JP7450711B2 - 外科手術器具の制御 - Google Patents

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知られている。図１は、典型的な外科手術ロボットシステムを示している。外科手術ロボット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、外科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によって関節式に連結される。外科手術器具は、ロボットアームの遠位端に取り付けられる。外科手術器具は、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、外科手術手技で係合するためのエンドエフェクタ１１０を備える。図１では、例示のエンドエフェクタは、一対の顎である。外科医は、遠隔外科医コンソール１１２を介して外科手術ロボット１００を制御する。外科医コンソールは、１つ以上の外科医入力装置１１４を備える。これらは、ハンドコントローラ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を備える。

制御システム１１８は、外科医コンソール１１２を外科手術ロボット１００に接続する。制御システムは、外科医入力装置（複数可）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。

エンドエフェクタの顎がケーブルによって個別に駆動されることが知られている。これらのケーブルは、顎の開放および閉鎖を駆動し、それにより、それらの間の物体を把持してリリースするために利用され得る。同じケーブルを使用して、顎のヨーイング動作を駆動して、それにより、顎の開放角度を一定に保ちながら、顎を同じ方向に回転させてもよい。同じケーブルを使用して、顎の開放／閉鎖およびヨーイング動作の両方を駆動するため、これらの動作は独立していない。この結果、開放／閉鎖動作の全範囲を、ヨーイング動作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。

したがって、エンドエフェクタの開放／閉鎖およびヨーイング動作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。

本発明の態様によれば、遠隔外科医入力装置の操作に応答して、外科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、外科手術器具が、関節式カップリングによってシャフトに接続された、対向可能な第１および第２のエンドエフェクタ要素を有する、エンドエフェクタを備え、制御システムが、外科医入力装置から、（ｉ）エンドエフェクタの配向を変更すること、および（ｉｉ）第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放することの両方のコマンドを受信することと、エンドエフェクタの配向を変更するコマンドに応答して、関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度θを決定することと、第１および第２のエンドエフェクタ要素を開放するコマンドに応答して、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φを決定することと、θを、関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の最大角度θ_ｍａｘと比較することと、θ＞θ_ｍａｘである場合、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度が、θ_ｍａｘとなり、および（ｉｉ）第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度が、φとなるように回転させることと、を行うように構成されている、制御システムが提供される。

制御システムは、θ≦θ_ｍａｘである場合、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度が、θとなり、および（ｉｉ）第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度が、φとなるように回転させるように構成され得る。

角度θは、関節式カップリングの長手方向軸と、エンドエフェクタ要素を二等分する軸との間にあり得る。

θ_ｍａｘは、φおよびα_ｍａｘの関数であり得、α_ｍａｘは、命令された回転方向におけるエンドエフェクタ要素の関節式カップリングの長手方向軸からの最大回転である。

任意選択で、θ_ｍａｘ＝α_ｍａｘ－φ／２である。

制御システムは、第１および第２のエンドエフェクタ要素を開放するコマンドに応答して、開放角度ψを決定することと、ψを、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の最大角度φ_ｍａｘと比較することと、ψ＞φ_ｍａｘである場合、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度がφ＝φ_ｍａｘとなるように回転させることと、によって、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φを決定するように構成され得る。

制御システムは、ψ≦φ_ｍａｘである場合、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度がφ＝ψとなるように回転させるように構成され得る。

エンドエフェクタの配向を変更する外科医入力装置からのコマンドは、そのワークスペース内の外科医入力装置の少なくとも一部分の回転を含み得る。

外科医入力装置は、本体およびトリガを備え得、外科医入力装置からの、第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放するコマンドは、本体に対するトリガの移動を含み得る。

外科医入力装置からの、第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放するコマンドは、本体から遠ざかるトリガの回転を含み得る。

回転の終了時のトリガと本体との間の角度は、φに比例し得る。

外科医入力装置からの、第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放するコマンドは、本体に対するトリガの線形並進運動を含み得る。

関節式カップリングは、駆動要素の第１の対によって駆動可能な第１のジョイントと、駆動要素の第２の対によって駆動可能な第２のジョイントと、を備え得る。制御システムは、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、第１のエンドエフェクタ要素を第１のジョイントの周りを回転させるために、駆動要素の第１の対に第１の力を加えるように命令することと、第２のエンドエフェクタ要素を第２のジョイントの周りを回転させるために、駆動要素の第２の対に第２の力を加えるように命令することと、によって、回転させるように構成され得る。

関節式カップリングは、駆動要素の第３の対によって駆動可能な第３のジョイントをさらに備え得る。制御システムは、エンドエフェクタの配向を変更するコマンドに応答して、シャフトの長手方向軸と関節式カップリングとの間の角度Ωを決定することと、エンドエフェクタを駆動して、第３のジョイントの周りをΩだけ回転させることと、を行うように構成され得る。

制御システムは、エンドエフェクタを駆動して、駆動要素の第３の対に第３の力を加えるように命令することによって、第３のジョイントの周りで回転させ、それにより、エンドエフェクタを第３のジョイントの周りで回転させるように構成され得る。

制御システムは、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度がθ_ｍａｘとなるように、回転させることに続いて、外科医入力装置からさらなるコマンドを受信して、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度を互いに対して増加させることと、さらなるコマンドに応答して、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φ’を決定すること、関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度θ_ｍａｘ’を決定することであって、θ_ｍａｘ’が、φ’の関数である、決定すること、ならびに第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度が、θ_ｍａｘ’となり、および（ｉｉ）第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度が、φ’となるように回転させることと、を行うように構成され得る。

