(57)【要約】最小侵襲医療手技を実行するためのロボット手術システム（１０）は、腹腔鏡手術器具（１８）用のロボットマニピュレータ（１４）を含む。マニピュレータはマニピュレータアーム（２６）、アームによって支持されたマニピュレータ手首（２８）、および手首によって支持されたエフェクタユニット（３０）を有する。マニピュレータアームは、手首を位置決めするために３自由度（ＤＯＦ）をもたらす。手首は２ＤＯＦをもたらす。エフェクタユニット（３０）は腹腔鏡手術器具アクチュエータ（ＬＩＡ：１２０；１１２０）を含み、ＬＩＡのロール角を設定するための回転第６関節（Ｊ６）によって、１自由度をもたらす。ＬＩＡは、器具ステムアダプタ（３００、１３００）をエフェクタユニットに装着するための座（１３０；１１３０）、およびアダプタに接続された腹腔鏡手術器具を作動させるために器具ステムアダプタと協働する作動機構（４００；１４００）を含む。エフェクタユニットは、６ＤＯＦの力／トルクセンサおよび６ＤＯＦの加速度計を含む。
2009525098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
腹腔鏡手術器具（１８）のロボット支援ハンドリングのためのロボットマニピュレータ（１４）であって、マニピュレータアーム（２６）を有する前記ロボットマニピュレータと、前記マニピュレータアームによって支持されるマニピュレータ手首（２８）と、前記マニピュレータ手首によって支持されるエフェクタユニット（３０）とを備えた、最小侵襲医療手技を実行するためのロボット手術システムにおいて、
前記マニピュレータアーム（２６）が、前記手首をロボット的に位置決めするために各々が関連アクチュエータ（５１、６１、７１）を有する第１関節（Ｊ１）、第２関節（Ｊ２）、および第３関節（Ｊ３）によって３自由度をもたらし、
前記マニピュレータ手首（２８）が第４関節（Ｊ４）および第５関節（Ｊ５）によって２自由度をもたらし、前記第４および第５関節が回転関節であって、前記エフェクタユニットのヨー角およびピッチ角をそれぞれロボット的に設定するための関連アクチュエータ（８１、１０１）を有し、
前記エフェクタユニット（３０）が腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１２０；１１２０）を含み、前記腹腔鏡手術器具アクチュエータのロール角をロボット的に設定するための関連アクチュエータ（１４１）を有する回転第６関節（Ｊ６）によって１自由度をもたらし、
前記腹腔鏡手術器具アクチュエータが、器具ステムアダプタ（３００；１３００）を前記エフェクタユニットに装着するための関連連結機構（４０６；１４２３）付きの座（１３０；１１３０）と、前記アダプタに接続された腹腔鏡手術器具を作動させるために前記器具ステムアダプタと協働する作動機構（４００；１４００）とを含み、
前記エフェクタ（３０）ユニットは、前記回転第６関節（Ｊ６）の回転軸が、前記器具ステムアダプタによって前記エフェクタユニットに装着されたときの腹腔鏡手術器具の長手軸と一致するように構成され、
前記エフェクタユニットが６自由度の力／トルクセンサおよび６自由度の加速度計を含むセンサアセンブリ（１２２）を含み、前記センサアセンブリ（１２２）が前記腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１２０；１１２０）を前記第６回転関節（Ｊ６）に接続する、
ロボット手術システム。
【請求項２】
前記６ＤＯＦの力／トルクセンサ（１２２）の１つのセンサ軸および前記前記６ＤＯＦの加速度計（１２２）の１つのセンサ軸が前記第６関節の回転軸と一致するように、前記エフェクタユニット（３０）が構成される、請求項１に記載のロボット手術システム。
【請求項３】
前記腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１２０；１１２０）が、前記座（１３０；１１３０）を配置されるアクセス面（４０１；１４０１）を持つハウジング（１５４；１１５４）、前記ハウジングを前記センサアセンブリ（１２２）に取り付けるインタフェースフランジ（１５６）、および前記ハウジングの前記インタフェースフランジへの取付けの剛性を補強するために前記アクセス面を前記インタフェースフランジに接続する漸進的補強リブ（１１５７）を含む、請求項１または２に記載のロボット手術システム。
【請求項４】
前記ハウジング（１１５４）が、前記アクセス面（１４０１）の反対側に略半円筒面（１１５５）を有する半円筒形であり、前記半円筒面が直径５０〜１３５ｍｍ、好ましくは約９０ｍｍの円筒状エンベロープと一致し、かつ前記第６関節（Ｊ６）の回転軸と同軸である、請求項３に記載のロボット手術システム。
【請求項５】
前記ハウジング（１１５４）、前記フランジ（１５６）、前記補強リブ（１１５７）、および前記センサアセンブリ（１２２）が、前記円筒状エンベロープ内にぴったり収まるような寸法である、請求項４に記載のロボット手術システム。
【請求項６】
前記座が、前記腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１２０；１１２０）のアクセス面（４０１；１４０１）内に前記第６関節（Ｊ６）の回転軸と略同軸に配置された細長い略半円筒状凹部（１３０；１１３０）を含み、前記座および前記連結機構が、前記第６関節（Ｊ６）の回転軸に対して直角の動きによって器具ステムアダプタ（３００；１３００）を着脱するように構成された、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボット手術システム。
【請求項７】
前記連結機構が、器具ステムアダプタ（１１３０）を磁力によって前記腹腔鏡手術器具アクチュエータに固定するために前記半円筒状凹部（１１３０）の両側にそれぞれ配置された少なくとも１つの磁気装置（１４２３）を含む、請求項６に記載のロボット手術システム。
【請求項８】
前記磁気装置（１４２３）が永久磁石および／または電磁石を含む、請求項７に記載のロボット手術システム。
【請求項９】
前記作動機構（４００；１４００）が、前記エフェクタユニットに装着された器具ステムアダプタ（３００；１３００）のスライダピン（３１４）を係合受容し、かつ直線的に摺動かさせるように構成されたスライダキャリッジ（４３０；１４３０）を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のロボット手術システム。
【請求項１０】
前記座（１３０；１１３０）が前記第６関節の回転軸に沿って細長く、かつ前記スライダキャリッジ（４３０；１４３０）が前記座に横方向に配置される、請求項９に記載のロボット手術システム。
【請求項１１】
前記作動機構（４００；１４００）が、前記スライダキャリッジによって働く力、またはそれに対して働く力を測定するために、前記スライダキャリッジ（４３０；１４３０）を駆動手段に接続する力センサ（１４２７）を含む、請求項９または１０に記載のロボット手術システム。
【請求項１２】
前記スライダキャリッジ（１４３０）が、前記スライダキャリッジから取外し可能であって前記スライダピン（３１４）を係合するために斜切捕捉面（１４３４）を有する係合部材（１４３３）を含む、請求項９、１０、または１１に記載のロボット手術システム。
【請求項１３】
器具ステムアダプタ（３００；１３００）が前記エフェクタユニットに正しく装着されているか否かを検出するための有無検出器（４０４；１４３１）が、前記腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１２０；１１２０）に含まれる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のロボット手術システム。
【請求項１４】
前記腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１１２０）が、器具ステムアダプタに設けられた誘導的に識別可能なパターン（１３１３）によって、前記エフェクタユニット（３０）に装着された器具を識別するための複数の誘導性有無センサ（１４３１）を含む、請求項１３に記載のロボット手術システム。
【請求項１５】
前記システムが手動モードで動作するように構成され、その場合、前記ロボットマニピュレータが、前記６ＤＯＦ力／トルクセンサによって読み取られた情報を使用して、前記腹腔鏡手術器具アクチュエータを位置決めし、かつ方向付けることができ、前記システムがさらに、前記システムを手動モードに切り替えるために前記腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１２０；１１２０）に配置された切替手段（４０８）をさらに含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のロボット手術システム。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載のロボット手術システムで、手動腹腔鏡手術器具のステム（３０２）をロボットマニピュレータ（１４）で使用するために前記ロボットマニピュレータ（１４）に装着される腹腔鏡手術器具ステムアダプタ（１３０；１１３０）であって、前端に配置されたステムコネクタ（３０４；１３０４）を有する細長いケース（３０３；１３０３）、および前記ケースの側方に配置された連結手段（３０８；１３１１）を含み、前記ステムコネクタ（３０４；１３０４）が手動腹腔鏡手術器具ステム（３０２）に着脱自在に接続するように構成され、前記連結手段（３０８；１３１１）が前記ロボットマニピュレータの腹腔鏡手術器具アクチュエータ上の連結機構（４０６；１４２３）と協働する、腹腔鏡手術器具ステムアダプタ。
【請求項１７】
前記連結手段（３０８；１３１１）が半円筒面を含み、前記面が、前記第６関節の回転軸上で器具ステムアダプタ（３００；１３００）をセンタリングするための前記ロボットマニピュレータの腹腔鏡手術器具アクチュエータ（１２０；１１２０）の座（１３０；１１３０）の半円筒状凹部に一致する、請求項１６に記載の腹腔鏡手術器具ステムアダプタ。
【請求項１８】
手動腹腔鏡手術器具のピストン（３１０；１３１０）用のガイド（３１２；１３０３）として内部円筒状中空、および前記ピストンに横方向にとりつけられかつ前記ピストンを操作するために前記ケースから突出するスライダピン（３１４）用の貫通穴（１３１５）を含み、前記ピストンは前記ガイド内を摺動するように構成することができる、請求項１６または１７に記載の腹腔鏡手術器具ステムアダプタ。
【請求項１９】
前記連結手段が、前記ケース（１３０３）の両側に配置された少なくとも１つの強磁性要素（１３１１）を含み、前記強磁性要素は、前記器具ステムアダプタを磁力によって前記腹腔鏡手術器具アクチュエータに固定するために、前記腹腔鏡手術器具アクチュエータ上の連結機構の対応する磁気装置（１４２３）とそれぞれ協働する、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の腹腔鏡手術器具ステムアダプタ。
【請求項２０】
前記アダプタ（１３００）を前記腹腔鏡手術器具アクチュエータから切り離すためのレバー（１３０１）をさらに含む、請求項１９に記載の腹腔鏡手術器具ステムアダプタ。
【請求項２１】
前記アダプタに装着された器具を識別するために、器具ステムアダプタに設けられた誘導的に識別可能なパターン（１３１３）をさらに含む、請求項１６〜２０の一項に記載の腹腔鏡手術器具ステムアダプタ。
【請求項２２】
前記ステムコネクタに接続された器具に電力を伝達するために、前記連結手段の反対側に配置された電気コネクタ（３０８；１３０８）をさらに含む、請求項１６〜２１の一項に記載の腹腔鏡手術器具ステムアダプタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
請求に係る発明は医療機器の分野に関し、さらに詳しくは、最小侵襲医療手技、特に腹腔鏡下手技を実行するためのロボット手術システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
開腹術とは対照的に、最小侵襲医療手技が、診断または外科手技中に損傷される外部組織の量を低減するという利点を有することは周知である。これは結果的に、患者の回復時間を短縮し、不快かつ有害な副作用を低下し、入院費用のコストを軽減する。現今、一般的な外科、泌尿器科、婦人科、および心臓病専門領域では、腹腔鏡技術のような最小侵襲技術によって実行される外科手術の量が増加している。
しかし、最小侵襲技術一般、および特に腹腔鏡手術は、手術を実行する外科医に対する要件がより厳格になっている。外科医は不自然で疲れる姿勢で、視野を制限され、運動の自由を低減され、触知感の乏しい状態で、手術を行なう。これらの問題の他に、外科医はしばしば、各々例えば３０分から数時間続く介入を１日に数回立て続けに実行しなければならないという事実が加わる。これらの困難にもかかわらず、最小侵襲手技への傾向はおそらく、今後数年間、老齢人口および医療分野におけるコストの圧力のため、急増する。
【０００３】
腹腔鏡検査では、外科医は明らかに、その動きに開腹術の場合と同様の正確さを要求される。器具アクセスポートすなわち患者の身体の切開部における運動の自由が支点を中心に４自由度に低減された長尺シャフト器具を操作することによっても、この作業は緩和されない。とりわけ、要求される姿勢は非常に厄介であり、かつ器具と組織との間の相互作用力についてのすでに限定されている知覚を低下させるという事実により、複雑な状況が生じる。例えば外科医は患者の脇に立つときに、患者の反対側に挿入された器具を保持するために自分の腕の１つを上げて伸ばし続けなければならない。その結果、外科医の運動能力は通常２０〜３０分後には減退するので、中でも特に震え、正確さの喪失、および触覚感度の喪失が発生し、結果的に患者に危険が生じる。従って、介入の効率、品質、および安全性を改善することを目的とするロボット支援腹腔鏡手術のような新技術が出現してきている。
【０００４】
