの範囲のどこであっても、占める（及び間で駆動される）ことができる。同様に、所与のエンドエフェクタ速度ベクトルについて、マニピュレータアセンブリは、マニピュレータアセンブリの様々な関節について、ヤコビアンのゼロ空間内で、様々に異なる関節動作速度の範囲を有することができる。

本発明は、広い範囲の運動が要求され、他のロボットリンク機構、手術人員及び設備並びに同種のものの存在のために限定された専用体積が利用可能な、手術用の（及びその他の）用途のために特に良く適したロボットリンク機構構造を提供する。運動の大きな範囲及び各ロボットリンク機構のために必要とされる低減された体積はまた、ロボット支持構造の位置と手術作業空間又はその他の作業空間との間に、より大きな柔軟性を提供し、それによって設定を容易にし且つ迅速化することができる。

関節又は同種のものの“状態”の用語は、しばしば本明細書において、関節に関連付けられた制御変数を指す。例えば、角度をなす関節の状態は、その運動の範囲（可動域）内のその関節によって規定される角度及び／又は関節の角速度を指してもよい。同様に、軸方向関節又は直動関節の状態は、関節の軸方向の位置及び／又はその軸方向の速度を指してもよい。本明細書において記述される制御装置の多くは速度制御部を有するが、それらはまた、しばしばいくつかのポジション制御の態様を有する。複数の代替的な実施形態は、位置制御部、加速度制御部又は同種のものに第一に又は完全に頼り得る。そのような装置において使用され得る制御システムの多くの態様が、米国特許第６，６９９，１７７号においてにより完全に記述されている。当該米国特許の全ての開示は、参照により本明細書に取り込まれる。したがって、記述される運動が関連付けられた計算に基づく限り、本明細書において記述される関節の動作及びエンドエフェクタの動作の計算は、位置制御アルゴリズム、速度制御アルゴリズム、これらの両方の組み合わせ及び／又は同種のものを使用して実行されてもよい。

様々な実施形態において、例示的なマニピュレータアームのツールは、低侵襲な開口に隣接する回動点の回りで回動する。システムは、例えば米国特許第６，７８６，８９６号において記述される遠隔中心運動学のような、ハードウェアの遠隔中心を利用することができる。当該米国特許の開示は、その全体において本明細書に取り込まれる。そのようなシステムはまた、二重平行四辺形リンク機構を利用してもよい。二重平行四辺形リンク機構は、マニピュレータによって支持される器具のシャフトが遠隔中心点の回りで回動するように、リンク機構の動作を拘束する。代替的な機械的に拘束された遠隔中心リンク機構システムが、知られており且つ／或いは将来開発され得る。驚くべきことに、本発明に関連する取り組み（work）は、遠隔中心リンク機構システムは高度に設定可能な運動学的アーキテクチャから恩恵を受けることを示す。特に、手術ロボットシステムが低侵襲な手術用アクセス部位で又はその近傍で交差する二つの軸の回りでの回動運動を可能にするリンク機構を有するときに、球面回動運動は、患者体内での所望の運動の範囲の全範囲を包含することができるが、なおも回避可能な不備（例えば、不十分に調整されること、患者の体外でのアームとアームの接触又はアームと患者の接触の影響を受けやすいこと及び／又は同種のこと）に悩まされるかも知れない。第一に、アクセス部位又はその近傍での回動運動に機械的にも拘束された一つ以上の追加的な自由度を加えることは、運動の範囲における僅かな又はいくらかの改良を提示するように見えるであろう。それでもなお、そのような関節は、システム全体が、衝突抑制態勢に構成されること又は衝突抑制態勢に向かって駆動されることを可能にすることによって、他の外科的処置のための運動の範囲を更に拡張すること及び同種のことによって、有意な利点を提供することができる。他の実施形態において、システムは、例えば米国特許第８，００４，２２９号において記述されるような、遠隔中心を得るためのソフトウェアを利用することができる。当該米国特許の全ての内容は、参照により本明細書に取り込まれる。ソフトウェア遠隔中心を有するシステムにおいて、プロセッサは、機械的な拘束によって規定される回動点とは対照的に、器具シャフトの中間部を所望の回動点の回りで回動させるように、関節動作を計算する。ソフトウェア回動点を計算する能力を有することによって、
システムの適合性又は剛性によって特徴付けられる複数の異なるモードが、選択的に実行されることができる。より具体的には、回動点／中心の範囲にわたる複数の異なるシステムモード（例えば、可動な回動点、受動的な回動点、固定／剛性回動点、ソフト回動点）が、必要に応じて実行されることができる。

複数の高度に設定可能なマニピュレータを有するロボット手術システムの多くの利点にもかかわらず、マニピュレータは基部と器具との間に比較的大きな数の関節及びリンクを含むために、複数のリンクの手動での配置は、難易度が高く且つ複雑なものであり得る。重力の効果を避けるようにマニピュレータ構造の均衡がとれている場合でさえ、関節のそれぞれを適切な配列に並べること又はマニピュレータを要求通りに再構成することを試みることは、困難で時間を消費するものであるかもしれず、且つかなりの訓練及び／又は技能を不可欠なものとして含むかもしれない。関節に関してマニピュレータのリンクの均衡がとれていない場合には、それらの課題は更に大きく、そのような高度に設定可能な構造を手術前又は手術中に適切な構成に配置することは、マニピュレータアームの長さ及び多くの手術システムにおける受動的且つ柔軟（limp）な設計に起因して、大変な困難であり得る。

これらの問題点は、使用者、例えば医者の助手が、所望のエンドエフェクタ状態を維持したまま、任意的に外科的処置中のエンドエフェクタの動作の間でさえ、迅速且つ容易にマニピュレータアームを再構成することを可能にすることによって対処され得る。マニピュレータアームの動作の範囲及び構成を増大させて、この能力を強化するために、一つ以上の追加的な関節がマニピュレータアームに含まれてもよい。追加的な関節を提供することは、ある複数の作業に関して増大した運動の範囲を与えることができる。しかし一方で、マニピュレータアーム内の大きな数の冗長な関節は、その動作が予測不可能であるように見えるか又は全体の動作の量が様々な他の臨床的な懸念事項を引き起こすように、複数の他の作業に関してアームの様々な動作を過剰に複雑にする原因となり得る。第一の作業のために動作が望まれない一つ以上の関節（本明細書において、“ロックされた”関節又は“（複数の）関節のロックされたセット”と呼ばれる）の動作を相殺し、一方で、第一の作業と同時に実行され得る様々な他の作業のために、関節のロックされたセットの動作を可能にすることは、更に有用であるかも知れない。ロックアウトされる関節の動作を実際に物理的に拘束せずに、ある複数の関節をロックアウトすることは有利である、なぜなら、ロックされた関節の動作が複数の他の作業又は動作を生じさせるために望まれるかも知れないからである。様々な実施形態において、本発明は更に、関節の非動作サブセット（又はロックされたセット）の一つ以上の関節の所望の運動相殺を可能にすると同時に、更に、例えば自律的アルゴリズムに基づく動作又は命令された再構成動作のような様々な他の動作のために、関節のロックされたセットの動作を可能にする。

ある複数の態様において、手術空間内での命令されたエンドエフェクタ動作は、連動した関節のエンドエフェクタ移動動作に従って、マニピュレータの一つ以上の関節を駆動することによってもたらされる。その連動した関節のエンドエフェクタ移動動作は、プロセッサによって、運動学的なヤコビアンのゼロ空間直交内で計算される。様々な他の作業、例えば、再構成動作、又は衝突防止動作のような補助作業は、連動した関節の動作に従ってマニピュレータの一つ以上の関節を駆動することによって、エンドエフェクタの所望の状態を維持したまま、もたらされ得る。その連動した関節の動作は、しばしばエンドエフェクタ移動動作と同時に、ヤコビアンのゼロ空間内で計算される。

