(57)【要約】医療器具、特に腹腔鏡手術器具（１８）をロボット補助により取り扱うロボットマニピュレータ（１４）を備える医療処置を実施するための医療ロボットシステム（１０）。ロボットマニピュレータ１４は、基部（２４）、前記基部によって支持される垂直部分（２７）、及び前記垂直部分（２７）によって支持されるほぼ水平な部分（２９）を備えるマニピュレータアーム（２６）、前記マニピュレータアーム（２６）によって支持されるマニピュレータリスト（２８）、及び前記マニピュレータリストによって支持され、かつ医療器具を保持するように形状化されたエフェクタ装置（３０）から構成される。マニピュレータアーム（２６）にはマニピュレータリストを定位させるための円筒形ＰＲＰ運動構成が与えられる。より詳細には、ＰＲＰ運動構成には、ジョイントが下記順序、すなわち、ほぼ垂直な軸に沿った移行自由度を与えることによって垂直部分（２７）の高さを変えるプリズム型（Ｐ）第一ジョイント、ほぼ垂直な軸を中心とした回転自由度を与えることによって垂直部分（２７）と水平部分（２９）との間の回転角を変える回転型（Ｒ）第二ジョイント、及びほぼ水平な軸に沿った移行自由度を与えることにより水平部分の到達範囲を変えるプリズム型（Ｐ）第三ジョイントの順で配置される。2009525097.tif 000005
2009525097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療器具（１８）をロボット操作によって取り扱うロボットマニピュレータ（１４）を備えて成る医療処置を行うための医療ロボットシステムであって、
前記ロボットマニピュレータは、
基部（２４）、
前記基部によって支持される略垂直部分（２７）及び前記垂直部分によって支持される略水平部分（２９）を有するマニピュレータアーム（２６）、
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リスト（２８）、及び
前記マニピュレータリストによって支持され、かつ医療器具を保持するように構成されたエフェクタ装置から成り、
前記マニピュレータアーム（２６）は、略垂直軸に沿った移行自由度を与えることによって前記垂直部分の高さを変えるプリズム型（Ｐ）第一ジョイント（Ｊ１）、略垂直軸を中心とした回転自由度を与えることによって前記垂直部分と前記水平部分との間の回転角を変える回転型（Ｒ）第二ジョイント（Ｊ２）、及び略水平軸に沿った移行自由度を与えることによって前記水平部分の到達範囲を変えるプリズム型（Ｐ）第三ジョイント（Ｊ３）を備える円筒形ＰＲＰ運動構成から成ることを特徴とする前記医療ロボットシステム。
【請求項２】
前記第一（Ｐ）ジョイント（Ｊ１）は、前記第一（Ｐ）ジョイント（Ｊ１）を作動させる垂直直線ガイド（５２）及び第一直線作動装置（５０）、好ましくは直線ボールスクリュー軸を備えることを特徴とする請求項１項記載の医療ロボットシステム。
【請求項３】
前記第三（Ｐ）ジョイント（Ｊ３）は、前記第三（Ｐ）ジョイントを作動させる水平直線ガイド（７３）及び第二直線作動装置（７０）、好ましくは直線ボールスクリュー軸が備えられることを特徴とする請求項２項記載の医療ロボットシステム。
【請求項４】
前記水平部分が前記水平直線ガイド及び前記第二直線作動装置を封入する細長いカバー（７４）から成り、該カバーの片側において前記カバーへ嵌り込み、かつ他方側において前記リスト（２８）を支持するビーム（７２）が前記水平部分に含まれることを特徴とする請求項３項記載の医療ロボットシステム。
【請求項５】
前記第二（Ｒ）ジョイント（Ｊ２）に、ギア、好ましくは調和駆動ギア（６２）、モーター（６１）、好ましくは前記ギアの入力段へ連結されたブラシレスサーボモーター、及び前記ギアの出力段へ連結された絶対位置センサ（６５）が備えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の医療ロボットシステム。
【請求項６】
前記アームの前記水平部分（２９）に８００ｍｍの最小連結オフセットが設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の医療ロボットシステム。
【請求項７】
前記マニピュレータリスト（２８）が、前記エフェクタ装置（３０）を定位させる回転型（Ｒ）第四ジョイント（Ｊ４）と回転型（Ｒ）第五ジョイント（Ｊ５）から成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の医療ロボットシステム。
【請求項８】
前記第四（Ｒ）ジョイント（Ｊ４）の回転軸と前記第二（Ｒ）ジョイント（Ｊ２）の回転軸が平行であることを特徴とする請求項７項記載の医療ロボットシステム。
【請求項９】
前記第四（Ｒ）ジョイント（Ｊ４）の回転軸が前記第二（Ｒ）ジョイント（Ｊ２）の回転軸と前記第三（Ｐ）ジョイント（Ｊ３）の移行軸によって形成される面と同一平面上にあることを特徴とする請求項８項記載の医療ロボットシステム。
【請求項１０】
前記第四（Ｒ）ジョイント（Ｊ４）によって前記エフェクタ装置（３０）のヨー角（偏揺れ角）を設定する略垂直軸に沿った回転自由度が与えられ、及び前記第五（Ｒ）ジョイント（Ｊ５）によって前記エフェクタ装置（３０）のピッチ角を設定する略水平軸に沿った回転自由度が与えられることを特徴とする請求項９項記載の医療ロボットシステム。
【請求項１１】
前記リスト（２８）が前記アームの前記水平部分（２９）へ連結される支持板（８０）及びほぼＬ形の支持部材（１００）から成り、前記第四（Ｒ）ジョイント（Ｊ４）によって前記支持部材の第一水平部分が前記支持板（８０）へ連結され、及び前記第五（Ｒ）ジョイント（Ｊ５）によって前記支持部材（１００）の第二垂直部分が前記エフェクタ装置（３０）用の連結手段（３２）へ連結され、さらに前記第四（Ｒ）ジョイント回転軸及び前記第五（Ｒ）ジョイント回転軸が直交して交差点が設けられるように前記リストが配置されることを特徴とする請求項１０項記載の医療ロボットシステム。
【請求項１２】
前記エフェクタ装置（３０）が、手術器具（１８）を前記マニピュレータへ取り付ける手段を備える腹腔鏡器具作動装置（１２０、１１２０）と、取り付けられた手術器具を作動させる直線作動機構（４００、１４００）から成ることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の医療ロボットシステム。
【請求項１３】
前記エフェクタ装置（３０）に、該エフェクタ装置（３０）を前記リスト（２８）へ連結する主支持フレーム（１４０）と、前記腹腔鏡器具作動装置（１２０、１１２０）を前記主支持フレームへ連結する回転型（Ｒ）第六ジョイント（Ｊ６）が含まれ、前記第六（Ｒ）ジョイントによって前記腹腔鏡器具作動装置へ取り付けられた手術器具の縦軸と同一空間を占める軸に沿った回転自由度が与えられることにより、前記取り付けられた手術器具の回転角が設定されることを特徴とする請求項１２項記載の医療ロボットシステム。
【請求項１４】
前記第六（Ｒ）ジョイント（Ｊ６）の回転軸と前記第五（Ｒ）ジョイント（Ｊ５）の回転軸が直交することを特徴とする請求項１３項記載の医療ロボットシステム。
【請求項１５】
前記マニピュレータリスト（２８）が、前記第六（Ｒ）ジョイント（Ｊ６）の回転軸と前記第四（Ｒ）ジョイント（Ｊ４）の回転軸が腹腔鏡器具作動装置（１２０、１１２０）の断面の最も大きい箇所における直径にほぼ一致する間隔（Ｏ５）で中心から外れるように構成されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の医療ロボットシステム。
【請求項１６】
前記エフェクタ装置（３０）は、６−ＤＯＦ応力／トルクセンサと同時に６−ＤＯＦ直線・角加速度計から成るセンサ組立装置（１２２）を有し、前記センサ組立装置によって前記腹腔鏡器具作動装置が前記第六（Ｒ）ジョイント（Ｊ６）へ接続されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の医療ロボットシステム。
【請求項１７】
前記第四（Ｒ）ジョイント（Ｊ４）、前記第五（Ｒ）ジョイント（Ｊ５）及び／または前記第六（Ｒ）ジョイント（Ｊ６）に、モーター（８１、１０１、１４１）、好ましくはブラシレスサーボモーター、前記モーターのシャフトへ連結された入力段を備えるギア（１８３、１０４、１４４）、連結ジョイントへ動作を伝達するために前記ギアの出力段へ連結されたベルト・トランスミッション（８４、１０４、１４４）、及び前記ベルト・トランスミッションへ連結された絶対位置センサ（８８、１０８、１４８）が備えられることを特徴とする請求項７または１３に記載の医療ロボットシステム。
【請求項１８】
前記基部（２４）に前記マニピュレータの作業スペース中への人の侵入を検知するレーザ域スキャナー（２２）が含まれることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の医療ロボットシステム。
【請求項１９】
前記プリズム型（Ｐ）第一ジョイント（Ｊ１）及び前記プリズム型（Ｐ）第三ジョイント（Ｊ３）のそれぞれに連結ブレーキ及び連結絶対位置センサが備えられることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の医療ロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は医療装置、特に医療処置、とりわけ体内最小侵入処置等の外科的処置を行うための医療ロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
開腹術とは対照的に、体内最小侵入医療処置には診断あるいは手術中に損傷を受ける治療対象外組織の量を減らせる利益がある。この処置方法によれば、患者の回復期間を短縮させ、苦痛や有害な副作用を減じ、さらに入院費を低減させることも可能となる。今日、外科、泌尿器科、婦人科、及び心臓学などの広い専門分野において、腹腔鏡技術等の体内最小侵入技術によって実施される外科手術が増加している。
【０００３】
しかしながら、体内最小侵入技術全般として、特に腹腔鏡を用いる場合には、手術を行う外科医に対してさらに厳しい要求が課せられる。外科医は不自然で疲れる態勢で手術をしなければならず、視野も限られ、自由に動作することができず、また触覚にも頼れない。このような問題に加え、外科医はしばしば１日に数回連続して処置を行わねばならず、それぞれの処置には３０分から数時間を要する。このような困難にも拘わらず、体内最小侵入処置へ移行する傾向は、人口の老年化と医療分野におけるコストの圧迫によって数年内に劇的に増加すると思われる。
【０００４】
腹腔鏡検査の場合、外科医の動作は腹腔手術の場合と同じ正確な動きが要求される。器具アクセスポート、すなわち患者体内への切開部において支点を中心として４つの自由度に減じられた動作性で長軸器具を操作する方式となっているが、作業が楽になるわけではない。とりわけ要求される姿勢が疲労を招き、それによって器具と組織との相互作用力を知覚することが困難となるため、感覚の混乱も起こってくる。例えば、外科医が患者の脇に立つ時に、患者の片方の腕を持ち上げて広げたまま保持しながら患者の反対側に挿入した器具を支えなければならない。その結果、外科医の運動能力は通常２０〜３０分後には衰え、特に震えが起こり、正確性を失い、また触知感覚がなくなって患者に危険が及ぶ状態となる。かかる理由により、処置の効率性、質、及び安全性の向上を目的としてロボット支援型腹腔鏡等の新技術が出現している。
【０００５】
前記状況において、ロボット支援型腹腔鏡は９０年代初めより開発が進められている。市販されているロボット手術システムの代表例として、カリフォルニア州SunnyvaleのIntuitive Surgical Inc.によって開発された商標「DA VINCI」として知られる手術システム、及びカリフォルニア州GoletaのComputer Motion Inc.によって最初に開発された商標「ZEUS」として知られる手術システムがある。「DA VINCI」の名称で知られる手術システムについては、ＵＳ６，６５９，９３９及びＵＳ６，８３７，８８３においてMollらにより、また同人からの譲受人の他の特許文書に記載されている。「ZEUS」の名称で知られる手術システムについては、ＵＳ６，１０２，８５０、ＵＳ５，８５５，５８３、ＵＳ５，７６２，４５８及びＵＳ５，５１５，４７８においてWangらにより、また譲受人であるカリフォルニア州GoletaのComputer Motion Inc.の他の特許文献に記載されている。
【０００６】
これらの遠隔操作ロボットシステムによれば、外科手術室で直接に、あるいは遠隔場所から制御卓による視覚的フィードバックを用いて手術操作を制御することが可能である。上記いずれの場合においても、手術中疲れ易い姿勢を取ることからは解放される。
【０００７】
これらロボットシステムは高額であり、また維持コストも掛ることとは別に、医療社会への普及及び受入れも、特に用途が限られるため限界がある。上述したシステムはいずれも局所解剖が絶えず行われる心臓手術用に設計されたものであり、作業空間が狭いため、装置には限られた空間内での正確な動作性及び機敏性が要求される。そのため、これらシステムの機械的設計は、心臓手術の場合よりも広いスペースを要し、解剖局部が異なり（予測不可能な場合もある）、また組織と器官の物理的特性が多様である他の手術（婦人科、泌尿器科、及び一般外科）への利用には容易に適合しないものである。
【０００８】
