▶ 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の特許一覧
(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】
(24)【登録日】2021-12-27
(45)【発行日】2022-01-19
(54)【発明の名称】力又はトルク限界補償のためのシステム及び方法
(51)【国際特許分類】
A61B 34/30 20160101AFI20220112BHJP
A61B 17/295 20060101ALI20220112BHJP
A61B 1/018 20060101ALI20220112BHJP
【ＦＩ】
A61B34/30
A61B17/295
A61B1/018 515
【請求項の数】
15
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2019232237
(22)【出願日】2019-12-24
(62)【分割の表示】P 2017558400の分割
【原出願日】2016-05-13
(65)【公開番号】P2020044407
(43)【公開日】2020-03-26
【審査請求日】2020-01-15
(31)【優先権主張番号】62/162,239
(32)【優先日】2015-05-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(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】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】ウー，メロディー
(72)【発明者】
【氏名】ウェイアー，デイヴィッド ダブリュ
【審査官】北村 龍平
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２００５９６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－０２３９５０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｂ ３４／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
コンピュータ支援医療デバイスと共に使用する手術器具の作動方法であって、１以上のプロセッサが、ある自由度における前記手術器具の現在の位置を決定すること、
前記１以上のプロセッサが、前記現在の位置と、前記自由度における前記手術器具の一連の位置を１以上の力限界調整又は１以上のトルク限界調整にマッピングする補償モデルとに基づいて、１以上の力限界に対する１以上の調整又は１以上のトルク限界に対する１以上の調整を決定すること、
前記１以上のプロセッサが、前記１以上の力限界に対する前記１以上の調整に基づいて、前記１以上の力限界を調整すること、又は前記１以上のプロセッサが、前記１以上のトルク限界に対する前記１以上の調整に基づいて、前記１以上のトルク限界を調整すること、及び
前記１以上のプロセッサが、駆動ユニットを用いて前記自由度において前記手術器具を移動させることを含み、前記駆動ユニットの作動の力又はトルクは、前記１以上の力限界又は前記１以上のトルク限界に従って制限される、
作動方法。
【請求項2】
前記自由度において前記手術器具を移動させることは、前記手術器具のエンドエフェクタの把持ジョーの間の角度を変更すること、又は
前記エンドエフェクタの切断ブレードの延出の量を変更することを含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項3】
前記自由度において前記手術器具を移動させることは、エンドエフェクタを前記手術器具に連結する関節作動リストの曲げ角度を変更することを更に含む、請求項１に記載の作動方法。
【請求項4】
前記１以上の力限界又は前記１以上のトルク限界は、前記自由度において前記手術器具を移動させるために適用され得る最大の力又はトルクと関連付けられる上限を含む、請求項１に記載の作動方法。
【請求項5】
前記１以上の力限界又は前記１以上のトルク限界は、前記自由度において前記手術器具を移動させるために適用され得る力又はトルクの範囲を特定する、上限及び下限を含む、請求項１に記載の作動方法。
【請求項6】
前記現在の位置を決定することは、前記駆動ユニットで前記現在の位置を測定することを含む、請求項１に記載の作動方法。
【請求項7】
前記補償モデルは、補償曲線を含む、請求項１に記載の作動方法。
【請求項8】
前記補償曲線は、前記補償曲線が第１の傾斜を有する移行領域と、
前記補償曲線が前記第１の傾斜よりも小さい第２の傾斜を有する作動領域と、
前記補償曲線が最大値を有する飽和領域とを含む、
請求項７に記載の作動方法。
【請求項9】
前記補償曲線は、前記補償曲線がゼロ値を有する始動領域を更に含む、請求項８に記載の作動方法。
【請求項10】
前記補償曲線は、ヒステリシスを含む、請求項７に記載の作動方法。
【請求項11】
前記補償曲線は、前記自由度のホーム位置について対称的である、請求項７に記載の作動方法。
【請求項12】
前記補償モデルは、自由度位置と前記力限界調整又はトルク限界調整との間の補償曲線の領域境界を反映する一連の制御地点のルックアップ表を含む、請求項１に記載の作動方法。
【請求項13】
前記１以上の力限界に対する前記１以上の調整又は前記１以上のトルク限界に対する前記１以上の調整を決定することは、前記ルックアップ表及び補間を用いて、前記現在の位置に基づいて、前記１以上の力限界に対する１以上の調整又は前記１以上のトルク限界に対する１以上の調整を決定することを含む、請求項１２に記載の作動方法。
【請求項14】
前記１以上の力限界に対する１以上の調整又は前記１以上のトルク限界に対する１以上の調整は、前記自由度において前記手術器具に適用される拘束力若しくはトルク又はホーム復帰力若しくはトルクを補償する、請求項１に記載の作動方法。
【請求項15】
前記１以上の力限界又は前記１以上のトルク限界を調整することは、前記１以上の力限界に対する１以上の調整を前記１以上の力限界に加えること、又は前記１以上のトルク限界に対する１以上の調整を前記１以上のトルク限界に加えることを含む、請求項１に記載の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の参照）
この特許出願は、２０１５年５月１５日に出願された「SYSTEM AND METHOD FOR FORCE OR TORQUE LIMIT COMPENSATION」という名称の米国仮特許出願第６２／１６２，２３９号の優先権及び利益を主張し、その全文を本明細書中に参照として援用する。
この特許出願は、２０１５年５月１５日に出願された「SYSTEM AND METHOD FOR FORCE OR TORQUE LIMIT COMPENSATION」という名称の米国仮特許出願第６２／１６２，２３９号の優先権及び利益を主張し、その全文を本明細書中に参照として援用する。
【0002】
本開示は、一般的には、関節作動アームとエンドエフェクタとを備えるデバイスの操作(operation)に関し、より具体的には、エンドエフェクタにおける力又はトルク限界補償に関する。
【背景技術】
【0003】
ますます多くのデバイスが自律型及び半自律型の電子デバイスに取って代わられている。これは手術室、介入室、集中治療室、救急室などに見られる自律型及び半自律型電子デバイス装置の大規模アレイを備える今日の病院に特に当て嵌まる。例えば、ガラス及び水銀体温計は、電子体温計に取って代わられており、静脈内点滴ラインは、現在のところ電子モニタ及び流量調整器を含み、従来的な手持ち式の手術器具は、コンピュータ支援医療デバイスに取って代わられている。
【0004】
コンピュータ支援医療デバイスを用いる最小侵襲性外科技術は、一般的に、健康な組織への損傷を最小限に抑えながら、外科処置及び／又は他の処置を行うことを試みる。幾つかの最小侵襲性処置は、手術器具を備えるコンピュータ支援医療デバイスの使用を通じて遠隔に実行されることがある。多くのコンピュータ支援医療デバイスでは、外科医及び／又は他の医療従事者は、典型的には、操作者コンソール上の１以上（１つ又はそれよりも多く）の制御装置を用いて入力デバイスを操作することがある。外科医及び／又は他の医療従事者が操作者コンソールで様々な制御装置を操作すると、命令は操作者コンソールから患者側デバイスに中継され、患者側デバイスには、１以上のエンドエフェクタ及び／又は手術器具が取り付けられている。このようにして、外科医及び／又は他の医療従事者は、エンドエフェクタ及び／又は手術器具を用いて患者に対して１以上の処置を行うことができる。所望の処置及び／又は使用中の手術器具に依存して、所望の処置は、部分的に又は全体的に、遠隔操作を用いる外科医及び／又は医療従事者の制御の下で、並びに／或いは、手術器具が外科医及び／又は他の医療従事者による１以上のアクティブ化行為に基づき一連の操作を行うことがある半自律的な制御の下で、行われることがある。