いくつかの実施形態において、様々な他の作業に関する計算された動作、例えば自律的アルゴリズムに基づく回避動作は相殺動作に重なってもよく、“ロックされた関節”は様々な他の作業を生じさせるために更に動かされることができる。そのような回避動作の例は、“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space”と表題が付けられ、２０１２年６月１日に出願された、米国仮出願第６１／６５４，７５５号及び“System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space”と表題が付けられ、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７７３号において記述される。これらの出願の開示は、それらの全部について、参照により本明細書に取り込まれる。しかしながら、“ロックアウトされた”関節の相殺動作に重なる計算された動作は、自律的な動作に限定されず、様々な他の動作、例えば命令された再構成動作又は様々な補助動作を含み得る。

本発明の複数の実施形態は、マニピュレータ構造の自由度の利点を活用するように構成された使用者入力部を含んでもよい。マニピュレータを手動で再構成するのではなく、入力部が、使用者による再構成命令の入力に応じてマニピュレータ構造を再構成するために、運動学的リンク機構の被駆動関節の使用を助ける。様々な実施形態において、再構成命令を受けるための使用者入力部は、マニピュレータアームの中に組み込まれているか且つ／或いはマニピュレータアームの近くに配置されている。複数の他の実施形態において、入力部は、一つ以上の関節の再構成を助けるために、集中化された入力装置、例えば患者側カート上の一群のボタン又は操作棒を有する。再構成命令を受けるための入力装置は、エンドエフェクタの動作を生じさせるための操作命令を受けるための入力部から離れていてもよい。手術システムの制御部は、可読記憶装置を備えたプロセッサを含んでもよい。その可読記憶装置は、装置上に記録された関節制御プログラミング命令又はコードを有し、制御部が再構成命令の入力に応じて所望の再構成を生じさせることを可能にするように、プロセッサが装置上に記録されている関節を駆動するために適切な関節命令を引き出すことを可能にする。しかしながら、本発明は、再構成機構の有無に関わらず、マニピュレータアームにおいて使用されてもよいことが明確に理解される。

以下の説明において、本発明の様々な実施形態が説明される。説明の目的のため、複数の実施形態の完全な理解を提供するために特有の構成及び詳細が説明される。しかしながら、本発明は本明細書に記述される特有の詳細通りでなくとも実践し得ることも当業者には明らかであろう。さらに、周知な特徴は、本明細書に記述される実施形態を不明瞭にしない目的で省略又は単純化されている。

ここから、同様な参照数字はいくつかの図面を通じて同様な部品を代表する、複数の図面を参照すると、図１Ａは、多くの実施形態による、低侵襲ロボット手術（ＭＩＲＳ）システム１０の俯瞰図である。低侵襲ロボット手術システム１０は、手術台１４上に横になった患者１２への低侵襲診断又は外科的処置において使用される。システムは、処置の間に外科医１８によって使用されるための外科医用コンソール１６を含んでもよい。一人又はそれ以上の助手２０も処置に参加することができる。ＭＩＲＳシステム１０は、患者側カート２２（手術ロボット）及び電子カート２４を更に有してもよい。患者側カート２２は、外科医１８がコンソール１６を通して手術部位を観察している間、患者１２の体の低侵襲な切開を通じて、少なくとも一つの取り外し可能に連結されたツールアセンブリ２６（以下、単に“ツール”を呼ぶ）を操作することができる。手術部位の画像は、内視鏡２８によって取得される。内視鏡２８は、例えば、内視鏡２８の向きを変えるように患者側カート２２によって操作され得る立体視内視鏡である。電子カート２４は、続く外科医用コンソール１６を通じた外科医１８への画像表示のために、手術部位の画像を処理するために使用されることができる。一度に使用される手術ツール２６の数は一般的に、その他の要素の中でもとりわけ、その診断又は外科的処置及び手術室内の空間の制約に依存するものである。ある処置の間に、使用中の複数のツール２６のうちの一つ以上を交換することが必要な場合は、助手２０は患者側カート２２からツール２６を取り外し、手術室内のトレイ３０からの他のツール２６に交換することができる。

図１Ｂは、（例えば図１ＡのＭＩＲＳシステム１０のような）ロボット手術システム５０を概略的に示す。前述のように、（例えば図１Ａにおける外科医用コンソール１６のような）外科医用コンソール５２は、低侵襲処置の間に、（例えば図１Ａにおける患者側カート２２のような）患者側カート（手術ロボット）５４を制御するために、外科医によって使用され得る。患者側カート５４は、例えば立体視内視鏡のような画像装置を使用して、処置部位の画像をキャプチャー（取得）し、キャプチャーした画像を（例えば図１Ａにおける電子カート２４のような）電子カート５６に出力することができる。前述のように、電子カート５６は、如何なる後続の表示にも先立って、キャプチャーされた画像を様々な方法で処理することができる。例えば、電子カート５６は、キャプチャーされた画像を仮想制御インターフェイスに重ねてから、外科医用コンソール５２を介して組み合わされた画像を外科医に表示することができる。患者側カート５４は、電子カート５６の外部での処理のために、キャプチャーされた画像を出力することができる。例えば、患者側カート５４はプロセッサ５８に、キャプチャーされた画像を出力することができ、プロセッサ５８はキャプチャーされた画像を処理するために使用され得る。画像はまた、電子カート５６及びプロセッサ５８の組み合わせによって処理され得る。これらは、キャプチャーされた画像を合同で、順番に及び／又はこれらの組合せで処理するように、一体に結合されることができる。一つ以上の独立した表示部６０もまた、例えば処置部位の画像又はその他の関係する画像の、現地での及び／又は遠隔での画像の表示のために、プロセッサ５８及び／又は電子カート５６に結合され得る。

図２は、外科医用コンソール１６の斜視図である。外科医用コンソール１６は、奥行き知覚を可能にする手術部位の協調された立体像（coordinated stereo view）を外科医１８に提示するための左目用表示部３２及び右目用表示部３４を有する。コンソール１６は、一つ以上の入力制御装置３６を更に有する。入力制御装置３６は、次いで患者側カート２２（図１Ａ参照）に一つ以上のツールを操作させる。入力制御装置３６は、それらに関連するツール２６（図１Ａ参照）と同じ自由度を提供し、外科医がツール２６を直接的に制御しているという強い感覚を持つように、外科医にテレプレゼンス、又は入力制御装置３６がツール２６と一体化しているかのような知覚を提供することができる。この目的を達成するために、ポジション、力、及び触覚のフィードバックセンサ（図示なし）を採用して、入力制御装置３６を通じてポジション、力、及び触覚の知覚をツール２６から外科医の手に返すように伝えてもよい。

外科医用コンソール１６は、外科医が直接処置を監視し、必要であれば物理的に居合わせ、電話又は他の通信媒体を通すのではなく助手に直接話すことができるように、通常患者と同じ部屋内に位置している。しかしながら、外科医は異なる部屋、完全に異なる建物又はその他の患者から離れた場所に位置することが可能であり、遠隔外科的処置が可能である。

図３は、電子カート２４の斜視図である。電子カート２４は、内視鏡２８と結合することができ、例えば現地に及び／又は遠隔地に位置する外科医用コンソール上又は他の適切な表示部上の外科医への、続く表示のために、キャプチャーした画像を処理するプロセッサを有してもよい。例えば、立体視内視鏡が使用される場合に、電子カート２４は、手術部位の協調立体像を外科医に提示するために、キャプチャーされた画像を処理することができる。そのような協調は、対向する複数の画像の間の位置合わせを含むことができ、また、立体視内視鏡のステレオ作動距離を調整することを含むことができる。その他の例として、画像処理は、例えば光学収差のような、画像取得装置の結像誤差を補償するために、以前に決定されたカメラ校正パラメータの使用を含んでもよい。

図４は、複数のマニピュレータアームを有する患者側カート２２を示す。マニピュレータアームは、それぞれ、マニピュレータアームの遠位端で手術器具又はツール２６を支持する。図示される患者側カート２２は、４つのマニピュレータアーム１００を含む。マニピュレータアーム１００は、手術ツール２６、又は、例えば処置の部位の画像のキャプチャーのために使用される立体視内視鏡のような画像装置２８のいずれかを支持するために使用されることができる。操作は、多数のロボット関節を有するロボットマニピュレータアーム１００によって提供される。画像装置２８及び手術ツール２６は、切開の寸法を最小化するために運動学的な遠隔中心が患者の切開に維持されるように、患者の切開を通じて配置及び操作されることができる。手術器具又はツール２６が画像装置２８の視野内に配置される場合に、手術部位の画像は、手術器具又はツール２６の遠位端部の画像を含んでもよい。

