JP6534680B2 - モード移行において振動を減衰させる指令形成 - Google Patents

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［関連出願の相互参照］
本特許出願は、"COMMAND SHAPING TO DAMPEN VIBRATIONS IN USM MODE TRANSITIONS”と題する２０１４年３月１７日に出願された米国仮出願第61/954,459号、及び"COMMAND SHAPING TO DAMPEN VIBRATIONS IN USM MODE TRANSITIONS"と題する２０１４年５月１５日に出願された米国仮出願第61/993,961号の優先権を主張し、これらのそれぞれは、それらの全体が全ての目的のために参照により本明細書に援用される。

低侵襲医療技術は、診断又は外科手術中に損傷を受ける無関係な組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減させる。低侵襲手術の１つの効果は、例えば、低減した手術後病院回復時間である。標準的な手術に対する平均入院期間は、類似の低侵襲手術に対する平均入院期間より長いので、低侵襲技術の利用増加は、毎年の病院費を何百万ドル節約することができるかもしれない。米国で毎年行われる手術の多くが潜在的に低侵襲な方法で実行されることができるが、低侵襲手術器具の及びそれらを使いこなすことに関わる追加的な手術トレーニングの制限のために、現在の手術の一部しかこれらの有利な技術を使用していない。

低侵襲ロボット手術又は遠隔手術システムは、外科医の器用さを増大させるように及び従来の低侵襲技術の制限の幾つかを避けるように、開発されている。遠隔手術では、外科医は、手で手術器具を直接握り且つ動かすのではなく、手術器具の動きを操作するために何らかの形の遠隔制御（例えば、サーボ機構、等）を使用する。遠隔手術システムでは、外科医は、手術ワークステーションにおいて手術部位の画像を提供されることができる。ディスプレイで手術部位の２又は３次元画像を見ながら、外科医は、マスタ制御デバイスを操作することによって、患者に外科手術を行い、このマスタ制御デバイスは、サーボ機構的に操作される器具の動きを制御する。

遠隔手術に使用されるサーボ機構はしばしば、２つのマスタコントローラ（外科医の手のそれぞれに対して１つ）からの入力を受け取り、それぞれに手術器具が取付けられている２以上のロボットアームを含む場合がある。マスタコントローラと、関連付けられるロボットアーム及び器具アセンブリとの間の動作通信は、典型的には、制御システムによって達成される。制御システムは典型的には、少なくとも１つのプロセッサを含み、このプロセッサは、入力指令を、マスタコントローラから関連付けられるロボットアーム及び器具アセンブリに、並びに、例えば、フォースフィードバック等の場合に、器具及びアームアセンブリから関連付けられるマスタコントローラに戻って中継する。ロボット手術システムの一例は、California州SunnyvaleのIntuitive Surgical, Inc．から市販されているDA VINCI（登録商標）システムである。

種々の構造配置が、ロボット手術中に手術部位に手術器具を支持するために使用されることができる。駆動されるリンク機構又は「スレーブ」は、しばしば、ロボット手術マニピュレータと呼ばれ、低侵襲ロボット手術の間にロボット手術マニピュレータとして使用するための例示のリンク機構配置は、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。これらのリンク機構はしばしば、シャフトを有する器具を保持するために平行四辺形装置（parallelogram arrangement）を使用する。このようなマニピュレータ構造は、器具が剛性軸の長さに沿った空間内に位置決めされる操作のリモートセンタ（remote center）周りに枢動する（pivot）ように、器具の運動を拘束することができる。操作のリモートセンタを、（例えば、腹腔鏡手術の間の腹壁におけるトロカール又はカニューレを用いて）内部手術部位への切開点と位置合わせすることにより、手術器具のエンドエフェクタが、腹壁に対して潜在的に危険な力をかけることなしに、マニピュレータリンク機構を用いてシャフトの近位端部を動かすことによって安全に位置決めされることができる。代替のマニピュレータ構造は、例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、及び特許文献１１に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。

種々の構造配置もまた、ロボット手術中、手術部位にロボット手術マニピュレータ及び手術器具を支持し且つ位置決めするために使用されることができる。セットアップジョイント、又はセットアップジョイントアームと呼ばれることもある、支持リンク機構は、しばしば、各マニピュレータを患者の体のそれぞれの切開点に位置決めするとともに位置合わせするために使用される。支持リンク機構は、所望の手術切開点及び目標とされる解剖学的構造への手術マニピュレータの位置合わせ（alignment）を容易にする。例示的な支持リンク機構は、特許文献３及び特許文献１２に記載され、これらの全体の開示は本出願に参照によって援用される。

米国特許第７，５９４，９１２号 米国特許第６，７５８，８４３号 米国特許第６，２４６，２００号 米国特許第５，８００，４２３号 米国特許第７，７６３，０１５号 米国特許第６，７０２，８０５号 米国特許第６，６７６，６６９号 米国特許第５，８５５，５８３号 米国特許第５，８０８，６６５号 米国特許第５，４４５，１６６号 米国特許第５，１８４，６０１号 米国特許第６，７８８，０１８号

新しい遠隔手術システム及び装置は非常に効果的且つ有利であることが証明されているが、依然として更なる改良が望まれている。一般に、改良された低侵襲ロボット手術システムが望まれている。これらの改良された技術がロボット手術システムの効率及び使いやすさを高める場合、特に有益である。例えば、操作性を高めること、手術室のスペース利用を改良すること、より早く且つ簡単なセットアップを提供すること、使用中のロボット装置間の衝突を防止すること、及び／又はこれらの新しい手術システムの機械的な複雑さ及びサイズを減少させることは特に有益である。

以下は、本発明の基本的な理解を提供するために本発明の幾つかの実施形態の簡略化された概要を提供する。この概要は、本発明の広範囲にわたる概要ではない。本発明の鍵となる／重要な要素を識別することを又は本発明の範囲を線引きすることが意図されるものではない。その唯一の目的は、本発明の幾つかの実施形態を、後述されるより詳細な説明への前置きとして簡略化された形態で提供することである。

本開示の１つの実施形態は、ロボット手術中の滑らかなモード移行のためのシステムに関する。システムは、可動であるロボット機構を有する患者側カート、及びロボット機構を制御することができるプロセッサを含む。プロセッサは、現在のモードと異なる新しいモードを指示することができるモード移行要求を決定でき、ロボット機構の位置及び速度を含むことができるロボット機構の初期パラメータを決定でき、現在のモードと新しいモードとの間を移行させ且つＣ３連続（C3 continuous）であることができる平滑化曲線(smoothing curve)を計算でき、平滑化曲線にしたがってロボット機構を動かすことができる。

システムの幾つかの実施形態では、プロセッサは、モード移行によって影響を受けるロボット機構の自由度を特定できる。幾つかの実施形態では、プロセッサは、特定された自由度のそれぞれのための平滑化曲線を計算できる。幾つかの実施形態では、平滑化曲線を計算することは、第１の指令位置を確立すること、ステップ値(step value)を計算すること、及び第２の指令位置を設定することを含むことができる。幾つかの実施形態では、第２の指令位置は、計算されたステップ値だけ増分された第１の指令位置であることができる。幾つかの実施形態では、プロセッサは、追加の平滑化が望まれているかどうかを決定でき、追加の平滑化が望まれている場合に第３の指令位置を確立するとともに第２のステップ値を計算することができる。幾つかの実施形態では、第３の指令位置は、第２の指令位置に設定されることができる。

幾つかの実施形態では、初期パラメータはさらに、加速度パラメータを含む。幾つかの実施形態では、モード移行要求を決定することの一部として、プロセッサは、モード移行の平滑化が示されるかどうかを決定することができる。幾つかの実施形態では、モード移行の平滑化は、モード移行から推定される振動が閾値を超える場合に示される。幾つかの実施形態では、モード移行の平滑化が示されるかどうかを決定することは、ロボット機構のモード移行後（post-mode-transition）パラメータを決定すること、初期パラメータとモード移行後パラメータとの間の差を決定すること、及び初期パラメータとモード移行後パラメータとの間の差を閾値と比較することを含み、モード移行後パラメータはロボット機構の位置及び速度を含む。幾つかの実施形態では、モード移行を平滑化することは、初期パラメータとモード移行後パラメータとの間の差が閾値より大きい場合に、示される。

本開示の１つの実施形態は、ロボット手術中のモード移行の方法に関する。方法は、モード移行要求を決定するステップ、患者側カートの一部の初期パラメータを決定するステップ、平滑化曲線を計算するステップ、及び平滑化曲線にしたがって患者側カートの一部を動かすステップを含むことができ、モード移行要求は、現在のモードと異なる新しいモードを指示することができ、初期パラメータは、位置及び速度を含むことができ、平滑化曲線は、現在のモードと新しいモードとの間を移行させ、Ｃ３連続である。

