(57)【要約】  本発明は、マニピュレータアーム（408）と、ロボットアームにより保持されたエンドエフェクタ（428）と、エンドエフェクタ（428）により保持された手術ツール（430，560，630，700）と、マニピュレータ関節とを含む手術マニピュレータ（400）を提供し、特に、コンパクトかつ軽量な手術マニピュレータを実現するため、一つの軸線から垂直な軸線へ回転運動を伝達する直角駆動装置（10）を提供する。【選択図】図１６ａ
2009539509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a）基部と、前記基部に装着された第１直角駆動機構であって、肩ロール軸線を中心として前記第１直角駆動機構を回転する肩ロール駆動機構が前記基部内に配置され、前記第１直角駆動機構は、第１の入力プーリと、前記入力プーリにほぼ垂直に装着された第１の出力プーリとを含み、
前記第１直角駆動機構は、前記第１の入力プーリ及び前記第１の出力プーリを結合する双方向結合機構と、第１入力軸線を中心として前記第１の入力プーリを回転する第１駆動機構とを含み、前記第１の入力プーリの回転は、前記第１入力軸線にほぼ垂直な肩ピッチ軸線を中心とする前記第１の出力プーリの回転へ前記双方向結合機構により変換される第１直角駆動機構と、
b）一端が前記第１の出力プーリに装着されたロボット下腕であって、前記第１の出力プーリが回転されると、前記肩ピッチ軸線を中心として回転するロボット下腕と、
c）前記ロボット下腕に装着された第２直角駆動機構であって、前記第２直角駆動機構は、第２の入力プーリと、前記第２の入力プーリにほぼ垂直に装着された第２の出力プーリとを含み、
前記第２直角駆動機構は、前記第１駆動機構と、前記第２の入力プーリ及び前記第２の出力プーリを結合する前記双方向結合機構とを含み、第２入力軸線を中心とする前記第２の入力プーリの回転は、前記第２入力軸線にほぼ垂直な肘ピッチ軸線を中心とする前記第２の出力プーリの回転へ前記双方向結合機構により変換される第２直角駆動機構と、
c）前記第２直角駆動機構の前記第２の出力プーリに装着されたロボット前腕であって、前記第２の出力プーリが回転されると、前記肘ピッチ軸線を中心として回転するロボット前腕と、
d）前記ロボット前腕に装着された第３直角駆動機構であって、前記第３直角駆動機構は、第３の入力プーリと、前記第２の入力プーリにほぼ垂直に装着された第３の出力プーリとを含み、
前記第３直角駆動機構は、前記第１駆動機構と、前記第３の入力プーリ及び前記第３の出力プーリを結合する前記双方向結合機構とを含み、第３入力軸線を中心とする前記第３の入力プーリの回転は、前記第３入力軸線にほぼ垂直な手首ピッチ軸線を中心とする前記第３の出力プーリの回転へ前記双方向結合機構により変換される第３直角駆動機構と、
e）前記第３直角駆動機構の前記第３の出力プーリに装着されたロボット手首であって、前記第３の出力プーリが回転されると、前記ロボット手首は前記手首ピッチ軸線を中心として回転し、
前記ロボット手首は、手首出力シャフトに結合された作動機構を含み、前記作動機構は手首ロール軸線を中心として前記ロボット手首出力シャフトを回転するロボット手首と、
f）前記手首出力シャフトに装着されたエンドエフェクタであって、前記エンドエフェクタは、手術ツールを解放可能に握持する握持手段を含み、前記作動機構と係合されると、前記手首ロール軸線を中心として回転されるエンドエフェクタと
を備える手術マニピュレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の手術マニピュレータにおいて、前記第１駆動機構は、被駆動歯車と噛合されたアンチバックラッシュピニオン歯車を含み前記基部内に装着された平歯車機構と、前記ピニオン歯車を回転し、前記ピニオン歯車が前記被駆動歯車を回転し、したがって、肩ロール軸線を中心として前記第１直角駆動機構を回転するモータとを含み、前記モータはモータブレーキを含む手術マニピュレータ。
【請求項３】
請求項２に記載の手術マニピュレータにおいて、前記モータは、ハーモニック歯車と統合されたサーボモータと、前記ピニオン歯車に結合されたモータシャフトの回転変位を測定する角度エンコーダとを含む手術マニピュレータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記エンドエフェクタ428は、
枠602と、前記枠602に装着されたツールヨーモータ600と、前記枠602に装着されたツール作動モータ601とを含む主本体部分436と、
前記枠602に装着され、前記枠602から着脱可能であるツールホルダ450であって、前記手術ツール430を保持するように構成されたツールホルダ450と、
前記枠602に装着され、前記枠602から着脱可能であるツール作動機構452であって、前記手術ツール430のピストン504と係合するように構成され、前記ツール作動モータ601に結合されたツール作動機構452と、
前記枠602に装着され、前記枠602から着脱可能であるツールヨー駆動機構454であって、前記ツールヨーモータ600に結合されたツールヨー駆動機構454とを含み、前記ツールヨー駆動機構454の作動時、前記手術ツール430は前記ツールヨー軸線441を中心として回転し、前記ツール作動機構452の作動時、前記ピストン504は前記エンドエフェクタ428に対して直線的に収縮され、又は直線的に延長され、これにより前記手術ツール430のツール部分506，508を作動する手術マニピュレータ。
【請求項５】
請求項４に記載の手術マニピュレータにおいて、前記エンドエフェクタ428は、手首420とインターフェースをとる基部ブロック605を含み、前記エンドエフェクタ428は、前記モータ支持ブラケット602と前記基部ブロック605との間の単一の機械的なリンク機構であるツール先端力・モーメントセンサ608を含む手術マニピュレータ。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツール作動モータ601は、前記モータ601の主軸線に沿って上下運動する出力シャフトを有するリニアアクチュエータであり、前記出力シャフトの遠位端部分では、作動バー603がその第１端部分で接続されており、前記作動バー603は、垂直ガイド棒606により支持された第２端部分を有し、前記ツール作動機構452に結合する接合部607を含み、前記作動バー603は前記出力シャフトの垂直運動を、前記バー603の前記第２端に装着された前記ツール作動機構452に伝達し、これにより、前記垂直運動が前記エンドエフェクタ428におけるツール作動運動軸線を形成する手術マニピュレータ。
【請求項７】
請求項６に記載の手術マニピュレータにおいて、前記エンドエフェクタ428は、前記作動バー603が前記垂直ガイド棒606により支持されている地点と、前記ツール作動機構452と一体となった前記接合部607との間で前記作動バー603に装着されたツール作動力センサ604を含む手術マニピュレータ。
【請求項８】
請求項７に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツール作動力センサ604は歪みゲージであり、前記力センサ604が装着された前記バー603上の地点では、前記手術ツール430の作動による弾性の縦たわみを測定することができる手術マニピュレータ。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツールヨー機構454は、一対のアイドラプーリ438、中間アイドラプーリ620及び駆動プーリ736が装着された枠442と、前記アイドラプーリ438、前記中間アイドラプーリ620及び前記駆動プーリ736上に経路指定された歯付ベルト540とを含み、前記歯付ベルト540は、前記手術ツール430上の歯付プーリ528と、前記歯付プーリ528の直径の向かい合う二つの端部で係合するように構成され、前記駆動プーリ736により駆動された前記歯付ベルト540の双方向回転は接線方向力を前記手術ツール430の回転運動に変換する手術マニピュレータ。
【請求項１０】
請求項９に記載の手術マニピュレータにおいて、前記枠442は、前記手術ツール430を前記エンドエフェクタ428の前開き部分から排出／取り換えることができるように前記アイドラプーリ438及び前記中間アイドラプーリ620上に構成された前開き枠構造及び歯付ベルト経路指定構成を有する手術マニピュレータ。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の手術マニピュレータにおいて、前記枠442は、外側の前記アイドラプーリ438を支持するシート状金属屈曲部621を含み、これによって、前記手術ツール430を完全に取り外せるほど充分に前記外側のアイドラプーリ438を受動的に広げることができ、これによりいかなる摩擦の影響も排除し、前記手術ツール430が係合された場合、前記金属屈曲部621は、ツールのヨーイング中、前記歯付ベルト540に対して一定の予圧を可能にし、しかし、前記手術ツール430がない場合、歯付ベルトの取り換えを容易にするため、前記金属屈曲部621を手で破壊することもできる手術マニピュレータ。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記枠602に装着された前記ツールヨーモータ600は、前記駆動プーリ736の孔の形状に相補する形状を有し前記孔へ挿入される駆動シャフト609を含み、これにより、トルクを前記ツールヨー機構454に伝達できるようにし、その一方で、前記シャフト609を前記駆動プーリ736から容易に分離することができる手術マニピュレータ。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツールヨーモータ600は、アンチバックラッシュ平歯車ヘッド及びインクリメンタルエンコーダと統合されたサーボモータを含む手術マニピュレータ。
【請求項１４】
請求項４〜１３のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、磁性のある前記ツールホルダ450、前記ツールアクチュエータ452及び前記ツールヨー機構454は滅菌部分組立体であり、それらを前記主本体部分436に迅速に取り付け、前記主本体部分436から迅速に着脱する迅速解放及び取付機構を有する手術マニピュレータ。
【請求項１５】
請求項４〜１４のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツールヨーモータ600、前記ツール作動モータ601、前記ツール先端力・モーメントセンサ608及び前記ツール作動力センサ604を含む前記主組立体436は、前記手術マニピュレータの前記基部から前記ロボット前腕、前記ロボット下腕及び前記ロボット手首の全長にわたって前記エンドエフェクタの前記主組立体436の前面611まで被覆する保護用ドレープバッグ内に密閉されている手術マニピュレータ。
【請求項１６】
請求項４〜１５のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツールホルダ450は、前記手術ツール430の円筒状ツール本体500を収容するのに適した寸法を有する細長い溝を有する支持本体616を含み、前記円筒状ツール本体500は磁性材料から製造され、前記支持本体616は、磁性のある前記円筒状ツール本体500を磁気的に拘束するため、前記溝に隣接して前記支持本体616に埋め込まれた少なくとも一つの磁石を含む手術マニピュレータ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の手術マニピュレータにおいて、前記支持本体616は、前記手術ツール430が前記ツールヨー機構454により回転される時、摩擦を最小限に抑えながら前記支持本体616内で前記手術ツール430のツールを回転させることができる材料から製造されている手術マニピュレータ。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の手術マニピュレータにおいて、前記手術ツール430は、前記手術ツール430の前記本体500の上にフランジ529を含み、前記フランジ529は前記支持本体616と軸線上で密接に適合することにより前記手術ツール430を支持本体616の前記溝内に位置付けし軸線方向に拘束する手術マニピュレータ。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツールホルダ450は、支持本体616上に枢動可能に装着された一対のツール排出翼617を含み、各翼617の一部分が前記ツール本体500の後方の前記溝内に配置されたツール解放機構を含み、前記ツール解放機構は、前記ツール排出翼617がその外面上で圧縮されると直ちにツール排出翼617が鋏作用のように枢動して、前記少なくとも一つの磁石618から前記ツール本体500を引き離し、これに即応して前記ツール430を前記ツールホルダ450から排出するように構成されている手術マニピュレータ。
【請求項２０】
請求項１９に記載の手術マニピュレータにおいて、前記ツール作動機構452は、支持部材613に枢動可能に装着され、端部分が整合された一対の枢動指614を含み、前記一対の枢動指614は、前記端部分間で前記手術ツール430のピストン504の一部分と係合し、これを保持するように構成されている手術マニピュレータ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の手術マニピュレータにおいて、前記手術マニピュレータは、ツール収納部及びツール交換トレイ911を備えるツール交換器機構を含み、前記ツール交換トレイ911は、前記手術ツール430を保持する支持構造体と、前記ツール交換トレイ911上に配列された係合機構とを含み、前記プーリ438を同時に引き離し、前記ツール作動機構452に位置する前記枢動指614と係合し、前記ツールホルダ450に位置する前記排出翼617と係合し、これにより前記手術ツール430を前記エンドエフェクタから解放するように構成されている手術マニピュレータ。
【請求項２２】
請求項２１に記載の手術マニピュレータにおいて、前記手術ツール430を保持する前記支持構造体と、前記ツール交換トレイ911上に配列された前記係合機構とは、隔置し離間するように垂直配置で前記ツールトレイ911に固定された第１及び第２対のピン950を含み、これによって、手術ツールを拾い上げるか、又は手術ツールを解放する場合に前記エンドエフェクタが前記受動的なツール交換器と係合すると、前記第１及び第２対のピン950が前記ツールヨー機構454上の前記プーリ438と係合し、前記プーリ438を引き離し、前記支持構造体と前記係合機構とは、前記第１及び第２対のピン950に対して前記ツール交換トレイ上に位置決めされた第３対のピン950を含み、これにより、前記第３対のピン950は、前記ツール作動機構452に位置する枢動指614と係合し、これに即応して前記指614を枢動して、前記ツール作動機構452を前記手術ツール430の前記ピストン504との係合から脱しさせ、前記ツール交換トレイ911は、前記ツールトレイ911に装着された対応の排出ラッチ951を含み、前記排出ラッチ951は、前記ツールホルダ450に位置する前記排出翼617と列設され、ツール排出時の衝撃を和らげるためにばね式プライヤのような機構を含む手術マニピュレータ。
【請求項２３】
請求項２１又は２２に記載の手術マニピュレータにおいて、各手術ツール430はこれに装着された識別手段を含み、前記ツール交換器は前記識別手段用のツール識別センサを含む手術マニピュレータ。
【請求項２４】
請求項２３に記載の手術マニピュレータにおいて、前記識別手段は無線周波数（rf）タグを含み、前記読取手段はrf受信機を含む手術マニピュレータ。
【請求項２５】
請求項２３に記載の手術マニピュレータにおいて、前記識別手段はバーコードを含み、前記読取手段はバーコード読取器を含む手術マニピュレータ。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記第１、第２及び第３直角駆動機構の各々は、
a）ハウジングと、前記ハウジングに装着され、前記第１回転軸線を中心として回転する前記入力プーリに接続され、前記第１駆動機構に含まれるハーモニックドライブ（登録商標）と、
b）第２回転軸線を有する出力駆動シャフトであって、前記出力シャフトは前記出力プーリに接続され、前記出力プーリは前記第２回転軸線を中心として回転し、前記ハウジング内に装着され、前記入力プーリ及び前記出力プーリは前記ハウジング内に装着され、予め選択された角度が前記第１回転軸線と前記第２回転軸線との間で設定されるように互いに位置決めされた出力駆動シャフトと、
c）前記第１の入力プーリ及び前記第１の出力プーリを結合する前記双方向結合機構とを含み、前記双方向結合機構は、
前記ハウジング内に装着されたケーブル駆動部を備え、前記ケーブル駆動部は、
少なくとも一つの可撓性ケーブルと、前記入力プーリ及び前記出力プーリの各々に含まれ、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルを収容する少なくとも一つのケーブルガイドと、
前記入力プーリと前記出力プーリとの間の前記少なくとも一つの可撓性ケーブルを誘導するアイドラ手段とを含み、
前記入力プーリが前記第１回転軸線を中心として一方向に回転する場合、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは、前記第２回転軸線を中心として一方向に回転するように前記出力プーリ及び前記出力シャフトを引張り、前記入力プーリが前記第１回転軸線を中心として他方向に回転する場合、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは、前記第２回転軸線を中心として反対方向に回転するように前記出力プーリ及び前記出力シャフトを引張る手術マニピュレータ。
【請求項２７】
請求項１〜２６のいずれか一項に記載の手術マニピュレータにおいて、前記手術マニピュレータは第１の手術マニピュレータであり、構造上、互いに鏡像関係にあるように構成された少なくとも第２の手術マニピュレータ900，901を含み、前記第１の手術マニピュレータは左手操作用に構成され、前記少なくとも第２の手術マニピュレータは右手操作用に構成されて、それぞれのエンドエフェクタに取り付けられた前記手術ツールを患者の手術部位において互いに最も接近させることができる手術マニピュレータ。
【請求項２８】
