(57)【要約】  剛性シャフトと、前記剛性シャフトにヒンジ連結された少なくとも１つの肘関節部と、前記少なくとも１つの肘関節部に連結された手首関節部とを備える手術器具であって、前記手首関節部は、第１動作自由度と、第２動作自由度とを提供するように構成され、前記第２動作自由度は、前記第１動作自由度に対して実質的に垂直である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛性シャフトと、前記剛性シャフトにヒンジ連結された少なくとも１つの肘関節部と、前記少なくとも１つの肘関節部に連結された手首関節部とを備える手術器具であって、前記手首関節部は、第１動作自由度と、第２動作自由度とを提供するように構成され、前記第２動作自由度は、前記第１動作自由度に対して実質的に垂直である、手術器具。
【請求項２】
前記少なくとも１つの肘関節部は、０〜６０度の運動範囲内で可動である、請求項１に記載の手術器具。
【請求項３】
前記第１動作自由度は、前記少なくとも１つの肘関節部に対して、１８０度の角度範囲で前記手首関節部を枢動可能とするように構成された第１ヒンジ関節部を提供する、請求項１または２に記載の手術器具。
【請求項４】
前記第２動作自由度は、前記少なくとも１つの肘関節部に対して、０〜６０度の角度範囲で、前記第１ヒンジ関節部に対して垂直に前記手首関節部を枢動可能とするように構成された第２ヒンジ関節部を提供する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項５】
前記少なくとも１つの肘関節部は、少なくとも２つの肘関節部を備え、前記少なくとも２つの肘関節部のそれぞれは、他の肘関節部とは異なる方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、前記少なくとも２つの肘関節部のそれぞれが、互いに独立して可動である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項６】
前記少なくとも１つの肘関節部は、少なくとも３つの肘関節部を含み、前記少なくとも３つの肘関節部のうちの２つは、同一の方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、第３肘関節部は、他の肘関節部とは異なる方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、前記少なくとも３つの肘関節部のそれぞれが、互いに独立して可動である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項７】
前記少なくとも１つの肘関節部は、４つの肘関節部を含み、第１肘関節部および第２肘関節部は、同一方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、第３肘関節部は、前記第１肘関節部および前記第２肘関節部とは異なる方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、各肘関節部が互いに独立して可動である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項８】
前記第３肘関節部と実質的に同一の方向のヒンジ運動を提供するように、第４肘関節部が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項９】
複数の肘関節部を備え、少なくとも２つの隣接した肘関節部が、互いにロックされている、請求項１に記載の手術器具。
【請求項１０】
いずれの他の肘関節部とも独立して可動な少なくとも１つのさらなる肘関節部をさらに備える、請求項９に記載の手術器具。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの肘関節部および前記手首関節部は、腱駆動手段により、独立して可動である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１２】
単極エンドエフェクタをさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１３】
双極エンドエフェクタをさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１４】
前記エンドエフェクタは、腱駆動手段により、前記手首関節部に対して可動である、請求項１２または１３に記載の手術器具。
【請求項１５】
前記腱駆動手段は、ボーデンケーブルで被覆されている、請求項１４に記載の手術器具。
【請求項１６】
剛性シャフトと、前記剛性シャフトにヒンジ連結された少なくとも１つの肘関節部とを備える手術器具であって、エンドエフェクタが前記少なくとも１つの肘関節部に連結され、前記剛性シャフトおよび前記少なくとも１つの肘関節部が、その内部に、連続したルーメンを画定し、前記連続したルーメンは、副エンドエフェクタを収容するか、または洗浄もしくは吸引機能を提供する、手術器具。
【請求項１７】
主エンドエフェクタは、切断用具、把持用具、または焼灼用具である、請求項１６に記載の手術器具。
【請求項１８】
前記副エンドエフェクタは、ファイバー式レーザー、撮像プローブ、または焼灼用具であるか、あるいは吸引または洗浄機能を提供する、請求項１６または１７に記載の手術器具。
【請求項１９】
前記副エンドエフェクタは、可撓性チューブに連結されている、請求項１６または１７に記載の手術器具。
【請求項２０】
第１動作自由度と、第２動作自由度とを提供するように構成された手首関節部をさらに備え、前記第２動作自由度は、前記第１動作自由度に対して実質的に垂直であり、前記エンドエフェクタは、前記手首関節部の一部である、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項２１】
剛性シャフトと、前記剛性シャフトに連結される少なくとも１つの肘関節部とを備える手術器具であって、エンドエフェクタが前記少なくとも１つの肘関節部に連結され、前記エンドエフェクタは、前記少なくとも１つの肘関節部に対して前記エンドエフェクタの動作を容易にするように、ボーデンケーブルで被覆された腱により動作可能である、手術器具。
【請求項２２】
第１動作自由度と、第２動作自由度とを提供するように構成された手首関節部をさらに備え、前記第２動作自由度は、前記第１動作自由度に対して実質的に垂直であり、前記エンドエフェクタは、前記手首関節部の一部である、請求項２１に記載の手術器具。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの肘関節部の前記ルーメン内に位置付けられた多ルーメンインサートをさらに備え、前記多ルーメンインサートは、複数のルーメンを備え、前記複数のルーメンのうちの１つ以上が、各腱を収容するように構成されている、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項２４】
剛性シャフトと、前記剛性シャフトに取付構造により連結される少なくとも２つの肘関節部とを備える手術器具であって、前記取付構造は、略円形の外形を有する、前記少なくとも２つの肘関節部のうちの第１肘関節部上の第１の部位と、前記第１の部位の略円形の外形を収容する略三角形状の溝を備える、前記少なくとも２つの肘関節部のうちの第２肘関節部上の第２の部位とを備える、手術器具。
【請求項２５】
前記取付構造の前記第１の部位は、面取りをした肘形状により画定された平面状頂部の一部である、請求項２４に記載の手術器具。
【請求項２６】
前記取付構造の前記第２の部位は、面取りをした肘形状により画定された溝付き頂部の一部である、請求項２４または２５に記載の手術器具。
【請求項２７】
前記取付構造の前記第１の部位および前記取付構造の前記第２の部位は、前記少なくとも２つの肘関節部のうちの第１肘関節部と、前記少なくとも２つの肘関節部のうちの第２肘関節部との間の、６０〜１００度の動作角度範囲での相対動作を提供するように、協働可能である、請求項２６に記載の手術器具。
【請求項２８】
腹腔鏡手術用の装置であって、
ロボットアームであって、前記ロボットアームを表面に取り付けるための手段と、ポートを取り付けるためのエンドエフェクタとを備え、前記エンドエフェクタは、複数の選択的動作可能な関節により前記ロボットアームを表面に取り付けるための前記手段に対して可動であるロボットアームと、
前記ロボットアームの前記エンドエフェクタ上に取り付けるためのポートであって、各手術器具を収容するための複数のルーメンを備えるポートと、
前記ポートのルーメンに挿入される手術器具であって、剛性シャフトと、前記剛性シャフトに連結される少なくとも１つの肘関節部と、前記少なくとも１つの肘関節部に連結されるエンドエフェクタとを備える手術器具と、を備える装置。
【請求項２９】
前記手術器具を動作させるためのモーターパックをさらに備え、前記モーターパックは、手術器具取付取着具と協働可能な複数の取付取着具を備える、請求項２８に記載の腹腔鏡手術用の装置。
【請求項３０】