方法の幾つかの実施形態では、平滑化曲線を計算するステップは、第１の指令位置を確立するステップ、ステップ値を計算するステップ、及び第２の指令位置を設定するステップを含むことができる。幾つかの実施形態では、第２の指令位置は、計算されたステップ値だけ増分された第１の指令位置を含むことができる。幾つかの実施形態では、方法は、追加の平滑化が望まれているかどうかを決定するステップ、並びに追加の平滑化が望まれている場合に第３の指令位置を確立するステップ及び第２のステップ値を計算するステップを含む。幾つかの実施形態では、第３の指令位置は、第２の指令位置に設定されることができる。

幾つかの実施形態では、平滑化曲線は、複数の反復計算されるステップを含むことができる。幾つかの実施形態では、平滑化曲線の計算は、第２のモード移行要求が受信されるとき、終了する。幾つかの実施形態では、初期パラメータは、加速度パラメータを含むことができる。

本開示の１つの実施形態は、ロボット手術中の振動除去の方法に関する。方法は、要求動作を受信するステップと、平滑化曲線を計算するステップとを含むことができ、要求動作は、患者側カートの一部の速度又は位置の変化を含むことができ、平滑化曲線は、シミュレートされた減衰システム（減衰系）（damping system）にしたがって計算されることができる。幾つかの実施形態では、シミュレートされた減衰システムは、第１のダッシュポットを介して第２の質量に接続された第１の質量と、第１の質量を地面に接続する第２のダッシュポットを含むことができる。方法は、平滑化曲線にしたがって患者側カートの一部を動かすステップを含むことができる。

幾つかの実施形態では、第１の質量と第２の質量は同じ質量を有する。幾つかの実施形態では、第１のダッシュポットは、第１の減衰係数によって規定され、第２のダッシュポットは、第２の減衰係数によって規定される。幾つかの実施形態では、第１の減衰係数と第２の減衰係数は同じである。

幾つかの実施形態では、平滑化曲線を計算するステップは、患者側カートの一部の初期速度、第１の質量の第１の初期速度、及び第２の質量の第２の初期速度を特定するステップを含む。幾つかの実施形態では、第１及び第２の初期速度は、患者側カートの一部の初期速度と等しく設定される。幾つかの実施形態では、方法は、要求動作が受信されるとき、患者側カートの一部の場所を特定する所望の停止ポイントを特定するステップを含む。幾つかの実施形態では、患者側カートの一部が平滑化曲線にしたがって動かされるとき、患者側カートの一部は、所望の停止ポイントを超えてドリフト（drift）する。

本開示の１つの実施形態は、ロボット手術中の振動除去のためのシステムに関する。システムは、可動マニピュレータを含むことができる患者側カート、及びマニピュレータを制御することができるプロセッサを含む。幾つかの実施形態では、プロセッサは、マニピュレータの速度又は位置の変化を含むことができる要求動作を受信し、平滑化曲線を計算し、平滑化曲線にしたがってマニピュレータを動かすことができ、平滑化曲線は、第１のダッシュポットを介して第２の質量に接続された第１の質量及び第１の質量を地面に接続する第２のダッシュポットに対応するシミュレートされた減衰システムにしたがって計算される。

システムの幾つかの実施形態では、第１の質量と第２の質量は同じ質量を有する。幾つかの実施形態では、第１のダッシュポットは、第１の減衰係数によって規定され、第２のダッシュポットは、第２の減衰係数によって規定される。幾つかの実施形態では、第１の減衰係数と第２の減衰係数は同じである。

システムの幾つかの実施形態では、平滑化曲線を計算することは、患者側カートの一部の初期速度、第１の質量の第１の初期速度、及び第２の質量の第２の初期速度を特定することを含む。幾つかの実施形態では、第１の初期速度と第２の初期速度は、患者側カートの一部の初期速度と等しく設定される。

幾つかの実施形態では、プロセッサは、要求動作が受信されるとき、患者側カートの一部の場所を特定する所望の停止ポイントを特定することができる。幾つかの実施形態では、患者側カートの一部が平滑化曲線にしたがって動かされるとき、患者側カートの一部は、所望の停止ポイントを超えてある距離ドリフトする。このような実施形態では、患者側カートの一部は所望の停止ポイントに戻らない。幾つかの実施形態では、患者側カートの一部が平滑化曲線にしたがって動かされないとき、患者側カートの一部は、所望の停止ポイントをオーバーシュートする。このような実施形態では、オーバーシュートは、患者側カートの一部の振動に起因して生じ、患者側カートの一部は所望の停止ポイントに戻る。幾つかの実施形態では、ドリフト距離のオーバーシュートに対する比は少なくとも１．５：１である。

本発明の性質及び利点のより完全な理解のために、次の詳細な説明及び添付の図面への参照がなされるべきである。本発明の他の態様、目的及び利点は、以下の図面及び詳細な説明から明らかになるであろう。

多くの実施形態による、手術を行うために使用される低侵襲ロボット手術システムの平面図である。 多くの実施形態による、ロボット手術システム用の外科医用の制御コンソールの斜視図である。 多くの実施形態による、ロボット手術システム電子装置カートの斜視図である。 多くの実施形態による、ロボット手術システムを概略的に描く。 多くの実施形態による、ロボット手術システムの患者側カート（手術ロボット）の部分図である。 多くの実施形態による、ロボット手術ツールの正面図である。 多くの実施形態による、ロボット手術システムを示す。 図６のロボット手術システムの配向プラットホームに対するセットアップリンク機構の回転配向限度を示す。 多くの実施形態による、ロボット手術システム用ブームアセンブリの回転限度に関連付けられる重心図を示す。 操作のリモートセンタに対して一定の曲率半径を有する湾曲機構を含み、それに沿って外側リンク機構のベースリンクが再位置決めされることができる、多くの実施形態による、リモートセンタマニピュレータを示す。 外側リンク機構のベースリンクが閉ループ湾曲機構に沿って動くよう拘束されるように外側リンク機構のベースリンクが相互作用される、閉ループ湾曲機構を含む、多くの実施形態による、リモートセンタマニピュレータを示す。 多くの実施形態による、操作のリモートセンタに対する器具ホルダの最大ピッチバックの形態におけるリモートセンタマニピュレータの側面図である。 振動を減衰させるための指令形成のためのプロセスの１つの実施形態を示すフローチャートである。 平滑化曲線を計算するためのプロセスの１つの実施形態を示すフローチャートである。 平滑化曲線を計算するために使用される機械的システムの１つの実施形態の説明図である。 平滑化曲線を計算するために使用される機械的システムの１つの実施形態の説明図である。 指令形成アルゴリズムを初期化するためのプロセスの１つの実施形態を示すフローチャートである。 ステップ値を計算するためのプロセスの１つの実施形態を示すフローチャートである。 振動を減衰させるための指令形成が使用されるときの結果の、振動を減衰させるための指令形成が使用されていないときの結果との比較を示す。 振動を減衰させるための指令形成が使用されるときの結果の、振動を減衰させるための指令形成が使用されていないときの結果との比較を示す。

以下の説明では、本発明の様々な実施形態が説明される。説明の目的で、実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成及び詳細が記載される。しかし、本発明が特定の詳細なしで実施され得ることは、当業者にもまた明白となるであろう。さらに、記載されている実施形態を曖昧にしないために、良く知られた特徴は省略又は簡略化され得る。

本明細書に記載されている運動学的リンク機構構造及び制御システムは特に、システムユーザが、特定の患者への処置にロボット構造を配置するのを支援するのに有用である。治療中に組織などと相互に作用するために使用される能動被駆動マニピュレータと共に、ロボット手術システムは、マニピュレータ構造を支持するとともにマニピュレータ構造を手術作業部位と位置合わせするのに役立つように構成されている１又は複数の運動学的リンク機構システムを有し得る。これらのセットアップシステムは、能動的に駆動され得る、又は、それらが手動で関節運動されることができ、その後、マニピュレータは治療目的で使用される間に所望の形態にロックされることができるように、受動的であり得る。受動セットアップ運動学的システムは、サイズ、重量、複雑さ、及びコストにおいて利点を有し得る。残念ながら、複数のマニピュレータアームは、各患者の組織を処置するために使用されることができ、マニピュレータは、その器具によって支持される器具が作業空間の全体に渡って所望の運動を行うことを可能にするように正確に位置決めすることからそれぞれ独立して利益を得るとともに隣接するマニピュレータの相対的位置における小さい変化が、（潜在的に衝突する又はそれらの運動の範囲及び／又は運動のし易さが著しく減少した不十分に位置決めされるマニピュレータで）マニピュレータ間の相互作用に重大な影響を及ぼし得る。したがって、手術に備えてロボットシステムを迅速に配置することの挑戦は、重要であり得る。