上記の観点から、ロボット支援腹腔鏡手術は９０年代初期以来の目覚しい発展をとげている。２つの代表的な市販のロボット手術システムとして、カリフォルニア州サニーベールのＩｎｔｕｉｔｉｖｅ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｃ．によって開発された商標「ＤＡ  ＶＩＮＣＩ」で知られる手術システム、および元来、カリフォルニア州ゴレタのＣｏｍｐｕｔｅｒ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｉｎｃ．によって開発された商標「ＺＥＵＳ」で知られる手術システムがある。名称「ＤＡ  ＶＩＮＣＩ」で知られる手術システムは中でも特に、Ｍｏｌｌらによって米国特許第６，６５９，９３９号、米国特許第６，８３７，８８３号、および本願と同一譲受人の他の特許文書に記載されている。名称「ＺＥＵＳ」で知られる手術システムは中でも特に、Ｗａｎｇらによって米国特許第６，１０２，８５０号、米国特許第５，８５５，５８３号、米国特許第５，７６２，４５８号、米国特許第５，５１５，４７８号、およびカリフォルニア州ゴレタのＣｏｍｐｕｔｅｒ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｉｎｃ．に譲渡された他の特許文献に記載されている。
【０００５】
これらの遠隔操作ロボットシステムは、直接手術室から、またはコンソールのビジュアルフィードバックを使用して遠隔場所から、外科的介入を制御することを可能にする。いずれの場合も、外科医の疲れる姿勢は排除される。
これらのシステムは両方とも、形態解剖学的に一定であり、作業空間が小さく、従って限られた空間のみで正確な器具の動きおよび巧緻性が要求される心臓手術専用に設計されている。この限定された空間での到達性および巧緻性を高めるために、器具の先端部で１以上の追加自由度をもたらす広範囲の特殊専用器具が、これらのシステムの各々にそれぞれ使用するために設計されてきた。これらの専用の複雑な器具に関して、それらの高い購買コストおよび滅菌による短い寿命は、総維持費を増大させる。腹腔鏡手術の経験豊富な外科医によると、多関節器具は大部分の処置に不可欠ではなく、標準器具の使用は中でも特に維持コストの顕著な削減を意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本明細書の請求に係る発明の１つの目的は、従来の手作業での処置用に設計された利用可能な標準腹腔鏡手術器具の使用を可能にするように構成されたロボットマニピュレータを備えた、最小侵襲医療処置を実行するためのロボット手術システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、本書で以下に開示する通り、腹腔鏡手術器具のロボット支援ハンドリングのためのロボットマニピュレータであって、マニピュレータアームを有するロボットマニピュレータと、マニピュレータアームによって支持されるマニピュレータ手首と、マニピュレータ手首に支持されるエフェクタユニットとを備えた、最小侵襲医療処置を実行するためのロボット手術システムを提示する。本発明の一態様によると、手首をロボット的に位置決めするために各々が関連アクチュエータを有する第１関節、第２関節、および第３関節によって、マニピュレータアームは３自由度をもたらす。回転関節である第４および第５関節であって、マニピュレータアームに対するエフェクタユニットのヨー角およびピッチ角それぞれをロボット的に設定するために関連アクチュエータを有する第４および第５関節によって、マニピュレータ手首は２自由度をもたらす。エフェクタユニットは腹腔鏡手術器具アクチュエータを含み、腹腔鏡手術器具アクチュエータのロール角をロボット的に設定するために関連アクチュエータを有する回転第６関節によって、１自由度をもたらす。換言すると、第６回転関節の作動は器具のみならず、エフェクタユニットの器具アクチュエータ部全体をも回転させる。さらに、本発明の別の態様によると、腹腔鏡手術器具アクチュエータは、器具ステムアダプタをエフェクタユニットに装着するための連結または固締機構付きの座、およびアダプタに接続された腹腔鏡手術器具を好ましくは直線作動によって作動させるために器具ステムアダプタと協働する作動機構を含む。エフェクタユニットは、回転第６関節の回転軸が、器具ステムアダプタによってエフェクタユニットに装着された腹腔鏡手術器具の長手軸と一致するように構成され、エフェクタユニットは、６自由度（ＤＯＦ）の力／トルクセンサおよび６ＤＯＦの加速度計を含むセンサアセンブリを備える。センサアセンブリは腹腔鏡手術器具アクチュエータを第６回転関節に機械的に接続する。換言すると、センサアセンブリは、それが腹腔鏡手術器具アクチュエータと共に回転するように、腹腔鏡手術器具アクチュエータと第６回転関節の駆動側との間に配置される。これによりとりわけ、センサアセンブリをロボットマニピュレータの６つの関節の作動を制御する入力装置として使用して、腹腔鏡手術器具アクチュエータ全体を手動で位置決めしかつ方向付けることのできる、手動操作モードが可能になる。
【０００８】
器具を操作するためにロボットにより作動する６ＤＯＦのおかげで、ロボットマニピュレータは、冗長な関節を必要とすることなく、装着された腹腔鏡手術器具に、外科医の手のそれに匹敵するレベルの操縦性を提供する。器具ステムアダプタ用に設計された座および連結機構により、腹腔鏡手術器具アクチュエータは、手作業による腹腔鏡手術用に設計された多種多様な既存の標準型の腹腔鏡手術器具のための汎用インタフェースを提供する。さらに、接続された器具とロボットマニピュレータの第６関節との間に配置されたセンサアセンブリは、器具の手作業によるハンドリングに対応する感覚的知覚を外科医に提供するために、外科医コンソールの触覚インタフェースにおける正確な力フィードバックを可能にする。力トルクセンサに対する重力および加速度の影響を補償するために、直線および角加速度計が使用されることは理解される。これらの特徴は、本書に開示するロボットマニピュレータでの比較的安価な標準型の器具（例えば把持器、解剖器具、鋏、凝固器、クリップ適用具、持針器、電気折込メス、吸引／灌水ツール等）の使用を可能にする。
システムが最小限の個数の関節で要求される操縦性を、すなわちわずか６個の関節で６ＤＯＦをもたらすことは理解される。マニピュレータの運動のためにそれ以上の冗長な関節が設けられることはない。特に、多関節器具遠端を持つ特殊器具は必要とされない。さらに、全ての関節は作動される。すなわち、受動（非作動）または自由回転関節はロボットマニピュレータに存在せず、よってロボット制御が著しく改善される。公知のシステムで例えば套管針の応力を回避するために一般的に使用されている冗長な受動関節の排除は、本願ではとりわけ、第６関節と腹腔鏡手術器具アクチュエータとの間のインタフェースにセンサアセンブリを設けることによって達成される。センサアセンブリのこの配置は、器具の先端レベルのみならず、套管針のレベルでも力の測定および制約的制限を可能にする。別の特異性は、手首およびエフェクタユニット関節が全て回転すること、すなわち柱状関節がこれらの部分に設けられないことである。
【０００９】
多くの既存のロボット手術システムは力のフィードバックが欠如し、よって外科医は患者の組織に加えられた力を知覚することができない。従って、外科医は器具と組織との相互作用を制限するのに、彼の動きの視覚的フィードバックに頼ることしかできない。実際、力のフィードバックは、外科腹腔鏡手術用のロボットの使用における安全性に著しく貢献する。加えて、接触感覚は器官を触診し、内視鏡の視野内に無い器具で粘稠性器官を保持し、縫合に適切な張力を加えてワイヤの破断を回避し、器官に加えられる過度の力を検知し、その結果動きを停止または制限し、套管針切開に加えられる力を制限することなどに関係する。ドイツ国ミュンヘンにおける２００４年１０月８‐９日のＪａｈｒｅｓｔａｇｕｎｇ  ｄｅｒ  Ｄｅｕｔｓｃｈｅｎ  Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ  ｆｕｒ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ‐ｕｎｄ  Ｒｏｂｏｔｅｒａｓｓｉｓｔｉｅｒｔｅ  Ｃｈｉｒｕｒｇｉｅ（ＣＵＲＡＣ）でのＢ．Ｋｕｂｌｅｒ、Ｕ．Ｓｅｉｂｏｌｄ、およびＧ．Ｈｉｒｚｉｎｇｅｒによる「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａｃｔｕａｔｅｄ  ａｎｄ  ｓｅｎｓｏｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｆｏｒｃｅｐｓ  ｆｏｒ  ｍｉｎｉｍａｌｌｙ  ｉｎｖａｓｉｖｅ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｓｕｒｇｅｒｙ」において、器具の先端に設置された小型の６ＤＯＦの力／トルクセンサが提示された。この概念は、とりわけ器具の費用の増大、滅菌に関する頑健さの欠如、および電動器具と使用する際のＥＭＩ遮蔽の問題をはじめとする、幾つかの欠点を有する。器具ステムに設置されたセンサによって対処することのできない別の問題は、患者の切開部の器具アクセスポートを形成する套管針に加えられる外力の測定である。実際、これらの力は切開部を広げ、かつ套管針アタッチメントを緩めさせることがある。従って、時々、套管針は介入中に非意図的に切開部から抜け落ちる。そのような事故は患者の組織を傷つける以外に、腹部のガス注入圧力の損失を誘発し、よって状況を回復しなければならないので、介入時間が長くなることがよく知られている。エフェクタユニット上の力／トルクセンサのおかげで、套管針の脱離を回避するための自動処置を実現することができる。
【００１０】
Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｕｒｇｅｒｙ、２００５年９月におけるＲ．Ｂａｕｅｒｎｓｃｈｍｉｔｔ、Ｅ．Ｕ．Ｓｃｈｉｒｍｂｅｃｋらによる論文「Ｔｏｗａｒｄｓ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｈｅａｒｔ  ｓｕｒｇｅｒｙ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｕｔｏｎｏｍｕｏｕｓ  ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ  ｉｎｔｏ  ａｎ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｓｕｒｇｉｃａｌ  ｔｅｌｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  ｓｙｓｔｅｍ」（ｗｗｗ．ｒｏｂｏｔｉｃｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ｃｏｍから入手可能）において、著者らは、現在利用可能なシステムの主要な欠点として、力の感知および力のフィードバックの能力の欠如を認識している。この論文に記載されたシステムは、「ＤＡ  ＶＩＮＣＩ」システム用に設計されたＩｎｔｕｉｔｉｖｅ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｃ．社製の器具が装着される産業ロボットを備える。力の感知を達成するために、器具は変更される。器具のシャフトの遠端付近にひずみゲージセンサが具備される。このシステムは、本書で開示するシステムとは対照的に、器具シャフトに直角な平面内の力しか測定することができず、かつ、ロボットシステム用に設計され遠端で３度の追加自由度をもたらす高価な専用器具の使用を必要とする。
【００１１】
別の関連する態様は、ロボット手術システムの汎用性である。既存のロボット手術システムは一般的に、特定の型の介入用に設計されている。例えば「ＤＡ  ＶＩＮＣＩ」および「ＺＥＵＳ」システムは、特に心臓手術用に設計されたものである。従って、上述の通り、これらのシステムは特殊多関節器具用に設計されている。さらに、心臓介入における制限された作業空間のため、器具の動きは通常、これらのシステムの触覚インタフェースにおける外科医のコマンドから縮小される。一般的な腹腔鏡外科手術（婦人科および泌尿器科を含む）では、手術作業空間は心臓手術の場合より大きく、解剖学的形態は多様である（時には予測不可能でさえある）、組織および器官の機械的特性は多様である。大きい作業空間は大きい器具運動エンベロープおよび１：１の運動スケールの必要性を暗示する。その結果、一般的腹腔鏡手術では、外科医の手の動きを正確に追跡するために、増大した運動力学が必要である。実験的試行から、外科医の手は小さい作業空間で高い速度、および従って非常に高い精度を生じることが明らかになった。速度は枢動ピッチおよびヨー軸に沿って１００°／ｓ、穿通方向に２００ｍｍ／ｓに達することができる。１：１の運動スケールおよび示した状態で、上記システムは振動、オシレーション、および精度の損失を示す。以下でさらに詳述するロボットマニピュレータは、そのような問題を軽減し、従って多種多様な介入に適するように設計される。
【００１２】
特殊多関節腹腔鏡手術器具に関連する別の欠点は、多関節器具先端の制御に基づく遠隔操作の直観性が、経験豊富な腹腔鏡外科医に対して期待されるより劣ることが明らかになったことである。
多くの既存のシステムは、内視鏡用のマニピュレータの他に、外科手術用器具自体のためのマニピュレータを２つしか持たない。この結果、頻繁かつ複雑な器具の交換手順のため、介入時間が増加する。典型的な介入では、外科医は５〜７種類の異なる器具を使用し、それらを数十回交換する必要がある。通常、器具の交換は、外科医アシスタントの技量によって５秒から１０秒かかり、これらの交換作業は全介入時間にかなり寄与する（約１０〜２０％）。多くの既存のロボットシステムは、３つまたは４つの器具アクセスポートを必要とする典型的な介入に簡単には適さない。他のシステムは時間的に通常短い（約２０分）診断介入に制限され、しばしばロボットシステムのコストを正当化しない。理想的には、ロボット手術システムはモジュール式であり、かつ４つまでの器具アクセスポートおよび１つの内視鏡アクセスポートを管理する能力を有するべきである。適切なマニピュレータの設計に関係する重要な制約は、一部のアクセスポートが数センチメートルしか離すことができず、かつそれぞれの器具を相互に略平行にまたは上下に配置する必要があるかもしれないことである。加えて、マニピュレータは、患者の身体およびアクセスポートに対する外科医の視界を過度に制限しないことが望ましい。ロボット手術システムは、本書で下述する本質的に独創的と考えられる様々な他の特徴のおかげで、とりわけ後者の問題に対処する。
【００１３】
ロボットマニピュレータの好適な実施形態では、エフェクタユニットは、６ＤＯＦの力／トルクセンサの１つのセンサ軸、例えば法線軸、および６ＤＯＦの加速度計の１つのセンサ軸、例えば法線軸が、第６関節の回転軸と一致するように構成される。この処置は、力のフィードバック計算を容易にする。
