JP6691578B2 - ゼロ空間を使用したマニピュレータアームと患者との衝突回避 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年６月１日に出願された「Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space（代理人整理番号：ISRG03760PROV／US）」という標題の米国特許仮出願第６１／６５４，７５５号からの優先権の利益を主張するものであり、この文献の全体の開示は、参照として本明細書中に組み込まれる。

本出願は、以下の共通して所有される出願に概して関連している。
２００９年６月３０日に出願された「Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities」という標題の米国特許出願第１２／４９４，６９５号、２００９年３月１７日に出願された「Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion」という標題の米国特許出願第１２／４０６，００４号、２００５年５月１９日に出願された「Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses」という標題の米国特許出願第１１／１３３，４２３号（米国特許第８，００４，２２９号）、２００４年９月３０日に出願された「Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery」という標題の米国特許出願第１０／９５７，０７７号（米国特許第７，５９４，９１２号）、１９９９年９月１７日に出願された「Master Having Redundant Degrees of Freedom」という標題の米国特許出願第０９／３９８，５０７号（米国特許第６，７１４，８３９号）、本出願と同時に出願された「System and Methods for Commanded Reconfiguration of Surgical Manipulator Using the Null-Space」という標題の米国特許出願番号 （代理人整理番号ISRG03770／US）、「Systems and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space」という標題の米国特許出願番号 （代理人整理番号ISRG03810／US）に関連する。これらの文献の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して、改良された外科及び／又はロボット装置、システム、及び方法を提供する。

低侵襲性医療技術は、診断又は外科手術中に損傷する組織量を低減させることを目的としており、それによって、患者の回復時間、不快感及び有害な副作用を減少させる。何百万という「公開された」又は従来の手術が、米国で毎年行われており、これらの手術の多くは、潜在的に低侵襲的な方法で行うことができる。しかしながら、比較的少数の手術のみが、低侵襲性手術器具や技術の制限、及びそれら低侵襲性手術器具や技術を習得するために必要な追加の外科的トレーニングに起因して、低侵襲性技術を同時に使用しているのが実情である。

手術で使用される低侵襲性遠隔手術システムは、外科医の手先の器用さを増大させるだけでなく、外科医が遠隔位置から患者を手術することを可能にするように開発されている。遠隔手術は、外科医が、例えばサーボ機構等の遠隔制御装置のいくつかのフォームを使用して、手で機器を直接的に保持し且つ動かすのではなく、手術器具の動きを操作するような手術システムの総称である。このような遠隔手術システムでは、外科医には、遠隔地における手術部位の画像が提供される。適当なビューア又はディスプレイ上で手術部位の三次元画像を典型的に見ながら、外科医は、マスター制御入力装置を操作し、次にロボット機器の動作を制御することによって、患者に外科手術を行う。ロボット手術器具が、小さな、低侵襲性外科的開口部を介して挿入され、大抵の場合、切開手術のためのアクセスに関連する外傷が生じるような患者の体内の手術部位における組織が治療される。これらのロボットシステムは、大抵の場合、低侵襲性開口部において器具シャフトを旋回させ、開口部を介してシャフトを軸線方向に摺動させ、開口部内でシャフトを回転させ、及び／又は同様の動作を行うことによって、非常に複雑な外科的タスクを行うために十分な手先の器用さを有するような手術器具の作業端部を移動させることができる。

遠隔手術用に使用されるサーボ機構は、大抵の場合、２つのマスター制御装置（外科医の手の各々に対して１つ）からの入力を受け取り、そして２つ以上のロボットアームやマニピュレータを含み得る。画像取込装置によって表示されたロボット機器の画像に対して手の動きをマッピングすることによって、それぞれの手に関連付けられた器具についての正確な制御を外科医に提供することができる。多くの手術用ロボットシステムでは、１つ又は複数の追加のロボット操作用マニピュレータアームが、内視鏡又は他の画像取込装置、追加の手術器具等を移動させるために含められる。

様々な構造配置を使用して、ロボットによる手術中に、手術器具を手術部位に支持することができる。従動リンク又は「スレーブ」は、大抵の場合、ロボット手術マニピュレータと呼ばれており、ロボットによる低侵襲性手術中に、ロボット手術マニピュレータとして使用される例示的なリンク配置は、米国特許第６，７５８，８４３号、第６，２４６，２００号及び第５，８００，４２３号に記載されており、これら文献の全体の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。これらのリンクは、大抵の場合、平行四辺形の配置を利用して、シャフトを有する器具を保持する。このようなマニピュレータ構造は、器具シャフトが、剛性シャフトの長さに沿った空間に位置付けされた球状回転体の遠隔センタの周りを旋回するように器具の動きを拘束することができる。（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を用いて）内部手術部位への切開点とこの回転体の中心とを位置合わせすることによって、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与えることなく、マニピュレータのリンク機構を用いてシャフトの基端端部を移動させることによって、安全に位置決めすることができる。代替の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号に記載されており、これら文献の全体の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

新しいロボット手術システムや装置が、非常に効果的であり且つ有用であることが判明しているが、依然としてさらなる改良が望まれている。例えば、低侵襲性手術部位内に手術器具を移動させるときに、ロボット手術マニピュレータは、患者の体外でのかなりの量の動きを示すことがあり、特に大きい角度範囲に亘って低侵襲性開口部の周りに器具を旋回させるときに、互いに、手術室の器具カート又は他の構造体と、手術従事者と、及び／又は患者の外面と不意に接触するようなマニピュレータの移動をもたらす可能性がある。特に、先端側器具の付近のマニピュレータアームは、マニピュレータが低侵襲性開口部の周りを旋回する際に、患者の外面に不意に接触することがある。代替の高度に設定可能な「ソフトウェアセンタ」手術マニピュレータシステムが提案されており、重要な利点を提供することができるが、様々な課題も存在している。具体的には、提案されたソフトウェアセンタシステムは、いくつかの条件で機械的に拘束された遠隔センタリンク機構の全ての安全性に関する利点を有していないことがある。遠隔手術システムを用いて行われる手術範囲が拡大し続けているが、利用可能な構成及び患者内の器具の可動域を拡張するための要求が高まっている。残念ながら、これらの両方の変化は、体外のマニピュレータの動きを制御し且つ予測することに関連する課題を増大させ、マニピュレータアームの構成要素と患者の外面との間の望ましくない接触や衝突を回避することの重要性を高めている。

これらの理由及び他の理由のために、改良された装置、システム、及び手術方法、ロボット手術及び他のロボット用途を提供することが有利である。エンドエフェクタの所望の状態又は器具シャフトが旋回するような遠隔センタの所望の位置を維持しながら、これらの改良された技術が、マニピュレータアームと患者との間の衝突を回避する能力が提供される場合には、それは特に有益であろう。理想的には、エンドエフェクタの移動中にマニピュレータアームと患者との間の衝突を回避しながら、これらの改良によって、外科手術中に１つ又は複数のマニピュレータアームの改良された動きを可能にするであろう。加えて、それらの手先の器用さを維持又は向上させたまま、寸法、機械的な複雑さ、又はこれらのシステムのコストを大幅に増加させることなく、少なくともいくつかの手術について器具の可動域を増加させながら、このような改良を提供することが望ましい。

本発明は、概して、改良されたロボット及び／又は手術用装置、システム、及び方法を提供する。一態様では、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使用するであろう。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を患者の手術作業空間内にあるよりも、より大きな運動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、典型的には、ロボット手術器具を支持するマニピュレータアームと、器具のエンドエフェクタを操作するための協働（連動）する関節の運動を計算するプロセッサとを含む。エンドエフェクタを支持するロボット操作用マニピュレータの関節によって、マニピュレータが、エンドエフェクタの所定位置及び／又は旋回点の所定位置について異なる構成の範囲に亘って移動することを可能にする。システムによって、高度に設定可能なロボット操作用マニピュレータの運動が、プロセッサによって計算された関節の協働（連動）運動に従ってマニピュレータの１つ又は複数の関節を駆動させることにより、患者との衝突を回避することを可能にし、計算された運動によって、エンドエフェクタの所望状態及び／又は旋回点の位置を維持するように、運動学的ヤコビアンのゼロ空間内にマニピュレータの１つ又は複数の関節を延ばす。典型的には、回避動作は、マニピュレータアームと患者の外面との間の距離が所望の値未満であるという判定に応答して計算される。