手術ツール２６に関して、異なる種類及び様々なエンドエフェクタの種々の代替的なロボット手術ツール又は器具が使用され得る。マニピュレータの少なくともいくつかの器具は、外科的処置中に取り外され、交換される。ドゥベイキー鉗子、マイクロ鉗子、ポッツはさみ及びクリップアプライヤーを含むこれらのエンドエフェクタのいくつかは、一対のエンドエフェクタ顎部を規定するように、互いに対して回動する第一のエンドエフェクタ要素及び第二のエンドエフェクタ要素を含む。外科用メス及び電気焼灼器プローブを含む他のエンドエフェクタは、単一のエンドエフェクタ要素を有する。エンドエフェクタ顎部を有する器具について、顎部は、しばしば、ハンドルの把持部材を握り締めることによって作動させられることができる。単一のエンドエフェクタ器具はまた、例えば、電気焼灼器プローブに電圧を加えるために、把持部材を握ることによって作動させられてもよい。

器具２６の細長いシャフトは、エンドエフェクタ及びシャフトの遠位端が、手術作業部位の中に、低侵襲性な開口を通して、しばしば腹壁又は同種のものを通して遠位側に向かって挿入されることを可能にする。手術作業部位は気体を吹き込まれてもよく、患者体内でのエンドエフェクタの動作は、しばしば、少なくとも部分的に、シャフトが低侵襲な開口を通過する位置の回りでの器具２６の回動によってもたらされることができる。換言すれば、マニピュレータ１００は、エンドエフェクタの所望の動作を提供することを助けるためにシャフトが低侵襲な開口の位置を通って延びるように、患者の体の外側にある器具の近位ハウジングを動かす。それ故に、マニピュレータ１００は、しばしば、外科的処置中に患者Ｐの体の外側でかなりの動作を経験することがある。

本発明の多くの実施形態による複数の例示的なマニピュレータアームが、図５Ａ乃至１３Ｃを参照して理解されることができる。前述したように、マニピュレータアームは、概して遠位の器具又は手術ツールを支持し、基部に対する器具の動作を生じさせる。外科的処置中に（しばしば外科助手の助けにより）、様々なエンドエフェクタを有する多数の異なる器具が各マニピュレータに順次取り付けられることができるように、遠位の器具保持部は、任意的に、取り付けられた器具又はツールの迅速な取り外し及び交換を可能にすることができる。図４を参照して理解されることができるように、マニピュレータは、患者側カートの基部に対して近位側に取り付けられる。様々な実施形態において、マニピュレータアームは、基部と遠位の器具保持部との間に延びる複数のリンク機構及び関連する関節を含む。ある複数の態様において、例示的なマニピュレータは、マニピュレータアームのうちの複数の関節が所与のエンドエフェクタポジションのための異なる構成の範囲内に駆動され得るような、冗長な自由度を有する複数の関節を含む。この構成は、本明細書において記述されるマニピュレータアームの複数の実施形態のいずれについても妥当し得る。

図５Ａに示されるような、ある複数の実施形態において、例示的なマニピュレータアームは、近位の回転関節Ｊ１を有する。近位の回転関節Ｊ１は、その関節の遠位側のマニピュレータアームを、その関節軸の回りを周回（revolve）させるように、第一の関節軸の回りを回転する。いくつかの実施形態において、回転関節Ｊ１は基部に対して直接的に取り付けられており、一方で、複数の他の実施形態において、関節Ｊ１は一つ以上の可動なリンク機構又は関節に取り付けられてもよい。マニピュレータの複数の関節は、共同して、マニピュレータアームの複数の関節が所与のエンドエフェクタポジションのための複数の異なる構成の範囲内で駆動されることができるように、冗長な自由度を有する。例えば、図５Ａ乃至５Ｄのマニピュレータアームは、異なる構成に（巧みに）誘導される（maneuvered）ことができ、一方で、器具保持部５１０内に支持された遠位部材（例えば、ツール５１２又は器具シャフトが通って延びるカニューレ）は、ある特定の状態を維持し、所与のエンドエフェクタのポジション又は速度を含み得る。様々な実施形態において、遠位部材５１１はカニューレであり、そのカニューレを通してツールシャフト５１２が延び、また、器具保持部５１０は（柱状部材（spar）上を平行移動するれんが状の構造として示される）運搬部（carriage）であり、低侵襲な開口を通して、患者の体の中にカニューレ５１１を通して延びる前に、その運搬部に対して器具が付属する。

図５Ａ乃至５Ｄのマニピュレータアーム５００の個々のリンクを、図５Ａ乃至５Ｄに図示されるようにリンクを接続する複数の関節の回転の複数の軸と共に説明する。第一のリンク５０４は、回動関節Ｊ２から遠位側に延びる。回動関節Ｊ２は、その関節軸の回りで回動し、回転関節Ｊ１に結合されている。回転関節Ｊ１は、その関節軸の回りで回転する。図５Ａに示されるように、複数の関節のうちの残りの多くは、それらの関連する回転軸によって特定されることができる。例えば、図示されるように、第一のリンク５０４の遠位端は、その回動軸の回りで回動する回動関節Ｊ３で第二のリンク５０６の近位端に結合しており、第三のリンク５０８の近位端は、その回動軸の回りで回動する回動関節Ｊ４で第二のリンク５０６の遠位端に結合している。第三のリンク５０８の遠位端は、回動関節Ｊ５で器具保持部５１０に結合する。様々な実施形態において、関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５のそれぞれの回動軸は実質的に平行であり、図５Ｄに示されるように、互いに隣り合って配置された場合に、リンク機構は、縮小されたマニピュレータアームの幅ｗを提供し、マニピュレータアセンブリの操縦中の患者のクリアランスを改善するように、“積み重ねられた”ように見える。様々な実施形態において、器具ホルダはまた、例えば直動関節Ｊ６のような追加的な関節を含む。直動関節Ｊ６は、低侵襲な開口を通しての器具３０６の軸方向の動作を容易にし、カニューレへの器具保持部の取り付けを容易にする。カニューレを通して器具はスライド可能に挿入される。

ツール５１２が通って延びる遠位部材又はカニューレ５１１は、器具保持部５１０の遠位側に追加的な自由度を含んでもよい。器具の自由度の作動は、しばしばマニピュレータのモータによって駆動されることができる。また、代替的な実施形態は、器具上にあるように本明細書において示される一つ以上の関節が代わりに接合部上にあること、又はその逆となるように、迅速に取り外し可能な器具保持部／器具接合部で器具を支持しているマニピュレータ構造から器具を分離してもよい。いくつかの実施形態において、カニューレ５１１は、ツール先端の挿入点又は回動点（pivot point）ＰＰの近傍又は近位側に、回転する関節（図示なし）を含む。回転する関節は、おおむね低侵襲な開口の部位に配置される。器具の遠位の手首部は、その器具の手首部で一つ以上の関節の複数の器具関節軸の回りでの、手術ツール５１２のエンドエフェクタの回動動作を可能にする。複数のエンドエフェクタ顎部要素の間の角度は、エンドエフェクタの位置及び方向から独立して制御されることができる。

