特表 2024-503307 ロボットアームの接触感知及び接触反応のシステム及び方法

(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】2024-01-25

(54)【発明の名称】ロボットアームの接触感知及び接触反応のシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/35 20160101AFI20240118BHJP

【ＦＩ】

A61B34/35

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023540046

(86)(22)【出願日】2021-12-07

(85)【翻訳文提出日】2023-07-18

(86)【国際出願番号】 IB2021061417

(87)【国際公開番号】W WO2022144640

(87)【国際公開日】2022-07-07

(31)【優先権主張番号】63/132,463

(32)【優先日】2020-12-30

(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】518083032

【氏名又は名称】オーリス ヘルス インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100088605

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 公延

(74)【代理人】

【識別番号】100130384

【弁理士】

【氏名又は名称】大島 孝文

(72)【発明者】

【氏名】ヤン・ボ

(72)【発明者】

【氏名】ザファール・ムンジル

(72)【発明者】

【氏名】サベティアン・プーヤ

(72)【発明者】

【氏名】フアン・ヤナン

(72)【発明者】

【氏名】マオ・イン

【テーマコード（参考）】

4C130

【Ｆターム（参考）】

4C130AA02

4C130AA04

4C130AA24

4C130AB01

4C130AD23

4C130BA14

4C130CA16

(57)【要約】

ロボット医療システムは、接触感知及び接触反応が可能であり得る。ロボット医療システムは、ロボットアーム及び１つ又は２つ以上のセンサを含むことができる。ロボット医療システムは、１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によってロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出するように構成することができる。接触力又はトルクを検出したことに応答して、かつ、接触力又はトルクの大きさが下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、ロボット医療システムは、検出された接触力又はトルクに従ったロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって前記ロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出することと、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクの大きさが下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、検出された前記接触力又は前記トルクに従った前記ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することと、
を行わせる、ロボットシステム。

【請求項2】

前記ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することが、前記ロボットアームのゼロ空間運動を起動することを含む、請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項3】

前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクが前記上方接触力限界又は前記上方トルク限界を超えているという判定に従って、前記ロボットシステムの一部の移動を無効化させる、請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項4】

前記メモリが、命令を更に含み、前記命令は、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクが下方接触力又は下方トルク未満であるという判定に従って、検出された前記接触力又は前記トルクに従った前記ロボットアーム上の制御された移動の前記第１のセットの有効化を取り止めさせる、請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項5】

前記１つ又は２つ以上のセンサが、１つ又は２つ以上の接触センサを含み、
前記接触力又は前記トルクが、前記１つ又は２つ以上の接触センサを使用して検出される、
請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項6】

前記１つ又は２つ以上の接触センサが、前記ロボットアームのリンク上に位置している、請求項５に記載のロボットシステム。

【請求項7】

前記ロボットアームの前記リンクが、遠位リンク又は近位リンクである、請求項６に記載のロボットシステム。

【請求項8】

前記１つ又は２つ以上のセンサが、多軸ロードセルを含み、
前記接触力又は前記トルクが、前記多軸ロードセルを使用して検出される、
請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項9】

前記多軸ロードセルが、前記ロボットアームの遠位部分に位置する６軸ロードセルを備える、請求項８に記載のロボットシステム。

【請求項10】

前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記ロボットアームの第１の速度を含む第１のユーザコマンドを受信することと、
前記接触力の前記大きさが下方接触力限界と上方接触力限界との間にあるという前記判定に従って、
ａ）前記接触力の方向を判定することと、
ｂ）前記トルクの方向を判定することと、
ｃ）前記ロボットアームの並進速度及び前記接触力の前記方向によって形成される第１の角度を判定することと、
ｄ）前記ロボットアームの回転速度及び前記トルクの前記方向によって形成される第２の角度を判定することと、
前記第１の角度が第１の角度閾値内にあり、前記第２の角度が第２の角度閾値内にあるという判定に従って、前記第１の速度での前記ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節の移動を有効化することと、
（ｉ）前記第１の角度が前記第１の角度閾値を超えているという判定又は（ｉｉ）前記第２の角度が前記第２の角度閾値を超えているという判定のうちの少なくとも１つに従って、前記ロボットアームの移動を無効化することと、を行わせる、請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項11】

前記第１の角度閾値及び前記第２の角度閾値が、前記接触力を検出するために使用される１つ又は２つ以上の接触センサの測定不確実性に従って判定される、請求項１０に記載のロボットシステム。

【請求項12】

前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記ロボットアームの要求速度を含む第２のユーザコマンドを受信することと、
前記トルクの前記大きさが前記下方トルク限界と前記上方トルク限界との間にあるという前記判定に従って、
前記トルクの方向を判定することと、
前記トルクの前記方向及び前記ロボットアームの前記要求速度によって形成される第３の角度を判定することと、
前記第３の角度が第３の角度閾値内であるという判定に従って、前記要求速度での前記ロボットアームの移動を有効化することと、
前記第３の角度が前記第３の角度閾値を超えているという判定に従って、前記ロボットアームの移動を無効化することと、を行わせる、請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項13】

前記トルクの前記大きさが、前記ロボットアームの遠隔運動中心に対して判定される、請求項１２に記載のロボットシステム。

【請求項14】

前記第３の角度閾値が、前記トルクを検出するために使用される６軸ロードセルの測定不確実性に従って判定される、請求項１２に記載のロボットシステム。

【請求項15】

ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって前記ロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出することと、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクが下方力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、前記ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路に基づく軌道における前記ロボットアームの移動を有効化することと、
を行わせる、ロボットシステム。

【請求項16】

前記１つ又は２つ以上のセンサが、１つ又は２つ以上の接触センサを含む、請求項１５に記載のロボットシステム。

【請求項17】

前記１つ又は２つ以上のセンサが、６軸ロードセルを含む、請求項１５に記載のロボットシステム。

【請求項18】

前記ロボットアームの前記予め確立された経路又は前記予め記録された経路が、前記ロボットアームのリンク重心の予め記録された経路を含む、請求項１５に記載のロボットシステム。

【請求項19】

前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記リンク重心の前記予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる前記予め記録された経路に沿った並進運動方向及び回転運動方向を判定させる、請求項１８に記載のロボットシステム。

【請求項20】

前記ロボットアームの前記予め確立された経路又は前記予め記録された経路が、前記ロボットアームの遠隔中心運動のピッチ角及び／又はヨー角の予め確立された経路又は予め記録された経路を含む、請求項１５に記載のロボットシステム。

【請求項21】

前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記ロボットアームの前記予め確立された経路又は前記予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる前記予め記録された経路に沿った平均運動方向を判定させる、請求項２０に記載のロボットシステム。

【請求項22】

ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって及ぼされた前記ロボットアームに対する接触力又はトルクを検出することと、
前記接触力又は前記トルクが下方反応力限界又は下方トルク限界以上であるという判定に従って、前記ロボットアームの速度を低減することと、
を行わせる、ロボットシステム。

【請求項23】

前記ロボットアームが、１つ又は２つ以上の関節を含み、
前記ロボットアームの前記速度を低減することが、前記ロボットアームの前記１つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減することを含む、
請求項２２に記載のロボットシステム。

【請求項24】

前記１つ又は２つ以上の関節の各々の前記それぞれの速度を低減することが、全ての前記関節の速度を同じスケールだけ低減することを含む、請求項２３に記載のロボットシステム。

【請求項25】

前記ロボットアームの前記速度を低減することが、前記ロボットアームの遠隔中心運動における角速度を低減することを含む、請求項２２に記載のロボットシステム。

【請求項26】

前記１つ又は２つ以上のセンサが、１つ又は２つ以上の接触センサを含む、請求項２２に記載のロボットシステム。

【請求項27】

前記１つ又は２つ以上のセンサが、６軸ロードセルを含む、請求項２２に記載のロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示されるシステム及び方法は、ロボット医療システム、より具体的には、ロボット医療システムのロボット式に制御されるアームを対象とする。

【背景技術】

【0002】

ロボット対応の医療システムは、腹腔鏡などの低侵襲性の処置、及び内視鏡などの非侵襲性の両方の処置を含む、様々な医療処置を実施することができる。内視鏡処置のうち、システムは、気管支鏡検査、尿管鏡検査、胃鏡検査などを実施することができる。

【0003】

そのようなロボット医療システムは、所与の医療処置中に医療ツールの移動を制御するように構成されたロボットアームを含むことができる。医療ツールの所望の姿勢を達成するために、ロボットアームは、セットアッププロセス中又はテレオペレーション中に、ある姿勢に置かれ得る。いくつかのロボット対応の医療システムは、ロボットアームのそれぞれの基台に接続され、ロボットアームを支持するアーム支持体（例えば、バー）を含んでもよい。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

ロボット手術中、ロボットアームは、例えば、ロボットアームのテレオペレーション下での移動に起因して、手術室内の患者、医療従事者、又はアクセサリなどの隣接する物体と接触し、患者又は医療従事者に対して過剰な接触力及び／又はトルクを生じる場合がある。過剰な接触力又はトルクは、手術中に患者又は医療従事者に怪我及び不快感を引き起こす場合がある。いくつかの状況では、そのような接触力及び／又はトルクに応答して、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節及び／又はリンクは、（例えば、カニューレの位置及び／又は配向の）姿勢を維持するために、ゼロ空間運動を実行してもよい。いくつかの状況では、オペレータは、ロボットアームを邪魔にならないところに移動させる前に、患者を移動させる、又は入力制御装置に手を伸ばす必要がある場合がある。しかしながら、これらの行為は、手術室内の患者又は他の物体との望ましくない衝突及び接触の追加の危険性をもたらす場合がある。

【0005】

したがって、改良されたロボット医療システムが望ましい。特に、ロボットアームに対する（例えば、ロボットアームのリンケージ、関節などに対する）相互作用（例えば、力及び／又はトルク）を検出して、検出された力及び／又はトルクの特性（例えば、大きさ、方向、変化率など）に応じて、ロボットアームのゼロ空間運動を有効化する、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節及び／又はリンクを好適な速度でかつ／又は検出された力及び／又はトルクの特性（例えば、大きさ、方向、変化率など）に従って選択される方向に移動させる、あるいはテレオペレーションを無効化する、などのある特定の適切な行為を行うロボット医療システムが必要とされている。これは、有利なことに、手術中の患者及び／又はオペレータの安全性を向上させる。また、外科医が手術中にロボットアームのうちの１つ又は２つ以上を駆動している間の中断を確実に低減する。

【0006】

加えて、本明細書に開示されるように、センサが、ロボットアームに対する力及び／又はトルクを検出し、検出された接触力又はトルクに従って、ロボットアーム上の制御された移動を有効化するために、ロボットアームの複数の領域全体に分散されている。したがって、テレオペレーション中にロボットアームの姿勢を手動で調節すること、患者を移動させること、及び／又はロボットアーム自体の再位置決めなどのために、医療従事者にかかる操作上の負担が低減される。

【0007】

本開示の別の態様では、ロボットアームは、器具を所望の姿勢まで送達し、遠隔運動中心（remote center of motion、ＲＣＭ）を保持しながら、いくつかの異なる目的のために使用することができる、少なくとも１自由度の冗長性を含んでもよい。これらの目的は、運動学的衝突回避、関節制限回避、過剰接触回避、手動によるアームの再位置決めのためのアドミタンスゼロ空間運動、及びロボット関節を好ましい場所に位置決めすることを含み得る。いくつかの状況では、これらの目的の各々は、ロボットアームのそれぞれのゼロ空間運動を要求する。ロボットアームは、ゼロ空間運動のために利用可能な自由度が制限されているので、これらの目的は、時々互いに競合することがある。したがって、動作の様々な状態下のロボットアームに対してこれらの目的を同時に最適化し、バランスのとれた最適な方式でゼロ空間運動を制御する必要がある。

【0008】

本明細書に開示されるように、ロボット医療システムは、各々がロボットアームのそれぞれのゼロ空間運動を要求し得るロボットシステムに対する複数のタスクを特定することによって、様々な目的に関連したゼロ空間運動要求を管理することができる。ロボットシステムは、統合スキーム（例えば、排他性、切り替え又は重み付けなどのようないくつかの利用可能なスキームのうちの選択された１つ）に従ってタスクに優先順位を付け、統合スキームに従ってロボットアームのゼロ空間速度を判定することができる。いくつかの実施形態では、医療用ロボットシステムは、現在の状況下での各ゼロ空間運動要求の「深刻度」又は必須度（imperativeness）の判定する（例えば、好適な重み及び定量的尺度を有する「コスト関数」を生成する）ことができ、かつ、現在の状況下でのゼロ空間運動要求の集約された「深刻度」を低減する（例えば、コスト関数を最適化する）ことによって、ロボットアームの好適なゼロ空間関節速度を判定することができる。ロボット医療システムは、次いで、その状況下での競合する優先度（例えば、異なるタスクの、安全性、電力消費、効率、目標及び制約など）間の好適なバランスに対応する統合スキームを使用して判定されたゼロ空間関節速度に基づいて、ロボットアームのゼロ空間運動を実行する。

【0009】

本開示のシステム、方法及びデバイスはそれぞれ、いくつかの革新的な態様を有し、そのうちの１つとして本明細書に開示される望ましい属性を単独で司るものではない。

【0010】

本開示のいくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットアームを含む。ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のセンサを含む。ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを更に含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によってロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出させる命令を記憶している。接触力又はトルクを検出したことに応答して、接触力又はトルクの大きさが下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、検出された接触力又はトルクに従って、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することができる。

【0011】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することは、ロボットアームのゼロ空間運動を起動することを含む。

【0012】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、接触力又はトルクを検出したことに応答して、接触力又はトルクが上方接触力限界又は上方トルク限界を超えているという判定に従って、ロボットシステムの一部の移動を無効化させる。

【0013】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、接触力又はトルクを検出したことに応答して、接触力又はトルクが下方接触力又は下方トルク未満であるという判定に従って、検出された接触力又はトルクに従ったロボットアーム上の制御された移動の第１のセットの有効化を取り止めさせる。

【0014】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサを含む。接触力又はトルクは、１つ又は２つ以上の接触センサを使用して検出される。

【0015】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の接触センサは、ロボットアームのリンク上に位置している。

【0016】

いくつかの実施形態では、ロボットアームのリンクは、遠位リンク又は近位リンクである。

【0017】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、多軸ロードセルを含む。接触力又はトルクは、多軸ロードセルを使用して検出される。

【0018】

いくつかの実施形態では、多軸ロードセルは、ロボットアームの遠位部分に位置する６軸ロードセルを含む。

【0019】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットアームの第１の速度を含む第１のユーザコマンドを受信させる。接触力の大きさが下方接触力限界と上方接触力限界との間にあるという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ａ）接触力の方向を判定し、ｂ）トルクの方向を判定し、ｃ）ロボットアームの並進速度及び接触力の方向によって形成される第１の角度を判定し、ｄ）ロボットアームの回転速度及びトルクの方向によって形成される第２の角度を判定する。第１の角度が第１の角度閾値内にあり、第２の角度が第２の角度閾値内にあるという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、第１の速度でのロボットアームの１つ又は２つ以上の関節の移動を有効化する。（ｉ）第１の角度が第１の角度閾値を超えているという判定又は（ｉｉ）第２の角度が第２の角度閾値を超えているという判定のうちの少なくとも１つに従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームの移動を無効化する。

【0020】

いくつかの実施形態では、第１の角度閾値及び第２の角度閾値は、接触力を検出するために使用される１つ又は２つ以上の接触センサの測定不確実性に従って判定される。

【0021】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットアームの要求速度（例えば、線形速度又は角速度）を含む第２のユーザコマンドを受信させる。トルクの大きさが下方トルク限界と上方トルク限界との間にあるという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、トルクの方向を判定する。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のプロセッサは、トルクの方向及びロボットアームの要求速度（例えば、線形速度又は角速度）によって形成される第３の角度を判定することができる。第３の角度が第３の角度閾値内であるという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、要求速度でのロボットアームの移動を有効化する。第３の角度が第３の角度閾値を超えているという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームの移動を無効化する。

【0022】

いくつかの実施形態では、トルクの大きさは、ロボットアームの遠隔運動中心に対して判定される。

【0023】

いくつかの実施形態では、第３の角度閾値は、トルクを検出するために使用される６軸ロードセルの測定不確実性に従って判定される。

【0024】

本開示のいくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットアームを含む。ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のセンサを含む。ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを更に含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によってロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出させる命令を記憶している。接触力又はトルクを検出したことに応答して、かつ、接触力又はトルクが下方力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路に基づく軌道におけるロボットアームの移動を有効化する。

【0025】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサを含む。

【0026】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、６軸ロードセルを含む。

【0027】

いくつかの実施形態では、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路は、ロボットアームのリンク重心の予め記録された経路を含む。

【0028】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、リンク重心の予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる予め記録された経路に沿った並進運動方向及び回転運動方向を判定させる。

【0029】

いくつかの実施形態では、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路は、ロボットアームの遠隔中心運動のピッチ角及び／又はヨー角の予め確立された経路又は予め記録された経路を含む。

【0030】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる予め記録された経路に沿った平均運動方向を判定させる。

【0031】

本開示のいくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットアームを含む。ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のセンサを含む。ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって及ぼされたロボットアームに対する接触力又はトルクを検出させる命令を記憶している。接触力又はトルクが下方反応力限界又は下方トルク限界以上であるという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームの速度を低減する。

【0032】

いくつかの実施形態では、ロボットアームは、１つ又は２つ以上の関節を含む。ロボットアームの速度を低減することは、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減することを含む。

【0033】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減することは、全ての関節の速度を同じスケールだけ低減することを含む。

【0034】

いくつかの実施形態では、ロボットアームの速度を低減することは、ロボットアームの遠隔中心運動における角速度を低減することを含む。

【0035】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサを含む。

【0036】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、６軸ロードセルを含む。

【0037】

本開示のいくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ユーザコンソールを含む。ロボットシステムはまた、ロボットアームを含む。ロボットシステムはまた、ロボットアームに結合された調節可能なバーを含む。ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを更に含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットシステムによる実行のための複数のタスクのうちの２つ又はそれ以上のタスクからの入力に基づいて、ロボットアーム及び／又は調節可能なバーのゼロ空間運動を制御させる命令を記憶している。複数のタスクは、ロボットアームの接触検出及び反応を含む第１のタスク、調節可能なバーの最適化を含む第２のタスク、運動学を介した衝突及び／又は関節限界の処理を含む第３のタスク、ロボットアームのゼロ空間及び／又はバーの姿勢ジョギングを含む第４のタスク、並びに好ましい関節位置に向かう運動を含む第５のタスクを含む。

【0038】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアーム上に位置決めされている１つ又は２つ以上の力センサを更に含む。第１のタスクは、１つ又は２つ以上の力センサを使用して、ロボットアーム上で接触を検出することを更に含む。

【0039】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の力センサは、ロボットアームのリンク上に位置決めされている接触センサを含む。

【0040】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の力センサは、ロボットアームの関節又は遠位端上に位置決めされている接触センサを含む。

【0041】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの関節上に位置決めされている１つ又は２つ以上の力センサを更に含む。第２のタスクは、１つ又は２つ以上のセンサ上で感知された力を使用して、ロボットアームに対する調節可能なバーの姿勢を調節することを含む。

【0042】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの関節上に位置決めされた１つ又は２つ以上のエンコーダを更に含む。第３のタスクは、１つ又は２つ以上のエンコーダを使用して、衝突を検出し、運動学的制御を介して衝突を緩和することを含む。

【0043】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、複数のタスクにおけるタスク間の予め設定された相互排他性に基づいて、複数のタスクのうちの１つ又は２つ以上のタスクに優先順位を付けさせる。

【0044】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、複数のタスクの各々にそれぞれの重みを割り当てさせる。いくつかの実施形態では、メモリは、命令も含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、複数のタスクのそれぞれの重みの相対的な大きさに基づいて、複数のタスクのうちの１つ又は２つ以上のタスクに優先順位を付けさせる。

【0045】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットシステムの現在の状態に基づいて、複数のタスクのうちの１つ又は２つ以上のタスクの個別のセット間で切り替えさせる。

【0046】

いくつかの実施形態では、ロボットアームは、少なくとも１自由度の冗長性を有する。

【0047】

いくつかの実施形態では、ロボットアームのゼロ空間運動を制御することは、最適なゼロ空間関節速度で、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節を所望の姿勢まで移動させることを含む。

【0048】

いくつかの実施形態では、メモリは、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットアームのエンドエフェクタがコマンドに従うことを可能している間に、ロボットアームのゼロ空間運動を実行させる。

【0049】

本開示の別の態様によれば、ロボットシステムにおいて方法が実施される。ロボットシステムは、ロボットアームと、ロボットアームに結合された調節可能なバーと、１つ又は２つ以上のプロセッサと、メモリとを含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されるように構成された１つ又は２つ以上のプログラムを記憶している。方法は、ロボットシステムの第１の複数のタスクを特定することを含む。第１の複数のタスクの各タスクは、対応するゼロ空間関節速度を有するロボットアームのそれぞれのゼロ空間運動を要求する。第１の複数のタスクは、運動学的衝突回避を含む第１のタスク、関節制限回避を含む第２のタスク、接触回避及びアドミタンスゼロ空間運動を含む第３のタスク、並びに好ましい関節位置に向かう運動を含む第４のタスクのうちの２つ又はそれ以上を含む。方法は、調節可能なバー及び／又はロボットアームのゼロ空間並びに／あるいはバーの姿勢ジョギングの最適化に対応する第１のコストと、第１の複数のタスクの各タスクに対応する複数の第２のコストとを含むコスト関数を低減することによって判定されるロボットアームの第１のゼロ空間関節速度に基づいて、ロボットアームのゼロ空間運動を実行することを含む。

【0050】

いくつかの実施形態では、方法は、連続ステップサイズ低減を伴う勾配降下アルゴリズムを使用してコスト関数を低減することを含む。

【0051】

いくつかの実施形態では、方法は、第１のゼロ空間関節速度で、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節を所望の姿勢まで移動させることを含む。

【0052】

いくつかの実施形態では、ロボットアームのゼロ空間運動の実行は、ロボットアームのエンドエフェクタがコマンドに従うことを可能にしている間に行われる。

【0053】

いくつかの実施形態では、方法は、第１のコストに第１の重みを割り当てることと、複数の第２のコストの各々にそれぞれの第２の重みを割り当てることと、を更に含む。

【0054】

いくつかの実施形態では、第２のコストのうちの少なくとも１つのそれぞれの第２の重みはゼロである。

【0055】

いくつかの実施形態では、複数の第２のコストの各々へのそれぞれの第２の重みの割り当ては、ロボットシステムの動作状態に従って実施される。

【0056】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームと、ロボットアームに結合された調節可能なバーと、１つ又は２つ以上のプロセッサと、メモリとを含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、本明細書に記載の方法のいずれかを実施させる、１つ又は２つ以上のプログラムを記憶している。

【0057】

上述の様々な実施形態は、本明細書で説明される任意の他の実施形態と組み合わせることができることに留意されたい。本明細書に記載された特徴及び利点は、全てを含むものではなく、特に、多くの追加の特徴及び利点が、図面、明細書、及び特許請求の範囲を考慮すれば当業者には明らかであろう。更に、本明細書で使用される言語は、主に読みやすさ及び教示目的のために選択されており、本発明の主題を線引き又は制限するために選択されていない場合があることに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0058】

開示される態様は、以下、添付の図面と併せて説明され、開示された態様を示すが、限定するものではなく、同様の称号は同様の要素を示す。

【図1】診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置用に配置されたカートベースのロボットシステムの一実施形態を示す。

【図2】図１のロボットシステムの更なる態様を描写する。

【図3】尿管鏡検査用に配置された図１のロボットシステムの一実施形態を示す。

【図4】血管処置用に配置された図１のロボットシステムの一実施形態を示す。

【図5】気管支鏡検査処置用に配置されたテーブルベースのロボットシステムの一実施形態を示す。

【図6】図５のロボットシステムの代替の図を提供する。

【図7】ロボットアームを収容するように構成されたシステム例を示す。

【図8】尿管鏡検査処置用に構成されたテーブルベースのロボットシステムの一実施形態を示す。

【図9】腹腔鏡処置用に構成されたテーブルベースのロボットシステムの一実施形態を示す。

【図10】ピッチ又は傾動調節を有する図５～図９のテーブルベースのロボットシステムの一実施形態を示す。

【図11】図５～図１０のテーブルベースのロボットシステムのテーブルとカラムとの間のインターフェースの詳細な図示を提供する。

【図12】テーブルベースのロボットシステムの代替の実施形態を示す。

【図13】図１２のテーブルベースのロボットシステムの端面図を示す。

【図14】ロボットアームが取り付けられた状態のテーブルベースのロボットシステムの端面図を示す。

【図15】例示的な器具ドライバを示す。

【図16】ペアの器具ドライバを有する例示的な医療器具を示す。

【図17】駆動ユニットの軸が器具の細長シャフトの軸に平行である、器具ドライバ及び器具の代替の設計を示す。

【図18】器具ベースの挿入アーキテクチャを有する器具を示す。

【図19】例示的なコントローラを示す。

【図20】例示的な実施形態による、図１６～図１８の器具の場所など、図１～図１０のロボットシステムの１つ又は２つ以上の要素の場所を推定する位置特定システムを示すブロック図を示す。

【図21】いくつかの実施形態による、例示的なロボットシステムを示す。

【図22】いくつかの実施形態による、例示的なロボットシステムの別の図を示す。

【図23A】いくつかの実施形態による、例示的なロボットアームの異なる図を示す。

【図23B】いくつかの実施形態による、例示的なロボットアームの異なる図を示す。

【図24A】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図24B】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図24C】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図24D】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図24E】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図24F】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図24G】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図24H】いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。

【図25A】いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための方法のフローチャート図を示す。

【図25B】いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための方法のフローチャート図を示す。

【図25C】いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための方法のフローチャート図を示す。

【図26】空間内のロボットアームの許容される移動を示す。

【図27A】いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための別の方法のフローチャート図を示す。

【図27B】いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための別の方法のフローチャート図を示す。

【図28】いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための別の方法のフローチャート図を示す。

【図29】いくつかの実施形態による、ロボットシステム２００についての運動学的アーキテクチャのブロック図９００を示す。

【図30A】いくつかの実施形態による、ロボットアームのゼロ空間運動を制御するための方法のフローチャート図を示す。

【図30B】いくつかの実施形態による、ロボットアームのゼロ空間運動を制御するための方法のフローチャート図を示す。

【図30C】いくつかの実施形態による、ロボットアームのゼロ空間運動を制御するための方法のフローチャート図を示す。

【図31A】いくつかの実施形態による、ロボットアームのゼロ空間関節速度を判定するための方法のフローチャート図を示す。

【図31B】いくつかの実施形態による、ロボットアームのゼロ空間関節速度を判定するための方法のフローチャート図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0059】

１．概要。
本開示の態様は、腹腔鏡などの低侵襲性の処置、及び内視鏡などの非侵襲性の両方の処置を含む、様々な医療処置を実施することができるロボット対応の医療システムに統合され得る。このシステムは、内視鏡処置のうち、気管支鏡検査、尿管鏡検査、胃鏡検査などを実施することができる。

【0060】

幅広い処置を実施することに加えて、システムは、医師を支援するための強調された撮像及び誘導などの追加の利益を提供することができる。更に、システムは、厄介な腕の動き及び位置を必要とせずに、人間工学的位置から処置を実施する能力を医師に与えることができる。また更に、システムは、システムの器具のうちの１つ又は２つ以上をユーザ一人だけでも制御することができるような、向上した使いやすさで処置を実施する能力を医師に与えることができる。

【0061】

以下、説明を目的として、図面と併せて、様々な実施形態が説明される。開示される概念の多くの他の実施形態が可能であり、開示される実施形態で様々な利点が達成され得ることを理解されたい。本明細書には、参照に、また様々な節の位置を特定する助けとなるように、見出しを含めている。この見出しは、それに関して述べられる概念の範囲を限るものではない。本明細書全体にわたってこのような概念を適用することができる。

