(57)【要約】ツール（１０３）の作業点または焦点の空間位置を拘束する機構が、マニピュレータ（１０１）と、これに搭載されたリモート中心機構（１０２）とを具える。前記マニピュレータは前記リモート中心機構（１０２）を位置決めするのに少なくとも１の自由度を提供し、このリモート中心機構は、ツール（１０３）を保持するのに適したツールホルダを位置決めするのに少なくともさらなる自由度を提供する。ツールホルダの向きは、前記リモート中心点の位置を前記マニピュレータ（１０１）に対して固定させたまま調整可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータと、これに搭載されたリモート中心機構とを具えるツール拘束機構であって、前記マニピュレータは前記リモート中心機構を位置決めするのに少なくとも１の自由度を提供し、前記リモート中心機構はツールホルダを位置決めするのに少なくともさらなる自由度を提供し、前記ホルダはリモート中心点に対して動きが拘束されるツールを保持するのに適しており、前記リモート中心点の位置を前記マニピュレータに対して固定させたまま前記ツールホルダの向きが調整可能であることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項２】
請求項１に記載のツール拘束機構において、前記リモート中心機構は、第１および第２の回転軸の周りで回転動作を提供し、これらの軸が前記リモート中心点で交差することを特徴とするツール拘束機構。
【請求項３】
請求項２に記載のツール拘束機構において、前記第１および第２の軸は、それぞれ第１および第２の回転継手により規定されることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項４】
請求項３に記載のツール拘束機構において、前記リモート中心機構が、前記マニピュレータに前記第１の継手に連結される第１の剛性リンク（rigid link）と、前記第１のリンクに前記第２の継手を介して連結された第２の剛性リンクとを具え、前記ツールホルダが前記第２のリンクに取り付けられるか、その一部を形成することを特徴とするツール拘束機構。
【請求項５】
請求項１に記載のツール拘束機構において、前記リモート中心機構が、前記マニピュレータに搭載され第１の軸の周りで回転する剛性アーク部材を具え、当該アーク部材が前記ツールホルダに前記第１の軸に直交する第２の軸の周りで精密な移動をもたらすことを特徴とするツール拘束機構。
【請求項６】
請求項１に記載のツール拘束機構において、前記リモート中心機構が、少なくともさらに２の自由度を提供し、これらは第１および第２のリモート中心機構継手によりもたらされることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項７】
請求項６に記載のツール拘束機構において、少なくとも１のリモート中心機構が電動化されていることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項８】
請求項６または７に記載のツール拘束機構において、少なくとも１のリモート中心機構継手が、位置追跡されている（position tracked）ことを特徴とするツール拘束機構。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記マニピュレータが、少なくとも１の回転継手を具えることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記マニピュレータが、少なくとも１の柱形継手を具えることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記マニピュレータが、少なくとも１の運動追跡（motion-tracked）継手を具えることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記マニピュレータが、少なくとも１の電動継手を具えることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記ツールホルダは、ツールが前記ツールホルダに保持されたときに回転式結合を実現することを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記ツールホルダに保持されるツールを具えることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１５】
請求項１４に記載のツール拘束機構において、前記ツールが、前記リモート中心機構によって前記リモート中心に保持される機能端部を具えることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１６】
請求項１４に記載のツール拘束機構において、前記ツールが、前記リモート中心機構に前記リモート中心から間隔をあけて保持される機能端部を具え、これによって当該機能端部が、前記ツールが前記リモート中心機構によって位置決めされる際に規定される面上に保持されることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記ツールが手で把持可能であり、その向きがユーザによって手で調整可能であることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１８】
