(57)【要約】  ロボット外科システムおよびアクセサリは、個々が機械式位置決めアームを異なった自由度で動作させるための複数のモータおよび機械式アクチュエータを有するロボット・ベースまたはハンド・ピースを有する。ロボット・ベースは、再利用型であり、システム用のプラットフォームを提供する。駆動システムは、ロボット・ベースとのインターフェースとなってベースの中への外科機器の挿入を可能にするポートを有する。
2019528928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンド・ピース（８００）と、前記ハンド・ピース（９００）に連結された機械式アーム（１０００）とを含むロボット外科システムであって：
前記ハンド・ピース（８００）は、
ボディ部分（８１２）およびグリップ部分（８１４）を有し、前記ボディ部分（８１２）がノーズピース（８１６）を有する、剛性ハウジング（８１０）と；
前記剛性ハウジング（８１０）の内部のモータ組立体（９００）とを含み、
前記モータ組立体は、
フレーム（９９０）と、
各モータ（９３２、９３４、９３６、９３８）が駆動軸（９３２ａ、９３４ａ、９３６ａ、９３８ａ）を有する、前記フレーム（９９）に固着された複数のモータ（９３２、９３４、９３６、９３８）と、
各モータ（９３２、９２４、９２６、９３８）の前記駆動軸（９３２ａ、９３４ａ、９３６ａ、９３８ａ）に連結された駆動スプールと、
駆動バンドによって駆動スプール（９６２）に連結されたスプール（９７２）を有する摩擦駆動装置（９７２ｂ）と、
前記摩擦駆動装置（９７２ｂ）によって駆動される摩擦駆動リング（９２１）と、
前記フレーム（９９０）によって支持される複数の駆動ロッド（９１８）と、
前記複数の駆動ロッド（９１８）の個々に連結された第２のスプール（９７４、９７６、９７８）と、
各第２のスプールを駆動スプール（９３４ａ、９３６ａ、９３８ａ）に連結する駆動バンドと、
前記複数の駆動ロッド（９１８）のうちの１つによって各々が駆動される、複数の駆動リング（９０３、９０４、９０９）と、
前記駆動モータ（９３２、９３４、９３６、９３８）に電気的に連結された制御電子装置（９０１）と、
を含み；
前記ハンド・ピース（８００）は、
前記制御電子装置に連結され、前記剛性ハウジング（８１０）の開口を貫通して延在する制御機構（８１０）と；
前記制御電子装置に連結され、前記剛性ハウジング（８１０）の開口を貫通して延在するモード制御機構（８３０）と；
前記制御電子装置および前記モータに動力を供給するための動力源を連結するためのコネクタと；
をさらに含み、
前記機械式アーム（１０００）は、複数の自由度を有し、前記複数の自由度の個々が前記複数のモータのうちの１つによって制御される、ロボット外科システム。
【請求項２】
前記ハンド・ピースは、前記機械式アームの自由度を制御するための機械式トリガをさらに含む、請求項１に記載のロボット外科システム。
【請求項３】
前記機械式アームは５つの自由度を有する、請求項１または２に記載のロボット外科システム。
【請求項４】
前記モータ組立体は、４つの駆動モータ（９３２、９３４、９３６、９３８）を含み、各駆動モータはそれぞれ前記機械式アームの異なった自由度を駆動する、請求項１から３のいずれかに記載のロボット外科システム。
【請求項５】
前記ハンド・ピースは、前記ロボット外科システムの動作情報を表示するための、前記制御電子装置（９０１）に連結されたディスプレイ・スクリーン（９８０）をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のロボット外科システム。
【請求項６】
前記ハウジング（８１０）を包み込む使い捨て型の外側シェル（８２０）をさらに含む、請求項１から５のいずれかに記載のロボット外科システム。
【請求項７】
前記使い捨て型の外側シェル（８２０）は、可撓性の透明な材料から形成される、請求項６に記載のロボット外科システム。
【請求項８】
前記機械式アームは、
複数の作動チューブ（１０１０、１０２０、１０３０、１０４０、１５０５）を含み、各作動チューブは、前記機械式アームの前記自由度のうちの１つを制御し、各駆動リング（９０３、９０４、９０９）は、前記作動チューブのうちの１つを駆動して、前記作動チューブによって制御される前記自由度で前記機械式アームを動かす、請求項１から７のいずれかに記載のロボット外科システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年９月２３日に本発明者によって出願された米国仮特許出願第６２／３９９，３３２号の出願日の利益を主張する。
【０００２】
前記仮特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
連邦政府による資金提供を受けた研究または開発についての記載
なし
【０００４】
本発明は、手術を実行するためのロボット外科システムおよびアクセサリに関する。
【背景技術】
【０００５】
過去２０年の間に、腹腔鏡手術は、開腹手術に代わるより低侵襲性のものとして進化してきた。毎年何百万件もの腹腔鏡外科手技が世界中で実行される。腹腔鏡または胸腔鏡下の外科手技は、それぞれ腹壁または胸壁の全体にわたって複数の小さな１インチ切開を作り出すことによって実行される。二酸化炭素ガスの注入によって気腹が作り出され、可視化と腹腔内の作業空間を提供する。可撓性または剛性の機器が、切開部に配置されるポートを通して導入されて、外科的な仕事を実行する。幅広く受け入れられているにもかかわらず、剛性腹腔鏡の使用には制約があり、困難な角度が作り出され、外科医に機器を固定位置にかなりの期間保持させる。剛性腹腔鏡の場合の他の難問は、外科医が腹壁の潜在的欠陥ないし腫瘍に達するために実行する可能性のある不適切な動き、ならびに、内部の関節接合の実行不能なこと、である。
【０００６】