一態様では、操作入力部には、冗長自由度（ＲＤＯＦ）の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・アセンブリと、１つ又は複数のユーザ入力装置と、制御装置を備えたプロセッサとを有する。アセンブリのマニピュレータアームは、エンドエフェクタの所定状態のための関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を提供する複数の関節を有している。先端側エンドエフェクタの基端側のマニピュレータアームの一部又は遠隔センタが、患者の外面に近過ぎるとの判定に応答して、システムは、ゼロ空間内の複数の関節の回避動作を計算する。次に、プロセッサは、エンドエフェクタの所望の状態及び／又は遠隔センタの位置を維持するように、制御装置を使用して、計算された回避動作に従って関節を駆動させるように構成される。大抵の場合、回避動作と同時に、エンドエフェクタを所望の運動で移動させるような操作コマンドを受信することに応答して、システムは、ヤコビアンのゼロ空間に直交するゼロ−垂直空間内の関節運動を計算することにより、関節のエンドエフェクタ移動運動を計算し、且つエンドエフェクタの所望の動作をもたらすように、計算された移動運動に従って関節を駆動させる。

本発明の別の態様では、マニピュレータは、器具シャフトの中間部分が、遠隔センタの周りを旋回するような移動をするように構成される。マニピュレータと器具との間において、器具シャフトの中間部分が、アクセス部位を通って延びる際に、エンドエフェクタ位置についての関節状態の範囲を可能にするような、十分な自由度を提供する複数の従動関節が存在する。制御装置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する。マニピュレータアームの一部が、患者の外面に近過ぎるという判定に応答して、プロセッサは、器具の中間部分がアクセス部位内にあるように、マニピュレータアームの一部と患者の外面との間の距離を増大させるとともに、シャフトが旋回する遠隔センタの所望位置を維持するように、１つ又は複数の関節運動を決定する。典型的には、エンドエフェクタの所望の動作をもたらすような操作コマンドの受信に応答して、システムは、関節のエンドエフェクタの移動運動を計算し、その計算は、ゼロ空間に対して直交するヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節速度を計算することを含む。システムは、その後、器具シャフトが遠隔センタの周りを旋回するようなエンドエフェクタの所望の動作を生じさせるように、計算された動きに従って関節を駆動させ、大抵の場合同時に、計算された回避動作に従って関節の駆動を駆動させる。

一実施形態では、システムは、マニピュレータアームの１つ又は複数の機構の状態に対応する回避形状と、患者の外面の位置に対応する障害物表面とを規定し、回避形状と障害物表面との間の距離を決定することにより、マニピュレータアームと患者の外面との間の最も近接する距離を決定する。特定の実施形態では、回避形状は、１つ又は複数の基準点、セグメント又は容積（例えば、中実体、球、円柱等の一連のもの）、又はマニピュレータアームの一部に対応する任意の適切な幾何学的形状を含む。例えば、回避形状は、マニピュレータの先端端部の付近の機構（例えば、突起部）の状態を表す基準点を含むことができ、この機構の状態は、機構の位置又は速度であり、それは、アームの関節状態センサを用いて決定することができる。障害物表面は、アームの先端部分、好ましくはアームの器具が旋回するような遠隔センタ位置を通って延びる面、又は１つ又は複数のマニピュレータアームの器具シャフトに対応する１つ又は複数の遠隔センタ位置を通って延びる円筒形、球形又は凸面等のモデル化された面、を含むことができる。

特定の実施形態では、回避形状と障害物表面との間の距離（所定の距離又は関節の状態の関数であってもよい）が所望の距離未満であるという判定に応答して、システムのプロセッサは、回避形状と障害物表面との間の距離を増大させるために、マニピュレータアームの関節又はリンクの回避動作を計算し、エンドエフェクタの状態及び／又はマニピュレータアームの遠隔センタの位置を維持するように、ヤコビアンのゼロ空間内に関節やリンクを移動させる。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位置、速度又は加速度を含むことができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタの操作コマンドは、このコマンドを外科医側手術コンソールのマスター入力部に入力する外科医等の、ユーザによって入力装置から受け取られる一方、マニピュレータアームの基端部分と患者の外面との距離が所望の値未満であるときに、回避動作を計算して、患者の外面とマニピュレータアームの指定された部分との間に十分なクリアランスを提供するように、関節を駆動させる。

例示的な実施形態では、マニピュレータアームは、処置ツールの挿入軸線をその軸線の回りに旋回させる又はねじるような関節を含んでおり、この軸線は、器具シャフトが旋回するような遠隔センタを通って延びる。理想的には、回避動作を計算して、エンドエフェクタの状態を維持しながら、患者の外面から離れる方向に機構をねじる又は旋回するようにこの関節を駆動させる。いくつかの実施形態では、操作コマンドに応答して計算された、マニピュレータアームの移動運動を計算して、関節が駆動するのを回避する、又はこの移動運動をもたらすようにねじり関節を駆動するのを回避するようにされる。計算された移動運動で駆動されない、又はその逆に駆動されるような特定の関節を駆動させるための回避動作を計算するこの態様は、本明細書に記載されるマニピュレータアームのいずれの関節にも適用することができる。

特定の実施形態では、レボリュート関節は、マニピュレータの基端部分をベースに結合させ、且つレボリュート関節の関節運動によって、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節をレボリュート関節の旋回軸線の回りに旋回させるようにマニピュレータアームを支持する。いくつかの実施形態では、レボリュート関節の旋回軸線は、エンドエフェクタの器具シャフトが旋回するような遠隔センタを随意に通って、関節から遠隔センタに向けて延びる。一態様では、レボリュート関節の運動によって、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を、遠隔センタに向けて先端方向にテーパが付けられ且つ向き合わされたコーン（円錐体）の周りに旋回させる。この態様においてマニピュレータアームが旋回するようなコーンは、ツールチップの可動域内の円錐形の空洞に対応し、ツールの移動が、不可能又は不能になる可能性がある。別の態様では、マニピュレータの基端部分をベースに結合する関節は、ある経路に沿ってベースに対して移動可能であり、この経路は、典型的には、この経路に沿った関節の運動によって、マニピュレータアームの１つ又は複数の関節を、器具シャフトが旋回する遠隔センタに向けて延びるような軸線の周りに旋回させるような弓形、又は実質的に円形の経路である。いくつかの実施形態では、マニピュレータは、マニピュレータの基端部分をベースに結合するようなレボリュート関節を含んでおり、このレボリュート関節は、直線状、弓形又は実質的に円形とすることができるような経路に沿ってベースに対して移動可能である。

本発明のさらに別の態様では、基端側レボリュート関節と先端側平行四辺形リンク機構とを備えた手術用ロボットマニピュレータが設けられ、レボリュート関節の旋回軸線が、該当する場合は随意に遠隔センタにおいて、エンドエフェクタの器具シャフトの軸線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する制御装置を含むプロセッサをさらに有しており、本明細書に記載される実施形態のいずれかと同様に複数の関節の回避動作を計算するように構成されている。

本発明の性質及び利点のさらなる理解は、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。

本発明の実施形態によるロボット手術システムの上面図であり、ロボット手術システムは、複数のロボット操作用マニピュレータを含む手術用ステーションを有しており、ロボット操作用マニピュレータは、手術用エンドエフェクタを有する手術器具を患者内の内部手術部位にロボット操作によって移動させる 図１Ａのロボット手術システムを示す概略図である。 図１の手術用システムに外科手術用コマンドを入力するためのマスター外科医側コンソール又はワークステーションを示す斜視図であり、コンソールは、入力コマンドに応答してマニピュレータ・コマンド信号を生成するためのプロセッサを含む。 図１Ａの電子機器カートの斜視図である。 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。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 例示的なマニピュレータアームを示す図である。 ゼロ空間内のマニピュレータアームの運動、及び、回避形状と障害物表面との間の関連する距離を示す図である。 ゼロ空間内のマニピュレータアームの運動、及び、回避形状と障害物表面との間の関連する距離を示す図である。 マニピュレータアームのそれぞれの遠隔センタを通って延びるようにモデル化された、複数のマニピュレータアーム及び障害物表面を有する例示的なシステムを示す図である。 先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 器具ホルダを周転させるような先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームを示す図である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームの連続した図である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームの連続した図である。 関節が関節運動のその範囲に亘って移動する際に、先端側器具ホルダの付近にレボリュート関節を有する例示的なマニピュレータアームの連続した図である。 ０°の角度変位から９０°の角度変位に先端側レボリュート関節を駆動させることによる回避動作を示す図である。 ０°の角度変位から９０°の角度変位に先端側レボリュート関節を駆動させることによる回避動作を示す図である。 例示的なマニピュレータ・アセンブリについてゼロ空間とヤコビアンのゼロ−垂直空間との間の関係を図式的に表す図である。 例示的なマニピュレータ・アセンブリについてゼロ空間とヤコビアンのゼロ−垂直空間との間の関係を図式的に表す図である。 多くの実施形態による方法を示す簡略化したブロック図である。 多くの実施形態による方法を示す簡略化したブロック図である。

