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JP2023519880A - 仮想境界に基づくツールのロボットの動きを制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

仮想境界に基づくツールのロボットの動きを制御するためのシステム及び方法 Download PDF

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JP2023519880A JP2022558329A JP2022558329A JP2023519880A JP 2023519880 A JP2023519880 A JP 2023519880A JP 2022558329 A JP2022558329 A JP 2022558329A JP 2022558329 A JP2022558329 A JP 2022558329A JP 2023519880 A JP2023519880 A JP 2023519880A
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Abstract

１つ又は複数の仮想境界に基づいてツールのロボットの動きを制御するためのシステム及び方法が提供される。システムは、ツールと、ツールをサポートするためのマニピュレータを含む。制御システムは、ツールと標的部位に関連付けられた１つ以上の仮想境界との関係に基づいて、マニピュレータの動作とツールの動きを制御する。制御システムは、ツールが１つ以上の仮想境界に準拠しているか、１つ以上の仮想境界に侵入しているかを判断するための境界ハンドラを含む。【選択図】図１１

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年３月２７日出願の米国特許仮出願第６３／０００，８６０号の優先権及びすべての利益を主張し、その開示全体は、引用により本明細書の一部をなすものとする。
本開示は、概して、仮想境界に基づいてツールのロボットの動きを制御するためのシステム及び方法に関する。
外科システムは、ロボットマニピュレータと、患者に外科的処置を実行するためにマニピュレータに結合されたツールとを含み得る。手術中、外科システムは、患者の解剖学的構造の一部をツールから保護するために確立された仮想境界に侵入することを回避するために、ツールの動きを制限することができる。
状況によっては、ユーザは、患者の解剖学的構造の標的部位へのアクセスを改善するため、又は患者の解剖学的構造のユーザの視覚化を改善するために患者の位置を調整することを望む場合があり、又は患者の解剖学的構造が他の理由で動く場合がある。患者の解剖学的構造が動くときに仮想境界への準拠を維持するために、外科システムは、患者の解剖学的構造のそのような動きを補償するためにツールを自律的に動かすようにマニピュレータに命令することができる。ただし、一部のユーザは、ツールのそのような自律的な動きを制限することを好む場合がある。例えば、ユーザがツールを予期せず移動させたくない場合や、ユーザからの入力に応じてのみツールの移動が発生するようにしたい場合がある。
本概要は、下段の発明を実施するための形態にさらに記述されている単純化された形式で一連の概念を紹介する。本概要は、特許請求されている主題の範囲を制限することが意図されておらず、特許請求されている主題の主要な特徴又は本質的な特徴を識別することも意図されていない。
第１の態様によれば、ツール、ツールをサポートするマニピュレータ、及びツールと、標的部位に関連付けられた仮想境界との関係に基づいてマニピュレータの動作とツールの動きを制御する制御システムを含む外科システムが提供される。制御システムは、第１の入力状態及び第２の入力状態を有するユーザ入力を含む。制御システムは、ユーザ入力が第１の入力状態にあるときにツールの自律的な、境界に準拠した動きを可能にするように構成されているため、ツールは仮想境界への準拠を維持する。制御システムは、ユーザ入力が第２の入力状態にあるときに、ツールの自律的な、境界に準拠した動きを無効にするように構成されている。制御システムは、第２の入力状態から第１の入力状態へのユーザ入力の移行に応じて、ツールが仮想境界に侵入しているかどうかを判定するための境界ハンドラを含む。
第２の態様によれば、ツール、ツールをサポートするマニピュレータ、及びツールと、標的部位に関連付けられた第１の仮想境界との関係に基づいてマニピュレータの動作とツールの動きを制御する制御システムを含む外科システムが提供される。制御システムには、ユーザが標的部位に関連付けられた第２の仮想境界を選択できるようにする仮想境界セレクタが含まれている。制御システムは、制御システムがツールの第１の仮想境界への準拠を維持しながら、ユーザが仮想境界セレクタを用いて第２の仮想境界を選択できるように構成されている。制御システムは、ユーザが第２の仮想境界を選択することに応じて、ツールが第２の仮想境界に準拠しているかどうかを判定するための境界ハンドラを含む。
第３の態様によれば、ツール、ツールをサポートするマニピュレータ、及びツールと、標的部位に関連付けられた仮想境界との関係に基づいてマニピュレータの動作とツールの動きを制御する制御システムを含む外科システムが提供される。マニピュレータは、ユーザによってツールに加えられたユーザの力及びトルクに応じてマニピュレータがツールを動かす手動モード、及びマニピュレータがツール経路に沿ってツールを動かす半自律モードを含む、複数のモードで動作可能である。制御システムは、制御システムが半自律モードに移行することに応じて、ツールの現在の位置からツール経路へのリードイン経路を生成するための経路ハンドラを含む。制御システムはまた、リードイン経路に沿ったツールの移動の前に、リードイン経路に沿ったツールの動きが、定位的相互作用機構（stereotactic interaction feature）が仮想境界に準拠しているかどうかを判定するツールに関連付けられた複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化することによって、仮想境界への準拠を維持するかどうかを判定する境界ハンドラを含む。
第４の態様によれば、ツールと、標的部位に関連付けられた仮想境界との間の関係に基づいて、ツールをサポートするマニピュレータの動作を制御するための方法が提供される。この方法は、ユーザ入力が第１の入力状態にあるときに、仮想境界がツールに対して移動するのに応じて、ツールが仮想境界への準拠を維持するようにツールの自律的な、境界に準拠した動きを開始することを含む。この方法はまた、ユーザ入力が第２の入力状態にあるときにツールの自律的な、境界に準拠した動きを無効にすること、及びユーザ入力が第２の入力状態から第１の入力状態に移行することに応じて、ツールが仮想境界の侵入をしているか判定することを含む。
第５の態様によれば、ツールと、標的部位に関連付けられた第１の仮想境界との間の関係に基づいて、ツールをサポートするマニピュレータの動作を制御するための方法が提供される。この方法は、ユーザが標的部位に関連付けられた第２の仮想境界を選択できるようにすることを含む。この方法はまた、ツールの第１の仮想境界への準拠を維持しながら、ユーザが第２の仮想境界を選択できるようにし、ユーザが第２の仮想境界を選択することに応じて、ツールが第２の仮想境界に準拠しているかどうかを判定することを含む。
第６の態様によれば、ツールと標的部位に関連する仮想境界との間の関係に基づいてツールをサポートするマニピュレータの動作を制御する方法であって、マニピュレータは、ユーザがツールに加えたユーザの力及びトルクに応じてマニピュレータがツールを動かす手動モードと、マニピュレータがツール経路に沿ってツールを動かす半自律モードとを含む複数のモードで動作可能である方法が提供される。この方法は、マニピュレータを半自律モードに移行することと、マニピュレータを半自律モードに移行することに応じて、ツールの現在の位置からツール経路へのリードイン経路を生成することとを含む。方法はまた、リードイン経路に沿ったツールの移動の前に、リードイン経路に沿ったツールの動きが、定位的相互作用機構が仮想境界に準拠しているかどうかを判定するツールに関連付けられた複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化することによって、仮想境界への準拠を維持するかどうかを判定することを含む。
第７の態様によれば、外科システムであって、第１の対象物及び第２の対象物を追跡するように構成されたローカリゼーションシステム、及び少なくとも１つのコントローラであって、仮想境界を１つ以上の第１の対象物に関連付け、第１の定位的相互作用機構及び第２の定位的相互作用機構を１つ又は複数の第２の対象物に関連付け、第１の定位的相互作用機構の第１のパラメータを定め、第２の定位的相互作用機構の第２のパラメータを定め、第１のパラメータは第２のパラメータとは異なり、第１及び第２の定位的相互作用機構の少なくとも１つと仮想境界との間の相互作用に基づいて応答を生成するように構成される少なくとも１つのコントローラを含む外科システムが提供される。
第８の態様によれば、ローカリゼーションシステム及び少なくとも１つのコントローラを含む外科システムを作動させる方法であって、ローカリゼーションシステムを使用して、第１の対象物と第２の対象物を追跡すること、少なくとも１つのコントローラで、仮想境界を１つ又は複数の第１の対象物と関連付けること、少なくとも１つのコントローラで、第１の定位的相互作用機構及び第２の定位的相互作用機構を１つ又は複数の第２の対象物に関連付けること、少なくとも１つのコントローラを用いて、第１の定位的相互作用機構のための第１のパラメータを定めること、少なくとも１つのコントローラを用いて、第２の定位的相互作用機構の第２のパラメータを定めることであって、第１のパラメータは第２のパラメータとは異なる、定めること、及び少なくとも１つのコントローラを用いて、第１及び第２の定位的相互作用機構の少なくとも１つと仮想境界との間の相互作用に基づいて応答を生成することを含む、方法が提供される。
上記の態様のいずれかを、全体的又は部分的に組み合わせることができる。
上記の態様のいずれかは、そのような実施態様が全体的又は部分的に利用されるかどうかにかかわらず、以下の実施態様のいずれかで利用することができる。
いくつかの実施態様では、マニピュレータは、ベースと、ロボットアームを形成する複数のリンク及びジョイントを備える外科用ロボットマニピュレータである。いくつかの実施態様では、マニピュレータは手持ち式マニピュレータであり、重力に逆らってユーザの手で自由に支持され、ベースはツールのベース部分（例えば、ユーザによってフリーハンドで保持される部分）であり、ツールの先端は、ベース部分に対して移動可能である。いくつかの実施態様では、ツールは、回転式切断バー、のこぎり、切断ガイド、超音波振動ツール、レーザー切断ツールなどである。
いくつかの実施態様では、制御システムは、ツールが仮想境界に侵入していることに応じて回復モードを開始するように構成されている。いくつかの実施態様では、ユーザ入力が第２の入力状態から第１の入力状態に移行するときに侵入が発生する。いくつかの実施態様では、ユーザ入力が第１の入力状態にあるとき、ツールの自律的な、境界に準拠した動きは、回復モードでは無効のままになる。
いくつかの実施態様では、ツールはツールドライブを含み、制御システムは、ツールが仮想境界に侵入していることに応じてツールドライブの動作を無効にするように構成される。いくつかの実施態様では、ユーザ入力が第２の入力状態から第１の入力状態に移行するときに侵入が発生する。
いくつかの実施態様では、制御システムは、回復モードで仮想境界に準拠するようにツールを配置するようにユーザをガイドするように構成されている。いくつかの実施態様では、ガイドはユーザフィードバックを生成することによって行われる。いくつかの実施態様では、フィードバックには、可聴フィードバック、視覚フィードバック、及び触覚フィードバックの１つ以上が含まれる。いくつかの実施態様では、制御システムは、ツールが仮想境界に準拠するように配置されたときに、ユーザフィードバックの生成を停止するように構成されている。いくつかの実施態様では、制御システムは、ツールと仮想境界との間の相対的な動きを制限するように構成されている。いくつかの実施態様では、相対移動の制限は、ユーザ入力が第１の入力状態にあるときに、境界ハンドラを使用して境界制約を生成することによって発生する。
いくつかの実施態様では、制御システムは、境界制約に基づいて仮想境界に準拠してツールを維持するように適合された制約力を計算するための制約ソルバーを含む。いくつかの実施態様では、制御システムは、制約力に基づく仮想シミュレーションでツールのダイナミクスをシミュレートし、命令されたポーズを出力するための仮想シミュレータを含む。いくつかの実施態様では、制御システムは、命令されたポーズに基づいてツールを動かすようにマニピュレータに命令するように構成される。
いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、境界が有効な状態と境界が無効な状態との間で動作可能である。境界が有効な状態とは、境界制約が境界ハンドラから制約ソルバーに送信され、それによってツールの自律的な、境界に準拠した動きを可能にする状態である。いくつかの実施態様では、ツールが仮想境界に侵入するような方法で仮想境界がツールに対して移動すると、境界に準拠した自律的な動きが可能になる。いくつかの実施態様では、境界制約が境界ハンドラから制約ソルバーに送信されなくなった境界が無効な状態により、ツールが仮想境界に侵入する様式で仮想境界がツールに対して移動可能になるように、ツールの自律的な、境界に準拠した動きが無効になる。いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、第１の入力状態から第２の入力状態へのユーザ入力移行に応じて、境界が無効な状態で動作するように構成されている。いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、仮想境界にツールが準拠し、第２の入力状態から第１の入力状態へのユーザ入力移行に応じて、境界が有効な状態で動作するように構成されている。いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、仮想境界にツールが侵入し、第２の入力状態から第１の入力状態へのユーザ入力移行に応じて、境界が無効な状態で動作するように構成されている。
いくつかの実施態様では、制御システムは、ユーザに触覚フィードバックを提供して、ツールを仮想境界に準拠するようにユーザを導くように構成されている。いくつかの実施態様では、１つ又は複数のガイド制約をアクティブにして、ツールを仮想境界に準拠するようにガイドすることにより、フィードバックが発生する。いくつかの実施態様では、制御システムは、ユーザに触覚フィードバックを提供して、ツールを仮想境界に準拠するようにユーザを導くように構成されている。いくつかの実施態様では、触覚フィードバックはツールの動きを減衰することによって発生する。いくつかの実施態様では、制御システムは、ツールが仮想境界に準拠するように配置されたときに、境界ハンドラを境界が無効な状態から境界が有効な状態に切り替えるように構成されている。
いくつかの実施態様では、ユーザ入力は、第１の入力状態が、ユーザがツールをアクティブに使用していることを示し、第２の入力状態が、ユーザがツールを解放したことを示すように構成される。
いくつかの実施態様では、ユーザ入力がツールに配置され、ユーザ入力が作動してユーザ入力が第１の入力状態になり、ユーザ入力が解放されてユーザ入力が第２の入力状態になるように、ユーザ入力が構成されている。いくつかの実施態様では、ツールはグリップを有し、ユーザ入力は、グリップのユーザの手を検出するための存在検出器を含む。
いくつかの実施態様では、制御システムはペンダントを含み、ユーザ入力はペンダントに配置される。いくつかの実施態様では、ユーザ入力が作動してユーザ入力が第１の入力状態になり、ユーザ入力が解放されてユーザ入力が第２の入力状態になるように、ユーザ入力が構成されている。
いくつかの実施態様では、ユーザ入力は、ツールにあるツール入力としてさらに定められる。いくつかの実施態様では、第１及び第２の入力状態は、ツール入力として第１の状態及びツール入力第２の状態がさらに定められる。いくつかの実施態様では、制御システムは、ペンダント及びペンダントに配置されたペンダント入力を含み、ペンダント入力は、ペンダント入力第１の状態及びペンダント入力第２の状態を有する。
いくつかの実施態様では、マニピュレータは、ツール入力がツール入力の第１の状態にあるときにユーザによってツールに加えられるユーザの力及びトルクに応じてマニピュレータがツールを動かす手動モードで動作可能である。いくつかの実施態様では、マニピュレータは、ペンダント入力がペンダント入力の第１の状態にあるときにマニピュレータがツール経路に沿ってツールを移動させる半自律モードで動作可能である。いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、手動モード及び半自律モードのいずれかから手動モードと半自律モードのもう一方へのマニピュレータの制御システム切り替え操作に応じて、ツールが仮想境界に準拠しているか、又は仮想境界に侵入しているかを判定するように構成される。いくつかの実施態様では、制御システムは、ツールの現在の位置からツール経路へのリードイン経路を生成するように構成された経路ハンドラを含む。いくつかの実施態様では、マニピュレータが手動モードから半自律モードに切り替わるときに、リードイン経路が生成される。いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、リードイン経路に沿ったツールの移動が仮想境界への準拠を維持するか、仮想境界に侵入するかを判定するように構成される。いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、リードイン経路に沿ったツールの動きが仮想境界への準拠を維持するか、又は仮想境界に侵入するかを、定位的相互作用機構が仮想境界への準拠を維持するか、仮想境界に侵入するかどうかを判定するツールに関連付けられた複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化することによって判定するように構成される。いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、３つ以上の自由度で複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化するように構成される。いくつかの実施態様では、制御システムは、ツールが現在の位置からリードイン経路に沿ってツール経路へ移動した場合に境界ハンドラが、ツールが仮想境界に侵入すると判定したのに応じて、ユーザへのユーザフィードバックを生成するように構成されたガイドハンドラを含む。
いくつかの実施態様では、制御システムは、以下の、ツールが停止すること、第１の入力状態から第２の入力状態へのユーザ入力の移行に続いて所定の期間が経過すること、ツールの線速度が１つ又は複数の閾値を下回ること、又はツールの角速度が１つ以上の閾値を下回っていることのうちの１つ又は複数に応じて、ツールの境界に準拠した自律的な動きを無効にするように構成される。
いくつかの実施態様では、制御システムは、仮想境界に対して定められた許容誤差に基づいて、ツールが仮想境界に準拠したままであるかどうかを判定するように構成される。
いくつかの実施態様では、制御システムは、回復モードで回復ツール経路を生成して、ツールを仮想境界に準拠するように移動するように構成されている。
いくつかの実施態様では、制御システムは、開始位置から回復モードで仮想境界を移動するように構成されて、ツールが仮想境界に準拠するように戻り、その後、仮想境界を開始位置に戻しながら、ツールの境界に準拠した自律的な動きを可能にする。
いくつかの実施態様では、境界ハンドラは、ユーザが第２の仮想境界を選択することに応じて、第２の仮想境界をアクティブにし、ツールが第２の仮想境界に準拠していると境界ハンドラが判定した場合、第１の仮想境界を非アクティブにするように構成され、そのため、制御システムは、ツールと第２の仮想境界との間の関係に基づいて、マニピュレータの動作及びツールの動きの制御に移行する。いくつかの実施態様では、ユーザが第２の仮想境界を選択することに応じて、境界ハンドラは、ツールが第２の仮想境界に侵入していると境界ハンドラが判定した場合、第１の仮想境界をアクティブとして維持し、制御システムがツールと第１の仮想境界の関係に基づいてマニピュレータの動作とツールの動きを制御し続けるように構成される。いくつかの実施態様では、制御システムは、ツールが第２の仮想境界に侵入していると境界ハンドラが判定したのに応じて、ユーザへのユーザフィードバックを生成するように構成される。
いくつかの実施態様では、制御システムは、第１の入力状態及び第２の入力状態を有するユーザ入力を含み、ユーザ入力は、ツールに配置され、ユーザ入力が第１の入力状態にユーザ入力を置くようにユーザによって作動され、ユーザ入力が第２の入力状態にユーザ入力を置くようにユーザによって解放されるように構成される。いくつかの実施態様では、制御システムは、ユーザ入力が第１の入力状態にある間に、仮想境界セレクタを用いてユーザが第２の仮想境界を選択することを可能にするように構成される。いくつかの実施態様では、仮想境界セレクタは、ツールに配置された第２のユーザ入力を含む。いくつかの実施態様では、ツールはツールドライブを含み、制御システムは、ユーザが仮想境界セレクタで第２の仮想境界を選択するとき、ツールドライブの動作を継続するように構成される。いくつかの実施態様では、制御システムは、ユーザ入力が第１の入力状態にあり、第１の仮想境界がアクティブであるときに、ツールと第１の仮想境界との間の相対移動を制限するように構成される。いくつかの実施態様では、制御システムは境界ハンドラで第１の境界制約を生成することにより、そのように制限し、ユーザ入力が第１の入力状態にあり、境界ハンドラでの第２の境界制約を生成することによって第２の仮想境界がアクティブであるときに、ツールと第２の仮想境界との間の相対的な動きを制限するように構成される。いくつかの実施態様では、制御システムは第１の境界制約に基づいて第１の仮想境界に準拠して、又は第２の境界制約に基づいて第２の仮想境界に準拠してツールを維持するように適合された制約力を計算する制約ソルバーを含む。いくつかの実施態様では、制御システムは制約力に基づく仮想シミュレーションでツールのダイナミクスをシミュレートし、命令されたポーズを出力するための仮想シミュレータを含む。いくつかの実施態様では、制御システムは、命令されたポーズに基づいてツールを動かすようにマニピュレータに命令するように構成される。いくつかの実施態様では、仮想境界セレクタは、ユーザが第１及び第２の仮想境界の間でトグルすること、複数の仮想境界の中から順次トグルすること、又は仮想境界のリストから選択することを可能にするよう構成される。
いくつかの実施態様では、第１及び第２のパラメータはそれぞれ剛性パラメータとしてさらに定められ、第１の定位的相互作用機構は第２の定位的相互作用機構よりも剛性である。いくつかの実施態様では、少なくとも１つのコントローラは、イベントを特定し、イベントの特定に応じて、第１のパラメータ又は第２のパラメータの少なくとも１つを変更するように構成される。いくつかの実施態様では、第１及び第２のパラメータはそれぞれ、定位的相互作用機構のサイズ、面積、体積、又は形状のうちの少なくとも１つとして定められる幾何学的パラメータとしてさらに定められ、第１の幾何学的パラメータは、第２の幾何学的パラメータとは異なる。いくつかの実施態様では、定第１及び第２の定位的相互作用機構のうちの１つ又は複数は、１つ又は複数の第２の対象物から距離の離れた位置に配置されることによって１つ又は複数の第２の対象物に関連付けられる。いくつかの実施態様では、少なくとも１つのコントローラは、第１及び第２のパラメータの１つ又は複数を定めるユーザ入力を受信するか、又は外科的情報に基づいて、第１及び第２のパラメータの１つ又は複数を自動的に定めるように構成されることによって、第１及び第２のパラメータのうちの１つ又は複数を定めるように構成される。いくつかの実施態様では、第１及び第２の定位的相互作用機構のうちの少なくとも１つと仮想境界との間の相互作用に基づいて応答を生成するために、少なくとも１つのコントローラは、第１及び第２の定位的相互作用機構の１つ又は複数と仮想境界との間の衝突又は予想される衝突を特定し、以下の、１つ又は複数の第２の対象物のポーズを調整すること、及び衝突又は予想される衝突に関するアラート又は通知を生成することの１つ又は複数を実行するように構成されている少なくとも１つのコントローラとしてさらに定められる応答を生成するように構成される。いくつかの実施態様では、第１又は複数の第２の対象物は、単一の第２の対象物としてさらに定められ、第１の定位的相互作用機構及び第２の定位的相互作用機構が単一の第２の対象物に関連付けられる。いくつかの実施態様では、１つ又は複数の第２の対象物は、別個の第２の対象物としてさらに定められ、第１の定位的相互作用機構は第２の対象物の１つに関連付けられ、第２の定位的相互作用機構は第２の対象物の別の１つに関連付けられる。いくつかの実施態様では、１つ又は複数の第１の対象物はさらに骨として定められ、仮想境界はさらに、除去されるべきではない解剖学的構造から除去されるべき解剖学的構造を描写する切断境界として定められ、１つ又は複数の第２の対象物は、回転切削ツールとしてさらに定められ、第１及び第２の定位的相互作用機構は、回転切削ツールに関連付けられており、回転切削ツールに対して異なる位置に配置され、第１及び第２のパラメータはそれぞれ剛性パラメータとしてさらに定められ、第１の定位的相互作用機構は第２の定位的相互作用機構よりも剛性である。いくつかの実施態様では、１つ又は複数の第１の対象物は、以下の、患者の解剖学的構造、ベース、リンク、ジョイント、エンドエフェクタ、ツール、滅菌アダプタ、エネルギーアプリケータを含む、ロボットマニピュレータを形成する運動学的チェーンの任意の部分、ハンドヘルドツール又はデバイス、手術台、ヘッドマウントデバイス、ハンドヘルドディスプレイデバイス又はタブレット、外科用トラッカー、リトラクター、画像化デバイス、手術室にいる人間のうちの１つ又は複数を含み、１つ又は複数の第２の対象物は、以下の、患者の解剖学的構造、ベース、リンク、ジョイント、エンドエフェクタ、ツール、滅菌アダプタ、エネルギーアプリケータを含む、ロボットマニピュレータを形成する運動学的チェーンの任意の部分、ハンドヘルドツール又はデバイス、手術台、ヘッドマウントデバイス、ハンドヘルドディスプレイデバイス又はタブレット、外科用トラッカー、リトラクター、画像化デバイス、手術室にいる人間のうちの１つ又は複数を含む。
