JP7354436B2

JP7354436B2 - 手術器具の制御

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Publication number: JP7354436B2
Application number: JP2022521417A
Authority: JP
Inventors: ディーン・ゴードン・トーマス; ヴィーチ・グラハム・ジョン
Original assignee: CMR Surgical Ltd
Current assignee: CMR Surgical Ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: GB2588176B; WO2021069928A1; JP2023500207A; AU2020365104B2; CN114554997A; JP2023171810A; AU2023237084A1; GB2588176A; US20210106395A1; US11786328B2; EP4041113A1; AU2020365104A1; GB201914738D0

Description

外科手術を補助および実施するためにロボットを使用することが公知である。図１は、典型的な手術用ロボットシステムを例示する。手術用ロボット１００は、基部１０２、アーム１０４、および器具１０６からなる。基部は、ロボットを支持し、それ自体が、例えば、手術室の床、手術室の天井、またはカートにしっかりと取り付けられ得る。アームは、基部と器具との間に延在する。アームは、その長さに沿って、手術器具を患者に対して所望の場所に位置特定するために使用される複数の可撓性ジョイント１０８によってジョイント式に連結される。手術器具は、ロボットアームの遠位端に取り付けられる。手術器具は、外科手術部位にアクセスするように、ポートで患者の身体を貫通する。その遠位端において、器具は、外科的処置で係合するためのエンドエフェクター１１０を含む。図１では、例示のエンドエフェクターは、一対の顎である。外科医は、遠隔外科医コンソール１１２を介して手術用ロボット１００を制御する。外科医コンソールは、一つまたは複数の外科医入力デバイス１１４を含む。これらは、ハンドコントローラーまたはフットペダルの形態を取り得る。外科医コンソールはまた、ディスプレイ１１６を含む。

制御システム１１８は、外科医コンソール１１２を手術用ロボット１００に接続する。制御システムは、外科医入力デバイスから入力を受信し、これらをロボットアーム１０４のジョイントおよびエンドエフェクター１１０を動かすための制御信号に変換する。制御システムは、これらの制御信号をロボットに送信し、それに応じて、対応するジョイントが駆動される。

エンドエフェクターの顎がケーブルによって個別に駆動されることが公知である。これらのケーブルは、顎の間の物体を掴んでリリースするように、顎の開閉を駆動するために利用され得る。同じケーブルを使用して、顎のヨー運動を駆動して、顎を一定の角度で開いたまま同じ方向に回転させることもできる。同じケーブルを使用して、顎の把持とヨー運動の両方を駆動するので、これらの動作は独立していない。この結果、把持運動の全範囲を、ヨー運動の全範囲にわたってアクセスすることができなくなり、逆もまた同様である。

従って、エンドエフェクターの把持およびヨー運動の相互依存性をより良好に媒介する制御システムが必要である。

本発明の第一の態様によれば、遠隔外科医入力デバイスの操作に応答して手術器具の操作を制御するための制御システムであって、手術器具が、多関節カップリングによってシャフトに接続される、対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素を含み、多関節カップリングが、第一のエンドエフェクター要素が回転できるように、第一の対の駆動要素によって駆動可能な第一のジョイントと第二のエンドエフェクター要素が回転できるように、第二の対の駆動要素によって駆動可能な第二のジョイントとを含み、第一および第二のエンドエフェクター要素を最大閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、最大力が第一のおよび第二の対の駆動要素に印加されるよう命令すること、および外科医入力デバイスの閉止運動が停止したことを検出すると、第一および第二の対の駆動要素に印加される力の減少を命令し、それによって、第一および第二のエンドエフェクター要素の両方を外科医入力デバイスのヨー運動に応答して同じ回転方向に回転させることを可能にすることによって、外科医入力デバイスの閉止運動に応答するように構成される、制御システムを提供する。

外科医入力デバイスは、本体およびトリガーを含んでもよく、外科医入力デバイスの閉止運動は、本体に対するトリガーの動きを含む。

外科医入力デバイスの閉止運動は、本体に向かうトリガーの回転を含み得る。

外科医入力デバイスの閉止運動は、本体に対するトリガーの線形並進運動を含み得る。

ヨー運動は、外科医入力デバイスの本体の回転を含み得る。

外科医入力デバイスは、本体に対するトリガーの位置を検出するためのセンサーを含んでもよく、制御システムは、本体に対するトリガーの感知位置が一定である場合、外科医入力デバイスの閉止運動が停止したことを検出する。

制御システムは、本体に対するトリガーの感知位置から誘導されるトリガーの速度を受信し、力低減係数を出力する、単極フィルターを含んでもよい。

制御システムは、第一の最大力を第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加し、第二の最大力を第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加することによって、最大力が第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令するように構成されてもよく、第一および第二の最大力の大きさは同一である。

制御システムは、第一の最大力を第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加し、第二の最大力を第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加することによって、最大力が第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令するように構成されてもよく、第一および第二の最大力の大きさは異なる。

第一および第二の最大力は、張力とし得る。

第一および第二の対の駆動要素の各々は、ケーブルを含んでもよい。

制御システムは、器具タイプおよび／またはトリガー運動に依存する機能によって、第一および第二の対の駆動要素に印加される力の減少を命令するように構成され得る。

最大閉力は、第一および第二のエンドエフェクター要素の間の物体の切断を可能にし得る。

制御システムが外科医入力デバイスの閉止運動が停止したと検出するとき、第一および第二のエンドエフェクター要素は、閉じた構成で互いに当接し得る。

制御システムは、第一の力が第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加され、第二の力が第二の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加されるように命令することによって、外科医入力デバイスのヨー運動に応答するように構成されてもよく、第一の力および第二の力の大きさは同一である。

対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素は、一対のハサミであり得る。一対のハサミは、一対の湾曲ハサミであり得る。一対のハサミは、一対の単極性ハサミであり得る。

本発明の第二の態様によれば、遠隔外科医入力デバイスの操作に応答して手術器具の操作を制御するための制御システムであって、手術器具が、多関節カップリングによってシャフトに接続される、対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素を含み、多関節カップリングが、第一のエンドエフェクター要素が回転できるように、第一の対の駆動要素によって駆動可能な第一のジョイントと第二のエンドエフェクター要素が回転できるように、第二の対の駆動要素によって駆動可能な第二のジョイントとを含み、第一および第二のエンドエフェクター要素を最大閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、最大力が第一のおよび第二の対の駆動要素に印加されるよう命令すること、および外科医入力デバイスのヨー運動を検出すると、第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加される力の減少を命令し、それによって、第一および第二のエンドエフェクター要素の両方を同じ回転方向に回転させることを可能にすることによって、外科医入力デバイスの把持構成に応答するように構成される、制御システムを提供する。

外科医入力デバイスのヨー運動を検出すると、制御システムは、最大力が第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加されよう命令し続けるように構成され得る。

外科医入力デバイスは、本体およびトリガーを含んでもよく、外科医入力デバイスは、トリガーが、特定の範囲内の本体に対するある位置を有するとき、把持構成にあり得る。

外科医入力デバイスの把持構成は、回転位置の特定の範囲内にある本体に対するトリガーの回転位置を含み得る。

外科医入力デバイスの把持構成は、線形位置の特定の範囲内にある本体に対するトリガーの線形位置を含み得る。

外科医入力デバイスは、本体に対するトリガーの位置を検出するためのセンサーを含んでもよい。

制御システムは、第一の最大力を第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加し、第二の最大力を第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加することによって、最大力が第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令してもよく、第一および第二の最大力の大きさは同一である。

制御システムは、第一の最大力を第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加し、第二の最大力を第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加することによって、最大力が第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令してもよく、第一および第二の最大力の大きさは異なる。

第一および第二の最大力は、張力とし得る。

最大閉力は、第一のエンドエフェクター要素と第二のエンドエフェクター要素との間の物体の把持を可能にし得る。

対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素は、針ホルダであり得る。対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素は、一対の顎であり得る。