これら２種の特殊システムとは別に、ロボット手術システム中の操作装置の機械的設計には種々観点、特に使用対象が１つに限られる点から大きな改善の余地が残されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、医療処置を施すための操作機構が改善されたロボット操作機構を備える医療ロボットシステムを提供することを第一の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、以下に開示されているように、ロボットによって医療器具、特に腹腔鏡手術器具の操作が支援されるロボット操作機構から構成される医療処置、とりわけ腹腔鏡手術を行う医療ロボットシステムが提案されている。本発明の一観点に従って、ロボットマニプュレータは、基部、該基部によって支持される略垂直部分と該垂直部分によって支持される略水平部分を有するマニプュレータアーム、該マニプュレータアームによって支持されるマニプュレータリスト、及び該マニプュレータリストによって支持され、かつ医療器具を保持するように形状化されたエフェクタ装置から構成される。本発明の別の観点においては、前記マニプュレータアームに前記マニプュレータリストを配置するための円筒状ＰＲＰ操作機構が設けられる。より詳細には、前記提案されたＰＲＰ操作機構に、以下の３つのジョイントが連続状に備えられる。すなわち、ほぼ垂直な軸に沿った移行自由度を与えることによって前記垂直部分の高さを変えるプリズム（角柱）型（Ｐ）第一ジョイント、ほぼ垂直な軸を中心とした回転自由度を与えることによって前記垂直部分と前記水平部分の間の回転角を変える回転型（Ｒ）第二ジョイント、及び略水平軸に沿った移行自由度を与えることによって前記水平部分の到達範囲を変えるプリズム型（Ｐ）第三ジョイントが連続状に備えられる。
【００１１】
以下において述べる他の利点の中でも、特にマニプュレータアームの前記特殊な操作機構によって、
・マニプュレータアームが必要とする患者上方のスペースを減らし、また、特に一定の手術への介入において別にマニプュレータアームを増やして使用すること、
・緊急時に、クリアランス位置へロボットマニプュレータを置くためにアームの水平部分を邪魔にならない位置へ回転させるだけで済むように、患者から一定の間隔を空けてマニプュレータ基部を配置すること、
・患者への接近、さらに例えば器具の交換のために手術器具置場へのアクセスが容易となること、
・アーム間の衝突防止が容易になること、
・マニプュレータアーム中に用いるジョイントを最小限に減らすこと、すなわちアームを配置するために３つのＤＯＦを与えるためにジョイントが３個で済み、冗長ジョイント、特に受動ジョイントを取り除くことが可能となる。
【００１２】
ＰＲＰ構成の軸配置を異ならせることも可能なことが理解されよう。上記の軸配置は本願にとって最も適する動作構成であると考えられる。また、特に操作性、作動装置要求及びロボット制御に関して、ＰＲＰ円筒形ロボット構成は例えばＵＳ５，３５１，６７６に開示されているＰＲＰ配置あるいはＵＳ６，１２０，４３３に開示されているＰＲＰ構成とは基本的に異なることが理解されよう。
【００１３】
また、本願において提案されている動作構成が、ＳＣＡＲＡ、すなわちＰＲＰ構成の一種が腹腔鏡用途に最も適するという確立された考え方に対して挑戦するものであることも当業者に理解されよう。この長く確立されてきた考え方は、特許や科学文献、例えば１９９７年４月のＩＥＥＥロボット工学及び自動化国際会議記事録、A. Faraz及びSh. Payandeh著論文「ロボット工学ケーススタディ：腹腔鏡設置台のための光学的設計」（特にパラグラフ２．２参照）において確認されている。
【００１４】
さらに、前記提案された動作構成はシステムの用途多様性を増大させるものである。言い方を変えれば、ロボットマニプュレータをこのように設計することにより、種々用途において、とりわけ体内最小侵入手術、また他に整形外科あるいはバイオプシー手術、経皮治療、皮膚採取、超音波診断等においてシステムの安定化が果たされる。
【００１５】
理解されるように、開示されたロボットシステムは、ＳＣＡＲＡ動作構成がロポット手術システムの特定のケースに最も適する選択であるとのパラダイムを覆すものである。ＳＣＡＲＡ構成を備えたマニプュレータを用いる医療ロボットシステムの代表例としては、例えばＵＳ６，１０２，８５０、ＵＳ５，８５５，５８３、ＵＳ５，７６２，４５８及びＵＳ５，５１５，４７８に記載された商標「ＺＥＵＳ」で知られる前述したシステムが挙げられる。
【００１６】
本願の医療ロボットシステムの多用途性に関し、既存の医療ロボットシステムは概して特定の医療処置だけのために設計されたものである。例えば「DA VINCI」及び「ZEUS」システムは心臓手術用に特に設計されたものである。従って、前述したように、これらのシステムは特殊な目的のための器具として設計されている。さらに、心臓手術への介入においては作業スペースが限定されるため、これらシステムにおける器具動作は触覚を介在させる外科医の熟達度よりも通常劣る。通常の腹腔鏡手術（婦人科、泌尿器科、及び一般手術を含む）においては、手術作業スペースは心臓手術の場合より広く、局所解剖は変動的であり（予測できない場合も多い）、また組織及び器官の物理的特性も多様である。より大きな作業スペースとは、器具動作範囲がより大きく、かつ１：１の動作尺度が必要であることを意味する。その結果、通常の腹腔鏡検査の場合、正確に外科医の手の動きを追うためには動作運動を高めることが必要とされる。実験的試みから、外科医の手の動きは作業スペースが狭いと速くなること、従って加速度が極めて高いことが見出されている。速度は旋回ピッチ及びヨー（偏揺れ）軸に沿って１００°／ｓにまで達し、また侵入方向への速度は２００ｍｍ／ｓである。１：１の動作尺度及び前述した条件では、上記システムには振動、ぐらつき、及び正確性の低下が表出してくる。以下においてさらに詳細に説明するロボットマニプュレータは、かかる問題を減ずるように、従って全般的腹腔鏡手術への多様な介入に適するように設計されている。
【００１７】
さらに、多くの既存システムには、内視鏡用のマニプュレータの他に、手術器具自体のためのマニプュレータが２個しか備えられていない。そのため、器具を何回も複雑に交換する手間が掛かり手術時間が長くなる。通常の手術では、外科医は５〜７個の異なる器具を用い、またそれら器具を何十回も交換することを要する。外科医助手の熟練度にもよるが、器具の交換には通常５〜１０秒を要し、このような器具交換は手術時間に実質的に影響する要因となる（およそ１０〜２０％）。多くの既存のロボットシステムは３〜４の器具アクセスポートを要する一般的手術には容易に適しない。他のシステムは手術時間の短い（およそ２０分間）診断的手術のみに限定され、またロボットシステムのコストに見合わない場合も多い。ロボット手術システムは、モジュール型であり、かつ４つ以下の器具アクセスポートと１の内視鏡アクセスポートを制御できれば理想的である。適したマニプュレータの設計に関わる重要な制約は、いくつかのアクセスポートが数センチだけ遠くなることや、各器具をほぼ平行に、あるいは一方を他方の上へ置かなければならないことである。さらに、マニプュレータによって外科医が患者患部やアクセスポートを見る視界が過剰に制限されないことが望ましい。本発明に係る医療ロボットシステムでは、マニプュレータアームの動作構成のみならず、以下において述べるそれ自体創作性のある他の種々特性によって、特に上述した問題が解消され、さらに複数のロボットマニプュレータを同時に用いることが容易化されている。
【００１８】
既存のシステムにはさらに、異なるマニピュレータ間、外科手術室におけるマニピュレータとスタッフ間、及び器具と内視鏡間に起こる衝突を防止するための信頼できかつ安全な手段がないという別の制限がある。衝突の可能性があることは患者にとって、また手術スタッフにとっても極めて危険なことであり、従ってロボット手術システムにおける衝突を効率的に防止することは極めて重要なことである。このような問題は、一定の手術において用いるロボットマニピュレータの数の増加に伴ってさらに重大となることは明らかである。ＰＲＰ動作構成によってマニピュレータアーム自体が邪魔となることが少なくなるため、一方において潜在的衝突危険性が減少し、また他方において衝突検知及び防止方法が簡略になる。
【００１９】
本発明システムによって、最少数のジョイントを用いて、すなわち６個のみのジョイントを備える６ＤＯＦを用いて必要な操作性が与えられると理解される。冗長ジョイントは与えられない。特に、連結型の器具末端を備える特殊器具は必要とされない。さらに、すべてのジョイントが作動される。すなわち、ロボットマニピュレータ中に受動型あるいは自由回転型ジョイントが存在しないため、ロボット制御は大幅に向上される。トロカールストレス防止のための既知システムに通常用いられる冗長受動型ジョイントは、特に６番目のジョイントと腹腔鏡器具作動装置の間のインタフェースにセンサ装置を設けることによって除去されている。このようにセンサ装置を配置することにより、器具先端レベルだけでなくトロカールレベルにおいても応力測定及び圧迫制限を行うことが可能となる。また、リスト及びエフェクタ装置ジョイントがすべて回転式であること、すなわちこれらの部分にはプリズム型ジョイントが全く用いられていないことについて特記すべきである。
【００２０】
特にマニピュレータの剛性が増大されている有利な実施態様においては、第一(P)ジョイントには、垂直な直線ガイドと、該第一(P)ガイドを作動させるための第一直線作動装置、好ましくは直線ボールスクリュー軸が備えられる。同様に、第三(P)ジョイントには、水平な直線ガイドと、該第三(P)ジョイントを作動させるための第二直線作動装置、好ましくは直線ボールスクリュー軸が備えられる。さらに、これら第一及び第三ジョイントの双方には、好ましくはブレーキと、それぞれのブレーキへ連結する絶対位置センサが備えられる。
【００２１】
前記垂直部分の構成部品を保護し、及び患者の上方にくる前記垂直部分の最前部の大きさを最小化させるため、前記水平部分には好ましくは水平な直線ガイドを包み込む細長いカバーと第二直線作動装置から構成され、さらに一方の側面において前記カバーに対してはまり込み、他方の側面上で前記リストを支えるビームが含まれていることが好ましい。
【００２２】
前記第二（Ｒ）ジョイントには、ギア、好ましくは調和駆動ギアと、ギアの入力段へ連結されるモーター、好ましくはブラシレスサーボモーター、及びギアの出力段へ連結された絶対位置センサが備えられると有利である。かかる構成とすることにより、第二（Ｒ）ジョイントにおける作動機構の故障をさらに検知できるコンパクトな構造とすることが可能となる。
【００２３】
さらに別の好ましい実施態様では、前記マニピュレータリストにはエフェクタ装置の向きを合わせるための回転型（Ｒ）第四ジョイントと回転型（Ｒ）第五ジョイントが備えられる。その結果、これらマニピュレータアームとマニピュレータリストの双方により正確に５つの制御可能な自由度が与えられる。
【００２４】
患者から一定距離を確保して、例えば非常時に部局へのアクセスを容易にするため、好ましくは前記アームの水平部分に８００ｍｍの最小連結オフセット、すなわち第２ジヨイントと第４（Ｒ）ジョイントの回転軸の間に一定の最小間隔が設けられる。人の通過に妨害されないために要するオフセットを計算する際には、基部によって占有されるスペースについて考慮しなければならないことが理解されよう。
【００２５】
好ましくは、第４（Ｒ）ジョイントの回転軸と第２（Ｒ）ジョイントの回転軸は平行に配置される。さらに好ましくは、第４（Ｒ）ジョイントの回転軸は第２（Ｒ）ジョイントの回転軸と第４（Ｐ）ジョイントの移行軸によって形成される平面と同一平面上に配置される。
【００２６】
より詳細には、好ましい構成において、第４（Ｒ）ジョイントによって略垂直軸に沿った回転自由度が与えられてエフェクタ装置の揺れ角度が設定され、また第５（Ｒ）ジョイントによって略水平軸に沿った回転自由度が与えられてエフェクタ装置の上下動角度が設定される。当然ながら、前記揺れ角度は第２（Ｒ）ジョイントの実際の形状にも依存する。それゆえ、第４（Ｒ）ジョイントを用いて揺れ角度を設定する場合にはこの形状が考慮される。マニピュレータアームの動作構成と組み合わた構成とすることにより、以下において明らかにするように、マニピュレータの特異動作が防止される。前記リストがアームの水平部分へ連結された支持板とほぼＬ形の支持部材から成り、第４（Ｒ）ジョイントによって支持部材の第一水平部分が支持板へ連結され、及び第５（Ｒ）ジョイントによって支持板の第二垂直部分がエフェクタ装置接続手段へ連結され、第４（Ｒ）ジョイント回転軸と第５（Ｒ）ジョイント回転軸で交差点が形成されるように前記リストが構成されている好ましい実施態様においては、簡単な逆動作性及び向上された操作性が得られる。
【００２７】
腹腔鏡のロボット補助操作を行うため、前記エフェクタ装置は、好ましくはマニピュレータへ手術器具を取り付ける手段を備えた腹腔鏡作動装置と取り付けられた手術器具を作動させる直線作動機構から構成される。腹腔鏡の後者構成においては、エフェクタ装置は好ましくは該エフェクタ装置を前記リストへ連結させるための主支持フレームと腹腔鏡作動装置を主支持フレームへ連結させる回転型（Ｒ）第６ジョイントから構成され、この第６（Ｒ）ジョイントによって腹腔鏡作動装置へ取り付けられた手術器具の縦軸と同一空間を占める軸に沿った回転自由度が与えられ、取り付けられた手術器具の回転角度が設定される。後者の実施態様においては、第６（Ｒ）ジョイント及び第５（Ｒ）ジョイントの両回転軸は好ましくは直交するように配置される。しかしながら、例えば体内最小侵入手術以外へのロボットシステムの適用においては、これら軸を斜めに配置して例えば第６及び第４（Ｒ）ジョイントの配列によって起こる異常を防止することが可能である。
【００２８】
好ましくは、マニピュレータリストは、第６（Ｒ）ジョイント及び第４（Ｒ）ジョイントの両回転軸が腹腔鏡作動装置の最大断面の直径にほぼ一致する距離を置いて中心から外れるように形状化される。このような実施態様においては、２つのロボットマニピュレータを近接して位置する切り込みにおいて衝突リスクの低い状態で作動させることが可能である。
【００２９】
外科医の触覚を通した力のフィードバックを可能とするため、エフェクタ装置には６自由度（ＤＯＦ）の応力／トルクセンサ及び６ＤＯＦ加速度計から成るセンサ組立装置が備えられ、この装置によって腹腔鏡作動装置が第６（Ｒ）ジョイントへ接続される。このセンサ装置によって腹腔鏡作動装置の直線加速度及び角加速度、及び傾斜、さらに患者体上へ取り付けられた器具によって加えられる応力及びトルクを測定することが可能である。直線及び角加速度計は応力／トルクセンサに対する重力及び加速度の影響を補償するために用いられる。
【００３０】
