(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンド・エフェクタを有する低侵襲外科機器であって、エンド・エフェクタが、
左側ピボットおよび右側ピボットを有するグリップ支持体、
グリップ支持体の左側ピボットのまわりを回転可能な左側ジョーおよびグリップ支持体の右側ピボットのまわりを回転可能な右側ジョー、左側ジョーに結合され、左側ピボット・ピンから間隔をおいて配置された左側スライダ・ピンおよび右側ジョーに結合され、右側ピボット・ピンから間隔をおいて配置された右側スライダ・ピン、
開き位置と閉じ位置の間で左側ジョーを動かすように左側スライダ・ピンがスライド可能な左側スライダ・ピン・スロットと、開き位置と閉じ位置の間で右側ジョーを動かすように右側スライダ・ピンがスライド可能な右側スライダ・ピン・スロットとを含むスロット部材、
左側スライダ・ピンを左側スライダ・ピン・スロット内でスライドさせ、右側スライダ・ピンを右側スライダ・ピン・スロット内でスライドさせて、左側ジョーと右側ジョーを開き位置と閉じ位置の間で動かすようにスロット部材に対して動くことができるスライダ・ピン・アクチェータ
を備え、
前記スライダ・ピン・アクチェータに結合されたスライダ・ピン・アクチェータ・ケーブルをエンド・エフェクタの遠位端から離れる方向に引くことによって、エンド・エフェクタの軸に沿ってエンド・エフェクタの遠位端から離れる方向に、スロット部材に対してスライダ・ピン・アクチェータが動くことができ、前記スロット部材に結合されたスロット部材ケーブルをエンド・エフェクタの遠位端から離れる方向に引くことによって、スロット部材が、スライド・ピン・アクチュエータに対して、エンド・エフェクタの軸に沿ってエンド・エフェクタの遠位端から離れる方向に動くことができる
低侵襲外科機器。
【請求項２】
スライダ・ピン・アクチェータが、スライダ・ピン・アクチェータのスロット部材に対して動いたときに、左右のスライダ・ピンに接触し、左右のスライダ・ピンをそれぞれ左右のスライダ・ピン・スロット内で動かすカム面を含む請求項１に記載の機器。
【請求項３】
スライダ・ピン・アクチェータ及びスロット部材が、左側ジョーと右側ジョーをエンド・エフェクタの軸に対して対称的に開き位置と閉じ位置の間で動かすように、エンド・エフェクタの軸に沿って互いに対して動くことができる請求項１に記載の機器。
【請求項４】
操作端、近位端、および操作端と近位端の間のシャフト軸を有する細長シャフトと、  エンド・エフェクタのグリップ支持体を細長シャフトの操作端に保持する複数の支持ケーブルとをさらに備えた請求項１に記載の機器。
【請求項５】
支持ケーブルが細長シャフトの近位端に延び、バックエンドに装着され、グリップ支持体を細長シャフトの操作端に保持するようにテンションが加えられる請求項４に記載の機器。
【請求項６】
支持ケーブルが、バックエンドでばねによって偏向されて支持ケーブルにテンションを加えるケーブル・テンショニング部材に接続されている請求項５に記載の機器。
【請求項７】
操作端に接続された近位部、およびエンド・エフェクタに接続された遠位部を有する手首部材をさらに備え、手首部材は、細長シャフトの操作端とエンド・エフェクタとの間に直列接続された少なくとも３つの椎骨を備え、椎骨は、細長シャフトの操作端に接続された近位椎骨とエンド・エフェクタに接続された遠位椎骨を含み、各椎骨は、非結合接触により遠位椎骨に対してピボット可能であり、椎骨の少なくとも１つは、シャフト軸に平行しないピッチ軸のまわりを非結合ピッチ接触により隣接椎骨に対してピボット可能であり、椎骨の少なくとも１つは、シャフト軸に平行せず、ピッチ軸に平行しない第２の軸のまわりを他の非結合接触により隣接椎骨に対してピボット可能である請求項４に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
（関連出願の相互引用）
本出願は、そのすべての開示内容を本願に引用して援用する、２００１年６月２９日に提出された米国暫定特許出願第６０／３０１，９６７号、および２００１年１０月５日に提出された米国暫定特許出願６０／３２７，７０２号の恩典に基づくとともに、それを主張するものである。
本出願は、その全開示内容を本願に引用して援用する以下の特許および特許出願に関連する。
１９９８年９月１８日に提出され、ＷＯ９９／５０７２１として公開された「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」という名称のＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９８／１９５０８号。
１９９９年１０月１５日に提出された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｔｏｏｌｓ，Ｄａｔａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ａｎｄ Ｕｓｅ」という名称の米国特許出願第０９／４１８，７２６号。
１９９８年１２月８日に提出された「Ｉｍａｇｅ Ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｆｏｒ ａ Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第６０／１１１，７１１号。
１９９９年８月２０日に提出された「Ｓｔｅｒｅｏ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第０９／３７８，１７３号。
１９９９年９月１７日に提出された「Ｍａｓｔｅｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ Ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ」という名称の米国特許出願第０９／３９８，５０７号。
１９９９年９月１７日に提出された「Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｔｅｌｅｓｕｒｇｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第０９／３９９，４５７号。
１９９９年８月１３日に提出された「Ｃａｍｅｒａ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ａ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」という名称の米国特許出願第０９／３７３，６７８号。
１９９９年９月１７日に提出された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｔｅｌｅｓｕｒｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」という名称の米国特許出願第０９／３９８，９５８号。
１９９８年９月１５日に発行された、「Ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｕｓｅ」という名称の米国特許第５，８０８，６６５号。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般には外科器具に関し、より具体的にはロボット外科手術を行うための外科器具における様々な手首機構に関する。
【背景技術】
【０００３】
低侵襲外科技術の進歩により、低侵襲的に行われる外科手術の数を劇的に増加させることができた。低侵襲医療技術は、診断または外科処理時に損傷を受ける無関係な組織の量を減らすことによって、患者の回復時間、不快さ、および有害な副作用を低減することを目的とする。低侵襲外科技術を用いて、標準的な外科手術の病院滞在期間を短縮することもできる。したがって、低侵襲技術の採用が増えたことにより、数百万の病院滞在日数を節約し、入院滞在費用だけで年間数百万ドルも節約することが可能になった。低侵襲外科手術により、患者の回復時間、患者の不快さ、外科手術の副作用、および離職時間を少なくすることもできる。
【０００４】
低侵襲外科手術の最も一般的な形態は内視法である。おそらく、最も一般的な内視法の形態は腹腔内部の低侵襲検査や手術であるラパロスコピーである。標準的な腹腔鏡手術では、患者の腹部をガスで膨らませ、カニューレ・スリーブを小さな（約１／２インチ（約１２．７ｍｍ）の）切り口に通して、腹腔鏡外科用機器の入口を設ける。腹腔外科機器は、一般には（外科領域を見るための）腹腔鏡や操作器具を含む。操作器具は、各機具の操作端またはエンド・エフェクタが、伸長チューブによってハンドルから隔てられていることを除いては、従来の（切開）手術に使用されるものと同様である。本明細書に用いられるように、「エンド・エフェクタ」という言葉は、外科機器の実際の操作部を意味し、例えば鉗子、把持器、鋏、ステープラおよび針保持器を含む。外科手術を行うために、外科医は、これらの操作器具すなわち機器をカニューレ・スリーブから内部の外科部位に通し、腹部の外側からそれらを操作する。外科医は、腹腔鏡から撮影された外科部位の画像を表示するモニタを利用して、処理を監視する。同様の内視鏡技術が、例えば関節鏡検査、腹膜鏡検査、骨盤鏡検査、腎臓鏡検査、細胞鏡検査、脳槽鏡検査、洞房鏡検査、子宮鏡検査、尿道鏡検査などに採用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現行の低侵襲外科（ＭＩＳ）技術に関して多く欠点がある。例えば、既存のＭＩＳは、切開手術に見られる器具の配置の柔軟性を外科医に与えない。たいていの現行の腹腔鏡器具は硬質のシャフトを有するため、小さな切り口を通して操作部位に近づけるのが困難である。また、多くの内視鏡機器の長さおよび構造は、使用する器具のエンド・エフェクタに作用する組織および器官の力を感じ取る外科医の能力を低下させる。内視鏡器具の器用さおよび敏感性の欠如が、低侵襲外科手術の普及に対する大きな障害になっている。
【０００６】
内部の外科部位内を操作する際の外科医の器用さを高めるとともに、外科医が、離れた場所から患者に対する操作を行うことを可能にする低侵襲遠隔外科ロボット・システムが開発されつつある。遠隔外科システムでは、コンピュータ・ワークステーションで外科部位の画像が外科医に提供される。外科医は、好適なビュアまたはディスプレイで外科部位の三次元画像を確認しながら、マスタ入力、またはワークステーションの制御デバイスを操作することによって患者に対する外科処理を行う。マスタは、自動制御的に動作される外科機器の動きを制御する。外科処理時に、遠隔外科システムは、マスタ制御デバイスの操作に応じて、外科医の代わりに様々な機能、例えば針の保持または駆動、血管の保持、または組織の切断などを実行する、例えば組織把持器、針駆動のようなエンド・エフェクタを有する様々な外科機器や器具を機械的に駆動し、かつ制御する。
【０００７】
いくつかの外科機器は、エンド・エフェクタを３つの垂直軸のまわりの３軸回転動作を与えるためのロール・ピッチ・ヨー機構を採用している。ピッチおよびヨー回転は、典型的には、器具のシャフトとエンド・エフェクタとの間に結合された手首機構によって与えられ、ロールは典型的にはシャフトの回転によって与えられる。約９０度のピッチでは、ヨーとロールの回転動作が重複し、特異点と呼ばれる１軸の回転動作のロスが生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、器具が、ロール、ピッチおよびヨーに特異点を有さないようにピッチおよびヨー回転を与える手首機構を有する器具の代替実施態様に向けられる。好ましい一実施態様では、手首機構は、積層または直列結合した複数の円板すなわち椎骨を含む。典型的には、積層体の最も近位の椎骨すなわち円板は、器具または機器のシャフトの操作端のような近位の末端部材セグメントに結合され、最も遠位の椎骨すなわち円板は、エンド・エフェクタまたはエンド・エフェクタ支持部材のような遠位端部材セグメントに結合される。各円板は、隣接する円板または末端部材に対して、（例えばピッチまたはヨーにおいて）少なくとも１自由度すなわち１ＤＯＦで回転するように構成される。
【０００９】