a）請求項２６に記載の少なくとも第１及び第２の手術マニピュレータと、
b）左側ハンドコントローラ及び右側ハンドコントローラであって、前記右側ハンドコントローラは前記第１の手術マニピュレータと関連付けられ、前記左側ハンドコントローラは前記第２の手術マニピュレータと関連付けられ、前記少なくとも第１及び第２のハンドコントローラは外科医により操作されるように構成された左側ハンドコントローラ及び右側ハンドコントローラと、
c）前記左側ハンドコントローラ及び前記右側ハンドコントローラを前記少なくとも第１及び第２の手術マニピュレータに結合して、前記左側ハンドコントローラ及び前記右側ハンドコントローラの運動を、前記少なくとも第１及び第２の手術マニピュレータにおいて拡大縮小された運動に変換する通信システムと
を備える手術マニピュレータシステム。
【請求項２９】
請求項２８に記載の手術システムにおいて、前記手術システムは、手術すべき患者の領域を含む作業領域に焦点が合わされ、前記少なくとも二つの手術マニピュレータに取り付けられた前記エンドエフェクタ及び関連の手術ツールに焦点が合わされたカメラシステムを含み、前記視覚システムは、前記作業領域の画像を外科医に表示する表示手段を含む手術システム。
【請求項３０】
請求項２８又は２８に記載の手術システムにおいて、前記手術システムは、手術すべき患者の領域を含む作業領域に焦点が合わされ、前記少なくとも二つの手術マニピュレータに取り付けられた前記エンドエフェクタ及び関連の手術ツールに焦点が合わされた顕微鏡撮像システムを含み、前記顕微鏡撮像システムは、前記作業領域の画像を外科医に表示する表示手段を含む手術システム。
【請求項３１】
請求項２８〜３０のいずれか一項に記載の手術システムにおいて、前記手術システムは遠隔操作用に構成され、前記外科医は前記患者から遠く離れている手術システム。
【請求項３２】
請求項２８〜３１のいずれか一項に記載の手術システムにおいて、前記エンドエフェクタ428は、前記エンドエフェクタ428に装着され、前記手術ツール430の先端におけるツール先端力及びモーメントを検知するように構成されたツール先端力・モーメントセンサ608を含み、前記エンドエフェクタ428は、前記エンドエフェクタ428に装着され、前記手術ツール430の先端における作動力を測定するように構成されたツール作動力センサ604を含み、前記左側ハンドコントローラ及び前記右側ハンドコントローラを前記少なくとも第１及び第２の手術マニピュレータに結合する前記通信システムは触覚フィードバックを前記外科医に供給するため、前記力及びモーメントを前記左側ハンドコントローラ及び前記右側ハンドコントローラに伝達するように構成されている手術システム。
【請求項３３】
請求項３２に記載の手術マニピュレータシステムにおいて、前記ツール作動力センサ604は歪みゲージである手術マニピュレータシステム。
【請求項３４】
一つの軸線を中心とする回転運動を、別の軸線を中心とする回転運動に伝達する駆動装置であって、前記駆動装置は、
a）ハウジングと、前記ハウジングに装着され、第１回転軸線を中心として回転する入力プーリに接続されたハーモニックドライブ（登録商標）と、
b）第２回転軸線を有する出力駆動シャフトであって、前記出力シャフトは出力プーリに接続され、前記出力プーリは前記第２回転軸線を中心として回転し、前記ハウジング内に装着され、前記入力プーリ及び前記出力プーリは前記ハウジング内に装着され、予め選択された角度が前記第１回転軸線と前記第２回転軸線との間で設定されるように互いに位置決めされた出力駆動シャフトと、
c）第１の前記入力プーリ及び第１の前記出力プーリを結合する双方向結合機構とを備え、前記双方向結合機構は、
前記ハウジング内に装着されたケーブル駆動部を備え、前記ケーブル駆動部は、
少なくとも一つの可撓性ケーブルと、前記入力プーリ及び前記出力プーリの各々に含まれ、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルを収容する少なくとも一つのケーブルガイドと、
前記入力プーリと前記出力プーリとの間の前記少なくとも一つの可撓性ケーブルを誘導するアイドラ手段とを含み、
前記入力プーリが前記第１回転軸線を中心として一方向に回転する場合、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは、前記第２回転軸線を中心として一方向に回転するように前記出力プーリ及び前記出力シャフトを引張り、前記入力プーリが前記第１回転軸線を中心として他方向に回転する場合、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは、前記第２回転軸線を中心として反対方向に回転するように前記出力プーリ及び前記出力シャフトを引張る駆動装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の駆動装置において、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは一対の可撓性ケーブルであって、前記入力プーリは、第１の直径を有する第１の円形部分と、前記第１の円形部分に堅固に取り付けられ、少なくとも第２の直径を有する第２の円形部分とを含み、前記少なくとも第２の直径は前記第１の直径よりも小さく、前記第１の円形部分及び前記少なくとも第２の円形部分の円周部は各々溝を有し、前記第１の部分の前記円周部に含まれる前記溝は前記一対の可撓性ケーブルの第１の可撓性ケーブルを収容し、前記少なくとも第２の部分の前記円周部に含まれる前記溝は前記一対の可撓性ケーブルの第２の可撓性ケーブルを収容し、前記アイドラ手段は一対のアイドラを含み、各アイドラは、前記ハウジング内に装着され、前記第１回転軸線及び前記第２回転軸線に対して垂直な軸線に沿って整合されたアイドラシャフト、第１のアイドラプーリ及び少なくとも第２のアイドラプーリを有し、前記第１のアイドラプーリは前記入力プーリの前記第１の部分上の前記溝と前記出力プーリの前記第１の部分上の前記溝との間で前記第１の可撓性ケーブルを誘導するように構成され、前記少なくとも第２のアイドラプーリは前記入力プーリの前記少なくとも第２の部分上の前記溝と前記出力プーリの前記少なくとも第２の部分上の前記溝との間で前記少なくとも第２の可撓性ケーブルを誘導するように構成されている駆動装置。
【請求項３６】
請求項３４又は３５に記載の駆動装置において、前記ケーブル駆動部は、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルの張力を調整するケーブル張力調整機構を含む駆動装置。
【請求項３７】
請求項３６に記載の駆動装置において、前記ケーブル張力調整機構は前記少なくとも一つのケーブルのいかなる緩みも手動で取り除くことができる駆動装置。
【請求項３８】
請求項３６に記載の駆動装置において、前記ケーブル張力調整機構は、前記少なくとも一つのケーブルに張力を加えて前記少なくとも一つのケーブルのいかなる緩みも取り除くように構成された自動張力ばね機構を含む駆動装置。
【請求項３９】
請求項３６に記載の駆動装置において、前記ケーブル張力調整機構は自動張力ラチェット機構を含み、前記自動張力ラチェット機構は、前記少なくとも一つのケーブルのいかなる緩みも取り除き、前記自動張力ラチェット機構をロックするため、前記少なくとも一つのケーブルを歯止めするように構成されている駆動装置。
【請求項４０】
請求項３４〜３７のいずれか一項に記載の駆動装置において、前記少なくとも一つのケーブルは４つのケーブルであり、前記ケーブル駆動部は、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルの張力を調整するケーブル張力調整手段を含み、前記ケーブル張力調整手段は、前記出力プーリに接続された少なくとも４つの張力ねじを含み、前記少なくとも４つの各ケーブルは二つの端部を有し、一方の端部で前記張力ねじに接続され、他方の端部で前記入力プーリの終端に接続され、前記各ケーブルの張力は、前記各ケーブルに対応する前記張力ねじを回転することにより調整される駆動装置。
【請求項４１】
請求項３４〜４０のいずれか一項に記載の駆動装置において、前記入力プーリに接続された前記ハーモニックドライブ（登録商標）は、バックラッシュをほとんど生じさせずに出力を供給するように構成されている駆動装置。
【請求項４２】
請求項３４〜４１のいずれか一項に記載の駆動装置において、前記第１回転軸線と前記第２回転軸線との間に設定された前記予め選択された角度が90°であり、これにより前記第２回転軸線が前記第１回転軸線に対して垂直であるように、前記入力プーリ及び前記出力プーリは、前記ハウジング内の前記予め選択された位置に装着されている駆動装置。
【請求項４３】
請求項３４〜４２のいずれか一項に記載の駆動装置において、前記第１回転軸線と前記第２回転軸線との間に設定された前記予め選択された角度を調整できるように前記入力プーリに対する前記出力プーリの前記位置を調整するように前記ハウジング内に装着された位置決め機構を含む駆動装置。
【請求項４４】
請求項３４〜４３のいずれか一項に記載の駆動装置において、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは、前記ケーブルの弾性伸縮による伝達損失を最小限度に抑える低伸縮性／プレテンション加工ケーブルである駆動装置。
【請求項４５】
請求項３４〜４４のいずれか一項に記載の駆動装置において、前記出力シャフトの回転変位又は速度或いはその両方を測定するため、前記出力シャフトと係合するセンサを含む駆動装置。
【請求項４６】
請求項３４〜４５のいずれか一項に記載の駆動装置において、前記出力シャフトと係合して前記出力シャフトに機械的制動作用を与えるように構成されたブレーキを含む駆動装置。
【請求項４７】
ロボットアームに取り付けられるように構成された接合部を有する枠602と、前記枠602に装着されたツールヨーモータ600と、前記枠602に装着されたツール作動モータ601とを含む主本体部分436と、
前記枠602に装着され、前記枠602から着脱可能であるツールホルダ450であって、手術ツール430を保持するように構成されたツールホルダ450と、
前記枠602に装着され、前記枠602から着脱可能であるツール作動機構452であって、前記手術ツール430のピストン504と係合するように構成され、前記ツール作動モータ601に結合されたツール作動機構452と、
前記枠602に装着され、前記枠602から着脱可能であるツールヨー駆動機構454であって、前記ツールヨーモータ600に結合されたツールヨー駆動機構454とを備える手術エンドエフェクタであって、前記ツールヨー駆動機構454の作動時、前記手術ツール430は前記ツールヨー軸線441を中心として回転し、前記ツール作動機構452の作動時、前記ピストン504は前記エンドエフェクタ428に対して直線的に収縮され、又は直線的に延長され、これにより前記手術ツール430のツール部分506，508を作動する手術エンドエフェクタ。
【請求項４８】
請求項４７に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記接合部は、ロボットアームの手首とインターフェースをとる基部ブロック605を含み、前記エンドエフェクタ428は、前記モータ支持ブラケット602と前記基部ブロック605との間の単一の機械的なリンク機構であるツール先端力・モーメントセンサ608を含む手術エンドエフェクタ。
【請求項４９】
請求項４７又は４８に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツール作動モータ601は、前記モータ601の主軸線に沿って上下運動する出力シャフトを有するリニアアクチュエータであり、前記出力シャフトの遠位端部分では、作動バー603がその第１端部分で接続されており、前記作動バー603は、垂直ガイド棒606により支持された第２端部分を有し、前記ツール作動機構452に結合する接合部607を含み、前記作動バー603は前記出力シャフトの垂直運動を、前記バー603の前記第２端に装着された前記ツール作動機構452に伝達し、これにより、前記垂直運動が前記エンドエフェクタ428におけるツール作動運動軸線を形成する手術エンドエフェクタ。
【請求項５０】
請求項４９に記載の手術エンドエフェクタであって、前記作動バー603が前記垂直ガイド棒606により支持されている地点と、前記ツール作動機構452と一体となった前記接合部607との間で前記作動バー603に装着されたツール作動力センサ604を含む手術エンドエフェクタ。
【請求項５１】
請求項５０に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツール作動力センサ604は歪みゲージであり、前記力センサ604が装着された前記バー603上の地点では、前記手術ツール430の作動による弾性の縦たわみを測定することができる手術エンドエフェクタ。
【請求項５２】
請求項４７〜５１のいずれか一項に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツールヨー機構454は、一対のアイドラプーリ438、中間アイドラプーリ620及び駆動プーリ736が装着され枠442と、前記アイドラプーリ438、前記中間アイドラプーリ620及び前記駆動プーリ736上に経路指定された歯付ベルト540とを含み、前記歯付ベルト540は前記手術ツール430上の歯付プーリ528と、前記歯付プーリ528の直径の向かい合う二つの端部で係合するように構成され、前記駆動プーリ736により駆動された前記歯付ベルト540の双方向回転は接線方向力を前記手術ツール430の回転運動に変換する手術エンドエフェクタ。
【請求項５３】
請求項５２に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記枠442は、前記手術ツール430を前記エンドエフェクタ428の前開き部分から排出／取り換えることができるように前記アイドラプーリ438及び前記中間アイドラプーリ620上に構成された前開き枠構造及び歯付ベルト経路指定構成を有する手術エンドエフェクタ。
【請求項５４】
請求項５２又は５３に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記枠442は、外側の前記アイドラプーリ438を支持するシート状金属屈曲部621を含み、これによって、前記手術ツール430を完全に取り外せるほど充分に前記外側のアイドラプーリ438を受動的に広げることができ、これによりいかなる摩擦の影響も排除し、前記手術ツール430が係合された場合、前記金属屈曲部621は、ツールのヨーイング中、前記歯付ベルト540に対して一定の予圧を可能にし、しかし、前記手術ツール430がない場合、歯付ベルトの取り換えを容易にするため、前記金属屈曲部621を手で破壊することもできる手術エンドエフェクタ。
【請求項５５】
請求項５２〜５４のいずれか一項に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記枠602に装着された前記ツールヨーモータ600は、前記駆動プーリ736の孔の形状に相補する形状を有し前記孔へ挿入される駆動シャフト609を含み、これにより、トルクを前記ツールヨー機構454に伝達できるようにし、その一方で、前記シャフト609を前記駆動プーリ736から容易に分離することができる手術エンドエフェクタ。
【請求項５６】
請求項５２〜５５のいずれか一項に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツールヨーモータ600は、アンチバックラッシュ平歯車ヘッド及びインクリメンタルエンコーダと統合されたサーボモータを含む手術エンドエフェクタ。
【請求項５７】
請求項４７〜５６のいずれか一項に記載の手術エンドエフェクタにおいて、磁性のある前記ツールホルダ450、前記ツールアクチュエータ452及び前記ツールヨー機構454は滅菌部分組立体であり、それらを前記主本体部分436に迅速に取り付け、前記主本体部分436から迅速に着脱する迅速解放及び取付機構を有する手術エンドエフェクタ。
【請求項５８】
請求項４７〜５７のいずれか一項に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツールヨーモータ600、前記ツール作動モータ601、前記ツール先端力・モーメントセンサ608及び前記ツール作動力センサ604を含む前記主組立体436は、手術マニピュレータの基部からロボット前腕、ロボット下腕及びロボット手首の全長にわたって前記エンドエフェクタの前記主組立体436の前面611まで被覆する保護用ドレープバッグ内に密閉されている手術エンドエフェクタ。
【請求項５９】
請求項４７〜５８のいずれか一項に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツールホルダ450は、前記手術ツール430の円筒状ツール本体500を収容するのに適した寸法を有する細長い溝を有する支持本体616を含み、前記円筒状ツール本体500は磁性材料から製造され、前記支持本体616は、磁性のある前記円筒状ツール本体500を磁気的に拘束するため、前記溝に隣接して前記支持本体616に埋め込まれた少なくとも一つの磁石を含む手術エンドエフェクタ。
【請求項６０】
請求項５９に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記支持本体616は、前記手術ツール430が前記ツールヨー機構454により回転される時、摩擦を最小限に抑えながら前記支持本体616内で前記手術ツール430のツールを回転させることができる材料から製造されている手術エンドエフェクタ。
【請求項６１】
請求項５９又は６０に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記手術ツール430は、前記手術ツール430の前記本体500の上にフランジ529を含み、前記フランジ529は前記支持本体616と軸線上で密接に適合することにより前記手術ツール430を支持本体616の前記溝内に位置付けし軸線方向に拘束する手術エンドエフェクタ。
【請求項６２】