腹腔鏡手術器具アクチュエータが、座を配置されるアクセス面を持つハウジング、およびハウジングをセンサアセンブリに取り付けるインタフェースフランジを含む場合、それはさらにインタフェースフランジへのハウジングの取り付けの剛性を補強するためにアクセス面をインタフェースフランジ接続する漸進的補強リブを含むことが好ましい。それによって、腹腔鏡手術器具アクチュエータの断面がセンサ取付板の断面よりずっと小さい場合でも、トルクおよび力はより正確にセンサアセンブリに伝達される。
人間工学を高めるために、ハウジングは、好ましくは略平坦アクセス面の反対側に略半円筒面を有することによって、半円筒状である。半円筒面は直径が５０〜１３５ｍｍ、好ましくは約９０ｍｍで第６関節の回転軸と同軸の円筒状エンベロープと一致することが好ましい。そのような実施形態では、ハウジング、フランジ、補強リブ、およびセンサアセンブリは、この円筒状エンベロープ内にぴったり収まるような寸法にすることがさらに好ましい。加えて、適応器具ステムは、マニピュレータに装着されたときに同じエンベロープ内にぴったり収まるように設計することが好ましい。
【００１４】
好適な構成では、腹腔鏡手術器具アクチュエータの座は、腹腔鏡手術器具アクチュエータのアクセス面内に第６関節の回転軸と略同軸に配置された、細長い略半円筒状の凹部を含み、座および連結または固締機構は、器具ステムに略垂直の平面内で支点を中心に、すなわち第６関節の回転軸に対して半径方向に枢動することによって、器具ステムアダプタを着脱するように構成される。半円筒状凹部は、アダプタが接続されたときにアダプタのセルフセンタリングをもたらす。さらに、この構成は、回転第６関節を手動的に作動させる能力とあいまって、かつ通常の状態で、器具をアクセスポート付近で運動させるための自動手順とあいまって、器具の横向きの着脱を可能にし、よって患者に対する穿通方向の挿入および抜去が排除される。さらに、外科医アシスタントに対する人間工学が改善され、かつ器具交換回数が既知のシステムと比較して低減される。
【００１５】
連結機構の好適な実施形態では、連結機構は、半円筒状凹部の両側にそれぞれ配置された少なくとも１つの磁気装置、例えば電磁石もしくは永久磁石または両方の組合せを含む。好ましくはアクセス面内にそれと同じ高さに設けられた磁気装置は、磁力によって器具ステムアダプタを腹腔鏡手術器具アクチュエータに固定させることができる。この連結機構は、この場合腹腔鏡手術器具アクチュエータを滅菌する必要が無いので、腹腔鏡手術器具アクチュエータを被覆する無菌ラップを介入中に損傷する危険性を低減させる。
器具の横向きの着脱を可能にする別の単純かつ信頼できる実施形態では、座は、器具ステムアダプタ上に横方向に配置された連結手段を受容するために、半円筒状凹部を半径方向に深くする縦溝を含み、連結機構は、連結手段を係合するために縦溝内に配置された摺動自在の止め具を含む、掛止固締機構として構成される。この型の座および固締機構は対応するアダプタと協働して、機械的に単純で直観的かつ信頼できる速結接続を達成する。
把持用または解剖用の鉗子、鋏等のような被作動器具のために使用される作動機構は、エフェクタユニットに装着された器具ステムアダプタのスライダピンを係合受容し、かつ直線的に摺動かさせるように構成された、スライダキャリッジを含むことが好都合である。座が第６関節の回転軸に沿って細長い場合、スライダキャリッジは、座に対して横方向に、すなわち座の軸方向延長とは反対側に配置することが好ましい。それによって、エフェクタユニットの長さの低減を達成することができる。さらに作動機構は、スライダキャリッジを駆動手段に接続する力センサを含むことが有利である。そのような力センサは、スライダキャリッジによって働く力、またはスライダキャリッジに対して働く力を測定することが可能である。
【００１６】
好適な実施形態では、腹腔鏡手術器具アクチュエータはさらに、器具ステムアダプタがエフェクタユニットに正しく装着されているかどうかを検出するための有無検知器を備える。腹腔鏡手術器具アクチュエータは、器具ステムアダプタに設けられた誘導的に識別可能な物質パターンによって、エフェクタユニットに装着された器具を識別するために、複数の誘導性有無センサを含むことが好ましい。
好適な実施形態では、ロボット手術システムは、手動モードで操作するように構成され、その場合、腹腔鏡手術器具アクチュエータは、センサアセンブリの６ＤＯＦの力／トルクセンサによって読み取られた情報を使用して、ロボットマニピュレータによって位置決めし、かつ方向付けることができ、ロボット手術システムはさらに、システムをこの手動モードに切り替えるために、腹腔鏡手術器具アクチュエータに配置された切替手段を含む。
請求に係る発明の別の態様は、本書に記載する通り、いずれかの利用可能な手動腹腔鏡手術器具のステムをロボット手術システムのロボットマニピュレータに装着するための、上述した腹腔鏡手術器具ステムアダプタに関する。このアダプタは、前端に配置されたステムコネクタを有する細長いケース、およびケースの側方に配置された連結部材または手段を含む。ステムコネクタは手動腹腔鏡手術器具のステムのソケットと協働し、それと着脱自在に接続するように構成される。連結手段は次に、ロボットマニピュレータの腹腔鏡手術器具アクチュエータの座と協働する。
【００１７】
手動介入の場合、多くの異なる腹腔鏡手術器具が多種多様な用途のために利用可能である。これらの器具の大部分は、外科医によって操作されるように考えられたハンドル部、およびステム部、すなわち１端に器具自体を、反対側の端にハンドルに接続するソケットを持つ、細長い腹腔鏡管またはシャフトに分割することができる。対応するコネクタを具備した、本書に開示するアダプタは、上記の通りロボットマニピュレータにおけるそのような器具の任意の型のステム部の使用を可能にする。アダプタは非常に単純で安価かつ頑健な設計を有する。従って、比較的安価な標準器具と組み合わされる器具ステムアダプタは、上記ロボットシステムと組み合わせて使用する医療ツールの購買および維持コストを低減する。
ステムアダプタの好適な実施形態では、その連結手段は半円筒面を含み、または代替的に、ケース全体がおそらく、ステムコネクタとは反対側の端が丸みを帯びた略円筒形状を持つことができる。どちらの場合も、形状または表面は、ロボットマニピュレータの腹腔鏡手術器具アクチュエータの座の上述した半円筒状凹部と共形である。これは、第６関節の回転軸上の器具ステムアダプタのセンタリングを可能にする。
【００１８】
作動ロッド付き腹腔鏡手術器具、例えば把持用または解剖用鉗子、鋏等の場合、腹腔鏡手術器具ステムアダプタは、ガイド内で摺動するように構成することのできる手動腹腔鏡手術器具のピストン用のガイドとして、内部円筒状中空を含むことが好ましい。それはさらに、ピストンに横方向に取り付けられかつピストンを操作するためにケースから突出するスライダピン用の貫通穴を含むことが好ましい。スライダピンは腹腔鏡手術器具アクチュエータのスライダキャリッジと係合するように構成され、ピストンは、腹腔鏡手術器具の先端でツールを操作するためにアダプタに接続された、腹腔鏡手術器具の内部作動ロッドと協働する。アダプタおよび対応する腹腔鏡手術器具アクチュエータのこの構成は、単純かつ信頼できる運動伝達をもたらし、さらに、エフェクタユニットに器具を着脱する際に運動伝達を確立するための追加的手動ステップを排除する。アダプタおよびロボットマニピュレータの対応する連結器の設計のおかげで、器具交換回数が減少し、それは全体的な介入時間の短縮に寄与する。
【００１９】
磁気装置によって生じる磁力を利用して、器具ステムアダプタを腹腔鏡手術器具アクチュエータに固定するために、連結手段はケースの両側に配置された少なくとも１つの強磁性要素を含み、強磁性要素は、腹腔鏡手術器具アクチュエータの連結機構の対応する磁気装置とそれぞれ協働することが好ましい。この実施形態では、器具ステムアダプタはさらに、アダプタを腹腔鏡手術器具アクチュエータから切り離すためのレバーを含むことが好ましい。
上述の誘導性有無センサを用いて器具の識別を可能にするために、アダプタは器具ステムに設けられた誘導的に識別可能なパターンを含むことができる。さらに、アダプタは、前記ステムコネクタに接続された器具に電力を伝達するために、前記連結手段の反対側に配置された電気コネクタを含むことができる。
上記態様のみならず、本開示の他の発明の態様および目的も、添付の図面に関連する非限定的実施形態の以下の説明からいっそう明瞭になる。
これらの図面において、同一参照番号は、全体を通して同一部分を識別するために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、一般的に参照番号１０で識別される、一般腹腔鏡手術用のロボット手術システムを示す。無菌シートで覆われた患者Ｐが手術台１２上に横たわり、その周りに複数のロボットマニピュレータ１４が配置されている。図１の例では、ロボット手術システム１０は骨盤領域の介入用にセットアップされている。外科医Ｓは外科用マスタコンソール１５を操作し、外科医アシスタントＡは手術台１２の近く、かつ１組の適応腹腔鏡手術器具１８が載ったトレイ１６の近くに立っている。ロボットマニピュレータ１４は、様々な種類の腹腔鏡手術器具１８を支持し、かつ作動させるエフェクタユニットを位置決めし、かつ方向付けるように設計される。手術中に、ロボットマニピュレータ１４は、制御ユニット（図示せず）に接続された１つまたはそれ以上の外科用マスタコンソール１５を介して、１人またはそれ以上の外科医Ｓによって遠隔操作される。理解される通り、ロボット手術システム１０はモジュール式であり、一般的に最高５つまでのマニピュレータを用いて、通常は２つのマニピュレータの最小構成で、外科的介入の型に従って構成可能である。５つのマニピュレータ１４を持つロボット手術システム１０´の構成が例えば図２に示される。図１に示されたシステム１０は、各ロボットマニピュレータ１４の基台に位置するレーザレンジスキャナ２２を具備する。レーザレンジスキャナ２２は、手術室で手術補助員安全性のために使用される。図３は、ロボット手術システム１０の１つの機械的ユニットを形成する、ロボットマニピュレータ１４の３次元図である。ロボットマニピュレータ１４は、手術室の床に取付け可能でありかつ取り付けられないときは移動可能である基台２４に装着される。３つの座標系も図３に示されている。すなわち基台、ツールフランジ（ＴＦ）、および腹腔鏡手術器具先端（ＬＩＴ）座標系である。図３に示す通り、ロボットマニピュレータ１４はマニピュレータアーム２６およびマニピュレータ手首２８を含む。
【００２１】
図４に、ロボットマニピュレータ１４の主要部分を示す。アーム２６は略垂直部２７および略水平部２９を有する。垂直部２７にあるアーム２６の第１端は基台２４に取り付けられる一方、手首２８は、アーム２６の第２端、すなわち水平部２９の先端に取り付けられる。適応腹腔鏡手術器具１８用のエフェクタユニット３０は、手首２８のツールフランジ３２に接続される。図３に矢印で示すように、アーム２６は３自由度（ＤＯＦ）を有し、手首２８は２ＤＯＦを有する。従って、ロボットマニピュレータ１４は基本的に５ＤＯＦのロボットマニピュレータである。エフェクタユニット３０に装着された腹腔鏡手術器具１８をその長手軸を中心に回転させるための補助ＤＯＦは、エフェクタユニット３０によってもたらされる。ロボットマニピュレータ１４およびエフェクタユニット３０のＤＯＦの構成は、以下の図５の説明からさらに明らかになる。
【００２２】
図５の形状モデルに最も良く示す通り、アーム２６は、柱状褶動（Ｐ）関節（または直動関節）である第１関節Ｊ１によって基台２４に結合される。第１関節Ｊ１は基台リンクＬ０によって基台２４に接続され、略垂直軸に沿って並進（直動）ＤＯＦをもたらす。第１関節Ｊ１は従って、第１略垂直リンクＬ１および後者に取り付けられた後続コンポーネントの基台２４およびリンクＬ０に対する垂直位置決めを可能にする。換言すると、関節Ｊ１は垂直部２７の高さを画定する。回転（Ｒ）関節である第２関節Ｊ２は、第１リンクＬ１をアーム２６の第２略水平リンクＬ２に接続する。回転関節Ｊ２の回転軸は略垂直である。関節Ｊ２は、水平面内のリンクＬ２とその初期角度位置との間の相対角度を設定することを可能にする。第３柱状褶動（Ｐ）関節Ｊ３はリンクＬ２を第３略水平リンクＬ３に接続する。関節（Ｐ）Ｊ３は略水平軸に沿った並進（直動）自由度をもたらし、アーム２６の、より正確には、水平部２９の到達範囲または延長を、リンクＬ２に対するリンクＬ３の水平変位によって設定することを可能にする。リンクＬ２およびＬ３は（Ｐ）関節Ｊ３と共に、ロボットマニピュレータ１４の略水平延長可能なジブまたはブームを形成する。
図５に示すように配置された２つの（Ｐ）関節および１つの（Ｒ）関節により、アーム２６は略垂直軸を中心とする１回転ＤＯＦを有し、かつそれに関連して２つの直角軸に沿った２並進ＤＯＦを有する。従って、ロボットマニピュレータ１４のアーム２６は円筒状の形状を有し、すなわちマニピュレータ１４の運動学的構成は、ＰＲＰ（直動‐回転‐直動）型の円筒状ロボットのクラスに属する。より正確には、最初の３つの関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３のうちの各関節はそれぞれ円筒座標（ｚ，  ，ｒ）に対応する。ｚは高度（または高さ）座標であり、回転（またはアジマス）座標であり、ｒは径方向伸び（または半径）座標である。
【００２３】
図５にさらに示す通り、手首２８は２つの回転関節Ｊ４、Ｊ５を含み、エフェクタユニット３０は１つの回転関節Ｊ６を含む。回転関節Ｊ２、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６はそれぞれ、エフェクタユニット３０に取り付けられた適応腹腔鏡手術器具１８の向きを画定する。回転関節Ｊ４はリンクＬ３をリンクＬ４に接続し、関節Ｊ２の回転軸と平行な略垂直軸を中心にリンクＬ４を後続部と共に回転させることができる。従って、回転関節Ｊ４は、関節Ｊ２の実際の設定と組み合わせて、エフェクタユニット３０のヨー（ｙａｗ）角を設定することができる。回転関節Ｊ４の回転軸は、回転関節Ｊ２の回転軸および柱状関節Ｊ３の並進軸によって形成される平面と同一平面上にあることに留意されたい。回転関節Ｊ５はリンクＬ４をツールフランジ３２に接続し、関節Ｊ４の回転軸に直角な略水平軸に沿ってツールフランジ３２を後続部と共に回転させることができる。従って、回転関節Ｊ５はエフェクタユニット３０のピッチ角を設定することができる。エフェクタユニット３０は、リンクＬ５を介してツールフランジ３２に接続される。回転関節Ｊ６の回転軸は関節Ｊ５の回転軸に対して略直角であり、リンクＬ５をリンクＬ６に接続する。回転関節Ｊ６の回転軸はリンクＬ６と一直線に整列され、リンクＬ６のその初期角度位置に対する相対角度を画定する。適応腹腔鏡手術器具１８はリンクＬ６に接続される。リンクＬ７によって表わされる器具１８は、リンクＬ６と整列される。リンクＬ７の端点は器具先端１７を表わす。