【0062】

Ａ．ロボットシステム－カート。
ロボット対応の医療システムは、特定の処置に応じて様々な方式で構成され得る。図１は、診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置用に配置されたカートベースのロボット対応システム１０の一実施形態を示す。気管支鏡検査の間、システム１０には、気管支鏡検査用の処置特有気管支鏡であり得る操縦可能な内視鏡１３などの医療器具を、診断ツール及び／又は治療ツールを送達する自然開口アクセスポイント（すなわち、この例ではテーブルに位置決めされた患者の口）に送達するための１つ又は２つ以上のロボットアーム１２を有するカート１１を備えることができる。示す通り、カート１１は、アクセスポイントへのアクセスを提供するために、患者の上部胴体に近接して位置決めすることができる。同様に、アクセスポイントに対して気管支鏡を位置決めするように、ロボットアーム１２を作動させることができる。消化管（Gastro-Intestinal、ＧＩ）処置を、ＧＩ処置に特化した内視鏡である胃鏡を用いて実施するときにも図１の配置を利用することができる。図２には、カートの実施形態例をより詳細に描写する。

【0063】

図１を引き続き参照すると、カート１１が適切に位置決めされると、ロボットアーム１２は、操縦可能な内視鏡１３をロボットで、手動で、又はそれらの組み合わせで患者内に挿入することができる。示す通り、操縦可能な内視鏡１３には、内側リーダー部及び外側シース部などの少なくとも２つの入れ子式パートを備えることができ、各部は、器具ドライバ２８のセットから別個の器具ドライバに結合され、各器具ドライバは、個々のロボットアームの遠位端に結合されている。リーダー部をシース部と同軸上に位置合わせしやすい、器具ドライバ２８のこの線形配置は、１つ又は２つ以上のロボットアーム１２を様々な角度及び／又は位置に巧みに操ることによって空間において位置決めし直すことができる「仮想レール」２９を作り出す。本明細書に記載の仮想レールは、破線を使用して図に描いており、したがって破線は、システムの如何なる物理的構造も描いていない。仮想レール２９に沿った器具ドライバ２８の並進は、外側シース部に対して内側リーダー部を入れ子にするか、又は内視鏡１３を患者から前進若しくは後退させる。仮想レール２９の角度は、臨床用途又は医師の好みに基づいて調節することも、並進させることも、枢動させることもできる。例えば、気管支鏡検査では、示される仮想レール２９の角度及び位置は、内視鏡１３への医師のアクセスを提供することと、内視鏡１３を患者の口内に曲げ入れることから生じる摩擦を最小限に抑えることとの妥協を表す。

【0064】

内視鏡１３は、標的の目的地又は手術部位に到達するまで、ロボットシステムからの正確なコマンドを使用して挿入後に患者の気管及び肺の下流に方向付けられてもよい。患者の肺網を通したナビゲーションを強化しかつ／又は望ましい標的に達するために、内側リーダー部を外側シース部から入れ子状に延ばして、関節運動を強化し、曲げ半径を大きくするように、内視鏡１３を巧みに操ることができる。別個の器具ドライバ２８の使用により、リーダー部とシース部とが互いに独立して駆動することも可能になる。

【0065】

例えば、患者の肺内の病巣又は小結節などの標的に生検針を送達するように、内視鏡１３を方向付けることができる。病理医によって分析される組織試料を得るように、生検針は内視鏡の長さにわたるワーキングチャネルを展開させていくことができる。病理の結果に応じて、更なる生検で、更なるツールは内視鏡のワーキングチャネルを展開させていくことができる。小結節を悪性であると特定した後、内視鏡１３は、ツールを内視鏡下で送達し、潜在的な癌組織を切除することができる。場合によっては、診断的治療及び治療的治療を別の処置で果たすことができる。これらの状況において、基準を送達して、標的となる小結節の場所を「マーク」するのにも、内視鏡１３を使用することができる。他の例では、診断的治療及び治療的治療を同じ処置中に果たすことができる。

【0066】

システム１０はまた、カート１１に支持ケーブルを介して接続されて、カート１１への制御、電子機器、流体工学、光学系、センサ、及び／又は電力のためのサポートを提供し得る移動可能なタワー３０を含んでもよい。タワー３０にこのような機能を置くことにより、カート１１のフォームファクタを小さくすることができ、手術を行う医師及びそのスタッフがより容易にカート１１を調節しかつ／又は位置決めし直すことができる。更に、カート／テーブルと支持タワー３０との機能分割は、手術室の乱雑さを低減し、臨床ワークフローの改善を促進する。カート１１を患者の近くに位置決めしてもよいが、タワー３０は、処置中に邪魔にならないように離れた場所に収容することができる。

【0067】

上述のロボットシステムをサポートするために、タワー３０は、例えば、永続的な磁気記憶ドライブ、ソリッドステートドライブなどの非一時的コンピュータ可読記憶媒体内にコンピュータプログラム命令を記憶するコンピュータベースの制御システムの構成要素を含んでもよい。これらの命令の実行は、実行がタワー３０内で行われるのか又はカート１１内で行われるのかにかかわらず、システム全体又はそのサブシステムを制御してもよい。例えば、コンピュータシステムのプロセッサによって実行されると、命令は、ロボットシステムの構成要素に、当該キャリッジ及びアームマウントを作動させ、ロボットアームを作動させ、医療器具を制御させることができる。例えば、制御信号を受信したことに応答して、ロボットアームの関節にあるモータが、アームをある特定の姿勢に位置決めすることができる。

【0068】

タワー３０は、内視鏡１３を通して展開することができるシステムに、制御された灌注及び吸引機能を提供するために、ポンプ、流量計、弁制御、及び／又は流体アクセスも含むことができる。これらの構成要素は、タワー３０のコンピュータシステムも使用して制御されてもよい。いくつかの実施形態では、別個のケーブルを介して内視鏡１３に灌注能力及び吸引能力を直接もたらすことができる。

【0069】

タワー３０は、フィルタリングされ、保護された電力をカート１１に提供するように設計された電圧及びサージ保護具を含んでもよく、それによって、カート１１内に電力変圧器及び他の補助電力構成要素を配置することが回避され、カート１１はより小さく、より移動可能になる。

【0070】

タワー３０は、ロボットシステム１０全体に展開されたセンサのための支持機器も含んでもよい。例えば、タワー３０は、ロボットシステム１０全体にわたり光センサ又はカメラから受信したデータを検出し、受信し、処理するためのオプトエレクトロニクス機器を含んでもよい。制御システムと組み合わせて、このようなオプトエレクトロニクス機器を使用して、タワー３０内を含むシステム全体にわたって展開した任意の数のコンソールに表示するためのリアルタイム画像を生成することができる。同様に、タワー３０は、展開した電磁（ElectroMagnetic、ＥＭ）センサから信号を受信し、受信した信号を処理するための電子サブシステムも含むことができる。タワー３０はまた、医療器具内又は医療器具上のＥＭセンサによる検出用のＥＭ場発生器を収容し、位置決めするのにも使用することができる。

【0071】

タワー３０はまた、システムの残りの部分で利用可能な他のコンソール、例えば、カートの上部に装着されたコンソールに追加して、コンソール３１も含んでもよい。コンソール３１は、オペレータである医師用に、ユーザインターフェース及びタッチスクリーンなどの表示画面を含むことができる。システム１０のコンソールは、通常、ロボット制御と、内視鏡１３のナビゲーション情報及び位置特定情報などの処置の術前情報及びリアルタイム情報との両方を提供するように設計される。コンソール３１が、医師が使用できる唯一のコンソールではない場合、看護師などの第２のオペレータがコンソール３１を使用して、患者の健康又は生命及びシステムの工程を監視するとともに、ナビゲーション情報及び位置特定情報などの処置固有のデータを提供することもできる。他の実施形態では、コンソール３０は、タワー３０とは別個の本体内に収容される。

【0072】

タワー３０は、１つ又は２つ以上のケーブル又は接続部（図示せず）を介してカート１１及び内視鏡１３に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、タワー３０からのサポート機能が、ケーブル１本だけを通してカート１１に提供されることにより、手術室を簡略化し、整理整頓することができる。他の実施形態では、別個の配線及び接続部において特定の機能を結合することができる。例えば、電力ケーブル１本だけを通してカートに電力を供給することができる一方、制御装置、光学系、流体素子、及び／又はナビゲーションに対する支えを、別個のケーブルを通して与えることができる。

【0073】

図２は、図１に示されるカートベースのロボット対応システムからのカートの実施形態の詳細な図を提供する。カート１１は、通常、細長支持構造１４（しばしば「カラム」と呼ばれる）、カート基台１５、及びカラム１４の頂部にあるコンソール１６を含む。カラム１４は、１つ又は２つ以上のロボットアーム１２（図２には３つ示している）の展開を支えるためのキャリッジ１７（代替として「アーム支持体」）などの１つ又は２つ以上のキャリッジを含むことができる。キャリッジ１７は、患者に対する位置決めを良くするように、直交軸に沿って回転してアーム１２の基台を調節する、個々に構成可能なアームマウントを含むことができる。キャリッジ１７は、キャリッジ１７がカラム１４に沿って垂直方向に並進するのを可能にするキャリッジインターフェース１９も含む。

【0074】

キャリッジインターフェース１９は、キャリッジ１７の垂直方向の並進をガイドするためにカラム１４の両側に位置決めされているスロット２０などのスロットを通してカラム１４に接続されている。スロット２０には、カート基台１５に対して様々な垂直方向の高さでキャリッジを位置決め、保持するための垂直方向並進インターフェースが入っている。キャリッジ１７の垂直方向並進により、カート１１は、様々なテーブル高さ、患者の大きさ、及び医師の好みを満たすようにロボットアーム１２のリーチを調節することが可能となる。同様に、キャリッジ１７上の個々に構成可能なアームマウントにより、ロボットアーム１２のロボットアーム基台２１を様々な構成で角度付けすることが可能となる。

【0075】

いくつかの実施形態では、キャリッジ１７が垂直方向に並進するときにカラム１４の内部チャンバ及び垂直方向の並進インターフェース内に汚れ及び流体が侵入するのを防止するために、スロット２０には、スロット表面と同一平面及び平行であるスロットカバーが追加されてもよい。スロット２０の垂直上下の近くに位置決めされたバネスプール対を通してスロットカバーを展開させることができる。カバーは、キャリッジ１７が上下に垂直方向に並進するにつれて、コイル状態から伸縮するように展開するまで、スプール内でコイル巻きにされている。スプールのバネ仕掛けにより、キャリッジ１７がスプールに向かって並進するときにはカバーをスプールに引っ込める力が与えられる一方、キャリッジ１７がスプールから離れるように並進するときには密封も維持する。キャリッジ１７が並進するのにつれて、カバーが適切に伸縮するのを確実にするために、例えば、キャリッジインターフェース１９にあるブラケットを使用してキャリッジ１７にカバーを接続することができる。

【0076】

カラム１４は、例えば、コンソール１６からの入力などのユーザ入力に応答して生成された制御信号に応答してキャリッジ１７を機械的に並進させるために垂直方向に位置合わせされた主ねじを使用するように設計された、ギア及びモータなどの機構を内部に含んでもよい。

【0077】

ロボットアーム１２は、一般に、一連の関節２４によって接続されている一連のリンク２３によって分離されたロボットアーム基台２１及びエンドエフェクタ２２を含んでもよく、各関節は独立したアクチュエータを含み、各アクチュエータは、独立して制御可能なモータを含む。それぞれ別々に制御可能な関節は、ロボットアームが使用できる独立した自由度を示す。アーム１２のそれぞれには７つの関節があり、引いては７つの自由度をもたらす。多数の関節により、多数の自由度がもたらされ、「冗長」自由度を可能にする。冗長自由度により、ロボットアーム１２が、様々なリンク位置及び関節角度を使用して、空間において特定の位置、配向、及び軌道で、そのそれぞれのエンドエフェクタ２２を位置決めすることが可能になる。これにより、システムが空間において望ましい個所から医療器具を位置決めし、方向付けることが可能になる一方、医師がアーム関節を患者から離れる臨床上都合の良い位置に移動させて、アームの衝突を回避しながらアクセスを良くするのを可能にする。

【0078】

カート基台１５は、床の上のカラム１４、キャリッジ１７、及びアーム１２の重量の釣り合いをとる。したがって、カート基台１５は、電子機器、モータ、電源とともに、カートの移動及び／又は固定化のいずれでも可能にする構成要素など、より重い部品を収容する。例えば、カート基台１５は、処置前にカートが部屋中をあちこちに容易に移動することを可能にする、転動可能なホイール形状のキャスタ２５を含む。適切な位置に到達した後、キャスタ２５は、処置中にカート１１を所定の場所に保持するためのホイールロックを使用して動かないようにされてもよい。

【0079】

カラム１４の垂直方向の端部に位置決めされたコンソール１６は、ユーザ入力を受信するためのユーザインターフェース及び表示画面（又は、例えば、タッチスクリーン２６などの二重目的デバイス）の両方を可能にして、術前データ及び術中データの両方を医師であるユーザに提供する。タッチスクリーン２６上の潜在的な術前データは、術前計画、術前コンピュータ断層撮影（computerized tomography、ＣＴ）スキャンから導出されたナビゲーション及びマッピングデータ、並びに／又は術前の患者への問診からのメモを含んでもよい。ディスプレイ上の術中データが、ツールから提供される光学情報、センサからのセンサ情報及び座標情報とともに、呼吸、心拍数、及び／又はパルスなどの不可欠な患者統計も含むことがある。医師に、キャリッジ１７の反対側のカラム１４側からコンソールにアクセスさせるように、コンソール１６を位置決めし、傾けることができる。この位置から、医師は、コンソール１６をカート１１の背後から操作しながら、コンソール１６、ロボットアーム１２、及び患者を見ることができる。示す通り、コンソール１６は、カート１１を巧みに操り、安定させるのを助けるハンドル２７も含む。

【0080】

図３は、尿管鏡検査用に配置された、ロボット対応システム１０の実施形態を示す。尿管鏡検査処置では、患者の尿道及び尿管を辿るように設計された処置専用内視鏡である尿管鏡３２を患者の下腹部領域に送達するようにカート１１を位置決めすことができる。尿管鏡検査では、尿管鏡３２が、その範囲における敏感な解剖学的構造に対する摩擦及び力を抑制するように患者の尿道と直接に位置合わせされることが望ましいことがある。示す通り、ロボットアーム１２が尿管鏡３２を、患者の尿道に直接線形アクセスするように位置決めするのを可能にするように、カート１１をテーブルの脚に位置合わせすることができる。テーブルの脚から、ロボットアーム１２は、尿道を通して患者の下腹部に直接に、仮想レール３３に沿って尿管鏡３２を挿入することができる。

【0081】

気管支鏡検査におけるのと同様の制御技法を使用して尿道に挿入した後、尿管鏡３２は、診断及び／又は治療用途のために、膀胱、尿管、及び／又は腎臓にナビゲートされてもよい。例えば、尿管鏡３２を尿管及び腎臓に方向付けて、尿管鏡３２のワーキングチャネルを展開していくレーザー結石破砕デバイス又は超音波結石破砕デバイスを使用して、溜まった腎臓結石を破砕することができる。結石破砕が完了した後、尿管鏡３２を展開していくバスケットを使用して、結果として得られた結石片を取り除くことができる。

【0082】

図４は、血管処置用に同様に配置された、ロボット対応システムの実施形態を示す。血管処置において、システム１０は、カート１１が、操縦可能なカテーテルなどの医療器具３４を、患者の脚にある大腿動脈におけるアクセスポイントに送達することができるように構成され得る。大腿動脈は、ナビゲーションのためのより大きな直径とともに、患者の心臓への遠回りが比較的少ない曲がりくねった路との両方を呈し、これによりナビゲーションが簡単になる。尿管鏡検査処置に見られるように、カート１１を患者の脚及び下腹部に向けて位置決めすることにより、ロボットアーム１２に、患者の大腿／腰領域における大腿動脈アクセスポイントへの直接線形アクセスを仮想レール３５に与えることを可能にさせることができる。動脈への挿入後、器具ドライバ２８を並進させることによって、医療器具３４を方向付けし、挿入することができる。その代わりとして、例えば、肩及び手首の近くの頸動脈及び腕動脈などの代替の血管アクセスポイントに達するために、患者の上腹部の周囲にカートを位置決めすることができる。

【0083】

Ｂ．ロボットシステム－テーブル。
ロボット対応の医療システムの実施形態はまた、患者テーブルを組み込んでもよい。テーブルの組み込みは、カートを取り外すことによって手術室内の資本設備量を減らし、患者へのアクセスを良くすることができる。図５は、気管支鏡検査処置用に配置されたこのようなロボット対応システムの一実施形態を示す。システム３６は、プラットフォーム３８（「テーブル」又は「ベッド」として図示）を床全体にわたり支えるための支持構造体又はカラム３７を含む。カートベースのシステムとよく似て、システム３６のロボットアーム３９のエンドエフェクタには、器具ドライバ４２の線形位置合わせから形成された仮想レール４１を通して又はそれに沿って、図５の気管支鏡４０などの細長医療器具を巧みに操るように設計されている器具ドライバ４２が含まれる。実際には、エミッタ及び検出器をテーブル３８の周りに置くことによって、蛍光透視撮像をもたらすためのＣアームを患者の上腹部域全体にわたって位置決めすることができる。

【0084】

図６は、説明を目的として、患者及び医療器具なしのシステム３６の代替的な図を提供する。示す通り、カラム３７が、システム３６において、１つ又は２つ以上のロボットアーム３９の基台となり得る、リング形状として示される１つ又は２つ以上のキャリッジ４３を含むことができる。キャリッジ４３は、カラム３７の長さを走る垂直カラムインターフェース４４に沿って並進して、そこからロボットアーム３９を患者に達するように位置決めすることができる様々な視座を与えることができる。キャリッジ４３は、カラム３７内に位置決めされた機械式モータを使用してカラム３７を中心として回転して、ロボットアーム３９に、例えば、患者の両側などのテーブル３８の複数の側面へアクセスさせることができる。複数のキャリッジを有する実施形態では、キャリッジは、カラムに別々に位置決めされてもよく、他のキャリッジとは無関係に並進しかつ／又は回転してもよい。キャリッジ４３は、カラム３７を取り囲む必要はなく、円形であることさえ必要はないが、図示のリング形状は、構造上のバランスを維持しながらカラム３７を中心としたキャリッジ４３が回転を容易にする。キャリッジ４３の回転及び並進により、システムが、内視鏡及び腹腔鏡などの医療器具を患者の様々なアクセスポイントに位置合わせすることが可能になる。他の実施形態（図示せず）では、システム３６は、それに並んで延在するバー又はレールの形態の調節式アーム支持体を有する患者テーブル又は患者ベッドを含むことがある。垂直方向に調節することができる調節式アーム支持体に１つ又は２つ以上のロボットアーム３９を取り付けることができる（例えば、肘関節を有する肩部を介して）。垂直方向の調節をもたらすことによって、患者テーブル又は患者ベッドの下にロボットアーム３９をコンパクトに収容することができ、その後、処置中に上げることができるのが好都合である。

【0085】

アーム３９は、ロボットアーム３９に追加の構成可能性を提供するために個別に回転及び／又は入れ子式に延在し得る一連の関節を備えるアームマウント４５のセットを介してキャリッジに装着されてもよい。更に、アームマウント４５をキャリッジ４３に位置決めすることができ、キャリッジ４３が適切に回転すると、アームマウント４５を、テーブル３８の同じ側面（図６に示す通り）、テーブル３８の両側（図９に示す通り）、又はテーブル３８の隣り合う側面（図示せず）のいずれにでも位置決めすることができる。

【0086】

カラム３７は、テーブル３８の支持及びキャリッジの垂直方向の並進のための経路を構造的に提供する。内部に、カラム３７は、キャリッジの垂直並進を案内するための主ネジと、主ネジに基づくそのキャリッジの並進を機械化するためのモータとを備えることができる。カラム３７は、キャリッジ４３に、またそれに取り付けられたロボットアーム３９に電力信号及び制御信号を伝達することもできる。

【0087】

テーブル基台４６は、図２に示すカート１１のカート基台１５と同様の機能を果たし、テーブル／ベッド３８、カラム３７、キャリッジ４３及びロボットアーム３９の釣り合いをとるためにより重い構成要素を収容する。テーブル基台４６にはまた、剛性キャスタも組み込んで、処置中に安定性をもたらすことができる。テーブル基台４６の底から展開するキャスタは、基台４６の両側で反対方向に伸び、システム３６を移動させる必要があるときには引っ込むことができる。

【0088】

引き続き図６によれば、システム３６は、テーブルとタワーとの間でシステム３６の機能を分割して、テーブルのフォームファクタ及びバルクを低減するタワー（図示せず）も含んでもよい。先に開示した実施形態に見られるように、タワーは、処理能力、計算能力、及び制御能力、電力、流体素子、並びに／又は光学及びセンサ処理などの様々なサポート機能をテーブルに与えることができる。タワーは、医師のアクセスを改善し、手術室を整理整頓するように、患者から離して位置決めされるようにも移動させることができるものである。更に、タワーに構成要素を置くことにより、ロボットアームの考えられる収容用に、テーブル基台に収納スペースを広げることが可能になる。タワーは、キーボード及び／又はペンダントなどのユーザ入力用のユーザインターフェースと、リアルタイム撮像、ナビゲーション、及び追跡情報などの術前及び術中情報を対象とする表示画面（又はタッチスクリーン）との両方を提供するマスタコントローラ又はコンソールも含むことができる。いくつかの実施形態では、タワーは、通気に使用されるガスタンク用のホルダも含むことができる。

【0089】

いくつかの実施形態では、テーブル基台は、使用されていないときにロボットアームを収容して格納してもよい。図７は、テーブルベースのシステムの一実施形態におけるロボットアームを収容するシステム４７を示す。システム４７では、ロボットアーム５０、アームマウント５１、及びキャリッジ４８を基台４９内に収容するように、キャリッジ４８を基台４９の中に垂直方向に並進させることができる。基台カバー５２は、キャリッジ４８、アームマウント５１、及びアーム５０を、カラム５３を中心として展開させるのに、基台カバー５２を並進し、引っ込めて開き、使用しないときにはそれらをしまって保護するために、基台カバーを閉じることができる。基台カバー５２をその開口の縁に沿って膜５４で密閉して、閉じたときに汚れ及び流体の侵入を防ぐことができる。

【0090】

図８は、尿管鏡検査処置用に構成されたロボット対応テーブルベースのシステムの一実施形態を示す。尿管鏡検査では、テーブル３８は、患者をカラム３７及びテーブル基台４６からオフ角に位置決めするためのスイベル部５５を含むことができる。スイベル部５５は、スイベル部５５の底部をカラム３７から離して位置決めするために、枢動点（例えば、患者の頭部より下に位置する）を中心に回転又は枢動することができる。例えば、スイベル部５５の枢動により、Ｃアーム（図示せず）を、テーブル３８より下のカラム（図示せず）とスペースを奪い合うことなく、患者の下部腹部にわたって位置決めすることができる。カラム３７の周りにキャリッジ３５（図示せず）を回転させることにより、ロボットアーム３９は、尿道に到達するように、仮想レール５７に沿って、患者の鼠径部領域に尿管鏡５６を直接挿入してもよい。尿管鏡検査では、この処置にわたって患者の脚の位置を支え、患者の鼠径部域への明確なアクセスを可能にするように、テーブル３８のスイベル部５５にあぶみ５８を固定することもできる。

【0091】

腹腔鏡処置では、患者の腹壁内の小さな切開部を通して、低侵襲性器具を患者の解剖学的構造に挿入してもよい。いくつかの実施形態では、低侵襲性器具には、患者内の解剖学的構造にアクセスするのに使用されるシャフトなどの細長剛性部材が含まれる。患者の腹腔の膨張後、把持、切断、アブレーション、縫合などの外科タスク又は医療タスクを実施するために、この器具を方向付けることができる。いくつかの実施形態では、この器具は、腹腔鏡などのスコープを備えることができる。図９は、腹腔鏡処置用に構成されたロボット対応テーブルベースのシステムの一実施形態を示す。図９に示されるように、システム３６のキャリッジ４３は回転し、垂直方向に調節されて、器具５９が患者の両側の最小切開部を通過して患者の腹腔に到達するようにアームマウント４５を使用して位置決めされ得るように、ロボットアーム３９の対をテーブル３８の両側に位置決めしてもよい。

【0092】

腹腔鏡処置に対応するために、ロボット対応テーブルシステムはまた、プラットフォームを所望の角度に傾斜させてもよい。図１０は、ピッチ調整式又は傾き調整式のロボット対応医療システムの一実施形態を示す。図１０に示す通り、システム３６は、テーブル３８の傾きに適合して、テーブルの一部分を他の部分よりも床から離して位置決めする。更に、アーム３９がテーブル３８と同じ平面関係を維持するような傾斜に一致するように、アームマウント４５が回転することができる。急角度に適合するために、カラム３７は、テーブル３８が床に接触するか又は基台４６と衝突するのを防ぐようにカラム３７の垂直伸びを可能にする入れ子部６０も含むことができる。

【0093】

図１１は、テーブル３８とカラム３７との間のインターフェースの詳細な図を提供する。カラム３７に対するテーブル３８のピッチ角を複数の自由度で変えるように、ピッチ回転機構６１を構成することができる。カラム－テーブルインターフェースにおける直交軸１、２の位置決めによって、ピッチ回転機構６１を有効化することができ、各軸は、電気ピッチ角コマンドに応答して別々のモータ３、４によって作動する。あるネジ５に沿った回転は、ある軸１における傾き調節を可能にすると考えられる一方、もう１つのネジ６に沿った回転は、もう１つの軸２に沿った傾き調節を可能にすると考えられる。いくつかの実施形態では、球関節を使用すると、カラム３７に対するテーブル３８のピッチ角を複数の自由度で変えることができる。

【0094】

例えば、ピッチ調整は、テーブルをトレンデレンブルグ体位に位置決めしようとするときに、すなわち下腹部手術のために患者の下腹部よりも床からより高い位置に患者の下腹部を位置決めしようとするときに、特に有用である。トレンデレンブルグ体位により、重力によって患者の内臓を患者の上腹部に滑らせ、低侵襲性ツールが入って腹腔鏡前立腺切除術などの下腹部の外科処置又は医療処置を実施する際に、腹腔を空にする。

【0095】

図１２及び図１３は、テーブルベースの外科用ロボットシステム１００の別の実施形態の等角図及び端面図を示す。外科用ロボットシステム１００は、テーブル１０１に対して１つ又は２つ以上のロボットアームを支えるように構成され得る１つ又は２つ以上の調節式アーム支持体１０５を含む（例えば、図１４参照）。図示の実施形態では、調節式アーム支持体１０５が１つだけ示されているが、テーブル１０１の反対側に更なるアーム支持体を設けることができる。テーブル１０１に対して移動して、調節式アーム支持体１０５及び／又はそれに取り付けられた如何なるロボットアームの位置もテーブル１０１に対して調節しかつ／又は変えることができるように、調節式アーム支持体１０５を構成することができる。例えば、テーブル１０１に対して１つ又は２つ以上の自由度で調節式アーム支持体１０５を調節することができる。調節式アーム支持体１０５は、１つ又は２つ以上の調節式アーム支持体１０５及びそれに取り付けられた如何なるロボットアームもテーブル１０１の下に容易に収容する能力を含む、高い多様性をシステム１００に与える。調節式アーム支持体１０５を収容位置から、テーブル１０１の上面より下の位置まで上げることができる。他の実施形態では、調節式アーム支持体１０５を、収容位置から、テーブル１０１の上面より上の位置まで上げることができる。