既存の多くの医療ロボットシステムは力フィードバック機構を欠いているため、外科医は患者組織に加えられている力を認識できなくなっている。そのため、外科医は自分の動きからの視覚的フィードバックに依存して組織と器具との相互作用を制限するしかない。実際、力のフィードバックは外科用腹腔鏡へのロボットの利用における安全に多大に寄与している。さらに、触覚による感知は、触診器官に対して、内視鏡の視野にない粘性器官を器具を用いて保持するため、縫合部へ適当な張力を加え縫糸の破断を防止するため、器官へ過剰に加えられる応力を検知して動きを止めあるいは制限するため、あるいはトロカール切開部に対して加わる応力を制限する等のために行われるものである。B. Kubler, U. Seibold及びG. Hirzingerによる「体内最小侵入ロボット手術用動力作動型センサ一体型ピンセットの開発」、Jahrenstagung der Deutschen Gesellschaft fur Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC)、2004年10月8-9日には、器具先端に取り付けられる小型の６ＤＯＦ応力／トルクセンサが記載されている。この発明概念にはいくつかの欠点があり、その中で特に重大な欠点として器具が高価であること、確実な消毒ができないこと、及び電力作動器具を用いる際のＥＭＩシールドの問題がある。
【００３１】
作動装置の構成に関して、第４（Ｒ）ジョイント、第５（Ｒ）ジョイント、及び／または第６（Ｒ）ジョイントには、モーター、好ましくはブラシレスサーボモーターを備え、ギアには該モーターのシャフトへ連結される入力段、運動を連結ジョイントへ伝えるギアの出力段へ連結されるベルトトランスミッション、及び該ベルトトランスミッションへ連結される絶対位置センサが備えられることが有利である。このように設計することにより、トランスミッションチェーン末端におけるジョイント故障を検知することが可能となる。
【００３２】
マニピュレータ作業スペース中への人の侵入を検知するため、各ロボットマニピュレータの基部に好ましくはレーザ域スキャナーが取り付けられる。
【発明を実施するための手段】
【００３３】
以下において、本発明の上記観点、及び他の観点、さらに本発明の目的について添付図面を参照しながら非限定的実施態様を用いてさらに明らかにする。
【００３４】
なお、添付図面を通して同一部品には同一符号を用いた。
【００３５】
図１は一般外科腹腔鏡用の医療ロボットシステムを示した図であり、このシステムは全体を通して符号１０で示される。無菌シートで包まれた患者Ｐは手術台１２上へ横たえられ、その手術台の周囲には多数のロボットマニピュレータ１４が配置される。図１の例では、医療ロボットシステム１４は骨盤への介入のために設置される。外科医Ｓは手術マスターコンソールを操作し、手術アシスタントＡは手術台１２及び一組の適合腹腔鏡器具１８の近くに立っている。ロボットマニピュレータ１４群は、多種に及ぶ腹腔鏡器具１８を支持し、また作動させるエフェクタ装置を位置決めし・定位（指向）させるように設計されている。手術中、ロボットマニピュレータ１４は、制御装置（図示せず）へ接続された１または２以上の手術マスターコンソール１５を介して１または２人の外科医Ｓによって操作される。理解されるように、この医療ロボットシステム１０はモジュール型であって、外科手術のタイプに従って通常５個以下のマニピュレータ、通常は２個のマニピュレータを備えるように構成可能である。５個のマニピュレータ１４を備える医療ロボットシステム１０’の構成は例えば図２に示されている通りである。図１に示したシステム１０では、各ロボットマニピュレータ１４の基部にレーザ域スキャナー２２が配置される。レーザ域スキャナー２２は外科手術室における手術アシスタントの安全のために用いられる。図３はロボット手術システム１０の一機械装置を成すロボットマニピュレータの３次元図である。ロボットマニピュレータ１４は、外科手術室の床に取り付け可能であり、取り付けられない場合には移動可能である基部２４上へ取り付けられる。図３には、３つの座標系、すなわち基部、ツールフランジ（ＴＦ）及び腹腔鏡器具先端（ＴＩＰ）座標系も示されている。図３に示すように、ロボットマニピュレータ１４はマニピュレータアーム２６とマニピュレータリスト２８から構成される。
【００３６】
図４にはロボットマニピュレータ１４の主要部分が示されている。アーム２６には略垂直部分２７と略水平部分２９がある。垂直部分２７上のアーム２６の第一端部は基部２４へ取り付けられ、他方リスト２８はアーム２６の第二端部、すなわち水平部分２９の末端へ取り付けられる。適合腹腔鏡器具のエフェクタ装置３０はリスト２８のツールフランジ３２へ接続される。図３において矢印で示されているように、アーム２６には３つの自由度（ＤＯＦ）があり、そしてリスト２８には２つのＤＯＦがある。従って、ロボットマニピュレータ１４は基本的に５ＤＯＦロボットマニピュレータである。エフェクタ装置の縦軸を中心として該エフェクタ装置へ取り付けられた腹腔鏡器具１８を回転させる補助ＤＯＦがエフェクタ装置３０へ付与されている。ロボットマニピュレータ１４及びエフェクタ装置３０のＤＯＦの配置は以下における図５の説明によってさらに明らかにされる。
【００３７】
図５の幾何学的モデルから最もよく分かるように、アーム２６はプリズム状（角柱状）のスライド型（Ｐ）ジョイントである第一ジョイントＪ１（あるいは直線状の直動ジョイント）を用いて基部２４へ連結される。第一ジョイントＪ１は基部リンクＬ０を用いて基部２４へ接続され、このジョイントによってほぼ垂直な軸に沿った直動ＤＯＦが与えられる。これにより、第一ジョイントＪ１によって第一のほぼ垂直なリンクＬ１の縦方向への位置決めと、次いで該リンクへ取り付けられた構成部品の基部２４及びリンクＬ０に対する縦方向への位置決めが可能とされる。別の言い方をすれば、ジョイントＪ１によって垂直部分２７の高さが画定される。回転型（Ｒ）ジョイントである第二ジョイントＪ２により、第一リンクＬ１がアーム２６の第二のほぼ水平なリンクＬ２へ連結される。回転型ジョイントＪ２の回転軸はほぼ垂直である。ジョイントＪ２により、リンクＬ２と水平面におけるその最初の角位置間の相対角度を設定することが可能とされる。第三プリズム型スライド（Ｐ）ジョイントＪ３によってリンクＬ２が第三のほぼ水平なリンクＬ３へ連結される。ジョイント（Ｐ）Ｊ３によってほぼ水平な軸に沿った直動自由度が与えられ、リンクＬ３のリンクＬ２に対する水平移動によってアーム２６、より正確には水平部分２９の到達あるいは拡張の範囲設定が可能とされる。リンクＬ２及びリンクＬ３と（Ｐ）ジョイントＪ３が一緒になってロボットマニピュレータ１４のほぼ水平に拡張可能なジブあるいはブームが形成される。
【００３８】
図５に示すように配置された２つの（Ｐ）ジョイント及び１つの（Ｒ）ジョイントを備える場合、アーム２６には略垂直軸に沿った１つの回転ＤＯＦが与えられ、またそれに付随して２つの直交する軸に沿った２つの直動ＤＯＦも与えられる。その結果、ロボットマニピュレータ１４のアーム２６は円筒形状となり、マニピュレータ１４の運動構成はＰＲＰ（プリズム型−回転型−プリズム型）円筒形ロボット類別されるものとなる。より正確には、最初の３つのジョイントＪ１、Ｊ２、Ｊ３の各ジョイントは円筒形座標（ｚ，  ，ｒ）に対応する。なお、ｚは高さ座標を表し、  は回転（または方位）座標を表し、及びｒは伸び（または半径）座標を表す。
【００３９】
図５からさらに分かるように、リスト２８には２つの回転型ジョイントＪ４、Ｊ５が含まれ、及びエフェクタ装置３０には１個の回転型ジョイントＪ６が含まれる。回転型ジョイントＪ２、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６のそれぞれによってエフェクタ装置３０へ適合するように取り付けられた腹腔鏡器具の方位が画定される。回転型ジョイントＪ４によってリンクＬ３がリンクＬ４へ連結され、該ジョイントによってジョイントＪ２の回転軸に対して平行なほぼ垂直な軸を中心としてリンクＬ４がその二次部品と共に回転することが可能とされている。従って、回転型ジョイントＪ４により、ジョイントＪ２を実際に取り付ける際にエフェクタ装置３０の偏揺れ（ｙａｗ）角度を設定することが可能となる。回転型ジョイントＪ４の回転軸は、回転型ジョイントＪ２の回転軸及びプリズム型ジョイントＪ３の直動軸によって形成される平面と同一平面上にあることに注意すべきである。回転型ジョイントＪ５によってリンクＬ４がツールフランジ３２へ連結され、また該ジョイントＪ５によって、ジョイントＪ４の回転軸に対して直交する略水平軸に沿ってツールフランジ３２をその後続部と共に回転させることが可能となる。それにより、回転ジョイントＪ５によってエフェクタ装置３０のピッチ角度の設定が可能となる。エフェクタ装置３０はリンクＬ５を介してツールフランジ３２へ連結される。回転ジョイントＪ６の回転軸はジョイントＪ５の回転軸とほぼ直交して配置され、このジョイントＪ６によってリンクＬ５がリンクＬ６と連結される。回転ジョイントＪ６の回転軸はリンクＬ６と一直線に配列され、このジョイントＪ６によってリンクＬ６の初期角位置に対する相対角度が画定される。適合腹腔鏡器具１８はリンクＬ６へ連結される。リンクＬ７によって代表される器具１８はリンクＬ６と一直線に配列される。リンクＬ７の末端部が器具先端部１７となる。
【００４０】
マニピュレータ２６の円筒形状のＰＲＰ運動構成には種々の利点があるが、その中で特記すべきものは以下の通りである。
・手術台上方においてマニピュレータ装置によって占有されるスペースが比較的少なくて済むこと。
・マニピュレータ基部と手術台との間隔が十分取れる（水平部分２９の最小リンクオフセットが８００ｍである）ため、外科医の手術台へのアクセス、患者の手術台から、あるいは手術台への移動が容易になること。
・マニピュレータどうしの衝突検知計算が容易かつ迅速に行えること。
【００４１】
以下において、本発明の上記観点及び他の観点についてさらに明らかにする。ロボットマニピュレータアーム２６の選択されたＰＲＰ運動構成から得られる利点は、手術台１２周囲の交差スペースへ配置される複数マニピュレータ間に起こる衝突の検知計算が簡略化されることである（図１及び図２参照）。円筒形状とされているため、ロボットマニピュレータ１４を２次元（２−Ｄ）水平面において単純な平面形状となるように特徴化することが可能である。図６に最もよく示されているように、アーム２６の機械的リンクは、（Ｊ３＋Ｌ２＋Ｌ３）及びＪ２へそれぞれ対応する長さ及び方位をもつ長方形によって包み込み可能であり、この長方形の被いの幅は機械的リンクの外形と、例えばロボットを抑制して最大速度から停止させるまでに要する間隔によって決まるマージンと、安全閾値によって与えられる。前記長方形の被いの各側面のマージンは動作方向及び速度に従って動的にサイズ化可能であり、被い側面方向の速度が速ければ速いほど、この被い側面のマージンは大きくされる。リスト２８は、リンクＬ４の本体とリンクＬ５の部分を包み込み、ジョイントＪ４の現在の角位置によって与えられる可変平面方位を備えた長方体で近似される。同様に、突き出し角度がジョイントＪ５の現在の角位置に一致する２−Ｄ水平面上においてその突き出しを包み込む長方体をエフェクタ装置３０として近似されることができる。同じ原理がエフェクタ装置３０へ連結された器具１８の軸にも適用される。このような単純な幾何学的２次元特性により、ラインの交差による衝突検知を行うための単純かつ効率的なアルゴリズムを確立することが可能となる。第一段階において、前記衝突検知方法によって２−Ｄ水平突出部において衝突が確認される。これら２−Ｄ図のいずれかと別のロボットマニピュレータ１４からの図が衝突する時のみ、第３次元を含めることにより実際に衝突リスクがあることが有効に確認される。それゆえ、理解されるように、３−Ｄ計算はロボットマニピュレータ１４の関連部分の交差側面に関してのみ行われる必要がある。この簡略３−Ｄ計算の場合、関連部分は例えば三角形をベースとしたモデルを用いて包み込まれる。その結果として、例えばモラーによって「高速三角形−三角形交差テスト」、Journal of Graphics Tools, 2(2), 1997において提案されている高速交差検出アルゴリズムを容易に実施可能である。原則として、器具１８の軸間の衝突検出は、特に動力作動される器具から内視鏡を保護するために行うものである。
【００４２】
ロボットマニピュレータ１４間に起こる衝突の検出について正確な結果を得るため、共通の基準座標系に対するすべてのロボットマニピュレータ１４の位置及び方位が外科手術室中にマニピュレータ１４を配置した後の較正作業中に決定される。機能的観点から、衝突リスクが検出された後には、制御装置は関連マニピュレータ１４を停止させ、適当なディスプレイ情報及び／またはマスターコンソール１５に対する斥力フィードバックを通して外科医Ｓへ警告を発しなければならない。これにより、外科医Ｓはマニピュレータの１つを安全な方向へ遠隔操作することにより簡単に復旧させることが可能である。さらに向上された態様においては、部品のセット、例えばアーム２６、リスト２８、エフェクタ装置３０及び／または器具１８のそれぞれについてマージンの異なる少なくとも２つの被いを用いて数個の衝突安全レベルが設定される。より突き出しの大きい被い（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を用いて衝突リスクを検知する方式とした後には、外科医Ｓによって指令された衝突方向への動きはマージン部分への侵入に基づいて敏感にスケールダウンされる。
【００４３】
アーム２６の形状に関する他の利点としてジョイントＪ１、Ｊ２、Ｊ３に関わる作動装置の制御能が向上されている点がある。他の種類のロボット（例えば球形または関節ロボット）と比較した場合、またアーム形状の結果として、これら作動装置の制御は、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３及びＪ４が変化する重力負荷を受けず、またＪ１、Ｊ３及びＪ５が変化する動力負荷をもたないことから向上されている。これによって制御ループ（例えば前方送りを伴うＰＩＤ）の単純最適化が可能となり、さらに例えば数個のモーターエンコーダがカウントする位置ダイナミックスを達成することが可能となる。上記利点の他、機械的設計によって、リンクＬ２及びＬ３を剛性かつ軽量にし、ジョイントＪ１及び／またはジョイントＪ２が急激な動作を取った場合に偏りや振動を抑制することが考慮されるべきである。