本発明の第三の態様によれば、遠隔外科医入力デバイスの操作に応答して手術器具の操作を制御するための制御システムであって、手術器具が、多関節カップリングによってシャフトに接続される、対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素を含み、多関節カップリングが、第一のエンドエフェクター要素が回転できるように、第一の対の駆動要素によって駆動可能な第一のジョイントと第二のエンドエフェクター要素が回転できるように、第二の対の駆動要素によって駆動可能な第二のジョイントとを含み、第一のエンドエフェクター要素に対して要求される第一のヨートルクを第一の最大ヨートルクと比較すること、および第二のエンドエフェクター要素に対して要求される第二のヨートルクを第二の最大ヨートルクと比較すること、および要求される第一のヨートルクが第一の最大ヨートルクよりも小さく、および要求される第二のヨートルクが第二の最大ヨートルクよりも小さい場合のみ、第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、要求される第一のヨートルクが第一のエンドエフェクター要素に印加され、要求される第二のヨートルクが第二のエンドエフェクター要素に印加されるように命令することによって、外科医入力デバイスの閉止運動に応答し、外科医入力デバイスのヨー運動を検出する際に、共方向力が第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令し、故に第一および第二のエンドエフェクター要素の両方を同じ回転方向に回転させるように構成される、制御システムが提供される。

制御システムは、要求される第一のヨートルクが第一の最大ヨートルクよりも大きく、および要求される第二のヨートルクが第二の最大ヨートルクよりも大きい場合、第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、第一の最大ヨートルクを第一のエンドエフェクター要素に印加し、第二の最大ヨートルクを第二のエンドエフェクター要素に印加するよう命令をし得る。

制御システムは、第一のエンドエフェクター要素に対する要求される第一のヨートルクを第一の最小ヨートルクと比較すること、第二のエンドエフェクター要素に対する要求される第二のヨートルクを第二の最小ヨートルクと比較すること、要求される第一のヨートルクが第一の最小ヨートルクよりも大きく、要求される第二のヨートルクが第二の最小ヨートルクよりも大きい場合のみ、第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に回転させるように、要求される第一のヨートルクが第一のエンドエフェクター要素に印加され、要求される第二のヨートルクが第二のエンドエフェクター要素に印加されるように命令すること、によって外科医入力デバイスの閉止運動にさらに応答し得る。

制御システムは、要求される第一のヨートルクが第一の最小ヨートルクよりも小さく、および要求される第二のヨートルクが第二の最小ヨートルクよりも小さい場合、第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、第一の最小ヨートルクを第一のエンドエフェクター要素に印加し、第二の最小ヨートルクを第二のエンドエフェクター要素に印加するよう命令をし得る。

ここで、添付図面を参照して、本発明を例として説明する。図は、以下の通りである。

図１は、外科的処置を実施するための手術用ロボットシステムを示す。図２は、例示的な手術器具の遠位端を示す。図３は、例示的な外科医入力デバイスを示す。図４は、手術器具の操作を制御する方法のフローチャートである。図５は、さらなる手術器具の操作を制御する方法のフローチャートである。図６は、別の手術器具の操作を制御する方法のフローチャートである。

以下は、遠隔外科医コンソールからの手術用ロボット器具の制御について説明する。器具およびコンソールが、図１に示すタイプの手術用ロボットシステムの一部を形成する。

手術器具は、ロボットアームによって支持される。ロボットアームは、それ自体が基部によって支持される。手術中、基部は、例えば、床、天井、カートまたは患者ベッドなど、手術室の一部に固定される。ロボットアームは、常に患者の外部にある。ロボットアームは、ジョイントが点在する一連のアームリンクを含む。これらのジョイントは、外旋ジョイントであり得る。基部の遠位にあるロボットアームの端部は、一つまたは複数のジョイントの動きによって基部に対してジョイント式に連結され得る。手術器具は、ロボットアームの遠位端で駆動アセンブリーに取り付けられる。この取り付け点は、患者の外部にある。

手術器具は、細長いプロファイルを有し、シャフトは、ロボットアームに取り付けられるその近位端と、患者体内の外科手術部位にアクセスするその遠位端との間にわたる。手術器具の近位端および器具シャフトは、互いに対して剛性であり、ロボットアームの遠位端に取り付けられるとき、ロボットアームの遠位端に対して剛性であり得る。患者の体内に切開が行われ、その切開部を通じてポートが配置される。手術器具は、そのポートを通じて患者の身体を貫通して、外科手術部位にアクセスし得る。または、手術器具は、身体の生来の関口部を通して身体を貫通して、外科手術部位にアクセスし得る。器具の近位端で、シャフトは器具インターフェイスに接続される。器具インターフェイスは、ロボットアームの遠位端で駆動アセンブリーと係合する。具体的には、器具インターフェイスの個々の器具インターフェイス要素は各々、駆動アセンブリーのそれぞれの個々の駆動アセンブリーインターフェイス要素と係合する。器具インターフェイスは、駆動アセンブリーと取り外し可能に係合可能である。器具は、ツールを必要とせずに、手動でロボットアームから取り外され得る。これにより、手術中に器具を駆動アセンブリーから迅速に取り外し、別の器具を取り付けることが可能になる。

手術器具の遠位端では、シャフトは、多関節カップリングによってエンドエフェクターに接続される。エンドエフェクターは、外科手術部位で外科的処置に従事する。図２は、一対の顎をエンドエフェクター２０１として有する例示的な器具の遠位端を示す。シャフト２０２は、多関節カップリング２０３によってエンドエフェクター２０１に接続される。多関節カップリング２０３は、数個のジョイントを含む。これらのジョイントは、エンドエフェクターの姿勢を、器具シャフトの方向に対して変更することを可能にする。エンドエフェクターは、ジョイントを含んでもよい。図２の実施例では、多関節カップリング２０３は、ピッチジョイント２０４を含む。ピッチジョイント２０４は、シャフト２０２の長手方向軸２０６に垂直であるピッチ軸２０５を中心に回転する。ピッチジョイント２０４は、支持体（以下に記載）、それゆえエンドエフェクターが、シャフトに対してピッチ軸２０５を中心に回転することを可能にする。図２の例では、エンドエフェクターは、第一のヨージョイント２０７および第二のヨージョイント２１１を含む。第一のヨージョイント２０７は、第一のヨー軸２０８を中心に回転する。第二のヨージョイント２１１は、第二のヨー軸２１２を中心に回転する。ヨー軸２０８および２１２はどちらも、ピッチ軸２０５に対して垂直である。ヨー軸２０８および２１２は平行であり得る。ヨー軸２０８および２１２は、同一線上であり得る。多関節カップリング２０３は、支持体を含む。一方端で、支持体は、ピッチジョイント２０４によってシャフト２０２に接続される。その他方の端で、支持体は、ヨージョイント２０７および２１１によってエンドエフェクター２０１に接続される。この支持体は、多関節カップリングのその他の構造がより見やすくなるように、図示を容易にするために図２では省略される。エンドエフェクターは、二つのエンドエフェクター要素２０９、２１０を含む。示されるエンドエフェクター要素は、対向する顎である。しかしながら、エンドエフェクター要素は、任意のタイプの対向するエンドエフェクター要素であり得る。そのさらなる例は、後で論じられる。第一のヨージョイント２０７は、第一のエンドエフェクター要素２０９と固定され、第一のエンドエフェクター要素２０９が、支持体およびピッチジョイント２０４に対して第一のヨー軸２０８を中心に回転することを可能にする。第二のヨージョイント２１１は、第二のエンドエフェクター要素２１０と固定され、第二のエンドエフェクター要素２１０が支持体およびピッチジョイント２０４に対して第二のヨー軸２１２を中心に回転することを可能にする。

図２に図示したジョイントは、対の駆動要素によって駆動される。駆動要素は細長い。それらは、その長手方向の範囲に対して横方向に可撓性である。これらは、その長手方向の範囲に沿った圧縮力および張力に抵抗する。各対の駆動要素は、器具シャフトの他方の端で、器具インターフェイスのそれぞれの器具インターフェイス要素に固定される。従って、ロボットアームは、次のように駆動をエンドエフェクターに伝える。駆動アセンブリーインターフェイス要素の動きにより、器具インターフェイス要素が動き、これにより、駆動要素が動き、これにより、関節部および／またはエンドエフェクターの一つまたは複数のジョイントが動き、これにより、エンドエフェクターが動く。駆動要素は、ケーブルであり得る。駆動要素は、可撓性部分および剛性部分を含み得る。可撓性部分は、器具インターフェイスおよび多関節カップリングの構成要素と係合し、剛性部分は、器具シャフトの全体または一部を通って延在する。例えば、可撓性部分はケーブルであってもよく、剛性部分はスポークであり得る。