【００２４】
マニピュレータ２６の円筒状ＰＲＰ運動学的構成は、とりわけ次に挙げるような様々な利点を有する。
・手術台の上のマニピュレータ構造によって占有される比較的小さい抑制された空間。
・（８００ｍの水平部２９の最小リンクオフセットのため）マニピュレータ基台が手術台から充分に離れているので、外科医の手術台へのアクセスおよび手術台へ／からの患者の移送が容易であるという事実。
・マニピュレータ間の衝突検出計算が容易かつ高速である。
これらおよび他の態様は以下の段落からいっそう明らかになる。ロボットマニピュレータアーム２６の選ばれたＰＲＰ運動学的構成の結果得られる利点は、手術台１２の周りに交差する作業空間をおいて配置された複数のマニピュレータ１４間の衝突検出計算の簡素化である（図１および２）。円筒状構成のため、ロボットマニピュレータ１４は、２次元（２Ｄ）水平面内の単純な平面幾何学的特徴により近似することができる。図６に最も良く示す通り、アーム２６の機械的リンクは、（Ｊ３＋Ｌ２＋Ｌ３）およびＪ２にそれぞれ対応する可変長および向きの矩形によって包囲することができ、矩形エンベロープの幅は、機械的リンクの形状に、例えば最大速度からロボットを制動して停止させるために必要な空間に依存するマージンと、安全性閾値を加えることによって与えられる。矩形エンベロープの各辺のマージンは、動きの方向および速度によって動的に決定することができ、例えばエンベロープ辺の方向の速度が高ければ高いほど、このエンベロープ辺の余裕は高くなる。手首２８は、リンクＬ４の本体およびリンクＬ５の部分を包囲しかつ関節Ｊ４の現在の角度位置によって与えられる可変平面方位を持つ、矩形によって近似される。同様に、エフェクタユニット３０は、２Ｄ水平面上のその突出を包囲する矩形によって近似することができ、ここで突出角度は関節Ｊ５の現在の角度位置と一致する。同じ原理が、エフェクタユニット３０に接続された器具１８のステムに適用される。そのような単純な幾何学的２次元特徴は、それらの線の交差に基づく衝突検出のための単純かつ効率的なアルゴリズムを確立することを可能にする。第１段階で、衝突検出方法は、２Ｄ水平突出における衝突を検査することから構成される。これらの２Ｄ図形のいずれかが、異なるロボットマニピュレータ１４からの図形と衝突する場合にのみ、第３次元を含めることによって、実際の衝突の実効リスクが実質的に検証される。理解される通り、ロボットマニピュレータ１４の関係部分の交差する辺に対してのみ、３Ｄ計算を実行する必要がある。この簡易３Ｄ計算では、例えば三角形に基づくモデルにより、関係部分が包囲される。その結果、高速交差検出アルゴリズム、例えばＭｏｌｌｅｒによって「Ａ  Ｆａｓｔ  Ｔｒｉａｎｇｌｅ‐Ｔｒｉａｎｇｌｅ  Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ  Ｔｅｓｔ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｔｏｏｌｓ、２（２）、１９９７）に提案されたアルゴリズムを容易に実現することができる。実際、器具１８のステム間の衝突検出は、特に内視鏡を電動器具から保護することに関連する。
【００２５】
ロボットマニピュレータ１４間の衝突検出の正確な結果を出すために、共通基準座標系に対する全てのロボットマニピュレータ１４の位置および向きが、手術室におけるマニピュレータ１４の位置決め後の較正手順を通して決定される。機能上の観点から、衝突リスクの検出後に、制御システムは、接続されたマニピュレータ１４を停止し、マスタコンソール１５上の適切なディスプレイ情報および／または斥力フィードバックを通して外科医Ｓに警告しなければならない。外科医Ｓは次いで、マニピュレータの１つを安全な方向に遠隔操作することによって、簡単に復旧を達成することができる。さらなる改善では、部品、例えばアーム２６、手首２８、エフェクタユニット３０、および／または器具１８の組の各々に異なるマージンを持つ少なくとも２つのエンベロープを使用して、幾つかの衝突安全性レベルが実現される。隆起のより大きいエンベロープとの衝突の危険性を検出した後、外科医Ｓによって命令された衝突方向の動きは、マージン領域における侵入に応じて急速にスケールダウンされる。
【００２６】
アーム２６の構成に関する別の利点は、関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３に関連するアクチュエータの制御可能性の改善にある。他のクラスのロボット（例えば球面または多関節ロボット）と比較したときに、かつアーム構成の結果として、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、およびＪ４は変動する重力荷重を受けないので、かつＪ１、Ｊ３、およびＪ５は変動する慣性荷重を持たないので、これらのアクチュエータの制御は改善される。これにより、制御ループの簡易最適化（例えばＰＩＤとフィードフォワード）が可能になり、例えばモータエンコーダカウント数がごく少数の非常に低い位置ダイナミックス追跡誤差を達成することが可能になる。提示した利点以外に、関節Ｊ１および／または関節Ｊ２が急激な動きを実行した場合にそれらの偏位およびオシレーションを制限するように、機械的設計はリンクＬ２およびＬ３に対し剛性であるが軽量の構造を考慮する必要がある。
【００２７】
ロボットマニピュレータ１４の形状から結果的に得られる２つのさらなる利点に注目されたい。第一に、マニピュレータ基台２４が手術台１２から充分な距離を置いて（例えば少なくとも６００ｍｍ離して）位置し、アーム２６が（ブレーキを解除した状態で）関節Ｊ２を中心に手で退避位置まで回転させることができるように設計されていることにより、ガス注入、解剖学的器官の除去、最終縫合等のような手作業のために、外科医Ｓは手術台１２に容易かつ迅速にアクセスすることができる。さらに、手術台１２への、または手術台１２からの患者Ｐの移送が迅速に可能である。第二に、特定の水平位置に到達するために同様の長さの２つの共面リンクを接続する肘回転関節を有する、例えば商品名ＺＥＵＳで知られるマニピュレータアームに使用されるＳＣＡＲＡ形状と比較して、マニピュレータ１４の円筒状構成は、患者Ｐの身体の上に手首２８を配置するために取られる空間をかなり低減する、単一の径方向伸縮関節Ｊ３を有する。図２に示す通り、手術台１２に５台あるいはそれ以上のマニピュレータ１４を配置させ、この特徴は、手首およびエフェクタユニットの寸法が充分に小さいこと、すなわち患者の身体上の利用可能な作業空間において充分に抑制された空間しか占有させない。
以下の段落では、図７〜１５を参照しながら、ロボットマニピュレータ１４の構造についてさらに詳述する。
【００２８】
図７は、基台２４の幾つかの特徴を示す。基台２４は主基台板４０を含み、主板４０の隅の開口に設置された４つの車輪４２によって、移動可能な構造として構成される。各車輪４２は、車輪４２を引き出すかまたは引っ込めるためのハンドルにアクセスするための開口付きのカバー４３内に収容される。車輪４２が引っ込められると、基台２４は、車輪４２のクッション支持体（図示せず）によって、手術室の床上に安定静止する。車輪４２を引き出した後、ロボットマニピュレータ１４を含む基台２４を手で移動することができる。異なる設計では、可動または固定直線レール軸上に、または幾つかの基台２４および関連マニピュレータ１４を支持するように設計されたカート上に、基台２４を取り付けることができる。主基台板４０は、必要ならば、ロボットマニピュレータ１４にさらなる安定性を与えるために、例えば穴４４を用いてネジ止めすることによって、床に固定することができるように設計される。ロボットマニピュレータ１４は、ねじ穴４５に通したボルトにより、基台２４に取り付けられる。基台板４０には、幾つかの高精度ボア４６が機械加工される。ボア４６は、Ｒ．ＢｅｒｎｈａｒｄｔおよびＳ．Ａｌｂｒｉｇｈｔにより「Ｒｏｂｏｔ  ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ」（Ｃｈａｐｍａｎ  ＆  Ｈａｌｌ編、１９９３）に記載の通り、光学測定システムによって基台２４の位置および向きを決定するために使用される、光学較正反射器を支持するのに役立つ。ロボットマニピュレータ１４は、その形状モデルを正確に決定するために、工場セットアップ手順中に較正されることに気付かれるかもしれない。さらに、基台は、ブラシレスモータの電源装置およびサーボドライブ、信号コンディショニング装置、アーム搭載センサの局所処理用手段、ならびにリモートシステム制御ユニットへの通信チャネルのための筐体４８を含む。図１に示し、かつ図８に最も良く示す通り、２Ｄレーザレンジスキャナ２２は基台２４上に、より正確には筐体４８上に設置され、リンクＬ２およびＬ３の周囲の安全性周界内部への例えばアシスタントＡによる侵入の検出を可能にする。
【００２９】
一般的に２種類の型のロボットマニピュレータ１４がロボット手術システム１０に使用されることに留意されたい。２つの型のロボットマニピュレータ１４は略同一の形状および運動学的ＰＲＰ構成のアーム２６を有するが、第１の型は、特に可視化のために使用される内視鏡を取り扱うように構成され、第２の型は、手術自体のために使用される様々な種類の適応腹腔鏡手術器具１８のいずれかを取り扱うように構成される。腹腔鏡手術の場合、通常、第１型の１つのロボットマニピュレータ１４が使用される一方、第２型の幾つかのロボットマニピュレータ１４が使用される。ロボット手術システム１０では、これらの２つの型のロボットマニピュレータ１４の間の主要な相違点は次の通りである。
・内視鏡マニピュレータはそのアクセスポートを中心に３６０゜回転する必要があるので（通常、探査を目的として）、関節Ｊ３の行程は内視鏡マニピュレータの方が長い（約７５０ｍｍ）。
・内視鏡マニピュレータはそのアクセスポートを中心に３６０゜回転する必要があるので、内視鏡マニピュレータの場合、関節Ｊ４の行程は無限である。これは、Ｊ４軸上の信号コレクタを使用することによって可能になる。
・関節Ｊ６は内視鏡マニピュレータには不要である。すなわち、内視鏡は関節Ｊ５に直接取り付けることができる。
・内視鏡マニピュレータのエフェクタユニット３０は通常は内視鏡、および余分な力を検出する力／トルクセンサから構成される。
・内視鏡マニピュレータは内視鏡だけの位置決め能力を必要とするので、全ての関節に対する速度／加速度要件は、内視鏡マニピュレータの方が最小限６０％低い。
これらの相違を考慮に入れて、第２型のロボットマニピュレータ１４の方がより厳格な設計要件を有するので、本発明の説明は、第２型のロボットマニピュレータ１４に重点を置く。
【００３０】
図９に関連して、それぞれのアクチュエータを含めてマニピュレータアーム２６の関節Ｊ１〜Ｊ３の構成に関する詳細を下述する。
関連するリニアアクチュエータとして、アーム上昇用の（Ｐ）関節Ｊ１はボールねじ直線軸５０（例えばドイツ国オッフェンブルクおよび英国プールのＰａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ社、電子機械部門によって生産されたＥＴシリーズの適切なモデル）を含む。ボールねじ直線軸５０は、インクリメンタルモータ位置エンコーダおよびブレーキを具備した、ブラシレスサーボモータ５１によって駆動される。直線軸５０はさらに、出力段における追加の絶対リニア位置センサ（図示せず）、リミットスイッチ、および機械的行程端緩衝器（図示せず）を具備する。軸の直線性およびねじり剛性を確実にするために、垂直リニアガイド５２が直線軸５０と連動する。アーム２６を基台２４に装着するために、直線軸５０はブラケット５３に取り付けられる。信号線および電力線は関節Ｊ１のカバー内部の垂直ケーブルチャネル（図示せず）内を案内される。図３に最も良く示す通り、外部カバー５４は柱状（Ｐ）関節Ｊ１のコンポーネントを収容する。関節Ｊ１のアクチュエータアセンブリに関して、モータ／負荷縮小比は、モータブレーキが解放されているとき、またはサーボモータ５１が付勢されないときにも、水平部２９の望ましくない落下を防止するように設定されることに気付かれるかもしれない。加えて、緊急の場合に全てのロボット関節の動きを停止させるように働く、緊急停止ボタン（図示せず）が外部カバー５４に配置される。図９に示す通り、マニピュレータアーム２６の上述したコンポーネントは、その略垂直部２７を構成する。
【００３１】
図９はまた、アーム２６の肩関節を形成する（Ｒ）関節Ｊ２をも示す。図１０に最も良く示す通り、関節Ｊ２は、Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｄｒｉｖｅ（登録商標）型のギア６２と直列して負荷を駆動するブラシレスサーボモータ６１のアセンブリを含む。ブラシレスモータ６１は位置エンコーダおよびフェイルセーフブレーキを具備する。加えて、アクチュエータアセンブリは、ギア６２の出力段に接続されたベルト６６によって駆動されるさらなる絶対回転位置センサ６５、ならびに機械的行程端緩衝器およびリミットスイッチ（図示せず）を含む。キースイッチ（図示せず）はカバー６４上に設けられ、関節Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、およびＪ６のそれぞれのモータが付勢されないときに、それらの関節のブレーキを解放させる。これにより、アーム２６およびエフェクタユニット３０を手動で待機位置に移動させることが可能になる。下流の関節Ｊ３〜Ｊ６から、かつエフェクタユニット３０からの信号ケーブルおよび電力ケーブルは、カバー６４内部を通過する可撓性ケーブルダクト（図示せず）を通してＪ３からＪ１まで渡される。代替的に、そのようなケーブルは、例えば適応ギアモータアセンブリの中空シャフトを通して案内することができる。
【００３２】