任意選択で、θ_ｍａｘ’＝α_ｍａｘ－φ’／２であり、α_ｍａｘは、命令された回転方向におけるエンドエフェクタ要素の関節式カップリングの長手方向軸からの最大回転である。

駆動要素の第１および第２の対の各々は、ケーブルを含み得る。

第１の力、第２の力、および／または第３の力は、張力であり得る。

対向可能な第１および第２のエンドエフェクタ要素は、一対の顎、一対のはさみ、および針ドライバのうちの１つであり得る。

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。

外科手術手技を実施するための外科手術ロボットシステムを示している。 例示的な外科手術器具の遠位端を示している。 例示的な外科手術器具の遠位端を示している。 例示的な外科医入力装置を示している。 例示的な外科手術器具の遠位端を示している。 外科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外科手術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に示すタイプの外科手術ロボットシステムの一部を形成する。

外科手術器具は、ロボットアームによって支持されている。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備える。これらのジョイントは、回転ジョイントであってもよい。基部の遠位にあるロボットアームの端部は、１つ以上のジョイントの動きによって基部に対して関節式に連結され得る。外科手術器具は、ロボットアームの遠位端で駆動アセンブリに取り付けられる。この取付点は、患者の外部にある。

外科手術器具は、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。外科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たとき、ロボットアームの遠位端に対して剛性であってもよい。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。外科手術器具は、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、外科手術器具は、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てもよい。器具の近位端で、シャフトは器具インターフェースに接続される。器具インターフェースは、ロボットアームの遠位端で駆動アセンブリと係合する。具体的には、器具インターフェースの個々の器具インターフェース要素は、駆動アセンブリの個々の駆動アセンブリインターフェース要素と係合する。器具インターフェースは、駆動アセンブリ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。

外科手術器具の遠位端では、シャフトは、関節式カップリングによってエンドエフェクタに接続される。エンドエフェクタは、外科手術部位で外科手術手技に従事する。図２ａおよび図２ｂは、一対の顎をエンドエフェクタ２０１として有する例示的な器具の遠位端を示している。シャフト２０２は、関節式カップリング２０３によってエンドエフェクタ２０１に接続されている。関節式カップリング２０３は、数個のジョイントを備える。これらのジョイントは、エンドエフェクタの姿勢を、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。図２ａおよび図２ｂには示されていないが、エンドエフェクタはまた、ジョイント（複数可）を備えてもよい。図２ａおよび図２ｂの実施例では、関節式カップリング２０３は、ピッチジョイント２０４を備える。ピッチジョイント２０４は、ピッチ軸２０５を中心に回転し、ピッチ軸２０５はシャフト２０２の長手方向軸２０６に対して垂直である。ピッチジョイント２０４は、支持体２１３（以下に記載）、それゆえエンドエフェクタ２０１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２ａおよび図２ｂの実施例では、関節式カップリングはまた、第１のヨージョイント２０７および第２のヨージョイント２１１を備える。第１のヨージョイント２０７は、第１のヨー軸２０８を中心に回転する。第２のヨージョイント２１１は、第２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、平行であってもよい。ヨー軸２０８および２１２は、同一線上であってもよい。関節式カップリング２０３は、支持体２１３を備える。一方の端部で、支持体２１３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２１３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２０１に接続される。この支持体は、関節式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２ａでは省略されている。エンドエフェクタ２０１は、２つのエンドエフェクタ要素２０９、２１０を備える。示されるエンドエフェクタ要素は、対向する顎である。しかしながら、エンドエフェクタ要素は、任意のタイプの対向するエンドエフェクタ要素であってもよく、そのさらなる例については後で説明される。第１のヨージョイント２０７は、第１のエンドエフェクタ要素２０９と固定され、第１のエンドエフェクタ要素２０９が、支持体２１３およびピッチジョイント２０４に対して第１のヨー軸２０８を中心に回転することを可能にする。第２のヨージョイント２１１は、第２のエンドエフェクタ要素２１０と固定され、第２のエンドエフェクタ要素２１０が支持体２１３およびピッチジョイント２０４に対して第２のヨー軸２１２を中心に回転することを可能にする。

図２ａおよび図２ｂ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、器具インターフェースのそれぞれの器具インターフェース要素に固定される。したがって、ロボットアームは、次のように駆動力をエンドエフェクタに伝える。駆動アセンブリインターフェース要素の動きにより、器具インターフェース要素が動き、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の１つ以上のジョイントが動き、これにより、エンドエフェクタが動く。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備え得る。可撓性部分は、器具インターフェースおよび関節式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ってもよい。他の剛性部分（複数可）は、器具インターフェースまたは器具の関節式カップリング内にあってもよい。例えば、ラックおよびピニオンが、器具インターフェースまたは器具の関節式カップリング内にあってもよい。

図２ａおよび図２ｂは、第１のヨージョイント２０７の周りを移動するように制限されている、駆動要素の第１の対Ａ１、Ａ２を示している。駆動要素Ａ１、Ａ２は、第１のヨー軸２０８を中心に第１のエンドエフェクタ要素２０９を回転させる。図２ａおよび図２ｂは、第２のヨージョイント２１１の周りを移動するように制限されている、駆動要素の第２の対Ｂ１、Ｂ２を示している。駆動要素Ｂ１、Ｂ２は、第２のヨー軸２１２を中心に第２のエンドエフェクタ要素２１０を回転させる。図２ａおよび図２ｂ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ている、駆動要素の第３の対Ｃ１、Ｃ２を示している。駆動要素Ｃ１、Ｃ２は、ピッチ軸２０５を中心にエンドエフェクタ２０１を回転させる。駆動要素Ｃ１および／またはＣ２に張力をかけることによって、エンドエフェクタ２０１をピッチ軸２０５を中心に回転させることができる。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、エンドエフェクタ要素を一緒に閉じ、これは、（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要素間の物体を把持する、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、エンドエフェクタ要素が開放し、これは、（ｉ）エンドエフェクタ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シザーエンドエフェクタ要素を再度開放するのに有用である。両方のエンドエフェクタ要素は、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１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要素を定位置に維持することができる。したがって、エンドエフェクタの把持動作およびヨーイング動作の両方は、駆動要素の同じ対である、第１のエンドエフェクタ要素２０９のためのＡ１、Ａ２、および第２のエンドエフェクタ要素２１０のためのＢ１、Ｂ２を操作することによって可能となる。

