特表2022-529110外科用ロボットアームを位置合わせするためのシステムおよび方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-06-17
(54)【発明の名称】外科用ロボットアームを位置合わせするためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
A61B 34/30 20160101AFI20220610BHJP
【ＦＩ】
A61B34/30
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021558801
(86)(22)【出願日】2019-06-12
(85)【翻訳文提出日】2021-09-30
(86)【国際出願番号】 US2019036657
(87)【国際公開番号】W WO2020214193
(87)【国際公開日】2020-10-22
(31)【優先権主張番号】62/833,876
(32)【優先日】2019-04-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】512269650
【氏名又は名称】コヴィディエン リミテッド パートナーシップ
(74)【代理人】
【識別番号】100107489
【弁理士】
【氏名又は名称】大塩 竹志
(72)【発明者】
【氏名】キャスレー， ショーン
(72)【発明者】
【氏名】バシック， レネン
(72)【発明者】
【氏名】ラニア， グレゴリー
(72)【発明者】
【氏名】アイスマン， ジェイソン
(57)【要約】
医療システムは、ロボットアームと、外科用カートと、セットアップアームと、位置合わせユニットと、を含む。セットアップアームは、外科用カートに装着され、ロボットアームに動作可能に結合するように構成されている。位置合わせユニットは、セットアップアームに動作可能に結合され、代表的な座標系に対するロボットアームの配向を判定するように構成されている。ロボットアームを代表的な座標系と位置合わせする方法は、位置合わせユニットから床、患者、または代表的な座標系などの水平面に位置合わせパターンを投影することを含み、位置合わせユニットは、外科用カートに装着されたセットアップアームに動作可能に結合される。次に、ユーザは、位置合わせユニットを調整することによって位置合わせパターンを操作するように促される。次に、位置合わせユニットの調整が完了したことを示す入力が受信される。
【選択図】図５
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
外科用ロボットシステムであって、ロボットアームと、
外科用カートと、
前記外科用カートに装着され、前記ロボットアームに動作可能に結合するように構成されているセットアップアームと、
前記セットアップアームに動作可能に結合され、代表的な座標系に対する前記セットアップアームおよび前記ロボットアームの配向を判定するように構成されている位置合わせユニットと、を含む、外科用ロボットシステム。
【請求項2】
前記位置合わせユニットは、位置合わせパターンを表面に投影するように構成されている光ユニットを含む、請求項１に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項3】
前記光ユニットは、少なくとも２つの部分を投影するように構成されている、請求項２に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項4】
前記少なくとも２つの部分の各々は、互いに視覚的に区別される、請求項３に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項5】
各前記少なくとも２つの部分は、異なる色のものである、請求項３に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項6】
前記少なくとも２つの部分は、位置合わせ方向を示すように構成されている、請求項３に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項7】
前記位置合わせユニットは、前記位置合わせユニットの回転が前記位置合わせパターンを回転させるように、前記セットアップアームに対して回転するように構成されている、請求項２に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項8】
前記少なくとも２つの部分の各々は、１つ以上のラインを含む、請求項３に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項9】
前記位置合わせユニットは、前記ロボットアームに対する前記位置合わせパターンの角度を判定するように構成されているセンサを含む、請求項２に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項10】
前記セットアップアームに動作可能に結合され、前記センサから位置合わせ情報を受信するように構成されている制御デバイスをさらに含む、請求項９に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項11】