本明細書の説明において、円板すなわち椎骨という言葉は、文脈が近位の末端部材と遠位の末端部材との間に位置する中間セグメントを示すものでなければ、あらゆる近位または遠位端部材を含む。同様に、円板すなわち椎骨という言葉は、本明細書では、セグメント部材またはセグメント・サブアセンブリを示すのに区別なく用いられ、本発明の態様を有する手首機構は、全体的な外観が必ずしも円板状ではない代替的な形状および構成のセグメント部材またはセグメント・サブアセンブリを含むことが理解されるであろう。
【００１０】
手首機構の動きを生じさせるために、駆動ケーブルすなわち腱要素を使用して、円板の動きを操作し、かつ制御する。手首機構は、いくつかの点において、腹腔鏡および類似の医療機器に使用されるような腱駆動可動部材に類似している。しかし、本発明の態様を有するマルチ・ディスク手首機構は、いくつかの新規の態様を含む。例えば、本手首の実施態様はポジティブに位置決め可能とすることができ、各々の円板がポジティブに確定可能な角度および向きで回転できる。この理由により、本実施態様をポジティブに位置決め可能なマルチ・ディスク手首（positively positionable multi-disk wrist：ＰＰＭＤ手首）と呼ぶ。
【００１１】
本発明の一面を有するいくつかの例示的な実施態様では、各円板は、非結合接触により、隣接する円板に対して回転するように構成される。本明細書に用いられるように、非結合接触とは、締結具、回転ピンまたは他の接合部材によって結合または接合されていない接触を意味する。円板は、例えば駆動ケーブルのテンションによって、相互の接触を維持する。円板は、駆動ケーブルのテンションを解除すると、解放されて分離する。非結合接触は、各円板の間、かつ／または円板と手首のその円板に隣接している遠位または近位の部分との間のロールおよび／またはスライドを含む。
【００１２】
特定の実施態様について以下に説明するように、非結合ロール接触が近接する円板のピボットを許しながら、円板の両側のケーブル運動量を平衡させることができるような成形接触面を含むことができる。また、これらの例示的な実施態様の非結合接触態様は、好都合な単純化した製造や組立工程を促し、部品数の削減を促し、全手首径が小さい実施態様において特に有用である。
【００１３】
本発明の態様を有する代替的な実施態様は、ピン、リベット、ブッシュングなどの１つまたは複数の締結具デバイスを採用することによって、同一または実質的に類似した構成で、互いに、かつ／または手首の遠位または近位の部分に対してピボット可能に結合される１つまたは複数の近隣の円板を有することができることを理解すべきである。
【００１４】
近隣の円板（または円板、およびその円板に隣接した手首の近位または遠位の部分）に係合する放射状プラグを有する１つまたは複数の円板間ストラットを含めることによってケーブル・バランス構成を達成する追加的な実施態様を説明する。中間ストラットと放射状プラグの代替的な実施態様は、非結合接続または結合接続を提供することができる。
【００１５】
特定の実施態様では、いくつかのケーブルは、近位の円板から少なくとも１つの中間の円板を通して遠位の円板との最終接続点に延びる遠位ケーブルである。残りのケーブルは、近位の円板から中間の円板との最終接続点に延びる中位ケーブルである。それらのケーブルは、手首機構を偏向させるために各ケーブルを動かすように構成されたケーブル・アクチェータ組立品によって駆動される。１つの例示的な実施態様では、ケーブル・アクチェータ組立品は、ジンバル・ケーブル・アクチェータ・プレートを含んでいる。アクチェータ・プレートは、中位ケーブルを受け入れるための複数の小径穴または溝、および遠位ケーブルを受け入れるための複数の大径穴または溝を含む。それらの穴または溝は、特定のケーブルに対する所定のジンバル動きまたは回転に対して、中位の円板に対する中位ケーブルの移動距離が、遠位の円板に対する遠位ケーブルに比べて小さくなるように（例えばわずか半分になるように）、中位ケーブルを小径の動き（例えば１／２Ｒ）に限定し、遠位ケーブルを大径の動き（Ｒ）に限定する。複数の中間ケーブル終端セグメントを有する代替的な実施態様では、選定された径（例えばＲ、２／３Ｒおよび１／３Ｒ）の穴の複数の集合体を有することができる。ここに記載される手首の実施態様は、ロボット外科システムに特に好適であるが、手動で操作する内視鏡器具に含めることもできる。
【００１６】
本発明の態様を有するケーブル・アクチェータ組立品を含む実施態様は、実質的な複数のケーブルの同時駆動に対応し、複数の異なるケーブル集合体の動きの所定の比例関係に対応する。このような機能は、非常に複雑な制御機構を回避する単純で安価な構造によって提供される。以下にさらに説明するように、各ケーブル集合体における所定の全断面積、および所定の全円板直径に対して、機械的に余剰数のケーブルが、ケーブル直径をより小さくし、ケーブルのモーメント・アームまたは機械的利点を増加させ、かつ円板の中心線に沿う障害なし縦方向（長手方向）中央管腔をより大きくする。これらの利点は、現在内視鏡外科手術で使用されているような非常に小さな全直径を達成するために構築される手首部材に特に有用である。
【００１７】
いくつかの実施態様では、グリッピング・エンド・エフェクタを操作するためのグリップ駆動機構が提供される。ケーブルを使用してエンド・エフェクタを操作するときは、グリップ駆動機構は、器具または機器の近位のベースまたは「バックエンド」に配置されるグリップ・ケーブル・アクチェータを含んでもよい。グリップ駆動ケーブルの経路長は、ケーブル経路が中立軸と一致しない場合は、手首の屈曲時に長さが変化する傾向がある。そのケーブル経路長の変化には、ケーブルの保護および制御を行うのに使用されるバックエンド機構で対応することができる。これは、グリップ・ジョーのようなエンド・エフェクタの制御を手首の屈曲から切り離すように、グリップ駆動機構におけるデバイスを調節するケーブル・テンションを含めることによって達成することができる。
【００１８】
具体的な実施態様では、バックエンド機構は、エンド・エフェクタ、手首、および外科機器のシャフトを比較的容易に交換できるように構成される。
【００１９】
本発明の一態様によれば、低侵襲外科機器は、操作端と近位端を有し、さらに操作端と近位端の間のシャフト軸を有する細長シャフトを備える。手首部材は、操作端に接続される近位部を有する。エンド・エフェクタは手首部材の遠位部に接続される。手首部材は、細長シャフトの操作端とエンド・エフェクタの間に直列接続される少なくとも３つの椎骨を備える。椎骨は、細長シャフトの操作端に接続される近位椎骨、およびエンド・エフェクタに接続される遠位椎骨を含む。
【００２０】
各椎骨は、非結合（または結合）接触を採用したピボット接続により、隣接椎骨に対してピボット可能である。椎骨の少なくとも１つは、シャフト軸に平行しないピッチ軸のまわりを、ピッチ接触により隣接椎骨に対してピボット可能である。椎骨の少なくとも１つは、シャフト軸に平行せず、ピッチ軸に平行しない第２の軸のまわりを、他の接触により隣接椎骨に対してピボット可能である。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、低侵襲外科機器は、操作端、近位端、および操作端と近位端の間のシャフト軸を有する細長シャフトを備える。手首部材は、操作端に接続される近位部または近位端部材、およびエンド・エフェクタに接続される遠位端部材を有する。手首部材は、細長シャフトの操作端とエンド・エフェクタの間に直列接続される少なくとも３つの椎骨を備える。
【００２２】
椎骨は、細長シャフトの操作端に接続される近位椎骨、およびエンド・エフェクタに接続される遠位椎骨を含む。各椎骨は、ピボット可能な椎骨接合により隣接椎骨に対してピボット可能である。椎骨の少なくとも１つは、シャフト軸に平行しないピッチ軸のまわりを、ピッチ接合による近接椎骨に対してピボット可能である。椎骨の少なくとも１つは、シャフト軸に平行せず、ピッチ軸に垂直なヨー軸のまわりを、ヨー接合により隣接椎骨に対してピボット可能である。エンド・エフェクタは手首部材の遠位部に接続される。複数のケーブルは、椎骨に結合されてその椎骨を相互に動かす。複数のケーブルは、遠位椎骨に結合され、そこで終端し、ケーブル・アクチェータの近位まで延びる少なくとも１つの遠位ケーブル、および近位椎骨と遠位椎骨の間に配置される中間椎骨に結合され、そこで終端し、ケーブル・アクチェータに延びる少なくとも１つの中間ケーブルを含む。ケーブル・アクチェータ部材は、遠位の変位だけ遠位ケーブルを移動させ、遠位の変位より短い中間変位だけ中間ケーブルを移動させることによって椎骨の位置を調整する。
【００２３】
いくつかの実施態様では、各中間変位と遠位の変位との比は、一般に、近位椎骨から中間ケーブルが接続される中間椎骨までの距離と、近位椎骨から遠位ケーブルが接続される遠位椎骨までの距離との比に比例する。
【００２４】
本発明の他の態様によれば、患者の体腔における低侵襲内視鏡外科手術を実施する方法は、操作端を有する細長シャフトを腔に導入することを含む。細長シャフトは近位端を有し、さらに操作端と近位端の間にシャフト軸を有する。手首部材は、細長シャフトの操作端とエンド・エフェクタとの間に直列接続される少なくとも３つの椎骨を備える。椎骨は、細長シャフトの操作端に接続される近位椎骨、およびエンド・エフェクタに接続される遠位椎骨を含む。各椎骨は、非結合接触を採用できるピボット可能結合により隣接椎骨に対してピボット可能である。エンド・エフェクタは、手首部材の遠位部に接続される。エンド・エフェクタは、シャフト軸に平行しないピッチ軸のまわりをピボット可能なピッチ結合により少なくとも１つの椎骨を隣接椎骨に対してピボットさせることによって手首部材を回転させることによって、位置決めされる。エンド・エフェクタは、シャフト軸に平行せず、ピッチ軸に平行しない第２の軸のまわりを、他のピボット可能結合により少なくとも１つの椎骨を隣接椎骨に対してピボットさせることによって手首部材を回転させて、再度位置決される。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、低侵襲外科機器は、左側ピボットと右側ピボットを有するグリップ支持体を備えたエンド・エフェクタを有する。左側ジョーはグリップ支持対の左側ピボットのまわりを回転可能で、右側ジョーはグリップ支持体の右側ピボットのまわりを回転可能である。左側スライダ・ピンは左側ジョーに結合され、右側ピボット・ピンから間隔をおいて配置され、右側スライダ・ピンは右側ジョーに結合され、右側ピポット・ピンから間隔をおいて配置される。スロット部材は、左側スライダ・ピンが、開き位置と閉じ位置の間で左側ジョーを移動させるようにスライド可能である左側スライダ・ピン・スロット、および右側スライダ・ピンが、開き位置と閉じ位置の間で右側ジョーを移動させるようにスライド可能である右側スライダ・ピン・スロットを含む。スライダ・ピン・アクチェータは、左側スライダ・ピンを左側スライダ・ピン・スロットでスライドさせ、右側スライダ・ピンを右側スライダ・ピン・スロットでスライドさせて、左側ジョーと右側ジョーを開き位置と閉じ位置の間で移動させるように、スロット部材に対して移動可能である。
【００２６】
本発明の他の態様による、患者の体腔における低侵襲内視鏡外科手術を実施する方法は、エンド・エフェクタに結合された操作端、近位端、および操作端と近位端の間のシャフト軸を有する細長シャフトを備えた器具を用意することを含む。エンド・エフェクタは、左側ピポットと右側ピポットを有するグリップ支持体；グリップ支持体の左側ピボットのまわりを回転可能な左側ジョーおよびグリップ支持体の右側ピボットのまわりを回転可能な右側ジョー；左側ジョーに結合され、左側ピボット・ピンから間隔をおいて配置される左側スライダ・ピンおよび右側ジョーに結合され、右側ピボット・ピンから間隔をおいて配置される右側スライダ・ピン；ならびに開き位置と閉じ位置の間で左側ジョーを移動させるように左側スライダ・ピンがスライド可能である左側スライダ・ピン・スロットおよび開き位置と閉じ位置の間で右側ジョーを移動させるように右側スライダ・ピンがスライド可能である右側スライダ・ピン・スロットを含むスロット部材を含む。本方法は、エンド・エフェクタを外科部位に導入すること；および左側スロット・ピンを左側スライダ・ピン・スロットでスライドするように移動させ、右側スライダ・ピンを右側スライダ・ピン・スロットでスライドするように移動させて、開き位置と閉じ位置の間で左側ジョーと右側ジョーを移動させることをさらに含む。