請求項５９〜６１のいずれか一項に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツールホルダ450は、支持本体616上に枢動可能に装着された一対のツール排出翼617を含み、各翼617の一部分が前記ツール本体500の後方の前記溝内に配置されたツール解放機構を含み、前記ツール解放機構は、前記ツール排出翼617がその外面上で圧縮されると直ちにツール排出翼617が鋏作用のように枢動して、前記少なくとも一つの磁石618から前記ツール本体500を引き離し、これに即応して前記ツール430を前記ツールホルダ450から排出するように構成されている手術エンドエフェクタ。
【請求項６３】
請求項６２に記載の手術エンドエフェクタにおいて、前記ツール作動機構452は、支持部材613に枢動可能に装着され、端部分が整合された一対の枢動指614を含み、前記一対の枢動指614は、前記端部分間で前記手術ツール430のピストン504の一部分と係合し、これを保持するように構成されている手術エンドエフェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連米国特許出願の相互参照
本特許出願は、2006年6月14日に英語で出願された「手術マニピュレータ」（SURGICAL MANIPULATOR）と題する米国特許出願第６０／８１３３５３号に関連し、本明細書では、この米国特許出願明細書を全体として援用する。
【０００２】
本発明は、マニピュレータアームと、マニピュレータアームにより保持されたエンドエフェクタと、エンドエフェクタにより保持された手術ツールと、マニピュレータ関節とを含む手術マニピュレータに関し、特に、一つの軸線から垂直な軸線へ回転運動を伝達する直角駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
手術マニピュレータシステムの目的は、ロボット技術及びセンサ技術を適用して患者の手術結果の質を費用効率良く改善することにある。手術ロボットは、外科医による反復可能な高空間分解能及び手術ツール位置決めの優れた幾何学的精度と、高速の操作速度と、外科医の疲労を軽減できる良好な人間工学と、外科医の訓練及び経験の基盤となる機能とにより、手術マニピュレータシステムの目的を達成することができる。
【０００４】
カルガリー大学による神経外科手術ロボットと互換性のあるニューロアーム磁気共鳴断層撮像装置（MRI）と、Intuitive Surgical（インテュイティブサージカル社製）のダビンチ及びゼウス手術ロボットと、MicroDexterity（マイクロデクステラティー社）及びジェット推進研究所によるRAMSシステムと、MAKO（マコ社製）の触覚誘導システムと、Mazor Surgical Technologies（メイザーサージカルテクノロジーズ社製）のスパインアシストと、Integrated Surgical Systems（インテグレイテッドサージカルシステムズ社製）のROBODOC（登録商標）とを含む多数の商業用手術ロボットシステムが現在用いられている。
【０００５】
カルガリー大学によるニューロアームシステムは、MRI環境において神経外科手術を実行するように設計されている。ニューロアームシステムは双アームを有し、各アームはマスタスレーブ構成をとり、６自由度を有する。このロボットはMRと互換性を有し、したがって、磁性材料はロボットアームのいかなる部分にも用いられない。ロボットは、ツール先端の力を検知する触覚フィードバック機能をも有する。手術ツールは手動で交換される。これについては米国特許第７１５５３１６号を参照されたい。
【０００６】
インテュイティブサージカル社によるダビンチシステムは腹腔鏡手術向けに設計されている。ダビンチシステムは、マスタスレーブ制御構成をとり、外科医により制御される最大５つのアームを有することができる。システムは大きく重く、1000ポンド（約453.6kg）よりも大きい重量を有する。触覚フィードバックがなく、ツールの交換は手動で行われる。ゼウスも腹腔鏡手術向けに設計されたが、製造中止になった製品である。ゼウスはダビンチよりも小型で軽く、ダビンチと同様にマスタスレーブ制御構成をとり最大５つのアームを有し、触覚機能がなく、ツールは手動で交換される。（ダビンチについては、特許に関し添付リストを参照されたい。ゼウスについては、米国特許第０５５１５４７８号、米国特許第０５５５３１９８号、米国特許第０５６４５５２０号、米国特許第０６６４６５４１号、米国特許第０６７１４８４１号などを参照されたい。）
元々はJPLにより開発されたロボット支援顕微手術（RAMS）システムは、マイクロデクステラティー社により商品化されている。この遠隔操作型ロボットプラットフォームは脳、眼、耳、鼻、咽喉、顔及び手の顕微手術向けに設計されている。臨床試験は神経外科及び手の手術について実行された。双アームシステムは非常にコンパクトである。すなわち、マニピュレータは直径約25mm、長さ250mmである。ロボットはマスタスレーブ構成を有し、10ミクロンの高空間分解能を呈する。システムは、関節エンコーダ情報を用いてツール力の圧力及び質感を間接的に検知する。手術ツールは手動で交換される。これについては、米国特許第６７０２８０５号を参照されたい。
【０００７】
マコ社による触覚誘導システムは、関節形成術中、鍵孔である切り口を通り、外科医を支援するロボットシステムによる膝関節置換手術を対象にする。FDAに承認されたシステムにより、外科医は膝の大きさ及び位置合わせを術前に最適化することができ、外科医誘導による膝の彫刻（スカルプチャ）及びインプラント装着をCT画像誘導で実行することができる。これについては、米国特許出願公開第２００６／０１４２６５７号、米国特許第０７２０６６２７号及び米国特許第０７１３９４１８号を参照されたい。
【０００８】
メイザーサージカルテクノロジーズ社は、椎弓根スクリュー挿入だけでなく、脊椎に関連する他の処置にも使用される侵襲性の少ない誘導システムとしてスパインアシストを開発した。スパインアシストは、炭酸飲料缶ほどの大きさであって、患者の脊椎又は棘突起に装着される並列プラットフォームロボットである。CT画像を用いた術前計画に続いて、X線透視装置画像又はCT画像をロボットへ自動的に登録し、その後、位置決め装置は、外科医により計画された軌道に1.5mm未満の精度でアームを自動的に方向付ける。
【０００９】
1992年、インテグレイテッドサージカルシステムズ社は、ROBODOC（登録商標）、すなわち、主要なセメントレス人工股関節全置換術を必要とする患者向けの大規模な整形外科手術システムを導入した。ROBODOC（登録商標）は、術前に定義されたプログラムを用いて自動的に手術する単一の６自由度アームを有する。ROBODOC（登録商標）は触覚フィードバック機能を有さず、ツールの交換は手動で行われる。これについては、米国特許出願公開第２００４／０１４２８０３、米国特許第０５７６６１２６号、米国特許第０６２３９８７４号及び米国特許第０６３４９２４５号を参照されたい。
【００１０】
手術ロボット技術の現状では、大幅な改善を必要とする多くの側面がある。器用かつ正確であって、広い作業空間を有するロボットアームの開発は、ロボットアームがいかにして作業部位位置に達するか、また、ロボットアームが体腔及び器官内にいるのはいつなのかという両方の点にある。最新のシステムの外形寸法、重量及び体積は、それらが手術室の設備空間と、機器を組み立てる助手とに著しい悪影響を及ぼすという点において重要な問題である。より小さく、より軽量な収納式システムが必要とされる。例えば、ダビンチ手術マニピュレータは（オペレータインターフェースを除き）重量1200ポンド（約544.3kg）であり、約8フィート（約240cm）の高さを有する。ゼウスのアームは長さ約2フィート（約61cm）、重量40ポンド（約18.1kg）である。ロボットの総重量は（ユーザインターフェースを除き）120ポンド（約54.4kg）である。
【００１１】
現在のシステムの大部分は触覚フィードバックを行わない。触覚フィードバックは、外科医が失った接触の感覚を復元し、速度の観点から外科医の能力を改善することができ、組織の付帯的な損傷の危険性を軽減する。
【００１２】
手動による手術ツールの交換は外科手術の時間を増やし、すなわち、時間が増すと、患者は麻酔にかけられた状態のままでいなければならず、施設費用を増大させる。したがって、手術ツールを自動的に交換する機能は患者に対する危険性を軽減し、手術費用を削減する。
【００１３】
従来のDCモータサーボモータが有する高い機械的出力密度及び小さい直径は、ロボットマニピュレータの物理的な寸法を縮小させる望ましい特徴である。しかしながら、多くの手術ロボットに現在使用されている従来のサーボモータの欠点は、軸線方向の長さが長いことにあり、したがって、マニピュレータアーム関節における横方向の追加の延長を避けるべき場合、直角伝達手段が必要とされる。
【００１４】
現在におけるすべての利用可能な直角伝達部品のうちで、かさ歯車対は、高いトルク及びバックドライバビリティを供給する。しかし、かさ歯車対は、一般的にバックラッシュが大きく、小型パッケージに入ることはめったにない。従来の標準のかさ歯車箱では伝達中に大きなバックラッシュが生じ、このことは、双方向運動に高精度が要求される分野では非常に望ましくない。
【００１５】
ウォーム歯車を小型パッケージに入れ、ばね式機構と統合して、バックラッシュがなく、正確な運動を実現できる歯車箱を提案するいくつかの製造業者がいるが、効率が低下し、片方の標準歯車比が増加することとなり、更に強力な（したがって、サイズの大きい）モータが必要となることを示唆している。ウォーム歯車箱は低バックラッシュ構成を有することができるが、効率と歯車比との間の反比例関係はユニット全体を大きくし、かつ重くし、その一方で、ロボット用途に共通な較正又はクラッシュ回復の場合、バックドライバビリティの不足も望ましくない。
【００１６】
他方では、ハーモニックドライブ（登録商標）は、ゼロバックラッシュ、高度な再現精度、バックドライバビリティ、高効率、コンパクトサイズ及び軽量を特徴とする。不都合なことに、この機構は直角駆動型には可能でない。現在市場に出ている市販の直角伝達システムのいずれも、コンパクトなインラインパッケージにおいてゼロバックラッシュ機能も高効率機能も有しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、上述の欠点を回避する直角駆動装置を用いる手術ロボットシステムを提供することは極めて有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、マニピュレータアームと、マニピュレータアームにより保持されたエンドエフェクタと、エンドエフェクタにより保持された手術ツールと、マニピュレータ関節とを含む手術マニピュレータの実施形態を提供し、特に、一つの軸線から垂直な軸線へ回転運動を伝達する直角駆動装置を提供する。
【００１９】
本発明の一側面では、
a）基部と、前記基部に装着された第１直角駆動機構であって、肩ロール軸線を中心として前記第１直角駆動機構を回転する肩ロール駆動機構が前記基部内に配置され、前記第１直角駆動機構は、第１の入力プーリと、前記入力プーリにほぼ垂直に装着された第１の出力プーリとを含み、
前記第１直角駆動機構は、前記第１の入力プーリ及び前記第１の出力プーリを結合する双方向結合機構と、第１入力軸線を中心として前記第１の入力プーリを回転する第１駆動機構とを含み、前記第１の入力プーリの回転は、前記第１入力軸線にほぼ垂直な肩ピッチ軸線を中心とする前記第１の出力プーリの回転へ前記双方向結合機構により変換される第１直角駆動機構と、
b）一端が前記第１の出力プーリに装着されたロボット下腕であって、前記第１の出力プーリが回転されると、前記肩ピッチ軸線を中心として回転するロボット下腕と、
c）前記ロボット下腕に装着された第２直角駆動機構であって、前記第２直角駆動機構は、第２の入力プーリと、前記第２の入力プーリにほぼ垂直に装着された第２の出力プーリとを含み、
前記第２直角駆動機構は、前記第１駆動機構と、前記第２の入力プーリ及び前記第２の出力プーリを結合する前記双方向結合機構とを含み、第２入力軸線を中心とする前記第２の入力プーリの回転は、前記第２入力軸線にほぼ垂直な肘ピッチ軸線を中心とする前記第２の出力プーリの回転へ前記双方向結合機構により変換される第２直角駆動機構と、
c）前記第２直角駆動機構の前記第２の出力プーリに装着されたロボット前腕であって、前記第２の出力プーリが回転されると、前記肘ピッチ軸線を中心として回転するロボット前腕と、
d）前記ロボット前腕に装着された第３直角駆動機構であって、前記第３直角駆動機構は、第３の入力プーリと、前記第２の入力プーリにほぼ垂直に装着された第３の出力プーリとを含み、
前記第３直角駆動機構は、前記第１駆動機構と、前記第３の入力プーリ及び前記第３の出力プーリを結合する前記双方向結合機構とを含み、第３入力軸線を中心とする前記第３の入力プーリの回転は、前記第３入力軸線にほぼ垂直な手首ピッチ軸線を中心とする前記第３の出力プーリの回転へ前記双方向結合機構により変換される第３直角駆動機構と、
e）前記第３直角駆動機構の前記第３の出力プーリに装着されたロボット手首であって、前記第３の出力プーリが回転されると、前記ロボット手首は前記手首ピッチ軸線を中心として回転し、
前記ロボット手首は、手首出力シャフトに結合された作動機構を含み、前記作動機構は手首ロール軸線を中心として前記ロボット手首出力シャフトを回転するロボット手首と、
f）前記手首出力シャフトに装着されたエンドエフェクタであって、前記エンドエフェクタは、手術ツールを解放可能に握持する握持手段を含み、前記作動機構と係合されると、前記手首ロール軸線を中心として回転されるエンドエフェクタと
を備える手術マニピュレータを提供する。
【００２０】
本発明は、構造上、互いに鏡像関係にあるように構成された少なくとも第１及び第２の手術マニピュレータを備える手術マニピュレータシステムであって、前記第１の手術マニピュレータは左手操作用に構成され、前記少なくとも第２の手術マニピュレータは右手操作用に構成されて、それぞれのエンドエフェクタに取り付けられた手術ツールを患者の手術部位において互いに最も接近させることができる手術マニピュレータシステムをも提供する。手術マニピュレータシステムは左側ハンドコントローラ及び右側ハンドコントローラを含み、右側ハンドコントローラは第１の手術マニピュレータと関連付けられ、左側ハンドコントローラは第２の手術マニピュレータと関連付けられ、前記少なくとも第１及び第２のハンドコントローラは、外科医により操作されるように構成されている。このシステムは、前記左側ハンドコントローラ及び前記右側ハンドコントローラを前記少なくとも第１及び第２の手術マニピュレータに結合して、前記左側ハンドコントローラ及び前記右側ハンドコントローラの運動を、前記少なくとも第１及び第２の手術マニピュレータにおいて拡大縮小された運動に変換する通信システムを含む。
【００２１】
本発明は、従来の歯車よりはむしろケーブルを用いて一つの軸線から垂直な軸線へ回転運動を伝達するコンパクトな、バックラッシュのほとんどない直角伝達駆動システムの実施形態をも提供する。本発明の一側面では、一つの軸線を中心とする回転運動を、別の軸線を中心とする回転運動に伝達する駆動装置であって、この駆動装置は、
a）ハウジングと、前記ハウジングに装着され、第１回転軸線を中心として回転する入力プーリに接続されたハーモニックドライブ（登録商標）と、
b）第２回転軸線を有する出力駆動シャフトであって、前記出力シャフトは出力プーリに接続され、前記出力プーリは前記第２回転軸線を中心として回転し、前記ハウジング内に装着され、前記入力プーリ及び前記出力プーリは前記ハウジング内に装着され、予め選択された角度が前記第１回転軸線と前記第２回転軸線との間で設定されるように互いに位置決めされた出力駆動シャフトと、
c）第１の前記入力プーリ及び第１の前記出力プーリを結合する双方向結合機構とを備え、前記双方向結合機構は、
前記ハウジング内に装着されたケーブル駆動部を備え、前記ケーブル駆動部は、
少なくとも一つの可撓性ケーブルと、前記入力プーリ及び前記出力プーリの各々に含まれ、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルを収容する少なくとも一つのケーブルガイドと、
前記入力プーリと前記出力プーリとの間の前記少なくとも一つの可撓性ケーブルを誘導するアイドラ手段とを含み、
入力プーリが前記第１回転軸線を中心として一方向に回転する場合、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは、前記第２回転軸線を中心として一方向に回転するように出力プーリ及び出力シャフトを引張り、入力プーリが前記第１回転軸線を中心として他方向に回転する場合、前記少なくとも一つの可撓性ケーブルは、前記第２回転軸線を中心として反対方向に回転するように出力プーリ及び出力シャフトを引張る駆動装置を提供する。
【００２２】
以下の詳細な説明及び図面を参照することにより本発明の機能的かつ好適な側面を更に良く理解することができる。
【００２３】
本発明の実施形態は、本明細書の一部分を構成する添付図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から更に充分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に従って構成された組み立てられた直角駆動システムの等角図である。
【図２】図１の直角駆動システムの分解／解体図である。
【図３ａ】直角駆動システムの一部分を形成する出力シャフトの等角図である。
【図３ｂ】図３ａの出力シャフトの側面図である。
【図３ｃ】図３ｂの矢印3cから見た出力シャフトの図である。
【図４ａ】直角駆動システムの一部分を形成する中間ハウジングの等角図である。
【図４ｂ】図４ａの中間ハウジングの正面図である。
【図４ｃ】図４ｂのA‐A線に沿った断面図である。
【図４ｄ】図４ｃの視野方向と同じ方向から見た中間ハウジングの全表面形状を示す図である。
【図４ｅ】矢印4eから見た図４ｂの底面図である。
【図４ｆ】図４ａの中間ハウジング内に装着され、図３ａの出力シャフト上に装着された軸受を示す図である。
【図５ａ】直角駆動システムの一部分を形成する出力プーリの等角図である。
【図５ｂ】図５ａの出力プーリの正面図である。
【図５ｃ】図５ｂの底面図である。
【図５ｄ】図５ｂのA‐A線に沿った断面図である。
【図５ｅ】張力機構の詳細を示す図５ｄの詳細図である。
【図５ｆ】図５ｂの上面図である。
【図６ａ】直角駆動システムの一部分を形成する入力プーリの等角図である。
【図６ｂ】図６ａの入力プーリの正面図である。
【図６ｃ】図６ａの上面図である。