１つのオプションは、複数のマニピュレータを単一のプラットホームに取り付けることであり、マニピュレータ支持プラットホームはときに配向プラットホームと称される。配向プラットホームは、能動被駆動支持リンク機構（ときに、本明細書において、セットアップ構造と称され、典型的には、セットアップ構造リンク機構等を有する）によって支持されることができる。システムはまた、配向プラットホームを支持するロボットセットアップ構造のモータ駆動軸を提供し得るとともに、ユーザが独立した方法で要望通りにこれらの軸を能動的に駆動することを可能にするある種のジョイスティック又は一式のボタンで配向プラットホームを支持するロボットセットアップ構造のモータ駆動軸を制御し得る。このアプローチは、幾つかの状況において有用であるが、幾つかの欠点に悩まされる場合がある。第１に、ユーザは、ロボット工学、運動学、に十分精通しておらず、運動範囲限度及びマニピュレータとマニピュレータの衝突は、良好なセットアップを達成するために配向プラットホームをどこに配置するかを知ることは困難であるかもしれない。第２に、システム内の任意の受動ジョイントの存在は、装置の位置決めが、手動調整（手によって手動自由度を動かす）並びに、困難且つ時間のかかる反復動作であり得る能動自由度を制御することの組合せを含むことを意味する。

ロボットマニピュレータの手動及び能動駆動位置決め両方の利点を維持するために、本明細書に記載されるロボットシステムの実施形態は、１又は複数のジョイントが、運動学的チェーンの１又は複数の他のジョイントの手動関節運動に応じて能動的に駆動される、セットアップモードを用い得る。多くの実施形態では、能動駆動ジョイントは、複数のマニピュレータを支持するプラットホーム支持リンク機構構造を動かし、これらのマニピュレータをユニットとして、作業空間との初期配向及び／又は位置アライメントに動かすことによってシステム全体の配置を大幅に容易にする。プラットホームに支持されているマニピュレータの１つ、幾つか又は全ての独立した位置決めが、プラットホームに対してマニピュレータの１つ、幾つか、又は全てを支持する受動セットアップジョイントシステムを通じて任意選択で提供されることができる。

低侵襲ロボット手術

ここで図面を参照すると、図１は、典型的には手術台１４に横たわっている患者１２に低侵襲診断又は外科手術を行うために使用される、例えば、遠隔手術システム及び／又はテレプレゼンスシステムであることができる、低侵襲ロボット手術（ＭＩＲＳ）システム１０の平面図である。図面において、同様の参照番号は同様の部分を表す。システムは、手術中に外科医１８による使用のための外科医用コンソール１６を含む。１人又は複数の助手２０も手術に参加することができる。ＭＩＲＳシステム１０は、患者側カート２２（手術ロボット）及び電子装置カート２４をさらに含むことができる。患者側カート２２は、外科医１８がコンソール１６を通して手術部位を視認している間、患者１２の身体の低侵襲性切開部を通る少なくとも１つの取り外し可能に結合されたツールアセンブリ２６（以降、単に「ツール」と呼ばれる）を操作することができる。手術部位の画像は、内視鏡２８を方向付けするように患者側カート２２によって操作され得る、立体内視鏡等の内視鏡２８によって取得されることができる。電子装置カート２４は、外科医用コンソール１６を通じた外科医１８への続く表示のために手術部位の画像を処理するために、使用されることができる。一度に使用される手術ツール２６の数は、一般的に、他の要因の中でも診断又は外科手術及び手術室内の空間的制約に依存する。手術中に使用されているツール２６の１又は複数を交換することが必要な場合、助手２０は、患者側カート２２からツール２６を取外し、それを手術室のトレイ３０からの別のツール２６に交換し得る。

図２は、外科医用コンソール１６の斜視図である。この外科医用コンソール１６は、奥行き知覚を可能にする手術部位の協調立体視を外科医１８に提示するために左眼用ディスプレイ３２及び右眼用ディスプレイ３４を含む。コンソール１６は、１又は複数の入力制御装置３６をさらに含み、この装置３６は、患者側カート２２（図１に示される）に１又は複数のツールを操作させる。入力制御装置３６は、テレプレゼンス（tele-presence）を、又は外科医がツール２６を直接制御する強い感覚を有するように入力制御装置３６がツール２６と一体となる知覚を、外科医に提供するために、それらの関連付けられるツール２６（図１に示される）と同じ自由度を提供することができる。この目的のために、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ（図示せず）が、ツール２６からの位置、力、及び触感を、入力制御装置３６を通じて外科医の手に返送するために使用され得る。

外科医用コンソール１６は通常、外科医が、手術を直接監視し得るように、必要であれば物理的に存在し得るように、及び電話又は他の通信媒体ではなく直接助手に話し掛け得るように、患者と同じ部屋の中に配置される。しかし、外科医は、患者とは異なる部屋、全く異なる建物、又は遠隔手術を可能にする患者から離れた他の場所にいることができる。

図３は、電子装置カート２４の斜視図である。電子装置カート２４は、内視鏡２８と結合されることができ、外科医用コンソールで、或いは近くに及び／又は遠隔に位置する別の適切なディスプレイで、外科医に等、その後の表示のために取り込まれた画像を処理するためのプロセッサを含み得る。例えば、立体内視鏡が使用される場合、電子装置カート２４は、手術部位の協調立体画像を外科医に提示するために、取り込まれた画像を処理することができる。このような協調は、対向画像間の位置合わせを含むことができ、立体内視鏡の立体作動距離を調整することを含むことができる。別の例として、画像処理は、光学収差等、画像取込装置の結像誤差を補償するために、以前に決定されたカメラ較正パラメータの使用を含むことができる。

図４は、ロボット手術システム５０（図１のＭＩＲＳシステム１０等）を図式的に示す。上述のように、外科医用コンソール５２（図１の外科医用コンソール１６等）が、低侵襲手術中に患者側カート（手術ロボット）５４（図１の患者側カート２２等）を制御するために外科医によって使用されることができる。患者側カート５４は、手術部位の画像を取込むとともに取込まれた画像を電子装置カート５６（図１の電子装置カート２４等）に出力するために、立体内視鏡等の撮像装置を使用することができる。上述のように、電子装置カート５６は、任意の後に続く表示の前に、種々の方法で取込まれた画像を処理することができる。例えば、電子装置カート５６は、外科医用コンソール５２を介して組み合わされた画像を外科医に表示する前に、取込まれた画像を仮想制御インターフェースと重ね合わせることができる。患者側カート５４は、電子装置カート５６の外部で処理するために取込まれた画像を出力することができる。例えば、患者側カート５４は、取込まれた画像を処理するために使用され得る、プロセッサ５８に取込まれた画像を出力することができる。画像はまた、共同して、連続して、及び／又はそれらの組み合わせで、取込まれた画像を処理するために一緒に結合され得る、電子装置カート５６及びプロセッサ５８の組み合わせによって処理されることもできる。１又は複数の別個のディスプレイ６０も、手術部位の画像、又は他の関連画像等、画像の局所及び／又は遠隔表示のために、プロセッサ５８及び／又は電子装置カート５６と結合されることができる。

プロセッサ５８は、典型的には、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせを含み、ソフトウェアは、本明細書に機能的に記載される制御の方法ステップを実行するための、コンピュータ可読コード命令を具体化する有形媒体を含む。ハードウェアは、典型的に、一又は複数のデータ処理ボードを含み、このデータ処理ボードは、同一箇所に位置してもよいが、しばしば、本明細書に記載されるロボット構造の中に分配された複数の構成要素を有する。ソフトウェアは、しばしは不揮発性媒体を含み、モノリシックなコードも含み得るが、より典型的には、任意選択で、多種多様な分散データ処理アーキテクチャのいずれかで動作する複数のサブルーチンを含む。

図５Ａ及び５Ｂは、患者側カート２２及び手術ツール２６をそれぞれ示す。手術ツール６２は、手術ツール２６の例である。図示された患者側カート２２は、３つの手術ツール２６及び、手術部位の画像を取り込むために使用される立体内視鏡のような、撮像装置２８の操作を提供する。操作は、幾つかのロボットジョイントを有するロボット機構によって提供される。撮像装置２８及び手術ツール２６は、運動学的リモートセンタ（遠隔中心）（kinematic remote center）が切開部のサイズを最小化するために切開部に保持されるように、切開部を通って患者内で位置決めされるとともに操作されることができる。手術部位の画像は、手術ツール２６が撮像装置２８の視野内に位置しているとき、手術ツール２６の遠位端部の画像を含むことができる。

手術ツール２６は、例えば切開部、自然開口部、経皮的な貫通又は同種のもののような低侵襲アクセス開口を通して管状カニューレ６４を挿入することによって、患者の中に挿入される。カニューレ６４は、ロボットマニピュレータアームに取り付けられ、手術ツール２６のシャフトはカニューレの管腔（lumen）を通過する。マニピュレータアームは、カニューレがその上に取り付けられたことを示す信号を送信し得る。

ロボット手術システム及びモジュール式マニピュレータ支持部

図６は、多くの実施形態による、ロボット手術システム１４０の概略図である。手術システム１４０は、取付ベース７２、支持リンク機構１２４、配向プラットホーム１２４、複数のセットアップリンク機構１２６（２つが示されている）、及び複数の手術器具マニピュレータ８２を含む。マニピュレータ８２のそれぞれは、マニピュレータ８２に取り付けられるとともに挿入軸に沿って患者の中に挿入可能である手術器具を選択的に関節運動させるように動作可能である。マニピュレータ８２のそれぞれは、セットアップリンク機構１２６の１つに取付けられるとともに支持される。セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、第１のセットアップリンク機構ジョイント８４によって配向プラットホーム１２４に回転結合されるとともに支持される。セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、配向プラットホーム１２４に固定して結合されるとともに支持される。配向プラットホーム１２４は、支持リンク機構１２２に回転結合されるとともに支持される。そして、支持リンク機構１２２は、取付ベース７２に固定して取付けられるとともに支持される。