ロボット支援下手術は、世界中で受け入れられてきた。ロボット手術における進歩にもかかわらず、米国特許第６，３１２，４３５号および米国特許第６，７８３，５２４号に開示されたものなどのシステムに対する制約がある。例えば、それらのシステムでは、ロボットは、外科医が滅菌フィールドの外に座って、大型コンソールで仕事をすることを要求する。米国特許第９，３６０，９３４号に開示された他のロボット・システムは、手術フィールドの中央に大型のコンソール置き場を要求する。これらのシステムはすべて、多数の歯車とそれらのコンソールから可撓性ロボット機器までのケーブル・システムに依存している。
【０００７】
上で議論したロボット・システムに加えて、モータ付き外科機器が、例えば、米国特許第９，３８６，９８３号および米国特許第９，３９８，９１１号において、いくつか提案されてきた。これらのシステムの個々では、モータ付き外科ステープラ・システムが開示され、限られた数のモータ付き自由度を提供している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
好適な実施形態では、本発明は、単一のハンド・ピース、モータ組立体（または駆動システム）およびアーム組立体を通して５つの自由度を提供するロボット外科システムである。モータ組立体は、制御ユニットとのインターフェースとなる単一のポートと、モータ組立体の中へのアーム組立体の近位端部の挿入を可能にするポートと、を有する。アーム組立体は、１つまたは複数の外科機器を遠位端部にまたはその近くに有することがある。
【０００９】
他の好適な実施形態では、本発明は、ロボット外科システムである。システムは、ハンド・ピースおよび機械式アームを有する。ハンド・ピースは、ボディ部分およびグリップ部分を有し、ボディ部分がノーズピースを有する、剛性ハウジングと、剛性ハウジングの内部のモータ組立体と、を有する。モータ組立体は、フレームと、各モータが駆動軸を有する、フレームに固着された複数のモータと、を有する。モータ組立体は、各モータの駆動軸に連結された駆動スプールと、駆動バンドによって駆動スプールに連結されたスプールを有する摩擦駆動装置と、摩擦駆動装置によって駆動される摩擦駆動リングと、フレームによって支持される複数の駆動ロッドと、複数の駆動ロッドの個々に連結された第２のスプールと、各第２のスプールを駆動スプールに連結する駆動バンドと、複数の駆動ロッドのうちの１つによって各々が駆動される複数の駆動リングと、駆動モータに電気的に連結された制御電子装置と、をさらに有する。ハンド・ピースは、制御電子装置に連結され、剛性ハウジングの開口を貫通して延在する制御機構と、制御電子装置に連結され、剛性ハウジングの開口を貫通して延在するモード制御機構と、制御電子装置およびモータに動力を供給するための動力源を連結するためのコネクタと、をさらに有する。機械式アームは、ハンド・ピースに連結され、複数の自由度を有し、複数の自由度の個々が複数のモータのうちの１つによって制御される。ハンド・ピースは、機械式アームの自由度を制御するための機械式トリガをさらに有することがある。機械式アームは、例えば、５つの自由度を有することがある。モータ組立体は、例えば、４つの駆動モータを含むことがあり、各駆動モータはそれぞれ機械式アームの異なった自由度を駆動する。ハンド・ピースは、ロボット外科システムの動作情報を表示するための、制御電子装置に連結されたディスプレイ・スクリーンをさらに含むことがある。
【００１０】
システムは、ハウジングを包み込む使い捨て型の外側シェルをさらに有することがある。使い捨て型の外側シェルは、可撓性の透明な材料から形成される。
【００１１】
機械式アームは、複数の作動チューブを含むことがあり、各作動チューブは、機械式アームの自由度のうちの１つを制御し、各駆動リングは、作動チューブのうちの１つを駆動して、作動チューブによって制御される自由度で機械式アームを動かす。
【００１２】
本発明のさらに他の態様、特徴、および利点については、好ましい実施形態および実施を単に例証することによって以下の詳細な説明から容易に明らかになる。本発明は、他の異なった実施形態も可能であり、そのいくつかの詳細は、本発明の精神および範囲からすべてが逸脱せずに、様々な自明な点に関して修正することができる。したがって、図面および説明は、本質的に例証であって、限定と考えるべきではない。本発明の追加の目的および利点については、次に続く説明において部分的に記載され、部分的には説明から明らかになり、あるいは、本発明の実施によって把握されることがある。
【００１３】
本発明およびその利点のより完全な理解のために、今から以下の説明および添付の図面について参照を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの斜視図である。
【００１５】
【図１Ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの上面図である。
【００１６】
【図１Ｃ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第１の側面図である。
【００１７】
【図１Ｄ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの底面図である。
【００１８】
【図１Ｅ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第２の側面図である。
【００１９】
【図１Ｆ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの前部端面図である。
【００２０】
【図１Ｇ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの後部端面図である。
【００２１】
【図１Ｈ】本発明の好適な実施形態に従ったアーム組立体の代替の位置決めを例証する図１Ａのロボット外科システムの斜視図である。
【００２２】
【図１Ｉ】本発明の好適な実施形態に従ったアーム組立体の動きの範囲を例証する図１Ａのロボット外科システムの斜視図である。
【００２３】