【0005】
手動で作動させられるにしろ、遠隔操作で作動させられるにしろ、及び／又は半自律的に作動させられるにしろ、最小侵襲性外科器具は、様々な操作及び／又は処置において用いられることがあり、様々な構成を有することがある。多くのそのような器具は、関節作動アームの遠位端に取り付けられることがあるシャフトの遠位端に取り付けられるエンドエフェクタを含む。多くの手術シナリオにおいて、シャフトは、遠隔手術部位に到達するよう、開口（例えば、体壁切開部、自然開口部、及び／又は同等物）を通じて（例えば、腹腔鏡下で、胸腔鏡下で、及び／又は同等物の下で）挿入されるように構成されてよい。幾つかの器具では、関節作動リスト機構を器具のシャフトの遠位端に取り付けて、シャフトの長手軸に対するエンドエフェクタの向きを変更する能力をもたらす関節作動リストでエンドエフェクタを支持する。
【0006】
外科医及び／又は他の医療従事者が様々な外科処置のいずれかを実行するのを可能にするよう、異なるタスク、処置、及び機能を実行するために、異なる設計及び／又は構成のエンドエフェクタが用いられてよい。例は、焼灼、切除、縫合、切断、ステープル留め、融合、封止など、及び／又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。従って、エンドエフェクタは、これらの外科処置を実行する様々なコンポーネント及び／又はコンポーネントの組み合せを含み得る。
【0007】
最小侵襲性の処置の目標と一致して、エンドエフェクタの大きさは、典型的に、エンドエフェクタがその意図されるタスクを実行するのを依然として可能にしながら、可能な限り小さく維持される。エンドエフェクタの大きさを小さく維持する１つのアプローチは、患者の外部に典型的に位置する手術器具の近位端での１以上の入力の使用を通じてエンドエフェクタの作動を達成することである。次に、様々なギア、レバー、プーリ、ケーブル、ロッド、バンド、及び／又は同等物を用いて、手術器具のシャフトに沿って１以上の入力から行為を伝達し、エンドエフェクタを作動させてよい。適切な手術器具を備えるコンピュータ支援医療デバイスの場合、器具の近位端にある伝動機構は、患者側デバイス又は患者側カートの関節作動アームに設けられる、様々なモータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、水力学(hydraulics)、空気力学(pneumatics)、及び／又は同等物とインターフェース接続する。モータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、水力学、空気力学、及び／又は同等物は、典型的には、マスターコントローラを通じて制御信号を受信し、伝動機構の近位端で力及び／又はトルクの形態の入力を提供し、様々なギア、レバー、プーリ、ケーブル、ロッド、バンド、及び／又は同等物は、最終的に入力を伝達して、伝動機構の遠位端でエンドエフェクタを作動させる。
【0008】
エンドエフェクタの自由度のうちの１以上は、能動的な作動がない場合に１以上の自由度が戻ることが期待される初期又はホーム位置を備えて構成されることが、しばしば望ましい。幾つかの例において、安全性の懸念は、切断ブレードが用いられていないときに、エンドエフェクタの鋭利な切断ブレードが被覆された及び／又は格納されたホーム位置に戻されるよう命じる場合があることである。これはエンドエフェクタを取り扱う患者及び／又は医療従事者の組織が切断ブレードによって誤って切断される可能性を減少させることがある。幾つかの例では、自由度のうちの他のものが、他の設計及び／又は安全性の懸念を満たすホーム位置を有することがある。幾つかの例において、手術器具及び／又はエンドエフェクタは、力及び／又はトルクを自由度に適用して自由度をホーム位置に戻す拘束及び／又はホーム復帰機構を備えて構成されてよい。幾つかの例において、この拘束及び／又はホーム復帰機構は、エンドエフェクタの使用に否定的な影響を及ぼすことがある。何故ならば、拘束及び／又はホーム復帰機構は、それぞれの自由度を所望に作動させるために克服されなければならないからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
従って、切断器具のような手術器具の操作のための改良された方法及びシステムが望ましい。幾つかの例では、ホーム復帰機能をサポートする拘束及び／又はホーム復帰機構を含むが、他の点において手術器具の使用に否定的な影響を及ぼさないことが望ましい場合がある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
幾つかの実施形態と一致して、コンピュータ支援医療デバイスと共に用いる手術器具が、器具の遠位端に配置されるエンドエフェクタと、器具の自由度を作動させる駆動ユニットと、駆動ユニットに連結されるシャフトと、駆動ユニットからの力又はトルクをエンドエフェクタ及び関節作動リストに結合するためのシャフト内の１以上（１つ又はそれよりも多く）の駆動機構とを含む。自由度を制御するために、器具は、自由度の現在の位置を決定し、現在の位置に基づき力又はトルク限界補償を決定し、力又はトルク限界補償に基づき１以上の力又はトルク限界を変更し、且つ１以上の力又はトルク限界に晒される自由度を調節するように構成される。
【0011】
幾つかの実施形態と一致して、コンピュータ支援医療デバイスと共に用いる手術器具を作動させる方法が、手術器具の自由度の現在の位置を決定すること、現在の位置に基づき力又はトルク限界補償を決定すること、力又はトルク限界補償に基づき１以上の力又はトルク限界を変更すること、並びに１以上の力又はトルク限界に晒される自由度を調節することを含む。
【0012】
幾つかの実施形態と一致して、非一時的な機械可読媒体が、コンピュータ支援医療デバイスと関連付けられる１以上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実行させるように構成される、複数の機械可読指令を含む。方法は、コンピュータ支援医療デバイスによって作動される手術器具の自由度の現在の位置を決定すること、現在の位置に基づき力又はトルク限界補償を決定すること、力又はトルク限界補償に基づき１以上の力又トルク限界を変更すること、並びに１以上の力又トルク限界に晒される自由度を調節することを含む。
【0013】
幾つかの実施形態と一致して、コンピュータ支援医療デバイスが、１以上のプロセッサと、関節作動アームと、関節作動アームの遠位端に連結される手術器具とを含む。手術器具は、手術器具の遠位端に配置されるエンドエフェクタと、手術器具の自由度を作動させるために手術器具の近位端に配置される駆動ユニットと、駆動ユニットに連結されるシャフトと、駆動ユニットからの力又はトルクをエンドエフェクタ及び関節作動リストに結合するためのシャフト内の１以上の駆動機構とを含む。コンピュータ支援医療デバイスは、自由度の現在の位置を決定し、現在の位置に基づき力又はトルク限界補償を決定し、力又はトルク限界補償に基づき１以上の力又トルク限界を変更し、且つ１以上の力又はトルク限界に晒される自由度を調節するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】幾つかの実施形態に従ったコンピュータ支援システムの簡略図である。
【0015】
【図2】幾つかの実施形態に従った最小侵襲性の手術器具を示す簡略図である。
【0016】
【0017】
【0018】
【図5】幾つかの実施形態に従った自由度についての駆動ユニットの簡略化された斜視図である。
【0019】
【図6】幾つかの実施形態に従ったトルク限界補償モデルの簡略図である。
【0020】
【0021】
【図8】幾つかの実施形態に従ったトルク限界補償の方法の簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
