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特許6617114関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータを促す、入力装置での力フィードバックの適用
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6617114
(24)【登録日】2019年11月15日
(45)【発行日】2019年12月4日
(54)【発明の名称】関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータを促す、入力装置での力フィードバックの適用
(51)【国際特許分類】
A61B 34/35 20160101AFI20191125BHJP
B25J 3/00 20060101ALI20191125BHJP
【ＦＩ】
A61B34/35
B25J3/00 Z
【請求項の数】12
【外国語出願】
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2017-16583(P2017-16583)
(22)【出願日】2017年2月1日
(62)【分割の表示】特願2014-541317(P2014-541317)の分割
【原出願日】2012年11月9日
(65)【公開番号】特開2017-80887(P2017-80887A)
(43)【公開日】2017年5月18日
【審査請求日】2017年2月8日
(31)【優先権主張番号】13/292,760
(32)【優先日】2011年11月9日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】510253996
【氏名又は名称】インテュイティブ サージカル オペレーションズ， インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100091214
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 進介
(72)【発明者】
【氏名】ディオライティ，ニコラ
(72)【発明者】
【氏名】リラガン，ポール，イー
【審査官】
後藤 健志
(56)【参考文献】
【文献】
特開平０９−１４１５８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−０３９８１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１１−５２５８４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５３９５７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００５−５１５０１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５３７２２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１１／００４０３０５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ａ６１Ｂ ３４／３０−３４／３７
Ｂ２５Ｊ １／００−２１／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロボットシステムの作動方法であって、当該作動方法には、
前記ロボットシステムの入力装置からの信号に応答して、前記ロボットシステムに取り付けられた関節器具の姿勢命令を生成するプロセッサが含まれ、
前記プロセッサは、命令された姿勢の第１の方向の投影が仮想障壁の位置を超えるかどうかを判定し、
前記命令された姿勢の前記第１の方向の投影が前記仮想障壁の位置を超えていることを前記プロセッサが判定すると、
前記プロセッサが、仮想的拘束を前記命令された姿勢に適用し、前記仮想障壁の位置に最近接するが該仮想障壁の位置に未だ衝突していないような前記関節器具の少なくとも一部が第１の好適な姿勢に一致するまで、前記関節器具に、前記仮想障壁の位置を越えて移動するような命令をすることを防止することによって修正後の姿勢命令を生成し、
前記プロセッサが、前記関節器具に修正後の命令された姿勢になるように命令し、
前記プロセッサが、前記修正後の命令された姿勢と前記第１の好適な姿勢との間の差を示すように、前記入力装置の複数の自由度について第１力命令を生成し、
前記プロセッサが、第１起動信号に従った前記第１力命令の適用を段階的に入力することによって、前記入力装置の複数の自由度について前記第１力命令を適用するように命令し、
前記プロセッサは、
該プロセッサが前記命令された姿勢と前記修正後の命令された姿勢との間の差を示す変調係数のストリームを生成すること、及び
前記プロセッサが前記第１起動信号を生成するように前記変調係数のストリームをローパスフィルタに通過させること、によって前記第１起動信号を生成する、
作動方法。
前記ロボットシステムの入力装置からの信号に応答して、前記ロボットシステムに取り付けられた関節器具の姿勢命令を生成するプロセッサが含まれ、
前記プロセッサは、命令された姿勢の第１の方向の投影が仮想障壁の位置を超えるかどうかを判定し、
前記命令された姿勢の前記第１の方向の投影が前記仮想障壁の位置を超えていることを前記プロセッサが判定すると、
前記プロセッサが、仮想的拘束を前記命令された姿勢に適用し、前記仮想障壁の位置に最近接するが該仮想障壁の位置に未だ衝突していないような前記関節器具の少なくとも一部が第１の好適な姿勢に一致するまで、前記関節器具に、前記仮想障壁の位置を越えて移動するような命令をすることを防止することによって修正後の姿勢命令を生成し、
前記プロセッサが、前記関節器具に修正後の命令された姿勢になるように命令し、
前記プロセッサが、前記修正後の命令された姿勢と前記第１の好適な姿勢との間の差を示すように、前記入力装置の複数の自由度について第１力命令を生成し、
前記プロセッサが、第１起動信号に従った前記第１力命令の適用を段階的に入力することによって、前記入力装置の複数の自由度について前記第１力命令を適用するように命令し、
前記プロセッサは、
該プロセッサが前記命令された姿勢と前記修正後の命令された姿勢との間の差を示す変調係数のストリームを生成すること、及び
前記プロセッサが前記第１起動信号を生成するように前記変調係数のストリームをローパスフィルタに通過させること、によって前記第１起動信号を生成する、
作動方法。
【請求項2】
前記プロセッサが前記変調係数のストリームを生成することには、
前記プロセッサが、前記命令された姿勢と前記修正後の命令された姿勢との間の差を決定することと、
前記プロセッサが、前記第１の方向に沿って前記差を投影することと、
前記プロセッサが、前記投影された差が閾値より大きい場合に、現在の変調係数を第１の値に設定し、前記投影された差が前記閾値以下である場合に、現在の変調係数を第２の値に設定することによって、前記投影された差を２進コード化することと、が含まれる、
請求項１に記載の作動方法。
前記プロセッサが、前記命令された姿勢と前記修正後の命令された姿勢との間の差を決定することと、
前記プロセッサが、前記第１の方向に沿って前記差を投影することと、
前記プロセッサが、前記投影された差が閾値より大きい場合に、現在の変調係数を第１の値に設定し、前記投影された差が前記閾値以下である場合に、現在の変調係数を第２の値に設定することによって、前記投影された差を２進コード化することと、が含まれる、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項3】
前記プロセッサが前記第１力命令を生成することには、
前記プロセッサが、前記第１の好適な姿勢と前記修正後の命令された姿勢と比較して、直交座標位置及び速度誤差を生成することと、
前記プロセッサが、前記第１の方向に沿った成分及び前記関節器具の旋回可能な先端部の軸線の周りの成分を除去することによって、前記直交座標位置及び前記速度誤差を修正することと、
前記プロセッサが、該修正後の直交座標位置及び速度誤差を用いて、６自由度の粘弾性の力命令を生成することと、が含まれる、
請求項１に記載の作動方法。
前記プロセッサが、前記第１の好適な姿勢と前記修正後の命令された姿勢と比較して、直交座標位置及び速度誤差を生成することと、
前記プロセッサが、前記第１の方向に沿った成分及び前記関節器具の旋回可能な先端部の軸線の周りの成分を除去することによって、前記直交座標位置及び前記速度誤差を修正することと、
前記プロセッサが、該修正後の直交座標位置及び速度誤差を用いて、６自由度の粘弾性の力命令を生成することと、が含まれる、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項4】
前記プロセッサが前記第１起動信号に従った適用を段階的に入力することによって、前記入力装置の複数の自由度について前記第１力命令を適用するように命令することには、前記プロセッサが、前記６自由度の粘弾性の力命令を前記第１起動信号で振幅変調することが含まれる、請求項３に記載の作動方法。
【請求項5】
前記プロセッサが、第２の好適な姿勢と前記命令された姿勢との間の差の指標となるように、前記入力装置の複数の自由度について第２力命令を生成することと、
前記プロセッサが、前記第１起動信号に従って前記第１力命令の適用を段階的に入力する前に、前記入力装置の複数の自由度について前記第２力命令を適用するように命令することと、