前記位置合わせユニットは、前記入力デバイスの起動が、前記セットアップアームの調整が完了したことを示すように、前記制御デバイスに動作可能に結合された入力デバイスを含む、請求項１０に記載の外科用ロボットシステム。
【請求項12】
ロボットアームを手術台と位置合わせする方法であって、位置合わせユニットから表面に位置合わせパターンを投影することであって、前記位置合わせユニットは、外科用カートに装着されたセットアップアームに動作可能に結合される、投影することと、
前記位置合わせユニットを調整することにより、前記位置合わせパターンを操作するようにユーザに促すことと、
前記位置合わせユニットの調整が完了したことを示す入力を受信することと、
代表的な座標系に対する前記位置合わせパターンの配向を判定することと、
前記判定された前記位置合わせパターンの配向に基づいて、前記セットアップアームに動作可能に結合されたロボットアームの配向を判定することと、を含む、方法。
【請求項13】
前記位置合わせパターンを投影することは、前記位置合わせパターンの少なくとも２つの部分を投影することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記少なくとも２つの部分の各々は、互いに視覚的に区別される、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
各前記少なくとも２つの部分は、異なる色のものである、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記少なくとも２つの部分は、位置合わせ方向を示すように構成されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項17】
前記少なくとも２つの部分の各々は、１つ以上のラインを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項18】
前記位置合わせパターンを操作することは、前記位置合わせユニットを回転させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項19】
前記位置合わせパターンの前記配向を判定することは、前記位置合わせユニットに配設されたセンサを使用して判定される、請求項１２に記載の方法。
【請求項20】
前記位置合わせユニットに配設された入力デバイスを起動させて、前記位置合わせユニットの調整が完了したことを示すことをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
１．技術分野
本開示は、概して、外科用ロボットアームを位置合わせするための装置および方法に関する。より具体的には、本開示は、外科用環境内でロボットアームを位置合わせするために利用される位置合わせユニットを対象とする。
本開示は、概して、外科用ロボットアームを位置合わせするための装置および方法に関する。より具体的には、本開示は、外科用環境内でロボットアームを位置合わせするために利用される位置合わせユニットを対象とする。
【背景技術】
【0002】
２．背景技術
ロボット外科用システムは、手持ち式外科用器具と比較して精度および便宜性が向上しているため、低侵襲医療処置で使用される。これらのロボット外科用システムでは、ロボットアームは、手首アセンブリによって装着されたエンドエフェクタを有する外科用器具を支持する。動作中、ロボットアームは、患者の上方の位置まで動き、次いで患者の外科用ポートまたは自然オリフィスを介して小さい切開部内に外科用器具を案内し、患者の体内の作業部位にエンドエフェクタを位置決めする。
ロボット外科用システムは、手持ち式外科用器具と比較して精度および便宜性が向上しているため、低侵襲医療処置で使用される。これらのロボット外科用システムでは、ロボットアームは、手首アセンブリによって装着されたエンドエフェクタを有する外科用器具を支持する。動作中、ロボットアームは、患者の上方の位置まで動き、次いで患者の外科用ポートまたは自然オリフィスを介して小さい切開部内に外科用器具を案内し、患者の体内の作業部位にエンドエフェクタを位置決めする。
【0003】
通常、ロボットアームはカート上に配設され、これにより、臨床医はロボットアームを手術台に対して手術室内の様々な場所まで動かすことができる。しかしながら、ロボットアームを利用する前に、ロボットアームを配向させる必要がある。したがって、ロボットアームの位置合わせおよび配向に伴う課題を克服するための解決策が求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
ロボットアームと、外科用カートと、セットアップアームと、位置合わせユニットと、を含む、医療システムが、本開示に従って提供される。セットアップアームは、外科用カートに装着され、ロボットアームに動作可能に結合するように構成されている。位置合わせユニットは、セットアップアームに動作可能に結合され、実質的に水平面（例えば、床）上に重ねられた代表的な座標系に対するロボットアームの配向を判定するように構成されている。本明細書で使用される場合、「代表的な座標系」は、１つ以上のロボットアームが使用される手術領域に重なる任意の２次元または３次元の座標系を示す。座標系は、デカルト、極、円筒、球などであり得る。