多くの実施形態では、取付ベース７２は、移動可能であるとともに床に支持され、それによって、例えば手術室内で、手術システム７０全体の選択的な再位置決めを可能にする。取付ベース７２は、操舵可能な車輪アセンブリ及び／又は選択的な再位置決めすること並びに選択された位置からの取付ベース７２の移動を選択的に防ぐことの両方を提供する任意の他の適切な機能を含むことができる。取付ベース７２はまた、例えば、天井マウント、固定フロア／台座マウント、壁マウント、又は任意の他の適切な取付面によって支持されるように構成されたインターフェース等、他の適切な構成を有することができる。

支持リンク機構１２２は、複数のセットアップ構造軸に沿った支持リンク機構１２２のリンク間の相対運動によって取付ベース７２に対して配向プラットホーム１２４を選択的に位置決めし且つ配向するように構成される。支持リンク機構１２２は、コラムベース８６、並進移動可能コラム部材８８、ショルダジョイント９０、ブームベース部材９２、ブーム第１段部材９４、及びリストジョイント９８を含む。コラムベース８６は、取付ベース７２に固定して取付けられている。並進移動可能コラム部材８８は、第１のセットアップ構造（ＳＵＳ）軸１４２に沿ってコラムベース８６に対して選択的に再位置決め可能であり、この第１のＳＵＳ軸は多くの実施形態において垂直に向けられている。多くの実施形態では、並進移動可能コラム部材８８は、コラムベース８６に対して垂直に向けられた軸に沿って並進移動する。ブームベース部材９２は、ショルダジョイント９０によって並進移動可能コラム部材８８に回転結合されている。ショルダジョイント９０は、ブームベース部材９２を並進移動可能コラム部材８８に対して第２のＳＵＳ軸１４４周りに選択的に向き合わせするように動作可能であり、この第２のＳＵＳ軸は多くの実施形態において垂直に向けられている。ブーム第１段部材９４は、ブームベース部材９２に対して第３のＳＵＳ軸１４６に沿って選択的に並進移動可能であり、この第３のＳＵＳ軸は多くの実施形態において水平に向けられている。したがって、支持リンク機構１２２は、ショルダジョイント９０とブーム第１段部材９４の遠位端部との間の距離を選択的に設定するよう動作可能である。そして、リストジョイント９８は、ブーム第１段部材９４に対して第４のＳＵＳ軸１４８周りに配向プラットホーム１２４を選択的に向き合わせするように動作可能であり、この第４のＳＵＳ軸は多くの実施形態において垂直に向けられている。

セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、複数のセットアップジョイント（ＳＵＪ）軸に沿ったセットアップリンク機構１２６のリンク間の相対運動によって、配向プラットホーム１２４に対して関連付けられるマニピュレータ８２を選択的に位置決めする及び／又は向き合わせするように構成されている。第１のセットアップリンク機構ジョイント８４のそれぞれは、配向プラットホーム１２４に対して第１のＳＵＪ軸１５０周りに関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク１００を選択的に向き合わせするように動作可能であり、この第１のＳＵＪ軸は多くの実施形態において垂直に向けられている。セットアップリンク機構延長リンク１０２のそれぞれは、関連付けられるセットアップリンク機構ベースリンク１００に対して第２のＳＵＪ軸１５２に沿って選択的に再位置決めされることができ、この第２のＳＵＪ軸は多くの実施形態において水平に向けられている。セットアップリンク機構垂直リンク１０６のそれぞれは、関連付けられるセットアップリンク機構延長リンク１０２に対して第３のＳＵＪ軸１５４に沿って選択的に再位置決めされることができ、この第３のＳＵＪ軸は多くの実施形態において垂直に向けられている。第２のセットアップリンク機構ジョイント１０８のそれぞれは、セットアップリンク機構垂直リンク１０６に対して第３のＳＵＪ軸１５４周りに機構支持リンク１２８を選択的に向き合わせするように動作可能である。ジョイント１３２のそれぞれは、関連付けられるマニピュレータ８２を関連付けられる軸１３８周りに回転するように動作可能である。

図７は、多くの実施形態による、配向プラットホーム１２４に対するセットアップリンク機構１２６の回転配向限度を示す。セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、配向プラットホーム１２４に対する時計回りの限度配向で示されている。対応する反時計回りの限度配向は、垂直に配向された鏡面に対する図７の鏡像によって示される。図示されるように、２つの内側セットアップリンク機構１２６のそれぞれは、垂直基準１５６から一方向に５度から垂直基準１５６から反対方向に７５度まで配向されることができる。また、図示されるように、２つの外側セットアップリンク機構のそれぞれは、垂直基準１５６から対応する方向に１５度から９５度まで配向されることができる。

図８は、多くの実施形態による、ロボット手術システム１６０のための支持リンク機構の回転限度に関連付けられる重心図を示す。ロボット手術システム１６０の重心１６２を手術システム１６０の支持リンク機構１６４に対して一側に最大の範囲まで移動させるようにロボット手術システム１６０の構成要素が位置決めされるとともに配向される状態では、支持リンク機構１６４のショルダジョイントは、取付ベースの所定の安定限度を超えることを防ぐようにセットアップ構造（ＳＵＳ）ショルダジョイント軸１６６周りの支持構造１６４の回転を制限するように構成されることができる。

図９は、操作のリモートセンタ（ＲＣ）を通る冗長軸及び付随する冗長な機械的な自由度の実装のための他のアプローチを示す。図９は、多くの実施形態による、リモートセンタマニピュレータ２６０を示し、このリモートセンタマニピュレータは、操作のリモートセンタ（ＲＣ）に対して一定の曲率半径を有する湾曲機構（curved feature）２６４を含む取付ベース２６２を含み、この湾曲機構に沿ってマニピュレータ２６０の中心線を外側寄り（outboard）（近位の）リンク機構のベースリンク２６６が再位置決めされることができる。外側寄りリンク機構はベースリンク２６６に取り付けられ、このベースリンク２６６は、操作のリモートセンタ（ＲＣ）と交差する第１の軸２６８周りの回転のための「ヨー」ジョイント機構を含む。ベースリンク２６６は、ベースリンク２６６が湾曲機構２６４に沿って選択的に再位置決めされるように拘束され、したがって、患者に対して固定位置で保持される取付ベース２６２に対して操作のリモートセンタ（ＲＣ）の位置を保持するように、湾曲機構２６４と連動され（interfaced with）る。湾曲機構２６４は、ベースリンク２６６の運動が操作のリモートセンタ（ＲＣ）と交差する第２の軸２７０周りの回転に制限されるように構成される。湾曲機構２６４に沿ってベースリンク２６６の位置を変化させることによって、患者に対するマニピュレータ２６０の外側寄りリンク機構の向きは変えられることができ、それによって、リモートセンタマニピュレータ２６０によって操作される手術器具の増大した運動範囲を提供する。平行四辺形機構２７２が、軸２７４周りの回転を提供する。平行四辺形機構全体が軸２６８周りに回転するとき、軸２７０及び軸２７４は一致させられることができることが分かる。

図１０は、操作のリモートセンタ（ＲＣ）を通る冗長軸の実装のための他のアプローチを示し、関連付けられる冗長自由度を提供する。図１０は、多くの実施形態による、リモートセンタマニピュレータ２８０を示し、このリモートセンタマニピュレータは、内部でマニピュレータ２８０の外側寄り（遠位）リンク機構のベースリンク２８６が再位置決めされることができる、閉ループ湾曲機構２８４を含む取付ベース２８２を含む。図示されるように、中心取付要素２８５は閉ループ湾曲機構２８４の内部で回転する。ベースリンク２８６は、操作のリモートセンタに向かって少し内側へ向けられるように、中心取付要素２８５に取り付けられる。外側寄りリンク機構は、操作のリモートセンタ（ＲＣ）と交差する第１の軸２８８周りの回転のためにベースリンク２８６に取り付けられる。閉ループ湾曲機構２８４は、湾曲機構２８４の周りのベースリンク２８６の全ての位置に対して、操作のリモートセンタ（ＲＣ）の位置が、患者に対して固定されて保持される取付ベース２８２に対して固定されたままであるように、構成される。閉ループ湾曲機構２８４は、円形且つ操作のリモートセンタ（ＲＣ）と交差する第２の軸２９０周りに軸対称である。閉ループ湾曲機構２８４周りにベースリンク２８６の位置を変更することによって、患者に対するマニピュレータ２８０の外側寄りリンク機構の向きは変更されることができ、それによって、増大した運動範囲、アームとアーム又はアームと周囲の衝突回避、及び／又はリモートセンタマニピュレータ２８０のための運動学的な特異点回避を提供する。「部分円」機構又は取付ベースが円の一部を移動するのみである完全円形機構も使用されることができる。湾曲機構２８４及びその関連付けられる中心取付機構２８５は、円錐スイープジョイントとして機能することがわかる。