【0096】

調節式アーム支持体１０５は、リフト、横方向並進、傾斜などを含む、いくつかの自由度を提供することができる。図１２及び図１３の示された実施形態では、アーム支持体１０５は、４つの自由度で構成され、それらは図１２に矢印で示されている。第１の自由度により、ｚ方向における調節式アーム支持体１０５の調整（「Ｚリフト」）が可能になる。例えば、調節式アーム支持体１０５は、テーブル１０１を支えるカラム１０２に沿って又はそれに対して上下に動くように構成されたキャリッジ１０９を含むことができる。第２の自由度により、調節式アーム支持体１０５を傾けることができる。例えば、調節式アーム支持体１０５は、回転接合部を含んでいてもよく、これにより、調節式アーム支持体１０５を、トレンデレンブルグ体位のベッドと位置合わせすることを可能にすることができる。第３の自由度により、調節式アーム支持体１０５を「ピボットアップ」させることができ、それを使用して、テーブル１０１の側面と調節式アーム支持体１０５との間隔を調節することができる。第４の自由度により、調節式アーム支持体１０５がテーブルの長手方向の長さに沿って並進するのが可能になる。

【0097】

図１２及び図１３の外科用ロボットシステム１００は、基台１０３に装着されたカラム１０２によって支持されるテーブルを含むことができる。基台１０３及びカラム１０２は、支持面に対してテーブル１０１を支える。床軸１３１及び支持軸１３３を図１３に示す。

【0098】

調節式アーム支持体１０５をカラム１０２に取り付けることができる。他の実施形態では、アーム支持体１０５をテーブル１０１又は基台１０３に取り付けることができる。調節式アーム支持体１０５は、キャリッジ１０９、バー又はレールコネクタ１１１、及びバー又はレール１０７を含むことができる。いくつかの実施形態では、レール１０７に取り付けられた１つ又は２つ以上のロボットアームは、互いに対して並進し移動することができる。

【0099】

第１の接合部１１３によって、キャリッジ１０９をカラム１０２に取り付けてもよく、これにより、キャリッジ１０９がカラム１０２に対して移動することが可能になる（例えば、第１の軸すなわち垂直軸１２３を上下するなど）。第１の接合部１１３は、調節式アーム支持体１０５に第１の自由度（「Ｚリフト」）を与えることができる。調節式アーム支持体１０５は、第２の自由度（傾き）を調節式アーム支持体１０５に与える第２の接合部１１５を含むことができる。調節式アーム支持体１０５は、第３の自由度（「ピボットアップ」）を調節式アーム支持体１０５に与えることができる第３の接合部１１７を含むことができる。第３の軸１２７を中心にしてレールコネクタ１１１を回転させるにつれたレール１０７の配向を維持するように第３の接合部１１７を機械式に拘束する、更なる接合部１１９（図１３に示す）を設けることができる。調節式アーム支持体１０５は、第４の自由度（並進）を第４の軸１２９に沿って調節式アーム支持体１０５に与えることができる第４の接合部１２１を含むことができる。

【0100】

図１４には、２つの調節式アーム支持体１０５Ａ、１０５Ｂがテーブル１０１の両側に取り付けられた状態の外科用ロボットシステム１４０Ａの端面図を示す。第１のロボットアーム１４２Ａは、第１の調節式アーム支持体１０５Ｂのバー又はレール１０７Ａに取り付けられている。第１のロボットアーム１４２Ａは、レール１０７Ａに取り付けられた基台１４４Ａを含む。第１のロボットアーム１４２Ａの遠位端は、１つ又は２つ以上のロボット医療器具又はロボット医療ツールに取り付けることができる器具駆動機構１４６Ａを含む。同様に、第２のロボットアーム１４２Ｂは、レール１０７Ｂに取り付けられた基台１４４Ｂを含む。第２のロボットアーム１４２Ｂの遠位端は、器具駆動機構１４６Ｂを含む。器具駆動機構１４６Ｂは、１つ又は２つ以上のロボット医療器具又はロボット医療ツールに取り付けるように構成され得る。

【0101】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム１４２Ａ、１４２Ｂのうちの１つ又は２つ以上が、７つ又はそれ以上の自由度を有するアームを備える。いくつかの実施形態では、ロボットアーム１４２Ａ、１４２Ｂのうちの１つ又は２つ以上が、挿入軸（挿入を含む１つの自由度）、リスト（リストピッチ、ヨー及びロールを含む３つの自由度）、エルボ（エルボピッチを含む１つの自由度）、ショルダ（ショルダピッチ及びヨーを含む２つの自由度）、及び基台１４４Ａ、１４４Ｂ（並進を含む１つの自由度）、を含む８つの自由度を含むことができる。いくつかの実施形態では、挿入自由度をロボットアーム１４２Ａ、１４２Ｂによって与えることができるが、他の実施形態では、器具自体が、器具ベースの挿入アーキテクチャを介して挿入をもたらす。

【0102】

Ｃ．器具ドライバ及びインターフェース。
システムのロボットアームのエンドエフェクタは、（ｉ）医療器具を作動させるための電気機械的手段を組み込む器具ドライバ（代替的には、「器具駆動機構」又は「器具デバイスマニピュレータ」と呼ばれる）と、（ｉｉ）モータなどの任意の電気機械的構成要素を欠いていてもよい除去可能な又は取り外し可能な医療器具と、を含む。この二分は、医療処置において使用される医療器具を滅菌する必要性と、医療器具の複雑な機械組立と敏感な電子機器とに起因して高価な資本設備を十分に滅菌することができないこと、によって引き起こされる可能性がある。したがって、医師又は医師のスタッフによる個々の滅菌又は廃棄時に、器具ドライバ（引いてはそのシステム）から引き離され、取り外され、入れ替えられるように、医療器具を設計することができる。これに対して、器具ドライバは、取り替えられなくても、滅菌されなくても済み、保護のために掛け布をすることができる。

【0103】

図１５は、例示的な器具ドライバを示す。ロボットアームの遠位端に位置決めされた器具ドライバ６２は、駆動軸６４を介して医療器具に制御式トルクを与えるように平行軸を伴って配置された１つ又は２つ以上の駆動ユニット６３で構成されている。各駆動ユニット６３は、器具と相互作用するための個別の駆動軸６４と、モータ軸回転を望ましいトルクに変換するためのギアヘッド６５と、駆動トルクを発生させるためのモータ６６と、モータ軸の回転速度を測定して制御回路にフィードバックを与えるエンコーダ６７と、制御信号を受信して駆動ユニットを作動させるための制御回路６８と、を備える。各駆動ユニット６３は、他と無関係に制御され、電動化され、器具ドライバ６２は、複数（図１５では４つを示す）の他と無関係の駆動出力を医療器具に与えることができる。作動時、制御回路６８が、制御信号を受信し、モータ６６にモータ信号を送信し、エンコーダ６７によって測定された結果として得られたモータ回転速度を望ましい回転の速度と比較し、モータ信号を変調して望ましいトルクをもたらすと考えられる。

【0104】

滅菌環境を必要とする処置のために、ロボットシステムは、器具ドライバと医療器具との間に位置する、滅菌ドレープに接続された滅菌アダプタなどの駆動インターフェースを組み込んでもよい。滅菌アダプタの主な目的は、駆動軸と駆動入力との物理的分離、引いては無菌性を維持しながら、器具ドライバの駆動軸から器具の駆動入力に角運動を伝達することである。したがって、滅菌アダプタ例は、器具ドライバの駆動軸と対合することが意図された一連の回転入力及び出力と、器具への駆動入力とで構成することができる。滅菌アダプタに接続される滅菌ドレープは、透明プラスチック又は半透明プラスチックなどの薄い可撓性材料で構成され、器具ドライバ、ロボットアーム、及びカート（カートベースのシステムにおける）又はテーブル（テーブルベースのシステムにおける）などの資本設備を覆うように設計されている。ドレープの使用により、滅菌を必要としない範囲（すなわち、非滅菌野）に依然として位置している間に、資本設備を患者に近接して位置決めすることが可能となる。滅菌ドレープのもう一方の側では、医療器具は、滅菌を必要とする範囲（すなわち、滅菌野）において患者と界面でつながることができる。

【0105】

Ｄ．医療器具。
図１６は、ペアの器具ドライバを備えた例示的な医療器具を示す。ロボットシステムで使用するように設計された他の器具と同じく、医療器具７０は、細長シャフト７１（又は細長本体）及び器具基台７２を備える。医師による手動相互作用が意図されているその設計により「器具ハンドル」とも呼ばれる器具基台７２には、通常、ロボットアーム７６の遠位端において器具ドライバ７５上の駆動インターフェースを貫通する駆動出力７４と対合するように設計されている回転式駆動入力７３、例えば、レセプタクル、プーリー、又はスプールを備えることができる。物理的に接続されると、掛け金が掛けられると、かつ／又は結合されると、器具基台７２の対合駆動入力７３は、器具ドライバ７５における駆動出力７４と回転軸を共有して、駆動出力７４から駆動入力７３へのトルクの伝達を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、駆動出力７４には、駆動入力７３にあるレセプタクルと対合するように設計されているスプラインを備えることができる。

【0106】

細長シャフト７１は、例えば、内視鏡におけるような解剖学的開口部若しくは管腔、又は腹腔鏡検査におけるような低侵襲性切開部のいずれかを通して送達されるように設計される。細長シャフト７１は、可撓性（例えば、内視鏡と同様の性質を有する）若しくは剛性（例えば、腹腔鏡と同様の性質を有する）のいずれでもよく、又は可撓性部と剛性部との両方のカスタマイズされた組み合わせを含めてもよい。腹腔鏡検査用に設計される場合、少なくとも１つの自由度を備えるクレビスから形成された関節式リストから延在するエンドエフェクタに剛性細長シャフトの遠位端を接続することができ、また駆動入力が器具ドライバ７５の駆動出力７４から受信したトルクに応答して回転するにつれて、テンドンからの力に基づいて作動することができる、例えば、把持具又ははさみなどの手術ツール又は医療器具に剛性細長シャフトの遠位端を接続することができる。内視鏡検査用に設計される場合、可撓性の細長シャフトの遠位端は、器具ドライバ７５の駆動出力７４から受信したトルクに基づいて関節運動させ、曲げることができる操縦可能屈曲部又は制御可能屈曲部を含むことができる。

【0107】

器具ドライバ７５からのトルクは、シャフト７１に沿った腱を使用して細長シャフト７１の下流に伝達される。器具ハンドル７２内の個々の駆動入力７３にプルワイヤなどのこれらの個々のテンドンを個別に固定することができる。ハンドル７２から、テンドンが、細長シャフト７１に沿って１つ又は２つ以上のプルルーメンを進んでいき、細長シャフト７１の遠位部分に固定されるか、又は細長シャフトの遠位部分にあるリストに固定される。腹腔鏡処置、内視鏡処置、又はハイブリッド処置などの外科処置中、リスト、把持具、又ははさみなどの遠位取り付けエンドエフェクタに、これらのテンドンを結合することができる。このような配置下で、駆動入力７３に及ぼされるトルクは、テンドンに張力を伝達することにより、エンドエフェクタを何らかの方式で作動させると考えられる。いくつかの実施形態では、外科処置中、テンドンが、関節を軸を中心として回転させることによって、エンドエフェクタをある方向又は別の方向に移動させ得る。その代わりに、テンドンからの張力によって把持具が閉じる、細長シャフト７１の遠位端で把持具の１つ又は２つ以上のジョーにテンドンを接続することができる。

【0108】

内視鏡検査では、腱は、接着剤、制御リング、又は他の機械的固定を介して、細長シャフト７１に沿って（例えば、遠位端に）位置決めされている屈曲部又は関節運動部に結合されてもよい。屈曲部分の遠位端に固定して取り付けられると、駆動入力７３に及ぼされるトルクがテンドンに伝わっていくことにより、より柔らかい屈曲部分（関節運動部分又は関節運動領域と呼ばれることがある）が曲がるか又は関節運動すると考えられる。非屈曲部分に沿って、個々のテンドンを内視鏡シャフトの壁に沿って（又は内側に）方向付ける個々のプルルーメンを螺旋状又は渦巻状にして、プルワイヤにおける張力からもたらされる半径方向の力の釣り合いをとるのが都合の良い場合がある。これらの間の螺旋及び／又は間隔の角度は、特定の目的で変えることも巧みに工作することもでき、螺旋が狭くなると、負荷力下で劣ったシャフト圧縮を呈する一方、螺旋の程度が下がると、負荷力下で優れたシャフト圧縮をもたらすが、曲げの限界も呈する。スペクトルのもう一方の端では、プルルーメンを細長シャフト７１の長手方向軸に平行に方向付けると、望ましい曲がり部分又は関節運動式部分における制御式関節運動を可能にすることができる。

【0109】

内視鏡検査では、細長シャフト７１は、ロボット処置を支援するいくつかの構成要素を収容する。細長シャフトは、手術ツール（又は医療器具）、灌注、及び／又は吸引をシャフト７１の遠位端における手術部位に展開させるためのワーキングチャネルで構成され得る。細長シャフト７１には、光学カメラを含むことがある光学組立体に／から遠位先端において信号を伝える、ワイヤ及び／又は光ファイバも収容することができる。細長シャフト７１には、発光ダイオードなどの近位に位置する光源からシャフトの遠位端に光を運ぶための光ファイバも収容することができる。

【0110】

器具７０の遠位端では、遠位先端部は、診断及び／又は治療、灌注、及び吸引のためにツールを手術部位に送達するための作業チャネルの開口部を含んでもよい。遠位先端には、内部解剖学的空間の画像を取り込むために、ファイバスコープ又はデジタルカメラなどのカメラ用のポートも含むことができる。これに関連して、遠位先端には、カメラを使用する際に解剖学的空間を照らすための光源用のポートも含むことができる。

【0111】

図１６の実施例では、駆動シャフト軸、したがって駆動入力軸は、細長シャフトの軸に直交する。しかし、この配置は、細長シャフト７１のロール能力を複雑にする。駆動入力７３を静止させながら、細長シャフト７１をその軸に沿って転がすことの結果として、テンドンが駆動入力７３から出て、細長シャフト７１内のプルルーメンに入るにつれて、テンドンの望ましからざるもつれをもたらす。結果として生じるこのようなテンドンのもつれは、内視鏡処置中に可撓性の細長シャフトの移動を予測することを目的とする如何なる制御アルゴリズムも邪魔することがある。

【0112】

図１７は、駆動ユニットの軸が器具の細長シャフトの軸に平行である、器具ドライバ及び器具の代替の設計を示す。示す通り、円形の器具ドライバ８０は、その駆動出力８１がロボットアーム８２の端において平行に位置合わせされた状態の４つの駆動ユニットを備える。駆動ユニット及びそのそれぞれの駆動出力８１は、その組立体８３内の駆動ユニットのうちの１つによって駆動される器具ドライバ８０の回転組立体８３に収容されている。回転駆動ユニットによって与えられるトルクに応答して、回転組立体８３は、回転組立体８３を器具ドライバの非回転部８４に接続する円形ベアリングに沿って回転する。電力及び制御信号は、電気接点を介して器具ドライバ８０の非回転部分８４から回転組立体８３に伝達されてよく、ブラシ付きスリップリング接続（図示せず）による回転を通して維持されてよい。他の実施形態では、回転組立体８３は、非回転可能部分８４に一体化され、引いては他の駆動ユニットと平行ではない別個の駆動ユニットに応答することができる。回転機構８３により、器具ドライバ８０が、器具ドライバ軸８５を中心とする単一ユニットとして、駆動ユニット及びそのそれぞれの駆動出力８１を回転させることが可能になる。

【0113】

先に開示した実施形態と同様に、器具８６は、細長シャフト部分８８と、器具ドライバ８０内の駆動出力８１を受け入れるように構成された複数の駆動入力８９（レセプタクル、プーリー、及びスプールなど）を含む器具基台８７（説明目的のために透明な外部スキンで示される）と、を含んでもよい。前に開示した実施形態とは異なり、軸が、図１６の設計に見られるように直交するのではなく、駆動入力８９の軸に実質的に平行である状態で、器具シャフト８８は、器具基台８７の中心から延出する。

【0114】

器具ドライバ８０の回転組立体８３に結合されると、器具基台８７及び器具シャフト８８を含む医療器具８６は、器具ドライバ軸８５を中心にして回転組立体８３と一緒に回転する。器具シャフト８８が器具基台８７の中心に位置決めされているため、器具シャフト８８は、取り付けられると器具ドライバ軸８５と同軸になる。したがって、回転組立体８３の回転により、器具シャフト８８は、自らの長手方向軸を中心として回転する。また、器具基台８７が器具シャフト８８とともに回転するので、器具基台８７にある駆動入力８９に接続されたいずれのテンドンも、回転中にもつれることはない。したがって、駆動出力８１、駆動入力８９、及び器具シャフト８８の軸の平行性は、どの制御テンドンももつれさせることなくシャフト回転を可能にする。

【0115】

図１８には、いくつかの実施形態による、器具ベースの挿入アーキテクチャを有する器具を示す。器具１５０は、上で考察した器具ドライバのうちのいずれにでも結合することができる。器具１５０は、細長シャフト１５２と、細長シャフト１５２に接続されたエンドエフェクタ１６２と、細長シャフト１５２に結合されたハンドル１７０と、を備える。細長シャフト１５２は、近位部分１５４及び遠位部分１５６を有する管状部材を含む。細長シャフト１５２は、その外側表面に沿った１つ又は２つ以上のチャネル又は溝１５８を備える。溝１５８は、１つ又は２つ以上のワイヤ又はケーブル１８０を受け入れるように構成されている。したがって、１つ又は２つ以上のケーブル１８０は、細長シャフト１５２の外側表面に沿って走っている。他の実施形態では、ケーブル１８０は、細長シャフト１５２を走ることもできる。ケーブル１８０のうちの１つ又は２つ以上の巧みな操り（例えば、器具ドライバを介して）により、エンドエフェクタ１６２の作動がもたらされる。

【0116】

器具基台とも呼ばれることがある器具ハンドル１７０には、通常、器具ドライバの取り付け面上で１つ又は２つ以上のトルクカプラと相互に対合するように設計されている１つ又は２つ以上の機械式入力１７４、例えば、レセプタクル、プーリー又はスプールを有する取り付けインターフェース１７２を備えることができる。

【0117】

いくつかの実施形態では、器具１５０は、細長シャフト１５２にハンドル１７０に対して並進することを可能にさせる一連のプーリー又はケーブルを備える。言い換えると、器具１５０そのものが、器具の挿入に適合する器具ベースの挿入アーキテクチャを構成しているので、ロボットアームへの依存を最小限に抑えて、器具１５０の挿入をもたらす。他の実施形態では、ロボットアームが、器具の挿入に大きく関与することができる。

【0118】

Ｅ．コントローラ。
本明細書に記載のロボットシステムのうちのいずれかは、ロボットアームに取り付けられた器具を操作するための入力デバイス又はコントローラを含むことができる。いくつかの実施形態では、コントローラの巧みな操りが、例えばマスタスレーブ制御を介して、器具の対応する巧みな操りを引き起こすような器具とコントローラを結合させることができる（例えば、通信可能に、電気で、無線で、かつ／又は機械で）。

【0119】

図１９は、コントローラ１８２の一実施形態の斜視図である。この実施形態では、コントローラ１８２には、インピーダンス制御とアドミタンス制御との両方を備えることができるハイブリッドコントローラが含まれる。他の実施形態では、コントローラ１８２は、インピーダンス制御すなわちは受動制御だけしか活かすことができない。また他の実施形態では、コントローラ１８２は、アドミタンス制御だけしか活かすことができない。ハイブリッドコントローラであることにより、使用中、コントローラ１８２の知覚慣性を低くすることができるのが好都合である。

【0120】

図示の実施形態では、コントローラ１８２は、２つの医療器具の巧みな操りを可能にするように構成され、２つのハンドル１８４を含む。ハンドル１８４のそれぞれは、ジンバル１８６に接続されている。各ジンバル１８６は、位置決めプラットフォーム１８８に接続されている。

【0121】

図１９に示す通り、各位置決めプラットフォーム１８８は、プリズム接合部１９６によってカラム１９４に結合されたＳＣＡＲＡアーム（選択的コンプライアンス組立ロボットアーム）１９８を含む。プリズム接合部１９６は、カラム１９４に沿って（例えば、レール１９７に沿って）並進して、ハンドル１８４のそれぞれがｚ方向に並進するのを可能にし、第１の自由度を与えるように構成されている。ＳＣＡＲＡアーム１９８は、ｘ－ｙ平面におけるハンドル１８４の動きを可能にし、２つの更なる自由度を与えるように構成されている。

【0122】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のロードセルがコントローラ内に位置決めされる。例えば、いくつかの実施形態では、ロードセル（図示せず）が、ジンバル１８６のそれぞれの本体に位置決めされている。ロードセルを設けることによって、コントローラ１８２の一部が、アドミタンス制御下で作動することができ、それによって、使用中にコントローラの知覚慣性を低減するのが好都合である。いくつかの実施形態では、位置決めプラットフォーム１８８がアドミタンス制御用に構成されている一方、ジンバル１８６がインピーダンス制御用に構成されている。他の実施形態では、ジンバル１８６がアドミタンス制御用に構成されている一方、位置決めプラットフォーム１８８がインピーダンス制御用に構成されている。したがって、いくつかの実施形態によっては、位置決めプラットフォーム１８８の並進自由度又は位置自由度は、アドミタンス制御を当てにすることができる一方、ジンバル１８６の回転自由度は、インピーダンス制御により決まってくる。

【0123】

Ｆ．ナビゲーション及び制御。
従来の内視鏡検査は、オペレータである医師に腔内誘導を提供するために、蛍光透視法（例えば、Ｃアームを通して送達され得るような）、及び他の形態の放射線ベースの撮像モダリティの使用を伴うことがある。これに対し、本開示によって可能性が考えられるロボットシステムは、放射線への医師の曝露を減らし、手術室内の機器量を減らすために、非放射線ベースのナビゲーション手段及び位置特定手段を提供することができる。本明細書で使用する際、「位置特定」という用語は、基準座標系内の対象物の位置を判断し／又は監視することを指すことがある。術前写像、コンピュータビジョン、リアルタイムＥＭ追跡、及びロボットコマンドデータなどの技術を個別に又は組み合わせて使用して、放射線のない手術環境を実現することができる。放射線ベースの撮像モダリティが依然として使用される他のケースでは、術前写像、コンピュータビジョン、リアルタイムＥＭ追跡、及びロボットコマンドデータを個別に又は組み合わせて使用して、放射線ベースの撮像モダリティを通してのみ得られる情報を向上させることができる。

【0124】

図２０は、例示的な実施形態による、器具の場所など、ロボットシステムの１つ又は２つ以上の要素の位置を推定する位置特定システム９０を示すブロック図である。位置特定システム９０は、１つ又は２つ以上の命令を実行するように構成された１つ又は２つ以上のコンピュータデバイスセットであってもよい。コンピュータデバイスは、上で考察した１つ又は２つ以上の構成要素における１つのプロセッサ（又は複数のプロセッサ）及びコンピュータ可読メモリによって具体化されてもよい。それに限るのではなく例として、コンピュータデバイスは、図１に示すタワー３０、図１～図４に示すカート、図５～図１４に示すベッドにあってもよい。

【0125】

図２０に示されるように、位置特定システム９０は、入力データ９１～９４を処理して医療器具の遠位先端部の位置データ９６を生成する位置特定モジュール９５を含んでもよい。位置データ９６は、基準系に対する器具の遠位端の場所及び／又は配向を表すデータ又は論理であってもよい。基準系とは、患者の解剖学的構造に対する、又はＥＭ場発生器（ＥＭ場発生器についての以下の考察を参照）などの分かっている対象物に対する基準系とすることができる。

【0126】

ここで、様々な入力データ９１～９４についてより詳細に説明する。低用量ＣＴスキャンの収集の使用を通して術前写像を果たすことができる。術前ＣＴスキャンは、例えば、患者の内部解剖学的構造の切欠図の「スライス」として可視化される三次元画像に再構成される。全体として分析される場合、患者の肺網などの患者の解剖学的構造の解剖学的空腔、解剖学的空間、及び解剖学的構造を対象とする画像ベースのモデルを起こすことができる。中心線形状などの手法をＣＴ画像から判断し、近似して、モデルデータ９１（術前ＣＴスキャンのみを使用して起こされた場合は「術前モデルデータ」とも呼ばれる）と呼ばれる患者の解剖学的構造の三次元ボリュームを作成することができる。中心線形状の使用は、その内容の全体が本明細書に組み込まれている、米国特許出願第１４／５２３，７６０号で考察されている。ネットワーク位相モデルもまた、ＣＴ画像から導出することができ、気管支鏡検査に特に適している。

【0127】

いくつかの実施形態では、器具はカメラを装備して、視覚データ９２を提供してもよい。位置特定モジュール９５が、１つ又は２つ以上の視覚ベースの場所追跡を可能にするように、視覚データを処理することができる。例えば、術前モデルデータを視覚データ９２と併用して、医療器具（例えば、内視鏡、又は内視鏡のワーキングチャネルを通って前進する器具）のコンピュータビジョンベースの追跡を可能にすることができる。例えば、術前モデルデータ９１を使用して、ロボットシステムは、内視鏡の予想される移動路に基づいて、モデルから予測される内視鏡画像ライブラリを起こすことができ、各画像はモデル内の位置にリンクされる。手術中に、カメラ（例えば、内視鏡の遠位端にあるカメラ）に取り込まれたリアルタイム画像を画像ライブラリにあるものと比較して、位置特定を助けるために、ロボットシステムがこのライブラリを参照することができる。

【0128】

他のコンピュータビジョンベースの追跡技術は、特徴追跡を使用して、カメラ、ひいては、内視鏡の運動を判定する。位置特定モジュール９５のいくつかの特徴は、解剖学的管腔に対応する円形幾何学形状を術前モデルデータ９１において特定し、その幾何学的形状の変化を追跡し、どの解剖学的管腔が選択されたか、またカメラの相対的な回転及び／又は並進運動を確認し得る。位相マップの使用は、視覚ベースのアルゴリズム又は視覚ベースの技法を更に向上させることができる。

【0129】

光学フロー、別のコンピュータビジョンベースの技術は、カメラの移動を推測するために、視覚データ９２内のビデオシーケンス内の画像ピクセルの変位及び並進を分析してもよい。光学フロー技術の例としては、運動検出、物体セグメンテーション計算、輝度、運動補償符号化、立体視差測定などを挙げることができる。複数の反復にわたり複数のフレームを比較することにより、カメラ（及びしたがって内視鏡）の移動及び場所を判定することができる。

【0130】

位置特定モジュール９５は、リアルタイムＥＭ追跡を使用して、術前モデルによって表される患者の解剖学的構造に登録され得るグローバル座標系内に、内視鏡のリアルタイムの位置を生成することができる。ＥＭ追跡では、医療器具（例えば、内視鏡器具）に１つ又は２つ以上の場所及び配向で埋め込まれた１つ又は２つ以上のセンサコイルで構成されたＥＭセンサ（又はトラッカ）が、分かっている場所に位置決めされた１つ又は２つ以上の静的ＥＭ場発生器によって生み出されたＥＭ場の変動を測定する。ＥＭセンサによって検出された場所情報は、ＥＭデータ９３として保存される。埋め込まれたセンサが検出することができる低強度磁場を生み出すように、患者の近くにＥＭ場発生器（又は送信機）を置くことができる。磁場は、ＥＭセンサのセンサコイルに小さい電流を誘導し、この電流を分析して、ＥＭセンサとＥＭ場発生器との間隔及び角度を確認することができる。患者の解剖学的構造の術前モデルにおける位置と座標系における場所１つだけを位置合わせする幾何学的変換を確認するために、この間隔及び配向を患者の解剖学的構造（例えば、術前モデル）に術中「見当合わせ」することができる。見当合わせされると、医療器具の１つ又は２つ以上の位置（例えば、内視鏡の遠位先端）に埋め込まれたＥＭトラッカが、患者の解剖学的構造を通る医療器具の進行のリアルタイム表示を提供することができる。

【0131】

ロボットコマンド及び運動学データ９４はまた、ロボットシステムのための位置特定データ９６を提供するために、位置特定モジュール９５によって使用されてもよい。術前較正中に、関節運動コマンドからもたらされるデバイスピッチ及びヨーを確認することができる。術中に、これらの較正測定を分かっている挿入深度情報と組み合わせて使用して、器具の位置を推定することができる。その代わりに、これらの計算を、ＥＭ、視覚、及び／又は位相モデリングと組み合わせて分析して、ネットワーク内の医療器具の位置を推定することができる。

