(57)【要約】  本発明は、荷重検知手段および荷重検知手段に装着されたフックを備える手術ロボット用の荷重検知デバイスであって、カップリングが、長手方向に摺動可能であり、手術器具を作動するために緊張材と係合可能であり、それによって、フックの長手方向の移動が、緊張材に対して荷重を与え、荷重検知手段が、かかる荷重を測定する、手術ロボット用の荷重検知デバイスを提供する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重検知手段および前記荷重検知手段に装着されたカップリングを備える手術ロボット用の荷重検知デバイスであって、前記カップリングが、長手方向に摺動可能であり、手術器具を作動するための緊張材と係合可能であり、それによって、前記カップリングの長手方向の移動が、前記緊張材に対して荷重を与え、前記荷重検知手段が、かかる荷重を測定する、手術ロボット用の荷重検知デバイス。
【請求項２】
前記荷重検知デバイスは、前記手術ロボットへの手術器具の取り付けに際して、較正張力を前記緊張材に与えるように構成されている、請求項１に記載の手術ロボット用の荷重検知デバイス。
【請求項３】
前記荷重検知デバイスは、前記緊張材の前記張力を監視するとともに、前記緊張材が破断することを示す緊張材張力の測定に際して、前記手術器具の作動を制限するように構成されている、請求項２に記載の手術ロボット用の荷重検知デバイス。
【請求項４】
複数の荷重検知手段および同数のカップリングを備え、緊張材張力の測定値が、各それぞれの荷重検知手段からコントローラに送信され、前記コントローラが、それぞれの緊張材の破断を示す緊張材張力の測定に際して、前記手術器具の作動を制限するように構成されている、請求項２または３に記載の手術ロボット用の荷重検知デバイス。
【請求項５】
装着ハブと手術ツールとの間に位置付けられた剛性中空シャフトを備えるロボット手術器具であって、前記装着ハブが、それに摺動可能に装着された複数のカップリングを有し、各カップリングが、前記剛性中空シャフトを通過し、かつ前記カップリングと前記手術ツールとの間に配置されたそれぞれの緊張材と関連付けられている、ロボット手術器具。
【請求項６】
前記装着ハブは、ドーム状の端と、前記緊張材を密に係合させるが、分離を維持する緊張材セパレータと、を備える、請求項５に記載のロボット手術器具。
【請求項７】
前記複数のカップリングは、円形構成において前記装着ハブの周囲で離間されている、請求項５または６に記載のロボット手術器具。
【請求項８】
前記装着ハブは、円筒状であり、緊張材ガイドを備える第１の部分と、前記緊張材ガイドを少なくとも部分的に包囲する第２の部分と、から形成されている、請求項７に記載のロボット手術器具。
【請求項９】
取り付け可能なロボット手術器具の作動用の取り付けインターフェースであって、前記手術ロボットによって前記ロボット手術器具に印加された引張力を測定するための手段を備える取り付けインターフェースを備える、手術ロボット。
【請求項１０】
前記取り付けインターフェースは、長手方向に摺動可能で、前記手術器具と選択的に係合するように構成された少なくとも１つのカップリングを備え、前記少なくとも１つのカップリングが、引張力を測定するための前記手段に取り付けられ、かつ前記ロボット手術器具と係合するように付勢されている、請求項９に記載の手術器具。
【請求項１１】
引張力を測定するための前記手段は、荷重検知手段を備える、請求項１０に記載の手術ロボット。
【請求項１２】
前記取り付けインターフェースは、複数のカップリングを備え、各カップリングが、それぞれの荷重検知手段に取り付けられている、請求項１０に記載の手術ロボット。
【請求項１３】
手術ロボットと手術器具との間の取り付けインターフェースであって、手術ロボットに摺動可能に装着された第１のカップリングおよびロボット手術器具に装着された第２のカップリングを備え、前記第１のカップリングが、前記第１のカップリングが前記第２のカップリングと係合し、かつ前記手術ロボットに対する前記ロボット手術器具の長手方向の移動を防止する第１の位置と、前記第１のカップリングおよび前記第２のカップリングが係合解除されて、前記手術ロボットに対する前記ロボット手術器具の長手方向の移動を許容する第２の位置との間を移動可能である、取り付けインターフェース。
【請求項１４】
フックは、前記第１のカップリングが前記第２の位置にあるとき、前記第１のカップリングを第１の角度方向から第２の角度方向に移動させるように動作可能なカム機構を備える、請求項１３に記載の取り付けインターフェース。
【請求項１５】
前記第１のカップリングは、前記手術ロボットに装着され、かつ前記第１の角度方向に付勢されている、請求項１４に記載の取り付けインターフェース。
【請求項１６】
前記第１のカップリングが、第１の位置にあり、前記手術ロボットに対して長手方向に移動するとき、前記第２のカップリングが前記第１のカップリングの進行方向に長手方向に推進されるように、前記第２のカップリングは、前記手術器具に摺動可能に装着されている、請求項１３〜１５のいずれかに記載の取り付けインターフェース。
【請求項１７】
円形構成に離間された複数の第１のカップリングおよび同数の第２のカップリングを備え、各第１のカップリングが、それぞれの第２のカップリングと協働可能である、請求項１３〜１６のいずれかに記載の取り付けインターフェース。
【請求項１８】
前記手術器具は、装着ハブを備え、各第２のカップリングは、前記装着ハブのそれぞれの溝に摺動可能に装着されている、請求項１７に記載の取り付けインターフェース。
【請求項１９】
前記手術ロボットは、前記手術器具の前記装着ハブと協働可能な装着プレートを備え、前記装着プレートは、前記装着ハブに対するアバットメントを提供する、請求項１８に記載の取り付けインターフェース。
【請求項２０】
前記第１のカップリングは、前記第２のカップリングを前記ロボット手術器具に向けて長手方向に押すように動作可能である、請求項１３〜１９のいずれかに記載の取り付けインターフェース。