対向可能なエンドエフェクタ要素を有する任意のタイプの器具は、以下の説明に関連する。第１の例示的なタイプは、エンドエフェクタ要素が係合して、組織を切断するか、またはエンドエフェクタ要素間の別の物体を切断するための切断器具である。第２の例示的なタイプは、エンドエフェクタ要素が係合して、組織を掴むか、またはエンドエフェクタ要素間の別の物体を掴むための把持器具である。

外科医コンソールは、１つ以上の外科医入力装置を備える。各外科医入力装置により、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。外科医入力装置は、例えば、ハンドコントローラ、ペダルなどのフットコントローラ、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式入力、音声制御入力装置、視線制御入力装置、またはジェスチャ制御入力装置であってもよい。外科医入力装置は、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３００を示している。ハンドコントローラは、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は、左手によって保持され得る。ハンドコントローラは、手で掴むのに好適な本体３０１を備える。ハンドコントローラは、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などの静電容量センサ入力などの追加の入力を備えてもよい。図３のハンドコントローラは、トリガ３０２を備える。トリガ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では、トリガ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、トリガは、本体３０１に対して直線的に並進移動してもよい。ハンドコントローラは、２つのトリガを備えてもよく、各トリガは、エンドエフェクタ要素２０９、２１０の単一の異なる１つを個別に制御するためのものである。

外科医は、ハンドコントローラの本体３０１に対してトリガ３０２を回転させて、器具のエンドエフェクタ要素２０９、２１０に、把持／閉鎖動作で閉じるか、または解除／開放動作で開放するように命令し得る。例えば、外科医は、ハンドコントローラの本体３０１に向かってトリガ３０２を回転させて、把持／閉鎖動作を命令し得る。外科医は、ハンドコントローラの本体３０１から遠ざかるようにトリガ３０２を回転させて、解除／開放動作を命令し得る。外科医は、ハンドコントローラワークスペース内でハンドコントローラの本体を回転させて、エンドエフェクタ要素の配向の変化を命令し得る。

制御システムは、外科医コンソールを外科手術ロボットに接続する。制御システムは、プロセッサおよびメモリを備える。メモリは、プロセッサ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、外科医入力装置から入力を受信し、これらをロボットアームのジョイント、および／または関節式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、外科手術器具の操作は、外科医入力装置の操作に応答して制御システムによって制御される。

制御システムが対向可能なエンドエフェクタ要素を有する器具を制御しているときに、ハンドコントローラの開放動作を検出すると、制御システムは、力をエンドエフェクタ要素の駆動要素に加えるように命令して、エンドエフェクタ要素を対向する回転方向で互いから離れるように回転させることによって応答する。図２ａおよび図２ｂを参照すると、制御システムは、力をＡ１に加えるように、および力をＢ２に加えるように命令することによって開放動作を検出することに応答し、それによって、エンドエフェクタ要素が離れるように広がる。

ハンドコントローラワークスペース内のハンドコントローラの第２の動作の検出時に、制御システムは、（ｉ）外科手術ロボットアームのジョイント、（ｉｉ）外科手術器具の関節式カップリング２０３のジョイント、および（ｉｉｉ）エンドエフェクタのジョイントのうちのいずれか１つ、またはそれらの組み合わせの関節を命令することによって応答し得る。この命令された関節は、第２の動作によって指示されたように、エンドエフェクタの姿勢を変化させる。例えば、第２の動作は、ハンドコントローラの本体３０１の回転であり得る。別の実施例として、第２の動作は、ハンドコントローラ上のさらなる入力、例えば、さらなるトリガの例示の移動の操作であり得る。その移動は、ハンドコントローラの本体に対するさらなるトリガの回転であり得る。代替的に、または追加的に、さらなるトリガは、本体３０１に対して直線的に並進移動し得る。

したがって、制御システムは、少なくとも部分的に、エンドエフェクタ要素の駆動要素に加えられる命令する力が、エンドエフェクタ要素を回転させることによって、ハンドコントローラの本体の第２の動作（回転など）の検出に応答し得る。例えば、図２ａおよび図２ｂを参照すると、制御システムは、力をＡ２およびＢ２に加えるように命令して、エンドエフェクタ要素２０９および２１０を時計回り方向にヨーイングすることができる。制御システムは、力をＡ１およびＢ１に加えるように命令して、エンドエフェクタ要素２０９および２１０を反時計回り方向にヨーイングすることができる。制御システムは、Ａ１およびＢ１（またはＡ２およびＢ２）の両方に加えられる同じ力を命令し得る。エンドエフェクタ要素が合致し、それらのエンドエフェクタ要素の駆動要素が合致する場合、エンドエフェクタ要素が完全に閉じておらず、互いに対して力を及ぼす構成では、Ａ１およびＢ１（またはＡ２およびＢ２）の両方に同じ力を加えると、両方のエンドエフェクタ要素が同時にヨーイングする。制御システムはまた、力がＣ１およびＣ２のうちの１つに加えられるように命令して、ピッチジョイント２０４の回転を引き起こすことによって、ハンドコントローラの本体の第２の動作（回転など）の検出に応答し得る。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１つ以上の周りに加えられるように命令することによって、ハンドコントローラの本体の第２の動作（回転など）の検出に応答し得る。

