(57)【要約】      （修正有）【課題】エンドエフェクタに伝達される作動トルクがバックドライブ可能なメインシャフトをバックドライブすることを防ぐための方法の提供【解決手段】第１の変速装置５２０の第１の入力リンク５２８を回転させることを含む。第１の出力リンク５３０が、メインシャフト組立体に連結され、メインシャフト５０８及びエンドエフェクタ５１０を含む。第１の出力トルクは、メインシャフト組立体に伝達され、第１のエンドエフェクタトルクは第１の出力トルクに応じてエンドエフェクタに伝達される。さらに、トルクを第１の変速装置の第１のベースリンク５３２から第１の回転カップリング５２２を通して伝達することを含む。第１の回転カップリングは、第１の反作用トルクがメインシャフトに加えられるように、第１のベースリンクとメインシャフトの間に第２のギヤ比を提供し、第１の反作用トルクは、第１の出力トルクによるメインシャフト組立体の回転駆動を抑止する。【選択図】図２５
2018020145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドエフェクタに伝達される作動トルクがバックドライブ可能なメインシャフトをバックドライブすることを防ぐための方法であって：
第１の変速装置の第１の入力リンクと前記第１の変速装置の第１の出力リンクとの間に第１のギヤ比を提供する前記第１の変速装置の前記第１の入力リンクを回転させるステップであって、前記第１の出力リンクは、べースに回転可能に取り付けられたメインシャフト組立体に回転可能に連結されるとともに、前記メインシャフト及び前記メインシャフトによって支持された前記エンドエフェクタを含み、第１の出力トルクは、前記第１の出力リンクによって前記メインシャフト組立体に伝達されるとともに、第１のエンドエフェクタトルクは前記第１の出力トルクに応じて前記エンドエフェクタに伝達され、前記第１の出力トルクは、前記メインシャフト組立体のバックドライビングトルク閾値より大きい、ステップ；及び
トルクを前記第１の変速装置の第１のベースリンクから前記第１のベースリンクと前記メインシャフトとの間の第１の回転カップリングを通して伝達するステップであって、前記第１の回転カップリングは、前記第１の出力トルクからの方向と反対である第１の反作用トルクが前記メインシャフトに加えられるように、前記第１のベースリンクと前記メインシャフトとの間に第２のギヤ比を提供し、前記第１の反作用トルクは、前記第１の出力トルクによる前記メインシャフト組立体の回転駆動を抑止する、ステップ；を有する、
方法。
【請求項２】
前記第１のネットトルクの大きさは、前記バックドライビングトルク閾値の５０パーセント未満である、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のネットトルクの大きさは、前記バックドライビングトルク閾値の２５パーセント未満である、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のネットトルクの大きさは、前記バックドライビングトルク閾値の１０パーセント未満である、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の反作用トルクの大きさは、前記第１の出力トルクの大きさの１０パーセント以内である、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の反作用トルクの大きさは、前記第１の出力トルクの大きさの２パーセント以内である、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第１のエンドエフェクタ駆動シャフトは、前記第１のエンドエフェクタトルクを前記エンドエフェクタに伝達し、前記メインシャフトの回転は、前記メインシャフトの回転の１０パーセント未満である前記第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの回転を引き起こす、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの引き起こされた前記回転は、前記メインシャフトの回転の５パーセント未満である、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
