JP6987851B2 - 遠隔制御可能なアームのための位置決めインジケータシステム及び関連する方法 - Google Patents

遠隔制御可能なアームのための位置決めインジケータシステム及び関連する方法 Download PDF

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Description

この明細書は、遠隔制御可能なアームのための、より具体的には、ロボットシステムの遠隔制御可能なアームのための、位置決めインジケータシステムに関する。
ロボットシステムは、作業部位でタスクを実行するために器具を操作するロボットアームを含むことができる。ロボットアームは、１以上（１つ又はそれよりも多く）のジョイント（関節）によって互いに連結される２以上（２つ又はそれよりも多く）のリンクを含むことができる。ジョイントは、能動的に制御される能動ジョイントであることができる。ジョイントは、能動ジョイントが能動的に制御されるときに、能動ジョイントの動きに適合する受動ジョイントであることもできる。そのような能動及び受動ジョイントは、回転ジョイント(revolute joint)又はプリズムジョイント(prismatic joint)であってよい。その場合、ロボットアームの構成は、ジョイントの位置、ロボットアームの構造、及びリンクの結合によって決定されることがある。
ロボットシステムは、産業用及び娯楽用ロボットシステムを含む。ロボットシステムは、診断、非外科処置、外科処置などのための処置に使用される医療ロボットシステムも含む。具体的な例として、ロボットシステムは、外科医がベッドの傍らの場所又は遠隔の場所から患者を手術し得る、最小侵襲ロボット遠隔手術システムを含む。遠隔手術は、一般的に、外科医が手術器具を直接的に手で保持して動かすよりもむしろ、何らかの形態の遠隔制御装置、例えば、サーボ機構を使用して、手術器具の動きを操作する、手術システムを使用して行われる手術を指す。遠隔手術のために使用可能なロボット手術システムは、遠隔制御可能なロボットアームを含むことができる。オペレータは、遠隔制御可能なロボットアームの動きを遠隔制御することができる。オペレータは、ロボット手術システムの部品を手術環境内の位置に手動で移動させることもできる。例えば、外科医、外科助手、又は他のオペレータは、機器が手術環境の床面に沿って動くよう、手で機器を押したり引いたりすることができる。
１つの態様において、手術システムが、床面に対して移動可能なベースと、ベースから延びる遠隔制御可能なアームとを含む。アームは、手術ツールを支持するように構成される。アームは、手術ツールが遠隔制御可能なアームによって支持されるときに手術ツールを移動させるように動作可能な、動力付きジョイント(動力式ジョイント)(powered joint)を有する。手術システムは、更に、位置決めインジケータと、プロセッサとを含む。プロセッサは、位置決めインジケータと遠隔制御可能なアームとに通信的に連結される。プロセッサは、床面に対するベースの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させ、手動再位置決め中に遠隔制御可能なアームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するように動力付きジョイントを作動させる、ように構成される。
他の態様では、方法が、手術システムの遠隔制御可能なアームの姿勢に基づいて最適性スコアを決定するステップを含む。方法は、最適性スコアが閾値スコアよりも大きいように、遠隔制御可能なアームのベースの手動再位置決め指示するために、人間知覚可能な表示を精製するステップを更に含む。方法は、遠隔オペレータ入力に基づいて、最適性スコアが閾値スコアよりも大きい間に外科手術を行うよう、遠隔制御可能なアームの動きを制御するステップも含む。
他の態様では、ベースから延びるロボットアームを含むロボットシステムを作動させる方法が特徴とされる。方法は、プロセッサによって、ベースの標的ベース姿勢を決定するステップと、プロセッサによって、床面に対するベースの手動再位置決めを指示するよう位置決めインジケータを作動させるステップと、プロセッサによって、ベースの手動再位置決め中にアームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するようロボットアームを操作するステップとを含む。
更に他の態様では、非一時的な機械可読媒体が、複数の機械可読指令を含む。これらの指令は、ロボットシステムと関連付けられる１以上（１つ又はそれよりも多く）のプロセッサによって実行されるときに、１以上のプロセッサに方法を遂行させるように構成される。方法は、本明細書に開示する方法のうちのいずれかであってよい。
特定の態様は、以下に記載する実施の任意の適切な組み合わせを含む、本明細書及び他の場所に記載する１以上の実施を含む。
幾つかの実施において、プロセッサは、（１）基準に対する遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するよう動力付きジョイントを作動させること、（２）基準に対するアームの遠位部分によって保持されるカニューレの位置（及び／又は向き）を維持するよう動力付きジョイントを作動させること、（３）基準に対する手術ツールの位置（及び／又は向き）を維持するよう動力付きジョイントを作動させることなどによって、手動再位置決め中に遠隔制御可能アームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するよう動力付きジョイントを作動させるように構成される。幾つかの実施において、基準は、手術ツールが挿入される或いは挿入されるべき患者のアクセスポートの場所に対応する点のような基準点である。幾つかの実施において、基準は、1以上の基準方向を含むが、基準場所を含まない。例えば、１以上の基準方向は、再位置決めプロセスの開始直前の遠位部分の三次元向きに基づいてよい。幾つかの実施において、基準は、位置および1以上の向きが維持されるときの基準場所及び1以上の基準方向の両方を含む。幾つかの実施において、基準は、三次元空間内の場所及び向きを定めるのに十分な完全基準系(full reference frame)を含む。
幾つかの実施において、手術システムは、ベースをテーブルに取り付けるセットアップアセンブリを含み、テーブルは、床面より上方で患者を支持するように構成される。幾つかの実施において、手術システムは、床面上で支持されるカートを含む。カートは、例えば、床面より上方でベースを支持する。幾つかの場合は、手術システムは、カートをベースに接続するセットアップアセンブリを更に含み、セットアップアセンブリは、受動ジョイントを含む。幾つかの実施において、位置決めインジケータは、例えば、カートが床面に対して移動可能であり、ベースがカートに対して移動可能である間に、手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。幾つかの場合、手術システムは、カートに連結される制動機構を更に含む。制動機構は、例えば、最適ベース場所エンベロープから離れる方向へのベースの移動を阻止するようにプロセッサによって制御される。
幾つかの実施において、動力付きジョイントは、第１の動力付きジョイントである。アームは、更に、例えば、リンケージによって第１の動力付きジョイントに接続される第２の動力付きジョイントを含む。第１の動力付きジョイント及び第２の動力付きジョイントは、例えば、手術ツール、カニューレ、またはアームの遠位部分を移動させるように構成される。位置決めインジケータは、プロセッサが手術ツール、カニューレ、またはアームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するよう第１の動力付きジョイント及び第２の動力付きジョイントを作動させている間に、ベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。その位置（及び／又は向き）は、一例として、基準点、１以上の基準方向、又は基準系を含む、任意の適切な基準に対して維持されてよい。
幾つかの実施において、手術システムは、選択的に解放可能な受動ジョイントを更に含む。受動ジョイントは、例えば、リンケージによってベースに接続され、床面より上方でベースを支持する。位置決めインジケータは、プロセッサが、（例えば、基準点、１以上の基準方向、又は基準系に対して）手術ツール、カニューレ、アームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するよう、動力付きジョイント及び選択的に解放可能な受動ジョイントを作動させている間に、ベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、プロセッサによって決定されるジョイント状態の標的範囲に基づいてベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、プロセッサによって選択的にアクティブ化可能な（起動可能な）インジケータライト(indicator lights)を含む。インジケータライトの各インジケータライトは、例えば、ベースの手動再位置決めの対応する再位置決め方向を示すように位置付けられる。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、ベースの手動再位置決めの再位置決め方向を示す床面に向かう光を投射することによって手動再位置決めを指示するよう（方向付けるよう）プロセッサによって制御される。
幾つかの実施において、手術システムは、ベースのベース姿勢に対するアームのアーム姿勢を示す信号を生成するセンサを更に含み、プロセッサは、ベースの手動再位置決めを指示する信号を受信するように構成される。
幾つかの実施において、手術システムは、ベース及びアームの各々の位置を示す信号を生成するように構成されるセンサを更に含む。センサは、例えば、近接センサ、近接センサ、力センサ、及び圧力センサのうちの少なくとも１つを含む。
幾つかの実施において、手術システムは、動力付きジョイントに連結され、動力付きジョイントを駆動させるようにプロセッサによって制御される、アクチュエータを更に含む。位置決めインジケータは、例えば、アクチュエータを選択的に駆動しながらベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって制御される。幾つかの場合、位置決めインジケータは、アクチュエータを含む。位置決めインジケータは、例えば、ベースの手動再位置決め中に動力付きジョイントの移動を抑制するようにプロセッサによって制御される。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、ベースの手動再位置決めを指示する触覚的表示を提供するようにプロセッサによって制御される制動機構を含む。幾つかの場合、動力付きジョイントは、ある範囲の関節状態を通じて移動可能である。制動機構は、例えば、関節状態の範囲を超える動力付きジョイントの移動を抑制することによってベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって制御される。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、プロセッサによって決定される床面より上方の最適ベース場所エンベロープに基づいてベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。幾つかの場合、位置決めインジケータは、ベースが最適ベース場所エンベロープ内にあることをベースの手動再位置決め中にオペレータに警告するようにプロセッサによって制御される。幾つかの場合、位置決めインジケータは、ベースが最適ベース場所エンベロープの外側にあることをベースの手動再位置決め中にオペレータに警告するようにプロセッサによって制御される。幾つかの場合、手術システムは、ベース上に位置付けられ、最適ベース場所エンベロープに対するベース姿勢を示す信号を生成するように構成される、センサを更に含む。位置決めインジケータは、例えば、ベース姿勢を示す信号に基づいてベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。
幾つかの実施において、手術システムは、アームの所望の運動範囲の手動実証(manual demonstration)を示す信号を生成するセンサを更に含む。位置決めインジケータは、例えば、手動実証を示す信号に基づいてベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。
幾つかの実施において、基準点は、手術ツールが挿入される患者のアクセスポートの場所に対応する。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、ベースに対する床面上の障害物の場所に基づいてベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。
幾つかの実施において、アームは、第１のアームである。基準は、例えば、第１の基準である。手術システムは、更に、例えば、手術ツールを支持するように構成される並びに手術ツールを位置付ける（且つ／或いは方向付ける）ように構成される、第２の遠隔制御可能なアームをさらに含む。第２のアームは、例えば、第２の基準に対して第２のアームの手術ツールを位置付ける（且つ／或いは方向付ける）よう移動可能な動力付きジョイントを有する。位置決めインジケータは、更に、例えば、第１の基準に対する第１のアームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持し且つ第２の基準に対する第２のアームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するために第１のアームの動力付きジョイント及び第２のアームの動力付きジョイントを作動させながら、ベースの手動再位置決めを指示するように、プロセッサによって更に制御される。幾つかの場合、位置決めインジケータは、第２のアームの姿勢に対する第１のアームの姿勢に基づいてベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。幾つかの場合、ベースは、第１のベースである。手術システムは、例えば、第２のアームに接続される第２のベースを更に含む。位置決めインジケータは、（第１の基準に対するような）第１のアームの遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するために第１のアームの動力付きジョイントを作動させながら、第１のベースの手動再位置決めを指示するように、プロセッサによって更に制御される。位置決めインジケータは、例えば、（第２の基準に対するような）第２のアームの遠位部分の位置を維持するために第２のアームの動力付きジョイントを作動させながら、第２のベースの手動再位置決めを指示するように、プロセッサによって更に制御される。幾つかの場合、第２のアームは、第１のアームが延びるベースから延びる。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、手術ツールが患者のアクセスポートに挿入される前に、第１の基準に対して遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するよう動力付きジョイントを作動させながら、ベースの第１の手動再位置決めを指示するように、プロセッサによって制御される。位置決めインジケータは、例えば、手術ツールアクセスポートに挿入された後に、第２の基準に対する遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するよう動力付きジョイントを作動させながら、ベースの第２の手動再位置決めを指示するように、プロセッサによって制御される。第２の基準は、アクセスポートの位置（及び／又は向き）に対応する点を含むことができる。
幾つかの実施において、位置決めインジケータは、アームが外科手術を行うために制御される前に、プロセッサによって決定される第１の最適ベース場所エンベロープに基づいてベースの第１の手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって制御される。位置決めインジケータは、例えば、手術ツールをアクセスポートに挿入した後に、プロセッサによって決定される第２の最適ベース場所エンベロープに基づいてベースの第２の手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって更に制御される。
幾つかの実施において、手術システムは、床面より上方で患者を支持するように構成される可動テーブルを更に含む。位置決めインジケータは、例えば、遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するよう動力付きジョイントを作動させながら、可動テーブルの手動再位置決め及びベースの手動再位置決めを指示するようにプロセッサによって制御される。幾つかの場合、可動テーブルは、ベースに接続される。
幾つかの実施において、手術システムは、オペレータ入力を受信し、オペレータ入力に基づく動力付きジョイントの移動を引き起こすようアームに命令を無線式に送信する、コンソールを更に含む。
幾つかの実施において、床面に対するベースの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させることは、ロボットアームの姿勢に基づいて最適性スコアを決定すること、最適性基準を満たさない最適性スコアに応答してベースの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させること、及び最適性基準を満たす最適性スコアに応答してベースの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータの作動を停止することを含む。
幾つかの実施において、プロセッサは、最適ベース場所エンベロープから離れる方向のベースの移動を抑制するよう制動機構を作動させる。幾つかの実施において、ベースの手動再位置決め中に遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するようにロボットアームを作動させることは、ロボットアームの受動ジョイントの解放機構を選択的に作動させることとは別個に或いは同時に、ロボットアームの動力付きジョイントを作動させる動作させることを含む。
幾つかの実施において、ベースの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させることは、複数のインジケータライトを選択的にアクティブ化させること、ベースの手動再位置決めの再位置決め向を示す光を床面に向けて投射すること、ロボットアームの移動を抑制し且つベースの手動再位置決めを指示する触覚的表示を提供するよう触覚的表示を提供すること、及びベースが最適ベース場所エンベロープの内側又は外側にあることを示す位置決めインジケータを作動させることのうちの任意の１以上を含む。
幾つかの実施において、ベースの標的ベース姿勢を決定することは、ロボットアームの所望の運動範囲の手動実証を示す信号を受信すること及び標的ベース姿勢を決定するために信号を使用することを含む。幾つかの実施において、ベースの標的ベース姿勢を決定することは、障害物の場所及び第２のロボットアームの姿勢のうちの少なくとも１つに基づいて標的ベース姿勢を決定することを含む。
幾つかの実施では、作動方法が、プロセッサによって、ベースの第２の標的ベース姿勢を決定するステップと、床面に対するベースの第２の手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させるステップと、床面に対するベースの第２の手動再位置決め中の第２の基準に対する遠位部分の位置（及び／又は向き）位置を維持するようにロボットアームを作動させるステップとを更に含む。
幾つかの実施では、作動方法が、ロボットアーム用のワークピース（被加工物）を支持する可動テーブルの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させるステップと、可動テーブルの手動再位置決め中にワークピースに対する遠位部分の位置（及び／又は向き）を維持するようにロボットアームを作動させるステップとを更に含む。
前述の利点は、以下及び本明細書の他の場所に記載するものを含むことがあるが、それらに限定されない。手術システムの位置決めインジケータは、オペレータが、ベースを、手術中に遠隔制御可能なアームの性能を向上させる位置（及び／又は向き）に手動で再位置決めすることを助けることができる。位置決めインジケータは、手術ツールが手術中に患者の周りの作業空間の部分に容易にアクセスするよう位置付けられる（且つ／或いは方向付けられる）ように、ベースの手動再位置決めを指示することができる。手動再位置決めの間に、位置決めインジケータは、ベースを、遠隔制御可能なアームのジョイントが手術の実行に適した運動範囲を通じて移動させられるのを可能にする位置（及び／又は向き）に向かって移動させるように、オペレータに命令することができる。
位置決めインジケータシステムは、手動再位置決めを完了するのに必要な時間量を減少させることによって手動再位置決めプロセスを促進することもできる。位置決めインジケータシステムによって提供されるガイダンスがないならば、オペレータは、最適ベース場所エンベロープから離れる方向にベースを再位置決めすることがあり、最適未満の位置決め（及び／又は方向付け）に起因する遅延を潜在的に引き起こすことがある。位置決めインジケータシステムは、これらの方向における移動を抑制することにより、ベースを好ましい位置（及び／又は向き）に手動で再位置決めするのに費やされる時間の量を減少させることができる。
手動再位置決め中に位置決めインジケータシステムによって提供されるガイダンスは、アームの遠位部分の位置（及び／又は向き）が維持されながら行われるので、ベースを再位置決めするステップを単純化することができる。例えば、手術ツールを患者のアクセスポートに手動で位置付け或いは配置し得るように遠位部分を配置することができる。ベースの手動再位置決めの後続のステップを遠位部分の配置のステップから切り離すことができる。何故ならば、ベースの手動再位置決めは、遠位部分の位置（及び／又は向き）が維持されるように遠隔制御可能なアームの位置（及び／又は向き）が制御される間に起こり得るので、遠位部分の配置ステップから切り離すことができるからである。従って、オペレータは、ベースの移動に応答して遠位部分を手動で再位置決めすることを必要としないで、ベースを手動で再位置決めすることができる。
この開示に提示する具体的な例は、しばしば、制御可能なアームの遠位部分の位置（又はカニューレ若しくはツールのような制御可能なアームによって支持される品目の位置）を維持することを議論するが、これらの技法は、制御可能なアームの遠位部分（又は制御可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持するのに使用可能である。
また、手術の例ではあるが、開示する技法は、非外科用途にも適用可能である。例えば、それらは、ワークピースを操作する際に使用されることのような、一般的な又は工業用のロボット作動と共に使用されてよい。これらの技法は、診断及び非外科治療のための医療ロボット作動と共に使用されてもよく、それらを改良することもある。
更に、この開示に提示する具体的な例は、しばしば、遠隔操作ロボットシステム及び遠隔制御可能なアームを議論するが、開示する技法は、部分的に又全体的に、オペレータによって直接的に手動で移動させられるロボットシステムにも適用可能である。例えば、これらの技法を、ツールがオペレータの手で操作される間にロボットアームによって保持されるツールを安定させるのを助けるように設計されたロボットシステムに適用することができる。他の例として、本明細書で議論する制御可能なアームのいずれも、直接的な操作を可能にするように構成されてよく、マニピュレータのリンク又はジョイントに直接的に加えられる入力を通じてオペレータ指令を受け入れるように構成されてよい。
本明細書に記載する主題の１以上の実施の詳細は、添付の図面及び以下の記述中に示される。他の潜在的な構成、態様、及び利点は、本記述、図面、及び請求項から明らかになるであろう。
手術環境内の手術システムの頂面図である。 インジケータライトを備える手術マニピュレータアセンブリの斜視図である。 第１のインジケータライトがアクティブ化させられた図２Ａの手術マニピュレータアセンブリの斜視図である。 第２のインジケータライトがアクティブ化させられた図２Ａの手術マニピュレータアセンブリの斜視図である。 図１の手術システムのようなロボットシステムのための制御システムのブロック図である。 ベースの手動位置決めを指示するプロセスのフローチャートである。 図４のプロセスを実行するプロセッサのための入力及び出力を描写する図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 手術台に隣接して手術マニピュレータアセンブリを位置付ける操作を描写する頂面図である。 インジケータライトを備えるマニピュレータアセンブリのベースの一例の斜視図である。 例示的なロボットテーブルシステムの斜視図である。 他の例示的な制御可能なアームの斜視図である。 図８Ｂの制御可能なアームのためのインジケータシステムの斜視図である。 所与のエンドエフェクタ位置についてある範囲のジョイント状態を有する制御可能なアームの底面図である。 所与のエンドエフェクタ位置についてある範囲のジョイント状態を有する制御可能なアームの側面図である。 所与のエンドエフェクタ位置についてある範囲のジョイント状態を有する制御可能なアームの背面図である。 図９Ａ〜図９Ｃの制御可能なアームの自由度を例示する概略図である。 他の例示的な制御可能なアームの自由度を例示する概略図である。