添付の図面と関連して考慮するとき、以下の詳細な説明を参照することによって、より良く理解されると、本開示の利点が容易に理解されるようになる。
外科システムの斜視図である。 外科システムを制御するための制御システムのブロック図である。 ソフトウェアプログラムの機能ブロック図である。 寛骨臼の外科的処置の境界ジェネレータの出力を示している。 寛骨臼の外科的処置のための経路ジェネレータの出力を示している。 椎体の外科的処置のための境界ジェネレータの出力を示している。 大腿骨の外科的処置のための境界ジェネレータの出力を示している。 大腿骨の外科的処置の経路ジェネレータの出力を示している。 大腿骨の外科的処置の境界ジェネレータの出力を示している。 仮想制約の図である。 制御システムによって動作可能なモジュールのブロック図である。 制約方程式のサンプルを示す。 仮想シミュレーションを実行するためのフォワードダイナミクスアルゴリズムのサンプルを示している。 仮想シミュレーションを実行するためのフォワードダイナミクスアルゴリズムのサンプルを示している。 境界が有効なモードと境界が無効のモードを切り替えるために制御システムによって実行されるステップのセットの例を示している。 制約を解決し、フォワードダイナミクスを実行し、命令されたポーズを判定するために制御システムによって実行されるステップのセットの例を示している。 制約を解決し、フォワードダイナミクスを実行し、命令されたポーズを判定するために制御システムによって実行されるステップのセットの例を示している。 命令されたポーズを判定するときに、制御システムが衝突をどのように考慮するかを示している。 命令されたポーズを判定するときに、制御システムが衝突をどのように考慮するかを示している。 命令されたポーズを判定するときに、制御システムが衝突をどのように考慮するかを示している。 命令されたポーズを判定するときに、制御システムが衝突をどのように考慮するかを示している。 大腿骨の外科的処置中のツールと仮想境界の動きを示している。 大腿骨の外科的処置中のツールと仮想境界の動きを示している。 大腿骨の外科的処置中のツールと仮想境界の動きを示している。 大腿骨の外科的処置中のツールと仮想境界の動きを示している。 大腿骨の外科的処置中のツールと仮想境界の動きを示している。 大腿骨の外科的処置中のツールと仮想境界の動きを示している。 大腿骨の外科的処置中のツールと仮想境界の動きを示している。 第１の仮想境界と第２の仮想境界の切り替えを示している。 ロボット外科システムの構成要素に関連する複数の定位的相互作用機構を示している。
Ｉ．概要
図１を参照して、外科システム１０が示されている。システム１０は、骨又は軟組織の治療など、患者１２の標的部位又は解剖学的体積部Ａを治療するのに有用である。図１では、患者１２は外科的処置を受けている。図１の解剖学的構造には、患者１２の大腿骨Ｆ、骨盤ＰＥＬ、及び脛骨Ｔが含まれている。外科的処置には、組織の除去又は他の形態の治療が含まれ得る。治療には、組織の切断、凝固、病変、他のインサイチュでの組織の治療などが含まれ得る。いくつかの例では、外科的処置は、人工膝ジョイント部分置換術又は人工膝関節術、あるいは部分的な股関節術又は人工股関節術、肩関節術、脊椎手術、又は足首の手術を含む。いくつかの例では、システム１０は、ユニコンパートメント、バイコンパートメント、マルチコンパートメント、又は全人工膝インプラント、アセタブラーカップインプラント、大腿骨ステムインプラント、スクリュー、アンカ、他の留め具を含む股関節及び膝インプラントなどの外科的インプラントによって置き換えられる物質を切り取るように設計されている。これらのタイプのインプラントのいくつかは、「Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ Ｉｍｐｌａｎｔ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ」と題された米国特許出願公開第２０１２／０３３０４２９号に示され、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。本明細書に開示されるシステム１０及び技術は、外科的又は非外科的である他の処置を実行するために使用され得るか、又は産業用途又は他の用途で使用され得る。
システム１０は、外科用ロボットとも呼ばれるロボットマニピュレータ１４を含む。マニピュレータ１４は、ベース１６及び複数のリンク１８を有する。マニピュレータカート１７は、マニピュレータ１４がマニピュレータカート１７に固定されるようにマニピュレータ１４を支持する。リンク１８は、集合的に、マニピュレータ１４の１つ又は複数のアーム（例えば、ロボットアーム）を形成する。マニピュレータ１４は、（図１に示されるように）シリアルアーム構成、パラレルアーム構成、又は任意の他の適切なマニピュレータ構成を有することができる。他の例では、複数のアーム構成で複数のマニピュレータ１４を利用することができる。
図１に示す例では、マニピュレータ１４は、複数のジョイントＪと、ジョイントＪの位置データを判定するためにジョイントＪに配置された複数のジョイントエンコーダ１９とを備える。簡単にするために、図１では、１つのジョイントエンコーダ１９のみが示されているが、他のジョイントエンコーダ１９が同様に示され得る。一例によるマニピュレータ１４は、マニピュレータ１４に対して少なくとも６の自由度（ＤＯＦ）を実装する６つのジョイントＪ１～Ｊ６を有する。しかし、マニピュレータ１４は、任意の数の自由度を有し得、任意の適切な数のジョイントＪを有し得、冗長なジョイントを有し得る。
マニピュレータ１４は、ジョイントエンコーダ１９を必要としないが、代替的又は追加的に、各ジョイントＪのモータに存在するモータエンコーダを利用し得る。また、マニピュレータ１４は、回転ジョイントを必要としないが、代替的又は追加的に、１つ又は複数のプリズム状のジョイントを利用する。ジョイントタイプの任意の適切な組み合わせが企図される。
マニピュレータ１４のベース１６は、一般に、マニピュレータ１４、又は一般にシステム１０の他の構成要素に固定基準座標系を提供するマニピュレータ１４の一部である。一般に、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの原点は、ベース１６の固定基準で定められる。ベース１６は、１つ又は複数のリンク１８など、マニピュレータ１４の任意の適切な部分に関して定めることができる。代替的に、又は追加的に、ベース１６は、マニピュレータ１４がカート１７に物理的に取り付けられている場合など、マニピュレータカート１７に関して定められ得る。一例では、ベース１６は、ジョイントＪ１及びＪ２の軸の交点で定められる。したがって、ジョイントＪ１とＪ２は実際には可動の構成要素であるが、それでもジョイントＪ１とＪ２の軸の交点は仮想の固定基準ポーズであり、固定の位置と配向の基準の両方を提供し、マニピュレータ１４及び／又はマニピュレータカート１７に対して移動しない。
いくつかの例では、マニピュレータ１４は、ベース１６がツールのベース部分（例えば、ユーザによってフリーハンドで保持される部分）であり、ツールの先端がベース部分に対して移動可能であるハンドヘルドマニピュレータであり得る。ベースの部分は追跡される基準の座標系を有し、ツールの先端には基準の座標系に対して計算される（例えば、モータ及び／又はジョイントエンコーダと順運動学の計算を介する）ツールの先端の座標系を有する。経路に対するポーズを判定できるため、ツールの先端の動きを経路に沿って制御できる。そのようなマニピュレータ１４は、２０１２年８月３１日に出願された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｈｏｕｓｉｎｇ， Ａ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ ｔｈａｔ Ｅｘｔｅｎｄｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｈｏｕｓｉｎｇ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｔｈａｔ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ Ｈｏｕｓｉｎｇ」と題する米国特許第９，７０７，０４３号に示されている。これは、参照により本明細書に組み込まれる。
マニピュレータ１４及び／又はマニピュレータカート１７は、マニピュレータコントローラ２６、又は他のタイプの制御ユニットを収容する。マニピュレータコントローラ２６は、１つ又は複数のコンピュータ、又はマニピュレータ１４のモーションを方向付ける任意の他の適切な形態のコントローラを備えることができる。マニピュレータコントローラ２６は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び／又は他のプロセッサ、メモリ（図示せず）、及びストレージ（図示せず）を有し得る。マニピュレータコントローラ２６には、以下に説明するようなソフトウェアがロードされている。プロセッサは、マニピュレータ１４の動作を制御するための１つ又は複数のプロセッサを含むことができる。これらのプロセッサは、任意のタイプのプロセッサ、マルチプロセッサ及び／又はマルチコア処理システムであり得る。マニピュレータコントローラ２６は、追加的に、又は代替的に、１つ又は複数のマイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、システムオンチップ、ディスクリート回路、及び／又は本明細書に記載される機能を実行することができる他の適切なハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェアを含むことができる。プロセッサという用語は、任意の実施形態を単一のプロセッサに限定することを意図するものではない。マニピュレータ１４はまた、１つ又は複数のディスプレイ及び／又は入力デバイス（例えば、押しボタン、センサ、スイッチ、キーボード、マウス、マイクロフォン（音声起動）、ジェスチャ制御デバイス、タッチスクリーン、ジョイスティック、フットペダルなど）を備えたユーザインターフェースＵＩを備え得る。
外科用ツール２０は、マニピュレータ１４に結合し、ベース１６に対して移動可能であり、特定のモードで解剖学的構造と相互作用する。ツール２０は、特定の実施形態では、マニピュレータ１４によって支持されるエンドエフェクタ２２であるか、又はその一部を形成する。ツール２０は、ユーザによって把持され得る。マニピュレータ１４及びツール２０の１つの可能な配置は、２０１３年８月２日に出願された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。マニピュレータ１４及びツール２０は、代替の構成で配置され得る。ツール２０は、参照により本明細書に組み込まれる、「Ｅｎｄ Ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｏｆ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ」と題された、２０１４年３月１５日に出願された米国特許出願公開第２０１４／０２７６９４９号に示されるものと同様であり得る。
ツール２０は、標的部位で患者１２の組織に接触するように設計されたエネルギーアプリケータ２４を含む。一例では、エネルギーアプリケータ２４はバー２５である。バー２５は、実質的に球形であり得、球形の中心、半径（ｒ）及び直径を含むことができる。あるいは、エネルギーアプリケータ２４は、ドリルビット、鋸刃２７（図１の代替ツールを参照）、超音波振動チップなどであり得る。ツール２０及び／又はエネルギーアプリケータ２４は、任意の幾何学的特徴、例えば、周囲の長さ、円周、半径、直径、幅、長さ、体積、面積、表面／平面、モーションエンベロープの範囲（いずれか１つ又は複数の軸に沿って）などを含み得る。幾何学的特徴は、所望の治療を実行するために、標的部位の組織に対してツール２０をどのように配置するかを判定するために考慮され得る。本明細書で説明する実施形態のいくつかでは、ツール中心点（ＴＣＰ）を有する球形バー、及びＴＣＰを有するサジタルソーブレードについて、便宜上及び説明を容易にするために記載するが、ツール２０をいずれかの特定の形態に限定することを意図してはいない。
ツール２０は、ツール２０への電力を制御する（例えば、ツール２０の回転モータなどのツールドライブへの）、ツール２０の動きを制御する、ツール２０の灌注／吸引を制御する、及び／又は同様など、ツール２０の動作を制御するためのツールコントローラ２１を備え得る。ツールコントローラ２１は、マニピュレータコントローラ２６又は他の構成要素と通信し得る。ツール２０はまた、ツールコントローラ２１、マニピュレータコントローラ２６、及び／又は本明細書に記載の他のコントローラに結合されている、１つ又は複数のディスプレイ及び／又は入力デバイス（例えば、プッシュボタン、トリガ、センサ、スイッチ、キーボード、マウス、マイクロフォン（音声起動）、ジェスチャ制御デバイス、タッチスクリーン、ジョイスティック、フットペダルなど）を備えたユーザインターフェースＵＩを含み得る。マニピュレータコントローラ２６は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬなどの座標系に関して、ツール２０（例えば、ＴＣＰの）の状態（例えば、位置及び／又は配向）を制御する。マニピュレータコントローラ２６は、速度（線形又は角度）、加速度、又はツール２０のモーションの他の導関数を制御することができる。
一例では、ツール中心点（ＴＣＰ）は、エネルギーアプリケータ２４で定められた所定の基準点である。ＴＣＰには、他の座標系に対して既知の、又は計算可能な（つまり、必ずしも静的である必要はない）ポーズがある。エネルギーアプリケータ２４の形状は、ＴＣＰ座標系において既知であるか、又はそれに対して定められている。ＴＣＰは、ツール２０のバー２５の球形の中心、又は鋸刃２７の遠位端に配置されて、一点のみが追跡されるようにすることができる。ＴＣＰは、エネルギーアプリケータ２４の構成に応じて様々な方法で定めることができる。マニピュレータ１４は、ＴＣＰのポーズを判定することを可能にするために、ジョイント／モータエンコーダ、又は任意の他の非エンコーダ位置感知方法を使用することができる。マニピュレータ１４は、ジョイント測定を使用してＴＣＰポーズを判定することができ、及び／又はＴＣＰポーズを直接測定するための技術を使用することができる。ツール２０の制御は、中心点に限定されない。例えば、任意の適切なプリミティブ、メッシュなどを使用して、ツール２０を表すことができる。
システム１０は、ナビゲーションシステム３２をさらに含む。ナビゲーションシステム３２の一例は、２０１３年９月２４日に出願され、「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｎｏｎ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ」と題された、米国特許第９，００８，７５７号に記載されており、参照により本明細書に援用されている。ナビゲーションシステム３２は、様々な対象物の動きを追跡する。このような対象物には、例えば、マニピュレータ１４、ツール２０、及び解剖学的構造、例えば、大腿骨Ｆ、骨盤ＰＥＬ、及び脛骨Ｔが含まれる。ナビゲーションシステム３２は、これらの対象物を追跡して、（ナビゲーション）ローカライザ座標系ＬＣＬＺに関し、各対象物の状態の情報を収集する。ローカライザ座標系ＬＣＬＺの座標は、変換を利用して、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ、他の座標系に、及び／又はその逆方向に変換できる。
ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６及び／又は他のタイプの制御ユニットを収容するカートアセンブリ３４を含む。ナビゲーションユーザインターフェースＵＩは、ナビゲーションコントローラ３６と動作可能に通信している。ナビゲーションユーザインターフェースは、１つ又は複数のディスプレイ３８を含む。ナビゲーションシステム３２は、１つ又は複数のディスプレイ３８を使用して、追跡された対象物の相対的な状態のグラフィック表現をユーザに表示することができる。ナビゲーションユーザインターフェースＵＩは、ナビゲーションコントローラ３６に情報を入力する、又はその他の方法により、ナビゲーションコントローラ３６のある特定の態様を選択する／制御する１つ又は複数の入力デバイスをさらに含む。このような入力デバイスには、インタラクティブなタッチスクリーンディスプレイが含まれる。しかしながら、入力デバイスは、押しボタン、キーボード、マウス、マイクロフォン（音声起動）、ジェスチャ制御デバイス、フットペダルなどのうちのいずれか１つ又は複数を含み得る。
ナビゲーションシステム３２はまた、ナビゲーションコントローラ３６に結合されたナビゲーションローカライザ４４を含む。一例では、ローカライザ４４は、光学的ローカライザであり、カメラユニット４６を含む。カメラユニット４６は、１つ以上の光学的センサ５０を収容する外側筐体４８を含む。ローカライザ４４は、それ自体のローカライザコントローラ４９を含み得、さらにビデオカメラＶＣを含み得る。
ナビゲーションシステム３２は、１つ又は複数のトラッカーを含む。一例では、トラッカーは、ポインタトラッカーＰＴ、１つ又は複数のマニピュレータトラッカー５２Ａ、５２Ｂ、第１の患者トラッカー５４、第２の患者トラッカー５５、及び第３の患者トラッカー５６を含む。図１の図示の例では、マニピュレータトラッカーはツール２０（すなわち、トラッカー５２Ａ）にしっかりと取り付けられ、第１の患者トラッカー５４は、患者１２の大腿骨Ｆにしっかりと取り付けられ、第２の患者トラッカー５５は、患者１２の骨盤ＰＥＬにしっかりと取り付けられ、第３の患者トラッカー５６が患者１２の脛骨Ｔにしっかりと取り付けられている。この例では、患者トラッカー５４、５５、５６が、骨のセクションにしっかりと取り付けられている。ポインタトラッカーＰＴが、解剖学的構造をローカライザ座標系ＬＣＬＺに登録するために使用されるポインタＰに、しっかりと取り付けられている。マニピュレータトラッカー５２Ａ、５２Ｂは、ツール２０に加えて又はそれ以外にマニピュレータ１４のいずれかの適切な構成要素に取り付けることができ、例えば、ベース１６（すなわち、トラッカー５２Ｂ）、又はマニピュレータ１４のいずれか１つ又は複数のリンク１８に取り付けることができる。トラッカー５２Ａ、５２Ｂ、５４、５５、５６、ＰＴは、いずれかの適切な方法でそれぞれの構成要素に固定することができる。例えば、トラッカーは、それぞれのトラッカーとそれが関連付けられている対象物との関係を判定するのに適切な（補足的な）方法（測定）がある限り、堅固に固定されているか、柔軟に接続されているか（光ファイバ）、又は物理的にまったく接続されていない（超音波）場合がある。
トラッカーのいずれか１つ又は複数は、アクティブマーカー５８を含み得る。アクティブマーカー５８は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み得る。あるいは、トラッカー５２Ａ、５２Ｂ、５４、５５、５６、ＰＴは、カメラユニット４６から放出された光を反射する、反射器などの受動式マーカーを有し得る。本明細書に具体的に記載されていない他の適切なマーカーを利用することができる。
ローカライザ４４は、トラッカー５２Ａ、５２Ｂ、５４、５５、５６、ＰＴを追跡して、それぞれに取り付けられた対象物の状態にそれぞれ対応するトラッカー５２Ａ、５２Ｂ、５４、５５、５６、ＰＴのそれぞれの状態を判定する。ローカライザ４４は、既知の三角測量技術を実行して、トラッカー５２、５４、５５、５６、ＰＴ、及び関連する対象物の状態を判定することができる。ローカライザ４４は、トラッカー５２Ａ、５２Ｂ、５４、５５、５６、ＰＴの状態をナビゲーションコントローラ３６に提供する。一例では、ナビゲーションコントローラ３６は、トラッカー５２Ａ、５２Ｂ、５４、５５、５６、ＰＴの状態を判定し、マニピュレータコントローラ２６に伝達する。本明細書で使用される場合、対象物の状態には、追跡される対象物の位置及び／又は配向、又は位置及び／又は配向の同等物／派生物を定めるデータが含まれるが、これらに限定されない。例えば、状態は、対象物のポーズであり得、線形速度データ、及び／又は角速度データなどを含み得る。
ナビゲーションコントローラ３６は、１つ又は複数のコンピュータ、又は任意の他の適切な形態のコントローラを備えることができる。ナビゲーションコントローラ３６は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び／又は他のプロセッサ、メモリ（図示せず）、及びストレージ（図示せず）を有する。これらのプロセッサは、いずれかのタイプのプロセッサ、マイクロプロセッサ、又はマルチプロセッサシステムであることができる。ナビゲーションコントローラ３６には、ソフトウェアがロードされている。ソフトウェアは、例えば、ローカライザ４４から受信した信号を、追跡されている対象物の位置及び配向を表すデータに変換する。ナビゲーションコントローラ３６は、追加的に、又は代替的に、１つ又は複数のマイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、システムオンチップ、ディスクリート回路、及び／又は本明細書に記載される機能を実行することができる他の適切なハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェアを含むことができる。プロセッサという用語は、任意の実施形態を単一のプロセッサに限定することを意図するものではない。
対象物の状態を判定するために三角測量技術を使用するナビゲーションシステム３２の一例が示されているが、ナビゲーションシステム３２は、マニピュレータ１４、ツール２０、及び／又は患者１２を追跡するための他の任意の適切な構成を有し得る。別の例では、ナビゲーションシステム３２及び／又はローカライザ４４は超音波ベースである。例えば、ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６に結合された超音波画像化装置を備え得る。超音波画像装置は、前述の対象物、例えば、マニピュレータ１４、ツール２０、及び／又は患者１２のいずれかを画像化し、超音波画像に基づいてナビゲーションコントローラ３６への状態信号を生成する。超音波画像は、２Ｄ、３Ｄ、又は両方の組み合わせであり得る。ナビゲーションコントローラ３６は、対象物の状態を判定するためにほぼリアルタイムで画像を処理することができる。超音波画像装置は、任意の適切な構成を有し得、図１に示されるようにカメラユニット４６とは異なり得る。
別の例では、ナビゲーションシステム３２及び／又はローカライザ４４は、無線周波数（ＲＦ）ベースである。例えば、ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６に結合されたＲＦトランシーバを備え得る。マニピュレータ１４、ツール２０、及び／又は患者１２は、取り付けられたＲＦエミッタ又はトランスポンダを備え得る。ＲＦエミッタ又はトランスポンダは、受動的又は能動的に通電され得る。ＲＦトランシーバは、ＲＦ追跡信号を送信し、ＲＦエミッタから受信したＲＦ信号に基づいて、ナビゲーションコントローラ３６に状態信号を生成する。ナビゲーションコントローラ３６は、受信したＲＦ信号を分析して、相対的な状態をそれに関連付けることができる。ＲＦ信号は、任意の適切な周波数のものであり得る。ＲＦトランシーバは、ＲＦ信号を効果的に使用して対象物を追跡するために、任意の適切な位置に配置することができる。さらに、ＲＦエミッタ又はトランスポンダは、図１に示されるトラッカー５２Ａ、５２Ｂ、５４、５５、５６、ＰＴとは大きく異なり得る任意の適切な構造的構成を有し得る。
さらに別の例では、ナビゲーションシステム３２及び／又はローカライザ４４は電磁ベースである。例えば、ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６に結合されたＥＭトランシーバを備えてもよい。マニピュレータ１４、ツール２０、及び／又は患者１２は、任意の適切な磁気トラッカー、電磁トラッカー、誘導トラッカーなど、取り付けられたＥＭ構成要素を備え得る。トラッカーは受動的又は能動的に通電できる。ＥＭトランシーバは、ＥＭ場を生成し、トラッカーから受信したＥＭ信号に基づいて、ナビゲーションコントローラ３６への状態信号を生成する。ナビゲーションコントローラ３６は、受信したＥＭ信号を分析して、それに相対的な状態を関連付けることができる。この場合も、そのようなナビゲーションシステム３２の例は、図１に示されるナビゲーションシステム３２の構成とは異なる構造的構成を有するのでもよい。
ナビゲーションシステム３２は、本明細書に具体的に記載されていない他の任意の適切な構成要素又は構造を有することができる。さらに、示されるナビゲーションシステム３２に関して上で説明されている技術、方法、及び／又は構成要素のいずれかが、本明細書で説明されるナビゲーションシステム３２の他の例のいずれかのために実装又は設けることができる。例えば、ナビゲーションシステム３２は、慣性追跡のみ、又は追跡技術の任意の組み合わせを利用することができ、追加的又は代替的に、光ファイバベースの追跡、マシンビジョン追跡などを含むことができる。