第２の変速装置の第２の入力リンクと前記第２の変速装置の第２の出力リンクとの間に第３のギヤ比を提供する前記第２の変速装置の前記第２の入力リンクを回転させるステップであって、前記第２の出力リンクは、第２の出力トルクが前記第２の出力リンクによって前記メインシャフト組立体に伝達されるとともに、第２のエンドエフェクタトルクが前記第２の出力トルクに応じて前記エンドエフェクタに伝達されるように、前記メインシャフト組立体に回転可能に連結され、前記第２の出力トルクは前記バックドライビングトルク閾値より大きい、ステップ；及び
トルクを前記第２の変速装置の第２のベースリンクから前記第２のベースリンクと前記メインシャフトとの間の第２の回転カップリングを通して伝達するステップであって、前記第２の回転カップリングは、前記第２の出力トルクからの方向と反対である第２の反作用トルクが前記メインシャフトに加えられるように、前記第２のベースリンクと前記メインシャフトとの間に第４のギヤ比を提供し、前記第２の反作用トルクは前記第２の出力トルクによる前記メインシャフト組立体の回転駆動を抑止する、ステップ；をさらに有する、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１及び前記第２の回転カップリングは、共通駆動シャフトを共有する、
請求項９に記載の方法。
【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、２０１０年１１月１５日に“ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＰＡＳＳＩＶＥＬＹ  ＤＥＣＯＵＰＬＩＮＧ  ＴＯＲＱＵＥ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＢＹ  Ａ  ＲＥＭＯＴＥ  ＡＣＴＵＡＴＯＲ  ＩＮＴＯ  ＡＮ  ＩＮＤＥＰＥＮＤＥＮＴＬＹ  ＲＯＴＡＴＩＮＧ  ＭＥＭＢＥＲ”の名称で出願された米国仮特許出願第６１／４１３，８８５号（代理人整理番号ＩＳＲＧ  ０２９３０ＰＲＯＶ／ＵＳ）、及び２０１１年５月３１日に“ＤＥＣＯＵＰＬＩＮＧ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ  ＳＨＡＦＴ  ＲＯＬＬ  ＡＮＤ  ＥＮＤ  ＥＦＦＥＣＴＯＲ  ＡＣＴＵＡＴＩＯＮ  ＩＮ  Ａ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ”の名称で出願された米国仮特許出願第６１／４９１，７８９号（代理人整理番号ＩＳＲＧ  ０３３１０／ＵＳ）の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲手術技法は、診断又は外科手術中に傷つけられる無関係な組織の量を低減し、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減することを目的とする。結果として、標準的な手術の入院の平均的長さは、低侵襲手術技法を使用して、著しく短縮され得る。また、患者の回復時間、患者の不快感、手術の副作用、及び仕事を離れる時間も低侵襲性手術によって低減され得る。
【０００３】
低侵襲性手術の一般的な形態は内視鏡検査であり、内視鏡検査の一般的な形態は、腹腔の内側の低侵襲性検査及び手術である、腹腔鏡検査である。標準的な腹腔鏡手術では、患者の腹部はガスを吹き込まれ、腹腔鏡器具用の進入ポートを提供するように、カニューレスリーブが小（約１／２インチ以下）切開部を通過させられる。
【０００４】
腹腔鏡手術器具は一般的に、手術野を視認するための内視鏡（腹腔鏡）、及び手術部位で作業するためのツールを含む。作業ツールは、各ツールの作業端又はエンドエフェクタが、延長チューブ（例えば、器具シャフト又はメインシャフトとしても知られる）によってそのハンドルから分離されることを除いて、従来の（観血）手術で使用されるものと一般的には同様である。エンドエフェクタは、例えば、クランプ、把持装置、鋏、吻合器、焼灼ツール、線形カッター、又は針ホルダを含むことができる。
【０００５】
外科手術を行うために、外科医は、作業ツールを、カニューレスリーブを通って内部手術部位まで通過させ、腹部の外側からそれらを操作する。外科医は、内視鏡から得られる手術部位の画像を表示するモニタから手術を視認する。同様の内視鏡技法が、例えば、関節鏡検査、後腹膜鏡検査、骨盤鏡検査、腎盂鏡検査、膀胱鏡検査、脳槽鏡検査、洞房鏡検査、子宮鏡検査、尿道鏡検査、及び同等のもので用いられる。