図９はまた、径方向延長すなわち水平部２９の到達範囲を設定するための（Ｐ）関節Ｊ３を含むアーム２６の水平部２９の設計をも示す。関節Ｊ３は、関連リニアアクチュエータとして、リニアシリンダ軸７０、例えばボールねじ直線軸を含む。上述の会社によって製造され、モータ位置エンコーダおよびフェイルセーフブレーキを具備したブラシレスサーボモータ７１によって駆動される、例えばＥＴ型式のアクチュエータが使用される。リニアシリンダ７０軸のロッドは、矩形管として構成されリニアガイド７３のトロリ上に装着された、ビーム７２を動かす。この構造は直線偏位を低減させる。リニアシリンダ軸７０はさらに、出力段における追加の絶対リニア位置センサ、リミットスイッチ、および機械的行程端緩衝器（図示せず）を具備する。信号線および電力線は、水平に配置されたケーブルチェーン内を案内される。カバリング７４は第２リンクＬ２を形成する部分に固定され、（Ｐ）関節Ｊ３のコンポーネント、特にリニアアクチュエータ７０およびリニアガイド７３を収容する。図９に示す通り、リンクＬ３の一部を形成するビーム７２は、カバリング７４の内外に伸縮するように構成される。アーム２６は、患者Ｐの上で限定された量の空間しか必要としない、先端に向かって細くなる水平部２９を具備する。さらに、電力および作動状態を視覚的に示すように、カバリング７４の後頂部にランプを設けることが好ましい。
【００３３】
図１１〜１３に関連して、手首２８の構造、特に関節Ｊ４およびＪ５について以下で詳述する。
図１１〜１３に示す（Ｒ）関節Ｊ４の機械的および作動設計は、ブラシレスサーボモータ８１が垂直に装着される支持板８０を含む。サーボモータ８１は位置エンコーダ８２およびホールセンサをモータシャフト上に具備する。サーボモータ８１として、例えばスイス国ザクセンのＭＡＸＯＮ  ＭＯＴＯＲ  Ａ．Ｇ．製のＥＣモータシリーズの適切な型式が使用される。（Ｒ）関節Ｊ４はさらに、接続フランジ８７に連結された負荷軸プーリ８６を駆動するように、サーボモータ８１に連結されたギア８３を介し、かつ伝動ベルト８４およびプーリ８５システムを介する伝動機構を含む。追加の絶対シングルターンセンサ８８が、同じく伝動ベルト８４によって駆動されるプーリ８９に接続され、支持板８０の底面に取り付けられる。ケーブルを関節Ｊ５から関節Ｊ４まで容易に通すために、負荷軸プーリ８６および接続フランジ８７を含むアセンブリは中空シャフトと、接続フランジ８７上の側方窓とを有する。支持板８０は、２つの取付板９０によってビーム７２に堅固に取り付けられる。図１４に示す通り、カバー９２は関節Ｊ４の部品を保護するのに役立つ。カバー内部では、保守のために手首２８が取外し可能にするように、エフェクタユニット３０から、関節Ｊ５およびＪ４からのケーブルにコネクタが設けられる。緊急停止ボタンが関節Ｊ４のカバー９２に設けられる。サーボモータ８１のシャフトにフェイルセーフブレーキを設けることが好ましい。マルチロボット構成における制限因子を構成し得る側方偏位Ｏ１を低減するために、モータはまた負荷軸プーリ８６およびセンサ８８の軸とも整列させることができる。この場合、支持板８０は負荷軸プーリ８６の周囲に丸みを帯びた縁を持つことが好ましい。
【００３４】
（Ｒ）関節Ｊ５の機械的および作動設計も図１１〜１３により詳細に示される。略Ｌ字状支持部材１００は、水平部分が関節Ｊ４に接続された状態で、かつ垂直部分を関節Ｊ５用の固定フレームとして、関節Ｊ５を関節Ｊ４に連結する。それは、モータシャフト上に位置エンコーダ１０２およびホールセンサを持つ、例えばＭＡＸＯＮ  ＭＯＴＯＲ  Ａ．Ｇ．の適切なＥＣ型式のブラシレスサーボモータ１０１を含む。図１３に示す通り、サーボモータ１０１は支持部材１００上に横向きに取り付けされる。図１２および１３に示す通り、（Ｒ）関節Ｊ５はさらに、負荷軸プーリ１０６を駆動するために、モータ１０１に連結されたギア１０３、ならびに伝動ベルト１０４およびプーリ１０５システムを介する伝動機構を含む。追加の絶対シングルターンセンサ１０８は同じく伝動ベルト１０４によって駆動されるプーリ１０９に接続され、支持部材１００の内側に取り付けられる。ケーブルをエフェクタユニット３０から関節Ｊ４に容易に渡すために、多数の特徴が含まれる。これらは、支持部材１００に設けられた２つの穴１１０および１１２、プーリ１０６およびツールフランジ３２の中空中心通路１１４、ならびにプーリ１０６用のケーブル経路支持体１１６である。Ｌ字状支持部材１００は、ツールフランジ３２を介してエフェクタユニット３０を支持するための剛構造を提供するために側方補強を給する。必要ならば、（Ｒ）関節Ｊ５はリミットスイッチおよびフェイルセーフブレーキ（図示せず）を含むことが好ましい。フェイルセーフブレーキが設けられる場合、それは、マルチロボット構成における制限因子を構成する側方偏位Ｏ２を低減するために、伝動ベルト１０４によって駆動されるプーリに取り付けることが好ましい。
【００３５】
図１４および１５は、３つの主要部分、すなわち腹腔鏡手術器具アクチュエータ１２０、６ＤＯＦの力／トルクセンサおよび６ＤＯＦの直線／角加速度計を含むセンサアセンブリ１２２、ならびに関節Ｊ６用のカバー１２４を持ち、関節Ｊ５のツールフランジ３２に接続するように設計されたエフェクタユニット３０を示す。関節Ｊ６はセンサアセンブリ１２２に接続される。腹腔鏡手術器具アクチュエータ１２０は、適応腹腔鏡手術器具１８をロボットマニピュレータ１４に装着するための座１３０を具備する。簡潔にするために、腹腔鏡手術器具アクチュエータ１２０、ならびに力、トルク、および加速度の測定センサを含むセンサアセンブリ１２２はそれぞれ、頭字語ＬＩＡおよびＦＴＡＳで呼ぶものとする。エフェクタユニット３０のコンポーネントは、関節Ｊ６が適応腹腔鏡手術器具１８をその長手対称軸を中心に回転させるように、かつこの軸がＦＴＡＳ１２２の法線Ｚ軸と一致するように整列される。（Ｒ）関節Ｊ５の回転軸に対するエフェクタユニット３０の位置は、関節Ｊ５が停止し、付勢されないときに、傾斜するのを防止するように、エフェクタユニット３０の平衡点に選択される。従って、手首２８に接続するエフェクタユニット３０の主支持フレーム１４０は、組み立てられたエフェクタユニット３０が（Ｒ）関節Ｊ５の回転軸上で平衡するように構成される。関節Ｊ５のモータ／負荷縮小率も傾斜抵抗に寄与する。
【００３６】
図１５は関節Ｊ６の構造を示す。主支持フレーム１４０（ツールフランジ３２に接続される）には、インクリメンタルエンコーダ１４２およびギアアセンブリ１４３を持つブラシレスモータ１４１が装着される。モータ１４１に接続されたモータプーリ１４５は、ベルト１４４によって負荷プーリ１４６に連結される。負荷プーリ１４６は関節Ｊ６の回転ＤＯＦをもたらす。追加の絶対位置センサ１４８は、（Ｒ）関節Ｊ６の軸と一致する負荷プーリ１４６の軸上に装着される。位置エンコーダ１４８は、ＬＩＡ１２０およびＦＴＡＳ１２２の信号線および電力線を、「スリップリング」または摺接型の回転コレクタ１５０に通すための中空シャフトを有する。スリップリング１５０は関節Ｊ６の無限軸回転を可能にする。負荷プーリ１４６は接続フランジ１５２を介してＦＴＡＳ１２２に接続される。ＬＩＡ１２０およびＦＴＡＳ１２２の電力線および信号線用のケーブルは、接続フランジ１５２の中空通路を通してカバー１２４の内部を案内される。理解される通り、ロボットマニピュレータ１４は総じて、例えば関節Ｊ１〜Ｊ６ならびにＬＩＡ１２０およびＦＴＡＳ１２２のようなエフェクタユニット３０のコンポーネントの全ての信号線および電力線の保護された案内を確実にするために、内部チャネルが設けられる。さらなる改善例（図示せず）では、関節Ｊ６の構成は次の２つの変形を実現する。第一に、モータ‐ギア‐プーリアセンブリ１４１、１４３、１４４、１４５を図１５に示す向きに対して−９０度に配置することによって、偏位Ｏ３を低減する。第二に、偏位Ｏ４は、モータ‐ギアアセンブリ１４１、１４３をＬＩＡ１２０に近づけて配置するように構成することによって低減される。
理解される通り、関節Ｊ４、Ｊ５、およびＪ６の回転軸は、本実施形態では空間の同一点で交差する。よって、リンクＬ５によって生じる潜在的な偏位が排除される。
【００３７】
図２３および図２４に示す通り、代替的設計はしかし、例えば２つの適応腹腔鏡手術器具１８が近くに配置された套管針（アクセスポート２０）に挿入される場合に、操縦性を改善するために、リンクＬ５による偏位Ｏ５をもたらすことがあり得る。例えば図２３および２４に示す特定の設計は、リンクＬ５による負の偏位Ｏ５を有する変形マニピュレータ手首２８´を提供する。この負の偏位Ｏ５は、手首２８´間の衝突無しに、第１ロボットマニピュレータ１４のエフェクタユニット３０を第２ロボットマニピュレータ１４のエフェクタユニット３０の上に配置することを可能にする。しかし、この変形構成は関節Ｊ３の到達範囲の増大、ならびに関節Ｊ２、Ｊ３、およびＪ４のより高い速度および加速度能力を必要とする。図２４から理解される通り、手首２８´の構成は、複数の近接位置のアクセスポート２０（套管針２００）で操作するのに有利である。図２３に示すようにＪ６およびＪ４の回転軸間の偏位Ｏ５の好適な値は、ＬＩＡ１２０の最大断面部の直径に近似することは理解される。
【００３８】
ロボットマニピュレータ１４およびそのコンポーネントの設計に関する幾つかのさらなる態様および利点について、以下で詳述する。
手首２８およびエフェクタユニット３０に使用される伝道装置およびモータの前述した構成に関しては、例えばケーブルおよびプーリを伝動手段として使用し、または小型ギア‐モータ‐ブレーキアセンブリをトルクモータと共に使用する、他の構成も可能である。しかし、伝動装置としてのケーブルおよびプーリは実行および保全が困難である一方、トルクモータに基づくアセンブリは一般的に小型ではない。記載したシステムの安全性のために、緊急停止の場合にモータ５１、６１、７１、８１、１０１、１４１を停止させるように、「ダイナミックブレーキ」機能を有するサーボドライブが選択された。ロボットマニピュレータ１４の外部カバーは、適切な洗浄可能なプラスチック材料およびおそらく部分的にアルミニウムから作られるが、全ての外側導電部は電気接地に接続される。全ての内部コンポーネントは、受信および放射に関しＥＭＩから遮蔽される。手術室の滅菌に関しては、ロボットマニピュレータ１４を完全に、すなわちエフェクタユニット３０から基台２４まで覆うために、無菌プラスチックバッグが通常使用される。
作動に関しては、上述したロボットマニピュレータ１４の設計は、２つのさらなる利点をもたらす。第一に、関節Ｊ１は高い静止摩擦および逆慣性を呈するので、それを除き、ロボットマニピュレータ１４の関節を手動で作動させることができる。換言すると、全てのブレーキが解除されたときに、手首２８のフランジ３２に取り付けられたエフェクタユニット３０は、５ｋｇ未満の（水平方向の）押す力しか必要としない、関節Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、およびＪ６の手動による作動を通して、手動で動かすことができる。第二に、システムの安全性は感覚的冗長性によって向上する。上述の通り、関節Ｊ１〜Ｊ６の各々が、モータシャフト上の位置エンコーダ、およびそれぞれの関節の実効運動出力を測定する追加の位置センサ（例えば６５、８８、１０８、１４８）の両方を有する。実際、この感覚的冗長性は（例えばモータワイヤ、ベルト、またはサーボドライブの）故障を検出するために使用される。
さらに、該設計は、関節Ｊ１〜Ｊ６の各々における行程端状態を回避する。行程端は、関節がその運動範囲を使い果たしたときに発生し、特に遠隔操作ロボット手術では、器具１８を患者Ｐの体内に挿入した状態で、外科医Ｓが復旧を達成することは困難かつ煩雑であるため、危機的な状態である。行程端状態を回避するために、アーム２６の柱状関節Ｊ１、Ｊ３は充分な行程を持つように設計され、エフェクタユニット３０のロール関節Ｊ６は、無限回転するように設計される。その結果、行程端状態を回避するために必要なことは、特定の予め定められた初期構成およびセットアップ状態を考慮するだけである。
【００３９】
図１６は、患者Ｐの身体の外側の套管針２００およびその作業空間２０２を概略的に示す。支点基準フレームＦＲＦも、図１６にデカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で、ｚ軸を重力の方向と略平行に上向きにして示される。套管針２００は通常、２０４に示される患者Ｐの腹部の小さい切開を通して、腹膜腔内に挿入される。套管針２００は切開と共に、図１および２に示す通り、アクセスポート２０を形成する。手術が実行される器官または領域に到達するために、ｚ´で示される套管針２００の長手軸が作業空間２０２で、枢支点２０６と称されるＦＲＦの原点を中心に枢動かされる。換言すると、この原点は套管針２００の支点を画定する。套管針２００を引き抜く危険性を低減するために、支点は、患者Ｐの腹壁と皮膚との間の傾斜抵抗の小さい位置へ決定されることが好ましい。
以下の最大力およびトルク範囲は、変形腹腔鏡手術器具のハンドルに配置された６ＤＯＦの力／トルクセンサで実験的に記録されたものである（Ｊ．Ｒｏｓｅｎらによる「Ｓｕｒｇｅｏｎ‐Ｔｏｏｌ  Ｆｏｒｃｅ／Ｔｏｒｑｕｅ  Ｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ−Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｋｉｌｌｓ  ｉｎ  Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ  Ｉｎｖａｓｉｖｅ  Ｓｕｒｇｅｒｙ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  Ｍｅｅｔｓ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ、ＭＭＶＲ−７、ＩＯＳ  Ｐｒｅｓｓ、カリフォルニア州サンフランシスコ、１９９９年１月を参照されたい）。
・力：          Ｆｘ，Ｆｙ＝±１０Ｎ；  Ｆｚ＝±３０Ｎ；
・モーメント    Ｍｘ，Ｍｙ＝±１Ｎｍ；  Ｍｚ＝±０．１Ｎｍ．
ここで、Ｆｉは対応する軸ｉ＝ｘ、ｙ、またはｚに沿った力を表わし、Ｍｉは、図１６におけるＦＲＦの対応する軸ｉ＝ｘ、ｙ、またはｚを中心とするモーメントを表わす。ＦＴＡＳ１２２の力トルクセンサの動作範囲は、これらの値に加えて、ＬＩＡ１２０の重量、運動力学負荷、ならびに套管針２００に働く枢動および穿通抵抗を考慮に入れるものとする。実際には、ＦＴＡＳ１２２の力トルクセンサは、ＦＴＡＳ１２２をジョイスティックとして使用してエフェクタユニット３０を手動で駆動するため、かつエフェクタユニット３０に接続された器具１８と相互作用する力／トルク、例えば器具１８の先端または図４の枢支点２０６における力／トルクを監視するために、力／トルクの反射、すなわち外科医Ｓによって操作される触覚インタフェースへの力／トルクのフィードバックに使用される。ＦＴＡＳ１２２の直線および径方向加速度計は、力トルクセンサ情報に対する重力および加速度の影響を補償するために使用される。ＦＴＡＳ１２２の加速度計および力トルクセンサの測定軸は幾何学的に一致する。