図２を参照すると、システム１０は、他の構成要素の中でも、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、及びツールコントローラ２１を含む制御システム６０を含む。制御システム６０は、図３に示される１つ又は複数のソフトウェアプログラム及びソフトウェアモジュールをさらに含む。ソフトウェアモジュールは、システム１０の制御を支援するためにデータを処理するために、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、ツールコントローラ２１で動作する１つ又は複数のプログラムの一部、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。ソフトウェアプログラム及び／又はモジュールは、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、ツールコントローラ２１、又はそれらの組み合わせの非一時的メモリ６４に格納され、コントローラ２１、２６、３６の１つ又は複数のプロセッサ７０によって実行されるコンピュータ可読命令を含む。メモリ６４は、ＲＡＭ、不揮発性メモリなどの任意の適切なメモリ構成であり得、ローカルに又はリモートデータベースから実装され得る。さらに、ユーザにプロンプトを表示及び／又は通信するためのソフトウェアモジュールは、１つ又は複数のプログラムの一部を形成し得、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、ツールコントローラ２１、又はそれらの任意の組み合わせにおけるメモリ６４に格納された命令を含み得る。ユーザは、ナビゲーションユーザインターフェースＵＩ又は他のユーザインターフェースＵＩの入力デバイスのいずれかとインタラクトして、ソフトウェアモジュールと通信することができる。ユーザインターフェースソフトウェアは、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、及び／又はツールコントローラ２１とは別個のデバイスで実行することができる。
制御システム６０は、本明細書に記載の機能及び方法を実行するのに適した入力、出力、及び処理デバイスの任意の適切な構成を含むことができる。制御システム６０は、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、又はツールコントローラ２１、あるいはそれらの任意の組み合わせを含み得るか、又はこれらのコントローラのうちの１つのみを含み得る。これらのコントローラは、図２に示すように、有線バス又は通信ネットワークを介して、無線通信を介して、又はその他の方法で通信できる。制御システム６０はまた、コントローラと呼ばれることもある。制御システム６０は、１つ又は複数のマイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、システムオンチップ、ディスクリート回路、センサ、ディスプレイ、ユーザインターフェース、インジケータ、及び／又は本明細書に記載される機能を実行することができる他の適切なハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェアを含むことができる。
ＩＩ．仮想境界とツール経路
図３を参照すると、制御システム６０によって使用されるソフトウェアは、境界ジェネレータ６６を含む。図４に示されるように、境界ジェネレータ６６は、ツール２０の動き及び／又は動作を制限するための仮想境界７１を生成するソフトウェアプログラム又はモジュールである。仮想境界７１は、１次元、２次元、３次元であり得、点、線、軸、軌道、平面、体積部、三角形メッシュなどを含み得る。仮想境界７１は、単純な形状又は複雑な幾何学的形状を有し得る。いくつかの実施形態では、仮想境界７１は、三角形メッシュによって定められる表面である。仮想境界７１は、仮想対象物と呼ばれることもある。仮想境界７１は、例えば、ツール２０が境界によって定められた体積部の内部に保持されることが望ましい場合はキープイン境界、又はツール２０が境界によって定められた体積部から離れ続けることが望ましい場合はキープアウト境界である。仮想境界７１はまた、ツール２０が境界を定める点、線、平面、表面などに保持されることが望ましい場合はキープオン境界、又はツール２０が境界を定める点、線、平面、表面などから離れることが望ましい場合はキープオフ境界であり得る。仮想境界７１はまた、これらのタイプの境界の組み合わせであり得る。他のタイプの境界も企図されている。
仮想境界７１は、３Ｄ骨モデルなどの解剖学的モデルＡＭに関して定めることができる。解剖学的モデルＡＭは、位置合わせ又は他のプロセスを介して患者の解剖学的構造にマッピングされることにより、実際の患者の解剖学的構造に関連付けられる。図４の例では、仮想境界７１は、寛骨臼へのアクセスをもたらす入口部分７１ａ（開口部）を備えた寛骨臼を実質的に取り囲む略球形のメッシュを含む。入口部分は漏斗状又は円錐形である。この仮想境界７１は、寛骨臼の３Ｄモデルに関連付けられている。
解剖学的モデルＡＭ及び関連する仮想境界７１は、１つ又は複数の患者トラッカー５４、５５、５６に位置合わせされる。したがって、解剖学的モデルＡＭ（及び関連する実際の患者の解剖学的構造）及び解剖学的モデルＡＭに固定された仮想境界７１は、患者トラッカー５４、５５、５６によって追跡することができる。仮想境界７１はインプラントに固有であり得る、例えば、インプラントのサイズ、形状、体積などに基づいて定められる、及び／又は、患者に固有であり得、例えば患者の解剖学的構造に基づいて定められる。仮想境界７１は、術前、術中、又はそれらの組み合わせで作成される境界であり得る。言い換えれば、仮想境界７１は、外科的処置が始まる前、外科的処置中（組織除去中を含む）、又はそれらの組み合わせで定められ得る。いずれの場合でも、制御システム６０は、仮想境界７１をメモリ内／メモリから格納／検索し、メモリから仮想境界７１を取得し、術前に仮想境界７１を作成し、仮想境界７１を術中に作成することなどによって仮想境界７１を取得する。
マニピュレータコントローラ２６及び／又はナビゲーションコントローラ３６は、１つ又は複数の仮想境界７１に関連するツール２０の状態を追跡する。一例では、ＴＣＰの状態は、ツール２０が仮想境界に準拠し続けるように、仮想シミュレーションを介してツール２０の仮想剛体モデルに適用される力を判定する目的で、仮想境界７１に対して測定される。ツール２０は、仮想境界７１を超えて移動されないなど、仮想境界７１に対して所望の関係を維持することによって、及び／又は仮想境界７１に対して所望の位置及び／又は配向を維持することによって、仮想境界に準拠し続ける。ツール２０による仮想境界７１のある程度の貫入又は仮想境界７１の完全な準拠からの逸脱が仮想境界７１に侵入していると見なされないように、事前に定義された構成可能な許容誤差もいずれかの仮想境界７１に対して確立され得ることを理解されたい。例えば、ツール２０が仮想境界７１に０．１ミリメートル（ｍｍ）未満侵入する限り、ツール２０が仮想境界７１に準拠し続けるように、小さな許容誤差を０．１ｍｍに設定することができる（すなわち、これは、仮想境界７１の侵入とは見なされない）。場合によっては、より大きな許容誤差が適切な場合がある。仮想シミュレーションの結果は、マニピュレータ１４に命令される。制御システム６０は、物理的な境界／障壁の存在下で物理的なハンドピースが応答する方法をエミュレートする様式でマニピュレータ１４を制御／配置する。境界ジェネレータ６６は、マニピュレータコントローラ２６上に実装され得る。あるいは、境界ジェネレータ６６は、ナビゲーションコントローラ３６などの他の構成要素に実装され得る。
図３及び５を参照すると、経路ジェネレータ６８は、制御システム６０によって実行される別のソフトウェアプログラム又はモジュールである。一例では、経路ジェネレータ６８は、マニピュレータコントローラ２６によって実行される。経路ジェネレータ６８は、インプラントを受け入れるために解剖学的構造のセクションを除去するためなど、ツール２０がトラバースするためのツール経路ＴＰを生成する。ツール経路ＴＰは、複数のパスセグメントＰＳを含み得るか、又は単一のパスセグメントＰＳを含み得る。パスセグメントＰＳは、直線セグメント、曲線セグメント、それらの組み合わせなどであり得る。ツール経路ＴＰはまた、解剖学的モデルＡＭに関して定められ得、患者トラッカー５４、５５、５６のうちの１つ以上を介して追跡され得る。ツール経路ＴＰは、インプラントに固有であり得、例えば、インプラントのサイズ、形状、体積などに基づいて定められる、及び／又は患者に固有であり得、例えば、患者の解剖学的構造に基づいて定義される。ツール経路ＴＰは、ツール２０のＴＣＰがシステム１０の特定の動作中に移動することを意図されている３Ｄの経路であり得る。
本明細書で説明される１つのバージョンでは、ツール経路ＴＰは、組織除去経路として定められるが、他のバージョンでは、ツール経路ＴＰは、組織除去以外の治療に使用され得る。本明細書に記載される組織除去経路の一例は、粉砕経路７２を含む。「粉砕経路」という用語は、一般に、解剖学的構造を粉砕するための標的部位の近くのツール２０の経路を指し、ツール２０が経路の全持続期間にわたって作動可能に解剖学的構造を粉砕することを要求することを意図しないことを理解されたい。例えば、粉砕経路７２は、ツール２０が粉砕なしである場所から別の場所に移行するセクション又はセグメントを含み得る。さらに、組織切除など、粉砕経路７２に沿った他の形態の組織除去を使用することができる。粉砕経路７２は、術前、術中、又はそれらの組み合わせで作成される事前に定義された経路であり得る。換言すれば、粉砕経路７２は、外科的処置が始まる前、外科的処置の間（組織を除去する間を含む）、又はそれらの組み合わせで定められ得る。いずれの場合でも、制御システム６０は、メモリ内／メモリからの粉砕経路７２の格納／検索、メモリからの粉砕経路７２の取得、術前の粉砕経路７２の作成、術中での粉砕経路７２の作成などによって、粉砕経路７２を取得する。粉砕経路７２は、任意の適切な形状、又は円形、らせん／栓抜き、線形、曲線、それらの組み合わせなどの形状の組み合わせを有することができる。図５に示される粉砕経路７２は、ツール２０によってトラバースされるとき、寛骨臼から材料を除去して、寛骨臼カップインプラントが寛骨臼に取り付けられるためのスペースを作ることを目的としている。
仮想境界７１及び／又は粉砕経路７２の例を図４～９に示す。示される仮想境界７１及び／又は粉砕経路７２の特定の形状及び配置は、例示の目的のためである。他の形状や配置も可能である。前に説明したように、図４及び５は、寛骨臼カップインプラントを受け入れるために寛骨臼が準備される（例えば、粉砕される）外科的処置で使用するために生成される仮想境界７１及び粉砕経路７２を示す。
図６は、椎体へのアクセスをもたらす入口部分７１ａ（開口部）を備えた椎体を実質的に取り囲む略球形のメッシュを含む仮想境界７１を示している。入口部分７１ａは、漏斗又は円錐形を有し、円筒形部分７１ｂに延びる。この仮想境界７１は、椎体の３Ｄモデルに関連付けられている。この仮想境界７１は、椎体がスクリュー又は他のインプラントを受けるために準備されている（例えば、粉砕されている）外科的処置で使用するために生成される。
図７は、大腿骨へのアクセスをもたらす入口部分７１ａ（開口部）を備えた大腿骨の一端を実質的に取り囲む略球形のメッシュを含む仮想境界７１を示している。入口部分７１ａは、漏斗又は円錐形を有し、大腿骨の髄管を下って続く管部分７１ｂまで延びる。この仮想境界７１は、大腿骨の３Ｄモデルに関連付けられる。図８は、ツール２０が大腿骨から材料を除去して大腿骨ステムインプラントに道を譲ることができるように定められた粉砕経路７２を示している。したがって、図７及び８は、大腿骨Ｆが大腿骨ステムインプラントを受け入れるために準備される（例えば、粉砕される）外科的処置で使用するために生成される仮想境界７１及び粉砕経路７２を示している。
図９は、大腿骨の遠位端を通る５つの切断面に対して生成される一連の仮想境界７１を示している。図９の仮想境界７１のそれぞれは、大腿骨へのアクセスをもたらす入口部分７１ａ（開口部）を備えた大腿骨の遠位端を実質的に取り囲む略球形のメッシュを含む。入口部分７１ａは、５つの切断面７３ａ～７３ｅのうちの１つに沿って定められた切断スロット７１ｂに続く。これらの仮想境界７１は、人工膝関節全置換術を受けるために大腿骨Ｆが（例えば、平面切除を介して）準備されている外科的処置で使用するために生成される。他のタイプ／形状の仮想境界及び／又は粉砕経路７２は、他の外科的処置での使用が企図されている。
仮想境界７１及び／又は粉砕経路７２を生成するためのシステム及び方法の一例は、「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｓ」と題された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。その開示は、参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの例では、仮想境界７１及び／又は粉砕経路７２は、マニピュレータコントローラ２６又はナビゲーションコントローラ３６ではなく、オフラインで生成され得る。その後、仮想境界７１及び／又は粉砕経路７２は、実行時にマニピュレータコントローラ２６によって利用され得る。
図３に戻って参照すると、２つの追加のソフトウェアプログラム又はモジュールが、マニピュレータコントローラ２６及び／又はナビゲーションコントローラ３６で実行される。１つのソフトウェアモジュールが行動制御７４を実行する。行動制御７４は、ツール２０の次の命令された位置及び／又は配向（例えば、ポーズ）を示すデータを計算するプロセスである。行動制御７４からＴＣＰの位置のみが出力される場合もあれば、ツール２０の位置と配向が出力される場合もある。境界ジェネレータ６６、経路ジェネレータ６８、及び力／トルクセンサＳなどの１つ又は複数のセンサからの出力は、行動制御７４への入力として供給されて、ツール２０の次の命令された位置及び／又は配向を判定することができる。行動制御７４は、これらの入力を、以下でさらに説明する１つ又は複数の仮想制約と共に処理して、命令されたポーズを判定することができる。
第２のソフトウェアモジュールは、モーション制御７６を実行する。モーション制御の一態様は、マニピュレータ１４の制御である。モーション制御７６は、行動制御７４から次の命令されたポーズを定めるデータを受け取る。これらのデータに基づいて、モーション制御７６は、（例えば、逆運動学及びヤコビアン計算機を介して）マニピュレータ１４のジョイントＪのジョイント角度の次の位置を判定し、マニピュレータ１４が、行動制御７４によって命令されたように、例えば、命令されたポーズでツール２０を配置することができるようにする。言い換えれば、モーション制御７６は、デカルト空間で定められ得る、命令されたポーズをマニピュレータ１４のジョイント角度に処理し、マニピュレータコントローラ２６がそれに応じてジョイントモータに命令して、マニピュレータ１４のジョイントＪを動かし、ツール２０の命令されたポーズに対応する命令されたジョイント角度にすることができるようにする。１つのバージョンでは、モーション制御７６は、各ジョイントＪのジョイント角度を調整し、各ジョイントモータが出力するトルクを継続的に調整して、ジョイントモータが関連するジョイントＪを命令されたジョイント角度に駆動することを可能な限り綿密に確実にする。
境界ジェネレータ６６、経路ジェネレータ６８、行動制御７４、及びモーション制御７６は、ソフトウェアプログラム７８のサブセットであり得る。あるいは、それぞれは、別々に及び／又はそれらの任意の組み合わせで独立して動作するソフトウェアプログラムであり得る。「ソフトウェアプログラム」という用語は、本明細書では、説明された技術的解決策の様々な機能を実行するように構成されたコンピュータ実行可能命令を説明するために使用される。簡単にするために、「ソフトウェアプログラム」という用語は、少なくとも、境界ジェネレータ６６、経路ジェネレータ６８、行動制御７４、及び／又はモーション制御７６のうちのいずれか１つ又は複数を包含することを意図している。ソフトウェアプログラム７８は、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、又はそれらの任意の組み合わせで実施することができ、又は制御システム６０によって任意の適切な方法で実施することができる。
臨床アプリケーション８０は、ユーザの相互作用を処理するために提供され得る。臨床アプリケーション８０は、ユーザの相互作用の多くの側面を処理し、術前の計画、インプラントの配置、位置合わせ、骨の準備の視覚化、インプラントの適合性の術後評価などを含む、手術ワークフローを調整する。臨床アプリケーション８０はディスプレイ３８に出力するように構成されている。臨床アプリケーション８０は、それ自体の別個のプロセッサ上で実行することができ、又はナビゲーションコントローラ３６と一緒に実行することができる。一例では、臨床アプリケーション８０は、インプラントの配置がユーザによって設定された後、境界ジェネレータ６６及び／又は経路ジェネレータ６８とインターフェースし、次に、境界ジェネレータ６６及び／又は経路ジェネレータ６８が戻る仮想境界７１及び／又はツール経路ＴＰを、実行のためにマニピュレータコントローラ２６に送信する。マニピュレータコントローラ２６は、本明細書で説明されるようにツール経路ＴＰを実行する。マニピュレータコントローラ２６は、機械加工を開始又は再開するときに、生成されたツール経路ＴＰにスムーズに戻るために、特定のセグメント（例えば、引き込みセグメント）をさらに作成することができる。マニピュレータコントローラ２６はまた、仮想境界７１を処理して、以下でさらに説明するように、対応する仮想制約を生成することができる。
ＩＩＩ．動作モード
システム１０は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１１９，６５５号に記載されているような手動モードで動作することができる。ここで、ユーザは手動で指示し、マニピュレータ１４は、標的部位でツール２０及びそのエネルギーアプリケータ２４の移動を実行する。ユーザは、ツール２０に物理的に接触して、手動モードでツール２０を動かす。１つのバージョンでは、マニピュレータ１４は、ツール２０を配置するために、ユーザによってツール２０に加えられる力及びトルクを監視する。例えば、マニピュレータ１４は、ユーザによってツール２０に加えられた力及びトルクを検出及び測定し、制御システム６０によって使用される対応する入力を生成する１つ又は複数のセンサ（例えば、力／トルクセンサＳ）を備え得る（例えば、１つ又は複数の対応する入力／出力信号）。ユーザによって加えられる力及びトルクは、手動モードでツール２０を動かす方法を判定するために使用される外力Ｆｅｘｔを少なくとも部分的に定める。外力Ｆｅｘｔは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１１９，６５５号に記載されているように、重力補償力、逆駆動力など、ユーザによって加えられるもの以外の他の力及びトルクを含み得る。したがって、ユーザによって加えられる力及びトルクは、外力Ｆｅｘｔを少なくとも部分的に定め、場合によっては、手動モードでのツール２０の全体的な動きに影響を与える外力Ｆｅｘｔを完全に定め得る。
力／トルクセンサＳは、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１１９，６５５号に開示されているように、６ＤＯＦ力／トルク変換器を備え得る。力／トルクセンサＳは、ツール２０、マニピュレータ１４、又はその両方の一部を形成し得る。力／トルクセンサＳは、ツール２０とマニピュレータ１４の間のインターフェースの一部を形成できるか、ユーザがツール２０に加える力及びトルクが力／トルクセンサＳに伝達されるように任意の適切な場所に配置することができる。マニピュレータコントローラ２６及び／又はナビゲーションコントローラ３６は、力／トルクセンサＳからの入力（信号など）を受け取る。ユーザによって加えられた力及びトルクに応じて、マニピュレータ１４はユーザによって加えられた力及びトルクに基づいて、発生したであろう動きをエミュレートする様式でツール２０を動かす。
手動モードでのツール２０の動きはまた、境界ジェネレータ６６によって生成された１つ又は複数の仮想境界７１に関して抑制され得る（例えば、制限され得る）。一部のバージョンでは、力／トルクセンサＳによって取得された測定値は、力／トルクセンサＳの力／トルク座標系ＦＴから、仮想シミュレーションがツール２０の仮想剛体モデルにおいて実行される仮想質量座標系ＶＭなどの別の座標系に変換され、仮想シミュレーションで仮想剛体に仮想的に力及びトルクを適用して、以下に説明するように、これらの力及びトルク（他の入力の中でも）が仮想剛体の動きにどのように影響するかを最終的に判断できるようにする。
システム１０はまた、マニピュレータ１４が粉砕経路７２に沿ってツール２０を自律的に動かす半自律モードで動作することができる（例えば、マニピュレータ１４のアクティブジョイントＪは、ユーザからのツール２０の力／トルクを必要とせずにツール２０を動かすように動作する）。半自律モードでの動作の例は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１１９，６５５号にも記載されている。いくつかの実施形態では、マニピュレータ１４が半自律モードで動作するとき、マニピュレータ１４は、ユーザの支援なしにツール２０を動かすことができる。ユーザ支援がないということは、ユーザがツール２０を動かすためにツール２０に物理的に接触しないことを意味し得る。代わりに、ユーザは、マニピュレータ１４（例えば、有線又は無線）と通信しているリモートコントロールＲＣ（図１を参照）を使用して、動きの開始及び停止を制御することができる。リモートコントロールＲＣは、ユーザの手に保持されるか、さもなければユーザによって把持又は支持されるペンダントの形態であり得る。ペンダントは、ユーザがペンダントを保持及び操作することを可能にするために、任意の適切なサイズ及び／又は形状を有し得る。一部のバージョンでは、ペンダントは携帯用電子機器である。
ツール２０及びリモートコントロールＲＣのユーザインターフェースＵＩは、それぞれ、マニピュレータ１４の動作を制御するために、ツールコントローラ２１、マニピュレータコントローラ２６、及び／又はナビゲーションコントローラ３６に結合されている１つ又は複数のユーザ入力デバイス（例えば、押しボタン、センサ、スイッチ、キーボード、マウス、マイク（音声起動）、ジェスチャ制御デバイス、タッチスクリーン、ジョイスティック、フットペダルなど）を含み得る。例えば、ツール２０のユーザインターフェースＵＩ上のユーザ入力デバイスの１つは、第１及び第２の入力状態を有するツール入力８２（例えば、スイッチ又は他の形態のユーザ入力デバイス）であり得る（図１を参照）。ツール入力８２は、第１の入力状態に置かれるようにユーザによって作動（例えば、押されて保持される）され得、第２の入力状態に置かれるために解放され得る。ツール２０は、ツール入力８２が配置されているグリップ８３を有することができる。いくつかのバージョンでは、ツール入力８２は、オン／オフ状態を切り替える瞬間的な接触スイッチ、静電容量センサ、光学センサなどのように、ユーザの手の存在を検出する存在検出器である。したがって、ツール入力８２は、第１の入力状態が、ユーザがアクティブにツール２０に関与していることを示し、第２の入力状態が、ユーザがツール２０を解放したことを示すように構成される。
リモートコントロールＲＣ上の入力デバイスの１つは、第１及び第２の入力状態を有するペンダント入力ＲＣ１（例えば、スイッチ又は他の形態のユーザ入力デバイス）であり得る。ツール入力８２と同様に、ペンダント入力ＲＣ１は、第１の入力状態になるようにユーザによって作動（例えば、押されて保持される）され得、第２の入力状態になるために解放され得る。ペンダント入力ＲＣ１が作動されるとき、リモートコントロールＲＣ上の二次ペンダント入力ＲＣ２、ＲＣ３（例えば、スイッチ又は他の形態のユーザ入力デバイス）は、マニピュレータ１４の送り速度、例えばマニピュレータ１４がツール２０を動かす速度を制御することによって、次にマニピュレータ１４の動きを引き起こし得る。例えば、二次ペンダント入力ＲＣ２は、送り速度を遅くすることができ、二次ペンダント入力ＲＣ３は、半自律モードで送り速度を上げることができる。ユーザペンダントとして具体化されたそのようなリモートコントロールＲＣは、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｔｏｏｌ Ｒｅｍｏｖｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｒｏｍ ａ Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ」と題された、Ｍｏｃｔｅｚｕｍａ ｄｅ Ｌａ Ｂａｒｒｅｒａらの米国特許第１０，１１７，７１３号に開示されている。これは、参照により本明細書に組み込まれる。
ツール入力８２及びペンダント入力ＲＣ１は、連続作動装置の形態であり得る。すなわち、どのユーザ入力が作動されるかに応じて、手動モード又は半自律モードでツール２０のモーションを可能にするために連続的に作動されなければならない入力である。例えば、ユーザがツール入力８２を継続的に作動させ、手動モードが有効にされている間、マニピュレータ１４は、ユーザによって加えられた入力の力及びトルクに応じて移動し、制御システム６０は、仮想境界７１に患者の解剖学的構造を保護させる。ツール入力８２が解放されると、力／トルクセンサＳからの入力は、マニピュレータ１４が、ユーザによってツール２０に加えられた力及びトルクにもはや応答しないように無効にされ得る。
通常の動作状態では、ツール入力８２が第１の入力状態（例えば、作動）にあるとき、ペンダント入力ＲＣ１の状態に関係なく（ツール入力８２が優先される）、マニピュレータ１４は手動モードで動作し、制御システム６０は、境界が有効な状態で動作して、その時点で制御システム６０によって使用されている仮想境界７１（又は複数の境界）に準拠してツール２０を維持する。同様に、通常の動作状態では、ツール入力８２が第２の入力状態（例えば、解放）にあり、ペンダント入力ＲＣ１が第１の入力状態（例えば、作動）にあるとき、マニピュレータ１４は、半自律モードにて動作し、制御システム６０は、境界が有効な状態で動作して、ツール２０を仮想境界７１に準拠させ、ツール経路ＴＰに準拠させるのを維持する。