【請求項２１】
前記第１のカップリングは、前記第２のカップリングを前記ロボット手術器具から離れて長手方向に引っ張るように動作可能である、請求項１３〜１９のいずれかに記載の取り付けインターフェース。
【請求項２２】
前記第１のカップリングは、フックである、請求項１３〜１９のいずれかに記載の取り付けインターフェース。
【請求項２３】
本体および装着インターフェースを備え、前記本体が、前記装着インターフェースに対して回転可能である、手術ロボット。
【請求項２４】
遊星歯車およびピニオンをさらに備え、前記遊星歯車が、前記本体の一部であり、前記ピニオンが、前記装着インターフェースの一部であり、前記ピニオンを駆動すると、前記装着インターフェースに対して前記本体が回転する、請求項２３に記載の手術ロボット。
【請求項２５】
前記ピニオンは、前記手術ロボットの前記本体内に位置付けられたモータによって駆動される、請求項２４に記載の手術ロボット。
【請求項２６】
前記本体は、その取り付け部分に対して少なくとも３６０度にわたって回転可能である、請求項２３〜２５のいずれかに記載の手術ロボット。
【請求項２７】
前記本体および前記手術ロボットの前記取り付け部分は、幾何学的に円筒状または平坦である、請求項２２〜２５のいずれかに記載の手術ロボット。
【請求項２８】
手術ロボットおよびロボット手術器具を備えるロボット手術用の装置であって、前記ロボット手術器具が、少なくとも２自由度の移動を有する手術ツールを備え、移動の各自由度が、拮抗緊張材のそれぞれの対によって制御されており、前記手術ロボットが、少なくとも２つのモータを備え、各モータが、それぞれの緊張材を駆動する、ロボット手術用の装置。
【請求項２９】
前記ロボット手術器具は、少なくとも３自由度の移動および６つの緊張材を含み、前記手術ロボットは、６つのモータを備え、各モータが、それぞれの緊張材を駆動する、請求項２８に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３０】
前記手術ロボットに対する前記ロボット手術器具の回転並進用の第７のモータをさらに備える、請求項２９に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３１】
各緊張材は、前記手術ロボットと前記ロボット手術器具との間の取り付けインターフェースによってそれぞれのモータに連結され、前記取り付けインターフェースは、前記ロボット手術器具上のそれぞれの第２のカップリングと選択的に係合するように長手方向に摺動可能な、前記手術ロボット上の６つの第１のカップリングを備える、請求項２９または３０に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３２】
各第１のカップリングは、前記取り付けられた第１のカップリングに印加された引張力を測定するように構成されたロードセルに取り付けられている、請求項３１に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３３】
手術ロボットおよびロボット手術器具を備えるロボット手術用の装置であって、前記ロボット手術器具が、少なくとも２自由度の移動を有する手術ツールを備え、移動の各自由度が、拮抗緊張材のそれぞれの対によって制御されており、前記手術ロボットが、少なくとも４つのモータを備え、各モータが、拮抗緊張材を駆動する、ロボット手術用の装置。
【請求項３４】
前記ロボット手術器具は、６自由度の移動および１２個の緊張材を含み、前記手術ロボットは、６つのモータを備え、各モータが、それぞれの緊張材を駆動する、請求項３３に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３５】
前記手術ロボットに対する前記ロボット手術器具の回転並進用の第７のモータをさらに備える、請求項３４に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３６】
各緊張材は、前記手術ロボットと前記ロボット手術器具との間の取り付けインターフェースによってそれぞれのモータに連結され、前記取り付けインターフェースは、前記ロボット手術器具上のそれぞれの第２のカップリングと選択的に係合するように長手方向に摺動可能な、前記手術ロボット上の６つの第１のカップリングを備える、請求項３４または３５に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３７】
各第１のカップリングは、前記取り付けられた第１のカップリングに印加された引張力を測定するように構成された荷重検知手段に取り付けられている、請求項３３に記載のロボット手術用の装置。
【請求項３８】
ロボット手術器具に印加された力を測定する方法であって、
ｉ）取り付けインターフェースを用いて、複数の緊張材を有するロボット手術器具を手術ロボットに取り付けるステップと、
ｉｉ）各緊張材に予圧を印加するステップと、
ｉｉｉ）前記緊張材を用いて前記ロボット手術器具を駆動し、かつ全ての非作動緊張材上の予圧を維持するステップと、
ｉｖ）各作動緊張材に印加された引張力を測定および制御するステップと、を含む、方法。
【請求項３９】
ロボット手術器具に印加された力を測定する方法であって、
ｖ）所定閾値を超える引張力を測定した際に、またはゼロ引張力を測定した際に、前記ロボット手術器具のさらなる作動を防止するステップをさらに含む、方法。
【請求項４０】
本体を備え、本体の中に７つのモータを装着している手術ロボットであって、各モータが、マザーボード上に提供されたそれぞれのモータ制御ボードによって制御され、各モータ制御ボードが、モジュール式である、手術ロボット。
【請求項４１】
前記７つのモータのうちの１つは、前記手術ロボットのその長手方向軸を中心とした回転を可能にするように構成されている、請求項４０に記載の手術ロボット。