【図２Ａ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのハウジングの斜視図である。
【００２４】
【図２Ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったハウジングの内部に位置する組立体の第１の側面図である。
【００２５】
【図２Ｃ】本発明の好適な実施形態に従ったハウジングの内部に位置する組立体の第２の側面図である。
【００２６】
【図２Ｄ】本発明の好適な実施形態に従ったハウジングの内部に位置する組立体の前部端面図である。
【００２７】
【図２Ｅ】本発明の好適な実施形態に従ったハウジングの内部に位置する組立体の後部端面図である。
【００２８】
【図３Ａ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのモータ組立体の底部斜視図である。
【００２９】
【図３Ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのモータ組立体の第１の側面図である。
【００３０】
【図３Ｃ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのモータ組立体の第２の側面図である。
【００３１】
【図３Ｄ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのモータ組立体の底面図である。
【００３２】
【図３Ｅ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのモータ組立体の上面図である。
【００３３】
【図３Ｆ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのモータ組立体の前面図である。
【００３４】
【図３Ｇ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのモータ組立体の後面図である。
【００３５】
【図４Ａ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の斜視図である。
【００３６】
【図４Ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第１の自由度を例証するアーム組立体の第１の側面図である。
【００３７】
【図４Ｃ】図４Ｂに示したような本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第１の自由度の拡大した第１の側面図である。
【００３８】
【図４Ｄ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第１の自由度を例証するアーム組立体の第２の側面図である。
【００３９】
【図４Ｅ】図４Ｄに示したような本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第１の自由度を例証する第２の側面図である。
【００４０】
【図４Ｆ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第２の自由度を例証するアーム組立体の第１の側面図である。
【００４１】
【図４Ｇ】図４Ｆに示したような本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第２の自由度の第１の側面図である。
【００４２】
【図４Ｈ】図４Ｆに示したような本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第２の自由度の第１の断面図である。
【００４３】
【図４Ｉ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第２の自由度を例証するアーム組立体の第２の側面図である。
【００４４】
【図４Ｊ】図４Ｉに示したような本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第２の自由度の第２の側面図である。
【００４５】
【図４Ｋ】図４Ｉに示したような本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第２の自由度の第２の断面図である。
【００４６】
【図４Ｌ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第３の自由度を例証するアーム組立体の側面図である。
【００４７】
【図４Ｍ】図４Ｌに示した本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第３の自由度の側面図である。
【００４８】
【図４Ｎ】図４Ｌに示したような本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の第３の自由度の断面図である。
【００４９】
【図５Ａ】本発明の好適な実施形態のモータ組立体への連結前の本発明の好適な実施形態のアーム組立体の斜視図である。
【００５０】
【図５Ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったアーム組立体を備えたモータ組立体の底部斜視図である。
【００５１】
【図５Ｃ】本発明の好適な実施形態に従ったアーム組立体を備えたモータ組立体の第１の側面図である。
【００５２】
【図５Ｄ】本発明の好適な実施形態に従ったアーム組立体を備えたモータ組立体の上面図である。
【００５３】
【図５Ｅ】本発明の好適な実施形態に従ったアーム組立体を備えたモータ組立体の第２の側面図である。
【００５４】
【図５Ｄ】本発明の好適な実施形態に従ったアーム組立体を備えたモータ組立体の上面図である。
【００５５】
【図６】本発明の好適な実施形態に従った制御ボックス組立体の組立図である。
【００５６】
【図７Ａ】本発明の好適な実施形態に従ったシステムの高レベルのアーキテクチャのブロック図である。