【００４０】
手術中に、腹腔鏡手術器具１８は套管針２００を通して挿入される。大半の外科手術の場合、外科医Ｓは、図１６のＦＲＦを中心に以下の最大範囲内の角作業空間および速度で器具１８を操作する。
【表１】
2009525098.tif 000003
一部の先行技術のロボットマニピュレータの設計および構成では、固定点を中心に枢動する手首構造の機械的構成のおかげで、套管針２００の枢支点は手首の設置後、固定されたまま維持される（例えばＴａｙｌｏｒらによる１９９５年５月の米国特許第５６６７３２３号「Ｒｅｍｏｔｅ  ｃｅｎｔｅｒ  ｏｆ  ｍｏｔｉｏｎ  ｒｏｂｏｔ」を参照されたい）。他の先行技術の設計は、套管針に加えられる力を制限するために、枢軸に沿った機械的応従性を実現する（例えばＷａｎｇらによる２０００年８月の米国特許第６１０２８５０号「Ｍｅｄｉｃａｌ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ」を参照されたい）。それとは対照的に、本書で提示するロボットマニピュレータ１４は、機械的応従性も運動の中心も持たずに設計されるが、特定の手順によって決定される枢支点２０６を中心とする正確な分解運動、ならびに枢支点２０６の位置を最適化するために、エフェクタユニット３０に加えられる力およびトルクの実時間制御に依存する。さらに、この特徴は、腹腔内作業空間を改善するために、必要な場合に外科医Ｓによって枢支点２０６を平行移動させる柔軟性をもたらす。別の利点は、例えば腹圧の損失による枢支点２０６の絶対位置の変動に適応する能力である。
【００４１】
明らかな通り、ロボットマニピュレータ１４は、外科医による腹腔鏡手術器具の手動操作に匹敵する巧緻性をエフェクタユニット３０に提供するために、特定の運動能力を持つ必要がある。表１に掲げた運動条件に基づき、この特定の実施例で関節Ｊ１〜Ｊ６に対して明らかになった好適な運動能力を表２に要約する。絶対基準システムに対して、例えば支点でのロール、ピッチ、およびヨー角を定義することができる。
【表２】
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それぞれの関節の速度および加速度能力に関して、表１に掲げた値は比較的高く、従って強いアクチュエータ、アーム２６および手首２８の剛構造、ならびに基台２４による適切な床固定が必要である。明らかに、要件の緩和につながる低い値を選択することができるが、これは枢支点２０６における動力学の低下を犠牲にして達成される。
特に力の反射を含む遠隔操作ロボット手術における別の関連態様は、マニピュレータ１４の精度要件である。充分な精度は套管針切開部における応力の低減に寄与し、精密な力／トルク補償を実行することを可能にする。
選ばれた設計では、エフェクタユニット３０への接続部、すなわちツールフランジ３２（図４参照）におけるマニピュレータ１４の静的精度は、位置が±２ｍｍより優れ、向きがＦＲＦで±０．１゜より優れているものとする（図１６参照）。ここで、接続された腹腔鏡手術器具１８の先端で、１．５ｋｇの外部負荷を想定し、ＦＲＦを（Ｒ）関節Ｊ５の軸から２８０ｍｍの距離と想定する。動的精度は、位置が±４ｍｍより優れ、向きがＦＲＦで±０．５゜より優れているものとする。これらの特徴は、中でも特に構造部品の精密な機械加工、リンクＬ１〜Ｌ６および関節Ｊ１〜Ｊ６の剛性、位置センサの充分な分解能、ＰＩＤモータ制御ループの適切なチューニング、マニピュレータの運動学的較正等を通して得られる。
【００４２】
この文脈で、各関節Ｊ１〜Ｊ６の出力に設けられた上述の絶対位置センサ（例えば６５、８８、１０８、１４８）は、次の利点をもたらす。
・関節を作動させることなく、ロボットマニピュレータ１４の関節Ｊ１〜Ｊ６をホーミング（ｈｏｍｉｎｇ）する。これは、モータを制御するために使用するインクリメンタルセンサの初期値が、絶対センサによって提供されることを意味する。絶対センサが利用できない場合、ホーミング手順は、全ての関節を所与の方向に移動させて、基準信号を探すことで実現することができる。始動時のホーミングのための自動的移動は、高速のセットアップ手順および安全性の向上を確実にするものではない。
・エフェクタユニット３０の位置および向きの実時間決定により、伝動機構によって生じる関節弾性誤差が回避される。
・ロボットマニピュレータ１４のＦＲＦからの偏位を監視する。
・各関節Ｊ１〜Ｊ６に設けられたそれぞれのモータエンコーダによって示された位置を用いてデータの無矛盾性を監視することにより、関節伝動障害（例えばベルトの破断）または他のハードウェア故障を検出する。
【００４３】
ロボット工学における別の態様は、ロボットマニピュレータ１４を制御するために使用される数学モデルである。ロボットマニピュレータ１４の理論的モデルからは逸脱して、運動学的装置に対する偏位、関節Ｊ１〜Ｊ６の弾性、およびリンクＬ１〜Ｌ７の弾性、アクチュエータの反発、および他の直線性誤差のようなパラメータを含め、有効かつ正確な「具体的」モデルを較正プロセス中に決定する必要がある。識別された「具体的な」マニピュレータモデルは、３つの目的に使用される。すなわち、第一に、運動制御装置で実際の関節の偏位およびリンク長と共に理論的モデルを使用してロボットマニピュレータ１４の精度を改善するため（これは逆運動学計算を簡素化する）、第二に、６ＤＯＦのＦＴＡＳ１２２および取り付けられた負荷の位置および向きを実時間でフォワードフォーミュレーション（ｆｏｒｗａｒｄｓ  ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ）により正確に計算するため（これらの値は、重力および加速度負荷を補償するために必要である）、第三に、器具先端の位置および向きを実時間でフォワードフォーミュレーションにより決定し、力の反射（例えば器具１８の穿通）に必要なパラメータを演繹するために使用される。
以下の段落で、腹腔鏡手術器具アクチュエータ（ＬＩＡ）１２０についてさらに詳細に説明する。
【００４４】
図１４および１５に示す通り、ＬＩＡ１２０はエフェクタユニット３０の一部を構成する。ＬＩＡ１２０は、把持／解剖用鉗子、鋏、吸引／灌水ツール等のような標準的腹腔鏡手術器具をロボットマニピュレータ１４と共に使用するための汎用作動インタフェースを提供する。従って、ＬＩＡ１２０はマニピュレータ１４の先端を形成し、それは外科医の手の作用を再現しているので、その手の部分を表わす。ＬＩＡ１２０はハウジング１５４を含み、その後端はＦＴＡＳ１２２に接続するためのインタフェースフランジ１５６を形成する一方、その前端はロボットマニピュレータ１４の先端を形成する。異なる構成のエフェクタユニットでは、ＬＩＡは関節Ｊ６を含むことができる。しかしこの構成は、開閉機構および動力伝動装置と共に回転機構を含む、より複雑な機械的設計の器具アダプタを必要とする。加えて、回転機構でも無菌領域を維持する必要がある。
図１４〜１５および図１８〜２２に示すＬＩＡ１２０は、片側をハンドルに、反対側をステムに分割することのできる、いずれかの標準的腹腔鏡手術器具と共に使用するように適応される。本書でステムは、その先端に例えば鉗子／鋏ジョーインサート、吸引／灌水手段、ナイフまたは電気焼灼／切断装置のような基本的ツールを有する比較的細長い管として定義される。先端と反対側の端は、ステムを外科医用のハンドルに接続するように設計されたソケットを含む。
ロボットマニピュレータ１４と標準器具との適合性は、ＬＩＡ１２０の設計、および以下で頭字語ＩＳＡと称され、その１例が図１７に示された、対応器具ステムアダプタの設計によって達成される。
【００４５】
図１７は、器具ステム３０２を接続することのできるＩＳＡ（器具ステムアダプタ）３００を示す。ＩＳＡ３００は、図１５に示す座１３０にそれを装着することによって、ＬＩＡ１２０に接続可能である。これを達成するために、ＩＳＡ３００は略円筒状の外面を持つケース３０３を含む。図１７に示す通り、ＩＳＡ３００は、従来の（腹腔鏡）器具の器具ステム３０２とＬＩＡ１２０との間の連結要素として設計される。これを達成するために、ＩＳＡ３００はその前端にステムコネクタ３０４を含む。ステムコネクタ３０４は、ステム３０２の特定の型のソケット３０６に接続するように設計され、それは実際の器具によって異なる。元来、ソケット３０６は、腹腔鏡手術器具ハンドル（図示せず）に接続するように設計される。図１７に示す通り、ステムコネクタ３０４は、ステム３０２がそのために設計された元来のハンドルのコネクタを再現する。ＩＳＡ３００はさらに、連結手段として、ＬＩＡ１２０に確実に接続するための連結部材３０８を含む。連結部材３０８はケース３０３上に横向きに配置され、ＩＳＡ３００がＬＩＡ１２０に装着されたときにＩＳＡ３００の回転を阻止するように、そこから径方向に突出する。ＬＩＡ１２０の誘導性有無スイッチ（下述する部品４０４と比較せよ）用の金属検出面を提供するために、連結部材３０８に小さい金属ブロック３０９が含まれる。直線状に摺動可能なピストン３１０が、ＩＳＡ３００内部の円筒状ガイド３１２に配置される。円筒状スライダピン３１４はピストン３１０に横向きに取り付けられ、ピストン３１０を作動させるためにケース３０３から突出する。ピストン３１０の摺動動作により、器具ステム３０２の先端のツールを動作させるために、器具ステム３０２内部のロッドが作動する。理解される通り、ＩＳＡ３００は、器具ステム３０２の動作に関して、ステム３０２に元来接続されたハンドルの機能性を再現する一方、ＬＩＡ１２０と共にロボットマニピュレータ１４に接続インタフェースを提供する。
【００４６】
図１７に示すＩＳＡ３００の特定の実施形態は、単極または双極性送電の有無に関わらず、器具先端の開閉機能のような機械的作動を必要とする器具、例えば鋏および把持器用に設計されていることは理解される。ＬＩＡ１２０に接続しようとする特定の型の腹腔鏡手術器具、すなわち特定の型のステム（例えば３０２）に各々適合される、多種多様な他の型の類似のアダプタも本開示に包含される。従ってＩＳＡは、器具の要件に応じて、例えば器具のジョーの作動用の直線状スライダピン３１４、例えば単極もしくは双極性焼灼電力等用の１つもしくはそれ以上の電気コネクタ３１８、および／または例えば灌水もしくは吸引器具用の１つもしくはそれ以上の導管接続体を含む。図１７には電気コネクタ３１８が示されているが、純粋に機械的器具１８の場合、電気コネクタ１８（図１７に細線幅で描かれる）を形成するＩＳＡ３００の部分は設ける必要がないことは理解される。任意の型のＩＳＡの構成材料は、例えば高圧蒸気滅菌器で滅菌することができるように選択しなければならないことが注目される。実際、ＬＩＡ１２０の設計のおかげで、ＩＳＡは滅菌する必要のあるロボット手術システム１０の唯一の部分（当然のことであるが、器具ステム以外で）である。手術中に、ＬＩＡ１２０のハウジング１５４およびエフェクタユニット３０の他の部分は、無菌プラスチックバッグ内に収容される。図示しないが、機械的に作動しない電気折込メスまたはナイフのような電動器具の場合、ＩＳＡがスライダピン３１４および関連する機械的伝動装置を持つ必要が無いことは明らかである。灌水または吸引カニューレのような器具の場合、ＩＳＡは、ロボット制御システムによって電気的に作動するエレクトロバルブを介して遠隔的に命令される、２つの管を具備する。
【００４７】
図１８に示すＬＩＡ１２０は、近傍アクセスポート２０と共に２つの隣接するツールの利用可能な作業空間を増大するために、軽量（総重量が例えば８００ｇ未満）に、かつ直径が約９０ｍｍまたは好ましくは７５ｍｍの比較的小さい円筒状エンベロープ内に収まるように設計される。ＬＩＡ１２０の全長（特定の実施例では約１３０ｍｍ）は、主としてＩＳＡ３００の長さによって決定される。関節Ｊ５の回転軸とＦＲＦの枢支点２０６との間の距離を限定するために、ＬＩＡ１２０の長さは最小化される（図１７参照）。実際、この距離オフセットは全てのマニピュレータ関節Ｊ１〜Ｊ５の行程範囲および速度／加速度能力に対して決定される。しかし、手動モード時に手でＬＩＡ１２０を把持することを可能にするために（すなわちＦＴＡＳ１２２に接続されたハウジング１５４を「ジョイスティック」として使用して）、ＬＩＡ１２０の長さは少なくとも６ｃｍとすることが推薦される。
図１８に示す通り、ハウジング１５４の外面は平滑な縁を有する。それは容易に洗浄可能で軽量かつ非導電性の材料から作られる。さらに、ＬＩＡ１２０は、ＩＳＡ３００を用いて装着される適応器具１８のステム３０２に対して、部分的に回転自在に対称な設計を有する。ＩＳＡ３００がＬＩＡ１２０に適切に接続されたときに、ステム３０２の軸は関節Ｊ６のロール軸およびＦＴＡＳ１２２の法線軸と一致する。
【００４８】
図１８にさらに示す通り、ＬＩＡ１２０のハウジング１５４は、下に詳述する通り、ＩＳＡ３００によって装着された器具１８を作動させるための直線作動機構４００を含む。座１３０は、ＩＳＡ３００の挿入および抜去を容易にするように、ＬＩＡ１２０のアクセス面４０１におけるくぼんだ細長い半円筒状凹部として形成される。ＩＳＡ３００を受容するための座１３０は関節Ｊ６の回転軸と略同軸であり、ハウジング１５４の中心軸に沿って延びる。理解される通り、ＬＩＡ１２０に対するＩＳＡ３００の着脱方向は、関節Ｊ６の回転軸に対して径方向である。ＬＩＡ１２０は、アクセス面４０１の上の半平面全体から座１３０にアクセスできるように構成される。図１８に示す通り、座１３０は、ＬＩＡ１２０の本体内に径方向に座１３０を深くする縦溝４０２を含む。ＩＳＡ３００の連結部材３０８を受容するために、追加の溝４０２が構成される。座１３０に関連する固締機構４０６の係合部が溝４０２に配置され、連結部材３０８と協働する。座１３０は、ＩＳＡ３００のケース３０３の外部円筒状の形状と共形の丸みを帯びた端部を持つ、半円筒状凹部として形成される。有無検出器４０４、例えば誘導性有無スイッチは、金属ブロック３０９（図１７参照）を感知することによってＩＳＡ３００の有無を検出するために、座１３０に配置される。デッドマンスイッチボタン４０８は、ロボットマニピュレータ１４の制御システムを手動モードに切り替ることを可能にする。手動モード時に、ＬＩＡ１２０（および、接続されているならば、器具１８）は、ＬＩＡ１２０のハウジング１５４を取り扱うアシスタントによって生成されかつＦＴＡＳ１２２によって読み出される情報を用いて、ロボットマニピュレータ１４によって位置および向きを決定される。手動モードは、套管針を介して器具を挿入または抜去するのに特に有用である。