図において、同一の記号表示を有する要素は、同一又は類似の機能を有する。
【0023】
以下の記述では、本開示と一致する幾つかの実施形態を記載する具体的な詳細を示す。しかしながら、幾つかの実施形態はこれらの具体的な詳細の一部又は全部なしで実施されてよいことが当業者に明らかであろう。本明細書に開示する具体的な実施形態は例示的であることを意図し、限定的であることを意図しない。当業者は、本明細書で具体的に記載されていなくても、他の要素が本開示の範囲及び精神内にあることを認識することがある。加えて、不必要な繰返しを避けるために、１つの実施形態に関連して示し且つ記載する１以上の構成は、他のことが特に記載されていない限り或いは１以上の構成が実施形態を機能しないようにさせない限り、他の実施形態に組み込まれてよい。
【0024】
図１は、幾つかの実施形態に従ったコンピュータ支援システム１００の簡略図である。図１に示すように、コンピュータ支援システム１００は、１以上（１つ又はそれよりも多く）の可動又は関節作動アーム１２０(articulated arms)を備えたコンピュータ支援デバイス１１０を含む。１以上の関節作動アーム１２０の各々は、１以上の器具１３０を支持してよい。幾つかの例において、コンピュータ支援デバイス１１０は、コンピュータ支援手術デバイスと一致してよい。１以上の関節作動アーム１２０は、それぞれ、手術器具、撮像デバイス、及び／又は同等物のような、医療器具１３０のための支持をもたらしてよい。幾つかの例において、器具１３０は、実行(performing)、把持(gripping)、(retracting)、焼灼(cauterizing)、切除(ablating)、縫合(suturing)、切断(cutting)、ステープル留め(stapling)、融合(fusing)、封止(sealing)など、及び／又はこれらの組み合わせを行うことができる、エンドエフェクタを含んでよい。
【0025】
コンピュータ支援デバイス１１０は、操作者ワークステーション（図示せず）に更に連結されてよく、操作者ワークステーションは、コンピュータ支援デバイス１１０、１以上の関節作動アーム１２０及び／又は器具１３０を作動させる、１以上のマスターコントロール（主制御装置）を含んでよい。幾つかの例において、１以上のマスターコントロールは、マスターマニピュレータ、レバー、ペダル、スイッチ、キー、ノブ、トリガ、及び／又は同等物を含んでよい。幾つかの実施形態において、コンピュータ支援デバイス１１０及び操作者ワークステーションは、Sunnyvale, CaliforniaのIntuitive Surgical, Inc.によって市販されているda Vinci（登録商標）Surgical Systemに対応してよい。幾つかの実施形態では、他の構成、より少ない若しくはより多い関節作動アーム、及び／又は同等物を備える、コンピュータ支援手術デバイスが、コンピュータ支援システム１００と共に用いられてよい。
【0026】
コンピュータ支援装置１１０は、インターフェースを介して制御ユニット１４０に連結される。インターフェースは、１以上のケーブル、ファイバ、コネクタ、及び／又はバスを含んでよく、１以上のネットワークスイッチング及び／又はルーティングデバイスを備える１以上のネットワークを更に含んでよい。制御ユニット１４０は、メモリ１６０に連結されるプロセッサ１５０を含む。制御ユニット１４０の動作は、プロセッサ１５０によって制御される。制御ユニット１４０は、１つのプロセッサ１５０のみで示されているが、プロセッサ１５０は、制御ユニット内の１以上の中央処理装置、マルチコアプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＥＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及び／又は同等物の代表であってよい。制御ユニット１４０は、スタンドアローンサブシステム及び／又はコンピュータデバイスに追加されたボードとして或いは仮想マシンとして実施されてよい。幾つかの実施形態において、制御ユニット１４０は、操作者ワークステーションの部分として含められてよく、且つ／或いは操作者ワークステーションと別個であるが操作者ワークステーションと協調して作動させられてよい。
【0027】
メモリ１６０は、制御ユニット１４０によって実行されるソフトウェア及び／又は制御ユニット１４０の動作中に用いられる１以上のデータ構造を格納するために用いられてよい。メモリ１６０は、１以上の種類の機械可読媒体を含んでよい。機械可読媒体の幾つかの一般的な形態は、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔のパターンを備える任意の他の物理的媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ若しくはカートリッジ、及び／又はプロセッサ若しくはコンピュータが読み出すように構成される任意の他の媒体を含んでよい。
【0028】
図１に示すように、メモリ１６０は、コンピュータ支援デバイス１１０の自律的な、半自律的な、及び／又は遠隔操作された制御をサポートするために用いられてよい制御アプリケーション１７０を含む。制御アプリケーション１７０は、コンピュータ支援装置１１０、関節作動アーム１２０、及び／又は器具１３０から位置、動き、力、トルク、及び／又は他のセンサ情報を受信し、位置、動き、力、トルク、及び／又は衝突回避情報を他のデバイスに関する他の制御ユニットと交換し、且つ／或いは、コンピュータ支援デバイス１１０、関節作動アーム１２０、及び／又は器具１３０の動き計画し且つ／或いは計画を支援するために、１以上のアプリケーションプログラミングインタフェース（ＡＰＩ）を含んでよい。幾つかの例において、制御アプリケーション１７０は、外科処置中の器具１３０の自律的な、半自律的な、及び／又は遠隔操作される制御を更にサポートしてよい。制御アプリケーション１７０は、ソフトウェアアプリケーションとして示されているが、制御アプリケーション１７０は、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを用いて実装されてよい。
【0029】
幾つかの実施形態において、コンピュータ支援システム１００は、手術室及び／又は介入室内に見出されることがある。コンピュータ支援システム１００は、２つの関節作動アーム１２０及び対応する器具１３０を備える１つだけのコンピュータ支援デバイス１１０を含むが、当業者は、コンピュータ支援システム１００がコンピュータ支援デバイス１１０と類似の及び／又は異なる設計の関節作動アーム及び／又は器具を備える任意の数のコンピュータ支援デバイスを含んでよいことを理解するだろう。幾つかの例において、コンピュータ支援デバイスの各々は、より少ない又はより多い関節作動アーム及び／又は器具を含んでよい。
【0030】
図２は、幾つかの実施形態に従った最小侵襲性の手術器具２００を示す簡略図である。幾つかの実施形態において、手術器具２００は、図１の器具１３０のいずれかと一致してよい。本明細書で用いられる図２に描くような「近位」(“proximal”)及び「遠位」(“distal”)という方向は、手術器具２００のコンポーネントの相対的な向き及び場所を記載するのに役立つ。遠位は、一般的に、コンピュータ支援デバイス１１０のようなコンピュータ支援デバイスの基部（ベース）からの運動学的連鎖に沿って離れる方向における及び／又は手術器具２００の意図される操作的使用において手術作業部位に最も近い要素を指す。近位は、一般的に、コンピュータ支援デバイスの基部及び／又はコンピュータ支援デバイスの関節作動アームの１つに向かう運動学的連鎖に沿うより近い方向における要素を指す。
【0031】
図２に示すように、手術器具２００は、長いシャフト２１０を含み、シャフト２１０は、シャフト２１０の遠位端に配置されるエンドエフェクタ２２０を、手術器具２００がシャフト２１０の近位端で関節作動アーム及び／又はコンピュータ支援デバイスに取り付けられる場所に連結するために用いられる。手術器具２００を用いる特定の手順に依存して、シャフト２１０は、エンドエフェクタ２２０を患者の解剖学的構造内に位置する遠隔手術部位の近傍に配置するために、開口（例えば、体壁切開部、自然開口部、及び／又は同等のもの）を通じて挿入されてよい。図２に更に示すように、エンドエフェクタ２２０は、２つのジョー付きグリッパ型のエンドエフェクタと概ね一致しており、幾つかの実施形態では、図３及び４Ａ乃至図４Ｃに関して以下に更に詳細に記載するように、切断及び／又は融合若しくは封止機構を更に含んでよい。しかしながら、当業者は、異なるエンドエフェクタ２２０を備える異なる手術器具２００が可能であり、本明細書の他の箇所に記載するような手術器具２００の実施形態と一致してよいことを理解するであろう。