【請求項４２】
前記手術ロボットは、遊星歯車およびピニオンを備え、前記７つのモータのうちの１つは、前記手術ロボットのその長手方向軸を中心とした回転を可能にするように前記ピニオンを駆動する、請求項４１に記載の手術ロボット。
【請求項４３】
前記７つのモータのうちの少なくとも１つは、カップリングおよびそれに取り付けられたロードセルを有する送りねじを駆動する、請求項４２に記載の手術ロボット。
【請求項４４】
前記７つのモータのうちの６つは、それぞれの送りねじを駆動し、各送りねじは、フックおよびそれに取り付けられたロードセルを有する、請求項４３に記載の手術ロボット。
【請求項４５】
送りねじを駆動する各モータは、可撓性カップリングによってそれぞれの送りねじに取り付けられている、請求項４４に記載の手術ロボット。
【請求項４６】
手術ロボットおよびロボット手術器具を備えるロボット手術用の装置であって、前記ロボット手術器具が、前記手術ロボットと通信するための近距離無線通信チップを備える、ロボット手術用の装置。
【請求項４７】
電力が、前記手術ロボットから前記ロボット手術器具に無線で送信される、請求項４６に記載のロボット手術用の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット手術器具用のカップリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット手術において有する最も重要な特徴の１つは、迅速かつ信頼性のある器具交換であり、事実上、それは、外科医が外科手術の各サブタスクに関して具体的に設計されたより多くの器具を使用することを可能にする。それゆえに、これを行うために迅速かつ信頼性のあるシステムを有することは、外科的ワークフローにおける「むだ時間」を低減するために非常に重要になる。
【０００３】
これに加えて、別の特徴である力フィードバックが非常に重要である。手術ロボットの採用は、ここ数年にわたって増えてきているが、ここまで、現在の手術ロボットが力フィードバックを備えていないという事実が、いつも既知の課題であった。これは、この分野の作業の大部分が、先端に装着された力センサを器具に付与することに注力していたという事実に起因する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、組込型力検知を有するリニアカップリングを実装して、ロボットが緊張材に印加している引張力を測定することによって、上述の課題の両方に対する解決策を提案するものである。
【０００５】
この背景に対して、本発明がなされた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、外科手術中に手術ツールを迅速に変更して手術中の「むだ時間」を最小化するための手段を提供する。特に、手術ロボットと手術器具との間の取り付けインターフェースは、手術ロボットに摺動可能に装着された第１のカップリングおよびロボット手術器具に装着された第２のカップリングを備え、第１のカップリングが、第１のカップリングが第２のカップリングと係合し、かつ手術ロボットに対するロボット手術器具の長手方向の移動を防止する第１の位置と、第１のカップリングおよび第２のカップリングが係合解除されて、手術ロボットに対するロボット手術器具の長手方向の移動を許容する第２の位置との間を移動可能である。
【０００７】
本発明の別の態様は、現在の手術ロボットにおける検知統合の主要な障壁である、手術器具先端上に力センサを配置することを回避することによって、力フィードバックをコスト効率の良い方式で実装するために、一体型力検知をその作動内に提供する。特に、手術ロボットは、それに取り付け可能なロボット手術器具の作動用の取り付けインターフェースを備え、取り付けインターフェースが、手術ロボットによってロボット手術器具に印加された引張力を測定するための手段を備える。
【０００８】
本発明の別の態様は、複数の緊張材の各々における引張力を測定する安全システムを提供する。緊張材が破断した場合、引張力は、即座にゼロまで低下することになり、システムは、直ちに手術ロボットのさらなる動作を制限することになる。特に、手術ロボット用の荷重検知デバイスは、複数のロードセルおよび同数のフックを備え、緊張材張力の測定値が、各それぞれのロードセルからコントローラに送信され、コントローラが、それぞれの緊張材の破断を示す緊張材張力の測定に際して、手術器具の作動を制限するように構成されている。
【０００９】
本発明の別の態様は、手術ツールであって、その回転範囲が３６０°を超えるように、その長手方向軸を中心として連続的に回転され得る、手術ツールを提供する。特に、手術ロボットは、本体および装着インターフェースを備え、本体が、装着インターフェースに対して回転可能である。
【００１０】
本発明の別の態様は、装着ハブと手術ツールとの間に位置付けられた剛性中空シャフトを備えるロボット手術器具であって、装着ハブが、それに摺動可能に装着された複数のカップリングを有し、各カップリングが、剛性中空シャフトを通過し、かつカップリングと手術ツールとの間に配置されたそれぞれの緊張材と関連付けられている。
【００１１】
本発明の別の態様は、手術ロボットおよびロボット手術器具を備えるロボット手術用の装置であって、ロボット手術器具が、少なくとも２自由度の移動を有する手術ツールを備え、移動の各自由度が、それぞれの拮抗緊張材によって制御されており、手術ロボットが、少なくとも２つのモータを備え、各モータが、それぞれの緊張材を駆動する、ロボット手術用の装置を提供する。
【００１２】
本発明の別の態様は、ロボット手術器具に印加された力を測定する方法であって、ｉ）取り付けインターフェースを用いて、複数の緊張材を有するロボット手術器具を手術ロボットに取り付けるステップと、ｉｉ）各緊張材に予圧を印加するステップと、ｉｉｉ）緊張材を用いてロボット手術器具を駆動し、かつ全ての非作動緊張材上の予圧を維持するステップと、ｉｖ）各作動緊張材に印加された引張力を測定するステップと、を含む、方法を提供する。