本発明は、概して、改良された手術及びロボット装置、システム、及び方法を提供する。本発明は、複数の手術用ツール又は器具が、外科手術中に、関連する複数のロボット操作用マニピュレータ上に取り付けられており、且つこれらのマニピュレータによって移動されるような手術用ロボットシステムでの使用に特に有利である。ロボットシステムは、大抵の場合、マスター・スレーブ制御装置として構成されたプロセッサを含むような、遠隔ロボット、遠隔手術、及び／又はテレプレゼンス・システムを含む。マニピュレータ・アセンブリを移動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に、比較的大きい数の自由度を有する多関節リンク機構を設けることによって、リンク機構の動きは、最小侵襲性アクセス部位を介して作業に合わせて調整することができる。多数の自由度によって、エンドエフェクタの所望状態を維持しながら、患者の外面から離れる方向にリンク機構を移動させるように、運動学的ヤコビアンのゼロ空間内でのマニピュレータ・アセンブリのリンク機構の再構成を可能にする。いくつかの実施形態では、システムは、マニピュレータアームの一部と患者の外面との間の距離が所望の値未満である場合を判定し、次に、患者の外面から離れる方向にマニピュレータアームを移動させるように、それぞれのゼロ空間内に関節を延ばすような計算された回避動作に従って関節を駆動させる。大抵の場合、マニピュレータアームの関節は、外科手術中に、先端側エンドエフェクタの命令された移動運動と同時に、計算された回避動作に従って駆動される。

本明細書に記載されるロボット操作用マニピュレータ・アセンブリは、大抵の場合、ロボット操作用マニピュレータと、そのマニピュレータ上に取付けられたツールとを有する（ツールは、大抵の場合、外科用の手術器具を有する）が、用語「ロボットアセンブリ」は、そのマニピュレータ上に取付けられたツールを用いないようなマニピュレータも包含する。用語「ツール」は、汎用又は産業用ロボットツールと専門のロボット手術器具の両方を包含し、後者である専門のロボット手術器具の構造は、大抵の場合、組織の操作、組織の治療、組織の画像化等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、大抵の場合、代替ツールを用いてツールの迅速な取外し及び交換を可能にするクイック取外しツールホルダ又は結合器である。マニピュレータ・アセンブリは、大抵の場合、ロボット手術の少なくとも一部の間に、空間内に固定されたベースを有しており、マニピュレータ・アセンブリは、このベースと、ツールのエンドエフェクタとの間に多数の自由度を含んでもよい。エンドエフェクタの作動（例えば、把持装置の顎部の開閉、電気外科パドルへの通電等）は、大抵の場合、これらマニピュレータ・アセンブリの自由度から分離され、及び追加されている。

エンドエフェクタは、典型的に、２〜６の自由度で作業空間内を移動する。本明細書で使用されるように、用語「位置」は、位置と向きとの両方を包含する。従って、（例えば）エンドエフェクタの位置の変化は、第１の位置から第２の位置へのエンドエフェクタの並進、第１の向きから第２の向きへのエンドエフェクタの回転、又はこれらの両方の組み合わせを含んでもよい。低侵襲性ロボット手術に使用するときに、マニピュレータ・アセンブリの動きは、シャフト並びに、ツール又は器具の中間部分が、最小侵襲性手術用アクセス部位又は他の開口部を介して安全な動作で拘束されるように、システムのプロセッサによって制御することができる。例えばこのような動作は、シャフトを開口部位を通して外科用作業空間に挿入する挿入軸線、その軸線の回りのシャフトの回転、アクセス部位に隣接する旋回点の周りにシャフトを旋回させる旋回動作を含むことができる。

本明細書中に記載される例示的なマニピュレータ・アセンブリの多くは、エンドエフェクタを手術部位内に位置決め及び移動させるために必要とされるよりも多くの自由度を有する。例えば、いくつかの実施形態では、最小侵襲性開口部を介して内部手術部位において６つの自由度で位置決めされた手術用エンドエフェクタは、９つの自由度（エンドエフェクタについて６つの自由度（位置について３つの自由度、向きについて３つの自由度）、アクセス部位の拘束に適合するようにさらに３つの自由度）を有するが、１０以上の自由度を有することもある。エンドエフェクタの所定位置のために必要とされるよりも多くの自由度を有する高度に設定可能なマニピュレータ・アセンブリが、作業空間内においてエンドエフェクタの位置についての関節状態の範囲を可能にするような十分な自由度を有する又は提供するものとして説明される。例えば、エンドエフェクタの所定位置について、マニピュレータ・アセンブリは、マニピュレータのリンク機構の代替的な位置の範囲のいずれかを占めることができる（その間に駆動される）。同様に、エンドエフェクタの所定の速度ベクトルについて、マニピュレータ・アセンブリは、ゼロ空間内にマニピュレータ・アセンブリの様々な関節について、異なる速度の関節運動の範囲を有し得る。

本発明は、広い可動域が望まれる外科（及びその他の）用途に特に適したロボットのリンク構造体を提供し、限られた専用容積が、他のロボットリンク機構、手術従事者及び外科機器等の存在のために、利用可能になる。各ロボットのリンク機構のために必要とされる大きな可動域及び減少した容積は、ロボット支持構造体の位置と、外科的又は他の作業空間との間により大きな柔軟性も提供し、それによって、セットアップを容易にし且つ高速化する。

用語、関節等の「状態」は、大抵の場合、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、角度関節の状態は、その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すことができる。同様に、軸線方向関節又は直動(prismatic)関節の状態は、関節の軸線方向の位置、及び／又はその軸線方向速度を指すことができる。本明細書中に記載される制御装置の多くは、速度制御装置を含むが、それら速度制御装置は、大抵の場合、いくつかの位置制御の態様も有している。代替実施形態は、位置制御装置、加速度制御装置等に主に又は完全に依拠することができる。そのような装置で使用される制御システムの多くの態様が、米国特許第６，６９９，１７７号に記載されており、この文献の全体の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。こうして、記載される運動が、関連する計算に基づく限り、本明細書に記載される関節の運動及びエンドエフェクタの運動の計算は、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等を用いて行うことができる。

特定の実施形態では、例示的なマニピュレータアームのツールは、低侵襲性開口部に隣接する旋回点の周りを旋回する。いくつかの実施形態では、システムは、米国特許第６，７８６，８９６号に記載される遠隔センタ運動学等のハードウェア遠隔センタを利用することができ、この文献の内容は、その全体が本明細書に組み込まれる。このようなシステムは、マニピュレータによって支持される器具のシャフトが、遠隔センタ点の周りを旋回するようにリンク機構の動きを拘束する二重平行四辺形リンク機構を利用することができる。代替の機械的に拘束された遠隔センタのリンク機構システムが、知られており、及び／又は将来開発され得る。驚くべきことに、本発明に関連する研究は、遠隔センタのリンク機構システムが、高度に設定可能な運動学的なアーキテクチャから利益を得ることができることを示す。特に、手術用ロボットシステムが、最小侵襲性手術用アクセス部位において又はその付近で交差する２つの軸線の回りの旋回運動可能にするようなリンク機構を有するときに、球状の旋回運動は、患者内の所望の可動域の全範囲を包含することができるが、依然として回避可能な欠点（不十分に条件付けされ、アームとアームとの間又はアームと患者との間で受けやすい患者の外部との接触等）に悩まされる。まず、アクセス部位において又はその付近に旋回動作に対して機械的に拘束されるような１つ以上の自由度を追加することは、可動域のいくつか又はいずれかの改良を提供するように思えるかもしれない。それにもかかわらず、そのような関節は、他の外科手術のための可動域をさらに拡張する等することにより、システム全体が、衝突防止姿勢に構成され又は衝突防止姿勢に向けて駆動することを可能にすることによって、重要な利点を提供することができる。他の実施形態では、システムは、米国特許第８，００４，２２９号に記載されるような遠隔センタを実現するためのソフトウェアを利用することができ、この文献の全体の内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。ソフトウェアの遠隔センタを有するシステムでは、機械的な拘束によって定まる旋回点とは対照的に、プロセッサは、計算された旋回点の位置の周りに器具シャフトの中間部分を旋回させるように、関節運動を計算する。ソフトウェアの旋回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異なるモードを、選択的に実行することができる。より具体的には、旋回点／中心の範囲に亘った異なるシステムモード（例えば、可動旋回点、受動旋回点、固定／剛性旋回点、ソフト旋回点）は、必要に応じて実現することができる。従って、本発明の実施形態は、ソフトウェア・センタ・アームとハードウェア・センタ・アームとを含む様々なタイプのマニピュレータアームで使用するのに適している。