【0032】
エンドエフェクタ２２０を備える手術器具２００のような手術器具は、典型的には、その動作中に多数の自由度（ＤＯＦ）に依存する。手術器具２００及び関節作動アーム及び／又はそれが取り付けられるコンピュータ支援デバイスの構成に依存して、エンドエフェクタ２２０を位置付け、方向付け、且つ／或いは作動させるために用いられてよい様々なＤＯＦが可能である。幾つかの例では、シャフト２１０を遠位方向に挿入し且つ／或いは近位方向に後退させて、そのエンドエフェクタ２２０が患者の解剖学的構造内にどれぐらい深く配置されるかを制御するために用いられてよい挿入ＤＯＦを提供してよい。幾つかの例では、シャフト２１０をその長手軸について回転させて、エンドエフェクタ２２０を回転させるために用いられてよいロールＤＯＦを提供してよい。幾つかの例では、エンドエフェクタの位置及び／又は向きにおける追加的なフレキシビリティ（柔軟性）が、エンドエフェクタ２２０をシャフト２１０の遠位端に連結するために用いられる関節作動リスト２３０(articulated wrist)によって提供されてよい。幾つかの例において、関節作動リスト２３０は、シャフト２１０の長手軸に対するエンドエフェクタ２２０の向きを制御するために用いられてよい（複数の）「ロール」(“roll”)、「ピッチ」(“pitch”)、及び「ヨー」(“yaw”)ＤＯＦをそれぞれ提供することがある、１以上のロール、ピッチ、又はヨージョイント(joint)のような、１以上の回転するジョイント（関節）を含んでよい。幾つかの例において、１以上の回転ジョイントは、ピッチ及びヨージョイント、ロール、ピッチ、及びヨージョイント、ロール、ピッチ、及びロールジョイント、及び／又は同等物を含んでよい。幾つかの例において、エンドエフェクタ２２０は、エンドエフェクタ２２０のジョーの開閉を制御するために用いられるグリップＤＯＦ、及び／又は以下に更に詳細に記載するような切断機構の延伸、収縮、及び作動を制御するために用いられる作動ＤＯＦを更に含んでよい。
【0033】
手術器具２００は、シャフト２１０の近位端に配置される駆動システム２４０を更に含む。駆動システム２４０は、手術器具２００によってサポートされる様々なＤＯＦを操作するために用いられてよい、手術器具２００に力及び／又はトルクを導入する１以上のコンポーネントを含む。幾つかの例において、駆動システム２４０は、図１の制御ユニット１４０のような制御ユニットから受信する信号に基づき作動させられる１以上のモータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ(hydraulic actuators)、空圧アクチュエータ(pneumatic actuators)、及び／又は同等物を含んでよい。幾つかの例において、信号は、１以上の電流、電圧、パルス幅変調波形、及び／又は同等物を含んでよい。幾つかの例において、駆動システム２４０は、手術器具２００を取り付ける関節作動アーム１２０のうちのいずれかのような関節作動アームの部分一部である、対応するモータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、水力学(hydraulics)、空気力学(pneumatics)、及び／又は同等物に連結されてよい、１以上のシャフト、ギア、プーリ、ロッド、バンド、及び／又は同等物を含んでよい。幾つかの例では、シャフト、ギア、プーリ、ロッド、バンド、及び／又は同等物のような、１以上の駆動入力を用いて、モータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、及び／又は同等物から力及び／又はトルクを受け取り、それらの力及び／又はトルクを適用して手術器具２００の様々なＤＯＦを調節してよい。
【0034】
幾つかの実施形態において、駆動システム２４０によって生成され且つ／或いは受け取られる力及び／又はトルクは、１以上の駆動機構２５０を用いて、駆動システム２４０から、シャフト２１０に沿って、駆動システム２４０の遠位に配置される手術器具２００の様々なジョイント及び／又は要素に伝達されてよい。幾つかの例において、１以上の駆動機構２５０は、１以上のギア、レバー、プーリ、ケーブル、ロッド、バンド、及び／又は同等物を含んでよい。幾つか例において、シャフト２１０は中空であり、駆動機構２５０は、シャフト２１０の内側に沿って、駆動システム２４０から、エンドエフェクタ２２０及び／又は関節作動リスト２３０の対応するＤＯＦに進む。幾つかの例において、駆動機構２５０の各々は、ボーデンケーブルのような構成において中空シース又は内腔の内側に配置されるケーブルであってよい。幾つかの例において、ケーブル及び／又は内腔の内側は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及び／又は同等物のような低摩擦被膜で被覆されてよい。幾つかの例では、ケーブルの各ケーブルの近位端が、例えば、キャプスタン又はシャフトの周りにケーブルを巻き付け且つ／或いは巻き戻すことによって、駆動システム２４０の内側に引っ張られ且つ／或いは押し込まれると、ケーブルの遠位端は相応して動いて、適切な力及び／又はトルクを適用して、エンドエフェクタ２２０、関節作動リスト２３０、及び／又は手術器具２００のＤＯＦのうちの１つを調節する。
【0035】
図３は、幾つか実施形態に従った手術器具２００の遠位端の簡略化された斜視図である。図３に示すように、手術器具２００の遠位端は、エンドエフェクタ２２０、関節作動リスト２３０、及び駆動機構２５０の追加的な詳細を示すために描かれている。より詳細には、エンドエフェクタ２２０は、開放位置において示された対向ジョー３１０を含む。ジョー３１０は、処置中にエンドエフェクタ２２０を用いて、組織及び／又は手術部位に配置される縫合糸のような他の構造を把持し且つ解放するよう、開放位置と閉塞位置との間で移動するように構成される。幾つかの例において、ジョー３１０は、両方のジョー３１０が同時に開放及び／又は閉塞する単一ユニットとして一緒に操作されてよい。幾つかの例では、例えば、他方のジョーが開放及び／又は閉塞されてよい間に一方のジョー３１０が安定的に保持され得るよう、ジョー３１０は独立して開放及び／又は閉塞されてよい。
【0036】
図３は、ジョー３１０の各ジョーの内側の把持面が、切断ブレード３３０のためのガイドとして機能することがある対応する溝３２０を含むことを示しているが、溝３２０は、ジョー３１０の１以上から省かれてよい。ブレード３３０がエンドエフェクタ２２０の遠位端に向かって延伸させられ且つ／或いはエンドエフェクタ２２０の近位端に向かって引っ込められると、溝３２０の各々は切断動作中に切断ブレード３３０の整列及び／又は位置決めを助けることがある。切断ブレード３３０の引抜き(extraction)及び／又は引込み(retraction)は、切断ブレード３３０を取り付ける駆動コンポーネント３４０を用いて達成される。幾つかの例において、駆動コンポーネント３４０は、切断ブレード３３０を押して切断ブレード３３０を延伸させ、切断ブレード３３０を引っ張って切断ブレード３３０を後退させる。切断ブレード３３０の使用及び位置決めは、幾つかの実施形態に従ったエンドエフェクタ２２０の簡略化された切欠図である図４Ａ乃至図４Ｃに示されている。図４Ａは、切断ブレード３３０と駆動コンポーネント３４０との間の関係を示している。
【0037】
エンドエフェクタ２２０は、ジョー３１０の近位端に配置されるガレージ構成３５０(garage feature)を更に含む。ガレージ構成３５０は、駆動コンポーネント３４０及び切断ブレード３３０の両方が通ることがある開口を含む。ガレージ構成３５０は、切断ブレード３３０が用いられないときに、切断ブレード３３０のための安全な格納領域を提供するように構成される。よって、切断ブレード３３０が切断作業の一部として積極的に用いられるとき、エンドエフェクタ２２０は、切断ブレード３３０を、切断ブレード３３０が図４Ｂに示すようにジョー３１０の背後に近位に隠される「格納」(“garaged”)又は収容(stored)位置において、ガレージ構成３５０内に引っ込めることがあるように、構成される。切断ブレード３３０は、図４Ｃに示すように溝３２０のうちの１つの溝の遠位端に又はその付近に位置付けられる位置まで追加的に延伸させられてよい。幾つかの例において、図４Ｃに示すような切断ブレード３３０の位置決めは、切断動作中の切断ブレード３３０の位置に対応してよい。