【００５７】
【図７Ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーキテクチャを例証するブロック図である。
【００５８】
【図７Ｃ】本発明の好適な実施形態に従った制御ボードのためのフロー図である。
【００５９】
【図８Ａ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムの組立図である。
【００６０】
【図８Ｂ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムのハンド・ピースの内部の側面斜視図である。
【００６１】
【図８Ｃ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムのハンド・ピースの内部の側面図である。
【００６２】
【図８Ｄ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムのハンド・ピースの内部の前面図である。
【００６３】
【図９Ａ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったモータ組立体の後部斜視図である。
【００６４】
【図９Ｂ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったモータ組立体の側面図である。
【００６５】
【図９Ｃ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったモータ組立体の上面図である。
【００６６】
【図１０Ａ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の斜視図である。
【００６７】
【図１０Ｂ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体の斜視図組立図である。
【００６８】
【図１０Ｃ】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムのアーム組立体のアクチュエータ・セクションの斜視図である。
【００６９】
【図１１】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第２の自由度を例証するアーム組立体の斜視組立図である。
【００７０】
【図１２】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったアーム組立体のマイクロスイベル組立体の斜視組立図である。
【００７１】
【図１３】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第３の自由度を例証するアーム組立体の斜視組立図である。
【００７２】
【図１４】本発明の代替的な好適な実施形態に従ったロボット外科システムの第４および第５の自由度を例証するアーム組立体の斜視組立図である。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
本発明の好適な実施形態を、図面を参照して説明する。図１Ａ〜１Ｉに示すように、本発明のロボット外科システムおよびアクセサリは、主として３つの部品、すなわち、（１）ハウジング、ベースまたはハンド・ピース２００と、アーム組立体４００と、駆動システムまたはモータ組立体３００（図２Ｂに示すようなハウジング２００の内部）と、から構成される。モータ組立体３００は、ハウジングまたはベース２００の中に位置決めされる。ハウジングまたはベース２００は、再利用型であること、また、システム用のプラットフォームを提供することが好ましい。駆動システムまたはモータ組立体３００は、単一ポートの外科アクセスデバイスであり、単一ポートの中へのアーム組立体の挿入を可能にする。アーム組立体４００は、外科機器をアームの遠位端部でまたはその近くで支持および位置決めするための再利用型、使い捨て型または一部再利用型／一部使い捨て型の位置決めアームであることがある。
【００７４】
図２Ａ〜２Ｅに示すように、好適な実施形態では、ハウジング２００は、ボディ部分２１２およびグリップ部分２１４を有するハウジング２１０の形態であることがある。ハウジングは、ＡＢＳ樹脂などの剛性材料で形成されることがある。手動アクチュエータ２２０は、アーム組立体４００の遠位端部に取り付けた鉗子、剪刀、リープなどの外科ツールを手動で作動させるために設けられる。図２Ａ〜２Ｉに示すように、アクチュエータ２２０は、剪刀グリップの形態であることがあるが、アクチュエータまたはトリガ２２０は、任意の他の公知の形態を採る場合もある。例えば、強化ＡＢＳ樹脂で形成されたノーズ・キャップ２５０は、アーム組立体の近位端部を受けるためのモータ組立体の単一ポートに合致して位置決めされる。ボディ部分２１２は、ノーズ・キャップ２５０に隣接する角度付き前部部分２１６を有することがある。ジョイスティック・キャップ２９２は、ハウジング２００の内部に位置するコントローラ・ボックス６００からハウジング２００の外側に延びる。モータ組立体３００およびコントローラ・ボックス６００は、ハウジング２１０の内部に位置決めされる。同様に、システムに動力供給するためのバッテリがハウジング２１０の内部にある場合があり、および／または、外部動力源に連結するための電気的なコネクタが設けられることがある。
【００７５】
モータ組立体３００およびコントローラ・ボックス６００と共にハウジング２１０の内部にあるのは、ピボット２２４であり、そのまわりには、アクチュエータ２２０が、アーム組立体２００の遠位端部で外科ツールを開動作、閉動作、またはその他の方法で手動作動させるためのアーム組立体２００の制御ロッドへのアクチュエータ２２０の並進運動のために、並進部材２２６を回転させる。並進部材２２６は、アクチュエータを所望の位置にロックするための爪２２８と係合し得るリッジ付きまたは歯付き縁部を有することがある。さらに、爪２２８を手動で解放するための解放部材２２５、２２７が存在する。アクチュエータ２２０は、アクチュエータのための梃子の作用を作り出すために、並進部材２２６に連結するための開口を備えた延長部分２２０を有することがある。さらに、追加のリンク装置２２９は、アーム組立体２００の所望の制御ロッドへのアクチュエータ２２０のさらなる並進運動のために使用されることがある。