一つの例示的なマニピュレータアセンブリの運動の範囲は、図６Ａ乃至６Ｃを参照することにより明確に理解されることができる。外科的処置中に、一つの例示的なマニピュレータアームは、手術作業空間内の特定の患者組織にアクセスするために必要に応じて、図６Ａに示されるように、前方ピッチ構成に（巧みに）誘導されることができ、又は、図６Ｂに示されるように、後方ピッチ構成に（巧みに）誘導されることができる。典型的なマニピュレータアセンブリは、一つの軸の回りを少なくとも±６０度だけ、好ましくは±７５度だけ前方ピッチ及び後方ピッチすることができ、また一つの軸の回りを±８０度だけヨー方向に向きを変えることができる、エンドエフェクタを含む。この態様は、アセンブリを使ったエンドエフェクタの増大した操縦性を可能にするが、特に図６Ａ及び６Ｂにおけるようにマニピュレータアームが完全に前方ピッチ又は完全に後方ピッチの構成である場合に、エンドエフェクタの動作が制限され得る構成があり得る。一つの実施形態において、マニピュレータアームは、それぞれ、外側のピッチに関して（＋／−７５度）及び外側のヨー関節に関して（＋／−３００度）の運動の範囲（又は可動域，Range of Motion（ROM））を有する。いくつかの実施形態において、ROMは、（＋／−９０度）よりも大きなROMを提供するために、外側のピッチに関して増大し得る。この場合に、挿入制限に関連する内側の球体は概して残されるが、“不活動円錐域（cone of silence）”が、完全に消滅し得る。様々な実施形態は、増大したROM又は減少したROMを有するように構成されてもよいこと、上述のROMは説明の目的のために提供されること、更にまた、本発明は本明細書において記述されるROMに限定されないことが、明確に理解される。

図６Ｃは、図５Ａ及び５Ｂの例示的なマニピュレータの全部の運動の範囲及びツール先端の作業空間を、図式的に表す。作業空間は半球体として示されているが、それは、例えば関節Ｊ１のようなマニピュレータの一つ以上の回転関節の運動の範囲及び構成に依存して球体としても表されることができる。図示されるように、図６Ｃにおける半球体は、中心の小さな球状の空洞と、そしてまた二つの円錐形状の空洞を含む。複数の空洞は、ツール先端の動作が機械的な拘束のために不可能であるか又はエンドエフェクタの動作を行うことを困難にする極めて高い関節速度又は遅さのために実現不可能であり得る領域を表す。これらの理由により、円錐形状の空洞は、“不活動円錐域”と呼ばれる。いくつかの実施形態において、マニピュレータアームは、錐体内のある点で特異点に到達する。不活動円錐域内又はその近傍でのマニピュレータの動作は損なわれ得るため、要求に応じてリンク及び関節を再構成するようにマニピュレータの一つ以上のリンクを手動で動かすことなく、不活動円錐域から離してマニピュレータアームを動かすことは困難であり得る。手動での再構成は、しばしば、代替的な動作モードを要求し、外科的処置を遅らせる。

様々な実施形態において、これらの円錐形状部内への器具シャフトの動作は、概してマニピュレータ内の遠位のリンク機構の間の角度が比較的小さい場合に起こる。そのような構成は、（リンク機構が互いにより直交するポジションに動かされるように、）マニピュレータを再構成することによって回避され得る。例えば、図６Ａ及び６Ｂに示される構成において、最も遠位のリンクと器具保持部との間の角度（角度ａ）が比較的小さくなる場合、マニピュレータの動作はより困難になり得る。様々な実施形態において、残りの関節の関節動作の範囲に依存して、ある複数のリンク機構の間の角度が縮小する場合に、マニピュレータの動作は抑制されるかも知れず、いくつかの場合には、マニピュレータアームはもはや冗長ではなくなるかも知れない。器具シャフトがこれらの円錐形状部に接近するか、又は複数のリンク機構の間の角度が比較的小さいマニピュレータ構成は、“不十分に調整されている”と言われ、マニピュレータアームの操縦性及び器用さが制限される。器用さ及び運動の範囲を維持するように、マニピュレータが“十分に調整されている”ことが望ましい。ある複数の態様において、本発明は、要求通りにマニピュレータが再構成するための命令を単純に入力することによって、たとえ外科的処置におけるエンドエフェクタの動作中であっても、使用者が上述の円錐形状部に接近した器具シャフトの動作を回避することを可能にする。この態様は、マニピュレータが、理由が何であれ“不十分に調整されている”状態となる場合に特に有用である。

上述のマニピュレータの複数の実施形態は本発明において利用されてもよく、いくつかの実施形態は、追加的な関節を含んでもよい。その追加的な関節はまた、マニピュレータアームの器用さ及び調整を改善するために使用されてもよい。例えば、一つの例示的なマニピュレータは、関節Ｊ１の近位側に回転関節及び／又はリンク機構を含んでもよい。その回転関節及び／又はリンク機構は、不活動円錐域を縮小又は消滅させるために、図５Ａのマニピュレータアーム及びその関連する不活動円錐域を、回転関節の軸の回りで周回させるために使用され得る。一つの他の実施形態において、例示的なマニピュレータはまた、遠位の回動関節を含んでもよい。その回動関節は、不活動円錐域を更に縮小し、手術ツールの動作の範囲を改善するように、器具保持部を関節Ｊ５に対して実質的に直角な軸の回りで回動させ、それによってツール先端をずらす。一つの更に他の実施形態において、マニピュレータアームの近位の関節、例えばＪ１は、必要に応じて不活動円錐域を動かすか又は位置を変え、マニピュレータツール先端の運動の範囲を改善するように、基部上に移動可能に取り付けられてもよい。そのような追加的な関節の使用及び利点は、図７Ａ乃至１３Ｃを参照することによって理解されることができる。図７Ａ乃至１３Ｃは、そのような関節の複数の実施例を示し、それらは、本明細書において記述される複数の例示的なマニピュレータアームのいずれにおいても、それぞれ互いに独立に使用されてもよく又は組み合わせて使用されてもよい。

図７Ａ及び７Ｂは、例示的なマニピュレータアームと共に使用するための追加的な冗長関節−マニピュレータアームの近位部を基部に結合する第一の関節、を示す。第一の関節は、マニピュレータアームを関節Ｊ_ｔの関節軸の回りで周回させる、近位の回転関節Ｊ_ｔである。近位の回転関節Ｊ_ｔは、関節Ｊ_ｔを近位の回転関節Ｊ_ｔから所定の距離又は角度だけずらす、リンク５０１を含む。リンク５０１は、図７Ａに示されるような曲線状のリンク機構であってもよく、又は図７Ｂに示されるような直線状若しくは角度を成すリンク機構であってもよい。関節Ｊ_ｔの関節軸は、図７Ａの実施形態において示されるように遠隔中心ＲＣ又はツール先端の挿入点と一致させられてもよい。様々な実施形態において、関節Ｊ_ｔの関節軸は、マニピュレータアーム内のそれぞれの他の回転関節軸と同様に、体壁での運動を防止するように遠隔中心を通過し、その結果として手術中に動作させられることができる。関節Ｊ_ｔの軸は、アームの近位部に結合しており、そのため、それはアームの後部のポジション及び方向を変化させるために使用されることができる。概して、この軸のような冗長な軸は、器具先端が外科医の命令に従い、一方で、同時に他のアーム又は患者の生体構造との衝突を防止することを可能にする。ある複数の態様において、近位の回動関節Ｊ_ｔは、単にマニピュレータの床に対する取り付け角度を変えるために使用される。この角度は、１）外部の患者の生体構造との衝突を回避するため、及び２）体の内側の生体構造に到達するために、重要である。様々な実施形態において、近位の回転関節Ｊ_ｔに取り付けられたマニピュレータの近位のリンクと、近位の回動関節の軸との間の角度ａは、約１５度である。

図７Ｂは、一つの例示的なマニピュレータアームにおける、近位の回転関節Ｊ_ｔ及びその関連する関節軸と不活動円錐域との関係を示す。近位の回転関節Ｊ_ｔの関節軸は、不活動円錐域を通過してもよく又は完全に不活動円錐域の外側であってもよい。マニピュレータアームを近位の回転関節Ｊ_ｔの軸の回りに周回させることによって、不活動円錐域は、（関節Ｊ_ｔ軸が不活動円錐域を通過する実施形態において）縮小されることができるか又は（近位の回転関節の軸が完全に不活動円錐域の外側を延びる実施形態において）効果上消滅させられ得る。リンク５０１の距離及び角度は、不活動円錐域に対する関節Ｊ_ｔの軸のポジションを決定する。