【００１３】
本発明の別の態様は、中空円筒状本体を備え、本体の中に７つのモータを装着している手術ロボットであって、各モータが、マザーボード上に提供されたそれぞれのモータ制御ボードによって制御され、各モータ制御ボードが、モジュール式である、手術ロボットを提供する。本発明の別の態様は、手術ロボットおよびロボット手術器具を備えるロボット手術用の装置であって、ロボット手術器具が、手術ロボットと通信するための近距離無線通信チップを備える、ロボット手術用の装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、ここで、以下の図を参照して説明されることになる。
【００１５】
【図１】グローバル測位のための６自由度シリアルマニピュレータ上に装着された手首付き手術ロボットを示す。
【図２】器具が取り付けられた状態の手術ロボットの概観を示す。
【図３】図２の器具の回転機構の詳細図を示す。
【図４】図２および３の器具のリニアアクチュエータの詳細図を示す。
【図５】図２〜４の器具のスライダナットの詳細図を示す。
【図６】図２〜５の器具の器具解放機構の詳細図を示す。
【図７】完成ユニット（上）および分解されたもの（下）としての代表的な手首付き手術用把持器を示す。
【図８】図７の手首付き手術用把持器の先端の詳細図を示す。
【図９】実験構成の一例を示す。
【図１０】顎および手首リンクの軸の回転に対する緊張材カンチレバーの表現を示す。
【図１１】第１の実験から得られた実験結果を示す。
【図１２ａ】器具ジョイントの一実施形態に関する制御スキームを示す。
【図１２ｂ】器具ジョイントの一実施形態に関する制御スキームを示す。
【図１３】第２の実験から得られた実験結果を示す。
【図１４】本発明の態様による器具の位置制御再現性を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、グローバル測位のための６自由度（ＤｏＦ）シリアルマニピュレータ１２上に装着された手首付き手術ロボット１０を示す。手術ロボット１０は、手首付き器具を装着するように構成されており、ラピッドマニュファクチャリングによって製造され、かつ組み立てられることができる。手術ロボット１０はまた、モジュール式設計の使用を通して新しい器具の迅速な統合を可能にするように設計されている。加えて、手術ロボット１０は、手術器具先端上での力センサの配置を回避することによって、力フィードバックをコスト効率の良い方式で実装するために、以下に説明されるように、一体型力検知をその作動内に有する。かかる配置は、従来技術の手術ロボットにおける検知統合の主要な障壁であった。
【００１７】
図２は、エンドエフェクタ（本実施形態において、手首付き把持器）１６が取り付けられた状態の手術ロボット１０の概観を示す。図２に示される手術ロボット１０は、図１に示される６自由度シリアルマニピュレータ１２に対してモジュール式取り付けである。シリアルマニピュレータ１２は、手術ロボット１０にグローバル測位および遠隔運動中心（ＲＣＭ）を提供し、２つの直交回転軸および並進の１つの軸を有する。
【００１８】
手術ロボット１０は、エンドエフェクタ１６によって３つの追加の自由度である、手首回転の２自由度および軸方向回転の１自由度を有して提供される。手術ロボット１０は、図２に示されるように、手術ツール、例えば、エンドエフェクタ１６を取り付ける自由度を付与する高速カップリングとの器具装着インターフェースを備える。エンドエフェクタ１６は、使い捨てであり、３ｍｍの直径を有し、これは、手術部位が狭い空間によって特徴付けられる用途に適切である。
【００１９】
手術ロボット１０は、エンドエフェクタ１４を駆動するために３対の拮抗緊張材（図示せず）を備える。大部分の緊張材駆動システムにおけるように、３対の緊張材を駆動するために３つのモータを使用する代わりに、このデバイスは、６つの緊張材を駆動するために６つのアクチュエータを使用し、これは、余剰の作動を与え、即ち、１つのアクチュエータが故障しても、緊張材対の他方の緊張材のアクチュエータが、故障したアクチュエータによって通常駆動される緊張材を駆動するために依然として使用され得る。全ての緊張材の張力を監視するために、各緊張材上のロードセル（６２、図５参照）、またはカップリングの使用と組み合わせられた、この配置は、組込型力検知を提供しつつ、従来技術の手術ロボットで達成されたものよりもより精密な器具制御を可能にする。
【００２０】
手術器具が手術ロボット１０にプラグ接続されたとき、手術ロボット１０は、設定初期張力（例えば、２Ｎ）が各緊張材上で達成されるまで、緊張材の各々を引き戻すことによって初期化ステップを実施する。このステップが実施されると、初期位置が識別され得、手術ロボット１０は、初期張力を維持しながら緊張材を作動させ得、起こり得るバックラッシュを補償する。
【００２１】
他の実施形態において、単一モータが、一対の緊張材を駆動するために使用されてもよい。しかしながら、余剰の作動が、この構成では失われる。
【００２２】
一体型力センサの利点はまた、器具対組織相互作用が非常に繊細であるエリア、例えば、脳または胎児外科での手術ロボット１０の適用を可能にする。
【００２３】
手術ロボット１０は、上述のモータ２０および駆動電子部品２２、ならびに作動機構および高速カップリングを含む、ロボットの全ての主構成要素を提供する円筒状本体１８を備える。示されている実施形態において、手術ロボット１０に使用される７つのモータ２０は、ＤＣ  ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ  Ｍａｘｏｎ  ＥＣ１３  ０１３ｍｍ１２Ｗモータであるが、任意の適切なモータが実際には使用されてもよい。各モータは、６７：１の減速比の遊星歯車ヘッドに接続される。モータ駆動電子部品２２は、モータ２０の後部に配置され、示されるようにロボット１０の主本体上に直接装着される。駆動電子部品２２は、電源回路および通信回路の両方を含有する。手術ロボット１０は、接続支柱２３を通してシリアルマニピュレータ１２に取り付けられ得る。