前記プロセッサが、起動解除信号に従って前記第２力命令の適用を段階的に停止することと、がさらに含まれる、
請求項１に記載の作動方法。
前記プロセッサが、前記第１起動信号に従って前記第１力命令の適用を段階的に入力する前に、前記入力装置の複数の自由度について前記第２力命令を適用するように命令することと、
前記プロセッサが、起動解除信号に従って前記第２力命令の適用を段階的に停止することと、がさらに含まれる、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項6】
前記第１起動信号及び前記起動解除信号は相補的な信号であり、前記起動解除信号が段階的に停止されるときに、前記第１起動信号が段階的に入力される、請求項５に記載の作動方法。
【請求項7】
ロボットシステムであって、当該システムは、
入力装置と、
関節器具に結合可能な器具マニピュレータと、
プロセッサ、を備えており、
該プロセッサは、
入力装置のオペレータ操作に応答して、前記関節器具の姿勢命令を生成し、
命令された姿勢の第１の方向の投影が仮想障壁の位置を超えるかどうかを判定し、
前記命令された姿勢の前記第１の方向の投影が前記仮想障壁の位置を超えていることを判定すると、
仮想的拘束を前記命令された姿勢に適用し、前記仮想障壁の位置に最近接するが該仮想障壁の位置に未だ衝突していないような前記関節器具の少なくとも一部が第１の好適な姿勢に一致するまで、前記関節器具に、前記仮想障壁の位置を越えて移動するような命令をすることを防止することによって修正後の姿勢命令を生成し、
前記関節器具を修正後の命令された姿勢に移動させるように前記器具マニピュレータに命令し、
前記修正後の命令された姿勢と前記第１の好適な姿勢との間の差を示すように、前記入力装置の複数の自由度について第１力命令を生成し、
第１起動信号に従った前記第１力命令の適用を段階的に入力することにより、前記入力装置の複数の自由度について前記第１力命令の適用を命令する、ように構成され、
前記第１起動信号は、
前記命令された姿勢と前記修正後の命令された姿勢との間の差を示す変調係数のストリームを生成すること、及び
前記第１起動信号を生成するように前記変調係数のストリームをローパスフィルタに通過させること、によって生成される、
システム。
入力装置と、
関節器具に結合可能な器具マニピュレータと、
プロセッサ、を備えており、
該プロセッサは、
入力装置のオペレータ操作に応答して、前記関節器具の姿勢命令を生成し、
命令された姿勢の第１の方向の投影が仮想障壁の位置を超えるかどうかを判定し、
前記命令された姿勢の前記第１の方向の投影が前記仮想障壁の位置を超えていることを判定すると、
仮想的拘束を前記命令された姿勢に適用し、前記仮想障壁の位置に最近接するが該仮想障壁の位置に未だ衝突していないような前記関節器具の少なくとも一部が第１の好適な姿勢に一致するまで、前記関節器具に、前記仮想障壁の位置を越えて移動するような命令をすることを防止することによって修正後の姿勢命令を生成し、
前記関節器具を修正後の命令された姿勢に移動させるように前記器具マニピュレータに命令し、
前記修正後の命令された姿勢と前記第１の好適な姿勢との間の差を示すように、前記入力装置の複数の自由度について第１力命令を生成し、
第１起動信号に従った前記第１力命令の適用を段階的に入力することにより、前記入力装置の複数の自由度について前記第１力命令の適用を命令する、ように構成され、
前記第１起動信号は、
前記命令された姿勢と前記修正後の命令された姿勢との間の差を示す変調係数のストリームを生成すること、及び
前記第１起動信号を生成するように前記変調係数のストリームをローパスフィルタに通過させること、によって生成される、
システム。
【請求項8】
前記プロセッサは、前記命令された姿勢と前記修正後の命令された姿勢との間の差を決定し、前記第１の方向に沿って前記差を投影し、該投影された差が閾値よりも大きい場合に、現在の変調係数を第１の値に設定し、前記投影された差が前記閾値以下である場合に、前記現在の変調係数を第２の値に設定することによって、前記投影された差を２進コード化する、ことにより前記変調係数のストリームを生成するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
前記プロセッサは、第１の好適な姿勢と前記修正後の命令された姿勢とを比較して直交座標位置及び速度誤差を生成し、前記第１の方向に沿った成分及び前記関節器具の旋回可能な先端部の軸線の周りの成分を除去することによって、前記直交座標位置及び前記速度誤差を修正し、該修正後の直交座標位置及び速度誤差を用いて、６自由度の粘弾性の力命令を生成することによって、前記第１力命令を生成するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項10】
前記プロセッサは、前記６自由度の粘弾性の力命令を前記第１起動信号で振幅変調することによって、前記入力装置の複数の自由度に前記第１力命令を適用するべく命令するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記プロセッサは、第２の好適な姿勢と前記命令された姿勢との間の差の指標となるように、前記入力装置の複数の自由度について第２力命令を生成し、前記第１起動信号に従って前記第１力命令の適用を段階的に入力する前に、前記入力装置の複数の自由度について前記第２力命令を適用するように命令し、起動解除信号に従って前記第２力命令の適用を段階的に停止するようにさらに構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項12】
前記第１起動信号及び前記起動解除信号は相補的な信号であり、前記起動解除信号が段階的に停止されるときに、前記第１起動信号が段階的に入力される、請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照本願は、２０１０年２月１２日に出願された”Medical Robotic System Providing Sensory Feedback Indicating a Difference Between a Commanded State and a Preferred Pose of an Articulated Instrument”という表題の米国特許出願第１２／７０４，６６９号の一部継続出願であり、この文献は参照することにより本願に組み込まれる。
【0002】
本願は、２００９年１１月５日に出願された”Controller Assisted Reconfiguration of an Articulated Instrument During Movement Into and Out of an Entry Guide”という表題の米国特許出願第１２／６１３，３２８号の一部継続出願であり、この出願は、２００９年８月１５日に出願された”Smooth Control of an Articulated Instrument Across Areas with Different Work Space Conditions”という表題の米国特許出願第１２／５４１，９１３号の一部継続出願であり、これらの文献は参照することにより本願に組み込まれる。
【0003】
本発明は、概して医療用ロボットシステムに関し、具体的には関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令を入力装置のオペレータに促すような、入力装置での力フィードバックを適用する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【0004】
最小侵襲性外科手術を実施する際に用いられる遠隔手術システム等の医療用ロボットシステムは、従来の切開手術技術に比べて、痛みが少なく、入院期間の短縮が図れ、日常の活動により速く復帰させ、瘢痕を最小限に留め、回復時間を短縮し、そして組織へのより少ない損傷を含むような多くの利点を提供する。その結果、このような医療用ロボットシステムの必要性が強く、且つこの必要性は増大している。
【0005】
このような医療用ロボットシステムの一例としては、カリフォルニア州サニーベールのIntuitive Surgical社から販売されているDA VINCI（登録商標）手術システムがあり、この手術システムは、最小侵襲性ロボット手術システムである。DA VINCI（登録商標）手術システムは、手術部位の撮像装置によって撮影された外科用視覚画像による入力装置の運動に応答して、撮像装置や、外科用器具を関節駆動させるIntuitive Surgical社のENDOWRIST（登録商標）手術システム等の取り付けられた医療装置を移動させるような多数のロボットアームを有している。各医療装置は、最小侵襲性切開部を通して患者に挿入され、手術部位で医療処置を行うように位置付けされる。この切開部は、患者の身体の周りに配置されており、それによって、複数の外科用器具を協働して使用して医療処置を実施することができ、撮像装置は、処置中にそれらロボットアームと衝突することなく、その手術部位を視認することができる。
【0006】