【0132】

図２０が示すように、いくつかの他の入力データは、位置特定モジュール９５によって使用することができる。例えば、図２０には示していないが、形状感知ファイバを利用する器具が、位置特定モジュール９５が器具の位置及び形状を確認するのに使用することができる形状データを提供することができる。

【0133】

位置特定モジュール９５は、入力データ９１～９４を組み合わせて使用することができる。場合によっては、このような組み合わせでは、位置特定モジュール９５が入力データ９１～９４のそれぞれから確認した場所に信頼重みを割り当てるという確率的手法を使用することができる。したがって、ＥＭデータが信頼できない場合（ＥＭ干渉がある場合など）、ＥＭデータ９３によって確認された位置の信頼性を低下させることがあり、位置特定モジュール９５は、視覚データ９２並びに／又はロボットコマンド及び運動学データ９４をより強く当てにすることがある。

【0134】

上で考察されるように、本明細書で考察されるロボットシステムは、上述の技術のうちの１つ又は２つ以上の組み合わせを組み込むように設計することができる。タワー、ベッド、及び／又はカートに基づいているロボットシステムのコンピュータベースの制御システムは、例えば、永続的な磁気記憶ドライブ、ソリッドステートドライブなどの非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に、コンピュータプログラム命令を記憶してもよく、コンピュータプログラム命令は、実行されると、システムに、センサデータ及びユーザコマンドを受信及び分析させ、システム全体の制御信号を生成させ、グローバル座標系内の器具の位置、解剖学的マップなどのナビゲーション及び位置特定データを表示させる。

【0135】

２．ロボットアームに対する外力及び／又はトルクを検出し、それに応答するためのシステム、デバイス、及び方法
本開示の実施形態は、ロボットアームのテレオペレーションが実施されている間に、ロボットアームとの相互作用（例えば、不注意な接触又は衝突、直接操作など）を検出し、それに応答するためのシステム、方法、及びデバイスに関する。

【0136】

本開示のいくつかの実施形態によれば、ロボット医療システムは、ロボットアーム（例えば、ロボットアームのリンク機構、関節など）における相互作用を感知するための１つ又は２つ以上のセンサ及び／又はセンサアーキテクチャを含む。例えば、ロボットアームは、テレオペレーション（例えば、手術、診断手順など）中に、隣接する物体（例えば、手術室内の患者、医療従事者、及び／又はアクセサリ）と接触する場合がある。センサ及び／又はセンサアーキテクチャは、ロボットアームに対する相互作用（例えば、力、接触、変位、トルクなど）を検出し、任意選択的に、それを測定する。

【0137】

測定された相互作用が、患者、医療従事者、及び／又はアクセサリの安全接触限界（例えば、安全力限界及び／又は安全トルク限界）に近づくと、ロボットシステムは、ロボットマニピュレータに対する接触力が安全接触限界を超えないことを保証するように適切に応答しなければならない。相互作用を検出したことに応答して、かつ、相互作用の特性（例えば、大きさ、方向、変化率など）の判定に従って、例えば、ロボットシステムは、ロボットアームのゼロ空間運動を有効化するなど、ロボットアーム上の適切な制御された移動を有効化すること、及び／又は、検出された力及び／又はトルクの特性に従って選択される速度及び／又は方向（例えば、テレオペレーションにより要求される速度及び／又は方向、他の速度及び／又は方向（例えば、ゼロ空間運動、運動の禁止など））でロボットアームの１つ又は２つ以上の関節及び／又はリンクを移動させることができる。

【0138】

測定された相互作用が安全接触限界に近づくと、ロボットシステムはまた、外科医がシステムの安全接触限界内でロボットシステムを動作させるように、触覚又は他のタイプのフィードバックを外科医に提供する。例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、医師コンソールディスプレイへの出力の形態で、又は触覚フィードバックとして、フィードバックを提供することができる。

【0139】

Ａ．ロボットシステム
図２１は、いくつかの実施形態による例示的なロボットシステム２００を示す。いくつかの実施形態では、ロボットシステム２００は、ロボット医療システム（例えば、ロボット手術システム）である。図２１の例では、ロボットシステム２００は、患者支持プラットフォーム２０２（例えば、患者プラットフォーム、テーブル、ベッドなど）を含む。患者支持プラットフォーム２０２の長さに沿った２つの端部は、それぞれ「頭部」及び「脚部」と呼ばれる。患者支持プラットフォーム２０２の２つの側は、それぞれ「左」及び「右」と呼ばれる。患者支持プラットフォーム２０２は、患者支持プラットフォーム２０２のための支持体２０４（例えば、剛性フレーム）を含む。

【0140】

ロボットシステム２００はまた、ロボットシステム２００を支持するための基台２０６を含む。基台２０６は、ロボットシステム２００が物理的環境において容易に移動可能又は再位置決め可能であることを可能にする車輪２０８を含む。いくつかの実施形態では、車輪２０８は、ロボットシステム２００から省略されるか又は収納可能であり、基台２０６が地面又は床に直接置かれることができる。いくつかの実施形態では、車輪２０８は足で置き換えられる。

【0141】

ロボットシステム２００は、１つ又は２つ以上のロボットアーム２１０を含む。ロボットアーム２１０は、図１～図２０を参照して上述したロボット医療処置を実施するように構成することができる。図２１は５つのロボットアーム２１０を示すが、ロボットシステム２００は、５つ未満、又は６つ若しくはそれ以上を含む、任意の数のロボットアームを含んでもよいことを理解されたい。

【0142】

ロボットシステム２００はまた、ロボットアーム２１０を支持する１つ又は２つ以上のバー２２０（例えば、調節式アーム支持体又は調節可能なバー）を含む。ロボットアーム２１０の各々は、ロボットアームのそれぞれの基台関節によって、バー２２０上に支持され、かつ移動可能に結合されている。いくつかの実施形態では、図１２に記載されているように、バー２２０は、リフト、横方向並進、傾斜などを含むいくつかの自由度を提供することができる。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０及び／又は調節式アーム支持体２２０の各々は、それぞれの運動学的連鎖とも呼ばれる。

【0143】

図２１は、図の視野内にあるバー２２０によって支持された３つのロボットアーム２１０を示す。残りの２つのロボットアームは、患者支持プラットフォーム２０２の他方の長さにわたって位置する別のバーによって支持されている。

【0144】

いくつかの実施形態では、調節式アーム支持体２２０は、ロボット医療処置のためにロボットアーム２１０のうちの１つ又は２つ以上のための基本位置を提供するように構成されることができる。ロボットアーム２１０は、ロボットアーム２１０をその下にあるバー２２０の長さに沿って並進させることによって、及び／又は１つ又は２つ以上の関節及び／又はリンクを介してロボットアーム２１０の位置及び／又は配向を調整することによって、患者支持プラットフォーム２０２に対して位置決めすることができる（例えば、図２３参照）。

【0145】

いくつかの実施形態では、調節式アーム支持体２２０は、患者支持プラットフォーム２０２の長さに沿って並進させることができる。いくつかの実施形態では、患者支持プラットフォーム２０２の長さに沿ったバー２２０の並進により、バー２２０によって支持されたロボットアーム２１０のうちの１つ又は２つ以上が、バーとともに又はバーに対して同時に並進させられる。いくつかの実施形態では、バー２２０は、ロボットアームのうちの１つ又は２つ以上をロボット医療システム２００の基台２０６に対して静止させたまま、並進させることができる。

【0146】

図２１の例では、調節式アーム支持体２２０は、患者支持プラットフォーム２０２の部分的な長さに沿って配置されている。いくつかの実施形態では、調節式アーム支持体２２０は、患者支持プラットフォーム２０２の全長にわたって、及び／又は患者支持プラットフォーム２０２の部分的な幅又は全幅にわたって延在してもよい。

【0147】

いくつかの実施形態によれば、ロボット医療処置中に、ロボットアーム２１０のうちの１つ又は２つ以上はまた、器具２１２（例えば、内視鏡及び／又は手術中に使用され得る任意の別の器具などのロボット制御される医療器具又はツール）を保持するように構成することができ、かつ／又は１つ又は２つ以上のカニューレを含む１つ又は２つ以上のアクセサリに結合することができる。

【0148】

図２２は、いくつかの実施形態による図２１の例示的なロボットシステム２００の別の図を示す。この例では、ロボット医療システム２００は、６つのロボットアーム２１０－１、２１０－２、２１０－３、２１０－４、２１０－５、及び２１０－６を含む。患者プラットフォーム２０２は、基台２０６と患者プラットフォーム２０２との間に延在するカラム２１４によって支持されている。いくつかの実施形態では、患者プラットフォーム２０２は傾斜機構２１６を含む。傾斜機構２１６は、患者プラットフォームがカラム２１４に対して枢動、回転、又は傾斜することを可能にするために、カラム２１４と患者プラットフォーム２０２との間に位置決めすることができる。傾斜機構２１６は、患者プラットフォーム２０２の横方向及び／又は長手方向の傾斜を可能にするように構成することができる。いくつかの実施形態では、傾斜機構２１６は、患者プラットフォーム２０２の横方向及び長手方向の同時傾斜を可能にする。

【0149】

図２２は、非傾斜状態又は位置にある患者プラットフォーム２０２を示す。いくつかの実施形態では、非傾斜状態又は位置は、患者プラットフォーム２０２のデフォルト位置であってもよい。いくつかの実施形態では、患者プラットフォーム２０２のデフォルト位置は、図示されるように実質的に水平な位置である。図示のように、非傾斜状態では、患者プラットフォーム２０２は、ロボット医療システム２００を支持する面（例えば、地面又は床）に対して水平又は平行に位置決めすることができる。

【0150】

図２２を引き続き参照すると、ロボットシステム２００の図示された例では、患者プラットフォーム２０２は、支持体２０４を含む。いくつかの実施形態では、支持体２０４は、剛性支持構造又はフレームを含み、１つ又は２つ以上の表面、パッド、又はクッション２２２を支持することができる。患者プラットフォーム２０２の上面は、支持面２２４を含むことができる。医療処置中に、患者を支持面２２４上に置くことができる。

【0151】

図２２は、ロボットアーム２１０が患者プラットフォーム２０２の上方に到達する、例示的な展開構成におけるロボットアーム２１０及び調節式アーム支持体２２０を示す。いくつかの実施形態において、患者プラットフォーム２０２の下方に異なる構成要素の収納を可能にするロボットシステム２００の構成により、ロボットアーム２１０及びアーム支持体２２０は、患者プラットフォーム２０２の下方の空間を占めることができる。したがって、いくつかの実施形態では、下方の収納のために利用可能な空間を最大化するために、傾斜機構２１６を低プロファイル及び／又は低容積を有するように構成することが有利であり得る。

【0152】

図２２は、本明細書に開示された実施形態のある特定の特徴を説明するために使用され得る例示的なｘ、ｙ、及びｚ座標系を示す。この座標系は例示及び説明のみを目的として提供されており、他の座標系が使用されてもよいことが理解される。図示された例では、ｘ方向又はｘ軸は、患者プラットフォーム２０２が非傾斜状態にある場合、患者プラットフォーム２０２を横切って横方向に延在する。つまり、ｘ方向は、患者プラットフォーム２０２が非傾斜状態にある場合、横方向の一方側（例えば、右側）から横方向の他方側（例えば、左側）まで患者プラットフォーム２０２を横切って延在する。ｙ方向又はｙ軸は、患者プラットフォーム２０２が非傾斜状態にある場合、患者プラットフォーム２０２に沿って長手方向に延在する。つまり、ｙ方向は、患者プラットフォーム２０２が非傾斜状態にある場合、一方の長手方向端部（例えば、頭部端部）から他方の長手方向端部（例えば、脚部端部）まで患者プラットフォーム２０２に沿って延在する。非傾斜状態では、患者プラットフォーム２０２は、床又は地面に対して平行であることができるｘ－ｙ平面にあるか又はｘ－ｙ平面に対して平行であることができる。図示された例では、ｚ方向又はｚ軸は、カラム２１４に沿って垂直方向に延在する。いくつかの実施形態では、傾斜機構２１６は、ｙ軸に対して平行な横方向傾斜軸を中心に患者プラットフォーム２０２を回転させることにより、患者プラットフォーム２０２を横方向に傾斜させるように構成されている。傾斜機構２１６は更に、ｘ軸に対して平行な長手方向傾斜軸を中心に患者プラットフォーム２０２を回転させることにより、患者プラットフォーム２０２を長手方向に傾斜させるように構成することができる。

【0153】

Ｂ．ロボットアーム
図２３Ａ及び図２３Ｂは、いくつかの実施形態による例示的なロボットアーム２１０の異なる図を示す。

【0154】

図２３Ａは、ロボットアーム２１０が複数のリンク３０２（例えば、リンケージ）を含むことを示す。リンク３０２は、１つ又は２つ以上の関節３０４によって接続されている。関節３０４の各々は、１つ又は２つ以上の自由度（degrees of freedom、ＤｏＦ）を含む。

【0155】

図２３Ａでは、関節３０４は、ロボットアーム２１０の基台３０６に、又はその近くに位置する第１の関節３０４－１（例えば、基台関節又はＡ０関節）を含む。いくつかの実施形態では、基台関節３０４－１は、ロボットアーム２１０がバー２２０に沿って（例えば、ｙ軸に沿って）並進することを可能にするプリズム接合部を備える。関節３０４はまた、第２の関節３０４－２（例えば、Ａ１関節）を含む。いくつかの実施形態では、第２の関節３０４－２は、基台関節３０４－１に対して回転する。関節３０４はまた、リンク３０２－２の一端に接続された第３の関節３０４－３（例えば、Ａ２関節）を含む。いくつかの実施形態では、関節３０４－３は、複数のＤｏＦを含み、関節３０４－３に対するリンク３０２－２の傾斜及び回転の両方を容易にする。

【0156】

図２３Ａはまた、リンク３０２－２の他端に接続された第４の関節３０４－４（例えば、Ａ３関節）を示す。いくつかの実施形態では、関節３０４－４は、リンク３０２－２とリンク３０２－３とを接続する肘関節を含む。関節３０４は、ロボットアーム２１０の遠位部分に位置する一対の関節３０４－５（例えば、手首ロール関節又はＡ４関節）及び関節３０４－６（例えば、手首ピッチ関節又はＡ５関節）を更に含む。

【0157】

ロボットアーム２１０の近位端は、基台３０６に接続されてもよく、ロボットアーム２１０の遠位端は、高度デバイスマニピュレータ（advanced device manipulator、ＡＤＭ）３０８（例えば、ツールドライバ、器具ドライバ、又はロボットエンドエフェクタなど）に接続されてもよい。ＡＤＭ ３０８は、医療器具２１２（例えば、ツール、スコープなど）の位置決め及び操作を制御するように構成され得る。

【0158】

ロボットアーム２１０はまた、カニューレの存在又はロボットアーム２１０へのカニューレの近接を検出するためのカニューレセンサ３１０を含むことができる。いくつかの実施形態では、カニューレセンサ３１０がカニューレの存在を（例えば、ロボットシステム２００の１つ又は２つ以上のプロセッサを介して）検出すると、ロボットアーム２１０はドッキング状態（例えば、ドッキング位置）に置かれる。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０がドッキング位置にあるとき、ロボットアーム２１０は、以下で更に詳細に論じられるように、カニューレの位置及び／又は配向を維持するために、ゼロ空間運動を実行することができる。逆に、カニューレセンサ３１０によってカニューレが検出されないとき、ロボットアーム２１０は、ドッキング解除状態（例えば、ドッキング解除位置）に置かれる。

【0159】

いくつかの実施形態では、図２３Ａに図示されるように、ロボットアーム２１０は、ロボットアーム２１０を（例えば、ボタン３１２を押下することによって）アドミタンスモードにするために使用され得る、入力又はボタン３１２（例えば、ドーナツ形状ボタン、又は他のタイプの制御など）を含む。アドミタンスモードは、アドミタンススキーム又はアドミタンス制御とも呼ばれる。アドミタンスモードでは、ロボットシステム２１０は、力及び／又はトルク（例えば、ロボットアーム２１０に付与される）を測定し、対応する速度及び／又は位置を出力する。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、アドミタンスモードにおいて、ユーザによって手動で操作することができる（例えば、セットアップ手順中、又は手順の間など）。いくつかの例では、アドミタンス制御を使用することによって、オペレータは、ロボットアーム２１０を移動させるためにロボットシステム２００における慣性の全てを克服する必要はない。例えば、アドミタンス制御下で、オペレータがアームに力を付与すると、ロボットシステム２００は、力を測定し、ロボットアーム２１０に関連した１つ又は２つ以上のモータを駆動することによって、オペレータがロボットアーム２１０を移動させることを支援することができ、それによってロボットアーム２１０の所望の速度及び／又は位置をもたらすことができる。

【0160】

いくつかの実施形態では、リンク３０２は、（例えば、ロボットアーム２１０に対する医療ツール２１２の取り付け及び取り外しを容易にするために）医療ツール２１２に取り外し可能に結合されてもよい。関節３０４は、ＡＤＭ ３０８を介して医療ツール２１２の制御を容易にする複数の自由度（ＤｏＦ）をロボットアーム２１０に提供する。

【0161】

図２３Ｂは、ロボットアーム２１０の正面図を示す。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、（例えば、ボタン３１４を１回押すこと、又は連続的に押し続けることによって）ロボットアーム２１０をインピーダンスモードにするための、図２３Ａのボタン３１２とは異なる第２の入力又はボタン３１４（例えば、押しボタン）を含む。この例では、ボタン３１４は、Ａ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間に位置している。インピーダンスモードは、インピーダンススキーム又はインピーダンス制御とも呼ばれる。インピーダンスモードでは、ロボットシステム２００は、変位（例えば、位置及び速度の変化）を測定し、ロボットアームの手動移動を容易にするための力を出力する。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、インピーダンスモードにおいて（例えば、セットアップ手順中に）ユーザによって手動で操作することができる。いくつかの実施形態では、インピーダンスモード下で、ロボットアーム２１０の一部のオペレータの移動は、ロボットアーム２１０の他の部分を逆駆動してもよい。

【0162】

いくつかの実施形態では、アドミタンス制御のために、力センサ又はロードセルは、オペレータがロボットアーム２１０に加えている力を測定し、軽く感じるようにロボットアーム２１０を移動させることができる。アドミタンス制御下では、コントローラ内のモータが質量を加速させる助けとなり得るため、ロボットアーム２１０の知覚慣性を隠すことができるため、アドミタンス制御は、インピーダンス制御よりも軽く感じることができる。対照的に、インピーダンス制御では、いくつかの実施形態によれば、ユーザは、全てではないにせよほとんどの質量加速に関与する。

【0163】

いくつかの状況では、オペレータに対するロボットアーム２１０の位置に応じて、手動操作モード（例えば、アドミタンスモード及び／又はインピーダンスモード）を起動するためにボタン３１２及び／又はボタン３１４に手を伸ばすことは不便であり得る。したがって、これらの状況下では、ボタン以外によって手動操作モードをトリガすることがオペレータにとって便利であり得る。

【0164】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、ロボットアーム２１０をアドミタンスモード及びインピーダンスモードにするために使用することができる単一のボタンを含む（例えば、長押し、短押し、押して保持などの異なる押しを使用することによって）。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、ユーザがアームリンク機構（例えば、リンク３０２）及び／又は関節（例えば、関節３０４）を押し、力閾値を克服することによって、インピーダンスモードにすることができる。

【0165】

医療処置中、ロボットアーム２１０のＡＤＭ３０８及び／又はそれに結合されたツール２１２の遠隔運動中心（ＲＣＭ）を静的姿勢（例えば、位置及び／又は配向）に保つことが望ましい場合がある。ＲＣＭは、医療ツール２１２が挿入されるカニューレ又は他のアクセスポートの運動が制約される空間内の点を参照する場合がある。いくつかの実施形態では、医療ツール２１２は、ＲＣＭを維持しながら患者の切開部又は自然開口部を通して挿入されるエンドエフェクタを含む。いくつかの実施形態では、医療ツール２１２は、ロボット医療システムのセットアッププロセス中に後退状態にあるエンドエフェクタを含む。

【0166】

いくつかの状況において、ロボットシステム２００は、ロボットアーム２１０のＡＤＭ３０８及び／又はＲＣＭがそれぞれの姿勢（例えば、位置及び／又は配向）に維持されている間に、ロボットアーム２１０の１つ又は２つ以上のリンク３０２を「ゼロ空間」内で移動させて、近くの物体（例えば、他のロボットアーム）との衝突を回避するように構成することができる。ゼロ空間は、ロボットアーム２１０が移動することができ、ＡＤＭ ３０８及び／又はＲＣＭの移動をもたらさず、それによって（例えば、患者内の）医療ツール２１２の位置及び／又は配向を維持する空間と見なされ得る。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、ＡＤＭ３０８の各姿勢に利用可能な複数の位置及び／又は構成を有することができる。

【0167】

ロボットアーム２１０がＡＤＭ３０８を空間内の所望の姿勢に移動させるために、ある特定の実施形態では、ロボットアーム２１０は、少なくとも６つのＤｏＦ、すなわち、並進（例えば、Ｘ位置、Ｙ位置、及びＺ位置）のための３つのＤｏＦ及び回転（例えば、ヨー、ピッチ、及びロール）のための３つのＤｏＦを有し得る。いくつかの実施形態では、各関節３０４は、ロボットアーム２１０に単一のＤｏＦを提供することができ、したがって、ロボットアーム２１０は、空間内の任意の姿勢でＡＤＭ ３０８を位置決めするための運動の自由度を達成するために少なくとも６つの関節を有してよい。ロボットアーム２１０のＡＤＭ３０８及び／又は遠隔中心若しくは運動を所望の姿勢に更に維持するために、ロボットアーム２１０は、少なくとも１つの追加の「冗長関節」を更に有してもよい。したがって、特定の実施形態では、システムは、少なくとも７つの関節３０４を有するロボットアーム２１０を含んでよく、ロボットアーム２１０に少なくとも７つのＤｏＦを提供する。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、各々が２つ以上の自由度を有する関節３０４のサブセットを含んでもよく、それによって、ゼロ空間運動のための追加のＤｏＦを達成する。しかしながら、実施形態に応じて、ロボットアーム２１０は、より多い又はより少ない数のＤｏＦを有してもよい。

【0168】

更に、図１２に記載されているように、バー２２０（例えば、調節式アーム支持体）は、リフト、横方向並進、傾斜などを含むいくつかの自由度を提供することができる。したがって、実施形態に応じて、ロボット医療システムは、ゼロ空間移動及び衝突回避を提供するために、ロボットアーム２１０における自由度を超えて更に多くのロボット制御された自由度を有することができる。これらの実施形態のうちのそれぞれの実施形態では、１つ又は２つ以上のロボットアームのエンドエフェクタ（及びそれに結合される任意のツール又は器具）、並びにツールの軸に沿った遠隔中心は、有利には、患者内の姿勢及び／又は位置を維持することができる。

【0169】

少なくとも１つの冗長ＤｏＦを有するロボットアーム２１０は、所与のタスクを実施するための最小数のＤｏＦよりも少なくとも１つ多いＤｏＦを有する。例えば、ロボットアーム２１０は、少なくとも７つのＤｏＦを有することができ、いくつかの実施形態によれば、ロボットアーム２１０の関節３０４のうちの１つを冗長関節とみなすことができる。１つ又は２つ以上の冗長関節は、ＡＤＭ ３０８の姿勢及びＲＣＭの位置を維持し、かつ他のロボットアーム又は物体との衝突を回避するために、ロボットアーム２１０がゼロ空間内で移動することを可能にすることができる。

【0170】

いくつかの実施形態では、ロボットシステム２００は、ゼロ空間における１つ又は２つ以上の冗長関節の移動を利用することによって、例えば、隣接するロボットアーム２１０間の衝突を回避するために衝突回避を実施するように構成することができる。例えば、ロボットアーム２１０が別のロボットアーム２１０と衝突する、又は近づく（例えば、その規定された距離内に）とき、ロボットシステム２００の１つ又は２つ以上のプロセッサは、衝突又は差し迫った衝突を（例えば、運動学を介して）検出するように構成することができる。したがって、ロボットシステム２００は、ロボットアーム２１０の一方又は両方を制御して、衝突又は切迫した衝突を回避するためにゼロ空間内でそれらのそれぞれの関節を調整することができる。少なくとも一対のロボットアームを含む実施形態では、ロボットアームのうちの１つの基台及びそのエンドエフェクタは、その姿勢に留まることができる一方で、それらの間のリンク又は関節は、隣接するロボットアームとの衝突を回避するために、ゼロ空間内で移動する。

【0171】

Ｃ．センサ
図２４Ａ～図２４Ｈは、いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のセンサを示す。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０の各々は、ロボットアーム２１０と１つ又は２つ以上の外部物体との間の接触を検出するために使用することができる異なるセンサを含む。いくつかの実施形態によれば、検出された力、トルクなどの量に応じて、ロボットシステム２００は、検出された接触力又はトルクの量及び／又は方向に従ってロボットアーム２１０上の制御された移動を有効化することができる。

【0172】

いくつかの実施形態では、センサはセンサアーキテクチャの一部である。いくつかの実施形態によれば、センサアーキテクチャは、センサデータ、例えば、センサ属性又はパラメータ（例えば、力、接触、モーメント、変位、移動、位置など）、及びセンサからロボットシステム２００の１つ又は２つ以上のプロセッサへの値（例えば、場所、大きさ、タイミング、持続時間など）を通信するための他の構成要素を含んでもよい。

【0173】

いくつかの実施形態では、センサは、１つ又は２つ以上の関節センサ（例えば、関節ベースのセンサ）を備える。図２４Ａは、ロボットアーム２１０の基台３０６の近くの関節３０４－１（例えば、基台関節又はＡ０関節）上に位置する関節センサ４０２（例えば、Ａ０関節センサ）を示す。いくつかの実施形態では、Ａ０関節センサ４０２は、ロボットアーム２１０の近位端上で相互作用力が検出されることを可能にする力センサを備える。いくつかの実施形態では、Ａ０関節センサ４０２は、ロボットアーム２１０を位置制御モードから手動操作モード（例えば、インピーダンスモード、アドミタンスモード、グラブ・アンド・ゴーモードなど）に移行させるための起動検出として機能する。

【0174】

いくつかの実施形態では、センサは、ロボットアーム２１０の他の関節上に位置する他の関節ベースのセンサ（例えば、Ａ１関節３０４－２、Ａ２関節３０４－３、Ａ３関節３０４－４などに位置するセンサ）を含む。

【0175】

いくつかの実施形態では、センサは、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサを含む。非関節ベースのセンサは、ロボットアーム２１０のリンク３０２の長さに沿って、及び／又はＡＤＭ ３０８上に配置することができる。センサ（関節ベース及び非関節ベースの両方）は、ロボットアーム２１０と外部物体（例えば、オペレータ、患者、別のロボットアーム、手術ツール、及び／又は下にあるバー２２０）との間の相互作用を検出する。

【0176】

いくつかの実施形態では、図２４Ａに示すように、センサはまた、６軸ロードセル４０４を備える。６軸ロードセル４０４は、複数の方向の力及びモーメント（例えば、トルク）を感知することができる力及びモーメントセンサである（例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿った力、並びに各軸の周りのモーメントを測定することができる）。図２４Ａに示されるように、６軸ロードセル４０４は、アーム２１０の遠位部分上の一対の関節の間に（例えば、Ａ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間に）位置している。６軸ロードセル４０４は、ツールドライバ（例えば、ＡＤＭ ３０８）のための支持マウントとして機能することができる。したがって、６軸ロードセル４０４は、（例えば、ツールドライバによって）ロボットアーム２１０の遠位で検出される力及び／又はモーメントを測定することができる。いくつかの実施形態では、６軸ロードセル４０４は、リンクなしで（例えば、リンク３０２－４なしで）、Ａ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間に直接配置される。

【0177】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０はまた、接触センサ４０８（例えば、シェルセンサ）を更に含む。図２４Ｂの例は、１４個の接触センサ（例えば、４０８－１～４０８－１４）を示すが、ロボットアーム２１０は、任意の数の接触センサ４０８を含むことができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、力及び／又はモーメントセンサを備え、複数の方向の力及び／又はモーメントを検出（例えば、感知及び／測定）することができる。いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、ロボットアームの関節３０４に位置決めされる。いくつかの実施形態では、接触センサは、ロボットアーム２１０の近位部分上のリンク及び／又は遠位部分上のリンクなどのリンク３０２の長さに沿って位置している。