図２は、第一のヨージョイント２０７の周りを移動するように制限される、第一の対の駆動要素Ａ１、Ａ２を示す。駆動要素Ａ１、Ａ２は、第一のヨー軸２０８を中心に第一のエンドエフェクター要素２０９を回転させる。図２は、第二のヨージョイント２１１の周りを移動するように制限される、第二の対の駆動要素Ｂ１、Ｂ２を示す。駆動要素Ｂ１、Ｂ２は、第二のヨー軸２１２を中心に第二のエンドエフェクター要素２１０を回転させる。図２はまた、ピッチジョイント２０４の周りを移動するように制限される、第三の対の駆動要素Ｃ１、Ｃ２を示す。駆動要素Ｃ１、Ｃ２は、ピッチ軸２０５を中心にエンドエフェクター２０１を回転させる。ピッチジョイント２０４およびヨージョイント２０７、２１１は、それぞれの駆動要素によって個別に駆動される。

エンドエフェクター要素２０９および２１０は個別に回転可能である。エンドエフェクター要素は、対向する回転方向に回転させることができる。例えば、エンドエフェクター要素を駆動要素Ａ２およびＢ１に張力をかけることによって、対向する回転方向に互いに向かって回転させることができる。これにより、エンドエフェクター要素を一緒に閉じるが、（ｉ）組織または針またはスレッドなどのエンドエフェクター要素間の物体を掴む、および／または（ｉｉ）組織またはスレッドなどのエンドエフェクター要素間の物体を切断するのに有用である。エンドエフェクター要素は、駆動要素Ａ１およびＢ２に張力をかけることによって、対向する回転方向に互いから遠ざかるように回転させることができる。これにより、エンドエフェクター要素が開くが、（ｉ）エンドエフェクター要素の間で掴まれた物体を解放すること、および／または（ｉｉ）別の切断動作のために準備された一対のハサミエンドエフェクター要素を再度開くのに有用である。両方のエンドエフェクター要素は、駆動要素Ａ１およびＢ１、あるいはＡ２およびＢ２に張力をかけることによって、同じ回転方向に回転させることができる。これにより、エンドエフェクター要素がピボット軸２０８および２１２を中心にヨーイング（偏揺れ）する。これは、エンドエフェクターが外科手術部位の異なる部分にアクセスできるようにするのに有用である。代替的に、駆動要素Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２のうちの一つにのみ張力をかけることによって、一方のエンドエフェクター要素を回転させ（いずれかの回転方向に）、もう一方のエンドエフェクター要素を定位置に維持することができる。従って、エンドエフェクターの把持運動およびヨー運動の両方は、同じ対の駆動要素：第一のエンドエフェクター要素２０９に対しＡ１、Ａ２、および第二のエンドエフェクター要素２１０に対しＢ１、Ｂ２を操作することによって可能となる。

以下の説明に関連する、対向可能なエンドエフェクターを有する少なくとも二つのタイプの器具がある。第一のタイプは、エンドエフェクター要素がエンドエフェクター要素間の組織または別の物体を切断するように係合する、切断器具である。第二のタイプは、エンドエフェクター要素がエンドエフェクター要素間の組織または別の物体を掴むように係合する、把持器具である。

外科医コンソールは、一つまたは複数の外科医入力デバイスを含む。各外科医入力デバイスにより、外科医は制御入力を制御システムに提供することが可能になる。外科医入力デバイスは、例えば、ハンドコントローラー、ペダルなどのフットコントローラー、指もしくは身体の別の部分によって制御されるタッチセンサー式入力、音声制御入力デバイス、視線制御入力デバイス、またはジェスチャ制御入力デバイスであり得る。外科医入力デバイスは、外科医が個別に操作できる数個の入力を提供し得る。

図３は、例示的なハンドコントローラー３００を示す。ハンドコントローラーは、例えばジンバル配置（図示せず）によって外科医コンソールに接続される。これにより、ハンドコントローラーを外科医コンソールに対して３度の並進自由度で動かすことが可能になる。図示されたハンドコントローラーは、右手による保持を意図するものである。鏡像ハンドコントローラーは、左手によって保持され得る。ハンドコントローラーは、手で掴むのに好適な本体３０１を含む。ハンドコントローラーは、追加の入力、例えば、ボタン、スイッチ、レバー、スライド入力、またはトラックパッド３０３を含むことができる。図３のハンドコントローラーは、トリガー３０２を含む。トリガー３０２は、本体３０１に対して移動可能である。図示されたハンドコントローラーでは、トリガー３０２は、本体３０１に対して回転可能である。代替的に、または追加的に、トリガーは、本体３０１に対して直線的に並進移動し得る。

外科医は、器具のエンドエフェクター要素２０９、２１０に、把持／閉止運動で閉じるか、または解除／開運動で開くように命令するために、ハンドコントローラーの本体３０１に対してトリガー３０２を回転させてもよい。例えば、外科医は、把持運動を命令するためにハンドコントローラーの本体３０１に向かってトリガー３０２を回転させ得る。外科医は、解放運動を命令するためにハンドコントローラーの本体３０１から離れてトリガー３０２を回転させ得る。外科医は、エンドエフェクター要素の配向の変化を命令するためにハンドコントローラーワークスペース内のハンドコントローラーの本体を回転させてもよい。

制御システムは、外科医コンソールを手術用ロボットに接続する。制御システムは、プロセッサーおよびメモリーを含む。メモリーは、プロセッサーによって実行され得るソフトウェアコードを非一時的な方法で記憶して、プロセッサーに、本明細書に記載の様式で外科医コンソールおよびロボットアームおよび器具を制御させる。制御システムは、外科医入力デバイスから入力を受信し、これらをロボットアームのジョイント、および／または多関節カップリングのジョイント、および／またはエンドエフェクターのジョイントを動かすための制御信号に変換する。制御システムは、これらの制御信号をロボットアームに送信し、それに応じて、対応するジョイントが駆動される。それによって、手術器具の操作は、外科医入力デバイスの操作に応答して制御システムによって制御される。

制御システムが切断器具を制御しているとき、ハンドコントローラーの閉止運動を検出すると、制御システムは、力がエンドエフェクター要素の駆動要素に印加されるように命令して、エンドエフェクター要素を対向する回転方向に互いに向かって回転させることによって応答する。図２を参照すると、制御システムは、力がＡ２およびＢ１に印加されるように命令することによって、閉止運動を検出することに応答して、それによって、エンドエフェクター要素を一緒に閉じる。

制御システムが把持器具を制御しているとき、ハンドコントローラーが把持構成にあることを検出すると、制御システムは、力がエンドエフェクター要素の駆動要素に印加されるように命令して、エンドエフェクター要素を対向する回転方向に互いに向かって回転させることによって応答する。図２を参照すると、制御システムは、力がＡ２およびＢ１に印加されることを命令することによって、把持構成の検出に応答し、それによって、エンドエフェクター要素を共に閉じる。ハンドコントローラーの把持構成は、本体に対するトリガーの回転位置が特定の範囲内にあるものである。特定の範囲は、あらかじめ決められてもよい。特定の範囲は、器具タイプに依存し得る。トリガーが本体に対して直線的に並進移動する場合、ハンドコントローラーの把持構成は、本体に対するトリガーの線形位置が特定の範囲内にあるものである。特定の範囲は、器具タイプに依存し得る。特定の範囲は、あらかじめ決められてもよい。

把持動作については、エンドエフェクター要素の高い把持力が望ましい場合がある。例えば、エンドエフェクターが持針器である場合、組織に駆動している間に針をしっかりと保持することを可能にするために、高い把持力が望ましい。別の実施例として、エンドエフェクターが一対のハサミである場合、組織の切断を成功させるために高い閉力が望ましい。従って、制御システムは、エンドエフェクター要素の最大閉力を引き起こすように、最大力が駆動要素に加えられることを命令することによって（把持器具用）ハンドコントローラーの把持構成、または（切断器具用）ハンドコントローラーの閉止運動を検出するに応答する。図２を参照すると、制御システムは、最大力がＡ２に印加され、最大力がＢ１に印加されるように命令することによって応答する。これにより、エンドエフェクター要素２０９および２１０が、最大閉力によって互いに向かって回転し、それによって、エンドエフェクターが最大力で把持／切断することが可能になる。

駆動要素が、図２の例のように張力で駆動される場合、駆動要素に印加される最大力は張力である。各最大力は、例えば伸張またはスナップによって、失敗することなくその駆動要素に印加され得る最大張力である。駆動要素が圧縮で駆動される場合、駆動要素に印加される最大力は、圧縮力である。各最大力は、例えば、圧縮または破砕によって、失敗することなくその駆動要素に印加できる最大圧縮力である。駆動要素が張力および圧縮の両方において駆動される場合、例えば、それらがプッシュロッドである場合、最大張力および最大圧縮力が画定される。最大張力は、失敗することなく駆動要素に印加できる最大力である。最大圧縮力は、失敗することなく、圧縮時に駆動要素に印加できる最大力である。駆動要素がねじりで駆動される場合、例えば、それらが親ねじである場合、駆動要素に印加される最大力はねじり力である。各最大力は、失敗することなくその駆動要素に印加できる最大ねじり力である。