図８は、複数の例示的なマニピュレータアームと共に使用するための、他の種類の冗長関節を示す。遠位の回転関節Ｊ７は、器具保持部５１０をマニピュレータアームの遠位のリンク５０８に結合させている。遠位の回転関節Ｊ７は、システムが器具保持部５１０を関節軸の回りでひねる（twist）ことを可能にする。その関節軸は、様々な実施形態において、遠隔中心又は挿入点を通過する。理想的には、回転関節は、アーム上遠位側に位置し、従って、挿入軸の方向を動かすことに特によく向いている。この冗長関節の追加は、マニピュレータが、如何なる単一の器具先端ポジションについても、複数のポジションをとることを可能にする。概して、例えば上記のような冗長関節は、器具先端が外科医の命令に従い、一方で、同時に他のアーム又は患者の生体構造との衝突を防ぐことを可能にする。遠位の回転関節Ｊ７が挿入軸をヨー軸にさらに近く動かす能力を有しているため、アームの後方ピッチ動作の範囲を増大させることが可能である。遠位の回転関節Ｊ７は、ヨー軸Ｊ１及びツール先端の挿入軸の間の関係は、図９に示されている。図１０Ａ乃至１０Ｃは、Ｊ７の連続した動作、及び如何にしてそれがツール先端の挿入軸の位置を左右に変えるかを示す。

遠位の回転関節Ｊ７の一つの他の利点は、それが患者クリアランスの円錐域（patient clearance cone）を縮小し得ることである。患者クリアランスの円錐域とは、挿入点よりも近位側の、マニピュレータアームの遠位部の掃引容積（swept volume）である。患者クリアランスの円錐域は、患者とマニピュレータアームの器具保持部又は遠位のリンク機構との間の衝突を回避するように、患者を（接触せずに）通過するべきである。図１１Ａは、遠位の回転関節の角変位が０°のままである間の、マニピュレータアームの近位部の患者クリアランスの円錐域を示す。図１１Ｂは、遠位の回転関節がその軸の回りの９０°の角変位を有して示されると同時に、マニピュレータアームの近位部の縮小された患者クリアランスの円錐域を示す。このように、挿入点付近に最小限の患者クリアランスを有する処置において、本発明による関節Ｊ７の使用は、要求通りのエンドエフェクタの遠隔中心位置を又はポジションを維持しながら、追加的なクリアランスを提供することができる。

図１２Ａ乃至１３Ｃは、複数の例示的なマニピュレータアームと共に使用するための、他の種類の冗長関節を示す。近位の関節は、マニピュレータアームを平行移動又は軸の回りで周回させる。様々な実施形態において、この近位の平行移動可能な関節は、マニピュレータアームの運動の範囲の位置を変えるか又は回転させることによって不活動円錐域を縮小又は消滅させ、マニピュレータアームのより良い調整及び改善された操縦性を提供するために、例えば関節Ｊ１又はＪ_ｔのようなマニピュレータの近位の関節を、ある経路に沿って平行移動させる。平行移動可能な関節は、図１２Ａ乃至１２Ｄ内の関節Ｊ_Ｈ１において示されるような円形の経路を含んでもよく、又は、図１３Ａ乃至１３Ｃにおいて示されるような半円形の経路を含んでもよい。概して、関節は、マニピュレータアームを平行移動可能な関節の軸の回りで周回させる。平行移動可能な関節の軸は、遠隔中心ＲＣと交差する。カニューレ５１１を通って延びるツール５１２のシャフトは、遠隔中心の回りで回動する。図１２Ａ乃至１２Ｄに示される実施形態において、Ｊ_Ｈ１のこの軸は垂直な軸であり、図１３Ａ乃至１３Ｃに示される実施形態において、Ｊ_Ｈ２の軸は水平である。

ある複数の実施形態において、マニピュレータアーム５００は、近位又は遠位の回転関節、近位の平行移動可能な関節及び遠位のリンク機構の平行四辺形構成のうちのいずれか又は全てを含んでもよい。これらの機構のうちのいずれか又は全ての使用は、複数のリンク機構の間の角度を増大し、それによりマニピュレータの器用さ及び運動を改善することによって、より良く“調整された”マニピュレータアセンブリを提供するために、追加的な冗長自由度を提供し、本発明による再構成を容易にする。この例示的なマニピュレータの増大された柔軟性はまた、関節の制限、特異点及び同種のものを避けるために、マニピュレータリンク機構の運動学を最適化するためにも使用されることができる。

いくつかの実施形態において、マニピュレータの関節動作は、一つ以上の関節を駆動することによって制御される。一つ以上の関節は、システムのモータを使用して制御部によって駆動される。その複数の関節は、連動し、且つ制御部のプロセッサによって計算された関節動作に従って駆動される。数学的には、制御部は、ベクトル及び／又は行列（マトリクス）を使用して、少なくともいくつかの関節命令の計算を実行することができる。それらベクトル及び／又は行列のいくつかは、関節の構成又は速度に対応する要素を有してもよい。プロセッサが利用可能な代替的な関節構成の範囲は、関節空間として概念化されることができる。関節空間は、例えば、マニピュレータが有する自由度と同じだけ多数の自由度を有してもよい。また、マニピュレータの特定の構成は、関節空間内の特定の点を代表してもよく、各座標がマニピュレータの一つの関連する関節の関節状態に対応してもよい。

一つの例示的な実施形態において、システムは制御部を含む。その制御部に、ここではそのデカルト座標空間（本明細書においてデカルト空間（直交座標空間，Cartesian-space）と呼ばれる）として表される、作業空間内のある特徴部（feature）の命令されたポジション及び位置が入力される。その特徴部は、マニピュレータ上又はマニピュレータから離れた、制御入力を使用して連結される（articulated）制御フレームとして使用され得る、如何なる特徴部であってもよい。本明細書において記述される多くの実施形態において使用されるマニピュレータ上の特徴部の一つの例は、ツール先端であろう。マニピュレータ上の特徴部の一つの他の例は、ツール先端上にないがマニピュレータの一部である物理的な特徴部、例えばピン又は塗装された模様であろう。マニピュレータから離れた特徴部の一つの例は、正確にある距離及び角度でツール先端から離れた空いた空間内の基準点であろう。マニピュレータから離れた特徴部の一つの他の例は、マニピュレータに対するポジションが確立され得る目標組織であろう。これら全ての場合において、エンドエフェクタは、制御入力を使用して連結される仮想的な制御フレームと関連付けられる。しかしながら、以下の記述において、“エンドエフェクタ”及び“ツール先端”は、同意語として使用される。概して所望のデカルト空間エンドエフェクタポジションを等価な関節空間ポジションに写す（map）閉形式の関係は存在しないが、概してデカルト空間エンドエフェクタ速度と関節空間速度との間には閉形式の関係が存在する。運動学的ヤコビアンは、関節空間ポジション要素に対する、エンドエフェクタのデカルト空間ポジション要素の偏導関数（若しくは偏微分係数）の行列（マトリクス）である。このような方法で、運動学的ヤコビアンは、エンドエフェクタと複数の関節との間の運動学的関係を取得する。換言すれば、運動学的ヤコビアンは、エンドエフェクタ上の関節運動の効果を取得する。運動学的ヤコビアン（Ｊ）は、以下の関係（数式１）を使用して関節空間速度（ｄｑ／ｄｔ）をデカルト空間エンドエフェクタ速度（ｄｘ／ｄｔ）に写像するために使用されることができる。

このようにして、入力ポジションと出力ポジションとの間に閉形式の写像が存在しない場合でさえ、様々な実装が使用され得るが、速度の写像は、例えば命令された使用者入力からマニピュレータの動作を実施するためのヤコビアンに基づく制御部において、繰り返し使用されることができる。多くの実施形態がヤコビアンに基づく制御部を含むが、いくつかの実装は、本明細書において記述される複数の特徴のうちのいずれかを提供するためにマニピュレータアームのヤコビアンにアクセスするように構成され得る、様々な制御部を使用してもよい。