【0038】
幾つかの例において、エンドエフェクタ２２０及び手術器具２００は、切断ブレード３３０の初期設定又はホーム位置がガレージ構成３５０内にあるように設計される。このガレージ構成３５０の配置は、エンドエフェクタ２２０に幾つかの構成をもたらすことがある。幾つかの例において、切断ブレード３３０がガレージ構成３５０内に引っ込められるとき、切断ブレード３３０の鋭利な切断エッジは、切断ブレード３３０が処置中の組織及び／又は処置前及び／又は処置後に手術器具２００及びエンドエフェクタ２００を取り扱う医療従事者を誤って切断する可能性がないように、効果的に被覆される(sheathed)。幾つかの例では、切断ブレード３３０がガレージ構成３５０内に引っ込められるとき、切断ブレード３３０は、切断ブレード３３０が切断のために積極的に用いられていないときの、偶発的な鈍化(dulling)のような損傷から保護されることもある。
【0039】
図３に戻ると、幾つかの実施形態において、ジョー３１０の各ジョーの内側の把持面は、１以上の任意的な電極３６０を更に含んでよい。幾つかの例では、電極３６０を用いて、電気外科エネルギを送り、ジョー３１０の間に保持される組織を融合してよい。幾つかの例では、組織が同じ手術器具２００を用いて切断され且つ／或いは融合／封止されてよいよう、電極３６０はエンドエフェクタ２２０に電気焼灼、融合、及び／又は封止構成をもたらしてよい。
【0040】
幾つかの実施形態において、ジョー３１０、切断ブレード３３０、及び／又は関節作動リスト２３０のジョイントの動作は、駆動機構２５０の対応するものを用いて達成されてよい。幾つかの例では、ジョー３１０が独立して作動させられるときに、対応する駆動機構２５０が（例えば、ケーブル、リードスクリュー、及び／又は同等物を用いて）プル力(pull force)及び／又はプッシュ力(pushing force)を適用するに応じて、それぞれのジョー３１０が開放され且つ／或いは閉塞されてよいように、駆動機構２５０（ジョー３１０の各々について１つずつ）のうちの２つの駆動機構の遠位端が、それぞれのジョー３１０に連結されてよい。幾つかの例では、ジョー３１０が一緒に操作されるとき、両方のジョー３１０は、同じ駆動機構２５０の遠位端に連結されてよい。幾つかの例において、駆動コンポーネント３４０は、対応する駆動機構２５０に適用される力及び／又はトルクが駆動コンポーネント３４０のプッシュ及び／又はプル動作に伝達されてよいように、対応する駆動機構２５０の遠位端に連結されてよい。幾つかの例では、追加的な駆動機構３５０を用いて、関節作動リスト２３０内のロール、ピッチ、及び／又はヨーＤＯＦを作動させてよい。
【0041】
図５は、幾つかの実施形態に従った自由度についての駆動ユニット５００の簡略化された斜視図である。幾つかの実施形態によれば、駆動ユニット５００は、図２の駆動システム２４０中のコンポーネントの部分を表してよい。図５に示すように、駆動ユニット５００は、キャプスタン５１０を回転させてＤＯＦを作動させる回転作動アプローチに基づく。キャプスタン５１０は、駆動シャフト５２０に連結され、駆動シャフト５２０は、モータ、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は同等物（図示せず）の駆動シャフトであってよい。トルクが駆動シャフト５２０に適用され、駆動シャフト５２０及びキャプスタン５１０が回転させられると、キャプスタン５１０及び／又は駆動シャフト５２０に取り付けられるケーブル５３０は、キャプスタン５１０及び／又は駆動シャフト５２０の周りに更に巻き付けられ且つ／或いはそれらから巻き戻されることがある。ケーブル５３０が、駆動機構２５０のいずれかのような対応する駆動機構の近位端に取り付けられると、ケーブルの巻付け及び巻戻しは、駆動機構の遠位端に配置されるエンドエフェクタのＤＯＦに適用されることがある対応するプル及びプッシュ力及び／又はトルクになることがある。幾つかの例において、キャプスタン５１０及び駆動シャフト５２０の回転、並びにケーブル５３０の対応する巻付け及び／又は巻戻しは、ジョー３１０のようなグリッパジョーの開放及び／又は閉塞、切断ブレード５３０のような切断ブレードの延伸(extending)及び／又は引込み(retracting)、関節作動リストジョイントの屈曲(flexing)及び／又は非屈曲(unflexing)、及び／又は同等のこと引き起こすことがある。幾つかの例において、キャプスタン５１０及び／又は駆動シャフト５２０の回転角度及び／又は回転速度をモニタリングすることは、対応する駆動機構を介してケーブル５３０に連結される対応するＤＯＦの現在位置及び／又は速度を示すこともある。よって、駆動ユニット５００が手術器具２００のＤＯＦと共に用いられるとき、キャプスタン５１０及び／又は駆動シャフト５２０の回転角度及び／又は回転速度は、駆動機構２５０のうちのどれにケーブル５３０が連結されるかに依存して、ジョー３１０が開放されている角度、切断ブレード３３０の位置、及び／又は関節作動リスト２３０のピッチ及び／又はヨー角度に関する、有用なフィードバックをもたらすことがある。
【0042】
ＤＯＦが作動していないときに、エンドエフェクタのＤＯＦが初期位置、休止位置、及び／又はホーム位置で構成されることが望ましいことが多いので、幾つかの実施形態では、駆動ユニット５００のような駆動ユニットは、駆動ユニット５００を対応するホーム位置に戻す抵抗(resitive)及び／又は拘束機構(restraining mechanism)を含んでよい。幾つかの例において、ＤＯＦのためのホーム位置の使用は、手術器具２００のような手術器具の構成を支持することがあり、その場合、把持ジョー(gripping jaws)は自動的に閉塞され且つ／或いは殆ど閉塞され、切断ブレードはガレージ構成内に引っ込められ、関節作動リストジョイントは真っ直ぐにされ、且つ／或いは同等のことが行われる。図５に示すように、駆動ユニット５００は、捩りバネ５４０の形態の拘束機構を含む。捩りバネ５４０は、一端５５０でキャプスタン５１０に取り付けられ、キャプスタン５１０に巻き付けられて示されている。キャプスタン５１０が回転させられると、捩りバネ５４０の第２の端５６０は、それが回転して駆動ユニット５００の本体の部分であってよいストップ５７０に当たるまで、自由に回転してよい。捩りバネ５４０の第２の端５６０がストップ５７０に当たった後に、キャプスタン５１０が回転し続けると、捩りバネ５４０は、キャプスタン５１０の回転量及び捩りバネのバネ定数によって決定されるように、拘束及び／又はホーム復帰力及び／又はトルクをキャプスタン５１０にもたらし始める。よって、より大きい回転量がキャプスタン５１０に適用されると、捩りバネ５４０は、増大したホーム復帰力及び／又はトルクをキャプスタン５１０に適用する。例えば、把持ジョーを閉塞し、切断ブレードを後退させ、且つ／或いは関節作動リストジョイントを真っ直ぐにするために用いられることがあるのは、キャプスタン５１０に対するこのホーム復帰力及び／又はトルクである。
【0043】
図５は、キャプスタン５１０の周りに巻き付けられている捩りバネのような拘束機構を示しているが、当業者は、類似の拘束／ホーム復帰機能を達成する拘束機構のための他の可能な拘束機構及び／又は構成を認識するであろう。幾つかの例において、駆動ユニット５００の本体は、ストップ５７０に起因するホーム復帰力及び／又はトルクと反対方向において、ホーム復帰力及び／又はトルクをキャプスタン５１０に適用する第２のストップを更に含んでよい。幾つかの例では、捩りバネ５４０がホーム復帰力及び／又はトルクをキャプスタン５１０に適用し始める前に、捩りバネ５４０の自由な動きが許容されないよう、且つ／或いは、キャプスタン５１０の回転がないにも拘わらず、捩りバネ５４０が少なくとも幾らかのホーム復帰力及び／又はトルクをキャプスタン５１０に適用するよう、捩りバネ５４０の第２の端５６０は、駆動ユニット５００の本体に取り付けられてよい。
【0044】