【００２４】
示されている実施形態において、手術ロボット１０に提供される電力は、２４ＶＤＣであり、使用される通信プロトコルは、４ＭＢａｕｄで動作するカスタマイズされたＲＳ−４８５プロトコルである。駆動電子部品２２は、マザーボードを備える。マザーボードは、モータコントローラボード内にプラグ接続するための８つのスロット、および電圧調整ボード用の１つのスロットを配分する。マザーボードはまた、マルチコアシールドケーブル用のコネクタを提供し、これは、手術ロボット１０とホストコンピュータとの間で電力および通信信号の両方を伝送し、かつ手術ロボット１０の背面のインターフェース２７を通して給電するために使用される。
【００２５】
手術ロボット１０の主本体１８は、その長手方向軸を中心として１自由度の回転機構を有して提供される。図３に示されるように、外側リング２４が、手術ロボット１０とシリアルマニピュレータ１２との間のインターフェースを提供する。それは、主本体１８が３６０°で自由に回転することを可能にするように設計されている。それは、主本体１８の平滑な回転を可能にする１８個のベアリングの使用を通してこれを達成する。７×７×３ｍｍのベアリングのうちの６つが、主本体１８のリング円周の周囲に分散されるが（１つのかかるベアリングが図３に２６で示される）、残りの１２個が、リングの前側と後側との間に分かれ（１つのかかるベアリングが図３に２８で示される）、インターフェースおよび後部プレート３０内に収容される。手術ロボット１０の長手方向軸を中心とする回転は、周囲のベアリング２６によって容易にされるが、軸方向の並進は、主本体１８の外側リング２４の前部および後部に配置されたベアリング２８によって制限される。
【００２６】
動きは、ピニオン環状歯車カップリング３２、３４を通して、ブラシレスモータから主本体１８に伝達される。示されている実施形態において、ピニオン３２は、１４ｍｍの基準円直径および係数０．５を有する。環状歯車３４は、例えば、機械加工、鋳造または３Ｄプリンティングを通して、インターフェースと一体的に形成される。これは、必要な組み立て作業量を最小化する。示されている実施形態において、環状歯車３４は、５６ｍｍの基準円直径および係数０．５を有し、それゆえに、歯車減速比は、１／４である。他の歯車減速比が、必要に応じて、実際に使用されてもよい。代表的な寸法として、示される実施形態において主本体１８は、８８ｍｍの最大直径、および２４０ｍｍの全長を有する。
【００２７】
エンドエフェクタ１６の作動は、上述のように、１ｍｍのリードおよび５９ｍｍの長さを有する、６つの６ｍｍの送りねじ６３を駆動する６つのモータ２０の使用による。送りねじ６３は、起こり得るシャフト芯ずれを補償するために可撓性カップリングの使用を通してモータ２０に接続される。各送りねじ６３は、非常に小さいドラグトルクの精密な運動を可能にする、精密アンチバックラッシュナットＡｃｔｉｖｅＣＡＭ（ＲＴＭ）を保持する。加えて、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムが、ねじ６３を被覆するために使用され、ねじ６３とナット６８との間の摩擦を低下させる。示される実施形態において、ナット６８は、２２．８ｍｍの長さであり、ねじ６３は、５９ｍｍであり、これは、３６．２ｍｍの直線可動域（ＲＯＭ）をナットに与える。必要よりも大きく構成されるＲＯＭは、カスタマイズされた器具とのより広範囲の互換性を維持するため、有利である。６つの３ｍｍの直径のステンレス鋼ロッド６６が、ナット６８の向きを維持するために使用され、ナット６８がねじ６３と回転することを防止する。ロッド６６は、主本体１８の外側リング２４と前部プレート４０との間に固定される。
【００２８】
２つの構成要素間の摩擦は、ロッド６６がステンレス鋼で形成され、かつナットが剛性の自己潤滑性アセタールで作製されるため、非常に限定的である。各送りねじナット６８はまた、ロードセルホルダ６５を保持する。これは、センサのリードケーブル６０が空洞の側部から出ることも可能にする、キャリア６４の円筒状開口部内に挿入される。リードケーブル６０は、次いで、ロボット本体１８の中空前部シャフト６１を通って、手術ロボット１０の主本体１８の後部２５に通され、駆動電子部品２２に接続される。本発明との使用に適切なロードセル６２の例としては、０９．５ｍｍの円筒形状および厚さ３．３ｍｍを有する、Ｆｕｔｅｋ  ＬＬＢ１３０−ＦＳＨ０２９５０が挙げられる。測定可能な最大荷重は、２２２Ｎであり、これは、手術ロボット１０に取り付けられた手術器具に使用される緊張材に対して十分な大きさである。
【００２９】
押圧要素もまた、ロードセルホルダ６５内に挿入され、ロードセル６２と接触する。押圧要素は、引張力をスライダナットからスライダフック３６に伝達し、スライダフック３６は、力を、手術ロボット１０に取り付けられた手術器具に伝達する。スライダフックが示されているが、任意の他の適切な連結手段が使用され得ることが認められることになる。この配置は、ロードセル６２と取り付けられた器具の緊張材との間の直接接続を与える。緊張材が、実際には、器具の近位端で整列されるため、これは、力測定を簡素化する。
【００３０】
押圧要素は、スライダフック３６が取り付けられ得るヒンジを有して提供される。２．３ｍｍの内径（ＩＤ）および３ｍｍの外径（ＯＤ）ならびに７７Ｎ／ｍｍのばね定数を有する、ばね３８（スライダフック３６と支柱３９との間に取り付けられる）が、手術ロボット１０に取り付けられた手術器具の摺動カップリングと係合されたスライダフック３６を維持するために使用される。
【００３１】