図１１は、器具ホルダ３４２が最大量までピッチバックされた（pitched back）リモートセンタマニピュレータ３２０の側面図である。図示された形態では、第１の平行四辺形リンク３３０は、延長リンク３２４と位置合わせされるところをちょうど過ぎた位置に回転されており、第２の平行四辺形リンク３３６は、第１の平行四辺形リンク３３０と位置合わせされるところをちょうど過ぎた位置に回転されており、それによって、挿入軸３６６をヨー軸３４８に対する垂線３７４から７５度の角度オフセットに向ける。リモートセンタマニピュレータ３２０は、例えば、器具ホルダ３４２がヨー／ピッチハウジング３４６と接触しないように延長リンク３２４の長さを増加させることによって、さらに大きい最大ピッチバック角度を達成するように構成されることができるが、得られる追加的なピッチバック角度は、挿入軸３６６とヨー軸３４８との間の角度が１５度未満に減少するとき、操作のリモートセンタ（ＲＣ）に対する器具ホルダ３４２のヨー運動に関するリモートセンタマニピュレータ３２０の運動学が、次第に不完全に条件付けられるようになることを考えれば、実用的な値にならないかもしれない。

指令形成

図１２は、振動を減衰させるための指令形成のためのプロセス６００の１つの実施形態を示すフローチャートである。プロセス６００は、ＭＩＲＳシステム１０のようなロボットシステムの及び特に患者側カート２２の運動を滑らかににするために使用されることができる。幾つかの実施形態では、プロセス６００は、ＭＩＲＳシステム１０のようなロボットシステムがモードを変更するとき実行されることができ、幾つかの実施形態では、プロセス６００は、ロボットシステムによるいかなるモード変更にかかわらず実行されることができる。プロセス６００は、ロボットシステムの一部である及び／又はロボットシステムに接続されているプロセッサ及び／又は制御システムを使用して実行されることができる。幾つかの実施形態では、プロセス６００は、例えば、プロセッサ５８によって実行されることができる。

プロセス６００は、ブロック６０２で始まり、自由度（ＤＯＦ）が特定される。幾つかの実施形態では、自由度は、ＭＩＲＳシステム１０の及び／又はＭＩＲＳシステム１０の構成要素、ジョイント、又は機構の自由度（ＤＯＦｓ）の１つであることができる。幾つかの実施形態では、特定された自由度は、モード変更によって影響を受けるＭＩＲＳシステム１０の部分に関連することができる。幾つかの実施形態では、これらの自由度に関連する情報が、ＭＩＲＳシステム１０に関連付けられるメモリに格納されることができ、このメモリは、例えば、プロセッサ５８と接続されることができる。幾つかの実施形態では、自由度の１つ又は幾つかに関連する情報は、メモリから取得することができる、及び／又は生成若しくは収集されることができる。

自由度が、ブロック６０２で特定された後、プロセス６００は、ブロック６０６に進み、モードデータが取得される。幾つかの実施形態では、モードデータは、ＭＩＲＳシステム１０の動作の１つ又は幾つかのモードを特定することができる。１つの実施形態では、例えば、このモードデータは、ＭＩＲＳシステム１０の動作の現在のモード、ＭＩＲＳシステム１０の動作の１若しくは幾つかの過去のモード、及び／又はＭＩＲＳシステム１０の動作の将来若しくは要求されたモードを特定することができる。幾つかの実施形態では、動作の現在のモードと異なる動作の要求されたモードの特定は、モード移行をもたらすことができ、このモード移行は、幾つかの実施形態において、本明細書に開示された指令形成なしに、著しい振動を発生させ得る。幾つかの実施形態では、モードデータは、メモリ、外科医用コンソール１６、及び／又は電子装置カート２４から受信されることができる。

モードデータが受信された後、プロセス６００は、決定状態６０８に進み、モード移行が生じたか及び／又は生じているかどうかが決定される。モード移行が生じたか及び／又は生じているかどうかの決定は、ＭＩＲＳシステム１０の動作に関連する情報をモード移行が生じたか及び／又は生じているかどうかを決定するための基準と比較することを含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの基準は、モード移行に関連付けられようがなかろうが、振動を発生させる及び／又は発生させる可能性がある任意の動作、が要求されたかどうか、並びに／又はこれらの振動がある閾値より大きい、小さい、又は等しいかどうかを決定することを含むことができる。幾つかの実施形態では、要求された動作が閾値より大きいＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの構成要素の加速を通じて達成されるとき、要求された動作が振動を発生させる及び／又は振動を発生させる可能性がある。幾つかの実施形態では、閾値は、例えば、加速度を生じさせる力の源、力及び／又は加速度を受けるＭＩＲＳシステム１０の部分の剛性の程度等を含む、多くの要因に基づいて変わることができる。幾つかの実施形態では、この決定はさらに、例えば、要求されたモード移行を含む、要求された動作が、ＭＩＲＳシステム１０の一部を静的から動的に、又は動的から静的に変換するかどうかを決定することを含むことができる。これらの決定は、プロセッサ５８及び／又はＭＩＲＳシステム１０の他の構成要素によってなされることができる。

幾つかの実施形態では、モード移行が生じたかどうかの決定はさらに、平滑化及び／又は指令形成が要求されているかどうかを決定することを含むことができる。幾つかの実施形態では、この決定は、外科医及び／又はＭＩＲＳシステム１０の他のユーザから受信される１又は幾つかの入力に基づいてなされることができる。１つの実施形態では、この情報は、メモリ内に格納されることができ、プロセス６００が例えばプロセッサ５８によって実行されるとき取り出されることができる。

モード移行が生じた及び／又は生じているかどうかが決定された後、プロセス６００は、ブロック６１０に進み、位置パラメータが取り出される。幾つかの実施形態では、位置パラメータは、ＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの構成要素の位置を規定及び／又は特定することができる。幾つかの実施形態では、位置パラメータは、例えば、固定座標系に対してのように、絶対的に、及び／又はＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの他の構成要素に対して相対的に、ＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの構成要素の位置を規定することができる及び／又は特定することができる。幾つかの実施形態では、位置パラメータは、ＭＩＲＳシステム１０によって取り出されることができる及び／又は決定されることができる。

位置パラメータが取り出された後、プロセス６００は、ブロック６１２に進み、速度パラメータが取り出される。幾つかの実施形態では、速度パラメータは、ＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの構成要素の速度を規定及び／又は特定することができる。幾つかの実施形態では、速度パラメータは、例えば、固定座標系に対してのように、絶対的に、及び／又はＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの他の構成要素に対して相対的に、ＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの構成要素の速度を規定することができる及び／又は特定することができる。幾つかの実施形態では、速度パラメータは、ＭＩＲＳシステム１０によって取り出されることができる及び／又は決定されることができる。

速度パラメータが取り出された後、プロセス６００は、ブロック６１４に進み、加速度パラメータが取り出される。幾つかの実施形態では、加速度パラメータは、ＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの構成要素の加速度を規定及び／又は特定することができる。幾つかの実施形態では、加速度パラメータは、例えば、固定座標系に対してのように、絶対的に、及び／又はＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの他の構成要素に対して相対的に、ＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかの構成要素の加速度を規定することができる及び／又は特定することができる。幾つかの実施形態では、加速度パラメータは、ＭＩＲＳシステム１０によって取り出されることができる及び／又は決定されることができる。

加速度パラメータが取り出された後、プロセス６００は、ブロック６１６に進み、平滑化曲線が計算される。平滑化曲線は、反復計算される複数のステップで作られることができる。幾つかの実施形態では、平滑化曲線は、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素の現在の位置、速度、及び／又は加速度と、要求された動作及び／又はモード移行によって特定される位置、速度及び／又は加速度との間の移行経路を規定することができる。幾つかの実施形態では、移行経路は、振動を最小化及び／又は除去する経路であることができる。１つの実施形態では、移行経路は、要求された動作及び／又はモード移行によって影響を受けるＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素の位置、速度、加速度、ジャーク、及び／又は他のパラメータにおける不連続のような不連続がないことができる。１つの実施形態では、速度における不連続を有さない移行経路が、Ｃ１連続であり、加速度における不連続を有さない移行経路が、Ｃ２連続であり、ジャークにおける不連続を有さない移行経路が、Ｃ３連続である。幾つかの実施形態では、平滑化曲線の計算は、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素の１又は幾つかの次の位置、速度、加速度、ジャーク、及び／又は他のパラメータを含むことができる。幾つかの実施形態では、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素のこれらの１又は幾つかの次の位置、速度、加速度、ジャーク、及び／又は他のパラメータは、トリガ閾値が達成されるまで、及び／又はプロセス６００の再開をトリガする他の動作が要求されるまで、いつまでも計算されることができる。平滑化曲線は、プロセッサ５８又はＭＩＲＳシステム１０の他の構成要素によって計算されることができる。平滑化曲線の計算の詳細は、いかにより大きい長さで論じられる。