【００２７】
他の実施態様によれば、医療機器は、操作端、近位端、および操作端と近位端の間のシャフト軸を有するベース・シャフトを備える。セグメント化された手首部材は、手首の縦方向ラインに沿って互いに連続的に隣接して配置される複数の離間セグメント椎骨を備える。複数の椎骨は、シャフト操作端に接続される近位椎骨、エンド・エフェクタを支持する遠位椎骨、および近位椎骨と遠位椎骨の間に配置され、ピボット可動可能なセグメント結合によって各近接椎骨に接続される少なくとも１つの中間椎骨を含む。各セグメント結合は、手首の縦方向ラインに平行しない結合軸を有する。結合軸のうちの少なくとも２つは互いに平行しない。中間椎骨の少なくとも１つは中位椎骨である。複数の移動可能な腱要素が、シャフトおよび手首部材に対して全体的に縦方向に配置される。腱要素は、それぞれ近位部を有し、接続された椎骨をピボット駆動させるように、遠位椎骨と中位椎骨の一方に接続される遠位部を有する。腱の少なくとも１つは少なくとも１つの中位椎骨に接続され、腱の少なくとも１つは遠位椎骨に接続される。腱駆動機構は、駆動できるように腱に結合され、複数の接続顴骨をピボット駆動させて、手首部材をシャフトに対して横方向に屈曲させるように、複数の腱のうちの少なくとも選定された腱を制御可能に移動させるように構成される。
【００２８】
他の態様は、開口を通じて患者の体内に挿入するための遠位操作端を有するシャフト状部材を含み、操作端は、複数の可動腱要素の少なくとも１つによって駆動されるように構成された少なくとも１つの遠位可動部材を含む外科機器用腱駆動組立品に向けられる。駆動組立品は、少なくとも１自由度でピボットするように可動的に構成され、複数の腱係合部を含む腱アクチェータ部材を備える。各係合部は、複数の腱の少なくとも１つに駆動的に結合可能である。遠位可動部材を駆動させるようにシャフト状部材に対して腱の少なくとも１つを移動させるように、アクチェータ部材を少なくとも１自由度で制御可能にピボットさせるように、駆動機構がアクチェータ部材に駆動的に結合される。
【００２９】
他の態様では、低侵襲外科機器は、操作端、近位端、および操作端と近位端の間のシャフト軸を備える。セグメント化された手首部材は、手首の縦方向ラインに沿って、互いに連続的に近接して配置される複数の離間セグメント椎骨を備える。複数の椎骨は、シャフト操作端に接続される近位椎骨、エンド・エフェクタを支持する遠位椎骨、および近位椎骨と遠位椎骨の間に配置される少なくとも１つの中間椎骨を含む。少なくとも１つの中間椎骨は、ピボット可動可能なセグメント結合によって各近接椎骨に接続される。各セグメント結合は、手首の縦方向ラインに平行しない結合軸を有する。結合軸のうちの少なくとも２つは互いに平行しない。可動セグメント結合は、少なくとも１つの隣接椎骨のピボット運動を調節するように構成された少なくとも１つのばね状要素を含む。複数の可動腱要素は、シャフトおよび手首部材に対して全体的に縦方向に配置される。腱要素は、それぞれ近位部、および遠位椎骨をピボット駆動させるように遠位椎骨に接続される遠位部を有する。腱駆動機構が腱に駆動的に結合され、複数の接続椎骨をピボット駆動させて、シャフトに対して手首部材を横方向に屈曲させるように、複数の腱の少なくとも１つを制御可能に移動させるように構成される。
他の態様は、医療機器の多重セグメント軟質部材の２つの隣接セグメント椎骨をピボット可能に結合させるためのセグメントのピボット可能な結合機構であって、２つの隣接セグメントは互いに対する屈曲方向を有し、軟質部材は少なくとも１つの中立屈曲軸を有するセグメントのピボット可能な結合機構に向けられる。本機器は、隣接椎骨の少なくとも２つの開口を通る少なくとも２つの可動駆動腱を含み、椎骨の少なくとも２つの開口は、ピボット方向に対して中立軸の反対側から間隔をおいて配置され、開口の口は、全体的に開口面を定めるように２つの椎骨の１つの隣接面に配置される。結合機構は、椎骨の各々に結合される少なくとも１つの中間椎骨係合要素を備え、その要素は、少なくとも２つの離間平行共働ピボット軸を定めるように椎骨とピボット係合し、ピボット軸の各々は、軟質部材が屈曲方向に偏向されたときに、中立軸の反対側の腱の運動を平衡させるように、各腱がそれぞれのピボット軸のまわりをピボット移動できるようにするように、隣接腱のそれぞれの開口面内に全体的に整列される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】腹腔鏡型手首の回転を概略的に示す正面図である。
【図２】図１の腹腔鏡型手首のＳ形構成を概略的に示す正面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ばねにより接続された椎骨を有する腹腔鏡型手首を概略的に示す正面図である。
【図４】本発明の実施形態による、波形ばねによって接続された椎骨を有する腹腔鏡型手首の部分断面図である。
【図５】本発明の実施形態による、ピッチ回転におけるポジティブに位置決め可能なマルチ・ディスク（ＰＰＭＤ）手首の斜視図である。
【図６】ヨー回転における図５のＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図７】直立位置における図５のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図８】ピッチ回転における図５のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図９】本発明の他の実施形態による、直立位置におけるＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１０】ピッチ回転における図９のＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１１】ヨー回転における図９のＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１２】図９のＰＰＭＤ手首における中間円板の上部斜視図である。
【図１３】図１２の中間円板の下部斜視図である。
【図１４】本発明の他の実施形態による、ピッチ回転におけるＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１５】ヨー回転における図１４のＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１６】本発明の他の実施形態による、ピッチ回転におけるＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１７】本発明の他の実施形態による、直立位置におけるＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１８】ピッチ回転における図１７のＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図１９】ピッチ回転における図１７のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図２０】ヨー回転における図１７のＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図２１】ヨー回転における図１７のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図２２】本発明の実施形態による、円板を通じて延びる駆動ケーブルを示す、図１７のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図２３】ピッチ回転における図１７のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図２４】ヨー回転における図１７のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図２５】図１７のＰＰＭＤ手首の円板間の結合の断面図で、その間のロール接触を示す図である。
【図２６】本発明の実施形態によるジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図２７】本発明の他の実施形態による、アクチェータ・リンクがピッチ回転で構成されたジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図２８】アクチェータ・リンクがヨー回転で構成された図２７のジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図２９】ピッチ回転における図２７のジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図３０】アクチェータ・プレートの詳細を示す、図２７のジンバル・ケーブル・アクチェータにおける平行リンク機構の斜視図である。
【図３１】アクチェータ・プレート上のカバー・プレートを示す、図３０の平行リンク機構の斜視図である。
【図３２】アクチェータ・プレートの詳細を示す、図３０の平行リンク機構の他の斜視図である。
【図３３】アクチェータ・プレート上のカバー・プレート、およびアクチェータ・リンクを装着するためのアクチェータ・プレート付近の取付部材を示す、図３０の平行リンク機構の斜視図である。
【図３４】下方ハウジング部材に装着された、図２７のジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図３５】下方ハウジング部材と上方ハウジング部材の間に装着された、図２７のジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図３６】本発明の実施形態による外科機器の斜視図である。
【図３７】図３６の外科機器の手首およびエンド・エフェクタの斜視図である。
【図３８】図３６の外科機器の手首およびエンド・エフェクタの部分破断斜視図である。
【図３８Ａ】図３６の外科機器の手首およびエンド・エフェクタの追加的な部分破断斜視図である。
【図３９】図３６の外科機器の手首およびエンド・エフェクタの追加的な部分破断斜視図である。
【図３９Ａ】図３６の外科機器のエンド・エフェクタに対する開放および閉じアクチェータを示す平面図である。
【図３９Ｂ】図３６の外科機器のエンド・エフェクタに対する開放および閉じアクチェータを示す平面図である。
【図３９Ｃ】他の実施形態によるエンド・エフェクタの斜視図である。
【図４０】手首制御ケーブルを示す、図３９の斜視図である。
【図４１】図３６の外科機器の手首およびエンド・エフェクタの正面図である。
【図４２】本発明の実施形態による、図３６の外科機器のバックエンド機構の斜視図である。
【図４３】本発明の実施形態による、図４２のバックエンド機構における下方部材の斜視図である。
【図４４】本発明の他の実施形態による、バックエンド機構の斜視図である。
【図４５】本発明の他の実施形態による、バックエンド機構の斜視図である。
【図４６】本発明の他の実施形態による、バックエンド機構の斜視図である。
【図４７】本発明の他の実施形態による、図４４から４６の外科機器のバックエンドに駆動ケーブルを固定するための機構の斜視図である。
【図４８】本発明の他の実施形態による、図３６の外科機器のバックエンド機構の斜視図である。
【図４９】本発明の他の実施形態による、図３６の外科機器のバックエンド機構の斜視図である。
【図５０】本発明の他の実施形態による、図３６の外科機器のバックエンド機構の斜視図である。
【図５１】他の実施形態によるＰＰＭＤ手首の斜視図である。
【図５２】図５１のＰＰＭＤ手首における椎骨すなわち円板セグメントの分解図である。
【図５３】図５１のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図５４】図５１のＰＰＭＤ手首の正面図である。
【図５５】図５１のＰＰＭＤ手首のケーブル接続を示す斜視図である。
【図５６】図５１のＰＰＭＤ手首のケーブル接続を示す斜視図である。