請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記ツールがカッターであることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項１９】
請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記ツールがレーザまたは照射装置であることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項２０】
請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記ツールが手術器具であることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載のツール拘束機構において、前記マニピュレータが手術ロボットであることを特徴とするツール拘束機構。
【請求項２２】
請求項１４に記載のツール拘束機構において、前記ツールは手で把持可能な回転式スリーブで覆われていることを特徴とするツール拘束機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はツールの作業点または焦点の空間位置を拘束する機構に関し、より具体的には、排他的ではなく、球形カッターを用いて実現する多目的骨彫塑（bone sculpting）などの医療ロボットシステムに用いる拘束システムの提供に関する。典型的な応用例には、単一区画膝関節形成、椎弓根ねじ挿入（pedicle screw insertion）、および臀部関節形成などの侵略性を最小限とした手術が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
従前の装置が、この技術分野で手術ツールの操作および拘束機構として知られている。このような装置は大抵、自由度６の位置追跡センサを有する大きく複雑なモータ駆動アームを備える。このような装置は扱いにくく、繊細な手術でよく求められるツールの繊細で複雑な動きを妨げるとともに、コスト高である。例えば球形カッターを用いる骨彫塑などの多くのアプリケーションにおいて、彫塑ツールを完全にガイドするには自由度３のみの制御で十分である。ツールの機能端部、すなわち実際の球形切断先端部の位置は、監視され追跡され拘束される必要があるが、ツールの機能端部およびツール自体の回転角度、すなわちピッチとヨーは重要ではない。
【発明の開示】
【０００３】
本発明はマニピュレータと、その上に搭載されたリモート中心機構とを具えるツール拘束機構を提供するものであり、前記マニピュレータは前記リモート中心機構を位置決めするのに少なくとも１の自由度を提供し、前記リモート中心機構はツールホルダを位置決めするのに少なくともさらなる自由度を提供し、前記ホルダはリモート中心点に対し動作が拘束されるツールを保持するのに適しており、前記マニピュレータに対して固定の前記リモート中心点の位置を維持しつつ前記ツールホルダの向きが調整可能である。好適には、前記マニピュレータは少なくとも３の、前記リモート中心機構はさらに２の自由度を提供してもよい。
【０００４】
本発明にかかる実施例は、球形カッターなどのツールの作業点を、動作包絡面の安全領域内に拘束可能であり、一方でツールの最適な配向制御は例えば外科医などのユーザに残している。これにより、ツールの作業端部を安全な作業領域、範囲、または包絡面内に維持しつつ、ツールが障害を避けて操作容易となるよう自由に回転配向可能となる。本発明にかかる実施例は、ツールの作業点をある領域に拘束することが必要であるが、ツールの向きを拘束する必要がない様々なアプリケーションに用いることができる。いくつかの実施例では、作業点はツールの機能端部に位置し（例えばカッター）、別の実施例では作業点または目標点はツールから離れたところに位置する（例えばレーザやＸ線銃）。
【０００５】
好適には、マニピュレータ１０１は逆転駆動可能であり、平衡しており、電動化されており、ユーザが最小限の抵抗および努力で器具を移動しうる予め規定された領域にリンク動作を活動的に拘束することができる。これらのリンクはまた、位置エンコードされブレーキを有してもよい。好適には、マニピュレータは３つの回転継手を有する自由度３であり、リモート中心機構は動作域３６０°の２つの回転継手を有する自由度２である。
【０００６】
このシステムは、ウェスト継手と、ショルダー継手と、エルボー継手とを有する自由度３の直列型回転−回転−回転（ＲＲＲ）マニピュレータと、焦点に球形カッターを有するリモート中心動作構造の２つの追加の非追従／制御継手とからなる。これにより、ユーザが球形カッターの位置に影響を与えずにツールの最適エントリ用の配置が可能となり、これはシステムの最初の３の（電動化された）継手により拘束されている。
【０００７】
好適な実施例はさらに、
・リモート中心機構リンクに搭載された、ユーザがツールを配置させる際に案内するエンコーダ、
・リモート中心機構リンクに搭載され、前記ツールの向きを完全３Ｄロボット援助に拘束するためのモータ、
・異なるリモート中心機構を、異なるアプリケーション用の異なる作業包絡面に適合させる結合モジュラ、