平滑化曲線が計算された後、プロセス６００は、ブロック６１８に進み、平滑化曲線が適用される。上で論じられたように、幾つかの実施形態では、平滑化曲線は、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素の１又は幾つかの次の位置、速度、加速度、ジャーク、及び／又は他のパラメータを含むことができる。幾つかの実施形態では、平滑化曲線は、例えば、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素を操作する１又は幾つかのモータを含む、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素に適用されることができる。平滑化曲線の適用は、プロセッサ５８又はＭＩＲＳシステム１０の他の構成要素によって制御されることができる。

平滑化曲線が適用された後、プロセス６００は、決定状態６２０に進み、追加の平滑化が必要か及び／又は望まれているかどうかが決定される。幾つかの実施形態では、これは、例えば、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素の１又は幾つかのパラメータをいつ平滑化が終了されることができるか及び／又は終了されるべきかを特定する閾値と比較することによって平滑化プロセスを終了させるかどうかを決定することを含むことができる。幾つかの実施形態では、追加の平滑化を提供するかどうかの決定は、例えば、追加のモード移行を含み得る追加の動作が要求されているかどうかを決定することを含むことができる。この決定は、例えば、プロセッサ５８によってなされることができる。追加の平滑化が必要とされることが決定される場合、プロセス６００は、ブロック６１０に戻り、上で概説されたように進む。

プロセス６００は、ＭＩＲＳシステム１０の自由度に関する並列／同時処理又は順次処理を含むことができる。自由度が並列／同時に処理される幾つかの実施形態では、図１２に描かれた決定状態６２２は省略されてもよい。再びプロセス６００に戻ると、追加の平滑化が必要とされていないことが決定される場合、プロセスは、決定状態６２２に進み、ＭＩＲＳシステム１０に関連付けられる追加の自由度があるかどうかが決定される。追加の、まだ特定されていない自由度があることが決定される場合、プロセス６００は、ブロック６０２に戻り、上で概説されたように進む。ＭＩＲＳシステム１０に関連付けられる追加の及び／又は特定された自由度がないことが決定される場合、プロセスは、幾つかの実施形態において、終了することができる。

図１３は、平滑化曲線を計算するためのプロセス６４０の１つの実施形態を示すフローチャートである。幾つかの実施形態では、プロセス６４０は、図１２に示されるブロック６１６の場所で実行されることができる。図１２のプロセス６００のように、プロセス６４０は、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素によって実行されることができる。

プロセス６４０は、ブロック６４２で始まり、指令位置が確立される。幾つかの実施形態では、指令位置は、要求された動作にさらされるＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素の現在位置であることができる。指令位置が確立された後、プロセス６４０は、決定状態６４４に進み、要求された動作が新しい動作であるかどうかが決定される。幾つかの実施形態では、この決定は、平滑化が、要求された動作に対して既に生じたか及び／又は要求された動作に対して既に開始されたかどうかを決定することを含むことができる。平滑化が、既に生じている及び／又は既に開始されている場合、プロセス６４０は、ブロック６４６に進み、システムは初期化される。幾つかの実施形態では、システムの初期化は、平滑化曲線の生成のための１又は幾つかの初期パラメータを確立することを含むことができる。幾つかの実施形態では、これは、１又は幾つかの減衰係数、位置、速度、又は同様のものを特定するパラメータを確立することを含むことができる。

システムが、初期化された後、プロセス６４０は、ブロック６４８に進み、ステップ値が計算される。幾つかの実施形態では、ステップ値は、要求された動作によって影響を受ける、シミュレートされた減衰システム、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素の位置及び／又は速度の１又は幾つかの次のパラメータを規定する値であることができる。このようなシミュレートされた減衰システムの詳細は、以下にさらなる長さで論じられる。

幾つかの実施形態では、ステップ値は、指令位置からステップ値によって特定される方法でステップ値によって特定される位置に動くとき、ＭＩＲＳシステム１０及び／又はそれの構成要素がジャークを受けないように計算されることができる。ステップ値は、プロセッサ５８を使用して計算されることができる。どのようにステップ値が計算されることができるかの詳細は、以下にさらなる長さで論じられる。

ステップ値が計算された後、プロセス６４０は、ブロック６５０に進み、新しい指令位置が設定される。幾つかの実施形態では、新しい指令位置は、計算されたステップ値、計算されたステップ値の１つ、又は最初に確立された指令位置と計算されたステップ値の組み合わせに設定されることができる。指令位置は、ＭＩＲＳシステム１０に関連付けられるメモリに格納されることができる。指令位置が設定された後、プロセス６４０は、ブロック６５２に進み、図１２のブロック６１８に続く。

図１４Ａ及び１４Ｂは、平滑化曲線を計算するために使用される機械的システム（機械系）及び／又はシミュレートされた減衰システム（減衰系）７００の１つの実施形態の説明図である。図１４Ａでは、シミュレートされた減衰システム７００が、可動部分があるとして描かれ、図１４Ｂでは、運動の全てが停止した及び／又は事実上停止した後のシミュレートされた減衰システム７００が描かれている。同じシミュレートされた減衰システム７００は、運動を停止させる及び／又は運動を遅くさせるために平滑化曲線を決定するために使用されることができ、幾つかの実施形態では、シミュレートされた減衰システム７００は、運動を開始させる及び／又は加速させるために平滑化曲線を決定するために使用されることができる。

シミュレートされた減衰システム７００は、システム質量７０２を含む。システム質量７０２は、ＭＩＲＳシステム１０及び／又は要求された動作によって影響を受けるＭＩＲＳシステム１０の構成要素の質量を表す。システム質量７０２の値は、ＭＩＲＳシステム１０に関連付けられるメモリに格納されることができる、及び／又は、例えば、１又は幾つかのモータのような、ＭＩＲＳシステム１０の構成要素から受信されるフィードバックに基づいて生成されることができる。幾つかの実施形態では、システム質量は、システム質量は、所望の加速度を達成するために必要とされる力の量に基づいて決定されることができる。

図１４Ａ及び１４Ｂに描かれたように、システム質量は、システム質量７０２のシミュレートされた減衰システム７００の構成要素との相互作用に応じて時間にわたって変化するｖｓ（ｔ）として示される速度を有する。シミュレートされた減衰システム７００は、第１のダッシュポット７０８を介して第２の質量７０６と、及び第２のダッシュポット７１２を介して地面７１０と相互作用する第１の質量７０４を含む。幾つかの実施形態では、第１及び第２の質量７０４、７０６は、第１及び第２の質量７０４、７０６の質量と特定する任意の所望の値を有することができる。幾つかの実施形態では、第１の質量７０４の質量は、第２の質量の質量と同じであることができ、幾つかの実施形態では、第１の質量７０４の質量は、第２の質量７０６の質量と異なることができる。幾つかの実施形態では、第１及び第２の質量７０４、７０６の質量は、第１及び第２のダッシュポット７０８、７１２と組み合わされて、シミュレートされた減衰システム７００が、システム質量７０２のパラメータに関してＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、及び／又はＣ６連続平滑化曲線を作ることができるように選択されることができる。幾つかの実施形態では、様々な第１及び第２の質量７０４、７０６の質量が、システム質量７０２のパラメータに関してＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、及び／又はＣ６連続平滑化曲線の作成をもたらすことができる。

同様に、第１のダッシュポット７０８及び第２のダッシュポット７１２は、それぞれ、例えば、減衰係数によって記載されることができる。幾つかの実施形態では、第１のダッシュポット７０８の減衰係数は、第２のダッシュポット７１２の減衰係数と同じであることができ、幾つかの実施形態では、第１のダッシュポット７０８の減衰係数は、第２のダッシュポット７１２の減衰係数と異なることができる。

幾つかの実施形態では、ダッシュポット７０８、７１２の減衰係数は、動作が要求されるときの時間と要求された動作によって影響を受けるＭＩＲＳシステム１０及び／又はＭＩＲＳシステム１０の構成要素が要求された動作を完了する及び／又は要求された動作を事実上完了するときの時間との間の要求された動作によって影響を受けるＭＩＲＳシステム１０及び／又はＭＩＲＳシステム１０の構成要素が経験する総移動距離を軽減する及び／又は除去するように構成されることができる。幾つかの実施形態では、要求された動作は、要求された動作によって影響を受けるＭＩＲＳシステム１０及び／又はＭＩＲＳシステム１０の構成要素が、要求された動作の位置、速度、及び／又は加速度に漸近的に近づくとき、事実上完了する。