境界が有効な状態では、制御システム６０は、マニピュレータ１４の動作を制御して、ツール２０を仮想境界７１に準拠させて維持する。結果として、境界が有効な状態では、制御システム６０は、マニピュレータ１４を制御して、ツール２０の自律的な動きを引き起こすことができ、仮想境界７１が、他の場合にはツール２０に対し仮想境界７１に侵入させるような様式でツール２０に対して移動する場合、制御システム６０は、ツール２０を動かすことによって、仮想境界７１のそのような動きを補償することができる。このような自律的な動きは、自律的な、境界に準拠した動きと呼ぶことができる。例えば、マニピュレータ１４が手動モードで動作しているが、ユーザがツール２０のいずれかの動きを引き起こすのをやめた場合、例えば、ユーザは依然としてツール入力８２を作動させているが、いずれのユーザの力又はトルクをもツール２０に加えておらず、仮想境界７１（患者の解剖学的構造に対して固定されている）がツール２０のＴＣＰをわずかに超えて移動するように患者の解剖学的構造が動かされる場合、次に制御システム６０は、マニピュレータ１４におけるジョイントモータの１つ又は複数を、仮想境界７１に準拠するようツール２０のＴＣＰを保つようツール２０の補償的な動きをもたらす様式にて作動させることよって、反応する。
ツール入力８２及びペンダント入力ＲＣ１が両方とも第２の入力状態にあるとき（例えば、どちらも作動されていないとき）、マニピュレータ１４は、ホールドモード及び境界が無効な状態で動作する。ホールドモードでは、ツール２０の動きは事実上無効にされる。この場合、マニピュレータ１４は、エンコーダ１９を監視し、ユーザによってマニピュレータ１４又はツール２０に不注意に加えられた重力又は力による外力に抵抗するようジョイントモータを能動的に駆動することにより、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに対するツール２０の現在の位置及び／又は配向を能動的に保持するように引き続き通電及び動作することができる。いくつかのバージョンでは、ブレーキシステムを作動させて、ツール２０を現在の位置及び／又は配向に保持することができる。ホールドモードでは、ユーザは、例えば、ツール２０の動きがユーザからの入力に応じてのみ起こるように、ツール２０のいずれかの予期しない動きをもたらさずに、患者の解剖学的構造及び標的部位の位置を調整することを望む場合がある。ユーザは、視覚化、標的部位へのアクセスの改善、標的部位の洗浄、軟組織の除去又は洗浄など、様々な理由で患者の解剖学的構造を調整したい場合がある。いずれの場合も、患者の解剖学的構造が移動した場合、患者の解剖学的構造に対してポーズが固定されたいずれかの仮想境界７１も移動した。
ホールドモード及び境界が無効な状態では、制御システム６０は、ツール２０の自律的な、境界に準拠したいずれかの動きを無効にする。結果として、ユーザが視覚化、アクセス、又はその他を改善するために患者の解剖学的構造を動かし終え、手動モード又は半自律モードでマニピュレータ１４の動作を再開する準備ができると、システム１０は最初に、ツール２０が今や仮想境界７１に侵入するように仮想境界７１が移動したかどうか（例えば、仮想境界７１の外側、仮想境界７１の内側、仮想境界７１からの逸脱など）確認する。したがって、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１を第１の入力状態に切り替えることによって手動モード又は半自律モードに戻るとき、制御システム６０は、衝突チェックを実行して、ツール２０のＴＣＰが現在、仮想境界７１に侵入しているかを判定する。
衝突が検出された場合、手動モード又は半自律モード（どちらの入力が作動されたかに応じて）は無効のままであり、制御システム６０は、状況、及びツール２０をどのように動かしてツール２０を仮想境界７１に準拠して戻すことができるかについて、ユーザにガイダンスを提示するように機能する。そうでなければ、手動モード又は半自律モードが有効にされた場合、これは、特にツール２０が仮想境界７１に十分に準拠していないときに、ツール２０の突然の予期しない動きをもたらす可能性がある。ユーザへのガイダンスは、視覚的フィードバック（ディスプレイ３８上、ツール２０上の視覚的インジケータＬＥＤなど）、可聴フィードバック（マニピュレータ１４、ツール２０のスピーカーを介してなど）、及び／又は触覚フィードバック（例えば、ツール２０を仮想境界７１との所望の関係にて配置するようにユーザを触覚的に誘導することによる）などのユーザフィードバックの形態であり得る。衝突チェックは定期的又は継続的に繰り返すことができ、ツール２０が仮想境界７１に準拠するように戻った場合、手動又は半自律モードを有効にすることができ、ユーザフィードバックは停止する。制御システム６０は、ツール２０が仮想境界７１に準拠するように戻ったことを検出すると、マニピュレータ１４を、境界が無効な状態から境界が有効な状態に自動的に切り替えることができる。いくつかのバージョンでは、自動化されたガイダンスが制御システム６０によって提供されて、ツール２０を仮想境界７１に準拠した位置に自律的に移動させることができる。この場合、回復ツール経路が経路ジェネレータ６８（又は他のモジュール）によって生成され得、ツール２０の現在のポーズに基づいて生成され得（例えば、仮想境界７１に準拠して現在のポーズから既知のポーズへ）、又は回復経路を事前に定義することができる。
システム１０はまた、２０１９年９月３０日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｇｕｉｄｉｎｇ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｔｏｏｌ」と題された米国仮特許出願公開第６２／９０８，０５６号に記載されているように、誘導触覚モードで動作することができる。これは、参照により本明細書に組み込まれる。誘導触覚モードは、例えば、ホールドモードと境界が無効な状態のときにツール２０が仮想境界７１に侵入した場合に、仮想境界７１に準拠する目標状態にツール２０を配置するようにユーザを触覚的に誘導するのを助けるために使用され得る。誘導触覚モードでは、手動モードと半自律モードの両方で使用される制御の側面が利用される。例えば、ユーザによって加えられた力及びトルクは、力／トルクセンサＳによって引き続き検出され、ツール２０の全体的な動きに少なくとも部分的に影響を与える仮想シミュレーションに供給される外力Ｆｅｘｔを判定する。さらに、誘導触覚モードでは、システム１０は、仮想シミュレーションに外力Ｆｅｘｔと共に供給される仮想制約力Ｆｃで具体化された仮想引力（又は反発）力及びトルクを生成する。
ＩＶ．制約と仮想シミュレーションの解決策
図１１を参照すると、経路制約、境界制約、ガイド制約、及び他の制約などの１つ又は複数の仮想制約が、ツール２０の動きを制御するために様々なモードで制御システム６０によって使用され得る。一般に、仮想制約は、マニピュレータ１４にツール２０を動かすように命令する方法を判定するために、他のモーション関連情報と共に、制御システム６０によって考慮される剛体のモーションに対する制限である。これらの仮想制約は、ツール２０の位置及び／又はツール２０の配向に影響を及ぼし得る。以下でより詳細に説明するように、制御システム６０は、仮想制約を満たす、又は満たそうとする制約力Ｆｃを計算するように動作する制約ソルバー８４を備える。制約力Ｆｃには、ツール２０の動きに影響を与えるように定められた力及びトルクが組み込まれている。
経路制約は、経路ジェネレータ６８によって提供されるツール経路ＴＰに基づいて生成され得る。事実上、経路制約により、仮想の力及び／又はトルクが制約ソルバー８４によって計算され、仮想シミュレーションで使用されて、ツール２０のＴＣＰがツール経路ＴＰに沿って追従するようにツール２０をツール経路ＴＰに沿って引っ張り、一方で、ツール２０が所望の配向を維持している。したがって、経路制約には配向制約を含めることもできるが、ユーザが適用する力／トルクに基づいて配向を調整することもできる。例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１１９，６５５号に記載のユーザの再配向方法を参照されたい。経路制約は、半自律モードなどの特定の操作モードで生成される場合があるが、手動モードなどの他のモードでは生成されない場合がある。
境界制約は、ツール２０が１つ又は複数の仮想境界７１に侵入することを禁止するように定めることができる。境界制約のそれぞれは、１つ又は複数の仮想境界７１に準拠してツール２０のＴＣＰを維持するように動作する一方向の仮想制約と見なすことができる。例えば、境界制約は、仮想の力及び／又はトルクが計算され、仮想シミュレーションで使用されることを引き起こし得、その結果、ツール２０のＴＣＰは、仮想境界７１でゼロ速度（又はほぼゼロ速度）を有し、ＴＣＰが仮想境界７１に侵入する（又は侵入しすぎる）ことを防ぐ。境界制約は、手動モードや半自律モードなどの特定のモードでアクティブになる場合がある。しかしながら、境界制約は、制御システム６０が前述のように境界が無効な状態で動作しているときなど、特定の状況で無効にされ得る。例えば、ホールドモードで解剖学的構造を移動した後にツール２０と仮想境界７１との衝突を検出するとき、境界制約が制約ソルバー８４にもはや出力されなくなるため、手動モード又は半自律モードが無効になる。
場合によっては、境界制約が出力されなくなったとしても、ユーザは、ツール２０に力及びトルクを加えることによって、フリーモード又は他の同様のモードでツール２０を動かすことができる。フリーモードでは、ツール２０は、ユーザによってツール２０に加えられた力及びトルクに応じて比較的自由に移動し、これにより、ユーザは、ツール２０を仮想境界７１に準拠するように戻すことができる。ユーザが加えた力及びトルクを含む外力Ｆｅｘｔは、制約ソルバー８４への入力であり、仮想シミュレータ８６に供給され、有効にすると、外力Ｆｅｘｔは少なくとも部分的にツール２０の全面的な移動に影響を与える。外力Ｆｅｘｔは、通常、例えば、手動モードで、ツール入力８２が第１の入力状態（例えば、作動）にあるときに有効にされる。外力Ｆｅｘｔをフリーモードで有効にして、ユーザが加えた力及びトルクに応じ、ユーザがツール２０を仮想境界７１に準拠するように戻すことができるようにすることもできる。外力Ｆｅｘｔは、ユーザ入力（例えば、ツール入力８２とペンダント入力ＲＣ１）が両方とも第２の入力状態にある（例えば、どちらも作動していない）ときに無効になる。
ガイド制約は、仮想シミュレーションで使用される仮想引力（又は反発）力及びトルクを生成して、仮想境界７１に従って、ツール２０を目標状態に配置するようにユーザを誘導するように定められる。ガイド制約は、ツール２０の目標状態への動きに最終的に影響を与えるように定められ、その結果、ユーザは、ツール２０の所望の動きを引き起こすようにユーザを導く１つ又は複数の触覚相互作用効果を提供される。ガイド制約は、誘導触覚モードなどの特定のモードでアクティブになる場合があるが、他のモードでは非アクティブになる場合がある。ガイド制約はまた、ユーザがツール２０を目標状態からさらに遠ざけるときなどのエラー又は異常な状態を示すために、ツール２０の動きに対する弱められた感触など、他の形態の触覚フィードバックをユーザに提供し得る。
一部のバージョンでは、仮想制約は速度インパルス制約であり、力及び／又はトルクが計算されて、仮想シミュレーションで対象物に仮想インパルスを適用し、目的の制約パラメータに従って対象物の速度を変化させる。いくつかのバージョンでは、制約は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１１９，６５５号に記載されているインパルスモデリングで使用されるものと同様である。一部のバージョンでは、仮想制約がすべてのモードで使用される。
制御システム６０によって採用される仮想制約は、主に３つの実行時パラメータによって定められる。各仮想制約を仮想シミュレーションに採用される座標系にマッピングする制約ヤコビアンＪｐ、座標系の仮想制約のスカラー速度である所望の速度Ｖｄｅｓ（又はＶｐ２）（例えば、患者が動かず、患者に対して定められた関連する仮想制約が動いていないとき、所望の速度はゼロである可能性があるが、仮想制約が患者に関連付けられている可能性があるため、患者が移動するときはゼロ以外になる可能性がある）、及び例えば、ＴＣＰが制約にどれだけ近いかを示し、仮想制約に侵入しているかどうかを示す制約距離Δｄである。Δｄは、貫入の深さ、つまり制約の方向に沿った誤差距離とも呼ばれる。
仮想制約は無限に剛体ではないが、代わりに、各仮想制約には、例えばばねと減衰のパラメータを制約に組み込むことによって、仮想制約の剛性を調整するための調整パラメータがある。このようなパラメータには、制約力混合パラメータ（Ｃ）及びエラー低減パラメータ（ε）が含まれる場合がある。スプリングとダンピングのパラメータは、動作中に調整できる。一部のバージョンでは、調整パラメータの値は、特定の関係に基づいて変更される場合があり、例えば、ツール経路ＴＰの曲率（経路制約の場合）、仮想境界７１とＴＣＰの関係（境界制約の場合）、現在の状態と目標状態の関係（ガイド制約の場合）などがある。調整パラメータは、様々な仮想制約ごとに異なり得る。例えば、境界制約は他の制約よりも厳しい場合がある。仮想制約は、調整パラメータの第１の値を有する第１の仮想制約と、調整パラメータの第２の値を有する第２の仮想制約とを含み得、第１の値は、第２の値よりも大きく、制約力Ｆｃで具体化された結果として生じる仮想の力及び／又はトルクは、第２の仮想制約と比較して、第１の仮想制約の結果として、ツール２０の動きをより強くもたらすように適合されている。調整パラメータの値は、方向の制約よりも位置の制約の方が大きい（例えば、硬い）場合があり、その逆の場合もある。
調整パラメータは、一定のまま、制約距離で指数関数的に上昇／下降する、制約距離に応じて線形に変化する、制約の方向によって異なる、重力の影響を考慮に入れる、などのように設定することもできる。調整パラメータは、制約力Ｆｃ又はそのコンポーネントの大きさに応じて剛性を増減するなど、仮想制約に基づいて最終的に計算される制約力Ｆｃに応じてスケーリングすることもできる。調整パラメータ及びそれらの値、特定の関係に対するそれらの相関、及びそれらがスケーリングされ得る様式は、後で検索するために、制御システム６０内の任意の適切なメモリ内の１つ又は複数のルックアップテーブルに格納され得る。
各仮想制約には構成的な設定もある。構成的な設定には、制約力混合パラメータ（Ｃ）やエラー削減パラメータ（ε）などの調整パラメータに関する情報、力の上限及び／又は下限、及び／又は上下の制約距離オフセットが含まれる。力の上限及び下限は、以下でさらに説明するように、制約ソルバー８４によって最終的に解決されて制約力Ｆｃを生成する、各仮想制約に対して計算された力の制限を指す。仮想制約は、一方向の制約（例えば、制約を満たすために計算された力が正のみ又は負のみである）、又は双方向の制約（例えば、制約を満たすために計算された力が正又は負である可能性がある）であり得る。一方向の制約の場合、力の上限を正の方向に高く設定し（例えば、＋１００，０００ニュートン）、力の下限をゼロに設定できるが、力の限界は任意の所望の制限に設定できる。双方向の制約の場合、力の上限と下限を反対方向に高く設定できる（例えば、＋／－１００，０００ニュートン）。上下の制約距離オフセットは、制約がアクティブになるときを示す。一部の制約は、特定のモードで常にアクティブになる場合がある。境界制約に関しては、制約距離オフセットの上限はゼロであり得、制約距離オフセットの下限は大きな負の値（例えば、－１００，０００ｍｍ）であり得るため、事実上、任意の境界侵入は制限内に収まる。以下でさらに説明するように、仮想シミュレーションがツール２０のＴＣＰの提案された状態が仮想境界７１に侵入していることを示したときに境界制約がアクティブになるように、制約距離オフセットの上限及び下限を設定することができる。
ガイド制約、経路制約、境界制約、及び他の制約を含む、様々な仮想制約を、制約ソルバー８４に供給することができる。これらの制約は、制御システム６０によってオン／オフされ得る。例えば、場合によっては、経路制約（手動モードなど）がなく、境界制約（ホールドモード、誘導手動モード、又はフリーモードなど）がなく、他の制約が生成されていないことがある。同様に、ツール２０を仮想境界７１に準拠するよう戻すようにユーザを誘導する必要がない限り、ガイド制約が生成されない場合がある。行動制御７４で使用されるすべての仮想制約は、ツール２０の動きに影響を及ぼし得る。
制約ソルバー８４は、制約ソルバー８４に送られた仮想制約に基づいて、仮想シミュレータ８６によって実行される仮想シミュレーションにおいて、ツール２０に仮想的に適用される制約力Ｆｃを計算する。制約ソルバー８４は、最終的に、すべての制約を満たす、又は満たそうとする制約力Ｆｃの解を与えるタスクがあり、したがって、他の制約もまた、制約力Ｆｃの大きさ／方向に影響を及ぼし得る。例えば、境界制約が制約ソルバー８４に能動的に伝達される場合、制約ソルバー８４は、制約力Ｆｃを計算して、ツール２０を境界制約に基づいて仮想境界７１に準拠して維持するように適合された力及び／又はトルクの成分を有する。
図１２に示される制約方程式を参照すると、制約ソルバー８４は、各仮想制約の制約データを、Ｆｐを解くために、行列形式の制約方程式の対応する行に配置する。ここで、Ｆｐは、選択した座標系の力ベクトルである。つまり、Ｆｐの各成分は、対応する制約方向に作用する制約力スカラーである。Ｆｐを解くために、以下に説明するように、図１２に示す方程式は、各行が単一の１次元制約を表す行列方程式に変換される。制約データは、外力Ｆｃｇｅｘｔ、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ、仮想質量行列Ｍ、仮想質量速度Ｖｃｇ１、及びタイムステップΔｔ（例えば、１２５マイクロ秒のｔｆｒａｍｅに設定）など、制約ソルバー８４が既知の他の情報と共に、制約方程式に配置される。
仮想質量行列Ｍは、３ｘ３の質量行列と慣性行列を組み合わせたものである。減衰及び慣性力Ｆｄａｍｐｉｎｇ及びＦｉｎｅｒｔｉａｌは、仮想シミュレータ８６によって計算され／既知であり、前のタイムステップで、仮想シミュレータ８６によって出力された仮想質量速度Ｖｃｇ１（例えば、仮想質量座標系ＶＭの速度）に基づいている。仮想質量速度Ｖｃｇ１は、線形及び角速度成分を含む６ＤＯＦの速度ベクトルである。減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇは、仮想質量速度Ｖｃｇ１と減衰係数マトリックスの関数として計算された６ＤＯＦの力／トルクベクトルである（線形係数と回転係数は等しくない場合がある）。仮想質量に減衰を適用して、その安定性を向上させる。慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌは、仮想質量速度Ｖｃｇ１と仮想質量行列Ｍの関数として計算された６ＤＯＦ力／トルクベクトルでもある。減衰力と慣性力ＦｄａｍｐｉｎｇとＦｉｎｅｒｔｉａは、Ｂｏｗｌｉｎｇらの米国特許第９，５６６，１２２号に記載されている様式で判定され、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
制約ソルバー８４は、連立方程式を満たす（例えば、様々な制約を満たす）解を求めるために、この制約の連立方程式を解く任意の適切なアルゴリズム命令（例えば、反復制約ソルバー、射影されたガウス・ザイデルソルバーなど）で構成されてもよい。場合によっては、すべての制約が同時に満たされないことがある。例えば、モーションが様々な制約によって過剰に制約されている場合、制約ソルバー８４は、様々な制約の相対的な剛性／減衰を考慮して、本質的に「最適な」解決策を見つける。制約ソルバー８４は連立方程式を解き、最終的に制約力Ｆｐを出力する。
射影されたガウス・ザイデルソルバーを使用する場合、制約ソルバー８４は制約に基づいてＡ及びｂ行列を作成し、射影されたガウス・ザイデルを使用して連立方程式を解き、結果の力ベクトルＦｐを判定し、射影されたガウス・ザイデルの出力を取得し、選択した座標系（制約座標系など）から仮想質量座標系ＶＭに変換する。例えば、方程式Ｆｃ＝Ｊｐ ＴＦｐを使用するとき、式中Ｆｃは制約力であり、力ベクトルＦｐの成分は、仮想質量座標系ＶＭに適用される同等の力／トルクベクトルＦｃに変換される。
射影ガウス・ザイデルを使用して複数の制約の連立方程式を解く方法は、例えば、Ｍａｒｉｊｎ ＴａｍｉｓとＧｉｕｓｅｐｐｅ Ｍａｇｇｉｏｒｅによる２０１５年６月１５日付けの「Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｂａｓｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ ｓｏｌｖｅｒ」（ｖ１．０２）に示されており、それはｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｆｔ－ｓｐｉｒｉｔ．ｎｌ／ｆｉｌｅｓ／ＭＴａｍｉｓ＿ＣｏｎｓｔｒａｉｎｔＢａｓｅｄＰｈｙｓｉｃｓＳｏｌｖｅｒ．ｐｄｆにおいて見出せる。又は２０１５年７月１日付の、Ｍａｒｉｊｎ Ｔａｍｉｓによる「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ Ｇａｕｓｓ－Ｓｅｉｄｅｌ ａｎｄ Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｓｏｌｖｅｒｓ ｆｏｒ Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ」（ｖ１．０１）に示されており、これはｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｆｔ－ｓｐｉｒｉｔ．ｎｌ／ｆｉｌｅｓ／ＭＴａｍｉｓ＿ＰＧＳ＿ＳＩ＿Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．ｐｄｆにおいて見出せる。どちらも参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
射影されたガウス・ザイデル法は、線形相補性問題（ＬＣＰ）に対処する。一部の制約タイプ（境界制約などの片側制約など）は一方向にしか押す（力を加える）ことができないため、ＬＣＰに関連する不等式が発生する。そのような制約の計算された力が、制約ソルバー８４の所与の反復の許容範囲外であり、これは無効である場合、所与の制約をプルーニングする（又はその上限又は下限の許容された値で交互に制限／限界を設ける）必要があり、適切な結果（つまり、収束）が見つかるまで、残りの制約は解かれる。このようにして、制約ソルバー８４は、所与のタイムステップに対する制約のアクティブなセットを判定し、次にそれらの値を解く。他の制約タイプでは、正と負の両方の方向、例えば両側の制約に、力を加えることができる。このような制約には、ユーザがツールを目標状態に向けて移動するように誘導するために使用されるガイド制約が含まれる。このような両側制約は、有効になっているとき、通常はアクティブであり、制約ソルバー８４の反復中にプルーニング／制限されない。
制約ソルバー８４によって計算された制約力Ｆｃは、ｘ、ｙ、ｚ軸に沿った力の３つの成分と、ｘ、ｙ、ｚ軸の周りのトルクの３つの成分とを含む。仮想シミュレータ８６は、その仮想シミュレーションにおいて、外力Ｆｃｇｅｘｔ、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ（これらはすべて、力／トルクの６つの成分を含み得る）と共に、制約力Ｆｃを利用する。場合によっては、力／トルクのこれらの成分は、最初に共通の座標系（例えば、仮想質量座標系ＶＭ）に変換され、次に合計されて総合的な力ＦＴが定められる。結果として生じる６ＤＯＦの力（すなわち、力及びトルク）は、仮想剛体に適用され、結果として生じるモーションは、仮想シミュレータ８６によって計算される。したがって、仮想シミュレータ８６は、すべてが総合的な力ＦＴに反映される様々な制約が、仮想剛体のモーションにどのように影響するかを効果的にシミュレートするように機能する。仮想シミュレータ８６は、フォワードダイナミクスを実行して、仮想剛体に加えられている所与の総合的な力ＦＴに基づいて、仮想剛体の結果として生じる６ＤＯＦのポーズ及び速度を計算する。一例では、仮想シミュレータ８６は、物理エンジンを備え、これは、前述のコントローラ２１、２６、３６のいずれか１つ又は複数の非一時的メモリに格納され、制御システム６０によって実装される実行可能ソフトウェアである。
仮想シミュレーションの場合、仮想シミュレータ８６は、ツール２０を仮想質量座標系ＶＭの仮想剛体としてモデル化し、通常、仮想質量座標系ＶＭの原点は仮想剛体の質量の中心に位置し、座標軸は仮想剛体の主軸と位置合わせされる。仮想剛体は、仮想シミュレーションの目的のための動的対象物及びツール２０の剛体表現である。仮想剛体は、仮想シミュレーションによるデカルト空間の６自由度（６ＤＯＦ）に従って自由に移動できる。仮想シミュレーションは、視覚的又はグラフィック表現なしで計算的に処理される場合がある。したがって、仮想シミュレーションで仮想剛体のダイナミクスを表示する必要はない。言い換えると、仮想剛体は、処理ユニットで実行されるグラフィックスアプリケーション内でモデル化する必要はない。仮想剛体は、仮想シミュレーションのためにのみ存在し得る。
仮想剛体とその特性（質量、慣性マトリックス、重心、主軸など）は、加えられた力及びトルクに応じてツール２０がどのように動くかを定める（例えば、ユーザによって適用される力及びトルク、及び制約力及びトルクを組み込んだ総合的な力ＦＴから）。それは、ツール２０が重く感じるか軽く感じるか、加えられた力及びトルクに応じてツールがどのように動くか（例えば、並進及び回転で加速する）を管理する。仮想剛体の特性を調整することにより、制御システム６０は、ツール２０がユーザにどのように感じるかを調整することができる。可能な限り現実的なモーション／感触を得るために、ツール２０の実際の特性にかなり近いようにモデル化された仮想剛体の特性を有することが望ましい場合があるが、それは必須ではない。制御の安定性の理由（所与のマニピュレータ１４の有限の加速度、制御の待ち時間など）のために、仮想の質量と慣性は、物理的なツール２０よりもいくらか高くなるようにモデル化できる。
仮想剛体は、ツール２０上又はツール２０内にあり得る構成要素に対応し得る。追加的又は代替的に、仮想剛体は、部分的に、物理的ツール２０を超えて延びることができる。仮想剛体は、エネルギーアプリケータ２４を備えたツール２０を考慮に入れることができ、又はエネルギーアプリケータ２４を備えていないツール２０を考慮に入れることができる。さらに、仮想剛体はＴＣＰに基づいている場合がある。一例では、仮想剛体の重心は、仮想剛体の別の点に仮想の力が加えられ、仮想剛体がそれ以外制約されていない、すなわちマニピュレータ１４によって制約されていない場合、仮想剛体が回転する中心の点であると理解される。仮想剛体の重心は、ツール２０の実際の重心に近であり得るが、同じである必要はない。仮想剛体の重心は、経験的に判定できる。ツール２０がマニピュレータ１４に取り付けられると、個々の実践者の好みに対応するために、重心の位置をリセットすることができる。