同じ駆動要素Ａ１、Ａ２およびＢ１、Ｂ２は、互いに対してエンドエフェクタ要素を開放／閉鎖すること、およびエンドエフェクタをヨーイングすることの両方のために、エンドエフェクタ要素の回転を駆動するために利用される。したがって、開放／閉鎖およびヨーイング動作は、独立しては駆動されない。

図４を参照すると、各エンドエフェクタ要素２０９、２１０は、関節式カップリング２０３の長手方向軸４０１に対して、その接続されたジョイント２０７、２１１の軸を中心に回転することができる。関節式カップリング２０３の長手方向軸４０１から最も遠いエンドエフェクタ要素の長手方向軸４０２は、角度αによって関節式カップリング２０３の長手方向軸４０１から分離されているように、図４に示される。関節式カップリング２０３の長手方向軸４０１から最も近いエンドエフェクタ要素の長手方向軸４０３は、角度βによって関節式カップリング２０３の長手方向軸４０１から分離されているように、図４に示される。エンドエフェクタ要素は、φの広がりだけ分離されている。言い換えれば、エンドエフェクタ要素の長手方向軸４０２と４０３との間の角度は、φである。

各エンドエフェクタ要素は、接続されているジョイントの軸を中心に回転することができる程度の距離に制限される。最も遠いエンドエフェクタの長手方向軸４０２と関節式カップリング２０３の長手方向軸４０１との間の最大回転角は、α_ｍａｘである。例えば、α_ｍａｘは、６０°～９０°の範囲内であり得る。α_ｍａｘは、６５°～８０°の範囲内であり得る。α_ｍａｘは、７０°であり得る。α_ｍａｘは、器具に依存し得る。エンドエフェクタ要素は、図４に示すように、拡散角度φまで開放され、次に、時計回りにヨーリングされ得る。エンドエフェクタ要素のヨーイングとして、開放角度φが最初に維持される。しかしながら、最も遠いエンドエフェクタ要素２１０が、α_ｍａｘの角度でその回転限界に到達すると、回転は停止する。外科医入力装置が、ヨーイング動作を命令し続け、制御システムがそれに応じて器具を駆動し続ける場合、エンドエフェクタ要素２１０は、静止するが、その他のエンドエフェクタ要素２０９は、ヨーイングを継続し、すなわち時計回りに回転し続ける。したがって、開放角度φが減少し始め、それゆえ、外科医入力装置が依然としてエンドエフェクタ要素を開放したままにするように命令しているにもかかわらず、エンドエフェクタ要素は閉じ始める。

図４では、エンドエフェクタは、関節式カップリングの長手方向軸４０１に対して時計回り方向にヨーイングされたものとして示されている。したがって、エンドエフェクタ要素２１０は、関節式カップリングの長手方向軸４０１から最も遠い。軸４０２と軸４０１との間の最大回転角度は、α_ｍａｘである。エンドエフェクタが関節式カップリングの長手方向軸４０１に対して反時計回り方向にヨーイングするときに、エンドエフェクタ要素２０９は、関節式カップリングの長手方向軸４０１から最も遠い。このシナリオでは、軸４０１と軸４０３との間の最大回転角度は、α_ｍａｘである。最大回転角度α_ｍａｘは、一方のエンドエフェクタ要素の時計回りの回転および他方のエンドエフェクタ要素の反時計回りの回転の両方に対して同じであり得る。これは対称的な器具の場合であり得る。他の器具については、最大回転角度α_ｍａｘは、一方のエンドエフェクタ要素の時計回りの回転および他方のエンドエフェクタ要素の反時計回りの回転に対して異なり得る。例えば、これは非対称的な器具の場合であり得る。一部の非対称的な器具については、エンドエフェクタ要素は、関節式カップリングの長手方向軸４０１の一方の側面のみに制限された動作範囲を有し得る。このシナリオでは、同じエンドエフェクタ要素は、常に、関節式カップリングの長手方向軸４０１から最も遠い。

エンドエフェクタ要素はまた、それらが互いに離れて回転することができる程度の距離に制限され得る。例えば、開放角度は、φ_ｍａｘに制限され得る。φ_ｍａｘは、器具に依存し得る。例えば、φ_ｍａｘは、４０°～９０°の範囲であり得る。φ_ｍａｘは、４５°～７５°の範囲であり得る。

図５は、エンドエフェクタ要素の開放角度の保持を優先するように、エンドエフェクタのヨーイング動作を制限するための、制御システムによって実装される方法を示している。

図５のステップ５０１で、制御システムは、外科医入力装置から、（ｉ）エンドエフェクタの配向を変更すること、および（ｉｉ）エンドエフェクタ要素を互いに対して開放することの両方のコマンドを受信する。

上述のように、エンドエフェクタの配向を変更する外科医入力装置からのコマンドは、そのワークスペース内の外科医入力装置の回転であり得る。外科医入力装置は、随意にジンバルアセンブリを含む、関節式リンケージによって、外科医コンソールに接続され得る。位置センサは、関節式リンケージの各移動可能なジョイントに含まれ得る。制御システムは、関節式リンケージの各ジョイントの感知された位置を受信する。関節式リンケージ内のリンクおよびジョイントの既知の順序、質量および長さ、ならびに受信した感知された位置から、制御システムは、外科医入力装置の配向の変更を決定する。外科医入力装置の配向の変更から、制御システムは、エンドエフェクタの配向の命令された変更を決定する。