【００７６】
本発明の好適な実施形態のモータ組立体３００を、図３Ａ〜３Ｇを参照して説明する。モータ組立体は、例えば、ロッドもしくはピン３１２、３１６、リテーナ・クリップ３１３、および、ねじ３１４によって互いに連結された複数のフレーム部材３１０、３２０、３２２、３２４によって形成されたフレームを有する。図面に示され本明細書に説明されたフレームは、互いに連結された複数の構成要素部品を有するが、一体設計のより少ないかまたはより多い構成要素部品を備えた他のフレームの設計が本発明と共に使用されることがある。さらにまた、フレームの代わりに、モータは、ハウジングの中またはそれに対して他のやり方で実装されることがある。
【００７７】
モータ組立体は、例えば、ねじ３１４によってフレームに固着される複数の電気モータ３３２、３３４、３３６、３３８を有する。モータをフレームに固着するための他の手段は、ボルト、ピン、接着剤、または任意の他の手段などが使用されることがある。好適な実施形態では、電気モータは、高トルクで小型のマイクロ・ステッパ・モータである。４つの電気モータが示され、本明細書で説明されるが、他の数のモータが使用されてもよい。各モータ３３２、３３４、３３６、３３８は、そこから延びる駆動軸３３２ａ、３３４ａ、３３６ａ、３３８ａを有する。モータ３３２、３３４、３３６、３３８は、平面内に２×２の行列で配置され、２つのモータ３３２、３３４は、第１の方向に延びるそれらの駆動軸３３２ａ、３３４ａを有し、残り２つのモータ３３６、３３８は、第１の方向とは逆の第２の方向に延びるそれらの駆動軸３３６ａ、３３８ａを有する。駆動バンドを受けるための溝を有するプーリ３６２、３６４、３６６、３６８は、各モータ３３２、３３４、３３６、３３８の各駆動軸３３２ａ、３３４ａ、３３６ａ、３３８ａに連結される。
【００７８】
各プーリ３６２、３６４、３６６、３６８は、駆動バンド３８０によって第２のプーリ３７２、３７４、３７６、３７８に連結される。第２のプーリ３７４、３７６、３７８は、個々が駆動ねじ３９４、３９６、３９８に連結され、駆動ねじは、ロッド３７４ａ、３７６ａ、３７８ａによってフレームに実装される。第２のプーリ３７２は、摩擦駆動装置３７２ａに連結される。第２のプーリは、例えば、リテーナ・クリップ３７３によって、摩擦駆動装置またはロッドに固着される。
【００７９】
好適な実施形態のアーム組立体４００を、図１Ｉおよび４Ａ〜４Ｎを参照して説明する。図１Ｉに示すように、アーム組立体４００は、モータ３３２、３３４、３３６、３３８によって制御される４つの自由度ＤＯＦ１、ＤＯＦ２、ＤＯＦ３、ＤＯＦ４と、アクチュエータ２２０によって制御される１つの自由度ＤＯＦ５と、を有する。アーム組立体４００は、様々な自由度のアーム組立体を制御するための複数の入れ子式の制御ロッド４１０、４２０、４３０、４４０、４５０を有する。制御ロッド４１０は、ロング・アームとも呼ぶが、第１の自由度ＤＯＦ１を制御し、それは全アーム組立体の０〜３６０度の回転である。制御ロッド４２０は、第２の自由度ＤＯＦ２を制御し、それはジョイント４６０での０〜４５度の曲げ運動である。制御ロッド４３０は、第３の自由度ＤＯＦ３を制御し、それは遠位アーム４７０の０〜１８０度の回転である。制御ロッド４２０は、第４の自由度ＤＯＦ４を制御し、それはジョイント４８０での０〜４５度の曲げ運動である。制御ロッド４１０は、アーム組立体の遠位端部での外科ツール４９０の、開動作および閉動作などの、運動を制御する。第１〜第４の自由度ＤＯＦ１〜ＤＯＦ４は、モータ３３２、３３４、３３６、３３８によって制御され、第５の自由度ＤＯＦ５は、アクチュエータ２２０によって制御される。
【００８０】
ジョイント４６０は、第２の自由度ＤＯＦ２を提供し、より詳細に図４Ｂ〜４Ｅに示す。ロング・アーム４１０は、ジョイント部材４６２に連結される。ジョイント部材４６６は、ジョイント部材４６２にヒンジ型の配置で連結され、また、遠位アーム４７０に連結される。リンク装置４６４は、制御アーム４２０に連結されており、ヒンジ部材４６２、４６６間の制限された運動を提供する。
【００８１】
ジョイント４８０は、第３の自由度ＤＯＦ３を提供し、より詳細に図４Ｆ〜４Ｋに示す。遠位アーム４７０は、部材４８１、４８２、４８３に連結される。ヒンジ部材４８４は、制御ロッドに連結されて、第４の自由度ＤＯＦ４を提供し、それはヒンジ部材４８４を回転させることによって達成される。ヒンジ部材４８４の回転は、外科ツール４９０をアーム組立体の遠位端部で回転させる。外科ツール４９０は、ヒンジ部材４８４およびリンク装置４８６に連結され、リンク装置は、制御アームに連結されて、ヒンジ部材４８４および外科ツール４９０間の曲げ運動を作り出す。例示的な外科ツール４９０を、図４Ｌ〜４Ｎに示す。
【００８２】
図５Ａに示すように、モータ組立体との組立時に、複数のスプール４１２、４２２、４３２、４４２は、制御ロッド４１０、４２０、４３０、４４０に連結される。摩擦部材４５２は、制御ロッド４５０に連結される。アーム組立体の近位部分は、モータ組立体３００のチャネル３６９の中に挿入される。いったん挿入されると、摩擦部材４５２は、摩擦駆動装置３６６ａと係合する。スプール４２２、４３２、４４２は、駆動ねじ３９２、３９４、３９６に連結される。スプール４１２は、アクチュエータ２２０および関連付けされた構造体に連結される。
【００８３】