特定の医療処置を行うために、医療装置は、最小侵襲性切開部又は自然な身体開口部等の単一の進入開口部を使用して、患者内に入れて医療処置を実施することが有利である。例えば、まず進入ガイドを挿入して位置付けし、且つこの進入開口を所定の位置に保持させる。関節式カメラ機器や、医療処置を実施するために用いられる複数の関節式外科処置具等の関節器具は、その進入ガイドの先端を超えて延びるように、進入ガイドの基端に挿入される。こうして、進入ガイドは、単一の進入開口で複数の器具を収容しつつ、作業部位に向けてそれら器具を案内するように束ねられた器具を保持する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、関節式カメラや処置具の近接によって、このような束ねられたユニットを用いる医療用ロボットシステムで多くの課題が生じる。例えば、カメラ機器は、先端のカメラビューから見えないような基端側関節（例えば、継手）を有しているため、外科医は、カメラを移動させると、つまり利用可能な運動範囲で移動させる際に、このような関節の現在の状態を追跡することができなくなる。また、カメラや処置具の関節部が、カメラの視野の外にある場合に、従ってその撮影した画像を通して外科医には見えない場合に、外科医は、医療処置を実施するために関節器具を遠隔ロボット操作によって移動させる際に、ツール及び／又はカメラ機器のリンク機構を誤って駆動させて互いに衝突させてしまうことがある。いずれかのケースでは、患者の安全性が危険にさらされることがあり、医療処置の成功及び／又は予定通りの完了に、悪影響が及ぶこともある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
従って、本発明の１つ又は複数の態様に係る一つの目的は、関節器具の通常操作モードでの好適な姿勢を取らせるような命令をオペレータに促すような医療用ロボットシステムや、このシステムで実施されるような方法を提供することであり、このシステムは、関節器具の通常の動作中に関節器具が命令された移動を行うようにオペレータに付勢力を与えるように機能する。
【0009】
本発明の１つ又は複数の態様の別の目的は、力フィードバックを入力装置に適用して、関節器具の姿勢を好適な姿勢にスムーズに移行させるような命令をするようにその入力装置のオペレータを促すような医療用ロボットシステムや、このシステムで実施されるような方法を提供することである。
【0010】
本発明の１つ又は複数の態様の別の目的は、力フィードバックを入力装置に適用して、関節器具の姿勢が第１の好適な姿勢を取り、次に起動信号に従って第２の好適な姿勢にスムーズに移行させるような命令をするようにその入力装置のオペレータを促すような医療用ロボットシステムや、このシステムで実施されるような方法を提供することである。
【0011】
これら及び追加の目的は、本発明の様々な態様によって達成される。簡潔に述べると、一態様は、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促すための方法であって、当該方法は、入力装置のオペレータ操作に応答して、関節器具に命令された姿勢を取らせるステップと；第１の好適な姿勢と命令された姿勢との間の差の指標となるように、入力装置の複数の自由度について第１力命令を生成するステップと；第１起動信号に従った適用を段階的に入力することによって入力装置の複数の自由度に第１力命令を適用するステップと；を含む。
【0012】
別の態様は、医療用ロボットシステムであって、当該システムは、入力装置と；関節器具と；入力装置のオペレータ操作に応答して、関節器具が命令された姿勢を取り、第１の好適な姿勢と修正後の命令された姿勢との間の差の指標となるように、入力装置の複数の自由度について第１力命令を生成し、第１起動信号に従った適用を段階的に入力するように、入力装置の複数の自由度に第１力命令の適用を命令するように構成された、プロセッサと；を備える。
【0013】
本発明の様々な態様のさらなる目的、特徴及び利点は、添付図面と併せて説明される以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムのブロック図を示す。
【図2】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムにおいて、進入ガイドの先端を超えて延びるような複数の関節器具を含む進入ガイドの先端の斜視図を示す。
【図3】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムにおいて、進入ガイドの先端を超えて延びるような関節器具の上面図を示す。
【図4】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムにおいて、進入ガイドの先端を超えて延びるような関節器具の右側面図を示す。
【図5】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで用いられるような関節器具マニピュレータや関節器具の相互作用する構成要素のブロック図を示す。
【図6】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムにおいて、関節器具にオペレータが命令した移動をさせる器具コントローラのブロック図を示す。
【図7】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで用いられるような通常の操作の好適な姿勢において、進入ガイドの先端を超えて延びる関節器具の側面図を示す。
【図8】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで用いられるような進入ガイド内に再び後退するような好適な姿勢において、進入ガイドの先端を超えて延びる関節器具の側面図を示す。
【図11】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで用いられるような、通常動作モード及び後退モードの起動信号を時間の関数として示す。
【図15】本発明の態様を利用する、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促す方法において使用されるような、拘束として仮想障壁を適用することにより関節器具の命令された姿勢を修正する方法のフロー図を示す。
【図16】本発明の態様を利用する、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促す方法において使用されるような、後退モードの起動信号を生成する方法のフロー図を示す。
【図17】本発明の態様を利用する、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促す方法において使用されるような、通常モードの解除信号を生成する方法のフロー図を示す。
【図18】本発明の態様を利用する、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促す方法の第１実施形態のフロー図を示す。
【図19】本発明の態様を利用する、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促す方法の第２実施形態のフロー図を示す。
【図20】本発明の態様を利用する、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促す方法の第３実施形態のフロー図を示す。
【図21】本発明の態様を利用する、関節器具に好適な姿勢を取らせるような命令をするように入力装置のオペレータ操作を促す方法の第４実施形態のフロー図を示す。
【図22】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムにおいて、関節器具にオペレータが命令した移動をさせる代替的な器具コントローラのブロック図を示す。
【図23】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで使用されるような、力が入力コントローラ装置に対して加えられるように、段階的に入力されるような第１微調整力命令を提供する「段階的な入力」微調整ブロックのブロック図を示す。
【図24】本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで使用されるような、力が入力コントローラ装置に対して加えられるように、段階的に停止されるような第２微調整力命令を提供する「段階的な停止」微調整ブロックのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図１には、医療用ロボットシステム１００のブロック図が示されている。進入ガイド（EG）２００は、最小侵襲性切開部又は自然な身体開口部等の進入開口を通じて患者に挿入されるように構成されている。第１の関節式外科用ツール（TOOL1）２３１や、第２の関節式外科用ツール（TOOL2）２４１、及び関節式ステレオカメラ（CAM）２１１等の関節器具が、進入ガイド２００の先端を通して挿入され、且つこの先端を超えて延びている。図２に示されるように、カメラ２１１は、その先端に収められた撮像装置３１１，３１２と、（基端で光源に連結される）光ファイバケーブル３１３とのステレオペアを有している。外科用ツール２３１，２４１は、エンドエフェクタ３３１，３４１を有する。２つのツール２３１，２４１のみが示されているが、進入ガイド２００は、患者の作業部位で医療処置を行うために必要とされる追加のツールを案内してもよい。関節器具２１１，２３１，２４１についての更なる詳細が、以下で図３及び図４を参照して説明される。
【0016】