前記モーターパックの取付取着具のそれぞれが、複数の窪みまたは突起を有する回転可能な駆動アセンブリを備え、前記手術器具取着具のそれぞれが、複数の窪みまたは突起を有する回転可能な駆動アセンブリを備え、前記モーターパックの取付取着具の前記窪みまたは突起は、前記手術器具取付パック取着具の前記窪みまたは突起と協働可能である、請求項２９に記載の腹腔鏡手術用の装置。
【請求項３１】
前記モーターパック取付取着具のそれぞれ、および／または前記手術器具取付パック取着具のそれぞれが、ばね負荷式である、請求項３０に記載の腹腔鏡手術用の装置。
【請求項３２】
手術器具用の保護スリーブであって、前記保護スリーブは、第１の端および第２の端を有する細長可撓性シースを備え、前記第１の端は前記保護スリーブを手術器具に取着するための取着手段を備え、前記第２の端は閉鎖手段を備える、手術器具用の保護スリーブ。
【請求項３３】
前記取着手段は、前記保護スリーブの前記第１の端に配置された第１の部位と、ロボット手術システムの一部を形成する第２の部位とを有するロック手段を備える、請求項３２に記載の手術器具用の保護スリーブ。
【請求項３４】
前記取着手段は、前記保護スリーブの前記第１の端に配置された第１の部位と、ロボット手術システムの一部を形成する第２の部位とを有する磁気手段を備える、請求項３３に記載の手術器具用の保護スリーブ。
【請求項３５】
前記可撓性シースは、圧縮可能である、請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の手術器具用の保護スリーブ。
【請求項３６】
前記閉鎖手段はバルブである、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載の手術器具用の保護スリーブ。
【請求項３７】
前記バルブは、磁気取着手段により、前記細長シースの前記第２の端に取着される、請求項３６に記載の手術器具用の保護スリーブ。
【請求項３８】
ｉ）一方の顎の他方に対する枢動運動を可能にするように枢支連結された一対の対向する顎であって、前記対向する顎のうちの少なくとも１つが、選択的にセンサを収容するための凹部を備える、顎と、ｉｉ）前記凹部内に固定されるように構成されたセンサと、を備えるエンドエフェクタ。
【請求項３９】
前記センサは、力センサ、温度センサ、またはフィードバックセンサを含む、請求項３８に記載のエンドエフェクタ。
【請求項４０】
ｉ）選択的にセンサを収容するための凹部を有する細長部材と、ｉｉ）前記凹部内に固定されるように構成されたセンサと、を備えるエンドエフェクタ。
【請求項４１】
前記センサは、力センサ、温度センサ、またはフィードバックセンサを含む、請求項４０に記載の単極エンドエフェクタ。
【請求項４２】
本体と、開位置および閉位置の間で可動な一対の対向する顎とを備える持針器であって、前記一対の対向する顎は、ばねによって前記開位置に付勢され、前記腱が引張されたときに前記ばねの力を上回る腱の使用を通じて閉じることができる、持針器。
【請求項４３】
前記一対の対向する顎はそれぞれ、それぞれの顎を通って前記本体に収容される各ピンにより、前記本体に対して枢動可能に取り付けられ、前記各ピンのそれぞれが横方向に離間する、請求項４２に記載の持針器。
【請求項４４】
前記各ピンのそれぞれが、前記本体の縁に隣接して位置付けられている、請求項４３に記載の持針器。
【請求項４５】
第１動作スイッチと、第２動作スイッチと、を備えるロボットアーム用の安全装置であって、前記ロボットアームの動作は、前記第１動作スイッチおよび前記第２動作スイッチの両方を作動させることのみにより実行される、安全装置。
【請求項４６】
前記第１動作スイッチおよび前記第２動作スイッチは、前記ロボットアームを操作するためのハンドルに設けられている、請求項４５に記載のロボットアーム用の安全装置。
【請求項４７】
前記第１動作スイッチおよび前記第２動作スイッチは、同じ手により操作されるように構成されている、請求項４５または４６に記載のロボットアーム用の安全装置。
【請求項４８】
画定された作業空間内の手術器具の位置を判定するための位置検出手段を備えるロボットアーム用の安全装置であって、前記位置検出手段は、停止手段に動作可能に連結され、前記手術用ツールの動きが、前記画定された作業空間外で検出されると、前記停止手段は前記手術用ツールのさらなる移動を防止する、ロボットアーム用の安全装置。
【請求項４９】
前記位置検出手段は、前記ロボットアームの基準点に対する前記位置を監視し、関連データを記録する、請求項４８に記載のロボットアーム用の安全装置。
【請求項５０】
前記位置検出手段により記録されるデータは、前記ロボットアームを停止点から、前記位置検出手段により記録された動きと逆の動きを使用して、前記基準点または他の選択位置に戻る動作を容易にするために使用される、請求項４９に記載のロボットアーム用の安全装置。
【請求項５１】
複数の電磁ブレーキ式関節部と、前記電磁ブレーキ式関節部それぞれに関連付けられた位置センサとを備えるロボットアームであって、前記位置センサそれぞれは、プロセッサに動作可能に接続され、前記プロセッサは、予め定められた空間的閾値に対する、前記電磁ブレーキ式関節部それぞれの位置を監視し、前記電磁ブレーキ式関節部の内の１つ以上が空間的閾値に近づいていることを特定する、１つ以上の位置センサからの信号を前記プロセッサが検出すると、前記電磁ブレーキ式関節部それぞれをロックする、ロボットアーム。
【請求項５２】
手術用ツールが取り付けられるエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに関連付けられ、前記プロセッサに動作可能に接続されたさらなる位置センサとをさらに備え、前記プロセッサは、前記予め定められた空間的閾値に対する、前記エンドエフェクタの位置を監視し、前記エンドエフェクタが前記空間的閾値に近づいていることを特定する、前記さらなる位置センサからの信号を前記プロセッサが検出すると、前記電磁ブレーキ式関節部それぞれをロックする、請求項５１に記載のロボットアーム。
【請求項５３】
前記電磁ブレーキ式関節部それぞれに関連付けられた力検出手段をさらに備え、前記力検出手段は、前記空間的閾値に対する力方向を判定し、前記電磁ブレーキ式関節部それぞれ、および／または前記エンドエフェクタが前記空間的閾値から離れるように移動することが判定されると、前記電磁ブレーキ式関節部それぞれを可動とし、１つ以上の前記電磁ブレーキ式関節部および／または前記エンドエフェクタが前記空間的閾値に向かって移動している、または前記空間的閾値を横切ったことが判定されると、前記電磁ブレーキ式関節部それぞれおよび／または前記エンドエフェクタの動作を抑制する、請求項５１または５２に記載のロボットアーム。
【請求項５４】
複数のモーターコントローラーと、安全監視モジュールと、マザーボードとを備えるロボット手術システム用の制御システムであって、前記安全監視および複数のモーターコントローラーは、前記マザーボードに動作可能に接続され、前記安全監視モジュールは、前記ロボット手術システムの少なくとも１つのパラメータを監視し、前記安全監視モジュールが、１つまたは複数のパラメータが所定の範囲から逸脱したか、所定の閾値を越えたことを検出することに応答して、前記モーターコントローラーからの電力を遮断するように構成されている、制御システム。
【請求項５５】
前記安全監視モジュールおよび複数のモーターコントローラーモジュールは、前記マザーボードのモジュール部材であって、前記マザーボードの他モジュール部材を取り外すことなく、選択的に取り外したり、交換したりできる、請求項５４に記載のロボット手術システム用の制御システム。
【請求項５６】
前記複数のモーターコントローラーは、最大で４つのモーターコントローラーを備える、請求項５４または５５に記載のロボット手術システム用の制御システム。
【請求項５７】
前記複数のモーターコントローラーそれぞれは、最大で２つの独立して制御されるモーターに選択的に接続可能に構成されている、請求項５４〜５６のいずれか一項に記載のロボット手術システム用の制御システム。
【請求項５８】
各モーターコントローラーモジュールは、固有識別子を有する、請求項５４〜５７のいずれか一項に記載のロボット手術システム用制御システム。
【請求項５９】
前記マザーボードは、１つ以上の切替手段の動作により変更可能な関連アドレスを有する、請求項５４〜５８のいずれか一項に記載のロボット手術システム用の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術器具、ロボットアーム、およびロボットアーム用の制御システムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来の腹腔鏡手動器具は一例として、ハンドル、剛性シャフト、および機能的エンドエフェクタ（把持具、ハサミ、または吸引チャネルなど）で構成される。通常、腹腔鏡器具は、外科医によって２つ同時に使用される。腹腔鏡器具は、単一、または複数のポート内に設けられてもよい。これらの器具全ての共通特性として、剛性シャフトと器具が挿入されるポートとの間で、てこの原理を利用して、ハンドルの動作がエンドエフェクタへ伝達することが挙げられる。一般に、腹腔鏡手術で使用される器具の自由度は４である。例えば、経肛門内視鏡外科手術の場合、外科医に利用可能な作業空間は非常に限られているため、先行技術の器具のハンドルを操作しててこの原理を実現することは、非常に困難であり、機能的エンドエフェクタと、ハンドルとの両方において、器具の衝突が生じることも珍しくない。