多重化されるように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拘わらず、マニピュレータが、ベースと器具との間の比較的多数の関節及びリンクを含んでいるため、マニピュレータアームの動きは、特に複雑になることがある。構成の取り得る範囲及びマニピュレータアームの可動域が増加するにつれて、先端側エンドエフェクタの基端のマニピュレータアームの一部と患者の外面との間でアームと患者との衝突の可能性が高くなる。例えば、本明細書に記載されるように、低侵襲性開口部に隣接する遠隔センタの周りに旋回するような先端側ツールを有するマニピュレータアームのかなりの可動域によって、マニピュレータアームの機構又はマニピュレータアーム自体の先端側リンクが、患者の外面に接触及び／又は衝突することを可能になる。このような接触が、マニピュレータアームの複雑な動きに起因して発生する時点を、ユーザが予測することは困難であるので、本発明は、マニピュレータアームの先端部分又はツールの所望の状態を維持しながら、マニピュレータアームの回避動作を計算するとともに、この回避動作をもたらすために関節を駆動させることにより、アームと患者との間の衝突を回避する。

本発明の実施形態は、回避動作を計算するプロセッサを含み、このプロセッサは、典型的に、マニピュレータアームの基準又は回避形状と患者の表面との間の距離が不十分であるとの判定に応答して、アームと患者との間の衝突を回避するように、マニピュレータの構造をヤコビアンのゼロ空間内で再構成するための運動学的リンク機構の従動関節の使用を容易にする。一態様では、システムは、規定された「回避形状」と「障害物表面」との間の関係を解析することによって、マニピュレータアームと患者の外面との間の距離を決定し、この回避形状は、マニピュレータアーム上の１つ又は複数の基準に対応し、障害物表面は、患者の外面に対応する。いくつかの実施形態では、システムは、回避形状と障害物表面との間の距離を求め、この距離が所望の距離（ｘ）未満である場合には、システムは、基準形状と障害物表面との間に少なくとも所望の距離を維持するように、運動学的連鎖の回避動作を計算する。所望の距離（ｘ）は、所定の距離であってもよく、所定の関節状態に基づく距離範囲であってもよい。例えば、所望の距離は、患者表面の付近の関節の速度又は患者付近のマニピュレータアームの特定の構成に依存して変更してもよい。

特定の実施形態では、基準形状は、１つ又は複数の突起又はマニピュレータアームに関連する機構に対応する１つ又は複数の基準点を含み、障害物表面は、外科手術中に、患者の外面に対応する近似やモデル化された表面である。典型的には、基準形状は、先端側関節等の先端ツール付近のマニピュレータアームの先端部分の機構に対応する１つ又は複数の点を含む。典型的には、回避動作が、計算されたマニピュレータの動作とは別の計算された動きであるが、この動きは、命令されたエンドエフェクタの操作の動作と同時に回避動作をもたらすように、制御装置によって組み合わされる。手術システムの制御装置は、その上に記録された関節制御装置のプログラミング命令又はコードを有する読み取り可能なメモリを備えたプロセッサを含むことができ、それら命令又はコードは、制御装置が、患者の外面との衝突を回避する及び／又はエンドエフェクタの所望の動作をもたらすために所望の再構成を生じさせることを可能にするように、プロセッサが関節を駆動するために適した関節コマンドを導出することを可能にする。

以下の説明において、本発明の様々な実施形態を説明する。説明目的のために、特定の構成及び詳細が、実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明を特定の詳細なしに実施できることは当業者には明らかであろう。さらに、周知の機構は、説明される実施形態を不明瞭にしないために、省略又は簡略化される。

ここで図面を参照すると、同様の参照符号は、いくつかの図面を通じて同様の部品を表す。図１Ａは、多くの実施形態に従った、手術台１４上に横たわっている患者１２に低侵襲性診断又は外科手術を行う際に使用される低侵襲性ロボット手術（ＭＩＲＳ）システム１０の上面図である。このシステムは、手術中に外科医１８によって使用される外科医側コンソール１６を含むことができる。１人以上のアシスタント２０が、手術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（手術用ロボット）と電子機器カート２４をさらに含むことができる。患者側カート２２は、外科医１８がコンソール１６を通じて手術部位を視認しながら、少なくとも１つの着脱可能に結合されたツールアセンブリ２６（以下、単に「ツール」という）を患者１２の体内の最小侵襲性切開部を介して操作することができる。手術部位の画像は、立体内視鏡等の内視鏡２８により得ることができ、この内視鏡は、内視鏡２８を向合せさせるように、患者側カート２２によって操作することができる。電子機器カート２４を使用し、後続の表示のために手術部位の画像を処理して、外科医側コンソール１６を介して外科医１８に表示することができる。一度に使用される手術用ツール２６の数は、一般的に、診断又は外科手術、及び他の要因の中で手術室内の空間的制約に依存するであろう。手術中に使用される１つ以上のツール２６を変更する必要がある場合に、アシスタント２０は、患者側カート２２からツール２６を取り外すことができ、手術室内のトレイ３０からの別のツール２６をその取り外したツールと置き換えることができる。

図１Ｂは、（図１ＡのＭＩＲＳシステム１０等の）ロボット手術システム５０を示す概略図である。上述したように、（図１Ａの外科医側コンソール１６等の）外科医側コンソール５２は、低侵襲性手術中に外科医によって使用されて、（図１Ａの患者側カート２２等の）患者側カート（手術ロボット）５４を制御することができる。患者側カート５４は、立体内視鏡等の撮像装置を使用して、手順部位の画像を捕捉することができ、捕捉した画像を（図１Ａの電子機器カート２４等の）電子機器カート５６に出力することができる。上述したように、電子機器カート５６は、後続の表示の前に、取得した画像を様々な方法で処理することができる。例えば、電子機器カート５６は、合成画像を外科医側コンソール５２を介して外科医に表示する前に、取得した画像を仮想制御インターフェイスに重ねる（オーバーレイする）ことができる。患者側カート５４は、電子機器カート５６の外部で処理するために取得し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、取得した画像を、この取得した画像を処理するために使用されるプロセッサ５８に出力することができる。画像は、電子機器カート５６及びプロセッサ５８を組み合わせることによっても処理することができ、この画像は、取得した画像を一緒に、順番に、及び／又はこれらの組み合わせで処理するように、結合することができる。１つ又は複数の別個のディスプレイ６０は、プロセッサ５８に結合することができ、及び／又は手術部位の画像等の局所的及び／又は遠隔表示画像又は他の関連画像のための電子機器カート５６に結合することができる。

図２は、外科医側コンソール１６の斜視図である。外科医側コンソール１６は、深さの知覚を可能にするような手術部位の調整された立体視を外科医１８に表示するための左眼用ディスプレイ３２と右眼用ディスプレイ３４とを含む。コンソール１６は、１つ又は複数の入力制御装置３６をさらに含んでおり、この入力制御装置によって、次に、（図１Ａに示される）患者側カート２２に１つ又は複数のツールを操作させる。入力制御装置３６は、外科医にテレプレゼンスを提供するように、（図１Ａに示される）それら関連するツール２６に同じ自由度を提供することができ、又は外科医がツール２６を直接的に制御するための強く認識できる感覚を有するように、入力制御装置３６がツール２６と一体であるという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、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ（図示せず）が、位置、力、及び触覚感覚を、ツール２６から入力制御装置３６を介して外科医の手に再び送信するために用いることができる。

外科医側コンソール１６は、通常、外科医が手術を直接的に監視できるように、必要に応じて物理的に存在するように、そして電話又は他の通信媒体を介して話すのではなく、アシスタントに直接的に話すように、患者と同じ部屋に位置している。しかしながら、外科医は、遠隔の外科手術を可能にするように、別の部屋、完全に異なる建物、又は患者から遠隔の他の位置に位置することができる。

図３は、電子機器カート２４の斜視図である。電子機器カート２４は、内視鏡２８に結合することができ、後続の表示のために取得した画像を処理するためのプロセッサを含むことができ、処理した画像を外科医側コンソール上で、又は局所的に及び／又は遠隔に位置する別の適切なディスプレイ上で外科医に表示する。例えば、立体内視鏡が使用される場合に、電子機器カート２４は、手術部位の調整された立体画像を外科医に提示するように、取り込まれた画像を処理することができる。このような調整は、対向する画像同士間の位置合わせを含むことができ、且つ立体内視鏡の立体作業距離の調節も含むことができる。別の例として、画像処理は、光学収差等の画像取込装置の結像誤差を補償するように、以前に決定されたカメラ較正パラメータの使用を含むことができる。