各装置２３１，２４１，２１１，２００は、それ自体のマニピュレータやコントローラによって操作され、且つ制御される。具体的には、関節式カメラ機器２１１は、カメラ機器コントローラ（CTRLC）２１３によって制御されるカメラマニピュレータ（ECM）２１２によって操作され、第１の関節式外科用ツール２３１は、器具コントローラ（CTRL1）２３３によって制御される第１ツールマニピュレータ（PSM1）２３２によって操作され、第２の関節式外科用ツール２４１は、器具コントローラ（CTRL2）２４３によって制御される第２のツールマニピュレータ（PSM2）２４２によって操作され、進入ガイド２００は、進入ガイドコントローラ（CTRLG）２０３によって制御される進入ガイドマニピュレータ（EGM）２０２によって操作される。コントローラ２０３，２３３，２４３，２１３は、以下で図６を参照して説明するようにマスタ／スレーブ制御システムとしてプロセッサ１０２に実装されている。
【0017】
各関節器具マニピュレータ２３２，２４２，２１２は、アクチュエータを担持するとともに、それぞれの関節器具に運動を伝達するような機械的な、無菌性インターフェイスを提供するような機械的アセンブリである。各関節器具２３１，２４１，２１１は、そのマニピュレータから運動を受け取り、ケーブル伝達により、その運動を先端関節（例えば、継手）に伝えるような機械的アセンブリである。このような継手は、直動（例えば、直線運動）又は回転（例えば、機械軸線を中心に旋回する）してもよい。さらに、器具は、力を複数の継手に加えて所定の態様で一緒に移動させるような機械式内部拘束（例えば、ケーブル、ギヤ、カム、ベルト等）を有してもよい。機械的に拘束された継手の各セットは、特定の運動軸を有しており、拘束部は、ペアの回転継手（例えば、段付継手）となるように考案することができる。このように、器具は、利用可能なアクチュエータよりも多く継手を有していることに留意されたい。
【0018】
進入ガイドマニピュレータ（EGM）２０２を使用して、ロボット制御によって、進入開口の内外に進入ガイド２００を挿入及び後退させることができる。このマニピュレータを使用して、ロボット制御によって、旋回点（すなわち、遠隔中心（RC）とも称される）の周りの進入ガイド２００の長手方向軸線に対してピッチ、ロール及びヨー方向に進入ガイド２００を旋回させることができる。セットアップアームを使用して進入ガイド２００を保持し且つ位置付けすることによって、その遠隔中心RCは進入開口に位置付けすることができる。
【0019】
２つの入力装置１０８，１０９が、外科医による操作のために提供されている。各入力装置１０８，１０９は、装置２１１，２３１，２４１，２００のうちの１つに選択的に関連付けることができ、それによって、関連付けられた装置は、そのコントローラ及びマニピュレータを介して入力装置によって制御することができる。外科医（又はアシスタント）は、グラフィカルユーザインターフェイス（GUI）上のメニューと相互作用させ、音声認識システムによって認識された音声命令を提供し、タッチパッド等の入力装置を使用してこのような関連付けをシステム１００に入力し、入力装置１０８，１０９に設けられた特殊目的ボタンとの相互作用させる等の従来の方法でこのような選択を行う。このような関連する機構のいずれかを使用して、選択入力が生成され、プロセッサ１０２に実装されるマルチプレクサ（MUX）２８０に提供される。選択入力の値（例えば、１と０との組合せ）が、関連性（すなわち、クロススイッチング）を示すように選択される。
【0020】
例えば、マルチプレクサ２８０に対する選択入力の第１の値が、「ツール追従モード」において左右の入力装置１０８，１０９に配置され、ここで、それら左右の入力装置は、それぞれ第１及び第２の手術用ツール２４１，２３１に関連付けられ、それによって、外科医は、進入ガイド２００を所定の位置に固定させながら、患者に医療処置を行うことができる。この構成では、マルチプレクサ２８０は、入力装置１０８の出力及び入力２５１，２５２をツールコントローラ２４３の入力及び出力２６０，２６１にそれぞれ接続し、且つ入力装置１０９の出力及び入力２５３，２５４をツールコントローラ２３３の入力及び出力２６８，２６９にそれぞれ接続するようにクロススイッチを制御する。
【0021】
カメラ２１１が外科医によって再配置される場合に、左右の入力装置１０８，１０９の一方又は両方を、選択入力のための第２の値を使用してカメラ２１１に関連付けることができ、それによって、外科医は、そのコントローラ２１３及びマニピュレータ２１２を介してカメラ２１１を移動させることができる。同様に、進入ガイド２００が外科医によって再配置される場合に、左右の入力装置１０８，１０９の一方又は両方を、選択入力のための第３の値を使用して進入ガイド２００に関連付けることができ、それによって、外科医は、そのコントローラ２０３及びマニピュレータ２０２を介して進入ガイド２００を移動させることができる。いずれの場合でも、関連付けが切られた装置は、それぞれのコントローラによって所定の位置に仮固定（soft-lock）される。
【0022】
カメラ２１１で撮影した画像は、”Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus”という表題の米国特許第６，６７１，５８１号に説明される（この文献は参照として本願に組み込まれる）ように、画像プロセッサ２１４によって処理され、ディスプレイ画面１０４に表示される。こうして、外科医は、ディスプレイ画面１０４上の作業部位の画像を視ながら、医療用ロボットシステム１００を使用する外科医は、操作入力装置１０８，１０９によって患者に医療処置を行うことができ、関連する外科用ツール２３１，２４１の対応する移動を生じさせることができる。
【0023】
プロセッサとして説明されているが、プロセッサ１０２は、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの任意の組み合わせによって実際に実装することができることを認識されたい。また、本明細書で説明されるようにその機能は、一つのユニットにより実行される、又は異なるコンポーネント間で分割されてもよい。名機能は、システム全体を通して分散されるハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの任意の組み合わせによって実装されてもよい。
【0024】
本明細書で説明するような医療用ロボットシステムの一般的な態様の構造及び操作に関する更なる詳細については、例えば、”Aspects of a Control System of a Minimally Invasive Surgical Apparatus”という表題の米国特許第６，４９３，６０８号、及び”Minimally Invasive Surgical System”という表題の米国特許出願公開第２００８／００７，１２９を参照されたい。これらの文献は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【0025】
図３及び図４には、例として、外向きに延びる関節式カメラ機器２１１や関節式外科用ツール２３１，２４１を含む進入ガイド２００の先端の上面図及び右側面図がそれぞれ示されている。関節式カメラ２１１は、通路３２１を通じて延びており、関節式外科用ツール２３１，２４１は、それぞれ進入ガイド２００の通路４３１，４４１を通じて延びている。カメラ２１１は、先端部３１１と、第１、第２及び第３リンク３２２，３２４，３２６と、第１及び第２継手アセンブリ（単に「継手」としても参照される）３２３，３２５と、手首アセンブリ３２７とを含む。第１継手アセンブリ３２３は、第１及び第２リンク３２２，３２４を連結し、第２継手アセンブリ３２５は、第２及び第３リンク３２４，３２６を連結し、それによって、第１及び第３リンク３２２，３２６が互いに平行でありながら、第２リンク３２４は、第１継手アセンブリ３２３の周りでピッチ及びヨー方向に旋回する。
【0026】
第１及び第２継手３２３，３２５は、第２リンク３２４が第１継手３２３の周りでピッチ及び／又はヨー方向に旋回するときに、第３リンク３２６は相補的な態様で第２継手３２５の周りを旋回し、それによって、第１及び第３リンク３２２，３２６が常に互いに平行な状態に留まるので、「段付継手（joggle joints）」と称される。第１リンク３２２は、その長手方向軸線の周りでロール方向に回転するだけでなく、通路３２１を通って出入りする（例えば、作業部位に向けて挿入され作業部位から後退される）ように移動する。手首アセンブリ３２７は、ピッチ及びヨー方向の角運動能力も有しており、それによってカメラ先端３１１が、上下方向や、左右方向及びこれらの組み合わせで向き合わせされる。
【0027】
ツール２３１，２４１の継手やリンクは、カメラ２１１の継手やリンクと同様の構造及び動作を有している。具体的には、ツール２３１は、図５を参照して説明されるようなアクチュエータによって駆動される（エンドエフェクタ３３１を作動させるための追加アクチュエータを付け加える）ような、（顎部３３８，３３９を有する）エンドエフェクタ３３１と、第１、第２及び第３リンク３３２，３３４，３３６と、第１及び第２継手アセンブリ３３３，３３５と、手首アセンブリ３３７とを含む。同様に、ツール２４１は、図５を参照して説明されるようなアクチュエータによっても駆動される（エンドエフェクタ３４１を作動させるための追加のアクチュエータを付け加える）ような、（顎部３４８，３４９を有する）エンドエフェクタ３４１と、第１、第２及び第３リンク３４２，３４４，３４６と、第１及び第２継手アセンブリ３４３，３４５と、手首アセンブリ３４７とを含む。