スライダナット６８がその最も遠い送り位置に進められたとき、スライダフック３６の一部分が、手術ロボット前部プレート４０の背面上のカム機構と係合する。これは、図６に示されるように、スライダフック３６を係合解除位置に回転させ、自動の器具解放を可能にする。スライダフック３６は、荷重をスライダフック３６に印加する、カム機構への接触要素４２を提示し、これは、スライダフック３６を器具の摺動カップリング４６から持ち上げるトルクを最高点に到達させ、手術器具を自動的に解放する。
【００３２】
摺動カップリング４６は、用途に応じて、押すか、または引っ張る様式のいずれかで摺動フック３６によって係合され得る。摺動フック３６が摺動カップリング４６を押す場合、摺動カップリング４６は、ロボットの手首付き器具１６に向けて推進される。摺動フック３６が摺動カップリング４６を引っ張る場合、摺動カップリング４６は、ロボットの手首付き器具１６から離れて推進される。
【００３３】
モータ２０、送りねじ、ナットおよびベアリングを除く、手術ロボットの構成要素の全てが、ラピッドマニュファクチャリング技術によって生産される。プラスチック構成要素は、ＵＶ光によって硬化され、かつアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）と同様の機械特性を有する、フォトポリマーから作製される。金属構成要素は、ステンレス鋼３１６の選択的レーザ溶解（ＳＬＭ）によって生産されている。
【００３４】
摺動フック３６は、様々な作動手段によって作動され得る。例示された実施形態は、送りねじ構成を示す。ラックアンドピニオンまたは油圧シリンダおよびピストン等の他の作動手段も使用され得ることが認められることになる。例示された実施形態は、モータ２０から独立した荷重センサを示すが、荷重センサが、荷重の直接相関として電流を測定するセンサの一体部品であってもよいことが認められることになる。
【００３５】
ロボットの手首付き器具１６は、有利には、設計および組み立てが簡素である。付加製造の欠点のうちの１つは、特に金属ＳＬＭを取り扱うとき、多くの構成要素が、例えば、支持構造体を除去するために、一定程度の後処理を必要とすることである。ラピッドプロトタイピングの利点の完全な利用において有する影響を抑制するために、手術ロボット１０は、構成要素の絶対数を減少させ、組み立て手順を簡素化することを指向して設計された。一般的に言うと、付加製造の単位コストは、工業プロセスでの大量生産によって得られるものよりも高い。しかしながら、それは、少量での製造のコスト効果の良い方式であり、従来の製造プロセスが達成することができない機能および複雑さを達成し得る。
【００３６】
図７に示されるように、本明細書に説明される手術器具５０は、駆動緊張材を除いて、１４個のみの構成要素で構築される。簡略性の程度に起因して、各手術器具５０は、器具当たり約２０分のみの組み立て時間を要する。
【００３７】
それゆえに、可能な限り少ない構成要素の使用を通して組み立てを簡素化することもまた、組み立てタスクを完了するために必要な労働を減少させることによって、単位コストを低下させることに寄与する。加えて、限定された単位コストを有することは、使い捨ての手術器具５０を作製することを可能にし、再滅菌するための解決策を実装する必要性が存在しないため、設計および製造の複雑さをさらに抑制する。
【００３８】
手術器具５０は、器具近位ベース５２およびベースカバー５４を備え、これらは、材料としてＡＢＳが使用される熱溶解積層法（ＦＤＭ）プリンタを使用して、ラピッドプロトタイピングによって生産される。手術器具は、器具シャフト５６をさらに備え、これは、外径３ｍｍおよび内径２．５ｍｍを有するステンレス鋼管である。エンドエフェクタ１６の構成要素、緊張材セパレータ５８および摺動カップリング４６は、ステンレス鋼３１６のＳＬＭによって製造される。器具の摺動カップリング４６は、ロボットの摺動フック３６によって作動され、これらは、手術器具５０が挿入され、かつスライダフック３６が後方に移動された後に、器具カップリング４６上に係合する。
【００３９】
ステンレス鋼緊張材は、摺動カップリング３６内に挿入され、緊張材が脱落することを防止するように圧着される。示されている実施形態において、緊張材は、直径０．３５ｍｍおよび７×７の素線を有する。これらの緊張材の破断荷重は、約８０Ｎであり、これは、この手術器具に関して考えられる用途に対して十分である。
【００４０】
６つの緊張材は、摺動カップリング４６から、緊張材を３対の拮抗緊張材として作動させる、３自由度のエンドエフェクタに向けて伸びる。緊張材は、器具のベース５２のドーム形状遠位部上およびそのカバー５４の内部内で得られる溝を通過する。溝は、緊張材経路を一定に保ち、かつ緊張材に対して比較的低摩擦のプラスチック対金属インターフェースを提供するガイドとして作用する。６つの緊張材は各々、それらのそれぞれの配置で緊張材セパレータ５８に入り、共に器具のエンドエフェクタ１６に向けて導かれ、剛性中空シャフト５６を通過する。緊張材セパレータ５８は、プーリと共に提供されず、これは、構造を重ねて簡素化する。この設計は、セパレータ５８の金属構造に対して摩擦する緊張材を結果としてもたらすが、器具は、使い捨てであるように設計される。これは、器具によって受ける摩擦劣化量が、器具が使用される時間にわたって無視できるものであると考えられ、そのため器具の性能が悪影響を受けないと考えられることを意味する。
【００４１】
図８は、エンドエフェクタ１６の詳細図であり、示されている実施形態は、手首付き把持器を備える。手首付き把持器は、シャフト７０と、一対の対向する顎７４、７６を保持する手首７２とを備える。手首の動きの範囲は、両方の直交平面で±６０°であり、把持器の顎は、顎７４、７６間に９０°の角度が存在するように開くことができ、そのため手首付き把持器は、把持器および切開器の両方としてふるまい得る。把持器の顎を作動させる一対の緊張材は、カップリング効果を抑制するために、手首７２の中心孔を通過する。この設計の利点の１つは、手術器具５０の先端およびその機能を再設計すること、および同一の器具対ロボットカップリングインターフェースを保つことによって、手術器具５０を手術ロボット１０に容易に統合することができることである。