仮想シミュレータ８６は、仮想シミュレーションにおいて仮想剛体に力及び／又はトルクを仮想的に適用することによって、すなわち、総合的な力ＦＴからの力及びトルクの成分を仮想的に仮想質量座標系ＶＭの仮想剛体の重心に適用することによって、ツール２０の剛体ダイナミクスを効果的にシミュレートする。したがって、仮想剛体に仮想的に適用される力／トルクは、外力Ｆｃｇｅｘｔ（例えば、１つ又は複数のセンサからの入力に基づく）に関連する力／トルク、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ、及び様々な制約に関連する制約力Ｆｃからの力／トルク（制約力Ｆｃで具体化されるため）を含み得る。
剛体ヤコビアンを使用して、同じ仮想剛体上の１つの座標系（参照フレーム）から別の座標系に速度と力を変換でき、ここでは、Ｆｅｘｔの力及びトルクを仮想質量座標系ＶＭに変換するためにも使用できる（例えば、制約方程式で使用されるＦｃｇｅｘｔを生成するため）。次に、仮想シミュレータ８６は、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌを内部で計算して、総合的な力ＦＴを判定し、また、制約ソルバー８４によって使用するために、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌを、次のタイムステップの連立方程式で出力する。
図１３及び１４に示すように、仮想フォワードダイナミクスアルゴリズムを仮想シミュレーションで使用して、総合的な力ＦＴを適用すると移動する仮想剛体のモーションをシミュレートできる。事実上、仮想フォワードダイナミクスアルゴリズムは、６ＤＯＦで方程式Ｆ＝ｍａ（又はａ＝Ｆ／ｍ）を解き、加速度を統合して速度を生成する。これは、図１４に示すように、新しいポーズを判定するために使用される。制御システム６０は、仮想の力及び／又はトルク（例えば、総合的な力ＦＴ）を仮想シミュレータ８６に入力し、これらの仮想の力及び／又はトルクは、仮想剛体が初期速度で初期のポーズにあるとき、仮想シミュレーションでの重心（例えば、ＣＧ）における仮想剛体に加えられる。仮想剛体は、入力された仮想の力及び／又はトルクを満たす制御システム６０に応じて、異なる状態（すなわち、位置及び／又は配向）を有し、デカルト空間内の最終速度で最終ポーズに移動される。モーション制御７６に送られる次の命令されたポーズは、仮想シミュレータ８６によって計算された最終ポーズに基づく。したがって、仮想シミュレータ８６は、図１４に示すように、仮想前方ダイナミクスを使用して仮想剛体に総合的な力ＦＴを加える効果をシミュレートすることによって、次の命令されたポーズを判定するように動作する。
シミュレーションでは、仮想剛体に速度制限が課される場合がある。場合によっては、速度制限を高く設定して、一般にシミュレーションに影響を与えないようにすることも、任意の所望の値に設定することもできる。仮想剛体は初期ポーズ（初期状態）にあり、仮想シミュレーションの各反復の開始時（例えば、各タイムステップ／間隔ｄｔ）に初期速度を有する。初期ポーズ及び初期速度は、前のタイムステップで仮想シミュレータ８６によって出力された最終ポーズ及び最終速度として定めることができる。その後、仮想シミュレータ８６は、その仮想シミュレーションに基づいて、次の命令されたポーズを計算して出力する。制御システム６０は、マニピュレータ１４に、命令されたポーズに基づいてツール２０を動かすように命令するように構成される。
図１１に戻ると、ブロック図は、前述の制約を使用して、マニピュレータ１４の動作及びツール２０の動きを制御するために実行されるプロセスを示している。示されているバージョンでは、行動制御７４は、経路ハンドラ８８を含む。経路ハンドラ８８は、経路ジェネレータ６８によって与えられるツール経路ＴＰに従って経路制約を生成／出力するように動作する。ツール経路ＴＰは、経路ハンドラ８８への入力である。経路ハンドラ８８は、制約実行時パラメータ（例えば、制約ヤコビアンＪｐ、所望の速度Ｖｄｅｓ（又はＶｐ２）、及び制約距離Δｄ）の判定を含む、前述の制約パラメータに基づいて経路制約を生成する。図１１を参照して説明されたバージョンの経路ハンドラ８８は、半自律モードでは有効でアクティブであるが、他のモードでは無効である。
行動制御７４は、境界ジェネレータ６６によって生成された１つ又は複数の仮想境界７１に基づいて境界制約を生成するための境界ハンドラ９０をさらに備える。境界制約は、最終的に、制御システム６０が、ツール２０と、標的部位に関連付けられた１つ又は複数の仮想境界７１との間の関係に基づいて、マニピュレータ１４の動作及びツール２０の動きを制御することを可能にする。例えば、制御システム６０は、境界制約を介して、ツール２０と仮想境界７１との間の相対的な動きを制限する。境界ハンドラ９０への入力は、ツール２０の最後に命令されたポーズ（例えば、現在のポーズとして扱われる）、仮想境界７１、及びツール入力８２及びペンダント入力ＲＣ１のユーザ入力状態を含む。境界ハンドラ９０は、制約実行時パラメータ（例えば、制約ヤコビアンＪｐ、所望の速度Ｖｄｅｓ（又はＶｐ２）、及び制約距離Δｄ）の判定を含む、前述の制約パラメータに基づいて境界制約を生成する。
行動制御７４はまた、ガイドハンドラ９４を備える。特定の状況では、ツール２０を所望の位置及び／又は配向に誘導する様式でツール２０を操作するようにユーザを誘導することが望ましい場合がある。例えば、状況によっては、ツール２０のＴＣＰは、それが仮想境界７１に侵入する位置にある可能性がある。この場合、手動モード又は半自律モードなどの特定の動作モードは、ツール２０のＴＣＰが仮想境界７１に準拠するまで無効にされ得る（例えば、ツール２０の動きに影響を与える境界制約又は経路制約が生成されない）。ガイドハンドラ９４は、ツール２０を仮想境界７１に準拠させるツール２０の目標状態を取得し、ツール２０の目標状態及び現在の状態に基づいて１つ又は複数のガイド制約を生成することができる。前述のように、ユーザはまた、フリーモードで、すなわち、いずれのガイド制約をも生成することなく、ツール２０を仮想境界７１に準拠するように戻すことができるか、又は制御システム６０は、ツール２０を、回復パスを介して仮想境界７１に準拠するよう自動的に戻すことができる。以下でさらに説明するように、仮想境界７１への準拠を達成する他の方法もまた企図される。
ガイドハンドラ９４への入力は、回復信号及び最後に命令されたポーズ（現在の状態）を含む。境界ハンドラ９０は、仮想境界７１に侵入していないツール２０の目標位置及び／又は配向を識別し得るので、目標状態（例えば、ポーズ）は、境界ハンドラ９０からの回復信号の一部であり得る。目標状態は、解剖学的座標系、解剖学的トラッカー座標系などで定められ、最後に命令されたポーズで共通の座標系に変換され得る。ガイドハンドラ９４は、最後に命令されたポーズと目標状態との間の関係に基づいて、１つ又は複数のガイド制約を定める。ガイド制約は、ガイドハンドラ９４から制約ソルバー８４に出力される。ガイドハンドラ９４は、ガイド制約をアクティブにして、ユーザに触覚フィードバックを提供し、ユーザがツール２０を仮想境界７１に準拠するように誘導するように構成され、制約ソルバー８４は、ガイド制約に基づいて、ツール２０を仮想境界７１に準拠するように引き付けるように適合されている制約力Ｆｃを計算するように構成される。
Ｖ．衝突チェックと境界が有効な状態と境界が無効な状態
境界ハンドラ９０は、動作モード、ユーザ入力状態などに応じて様々な衝突チェックを実行する。第１のタイプの衝突チェックは、ツール２０の現在の状態（例えば、現在のポーズ）又は仮想シミュレータ８６による仮想シミュレーションで生成されたツール２０の提案された状態（例えば、提案されたポーズ）は、仮想境界７１に侵入しているかどうか／どのくらい侵入しているかをチェックすることを含む。この衝突チェックは、境界ハンドラ９０によって生成され、制約ソルバー８４によって適用される必要がある境界制約を判定するために実行され、現在の状態／提案された状態が、手動モード又は半自律モードでの通常の操作中のツール２０による仮想境界７１の侵入を防止するか、又は少なくとも制限する方法で変更される。一部のバージョンでは、このタイプの衝突チェックは、手動モード又は半自律モードでの動作中に各フレームで実行され、仮想シミュレータ８６によって新しい命令されたポーズが生成される前に実行され、モーション制御７６によって最終的に生成され実行される命令されたポーズが、ツール２０による仮想境界７１の侵入を制限する。いくつかのバージョンでは、このタイプの衝突チェックは、前の反復で計算された命令されたポーズに基づいて境界ハンドラ９０によって実行され得る（例えば、前の時間枠の命令されたポーズが現在のポーズとして設定される）。その場合、境界ハンドラ９０は、少なくとも仮想境界７１の侵入を制限するために生成される必要がある境界制約を判定する。例えば、前のフレームからの命令されたポーズは、ツール２０が仮想境界７１をわずかに横切って移動する結果となるポーズであり得るが、境界ハンドラ９０は、ツール２０を戻すために現在のフレームに境界制約を生成する。
第１のタイプの衝突チェックを実行するための方法は、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅｓ Ｔｏ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ」と題される、Ｂｏｗｌｉｎｇに対する米国特許出願公開第２０１８／０３５３２５３号に記載されている。これは参照により本明細書に組み込まれる。他の衝突検出方法も使用することができる。例えば、仮想境界７１が三角形メッシュによって定められる場合、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１１９，６５５号に記載されているように、広位相及び狭位相検索を使用する衝突検出を実施することができる。
境界ハンドラ９０は、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が第２の入力状態から第１の入力状態に切り替わるとき、例えば、システム１０がホールドモードから手動モードに、又はホールドモードから半自律モードに切り替わるときに、第２のタイプの衝突チェックを実行する。ユーザ入力の現在の状態及びその切り替えは、ユーザ入力状態検出器９２によって検出することができる。ユーザ入力状態検出器９２は、ユーザ入力（例えば、ツール入力８２及びペンダント入力ＲＣ１）の現在の状態を供給し、そのいずれかの状態変化を境界ハンドラ９０に示す。第２のタイプの衝突チェックは、ユーザ入力のいずれかが１つの状態から別の状態に切り替わるたびに実行されるサブルーチンである可能性がある。
第２のタイプの衝突チェックを実行するために、境界ハンドラ９０は、仮想境界７１の幾何学的な定義をツール２０の現在の状態（例えば、最後に命令されたポーズ）に対してチェックして、ツール（例えば、ツール２０のＴＣＰ）は、仮想境界７１に準拠しているか、又は仮想境界７１に侵入しているかどうかチェックする。前に述べたように、仮想境界７１へのツール２０のいくらかの貫入又は仮想境界７１の完全な準拠からのツール２０の逸脱が仮想境界７１の侵入と見なされないように、事前に定義された設定可能な許容誤差が仮想境界７１に対して確立され得、そのため第２のタイプの衝突チェックでは、これらの許容誤差も考慮する必要がある。これは、仮想境界７１の境界体積部をチェックし、ツール２０のＴＣＰの現在の位置を境界体積部と比較することを単に必要とし得る。いくつかのバージョンでは、ＴＣＰに加えて、ツール２０に帰属する１つ又は複数の仮想定位的相互作用機構ＳＩＦの位置が、境界体積部と比較され得る。これらの定位的相互作用機構ＳＩＦは、ツール２０上の実際の点に対応する点、固有の原点と半径の球、又はその他の適切な幾何学的形状である可能性がある。各定位的相互作用機構ＳＩＦは、衝突をチェックするために境界体積部と比較される。境界体積部は、例えば、ボクセルによって定められ得、境界ハンドラ９０は、衝突検出を実行して、ツール２０がいずれかのボクセル内にあるかどうかを判定することができる。衝突検出の他の方法は、光線追跡法、構成空間検索、境界体積部階層、ポイントメンバーシップ分類（ＰＭＣ）などを利用することができる。境界ハンドラ９０は、任意の適切な方法を使用してツール２０と仮想境界７１との衝突を検出することができる。
第２のタイプの衝突チェックが、ツール２０が仮想境界７１に侵入していることを示す場合、回復モードが有効になり、回復信号及び関連する目標状態がガイドハンドラ９４に送信され、ガイドハンドラ９４は仮想境界７１に準拠するようにツール２０を配置するようにユーザを誘導するために説明されている、以前に記載したユーザフィードバックを生成することができる。ツール２０が仮想境界７１に侵入している間、マニピュレータ１４の所望の動作モード（例えば、手動モード又は半自律モード）を無効にすることができる。ユーザ入力（例えば、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１）が第１の入力状態にあるとき、ツール２０の自律的な、境界に準拠した動きは、回復モードでは無効のままである。
衝突チェックが、ツール２０がすでに仮想境界７１に準拠していることを示している場合、マニピュレータ１４の所望の動作モードを有効にすることができる。衝突チェックに合格した場合（例えば、ＴＣＰ及び／又は他のＳＩＦが仮想境界７１の許可された領域に完全にあるか、設定された距離（例えば、０．１ｍｍ）を超えて仮想境界７１を貫入していない場合）、境界制約がアクティブになり、ツール２０の移動が有効になる。第２のタイプの衝突チェックと境界制約のアクティブ化は、チェックとアクティブ化の間の移動の競合状態を回避するために、アトミックに（同じタイムステップで）実行される。
第２のタイプの衝突チェックが失敗した場合、境界制約は有効にならず、回復シーケンスが回復モードを介して開始される。回復シーケンスは、ツール２０を切除領域から遠ざけるようにユーザに要求する１つ又は複数のディスプレイ３８に表示されるユーザメッセージを含むことができる。ツールドライブも無効になる（例えば、機械加工は許可されない）。いくつかのバージョンでは、回復モードで、高度に減衰された移動が可能になり得る（例えば、減衰制約が、ツール２０の高度に減衰された移動を提供するためにガイドハンドラ９４によって使用され得る）。仮想シミュレータ８６によって実行される仮想シミュレーションで使用される減衰係数は、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇを変更して減衰を増加させるように調整することもできる。そのような動きは、マニピュレータ１４がツール２０に加えられたユーザの力及びトルクに応答することを可能にすることによって有効になり得るが、比較的減衰された様式である。高度に減衰された移動により、ユーザは、触覚の相互作用（減衰制約を介して）を通じて、ユーザがその時点でディスプレイ３８を直接見ていなければ異常な状態が存在することを即座に感じることができる。
回復モードは、回復中にユーザをガイドするのに役立つ誘導触覚モードのアクティブ化を引き起こし得る。あるいは、フリーモードを回復モードでアクティブにし得、ユーザがツール２０を仮想境界７１に準拠するように自由に動かすことを可能にする。前述のように、回復経路は、追加的に、又は代替的に、回復モードで生成され、ツール２０を仮想境界７１に準拠するように自律的に戻すために使用され得る。この場合、ペンダント入力ＲＣ１を使用して、回復経路に沿ったツール２０の動きを制御することができる。いくつかのバージョンでは、回復モードにおいて、境界ハンドラ９０又はガイドハンドラ９４は、ツール２０が一層段階的に仮想境界７１の侵入から回復できる（すなわち、仮想境界７１は、より堅くないように効果的に変更される）ように、元の境界制約の調整パラメータよりも低い調整パラメータを有する仮想境界７１に関連する回復制約を生成し得る。いくつかのバージョンでは、回復モードにおいて、制御システム６０は、ツール２０がもはや仮想境界７１に侵入しないように、仮想境界７１をその開始位置から移動させる（例えば、その位置／配向を変更する）ことができる。ツール２０が仮想境界７１に準拠するように戻ると、ツール２０の自律的な、境界に準拠した動きは、制御システム６０によって可能になり、仮想境界７１は、穏やかにそれと一緒にツール２０を押しながら、ゆっくりと移行して開始位置に戻り、ツール２０が仮想境界７１に準拠したままであるようにする。
回復モードで実行されるステップは比較的迅速に実行されるので、ユーザによるツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１の最初の起動に応じて、ツールのモーションの開始に目立った遅延はない。例えば、これにより、ユーザ／マニピュレータ１４は、ツール２０を仮想境界７１に対して許可された領域に比較的効率的に動かして戻すことができる。ツール２０が回復モードで移動している間、制御システム６０は、定期的又は継続的に第２のタイプの衝突チェックを実行して、ツール２０が仮想境界７１に準拠するように戻ったときを検出する。その時点で、ユーザがツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１を解放することを必要とせずに、前述の境界制約のアクティブ化が実行され、減衰（使用される場合）は通常の設定に戻され（ユーザは、状態が解決されたと感じるのに基づいて表示をする）、ツールドライブを使用してツール２０を操作する能力が有効になり、ディスプレイ３８のメッセージが更新／クリアされる。
回復シーケンスは、アクティブ化中にトラッカーの１つが有効でない（つまり、表示されないか、質の閾値を下回っている）場合にも開始できる。トラッカーが表示され、第２のタイプの衝突チェックがクリアされると、制御システム６０は境界が有効な状態に切り替わり、手動モード又は半自律モードでの操作を可能にする。
図１５は、第２のタイプの衝突チェックを実行するために境界ハンドラ９０及び関連する構成要素によって実行されるサブルーチンを示している。ステップ１００において、境界ハンドラ９０は、入力状態が変化したかどうか、すなわち、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が１つの状態から別の状態に切り替えられたかどうかを判定する。そうでない場合、及び境界ハンドラ９０がまだ回復モードになっていない場合、境界ハンドラ９０は状態変化のチェックに戻る。状態変化があった場合、境界ハンドラ９０は、次に、ステップ１０２で、状態変化の性質、すなわち、それが第２の入力状態から第１の入力状態への変化／移行であるか（例えば、ユーザ入力が作動された）、又はその逆（例えば、解放された）かを判定する。ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が作動された場合、境界ハンドラ９０は、ステップ１０４で衝突チェックを実行して、ツール２０が仮想境界７１に準拠しているか、又は仮想境界７１に侵入しているかを判定する。
仮想境界７１に侵入した場合、（ｉ）制御システム６０が、ステップ１０６で境界が無効な状態に切り替えられる、（ｉｉ）ツール２０の動作を制御するツールドライブが、ステップ１０８で無効にされ、これは、制御システム６０が、ツール２０の動作に通常関連するユーザからのいずれかの入力を事実上無視することを意味する、また（ｉｉｉ）回復モードが、ステップ１１０で開始される。これらのステップはほぼ同時に発生し得、図１５に示されている順序は単に説明を目的としたものであることに留意されたい。ステップ１１２において、ガイドハンドラ９４は、回復信号を介して、仮想境界７１が侵入されていることをユーザに通知するためのユーザフィードバックを生成するように、及び／又はユーザにツール２０を仮想境界７１に準拠して配置するように誘導するように指示される。回復モードに入ると、サブルーチンはいずれかのそれ以降の状態の変化をチェックし続け、状態の変化がない場合（例えば、ユーザがまだツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１を作動させている場合）、境界ハンドラ９０は回復モードを継続させ、ツール２０が仮想境界７１に侵入したままであるかどうかをチェックする。
仮想境界７１が侵入されていない場合、（ｉ）制御システム６０は、ステップ１１４において境界が有効な状態に切り替えられ、（ｉｉ）ツール２０の動作を制御するツールドライブが、ステップ１１６で有効にされ、また（ｉｉｉ）回復モード（アクティブな場合）がステップ１１８で終了する。示されていないが、回復モードが終了するとき、ユーザが選択した手動モード又は半自律モードが有効になる。これらのステップはほぼ同時に発生する可能性があり、図１５に示されている順序は単に説明を目的としたものであることに留意されたい。また、ステップ１１６でツールドライブが有効にされたとき、回復モードに入った後、ツール２０はすぐにはアクティブ化されない場合もあるが、ツールの制御は、関連するユーザインターフェースＵＩを介した（例えば、ボタン、フットスイッチ、トリガなどを介した）ツールの操作を可能にするために、ユーザに戻ることにも留意されたい。ユーザがユーザインターフェースＵＩの入力を作動させてツールの操作（例えば、電動切断など）を引き起こしている間に回復モードが終了した場合、制御システム６０は、ユーザが入力を解放して再係合するまでこの入力を無視することができ、回復モードを終了した後、ツール２０の予期しない動作がないようにする。
ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が解放された場合、（ｉ）制御システム６０は、ステップ１２０でホールドモード及び境界が無効な状態に切り替えられ、（ｉｉ）ツール２０の動作を制御するツールドライブは、ステップ１２２で無効にされ、また（ｉｉｉ）回復モード（アクティブな場合）がステップ１２４で終了する。これらのステップはほぼ同時に発生する可能性があり、図１５に示されている順序は単に説明を目的としたものであることに留意されたい。
いくつかのバージョンでは、制御システム６０は、ユーザ入力が第１の入力状態から第２の入力状態に移行してから、所定の期間が経過した後、ツール２０の自律的な、境界に準拠した動きを無効にするように構成され得る。例えば、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が解放された後、仮想境界７１を短時間（例えば、１００～５００ｍｓ）有効にしたままにして、マニピュレータ１４／ツール２０が止まるようにすることが望ましい場合がある。そうでなければ、境界制約が直ちに無効にされた場合、ツール２０は、仮想境界７１を通って惰性走行し、望ましくない方法で切断又は移動する可能性がある。場合によっては、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が解放されたとき、制御システム６０は、ツール２０がより迅速に停止するように、前述のように高度に減衰された移動に切り替わることができる。一定の時間間隔の後、又はツール２０が停止すると、仮想境界７１を無効にすることができる。この遅延は、前述のように事前に決定／事前設定することができるか、又は、ツール２０（例えば、仮想剛体）とその速度（線形、回転）を監視し、境界制約を、速度の程度（線形、回転）が特定の閾値を下回る（又は、各自由度及び／又は各タイプの速度に対して定められた閾値のセットを下回る）まで有効にしておくことにより、制御システム６０によって自動的に制御することもできる。場合によっては、仮想境界７１は、いずれが先であっても、１つ又は複数の速度が１つ又は複数の閾値を下回るか、又は最大時間に達するまで、アクティブであり続け得る。
図１５に概説されるプロセスは、境界制約が境界ハンドラ９０から制約ソルバー８４に送られている境界が有効な状態と、境界制約がもはや境界ハンドラ９０から制約ソルバー８４に送られてなく、それによりツール２０の自律的な、境界に準拠した動きを無効にする境界が無効な状態との間で、境界ハンドラ９０がどのように動作可能であるかを示す。境界ハンドラ９０は、（ｉ）ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が第１の入力状態から第２の入力状態に移行することに応じて境界が無効な状態で動作し、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が切り替えられてマニピュレータ１４の動きが安定することを可能にした後に境界が無効な状態への移行に遅延が生じる可能性がある、（ｉｉ）ツール２０が仮想境界７１に準拠している限り、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が第２の入力状態から第１の入力状態に移行することに応じて、境界が有効な状態で動作する、（ｉｉｉ）ツール２０が移行時に仮想境界７１に侵入している場合、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が第２の入力状態から第１の入力状態に移行することに応じて境界が無効な状態で動作する、又はその後まもなく（ｉｖ）ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１がまだ第１の入力状態にある場合、ツール２０が仮想境界７１に準拠して配置されると、境界が無効な状態から境界が有効な状態に切り替わる。
制約ソルバー８４、仮想シミュレータ８６、経路ハンドラ８８、境界ハンドラ９０、ユーザ入力状態検出器９２、及びガイドハンドラ９４はそれぞれ、前述のコントローラのいずれか１つ又は複数の非一時的メモリに格納され、制御システム６０によって実装される実行可能ソフトウェアを含む。制約ソルバー８４、仮想シミュレータ８６、経路ハンドラ８８、境界ハンドラ９０、ユーザ入力状態検出器９２、及びガイドハンドラ９４は、制御システム６０による実装のために任意の適切な場所に格納された１つ又は複数のソフトウェアモジュールに具体化され得る。
ＶＩ．行動制御