【０００３】
手動関節式腹腔鏡手術用ツールは、かさばるのが常であり、外科医が限られた作業空間において当該器具を使用するには、安全面で困難がつきまとう。
【０００４】
多くの異なる医療用途で使用するためのロボット手術用ツールについて、数多くの研究がなされている。以下にその例を挙げる。
【０００５】
ＣＮ１０４４３４３１８は、４自由度のロボット手術器具の例を記載している。
【０００６】
ＫＲ１００７７８３８７は、ヒンジ式肘機能および回転可能な手首機能を備える腹腔鏡手術用の手術ロボットを記載している。
【０００７】
ＵＳ５，６２４，３９８には、屈曲可能肩関節部、回転可能上腕関節部、屈曲可能肘関節部、および回転可能手首関節部を備えたロボット内視鏡手術用ツールが記載されている。
【０００８】
ＵＳ８６０３１３５は、一連のリンクを備えることで、手術器具の蛇行運動を可能である、関節手術器具の例を記載している。
【０００９】
先行技術のロボット関節手術用ツールは、空間的に限定された腹腔鏡処置における使用には適していない。先行技術のロボット関節手術用ツールはまた、器具先端で十分な自由度がなく、多くの腹腔鏡処置で使用される、適切なサイズの器具先端も有さない。
【００１０】
手術中の外科医は、タイトに画定された作業空間内で作業することを余儀なくされる。当該画定された作業空間から手術器具がはみ出ないようにすることが、外科医にとって重要である。さもなければ、患者に損傷または外傷を与えてしまう。したがって、画定された作業空間から手術器具がはみ出さないようにするための方策が必要となる。
【００１１】
ＵＳ２００５／０１６６４１３に記載のロボットアームによると、アームを事前に決定された座標群に沿って移動することで、使用前に境界を画定できる。使用中、境界を越えてしまうことがあっても、アームは境界外でそれ以上は移動不能となる。
【００１２】
ＵＳ２０１０／１７４４１０は、単一の動作スイッチを押すことで、操作されるロボットアームを記載している。
【００１３】
ロボット手術は通常、ロボットアーム上に取り付けられたポートデバイスの使用を伴う。ポートデバイスは、それぞれ手術用ツールを収容する、限られた数のルーメンを備える。多くの場合、外科医はポートデバイスの全てのポートを使用した上で、追加で器具を必要とする。当然、当該追加器具はポートデバイスとは独立して使用される必要がある。
【００１４】
本発明は、経肛門ロボット内視鏡マイクロサージェリーに伴う課題を打破することを目的とする。
【発明の概要】
【００１５】
本発明の態様は、手術器具を提供する。手術器具は、剛性シャフトと、剛性シャフトにヒンジ連結された少なくとも１つの肘関節部と、少なくとも１つの肘関節部に連結された手首関節部とを備え、手首関節部は、第１動作自由度と、第２動作自由度とを提供するように構成され、第２動作自由度は、第１動作自由度に対して実質的に垂直である。
【００１６】
肘関節部および手首関節部の両方を備える手術器具を提供することは、この構成により、外科医に、少なくとも５自由度の動作が提供されるため、有利である。剛性シャフトは直線並進および軸回転を伝達する。少なくとも１つの肘関節部は、剛性シャフトに接続され、少なくとも１つの肘関節部と手首関節部との間のヒンジ運動を提供する。手首関節部は、ヒンジおよび枢動運動の両方を提供する。かかる手術器具は、外科医に、限られた作業空間において、先行技術で可能な範囲よりも広い運動範囲を提供し、腹腔鏡手術のための従来の手作業ツールキットにおいて外科医によって使用されているツール全てを有するロボット制御ツールボックスを提供する。
【００１７】
一実施形態において、少なくとも１つの肘関節部は、２つの肘関節部を備え、肘関節部のそれぞれは、他の肘関節部とは異なる方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、肘関節部のそれぞれが、互いに独立して可動である。
【００１８】
別の実施形態において、少なくとも１つの肘関節部は、３つの肘関節部を含み、該肘関節部のうちの２つは、同一の方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、第３肘関節部は、他の肘関節部とは異なる方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、肘関節部のそれぞれが、互いに独立して可動である。
【００１９】
別の実施形態において、少なくとも１つの肘関節部は、４つの肘関節部を含み、第１肘関節部および第２肘関節部は、第１の方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、第３肘関節部および第４肘関節部は、第１肘関節部および第２肘関節部とは異なる方向のヒンジ運動を提供するように設けられ、各肘関節部が互いに独立して可動である。
【００２０】
互いに異なる方向のヒンジ運動を提供する２つ、３つ、または４つの肘関節部を提供することは、これにより、手術器具のさらなる動作自由度が実現されるため、有利である。各肘関節部が別の肘関節部に対して独立可動な手術器具を構成することで、各肘関節部が完全に非連結状態であることが確実にされる。したがって、手術器具の制御が簡略化され、手術器具の滑らかな動作が提供される。少なくとも６配置度を提供することは、可能な限り人間の解剖学的構造を模すことになる。したがって、外科医の知覚体験が可能な限り自然となるので、有利である。
【００２１】
別の実施形態において、少なくとも１つの肘関節部は複数の肘関節部を備え、少なくとも２つの隣接した肘関節部が、互いにロックされている。
【００２２】
手術器具はさらに、いずれの他の肘関節部とも独立して可動な１つ以上の追加の肘関節部を備えてもよい。
【００２３】
別の実施形態において、手術器具は、双極または単極エンドエフェクタをさらに備える。
【００２４】
双極エンドエフェクタを提供することは、手術器具のさらなる動作自由度が実現される。
【００２５】
本発明の別の態様は、手術器具を提供する。手術器具は、剛性シャフトと、剛性シャフトにヒンジ連結された少なくとも１つの肘関節部とを備え、主エンドエフェクタが少なくとも１つの肘関節部に接続され、剛性シャフトおよび少なくとも１つの肘関節部が、その内部に、連続したルーメンを画定し、ルーメンは、副エンドエフェクタを収容するか、または洗浄もしくは吸引機能を提供する。
【００２６】
補助ツール、あるいは吸引および／または洗浄機能と、切断ツールまたは焼灼ツールとを組み合わせて単一の器具にすることは有利である。これにより、手術中に必要なツールの数が低減でき、結果、該当するツールの持ち替えが必要となる回数が低減される。このようなツールおよび／または機能の組み合わせによりさらに、腹腔鏡外科用装置のポートが空くことになる。
【００２７】
一実施形態において、主エンドエフェクタは、電気焼灼メスを備える。
【００２８】
単極電気焼灼メスを吸引および／または洗浄機能と組み合わせることで、外科医は、１つの手術器具で、患者の組織を切断または焼灼し、術部位を洗浄し、流体を除去できる。手術中に患者が出血した場合、１つの手術器具を使用して、術部位から効率的に流体および煙を除去できる。これにより、外科医はツールを交換する必要なく明確な視界を確保でき、したがって、手術時間および患者のリスクを低減できる。
【００２９】
本発明の別の態様は、手術器具を提供する。手術器具は、剛性シャフトと、剛性シャフトに連結される少なくとも１つの肘関節部とを備え、エンドエフェクタが該少なくとも１つの肘関節部に連結され、該エンドエフェクタは、少なくとも１つの肘関節部に対して該エンドエフェクタの動作を容易にするように、少なくとも１つの肘関節部とエンドエフェクタとの間に設けられたボーデンケーブルで被覆された腱により動作可能である。
【００３０】
手術器具のエンドエフェクタまたはエンドエフェクタの操作にボーデンケーブルを使用することで、エンドエフェクタを制御する各腱同士が、少なくとも１つの肘関節部に対するエンドエフェクタの配向に関わらず、ほぼ等しい長さを有するようにできる。
【００３１】
本発明の別の態様は、手術器具を提供する。手術器具は、剛性シャフトと、剛性シャフトに取付構造により連結される少なくとも１つの肘関節部とを備え、取付構造は、剛性シャフトまたは略円形の外形を有する肘関節部のうちの一方上の第１の部位と、剛性シャフトまたは第一部の略円形の外形を収容する略三角形状の溝を備える肘関節部のうちの他方上の第２の部位とを備える。
【００３２】
三角溝内に収容される円形突起を備える取付構造を使用することは非常に有利である。この構造の場合、単線接触によって、取付構造の２つの部位間の摩擦が低減されるのである。
【００３３】
本発明の別の態様は、手術器具用の保護スリーブを提供し、保護スリーブは、第１の端および第２の端を有する細長可撓性シースを備え、第１の端は保護スリーブを手術器具に取着するための取着手段を備え、第２の端は閉鎖手段を備える。
【００３４】
保護スリーブを使用することで、未使用状態の手術器具が汚れるのを防ぎ、使用後には、バイオハザード物がスリーブ内に収められる。
【００３５】
一実施形態において、閉鎖手段はバルブまたはフラップである。
【００３６】