【００４９】
直線作動機構４００の詳細は、図２０に最も良く示される。作動機構４００は、ギアボックス４１２ならびにベルト４１８によって連結されたプーリ４１４および４１６を介してボールねじ４２０に接続された、小型ブラシレスモータ４１１を含む。ボールねじ４２０は、図１９に示す通り回転を直線運動に変換するように、ねじ上に配置されたナット４２２と協働する。ナット４２２は、ボールねじ４２０に対する横方向の作用力を低減するために、リニアガイド４２４によって案内される。誘導性リミットスイッチ４２６および４２８はナット４２２の行程端位置に配置され、作動機構４００の移動を制限するための制御ユニットに接続される。
図１９に示す通り、作動機構４００は、下述するように直線運動をＬＩＡ１２０のスライダキャリッジ４３０に伝達する。好適な実施形態では、次のパラメータが作動機構４００に対して選択された。
・スライダキャリッジ４３０の最大限の機械的行程：７ｍｍ（標準器具には通常５ｍｍで充分であるが、同種の幾つかのステムは、最高２ｍｍ変動する行程長を持つことがあることが明らかになっている）。
・行程速度範囲：１ｍｍ／秒から２０ｍｍ／秒まで
・最大作動力：２００Ｎ
ステッパモータは、ＦＴＡＳ１２２に対するかなりの騒音源になる振動を発生するので、ＬＩＡ１２０では避けることが好ましい。従って、シャフト位置エンコーダを具備する小型ブラシレスモータ４１１を使用する。そのようなモータは例えばドイツ国ＳｃｈｏｅｎａｉｃｈのＦａｕｌｈａｂｅｒ  ＧｍｂＨから入手可能である。しかし、ケーブル駆動伝動装置のような他の非振動直線運動機構の使用は排除されない。
【００５０】
図２０は、ＬＩＡ１２０のハウジング１５４に埋め込まれて例えばＤＣ２４Ｖの電力を供給されるモータ４１１用の電源および制御ユニット４４０を示す。ハウジング１５４の直径をさらに低減するために、電源および制御ユニット４４０は、フランジ１５６とＦＴＡＳ１２２との間、またはＦＴＡＳ１２２と関節Ｊ６の接続フランジ（図示せず）との間のいずれかの追加ハウジング内、または関節Ｊ６のカバー１２４の内部、例えばスリップリングコレクタ８０の背後でモータ１４１の近くに配置することができる。電源および制御ユニット４４０は、とりわけ、受信する位置コマンドに従って所与の速度プロファイルでスライダキャリッジ４３０を作動させるため、設計される。ユーザの要求に応じてモータ電流を制御するため、リミットスイッチ４２６、４２８からの信号に基づいて動きを管理するため、リミットスイッチを用いてモータ４１１をホーミングするため、およびハウジング１５４上の有無検出器４０４を監視するために設計される。他の安全機能、例えば緊急停止機能もまた、モータ４１１のサーボ誤差、すなわち目標位置マイナス実効位置、およびモータ４１１の熱保護を用いて実現される。ＬＩＡ１２０の所要空間を低減するために、直線作動機構４００は絶対位置センサを具備しない。それにもかかわらず、リミットスイッチ４２６および４２８をホームセンサとして使用することによって、自動ホーミング手順が確保される。手術中に、電源遮断または停電後にシステムを迅速に回復するために、スライダキャリッジ４３０の絶対位置を、例えばロボット制御システムの適切なメモリに周期的に記録することができる。ＩＳＡ３００の有無、すなわちそれがＬＩＡ１２０に正しく装着されているか否かが、座１３０に配置された誘導性有無スイッチ４０４（図１８参照）を介して感知される。誘導性有無スイッチ４０４の出力は、制御ユニット４４０の利用可能な入力に送られる。
【００５１】
図１７および１９に最も良く示す通り、作動機構４００のスライダキャリッジ４３０は、ＩＳＡ３００のスライダピン３１４を受容するように適応される。モータ４１１の作動により、スライダキャリッジ４３０は、接続されたＩＳＡ３００のスライダピン３１４を駆動するように再配置される。スライダピン３１４は次に、ステム３０２の先端の作業要素またはツール（図示せず）、例えばジョー開閉機構を動作させるべく、ピストン３１０を作動させる。換言すると、直線作動機構４００およびＩＳＡ３００の組合せは、ステム３０２から除去されて取り外されＩＳＡ３００に置き換えられたハンドルの動作を模倣する。スライダキャリッジ４３０内へのスライダピン３１４の挿入は、傾斜した案内面４３４によって容易になる。
【００５２】
図２１および図２２は、図１８に部分的に示しただけのＬＩＡ１２０の固締機構４０６の構成をより詳細に示す。固締機構４０６はラッチとして構成され、座１３０の溝４０２（図１８に示す）に配置された摺動自在の止め具４５０を含む。止め具４５０が適切な手段によって溝４０２内を案内されることは理解されよう。溝４０２は摺動自在の止め具４５０と共に、図１７に示すＩＳＡ３００の連結部材３０８を係合受容するように構成される。止め具４５０は、連結部材３０８のスロットによって形成された２つの突起３１６を係合するための２つの突端４５２を含む（図１７参照）。連結部材３０８の縁は、溝４０２へ／からの挿入および取外しを容易にするように、丸みを帯びる。
止め具４５０の設計は図２２に最も良く示される。ばね４５４の弾性は止め具４０５をＦＴＡＳ１２２の方向に圧迫する。ＩＳＡ３００を取り外すときに、止め具４５０を連結部材３０８から手動で解除するために、直線案内ノブ４５６は、直線案内止め具４５０に結合された枢軸４５８を回転させる。止め具４５０の突端４５２は、ＩＳＡ３００を押すだけで挿入することができるように斜切される。ＬＩＡ１２０を被覆するために使用される無菌プラスチックシートの損傷を制限するために、突端４５２および突起３１６の係合部は対合プロファイルに従って丸みを付けられる。掛止機構と置換するために、例えばＬＩＡに設置された永久磁石を、ＩＳＡに装着された金属板およびカムベースのレバーと共に使用して、他の同等の連結または固締機構を使用することもできることは理解される。固定機構、例えば固締機構４０６および連結部材３０８は、ＩＳＡ３００がＬＩＡ１２０に装着されるときに、ＬＩＡ１２０から切り離すことなく、次の力およびモーメントに抵抗することができることを確実にするように設計されることが好ましい。
・１００Ｎの牽引力および圧縮力。
・器具先端における１５Ｎの径方向の力に対応するねじりモーメント。
・５Ｎｍまでの曲げモーメント。
ＬＩＡ１２０および各協働ＩＳＡ（例えば３００）が、適応腹腔鏡手術器具１８、すなわち外科医アシスタントＡによってＩＳＡ（例えば３００）と組み立てられるステム（例えば３０２）の迅速かつ容易な手動着脱のために設計されることは理解される。ＩＳＡ３００の略円筒状外形、その連結部材３０８、座１３０、溝４０２、および固締機構４０６は上述の通り、ＩＳＡ３００のＬＩＡ１２０への案内挿入、および単純接続手順をもたらす。該設計は、ＩＳＡが挿入されたときに要求される剛性、およびわずかな手作業の動きによる簡単な抜去手順を確実にする。この設計によって、適応器具１８（すなわちステムおよびＩＳＡ）の挿入および抜去は、アシスタントが従来の器具を外科医のために約６〜９秒で交換する手動外科手術と基本的に同じ速さで実行することができる。
ＩＳＡ（例えば３００）およびステム（例えば３０２）を含む適応器具１８の挿入または取外しは、器具が患者Ｐの体外にあるとき、または器具が患者Ｐの体内に挿入されているとき、どちらの場合も安全に行なうことができることに注目されたい。また、スライダピン３１４を駆動しながら、取外しを実行することも可能である。
【００５３】
適応器具をＬＩＡ１２０に装着する前に、多くの予備的条件を満たさなければならない。第一に、器具を套管針に部分的に挿入する場合（套管針の長さを超えることなく）、ＬＩＡ１２０は事前に、マニピュレータ１４によって、エフェクタユニット３０の回転軸（関節Ｊ６）を套管針と整列させる教示された位置に配置し、かつ方向付ける必要がある。第二に、スライダキャリッジ４３０はロボット制御システムによって「挿入基準位置」に、例えばインタフェースフランジ１５６に最も近い位置に、配置しなければならない。ＩＳＡ（例えば３００）が取り外されるときに、スライダキャリッジ４３０はロボット制御システムによって自動的にこの「挿入基準位置」に移動させなければならない。上述の通り、ＩＳＡの存在、不在、または異常解放は、有無検出器４０４によって検出することができる。第三に、もし存在するならば、ＩＳＡ（例えば３００）のスライダピン（例えば３１４）は、スライダキャリッジ４３０のそれに対応する「挿入基準位置」にある必要がある。スライダピン３１４のこの位置は、器具が「閉じた」構成にあるように定義することが好ましい。例えば鉗子／鋏器具のジョーはこの位置で緩くしかし充分に閉じる。
図１４に最も良く示す通り、ＩＳＡ（例えば３００）およびステム（例えば３０２）を含む適応腹腔鏡手術器具１８の挿入手順は、ＩＳＡ（例えば３００）をその座１３０に配置すること、および連結部材３０８を固締機構４０６と係合させるようにＩＳＡを同じ方向に沿って軽く押すことから構成される、矢印４６０に従った１回の単純な手作業による動きのみによって実行することができる。有無検出器４０４は、連結部材３０８が溝４０２に正しく設置されているときに、肯定的な出力をもたらす。この挿入手順中に、上記条件が満たされる場合、さらなる手段の必要無く、スライダキャリッジ４３０はスライダピン３１４と係合する。
【００５４】
外科医Ｓが自身のマスタコンソール１５を介して器具の変更を要求したときに、通常４つの動作がロボット制御システムによって自動的に実行される。第一に、ロボット制御システムは器具１８を制御して任意の組織を解放させる。第二に、それは器具を器具の軸方向に従って套管針ポート付近で動かす。第三に、ツール先端、例えば器具ジョーは、套管針における先端の引っ掛かりを防止する構成にされる。第四に、それは、外科医アシスタントＡがＬＩＡ１２０を自由に回転させて、ＬＩＡ１２０からの器具の取外しを容易にすることができるように、関節Ｊ６のモータを解放する。これらの操作後に、適応腹腔鏡手術器具１８の取外しを２回の単純な動きでいつでも安全に実行することができる。
【００５５】
最初の抜去の動きは、ノブ４５６を押して固締機構４０６のロックを解除することから構成される。第２の抜去の動きは、ステム軸と直角を成す軸を中心とする回転によって、ステムの先端を中心にＩＳＡ（例えば３００）およびステム（例えば３０２）を枢動して、両方を座から取外し、かつその後、まだ挿入されている場合には、ステム（例えば３０２）を患者Ｐの身体から抜去することから構成される。
上記挿入および取外し手順から明らかな通り、ＬＩＡ１２０およびＩＳＡ（例えば３００）の設計は、適応器具１８のステム（例えば３０２）が套管針２００を通してまだ部分的に患者Ｐの体内に挿入されているときでも、器具の挿入または抜去を可能にする（図１６参照）。理解される通り、抜去に必要な動きは、座１３０の長手軸に対し直角な枢動およびその後の抜去の動きから構成されるので、患者Ｐに対して穿通方向ではない。さらに、所与の枢動方向の動きが患者を傷つけるおそれがある場合、関節Ｊ６を介してＬＩＡ１２０を手動で回転させることによってこの方向を変えることができる。加えて、停電が発生した場合、ＩＳＡ（例えば３００）はそのステム（例えば３０２）と共に手動で解除し、かつ抜去することができる。
【００５６】
上述の通りＬＩＡ１２０に関連して、単純な器具ステムアダプタ（ＩＳＡ）（例えば３００）によって、多種多様な既存の標準腹腔鏡手術器具をロボットシステム１０に使用することができることは理解される。ＬＩＡ１２０は対応するＩＳＡと組み合わせて、作動または電力供給能力を失うことなく、所与の腹腔鏡手術器具のハンドル部に取って代る。ＬＩＡ１２０は汎用的に、すなわちロボットマニピュレータ１４に連結される器具の型とは関係なく、設計される。従って、ＩＳＡ（例えば３００）だけを器具の要件に従って特別に設計する必要がある。上述の通り、ＬＩＡ１２０はとりわけ次の機能を達成することができる。
・直線作動機構４００を用いて、器具ツール先端、例えば器具のジョー（あご部）の「開閉」作動を行なう。
・全ての型の器具の所要「開閉」行程長を適応させる。
・ロボットマニピュレータ１４の動作を通してナイフのような非作動器具を取り扱う。
さらに、ＬＩＡ１２０は、幾つかの因子のため、ロボット腹腔鏡手術の有利な費用対効果を可能にする。第一に、器具および関連アクチュエータが単一のユニットとして単一の筐体内に組み立てられるので、１マニピュレータにつき幾つかのアクチュエータを必要とする先行技術の装置とは対照的に、各マニピュレータ１４に対し１つのＬＩＡ１２０が必要なだけである。これは、とりわけアクチュエータコストの節約を可能にする。第二に、器具のコストは、標準腹腔鏡手術器具のステム（例えば３０２）および単純な構造の対応する器具ステムアダプタ（例えば３００）を使用することによって、低減される。従って、ＬＩＡ１２０と共に使用される適応器具１８のコストは、標準手動腹腔鏡手術器具（すなわちハンドルを含む）のコストとほぼ同一である。第三に、ＩＳＡ（例えば３００）の設計が滅菌サイクルに対して頑健であるため、器具の維持費が標準腹腔鏡手術器具のそれと略同一である。
【００５７】
図２５を参照して、ＬＩＡ１１２０の代替的実施形態について記載する。本書で上述したＬＩＡの多くの態様および利点は、ＬＩＡ１１２０にも適用されるので、主要な特徴および相違点のみを以下で詳述する。
図２５に示すＬＩＡ１１２０は、ＩＳＡのＬＩＡ１１２０への装着および取外しを容易にするために、上部略平坦アクセス面１４０１を有する半円筒ハウジング１１５４を有する。ハウジング１１５４の反対側の表面１１５５は、Ｊ６の回転軸と同軸の円筒状エンベロープと一致する半円筒形である。半円筒面１１５５の直径は、特に上述した手動モードでロボットマニピュレータ１４に命令するために、人間のオペレータによって取り扱うことができるように人間工学的に、例えば５０〜１３５ｍｍの範囲内で、好ましくは約９０ｍｍに選択される。半円筒ハウジングは、ＬＩＡ１１２０をＦＴＡＳ１２２に取り付けるためのインタフェースフランジ１５６より実質的に小さい断面を有するので、ハウジング１１５４はさらに漸進的補強リブ１１５７を含む。補強リブは、アクセス面１４０１からインタフェースフランジ１５６の上縁まで徐々に、すなわち円滑に増大する形状を有する。補強リブ１１５７はさらに、半円筒面１１５５の円筒状エンベロープと一致するように湾曲する。補強リブ１１５７はアクセス面１４０１をインタフェースフランジ１５６に接続し、それによってハウジング１１５４のインタフェースフランジ１５６への取付けの剛性を補強し、高める。それによって補強リブ１１５７は、ＩＳＡからＬＩＡ１１２０を介してＦＴＡＳ１２２への力およびトルクのより正確な伝達を確実にする。同様の補強リブは、図１４のＬＩＡ１２０にも設けられることに留意されたい。