図１６は、行動制御７４によって実行される様々なステップの概要である。これらには、上記のように、制約ソルバー８４、仮想シミュレータ８６、経路ハンドラ８８、境界ハンドラ９０、及びガイドハンドラ９４によって実行されるステップが含まれる。ステップ１３０では、力／トルクセンサＳから取得した読み取り値に基づいて外力Ｆｅｘｔが計算される。ステップ１３２及び１３３では、様々な仮想制約に関連付けられた制約データが取得され、アクティブな制約が識別される。ステップ１３３において、境界制約などの制約は、以下でさらに説明されるように、仮想シミュレーションの結果に応じて更新され得る。図１６は、仮想シミュレーションによって出力された提案された状態が、最終的な更新された状態が計算される前に衝突について評価される実施形態を表しているが、一部のバージョンでは、仮想シミュレーションからの出力は、さらなる衝突をチェックせずに最終的な更新された状態として設定される（以下でさらに説明する図１６Ａを参照）。
ステップ１３４～１３８では、仮想シミュレータ８６によって剛体計算が実行され、仮想剛体の逆質量行列Ｍ－１、慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌ、及び減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇが判定される。ステップ １４０～１４４において、制約ソルバー８４は、ステップ１３４～１３８で実行された剛体計算からの出力、及びステップ１３２及び１３３で得られた制約データを利用して、前述の制約力の計算を実行し、最終的に制約力Ｆｃを生成する。ステップ１４６で、制約力Ｆｃは、仮想質量座標系ＶＭ（Ｆｃｇｅｘｔ）に変換された外力Ｆｅｘｔ、減衰力Ｆｄａｍｐｉｎｇ、及び慣性力Ｆｉｎｅｒｔｉａｌと合計され、総合的な力ＦＴが生成される。ステップ１４８において、仮想シミュレータ８６によって実施される仮想シミュレーションにおいて、総合的な力ＦＴが仮想剛体に加えられて、仮想剛体の提案された状態（例えば、ポーズ及び速度）を判定し、最終的にステップ１５０で初期状態及び提案された状態をＴＣＰに変換する。
ステップ１５２では、最初に一方の経路をたどり、次に次の実行でもう一方の経路をたどるソフトウェアトグルが使用される。第１の経路において、境界ハンドラ９０は、ステップ１５４で第１のタイプの衝突チェックを実行して、提案された状態が仮想境界７１との衝突をもたらすかどうかを判定する。衝突が検出されない場合、提案された状態が検証され、ステップ１５６で更新された状態として保存され、ステップ１５８でＴＣＰに変換される。新しい命令されたポーズ（ＴＴＣＰ）と速度（ＶＴＣＰ）は、ステップ１６０で仮想シミュレータ８６によって出力される。衝突が検出されなかった場合、トグル（ステップ１５２）は現在の状態のままである、すなわち、トグルは他の経路をたどるように切り替えられない。
衝突が検出された場合、境界ハンドラ９０は、ステップ１６２で衝突時間ｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎを計算し、トグルが切り替えられる。図１７Ａ及び１７Ｂを参照すると、衝突時間ｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎは、現在の状態と仮想シミュレーションで計算された提案された状態との間の第１の距離を計算（図１７Ａ）し、現在の状態と仮想境界７１の間の第２の距離を計算し（図１７Ｂ）、第１の距離に対する第２の距離の比率に全体の時間枠ｔｆｒａｍｅを掛けることによって判定され得る。したがって、例えば、仮想境界７１が提案された状態までの距離の５０％で交差する場合、衝突時間ｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎは時間枠ｔｆｒａｍｅの５０％になる。次に、ステップ１４０～１４４の制約力の計算に使用される時間Δｔは、ステップ１６４の衝突時間ｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎにリセットされ（図１７Ｃも参照）、新しい提案された状態が計算される。したがって、仮想シミュレーションは、衝突が発生する前の時間にトリミングされる。次に、仮想シミュレーションによって、新しい提案された状態が判定される。新しい提案された状態が判定されると、トグル（ステップ１５２）により、（衝突が検出されたので）他の経路がたどられ、新しい提案された状態は、ステップ１６６で更新された現在の状態になる。ステップ１６６への移行が発生すると、トグルは自動的にリセットされ、第１の経路をたどる。
次に、図１６及び図１７Ｄを参照して、制御システム６０は、衝突が発生してからの時間、衝突時間ｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎから、元の時間枠ｔｆｒａｍｅの終わりまでの時間を担う。言い換えると、制御システム６０は、期間Δｔ＝ｔｆｒａｍｅ－ｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎの間、新しい仮想シミュレーションを実行する。境界制約は、ステップ１６８の仮想シミュレーションのこの次のラウンドのために取得され、ツール２０が仮想境界７１を横切るのを防ぐために必要な仮想インパルスを効果的に生成する（又は、したがって、ツール２０は仮想境界７１を最小限しか横切らない）。次に、ステップ１６８で得られた境界制約を使用して、ステップ１３３で制約を更新し、仮想シミュレーションが、新しい期間ｔｆｒａｍｅ－ｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎに対して実行される（ステップ１４８を参照）。新しい提案された状態が判定され、ステップ１５０で再びＴＣＰに変換される。リセットされているステップ１５２のトグルは、再び第１の経路をたどり、衝突チェックが再びステップ１５４で実行される。一部の仮想境界７１では、衝突が検出されると、上記のステップにより、次の衝突チェックが常に負になり、ステップ１６０で新しい命令されたポーズと速度が出力される。ただし、複雑な幾何学的形状の場合、最初の衝突が検出されて対処されたときでも、次のラウンドの仮想シミュレーションではさらに別の衝突が発生する可能性がある。この場合、複数の衝突を考慮するための他のステップを実行できるが、図１６に示すプロセスは、説明する目的のより簡易な場合である。場合によっては、仮想シミュレーションの最大反復回数が設定でき、最大反復回数に達するとプロセスが停止する。最大反復回数に達した後も衝突が発生する場合は、様々な方法で処理でき、（ｉ）最新の提案された状態を最終的な更新された状態として出力する、（ｉｉ）前のフレームの状態（つまり、初期状態）を最終的な更新された状態として出力する、又は（ｉｉｉ）エラーを信号通知し、マニピュレータ１４、ツール２０などのモーションを停止する。
図１６Ａを参照すると、一部のバージョンでは、図１６のステップ１５２、１５４、１５６、１６２、１６４、１６６、及び１６８が削除され、代わりに仮想シミュレーションからの出力が新しい更新された状態として設定され、最終的に新しい命令されたポーズを生成する。このバージョンでは、第１の衝突チェックはステップ１３２の一部であり、境界ハンドラ９０が（他の制約と共に）制約ソルバー８４にフィードする境界制約（存在する場合）を判定する。
ＶＩＩ．例示的な動作
図１８Ａ～１８Ｇは、システム１０の動作の一例を示している。図１８Ａでは、ユーザは、ツール入力８２が作動され、第１の入力状態にあるように、ツール入力８２でツール２０のグリップ８３を把持していることが示されている。ユーザは、マニピュレータ１４を手動モード及び境界が有効な状態で操作して、標的部位（この場合は大腿骨Ｆ）から物質を除去する。仮想境界７１は、大腿骨Ｆ上にオーバーレイされるように示され、これは、ディスプレイ３８を介してユーザに視覚的に示され得る。図１８Ａでは、ユーザは、ツール２０を使用して大腿骨Ｆからすでに少量の組織を除去しているが、仮想境界７１内には、まだ除去されていないかなりの量の物質が残っている。この構成では、制御システム６０は、必要に応じて、ツール２０の自律的な、境界に準拠した動きを可能にすることによって、ツール２０を仮想境界７１内に維持し、そうでなければツール２０に仮想境界７１の侵入を生じさせる可能性のある仮想境界７１のいずれかの動きを担う。
図１８Ｂは、ユーザが大腿骨Ｆにアクセスしやすくなるように大腿骨を動かす準備として、ユーザがツール２０のＴＣＰを大腿骨Ｆの上方に動かすことを示している。
図１８Ｃは、大腿骨Ｆのユーザの動きを示している。ユーザは、ツール２０のグリップ８３から手を離し、ツール入力８２が解放されている。したがって、ツール入力８２は、ここで第２の入力状態にあり、制御システム６０は、ここで、ホールドモード及び境界が無効な状態に切り替えられる。したがって、ツール２０の自律的な、境界に準拠した動きは無効にされ、大腿骨Ｆは、ツール２０のいずれの対応する動きをも引き起こすことなく、ユーザによって動かされ得る。大腿骨Ｆの動きは、大腿骨Ｆにしっかりと取り付けられた第１の患者トラッカー５４を介して大腿骨Ｆの動きを追跡するローカライザ４４により、ナビゲーションシステム３２によって検出される。示されるように、ツール２０は、仮想境界７１の外側に移動した。
図１８Ｄは、手動モードで操作を継続するためにツール２０を再び使用するユーザを示している。より具体的には、ユーザは、ツール入力８２を再び作動させて、ツール入力８２を第１の入力状態にする。前述のように、第２の入力状態から第１の入力状態へのこの移行により、境界ハンドラ９０は、第２のタイプの衝突チェックを実行する。この衝突チェックの結果は、ツール２０が仮想境界７１に侵入しているということである。したがって、ガイドハンドラ９４は、１つ又は複数の形態のユーザフィードバックを提供して、ツール２０のこの状態をユーザに示し、及び／又はユーザがツール２０を仮想境界７１に準拠するように戻すように誘導することができる。アラート及び関連するガイダンスは、図１８Ｄ及び１８Ｅの１つ又は複数のディスプレイに表示されるものとして示されている。図１８Ｅでは、ユーザは、仮想境界７１に準拠するように、誘導触覚モード又はフリーモードでツール２０を動かした。
図１８Ｆは、ユーザがもはやリモートコントロールＲＣのペンダント入力ＲＣ１を作動させて、ペンダント入力ＲＣ１を第１の入力状態にして、システム１０を半自律モードで動作させることを示している。より具体的には、ユーザは、手動モードから半自律モードに移行するためにツール入力８２を解放した。制御システム６０が手動モードから半自律モードに動作を移行するとき、制御システム６０は、第３のタイプの衝突チェックを実行することができる（例えば、第２のタイプの衝突チェックを実行することに加えて）。より具体的には、半自律モードが有効になる前に、経路ハンドラ８８は、ツール２０の現在のポーズからツール経路ＴＰ上の開始点ＳＰまでのリードイン経路ＬＩＰを定める。この直線経路は、ツール２０の現在のポーズ及び開始点ＳＰが両方とも仮想境界７１に準拠している場合でも、仮想境界７１と交差することがあり得る（図１８Ｆに示されるように）。第３のタイプの衝突チェックは、経路ハンドラ８８によって生成されたリードイン経路ＬＩＰが仮想境界７１に侵入するかどうかを判定する。仮想境界７１に侵入していない場合、制御システム６０は、半自律モードで、ツール２０をリードイン経路ＬＩＰに沿ってツール経路ＴＰに自律的に移動させることができる。ツール２０がリードイン経路ＬＩＰに沿って移動された場合に仮想境界７１に侵入する場合、制御システム６０は、それをユーザに示し、ツール２０を移動する方法についてユーザにガイダンスを提供することによって応答し、図１８Ｆのディスプレイ３８に示されている「ツール位置の変更」の指示に示されているように、このような侵入を回避する。半自律モードは無効のままである。
第３のタイプの衝突チェックは、第１のタイプの衝突チェックと同様に実行され得る。前述のように、経路ハンドラ８８は、マニピュレータ１４が手動モードから半自律モードに移行するときに、ツール２０の現在の位置（又はポーズ）からツール経路ＴＰの開始点までのリードイン経路ＬＩＰを生成する。境界ハンドラ９０は、リードイン経路ＬＩＰに沿ったツール２０の動きが仮想境界７１への準拠を維持するか、又は仮想境界７１に侵入するかどうかを判定する。
ＶＩＩＩ．その他の衝突チェック
いくつかのバージョンでは、図１８Ｇに示されている境界ハンドラ９０は、定位的相互作用機構ＳＩＦが仮想境界７１への準拠を維持するか、又は仮想境界７１に侵入するかを判定するために、リードイン経路ＬＩＰに沿ったツール２０の動きが仮想境界７１の準拠を維持するか、又は仮想境界７１に侵入するかどうかを、定位的相互作用機構ＳＩＦが仮想境界７１への準拠を維持するか、又は仮想境界７１に侵入するかどうかを判定するためにツール２０に関連付けられた複数の定位的相互作用機構ＳＩＦのモーションをモデル化することによって、判定するように構成される。これは、定位的相互作用機構ＳＩＦからの直線のモーションに対して同様の衝突チェックを実行することによって実行できる。このようなモーションは、リードイン経路ＬＩＰとそれに対応する配向を、対応する定位的相互作用機構ＳＩＦのそれぞれに変換することによって判定できる（図１８ＧのＬＩＰＴを参照）。いくつかのバージョンでは、境界ハンドラ９０は、３つ以上の自由度で複数の定位的相互作用機構のより複雑なモーションをモデル化するように構成される。ガイドハンドラ９４は、ツール２０がリードイン経路ＬＩＰに沿ってツール経路ＴＰへと現在の位置から移動した場合にツール２０（例えば、その任意のモデル化された点）が仮想境界７１に侵入すると判定する境界ハンドラ９０に応じて、ユーザへのフィードバックを生成する。
リードイン経路ＬＩＰの衝突チェックでは、有効な定位的相互作用機構のＳＩＦとその形状、つまりツール２０用に構成された球体とその位置であり得る球体を考慮し、ＴＣＰが、提案されたリードイン経路ＬＩＰを通過する間にそれぞれが遭遇する可能性のあるモーションの範囲でそれぞれをスイープするようにする。リードイン経路ＬＩＰは、開始点ＳＰへの位置及び／又は配向の位置合わせ（３ＤＯＦを超える自律機械加工の場合）を含む、つまり、引き込みの間の各定位的相互作用機構ＳＩＦの結果として生じる動きが必ずしも直線ではないことに留意されたい。したがって、制御システム６０は、（ｉ）各定位的相互作用機構ＳＩＦのモーションを正確にモデル化し、適用可能な並進／回転軌跡に従って、又は図に示すように、連続衝突検出を実行する、（ｉｉ）開始位置と終了位置の間で衝突形状を平行移動のみでスイープすることにより、定位的相互作用機構ＳＩＦの軌跡を概算することができる。リードイン経路の衝突チェックが失敗した場合、ツール２０のいずれかのモーションの前に（すなわち、マニピュレータ１４がホールドモード、フリーモード、又は手動モードに留まる）、状況を解決する方法に関するディスプレイ３８を介して潜在的に強化された視覚情報と共に、ユーザが警告される。
図１９を参照すると、境界ハンドラ９０は、ユーザが、手動モード又は半自律モードでの操作中に現在の仮想境界（第１の仮想境界７１として示される）から第２の仮想境界７５に切り替えることを望むときに、第４のタイプの衝突チェックを実行するように構成され得る。ユーザが、第１の仮想境界７１から第２の仮想境界７５への切り替えなど、外科的処置の途中で仮想境界を変更することを望む場合、境界ハンドラ９０は、切り替えが発生した場合に第２の仮想境界７５が侵入されないのを確実にすべくチェックする（例えば、第２の仮想境界７５に設定されたいずれかの許容誤差を考慮に入れることを含めて、第１の仮想境界７１が前述のように侵入について評価されるのと同じ様式で）。第２の仮想境界７５に侵入する場合、制御システム６０は、第１の仮想境界７１が有効にされ、第２の仮想境界７５が無効にされた状態で動作を継続する。しかしながら、第２の仮想境界７５に侵入しない場合、制御システム６０は、第２の仮想境界７５をアクティブにし、第１の仮想境界７１を非アクティブにする。
仮想境界セレクタＶＢＳは、第２の仮想境界７５に切り替えることを望むことを示すためにユーザによって利用され得る。仮想境界セレクタＶＢＳは、ユーザが第２の仮想境界７５を選択することを可能にし、これはまた、標的部位に関連付けられ得、その結果、制御システム６０は、その後、マニピュレータ１４の動作及びツール２０の動きを制御して、第１の仮想境界７１への準拠を維持するために使用される制御システム６０と同じ様式で、ツール２０が第２の仮想境界７５へ準拠するのを維持する。仮想境界セレクタＶＢＳは、マニピュレータ１４、ツール２０、リモートコントロールＲＣなどに配置されたユーザ入力を含むことができる。仮想境界セレクタＶＢＳのユーザ入力は、本明細書で以前に説明されたものを含む任意の適切な形式の入力デバイスであり得る。仮想境界セレクタＶＢＳは、ユーザが第１及び第２の仮想境界７１、７５の間でトグルすること、複数の仮想境界の中から順次トグルすること、又は仮想境界のリストから選択することを可能にすることができる。
制御システム６０は、制御システム６０がマニピュレータ１４の動作及びツール２０の動きを制御し続けて、ツール２０の第１の仮想境界７１への準拠を維持しながら、ユーザが仮想境界セレクタＶＢＳで第２の仮想境界７５を選択することを可能にする。境界ハンドラ９０は、ユーザが第２の仮想境界７５を選択することに応じて、ツール２０が第２の仮想境界７５に準拠しているか、又は第２の仮想境界７５に侵入しているかを判定し、境界ハンドラ９０は、ツール２０が第２の仮想境界７５に準拠していると境界ハンドラ９０が判定した場合、第２の仮想境界７５をアクティブにし、第１の仮想境界７１を非アクティブ化し、その結果、制御システム６０は、マニピュレータ１４の動作及びツール２０の動きを、第１の仮想境界７１に基づくものから第２の仮想境界７５に基づくものへと移行するように制御する。境界ハンドラ９０は、ユーザが仮想境界セレクタＶＢＳを介して第２の仮想境界７５を選択したことに応じて、ツール２０が第２の仮想境界７５に侵入していると境界ハンドラ９０が判断した場合、第１の仮想境界７１をアクティブとして維持するように構成される。
制御システム６０は、ユーザが仮想境界セレクタＶＢＳを作動させて第２の仮想境界７５を選択するときに、ツール２０が第２の仮想境界７５に侵入していると境界ハンドラ９０が判定したのに応じて、ユーザへのユーザフィードバックを生成する。制御システム６０は、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が第１の入力状態にある間に、ユーザが仮想境界セレクタＶＢＳを伴い第２の仮想境界７５を選択できるように構成される。さらに、制御システム６０は、ユーザが仮想境界セレクタＶＢＳで第２の仮想境界７５を選択したときに、ツールドライブの動作を継続する。いくつかのバージョンでは、ユーザは、ツール入力８２及びペンダント入力ＲＣ１が第２の入力状態にある間に、仮想境界セレクタＶＢＳで第２の仮想境界７５を選択することもできる場合がある。
いくつかのバージョンでは、ユーザは仮想境界セレクタＶＢＳで第２の仮想境界７５をオンザフライで選択でき、これは、手動モード又は半自律モードがアクティブであること（例えば、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１の１つが第１の入力状態になる）、及びマニピュレータ１４及びツール２０が動いていることを意味する。第４のタイプの衝突チェックが第２の仮想境界７５の侵入を示した場合、有効な境界制約がアクティブのままであったため（例えば、第１の仮想境界７１について）、ユーザ／マニピュレータ１４は、ツール２０の操作／移動を停止又は強制的に停止しない。
いくつかの例では、第１及び第２の仮想境界７１、７５は、膝全体の手技又は他の外科的手技の標準的及び拡張された境界と見なされ得る。標準的な境界は、インプラントのサイズに基づいて制限された寸法（例えば、高さ、幅、及び／又は深さ）を有し得、拡張された境界は、標準的な境界よりも大きさが大きい１つ以上の寸法（例えば、より広い幅）を有し得、ユーザがツール２０を用いてより多くの組織（例えば、骨）にアクセスすることを可能にする。制御システム６０は、デフォルトで動作を標準的な境界に設定することができる。仮想境界セレクタＶＢＳを介したユーザ入力に基づいて、必要に応じて、ユーザは、より多くの組織に到達できるようにする拡張された境界に切り替えることができる。ユーザがより大きな（例えば、より広い）境界を必要とする領域の機械加工を終了すると、ユーザが標準の境界に戻って残りのカットを適用したいと望む場合がある。第４のタイプの衝突チェックを使用して、ツール２０が標準的な境界に許可された領域内にある場合に、ユーザは拡張された境界から標準的な境界に戻ることのみができる。そうでない場合、ユーザインターフェース（ディスプレイなど）は侵入を示し、失敗したスイッチは標準的な境界に戻り、ユーザは仮想境界セレクタＶＢＳを再度作動させることで後に再試行できる。
制御システム６０は、ツール入力８２又はペンダント入力ＲＣ１が第１の入力状態にあり、第２の仮想境界７５が、境界ハンドラ９０で第２の仮想境界７５の第２の境界制約を生成することによって、アクティブであるときに、ツール２０と第２の仮想境界７５との間の相対移動を制限する。制約ソルバー８４は、制約力Ｆｃを計算して、第１の境界制約に基づいて第１の仮想境界７１に準拠して、又はユーザが仮想境界セレクタＶＢＳで第２の仮想境界７５を正常に選択したときに、第２の境界制約に基づき第２の仮想境界７５へ準拠して、ツールを維持することができる。
第１の仮想境界７１から第２の仮想境界７５に移行するための衝突チェック／アクティブ化／非アクティブ化ステップは、衝突チェックと、仮想境界７１、７５の両方がアクティブである、又は両方共アクティブではない間の作動又は時間のギャップの間で動きの競合状態を回避するために、原子的に（すなわち、同じタイムステップで）実行され得ることに留意されたい。仮想境界７１、７５は、衝突シーンと呼ばれることもある。衝突チェックが失敗した場合、衝突シーンは最初の衝突シーンから第２の衝突シーンに更新されない。衝突チェックに合格しない限り、アクティブな衝突シーンは非アクティブ化されないので、制御システム６０は、移行要求の直前の時点でその動作を維持することができる。移行の失敗をユーザに通知するために、ユーザフィードバックを与えることができ、例えば、可聴フィードバック、ディスプレイ３８上のユーザメッセージ、触覚フィードバックなどである。自動的に行うこともできるが、通常はユーザに、「アクティブ」から「新しい」衝突シーンへの移行をいつ再試行するか／再試行するかどうかを、上記のシーケンスが繰り返されるときに、決断させることが望まれる。
いくつかの状況では、第２の仮想境界７５へのユーザの切り替えの試みが失敗し、第１の仮想境界７１がアクティブのままである場合、ツール２０を第２の仮想境界７５に準拠させるのを助けるために支援モードがアクティブ化され得る。支援モードでは、回復モードについて説明したのと同じ制御を使用して、ツール２０を第２の仮想境界７５に準拠させるのを助けることができるが、手動モード又は半自律モードは、第１の仮想境界７１が第１の仮想境界７１への準拠を維持するための境界制約を生成するために依然として使用されていることによってアクティブのままである。
支援モードは、制御システム６０を含み得、（ｉ）ツール２０を第２の仮想境界７５に準拠して配置させるツール２０の動きを引き起こすようにユーザを導くために、ディスプレイ又は他の場所に視覚的な合図を生成すること、（ｉｉ）ガイドハンドラ９４を用いてガイド制約を生成して、ユーザを第２の仮想境界７５に準拠するように誘導すること、（ｉｉｉ）第２の仮想境界７５に準拠するようにツール２０を自律的に移動させるための支援ツール経路を生成すること、（ｉｖ）第２の仮想境界７５をその開始位置からツール２０がそれに準拠するように移動し、次に第２の仮想境界７５を徐々にその開始位置に戻し、ツール２０をそれに沿って穏やかに引き、及び／又は（ｖ）ツール２０が一層段階的に、第２の仮想境界７５（すなわち、第２の仮想境界７５は、より剛性が低くなるように効果的に変更される）に準拠するように移行できるように、第２の仮想境界７５の元の境界制約の調整パラメータよりも低い調整パラメータを有する第２の仮想境界７５に関連する支援制約を生成する。ツール２０を第２の仮想境界７５に準拠するように導くための他の方法もまた企図される。場合によっては、これらの方法の１つ又は複数が制御システム６０によって考慮され、特定の条件が満たされた場合に実行されることがある。制御システム６０は、ツール２０が第２の仮想境界７５にどれだけ近いかを確認し、次に適切な方法を選択することができる。例えば、ツール２０が第２の仮想境界７５の１～２ｍｍ以内にある場合、一時的に緩い調整パラメータで第２の仮想境界７５をアクティブ化することが可能になり得、又は第２の仮想境界７５を一時的にシフトすることが適切であり得る。ツール２０が第２の仮想境界７５に準拠すると、制御システム６０は、制御を手動又は自動で第２の仮想境界７５に切り替えることができる。他の実施態様には、例えば、縁の骨棘のためのＴＫＡ又はＴＨＡ寛骨臼の準備のための、ツールの軸に沿ったバックトラックが含まれる。
様々なユーザインターフェースＵＩ上のリモートコントロールＲＣ及び／又は他の入力デバイスを使用して、マニピュレータ１４の様々な動作モードを切り替え、アクティブ化、及び／又は非アクティブ化することができる。制御システム６０は、特定の状況でモードを自動的に切り替えるように構成することができる。制御システム６０はまた、これらのモードが選択されたときにこれらのモードが最初に無効にされた場合、ツール２０が境界ハンドラ９０によって仮想境界７１に侵入していることが判明したため、手動モード又は半自律モードで動作する前に最初にユーザにプロンプトを出すことができる。制御システム６０はまた、誘導触覚モードで動作する前にユーザにプロンプトを出すことができる。そのようなプロンプトは、手動モード、半自律モード、又は誘導触覚モードで続行するために、ディスプレイ３８のうちの１つ又は複数に選択可能なプロンプトを提供することを含み得る。ユーザは、リモートコントロールＲＣを含む任意のユーザインターフェースＵＩの任意の適切な入力デバイスを介して、手動モード、半自律モード、誘導触覚モードなどを続行することを選択できる。