【0005】
本開示の態様によれば、位置合わせユニットは、位置合わせパターンを水平面に投影するように構成されている光ユニットを含む。光ユニットは、位置合わせ方向を示すために、各々が互いに視覚的に異なる、例えば、２つの異なる色である、少なくとも２つのラインを投影するように構成され得る。
【0006】
本開示のさらなる態様によれば、位置合わせユニットは、位置合わせユニットの回転が位置合わせパターンを回転させるように回転するように構成され得る。位置合わせユニットは、手動で回転可能であってもよく、位置合わせパターンは、１つ以上のラインであってもよい。位置合わせユニットはまた、ロボットアームに対する位置合わせパターンの角度を判定するように構成されているセンサを含み得る。
【0007】
本開示の態様によれば、システムは、セットアップアームに動作可能に結合された制御デバイスをさらに含み得、これは、センサから位置合わせ情報を受信するように構成され得る。位置合わせユニットは、入力デバイスの起動がセットアップアームの調整が完了したことを示すように、制御デバイスに動作可能に結合された入力デバイスをさらに含み得る。
【0008】
本開示のさらなる態様によれば、ロボットアームを代表的な座標系と位置合わせする方法も開示される。この方法は、外科用カートに装着されたセットアップアームに動作可能に結合された位置合わせユニットから、代表的な座標系を有する実質的に水平面に位置合わせパターンを投影することを含む。この方法は、位置合わせユニットを調整することにより、位置合わせパターンを操作するようにユーザに促すことと、位置合わせユニットの調整が完了したことを示す入力を受信すること、代表的な座標系に対する位置合わせパターンの配向を判定することと、判定された位置合わせパターンの配向に基づいて、セットアップアームに動作可能に結合されたロボットアームの配向を判定することと、をさらに含む。
【0009】
本開示の態様によれば、投影された位置合わせパターンは、位置合わせ方向を示し得、異なる色の少なくとも２つのラインを含み得る。１つのラインは赤であってもよく、別のラインは緑であってもよい。位置合わせパターンを操作することはまた、位置合わせユニットを回転させることを含み得る。本開示の態様によれば、位置合わせパターンの配向の判定は、位置合わせユニットに配設されたセンサを使用することによって行われ得る。この方法は、位置合わせユニット上に配設された入力デバイスを起動させて、位置合わせユニットの調整が完了したことを示すことをさらに含み得る。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本開示の様々な実施形態は、図面を参照して本明細書で説明される。
【0011】
【図1】本開示による、制御タワーと、コンソールと、１つ以上の外科用ロボットアームと、を含む、外科用ロボットシステムの概略図である。
【図7】位置合わせユニットの構成要素を示すブロック図である。
【図8】本開示による方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本開示の外科用ロボットシステムの実施形態を、図面を参照して詳細に説明するが、図中、同様の参照番号は、いくつかの図の各々において同一または対応する要素を示す。本明細書で使用されるとき、「遠位」という用語は、患者により近い外科用ロボットシステムおよび／またはそれに連結された外科用器具の部分を指し、「近位」という用語は、患者からより遠い部分を指す。
【0013】
以下の説明は、外科用ロボットシステムに固有のものであるが、以下に説明する位置合わせユニットは、代表的な座標系または別の配向の点に対する位置合わせを必要とする任意の好適な医療デバイスとともに使用され得る。図１を参照すると、外科用ロボットシステム１０は、外科用コンソール３０および１つ以上のロボットアーム４０を含む外科用ロボットシステム１０のすべての構成要素に接続された制御タワー２０を含む。ロボットアーム４０の各々は、それに取り外し可能に結合された外科用器具５０を含む。ロボットアーム４０のうちの１つ以上は、手術部位を観察するための内視鏡またはカメラを含み得る。外科用器具５０は、低侵襲の外科的処置中に使用するように構成されている。実施形態では、外科用器具５０は、開腹外科的処置のために構成され得る。ロボットアーム４０の各々はまた、可動カート６０に結合されている。
【0014】
外科用コンソール３０は、ロボットアーム４０に配設されたカメラ（図示せず）によって提供される手術部位を表示する第１の表示デバイス３２と、外科用ロボットシステム１０を制御するためのユーザインターフェースを表示する第２の表示デバイス３４と、を含む。外科用コンソール３０はまた、ロボットアーム４０を遠隔制御するために臨床医によって使用されるフットペダル３６ならびに一対のハンドルコントローラ３８ａおよび３８ｂなどの複数のユーザインターフェースデバイスを含む。
【0015】