【0028】
図５には、例えば、（関節式カメラ２１１や関節式外科用ツール２３１，２４１等の）関節器具、及び（カメラマニピュレータ２１２やツールマニピュレータ２３２，２４２等の）対応する器具マニピュレータの相互作用部分の図が示されている。各器具は、（そのエンドエフェクタを含む）器具の移動を生じさせるような多数のアクチュエータ・アセンブリ５２１〜５２３，５３１〜５３３，５７０を含んでおり、対応するマニピュレータは、アクチュエータ・アセンブリを作動させるような多数のアクチュエータ５０１〜５０３，５１１〜５１３，５６０を含んでいる。
【0029】
また、多数のインターフェイス機構を設けてもよい。例えば、（それぞれ、ピッチ／ヨー方向段付継手及びピッチ／ヨー方向手首のための）ピッチ／ヨー連結機構５４０，５５０、及び（それぞれ、ロール方向の器具作動及びエンドエフェクタ作動のための）ギヤ比５４５，５５５が、無菌のマニピュレータ／器具インターフェイスに提供されており、マニピュレータ・アクチュエータ空間でコンパクトな拘束を充足するとともに、インタフェイスに亘って正確な動作伝達を維持しながら、器具継手空間の器具継手の必要な動作範囲を達成する。単一のブロック５４０として示されているが、段付継手アクチュエータ５０１，５０２（＃１及び＃２として区別される）とピッチ／ヨー方向段付継手アセンブリ５２１，５２２との間の連結は、無菌インターフェイスの各側に１つずつ（すなわち、インターフェイスのマニピュレータ側に１つとインターフェイスの器具側に１つとを含む）連結機構のペアを含んでもよい。同様に、単一のブロック５５０として示されているが、手首アクチュエータ５１２，５１３（＃１と＃２として区別される）とピッチ／ヨー方向手首継手アセンブリ５３２，５３３との間の連結は、（無菌インターフェイスの両側に１つずつ含む）連結機構のペアを含んでもよい。
【0030】
ピッチ方向段付継手アセンブリ５２１及びヨー方向段付継手アセンブリ５２２の両方は、第１、第２、第３リンク（例えば、関節式カメラ２１１のリンク３２２，３２４，３２６）と、第１及び第２継手（例えば、関節式カメラ２１１の継手３２３，３２５）とを共有する。これらの共有された構成部品に加えて、ピッチ及びヨー方向段付継手アセンブリ５２１，５２２は、第１及び第２継手を（段付連結５４０を介して）ピッチ及びヨー方向段付継手アクチュエータ５０１，５０２に連結するような機械的連結も含んでおり、それによって、第２リンクは、第１継手を通過するラインの周りで、第１リンク（例えば、関節式カメラ２１１のリンク３２２）の長手方向軸線に対して緯度方向である軸線に沿って制御可能に旋回し、第２リンクは、第１継手を通過するラインの周りで、第１リンクの緯度方向方及び経度方向軸線の両方に直交する軸線に沿って制御可能に旋回する。
【0031】
入力／出力（I/O）アセンブリ５２３は、第１リンク（例えば、関節式カメラ２１１のリンク３２２）を含むとともに、入力／出力（I/O）アクチュエータ５０３を第１リンクに連結する駆動トレイン（train）を介して相互接続されており、それによって、第１リンクは、I/Oアクチュエータ５０３の作動によってその経度方向軸線に沿って直線状に制御可能に移動する。ロール方向アセンブリ５３１は、第１リンクを含んでおり、（モータのロータ等の）ロール方向アクチュエータ５１１の回転要素を第１のリンクに連結するような１つ以上のギヤ（すなわち、ギヤ比５４５を有する）を介して相互接続しており、それによって、第１リンクは、ロール方向アクチュエータ５１１の作動によってその経度方向軸線周りに制御可能に回転される。
【0032】
器具マニピュレータ（例えば、カメラマニピュレータ２１２）は、手首連結５５０を介して作動する手首アクチュエータ５１２，５１３と、手首アセンブリ（例えば、関節式カメラ２１１の手首アセンブリ３２７）のピッチ及びヨー方向継手５３２，５３３とを含んでおり、それによって、器具先端（例えば、カメラ先端３１１）を、手首アセンブリに対して上下方向（すなわち、ピッチ方向）や左右方向（すなわち、ヨー方向）に制御可能に旋回させる。把持アセンブリ５７０は、エンドエフェクタ（例えば、外科用ツール２３１のエンドエフェクタ３３１）を含んでおり、把持アクチュエータ５６０をこのエンドエフェクタに連結するような１つ以上のギヤ（すなわち、ギヤ比５５５を有する）を介して相互接続し、それによって、エンドエフェクタを制御可能に作動させる。
【0033】
器具継手５００のグループは、これら継手の組み合わせを作動させることによって、器具の手首アセンブリが、必要に応じて円弧補間を用いた３次元空間内で平行移動するように位置付けすることができるので、「並継手（translational joints）」と称される。器具継手５１０のグループは、これらの継手を作動させることによって、器具の先端が、手首アセンブリの周りに向き合せされるので、「向合せ継手（orientational joints）」と称される。
【0034】
様々な段階において、医療処置の実施前に、実施中に、及び実施後に、関節器具２１１，２３１，２４１が、その時点で実施されるタスを最も良く達成するための好適な姿勢が存在する。例えば、図３及び図４に示されるように、通常動作中に、各外科用ツール２３１，２４１の好適な姿勢は、他の器具との不注意の衝突の可能性を最小限に留めながら、良好な動作範囲を提供するような「肘を外側に向け（elbow out）、手首を内側に向ける（wrist in）」姿勢とすることができる。同様に、図３及び図４に示されるように、通常動作中に、カメラ機器２１１の好適な姿勢は、外科用器具２３１，２４１のエンドエフェクタ３３１，３４１の良好なビューが、カメラの撮像端部に提供されるような「コブラ形状」の姿勢を取ってもよい。別の例として、器具を進入ガイド２００内に再び後退させてツール交換を行う場合（すなわち、器具やそのエンドエフェクタを別の器具やエンドエフェクタに交換する）や、或いは遠隔中心周りにその進入ガイドを旋回させることにより、進入ガイド２００を再向き合せすることが所望される場合に、進入ガイド２００内へ器具を後退させる前のその器具の好適な姿勢は、器具のリンクが図８に示されるように直線状に整列するような「真っ直ぐな」姿勢である。
【0035】
図６には、例として、カメラ機器コントローラ（CTRLC）２１３のブロック図が示されており、このコントローラ２１３は、入力装置１０８が、図１を参照して以前説明したように、マルチプレクサ２８０を介してカメラ機器２１１に選択的に関連付けられるときに、外科医による入力装置１０８の移動について命令されるように関節式カメラ機器２１１の姿勢（すなわち、並進及び向合せの両方）を制御する。入力装置１０８は、複数の自由度の運動を容易にするように、継手によって接続された多数のリンクを含む。例えば、外科医／オペレータが、ある位置から別の位置に入力装置１０８を移動させる際に、入力装置１０８の継手に関連付けられたセンサは、サンプリング間隔におけるこのような移動を検知し（プロセッサ１０２の処理速度及びカメラ制御目的を最適にする）、継手空間でのこのようなサンプリングされた移動を示すデジタル情報６３１を入力処理ブロック６１０に提供する。
【0036】
入力処理ブロック６１０は、入力装置１０８の継手センサから受信した情報６３１を処理して、継手位置情報から継手速度を計算するとともに、ヤコビ行列及び周知の変換技術を使用する眼に関連する情報を使用して変換を実行することにより、外科医の目の位置に関連した基準フレーム（「眼基準フレーム」）に対する直交座標空間のカメラ機器２１１について、この受信した情報を対応する所望の位置及び速度に変換する。
【0037】
スケール及びオフセット処理ブロック６０１は、入力処理６１０から処理された情報６１１を受信し、スケール及びオフセット調整をこの情報に適用して、それによって、カメラ機器２１１の得られた移動、つまり、ディスプレイ画面１０４上に表示される画像が、自然に、入力装置１０８のオペレータによって予想されるように表示される。このスケール調整は、作業部位をビュー（視認する）ときにカメラ機器２１１のより正確な移動を可能にするために、カメラ機器２１１の小さな移動が、入力装置１０８のより大きな移動に対して所望される場合に有用である。また、オフセット調整は、外科医が入力装置１０８を操作してカメラ機器２１１に移動を命令し、その結果、その撮影された画像がディスプレイ画面１０４上にその時点で表示されるように、外科医の目に対して入力装置１０８を整列させるように適用される。
【0038】
シミュレート器具ブロック６０４は、命令された継手位置及び速度を制限する、逆運動学を用いて、カメラ機器２１１の命令された姿勢６２１を、直交座標空間からその継手空間に変換して、患者の組織又は他の部分との有害な接触を避けるように、物理的な制限やその他の拘束を回避し、且つ医療用ロボットシステム１００を用いて外科医によってその時点で実施される医療処置時のパフォーマンスを改善するために規定される仮想の拘束を適用する。具体的には、図９に示されるように、命令された姿勢６２１は、命令された姿勢６２１で仮想的拘束を実行して、修正後の命令された姿勢６２３を生成するような仮想障壁ロジック９０１（以下で図１５を参照してより詳細に説明する）によって修正される。逆運動学及び制限ブロック９０２は、次に、修正後の命令された姿勢６２３を器具直交座標空間から器具継手空間に変換し、継手位置及び／又は速度を、関節式カメラ機器２１１の継手に関連付けらた又は置かれた物理的な制限やその他の拘束に制限する。