【０００６】
低侵襲遠隔手術ロボットシステムは、内部手術部位で作業する時に外科医の器用さを増大させるように、及び外科医が遠隔地（滅菌野の外側）から患者に手術をすることを可能にするように、開発されている。遠隔手術システムでは、外科医はしばしば、制御コンソールにおいて手術部位の画像が提供される。適切なビューア又はディスプレイ上で手術部位の３次元画像を視認しながら、外科医は、制御コンソールのマスタ入力部又は制御デバイスを操作することによって、患者に外科手術を行う。マスタ入力デバイスのそれぞれは、サーボ機械的に作動／関節動作する手術器具の動きを制御する。外科手術中に、遠隔手術システムは、マスタ入力デバイスの操作に応じて、外科医のために様々な機能、例えば、針を保持又は押し込むこと、血管を把持すること、組織を解離すること、又は同様のこと等を果たす、エンドエフェクタを有する様々な手術器具又はツールの機械的作動及び制御を提供することができる。
【０００７】
多くの既存の低侵襲遠隔手術ロボットシステムでは、手術器具の操作は、幾つかのロボットアームを有する手術ロボットによって提供される。ロボットアームのそれぞれは、幾つかのロボットジョイント及び手術器具の取り付けのための装着具を有する。装着具の少なくとも１つに一体化されるのは、手術器具の対応する入力カプラに動力を伝えるように連結する幾つかの駆動カプラ（例えば、回転駆動カプラ）である。手術器具は、入力カプラを手術器具の対応する動き（例えば、メインシャフトの回転、エンドエフェクタのピッチ、エンドエフェクタのヨー、エンドエフェクタのあごのクランピング、ステープルの配置、組織の切断等）に動力を伝えるように結合する機構を含む。多くの既存の低侵襲遠隔手術ロボットシステムでは、それぞれの手術ロボットの駆動カプラは、例えば、ケーブル駆動作動システムにおいて可能であるように出力カプラの動きに対する正確な制御を提供するために、ケーブル駆動である。出力カプラの動きを正確に制御することによって、手術器具の対応する関連する動きに対する正確な制御が達成され得る。
【０００８】
ケーブル駆動出力カプラは典型的には限られた可動域を有する。このような限られた可動域は、出力カプラがエンドエフェクタのその他の動きによって影響を及ぼされないエンドエフェクタの動きと関連する場合には、有害でない場合がある。しかし、このような限られた可動域は、出力カプラがエンドエフェクタのもう１つの動きによって影響を及ぼされるエンドエフェクタの動きと関連する場合には、有害になる場合がある。例えば、器具シャフトの回転は、エンドエフェクタ機構（例えば、クランピング機構、ステープルの配置のための機構、組織切断機構等）を駆動するために使用される駆動シャフトの回転に有害に結び付き得る。器具シャフトの回転及び駆動シャフトの回転に関連する出力カプラの補償動作が行われ得るが、このような補償動作は、主要目的のために使用され得る出力カプラの限られた可動域の一部を減少させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、手術器具の関連する動きを切り離す、特に手術器具の器具シャフトのロール及びエンドエフェクタの作動を切り離すための手術器具及び関連する方法に対する必要性があると考えられている。
【００１０】
これらのエンドエフェクタの操作及び制御はまた、ロボット手術システムの特に有益な態様である。この理由により、外科医の手首の自然な動作を模倣するように、エンドエフェクタの３自由度の回転動作を提供する機構を含む、手術ツールを提供することが望ましい。このような機構は、低侵襲手術に使用するために適切に寸法決定されるべきであるとともに、故障の可能性のあるポイントを低減するように比較的簡素な設計であるべきである。加えて、この様な機構は、エンドエフェクタが多種多様な位置で操作されることを可能にする、十分な運動範囲を提供するべきである。
【００１１】
非ロボット式線形クランピング、切断、及びステープリングデバイスは、多くの異なる手術に採用されている。例えば、この様なデバイスは、胃腸管から癌性又は異常組織を切除するために使用されることができる。既知の線形クランピング、切断、及びステープリングデバイスを含む、多くの既知の手術デバイスはしばしば、患者の組織を操作するために使用される対向するあご部を有する。
【００１２】