図４は、複数のマニピュレータアーム有する患者側カート２２を示しており、各アームは、手術器具又はツール２６をマニピュレータアームの先端端部に支持する。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を含んでおり、これらアームは、手術用ツール２６、又は手術部位の画像を捕捉するために使用される立体内視鏡等の撮像装置２８のいずれかを支持するために使用できる。操作は、多数のロボット関節を有するロボット操作用マニピュレータアーム１００によって提供される。撮像装置２８及び手術器具２６は、運動学的遠隔センタが、切開部に維持されて切開部の大きさを最小にするように、患者の切開部を介して位置決めされ且つ操作することができる。手術部位の画像は、手術器具又はツール２６が、撮像装置２８の視野内に配置されたときに、手術器具又はツール２６の先端端部の画像を含むことができる。

手術用ツール２６に関して、種々の代替のロボット手術用ツール又は異なる種類の器具及び様々なエンドエフェクタが、外科手術中に取り外され、置き換えられた少なくともいくつかのマニピュレータの器具に使用することができる。DeBakey鉗子、マイクロピンセット、ポッツはさみ、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、エンドエフェクタの顎部（又はブレード）のペアを規定するように、互いに対して旋回するような第１及び第２のエンドエフェクタ要素を含む。エンドエフェクタの顎部を有する器具について、顎部は、大抵の場合、ハンドルの把持部材を絞ることによって作動される。メス及び電気メス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部材（例えば、単一の「フィンガ」）を有する。単一のエンドエフェクタ器具は、例えば器具チップへの電気焼灼エネルギーの送達をトリガするように、把持部材を把持することによって作動させることもできる。

器具２６の細長いシャフトによって、エンドエフェクタ及びシャフトの先端端部を、低侵襲性開口部を介して、大抵の場合腹壁等を介して手術作業部位に先端方向に挿入することを可能にする。手術作業部位にガス注入することができ、患者内のエンドエフェクタの動きは、大抵の場合、シャフトが低侵襲性開口部を通過する位置の周りに器具２６を旋回させることによって、少なくとも部分的に達成される。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きを提供するのに役立つように、シャフトが最小侵襲性開口部の位置を通って延びるように、器具の基端側ハウジングを患者の外部に移動させる。こうして、マニピュレータ１００は、大抵の場合、外科手術中に、患者Ｐの外側で大きな動きを受けることになる。

本発明の多くの実施形態による例示的なマニピュレータアームは、図５Ａ〜１３Ｃを参照して理解することができる。上述したように、マニピュレータアームは、一般的に、先端側器具や手術用ツールを支持しており、ベースに対する器具の動きをもたらす。異なるエンドエフェクタを有する多数の異なる器具が、（典型的には、外科助手の助けを借りて）外科手術中に、各マニピュレータに順番に取り付けられる際に、先端側器具ホルダは、好ましくは、取り付けられた器具又はツールの迅速な取外し及び交換を可能にする。図４を参照して理解することができるように、マニピュレータは、患者側カートのベースに対して基端側に取り付けられる。典型的には、マニピュレータアームは、ベースと先端側器具ホルダ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。一態様では、例示的なマニピュレータは、マニピュレータアームの関節がエンドエフェクタの所定位置について異なる構成の範囲に亘って駆動することができるように、冗長自由度を有する複数の関節を含む。これは、本明細書に開示されたマニピュレータアームの実施形態のいずれの場合でも適用される。

図５Ａに示されるような特定の実施形態では、例示的なマニピュレータアームは、関節のマニピュレータアームの先端端部を関節軸線の回りに周転(revolve)するように、第１関節軸線の回りに回転するような基端側レボリュート関節Ｊ１を含む。いくつかの実施形態では、レボリュート関節Ｊ１は、ベースに直接取り付けられるが、他の実施形態では、関節Ｊ１は、１つ以上の可動リンク機構又は関節に取り付けてもよい。組み合わされた、マニピュレータの関節は、マニピュレータアームの関節が、エンドエフェクタの所定位置について異なる構成の範囲内で駆動することができるような、冗長自由度を有している。例えば、図５Ａ〜図５Ｄのマニピュレータアームは、異なる構成で操作することができる一方、器具ホルダ５１０内に支持された（ツール５１２又は器具シャフトが貫通するカニューレ等の）先端部材５１１が、特定の状態を維持しており、且つエンドエフェクタの所定の位置又は速度を含むことができる。先端部材５１１は、典型的には、ツールシャフト５１２を通って延びるカニューレであり、器具ホルダ１０は、典型的には、器具が、カニューレ５１１を通って延びる前に、低侵襲性開口部を介して患者の体内に取り付けられる（スパー(spar)で並進する煉瓦状構造として示される）キャリッジである。

図５Ａ〜図５Ｄのマニピュレータアーム５００の個々のリンクを、図５Ａ〜図５Ｄに示されるようにリンクを接続する関節の回転軸線に沿って説明する。第１リンク５０４は、その関節軸線の回りを旋回するような旋回関節Ｊ２から先端方向に延びており、その関節軸線の回りを回転するようなレボリュート関節Ｊ１に結合される。図５Ａに示されるように、関節の残りの多くは、それら残りの関節に関連する回転軸線によって同定することができる。例えば、示されるように、第１リンク５０４の先端端部は、その旋回軸線の回りを旋回するような、旋回関節Ｊ３での第２リンク５０６の基端端部に結合され、第３リンク５０８の基端端部は、その軸線の回りを旋回するような、旋回関節Ｊ４での第２リンク５０６の先端端部に結合される。第３リンク５０８の先端端部は、旋回関節Ｊ５での器具ホルダ５１０に結合される。典型的には、関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５のそれぞれの旋回軸線は、実質的に平行であり、且つ図５Ｄに示されるように、互いに隣接して位置付けされたときに、リンク機構は、マニピュレータアームの減少幅ｗを提供するとともにマニピュレータ・アセンブリの操縦中の患者クリアランスを向上させるように、「スタック(stacked)」されるように見える。いくつかの実施形態では、器具ホルダは、低侵襲性開口部を介して器具３０６の軸線方向の移動を容易にするとともに、器具が摺動自在に挿通されたカニューレに対して器具ホルダの取り付けを容易にするような直動関節Ｊ６等の追加の関節も含む。

カニューレ５１１の先端部材は、器具ホルダ５１０の先端側に追加の自由度を含むことができる。機器の自由度の作動は、大抵の場合、マニピュレータのモータで駆動され、代替実施形態は、クイック取り外し可能な器具ホルダ／器具インターフェイスにおいて、器具を、支持マニピュレータ構造から分離することができ、それによって、器具上に存在するものとしてここで示される１つ以上の関節が、代わりに、インターフェイス上に存在し、またその逆になる。いくつかの実施形態では、カニューレ５１１は、ツールチップの挿入点又はツールのシャフトが低侵襲性開口部に隣接して旋回するような遠隔センタＲＣの付近に又はその基端側に回転関節Ｊ７（図示せず）を含む。器具の先端側手首によって、カニューレ５１１を通って延びる手術器具５１２のエンドエフェクタが、器具の手首における１つ以上の関節の器具関節軸線の回りを旋回する旋回運動を可能にする。エンドエフェクタの顎部要素同士の間の角度は、エンドエフェクタの位置及び向きとは独立して制御することができる。

特定の実施形態では、システムは、マニピュレータアームの要素又は機構に対応するような１つ以上の基準点、セグメント、又は容積を含む「回避形状」７００を規定する。例えば、大抵の場合、「スパー」リンク機構と呼ばれる、器具カニューレ５１１と接合するリンク機構５１０の先端端部は、一般的に、ツールが手術作業空間内に位置決めされたときに、患者に向けて突出する。時には「スパーナックル」と呼ばれるこの機構は、器具カニューレ５１１がその遠隔センタＲＣの周りを回転する際に、患者の外面と潜在的に接触する又は衝突する可能性として懸念されている。従って、このような衝突を回避するために、システムは、「回避形状」を規定し、典型的には、「回避形状」の位置又は速度を決定する関節センサを使用して、患者の表面への近接度合いを判定する。実施形態は、患者の表面の近接度合いを局所的に感知できるような、従動リンク又はスレーブに取り付けられた近接センサを使用することもできる。例示的な実施形態では、回避形状７００は、「スパーナックル」７０２に対応する基準を含むが、外科手術中に患者の表面に潜在的に衝突する可能性があるような、器具の手首付近の部分７０４又はリンク機構５０４の先端部分等の、マニピュレータアームの他の機構に対応する追加の基準を含むことができる。

