JP2023545732A - リンケージ相互作用感知を使用して手動操作を起動するシステム及び方法 - Google Patents

リンケージ相互作用感知を使用して手動操作を起動するシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

手動操作が可能なロボット医療システムが説明される。ロボット医療システムは、ロボットアーム及びセンサアーキテクチャを含むことができる。センサアーキテクチャは、ロボットアームに及ぼされる第１の力を検出するように位置付けられる、１つ以上の非関節ベースのセンサを含むことができる。ロボット医療システムは、センサアーキテクチャから受信したセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定するように構成することができる。例えば、第１の基準は、第１の力が第１の閾値力を超えるという判定に従って満たすことができる。ロボット医療システムは、第１の基準が満たされているという判定に従って、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させるように構成することができる。

Description

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。
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、様々な医療処置を行うことができる。内視鏡処置のうち、システムは、気管支鏡検査、尿管鏡検査、胃鏡検査などを行うことができる。
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部に接続され、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。
処置が開始する前に、オペレータ（例えば、医師助手、医療関係者など）は、ロボット医療システムのロボットアーム及び調整可能なアーム支持体を所望の全体構成にセットアップすることを要求され得る。いくつかの状況では、オペレータは、セットアップ中に１つ又は２つ以上のロボットアームをそれらのそれぞれの構成に手動で操作することができるが（例えば、アドミタンスモード制御、インピーダンスモード制御、又はそれらの組み合わせなどを使用して）、オペレータは、ロボットアームを手動操作モード（例えば、アドミタンスモード制御、インピーダンスモード制御など）にするために入力制御部を起動する（例えば、ボタンを押す、タッチスクリーン上のユーザインターフェース制御を起動するなど）必要がある。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の位置に応じて、及び／又は入力制御部の位置に応じて、オペレータが、自身を過度に伸ばすか、又は手術室の中を移動する必要なく入力制御部に届くことは、不便又は困難であり得る。ロボットアームが位置制御モードから手動操作モードにいつどのように移行され得るかについてのこの制限は、セットアッププロセスを非常に面倒で時間のかかるものにする。それはまた、オペレータが手術室の中を動き回るとき、及び／又は不快な又は不便な位置から入力制御部へ手を伸ばそうとするとき、つまずいたり、手術室内の他の人又は物体と衝突したりするリスクを増大させる。セットアッププロセス中にオペレータに課される著しい操作上の負担により、オペレータエラーのリスクも増大する。
更に、手術中に、患者又は医療関係者は、ドッキングされていないロボットアームと偶発的に接触し、患者又は医療関係者に過剰な接触力をもたらす場合がある。過剰な接触力は、手術中に患者又は医療従事者に怪我を生じる場合がある。また、ロボットアームを邪魔にならないように移動させる前に、オペレータが患者を移動させるか、又は入力制御部に手を伸ばすことを要求することは、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更なるリスクをもたらし得る。
少なくともこれらの理由から、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ク機構、関節などに対する）相互作用を感知し、センサデータに基づいて、ロボットアームの手動操作モードを条件付きで有効にするロボット医療システムが必要である。
本明細書に開示されるように、ロボット医療システムに対して固定された位置における専用制御のためにオペレータが手を伸ばすことを必要とするのではなく、ロボットアームの複数の領域全体にわたって分散されたセンサを含むセンサアーキテクチャが、オペレータがロボットアームにどのように触れているか及び／又はロボットアームとどのように相互作用しているかに関するセンサデータを捕捉するために利用される。センサデータに基づいて、ロボットアームの手動操作モードを起動するオペレータの意図は、ロボット医療システムが、ロボット医療システムの近くの多くの異なる位置からオペレータによって容易に、便利に、かつ直感的に実行可能であるロボットアームに触れる及び／又はロボットアームと相互作用する多くの異なる方法に従って手動操作モードを知的に起動し得るように、様々な事前に確立された基準に対するセンサデータの評価に基づいて、ロボット医療システムによって計算的に決定される。したがって、ロボット医療システムをセットアップするときにオペレータにかかる操作負担が低減され、ロボット医療システムを使用する効率及び安全性が改善される。
更に、患者又は医療関係者が手術中にドッキングされていないロボットアームと偶発的に接触した場合、ロボットアームを邪魔にならないように移動させる前にオペレータが患者を移動させるか又は入力制御部に手を伸ばすことを要求するのではなく、ロボット医療システムは、ロボットアームのアドミタンスモード又はインピーダンスモード制御を自動的に起動して、アームを接触点又は衝突点から離れるように移動させ（例えば、自動的に及び／又は手動操作下で）、それにより、患者又は医療関係者に対する過剰な接触力を解決することができる。ロボット医療システムは、衝突又は接触力及び／又はモーメントが予め設定された閾値を超えることに応答して、及び／又はオペレータがロボットアームのリンク機構及び／又は関節を直接押すか又は引くことに応答して、ロボットアームのアドミタンスモード又はインピーダンスモード制御を起動してもよい。これは、手術中の患者及び／又はオペレータの安全性を有利に改善する。
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。
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、センサアーキテクチャを含む。センサアーキテクチャは、ロボットアームに及ぼされる第１の力を検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサを含む。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、プロセッサに、センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定させる命令を記憶する。第１の基準は、第１の力が第１の閾値力を超えるという判定に従って満たされる。第１の力が第１の閾値力を超えるという判定を含む、第１の基準が満たされているという判定に従って、プロセッサは、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させる。
いくつかの実施形態では、手動操作モードはインピーダンスモードを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサは、組み合わされた力及びモーメントセンサを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節センサは、少なくとも、ロボットアームの一対の関節の間に位置する第１のセンサを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節センサは、少なくとも、ロボットアームの遠位部分に位置する第１のセンサを含む。
いくつかの例では、ロボットシステムは、第１のセンサがツールドライバによって及ぼされる力を検出するように、第１のセンサ上に搭載されるツールドライバを更に含む。
いくつかの例では、第１のセンサは、６軸ロードセルである。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサは、ロボットアームの１つ又は２つ以上のリンク上に位置する１つ又は２つ以上の接触センサを含む。
いくつかの例では、接触センサは、ロボットアームに及ぼされる力及びモーメントを検出することができる。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは更に、ロボットアームに及ぼされる第２の力を検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上の関節ベースのセンサを含む。
いくつかの例では、第１の基準は、非関節ベースのセンサによって検出された第１の力及び関節ベースのセンサによって検出された第２の力が、第１の力及び第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定に従って満たされる。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と、プロセッサに第１の力及び第２の力が第１の力及び第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定を含む、第１の基準が満たされるという判定に従って、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させる命令を含む。
いくつかの実施形態では、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、プロセッサに、手動操作モード中に、オペレータによるロボットアームの物理的操作に従って、ロボットアームの移動を支援するための出力を生成させる命令を更に記憶する。
いくつかの実施形態では、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、プロセッサに、手動操作モード中にロボットアームの移動を監視させる命令を更に記憶する。手動操作モード中のロボットアームの移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、移動が満たすという判定に従って、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームを手動操作モードから位置制御モードに移行させる。
いくつかの実施形態では、第１の基準は、第１の基準が満たされるためにロボットアームがドッキング解除構成にあるという要件を含む。
いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、予め設定された入力によって起動されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させる入力インターフェースを更に含む。
いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、１つ又は２つ以上の追加のロボットアームを更に含む。ロボットシステムは、第１のロボットアーム及び／又は追加のロボットアームのインピーダンス制御を遠隔で起動する入力インターフェースを更に含む。
本開示の別の態様では、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、センサアーキテクチャを含む。センサアーキテクチャは、ロボットアームに及ぼされる力及び／又はモーメントを検出するように位置決めされた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、プロセッサに、センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定させる命令を記憶する。第１の基準は、１つ又は２つ以上のセンサによって検出された力が第１の閾値力を超えるという判定に従って、又は１つ又は２つ以上のセンサによって検出されたモーメントが第１の閾値モーメントを超えるという判定に従って満たされる。第１の基準が満たされているという判定に従って、プロセッサは、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させる。
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、複数の接触センサを含む。
いくつかの例において、ロボットアームは外面を含む。複数の接触センサは、ロボットアームの外面を覆うシェルと係合する。
いくつかの例では、検出された力及びモーメントは、複数の接触センサのそれぞれ１つによって検出されたそれぞれの力及び／又はそれぞれのモーメントの組み合わせである。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、少なくとも、ロボットアームの関節から離れて位置決めされた非関節ベースのセンサを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、少なくとも、ロボットアームの関節上に位置決めされた関節ベースのセンサを含む。
いくつかの実施形態では、手動操作モードはインピーダンスモードを含む。
いくつかの実施形態では、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、プロセッサに、手動操作モード中に、オペレータによるロボットアームの物理的操作に従って、ロボットアームの移動を支援するための出力を生成させる命令を更に記憶する。
いくつかの実施形態では、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、プロセッサに、手動操作モード中にロボットアームの移動を監視させる命令を更に記憶する。手動操作モード中のロボットアームの移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、移動が満たすという判定に従って、プロセッサは、ロボットアームを手動操作モードから位置制御モードに移行させる。
いくつかの実施形態では、第１の基準は、第１の基準が満たされるためにロボットアームがドッキング解除構成にあるという要件を含む。
いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、予め設定された入力によって起動されると、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させる入力インターフェースを更に含む。
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。
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。
診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置のために配置されたカートベースのロボットシステムの実施形態を示す。 図１のロボットシステムの更なる態様を図示する。 尿管鏡検査のために配置された図１のロボットシステムの実施形態を示す。 血管処置のために配置された図１のロボットシステムの実施形態を示す。 気管支鏡検査処置のために配置されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。 図５のロボットシステムの代替的な図を提供する。 ロボットアームを収容するように構成された例示的なシステムを示す。 尿管鏡検査処置のために構成されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。 腹腔鏡処置のために構成されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。 ピッチ又は傾斜調整を有する図５～図９のテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。 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。 テーブルベースのロボットシステムの代替的実施形態を示す。 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。 ロボットアームが取り付けられた、テーブルベースのロボットシステムの端面図を示す。 例示的な器具ドライバを示す。 一対の器具ドライバを有する例示的な医療用器具を示す。 駆動ユニットの軸が器具の細長い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的な設計を示す。 器具ベースの挿入アーキテクチャを有する器具を示す。 例示的なコントローラを示す。 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図示する。 一実施形態による例示的なロボットシステムを示す。 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である。 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。 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。 いくつかの実施形態によるロボットアームのセンサアーキテクチャを示す。 いくつかの実施形態によるロボットアームのセンサアーキテクチャを示す。 いくつかの実施形態によるロボットアームのセンサアーキテクチャを示す。 いくつかの実施形態によるロボットアームのセンサアーキテクチャを示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームの例示的なリンクを示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームのリンクに沿ったセンサ分布を示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームのリンクに沿ったセンサ分布を示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームのリンクとの例示的相互作用を示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームの手動操作のための方法のフローチャート図を示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームの手動操作のための方法のフローチャート図を示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームの手動操作のための方法の方法９００のフローチャート図を示す。
１．概論。
本開示の態様は、腹腔鏡などの低侵襲性、及び内視鏡などの非侵襲性の両方の処置を含む、様々な医療処置を行う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。内視鏡処置のうち、システムは、気管支鏡検査、尿管鏡検査、胃鏡検査などを行うことができる。
幅広い処置を行うことに加えて、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。追加的に、システムは、厄介な腕の動き及び姿勢を必要とせずに、人間工学的位置から処置を行う能力を医師に提供することができる。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つ以上が単一のユーザによって制御され得るように、改善された使いやすさで処置を行う能力を医師に提供することができる。
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。見出しが、参照のために本明細書に含まれ、様々なセクションの位置を特定する支援となる。これらの見出しは、それに関して説明される概念の範囲を限定することを意図するものではない。そのような概念は、本明細書全体にわたって適用可能性を有し得る。
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法で構成され得る。図１は、診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置のために配置されたカートベースのロボット対応のシステム１０の実施形態を示す。気管支鏡検査の間、システム１０は、気管支鏡検査のための処置専用気管支鏡であり得る操縦可能な内視鏡１３などの医療用器具を、診断及び／又は治療用具を送達するための自然開口部アクセスポイント（すなわち、本実施例ではテーブル上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を含むことができる。示されるように、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され得る。同様に、ロボットアーム１２は、アクセスポイントに対して気管支鏡を位置決めするために作動されることができる。図１の配置はまた、胃腸管（gastro-intestinal、ＧＩ）処置を、ＧＩ処置のための特殊な内視鏡である胃鏡を用いて行うときに利用することができる。図２は、カートの例示的な実施形態をより詳細に図示する。
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。示されるように、操縦可能な内視鏡１３は、内側リーダー部分及び外側シース部分などの少なくとも２つの入れ子式部品を含んでもよく、各部分は、器具ドライバ２８の組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。リーダー部分をシース部分と同軸上に位置合わせするのを容易にする、器具ドライバ２８のこの直線配置は、１つ又は２つ以上のロボットアーム１２を異なる角度及び／又は位置に操作することによって空間内に再位置決めされ得る「仮想レール」２９を形成する。本明細書に記載される仮想レールは、破線を使用して図に図示されており、したがって破線は、いずれのシステムの物理的構造も図示しない。仮想レール２９に沿った器具ドライバ２８の並進は、外側シース部分に対して内側リーダー部分を入れ子にするか、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整、並進、及び枢動されてもよい。例えば、気管支鏡検査では、示されるような仮想レール２９の角度及び位置は、内視鏡１３を患者の口内に曲げ入れることによる摩擦を最小限に抑えながら内視鏡１３への医師のアクセスを提供する妥協を表す。