システムは、図６に示すようなものなどの制御ボックス組立体を有する。制御ボックス組立体６００は、ボックス・シャーシ６１０および蓋６２０を有する。ボックス・シャーシ６１０は、ねじ付き穴または同様のもの６１４などの、蓋６２０をボックス６１０に固着するための手段を有する。蓋６２０は、蓋６２０をボックス・シャーシ６１０に固着するためのねじまたは他のコネクタ部材（図示せず）を受けるための穴６２２を有する。ボックス・シャーシ６１０は、入力パワー・ジャック６４０を受けるための開口６１６を１つの側面に有し、入力パワー・ジャックは、例えば、貫通穴６４２を通ってボックス・シャーシのねじ付き穴６１７の中に延びるねじによって、ボックス・シャーシ６１０に連結されることがある。ボックス・シャーシ６１０は、ロボット・コネクタ６６０を受けるための別の開口を有する。ボックス・シャーシ６１０は、その内部において、ボックス・シャーシ内で支持部材６１２上に保持される動力変換器６７０およびバック・プレーンもしくはＰＣＢ基板６５０を有する。蓋６２０は、照明付きパワー・スイッチ６３０を受けるための穴６２４を有する。入力パワー・ジャックは、バック・プレーンに連結され、バック・プレーンは、変換器ボックスに連結される。変換器ボックスは、電気外科発生器、壁コンセント、または他の動力源からの入力動力を変換し、変換済み動力を、ロボット・コネクタ６６０を通してロボット外科機器のハンド・ピースに出力する。
【００８４】
例示的な制御ワークフローを図７Ａに示す。外科医は、ハンド・ピースに対する制御を通してロボット外科システムを制御する。制御は、ジョイスティック７４０およびモード・ボタン７５０を含む。外科医は、ＯＬＥＤディスプレイ７６０上の手術状態メッセージおよび／または設定を見ることがある（下で議論する代替の実施形態に関連して説明する）。制御システム７００は、運動学的制御７１２、機械式アーム４００を制御するためのモータ制御７１４およびＯＬＥＤディスプレイ７６０を制御するためのＯＬＥＤ制御７１６、を提供する。
【００８５】
例示的な制御アーキテクチャを図７Ｂに示す。４つの自由度ＤＯＦ１、ＤＯＦ２、ＤＯＦ３、ＤＯＦ４（７１８）は、ハンド・ピース内のジョイスティック２９０を介して制御される。ハンド・ピース内のコントローラ・ユニット７１０は、モータ駆動装置７３２、７３４、７３６、７３８を介して制御信号を送信して、４つの電気モータ３３２、３３４、３３６、３３８を動作させる。動力源６７０は、ハウジング２１０内部のバッテリであることがあり、または、ハウジング内の電気コネクタを介してコントローラ・ボックス６００などの外部源から供給されることがある。動力源は、モータ、コントローラ・ユニット、およびジョイスティック・コントローラ・ボックス６００に動力を供給する。ジョイスティック・コントローラ２９０を好適な実施形態に関して説明するが、スイッチやダイヤルなどの他の制御構造が本発明と共に使用されることがある。
【００８６】
図７Ｃは、本発明に従ったロボット外科システムの制御ボードのワークフローを例証するフロー図である。制御ボックス６００の動力変換器６７０は、電気外科発生器（図示せず）の出力から電気エネルギーを受け取る。動力変換器６７０は、５Ｖおよび３．３Ｖの直流電力をロボット外科ハンド・ピースに、ハンド・ピースを制御ボックス６００に連結するコード（図示せず）を通して、出力する。制御ボックス６００は、同様に、電気外科発生器に電気コード（図示せず）を通して連結される。動力変換器６７０からのハンド・ピースの受け取る３．３Ｖの動力は、ジョイスティック７４０およびモード・ボタン７５０に動力を供給するために使用される。制御ボックス６００からのハンド・ピースの受け取る５Ｖの動力は、ディスプレイ・スクリーン７６０に加えてモータおよびモータ駆動装置に動力を供給するために使用される。マイクロコントローラ・ユニット７１０は、動力変換器６７０から受け取る動力が動力供給され、モード・ボタン７５０およびジョイスティック７４０から入力を受け取り、モータ駆動装置およびモータ、１つまたは複数の状態インジケータＬＥＤ７８０、ならびに、外部デバイスとの通信７７０、を制御する。
【００８７】
本発明に従ったロボット外科システムのためのハンド・ピース、ハウジングまたはケーシング８００の代替的な実施形態を、図８Ａ〜８Ｄを参照して説明する。用語「ハウジング」、「シェル」、「ケース」、および「ケーシング」は、本明細書において、すべて互換的に使用される。ハンド・ピースは、スナッピングされるか、連結されるか、またはその他の方法で互いに固着される２つのピース８１０ａ、８１０ｂで形成される剛性内側ケース８１０を有し、モータ組立体９００を包み込んで、モード・ボタン８３０、ロック・ボタン８４０、パワー・ボタン８５０、およびジョイスティック８９０などの様々な要素を収容する。内側ケース８１０は、複数の開口を有し、それらを通して、モード・ボタン８３０、ロック・ボタン８４０、パワー・ボタン８５０、およびジョイスティック８９０などの要素が突出しており、使用者がアクセスして操作することができる。ジョイスティック８９０は、キャップ８９２を有することがある。他のボタンまたは制御器は、キャップやコーティングなどの要素を有することもある。内側ハウジング８１０は、図８Ａ〜８ではモータ組立体に取り付けられて示されているスクリーンを収容するための開口または窓をさらに有する。理解されるように、他の実施形態ではスクリーンが、モータ組立体９００から切り離して内側ケース８１０の中に実装されることがあり、また、モータ組立体のコントローラに（またはハンド・ピースの中のどこかに）ワイヤで連結されることがある。内側ケース８１０は、ロボット・アーム１０００を受けるための開口を備えたノーズ・キャップ８１６をさらに有する。図８Ａでは、各サイド８１６ａ、８１６ｂは、そのそれぞれのケースのサイド８１０ａ、８１０ｂの一体部分として形成される。代替的な実施形態は、内側ケース８１０と一体でないノーズ・キャップを有する場合がある。ハンド・ピースは、前部ボディ部分８２０ａおよび後部部分８２０ｂを有する外側ケース８２０をさらに有する。前部ボディ部分８２０ａは、ロボット・アーム１０００を受けるための開口を有するノーズを有する。後部部分８２０は、開く、または、前部ボディ部分８２０ａから取り外すことができて、内側ケース９１０（内側ケース８１０のすべてのものと一緒に）が外側ケース前部部分８２０ａの中に挿入されるのを可能にし、その後に、後部部分８２０ｂは、閉じる、または、内側ケースを囲むために前部部分に取り付けることができる。