幾つかの実施形態によれば、エンドエフェクタのＤＯＦのための捩りバネ５４０のバネ定数のような適切な大きさにされた拘束機構の選択は、手術器具の設計者に幾つかの挑戦を提示することがある。幾つかの場合には、ＤＯＦの対応する駆動ユニットの所望のホーム復帰機能との可能性のある及び／又は合理的な干渉を克服するよう、拘束機構の大きさを選択することが望ましい場合がある。幾つかの例において、可能性のある及び／又は合理的な干渉を克服する拘束機構の大きさの選択は、可能な操作シナリオのうちの多くについて拘束機構を過大にする傾向がある。加えて、拘束機構の大きさが増大すると並びに／或いは拘束及び／又はホーム復帰力及び／又はトルクの量がホーム位置からの偏差の増加に伴って増加すると、拘束及び／又はホーム復帰力及び／又はトルクの量は、駆動ユニットがＤＯＦを作動させる能力に否定的な影響を与えることがある。幾つかの例において、これはＤＯＦを駆動させて操作を実行するために利用可能なより少ない力及び／又はトルクをもたらすＤＯＦについてのより小さな操作限界(operational margin)をもたらすことがある。例えば、切断を実行するために、より少ない切断力及び／又はトルクが、切断ブレードに適用するために利用可能であることがある。幾つかの例において、１つの解決策は、駆動ユニットに連結されるモータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は同等物の大きさを増大させること、並びに、モータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は同等物に対する力及び／又はトルク限界を調節して、克服されなければならないことがある最大の拘束及び／又はホーム復帰力及び／又はトルクを補償することである。幾つかの例において、力及び／又はトルク限界のそのような増大は、ＤＯＦ又は手術器具の特定の動作モードと一致しないことがある。加えて、力及び／又はトルク限界の増大は、駆動機構に対する摩耗の増加、駆動機構の伸張、及び／又は同等のことを引き起こすこともある、駆動機構に置かれる応力及び／又はひずみの増加をもたらす、ＤＯＦの動作をもたらすことがある。幾つかの例において、駆動機構の伸張は、駆動機構及び許容差から外れるようになる対応するＤＯＦをもたらすことがあり、よって、ＤＯＦを所望に制御する能力の低下をもたらすことがある。
【0045】
幾つかの実施形態によれば、力及び／又はトルク限界を増大させて、最大の可能な拘束及び／又はホーム復帰力及び／又はトルクを補償するよりもむしろ、拘束及び／又はホーム復帰機構によって適用される拘束及び／又はホーム復帰力及び／又はトルクの予想量に基づき力及び／又はトルク限界を調節する、力及び／又はトルク限界補償プロファイルが用いられてよい。図６は、幾つか実施形態に従ったトルク限界補償モデル６００の簡略図である。モデル６００はトルク限界補償に関して記載されているが、当業者はモデル６００における着想が力限界補償をもたらすために等しく適用されてよいことを理解するであろう。図６に示すように、トルク限界補償モデル６００は、ＤＯＦに対する１以上のトルク限界が予想される拘束及び／又はホーム復帰トルクに基づき増大させられてよい量を示す、トルク限界補償曲線６１０を含む。幾つかの例において、トルク限界は、ＤＯＦについての所望の操作限界が拘束及び／又はホーム復帰トルクに対して維持されることがあるよう、トルク上限を含んでよい。幾つかの例では、トルク限界がトルク下限とトルク上限との間のトルクの範囲を特定するとき、トルク限界補償はトルク下限及びトルク上限の両方に適用されてよい。幾つかの例では、ＤＯＦを更に操作するために拘束及び／又はホーム復帰トルクが克服されているときにより高いトルク限界が用いられ、拘束及び／又はホーム復帰トルクがＤＯＦの操作を助けるときにより低いトルク限界が用いられるよう、トルク限界補償を用いて非対称のトルク限界を生成してよい。幾つかの例では、４つのトルク限界（例えば、拘束及び／又はホーム復帰トルクに対するＤＯＦについての正のトルク上限及び正のトルク下限並びに拘束及び／又はホーム復帰トルクによって補助されるＤＯＦ変化についての負のトルク下限及び負のトルク上限）を用いるＤＯＦ制御アルゴリズムが、４つのトルク限界のそれぞれにトルク限界補償を加えることによって調節される４つのトルク限界のそれぞれを有してよい。
【0046】
図６に更に示すように、トルク限界補償モデル６００及びトルク限界補償曲線６１０は、４つの一般的な領域、即ち、始動領域６２０(start-up region)、移行領域６３０(transition region)、作動領域６４０(operational region)、及び飽和領域６５０(saturation region)に分割される。領域６２０乃至６５０の各々は、モデル６００上に示されるｘ軸及びｘ位置値ｘ０，ｘ１，ｘ２，ｘ３，及びｘ４によって示されるようなＤＯＦ位置の異なる範囲に対応する。図６を議論する目的のために、ＤＯＦの位置は、ＤＯＦのｘ位置に関連して記載され、より正の位置は、予想される拘束及び／又はホーム復帰トルクを増大させる方向であるが、当業者は、ＤＯＦについての位置が、切断ブレード３３０のための溝３２０、ジョー３１０間の角度、関節作動リスト２３０におけるピッチ及び／又はヨー屈曲の量、及び／又は同等のものによって定められる軸に沿う位置のような、任意の適切な位置(positional)及び／又は回転軸(rotational axis)を用いて表されてよく、且つ／或いは予想される拘束及び／又はホーム復帰トルクを増大させる方向に対応するより負の位置値で代替的に特徴付けられ得ることを理解するであろう。
【0047】
始動領域６２０は、トルク限界補償が適用されない位置ｘ０から位置ｘ１までのＤＯＦ位置の範囲に対応する。幾らかの例において、始動領域６２０は、拘束及び／又はホーム復帰機構がＤＯＦに適用されないＤＯＦ位置の範囲に対応してよい。図５の例において、始動領域６２０は、捩りバネ５４０の第２の端部５６０がストップ５７０に対して動かされる前のキャプスタン５１０の回転位置に対応してよい。幾つかの例において、始動領域６２０は、例えば、ホーム位置が、グリッパジョーを殆ど閉じるが（ｘ２）グリッパジョーを完全に閉じない（ｘ１）ことに対応してよい、グリッパジョーを用いて、ＤＯＦが位置ｘ２を越えて位置ｘ１まで作動されることがあるとしても、ホーム位置が位置ｘ２に対応するＤＯＦに対応してよく且つ／或いは適用可能であってよい。幾つかの例において、位置ｘ１は、ガレージ構成への入口が位置０であるガレージ構成内の切断ブレードの位置のような、ＤＯＦのゼロ位置及び／又は負の位置に対応してよい。幾つかの例において、始動領域の幅は、ＤＯＦ位置がキャプスタン回転に関して測定されるときにｘ１とｘ０との間の差が０．２５ラジアン程度であるそれぞれのＤＯＦに基づき、範囲内で大きく変化させられてよい。
【0048】
移行領域６３０は、トルク限界補償の急激な増加が適用される位置ｘ１から位置ｘ２までのＤＯＦ位置の範囲に対応する。幾つかの例において、移行領域６３０は、拘束及び／又はホーム復帰機構が非係合状態から係合状態に移行しているＤＯＦ位置の範囲に対応してよい。図５の例において、移行領域６３０は、捩りバネ５４０の第２の端部５６０がストップ５７０に対して移動させられた直ぐ後のキャプスタン５１０の回転位置に対応してよい。幾つかの例において、移行領域６３０の幅は、拘束及び／又はホーム復帰機構が非係合位置から作動範囲６４０内の位置に動く場所からの急激な移行を反映するよう、狭くてよい。幾つかの例において、ｘ２とｘ１との間の差は、ＤＯＦ位置がキャプスタン回転に関して測定されるときに、０．０５ラジアン以下ほど小さくてよい。
【0049】
作動領域６４０は、拘束及び／又はホーム復帰機構によって適用される拘束及び／又はホーム復帰トルクの増大を補償するためにトルク限界補償の安定した増大が適用される、位置ｘ２から位置ｘ３までのＤＯＦ位置の範囲に対応する。幾つかの例において、作動領域６４０は、拘束及び／又はホーム復帰機構が増大させられたＤＯＦ位置で比例的な拘束及び／又はホーム復帰トルクを適用するＤＯＦ位置の範囲に対応してよい。図５の例において、作動領域６４０は、捩りバネ５４０が捩りバネ５４０のバネ定数に基づき増大させられた拘束及び／又はホーム復帰トルクを適用するキャプスタン５１０の回転位置に対応してよい。幾つか例では、作動領域６４０におけるトルク限界補償曲線６１０の傾斜は、捩りバネ５４０のバネ定数に基づいてよい。幾つかの例において、作動領域６４０は、拘束及び／又はホーム復帰機構の典型的に広い作動範囲を反映するよう、最大領域であるのが典型的である。幾つかの例において、ＤＯＦ位置がキャプスタン回転に関して測定されるとき、ｘ３とｘ２との間の差は、０．７ラジアン以上ほどであってよい。
【0050】