対向するあご部を有する既知の装置に関して、著しい量の機械的パワーが、効果的に、例えば、組織をクランプする、組織を吻合する、組織を切断する、等を行うためにエンドエフェクタに供給されなければならない。ほとんどの場合、器具のメインシャフトは、張力に対抗するメインシャフトの圧縮によって又はメインシャフト内に配置された駆動シャフトを介して供給されるトルクに対抗するメインシャフトの張力によって、エンドエフェクタに供給される機械的な力及び／又はトルクの少なくとも一部に対抗しなければならない。メインシャフト又はメインシャフトを回転して位置決めするために使用される機構が十分な剛性がない場合、メインシャフトは反力又はトルクに応じて予想外に動き得る。
【００１３】
したがって、伝達される駆動トルクに起因してエンドエフェクタを支持するために使用される独立して回転可能なメインシャフトの意図せぬ回転を経験しないエンドエフェクタに高駆動トルクを伝達する手術用組立体に対する必要性があると考えられている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動の切り離しを提供する手術用組立体及び関連する方法が開示される。多くの実施形態において、差動装置が、器具シャフトの遠位端部によって支持されるエンドエフェクタの駆動機構に出力動作を発生させるように、器具シャフトの回転に関連する動作を入力動作と組み合わせるために使用される。駆動機構は、エンドエフェクタの一部（例えば、把持あご部、ステープルの配置のための機構、組織切断機構、等）を関節動作させる。差動装置は、器具シャフトの回転がエンドエフェクタ部分の実質的にゼロ関節動作をもたらし、したがって器具シャフトの回転とエンドエフェクタの作動との間の如何なる有害な結合の可能性も除外するように、構成されることができる。
【００１５】
したがって、１つの態様において、手術用組立体が提供される。手術用組立体は、ベース、ベースに回転可能に取り付けられるとともに遠位端部と近位端部との間に延びる器具シャフト、器具シャフトの遠位端部において支持されるとともに回転運動によって駆動される作動機構を含むエンドエフェクタ、作動機構に回転可能に連結されるとともに作動機構に回転運動を提供するように構成される駆動シャフト、及び駆動シャフトに回転可能に連結されるとともに第１の入力運動及び第２の入力運動を受ける差動装置を含む。差動装置は、駆動シャフトを回転させる回転運動を発生させるために、第１及び第２の運動を結合するように構成される。第１の入力運動は、作動源に回転可能に連結できる。第２の入力運動は、ベースに対する器具シャフトの回転に結合される。多くの実施形態において、エンドエフェクタは、作動機構によって関節動作されるあご部を含む。
【００１６】
手術用組立体は、作動機構の作動を器具シャフトの回転から実質的に切り離すように構成され得る。例えば、差動装置は、第１の入力運動がゼロであるとき、ベースに対する器具シャフトの回転が、器具シャフトに対する駆動シャフトの実質的にゼロの回転をもたらすように構成され得る。
【００１７】
差動装置は、ケーブル及びプーリを使用することによって実現され得る。例えば、差動装置は、ベースに対する駆動シャフトの回転をベースに対する器具シャフトの回転と駆動連結する第１のケーブル及び作動源に駆動連結される第２のケーブルを含み得る。多くの実施形態において、第２のケーブルは、第１及び第２のプーリを有する第１及び第２のプーリブロックにそれぞれ結合され、第１のケーブルは第１及び第２のプーリに掛けられる。他の例として、差動装置は、ベースに対する駆動シャフトの回転を作動源と駆動連結する第１のケーブル及びベースに対する器具シャフトの回転に駆動連結される第２のケーブルを含み得る。多くの実施形態において、第２のケーブルは、第１及び第２のプーリを有する第１及び第２のプーリブロックにそれぞれ掛けられ、第１のケーブルは第１及び第２のプーリに掛けられる。
【００１８】
差動装置は、サンギヤ、キャリアに連結された遊星ギヤ、及びリングギヤを含む遊星ギヤボックスを含み得る。多くの実施形態では、第１の入力運動はキャリアを回転させ、第２の入力運動はサンギヤを回転させ、リングギヤの回転は駆動シャフトに伝達される。第１の入力運動はキャリアに入力シャフトを通して伝達され得る。そして、サンギヤは入力シャフトの周りを回転し得る。多くの実施形態では、入力シャフトは、器具シャフトを横切るように配向される。手術用組立体は、作動源とキャリアとの間の分離に際し器具シャフトに対する所定の回転位置に駆動シャフトを戻すために、ベースとキャリアとの間に連結されたトーションバネを含み得る。