制御タワー２０は、外科用コンソール３０と１つ以上のロボットアーム４０との間のインターフェースとして機能する。特に、制御タワー２０は、ロボットアーム４０および外科用器具５０が、フットペダル３６ならびにハンドルコントローラ３８ａおよび３８ｂからの入力に応答して、所望の動きシーケンスを実行するように、プログラム可能な命令および／または外科用コンソール３０からの入力コマンドのセットに基づいて、ロボットアーム４０および対応する外科用器具５０を動かすなど、ロボットアーム４０を制御するように構成されている。
【0016】
制御タワー２０、外科用コンソール３０、およびロボットアーム４０の各々は、それぞれのコンピュータ２１、３１、４１を含む。コンピュータ２１、３１、４１は、有線または無線通信プロトコルに基づいて任意の好適な通信ネットワークを使用して互いに相互接続されている。本明細書で使用される「ネットワーク」という用語は、複数または単数であるかどうかにかかわらず、インターネット、イントラネット、ワイドエリアネットワーク、またはローカルエリアネットワークを含むが、これらに限定されない、データネットワークを示し、本開示に包含されるような通信ネットワークの定義の全範囲に関して限定されない。好適なプロトコルは、伝送制御プロトコル／インターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）、データグラムプロトコル／インターネットプロトコル（ＵＤＰ／ＩＰ）、および／またはデータグラム輻輳制御プロトコル（ＤＣＣＰ）を含むが、これらに限定されない。無線通信は、１つ以上の無線構成、例えば、無線周波数、光、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）（短電波長を使用して、固定および移動デバイスから短距離でデータを交換し、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）を作成するためのオープン無線プロトコル、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）（無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）用のＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００３標準に基づいて小型で低消費電力のデジタル無線を使用する高レベル通信プロトコルのスイートのための仕様）を介して、達成され得る。
【0017】
コンピュータ２１、３１、４１は、メモリ（図示せず）に動作可能に接続された任意の好適なプロセッサ（図示せず）を含み得、メモリは、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、またはフラッシュメモリなどの、揮発性、不揮発性、磁気的、光学的、もしくは電気的媒体のうちの１つ以上を含み得る。プロセッサは、限定はされないが、ハードウェアプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、およびそれらの組み合わせを含む、本開示で説明される動作、計算、および／または命令のセットを実施するように適合された任意の好適なプロセッサ（例えば、制御回路）であってもよい。当業者は、プロセッサは、本明細書で説明されるアルゴリズム、計算、および／または命令のセットを実行するように適合された任意の論理プロセッサ（例えば、制御回路）を使用することによって代用され得ることを理解されよう。
【0018】
図２を参照すると、ロボットアーム４０の各々は、回転ジョイント４４ａ、４４ｂ、４４ｃでそれぞれ相互接続された複数のリンク４２ａ、４２ｂ、４２ｃを含み得る。ジョイント４４ａは、ロボットアーム４０を可動カート６０に固定するように構成されており、第１の長手方向軸を画定する。図３を参照すると、可動カート６０は、リフト６１と、ロボットアーム４０を装着するためのベースを提供するセットアップアーム６２と、を含む。リフト６１は、セットアップアーム６２の垂直方向の動きを可能にする。セットアップアーム６２は、第１のリンク６２ａ、第２のリンク６２ｂ、および第３のリンク６２ｃを含み、これらは、ロボットアーム４０の横方向の操作性を提供する。リンク６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、回転ジョイント６３ａおよび６３ｂで相互接続されており、これらの各々は、リンク６２ｂおよび６２ｂを互いおよびリンク６２ｃに対して回転させるためのアクチュエータ（図示せず）を含み得る。特に、リンク６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、互いに平行であるそれらの対応する側面において可動であり、それにより、患者（例えば、手術台）に対してロボットアーム４０の伸長を可能にする。実施形態では、ロボットアーム４０は、手術台（図示せず）に結合され得る。セットアップアーム６２は、リンク６２ａ、６２ｂ、６２ｃおよびリフト６１の動きを調整するためのコントロール６５を含む。
【0019】