【図５７】他の実施形態によるジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図５８】他の実施形態によるジンバル・ケーブル・アクチェータの斜視図である。
【図５９】図５５のアクチェータのジンバル・プレートの斜視図である。
【図６０】図５５のジンバル・ケーブル・アクチェータの分解斜視図である。
【図６１】図５５のジンバル・ケーブル・アクチェータの分解斜視図である。
【図６２】図５５のジンバル・ケーブル・アクチェータの分解斜視図である。
【図６３】図５５のジンバル・ケーブル・アクチェータの他の斜視図である。
【図６４】他の実施形態によるバックエンドの斜視図である。
【図６５】他の実施形態によるバックエンドの斜視図である。
【図６６】他の実施形態によるバックエンドの斜視図である。
【図６７】他の実施形態によるバックエンドの斜視図である。
【図６８Ａ】他の実施形態による直線状手首の正面図である。
【図６８Ｂ】曲げ手首の正面図である。
【図６８Ｃ】他の実施形態によるケーブル・アクチェータ・プレートの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本明細書で用いられるように、「エンド・エフェクタ」とは、医療機能、例えば目標組織の所定の処理を実行するために手首部材を利用して操作可能な実際の操作遠位部を意味する。例えば、いくつかのエンド・エフェクタは、解剖刀、ブレードまたは電極のような単一操作部材を有する。他のエンド・エフェクタは、例えば、鉗子、把持器、鋏またはクリップ・アプライヤのような一対または複数の操作部材を有する。ある実施形態では、円板すなわち椎骨は、それらが集まって手首に沿った長手方向の内腔または空間を形成し、エンド・エフェクタの操作に関わるいくつかの代替要素または機器のいずれか１つに対するコンジットを形成するように構成される。例としては、電気的に駆動するエンド・エフェクタ（例えば、電子外科電極、トランスデューサ、センサなど）、（例えば、吸入、ガス注入、洗浄、処理流体、アクセサリ導入、生検摘出などのための）流体、気体または固体用のコンジット、移動エンド・エフェクタ部材を駆動させるための機械的要素（例えば、グリップ、鉗子および鋏を操作するためのケーブル、軟質部材または駆動要素）、導波管、音波伝達要素、光ファイバ要素などが挙げられる。当該縦型コンジットに弾性ポリマー・チューブ、螺旋巻線チューブなどのようなライナ、絶縁体、または誘導要素を設けることができる。
【００３２】
本明細書に用いられるように、「外科機器」、「機器」、「外科器具」または「器具」という言葉は、患者の腹腔における外科部位に挿入される１つまたは複数のエンド・エフェクタを担持し、エンド・エフェクタを操作して、外科部位における目標組織の所望の処理または医療機能を実行するために腹腔の外側から駆動可能な操作端を有する部材を意味する。これらの機器または器具は、典型的には、遠位にエンド・エフェクタを担持するシャフトを含み、好ましくは、針の保持または駆動、血管をつまむおよび組織を切断するなどのような機能を実行するために、遠隔外科システムによって自動制御的に駆動される。
【００３３】
Ａ．胃鏡型手首
胃鏡型手首は、交互のヨー（Ｙ）およびピッチ（Ｐ）軸を有する、積層された複数の椎骨を備えている。例えば、胃鏡型手首の一例は１２の椎骨を含む。当該手首は、典型的には、比較的長い弧を描いて曲がる。椎骨は、一緒に保持され、複数のケーブルによって操作される。４本以上のケーブルを使用することにより、手首の一端を手首の他端に対して移動させるときの角度を決定することが可能になる。手首の内部の開口を通してアクセサリをうまく導入することができる。手首を連続的に関節運動させて、良い制御で、特異点を有することなく、（ロール、ピッチ、ヨーにおいて）広い角度範囲で向きを保つことができる。
【００３４】
図１および図２は、ヨーとピッチの交互的なピボット配列（ＹＰＹＰ．．．Ｙ）で直列結合された複数の椎骨すなわち円板を有する典型的な先行技術の胃鏡型軟質手首状マルチ・セグメント部材を示す図である。図１は、隣接椎骨４２の間で均一な角度で全体的に好ましく回転している椎骨４２からなる胃鏡型手首４０の回転を示す図である。これに対して、ピッチとヨーの力が加わると、胃鏡型手首が、図２に示すように、２つの弓形を伴うＳ形になる。また、隣接椎骨間の角度が積層体に沿って大きく変わると、バックラッシュが問題になる。操作時に、隣接セグメント間のヨーとピッチの角度が、典型的には、曲がっている間にある範囲の不均一または不確定な値を取るということが知られている。すなわち、マルチ・セグメント手首または軟質部材は、腱駆動入力に応じて、予測不可能なまたは部分的にのみ制御される挙動を示すことがある。その上、軟質部材の曲げ精度、反復性および有効強度が低下する。
【００３５】
バックラッシュを最小限に抑え、Ｓ形構成を回避するための１つの方法は、図３に概略的に示すように、手首５０の椎骨５２の間にばね５４を設けることである。ばね５４は、積層体の回転時に、椎骨５２間の角度を比較的均一に維持してバックラッシュを最小限に抑えるのに役立つ。ばね５４は、また、手首５０を硬化させ、回転を安定化させて、Ｓ形構成を回避する。
【００３６】
図４の手首６０に示されるように、椎骨６２の間に接続可能な１つのタイプのばねとして、低プロフィルで高いばね力を与える特徴を有する波形ばね６４が挙げられる。図４は鋏または鉗子機構６６の形態のエンド・エフェクタをも示している図である。その機構６６を駆動させるためのケーブルまたはプーリのような駆動部材を、手首６０の内部の開口を通して延ばすことができる。内部の開口または内腔は他の物体をも通すことができる。
【００３７】
手首６０は、特異点がなく、要望に応じて３６０°曲げるように設計することが可能である。手首６０は汎用性が高く、潅注に使用でき、内腔を通してＣＣＤへ達する光ファイバまたはワイヤによるイメージングに、さらにその他の用途に使用できる。手首６０を操作チャネルを備えたデリバリ・デバイスとして使用することが可能である。例えば、外科医が手首６０を備えた外科機器を位置決めして、生検用操作チャネルを通じて手操作カテーテル・スタイレットまたは胃腸科系機器を外科部位に送ることができる。
【００３８】
図１〜図４（および一般に本明細書の他の箇所）において、ヨーとピッチの違いは、マルチ・セグメント手首または軟質部材の一般化された記述の用語として任意に定めることができ、ＹおよびＰ軸は典型的には部材の縦方向中心線に対して垂直であるとともに、典型的には互いに垂直であることに留意されたい。しかし、中心線に垂直でなく、かつ／または互いに垂直でないＹおよびＰ軸を有する、本発明の形態を有する様々な代替実施形態が実現可能であることに留意されたい。同様に、曲げ運動（ＹまたはＰ）に単一の自由度しかもたない、単純化された部材も有用でありうる。
【００３９】
Ｂ．ポジティブに位置決め可能なマルチ・ディスク手首（ＰＰＭＤ手首）
接触速度またはＰＰＭＤ手首は、回転するように結合された係合で連続的に積層され、ケーブルによって操作される複数の椎骨すなわち円板をも有する。Ｓ形構成を回避する５つの円板の一実施形態では（円板の数は末端部材を含む）、１つのケーブル集合体（遠位ケーブル）が、手首の遠位端における最終椎骨または遠位端円板まで延び、そこで終端するのに対して、残りのケーブル集合体（中位ケーブル）は、中間円板まで延び、そこで終端する。中位ケーブル集合体を中位円板で終端させ、第２の遠位ケーブル集合体を遠位円板で終端させることによって、５つの円板の配列の全ピボット自由度をケーブル・アクチェータによって精確に制御することができる。いずれの所定のケーブル駆動の組合せに対しても手首部材または位置についての実質的な不確実性は存在しない。これが、「ポジティブに位置決め可能」という言葉によって示される特性であり、図１および図２に関して上述したＳ形曲線の曲げまたは予測不可能な曲げの原因を排除する特性である。
【００４０】
ＰＰＭＤ手首の中位ケーブル集合体は、所定の全手首運動に対して、遠位集合体より移動距離が短くなる（例えば半分である）ことに留意されたい。その例を以下により詳細に説明するケーブル・アクチェータ機構がこの作動的な運動を提供する。また、ここに示される例は、一般に、同様または同一の大きさの複数の円板すなわちセグメントを有するが、その必要がないことにも留意されたい。したがって、隣接セグメントが異なる大きさを有する場合は、中位集合体と遠位集合体の間の動きの割合は、ここに示される例とは異なることがある。
【００４１】
特定の好ましい実施形態では、ヨー（Ｙ）結合またはピッチ（Ｐ）結合の一方が、２つの続いたセグメントで繰り返される。したがって、５つの円板のセグメントの間の４つの結合の例示的な配列では、結合配列をＹＰＰＹまたはＰＹＹＰとすることができ、中位セグメント円板（５つのうち３つ）は、２つのＹ結合または２つのＰ結合によって囲まれる。この配列は、「ロール、ピッチ、ヨー」型機器の遠位端に「一定速度」のロールを可能にする特性を有する。換言すれば、機器の遠位部（シャフト／手首／エンド・エフェクタ）を中心線のまわりに軸方向に回転させながら、手首を曲げ、かつエンド・エフェクタを（軟質シャフトねじドライバの操作と類似した）所定の箇所および先端角度に維持する場合に、エンド・エフェクタと機器シャフトの両方が同一の瞬間角速度で回転することになる。
【００４２】
この「一定速度」の特性は、巧みな外科操作機器に対するアルゴリズムを単純化し、より円滑な操作特性を導くことができる。この結合配列は、ヨーとピッチ軸の厳格な交互配列を含む、図１および図２に示される先行技術の胃鏡型手首の交互ＹＰＹＰ．．．結合配列とは全く異なることに留意されたい。
【００４３】
図５〜図８に示される例示的な実施形態では、手首７０は、ピッチ、ヨー、ヨー、ピッチ接続を伴う５つの円板７２〜７６が積層されている（円板数は近位および遠位端部材の円板を含む）。それらの円板は環状で、中空または内腔を形成している。各円板は、駆動ケーブルを通す複数の開口７８を有する。それぞれのケーブルに加わる力を低減するために１６のケーブルが使用される。８本の遠位ケーブル８０は遠位端における５番目の円板７６まで延び、８本の中位ケーブル８２は中間の３番目の円板７４まで延びている。他の実施形態ではケーブルの数が変わってもよいが、最低限３本のケーブル（または対称配列では４本のケーブル）、より望ましくは６本または８本のケーブルが使用される。ケーブルの数および大きさは円板のまわりに設けることが可能な空間によって限定される。一実施形態では、各円板の内径は約３ｍｍで、外径は約２ｍｍで、ケーブルを通る開口は直径が約０．５ｍｍである。各ケーブル集合体（中位または遠位）における所定の全断面積、および所定の円板直径全体に対して、ケーブルの数を多くすると、ケーブルの直径をより小さくすることができ、中位または遠位の円板の中心線から半径方向に外側に位置する開口にケーブルを終端させることができ、作用するケーブルの力のモーメント・アームまたは機械的効果を高める。また、これによりケーブルの直径が小さくなるため、円板の中心線に沿う縦方向の中心内腔の内側が大きくなる。これらの効果は、現在内視鏡外科手術にとって好ましいとされる、全体直径が非常に小さい（約５ｍｍ以下の）挿入機器部を達成するために構築される手首部材に特に有用である。
【００４４】
図５は、円板の周縁に配置される長いすなわち遠位ケーブル８０と短いすなわち中位ケーブル８２の対の交互的な配置を示す図である。円板を貫通するケーブル８０と８２は、円板の中心を貫通する手首中心軸すなわち中立軸８３に並列である。手首中立軸８３は、手首７０を曲げているときの長さが固定されている。円板を直線状に整列させると、ケーブル８０と８２は直線になり、手首７０を曲げている間に円板を回転させると、ケーブル８０と８２は手首中立軸とともに曲がる。図５〜８に示される例では、円板は、円板の向かい合う両側に位置する開口７８に結合されたピン８６の対によって形成される中心線で隣接円板間の接触点を維持して非結合ロール接触で互いにロールするように構成されている。ピン８６は、円板間にフル・レンジの回転を与え、開口７８への結合を維持するように構成され、大きさが決定される。他の実施形態では、開口７８を、ピン８６を受けるためのスロットに代えることができる。ピン８６の輪郭は、好ましくは、円滑なノンスリップ・ロール係合となるように、かつ、円板回転時の係合開口の周界８７と一定の円滑接触を成すように、「歯車の歯のような」プロフィルであることに留意されたい。図５および図８は、（２つのピッチ接合による）９０°のピッチ位置の手首７０を示し、図６は、（２つのヨー接合の回転による）９０°のヨー位置の手首７０を示す。図７において、手首７０は直立または直立位置にある。もちろん、ピッチおよびヨーにおける円板の回転によって、手首部材のピッチ曲げとヨー曲げの組合せを達成することも可能である。