【００１９】
他の態様では、方法は、手術用器具シャフトの回転をエンドエフェクタの機構と駆動可能に連結された駆動シャフトの回転から切り離すことが提供する。方法は、所望のエンドエフェクタ配置に関連する第１の入力運動を発生させること；ベースに隣接する近位端部とエンドエフェクタを支持する遠位端部との間に延びる手術用器具シャフトをベースに対して回転させること；ベースに対する手術用器具シャフトの回転に応じて第２の入力運動を発生させること；第１及び第２の入力運動を、出力運動を発生させるように結合すること；及び出力運動に応じて駆動シャフトを回転させること、を含む。多くの実施形態では、第１及び第２の入力運動は、第１の入力運動がゼロであるとき、手術用器具シャフトに対する駆動シャフトの回転が実質的に発生しないように、結合される。
【００２０】
方法は、ケーブルを使用することによって実現され得る。例えば、方法は、ベースに対する手術用器具シャフトの回転に応じて第１のケーブルを動かすこと、第２のケーブルを動かすこと、第２のケーブルの動きに応じて第１のプーリ及び第２のプーリを動かすこと、第１及び第２のプーリそれぞれに第１のケーブルを掛けること、及び第１のケーブルの動きに応じて駆動シャフトを回転させること、を含み得る。多くの実施形態では、方法は、それぞれのプーリの約１８０度の扇形を越えて第１及び第２のプーリそれぞれに第１のケーブルを掛けることを含む。他の例として、方法は、第１のケーブルを動かすこと、ベースに対する手術用器具シャフトの回転に応じて第２のケーブルを動かすこと、第２のケーブルの動きに応じて第１のプーリ及び第２のプーリを動かすこと、第１及び第２のプーリそれぞれに第１のケーブルを掛けること、及び第１のケーブルの動きに応じて駆動シャフトを回転させること、を含み得る。多くの実施形態では、方法は、それぞれのプーリの約１８０度の扇形を越えて第１及び第２のプーリそれぞれに第１のケーブルを掛けることを含む。
【００２１】
方法は、差動歯車組立体を使用することによって実現され得る。例えば、方法は、第１の入力運動に応じて差動歯車組立体の第１の入力リンクを回転させること、第２の入力運動に応じて差動歯車組立体の第２の入力リンクを回転させること、及び差動歯車組立体の出力リンクの回転に応じて駆動シャフトを回転させることを含み得る。多くの実施形態では、差動歯車組立体は、サンギヤ、キャリアに連結された遊星ギヤ、及びリングギヤを有する遊星ギヤ組立体を含む。第１及び第２の入力運動の差動歯車組立体への任意の連結が使用され得る。例えば、第１の入力運動はキャリアを回転させることができ、第２の入力運動はサンギヤを回転させることができ、出力運動はリングギヤの回転によって発生され得る。方法は、第１の入力運動をキャリアに入力シャフトを通して伝達すること、及びサンギヤを入力シャフト周りに回転させることを含み得る。多くの実施形態では、入力シャフトは、器具シャフトを横切るように配向される。方法は、第１の入力運動を発生させる作動源と差動歯車組立体の第１の入力リンクとの間の分離に際しエンドエフェクタ機構を所定の配置に戻すことを含み得る。
【００２２】
手術用組立体及び関連する方法はまた、メインシャフトの望まない回転を起こさずに独立して回転可能なメインシャフトによって支持されるエンドエフェクタの回転機構への高レベルの作動トルクの伝達を提供することを開示する。入力駆動シャフトは、メインシャフトの意図されない回転（例えば、バックドライビング）を抑止するために、メインシャフトが回転機構に伝達される作動トルクの方向と反対の反作用トルクに受動的にさらされるように、変速及び回転カップリングを介して回転機構及びメインシャフトの両方に連結される。開示された組立体及び方法は、メインシャフトの意図されない回転を受動的に抑止しながら、高レベルの作動トルクをエンドエフェクタの２つ以上の回転機構に伝達することに、拡張され得る。開示された組立体及び方法は、低侵襲ロボット手術用組立体及び方法に用いられるとき特に有利になり得る。
【００２３】