【００４４】
ロボットマニピュレータ１４の形状に起因する利点が他にも２つあることに注意すべきである。第一に、マニピュレータ基部２４が手術台１２から十分間隔を空けて配置されていること（少なくとも６００ｍｍ離れている）、及びアーム２６がジョイントＪ２（制動解除状態）を中心として退避位置まで手で回転できるように設計されているため、外科医Ｓは吸入、器官の摘出、最終的縫合等の手による作業を行うために手術台１２へ容易かつ迅速にアクセスすることが可能である。さらに、手術台１２上へのあるいはそれからの患者の移動を迅速に行うことも可能である。第二に、例えばＺＥＵＳの名称で知られ、長さが同等な共面リンクを連結して一定の水平位置に達する２つのエルボー回転ジョイントをもつマニピュレータアームに用いられるＳＣＡＲＡ構成に比べて、円筒形状のマニピュレータ１４には患者Ｐの体の上方へリスト２８を配置するために要するスペースを大幅に減ずる単一の放射型伸長ジョイントＪ３が備えられる。図２に示すように、かかる構成とすることにより、手術台１２に５台あるいはそれ以上のマニピュレータ１４を配置することが可能となり、それによってリストの寸法及びエフェクタ装置の寸法を十分小さくすること、すなわち患者の体の上方の有効作業空間において十分な空間を占有することが可能となる。
【００４５】
以下のパラグラフにおいて、ロボットマニピュレータ１４の構造について図７〜１５を用いてさらに詳細に説明する。
図７には基部２４に関するいくつか特徴が示されている。基部２４には主基部板４０が含まれ、この基部２４は主基部板４０の角部にある開口部中に取り付けられた４個の車輪４２を用いて移動可能な構造体として配置される。車輪のそれぞれは車輪４２を引き出し、あるいは引っ込めるために用いるハンドルへアクセスするための開口部を備えたカバー４３中に閉じ込まれている。車輪４２を引っ込めることにより、基部２４は車輪４２のクッション支持体（図示せず）を用いて外科手術室の床上へ安定状態で静置される。車輪４２を引き出すと、基部２４をロボットマニピュレータ１４と共に手で移動させることが可能である。別の設計では、基部２４を可動あるいは固定された直線レール軸上へ、あるいは数個の基部２４と付随マニピュレータ１４を支持するように設計されたカート上へ取り付け可能とされる。主基部板４０は、必要な場合に例えば孔４４を用いてねじで締め込むことによりロボットマニピュレータ１４にさらに安定性を与えるため床へ固定できるように設計されている。ロボットマニピュレータ１４はねじ切りされた孔４５中へボルトを通して基部２４へ取り付けられる。基部板４０中には数個の極めて精密な穴４６が機械加工される。これらの穴４６は、「ロボット較正」、R. Bernhardt及びS. Albright著、Chapman & Hall版、１９９３年に記載されているように、光学測定システムを用いて基部２４の位置及び方位を決定するために用いられる光学較正リフレクタを支持する役割を果たすものである。ロボットマニピュレータ１４は工場設置過程で較正を行ってその形状モデルを正確に決定することが可能と理解される。さらに、基部にはブラシレスモーターの動力源及びサーボドライブ装置、信号調節装置、アーム取付型センサの局部加工手段、並びに遠隔システム制御装置への通信チャネルのための囲い４８が含まれる。図１に示すように、また図８から最もよく分かるように、２Ｄレーザ域スキャナー２２が基部２４上、より正確には囲い４８上に取り付けられているため、リンクＬ２及びＬ３周囲の安全境界線内部への例えばアシスタントＡの侵入を検知することが可能である。
【００４６】
医療ロボットシステム１０には通常２台の異なる型式のロボットマニピュレータ１４が使用されることが理解されなければならない。これら型式の異なる２種のロボットマニピュレータ１４の形状及びアーム２６の運動ＰＲＰ構成は本質的には同一であるが、第一のタイプは好ましくは視覚化のために用いる内視鏡を取り扱うために配置され、他方第二のタイプは手術自体に用いられる種々の適合腹腔鏡器具を取り扱うために配置される。腹腔鏡の場合、通常第一タイプのロボットマニピュレータ１４が１台使用され、さらに第二タイプのロボットマニピュレータ１４が数台使用される。本発明医療ロボットシステム１０において、これら２種のロボットマニピュレータ間における主要な相違は下記の通りである。
・内視鏡マニピュレータのアクセスポート周囲で該マニピュレータが３６０℃回転する必要があるため、ジョイントＪ３の移動が内視鏡マニピュレータに対してより長くなっている。
・内視鏡マニピュレータのアクセスポート周囲で該マニピュレータが３６０℃回転する必要があるため、ジョイントＪ４の移動が内視鏡マニピュレータに対して無限大になっている。これはＪ４軸上に信号コレクタを用いることによって可能とされている。
・内視鏡マニピュレータにジョイントＪ６は不要である。すなわち、内視鏡をジョイントＪ５へ直接取り付けることが可能となっている。
・内視鏡マニピュレータのエフェクタ装置３０が、通常内視鏡と過剰応力を検知するための応力／トルクセンサから構成されている。
・内視鏡マニピュレータには内視鏡だけに対しての位置決め能が要求されるため、すべてのジョイントへの速度／加速要求が内視鏡マニピュレータに関して最小で６０％まで低下されている。
【００４７】
上記相違点を考慮した場合、前記第二タイプのロボットマニピュレータ１４にはより厳しい設計要求が課されることから、以下においてはこの第二タイプのロボットマニピュレータ１４に焦点を合わせて説明する。
【００４８】
図９を参照しながら、以下においてマニピュレータアーム２６のジョイントＪ１〜Ｊ３の形状について詳細に説明する。
【００４９】
付属のリニア作動装置としてのアーム上昇用の（Ｐ）ジョイントＪ１はボールスクリュー直線軸５０（例えばParker Hannifin, Electromechanical Division, Offenburg, Germany & Poole, UK製造のＥＴシリーズの適当モデル）から構成される。このボールスクリュー直線軸５０はインクリメンタルモーター位置エンコーダ及びブレーキが備えられたブラシレスサーボモーター５１によって駆動される。前記直線軸５０にはさらにその出力段に付加型絶対直線位置センサ（図示せず）が制限スイッチ及び機械操作型移動端バンパー（図示せず）と共に備えられる。前記直線軸５０には垂直直線ガイド５２が機能的に連結されて軸直線性及びねじれ剛性が確保される。また、直線軸５０はアーム２６を基部２４へ取り付けるためのブラケット５３へ取り付けられる。信号ワイヤ及び動力ワイヤがジョイントＪ１のカバー内部の垂直ケーブルチャネル（図示せず）中へ導入される。外側カバー５４によって図３に最もよく示されているプリズム（Ｐ）ジョイントＪ１の構成部品が囲まれている。ジョイントＪ１の作動装置に関して、モーター／負荷減少比は、モーターブレーキが解放されている場合でも、あるいはサーボモーター５１に動力が供給されない場合でも水平部分２９の好ましくない下降が防止されるように設定されることが理解されよう。さらに、緊急停止ボタン（図示せず）が外側カバー５４上へ設置され、この緊急停止ボタンによって緊急時にすべてのロボットジョイントの動作が停止される。図９に示すように、マニピュレータアーム２６の前記構成部品はそのほぼ垂直な部分２７から成っている。
【００５０】
図９にはアーム２６の肩部ジョイントを形成する（Ｒ）ジョイントＪ２も示されている。図１０から最もよく分かるように、ジョイントＪ２は負荷を駆動するHarmonic Drive（登録商標）型ギア６２と直列にされたブラシレスサーボモーター６１の組合わせから構成されている。ブラシレスサーボモーター６１には位置エンコーダ及び故障時安全ブレーキが備えられている。さらに、前記作動装置にはギア６２の出力段に連結されたベルト６６によって駆動される絶対回転位置センサ、機械操作型移動端バンパー、及び制限スイッチ（図示せず）が含まれる。カバー６４上にはキースイッチ（図示せず）が設けられ、このキヘスイッチによって各モーターへ動力が供給されていない時にジョイントＪ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５及びＪ６のブレーキ解除を行うことが可能とされている。ブレーキ解除により、アーム２６及びエフェクタ装置３０を待機位置へ手で移動させることが可能となる。下流ジョイントＪ３〜Ｊ６及びエフェクタ装置からの信号ケーブル及び動力ケーブルはＪ３からカバー６４の内部を通過する柔軟ケーブルダクト（図示せず）を通ってＪ１まで送られている。別態様として、これらケーブルを例えば適合ギア及びモーター装置の中空シャフトを通して配することも可能である。
【００５１】
図９には、放射状伸長、すなわち水平部２９の到達範囲を設定するための（Ｐ）ジョイントＪ３を含めたアーム２６の水平部分２９も示されている。ジョイントＪ３は細長い円筒軸７０、例えば連結直線作動装置としてのボールスクリュー直線軸から成る。例えば、前述したメーカーによって製造され、かつモーター位置エンコーダ及び故障安全ブレーキが備えられたブラシレスサーボモーター７１によつて駆動されるＥＴモデル作動装置が使用される。細長い円筒軸７０のロッドによって矩形管形状にされ、かつ直線ガイド７３のトロリ上へ取り付けられたビーム７２が移動される。このような構造とすることにより、直線の片寄りが減じられる。細長い円筒軸７０にはさらにその出力段に付加型絶対直線位置センサが制限スイッチ及び移動端機械操作型バンパー（図示せず）と共に備えられる。信号線及び動力線は水平に置かれたケーブルチェーン中へ導入される。カバー７４は第二リンクＬ２を形成する部品へ固定され、このカバー７４によって（Ｐ）ジョイントＪ３の部品、特に直線作動装置７０及び直線ガイド７３が包み込まれる。図９に示すように、リンクＬ３の一部を形成するビーム７２はカバー７４中へ入り込み、あるいはそれから出ていくように形状化される。そのため、アーム２６には、患者Ｐ上方の限られた空間しか必要としない先端部へ向かって狭くなる水平部分２９が備えられる。さらに、動力供給状態及び作動状態を視覚的に示すため、好ましくはカバー７４の後方頂部にランプが備えられる。
【００５２】
次に図１１〜１３を参照しながら、リスト２８、より詳細にはジョイントＪ４及びＪ５の構造について以下において詳細に説明する。
【００５３】
図１１〜１３に示した（Ｒ）ジョイントＪ４の機械・作動装置は、ブラシレスサーボモーター８１が垂直に取り付けられた支持板８０を含む。サーボモーター８１のモーターシャフト上には位置エンコーダ８２及びホールセンサが設けられる。サーボモーター８１としては、例えばMAXON MOTOR A.G., Sachseln, Switzerland製ＥＣモーターシリーズのうちの適当モデルが使用される。（Ｒ）ジョイントＪ４には、サーボモーター８１へ連結されたギア８３、伝動ベルト８４、及び接続フランジ８７へ連結されている負荷軸プーリーを駆動させるプーリーシステム８５を介する伝動装置がさらに含まれる。プーリー８９には絶対シングルターンセンサ８８がさらに接続され、このプーリーは同様に伝動ベルト８４によって駆動され、かつ支持板８０底面へ取り付けられる。ケーブルをジョイントＪ５からジョイントＪ４へ容易に配するため、本発明装置には負荷軸プーリー８６及び接続フランジ８７が含まれ、さらに中空シャフト及び前記接続フランジ８７上へ側部窓が設けられる。支持板８０は２個の取付板９０を用いてビーム７２へ堅固に取り付けられる。図１４に示すように、カバー９２はジョイントＪ４の部品を保護する働きがある。カバー内部において、エフェクタ装置３０からのケーブル、ジョイントＪ５及びＪ４からのケーブルには保守目的からリスト２８の取外しを可能とするコネクタが設けられる。ジョイントＪ４のカバー９２上には緊急停止ボタンが設けられる。好ましくはサーボモーター８１のシャフト上へ故障時安全ブレーキが取り付けられる。マルチロボット構成において制限要因と成る可能性のある側方オフセットＯ１を減ずるため、モーターを負荷軸プーリー８６の軸及びセンサ８８の軸と一直線に並べることも可能である。この場合、支持板８０には好ましくは負荷軸プーリー８６周囲との曲線状境界部が設けられる。
【００５４】
図１１〜１３には（Ｒ）ジョイントＪ５の機械・作動装置がより詳細に示されている。ほぼＬ形状の支持部材１００によって、ジョイントＪ４へ接続された水平部分とジョイントＪ５のための固定フレームである垂直部分を用いて、ジョイントＪ５がジョイントＪ４へ連結されている。前記支持部材は、ブラシレスサーボモーター１０１、例えばMAXON MOTOR A.G.製の適当なＥＣモデル、位置エンコーダ１０２、及びモーターシャフト上のホールセンサから構成されている。図１３に示すように、サーボモーター１０１は支持部材１００上へ横向きに取り付けられる。図１２及び１３に示すように、（Ｒ）ジョイントＪ５にはモーター１０１へ連結されたギア１０３、伝動ベルト１０４、さらに負荷軸プーリー１０６を駆動させるプーリーシステム１０５を介する伝動機構がさらに含まれる。さらに別の絶対シングルターンセンサ１０８がプーリー１０９へ追加接続され、このセンサも伝動ベルト１０４によって駆動され、また支持部材１００の内面へ取り付けられる。エフェクタ装置３０からジョイントＪ４までケーブルを容易に配するために多数の特徴が含められる。支持部材１００中に２個の穴１１０及び１１２が設けられ、プーリー１０６及びツールフランジ３２中に中空中心通路１１４が設けられ、またプーリー１０６にはケーブル配線支持体１１４が設けられる。Ｌ形支持部材１００にはツールフランジ３２を通してエフェクタ装置３０を支持する剛性構造を付与するために側部強化部材が設けられる。必要ならば、（Ｒ）ジョイントＪ５には好ましくは制限スイッチ及び故障時安全ブレーキ（図示せず）が含められる。これらを含める場合、マルチロボット構成において制限要素となる側部オフセットＯ２を減ずるため、故障時安全ブレーキは好ましくは伝動ベルト１０４によって駆動されるプーリー上へ取り付けられる。
【００５５】