一つのそのような実装が、以下に簡単に記述される。命令された関節ポジションは、ヤコビアン（Ｊ）を計算するために使用される。各時間ステップ（Δｔ）の間、所望の動き（ｄｘ_ｄｅｓ／ｄｔ）を実行するため及び所望のデカルト空間ポジションからの組み立て偏差（Δｘ）を補正するために、デカルト空間速度（ｄｘ／ｄｔ）が計算される。このデカルト空間速度は、次いでヤコビアン（Ｊ^＃）の擬似逆行列（又は一般逆行列，pseudo-inverse）を使用して関節空間速度（ｄｑ／ｄｔ）に変換される。結果として得られる関節空間の命令された速度は、関節空間の命令されたポジション（ｑ）を算出するために、次いで積分される。これらの関係は、以下（数式２、３及び４）に列挙される。

ヤコビアン（Ｊ）の擬似逆行列は、所望のツール先端運動（及び、いくつかの場合において、回動ツール運動の遠隔中心）を、関節速度空間に直接的に写す。使用されているマニピュレータがツール先端の自由度（最大で６）以上の有用な関節軸を有する場合、（及びツール動作の遠隔中心が使用されているときは、マニピュレータは、遠隔中心の位置に関連する３自由度のために追加的な３つの関節軸を有するべきである）、そのときは、マニピュレータは冗長であると言われる。冗長なマニピュレータのヤコビアンは、少なくとも一の次元を有する“ゼロ空間（null-space）”を含む。この文脈において、ヤコビアンの“ゼロ空間“（Ｎ（Ｊ））は、同時に少しのツール先端運動も達成しない（そして遠隔中心が使用されるときには、少しの回動点位置の動きも達成しない）関節速度の空間である。そして、“ゼロ運動（null-motion）”もまた、ツール先端及び／又は遠隔中心の位置の少しの同時の動作も作り出さない、関節ポジションの組み合わせ、軌跡又は経路である。マニピュレータの所望の再構成（本明細書において記述される如何なる再構成をも含む）を達成するために、計算されたゼロ空間速度をマニピュレータの制御システムに組み込むこと又は投入することは、上記の等式（２）（数式３）を以下（数式５乃至６）に変える。

等式（４）（数式５）による関節速度は、二つの成分（components）を有する。第一の成分は、ゼロ直交空間成分であり、所望のツール先端運動（及び遠隔中心が使用されるときには、所望の遠隔中心の動き）を生み出す“最も純粋な”関節速度（最も短いベクトルの長さ）である。そして、第二の成分はゼロ空間成分である。等式（２）及び（５）（数式３及び数式６）は、ゼロ空間成分がなければ、同一の等式が得られることを示す。等式（６）は、左辺のゼロ空間成分に関する従来の形式から始まり、遠く右辺において、一つの例示的なシステムにおいて使用される形式を示す。等式（６）において、（Ｖ_ｎ）は、ゼロ空間についての複数の直角な基底ベクトルの組であり、（α）は、それらの基底ベクトルを混合するための係数である。いくつかの実施形態において、αは、要求通りのゼロ空間内での運動を成形又は制御するために、制御パラメータ、変数又は設定によって、例えばノブ又はその他の制御手段の使用によって決定される。上記の等式（４）及び（５）（数式５及び数式６）を利用して、以下の等式（数式８）は、ゼロ空間係数を得るために計算されることができる。そのゼロ空間係数は、複数の“ロックアウトされた“関節の動作を相殺（cancel）するように、複数の関節を駆動するために使用されることができる。

ヤコビアンの擬似逆行列（等式（４）及び（５）（数式５及び数式６）参照）から生成されたゼロ直交空間からの関節速度は、最大でゼロ空間の次元までの選択された関節のみに関して、ゼロ空間速度を使用して対抗される。“非動作”又は“ロックされた”関節のみが考慮されるならば、等式（７）におけるベクトルの相応する成分のみが、以下（数式９）のようになる。

ロックアウトされた関節の相応する成分（等式（８）（数式９）は次いで、関節動作相殺をもたらすために必要とされるゼロ空間係数を得るために、様々な可能な解によって解かれることができる。一つの手法は、以下の等式（等式（９）（数式１０）でＰ_{ｉｎｖｅｒｓｅ（．）}として表される擬似逆行列によって与えられる、最小ノルム、最小二乗解である。

一つの代替的な手法は、荷重されていない擬似逆行列ではなく、荷重された擬似逆行列を使用することであろう。この手法はまた、所望の関節の運動操作も提供するであろう。しかしながら、いくつかの場合において、この手法に関連する障害が存在し得る。例えば、それは、ゼロ空間アルゴリズムが全く使用されないか又は他のアルゴリズムに関してゼロ空間に基づくベクトルを使用するために、有効であり続けるために同一のカーネル反復において荷重された擬似逆行列及び荷重されていない擬似逆行列の両方が計算される必要があることを意味するかも知れない。これらの障害に対処する様々な他の方法が存在するが、そのような方法は、上記の複数の等式において概説されたこの手法によって可能とされる、結果として生じる動作を得るために、計算された動作を不必要に複雑化するかも知れない。

図１４Ａは、一つの例示的なマニピュレータアームの、ヤコビアンのゼロ空間とヤコビアンのゼロ直交空間との間の関係を図式的に表す。図１４Ａは、横軸に沿うゼロ空間（Ｎ（Ｊ））及び縦軸に沿うゼロ直交空間（Ｎ^⊥（Ｊ））を示し、それら二つの軸は互いに直角である、二次元の概略図を示す。斜めのベクトル（ｑ）（「ｑ」の上にドット，数式１１）は、ゼロ空間速度ベクトル（ｑ_Ｎ）（「ｑ」の上にドット，数式１２）及びゼロ直交空間速度ベクトル（ｑ^⊥）（「ｑ」の上にドット，数式１３）の合計（sum）を表し、上記の等式（４）（数式５）を代表する。

図１４Ｂは、“ゼロ運動マニホールド”として示される、四次元の関節空間内でのゼロ空間とゼロ運動マニホールドとの間の関係を図式的に表す。各矢印（ｑｌ，ｑ２，ｑ３及びｑ４）は、主要な関節軸を表す。閉じた曲線はゼロ運動マニホールドを表す。ゼロ運動マニホールドは、同一のエンドエフェクタポジションを同時に達成する関節空間ポジションの組である。曲線上の所与の点Ａに関して、ゼロ空間は、同時に少しのエンドエフェクタの動作も生み出さない関節速度の空間であるため、ゼロ空間は、点Ａにおけるゼロ運動マニホールドの接線ｐ＋Ａに対して平行である。