したがって、他の態様では、低侵襲ロボット手術用組立体が提供される。手術用組立体は、ベース；ベースに回転可能に取り付けられ、メインシャフト、メインシャフトによって支持されるエンドエフェクタ、及びエンドエフェクタに駆動可能に連結された第１のエンドエフェクタ駆動シャフトを含む、メインシャフト組立体；ベースに対してメインシャフトを回転可能に駆動するメインシャフト駆動装置；第１の入力トルクを伝達する第１の入力駆動シャフト；及び第１の駆動シャフト、第１のエンドエフェクタ駆動シャフトに回転可能に連結された第１の出力リンク、及び第１のベースリンクに回転可能に連結された第１の入力リンクを有する第１の変速装置、を含む。第１の変速装置は、第１の入力トルクに応じて第１の出力トルクをメインシャフト組立体に伝達するように、第１の入力リンクと第１の出力リンクとの間に第１のギヤ比を提供する。第１のエンドエフェクタトルクは、第１の出力トルクに応じて第１のエンドエフェクタ駆動シャフトによってエンドエフェクタに伝達される。第１のベースリンクは、第１のベースリンクが、第１の入力トルクに応じて、第１の出力トルクからの方向と反対である第１の反作用トルクをメインシャフトに伝達するように、第２のギヤ比でメインシャフトに回転可能に連結される。第１の反作用トルクは、第１の出力トルクによるメインシャフト組立体の回転駆動を抑止する。第１の出力リンクは、非単一ギヤ比を提供する回転カップリングを介して第１のエンドエフェクタ駆動シャフトと連結され得る。
【００２４】
多くの実施形態では、第１の反作用トルクの大きさは、第１の出力トルクの大きさと少なくとも略等しい。好ましくは、第１の反作用トルクの大きさは、第１の出力トルクの大きさの１０パーセント以内である。そして理想的には、第１の反作用トルクの大きさは、第１の出力トルクの大きさの２パーセント以内である。
【００２５】
多くの実施形態では、メインシャフト組立体は、メインシャフトがバックドライビングトルク閾値を越えるネットトルクにさらされるときメインシャフトがメインシャフト駆動装置をバックドライブするとともにメインシャフトがバックドライビングトルク閾値未満のネットトルクにさらされるときメインシャフト駆動装置をバックドライブしないような、バックドライビングトルク閾値を有する。第１の反作用トルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値より小さい第１のネットトルクだけ、第１の出力トルクの大きさと異なり得る。好ましくは、第１のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の５０パーセント未満である。より好ましくは、第１のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の２５パーセント未満である。さらにより好ましくは、第１のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の１０パーセント未満である。そして、理想的には、第１のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の２パーセント未満である。
【００２６】
多くの実施形態では、第１の変速装置は、第１のサンギヤ、第１のリングギヤ、及び第１のキャリアに支持された第１の遊星ギヤを有する第１の遊星ギヤボックスを含む。多くの実施形態では、第１のサンギヤは第１の入力リンクに対応し、第１のキャリアは第１の出力リンクに対応し、第１のリングギヤは第１のベースリンクに対応する。多くの実施形態では、第１のキャリアは第１の入力リンクに対応し、第１のサンギヤは第１の出力リンクに対応し、第１のリングギヤは第１のベースリンクに対応する。多くの実施形態では、第１のサンギヤ又は第１のキャリアは第１のベースリンクに対応する。
【００２７】
多くの実施形態では、メインシャフトの回転は、メインシャフトに対する第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの比較的小さい量の回転のみを引き起こす。例えば、多くの実施形態では、メインシャフトの回転は、メインシャフトの回転の１０パーセント未満の第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの回転を引き起こす。そして、多くの実施形態では、第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの引き起こされた回転は、メインシャフトの回転の５パーセント未満である。
【００２８】