図１４及び１５にはジョイントＪ５のツールフランジ３２へ接続されるように設計されたエフェクタ装置３０がその主要部分、すなわち腹腔鏡器具作動装置１２０、６ＤＯＦ応力／トルクセンサを含むセンサ装置１２２、６ＤＯＦ直線／角加速度計、及びジョイントＪ６用カバー１２４と共に示されている。ジョイントＪ６はセンサ装置１２２へ接続される。腹腔鏡器具作動装置１２０には適合腹腔鏡器具１８をロボットマニピュレータ１４へ取り付けるためのシート１３０が備えられる。
簡略にするため、腹腔鏡器具作動装置１２０及び応力、トルク及び加速測定センサを含むセンサ装置１２２は、それぞれ頭字語であるＬＩＡ及びＦＴＡＳで呼ぶ。エフェクタ装置３０の構成部品は、ジョイントＪ６が適合腹腔鏡器具１８を該器具の対称長軸を中心として回転させ、さらにこの軸がＦＴＡＳ１２２の正規Ｚ軸と一致するように並べられる。（Ｒ）ジョイントＪ５の回転軸に対するエフェクタ装置３０の位置は、ジョイントＪ５が停止され、かつ動力供給されていない時に傾くことを防止するため、エフェクタ装置３０の平衡点となるように選定される。それゆえ、リスト２８を接続するエフェクタ装置３０の主支持フレーム１４０は、組み立てられたエフェクタ装置３０が（Ｒ）ジョイントＪ５の回転軸上でバランスを取れるように形状化される。ジョイントＪ５のモーター／負荷減少率も傾き阻止に寄与している。
【００５６】
図１５はジョイントＪ６の構造を示す図である。（ツールフランジ３２へ接続される）前記主支持フレーム１４０にはインクリメンタルエンコーダ１４２及びギア組立部品１４３を備えたブラシレスモーター１４１が取り付けられる。モーター１４１へ連結されたモータープーリー１４５はベルト１４４を用いて負荷プーリー１４６と連結される。前記負荷プーリー１４６によってジョイントＪ６の回転ＤＯＦが付与される。（Ｒ）ジョイントＪ６の軸と同一空間にある負荷プーリー１４６の軸上にさらに別の絶対位置センサ１４８が取り付けられる。位置エンコーダ１４８にはＬＩＡ１２０及びＦＴＡＳ１２２の信号ライン及び動力ラインを「スリップリング」またはスライド接触型の回転コレクタ１５０へと通す中空軸が備えられている。スリップリング１５０はジョイントＪ６に対して無限軸回転を可能とするものである。負荷プーリー１４６は接続フランジ１５２を通してＦＴＡＳ１２２へ接続される。ＬＩＡ１２０及びＦＴＡＳ１２２用の動力ライン及び信号ラインに用いるケーブルは接続フランジ１５２中の中空通路を通してカバー１２４内部へ導入されている。理解されるように、すべてのロボットマニピュレータ１４には、例えばジョイントＪ１〜Ｊ６やＬＩＡ１２０及びＦＴＡＳ１２２等のエフェクタ装置３０構成部分の信号ライン及び動力ラインの保護状態での導入を確保するために内部チャネルが設けられる。さらに改善された態様（図示せず）においては、ジョイントＪ６の構成には下記２つの変更が加えられる。第一は、モーター・ギア・プーリー組立装置１４１、１４３、１４４、１４５を図１５に示す方位に対して−９０°の方向へ位置決めすることによってオフセットＯ３を減ずることである。第二は、モーター・ギア組立装置１４１、１４３がＬＩＡ１２０へさらに近接して配置されるように構成してオフセットＯ４を減ずることである。
【００５７】
理解されるように、ジョイントＪ４、Ｊ５及びＪ６の回転軸は前記示した実施態様における空間中の同一点で交わっている。そのため、リンクＬ５によって生ずる潜在的オフセットは取り除かれている。
【００５８】
図２３及び２４に示すように、例えば２つの適合腹腔鏡器具１８が近接配置されたトロカール（套管針）（アクセスポート２０）中へ挿入される場合の操作性を向上させるために、別の設計においてもリンクＬ５によるオフセットＯ５をもたらす可能性がある。例えば図２３及び２４に示した設計では、リンクＬ５に起因する負のオフセットＯ５をもつ変形型マニピュレータリスト２８’が与えられている。この負のオフセットＯ５により、リスト２８’間の衝突なしに第二ロボットマニピュレータ１４のエフェクタ装置３０上方へ第一ロボットマニピュレータ１４のエフェクタ装置３０を配置することが可能とされている。しかしながら、このような構成へと変形することにより、ジョイントＪ３にはより大きな伸長能が要求され、またジョイントＪ２、Ｊ３及びＪ４にはより高速性能及び加速性能が要求される。図２４から理解されるように、リスト２８’の形状は複数のアクセスポート２０が近接配置された状態で操作するためには有利である。図２３に示されたＪ６及びＪ４の回転軸間におけるオフセットＯ５の好ましい数値は、その最大断面図におけるＬＩＡ１２０の直径にほぼ等しいことが理解されよう。
【００５９】
ロボットマニピュレータ１４及びその構成部品の設計に関するさらに他のいくつかの観点及び利点について以下に詳細に説明する。
【００６０】
リスト２８及びエフェクタ装置３０に用いられるトランスミッション及びモーターの構成について前述したが、他の構成、例えばトランスミッション手段としてケーブル及びプーリーを用い、あるいはトルクモーターを備えるコンパクトなギア・モーター・ブレーキ組立装置を用いることも可能である。しかしながら、トランスミッションにケーブル及びプーリーを用いることはその実行及び保全においてより困難であり、他方トルクモーターをベースとする組立装置は通常コンパクト化に劣る。前記システムの安全性を確保するため、緊急停止に際してモーター５１、６１、７１、８１、１０１、１４１を停止させることが可能な「発電ブレーキ」機能をもつ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の外側カバーは適当な洗浄可能プラスチック材料と一部アルミニウムから成り、すべての外側導電性部分はアース接続される。すべての内部部品は受電及び放電に際してＥＭＩから遮蔽される。外科手術室内の滅菌処理においては、通常ロボットマニピュレータ１４は滅菌プラスチックバッグを用いてエフェクタ装置３０から基部２４まで完全に被覆される。
【００６１】
作動に関し、上述したロボットマニピュレータ１４の設計にはさらに２つの利点がある。第一の利点は、静摩擦及び逆慣性が高いジョイントＪ１を除いて、ロボットマニピュレータ１４のジョイントを手動で作動することができることである。別の言い方をすれば、すべてのブレーキを解除した場合、フランジ３２部分でリスト２８へ取り付けられたエフェクタ装置３０を、僅か５ｋｇ未満の押力しか要しないジョイントＪ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５及びＪ６の手動作動を介して手で移動させることが可能である。第二の利点は、感覚的冗長性によってシステム安全性が増大されることである。前記したように、ジョイントＪ１〜Ｊ６のそれぞれには、モーターシャフト上の位置エンコーダと各ジョイントの有効動作出力を測定する付加的位置センサ（例えば６５、８８、１０８、１４８）の双方が備えられている。実使用場面において、この感覚的冗長性を利用して、（例えばモーターワイヤ、ベルト、あるいはサーボドライブの）故障が検知される。
【００６２】
さらに、設計ではジョイントＪ１〜Ｊ６のそれぞれにおいて移動止まり状態となることから回避される。移動止まりは、ジョイントがその移動限界からはみ出した時に起こり、患者Ｐの体内に挿入された器具１８を回収することは外科医Ｓにとって困難かつ厄介なことであるため、特に遠隔操作ロボット手術においては危険状態となる。移動止まり状態となることを防止するため、アーム２６のプリズムジョイントＪ１、Ｊ３は十分移動できるように設計され、またエフェクタ装置３０の回転型ジョイントＪ６は無制限に回転できるように設計されてる。そのゆえ、何らかの所定の初期形状及び設置条件が守りさえすれば、移動止まり状態を防止することが可能である。
【００６３】
図１６にはトロカール２００及び患者Ｐの体外におけるその作業空間２０２が模式的に示されている。図１６には、ｚ軸が重力方向とほぼ平行に上方を向いているデカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて支柱基準フレームＦＲＦも示されている。トロカール２００は通常患者Ｐの２０４で示された腹部中の小さな切開部を通して腹膜空隙中へ挿入される。トロカール２００と切開部の双方で図１及び図２に示すように１つのアクセスポート２０が形成される。手術が実施される器官あるいは部位まで到達するため、Ｚ’で示されるトロカール２００の縦軸は作業空間２０２中でピボット点２０６と呼ばれるＦＲＦの起点を中心として旋回される。言い換えれば、この起点によってトロカール２００の支点が画定される。この支点は、トロカール２００が引き出されるリスクを減ずるため、好ましくは患者Ｐの腹壁と皮膚との間の傾き抵抗の小さい位置とされる。
【００６４】
下記最大応力及びトルク域を変更型腹腔鏡器具のハンドルに配置されている６ＤＯＦ応力／トルクセンサへ試験的に記録した。（ J. Rosenら著、"外科医・器具応力／トルク折り丁■体内最小侵入手術における外科技量の評価", Proceedings of Medicine Meets Virtual Reality, MMVR-7, IOS出版、San Francisco, CA, 1999年1月参照）
・応力：Ｆｘ，Ｆｙ＝±１０Ｎ； Ｆｚ＝±３０Ｎ；
・モーメント：Ｍｘ，Ｍｙ＝±１Ｎｍ；      Ｍｚ＝±０．１Ｎｍ
【００６５】
ここで、Ｆｉは対応軸ｉ＝ｘ，ｙまたはｚに沿った応力を表し、Ｍｉは図１６に示したＦＲＦの対応軸ｉ＝ｘ，ｙを中心としたモーメントを表す。ＦＴＡＳ１２２中の応力トルクセンサの操作範囲には、これら数値に加えて、ＬＩＡ１２０の重量、動作力学的負荷、及びトロカール２００に対して作用する旋回侵入抵抗が考慮される。実用上は、ＦＴＡＳ１２２中の応力トルクセンサは、応力／トルク反射、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応力／トルクのフィードバック、ＦＴＡＳ１２２をジョイスティックとして用いてのエフェクタ装置３０の手動駆動、及びエフェクタ装置３０へ接続される器具１８と相互作用する応力／トルク、例えば器具１８先端あるいは図４のピボット点における応力／トルクのモニタリングに用いられる。ＦＴＡＳ１２２中の直線及び放射加速度計は、応力・トルクセンサ情報に対する重力及び加速度の影響を補償するために用いられる。ＦＴＡＳ１２２中の加速度計及び応力・トルクセンサの測定軸は幾何形状的に一致する。
【００６６】
手術中、腹腔鏡器具１８はトロカール２００を通して挿入される。殆どの外科手術において、外科医Ｓは、図１６に示すＦＲＦについて、器具１８を以下に示す角作業空間及び速度の最大範囲内で操作している。
【００６７】
【表１】
2009525097.tif 000003
【００６８】
いくつかの先行技術によるロボットマニピュレータの設計及び形状においては、トロカール２００の旋回点は、固定点を中心として旋回するリスト構造が機械的に配置されていることから、リスト設置後も固定されたままである（例えば、Taylorらによる「動作ロボットの遠隔操作」センター、ＵＳＰ５６６７３２３−１９９５年５月参照）。他の先行技術による設計では、トロカールへ加わる応力を制限するため、旋回軸に沿って機械的キャパシタンスが付与される（例えば、Wangらによる「医療ロボットシステム」、ＵＳＰ６１０２８５０、２０００年８月参照）。これに対して、本願において提案されているロボットマニピュレータ１４は、機械的キャパシタンスも動作中心もなく設計されていて、特定の手順によって決められる旋回点２０６を中心とした正確な回転動作と、旋回点２０６の位置を最適化するために行うエフェクタ装置３０へ加えられる応力及びトルクのリアルタイム制御に依存している。さらに、この特徴は、腹腔内作業空間を改善することを外科医Ｓに要求された場合に、旋回点２０６の移動に際して柔軟性を与えるものである。さらに別の利点は、例えば腹圧の減少によって旋回点２０６の絶対位置が変わる場合の適応能にある。
【００６９】
明白なことであるが、エフェクタ装置３０に外科医の手による腹腔鏡器具の取扱いに匹敵する器用さを付与するため、ロボットマニピュレータ１４には一定の動作能力が備えられなければならない。表１に挙げた動作条件に基づき、特定の例においてジョイントＪ１〜Ｊ６に見出されている好ましい運動能を表２に示す。回転、ピッチ及び偏揺れ角度を、例えば支点のような絶対的基準系に対して限定することが可能である。
【００７０】
【表２】
2009525097.tif 000004
【００７１】
各ジョイントの速度及び加速度能に関して表１に示された数値は比較的高いため、強力な作動装置、剛性な構造をもつアーム２６及びリスト２８、及び基部２４を用いた適切な床固定が要求される。当然のこととして、これらの要求を軽減させるため低い数値の選択が可能であるが、旋回点２０６における応力を減ずるためのコストが問題となる。
【００７２】
特に力反射を伴う遠隔操作ロボット手術の場合、別に関連する観点としてマニピュレータ１４に対する精度要求がある。十分な精度はトロカール切開におけるストレスの減少に寄与し、また正確な応力・トルク補正の実施を可能とする。
【００７３】
選択された設計において、エフェクタ装置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の静止精度は、位置に関しては±２ｍｍよりさらに良くなり、またＦＲＦ（図１６参照）における方位に関しては±０．１°よりさらに良くなる。本願においては、連列された腹腔鏡器具１８の先端における外部負荷は１．５ｋｇと想定され、またＦＲＦは（Ｒ）ジョイントＪ５の軸から２８０ｍｍ離れた点にあると想定される。動きの精度は位置に関しては±４ｍｍよりさらに良くなり、またＦＲＦにおける方位に関しては±０．５°よりさらに良くなる。このような特徴は、特に構造部品の正確な機械加工、リンクＬ１〜Ｌ６及びジョイントＪ１〜Ｊ６の剛性、位置センサの十分な分解能、ＰＩＤモーター制御ループの適切な調節、マニピュレータの運動較正等によって得られるものである。
【００７４】
これに関して、ジョイントＪ１〜Ｊ６のそれぞれの出力装置に設けられた前記絶対位置センサ（例えば６５、８８、１０８、１４８）には以下のような利点がある。