制御システムは、第一の最大力が駆動要素に印加されるように命令し、第二のエンドエフェクター要素に向かって第一のエンドエフェクター要素の回転を駆動する。図２の例では、制御システムは、第一の最大力がＡ２に印加されるように命令し、エンドエフェクター要素２０９を駆動してエンドエフェクター要素２１０に向かって回転させる。制御システムは、第二の最大力が駆動要素に印加されるように命令し、第一のエンドエフェクター要素に向かって第二のエンドエフェクター要素の回転を駆動する。図２の例では、制御システムは、第二の最大力がＢ１に印加されるように命令し、エンドエフェクター要素２１０を駆動してエンドエフェクター要素２０９に向かって回転させる。

第一の最大力の値および第二の最大力の値は、器具タイプに依存し得る。第一の最大力および第二の最大力は、同じであり得る。図２の実施例のように、例えば、エンドエフェクター要素が合致し、それらのエンドエフェクター要素のそれぞれを駆動する駆動要素が合致する場合、制御システムは、同じ最大力が第一の駆動要素Ａ２および第二の駆動要素Ｂ１の両方に印加されるよう命令し得る。あるいは、第一の最大力と第二の最大力は異なってもよい。例えば、エンドエフェクター要素が異なっている場合、第一のエンドエフェクター要素に印加される第一の最大駆動力は、エンドエフェクター要素の所望の最大閉力を達成するために、第二のエンドエフェクター要素に印加される第二の最大駆動力とは異なってもよい。この例は、ステープラーなどの非対称の器具である。

把持器具については、第一のエンドエフェクター要素と第二のエンドエフェクター要素との間の物体の把持を可能にするには、最大閉力が十分である。この把持は、抵抗力下で、例えば、針を組織にしっかりと駆動する間に針を把持する持針器であり得る。例えば、最大閉力は、１０～１５Ｎの範囲内であり得る。切断器具については、第一のエンドエフェクター要素と第二のエンドエフェクター要素との間の物体（典型的には組織）の切断を可能にするには、最大閉力が十分である。例えば、最大閉力は５～１０Ｎの範囲内であり得る。

ハンドコントローラーワークスペース内のハンドコントローラーの本体の回転を検出すると、制御システムは、（ｉ）手術用ロボットアームのジョイント、（ｉｉ）手術器具の多関節カップリング２０３のジョイント、および（ｉｉｉ）エンドエフェクターのジョイントのいずれか一つまたは組み合わせの関節を命令することによって応答する。この命令された関節部は、外科医のハンドコントローラーの回転によって指示されたように、エンドエフェクターの姿勢を変える。

従って、制御システムは、少なくとも部分的に、力がエンドエフェクター要素の駆動要素に印加されるよう命令して、エンドエフェクター要素を回転させることによって、ハンドコントローラーの本体の回転の検出に応答し得る。例えば、図２を参照すると、制御システムは、力がＡ２およびＢ２に印加されるように命令して、エンドエフェクター要素２０９および２１０を時計回りに揺らすことができる。制御システムは、力がＡ１およびＢ１に印加されるように命令して、エンドエフェクター要素２０９および２１０を反時計回りに揺らすことができる。制御システムは、同じ力がＡ１およびＢ１（またはＡ２およびＢ２）の両方に印加されるように命令し得る。エンドエフェクター要素が合致し、それらのエンドエフェクター要素の駆動要素が合致する場合、同じ力をＡ１およびＢ１（またはＡ２およびＢ２）の両方に印加すると、両方のエンドエフェクター要素が同時に揺らされる。制御システムはまた、力がＣ１およびＣ２のうちの一つに印加されるように命令することによってハンドコントローラーの本体の回転の検出に応答して、ピッチジョイント２０４の回転を引き起こし得る。制御システムはまた、トルクがロボットアームのジョイントのうちの一つまたは複数のまわりに印加されるよう命令することによって、ハンドコントローラーの本体の回転の検出に応答し得る。

同じ駆動要素Ａ１、Ａ２およびＢ１、Ｂ２は、物体の把持／切断およびエンドエフェクターのヨーイングの両方のためのエンドエフェクター要素の回転を駆動するために利用される。従って、把持／切断およびヨーイング動作は独立しては駆動されない。この結果として、グリップ／切断動作において駆動要素Ａ２およびＢ１に最大力が印加される場合、エンドエフェクター要素も揺れない。図２の例を考慮すると、最大張力がＡ２およびＢ１に印加されて把持／切断動作を生じさせる場合、張力をＡ２およびＢ２に適用して、エンドエフェクター要素のヨー運動を引き起こすことができない。

図４は、制御システムによって実装され、切断器具のエンドエフェクターの切断およびヨー運動の相互依存性を媒介する方法を示す。

ステップ４０１で、制御システムは、外科医入力デバイスの閉止運動があるかどうかを検出する。図３の外科医入力デバイスの例について、制御システムは、トリガー３０２がハンドコントローラーの本体３０１に対して回転される場合、閉止運動を検出する。トリガー３０２がハンドコントローラーの本体に対して静止している場合（その回転範囲内の任意の場所）、制御システムは閉止運動がないと判定する。しかしながら、トリガー３０２がハンドコントローラーの本体３０１に対して回転している場合、制御システムは閉止運動があると判定する。

ハンドコントローラー３００は、ハンドコントローラーの本体３０１に対するトリガー３０２の回転位置を感知する位置決めセンサーを含み得る。位置決めセンサーは、例えば、定期的な間隔で回転位置を感知し得る。例えば、センサーは、ｍｋＨｚの周波数で回転位置を感知し得る。ｍは、１０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの間であり得る。ｍは、２５ｋＨｚ～３５ｋＨｚの間であり得る。制御システムは、位置決めセンサーからトリガーの感知された回転位置を受信する。センサーは、感知位置を、例えば、定期的な間隔で制御システムに送信し得る。例えば、センサーは、感知されたトリガーの回転位置を、ｎｋＨｚの周波数で制御システムに送信することができる。ｎは、１～１０ｋＨｚの間であり得る。ｎは、３．５～６．５ｋＨｚの間であり得る。ｎは、５ｋＨｚの間であり得る。制御システムは、トリガーの感知された一連の回転位置からトリガーの速度を決定する。制御システムは、本体に向かうトリガーの速度が０より大きい場合、ハンドコントローラーの閉止運動が継続中であると判定する。制御システムは、トリガーの速度が０である場合、ハンドコントローラーの閉止運動が停止したと判定する。言い換えれば、制御システムは、トリガーの感知された回転位置が一定である場合、ハンドコントローラーの閉止運動が停止したと判定する。トリガーがその可動域の最後にあったため、閉止運動は外科医によって停止され得る。これは、第一および第二のエンドエフェクター要素が、閉じた構成で当接しているときに起こる。例えば、一対のハサミのブレードは、切断動作の終了時に交わる。あるいは、エンドエフェクター要素が開構成のままである間、閉止運動は停止し得る。その開構成では、エンドエフェクター要素を互いに向かって、従って閉じた構成に向かってさらに回転させることができるが、外科医は閉じた構成に到達する前に切断動作を停止した。

ステップ４０１で、制御システムが外科医入力デバイスの閉止運動を検出した場合、その後、ステップ４０２に移動する。ステップ４０２で、制御システムは、エンドエフェクターを最大の駆動力で閉じるように、最大対向する力がエンドエフェクター要素の駆動要素に印加されるように命令する。図２の例では、これはＡ２およびＢ１に最大駆動力を適用することである。この後、制御ループは、ステップ４０１に戻り、ここで、閉止運動が検出されるかどうかについて、さらなる評価が行われる。

ステップ４０１で、制御システムが外科医入力デバイスの閉止運動を検出しない場合、ステップ４０３に移動する。ステップ４０３で、制御システムは、低減された力がエンドエフェクター要素を閉じさせる駆動要素に印加されるよう命令する。図２の例では、これは、Ａ２およびＢ１に印加される駆動力を減少させることになる。