外科医入力装置からの、エンドエフェクタ要素を互いに対して開放するコマンドは、外科医入力装置の本体から遠ざかるトリガの回転であり得る。別の方法として、外科医入力装置からの、エンドエフェクタ要素を互いに対して開放するコマンドは、本体に対するトリガの線形並進運動であり得る。例えば、図３のハンドコントローラ３００は、ハンドコントローラの本体３０１に対するトリガ３０２の回転（または線形）位置を感知する、位置センサを含み得る。制御システムは、位置センサからトリガの感知された回転（または線形）位置を受信する。

ステップ５０２で、エンドエフェクタの配向を変更するコマンドに応答して、制御システムは、関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度θを決定する。図４は、関節式カップリングの長手方向軸４０１と、エンドエフェクタ要素を二等分する軸４０４との間にあるものとして、θを示している。図４では、二等分軸４０４は、（ｉ）軸４０２、４０３、および４０４がすべて一点で交差し、かつ（ｉｉ）軸４０２と４０４との間の角度が軸４０３と４０４との間の角度と等しくなるようなものである。軸４０２、４０３、および４０４は、それらがヨー軸２０７および２１２と交わる場所で交差している。

角度θは、外科医入力装置によって命令される配向の変更に影響を与えるように決定される。角度θは、外科医入力装置がそのワークスペース内で回転した角度に比例し得る。配向の変更が、さらなるトリガなどの外科医入力装置の一部の動作によって命令される場合、角度θは、外科医入力装置のその部分が回転した角度、または外科医入力装置のその部分が直線的に並進運動した距離に比例し得る。

ステップ５０３で、制御システムは、θを、θ_ｍａｘと比較する。θ_ｍａｘは、θの最大値である。言い換えれば、θ_ｍａｘは、関節式カップリングの長手方向軸４０１とエンドエフェクタとの間の最大角度である。θ_ｍａｘは、エンドエフェクタ要素の開放角度φの関数である。あるいは、または追加的に、θ_ｍａｘは、最も遠いエンドエフェクタ要素の最大回転角度α_ｍａｘの関数であり得る。例えば、
θ_ｍａｘ＝α_ｍａｘ－φ／２ （式１）

制御システムは、θ＞θ_ｍａｘであるかどうかを決定する。θ≦θ_ｍａｘである場合、エンドエフェクタ要素を制御して、関節式カップリングの長手方向軸４０１とエンドエフェクタとの間の角度がθとなるように回転させることは、エンドエフェクタ要素の開放角度が閉じ始める原因にはならない。したがって、θ≦θ_ｍａｘである場合、ステップ５０４で、制御システムは、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、関節式カップリングの長手方向軸４０１とエンドエフェクタとの間の角度がθとなるように回転させる。例えば、関節式カップリングの長手方向軸４０１と二等分軸４０４との間の角度は、θである。

ステップ５０３で、制御システムがθ＞θ_ｍａｘであると決定する場合、エンドエフェクタ要素を制御して、関節式カップリングの長手方向軸４０１とエンドエフェクタとの間の角度がθとなるように回転させることは、エンドエフェクタ要素の開放角度が閉じ始める原因になる。したがって、代わりに、ステップ５０５で、制御システムは、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、関節式カップリングの長手方向軸４０１とエンドエフェクタとの間の角度がθ_ｍａｘとなるように回転させる。例えば、関節式カップリングの長手方向軸４０１と二等分軸４０４との間の角度は、θ_ｍａｘである。

一方で、制御システムは、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φを駆動することを決定する。ステップ５０６で、エンドエフェクタ要素を開放するコマンドに応答して、制御システムは、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度ψを決定する。具体的には、ψは、第１のエンドエフェクタ要素４０２の長手方向軸と第２のエンドエフェクタ要素４０３の長手方向軸との間の角度である。角度ψは、外科医入力装置によって命令されるエンドエフェクタ要素間の開放角度に影響を与えるように決定される。ステップ５０１の命令を実施するためにトリガが移動された時点で、角度ψは、外科医入力装置の本体に対するトリガの回転位置に比例し得る。

ステップ５０７で、制御システムは、ψを、φ_ｍａｘと比較する。制御システムは、ψ＞φ_ｍａｘであるかどうかを決定する。ψ≦φ_ｍａｘである場合、ステップ５０８で、制御システムは、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、エンドエフェクタ要素の長手方向軸４０２と４０３との間の角度がφ＝ψとなるように回転させる。

ステップ５０７で、制御システムがψ＞φ_ｍａｘであると決定した場合、ステップ５０９で、制御システムは、第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、エンドエフェクタ要素の長手方向軸４０２と４０３との間の角度がφ＝φ_ｍａｘとなるように回転させる。

図５では、ステップ５０４、５０５、５０８、および５０９は、すべて破線ステップ５１０内に包含される。これは、図５の制御方法の所与の反復で実装されるステップ５０４、５０５、５０８、および５０９のうちのそれらの１つが、協働して実施されることを示している。例えば、ステップ５０３および５０７の両方に対する答えがＮＯである場合、ステップ５０４および５０８は、協調して実施される。ステップ５０３および５０７の両方に対する答えがＹＥＳである場合、ステップ５０５および５０９は、協働して実施される。ステップ５０３に対する答えがＮＯであり、かつステップ５０７に対する答えがＹＥＳである場合、ステップ５０４および５０９は、協働して実施される。ステップ５０３に対する答えがＹＥＳであり、かつステップ５０７に対する答えがＮＯである場合、ステップ５０５および５０８は、協働して実施される。