【図６ｄ】図６ｂのC‐C線に沿った断面図である。
【図６ｅ】図６ｂのB‐B線に沿った断面図である。
【図６ｆ】ループ状スリーブ圧着フィッティングを有するケーブル終端部分組立体を示す図である。
【図６ｇ】ケーブルを巻き付けるために入力プーリ及び出力プーリの両方に溝が付けられた円周部を示す図５ａの出力プーリ及び図６ａの入力プーリの断面図である。
【図７ａ】直角駆動システムの一部分を形成するアイドラシャフトの等角図である。
【図７ｂ】図７ａのアイドラシャフトの正面図である。
【図８】互いに垂直な入力プーリ及び出力プーリと、駆動ケーブルと、入力プーリの回転運動を、入力軸に対して垂直に方向付けられた出力シャフトの回転運動に変換するアイドラとの相対位置を示す図である。
【図９ａ】直角駆動システムの一部分を形成する張力ねじの等角図である。
【図９ｂ】図９ｄの9b‐9b線に沿った断面図である。
【図９ｃ】図９ａの張力ねじの側面図である。
【図９ｄ】図９ａの張力ねじの正面図である。
【図１０ａ】組み立てられた直角駆動システムの正面図である。
【図１０ｂ】図１０ａのA‐A線に沿った図１０ａの断面図である。
【図１０ｃ】アイドラ部分組立体に関する図１０ｂの部分Cの詳細図である。
【図１１ａ】出力プーリの前面を有する直角駆動システムの組立側面図である。
【図１１ｂ】出力要素に関し、図１１ａのB‐B線に沿った図１１ａの断面図である。
【図１１ｃ】入力要素及び上部アイドラ部分組立体に関し、図１１ａのC‐C線に沿った図１１ａの断面図である。
【図１２】入力要素の側面断面図である。
【図１３】図１１ａと反対側の組立側面図である。
【図１４】カバー及びアイドラキャップのない図１及び図２の組み立てられた直角駆動システムの上部前方の角度から見た斜視図である。
【図１５】カバー及びアイドラキャップのない組み立てられた直角駆動システムの上部後方の角度から見た斜視図である。
【図１６ａ】本発明の一部を形成する手術ロボットの等角図である。
【図１６ｂ】図１６ａの矢印bから見た側面図である。
【図１６ｃ】図１６ａの矢印cから見た正面図である。
【図１６ｄ】図１６ａの矢印dから見た上面図である。
【図１６ｅ】図１６ａに類似するが反対方向から見た手術マニピュレータの別の等角図である。
【図１７ａ】肩ロール関節組立体を形成するマニピュレータ基部の詳細を示し、カバーのないマニピュレータ基部の等角図である。
【図１７ｂ】肩ロール関節組立体を形成するマニピュレータ基部の詳細を示し、矢印bから見た図１７ａの上面図である。
【図１７ｃ】肩ロール関節組立体を形成するマニピュレータ基部の詳細を示し、c‐c線に沿った図１７ｂの正面断面図であって肩ロール関節の作動部品を示す図である。
【図１７ｄ】肩ロール関節組立体を形成するマニピュレータ基部の詳細を示し、d‐d線に沿った図１７ｂの側面断面図であって肩ロール関節の作動部品を示す図である。
【図１７ｅ】肩ロール関節組立体を形成するマニピュレータ基部の詳細を示し、e‐e線に沿った図１７ｂの正面断面図であって肩ロール関節の作動部品とカバー402とを示す図である。
【図１８ａ】直角駆動ユニットが肩ロール駆動シャフトの上部に装着されて肩ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ肩の詳細を示し、マニピュレータ肩の等角図である。
【図１８ｂ】直角駆動ユニットが肩ロール駆動シャフトの上部に装着されて肩ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ肩の詳細を示し、矢印bから見た図１８ａの正面図である。
【図１８ｃ】直角駆動ユニットが肩ロール駆動シャフトの上部に装着されて肩ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ肩の詳細を示し、矢印cから見た図１８ａの上面図である。
【図１８ｄ】直角駆動ユニットが肩ロール駆動シャフトの上部に装着されて肩ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ肩の詳細を示し、d‐d線に沿った図１８ｃの断面図である。
【図１８ｅ】直角駆動ユニットが肩ロール駆動シャフトの上部に装着されて肩ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ肩の詳細を示し、矢印eから見た図１８ａの側面図である。
【図１９ａ】肘ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ下腕と、マニピュレータ下腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、マニピュレータ下腕の等角図である。
【図１９ｂ】肘ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ下腕と、マニピュレータ下腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、矢印bから見た図１９ａの正面図である。
【図１９ｃ】肘ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ下腕と、マニピュレータ下腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、矢印cから見た図１９ａの側面図である。
【図１９ｄ】肘ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ下腕と、マニピュレータ下腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、矢印dから見た図１９ａの上面図である。
【図１９ｅ】肘ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ下腕と、マニピュレータ下腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、e‐e線に沿った図１９ｃの断面図である。
【図２０ａ】手首ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ上腕と、マニピュレータ上腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、マニピュレータ前腕の等角図である。
【図２０ｂ】手首ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ上腕と、マニピュレータ上腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、矢印bから見た図２０ａの側面図である。
【図２０ｃ】手首ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ上腕と、マニピュレータ上腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、c‐c線に沿った図２０ｂの底面断面図である。
【図２０ｄ】手首ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ上腕と、マニピュレータ上腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、矢印dから見た図２０ａの上面図である。
【図２０ｅ】手首ピッチ関節組立体を形成するマニピュレータ上腕と、マニピュレータ上腕の前方に装着された直角駆動ユニットとの詳細を示し、e‐e線に沿った図２０ｂの背面断面図である。
【図２１ａ】手首ロール関節組立体を形成するマニピュレータ手首の詳細を示し、手首の等角図である。
【図２１ｂ】手首ロール関節組立体を形成するマニピュレータ手首の詳細を示し、矢印bから見た図２１ａの上面図である。
【図２１ｃ】手首ロール関節組立体を形成するマニピュレータ手首の詳細を示し、c‐c線に沿った図２１ｂの正面断面図である。
【図２１ｄ】手首ロール関節組立体を形成するマニピュレータ手首の詳細を示し、矢印dから見た図２１ａの正面図である。
【図２１ｅ】手首ロール関節組立体を形成するマニピュレータ手首の詳細を示し、e‐e線に沿った図２１ｂの側面断面図である。
【図２２ａ】手術鉗子ツールの詳細を示し、手術ツールの第一実施形態の等角図である。
【図２２ｂ】手術鉗子ツールの詳細を示し、図２２ａの手術ツールの側面図である。
【図２２ｃ】手術鉗子ツールの詳細を示し、手術ツールが開放位置にある図２２ｂのc‐c線に沿った底面断面図である。
【図２２ｄ】手術鉗子ツールの詳細を示し、手術ツールが閉鎖位置にある図２２ｂのc‐c線に沿った底面断面図である。
【図２２ｅ】手術鉗子ツールの詳細を示し、図２２ａのe‐e線に沿った背面断面図である。
【図２３ａ】手術鉗子ツールの詳細を示し、開放位置にある手術ツールの代替実施形態の等角図である。
【図２３ｂ】手術鉗子ツールの詳細を示し、図２３ａの手術ツールの立面図である。
【図２４ａ】手術鉗子ツールの詳細を示し、閉鎖位置にある手術ツールの代替実施形態の等角図である。
【図２４ｂ】手術鉗子ツールの詳細を示し、図２４ａの手術ツールの立面図である。
【図２５ａ】手術鉗子ツールの詳細を示し、手術ツールの別の代替実施形態の等角図である。
【図２５ｂ】手術鉗子ツールの詳細を示し、図２５ａの手術ツールの立面図である。
【図２６ａ】本発明の一部分を形成する手術ツールを保持する組み立てられたエンドエフェクタの等角図である。
【図２６ｂ】エンドエフェクタ及び手術ツールの解体図である。
【図２６ｃ】図２６ａの正面図である。
【図２６ｄ】ツール作動の結果として生じた挟む力の力経路を示す図２６ａの側面図である。
【図２６ｅ】図２６ｃのc‐c線に沿った、手術ツールを保持する組み立てられたエンドエフェクタの断面図であって、力・モーメントセンサにより監視された先端力の荷重経路を示す図である。
【図２７ａ】ツールヨー部分組立体の上面図である。
【図２７ｂ】ツールヨー部分組立体の底面図である。
【図２７ｃ】組み立てられたエンドエフェクタの上面図である。
【図２７ｄ】組み立てられたエンドエフェクタの底面図である。
【図２７ｅ】エンドエフェクタの主本体の上面図である。
【図２７ｆ】f‐f線に沿った図２７ｅの断面図であって、力・モーメントセンサにより監視された先端力の荷重経路を示す図である。
【図２８ａ】ツールアクチュエータの上面図である。
【図２８ｂ】図２８ａのb‐b線に沿ったツールアクチュエータの断面図である。
【図２９ａ】ツールホルダの正面図である。
【図２９ｂ】図２９ａのb‐b線に沿ったツールホルダの断面図である。
【図２９ｃ】ツールホルダの等角図である。
【図２９ｄ】ツール排出翼が係合構成にあることを示すツールホルダの上面図である。
【図２９ｅ】ツール排出翼が排出構成にあることを示すツールホルダの上面図である。
【図２９ｆ】ツールトレイにおいてツールを解放するエンドエフェクタの等角図である。
【図３０】一般的な手術室において外科医により制御される双対マニピュレータ遠隔操作型ロボットシステムの操作概念を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
全般的には、本明細書に記載されたシステムは手術マニピュレータ装置に関する。本発明の実施形態は必要に応じて本明細書に開示されている。しかし、開示された実施形態は一例にすぎず、当然のことながら、本発明を多くの様々な代替形態に具体化することができる。図面は実際のものに正比例させて描いておらず、特定要素の詳細を示すため、いくつかの機構を誇張又は最小化することができ、その一方で、新規な側面をあいまいにしないように関連要素を排除することができる。したがって、本明細書に開示された特定の構造及び機能の詳細は、制限するものと解釈されるべきではなく、単に、請求項の基礎として、かつ、本発明を様々に用いるために当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。制限するのではなく、教示する目的のために例示された実施形態は手術マニピュレータ装置に関する。
【００２６】
手術マニピュレータ装置は、異なるブームが直角駆動ユニットに接続され、手術エンドエフェクタがロボット手首ユニットに接続された多関節ロボットアームを備える。次に、これらの各部品を詳細に説明する。
【００２７】
1）直角駆動ユニット
最初に図１を参照すると、組み立てられた直角駆動システムの等角図が全体的に符号10で示されており、直角駆動システム10は、シャーシ14及びカバー16から構成されたハウジングを含む。特に図２を参照すると、直角駆動システム10は、出力プーリ20と、出力プーリ20が装着された最上部を有する出力シャフト26と、中間ハウジング22と、一対のアイドラユニット78，86，84，80a／80b，82a／82bと、光エンコーダ46と、好ましくはハーモニックドライブ（登録商標）56を備える駆動機構に装着された入力プーリ54とを含む。
【００２８】
図２、図３ａ及び図３ｂを参照すると、光エンコーダ46は出力シャフト26の回転変位を測定するため、出力シャフト26のシャフト部分38に装着されている。システムを測定する代表的な光エンコーダ46は、光源と、内部又は外部の精密玉軸受を中心として回転するコードディスクと、可視光センサとを含む。コードディスクは、シャフト部分38の角度位置を空間的に符号化する一連の不透明なマーキング及び透明なマーキングを有し、シャフトの絶対又は相対角度位置を供給するように構成されることができる。光源はコードディスクを通って可視光センサ上に照射する。すべての角度位置は、可視光センサへの光ビームを遮断する暗点及び明点としてコードディスク上で符号化され、可視光センサからは電子信号が生成される。電子信号は増幅され、制御システムが使用できる角度位置／速度データに変換される。
【００２９】
インクリメンタルエンコーダの実施形態の場合、コードディスク上のすべてのマーキングは全く同じであり、電気信号はパルスの形態で生成され、これらパルスは制御装置によりカウントされて相対位置を決定するか、又は、時間に対して微分されて速度を獲得する。アブソリュートエンコーダを用いる実施形態の場合、コードディスク上の各マーキングは一連の線により区別して形成され、光センサの光検出から結果として生じた電子信号は、絶対位置の検出を可能にする一意的な2進コードである。
【００３０】
ハーモニックドライブ（登録商標）56はシャーシ14に装着され、ハーモニックドライブ（登録商標）56の出力フランジ98上には入力プーリ54が装着され、入力プーリ54は出力プーリ20の軸線に対して垂直な回転軸を有する。ハーモニックドライブ（登録商標）56は、高減速比を直角駆動システム10全体に導入するために用いられる。したがって、ケーブルプーリシステムは、入力側から出力側への角運動の伝達のみを司るものであり、したがって双方向結合機構を形成する。その理由は、入力シャフトの軸線を中心として入力シャフトが一方向に回転することにより、出力シャフトの軸線を中心として出力シャフトが一方向に回転し、駆動機構により入力シャフトが他方向に回転することにより、出力シャフトの軸線を中心として出力シャフトが他方向に回転するためである。
【００３１】
図６ａ〜図６ｅ及び図１２は入力プーリ54の詳細を示す。入力プーリ54は、二つの部分すなわち、補助部分130と、補助部分130と一体となった主部分132とを含み、補助部分130は、主アイドラ80a，80b及び補助アイドラ82a，82b（図１参照）の垂直位置に収容するために主部分132よりも大きい直径を有する。部分130，132は、らせん状の連続的な溝160（図６ｇ参照）を表面上に有する円形の溝付き円周部134，136を有し、これにより、ケーブルにより駆動されたプーリのトルクがプーリを中心として均等に分配され、ポケット138，140の内側に位置するループ状圧着フィッティング101（図６ｆ参照）の終端に完全には依存しないようにケーブルと入力プーリ54との間で摩擦を生じさせる。ケーブルは、対応の側面アクセス孔141a，141b，141c，141d内に入り、それぞれポケット140a，138a，140b，138bを通ることにより入力プーリ54で終端されている。
【００３２】
図６ｆに示されるように、ケーブル製造者により供給されたループ状圧着フィッティング101は、各ケーブルがフィッティングの一端でループを形成しながら、ケーブルの先端上に圧着されている。ループと一緒に各フィッティングはポケット138a，138b，140a，140bの内側に隠れ、ポケット138a，138b，140a，140b内で各ケーブルが張力を受けると、フィッティングはポケットの内壁に対して上方にすべり動き、ケーブルの張力を維持する。
【００３３】
図６ａ、図６ｇ、図８及び図１１ｃを参照すると、ケーブル92b（図８参照）は、円形の溝部分160（図６ｇ参照）に沿って入力プーリ54の主部分132（図６ａ参照）に巻き付いており、円形の溝部分160は、らせん状のヘリカル通路がプーリの回転の中心に沿って延在するように円周面136上に機械加工されている。ケーブル92bが面136（図６ａ参照）を巻装する方向は、ループ状スリーブ終端のポケット138aの上方に位置する側面アクセス孔から始まり、入力プーリ54を図６ｂの視野方向に見て左回りである。ケーブル92bが溝160の内側にある時、ケーブル92bと溝160との間の表面摩擦は、ケーブル92bが張力を受けながら、入力プーリ54がケーブル92bを駆動し、次にケーブル92bが出力プーリ20を駆動するのを支援し、したがって、ケーブルが終端されたループ状スリーブフィッティング101（図１１ｃ参照）に集中する応力の一部分を軽減する。ケーブル92a（図８参照）により右回りに巻装された隣接の溝部分161（図６ｇ参照）を、主ケーブル部分132の軸線方向の長さに応じて部分160とつなげても、つなげなくてもよい。溝部分162（図６ｇ参照）ではケーブル90b（図８参照）が左回りに巻き付くようになっており、溝部分163（図６ｇ参照）ではケーブル90a（図８参照）が右回りに巻き付くようになっているので、補助部分130に主部分132と同一の関係が適用される。
【００３４】
図３ａ、図３ｂ及び図３ｃを参照すると、出力シャフト26は、出力シャフト26の後面40から延在する円筒状ハウジング36及びシャフト38を含み、後面40は、円筒状ハウジング36の直径よりも大きい直径を有する円周肩部42を含む。中心孔28は、中心ダウエル32を中心孔28に収容するために前面30上の位置にある。中心ダウエル32は、図１で分かるように回転出力部を形成し、出力プーリ20の中心から突出する。図４ｆを参照すると、ラジアル玉軸受59はシャフト38に装着され、ラジアル玉軸受59と出力シャフト40の肩部42との間にはエンコーダ46が挟まれている。