【００４５】
手首７０は、１８０°の範囲にわたって特異点がない。グリップのための引張ケーブルを分離させ、かつそれを通すために、環状円板により形成される内腔を使用することができる。手首７０に加わる力は、ケーブルの強度によって制限される。一実施形態では、ヨー・モーメントを約０．２５Ｎ−ｍとするためにケーブル・テンションを約１５ lb（約６．８Ｋｇ）とすることが必要である。円板が５つしかないため、グリップ機構はシャープに曲がる必要がある。ケーブル・システムの精度は、開口７８にこすれるケーブルの摩擦に依存する。バックラッシュを除去するためケーブル８０と８２にあらかじめ負荷をかけておくことができる。磨耗が懸念されるため、手首７０およびケーブルに耐磨耗材を選択することが望ましい。
【００４６】
図９〜図１３は、駆動ケーブルを通すための開口９８を含む円板９２〜９６の間の異なる結合機構を有する手首９０の代替的な実施形態を示す図である。図１２および図１３のディスク９４に最もよく示されるように、開口に結合されたピンの代わりに、湾曲突起１００の対と円板の反対側に位置するスロット１０２との間の結合によって円板を接続する。他の２つの中間円板９３、９５も中間円板９４と同様である。湾曲突起１００が湾曲スロット１０２に受け入れられ、例えば、図１０に示される手首９０の９０°ピッチ、および図１１に示される手首９０の９０°ヨーを生成させるために、回転またはロール動きができるようにスロット１０２に突起１００を支持させる。図９は、遠位円板９６に延び、そこで終端する２つの遠位ケーブル１０４、および中間円板９４に延び、そこで終端する２つの中位ケーブル１０６を示す図である。図９〜図１３に示される例は、「一定速度」のＹＰＰＹ配列ではないが、代替的にそのように構成できることに留意されたい。
【００４７】
図１４および図１５に示される手首１２０の他の実施形態では、円板に向き合って配置されるかみ合い歯１３０の間の非結合ロール接触によって、円板１２２〜１２６の間の結合を形成する。歯１３０は、例えば、図１４に示される手首１２０の９０°ピッチ、および図１５に示される手首１２０の９０°ヨーを生成させるために、円板をヨー回転やピッチ回転させる。
【００４８】
図１６に示される手首１４０の他の実施形態では、円板間の結合機構は、互いに共働して、開口へ締結具を挿入してヒンジ機構を形成させる有孔部材１５０、１５２を含む。円板の両側に配置されるヒンジ機構は、円板をピッチ回転させるとともにヨー回転させ、例えば、図１６に示される手首１４０の９０°ピッチを生成させる。図１６に示される例は、「一定速度」のＹＰＰＹ配列ではないが、代替的にそのように構成できることに留意されたい。
【００４９】
図１７〜図２４は、円板１６２〜１６６間に異なる結合機構を有する手首１６０のさらに他の実施形態を示す図である。第１すなわち近位の円板１６２は、約１８０°離れた反対側に配置される一対のピッチ突起１７０を含む。第２の円板１６３は、一方の側に一対のピッチ突起１７０に結合された一対の整合ピッチ突起１７２を含み、もう一方の側に、ピッチ突起１７２から約９０°ずれて配置される一対のヨー突起１７４を含む。第３すなわち中間円板１６４は、一方の側に一対のヨー突起１７４に結合された一対の整合ヨー突起１７６を含み、もう一方の側に一対のヨー突起１７４と整列する一対のヨー突起１７８を含む。第４の円板１６５は、一方の側に一対のヨー突起１７８に結合された一対の整合ヨー突起１８０を含み、もう一方の側にヨー突起１８０から約９０°ずれて配置される一対のピッチ突起１８２を含む。第５すなわち遠位円板１６６は、第４の円板１６５のピッチ突起１８２に結合された一対の整合ピッチ突起１８４を含む。
【００５０】
突起１７２、１７６は、互いに非結合ロール接触を成して、円板をピッチ回転させるかヨー回転させ、例えば、図１８および図１９に見られる手首１６０の９０°ピッチを形成し、図２０および図２１に見られる手首１６０の９０°ヨーを形成する湾曲した凸状のロール面を有する。ここに示される実施形態では、突起間の結合は、それぞれスロット１９２に接続されたピン１９０によって形成される。
【００５１】
図２２〜図２４は、それぞれ直立位置、９０°ピッチ位置および９０°ヨー位置を達成するように駆動ケーブルで操作された手首１６０を示す図である。
【００５２】
図２５は、ロール接触点２００での接触を維持する、円板１６２、１６３の突起１７０、１７２の湾曲ロール面の間でのロール接触を示す図である。ロール作用は、それぞれ２つの円板１６２、１６３上の２つの実効ピボット点２０２、２０４を含む。ケーブル２１２、２１４、２１６、２１８を引くことによって円板１６２、１６３の間の相対的な回転を達成する。ケーブルの各対（２１２、２１８）および（２１４、２１６）は、接触点２００ならびに実効ピボット点２０２、２０４を通る中心線２２０から等距離にある。円板１６２、１６３が回転すると、引張ケーブルは、破線で示されるように、位置２１２’、２１４’、２１６’、２１８’にシフトする。円板１６２は、ケーブルのためのケーブル出口点２２２を有し、円板１６３はケーブルのためのケーブル出口点２２４を有する。具体的な実施形態では、ケーブル出口点２２２は、円板１６２の実効ピボット点２０２と同一平面内にあり、ケーブル出口点２２４は円板１６４の実効ピボット点２０４と同一平面内にある。このように、円板１６２、１６３が回転すると、ケーブルの各対（２１２’、２１８’）および（２１４’、２１６’）が中心線２２０から同距離に保たれる。その結果、一方の側で繰り出されたケーブル長は、もう一方の側で引き出されたケーブル長に等しくなる。したがって、図２５に示される非結合ロール係合輪郭構成は、「ケーブル平衡ピボット機構」と称することができる。この「ケーブル平衡」特性は、最小限のバックラッシュで一対のケーブルの結合を行わせる。図１７〜図２４の例は、このケーブル平衡特性を有するが、これらの図の大きさにより、係合ロール輪郭は小さなスケールで示されていることに留意されたい。
【００５３】
随意に、かつ特に隣接円板を結合するための「ケーブル平衡ピボット機構」を採用しない実施形態では、機器ケーブル・アクチェータは、ケーブルのゆるみまたはバックラッシュを吸収するケーブル・テンション調節デバイスを採用する。
【００５４】
上記実施形態は、５つの円板を示すが、円板の数を７つ、９つなどに増やすことができる。７つの円板の手首では、回転レンジが１８０°から２７０°に拡大する。したがって、７つの円板の手首では、典型的にはケーブルの１／３が円板３で終端し、１／３が円板５で終端し、１／３が円板７（最も遠位の円板）で終端する。
【００５５】
Ｃ．回転プレート・ケーブル・アクチェータ機構
図２６は、例えば、図１７〜図２１に示されるＰＰＭＤ手首１６０においてケーブルを操作するための、本発明の形態を有する例示的な回転プレート・ケーブル・アクチェータ機構２４０を示す。アクチェータ２４０は、例えばピッチの回転に対してジンバル・リング２４６を支持するためのピボット２４５を備えた一対のジンバル・リング支持体２４４を有するベース２４２を含む。リング２４６は、例えばヨー回転においてロッカーすなわちアクチェータ・プレート２５０を支持するためのピボット２４７を含む。アクチェータ・プレート２５０は、手首１６０を操作するための１６本のケーブルを通すための１６の穴２５２を含む（近位円板１６２から、８本の遠位ケーブルが遠位円板１６６に延び、８本の中位ケーブルが中間円板１６４に延びる）。
【００５６】
アクチェータ・プレート２５０は、ケーブルを受けるための複数の溝を有する中央開口２５６を含む。８つの小径溝２５８と８つの大径溝２６０が中央開口２５６の周囲にそれぞれ対を成して分布する。小径溝２５８は、中間円板１６４に延びる中位ケーブルを受け、大径溝２６０は、遠位円板１６６に延びる遠位ケーブルを受ける。溝２６０の径は、溝２５８の径の約２倍に等しい。所定のジンバル運動に対して、中位円板１６４に対する中位ケーブルが、遠位円板１６６に対する遠位ケーブルの半分しか運動しないように、ケーブルの半分を小径の運動に限定し、ケーブルの半分を大径の運動に限定する溝２５８および２６０を通じて中央開口２５６のリムにケーブルが導かれる。その二重半径溝配列は、アクチェータ・プレート２５０をジンバル・ケーブル・アクチェータ２４０内で回転させるときのその運動および制御をし易くする。事前張力を加えた後のケーブル・アタッチメントを固定するために一対の止めねじ２６６を設けるのが望ましい。ジンバル・ケーブル・アクチェータ２４０は、スレーブＰＰＭＤ手首１６０の動きを操作し、かつ制御するためのマスタとして作用する。様々な種類の従来のアクチェータ（図２６に示されていない）をアクチェータ・プレート組立品に結合して、プレートを２自由度傾斜させてケーブルを駆動させることができる。
【００５７】
図２７〜図３５は、ケーブルを操作してＰＰＭＤ手首の動きを制御するためのジンバル・ケーブル・アクチェータ３００の他の実施形態を示す図である。そこでは、関節様平行ストラット／ボール・ジョイント組立品を採用して、アクチェータ・プレート３０２に対する「ジンバル」サポートを提供している（すなわち、２ＤＯＦのプレート傾斜を可能にするようにそのプレートを支持している）。アクチェータ３００は、ジンバル構成で取り付けられたロッカーすなわちアクチェータ・プレート３０２を含む。第１のアクチェータ・リンク３０４と第２のアクチェータ・リンク３０６によってアクチェータ・プレート３０２を動かして、ピッチとヨー回転を生成させるようになっている。アクチェータ・リンク３０４、３０６は、アクチェータ・プレート３０２付近に配置された取付部材３０８に回転可能に結合されている。図３３に最もよく示されるように、ここに示される実施形態では、アクチェータ・リンク３０４、３０６を取付部材３０８に結合させてボール・イン・ソケット接合を形成するためにボール・エンド３１０が使用されるが、他の代替的な実施形態では他の好適な回転接続を用いることができる。それぞれ図２７、図２８に示されるように、ピボット・ジョイント３１８と３２０を介してアクチェータ・リンク３０４、３０６に回転可能に結合される第１、第２の扇形歯車３１４、３１６によってアクチェータ・リンク３０４、３０６を駆動させ、全体として縦方向に動かす。図３４、図３５に最もよく示されるように、扇形歯車３１４、３１６は、駆動スプール３３４、３３６で駆動される第１、第２の駆動歯車３２４、３２６でそれぞれ回転させられる。
【００５８】
アクチェータ３０２は、図３０〜図３３に示される平行リンク機構３４０に結合される。平行リンク機構３４０は、一対の平行リング３４４に結合された一対の平行リンク３４２を含み、一対のリンクは平行リンク機構３４０が動くと平行四辺形を形成する。一対の平行リンク３４２は一対の平行リング３４４に接続され、一対の平行リング３４４はピボット３４８を介して平行リンク機構ハウジング３４６に回転可能に接続されてピッチ回転を行う。図３２に示されるように、ボール・イン・ソケット・ジョイント３４９を介して一対の平行リンク３４２をアクチェータ・プレート３０２に結合させることができるが、代替的な実施形態では他の好適な結合機構を使用できる。
【００５９】
図２７と図２９は、アクチェータ・プレート３０２が平行リンク機構３４０によってピッチ回転で動くように拘束され、両アクチェータ・リンク３０４、３０６とともにピッチ回転するジンバル・ケーブル・アクチェータ３００のアクチェータ・プレート３０２を示す図である。図２８において、第１、第２のアクチェータ・リンク３０４、３０６は反対方向に動いてアクチェータ・プレート３０２のヨー回転を生成する。アクチェータ・リンク３０４、３０６の混合運動を調整することによりピッチ回転とヨー回転の混合回転が得られる。
【００６０】