様々な図面中の同等の参照番号及び記号表示は、同等の要素を示している。
手術の例から開始すると、１人のオペレータ又は複数のオペレータ（例えば、外科医、外科助手、看護師、技術者、及び他の医療従事者のうちの１人以上）は、図１に描写する手術システム１００を操作して、手術環境１０内の患者１０２に対して手術を行うことができる。オペレータは、手術システム１００と相互作用（対話）して、遠隔制御可能なアーム１０６を含む手術マニピュレータアセンブリ１０４を操作して、手術を行うことができる。遠隔制御可能なアーム１０６が操作されるときに、遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられる手術器具が、患者１０２に対する手術を行うことができる。手術マニピュレータアセンブリ１０４は、手術環境１０の床面２０の上方で支持されるベース１０８（基部）を含む。ベース１０８は、手術を行うために遠隔制御可能なアーム１０６を操作する外科手術中に、遠隔制御可能なアーム１０６がベース１０８に対して床面２０より上方で手術環境１０を動き回るよう、床面２０より上方で遠隔制御可能なアーム１０６を支持する。本明細書により詳細に記載するように、外科処置の様々な段階の間に、オペレータは、手術環境１０内でベース１０８を手動で再位置決めすることがある。
「再位置決め(reposition」は、ベースの位置、向き、又は位置及び向きの両方を変更することを示すために、本明細書においてベースと共に使用される。
１人以上のオペレータによるベース１０８の手動再位置決め中、遠隔制御可能なアームの遠位部分（又は遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられ且つ遠隔制御可能なアーム１０６に対して遠位に延びるカニューレ若しくは手術器具のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）を手術環境１０内で所望の位置及び／又は向きに維持することができる。プロセッサが、遠隔操作可能なアーム１０６を制御して、遠隔操作可能なアームの遠位部分（又はカニューレ若しくは手術器具のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の所望の位置及び／又は向きを維持することができる。例えば、所望の位置及び／又は向きは、基準系(frame of reference)を基準としてよく、その基準系に対して静止的に維持されてよい。例示的な基準系は、特定の患者の組織又は解剖学的構成、患者を支持する表面、床面、手術環境などに固定された、座標フレーム(coordinate frames)を含む。
「及び／又は(and/or)」は、２つの述べられる可能性の一方又は両方を示すために本明細書において使用される。例えば、「位置及び／又は向き」は、位置、向き、又は位置パラメータ及び向きパラメータの両方の組み合わせを示すために使用される。
位置が位置変化の許容範囲内に保持されるとき、位置は維持される。例えば、幾つかの実施において、位置変化の許容範囲はゼロであり、位置を維持することは、位置を完全に不変に保持することを含む。幾つかの実施において、位置変化の許容範囲は非ゼロであり、システムの設計の限界に基づく。位置は、機械的、電気的、及び計算上の許容差及び誤差を考慮して、可能な限り不変に近く維持される。幾つかの実施において、位置変化の許容範囲は非ゼロであり、動作条件に基づく限界を含む。例えば、幾つかの場合、位置変化の許容範囲は、ミリメートル又はセンチメートルのオーダにあり、ワークピース（被加工物）又は人間組織への損傷を回避するよう設定される。幾つかの場合、位置変化の許容範囲はより大きい。幾つかの場合、位置変化の許容範囲は、異なる並進自由度の間で異なる。
同様に、向きが向き変化の許容範囲内に保持されるとき、向きは維持される。様々な実施において、向き変化の許容範囲はゼロであってよく、システム性能によって制限される最小の量であってよく、ワークピース又は人間組織への損傷を回避することのような性能条件に基づいて１度未満又は複数度未満、又は複数度以上であってよく、同等のことであってよい。幾つかの場合、向き変化の許容範囲は、異なる回転自由度の間で異なる。
幾つかの実施において、位置及び／又は向きにおいて維持されるアームの遠位部分は、アームの遠位リンクの一部又は全部を含んでよい。例えば、維持される遠位部分は、遠位リンクの遠位端を含んでよく、動作中にアクセスポートに隣接するように構成される遠位リンクの一部分を含んでよく、ツール又はカニューレなどのようなアームに取り付くデバイスに連結する遠位リンクの一部分を含んでよい。
同様に、位置及び／又は向きにおいて維持されるツール又はカニューレは、ツール又はカニューレの一部又は全部を含んでよい。例えば、ツール又はカニューレは、ツール又はカニューレの特定の部分の位置及び／又は向きが維持されるときに、その位置及び／又は向きに維持されると考えられることができる。幾つかの場合には、ツール又はカニューレは、ツール又はカニューレの遠位端の位置及び／又は向きを維持することによって、ツール又はカニューレの一部分がツール又はカニューレなどの遠隔回転中心と一致するならば、アクセスポートに隣接するツール又はカニューレの一部分の位置及び／又は向きを維持することによって、その位置及び／又は向きにおいて維持される。
幾つかの実施において、所望の位置は、手術環境１０内の基準点に対するものであってよい。例えば、遠隔制御可能なアームの遠位部分（又は遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の所望位置は、カニューレ又は手術器具又は他の手術デバイスが患者１０２のアクセスポートに挿入される（或いは既に挿入されている）姿勢に対応することができる。患者１０２の例示的なアクセスポートは、患者１０２の最小侵襲孔である。基準点が患者１０２のアクセスポートの位置に対応するならば、手動再位置決め中の遠隔操作可能なアーム１０６の制御は、ベース１０８が手動で再位置決めされる間にさえも、遠隔操作可能なアーム１０６がアクセスポートに結合（ドッキング）されたままであるか或いはアクセスポートに他の方法で近接したままであることを可能にする。幾つかの場合には、ベース１０８の手動再位置決めが起こる前に、オペレータが遠隔制御可能なアーム１０６を所望の位置に配置する。代替的に、オペレータは、ベース１０８の手動再位置決めが起こる前に、遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられるデバイスを所望の位置に配置する。遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられることがあるデバイスの例は、手術ツール又はカニューレ又は他の手術デバイスを含む。ベース１０８の再位置決め中、エンドエフェクタは、基準点に対して所望の位置に留まる。
オペレータは、手動再位置決め中にベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０(optimal base location envelope)に向かって移動させることがある。最適ベース位置エンベロープ１１０は、例えば、手術環境１０内のベース１０８のための三次元位置の範囲に対応する。ベース１０８が最適ベース位置エンベロープ１１０内にあるときには、遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられる手術ツールが行われるべき又は行われている外科処置に関連する患者１０２の解剖学的構造の領域に容易にアクセスすることができるように、遠隔制御可能なアーム１０６を位置付け且つ方向付けることができる。
遠隔制御可能なーム１０６のベース１０８の手動再位置決めを最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって方向付けるために、手術システム１００の１以上のプロセッサが、位置決めインジケータシステムを選択的に起動させる(activate)ことができる。位置決めインジケータシステムの選択的な起動(activation)は、最適ベース場所エンベロープ１１０に到達するためにベース１０８を移動させなければならない方向を、手動再位置決めを行うオペレータ１１２に示すことができる。例えば、視覚的表示１１５は、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって再位置決めされるよう手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０４を移動させなければならない方向を視覚的に示すことができる。この技法は、遠隔制御可能なアーム１０６を制御して遠隔制御可能なアーム１０６の遠位部分の姿勢（又はカニューレ若しくは手術ツールのような遠隔制御可能なアーム１０６によって指示される品目の姿勢）を維持する間に、ベース１０８の手動再位置決めを行うよう、オペレータ１１２を誘導する(guides)。
マニピュレータアームの遠位部分（又はマニピュレータアームによって保持される品目）の姿勢は、遠位部分（又は品目）の位置、向き、又は位置パラメータ及び向きパラメータの任意の組み合わせを含むことができる。よって、本開示に提示される具体的な例は、しばしば、簡潔性のために制御可能なアームの遠位部分の位置を維持することを議論するが、本明細書に記載する技法は、他の態様でも同様に使用可能である。例えば、それらは、制御可能なアームの遠位部分について又は制御可能なアームによって支持される（カニューレ若しくはツールのような）品目についての、位置、向き、又は位置パラメータ及び向きパラメータの組み合わせを維持するために使用されてよい。
位置及び／又は向きは、任意の適切な基準に対して維持されてよい。幾つかの実施において、基準は、手術器具を挿入する或いは挿入するべき患者のアクセスポートの場所に対応する点のような基準点である。位置のみが維持される実施では、向き情報のない単一の点が十分であり得る。幾つかの実施において、基準は、1以上の基準方向を含むが、基準場所を含まない。例えば、１以上の基準方向は、再位置決めプロセスの開始直前の遠位部分の三次元向きに基づいてよい。（複数の）方向のセットに対応する（複数の）向きのみが維持される実施では、基準場所のない（複数の）方向のセットが十分であり得る。幾つかの実施において、基準は、位置及び1以上の向きが維持されるときの基準場所及び１以上の基準方向の両方を含む。幾つかの実施において、基準は、三次元空間内の場所及び向きを定めるのに十分な完全な基準系を含む。
よって、遠隔制御可能なアーム１０６は、遠隔制御可能なアーム１０６の遠位部分（又は、カニューレ又はツールのような、遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の一部又は全部の１以上の位置及び／又は向きパラメータを維持するように制御される。例えば、幾つかの実施において、遠隔制御可能なアーム１０６は、遠隔制御可能なアーム１０６のエンドエフェクタ又は遠隔制御可能なアーム１０６によって支持されるツールの位置及び向きの両方を維持するように制御される。よって、位置決めインジケータシステムは、１人以上のオペレータによる手動再位置決めが完了するときに、遠隔制御可能なアーム及び関連する手術ツール及び他の器具又は付属品（アクセサリ）が患者１０２に対して手術を行うよう最適に位置付けられ且つ方向付けられることを可能にし得る。
（例示的な手術システム）
図１は、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８の手動再位置決めを案内する位置決めインジケータシステムを含む手術システム１００の一例を示している。手術マニピュレータアセンブリ１０４は、ベース１０８から延びる遠隔制御可能なアーム１０６を含む。ベース１０８は、オペレータ１１２が手動再位置決めを行うことを可能にするために、床面２０に対して移動可能である。図１に示す例において、オペレータ１１２（例えば、外科助手）は、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６を制御して手術を行うことができるように、ベース１０８を所定の位置に案内する。
幾つかの実施において、手術システム１００は、外科医コンソール１１４、電子機器カート１１６、トレイ１１８、付属品テーブル１１９又は麻酔カート１２０のうちの１以上を含む。図１に示す例において、処置されるべき患者１０２は、手術台１２３の上に位置付けられている。外科医１２２は、例えば、外科医コンソール１１４を作動させて、手術中に手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６を制御する。麻酔科医又は助手１２４は、手術中に麻酔カート１２０から患者１０２に麻酔を施すことができ、他の助手１２６は、手術マニピュレータアセンブリ１０４に取り付けられるべきトレイ１１８上の手術ツールを選択することができる。
手術を行うために、外科医１２２は、コンソール１１４を作動させることによって、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６を操作することができる。コンソール１１４を手術環境１０内に位置付けることができ、或いは、幾つかの場合には、手術環境１０の外部の遠隔場所に位置付けることができる。コンソール１１４は、手術システム１００が最小侵襲遠隔手術のために使用されることを可能にする。外科医１２２は、例えば、外科医コンソール１１４を作動させて、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６を制御し、遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられる手術ツールを操作する。
幾つかにおいて、外科医コンソール１１４は、外科医１２２が撮像デバイスによって取り込まれる画像を通じて手術部位を見ることを可能にするディスプレイを含む。ディスプレイは、例えば、手術部位の立体視画像を示す立体視ディスプレイである。手術部位の画像を見ながら、外科医１２２は、外科医コンソール１１４上の制御入力デバイスを操作することによって患者１０２に対して外科処置を行うことができ、次いで、制御入力デバイスは、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６の動きを制御する。
幾つかにおいて、外科医コンソール１１４の制御入力デバイスは、外科医１２２の手で把持可能な手動入力デバイスを含む。手動入力デバイスの操作は、例えば、手術マニピュレータアセンブリ１０４に手術マニピュレータアセンブリ１０４上の遠隔制御可能なアーム１０６を移動させる。遠隔操作可能なアーム１０６の自由度は、例えば、外科医１２２が手動入力デバイスを操作して遠隔操作可能なアーム１０６を並進及び回転させて手術を行うことを可能にするのに十分である。制御入力デバイスは、代替的又は追加的に、褄先制御装置及び踵制御装置の一方又は両方を備えるフットペダルを含む。外科医１２２は、フットペダルを作動させて、フットペダルと関連付けられるデバイスの移動又は作動を引き起こすことができる。外科医１２２は、フットペダルを踏み込んで、エンドエフェクタの作動を引き起こすことができる。外科医コンソール１１４は、外科医コンソール１１４の制御入力デバイスの機械的運動に応答して信号を生成するプロセッサを含むことができる。次いで、この信号は、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６の対応する動きを引き起こすことができる。
幾つかの実施において、電子機器カート１１６は、手術部位の画像を生成する撮像デバイスと接続される。手術マニピュレータアセンブリ１０４は、例えば、電子機器カート１１６に接続される撮像デバイスを含む。撮像デバイスは、手術部位を撮像するために照明をもたらす照明機器（例えば、キセノンランプ）を含んでよい。撮像デバイスは、画像を取り込み、次に、処理のために画像を電子機器カート１１６に送信することができる。電子機器カート１１６は、次に、処理した画像を外科医１２２に提示することができるように、外科医コンソール１１４に画像を送信することができる。電子機器カート１１６は、電気外科ユニット(electrosurgical units)、送気装置(insufflators)、吸引洗浄器具(suction irrigation instruments)、又はサードパーティ焼灼機器(third-party cautery equipment)のような、任意的な補助手術機器を含むことができる。
図２Ａは、手術マニピュレータアセンブリ１０４の一例を描写している。手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６は、ベース１０８から延びる。手術マニピュレータアセンブリ１０４は、遠隔制御可能なアーム１０６に接続された器具ホルダ１３２を含み、器具ホルダ１３２にツール１３４が取り付けられる。ベース１０８は、オペレータがベース１０８を床面２０の上方に手動で再位置決めすることができるよう、手術環境１０の床面２０の上方に移動可能に支持される。
手術マニピュレータアセンブリ１０４は、床面２０の上方にベース１０８を支持するセットアップアセンブリ１０９を含む。幾つかの実施では、セットアップアセンブリ１０９を床面２０の上方に支持して、床面２０の上方にベース１０８を支持する。幾つかの場合には、セットアップアセンブリ１０９を手術環境１０の壁又は天井によって支持して、床面２０の上方にベース１０８を支持する。幾つかの場合には、本明細書に記載するように、セットアップアセンブリ１０９は、手術台１２３によって支持される。
図２Ａの例に示すように、セットアップアセンブリ１０９は、床面に支持される。セットアップアセンブリ１０９は、カート１１１から延びるセットアップアーム１２８を含む。カート１１１は、例えば、床面２０に亘って全方向に移動可能である。カート１１１は、例えば、床面２０に亘るカート１１１の転動運動を容易にするホイール１３６を含む。ホイール１３６は、手術マニピュレータアセンブリ１０４を手術台（例えば、図１の手術台１２３）の近くに位置付けるよう、手術室間又は手術室内のように、場所から場所に運ばれることを可能にする。幾つかの実施において、カート１１は、カート１１１が床面２０で支持されるときに垂直に上向きに延びるコラム１３８を含む。カート１１１がコラム１３８を含むならば、セットアップアーム１２８は、カート１１１のコラム１３８に接続される。幾つかの場合には、制動機構１４０(braking mechanism)が、ホイール１３６のうちの１以上に連結される。幾つかの場合、オペレータは、セットアップアセンブリ１０９及び／又はカート１１１を手動で操作して、ベース１０８を再位置決めする。
幾つかの例において、セットアップアーム１２８は、セットアップアーム１２８をコラム１３８に接続する第１のセットアップジョイント１４２ａ（セットアップ関節）を含む。セットアップアーム１２８は、ジョイントによって互いに接続される幾つかのリンクを含むことができる。図２Ａに描写する例において、セットアップアーム１２８は、第１のセットアップリンク１４４ａと、第２のセットアップリンク１４４ｂと、第３のセットアップリンク１４４ｃとを含む。セットアップアーム１２８は、更に、第２のセットアップジョイント１４２ｂと、第３のセットアップジョイント１４２ｃとを含む。第１のジョイント１４２ａは、第１のセットアップリンク１４４ａの近位端をコラム１３８に接続する。第２のセットアップジョイント１４２ｂは、第１のセットアップリンク１４４ａの遠位端を第２のセットアップリンク１４４ｂの近位端に接続する。第３のセットアップジョイント１４２ｃは、第２のセットアップリンク１４４ｂの遠位端を第３のセットアップリンク１４４ｃの近位端に接続する。第３のセットアップリンク１４４ｃの遠位端は、ベース１０８に接続される。
第１のジョイント１４２ａは、セットアップアーム１２８が、故に、遠隔制御可能なアーム１０６が、カート１１１に対して床面２０の上方で垂直に並進させられることを可能にする、プリズムジョイント(prismatic joint)であることができる。カート１１１がコラム１３８を含むならば、第１のジョイント１４２ａは、アーム１２８をコラム１３８に沿って垂直に並進させることができるように、セットアップアーム１２８をコラム１３８に接続することができる。第２及び第３のセットアップジョイント１４２ｂ及び１４２ｃは、ジョイント１４２ｂ，１４２ｃのうちの１つによって互いに接続されるセットアップリンク１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃのうちの任意の２つを接続ジョイントについて互いに対して回転させることができるように、回転ジョイント(revolute joint)であることができる。
セットアップアーム１２８の遠位端に接続される遠隔制御可能なアーム１０６は、器具ホルダ１３２に接続される一連のリンク及びジョイントを含む。図２Ａに描写するように、遠隔制御可能なアーム１０６は、互いに直列に接続されるマニピュレータリンク１４６ａ〜１４６ｆを含む。マニピュレータジョイント１４８ａは、マニピュレータリンク１４６ａを第３のセットアップリンク１４４ｃに接続する。マニピュレータジョイント１４８ｂ〜１４８ｆは、マニピュレータリンク１４６ａ〜１４６ｆを互いに対して移動させることができるように、マニピュレータリンク１４６ａ〜１４６ｆを互いに接続する。遠隔制御可能なアーム１０６のマニピュレータジョイント１４６ｇは、器具ホルダ１３２を移動可能に支持する。
図２Ａに示す例において、マニピュレータジョイント１４８ａは、遠隔制御可能なアーム１０６とベース１０８との相対的な回転を可能にする、回転ジョイントであることもできる。マニピュレータジョイント１４８ｂ〜１４８ｆの各々は、マニピュレータリンク１４６ａ〜１４６ｆの間の相対的な回転を可能にする、回転ジョイントであることができる。同様に、器具ホルダ１３２を遠隔操作可能なアーム１０６に対して回転させることができるよう、器具ホルダ１３２を遠隔操作可能なアーム１０６のマニピュレータリンク１４６ｆに枢動可能に連結することができる。マニピュレータジョイント１４８ｇは、器具ホルダ１３２がマニピュレータジョイント１４８ｇで枢動することにより、遠隔制御可能なアーム１０６に対して回転することを可能にする、回転ジョイントであることができる。幾つかの例において、ジョイント１４８ｇは、２つの軸についての枢動運動を可能にする、リストジョイント（手首関節）である。
器具ホルダ１３２は、手術ツール１３４を保持するように構成される。器具ホルダ１３２は、任意的に、患者１０２のアクセスポートに挿入される管状部材であるカニューレ１５０を保持するようにも構成される。異なる種類のカニューレ及び手術ツールを器具ホルダ１３２に取り付けることができるよう、カニューレ１５０及び手術ツール１３４を器具ホルダ１３２にそれぞれ解放可能に連結することができる。
手術ツール１３４は、任意的に、細長いシャフト１５２の近位端に位置付けられる伝達アセンブリ１５４を含む。伝達アセンブリ１５４を作動させて、細長いシャフト１５２の遠位端に位置付けられるエンドエフェクタ１５６の動きを引き起こすことができる。手術中に患者１０２の組織を操作し、組織を治療し、組織を撮像し、或いは他の手術を行うような方法において、手術器具１３４のエンドエフェクタ１５６を制御することができる。細長いシャフト１５２をカニューレ１５０の管腔内にスライド可能に配置することができるよう、カニューレ１５０は手術ツール１３４の細長いシャフト１５２を受け入れる管腔を定める。細長いシャフト１５２は、カニューレ１５０の長手方向軸と一致する長手方向軸を定める。器具ホルダ１３２は、手術ツール１３４の細長いシャフト１５２をその長手方向軸に沿って並進させることができるように、器具ホルダフレーム１６０に沿って並進可能な器具ホルダキャリッジ１５８を含むことができる。エンドエフェクタ１５６が手術中に手術を行うことができるように、細長いシャフト１５２及びエンドエフェクタ１５６をカニューレ１５０の管腔及び患者１０２のアクセスポート内に挿入することができ、且つカニューレ１５０の管腔及び患者１０２のアクセスポートから後退させることができる。
「ツール(tool)」という用語は、一般的又は工業用ロボットツール及び（診断用及び非外科治療のためのロボット手術器具及びロボット医療器具を含む）特殊ロボット医療器具の両方を包含する。ツール／マニピュレータインターフェース、例えば、器具ホルダ１３２は、迅速切断(quick disconnect)工具ホルダ又は継手(coupling)であることができることで、交換用ツールとのツールの迅速な取外し及び交換を可能にする。本開示に提示する具体的な例は、しばしば外科的な例であるが、開示する技法は、非外科用途にも適用可能である。
例えば、それらは、ワークピース（被加工物）を操作する際の用途のような、一般的又は工業用ロボット操作と共に使用されてよく、それらを改良することがある。これらの技法は、診断及び非外科治療のための医療用ロボット操作と共に使用されてもよく、それらを改良することもある。
更に、この開示に提示する具体的な例は、遠隔操作ロボットシステムをしばしば議論するが、開示する技法は、部分的に又は全体的にオペレータによって直接的に且つ手動で動かされるロボットシステムにも適用可能である。例えば、ツールがオペレータによって手動で操作される間にロボットアームによって保持されるツールを安定させるのを助けるように設計されるロボットシステムにこれらの技法を適用することができる。他の例として、アーム１０６、８０４Ａ、８０４Ｂ、８０４Ｃ、９０４、１０００を含む、本明細書で議論する制御可能なアームのいずれも、直接的な操作を可能にし、制御可能なアームのリンク又はジョイントに直接的に加えられる入力を通じてオペレータ指示を受け入れる、ように構成されてよい。