外側ケース８２０は、透明であることがあり、したがって、モータパッケージの中のディスプレイは、外側ケース８２０を通して見ることができ、あるいは、透明な部分を有することがあるかまたは開口もしくは窓を有することがあり、それを通してスクリーンを見ることができる。外側ケース８２０は、下側の制御器およびＬＥＤのための内側ケース８１０の開口に対応する複数の開口をさらに有する。ハンド・ピースは、動力をハンド・ピースに供給するための制御ボックス６００からのパワー・コネクタを受けるための内側ケース８１０のグリップ部分８１４の底部の開口に隣接するコネクタ８６０をさらに有する。コネクタ８６０は、内側ケーシング８１０の内部のワイヤ／ケーブル（図示せず）によって、内側ケース８１０のボディ部分８１２のモータ組立体に連結される。ハンド・ピースは、リンク８４２を介してモータ組立体に連結されて、内側ケース８１０および外側ケース８２０の両方の外側に延びるトリガ９２０をさらに有する。
【００８８】
モータ組立体またはパッケージ９００の様々な部分は、図９Ａに示すように、フレーム９９０によって支持される。フレーム９９０は、機械式アームを受けるための各端部の近くの溝を有する。複数のスライダ部材９０５、９０７、９０８、９１０は、ねじナット９２２でフレーム９９０に固着されるスライダ・バー９１７を備えたフレームに実装される。各スライダ部材は、機械式アームを受けるための溝を有する。４つのステッパ・モータ９３２、９３４、９３６、９３８は、個々が駆動軸９３２ａ、９３４ａ、９３６ａ、９３８ａを有するが、例えば、ねじを用いて、フレームに実装される。スライダ・リング９０３（ＤＯＦ３）、９０４（ＤＯＦ４）、９０６（ＤＯＦ５）、９０９（ＤＯＦ２）は、機械式アームを受けるために、各スライダ部材９０５、９０７、９０８、９１０に隣接して配置される。支持リング９１４は、フレーム９９０の各端部の近くの溝に隣接して配置される。カバー９０２は、例えば、ねじで、フレーム９９０に配置されて固着される。ＰＣＢ基板９０１は、システム制御電子装置を有するが、カバー９０１に配置され、スクリーン９８０は、ＰＣＢ基板９０１に電気的に連結され、また、ＰＣＢ基板９０１に物理的に取り付けられる。複数のスプールまたはプーリ９６２、９６４、９６６、９６８は、軸９７２ａ、９７４ａ、９７６ａ、９７８ａに実装されて機械式アームのアクチュエータ・チューブを動かすスプールまたはプーリ９７２、９７４、９７６、９７８を駆動するベルトを受けるためのそれぞれのモータ駆動軸９３２ａ、９３４ａ、９３６ａ、９３８ａに取り付けられる。モータ組立体９００は、機械式アームの遠位端部でのツールの手動活動化のためのトリガ９２０、連結アーム９２６、および、リンク装置９２７をさらに有する。
【００８９】
本発明に従った機械式アームの代替的な実施形態を、図１０Ａ〜１０Ｃおよび図１１〜１４を参照して説明する。機械式アーム１０００は、機械式アームの運動を提供する複数のアクチュエータ・チューブ１０１０、１０２０、１０３０、１０４０、１０５０およびジョイントもしくはスイベル１１００、１２００、１３００、１４００を有する。構造は、図１０Ａに示すように５つの自由度を提供する。作動チューブおよび機構を図１０Ｃに示す。５つの作動チューブが存在し、各自由度について１つ、すなわち、ＤＯＦ１について作動チューブ１０１０、ＤＯＦ２について作動チューブ１０２０、ＤＯＦ５について作動チューブ１０３０、ＤＯＦ３について作動チューブ１０４０、ＤＯＦ４について作動チューブ１０５０である。各自由度（「ＤＯＦ」）は、作動チューブと、殆どの場合にそれに関連付けされた他の要素と、を有する。ＤＯＦ１は、作動チューブ１０１０によって実行される３６０度の回転である。ＤＯＦ２２は、ジョイント１１００での０〜４５度の曲げる動きであり、また、作動チューブ１０２０、Ｄ断面チューブ１０２２、ヒンジ・ジョイント１０２４、および作動リンク１０２６によって制御される。ＤＯＦ３は、作動チューブ１０４０、作動ロッド１０４２、作動リンク１０４４によって実行される１８０度の回転である。ＤＯＦ４は、作動チューブ１０５０、作動リンク１０５２、および作動リンク１０５４によって実行される。ＤＯＦ５は、作動チューブ１０３０、Ｄ断面チューブ１０３２、および作動リンク１０３６によって実行される。
【００９０】
図１１は、ジョイント２の組立図である。ジョイント２の様々な部品は、例えば、ピン１１４６を用いて、相互に連結される。ジョイント２の様々な構成要素部分は、異なった自由度に関連付けされる。ＤＯＦ２に関して、作動リンク１１５６は、作動リンク１１５３に連結し、それが作動リンク１１４５に連結し、それがヒンジ・ジョイント１１４８に連結する。ＤＯＦ３に関して、作動リンク１１５１は、作動リンク１１４３に連結し、それが作動リンク１１４１に連結し、それが作動リンク１１３３に連結する。ＤＯＦ４に関して、作動リンク１１５０は、作動リンク１１４９に連結し、それが作動リンク１１４０に連結し、それが作動リンク１１３９に連結し、それが作動ロッド１１３０に連結する。ＤＯＦ５に関して、作動リンク１１５２は、作動リンク１１４４に連結し、それが作動リンク１１３５に連結し、それが作動チューブ１１３１に連結する。
【００９１】
図１２は、マイクロスイベル１２００の構造を例証する。内側マイクロスイベルおよび外側マイクロスイベルを有する。外側マイクロスイベルでは、外側チューブ端部１２２８は、ボール１２３４を備えた外側チューブ１２２２と連結し、ボールは、チューブの互いに対する回転を可能にする。外側ボール・カバー１２２９は、ボール１２３４をカバーする。外側チューブ端部１２２１は、外側チューブ１２２２に連結する。内側マイクロスイベルは、外側マイクロスイベルの内部にあり、また、内側チューブ１２２４、ＰＦＴＥベアリング１２２６、ステンレス鋼製ボール１２２７および、内側チューブ端部１２２５を有する。内側チューブ端部１２２５は、ボール１２３４を備えた内側チューブ１２２４と連結し、ボールは内側ボール・カバー１２２３によってカバーされる。