飽和領域６５０は、トルク限界補償の更なる増加が望まれない、位置ｘ３から少なくとも位置ｘ４までのＤＯＦ位置の範囲に対応する。幾つかの例において、飽和領域６５０は、駆動ユニット、駆動機構、及び／又は同等物によって課される限界、及び／又はＤＯＦを駆動させるために用いられるモータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は同等物によって適用されることがある、トルクにおける上限に対応してよい。幾つかの例において、ｘ４は、最大のＤＯＦ位置及び／又は最大を超えたばかりのＤＯＦ位置に対応してよい。図３及び図４Ａ乃至４Ｃの例において、ｘ４は、切断ブレードが切断操作中に溝３２０の遠位端に当たらないような切断ブレード３３０の最大延伸長、ジョー３１０の間の最大角、及び／又は関節作動リスト２３０における最大のピッチ及び／又はヨー屈曲、及び／又は同等のものに基づいてよい。幾つかの例において、ｘ４とｘ３との間の差は、ＤＯＦ位置がキャプスタン回転に関して測定されるとき、０．１５ラジアン以下ほど短くてよい。
【0051】
幾つかの例において、トルク限界補償値Ｔ１，Ｔ２、及び／又はＴ３は、手術器具の設計及び／又は構成に有意に依存することがある。図３、図４Ａ乃至４Ｃ、及び図５の例において、Ｔ１、Ｔ２、及び／又はＴ３は、捻りバネ５４０のバネ定数、対応するＤＯＦ位置に関する実際の制限、ＤＯＦを駆動させるために用いられるモータ、ソレノイド、サーボ 、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は同等物の大きさ、及び／又は駆動ユニット、駆動機構、及び／又は同等物によって課される限界に基づくことがある。
【0052】
図７は、幾つかの実施形態に従ったトルク限界補償曲線６１０を特徴付けるために用いられてよいルックアップ表７００の簡略図である。図７に示すように、ルックアップ表７００は、領域境界を反映する一連の制御地点(control points)と、トルク限界補償曲線からの対応するトルク限界補償値とを含む。よって、ルックアップ表７００は、地点（ｘ０，０）、（ｘ１，０）、（ｘ２，Ｔ１）、（ｘ３，Ｔ２）、及び（ｘ４，Ｔ２）のそれぞれを含む。ルックアップ表７００を用いて、補間及び／又は他の曲線のあてはめアルゴリズムをサポートして、現在のＤＯＦ位置に基づき所望のトルク限界補償値を決定してよい。幾つかの例において、補間は、現在のＤＯＦ位置がどのｘ１値にあるか決定すること及びルックアップ表７００の制御地点を用いて所望のトルク限界補償を決定することに基づく線形補間であってよい。一例として、現在のＤＯＦ値がｘｃであり、ｘ２≦ｘｃ≦ｘ３である場合を検討する。この場合、トルク限界補償Ｔｃは、以下の方程式１を用いて計算されてよい。
【0053】
【数1】
【0054】
幾つかの例では、拘束及び／又はホーム復帰機構の予想される拘束及び／又はホーム復帰挙動に基づいて、非線形モデルを含む他の補間アプローチ及び／又はモデルが用いられてよい。幾つかの例において、他のモデルは、より高次の補間多項式、三次スプラインのような曲線のあてはめ、及び／又は同等のものの使用を含んでよい。幾つかの例では、計算コストと補間モデルの精度との間を均衡させるよう、補間モデルの複雑さが選択されてよい。
【0055】
上記で議論し、ここで更に強調するように、図６及び図７は、請求項の範囲を過度に制限すべきでない単なる例である。当業者は、多くの変形、代替、及び修正を認識するであろう。幾つか実施形態によれば、異なるトルク限界補償モデルが用いられてよい。幾つか実施形態において、トルク限界補償曲線は、より少ない及び／又はより多い制御地点でモデル化されてよい。幾つかの例において、トルク限界補償曲線は、例えば、ＤＯＦがホーム位置にある間に拘束及び／又はホーム復帰機構が係合されるときに、始動領域を有さなくてよく、場合によっては、部分的な移行領域さえ有さなくてよい。幾つかの例において、これは、切断ブレードがガレージ構成内に後退させられるときに、拘束及び／又はホーム復帰機構にホーム復帰トルクを適用させることが望ましいときに、切断ブレードＤＯＦのために起こることがある。幾つかの例において、トルク限界補償モデルは、ホーム復帰トルクをホーム位置について両方向に適用する拘束及び／又はホーム復帰機構によって適用されるトルクで、ホーム位置に対して両方向に作動させられてよい、ＤＯＦのためのホーム位置についての対称性を反映してよい。幾つか例において、このトルク限界補償モデルは、ピッチ及び／又はヨーＤＯＦが、エンドエフェクタが手術器具のシャフトと整列させられたホーム位置を有することがある、関節作動リストに対応してよい。幾つかの例において、トルク限界補償モデルは、ＤＯＦ位置が増大しているか或いは減少しているかに依存して異なるトルク限界補償曲線及び／又は制御地点が用いられてよい、ヒステリシス(hysteresis)を更に含んでよい。
【0056】
幾つかの実施形態において、トルク限界補償モデルは、他のモデリング目標をサポートしてよい。幾つかの例において、トルク限界補償モデルは任意的であり、エンドエフェクタの特定の動作モードのために又はエンドエフェクタのＤＯＦのうちの１以上のＤＯＦのために用いられなくてよい。幾つかの例において、トルク限界補償モデルは、関節作動リストの屈曲に起因するＤＯＦのための駆動機構における屈曲及び／又はシフトによって引き起こされるＤＯＦ位置の誤差を考慮してよい。幾つかの例において、トルク限界補償曲線及び／又は制御地点は、トルク限界補償が望まれる手術器具及び／又は手術器具のＤＯＦに依存して異なってよい。幾つかの例では、ルックアップ表７００のようなルックアップ表が、手術器具の各モデル及び各ＤＯＦのために維持されてよい。幾つかの例では、各ＤＯＦについてのルックアップ表は、各手術器具のために別々に決定され且つ／或いは較正されてよく、対応する手術器具の通し番号のような識別子を用いて実行時にアクセス可能であってよい。
【0057】
図８は、幾つかの実施形態に従ったトルク限界補償の方法８００の簡略図である。方法８００のプロセス８１０乃至８６０のうちの１以上は、少なくとも部分的に、１以上のプロセッサ（例えば、制御ユニット１４０内のプロセッサ１５０）によって実行されるときに、１以上のプロセッサにプロセス８１０乃至８６０のうちの１以上を実行させることがある、非一時的な有形の機械可読媒体に格納される、実行可能なコードの形態で格納されてよい。幾つかの実施形態において、方法８００は、制御アプリケーション１７０のようなアプリケーションによって実行されてよい。幾つかの実施形態では、方法８００を用いて、手術器具２００のような手術器具におけるＤＯＦのための制御アルゴリズムのトルク限界を調節してよい。幾つかの例において、ＤＯＦは、ジョー３１０のようなグリッパジョーの開放角、切断ブレード３３０のような切断ブレードの延伸及び／又は後退、関節作動リスト２３０のような関節作動リストの屈曲、及び／又は同等のものに対応してよい。幾つかの実施形態において、トルク限界補償は、トルク限界補償モデル６００に基づきモデル化されてよく、且つ／或いはルックアップ表７００と類似のルックアップ表を用いて実施されてよい。幾つかの実施形態において、トルク限界補償は、ＤＯＦについての１以上のトルク限界に適用されてよい。幾つかの実施形態において、トルク限界補償は、モータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は類似物のための制御アルゴリズムに適用されてよい。
【0058】
プロセス８１０で、ＤＯＦのための所望の位置を決定する。ＤＯＦについての制御アルゴリズムに基づき、ＤＯＦのための所望の位置を決定する。幾つかの例において、ＤＯＦのための所望の位置は、ＤＯＦについての設定地点に対応してよい。幾つかの例において、設定地点は、ＤＯＦが属する手術器具２００のような手術器具を操作している外科医及び／又は他の医療従事者から受け取る入力に基づき決定されてよい。幾つかの例において、外科医及び／又は他の医療従事者は、１以上のマスターマニピュレータ、レバー、ペダル、スイッチ、キー、ノブ、トリガ、及び／又は同等物のような、操作者コンソールの１以上のマスターコントロールを操作して、ＤＯＦを遠隔操作してよい。幾つかの例において、ＤＯＦの設定地点は、外科医及び／又は他の医療従事者によって引き起こされることがある自動的及び／又は半自動タスクの部分としてＤＯＦの位置プロファイルに基づき決定されてよい。幾つかの例において、ＤＯＦは、グリッパジョーのジョー角、切断ブレードの延伸及び／又は後退、関節作動リストにおけるピッチ及び／又はヨー角の屈曲、及び／又は同等のものと関連付けられてよい。