図６Ａ及び図６Ｂに示される実施形態では、マニピュレータアームの「回避形状」と患者の外面に対応する「障害物表面」との両方が、規定される。この実施形態では、患者の外面の位置が、障害物表面８００を、概して水平面である、遠隔センタを通って延びる平面として規定することによっておおよそ近似される。ツールの器具シャフトが、低侵襲性開口部に隣接する遠隔センタの周りを旋回するので、患者の外面は、低侵襲性開口部から水平方向に延びると想定される。従って、障害物表面８００は、遠隔センタ位置での患者の外面の位置を最も正確に表す。マニピュレータアームの機構の位置は、回避形状７００として総称される２つの基準点７０２，７０４によって近似される。マニピュレータアームの命令された移動中の回避形状の位置及び／又は速度は、一般的に、関節状態センサを使用して決定され、システムは、回避形状と障害物表面との間の最短距離ｄを決定することができる。アームと患者との間の可能性のある又は潜在的な衝突を示すような、距離ｄが所望の値未満であるという判定に応答して、システムは、回避形状７００と障害物表面８００との間の距離ｄを増加させように、マニピュレータアームに関連付けられたヤコビアンのゼロ空間内に関節の調整された回避動作を計算し、次に、計算された運動に従って関節を駆動させる。関節の回避動作が、ゼロ空間内に延びるように計算されるので、この運動によって、マニピュレータアームの先端部分又はエンドエフェクタの所望の状態を維持し、それによって、回避動作は、エンドエフェクタの所望の状態をもたらすように、マニピュレータアームの命令された動きと組み合わせることができる。

図７の例示的な実施形態例では、障害物表面８００は、典型的な患者の外面をより厳密に近似するようなモデル化された表面として規定される。障害物表面８００は、患者の外面に対応する種々の輪郭又は形状でモデル化することができ、又は関節センサ、光センサ、超音波センサを含む様々なソースからの位置データを組み込むようにモデル化することができる。いくつかの実施形態では、障害物表面８００は、図７の障害物表面８００に示されるような、２つ以上の遠隔センタ位置を通ってモデル化された表面を拡張することによって近似され、表面は、３つの遠隔センタＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３を通って延びており、そして、例えば患者の胴体等の手術部位において典型的な患者の外面をより厳密に表すような円筒形、球状又は凸状の形状を近似する。患者の外面の位置をより正確に近似することにより、マニピュレータｄ１，ｄ２，ｄ３のそれぞれの間の最短距離が、所望される値未満であるときに、計算された回避動作に従ってマニピュレータアームの関節を駆動させることによりアームと患者との間の衝突を依然として回避しながら、システムは、３つのマニピュレータアームのそれぞれについての増大した動作範囲を可能にする。

多くの実施形態によれば、回避動作は、マニピュレータアームと患者の表面との間の「最近接点」を決定することを含むような多数の異なる方法に従って計算することができる。最近接点は、マニピュレータの位置や関節センサを介した状態を知ることに基づく計算を使用して決定することができ、又は外部センサ、ビデオ、ソナー、容量性センサ、タッチセンサ等の他の適切な手段を用いて近似することができる。

１つのアプローチでは、プロセッサは、マニピュレータアームの作業空間における回避ベクトルを計算し、この回避ベクトルを関節速度空間に変換し、次に、この結果を用いて、このベクトルをゼロ空間上に投影して回避動作を得る。プロセッサは、最近接点同士の間の反発力又は回避ベクトルを計算し、作業空間において、回避ベクトルを、マニピュレータアームと患者表面との間の「最近接」点の運動にマッピングし、次に所望の方向及び大きさを提供するようなゼロ空間係数（α）を決定して、最近接点が互いから離れる方向に移動させるように構成することができる。複数の相互作用点が、マニピュレータアーム上の種々の点又は機構と患者の表面との間で使用される場合に、それぞれ相互作用する機構から回避ベクトルに関連付けられたゼロ空間係数の結果は、合計（和）を用いて結合することができる。

別のアプローチでは、プロセッサは、ゼロ空間基底ベクトルを使用し、作業空間において、ベクトルを、マニピュレータの回避形状の運動に変換し、その後、作業空間のこれらベクトル及び回避ベクトルを、元のゼロ空間の基底ベクトルの係数に組み合わせることができる。プロセッサは、マニピュレータアームと患者表面との（例えば回避形状と障害物表面との）最近接点同士の間の反発力又は回避ベクトルを計算し、ちょうど説明したように、これらのベクトルを回避ベクトルと組み合わせるように構成することができる。マニピュレータアーム上の複数の機構が使用される場合に、結果として生じる関節速度ベクトル又はゼロ空間係数は、最小二乗法又は他の方法を用いて組み合わせることができる。

１つの態様では、任意数の関節の駆動を含むように、あるいはまた、マニピュレータアームの特定の関節の駆動を回避するように、回避動作を計算することができる。例えば、図８に示されるマニピュレータアームにおいて、回避動作は、（図示の実施形態において、関節Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５が、平行四辺形配列を含んでおり、同じ状態を共有しているが、）関節のＪ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５の様々な組み合わせの駆動を含み、あるいはまた、マニピュレータアームをゼロ空間内に移動させるように、関節Ｊ６だけでなく必要に応じて任意の他の関節も駆動するように計算することができる。図８に示されるマニピュレータアームの関節Ｊ６は、随意に、器具ホルダ５１０をマニピュレータアーム５０８の先端リンクに結合するような関節として使用することができる。関節Ｊ６によって、器具ホルダ５１０が、関節Ｊ６の軸線の回りにねじる又は周転することが可能になり、この軸線は、典型的には、遠隔センタ又は挿入ポイントを通過する。理想的には、関節軸線は、アームの先端方向に位置しており、従って、挿入軸線の向きを移動させるのに特に適している。この冗長軸線を追加することにより、マニピュレータが任意の単一の器具チップ位置について複数の位置を想定することを可能にし、それによって、患者の解剖学的構造との衝突を同時に回避しながら、器具チップが外科医のコマンドに従うことを可能にする。関節Ｊ６の軸線、関節Ｊ１の軸線及びカニューレ５１１を通って延びるツールチップの挿入軸線との間の関係が、図９に示される。図１０Ａ〜図１０Ｃは、関節Ｊ６がツールチップの挿入軸線を左右にシフトする際の、関節軸線の回りのカニューレ５１１の順次のねじれや旋回運動を示している。

図１１Ａ〜図１１Ｂは、本発明による関節Ｊ６の使用の一例を示す図である。図１１Ａは、関節Ｊ６の角度変位が０°のままであるようなマニピュレータアームを示しており、回避形状７００の基準点７０２と障害物表面８００との間の最短距離は、距離ｄである。距離ｄが所望の値未満であるという判定に応答して、システムは、ゼロ空間内での回避動作を計算し、カニューレ５１１が旋回する遠隔センタＲＣを通過するような関節軸線の回りにカニューレ５１１及びリンク５１０をねじる又は旋回するように、関節Ｊ６を駆動させる。図１１Ｂは、その軸線回りに９０°の角度変位となるように駆動された関節Ｊ６を含むマニピュレータアームを示す。示されるように、カニューレ５１１の動作によって、回避形状の最近接点７０２と障害物表面８００との間の距離ｄが増大する。従って、本発明は、関節Ｊ６等の先端側関節の駆動を含むように回避動作を計算することにより、アームと患者との間の衝突を抑制することができる。

例示的な実施形態では、マニピュレータの関節運動は、システムのモータを使用して制御装置により１つ又は複数の関節を駆動することによって制御され、関節は、制御装置のプロセッサによって計算され、調整された関節運動に従って駆動される。数学的には、制御装置は、ベクトル及び／又は行列を使用して関節コマンドの計算の少なくとも一部を実行することができ、そのうちのいくつかは、関節の構成又は速度に対応する成分を有することができる。プロセッサに利用可能な代替の関節構成の範囲は、関節空間として概念化することができる。例えば、関節空間は、マニピュレータが自由度を有するように、多くの次元を有することができ、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表すことができ、各座標は、マニピュレータの関連する関節の関節状態に対応する。

例示的な実施形態では、システムは、直交座標空間の命令された位置及び速度が入力される制御装置を含む。一般的に、所望の直交座標空間の位置を等価な関節空間の位置にマッピングするような閉形式(closed form)の関係が存在しないが、直交座標空間と関節空間の速度との間に閉形式の関係が一般的に存在し、それによって、運動学的ヤコビアンを使用して、関節空間の速度を直交座標空間の速度にマッピングすることができる。従って、入力位置と出力位置との間に閉形式のマッピングが存在しない場合であっても、ヤコビアンベースの制御装置のような関節の速度のマッピングを反復的に使用して、命令されたユーザ入力からマニピュレータの動きを実現することができるが、様々な実施形態を使用することができる。