幾つかの実施形態では、ダッシュポット７０８、７１２の減衰係数は、要求された動作の実行によって生じる振動を緩和する及び／又は除去するように構成されることができる。幾つかの実施形態では、ダッシュポット７０８、７１２の減衰係数の値は、ＭＩＲＳシステム１０を制御する外科医の能力に最小に作用する及び／又はＭＩＲＳシステム１０によって実行される動作の結果に最小に悪影響を及ぼす結果を提供するように、最適化されることができる。幾つかの実施形態では、第１及び第２の質量７０４、７０６の特定の質量、並びにダッシュポット７０８、７１２の減衰係数は、シミュレートされた減衰システム７００の所望の性能及び／又は応答並びに／又は平滑化曲線の形状及び／又は軌道を最適化するように同時に選択されることができる。

図１５は、指令形成アルゴリズムを初期化するためのプロセス６６０の１つの実施形態を示すフローチャートである。プロセス６６０は、図１３のブロック６４６の一部として、又は図１３のブロック６４６に代わって実行されることができる。プロセスはブロック６６２で始まり、第１の質量の位置が、図１３のブロック６４２で確立された指令位置と等しいように指定される。第１の質量７０４の位置が指令位置と等しく設定された後、第１の質量７０４の速度が指令速度と等しく、言い換えると、動作が要求される直前のシステム質量７０２の速度ｖｓ（ｔ）と等しく、設定されるときプロセス６６０はブロック６６４に進む。

第１の質量７０４の速度が指令速度と等しく設定された後、プロセス６６０はブロック６６６に進み、第２の質量７０６の位置が第１の質量７０４の位置と等しく設定され、したがって、図１３のブロック６４２で確立された指令位置と等しいように設定される。第２の質量７０６の位置が指令位置と等しく設定された後、プロセス６６０はブロック６６８に進み、第２の質量７０６の速度は、第１の質量７０４の速度と等しく設定される、又は言い換えると、指令速度と等しく設定され、この指令速度は、動作が要求される直前のシステム質量７０２の速度ｖｓ（ｔ）である。第２の質量７０６の速度が第１の質量７０４の速度に設定された後、プロセス６６０はブロック６７０に進み、図１３のブロック６４８に続く。

図１６は、ステップ値を計算するためのプロセスの１つの実施形態を示すフローチャートである。プロセス６８０は、ブロック６８２で始まり、第１の質量７０４の次の位置が計算される。幾つかの実施形態では、第１の質量７０４の位置は、以下の式にしたがって計算されることができ、ここでｘ１は第１の質量７０４の初期位置であり、ｖ１は第１の質量の初期速度であり、Ｔは、例えば、サーボ時間ステップの持続期間のような時間の期間であり、ｘ１’は第１の質量７０４の次の位置である。

ｘ１’＝ｖ１＊Ｔ＋ｘ１

第１の質量７０４の次の位置が計算された後、プロセス６８０は、ブロック６８４に進み、第１の質量７０４の次の速度が計算される。幾つかの実施形態では、第１の質量７０４の次の速度は、以下の式にしたがって計算されることができ、ここでｖ１は、第１の質量７０４の初期速度であり、ｖ２は、第２の質量７０６の初期速度であり、ｂ１は、第１のダッシュポット７０８の減衰係数であり、ｂ２は、第２のダッシュポット７１２の減衰係数であり、ｖ１’は、第１の質量７０４の次の速度である。

ｖ１’＝ｖ１−ｂ１＊ｖ１−ｂ２＊ｖ１＋ｂ２＊ｖ２

第１の質量７０４の次の速度が計算された後、プロセス６８０は、ブロック６８６に進む、第２の質量７０６の次の位置が計算される。幾つかの実施形態では、第２の質量７０６の次の位置は、以下の式にしたがって計算されることができ、ここでｘ２は第２の質量７０６の初期位置であり、ｖ２は第２の質量７０６の初期速度であり、Ｔは、例えば、サーボ時間ステップの持続期間のような時間の期間であり、ｘ２’は第２の質量７０６の次の位置である。

ｘ２’＝ｖ２＊Ｔ＋ｘ２

第２の質量７０６の次の位置が計算された後、プロセス６８０は、ブロック６８８に進み、第２の質量７０６の次の速度が計算される。幾つかの実施形態では、第２の質量７０６の次の速度は、以下の式にしたがって計算されることができ、ここでｖ１は、第１の質量７０４の初期速度であり、ｖ２は、第２の質量７０６の初期速度であり、ｂ１は、第１のダッシュポット７０８の減衰係数であり、ｂ２は、第２のダッシュポット７１２の減衰係数であり、ｖ２’は、第２の質量７０６の次の速度である。

ｖ２’＝ｖ２＋ｂ２＊ｖ１＋ｂ２＊ｖ２

幾つかの実施形態では、ステップ６８２−６８８は、プロセッサ５８又はＭＩＲＳシステム１０の他の構成要素によって実行されることができる。第２の質量７０６の速度が計算された後、プロセス６８０はブロック６９０に進み、図１３に示されたブロック６５０に続く。

図１７Ａ及び１７Ｂは、振動を減衰させるための指令形成が使用されるときの結果の振動を減衰させるための指令形成が使用されないときの結果との比較を示す。図１７Ａのプロットは、本明細書に記載される平滑化なしで生じるような急なモード移行を描き、図１７Ｂのプロットは、本明細書に記載される平滑化を伴って生じるような滑らかなモード移行を描いている。

図１７Ａを参照すると、「ピッチＤＯＦのテイクオフ（takeoff）とランディング（landing）、ケース：５（サーボ）」と題したプロットにおいて、ＭＩＲＳシステム１０の内部で測定されたデータが描かれている。プロットは、時間に応じた指令位置を特定する「Ｃｍｄｐｏｓ」と標識されたトレース、時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の位置を特定する「Ａｃｔｐｏｓ」と標識されたトレース、ＭＩＲＳシステム１０の一部のモード移行の瞬間及び所望の最終位置を特定する「Ｌｏｃｋｐｏｓ」と標識されたトレース、時間に応じた指令速度を特定する「Ｃｍｄｖｅｌ」と標識されたトレース、時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の速度を特定する「Ａｃｔｖｅｌ」と標識されたトレース、時間に応じたトレースＣｍｄｐｏｓとＡｃｔｐｏｓとの間の差を特定する「Ｅｒｒ」と標識されたトレース、及び時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかのモータによって加えられるトルクの微分を特定する「Ｔｏｒｑｕｅ Ｄｉｆｆ」と標識されたトレースを含む。トレースの全ては、同じスケールを有して描かれているが、トレースＥｒｒは、ＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の位置における振動を明確に示すために拡大されているので、他のものと同じスケールと有していない。

「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：５（極座標（Polaris））」と標識されたプロットにおいて、ＭＩＲＳシステム１０の外部で測定されたデータが描かれている。具体的には、「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：５（極座標）」と標識されたプロットに描かれたデータは、外部測定装置を用いて生成された。「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：５（極座標）」と標識されたプロットのデータは、時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の位置を描いている。「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：５（極座標）」と標識されたプロットのこのデータは、「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：５（サーボ）」と標識されたプロットのトレースＡｃｔｐｏｓに対応している。

図１７Ａに示されるように、振動が、ｔ＝１で発生するモード移行に起因して生じる。これらの振動は、ＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の位置及び速度に関連するトレースの全てにおいて明白である。図１７Ａに見られるように、本明細書に概説されたような指令形成を使用しなかったことは、オーバーシュート及び振動をもたらし得る。特定の描かれた実施形態では、本明細書に概説されたような指令形成を使用しなかったことは、１．０４ラジアン／秒の初期速度を有する構成要素に関して約１０ｍｍのオーバーシュートをもたらした。このオーバーシュートは、所望の停止ポイント（０．７５ラジアンに位置する）と所望の停止ポイントを超えた最大変位との間の距離として測定されている。

図１７Ｂを参照すると、「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（サーボ）」と題したプロットにおいて、ＭＩＲＳシステム１０の内部で測定されたデータが描かれている。プロットは、時間に応じた指令位置を特定する「Ｃｍｄｐｏｓ」と標識されたトレース、時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の位置を特定する「Ａｃｔｐｏｓ」と標識されたトレース、ＭＩＲＳシステム１０の一部のモード移行の瞬間及び所望の最終位置を特定する「Ｌｏｃｋｐｏｓ」と標識されたトレース、時間に応じた指令速度を特定する「Ｃｍｄｖｅｌ」と標識されたトレース、時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の速度を特定する「Ａｃｔｖｅｌ」と標識されたトレース、時間に応じたトレースＣｍｄｐｏｓとＡｃｔｐｏｓとの間の差を特定する「Ｅｒｒ」と標識されたトレース、及び時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の１又は幾つかのモータによって加えられるトルクの微分を特定する「Ｔｏｒｑｕｅ Ｄｉｆｆ」と標識されたトレースを含む。トレースの全ては、同じスケールを有して描かれているが、トレースＥｒｒは、ＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の位置における振動を明確に示すために拡大されているので、他のものと同じスケールと有していない。

「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（極座標）」と標識されたプロットにおいて、ＭＩＲＳシステム１０の外部で測定されたデータが描かれている。具体的には、「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（極座標）」と標識されたプロットに描かれたデータは、外部測定装置を用いて生成された。「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（極座標）」と標識されたプロットのデータは、時間に応じたＭＩＲＳシステム１０の一部の実際の位置を描いている。「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（極座標）」と標識されたプロットのこのデータは、「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（サーボ）」と標識されたプロットのトレースＡｃｔｐｏｓに対応している。