多くの実施形態では、手術用組立体は、エンドエフェクタに駆動可能に連結されるとともにメインシャフト組立体に含まれる第２のエンドエフェクタ駆動シャフト；第２の入力トルクを伝達する第２の入力駆動シャフト；及び第２の入力駆動シャフト、第２のエンドエフェクタ駆動シャフトに回転可能に連結された第２の出力リンク、及び第２のベースリンクに回転可能に連結された第２の入力リンクを有する第２の変速装置、をさらに含む。第２の変速装置は、第２の入力トルクに応じて第２の出力トルクをメインシャフト組立体に伝達するように、第２の入力リンクと第２の出力リンクとの間に第３のギヤ比を提供する。第２のエンドエフェクタトルクは、第２の出力トルクに応じて第２のエンドエフェクタ駆動シャフトによってエンドエフェクタに伝達される。第２のベースリンクは、第２のベースリンクが、第２の入力トルクに応じて、第２の出力トルクからの方向と反対である第２の反作用トルクをメインシャフトに伝達するように、第４のギヤ比でメインシャフトに回転可能に連結される。第２の反作用トルクは、第２の出力トルクによるメインシャフト組立体の回転駆動を抑止する。第２の出力リンクは、非単一ギヤ比を提供する回転カップリングを介して第２のエンドエフェクタ駆動シャフトと連結され得る。そして、手術用組立体は、それを通して第１及び第２のベースリンクがメインシャフトに回転可能に連結される共通の駆動シャフトを含み得る。
【００２９】
多くの実施形態では、第２の反作用トルクの大きさは、第２の出力トルクの大きさと少なくとも略等しい。好ましくは、第２の反作用トルクの大きさは、第２の出力トルクの大きさの１０パーセント以内である。そして理想的には、第２の反作用トルクの大きさは、第２の出力トルクの大きさの２パーセント以内である。
【００３０】
多くの実施形態では、メインシャフト組立体は、メインシャフトがバックドライビングトルク閾値を越えるネットトルクにさらされるときメインシャフトがメインシャフト駆動装置をバックドライブするとともにメインシャフトがバックドライビングトルク閾値未満のネットトルクにさらされるときメインシャフト駆動装置をバックドライブしないような、バックドライビングトルク閾値を有する。第２の反作用トルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値より小さい第２のネットトルクだけ、第２の出力トルクの大きさと異なり得る。好ましくは、第２のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の５０パーセント未満である。より好ましくは、第２のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の２５パーセント未満である。そして、理想的には、第２のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の１０パーセント未満である。
【００３１】
多くの実施形態では、第２の変速装置は、第２のサンギヤ、第２のリングギヤ、及び第２のキャリアに支持された第２の遊星ギヤを有する第２の遊星ギヤボックスを含む。多くの実施形態では、第２のサンギヤは第２の入力リンクに対応し、第２のキャリアは第２の出力リンクに対応し、第２のリングギヤは第２のベースリンクに対応する。多くの実施形態では、第２のキャリアは第２の入力リンクに対応し、第２のサンギヤは第２の出力リンクに対応し、第２のリングギヤは第２のベースリンクに対応する。多くの実施形態では、第２のサンギヤ又は第２のキャリアは第２のベースリンクに対応する。
【００３２】
他の態様では、手術中にエンドエフェクタに伝達される作動トルクがバックドライブ可能なメインシャフトをバックドライブすることを防ぐための方法が提供される。方法は、第１の入力リンクと第１の変速装置の第１の出力リンクとの間に第１のギヤ比を提供する第１の変速装置の第１の入力リンクを回転させることを含む。第１の出力リンクは、ベースに回転可能に取り付けられたメインシャフト組立体に回転可能に連結されるとともに、メインシャフト及びメインシャフトによって支持されたエンドエフェクタを含んでいる。第１の出力トルクは、第１の出力リンクによってメインシャフト組立体に伝達され、第１のエンドエフェクタトルクは第１の出力トルクに応じてエンドエフェクタに伝達される。第１の出力トルクは、メインシャフト組立体のバックドライビングトルク閾値より大きい。方法はさらに、トルクを第１の変速装置の第１のベースリンクから第１のベースリンクとメインシャフトとの間の第１の回転カップリングを通して伝達することを含む。第１の回転カップリングは、第１の出力トルクからの方向と反対である第１の反作用トルクがメインシャフトに加えられるように、第１のベースリンクとメインシャフトとの間に第２のギヤ比を提供する。第１の反作用トルクは、第１の出力トルクによるメインシャフト組立体の回転駆動を抑止する。