図３０、図３２に最もよく示されるように、アクチェータ・プレート３０２は、中位ケーブルを受けるための８つの小径開口３６０と遠位ケーブルを受けるための８つの大径開口３６２を含む。図３２は例示的な目的のための中位ケーブル３６４を示す図である。中位および遠位ケーブルは、平行リンク機構ハウジング３４６の中空とシャフト３７０（図２７、図２８）の中空を通じて、例えば図１７〜図２１のＰＰＭＤ手首１６０の中位円板と遠位円板１６４、１６６まで延びる。
【００６１】
図３４は、下方ハウジング部材３８０に装着されたジンバル・ケーブル・アクチェータ３００を示す。図３５は、下方ハウジング部材３８０に装着された上方ハウジング部材３８２を示す図である。上方ハウジング部材３８２は、扇形歯車３１４、３１６を回転可能に装着するためのピボット３８４を含む。図２７、図２８、図３１、図３３、図３４に見られるように、カバー・プレート３９０を締結具３９２によってアクチェータ・プレート３０２上に取り付けることができる。
【００６２】
最も遠位の円板（例えば図１７〜図２１の円板１６６）は、メス、鉗子、鋏、焼灼器具、リトラクタなどの各種の単要素および多要素エンド・エフェクタに対する装着ベースとして機能することに留意されたい。円板に対して内側の中央内腔は、エンド・エフェクタ・アクチェータ要素（例えばエンド・エフェクタ・アクチェータ・ケーブル）のためのコンジットとして機能することができ、かつ流体コンジット（例えば潅注または吸入）または電気導体を収容することができる。
【００６３】
アクチェータ・プレート２５０のためのジンバル・リング・サポート組立品２４０が図２６に示され、アクチェータ・プレート３０２のための関節様ジンバル状構造体３００が図２７〜図３５に示されているが、本発明の形態を有する回転プレート・ケーブル・アクチェータ機構の代替的な実施形態は、アクチェータ・プレート２５０を支持し、制御可能に動かすための様々な構造および構成を有することができることに留意されたい。例えば、２ＤＯＦ、例えばスチュアート・プラットフォームなどの少なくとも傾斜運動を可能にするために、様々なタイプの機構および連結リンク機構によってプレートを支持し、動かすことができる。モータ駆動リンク機構、液圧式アクチェータ、電気機械式アクチェータ、リニア・モータ、磁気結合ドライバなどの様々な代替的な駆動機構によって、プレート組立品を制御可能に駆動することができる。
【００６４】
Ｄ．グリップ駆動機構
図３６は、細長シャフト４０２とそのシャフト４０２の操作端にエンド・エフェクタ４０６が配置された手首状機構４０４を有する外科機器４００を示す図である。ここに示される手首状機構４０４は、図１７〜図２１のＰＰＭＤ手首１６０に類似している。ＰＰＭＤ手首は、多数の小さな内腔および凹部を有する。無菌性を維持するために、手首４０４に外筒４０８Ａを配置することができる。あるいは、エンド・エフェクタ４０６と手首４０４を覆う外筒４０８Ｂを設けることもできる。
【００６５】
バックエンド機構すなわち機械走査機構４１０をシャフト４０２の反対側に配置し、ロボット・アームまたはシステムに機器４００を着脱可能に結合するように構成させている。ロボット・アームを使用して、バックエンド機構４１０を操作して、手首状機構４０４とエンド・エフェクタ４０６を操作する。当該ロボット・システムの例は、１９９８年９月１８日に提出され、ＷＯ９９／５０７２１として公開された「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」という名称のＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９８／１９５０８号、および１９９９年９月１７日に提出された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｔｅｌｅｓｕｒｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」という名称の米国特許出願第０９／３９８，９５８号のような上記の様々な関連出願に見いだされる。いくつかの実施形態では、シャフト４０２はバックエンド機構４１０に回転可能に結合されて、矢印Ｈで示される、バックエンド機構４１０に対するシャフト４０２の角度変位を可能にする。
【００６６】
図３７〜図４１には、手首状機構４０４およびエンド・エフェクタ４０６がより詳細に示されている。手首状機構４０４は、図１７〜図２１のＰＰＭＤ手首１６０と類似し、シャフト４０２の遠位端に接続された第１または近位の円板４１２、第２の円板４１３、第３または中間の円板４１４、第４の円板４１５および第５または遠位の円板４１６を含む。遠位円板４１６と、一対の操作部材すなわちジョー４２２、４２４を含むエンド・エフェクタ４０６との間にグリップ支持体４２０が接続されている。図３８〜図４０に最もよく示されるように、グリップの動きを促進するために、ジョー４２２、４２４は、それぞれピボット・ピン４２６、４２８のまわりを回転できるように、グリップ支持体４２０によって回転可能に支持されている。もちろん、他のエンド・エフェクタを使用することができる。ジョー４２２、４２４は単に例示的なものである。
【００６７】
図３８〜図４０に最もよく示されているが、グリップの動きは、ジョー４２２、４２４、開きアクチェータ４３６、閉じアクチェータ４３８に接続された一対のスライダ・ピン４３２、４３４によって生成される。スライダ・ピン４３２、４３４は、それぞれ、閉じアクチェータ４３８に設けられた一対のスロット４４２、４４４内をスライドするようになっている。スライダ・ピン４３２、４３４がスロット４４２、４４４に沿って互いに外側にスライドすると、ジョー４２２、４２４は、ピボット・ピン４２６、４２８のまわりを回転して開く。スライダ・ピン４３２、４３４がスロット４４２、４４４に沿って互いに内側にスライドすると、ジョー４２２、４２４は、ピボット・ピン４２６、４２８のまわりを回転して閉じる。スライダ・ピン４２２、４２４のスライドは、開きアクチェータ４３６が閉じアクチェータ４３８に対して動いているときにそれと接触することによって生成される。開きアクチェータ４３６は、スライダ・ピン４３２、４３４上のカムとして作用する。図３９Ａに示されるように、閉じアクチェータ・ケーブル４４８を使用して、閉じアクチェータ４３８を開きアクチェータ４３６に対してシャフト４０２のほうへ引くことによってジョー４２２、４２４が閉じる。図３９Ｂに示されるように、開きアクチェータ・ケーブル４４６を使用して、開きアクチェータ４３６を閉じアクチェータ４３８に対してシャフト４０２のほうへ引き戻すことによってジョー４２２、４２４が開く。開きアクチェータ・ケーブル４４６は、典型的には開きアクチェータ４３６の中空テールに圧入され、閉じアクチェータ・ケーブル４４８は、典型的には閉じアクチェータ４３８の中空テールに圧入される。具体的な実施形態では、開きアクチェータ４３６と閉じアクチェータ４３８が同時に同速度で、しかも反対方向に動くように、開きアクチェータ・ケーブル４４６と閉じアクチェータ・ケーブル４４８を一緒に動かす。以下により詳細に説明するように、駆動ケーブル４４６、４４８はバックエンド機構４１０で操作される。閉じアクチェータ４３８はスロット部材であるので、閉じアクチェータ・ケーブル４４６をスロット部材ケーブルと呼ぶことができる。開きアクチェータ４３６はスライダ・ピン・アクチェータであるので、開きアクチェータ・ケーブル４４８をスライダ・ピン・アクチェータ・ケーブルと呼ぶことができる。
【００６８】
図３９Ｃに示すように、グリップ機構すなわちジョー４２２’、４２４’が対称的に動くように、連動歯機構４４９を採用することができる。この機構４４９は、一方のジョー４２４’の近位部に設けられたスロットまたは溝に回転可能に結合される他方のジョー４２４’の近位部に設けられた歯を含む。機構４４９は、ジョー４２２’、４２４’の反対側（不図示）に他の連動歯およびスロットを含む。
【００６９】
図５に示されるものと類似した複数の長いまたは遠位ケーブルと複数の短いまたは中位ケーブルを使用して手首４０４を操作する。図４０に、例示を目的とした１本の遠位ケーブル４５２、１本の中位ケーブル４５４を示す。各ケーブル（４５２、４５４）は隣接した一組の開口を通り、自由端がほぼ工具シャフト４０２を通して延び、手首４０４の長さを通る２つの通路を成す。望ましくは、円板４１２〜４１６の周囲に交互に配列された合計４本の遠位ケーブルと４本の中位ケーブルが存在する。
【００７０】
駆動ケーブル４４６、４４８や、４５２、４５４のような手首制御ケーブルは、環状円板４１２〜４１６によって形成される内腔からシャフト４０２を通じてバックエンド機構４１０まで延び、そこでこれらのケーブルが操作される。いくつかの実施形態では、ケーブルのたるみなどを最小限に抑え、または低減するために、環状円板４１２〜４１６によって形成される内腔にコンジット４５０を設ける（図３９を参照のこと）。具体的な実施形態では、近位円板４１２と遠位円板４１６の間に接続されたコイルばねによってコンジット４５０が形成される。コイルばねは、円板４１２〜４１６の動きを妨害することなく円板４１２〜４１６により曲がる。
【００７１】
任意の好適な方法を用いて、グリップ支持体４２０を手首４０４に締結することができる。一実施形態では、図３８および３８Ａに示されるように、支持ケーブル４６２、４６４によってグリップ支持体４２０を手首４０４にしっかりと固定する。各支持ケーブルは、グリップ支持体４２０内の一対の隣接穴を通じて手首４０４のほうへ延びる。支持ケーブル４６２、４６４は、環状円板４１２〜４１６によって形成される内腔からシャフト４０２を通じてバックエンド機構４１０に延び、そこで固定される。
【００７２】
図４１を参照すると、手首４０４は、手首４０４を曲げたときに長さが固定される手首中心軸または中立軸４７０を有する。それぞれのケーブルは、ここに示されるケーブル通路４７２のような中立軸と一致しないケーブル通路をとると、手首４０４を曲げたときに長さが変動する。（例えば、手首４０４内の空間を圧迫することによって）ケーブルが実質的に中立軸４７０に沿って曲がるように強制すると、ケーブルの長さの変動が低減されるが、過度の磨耗の問題が生じることになる。いくつかの実施形態では、上述したように、バックエンド機構４１０でケーブル長の変化に対応する。
【００７３】
図４２〜図４６に、本発明の実施形態によるバックエンド機構４１０を示す。バックエンド機構４１０の本実施形態の１つの特徴は、エンド・エフェクタ４０６（例えば、ジョー４２２、４２４の操作部材、アクチェータ４３６、４３８、駆動ケーブル４４６、４４８）を比較的容易に交換できるようにすることである。
【００７４】
図４２に示されるように、グリップ支持体４２０を手首４０４に固定するのに使用される支持ケーブル４６２、４６４（図３８および３８Ａを参照のこと）は、シャフト４０２を通って中央のチューブを通って延びる。支持ケーブル４６２、４６４は、しっかりとねじ止めされた下方アーム４８０と下方クランプ・ブロック４８２に固定される。下方アーム４８０はピボット端４８６とばね結合端４８８を含む。図４２に示されているように、ピボット端４８６は、バックエンド・ハウジングまたは構造体４９０に回転可能に装着される。ばね結合端４８８は、バックエンド・ハウジング４９０に固定されているばね４９２に接続される。ばね４９２は、下方アーム４８０を偏向させて支持ケーブル４６２、４６４にテンションを加え、グリップ支持体４２０を手首４０４にしっかりと固定させる。
【００７５】
図４３は、クランプ・ブロック４８２の代わりに、下方アーム４８０における４つの凹部またはスロット４８４を使用することによって、支持ケーブル４６２、４６４を固定する他の方法を示す図である。スリーブを支持ケーブル４６２、４６４の各々の端部に圧着させ、そのスリーブを凹部またはスロット４８４に押し込む。これは、下方アーム４８０をばね力に対して内側に押しつけ、スリーブ付ケーブルをそれらのスロットに滑り込ませることによって行われる。
【００７６】