仮想境界７１、ツール経路ＴＰ、目標状態、及び／又は標的部位に対するツール２０の現在の状態は、ナビゲーションシステム３２によって出力され、ツール２０のグラフィック表現を介してディスプレイ３８上に、仮想境界７１、ツール経路ＴＰ、目標状態、及び／又は標的部位、例えば、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、骨盤ＰＥＬ、椎体、又は他の解剖学的構造が表され得る。これらのグラフィック表現はリアルタイムで更新できるため、ユーザは仮想境界７１、ツール経路ＴＰ、目標状態、解剖学的構造などに対するツール２０の動きを視覚化できる。例えば、ツール２０及び解剖学的構造のグラフィック表現は、マニピュレータ１４によるツール２０の実際の動き及び解剖学的構造の実際の動きと共に、リアルタイムでディスプレイ３８上を移動することができる。
本明細書に記載の様々なモードは、様々なタイプの外科システムで使用することができる。例えば、マニピュレータは、遠隔操作ロボットアームに対して遠隔に配置されて遠隔操作ロボットアームを制御するユーザインターフェースを介して制御される遠隔操作ロボットアームを備え得る。ユーザインターフェースは、ユーザによって手動で操作される６ＤＯＦ制御ユニットなどの別個のマニピュレータ、例えば、ユーザに触覚フィードバックを提供するためのアクティブなジョイントを備えた別個のマニピュレータを備えることができる。
ＩＸ．定位的相互作用機構
上記のように、定位的相互作用機構ＳＩＦは、衝突検出のためにシステムによって利用され得る。このセクションでは、ＳＩＦを実装又は利用できる様々な構成又は実施態様について説明する。ＳＩＦの以下の構成又は実施態様は、このセクションで参照によって完全に組み込まれる上記の技術又はコンポーネントのいずれかと共に利用することができる。代替的又は追加的に、ＳＩＦの以下の構成又は実施態様は、上記の技術のいずれかとは無関係に、及びこれらに限定されないが、ロボット制御、衝突回避、ユーザエクスペリエンスなどの他の一般的な目的のために利用され得る。
定位的相互作用機構ＳＩＦは、仮想境界７１と相互作用できる任意の対象物に帰属する可能性がある。任意選択で、ＳＩＦは、ポーズを（手動、自動、又は運動学的に）制御できる任意のコンポーネントに帰属させることができる。例えば、ＳＩＦは、ロボット手術システムの任意の部分、ツール２０、エンドエフェクタ２２、エネルギーアプリケータ２４又はＴＣＰ、マニピュレータ１４、任意のリンク１８又はマニピュレータ１４のジョイントＪ、ベース１６、又はマニピュレータ１４を形成する運動学的チェーンの他のいずれかの部分に帰属する可能性がある。ＳＩＦは、ハンドヘルドツール、手術台、ヘッドマウントデバイス、ハンドヘルドディスプレイデバイス又はタブレット、トラッカー、開創器、患者、職員、又はスタッフなどの、手術室の他の対象物又は手術の構成要素に帰属する可能性がある。ＳＩＦの位置を知ることができるのは、上記のローカリゼーション技術を含むがこれに限定されない任意の適切な方法を使用して、任意の対象物を追跡できるためである。ＳＩＦが帰属する対象物は、プログラムへの入力に基づいて選択され、及び／又は、例えば、手術計画、手術のタイプ又はステップ、外科医の好みなどの要因に基づいて自動的に生成され得る。
さらに、このセクションで説明されている仮想境界７１は、解剖学的構造以外の任意の対象物に帰属する可能性がある。例えば、仮想境界７１は、ロボット手術システムの任意の部分、ツール２０、エンドエフェクタ２２、エネルギーアプリケータ２４又はＴＣＰ、マニピュレータ１４、任意のリンク１８又はマニピュレータ１４のジョイントＪ、ベース１６、又はマニピュレータ１４を形成する運動学的チェーンの他のいずれかの部分に帰属する可能性がある。仮想境界７１は、画像化デバイス（ｃアーム、ガントリ、ＣＴスキャナなど）、ハンドヘルドツール、手術台、ヘッドマウントデバイス、ハンドヘルドディスプレイデバイス又はタブレット、トラッカー、開創器、患者、職員、又はスタッフなどの、手術室の他の対象物又は手術の構成要素に帰属する可能性がある。仮想境界７１は、それが帰属する対象物に応じて、任意の適切な形状又は構成を有することができる。例えば、仮想境界７１がマニピュレータ１４のリンク１８に帰属する場合、仮想境界７１は、例えば図２０に示されるように、リンク１８を取り囲む体積部の形状をとることができる。他の構成が考えられる。仮想境界７１の位置を知ることができるのは、上記のローカリゼーション技術を含むがこれに限定されない任意の適切な方法を使用して、任意の対象物を追跡できるためである。仮想境界７１が帰属する対象物は、プログラムへの入力に基づいて選択され、及び／又は、例えば、手術計画、手術のタイプ又はステップ、外科医の好みなどの要因に基づいて自動的に生成され得る。
ＳＩＦは、ソフトウェアプログラム７８及び境界ハンドラ９０を含む、前のセクションで説明された制御システム６０を使用して、定められ、配置され、カスタマイズされ、実装され得る。境界ハンドラ９０は、任意の適切な方法を使用して、任意の数のＳＩＦと仮想境界７１との間の衝突を検出することができる。いずれか１つ又は複数のＳＩＦと仮想境界７１との間の衝突又は予想される衝突に応じて、制御システムは、それぞれの対象物のポーズを調整し、及び／又はアラート又は通知を生成することができる。制御システムからのこのような応答は、衝突を反応的又は予防的に防止、回避、軽減、又は低減するために提供される。
任意の数のＳＩＦを任意の数の対象物に帰属させることができる。図２０の例では、複数のＳＩＦがツール２０に帰属し、この場合、ＴＨＡのために大腿骨Ｆを粉砕するための細長いカッティングバーである。もちろん、この例は説明を目的としたものであり、ＳＩＦを利用し得る方法の範囲を制限することを意図したものではない。ＳＩＦが帰属する数は、プログラムへの入力に基づいて定められ、及び／又は、例えば、手術計画、手術のタイプ又はステップ、外科医の好みなどの要因に基づいて自動的に生成され得る。
いくつかの実施態様では、ＳＩＦは、ＳＩＦが帰属する対象物に直接配置されている場所に帰属することができる。例えば、図２０では、ＳＩＦ－１として識別されるいくつかのＳＩＦは、ツール２０のシャフトＳＨに直接帰属する。これらのＳＩＦ－１は、シャフトＳＨに沿って、シャフトＳＨ上に互いに間隔を置いて、直接配置されている。この例では、ＳＩＦ－１は、シャフトＳＨと大腿骨Ｆの管の内面に帰属する仮想境界７１との衝突を回避するために提供されている。例えば、粉砕中では、ＴＣＰがツール経路に沿うので、ツール２０は定期的に再配向することができ、それにより順次シャフトＳＨの再配向が生じる。シャフトＳＨに沿って複数のＳＩＦ－１を有すると、そのような再配向に応じてシャフトＳＨと解剖学的構造が物理的に衝突する可能性が低くなる。
他の実施態様では、ＳＩＦは、ＳＩＦが帰属する対象物から離れた場所に帰属することができる。例えば、図２０では、ＳＩＦ－２として識別されるいくつかのＳＩＦは、ツール２０の近位端に帰属する。これらのＳＩＦ－２は、指定された距離だけツール２０から離れて配置されている。この例のＳＩＦ－２の間隔は、ツール２０が、再配向に応じて、ＴＣＰの近くと比較して、近位端の近くでより大きな配向移動（例えば、角度のモーション）を受ける可能性が高いため、適切である可能性がある。したがって、ツール２０からのＳＩＦ－２の間隔は、追加のクッション、又は衝突又は予想される衝突に対するより早い応答をもたらす。この例では、ＳＩＦ－２は近位端にＳＩＦのリングを形成するように配置されている。ＳＩＦの構成又は配置は、対象物のジオメトリ、例えば、シャフトＳＨ又はツール２０の２Ｄの断面から直接導き出すことができる。ＳＩＦは、互いに直接隣接して配置することも、互いに離して配置することもできる。
ＳＩＦが属するそれぞれの対象物に対するＳＩＦの間隔は、プログラムへの入力に基づいて定められ、及び／又は、例えば、手術計画、手術のタイプ又はステップ、外科医の好みなどの要因に基づいて自動的に生成され得る。
他の実施態様では、ＳＩＦは任意の適切なジオメトリで構成できる。例えば、ＳＩＦはポイント、領域、又は体積部であり得る。ＳＩＦは任意の適切な形状にすることができる。図２０の例では、ＳＩＦは球形である。ただし、平面、双曲面、放物面、円柱、立方体、ピラミッド、円錐、直方体、楕円体、プリズム、又は任意のタイプの多面体など、他の２Ｄ形状又は体積部が考慮され、これらに限定されない。任意のタイプのジオメトリ構成に対して、ＳＩＦは任意の適切なサイズで構成することもできる。例えば、図２０では、球形のＳＩＦ－１は、ＳＩＦがツール２０の近位端に近づくにつれて体積が増加する。繰り返すが、これは、衝突又は予想される衝突に対する早期の応答を実現するために実装され得る場合がある。ＳＩＦのジオメトリ構成又はサイズは、プログラムへの入力に基づいて定められ、及び／又は、例えば、手術計画、手術のタイプ又はステップ、外科医の好みなどの要因に基づいて自動的に生成され得る。
１つの実施態様では、ＳＩＦは無限に剛性ではないが、代わりに、各ＳＩＦは、例えば、ばね及び減衰パラメータを制約に組み込むことによって、仮想制約に対してＳＩＦの剛性を調整するための調整（剛性）パラメータを有し得る。このようなパラメータには、制約力混合パラメータ（Ｃ）及びエラー低減パラメータ（ε）が含まれる場合がある。スプリングと減衰のパラメータは、動作前又は動作中に調整できる。ＳＩＦの調整パラメータは、異なる対象物、条件、場所、又はジオメトリ構成によって異なる場合がある。ＳＩＦは、調整パラメータの第１の値を有する第１のＳＩＦと、調整パラメータの第２の値を有する第２のＳＩＦとを含み得、第１の値は第２の値よりも大きく、そのため、結果として生じる、制約力Ｆｃで具体化された仮想の力及び／又はトルクは、第２のＳＩＦと比較して、第１のＳＩＦの結果として、ツール２０の動きをより強くもたらすように適合されている。調整パラメータの値は、配向の制約よりも位置の制約の方が大きい（例えば、硬い）場合があり、その逆の場合もある。
ＳＩＦの調整パラメータは、一定のまま、制約距離で指数関数的に上昇／下降する、制約距離に応じて線形に変化する、制約の方向によって異なる、重力の影響を考慮に入れる、などのように設定することもできる。調整パラメータは、制約力Ｆｃ又はそのコンポーネントの大きさに応じて剛性を増減するなど、仮想制約に基づいて最終的に計算される制約力Ｆｃに応じてスケーリングすることもできる。ＳＩＦの調整パラメータ及びそれらの値、特定の関係に対するそれらの相関、及びそれらがスケーリングされ得る様式は、後で検索するために、制御システム６０内の任意の適切なメモリ内の１つ又は複数のルックアップテーブルに格納され得る。
一実施態様では、第１の調整パラメータを第１のＳＩＦに対して定めることができ、第２の調整パラメータを第２のＳＩＦに対して定めることができる。第１の調整パラメータと第２の調整パラメータは異なる値である。一例では、第１及び第２の異なるように調整されたＳＩＦは、ロボットマニピュレータ１４の運動学的チェーンＫＣの異なる構成要素に配置されている。異なるように調整されたＳＩＦは、運動学的チェーンＫＣの同じ構成要素の異なる位置に配置することもできる。運動学的チェーンＫＣは、ベース１６、複数のリンク１８及びジョイントＪ、シャフトＳＨを含むツール２０（該当する場合）、及びエネルギーアプリケータ２４などの任意の堅固に取り付けられた構成要素を含むマニピュレータ１４によって形成される。エンドエフェクタ２２もまた、運動学的チェーンＫＣの一部であり得る。さらに、マニピュレータ１４とエンドエフェクタ２２との間に結合された任意の取り付けシステム又は滅菌インターフェースは、運動学的チェーンＫＣの一部であり得る。運動学的チェーンの一部となり得る取り付けシステム及び／又は滅菌インターフェース機構の一例は、「Ｍｏｕｎｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ｓｔｅｒｉｌｅ Ｂａｒｒｉｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」と題された米国特許出願公開第２０２０／０１７０７２４Ａ１号に記載されている。その全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書で使用される場合、「運動学的チェーン」という用語は、ジョイントによって接続された剛体のアセンブリであり、剛体の運動学が判定されて数学モデルを利用してチェーンの他の剛体に関連することができるように、ボディの剛性により、制約されたモーションが可能になる。図２０の例では、運動学的チェーンは、少なくとも１つのリンクが機械的に接地されているため、さらに「メカニズム」を形成する。
図２０の例では、異なって調整された第１及び第２のＳＩＦは、ツール２０及び／又はシャフトＳＨ上に配置することができる。この場合、ＳＩＦ－２の調整パラメータは、ツール２０の近位端付近でシャフトＳＨの望ましくない配向的なモーションの可能性が大きくなるため、ＳＩＦ－１の調整パラメータよりも剛性が高くなる（例えば、より多大な減衰、又はより大きなばね定数）可能性がある。ＳＩＦ－２のより大きな剛性は、マニピュレータ１４がツール２０の近位端の近くで、より非破壊的な修正のモーションを命令する原因となる可能性がある。他の例では、ＳＩＦ－２はＳＩＦ－１よりも剛性が低くなる可能性がある。この調整構成は、エネルギーアプリケータ／ツールと仮想境界７１との間に衝突が生じたときに、よりスムーズな移行を提供するために実装することができる。この実装は、最初はシャフトＳＨ又はツール２０による仮想境界７１のより大きな貫入をもたらすことができるが、ロボットマニピュレータの他の動作は、衝突から生じるそのようなより大きな貫入の原因となるために、貫入の前、最中、又は直後に変更することができる。さらに、ＳＩＦに対して異なる調整パラメータを有することにより、境界７１との衝突がエラー状態を引き起こし、マニピュレータ１４の動作を停止させる可能性を低減することができる。このような調整パラメータ構成は、望ましくない対象物のモーションを軽減する目的で、又はロボット制御及び／又はユーザエクスペリエンスに関連する任意のその他の目的で、任意の数のＳＩＦに適用できる。
さらに、複数の調整パラメータを任意の単一のＳＩＦに関連付けることができる。例えば、１つのＳＩＦの調整パラメータは、時間、状態の検出、それぞれの対象物までのＳＩＦの距離、仮想境界７１までのＳＩＦの距離などに関して変化し得る。別の例では、１つのＳＩＦは、複数の調整パラメータを同時に含めるのに十分なサイズである場合がある。例えば、ＳＩＦのある部分／表面／体積は、同じＳＩＦの別の部分／表面／体積よりも多かれ少なかれ剛性になるように構成され得る。
上記のＳＩＦのいずれかの特性は、手術中、又はロボットシステムの動作を一時停止している間に、動的に変化する可能性がある。例えば、制御システムは、何らかの制御イベント又は環境条件に応じてＳＩＦ変更イベントを判定することができる。このような状態は、予期される場合と予期されない場合があり、ローカリゼーションデータ、運動学的データ、又はそれらの任意の組み合わせを使用して制御システムによって検出できる。それに応じて、制御システムは、１つ又は複数のＳＩＦの位置、ジオメトリ構成、間隔、剛性を動的に変更できる。この動的に変化する機構は、プログラムへの入力に基づいて管理することができ、及び／又は、例えば、手術計画、手術のタイプ又はステップ、外科医の好みなどの要因に基づいて自動的に管理することができる。
ＳＩＦの記述された機構、特性、プロパティ、及び／又は動作のいずれかは、ＳＩＦのパラメータとして参照できる。ＳＩＦの上記の実施態様又はパラメータのいずれかを個別に、又はそれらの任意の組み合わせで利用できる。
前述の説明では、いくつかの実施形態について説明してきた。しかし、本明細書で論じられる実施形態は、網羅的であること、又は本発明をいずれかの特定の形態に限定することを意図するものではない。使用されている用語は、限定ではなく、説明の言葉の性質にあることを意図するものである。上記の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が可能であり、本発明は、具体的に記載されている以外のもので実施されることができる。

Claims (86)

  1. 外科システムであって、
    ツールと、
    前記ツールをサポートするマニピュレータと、
    前記ツールと、標的部位に関連付けられた仮想境界との関係に基づいて前記マニピュレータの動作と前記ツールの動きとを制御する制御システムと
    を備え、
    前記制御システムは、第１の入力状態及び第２の入力状態を有するユーザ入力を含み、
    前記制御システムは、前記ユーザ入力が前記第１の入力状態にあるときに前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを可能にするように構成され、前記ツールは前記仮想境界への準拠を維持し、
    前記制御システムは、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態にあるときに、前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを無効とするものであり、
    前記制御システムは、前記第２の入力状態から前記第１の入力状態への前記ユーザ入力の移行に応じて、前記ツールが前記仮想境界に侵入しているかどうかを判定する境界ハンドラを有する、
    外科システム。
  2. 前記制御システムは、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行するときに前記ツールが前記仮想境界に侵入していることに応じて回復モードを開始するように構成され、前記ユーザ入力が前記第１の入力状態にあるとき、前記回復モードでは前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きは無効のままである、請求項１に記載の外科システム。
  3. 前記ツールはツールドライブを含み、前記制御システムは、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行するときに前記ツールが前記仮想境界に侵入していることに応じて前記ツールドライブの動作を無効にするように構成される、請求項１に記載の外科システム。
  4. 前記制御システムは、可聴フィードバック、視覚フィードバック、及び触覚フィードバックのうちの１つ又は複数を含むユーザフィードバックを生成することによって、前記回復モードで前記仮想境界に準拠するように前記ツールを配置するようにユーザを導くように構成される、請求項２に記載の外科システム。
  5. 前記制御システムは、前記ツールが前記仮想境界に準拠して配置されたときに前記ユーザフィードバックの生成を停止するように構成される、請求項４に記載の外科システム。
  6. 前記制御システムは、前記境界ハンドラで境界制約を生成することによって、前記ユーザ入力が前記第１の入力状態にあるときに、前記ツールと前記仮想境界との間の相対的な動きを制限するように構成され、前記制御システムは、
    前記境界制約に基づいて前記仮想境界に準拠して前記ツールを維持するように適合された制約力を計算するための制約ソルバー、及び
    前記制約力に基づく仮想シミュレーションで前記ツールのダイナミクスをシミュレートし、命令されたポーズを出力する仮想シミュレータ、を含み、
    前記制御システムは、前記マニピュレータに、前記命令されたポーズに基づいて前記ツールを動かすように命令するように構成される、請求項５に記載の外科システム。
  7. 前記境界ハンドラは、境界制約が前記境界ハンドラから前記制約ソルバーに送信されて、それにより、別段には前記ツールが前記仮想境界に侵入するような様式で前記仮想境界が前記ツールに対して移動するときに前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを可能にする、境界が有効な状態と、境界制約が前記境界ハンドラから前記制約ソルバーにもはや送信されず、それにより、前記ツールを前記仮想境界に侵入させるような様式で前記仮想境界が前記ツールに対して移動可能であるように前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きが無効になる、境界が無効な状態との間で動作可能であり、前記境界ハンドラは、
    前記第１の入力状態から前記第２の入力状態への前記ユーザ入力の移行に応じて、前記境界が無効な状態で動作し、
    前記ツールが前記仮想境界に準拠している状態で、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行することに応じて、前記境界が有効な状態で動作し、
    前記ツールが前記仮想境界に侵入している状態で、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行することに応じて、前記境界が無効な状態で動作するように構成される、請求項６に記載の外科システム。
  8. 前記制御システムは、前記ツールを前記仮想境界に準拠するように誘導するために１つ又は複数のガイド制約をアクティブ化することによって、前記ツールを前記仮想境界に準拠して配置するように前記ユーザを誘導するように前記ユーザに触覚フィードバックを提供するように構成される、請求項７に記載の外科システム。
  9. 前記制御システムは、前記ツールの動きを減衰させることによって、前記ツールを前記仮想境界に準拠して配置するように前記ユーザを誘導するように前記ユーザに触覚フィードバックを提供するように構成される、請求項７に記載の外科システム。
  10. 前記制御システムは、前記ツールが前記仮想境界に準拠するように配置されたときに、前記境界ハンドラを前記境界が無効な状態から前記境界が有効な状態に切り替えるように構成されている、請求項８に記載の外科システム。
  11. 前記ユーザ入力は、前記第１の入力状態が、ユーザがアクティブに前記ツールに関与していることを示し、前記第２の入力状態が、前記ユーザが前記ツールを解放したことを示すように構成される、請求項１に記載の外科システム。
  12. 前記ユーザ入力が前記ツールに配置され、前記ユーザ入力を作動して前記ユーザ入力を前記第１の入力状態に置き、前記ユーザ入力を解放して前記ユーザ入力を前記第２の入力状態に置くように、前記ユーザ入力が構成されている、請求項１に記載の外科システム。
  13. 前記ツールはグリップを有し、前記ユーザ入力は、前記グリップのユーザの手を検出するための存在検出器を含む、請求項１２に記載の外科システム。
  14. 前記制御システムは、ペンダントを含み、前記ユーザ入力はペンダントにあり、前記ユーザ入力は、前記ユーザ入力が前記第１の入力状態に前記ユーザ入力を置くように作動され、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態に前記ユーザ入力を置くように解放されるように構成される、請求項１に記載の外科システム。
  15. 前記ユーザ入力は、前記ツールに配置されたツール入力としてさらに定められ、前記第１及び第２の入力状態は、ツール入力の第１の状態及びツール入力の第２の状態としてさらに定められ、前記制御システムは、ペンダント及び前記ペンダントに配置されたペンダント入力を含み、前記ペンダント入力は、ペンダント入力の第１の状態及びペンダント入力の第２の状態を有する、請求項１に記載の外科システム。
  16. 前記マニピュレータは、前記ツール入力が前記ツール入力の第１の状態にあるときに、ユーザが前記ツールに加えたユーザの力及びトルクに応じて前記マニピュレータが前記ツールを動かす手動モードで動作可能であり、前記マニピュレータは、前記ペンダント入力が前記ペンダント入力の第１の状態にあるときに、前記マニピュレータがツール経路に沿って前記ツールを移動させる半自律モードで動作可能である、請求項１５に記載の外科システム。
  17. 前記境界ハンドラは、前記手動モード及び半自律モードの一方から前記手動及び半自律モードの他方への前記マニピュレータの前記制御システム切り替え動作に応じて、前記ツールが前記仮想境界に準拠しているか、又は前記仮想境界に侵入しているかを判定するように構成される、請求項１６に記載の外科システム。
  18. 前記制御システムは、前記マニピュレータが前記手動モードから前記半自律モードに切り替わるときに、前記ツールの現在の位置から前記ツール経路へのリードイン経路を生成するように構成された経路ハンドラを備える、請求項１７に記載の外科システム。
  19. 前記境界ハンドラは、前記リードイン経路に沿った前記ツールの移動が前記仮想境界への準拠を維持するか、前記仮想境界に侵入するかを判定するように構成される、請求項１８に記載の外科システム。
  20. 前記境界ハンドラは、前記リードイン経路に沿った前記ツールの動きが前記仮想境界への準拠を維持するか、又は前記仮想境界に侵入するかを、前記ツールに関連付けられた複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化することによって判定して、前記定位的相互作用機構が前記仮想境界への準拠を維持するか、前記仮想境界に侵入するかどうかを判定するように構成される、請求項１９に記載の外科システム。
  21. 前記境界ハンドラが、３つ以上の自由度で前記複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化するように構成される、請求項２０に記載の外科システム。
  22. 前記制御システムは、前記ツールが前記現在の位置から前記リードイン経路に沿って前記ツール経路へ移動した場合に前記境界ハンドラが、前記ツールが前記仮想境界に侵入すると判定したのに応じて、前記ユーザへのユーザフィードバックを生成するように構成されたガイドハンドラを含む、請求項２１に記載の外科システム。
  23. 前記制御システムが、以下の、
    前記ツールが停止すること、
    前記第１の入力状態から前記第２の入力状態への前記ユーザ入力の移行に続いて所定の期間が経過すること、
    前記ツールの線速度が１つ又は複数の閾値を下回ること、及び、
    前記ツールの角速度が１つ以上の閾値を下回ることのうちの１つ又は複数に応じて、前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを無効にするように構成される、請求項１に記載の外科システム。
  24. 前記制御システムは、前記仮想境界に対して定められた許容誤差に基づいて、前記ツールが前記仮想境界に準拠したままであるかどうかを判定するように構成される、請求項１に記載の外科システム。
  25. 前記制御システムは、前記ツールを前記仮想境界に準拠するように移動させるために、前記回復モードで回復ツール経路を生成するように構成される、請求項２に記載の外科システム。