例示的な実施形態では、システムは、その直交座標空間として本明細書で示される作業空間における機構の命令された位置及び速度が入力されるような制御装置を含む。この機構は、制御入力部を使用して関節運動するような制御フレームとして使用できるようなマニピュレータ上の、又はマニピュレータから離れた任意の機構であり得る。本明細書に記載される様々な実施例で使用されるマニピュレータ上の機構の例は、ツールチップであろう。マニピュレータ上の機構の他の例は、ツールチップ上に存在しないが、ピン又はペイントパターン等のマニピュレータの一部である物理的な機構であろう。マニピュレータから離れた機構の例は、ツールチップから離れる正確な一定の距離及び角度である空き空間の基準点となる。マニピュレータから離れた機構の別の例は、マニピュレータに対する位置が確立された標的組織であろう。これら全ての場合において、エンドエフェクタは、制御入力部を使用して関節運動されるような仮想制御フレームに関連付けられる。ただし、以下では、「エンドエフェクタ」と「ツールチップ」とは、同義的に使用される。一般的には、直交座標空間のエンドエフェクタの所望の位置を等価の関節空間の位置にマッピングするような閉形式の関係は存在しないが、一般的に、直交座標空間のエンドエフェクタと関節空間の速度との間に閉形式の関係が存在する。運動学的ヤコビアンは、関節空間位置要素に対するエンドエフェクタの直交座標空間の位置要素の偏導関数の行列である。このように、運動学的ヤコビアンは、エンドエフェクタと関節との間の運動学的関係をキャプチャする。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動作の影響を捕捉する。運動学的ヤコビアン（Ｊ）は、以下の関係を用いて、関節空間の速度（ｄｑ／ｄｔ）を直交座標空間のエンドエフェクタ速度（ｄｘ／ｄｔ）にマッピングするために使用することができる。
ｄｘ／ｄｔ＝Ｊ ｄｑ／ｄｔ

このように、入力位置と出力位置との間に閉形式のマッピングが存在しない場合であっても、速度のマッピングは、ヤコビアンベースの制御装置で、反復的に使用することができ、命令されたユーザ入力からマニピュレータの動きを実現する。しかしながら、様々な実装形態を使用することができる。多くの実施形態は、ヤコビアンベースの制御装置を含んでいるが、いくつかの実装形態は、本明細書で記載した機構のいずれかを提供するために、ヤコビアンにアクセスするように構成された各種制御装置を使用することができる。

そのような実装形態は、以下の簡略化された用語で記述される。命令された関節位置は、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）中に、直交座標空間速度（ｄｘ／ｄｔ）は、所望の移動（ｄｘ_ｄｅｓ／ｄｔ）を実行するとともに、所望の直交座標空間の位置から偏差（Δｘ）を構築するように補正するために計算される。この直交座標空間の速度は、次に、ヤコビアンの擬似逆行列（Ｊ^＃）を用いて、関節空間の速度（ｄｑ／ｄｔ）に変換される。得られた関節空間の命令速度は、次に、関節空間の命令位置（ｑ）を生成するために積分される。これらの関係は次の通りである。
ｄｘ／ｄｔ＝ｄｘ_ｄｅｓ／ｄｔ＋ｋΔｘ （１）
ｄｑ／ｄｔ＝Ｊ^＃ｄｘ／ｄｔ （２）
ｑ_ｉ＝ｑ_ｉ−１＋ｄｑ／ｄｔΔｔ （３）

ヤコビアン（Ｊ）の擬似逆行列は、所望のツールチップ動作（いくつかの場合では、旋回ツール動作の遠隔センタ）を関節速度の空間内に直接的にマッピングする。使用されるマニピュレータが、（６までの）ツールチップの自由度より多くの有用な関節軸線を有している場合に、（そして、ツール動作の遠隔センタが使用されるときに、マニピュレータは、遠隔センタの位置に関連付けられた３つの自由度について追加の３つの関節軸線を有する必要がある）、次に、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行列は、少なくとも１つの次元を有する「ゼロ空間」を含む。この文脈において、ヤコビアン（Ｎ（Ｊ））の「ゼロ空間」は、ツールチップ動作を瞬時に実現しないような関節速度の空間である（そして、遠隔センタが使用されるときに、旋回点の位置の移動がない）。そして「ゼロ動作」は、ツールチップ及び／又は遠隔センタの位置の瞬間的な移動を生成しないような、関節の位置の組み合わせ、軌道、又は経路である。計算されたゼロ空間の速度をマニピュレータの制御システムに組み込む又は注入して、（本明細書に記載される任意の再構成を含む）マニピュレータの所望の再構成を達成するには、上記の式（２）を以下のように変形する：
ｄｑ／ｄｔ＝ｄｑ_垂直／ｄｔ＋ｄｑ_ゼロ／ｄｔ （４）
ｄｑ_垂直／ｄｔ＝Ｊ^＃ｄｘ／ｄｔ （５）
ｄｑ_ゼロ／ｄｔ＝（１−Ｊ^＃Ｊ）ｚ＝Ｖ_ｎＶ_ｎ ^Ｔｚ＝Ｖ_ｎα （６）

式（４）による関節速度は、２つの成分を有する：第１の成分は、ゼロ−垂直空間成分、所望のツールチップ動作を生成する「純粋な(purest)」関節速度（最短ベクトルの長さ）（そして、遠隔センタが使用されるときに、所望の遠隔センタ動作）である。第２の成分は、ゼロ空間成分である。式（２）及び式（５）は、ゼロ空間成分なしで、同じ式が得られることを示している。式（６）は、左辺のゼロ空間成分についての従来の形式で始まり、最も右寄りの右辺で、例示的なシステムで用いられる形式を示している。ここで、（Ｖ_ｎ）は、ゼロ空間についての直交基底ベクトルのセットであり、（α）は、それら基底ベクトルをブレンドするための係数である。いくつかの実施形態では、αは、ゼロ空間内の動作を所望されるように形成又は制御するために、ノブ又は他の制御手段等の使用による制御パラメータ、変数又は設定によって決定される。

図１２Ａは、ヤコビアンのゼロ空間とヤコビアンのゼロ−垂線空間との関係を図式的に示す図である。図１２Ａは、水平軸線に沿ったゼロ空間と、垂直軸線に沿ったゼロ−垂直空間とを示す二次元の概略図を示しており、これら２つの軸線は、互いに直交する。対角ベクトルは、ゼロ空間における速度ベクトルとゼロ−垂直空間における速度ベクトルの和を表し、この和は、上記の式（４）を表す。

図１２Ｂは、ゼロ空間と、「ゼロ動作マニホールド」として示された４次元の関節空間内のゼロ動作マニホールドとの関係を図式的に示す。各矢印（ｑ１，ｑ２，ｑ３，ｑ４）は、主要な関節軸線を表す。閉曲線は、エンドエフェクタ位置を瞬時に実現するような、関節空間位置の集合であるゼロ動作マニホールドを表す。この閉曲線上の任意の点Ａについて、ゼロ空間は、エンドエフェクタの動作を瞬時に生じさせないような関節速度空間であるので、ゼロ空間は、点Ａでのゼロ動作マニホールドの接線に対して平行である。例示的な実施形態では、回避動作を計算することは、回避形状と障害物表面との間の距離を増大させるようなゼロ空間係数（α）を生成することを含み、それによって、患者に対するマニピュレータアームの距離を増大させる。

第１のアプローチでは、これは、高い潜在領域がマニピュレータアームと患者の外面との間のより短い距離を表し、且つ低い潜在領域がより長い距離を表すような、潜在領域を関節空間に生成することによって達成される。ゼロ空間係数（α）は、好ましくは可能な限り、潜在領域の負の勾配を下に傾斜させるように選択される。第２のアプローチでは、システムは、ゼロ空間の基底ベクトルを決定し、作業空間において、ゼロ空間の基底ベクトルを回避形状の結果として生じる動作にマッピングし、次に、回避形状と障害物表面との間の距離を増大させるような各基底ベクトルについてゼロ空間係数を選択し、それにより、患者に対する全体的なマニピュレータアームの距離を増大させる。