セットアップアセンブリ１０９、ベース１０８、及び遠隔制御可能なアーム１０６は、遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される、例えば、遠隔制御可能なアーム１０６の器具ホルダ１３２によって支持される、手術ツール１３４を制御する、運動連鎖を形成する。例えば、セットアップアセンブリ１０９の近位端が床面２０で支持され、セットアップアセンブリ１０９の遠位端がベース１０８に接続され、ベース１０８は遠隔制御可能なアーム１０６の近位端に接続され、遠隔制御可能なアーム１０６の遠位部分１５９はカニューレ１５０を保持するように構成される。セットアップアセンブリ１０９、ベース１０８、遠隔制御可能なアーム１０６は、運動学的に直列に接続される。結果として、手術マニピュレータアセンブリ１０４の１以上のジョイントの動き、カート１１１の動き、又は手術マニピュレータアセンブリ１０４及びカート１１１の両方の動きは、床面２０に対する遠位部分１５９（又はもし存在し且つ器具ホルダ１３２によって保持されるならばカニューレ１５０若しくはツール１３４）の動きを引き起こすことができる。手術ツール１３４が遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられると、手術ツール１３４の一部分は、カニューレ１５０を通じて延びる。よって、手術ツール１３４が遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられると、セットアップアセンブリ１０９、ベース１０８、遠隔制御可能なアーム１０６、及び手術ツール１３４は、運動学的に直列に接続される。結果として、手術マニピュレータアセンブリ１０４又はカート１１１のジョイントの動きは、床面２０に対する手術ツール１３４の動きを引き起こすことができる。
外科手術中、セットアップアセンブリ１０９を床面２０の上方に固定し、それにより、ベース１０８を床面２０の上方で手術環境１０内に静止させることができる。セットアップアセンブリ１０９を固定して手術ツールの動きに手術を行わせる間に、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントを操作することができる。手術マニピュレータアセンブリ１０４は、外科手術中に手術ツール１３４をある範囲の可能な位置に配置することができるように、セットアップアセンブリ１０９と手術ツール１３４との間に多数の自由度を含むことができる。（把持デバイスのジョーの開閉、電気外科パドルへの通電、又は同等のことのような）エンドエフェクタ１５６の作動は、遠隔制御可能なアーム１０６の自由度とは別個であることができ、且つ遠隔制御可能なアーム１０６の自由度に対して追加的であることができる。
遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントは、患者１０２のアクセスポートを通じてカニューレ１５０及び手術ツール１３４を挿入して手術を行うことができるよう、遠位部分１５９を患者１０２のアクセスポートの近くに移動させる、十分な自由度を有することができる。図２Ａに関して記載したジョイントの具体的な組み合わせは、可能なジョイントとリンクとの組み合わせ及び遠隔制御可能なアーム１０６のために可能な自由度の一例である。ジョイント１４２ｂ〜１４２ｃ、１４８ａ〜１４８ｇを含む、回転ジョイントは、それぞれ、リンクが、回転ジョイントによって定められるジョイント軸について互いに対して回転するのを可能にするよう２つのリンクを接続する。ジョイント１４２ａ並びに器具ホルダフレーム１６０と器具ホルダキャリッジ１５８との間のジョイントを含む、プリズムジョイントは、プリズムジョイントによって定められるジョイント軸に沿った並進を可能にする。
幾つかの実施において、手術マニピュレータアセンブリ１０４のジョイント１４２ａ〜１４２ｃ、１４８ａ〜１４８ｇのうちの一部は、接続リンクの相対的な運動を引き起こすよう制御し且つ作動させることができる動力付きジョイント(動力式ジョイント)(powered joints)である。外科医コンソール１１４にある制御入力を使用して外科医１２２によってジョイント１４２ａ〜１４２ｃ、１４８ａ〜１４８ｇを制御することができる。外科医１２２は、外科医コンソール１１４にある制御入力を操作した後に、ジョイントと関連付けられる１以上のアクチュエータを作動させることができ、次いで、ジョイントによって接続される２以上のリンクを体外に対して移動させることができる。例えば、器具ホルダ１３２を移動可能に支持するジョイント１４８ｇは、動力付きジョイントが作動させられるときに、外科医１２２がエンドエフェクタ１５６を動かすことを可能にする、動力付きジョイントであることができる。幾つかの実施において、外科医１２２又は他のオペレータは、手術マニピュレータアセンブリ１０４のジョイントと手動で相互作用して、ジョイントの動きを引き起こす。
幾つかの実施において、ジョイント１４２ａ〜１４２ｃ、１４８ａ〜１４８ｇのうちの一部は、オペレータ入力に応答して手術システム１００のプロセッサ又は複数のプロセッサによって能動的に制御されない受動ジョイントである。ジョイント１４２ａ〜１４２ｃ、１４８ａ〜１４８ｇは、能動的に制御される代わりに、能動的に制御されるジョイントの動きに応答して動くことができる。幾つかの例において、手術マニピュレータアセンブリ１０４の受動ジョイントは、選択的に解放可能であることができる。受動ジョイントは、起動させられるときに受動ジョイントの運動を可能にする解放機構を含むことができる。例えば、解放機構は、作動させられるときに、受動ジョイントを解放させて移動可能にさせる、解放可能なクランプを含むことができる。受動ジョイントは、解放させられた後にジョイントの運動を可能にするか或いは作動させられた後にジョイントの運動を抑制する、制動機構を含むことができる。幾つかの実施において、外科医１２２又は他のオペレータは、手術マニピュレータアセンブリ１０４のジョイントと手動で相互作用して、ジョイントの動きを引き起こす。
遠隔制御可能なアーム１０６は、遠位部分１５９、カニューレ１５０、又は手術ツール１３４を所与の位置に配置するのに必要であるよりも大きい自由度を有することができ、例えば、余分な自由度を有することができる。マニピュレータリンケージ（マニピュレータリンク機構）は、所与のエンドエフェクタ状態のためにある範囲のジョイント状態を占めるよう、十分な自由度を有することができる。そのような構造は、冗長な自由度を有するリンケージを含んでよい。例えば、幾つかの実施において、遠隔制御可能なアーム１０６、セットアップアーム１２８、又は遠隔制御可能なアーム１０６及びセットアップアーム１２８全体は、（１）ベース１０８の姿勢及び（２）遠隔制御可能なアーム１０６の遠位部分又は手術ツール１３４のエンドエフェクタの状態のためにある範囲のジョイント状態を可能にする、十分な自由度を提供する、複数のジョイントを含む。
この明細書において、「リンケージ(linkage)」は、状況に応じて適用可能であるような、単一のリンク、少なくとも1つのリンク、又は複数のリンクを含む、構造を示すために使用される。これらの構造では、幾つかの実施において、１つのジョイントの作動は、運動連鎖に沿う異なるジョイントの類似の作動によって直接的に置換されてよい。これらの構造は、幾つかの場合には、余剰の、余分の、冗長な自由度を有するものとして呼ばれる。これらの用語は、例えば、中間リンクがエンドエフェクタの姿勢を変更せずに動くことができる運動連鎖を包含することができる。
この点に関して、遠位部分１５９（又は存在する場合には手術ツール１３４）のこの位置において、遠隔制御可能なアーム１０６の各ジョイントは、ある範囲のジョイント状態を占めることができる或いはそれらの間で駆動させられることができ、遠隔制御可能なアーム１０６の各リンクは、ある範囲の代替的なリンケージ位置を占めることができ或いはそれらの間で駆動させられることができる。遠位部分１５９（又は存在する場合は手術ツール１３４）のこの位置において、遠隔制御可能なアーム１０６の各ジョイントは、ある範囲のジョイント速度ベクトル又は速さを有することができる。自由度の数及び種類によって、利用可能なジョイント状態の範囲、代替的なリンケージ位置の範囲、及びジョイント速度ベクトル又は速さの範囲を定めることができる。
ジョイントの「状態」という用語は、ジョイントと関連付けられる制御変数を指すことができる。例えば、リンク間の相対的な回転を可能にする回転ジョイントの状態は、ジョイントの角速度及び／又は運動範囲内のジョイントによって定められる角度を含むことができる。プリズムジョイントの状態は、ジョイントの軸方向速度及び／又は軸方向位置を指すことがある。
遠隔制御可能なアーム１０６の動きは、遠位部分１５９がアクセスポートに対して拘束されるように（或いは存在する場合には手術ツール１３４がアクセスポートを通じる所望の動きに拘束されるように）制御されてよい。そのような運動は、例えば、アクセスポートを通じる細長いシャフト１５２の軸方向挿入、その長手方向軸についての細長いシャフト１５２の回転、及びアクセスポートに隣接するピボット点についての細長いシャフト１５２のピボット運動を含むことができる。
幾つかの例において、これらの動きは、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントのロボットデータ処理及び制御技法の使用を通じて抑制されてよい。遠位部分１５９（或いは存在する場合にはカニューレ１５０又は手術ツール１３４）の位置及び／又は向きを維持するように、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイント１４８ａ〜１４８ｇを制御することができる。位置及び／又は向きは、任意の適切な基準に対して維持されてよく、例示的な基準は、手術環境、床面、患者１０２の解剖学的構成などに固定された基準系を含む。基準は、手術環境１０内の基準点１６２のようなものとして定義されてよい。幾つかの例では、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントのうちの１つだけが、基準に対する遠位部分１５９（或いは存在するならばカニューレ１５０又は手術ツール１３４）の位置及び／又は向きを維持するように制御される。幾つかの例では、遠隔制御可能なアーム１０６の複数のジョイントが、位置及び／又は向きを維持するように制御される。基準は、手術環境１０内の基準点１６２であってよい。遠位部分１５９（或いは存在する場合にはカニューレ１５０又は手術ツール１３４）の向きも維持される場合、基準は、基準点に原点を備える基準系を含んでよい。
基準点１６２は、遠隔操作可能なアーム１０６（よって、遠位部分１５９又は手術ツール１３４のような遠隔操作可能なアーム１０６によって支持される任意の品目）の動きを拘束する遠隔運動中心に対応することができる。具体的には、基準点１６２は、遠隔制御可能なアーム１０６の一部分がその周りを回転するピボット点であってよい。幾つかの場合、基準点１６２は、遠隔制御可能なアーム１０６又は手術ツール１３４が移動させられるときに、手術ツール１３４がアクセスポートを通じて患者の解剖学的構造内に入る領域が基準点１６２に対する動きを僅かに受けるか或いは全く受けないことにより、基準点１６２での患者１０２の解剖学的構造に対する応力を減少させるように、患者１０２のアクセスポートと一致してよい。ジョイント１４８ａ〜１４８ｇが移動させられるときに、手術ツール１３４又は関連付けられるカニューレ１５０に沿う任意の点が基準点１６２について回転させられるように、ジョイント１４８ａ〜１４８ｇを制御することができる。ジョイント１４８ａ〜１４８ｇは、第１のセットのジョイントが移動させられるときに、相応して、第２のセットのジョイントが移動させられて、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の位置及び／又は向きが維持されることができるように、十分な利用可能な自由度を有することができる。幾つかの実施において、ジョイント１４８ａ〜１４８ｇ、又はジョイント１４８ａ〜１４８ｇのサブセットは、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔操作可能なアーム１０６によって支持される品目）の特定の位置及び／又は向きを維持する複数の設定を有する。
これに関して、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の移動を引き起こさずに、ジョイント１４８ａ〜１４８ｇを手術環境１０内の最適な姿勢に向かって移動させることができる。ロボットアーム及びマニピュレータのソフトウェア拘束される遠隔運動中心の他の例は、２０１１年８月２３日に公開された米国特許第８，００４，２２９号（以下「第２２９号特許」と呼ぶ）に記載されており、その全文を参照として援用する。
図３も参照すると、手術システム１００は、手術システム１００の機器の動作を制御することができる制御システム３００を含むことができる。制御システム３００は、手術マニピュレータアセンブリ１０４の手動再位置決めを指示するように機器を制御することができる。制御システム３００は、手術マニピュレータアセンブリ１０４、例えば、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントを制御して、手動再位置決め中に遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持することもできる。制御システム３００は、プロセッサ３０２と、手術マニピュレータアセンブリ１０４と、位置決めインジケータシステム３０４とを含む。制御システム３００は、任意的に、外科医コンソール１１４や、電子機器カート１１６や、センサシステム３０６も含む。
プロセッサ３０２は、幾つかのプロセッサのうちの１つであることができる。外科医コンソール１１４、手術マニピュレータアセンブリ１０４、電子機器カート１１６、及び制御システム３００の位置決めインジケータシステム３０４の各々は、動作を制御するための独立したプロセッサを含むことができる。有線又は無線接続が、手術マニピュレータアセンブリ１０４、電子機器カート１１６、外科医コンソール１１４、及び位置決めインジケータシステム３０４の間の通信を可能にすることができる。接続は、例えば、外科医コンソール１１４、電子機器カート１１６、及び手術マニピュレータアセンブリ１０４の間の光ファイバ通信リンクであることができる。制御システム３００は、幾つかの例において、手術システム１００を操作するために使用されるデータ処理の一部又は全部を実行し得る中央電子データ処理ユニットとして機能する単一のプロセッサを含むことができる。
手術システム１００は、手術システム内の機器の治療パラメータ及び状態を検出するためにセンサシステム３０６のセンサ部を含むことができる。手術マニピュレータアセンブリ１０４は、例えば、手術マニピュレータアセンブリ１０４に沿うリンクの相対的な姿勢を検出するよう、ジョイント１４２ｂ〜１４２ｃ及び１４８ａ〜１４８ｇに位置付けられる、姿勢センサ３０８を含むことができる。姿勢センサ３０８は、圧力センサ、トルクセンサ、力センサ、位置センサ、速度センサ、加速度計、回転エンコーダ、線形エンコーダ、及び手術マニピュレータアセンブリ１０４内のリンク及びジョイントの位置及び向きを決定する他の適切なセンサの組み合わせを含むことができる。
姿勢センサ３０８は、セットアップアセンブリ１０９、ベース１０８、遠隔制御可能なアーム１０６、並びに１以上のジョイント１４２ａ〜１４２ｃ及び１４８ａ〜１４８ｇの相対的な位置、相対的な向き、又は相対的な位置及び相対的な向きの両方を示す、信号を生成することができる。これらの姿勢センサ３０８は、任意的に、ベース１０８の姿勢に対する遠隔制御可能なアーム１０６の姿勢を検出し、他のリンクに対する１つのリンクの姿勢を検出し、手術ツール１３４の姿勢を検出し、或いは手術マニピュレータアセンブリ１０４の他の要素の姿勢を検出する。これらの姿勢は、任意の適切な基準を参照してよい。例示的な基準は、手術環境１０、床面、患者１０２、ベース１０８を含む。姿勢センサを備える所与のジョイントについて、姿勢センサは、ジョイントのジョイント状態を検出することができる。センサは、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の所与の位置についての利用可能な範囲のジョイント状態及びジョイント速度内のジョイントの位置及び速度を検出することができる。センサは、所与のジョイントで接続されるリンクの相対的なリンク姿勢を検出することもできる。このセンサは、それにより、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の所与の姿勢で利用可能なリンク状態の範囲内のリンクの姿勢を検出することができる。
姿勢センサ３０８は、任意的に、手術環境１０内のベース１０８の姿勢を検出することができるセンサを含む。センサは、プロセッサ３０２が、ベース１０８を支持し且つベース１０８が手術環境を動き回ることを可能にするセットアップアセンブリ１０９の動きに基づいてベース１０８の姿勢を計算するために使用することができる、信号を生成することができる。セットアップアセンブリ１０９は、例えば、カート１１１のホイール１３６で、床面２０より上方の手術環境内で支持される。ホイール１３６は、手術環境１０の床面２０上のカート１１１の水平方向の位置及び向きを追跡するために使用することができる回転エンコーダと共に動作可能であってよい。次に、カート１１１の水平方向の位置及び向きからベース１０８の水平方向の位置及び向きを決定することができる。セットアップアセンブリ１０９のカート１１１は、代替的に又は追加的に、床面２０に沿うカート１１１の動き、例えば、位置、速度、向き、及び／又は加速度を追跡することができる、光学センサを含む。光学センサは、例えば、光学マウスにおいて使用されるものと同様である。光学センサは、カート１１１が床面２０に沿って移動するときに、床面２０の画像を取り込む。床面２０の画像は、カート１１１の動きと共に変化する。プロセッサ３０２は、取り込まれる画像を使用して、カート１１１の位置及び向きを決定することができる。
幾つかの例において、遠隔制御可能なアーム１０６の動力付きジョイントは、オペレータによって手動で再位置決めされることができる。幾つかの場合、動力付きジョイントは、オペレータによって手動で位置決め可能である。動力付きジョイントと関連付けられるセンサは、動力付きジョイントの関節作動(articulation)を引き起こす外力を検出することができる。外力の検出に応答して、制御システム３００のプロセッサ３０２は、動力付きジョイントが外力の方向に移動するように、動力付きジョイントと関連付けられるアクチュエータを作動させることができる。プロセッサ３０２は、センサについての適切な閾値より下の外力を打ち消すことがあるが、閾値を超える外部ジョイントを遠隔制御可能なアーム１０６への入力として扱うことがある。
幾つかの例において、プロセッサ３０２は、遠隔操作可能なアーム１０６又は手術ツール１３４の動きを直接的に感知することによって、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔操作可能なアーム１０６によって支持される品目）の位置を決定することができる。幾つかの例において、プロセッサ３０２は、順運動学を使用して、運動を計算することができる。姿勢センサ３０８からの実際のジョイント運動情報、例えば、制御可能なアーム１０６のジョイントのジョイント状態を示すデータを使用して、プロセッサ３０２は、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツールのような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の姿勢を決定することができる。ジョイントトルク、力、速度、向き、及び／又は位置は、プロセッサ３０２が遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の動きを決定することができるように、プロセッサ３０２に任意的に送信されてよい。順運動学を使用して、プロセッサ３０２は、姿勢センサ３０８からの情報を使用して、ベース１０８に対する遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の姿勢を計算することができる。幾つかの例では、遠隔運動中心及び基準点１６２がカニューレ１５０又は手術ツール１３４に沿う位置、特にそのような構成要素が患者１０２のアクセスポートに挿入されるカニューレ１５０又は手術ツール１３４に沿う位置に対応するならば、プロセッサ３０２は、姿勢センサ３０８からの情報に基づいて遠隔運動中心及び基準点１６２の場所を決定することができる。
センサシステム３０６は、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）に対する患者１０２の動きを測定する患者動作センサ３１０を任意的に含む。患者動作センサ３１０は、患者１０２の身体がセンサに対して動くときを検出する、遠位部分１５９に近接するセンサを含むことができる。センサは、例えば、近くの物体の距離を検出するエミッタ−レシーバセンサである。センサは、赤外光を放射し且つ反射される赤外光を受光して患者１０２の距離を決定する、光学飛行時間センサ(time-of-flight sensor)であることができる。時間に亘る距離の相対的変化は、患者動作を示すことができる。
センサシステム３０６は、代替的又は追加的に、ツールセンサ３１２が患者に対して手術ツール１３４若しくはカニューレ１５０によって加えられる力又はその逆を示すセンサ信号を生成するように位置付けられる、ツールセンサ３１２を含む。加えられる力を直接的に測定するためにツールセンサ３１２を手術ツール１３４又はカニューレ１５０上に位置付けることができる。幾つかの例において、ツールセンサ３１２は、トルクを測定するために、ジョイント、例えば、ジョイント１４８ｇに位置付けられる。次に、プロセッサ３０２は、ジョイント１４８ｇでのトルクに基づいて、加えられる力を計算することができる。
幾つかの実施において、センサシステム３０６は、障害物検出センサ３１４を含むことができる。障害物検出センサ３１４を手術システム１０内の１以上の場所に位置付けて、手術環境１０内の付近の障害物との差し迫った衝突又は接触を検出することができる。手術マニピュレータアセンブリ１０４及び／又は遠隔制御可能なアーム１０６は、手術マニピュレータアセンブリ１０４及び／又は遠隔制御可能なアーム１０６の部分が付近の障害物に接触するか或いはもう少しで接触するときを検出する障害物検出センサ３１４を含むことができる。障害物は、手術台１２３、電子機器カート１１６、及び外科医コンソール１１４のような、手術システム１００の他の機器を含むことができる。障害物は、外科医１２２、オペレータ１２２、及び助手１２４，１２６のような、手術環境１０内のオペレータを含むこともできる。障害物検出センサ３１４は、接触センサ、近接センサ、光学飛行時間センサ、及び障害物との接触又は障害物の距離を検出するのに適した他のセンサを含むことができる。障害物検出センサ３１４は、例えば、テープスイッチ、可撓性感知アレイ、個々の力感知抵抗器若しくは力感知抵抗器アレイ、又は受動容量感知システムを含むこともできる。障害物検出センサ３１４からの信号を制御システム３００のプロセッサ３０２によってモニタリング（監視）することができ、幾つかの場合において、プロセッサ３０２は、接触又は衝突が差し迫っている場合があることを決定した後に警告を発してよい。
制御システム３００は、遠隔制御可能なアーム１０６のベース１０８の手動再位置決めを指示する、位置決めインジケータシステム３０４を含む。プロセッサ３０２は、位置決めインジケータシステム３０４を制御して、人間知覚可能な指示をオペレータに提供して、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させる。表示は、例えば、触覚的表示、可聴表示、又は視覚的表示のうちの１以上を含む。オペレータは、ベース１０８を直接的に操作することができる。図１に関して説明したように、位置決めインジケータシステム３０４は、視覚的表示１１５をオペレータ１１２に提供して、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させるようオペレータに指示することができる。
図２Ｂ及び図２Ｃに示す例において、位置決めインジケータシステム３０４は、オペレータ１１２に視覚的表示を提供するインジケータライト２００ａ及び２００ｂ（集合的にインジケータライト２００と呼ぶ）を含む。インジケータライト２００の各々は、光がアクティブ化させられるときにベース１０８についての異なる再位置決め方向を示すように位置決めされる。これに関して、所与のインジケータライトがアクティブ化（起動）させられるときに、インジケータライトは、所与の再位置決め方向における視覚的表示を生成して、所与の再位置決め方向にベース１０８を移動させるようにオペレータ１１２を誘導する。インジケータライト２００の選択的なアクティブ化は、ベース１０８を手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８のための最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させるよう、手術マニピュレータアセンブリ１０４の手動再位置決めを誘導することができる。例えば、オペレータ１１２がベース１０８を移動させるときに、オペレータ１１２がベース１０８を直接的に操作するならば、インジケータライト２００を選択的にアクティブ化させて、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させるようオペレータを誘導することができる。