・前記リモート中心機構を異なるアプリケーションに再配置するための結合モジュラ、を具えてもよい。
【０００８】
可能な他のアプリケーションは、彫塑作業および複雑な手の動きのトレーニングを含む。本発明は、彫塑の手術や、ツールのマニュアル利用のトレーニングにわたるものである。
【０００９】
本発明にかかる実施例のさらなる利点が、以下に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は多様な方法で実現可能であるが、非限定的な例として、いくつかの特定の実施例を貼付の図面を参照しながら以下に説明する。
【００１１】
図１に概略を示すように、本発明の第１実施例にかかる拘束機構１００は、マニピュレータ１０１と、リモート中心機構１０２と、ツール１０３とを具える。
【００１２】
マニピュレータ１０１は、局所的な座標系および設置固定を提供するベースに取り付けられている。このマニピュレータ１０１は、直列接続された回転継手１０４、１０５、１０６を具える。各継手には、それぞれ固定のリンク１０６、１０７、１０８が付属しており、これらの動きは継手により許される動作範囲内に拘束される。各継手において、１０４、１０５、１０６は、矢印１０９、１１１、１１４に示すように、継手の回転中心軸１１０、１１２、１１３を中心とする回転のみが可能である。
【００１３】
図２に示す代替実施例は、図１の回転継手ではなく、柱形の継手２０１、２０２、２０３を有する。各柱形継手、例えば２０２は、矢印２０５で示すように、継手の軸２０４に沿った並進移動のみ可能である。
【００１４】
これらの継手は、図１のような回転継手でもよいし、図２の柱形継手でもよく、あるいは図３に示すように、回転と柱形またはボール・ソケット継手などの他の種類の継手の混成であってもよい。また、剛性リンクは真っ直ぐである必要はなく、様々な形状であってよい：例えば、リンクは、リンク１０６のように一度のみ屈曲してもよいし、リンク１０７のように複数回屈曲してもよい。
【００１５】
これらのリンクと継手は互いに直列接続され、これによりマニピュレータの遠位端部すなわち最終リンク１０８の自由度が上がり、この遠位端部の動きをより複雑にできる。図１に示すように、継手１０４はベースに固定されている。継手１０５に付随するリンク１０７は、矢印１１１に示す継手１０５の回転軸１１２を中心とする回転のみができないが、矢印１０９で示す継手１０４の回転軸を中心に追加的に回転可能である。継手１０６はリンク１０７に取り付けられている。継手１０６に付随するリンク１０８は、このため、回転軸１１３、１１２、１１０の周りを回転可能である。リモート中心機構１０２は、それ自体がツール１０３に結合されたマニピュレータの遠位端部に、リンク１０８で取り付けられている。
【００１６】
マニピュレータは、様々な運動構造のうちの１つを具え、これには限定しないが図１、２、３を参照して上述したものが含まれる。
【００１７】
図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、図１に概略的に示すリモート中心機構１０２の一実施例を示す。このリモート中心機構の目的は、リモート中心構造と呼ばれる態様でツールを保持することであり、ここでは、ツールのリモート中心または目標点を固定に維持しつつ、その位置（例えばヨー、ピッチ、ロール）といったツールの回転自由度のいくつかをユーザが変更可能である。図４の実施例では、ツールは、機能端部または切断点４０４を有するカッター４０３である。本実施例では、リモート中心機構の目的は、ツール４０３自身の向きに拘わらず、切断点４０４をリモート中心４０１に静止させて保持することである。
【００１８】
図４に示すリモート中心機構１０２は、図１に示すような形態で自身をマニピュレータの遠位端部に取り付けるためのマウントロッド４０５を具える。このリモート中心機構はマニピュレータに固定され、これにより図１の遠位端部１０８がリモート中心機構の第１の軸４１１に一致する。
【００１９】
マウントビーム４０５には、継手４０１により第１のリンク４０６が連結されている。継手４０１によって、このリンクが第１の軸４１１の周りを自由回転可能となる。
【００２０】
リンク４０６の遠位端部には、第２の軸４０８を規定する第２の継手４０２がある。この継手には第２のリンク４０７が連結されており、このリンクは第２の軸４０８の周りを自由回転可能である。
【００２１】
第２のリンク４０７の遠位の端部には、切断ツール４０３が搭載されている。この切断ツールはほぼペン型で、外科医が掴んでマニュアル操作し易いようになっており、ツールの軸４０９に沿って延在している。
【００２２】
本実施例および他の実施例のツールは、ツールの軸の周りを自由回転する人間工学スリーブ（図示せず）を具えてもよい。このスリーブは、ツールの軸の周りを回転する以外はどの方向にも動かず、リモート中心機構の動きを拘束する動作なくツールを把持できるようにする。すなわちユーザは、使用時にツール上をスライドして拘束機構のスムースで殆ど摩擦のない移動を提供する人間工学的ハンドルまたはスリーブを介してツールを保持する。
【００２３】
回転継手４０１、回転継手４０２、およびツール４０３の向きは、３つの軸４１１、４０８、４０９が同じ空間的位置点すなわちリモート中心４１０で互いに交差するよう配置される。
【００２４】