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向けられてもよい。患者の肺網を通したナビゲーションを促進し、及び／又は所望の標的に到達するために、内視鏡１３を操縦して、内側リーダー部分を外側シース部分から入れ子状に延ばして、高められた関節運動及びより大きい曲げ半径を得てもよい。別個の器具ドライバ２８の使用により、リーダー部分及びシース部分が互いに独立して駆動することも可能になる。
例えば、内視鏡１３は、例えば、患者の肺内の病変又は小結節などの標的に生検針を送達するように方向付けられてもよい。針は、内視鏡の長さにわたる作業チャネルの下方に展開されて、病理医によって分析される組織サンプルを得てもよい。病理の結果に応じて、追加の生検のために追加のツールが内視鏡の作業チャネルの下流に展開されてもよい。小結節を悪性と識別した後、内視鏡１３は、潜在的ながん組織を切除するためにツールを内視鏡的に送達してもよい。場合によっては、診断及び治療的処置は、別の処置で提供することができる。これらの状況において、内視鏡１３はまた、標的小結節の場所を「マーク」するために基準を送達するために使用されてもよい。他の例では、診断及び治療的処置は、同じ処置中に送達されてもよい。
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／又は電力のための支持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内にこのような機能を置くことにより、動作を行う医師及びそのスタッフがより容易に調整及び／又は再位置決めすることができるより小さいフォームファクタのカート１１が可能となる。追加的に、カート／テーブルと支持タワー３０との間の機能の分割は、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は患者に近接して位置決めされてもよいが、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されてもよい。
上述のロボットシステムを支持するために、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き、命令は、ロボットシステムの構成要素に、関連する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、医療用器具を制御させてもよい。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内のモータは、アームをある特定の姿勢に位置決めしてもよい。
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、灌注及び吸引能力は、別個のケーブルを介して内視鏡１３に直接送達されてもよい。
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。
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を通して光センサ又はカメラから受信したデータを検出、受信、及び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、そのようなオプトエレクトロニクス機器は、タワー３０内を含むシステム全体に配置された任意の数のコンソール内に表示するためのリアルタイム画像を生成するように使用されてもよい。同様に、タワー３０はまた、展開された電磁（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んでもよい。タワー３０はまた、医療用器具内又は医療用器具上のＥＭセンサによる検出のためにＥＭ場生成器を収容し、位置決めするためにも使用されてもよい。
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のための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んでもよい。システム１０内のコンソールは、一般に、ロボット制御、並びに内視鏡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及びリアルタイム情報の両方を提供するように設計される。コンソール３１が医師に利用可能な唯一のコンソールではない場合、コンソール３１は、看護師などの第２のオペレータによって使用されて、患者の健康又は生命及びシステムの動作を監視し、並びにナビゲーション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ができる。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。
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からの支持機能は、単一ケーブルを通してカート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、特定の機能は、別個の配線及び接続部で結合されてもよい。例えば、単一の電力ケーブルを通してカートに電力が供給されてもよい一方、制御、光学、流体工学、及び／又はナビゲーションのための支持は、別個のケーブルを通して提供されてもよい。
図２は、図１に示されるカートベースのロボット対応の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、概して、細長い支持構造１４（「カラム」と称されることが多い）、カート基部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つ示されている）の展開を支持するためのキャリッジ１７（代替的に「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んでもよい。キャリッジ１７は、患者に対してより良好に位置決めするために垂直軸に沿って回転してロボットアーム１２の基部を調整する、個別に構成可能なアームマウントを含んでもよい。キャリッジ１７はまた、キャリッジ１７がカラム１４に沿って垂直方向に並進することを可能にするキャリッジインターフェース１９を含む。
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案内するためにカラム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は、カート基部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及び保持するための垂直方向の並進インターフェースを含む。キャリッジ１７の垂直方向の並進により、カート１１は、様々なテーブルの高さ、患者のサイズ、及び医師の好みを満たすようにロボットアーム１２のリーチを調整することが可能となる。同様に、キャリッジ１７上の個別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部２１を様々な構成で角度付けすることが可能となる。
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。スロットカバーは、スロット２０の垂直方向の頂部及び底部付近に位置決めされているばねスプールの対を通じて展開されてもよい。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されるまで、スプール内でコイル巻きにされている。スプールのばね荷重は、キャリッジ１７がスプールに向かって並進するときにカバーをスプール内に後退させるための力を提供する一方で、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密封も維持する。カバーは、キャリッジ１７が並進するときにカバーが適切に延伸及び後退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内のブラケットを使用してキャリッジ１７に接続されてもよい。
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。
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部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。それぞれ独立して制御可能な関節は、ロボットアームが利用可能な独立した自由度を表す。アーム１２の各々は、７つの関節を有し、したがって、７つの自由度を提供する。多数の関節は、多数の自由度をもたらし、「冗長」自由度を可能にする。冗長自由度は、ロボットアーム１２が、異なる結合位置及び関節角度を使用して空間内の特定の位置、配向、及び軌道で、それらのそれぞれのエンドエフェクタ２２を位置決めすることを可能にする。これにより、システムが空間内の所望のポイントから医療用器具を位置決めし、方向付けることが可能になると同時に、医師がアーム関節を患者から離れる臨床的に有利な位置へと移動させて、アームの衝突を回避しながらよりよいアクセスを生み出すことを可能にする。
カート基部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、カート基部１５は、電子機器、モータ、電源、並びにカートの移動及び／又は固定化のいずれかを可能にする構成要素などの、より重い部品を収容する。例えば、カート基部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。
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は、ツールから提供される光学情報、センサからのセンサ及び座標情報、並びに呼吸、心拍数、及び／又はパルスなどの不可欠な患者統計を含み得る。コンソール１６は、医師が、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することを可能にするように位置決めされ、傾斜が付けられてもよい。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。示されるように、コンソール１６はまた、カート１１の操作及び安定化を支援するハンドル２７を含む。
図３は、尿管鏡検査のために配置された、ロボット対応のシステム１０の実施形態を示す。尿管鏡検査処置では、カート１１は、患者の尿道及び尿管を横断す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位置決めされてもよい。尿管鏡検査では、尿管鏡３２が患者の尿道と直接位置合わせされて、領域内の敏感な解剖学的構造に対する摩擦及び力を低減することが望ましいことがある。示されるように、カート１１は、ロボットアーム１２が尿管鏡３２を、患者の尿道に直線状に直接アクセスするように位置決めすることを可能にするように、テーブルの脚部に位置合わせされてもよい。テーブルの脚部から、ロボットアーム１２は、尿道を通して患者の下腹部に直接、仮想レール３３に沿って尿管鏡３２を挿入してもよい。
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は、尿管及び腎臓に向けられ、尿管鏡３２の作業チャネルの下方に展開されたレーザー又は超音波結砕石術デバイスを使用して、形成された腎臓結石を破砕することができる。砕石術が完了した後、結果として得られた結石片は、尿管鏡３２の下方に展開されたバスケットを使用して除去されてもよい。
図４は、血管処置のために同様に配されたロボット対応の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用器具３４を、患者の脚内の大腿動脈内の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、患者の心臓への、遠回りが比較的少ない曲がりくねった経路との両方を呈し、これによりナビゲーションが簡略化される。尿管鏡検査処置におけるように、カート１１は、患者の脚及び下腹部に向けて位置決めされて、ロボットアーム１２が患者の大腿／腰領域内の大腿動脈アクセスポイントへの直接的な線形アクセスで仮想レール３５を提供することを可能にしてもよい。動脈内への挿入後、器具ドライバ２８を並進させることによって医療用器具３４が方向付けられ、挿入されてもよい。代替的に、カートは、例えば、肩及び手首付近の頸動脈及び腕動脈などの代替的な血管アクセスポイントに到達するために、患者の上腹部の周囲に位置決めされてもよい。
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、カートを除去することによって手術室内の資本設備の量を低減し、患者へのより大きいアクセスを可能にする。図５は、気管支鏡検査処置のために配置されたこうしたロボット対応の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）を床より上に支持す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同様に、システム３６のロボットアーム３９のエンドエフェクタは、器具ドライバ４２の線形アライメント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などの細長い医療用器具を操作するように設計された器具ドライバ４２を含む。実際には、蛍光透視撮像を提供するためのＣアームは、放射器及び検出器をテーブル３８の周囲に置くことによって、患者の上腹部領域の上方に位置決めされてもよい。
図６は、説明を目的として、患者及び医療用器具なしのシステム３６の代替的な図を提供する。示されるように、カラム３７は、１つ又は２つ以上のロボットアーム３９の基部となり得る、システム３６内でリング形状として図示される１つ又は２つ以上のキャリッジ４３を含んでもよい。キャリッジ４３は、カラム３７の長さにわたる垂直方向のカラムインターフェース４４に沿って並進して、ロボットアーム３９が患者に到達するように位置決めされ得る異なるバンテージポイントを提供してもよい。キャリッジ４３は、カラム３７内に位置決めされている機械的モータを使用してカラム３７の周りを回転して、ロボットアーム３９が、例えば、患者の両側などのテーブル３８の多数の側部へのアクセスを有することを可能にしてもよい。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上に個別に位置決めされてもよく、他のキャリッジとは独立して並進及び／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、又は更には円形である必要はないが、図示されるようなリング形状は、構造的バランスを維持しながらカラム３７の周りでキャリッジ４３が回転するのを容易にする。キャリッジ４３の回転及び並進により、システムは、内視鏡及び腹腔鏡などの医療用器具を患者の異なるアクセスポイントに位置合わせさせることができる。他の実施形態（図示せず）では、システム３６は、並行して延在するバー又はレールの形態の調整可能なアーム支持体を有する患者テーブル又はベッドを含むことができる。１つ又は２つ以上のロボットアーム３９を、（例えば、肘関節を有する肩部を介して）垂直方向に調整することができる調整可能なアーム支持体に取り付けることができる。垂直方向の調整を提供することによって、ロボットアーム３９は、有利には、患者テーブル又はベッドの下にコンパクトに収容されることが可能であり、その後、処置中に引き上げられることが可能である。
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は、キャリッジ４３が適切に回転されると、アームマウント４５がテーブル３８の同じ側（図６に示すように）、テーブル３８の両側（図９に示すように）、又はテーブル３８の隣接する側部（図示せず）のいずれかに位置決めすることができるように、キャリッジ４３上に位置決めしてもよい。
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、キャリッジの垂直方向の並進を案内するための主ねじ、及び主ねじに基づく当該キャリッジの並進を機械化するためのモータが備えられていてもよい。カラム３７は、キャリッジ４３及びその上に装着されたロボットアーム３９に電力及び制御信号も伝達してもよい。
テーブル基部４６は、図２に示すカート１１のカート基部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し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。テーブル基部４６はまた、処置中に安定性を提供するために剛性キャスタを組み込んでもよい。テーブル基部４６の底部から展開されるキャスタは、基部４６の両側で反対方向に延在し、システム３６を移動させる必要があるときに後退してもよい。
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。先に開示された実施形態におけるように、タワーは、処理、計算、及び制御能力、電力、流体工学、並びに／又は光学及びセンサ処理などの様々な支持機能をテーブルに提供してもよい。タワーはまた、医師のアクセスを改善し、手術室を整理整頓するために、患者から離れて位置決めされるように移動可能であってもよい。更に、タワー内に構成要素を位置決めすることにより、ロボットアームの潜在的な収容のために、テーブル基部内により多くの格納空間を可能にする。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のためのユーザインターフェース、並びにリアルタイム撮像、ナビゲーション、及び追跡情報などの術前及び術中情報のための表示画面（又はタッチスクリーン）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んでもよい。いくつかの実施形態では、タワーはまた、送気のために使用されるガスタンク用のホルダを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、テーブル基部は、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、キャリッジ４８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を基部４９内に収容するために、基部４９内へと垂直方向に並進されてもよい。基部カバー５２は、並進及び後退して、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の周りに配置させるように開き、使用されていないときにそれらを収容して保護するように閉じられてもよい。基部カバー５２は、閉じたときに汚れ及び流体の侵入を防止するために、その開口部の縁部に沿って膜５４で封止されてもよい。
図８は、尿管鏡検査処置のために構成されたロボット対応の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及びテーブル基部４６からオフアングルに位置決めするためのスイベル部分５５を含んでもよい。スイベル部分５５は、スイベル部分５５の底部をカラム３７から離すように位置決めするために、（例えば、患者の頭部の下方に位置する）枢動点を中心に回転又は枢動してもよい。例えば、スイベル部分５５の枢動により、Ｃアーム（図示せず）が、テーブル３８の下のカラム（図示せず）と空間を奪い合うことなく、患者の下部腹部の上方に位置決めされることを可能にする。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、処置中に患者の脚の位置を支持し、患者の鼠径部領域への明確なアクセスを可能にするために、テーブル３８のスイベル部分５５にあぶみ５８もまた固定されてもよい。
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、低侵襲性器具は、患者内の解剖学的構造にアクセスするために使用されるシャフトなどの細長い剛性部材を含む。患者の腹腔の膨張後、器具は、把持、切断、アブレーション、縫合などの外科的又は医療的タスクを行うように指示されてもよい。いくつかの実施形態では、器具は、腹腔鏡などのスコープを含むことができる。図９は、腹腔鏡検査処置のために構成されたロボット対応のテーブルベースのシステムの実施形態を示す。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、垂直方向に調整されて、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。
腹腔鏡処置に対応するために、ロボット対応の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、ピッチ又は傾斜調整を有するロボット対応の医療システムの実施形態を示す。図１０に示されるように、システム３６は、テーブル３８の傾斜に適応して、テーブルの一方の部分を他方の部分より床から離れた距離に位置決めすることができる。加えて、アームマウント４５は、アーム３９がテーブル３８と同じ平面関係を維持するように、傾斜に一致するように回転させてもよい。急角度に適応するために、カラム３７は、テーブル３８が床に接触するか又は基部４６と衝突するのを防ぐためにカラム３７が垂直方向に延在することを可能にする入れ子部分６０も含んでもよい。
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。ピッチ回転機構６１は、カラム３７に対するテーブル３８のピッチ角を多数の自由度で変更するように構成されてもよい。ピッチ回転機構６１は、カラム－テーブルインターフェースでの直交軸１、２の位置決めによって可能にされてもよく、各軸は、電気ピッチ角コマンドに応答して別個のモータ３、４によって作動される。一方のねじ５に沿った回転は、一方の軸１における傾斜調整を可能にし、他方のねじ６に沿った回転は、他方の軸２に沿った傾斜調整を可能にする。いくつかの実施形態では、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更するために、玉継ぎ手が使用されてもよい。
例えば、ピッチ調整は、テーブルをトレンデレンブルグ***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位置は、重力によって患者の内臓を患者の上腹部に向かってスライドさせ、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又は医療処置を行うために、腹腔を空にする。