インジケータライト２００は、任意的に、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８に配置されてよい。インジケータライト２００は、例えば、４以上（４つ又はそれよりも多く）のインジケータライトを含むことができる。インジケータライト２００のうちの１つを照らして、インジケータライトによって示される方向に手術マニピュレータアセンブリ１０４を移動させるべきであることをオペレータに示すことができる。インジケータライト２００の組み合わせを照らして、個々に照らされるときにインジケータライト２００によって示される方向の間の方向に手術マニピュレータアセンブリ１０４を移動させるべきであることをオペレータに示すことができる。
図２Ｂに示すように、インジケータライト２００ａがアクティブ化させられるとき、インジケータライト２００ａは、手術環境１０の床面２０に向かって光を投射する。光は第１の方向に投射され、それにより、手術マニピュレータ最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって再位置決めされるよう、アセンブリ１０４のベース１０８を第１の方向２０２に移動させなければならないことをオペレータ１１２に示す。図２Ｃに描写するように、インジケータライト２００ｂがアクティブ化させられるとき、インジケータライト２００ｂは、床面２０に向かって光を投射する。光は第２の方向２０４に投射され、それにより、最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって再位置決めされるよう、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８を第２の方向２０４に移動させなければならないことをオペレータ１１２に示す。
幾つかの例において、オペレータは、手術マニピュレータアセンブリ１０４の他の部分を移動させて、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させることができる。例えば、オペレータは、セットアップアセンブリ１０９の部分を移動させて、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させることができる。これに関して、幾つかの実施において、位置決めインジケータシステム３０４は、セットアップアセンブリ１０９のリンク、ジョイント、又は他の要素の手動再位置決めを最適な場所に向かって方向付けることができ、或いは、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させられるよう、これらの要素の再位置決めを方向付けることもできる。例えば、位置決めインジケータシステム３０４は、床面２０上でのカート１１１の手動再位置決めを方向付けるインジケータライトを含むことができる。代替的に又は追加的に、位置決めインジケータシステム３０４は、セットアップアーム１２８のリンク又はジョイントの手動再位置決めを方向付けるインジケータライトを含む。
（システム動作の例）
本明細書に記載するように、手術システム１００のための制御システム３００は、オペレータ１１２がベース１０８を手動で再位置決めするときにオペレータ１１２を誘導することができる。例えば、手術が行われる前に、オペレータ１１２は、ベース１０８を手術台１２３の付近又は近傍の最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって手動で移動させることによって、ベース１０８の手動の再位置決めを行うことができる。プロセッサ３０２は、オペレータ１１２が手動の再位置決めを行うときに、位置決めインジケータシステム３０４を制御してオペレータ１１２に指示する。
手動再位置決めの部分の間に、プロセッサ３０２は、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６を制御しながら手動再位置決めを指示して、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持する。位置及び／又は向きは、基準点１６２のような、基準に対して維持されてよい。基準点１６２に対して位置及び／又は向きを維持することは、オペレータが遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置を患者１０２のアクセスポートに又はその付近に設定し、次に、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置を考慮することを必要とせずに、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８を手動で再位置決めすることを可能にすることができる。オペレータ１１２は、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置をシフトさせることなく、手動再位置決め中にベース１０８を移動させることができる。これに関して、遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）を位置決めするステップ及びベース１０８を位置決めするステップは、１つのステップの結果が他のステップの結果に影響を及ぼすことなく、それらを順次式に行うことができるよう、互いに切り離されるステップであることができる。
遠位部分１５９（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持しながら手動再位置決めを指示する例示的なプロセス及び動作を本明細書において記載する。図４は、例えば、ベース１０８の手動再位置決めを指示するためにプロセッサ３０２によって実行されるプロセス４００のフローチャートを描写している。図５は、ベース１０８の手動再位置決めを指示するためにプロセッサ３０２によって使用される入力及び出力を概略的に示している。プロセス４００を図１の手術システム１００に関して記載しているが、プロセス４００は、本明細書に記載する手術システムの他の実施に適用可能である。
プロセス４００の開始時に、プロセッサ３０２は、手術システム１００から入力を受信する（動作４０２）。図５に示すように、プロセッサ３０２は、手術システム１００から入力５００を受信することができ（動作４０２）、プロセッサ３０２は、出力５０２を決定するよう処理して、位置決めインジケータシステム３０４を制御し、それにより、ベース１０８の手動再位置決めを指示する。入力５００は、オペレータによって特定されるユーザ入力並びにセンサシステム３０６のセンサによって生成されるセンサ信号を含むことができる。入力５００は、例えば、処置データ５０４、機器データ５０６、姿勢データ５０８、オペレータデータ５０９、障害物データ５１０、患者データ５１２、及びポートデータ５１４を含むことができる。データ５０４、５０６、５０８〜５１０、５１２、５１４は、手動再位置決めを指示するよう位置決めインジケータシステム３０４を制御するためにプロセッサ３０２によって使用可能なデータの幾つかの例を表している。位置決めインジケータシステム３０４を制御するために、他の種類及び内容のデータがプロセッサ３０２によって適切に使用されてよい。
処置データ５０４は、患者１０２に対して行われるべき特定の外科処置を示すデータを含む。処置データ５０４は、手術作業空間の特定の要件、例えば、患者に対して行われるべき特定の外科処置の故に、手術中に手術ツール１３４がアクセスすることができるべき、患者１０２の周りの領域を指すことができる。外科処置は、所定の範囲の作業空間を必要とすることがある。
幾つかの例において、作業空間の範囲を表すために手術ツール１３４についての特定の範囲の動きを特定することができる。幾つかの場合には、作業空間の範囲を表すために、作業空間の境界を描写することができる。幾つかの実施では、オペレータが作業空間の範囲を示すデータを入力することができる。オペレータは、処置を行う前に並びにベース１０８の手動再位置決め行う前にデータを入力することができる。
ベース１０８の手動再位置決めを行う前に、オペレータは、手術中に手術ツール１３４のために必要とされる或いはさもなければ望しい作業空間を表す領域内で手術ツール１３４を移動させることによって作業空間の範囲を示すことができる。例えば、オペレータは、（ツールが保持された或いは保持されていない）手術マニピュレータアセンブリ１０４を移動させて所望の作業空間を示すことができ、或いは、手術ツール１３４の代替物を移動させることによって所望の作業空間を実証する(demonstrate)ことができる。代替物の例は、処置中に使用されてよい平均的な手術ツールを表すデバイス、手術ツール１３４の近位部分を複製するreplicate)がシャフト及びエンドエフェクタ全体を複製しないデバイス、手術中に使用されてよい手術ツールの遠位端と関連付けられる場所の視覚的表示を投影するデバイスなどを含む。遠隔制御可能なアーム１０６又は手術ツール１３４の所望の運動範囲についての情報を、そのような実証(demonstration)から少なくとも部分的に導き出すことができる。センサシステム３０６の姿勢センサ３０８は、例えば、所望の作業空間のオペレータ１１２による手動の実証を示す信号を生成することができ、遠隔制御可能なアーム１０６の所望の運動範囲についての情報を提供することができる。手術マニピュレータアセンブリ１０４上のセンサ（例えば、姿勢センサ３０８）は、手術マニピュレータアセンブリ１０４及び／又は手術ツール１３４の物理的な動きを検出することができ、手術マニピュレータアセンブリ１０４及び／又は手術ツール１３４の姿勢を示す信号を生成することができる。手術マニピュレータアセンブリ１０４及び／又は手術ツール１３４が移動させられると、プロセッサ３０２は、これらのセンサ信号を含む処置データ５０４を受信し、次に、これらのセンサ信号を処理して、オペレータによって実証される作業空間の範囲を決定することができる。
機器データ５０６は、手術中に使用される機器の仕様を示すデータを含む。機器データ５０６は、手術マニピュレータアセンブリ１０４の各ジョイントの運動範囲(可動域)(range of motion)を特定するデータを含むことができる。運動範囲は、構造的又は機械的な限界であることができる。
所与のジョイントについて、ジョイントの運動範囲は、ジョイントによって接続される２つのリンク間で可能な運動量(運動量)(amount of motion)を指すことができる。回転ジョイントの場合、機器データ５０６は、例えば、９０度〜１８０度の間の運動範囲についての値を特定することができる（例えば、ジョイントの運動範囲は、９０度、１３５度、又は１８０度である）。プリズムジョイントの場合、機器データ５０６は、例えば、１０センチメートル〜３０センチメートルの間の運動量についての値を特定することができる（例えば、ジョイントの運動量は、１０センチメートル、２０センチメートル、又は３０センチメートルである）。本明細書において特定する運動範囲を超える他の運動範囲は、遠隔制御可能なアーム１０６及びセットアップアセンブリ１０９の構成に依存して適切であってよい。機器データ５０６中に示される運動範囲は、受動ジョイント、能動ジョイント、又はそれらの両方についての運動範囲を含むことができる。
機器データ５０６は、遠隔制御可能なアーム１０６及びセットアップアセンブリ１０９の構造を更に示すことができる。例えば、機器データ５０６は、ジョイントの数、各ジョイントの種類、遠隔制御可能なアームのリンクの長さ、及び遠隔制御可能なアーム１０６の構造に関する他のパラメータを特定することができる。
機器データ５０６は、遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられた手術ツール１３４の種類に関する情報を含むこともできる。手術ツール１３４の種類は、例えば、作業空間の範囲及び動作を行うのに必要なトルクの量に影響を及ぼすことがある。手術ツール１３４の種類は、オペレータによって手動で入力されることができる。幾つかの例において、手術ツール１３４は、手術ツール１３４の種類を示す検出可能なタグを含んでよい。
機器データ５０６は、製造業者及びモデル、大きさ及び寸法、手術台上面板が手術台ベースに対して移動可能な場合の運動範囲、手術台レールの寸法、取り外し可能な手術台セグメントが存在するならば、その取付け場所及び寸法のような、手術台に関する情報を含むこともできる。
姿勢データ５０８は、ジョイント、リンク、手術ツール、及び手術マニピュレータアセンブリ１０４の他の構成要素の姿勢を示すデータを含む。姿勢データ５０８は、遠隔操作可能なアーム１０６のジョイント及び／又はリンクの各々の初期的な姿勢、セットアップアセンブリ１０９のジョイント及び／又はリンクの各々の初期的な姿勢、遠位部分及び／又は手術ツール１３４の初期的な姿勢、並びにベース１０８の初期的な姿勢を含む。手動再位置決め中にベース１０８が移動させられると、姿勢センサ３０８は、ベース１０８の動きに応答して信号を生成することができる。姿勢センサ３０８からの信号に基づいて、プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６を制御して、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置を維持することができる。位置及び／又は向きは、基準に対して維持されてよい。例示的な基準は、手術環境１０、患者１０２の解剖学的構造、基準点１６２のような基準点、基準点１６２から生じる基準系などを含む。
オペレータデータ５０９は、外科処置を行う手術チーム、例えば、オペレータに関するデータを含む。オペレータデータ５０９は、例えば、能力、手術機器のレイアウトについての好み、経験のレベル、スキルのレベル、及び他のオペレータ特異な属性に関する情報を含む。幾つかの例では、外科処置の前に、オペレータの各人について、オペレータプロファイルが創成される。手術チームプロファイルは、代替的に又は追加的に、特定の手術チームについて創成される。
障害物データ５１０は、手術マニピュレータアセンブリ１０４に対する手術環境１０内の患者１０２及び障害物の姿勢又は位置を示すデータを含む。幾つかの例において、障害物データ５１０は、オペレータによって入力される手術環境１０のマップを含むことができる。マップは、手術システム１００の他の機器のような、手術環境１０内の潜在的な障害物の位置を含むことができる。障害物データ５１０は、代替的に又は追加的に、障害物検出センサ３１４からのデータを含む。遠隔操作可能なアーム１０６、セットアップアセンブリ１０９、及びベース１０８が手術環境１０内で移動させられると、障害物検出センサ３１４は、手術環境１０内の障害物の位置、向き、又は姿勢を示す信号を生成することができる。
患者データ５１２は、患者特異な特徴を示すデータを含む。患者データ５１２は、患者の体質及び患者の幾何学的形状を示すデータを含むことができる。幾つかの例において、オペレータは、患者の体質及び患者の幾何学的形状を入力する。幾つかの場合には、撮像デバイスが、プロセッサ３０２によって分析されることができる画像を生成して、患者の体質及び患者の幾何学的形状を決定することができる。撮像デバイスは、ベース１０８の手動再位置決めが行われる前に、患者１０２に挿入されてよい。内視鏡は、患者の体質及び患者の幾何学的形状を推定するために使用可能な画像を生成することができる。幾つかの例において、患者データ５１２は、遠隔制御可能なアーム１０６に対する患者１０２の姿勢及び／又は遠隔制御可能なアーム１０６に対する手術台１２３の姿勢を示すデータを含むこともできる。患者データ５１２は、Ｘ線画像、Ｘ線コンピュータ断層撮影画像、磁気共鳴撮像スキャン、及び同等物のような、術前画像を含むことができる。幾つかの場合、患者データ５１２は、術中画像又は表面スキャンを含む。
ポートデータ５１４は、患者１０２のアクセスポートの特性を示すデータを含む。ポートデータ５１４は、アクセスポートの位置及び向きを示すことができる。プロセッサ３０２は、ポートデータ５１４を使用して、ベース１０８の手動再位置決め中に基準点１６２を決定することができる。幾つかの実施において、ポートデータ５１４は、カニューレがドッキング（結合）されているとき、オペレータがベースの再位置決め準備完了(readiness)を示すとき、手術ツールが取り付けられるときなどの、制御可能なアーム１０６の姿勢に基づく。幾つかの実施では、カニューレ１５０又は手術ツール１３４のような構成要素が、患者１０２のアクセスポートを通じて挿入され、プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６にあるセンサからの信号に基づいてアクセスポートの位置及び向きを決定することができる。
幾つかの例において、ポートデータ５１４は、オペレータによって入力されることができる。ベース１０８の手動再位置決めが起こる前に、手術ツール１３４がアクセスポートに挿入されないならば、プロセッサ３０２は、入力されるポートデータ５１４に基づいて基準点１６２を選択することができる。基準点１６２は、手動再位置決めが完了した後に、手術ツール１３４がアクセスポートに容易に挿入されるよう、手術ツール１３４が位置付けられ且つ方向付けられることができるように、選択される。具体的には、手術ツール１３４は、手動再位置決め中に後退位置にあることができ、次に、基準点１６２がアクセスポートの位置に対応するように、挿入位置まで軸方向に並進させられることができる。
入力を受信した（動作４０２）後に、プロセッサ３０２は、任意的に、入力に基づいて１以上の指標(indices)を生成する（動作４０４）。プロセッサ３０２は、それぞれが指標のうちの１つを表す関数(functions)を計算することができる。例えば、オペレータによって或いはプロセッサ３０２によって最適化されるべきデフォルト設定に従って、指標のうちの１以上を選択することができる。次に、プロセッサ３０２は、動作４０６に関してより詳細に記載するように、選択される指標の機能(function)を最適化することができる。
動作４０４で生成される指標の各々は、プロセッサ３０２についての最適化目標を表すことができる。指標は、ベース１０８の手動再位置決め中に最適化されるべき値を指すことができる。動作４０４中にプロセッサ３０２によって生成される各指標は、入力のうちの1以上の入力に基づく値であることができる。生成される指標の数は、自由度の数、特に冗長自由度の数に依存することがある。これに関して、動作４０４で生成される指標は、手動再位置決め中の手術マニピュレータアセンブリ１０４の現在の構成についての指標を表す。指標についての値は、ベース１０８が手動で再位置決めされ、手動再位置決め中にジョイントが移動させられると、変化することがある。
入力及び／又は１以上の指標に基づいて、プロセッサ３０２は、ベース１０８の現在の姿勢についての最適性スコア及び最適姿勢を決定する（動作４０６）。プロセッサ３０２は、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８についての最適姿勢又は最適位置の範囲を決定することができる。最適姿勢又は最適位置の範囲を最適ベース場所エンベロープ１１０として表すことができる。最適ベース場所エンベロープ１１０は、ベース１０８のために最適と考えられる三次元位置及び向きの範囲に対応することができる。幾つかの実施において、最適ベース場所エンベロープ１１０は、床面と平行な平面に沿うある範囲の最適二次元位置に対応する。幾つかの例において、最適ベース場所エンベロープ１１０は、最大の最適性スコアを有する複数の最適位置を含む。プロセッサ３０２は、入力５００に基づいて最適位置、最適姿勢、及び／又は最適ベース場所エンベロープ１１０を計算することができる。プロセッサ３０２は、動作４０４で指標の値についての関数を生成し、それらの関数を使用して指標の各々を最適化する最適化戦略を実行することができる。最適化戦略は、例えば、勾配降下ベースの最適化戦略、最小二乗ベースの最適化戦略、又は他の適切な戦略を含む。プロセッサ３０２は、関数に対する解(solution)を計算することができ、解は、所与の最適化戦略を使用するベースについての最適な姿勢範囲又は最適ベース姿勢を表す。最適化戦略は、プロセッサ３０２がベース１０８の現在の姿勢の最適性を表す最適性スコアを計算することを可能にする。幾つかの例において、最適性スコアは、最適なベース姿勢又は最適ベース場所エンベロープ１１０に対するベース１０８の現在の姿勢の近接性を表す。
幾つかの例において、プロセッサ３０２は、主要目標としての単一の指標を選択し、次に、指標を最適化する最適化戦略を使用して解を計算する。この解が計算されるとき、プロセッサ３０２は制約不足(under-constrained)であり、プロセッサ３０２によって提供される解は、遠隔制御可能なアーム１０６のために利用可能な状態のサブセットを表すことがある。一次解(primary solution)が制約不足であるときに遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントに送信されるべき特定の命令を識別するために、プロセッサ３０２は、状態のサブセットの中から遠隔制御可能なアーム１０６の所望の状態を選択する部分空間フィルタとして機能するモジュールを含むことができる。部分空間フィルタは、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントのための命令のセットを選択して、遠隔制御可能なアーム１０６が所望の状態に置かれるようジョイントを移動させることもできる。有利には、選択される命令は、第２の目標に資するために、例えば、第２の指標を最適化するために、使用されることができる。幾つかの例では、複数の指標が選択され、ある重みが選択される指標の各々に割り当てられる。その重みは、他の選択される指標に対するその指標の優先度を示す。例えば、オペレータは、処置の種類及び患者の特徴がオペレータの好みよりも最適化についてより大きな優先度を有すると決定してよい。複数の目標の最適化の例は、第２２９号特許に記載されており、その全文を参照として本明細書に援用する。
各指標は、最適であると考えられる値の範囲を有してよい。指標が最適な値の範囲内にあるとき、遠隔操作可能なアーム１０６及び手術ツール１３４は、指標が最適な値の範囲内にないときの遠隔操作可能なアーム１０６及び手術ツール１３４の状態と比較して、手術マニピュレータアセンブリ１０４の動作に有益な状態にある。指標についての最適な値の範囲は、閾値を上回る指標の任意の値に対応することができる。閾値は、デフォルト値、指標の最大値又は最小値の割合としてプログラムされることができ、或いはオペレータによって入力されることができる。
様々な指標を本明細書に記載する。これらの指標は、入力５００のうちの１以上の入力の関数であってよい。指標を計算するための本明細書に記載するデータ５０４、５０６、５０８、５１０、５１２、５１４の組み合わせの例示的な使用は、限定的であることを意図しない。
プロセス４００の所与の実施のために、プロセッサ３０２は、指標のうちの１以上を生成してよい。幾つかの実施において、プロセッサ３０２は指標を生成せず、むしろ入力５００のうちの1以上を直接的に比較して最適性スコアを計算することによって手動再位置決めを指示する。
プロセッサ３０２は、任意的に、各ジョイントのために利用可能な運動範囲に基づいて運動範囲指標を生成し且つ最適化する。運動範囲指標は、例えば、機器データ５０６及び姿勢データ５０８に基づいて計算されてよい。例えば、ある軸について２つの方向において回転することができる回転ジョイントについて、プロセッサ３０２は、２つの方向の各々において利用可能な運動量を決定することができる。プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６の各ジョイントについてジョイント状態の目標範囲を決定することができる。幾つかの場合には、ジョイントが両方向に実質的に等しい量だけ動くことができるように関節が位置付けられることが有益であり得る一方で、幾つかの例では、単一の方向において利用可能な運動量を最大にすることが望ましくあり得る。よって、ジョイント状態の目標範囲は、所与のジョイントのための利用可能なジョイント状態の範囲のサブセットであり得る。プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６の各ジョイントについての運動範囲要件を考慮することによって運動範囲指標を計算することができる。
運動範囲指標は、代替的に又は追加的に、手術ツール１３４の運動範囲を考慮する。具体的には、プロセッサ３０２は、手術ツール１３４が特定の外科処置のために解剖学的構造の関連部分に達するのに十分な運動範囲を有するか否かに基づいて運動範囲指標を計算することができる。これに関して、プロセッサ３０２は、運動範囲指標を計算する際に処置データ５０４を使用してもよい。
遠隔操作可能なアーム１０６が手動再位置決め中に移動して、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔操作可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持すると、姿勢センサ３０８は、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイント及び／又はリンクの動きに応答して信号を生成し、それにより、姿勢データ５０８を更新することができる。これらの信号を受信した後、プロセッサ３０２は、遠隔制御可能ｎアーム１０６のジョイント及び／又はリンクのうちの各々のジョイント及びリンクの新しい姿勢に基づいて運動範囲指標のその決定を更新することができる。