【００３５】
図４ａ〜図４ｆを参照すると、中間ハウジング22は一対の円形の孔70，72を含み、孔70，72は、図１に示されるアンギュラコンタクト玉軸受24に対して互いに完全に同心となるように整合的に機械加工されている。孔70，72の直径よりも小さい直径68は、外輪の肩部を受ける推奨直径に従って寸法設定されている。この推奨直径は軸受製造業者により指定されている。中間ハウジング22の内側にアンギュラコンタクト玉軸受24を装着し予圧することに関する詳細については後述する。中間ハウジング22は、二つの孔76を有するアイドラ支持部分74（図４ａ参照）を含む。図２に示されるように、主アイドラ機構の一部分であるアイドラシャフト78を収容するために一方の孔は上面に位置し、他方の孔は底面に位置する。
【００３６】
図４ｆ及び図１１ｂを参照すると、二つのアンギュラコンタクト玉軸受24は、（図４ｆで最も良く分かるように）軸受座70，72の内側に背面構成で装着されている。軸受24はそれぞれの外輪139を有し、同心の孔72，70の内側に設置されている。ロックナット60は、ねじ部分43（図３ａ参照）を介して出力シャフト26上で回転される。ねじ部分43は、ロックナット60から出力シャフト26を介して、ロックナット60に隣接する軸受の内輪142に荷重を与える（図４ｆ参照）。点線で示された符号140に沿って輪郭が描かれた荷重経路をたどって、荷重は内輪142から玉143を介して軸受の外輪139へ伝達され、最終的には再び出力シャフト26のフランジ40（図３ｂ参照）に戻る。ロックナット60の回転の結果としてロックナット60が出力シャフト26に沿って軸受対に向かって移動することにより、玉143と内輪142及び外輪139との間にある軸受24の軌道面内における内部空隙が排除されると、予圧は完了する。この手続きは、設置のために軸受製造業者により推奨されたトルクレベルを用いて、トルクレンチが出力シャフト26上でロックナット60を締め付けることによって実行される。
【００３７】
包括的な図５ａ〜図５ｆは出力プーリ20の詳細を示す。出力プーリ20は二つの部分110，112を含み、補助部分110は、主アイドラ80a，80b及び補助アイドラ82a，82bの垂直位置に収容するために主部分112よりも大きい直径を有する。部分110，112はそれぞれ、（図６ｇの）らせん状の連続的な溝160を表面上に有する円周部114，116を有し、これにより、プーリ20を中心として駆動トルクを均等に分配し、張力ねじ94a，94b及び張力ねじ96a，96bの終端にかかる応力を軽減し、したがって、離脱の可能性を減少させるようにケーブルと出力プーリ20との間で摩擦を生じさせる。図１１ａは、孔144a，144b，146a，146b内の張力ねじの配置を示す駆動ユニットの正面図である。
【００３８】
図５ａ、図６ｇ及び図８を参照すると、ケーブル92b（図８参照）は、円形の溝160（図６ｇ参照）に沿って出力プーリ20の主部分112（図５ａ及び図８参照）に巻き付いており、円形の溝部分160は、らせん状のヘリカル通路がプーリ20の回転の中心に沿って延在するように円周面116（図５ａ参照）上に機械加工されている。ケーブル92bが面116を巻装する方向は、張力ねじ孔146aの上方に位置する側面アクセス孔から始まり、出力荷重接合面から出力プーリ20を見て左回りである。ケーブル92bが溝160の内側にある時、ケーブル92bと溝160との間の表面摩擦は、ケーブル92bが張力を受けながら、出力プーリ20を左回りに回転させるのを支援し、したがって、ケーブルが終端された張力ねじ孔146a内の張力ねじ96bに集中する応力の一部分を軽減する。ケーブル92a（図８参照）により右回りに巻装された隣接の溝部分161（図６ｇ参照）を、主部分112の軸線方向の長さに応じて溝160とつなげても、つなげなくてもよい。溝部分162（図６ｇ参照）ではケーブル90b（図８参照）が左回りに巻き付くようになっており、溝部分163（図６ｇ参照）ではケーブル90a（図８参照）が右回りに巻き付くようになっているので、補助部分110に主部分112と同一の関係が適用される。
【００３９】
張力ねじ96aは、肩部145a（図５ｄ参照）上にある出力プーリ20の孔144aに挿入し、肩部145aは、左回りの補助ケーブル90bから荷重を受ける張力ねじ96aを支持する。ケーブル90bは側面孔147（図５ｆ参照）を通って出力プーリ20にアクセスし、張力ねじ96aに最大3回まで巻き付き、張力ねじ94aの孔154（図９ａ参照）を通過する。ねじ94a，94b，96a，96bの唯一の違いは孔154の軸線方向の位置であることに留意されたい。出力プーリ20上には張力ねじごとに二つの側面孔147があり、一対の側面孔147のどちらか一方を選択することは張力ねじ上におけるケーブルの巻き方向を決定し、したがって、それぞれのケーブルを締め付ける張力ねじの回転方向を決定する。ケーブル90bが孔154の内側でつっかえて止めねじ97により固定されるまで、張力ねじのタップ孔159（図９ｂ参照）内に入った止めねじ97（図１１ｂ参照）はケーブル90bを挟み、ケーブル90bの先端を変形させる。ケーブル90bを操作する空間を与えるため、側面アクセス孔147にケーブルをくぐらせてケーブルの巻き付けと止めねじの固定とを完了した後、ケーブルが孔144aに戻される前に、張力ねじ96a及び止めねじ97の部分組立体全体は出力プーリ20の外側に取り出される。
【００４０】
ケーブル90b及び張力ねじ96aが孔144a内に配置された後、張力ねじのすりわり158（図９ｂ参照）と係合するねじ回しを用いて張力ねじ96aを右回りに回転することによりケーブル張力を調整することができる。所望のケーブル張力に達した後、座金99（図１参照）及び六角ナット100（図１参照）を張力ねじ96aのねじ部分156（図９ｂ参照）に嵌め込んで、出力プーリ20に対する張力ねじ96aの回転位置を固定する。六角ナットが緩むことなく、張力ねじを左回りに回転することができない場合、ケーブル張力を保証することができる。このことは、張力ねじを常に右回りに回転してケーブル張力を強めなければならないように出力プーリ20上で一対の側面アクセス孔147のどちらか一方を張力ねじごとに選択することにより達成される。
【００４１】
具体的には、張力ねじがケーブル張力により左回りに回転しようとすると、座金及び六角ナットは一体となって出力プーリに対して回転しようとするが、出力プーリの前面に生じる摩擦がこの回転に抵抗するので、張力ねじ96aの回転は、座金99及び六角ナット100が出力プーリ20に対して静止したままで行われ、この結果、六角ナットが張力ねじを介して出力プーリ20に押し付けられ、このため、張力ねじ96aの更なる左回りの回転に抵抗することになる。出力プーリの前面と座金99及び六角ナット100との間の摩擦が、六角ナット100の内部ねじと（図９ａの）張力ねじ96aの外部のねじ部分156との間の摩擦よりも大きい場合、ケーブル張力が自然と緩むことはない。このことを平座金99の広い表面領域により確実にすることができ、この場合、張力ねじ96a、座金99及び六角ナット100は一体となって左回りに回転せず、これにより、この特定のケーブル部分の張力を保証する。直角駆動システムにより生じられる荷重は、図５ａ及び図５ｂに示されるボルト孔150及びタイミングダウエル孔151を介して出力プーリ20の前面にかかる。この荷重により図１の中心ダウエル32を用いて出力プーリ20の回転中心を位置決めすることができる。図５ｅには、出力プーリ20における張力機構の詳細を示す。
【００４２】
ケーブルの弾性伸縮による伝達損失を最小限度に抑えるため、可撓性ケーブル90b，92bを、金属製としてもしなくてもよい低伸縮性／プレテンション加工ケーブルとすることができる。
【００４３】
再び図２を参照すると、各アイドラ機構は、主アイドラ80a，80bと、補助アイドラ82a，82bと、主アイドラ80a，80bと補助アイドラ82a，82bとを分離する補助アイドラスペーサ84と、主アイドラ80a，80b及び補助アイドラ82a，82bの両方を互いに独立して自由に回転させる二つのフランジラジアル玉軸受86とを含み、入力プーリ54及び出力プーリ20の両方に対するアイドラシャフト78の相対位置に応じて主アイドラ80a，80b及び補助アイドラ82a，82bを全く同じにしても、しなくてもよいことに留意されたい。図７ａ及び図７ｂにはアイドラシャフト78を示す。アイドラシャフト78は、その一端の近傍に位置する円周隆起部79を含み、これによって、二つのシャフトは、図１０ｃで最も良く分かるように、アイドラシャフト78の前記一端から隆起部79までの距離に等しい距離の孔76に挿入されている。図４ｆから分かるように、ロックナット60はアンギュラコンタクト玉軸受を中間ハウジング22内に保持するように出力プーリ20と、出力プーリ20の最も近くに位置するアンギュラコンタクト玉軸受24との間に配置されている。
【００４４】
図８には、入力プーリ54及び出力プーリ20の相対位置を示す。図２及び図４ａで最も良く分かるように、アイドラシャフト78は中間ハウジング22の部分74の孔76内に配置される。ケーブル駆動型直角駆動システムでは、ハーモニックドライブ（登録商標）56（図１５参照）により規定された入力軸線58と、出力シャフト26（図１１ｂ参照）により規定された出力軸線180とは互いに垂直に位置合わせされている。入力プーリ54と出力プーリ20との間の伝達は、入力プーリ54、出力プーリ20、主アイドラ80a，80b、補助アイドラ82a，82b、ケーブル90a，90b及びケーブル92a，92bを含むケーブルプーリシステムによりそれぞれ実行され、ケーブルプーリシステムでは、これら二つのケーブルセットは二方向の回転に対応する。
【００４５】
図８（及び、下記の張力ねじに関する図１１ａ）を参照すると、1）補助アイドラ82a及び補助張力ねじ94aに関連する出力プーリ20の右回転を司る補助ケーブル90aと、2）補助アイドラ82b及び補助張力ねじ96aに関連する出力プーリ20の左回転を司る補助ケーブル90bと、3）主アイドラ80a及び主張力ねじ94bに関連する出力プーリ20の右回転を司る主ケーブル92aと、4）主アイドラ80b及び主張力ねじ96bに関連する出力プーリ20の左回転を司る主ケーブル92bとを含む合計４つの独立したケーブルセットがある。各ケーブルに独立して張力を与えることができるが、ケーブルが入力シャフトと出力シャフトとの間で回転運動を伝達するのに用いられる場合、各ケーブルセットの張力を低減させるため、主ケーブル及び補助ケーブル対は方向ごとに協働する。二つのケーブルセットはケーブル張力を低減させてケーブル信頼性を改善し、一つのケーブルが破損した場合に安全性を改善する冗長性を備える。
【００４６】
再び図８を参照すると、ハーモニックドライブ（登録商標）56の出力フランジ98により駆動される入力プーリ54が（ハーモニックドライブ（登録商標）56の裏から見て）左回りに回転する場合、左回りの主ケーブル92b及び補助ケーブル90bは、入力プーリ54のポケット138a，140aの内側にそれぞれ配置された圧着フィッティング101で終端する一端から張力を受けながら、側面アクセス孔141b，141a（図６ａ参照）をそれぞれ通って、主アイドラ80b及び補助アイドラ82bにより直角の方向に転換され、ケーブルの他端では、主張力ねじ96b及び補助張力ねじ96aの止めねじ97における終端を引張り、したがって、出力プーリ20と、出力シャフト26に接続されたダウエル32とを、出力プーリ20の前面から見て左回りに回転させる。その一方で、入力プーリ54における圧着フィッティング101の終端から始まり、側面アクセス孔141d，141c（図６ａ参照）をそれぞれ通る右回りの主ケーブル92a及び補助ケーブル90aが主アイドラ80a及び補助アイドラ82aにより直角の方向に転換され、主張力ねじ94b及び補助張力ねじ94aの止めねじ97において出力プーリ20で終端されているので、他のケーブルセットは逆方向に巻き戻される。
【００４７】
ケーブルが張力を受けて弾性変形することにより生じる運動損失を最小限度に抑えるため、ケーブル90a, 90b，92a, 92bは低伸縮性／プレテンション加工ケーブルとするのが好ましい。図１、図２、図１０ｂ及び図１０ｃを参照すると、組み立てられた場合、アイドラキャップ62，64はハウジングカバー16の上部及び底部にボルトで留められ、中間ハウジング22上の孔76の自由端に対向するアイドラキャップ62，64の自由端でアイドラシャフト78を支持する。したがって、ケーブルが張力を受けている時でさえ、アイドラシャフトに装着されたアイドラ80a，80b，82a，82bは入力プーリ54及び出力プーリ20に対して放射状位置を維持することができる。
【００４８】
図１３には、ダウエル32が突出する出力面とは反対側にある駆動ユニットの背面から見た図を示す。図から分かるように、軸受59は、シャーシ14の後壁に位置する（図２の）孔61内で回転する。
【００４９】
図１４及び図１５は、カバー16のない駆動ユニットの等角図であって、これにより、図８に示されるケーブル駆動システムの配置を表し、図１４及び図１５では、ケーブル駆動システムはシャーシ14内に配置されている。図１の直角駆動システム10と比較して、図１４及び図１５における直角駆動システムの出力プーリ20の構造にはわずかな違いがある。図１４及び図１５では、出力プーリ20は、プーリ20の外面上に一体的に形成された隆起ガイド21を含む。図１４及び図１５に示される直角駆動システムは、図１に示される直角駆動システム10よりも大きい。その理由は、図１４及び図１５に示される直角駆動システムが、直角駆動ユニット406のような肩ピッチ関節と、直角駆動ユニット410のような肘ピッチ関節との両方に用いられるためである。
【００５０】
肘ピッチ関節及び肩ピッチ関節における荷重は、各関節が担持する部品重量の差により手首ピッチ関節における荷重よりもかなり高い。したがって、高いトルクを補償するためにプーリ20，54を拡大する必要があり、これにより、駆動ケーブルセット90ａ，90b，92ａ，92bの応力を低減させることがある。したがって、図１の直角駆動システム10を手首ピッチ関節に適用できるが、肘ピッチ関節及び肩ピッチ関節に使用するために、図１４及び図１５に示される変形例となるように直角駆動システム10の外形寸法は結果として増大することが要求される。肘ピッチ関節における荷重に比較して肩ピッチ関節の追加の荷重は、図１８ｄに示されるようにカウンタバランスねじりばね440により部分的に補償されている。図１８ｄを参照すると、直角駆動ユニット406の出力プーリ20上の隆起ガイド21は、肩支持体439の内部軸505を出力プーリ20と結合させるように誘導して、出力ブラケット266を回転する結合駆動シャフトを形成するのに用いられる。肘ピッチ関節の直角駆動ユニット410の出力プーリ20上に位置する隆起ガイド21は利用されない（図１９ｅ参照）。
【００５１】
本明細書で開示されるケーブル駆動型直角駆動システム10はいくつかの優れた特徴を有する。具体的には、ケーブル駆動型直角駆動システム10は、既存のモジュール式ロボットアームシステムの関節に代替品として組み込んで改良することができる、低荷重から中荷重の軽量ユニットである。駆動ケーブル90ａ，90b，92ａ，92bを用いることにより、バックラッシュのない双方向回転が得られる。駆動システムはハーモニックドライブ（登録商標）56を組み込むことにより、バックラッシュを生じさせずにモータ入力を生成する。駆動ユニットはコンパクトかつ軽量であり、インライン又はオフセット入力／出力構成を有する。インライン構成では、入力軸線及び出力軸線が同一平面上にあるのに対して、オフセット構成では、入力軸線の面と出力軸線の面とが平行であるが、これら面に対して垂直な方向にずれがある。入力軸線と出力軸線との間の相対的な位置合わせ誤差をケーブルの張力により補償することができる。ユニットは安全のために冗長ケーブルを用い、簡単なケーブル張力機構を用い、著しく費用効率が高い。その理由は、ユニットが簡単な構造を有し、高価な伝動装置及び位置合わせ装置を必要としないためである。
【００５２】
プーリ20，54の別の実施形態では、入力プーリ及び出力プーリの両方は、この設計に示された二つ以外のいかなる数の異なった直径部分を有することができる。一対のアイドラプーリ部分組立体が各ケーブル伝達部分に適すれば、他の物理的な制約が満たされている限り、更なるケーブル伝達部分を入力プーリ及び出力プーリに導入することができる。伝達全体の完全性のため、追加のケーブル部分は更なる安全性をもたらすが、モジュールの寸法は必然的に増大される。
【００５３】
入力プーリに配置された小型のハーモニックギアを用いて歯車比を導き出すことができ、荷重は出力プーリの前面に直接かけられる。角運動センサ及びモータブレーキのような追加の装置を出力プーリ駆動シャフトに取り付けてコンパクトなモジュールを製造することができる。複数の製造業者から容易に入手できる様々な大きさの既製部品を用いて、モジュールを、目標とされる荷重容量に寸法設定することができる。
【００５４】
したがって、本発明は、ケーブルプーリシステムとハーモニックドライブ（登録商標）技術とを組み合わせることにより、コンパクトで、しかも、高効率の直角伝達モジュールを提供する。ハーモニックドライブ（登録商標）が高い出力密度及びバックドライバビリティに寄与しながら、ケーブルプーリ駆動システムは高忠実性を提供する。軽荷重から中荷重の用途では、このモジュールはアクチュエータ及びセンサの小型化を可能にし、その一方で、従来のかさ歯車又はウォーム歯車よりも性能の点で優れている。機構自体は簡単であり、しかもロバストであり、高度にモジュール化され、柔軟に接合する。冗長ケーブルの使用により設計に安全性が加わり、入力伝達軸線及び出力伝達軸線のアクセス容易性はコンパクトな統合ユニット内に補助装置を組み込みやすくする。この設計は簡単な部品を有し、高価な歯切り技術を必要としない。位置精度、寸法及び重量、効率、モジュール性、再構成の容易性、一体性、並びに保全に関して、他の既存の技術は比べものにならない。
【００５５】
したがって、本発明は、ほとんど或いは全くバックラッシュのない直角駆動システムを提供し、直角駆動システムに対して、簡単かつロバスト設計であって、高度な再現精度、高効率、バックドライバビリティ、高歯車比、コンパクトサイズ及び軽量化を達成する。