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持するように構成され得る１つ又は２つ以上の調整可能なアーム支持体１０５（例えば、図１４参照）を含む。示された実施形態では、単一の調整可能なアーム支持体１０５が示されているが、テーブル１０１の反対側に追加のアーム支持体を設けることができる。調整可能なアーム支持体１０５は、テーブル１０１に対して移動して、調整可能なアーム支持体１０５及び／又はそれに装着された任意のロボットアームの位置をテーブル１０１に対して調整及び／又は変更できるように構成され得る。例えば、調整可能なアーム支持体１０５は、テーブル１０１に対して１つ又は２つ以上の自由度で調整することができる。調整可能なアーム支持体１０５は、１つ又は２つ以上の調整可能なアーム支持体１０５及びそれに取り付けられた任意のロボットアームをテーブル１０１の下に容易に収容する能力を含む高い汎用性をシステム１００に提供する。調整可能なアーム支持体１０５は、収容位置から、テーブル１０１の上面の下の位置まで上昇されることができる。他の実施形態では、調整可能なアーム支持体１０５は、収容位置から、テーブル１０１の上面の上方の位置まで上昇されることができる。
調整可能なアーム支持体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の自由度は、ｚ方向における調整可能なアーム支持体１０５の調整（「Ｚリフト」）を可能にする。例えば、調整可能なアーム支持体１０５は、テーブル１０１を支持するカラム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の自由度は、調整可能なアーム支持体１０５が傾斜することを可能にする。例えば、調整可能なアーム支持体１０５は、回転接合部を含むことができ、これにより、調整可能なアーム支持体１０５を、トレンデレンブルグ位置のベッドと位置合わせすることが可能となり得る。第３の自由度は、調整可能なアーム支持体１０５が「上方枢動する」ことを可能にでき、それを使用して、テーブル１０１の側部と調整可能なアーム支持体１０５との間の距離を調整することができる。第４の自由度は、調整可能なアーム支持体１０５がテーブルの長手方向の長さに沿って並進することを可能にする。
図１２及び図１３の外科用ロボットシステム１００は、基部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。基部１０３及びカラム１０２は、支持面に対してテーブル１０１を支持する。床軸１３１及び支持軸１３３は、図１３に示される。
調整可能なアーム支持体１０５は、カラム１０２に装着することができる。他の実施形態では、アーム支持体１０５は、テーブル１０１又は基部１０３に装着することができる。調整可能なアーム支持体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に装着された１つ又は２つ以上のロボットアームは、互いに対して並進及び移動することができる。
キャリッジ１０９は、第１の接合部１１３によってカラム１０２に取り付けられてもよく、それにより、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又は垂直軸１２３を上下するなど）。第１の接合部１１３は、調整可能なアーム支持体１０５に第１の自由度（「Ｚリフト」）を提供することができる。調整可能なアーム支持体１０５は、第２の自由度（傾斜）を調整可能なアーム支持体１０５に提供する第２の接合部１１５を含むことができる。調整可能なアーム支持体１０５は、第３の自由度（「上方枢動」）を調整可能なアーム支持体１０５に提供することができる第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を回転させるときにレール１０７の向きを維持するように第３の接合部１１７を機械的に拘束する、追加の接合部１１９（図１３に示す）を設けることができる。調整可能なアーム支持体１０５は、第４の自由度（並進）を第４の軸１２９に沿って調整可能なアーム支持体１０５に提供することができる第４の接合部１２１を含むことができる。
図１４は、テーブル１０１の両側に装着された２つの調整可能なアーム支持体１０５Ａ、１０５Ｂを有する、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の調整可能なアーム支持体１０５Ｂのバー又はレール１０７Ａに取り付けられる。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部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用器具又は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部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用器具又はツールに取り付けるように構成され得る。
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つ以上は、７以上の自由度を有するアームを含む。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つ以上は、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）、及び基部１４４Ａ、１４４Ｂ（並進を含む１つの自由度）、を含む８自由度を含むことができる。いくつかの実施形態では、挿入自由度は、ロボットアーム１４２Ａ、１４２Ｂによって提供することができるが、他の実施形態では、器具自体は、器具ベースの挿入アーキテクチャを介して挿入を提供する。
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）医療用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用器具と、を含む。この二分は、医療処置において使用される医療用器具を滅菌する必要性と、医療用器具の機械組立が複雑でありかつ電子機器の感受性が高いことから高価な資本設備を適切に滅菌することができないこととによって引き起こされ得る。したがって、医療用器具は、医師又は医師のスタッフによる個々の滅菌又は廃棄のために、器具ドライバ（したがってそのシステム）から取り外される、除去される、及び交換されるように設計することができる。対照的に、器具ドライバは交換又は滅菌される必要がなく、保護のために掛け布をすることができる。
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、駆動シャフト６４を介して医療用器具に制御トルクを提供するため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を備える。各駆動ユニット６３は、器具と相互作用するための個々の駆動シャフト６４と、モータシャフトの回転を所望のトルクに変換するためのギアヘッド６５と、駆動トルクを生成するためのモータ６６と、モータシャフトの速度を測定して制御回路にフィードバックを提供するエンコーダ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、を含む。各駆動ユニット６３は独立して制御され電動化され、器具ドライバ６２は、複数（図１５に示すように４つ）の独立した駆動出力を医療用器具に提供することができる。動作中、制御回路６８は、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速度を所望の速度と比較し、モータ信号を変調して所望のトルクを生成する。
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用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、器具ドライバの駆動シャフトから器具の駆動入力部に角度運動を伝達する一方で、駆動シャフトと駆動入力部との間の物理的分離、したがって無菌性を維持することである。したがって、例示的な滅菌アダプタは、器具ドライバの駆動シャフトと嵌合されることが意図された一連の回転入力部及び出力部と、器具に対する駆動入力部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（カートベースのシステムにおける）カート又は（テーブルベースのシステムにおける）テーブルなどの資本設備を覆うように設計される。ドレープの使用により、滅菌を必要としない領域（すなわち、非滅菌野）に依然として配置されている間に、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。滅菌ドレープの反対側では、医療用器具は、滅菌を必要とする領域（すなわち、滅菌野）において患者とインターフェースしてもよい。
Ｄ．医療用器具。
図１６は、一対の器具ドライバを備えた例示的な医療用器具を示す。ロボットシステムとともに使用するために設計された他の器具と同様に、医療用器具７０は、細長いシャフト７１（又は細長い本体）及び器具基部７２を含む。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」とも称される器具基部７２は、一般に、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通って延びる駆動出力部７４と嵌合するように設計された、回転可能な駆動入力部７３、例えば、レセプタクル、プーリー、又はスプールを含んでもよい。物理的に接続、ラッチ、及び／又は結合されるときに、器具基部７２の嵌合された駆動入力部７３は、器具ドライバ７５における駆動出力部７４と回転軸線を共有して、駆動出力部７４から駆動入力部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、駆動出力部７４は、駆動入力部７３上のレセプタクルと嵌合するように設計されたスプラインを含んでもよい。
細長いシャフト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。細長いシャフト７１は、可撓性（例えば、内視鏡と同様の特性を有する）若しくは剛性（例えば、腹腔鏡と同様の特性を有する）のいずれかであってもよく、又は可撓性部分及び剛性部分の両方のカスタマイズされた組み合わせを含んでもよい。腹腔鏡検査のために設計される場合、剛性の細長いシャフトの遠位端は、少なくとも１つの自由度を有するクレビスから形成された接合されたリストから延在するエンドエフェクタ、及び駆動入力部が器具ドライバ７５の駆動出力部７４から受信したトルクに応答して回転する際に、腱からの力に基づいて作動され得る、例えば、把持具又ははさみなどの外科用ツール又は医療用器具に接続することができる。内視鏡検査のために設計される場合、可撓性の細長いシャフトの遠位端は、器具ドライバ７５の駆動出力部７４から受信したトルクに基づいて関節運動及び屈曲され得る操縦可能又は制御可能な屈曲部を含んでもよい。
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いシャフト７１の下流に伝達される。プルワイヤなどのこれらの個々の腱は、器具ハンドル７２内の個々の駆動入力部７３に個別に固定されてもよい。ハンドル７２から、腱は、細長いシャフト７１に沿って１つ又は２つ以上のプルルーメン（pull lumen）を下って導かれ、細長いシャフト７１の遠位部分、又は細長いシャフトの遠位部分のリストに固定される。腹腔鏡、内視鏡、又はハイブリッド処置などの外科処置中、これらの腱は、リスト、把持具、又ははさみなどの遠位に装着されたエンドエフェクタに結合されてもよい。このような構成の下で、駆動入力部７３に及ぼされるトルクは、腱に張力を伝達し、それによってエンドエフェクタを何らかの方法で作動させる。いくつかの実施形態では、外科処置中に、腱は、関節を軸の周りで回転させることができ、それによってエンドエフェクタを一方向又は別の方向に移動させる。代替的に、腱は、細長いシャフト７１の遠位端で把持具の１つ又は２つ以上のジョーに接続されてもよく、腱からの張力によって把持具が閉鎖される。
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、細長いシャフト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。屈曲部の遠位端に固定的に取り付けられる場合、駆動入力部７３に及ぼされるトルクは、腱の下流に伝達され、より軟質の屈曲部（関節運動可能部又は領域と称されることがある）を屈曲又は関節運動させる。非屈曲部分に沿って、個々の腱を内視鏡シャフトの壁に沿って（又は内側に）向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ことが有利であり得る。これらの間の螺旋及び／又は間隔の角度は、特定の目的のために変更又は設計されてもよく、より狭い螺旋は負荷力下でより小さいシャフト圧縮を呈する一方で、より少ない量の螺旋は負荷力下でより大きいシャフト圧縮をもたらすが、屈曲制限も示す。スペクトルのもう一方の端部では、プルルーメンは、細長いシャフト７１の長手方向軸に平行に方向付けられて、所望の屈曲部又は関節運動可能部における制御された関節運動を可能にしてもよい。
内視鏡検査では、細長いシャフト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。シャフトは、シャフト７１の遠位端における手術領域に対して手術ツール（又は医療用器具）を配置、灌注、及び／又は吸引するための作業チャネルを構成しもよい。シャフト７１は、光学カメラを含んでもよい遠位先端部の光学アセンブリとの間で信号の授受を行うために、ワイヤ及び／又は光ファイバも収容してもよい。シャフト７１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搬送するための光ファイバも収容してもよい。
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。遠位先端部はまた、内部解剖学的空間の画像をキャプチャするために、ファイバスコープ又はデジタルカメラなどのカメラのためのポートを含んでもよい。関連して、遠位先端部はまた、カメラを使用する場合に解剖学的空間を照明するための光源用のポートを含んでもよい。
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、細長いシャフトの軸に直交する。しかしながら、この配置は、細長いシャフト７１のロール能力を複雑にする。駆動入力部７３を静止させながら、細長いシャフト７１をその軸に沿ってロールさせることの結果として、腱が駆動入力部７３から延在出して細長いシャフト７１内のプルルーメンに入るときに、腱の望ましくない絡まりをもたらす。結果として生じるそのような腱のもつれは、内視鏡処置中に可撓性の細長いシャフトの移動を予測することが意図される任意の制御アルゴリズムを妨害することがある。
図１７は、駆動ユニットの軸が器具の細長い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的な設計を示す。示されるように、円形の器具ドライバ８０は、ロボットアーム８２の端部において平行に位置合わせされた駆動出力部８１を有する４つの駆動ユニットを含む。駆動ユニット及びそれらのそれぞれの駆動出力部８１は、アセンブリ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の回転アセンブリ８３内に収容される。回転駆動ユニットによって提供されるトルクに応答して、回転アセンブリ８３は、回転アセンブリ８３を器具ドライバの非回転部分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から回転アセンブリ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、回転アセンブリ８３は、非回転可能部分８４に一体化され、したがって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してもよい。回転機構８３は、器具ドライバ８０が、器具ドライバ軸８５周りの単一ユニットとして、駆動ユニット及びそれらのそれぞれの駆動出力部８１を回転させることを可能にする。
先に開示した実施形態と同様に、器具８６は、細長いシャフト部分８８と、器具ドライバ８０内の駆動出力部８１を受け入れるように構成された複数の駆動入力部８９（レセプタクル、プーリー、及びスプールなど）を含む器具基部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、器具シャフト８８は、器具基部８７の中心から延び、軸は、図１６の設計におけるように直交するのではなく、駆動入力部８９の軸に実質的に平行である。
器具ドライバ８０の回転アセンブリ８３に結合されると、器具基部８７及び器具シャフト８８を含む医療用器具８６は、器具ドライバ軸８５を中心にして回転アセンブリ８３と一緒に回転する。器具シャフト８８は器具基部８７の中心に位置決めされているため、器具シャフト８８は、取り付けられたときに器具ドライバ軸８５と同軸である。したがって、回転アセンブリ８３の回転により、器具シャフト８８は、それ自体の長手方向軸を中心に回転する。更に、器具基部８７が器具シャフト８８とともに回転すると、器具基部８７内の駆動入力部８９に接続されたいずれの腱も、回転中に絡まらない。したがって、駆動出力部８１、駆動入力部８９、及び器具シャフト８８の軸の平行性は、どの制御腱も絡めることなくシャフト回転を可能にする。
図１８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、上述の器具ドライバのうちのいずれかに連結することができる。器具１５０は、細長いシャフト１５２と、シャフト１５２に接続されたエンドエフェクタ１６２と、シャフト１５２に連結されたハンドル１７０と、を含む。細長いシャフト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。細長いシャフト１５２は、その外面に沿った１つ又は２つ以上のチャネル又は溝１５８を含む。溝１５８は、１つ又は２つ以上のワイヤ又はケーブル１８０を内部を通して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、細長いシャフト１５２の外面に沿って延びる。他の実施形態では、ケーブル１８０は、細長いシャフト１５２を通って延びることもできる。１つ又は２つ以上のケーブル１８０の操作（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。
器具基部とも称され得る器具ハンドル１７０は、一般に、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往復嵌合するように設計された１つ又は２つ以上の機械的入力部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を含むことができる。
いくつかの実施形態では、器具１５０は、細長いシャフト１５２がハンドル１７０に対して並進することを可能にする一連のプーリー又はケーブルを含む。換言すれば、器具１５０自体は器具の挿入に適応する器具ベースの挿入アーキテクチャを含み、それによって器具１５０の挿入を提供するためのロボットアームへの依存を最小化する。他の実施形態では、ロボットアームは、器具の挿入に大きく関与することができる。
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、コントローラは、器具と連結（例えば、通信的に、電子的に、電気的に、無線的に、及び／又は機械的に）することができ、それによりコントローラの操作は、例えば、マスタスレーブ制御を介して、器具の対応する操作を引き起こす。
図１９は、コントローラ１８２の実施形態の斜視図である。本実施形態では、コントローラ１８２は、インピーダンス制御及びアドミタンス制御の両方を有することができるハイブリッドコントローラを含む。他の実施形態では、コントローラ１８２は、インピーダンス又は受動的制御だけを利用することができる。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を利用することができる。ハイブリッドコントローラであることにより、コントローラ１８２は、有利には、使用中、より低い知覚慣性を有することができる。
図示される実施形態では、コントローラ１８２は、２つの医療用器具の操作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の各々は、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。
図１９に示されるように、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に連結されたＳＣＡＲＡアーム（選択的コンプライアンスアセンブリロボットアーム）１９８を含む。プリズム接合部１９６は、（例えば、レール１９７に沿って）カラム１９４に沿って並進して、ハンドル１８４の各々がｚ方向に並進され、第１の自由度を提供す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提供するように構成されている。
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）は、ジンバル１８６の各々の本体内に位置決めされる。ロードセルを設けることによって、コントローラ１８２の一部分は、アドミタンス制御下で動作することができ、それによって、使用中にコントローラの知覚慣性を有利に低減する。いくつかの実施形態では、位置決めプラットフォーム１８８はアドミタンス制御用に構成され、一方、ジンバル１８６は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はアドミタンス制御用に構成され、位置決めプラットフォーム１８８は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では、位置決めプラットフォーム１８８の並進又は位置自由度は、アドミタンス制御に依存することができ、一方、ジンバル１８６の回転自由度はインピーダンス制御に依存する。
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。対照的に、本開示によって企図されるロボットシステムは、放射線への医師の曝露を低減し、手術室内の機器の量を低減するために、非放射線ベースのナビゲーション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とき、「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定及び／又は監視することを指すことがある。術前マッピング、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は、放射線を含まない手術環境を達成するために個別に又は組み合わせて使用されてもよい。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その他の場合、術前マッピング、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は、放射線ベースの撮像モダリティによってのみ取得される情報を改善するために、個別に又は組み合わせて使用されてもよい。