・ジョイントを作動させることなく、ロボットマニピュレータ１４のジョイントＪ１〜Ｊ６をホーミング（ｈｏｍｉｎｇ）できる。これは、モーター制御に用いられ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与えることを意味する。絶対センサが得られない場合は、ホーミングを実施し、すべてのジョイントを一定方向へ移動させて基準信号を見つけることが可能である。運転開始時のフォーミングを自動化しないことにより、迅速な始動と安全性の向上が確保される。
・エフェクタ装置３０の位置及び方位をリアルタイムで決定することにより、トランスミッション機構によって生ずるジョイント弾性エラーが防止される。
・ＦＲＦからのロボットマニピュレータ１４の逸脱がモニターされる。
・各ジョイントＪ１〜Ｊ６に設けられた各モーターエンコーダによって示された位置を用いてデータに矛盾がないことをモニタリングすることにより、ジョイント・トランスミッション故障（例えばベルトの破断）あるいは他のハードウェア故障が検出される。
【００７５】
ロボット工学の別の観点として、ロボットマニピュレータ１４の制御に用いる数学モデルがある。ロボットマニピュレータ１４の理論モデルから離れて、運動力学的配置に対するオフセット、ジョイントＪ１〜Ｊ６の弾性、リンクＬ１〜Ｌ７の弾性、作動装置バックラッシュ、及び他の直線性誤差等のパラメータを含む有効かつ正確な「有形の」モデルが較正過程において必ず決定されなければならない。上記明示された「有形の」マニピュレータモデルは以下に述べる３つの目的に用いられる。すなわち、第一は、実際にジョイントオフセットとリンク長をもつ運動制御装置（逆運動計算を簡略化する）中に理論モデルを用いてロボットマニピュレータ１４の精度を高めること、第二は、前向き公式（ｆｏｒｗａｒｄｓ  ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ）を介してリアルタイムで６−ＤＯＦ ＦＴＡＳ１２２及び取り付けられた負荷の位置及び方位を正確に計算すること（この数値は重力負荷及び加速度負荷を補正するために必要とされる）、第三に、前向き公式を介してリアルタイムで器具先端の位置及び方位を決定し、及び力反射（例えば器具１８の侵入）に要求されるパラメータを導き出すことである。
【００７６】
以下の節において腹腔鏡器具作動装置（ＬＩＡ）１２０についてより詳細に説明する。
【００７７】
図１４及び１５に示すように、ＬＩＡ１２０によってエフェクタ装置３０の一部が形成される。ＬＩＡ１２０により、ロボットマニピュレータ１４を作動させて把持／切開用ピンセット、ハサミ、吸引／灌注器具等の標準的腹腔鏡器具を用いるための全体的作動インタフェースが与えられる。従って、ＬＩＡ１２０によってマニピュレータ１４の先端部が形成され、ＬＩＡは外科医の手の動作を再現するものであることから手部分として機能する。ＬＩＡ１２０には、後端部によってＦＴＡＳ１２２へ連結するためのインタフェースフランジ１５６が形成され、他方前端部によってロボットマニピュレータ１４の先端部が形成されるハウジング１５４が含まれる。エフェクタ装置の異なる構成において、ＬＩＡにジョイントＪ６を含ませることも可能である。しかしながら、このような構成においては、器具アダプタによって複雑な機械的設計が要求され、回転機構が開閉機構及び動力伝達機構と共に含まれることになる。さらに、たとえ回転機構が用いられても滅菌範囲は保持されなければならない。
【００７８】
図１４〜１５及び図１８〜２２に示したＬＩＡ１２０は、一方の側をハンドルに、また他方の側を軸部に分けることができるいずれかの標準的腹腔鏡器具と共に使用するように適合している。ここで、前記軸部はその先端に例えばピンセット／ハサミ、あごインサート、吸入／潅注手段、ナイフあるいは電気ごて／切断器具等の基本手術器具を保持する比較的細い細長い管に限定される。前記先端部に対向する末端部には、前記軸部を外科医用のハンドルへ連結するように設計されたソケットが備えられる。
【００７９】
ロボットマニピュレータ１４の標準的器具との適合性はＬＩＡの設計により、また以下において頭字語ＩＳＡで示される対応器具軸部アダプタの設計によって得ることができ、その一例が図１７に部分断面図で示されている。
【００８０】
図１７は器具軸部３０２を連結することが可能なＩＳＡ（器具軸部アダプタ）３００を示した図である。ＩＳＡ３００はそれを図１５に示したシート１３０中へ取り付けることによってＬＩＡ１２０へ連結される。この趣意により、ＩＳＡ３００にはほぼ円筒形の外面をもつケース３０３が備えられる。図１７に示されるように、ＩＳＡ３００は従来器具（腹腔鏡器具）の器具軸部３０２とＬＩＡ１２０の連結素子として設計されている。この趣意により、ＩＳＡ３００の前端部には軸コネクタ３０４が備えられる。軸コネクタ３０４は、実際の器具毎に異なる軸部３０２の特定型ソケット３０６へ連結するように設計されている。本来、ソケット３０６は腹腔鏡器具ハンドル（図示せず）への連結用に設計されているものである。図１７に示すように、軸コネクタ３０４によって、軸部３０２が設計された元のハンドルのコネクタが再現される。ＩＳＡ３００には、ＬＩＡ１２０への連結を確実にする連結部材３０８がさらに含まれる。連結部材３０８はケース３０３の横向きに配置され、そこから放射状に突き出してＬＩＡ１２０へ取り付けられた時にＩＳＡ３００の回転を止めるようになっている。連結部材３０８中にはＬＩＡ１２０の誘導存在スイッチ（後述する部品４０４）へ金属検知面を与える小さな金属ブロック３０９が設けられる。ＩＳＡ３００内部の円筒形ガイド３１２中には直線状にスライド可能なピストンが配置される。このピストン３１０に対して交差するように円筒形スライダーピン３１４が取り付けられ、このピンはピストン３１０を操作するためケース３０３から外側へ突き出している。ピストン３１０のスライド操作によって器具軸部３０２内部のロッドが作動されることにより器具軸部３０２先端のツールが操作される。理解されるように、ＩＳＡ３００によって軸部３０２へ最初に連結されるハンドルの器具軸部操作に関する機能性が再現され、他方ＩＳＡはＬＩＡと共にロボットマニピュレータ１４への連結インタフェースとなるものである。
【００８１】
図１７に示されたＩＳＡ３００の実施態様は、器具、例えば単極あるいは双極電動型あるいは非電動型のハサミ及び鉗子の先端における開閉機能等の機械的作動を必要とする器具のために設計されている。本願開示には、他の多種に亘る類似アダプタも包含されるが、各アダプタは特殊な型式の腹腔鏡器具に適合したもの、すなわちＬＩＡ１２０へ連結される特殊な型式の軸部を有するものである。その結果、器具の要求によって異なるが、ＩＳＡには、例えば器具あご部を作動させるための直線スライドピン３１４、例えば単極あるいは双極焼きごて電力のための１または２以上電気コネクタ、及び／または例えば潅注あるいは吸引器具用の１または２以上のコンジット連結手段が含まれる。図１７には電気コネクタ３１８が示されているが、単に機械的器具１８としては、電気コネクタ１８（図１８中に細線で図示）を形成するＩＳＡ３００の部品は不要であることが理解されよう。ＩＳＡは、オートクレーブで滅菌可能な構成材料から成るものが選択されるべきことに注意されたい。実際、ＬＩＡ１２０の設計によって、医療ロボットシステム１０中で滅菌が必要とされる部分はＩＳＡだけである（但し、当然であるが器具軸部の滅菌は必要）。手術中、ＬＩＡ１２０のハウジング１５４及びエフェクタ装置３０の他の部品は滅菌プラスチックバッグ中に封入される。図示されていないが、電気メスまたはナイフ等の非機械的作動型だが電動型である器具の場合、ＩＳＡにスライダーピン３１４及び付属の機械伝動装置が不要なことは明白である。潅注あるいは吸引カニューレ等の器具の場合、ＩＳＡにはロボット制御システムによって電気作動される電気弁を介して遠隔操作制御される２本のチューブが装備される。
【００８２】
図１８に示したＬＩＡ１２０は、軽量に（例えば全重量８００ｇ未満）、かつアクセスポート２０近くの２つの隣接ツールのためにより広い有効作業スペースを与えるため直径が９０ｍｍ、より好ましくは７５ｍｍの比較的小さな円筒形封入体へ嵌り込むように設計されている。ＬＩＡ１２０の全長（特定例では約１３０ｍｍ）は、主としてＩＳＡ３００の長さによって決まる。ＬＩＡ１２０の長さは、ジョイントＪ５とＦＲＦ（図１７参照）の旋回点２０６との間の間隔を制限するために最小とされる。実際、この間隔オフセットによってすべてのマニピュレータジョイントＪ１〜Ｊ５の移動範囲及び速度／加速度能が決定される。しかしながら、手動モードでＬＩＡ１２０を手で掴むことができるように（すなわち、ＦＴＡＳ１２２へ連結されたハウジング１５４を「ジョイスティック」として用いることができるように）、ＬＩＡ１２０の長さは少なくとも６ｃｍとすることが推奨される。
【００８３】
図１８に示すように、ハウジング１５４外面の角部は滑らかに形状化されている。この外面は簡単にクリーニングでき、軽量で、かつ非導電性材料から成っている。さらに、このＬＩＡ１２０は、ＩＳＡ３００を用いて取り付けられた適合器具１８の軸部３０２に対して部分的に回転対称的に設計されている。ＩＳＡ３００をＬＩＡ１２０へ適切に連結すると、軸部３０２の軸はジョイントＪ６の回転軸とＦＴＡＳ１２２の基準軸に一致する。
【００８４】
さらに図１８に示すように、ＬＩＡ１２０のハウジング１５４には、以下において詳述されるように、ＩＳＡ３００を用いて取り付けられる器具１８を作動させる直線作動機構４００が含まれている。シート１３０は、ＩＳＡ３００の挿入及び抜き出しを容易にするため、ＬＩＡ１２０のアクセス面４０１中に凹状の細長い半円筒形の窪みとして形成される。ＩＳＡ３００を受け取るシート１３０はジョイントＪ６の回転軸とほぼ同軸上にあり、該シートはハウジング１５４の中心軸に沿って延びている。理解されるように、ＩＳＡ３００のＬＩＡ１２０に対する取付け及び取外し方向はジョイントＪ６の回転軸に対して径方向である。ＬＩＡ１２０は、シート１３０がアクセス面４０１上の片側半分の面からアクセスできるように形状化される。図１８から分かるように、シート１３０にはＬＩＡ１２０の本体中へ向かってシート１３０を径方向に深く形成させる縦溝４０２が設けられている。この付加的溝４０２はＩＳＡ３００の連結部材３０８を受け取るように形状化されている。この溝４０２中にはシート１３０に付属のロック機構４０６の噛み合い部が配置され、この噛み合い部は連結部材３０８と連携する。シート１３０はＩＳＡ３００のケース３０３の外側円筒形状に適合した丸められた端部をもつ半円筒形窪みとして形成される。金属ブロック（図１７参照）を感知することによってＩＳＡ３００の存在検知を行うため、シート１３０中に存在検知装置４０４、例えば誘導存在スイッチが配置される。デッドマンスイッチボタン４０８により、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へ切り換えることが可能である。手動モードでは、ＬＩＡ１２０（連結されている場合は器具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作成され、かつＦＴＡＳ１２２によって読み取られる情報を用いて、ロボットマニピュレータ１４によって配置され定位される。手動モードは特にトロカールを介して器具を挿入し、あるいは抜き出す場合に有用である。
【００８５】
直線作動機構４００の詳細は図２０に最もよく示されている。作動機構４００には、ギアボックス４１２を介して連結される小型ブラシレスモーター４１１と、ベルト４１８によってボールスクリュー４２０へ連結されるプーリー４１４及び４１６が含まれる。ボールスクリュー４２０は該スクリュー上へ取り付けられるナット４２２と連係して図１９に示すように回転運動を直線運動へ変換する。ナット４２２は直線ガイド４２４によってガイドされるため、ボールスクリュー４２０上での横方向移動が減じられる。誘導制限スイッチ４２６及び４２８がナット４２２の移動止め位置に置かれ、これらスイッチが制御装置へ接続されて作動機構４００の移動が制限される。
【００８６】
図１９に示すように、作動機構４００によって直線運動は以下において詳述するようにＬＩＡ１２０のスライダ可動台４３０へ伝達される。好ましい実施態様において、作動機構４００には下記パラメータが選定される。
・スライダ可動台４３０の最大機械的移動：７ｍｍ（標準的器具には通常５ｍｍで十分であるが、同一形式器具のいくつかの軸部で移動の長さが最大で２ｍｍまで相違することが見出されている）。
・移動速度範囲：１〜２０ｍｍ／秒
・最大作動力：２００Ｎ
【００８７】
ステッパモーターは、ＦＴＡＳ１２２の騒音の重要な原因と見られるため、好ましくはＬＩＡ１２０には用いられない。そのため、シャフト位置エンコーダが装備された小型のブラシレスモーター４１１が用いられる。このモーターは例えばFaulhaber GmbH, Schoenaich, Germanyから入手可能である。しかしながら、ケーブル駆動伝達等の他の非振動型直線運動機構の使用を排除するものではない。
【００８８】
図２０は、ＬＩＡ１２０のハウジング１５４中に埋め込まれ、例えば２４ＶＤＣ電力を供給されるモーター４１１用電力制御装置４４０を示した図である。ハウジング１５４の直径をさらに減ずるため、この電力制御装置４４０を、例えばモーター１４１に近接するスリップリングコレクタ８０の後方の、フランジ１５６とＦＴＡＳ１２２との間、あるいはＦＴＡＳ１２２とジョイントＪ６（図示せず）への接続フランジ、あるいは該ジョイントＪ６のカバー１２４内側との間の付加ハウジング中に配置することが可能である。前記電力制御装置４４０は、スライダー可動台４３０を受け取った位置コマンドに従って所定速度プロファイルを用いて作動させ、ユーザー要求に従ってモーター電流を制限し、制限スイッチを用いてモーター４１１をホーミングするため制限スイッチ４２６、４２８からの信号に基づいて運動を調整し、またハウジング１５４において存在検知装置４０４をモニタリングするように特に設計されている。他の安全機能、例えば緊急停止機能をモーター４１１のサーボ誤差、すなわち目標位置と有効位置との差を用いて働かせ、及びモーター４１１の熱保護を用いて行うことも可能である。ＬＩＡ１２０に必要とされるスペースを減ずるため、直線作動機構４００には絶対位置センサは取り付けられない。しかしながら、絶対位置センサを取り付けずとも、制限スイッチ４２６及び４２８をホーム（ｈｏｍｅ）センサとして用いることによりホーミング手順は確保される。手術中、スライダー可動台４３０の絶対位置を例えばロボット制御システムの適当なメモリに定期的に記録して、電源シャットダウンあるいは故障後にシステムの迅速な復旧を図ることが可能である。ＩＳＡ３００の存在、すなわちＩＳＡが正しくＬＩＡ１２０へ取り付けられているどうかは、シート１３０中に取り付けられた誘導存在スイッチ４０４（図１８参照）を介して感知される。誘導存在スイッチ４０４の出力は送られ、制御装置４４０へ有効に入力される。