図１４Ｃは、“ロックアウトされた”関節と残りの関節との間の関係を関節空間内で図式的に表す。その概略図は多次元関節空間を示し、その多次元関節空間は、運動相殺が提供される“非動作”関節又は“ロックされた”関節（ｑ_ｉ）を代表する横軸、並びに運動が許容とされる他の関節（ｑ_ｉ）を代表する縦軸及びイン／アウト軸によって表される。各軸は、一つ以上の関節を代表してもよい。上述のように、運動相殺はある複数の種類の運動、例えば命令されたエンドエフェクタ操作をもたらすためのエンドエフェクタ移動動作に対して適用可能であってもよい。また、この概略図は、例えば衝突回避動作のような様々な他の種類の動作に応じて起こり得る“非動作”関節又は“ロックされた”関節の動作について述べない。図１４Ｃにおいて、ｑ［ｋ］は、多次元関節空間における現在の関節ポジションを表す。左上の方を指す斜めの矢印（ｑ_⊥εＮ^⊥（Ｊ））（「ｑ」の上にドット，数式１４）は、ゼロ直交ベクトルである。ゼロ直交ベクトルは、ヤコビアンに対する擬似逆行列解であり、ゼロ直交空間内にある。ゼロ直交ベクトルは楕円Ｎ（Ｊ）の中心に向かって延び、楕円Ｎ（Ｊ）は、ゼロ直交ベクトルの総体及び全てのゼロ空間ベクトルの組を表す。破線の垂直な平面（ｑ_ｉ）は超平面を表す、その超平面は、現在のｑ［ｋ］値でロックされた関節を伴う全ての関節構成の組である。右上の方を指す斜めの矢印（ｑ_ＮεＮ（Ｊ））（「ｑ」の上にドット，数式１５）は、ゼロ空間ベクトルである。注目すべきことに、これらの二つの斜めのベクトルは、互いに直角である（ゼロ直交空間はゼロ空間に対して直角である）。図示されるように、これら二つのベクトルの結果として生じる合計（先端から末端まで）は、複合された場合に、関節の動作を代表する水平方向に沿った動きを全く有しない、関節ポジションに結果する。このようにして、上述のようにベクトルを複合することによって、所望の関節が効果上“ロックされる”。斜めの直線｛ｑ_{ｓｏｌｕｔｉｏｎ}｝は、楕円と垂直な超平面との交差を表す（その直線は三次元の関節空間内で延びる）。このようにして、｛ｑ_{ｓｏｌｕｔｉｏｎ}｝は、（ｉ）ゼロ直交ベクトル及びゼロ空間動作内であること、及び（ｉｉ）ロックされるように望まれる関節に関して、それは結果として少しの動作も生じないこと、の両方を兼ねる全ての関節構成の組を代表する。したがって、｛ｑ_{ｓｏｌｕｔｉｏｎ}｝は、所望の関節がロックアウトされる関節構成の解の組である。図１４Ｃに示される楕円のそれぞれは、ｑ_ＮΔｔ（「ｑ」の上にドット，数式１６）によって表される関節空間内の超平面に対応する。ここで、ｑ_Ｎ（「ｑ」の上にドット，数式１２）は、関節速度空間内部のゼロ空間内のベクトルである。二つの楕円は、ｑ_⊥Δｔ（ｑの上にドット，数式１７）の分だけ離されており、同ベクトルに直交する。一方で、垂直な超平面（ｑ_ｉ）は、ロックされた関節がそれらのロックされた値にある関節構成を代表する。点ｑ［ｋ］は時間ステップ［ｋ］についての関節ポジションを代表し、一方で、結果として生じるｑは、図１４Ｃに示される等式おいて表現されるように、ｑ［ｋ＋ｌ］として表され、時間ステップ［ｋ＋ｌ］についての関節ポジションを代表する。より簡潔な用語で言えば、ｑ［ｋ＋ｌ］は、ｑ［ｋ］に、ゼロ空間及びゼロ直交空間の両方に関連する関節動作を加えたものに等しく、ｑ［ｋ＋ｌ］は、｛ｑ_{ｓｏｌｕｔｉｏｎ}｝として表される解の空間内にある。

図１５Ａ及び１５Ｂは、関節Ｊ_ｔがロックアウトされた状態での、エンドエフェクタ移動動作と同時の再構成動作によるマニピュレータアームの動作の前及び後の一つの例示的なマニピュレータ５００を模式的に示す。使用者によって入力されたエンドエフェクタ操作命令に応じて、プロセッサは、ヤコビアンのゼロ直交空間内で、関節Ｊ_ｔを含む複数の関節のエンドエフェクタ移動動作を計算する。プロセッサは次いで、ゼロ空間内でのロックされた関節Ｊ_ｔの相殺動作が関節の動作を相殺することができるように、ゼロ空間内で一つ以上の関節の相殺動作を計算する。そのため、計算されたエンドエフェクタ移動動作及び相殺動作に従って関節を駆動することが所望の操作動作を生じさせ、同時にロックされた関節（Ｊ_ｔ）の動作が相殺されるようにする。エンドエフェクタ移動動作と同時に、マニピュレータアームは、マニピュレータアームを再構成させる使用者命令に応じて計算された、再構成動作に従って駆動される。再構成動作の決定において、エンドエフェクタの状態を維持しながら、再構成動作がマニピュレータアームの所望の再構成を提供することができるように、関節Ｊ_ｔを含む複数の関節の動作がヤコビアンのゼロ空間内で計算される。図１５Ａ及び１５Ｂの実施例に示されるように、アームの再構成動作は、関節Ｊ_ｔの動作を含む。すなわち、関節Ｊ_ｔがエンドエフェクタ移動動作からロックアウトされている場合であっても、ロックされた関節は、例えば命令されたマニピュレータアームの再構成のような他の作業に関係する動作を生じさせる場合には動くことができる。

いくつかの実施形態において、関節位置及び／又は構成、又はあらゆる状況に応じて、ゼロ空間内での関節の速度のスケールが変更されるように、システムが構成されてもよい。例えば、使用者は、再構成動作中に最も近位側の関節がマニピュレータアーム内のより遠位側の関節よりも高い速度で駆動されることを望むかもしれない。加えて、システムは、マニピュレータアームの複数の関節のいずれか一つのポジション又は状態を要求通りに維持するように構成されてもよい。

ある複数の態様において、システムは、あらゆる方法でシステム使用者からの再構成命令を受けてもよい。いくつかの実施形態において、マニピュレータは、使用者からの再構成命令を受けるための入力装置を含む。その入力装置は、要求通りに一つ以上の関節を駆動するための（又は代替的に一つ以上のリンクを動かすための）、一つ以上のボタン又は機構を含んでもよい。“Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space”と表題が付けられ、２０１２年６月１日に出願された米国仮出願第６１／６５４，７６４号において記述されるように、入力装置は、マニピュレータアーム上しばしば装置の作動に応じて駆動される関節に対応する位置に配置されてもよい。当該仮出願の全ての開示は、全ての目的に関して、参照により本明細書に取り込まれる。代替的に、システムは、マニピュレータアームの一つの関節又はリンク機構それぞれ対応する一群のボタン又は機構を有する入力装置を含んでもよい。本実施形態は、使用者が集中化された位置からアームを再構成することを可能にする。代替的に、入力装置は、要求通りに一つ以上の関節を駆動し、再構成をもたらすために操作され得る操作棒（ジョイスティック）を有してもよい。入力装置はあらゆる変形例を含んでもよいことが、明確に理解される。

図１６Ａ及び１６Ｂは、本発明の多くの実施形態によって、ロボット手術システムのマニピュレータアセンブリを再構成する方法を示す。図１６Ａは、患者側カートの関節状態を制御するための一般的アルゴリズムを実施するために必要な、要求されるブロックの単純化された概略図を、上述の複数の等式と関連付けて示す。図１６Ａの方法によれば、システムは、マニピュレータアームの順運動学を計算し、次いで、等式（１）（数式２）を使用してｄｘ／ｄｔを計算し、等式（５）（数式６）を使用してｄｑ_ｐｅｒｐ／ｄｔを計算し、次いで、等式（６）（数式７）を使用して、ｄｑ_ｐｅｒｐ／ｄｔ及びヤコビアンに依存し得るｚから、ｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔを計算する。次いで、システムは、計算されたｄｑ_ｐｅｒｐ／ｄｔ及びｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔから、それぞれ等式（４）（数式５）及び等式（３）（数式４）を使用して、ｄｑ／ｄｔ及びｑを計算し、それにより、動作を提供する。その動作の提供により、制御部は、所望のエンドエフェクタの状態（及び／又は遠隔中心の位置）を維持したまま、所望のマニピュレータの再構成を生じさせることができる。

図１６Ｂは、システムの一つの例示的な実施形態のブロック図を示す。所望のツール先端状態を命令する操作命令に応じて、システムのプロセッサは、ツール先端の速度及び関節の状態を決定する。決定されたツール先端の速度及び関節の状態から、ｄｑ_ｐｅｒｐ／ｄｔが計算される。複数の関節のうちのいずれかが“非動作”又は“ロックされた”関節として指定される場合は、システムは、指定された関節に関するｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔを計算し、ｄｑ_ｐｅｒｐ／ｄｔ成分及びｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔ成分が、組み合されたときにロックされた関節の如何なる動作にも結果しないようにする。任意的に、望まれる場合には、使用者はマニピュレータアームを再構成するために再構成命令を入力してもよい。使用者からの再構成命令を受けることに応じて、プロセッサは、決定されたツール先端速度及び関節速度（又は計算されたｄｑ_ｐｅｒｐ／ｄｔ）を使用して、ｄｑ_ｎｕｌｌ／ｄｔを計算してもよい。その後に、システムは、システムの（複数の）関節を駆動し、“非動作”又は“ロックされた”（複数の）関節の動作が相殺される所望のエンドエフェクタの動作（又は状態）、及び、ロックされた（複数の）関節の動作を含み得るマニピュレータアームの再構成を生じさせるように、全ての関節について、速度を、計算されたｄｑ／ｄｔに加える。