駆動要素への力が低減される要因は、器具タイプに依存し得る。力減少値は、器具タイプのみに依存し得る。各器具タイプの力減少値は、経験的に決定され得る。力減少値が器具タイプのみに依存し得る器具タイプの例は、顎および有窓把持器である。別の方法として、または器具タイプに加えて、力が低減される要因は、トリガー運動のプロファイルに依存し得る。力減少値がさらにトリガー運動のプロファイルに依存し得る器具タイプの例は、針ホルダ、および湾曲したハサミおよび単極ハサミなどのハサミである。

制御システムは、トリガーの速度を入力として受信する単極フィルターを含み得る。単極フィルターは、トリガー速度を利用して、力減少値を決定する。フィルターのパラメーターは、器具タイプに特有であり得る。フィルターは線形であり得る。

例えば、フィルターは、次式によって与えられる重み付け値を有する一次導関数ローパスフィルターであり得：

式中、ｃｕｔＷｅｉｇｈｔ［ｎ］は、トリガーの第ｎの感知位置に対する重み付け値であり、Ａは、定数であり、ｃｕｔＷｅｉｇｈｔ［ｎ－１］は、トリガーの第ｎ－１の感知位置に対する重み付け値であり、ｔｐｏｓｉｔｉｏｎ［ｎ］は、トリガーの第ｎの感知位置であり、ｔｐｏｓｉｔｉｏｎ［ｎ－１］は、トリガーの第ｎ－１の感知位置である。この重み付け値は、外科医入力デバイスの閉止運動が検出されるかどうかを評価するために使用され得る閾値を提供する。

ｃｕｔＷｅｉｇｈｔ［ｎ］が閾値Ｙ_ｃｕｔより小さい場合、ＷＥＩＧＨＴＣＵＴの力減少値が印加される。ｃｕｔＷｅｉｇｈｔ［ｎ］が閾値Ｙ_ｙａｗよりも大きい場合、ＷＥＩＧＨＴＹＡＷの力減少値が印加される。ｃｕｔＷｅｉｇｈｔ［ｎ］がＹ_ｃｕｔ、とＹ_ｙａｗの間である場合、以下の力減少値：

式中、ＦＲＶ［ｎ］は、トリガーのｎ番目の感知位置に対する力減少値である。

ＷＥＩＧＨＴＣＵＴ、ＷＥＩＧＨＴＹＡＷ、Ｙ_ｃｕｔ、Ｙ_ｙａｗ、およびＡは全て定数である。例えば、ＷＥＩＧＨＴＣＵＴは０であり得る。ＷＥＩＧＨＴＹＡＷは、０．８であり得る。

ステップ４０３で駆動要素に印加される低減された力は、次式で与えられる。
低減された力［ｎ］＝（１－ＦＲＶ［ｎ］）＊最大力（式３）
式中、低減された力［ｎ］は、トリガーのｎ番目の感知位置に対する減少力であり、最大力は、外科医入力デバイスの閉止運動の検出後にステップ４０２で印加される最大力である。

従って、ＷＥＩＧＨＴＣＵＴが０である実施例では、ｃｕｔＷｅｉｇｈｔ［ｎ］≦Ｙ_ｃｕｔの場合、力の減少が駆動要素に印加されない、すなわち、低減された力＝最大力である。ＷＥＩＧＨＴＹＡＷが０．８である実施例では、ｃｕｔＷｅｉｇｈｔ［ｎ］≧Ｙ_ｙａｗの場合、８０％の力の減少が駆動要素に印加される、すなわち、低減された力＝０．２＊最大力である。

ｃｕｔＷＥＩＧＨＴが０の場合、駆動要素に力の減少は印加されない。従って、最大力は、エンドエフェクター要素の閉止運動に印加され得る。ｃｕｔＷＥＩＧＨＴが１である場合、エンドエフェクター要素のヨー運動を提供するために最大力を印加することができる。

駆動要素に印加される力を低減することによって、それらの駆動要素は、エンドエフェクター要素を揺らすことができる。図２の例では、Ａ１およびＢ１（またはＡ２およびＢ２）の両方を駆動して、全体としてエンドエフェクターを時計回り（または反時計回り）方向に揺らすことができる。エンドエフェクター要素に印加される閉力の減少が大きいほど、エンドエフェクター要素揺れる速度が大きくなる。従って、図４の制御方法は、エンドエフェクターの閉止運動を優先するが、エンドエフェクター要素が互いに能動的に移動していないときに、エンドエフェクター要素を揺らす能力にトレードオフとなる。長期間にわたって最大閉力を維持すると、たとえエンドエフェクター要素が閉じていなくても、切断動作にはほとんど寄与しない。従って、閉止運動が一旦停止されると、エンドエフェクターの揺動能力を優先させることは、同時切断動作に対して有害な効果をほとんど有さない。

図４に戻ると、ステップ４０３での力低減に続いて、方法がステップ４０４に移動する。ステップ４０４で、制御システムは、外科医入力デバイスの閉止運動が検出されるかどうかを判定する。このステップは、ステップ４０１を参照して記載する方法を使用して実施される。閉止運動が検出された場合、制御ループはステップ４０２に移動し、ここで制御システムは、最大対向する力が、エンドエフェクター要素を最大閉力で閉じるように、駆動要素に印加されるよう命令する。

しかしながら、ステップ４０４で閉止運動が検出されない場合、制御システムはステップ４０５へ進む。ステップ４０５で、制御システムは、外科医入力デバイスのヨー運動が検出されるかどうかを判定する。外科医入力デバイス上のセンサーおよび／または外科医入力デバイスをコンソールに接続するリンケージ上のセンサーは、外科医入力デバイスワークスペース内の外科医入力デバイスのヨー運動を検出するために使用される。

外科医入力デバイスのヨー運動が検出されない場合、方法は、ステップ４０４に戻り、ここで、制御システムは、外科医入力デバイスの閉止運動が検出されるかどうかを判定する。しかしながら、外科医入力デバイスのヨー運動がステップ４０５で検出されると、制御ループはステップ４０６に移動する。ステップ４０６で、制御システムは、共方向力が、外科医入力デバイスのヨー運動に従って、エンドエフェクター要素を同じ方向に回転させるように、エンドエフェクター要素の駆動要素に印加されるよう命令する。図２の例では、これは、Ａ２およびＢ２に力を加え、エンドエフェクター要素を時計回りに揺らし、Ａ１およびＢ１に力を加え、エンドエフェクター要素を反時計回りに揺らす。外科医入力デバイスによって命令されるヨー運動を実施するために、制御システムは、エンドエフェクター要素のヨー運動を命令することに加えて、多関節カップリング２０３のピッチジョイントの関節および／またはロボットアームの一つまたは複数のジョイントの関節を命令し得る。

力がステップ４０６で加えられる一方で、制御ループはステップ４０４に移動し、外科医入力デバイスの閉止運動が検出されるかどうかを判定する。閉止運動に作用することは、ヨー運動に作用するよりも優先順位が高い。従って、ステップ４０６に従って、ヨー力が駆動要素に印加される間、ステップ４０４で閉止運動が検出される場合、制御システムはステップ４０２に移動し、エンドエフェクター要素を最大閉力で閉止動作において、一緒に閉じるように、駆動要素に最大力を加える命令でエンドエフェクター要素を揺らすコマンドをオーバーライドする。

従って、図４の制御ループは、エンドエフェクターの切断およびヨー運動の相互依存性をより良好に媒介するために利用され得る。切断が優先されるが、外科医が外科医入力デバイスを閉止運動で能動的に操作しないとき、ヨーイングが可能である。

図５は、制御システムによって実装され、把持器具のエンドエフェクターの把持およびヨー運動の相互依存性を媒介する方法を示す。

ステップ５０１で、制御システムは、外科医入力デバイスが把持構成にあるかどうかを検出する。図３の外科医入力デバイスの例では、制御システムは、本体３０１に対するトリガー３０２の回転位置が上述のように、特定の範囲内にある場合、把持構成を検出する。制御システムは、本体３０１に対するトリガー３０２の回転位置が特定の範囲外である場合、把持構成を検出しない。

制御システムは、図４に関して上述したように、ハンドコントローラー上の位置決めセンサーから、感知されたトリガーの回転位置を定期的に受信し得る。感知された回転位置が特定の範囲内にある場合、制御システムは、外科医入力デバイスが把持構成にあると判定する。感知された回転位置が特定の範囲内にない場合、制御システムは、外科医入力デバイスが把持構成にないと判定する。