【0178】

いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、手術中に患者又は医療従事者と定期的に衝突することが知られているロボットアーム２１０の領域に位置している。図２４Ｃは、ロボットアーム２１０の遠位部分の３つの図を示しており、患者と衝突する可能性が比較的高い領域４１０が陰影付けされている。図２４Ｄは、ロボットアーム２０１の近位部分（例えば、図２４Ｃのロボットアーム２１０の遠位部分の近位）の３つの図を示しており、患者又は医療従事者と衝突する可能性が比較的高い領域４１２に陰影が付けられている。

【0179】

図２４Ｃ（ｉ）の領域４１０－１を例として使用すると、いくつかの実施形態では、ＡＤＭ３０８は、ＡＤＭ３０８における、又はそれに近接した相互作用を検出する１つ又は２つ以上の接触センサ４０８を含む。いくつかの実施形態では、測定された力又はモーメントの大きさが下方接触力限界及び／又は下方トルク限界と上方接触力限界及び／又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、ロボットシステム２００は、検出された接触力又はトルクに従って、ロボットアーム２１０上の制御された移動を有効化することができる。例えば、いくつかの実施形態によれば、制御された移動は、予め設定された制御機構（例えば、テレオペレーション、ボタン制御など）を介して、ユーザのコマンドに従ったロボットアーム２１０の移動を含んでもよい。いくつかの実施形態によれば、制御された移動はまた、ロボットアームに対する検出された接触力又はトルクを低減するために、ロボットアーム２１０の１つ又は２つ以上の関節及び／又はリンクの移動を含んでもよい。いくつかの実施形態によれば、制御された移動はまた、ロボットアーム２１０のゼロ空間運動を含んでもよい。

【0180】

追加的に及び／又は代替的に、いくつかの実施形態では、ＡＤＭとの相互作用（例えば、力及びモーメント）は、ＡＤＭが（直接的又は間接的に）取り付けられた６軸ロードセル４０４によって検出されてもよい。

【0181】

いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、ロボットアームリンクの外側の周りに懸架された「シェル」を有することができる。図２４Ｅは、いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０の例示的なリンク３０２を示す。

【0182】

いくつかの実施形態では、図２４Ｅに示すように、リンク３０２は、剛性シェル４２２と、構造リンク４２４と、構造カバー４２６と、第１の関節４３０（例えば、図２３Ａ及び図２３ＢのＡ２関節３０４－３）と、第２の関節４２８（例えば、図２３Ａ及び図２３ＢのＡ３関節３０４－４）と、一対のリアクションパドル４３２と、シェルカバー４３４（例えば、化粧カバー）と、を備える。いくつかの実施形態によれば、構造カバー４２６は、構造リンク４２４の構成要素を収容し、第１の関節４３０と第２の関節４２８との間に内部構造接続を形成するために、構造リンク４２４に取り付けることができる。

【0183】

いくつかの実施形態では、シェル４２２は、（例えば、外部物体による）ロボットアーム２１０上で接触を検出するために使用される。例えば、いくつかの実施形態によれば、シェル４２２は、シェルカバー４３４とともに、構造リンク４２４から懸架され、かつ構造リンクを取り囲んでいる。いくつかの実施形態によれば、シェル４２２とリンク３０２の内部構成要素／部材（例えば、構造リンク４２４及び構造カバー４２６）との間の相対運動は、外部物体との接触を判定するためにリンク３０２の長さに沿って配置された１つ又は２つ以上のセンサ（例えば、接触センサ４０８）を使用して検出することができる。

【0184】

いくつかの実施形態では、接触センサ４０８（例えば、シェルセンサ）のうちの１つ又は２つ以上は、リンク３０２の長さに沿って、構造リンク４２４とリンク３０２のシェル４２２との間の様々な場所に戦略的に配置される。例えば、シェル４２２は、接触センサ４０８を介して構造リンク４２４上に懸架することができる。

【0185】

いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、リンク３０２の長さに沿って均一に分散されている。いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、リンク３０２の長さに沿ってランダムに分散させることができる。代替的に、いくつかの実施形態では、より多くの数のセンサ４０８が、リンク３０２の特定の領域（例えば、図２４Ｃの領域４１０及び図２４Ｄの領域４１２など、外部物体とより多く接触することが知られている領域）に位置してもよい。いくつかの実施形態では、センサ４０８の分布にかかわらず、シェル４２２が構造リンク４２４を取り囲んでいるので、リンク３０２が外部物体に接触すると、物体はシェル４２２に接触する。したがって、力及び／又はモーメント感知接触センサ４０８は、シェル４２２と外部物体との間の接触を検出することができる。センサ４０８はまた、リンク３０２が外部物体と接触することによって引き起こされる、シェル４２２と構造リンク５０４との間の全方向における力及び／又はトルクの変化を測定することができる。

【0186】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の従来のロードセル、力感知抵抗器、並びに／又は、力、モーメント及び／又は変位を感知することが可能な任意の構成要素（例えば、バネと組み合わせられるとき）が、外部物体との相互作用を検出するために、接触センサ４０８の代わりに（又はそれに加えて）使用されてもよい。

【0187】

本明細書で使用される場合、シェル４２２及びシェルカバー４３４は、集合的に単に「シェル」４２２と呼ばれることがあり、構造リンク４２４及び構造カバー４２６は、文脈が明確に別様に示さない限り、集合的に単に構造リンク４２４又は操作可能リンク（例えば、リンク３０２）と呼ばれることがある。

【0188】

図２４Ｆ及び図２４Ｇは、いくつかの実施形態によるロボットアーム２１０のリンク３０２に沿ったセンサ分布を示す。

【0189】

図２４Ｆ（ｉ）及び図２４Ｆ（ｉｉ）は、それぞれ、いくつかの実施形態による、リンク３０２の１つの端部の例示的な側面図及び正面図を示す。いくつかの実施形態では、リンク３０２は、ロボットアーム２１０の近位リンク（例えば、図２３Ａ及び図２３Ｂのリンク３０２－２）に対応する。この例では、リンク３０２の１つの端部は、７つの接触センサ（例えば、４０８－１～４０８－７）を含む。いくつかの実施形態では、リンク３０２（例えば、リンク３０２－２）は両端で実質的に対称であり得るので、リンク３０２には合計１４個のセンサ４０８がある。

【0190】

図２４Ｇ（ｉ）及び図２４Ｇ（ｉｉ）は、それぞれ、いくつかの実施形態による、リンク３０２の例示的な側面図及び正面図を示す。いくつかの実施形態では、リンク３０２は、ロボットアーム２１０の遠位リンク（例えば、図２３Ａ及び図２３Ｂのリンク３０２－３）に対応する。この例では、いくつかの実施形態によれば、１２個の接触センサ４０８は、リンク３０２に含まれている。

【0191】

図２４Ｆ及び図２４Ｇでは、いくつかの実施形態によれば、センサ４０８は、異なる方向に配向されている。いくつかの実施形態では、センサ４０８の各々は、個々の力センサ（例えば、単軸力センサ）であり、ロボットシステム２００は、全てのセンサを組み合わせて、集中された（例えば、組み合わせられた、又は集約された）力及び／モーメント値を出力する。したがって、いくつかの実施形態によれば、図２４Ｆ及び図２４Ｇに示すように様々な配向でセンサを位置決めすることによって、全ての方向の力及び／又はモーメントを検出することができる。

【0192】

図２４Ｆ及び図２４Ｇは、それぞれが複数の接触センサ４０８を含むリンク３０２の実施形態を示すが、いくつかの実施形態では、リンク３０２は、複数の方向における構造リンク４２４とシェル４２２との間の力及び／又はトルク及び／又は変位を感知するように構成された単一のセンサを含むことができる。いくつかの実施形態では、センサ４０８から受信された信号を使用して、ロボットシステム２００は、シェル４２２と外部物体との間の接触の方向を検出することができる。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステム２００はまた、センサ４０８からの信号に基づいて、シェル４２２と外部物体との間の接触から生じる力の大きさを測定することができる。いくつかの実施形態によれば、センサ４０８の配置に基づいて、ロボットシステム２００はまた、リンク３０２に印加されるトルク（例えば、モーメント）を検出することができる。例えば、いくつかの実施形態によれば、シェル４２２に力が印加されると、ある特定の接触センサ４０８（例えば、リンク３０２－２又はリンク３０２－３の１つの端部にある）が圧縮され得る。いくつかの実施形態によれば、圧縮されているセンサ４０８によって感知される位置及び力に基づいて、ロボットシステム２００は、リンク３０２に印加されるトルクを判定することができる。

【0193】

図２４Ｈ（ｉ）及び図２４Ｈ（ｉｉ）は、いくつかの実施形態による、１つ又は２つ以上の接触感知シュラウド４３６（例えば、陰影が付けられた領域によって表される）を含むロボットアーム２１０を示す。図２４Ｈ（ｉ）は、ロボットアーム２１０の近位リンク（例えば、図２３Ａ及び図２３Ｂのリンク３０２－２）上の接触感知シュラウド４３６－１と、ロボットアーム２１０の遠位リンク（例えば、図２３Ａ及び図２３Ｂのリンク３０２－３）上の接触感知シュラウド４３６－２と、を示す。近位リンク及び遠位リンクの各々は、接触センサ４０８を含む。図２４Ｈ（ｉｉ）は、いくつかの実施形態による、ロボットアームの遠位端上の接触感知シュラウド４３６－３を示す。ロボットアームの遠位部分上には、６軸ロードセル４０４も提供することができる。図２４Ｈ（ｉｉ）はまた、遠隔中心運動（ＲＣＭ）４３８を示す。いくつかの実施形態によれば、ＲＣＭ４３８は、カニューレと患者の身体との交点である。

【0194】

いくつかの実施形態では、ロボットアームの遠位リンク又は近位リンクのいずれかの上の各感知シュラウド（例えば、感知シュラウド４３６－１及び４３６－２）について、ロボットアーム２１０の任意の点（例えば、リンクの重心、ロボットアームの重心、基台、関節、リンク上の位置、及び／又は遠隔中心位置）に対して作用する組み合わせられた外部接触力測定値（例えば、Ｆｃ）（例えば、線形力測定値）及び組み合わせられた外部トルク（例えば、モーメント）測定値（例えば、Ｍｃ）は、（例えば、接触センサ４０８並びに／又は力及び／若しくはモーメントを検出することが可能な任意の他のタイプのセンサを使用して）判定することができる。

【0195】

いくつかの実施形態では、ロボットシステム２００は、トルク測定値（例えば、Ｍｃ）ではなく力測定値（例えば、Ｆｃ）のみを使用して、接触力及び／又はトルクが安全力限界及び／又は安全トルク限界を超えないようにロボットシステム２００が応答すべきかどうかを判定する。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステム２００は、力測定値（例えば、Ｆｃ）とトルク測定値（例えば、Ｍｃ）の両方を使用して、ロボットアーム２１０の移動方向を判定する。

【0196】

いくつかの実施形態では、ロボットシステム２００は、力測定値（例えば、Ｆｃ）ではなく、トルク測定値（例えば、Ｍｃ）のみを使用して、ロボットシステム２００が任意の行為を行うべきかどうかを判定する。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステム２００は、トルク測定値（例えば、Ｍｃ）及び／又は力測定値（例えば、Ｆｃ）を使用して、ロボットアーム２１０の移動方向を判定する。

【0197】

いくつかの実施形態では、ロボットシステム２００は、力測定値（例えば、Ｆｃ）とトルク測定値（例えば、Ｍｃ）の両方を使用して、ロボットシステム２００が応答すべきかどうかを判定する。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステム２００はまた、力測定値（例えば、Ｆｃ）及び／又はトルク測定値（例えば、Ｍｃ）を使用して、ロボットアーム２１０の移動方向を判定する。

【0198】

いくつかの実施形態では、ロボットマニピュレータの遠位端（例えば、図２６Ｈ（ｉｉ）の接触感知シュラウド４３６－３によって示される領域）との任意の外部接触力（例えば、Ｆに対して、ＲＣＭ４３８における誘導トルク（例えば、τ_ＲＣＭ）が何らかのトルク限界τ_{ｌｉｍｉｔ}よりも小さい場合、力Ｆは、力限界Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}よりも小さくなるように保証されることが示され得る。いくつかの実施形態では、誘導トルク（例えば、τ_ＲＣＭは、６軸ロードセル４０４、又は遠位端若しくは遠位端に近接して位置する任意の他のセンサによって検出される。したがって、いくつかの実施形態によれば、ＲＣＭ４３８における誘導トルクτ_ＲＣＭを監視することは、ロボットマニピュレータの遠位端に対する接触力を制限することができる。

【0199】

Ｄ．ロボットアームに対する接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための例示的なシステム及び方法
図２５Ａ～２５Ｃは、いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための方法５００のフローチャート図を示す。本開示のいくつかの実施形態によれば、方法５００は、ロボットシステム（例えば、図２１及び図２２に示されるようなロボット医療システム２００、又はロボット手術プラットフォーム）の１つ又は２つ以上のプロセッサによって実施される。

【0200】

ロボットシステムは、ロボットアーム（例えば、図２１、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２４Ａ、及び図２４Ｈのロボットアーム２１０）を含む。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットシステムの２つ又はそれ以上のロボットアームのうちの第１のロボットアームである（例えば、図２１及び図２２を参照）。

【0201】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、単一のロボットアームを含む。ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のセンサ（例えば、図２４Ａのセンサ４０２及び４０４、図２４Ｂ、図２４Ｆ及び図２４Ｇの接触センサ４０８、並びに／又は本明細書に記載の他のセンサ）を含む。

【0202】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、センサアーキテクチャは、ロボットアーム２１０と一体化される（例えば、ロボットアームに固定される、ロボットアームの一部である、ロボットアーム内に含まれる、ロボットアームの表面上にある、ロボットアームに取り付けられる、ロボットアームの表面下に埋め込まれる、ロボットアームの一部分同士の間（例えば、隣接するリンク間、隣接する関節間など）に設置される、ロボットアームの端部に設置される、ロボットアームのリンク上又は内部にある、及び／あるいはロボットアームの関節上又は内部にある、など）。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサはセンサアーキテクチャの一部である。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、センサデータ、例えば、センサ属性又はパラメータ（例えば、力、接触、モーメント、変位、移動、位置など）、及びセンサからロボットシステムの１つ又は２つ以上のプロセッサへの値（例えば、場所、大きさ、タイミング、持続時間など）を通信するための他の構成要素を含む。

【0203】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、ロボットアームのリンク（例えば、リンク３０２、図２３Ａ及び図２３Ｂ）の上又は内部に、２つの隣接する関節（例えば、Ａ４関節及びＡ５関節、それらの間にリンクを有しない２つの隣接する関節、など）の間に、ロボットアームの関節と隣接するエンドエフェクタなどとの間に、あるいは、ロボットアームの、ロボットアームの関節ではない部分上に位置する１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサを含む。いくつかの実施形態では、非関節ベースのセンサは、１つ又は２つ以上の力センサ、１つ又は２つ以上のモーメントセンサ、及び／又は１つ又は２つ以上の力及びモーメントセンサを含む。

【0204】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の関節ベースのセンサを含む。例えば、関節ベースのセンサは、ロボットアームの近位端に（例えば、ロボットアームの基台の近くに）位置してもよく（例えば、Ａ０関節センサ４０２）、又は、２つの隣接するリンク間の関節に位置してもよい（例えば、２つの隣接するリンク３０４－２と３０２－３との間のＡ３関節３０２－４内のセンサ）。いくつかの実施形態では、関節ベースのセンサは、力センサ、モーメントセンサ、あるいは組み合わされた力及びモーメントセンサである。

【0205】

図２５Ａを再び参照すると、ロボットシステムは（例えば、１つ又は２つ以上のプロセッサを使用して）、１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によりロボットアームに及ぼされた接触力（例えば、Ｆｃ若しくはＦ）又はトルク（例えば、Ｍｃ若しくはτ_ｒｃｍ）（例えば、誘導トルク）を検出する（５１０）。いくつかの実施形態では、接触力（例えば、Ｆｃ若しくはＦ）及びトルク（例えば、Ｍｃ若しくはτ_ｒｃｍ）は、感知シュラウド４３６（例えば、図２４Ｈの感知シュラウド４３６－１、４３６－２及び／又は４３６－３）を介して、ロボットアーム２１０上で検出される。例えば、接触力又はトルクは、重力によって引き起こされたもの以外の任意の力又はモーメントであってもよい。いくつかの実施形態によれば、接触力又はトルクは、少なくとも１つの方向であり得る。

【0206】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサ（例えば、接触センサ４０８、図２４Ｂ）を含む（５１２）。いくつかの実施形態によれば、接触力（例えば、Ｆｃ）又はトルク（例えば、モーメント）（例えば、Ｍｃ）は、１つ又は２つ以上の接触センサ４０８を使用して検出（例えば、感知及び測定）される。

【0207】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の接触センサ４０８は、ロボットアームのリンク上に位置する（５１４）。例えば、いくつかの実施形態によれば、接触センサ４０８は、図２４Ｃの領域４１０及び図２４Ｄの領域４１２など、手術中に患者と定期的に衝突することが知られているロボットアームの領域に位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、図２４Ｅに示されるように、接触センサは、ロボットアームリンク３０２（例えば、近位リンク又は遠位リンク）の外側の周りに懸架された「シェル」を有することができる。いくつかの実施形態では、接触センサは、複数の方向の力を感知することができる力センサである。いくつかの実施形態では、接触センサは、複数の方向の力及び又はモーメントを感知することができる力及び又はモーメントセンサである。

【0208】

いくつかの実施形態では、ロボットアームのリンクは、遠位リンク（例えば、遠位リンク３０２－３、図２４Ｂ）又は近位リンク（例えば、近位リンク３０２－２、図２４Ａ）である（５１６）。

【0209】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、多軸ロードセルを含む（５１８）。接触力（例えば、Ｆ）又はトルク（例えば、τ_ＲＣＭ）は、多軸ロードセルを使用して検出（例えば、感知及び測定）される。

【0210】

いくつかの実施形態では、多軸ロードセル（５２０）は、ロボットアームの遠位部分に位置する６軸ロードセル（例えば、６軸ロードセル４０４、図２４Ａ）を含む。例えば、図２４Ａでは、６軸ロードセル４０４は、Ａ４関節３０４－５（例えば、手首ロール関節）とＡ５関節３０４－６（例えば、手首ピッチ関節）との間のロボットアーム２１０の遠位部分に位置している。

【0211】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクを検出したことに応答して（５２２）、接触力又はトルクの大きさが下方接触力限界（例えば、Ｆｒ）又は下方トルク限界（例えば、τ_ｒ）と上方接触力限界（例えば、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}）又は上方トルク限界（例えば、τ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って、ロボットシステムは、検出された接触力又はトルクに従ったロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することができる。例えば、１つ又は２つ以上のプロセッサは、検出された接触力又はトルクの場所、方向、大きさ、方向及び／又は大きさの変化率に従って、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することができる。

【0212】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクの大きさは、接触力又はトルクの現在検出中の値、予め設定された時間窓にわたる及び／又はロボットアームの予め設定された領域における接触力又はトルクの平均値を含んでもよい。いくつかの実施形態では、接触力又はトルクの大きさは、予め設定された時間窓にわたる又はロボットアームの予め設定された領域にわたる接触力又はトルクの集約値を含んでもよい。

【0213】

いくつかの実施形態では、下方接触力限界Ｆｒ又は下方トルク限界τ_ｒは、検出された力（例えば、Ｆｃ若しくはＦ）又はトルク（例えば、Ｍｃ若しくはτ_ｒｃｍ）に反応してロボットアームが移動を開始する第１の閾値レベルの力又はトルクを含む。いくつかの実施形態では、下方接触力限界又は下方トルク限界は、反応力限界又はトルク限界とも呼ばれる。例えば、下方接触力限界（例えば、Ｆｒ）は、１５Ｎ（例えば、ニュートン）～２５Ｎの間の任意の値であってもよい。下方トルク限界τ_ｒは、２Ｎｍ～４Ｎｍの任意の値であってもよい。

【0214】

いくつかの実施形態では、上方接触力限界Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}又は上方トルク限界τ_{ｌｉｍｉｔ}は、第２の閾値レベルの力又はトルクであり、それを超えると、検出された力又はトルクに応答してロボットアームを移動させることが安全でない又は望ましくない場合がある。いくつかの実施形態では、上方接触力限界又は上方トルク限界は、安全反力限界又は安全トルク限界とも呼ばれる。例えば、いくつかの実施形態によれば、上方接触力Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}は、４５Ｎ～６０Ｎの任意の値であってもよい。いくつかの実施形態によれば、上方トルク限界τ_{ｌｉｍｉｔ}は、７Ｎｍ～９Ｎｍの任意の値であってもよい。

【0215】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクは、その値が下方接触力限界又は上方接触力限界に等しいとき、下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあると判定される。

【0216】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０の遠位端（例えば、図２４Ｈのシュラウド４３６－３によって示される）との任意の外部接触力（例えば、Ｆ）に対して、遠隔中心運動における誘導トルク（例えば、τ_ｒｃｍ）が何らかのトルク限界τ_{ｌｉｍｉｔ}よりも小さい場合、接触力は、力限界Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}よりも小さくなるように保証されることが示され得る。したがって、いくつかの実施形態によれば、τ_ｒｃｍを監視することによって、ロボットアーム２１０の遠位端に対する接触力の大きさを制限することができる。

【0217】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することは、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節（例えば、図２３Ａ及び図２３Ｂの関節３０４）及び／又はリンク（例えば、図２３Ａ及び図２３Ｂのリンク３０２）を移動させることを含む。１つ又は２つ以上の関節及び／又はリンクは、検出された接触力又はトルクの場所、方向、大きさ、及び／又は変化率に従って選択され得る。いくつかの実施形態によれば、制御された移動の第１のセットを有効化することは、また、検出された接触力又はトルクの場所、大きさ、方向、及び／又は変化率に従って選択される速度、方向などで、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節及び／又はリンクを移動させることを含んでもよい。

【0218】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することは、予め設定された制御機構（例えば、テレオペレーション、ボタン制御など）を介して、ユーザのコマンドに従ってロボットアームの移動を実行することを含む。例えば、いくつかの実施形態によれば、ユーザのコマンドは、テレオペレーション中にロボットアーム（例えば、ロボットアームのリンク及び／又は関節）を移動させる、外科医のコマンドであってもよい。

【0219】

いくつかの実施形態では、ロボットアームでの制御された移動の第１のセットを有効化することは、（例えば、自動的に、かつユーザの介入なしに）ロボットアームのゼロ空間移動を実行することを含む。例えば、１つ又は２つ以上のプロセッサは、カニューレの位置及び／又は配向を維持するために、ゼロ空間運動を実行することができる。いくつかの実施形態では、ロボットアームのゼロ空間移動は、予め設定された制御機構を介して、ユーザが要求するロボットアームを移動させることに加えて実行されてもよい。

【0220】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することは、（例えば、ロボットアームが安全限界内で動作し続けることを保証するために）ロボットアーム上の検出された接触力Ｆｃ又はトルクτ_ｒｃｍを低減する移動を実行することを含む。

【0221】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化している間に、制御された移動の第１のセットとは異なる、ロボットアーム上の制御された移動の第２のセットを制限する。いくつかの実施形態では、制御された移動の第１のセット及び制御された移動の第２のセットは集合的に、ロボットアーム上のロボットシステムにより実装又はサポートされる制御された移動の完全セットを構成する。例えば、いくつかの実施形態によれば、制御された移動の完全セットは、物理的環境におけるロボットアームの様々な関節及びリンクの並進及び／又は回転の異なる組み合わせを含んでもよい。

【0222】

いくつかの実施形態では、ロボットアーム上の制御された移動の第２のセットを制限することは、ロボットアームの１つ又は２つ以上の移動方向、１つ又は２つ以上の移動角度範囲、及び／又は１つ又は２つ以上の移動速度範囲などを制限することを含む。例えば、ロボットシステムは（例えば、１つ又は２つ以上のプロセッサを通じて）、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節及び／又は１つ又は２つ以上のリンクのそれぞれの移動方向、それぞれの移動角度、及び／又はそれぞれの速度などを制限することを含めて、ロボットアームに対する何らかの形態の制御された移動を制限し得る。

【0223】

いくつかの実施形態では、検出された接触力又はトルクが、下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるとき、ロボットシステムは、制御された移動を可能にするが、ロボットアームの制御された移動に対して何らかの制限を課す。例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、接触力又はトルクを低減するために、ユーザにより要求されるロボットアームの移動の方向及び／又は速度を修正してもよい。したがって、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ユーザにより要求された移動を中断すること又は完全に禁止することなく、ユーザにフィードバックを提供する。いくつかの実施形態では、検出された接触力又はトルクが上方接触力限界又は上方トルク限界に近づいているとき、ロボットシステムは、検出された接触力及び／又はトルクの特性値に従って、ロボットアームの移動速度及び移動の方向を能動的に調節することによって、より強いフィードバック（例えば、触覚又は視覚）をユーザに提供する。

【0224】

図２５を再び参照すると、いくつかの実施形態では、ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化すること（５２４）は、ロボットアームのゼロ空間運動を起動することを含む。例えば、いくつかの状況では、接触力は、手術中のロボットアームと患者との間の接触から生じ得る。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、手術を中断することなく、ロボットアームによって患者に対して及ぼされる接触力を低減するために、ロボットアームのゼロ空間運動を自動的に（例えば、ユーザの介入なしに）起動してもよい。

【0225】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクを検出したことに応答して（５２６）、接触力又はトルクが上方接触力限界又は上方トルク限界を超えているという判定に従って、ロボットシステムは（例えば、１つ又は２つ以上のプロセッサを通じて）、ロボットシステムの一部の移動を無効化する。例えば、いくつかの実施形態によれば、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームの全ての関節及び／又はリンクの、以前に開始された移動を無効化してもよい。いくつかの実施形態によれば、１つ又は２つ以上のプロセッサはまた、ユーザコマンドに応答して、及びロボットアーム上の検出された接触力又はトルクに応答して、移動が開始又は継続することを防止し得る。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のプロセッサはまた、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムのテーブルトップ又は調節可能なアーム支持体の移動を無効化してもよい。

【0226】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクを検出したことに応答して（５２８）、接触力又はトルクが下方接触力又は下方トルク未満であるという判定に従って、ロボットシステムは、検出された接触力又はトルクに従ったロボットアーム上の制御された移動の第１のセットの有効化を取り止める。例えば、いくつかの実施形態によれば、接触力又はトルクが非常に低い場合、ロボットシステムは、接触力又はトルクを低減する移動を起動しない。いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは静止していてもよく、又は通常は他の能動的制御機構を介して制御されてもよい。例えば、ユーザは、テレオペレーション、ボタン制御、及び／又はインピーダンスモード制御を介してなど、ユーザが手術中に典型的に行うように、ロボットアームを制御することができる。いくつかの実施形態では、接触力又はトルクを検出したことに応答して、かつ、接触力又はトルクが下方接触力又は下方トルク未満であるという判定に従って、ロボットシステムはまた、ロボットアーム上の制御された移動の第２のセットの制限を取り止める。

【0227】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの第１の速度（例えば、

【0228】

【数1】

）を含む第１のユーザコマンドを受信する（５３０）。いくつかの実施形態では、第１の速度（例えば、

【0229】

【数2】

）は、ロボットアームの第１の運動方向及び／又はロボットアームの第１の移動の大きさ（例えば、速度）を含む。例えば、ロボットアームの第１の速度は、ロボットアームのエンドエフェクタ（例えば、ＡＤＭ３０８、図２３Ａ）の速度であってもよい。いくつかの実施形態では、第１のユーザコマンドは、デカルト座標の形態の速度コマンドである。いくつかの実施形態によれば、第１のユーザコマンドを受信した後、ロボットシステムは、第１のユーザコマンドに一致する必要な（例えば、対応する）関節速度を計算する。