第３のリンク６２ｃは、２自由度を有する回転可能なベース６４を含む。特に、回転可能なベース６４は、第１のアクチュエータ６４ａおよび第２のアクチュエータ６４ｂを含む。第１のアクチュエータ６４ａは、第３のリンク６２ｃによって画定される平面に垂直な第１の静止アーム軸を中心に回転可能であり、第２のアクチュエータ６４ｂは、第１の静止アーム軸を横切る第２の静止アーム軸を中心に回転可能である。第１および第２のアクチュエータ６４ａおよび６４ｂは、ロボットアーム４０の完全な３次元の配向を可能にする。
【0020】
図２を参照すると、ロボットアーム４０はまた、第２の長手方向軸を画定し、外科用器具５０の器具駆動ユニット５２（図１）を受容するように構成されているホルダ４６を含み、器具駆動ユニット５２は、外科用器具５０の作動機構に結合するように構成されている。器具駆動ユニット５２は、そのアクチュエータから外科用器具５０に作動力を伝達して、外科用器具５０の構成要素（例えば、エンドエフェクタ）を作動させる。ホルダ４６は、ホルダ４６によって画定される第２の長手方向軸に沿って器具駆動ユニット５２を動かすように構成されているスライド機構４６ａを含む。ホルダ４６はまた、リンク４２ｃに対してホルダ４６を回転させる回転ジョイント４６ｂを含む。
【0021】
ジョイント４４ａおよび４４ｂは、一連のベルト４５ａおよび４５ｂ、または駆動ロッド、ケーブル、またはレバーなどの他の機械的リンケージを介してジョイント４４ａ、４４ｂ、４４ｃを相互に駆動するように構成されている電気アクチュエータ４８ａおよび４８ｂを含む。特に、ジョイント４４ｂのアクチュエータ４８ｂは、ベルト４５ａを介してジョイント４４ｃに結合され、次に、ジョイント４４ｃは、ベルト４５ｂを介してジョイント４６ｃに結合される。ジョイント４４ｃは、アクチュエータ４８ｂがリンク４２ｂ、４２ｃ、およびホルダ４６の各々を互いに対して回転させるように構成されるように、ベルト４５ａおよび４５ｂを結合する伝達ケースを含み得る。より具体的には、リンク４２ｂ、４２ｃ、およびホルダ４６は、アクチュエータ４８ｂに受動的に結合され、アクチュエータ４８ｂは、リンク４２ａによって画定される第１の軸と、ホルダ４６によって画定される第２の軸との交点にある枢動点「Ｐ」を中心とした回転を行う。したがって、アクチュエータ４８ｂは、第１の軸と第２の軸との間の角度θを制御し、外科用器具５０の配向を可能にする。ベルト４５ａおよび４５ｂを介したリンク４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、およびホルダ４６の相互リンクにより、リンク４２ａ、４２ｂ、４２ｃとホルダ４６との間の角度もまた、所望の角度θを達成するために調整される。実施形態では、ジョイント４４ａ、４４ｂ、４４ｃのいくつかまたはすべては、機械的リンクの必要性を取り除くために電気アクチュエータを含み得る。
【0022】
図４を参照すると、外科用ロボットシステム１０のコンピュータ２１、３１、４１の各々は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアで具体化され得る複数のコントローラを含み得る。制御タワー２０のコンピュータ２１は、コントローラ２１ａおよび安全オブザーバ２１ｂを含む。コントローラ２１ａは、ハンドルコントローラ３８ａおよび３８ｂの現在の位置および／または配向、ならびにフットペダル３６および他のボタンの状態について、外科用コンソール３０のコンピュータ３１からデータを受信する。コントローラ２１ａは、これらの入力位置を処理して、ロボットアーム４０および／または機器駆動ユニット５２の各ジョイントに所望の駆動コマンドを判定し、これらをロボットアーム４０のコンピュータ４１に通信する。コントローラ２１ａはまた、実際のジョイント角度を受信し、この情報を使用して、外科用コンソール３０のコンピュータ３１に送り返される力フィードバックコマンドを判定し、ハンドルコントローラ３８ａおよび３８ｂを介して触覚フィードバックを提供する。安全オブザーバ２１ｂは、コントローラ２１ａに出入りするデータに対して妥当性チェックを実行し、データ伝送のエラーが検出された場合にシステム障害ハンドラに通知して、コンピュータ２１および／または外科用ロボットシステム１０を安全な状態にする。
【0023】
コンピュータ４１は、複数のコントローラ、すなわち、メインコントローラ４１ａ、セットアップアームコントローラ４１ｂ、ロボットアームコントローラ４１ｃ、および機器駆動ユニット（ＩＤＵ）コントローラ４１ｄを含む。メインカートコントローラ４１ａは、コンピュータ２１のコントローラ２１ａからジョイントコマンドを受信して処理し、それらをセットアップアームコントローラ４１ｂ、ロボットアームコントローラ４１ｃ、およびＩＤＵコントローラ４１ｄに通信する。メインカートコントローラ４１ａはまた、機器交換、および可動カート６０、ロボットアーム４０、および機器駆動ユニット５２の全体的な状態を管理する。メインカートコントローラ４１ａはまた、実際のジョイント角度をコントローラ２１ａに返すように通信する。
【0024】