【００５６】
本発明の好適な実施形態は、入力プーリ54及び出力プーリ20が互いに垂直になる面内で回転し、これにより、入力シャフトの回転運動が入力回転軸線に対して垂直な軸線を中心とする回転運動に変換される直角駆動システムであるが、当然のことながら、他の角度も可能である。具体的には、ケーブル経路に影響を及ぼさない限り、入力軸線と出力軸線との間でいかなる固定角度にも適合させるようにハウジングシャーシ14、カバー16、中間ハウジング22及び他の部品を製造することができる。したがって、入力と出力との間で好ましい公称角度は90°であるが、他の角度も可能であることは明らかである。更に、張力を調整することができる可撓性ケーブルが用いられているので、ユーザは、所望な角度を与える位置に入力プーリ及び出力プーリが固定されるようにハウジングを再構成して入力軸線及び出力軸線を好ましい角度に調整することができ、各ケーブルのケーブル張力は、入力プーリ及び出力プーリを互いに再配置することにより生じるケーブルの緩みを取るように適宜調整されることは明らかである。
【００５７】
例えば、異なる角度に対してねじの張力を促進する一つの方法は、内蔵ばねにより張力ねじにトルクを連続的に与えることである。ねじは、一方向に回転をさせて張力ねじの逆回転を防止するラチェットをも有することができる。したがって、ばね及びラチェットが更に緩まないようにすることにより、ケーブルのいかなる「緩み」も取り除くことができる。ケーブルを適切に引張るのに充分なトルクを有するばねが選択される。入力プーリ及び出力プーリが直角伝達用又は他の角度伝達用に構成されているかにかかわらず、ばね又はラチェットは両方ともケーブル張力を生成する。ばねの場合、ケーブルは、手動で調整することなしに常に張力を受けているが、張力に関して非常に強いばねであることが好ましい。また、ラチェット機構は一方向すなわち、ケーブル張力を更に強める方向に回転を与え、これにより、通常の状況下でケーブルの緩みが生じないことが保証される。
【００５８】
ラチェット張力機構と、図５ｅに示されるケーブル張力機構との差は、ラチェット機構が離散的なシステムであることであり、このことは、ねじが着座できる回転位置を「ロックする」数がラチェットの歯数に依存することを意味し、その一方で、図５ｅに示されるねじ／ナット張力機構は、ケーブル張力が設定された後で「ロックする」のに無数の可能な位置を有する。ねじ／ナット張力は手動の調整を必要とするが、ラチェット機構を用いて自動張力調整を実行することができる。したがって、ばね若しくはラチェット、又はねじ／ナット機構はすべてケーブル張力装置の実行可能な実施形態である。
【００５９】
2）手術マニピュレータ
図１６ａ〜図２１ｅには、手術マニピュレータアーム400の全体と、アームを構成する様々なすべての部品とを示す。図１６ａは、符号400で全体的に示された本発明の一部分を形成する６自由度手術ロボットの等角図である。図１６ａ及び図１６ｅはマニピュレータ400の二つの異なる等角図を示しており、図１６ｂ、図１６ｃ及び図１６ｄはそれぞれマニピュレータ400の背面図、側面図及び上面図を示している。図１６ａ〜図１６ｅに関してマニピュレータ400の基本的な外部構造を説明し、これら各部品の内部構造の詳細を図１７ａ〜図２１ｅに関して説明する。
【００６０】
図１６ａを参照すると、手術ロボット400の基部401は、軸線414を有する肩ロール関節と、軸線422を有する肩ピッチ関節の一部分とを含む。図１７ａ〜図１７ｅを参照すると、マニピュレータ肩基部401は、テーブル面に据え付ける取付板200と、基部板200に装着された肩ロール関節及び肩ピッチ関節兼用の支持ハウジング202と、（図１６ａにも示される）軸線414を中心として回転する被駆動平歯車204とを含み、被駆動平歯車204は肩ピッチハウジング252（図１７ｃ参照）と一緒に肩ピッチ関節の一部分を形成する（これについては、次の段落での説明を参照されたい）。肩ピッチハウジング252は一対のアンギュラコンタクト玉軸受500により支持ハウジング202の内側に装着され、ハウジング252の延長部258には、肩ロール関節出力位置を測定する光エンコーダ503が結合されている。直刃の平歯車204は、平歯車204が噛合される小型のピニオン206により回転駆動される。ピニオン206は、ばね216を有するアンチバックラッシュ歯車であって、被駆動歯車204と噛合する時に対応の歯車歯間の空隙を排除する。ピニオン206は、ハブ214を介し、続いて肩ロール駆動シャフト220を介してモータ212に装着され、モータ212により駆動される。モータ212は歯車206の下に装着され、ハウジング202に固定されている。歯車比は歯車204とピニオン206との間で存在し、各直径の差に依存する。モータ212はハーモニックドライブ（登録商標）、(入力モータ位置を測定する)インクリメンタル光エンコーダ及びブラシレスDCモータの組み合わせである。ハーモニックドライブ（登録商標）56は、モータ212の入力と、駆動シャフト220において結果として生じる出力運動との間に追加の歯車比を与えて歯車204の速度を更に減少させる。
【００６１】
特に図１７ｃを参照すると、電力遮断ブレーキ208はフェイルセーフ制動を行うためにモータ212と結合されており、電力遮断ブレーキ208では、モータ212の直下でブレーキのアーマチュア222が肩ロール駆動シャフト220に接続されている。ブレーキ222は、取付板200上に固定されたブレーキ支持体210に装着されている。制動状態又は緊急停止状態では、ブレーキ208に供給される電力は遮断され、ブレーキ208のアーマチュア222は、ブレーキ208の内側で発生された磁界により回転を停止し、したがって、駆動シャフト220はすべての運動を停止し、結果として肩ロール関節全体を停止することができる。
【００６２】
モータ212は、ハーモニック歯車と統合されたサーボモータと、前記ピニオン歯車と結合されたモータシャフト220の回転変位を測定する角度エンコーダとを含む。
【００６３】
図１８ａ〜図１８ｅを参照すると、肩ピッチ関節は、上側基部404（図１６ａ参照）の上部に装着された直角駆動ユニット406を含む。直角駆動ユニット406の肩ピッチ関節の構造及び動作は、前述した「直角駆動ユニット」と題する欄に説明されている。前の段落に説明されているように、平歯車204及び肩ピッチハウジング252は肩ロール構造の一部分を形成する。図１８ｄを参照すると、平歯車204は直角駆動ユニット406と入力作動部品との間のインターフェースとして作用する。入力作動部品は、電力遮断電磁ブレーキ254が取り付けられた後部に接合板253を有するブラシレスDCモータ250と、モータ入力位置を測定し、ブレーキ254に直接装着されたインクリメンタル光エンコーダ256とを含む。
【００６４】
モータ250の回転がモータ出力シャフトの接続後部端を介して停止されるという点から、制動時、電力遮断ブレーキ254は肩ロール関節の対応部分と同じように作用する。モータ250の出力シャフトの前方端は直角駆動ユニット406のハーモニックドライブ（登録商標）56に接続され、これにより、「直角駆動ユニット」の欄で説明されたように入力プーリ54を回転し、出力プーリ20を駆動する。直角駆動ユニット406の出力側では、肩支持体439は駆動ユニット406のシャーシ14に装着され、肩支持体439は、一対のアンギュラコンタクト玉軸受504により支持され、直角駆動ユニット406の出力プーリ20と結合された内部軸505を有する。軸505の外側端には取付ブラケット266が装着され、取付ブラケット266では、マニピュレータの下腕408が取り付けられて下腕408（図１６ａ参照）は肩ピッチ軸線422を中心として回転する。
【００６５】
モータ250が下腕408と、下腕408の上側に取り付けられた残りの部品とを引力に逆らって肩ピッチ関節を中心として運動させるのを支援するため、ねじりばね440（図１６ａ、図１８ｂ及び図１８ｅ参照）は肩支持体439及び下腕408に装着され、下腕408が肩ピッチ軸線422を中心として、指示された方向に回転する時にカウンタバランスとして機能する。特に図１８ｂ及び図１８ｅを参照すると、カウンタバランスばね440は、ブラケット507により支持された片方の脚を有し、その一方で、（図１６ａで明らかなように）もう片方の脚は下腕408と一緒に回転する。図１８ｅの矢印の方向に沿って示されるように、下腕408が前方に回転している時だけ、ばね440は荷重を受ける。ブラケット266に取り付けられたすべての部品は、（図１６ａで明らかなように）肩ロール関節の軸線414を中心として一体となって回転する。
【００６６】
図１６ａ、図１６ｅ及び図１９ａ〜図１９ｅを参照すると、肘ピッチ関節の直角駆動ユニット410はマニピュレータの下腕408の上側端に取り付けられ、肘ピッチ関節は、前の段落に説明されている肩ピッチ関節と同じ構造及び動作を有する。駆動ユニット410の入力プーリ54(図１９ｅ参照)の回転運動が肘ピッチ軸線426を中心として上腕412の回転運動へ変換されるように、上腕412は、肘ピッチ関節の直角駆動ユニット410の出力プーリ20（図１９ｅ参照）の上部に位置するブラケット282に装着されている。図１９ｅで明らかなように、ブラシレスDCモータ460と、電力遮断ブレーキ464を有する接合板462と、インクリメンタル光エンコーダ466とはハウジング280の内側に配置され、構成及び動作の両方の点で、それぞれ肩ピッチ関節の対応部分250，253，254，256（図１８ｄ参照）と全く同じである。
【００６７】
図１６ａ、図１６ｅ及び図２０ａ〜２０ｅを参照すると、手首ピッチ関節の直角駆動ユニット416はマニピュレータの前腕412の上側端に取り付けられ、手首ピッチ関節は肘ピッチ関節及び肩ピッチ関節と同じ構造及び動作を有するが、肘ピッチ関節及び肩ピッチ関節よりも小さい。駆動ユニット416の入力プーリ54（図２０ｃ参照）の回転運動が手首ピッチ軸線432を中心として手首420の回転運動へ変換されるように、手首420（図１６ａ参照）は、手首ピッチ関節の直角駆動ユニット416の出力プーリ20（図２０ｃ参照）の上部に位置するブラケット288に装着されている。前腕412の内部構成は下腕408の内部構成と類似し、前腕412では、ブラシレスDCモータ470と、電力遮断ブレーキ471を有する接合板471とがハウジング286の内側に配置され、下腕408の対応部分460，462，464よりも小さいが、これらに類似し、同じ動作原理を有する。インクリメンタルエンコーダ473は下腕408のエンコーダ466と全く同じである。
【００６８】
次に図２１ａ〜図２１ｅを参照し、特に図２１ｅを参照すると、手首ユニット420は、作動機構が含まれるハウジング300を含み、作動機構はモータ302、接合板480、ブレーキ304及びエンコーダ306を含み、これらは、前の段落で説明された手首ピッチ関節組立体の対応部分470，471，472，473と同じように動作するように構成されている。手首420内の作動機構は、手首ピッチ関節の直角駆動ユニット416のハーモニックドライブ（登録商標）と全く同じハーモニックドライブ（登録商標）482と、エンドエフェクタ428が外端で接続された出力シャフト484と、手首ピッチ関節の直角駆動ユニット416に用いられる図２０ｃのエンコーダ46と全く同じであるインクリメンタルエンコーダ483とを取り囲む手首出力シャフトハウジング424をも含む。エンドエフェクタ428は作動機構により、特にモータ302により駆動されて、ハーモニックドライブ（登録商標）482により歯車減速機を介して手首ロール軸線438を中心として回転する。
【００６９】
したがって、マニピュレータの６自由度には、すべてが、すなわち、肩ロール軸線414、肩ピッチ軸線422、肘ピッチ軸線426、手首ピッチ軸線432、手首ロール軸線438及び（以下の「手術エンドエフェクタ」の欄で詳細に説明される）ツールヨー軸線441が考慮されている。マニピュレータ400のリンク機構は、下腕408及び前腕412の両方が肩ロール軸線414及び手首ロール軸線438に対しながら肩ピッチ軸線422及び肘ピッチ軸線426に沿ってカスケード接続されたオフセット構成で配置されている。この構成は、関節間の特定の所望なリンク機構の長さを鑑みて、関節ごとの作動ユニット全体を取り囲むのに必要とされる（下腕408、前腕412、手首424及びエンドエフェクタ428により形成された）マニピュレータアームの長さを最小になるように調整すると、すべてのピッチ関節の移動範囲を拡大させることができる。
【００７０】
下腕408及び上腕412の両方の厳密なオフセット量は肩支持体439の部分506の長さ（図１８ｄ参照）により肩ピッチ軸線422の方向に沿って調整され、結果として生じるオフセットは、手首ロール軸線438が肩ロール軸線414と整合するように手首420を配置する。より直感的な制御のための直列運動連鎖だけでなく、簡単化された運動学の計算をも必要とする運動学的な考慮事項が、この整合の理由である。物理的なマニピュレータがオフセット構成であっても、手首ロール軸線438及び肩ロール軸線414を整合させることにより直列の運動構成が達成される。
【００７１】
3）手術ツール
ツールの説明の後で説明するように、ロボット手首ユニット424の端部に接続されたエンドエフェクタ428（図１６ａ参照）は、エンドエフェクタ428から着脱することができる手術ツール430を保持する。図２２ａ〜図２２ｅには、マニピュレータ400（図１６ａ参照）に取り付けられたエンドエフェクタ428に着脱可能に装着することができる手術ツール430の第一実施形態を示す。図２２ｃ及び図２２ｄを参照すると、ツール430は、主ハウジング500と、ハウジング500の端部に差し込まれたテフロン（登録商標）ブッシング502と、テフロン（登録商標）ブッシング502を通ってハウジング500内で滑動するピストン504と、右側鉗子の刃506と、左側鉗子の刃508と、鉗子挿入部510とを含む。鉗子の二つの刃は、これらを貫通する孔を有し、ダウエル512は、これら孔を通って挿入されている。ピストン504が主ハウジング500に出入りすると、このダウエル512を中心として二つの刃が枢動する。ピストン504は、その外端に配置された頭部分514と、頭部分514とピストン504の本体の残りの部分との間に配置された幅の狭い首516とを含む。ピストン504は小直径の延長部522を含み、延長部522は、ダウエル512より上の主ハウジング500内に配置された鉗子の二つの刃506，508の端部部分間で上下に滑動する。Oリング520はピストン504の大直径部分の端部に設置されている。ツール430はタイミングプーリ528を含む。
【００７２】
図２３ａ及び図２３ｂには、全体的に符号560で示された手術ツールの別の実施形態を示す。手術ツール560は、主本体562と、首568によりピストンの本体から分離されたピストン頭566を有するピストン564とを含む。鉗子の二つの刃570，572は、ハウジング562の内側に位置する共通の枢着点を中心として枢動し、刃570，572を開放位置に戻すばね574を用いる。ばね574は、刃570，572にそれぞれ関連するハウジング部分580，582内に含まれている。ツールは内部のくさび作用を用いて刃570，572を閉じる。駆動ピストン564はローラ576（図２３ｂ参照）を用いて枢着点上の刃の上側近傍部分を分離し、次に、手術中に組織と接触する遠位刃先端を締め付け合わせる。
【００７３】
図２４ａ及び図２４ｂには、主本体632と、首638により本体部分から分離されたピストン頭636を有する中央ピストン634とを含む手術ツールの別の実施形態を示す。手術ツール632は、鋏運動を生成する4節リンク機構を用いて鉗子の刃640，642を作動する。
【００７４】
図２５ａ及び図２５ｂには、この場合も、主ハウジング702と、中央ピストン704と、単一片から製造された鉗子の刃708，710とを含む手術ツール700の別の実施形態を示す。刃の開口が二つの刃の接合部でばね力により実行されるように、鉗子の刃708，710は、単一片、又は、互いに溶接された二つの片で製造されている。刃を閉じるため、ピストン704は下向きに移動し、くさび部がピストン704に食い込むと、ピストン704は、刃708，710が接合する材料を弾性的に変形させることにより刃708，710を閉じる。
【００７５】
当然のことながら、手術ツールには多数の種類があり、各手術ツールは、エンドエフェクタ428に装着できる異なる構造及び機能（例えば、鋏、メス、鉗子など）を有することができるツール部分を有する。これら異なるツール部分の構造又は機能にかかわらず、ピストン504が前記エンドエフェクタ428に対して直線的に収縮され、又は直線的に延長されると、手術ツール430のツール部分を作動させることができる。図示された鉗子は一例にすぎず、限定するものでない。
【００７６】
4）手術エンドエフェクタ
上述したように、図１６ａを参照すると、ロボット手首ユニット424の端部に接続されたエンドエフェクタ428は交換可能な手術ツール430を保持する。顕微手術マニピュレータは、小型かつ軽量であって、異なるツールを用い、２自由度（DOF）で作動し、高速かつ自動的にツールを交換でき、6DOFツール先端の力を検知し、ツール止め具の力を検知し、ロボットとツール及び／又は患者との間で無菌バリアを維持し、組み立てやすいエンドエフェクタを要求するのが好ましい。
【００７７】
エンドエフェクタ428は滅菌及び非滅菌部品の両方から構成されている。滅菌部品は手術作業現場の作業雰囲気にさらされ、防菌バックにより保護されていない。防菌バックでは、エンドエフェクタ428の非滅菌部品と、後続する残りのアームとが保護されている。したがって、毎回の手術後に高圧及び高温蒸気を用いるオートクレーブ処理により、滅菌部品は汚染されていないことが要求される。手術環境（及び手術ツール430）と直接接触するエンドエフェクタ428上の部品を分離するため、無菌バリアを確立する必要がある。
【００７８】
エンドエフェクタ428の寸法要件は、エンドエフェクタ428が一般的な人間の手よりも小さく、可能な限り軽量であり、このようにしてアーム全体の外形寸法を駆動するのが好ましい。図２６ａには、手術ツール430を保持する組み立てられたエンドエフェクタ428の等角図を示す。ツール先端及び作業部位において最大視程を得るように適宜、エンドエフェクタ428も寸法設定し／方向付けるのが好ましい。これを達成するため、ツール作動を司るアクチュエータを手術部位から離して配置するのが好ましい。この非対称の位置付けは、二つのエンドエフェクタが密接に配置されることを容易にして、以下に説明される双対マニピュレータの動作構成において作業空間を小さくすることができる。