【００４２】
実験データ
いくつかの実験を、手術ロボット１０の能力を検証し、かつ手術器具５０と環境との間の相互作用力を測定するために実施した。Ｃｙｐｒｅｓｓ  ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒのＣＹ８ＣＫＩＴ−０５０開発ボードを使用して、手術ロボット１０上に設置された６つのロードセル６２からのデータを取得した。ボード上において、ＰＳｏＣ５ＬＰ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ）が、信号処理、増幅、およびデジタル化を実装した。データを、ＵＳＢ通信を介してホストコンピュータに送信した。これらの実験の構成は、手術ロボット１０を含み、手術ロボット１０は、その手首付き手術器具５０およびロードセル６２を有する。追加の外力ゲージを較正および検証の目的のみのために使用した（Ｓａｕｔｅｒ  ＦＫ２５０）。この最後の１つを、接地し、器具の剛性シャフト５６に対して固定して、起こり得る剛性シャフト５６の変形に起因する、器具５０の先端で読み取る力の偏りを回避した。実験構成は、図９に示される。
【００４３】
較正および静的力検知
第１の実験を実施して、ロードセル６２の読み取り値と、器具５０の先端に印加された力との関係を特徴付けた。各ジョイントを、両方の拮抗緊張材に対して個々に試験した。直径０．４６ｍｍおよび約５５０Ｎの破断荷重を有する連続体緊張材を使用して、ジョイントの調査対象のリンクを、可能な最も直線状の構成で外力センサに接続した。一度、手術ロボット１０を位置付けると、緊張材を２Ｎで予圧して、器具の先端の剛性の程度を維持した。この段階において、試験対象のジョイントを作動して、リンクを外力センサから離れるように引き、それゆえに、それにトルクを印加した。器具５０を損傷し得る緊張材張力の高過ぎる値に到達する前に試験を停止した。
【００４４】
手首を作動するために必要な４つの緊張材は、手首ジョイントの回転軸から約０．５ｍｍの距離で通過する。これは、ロードセル６２によって測定された緊張材の張力を読み取るときに張力増幅器として作用する非常に短いてこである。より小さいてこに対して、ジョイントを作動させるために必要な力が大きくなり、それゆえに、緊張材で読み取る力は、器具の先端の横荷重が緊張材のカンチレバーよりも大きいカンチレバーを有するときに増加することになる。ジョイント１（手首ジョイント、第１の方向）に対する荷重カンチレバーは、１０．３ｍｍとして測定されたが、ジョイント２（手首ジョイント、第２の方向）に対して、それは、８ｍｍであった。把持器試験に関して、荷重を、把持器の顎の旋回軸から約８ｍｍの距離で印加したが、作動緊張材は、顎旋回軸に対して約０．８ｍｍのカンチレバーを有した（図１０参照）。
【００４５】
図１１は、緊張材を引っ張るのに必要な力と、器具先端によって外力センサに印加された力との間の関係を示す。検知システムの応答は、グラフからわかるように、３つのジョイント全てに対して完全に線形である。さらに、拮抗緊張材の対の応答が非常に小さかったため、拮抗対の結果を平均化した。ロードセル６２からのアナログ信号を増幅し、１０Ｈｚのカットオフ周波数を有するローパスフィルタによってフィルタリングした。その結果、最終的な残留ノイズは、約±０．５Ｎであるように測定され、それゆえに、結果に対して無視できるものであった。理想的な直線に対する測定された荷重の変動は、システムのいくつかの要素の構造的変形および摩擦にも起因している。緊張材張力を増加させることは、スライダとそれらのレールとの間のより高い摩擦をもたらす。ジョイント１およびジョイント２に関するグラフからわかるように、ジョイント２の緊張材上のロードセルは、ジョイント１の場合よりも先端でより側方の力を測定することができる。これは、ジョイント１に対する側方力がジョイント２に対してより大きなカンチレバーを有する事実に起因する。これは、第１のジョイントの緊張材の張力がより高くなることを引き起こすことになる。
【００４６】
力検知を用いた物体把持
力測定の較正および検証後、器具５０を作動させて物体を把持している間の力検知を試験するように実験を設計した。これを使用して、手術ロボット１０の機能を検証した。自動化されたルーチンも開発して、全ての緊張材を２Ｎで自動的に予圧し、次いで、その位置を保持した。
【００４７】
簡易制御スキームを考え出して、拮抗対の緊張材を独立して２つのモータを用いて制御した。エンドエフェクタ１６に印加され、かつその駆動緊張材に伝播される力を容易に測定するために、２つの緊張材間で制御を分離しなければならなかった。それゆえに、設定点として位置および速度を有する従来のＰＩＤループを使用して１つのモータを制御し、一方で第２のモータに対する制御には、緊張材に対する予圧を維持することを指向する追加の外部ループを有する同一ＰＩＤループを含めた（図１２参照）。
【００４８】
Ｘｓ１およびＶｓ１は、それぞれ、モータ１（Ｍ１）に対する位置および速度設定点である。これらの変数は、ユーザによってロボット器具５０の位置を制御するために入力として使用される。第１の緊張材上の張力は、ロードセル６２によって測定され、器具の先端に印加される荷重に変換される。これは、第２の緊張材の張力を第１のものから減算することによって、それゆえに、第１の実験で見出された正確な数字によって拡縮することによって、容易になされる。第２の制御ループは、入力として予圧値を使用しており、結果として、モータは、第２の緊張材上の張力を２Ｎの事前設定値に保持しようとする。
【００４９】
それゆえに、２つの分岐からの張力読み取り値は、分離される結果となり、器具を一定空間内で制御しながら先端での横荷重を測定することが可能である。