複数の例示的な実施形態が、理解の明確さのため及び例示の目的でいくらか詳細に記述されたが、様々な適応、変更及び変形が、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (11)

1. マニピュレータアームを有するシステムの作動方法であって、前記方法は：
   前記システムのプロセッサが、マニピュレータアームのエンドエフェクタをエンドエフェクタ移動で動かすコマンドを受信するステップであって、前記マニピュレータアームは、基部に結合した近位部、前記エンドエフェクタを含む遠位部、及び前記遠位部と前記基部との間の複数の関節を含み、前記複数の関節は、前記遠位部の所与の状態に対して前記複数の関節の異なる状態の範囲を可能にするよう動作可能である、ステップと；
   前記プロセッサが、前記複数の関節のうちの１又は複数の非動作関節を指定するステップと；
   前記プロセッサが、前記エンドエフェクタ移動を生じさせるように前記複数の関節のエンドエフェクタ移動動作を決定するステップであって、前記エンドエフェクタ移動動作を決定するステップは、前記複数の関節のヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算することを含み、前記エンドエフェクタ移動動作の計算された前記関節速度は、前記１又は複数の非動作関節の計算された速度を含む、ステップと；
   前記プロセッサが、前記１又は複数の非動作関節の前記計算された速度を相殺するように前記複数の関節の相殺動作を決定するステップであって、前記相殺動作を決定するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で関節速度を計算することを含む、ステップと；
   前記プロセッサが、前記エンドエフェクタ移動を生じさせるように前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作を組み合わせることによって前記複数の関節を駆動するステップと；
   を含む、
   方法。
2. 前記１又は複数の非動作関節のそれぞれの関節に対して、前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作のための対応する関節速度が、その関節に対する関節動作の前記相殺を生じさせるように組み合わされる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記プロセッサが、前記複数の関節の第１の関節セットの補助動作を決定するステップであって、前記第１の関節セットは前記複数の関節の前記１又は複数の非動作関節から選択され、前記補助動作を決定するステップは、前記ヤコビアンの前記ゼロ空間内で関節速度計算することを含む、ステップと；
   前記プロセッサが、前記補助動作の目標を生じさせるように前記補助動作を前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作を組み合わせることによって前記複数の関節を駆動するステップであって、前記補助動作の目標は、前記マニピュレータアームに関する所望の姿勢、所望の構成、又は衝突回避を含む、ステップと；
   をさらに含む、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 基部に結合した近位部、エンドエフェクタを含む遠位部、及び前記遠位部と前記基部との間の複数の関節を含む、マニピュレータアームであって、前記複数の関節は、前記遠位部の所与の状態に対して前記複数の関節の異なる状態の範囲を可能にするよう動作可能である、マニピュレータアーム；並びに
   １又は複数のプロセッサを含む動作ユニット；
   を有し、
   前記１又は複数のプロセッサは：
   前記マニピュレータアームの前記エンドエフェクタをエンドエフェクタ移動で動かすコマンドを受信するステップと；
   前記複数の関節のうちの１又は複数の非動作関節を指定するステップと；
   前記エンドエフェクタ移動を生じさせるように前記複数の関節のエンドエフェクタ移動動作を決定するステップであって、前記エンドエフェクタ移動動作を決定するステップは、前記複数の関節のヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算することを含み、前記エンドエフェクタ移動動作の計算された前記関節速度は、前記１又は複数の非動作関節の計算された速度を含む、ステップと；
   前記１又は複数の非動作関節の前記計算された速度を相殺するように前記複数の関節の相殺動作を決定するステップであって、前記相殺動作を決定するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で関節速度を計算することを含む、ステップと；
   前記エンドエフェクタ移動を生じさせるように前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作を組み合わせることによって前記複数の関節を駆動するステップと；
   を含む動作を実行するように構成される、
   システム。
5. 前記１又は複数の非動作関節のそれぞれの関節に対して、前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作のための対応する関節速度が、その関節に対する関節動作の前記相殺を生じさせるように組み合わされる、
   請求項４に記載のシステム。
6. 前記１又は複数のプロセッサはさらに：
   前記１又は複数の非動作関節のそれぞれに対して、前記相殺動作のための対応する関節速度が、前記エンドエフェクタ移動動作のための対応する関節速度を相殺するように、前記相殺動作のための値を計算するステップ、
   を含む動作を実行するように構成される、
   請求項４又は５に記載のシステム。
7. 前記１又は複数のプロセッサはさらに：
   前記複数の関節の第１の関節セットの補助動作を決定するステップであって、前記第１の関節セットは前記複数の関節の前記１又は複数の非動作関節から選択され、前記補助動作を決定するステップは、前記ヤコビアンの前記ゼロ空間内で関節速度計算することを含む、ステップと、
   前記補助動作の目標を生じさせるように前記補助動作を前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作を組み合わせることによって前記複数の関節を駆動するステップと、
   を含む動作を実行するように構成される、
   請求項４乃至６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記補助動作の前記目標は、前記マニピュレータアームに関する所望の姿勢、所望の構成、又は衝突回避を含む、
   請求項７に記載のシステム。
9. 命令を含むメモリデバイスであって、前記命令は、１又は複数のプロセッサによって実行されるとき、前記１又は複数のプロセッサに：
   マニピュレータアームのエンドエフェクタをエンドエフェクタ移動で動かすコマンドを受信するステップであって、前記マニピュレータアームは、基部に結合した近位部、前記エンドエフェクタを含む遠位部、及び前記遠位部と前記基部との間の複数の関節を含み、前記複数の関節は、前記遠位部の所与の状態に対して前記複数の関節の異なる状態の範囲を可能にするよう動作可能である、ステップと；
   前記複数の関節のうちの１又は複数の非動作関節を指定するステップと；
   前記エンドエフェクタ移動を生じさせるように前記複数の関節のエンドエフェクタ移動動作を決定するステップであって、前記エンドエフェクタ移動動作を決定するステップは、前記複数の関節のヤコビアンのゼロ直交空間内で関節速度を計算することを含み、前記エンドエフェクタ移動動作の計算された前記関節速度は、前記１又は複数の非動作関節の計算された速度を含む、ステップと；
   前記１又は複数の非動作関節の前記計算された速度を相殺するように前記複数の関節の相殺動作を決定するステップであって、前記相殺動作を決定するステップは、前記ヤコビアンのゼロ空間内で関節速度を計算することを含む、ステップと；
   前記エンドエフェクタ移動を生じさせるように前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作を組み合わせることによって前記複数の関節を駆動するステップと；
   を含む、動作を実行させる、
   メモリデバイス。
10. 前記１又は複数の非動作関節のそれぞれの関節に対して、前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作のための対応する関節速度が、その関節に対する関節動作の前記相殺を生じさせるように組み合わされる、
    請求項９に記載のメモリデバイス。
11. 前記メモリデバイスはさらに、前記１又は複数のプロセッサによって実行されるとき、前記１又は複数のプロセッサに：
    前記複数の関節の第１の関節セットの補助動作を決定するステップであって、前記第１の関節セットは前記複数の関節の前記１又は複数の非動作関節から選択され、前記補助動作を決定するステップは、前記ヤコビアンの前記ゼロ空間内で関節速度計算することを含む、ステップと、
    前記補助動作の目標を生じさせるように前記補助動作を前記エンドエフェクタ移動動作及び前記相殺動作を組み合わせることによって前記複数の関節を駆動するステップであって、前記補助動作の前記目標は、前記マニピュレータアームに関する所望の姿勢、所望の構成、又は衝突回避を含む、ステップと、
    を含む動作を実行させる、
    請求項９又は１０に記載のメモリデバイス。

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