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ている１つ又は２つ以上のコンピュータデバイスのセットであってもよい。コンピュータデバイスは、上で考察された１つ又は２つ以上の構成要素内のプロセッサ（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現化されてもよい。例として、限定するものではないが、コンピュータデバイスは、図１に示すタワー３０内、図１～図４に示すカート内、図５～図１４に示すベッド内などにあってもよい。
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を処理して医療用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位置及び／又は向きを表すデータ又は論理であってもよい。基準系は、患者の解剖学的構造、又はＥＭ場生成器（ＥＭ場生成器についての以下の説明を参照）などの既知の対象物に対する基準系とすることができる。
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。術前マッピングは、低用量ＣＴスキャンの収集を利用して達成することができる。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、空間、及び構造のための画像ベースのモデルが生成され得る。中心線形状（center-line geometry）などの手法をＣＴ画像から決定及び近似して、モデルデータ９１（術前ＣＴスキャンのみを使用して生成された場合は「術前モデルデータ」とも称される）と称さ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、米国特許出願第１４／５２３，７６０号で考察されており、その内容はその全体が本明細書に組み込まれる。ネットワーク位相モデルもまた、ＣＴ画像から導出されてもよく、気管支鏡検査に特に適している。
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は、視覚データを処理して、１つ又は２つ以上の視覚ベースの場所追跡を可能にしてもよい。例えば、術前モデルデータは、医療用器具（例えば、内視鏡、又は内視鏡の作業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ために、視覚データ９２とともに使用されてもよい。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経路に基づいて、モデルから、予測される内視鏡画像のライブラリを生成することができ、各画像はモデル内の位置にリンクされる。手術中に、このライブラリは、カメラ（例えば、内視鏡の遠位端でのカメラ）でキャプチャされたリアルタイム画像を画像ライブラリ内のものと比較して、位置特定を支援するために、ロボットシステムによって参照することができる。
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、ひいては内視鏡の動きを判定する。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術前モデルデータ９１内の円形幾何学形状を特定し、どの解剖学的管腔が選択されたか、並びにカメラの相対的な回転及び／又は並進運動を決定するために、それらの幾何学的形状の変化を追跡してもよい。位相マップの使用は、視覚ベースのアルゴリズム又は技術を更に向上させることがある。
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、動き検出、物体セグメンテーション計算、輝度、動き補償符号化、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。
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、医療用器具（例えば、内視鏡器具）内に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を構成するＥＭセンサ（又はトラッカ）は、既知の場所に位置決めされた１つ又は２つ以上の静的ＥＭ場生成器によって生成されるＥＭ場の変動を測定する。ＥＭセンサによって検出された位置情報は、ＥＭデータ９３として記憶される。ＥＭ場発生器（又は送信機）は、埋め込まれたセンサが検出し得る低強度磁場を生成するために、患者に近接して配置することができる。磁場はＥＭセンサのセンサコイル内に小さい電流を誘導し、ＥＭセンサとＥＭ場発生器との間の距離及び角度を判定するためにこの電流が分析され得る。これらの距離及び配向は、患者の解剖学的構造の術前モデル内の位置と座標系内の単一の場所を位置合わせする幾何学的変換を判定するために、患者の解剖学的構造（例えば、術前モデル）に術中「位置合わせ」することができる。一旦登録されると、医療用器具の１つ又は２つ以上の位置（例えば、内視鏡の遠位先端部）に埋め込まれたＥＭトラッカは、患者の解剖学的構造を通る医療用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。
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。関節運動コマンドから生じるデバイスピッチ及びヨーは、術前較正中に判定することができる。術中に、これらの較正測定は、既知の挿入深度情報と組み合わせて使用されて、器具の位置を推定することができる。代替的に、これらの計算は、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用器具の位置を推定し得る。
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は、位置特定モジュール９５が器具の位置及び形状を判定するために使用し得る形状データを提供することができる。
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は、位置特定モジュール９５が入力データ９１～９４の各々から判定された場所に信頼重み（confidence weight）を割り当てる確率的アプローチを使用し得る。したがって、ＥＭデータが信頼でき得ない場合（ＥＭ干渉が存在する場合など）、ＥＭデータ９３によって判定された位置の信頼性を低下させることができ、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により重く依存し得る。
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。
２．リンケージ相互作用感知を使用して手動操作モードを起動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、リンケージ相互作用感知を使用するロボットアームの手動操作のためのシステム、方法、及びデバイスに関する。
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、システムのオペレータは、ロボットアームの一部を押す及び／又は掴んでよい。センサ及び／又はセンサアーキテクチャは、ロボットアームにおける相互作用（例えば、力、接触、変位、トルクなど）を検出する。予め確立された又は予め定義された基準が満たされたという判定に従って、ロボットシステムは、ロボットアームの手動操作（例えば、手動操作モード又はグラブ・アンド・ゴーモード）を起動することができ、それによって、ロボットアームの１つ又は２つ以上の部分又はロボットアーム全体を移動及び／又は再構成させる。
手動操作は、ロボットアームが移動及び／又は再構成される場合があるセットアップ中に望ましい場合がある。手術中、患者又はオペレータに過剰な接触力が生じた場合、手動操作により、ロボットアームを患者及び／又はオペレータから離れるように移動させて、患者及び／又はオペレータにかかる過剰な力を解消することが可能となり得る。
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）を備える。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。
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部２０６を備える。基部２０６は、ロボットシステムが物理的環境において容易に移動可能又は再配置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、基部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。
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行う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７つ以上を含む、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。
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、調整可能なアーム支持体又は調整可能なバー）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部関節によって、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／又は調整可能なアーム支持体２２０の各々は、それぞれの運動学的連鎖とも呼ばれる。
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。
いくつかの実施形態では、調整可能なアーム支持体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／又は向き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）。
いくつかの実施形態では、調整可能なアーム支持体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の基部２０６に対して静止させたまま、並進させることができる。
図２１の例では、調整可能なアーム支持体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、調整可能なアーム支持体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。
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用器具又はツール）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。
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、基部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を備える。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。
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、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。
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を備える。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備え、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上に載置することができる。
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及び調整可能なアーム支持体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。
図２２は、本明細書に開示された実施形態の特定の特徴を説明するために使用される例示的な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。
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。
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。
図２３Ａでは、関節３０４は、ロボットアーム２１０の基部３０６に、又はその近くに位置する第１の関節３０４－１（例えば、基部関節又はＡ０関節）を含む。いくつかの実施形態では、基部関節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、基部関節３０４－１に対して回転し、基部３０６に対してロボットアーム２１０を上昇させる（及び／又は傾ける）。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。
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３０４－６（例えば、手首ピッチ関節又はＡ５関節）を更に備える。
ロボットアーム２１０の近位端は、基部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、医療用器具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。
ロボットアーム２１０はまた、ロボットアーム２１０へのカニューレの存在又は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）に配置される。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）に配置される。
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、アドミタンス方式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。
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。
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、ボタンを１回押すか、又は連続的に押し続けることによって）ロボットアーム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３０４は、Ａ４関節３０４－４とＡ５関節３０４－５との間に配置されている。インピーダンスモードは、インピーダンス方式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。
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、全てではないがほとんどの質量加速に関与する。
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。
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。
医療処置中、ロボットアーム２１０のＡＤＭ ３０８及び／又はそれに結合されたツール２１２の遠隔運動中心（remote center of motion、ＲＣＭ）を静的姿勢／位置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動きが制約される空間内の点を指す場合がある。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。
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ＡＤＭ ３０８及び／又はＲＣＭがそれぞれの姿勢／位置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／又は向きを維持する空間として見ることができる。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１２は、ＡＤＭ ３０８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。
ロボットアーム２１０がＡＤＭ ３０８を空間内の所望の姿勢に移動させるために、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、Ｙ、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ＡＤＭ ３０８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。
更に、図１２に記載されているように、バー２２０（例えば、調整可能なアーム支持体）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。
少なくとも１つの冗長ＤｏＦを有するロボットアーム２１０は、所与のタスクを実行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。
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行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と衝突するか、又は近づく（例えば、その規定された距離内に）とき、システムの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。一対のロボットアームを伴う一実施形態では、ロボットアームのうちの１つの基部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。
Ｃ．センサアーキテクチャ
図２４Ａ～図２４Ｄは、いくつかの実施形態によるロボットアーム２１０のセンサアーキテクチャを示す。
いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、手動操作モードの起動を可能にするために使用されるセンサデータを提供するセンサアーキテクチャを含む。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、１つ又は２つ以上の関節ベースのセンサ（例えば、関節３０４に位置する）を含む。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、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。
いくつかの実施形態において、関節ベースのセンサは、関節センサ４０２（例えば、Ａ０関節センサ）を含む。図２４Ａの例では、Ａ０関節センサ４０２は、ロボットアーム２１０の基部３０６の近くの関節３０４－１（例えば、基部関節又はＡ０関節）上に位置する。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。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、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。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャはまた、６軸ロードセル４０４を備える。６軸ロードセル４０４は、６つの方向の力を測定する能力を有し、これは、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸、並びに各軸の周りの回転を測定することができることを意味する。別の言い方をすれば、６軸ロードセル４０４は、複数の方向の力及びモーメントを感知（例えば、検出及び測定）することができる力及びモーメント（例えば、トルク）センサである。
いくつかの実施形態では、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（例えば、Ａ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間）に位置する。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。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、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、測定）することができる。いくつかの実施形態では、シェルセンサ４０８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する。
いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、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２１０の領域に配置される。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。
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、ＡＤＭ ３０８は、ＡＤＭ ３０８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、測定された力及び／又はモーメントがそれぞれの閾値を超えるという判定に従って、ロボットアーム２１０上で手動操作モードが起動される。更に、手動操作モードへの移行は、ロボットアーム２１０がドッキング解除されたという判定に従ってもよい。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。
図２５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。
いくつかの実施形態では、図２５に示すように、リンク３０２は、剛性シェル５０２と、構造リンク５０４と、構造カバー５０６と、第１の関節５０８（例えば、図２３のＡ２関節３０４－２）と、第２の関節５１０（例えば、図２３のＡ３関節３０４－３）と、一対のリアクションパドル５１２と、シェルカバー５１４（例えば、化粧カバー）とを備える。構造カバー５０６は、構造リンク５０４の構成要素を収容し、第１の関節５０８と第２の関節５１０との間に内部構造接続を形成するために、構造リンク５０４に取り付けられることができる。