ステップ５０１で、制御システムは、外科医入力デバイスが把持構成にないことを検出する場合、制御システムはステップ５０１に戻る。制御システムは、ステップ５０１を繰り返す前に、時間間隔Ｔ’を待ち得る。

ステップ５０１で、制御システムは、外科医入力デバイスが把持構成にあることを検出すると、ステップ５０２に移動する。ステップ５０２で、制御システムは、エンドエフェクターを最大の駆動力で閉じるように、最大対向する力がエンドエフェクター要素の駆動要素に印加されるように命令する。図２の例では、これはＡ２およびＢ１に最大駆動力を適用することである。

ステップ５０２に続いて、制御システムはステップ５０３に移動し、外科医入力デバイスのヨー運動が検出されるかどうかを判定する。ヨー運動は、図４に関して上述したように、外科医入力デバイス上のセンサーおよび／または外科医入力デバイスをコンソールに接続するリンケージ上のセンサーによって検出され得る。制御システムは、ステップ５０３の決定を実行する一方で、ステップ５０２に従って駆動要素に最大対向する力を加え続ける。

外科医入力デバイスのヨー運動が検出されない場合、制御システムはステップ５０３に戻る。制御システムは、ステップ５０３を繰り返す前に、時間間隔Ｔ”を待つことができる。

ステップ５０３で外科医入力デバイスのヨー運動が検出される場合、制御ループはステップ５０４に移動する。ステップ５０４で、制御システムは、低減された力がエンドエフェクター要素を閉じさせる駆動要素の一つに印加されるように命令し、最大力がエンドエフェクター要素を閉じさせる他の駆動要素に印加され続けるように命令する。一つの駆動要素に印加される低減された力は、外科医入力デバイスによって指示されたようにエンドエフェクターが揺れることを可能にするのに十分である。図２の実施例を利用して、外科医入力デバイスが時計回りに揺らされた場合、低減された力をＢ１に印加し、最大力をＡ２に維持する。これにより、エンドエフェクター２０１が時計回りに回転することが可能となる。外科医入力デバイスを反時計回りに揺らした場合、低減された力をＡ２に印加し、最大力をＢ１に維持する。これにより、エンドエフェクター２０１が反時計回りに回転することが可能となる。

最大力が低減された力に低減される要因は、図４に関して上述した単極フィルターを使用して決定され得る。駆動要素の一つに印加される力を減少させることによって、駆動要素は、図４に関して上述したように、エンドエフェクター要素を揺らすことができる。

従って、図５の制御ループは、ヨー運動に対する把持運動の最大化を優先しない。把持運動が起こっている間に外科医入力デバイスによってヨー運動が命令される場合、制御システムは、ヨー運動が作用されるのを可能にするのに十分なほど、把持運動の力を減少させる。従って、図５の制御ループは、エンドエフェクターの把持およびヨー運動の相互依存性をより良く媒介するために利用され得る。把持が優先されるが、把持力を減少させることで命令を受けると、ヨーイングが可能である。

図６は、制御システムによって実装され、把持器具または切断器具のいずれかのエンドエフェクターの把持およびヨー運動の相互依存性を媒介する方法を示す。

ステップ６０１で、制御システムは、外科医入力デバイスの閉止運動があるかどうかを検出する。これは、図４に関して記載したのと同じ方法で検出される。ステップ６０１で、制御システムが外科医入力デバイスの閉止運動を検出しない場合、ステップ６０１に戻る。制御システムは、ステップ６０１を繰り返す前に、時間間隔Ｔ’’’を待つことができる。

ステップ６０１で、制御システムが外科医入力デバイスの閉止運動を検出する場合、ステップ６０２および６０３に移動する。ステップ６０２および６０３で、制御システムは、外科医入力デバイスによって要求されるエンドエフェクターヨートルクが閾値、τ_сарより大きいかどうかを判定する。具体的には、ステップ６０２で、制御システムは、第一のエンドエフェクター要素に要求されるヨートルクの大きさが、τ_сарより大きいかを判定する。言い換えれば、第一のエンドエフェクターに要求されるヨートルクの絶対値が、τ_сарよりも大きいか、または-τ_сарよりも小さいかである。そして、ステップ６０３で、制御システムは、第二のエンドエフェクター要素に要求されるヨートルクの大きさが、τ_сарより大きいかを判定する。言い換えれば、ヨートルクの絶対値が、τ_сарよりも大きいか、または-τ_сарよりも小さいかである。

第一のエンドエフェクター要素のヨードライバートルクτ_１は、第一の駆動アセンブリーインターフェイス要素から第一の器具インターフェイス要素に印加されるトルクであり、第一の対の駆動要素Ａ１、Ａ２を駆動して第一のエンドエフェクター要素２０９を第一のヨー軸２０８の周りで回転させる。

第二のエンドエフェクター要素のヨードライバートルクτ_２は、第二の駆動アセンブリーインターフェイス要素から第二の器具インターフェイス要素に印加されるトルクであり、第二の対の駆動要素Ｂ１、Ｂ２を駆動して第一のエンドエフェクター要素２１０を第二のヨー軸２１２の周りで回転させる。

制御システムは、以下のようにステップ６０２および６０３を実施し得る。

エンドエフェクターで要求されるヨートルクτ_ｙｄは、以下のように定義され得る。

エンドエフェクターτ_ｓｄで要求される拡散トルクは、以下のように定義され得る。

キャップ付きトルク値は以下のように定義される。

印加されたヨートルクτ_у値と拡散トルクτ_ｓ値とは、以下のように定義される。

式７および８は、異なる方法でキャップされる。拡散トルクτ_ｓが優先される。拡散トルクは、利用可能な最大トルクτ_ｍахからヨートルクをτ_у引いたもの全てを取る。ヨートルクは、値βに応じてキャップされる。βは、制御システムによって設定されるバランス値である。０＜β＜１。β＝０の場合、エンドエフェクター要素の開閉が優先される。全ての利用可能なトルクは、エンドエフェクターの開閉止運動を提供するために使用される。β＝１の場合、エンドエフェクターのヨー運動が優先される。利用可能なトルクは、エンドエフェクター要素のヨー運動を提供するために使用される。

τ_ｍａｘは、制御システムによって設定される最大トルク値である。最大トルク値は、器具タイプに依存し得る。最大トルク値は、トルクを提供するモーターの能力に依存し得る。

第一のエンドエフェクター要素に対して印加されるヨードライバートルクτ_１ａは、次式によって与えられる。

第二のエンドエフェクター要素に対して印加されるヨードライバートルクτ_２аは、次式によって与えられる。

エンドエフェクターの要求される拡散トルクおよび要求されるヨートルクが、式７および８に示される閾値の間である場合、ステップ６０２および６０３の質問に対する答えはＮＯである。この場合、印加されたヨードライバートルクτ_１ａは、要求されるドライバートルクτ_１と同一であり、印加されたヨードライバートルクτ_２ａは、要求されるドライバートルクτ_２と同一である。この場合、制御システムはステップ６０４および６０６に移動し、要求されるドライバートルクτ_１、およびτ_２は、印加されたドライバートルクτ_１ａ、およびτ_２ａとして印加される。

エンドエフェクターの要求される拡散トルクおよび要求されるヨートルクが、式７および８で定義される最大値より大きいか、または式７および８で定義される最小値より小さい場合、ステップ６０２および６０３の質問に対する答えは、ＹＥＳである。この場合、印加されたヨードライバートルクτ_１ａは、最大（または最小）ヨードライバートルクにキャップされ、印加されたドライバートルクτ_２ａは、上記の式によって決定される最大（または最小）ヨードライバートルクにキャップされる。この場合、制御システムは、最大（または最小）ドライバートルクが、印加されたドライバートルクτ_１ａ、およびτ_２ａとして印加されるステップ６０５および６０７に移動する。

図６では、ステップ６０４、６０５、６０６、および６０７は全て破線ステップ６０８内に囲まれている。これは、図６の制御方法の所与の反復で実施されるステップ６０４、６０５、６０６および６０７のそれらのものが、協働して実施されることを示す。例えば、ステップ６０２および６０３の両方に対する答えがＹＥＳである場合、ステップ６０５および６０７は協働して実施される。ステップ６０２および６０３の両方に対する答えがＮＯである場合、ステップ６０４および６０６は協働して実施される。ステップ６０２に対する答えがＮＯであり、ステップ６０３に対する答えがＹＥＳである場合、ステップ６０４および６０７は協働して実施される。ステップ６０２に対する答えがＹＥＳであり、ステップ６０３に対する答えがＮＯである場合、ステップ６０５および６０６は協働して実施される。