【0230】

いくつかの実施形態では、接触力の大きさ（例えば、

【0231】

【数3】

）（例えば、ロボットアームのリンク上の接触センサによって測定される）が、下方接触力限界（例えば、Ｆｒ）と上方接触力限界（例えば、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って（５３２）、ロボットシステムは、（ａ）接触力の方向（例えば、θ_Ｆ）を判定し（５３４）、（ｂ）トルクの方向（例えば、θ_ω）を判定し（５３６）、（ｃ）ロボットアームの並進速度（例えば、接触が生じるロボットアームリンクの並進速度）及び接触力の方向によって形成される第１の角度を判定し（５３８）、（ｄ）ロボットアームの回転速度とトルクの方向とによって形成される第２の角度を判定する（５４０）。

【0232】

例えば、いくつかの実施形態では、ロボットアームの並進速度及び接触力の方向によって形成される第１の角度は、以下の式によって表すことができる。

【0233】

【数4】

式中、いくつかの実施形態によれば、Ｖ_Ｃは、その重心（又は、ロボットアームの任意の他の位置）に対するロボットアーム（例えば、ロボットアームのリンク）の並進速度ベクトルであり、Ｆ_Ｃは、接触力ベクトルであり、

【0234】

【数5】

は、ベクトルＶ_Ｃのノルム（例えば、大きさ）であり、

【0235】

【数6】

は、ベクトルＦ_Ｃのノルム（大きさ）である。

【0236】

ロボットアームの回転速度及びトルクの方向によって形成される第２の角度は、以下の式によって表すことができる。

【0237】

【数7】

式中、ω_Ｃは、その重心（又は、ロボットアームの任意の他の位置）に対するロボットアームの回転速度ベクトル（例えば、ロボットアームのリンクの回転速度）であり、Ｍ_Ｃは、リンクの重心（又は、ロボットアームの任意の他の位置）に対するトルクベクトル（例えば、接触センサ４０８によって検出される）であり、

【0238】

【数8】

は、ベクトルω_Ｃのノルム（例えば、大きさ）であり、

【0239】

【数9】

は、ベクトルＭ_Ｃのノルム（例えば、大きさ）である。いくつかの実施形態によれば、

【0240】

【数10】

、式中、Ｊ_ｃ（ｑ）は、リンク重心のヤコビアン（Jacobian）である。

【0241】

図２５を引き続き参照すると、いくつかの実施形態では、第１の角度が第１の角度閾値内にあり（例えば、第１の角度閾値未満であり、それを超えない）（例えば、θ_１≦θ_{ｌｉｍｉｔ，ｆ}）、第２の角度が第２の角度閾値内にある（例えば、第２の角度閾値未満であり、それを超えない）（例えば、θ_２≦θ_{ｌｉｍｉｔ，ω}）という判定に従って（５４２）、ロボットシステムは、第１の速度（例えば、

【0242】

【数11】

）でのロボットアームの関節の移動（例えば、

【0243】

【数12】

）を有効化する。

【0244】

いくつかの実施形態では、第１の角度閾値（例えば、θ_{ｌｉｍｉｔ，ｆ}）及び第２の角度閾値（例えば、θ_{ｌｉｍｉｔ，ω}）は、接触力を検出するために使用される１つ又は２つ以上の接触センサ（例えば、接触センサ４０８、図２４Ｂ）の測定不確実性に従って判定される（５４４）。例えば、いくつかの実施形態によれば、接触センサ４０８は、図２４Ｈ（ｉ）の感知シュラウド４３６－１又は感知シュラウド４３６－２によって示される領域に位置してもよい。

【0245】

いくつかの実施形態では、（ｉ）第１の角度が第１の角度閾値を超えている（例えば、θ_１＞θ_{ｌｉｍｉｔ，ｆ}）という判定、又は、（ｉｉ）第２の角度が第２の角度閾値を超えている（例えば、θ_２＞θ_{ｌｉｍｉｔ，ω}）という判定のうちの少なくとも１つに従って（５４６）、ロボットシステムは、ロボットアームの移動を無効化する（例えば、

【0246】

【数13】

）。

【0247】

いくつかの実施形態では、空間内のロボットアームの許容される移動は、図２６に示されるように、円錐６００（例えば、角度範囲）によって表すことができる。円錐６００は、接触力（例えば、Ｆｃ）又はモーメント（例えば、Ｍｃ）の方向を表す軸６０２を備える。円錐６００はまた、接触の衝突点を表す頂点６０４を含み、円錐内の体積は、３次元空間内のロボットアームの許容される次の移動の近傍を表す。いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが反応し、前の衝突点から離れると、接触力Ｆｃは減少することが予想される。いくつかの実施形態では、Ｆｃが依然として反応力限界Ｆｒを上回っている場合、新しい接触条件によって判定される新しい円錐が、新しい許容される移動を定義する。いくつかの実施形態では、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}の代表値は、１１０Ｎであり得る。いくつかの実施形態では、そのような反応挙動の反応力限界Ｆｒは、８０Ｎに設定（例えば、予め定義）することができる。

【0248】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの要求速度（例えば、要求角速度、ω_ｒｅｑ）を含む第２の制御コマンドを受信する（５４８）。例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームの要求速度は、ロボットアームのリンク（例えば、リンク３０２）の要求角速度又はロボットアームの関節（例えば、３０４）の要求角速度を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ロボットアームの角速度は、大きさ（例えば、速度）及び方向を含む（例えば、ロボットアームの角速度はベクトルである）。いくつかの実施形態では、ロボットアームの角速度（例えば、ω_ｒｅｑ）は、ロボットアームのテレオペレーション中に外科医から要求される角速度である。

【0249】

いくつかの実施形態では、接触トルクの大きさ（例えば、

【0250】

【数14】

）（例えば、接触モーメント又は誘導トルク）（例えば、図２４Ａ及び図２４Ｈ（ｉｉ）の６軸ロードセル４０４など、リンク間上の又はロボットアームの遠位端上の多軸ロードセルによって測定される）が、下方反応トルク限界（例えば、τ_Ｒ）と上方トルク限界（例えば、τ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って（５５０）、ロボットシステムは、トルクの方向を判定する（５５２）。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムはまた、トルクの方向とロボットアームの角速度とによって形成される第３の角度を判定する（５５４）。

【0251】

いくつかの実施形態では、下方反応トルク限界（例えば、τ_Ｒ）は、ロボットアームが接触に反応するためにＲＣＭ（例えば、ＲＣＭ４３８）において要求される最小測定トルクである。

【0252】

いくつかの実施形態では、トルクの方向とロボットアームの角速度とによって形成される第３の角度は、以下の式によって表すことができる。

【0253】

【数15】

式中、ω_ｒｅｑは、ロボットアームの角速度ベクトルであり、τ_ＲＣＭは、６軸ロードセルによって測定されるトルクベクトルであり、

【0254】

【数16】

は、トルクベクトルω_ｒｅｑのノルム（例えば、大きさ）であり、

【0255】

【数17】

は、トルクベクトルτ_ＲＣＭのノルム（例えば、大きさ）である。

【0256】

いくつかの実施形態では、トルクの大きさは、ロボットアームの遠隔運動中心（例えば、ＲＣＭ４３８、図２４Ｈ（ｉｉ））に対して判定される（５５６）。

【0257】

いくつかの実施形態では、第３の角度が第３の角度閾値内にある（例えば、第２の角度閾値以下であり、それを越えない）（例えば、θ_３≦θ_{ｌｉｍｉｔ}）という判定に従って、ロボットシステムは、要求速度（例えば、要求角速度、ω_ｒｅｑ）でのロボットアームの移動を有効化する（５５８）。

【0258】

いくつかの実施形態では、第３の角度閾値は、トルクを検出するために使用される６軸ロードセル（例えば、６軸ロードセル４０４）の測定不確実性に従って判定される（５６０）。

【0259】

いくつかの実施形態では、第３の角度が第３の角度閾値を超えている（例えば、θ_３＞θ_{ｌｉｍｉｔ}）という判定に従って（５６２）、ロボットシステムは、ロボットアームの移動を無効化する。

【0260】

図２７Ａ～図２７Ｂは、いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための方法７００のフローチャート図を示す。いくつかの実施形態によれば、方法７００は、ロボットシステム（例えば、図２１及び図２２に示されるようなロボット医療システム２００、又はロボット手術プラットフォーム）の１つ又は２つ以上のプロセッサによって実施される。

【0261】

ロボットシステムは、ロボットアーム（例えば、図２１、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２４Ａ、及び図２４Ｈのロボットアーム２１０）を含む。ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のセンサ（例えば、図２４Ａのセンサ４０２及び４０４、図２４Ｂ、図２４Ｆ及び図２４Ｇの接触センサ４０８、並びに／又は本明細書に記載の他のセンサ）を含む。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサ（例えば、接触センサ４０８）を含む。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、６軸ロードセル（例えば、６軸ロードセル４０４、図２４Ａ及び図２４Ｈ）を含む。ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行される命令を記憶している。

【0262】

本開示のいくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によってロボットアームに及ぼされた接触力（例えば、Ｆｃ又はＦ）又はトルク（例えば、Ｍｃ又はτ_ｒｃｍ）を検出する（７１４）。

【0263】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクを検出したことに応答して（７１６）、接触力又はトルク（例えば、接触力又はトルクの大きさ）が、力（例えば、Ｆｒ）又はトルク（例えば、τ_ｒ）と、接触力（例えば、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}）又はトルク（例えば、τ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って、ロボットシステムは、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路に基づく軌道におけるロボットアームの移動を有効化する。

【0264】

いくつかの実施形態では、軌道は、力又はトルクの検出の前に実行された以前の移動経路の反転に対応する。

【0265】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクは、その値が下方接触力限界又は上方接触力限界に等しいとき、下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあると判定される。

【0266】

いくつかの実施形態では、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路は、ロボットアームのリンク重心の予め記録された経路を含む（７１８）。いくつかの実施形態では、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路は、ロボットアームの関節の予め記録された経路、又はロボットアームの複数の関節の関節値を含む。

【0267】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、リンク重心の予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる予め記録された経路に沿った並進運動方向（例えば、Ｄ_ｔ）及び回転運動方向（例えば、Ｄ_ｒ）を判定する（７２０）。例えば、構成可能な期間は、１０秒から１００秒までの任意の期間（例えば、持続時間）とすることができる。いくつかの実施形態では、構成可能な期間の各時間インスタンス（例えば、１秒毎、２秒毎など）において、それぞれの遷移及び回転運動方向を、記録された経路に基づいて判定することができる。

【0268】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、第１の速度（例えば、

【0269】

【数18】

）を含むユーザコマンドを受信する。いくつかの実施形態では、第１の速度（例えば、

【0270】

【数19】

）は、ロボットアームの運動方向及び／又はロボットアームの移動の大きさ（例えば、速度）を含む。例えば、ロボットアームの速度は、ロボットアームのエンドエフェクタ（例えば、ＡＤＭ３０８、図２３Ａ）の速度であってもよい。いくつかの実施形態では、接触力の大きさ（例えば、ロボットアームのリンク上の接触センサによって測定される）が、下方接触力限界（例えば、Ｆｒ）と上方接触力限界（例えば、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って、ロボットシステムは、（ａ）接触力の方向（例えば、θ_Ｆ）を判定し、（ｂ）トルクの方向（例えば、θ_ω）を判定し、（ｃ）ロボットアームの並進速度及び予め記録された経路に沿った並進運動方向によって形成される第１の角度を判定し、（ｄ）予め記録された経路に沿ったロボットアームの回転速度及び回転運動方向によって形成される第２の角度を判定する。

【0271】

例えば、ロボットアームの並進速度及び予め記録された経路に沿った並進運動方向によって形成される第１の角度は、以下の式によって表すことができる。

【0272】

【数20】

式中、いくつかの実施形態によれば、Ｖ_Ｃは、ロボットアームの並進速度ベクトルであり、Ｄ_ｔは、構成可能な期間にわたるリンク重心の予め記録された経路に沿ったロボットアームの並進運動方向ベクトルであり、

【0273】

【数21】

は、ベクトルＶ_Ｃのノルム（例えば、大きさ）であり、

【0274】

【数22】

は、ベクトルＤ_ｔのノルム（大きさ）である。

【0275】

ロボットアームの回転速度及び予め記録された経路に沿った回転運動方向によって形成される第２の角度は、以下の式によって表すことができる。

【0276】

【数23】

式中、いくつかの実施形態によれば、ω_Ｃは、その重心（又は、ロボットアームの任意の他の位置）に対するロボットアーム（例えば、ロボットアームのリンク）の回転速度ベクトルであり、Ｄ_ｒは、構成可能な期間にわたるリンク重心の予め記録された経路に沿った回転運動方向ベクトルであり、

【0277】

【数24】

は、ベクトルω_Ｃのノルム（例えば、大きさ）であり、

【0278】

【数25】

は、ベクトルＤ_ｒのノルム（大きさ）である。

【0279】

いくつかの実施形態では、第１の角度が第１の角度閾値内にあり（例えば、第１の角度閾値未満であり、それを超えない）（例えば、θ_１≦θ_{ｌｉｍｉｔ，ｆ}）、第２の角度が第２の角度閾値内にある（例えば、第２の角度閾値未満であり、それを超えない）（例えば、θ_２≦θ_{ｌｉｍｉｔ，ω}）という判定に従って、ロボットシステムは、ユーザコマンド速度の、予め記録された経路におけるロボットアームの関節の移動（例えば、

【0280】

【数26】

）を有効化する。

【0281】

例えば、ロボットシステムは、第１及び第２の角度がそれぞれの角度閾値内にあるかどうかを判定するために、構成可能な期間の各時間インスタンス（例えば、１秒毎、２秒毎など）において、第１及び第２の角度を計算することができ、いくつかの実施形態によれば、当該時間インスタンスについて、第１の角度が第１の角度閾値内にあり（例えば、第１の角度閾値以下であり、それを超えない）（例えば、θ_１≦θ_{ｌｉｍｉｔ，ｆ}）、かつ、第２の角度が第２の角度閾値内にある（例えば、第２の角度閾値以下であり、それを超えない）（例えば、θ_２≦θ_{ｌｉｍｉｔ，ω}）場合の第１及び第２の角度という判定に従って、ロボットアームの関節の移動を有効化する。

【0282】

いくつかの実施形態では、第１の角度が第１の角度閾値を超えている（例えば、θ_１＞θ_{ｌｉｍｉｔ，ｆ}）、及び／又は、第２の角度が第２の角度閾値を超えている（例えば、θ_２＞θ_{ｌｉｍｉｔ，ω}）という判定に従って、ロボットシステムは、ロボットアームの移動を無効化する。

【0283】

図２７を再度参照すると、いくつかの実施形態では、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路は、ロボットアームの遠隔中心運動（例えば、ＲＣＭ４３８、図２４Ｈ）のピッチ角及び／又はヨー角の予め確立された経路又は予め記録された経路を含む（７２２）。

【0284】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムはまた、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路（例えば、ＲＣＭのピッチ／ヨー角の予め記録された経路）から、構成可能な期間（例えば、２秒～１００秒）にわたる予め記録された経路に沿った平均運動方向（例えば、

【0285】

【数27】

）を判定する（７２４）。

【0286】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの角速度（例えば、ω_ｒｅｑ）を含む制御コマンドを受信する。ロボットシステムは、図２４Ａ及び図２４Ｈ（ｉｉ）の６軸ロードセル４０４など、リンク間上の又はロボットアームの遠位端上の多軸ロードセルを使用して、トルクの大きさを判定することができる。いくつかの実施形態では、検出されたトルクの大きさ（例えば、｜τ_ＲＣＭ｜）が、下方反応トルク限界（例えば、τ_Ｒ）と上方トルク限界（例えば、τ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って、ロボットシステムは、トルクの方向を判定する。ロボットシステムはまた、トルクの方向とロボットアームの角速度とによって形成される第３の角度を判定する。

【0287】

いくつかの実施形態では、トルクの方向とロボットアームの角速度とによって形成される第３の角度は、以下の式によって表すことができる。

【0288】

【数28】

式中、ω_ｒｅｑは、構成可能な期間にわたるロボットアームの角速度ベクトルであり、

【0289】

【数29】

は、構成可能な期間にわたる予め記録された経路に沿った平均運動方向であり、

【0290】

【数30】

は、ベクトルω_ｒｅｑのノルム（例えば、大きさ）であり、

【0291】

【数31】

は、ベクトル

【0292】

【数32】

のノルム（例えば、大きさ）である。

【0293】

いくつかの実施形態では、第３の角度が第３の角度閾値内にある（例えば、第３の角度閾値以下であり、それを越えない）（例えば、θ_３≦θ_{ｌｉｍｉｔ}）という判定に従って、ロボットシステムは、予め記録された経路に沿った平均運動方向（例えば、

【0294】

【数33】

）における移動ロボットアームを有効化する。

【0295】

いくつかの実施形態では、第３の角度が第３の角度閾値を超えているという判定に従って、ロボットシステムは、ロボットアームの移動を無効化する。

【0296】

図２８は、いくつかの実施形態による、接触力及び／又はトルクを検出し、それに応答するための方法８００のフローチャート図を示す。いくつかの実施形態によれば、方法７００は、ロボットシステム（例えば、図２１及び図２２に示されるようなロボット医療システム２００、又はロボット手術プラットフォーム）の１つ又は２つ以上のプロセッサによって実施される。

【0297】

ロボットシステムは、ロボットアームを備える。（例えば、図２１、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２４Ａ、及び図２４Ｈのロボットアーム２１０）。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットシステムの２つ又はそれ以上のロボットアームのうちの第１のロボットアームである（例えば、図２１及び図２２を参照）。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、単一のロボットアームを備える。

【0298】

ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のセンサ（例えば、図２４Ａのセンサ４０２及び４０４、図２４Ｂ、図２４Ｆ及び図２４Ｇの接触センサ４０８、並びに／又は本明細書に記載の他のセンサ）を備える。

【0299】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサ（例えば、接触センサ４０８、図２４Ｂ）を含む。いくつかの実施形態では、接触センサは、力及び又はモーメント（例えば、トルク）を検出する力及び又はモーメントセンサである。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、６軸ロードセル（例えば、６軸ロードセル４０４）を含む。

【0300】

ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを備える。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行される命令を記憶している。

【0301】

ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって及ぼされたロボットアームに対する接触力（例えば、Ｆｃ又はＦ）又はトルク（例えば、Ｍｃ又はτ_ｒｃｍ）を検出する（８１４）。いくつかの実施形態では、接触力（例えば、Ｆｃ）及びトルク（例えば、Ｍｃ）は、感知シュラウド（例えば、図２４Ｈの感知シュラウド４３６－１及び／又は４３６－２）を介して、ロボットアーム２１０上で検出される。いくつかの実施形態では、接触力（例えば、Ｆ）及びトルク（例えば、τ_ｒｃｍは、感知シュラウド（例えば、図２４Ｈの感知シュラウド又は４３６－３）を介して、ロボットアーム２１０上で検出される。例えば、接触力又はトルクは、重力によって引き起こされたもの以外の任意の力又はモーメントであってもよい。接触力又はトルクは、複数の方向であってもよい。

【0302】

いくつかの実施形態では、接触力又はトルクが下方反応力限界（例えば、Ｆｒ）又は下方トルク限界（例えば、τ_ｒ）以上であるという判定に従って（８１６）、ロボットシステムは、ロボットアームの速度を低減する。

【0303】

いくつかの実施形態では、ロボットアームは、１つ又は２つ以上の関節を含む（８１８）。ロボットアームの速度を低減することは、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減すること（８２０）を含む。

【0304】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減することは、全ての関節の速度を同じスケール（例えば、同じ割合だけ低減すること（８２２）を含む。例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、関節の各々のそれぞれの速度を１％、２％、５％、又は１０％など、だけ低減し得る。

【0305】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、第１の速度（例えば、

【0306】

【数34】

）を含む第１の制御されたコマンドを受信する（例えば、第１の速度は、ロボットアームのエンドエフェクタの速度を含む）。接触力が下方反応力限界以下である（例えば、Ｆｃ≦Ｆｒ）という判定に従って、ロボットシステムは、第１の速度でのロボットアームの移動を有効化する。いくつかの実施形態によれば、接触力が下方反応力限界よりも大きい（例えば、Ｆｃ＞Ｆｒ）という判定に従って、ロボットシステムは、第１の速度未満であるコマンド速度（例えば、

【0307】

【数35】

）でのロボットアームの移動を有効化する。例えば、ロボットアームの（例えば、ロボットアームの関節の）コマンド速度は、いくつかの実施形態によれば、以下の式によって表すことができる。

【0308】

【数36】

【0309】

式（７）は、接触力Ｆｃが下方反応力限界よりも大きい（例えば、Ｆｃ＞Ｆｒ）場合、接触力Ｆｃが増加するにつれてロボット関節速度が減少することを示す。いくつかの実施形態によれば、この式において、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}は力の上限閾値レベルあり、それを超えると、検出された力に応答してロボットアームを移動させることが安全でない又は望ましくない場合がある。いくつかの実施家形態によれば、（Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}－Ｆ_ｒ）が定数なので、式（７）は、検出された接触力Ｆｃが高いほど、コマンド速度

【0310】

【数37】

が低くなることを示す。更に、いくつかの実施形態によれば、検出された接触力Ｆｃが少なくともＦ_{ｌｉｍｉｔ}と同じ大きさであるとき、ロボットアームの移動は有効化されない（例えば、Ｆ_Ｃ≧Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}であるとき、

【0311】

【数38】

）。いくつかの実施形態によれば、接触力Ｆｃが下方反応力限界以下である（例えば、Ｆｃ≦Ｆｒ）場合、コマンド関節速度

【0312】

【数39】

は、外科医により要求されたものと同じである（例えば、

【0313】

【数40】

）。

【0314】

いくつかの実施形態では、ロボットアームの速度を低減することは、ロボットアームの遠隔中心運動（例えば、ＲＣＭ４３８、図２４Ｈ）における角速度を低減すること（８２４）を含む。

【0315】

例えば、いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの第１の角速度（例えば、ω_ｒｅｑ）を含む第２の制御コマンドを受信する。例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームの角速度は、ロボットアームのリンク（例えば、リンク３０２）の角速度又はロボットアームの関節（例えば、３０４）の角速度を含んでもよい。トルクが下方トルク限界以下である（例えば、τ_ｒｃｍ≦τ_ｒ）という判定に従って、ロボットシステムは、第１の角速度でのロボットアームの移動を有効化する。トルクが下方トルク限界よりも大きい（例えば、τ_ｒｃｍ＞τ_ｒ）という判定に従って、ロボットシステムは、第１の角速度ω_ｒｅｑ未満であるコマンド角速度（例えば、ω_ｃｍｄ）でのロボットアームの移動を有効化する。いくつかの実施形態では、このシナリオは、以下の式によって表すことができる。

【0316】

【数41】

【0317】

式（８）において、τ_{ｌｉｍｉｔ}はトルクの上方閾値レベルであり、それを超えると、検出されたトルクに応答してロボットアームを移動させることが安全でない又は望ましくない場合がある。いくつかの実施家形態によれば、（τ_{ｌｉｍｉｔ}－τ_ｒ）が定数値なので、式（８）は、検出されたトルクτ_ｒｃｍが高いほど、コマンド角速度ω_ｃｍｄが低くなることを示す。更に、いくつかの実施形態によれば、検出されたトルクτ_ｒｃｍが少なくともτ_{ｌｉｍｉｔ}と同じ大きさであるとき、ロボットアームの移動は有効化されない（例えば、τ_ｒｃｍ≧τ_{ｌｉｍｉｔ}であるとき、ω_ｃｍｄ＝０）。

【0318】

いくつかの実施形態では、方法５００、方法７００、又は方法８００の種々の態様は、ロボットアームのうちの１つ又は２つ以上に対して独立して使用することができ、あるいは組み合わせることができる。

【0319】

Ｄ．統合型ゼロ空間運動制御
上述したように、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０）は、多数の関節（例えば、関節３０４、図２３Ａ及び図２３Ｂ）を含むことができ、これにより、多数の自由度（ＤｏＦ）がもたらされる。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、少なくとも７つの関節を有することができ、したがって、７つのＤｏＦを有する。ロボットアームが７つの関節を有する場合、関節のうちの１つは、冗長関節とみなすことができる。したがって、少なくとも７つの関節を有するロボットアームは、少なくとも１つの追加のＤｏＦ（例えば、追加の冗長性、又は１つの冗長ＤｏＦ）を有する。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の冗長ＤｏＦは、ＡＤＭ３０８の姿勢及び／又はＲＣＭの位置を維持し、かつ他のロボットアーム又は物体との衝突を回避するために、ロボットアームがゼロ空間内で移動することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームがゼロ空間内で移動している間、異なるリンケージ位置及び関節角度を使用して、ロボットアームのエンドエフェクタを空間内で特定の姿勢（例えば、位置及び／又は配向）並びに軌道に向かって位置決めすることができる。いくつかの実施形態では、ロボットアームのエンドエフェクタの移動は、テレオペレーションを介することができるが、他の実施形態では、ロボットアームのエンドエフェクタの移動は、ロボットアームの手動による移動又はスレーブクラッチを介することができる。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の冗長ＤｏＦは、ロボットアームが、空間において望ましい個所から医療器具を位置決めし、方向付けることを有効化する一方、医師がアーム関節を患者から離れる臨床上都合の良い位置に移動させて、アームの衝突を回避しながらアクセスを良くするのを可能にする。

【0320】

いくつかの実施形態では、１つのＤｏＦ冗長性を有するロボットアームに、その遠隔中心を保持しながら（例えば、テレオペレーション中）、所望の姿勢になるようにコマンドすることができる。所望の姿勢のアームを送達している間に、同じロボットアームを、いくつかの目的のために並行して（例えば、同時に）使用することができる。いくつかの実施形態によれば、これらの目的として、運動学的衝突（例えば、ロボットシステムのアーム間の衝突、又はアームと地面若しくは調節可能なバー、ベッドトップなどの他のシステム構成要素との間の衝突）回避、関節制限回避、過剰接触回避、手動によるアームの再位置決め、手動によるバーの再位置決め及び／若しくはバー最適化適応のためのアドミタンスゼロ空間運動、並びに、所望の（例えば、好ましい）場所に関節を位置決めすることを挙げることができる。これらの目的の各々は、ロボットアームのそれぞれのゼロ空間運動を要求する場合がある。冗長性のＤｏＦが１つだけ追加される（又は１つに制限される）場合、これらの目的は互いに競合する場合がある。したがって、ロボットアームの様々な動作状態下で同時に目的を最適化し、バランスのとれた最適な方式でロボットアームのゼロ空間運動を制御する必要がある。

【0321】

図２９は、いくつかの実施形態による、ロボットシステム２００についての運動学的アーキテクチャのブロック図９００を示す。

【0322】

ブロック図９００は、マスターアプリケーション９０２を含む。いくつかの実施形態では、マスターアプリケーション９０２は、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、図２１及び図２２）のエンドエフェクタを制御するために、テレオペレーション中に外科医によって使用される。いくつかの実施形態では、マスターアプリケーション９０２は、（例えば、外科医からのコマンドを介して）ＲＣＭの周りのエンドエフェクタの姿勢（例えば、位置及び／又は配向）を含むベクトルであるマスターコントローラコマンド

【0323】

【数42】

（例えば、エンドエフェクタの軌道）を出力する。いくつかの実施形態では、マスターアプリケーション９０２は、上述したように、外科医が外科医コンソールにおいてロボットアーム又は器具をテレオペレーションで制御するときに開始される。

【0324】

図２９はまた、いくつかの実施形態による、新規の統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４を示す。いくつかの実施形態では、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４は、マスターアプリケーション９０２と並行して（例えば、同時に）実行する。本開示のいくつかの実施形態によれば、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４は、複数のタスク（例えば、複数のタスクモジュールの動作のそれぞれのセット）を管理する。いくつかの実施形態では、複数のタスクは、とりわけ、接触検出９０６、バー最適化９０８、衝突及び／又は関節回避９１０、ゼロ空間ジョギング９１２、並びに好ましい関節位置９１４を含む。いくつかの実施形態によれば、複数のタスクはまた、他のタスク９１６を含んでもよい。いくつかの実施形態では、複数のタスクのうちの少なくとも１つは、所与の時間にロボットアームのそれぞれのゼロ空間運動を必要とする。