バルブまたはフラップの使用は、手術器具が、手術の際に露出されるよう、そのフラップまたはバルブを通過できる。術後に手術器具が患者から取り出されると、バルブまたはフラップが閉じて、手術器具がスリーブ内に衛生的に収容される。
【００３７】
本発明の別の態様は、双極エンドエフェクタを提供し、双極エンドエフェクタは、ｉ）一方の顎の他方に対する枢動運動を可能にするように枢支連結された一対の対向する顎であって、該対向する顎のうちの少なくとも１つが、選択的にセンサを収容するための凹部を備える、顎と、ｉｉ）該凹部内に固定されるように構成されたセンサと、を備える。
【００３８】
本発明の別の態様は、単極エンドエフェクタを提供し、単極エンドエフェクタは、ｉ）選択的にセンサを収容するための凹部を有する細長部材と、ｉｉ）該凹部内に固定されるように構成されたセンサと、を備える。
【００３９】
本発明の別の態様は、ｉ）選択的にセンサを収容するための凹部を有する細長部材と、ｉｉ）該凹部内に固定されるように構成されたセンサと、を備える。
【００４０】
センサを選択的に、顎の一体部分を形成する凹部内に収容可能であれば、エンドエフェクタの使用毎にセンサを交換できる。
【００４１】
一実施形態において、センサは、力センサ、温度センサ、触覚センサ、または位置センサである。
【００４２】
本発明の別の態様は、持針器を提供し、持針器は、本体と、開位置および閉位置の間で可動な一対の対向する顎とを備える持針器であって、一対の対向する顎は、ばねによって開位置に付勢され、該腱が引張されたときにばねの力を上回る腱の使用を通じて閉じることができる。
【００４３】
一実施形態において、該一対の対向する顎はそれぞれ、顎を通って本体に収容される各ピンにより、本体に対して枢動可能に取り付けられ、該ピンはそれぞれ横方向に離間する。
【００４４】
横方向にピンを離間させることで、両ピンが直線的な先行技術のエンドエフェクタと比して把持力が向上する。
【００４５】
一実施形態において、該各ピンは、本体の縁に隣接して位置付けられる。
【００４６】
一実施形態において、持針器の顎は、互い違いの列に配置された三角形状の歯を備える。
【００４７】
かかる構成により、針の部位を幾何学的にロックし、その運動を防止する。これは、針挿入のために横方向の力が必要な、可撓性器具を使用した手術では基本的な特徴である。しかし、可撓性構造により、器具の強靭さが不十分となる場合も多い。さらなる情報については、添付の書類を参考されたい。
【００４８】
一実施形態において、持針器顎の遠位端は、突起部を備える。
【００４９】
突起部は、球体端を備えてもよい。
【００５０】
持針器の顎の基端は、器具軸の直径よりも大きな外径を有するディスク部を備えてもよい。
【００５１】
突起部により、縫合糸が糸結び中に保持されるので、有利である。ディスク部は、縫合糸が器具軸に巻き付くことを防止する。
【００５２】
別の実施形態では、器具はエンドエフェクタに近接した、軸回転関節部を備える。
【００５３】
この関節部は、人間の手首同様、約２７０度の回転を可能とする。器具構造は変化する。器具の肘部はそのままで、器具の先端が回転関節部となるのである。
【００５４】
別の実施形態では、器具は四角状作動機構により動作可能で、戻しばねにより閉位置に付勢される一対の顎を備える。
【００５５】
本発明の別の態様は、ロボットアーム用の安全装置を提供し、ロボットアーム用の安全装置は、第１動作スイッチと、第２動作スイッチと、を備え、ロボットアームの動作は、第１動作スイッチおよび第２スイッチの両方を作動させることのみにより実行される。
【００５６】
腹腔鏡手術は非常に複雑であり、手術用ツールの制御された正確な動きが求められる。手術用ツールの不慮の動きは、患者に損傷を与えうる。本発明のこの態様は、外科医に、ロボットアームを作動するために、同時に注意深く２つの動作ボタンを操作することを求めることによって、手術用ツールの不慮の動きを避けることを目的とする。
【００５７】
一実施形態において、第１および第２動作スイッチは、外科医が片手で操作できるように配置される。
【００５８】
本発明の別の態様は、ロボットアームを提供し、ロボットアームは、複数の電磁ブレーキ式関節部と、複数の電磁ブレーキ式関節部にそれぞれに関連付けられた位置センサとを備え、位置センサそれぞれは、プロセッサに動作可能に接続され、該プロセッサは、予め定められた空間的閾値に対する、該電磁ブレーキ式関節部それぞれの位置を監視し、該電磁ブレーキ式関節部の内の１つ以上が空間的閾値に近づいていることを特定する、１つ以上の位置センサからの信号をプロセッサが検出すると、電磁ブレーキ式関節部をそれぞれロックする。
【００５９】
腹腔鏡手術中の外科医は、タイトに画定された作業空間内で作業することを余儀なくされる。手術用ツールが画定された作業空間外に位置決めされることは、好ましくなく、患者への損傷につながる可能性がある。手術用ツールの好ましくない位置決めを防止するため、ロボットアームにはロックアウト機構が設けられる。これは、近接センサにより手術用ツールが画定された作業空間から出たことを検出すると、ロボットアームのさらなる移動を防止するものである。
【００６０】
一実施形態において、ロボットアームは、画定された作業空間に対する手術用ツールの位置を特定するための回転エンコーダをさらに備える。
【００６１】
別の実施形態では、ロックアウト機構により、ロックアウト状態から手術用ツールが逆に動くことが可能となる。即ち、回転エンコーダを使用して、手術用ツールが手術開始前の元位置に戻るまで、手術用ツールの動きを逆に倣うのである。
【００６２】
ロボットアームの動きがロックされた後に、画定された作業領域外での手術用ツールのさらなる動きを防止しながら、外科医が手術用ツールを画定された作業領域内に戻す手順を踏むことができることが重要である。回転エンコーダを使用することで、手術中のロボットアームのあらゆる動きの詳細全てが提供される。したがって、回転エンコーダにより収集されたデータを使用し、ロボットアームを逆に動かして、手術用ツールを画定された作業領域内に戻すことができる。
【００６３】
本発明の別の態様は、力特性を判定する方法を提供し、該方法は、ｉ）それぞれ駆動手段、回転エンコーダ、エンドエフェクタにより駆動される、複数の電磁ブレーキ式関節部を備えるロボットアームを提供することと、ｉｉ）各電磁ブレーキ関節部が作動した際の、基準力特性を確立することと、ｉｉｉ）回転エンコーダを使用して、エンドエフェクタの回転を測定することと、各駆動手段の剛性特性を判定することと、ｉｖ）各電磁関節部に印加されたトルクから、エンドエフェクタの力特性を判定することと、を含む。
【００６４】
本発明の別の態様は、電気磁気ブレーキ式関節部およびバックラッシュなしの差動ドライブを備えるロボットアームのための関節部を提供する。
【００６５】
電磁ブレーキと、バックラッシュのない差動ドライブとの組み合わせにより、従来手段よりも小さな設置面積、大きな出力トルクが実現できる。この従来手法とは、１．モーターと差動ドライブの組み合わせであるが、同じサイズのブレーキと比して、モーターの保持トルクがかなり小さい、２．差動ドライブを使用せず、ブレーキのみ使用して、本発明者らの手段よりも出力トルクが小さく、設置面積が大きくなる、ものを指す。
【００６６】
本発明の別の態様は、ロボット手術システム用の制御システムを提供し、ロボット手術システム用の制御システムは、複数のモーターコントローラーと、安全監視モジュールと、マザーボードとを備え、安全監視と、複数のモーターコントローラーとは、マザーボードに動作可能に接続され、安全監視モジュールは、ロボット手術システムの少なくとも１つのパラメータを監視し、安全監視モジュールが、１つまたは複数のパラメータが所定の範囲から逸脱したか、所定の閾値を越えたことを検出すると、モーターコントローラーからの電力を遮断するように構成されている。
【００６７】
安全監視の提供により、ロボット手術器具の誤動作のリスクを抑え、患者への損傷または外傷を与える危険性を最小限に抑える。
【００６８】
一実施形態において、安全監視モジュールおよび複数のモーターコントローラーモジュールは、マザーボードのモジュール部材であって、マザーボードから、その他モジュール部材を取り外すことなく、選択的に取り外したり、交換したりできる。
【００６９】
モジュール部材の使用により、先行技術と比してロボット制御システムの接地面積が低減される。さらに、ロボット制御システムの修理、更新しやすさが略向上、ひいては最適化される。
【００７０】
一実施形態において、複数のモーターコントローラーモジュールは、４つのモーターコントローラーモジュールを備え、各モーターコントローラーモジュールは、最大２つのモーターに動作可能に連結されるように構成される。
【００７１】
一実施形態において、各モーターコントローラーモジュールは、固有識別子を有する。
【００７２】
一実施形態において、マザーボードは、１つ以上の切替手段の動作により変更可能な関連アドレスを有する。
【００７３】
マザーボードのアドレスを変更可能とすることで、ロボット制御システム全体のアドレスの変更が可能となる。したがって、複数のロボット制御システムがコンピュータシステムに動作可能に連結可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