図４４は、グリップ・ジョー４２２、４２４の位置に影響を及ぼすことなく、駆動ケーブル４４６、４４８（図３９を参照のこと）の長さを変化させる追加的な機構を示す図である。シャフト４０２を貫通する駆動ケーブル４４６、４４８を、ピボット・シャフト５００に対して駆動ケーブル締付け部材５０２の反対側でグリップ駆動ピボット・シャフト５００に固定する。締付け部材５０２は、一方の駆動ケーブルを引きながら、同時に他方のケーブルを緩めてエンド・エフェクタ４０６のジョー４２２、４２４を操作するように、グリップ駆動ピボット・シャフト５００により回転する。
【００７７】
図４７に示されるように、駆動ケーブル４４６、４４８を固定するための締付け部材５０２の代わりに、別のケーブル固定部材５０２’をグリップ駆動ピボット・シャフト５００に使用することができる。ケーブル固定部材５０２’は、一対の対向する凹部またはスロット５０４を含む。スリーブを駆動ケーブル４４６、４４８の端部の各々に圧着させ、スリーブを凹部またはスロット５０４に押し込む。これは、上方アーム５３０をばね力に対して内側に押しつけ、スリーブ付ケーブルをそれらのスロットに滑り込ませることによって行われる。
【００７８】
図４４〜図４６に示されるように、モータ入力シャフト５１０に接続される一対の制御ケーブル５０６、５０８によってグリップ駆動ピボット・シャフト５００を制御する。２本の制御ケーブル５０６、５０８をそれぞれ２つのハブ・クランプ５１２、５１４によってグリップ駆動ピボット・シャフト５００に固定する。ハブ・クランク５１２、５１４から、制御ケーブル５０６、５０８が２つのハスバ歯車減速アイドラ・プーリ５１６、５１８に、次いでモータ入力シャフト５１０に導かれ、そこで２つのさらなるハブ・クランプ５２２、５２４によって固定される。図４４に示されるように、２本の制御ケーブル５０６、５０８を反対方向に巻いて、時計回りと反時計回りに適切なトルク移動を与える。モータ入力シャフト５１０を回転させると、制御ケーブル５０６、５０８を介してグリップ駆動ピボット・シャフト５００がねじれ、それによって一方の駆動ケーブルが引っ張られると同時に他方の駆動ケーブルがゆるめられることにより、エンド・エフェクタ４０６のジョー４２２、４２４が駆動する。
【００７９】
グリップ駆動ピボット・シャフト５００および一対のハスバ歯車減速アイドラ・プーリ５１６、５１８は、リンク・ボックス５２０によってピボット支持される。リンク・ボックス５２０はリンク・ビーム５２２に接続されている。リンク・ビーム５２２は、グリップ・ジョー４２２、４２４を制御する２本の駆動ケーブル４４６、４４８の相対位置を変えることなく、グリップ駆動ピボット・シャフト５００を前後に移動させて、手首４０４の曲げによるケーブル長の変化に対応させるために、モータ入力シャフト５１０の軸に沿ってピボット支持されている。この機構は、手首４０４の曲げからグリップ・ジョー４２２、４２４の制御を切り離す。
【００８０】
図４５、図４６は、下方アーム４８０と類似した上方アーム５３０を付加した様子を示す図である。上方アーム５３０は、ピボット端５３６とばね接合端５３８も有する。ピボット端５３６は、下方アーム４８０のピボット端４８６と同じピボット軸に沿う遠端ハウジング４９０に回転可能に装着される。上方アーム５３０は、グリップ駆動ピボット・シャフト５００に接続される。ばね接合端５３８は、バックエンド・ハウジング４９０に固定されたばね５４２に接続される。ばね５４２は上方アーム５３０を偏向させて、駆動ケーブル４４６、４４８にプレテンションを加える。簡略化および明瞭化するために、ばね４９２、５４２は図４６に示されていない。
【００８１】
バックエンド機構４１０の構成は、操作部材すなわちジョー４２２、４２４と同様アクチェータ４３６、４３８と駆動ケーブル４４６、４４８も比較的容易に置き換えることができるようにしている。特にケーブルをクリンプされたスリーブ（小さな襞を付けたスリーブ）によって凹部に固定すると、ケーブルを比較的容易にバックエンド機構４１０から解放することができる（図４３、図４７を参照のこと）
【００８２】
図４８に示されるバックエンド機構４１０Ａの他の実施形態では、エンド・エフェクタ４０６ばかりでなく手首４０４やシャフト４０２も比較的容易に交換することができる。図２７〜図３５に示されるとともに上述したように、手首４０４を駆動させるための手首ケーブル（例えば、図４０における遠位ケーブル４５２や中位ケーブル４５４）は、アクチェータ・プレート３０２の円形リングのバックエンドを終端とする。手首ケーブルは、カバー・プレート３９０によりアクチェータ・プレート３０２に固定される（図２７〜図３５を参照のこと）。
【００８３】
手首４０４とシャフト４０２の交換可能スキームを達成するために、手首ケーブルを小プレートに（例えば締め付けによって）固定し、その小プレートをバックエンド・ハウジング４９０の前部５５０から送り、アクチェータ・プレート３０２に固定する。
【００８４】
代替的な構成では、アクチェータ・プレート３０２をバックエンド・ハウジング４９０の前部５５０に置き換えて、小プレートをシャフト４０２の長さ方向に通す必要性を排除することができる。
【００８５】
図４９、図５０は、ケーブルを固定する他の方法を示す他のバックエンド機構４１０Ｂを示す。支持ケーブル４６２、４６４（図３８および３８Ａを参照のこと）は、締付けブロック５６２によってアーム５６０に固定される。アーム５６０は、ピボット端５６４とばね接合端５６６を有する。ピボット端５６４は、バックエンド・ハウジングすなわち構造体４９０に回転可能に装着される。ばね接合端５６６は、バックエンド・ハウジング４９０に固定される１つまたは複数のばね５７０に接続される。ばね５７０は、アーム５６０を偏向させて、支持ケーブル４６２、４６４にテンションを加えて、グリップ支持体４２０を手首４０４にしっかりと固定する。
【００８６】
駆動ケーブル４４６、４４８（図３９を参照のこと）は、アーム５６０に接続されたプーリ５８０の周囲に延びて、モータ入力シャフト５９０に沿って設けられた一対のハブ・クランプ５８２、５８４で終端する。この比較的単純な構成は、ケーブル長の変化およびケーブルの事前張力に適応させることができる。支持ケーブル４６２、４６４はばね５７０によって引っ張られる。駆動ケーブル４４６、４４８は、ハブ・クランプ５８２、５８４にトルクを加えることによって引っ張られる、上述した実施形態のいくつかに比べて、エンド・エフェクタ４０６および手首４０４の交換が少し困難になる。
【００８７】
Ｅ．よりコンパクトな実施形態
図５１〜図６７は、よりコンパクトで製造と組立が容易な特定のコンポーネントを有するように設計される他のＰＰＭＤ手首器具を示す図である。図５１〜図５６に示されるように、器具シャフト６０２とエンド・エフェクタ６０４の間にＰＰＭＤ手首６００が接続される。手首６００は、好ましくは同一の８つの入れ子にされた円板セグメント６１１〜６１８を含むことで、製造効率およびコスト効果を向上させている。個々の円板セグメント６１０は図５２に示される。一対の円板セグメントを接続するのに使用される４つのストラット６２０が設けられる。個々のストラット６２０を図５２に示す。
【００８８】
円板セグメント６１０は、軸方向に延びる複数のかみ合わせ突出部６２２（円周のまわりに間隔をおいて配置される４つのかみ合わせ突出部）を有する合せ面、ならびに歯６２４および歯車スロット６２６を有するピボット面を含む。歯６２４と歯車スロット６２６が、中央開口６２８に対して向き合うように配置されている。以下により詳細に説明するように、手首駆動用のケーブルを受けるために、１２の開口６３０が円板セグメント６１０の周囲に配置されている。円板セグメント６１０は、中央開口６２８に対して向き合うように配置された一対の放射状溝すなわちスロット６３２をさらに含む。ここに示される具体的な実施形態では、放射状溝６３２の位置を歯６２４および歯車スロット６２６に合わせている。
【００８９】
ストラット６２０は、リング６３４、このリング６３４に向き合って配置される一対の上側放射状プラグすなわち突起６３６、およびリング６３４に向き合って配置される一対の下側放射状プラグすなわち突起６３８を含む。上側放射状突起６３６と下側放射状突起６３８は互いに整列して配置される。
【００９０】
ストラット６２０によって一対の円板セグメント６１０を組み立てるために、一対の下側放射状突起６３８を下方円板セグメントの一対の放射状溝６３２に滑り込ませて挿入する。歯６２４、歯車スロット６２６、放射状溝６３２を備えたピボット面がストラット６２０のほうを向くように、上方円板セグメントを下方円板セグメントの反対側に向かせる。ストラット６２０の一対の上側放射状突起６３８を上方円板セグメントの一対の放射状溝６３２に滑り込ませて挿入させる。具体的な実施形態では、円板セグメント間でピボットし易いように、放射状突起と放射状溝は円筒形になっている。下方円板セグメントの歯６２４の位置を、それと相対的にピボットする上方円板セグメントの歯車スロット６２６に合わせ、上方円板セグメントの歯６２４の位置を、それと相対的にピボットする下方円板セグメントの歯車スロット６２６に合わせる。これは図５１に最もよく示されている。歯６２４と歯車スロット６２６の間の動きは、他の非接合接触によって成される。
【００９１】
近位すなわち第１の円板セグメント６１１は、円板セグメント６１１のかみ合わせ突出部６２２とシャフト６０２のかみ合わせ突出部６０３によって、器具シャフト６０２の端部に接続される。第２の円板セグメント６１２は第１の円板セグメント６１１の反対側に向けられ、ストラット６２０によって第１のセグメント６１１に結合される。第２の円板セグメント６１２の歯６２４は第１の円板セグメント６１１の歯車スロット６２６に係合し、第１の円板セグメント６１１の歯６２４は第２の円板セグメント６１２の歯車スロット６２６に係合する。第３の円板セグメント６１３は、第２の円板セグメント６１２の反対側に向けられ、それらの合せ面が向き合って、かみ合わせ突出部６２２同士が接続される。第２の円板セグメント６１２と第３の円板セグメント６１３が１つの円板を形成している。同様に、第４の円板セグメント６１４と第５の円板６１５セグメントで１つの円板を形成し、第６の円板セグメント６１６と第７の円板セグメント６１７で他の１つの円板を形成している。他の３つのストラット６２０は、それぞれ第３、第４の円板セグメント６１３、６１４、第５、第６の円板セグメント６１５、６１６、ならびに第７、第８の円板セグメント６１７、６１８を回転可能に接続するのに使用される。第８すなわち遠位円板セグメント６１８は、円板セグメント６１８のかみ合わせ突出部６２２とエンド・エフェクタ６０４のかみ合わせ突出部６０５とによってエンド・エフェクタ６０４に接続される。
【００９２】
図５３により明確に示されるように、第１の円板セグメント６１１と第２の円板セグメント６１２の間の回転結合は、典型的には約４５°のピッチ回転６４０を与えるのに対して、第７の円板セグメント６１７と第８の円板セグメント６１８の間の回転結合は、約９０°の全ピッチに対する典型的には追加の約４５°のピッチ回転６４０を与える。中間の４つの円板セグメントは、円周に沿って９０°ずれてヨー回転を与える。図５４により明確に示されるように、第３の円板セグメント６１３と第４の円板セグメント６１４の間の回転結合は、典型的には約４５°のヨー回転６４２を与えるのに対して、第５の円板セグメント６１５と第６の円板セグメント１６１の間の回転結合は、約９０°の全ヨーに対して典型的には約４５°の追加のヨー回転６４２を与える。もちろん、ピッチとヨー回転の異なる組合せを達成するために、他の実施形態において円板セグメントの異なる配向形態を形成させることができ、手首を９０°より大きな角度でピッチおよびヨー回転させるためにさらなる円板セグメントを含めることができる。
【００９３】
各ストラット６２０の一対の突起６３８と、各隣接円板部６１０におけるそれぞれの溝６３２の担持面との係合は、ピボット点がケーブル開口６３０と同一平面にそろうように隣接円板の互いの「二重ピボット点」を保証することに留意されたい。これにより、「ケーブル平衡」特性が達成され、図２５の実施形態に関して上述したのと実質的に同様の効果が得られる。これによって、一方の側で繰り出されたケーブル長が、もう一方の側で引き出されたケーブル長に等しくなる。
【００９４】