プロセッサ３０２は、代替的に又は追加的に、平滑度指標(smoothness index)を計算する。平滑度指標は、手術ツール１３４の運動性能を示し、幾つかの場合には、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントの一部又は全部の運動性能を示す。プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６及び手術ツール１３４の現在の姿勢について可能な手術ツール１３４の運動の分解能(resolution)を決定することによって運動性能を推定することができる。例えば、特定のジョイントについて、増分（例えば、所与の印加電圧又は電流）によるジョイントの作動が、遠隔操作可能なアーム１０６の各ジョイントの姿勢及び手術ツール１３４の姿勢に依存する手術ツール１３４の運動量をもたらすことがある。幾つかの実施において、平滑度指標は、姿勢及びジョイントセンサ位置分解能の関数として達成可能な空間分解能に基づいて計算される。平滑度指標は、加えられる増分（例えば、増分電圧又は電流）によって引き起こされる動きの大きさを説明することができる。これに関して、所与の加えられる増分からの手術ツール１３４のより小さい動きは、手術ツール１３４の改良された運動性能及び運動のより大きな平滑度をもたらすことができる。プロセッサ３０２は、例えば、機器データ５０６及び姿勢データ５０８に基づいて、平滑度指標を計算することができる。
プロセッサ３０２は、手術ツール１３４のトルク指標(torque index)を任意的に計算する。トルク指標は、遠隔制御可能なアーム１０６が手術ツール１３４に加えることができるトルクを示すことができる。幾つかの実施において、外科処置は、遠隔制御可能なアーム１０６が外科処置を行うのに必要な最小のトルクで手術ツール１３４を操作し得ることを要求することがある。これらの場合には、手術ツール１３４によって達成可能なトルクを最大にすることが有益なことがある。しかしながら、達成可能なトルクは、手術ツール１３４に対するジョイントの位置及び向きに依存することができる。プロセッサ３０２は、例えば、処置データ５０４、機器データ５０６、及び姿勢データ５０８に基づいて、トルク指標を計算することができる。
幾つかの実施では、トルク指標の代わりに又はそれに加えて、遠隔制御可能なアーム１０６が手術ツール１３４に加えることができる力を示す力指標(force index)が計算される。更に、トルク指標及び／又は力指標は、作業空間内の遠隔制御可能なアーム１０６の運動中に特定のジョイントに対する力及び／又はトルクを最小限に抑えることができるように、手術マニピュレータアセンブリ１０４のジョイントに対する力及びトルクを説明することがある。
プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６の現在の状態について手術ツール１３４によってアクセス可能な作業空間の部分を表す作業空間指標を計算することができる。プロセッサ３０２は、例えば、オペレータによって実証される、処置データ５０４中に示される作業空間に基づいて、作業空間指標を計算することができる。プロセッサ３０２によって位置決めインジケータシステムを制御して、作業空間指標を最適化するようにベース１０８の手動再位置決めを指示することができる。プロセッサ３０２は、作業空間指標を計算するために使用されるデータ及び手動実証を示す姿勢センサ３０８からの信号に基づいて位置決めインジケータシステムを制御することができる。
プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントの運動範囲を前提として手術ツール１３４が移動し得る範囲を決定することによって、機器データ５０６及び姿勢データ５０８に基づいて、手術ツール１３４によってアクセス可能な作業空間の部分を計算することができる。幾つかの実施において、プロセッサ３０２は、空間指標を決定する際に患者データ５１２を使用して患者の幾何学的形状及び患者の体質を考慮することができる。幾つかの例において、プロセッサ３０２は、空間指標の計算を、部分的にポートデータ５１４に、特に患者１０２のアクセスポートの場所及び向きに基づかせることができる。幾つかの例において、患者データ５１２は、処置データ５０４との組み合わせにおいて使用されるときに、所要の機器作業空間境界を推定するために使用することができる、患者の生理学の画像を含む。
プロセッサ３０２は、幾つかの例において、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントが運動学的特異点に対応する状態まで作動されることがある可能性を示す特異点指標(singularity index)を計算する。例えば、遠隔制御可能なアーム１０６について、運動学的特異点は、遠隔制御可能なアーム１０６が１以上の方向に移動する能力又は力を加える能力を失う状態にあるときに生じる。プロセッサ３０２は、機器データ５０６に基づいて潜在的な運動学的特異点を決定することができる。例えば、ジョイントについての運動学的特異点は、遠隔制御可能なアーム１０６の現在の構成に依存することがある。
プロセッサ３０２は、任意的に、姿勢データ５０８及び障害物データ５１０に基づいて障害物指標(obstacle index)を推定する。障害物指標は、遠隔制御可能なアーム１０６が付近の障害物と衝突することがある可能性を表す。これに関して、障害物データ５１０、遠隔制御可能なアーム１０６の現在の姿勢、及び処置データ５０４を使用して、プロセッサ３０２は、障害物指標を計算して、手術ツール１３４が処置データ５０４中で特定される作業空間の範囲にアクセスすることができるはずであるならば、遠隔制御可能なアーム１０６が付近の障害物と衝突することがあるか否か、を決定することができる。
プロセッサ３０２は、代替的に又は追加的に、患者に加えられる力の量を示す患者力指標を計算する。例えば、患者力指標は、姿勢データ５０８、患者データ５１２、及びポートデータ５１４に基づいて計算されてよく、アクセスポートの近傍の周りで患者１０２の壁に加えられることがあるトルク又は力の量を示すことがある。プロセッサ３０２は、患者力指標を使用して、遠隔制御可能なアーム１０６又はベース１０８が、患者１０２の組織に所望の量を超える力を加えることがある方法で移動させられているか否かを決定することができる。
幾つかの実施において、プロセッサ３０２は、任意的に、手術ツール１３４の所与の姿勢における手術ツール１３４の器用さを表す器用指標(dexterity index)を計算する。器用指標は、円滑度指標、トルク指標、作業空間指標、及び特異点回避指標のうちの１以上を説明する、集合指標(aggregate index)であることができる。幾つかの実施において、器用指標は、手術マニピュレータアセンブリ１０４のジョイントについての操作性指標(manipulability)及び／又はヤコビアン条件数(Jacobian condition number)に基づいて計算される。
幾つかの実施では、外科手術のための最適化戦略(optimization strategy)は、以前の外科手術からのデータに基づく。以前の外科手術からのデータは、例えば、以前の外科手術中に収集された入力、以前の外科手術中に決定された指標、及び／又は以前の外科手術中に決定されたスコアを含む。幾つかの場合、最適化戦略は、例えば、人工ニューラルネットワークのような、機械学習手法を使用して決定される。
プロセッサ３０２が現在の姿勢についての最適ベース姿勢及び最適性スコアを決定した（動作４０６）後に、プロセッサ３０２は、最適性スコアを閾値最適性スコアと比較する（動作４０７）。最適性スコアが閾値最適性スコアよりも大きいにせよ（動作４０８）小さいにせよ（動作４１２）、プロセッサ３０２は、出力５０２を生成して送達することができる。図５に示すように、出力５０２を手術マニピュレータアセンブリ１０４に送信して、手術マニピュレータアセンブリ１０４の動作を制御することができる。
最適性スコアが閾値最適性スコアより大きいならば（例えば、動作４０８）、プロセッサ３０２は、任意的に、手動再位置決めが完了したことを知らせるインジケータをアクティブ化させる信号を出力する（動作４１０）。ベース１０８がインジケータライト２００を含むならば、手動再位置決めの完了を知らせる信号は、特定のパターン又はシーケンスにおける各インジケータライト２００の照明であることができる。例えば、プロセッサ３０２は、インジケータライト２００の全部が照らされるように位置決めインジケータシステム３０４を制御することができる。幾つかの例において、プロセッサ３０２は、手動再位置決めの完了を示す可聴信号を提供するようにスピーカを制御する。幾つかの実施において、最適性スコアは、動作４０８で最大化される。代替的に又は追加的に、最適性スコアが最大化されるとき、最適化は、誤差スコア(error score)のようなスコアを最小化することをもたらす。
幾つかの例において、位置決めインジケータシステム３０４は、ベース１０８が閾値最適性スコアを上回る位置範囲内にあるようにベース１０８の動きを案内するように制御される。例えば、最適化プロセスが、オペレータにとって重要な特定の条件、例えば、プロセス４００の間に考慮されない外科手術に関する経験則（ヒューリスティックス）を説明しないならば、位置決めインジケータシステム３０４は、ベースを再位置決めする際にオペレータのために柔軟性（フレキシビリティ）をもたらす位置範囲を提供する。オペレータは、最大の最適性スコアを有さないことがあるが、位置決めインジケータシステム３０４を制御する際にプロセス４００が考慮しない他の条件を満たすことがある、位置を選択することができる。
最適性スコアが閾値最適性スコアよりも小さいならば（動作４１２）、プロセッサ３０２は、手動再位置決め信号を出力して手動再位置決めを指示する（動作４１４）。プロセッサ３０２は、再位置決め信号を位置決めインジケータシステム３０４に送信することができる。幾つかの例では、図５に示すように、プロセッサ３０２は、位置決めインジケータシステム３０４の一部を形成するインジケータライト２００を含む手術マニピュレータアセンブリ１０４に信号を送信する。再位置決め信号はインジケータライト２００を照明させ、それにより、オペレータが手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８を移動させてベース１０８を最適ベース姿勢に向かって又は最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって再位置決めすべき再位置決め方向を知らせる。
プロセッサ３０２は、次に、駆動信号を送信して、基準点１６２のような基準に対する遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持する（動作４１６）。プロセッサ３０２は、センサからの信号に基づいて駆動信号を生成する。例えば、姿勢データ５０８は、例えば、検出される速度及び加速度で、ベース１０８が再位置決め方向に移動させられていることを示してよい。次いで、プロセッサ３０２は、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向き）が維持されるように、ベース１０８の動きに応答してジョイントを移動させる駆動信号を生成することができる。位置及び／又は向きは、基準点１６２のような基準に対して維持されてよい。
幾つかの例では、再位置決め信号を出力する（動作４１４）間に又は駆動信号を送信する（動作４１６）間に、プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントにあるブレーキをアクティブ化させ、制動機構をアクティブ化させてベース１０８の移動を停止させ、且つ／或いはカート１１１上のホイール１３６と関連付けられる制動機構をアクティブ化させてカート１１１の動きを停止させてよい。プロセッサ３０２は、患者力指標の値の変化に基づいてブレーキ又は制動機構を制御してよい。例えば、患者力指標に基づいて、プロセッサ３０２は、所望の量を超える力が患者１０２の組織に加えられていることを決定してよい。これに関して、オペレータ１１２は、最適ベース場所エンベロープ１１０から離れる方向にベースを再位置決めしていてよく、プロセッサ３０２は、この動きを抑制しようとしてよい。幾つかの実施において、プロセッサ３０２は、遠隔部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）を、基準点１６２にその原点を備える基準系のような基準に対するその所望の位置及び／又は向きに維持するために、遠隔制御可能なアーム１０６を駆動することができない。これは、例えば、ジョイント限界、特異点、過度の振動、又はベースの運動の過度の速度／加速度に起因することがある。
姿勢データ５０８を使用して、プロセッサ３０２は、（遠隔制御可能なアームに連結されるカニューレ１５０又は手術ツール１３４について遠隔運動中心と同じであることが多い）遠隔制御可能なアームについての遠隔運動中心を決定又は推定することができ、遠隔制御可能なアーム１０６の動力付きジョイントの作動を制御して遠隔運動中心を維持することができる。プロセッサ３０２は、任意的に、逆運同額を使用して、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持するためにジョイントがどのように駆動させられるべきかを決定する。動力付きジョイントのアクチュエータを選択的に駆動させて、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持することができ、且つ／或いは動力付きジョイントをより最適な位置に位置付けることができる。幾つかの場合、プロセッサ３０２は、ベース１０８の動きに起因して生じることがある動力付きジョイントの動きを抑制するように動力付きジョイントのアクチュエータを制御する。幾つかの例において、プロセッサ３０２は、動力付きジョイントのアクチュエータを制御して、より最適な位置に向かう動力付きジョイントの動きを引き起こす。そのような方法の例は、参照として本明細書に援用する第２２９号特許に記載されている。
本明細書に記載するように、手術ツール１３４が基準点１６２によって定められるピボット点について回転するように、遠隔制御可能なアーム１０６及び／又は手術ツール１３４の動きを拘束することができる。これらのピボット点を推定するに際し、プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６のコンプライアンス(compliance)又は剛性(stiffness)によって特徴付けられる異なるモードを選択的に実施することができる。プロセッサ３０２は、推定ピボット点が計算された後に、ピボット点又は遠隔運動中心についてのコンプライアンス又は剛性の範囲に亘って異なるモードを実施することができる。範囲は、例えば受動ピボット点をもたらすコンプライアント(compliant)なピボット点と、例えば固定ピボット点をもたらす剛的なピボット点との間に及ぶことができる。
固定的なピボット点の場合、推定されるピボット点を所望のピボット点と比較して、遠隔制御可能なアーム（例えば、遠隔制御可能なアームの遠位部分）のピボット点を所望の場所に駆動するために使用することができる誤差出力を生成することができる。受動ピボット点の場合、所望のピボット場所は、主要な又は最優先の目的でないことがある。推定されるピボット点を依然として誤差検出のために使用することができる。推定されるピボット点場所の変化は、患者１０２が移動させられたこと又はセンサが誤動作していることを示すことにより、プロセッサ３０２が是正行為を取る機会を与えることがある。
プロセッサ３０２は、任意的に、遠隔制御可能なアーム１０６のコンプライアンス又は剛性が範囲全体に亘って変えられることを可能にする。例えば、ジョイント１４８ｇは、２つの軸についてのピボット運動を可能にする器具ホルダリストジョイント（手首関節）であることができる。ジョイント１４８ｇが範囲のコンプライアント端にあるように制御されるとき、プロセッサ３０２は、ジョイント１４８ｇのアクチュエータがトルクを殆ど又は全く加えない間に、手術ツール１３４の近位端を空間内で移動させることができる。これに関して、手術ツール１３４は、恰も一対の受動ジョイントによって遠隔制御可能なアーム１０６に連結されているかのように作用する。このモードにおいて、アクセスポートに沿う患者の組織と細長いシャフト１５２との間の相互作用は、ピボット点についての遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）のピボット運動を引き起こす。
関節１４８ｇが範囲の剛性端にあるように制御されるとき、プロセッサ３０２は、ポートデータ５１４からアクセスポートの場所を決定してよく、アクセスポートの場所を、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアームによって支持される品目）が回転するべき基準点１６２を示す入力として使用してよい。幾つかの場合、プロセッサ３０２は、姿勢データ５０８に基づいてアクセスポートの場所を計算してよく、アクセスポートの場所を基準点１６２として扱ってよい。次に、プロセッサ３０２は、計算されるピボット点での細長いシャフト１５２に対するあらゆる横方向の力がピボット点を通じて細長いシャフト１５２を維持する反作用力をもたらすように、ピボット点の近位に配置される遠隔制御可能なアーム１０６の各ジョイントと関連付けられるアクチュエータを駆動させることがある。よって、プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６が機械的に拘束された遠隔中心リンケージと類似の方法で挙動するように、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントを制御することがある。実施は、アクセス部位に対応するピボット点についての計算された運動を提供することと、アクセスポートに沿う組織が組織に対して過度の横方向の力を加えずに移動するときに許容範囲内で遠隔運動中心を移動させることとの間にあってよい。その全文を参照として本明細書に援用する第２９９号特許は、遠隔運動中心及びピボット点を計算する他の例を記載している。
プロセッサ３０２が再位置決め信号を出力し（動作４１４）、駆動信号を送信した（動作４１６）後に、プロセッサ３０２は、ベース姿勢の最適性スコアが閾値最適性スコアを超えたことをプロセッサ３０２が決定するまで、動作４０２、４０４、４０６、４０７、４１２、４１４、及び４１６を繰り返すことができる。その時点で、プロセッサ３０２は、次に、動作４０８及び動作４１０を実行して、手動再位置決めの完了を示すことができる。
幾つかの実施では、ベース姿勢の最適性スコアが閾値最適性スコアを超えたことをプロセッサ３０２が決定するまで、動作４０２、４０４、４０６、４０７、４１２、４１４、及び４１６を繰り返すよりもむしろ、ベース１０８の手動再位置決めは、最適性スコアが閾値最適性スコアを超える前に終了させられる。例えば、オペレータは、ユーザ入力を提供して、プロセス４００を無効にすることができ、手動再位置決めに誘導する動作の繰返しをプロセッサ３０２に中止させることができる。代替的に、プロセッサ３０２は、所定の条件が満たされたことに応答して、ベース１０８の手動再位置決めを誘導することを自動的に中止することができる。所定の条件は、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０内に再位置決めされ得ないことをプロセッサ３０２に示すことができる。例えば、プロセス４００が開始した後に、所定の量の時間、例えば、５〜１５分が経過した後に、最適性スコアが閾値最適性スコアを超えないならば、プロセッサ３０２は、プロセス４００を無効にする。更なる例において、プロセッサ３０２は、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０から離れる方向に移動させられる多数の事例を追跡し、事例の数が所定の量、例えば、１０〜２０事例を越えるときに、プロセス４００を無効にする。更なる例において、プロセッサ３０２は、障害物データ５１０に基づいて、ベース１０８の現在場所と最適ベース場所エンベロープとの間の障害物に起因して最適ベース場所エンベロープ１１０へのベース１０８のための移動経路が存在しないことを決定する。最適性スコアが閾値最適性スコアを超える前にベース１０８の手動再位置決めが中止されるならば、プロセッサ３０２は、ベース１０８が最適未満の位置にある、例えば、最適ベース場所エンベロープ１１０の外側にあることを示す警告（アラート）を発することができる。
図６Ａ乃至図６Ｐは、遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられる手術ツール（図示せず）が患者１０２の周りの作業空間６０２に達することができるよう、患者１０２を支持する手術台１２３に隣接して手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８を手動で再位置決めする一連の動作６００Ａ乃至６００Ｐを描写している。動作６００Ａ乃至６００Ｐの各々は、オペレータ１１２、プロセッサ（例えば、制御システム３００のプロセッサ３０２）、又はそれらの両方によって実行される、副動作(sub-operations)を含むことができる。幾つかの実施において、動作６００Ａ乃至６００Ｐのうちの一部又は全部は、複数のオペレータによって実行される。
図６Ａにおいて、手術マニピュレータアセンブリ１０４は、手術環境１０内に位置付けられている。遠隔制御可能なアーム１０６は、格納構成にあることができる。動作６００Ａ、６００Ｂ、及び６００Ｃ中に遠隔制御可能なアーム１０６をプロセッサによって制御して、遠隔制御可能なアーム１０６を展開することができる。プロセッサは、図６Ｂ及び図６Ｃの動作６００Ｂ及び動作６００Ｃにそれぞれ示すように、遠隔制御可能なアーム１０６がベースから更に延びるように遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントを制御することができる。プロセッサは、遠位部分（又は遠隔制御可能なアーム１０６の遠位リンクにある手術ツール又はカニューレ１５０のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）が展開方向６０３に移動させられるようにジョイントを作動させることができる。幾つかの例では、プロセッサがジョイントを制御して遠隔制御可能なアーム１０６を移動させる代わりに、オペレータは、遠隔制御可能なアーム１０６を図６Ｃに示す展開位置に手動で移動させる。遠隔制御可能なアーム１０６が展開されると、オペレータ１１２は、遠隔制御可能なアーム１０６を滅菌ドレープ（図示せず）で覆うことができる。
図６Ｄ乃至図６Ｆのそれぞれにおいて、オペレータ１１２は、手術マニピュレータアセンブリ１０４が作業空間６０２に隣接して位置付けられるようにベースを手動で位置付ける。幾つかの例では、動作６００Ｄ〜動作６００Ｆの間に、プロセッサは、位置決めインジケータシステム（例えば、位置決めインジケータシステム３０４）を制御して、オペレータ１１２がベース１０８を押すべき再位置決め方向６０６を提供することができる。インジケータは、床面に投影される視覚的表示であることができる。幾つかの例において、プロセッサは、最適ベース場所又は最適ベース場所エンベロープ１１０を計算することができ、次に、位置決めインジケータシステムを制御して、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させるようオペレータ１１２に指示する再位置決め方向６０６を示すことができる。幾つかの実施では、遠隔操作可能なアーム１０６及びベース１０８の慣性は、オペレータ１１２がベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させる間に、遠隔制御可能なアーム１０６をベース１０８に対して移動させることがある。オペレータ１１２がベース１０８を移動させる間に、プロセッサは、遠隔制御可能なアーム１０６が展開位置に留まるように遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントを制御することができる。これに関して、ジョイントは、動作６００Ｄ乃至動作６００Ｆの間に、図６Ｄ乃至図６Ｆの各々に示す展開方向６０３に駆動させられてよい。
図６Ｇに示す動作６００Ｇで、ベース１０８は、手術台１２３及び患者１０２に隣接して位置付けられる。次に、図６Ｈ、図６Ｉ、及び図６Ｊにそれぞれ示す、動作６００Ｈ、動作６００Ｉ、及び動作６００Ｊで、遠隔操作可能なアーム１０６は、手術ツールが遠隔操作可能なアーム１０６に装着されるときに手術ツールが作業空間６０２内にあるように配置される。プロセッサは、例えば、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントの作動を通じて、遠隔制御可能なアーム１０６の展開を制御することができ、或いは、オペレータ１１２は、遠隔制御可能なアーム１０６を手動で展開することができる。
遠隔制御可能なアーム１０６が展開されるとき、幾つかの実施において、オペレータ１１２は、作業空間６０２の範囲を実証することができる。オペレータ１１２は、例えば、遠隔制御可能なアーム１０６の一部分（又は手術ツールが遠隔制御可能なアーム１０６に取り付けられる場合の手術ツール）が作業空間６０２の境界を通じて移動させられるよう、器具ホルダ又は遠隔制御可能なアーム１０６の他の部分を手動で操作することができる。次に、プロセッサは、遠隔制御可能なアーム１０６上の姿勢センサからセンサ信号を受信することができ、次に、それらの信号を使用して作業空間６０２の範囲を推定することができる。作業空間６０２を実証する他の方法を本明細書中に記載する。
動作６００Ｊで、基準を特定する。この例において、基準は、基準点１６２である。幾つかの例では、動作６００Ｊで、手術ツールを患者１０２のアクセスポートに挿入し、アクセスポートの場所に対応するように基準点を定める。オペレータ１１２は、遠隔操作可能なアーム１０６の様々なジョイントをクラッチで留めて(clutch)、遠隔操作可能なアーム１０６の遠位リンク又は（複数の）他の部分を操作して、手術ツールをアクセスポートに挿入することができる。クラッチ留め(clutching)の例は、参照として本明細書に援用する第２２３号特許に詳細に記載されている。