いくつかの実施形態では、シェル５０２は、ロボットアーム２１０上の接触（例えば、外部物体による）を検出するために使用される。例えば、シェル５０２は、シェルカバー５１４とともに、構造リンク５０４から吊り下げられかつ構造リンク５０４を取り囲んでいる。シェル５０２とリンク３０２の内部構成要素／部材（例えば、構造リンク５０４及び構造カバー５０６）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。
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５０４とリンク３０２のシェル５０２との間の様々な位置に戦略的に配置される。例えば、シェル５０２は、接触センサ４０８を介して構造リンク５０４上に懸架することができる。
いくつかの実施形態では、接触センサ４０８は、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、外部物体とより多く接触することが知られている領域）に配置されてもよい。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５０２が構造リンク５０４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５０２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５０２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５０２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。
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、ばね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。
本明細書で使用される場合、シェル５０４及びシェルカバー５１４は、集合的に単に「シェル」５０４と称されてもよく、一方、構造リンク５０４及び構造カバー５０６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５０４又は操作可能リンク（例えば、リンク３０２）と称されてもよい。
図２６Ａ及び図２６Ｂは、いくつかの実施形態によるロボットアーム２１０のリンクに沿ったセンサ分布を示す。
図２６Ａ（ｉ）及び（ｉｉ）は、それぞれ、いくつかの実施形態による、リンク６００の一端の例示的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６００は、ロボットアーム２１０の近位リンク（例えば、図２３のリンク３０２－２）に対応する。この例では、リンク６００の一端は、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６００（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６００には合計１４個のセンサ４０８がある。
図２６Ｂ（ｉ）及び（ｉｉ）は、それぞれ、いくつかの実施形態による、リンク６５０の例示的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６５０は、ロボットアーム２１０の遠位リンク（例えば、図２３Ａのリンク３０２－３）に対応する。この例では、１２個の接触センサ４０８がリンク６５０に含まれている。
図２６Ａ及び図２６Ｂでは、センサ４０８は異なる方向に向けられている。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）力及びモーメント値を出力する。したがって、図２６及び図２７に示すように様々な向きに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。
図２６Ａ及び図２６Ｂ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５０４とシェル５０２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５０２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。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５０２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。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、シェル５０２に力が加えられると、特定の接触センサ４０８（例えば、リンク３０２－２又はリンク３０２－３の一端にある）が圧縮され得る。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決定することができる。
いくつかの実施形態では、上述した関節ベースのセンサ（例えば、関節ベースのセンサ４０２）と非関節ベースのセンサ（例えば、６軸ロードセルセンサ４０４と、リンク３０２及び／又は高衝突領域に配置された接触センサ４０８と）との組み合わせは、ロボットアーム２１０上で手動操作（例えば、インピーダンスモード）を起動するための固有のセンサアーキテクチャを提供する。
いくつかの状況では、ユーザは、ロボットアーム２１０を移動させるために（例えば、グラブ・アンド・ゴーモードなどにおいて）、セットアップ中にロボットアーム２１０に力を加えてよい。この状況では、入力ボタン（例えば、図２３のボタン３１２及び／又はボタン３１４）に手を伸ばすのではなく、ユーザは単にロボットアーム２１０に力を加えることができる。ロボットアーム２１０がドッキング解除されているときに、上述のセンサのいずれか又は任意の群が所定の閾値を超える力を測定した場合、プロセッサは、ロボットアーム２１０を手動操作モード（例えば、インピーダンスモード）に設定し、それによって、ロボットアーム２１０の手動操作を可能にする。いくつかの実施形態では、手動操作モードの間、プロセッサは、ロボットアーム２１０の関節運動を監視し続ける（例えば、繰り返し、連続的など）。いくつかの実施形態では、関節速度が所定の期間にわたって所定の閾値未満であるという判定に従って、プロセッサは手動操作モードを終了する。手動操作モードの終了に従って、ロボットアーム２１０は、その現在位置を保持するために位置制御モードに設定される。
代替として、いくつかの実施形態では、力は、外科処置中に患者から生じる可能性がある。この状況では、上述のセンサのいずれか又は任意の群が、所定の閾値を超える力を測定した場合、ロボットアーム２１０は、手動操作モードに変換されることができ、オペレータは、アーム（又はその一部）を接触物体から移動させて、接触力を低減し、それによって、患者の安全性を向上させることができる。
Ｄ．接触センサを使用するリンクとの例示的な相互作用
図２７Ａ－Ｄは、いくつかの実施形態による、ロボットアーム２１０のリンクとの例示的相互作用を図示する。
図２７Ａは、ロボットアーム２１０のリンク３０２－２上の外部物体（例えば、ユーザ）による接触を示す。接触は、リンク３０２－２上の力７０４を含み、領域７０２の周りに局所化されている。例えば、力７０４は、ロボットアーム２１０上のユーザによるグラブ・アンド・ゴー動作から生じる力を表し得る。
いくつかの実施形態では、図２５及び図２６で説明したように、リンク３０２－２は、リンク３０２－２の長さに沿って分布した接触センサ４０８を含む。いくつかの実施形態では、リンク３０２－２は、近位リンクに対応し、図２６Ａに示す例に従って、リンク３０２－２内に分布した複数（例えば、１４個）の接触センサ４０８を含む。
いくつかの実施形態では、リンク３０２－２内のセンサ４０８の各々は、力センサを含む。図２５で説明したように、シェル５０２が構造リンク５０４を取り囲み、センサ４０８がシェル５０２と構造リンク５０４との間に配置されているので、センサ４０８は、センサが外部物体と直接接触していなくても、外部物体によってシェル５０２に加えられる力を検出することができる。いくつかの実施形態では、センサ４０８の各々は、図２７Ｂに示されるように、それぞれの力測定値を測定及び出力する。いくつかの実施形態では、ロボットシステム２００は（例えば、１つ又は２つ以上のプロセッサを介して）、力分布に従って、手動操作モードをトリガするかどうかを判定する。
いくつかの実施形態では、リンク３０２－２内のセンサ４０８の各々は、モーメントセンサを含む。モーメントセンサの各々（接触点の真上又は真下に位置するセンサを除く）は、図２７Ｃに示すように、それぞれのモーメント測定値を測定して出力する。
いくつかの実施形態では、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、センサ４０８の少なくともサブセットの力及び／又はモーメント測定値を組み合わせて、組み合わされた力出力及び／又は組み合わされたモーメント出力を生成してもよい。図２７Ｄは、リンク３０２－２の例示的な力及びモーメント図であり、リンク３０２－２の各端部におけるセンサ４０８の力及びモーメント測定値が組み合わされている。この例では、リンク３０２－２の端部７０６の近くに位置するセンサ４０８（例えば、センサ４０８－１～４０８－７）からの力測定値が組み合わされて、組み合わされた力Ｆｘ＿Ａ、Ｆｙ＿Ａ、及びＦｚ＿Ａが生成される。モーメント測定値は組み合わされて、組み合わされたモーメントＭｘ＿Ａ、Ｍｙ＿Ａ、及びＭｚ＿Ａを生成する。リンク３０２－２の端部７０８の近くに位置するセンサ４０８（例えば、センサ４０８－８～４０８－１４）からの力測定値が組み合わされて、組み合わされた力Ｆｘ＿Ｂ、Ｆｙ＿Ｂ、及びＦｚ＿Ｂが生成される。モーメント測定値は組み合わされて、組み合わされたモーメントＭｘ＿Ｂ、Ｍｙ＿Ｂ、及びＭｚ＿Ｂを生成する。
いくつかの実施形態では、同様の分析が、センサ４０８を含むロボットアーム２１０の遠位リンク（例えば、リンク３０２－３）に適用される。いくつかの事例では、遠位リンクは、図２６Ｂに示される実施例によるリンク３０２－３内に分散された複数（例えば、１２個）の接触センサ４０８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２１０は、ロボットアーム２１０の複数のリンク上に接触センサを含む（例えば、ロボットアーム２１０は、リンク３０２－２及びリンク３０２－３上に接触センサ４０８を含む）。この場合、ロボットシステム２００は、複数のリンク上に配置された様々なセンサからのセンサデータを使用して、ロボットアーム２１０を手動操作モードに移行させるかどうかを判定することができる。
Ｅ．１つ又は２つ以上のロボットアームにおいて手動操作を起動する例示的な方法及びシステム
図２８Ａ及び図２８Ｂは、いくつかの実施形態による、ロボットアームの手動操作を起動するための方法８００のフローチャート図である。
いくつかの実施形態では、方法８００は、ロボットシステムのメモリ内に記憶された命令に従って、ロボットシステム（例えば、図２１及び図２２に図示されたようなロボットシステム２００、又は別のロボット医療システムなど）の１つ又は２つ以上のプロセッサによって行われる。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、患者に医療処置を実行するためのロボット医療システム又はロボット手術プラットフォームである。
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（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード、速度制御モード、及び１つ又は２つ以上の手動操作モードなどで動作され得る別のタイプのロボットアーム）を備える。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットシステムの２つ又は３つ以上のロボットアームのうちの第１のロボットアーム（例えば、図２２に図示されたようなロボットアーム２１０－１、２１０－２、２１０－３などのうちの第１のロボットアーム２１０－１）であってもよい。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単一のロボットアームであってもよい。
いくつかの実施形態では、ロボットシステムはまた、センサアーキテクチャ（例えば、図２４、図２５、及び図２６を参照して説明されたようなロボットアームのセンサアーキテクチャ、及び任意選択で、ロボットシステム上及び／又はロボットシステムの周囲の種々の位置に分散された追加のセンサ）を備える。センサアーキテクチャは、ロボットアームに及ぼされる第１の力を検出するように位置決めされた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に関する更なる詳細は、以下で、図２４～図２７に関して説明される。
図２８Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、方法８００は、センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定すること（８０２）を含む。いくつかの実施形態では、第１の力（例えば、ロボットアームに及ぼされ、センサアーキテクチャによって検出された力）が第１の閾値力を超えるという判定に従って、第１の基準が満たされる（８０４）。いくつかの実施形態では、方法８００は、第１の力が第１の閾値力を超えるという判定を含む、第１の基準が満たされるという判定に従って、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させること（８０６）を更に含む。
いくつかの実施形態では、第１の基準は、センサアーキテクチャから受信された様々なタイプのセンサデータに基づいて、ロボットシステム２００を手動操作モードに切り替えるかどうかを判定するための基準を含む。任意選択的に、いくつかの実施形態では、センサデータは、ロボットアームの状態に関する他の要件、及び／又は他の安全及び動作条件と組み合わせて使用されてもよく、これらは、第１の基準が満たされているかどうかを判定するために集合的に使用される。
いくつかの実施形態では、第１の基準は、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、若しくは位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードなどで動作され得る別のタイプのロボットアーム）がドッキング解除構成にあるという要件を含む。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットアームの遠位端がカニューレに固定されていないとき、ドッキング解除構成にあるとみなされる。いくつかの実施形態では、手術前のセットアップ段階中に、オペレータは、インピーダンスモードを起動して、ドッキング解除されたロボットアームを所望の位置又は構成にセットアップし、かつ／又はドッキング解除されたロボットアームを邪魔にならないところに移動させて、他のロボットアーム又はロボットシステムの近くの人々（例えば、患者、医療従事者など）のための空間を作り出すことができる。いくつかの実施形態では、手術中に、ロボットシステムの１つ又は２つ以上のアームがドッキングされてもよく、オペレータは、ドッキング解除されたアームを邪魔にならないところに移動させて、医療関係者のための空間を作ってもよい。いくつかの実施形態では、患者支持プラットフォーム２０２の構成が手術中に変更されるとき、オペレータは、ロボットシステムの変更された構成に適応するようにドッキング解除されたアームの位置を調整してもよい。いくつかの実施形態では、ドッキング解除されたロボットアームは、手術中に患者にぶつかって（例えば、接触して）患者に力を及ぼす場合があり、ドッキング解除されたロボットアームを患者から離す方がより安全である。上記のシナリオのいずれにおいても、センサアーキテクチャから受信されたセンサデータに従って手動操作モードに移行することは、ロボットシステムに対して固定位置に位置する専用制御デバイス又はインターフェースを起動することとは対照的に、上記のタスクをオペレータによってより容易に実行させ、患者にとってより安全する。
いくつかの実施形態では、第１の閾値力は、ある範囲の値（例えば、３０ニュートン～７０ニュートン）から選択された予め設定された値（例えば、３０ニュートン、５０ニュートン、６５ニュートンなど）である。いくつかの実施形態では、第１の閾値力は、オペレータによって設定された及び／又はオペレータによって設定可能な力閾値である。いくつかの実施形態では、第１の基準は、第１の力が第１の閾値力を超えることを必要とせずに満たされる他の条件に従って満たされる。例えば、第１の基準は、第１の力が第１の閾値力を超えることを必要とすることなく、ロボットアームに及ぼされる第１のモーメントが閾値モーメントを超えるという判定に従って、又はユーザとロボットアームの１つ又は２つ以上のリンクとの間の接触面積が閾値接触面積を超えるという判定に従って満たされる。
いくつかの実施形態では、位置制御モードにおいて、ロボットアームの位置は、ロボットシステムの予め選択された部分（例えば、調整可能なアーム支持体２２０、患者支持プラットフォーム２０２、又はロボットシステム２００の基部２０６など）に対して固定されている。
いくつかの実施形態では、手動操作モードは、インピーダンスモード又はアドミタンスモードなどの、非動力補助手動操作モード又は動力補助手動操作モードを含んでもよい。手動操作モードはまた、いくつかの実施形態によると、ロボットアームの１つ又は２つ以上の部分を手動で押す、引く、及び／又はひねることによってロボットアームが移動及び／又は再構成させられることができるモードを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、方法８００は、第１の力が第１の閾値力を超えないという判定を含む、第１の基準が満たされないという判定に従って、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることを見送ることと、ロボットアームを位置制御モードに維持することと、を更に含み得る。
いくつかの実施形態では、手動操作モードはインピーダンスモードを含む。いくつかの実施形態では、インピーダンスモード（例えば、インピーダンス制御）下で、ロボットシステム２００は、変位（例えば、（例えば、ロボットアーム又はその一部の）位置及び速度の変化）を測定し、ロボットアーム２１０の移動を制御するための力を出力する。いくつかの実施形態では、インピーダンス制御下で、ロボットアーム２１０の一部のオペレータの手動移動は、１つ又は２つ以上のプロセッサに、ロボットアーム２１０の他の部分の移動を駆動させてもよい。
いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０が位置制御モードからインピーダンスモードに移行すると、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアーム２１０の固定位置を維持することを停止し、オペレータによってロボットアーム２１０に及ぼされる力及びモーメントによってロボットアーム２１０を移動させ、オペレータの力及びモーメントに対抗するためにロボットアームの移動に従って力を出力させ、かつ／又はオペレータが直接触れないロボットアームの他の部分の移動を駆動してよい。
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、ロボットアームとの衝突を回避するために、１つ又は２つ以上の他のロボットアームの自動移動を引き起こしてもよい。
いくつかの実施形態では、手動操作モードは、アドミタンスモード（例えば、アドミタンス制御）を含む。いくつかの実施形態では、アドミタンスモード下で、ロボットシステムは、オペレータによってロボットアームに付与される力及び／又はトルクを測定し、ロボットアームの移動を駆動するための対応する速度及び／又は位置を出力する。
いくつかの実施形態では、ロボットアームが位置制御モードからアドミタンスモードに移行すると、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームの固定位置を維持することを停止し、オペレータによってロボットアームに及ぼされる力及びモーメントに従ってロボットアームを移動させ、かつ／又はオペレータによって直接触れられないロボットアームの他の部分の移動を駆動してよい。いくつかの実施形態では、ロボットアームが位置制御モードからアドミタンスモードに移行すると、１つ又は２つ以上のプロセッサは、ロボットアームとの衝突を回避するために、１つ又は２つ以上の他のアームの自動移動を引き起こし得る。
再び図２８Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードにおいて動作され得る別のタイプのロボットアームなど）に及ぼされる第２の力を検出するように位置決めされた、１つ又は２つ以上の関節ベースのセンサを更に含む（８０８）。例えば、関節ベースのセンサは、いくつかの実施形態によれば、ロボットアームの近位端（例えば、Ａ０関節センサ４０２などのロボットアームの基部の近く）に位置することができる。関節ベースのセンサはまた、いくつかの実施形態によれば、２つの隣接するリンク間の関節上に位置することができる（例えば、２つの隣接するリンク３０２－２と３０２－３との間のＡ３関節３０４－４におけるセンサ）。いくつかの実施形態では、第１の基準は、非関節ベースのセンサによって検出された第１の力及び関節ベースのセンサによって検出された第２の力が、第１の力及び第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定に従って満たされる（８１０）。いくつかの実施形態では、第１の基準が満たされるという判定に従ってロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることは、第１の力及び第２の力が第１の力及び第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定を含む、第１の基準が満たされるという判定に従って、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させること（８１２）を含む。
いくつかの実施形態では、図２８Ｂに記載されているように、方法８００は、手動操作モード中に、オペレータによるロボットアームの物理的操作に従ってロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）の移動を支援するための出力を生成すること（８１４）を更に含む。例えば、いくつかの実施形態では、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、制御信号の形態で出力を生成して、アクチュエータ、モータ、及び／又はギアの力（例えば、制御された大きさ及び／又は方向を有する力）及び／又は移動（例えば、制御された距離、速度、及び／又は方向を有する移動）の出力を制御して、ロボットアームの物理的操作でオペレータを支援してもよい。