【0039】
（カメラ機器２１１の各継手について命令された値を含む）シミュレートされた器具ブロック６０４の出力６２２は、継手制御ブロック６０５及び順方向運動学ブロック６０６に提供される。継手制御ブロック６０５は、カメラ機器２１１の各制御された継手（又は「段付継手」等の動作可能に連結された継手）についての継手制御システムを含む。フィードバック制御を目的として、カメラ機器２１１の各制御された継手に関連するセンサは、カメラ機器２１１の各継手の現在の位置及び／又は速度を示す継手制御ブロック６０５にセンサデータ６３２を再び提供する。センサは、直接的に（例えば、カメラ機器２１１上の継手から）又は間接的に（例えば、継手を駆動するカメラマニピュレータ２１２のアクチュエータから）継手情報を感知する。継手制御ブロック６０５内の各継手制御システムは、次に、従来のフィードバック制御システムのように、命令された継手の値と感知された継手の値との間の差をゼロになるように駆動させるために、カメラマニピュレータ２１２のそれぞれのアクチュエータについてトルク命令６３３を生成する。
【0040】
順方向運動学ブロック６０６は、シミュレートされた器具ブロック６０４の出力６２２を、カメラ機器の継手空間から、カメラ機器２１１の順方向運動学を使用して眼基準フレームに対する直交座標空間に再び変換する。順方向運動学ブロック６０６の出力６４１を、スケール及びオフセット処理ブロック６０１に提供するだけでなく、その内部計算の目的のためにシミュレートされた器具ブロック６０４にも再び提供する。
【0041】
スケール及びオフセット処理ブロック６０１は、エラー値がその出力６１１と入力６１２との間で計算される場合に、その出力６１２を入力処理ブロック６１０に渡す前に、順方向運動学ブロック６０６の出力６４１で逆スケール及びオフセット関数を実行する。制限又は他の拘束がシミュレートされた器具ブロック６０４に対して入力６２１に与えられない場合に、次に、計算されるエラー値は、ゼロとなる。これに対して、制限又は拘束が与えられた場合には、このエラー値はゼロではなく、その出力は、外科医の手によって感じ取られる力フィードバックを提供するように入力装置１０８内のアクチュエータを駆動させるトルク命令６３４に変換される。こうして、外科医は、入力装置１０８の移動がその移動方向で抵抗を受けるように感じる力によって与えられる制限又は拘束を認識するようになる。
【0042】
姿勢微調整ブロック６２５は、コントローラ２１３に含められ、入力処理ブロック６１０に提供される微調整力命令６２７を生成する。この力命令は、入力処理ブロック６１０は、次に微調整力命令６２７をモータトルクに変換し、それによって、命令された微調整力は、カメラ機器２１１の姿勢が、姿勢データ６２６に提供された好適な姿勢を取るような命令をするように外科医に促す態様で、入力装置１０８の外科医によって感じ取られる。
【0043】
カメラ機器２１１について、少なくとも２つの好適な姿勢が存在する。通常動作モード中に、例えば外科医が患者に医療処置を実施しているときに、カメラ機器２１１の好適な姿勢は、図３及び図４に示されるような「コブラ形状」の姿勢である。図３の「コブラ形状」の姿勢を見下ろすと、カメラ機器２１１の全てのリンク３２２，３２４，３２６は、第１のリンク３２２の長手方向軸線４０１に整列されており、それによって、それらリンクは、横方向運動の可能な最大範囲を有しており、カメラ機器２１１の主挿入方向に対する基準を提供する。さらに、段付継手３２３，３２５は、図４に示されるように「上方に揃え（joggle up）」られ、それによって、第３リンク３２６が、長手方向軸線４０１の上方のある距離に変位され、手首アセンブリ３２７は、カメラ先端３１１が、ある角度で下方に向き合せされるように負のピッチ角で回転され、それによって、カメラは、好適には、その時点で進入ガイド２００の先端を超えて延びるような器具２３１及び２４１のエンドエフェクタ３３１及び３４１について、作業空間の中心をビューする。この場合には、外科医は、好適には、長手方向軸線４０１に沿った入力／出力（I/O）方向において、カメラ２１１を前後に自由に移動させることができ、それによって、カメラ２１１は、それらエンドエフェクタが、使用中に進入ガイド２００の先端から離れて再び先端に向けて移動するときに、エンドエフェクタ３３１，３４１の良好なビューを得る。
【0044】
後退モードの際に、カメラ機器２１１の好適な姿勢は、「真っ直ぐな」姿勢である。図７及び図８には、それぞれ、「コブラ形状」姿勢及び「真っ直ぐな」姿勢のカメラ機器２１１の簡略化した側面図が示されている。「コブラ形状」姿勢から「真っ直ぐな」姿勢を変化するには、段付継手３２３，３２５は、リンク３２４が第１のリンク３２２の長手方向軸線４０１と整列するまで、そのリンク３２４を回転させる。リンク３２６は、段付継手３２２，３２５の動作によって第１リンクに対して常に平行であることから、リンク３２４が長手方向軸線４０１と整列する場合に、リンク３２６も、長手方向軸線４０１と整列される。なお、手首継手３２７は、カメラ先端の中心軸線が長手方向軸線４０１と整列するまで、そのカメラ先端３１１も回転させる。
【0045】
図１０には、例として、姿勢微調整ブロック６２５とこれに連結される姿勢データブロック６２６とのブロック図が示されている。この例では、姿勢データブロック６２６は、プロセッサ１０２にアクセス可能な不揮発性メモリに記憶されたデータを含む。カメラ機器２１１の記憶されたデータは、カメラ機器２１１の後退のために使用される「真っ直ぐな」姿勢１００１のデータと、カメラ機器２１１の通常動作モード運転中に使用される「コブラ形状」姿勢１００２のデータとを含む。
【0046】
姿勢微調整ブロック６２５は、後退モードの微調整ブロック１００３と、通常モードの微調整ブロック１００４と、加算ノード１００５とを有している。後退モードの微調整ブロック１００３及び通常モードの微調整ブロック１００４の主な特徴は、移行期間中に、一方からの微調整力命令が段階的に入力される間に、他方からの微調整力命令が段階的に停止されることである。後退モードの微調整ブロック１００３のより詳細な説明は、以下で図１２を参照して説明し、通常モードの微調整ブロック１００４のより詳細な説明は、図１３を参照して説明する。
【0047】
図１２には、例として、受信データを継続的に処理する後退モードの微調整ブロック１００３のブロック図が示されている。加算ノード１２０１は、好適な「真っ直ぐな」姿勢１００１（すなわち、カメラ機器２１１の後退構成）と、機器コントローラ２１３のシミュレートされた器具６０８ブロックの仮想障壁ロジック９０１によって生成された修正後の命令された姿勢（XSLV, VSLV）６２３との間の差（XERR, VERR）を計算する。本明細書で使用される場合に、用語「姿勢」は、器具の位置及び向きだけでなくそれらの位置及び回転速度の両方を意味する。そのため、命令された姿勢は、位置（XCMD）及び速度（VCMD）成分を両方とも含み、修正後の命令された姿勢は、位置（XSLV）及び速度（VSLV）成分を両方とも含み、好適な姿勢は、位置（XPP）及び速度（VPP）成分を両方とも含み、好適な姿勢と修正後の命令された姿勢との間の計算された差は、位置（XERR）及び速度（VERR）成分を両方とも含む。しかしながら、加算ノード１２０１で実行される計算では、好適な姿勢（VPP）の速度（VPP）成分は、全てゼロであると推定される。
【0048】
修正後の命令された姿勢（XSLV, VSLV）がどのように生成されるかを説明するために、仮想障壁ロジック９０１の例を、図１５を参照して説明する。ブロック１５０１では、ロジック９０１は、スケール及びオフセットブロック６２１から命令された姿勢（XCMD）を受信し、ブロック１５０２では、ロジック９０１は、この例では、カメラ機器２１１の第１リンク３２２の長手方向軸線４０１に沿った器具後退方向である第１方向における命令された姿勢６２１の投影を決定する。ブロック１５０３では、第１方向に沿った投影によって、カメラ機器２１１が仮想障壁位置を越えて移動するような命令がされたか否かの判定が行われる。この場合に、仮想障壁位置は、進入ガイド２００の先端から閾値距離にある、或いは安全マージンを含んだ距離にあるような長手方向軸線４０１に沿った位置にある。米国特許出願公開第２０１１／００４０３０５号Ａ１に説明されるように、安全マージンを取る目的は、その時点で物理的に収まらない構成になっている間に、強制的に関節器具２１１を再び進入ガイド２００内に押し込む場合に、進入ガイド２００及び関節器具２１１のいずれか又は両方に発生する損傷を防止することである。ブロック１５０３での判定がいいえ（NO）ならば、次に、仮想障壁ロジック９０１は、ブロック１５０１にジャンプして戻り、次の処理サイクルのデータを処理する。これに対して、ブロック１５０３の判定がはい（YES）であれば、次にブロック１５０４では、カメラ機器２１１の現在の姿勢が、その継手位置を感知し且つ順方向運動学を適用しているかを判定して、それらの対応する直交座標姿勢を決定する。ブロック１５０５では、次に、カメラ機器２１１の現在の姿勢が好適な姿勢（すなわち、この場合には「真っ直ぐな」姿勢）であるかどうかの判定が行われる。ブロック１５０５での判定がはい（YES）であれば、次に、仮想障壁ロジック９０１は、命令された姿勢（XCMD）を修正せず、ブロック１５０１にジャンプして戻って、次の処理サイクルのデータを処理する。これに対して、ブロック１５０５での判定がいいえ（NO）であれば、次に、命令された姿勢（XCMD）は、拘束として仮想障壁を適用することによって修正され、それによって、カメラ機器２１１は、第１方向への更なる移動が防止される。次に、この方法は、ブロック１５０１に戻って、次の処理サイクルのデータを処理するようにループする。こうして、カメラ機器２１１は、現在の姿勢が、カメラ機器２１１の好適な後退姿勢になるまで、このように、仮想障壁位置を越えて移動することを防止することができる。