【0325】

いくつかの実施形態では、複数のタスクは、接触検出９０６を含む。図２３Ａ～図２４Ｈで前述したように、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットアームの１つ又は２つ以上のリンク及び／又は関節（例えば、リンク３０２及び／又は関節３０４）に沿って位置し得る、接触センサ４０８、６軸ロードセル（例えば、６軸ロードセル４０４）、力センサ（例えば、Ａ０力センサ４０２）、及び／又は任意の他のセンサ（例えば、容量センサ）などの１つ又は２つ以上のセンサを含む感知アーキテクチャを含む。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のセンサを使用して、ロボットアームに対する接触力及び／又はトルクを検出（例えば、感知及び測定）する。いくつかの実施形態では、検出された接触力及び／又はトルクに基づいて、ロボットシステムは、ロボットアームのゼロ空間運動を利用する反応スキームを判定してもよい。例えば、いくつかの実施形態によれば、検出された接触力及び／又はトルクに従って、ロボットアームに対するゼロ空間制御を起動して、接触力及び／又はトルクの量を低減することができる。

【0326】

再び図２９を参照すると、いくつかの実施形態では、接触検出９０６モジュールは、２つのパラメータ

【0327】

【数43】

及びｆ_０を、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４に出力し、

【0328】

【数44】

は、接触センサ４０８及び／又は６軸ロードセル４０４からの力とトルクの両方を含む接触レンチであり、ｆ_０は、Ａ０関節において（例えば、Ａ０力センサ４０２によって）検出された力である。いくつかの実施形態では、そのような力がある特定の閾値を超えている場合、ロボットアームに対するゼロ空間運動が起動され得る。例えば、図２５、図２７、及び図２８に記載されているように、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、接触力又はトルクの大きさが、下方接触力限界（例えば、Ｆｒ）又は下方トルク限界（例えば、τ_ｒ）と、上方接触力限界（例えば、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}）又は上方トルク限界（τ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って、ゼロ空間運動を有効化し得る。

【0329】

いくつかの実施形態では、複数のタスクは、バー最適化９０８を含む。図２１に記載されているように、ロボットアーム及び／又は調節可能なアーム支持体（例えば、バー）の各々は、それぞれの運動連鎖と呼ぶことができる。いくつかの実施形態では、ロボットアーム及びその下にあるバーは、１つの運動連鎖とみなすことができる。例えば、図２２では、ロボットアーム２１０－１及びその下にあるバー２２０－１は、いくつかの実施形態によれば、同じ運動連鎖の一部であり得る。いくつかの実施形態では、バー最適化は、ロボットアームをゼロ空間内で移動させている間、ロボットアーム２１０のエンドエフェクタ（例えば、ＡＤＭ３０８）及び／又はそれに結合されたツール２１２の遠隔運動中心（ＲＣＭ）を静的姿勢に維持するように、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０－１）を支持する下にあるバー（例えば、バー２２０－１）の姿勢（例えば、位置及び／又は配向）を最適化することを含む。いくつかの実施形態では、バー最適化モジュール９０８は、ロボットアームのＡ０関節の位置（例えば、ｑ_０）を統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４に出力する。いくつかの実施形態では、バー最適化モジュール９０８は、手動によるバーの再位置決めをカバーするように延在することができ、結果として生じる出力（例えば、ｑ_０）は、同じ方法で一体化される。

【0330】

いくつかの実施形態では、複数のタスクはまた、衝突及び／又は関節回避９１０を含む。いくつかの状況では、ロボットアームは、別のロボットアーム、患者支持プラットフォーム、及び／又はロボットアームに近接する他の物体など、他の物体と衝突する場合がある。更に、いくつかの状況では、ロボットアームの関節は、それらの関節限界において又はその近くで動作している場合がある。いくつかの実施形態によれば、衝突及び／又は関節回避９１０において、ロボットアームは、エンドエフェクタの軌道（例えば、

【0331】

【数45】

）に影響を与えることなく衝突及び／又関節制限を回避するために、ゼロ空間運動を利用する。

【0332】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節上に位置決めされている１つ又は２つ以上のエンコーダ（例えば、関節エンコーダ）を含む。いくつかの実施形態によれば、関節エンコーダは、ロボットアームの関節の位置及び／又は角度を測定し、関節エンコーダのデータに従って衝突検出及び処理を有効化する。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、関節の測定された位置及び／又は角度に基づいて、運動学的モデルを作成する。衝突及び／又は関節回避は、ロボットシステムの測定値（例えば、ロボットアームの関節の位置及び／又は角度）を使用する運動学的アプローチに基づいて、ロボットアームのゼロ空間運動を制御する。したがって、衝突及び／又は関節回避９１０モジュールは、センサデータを使用してゼロ空間制御を起動する接触検出９０６モジュールとは異なる。

【0333】

いくつかの実施形態では、衝突及び／又は関節回避モジュール９１０は、２つのパラメータＰ_ｃ，ｉ及びＰ_ｏ，ｉを統合型ゼロ空間制御モジュール９０４に出力し、Ｐ_ｃ，ｉ及びＰ_ｏ，ｉは、衝突制御点及び障害物点のデカルト座標に対応する。いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが障害物（別のロボットアーム、ロボットシステムの別の物体、又は外部物体など）の近くにあるとき、物体上の１つ又は２つ以上の対応する点に最も近いロボットアーム上の１つ又は２つ以上の点を特定することができる。いくつかの実施形態によれば、衝突制御点は、ロボットアーム上の１つ又は２つ以上の点である。いくつかの実施形態によれば、障害物点は、ロボットアームの障害物上の１つ又は２つ以上の点である。

【0334】

いくつかの実施形態では、衝突及び／又は関節回避９１０は、ロボットアームの下にあるバーが静止していると仮定する。いくつかの状況では、ロボットアームの下にあるバーを静止位置に保ちながらゼロ空間内でロボットアームを移動させることは、解決策にはならないことがある。これらの例では、いくつかの実施形態によれば、（例えば、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４を使用する）ロボットシステムはまた、下にあるバーの並進（及び／又は回転、及び／又は傾斜）によるロボットアームのゼロ空間運動を有効化するために、バー最適化モジュール９０８を並行して起動する。

【0335】

いくつかの実施形態では、複数のタスクはまた、ゼロ空間ジョギング９１２（例えば、ロボットアームのゼロ空間ジョギング及び／又はバーの姿勢ジョギング）を含む。ゼロ空間ジョギングでは、ユーザは、アーム移動中の任意の時間にエンドエフェクタの姿勢（例えば、ゼロ空間）に影響を与えることなく、ロボットアームをその下にあるバーに沿って（例えば、正及び負のｙ軸に沿って、図２２）両方向に手動で移動させることができる。いくつかの実施形態では、ゼロ空間ジョギングは、ロボットアーム上のボタン（例えば、図２３Ａのボタン３１２又は他の入力ボタン）を押すことによって、又はジョイスティックなどの外部入力を使用することによって、又は内蔵力センサ、内蔵トルクセンサ、及び／又は内蔵接触センサを装備したロボットアームのリンクを押すことによって、起動することができる。いくつかの実施形態では、ゼロ空間ジョギングは、（例えば、正及び負のｙ軸に沿った、図２２）アームベースの並進に平行である、下にあるバーの並進を利用することを含み、かつ、各アーム上のジョギングの運動範囲を拡大する。

【0336】

ゼロ空間ジョギングの一例は、アドミタンスゼロ空間ジョギングである。いくつかの状況では、外科医がテレオペレーションを実施しているとき、患者の傍にいる医療スタッフが患者にアクセスする必要があり得る。これらの状況では、医療スタッフは、ロボットアーム自体から、並びに／又はロボットアーム及びその下にあるバーを含む運動連鎖から利用可能なゼロ空間を手動で制御（例えば、手動で操作）し、かつ、患者アクセスを可能にする姿勢までロボットアームを移動させるために、アドミタンスゼロ空間ジョギングを起動することができる。別の言い方をすれば、いくつかの実施形態によれば、アドミタンスゼロ空間ジョギングは、ユーザが、ロボットアーム及び／又はロボットアームの関節を好ましい場所に手動で再位置決めすることを可能にする一方で、手動による再位置決め中にロボットアームがゼロ空間内で移動することを保証する。いくつかの実施形態によれば、ゼロ空間ジョギングモジュール９１２は、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４に、Ａ０関節の速度（例えば、δ９_０）を出力する。

【0337】

図２９はまた、複数のタスクが好ましい関節位置９１４を含むことを示す。いくつかの実施形態では、ロボットアームの姿勢にとって好ましい値が存在する。例えば、ロボットシステムの運動能力に起因して、又は姿勢がテレオペレーション中の潜在的なアーム衝突の可能性の低減につながることが知られているので、いくつかの姿勢（例えば、ロボットアームの関節及び／又はリンクの位置及び／配向）が好ましい場合がある。いくつかの実施形態によれば、好ましい関節位置９１４において、ロボットアームは、対応する好ましい関節位置を計算し、好ましい姿勢に向かって移動するために、ゼロ空間運動を利用する。いくつかの実施形態では、好ましい関節値は、処置又は運動学的測定基準（例えば、操作可能性）に基づいて判定することができる。いくつかの実施形態によれば、好ましい関節位置モジュール９１４は、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４に、ロボットアームの関節の好ましい位置（例えば、ｑ_{ｋ，ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ}）を出力する。

【0338】

いくつかの実施形態では、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０２は、ロボットアームのゼロ空間関節速度

【0339】

【数46】

を判定（及び出力）する。いくつかの実施形態によれば、

【0340】

【数47】

は、ロボットアームの関節の各々の速度に対応する成分を有するｎ×１ベクトルであり、ｎは、ロボットアームの関節の数を示す。７つの関節を有するロボットアーム（例えば、ロボットアームは１つの冗長ＤｏＦを有する）の場合、

【0341】

【数48】

は７×１ベクトルである。

【0342】

ブロック図９００において、

【0343】

【数49】

（ｒは基準である）は、エンドエフェクタベクトルのマスターコントローラコマンドである。マスターアプリケーション入力は、デカルト飽和を含み得る（９１８）。いくつかの実施形態によれば、ロボットアームの現在位置に基づいてロボット運動ソルバへの入力を制限することによって、線形仮定の違反、特異点、ロボット作業空間、衝突検出制限など、運動学における任意の悪条件を低減又は防止することができる。同時に、いくつかの実施形態によれば、他の適切な飽和を適用することができる。いくつかの実施形態では、デカルト飽和モジュール９１８はまた、患者の安全性を更に保証にするために、ツール先端速度を飽和させることができる。

【0344】

いくつかの実施形態によれば、初期逆運動学解（例えば、

【0345】

【数50】

を計算し、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４の出力（例えば、

【0346】

【数51】

に加算し（９２２）、統合型運動飽和モジュール９２４を通過させた後、結果として得られる逆運動学解（例えば、

【0347】

【数52】

）を（例えば、α－飽和及び過剰速度／衝突条件モジュール９２６を介して）異なるアーム本体の場所に対する速度制約及び関節速度限界と照合する。この時点で、関節速度

【0348】

【数53】

を積分（９２８）して、関節位置コマンド（例えば、

【0349】

【数54】

）を判定する。また、いくつかの実施形態によれば、衝突検出及び検証モジュール９３０の後に、関節位置コマンド（例えば、

【0350】

【数55】

）にフィルタ（９３２）を適用して、コマンドに対する平滑信号を生成する。

【0351】

図３０Ａ及び図３０Ｃは、いくつかの実施形態による、ロボットアームのゼロ空間運動を制御するための方法１０００のフローチャート図を示す。本開示のいくつかの実施形態によれば、方法１０００は、ロボットシステム（例えば、図２１及び図２２に示されるようなロボット医療システム２００、又はロボット手術プラットフォーム）の１つ又は２つ以上のプロセッサによって実施される。

【0352】

ロボットシステムは、ユーザコンソール（例えば、テレオペレーション及びロボットシステムの他の動作を実施するための医師コンソール）を含む。ロボットシステムはまた、ロボットアーム（例えば、図２１、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２４Ａ、及び図２４Ｈのロボットアーム２１０）を含む（１００４）。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットシステムの２つ又はそれ以上のロボットアームのうちの第１のロボットアームである（例えば、図２１及び図２２を参照）。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、単一のロボットアームを含む。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、少なくとも１自由度の冗長性を有する。例えば、いくつかの実施形態では、ロボットアームは、少なくとも７つの関節（例えば、関節３０４、図２３）を有することができ、したがって、少なくとも７つのＤｏＦ（例えば、少なくとも１つの冗長ＤｏＦ）がもたらされる。いくつかの実施形態によれば、少なくとも７つの冗長ＤｏＦを有するロボットアーム２１０は、所与のタスクを実施するための最小数のＤｏＦよりも少なくとも１つ多いＤｏＦ（例えば、６つのＤｏＦ）を有する。いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが７つの関節を有する場合、関節のうちの１つは、冗長関節とみなすことができる。いくつかの実施形態によれば、１つ又は２つ以上の冗長関節は、ＡＤＭ３０８の姿勢及びＲＣＭの位置を維持し、かつ他のロボットアーム又は物体との衝突を回避するために、ロボットアーム２１０がゼロ空間内で移動することを可能にすることができる。ロボットシステムはまた、ロボットアームに結合された調節可能なバー（例えば、バー２２０、図２１及び図２２）を含む。ロボットシステムは、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを更に含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行される命令を記憶している。

【0353】

いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットシステムにより実行するための複数のタスクのうちの２つ又はそれ以上のタスクからの入力に基づいて、ロボットアーム２１０及び／又は調節可能なバー２２０のゼロ空間運動を制御する（１０１２）。

【0354】

いくつかの実施形態では、図２９に示されるように、複数のタスクは、ロボットアームの接触検出（例えば、接触検出９０６）を含む第１のタスク、調節可能なバーの最適化（例えば、バー最適化９０８）を含む第２のタスク、運動学を介した衝突及び／又は関節限界の処理（例えば、衝突／関節回避９１０）を含む第３のタスク、ロボットアームのゼロ空間及び／又はバーの姿勢ジョギング（例えば、ゼロ空間ジョギング９１２）を含む第４のタスク、並びに好ましい関節位置（例えば、好ましい関節位置９１６）に向かう運動を含む第５のタスクを含む（１０１４）。いくつかの実施形態では、複数のタスクの各々は、ロボットアームのそれぞれのゼロ空間運動を必要とする。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、タスクの実行を最適化する方式で、ロボットアームのゼロ空間運動を制御するゼロ空間運動制御システム（例えば、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４）を備える。

【0355】

いくつかの実施形態では、複数のタスクは、運動学的衝突回避、関節限界回避、過剰接触回避、及び手動によるアームの再位置決めのためのアドミタンスゼロ空間運動など、複数の目的に関連する。

【0356】

いくつかの実施形態では、ロボットアームのゼロ空間運動を制御することは、最適なゼロ空間関節速度で、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節を所望の姿勢（例えば、位置及び配向）まで移動させること（１０１６）を含む。

【0357】

例えば、図２９では、マスターアプリケーション９０２は、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームのエンドエフェクタの姿勢（例えば、位置及び／又は配向）を含むマスターコントローラコマンド

【0358】

【数56】

を出力する。いくつかの実施形態によれば、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４は、ロボットアームの関節の速度に対応する成分を有するゼロ空間関節速度ベクトル

【0359】

【数57】

を出力する。

【0360】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームのエンドエフェクタがコマンドに従うことを可能にしている（１０１８）間に、ロボットアームのゼロ空間運動を制御する。いくつかの実施形態では、コマンドは、外科医によるロボットアームのテレオペレーションを介して生成することができる。他の実施形態では、コマンドは、スレーブクラッチを介するなど、ロボットアームの手動操作を介して生成することができる。

【0361】

例えば、図２９では、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４は、ロボットアームのゼロ空間運動を制御する。統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４は、ロボットアームのエンドエフェクタの姿勢を制御するマスターアプリケーション９０２と並行して実行することができる。

【0362】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアーム上に位置決めされている１つ又は２つ以上の力センサを更に含む（１０２０）。

【0363】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の力センサは、ロボットアームのリンク上に位置決めされている接触センサ（例えば、接触センサ４０８）を含む（１０２２）。例えば、図２４Ｂ、図２４Ｃ、図２４Ｄ、図４Ｅ、図２４Ｆ及び図２４Ｇに記載されているように、接触センサ４０８は、ロボットアームのリンク３０２上に位置決めすることができる力センサである。

【0364】

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の力センサは、ロボットアームの関節又は遠位端上に位置決めされている接触センサを含む（１０２４）。例えば、いくつかの実施形態では、図２４Ｂの接触センサ４０８は、ロボットアーム２１０の関節３０４上に位置決めすることができる。接触センサ４０８はまた、ロボットアーム２１０の近位部分上のリンク及び／又は遠位部分上のリンクなどのリンク３０２の長さに沿って位置することができる。また、図２４Ｇは、ロボットアームの遠位端に位置決めた接触センサ４０８を示す。

【0365】

いくつかの実施形態では、第１のタスク（例えば、接触検出９０６）は、１つ又は２つ以上の力センサを使用して、ロボットアーム上で接触を検出すること（１０２６）を更に含む。

【0366】

例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットアームの１つ又は２つ以上のリンク及び／又は関節（例えば、リンク３０２及び／又は関節３０４）に沿って位置し得る、接触センサ４０８、６軸ロードセル（例えば、６軸ロードセル４０４）、力センサ（例えば、Ａ０力センサ４０２）、及び／又は任意の他のセンサ（例えば、容量センサ）などの１つ又は２つ以上のセンサを含む感知アーキテクチャを含む。これらのセンサは、ロボットアーム上で接触を検出する。例えば、いくつかの実施形態によれば、接触センサ４０８は、力センサ（又は、力及びモーメントセンサ）である。いくつかの実施形態によれば、６軸ロードセル４０４は、力及びモーメントセンサである。

【0367】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットアームの関節上に位置決めされている１つ又は２つ以上の力センサ（１０２８）を更に含む。いくつかの実施形態によれば、第２のタスクは、１つ又は２つ以上のセンサ上で感知された力を使用して、ロボットアーム２１０に対する調節可能なバーの姿勢（例えば、位置及び／又は配向）を調節すること（１０３０）を含む。

【0368】

例えば、図２４Ａに示すように、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットアームのＡ０関節３０４－１上に位置決めされた力センサ４０２を含む。いくつかの実施形態によれば、バー最適化９０８タスクは、Ａ０力センサ上で感知された力を使用して、ロボットアームの下にあるバーの姿勢（例えば、位置及び／又は配向）を調節することを含む。

【0369】

例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットアーム及びその下にある調節可能なバーは、１つの運動連鎖を形成する（又は、同じ運動連鎖の一部である）。いくつかの実施形態では、バー最適化は、ロボットアームをゼロ空間内で移動させている間、ロボットアームのエンドエフェクタ（例えば、ＡＤＭ３０８）及び／又はそれに結合されたツールの遠隔運動中心（ＲＣＭ）を静的姿勢に維持するように、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０－１）を支持する下にあるバー（例えば、バー２２０－１）の姿勢（例えば、位置及び／又は配向）を最適化することを含む。

【0370】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、（例えば、ロボットアームの位置及び／又は角度を測定するために）ロボットアームの関節上に位置決めされた１つ又は２つ以上のエンコーダ（例えば、関節エンコーダ）を更に含む（１０３２）。いくつかの実施形態によれば、第３のタスク（例えば、関節衝突／回避９１０）は、１つ又は２つ以上のエンコーダを使用して、衝突を検出し、運動学的制御を介して衝突を緩和することを含む（１０３４）。

【0371】

いくつかの実施形態によれば、ロボットアームの１つ又は２つ以上のセンサからのデータに従ってゼロ空間運動を起動する第１のタスク（例えば、接触検出９０６）とは異なり、第３のタスク（例えば、関節衝突／回避９１０）は、関節エンコーダによって測定された関節の位置及び／又は角度を使用して、運動学的モデルを構築し、ゼロ空間運動学的制御を使用して関節衝突を緩和する。

【0372】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、排他性、重み付け、及び／又は切り替えに基づいて、様々なタスクのゼロ空間運動に優先順位を付ける。

【0373】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、複数のタスクにおけるタスク間の予め設定された相互排他性に基づいて、複数のタスクのうちの１つ又は２つ以上のタスクに優先順位を付ける（１０３４）。

【0374】

例えば、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムがある特定のタスクを実行するとき、ある特定の他のタスクは、（例えば、それらの重みを０に設定することによって）無効化される。一例では、いくつかの実施形態によれば、バー最適化９０８が有効化されると、リンク／関節衝突回避９１０が無効化される。別の例では、いくつかの実施形態によれば、ゼロ空間ジョギング９１２が使用されるとき、他の全てのタスク（例えば、接触検出９０６、バー最適化９０８、リンク／関節衝突回避９１０、及び好ましい関節位置９１４）が無効化される。

【0375】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、複数のタスクの各々にそれぞれの重みを割り当てる（１０３８）。

【0376】

例えば、いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、タスクの相対的な重要性に基づいて、それぞれの重みを複数のタスクの各々に割り当ててもよく、より重要なタスクは、より重要ではないタスクよりも高いそれぞれの重みを与えられる。いくつかの実施形態では、重みは、現在検出中のセンサデータ及び／又は関節エンコーダデータ、並びに／あるいはロボットシステムの現在の状態（例えば、アイドル、手術中、セットアップ中、など）に基づいて、オンザフライで計算される動的に調節可能な重みである。

【0377】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、複数のタスクのそれぞれの重みの相対的な大きさに基づいて、複数のタスクのうちの１つ又は２つ以上のタスクに優先順位を付ける（１０４０）。例えば、優先順位を付けられるタスクは、複数のタスクの中で最も高い重みを有する。１つ又は２つ以上のタスクが無効化される、したがってロボットアームのゼロ空間運動の判定において考慮されない場合がある排他性又は切り替え（以下参照）などの他の優先順位付けスキームとは異なり、いくつかの実施形態によれば、重み付けスキームでは、全てのタスクは、それぞれの割り当てられた重みによって判定される相対的な重要性に基づいて考慮される。

【0378】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、ロボットシステムの現在の状態に基づいて、複数のタスクのうちの１つ又は２つ以上のタスクの別個のセット間で切り替わる（１０４２）。

【0379】

いくつかの実施形態によれば、切り替わることは、異なる時間に異なるタスクを有効化することを可能にする。いくつかの実施形態によれば、切り替わることは、ロボットシステムの状態（例えば、セットアップ中、手術、インピーダンスモード中、アドミタンスモード中、など）に応じて、各状態において所望の結果を生成する。

【0380】

いくつかの事例では、ユーザは、ロボットアームを手動で操作するために、セットアップ手順中にインピーダンスモードを起動し得る。いくつかの実施形態によれば、ロボットアームがインピーダンスモードにあるとき、衝突及び／又は関節限界の処理（例えば、衝突／関節回避（９１０））、接触検出（９０６）、並びにゼロ空間ジョギング（９１２）はオフに切り替えられる。いくつかの実施形態によれば、手術のために最適化された姿勢へのロボットアーム／調節可能なバーの運動連鎖の構成を容易にするために、バー最適化（９０８）を起動することができる。

【0381】

別の例では、いくつかの実施形態によれば、衝突及び／又は関節回避（９１０）は、ロボットアームの下にあるバーが静止していると仮定する。いくつかの状況では、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームの下にあるバーを静止位置に保ちながらゼロ空間内でロボットアームを移動させることは、解決策にはならないことがある。これらの例では、いくつかの実施形態によれば、（例えば、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４を使用する）ロボットシステムはまた、下にあるバーの並進（及び／又は回転、及び／又は傾斜）によるロボットアームのゼロ空間運動を有効化するために、バー最適化モジュール９０８を並行して起動する。

【0382】

いくつかの実施形態では、好ましい関節位置モジュール９１４は、デフォルトで無効化されており、ユーザコマンドに応じて補助特徴としてのみ起動される。起動されると、ロボットシステムは、コスト関数（例えば、図３１参照）が好ましい関節位置で増強される異なる状態に切り替わり、他のタスクが潜在的に異なる重みで無効化又は有効化される。

【0383】

本開示の別の態様によれば、ゼロ空間関節速度

【0384】

【数58】

（例えば、ゼロ空間運動制御モジュール９０２の出力）は、いくつかの実施形態によれば、最適化によって判定することができる。図３１Ａ及び図３１Ｂは、いくつかの実施形態による、ロボットアームのゼロ空間関節速度を判定するための方法１１００のフローチャート図を示す。本開示のいくつかの実施形態によれば、方法１１００は、ロボットシステム（例えば、図２１及び図２２に示されるようなロボット医療システム２００、又はロボット手術プラットフォーム）の１つ又は２つ以上のプロセッサによって実施される。

【0385】

ロボットシステムは、ロボットアーム（例えば、図２１、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２４Ａ、及び図２４Ｈのロボットアーム２１０）を備える。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットシステムの２つ又はそれ以上のロボットアームのうちの第１のロボットアームである（例えば、図２１及び図２２を参照）。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、単一のロボットアームを含む。ロボットシステムはまた、ロボットアームに結合された調節可能なバー（例えば、バー２２０、図２１及び図２２）を含む。ロボットシステムはまた、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを含む。メモリは、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されるように構成された１つ又は２つ以上のプログラムを記憶している。

【0386】

いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、ロボットシステムのための第１の複数のタスク（例えば、Ｓ）を特定する（１１０８）。いくつかの実施形態では、第１の複数のタスクは、ロボットシステムの目的（例えば、目標）（例えば、ロボットシステムのロボットアーム（例えば、単一のロボットアーム、各ロボットアーム）によって達成される目的）を含む。例えば、いくつかの実施形態によれば、第１の複数のタスク（例えば、目的）は、運動学的衝突回避、関節制限回避、過剰接触回避、手動によるアームの再位置決めのためのアドミタンスゼロ空間運動、及びロボット関節を好ましい場所に位置決めすることを含む。いくつかの実施形態では、第１の複数のタスクは、ブロック図９００に示されるタスクを含む。例えば、いくつかの実施形態によれば、第１の複数のタスクは、接触検出（９０６）、バー最適化（９０８）、衝突／関節回避（９１０）、ゼロ空間ジョギング（９１２）、好ましい関節位置（９１４）、及び／又は他のタスク９１６を含む。

【0387】

いくつかの実施形態では、第１の複数のタスク（例えば、Ｓ）の各タスク（例えば、ｓ_ｉ⊆Ｓ）は、対応するゼロ空間関節速度（例えば、

【0388】

【数59】

）を有するロボットアームのそれぞれの（例えば、別個の）ゼロ空間運動を要求する（１１１０）。

【0389】

いくつかの実施形態では、第１の複数のタスクは、運動学的衝突回避を含む第１のタスク、関節限界回避を含む第２のタスク、接触回避及びアドミタンスゼロ空間運動を含む第３のタスク、並びに好ましい関節位置に向かう運動を含む第４のタスクのうちの２つ又はそれ以上を含む（１１１２）。

【0390】

いくつかの実施形態では、運動学的衝突回避を含む第１のタスクは、図２９に記載される衝突／関節回避タスク（９１０）に対応する。いくつかの実施形態では、第１のタスクは、以下の式によって表すことができる。

【0391】

【数60】

式中、ｐ_ｃ，ｉは、制御点ｉのデカルト座標であり、ｐ_ｏ，ｉは、障害物点ｉのデカルト座標であり、

【0392】

【数61】

は、差分ベクトル

【0393】

【数62】

のノルム（例えば、大きさ）であり、ｄ_{ｔｒｉｇｇｅｒ}は、それを上回ると関節のゼロ空間移動がトリガされる閾値距離であり、ｄ_ｓｔｏｐは、関節のゼロ空間運動が停止される上方限界である。衝突及び／又は関節回避モジュール９１０に関して記載したように、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、別のロボットアーム、ロボットシステムの別の物体、又は外部物体などの障害物の近くにあるとき、物体上の対応する点に最も近いロボットアーム上の点を特定することができる。いくつかの実施形態によれば、制御点ｉ、ｐ_ｏ，ｉ（又は衝突制御点）がロボットアーム上の点を指すのに対し、障害物点は、ロボットアームの障害物上の対応する点である。