【００５０】
図１３は、第２の実験からの結果を示す。本実施形態において顎を動かす把持器を使用して、外力センサに接続された連続体緊張材を引き、一方で第２のモータを張力に関して補償させ、予圧値（即ち、２Ｎ）に一定に保持するように試みた。本実験の初期条件を自動化されたテンショニングルーチン語と同一とし、それゆえに両方の緊張材上の張力を２Ｎに等しくした。把持器の顎を、把持される物体である、連続体ケーブルに接続し、連続体ケーブルを外部荷重センサに固縛した。これは、先端の力と緊張材張力との間の変換が完全に線形であることをもう一度確認した。
【００５１】
図１３から、把持タスクが１分の長さであり、第１の緊張材上で測定する力が第１の実験と同等の結果を示したことを見ることができる。約４０秒において顎の引張力が低下し始めて、緊張材が損傷することを防止する。第１の緊張材上の張力は、基本的には、下の線と同一であるが、緊張材張力値に拡大されている。上の線は、第２の緊張材上の張力を表し、これは、約２Ｎで明らかに変動しており、これは、事前設定テンショニングであり、モータ２の制御ループの設定点でもある。コントローラは、緊張材張力において０．５Ｎの安定化閾値使用して、第２のモータが、残留ノイズに起因して方向を連続的に変化させることを防止した。これは、制御の安定化を助けたが、ある程度の張力変動が依然として第２の緊張材上に存在した。４０秒で観察可能であるように、把持器の引張力が低下し始めるとき、第２の緊張材の張力のわずかな降下がある。これは、コントローラの設計に起因する。方向を変化させるとき、モータ１は、引っ張らないが緊張材を解放し、それゆえに、第２の緊張材上のロードセルは、張力の降下を測定し、モータ２をその前の状況に対して反対方向に作動させる。
【００５２】
最後に、位置制御の再現性を評価する実験を実施した。最も近位のジョイントをＲＯＭ全体にわたって周期的な方式で作動させながら、器具の先端を空間内で動かした。より大きな距離がより大きな不確実さを招くため、選択された手首ジョイントは、器具の先端から最も離れたものにした。器具の先端を捕捉するために、電磁マーカを器具の固定顎上に装着して、システムｔｒａｋＳＴＡＲ（ＮＤＩによる）を用いて捕捉した。ジョイントが空間内にあった場所に従って、位置決めの偏差が１．５〜３ｍｍで変化した結果が得られた（図１４参照）。それに加えて、器具は、約８５０回の運動サイクルの完了後に壊れた。再現性および耐久性試験の両方は、臨床診療におけるラピッドマニュファクチャリングによって製造された使い捨て器具の配備に関して有望な結果を示す。
【００５３】
本発明の利点
本発明は、従来技術の手術ロボットを超える、以下を含む、いくつかの利点を提供する。
１．ロボットカップリングが、各個々の緊張材に印加された張力を測定する組込型力センサを有する。
２．カップリングの数は、変更することができる。この例は、拮抗対によって作動される緊張材を有する、３自由度を制御する６つのカップリングを有するロボットを示す。一方で、カップリングの数は、より少なくてもよく、またはより多くてもよい。これに加えて、器具は、６つのカップリングによって６自由度を制御するように構成されてもよく、それゆえに、カップリングは、１自由度を個々に作動することになり、対になっていなくてもよい。
３．手術ロボットは、力制御によって、物体と相互作用するときに、既知の力または限定された力によって把持することができる。
４．手術ロボットは、ロボットが各緊張材上の引張力を絶えず測定するため、本質的な安全機構を有する。緊張材が破断した場合、ロボットは、直ちに応答し、手術を停止することができる。
５．ロボットカップリングは、本例において、円形構成に配置されているが、それらは、任意の適切な構成、例えば、線形に同様に配置されることができる。
６．ベースに近位の器具は、手術ロボットの本体上に留まり、そのため迅速かつ安全に挿入されることができる。解放機構または同様のものが、手術器具を解放するために使用される。
７．手術器具が挿入されたとき、ロボットは、摺動フックを後ろに引き、それによって緊張材を所定の初期張力値にテンショニングすることによって、器具を較正する。これは、緊張材の初期張力がツールアセンブリの間で固定されている従来技術のロボットとは異なる。本発明において、張力は、変更されることができ、特定の目的を果たすことができる。
８．ロボットは、溝またはカム様要素を有して提供され、それらは、カップリングがそれらの最も遠い制限に達したときに摺動フックをカップリングから解放係合解除するために使用される。
９．器具およびロボット本体はまた、ロボットと器具との間の信号の送信のための組込型電気接点を有する。器具がロボット上にプラグ接続されたとき、接点が係合される。これは、手術器具が分散されたセンサ、例えば、力センサ、温度、圧力、光センサ等を有する場合に有用な特徴である。接点は、カップリング上、および器具本体上にも配置されることができる。
１０．通信に関して、器具は、ＮＦＣ（近距離無線通信）チップを保持し、無線送電も提供される。
１１．近位ツールベースおよび緊張材セパレータは、管、電線、光ファイバまたは外科手術に統合され得る任意の追加の要素の通過を可能にする１つの中心孔を有する。例えば、吸引／洗浄管、撮像プローブ等。ロボット主本体はまた、ロボットの遠位端に同一の孔を有する。
１２．器具の回転は、位置の限定なしで３６０°とすることができる。
１３．本発明の手術ロボットは、先行技術のロボットと比較してかなり小さい設置面積を有する。
【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１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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