【0059】
プロセス８２０で、トルク限界補償がアクティブであるか否かを決定する。エンドエフェクタ及び／又は手術器具の動作モード及び／又はＤＯＦに依存して、トルク限界補償を用いることが望ましくない場合がある。幾つかの例において、トルク限界補償は、手術器具のＤＯＦの各々について無効にされてよく、且つ／或いは手術器具のＤＯＦの各々について個別に選択的にアクティブ化及び／又は非アクティブ化されてよい。幾つかの例において、トルク限界補償は、外科医及び／又は他の医療従事者によってアクティブ化及び／又は非アクティブ化されてよく、且つ／或いは制御アプリケーション１７０のような制御アプリケーションによってアクティブ化及び／又は非アクティブ化されてよい。幾つかの例において、トルク限界補償がアクティブ化されているか且つ／或いは非アクティブ化されているかの表示は、個々の自由度、エンドエフェクタ全体、手術器具全体、及び／又はコンピュータ支援デバイス全体と関連付けられてよい、１以上の状態変数、フラグ、ブール値、及び／又は同等のものに基づき、決定されてよい。トルク限界補償が用いられないとき、ＤＯＦについてのトルク限界は、手術器具を用いて実行される処置及び／又はタスクについての初期設定レベル及び／又はＤＯＦについての初期設定レベルに設定されてよい。トルク限界補償がアクティブでないとき、ＤＯＦの動きはプロセス８６０を用いて起こる。トルク限界補償がアクティブであるとき、ＤＯＦについてのトルク限界はプロセス８３０で開始して調節される。
【0060】
プロセス８３０で、ＤＯＦの現在位置を決定する。幾つかの例では、拘束及び／又はホーム復帰トルク量が方法８００によって補償されるとき、トルク限界補償の量はＤＯＦの現在位置に依存してよい。図５の例において、捩りバネ５４０によって適用されるトルクの量は、（ＤＯＦ位置と等しい）キャプスタン５１０及び／又はシャフト５２０の回転角に依存する。幾つかの例において、ＤＯＦ位置は、より多くの位置及び／又は回転センサのうちの１つを用いて測定されてよい。幾つかの例において、センサは、ＤＯＦの近位に配置されてよく、ＤＯＦ角を間接的に測定するように構成されてよい。幾つかの例において、センサは、ＤＯＦを操作するために用いられてよい駆動ユニット５００のような１以上の駆動ユニッと関連付けられてよい。幾つかの例において、センサは、キャプスタン５１０のようなキャプスタンの回転角及び／又は駆動シャフト５２０のような駆動シャフトの回転角を測定してよい。
【0061】
プロセス８４０で、トルク限界補償を決定する。トルク限界補償モデル６００のようなトルク限界補償モデルを用いて、プロセス８３０中に決定される現在のＤＯＦ位置に基づき適用するトルク限界補償の量を決定する。幾つかの例において、トルク限界補償モデルは、捩りバネ５４０のような拘束及び／又はホーム復帰機構によって適用される拘束及び／又はホーム復帰トルクの予想される量を考慮してよい。幾つかの例において、使用するトルク限界補償モデルは、移動されるＤＯＦ、手術器具のモデル、通し番号のような手術器具の識別子、及び／又は同等のものに基づき選択されてよい。幾つかの例において、トルク限界補償曲線６１０のようなトルク限界補償曲線を用いて、現在のＤＯＦ位置をトルク限界補償の量にマッピングしてよい。幾つかの例において、トルク限界補償曲線は、ルックアップ表７００のようなルックアップ表を用いモデル化されてよく、補間及び／又は曲線のあてはめが用いて、ルックアップ表内のエントリ間のトルク限界補償の量を決定してよい。幾つかの例において、補間及び／又は曲線のあてはめは、線形補間、多項式補間、三次スプラインモデリング、及び／又は同等のものを含んでよい。
【0062】
プロセス８５０で、トルク限界補償をトルク限界に適用する。幾つかの例において、ＤＯＦについてのトルク限界の１以上は、プロセス８４０の間に決定されるトルク限界補償の量に基づき調節されてよい。幾つかの例において、トルク限界補償の量は、ＤＯＦのための制御アルゴリズムによって用いられるトルク限界の各々に加えられてよい。幾つかの例において、トルク限界は、ＤＯＦについての所望の操作限界が維持されることがあるように、トルク上限を含んでよい。幾つかの例では、トルク限界がトルク下限とトルク上限との間のトルクの範囲を特定するとき、トルク限界補償は、トルク下限及びトルク上限の両方に適用されてよい。幾つかの例では、ＤＯＦを更に操作するために、拘束及び／又はホーム復帰トルクが克服されているときに、より大きなトルク限界が用いられ、拘束及び／又はホーム復帰トルクがＤＯＦの操作を助けているときに、より低いトルク限界が用いられるよう、トルク限界補償を用いて非対称のトルク限界を創り出してよい。幾つかの例において、４つのトルク限界（例えば、拘束及び／又はホーム復帰トルクに対するＤＯＦ変化についての正のトルク上限及び正のトルク下限並びに拘束及び／又はホーム復帰トルクによって支援されるＤＯＦ変化についての負のトルク下限及び負のトルク上限）を用いるＤＯＦ制御アルゴリズムは、トルク限界補償を４つのトルク限界の各々に加えることによって４つのトルク限界の各々を調節させてよい。
【0063】
プロセス８６０で、ＤＯＦを所望の位置に移動させる。幾つかの例において、ＤＯＦは、所望の位置に移動するように命令される。幾つかの例において、ＤＯＦは、電圧、電流、デューティサイクル、及び／又は同等物のような１以上の信号を、モータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は同等物に送信することによって、所望の位置に移動するように命令されてよい。幾つかの例において、ＤＯＦは、駆動コンポーネント、駆動機構、駆動ユニット、及び／又はモータ、ソレノイド、サーボ、能動アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ、及び／又は同等物のようなアクチュエータを用いてトルクを適用することによって、所望の位置に移動するように命令されてよい。幾つかの例において、適用されるトルクの量は、トルク限界補償がアクティブであるときにプロセス８５０中に決定されるトルク限界及び／又はトルク限界補償がアクティブでないときにプロセス８２０に関して先に記載した初期設定トルク限界に基づき制限されてよい。
【0064】
ＤＯＦが移動するように命令された後に、移動及びトルク限界補償は、プロセス８１０に戻ることによって繰り返されてよい。幾つかの例において、方法８００のプロセスループは、ＤＯＦのための制御アルゴリズムの制御ループ速度のような規則的な間隔で繰り返されてよい。
【0065】
上記で議論し、ここで更に強調するように、図８は、請求項の範囲を過度に制限すべきでない単なる例である。当業者は、多くの変形、代替、及び修正を認識するであろう。幾つかの実施形態によれば、トルク限界補償は、速度制御アルゴリズム及び／又は同等物のような位置制御アルゴリズム以外のものに適用されてよい。幾つかの例では、速度制御アルゴリズムが用いられるとき、プロセス８１０は省略されてよい。プロセス８００は、方法８００によって設定されるトルク限界に晒されるＤＯＦ位置に所望の速度を適用するように修正されてよい。
【0066】
制御ユニット１４０のような制御ユニットの幾つかの例は、１以上のプロセッサ（例えば、プロセッサ１５０）によって実行されるときに、１以上のプロセッサに方法８００のプロセスを実行させる、実行可能なコードを含む、非一時的で有形の機械可読媒体を含んでよい。方法８００のプロセスを含んでよい機械可読媒体の幾つかの一般的な形態は、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔のパターンを備える任意の他の物理的媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ若しくはカートリッジ、及び／又はプロセッサ若しくはコンピュータが読み取るように構成される任意の他の媒体である。
【0067】
例示的な実施形態を示し且つ記載したが、広範な修正、変更、及び置換が前述の開示において想定され、幾つかの場合には、実施形態の幾つかの構成は他の構成の対応する使用を伴わずに利用されてよい。当業者は、多くの変形、代替、及び修正を認識するであろう。よって、本発明の範囲は後続の請求項によってのみ限定されるべきであり、請求項は本明細書で開示した実施形態の範囲と一致するように解釈されるべきことが理解されよう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】