図１３〜図１４は、本発明の多くの実施形態に従った、アームと患者との間の衝突を回避するために、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１３は、上述した式に関連して、患者側カートの関節状態を制御するための一般的なアルゴリズムを実装する必要がある必須のブロックの簡略図を示している。図１３の方法によれば、システムは：マニピュレータアームの順方向運動学を計算し；次に、式（１）を用いてｄｘ／ｄｔを計算し、式（５）を用いてｄｑ_垂直／ｄｔを計算し；次に、前段落の説明に基づいて式（６）を使用してｄｑ_ゼロ／ｄｔを計算する。計算されたｄｑ_垂直／ｄｔ及びｄｑ_ゼロ／ｄｔから、システムは、式（４）及び式（３）使用してｄｑ／ｄｔ及びｑをそれぞれ計算し、それによって、エンドエフェクタの所望の状態及び／又は遠隔センタの位置を維持しながら、制御装置がマニピュレータの所望の再構成をもたらすような運動を提供する。

図１４は、システムの例示的実施形態のブロック図を示す。所望のチップの状態をもたらすためにユーザによって入力された操作命令に応答して、システムは、関節状態センサを使用して決定された現在の関節位置を使用して、所望のチップの状態をもたらすために、適切なヤコビアン、従ってｄｑ_垂直／ｄｔを計算する。現在の関節位置を使用して、マニピュレータアームの回避形状と患者の外面に対応する障害物表面との間の距離ｄを決定することもできる。マニピュレータアームの回避形状と患者の外面に対応する障害物表面との間の距離ｄが、臨界距離（Ｄ_最小）未満であるという判定に応答して、システムは、Ｄを増加させるような関節速度ｄｑ_ゼロ／ｄｔを決定し、次に、ｄｑ_垂直／ｄｔと組み合わせてｄｑ／ｄｔを得ることができ、それによって、アームと患者との間の衝突を同時に回避するような所望のチップの状態をもたらすために、関節（複数可）を駆動させる。

例示的な実施例は、理解を明確にするためにある程度詳細に及び実施例によって説明してきたが、種々の適合、修正、及び変更は、当業者には明らかであろう。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (16)

1. ロボットシステムであって、当該システムは、
   ベースと、
   該ベースに結合された基端部分、エンドエフェクタを支持するように構成された先端部分、及び前記ベースと前記先端部分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、共に、前記エンドエフェクタの所与の状態について前記複数の関節の異なる関節状態の範囲を可能にするのに十分な自由度を有しており、前記マニピュレータアームは、該マニピュレータアームの前記先端部分が動作中に遠隔中心の周りを旋回するように構成される、マニピュレータアームと、
   作業空間内で前記先端部分によって支持される前記エンドエフェクタの所望の状態をもたらすための操作コマンドを受信するように構成された入力装置と、
   前記マニピュレータアーム及び前記入力装置に結合されたプロセッサベースの制御装置と、を有しており、
   該制御装置は、
   前記操作コマンドに応答して、ヤコビアンのゼロ空間に直交する前記ヤコビアンのゼロ−垂直空間内の関節運動を計算することによって、前記複数の関節に関するエンドエフェクタの変位運動を決定することと、
   前記遠隔中心と交差する面を近似又はモデル化することによって、障害物表面を決定することと、
   前記マニピュレータアームと前記障害物表面との間のクリアランスを増大するように、前記ゼロ空間内の前記複数の関節の回避動作を決定することと、
   前記エンドエフェクタの前記所望の状態をもたらし、且つ前記マニピュレータアームと前記障害物表面との間の前記クリアランスを増大させるように、前記エンドエフェクタの変位運動及び前記回避動作に従って前記複数の関節を駆動することと、を含む動作を行うように構成される、
   システム。
2. 前記複数の関節は、前記回避動作に従って前記複数の関節が駆動されるのと同時に、前記エンドエフェクタの変位運動に従って駆動される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数の関節は、前記回避動作に従って駆動される前記複数の関節とは別に、前記エンドエフェクタの変位運動に従って駆動される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記先端部分は、前記エンドエフェクタに対して先端方向に延びるシャフトを有する器具を含むか、又は該器具を解放可能に支持するように構成されることによって、前記エンドエフェクタを支持するように構成される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記制御装置は、前記マニピュレータアームと前記障害物表面との間のクリアランスが不十分であると判定することを含む動作を行うようにさらに構成され、前記複数の関節は、前記マニピュレータアームと前記障害物表面との間のクリアランスが不十分であるとの判定に応答して、前記回避動作に従って駆動される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記複数の関節の前記回避動作を決定することは、前記エンドエフェクタの変位運動及び前記回避動作に従って、前記複数の関節の駆動中に前記エンドエフェクタの前記所望の状態が維持されるように前記回避動作を計算することを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記動作は、
   前記マニピュレータアームに関連する１つ又は複数のセンサを使用することによって前記障害物表面を決定することと、
   前記マニピュレータアームの要素又は機構に対応する回避形状を決定することと、
   前記障害物表面と前記回避形状との間の距離を増大させる前記ゼロ空間内の運動を決定することにより、前記マニピュレータアームと障害物表面との間の前記クリアランスを増大するように、前記ゼロ空間内の前記複数の関節の前記回避動作を決定することと、をさらに含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記制御装置は、
   前記マニピュレータアーム上の点と前記障害物表面上の点との間の回避ベクトルを決定することと、
   前記回避動作に従って前記複数の関節を駆動させることにより、前記マニピュレータアーム上の点と前記障害物表面上の点との間の距離が増大するように、前記回避ベクトルを用いて前記回避動作を計算することと、を含む動作を行うようにさらに構成される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記障害物表面は患者の表面である、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
10. 当該ロボットシステムは、追加の遠隔中心を有する追加のマニピュレータアームをさらに有し、
    前記動作は、前記追加の遠隔中心と交差するように前記障害物表面を近似又はモデル化することによって、前記障害物表面を決定することをさらに含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記制御装置は、１つ又は複数の関節を駆動させないように前記エンドエフェクタの変位運動を計算し、前記１つ又は複数の関節の駆動を含むように前記回避動作を計算するように構成される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. ベースと、マニピュレータアームとを含むシステムを動作させるための命令を記憶する読み取り可能なメモリであって、前記マニピュレータアームは、前記ベースに結合された基端部分、エンドエフェクタを支持するように構成された可動式先端部分、及び前記ベースと前記先端部分との間の複数の関節を含み、前記複数の関節は、共に、前記エンドエフェクタの所与の状態について前記複数の関節の異なる関節状態の範囲を可能にするのに十分な自由度を有しており、前記マニピュレータアームは、該マニピュレータアームの前記先端部分が動作中に遠隔中心の周りを旋回するように構成され、前記命令は、プロセッサによって実行可能であり、
    作業空間内で前記エンドエフェクタの所望の状態をもたらすための操作コマンドを受信することと、
    前記操作コマンドに応答して、前記マニピュレータアームに関連するヤコビアンのゼロ−垂直空間における関節速度を計算することによって、前記複数の関節に関するエンドエフェクタの変位運動を決定することと、
    前記遠隔中心と交差する面を近似又はモデル化することによって、障害物表面を決定することと、
    前記ヤコビアンのゼロ空間における関節速度を計算することによって、前記マニピュレータアームと障害物表面との間のクリアランスを増大するように、前記複数の関節の回避動作を決定することと、
    前記エンドエフェクタの前記所望の状態をもたらし、且つ前記マニピュレータアームと前記障害物表面との間のクリアランスを増大させるように、前記エンドエフェクタの変位運動及び前記回避動作に従って複数の関節を駆動することと、を含む動作を行わせる、
    読み取り可能なメモリ。
13. 前記複数の関節は、前記回避動作に従って前記複数の関節が駆動されるのと同時に、前記エンドエフェクタの変位運動に従って駆動される、請求項１２に記載の読み取り可能なメモリ。
14. 前記動作は、前記マニピュレータアームと前記障害物表面との間の距離が所望のクリアランスに対応する値よりも小さいことを判定することをさらに含み、前記マニピュレータアームと前記障害物表面との間の距離が前記所望のクリアランスに対応する前記値よりも小さいと判定されたことに応答して、前記回避動作が決定される、請求項１２又は１３に記載の読み取り可能なメモリ。
15. 前記動作は、
    前記マニピュレータアームに関連する１つ又は複数のセンサを使用することによって前記障害物表面を決定することと、
    前記マニピュレータアームの要素又は機構に対応する回避形状を決定することと、
    前記障害物表面と前記回避形状との間の距離を増大させる前記ゼロ空間内の運動を決定することにより、前記マニピュレータアームと障害物表面との間の前記クリアランスを増大するように、前記ゼロ空間内の前記複数の関節の前記回避動作を決定することと、をさらに含む、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の読み取り可能なメモリ。
16. 前記システムは、追加の遠隔中心を有する追加のマニピュレータアームをさらに有し、
    前記動作は、前記追加の遠隔中心と交差するように前記障害物表面を近似又はモデル化することによって、前記障害物表面を決定することをさらに含む、請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の読み取り可能なメモリ。

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