【0049】
再び図１２すると、ブロック１２０２では、計算された差（XERR,VERR）の非微調整成分が除去される。具体的には、第１方向に沿った並進成分と先端３１０の周りのロール方向回転成分が除去される。それは、これらの成分のいずれも、好適な姿勢に影響を及ぼさないからである（すなわち、それらの成分の値に拘わらず、カメラ機器は図８に示されるような「真っ直ぐな」姿勢で配置される）。ブロック１２０３では、ブロック１２０２で生成された修正後の差（XERR’, VERR’）を変換して、入力装置１０８に適用される１つ又は複数の力をもたらすような力命令を生成し、それによって、カメラ器具２１１に好適な姿勢を取らせるような命令をするように外科医を促す。好ましくは、このような力命令は、入力装置１０８の対応する自由度に適用されるような６自由度の粘弾性の力である。
【0050】
力変換ブロック１２０３の例を、比例−微分（PD）開ループシステムのブロック図で１４に示す。このPDシステムでは、修正後の位置の差（XERR’）を位置ゲイン（KP）１４０１によって乗算し、リミッタ１４０２によって第１の飽和値（SATP）に制限して、第１力命令の寄与を生成する。同時に、修正後の速度差（VERR’）を微分ゲイン（KD）１４０３によって乗算し、第２力命令の寄与を生成する。加算ノード１４０４は、第２及び第１力命令の寄与の間の差を計算し、リミッタ１４０５が、この差を第２の飽和値（SATF）に制限する。こうして、第２及び第１力命令の寄与の間の制限された差によって、好適な姿勢を取らせるような命令をするために、入力装置１０８を移動させるように外科医を微調整するような６自由度の直交座標の粘弾性の力が得られる。入力装置１０８のモータ上の命令されたモータトルクが最大定格値を超えないことを保証するように、第１及び第２の飽和値の値が選択される。
【0051】
再び図１２を参照すると、振幅変調器１２０７は、力変換ブロック１２０３によって生成された６自由度の直交座標の粘弾性の力を、図１１の曲線１１０１に類似する後退起動信号で変調する。後退起動信号を生成するために、加算ノード１２０４は、命令された姿勢（XCMD）と修正後の命令された姿勢（XSLV）の差を計算する、速度の寄与を無視して、変調係数生成器１２０５は、計算された差を使用して変調係数のストリームを生成し、及びローパスフィルタ１２０６は、変調係数のストリームをフィルタ処理する。
【0052】
後退モードの起動信号の生成の例が、図１６に示されるフロー図に提供されている。ブロック１６０１及び１６０２は、加算ノード１２０４によって実行される動作（アクション）を説明する。具体的には、ブロック１６０１では、命令された姿勢（XCMD）と修正後の命令された姿勢（XSLV）とが受信され、ブロック１６０２では、命令された姿勢（XCMD）と修正後の命令された姿勢（XSLV）との間の差が計算される。ブロック１６０３〜１６０７は、次に、変調係数生成器１２０５によって実行される動作を説明する。ブロック１６０３では、第１方向（すなわち、長手方向軸線４０１に沿った後退方向）の計算された差の投影が決定され、ブロック１６０４では、投影が閾値を超えるかどうかの判定が行われる。この場合に、閾値は、外科医が、実際にカメラ機器２１１を後退させるのを意図しており且つそれが手の震えからもたらされるような不注意アクションではないことを保証するのに十分な大きさとすべきである。ブロック１６０４の判定がはい（YES）である場合に、次にブロック１６０５では、現在の変調係数を整数値「１」に設定する。これに対して、ブロック１６０４の判定がいいえ（NO）である場合には、次にブロック１６０６では、現在の変調係数を整数値「０」に設定する。ブロック１６０７では、現在の変調係数は、次に、以前のプロセス期間で生成された変調係数のストリームに付加される。ブロック１６０８は、ローパスフィルタ１２０６によって実行される動作を説明する。具体的には、ブロック１６０８では、後退作動信号は、ローパスフィルタ１２０６を介して変調係数のストリームを通過させることによって生成され、プロセスは、次にブロック１６０１にジャンプして戻り、次の処理サイクルのデータを処理する。
【0053】
図１３には、例として、受信データを継続的に処理する通常モードの微調整ブロック１００４のブロック図が示されている。加算ノード１３０１は、好適な「コブラ形状」姿勢１００２（すなわち、カメラ機器２１１の通常モード構成）と、機器コントローラ２１３のシミュレートされた器具ブロック６０８の仮想障壁ロジック９０１によって生成される修正後の命令された姿勢６２３（XSLV, VSLV）との間の差（XERR, VERR）を計算する。
【0054】
ブロック１３０２では、計算された差（XERR, VERR）の非微調整成分が除去される。具体的には、第１方向に沿った並進成分と先端３１１周りのロール方向回転成分が除去される。これは、これらの成分のいずれも好適な姿勢に影響を及ぼさないからである（つまり、これら成分の値に拘わらず、カメラ機器は、図７に示されるような「コブラ形状」姿勢で配置される）。ブロック１３０３では、ブロック１３０２で生成された修正後の差（XERR’, VERR’）を変換して、入力装置１０８に適用される１つ以上の力をもたらすような力命令を生成し、それによって、カメラ器具２１１に好適な姿勢を取らせるような命令をするように外科医を促す。好ましくは、このような力命令は、入力装置１０８の対応する自由度に適用されるような６自由度の粘弾性の力であり、図１４を参照して以前説明したのと同様に生成される。
【0055】
振幅変調器１３０７は、力変換ブロック１３０３によって生成された６自由度の直交座標の粘弾性の力を、図１１の曲線１１０２に類似するような通常モードの解除信号を用いて変調する。通常モードの解除信号を生成するために、加算ノード１３０４は、命令された姿勢（XCMD）と修正後の命令された姿勢（XSLV）との差を計算し、速度の寄与を無視して、変調係数生成器１３０５は、この計算された差を用いて変調係数のストリームを生成し、及びローパスフィルタ１３０６は、変調係数のストリームをフィルタ処理する。
【0056】
通常モードの解除信号の生成の例が、図１７に示されるフロー図に提供される。ブロック１７０１及び１７０２は、加算ノード１３０４によって実行される動作（アクション）を説明する。具体的には、ブロック１７０１では、命令された姿勢（XCMD）と修正後の命令され姿勢（XSLV）とが受信され、ブロック１７０２では、命令された姿勢（XCMD）と修正後の命令された姿勢（XSLV）との間の差が計算される。ブロック１７０３〜１７０７は、次に、変調係数生成器１３０５によって実行される動作を説明する。ブロック１７０３では、第１方向（すなわち、長手方向軸線４０１に沿った後退方向）における計算された差の投影が決定され、ブロック１７０４では、投影が閾値を超えたか否かの判定が行われる。この場合に、閾値は、外科医がカメラ機器２１１を後退させるのを実際に意図しており且つ手の震えによる不注意アクションでないことを保証するように十分な大きさにすべきである。ブロック１７０４での判定がはい（YES）である場合に、次にブロック１７０５では、現在の変調係数を整数値「０」に設定する。これに対して、ブロック１７０４での判定がいいえ（NO）である場合に、次にブロック１７０６では、現在の変調係数を整数値「１」に設定する。変調係数値の割り当ては、後退起動信号の生成に用いられる割り当てとは反対であることに留意されたい。つまり、後退及び通常モードの起動信号の一方が段階的に入力される間に、他方が段階的に停止される。ブロック１７０７では、現在の変調係数が、その後、以前のプロセス期間で生成された変調係数のストリームに付加される。ブロック１７０８は、最終的に、ローパスフィルタ１３０６によって実行される動作を説明する。具体的に、ブロック１７０８では、通常動作の解除信号が、変調係数のストリームをローパスフィルタ１３０６に通過させることによって生成される。プロセスは、次にブロック１７０１にジャンプして戻り、次の処理サイクルのためのデータを処理する。
【0057】
後退モードの微調整ブロック１００３におけるローパスフィルタ１２０６及び通常モードの微調整ブロック１００４におけるローパスフィルタ１３０６の時定数は、好ましくは、図１１に示されるような移行期間中に、段階的な入力と段階的な停止とが一致するように同じにされる。ここで、時間「t（k）」は、ブロック１８０４及び１７０４における閾値の決定が、最初にはい（YES）の判定がもたらされる時間を表しており、時間「t（k - m）」は、ブロック１８０４及び１７０４における閾値の決定が、いいえ（NO）の判定が得られ場合の「t（k）」以前の時間を表しており、時間「t（k + m）」は、ブロック１８０４及び１７０４における閾値の決定が、依然としてはい（YES）の判定が得られる場合の「t（k）」後の時間を表している。
【0058】