図２８Ｂで更に説明されるように、方法８００は、手動操作モード中にロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）の移動を監視すること（８１６）を更に含む。例えば、プロセッサは、関節及び／又はロボットアーム全体の移動をチェックすることを含めて、手動操作モード中にロボットアームの移動を連続的に監視又は周期的にチェックしてもよい。いくつかの実施形態では、プロセッサは、手動操作モード中にロボットアームの移動を監視するために、センサアーキテクチャの位置及び変位センサから受信されるセンサデータに依存する。
いくつかの実施形態では、図２８Ｂに記載されるように、方法８００は、手動操作モード中のロボットアームの移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、移動が満たすという判定に従って、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作し得る別のタイプのロボットアームなど）を手動操作モードから位置制御モードに移行させることを更に含む（８１８）。
いくつかの実施形態では、第２の基準は、センサアーキテクチャから受信された移動データに基づいて位置制御モードに戻るように切り替えるかどうかを決定するための基準を含む。任意選択的に、いくつかの実施形態では、移動データは、第２の基準が満たされているかどうかを判定するために、ロボットアームの状態に関する他の要件、並びに／又は他の安全及び動作条件と組み合わせて使用される。
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、移動が閾値時間量の間に閾値移動量未満であるとき、及び／又は閾値時間量の間に移動が検出されないとき、手動操作モードの移動が閾値移動レベル未満であると判定する。
いくつかの実施形態では、ロボットアームを手動操作モードから位置制御モードに移行させることは、手動操作モードを停止することを含む。例えば、いくつかの実施形態では、プロセッサが、関節及び／又はロボットアーム２１０の速度が所定の期間にわたって所定の閾値未満であることを検出すると、ロボットコントローラはインピーダンスモードを終了する。これは、ロボットアーム２１０を位置制御モードに戻し、その現在位置を保持する。
図２８Ｂを続けて参照すると、いくつかの実施形態では、ロボットシステム（例えば、ロボットシステム２００、若しくは別のロボット医療システム又はロボット手術プラットフォームなど）は、入力インターフェースを更に備える（８２０）。方法８００は、予め設定された入力による入力インターフェースの起動を検出すること（８２２）を含む。方法８００は、予め設定された入力による入力インターフェースの起動に従って、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）を位置制御モードから手動操作モードに移行させること（８２４）を更に含む。
いくつかの実施形態では、入力インターフェースは、押しボタン、タッチセンサ式ディスプレイ、ディスプレイ付きタッチパッド、レバー、又はスイッチを含むことができる。予め設定された入力は、入力インターフェース上での押圧入力、フリック、又はタップを含むことができる。
いくつかの実施形態では、入力インターフェースを起動することができる場所は、比較的小さく、ロボットシステムの一部に対して固定されており（例えば、ロボットアームの遠位端に固定されている、患者支持プラットフォームの縁部上の小さな領域に固定されている、患者支持プラットフォームの頭部に取り付けられたペンダント制御部上に固定されているなど）、これにより、オペレータがロボットシステムの近くの異なる領域に位置するとき、オペレータのアームの届く範囲内にはない場合がある。
いくつかの実施形態では、手動操作モードへの移行を引き起こすように入力インターフェースを起動するために、単一のタイプの入力のみを使用することができる。これは、手動操作モードのセンサベースの起動がどのように働くことができるかとは対照的である。例えば、様々な実施形態によれば、センサは、ロボットアームに沿った関節及びリンク全体にわたって実行可能な入力領域を提供するので、ユーザは、ロボットアームの特定の固定部分に手を伸ばす必要がない。更に、いくつかの実施形態では、関節ベースのセンサ及び非関節ベースのセンサからのセンサデータは組み合わせて分析され、これにより、ロボットアーム２１０とのオペレータの相互作用を判定し、全体として評価され、手動操作モードを起動するための基準が満たされるかどうかを判定する。このようにして、オペレータは、押しボタン、スイッチ、又はタッチスクリーンのためのもののような厳しい不変の要件を有する単一のタイプの入力を提供する必要がない。
いくつかの実施形態では、ユーザは、自身の現在の位置及び快適さに基づいて、手動操作モードを起動するために、異なる種類の手姿勢、腕構成、異なる身体部分、及び／又は力及びトルクの異なる組み合わせを適応的に使用することができる。例えば、オペレータは、ロボットアームとオペレータとの間の現在の空間的関係に応じて手動操作モードを起動するために、ロボットアームの２つのリンクを互いに向かって屈曲させ、ロボットアームの遠位端をねじり、ロボットアームを調整可能なアーム支持体に対して下方に押し付け、リンクを押し付け、リンクを引っ張り、１つのリンクを把持し、肩などを使用して別のリンク又は関節を押し付けてもよい。プロセッサは、上記の方法のいずれが使用されるかに関係なく、予め設定された基準がセンサデータによって満たされるかどうかに基づいて、手動操作モードを起動するように反応する。更に、患者が十分な力でロボットアームの任意の部分に寄りかかるか又はぶつかるとき、プロセッサは、手動操作モードを起動し、ロボットアームを邪魔にならないように移動させて（例えば、医療従事者がプッシュボタンを押すこと、若しくは患者又はロボットアームを邪魔にならないように移動させることなどを必要とするのとは対照的に）、患者の安全性を改善する。
前述のように、方法８００は、いくつかの実施形態による、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）と、センサアーキテクチャとを備える、ロボットシステムによって行われることができる。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、センサアーキテクチャ（例えば、図２４、図２５、及び図２６に関して説明されるセンサアーキテクチャ）を備える。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、力センサ、接触センサ、圧力センサ、モーメントセンサ、変位センサ（例えば、角度及び／又は並進変位センサ）、及び／又は位置センサなどの１つ又は２つ以上のタイプのセンサを含む。センサは、ロボットアーム又はその一部が受ける接触、モーメント、力、及び／又は変位を検出し、任意選択で測定するように位置決めされている。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、ロボットアームと一体化された（例えば、ロボットアームに固定された、ロボットアーム内に含まれた、ロボットアームの表面上の、ロボットアームに取り付けられた、ロボットアームの表面下に埋め込まれた、ロボットアームの部分間（例えば、隣接するリンク間、隣接する関節間、表面カバーと構造リンクとの間など）に設置された、ロボットアームの端部に設置された、ロボットアームのリンク（例えば、リンク３０２）の上若しくは内部の、及び／又はロボットアームの関節（例えば、関節３０４）の上若しくは内部のセンサを含む。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、センサから１つ又は２つ以上のプロセッサにセンサデータを通信するための他の構成要素を含むことができる。センサデータは、力、接触、モーメント、変位、移動、及び／又は位置などのセンサパラメータを含むことができる。センサパラメータは、感知されたパラメータの場所、感知されたパラメータの大きさ、感知されたパラメータのタイミング及び／又は持続時間などの値も含むことができる。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサ（例えば、図２３及び図２４に図示されるように、ロボットアームのリンク上又はリンク内、２つの隣接する関節の間、に配置された非関節のベースセンサ）を含む。本開示のいくつかの実施形態によると、非関節センサは、ロボットアームに及ぼされる第１の力を検出するように位置決めすることができる。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサは、ロボットアームのリンク上又はリンク内、２つの隣接する関節の間に位置することができる。例えば、図２３及び図２４を参照すると、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサは、Ａ２関節３０４－３とＡ３関節３０４－４との間のリンク３０２－２内、及び／又はＡ３関節３０４－４とＡ４関節３０４－５との間のリンク３０２－３内、及び／又はＡ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間のリンク３０２－４内に位置することができる。
いくつかの実施形態では、非関節ベースのセンサは、それらの間にリンクを有しない２つの隣接する関節の間に位置することができる。例えば、図２４Ａにおいて、６軸ロードセル４０４は、関節の間にリンク３０２－４が存在することなくＡ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間に直接位置することができる。
いくつかの実施形態では、非関節ベースのセンサはまた、図２３のＡ５関節３０４－６とエンドエフェクタ３０８との間など、ロボットアームの関節と隣接するエンドエフェクタとの間に位置することができる。非関節ベースのセンサは、ロボットアームの関節ではないロボットアームの部分に位置することもできる。
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。いくつかの実施形態では、ロボットアームに及ぼされる第１の力は、重力以外の力である。第１の力は、図２７の例に示されるように、物理的環境内のロボットアームと人との間の接触から生じる力を含んでもよい。例えば、第１の力は、ロボットアームの表面、リンク、関節、及び／又はエンドエフェクタに及ぼされてもよい。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャはまた、ロボットアーム又はその一部（例えば、リンク、関節、エンドエフェクタなど）の位置及び移動（例えば、回転及び／又は並進）を測定する、１つ又は２つ以上の非関節ベースの位置センサ及び移動センサを含む。
いくつかの実施形態によれば、手動操作モードをトリガするために非関節ベースのセンサ（例えば、ロボットアームのリンク上に位置するセンサ）からのセンサデータを使用する利点は、非関節ベースのセンサがロボットアームのリンク上の力及び／又はモーメントを直接検出することである。したがって、力及び／又はモーメントを検出するために、力及び／又はモーメントを関節に、及び／又は特定の方向に加える必要はない。したがって、非関節ベースのセンサは、オペレータがロボットアームとの直接相互作用によって手動操作モードを起動するための利用可能な機会及び方法を大幅に拡張する。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサは、組み合わされた力及びモーメントセンサを含む。例えば、組み合わされた力及びモーメントセンサは、６軸ロードセル（例えば、図２４Ａの６軸ロードセル４０４）、及び／又はシェルセンサ（例えば、接触センサ４０８）のアレイを備えてもよい。
いくつかの実施形態では、組み合わされた力及びモーメントセンサは、６つの方向全ての力及びモーメント（例えば、Ｘ、Ｙ、及びＺ方向の力、並びにＸ、Ｙ、及びＺ方向のモーメント又はトルク（例えば、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸を中心とする回転力））を測定する能力を有する６軸ロードセルを含む。
いくつかの実施形態では、組み合わされた力及びモーメントセンサは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のサブセットにおいて力を測定し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の同じサブセットにおいてモーメント又はトルクを測定することができる。いくつかの実施形態では、組み合わされた力及びモーメントセンサは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の１つのサブセットにおいて力を測定し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の異なるサブセットにおいてモーメント又はトルクを測定することができる。いくつかの実施形態では、組み合わされた力及びモーメントセンサは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の全てにおいて力を測定し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のサブセットにおいて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、組み合わされた力及びモーメントセンサは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のサブセットにおいて力を測定し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の全てにおいて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、１つ又は２つ以上の非関節センサは、少なくとも、ロボットアームの一対の関節の間に位置する第１のセンサを含む。いくつかの実施形態では、第１のセンサは、一対の関節の間のリンク（例えば、関節３０４－３と３０４－４との間のリンク３０２－２）上に、又はリンクなしで２つの隣接する関節の間に直接位置する。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節センサは、少なくとも、ロボットアームの遠位部分に位置する第１のセンサを含む。
例えば、１つ又は２つ以上の非関節センサは、Ａ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間で、ロボットアーム２１０の遠位部分に位置するセンサ４０４（例えば、６軸ロードセル）を含む。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０の遠位部分は、関節（例えば、Ａ６関節３０４－５）及びエンドエフェクタ（例えば、ＡＤＭ ３０８）を含む。
いくつかの実施形態では、ロボットシステム（例えば、ロボットシステム２００、若しくは別のロボット医療システム又はロボット手術プラットフォームなど）は、第１のセンサがツールドライバによって及ぼされる力を検出するように、第１のセンサ上に搭載されるツールドライバを更に備える。
いくつかの実施形態では、ツールドライバは、図２３Ａに図示されるように、高度デバイスマニピュレータ（ＡＤＭ）３０８を備える。ツールドライバによって及ぼされる力は、患者の体内に挿入されたツールによって引き起こされる力を含むことができる。力はまた、オペレータによってツールドライバ自体に及ぼされる力を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１のセンサは、ロボットアームの遠位端部分に位置する２つの隣接する関節の間に設置される組み合わされた力及びモーメントセンサであり、第１のセンサ（例えば、６軸ロードセル４０４、又は他のタイプの組み合わされた力及びモーメントセンサ）は、ツールドライバとロボットアームの遠位端との間の相互作用力が検出及び測定されることを可能にする。
図２３Ａに図示されるように、ロボットアーム２１０は、カニューレの存在を検出するためのカニューレセンサ３１０を含み、これは、ロボットアーム２１０のドッキング状態を判定する。ロボットアーム２１０は、ロボットアーム２１０がドッキング解除状態にあるときのみ、手動操作モードに（例えば、プロセッサを介して）移行させられてよい。ロボットアーム２１０がドッキング状態にあるとき、ツールドライバによって及ぼされる力は、ロボットアームがドッキングされていないときに力が手動操作モードに移行するための予め設定された閾値を超えても、プロセッサを手動操作モードに移行させない。
いくつかの例では、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサは、６軸ロードセル（例えば、６軸ロードセル４０４）を備える。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサは、ロボットアームの１つ又は２つ以上のリンク上に位置する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。接触センサは、別の物体又は表面との接触を検出及び測定するセンサを含む。いくつかの実施形態では、接触センサは、センサと物体／表面との間の接触力が接触検出力閾値を超えるという判定に従って、又はセンサと別の物体若しくは表面との間の距離が接触検出閾値距離未満であるという判定に従って、又はセンサと別の物体若しくは表面との間の接触面積が閾値接触面積を超えるという判定に従って、接触を検出及び測定する。
いくつかの実施形態では、接触センサは、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上の位置（例えば、領域）（例えば、図２４Ｃに示すような領域４１０、図２４Ｄに示すような領域４１２など）に位置する。いくつかの状況において、力は、外科処置中に患者から生じる可能性がある。この状況では、接触センサ（又は本出願で説明される任意の他のセンサ）が所定の閾値を超える力を測定する場合、ロボットアーム２１０を手動操作モードに移行させることができ、それによって、接触源から離反させることができる。これは、有利には患者の安全性を向上させる。
いくつかの実施形態では、接触センサは、オペレータがロボットアーム２１０を保持している形式を検出する。例えば、手動操作モードは、任意選択的に、オペレータが特定の方法でロボットアームを保持している（例えば、２つのリンクを同時に保持している、リンクを両手で保持している、リンクの長手方向軸の周りでリンクをねじっている間に１つのリンクを両手で保持している、リンクの長手方向にリンクを引っ張っている間に１つ又は２つのリンクを保持している、第１の遠位リンクを掴んで引っ張る、第１の近位リンクを掴んで押す、近位リンクを掴んで基部関節に押し付けるなど）ことの検出に応答してトリガされる。いくつかの実施形態では、オペレータがアームを保持し、かつロボットアームにロボットアームの所望の移動の自然な前駆体である力を及ぼす様々な方法は、任意選択的に、満たされたときにプロセッサを操作モードに移行させる異なる基準（例えば、閾値及び条件）に分類され、抽象化され得る。
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に及ぼされる力及びモーメントを検出することができる。
いくつかの実施形態では、接触センサは、複数の方向の力及びモーメントを感知することができる。いくつかの実施形態では、接触センサは、図２５に示すように、ロボットアームのリンクの外面に取り付けられた複数の接触力センサのアレイを含む。いくつかの実施形態では、接触センサは、接触力センサが設置されるロボットアームリンクの外側の周囲に懸架された「シェル」を有し、シェルは、接触力センサと係合し、ロボットアームリンクの表面に及ぼされる力が検出及び測定されることを可能にする。このことは図２５に示されている。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０は、ロボットアームの複数のリンク上に接触センサを含む。例えば、ロボットアーム２１０は、ロボットアーム２１０のリンク３０２－２及びリンク３０２－３上に接触センサ４０８を含む。
いくつかの実施形態では、ロボットアームのそれぞれのリンク上の接触センサは、リンクの表面上の拡張された領域にわたって分散されている。いくつかの実施形態では、オペレータが片方又は両方の手でそれぞれのリンクを握ると、拡張された領域の複数の部分（例えば、複数の分離した部分）に位置する接触センサが起動されてもよく、起動された部分の位置及び／又はセンサデータは、オペレータがリンクをどのように保持しているか、及び／又はリンクを移動させようとしているかを判定するために、任意選択的に使用される。いくつかの実施形態では、オペレータが複数のリンクを（例えば、手、腕、胴、脚などで）同時に握るか又は押すと、複数のリンクに位置する接触センサが起動されてもよく、リンク上の起動された領域の位置及び／又はセンサデータを任意選択的に使用して、オペレータがリンクをどのように保持しているか、及び／又はリンクを移動させようとしているかを判定する。いくつかの実施形態では、リンク上の接触センサを通して取得される力及び／又はモーメントデータは、関節ベースのセンサからのセンサデータを要求することなく、位置制御モードから手動操作モードに移行するかどうかを判定するために、１つ又は２つ以上のプロセッサによって使用される。
いくつかの実施形態では、リンク上の接触センサを通して取得される力及び／又はモーメントデータは、関節ベースのセンサからのセンサデータと組み合わせて、位置制御モードから手動操作モードに移行するかどうかを判定するために、１つ又は２つ以上のプロセッサによって使用される。いくつかの実施形態では、接触センサは、オペレータが、手動操作モードを起動するためにロボットシステムに対して固定位置に位置する専用の制御インターフェース（例えば、ロボットアームの遠位端に位置する押しボタン又はドーナツボタン）に容易に到達する位置にないときに、手動操作モードを起動するための追加の手段を提供する。
いくつかの実施形態では、接触センサからのセンサデータは、任意選択的に、ロボットアームの他のタイプの自動移動を制御する（例えば、衝突を回避する、衝撃を解決する、物理的環境内の高確率衝突ゾーンをマッピングするなど）ための情報を提供するために使用される。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、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（例えば、Ａ０関節センサ４０２などのロボットアームの基部の近く）に位置することができる。関節ベースのセンサはまた、２つの隣接するリンク間の関節上に位置することができる（例えば、２つの隣接するリンク３０２－２と３０２－３との間のＡ３関節３０４－４におけるセンサ）。