【0394】

いくつかの実施形態では、関節限界回避を含む第２のタスクは、図２９に記載される衝突／関節回避タスク（９１０）に対応する。いくつかの実施形態では、第２のタスクは、以下の式によって表すことができる。

【0395】

【数63】

式中、

【0396】

【数64】

は、関節の現在の関節値ｉであり、ｑ_{ｌｉｍ，ｉ}は、関節の限界（例えば、定数値）であり、

【0397】

【数65】

は、ベクトル差

【0398】

【数66】

のノルム（例えば、大きさ）であり、ｑ_{ｆｒｅｅ，ｉ}は、関節ｉのゼロ空間運動がトリガされる関節ｉの自由限界値であり、ｑ_{ｓｔｏｐ，ｉ}は、関節ｉのゼロ空間運動が停止される関節の上方限界値である。

【0399】

いくつかの実施形態では、第２のタスクは、現在の関節値

【0400】

【数67】

が、自由限界値（例えば、ｑ_{ｆｒｅｅ，ｉ}）と上方限界値（ｑ_{ｓｔｏｐ，ｉ}）との間にあるときに（例えば、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０２によって）起動される。

【0401】

いくつかの実施形態では、接触回避及びアドミタンスゼロ空間運動を含む第３のタスクは、図２９の接触検出タスク（９０６）及びゼロ空間ジョギングタスク（９１２）に対応する。いくつかの実施形態では、第３のタスクは、以下の式によって表すことができる。

【0402】

【数68】

式中、｜ｆ_１｜は、Ａ０関節上に位置している力センサ、接触センサ、及び／又は６軸ロードセルによって検出される外力ｆ_１の大きさである。いくつかの実施形態では、式（１１）のｆ_１は、接触検出モジュール９０６）からの出力ｆ_０と同じであり、ｆ_ｍａｘは、ゼロ空間運動が有効化される下方力閾値限界及び上方力閾値限界である。例えば、図２５、図２７、及び図２８に記載されているように、いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは、接触力大きさ（例えば、｜ｆ_１｜）が、下方接触力限界（例えば、Ｆｒ）と上方接触力限界（例えば、Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}）との間にあるという判定に従って、ゼロ空間運動を有効化し得る。

【0403】

いくつかの実施形態では、好ましい関節位置に向かう運動を含む第４のタスクは、図２９の好ましい関節位置タスク（９１４）に対応する。いくつかの実施形態では、第４のタスクは、以下の式によって表すことができる。

【0404】

【数69】

式中、ｑ_ｋは、関節ｋの現在の値であり、ｑ_{ｋ，ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ}は、関節ｋの好ましい位置であり、（ｑ_{ｋ，ｍａｘ}－ｑ_{ｋ，ｍｉｎ}）は、関節ｋの運動範囲である。７つの関節（例えば、７つのＤｏＦ）を有するロボットシステムの場合、ｋは、１～７の範囲（両端値を含む）の整数値を有する。

【0405】

式（９）～（１２）では、ｓ_ｉ（式中、ｉ＝１～４）は非負値であり、対応するゼロ空間運動要求のそれぞれの正規化された「深刻度」を表す。例えば、いくつかの実施形態によれば、関節が、構成された関節限界にある場合、この事象からのゼロ空間運動要求は、正規化された深刻度ｓ＝１を有さず、同じ関節が、構成された量だけ関節限界から離れている場合、Ｓ＝１である。いくつかの実施形態によれば、第４のタスクを例として使用すると、関節が現在、その好ましい関節位置にある場合、式（１２）における現在の関節値ｑ_ｋはｑ_{ｋ，ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ}、したがって、ｓ_４＝０であり、関節がすでにその好ましい関節位置にあるので、「深刻度」がないことを意味する。

【0406】

再び図３１を参照すると、いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、コスト関数（例えば、Ｈ（ｑ））を低減（例えば、最適化）することによって判定されるロボットアームの第１のゼロ空間関節速度に基づいて、ロボットアームのゼロ空間運動を実行する（１１１４）。コスト関数Ｈ（ｑ）は、調節可能なバー及び／又はロボットアームゼロ空間並びに／あるいはバーの姿勢ジョギングの最適化に対応する第１のコストを含む（１１１６）。いくつかの実施形態によれば、コスト関数はまた、第１の複数のタスクの各タスクに対応する複数の第２のコストを含む（１１１８）。

【0407】

いくつかの実施形態では、コスト関数Ｈ（ｑ）は、以下のように記述することができる。

【0408】

【数70】

【0409】

コスト関数Ｈ（ｑ）は、調節可能なバー及び／又はロボットアームのゼロ空間並びに／あるいはバーの姿勢ジョギングの最適化に対応する第１のコスト

【0410】

【数71】

を有する。ｗ_ｍは、バー最適化及び／又はロボットアームゼロ空間並びに／あるいはバーの姿勢ジョギングに対する重みである。いくつかの実施形態によれば、ｎ_Ｊは、ロボットアームのヤコビアンのゼロ空間基底ベクトルである。いくつかの実施形態では、ｑは、第１のコストに対応するゼロ空間速度である。いくつかの実施形態では、第１のコストは、図２９のバー最適化タスク（９０８）及びゼロ空間ジョギングタスク（９１２）に対応する。

【0411】

いくつかの実施形態によれば、コスト関数Ｈ（ｑ）は、第２のコスト

【0412】

【数72】

を有し、ｉ＝１～４の場合のｓ_ｉ⊆Ｓは、上記の式（９）～（１２）で定義される。上述したように、いくつかの実施形態によれば、ｓ_ｉは、対応するゼロ空間運動要求のそれぞれの正規化された「深刻度」であり、ｗ_ｉは、対応するｓ_ｉに対するそれぞれの重みである。本明細書で定義されるように、いくつかの実施形態によれば、コスト関数Ｈ（ｑ）は、スカラー関数であり、第１のコスト及び第２のコストの各々は、非負値を有する（例えば、Ｈ（ｑ）の項の各々は、０又は正の値を有する）。

【0413】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、連続ステップサイズ低減を伴う勾配降下アルゴリズムを使用してコスト関数を低減する（１１２０）。

【0414】

いくつかの実施形態では、Ｈ（ｑ）は、以下によって与えられる最急降下の公式を使用して最適化される。

【0415】

【数73】

【0416】

いくつかの実施形態によれば、勾配降下の公式の解は、ロボットアームのゼロ空間関節速度である

【0417】

【数74】

である。いくつかの実施形態によれば、

【0418】

【数75】

はまた、図２９の統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０２の出力である。いくつかの実施形態によれば、ステップサイズαは、アルミホのルール（Ａｒｍｉｊｏ’ｓ ｒｕｌｅ）などのアルゴリズムを使用して更新される定数パラメータ又は可変パラメータであり得る。いくつかの実施形態では、解いた後の閉形式解∇Ｈ（ｑ）は、以下のように記述することができる。

【0419】

【数76】

式中、ｋは、運動学的衝突回避についての回避範囲ｄ_ｓｔｏｐ－ｄ_{ｔｒｉｇｇｅｒ}の関数及び関節限界回避についての回避範囲ｑ_{ｓｔｏｐ，ｊ}－ｑ_{ｆｒｅｅ，ｊ}関数であり、

【0420】

【数77】

は、ｉ番目の衝突事象の衝突点のヤコビアンであり、ｅ_ｊは、ｊ次元の標準基底である。

【0421】

いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットアームのテレオペレーション中及び／又は（例えば、スレーブクラッチを介した）ロボットアームの手動操作中など、ロボットアームのエンドエフェクタがコマンドに従うことを可能にしている間に、ロボットアームのゼロ空間運動を実行する（１１２２）。

【0422】

例えば、いくつかの実施形態によれば、図２９では、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４は、ロボットアームのゼロ空間運動を制御する。いくつかの実施形態によれば、統合型ゼロ空間運動制御モジュール９０４は、ロボットアームのエンドエフェクタの姿勢を制御するマスターアプリケーション９０２と並行して実行する。

【0423】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、第１のゼロ空間関節速度で、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節を所望の姿勢（例えば、位置及び配向）まで移動させる（１１２４）。

【0424】

いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、第１のタスクに第１の重みを割り当てる（１１２６）。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムはまた、複数の第２のコストの各々にそれぞれの第２の重みを割り当てる（１１２８）。

【0425】

例えば、式（１３）を参照すると、ロボットシステムは、いくつかの実施形態によれば、第１のコストに第１の重みｗ_ｍを割り当てる。いくつかの実施形態によれば、ロボットシステムはまた、複数の第２のコストの各々に、それぞれの第２の重みｗ_ｉを割り当て、ｉ＝１～４（例えば、又は優先順位付け及び統合スキームに関与するタスクの数に対応する別の数）である。

【0426】

いくつかの実施形態によれば、コスト関数を低減することは、コスト関数Ｈ（ｑ）を最小化することを含む。いくつかの実施形態では、コスト関数は、図３０に記載される排他性スキームに基づいて最小化される。例えば、いくつかの実施形態では、第１のコストが使用される（すなわち、ｗ_ｍがゼロでない）ときはいつでも、第２のコストは、全て無視される（例えば、ｗ_１、ｗ_２、ｗ_３、及びｗ_４は全て０である）。いくつかの実施形態によれば、このシナリオは、ロボットアームがバー最適化コマンドを受信するときの状況にあてはまる。この例では、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、その目的のためだけにゼロ空間運動を使用する。

【0427】

いくつかの実施形態では、第２のコストのうちの少なくとも１つのそれぞれの第２の重みはゼロである（１１３０）。

【0428】

いくつかの実施形態では、複数の第２のコストの各々へのそれぞれの第２の重みの割り当ては、ロボットシステムの動作状態に従って実施される。

【0429】

例えば、いくつかの実施形態によれば、ｗ_１、ｗ_２、ｗ_３、及びｗ_４は、第１の複数のタスク（例えば、Ｓ）の各タスク（例えば、ｓ_ｉ⊆Ｓ）に関するそれぞれのゼロ空間運動要求に対する優先度を設定するために使用される重みを表すことができる。いくつかの実施形態では、重みｗ_１～ｗ_４の実際の値は、ロボットシステムの動作状態又はゼロ空間運動要求の重大度（例えば、ｓ_ｉ）の関数に応じて変化し得る。例えば、いくつかの実施形態によれば、調整されたテーブル運動では、好ましい関節位置タスク（例えば、ｓ_４）よりも高い重みが、運動学的衝突回避タスク（例えば、ｓ_１）及び関節限界回避タスク（例えば、ｓ_２）に割り当てられる。すなわち、いくつかの実施形態によれば、運動学的衝突回避タスクｓ_１に対応する重みｗ_１及び関節限界回避タスクｓ_２に対応する重みｗ_２は、好ましい関節位置タスクｓ_４に対応する重みｗ_４よりも大きな値を有する。

【0430】

いくつかの実施形態では、バー最適化タスクにおいて、好ましい関節位置のみが許容される。したがって、いくつかの実施形態によれば、ユーザはｗ_４を適切な重みに設定することができ、かつ、重みｗ_１，ｗ_２及びｗ_３をゼロに設定することによって、第２のコストにより表される全ての他の要求を無効化することができる。いくつかの実施形態によれば、要求深刻度に依存する重みの別の例として、アドミタンスゼロ空間運動／接触回避要求が現れる、又はｓ_３＞０であるとき、ｗ_１、ｗ_２及びｗ_４を全てゼロに設定することができるとき、それにより、ユーザがロボットアームの完全制御を行い、ユーザの目的を達成する。

【0431】

３．実装システム及び用語。
本明細書に開示される実施形態は、テレオペレーションがロボットアームを使用して実施されている間に、ロボットアームとの相互作用を検出し、それに応答するためのシステム、方法、及び装置を提供する。

【0432】

本明細書で使用するとき、「結合する」、「結合している」、「結合された」という用語、又は結合という単語の他の変形は、間接的接続又は直接的接続のいずれかを示し得ることに留意されたい。例えば、第１の構成要素が第２の構成要素に「結合される」場合、第１の構成要素は、別の構成要素を介して第２の構成要素に間接的に接続されている、又は第２の構成要素に直接に接続されている、のいずれかであってもよい。

【0433】

本明細書に記載の手動操作モードへ移行するための機能は、プロセッサ可読媒体又はコンピュータ可読媒体上の１つ又は２つ以上の命令として記憶されてもよい。「コンピュータ可読媒体」という用語は、コンピュータ又はプロセッサがアクセスすることができる任意の利用可能な媒体を指すものである。一例として、限定するものではないが、このような媒体は、ランダムアクセスメモリ（random access memory、ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（read-only memory、ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（electrically erasable programmable read-only memory、ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（compact disc read-only memory、ＣＤ－ＲＯＭ）、又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、若しくは他の磁気記憶デバイス、又は命令若しくはデータ構造の形態で所望のプログラムコードを記憶するために使用することができ、コンピュータによってアクセスされることができる任意の他の媒体を含んでもよい。コンピュータ可読媒体が、有形で、非一時的であってもよいことに留意されたい。本明細書で使用する際、「コード（code）」という用語は、コンピューティングデバイス又はプロセッサによって実行可能であるソフトウェア、命令、コード、又はデータを言うことができる。

【0434】

本明細書に開示される方法は、記載される方法を達成するための１つ又は２つ以上のステップ又は行為を含む。方法ステップ及び／又は行為は、特許請求の範囲から逸脱しない限り、互いに置き換えることができる。言い換えれば、記載の方法の正しい実施に特定の順序のステップ又は行為が必要とされない限り、特許請求の範囲から逸脱しない限り、特定のステップ及び／又は行為の順序及び／又は使用を修正することができる。

【0435】

本明細書で使用するとき、「複数」という用語は、２つ又はそれ以上を示す。例えば、複数の構成要素は、２つ又はそれ以上の構成要素のことである。「判断する（determining）」という用語は、多種多様な行為に及び、したがって、「判断する」には、計算する、コンピュータで計算する、処理する、導出する、調査する、ルックアップする（例えば、テーブル、データベース又は別のデータ構造を調べる）、確かめるなどを含めることができる。また、「判断する」には、受け取る（例えば、情報を受信する）、アクセスする（例えば、メモリ内のデータにアクセスする）などを含めることができる。また、「判断する」には、解決する、選択する、選出する、確立するなどを含めることができる。

【0436】

語句「に基づく」は、別段に明示的に指定されない限り、「のみに基づく」を意味しない。言い換えれば、語句「基づく」は、「のみに基づく」及び「少なくとも基づく」の両方を言うものである。

【0437】

開示された実施形態の前述の説明は、任意の当業者が本発明を製造すること、又は使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかになり、かつ、本明細書で規定される一般的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態に適用され得る。例えば、当業者であれば、締結、取り付け、結合、又は係合ツール構成要素と同様の方式、特定の作動運動を生み出すのと同等の機構、及び電気エネルギを送達するのと同等の機構など、多くの対応する代替え、同等の構造上の細目を採用することができることが分かるであろう。したがって、本発明は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原則及び新規な特徴と一致する最も広い範囲が与えられるものである。

【0438】

以下の条項により、いくつかの実施形態又は実装形態を記述する。
条項１． ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によってロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出することと、
接触力又はトルクを検出したことに応答して、接触力又はトルクの大きさが下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、検出された接触力又はトルクに従ったロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することと、
を行わせる、ロボットシステム。
条項２． ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することは、ロボットアームのゼロ空間運動を起動することを含む、条項１に記載のロボットシステム。
条項３． メモリが、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
接触力又はトルクを検出したことに応答して、接触力又はトルクが上方接触力限界又は上方トルク限界を超えているという判定に従って、ロボットシステムの一部の移動を無効化させる、条項１又は２に記載のロボットシステム。
条項４． メモリが、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
接触力又はトルクを検出したことに応答して、接触力又はトルクが下方接触力又は下方トルク未満であるという判定に従って、検出された接触力又はトルクに従ったロボットアーム上の制御された移動の第１のセットの有効化を取り止めさせる、条項１～３のいずれかに記載のロボットシステム。
条項５．
１つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサを含み、
接触力又はトルクは、１つ又は２つ以上の接触センサを使用して検出される、
条項１～４のいずれかに記載のロボットシステム。
条項６． １つ又は２つ以上の接触センサは、ロボットアームのリンク上に位置している、条項５に記載のロボットシステム。
条項７． ロボットアームのリンクは、遠位リンク又は近位リンクである、条項６に記載のロボットシステム。
条項８．
１つ又は２つ以上のセンサは、多軸ロードセルを含み、
接触力又はトルクは、多軸ロードセルを使用して検出される、
条項１～７のいずれかに記載のロボットシステム。
条項９． 多軸ロードセルは、ロボットアームの遠位部分に位置する６軸ロードセルを含む、条項８に記載のロボットシステム。
条項１０． メモリが、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
ロボットアームの第１の速度を含む第１のユーザコマンドを受信することと、
接触力の大きさが下方接触力限界と上方接触力限界との間にあるという判定に従って、
接触力の方向を判定することと、
トルクの方向を判定することと、
ロボットアームの並進速度及び接触力の方向によって形成される第１の角度を判定することと、
ロボットアームの回転速度及びトルクの方向によって形成される第２の角度を判定することと、
第１の角度が第１の角度閾値内にあり、第２の角度が第２の角度閾値内にあるという判定に従って、第１の速度でのロボットアームの１つ又は２つ以上の関節の移動を有効化することと、
（ｉ）第１の角度が第１の角度閾値を超えているという判定又は（ｉｉ）第２の角度が第２の角度閾値を超えているという判定のうちの少なくとも１つに従って、ロボットアームの移動を無効化することと、を行わせる、条項１～９のいずれかに記載のロボットシステム。
条項１１． 第１の角度閾値及び第２の角度閾値は、接触力を検出するために使用される１つ又は２つ以上の接触センサの測定不確実性に従って判定される、条項１０に記載のロボットシステム。
条項１２． メモリが、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
ロボットアームの要求速度を含む第２のユーザコマンドを受信することと、
トルクの大きさが下方トルク限界と上方トルク限界との間にあるという判定に従って、
トルクの方向を判定することと、
トルクの方向及びロボットアームの要求速度によって形成される第３の角度を判定することと、
第３の角度が第３の角度閾値内であるという判定に従って、要求速度でのロボットアームの移動を有効化することと、
第３の角度が第３の角度閾値を超えているという判定に従って、ロボットアームの移動を無効化することと、を行わせる、条項１～９のいずれかに記載のロボットシステム。
条項１３． トルクの大きさは、ロボットアームの遠隔運動中心に対して判定される、条項１２に記載のロボットシステム。
条項１４． 第３の角度閾値は、トルクを検出するために使用される６軸ロードセルの測定不確実性に従って判定される、条項１２又は１３に記載のロボットシステム。
条項１５． ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によってロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出することと、
接触力又はトルクを検出したことに応答して、接触力又はトルクが下方力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路に基づく軌道におけるロボットアームの移動を有効化することと、
を行わせる、ロボットシステム。
条項１６． １つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサを含む、条項１５に記載のロボットシステム。
条項１７． １つ又は２つ以上のセンサは、６軸ロードセルを含む、条項１５又は１６に記載のロボットシステム。
条項１８． ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路は、ロボットアームのリンク重心の予め記録された経路を含む、条項１５～１７のいずれかに記載のロボットシステム。
条項１９． メモリが、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
リンク重心の予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる予め記録された経路に沿った並進運動方向及び回転運動方向を判定させる、条項１８に記載のロボットシステム。
条項２０． ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路は、ロボットアームの遠隔中心運動のピッチ角及び／又はヨー角の予め確立された経路又は予め記録された経路を含む、条項１５～１９のいずれかに記載のロボットシステム。
条項２１． メモリが、命令を更に含み、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる予め記録された経路に沿った平均運動方向を判定させる、条項２０に記載のロボットシステム。
条項２２． ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、命令は、１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、
１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって及ぼされたロボットアームに対する接触力又はトルクを検出することと、
接触力又はトルクが下方反応力限界又は下方トルク限界以上であるという判定に従って、ロボットアームの速度を低減することと、
を行わせる、ロボットシステム。
条項２３．
ロボットアームは、１つ又は２つ以上の関節を含み、
ロボットアームの速度を低減することは、ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減することを含む、
条項２２に記載のロボットシステム。
条項２４． １つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減することは、全ての関節の速度を同じスケールだけ低減することを含む、条項２３に記載のロボットシステム。
条項２５． ロボットアームの速度を低減することは、ロボットアームの遠隔中心運動における角速度を低減することを含む、条項２２～２４のいずれかに記載のロボットシステム。
条項２６． １つ又は２つ以上のセンサは、１つ又は２つ以上の接触センサを含む、条項２２～２５のいずれかに記載のロボットシステム。
条項２７． １つ又は２つ以上のセンサは、６軸ロードセルを含む、条項２２～２６のいずれかに記載のロボットシステム。

【0439】

〔実施の態様〕
（１） ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって前記ロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出することと、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクの大きさが下方接触力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、検出された前記接触力又は前記トルクに従った前記ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することと、
を行わせる、ロボットシステム。
（２） 前記ロボットアーム上の制御された移動の第１のセットを有効化することが、前記ロボットアームのゼロ空間運動を起動することを含む、実施態様１に記載のロボットシステム。
（３） 前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクが前記上方接触力限界又は前記上方トルク限界を超えているという判定に従って、前記ロボットシステムの一部の移動を無効化させる、実施態様１に記載のロボットシステム。
（４） 前記メモリが、命令を更に含み、前記命令は、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクが下方接触力又は下方トルク未満であるという判定に従って、検出された前記接触力又は前記トルクに従った前記ロボットアーム上の制御された移動の前記第１のセットの有効化を取り止めさせる、実施態様１に記載のロボットシステム。
（５） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、１つ又は２つ以上の接触センサを含み、
前記接触力又は前記トルクが、前記１つ又は２つ以上の接触センサを使用して検出される、
実施態様１に記載のロボットシステム。

【0440】

（６） 前記１つ又は２つ以上の接触センサが、前記ロボットアームのリンク上に位置している、実施態様５に記載のロボットシステム。
（７） 前記ロボットアームの前記リンクが、遠位リンク又は近位リンクである、実施態様６に記載のロボットシステム。
（８） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、多軸ロードセルを含み、
前記接触力又は前記トルクが、前記多軸ロードセルを使用して検出される、
実施態様１に記載のロボットシステム。
（９） 前記多軸ロードセルが、前記ロボットアームの遠位部分に位置する６軸ロードセルを備える、実施態様８に記載のロボットシステム。
（１０） 前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記ロボットアームの第１の速度を含む第１のユーザコマンドを受信することと、
前記接触力の前記大きさが下方接触力限界と上方接触力限界との間にあるという前記判定に従って、
ａ）前記接触力の方向を判定することと、
ｂ）前記トルクの方向を判定することと、
ｃ）前記ロボットアームの並進速度及び前記接触力の前記方向によって形成される第１の角度を判定することと、
ｄ）前記ロボットアームの回転速度及び前記トルクの前記方向によって形成される第２の角度を判定することと、
前記第１の角度が第１の角度閾値内にあり、前記第２の角度が第２の角度閾値内にあるという判定に従って、前記第１の速度での前記ロボットアームの１つ又は２つ以上の関節の移動を有効化することと、
（ｉ）前記第１の角度が前記第１の角度閾値を超えているという判定又は（ｉｉ）前記第２の角度が前記第２の角度閾値を超えているという判定のうちの少なくとも１つに従って、前記ロボットアームの移動を無効化することと、を行わせる、実施態様１に記載のロボットシステム。

【0441】

（１１） 前記第１の角度閾値及び前記第２の角度閾値が、前記接触力を検出するために使用される１つ又は２つ以上の接触センサの測定不確実性に従って判定される、実施態様１０に記載のロボットシステム。
（１２） 前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記ロボットアームの要求速度を含む第２のユーザコマンドを受信することと、
前記トルクの前記大きさが前記下方トルク限界と前記上方トルク限界との間にあるという前記判定に従って、
前記トルクの方向を判定することと、
前記トルクの前記方向及び前記ロボットアームの前記要求速度によって形成される第３の角度を判定することと、
前記第３の角度が第３の角度閾値内であるという判定に従って、前記要求速度での前記ロボットアームの移動を有効化することと、
前記第３の角度が前記第３の角度閾値を超えているという判定に従って、前記ロボットアームの移動を無効化することと、を行わせる、実施態様１に記載のロボットシステム。
（１３） 前記トルクの前記大きさが、前記ロボットアームの遠隔運動中心に対して判定される、実施態様１２に記載のロボットシステム。
（１４） 前記第３の角度閾値が、前記トルクを検出するために使用される６軸ロードセルの測定不確実性に従って判定される、実施態様１２に記載のロボットシステム。
（１５） ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって前記ロボットアームに及ぼされた接触力又はトルクを検出することと、
前記接触力又は前記トルクを検出したことに応答して、前記接触力又は前記トルクが下方力限界又は下方トルク限界と上方接触力限界又は上方トルク限界との間にあるという判定に従って、前記ロボットアームの予め確立された経路又は予め記録された経路に基づく軌道における前記ロボットアームの移動を有効化することと、
を行わせる、ロボットシステム。

【0442】

（１６） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、１つ又は２つ以上の接触センサを含む、実施態様１５に記載のロボットシステム。
（１７） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、６軸ロードセルを含む、実施態様１５に記載のロボットシステム。
（１８） 前記ロボットアームの前記予め確立された経路又は前記予め記録された経路が、前記ロボットアームのリンク重心の予め記録された経路を含む、実施態様１５に記載のロボットシステム。
（１９） 前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記リンク重心の前記予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる前記予め記録された経路に沿った並進運動方向及び回転運動方向を判定させる、実施態様１８に記載のロボットシステム。
（２０） 前記ロボットアームの前記予め確立された経路又は前記予め記録された経路が、前記ロボットアームの遠隔中心運動のピッチ角及び／又はヨー角の予め確立された経路又は予め記録された経路を含む、実施態様１５に記載のロボットシステム。

【0443】

（２１） 前記メモリが、命令を更に含み、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記ロボットアームの前記予め確立された経路又は前記予め記録された経路から、構成可能な期間にわたる前記予め記録された経路に沿った平均運動方向を判定させる、実施態様２０に記載のロボットシステム。
（２２） ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
１つ又は２つ以上のセンサと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を記憶するメモリと、を備え、前記命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記１つ又は２つ以上のセンサを介して、外部物体によって及ぼされた前記ロボットアームに対する接触力又はトルクを検出することと、
前記接触力又は前記トルクが下方反応力限界又は下方トルク限界以上であるという判定に従って、前記ロボットアームの速度を低減することと、
を行わせる、ロボットシステム。
（２３） 前記ロボットアームが、１つ又は２つ以上の関節を含み、
前記ロボットアームの前記速度を低減することが、前記ロボットアームの前記１つ又は２つ以上の関節の各々のそれぞれの速度を低減することを含む、
実施態様２２に記載のロボットシステム。
（２４） 前記１つ又は２つ以上の関節の各々の前記それぞれの速度を低減することが、全ての前記関節の速度を同じスケールだけ低減することを含む、実施態様２３に記載のロボットシステム。
（２５） 前記ロボットアームの前記速度を低減することが、前記ロボットアームの遠隔中心運動における角速度を低減することを含む、実施態様２２に記載のロボットシステム。

【0444】

（２６） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、１つ又は２つ以上の接触センサを含む、実施態様２２に記載のロボットシステム。
（２７） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、６軸ロードセルを含む、実施態様２２に記載のロボットシステム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23A】

【図23B】

【図24A】

【図24B】

【図24C】

【図24D】

【図24E】

【図24F】

【図24G】

【図24H】

【図25A】

【図25B】

【図25C】

【図26】

【図27A】

【図27B】

【図28】

【図29】

【図30A】

【図30B】

【図30C】

【図31A】

【図31B】

【国際調査報告】