ステップ６０８に続き、制御システムはステップ６０９に移動する。ステップ６０９で、制御システムは、外科医入力デバイスのヨー運動が検出されるかどうかを判定する。これは、図４に関して記載したのと同じ方法で行われてもよい。

外科医入力デバイスのヨー運動が検出されない場合、方法は、ステップ６０１に戻り、制御システムは、外科医入力デバイスの閉止運動が検出されるかどうかを判定する。しかしながら、外科医入力デバイスのヨー運動がステップ６０９で検出されると、制御システムはステップ６１０に移動し、ここで、図４を参照して記載したように、共方向力が外科医入力デバイスのヨー運動に従って、エンドエフェクター要素を同じ方向に回転させるように、エンドエフェクター要素の駆動要素に印加されるように命令する。

次に、制御システムは、制御ループのさらなる反復のためにステップ６０１に戻る。

従って、図６の制御ループは、エンドエフェクターの閉運動およびヨー運動の相互依存性をより良好に媒介するために利用され得る。閉止運動中に駆動要素に印加されるトルクは、エンドエフェクター要素もヨーイングできるように、キャップされる。

さらなる実施例では、図６のステップ６０２から６０８を参照して記載する方法は、図４の方法と組み合わせて使用され得る。例えば、図６のステップ６０２および６０８は、図４のステップ４０２での最大力を決定するために使用され得る。この場合、エンドエフェクター要素を閉じるために駆動要素に印加する最大力を決定する際に、トルクは、図６に関して上述したように、エンドエフェクター要素を揺らすために確保される。図４のステップ４０３を参照して記載した力減少値ＦＲＶは、この例では、式６のバランス値ｐと同じであり得る。

さらなる実施例では、図６のステップ６０２から６０８を参照して記載する方法は、図５の方法と組み合わせて使用され得る。例えば、図６のステップ６０２および６０８は、図５のステップ５０２での最大力を決定するために使用され得る。この場合、エンドエフェクター要素を閉じるために駆動要素に印加する最大力を決定する際に、トルクは、図６に関して上述したように、エンドエフェクター要素を揺らすために確保される。その確保されたトルクが、その後要求されるステップ５０３のヨー運動に対して不十分である場合にのみ、制御システムは、ステップ５０４を参照して記載されるように、駆動要素に印加される力を減少させる。図５のステップ５０４を参照して記載した力減少値ＦＲＶは、この例では、式６のバランス値βと同じであり得る。

エンドエフェクターは、任意の好適な形態をとり得る。例えば、エンドエフェクターは、一対の湾曲ハサミ、一対の単極性ハサミなどの電気手術器具、針ホルダ、一対の顎、または有窓把持器であり得る。

本明細書に記載のロボットは、外科手術以外の目的のために使用され得る。例えば、ポートは、自動車エンジンなどの製造品内の検査ポートであってもよく、ロボットは、エンジン内部を見るための視認ツールを制御し得る。