【００５８】
図２５はさらに、器具ステムアダプタをＬＩＡ１１２０に装着し、かつそれによってエフェクタユニット３０に装着するための代替的連結機構を示す。ＬＩＡ１２０の場合と同様に、ＬＩＡ１１２０に、座１１３０がアクセス面１４０１におけるくぼんだ細長い半円筒状凹部として形成され、Ｊ６の回転軸上のアダプタのセルフセンタリングをもたらす。さらに連結機構は、スライダキャリッジ１４３０の片側に２つ、かつ座１１３０の反対側に１つ、複数の磁気装置１４２３を備え、後者の磁気装置は、アクセス面１４０１から外れた隆起部１４２５上に配置される。隆起部１４２５は、装着されたアダプタに対する軸方向の追加の保持拘束をもたらし、アクセス面１４０１の方向の傾斜によってアダプタの軸方向位置決めの自己調節を可能にする。理解される通り、電磁石、永久磁石、または両方の組合せとすることのできる磁気装置１４２３は、相応して設計されたＩＳＡの磁力による固定を確実にする。機械的スナップ止めを回避することにより、マニピュレータ１４または少なくともエフェクタユニット３０を被包するために使用される無菌プラスチックカバーを損傷する危険性が排除される。
【００５９】
図２５は、ＩＳＡに設けられた誘導的に識別可能な物質パターンによって、エフェクタユニット３０に装着された器具を識別するための複数の誘導性有無センサ１４３１を示す。４つの誘導性有無センサ１４３１が１列に配置され、誘導性有無センサ１４３１と対面するＩＳＡの対応する位置の列における導電性物質の存在または不在に基づいて、２進コード（４ビット語）を用いた場合、１６種類の器具を区別し、識別することが可能である。さらに、誘導性有無センサ１４３１は、不在の器具に対応するパターンコード（４ビット語）をこの目的に使用する場合、すなわち導電性パターンがいずれの誘導性センサ１４３１も対面しない場合、有無検出も可能になる。
図２５で係合部材１４３３は分離して示される。係合部材１４３３はスライダキャリッジ１４３０を含む作動機構の一部であり、ＩＳＡのスライダピン３１４を係合するためのスリット内に入る斜切捕捉面１４３４を有する。斜切面１４３４はＩＳＡのスライダピン３１４の挿入を促進する。理解される通り、係合部材１４３３はスライダキャリッジ１４３０から取外し可能であり、滅菌適合性材料から作られる。係合部材はそれによって、無菌ラップでＬＩＡ１１２０を被覆した後でなければ、キャリッジ１４３０に設置することができない。キャリッジ１４３０の動きの範囲は限定されるので、無菌ラップの損傷は発生し得ない。
【００６０】
図２６は、図２５のＬＩＡ１１２０に装着されたＩＳＡ１３００の代替的実施形態を示す。ＩＳＡ１３００は、ＬＩＡ１１２０の代替的実施形態と適合可能であるように設計され、以下で詳述する。ＩＳＡ１３００は、その基部がアクセス面１４０１に適合されるように寸法を決定される。ＩＳＡ１３００の機能は、図１７に示したＩＳＡ３００のそれと同じである。すなわち手動介入で利用可能な機能性を失うことなく、標準手動腹腔鏡手術器具のステム３０２をロボットマニピュレータ１４で使用することを可能にするインタフェースを提供することである。図２６はまた、システムを手動モードに切り替えるためにＬＩＡ１１２０に設けられたスイッチボタン４０８をも示す。ＩＳＡ１３００は、ＩＳＡ１３００をＬＩＡ１１２０から手動で容易に取り外すため、すなわち切り離すためのレバー１３０１を具備する。ＩＳＡ１３００はまた、ワイヤをＬＩＡ１１２０に通すことなく、電動器具（例えば凝固器または切断器具）を電源に直接接続するための電気コネクタ１３０８を有する。
図２５および２６から明らかである通り、設計は、ハウジング１１５４、フランジ１５６、補強リブ１１５７、ＦＴＡＳ１２２センサアセンブリを含めＬＩＡ１１２０の全てのコンポーネント、およびレバー１３０１を含め装着されたＩＳＡ１３００の全ての部品が、半円筒面１１５５によって画定される円筒状エンベロープ内に配置されるように行なわれる。これは、ＬＩＡ１１２０がＪ６によって回転するときに衝突および破損の危険性を軽減するためである。
【００６１】
図２７は、直線運動をスライダキャリッジ１４３０に伝達するための、図１９の機構とは異なる設計の代替的作動機構１４００を示す。それは、ギアボックス１４１２およびボールねじまたはウォームギア１４２０を介してナット部材１４２２に接続される小型ブラシレスモータ１４１１を含む。キャリッジ１４３０は、力センサ１４２７を介在してナット部材１４２２に固定される。力センサ１４２７は、キャリッジ１４３０によってスライダピン３１４に働く力およびその逆の力を測定することを可能にする。また、スライダキャリッジ１４３０を長手座１１３０の片側に装着することによって、モータ１４１１および接続されたギアは、ＩＳＡ１３００およびステム３０２の長手軸と平行に配置することができることも理解される。これにより、ＬＩＡ１１２０の全長を最小化することができ、よって特定の関節（例えばＪ４）のためのアクチュエータ動力学に対する要件が緩和される。さらに、この作動機構１４００は有害な振動の発生に関して最適化されることは理解される。駆動機構１４００の他の態様および利点は、本書で前述した機構４００のそれらと同様である。
【００６２】
図２８は、ＬＩＡ１１２０から取り外された図２６のＩＳＡ１３００の底面側を示す。ＩＳＡ１３００は、前端にステムコネクタ１３０４を持つ細長いケース１３０３を含む（図３０参照）。ステムコネクタ１３０４は、いずれかの型の取外し可能な接続が設けられる限り、標準手動腹腔鏡手術器具のステム３０２（一部分だけを図示）に固定された型のソケット３０６への着脱自在の接続を可能にする。言うまでもなく、コネクタおよびソケットはそれぞれステムおよびＩＳＡに配置することができる。ケース３０３と同様に、ケース１３０３は、座１１３０と協働するための半円筒面をその底面側に有する。図２８に示す通り、横方向の翼１３０５がケース１３０３の両側から突出する。横方向の翼１３０５は、ＬＩＡ１１２０のアクセス面１４０１に（例えば隆起部１４２５にも）接合する平坦な低部表面を有する。ＩＳＡ１３００がＬＩＡ１１２０に連結されたときに、例えばスライダピン３１４を手動で動かすために、スライダピン３１４の上の１つの翼１３０５に、可視性およびアクセスを提供するために、カットアウト空間１３０７が設けられる。図２８はまた、ケース１３０３の両側の各翼１３０５に配置された平坦な強磁性要素１３１１をも示す。強磁性要素１３１１は、図２５に示す通り、ＬＩＡ１１２０上の対応する磁気装置１４２３とそれぞれ協働する連結手段を形成する。領域１３１３で、図２５に示す誘導性センサ１４３１によって、使用される器具を識別するために、誘導的に識別可能なパターンがＩＳＡ１３００に設けられる。図２５に示すこの実施形態で、全金属板は所与の４ビット語（例えば１１１１または００００）に対応する一方、他のアダプタでは、例えば誘導性センサ１４３１に対面する位置の１つまたはそれ以上に穴をあけることによって、識別のための異なるビット語をもたらすように空隙を設けることができる。
【００６３】
図２９は、図２８のＩＳＡ１３００を部分的に分解された状態で示す。図２９に示す通り、ＩＳＡ１３００は、特定の手動腹腔鏡手術器具のピストン３１０用の円筒状ガイド１３１２として働く内部中空を有する。ピストン３１０は一般的に手動器具で、器具ハンドルからステム３０２内を案内されるシャフトに動きを伝達するために使用される。手動器具の既存のピストンはガイド１３１２内を摺動するように構成することができることは理解される。図２８に示す通り、長円形貫通穴１３１５がケース１３０３に設けられ、ピストン３１０に横方向に取り付けられたスライダピン３１４をケース１３０３から突出させ、かつピストン３１０を操作するためにケース１３０３の軸方向に前後に偏位させることが可能である。図２９に示すピストン３１０は、二極性電力を器具に提供し、かつ器具をロック／ロック解除するために使用される手動二極性器具の独自部分である。
【００６４】
図３０は、同じ型のアダプタを使用して、手動介入用の異なる型の市販の腹腔鏡手術器具の異なるピストンを、例えば図３０に示す単極性手動器具用のピストン１３１０を受け入れることができることを図示する。その結果として、ＩＳＡ１３００（またはＩＳＡ３００）のようなアダプタは、任意の市販の比較的安価な手動器具の基本部分をロボットマニピュレータ１４に使用することを可能にする。図２９はまた、レバー１３０１のほぞ１３１７の１つ、およびレバーがそれを中心に枢動するシャフト１３１９をも示す。レバー１３０１を押し下げることによって、ＩＳＡ１３００をＪ６の回転軸すなわち器具ステムの軸に直角な方向に手動で取り外すことができるように、ほぞ１３１７はＩＳＡ１３００の下面および特に強磁性要素１３１１を上昇させて、ＩＳＡ１１２０のアクセス面１４０１から遠ざける。
【００６５】
本書で上述した態様に加えて、ロボット手術システム１０はさらに次の特徴を提示する。
・ロボットマニピュレータ１４はそれらの設計のおかげで、外科医Ｓが手術台１２にアクセスすることができ、かつ放射線器具を設置することができるように、容易かつ迅速に後退させることができる。
・ロボットマニピュレータ１４は、それらの設計のおかげで、かつ外部センサからの情報を使用して、介入時間を著しく増大することなく、患者の（アンチ）トレンデレンブルグ（−／＋２０〜３５度）または横臥位に対する介入中の手術台１２の角度変化に容易に適応することができる。
・ロボットマニピュレータ１４は、それらの設計のおかげで、かつ外部センサからの情報を使用して、腹腔内圧の変化による套管針の位置変化を容易に管理することができる。
・ロボット手術システム１０は、全介入時間を最小化するために、短時間の器具交換を可能にし、ＬＩＡ１２０、１１２０およびロボットマニピュレータ１４の設計は、内視鏡に使用する場合に、器具交換時間を基本的に手動腹腔鏡手術手技（６秒から９秒の範囲）の場合と同程度に短くすることを可能にし、ロボットマニピュレータ１４の設計はまた、例えば光学系を洗浄するために迅速な内視鏡の抜去および再挿入をも可能にする。
・ロボット手術システム１０は、手術台１２を中心とする複数のロボットマニピュレータ１４の構成を含め、システムの迅速かつ単純なセットアップを可能にする。
・ロボットマニピュレータ１４は、最小侵襲外科手術、整形外科、生検、経皮的治療、皮膚採取、超音波診断等のように多種多様な用途に適合させるために、汎用的に設計される。
本特許出願は原則的に、本明細書に付属する特許請求の範囲に記載する発明に関するが、本特許出願が、例えば本願の補正請求項の対象物として、または分割出願および／もしくは継続出願の請求項の対象物として請求することのできる、他の発明を定義するための裏付けを含むことを当業熟練者は容易に理解される。そのような対象物は、本書で開示した任意の特徴または特徴の組合せによって定義することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】患者が横たわる手術台の周囲に３つのロボットマニピュレータが配置された手術室における一般的腹腔鏡手術用のロボット手術システムの斜視図である。
【図２】５つのロボットマニピュレータを持つ一般的腹腔鏡手術用のロボット手術システムの斜視図である。
【図３】主座標系を示す図１および図２のロボット手術システムのロボットマニピュレータの斜視図である。
【図４】部分的にその主要部分に分解された図３のロボットマニピュレータの斜視図である。
【図５】関節Ｊ１〜Ｊ６を含む図３のロボットマニピュレータの運動学的構成の略図である。
【図６】マニピュレータコンポーネントを包囲する２Ｄ衝突検出ボックスを示す、５つのロボットマニピュレータを持つロボット手術システムの上面図である。
【図７】図３のロボットマニピュレータの基台の斜視図である。
【図８】ロボットマニピュレータに対する外科医アシスタントの近接性を検出する、２Ｄレーザに基づく検出を示すロボット手術システムの上面図である。
【図９】図３のロボットマニピュレータの関節Ｊ１、Ｊ２、およびＪ３の内部コンポーネントの斜視図である。
【図１０】図３のロボットマニピュレータの関節Ｊ２の内部コンポーネントの斜視図である。
【図１１】関節Ｊ４およびＪ５を含むマニピュレータ手首の内部コンポーネントの第１斜視図である。
【図１２】関節Ｊ４およびＪ５を含むマニピュレータ手首の内部コンポーネントの第２斜視図である。
【図１３】関節Ｊ４およびＪ５を含むマニピュレータ手首の内部コンポーネントの第３斜視図である。
【図１４】図３のロボットマニピュレータのエフェクタユニット、およびエフェクタユニットに接続される適応器具を示す斜視図である。
【図１５】図１４のエフェクタユニットの主要内部コンポーネントの斜視図である。
【図１６】支点基準フレームの斜視図である。
【図１７】器具ステムアダプタ（ＩＳＡ）および対応する器具ステムの斜視図である。
【図１８】図１４に示した腹腔鏡手術器具アクチュエータ（ＬＩＡ）の拡大斜視図である。
【図１９】図１８のＬＩＡにおける駆動アセンブリの斜視図である。
【図２０】図１８に示したＬＩＡのさらなる内部コンポーネントを示す、下からの斜視図である。
【図２１】図１８に示したＬＩＡのさらなる内部コンポーネントを示す、上からの斜視図である。
【図２２】図１８に示したＬＩＡで使用される連結機構を示す斜視図である。
【図２３】変更されたマニピュレータ手首を有する図３に係るロボットマニピュレータの斜視図である。
【図２４】図２３に係る４つのロボットマニピュレータおよび図３に係る１つのロボットマニピュレータを持つ、一般的腹腔鏡手術用のロボット手術システムの斜視図である。
【図２５】図１４に示したエフェクタユニットに使用するための腹腔鏡手術器具アクチュエータ（ＬＩＡ）の代替的実施形態の斜視図である。
【図２６】器具ステムアダプタ（ＩＳＡ）の代替的実施形態がＬＩＡに接続された、図２４のＬＩＡの斜視図である。
【図２７】図２４のＬＩＡに使用される代替的駆動アセンブリの斜視図である。
【図２８】図２６に示したＩＳＡの別の斜視図である。
【図２９】図２６および図２８に示したＩＳＡの一部切欠き斜視図である。
【図３０】異なる器具がアダプタに接続された、図２６および図２８に示したＩＳＡの別の一部切欠き斜視図である。
【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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【国際調査報告】
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