【００７９】
手術マニピュレータの限定されない実施形態では、（手術ツールを含まない）エンドエフェクタ428の外形寸法は長さ70mm、幅50mm、高さ80mmを有し、重さは240gである。これらパラメータはエンドエフェクタ428の寸法要件を満たすが、一例であって、限定するものではない。
【００８０】
現在利用可能な手術システムは、多数の滅菌副部品を有し、組立手段を複雑にし、これにより、長くて疲労させる組立時間を招くことが知られている。本明細書に開示されたエンドエフェクタ428は有利にも、最低限の組立部品と数分間の組立時間とを提供する。
【００８１】
図２６ａ、図２６ｂ、図２６ｃ、図２６ｄ及び図２６ｅを参照し、特に図２６ｂを参照すると、エンドエフェクタ428は、非滅菌部材を構成する主組立体436を含む。主組立体436は、保護バッグ又は硬質防護体がエンドエフェクタ428を密閉する場所である。エンドエフェクタ428は、磁性のあるツールホルダ450、ツールアクチュエータ452及びツールヨー機構454を含む三つの主要な副部品をも備える。看護士による組み立てを容易にするため、これらのすべての部分組立体は主組立体436との間で簡単な接合部を有する。図２６ｂの分解図は、滅菌部品がどのようにして取り外されるのかを示している。これら三つの副部品すなわち、磁性のあるツールホルダ450、ツールアクチュエータ452及びツールヨー機構454は、ねじを切った迅速変換ピン458，460，462により主組立体436に配置され、解放可能に固定される。
【００８２】
安全要求事項に関して、手術ツール430は、緊急時に始めから手動で作業空間から取り出される機能を有する必要がある。磁性のあるツールホルダ450及びツールアクチュエータ452の両方からそれぞれ迅速ピン458，460を取り外してツールアクチュエータ452を引張り出し、次に、手術ツール430を含むツールホルダ450を垂直に取り外すことにより、この機能を達成することができる。より迅速な別の方法では、（後で説明するように）ツールホルダ450からツール430を手動で排出し、垂直線からわずかな角度を成して、ツールフランジを除去するようにツール430を手術部位から取り出す。
【００８３】
主組立体436と、磁性のあるツールホルダ450、ツールアクチュエータ452及びツールアクチュエータ452とはそれぞれ以下で更に詳細に説明される。
【００８４】
a）主組立体436
図２７ｅ及び図２７ｆを参照すると、エンドエフェクタ428の主組立体436は、すべての電子部品すなわち、ツールヨーモータ600、ツール作動モータ601、ツール先端力・モーメントセンサ608及びツール作動力センサ604を含み、これらすべての電子部品はエンドエフェクタ428に装着されている。主組立体436はエンドエフェクタ428の中核を形成し、これら電子部品と、これらに隣接する支持構造体とは非滅菌であると考えられ、したがって、ドレープバッグにより保護される必要がある。ドレープバッグは、ロボットの基部からアームの全長にわたってエンドエフェクタの主組立体436の前面611まで被覆する必要があり、その一方で、エンドエフェクタの残りの部分組立体はドレープバッグを挟み、対応の接合部を介して主組立体に取り付けられている。
【００８５】
特に図２７ｆを参照すると、ツールヨーモータ600はモータ支持ブラケット602に装着されており、モータ支持ブラケット602は、ツールヨーモータ600の両端に締結する逆C字状の構造体である。正方形の駆動シャフト609は、モータ支持ブラケット602の底部側に露出されているツールヨーモータ600の出力シャフトに取り付けられており、この地点では、（後の段落で説明される）ツールヨー部分組立体454の駆動タイミングプーリが正方形の駆動シャフト609に接続されて、ツールヨー軸線441を中心とする回転を伝達する。
【００８６】
図２６ｅ及び図２７ｅを参照すると、ツール作動モータ601は、モータ601をツールヨーモータ600と平行して配置する横方向の延長部においてモータ支持ブラケット602に取り付けられている。このモータ601はリニアアクチュエータであり、モータ601では、その出力シャフトがモータ自体の主軸線に沿って上下運動し、出力シャフトの端部では、角度付き作動バー603が接続されている。したがって、バー603は、バー603の他方の端部に装着されたツールアクチュエータ部分組立体452へ垂直運動を伝達することができる。アクチュエータ452部分組立体は、（後の段落で説明される）ツール作動接合部と係合すると、エンドエフェクタにおけるツール作動運動軸線を形成する。
【００８７】
図２７ｆを参照すると、ツール先端力・モーメントセンサ608は、モータ支持ブラケット602と、ロボットアームの手首とインターフェースをとる基部ブロック605との間の単一の機械的なリンク機構である。このことは、ツール先端における相互作用力及びモーメントのすべてがセンサ608だけを介して伝達され、（後の段落で説明されるように）他に荷重経路がなく基部ブロック605に戻ることを保証する。この荷重経路は図２７ａの矢印により示されている。基部ブロック605は、ツールヨーモータ600が基部ブロック605のいかなる部分にも物理的に接触することなしに通される隙間孔612を有する。ツールホルダ部分組立体450はモータ支持ブラケット602の前面611に取り付けられ、その後、ツール430が取り付けられる。したがって、このことは、図２６ｂで明らかなように、基部ブロック605を除いて、全エンドエフェクタの残りの部品は、力・モーメントセンサ608の前面における単一の接合部で支持されていることを意味する。
【００８８】
再び図２７ｆを参照すると、ツール作動力センサ604は、角度付き作動バー603が垂直ガイド棒606により支持されている地点と、ツールアクチュエータ部分組立体452と一体となる接合部607との間で作動バー603に装着されている。(後の段落で説明されるように)センサ604は歪みゲージの形態をとり、バー603上のこの地点で、ツール作動による弾性の縦たわみを測定することができる。
【００８９】
b）ツール作動機構452
図２６ｄを参照すると、エンドエフェクタ428は、以下に説明されるツールヨー機構454から完全に独立して動作するツール作動機構452を含む。この動作は、リニアアクチュエータ601と結合されたリニアガイド支持体606を用いて、幅の狭い首部分516を介して手術ツール430のピストン504をツール軸線に沿って垂直に移動させて二つの刃506，508（図２２ｃ及び図２２ｄ参照）の間で握持運動を行うことにより達成される。エンドエフェクタ428のこの特徴を、ツール430がツールヨー軸線441を中心として回転しているか、又は、ツールピストン504の円形の首部分516により静止しているかにかかわらず、利用することができる。鉗子ツール430のピストン504のように作動部分組立体452と結合する機械的接合部を持たないツールであるという唯一の要件を有し、作動を必要としない手術ツール（例えば、プローブ、メス、焼灼器など）を用いる場合、この特徴を無視することもできる。
【００９０】
図２８ａ及び図２８ｂを参照すると、ツールアクチュエータ機構452は交差位置決めピン460により、角度付き作動バー603と結合されている。この機構は、鉗子手術ツール430のピストン部材504を取り囲むように固定する一対の枢動指614を含む。これらの指614はばね628により係合位置にばね荷重を受けるが、ツールを取り外すために指614を受動的に広げることができる。
【００９１】
図２６ｅ及び図２７ｆを参照すると、角度付き作動バー603は直動玉軸受615によりオフセットアクチュエータ位置に誘導される。角度付き作動バー603上に位置する歪みゲージ604はツール作動力を検知することができる。ツール430のピストン504の上下運動の結果として反作用により発生されたいずれかの方向にブラケットの片持ち梁部分がたわみを呈すると、歪みゲージ604は電圧信号を生成し、この電圧信号は解釈のためにコントローラにフィードバックされる。歪みゲージセンサ604の適切な較正を用いて、ツールを作動するのに必要な鉛直力を決定することができ、刃506，508の間でピストン504の延長部522が上方に滑動する時に刃506，508の閉鎖を司る刃506，508のカム部分510の幾何学的形状を鑑みて、鉛直力を次にツール430（図２２ｃ参照）の刃506，508の先端の挟む力に変換することができる。歪みゲージ604により刃506，508の先端の挟む力がどのようにして検出されるのかを示す図２６ｄの矢印を参照されたい。
【００９２】
c）磁性のあるツールホルダ450
磁性のあるツールホルダ450の目的は、ツールを堅固に保持することではあるが、ツールを依然として容易に回転できることである。この目的は、支持本体616内にツール430を拘束することにより達成される。図２９ｃに示される限定されない例示的な実施形態では、支持本体616は、細長い溝を有し、ABSプラスチックから製造されたほぼ「V」字状のブロックであり、細長い溝は、手術ツール430の円筒状のツール本体500を収容するのに適した寸法を有し、これにより、摩擦を最小限に抑えながらツール430を支持本体616内で回転することができる。図２６ｂ、図２９ａ及び図２９ｂを参照すると、磁性のある400シリーズステンレス鋼から製造するのが好ましい手術ツール430のツール本体500は、「V」字ブロックに埋め込まれた二つの希土類ポット磁石618により「V」字ブロック616に据え付けられている。磁力と、シャフトに対して接線方向である「V」字ブロック反作用力とはツール430を放射状に固定する。その一方で、手術ツール430の本体500の上にはフランジ529が配置され、フランジ529は「V」字ブロック本体616と軸線上で密接に適合することによりツールを軸線方向に拘束する（図２２ａ参照）。図２９ｃ〜図２９ｅには、磁性のあるツールホルダの更に詳細な図を示す。
【００９３】
ツールホルダ450の別の機能は、ツールホルダ450が、自動的にツールを交換するための受動的なツール交換を可能にするということである。図２９ｃ、図２９ｄ及び図２９ｅを参照すると、「V」字ブロック616には、ツール本体500を磁石618から引き離し、ツール430を排出するため、鋏作用に類似して圧縮されると直ちに枢動することができるツール解放機構が設けられている。図２９ｄは、ツール係合構成、すなわち、ツール排出翼617が閉鎖位置にある場合を示している。その一方で、図２９ｅは、ツール排出構成、すなわち、翼617が開放位置にある場合を示している。翼617がツールを排出した後、（図２９ｂ及び２９ｄで最も良く分かるように）翼617は、各翼617の後部に配置された圧縮ばね619により初期設定の閉鎖位置に戻る。
【００９４】
図２９ｆには、自動的にツールを交換するツールトレイ911上の受動的なツール交換器機構を示す。ツールトレイ911に固定された静止ピン950は、ツールを解放する特定のエンドエフェクタ機構と係合するように配置されている。これらの機構はアクチュエータ部分組立体452の枢動指614とツールヨー部分組立体454の外側のアイドラプーリ438とを含み、これら両方は、解放される必要があるツール430と係合している。しかしながら、実際の排出機構はツールホルダ450内にあり、ツールホルダ450からツール430を排出するため、排出翼617を後方へ押して開放位置にする必要がある。このことはツールトレイ911上の対応の排出ラッチ951により実行され、この排出ラッチ951は翼617と列設され、ツール排出時の衝撃を和らげるためにばね式プライヤのような機構を有する。
【００９５】
この処理では、この処理の唯一の能動部品であるマニピュレータ400がツールトレイ911上に押し下がると、ツール430が水平であるようにエンドエフェクタ428が方向付けられ、マニピュレータ400の下降運動はエンドエフェクタ428の係合機構614，438をツールトレイ911上のピン950により広げさせ、その一方で翼617は排出ラッチ951により作動され、これによりツール430をツールトレイ911上に完全に解放する。ツールを拾い上げるため、この処理を逆に行う。マニピュレータ400は、何のツールも持たないエンドエフェクタ428をトレイ911上のツール430の上部に持っていき、エンドエフェクタ428を押し下げて係合機構614，438及び排出翼617を広げ、エンドエフェクタ428のツールホルダ450上の磁石618によりツール430を獲得する。ツールトレイ911は対応の手術ツールごとに複数セットのピン950を有し、ツール識別センサをも所有する。ツール識別センサが、各ツールに内蔵されたタグを読み取ると、主コントローラは、マニピュレータ400が拾い上げたツールを登録することができる。ツールの識別タグを、ツールトレイ911上の対応のIRセンサと連動するバーコード又は赤外線タグとすることができる。
【００９６】
d）ツールヨー機構454
エンドエフェクタ428は、アンチバックラッシュ平歯車ヘッド及びインクリメンタルエンコーダと統合されたサーボモータにより作動されるツールヨーDOFを含む。図２６ｂを参照すると、モータ・歯車・エンコーダ組合体600の出力シャフトには、前述した正方形のピン609が結合されており、ピン609はツールヨー部分組立体454からタイミングプーリ736を駆動する。ツールヨー機構454が取り外し可能な滅菌部品であるので、非滅菌サーボアクチュエータ主組立体436から迅速に分離する継手が必要とされる。駆動プーリ736上の正方形の孔に厳密に適合された正方形のピン609によりトルクをツールヨー機構454に伝達することができ、しかし、オートクレーブのために分離することが容易にできる。
【００９７】
図２７ａ及び図２７ｂを参照すると、ツールヨー機構454は、枠442と、枠442に装着された一対のアイドラプーリ438を通じて、プーリ直径の向かい合う二つの端部で手術ツール430（図２６ｂ参照）上の相補の歯付プーリ528と係合する使い捨て可能な歯付ベルト540とを含む。歯付ベルト540の経路設定は、枠442に装着された中間アイドラプーリ620により完成される。中間アイドラプーリ620は、外側のアイドラプーリ438と同じピッチ直径を有する。駆動プーリ736により駆動されるベルト540の双方向回転は接線方向力を手術ツール430の回転運動に変換する。ツールヨー機構454が有する主な特性の一つは、異なる手術ツール430の受動的な取り外し及び取り換えである。前開き枠構造及びベルト構成により、ツールヨー機構454の前方からツール430を排出／取り換えることができ、これにより、ベルト540の周囲でツール430がからまないようにする。外側のアイドラプーリ438がシート状金属屈曲部621により支持されていることによりツール排出処理は更に促進され、ツールを完全に取り外せるほど充分に金属屈曲部621を受動的に広げることができ、いかなる摩擦の影響も排除する。ツール430が係合された場合、金属屈曲部621は、ツールのヨーイング中、タイミングベルト540に対して一定の予圧を可能にする。しかし、ツールがない場合、タイミングベルトの取り換えを容易にするため、金属屈曲部621を手で破壊することもできる。図２７ｃ及び図２７ｄには、エンドエフェクタを構成する部品の更なる詳細を示す。
【００９８】
本明細書に開示されたエンドエフェクタ428を任意のロボットアーム組立体に代替品として組み込んで改良することができ、本明細書に開示されたマニピュレータ400に装着することに限定されないことは当業者に明らかである。
【００９９】
これと同様に、一つの軸線に沿った回転運動から、別の軸線に沿った回転運動への変換を必要とする分野のいずれにも、本明細書に開示された直角駆動ユニット10を用いることができ、本明細書に開示されたマニピュレータ400に装着することに限定されないことは当業者に明らかである。
【０１００】
触覚フィードバック
遠隔操作型ロボットの操作中、外科医がハンドコントローラで接触の感覚を保持するために触覚が必要とされ、このことは、エンドエフェクタが実際の外力及びトルクをツール先端で検知し、ハンドコントローラに反映できなければならないことを意味する。弾性たわみから力及びモーメントを所望の方向に測定する力・モーメントセンサ608によりツール先端における力及びトルク（モーメント）が直接登録されるようにエンドエフェクタを設計して正確な触覚フィードバックを獲得するのが有利である。センサ608は、完全6DOF触覚フィードバックを達成できるように全6方向に力及びモーメントを測定する必要がある。センサ608は、約1〜200gである軟組織間相互作用の範囲内に検知精度を有する必要がある。センサ608の大きさは、エンドエフェクタの外形寸法を不所望な規模に拡張することなしにエンドエフェクタ設計に組み入れられるほど充分にコンパクトであるのが好ましい。これらパラメータを鑑みて、本発明のマニピュレータに好ましい最小の力・モーメントセンサは、わずかにφ17mm×長さ14.5mmの外形寸法を有するATI Industrial Automation（エイティーアイインダストリアルオートメーション社製）のNano17である。
【０１０１】
エンドエフェクタ428内における力・モーメントセンサ608の位置が触覚フィードバックの最終的な精度を決定するので、この位置は重要である。理想的には、センサ608は、ツールが異物と接触する時に外力及びモーメントが生じるまさにツール先端に配置すべきである。実際には、このことは、滅菌のためにオートクレーブサイクルを受ける必要がある手術ツールに精巧な電子部品を内蔵させることを意味するので達成し難い。しかも、様々なツールをエンドエフェクタ428に取り付ける必要があり、したがって、エンドエフェクタ設計の複雑性を増大させるツール交換時の電子的な接合が必要とされる。更に、各ツール上のセンサは、ツールの製造費用と、その後の、顧客による全システムの投資費用とを著しく増大させる。
【０１０２】
したがって、小型の力・モーメントセンサを手術ツールに接近してエンドエフェクタ内に維持することは有益である。このことはセンサの自由端上の重量を最小限に抑え、これによりセンサの検知能力を飽和させないようにする。しかも、ツール先端と検知点との間の物理的距離を減少させることにより、バックラッシュ、コンプライアンス及び振動のような機械的な不完全性により生じる、荷重経路にわたる信号の歪みを最小限に抑えることができる。荷重経路は電気回路内の電流経路に類似する。ツール先端から生じる力及びモーメントのすべてがセンサのみを通ってセンサの他端の支持構造体又は「接地点」に返信され、したがって、すべてのツール先端の荷重がセンサにより確実に収集されるようにした後で、力及びモーメント信号を解釈のためにコントローラに返信すれば、力及びモーメントの最適な検知を達成することができる。