幾つかの実施では、アクセスポートを通じて手術ツールを物理的に配置することによる以外の方法において基準を定める位置をプロセッサに提供する。プロセッサは、ベース１０８の手動再位置決めが完了した後に手術ツールをアクセスポートに挿入することができるように基準点１６２を決定することができる。基準点１６２は、遠隔制御可能なアーム１０６と物理的に接触する構成要素上の点、又は遠隔制御可能なアーム１０６に機械的に接続されない空間内の点若しくは遠隔制御可能なアーム１０６に機械的に接続されない構成要素の一部分であることができる。例えば、器具ホルダ１３２がカニューレ１５０に連結され、カニューレ１５０が患者に挿入されるならば、基準点１６２は、カニューレ１５０が患者の体壁に接触する場所のような、カニューレ１５０に沿う点を指すことができる。器具ホルダ１３２がカニューレ１５０から切り離されるならば、基準点１６２は、カニューレが装着されるならば、遠隔制御可能なアーム１０６に機械的に接続されない手術環境１０内でカニューレが存在するであろう場所と関連付けられる点を指すことができる。基準点１６２は、様々な実施において他の方法で示されてよい。幾つかの実施において、オペレータは、入力デバイスを操作して、遠隔制御可能なアーム１０６が患者１０２のアクセスポートに近接していること、遠隔制御可能なアーム１０６が患者１０２のアクセスポートに既に挿入されているカニューレにドッキングされていること、遠隔制御可能なアーム１０６によって保持されたカニューレが患者１０２に挿入されていること、（複数の）基準点及び／又は（複数の）方向を示すために、患者の切開部又は患者に配置されたガイドマークを識別するよう、画像取得及び認識が実行されていることなどを示す。
動作６００Ｊで、プロセッサは、図４及び図５に関してより詳細に記載するように、受信する入力に基づいて最適ベース場所エンベロープ１１０を決定することができる。次に、図６Ｋ乃至図６Ｍに示すように、動作６００Ｋ乃至動作６００Ｍのそれぞれにおいて、プロセッサは、ベース１０８の手動再位置決めデバイスを案内する。プロセッサは、位置決めインジケータシステムを制御して、ベース１０８についての再位置決め方向６０６を示す。再位置決め方向６０６は、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させられるように、オペレータ１１２がベース１０８を再位置決めするべき、方向を示す。オペレータ１１２は、位置決めインジケータシステムによって提供される再位置決め方向６０６に従って、ベース１０８を手動で再位置決めする。オペレータ１１２がベース１０８を手動で再位置決めする間に、図４及び図５に関して記載したように、オペレータ１１２は、ベース１０８の動きを検出することができ、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツールのような遠隔操作可能なアーム１０６によって支持される品目）の位置及び／又は向きが手動再位置決め中に基準（例えば、基準点１６２）に対して維持されるように遠隔操作可能なアーム１０６のジョイントの作動を制御することができる。よって、プロセッサは、手動再位置決めが起こる間に、遠隔操作可能なアーム１０６の１以上の部分（例えば、遠隔操作可能なアーム１０６の遠位端又は（複数の）他の部分）を展開方向６０３においてベース１０８に対して移動させることができる。
プロセッサは、手動再位置決め中に、ベース１０８の回転及び並進の両方を指示するよう位置決めインジケータシステムを制御することができる。図６Ｋ３に示すように、プロセッサは、位置決めインジケータシステムを制御して、オペレータ１１２がベース１０８を再位置決め方向６０６に並進させる再位置決め方向６０６を示すことができる。図６Ｌ及び図６Ｍに示すように、プロセッサは、位置決めインジケータシステムを制御して、オペレータ１１２がベース１０８を再位置決め方向６０６に回転させる再位置決め方向６０６を示すこともできる。
図６Ｎにおいて、オペレータ１１２は、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０内にあるよう、ベース１０８を成功裡に手動で再位置決めした。幾つかの実施では、動作６００Ｎで、プロセッサは、手術マニピュレータアセンブリ１０４を制御して、成功インジケータ６０８を提供するようにする。成功インジケータ６０８は、ベース１０８の手動再位置決めが完了したことを示す。幾つかの実施において、成功インジケータ６０８は、位置決めインジケータシステムによって提供される特定のシーケンス又はパターンである。幾つかの実施において、成功インジケータ６０８は、音声確認、触覚的確認、又はオペレータに成功を示す他の信号を含む。幾つかの例において、位置決めインジケータシステムは、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０の外側にあるときにもオペレータに表示を提供する。
ベース１０８の再位置決めが成功裡に完了した後に、外科手術を開始することができる。手術ツールを患者１０２のアクセスポートに挿入することができる。外科医が手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６を遠隔制御して、手術ツールを制御して手術を行うことができる。
幾つかの実施において、第２の手動再位置決めを実行することは、ベース１０８をより最適な位置に再位置決めするのに有益なことがある。オペレータ１１２は、第２の手動再位置決めを指示するようにプロセッサに要求を発してよい。幾つかの例において、プロセッサは、第２の手動再位置決めが有益であることを検出し、次に、第２の手動再位置決めを実行するようにオペレータ１１２に警告する。例えば、最初の手動再位置決めが完了した後の処置中に、手術マニピュレータアセンブリ１０４に隣接して障害物が位置付けられ得る。オペレータ１１２によって実行される最初の手動再位置決めは、障害を回避するのに十分でないことがある。図６Ｏに示すように、最適ベース場所エンベロープは、障害物６１２、例えば、アクセサリカート、患者、及び／又はオペレータを考慮しない初期的な最適ベース場所エンベロープ１１０である。図６Ｏにおいて、障害物６１２は、遠隔制御可能なアーム１０６と障害物６１２との間の衝突が起こる可能性が低いように、手術マニピュレータアセンブリ１０４から十分に離れている。しかしながら、図６Ｐに示すように、障害物６１２は、手術マニピュレータアセンブリ１０４に隣接する位置まで移動させられ、よって、衝突の可能性を増大させる。
幾つかの実施では、外科手術中に手術ツール１３４は患者の新しいポート位置に移動させられなければならないので、第２の手動再位置決めが生じる。初期的なポート位置は、新しいポート位置のために必要とされるベース場所とは異なるベース場所を必要とすることがある。これに関して、新たなポート位置は、新しい基準点１６２をもたらす可能性があり、ひいては、第２の手動再位置決めのための新しい最適ベース場所エンベロープをもたらす。結果として、プロセッサは、オペレータがベース１０８を新しい最適ベース場所エンベロープに向かって移動させるように誘導されるように、第２の手動再位置決めを指示する。
幾つかの実施において、プロセッサは、第２の手動再位置決めを指示する。プロセッサは、例えば、アーム又は手術ツールが作業空間境界の縁に移動させられ、オペレータがアーム又は手術ツールを作業空間境界を越えて移動させることを欲するときに、第２の手動再位置決めプロセスを開始する。そのような場合、プロセッサは、例えばオペレータが本明細書に記載する手動実証プロセスを使用して定める新しい作業領域境界を考慮する、第２の手動再位置決めを引き起こすことができる。幾つかの場合、プロセッサは、障害物の移動、例えば、手術環境１０内のオペレータ又はデバイスの移動の故に、第２の手動再位置決めプロセスを開始する。
図３乃至図５に関して記載したように、手術マニピュレータアセンブリ１０４は、手術マニピュレータアセンブリ１０４の遠隔制御可能なアーム１０６の付近の障害物を検出するために使用することができる障害物検出センサを含む。障害物を検出した後に、プロセッサは、衝突の可能性が十分に大きいので、遠隔制御可能なアーム１０６が障害物１１２から再位置決めされなければならないことを決定することができる。遠隔制御可能なアーム１０６と障害物６１２との間の衝突を回避するベースの移動を伴わずにジョイントを作動させることが可能なことがあるが、幾つかの例では、図４及び図５に関して記載したように、他の目標を達成するためにベース１０８の第２の手動再位置決めを指示することが有益なことがある。例えば、第２の手動再位置決めは、ジョイントのうちの幾つかのジョイントの運動範囲を妨げることがある新しい障害物６１２に照らして遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントの運動範囲を有益に改良することがある。図６Ｐに示すように、プロセッサは、新しい障害物を考慮する新しい最適ベース場所エンベロープ１１０を計算することができる。プロセッサは、位置決めインジケータシステムを制御して、第２の手動再位置決めのための再位置決め方向６０６を示す。次に、オペレータ１１２は、ベース１０８及び遠隔制御可能なアーム１０６が障害物６１２から離れる方向に移動させられることにより、障害物６１２との衝突の危険性を減少させるように、再位置決め方向６０６に従って第２の手動再位置決めを実行することができる。
（追加的な実施の代替）
上述のシステムは、上記で議論した構成に加えて或いはそれらの代わりに、以下の構成のうちの１以上を任意的に含んでよい。
アーム１０６は遠隔制御可能であるものとして記載されているが、幾つかの実施において、アーム１０６は、アーム１０６と同じ室内の場所でオペレータによって制御される。例えば、外科処置中にアーム１０６が使用されるならば、オペレータは、患者の病床の傍らからアーム１０６を制御することができる。
カート１１を含むものとして記載されているが、幾つかの、セットアップアセンブリ１０９は、床面２０より上方のガントリに取り付けられ、手術環境１０の壁又は天井に取り付けられる、プラットフォームに対応する。オペレータ１１２は、ガントリに沿ってプラットフォームを移動させて、手動再位置決めを実行する。ガントリは、例えば、ベース１０８をガントリに取り付けるレールに連結される、制動機構を含むことができる。位置決めインジケータシステムは、レールと関連付けられる制動機構を含むことができる。
手術システム１００は、手動再位置決めを誘導することができる方法、システム、及びデバイスを含むことができる、手術システムの一例を表わしている。代替的な又は追加的な構成を含むように本明細書に記載する手術システム１００及び方法を修正することができる。手術システム１００の幾つかの構成は省略されてもよい。幾つかの場合、これらの修正は、手術システム１００の動作、例えば、動作４０２、４０４、４０６〜４０８、４１０、４１２、４１４、及び４１６並びに動作６００Ａ〜６００Ｐを追加的に変更することができる。
幾つかの実施において、セットアップアセンブリ１０９及び／又は遠隔制御可能なアーム１０６のジョイント及びセットアップジョイントは、図２Ａに関して記載する組み合わせとは異なる回転ジョイント及びプリズムジョイントの組み合わせを含むことができる。各ジョイントは、並進自由度、回転自由度、又はそれらの組み合わせを提供することができる。ジョイントは、複数の回転自由度、例えば、複数の独立した軸についての回転を含んでよい。ジョイントは、複数の並進自由度、例えば、複数の独立軸に沿った並進を含んでよい。例えば、セットアップジョイント１４２ｂ〜１４２ｃ及び１４８ａ〜１４８ｇは、回転ジョイントとして記載されているが、幾つかの例において、これらのジョイント１４２ｂ〜１４２ｃ、１４８ａ〜１４８ｇのうちの１以上は、並進自由度を可能にすることができ、よって、遠隔制御可能なアーム１０６とセットアップアーム１２８のリンクとの間の相対的な並進を可能にする。ジョイント１４２ａは、プリズムジョイントとして記載されているが、遠隔制御可能なアーム１０６がベース１０８に対して枢動することを可能にする回転ジョイントであることができる。幾つかの場合には、ジョイントが、リンク間の相対的な回転及び並進の両方を可能にすることがある。遠隔制御可能なアーム１０６は、所与の用途に望まれる自由度に依存して、より少ない又は追加的なリンク及びジョイントを含むことができる。
遠隔制御可能なアーム１０６及びセットアップアーム１２８のためのジョイントの種類は、異なる実施において異なることができる。幾つかの例では、遠隔制御可能なアーム１０６は、動力付き関節のみを含む一方で、セットアップアーム１２８は、受動ジョイントのみを含む。幾つかの実施において、手術マニピュレータアセンブリ１０４は、遠隔制御可能なアーム１０６及びセットアップアーム１２８の両方を含まない。例えば、遠隔制御可能なアーム１０６は、遠隔制御可能なアーム１０６をカート１１１又はセットアップアセンブリ１０９に連結する単一の動力付きジョイントを含むことができる。プロセッサ３０２は、手動再位置決め中に単一の動力付きジョイントを選択的にアクティブ化させて、動力付きジョイントを駆動することができる。動力付きジョイントの動きは、手動再位置決め中に、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持することができる。幾つかの実施において、遠隔制御可能なアーム１０６及びセットアップアーム１２８は、共に、２以上の動力付きジョイントを含むことができる。プロセッサ３０２は、手動再位置決め中に、動力付きジョイントの各々を選択的にアクティブ化させて、基準に対する、例えば、基準点１６２に対する、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持することができる。
幾つかの場合、遠隔制御可能なアーム１０６及びセットアップアーム１２８は、選択的に解放可能な受動ジョイントを含む。選択的に解放可能な受動ジョイントは、例えば、受動ジョイントの位置を維持する制動機構を含むことができる。これに関して、遠隔制御可能なアーム１０６は、動力付きジョイントと、選択的に解放可能な受動ジョイントとを含むことができる。ベース１０８の手動再位置決め中、プロセッサ３０２は、動力付きジョイントを選択的にアクティブ化させて、受動ジョイントを選択的に解放して、遠位部分（又はカニューレ１５０若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持しながら受動ジョイントを移動させるために反力を使用することができる。
図１に描写する手術システム１００は、単一の手術マニピュレータアセンブリ１０４を示しているが、幾つかの例において、手術マニピュレータアセンブリ１０４は、複数の手術マニピュレータアセンブリのうちの１つであってよく、それらの各々は、遠隔制御可能なアームを含む。遠隔制御可能なアームの各々は、手術ツールを含むことができ、本明細書に記載する方法を使用して各手術マニピュレータアセンブリのベースの手動再位置決めを指示することができる。更に、遠隔制御可能なアームの各々は、遠隔運動中心として機能する対応する基準点を含むことができる。各ベースの手動再位置決めは、手術マニピュレータアセンブリのための動力付きジョイントが、手術マニピュレータアセンブリのそれぞれの遠位部分（又はカニューレ、手術ツール、他の器具類又はアクセサリなどのような、手術マニピュレータアセンブリによって支持される品目）の位置を維持するためにアクティブ化させられる間に、起こることができる。幾つかの場合、プロセッサは、障害物検出センサを使用して他の外科手術マニピュレータアセンブリを検出することができ、他の外科手術マニピュレータアセンブリを手術環境内の障害物であると見做すことができる。これに関して、ベースの手動再位置決めを指示するためにプロセッサによって使用される障害物データは、他の手術マニピュレータアセンブリの位置を含むことができる。幾つかの実施では、第１のアームのためのベースの手動再位置決め中に、第２のアームの動力付きジョイントは、第１のアームが手動再位置決めされているときの第１のアームと第２のアームとの間の衝突を回避するように駆動させられる。
幾つかの例では、単一のアーム１０６を有する手術マニピュレータアセンブリ１０４であるよりもむしろ、手術マニピュレータアセンブリは、複数のアームを含み、各アームは、手術ツールを有する。手術ツールの各々を別個のアクセスポートに挿入することができる。ベース１０８の手動再位置決め中に、プロセッサは、複数のアームの各アームのジョイントを制御して、それぞれのアクセスポートに対する各アームの遠位部分（又はカニューレ若しくはカニューレのような各アームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持することができる。各アームは、単一のベース１０８から延びる。手動再位置決めを指示するために、プロセッサは、各アームについての最適な位置を考慮することができ、ベースの手動再位置決めを指示して各アームについての最適性を改良することができる。幾つかの実施では、各アームのための位置及び向きについての最適性スコアを最大化することが可能でないことがある。そのような場合、最適化戦略は、各アームについての最適性スコアを説明する正味最適性スコアを含むことができる。最適性戦略の一部として、特定のアームについての最適性スコアを他のアームよりも重くすることができる。これに関して、正味最適性スコアを最適化することは、実行されるべき外科処置と関連付けられるデータを前提として特定のアームについての最適な位置及び向きにより近い特定のアームについての位置及び向きをもたらす。
位置決めインジケータシステム３０４は、コラム１３８上にインジケータライト２００を有するものとして記載されているが、幾つかの実施において、位置決めインジケータシステムの構成は、位置、機構、及び他の態様において異なることができる。例えば、幾つかの実施において、位置決めインジケータシステム３０４は、ライトの代わりに、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８が再位置決めされるべき方向を視覚的に示す機械式ダイヤルを含む。
インジケータライト２００は、手術環境の床面に光を投射することができるが、幾つかの例において、インジケータライトは、ベース１０８の一部分に光を投射することができる。幾つかの場合には、インジケータライトをベースの一部分に位置付けることができ、手動再位置決めするための方向を示すために直接的に照らすことができる。例えば、図７に示すように、ベース７０４の近位部分７０２に沿ってインジケータライト７００を位置付けることができる。
位置決めインジケータシステム３０４は、手術マニピュレータアセンブリ１０４の部分として記載されているが、幾つかの例では、手術マニピュレータアセンブリ１０４から独立したシステムであってよい。位置決めインジケータシステム３０４は、手術マニピュレータアセンブリ１０４とは別個の視覚的インジケータシステム又は聴覚的インジケータシステムであることができる。位置決めインジケータシステムは、手術環境内で聞くことができる可聴信号を発するように構成されたオーディオシステムの部分であってよい。可聴信号は、ベースを移動させる方向を示すことができる。幾つかの例において、位置決めインジケータシステムは、ベースを移動させるべき方向を示すために床面を照らす視覚的インジケータシステム、例えば、天井取付けプロジェクタ、フロアライト、及び同等物である。
位置決めインジケータシステム３０４は、最適ベース位置及び／又は向きに到達するようにベース１０８を移動させるべき所望の再位置決め方向の表示を提供するものとして記載されているが、幾つかの実施において、位置決めインジケータシステム３０４は、ベース１０８の手動再位置決めを誘導するために異なる方法において作動させられる。例えば、位置決めインジケータシステム３０４は、ベース１０８の最適場所とベース１０８の現在場所との間の推定距離の表示を提供することができる。位置決めインジケータシステム３０４がインジケータライト（例えば、インジケータライト２００のうちの１つ）を含むならば、インジケータライトによって放射される照明の強度、波長、又は色は、推定距離が変化するに応じて変化することができる。位置決めインジケータシステム３０４がスピーカ又は他の可聴表示デバイスを含むならば、スピーカによって提供される可聴表示の強度、ピッチ、周波数、音量、又は言語指示は、推定距離が変化するに応じて変化することができる。例えば、可聴表示の強度、ピッチ、周波数、又は音量は、推定距離が減少するに応じて増大することができ、強度、ピッチ、周波数、又は音量は、推定距離が増加するに応じて減少することができる。代替的に、可聴表示の言語指示は、推定距離が増大するに応じてベース１０８が最適ベース場所から離れる方向に移動させられていること又は推定距離が減少するに応じてベース１０８が最適ベース場所に近づく方向に移動させられていることを言語的に表現する。
幾つかの実施では、再位置決め方向のような単一のパラメータの表示を提供することよりもむしろ、位置決めインジケータシステム３０４は、手動再位置決め中にベース１０８の場所に関する複数のパラメータの表示を提供する。例えば、表示は、ベース１０８の再位置決め方向、ベース１０８の現在場所とベース１０８の最適場所との間の相対的な距離、ベースの現在向きとベースの最適角度との間の相対的な角度、ベース１０８と障害物の予想場所との間の相対的な距離、ベース１０８とベース１０８の運動範囲の限界との間の相対的な距離、最適ベース場所エンベロープ内の場所に対するベース１０８の成功裡の位置付け、又はベース１０８が最適ベース場所エンベロープの外側にあること、のうちの１以上を含む１以上のパラメータを示すことができる。幾つかの場合、位置決めインジケータシステム３０４の単一のインジケータデバイスは、複数のパラメータの表示を提供するように動作可能である。例えば、単一のインジケータライト（例えば、インジケータライト２００のうちの１つ）は、ベース１０８とベース１０８の最適場所との間の相対的な距離の表示並びにベース１０８の再位置決め方向の表示を提供するように動作可能であることができる。インジケータライトの照明は、ベース１０８の再位置決め方向を示すことができ、インジケータライトの照明の強度は、ベース１０８の現在場所とベース１０８の最適場所との間の相対的な距離を示すことができる。
１以上のモダリティを通じて位置決めインジケータシステム３０４によって提供される各表示を提供することができる。例えば、単一の表示が提供されるときには、複数のモダリティを通じて、例えば、可聴表示、視覚的表示、又は触覚的表示のうちの２以上を通じて、その表示を提供することができる。異なるパラメータを示す複数の表示が提供されるときには、同じモダリティを通じて又は異なるモダリティを通じて、表示の各々を提供することができる。例えば、視覚的インジケータデバイスによって１つの表示を提供することができ、可聴インジケータデバイスによって他の表示を提供することができる。代替的に、視覚的インジケータデバイスによって複数の表示を提供することができ、触覚的インジケータデバイスによって他の表示を提供することができる。
幾つかの例において、位置決めインジケータシステムは、ベース１０８の現在場所及びベース１０８の好ましい場所又は複数の好ましい場所を図式的に描写するディスプレイを含む。グラフィックディスプレイは、平面図内にこれらの場所を描写することができ、ベース１０８を再位置決めするときにオペレータ文脈(operator context)を与えるよう手術環境１０内の他の障害物を描写することができる。オペレータは、ベース１０８の現在場所の視覚的表示がベース１０８の好適場所の１以上の好適場所の視覚的表示と一致するときに、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に成功裡に移動させる。
幾つかの例において、位置決めインジケータシステムは、最適ベース場所エンベロープに対応する床面の領域を照らして、ベースを移動させるべき方向を示すことができる。位置決めインジケータシステムは、床面上に所望の場所を投影することができるので、ユーザはベースを所望の場所に向かって手動で押す。プロジェクタが遠隔制御可能なアーム１０６又はベース１０８に取り付けられるならば、再位置決め中に遠隔制御可能なアーム１０６又はベース１０８が移動するに応じて、プロジェクタの位置を更新することができる。これに関して、遠隔制御可能なアーム１０６及びベース１０８が再位置決めされるときでさえも、所望の場所の投影は所望の場所に留まる。
位置決めインジケータシステム３０４は、代替的に又は追加的に、再位置決め方向の触覚的表示を含むことができる。例えば、カート１１１がホイール１３６を含み、ホイール１３６が制動機構を含むならば、プロセッサ３０２は、位置決めインジケータシステム３０４の部分として制動機構を制御することができる。プロセッサ３０２は、オペレータ１１２が最適ベース場所エンベロープ１１０から離れる方向にベース１０８を移動させようと試みるならば、制動機構をアクティブ化させることができ、オペレータ１１２がベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かう方向に移動させるならば、制動機構を非アクティブ化（起動停止）させることができる。従って、制動機構のアクティブ化によって提供される抵抗は、オペレータ１１２にとっての触覚的表示を提供することにより、ベース１０８の手動再位置決めを誘導することができる。