  26. 前記制御システムは、開始位置から前記回復モードで前記仮想境界を移動するように構成されて、前記ツールが前記仮想境界に準拠するように戻り、その後、前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを可能にしながら、前記仮想境界を前記開始位置に戻す、請求項２に記載の外科システム。
  27. 外科システムであって、
    ツールと、
    前記ツールをサポートするマニピュレータと、
    前記ツールと、標的部位に関連付けられた第１の仮想境界との関係に基づいて前記マニピュレータの動作と前記ツールの動きとを制御する制御システムと
    を備え、
    前記制御システムは、ユーザが前記標的部位に関連付けられた第２の仮想境界を選択できるようにする仮想境界セレクタを有し、
    前記制御システムは、前記制御システムが前記ツールの前記第１の仮想境界への準拠を維持するよう動作しながら、前記ユーザが前記仮想境界セレクタにより前記第２の仮想境界を選択できるように構成され、
    前記制御システムは、前記ユーザによる前記第２の仮想境界の選択に応じて、前記ツールが前記第２の仮想境界に準拠しているかどうかを判定する境界ハンドラを有する、
    外科システム。
  28. 前記境界ハンドラは、前記ユーザが前記第２の仮想境界を選択するのに応じて、
    前記ツールが前記第２の仮想境界に準拠していると前記境界ハンドラが判定した場合、前記第２の仮想境界をアクティブにし、前記第１の仮想境界を非アクティブにし、そのため、前記制御システムは、前記ツールと前記第２の仮想境界との間の関係に基づいて、前記マニピュレータの動作及び前記ツールの動きの制御に移行し、
    前記ツールが前記第２の仮想境界に侵入していると前記境界ハンドラが判定した場合、前記第１の仮想境界をアクティブとして維持し、前記制御システムが前記ツールと前記第１の仮想境界との前記関係に基づいて前記マニピュレータの動作と前記ツールの動きを制御し続けるように構成される、請求項２７に記載の外科システム。
  29. 前記制御システムは、前記ツールが前記第２の仮想境界に侵入していると前記境界ハンドラが判定したのに応じて、前記ユーザへのユーザフィードバックを生成するように構成される、請求項２８に記載の外科システム。
  30. 前記制御システムは、第１の入力状態及び第２の入力状態を有するユーザ入力を含み、前記ユーザ入力は、前記ツールに配置され、前記第１の入力状態に前記ユーザ入力を置くように前記ユーザによって前記ユーザ入力が作動され、前記第２の入力状態に前記ユーザ入力を置くように前記ユーザによって前記ユーザ入力が解放されるように構成される、請求項２７に記載の外科システム。
  31. 前記制御システムは、前記ユーザ入力が前記第１の入力状態にある間に、前記仮想境界セレクタで前記ユーザが前記第２の仮想境界を選択することを可能にするように構成される、請求項３０に記載の外科システム。
  32. 前記仮想境界セレクタは、前記ツールに配置された第２のユーザ入力を含む、請求項３１に記載の外科システム。
  33. 前記ツールはツールドライブを含み、前記制御システムは、前記ユーザが前記仮想境界セレクタで前記第２の仮想境界を選択するとき、前記ツールドライブの動作を継続するように構成される、請求項２７に記載の外科システム。
  34. 前記制御システムは、前記ユーザ入力が前記第１の入力状態にあり、前記境界ハンドラで第１の境界制約を生成することによって前記第１の仮想境界がアクティブであるときに、前記ツールと前記第１の仮想境界との間の相対的な動きを制限するように構成され、前記制御システムは、前記ユーザ入力が前記第１の入力状態にあり、前記境界ハンドラで第２の境界制約を生成することによって前記第２の仮想境界がアクティブであるときに、前記ツールと前記第２の仮想境界との間の相対的な動きを制限するように構成され、前記制御システムは、
    前記第１の境界制約に基づいて前記第１の仮想境界に準拠して、又は前記第２の境界制約に基づいて前記第２の仮想境界に準拠して前記ツールを維持するように適合された制約力を計算する制約ソルバー、及び
    前記制約力に基づく仮想シミュレーションで前記ツールのダイナミクスをシミュレートし、命令されたポーズを出力する仮想シミュレータを含み、
    前記制御システムは、前記マニピュレータに、前記命令されたポーズに基づいて前記ツールを動かすように命令するように構成される、請求項３０に記載の外科システム。
  35. 前記仮想境界セレクタは、ユーザが前記第１及び第２の仮想境界の間でトグルすること、複数の仮想境界の中から順次トグルすること、又は仮想境界のリストから選択することを可能にするよう構成される、請求項２７に記載の外科システム。
  36. 外科システムであって、
    ツールと、
    前記ツールをサポートし、ユーザにより前記ツールに加えられた前記ユーザの力及びトルクに応じて前記マニピュレータが前記ツールを動かす手動モードと前記マニピュレータがツール経路に沿って前記ツールを動かす半自律モードとを含む複数のモードで動作可能なマニピュレータと、
    前記ツールと、標的部位に関連付けられた仮想境界との関係に基づいて前記マニピュレータの動作と前記ツールの動きとを制御する制御システムと
    を備え、
    前記制御システムは、
    前記制御システムが前記半自律モードに移行することに応じて、前記ツールの現在の位置から前記ツール経路へのリードイン経路を生成する経路ハンドラと、
    前記ツールに関連付けられた複数の定位的相互作用機構のモーションを、複数の前記定位的相互作用機構が前記仮想境界に準拠するかどうかを判定するためにモデル化することにより、前記リードイン経路に沿った前記ツールの動きが前記仮想境界に準拠するかどうかを、前記リードイン経路に沿った前記ツールの移動の前に判定する境界ハンドラと
    を有する、
    外科システム。
  37. 前記境界ハンドラが、３つ以上の自由度で前記複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化するように構成される、請求項３６に記載の外科システム。
  38. 前記制御システムは、前記ツールが前記現在の位置から前記リードイン経路に沿って前記ツール経路へ移動した場合に、前記境界ハンドラが、前記ツールが前記仮想境界に侵入すると判定したのに応じて、前記ユーザへのユーザフィードバックを生成するように構成されたガイドハンドラを含む、請求項３６に記載の外科システム。
  39. ツールと、標的部位に関連付けられた仮想境界との関係に基づいてツールをサポートするマニピュレータの動作を制御する方法であって、
    ユーザ入力が第１の入力状態にあるときに、前記仮想境界が前記ツールに対して移動するのに応じて、前記ツールが前記仮想境界への準拠を維持できるように前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを開始するステップと、
    前記ユーザ入力が第２の入力状態にあるときに、前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを無効にするステップと、
    前記第２の入力状態から前記第１の入力状態への前記ユーザ入力の移行に応じて、前記ツールが前記仮想境界に侵入しているかどうかを判定するステップと
    を含む方法。
  40. 前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行するときに、前記ツールが前記仮想境界に侵入していることに応じて回復モードを開始することを含む、請求項３９に記載の方法。
  41. 前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行するときに、前記ツールが前記仮想境界に侵入していることに応じて、前記ツールのツールドライブの動作を無効にすることを含む、請求項３９に記載の方法。
  42. 可聴フィードバック、視覚フィードバック、及び触覚フィードバックのうちの１つ又は複数を含むユーザフィードバックを生成することによって、前記回復モードで前記仮想境界に準拠するように前記ツールを配置するようにユーザを誘導することを含む、請求項４０に記載の方法。
  43. 境界ハンドラから境界が有効な状態において制約ソルバーに境界制約を送信することと、前記境界ハンドラから境界が無効な状態において前記制約ソルバーに境界制約を送信することを停止することとを含む、請求項３９に記載の方法。
  44. 前記第１の入力状態から前記第２の入力状態への前記ユーザ入力の移行に応じて、前記境界が無効な状態で動作すること、
    前記ツールが前記仮想境界に準拠している状態で、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行することに応じて、前記境界が有効な状態で動作すること、及び
    前記ツールが前記仮想境界に侵入している状態で、前記ユーザ入力が前記第２の入力状態から前記第１の入力状態に移行することに応じて、前記境界が無効な状態で動作することを含む、請求項４３に記載の方法。
  45. １つ又は複数のガイド制約をアクティブ化して、ユーザに触覚フィードバックを提供し、前記ツールを前記仮想境界に準拠するように配置するように前記ユーザを誘導することを含む、請求項４３に記載の方法。
  46. 前記ツールの動きを減衰させて、ユーザに触覚フィードバックを提供し、前記ツールを前記仮想境界に準拠するように配置するように前記ユーザを誘導することを含む、請求項４３に記載の方法。
  47. 前記ツールが前記仮想境界に準拠するように配置されたときに、前記境界が無効な状態から前記境界が有効な状態に切り替えることを含む、請求項４３に記載の方法。
  48. ユーザによって前記ツールに加えられたユーザの力及びトルクに応じて前記マニピュレータが前記ツールを動かす手動モード、又は前記マニピュレータが前記ツールをツール経路に沿って動かす半自律モードで前記マニピュレータを操作することを含む、請求項３９に記載の方法。
  49. 前記手動及び半自律モードの一方から前記手動及び半自律モードの他方への前記マニピュレータの動作の切り替えに応じて、前記ツールが前記仮想境界に準拠しているか、又は前記仮想境界に侵入しているかを判定することを含む、請求項４８に記載の方法。
  50. 前記マニピュレータが前記手動モードから前記半自律モードに切り替わるときに、前記ツールの現在の位置から前記ツール経路へのリードイン経路を生成することを含む、請求項４９に記載の方法。
  51. 前記リードイン経路に沿った前記ツールの動きが前記仮想境界への準拠を維持するか、又は前記仮想境界に侵入するかを判定することを含む、請求項５０に記載の方法。
  52. 前記リードイン経路に沿った前記ツールの動きが前記仮想境界への準拠を維持するか、又は前記仮想境界に侵入するかを、前記ツールに関連付けられた複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化することによって判定して、前記定位的相互作用機構が前記仮想境界への準拠を維持するか、前記仮想境界に侵入するかどうかを判定することを含む、請求項５１に記載の方法。
  53. ３つ以上の自由度で前記複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化することを含む、請求項５２に記載の方法。
  54. 前記ツールが前記現在の位置から前記リードイン経路に沿って前記ツール経路に移動した場合に前記ツールが前記仮想境界に侵入するであろうと判定することに応じて前記ユーザにユーザフィードバックを生成することを含む、請求項５３に記載の方法。
  55. 以下の
    前記ツールが停止すること、
    前記第１の入力状態から前記第２の入力状態への前記ユーザ入力の移行に続いて所定の期間が経過すること、
    前記ツールの線速度が１つ又は複数の閾値を下回ること、及び
    前記ツールの角速度が１つ以上の閾値を下回ることの１つ又は複数に応じて、前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを無効にするように構成される、請求項３９に記載の方法。
  56. 前記ツールを前記仮想境界に準拠するように移動するために、前記回復モードで回復ツール経路を生成することを含む、請求項４０に記載の方法。
  57. 開始位置から前記回復モードで前記仮想境界を移動して、前記ツールが前記仮想境界に準拠するように戻り、その後、前記ツールの自律的な、境界に準拠した動きを可能にしながら、前記仮想境界を前記開始位置に戻すことを含む、請求項４０に記載の方法。
  58. ツールと、標的部位に関連付けられた第１の仮想境界との関係に基づいて前記ツールをサポートするマニピュレータの動作を制御する方法であって、
    ユーザが前記標的部位に関連付けられた第２の仮想境界を選択できるようにするステップと、
    前記ツールの前記第１の仮想境界への準拠を維持しながら、前記ユーザが前記第２の仮想境界を選択できるようにするステップと、
    前記ユーザによる前記第２の仮想境界の選択に応じて、前記ツールが前記第２の仮想境界に準拠しているかどうかを判定するステップと
    を含む方法。
  59. 前記ユーザが第２の仮想境界を選択するとき、前記ツールが前記第２の仮想境界に準拠している場合、前記第２の仮想境界をアクティブにし、前記第１の仮想境界を非アクティブにし、そのため、前記マニピュレータの制御及び前記ツールの移動は、前記ツールと前記第２の仮想境界との間の関係に基づいて移行すること、及び
    前記ツールが前記第２の仮想境界に侵入していると判定したのに応じて、前記第１の仮想境界をアクティブとして維持し、そのため、前記マニピュレータの制御及び前記ツールの移動が前記ツールと前記第１の仮想境界との関係に基づいて続くことを含む、請求項５８に記載の方法。
  60. 前記ツールが前記第２の仮想境界に侵入しているとの判定に応じて前記ユーザにユーザフィードバックを生成することを含む、請求項５９に記載の方法。
  61. 前記ユーザが前記第２の仮想境界を選択したときに前記ツールのツールドライブを操作することを含む、請求項５８に記載の方法。
  62. 前記ユーザが、前記第１及び第２の仮想境界の間でトグルすること、複数の仮想境界の中から順次トグルすること、又は仮想境界のリストから選択することを可能にすることを含む、請求項５８に記載の方法。
  63. ツールと標的部位に関連する仮想境界との関係に基づいて前記ツールをサポートするマニピュレータの動作を制御する方法であって、
    前記マニピュレータは、ユーザにより前記ツールに加えられた前記ユーザの力及びトルクに応じて前記マニピュレータが前記ツールを動かす手動モードと、前記マニピュレータがツール経路に沿って前記ツールを動かす半自律モードとを含む複数のモードで動作可能であり、
    前記マニピュレータを前記半自律モードに移行するステップと、
    前記マニピュレータの前記半自律モードへの移行に応じて、前記ツールの現在の位置から前記ツール経路へのリードイン経路を生成するステップと、
    前記ツールに関連付けられた複数の定位的相互作用機構のモーションを、複数の前記定位的相互作用機構が前記仮想境界に準拠するかどうかを判定するためにモデル化することにより、前記リードイン経路に沿った前記ツールの動きが前記仮想境界に準拠するかどうかを、前記リードイン経路に沿った前記ツールの移動の前に判定するステップと
    を含む方法。
  64. ３つ以上の自由度で前記複数の定位的相互作用機構のモーションをモデル化することを含む、請求項６３に記載の方法。
  65. 前記ツールが前記現在の位置から前記リードイン経路に沿って前記ツール経路に移動した場合に前記ツールが前記仮想境界に侵入するであろうと判定することに応じて前記ユーザにユーザフィードバックを生成することを含む、請求項６３に記載の方法。
  66. 外科システムであって、
    第１の対象物及び第２の対象物を追跡するローカリゼーションシステムと、
    少なくとも１つのコントローラと
    を備え、
    前記コントローラは、
    １つ以上の第１の対象物に仮想境界を関連付けるステップと、
    １つ又は複数の第２の対象物に対して第１の定位的相互作用機構及び第２の定位的相互作用機構を関連付けるステップと、
    前記第１の定位的相互作用機構についての第１のパラメータを定めるステップと、
    前記第２の定位的相互作用機構についての第２のパラメータを定めるステップであって、前記第１のパラメータは前記第２のパラメータとは異なる、ステップと、
    前記第１及び第２の定位的相互作用機構の少なくとも一方と前記仮想境界との相互作用に基づいて応答を生成するステップと
    を行う、
    外科システム。
  67. 前記第１及び第２のパラメータはそれぞれ剛性パラメータとしてさらに定められ、前記第１の定位的相互作用機構は前記第２の定位的相互作用機構よりも剛性である、請求項６６に記載の外科システム。
  68. 前記少なくとも１つのコントローラが、
    イベントを特定し、
    前記イベントの特定に応じて、前記第１のパラメータ又は前記第２のパラメータの少なくとも１つを変更するように構成される、請求項６６から６７のいずれか一項に記載の外科システム。
  69. 前記第１及び第２のパラメータはそれぞれ、前記定位的相互作用機構のサイズ、面積、体積、又は形状のうちの少なくとも１つとして定められる幾何学的パラメータとしてさらに定められ、前記第１の幾何学的パラメータは、前記第２の幾何学的パラメータとは異なる、請求項６６から６８のいずれか一項に記載の外科システム。
  70. 前記第１及び第２の定位的相互作用機構のうちの１つ又は複数は、前記１つ又は複数の第２の対象物から、ある距離だけ間隔を空けられた位置に配置されることによって前記１つ又は複数の第２の対象物に関連付けられる、請求項６６から６９のいずれか一項に記載の外科システム。
  71. 前記少なくとも１つのコントローラは、
    前記第１及び第２のパラメータの１つ又は複数を定めるユーザ入力を受信するか、又は
    外科的情報に基づいて、前記第１及び第２のパラメータの１つ又は複数を自動的に定めるように構成されることによって、前記第１及び第２のパラメータのうちの１つ又は複数を定めるように構成される、請求項６６から７０のいずれか一項に記載の外科システム。
  72. 前記第１及び第２の定位的相互作用機構のうちの少なくとも１つと前記仮想境界との間の相互作用に基づいて応答を生成するために、前記少なくとも１つのコントローラは、
    前記第１及び第２の定位的相互作用機構の１つ又は複数と前記仮想境界との間の衝突又は予想される衝突を特定し、
    以下の
    前記１つ又は複数の第２の対象物のポーズを調整すること、及び
    前記衝突又は予想される衝突に関するアラート又は通知を生成することの１つ又は複数を実行するように構成されている前記少なくとも１つのコントローラとしてさらに定められる応答を生成するように構成される、請求項６６から７１のいずれか一項に記載の外科システム。
  73. 前記第１又は複数の第２の対象物は、単一の第２の対象物としてさらに定められ、前記第１の定位的相互作用機構及び前記第２の定位的相互作用機構が前記単一の第２の対象物に関連付けられる、請求項６６から７２のいずれか一項に記載の外科システム。
  74. 前記１つ又は複数の第２の対象物は、別個の第２の対象物としてさらに定められ、前記第１の定位的相互作用機構は前記第２の対象物の１つに関連付けられ、前記第２の定位的相互作用機構は前記第２の対象物の別の１つに関連付けられる、請求項６６から７２のいずれか一項に記載の外科システム。
  75. 前記１つ又は複数の第１の対象物はさらに骨として定められ、
    前記仮想境界はさらに、除去されるべきではない解剖学的構造から除去されるべき解剖学的構造を描写する切断境界として定められ、
    前記１つ又は複数の第２の対象物は、回転切削ツールとしてさらに定められ、
    前記第１及び第２の定位的相互作用機構は、前記回転切削ツールに関連付けられており、前記回転切削ツールに対して異なる位置に配置され、
    前記第１及び第２のパラメータはそれぞれ剛性パラメータとしてさらに定められ、前記第１の定位的相互作用機構は前記第２の定位的相互作用機構よりも剛性である、請求項６６から７３のいずれか一項に記載の外科システム。
  76. 前記１つ又は複数の第１の対象物は、以下の、患者の解剖学的構造、ベース、リンク、ジョイント、エンドエフェクタ、ツール、滅菌アダプタ、エネルギーアプリケータを含む、ロボットマニピュレータを形成する運動学的チェーンの任意の部分、ハンドヘルドツール又はデバイス、手術台、ヘッドマウントデバイス、ハンドヘルドディスプレイデバイス又はタブレット、外科用トラッカー、リトラクター、画像化デバイス、手術室にいる人間のうちの１つ又は複数を含み、
    前記１つ又は複数の第２の対象物は、以下の、患者の解剖学的構造、ベース、リンク、ジョイント、エンドエフェクタ、ツール、滅菌アダプタ、エネルギーアプリケータを含む、ロボットマニピュレータを形成する運動学的チェーンの任意の部分、ハンドヘルドツール又はデバイス、手術台、ヘッドマウントデバイス、ハンドヘルドディスプレイデバイス又はタブレット、外科用トラッカー、リトラクター、画像化デバイス、手術室にいる人間のうちの１つ又は複数を含む、請求項６６から７４のいずれか一項に記載の外科システム。
  77. ローカリゼーションシステムと少なくとも１つのコントローラとを有する外科システムを作動させる方法であって、
    前記ローカリゼーションシステムにより、第１の対象物と第２の対象物とを追跡するステップと、
    前記少なくとも１つのコントローラにより、１つ又は複数の第１の対象物に仮想境界を関連付けるステップと、
    前記少なくとも１つのコントローラにより、１つ又は複数の第２の対象物に対して第１の定位的相互作用機構及び第２の定位的相互作用機構を関連付けるステップと、
    前記少なくとも１つのコントローラにより、前記第１の定位的相互作用機構のための第１のパラメータを定めるステップと、
    前記少なくとも１つのコントローラにより、前記第２の定位的相互作用機構のための第２のパラメータを定めるステップであって、前記第１のパラメータは前記第２のパラメータとは異なる、ステップと、
    前記少なくとも１つのコントローラにより、前記第１及び第２の定位的相互作用機構の少なくとも一方と前記仮想境界との相互作用に基づいて応答を生成するステップと
    を含む方法。
  78. 前記第１及び第２のパラメータはそれぞれ剛性パラメータとしてさらに定められ、前記第１の定位的相互作用機構は前記第２の定位的相互作用機構よりも剛性である、請求項７７に記載の方法。
  79. 前記少なくとも１つのコントローラが、
    イベントを特定し、
    前記イベントの特定に応じて、前記第１のパラメータ又は前記第２のパラメータの少なくとも１つを変更することを含む、
    請求項７７から７８のいずれか一項に記載の方法。
  80. 前記第１及び第２のパラメータはそれぞれ、前記定位的相互作用機構のサイズ、面積、体積、又は形状のうちの少なくとも１つとして定められる幾何学的パラメータとしてさらに定められ、前記第１の幾何学的パラメータは、前記第２の幾何学的パラメータとは異なる、請求項７７から７９のいずれか一項に記載の方法。
  81. 前記第１及び第２の定位的相互作用機構のうちの１つ又は複数を前記１つ又は複数の第２の対象物から、ある距離だけ間隔が空けられた場所に配置することによって、前記少なくとも１つのコントローラが前記第１及び第２の定位的相互作用機構の１つ又は複数を前記１つ又は複数の第２の対象物と関連付けることを含む、請求項７７から８０のいずれか一項に記載の方法。
  82. 前記少なくとも１つのコントローラが、
    前記第１及び第２のパラメータの１つ又は複数を定めるユーザ入力を受信するか、又は
    外科的情報に基づいて、前記第１及び第２のパラメータの１つ又は複数を自動的に定めることによって、前記第１及び第２のパラメータのうちの１つ又は複数を定めることを含む、請求項７７から８１のいずれか一項に記載の方法。
  83. 前記第１及び第２の定位的相互作用機構のうちの少なくとも１つと前記仮想境界との間の相互作用に基づいて応答を生成することは、前記少なくとも１つのコントローラが、
    前記第１及び第２の定位的相互作用機構の１つ又は複数と前記仮想境界との間の衝突又は予想される衝突を特定すること、
    以下の
    前記１つ又は複数の第２の対象物のポーズを調整すること、及び
    前記衝突又は予想される衝突に関するアラート又は通知を生成すること、の１つ又は複数としてさらに定められる前記応答を生成すること、
    をさらに含む、請求項７７から８２のいずれか一項に記載の方法。
  84. 前記１つ又は複数の第２の対象物は単一の第２の対象物としてさらに定められ、前記少なくとも１つのコントローラが前記第１の定位的相互作用機構及び前記第２の定位的相互作用機構を前記単一の第２の対象物と関連付けることを含む、請求項７７から８３のいずれか一項に記載の方法。
  85. 前記１つ又は複数の第２の対象物は別個の第２の対象物としてさらに定められ、前記少なくとも１つのコントローラが前記第１の定位的相互作用機構を第２の対象物の１つと関連付けること、及び前記第２の定位的相互作用機構を前記第２の対象物の別の１つと関連付けることを含む、請求項７７から８３のいずれか一項に記載の方法。
  86. 前記１つ又は複数の第１の対象物はさらに骨として定められ、
    前記１つ又は複数の第２の対象物は、回転切削ツールとしてさらに定められ、
    前記仮想境界はさらに、除去されるべきではない解剖学的構造から除去されるべき解剖学的構造を描写する切断境界として定められ、
    前記少なくとも１つのコントローラが前記第１及び第２の定位的相互作用機構を前記回転切削ツールと関連付けることを含み、前記回転切削ツールに対して異なる位置に配置され、前記第１及び第２のパラメータはそれぞれ剛性パラメータとしてさらに定められ、前記第１の定位的相互作用機構は、前記第２の定位的相互作用機構よりも剛性である、請求項７７から８４のいずれか一項に記載の方法。
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