セットアップアームコントローラ４１ｂは、回転ジョイント６３ａおよび６３ｂのそれぞれ、ならびにセットアップアーム６２の回転可能なベース６４を制御し、ピッチ軸に対する所望のモーター動きコマンド（例えば、モータートルク）を計算し、ブレーキを制御する。ロボットアームコントローラ４１ｃは、ロボットアーム４０の各ジョイント４４ａおよび４４ｂを制御し、重力補償、摩擦補償、および閉ループ位置制御に必要な所望のモータートルクを計算する。ロボットアームコントローラ４１ｃは、計算されたトルクに基づいて動きコマンドを計算する。次に、計算されたモーターコマンドは、ロボットアーム４０内の１つ以上の電気アクチュエータ４８ａおよび４８ｂに通信される。次に、実際のジョイント位置は、電気アクチュエータ４８ａおよび４８ｂによってロボットアームコントローラ４１ｃに送り返される。
【0025】
ＩＤＵコントローラ４１ｄは、手首および顎の角度などの外科用器具５０の所望のジョイント角度を受け、器具駆動ユニット５２内のモーターの所望の電流を計算する。ＩＤＵコントローラ４１ｄは、モーター位置に基づいて実際の角度を計算し、これらをメインコントローラ４１ａに送り返す。
【0026】
ロボットアームコントローラ４１ｃは、ロボットアーム４０の剛性リンク構造、すなわち、リンク４２ａ、４２ｂ、４２ｃによって回転ジョイント４４ａおよび４４ｂに与えられるトルクを推定するように構成されている。回転ジョイント４４ａおよび４４ｂの各々は、電気アクチュエータ４８ａおよび４８ｂを収容する。ロボットアーム４０の重量が重いため、ロボットアーム４０を動かすために高トルクが使用され得る。しかしながら、損傷または怪我を防止するためにトルクを調整する必要があり得る。これは、ロボットアーム４０が他のロボットアーム、患者、スタッフ、手術室機器などの外部物体と衝突する際のトルクを制限するのに特に有用である。
【0027】
図５を参照すると、ロボットアーム４０は、セットアップアーム６２と実質的に同じであるセットアップアーム３００に結合されている。セットアップアーム３００は、さらに、可動カート６０に装着されている。セットアップアーム３００は、可動カート６０に結合されたセットアップアームベース３０２を含む。セットアップアーム３００は、アクチュエータ（図示せず）によって互いに結合された複数の可動リンクをさらに含み、セットアップアーム３００の様々な構成への動きを可能にする。特に、セットアップアーム３００は、第１のセットアップリンク３０４、第２のセットアップリンク３０６、および結合アセンブリ３０８を含む。結合アセンブリ３０８は、ロボットアーム４０に結合するように構成されている。
【0028】
セットアップアームベース３０２は、セットアップアーム３００を手術台（図示せず）または可動カート１２に固定するように構成されている。第１のセットアップリンク３０４は、セットアップアームベース３０２に対して軸「Ａ－Ａ」を中心にジョイント３１０で３６０°回転可能である。第２のセットアップリンク３０６は、第１のセットアップリンク３０４に対して軸「Ｂ－Ｂ」を中心にジョイント３１２で回転可能である。結合アセンブリ３０８は、第２のセットアップリンク３０６に対して軸「Ｃ－Ｃ」を中心にジョイント３１４で回転可能である。結合アセンブリ３０８は、軸「Ｄ－Ｄ」を中心に約０°～約９０°までさらに回転可能である。
【0029】
セットアップアーム３００は、セットアップアーム３００、特にジョイント３１４に結合された位置合わせユニット３１６を含む。位置合わせユニット３１６は、制御タワー２０と動作可能に通信している。実施形態では、位置合わせユニット３１６は、結合アセンブリ３０８に直接結合され得る。位置合わせユニット３１６は、代表的な座標系１１に対するセットアップアーム３００およびロボットアーム４０の配向を判定するように構成されており、コンピュータ２１によって生成された構成物であって、ロボットアーム４０の各々を、例えばカメラおよび／または内視鏡を介して臨床医の視点に仮想的に配置および配向するために使用される。特に、位置合わせユニット３１６は、ロボットアーム４０に対する共通の基準位置合わせを作成し、代表的な座標系１１に対するロボットアーム４０のヨー配向を判定するために使用される。本明細書で使用される場合、「ヨー」という用語は、地面に垂直な垂直軸を中心としたロボットアーム４０の動きを示す。
【0030】
ロボットアーム４０の各リンクおよびセットアップアーム３００の各セットアップリンクの配向は、ロボットアーム４０の動きを、外科用コンソール３０における入力デバイス、例えば手動入力１８の動きと位置合わせするための計算に使用される。位置合わせユニット３１６は、位置合わせパターン３１８を水平面に投影するように構成された光ユニット４１２（図６を参照）を含む。位置合わせパターン３１８は、手術台、床、患者、または他の任意の表面などの任意の表面に投影され得る。表面に投影された位置合わせパターン３１８が、臨床医またはコンピューティングデバイスによって視認可能かつ識別可能である限り、表面は、完全には水平ではないことがある。したがって、任意の非垂直面が使用され得る。
【0031】