【００８９】
図１７及び１９に最もよく示されているように、作動機構４００のスライダー可動台４３０はＩＳＡ３００のスライダーピン３１４を受け取るように適合している。モーター４１１の作用により、スライダー可動台４３０は連結されたＩＳＡ３００のスライダーピン３１４を駆動させるように再度配置される。スライダーピン３１４は次にピストン３１０を作動させ、それによって軸部３０２（図示せず）の先端にある作用素子あるいはツール、例えばあご部開閉機構が操作される。別の言い方をすれば、直線作動機構４００とＩＳＡ３００が連動して軸部３０２から取り外され、ＩＳＡ３００によって置き換えられたハンドルの動作がシミュレーションされる。スライダー可動台４３０へのスライダーピン３１４の挿入は斜めに切り取られたガイド面４３４によって容易化されている。
【００９０】
図２１及び２２は、図１８に一部しか示されていないＬＩＡ１２０のロック機構４０６の構成を示す詳細図である。このロック機構４０６はラッチとして構成され、該機構中にはシート１３０の溝４０２（図１８参照）中に配置されたスライド可能な留め金４５０が含まれている。この留め金４５０は溝４０２中の適当な手段によってガイドされることが理解されよう。溝４０２は、前記スライド可能な留め金４５０と共に、図１７に示すＩＳＡ３００の連結部材３０８を嵌合により受け入れるように形状化されている。留め金４５０には連結部材３０８（図１７参照）中のスロットによって形成される２つの突起部３０６と噛み合う２つの鼻部４５２が設けられている。連結部材３０８の縁部は溝４０２中への挿入及び該溝からの取出しが容易になるように丸められている。
【００９１】
留め金４５０の設計は図２２に最もよく示されている。スプリング４５４によって留め金４５０はその弾力によってＦＴＡＳ１２２の方へ押し付けられる。ノブ４５６が直線状にガイドされることによって同じく直線状にガイドされる留め金４５０と連結しているピボット４５８の回転が引き起こされ、ＩＳＡ３００を取外す際に連結部材３０８から留め金４５０を手動で取外すことが可能となる。留め金４５０の鼻部４５２は、押し込むだけでＩＳＡ３００を挿入できるように斜めに切り取られている。鼻部４５２の噛み合い部分及び突起部３１６は、ＬＩＡ１２０を覆うために用いられる滅菌プラスチックシートを損傷しないように接合輪郭に従って丸く形状化されている。理解されるように、他の同等な連結あるいはロック機構、例えば金属板を備えるＬＩＡ中に挿入される永久磁石及びＩＳＡ上へ取り付けられるカム式レバーをラッチ機構の代わりに用いることも可能である。固定機構、例えばロック機構４０６及び連結部材３０８は、ＩＳＡ３００がＬＩＡ１２０へ取り付けられる場合、好ましくはＬＩＡ１２０から取り外さなくても以下に示す応力及びモーメントに耐えられるように設計される。
・１００Ｎの牽引力及び圧縮力
・器具先端における放射状応力１５Ｎに相当する捩れモーメント
・５Ｎｍ以下の曲げモーメント
【００９２】
ＬＩＡ１２０及び連動ＩＳＡのそれぞれ（例えば３００）は、外科医アシスタントＡが適合腹腔鏡器具１８、すなわちＩＳＡ（例えば３００）に組み入れられた軸部（例えば３０２）を素早くかつ容易に取り付けあるいは取外しできるように設計されることが理解されよう。上述したＩＳＡ３００の本質的に円筒形の外形、その連結部材３０８、シート１３０、溝４０２及びロック機構４０２によって、ＬＩＡ１２０へのＩＳＡ３００のガイド方式挿入及び簡単な接続手順が付与されている。かかる設計により、ＩＳＡが挿入される際に要求される剛性と、数回手動で移動させるだけの簡単な手順による取出しが確保される。このように設計することにより、適合器具１８（すなわち軸部及びＩＳＡ）の挿入及び取出しを、アンスタントが従来使用している手術用器具を６〜９秒間で取り替える手による外科手術の場合とほぼ同等に迅速に行うことが可能となる。
【００９３】
いずれの場合においても、適合器具１８が患者Ｐの体外にあるか、あるいは該器具が患者Ｐの体内に挿入されているならば、ＩＳＡ（例えば３００）及び軸部（例えば３０２）を含む適合器具１８の挿入あるいは取外しを安全に行うことが可能である。また、スライダーピン３１４が駆動されている間に取り外しを行うことも可能である。
【００９４】
ＬＩＡ１２０へ適合器具を取り付ける前に、多数の予備的条件が満たされなければならない。第一に、器具がトロカール中へ部分的に挿入される場合（トロカールの長さを超えない）、ＬＩＡ１２０は前もって、エフェクタ装置３０（ジョイントＪ６）の回転軸がトロカールと一直線になる位置にマニピュレータ１４によって配置及び定位されなければならない。第二に、スライダー可動台４３０は、ロボット制御システムによって「挿入基準位置」、例えばインタフェースフランジ１５６に最も近接した位置に配置されなければならない。ＩＳＡ（例えば３００）が取り外される時、スライダー可動台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」中へ移動されなければならない。前述したように、ＩＳＡの存在、欠如、あるいは異常な離脱は存在検知装置４０４によって検知可能である。第三に、また存在する場合、ＩＳＡ（例えば３００）のスライダーピン（例えば３１４）はスライダー可動台４３０の「挿入基準位置」に対応する「挿入基準位置」中になければならない。スライダーピン３１４のこの位置は、好ましくは器具が閉じられた状態、例えばピンセット／ハサミ器具のあご部がこの位置中に緩いが十分に閉じ込められるように定義される。
【００９５】
図１４に最もよく示されているように、ＩＳＡ（例えば３００）及び軸部（例えば３０２）を含む適合腹腔鏡器具１８の挿入手順は、ＩＳＡ（例えば３００）をそのシート１３０上へ置き、同じ方向に沿ってＩＳＡ上を軽く押しつけて連結部材３０８をロック機構４０６と噛み合わせることから成る矢印４６０に従った１回だけの手動での移動によって実施可能である。連結部材３０８が溝４０２中に正しく設置されていれば、存在検知装置４０４によって肯定出力が与えられる。この挿入過程において、スライダー可動台４３０は、前述した条件が満たされていれば、さらなる処置を取る必要なくスライダーピン３１４と噛み合う。
【００９６】
外科医がマスターコンソールを介して器具の交換を要求した場合、ロボット制御システムによって通常４つの操作が行われる。第一に、ロボット制御システムによって器具１８が制御され、器具が組織から離脱される。第二に、ロボット制御システムによってその器具が器具軸方向に沿ってトロカールポート付近まで移動される。第三に、ツール先端、例えば器具あご部がトロカールに引っかからないように形状化される。第四に、外科医アンスタントＡが自由にＬＩＡ１２０を回転させてＬＩＡ１２０から器具を取り外ずせるように、前記先端によってジョイントｊ６のモーターが離脱される。これらの操作の後、２回の簡単な移動を行うだけで適合腹腔鏡器具１８を安全にいつでも取外すことが可能である。
【００９７】
前記第一の引き抜き移動ではロック機構４０６がロック解除されるようにノブ４５６が押し込まれる。前記第二の抜き取り移動では、主軸に対して垂直な軸を中心に回転させることにより軸部先端を中心としてＩＳＡ（例えば３００）及び軸部（例えば３０２）を旋回させてＩＳＡ及び軸部がシート１３０から取り外され、次いで、猶挿入されている場合には、患者Ｐの体から軸部（例えば３０２）が引き出される。
【００９８】
上述した挿入及び取外し手順から明らかなように、ＬＩＡ１２０及びＩＳＡ（例えば３００）の設計により、たとえトロカール２００（図１６参照）を介して患者Ｐの体に適合器具１８の軸部（例えば３０２）が猶一部挿入されていても、器具の挿入あるいは引き抜きを行うことが可能となる。引き抜きに要求される動作は、これらの動作がシート１３０の縦軸に対して垂直方向の旋回動作とそれに続く引き抜き動作であることから、患者Ｐに対して侵入方向ではないことが理解されよう。さらに、一定の旋回方向への動作によって患者が傷つけられる可能性がある場合には、ジョイントＪ６を介してＬＩＡ１２０を手で回転させてこの方向を変えることが可能である。さらに、電力故障が起きた場合には、ＩＳＡ（例えば３００）とその軸部（例えば３０２）を同時に外して手動で抜き出すことも可能である。
【００９９】
上述したＬＩＡ１２０に関して、簡単な器具軸アダプタ（ＩＳＡ）（例えば３００）を用いることにより、広範囲に亘る既存の標準的腹腔鏡器具をロボットシステム１０中に用いることが可能である。ＬＩＡ１２０を対応ＩＳＡと組み合わせて、作動あるいは電力供給能のロスを生ずることなく、一定の腹腔鏡器具のハンドル部分を置き換えることができる。ＬＩＡ１２０は一般的設計、すなわちロボットマニピュレータ１４へ連結される器具の形式とは無関係に設計される。従って、器具の要求に従って特別な設計が必要なものはＩＳＡ（例えば３００）だけである。上述したように、ＬＩＡ１２０によって特に以下に挙げる機能を果たすことが可能である。
・直線作動機構４００を用いた器具ツール先端、例えば器具あご部の「開閉」作動
・器具の形式によって別個に要求される「開閉」移動長の適合化
・ロボットマニピュレータ１４を介してのナイフ等の非作動器具の取扱い
【０１００】
さらに、ＬＩＡ１２０によって、いくつかの要因に基づいて、ロボット腹腔鏡に有利なコスト効率性が得られる。第一に、単一の封入体中に器具及び付属作動装置が単一装置として組み立てられるため、マニピュレータ当たり数個の作動装置が必要とされる従来装置と異なり、各マニピュレータ１４に必要なＬＩＡ１２０は１個だけである。これにより、特に作動装置に要するコストが軽減される。第二に、単一構成の標準型腹腔鏡器具軸部（例えば３０２）及び対応器具軸アダプタ（例えば３００）を用いることによって器具に要するコストが低減される。それゆえ、ＬＩＡ１２０と共に用いる適合器具１８のコストは標準型腹腔鏡器具（すなわちハンドルを含む）のコストとほぼ同等となる。第三に、ＩＳＡ（例えば３００）設計は滅菌サイクルに対して強靭であるため、器具メンテナンスに要するコストは標準型腹腔鏡器具のそれとほぼ同等となる。
【０１０１】
次に図２５に基づいてＬＩＡ１１２０の別の実施態様について説明する。本願において上記説明したＬＩＡの多くの観点及び利点をＬＩＡ１１２０へも適用可能であるが、その主たる特徴及び相違について以下に説明する。
【０１０２】
図２５に示したＬＩＡ１１２０には、半円筒形で上部にＬＩＡ１１２０へのＩＳＡの取り付けあるいは取外しを容易にするためのほぼ平らなアクセス面１４０１が設けられたハウジング１１５４が用いられている。ハウジング１１５４の対向面１１５５はＪ６の回転軸と同軸上にある半円筒形封入体に適合する半円筒形である。前記半円筒形面１１５５の直径はオペレーターによる操作を可能とするため人間工学に基づいて、特に上記手動モードでロボットマニピュレータ１４に指令を与えるため、例えば５０〜１３５ｍｍの範囲内、好ましくは約９０ｍｍに選定されている。前記半円筒形ハウジングの断面はインタフェースフランジ１５６よりも実質的に小さいため、このハウジングを用いてＬＩＡ１１２０はＦＴＡＳ１２２へ取り付けられ、ハウジング１１５４にはさらに漸進的強化リブ１１５７が含まれる。この強化リブは、漸進的形状、すなわちアクセス面１４０１から始まってインタフェースフランジ１５６の上端にまで達する滑らかに延びる形状を呈している。強化リブ１１５７はさらに、半円筒形面１１５５から成る円筒形封入体に適合するように湾曲されている。強化リブ１１５７によってアクセス面１４０１はインタフェースフランジ１５６へ連結されているため、ハウジング１１５４のインタフェースフランジ１５６への取り付けの強固性は強化増強されている。これにより、ＩＳＡからＬＩＡ１１２０を通したＦＴＡＳ１２２への応力及びトルクのより正確な伝達が確保されている。図１４に示したＬＩＡ１２０中にも類似の強化リブが与えられていることに注意されたい。
【０１０３】
図２５にはさらに、ＬＩＡ１１２０へ器具軸部アダプタを取り付け、それによってエフェクタ装置へ該アダプタを取り付けるための別の連結機構が示されている。ＬＩＡ１１２０においては、ＬＩＡ１２０の場合と同様に、シート１１３０がアクセス面中に凹状の細長い半円筒形窪みとして形成され、Ｊ６の回転軸上においてアダプタの自己センタリングが行われる。さらに、この連結機構には複数の磁石装置が含まれ、そのうちの２つはスライダー可動台１４３０上に、また１つはシート１１３０の他方面上に配置され、後者の磁石装置はアクセス面１４０１から離れた隆起部上に配置されている。この隆起部１４２５によって取り付けられるアダプタへ軸方向の付加的な保持圧力が加えられ、アクセス面１４０１へ向かう傾斜によってアダプタの軸方向への自己調節位置決めが可能とされる。理解されるように、前記磁気装置１４２３は電磁石、永久磁石、あるいは両者の組合せでもよく、この磁石装置によって磁気吸引を用いて対応設計されたＩＳＡの固定が確保される。機械的なスナップイン取り付けを避けることにより、マニピュレータ１４の被覆あるいは少なくともエフェクタ装置３０の被覆に用いる滅菌プラスチックカバーの破損リスクが排除される。
【０１０４】
図２５にはさらに、ＩＳＡ上に設けられた誘導識別可能な材料パターンを用いてエフェクタ装置３０へ取り付けられた器具を識別するための複数の誘導存在センサ１４３１が示されている。４個の誘導存在センサ１４３１が一列に配列され、これらセンサにより、誘導存在センサ１４３１に面するＩＳＡ上の対応位置列中における誘導材料の有無に基づいて二進符号（４ビットワード）を用いることにより１６種の器具を識別・確認することが可能である。さらに、誘導存在センサ１４３１は、欠けている器具に対応するパターンコード（４ビットワード）が用いられている場合、すなわちいずれの誘導センサ１４３１にも導電性材料が面していない場合にも存在検知を行うことが可能である。