本明細書に記載するように、ジョイントがそれらの運動範囲の中心付近に位置付けられるようにジョイントを作動させることができる。プロセッサ３０２が、ジョイントの各ジョイントが手動再位置決め中にそれらの運動範囲の中心付近にあるよう作動させられるように、ジョイントを制御することができない、例において、位置決めインジケータシステムは、１以上のジョイントが運動範囲の周辺付近にあるという何らかの表示を提供することができる。例えば、プロセッサ３０２は、アームの遠位部分（又はカニューレ若しくは手術ツール１３４のようなアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持するという目的を無視せずに、ジョイントをその運動範囲の周辺から離れるよう再位置決めすることができないことがある。ジョイント状態の範囲を超えてジョイントの動きを抑制するために、プロセッサ３０２は、位置決めインジケータシステム３０４をアクティブ化させて、ベース１０８をある方向に移動させてならないことを示すことができる。何故ならば、その方向におけるベース１０８の移動は、ジョイントのために利用可能なジョイント状態の範囲を超えてジョイントを移動させるからである。幾つかの例において、プロセッサ３０２は、ベース１０８の制動機構をアクティブ化させて、ジョイント状態の範囲を超えてジョイントを移動させ得るベース１０８の更なる移動を防止することができる。
幾つかの実施において、位置決めインジケータシステムは、遠隔制御可能なアーム１０６の動力付きジョイントが最適ベース場所エンベロープ１１０に向かってベース１０８を移動させる方向にのみ移動可能であるように、遠隔制御可能なアーム１０６の動力付きジョイントを制御する。次に、オペレータ１１２は、ベース１０８が最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって移動させられるように、ベース１０８又はジョイントを押す。最適ベース場所エンベロープ１１０から離れる方向にベース１０８を移動させる方向への動力付きジョイントの移動に対する抵抗は、ベースを最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって手動で再位置決めするようオペレータ１１２を誘導する触覚的表示としての機能を果たす。
本明細書に記載するように、プロセッサ３０２は、ベース１０８の手動再位置決めが起こる間にジョイントを作動させる信号を生成するために表示を使用することができる。幾つかの実施では、アームの遠位部分（又はカニューレ若しくは手術ツール１３４のようなアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持するためにジョイントを制御することに加えて、プロセッサ３０２は、指標に基づいてジョイントを制御してよい。例えば、遠隔制御可能なアーム１０６のジョイントの特定の構成は、手術中に挑戦であり得る。ジョイントがこれらの挑戦的な構成のうちの１つにあることを決定した後に、プロセッサ３０２は、アームの遠位部分（又はカニューレ若しくは手術ツール１３４のようなアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持しながら、ジョイントを作動させて、この構成を回避してよい。例えば、患者の呼吸又は類似の行為のような患者１０２の生理学的な動きに応答して、手術台を再配向することによるような、患者１０２の再位置決めに応答して、同等のことに応答して、遠隔制御可能なアーム１０６の回転ジョイントを下向きに方向付けられた頂点構成から上向きに方向付けられた頂点構成に駆動させて、隣接するアーム、機器、又は人員との衝突を抑制し、遠隔制御可能なアーム１０６の遠位部分（又はカニューレ若しくは手術ツール１３４のような遠隔制御可能なアーム１０６によって支持される品目）の運動範囲を増大させてよい。
幾つかの例において、ベース１０８の手動再位置決めは、手術が行われる前に起こる。しかしながら、ベース１０８の手動再位置決めは、手術中に起こってもよい。オペレータ１１２は、処置中にベース１０８を手動で複数回再位置決めしてもよい。
図６Ｏ及び図６Ｐは、第２の手動再位置決めが、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８の近傍に入る新しい障害物６１２に起因して起こり得ることを示しているが、幾つかの実施において、第２の手動再位置決めが有益なことがあることを決定するプロセッサ３０２をもたらすことができる他の又は追加的なパラメータが変わることができる。幾つかの実施において、異なる手術ツールは、異なる作業空間要件をもたらし得る。その結果、ある手術ツールが手術中に他の手術ツールと「切り替えられる(switched)」ならば（例えば、アームから取り外される手術ツール及びアームに取り付けられる異なる手術ツール）、プロセッサ３０２は、手術ツール切り替えられたことを検出して、新しい最適ベース場所エンベロープを計算することができる。手術ツールが切り替えられた後に、ベースが現在取り付けられている異なる手術ツールのための新しい最適ベース場所エンベロープ内にないならば、プロセッサ３０２は、異なる手術ツールに照らして第２の手動再位置決めを指示することができる。
幾つかの場合、遠隔制御可能なアーム１０６は、ベース１０８をその位置からシフトさせる手術中の外力に曝されることがある。姿勢センサ３０８は、外力に起因するジョイント１４２ａ〜１４２ｃ及び１４８ａ〜１４８ｇについての関節作動を検出することができるか、或いは外力に起因するベース１０８の動きを検出することができる。手術マニピュレータアセンブリ１０４の構成要素の移動に起因して、プロセッサ３０２は、ベース１０８を最適ベース場所エンベロープ１１０内に再位置決めすることができるよう、ベース１０８が第２の手動再位置決めを受ける必要がある場合があることを決定してよい。
幾つかの例において、手術ツール１３４は、手術中に１つのアクセスポートから他のアクセスポートに移動させられることがある。手術ツール１３４が新しいアクセスポートに移動させられると、プロセッサ３０２は、ベース１０８の第２の手動再位置決めを指示することができる。新しいアクセスポートは、患者１０２の異なる領域に配置されることがあるので、手術ツールが外科処置を行うのに必要な作業空間の範囲も変化することがある。よって、手術ツール１３４を新しいアクセスポートに配置した後に、オペレータ１１２は、作業空間の新しい範囲を実証してよい。アクセスポートの位置（例えば、ポートデータ５１４）及び作業空間の範囲（例えば、処置データ５０４）の両方におけるこれらの変化を用いて、プロセッサ３０２は、遠隔制御可能なアーム１０６の現在の姿勢の指標についての新しい値を計算してよく、これらの新しい指標値に照らして、第２の手動再位置決めを指示してよい。
作業空間を通じる手術ツール１３４の物理的な動きを含むものとして作業空間の実証を本明細書に記載したが、幾つかの例において、オペレータ１１２は、手術ツール１３４を物理的に移動させずに作業空間を実証することができる。例えば、オペレータ１１２は、作業空間の範囲をディスプレイ上に図式的に表示してよい。オペレータは、タッチスクリーンディスプレイを備えるコンピューティングデバイスを使用して作業空間の範囲を特定することができる。タッチスクリーンディスプレイを操作することによって、オペレータは、作業空間の範囲を描写することができる。コンピューティングデバイスは、作業空間の範囲を示す入力をプロセッサ３０２に送達することができる。幾つかの例において、オペレータは、手術マニピュレータアセンブリ１０４上のセンサによって検出することができる物理的ツールを使用することができる。物理的ツールは、作業空間の境界を定めることができるハンドデバイス又はポインティングデバイスであることができる。センサは、例えば、物理的ツールの位置を光学的に検出し、次に、プロセッサ３０２のための信号を生成することができ、次に、プロセッサは、センサ信号に基づいて作業空間の範囲を決定する。
プロセッサ３０２はベース１０８の手動再位置決めを誘導するように記載されているが、幾つかの例において、プロセッサ３０２は、手術システム１００の他の部分の手動再位置決めを誘導してよい。幾つかの例において、プロセッサ３０２は、最適カート場所エンベロープに向かうカート１１１の手動再位置決めを誘導することができる。手術システム１００の他の部分は、より多くの数の目標又は指標を最適化するために使用することができる追加的な自由度を追加してよい。例えば、手術台１２３が床面２０に亘って移動可能であるならば、位置決めインジケータシステム３０４は、最適化戦略の目標又は複数の目標を達成するために手術台１２３を移動させるべき方向を知らせる位置決めインジケータを含んでよい。位置決めインジケータシステム３０４は、手術マニピュレータアセンブリ１０４のベース１０８についての位置決めインジケータ並びに手術台１２３についての位置決めインジケータを含むことができる。ベース１０８は、手術台１２３が手動で再位置決めされているときにアクティブ化させられる制動機構を含んでよい。手術台１２３は、ベース１０８が手動で再位置決めされているときにアクティブ化させられる制動機構を含んでもよい。加えて、手術台１２３の手動再位置決め中に、遠隔制御可能なアーム１０６の動力付きジョイントのうちの少なくとも１つを作動させて、アームの遠位部分（又はカニューレ若しくは手術ツール１３４のようなアーム１３４によって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持することができる。位置及び／又は向きは、基準点１６２のような適切な基準に対して維持されてよい。
幾つかの例において、遠隔制御可能なアーム１０６が受動ジョイントを含むならば、受動ジョイントの各々は、位置決めインジケータを含むことができる。プロセッサ３０２は、受動ジョイントの各々の受動ジョイントの手動再位置決めを制御して、受動ジョイントの各々の受動ジョイントの手動再位置決めを制御することができる。受動ジョイントの手動再位置決め中に、制動機構がベース１０８の移動を防止することができる。他の受動ジョイントが存在するならば、他の受動ジョイントの各々は、受動ジョイントの手動再位置決め中に他の受動ジョイントが動かないよう、制動機構を含むこともできる。プロセッサは、遠隔制御可能なアーム１０６の能動ジョイントを制御して、受動ジョイントの手動再位置決め中に基準点１６２のような基準に対するアームの遠位部分（又はカニューレ若しくは手術ツール１３４のようなアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きを維持することができる。
遠隔制御可能なアーム１０６は、カート１１１に取り付けられるものとして記載されているが、幾つかの実施において、遠隔制御可能なアームは、静止的又は移動可能なテーブル（台）に取り付けられてよい。図８Ａに描写する例を参照すると、ホイール付きロボットテーブルシステム８００Ａが、テーブルベース８０２Ａを含む。遠隔制御可能なアーム８０４Ａは、テーブルベース８０２Ａに移動可能に取り付けられたアームベース８０６Ａを含む。例えば、アームベース８０６Ａは、アームベース８０６Ａがテーブルベース８０２Ａに沿って並進することを可能にするプリズムジョイント８０８Ａでテーブルベース８０２Ａに取り付けられる。幾つかの実施において、アームベース８０６Ａは、アームベース８０６Ａがテーブルベース８０２Ａについて回転することを可能にする回転ジョイントでテーブルベース８０２Ａに取り付けられる。他の例では、様々な遠隔制御可能なアーム（例えばアーム８０４Ａ）が、テーブルシステム（例えば、テーブルシステム８００Ａ）の異なる部分に取り付けられるように設計される。例示的な取付け部分は、テーブルシステムのベース、テーブルシステムの表面、（そのようなレールが存在するならば）テーブル表面に近接する１以上のレールなどを含む。幾つかの実施において、アームベース８０６Ａは、テーブルベース８０２Ａに取り外し可能に取り付けられ、手術中に使用されないときには取り外されてよい。幾つかの実施において、アーム８０４Ａは、手術に使用されないときにテーブル表面の下に折り畳まれる。
図８Ａの例において、テーブル面８１０Ａは、テーブルベース８０２Ａ上に位置付けられ、テーブルベース８０２Ａに対して移動可能である。例えば、テーブル面８１０Ａは、テーブルベース８０２Ａについて枢動させられてよく、或いはテーブルベース８０２Ａについて回転させられてよい。他の例において、テーブル表面８１０Ａは、テーブルベース８０２Ａに対して静止的であってよい。
手術が行われる前に、オペレータは、テーブル表面８１０Ａをテーブルベース８０２Ａに対して手動で再位置決めしてよい。オペレータは、アームベース８０６Ａをテーブルベース８０２Ａに対して手動で再位置決めしてもよい。これ関して、プロセッサが、テーブル表面８１０Ａについて第１のインジケータ８１４Ａを使用して第１の手動再位置決めを指示することができ、アームベース８０６Ａについて第２のインジケータ８１６Ａを使用して第２の手動再位置決めを指示することができる。プロセッサは、本明細書に記載する指標に基づいて、最適テーブル表面場所と最適アームベース場所との組み合わせを決定することができる。手動再位置決めの２つの事例の各々の間に、プロセッサは、本明細書により詳細に記載するように、アーム８０４Ａの遠位部分（又はカニューレ若しくは手術ツール８１２Ａのようなアームによって支持される品目）の位置及び／又は向きが基準（例えば、基準系、１以上の基準方向、基準点など）に対して維持されるように、アーム８０４Ａのジョイントを制御することができる。
図８Ａに示すテーブルシステム８００Ａは、テーブルシステム８００Ａが別個に移動可能な手術マニピュレータアセンブリ（例えば、手術マニピュレータアセンブリ１０４）に対して再位置決めされること又は手術領域の周りで或いは部屋から部屋に動き回らされることなどを可能にする、複数のホイールを含む。
図８Ｂは、静止テーブル又は可動テーブルに取り付けられてよい他の例示的な制御可能なアームの斜視図である。ホイール付きテーブル８５０Ｂが、テーブルベース８０２Ｂを含む。テーブル表面８１０Ｂが、テーブルベース８０２Ｂ上に位置付けられる。患者８２０Ｂ、死体、身体部分、又は人間以外のワークピースのような、ワークピースを支持するために、テーブル表面８１０Ｂを使用することができる。図８Ｂに示す例では、２つの遠隔制御可能なアーム８０４Ｂ、８０Ｃは、テーブルレール８１８Ｂに沿う多数の異なる場所に取り外し可能に取り付けられてよいアームベース８０６Ｂ、８０６Ｃを含む。
動作中、制御可能なアーム８０４Ｂ、８０４Ｃは、関連する作業空間内でツール８３４Ｂ、８３４Ｃを移動させるように駆動させられる。幾つかの実施において、制御可能なアーム８０４Ｂ、８０４Ｃは、遠隔操作可能であり、駆動させられるときに、作業空間に対してツール８３４Ｂ、８３４Ｃを再位置決め及び再配向する、遠隔操作可能な動力付きジョイントを含む。幾つかの実施では、本明細書に記載する他の遠隔制御可能なアームと同様に、制御可能なアーム８０４Ｂ，８０４Ｃのリンク又はジョイントに直接的に加えられる入力を通じて制御可能なアーム８０４Ｂ、８０４Ｃを直接的に作動させることもでき、制御可能なアーム８０４Ｂ、８０４Ｃの直接的なオペレータ操作を可能にすることができる。
ロボットテーブルシステム８００Ａについて記載したものと同様に、手術が行われる前に、オペレータは、テーブル表面８１０Ｂをテーブルベース８０２Ｂに対して手動で再位置決めしてよい。オペレータは、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃをテーブルレール８１８Ｂに対して手動で再位置決めしてもよく、或いはアーム８０４Ｂ、８０４Ｃのうちの１以上をテーブルの他の側（両側）にある他のテーブルレール（図示せず）に移動させてもよい。これに関して、プロセッサが、（例えば、位置決めインジケータシステム３０４と同様の）位置決めインジケータシステムを作動させて、アーム８０４Ｂ、８０４Ｃのためのインジケータを使用して手動再位置決めを指示することができる。例えば、図８Ｃを参照すると、位置決めインジケータシステムは、本明細書に記載するインジケータライト２００と同様の第１のインジケータライト８３６Ｂ、８３６Ｃを含むことができる。第１のインジケータライト８３６Ｂ、８３６Ｃは、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃをテーブルレール８１８Ｂに接続する受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃ上に又はそれらに近接して位置決めされる。第１のインジケータライト８３６Ｂ、８３６Ｃは、ツール８３４Ｂ、８３４Ｃに対するアームベース８０６Ｂ、８０６Ｃの位置を最適化するために受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃ（それにより、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃ）を移動させるべき方向を示すように作動させられる。幾つかの実施では、アームベース８０６Ｂ，８０６Ｃとは別個の受動ジョイント８０７Ｂ，８０７Ｃを含むことよりもむしろ、受動ジョイント８０７Ｂ，８０７Ｃは、アームベース８０６Ｂ，８０６Ｃに対応する。
アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃの手動再位置決め中、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃは、受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃと共に一緒に移動させられ、よって、テーブルレール８１８Ｂに沿って動く。受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃの各受動ジョイントの移動は、テーブルレール８１８Ｂに沿う移動に制限されるので、受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃの各受動ジョイントのためにインジケータライト８３６Ｂ、８３６Ｃによって示される方向を２つの方向、即ち、テーブルレール８１８Ｂの一端に向かう方向又はテーブルレール８１８Ｂの他端に向かう方向から選択することができる。そのような場合、手動再位置決め中に、オペレータは、第１のインジケータライト８３６Ｂ，８３６Ｃによって提供される表示に従ってテーブルレール８１８Ｂに沿ってテーブル表面８１０Ｂに対してアームベース８０６Ｂ、８０６Ｃ及び受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃを移動させるように誘導される。本明細書に記載するように、ツール８３４Ｂ，８３４Ｃ又はアーム８０４Ｂ，８０４Ｃの遠位部分の位置及び／又は向きは、手動再位置決め中に維持される。代替的に又は追加的に、位置決めインジケータシステムは、アームベース８０６Ｂ，８０６Ｃが移動させるべき方向を更に示すために、テーブル表面８１０Ｂに向かって又はワークピース（例えば、患者８２０Ｂ）に向かって光を投射する第２のインジケータライト８３８Ｂ、８３８Ｃを含むことができる。
幾つかの実施において、アームベース８０６Ｂ，８０６Ｃは、テーブルレール８１８Ｂに沿ってスライドする以外の方法でツール８３４Ｂ，８３４Ｃに対して移動可能である。アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃを用いた受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃの手動再位置決めは、第１の手動再位置決めに対応し、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃは、第２の手動再位置決めにおいて、受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃに対して更に再位置決めされる。例えば、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃに連結されるリンク８１２Ｂ、８１２Ｃを挿入運動又はロール運動において受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃに対して移動可能であることができ、それにより、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃ及びツール８３４Ｂ、８３４Ｃの相対的な並進又は再配向を引き起こすことができる。第１のインジケータライト８３６Ｂ、８３６Ｃ又は第２のインジケータライト８３８Ｂ、８３８Ｃを作動させて、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃ（故に、リンク８１２Ｂ、８１２Ｃ）の第２の手動再位置決めを誘導する表示を提供することができる。本明細書に記載するように、ツール８３４Ｂ、８３４Ｃ又はアーム８０４Ｂ、８０４Ｃの遠位部分の位置及び／又は向きは、第２の手動再位置決め中に維持される。
障害物データ５１０は、作業空間内の障害物の場所を示すものとして記載されている。障害物は作業空間内の機器を含むものとして記載されているが、他の障害物も可能である。幾つかの実施において、障害物データ５１０は、手術環境１０内の任意のオペレータの予想場所、平らでない床面、又はベース１０８若しくは遠隔制御可能なアーム１０６の移動を妨げることがある作業空間内の他の障害物を含む、障害物を示すデータを含む。幾つかの実施では、戻って図８Ｂを参照すると、障害物データ５１０は、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃの場所に対するテーブルレール８１８Ｂの両端の場所を示すデータを含む。プロセッサは、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃをテーブルレール８１８Ｂに沿う許容運動範囲を超えて移動させるようにオペレータに指示することを回避するために、テーブルレール８１８Ｂの両端の場所に基づいて手動再位置決めを指示する。受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃは、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃ、故に、アーム８０４、８０４Ｃをテーブル表面８１０Ｂより上方に支持するために、テーブルレール８１８Ｂにロックされるように構成されるので、テーブルレール８１８Ｂの両端は、受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃ、故に、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃの運動範囲を制限する。プロセッサは、オペレータが受動ジョイント８０７Ｂ、８０７Ｃをそれらの許容運動範囲を超えて移動させるように誘導されないように、アームベース８０６Ｂ、８０６Ｃの手動再位置決めを指示することができる。
ここで図２及び関連する図に示す例に戻ると、ホイール１３６は、幾つかの実施において、ベース１０８を床面２０で動き回らせるためにプロセッサ３０２によって制御することができる動力付きホイールである。ホイール１３６は、プロセッサ３０２がホイール１３６の向きを制御して再位置決めを容易にするか或いは抑制するのを可能にする駆動機構を含んでよい。例えば、プロセッサ３０２は、ホイール１３６が再位置決め方向に沿って転動し、非再位置決め方向に沿って転動しないことを目的とするように、ホイール１３６の向きを制御することができる。よって、プロセッサ３０２は、ホイール１３６を制御することができるので、再位置決め方向でない方向へのベース１０８の移動は抑制される。
ホイール１３６は、手動再位置決め中に、プロセッサ３０２が動力付きホイールを駆動させるアクチュエータをアクティブ化させてオペレータ１１２がベース１０８を移動させるのを助けることができるように、アクチュエータを含んでもよい。幾つかの実施において、ホイール１３６は、オペレータがベース１０８を押すときに、プロセッサ３０２がカート１１１を最適な再位置決め領域に向かって優先的に移動させるようホイールを方向付けることができるように、操縦システムを含むことができる。図２を参照すると、幾つかの実施において、手術マニピュレータアセンブリ１０４は、オペレータ１１２がベース１０８を移動させるために押し引きすることができるハンドル１６１を含んでよい。ハンドル１６１は、ハンドル１６１の変位を検出するセンサを含んでよい。オペレータ１１２がハンドル１６１を押し引きすることに起因するハンドル１６１の変位に応答して、プロセッサ３０２は、動力付きホイールを駆動するアクチュエータをアクティブ化させてベース１０８の手動再位置決め中にオペレータを助けることができる。オペレータは、例えば、駆動ボタン、ジョイスティック、デッドマンスイッチ、又はその他の適切なユーザ入力デバイスを操作して、動力付きホイールをある方向に移動させる。本明細書に記載するプロセスによれば、プロセッサ３０２は、オペレータが入力デバイスを使用して手動再位置決めを実行するときに、位置決めインジケータシステムを制御してオペレータ１１２を誘導することができる。
幾つかの例において、プロセッサ３０２は、単にホイール１３６のアクチュエータをアクティブ化させてカート１１１を最適ベース場所エンベロープ１１０に向かって駆動させることによって、手術環境１０内でカート１３１を、故に、ベースを移動させることができる。位置決めインジケータシステムは、ベース１０８が移動させられる最適ベース場所エンベロープ１１０を視覚的に表示することができる。オペレータは、示される視覚的に表示される最適ベース場所エンベロープが適切であるという確認をプロセッサに提供することができる。代替的に又は追加的に、手術マニピュレータアセンブリ１０４の１以上のジョイントは電力供給され、プロセッサは、ホイール及び／又は１以上のジョイントを制御して手術マニピュレータアセンブリ１０４及び手術マニピュレータアセンブリ１０４の構成要素を最適な姿勢に移動させる。幾つかの場合、プロセッサは、オペレータがスイッチを手動で作動することに応答して、ホイール１３６のアクチュエータ及び／又は１以上のジョイントのアクチュエータをアクティブ化させる。スイッチがアクティブ化させられると、プロセッサは、アクチュエータの作動を停止して、ホイール及び／又は１以上のジョイントの更なる自動的な移動を停止する。