【０１０３】
図２６ｅには、エンドエフェクタ428の荷重経路を通る断面図を示す。接地部分は、力・モーメントセンサ608の後端のみを支持する基部ブロック605から成る。アクチュエータ600，601、ツール作動センサ604及びこれらに対応する支持構造体のすべては、センサ608の自由端の前面に装着されている。ツール430の重量を含めてセンサ608により測定された重量の一因である各部品の既知の重量及び重心距離を用いてコントローラでの信号をゼロに設定することにより、センサ608により読み取られたこの余分な重量をオフセットすることができる。マニピュレータの動的方程式を用いてセンサ位置におけるすべての部品の予想自重を計算し差し引くことにより、この能動的な自重補償技術を完成させることができ、センサからのフィルタリング信号は、ツール先端で作用する純粋な外力及びモーメントである。
【０１０４】
ツール先端の力及びモーメント以外に、触覚フィードバックはツール作動力フィードバックをも含む。図２６ｄを参照すると、ツール430の刃506，508の開閉はピストン504の垂直運動により達成される。ピストン504はアクチュエータ部分組立体452により担持され、アクチュエータ部分組立体452は作動バー603を介してツール作動モータ601に接続されている。したがって、刃506，508のツール先端における挟む力は、前述した経路を通って垂直に伝達される。その結果、歪みゲージ型のセンサ604はバー603の弾性変形を測定してツール作動力フィードバックをコントローラに供給するために作動バー603の片持ち梁部分の中間に配置されている。生成された電圧信号をツール作動力調整に用いることができ、又は、適切なヒューマンマシンインターフェースを介してツール作動触覚フィードバック用にハンドコントローラで再生することができる。
【０１０５】
図１６ａを参照すると、手術マニピュレータ400は、遠隔操作型ロボットシステムにおいて外科医960の直接制御の下で外科手術に用いられるように設計されている。遠隔操作型ロボットシステムでは、操作者がハンドコントローラすなわちマスタを動かして行動を実施し、ロボットすなわちスレーブが、操作者の手の動きに従うことにより出力として実際の手術を実行するように、ロボット及びハンドコントローラはマスタスレーブ関係を形成する。図３０を参照すると、遠隔操作型ロボットシステムは二つの部分から構成されており、一方の部分であるスレーブは、二つのマニピュレータ900，901を含む移動基盤906であり、他方の部分であるマスタは、一つ以上のコンピュータモニタと、ハンドコントローラとしての二つの触覚装置903，904とを含む作業台908の形態をとり、各マニピュレータ・ハンドコントローラ対は、両手操作が可能となるように外科医960の左右の腕を模倣する。
【０１０６】
二つのマニピュレータ900，901は互いに鏡面対称に構成され、すべての部品は全く同じである。したがって、手術マニピュレータシステムは、構造上、互いに鏡像関係にあるように構成された少なくとも二つの手術マニピュレータ900，901を含み、手術マニピュレータの一方は左手操作用に構成され、他方は右手操作用に構成されている。この構成は、それぞれのエンドエフェクタに取り付けられた手術ツールを患者の手術部位において互いに最も接近させることができるという点で有利である。
【０１０７】
左側ハンドコントローラ及び右側ハンドコントローラをそれぞれの手術マニピュレータに結合する通信システムは、左側ハンドコントローラ及び右側ハンドコントローラの運動を第１及び第２の手術マニピュレータの拡大縮小された運動に変換するためにある。この拡大縮小された運動をソフトウェアにおいて予め決定することができ、コントローラ上における外科医の手の動きがエンドエフェクタで全く同じ運動に変換される1：1とすることができる。しかし、関連の手術処置に応じて、この比を1：1とする必要はない。
【０１０８】
マニピュレータ900，901ごとにツールトレイ911が各マニピュレータの基部付近に配置されている。ツールトレイ911は、図２２ａ〜図２５ｂに示されるツールと全く同じにしてもしなくてもよいが予定の手術処置に必要とされる多数の手術ツールを保持する。マニピュレータ900，901は、外科医960からの1回の命令でツールトレイ911のツールを自動的に交換するようにプログラムされている。マニピュレータ900，901の両方は移動基盤906に装着されており、移動基盤906を手術台907と結合し、手術が終了すると切り離し取り除くように容易に運搬することができる。移動基盤906に装着でき、又は、手術室内に取付具として装着できる顕微鏡及び／又はステレオカメラ909は、手術部位と、患者962に関連するツールが付加されたマニピュレータの概観との両方又はいずれか一方を視覚的に表示する。
【０１０９】
一般的なネットワークプロトコルを用いる単一ケーブル接続を、マニピュレータ移動基盤906と、外科医960がいる作業台908との間の信号の通信に用いることができる。初期設定により左側ハンドコントローラ903は左のマニピュレータ900を制御し、右側ハンドコントローラは右のマニピュレータ901を制御するが、手術中、必要に応じて、ソフトウェア選択により外科医960は、対になったコントローラとマニピュレータとの間の通信リンクを切り替えることができる。
【０１１０】
触覚装置903，904の各々は、外科医の手の動きを3次元空間における直動及び回転の全6方向に測定できる6DOFハンドコントローラである。測定後、運動信号はモーションコントローラから所定のマニピュレータに送信され、マニピュレータでは、外科医の入力が再生される。これら信号も拡大縮小することができ、これにより、ハンドコントローラ903，904における外科医の手の動きがマニピュレータにより実行される前にこの外科医の手の動きを縮小させることで外科医960はマニピュレータの運動の最高分解能を充分に活用することができる。ハンドコントローラ903，904では、外科医960は、ツール作動、デッドマンスイッチ及び自動ツール交換のようなマニピュレータの他の機能を制御するスイッチを利用することができる。
【０１１１】
触覚フィードバックを外科医960に供給するため、ハンドコントローラ903，904は三つ〜６つの電動関節をも有する。作業台908上におけるハンドコントローラ903，904の基部位置を、外科医960が使いやすいように調整することができ、肘掛けが追加された場合、手首での運動のみが外科医960から要求される。ハンドコントローラ運動にはマニピュレータの運動に対して絶対基準がないので、マニピュレータ900，901は適切な位置に手術ツールを保持しながら、外科医960は、この場合も疲労を最小限に抑えるため、ハンドコントローラ903，904のハンドルを楽な体位で保持することができる。更に、作業台908上には、システム状況を表示し、しかも、クリティカルシステムパラメータを調整するタッチスクリーンインターフェースを外科医960及び／又は看護師に提供する一つ以上のコンピュータモニタ905がある。
【０１１２】
外科医960が行うべき最も重要な設定の一つはマニピュレータに対する仮想境界である。マニピュレータに登録された術前画像を用いて、又は、カメラ909により撮影されたリアルタイムの術中画像を用いて、外科医960は、手術ツール430を有するマニピュレータが手術できる手術部位の領域を画面上に指定することができる。これら境界付近に移動するように外科医960がハンドコントローラを介してマニピュレータに命令した場合に、外科医960が移動を逆転させなければ、モーションコントローラは、マニピュレータがこれ以上遠くに移動するのを自動的に止めさせる。この指定は、マニピュレータが手術ツールを移動することができない禁止領域を設定し、これにより、外科医960は、患者の人体が保護される臨界領域を確保することができる。モニタ905は、顕微鏡及び／又はカメラ909により撮影されたリアルタイム映像をも表示する。
【０１１３】
或いはまた、外科医960が希望した場合、従来の顕微鏡の接眼レンズに類似するデジタル接眼レンズ910を介して顕微鏡／カメラ909の映像信号を表示することができる。テレプレゼンス手術中、何らかの視覚的な支援を受けることなく外科医960が患者962の手術部位を直接観察する場合、作業台908と一緒に外科医960は手術台907のすぐ隣にいることができる。遠隔操作の場合には、外科医960及び作業台908は、利用可能なネットワーク接続基盤のみによって制限された物理的距離だけ手術台907から離れている。モニタ905による視覚フィードバックと、ハンドコントローラ903，904による触覚フィードバックとは物理的距離を越えて外科医960に視覚及び接触の感覚を保持させ、これによって、より繊細かつ一貫性のある手の動きと、外科医960の疲労を軽減させる更なる人間工学的なユーザインターフェースと、手術室への立ち入りの減少と、患者962及び外科医960を保護する内蔵されたフェイルセーフ機構とが得られる追加の利益を伴って、遠く離れた遠隔操作を可能にする。
【０１１４】
遠隔操作に加えて、予め計画された画像誘導軌道も用いてマニピュレータを操作することができる。患者の手術部位の術前画像は、X線透視装置又はCTスキャナのような外部の撮像装置で撮影されている。その後、外科医960はこれら画像を用いて、問題がある箇所、すなわち、手術ツールを有するマニピュレータが進むべき領域を規定することができる。次に、外科医960は、術中画像をマニピュレータ座標系に登録しながら撮影することができ、それを、予定の標的を有する術前画像にマッピングすることができる。その後、制御ソフトウェアは標的をマニピュレータの作業空間座標内に読み取り、これにより、外科医960は、マニピュレータにより保持された手術ツールの全軌道を患者962の手術部位について指定することができる。予め計画された軌道の実行時に、外科医960はマニピュレータの自律運動を開始し、作業台モニタにおいていつでも一時停止又は巻戻すことができ、又は、予め作成された軌道に沿った運動を、ハンドコントローラを用いて制御することができる。
【０１１５】
現在市販されている他の装置と比較して、本明細書に記述された手術マニピュレータは、脳、脊椎及び眼の手術を含む顕微手術の分野においていくつかの利点を有する。まず、直角伝達モジュール及び他の作動部品の小型化のおかげで、この手術マニピュレータは普通の人間の腕よりも小さく、このことは手術部位への容易なアクセスを可能にし、手術室への立ち入りを最小限に抑える。サイズがコンパクトであるが、このマニピュレータは、より広いマニピュレータ作業空間を必要とする縫合のような作業を遂行するほど充分に広い運動範囲及び到達範囲を有する。利用可能な6DOFは、任意の所定の方向に器用な動きが可能であることを意味する。高出力ブラシレスサーボモータが各関節に配備されたことにより、椎弓根スクリューに対する骨の穴あけ及び組織の後退のような比較的重要な作業が可能となる。直角伝達モジュールの他に、高分解能センサ、増幅器及びモーションコントローラも使用されることにより、ツール先端で達成可能な最小ステップサイズは最高の脳外科医の指運動分解能に匹敵する。エンドエフェクタ設計の結果として自動ツール交換機能は、ツール交換時間だけでなく人的ミスをも減少させる。エンドエフェクタ構造により、荷重経路が力・モーメントを受けざるを得ないようにし、結果として生じる高い忠実性の触覚フィードバックは外科医に接触の感覚を保持させる。接触の感覚なしでは、外科医はかなりの量の手術技術及びノウハウを失うことになる。
【０１１６】
本明細書で用いられるように、「備える」，「含む」なる用語は、排他的ではなく、包括的であって無制限であると解釈されるべきである。特に、請求項を含め、この明細書で用いられる場合、「備える」，「含む」なる用語及びその変形は、指定された機構、工程又は部品が含まれることを意味する。これら用語は、他の機構、工程又は部品の存在を排除すると解釈されるべきではない。
【０１１７】
本発明の好適な実施形態の前述した説明は本発明の原理を例示するために与えられたものであり、例示された特定の実施形態に本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその等価なものに含まれた実施形態のすべてにより規定されることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図６ｇ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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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１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１６ｃ】
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【図１６ｄ】
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【図１６ｅ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１７ｄ】
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【図１７ｅ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１８ｃ】
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【図１８ｄ】
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【図１８ｅ】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図１９ｄ】
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【図１９ｅ】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２０ｃ】
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【図２０ｄ】
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【図２０ｅ】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２１ｃ】
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【図２１ｄ】
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【図２１ｅ】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２２ｃ】
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【図２２ｄ】
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【図２２ｅ】
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【図２３ａ】
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【図２３ｂ】
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【図２４ａ】
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【図２４ｂ】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【図２６ｃ】
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【図２６ｄ】
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【図２６ｅ】
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【図２７ａ】
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【図２７ｂ】
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【図２７ｃ】
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【図２７ｄ】
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【図２７ｅ】
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【図２７ｆ】
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【図２８ａ】
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【図２８ｂ】
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【図２９ａ】
2009539509.tif 000099
【図２９ｂ】
2009539509.tif 000100
【図２９ｃ】
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【図２９ｄ】
2009539509.tif 000102
【図２９ｅ】
2009539509.tif 000103
【図２９ｆ】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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2009539509.tif 000107
2009539509.tif 000108
2009539509.tif 000109
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