位置合わせユニット３１６は、ユーザが位置合わせユニット３１６を手動で回転させ、位置合わせパターン３１８を代表的な座標系１１と位置合わせするために位置合わせパターン３１８の角度を調整することを可能にする回転可能な本体３２０を有する。実施形態では、位置合わせユニット３１６は、順方向、または患者に対する方向を示すために、その表面に印刷されたラベルまたは画像などのインジケータ３１６ａを含み得る。さらなる実施形態では、位置合わせパターン３１８は、方向の表示を有するラインであり得る。実施形態では、位置合わせパターン３１８は、第１の部分３２４および第２の部分３２２を含み得る。位置合わせパターン３１８の第２の部分３２２は、前方方向、または外科用器具５０の一部および患者に最も近いロボットアーム４０を示し得、第２の部分３２２は、後方方向、または外科用器具５０の一部および患者から最も遠いロボットアーム４０を示し得る。第２の部分３２２および第１の部分３２４は、より容易な識別を可能にするために、異なる色および／またはパターンなど、視覚的に異なっていてもよい。例示的な実施形態では、第２の部分３２２は緑色であってもよく、第１の部分３２４は赤色であってもよい。実施形態では、第２の部分３２２は青色であってもよく、第１の部分３２４は黄色であってもよく、色覚異常の職員によるより良好な識別を可能にする。さらなる実施形態では、第２の部分３２２および第１の部分３２４は、第１の部分３２４または第２の部分３２２の一方が中実であり得、他方が破線であり得るなど、異なるパターンを有し得る。
【0032】
図６を参照すると、患者「Ｐ」が配設された手術台４００が示されている。図６はまた、手術台４００に対して配向されている複数の位置合わせパターン３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃ、３１８ｄを示す。手術台４００は、それぞれの位置合わせユニット３１６の各々を位置合わせすることによってロボットアーム４０を配向させるための基準点として使用され得る。基準点は、手術台４００、患者「Ｐ」、壁、床のマーキング、または他の位置合わせパターン３１８のいずれか１つなど、位置合わせの期間中に静止したままである任意の物体であり得る。４つのロボットアーム４０の位置合わせユニット３１６によって投影された位置合わせパターン３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃ、３１８ｄ。位置合わせパターン３１８ａは、カメラおよび／または内視鏡を保持するロボットアーム４０に取り付けられた位置合わせユニット３１６によって投影される。適切に配向された場合に、位置合わせパターン３１８ｂ、３１８ｃ、３１８ｄは、パターン４０２、４０４、および４０６に示されるように、カメラおよび／または内視鏡を保持するロボットアーム４０から投影された位置合わせパターン３１８ａに平行であり、これと同じ方向を向いている。パターン４０８は、位置合わせされていない位置合わせパターン３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃ、３１８ｄを示し、位置合わせパターン３１８ｃは、位置合わせパターン３１８ａおよび３１８ｂに対して横方向であり、位置合わせパターン３１８ｄは、位置合わせパターン３１８ａおよび３１８ｂとは反対方向に配向されている。
【0033】
実施形態では、位置合わせユニット３１６は、位置合わせユニット３１６上に配設された、ボタンまたは任意の他のユーザインターフェースデバイスであり得る入力デバイス３２６を含む。入力デバイス３２６は、セットアップアーム３００および／または位置合わせユニット３１６の調整が完了したことを制御タワー２０および／または外科用コンソール３０に示すために、ユーザによって作動可能である。図７に示されるように、位置合わせユニット３１６は、光ユニット４１２、センサ４１４、およびコネクタ４１６を含む。位置合わせユニット３１６はまた、様々な電子構成要素を組み込むためのプリント回路基板を含み得る。センサ４１４は、任意の好適なエンコーダ、ポテンショメータ、回転可変差動変圧器、または任意の他の種類の回転位置センサであり得る。実施形態では、光ユニット４１２は、位置合わせユニット３１６の配向および／または方向を識別することを助けるために、１つ以上の色の様々な形状、数字、文字、および／または記号を含む、ある数の異なる位置合わせパターン３１８を投影する。光ユニット４１２は、レーザを放出するように構成され得る１つ以上の発光ダイオードなどの光源、および放出された光を位置合わせパターン３１８に成形する任意選択的な投影パターンまたはレンズを含み得る。センサ４１４は、位置合わせパターン３１８の角度を判定するために使用される。センサ４１４は、位置合わせユニット３１６の回転を測定するように構成され得、これは、次に、代表的な座標系１１に対するロボットアーム４０の配向を判定するために使用される。特に、位置合わせユニット３１６がユーザによって回転される際に、センサ４１４は、位置合わせパターン３１８の角度を判定し、この角度をロボットアーム４０の位置と相関させる。
【0034】