以下の図を参照にして、本発明を説明する。
【００７５】
【図１】本発明の態様に係る手術器具を示す。
【図２】図１の手術器具の、第１および第２の部位を示す。
【図３】図１の手術器具の、動作自由度を示す。
【図４】図１の手術器具をさらに示す。
【図５】本発明の実施形態で使用される、ＰＴＦＥカテーテルを示す。
【図６】主エンドエフェクタ（両極）と、吸引および／または洗浄機能とを組み合わせた手術器具の例を示す。
【図７ａ】手術器具をロボットアームアセンブリに連結させる、器具基部を示す。
【図７ｂ】手術器具をロボットアームアセンブリに連結させる、器具基部を示す。
【図７ｃ】手術器具をロボットアームアセンブリに連結させる、器具基部を示す。
【図７ｄ】手術器具をロボットアームアセンブリに連結させる、器具基部を示す。
【図８】本発明の態様に係るロボットアームを示す。
【図９】ロボットシステムの制御システムの概略を示す。
【図１０】本発明の実施形態で使用される、保護スリーブを示す。
【図１１】図１０の保護スリーブを詳細に示す。
【図１２】内部にセンサを収容するように構成されたエンドエフェクタを示す。
【図１３】持針器エンドエフェクタの第１図である。
【図１４】図１３の持針器の第２図である。
【図１５】持針器の別実施形態を示す。
【図１６】エンドエフェクタに軸回転が伝わった状態の、エンドエフェクタの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
本発明の各態様に係る手術器具の概要を、図１に示す。手術器具（１０）は、剛性シャフト（２４）に接続された複数の部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）を備える。剛性シャフト（２４）は、器具基部（図１では不図示）に接続される。本明細書においてエンドエフェクタとも称する器具先端（２６）は、剛性シャフト（２４）から最も離間した部位（２２）に接続される。
【００７７】
図２に示す第１の部位（１２）は、スプライン接続部（１２ａ）により、剛性シャフト（２４）に固定接続される。第１の部位（１２）は、一端にスプライン接続部（１２ａ）を備え、他端に取付特徴部（１２ｃ）を備える、略円筒形状の本体（１２ｂ）を備える。スプライン接続部（１２ａ）は長さ４ｍｍで、中心ルーメン（１２ｅ）から放射状に延在する８つの突起（１２ｄ）を備える。各８つの突起（１２ｄ）は、第１の部位（１２）の中心軸から測定すると長さ１．７ｍｍで、互いに均等に離間して、８つの突起（１２ｄ）の互いに隣接する各対の間に谷部（１２ｆ）が画定される。各谷部（１２ｆ）は、腱（図２ａおよび２ｂでは不図示）を収容し、各腱は、中心ルーメン（１２ｅ）周りに配置された各孔（１２ｇ）を通じて、第１の部位（１２）の略円筒形本体（１２ｂ）に挿通される。スプライン接続部（１２ａ）はさらに、第１の部位（１２）の剛性シャフト（２４）に対する回転を制限または防止するロック構造（１２ｈ）を備える。
【００７８】
中心ルーメン（１２ｅ）は円筒形状、および１．５ｍｍ〜３ｍｍの内径を有する。
【００７９】
取付特徴部（１２ｃ）は、互いに対向し、略円筒形本体（１２ｂ）から長手方向で離間するように延在する、一対の略半円形タブ（１２ｉ）を備える。略半円形タブ（１２ｉ）はそれぞれ、半径０．５ｍ、厚さが０．５ｍｍ〜１．５ｍｍである。略半円形タブ（１２ｉ）は、本体（１２ｂ）の最外端に設けられ、その間に平坦頂部（１２ｊ）が画定される。頂部から、第１の部位（１２）の端から離間する両方向に、略円筒形本体（１２ｂ）が面取りされる。これにより、隣接部位（１４）が相対移動可能となる。各方向への面取り角度は、９４度であり、これにより隣接部位（１４）が、第１の部位（１２）に対して８０度ヒンジ回動可能となる。
【００８０】
図１に示す剛性シャフト（２４）は、外径５ｍｍ、内径４ｍｍの中空管を備える。剛性シャフト（２４）はステンレス鋼製であり、長さは２００ｍｍと３００ｍｍの間である。剛性シャフト（２４）の第１の端（２４ａ）は、第１の部位（１２）のスプライン接続部（１２ａ）を収容し、その内部の第１の部位（１２）のスプライン接続部（１２ａ）の回転を制限するように構成される。剛性シャフト（２４）は、その第２の端（１２ｂ）が器具基部（図１、図２では不図示）に接続されている。剛性シャフト（２４）は、器具基部からの直線並進および軸回転運動を、エンドエフェクタ（２６）に伝達するために使用される。剛性シャフト（２４）に挿通されて、手術器具部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）に至る腱を使用して、その他全ての自由度が制御される。
【００８１】
剛性シャフト（２４）は、さらに補助ロック構造（２４ｃ）を備える。この構造は、第１の部位（１２）のロック構造（１２ｈ）と協働して、剛性シャフト（２４）に対する第１の部位（１２）の回転を防止するものである。
【００８２】
図２に示す第２の部位（１４）は、第１の部位（１２）にヒンジ接続される。第２の部位（１４）は、第１の端（１４ｂ）と、第２の端（１４ｃ）とを有する略円筒形本体（１４ａ）を備える。第２の部位（１４）の第１の端（１４ｂ）は、第１の部位（１２）の取付構造（１２ｃ）の略半円形タブ（１２ｉ）を収容する、三角断面溝（１４ｄ）を備える。第２の部位（１４）の円筒形本体（１４ａ）の外形は、三角溝（１４ｄ）の側から第２の端（１４ｃ）への両方向に面取りされている。各方向への面取り角度は９４度で、これにより第１の部位（１２）と、第２の部位（１４）との相対的ヒンジ動作が可能となる。第２の部位（１４）はさらに、第１の部位（１２）の内部ルーメン（１２ｅ）と実質的に同様の内部ルーメン（１４ｅ）を備える。
【００８３】
第２の部位（１４）の第２の端（１４ｃ）は、第１の部位（１２）の取付特徴部（１２ｃ）と実質的に同じ取付特徴部（１４ｆ）を備える。各腱を収容する複数の孔（１４ｇ）が、ルーメン（１４ｅ）を囲んで、円筒形本体（１４ａ）を長手方向に貫通して形成される。
【００８４】
第３および第４の部位（１６、１８）は、第２の部位（１４）と実質的に同じで、蛇状構造となるように互いに接続される。手術器具（１０）の意図された使用方法に応じて、必要なあらゆる方向へのヒンジ動作を可能とするように、部位（１２、１４、１６、１８）が設けられてもよい。図２に示す第２の部位（１４）では、取付構造（１４ｅ）と、三角溝（１４ｄ）とが整列している。図１に示すような別の実施形態では、取付構造（１６ａ）と、三角溝（１６ｂ）とは、互いに９０度となるように配向される。特定の用途に必要な運動範囲に基づいて、取付構造（１６ａ）と、三角溝（１６ｂ）との配向が選択できることが理解されよう。
【００８５】
いくつかの実施形態において、最大限詳細な動作が実現できるよう、第２、第３、第４の部位（１４、１６、１８）はそれぞれ、互いに独立して動作可能である。求められる動作の詳細さがより低い別の実施形態では、２つ以上の隣接部位が同一の動作をするように互いにロックされてもよい。
【００８６】
図３は、本発明の態様に係る手術器具（１０）の動作自由度を示す。図示の各矢印は、手術器具（１０）の各構成要素の動作方向を概略的に示す。
【００８７】
一実施形態では、剛性シャフト（２４）は、手術器具（１０）に並進動作と、軸回転を伝える。いずれの部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）も、エンドエフェクタ（２６）も、独自で並進したり、手術器具（１０）の軸に対して回転したりすることはできない。第１の部位（１２）は、剛性シャフト（２４）に対して位置が固定されている。第２の部位（１４）は、第１の部位（１２）とともに肘関節部を画定し、８０度の動作角度範囲で第１の部位（１２）に対してヒンジ可動である。第３の部位（１６）は、第２の部位（１４）とともに肘関節部を画定し、８０度の動作角度範囲で第２の部位（１４）に対してヒンジ可動である第４の部位（１８）は、第３の部位（１６）とともに肘関節部を画定し、最大８０度の動作角度範囲で第３の部位（１６）に対してヒンジ可動であるいくつかの実施形態では、動作角度範囲は６０度となる。
【００８８】
別の実施形態では、図１６に示すような軸回転関節（２９）により、エンドエフェクタ（２６）に軸回転が伝わる。軸回転関節（２９）により、エンドエフェクタ（２６）は２７０度の軸回転が可能となる。軸回転は、一対の腱（不図示）により伝わる。
【００８９】
図１６に示すように、エンドエフェクタ（２６）と隣接する、または一体的に設けられる軸回転関節（２９）を備える器具は、顎（３３、３５）を開閉するための四角状作動機構（３１）をさらに備える。四角状機構は、第１および第２のアーム（３１ａ、３１ｂ）と、第３および第４のアーム（３１ｄ、３１ｅ）とを備える。第１および第２のアーム（３１ａ、３１ｂ）は、共通枢着部（３１ｃ）により各顎（３３、３５）に接続される。第３および第４のアーム（３１ｄ，３１ｅ）は、第１および第２のアーム（３１ａ、３１ｂ）とそれぞれ枢動可能に接続されて、駆動腱（３１ｇ）のアンカーポイントとなる共通枢着部（３１ｆ）で互いに接続されている駆動腱（３１ｇ）は、戻しばね（不図示）に動作可能に接続される。即ち、戻しばねにより顎（３３、３５）が閉じ状態となるように付勢される。
【００９０】