協調して実施されるとは、制御システムが、駆動要素Ａ１、Ａ２の第１の対に加えられる力、および駆動要素Ｂ１、Ｂ２の第２の対に加えられる力を決定し、それにより、（ｉ）エンドエフェクタをθまたはθ_ｍａｘに駆動させること、および（ｉｉ）開放角度をφ（すなわち、ψまたはφ_ｍａｘ）に駆動させることの両方を引き起こすことを意味する。

エンドエフェクタの配向を変更するコマンドに応答して、制御システムはまた、シャフト２０２の長手方向軸２０６と関節式カップリング２０３の長手方向軸４０１との間の角度Ωを決定し得る。角度θおよびΩは、外科医入力装置によって命令される配向の変更に一緒に影響を与えるように決定される。例えば、組み合わされた角度θ＋Ωは、外科医入力装置がそのワークスペース内で回転した角度に比例し得る。このシナリオでは、ステップ５１０で、制御システムは、支持本体２１３、およびそれゆえエンドエフェクタ２０１を角度Ωだけピッチ軸２０５の周りを回転させるように、駆動要素Ｃ１、Ｃ２の第３の対を駆動する。

エンドエフェクタ要素および／または支持本体が、ステップ５１０を参照して記載される角度に駆動された後、制御ループは、繰り返すことができる。言い換えれば、さらなるコマンドは、ステップ５０１でエンドエフェクタの配向を変更し、エンドエフェクタ要素を開放するために、制御システムによって受信され得る。この場合、上述の方法は繰り返される。別の方法として、さらなるコマンドは、ステップ５１１でエンドエフェクタ要素間の開放角度を増加させるために、制御システムによって受信され得る。例えば、外科医入力装置のトリガは、外科医入力装置の本体からさらに遠ざかるように回転し得る。エンドエフェクタの配向を変更するための、外科医入力装置からのコマンドは受信されない。ステップ５１０で、エンドエフェクタが、θ_ｍａｘに駆動されている場合、最も遠いエンドエフェクタ要素２１０は、φの現在の開放角度で維持することができる、最大回転角度α_ｍａｘに既にある。

ステップ５１１でのさらなるコマンドに応答して、ステップ５１２で、制御システムは、φ’を決定する。φ’は、第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度である。φ’は、ステップ５１１で外科医入力装置によって命令されるエンドエフェクタ要素間の開放角度に影響を与えるように決定される。ステップ５１１の命令を実施するためにトリガが移動された時点で、角度φ’は、外科医入力装置の本体に対するトリガの回転位置に比例し得る。

次に、ステップ５１３で、制御システムは、θ_ｍａｘ’を決定する。θ_ｍａｘ’は、開放角度φ’を維持することができる、関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の最大角度である。θ_ｍａｘ’は、エンドエフェクタ要素φ’の開放角度の関数であり得る。あるいは、または追加的に、θ_ｍａｘ’は、最も遠いエンドエフェクタ要素の最大回転角度α_ｍａｘの関数であり得る。例えば、
θ_ｍａｘ’＝α_ｍａｘ－φ’／２ （式２）

次に、ステップ５１４で、制御システムは、エンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）関節式カップリングの長手方向軸とエンドエフェクタとの間の角度が、θ_ｍａｘ’となり、および（ｉｉ）第１のエンドエフェクタ要素と第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度が、φ’となるように回転させる。したがって、実際には、最も遠いエンドエフェクタ要素２１０は、その回転位置をα_ｍａｘに維持し、最も近いエンドエフェクタ要素２０９は、関節式カップリング４０１の長手方向軸に向かって回転するように駆動され、それによって、所望の開放角度φ’が達成される。

数値的な例として、α_ｍａｘ＝７０°の場合を考慮する。ステップ５０８で、エンドエフェクタ要素の開放角度は、φ＝５０°に駆動される。したがって、式１を使用して、θ_ｍａｘ＝４５°である。ステップ５１０で、エンドエフェクタは、θ_ｍａｘ’＝４５°に駆動される。したがって、個々のエンドエフェクタ要素は、関節式カップリングの長手方向軸４０１に対して、２０°～７０°にある。ステップ５１１で、制御システムは、エンドエフェクタ要素をφ’＝６０°の開放角度で開放するために、外科医入力装置からコマンドを受信する。α_ｍａｘ＝７０°であるため、式２を使用して、θ_ｍａｘ’＝４０°である。したがって、個々のエンドエフェクタ要素は、関節式カップリングの長手方向軸４０１に対して、１０°～７０°にある。

したがって、図５の制御方法は、外科医入力装置がエンドエフェクタのヨーイング動作の増加を命令することにつれて、エンドエフェクタ要素の開放角度φが減少することを防止する。エンドエフェクタ要素の開放角度φを維持することは、各個々のエンドエフェクタ要素が回転し得る、関節式カップリングの長手方向軸４０１からの角度を最大にすることよりも優先される。

図５の制御方法に例証されるステップは、本明細書で対処する問題に関連するステップである。制御システムは、図５の制御方法の間に、多くの他のステップを実施する。これらの他のステップは、図５には示されていない。

エンドエフェクタは、任意の好適な形態をとり得る。例えば、エンドエフェクタは、一対の弯剪刀、一対のモノポーラ剪刀などの電気外科手術器具、針ホルダ、一対の顎、または有窓把持具であってもよい。