コネクタ４１６は、位置合わせユニット３１６を、制御タワー２０、外科用コンソール３０、およびロボットアーム４０のコンピュータ２１、３１、および４１と動作可能に結合し、位置合わせユニット３１６ならびに制御タワー２０、外科用コンソール３０、およびロボットアーム４０の間でデータおよび情報の転送を可能にする。実施形態では、コネクタ４１６は、有線接続（例えば、ＵＳＢ）であり得、コネクタ４１６は、制御タワー２０および／または外科用コンソール３０と無線通信する無線送信機／受信機を含み得、制御タワー２０および／または外科用コンソール３０はまた、無線送信機／受信機を含み得る。無線通信は、無線周波数、光、ＷｉＦｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）（短電波長を使用して短距離でデータを交換するためのオープン無線プロトコル）などであり得る。コネクタ４１６を介して、制御タワー２０および／または外科用コンソール３０は、位置合わせユニット３１６、具体的にはセンサ４１４からデータおよび／またはリアルタイムデータを転送することができる。センサ４１４は、位置合わせパターン３１８の配向を感知し、位置合わせパターン３１８の角度に関するデータを制御タワー２０および／または外科用コンソール３０に送信し返す。制御タワー２０または外科用コンソール３０は、この情報を利用して、代表的な座標系１１に対するロボットアーム４０の動きを、外科用コンソール３０からの入力デバイス、例えば、手動入力１８の動きと相関させる。
【0035】
図８は、ロボットアーム４０と代表的な座標系１１との位置合わせを整合させるための例示的な方法のフローチャート５００を示している。実際には、ステップ５０２において、システムをセットアップする場合に、ユーザは、代表的な座標系１１に隣接して、セットアップアーム３００、ロボットアーム４０、および外科用器具５０を含む可動カート６０を位置決めするように促される。次に、ユーザは、セットアップリンク３０４、３０６、および結合アセンブリ３０８を操作することにより、セットアップアーム３００を調整して、セットアップアーム３００を代表的な座標系１１と位置合わせする。実施形態では、セットアップリンク３０４、３０６は、ユーザによって手動で調整可能であり得る。別の実施形態では、セットアップリンク３０４、３０６は、セットアップリンク３０４、３０６を作動させるように構成された複数のアクチュエータ（図示せず）を含み得る。複数のモーターは、ユーザによって動作可能な制御デバイス（図示せず）によって制御され得る。ロボットアーム４０が再位置決めされ、入力デバイス３２６が起動された場合、または位置合わせユニット３１６がロボットアーム４０のヨーにおける変化を検出した場合、開示された方法に従って、ユーザは、代表的な座標系１１でロボットアーム４０を再整合するように促され得る。ステップ５０４において、ユーザが代表的な座標系１１に対してセットアップアーム３００を調整すると、位置合わせユニット３１６は、光ユニットを介して、代表的な座標系１１上に位置合わせパターン３１８を投影するように構成されている。投影された位置合わせパターン３１８は、位置合わせパターン３１８がユーザに視認可能であるように高強度であり得る。
【0036】
次に、ステップ５０６において、ユーザは、位置合わせユニット３１６を調整することによって、位置合わせパターン３１８を操作するように促される。特に、ユーザは、位置合わせユニット３１６を回転させることができ、これにより、位置合わせパターン３１８も回転させる。実施形態では、位置合わせパターン３１８は直線であり得る。さらなる実施形態では、光ユニットは、２つ以上の色の光を投射して、配向および／または方向を示す。ステップ５０８において、ユーザが位置合わせユニット３１６の調整を完了すると、ユーザは、位置合わせユニット３１６上に配設された入力デバイス３２６を起動させて、調整が完了し、セットアップアーム３００が代表的な座標系１１に適切に位置合わせされたことを制御タワー２０および／または外科用コンソール３０に示す。ステップ５１０において、制御タワー２０および／または外科用コンソール３０は、代表的な座標系１１に対する位置合わせパターン３１８の配向を判定する。特に、位置合わせユニット３１６は、位置合わせユニット３１６の位置に対する投影された位置合わせパターン３１８の角度を判定するために使用されるセンサー（図示せず）を含む。ステップ５１２において、代表的な座標系１１に対する位置合わせパターン３１８の配向に基づいて、制御タワー２０および／または外科用コンソール３０は、代表的な座標系１１に対するセットアップアーム３００および／またはロボットアーム４０の位置および配向を判定する。ステップ５１４において、ロボットアーム４０の配向が判定されると、制御タワー２０および／または外科用コンソール３０は、代表的な座標系に対するロボットアーム４０の動きおよび配向を、ロボットアームを操作するように構成されている手動入力１８の動きと相関させる。
【0037】
本明細書に開示された実施形態に様々な変更が加えられ得ることが理解されるであろう。実施形態において、センサは、ロボットアームの任意の好適な部分に配設され得る。したがって、上記の説明は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単に様々な実施形態の例証として解釈されるべきである。当業者は本明細書に添付される特許請求の範囲内および趣旨内で他の修正を想定するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】