この構成により、リンク４０６が回転軸４１１の周りで回転するとき、およびリンク４０７が回転軸４０８の周りで回転するときに、リモート中心４１０はその位置に固定的に維持される。
【００２５】
継手４０１から提供される回転自由度により、図４Ｂに示すように、リモート中心４１０を不変に維持しつつ、外科医がツールのヨー運動を自由に変更することができる。ツールのピッチ運動は、図４Ｃに示すように、継手４０１と４０２双方の回転の組合せで自由に変更することができる。
【００２６】
さらなる追加の回転継手（図示せず）を、その回転軸がツールの軸４０９と共軸となるよう、それ故さらにリモート中心４１０の他の軸と交差するよう配置して、ツールにロール回転運動を与えてもよい。もちろん、ツールが球形カッターであるようないくつかのアプリケーションでは、ツールのロール回転は不要である。
【００２７】
リモート中心４１０の空間的位置は、マニピュレータで制御および／または追跡される。マニピュレータの継手は電動化され、および／または監視され、あるいは位置エンコードされ、これによりリモート中心の位置が精密に制御され、監視され、追跡される。マニピュレータ１０１のリンクは、電動化されているいないに拘わらず、ユーザがマニュアルで調整可能である。いくつかの実施例では、これは単に、マニピュレータの継手を移動自在としたままユーザがツールまたはリモート中心機構を引いたり／押したりすることにより便利に実現できる。
【００２８】
一実施例では、リンク４０６、４０７が取り外し可能であり、適用するアプリケーションに応じて選択できるように、異なる長さ、形状、構造のリンクと交換しうる。異なるリンクの組合せを選択することにより、ユーザはツールに様々な移動自由度を選択することができる。
【００２９】
別のリモート中心機構５００が、図５に示されている。ツールの運動自由度２が、回転継手５０１と、矢印５０４に示すようにアークトラック５０３に沿って移動する柱形継手５０２により提供される。回転継手５０１の回転軸は、第１の軸５０５を規定する。アークトラックの接線に直交する線が、第２の軸５０６を規定する。ツール５０８の長軸が、ツール軸５０７を規定する。
【００３０】
アークトラック５０３の形状と、回転継手５０１およびツール５０８の向きは、３つの軸５０５，５０６，５０７が１のリモート中心５０９で交差するようにする。回転継手５０１がツールヨーを制御し、アークトラック５０３に沿って横切る柱形継手５０２が継手のピッチを制御する。ツール５０８のヨーとピッチが変化しても、リモート中心５０９の空間位置は不変である。
【００３１】
本実施例では、ツールホルダがアークトラック５０３に沿ってスライド可能であるか、ホルダがトラック上に固定配置されトラック自体が継手５０１に対してスライド可能である。
【００３２】
リモート中心機構のリモート中心動作を得るのに他の構成も可能であり、例えばカム機構と四棒リンク機構などがある。構成の選択は、システムが要求する動作範囲に依存し、すなわちアプリケーションに依存する。
【００３３】
図４では、ツールは、その機能端部４０４がリモート中心４１０に配置されるよう整列され位置決めされる。この構成では、例えば手術中にツールを操作する外科医により、ツールのピッチとヨーが変更されても、ツールの機能端部は同じ空間位置に保留される。
【００３４】
図５では、対称的に、ツール５０８の機能端部５１０がリモート中心５０９より僅かに短く配置される。このような構成では、ツールのヨーとピッチが変更されたら、機能端部の空間位置は不変に維持されず、ヨーのみ（回転継手が回転）、ピッチのみ（柱形継手がアークトラック沿いに移動）、またはヨーとピッチの双方（両継手が移動）がそれぞれ移動されたかによって、円形路、アーク路、または凹面のいずれかを追随する。ツールの機能端部がリモート中心の（超えて）反対側に位置された場合、ヨーまたはピッチのみ、あるいはヨーとピッチの双方がそれぞれ変更されたかによって、この端部の空間位置は円形路、アーク路、または凹面のいずれかを追随する。もちろん、ツールの機能端部は、図４の実施例のように、適切な状況で、性格にリモート中心５０９に位置決めされてもよい。
【００３５】
ツールの機能端部に許された範囲（固定のマニピュレータに対して）は、リモート中心機構と、リモート中心に対するツールの機能端部の位置とによって規定される。これは、ツールの機能端部がユーザにより自由に動かせる範囲または包絡面である。作業包絡面は、単一の点（リモート中心）、円形路、アーク路、凹面または凸面を具えてもよい。付加的に、例えば回転継手の回転を特定角度に制限したり、柱形継手の移動を予め設定した長さに制限したりして、動作範囲を制限して継手の動作可能範囲に制限を設けることにより、作業面をさらに精密化してもよい。これは、様々な便利な方法で行うことができ、例えば止め具（図示せず）を用いたりする。
【００３６】
球形カッターなどの切断ツールのピッチとヨーの位置の妨害されない自由動作は、しばしば手術の加工処理を補助するのに便宜となるが、このような動作は制御あるいは追跡される必要はない。しばしば、ツールの機能端部の位置のみを制御および／または追跡する必要がある。ときには、ツールの目標点または作業点が不変であれば、ツール全体の位置や向きはまったく問題とならない（例えば、同じ地点に様々なトランスデューサの焦点を合わせる高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）治療）。