【００９２】
図１３は、ジョイント３の組立図であり、ＤＯＦ３に関係する。ジョイント３は、外側チューブ１３４２、ボール１３４２、ボール・カバー１３６９、作動チューブ１３３２、作動チューブ１３２０、作動チューブ１３１８、作動ボタン１３１９、および、螺旋ヒンジ１３０１を有する。
【００９３】
図１４は、ＤＯＦ４およびＤＯＦ５に関係するジョイント４および５の組立図である。ＤＯＦ４のための構造は、作動ロッド１４１３、ヒンジ・ジョイント１４０２、作動リンク１４１２、および、回転ピン１４１１を含む。ＤＯＦ５は、作動チューブ１４１０、スライド・ブロック１４１４、スライダ・ピン１４３８、ホイール・バー・リンク１４０６、１４０７、１４０９、ホイール・バー・スペーサ１４０８、および、作動ロッド１４０５を含む。グリッパは、グリッパ・アーム１４０３、１４０４、およびグリッパ・ピン１４３６、１４３７を含む。
【００９４】
本発明のロボット・システムは、非ケーブル動作式のロボット外科システムである。システムは、切除および凝固用の剪刀、ニードル・ホルダ、グラスパ、組織ディセクタ、または、任意の他の機器を含むことがある可撓性腹腔鏡アタッチメントなどの可撓性機器と共に使用されることがある。当業者には、本システムが、それらに限定されないが、可撓性および剛性の腹腔鏡、胸腔鏡、膀胱鏡、気管支鏡、内視鏡、および結腸鏡を含む任意の最小侵襲性機器と共に使用するまたは組み合わせることが可能であることが認識されよう。
【００９５】
外科医は、市販されている剛性腹腔鏡に類似した動作テーブルでロボット・システムを使用する場合がある。ロボット・システムは、３Ｄ光学システムを統合することもできるであろう。
【００９６】
本発明の好適な実施形態の前述の説明は、例証および説明の目的のために提供してきた。徹底的である、または開示した正確な形式に本発明を限定することは意図されず、修正例および変形例が上の教示に鑑みて可能であり、本発明の実施から取得されることがある。実施形態は、本発明の原理およびその実用化を説明する目的で、予期した特定の使用に適するように様々な実施形態で当業者が本発明を利用するのを可能にするために、選択して説明した。本発明の範囲は、本明細書に添付した特許請求の範囲およびそれらの等価物によって画定されることが意図される。上述した文献の個々の全体は、参照によって本明細書に組み込む。
【図１Ａ】
2019528928.tif 000003
【図１Ｂ】
2019528928.tif 000004
【図１Ｃ】
2019528928.tif 000005
【図１Ｄ】
2019528928.tif 000006
【図１Ｅ】
2019528928.tif 000007
【図１Ｆ】
2019528928.tif 000008
【図１Ｇ】
2019528928.tif 000009
【図１Ｈ】
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【図１Ｉ】
2019528928.tif 000011
【図２Ａ】
2019528928.tif 000012
【図２Ｂ】
2019528928.tif 000013
【図２Ｃ】
2019528928.tif 000014
【図２Ｄ】
2019528928.tif 000015
【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
2019528928.tif 000017
【図３Ｂ】
2019528928.tif 000018
【図３Ｃ】
2019528928.tif 000019
【図３Ｄ】
2019528928.tif 000020
【図３Ｅ】
2019528928.tif 000021
【図３Ｆ】
2019528928.tif 000022
【図３Ｇ】
2019528928.tif 000023
【図４Ａ】
2019528928.tif 000024
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
2019528928.tif 000026
【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
2019528928.tif 000032
【図４Ｊ】
2019528928.tif 000033
【図４Ｋ】
2019528928.tif 000034
【図４Ｌ】
2019528928.tif 000035
【図４Ｍ】
2019528928.tif 000036
【図４Ｎ】
2019528928.tif 000037
【図５Ａ】
2019528928.tif 000038
【図５Ｂ】
2019528928.tif 000039
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
2019528928.tif 000043
【図６】
2019528928.tif 000044
【図７Ａ】
2019528928.tif 000045
【図７Ｂ】
2019528928.tif 000046
【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
2019528928.tif 000048
【図８Ｂ】
2019528928.tif 000049
【図８Ｃ】
2019528928.tif 000050
【図８Ｄ】
2019528928.tif 000051
【図９Ａ】
2019528928.tif 000052
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
2019528928.tif 000056
【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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