第５の部位（２０）は、第６の部位とともに、手術器具（１０）の手首関節部の一部を画定する。第５の部位（２０）は、第４の部位（１８）とともに肘を画定し、第４の部位（１８）に対してヒンジ可動である。第５の部位（２０）はさらに、第６の部位（２２）とともに、独立した滑節（２１）を画定する。第６の部位（２２）は、第５の部位（２０）に対してヒンジ可動である。第６の部位（２２）は、エンドエフェクタ（２６）とともに、第５の部位（２０）と、第６の部位（２２）との間のヒンジ接続部に直交するように設けられたヒンジ接続部（２７）を画定する。第６の部位（２２）およびエンドエフェクタ（２６）の間のヒンジ接続部（２７）、並びに第５の部位（２０）および第６の部位（２２）の間のヒンジ接続部（２１）により、手首関節部により実現される全ての自由度が画定される。
【００９１】
いくつかの実施形態では、部位（１４、１６、１８、２０、２２）はそれぞれ、隣接する部位（１４、１６、１８、２０、２２）に対して独立して可動である。この構成により、手術器具（１０）は蛇行状に操作でき、手術中の外科医に最適な運動経路を実現可能とする。別の実施形態では、部位（１４、１６、１８、２０）が、隣接した部位（１２、１４、１６、１８、２０）に連結して、１つ以上の隣接した部位（１４、１６、１８、２０）がともに動くようにしてもよい。
【００９２】
図４に示すように、剛性シャフト（２４）内のルーメンと、各部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）の各孔に挿通された腱（２８）を使用して、各部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）それぞれの、さらにエンドエフェクタ（２６）の独立制御が実現される。各部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）と、エンドエフェクタ（２６）は、それぞれ反対に作用する一対の腱（２８）に関連付けられる。反対に作用するとは、反対に作用する一対の腱の一方を引張すると、部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）またはエンドエフェクタ（２６）が一方向に動き、反対に作用する一対の腱の他方を引張すると、部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）またはエンドエフェクタ（２６）が逆方向に動くことを指す。
【００９３】
反対に作用する一対の腱（２８）はそれぞれ、部位（１４、１６、１８、２０、２２）またはエンドエフェクタ（２６）で終端される。腱（２８）を終端するということは、関連する部位（１２、１４、１６、１８、２０、２２）またはエンドエフェクタ（２６）に設けられた腱孔（第１の部位の場合は１２ｇ）を潰して、その（１４、１６、１８、２０、２２）またはエンドエフェクタ（２６）に関連する腱（２８）をその先に行くことができなくすることで実現されるものである。
【００９４】
エンドエフェクタ（２６）に近い側に設けられた部位（１８，２０，２２）の制御に関連する腱（２８）は、隣接する部位の屈曲平面の、中立軸を通る。これにより、隣接する部位の運動が連動してしまうことが抑制される。
【００９５】
いくつかの実施形態では、独立して制御される必要があるのが、選ばれた数の部位のみとなる。かかる実施形態において、反対に作用する一対の腱（２８）と関連付けられていない部位に対して、腱（２８）は受動的制御を実現する。かかる実施形態は、手作業の高度な詳細さが求められないような、組織の切断に使用される手術器具で利用され得る。手作業の高度な詳細さが求められるのは、組織を高度に処置したり、針および糸を使用したりするような手術器具の場合である。
【００９６】
いくつかの実施形態において、各部位のルーメン（例えば１２ｅ、１４ｅ）には、図５に示すように多ルーメンポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）カテーテル（３０）が嵌合される。ＰＴＦＥカテーテル（３０）は、中心ルーメン（３０ｃ）と、それを囲う複数のルーメン（３０ｂ）が貫通する、略円筒形棒部材（３０ａ）を備える。複数のルーメン（３０ｂ）はそれぞれ、エンドエフェクタ（２６）の独立的制御のための腱を収容するように構成される。
【００９７】
ＰＴＦＥカテーテル（３０）は、エンドエフェクタ制御用の腱を、手術器具（１０）の曲げ軸になるべく近接しながらエンドエフェクタ内に挿通された状態に維持することに寄与する。これにより、手術器具（１０）の、隣接してヒンジ接続された構成要素の相互結合効果が防止される。ＰＴＦＥカテーテル（３０）はさらに、隣接する腱（２８）間、さらに腱（２８）と肘関節部との摩擦軽減にも寄与する。
【００９８】
エンドエフェクタ（２６）用の腱は、ボーデンケーブル（２８ａ）で被覆される。ボーデンケーブル（２８ａ）は、内部のケーブルの運動による機械的な力またはエネルギーを、外部の中空ケーブルハウジングに送るために使用される可撓性ケーブルである。ＰＴＦＥカテーテル（３０）が必要となるのは、エンドエフェクタ（２６）が、把持用具またはハサミのような、さらなる配置自由度を実現する関節式ツールを備える場合のみである。
【００９９】
図６に示すように、各肘関節部を貫通するルーメン（たとえば１２ｅ，１４ｅ）は、ＰＴＦＥカテーテル（３０）の代わりに、可撓性吸引および／または洗浄用チューブ（３２）を収容してもよい。可撓性チューブ（３２）は、単極メスまたは双極鉗子とともに使用されることが意図される。これら両種のツールは、エンドエフェクタ（２６）の先端への電気供給を必要とする。単極ツールの場合、電気はエンドエフェクタ（２６）の金属構造を介して、エンドエフェクタ（２６）の先端に運ばれる。双極鉗子の場合、電気はエンドエフェクタ（２６）の金属構造により、鉗子の片側に運ばれる。電線により、帯電した鉗子の片側から、電気が鉗子の別側に運ばれる。この別側は、これ以外の状況では片側から電気的に分離している。
【０１００】
図７ａから７ｄに示す器具基部（３４）は、６つのモーター連結部（３６）を備える。各連結部は、各腱（２８）が巻き付けられた、各キャプスタン（３８）に関連付けられる。器具基部（３４）上の各モーター連結部（３６）は、モーターパック（４６）上の対応するモーターカップリング（４４）上の複数の対応するピン（４２）に係合するための複数の孔（４０）を備える。モーターパック（４６）上の各モーター連結部（４４）は、各独立駆動モーターに関連付けられる。器具基部（３４）上のモーター連結部（３６）は、医療用ポリエーテルエーテルケトン製である。
【０１０１】
モーターパック（４６）に器具基部（３４）を取着する際、器具基部（３４）上のモーター連結部（３６）がそれぞれ、モーターパック（４６）上の対応する各モーター連結部（４４）に連結される。これは、器具基部（３４）またはモーターパック（４４）上のモーター連結部（３６，４４）を回転して、モーター連結部（４６）上のモーター連結部（４４）上のピン（４２）を、器具基部（３４）上のモーター連結部（３６）上の孔（４０）に係合することで実現される。器具基部（３４）および／またはモーターパック（４６）上のモーター連結部（３６，４４）の一方または両方は、ばね負荷式である。これにより、モーター連結部（４６）上のモーター連結部（４４）上のピン（４２）の、器具基部（３４）上のモーター連結部（３６）上の孔（４０）への確動係合が実現される。ロックピン（４８）を、モーターパック（４６）のロック特徴部（５０）を通じて、器具基部（３４）上の対応するロック特徴部（５２）に挿入することで、器具基部（３４）がモーターパック（４６）に固定される。
【０１０２】
器具基部（３４）上の各モーター連結部（３６）は、部位（１２，１４，１６，１８，２０，２２）またはエンドエフェクタ（２６）を動作させるよう、腱（２８）を巻くために、キャプスタン（３８）を駆動することに関連付けられる。２つのキャプスタンの間に、アイドルギア（５５）（図７ｂに示す）が位置付けられる。２つのキャプスタン間のギヤ比は、２：１となっている。これは、単一のモーターで、部位（１２，１４，１６）間の２つの平行関節の所期の作動を実現するように、２つのキャプスタンを駆動可能とするための、２つの平行関節間の腱の移動距離を反映したものである。部位（１６，１８，２０）間の関節も、器具基部（３４）の別側におけるアイドルギアにより、同様にして結合される。
【０１０３】
並進用ギア（５４）は、モーター出力軸に直接取着される。このギア（５４）は、直線並進用のラック（不図示）に沿って動く器具とモーターパックとを駆動する。
【０１０４】
エンドエフェクタ（２６）は、例えば把持具、持針器、またはハサミであってもよく、エンドエフェクタ（２２）により、手術器具（１０）の最終部位（２０）に連結される。エンドエフェクタ（２６）は、ヒンジ構成により、手術器具（１０）の最終部位（２２）に連結される。このヒンジ構成は、第４の部位（１８）と、最終部位（２２）との間のヒンジ連結に対して垂直に配向される。最終部位（２２）と、エンドエフェクタ（２６）との間のヒンジ連結は、第５の部位（２０）と、第６の部位（２２）との間のヒンジ連結に対しても垂直である。
【０１０５】