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である。いくつかの実施形態では、関節ベースのセンサは、組み合わされた力及び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つ以上の関節ベースのセンサを通して取得される力及び／又はモーメントデータは、非関節ベースのセンサからのセンサデータを要求することなく、位置制御モードから手動操作モードに移行するかどうかを判定するために、１つ又は２つ以上のプロセッサによって使用される。例えば、第１の基準は、第２の力が第２の閾値力を超える限り、第１の力が第１の閾値力を超えることを必要とせずに満たされることができる。いくつかの実施形態では、関節ベースのセンサを通して取得される力及び／又はモーメントデータは、非関節ベースのセンサからのセンサデータと組み合わせて、位置制御モードから手動操作モードに移行するかどうかを判定するために、１つ又は２つ以上のプロセッサによって使用される（例えば、第１の基準は、第１の力及び第２の力がともに、第１の力及び第２の力に対する要件のいくつかの予め設定された組み合わせを満たす限り、第１の力が第１の閾値力を超えることを要求することなく、満たされることができる）。
いくつかの実施形態では、関節ベース及び／又は非関節ベースのセンサは、セットアップ中に（例えば、グラブ・アンド・ゴーモードなどにおいて）ロボットアーム２１０を移動させようとするオペレータから生じ得る力を感知する。この状況では、オペレータは、入力ボタンに手を伸ばすのではなく、単にロボットアームの様々な部分に力又はモーメントを加えるか、又は１つ又は２つ以上の適切な方法でロボットアームを保持することができる。ロボットアームがドッキング解除されているときに、上述のセンサのうちのいずれか１つ又は任意の組み合わせが、第１の基準を満たす力又は力の組み合わせを測定する場合、プロセッサは、ロボットアーム２１０を手動操作モードに設定し、それによって、ロボットアーム２１０の手動操作を可能にする。いくつかの実施形態では、手動操作モード中、ロボットアーム２１０の１つ又は２つ以上の関節は、物理的環境に対して手動で移動（例えば、平行移動、回転など）され（例えば、構成を変更する）、及び／又はロボットアーム２１０全体は、物理的環境内で手動で移動される。例えば、ロボットアーム２１０の構成を変更して又は変更せずに、ロボットアーム２１０全体が手動で並進又は回転させられる。
いくつかの実施形態では、ロボットシステム２００は、１つ又は２つ以上の追加のロボットアームを更に含む。ロボットシステム２００は、第１のロボットアーム及び／又は追加のロボットアームのインピーダンス制御を遠隔で起動する入力インターフェースを更に含む。
図２９は、いくつかの実施形態による、ロボットアームの手動操作を起動させるための方法９００のフローチャート図を示す。いくつかの実施形態では、方法９００は、ロボットシステムのメモリ内に記憶された命令に従って、ロボットシステム（例えば、図２１及び図２２に図示されたようなロボットシステム２００、又は別のロボットシステム又はロボット手術プラットフォームなど）の１つ又は２つ以上のプロセッサによって行われる。いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、患者に医療処置を実行するためのロボット医療システム又はロボット手術プラットフォームであってよい。
ロボットシステムは、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）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３つ以上のロボットアームのうちの第１のロボットアーム（例えば、図２２に図示されたようなロボットアーム２１０－１、２１０－２、２１０－３などのうちの第１のロボットアーム２１０－１）であってもよい。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単一のロボットアームであってもよい。
ロボットシステムは、センサアーキテクチャ（例えば、図２４、図２５、及び図２６に説明されるようなセンサアーキテクチャ）を備える。センサアーキテクチャは、ロボットアーム２１０に及ぼされる力及び／又はモーメントを検出するように位置決めされた、１つ又は２つ以上のセンサ（例えば、Ａ０関節センサ４０２、６軸ロードセル４０４、及び／又は接触センサ４０８など）を含む。
図２９を参照すると、いくつかの実施形態では、方法９００は、センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定すること（９０２）を含む。
いくつかの実施形態では、図２９を参照すると、第１の基準は、１つ又は２つ以上のセンサによって検出された力が第１の閾値力を超えるという判定に従って、又は１つ又は２つ以上のセンサによって検出されたモーメントが第１の閾値モーメントを超えるという判定に従って満たされる（９０４）。
いくつかの実施形態では、方法９００は、第１の基準が満たされている（例えば、検出された力又はモーメントがそれぞれの閾値を超えている）という判定に従って（９０６）、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることを更に含む。
いくつかの実施形態では、第１の基準は、センサアーキテクチャから受信された様々なタイプのセンサデータに基づいて、手動操作モードに切り替えるかどうかを判定するための基準を含む。任意選択的に、いくつかの実施形態では、センサデータは、ロボットアームの状態に関する他の要件、及び／又は他の安全及び動作条件と組み合わせて使用されてもよく、これらは、第１の基準を判定するために集合的に使用される。
いくつかの実施形態では、第１の閾値力は、ある範囲の値（例えば、３０ニュートン～７０ニュートン）から選択された予め設定された値（例えば、３０ニュートン、５０ニュートン、６５ニュートンなど）である。いくつかの実施形態では、第１の閾値力は、オペレータによって設定された及び／又はオペレータによって設定可能な力閾値である。
いくつかの実施形態では、第１の閾値モーメントは、ある範囲の値（例えば、０．３ニュートンメートル～０．７ニュートンメートル）から選択される予め設定された値（例えば、０．３ニュートンメートル、０．５ニュートンメートル、０．６ニュートンメートルなど）である。いくつかの実施形態では、第１の閾値モーメントは、オペレータ構成された及び／又はオペレータ構成可能なモーメント閾値である。
いくつかの実施形態では、力も測定されている間にモーメント測定のための閾値を設定するとき、閾値モーメントの設定は、基準点（例えば、枢動点）の識別及び使用を含む。なぜなら、力は、その基準点がどこにあるかに応じて、総モーメント値に対する異なる寄与を有することができるからである。例えば、いくつかの実施形態では、力が加えられる場所に基準点が設定されるとき、モーメントへの寄与は０である。しかしながら、基準点がある距離だけ離れて選択される場合、モーメント寄与は非０である。いくつかの実施形態では、力が加えられる点から基準点が離れるほど、モーメントへの寄与が大きくなる。例えば、いくつかの実施形態では、遠隔中心点（例えば、カニューレに沿った点）が基準点として選択される場合、閾値移動は、４Ｎｍ、６Ｎｍ、又は８Ｎｍであることができる。
いくつかの実施形態では、第１の基準は、第１の基準が満たされるために、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、若しくは位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）がドッキング解除構成にあるという要件を含む。いくつかの実施形態では、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、若しくは位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）がドッキング解除構成にあると判定される。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、ロボットアームの遠位端がカニューレに固定されていないとき、ドッキング解除構成にあると判定される。
いくつかの実施形態では、手術前のセットアップ段階中に、オペレータは、インピーダンスモード又はアドミタンスモードを起動して、ドッキング解除されたロボットアームを所望の位置又は構成にセットアップし、又はドッキング解除されたロボットアームを邪魔にならないところに移動させて、他のロボットアーム又はロボットシステムの近くの人々（例えば、患者、医療従事者など）のための空間を作り出すことができる。いくつかの実施形態では、手術中に、ロボットシステムの１つ又は２つ以上のアームがドッキングされてもよく、オペレータは、ドッキング解除されたアームを邪魔にならないところに移動させて、医療関係者のための空間を作ってもよい。いくつかの実施形態では、患者支持プラットフォームの構成が手術中に変更されるとき、オペレータは、ロボットシステムの変更された構成に適応するようにドッキング解除されたアームの位置を調整してもよい。いくつかの実施形態では、ドッキング解除されたロボットアームは、手術中に患者にぶつかって（例えば、接触して）患者に力を及ぼす場合があり、ドッキング解除されたロボットアームを患者から離して移動させることがより安全である。上記のシナリオのいずれにおいても、センサアーキテクチャから受信されたセンサデータに従って手動操作モードに移行することは、ロボットシステムに対して固定位置に位置する専用制御デバイス又はインターフェースを起動することとは対照的に、上記のタスクをオペレータによってより容易に実行させ、患者にとってより安全する。
いくつかの実施形態では、位置制御モードにおいて、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）の位置は、ロボットシステムの予め選択された部分（例えば、調整可能なアーム支持体２２０、患者支持プラットフォーム２０２、基部２０６など）に対して固定される。
いくつかの実施形態では、手動操作モードは、インピーダンスモード又はアドミタンスモードなどの、非動力補助手動操作モード又は動力補助手動操作モードを含んでもよい。手動操作モードはまた、いくつかの実施形態によると、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）が、ロボットアームの１つ又は２つ以上の部分を手動で押す、引く、及び／又はねじることによって移動及び／又は再構成されることができるモードを備えてもよい。
いくつかの実施形態では、手動操作モードはインピーダンスモードを含む。
いくつかの実施形態では、第１の基準が満たされないという判定（例えば、検出された力も検出されたモーメントもそれぞれの閾値を超えないという判定を含む）に従って、方法９００は、ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることを見送ることと、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ若しくは２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）を位置制御モードに保つことと、を含む。
図２９を参照すると、いくつかの実施形態では、方法９００は、手動操作モード中に、オペレータによるロボットアームの物理的操作に従ってロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）の移動を支援するための出力を生成すること（９０８）を更に含む。
例えば、いくつかの実施形態では、ロボットシステムの１つ又は２つ以上のプロセッサは、制御信号の形態で出力を生成して、アクチュエータ、モータ、及び／又はギアの力（例えば、制御された大きさ及び／又は方向を有する力）及び／又は移動（例えば、制御された距離、速度、及び／又は方向を有する移動）の出力を制御して、ロボットアームの物理的操作でオペレータを支援してもよい。
いくつかの実施形態では、方法９００は、手動操作モード中にロボットアーム２１０の移動を監視すること（９１０）を更に含む。手動操作モード中のロボットアームの移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、移動が満たすという判定に従って、方法９００は、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作し得る別のタイプのロボットアームなど）を手動操作モードから位置制御モードに移行させること（９１２）を更に含む。
ステップ９１０を参照すると、いくつかの実施形態では、ロボットシステムのプロセッサは、手動操作モード中にロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードなどで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）の移動を連続的に監視又は周期的にチェックしてもよく、例えば、関節３０４及び／又はロボットアーム２１０の移動を全体としてチェックすることを含む。いくつかの実施形態では、プロセッサは、手動操作モード中にロボットアームの移動を監視するために、センサアーキテクチャの位置及び変位センサから受信されるセンサデータに依存する。
いくつかの実施形態では、第２の基準は、センサアーキテクチャから受信された移動データに基づいて位置制御モードに戻るように切り替えるかどうかを決定するための基準を含む。任意選択的に、いくつかの実施形態では、移動データは、第２の基準が満たされているかどうかを判定するために、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０）の状態に関する他の要件、並びに／又は他の安全及び動作条件と組み合わせて使用される。
いくつかの実施形態では、第２の基準は、移動が閾値時間量の間に閾値移動量未満であるとき、又は閾値時間量の間に移動が検出されないときに満たされる。
いくつかの実施形態では、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）を手動操作モードから位置制御モードに移行させることは、手動操作モードを停止することを含む。例えば、プロセッサが、関節（例えば、関節３０４）及び／又はロボットアームの速度が所定の期間にわたって所定の閾値未満であることを検出すると、ロボットコントローラはインピーダンスモードを終了する。これは、いくつかの実施形態によると、ロボットアームを位置制御モードに戻して、その現在位置を保持する。
図２９にも記載されるように、いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、入力インターフェースを備える（９１４）。方法９００は、予め設定された入力による入力インターフェースの起動を検出すること（９１６）を含む。方法９００は、入力インターフェースの起動に従って、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）を位置制御モードから手動操作モードに移行させること（９１８）を含む。
いくつかの実施形態では、入力インターフェースは、押しボタン、タッチセンサ式ディスプレイ、ディスプレイ付きタッチパッド、レバー、又はスイッチを含むことができる。予め設定された入力は、入力インターフェース上での押圧入力、フリック、又はタップを含むことができる。
前述のように、方法９００は、いくつかの実施形態による、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）と、センサアーキテクチャと、を備える、ロボットシステムによって行われることができる。
いくつかの実施形態では、ロボットシステムは、センサアーキテクチャを備える。（例えば、図２４、図２５、及び図２６に説明されるセンサアーキテクチャ）。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、力センサ、接触センサ、圧力センサ、モーメントセンサ、変位センサ（例えば、角度及び／又は並進変位センサ）、及び／又は位置センサなどの１つ又は２つ以上のタイプのセンサを含む。センサは、ロボットアーム又はその一部が受ける接触、モーメント、力、及び／又は変位を検出し、任意選択で測定するように位置決めされている。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、ロボットアームと一体化された（例えば、ロボットアームに固定された、ロボットアーム内に含まれた、ロボットアームの表面上の、ロボットアームに取り付けられた、ロボットアームの表面下に埋め込まれた、ロボットアームの部分間（例えば、隣接するリンク間、隣接する関節間など）に設置された、ロボットアームの端部に設置された、ロボットアームのリンク（例えば、リンク３０２）の上若しくは内部の、及び／又はロボットアームの関節（例えば、関節３０４）の上若しくは内部のセンサを含む。いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、センサから１つ又は２つ以上のプロセッサにセンサデータを通信するための他の構成要素を含むことができる。センサデータは、力、接触、モーメント、変位、移動、及び／又は位置などのセンサパラメータを含むことができる。センサパラメータは、感知されたパラメータの場所、感知されたパラメータの大きさ、感知されたパラメータのタイミング及び／又は持続時間などの値も含むことができる。
いくつかの実施形態では、センサアーキテクチャは、ロボットアーム２１０に及ぼされる力及び／又はモーメントを検出するように位置決めされた、１つ又は２つ以上のセンサ（例えば、Ａ０関節センサ４０２、６軸ロードセル４０４、及び／又は接触センサ４０８など）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、複数の方向からロボットアーム２１０に及ぼされる力及び／又はモーメントを検出する。検出された力及び／又はモーメントは、重力によって引き起こされる力及び／又はモーメント以外の力及び／又はモーメントを含む。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２１０によって及ぼされる力及び／又は移動は、ロボットアーム２１０の表面上、リンク（例えば、リンク３０２）上、関節（例えば、関節３０４）上、エンドエフェクタ（例えば、ＡＤＭ ３０８）上などの、人とロボットアーム２１０との間の接触によって引き起こされる力及び／又はモーメントである。
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、複数の接触センサ（例えば、図２４Ｂの接触センサ４０８）を含む。
いくつかの実施形態では、接触センサは、別の物体又は表面との接触を検出及び測定するセンサを備える。いくつかの実施形態では、接触センサは、センサと物体／表面との間の接触力が接触検出力閾値を超えるという判定に従って、又はセンサと別の物体若しくは表面との間の距離が接触検出閾値距離未満であるという判定に従って、又はセンサと別の物体若しくは表面との間の接触面積が閾値接触面積を超えるという判定に従って、接触を検出及び測定する。
いくつかの実施形態では、接触センサは、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上の位置（例えば、領域）（例えば、図２４Ｃに示すような領域４１０、図２４Ｄに示すような領域４１２など）に位置する。いくつかの状況において、力は、外科処置中に患者から生じる可能性がある。この状況では、いくつかの実施形態によれば、接触センサ（又は本出願で説明される任意の他のセンサ）が所定の閾値を超える力を測定する場合、ロボットアーム２１０を手動操作モードに移行させることができ、それによって、接触源から即座に離反させることができる。これは、有利には患者及び／又はオペレータの安全性を高める。
いくつかの実施形態では、接触センサは、オペレータがロボットアーム２１０を保持している形式を検出する。例えば、手動操作モードは、任意選択的に、オペレータが特定の方法でロボットアームを保持している（例えば、２つのリンクを同時に保持している、リンクを両手で保持している、リンクの長手方向軸の周りでリンクをねじっている間に１つのリンクを両手で保持している、リンクの長手方向にリンクを引っ張っている間に１つ又は２つのリンクを保持している、第１の遠位リンクを掴んで引っ張る、第１の近位リンクを掴んで押す、近位リンクを掴んで基部関節に押し付けるなど）ことの検出に応答してトリガされる。
いくつかの実施形態では、オペレータがアームを保持し、かつロボットアームにロボットアームの所望の移動の自然な前駆体である力を及ぼす様々な方法は、任意選択的に、満たされたときにプロセッサを操作モードに移行させる異なる基準（例えば、閾値及び条件）に分類され、抽象化され得る。
いくつかの実施形態では、ロボットアーム（例えば、ロボットアーム２１０、又は位置制御モード及び１つ又は２つ以上の手動操作モードで動作され得る別のタイプのロボットアームなど）は、外面を含む。例えば、複数の接触センサ（例えば、接触センサ４０８）は、ロボットアームの外面を覆うシェル（例えば、シェル５０２、図２５）と係合してもよい。
いくつかの実施形態では、検出された力及びモーメントは、複数の接触センサのそれぞれ１つによって検出されたそれぞれの力及び／又はそれぞれのモーメントの組み合わせである。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、少なくとも、ロボットアームの関節から離れて位置決めされた非関節ベースのセンサを含む。例えば、非関節ベースのセンサ（例えば、接触センサ又はシェルセンサ４０８）は、リンク（例えば、リンク３０２）上に、又は２つの隣接する関節の間に位置決めすることができる（例えば、６軸ロードセル４０４は、Ａ４関節３０４－５とＡ５関節３０４－６との間に位置決めされる）。
いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のセンサは、少なくとも、ロボットアーム２１０の関節上に位置決めされた関節ベースのセンサ（例えば、Ａ０関節センサ４０２、及び／又はロボットアーム２１０の他の関節３０４上に位置するセンサ）を含む。
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、リンク相互作用感知を使用して、ロボット医療システムのロボットアーム上で手動操作モードを起動するためのシステム、方法、及び装置を提供する。
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る、又は第２の構成要素に直接的に接続される、のいずれかであってもよい。