図１７Ｂに示されるように、本明細書に概説されたような指令形成の使用は、図１７Ａに示されるような振動を除去した。具体的には、「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（極座標）」と標識されたプロットに見られるように、位置は、安定した値に滑らかに近づいている。この実施形態では、本明細書に記載されたような指令形成の使用は、Ｃ３連続であり、したがって、ジャークに不連続を有さない平滑化曲線を作った。「ピッチＤＯＦのテイクオフとランディング、ケース：１５（極座標）」と標識されたプロットにさらに見られるように、本明細書に概説されたような指令形成の使用は、オーバーシュートを除去するが、ドリフト、具体的には、描かれた実施形態において、１．０４ラジアン／秒の初期速度を有する構成要素に関して約３５ｍｍのドリフトをもたらす。このドリフトは、所望の停止ポイント（０．７５ラジアンに位置する）と所望の停止ポイントを超えた最大変位との間の距離として測定されている。しかし、驚くべきことに、本明細書の指令形成の使用は、本明細書に記載される指令形成が使用されないときに作られたオーバーシュートより著しく大きいが、本明細書に記載される指令形成の使用は、より良い臨床結果を提供し、ユーザにＭＩＲＳシステム１０の制御のより良い感覚を提供する。

さらに、幾つかの実施形態では、第１及び第２のダッシュポット７０８、７１２に関する減衰係数は、異なる結果を作るために操作されることができる。したがって、１つの実施形態では、ある減衰係数は、かなりのオーバーシュート及び最小のドリフトをもたらし得るとともに、他の実施形態では、ある減衰係数は、最小のオーバーシュート及びかなりのドリフトを引き起こすことができる。有利には、ある減衰係数の組み合わせは、所望の臨床及び／又は制御結果を生じさせることができる。同様に、幾つかの実施形態では、ドリフト対オーバーシュートの比が約１．５：１、２．５：１、３：１、３．５：１、４：１、５：１、又は任意の他の中間の比であるとき、臨床結果及び外科医の体験（surgeon experience）が最大化されることが見出されている。１つの実施形態では、これらの比は、例えば、ｂ１＝３の第１のダッシュポット７０８に関する減衰係数によって及びｂ２＝１の第２のダッシュポット７１２に関する減衰係数によって達成されることができる。

他の変形形態は本発明の精神の中にある。したがって、本発明は、様々な変更形態及び代替構造が可能であるが、幾つかの説明された実施形態は図面に示されるとともに詳細に記載されている。しかし、本発明を開示された特定の形態又は複数の形態に限定する意図はなく、それどころか、全ての修正、代替構造、及び添付の特許請求の範囲に定められるように、本発明の精神及び範囲内に属する均等物をカバーすることを意図していることが理解されるべきである。

本発明を記載する文脈における（特に以下の請求項の範囲の文脈における）用語“a”、“an”、“the”（１つの、ある）、及び同様の指示対象の使用は、本願にそうでないことが示されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、単数形及び複数形の両方を包含するように解釈されるべきである。用語「有する、含む、備える（“comprising”、“having”、“including”、及び“containing”）」は、そうでないことが記載されない限りオープンエンドタームとして（すなわち、「含んでいるが限定されない」ことを意味する）解釈されるべきである。用語「接続される」は、たとえ何かが介在していても、部分的に又は完全に中に含まれる、取り付けられる、又は一緒に結合されるとして解釈されるべきである。本願における値の範囲の列挙は、本願にそうでないことが明記されない限り、範囲に入るそれぞれの独立した値を個別に参照する省略表現方法として機能することが単に意図され、それぞれの独立した値は、それが本願に個別に参照されるように、明細書に組み込まれる。本願に記載された全ての方法は、本願に明記されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、任意の適切な順番で実行され得る。任意の及び全ての例、又は本願に用いられる例示的な言語（例えば、「等」）の使用は、本発明の実施形態をより良く明らかにすることを単に意図し、特許請求の範囲に記載されない限り、本発明の範囲の限定をもたらさない。明細書の言語は、本発明の実施に必須であるような任意の請求項に記載されていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。

本発明を実施するために発明者に知られているベストモードを含む、本発明の好適な実施形態がここに記載されている。これらの好適な実施形態の変形形態は、前述の記載を読むことで当業者に明らかになり得る。発明者は、熟練した職人がこのような変形形態を適切に用いることを予期し、発明者は発明が、本願に具体的に記載されるものとは違う他の方法で実施されることを意図する。したがって、本発明は、全ての修正形態及び適用される法律によって許されるように添付された特許請求の範囲に記載された主題の均等物を含む。さらに、それらの全ての可能な変形形態の上述の構成要素の任意の組み合わせが、本願に明記されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、本発明によって包含される。

本願に引用された、出版物、特許出願、特許を含む全ての参考文献は、各参考文献が参照により組み込まれることが個々に且つ明確に示されるような、並びに且つ完全に本願に述べられているような、同じ程度まで、参照により本願に組み込まれる。

Claims (14)

1. 振動除去のためのロボットシステムの作動方法であって：
   プロセッサが、要求動作を受信するステップであって、前記要求動作は、前記ロボットシステムの患者側カートの一部の速度又は位置の変化を含む、ステップ；
   前記プロセッサが、平滑化曲線を計算するステップであって、前記平滑化曲線は、前記患者側カートの前記一部と相互作用する減衰システムをシミュレートするシミュレートされた減衰システムにしたがって計算され、前記シミュレートされた減衰システムは、前記患者側カートの前記一部の質量を表すシステム質量と、前記システム質量と相互作用するとともに第１のダッシュポットを介して第２の質量に接続された第１の質量と、前記第１の質量を地面に接続する第２のダッシュポットとを含む、ステップ；
   前記プロセッサが、前記平滑化曲線にしたがって前記患者側カートの前記一部を動かすステップ；を含む、
   方法。
2. 前記第１の質量と前記第２の質量は同じ質量を有する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のダッシュポットは、第１の減衰係数によって規定され、前記第２のダッシュポットは、第２の減衰係数によって規定され、
   前記第１の減衰係数と前記第２の減衰係数は同じである、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記平滑化曲線を計算するステップは、前記患者側カートの前記一部の初期速度、前記第１の質量の第１の初期速度、及び前記第２の質量の第２の初期速度を特定するステップを含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記要求動作が受信されるとき、前記プロセッサが、前記患者側カートの前記一部の場所を特定する所望の停止ポイントを特定するステップをさらに含む、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. ロボット装置の振動除去のためのシステムであって：
   可動マニピュレータを有する患者側カート；及び
   前記可動マニピュレータを制御するように構成されるプロセッサ；を含み、
   前記プロセッサは：
   要求動作を受信するように；
   平滑化曲線を計算するように；及び
   前記平滑化曲線にしたがって前記可動マニピュレータを動かすように；構成され、
   前記要求動作は、前記可動マニピュレータの速度又は位置の変化を含み、
   前記平滑化曲線は、前記可動マニピュレータと相互作用する減衰システムをシミュレートするシミュレートされた減衰システムにしたがって計算され、前記シミュレートされた減衰システムは、前記可動マニピュレータの質量を表すシステム質量、前記システム質量と相互作用するとともに第１のダッシュポットを介して第２の質量に接続された第１の質量、及び前記第１の質量を地面に接続する第２のダッシュポットに対応する、
   システム。
7. 前記第１の質量と前記第２の質量は同じ質量を有する、
   請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１のダッシュポットは、第１の減衰係数によって規定され、前記第２のダッシュポットは、第２の減衰係数によって規定され、
   前記第１の減衰係数と前記第２の減衰係数は同じである、
   請求項６又は７に記載のシステム。
9. 前記平滑化曲線を計算することは、前記患者側カートの一部の初期速度、前記第１の質量の第１の初期速度、及び前記第２の質量の第２の初期速度を特定することを含む、
   請求項６乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記第１の初期速度と前記第２の初期速度は、前記患者側カートの前記一部の前記初期速度と等しく設定される、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記プロセッサはさらに、前記要求動作が受信されるとき、前記患者側カートの一部の場所を特定する所望の停止ポイントを特定するように構成される、
    請求項６乃至１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記患者側カートの前記一部が前記平滑化曲線にしたがって動かされるとき、前記患者側カートの前記一部は、前記所望の停止ポイントを超えてドリフト距離をドリフトする、
    請求項１１に記載のシステム。
13. 前記患者側カートの前記一部が前記平滑化曲線にしたがって動かされないとき、前記患者側カートの前記一部は、オーバーシュートによって前記所望の停止ポイントをオーバーシュートし、
    前記ドリフトの距離の前記オーバーシュートに対する比は少なくとも１．５：１である、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 前記可動マニピュレータは、手術器具を保持するように構成される、
    請求項６乃至１３のいずれか１項に記載のシステム。

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