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２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している。前述の説明を考慮すると、本発明の範囲内で様々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］
遠隔外科医入力装置の操作に応答して、外科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、前記外科手術器具が、関節式カップリングによってシャフトに接続された、対向可能な第１および第２のエンドエフェクタ要素を有する、エンドエフェクタを備え、前記制御システムが、
前記外科医入力装置から、（ｉ）前記エンドエフェクタの配向を変更すること、および（ｉｉ）前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放することの両方のコマンドを受信することと、
前記エンドエフェクタの前記配向を変更する前記コマンドに応答して、前記関節式カップリングの長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度θを決定することと、
前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を開放する前記コマンドに応答して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φを決定することと、
θを、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の最大角度θ _ｍａｘ と比較することと、
θ＞θ _ｍａｘ である場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度が、θ _ｍａｘ となり、および（ｉｉ）前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度が、φとなるように回転させることと、を行うように構成されている、制御システム。
［態様２］
θ≦θ _ｍａｘ である場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度が、θとなり、および（ｉｉ）前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度が、φとなるように回転させるように構成されている、態様１に記載の制御システム。
［態様３］
前記角度θが、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と、前記エンドエフェクタ要素を二等分する軸との間にある、態様１または２に記載の制御システム。
［態様４］
θ _ｍａｘ が、φおよびα _ｍａｘ の関数であり、α _ｍａｘ が、前記命令された回転方向における前記エンドエフェクタ要素の前記関節式カップリングの前記長手方向軸からの最大回転である、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。
［態様５］
θ _ｍａｘ ＝α _ｍａｘ －φ／２である、態様４に記載の制御システム。
［態様６］
前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を開放する前記コマンドに応答して、開放角度ψを決定することと、
ψを、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の最大角度φ _ｍａｘ と比較することと、
ψ＞φ _ｍａｘ である場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度がφ＝φ _ｍａｘ となるように回転させることと、によって、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度φを決定するように構成されている、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。
［態様７］
ψ≦φ _ｍａｘ である場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度がφ＝ψとなるように回転させるように構成されている、態様６に記載の制御システム。
［態様８］
前記エンドエフェクタの前記配向を変更する前記外科医入力装置からの前記コマンドが、そのワークスペース内の前記外科医入力装置の少なくとも一部分の回転を含む、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。
［態様９］
前記外科医入力装置が、本体およびトリガを備え、前記外科医入力装置からの、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放する前記コマンドが、前記本体に対する前記トリガの移動を含む、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。
［態様１０］
前記外科医入力装置からの、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放する前記コマンドが、前記本体から遠ざかる前記トリガの回転を含む、態様９に記載の制御システム。
［態様１１］
前記回転の終了時の前記トリガと前記本体との間の前記角度が、φに比例する、態様１～５および態様８または態様９のいずれかに従属する場合の、態様１０に記載の制御システム。
［態様１２］
前記外科医入力装置からの、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放する前記コマンドが、前記本体に対する前記トリガの線形並進運動を含む、態様９に記載の制御システム。
［態様１３］
前記関節式カップリングが、駆動要素の第１の対によって駆動可能な第１のジョイントと、駆動要素の第２の対によって駆動可能な第２のジョイントと、を備え、前記制御システムが、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、
前記第１のエンドエフェクタ要素を前記第１のジョイントの周りを回転させるために、前記駆動要素の第１の対に第１の力を加えるように命令することと、
前記第２のエンドエフェクタ要素を前記第２のジョイントの周りを回転させるために、前記駆動要素の第２の対に第２の力を加えるように命令することと、によって、回転させるように構成されている、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。
［態様１４］
前記関節式カップリングが、駆動要素の第３の対によって駆動可能な第３のジョイントをさらに備え、前記制御システムが、
前記エンドエフェクタの前記配向を変更する前記コマンドに応答して、前記シャフトの前記長手方向軸と前記関節式カップリングとの間の角度Ωを決定することと、
前記エンドエフェクタを駆動して、前記第３のジョイントの周りをΩだけ回転させることと、を行うように構成されている、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。
［態様１５］
前記制御システムが、前記エンドエフェクタを駆動して、前記駆動要素の第３の対に第３の力を加えるように命令することによって、前記第３のジョイントの周りで回転させ、それにより、前記エンドエフェクタを前記第３のジョイントの周りで回転させるように構成されている、態様１４に記載の制御システム。
［態様１６］
前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の前記角度がθ _ｍａｘ となるように、回転させることに続いて、前記外科医入力装置からさらなるコマンドを受信して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度を互いに対して増加させることと、
前記さらなるコマンドに応答して、
前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φ’を決定すること、
前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度θ _ｍａｘ ’を決定することであって、θ _ｍａｘ ’が、φ’の関数である、決定すること、ならびに前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の前記角度が、θ _ｍａｘ ’となり、および（ｉｉ）前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度が、φ’となるように回転させることと、を行うように構成されている、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。
［態様１７］
θ _ｍａｘ ’＝α _ｍａｘ －φ’／２であり、α _ｍａｘ が、前記命令された回転方向における前記エンドエフェクタ要素の前記関節式カップリングの前記長手方向軸からの前記最大回転である、態様１６に記載の制御システム。
［態様１８］
前記駆動要素の第１および第２の対の各々が、ケーブルを含む、態様１３、または態様１３に従属する場合の態様１４～１７のいずれかに記載の制御システム。
［態様１９］
前記第１の力、第２の力、および／または第３の力が、張力である、態様１３もしくは態様１５、または態様１３もしくは態様１５に従属する場合の態様１４もしくは態様１６～１８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１および第２のエンドエフェクタ要素が、一対の顎、一対のはさみ、および針ドライバのうちの１つである、先行態様のいずれか一項に記載の制御システム。