本発明の実施形態で説明されるエンドエフェクタ（２６）の例としては、以下が挙げられる。ｉ）手首付把持具：直線形状または湾曲形状であってもよく、組織の処置に使用される把持具顎付きの、７自由度のツール、ｉｉ）手首付ハサミ：湾曲形状、または直線形状の刃により、組織を切断するために使用されるハサミ刃付きの、７自由度のツール、ｉｉｉ）無手首ハサミ：湾曲形状、または直線形状の刃により、組織を切断するために使用されるハサミ刃付きの、６自由度のツール、ｉｖ）手首付持針器：外科用針をとらえる菱形ローレットを有する直線状で短い顎付きの、７自由度の用具、ｖ）無手首持針器：外科用針をとらえる菱形ローレットを有する直線状で短い顎付きの、６自由度の用具、ｖｉ）吸引／洗浄機能付き単極メス：手首関節や顎がなく、組織再切開、組織焼灼、液体／煙吸引、および洗浄に使用される、４自由度の多機能用具、ｖｉｉ）吸引／洗浄機能付き両極鉗子：可動顎を１つ有し、組織切除、組織焼灼、液体／煙吸引、および洗浄に使用される、５自由度の無手首多機能用具、ｖｉｉｉ）無手首把持用具。
【０１０６】
メスのような単極ツールであれば、電気焼灼（組織の切断および焼灼）、並びに吸引および洗浄を実現できる。かかるツールは多機能であり、外科医に組織の切除および焼灼を実行しつつ、吸引機能により、煙を除去可能とする。洗浄は、創傷部を洗うためのもので、ここでも吸引により、血液や生理食塩水のような流体を創傷部から除去するように使用できる。
【０１０７】
エンドエフェクタ（２６）の具体例としては、一対の対向する顎を有する、顎型把持具（４００）が挙げられる。エンドエフェクタ（２６）の各顎（４００ａ）は、一体構造で形成され、細長部材（４００ｃ）の内面により画定される把持面（４００ｂ）を備える。細長部材（４００ｃ）はさらに、把持面（４００ｂ）の反対側に凹部（４００ｄ）を備える。凹部（４００ｄ）は、細長部材（４００ｃ）に沿って長手方向に延在し、細長部材（４００ｃ）全体の外形に対応する形状のセンサ（４０２）を収容するように構成される。細長部材（４００ｃ）は、間に間隙を開けた２つの離間したプレート（４００ｆ，４００ｇ）により画定された取付ボス（４００ｅ）に接合される。取付穴（４００ｈ）は、枢動部（不図示）を収容するため、取付ボス（４００ｅ）を貫通する。
【０１０８】
センサ（４０２）は、顎（４００ａ）の細長部材（４００ｃ）の第１の収容部（４００ｉ）と、第２の収容部（４００ｊ）それぞれと協働可能である、第１の挿入部（４０２ａ）と、第２の挿入部（４０２ｂ）とを有する。センサ（４０２）は、例えば力センサ、温度センサ、触覚センサであってもよい。
【０１０９】
エンドエフェクタ（２６）の別の例として、図１３および１４に示すような持針器（５００）が挙げられる。持針器（５００）は、スプライン接続部（２０ａ）により、手術器具（１０）の最終部位（２０）に固定連結される。持針器（５００）は、一対の対向する把持顎（５０６、５０８）それぞれと協働可能な取付構造（５０４）を有する本体（５０２）を備える。取付構造（５０４）は、各顎（５０６、５０８）それぞれの取付部を枢動運動しやすくするものである。これにより、顎（５０６、５０８）は、各顎（５０６、５０８）と本体（５０２）に挿通されるピン（５１０）により、開閉可能となる。図１３に示すように、各顎（５０６、５０８）に１つずつ、即ち２つのピン（５１０）が、横方向に離間して、本体（５０２）の端に隣接して位置決めされ、本体（５０２）の両側それぞれの溝（５１２）内で終端される。
【０１１０】
図１５に明確に示される歯（５１２）は、三角形状で、互い違いの２列に配置される。これにより、顎（５０６、５０８）が閉じると歯（５１２）が噛み合う。各歯（５１２）は、０．２５ｍｍの底辺と、０．５ｍｍの高さと、０．３５ｍｍの幅を有する。歯は、０．４７ｍｍ離間した列に配置される。各歯列には、５つの歯が設けられる。歯が互い違いに配置されることで、第１の顎（５０６）の歯が、第２の顎（５０８）の隣接する歯（５１２）の間の空間内に嵌ることが保証される。さらに、持針器（５００）の先端には突起部（５１４）がついている。この部位は、縫合糸（５１８）を糸結び中に保持して、顎（５０６、５０８）から外れないようにするものである。突起部（５１４）は、各顎（５０６、５０８）の先端に、球体端を備える。顎（５０６、５０８）の基端には、器具軸の直径よりも大きな外径を有するディスク部（５１６）が設けられる。このディスク部（５１６）により、縫合糸が器具軸に巻き付くことが防止される。いくつかの実施形態では、顎（５０６、５０８）の外形は丸みを帯びている。
【０１１１】
顎（５０６，５０８）の動きは、腱（５１４）と、バネ（５１６）とにより制御される。バネ（５１６）により、顎（５０６、５０８）は開位置に付勢される。腱（５１４）の引張により、バネ（５１４）の張力を上回ると、顎（５０６、５０８）が閉じる。
【０１１２】
モーターパック（４６）は、詳細に後述するロボットアーム（１００）またはポートに選択的に取付可能である。
【０１１３】
図８に示すロボットアーム（１００）は、６つの電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）を備える。電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）はそれぞれ、電磁ブレーキと、絶対角度関節エンコーダを装備した、バックラッシュのない差動ドライブとを備える。電磁ブレーキは、ＯＮ位置に付勢されており、ハンドル（１１８）上に位置する２つの動作スイッチ（１１４、１１６）を押すことで、開放される。ロボットアーム（１００）に連結された取付構造（１２０）により、ロボットアーム（１００）は病院のベッドに取付可能である。
【０１１４】
取付構造（１２０）はアンカー（１２２）に連結される。アンカー（１２２）は、第１の電磁ブレーキ式関節（１０２）により肩部（１２４）に連結される。アンカー（１２２）により、肩部（１２４）に対する水平回転が実現される。肩部（１２４）は、第２の電磁ブレーキ式関節（１０４）により、水平軸（１２６）に連結される。肩部（１２４）により、水平軸（１２６）の長手軸の方向に、水平軸（１２６）に対する枢動回転を実現する。水平軸（１２６）は、第３の電磁ブレーキ式関節（１０６）を通じて延在する。水平軸（１２６）により、肩部（１２４）に対する回転位置決めが実現される。水平軸（１２６）の反対端は、第４の電磁ブレーキ式関節（１０８）に連結される。第４の電磁ブレーキ式関節（１０８）は、垂直軸（１２８）に連結される。垂直軸（１２８）により、水平軸（１２６）に対する回転位置決めが実現される。垂直軸（１２８）は、第５の電磁ブレーキ式関節（１１０）の他端に連結される。第５の電磁ブレーキ式関節（１１０）は肘部（１３０）に連結される。肘部（１３０）により、水平軸（１２６）の水平軸線に平行な水平軸線を中心とした、回転位置決めが実現される。肘部（１３０）は、他端が第６の電磁ブレーキ式関節（１１２）に連結される。第６の電磁ブレーキ式関節（１１２）はハンドル（１１８）に連結される。ハンドルは、垂直軸線を中心に回転可能であり、これにより、ハンドル（１１８）に連結されたアダプタ（１３２）の位置決めがなされる。
【０１１５】
アダプタ（１３２）により、モーターパック（４６）、ひいては手術器具（１０）がロボットアーム（１００）に取り付けられる。
【０１１６】
使用の際、ロボットアーム（１００）は標準的な手術台に取り付けられる。具体的には、取付構造（１２０）により、ロボットアーム（１００）が標準的な手術台のサイドレールに挟みつけられる。ロボットアーム（１００）と、手術器具（１０）とはいずれも、ＡＣ／ＤＣ電力アダプタを介して、電源供給用コンセントから受電する。電源供給により、各電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）が制御される。その際、ハンドル（１１８）の動作スイッチ（１１４，１１６）が押されない限り、各関節に関連する電磁石は定位置に固定されている。ハンドル（１１８）上の動作スイッチ（１１４、１１６）が両方押されると、全ての電磁石が解放され、全６個の電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）を介して、操作者がロボットアーム（１００）を操作可能となる。ロボットアーム（１００）が所期の位置に配置された後に、操作者がハンドル（１１８）の動作スイッチ（１１４、１１６）を離すと、電磁石が全て作動して、６個の電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）が全てロックされる。ハンドル（１１８）の動作スイッチ（１１４、１１６）を両方押した場合にのみ、電磁石が解放される。動作スイッチ（１１４、１１６）の片方のみが押されても、いずれの電磁石も開放されず、操作者は電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）のいずれかを介してロボットアーム（１００）を操作することができない。これは、ロボットアーム（１００）の不意の動作を防ぐための安全機能である。
【０１１７】