図１８には、上記に詳細に説明したように、本発明の第１実施形態を要約するフロー図が示されている。ブロック１８０１では、その時点で、命令された姿勢（XCMD）が、この命令された姿勢を取るような関節器具に関連した入力装置から受信される。ブロック１８０２では、命令された姿勢は、（図１５を参照して説明されるように）仮想拘束を使用して修正される。ブロック１８０３〜１８０７では、入力装置のオペレータを微調整するように段階的に入力される第１力命令を生成して、（図１２を参照して説明したような）第１の（新しい）好適な姿勢を取らせるような命令をする一方、ブロック１８０８〜１８１２でも同時に、入力装置のオペレータを微調整するように段階的に停止される第２力命令を生成して、（図１３を参照して説明したような）第２の（現在の）好適な姿勢を取らせるような命令をする。ブロック１８１３では、第１及び第２力命令が入力装置に適用されて、それによって、最初に、入力装置のオペレータは、第２の好適な姿勢を取らせるような命令をするように促され、段階的な入力及び段階的な停止の移行期間の後に、そのオペレータは、第１の好適な姿勢を取らせるような命令をするように促される。
【0059】
図１９〜２１には、図１８を参照して説明する全てのブロックを含まないが、いくつかの様々な組み合わせを含む本発明の更なる実施形態が示されている。具体的に、図１９には、第１実施態様の変形である第２実施形態が示されている。ここで、命令された姿勢は、第１実施形態の他の全てのブロックを実行するが、ブロック１８０２を削除することによって、仮想拘束を用いて修正されない。図２０には、第１実施形態の変形である第３実施形態が示されている。ここで、第２の（現在の）好適な姿勢は、段階的に停止される力命令が存在しないので、修正後のブロック８１３を含む第１実施形態の他の全てのブロックを実行するが、ブロック８０８〜８１２を削除することによって、アクティブでなくなる。図２１には、第３実施形態の変形である第４実施形態が示されている。ここで、命令された姿勢は、第３実施形態の他の全てのブロックを実行するが、ブロック１８０２を削除することによって、仮想拘束を使用して修正されない。
【0060】
図２２〜２４には、以前説明した実施形態のいくつかを発展させた本発明のさらに他の実施形態が示されている。具体的には、以前の実施形態は、単一好適な姿勢が（移行期間外で）同時にアクティブであることを開示しているのに対し、図２２〜２４に示されている実施形態では、複数の好適な姿勢の実現性が、同時にアクティブにされ、アクティブな好適な姿勢は、１つ又はいくつかの姿勢が他の姿勢よりも支配的となるように重み付けされる。さらに、重み付けは、それぞれの重みを動的に変更することによって好適な姿勢が内外に移行することができるような追加の機構を提供する（例えば、「０」の重みから「１」の重みに徐々に変化させて対応する好適な姿勢を取るように段階的に入力する、その逆に、「１」の重みから「０」の重みに徐々に変化させて対応する好適な姿勢を取るように段階的に停止させる）。また、従来の実施形態は、異なる動作モード用の固定された好適な姿勢を開示しているのに対して、図２２〜２４に示した実施形態は、現在の又は命令された姿勢を取るような他の関節器具等のシステムデータに基づいて好適な姿勢を動的に変化させる実現性を企図している。例えば、カメラ機器２１１の好適な姿勢は、器具２３１，２４１のエンドエフェクタ３３１，３４１の姿勢が変化するように、動的に変更され、それによって、エンドエフェクタ３３１，３４１は、カメラ機器２１１の視野内に十分に位置付けされるように維持される。別の例として、各関節器具２１１，２３１，２４１の好適な姿勢は、関節器具２１１，２３１，２４１を用いる医療処置の実施中に、他の関節器具２１１，２３１，２４１との衝突を避けるために動的に変化する。
【0061】
図２２には、例えば、オペレータが命令して関節器具を移動させるような代替器具コントローラのブロック図が示されている。これはカメラコントローラ２１３についての例であるが、同じ一般構造を、医療用ロボットシステム１００の他の装置コントローラ２０３，２３３，２４３に用いることができることを理解されたい。機能ブロック６１０，６０１，６０５，６０６は、図６を参照して以前に説明したものと同様である。シミュレートされた器具の機能ブロック２２０４は、逆運動学及び制限に関して図６のブロック６０４と略同一であるが、異なる動作モード及び／又は好適な姿勢によって、修正後の命令された姿勢２２０５を生成するために、命令された姿勢６２１に与えられる仮想拘束に関して異なっていてもよい。同様に、姿勢微調整機能ブロック２２０１は、２つの姿勢微調整の寄与を加算することに関するブロック６２５と略同一であり、それぞれの起動信号に従って、第１の（新しい）好適な姿勢が段階的に入力される一方、第２の（現在の）好適な姿勢が、段階的に停止される。
【0062】
姿勢生成ブロック２２０２は、コントローラ２１３に含まれており、それによって、姿勢微調整ブロック２２０１に提供される１つ以上の好適な姿勢を動的に生成するだけでなく、適切なときに静止した好適な姿勢を通過させる。具体的に、姿勢データブロック６２６によって提供される静止した好適な姿勢は、通常通過するが、関節式カメラ機器２１１の好適な姿勢は、他の器具２３１，２４１の姿勢をその周りで変化させる条件として、静止した好適な姿勢から動的に変化させることができる。一例として、カメラ機器２１１の好適な姿勢は、器具２３１，２４１との衝突を回避するために、通常動作モード中に動的に変化しており、器具２３１，２４１が使用されて、こうして、その時点で移動して患者の解剖学的構造で医療処置を実施する。段階的に入力すべき１つ以上の好適な姿勢（図２３の好適な姿勢２３０１，２３０３，２３０５）及び段階的に停止すべき１つ以上の好適な姿勢（好適な姿勢２４０１，２４０３，２４０５）を動的に生成するために、姿勢生成器ブロック２２０２は、各好適な姿勢を動的に変更するために、システムの１つ以上の異なる状態関数を使用してもよい。この場合に、システム状態情報は、システムデータ２２０３によって提供される。一例として、システムデータ２２０３は、システム１００の他の器具２３１，２４１の命令された姿勢を含んでもよい。別の例として、システムデータ２２０３は、順方向運動学をそれらの感知された関節位置に適用することで決定されるような他の器具２３１，２４１の実際の姿勢を含んでもよい。
【0063】
姿勢微調整ブロック２２０１は、それぞれ微調整力を発生させるような「段階的な入力」及び「段階的な停止」微調整ブロックを含んでおり、これらは、図１０の後退モード及び通常モードの微調整ブロック１００３及び１００４に関して以前説明したような同様な方法で、入力装置１０８で段階的に入力され且つ段階的に停止されるようにされている。
【0064】
図２３には、例えば、「段階的な入力」微調整ブロックのブロック図が示されている。好適な姿勢は、複数の好適な姿勢（例えば、好適な姿勢２３０１，２３０３，２３０５）の加重平均によって生成されており、それによって、各好適な姿勢２３２０は、対応する重み（例えば、重み２３０２，２３０４，２３０６）によって乗算されて、「１」に等しい重み付けの合計を有する。重みは、固定値であってもよく、又は好適な姿勢の１つ以上が、異なる時間で、異なる動作モードで、又は別のシステム条件下で支配的となるような動的な値であってもよい。好適な姿勢２３２０と修正後の命令された姿勢２２０５との間の差が、加算ノード２３１４によって計算される。非微調整成分の差が、ブロック２３１５で除去され、この結果が、図１２のブロック１２０３を参照して説明したような力命令を生成するような力変換ブロック２３１６に提供される。段階的に入力される起動信号が、図１１の後退モードの起動信号１１０１に類似するように、段階的な入力信号生成ブロック２３１７によって生成される。入力装置１０８に段階的に入力されるような振幅変調された力命令は、振幅変調器２３１８によって、次に力変換ブロック２３１６によって生成された力命令を段階的に入力される起動信号で振幅変調することによって生成される。
【0065】
同様の構成を用いて、図２４には、例えば、「段階的な停止」微調整ブロックのブロック図が示されている。この場合に、好適な姿勢２４２０は、複数の好適な姿勢（例えば、好適な姿勢２４０１，２４０３，２４０５）の加重平均によって生成され、それによって、各好適な姿勢は、対応する重み（例えば、重み２４０２，２４０４，２４０６）によって乗算されて、「１」に等しい重み付けの合計を有する。重みは、固定値であってもよく、又は好適な姿勢の１つ以上が、異なる時間で、異なる動作モードで、又は別のシステム条件下で支配的となるような好適な動的な値であってもよい。好適な姿勢２４２０と修正後の命令された姿勢２２０５との間の差が、加算ノード２４１４によって計算される。非微調整成分の差が、ブロック２４１５で除去され、この結果が、図１２のブロック１２０３を参照して説明したような力命令を生成する力変換ブロック２４１６に提供される。段階的に停止させる起動信号が、図１１の通常モードの起動信号１１０２に類似するように、段階的な停止信号生成ブロック２４１７によって生成される。入力装置１０８に提供され且つ段階的に停止されるような振幅変調された力命令は、振幅変調器２４１８によって、次に力変換ブロック２４１６によって生成された力命令を段階的に停止される起動信号で振幅変調することによって生成される。
【0066】
本明細書で説明した実施形態に加えて、他の実施形態は、種々の実施形態の教示の様々な組合せを介して、本発明の範囲内にあることが完全に企図され且つそのように考えられると理解すべきである。具体的には、本発明の様々な態様を、好適な実施形態及び代替実施形態に関して説明してきたが、本発明は、添付の特許請求の範囲の全範囲内の完全な保護を受ける権利を有することを理解されたい。