Claims (14)

1. 遠隔外科医入力装置の操作に応答して、外科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、前記外科手術器具が、関節式カップリングによってシャフトに接続された、対向可能な第１および第２のエンドエフェクタ要素を有する、エンドエフェクタを備え、前記制御システムが、
   前記遠隔外科医入力装置から、（ｉ）前記エンドエフェクタの配向を変更すること、および（ｉｉ）前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放することの両方のコマンドを受信することと、
   前記エンドエフェクタの前記配向を変更する前記コマンドに応答して、前記関節式カップリングの長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度θを決定することと、
   前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を開放する前記コマンドに応答して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φを決定することと、
   θを、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の最大角度θ_ｍａｘと比較することであって、θ_ｍａｘが、φおよびα_ｍａｘの関数であり、α_ｍａｘが、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素のうち、前記関節式カップリングの前記長手方向軸から最も遠いエンドエフェクタ要素の長手方向軸との間の最大回転角度である、θ _ｍａｘ と比較することと、
   θ＞θ_ｍａｘである場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度が、θ_ｍａｘとなり、および（ｉｉ）前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度が、φとなるように回転させることと、を行うように構成されている、制御システム。
2. θ≦θ_ｍａｘである場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度が、θとなり、および（ｉｉ）前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度が、φとなるように回転させるように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記角度θが、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と、前記第１のエンドエフェクタ要素の軸および前記第２のエンドエフェクタ要素の軸の間を二等分する軸との間にある、請求項１または２に記載の制御システム。
4. θ_ｍａｘ＝α_ｍａｘ－φ／２であり、前記最大角度θ_ｍａｘが、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と、前記第１のエンドエフェクタ要素の軸および前記第２のエンドエフェクタ要素の軸の間を二等分する軸との間の最大角度である、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御システム。
5. 前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を開放する前記コマンドに応答して、開放角度ψを決定することと、
   ψを、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の最大角度φ_ｍａｘと比較することと、
   ψ＞φ_ｍａｘである場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度がφ＝φ_ｍａｘとなるように回転させることと、によって、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度φを決定するように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御システム。
6. ψ≦φ_ｍａｘである場合、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度がφ＝ψとなるように回転させるように構成されている、請求項５に記載の制御システム。
7. 前記エンドエフェクタの前記配向を変更する前記遠隔外科医入力装置からの前記コマンドが、そのワークスペース内の前記遠隔外科医入力装置の少なくとも一部分の回転を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の制御システム。
8. 前記遠隔外科医入力装置が、本体およびトリガを備え、前記遠隔外科医入力装置からの、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放する前記コマンドが、前記本体に対する前記トリガの移動を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の制御システム。
9. 前記遠隔外科医入力装置からの、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放する前記コマンドが、前記本体から遠ざかる前記トリガの回転を含む、請求項８に記載の制御システム。
10. 前記回転の終了時の前記トリガと前記本体との間の前記角度が、φに比例する、請求項８または９に記載の制御システム。
11. 前記遠隔外科医入力装置からの、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を互いに対して開放する前記コマンドが、前記本体に対する前記トリガの線形並進運動を含む、請求項８に記載の制御システム。
12. 前記関節式カップリングが、駆動要素の第１の対によって駆動可能な第１のジョイントと、駆動要素の第２の対によって駆動可能な第２のジョイントと、を備え、前記制御システムが、前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、
    前記第１のエンドエフェクタ要素を前記第１のジョイントの周りを回転させるために、前記駆動要素の第１の対に第１の力を加えるように命令することと、
    前記第２のエンドエフェクタ要素を前記第２のジョイントの周りを回転させるために、前記駆動要素の第２の対に第２の力を加えるように命令することと、によって、回転させるように構成されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の制御システム。
13. 前記関節式カップリングが、駆動要素の第３の対によって駆動可能な第３のジョイントをさらに備え、前記制御システムが、
    前記エンドエフェクタの前記配向を変更する前記コマンドに応答して、前記シャフトの前記長手方向軸と前記関節式カップリングとの間の角度Ωを決定することと、
    前記エンドエフェクタを駆動して、前記駆動要素の前記第３の対に第３の力を加えるように命令することによって、前記第３のジョイントの周りをΩだけ回転させ、それにより、前記エンドエフェクタを前記第３のジョイントの周りで回転させることと、を行うように構成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の制御システム。
14. 前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の前記角度がθ_ｍａｘとなるように、回転させることに続いて、前記遠隔外科医入力装置からさらなるコマンドを受信して、前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度を互いに対して増加させることと、
    前記さらなるコマンドに応答して、
    前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の開放角度φ’を決定すること、
    前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の角度θ_ｍａｘ’を決定することであって、θ_ｍａｘ’＝α_ｍａｘ－φ’／２であり、α_ｍａｘが、命令された回転方向における前記関節式カップリングの前記長手方向軸からの前記エンドエフェクタ要素の前記最大回転角度である、θ _ｍａｘ ’を決定すること、ならびに
    前記第１および第２のエンドエフェクタ要素を駆動して、（ｉ）前記関節式カップリングの前記長手方向軸と前記エンドエフェクタとの間の前記角度が、θ_ｍａｘ’となり、および（ｉｉ）前記第１のエンドエフェクタ要素と前記第２のエンドエフェクタ要素との間の前記開放角度が、φ’となるように回転させることと、を行うように構成されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の制御システム。

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