アーム全体がロックされている際に、エンドエフェクタのアームに力がかかると、差動ドライバの出力軸は、作動駆動部の本体に対してわずかに回転する。かかる回転は、関節角度エンコーダにより測定可能である。したがって、エンドエフェクタにかかった力による、差動ドライブへのトルクは、差動ドライブの剛性を考慮して計算できる。全関節に対するトルクを考慮して、エンドエフェクタにかかる力の大きさと方向が計算できる。電磁ブレーキと、バックラッシュのない差動ドライブとの組み合わせにより、従来手段よりも小さな設置面積、大きな出力トルクが実現できる。この従来手法とは、１．モーターと差動ドライブの組み合わせであるが、同じサイズのブレーキと比して、モーターの保持トルクがかなり小さい、２．差動ドライブを使用せず、ブレーキのみ使用して、本発明者らの手段よりも出力トルクが小さく、設置面積が大きくなる、ものを指す。
【０１１８】
アダプタ（１３２）にモーターパック（４６）が取り付けられ、モーターパック（４６）に手術器具（１０）が連結されると、電源により、モーターパックに電力が送られる。モーターパック（４６）は、図９に示すロボット制御システム（２００）により制御される。
【０１１９】
ロボット制御システム（２００）は、個別の電源（２０２）により電力供給され、複数（図９では４つ）のモーターコントローラーモジュール（２０４）と、安全監視モジュール（２０６）とを備える。安全監視部（２０６）が、電源（２０２）と、複数のモーターコントローラーモジュール（２０４）との間に接続される。ロボット制御システム（２００）は、ロボット手術器具（１００）と、コンピュータシステム（２０８）との間に接続される。ロボット制御システム（２００）にはさらに、ロボット制御システム（２００）、すなわち手術器具（１０）への全電力を遮断するための緊急停止ボタン（２１０）が設けられる。主操作部（２１２）がコンピュータシステム（２０８）に接続される。コンピュータシステム（２０８）は、主操作部（２１２）の動きを解釈し、手術器具（１０）の所期の動作を判定し、適切な指示を、ＲＳ−４８５バスを介してロボット制御システム（２００）に送り、複数のモーターコントローラー（２０４）を駆動する。
【０１２０】
安全監視モジュール（２０６）は、例えば温度やモーター電流のような、ロボット制御システム（２００）および／または手術器具（１０）の多数のパラメータを監視する。安全監視モジュール（２０６）が、パラメータが所定の範囲から逸脱した、または所定の閾値を越えたと判定すると、安全監視モジュール（２０６）はモーターコントローラーモジュール（２０４）への電力を遮断して、誤動作、および／または患者の損傷／外傷を防ぐ。安全監視モジュール（２０６）はさらに、コンピュータシステム（２０８）と、ロボット制御システム（２００）との間、およびロボット制御システム（２００）と、手術器具（１０）との間の通信を傍受する。受信した動作パラメータから外れた指示が検出されると、安全監視モジュール（２０６）は、ロボット制御システム（２００）への全電力を遮断して、誤動作、および／または患者の損傷／外傷を防ぐ。
【０１２１】
安全監視モジュール（２０６）は、マザーボード（２１４）にプラグインされるモジュール要素である。各モーターコントローラーモジュール（２０４）も、マザーボード（２１４）にプラグインされるモジュール要素である。各モーターコントローラーモジュール（２０４）は、最大２つのモーターを制御でき、マザーボード（２１４）は最大４つのモーターコントローラーモジュール（２０４）を搭載できる。したがって、ロボット手術器具（１００）を駆動するために、最大８つのモーターを接続できる。本開示は限定的に解されるべきではなく、別の実施形態では、さらなるモーター制御モジュールが搭載可能でよく、各モーター制御モジュールは、１つ、２つ、またはそれ以上のモーターを制御可能であってもよい。
【０１２２】
アダプタ（１３２）は、ロボットアーム（１００）の内部配線を介して電力供給、信号制御可能な電気コネクタ（１３４）を備える。モーターパック（４６）は、電気コネクタ（１３４）または独立したケーブルを介して、電力供給、制御可能である。
【０１２３】
手術器具（１０）が、予め定義された境界内でのみ可動であることを保証するために、手術開始前に、三次元境界空間または空間的閾値が画定される。ロボットアーム（１００）を一連の空間点を通じて動かして、各空間点を境界点として記録することで、三次元境界空間が画定される。手術中、ロボットアームは三次元境界内でのみ可動となり、三次元境界に接触する、または場合によっては近づくだけで、自動的にロックされる。
【０１２４】
ロボットアーム（１００）の動きがロックされた後に、多様な方法でロック解除して手術を再開できる。ここで、その２つの例を以下に説明する。
【０１２５】
第１の例として、ロボットアーム（１００）は、各電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１２）と、手術器具エンドエフェクタ（２２）とのあらゆる動作を監視する回転エンコーダを備える。各動作は、各原点に対するデータ点として記録される。回転エンコーダは、電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）、ひいては手術器具エンドエフェクタ（２２）を、各データ点を通じて逆に可動とする。各データ点が、各原点に対して等しいと判定されると、電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）は全て完全に開放される。
【０１２６】
第２の例として、力検出手段が、各電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）に関連付けられる。プロセッサは、外科医が主操作部（２１２）に対してかけた力を方向に対応付け、電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４。１０６、１０８、１１０、１１２）の全てと、手術器具エンドエフェクタ（２２）が三次元境界から離れるように動くと判定された場合に、電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）をロック解除する。電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）のうちの１つ以上、および／またはエンドエフェクタ（２２）が３次元境界に向かって移動する、または交差すると判定されると、各電磁ブレーキ式関節（１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）はロックされたままとなり、動きが規制される。
【０１２７】
図１０および１１に、本発明の実施形態の手術器具（１０）とともに使用する保護スリーブ（３００）を示す。保護スリーブ（３００）は、第１の端（３０２ａ）と、第２の端（３０２ｂ）とを有する細長シース（３０２）を備える。細長シースは、薄いプラスチック材料で形成され、可撓かつ、圧縮可能である。細長シース（３０２）の第１の端（３０２ａ）は、取着インターフェース（３０４）により、手術器具に取着可能である。取着インターフェースは、捻じれロック機構またはスナップ式インターフェース等のロック手段を備えてもよいし、磁気式であってもよい。細長シース（３０２）の第２の端（３０２ｂ）は、ダックビル弁またはその他適切な種類のバルブのような、端部閉鎖部（３０６）取着用のインターフェースを画定する。端部閉鎖部（３０６）は、細長シース（３０２）の第２の端（３０２ｂ）に、例えばロック手段または磁気式取着具により取着されてもよい。
【０１２８】
使用の際、手術器具（１０）のエンドエフェクタは、殺菌後に保護スリーブ（３００）内に挿入される。保護スリーブ（３００）は、取着インターフェース（３０４）により手術器具（１０）に取着される。手術器具（１０）は、手術開始直前に、ポートのルーメン内に挿入される。閉鎖手段（３０６）を、保護スリーブ（３００）の第２の端（３０２ｂ）に磁石を利用して取着する実施形態では、磁石は、手術器具（１０）をポートのルーメンに対して整列するように使用される。閉鎖手段（３０６）は、ポートのルーメン内を延在できるように適切な大きさに設計される。手術器具（１０）が前進すると、手術器具（１０）がバルブ（３０６）を通過し、保護スリーブ（３００）がポート内で圧縮されて、手術器具（１０）が露出する。
【０１２９】
手術が終わると、手術器具（１００）は患者から取り出されて、ポートを介して保護スリーブ（３００）内に収容される。手術器具は、バルブを逆に通過し、手術器具が再び保護スリーブ（３００）に完全に収められると、バルブは閉じる。再使用する前に、手術器具はオートクレーブ、ガス、または放射線による処置で殺菌され、新たな保護スリーブ（３００）が手術器具（１００）に装着される。使用済み保護スリーブ（３００）は、手術後には有害廃棄物として廃棄される。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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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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【国際調査報告】
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