【０１０５】
図２５には噛み合い部材１４３３が分離状態で示されている。この噛み合い部材１４３３は、スライダー可動台１４３０を含み、かつＩＳＡのスライダーピン３１４を噛み合わせるスリット中へ導く傾斜捕獲面１４３４を有する作動機構の一部である。この傾斜捕獲面１４３４によってＩＳＡのスライダーピン３１４の挿入が容易化されている。噛み合い部材１４３３はスライダー可動台１４３０から取り外し可能であり、また滅菌適合材料から成っている。それゆえ噛み合い部材は滅菌ラップでＬＩＡ１１２０を被覆した後にのみ可動台１４３０上へ設置することが可能である。可動台１４３０の動作範囲は限定されるたため、滅菌ラップに損傷が生ずることはない。
【０１０６】
図２６に図２５に示したＬＩＡ１１２０へ取り付けられたＩＳＡ１３００の別の実施態様を示す。このＩＳＡ３００はＬＩＡ１１２０の別の設計に適合するように設計されており、このＩＳＡについて以下に説明する。ＩＳＡ１３００は、その基部がアクセス面１４０１に隣接するように寸法化される。ＩＳＡ１３００の機能は、図１７に示したＩＳＡ３００の機能と同一である。すなわち、手動での介入において有効なあらゆる機能性を欠くことなく、ロボットマニピュレータ１４上における標準的手動腹腔鏡器具軸部３０２の使用を可能とするインタフェースを与えることである。図２６はシステムを手動モードへ切り換えるスイッチボタン４０８がＬＩＡ１１２００上に設けられた態様を示した図である。ＩＳＡ１３００には、簡単な手動での取外しのため、すなわちＩＳＡ１３００をＬＩＡ１１２０から分離するためのレバー１３０１が備えられる。ＩＳＡ１３００には動力駆動される器具（例えば凝固あるいは切断器具）をＬＩＡ１１２０を通るワイヤなしに電力源へ直接接続する電気コネクタ１３０８も備えられる。
【０１０７】
図２５及び２６から明らかなように、ハウジング１１５４、フランジ１５６、強化リブ１１５７、ＦＴＡＳ１２２を含めたＬＩＡ１１２０の構成部分、及びレバー１３０１を含めて取り付けられるＩＳＡ１３００のすべての構成部分は半円筒形面１１５５によって画定される円筒形封入体内に配置されるように設計されている。このような設計は、ＬＩＡ１１２０がＪ６によって回転される時に衝突や損傷が起こるリスクを減じようとするものである。
【０１０８】
図２７はスライダー可動台１４３０へ直線運動を伝達する別の作動機構１４００を示す図であり、この作動機構の設計は図１９に示した機構とは異なるものである。この機構には、ギアボックス１４１２を介してナット部材１４２２へ連結される小型ブラシレスモーター１４１１及びボールスクリューあるいはウォームギア１４２０が含まれる。可動台１４３０は応力センサ１４２７の中間部分を介してナット部材１４２２へ固定される。応力センサ１４２７は、可動台１４３０によってスライダーピン３１４へ働く応力、あるいはその逆応力の測定を可能とするものである。スライダー可動台１４３０を縦方向シート１１３０へ取り付けることにより、モーター１４１１及び連結ギアをＩＳＡ１３００及び軸部３０２の縦軸に対して平行に配置することが可能なことも理解されよう。これにより、ＬＩＡ１１２０の全長を最小として、一定のジョイント（例えばＪ４）についての作動装置力学に対する要求を減ずることが可能となる。さらに、この作動機構１４００は有害振動の生成に関して最適化されたものであることも理解されよう。作動機構１４００の他の観点及び利点は前述した作動機構４００のそれらと同様である。
【０１０９】
図２８は、図２６のＩＳＡ１３００をＬＩＡ１１２０から取り外した場合の該ＩＳＡの下面を示した図である。ＩＳＡ１３００は細長いケース１３０３から成り、該ケースの前端部には軸部コネクタ１３０４が備えられている。この軸部コネクタ１３０４により、何らかの種類の取外し可能な接続が与えられる限り、標準的な手動腹腔鏡器具の軸部３０２（一部のみ図示）へ固定された典型的ソケット３０６への取外し可能な接続が可能とされる。勿論、軸部及びＩＳＡ上へコネクタ及びソケットをそれぞれ配置することも可能である。ケース３０３と同様に、ケース１３０３の下面にはシート１１３０と協働するための半円筒形面が備えられる。図２８に示すように、側部ウイング１３０５がケース１３０３の両側から突き出ている。これらの側部ウイング１３０５の下面は平らに形成され、ＬＩＡ１１２０上のアクセス面１４０１（他に例えば隆起部１４２５とも）と接合している。視覚性及びアクセス性を与えるため、例えばＩＳＡ１３００がＬＩＡ１１２０へ連結される時にスライダーピン３１４を手動で移動させるため、スライダーピン３１４の上方にある一方のウイング１３０５中に切り抜きスペース１３０７が設けられる。図２８にはさらに、ケース１３０３の両側にあるそれぞれのウイング中に配置された平坦な強磁性素子１３１１が示されている。この強磁性素子１３１１によって、図２５に示したＬＩＡ１１２０上の対応磁石装置１４２３とそれぞれ連動する連結手段が形成される。部分１３１３には、図２５に示した誘導センサ１４３１を用いて使用される器具を識別するための誘導識別パターンがＩＳＡ１３００上に設けられる。図２５に示した実施態様においては、完全金属製板が一定の４ビットワード（例えば１１１１あるいは００００）に対応し、他方、他のアダプタにおいて、誘導センサ１４３１に面した１または２以上の位置に例えばドリルで穴を空けて空隙を設けて識別のための異なるビットワードを与えることが可能である。
【０１１０】
図２９は図２８に示したＩＳＡ１３００の部分分解図である。図２９に示すように、ＩＳＡ１３００には、一定の手動腹腔鏡器具ピストン３１０用の円筒形ガイド１３１２として機能する内側中空部分が設けられる。前記ピストン３１０は、典型例として、器具ハンドルから軸部３０２中へガイドされたシャフトへ動作を伝達する手動器具中に用いられる。手動器具の既存のピストンはガイド１３１２中においてスライドするように配置可能である。図２８に示すように、ケース１３０３中に長円形の貫通穴を設けることにより、ピストン３１０へ横向きに取り付けられたスライダーピン３１４がケース１３０３から突き出してピストン３１０を操作するためにケース１３０３の軸方向に前後に移動することが可能となる。図２９に示したピストン３１０は器具へ二極電力を与え、かつ該器具をロック／ロック解除するために用いる手動二極式器具の原型部品である。
【０１１１】
図３０は同一形式のアダプタを用いて、市販の種々手動介入用腹腔鏡器具の種々ピストン、例えば図３０に示した単極式手動器具用ピストン１３１０が取り付け可能なことを示した図である。さらに、ＩＳＡ１３００（またはＩＳＡ３００）等のアダプタを用いることにより、ロボットマニピュレータ１４において市販の比較的安価な手動器具の重要部品を用いることも可能である。図２９には、レバー１３０１及びシャフト１３１９上において旋回する２つのほぞ１３１７のうちの一方も示されている。レバー１３０１を押し下げることにより、ほぞ１３１７によってＩＳＡ１３００の下面、特に強磁性素子１３１１がＩＳＡ１１２０のアクセス面から離れて持ち上げられ、それによってＩＳＡ１３００を手動でＪ６の回転軸、すなわち器具主軸に対して垂直方向へ取り外すことが可能となる。
【０１１２】
本願において上述した観点に加え、本願に係る医療ロボットシステム１０にはさらに以下に述べる特徴がある。
ロボットマニピュレータ１４は、その設計ゆえに、外科医Ｓが手術台１２へアクセスできるように、あるいは放射線機器を据え付けられるように、容易かつ素早く引っ込めることが可能である。
ロボットマニピュレータ１４は、その設計ゆえに、また外部センサからの情報を利用することにより、大きな介入時間の増加を生ずることなく、介入中における(反)Trendelenburg(±20-35°)や患者の斜め定位などの手術台の角度変化に対し容易に適合化可能である。
ロボットマニピュレータ１４は、その設計ゆえに、また外部センサからの情報を利用することにより、腹腔内圧の変化によるトロカール位置の変化を容易に調整可能である。
医療ロボットシステム１０により器具交換時間を短縮して全介入時間を最小とし、ＬＩＡ１２０、１１２０及びロボットマニピュレータ１４の設計により器具交換に要する時間を手動腹腔鏡作業とほぼ同程度に短縮し（６〜９秒間の範囲内）、内視鏡を用いる場合は、ロボットマニピュレータ１４の設計により、例えば光学機器のクリーニングに関し、内視鏡の素早い挿入、再挿入が可能となる。
医療ロボットシステム１０により、手術台１２周囲への複数のロボットマニピュレータ１４の配置を含めたシステムの迅速かつ簡単な設置が可能となる。
ロボットマニピュレータ１４を多用途設計として、最小介入手術、整形外科、生検、経皮治療、皮膚採取、超音波診断等の種々目的に適合させることができる。
【０１１３】
本特許出願は原則として出願時における本願添付の特許請求の範囲に限定された発明に関するものであるが、当業者によれば、本特許出願に例えば本願の補正クレームのサブジェクトマターとして、あるいは分割出願及び／または継続出願中のクレームのサブジェクトマターとしてクレーム可能な他の発明の基礎となる内容も含まれていることが容易に理解されるところである。このようなサブジェクトマターは本願において開示された特徴あるいは特徴の組合せとして画成可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】患者が横たわる手術台周囲に３個のロボットマニピュレータが備えられた外科手術室内一般外科腹腔鏡用医療ロボットシステムの透視図である。
【図２】５個のロボットマニピュレータが備えられた一般外科腹腔鏡用医療ロボットシステムの透視図である。
【図３】主座標系で表示している図１及び図２の医療ロボットシステムのロボットマニピュレータの透視図である。
【図４】部分的に主要部品へ分解されている図３のロボットマニピュレータの透視図である。
【図５】ジョイント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図である。
【図６】マニピュレータ構成部分を封入する２Ｄ衝突検知ボックスと共に示した、５個のロボットマニピュレータを有するロボット手術システムの上面図である。
【図７】図３に示したロボットマニピュレータ基部の透視図である。
【図８】手術補助者のロボットマニピュレータへの近接度を検知する２Ｄレーザ方式検知を示す医療ロボットシステムの上面図である。
【図９】図３に示したロボットマニピュレータのジョイントＪ１、Ｊ２及びＪ３の内部構成部品の透視図である。
【図１０】図３に示したロボットマニピュレータのジョイントＪ２の内部構成部品の透視図である。
【図１１】ジョイントＪ４及びＪ５を含むマニピュレータリストの内部構成部品の第一透視図である。
【図１２】ジョイントＪ４及びＪ５を含むマニピュレータリストの内部構成部品の第二透視図である。
【図１３】ジョイントＪ４及びＪ５を含むマニピュレータリストの内部構成部品の第三透視図である。
【図１４】図３に示したロボットマニピュレータのエフェクタ装置及び該エフェクタ装置へ接続されるように適合された器具の透視図である。
【図１５】図１４に示したエフェクタ装置の主要内部構成部品の透視図である。
【図１６】支点基準フレームの透視図である。
【図１７】器具軸アダプタ（ＩＳＡ）及び対応器具軸の透視図である。
【図１８】図１４に示した腹腔鏡器具作動装置（ＬＩＡ）の拡大透視図である。
【図１９】図１８に示したＬＩＡ中の駆動装置の透視図である。
【図２０】図１８に示したＬＩＡのさらに別の内部構成部品を示すために下方から見た透視図である。
【図２１】図１８に示したＬＩＡのさらに別の内部構成部品を示すために上方から見た透視図である。
【図２２】図１８に示したＬＩＡに用いられている連結機構を示す透視図である。
【図２３】変更されたマニピュレータリストを備える図３に従ったロボットマニピュレータの透視図である。
【図２４】図２３に示すロボットマニピュレータを４個及び図３に示したロボットマニピュレータを１個備える一般外科腹腔鏡用の医療ロボットシステムの透視図である。
【図２５】図１４に示したエフェクタ装置中に用いられる腹腔鏡器具作動装置（ＬＩＡ）の別の実施態様の透視図である。
【図２６】図２４に示したＬＩＡへ別の実施態様による器具軸アダプタ（ＩＳＡ）が接続されたＬＩＡの透視図である。
【図２７】図２４に示したＬＩＡ中に用いられる別の駆動装置の透視図である。
【図２８】図２６に示されたＩＳＡの別の透視図である。
【図２９】図２６及び図２８に示されたＩＳＡの部分破断透視図である。
【図３０】アダプタへ別の器具が接続されている図２６及び図２８に示したＩＳＡの部分破断透視図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年12月3日(2007.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
医療器具（１８）をロボット操作によって取り扱うロボットマニピュレータ（１４）を備えて成る医療処置を行うための医療ロボットシステムであって、
前記ロボットマニピュレータは、
基部（２４）、
前記基部によって支持される略垂直部分（２７）及び前記垂直部分によって支持される略水平部分（２９）を有するマニピュレータアーム（２６）、
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リスト（２８）、及び
前記マニピュレータリストによって支持され、かつ医療器具を保持するように構成されたエフェクタ装置から成り、
前記マニピュレータアーム（２６）は、連続的に、略垂直軸に沿った移行自由度を与えることによって前記垂直部分の高さを変えるプリズム型（Ｐ）第一ジョイント（Ｊ１）、略垂直軸を中心とした回転自由度を与えることによって前記垂直部分と前記水平部分との間の回転角を変える回転型（Ｒ）第二ジョイント（Ｊ２）、及び略水平軸に沿った移行自由度を与えることによって前記水平部分の到達範囲を変えるプリズム型（Ｐ）第三ジョイント（Ｊ３）を備える円筒形ＰＲＰ運動構成から成ることを特徴とする前記医療ロボットシステム。
【国際調査報告】
2009525097.tif 000036
2009525097.tif 000037
2009525097.tif 000038