本明細書によって、本出願人は、本明細書に説明される各個々の特徴および二つ以上のかかる特徴の任意の組み合わせを、かかる特徴または組み合わせが、当業者に共通する一般知識に照らして、全体として本明細書に基づいて行うことができるような程度まで、かかる特徴または特徴の組み合わせが、本明細書に開示する任意の問題を解決するかにかかわらず、かつ特許請求の範囲を限定することなく、分離して開示する。本出願人は、本発明の態様が、任意のかかる個々の特徴または特徴の組み合わせからなり得ることを示す。前述の説明を考慮すると、本発明の範囲内でさまざまな修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
［態様１］
遠隔外科医入力デバイスの操作に応答して手術器具の操作を制御するための制御システムであって、前記手術器具が、多関節カップリングによってシャフトに接続される、対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素を含み、前記多関節カップリングが、前記第一のエンドエフェクター要素が回転できるように、第一の対の駆動要素によって駆動可能な第一のジョイントと、前記第二のエンドエフェクター要素が回転できるように、第二の対の駆動要素によって駆動可能な第二のジョイントとを含み、
前記第一のエンドエフェクター要素に対して要求される第一のヨートルクを第一の最大ヨートルクと比較すること、および前記第二のエンドエフェクター要素に対して要求される第二のヨートルクを第二の最大ヨートルクと比較すること、および
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最大ヨートルクよりも小さく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最大ヨートルクよりも小さい場合のみ、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記要求される第一のヨートルクが前記第一のエンドエフェクター要素に印加され、前記要求される第二のヨートルクが前記第二のエンドエフェクター要素に印加されるように命令すること、によって前記外科医入力デバイスの閉止運動に応答し、
前記外科医入力デバイスのヨー運動を検出する際に、共方向力が前記第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令し、故に前記第一および第二のエンドエフェクター要素の両方を同じ回転方向に回転させるように構成される、制御システム。
［態様２］
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最大ヨートルクよりも大きく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最大ヨートルクよりも大きい場合、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記第一の最大ヨートルクを前記第一のエンドエフェクター要素に印加し、前記第二の最大ヨートルクを前記第二のエンドエフェクター要素に印加するよう命令するように構成される、態様１に記載の制御システム。
［態様３］
前記第一のエンドエフェクター要素に対する前記要求される第一のヨートルクを第一の最小ヨートルクと比較すること、前記第二のエンドエフェクター要素に対する要求される第二のヨートルクを第二の最小ヨートルクと比較すること、および
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最小ヨートルクよりも大きく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最小ヨートルクよりも大きい場合のみ、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記要求される第一のヨートルクが前記第一のエンドエフェクター要素に印加され、前記要求される第二のヨートルクが前記第二のエンドエフェクター要素に印加されるように命令すること、によって前記外科医入力デバイスの閉止運動にさらに応答するように構成される、態様１または２に記載の制御システム。
［態様４］
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最小ヨートルクよりも小さく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最小ヨートルクよりも小さい場合、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記第一の最小ヨートルクを前記第一のエンドエフェクター要素に印加し、前記第二の最小ヨートルクを前記第二のエンドエフェクター要素に印加するよう命令するように構成される、態様３に記載の制御システム。
［態様５］
遠隔外科医入力デバイスの操作に応答して手術器具の操作を制御するための制御システムであって、前記手術器具が、多関節カップリングによってシャフトに接続される、対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素を含み、前記多関節カップリングが、前記第一のエンドエフェクター要素が回転できるように、第一の対の駆動要素によって駆動可能な第一のジョイントと、前記第二のエンドエフェクター要素が回転できるように、第二の対の駆動要素によって駆動可能な第二のジョイントとを含み、
前記第一および第二のエンドエフェクター要素を最大閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、最大力が前記第一のおよび第二の対の駆動要素に印加されるよう命令すること、および
前記外科医入力デバイスのヨー運動を検出すると、前記第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加される前記力の減少を命令し、それによって、前記第一および第二のエンドエフェクター要素の両方を同じ回転方向に回転させることを可能にすること、によって前記外科医入力デバイスの把持構成に応答するように構成される、制御システム。
［態様６］
前記外科医入力デバイスの前記ヨー運動を検出すると、制御システムは、前記最大力が前記第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加されるよう命令し続けるように構成される、態様５に記載の制御システム。
［態様７］
前記外科医入力デバイスが本体およびトリガーを含み、前記外科医入力デバイスが、前記トリガーが、特定の範囲内の前記本体に対してある位置を有するときに、把持構成にある、態様５または６に記載の制御システム。
［態様８］
前記外科医入力デバイスの前記把持構成が、回転位置の特定の範囲内にある前記本体に対する前記トリガーの回転位置を含む、態様７に記載の制御システム。
［態様９］
前記外科医入力デバイスの前記把持構成が、線形位置の特定の範囲内にある前記本体に対する前記トリガーの線形位置を含む、態様７に記載の制御システム。
［態様１０］
前記ヨー運動が、前記外科医入力デバイスの前記本体の回転を含む、態様７、８、または９に記載の制御システム。
［態様１１］
前記外科医入力デバイスが、前記本体に対する前記トリガーの前記位置を検出するためのセンサーを含む、態様７～１０のいずれかに記載の制御システム。
［態様１２］
前記本体に対する前記トリガーの前記感知位置から誘導される前記トリガーの速度を受信し、力低減係数を出力するように構成される単極フィルターを含む、態様１１に記載の制御システム。
［態様１３］
第一の最大力を前記第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加すること、
第二の最大力を前記第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加すること、によって最大力が前記第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令するように構成され、
前記第一および第二の最大力の大きさが、同じである、態様５～１２のいずれかに記載の制御システム。
［態様１４］
第一の最大力を前記第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加すること、
第二の最大力を前記第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加すること、によって最大力が前記第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令するように構成され、
前記第一および第二の最大力の大きさが異なっている、態様５～１２のいずれかに記載の制御システム。
［態様１５］
前記第一および第二の最大力が張力である、態様５～１４のいずれかに記載の制御システム。
［態様１６］
前記第一および第二の対の駆動要素のそれぞれがケーブルを含む、態様１４または１５に記載の制御システム。
［態様１７］
器具タイプおよび／またはトリガー運動に依存する機能によって、前記第一および第二の対の駆動要素に印加される前記力の減少を命令するように構成される、態様５～１６のいずれかに記載の制御システム。
［態様１８］
前記最大閉力が、前記第一のエンドエフェクター要素と第二のエンドエフェクター要素との間の物体の把持を可能にする、態様５～１７のいずれかに記載の制御システム。
［態様１９］
前記対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素が、針ホルダである、態様５～１８のいずれかに記載の制御システム。
［態様２０］
前記対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素が、一対の顎である、態様５～１９のいずれかに記載の制御システム。
［態様２１］
遠隔外科医入力デバイスの操作に応答して手術器具の操作を制御するための制御システムであって、前記手術器具が、多関節カップリングによってシャフトに接続される、対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素を含み、前記多関節カップリングが、前記第一のエンドエフェクター要素が回転できるように、第一の対の駆動要素によって駆動可能な第一のジョイントと、前記第二のエンドエフェクター要素が回転できるように、第二の対の駆動要素によって駆動可能な第二のジョイントとを含み、
前記第一および第二のエンドエフェクター要素を最大閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、最大力が前記第一のおよび第二の対の駆動要素に印加されるよう命令すること、および
前記外科医入力デバイスの閉止運動が停止していることを検出すると、前記第一および第二の対の駆動要素に印加される前記力の減少を命令し、それによって、前記第一および第二のエンドエフェクター要素の両方を、前記外科医入力デバイスのヨー運動に応答して同じ回転方向に回転させることを可能にすること、によって前記外科医入力デバイスの前記閉止運動に応答するように構成される、制御システム。
［態様２２］
前記外科医入力デバイスが本体およびトリガーを含み、前記外科医入力デバイスの前記閉止運動が前記本体に対する前記トリガーの移動を含む、態様２１に記載の制御システム。
［態様２３］
前記外科医入力デバイスの前記閉止運動が、前記本体に向かって前記トリガーの回転を含む、態様２２に記載の制御システム。
［態様２４］
前記外科医入力デバイスの前記閉止運動が、前記本体に対する前記トリガーの線形並進運動を含む、態様２２に記載の制御システム。
［態様２５］
前記ヨー運動が、前記外科医入力デバイスの前記本体の回転を含む、態様２２、２３、または２４に記載の制御システム。
［態様２６］
前記外科医入力デバイスが、前記本体に対する前記トリガーの位置を検出するためのセンサーを含み、制御システムは、前記本体に対する前記トリガーの前記感知位置が一定である場合、前記外科医入力デバイスの前記閉止運動が停止したと検出するように構成される、態様２２～２５のいずれかに記載の制御システム。
［態様２７］
前記本体に対する前記トリガーの前記感知位置から誘導される前記トリガーの速度を受信し、力低減係数を出力するように構成される単極フィルターを含む、態様２６に記載の制御システム。
［態様２８］
第一の最大力を前記第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加すること、
第二の最大力を前記第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加すること、によって最大力が前記第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令するように構成され、
前記第一および第二の最大力の大きさが、同じである、態様２１～２７のいずれかに記載の制御システム。
［態様２９］
第一の最大力を前記第一の対の駆動要素の第一の駆動要素に印加すること、
第二の最大力を前記第二の対の駆動要素の第二の駆動要素に印加すること、によって最大力が前記第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令するように構成され、
前記第一および第二の最大力の大きさが異なっている、態様２１～２７のいずれかに記載の制御システム。
［態様３０］
前記第一および第二の最大力が張力である、態様２１～２９のいずれかに記載の制御システム。
［態様３１］
前記第一および第二の対の駆動要素のそれぞれがケーブルを含む、態様２９または３０に記載の制御システム。
［態様３２］
器具タイプおよび／またはトリガー運動に依存する機能によって、前記第一および第二の対の駆動要素に印加される前記力の減少を命令するように構成される、態様２１～３１のいずれかに記載の制御システム。
［態様３３］
前記最大閉力が、前記第一のエンドエフェクター要素と第二のエンドエフェクター要素との間の物体の切断を可能にする、態様２１～３２のいずれかに記載の制御システム。
［態様３４］
前記外科医入力デバイスの前記閉止運動が停止したと前記制御システムが検出すると、前記第一および第二のエンドエフェクター要素が互いに閉じた構成で当接する、態様２１～３３のいずれかに記載の制御システム。
［態様３５］
第一の力が前記第一の対の駆動要素の前記第一の駆動要素に印加され、および
第二の力が前記第二の対の駆動要素の前記第一の駆動要素に印加されるように命令することにより、前記外科医入力デバイスのヨー運動に応答するように構成され、
前記第一の力と第二の力の大きさが同一である、態様２８または２９、または態様２８または２９に従属する場合の態様３０～３４のいずれかに記載の制御システム。
［態様３６］
前記対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素が一対のハサミである、態様２１～３５のいずれかに記載の制御システム。
［態様３７］
前記一対のハサミが一対の湾曲ハサミである、態様３６に記載の制御システム。
［態様３８］
前記一対のハサミが一対の単極性ハサミである、態様３６に記載の制御システム。

Claims

遠隔外科医入力デバイスの操作に応答して手術器具の操作を制御するための制御システムであって、前記手術器具が、多関節カップリングによってシャフトに接続される、対向可能な第一および第二のエンドエフェクター要素を含み、前記多関節カップリングが、前記第一のエンドエフェクター要素が回転できるように、第一の対の駆動要素によって駆動可能な第一のジョイントと、前記第二のエンドエフェクター要素が回転できるように、第二の対の駆動要素によって駆動可能な第二のジョイントとを含み、
前記第一のエンドエフェクター要素に対して要求される第一のヨートルクを第一の最大ヨートルクと比較すること、および前記第二のエンドエフェクター要素に対して要求される第二のヨートルクを第二の最大ヨートルクと比較すること、および
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最大ヨートルクよりも小さく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最大ヨートルクよりも小さい場合のみ、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記要求される第一のヨートルクが前記第一のエンドエフェクター要素に印加され、前記要求される第二のヨートルクが前記第二のエンドエフェクター要素に印加されるように命令すること、によって前記外科医入力デバイスの閉止運動に応答し、
前記外科医入力デバイスのヨー運動を検出する際に、共方向力が前記第一および第二の対の駆動要素に印加されるよう命令し、故に前記第一および第二のエンドエフェクター要素の両方を同じ回転方向に回転させるように構成され、
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最大ヨートルクよりも大きく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最大ヨートルクよりも大きい場合、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記第一の最大ヨートルクを前記第一のエンドエフェクター要素に印加し、前記第二の最大ヨートルクを前記第二のエンドエフェクター要素に印加するよう命令するように構成される、制御システム。
前記第一のエンドエフェクター要素に対する前記要求される第一のヨートルクを第一の最小ヨートルクと比較すること、前記第二のエンドエフェクター要素に対する要求される第二のヨートルクを第二の最小ヨートルクと比較すること、および
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最小ヨートルクよりも大きく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最小ヨートルクよりも大きい場合のみ、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記要求される第一のヨートルクが前記第一のエンドエフェクター要素に印加され、前記要求される第二のヨートルクが前記第二のエンドエフェクター要素に印加されるように命令すること、によって前記外科医入力デバイスの閉止運動にさらに応答するように構成される、請求項１に記載の制御システム。
前記要求される第一のヨートルクが前記第一の最小ヨートルクよりも小さく、および前記要求される第二のヨートルクが前記第二の最小ヨートルクよりも小さい場合、前記第一および第二のエンドエフェクター要素を閉力で対向する回転方向に互いに向かって回転させるように、前記第一の最小ヨートルクを前記第一のエンドエフェクター要素に印加し、前記第二の最小ヨートルクを前記第二のエンドエフェクター要素に印加するよう命令するように構成される、請求項２に記載の制御システム。