図５５、図５６に示されるように、手首６００の円板セグメントは、円板セグメントの開口６３０を貫通する６本のケーブル６５０によって操作される。各ケーブル６５０は、開口６３０の隣接したセットを通って、図４０に示されるのと同様に手首６００の全長を貫く２つの通路を成し、その自由端が器具シャフトを通じてバックエンドに延び、そこでケーブルが操作される。６本のケーブルは、円板セグメントの周囲に交互に配列される３本の長いまたは遠位ケーブルと３本の短いまたは中位ケーブルを含む。内腔チューブ６５４を手首６００の中心から挿入し、器具シャフト６０２の内部に通してもよいが、これは図５５、図５６に示されていない。ここに示される実施形態では、器具シャフト６０２の内側に設けられたハイポチューブ６５６にケーブル６５０が圧着される。
【００９５】
図５７〜図６３は、器具のバックエンドにおけるジンバル機構７００を示す図である。ジンバル機構７００は、図３５〜図４０のジンバル・プレート３０２と平行リンク機構３４０を備えたジンバル機構よりコンパクトである。ジンバル機構７００は、軸７０４のまわりを回転するように装着される他のジンバル部材またはリング７０２を含む。ジンバル・プレートすなわちアクチェータ・プレート７０６は、直交軸７０８のまわりを回転するように外側リング７００に装着される。ロック・プレート７１０がジンバル・プレート７０６上に配置される。図５９に示されるように、手首６００からのケーブル６５０は、ジンバル・プレート７０６の１２のケーブル穴７１４、７１６に挿入され、器具のバックエンドの近位端に向かって、矢印７１６に沿って実質的に真っ直ぐに引き戻される。ジンバル・プレート７０６は、遠位ケーブル６５０Ａを受けるための６つの大径開口７１４、および中位ケーブル６５０Ｂを受けるための６つの小径開口７１６を含む。以下に説明するように、ジンバル・プレート７０６は、アクチェータ・リンクを接続するための第１のアクチェータ接続部７１８と第２のアクチェータ接続部７１９を有する。
【００９６】
図６０、図６１は、組立前のジンバル・プレート７０６とロック・プレート７１０を示す図である。ロック・プレート７１０は、ケーブル６５０にくさびを押しつけることによってケーブル６５０Ａ、６５０Ｂを所定の位置に固定するために使用される。図６０に最もよく示されるように、ロック・プレートは、半径方向に外側を向くくさび面を有する３つの外向くさび７２０と、半径方向に内側を向くくさび面を有する３つの内向くさび７２２とがロック・プレート７１０の周辺に交互に配置されている。ジンバル・プレート７０６は、ロック・プレート７１０の固定くさび７２０、７２２と結合する、対応するルースまたは可動くさびを有する。図６１に最もよく示されるように、ジンバル・プレート７０６は３つの可動内向くさび７３０と３つの可動外向くさび７３２を含む。可動内向くさび７３０は半径方向に内側を向くくさび面と湾曲外向面を有し、可動外向くさび７３２は半径方向に外側を向くくさび面７３１と湾曲外向面７３３を有する。これらの可動くさび７３０、７３２は、交互に配置され、ジンバル・プレート７０６の周囲に円周状に設けられているスロットに挿入される。
【００９７】
ロック・プレート７１０は、ジンバル・プレート７０６のケーブル穴７１４、７１６にケーブル６５０が挿入された後にジンバル・プレート７０６に組み付けられる。ロック・プレート７１０をジンバル・プレート７０６のほうへ動かすと、ロック・プレート７２０の３つの外向くさび７２０が、ジンバル・プレート７０６のスロット内の３つの可動内向くさび７３０と結合して、くさび７３０の湾曲外向面７３１とジンバル・プレート壁の間に保持される、６つの大径開口７１４を貫通する６本の遠位ケーブル６５０Ａに可動内向くさび７３０を押しつける。ロック・プレート７２０の３つの内向くさび７２２は、ジンバル・プレート７０６のスロット内の３つの可動外向くさび７３２と結合して、くさび７３２の湾曲内向面７３３とジンバル・プレート壁の間に保持される、６つの小径開口７１６を貫通する６本の中位ケーブル６５０Ｂに可動外向くさび７３２を押しつける。図６２、図６３に示されるように、ジンバル・プレート７０６をロック・プレート７１０に挿入する、またはロック・プレート７１０をジンバル・プレート７０６に挿入することができるねじ切ボルトのような締結具７３８を使用して、ロック・プレート７１０をジンバル・プレート７０６に接合させる。ロック・プレート７１０をジンバル・プレート７０６に取り付けることによってすべてのケーブル６５０を圧着する本実施形態では、終端法によってケーブル・テンションが影響されることはない。
【００９８】
図６４〜図６７のバックエンド８０１に示されるジンバル機構７００を組み込んだジンバル・ケーブル・アクチェータ８００は、図３２〜図４０のジンバル・ケーブル・アクチェータ３００に類似しているが、よりコンパクトにし、効率を高めるために再配置および再構成されている。ジンバル・ケーブル・アクチェータ８００は、バックエンドの下方ハウジング部材に装着されており、上方ハウジング部材は内部の詳部を見せるために取り除かれている。
【００９９】
ジンバル・プレート７０６の第１のアクチェータ接続部に回転可能に結合された第１のアクチェータ・リンク８０４、およびジンバル・プレート７０６の第２のアクチェータ接続部７１９に回転可能に結合された第２のアクチェータ・リンク８０６によってジンバル機構７００のジンバル・プレート７０６を動かし、ピッチとヨー回転を生成する。第１のアクチェータ接続部７１８と第２のアクチェータ接続部７１９における回転可能な結合はボール・イン・ソケット接続でよい。ピボット・ジョイントを介してアクチェータ・リンク８０４、８０６に回転可能に結合される第１、第２の扇形歯車８１４、８１６によって、それぞれのアクチェータ・リンク８０４、８０６が駆動され、全体として縦方向に動かされる。扇形歯車８１４、８１６は、それぞれ、駆動スプール８３４、８３６によって駆動される第１、第２の駆動歯車８２４、８２６によって回転される。扇形歯車８１４、８１６は、共通のピボット軸８３８のまわりを回転する。その構成は、図３２〜図４０の構成よりコンパクトである。第１、第２のアクチェータ・リンク８０４、８０６は反対方向に動いて、ジンバル・プレート７０６のヨー回転を生成し、同一方向に動いて、ジンバル・プレート７０６のピッチ回転を生成する。アクチェータ・リンク８０４、８０６の混合運動の調整によりピッチ回転とヨー回転の混合回転が得られる。ハスバ駆動歯車８４０と被動歯車８４２を使用してロー回転を生成して、効率およびコスト効率を向上させる。
【０１００】
図６４〜図６７のバックエンド８０１構造体は、グリップ支持体を手首に保持するための支持ケーブル４６２、４６４（図３８および３８Ａを参照のこと）、およびグリップ・エンド・エフェクタの開閉を駆動するためのグリップ駆動ケーブル４４６、４４８（図３９を参照のこと）を含むケーブルの固定およびテンショニングを行う代替的な手段を提供する。支持ケーブル４６２、４６４は、ピボット軸８３８のまわりをピボットし、ケーブル・テンショニングばね８６２によって偏向されるアーム８６０に固定される。ばね８６２はアーム８６０を偏向させて、支持ケーブル４６２、４６４にテンションを加えて、グリップ支持体を手首にしっかりと保持する（図３８および３８Ａを参照のこと）。図６５、図６７に最もよく示されるように、グリップ駆動ケーブル４４６、４４８は、ばね偏向アーム８６０に接続されたプーリ８７０（図６６）の周囲に沿って延び、モータ入力シャフト８７０に沿って設けられる一対のハブ・クランプ８６６、８６８で終端する。ハブ・クランプ８６６、８６８にトルクを加えることによって駆動ケーブル４４６、４４８にテンションを加える。
【０１０１】
図６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃは、手首が６以上のセグメントまたは円板を含み、ケーブル終端を伴う２つ以上の中位円板を有する、本発明の形態を有するＰＰＭＤ手首の実施形態と対応するアクチェータ・プレートを概略的に示す図である。本例に示されるＰＰＭＤ手首は、Ｐ、ＹＹ、ＰＰおよびＹ構成の６つのピボット可能結合によって分けられている７つの円板（近位のシャフト末端円板から遠位のエンド・エフェクタ支持円板まで１から７までの番号が付されている）を有する。それぞれ中位円板３、５、７で終端するケーブル集合体ｃ１、ｃ２、ｃ３に対する３つの例示的なケーブル通路が示されている。図６８Ａは、直線状にした状態の手首を示す図で、図６８Ｂはヨー偏向すなわちヨー曲げ状態の手首を示す図である。手首は、同様に（ページの内側または外側に）ピッチ偏向可能であり、これらの組合せの方向に偏向させることもできる。セグメントとケーブル集合体の数を除いて、手首は、全体的に図１７〜図２４に示される実施形態に類似している。
【０１０２】
ここに示される手首は、少なくとも一対の全体的に平行した近隣軸（例えば、．．．ＹＰＰＹ．．．または．．．ＰＹＹＰ．．．）を有するタイプであるが、その代わりに、ＰＹ、ＰＹ、ＰＹの交互垂直軸配列に構成されていてもよい。さらなる実施形態は、ＰＹＹＰやＹＰのような円板間結合の組合せ構成を有することができる。ここに示される手首は、一定のセグメント長、および連続的に反復するピボット軸の向きを有する。より一般的な代替的な例示的実施形態では、「Ｙ」軸と「Ｐ」軸が実質的に互いに垂直である必要はなく、実質的に中心線に垂直である必要もなく、縦列セグメントが一定の長さである必要がない。
【０１０３】
図６８Ｃは、それぞれケーブル集合体ｃ１、ｃ２、ｃ３に対応する、ケーブル集合体接続部ｒ１、ｒ２、ｒ３にケーブルを含む、ケーブル・アクチェータ・プレートの配置を概略的に示す図である。４つの接続部がケーブル集合体ごとに示されているが、その数は３であってもよいし、５以上であってもよい。
【０１０４】
より一般的な形態では、本発明の形態を有する代替的なＰＰＭＤ手首の実施形態、および対応するアクチェータ・プレートを以下のように構成させることができる。Ｎが円板セグメント（末端円板を含む）の数を表す場合、ケーブル終端中位円板Ｍは、Ｍ＝（Ｎ−３）／２とすることができる。遠位ケーブル集合体接続部を含む、ケーブル集合体および対応するアクチェータ・プレート「レバー・アーム」半径の数はＭ＋１になる。
【０１０５】
一般に、前述した「一定速度」セグメント配列は、後方から前方へ、かつ前方から後方へ交互に配置された万能ジョイント式結合対の偶数配列に類似している。例えば、ＹＰ、ＰＹまたはＹＰ、ＰＹ、ＹＰ、ＰＹセグメント配列は、「一定速度」特性を提供する。これは、Ｎ＝５、９などのようにＮ−１が４の倍数である構成に対して達成できる。
【０１０６】
結合毎の所定の偏角に対して、セグメント数が増加すると手首の全体的な偏角が大きくなる（図６８の例は約１３５°のヨー回転を示す）。
【０１０７】
上述の装置および方法の構成は、本発明の原理の応用の例示にすぎず請求項に記載されている本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく他の多くの実施形態や改造が可能である。したがって、本発明の範囲は、上述の内容に関してではなく、添付の請求項、ならびにそれらのすべての同等物に関して定められるものとする。
【符号の説明】
【０１０８】
４０２：細長シャフト
４０４：手首状機構
４０６：エンド・エフェクタ
４１０：機械走査機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
0005460767.tif 000035
【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３８Ａ】
0005460767.tif 000040
【図３９】
0005460767.tif 000041
【図３９Ａ】
0005460767.tif 000042
【図３９Ｂ】
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【図３９Ｃ】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
0005460767.tif 000071
【図６７】
0005460767.tif 000072
【図６８Ａ】
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【図６８Ｂ】
0005460767.tif 000074
【図６８Ｃ】
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