【００３７】
リモート中心４１０の位置は、モータ駆動のマニピュレータ１０１で移動、制御、追跡可能であり、ツールのピッチとヨーの向きは変更可能でツールのオペレータが自由に制御することができる。したがって、開示された実施例では、リモート中心機構が電動化された継手もそのリンクの追跡も必要としないため、球形カッターの位置に影響を与えることなく、オペレータがツールを最適アクセスできるように配向させることができる（これは、マニピュレータの継手により拘束される）。もちろん、リモート中心機構リンクの追跡および／または電動化を除外するものではない。
【００３８】
図６は、本発明のさらなる実施例にかかる拘束機構である。制御パネル６０１が、マニピュレータ６００の電動継手を制御し、リモート中心機構６０３は電動化されずツール６０４がリモート中心の周りで自由回転可能である。代替的に、パネルは単に外科医に視覚的なガイダンスを与えるディスプレイであり、動作は外科医の直接的な操作により、あるいは予めプログラムされたマニピュレータ動作のセットにより制御される。このような構成では、パネルはシステムをプログラムする手段を備えてもよい。
【００３９】
本発明にかかる実施例が、例えば球形カッティングツールを用いて深い穴を穿つのに用いる場合、作業ツール端部はマニピュレータにより拘束され、一方でユーザは確実にカッターのシャフトが加工する穴の側部に衝突しないようにする。オペレータは、機械制御されたマニピュレータと、自由移動するリモート中心機構との完全な共働を得ることができる。
【００４０】
ツールの機能端部の位置は、リモート中心機構に接続されるツール取り付け要素の正確な製造、あるいはさらにリモート中心機構の遠位リンクの端部の調整機構を通じて実現することができる。この調整機構は多様な形状であってよいが、例えば切断ビットの中心などツールの機能端部の位置を、２つの継手の軸の交差部に位置するように調整しうるものである。この２つの継手の軸は、同一平面上となるよう製造される。
【００４１】
本発明にかかる実施例は、特に侵略性を最小限とした手術に適しており、５の自由度がすべて、小さな切開点から組織に深く埋め込むことを要求されるリモート中心から一定の距離となるよう設計することができる。
【００４２】
さらなる実施例（図示せず）では、カッターを配置する際にユーザをガイドするエンコーダがリモート中心機構リンクに搭載されてもよい。このリモート中心機構リンクには、自由度５、６、またはそれ以上の完全なロボットアシスタンス用にカッターの向きを拘束するためのモータを搭載してもよい。
【００４３】
この拘束機構は、リモート中心機構をマニピュレータへ接続するための、モジュール式かつ置換可能な（結合）システムを具えてもよく、これによりリモート中心機構の異なる包絡面を異なるアプリケーション用のマニピュレータに簡単に適合させることができる。このモジュール式結合部は、リモート中心機構が異なるアプリケーションに適合すべく再配置できるよう構成してもよい。
【００４４】
いくつかの拘束機構を共同作業で組み合わせてもよい。また、同じマニピュレータに１より多いリモート中心機構を搭載することも可能である。これにより、例えば、同じ地点に多様なトランスデューサの焦点を合わせることが必要となる高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）治療が可能となる。
【００４５】
上述したデバイスは、機能端部に例えば測定尖端プローブ、Ｘ線、超音波、またはレーザエミッタなどの、目標位置または焦点位置が精密に移動制御され追跡される必要があるが、機能端部の回転および／または空間位置は精密に把握され追跡される必要がない他の設備または装置であっても同様に良好である。したがって、目標位置を追従および／または求められる位置に保持しつつ、ツールを必要に応じて自由に指向させるさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明にかかる拘束機構の第１実施例の概略図である。
【図２】図２は、本発明にかかる拘束機構の実施例で用いるのに適した代替的なマニピュレータの概略図である。
【図３】図３は、本発明にかかる拘束機構の実施例で用いるのに適したさらなる代替的なマニピュレータの概略図である。
【図４】図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、本発明にかかる拘束機構の実施例で用いるのに適したリモート中心機構の図である。
【図５】図５は、本発明にかかる拘束機構の実施例で用いるのに適した代替的なリモート中心機構の図である。
【図６】図６は、本発明にかかる拘束機構の実施例を示す図である。
【図１】
2009512473.tif 000003
【図２】
2009512473.tif 000004
【図３】
2009512473.tif 000005
【図４ａ】
2009512473.tif 000006
【図４ｂ】
2009512473.tif 000007
【図４ｃ】
2009512473.tif 000008
【図５】
2009512473.tif 000009
【図６】
2009512473.tif 000010
【国際調査報告】
2009512473.tif 000011
2009512473.tif 000012
2009512473.tif 000013