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によって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。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は、有形であり、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とき、「コード」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、又はデータを指してもよい。
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することなく交換されてもよい。換言すれば、記載されている方法の適切な動作のため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することなく、特定のステップ及び／又は行為の順序及び／又は使用を修正してもよい。
本明細書で使用するとき、「複数」という用語は、２つ又は３つ以上を示す。例えば、複数の構成要素は、２つ又は３つ以上の構成要素を示す。「判定する」という用語は、多種多様な行為を包含し、したがって、「判定する」は、計算する、演算する、処理する、算出する、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見ること）、確認することなどを含むことができる。また、「判定する」は、受け取る（例えば、情報を受信すること）、アクセスする（例えば、メモリ内のデータにアクセスすること）などを含むことができる。また、「判定する」は、解決する、選択する、選出する、確立するなどを含むことができる。
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。換言すれば、語句「基づく」は、「のみに基づく」及び「少なくとも基づく」の両方を記載する。
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、装着、結合、又は係合ツール構成要素の均等の方法、特定の作動運動を生み出すための均等の機構、及び電気エネルギーを送達するための均等の機構など、多くの対応する代替的かつ均等の構造的詳細を採用することができると理解されるであろう。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。
〔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、
センサアーキテクチャであって、前記ロボットアームに及ぼされる第１の力を検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサを含む、センサアーキテクチャと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を格納するメモリであって、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、前記プロセッサに、
前記センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定することであって、前記第１の基準は、前記第１の力が第１の閾値力を超えるという判定に従って満たされる、判定することと、
前記第１の力が前記第１の閾値力を超えているという判定を含む、前記第１の基準が満たされているという判定に従って、前記ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることと、を行わせる、メモリと、を備える、ロボットシステム。
（２） 前記手動操作モードが、インピーダンスモードを含む、実施態様１に記載のロボットシステム。
（３） 前記１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサが、組み合わされた力及びモーメントセンサを含む、実施態様１又は２に記載のロボットシステム。
（４） 前記１つ又は２つ以上の非関節センサが、前記ロボットアームの一対の関節の間に位置する少なくとも１つのセンサを含む、実施態様１から３のいずれかに記載のロボットシステム。
（５） 前記１つ又は２つ以上の非関節センサが、少なくとも、前記ロボットアームの遠位部分に位置する第１のセンサを含む、実施態様１から４のいずれかに記載のロボットシステム。
（６） 前記第１のセンサがツールドライバによって及ぼされる力を検出するように、前記第１のセンサに取り付けられた前記ツールドライバを更に備える、実施態様５に記載のロボットシステム。
（７） 前記第１のセンサが、６軸ロードセルである、実施態様５又は６に記載のロボットシステム。
（８） 前記１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサが、前記ロボットアームの１つ又は２つ以上のリンク上に位置する１つ又は２つ以上の接触センサを含む、実施態様１から７のいずれかに記載のロボットシステム。
（９） 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に及ぼされる力及びモーメントを検出することができる、実施態様８に記載のロボットシステム。
（１０） 前記センサアーキテクチャが、前記ロボットアームに及ぼされる第２の力を検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上の関節ベースのセンサを更に含む、実施態様１から９のいずれかに記載のロボットシステム。
（１１） 前記第１の基準は、前記非関節ベースのセンサによって検出された前記第１の力及び前記関節ベースのセンサによって検出された前記第２の力が、前記第１の力及び前記第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定に従って満たされ、
前記メモリは、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、前記プロセッサに、
前記第１の力及び前記第２の力が前記第１の力及び前記第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定を含む、前記第１の基準が満たされるという判定に従って、前記ロボットアームを前記位置制御モードから前記手動操作モードに移行させる命令を更に含む、実施態様１０に記載のロボットシステム。
（１２） 前記メモリが、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、前記プロセッサに、
前記手動操作モード中に、オペレータによる前記ロボットアームの物理的操作に従って、前記ロボットアームの移動を支援するための出力を生成させる命令を更に格納している、実施態様１から１１のいずれかに記載のロボットシステム。
（１３） 前記メモリが、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、前記プロセッサに、
前記手動操作モード中に前記ロボットアームの移動を監視させ、
前記手動操作モード中の前記ロボットアームの前記移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、前記移動が満たすという判定に従って、前記ロボットアームを前記手動操作モードから前記位置制御モードに移行させる命令を更に格納している、実施態様１から１２のいずれかに記載のロボットシステム。
（１４） 前記第１の基準は、前記第１の基準が満たされるために前記ロボットアームがドッキング解除構成にあるという要件を含む、実施態様１から１３のいずれかに記載のロボットシステム。
（１５） 予め設定された入力によって起動されると、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を前記位置制御モードから前記手動操作モードに移行させる入力インターフェースを更に備える、実施態様１から１４のいずれかに記載のロボットシステム。
（１６） １つ又は２つ以上の追加のロボットアームと、
前記第１のロボットアーム及び／又は前記追加のロボットアームのインピーダンス制御を遠隔で起動する入力インターフェースと、を更に備える、実施態様１から１５のいずれかに記載のロボットシステム。
（１７） ロボットシステムであって、
ロボットアームと、
センサアーキテクチャであって、
前記ロボットアームに及ぼされる力及び／又はモーメントを検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上のセンサを含む、センサアーキテクチャと、
１つ又は２つ以上のプロセッサと、
命令を格納するメモリであって、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、前記プロセッサに、
前記センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定することであって、前記第１の基準は、前記１つ又は２つ以上のセンサによって検出された力が第１の閾値力を超えるという判定に従って、又は前記１つ又は２つ以上のセンサによって検出されたモーメントが第１の閾値モーメントを超えるという判定に従って満たされる、判定することと、
前記第１の基準が満たされているという判定に従って、前記ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることと、を行わせる、メモリと、を備える、ロボットシステム。
（１８） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、６軸ロードセルを備える、実施態様１７に記載のロボットシステム。
（１９） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、複数の接触センサを備える、実施態様１７又は１８に記載のロボットシステム。
（２０） 前記ロボットアームが、外面を含み、
前記複数の接触センサが、前記ロボットアームの前記外面を覆うシェルと係合する、実施態様１９に記載のロボットシステム。
（２１） 前記検出された力及びモーメントが、前記複数の接触センサのうちのそれぞれの接触センサによって検出されたそれぞれの力及び／又はそれぞれのモーメントの組み合わせである、実施態様１９又は２０に記載のロボットシステム。
（２２） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、少なくとも、前記ロボットアームの関節から離れて位置決めされた非関節ベースのセンサを含む、実施態様１７から２１のいずれかに記載のロボットシステム。
（２３） 前記１つ又は２つ以上のセンサが、少なくとも、前記ロボットアームの関節上に位置決めされた関節ベースのセンサを含む、実施態様１７から２２のいずれかに記載のロボットシステム。
（２４） 前記手動操作モードが、インピーダンスモードを含む、実施態様１７から２３のいずれかに記載のロボットシステム。
（２５） 前記メモリは、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、前記プロセッサに、
前記手動操作モード中に、オペレータによる前記ロボットアームの物理的操作に従って、前記ロボットアームの移動を支援するための出力を生成させる命令を更に格納している、実施態様１７から２４のいずれかに記載のロボットシステム。
（２６） 前記メモリは、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、前記プロセッサに、
前記手動操作モード中に前記ロボットアームの移動を監視させ、
前記手動操作モード中の前記ロボットアームの前記移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、前記移動が満たすという判定に従って、前記ロボットアームを前記手動操作モードから前記位置制御モードに移行させる命令を更に格納している、実施態様１７から２５のいずれかに記載のロボットシステム。
（２７） 前記第１の基準は、前記第１の基準が満たされるために前記ロボットアームがドッキング解除構成にあるという要件を含む、実施態様１７から２６のいずれかに記載のロボットシステム。
（２８） 予め設定された入力によって起動されると、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を前記位置制御モードから前記手動操作モードに移行させる入力インターフェースを更に備える、実施態様１７から２７のいずれかに記載のロボットシステム。

Claims (28)

  1. ロボットシステムであって、
    ロボットアームと、
    センサアーキテクチャであって、前記ロボットアームに及ぼされる第１の力を検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサを含む、センサアーキテクチャと、
    １つ又は２つ以上のプロセッサと、
    命令を格納するメモリであって、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、前記プロセッサに、
    前記センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定することであって、前記第１の基準は、前記第１の力が第１の閾値力を超えるという判定に従って満たされる、判定することと、
    前記第１の力が前記第１の閾値力を超えているという判定を含む、前記第１の基準が満たされているという判定に従って、前記ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることと、を行わせる、メモリと、を備える、ロボットシステム。
  2. 前記手動操作モードが、インピーダンスモードを含む、請求項１に記載のロボットシステム。
  3. 前記１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサが、組み合わされた力及びモーメントセンサを含む、請求項１又は２に記載のロボットシステム。
  4. 前記１つ又は２つ以上の非関節センサが、前記ロボットアームの一対の関節の間に位置する少なくとも１つのセンサを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  5. 前記１つ又は２つ以上の非関節センサが、少なくとも、前記ロボットアームの遠位部分に位置する第１のセンサを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  6. 前記第１のセンサがツールドライバによって及ぼされる力を検出するように、前記第１のセンサに取り付けられた前記ツールドライバを更に備える、請求項５に記載のロボットシステム。
  7. 前記第１のセンサが、６軸ロードセルである、請求項５又は６に記載のロボットシステム。
  8. 前記１つ又は２つ以上の非関節ベースのセンサが、前記ロボットアームの１つ又は２つ以上のリンク上に位置する１つ又は２つ以上の接触センサを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  9. 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に及ぼされる力及びモーメントを検出することができる、請求項８に記載のロボットシステム。
  10. 前記センサアーキテクチャが、前記ロボットアームに及ぼされる第２の力を検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上の関節ベースのセンサを更に含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  11. 前記第１の基準は、前記非関節ベースのセンサによって検出された前記第１の力及び前記関節ベースのセンサによって検出された前記第２の力が、前記第１の力及び前記第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定に従って満たされ、
    前記メモリは、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、前記プロセッサに、
    前記第１の力及び前記第２の力が前記第１の力及び前記第２の力に関する要件の予め設定された組み合わせを満たすという判定を含む、前記第１の基準が満たされるという判定に従って、前記ロボットアームを前記位置制御モードから前記手動操作モードに移行させる命令を更に含む、請求項１０に記載のロボットシステム。
  12. 前記メモリが、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、前記プロセッサに、
    前記手動操作モード中に、オペレータによる前記ロボットアームの物理的操作に従って、前記ロボットアームの移動を支援するための出力を生成させる命令を更に格納している、請求項１から１１のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  13. 前記メモリが、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、前記プロセッサに、
    前記手動操作モード中に前記ロボットアームの移動を監視させ、
    前記手動操作モード中の前記ロボットアームの前記移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、前記移動が満たすという判定に従って、前記ロボットアームを前記手動操作モードから前記位置制御モードに移行させる命令を更に格納している、請求項１から１２のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  14. 前記第１の基準は、前記第１の基準が満たされるために前記ロボットアームがドッキング解除構成にあるという要件を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  15. 予め設定された入力によって起動されると、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を前記位置制御モードから前記手動操作モードに移行させる入力インターフェースを更に備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  16. １つ又は２つ以上の追加のロボットアームと、
    前記第１のロボットアーム及び／又は前記追加のロボットアームのインピーダンス制御を遠隔で起動する入力インターフェースと、を更に備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  17. ロボットシステムであって、
    ロボットアームと、
    センサアーキテクチャであって、
    前記ロボットアームに及ぼされる力及び／又はモーメントを検出するように位置決めされた１つ又は２つ以上のセンサを含む、センサアーキテクチャと、
    １つ又は２つ以上のプロセッサと、
    命令を格納するメモリであって、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、前記プロセッサに、
    前記センサアーキテクチャから受信されたセンサデータが第１の基準を満たすかどうかを判定することであって、前記第１の基準は、前記１つ又は２つ以上のセンサによって検出された力が第１の閾値力を超えるという判定に従って、又は前記１つ又は２つ以上のセンサによって検出されたモーメントが第１の閾値モーメントを超えるという判定に従って満たされる、判定することと、
    前記第１の基準が満たされているという判定に従って、前記ロボットアームを位置制御モードから手動操作モードに移行させることと、を行わせる、メモリと、を備える、ロボットシステム。
  18. 前記１つ又は２つ以上のセンサが、６軸ロードセルを備える、請求項１７に記載のロボットシステム。
  19. 前記１つ又は２つ以上のセンサが、複数の接触センサを備える、請求項１７又は１８に記載のロボットシステム。
  20. 前記ロボットアームが、外面を含み、
    前記複数の接触センサが、前記ロボットアームの前記外面を覆うシェルと係合する、請求項１９に記載のロボットシステム。
  21. 前記検出された力及びモーメントが、前記複数の接触センサのうちのそれぞれの接触センサによって検出されたそれぞれの力及び／又はそれぞれのモーメントの組み合わせである、請求項１９又は２０に記載のロボットシステム。
  22. 前記１つ又は２つ以上のセンサが、少なくとも、前記ロボットアームの関節から離れて位置決めされた非関節ベースのセンサを含む、請求項１７から２１のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  23. 前記１つ又は２つ以上のセンサが、少なくとも、前記ロボットアームの関節上に位置決めされた関節ベースのセンサを含む、請求項１７から２２のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  24. 前記手動操作モードが、インピーダンスモードを含む、請求項１７から２３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  25. 前記メモリは、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、前記プロセッサに、
    前記手動操作モード中に、オペレータによる前記ロボットアームの物理的操作に従って、前記ロボットアームの移動を支援するための出力を生成させる命令を更に格納している、請求項１７から２４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  26. 前記メモリは、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、前記プロセッサに、
    前記手動操作モード中に前記ロボットアームの移動を監視させ、
    前記手動操作モード中の前記ロボットアームの前記移動が移動の閾値レベル未満であるという判定に従って満たされる第２の基準を、前記移動が満たすという判定に従って、前記ロボットアームを前記手動操作モードから前記位置制御モードに移行させる命令を更に格納している、請求項１７から２５のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  27. 前記第１の基準は、前記第１の基準が満たされるために前記ロボットアームがドッキング解除構成にあるという要件を含む、請求項１７から２６のいずれか一項に記載のロボットシステム。
  28. 予め設定された入力によって起動されると、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を前記位置制御モードから前記手動操作モードに移行させる入力インターフェースを更に備える、請求項１７から２７のいずれか一項に記載のロボットシステム。
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