幾つかの実施において、位置決めインジケータシステムは、追加的に、ベース１０８が移動させられるべき経路を示してよい。例えば、ベース１０８がオペレータ１１２によって手動で再位置決めされるならば、位置決めインジケータシステムは、ベース１０８を移動させて最適ベース場所エンベロープ１１０に入れる床面に沿う経路の視覚的表示を提供することができる。ホイールが動力付きである場合、位置決めインジケータシステムは、ベース１０８がエンベロープに到達するように移動する経路と共に、最適ベース場所エンベロープ１１０の視覚的表示を提供することができる。次に、オペレータ１１２は、この視覚的表示の確認を提供して、ホイールが最適ベース場所エンベロープへの経路に沿って移動するよう、プロセッサがホイールを制御することを可能にすることができる。
本明細書に記載するように、遠隔制御可能なアーム１０６及び８０４Ａ、８０４Ｂ、８０４Ｃは、この開示の範囲内で想定されるロボットマニピュレータアームアセンブリの種類の例である。図９Ａ〜図９Ｃは、（マニピュレータアーム９０４とも呼び或いは遠隔制御可能であるように構成されることがあるので遠隔制御可能なアーム９０４とも呼ぶ）ロボットマニピュレータアームアセンブリ９０４の他の例の底面図、側面図及び背面図を描写している。幾つかの実施において、遠隔制御可能なアーム９０４を手術ツール９０６（「手術器具９０６」とも呼ぶ）と連結させて、ベース９０２に対する手術器具９０６の動きに影響を与える。異なるエンドエフェクタを有する多数の異なる手術器具が（典型的には外科助手の助けを借りて）外科処置中に各遠隔制御可能なアーム９０４に順次式に取り付けられることがあるので、器具ホルダ９２０は、取り付けられる手術器具９０６の迅速な取外し及び交換を可能にすることが好ましい。
例示的な遠隔制御可能なアーム９０４は、遠隔制御可能なアーム９０４の残部が第１のジョイント軸Ｊ１について回転するのを可能にするように枢動取付けジョイント９２２によってベース９０２に取り付けられ、第１のジョイント９２２は、例示的な実施では垂直軸についての回転を提供する。ベース９０２及び第１のジョイント９２２は、一般的に、遠隔制御可能なアーム９０４の近位部分を含み、マニピュレータは、ベースから器具ホルダ９２０及びエンドエフェクタ９５０に向かって遠位に延びる、
図９Ｄに例示するようなリンクを接続するジョイントの回転の軸と共に、図９Ａ〜図９Ｃに例示するような制御可能なアーム９０４の個々のリンクを記載すると、第１のリンク９２４がベース９０２から遠位に延び、ジョイント９２２で第１の枢動ジョイント軸Ｊ１について回転する。ジョイントの残部の多くを図９Ｄ中のそれらの関連する回転軸によって特定することができる。例えば、第１のリンク９２４の遠位端が、水平枢動軸Ｊ２を提供するジョイントで第２のリンク９２６の近位端に連結される。第３のリンク９２８の近位端が、ロールジョイントで第２のリンク９２６の遠位端に結合されるので、第３のリンク９２８は、一般的には、第２のリンク及び第３のリンクの両方の軸に沿って（理想的には整列させられて）延びる軸についてジョイントＪ３で回転又はロールする。遠位に進むと、他の枢動ジョイントＪ４の後に、第４のリンク９３０の遠位端は、器具ホルダリスト９３２を共に定める一対の枢動ジョイントＪ５、Ｊ６によって器具ホルダ９２０に連結される。遠隔制御可能なアーム９０４の並進又はプリズムジョイントＪ７は、最小侵襲孔を通じる器具９０６及び器具９０６の細長いシャフト９１４の軸方向の移動を容易にし、器具９０６をスライド可能に挿入するカニューレへの器具ホルダ９２０の取付けも容易にする。
器具ホルダ９２０の遠位に、手術器具９０６は、追加的な自由度を含んでよい。手術器具９０６の自由度の作動は、しばしば、遠隔制御可能なアーム９０４のモータによって駆動させられる。代替的な実施は、迅速取外し可能な器具ホルダ／器具インタフェースで手術器具９０６を支持マニピュレータアーム構造から分離することができるので、手術器具９０６上にあるものとしてここに示されている１以上のジョイントは、代わりにインタフェース上にあり、或いはその逆である。換言すれば、手術器具９０６と遠隔制御可能なアーム９０４との間のインタフェースは、（手術器具及びマニピュレータアームアセンブリ９０４の両方を含んでよい）マニピュレータアームアセンブリ９０４の運動連鎖に沿ってより近位又は遠位に配置されてよい。例示的な実施において、手術器具９０６は、一般的には最小侵襲孔の部位に配置されるピボット点ＰＰの近位に回転ジョイントＪ８を含む。手術器具９０６の遠位リストが、器具リストジョイント軸Ｊ９、Ｊ１０についてのエンドエフェクタ９５０の枢動運動を可能にする。エンドエフェクタジョー要素間の角度αは、エンドエフェクタ９５０の場所及び向きとは無関係に制御されてよい。幾つかの実施では、信号、例えば、可聴信号、触覚信号、視覚信号、又は他の適切なユーザ知覚可能な信号を発する、位置決めインジケータシステムが、遠隔制御可能なアーム９０４及び／又はベース９０２のジョイントの手動再位置決めを誘導する。幾つかの場合、遠隔制御可能なアーム９０４は、複数の位置決めインジケータシステムを含み、各位置決めインジケータシステムは、遠隔制御可能なアーム９０４の特定の関節又はベース９０２と関連付けられる。
他の例では、図１０を参照すると、遠隔制御可能にされることがある制御可能なアーム１０００は、ジョイントシステム１００４に接続されたベース１００２を含む。リンク１０１２がジョイントシステム１００４をジョイントシステム１０１４に接続し、リンク１０２０がジョイントシステム１０１４をジョイントシステム１０２２に接続する。幾つかの実施では、ジョイント１００６が、ベース１００２に対して回転においてベース１００２に対して遠位にある遠隔制御可能なアーム１０００の一部分を、例えば、ｙ軸について、回転させる。幾つかの実施では、ジョイント１０２８が、例えば、ｙ軸に沿って、器具ホルダ１０３０をジョイントシステム１０２２に対して並進させる。各ジョイント及びジョイントシステムは、例えば、遠隔操作可能なアーム１０００の部分間の相対的な移動、例えば、遠隔操作可能なアーム１０００の部分間の並進及び／又は回転を引き起こすように選択的に動作可能である。
ジョイントシステム１００４は、リンク１０１２とジョイントシステム１００４との間に相対的な回転を引き起こすように動作可能である。ジョイントシステム１００４は、例えば、第１の回転可能なジョイント１００８と、第２の回転可能なジョイント１０１０とを含む。第１のジョイント１００８は、駆動させられるときに、例えば、ｘ軸についての、第１のジョイント１００８と第２のジョイント１０１０との間の相対的な回転を引き起こす。第２のジョイント１０１０は、駆動させられるときに、例えば、ｚ軸についての、リンク１０１２と第２のジョイント１０１０との間の相対的な回転を引き起こす。ジョイントシステム１０１４は、リンク１０２０及びジョイントシステム１０１４の相対的な回転を引き起こすように動作可能である。ジョイントシステム１０１４は、例えば、第１のジョイント１０１６と、第２のジョイント１０１８とを含む。第１のジョイント１０１６は、駆動させられるときに、例えば、ｘ軸についての、第１のジョイント１０１６と第２のジョイント１０１８との間の相対的な回転を引き起こす。第２のジョイント１０１８は、駆動させられるときに、第２のジョイント１０１８とリンク１０２０との間の相対的な回転を引き起こす。ジョイントシステム１０２２は、器具ホルダ１０３０とジョイントシステム１０２２との間の相対的な回転を引き起こすように動作可能である。ジョイントシステム１０２２は、例えば、第１のジョイント１０２４と、第２のジョイント１０２６とを含む。第１のジョイント１０２４は、駆動させられるときに、例えば、ｘ軸についての、第１のジョイント１０２４と第２のジョイント１０２６との間の相対的な回転を引き起こす。第２のジョイント１０２６は、駆動させられるときに、例えば、ｙ軸についての、第２のジョイント１０２６と器具ホルダ１０３０との間の相対的な回転を引き起こす。
幾つかの実施では、信号、例えば、可聴信号、触覚信号、視覚信号、又は他の適切なユーザ知覚可能な信号を発する、位置決めインジケータシステムが、遠隔制御可能なアーム１０００のベース、ジョイントシステム、及び／又はジョイントの手動再位置決めを誘導する。幾つかの場合、遠隔制御可能なアーム１０００は、複数の位置決めインジケータシステムを含み、各位置決めインジケータシステムは、遠隔制御可能なアーム１０００の特定のジョイント、ジョイントシステム、又はベース関連付けられる。
遠隔制御可能なアーム１０６、８０４Ａ、８０４Ｂ、８０４Ｃ、９０４、及び１０００は、遠隔制御可能なアームの例である。幾つかの実施では、遠隔制御可能なアームは、本明細書に記載する遠隔制御可能なアームの例におけるジョイントの組み合わせを含む。これに関して、幾つかの実施では、遠隔制御可能なアームは、遠隔制御可能なアーム１０６、８０４Ａ、８０４Ｂ、８０４Ｃ、９０４、及び１０００に関して示した組合せ以外の、プリズムジョイント、回転ジョイント、及びジョイントシステムの組み合せを含む。
本明細書に記載する手術システム（例えば、手術システム１００）及び手術システムのロボット構成要素（例えば、遠隔制御可能なアーム１０６、手術マニピュレータアセンブリ１０４）は、少なくとも部分的に、１以上のコンピュータプログラム（コンピュータプログラム製品）、例えば、１以上のデータ処理装置、例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、複数のコンピュータ、及び／又はプログラマブルロジックコンポーネントによる実行のために、或いは、それらの動作を制御するために、１以上の非一時的な機械可読媒体のような、１以上の情報担体中に有形に具現される１以上のコンピュータプログラムを使用して、制御されることができる。
コンピュータプログラムは、コンパイル型言語又はインタープリタ型言語を含む任意の形態のプログラミング言語において書かれることができ、コンピュータプログラムは、スタンドアロンプログラムのような形態、又はモジュール、コンポーネント、サブルーチン、若しくはコンピューティング環境における使用に適した他のユニットのような形態を含む、任意の形態で配置されることができる。
本明細書に記載する手術システムの制御と関連付けられる動作を、本明細書に記載する機能を遂行する１以上のコンピュータプログラムを実行する１以上のプログラム可能なプロセッサによって実行することができる。本明細書に記載する手術システムの全部又は一部に関する制御を、特殊目的論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）及び／又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を使用して実施することができる。
コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは、一例として、汎用及び特殊目的の両方のマイクロプロセッサ、並びに任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１以上のプロセッサを含む。一般的に、プロセッサが、読出し専用記憶領域又はランダムアクセス記憶領域又はそれらの両方から指令及びデータを受信する。コンピュータの要素が、指令を実行する１以上のプロセッサと、指令及びデータを格納する１以上の記憶領域デバイスとを含む。一般的に、コンピュータが、データを格納する大容量ＰＣＢのような、１以上の機械可読記憶媒体、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、又は光ディスクからデータを受信する、それにデータを送信する、それからデータを受信し且つそれにデータを送受するデータも含み、或いは、それからデータを受信する、それにデータを送信する、それからデータを受信し且つそれにデータを送受するデータに動作的に連結されもする。コンピュータプログラム指令及びデータを具現するのに適した機械可読記憶媒体は、一例として、半導体記憶領域装置、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、及びフラッシュ記憶領域デバイス、磁気ディスク、例えば、内部ハードディスク又はリムーバブルディスク、光磁気ディスク、並びにＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ＝ＲＯＭディスクを含む、全ての形態の不揮発性記憶領域を含む。
本明細書に記載する異なる実施の要素を組み合わせて上記に具体的に記載されない他の実施形態を形成してよい。要素はそれらの動作に悪影響を及ぼさずに本明細書に記載する構造から外されてよい。更に、様々な別々の要素を１以上の個々の要素に組み入れて本明細書に記載する機能を遂行してよい。

Claims (21)

  1. 床面に対して移動可能なベースと、
    該ベースから延び、ツールを支持するように構成される、遠隔制御可能なアームと、
    位置決めインジケータと、
    該位置決めインジケータと前記遠隔制御可能なアームとに通信的に連結されるプロセッサとを含み、
    前記遠隔制御可能なアームは、前記ツールが前記遠隔制御可能なアームによって支持されるときに前記ツールを移動させるように動作可能な動力付きジョイントを有し、
    前記プロセッサは、
    前記床面に対する前記ベースの手動再位置決めを指示するよう前記位置決めインジケータを作動させ、
    前記手動再位置決め中に基準に対して前記遠隔制御可能なアームの遠位部分の位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させる、
    ように構成される、
    ロボットシステム。
  2. 前記プロセッサは、
    前記手動再位置決め中に前記遠隔制御可能なアームの前記遠位部分の向きを維持するよう前記動力付きジョイントを作動させる、
    ように更に構成される、
    請求項１に記載のロボットシステム。
  3. 前記プロセッサは、
    前記ツールが挿入されるべき患者のアクセスポートの場所に対して前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させることによって、或いは、
    前記遠位部分によって保持されるカニューレの位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させることによって、或いは
    前記ツールの位置を維持するように前記動力付きジョイントを作動させることによって、
    前記手動再位置決め中に前記遠隔制御可能なアームの前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させるように構成される、
    請求項１又は２に記載のロボットシステム。
  4. 前記床面で支持されるカートと、
    受動ジョイントを含み、前記ベースを前記カートに接続する、セットアップアセンブリとを更に含み、
    前記プロセッサは、
    前記カートが前記床面に対して移動可能であり、前記ベースが前記カートに対して移動可能である間に、前記手動再位置決めを指示することによって、
    前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するよう前記位置決めインジケータを作動させるように構成される、
    請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  5. 前記プロセッサに通信的に連結される制動機構を更に含み、前記プロセッサは、最適ベース場所エンベロープから離れる方向への前記ベースの移動を抑制するよう前記制動機構を作動させるように構成される、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  6. 前記ベースをテーブルに取り付けるセットアップアセンブリを更に含み、
    前記プロセッサは、
    前記ベースが前記テーブルに対して移動可能である間に、前記手動再位置決めを指示することによって、
    前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するよう前記位置決めインジケータを作動させるように構成される、
    請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  7. 前記アームは、１つ又はそれよりも多くのリンクによって前記動力付きジョイントに接続される第２の動力付きジョイントを更に含み、
    該第２の動力付きジョイントは、前記ツールが前記遠隔制御可能なアームによって支持されるときに前記ツールを移動させるように動作可能であり、
    前記プロセッサは、
    前記動力付きジョイント及び前記第２の動力付きジョイントを作動させることによって、
    前記手動再位置決め中に前記遠隔制御可能なアームの前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させるように構成される、
    請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  8. １つ又はそれよりも多くのリンクによって前記ベースに接続され、前記床面より上方に前記ベースを支持する、選択的に解放可能な受動ジョイントを更に含み、
    前記プロセッサは、
    前記ツールの前記位置を維持するよう前記動力付きジョイント及び前記選択的に解放可能なジョイントを作動させることによって、
    前記手動再位置決め中に前記遠隔制御可能なアームの前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させるように構成される、
    請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  9. 前記プロセッサは、
    前記プロセッサによって決定されるジョイント状態の標的範囲に基づいて前記ベースの前記手動再位置決めを指示することによって、或いは
    前記プロセッサによって決定される前記床面より上方の最適ベース場所エンベロープに基づいて前記ベースの前記手動再位置決めを指示することによって、
    前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するよう前記位置決めインジケータを作動させるように構成される、
    請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  10. 前記位置決めインジケータは、アクチュエータと、制動機構とを含み、
    前記プロセッサは、
    前記ベースの前記手動再位置決め中に、前記動力付きジョイントの移動を抑制するよう或いは前記ベースの前記手動再位置決めを指示する触覚的表示を提供するよう、前記位置決めインジケータを制御することによって、
    前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するよう前記位置決めインジケータを作動させるように構成される、
    請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  11. 前記プロセッサは、
    前記アームの所望の運動範囲の手動実証を示す信号に基づいて前記ベースの前記手動再位置決めを指示することによって、或いは
    前記ベースに対する前記床面上の障害物の場所に基づいて前記ベースの前記手動再位置決めを指示することによって、或いは
    レールに沿って移動可能な前記ベースに対する前記レールの端の場所に基づいて前記ベースの前記手動再位置決めを指示することによって、或いは
    第２の遠隔制御可能なアームの姿勢に対する前記遠隔制御可能なアームの姿勢に基づいて前記ベースの前記手動再位置決めを指示することによって、
    前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するよう前記位置決めインジケータを作動させるように構成される、
    請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  12. 前記プロセッサは、
    前記ツールが患者のアクセスポートに挿入される前に、前記ベースの第１の手動再位置決めを指示することによって、並びに
    前記ツールが前記アクセスポートに挿入された後に、前記ベースの第２の手動再位置決めを指示することによって、
    前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するように前記位置決めインジケータを作動させるように構成される、
    請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  13. 前記プロセッサは、
    前記ツールがアクセスポートに挿入される前に、第１の基準点に対する前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させることによって、並びに
    前記ツールが前記アクセスポートに挿入された後に、第２の基準点に対する前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させることによって、
    前記手動再位置決め中に前記遠隔制御可能なアームの前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させるように構成され、
    前記第２の基準点は、前記アクセスポートの位置に対応する、
    請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  14. 前記床面より上方に患者を支持するように構成される移動可能なテーブルを更に含み、
    前記プロセッサは、
    前記移動可能なテーブルの手動再位置決めを指示するよう前記位置決めインジケータを作動させ、且つ
    前記移動可能なテーブルの前記手動再位置決め中に前記遠隔制御可能なアームの前記遠位部分の前記位置を維持するよう前記動力付きジョイントを作動させる、
    ように更に構成される、
    請求項１乃至１３のうちのいずれか１項に記載のロボットシステム。
  15. ベースから延びるロボットアームを含むロボットシステムの作動方法であって、
    プロセッサが、前記ベースの標的ベース姿勢を決定するステップと、
    前記プロセッサが、床面に対する前記ベースの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させるステップと、
    前記プロセッサが、前記ベースの前記手動再位置決め中に基準に対して前記ロボットアームの遠位部分の位置を維持するように前記ロボットアームを作動させるステップとを含む、
    作動方法。
  16. 前記プロセッサが、前記ベースの前記手動再位置決め中に前記ロボットアームの前記遠位部分の向きを維持するように前記ロボットアームを作動させるステップを更に含む、請求項１５に記載の作動方法。
  17. 前記ベースの前記手動再位置決め中に前記ロボットアームの前記遠位部分の前記位置を維持するように前記ロボットアームを作動させるステップは、
    アクセスポートの場所に対して前記遠位部分の前記位置を維持するように前記ロボットアームを作動させるステップ、又は
    前記ロボットアームによって保持されているカニューレの位置を維持するように前記ロボットアームを作動させるステップ、又は
    前記ロボットアームによって支持されているツールの位置を維持するように前記ロボットアームを作動させるステップを含む、
    請求項１５又は１６に記載の作動方法。
  18. 前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するように前記位置決めインジケータを作動させるステップは、
    前記プロセッサが、前記ロボットアームの移動を抑制し、前記ベースの前記手動再位置決めを指示する触覚的表示を提供するよう、アクチュエータ又はブレーキを作動させるステップを含む、
    請求項１５乃至１７のうちのいずれか１項に記載の作動方法。
  19. 複数の機械可読指令を含む非一時的な機械可読媒体であって、
    前記複数の機械可読指令は、ベースから延びるロボットアームを含むロボットシステムと関連付けられる１つ又はそれよりも多くのプロセッサによって実行されるときに、該１つ又はそれよりも多くのプロセッサに、
    前記ベースの標的ベース姿勢を決定するステップと、
    床面に対する前記ベースの手動再位置決めを指示するように位置決めインジケータを作動させるステップと、
    前記ベースの前記手動再位置決め中に基準に対して前記ロボットアームの遠位部分の位置を維持するように前記ロボットアームを作動させるステップとを含む、
    方法を行わせるように構成される、
    非一時的な機械可読媒体。
  20. 前記方法は、
    前記ベースの前記手動再位置決め中に前記ロボットアームの前記遠位部分の向きを維持するように前記ロボットアームを作動させるステップを更に含む、
    請求項１９に記載の非一時的な機械可読媒体。
  21. 前記床面に対する前記ベースの前記手動再位置決めを指示するように前記位置決めインジケータを作動させるステップは、
    前記ロボットアームの移動を抑制し、前記ベースの前記手動再位置決めを指示する触覚的表示を提供するよう、アクチュエータ又はブレーキを作動させるステップを含む、
    請求項１９又は２０に記載の非一時的な機械可読媒体。
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