【００３３】
第１の反作用トルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値より小さい第１のネットトルクだけ、第１の出力トルクの大きさと異なり得る。好ましくは、第１のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の５０パーセント未満である。より好ましくは、第１のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の２５パーセント未満である。そして、理想的には、第１のネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の１０パーセント未満である。
【００３４】
多くの実施形態では、第１の反作用トルクの大きさは、第１の出力トルクの大きさと少なくとも略等しい。好ましくは、第１の反作用トルクの大きさは、第１の出力トルクの大きさの１０パーセント以内である。そして理想的には、第１の反作用トルクの大きさは、第１の出力トルクの大きさの２パーセント以内である。
【００３５】
多くの実施形態では、第１のエンドエフェクタ駆動シャフトは、第１のエンドエフェクタトルクをエンドエフェクタに伝達し、メインシャフトの回転は、第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの比較的小さい量の回転のみを引き起こす。例えば、多くの実施形態では、メインシャフトの回転は、メインシャフトの回転の１０パーセント未満の第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの回転を引き起こす。そして、多くの実施形態では、第１のエンドエフェクタ駆動シャフトの引き起こされる回転は、メインシャフトの回転の５パーセント未満である。
【００３６】
多くの実施形態では、方法は、第２の入力リンクと第２の変速装置の第２の出力リンクとの間に第３のギヤ比を提供する第２の変速装置の第２の入力リンクを回転させることをさらに含む。第２の出力リンクは、第２の出力トルクが第２の出力リンクによってメインシャフト組立体に伝達されるとともに、第２のエンドエフェクタトルクが第２の出力トルクに応じてエンドエフェクタに伝達されるように、メインシャフト組立体に回転可能に連結される。第２の出力トルクは、バックドライビングトルク閾値より大きい。多くの実施形態では、方法はさらに、トルクを第２の変速装置の第２のベースリンクから第２のベースリンクとメインシャフトとの間の第２の回転カップリングを通して伝達することを含む。第２の回転カップリングは、第２の出力トルクからの方向と反対である第２の反作用トルクがメインシャフトに加えられるように、第２のベースリンクとメインシャフトとの間に第４のギヤ比を提供する。第２の反作用トルクは、第２の出力トルクによるメインシャフト組立体の回転駆動を抑止する。そして、多くの実施形態では、第１及び第２の回転カップリングは、共通駆動シャフトを共有する。
【００３７】
本発明の性質及び利点のより完全な理解のために、次の詳細な説明及び添付の図面が参照されるべきである。本発明の他の態様、目的、及び利点は、以下の図面及び詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、多くの実施形態による、手術を行うために使用されている低侵襲ロボット手術システムの平面図である。
【図２】図２は、多くの実施形態による、ロボット手術システムのための外科医の制御コンソールの斜視図である。
【図３】図３は、多くの実施形態による、ロボット手術システムの電子装置カートの斜視図である。
【図４】図４は、多くの実施形態による、ロボット手術システムを図式的に示す。
【図５Ａ】図５Ａは、多くの実施形態による、ロボット手術システムの患者側カート（手術ロボット）の正面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ロボット手術ツールの正面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、多くの実施形態による、対向するクランプあご部を有するエンドエフェクタを含むロボット手術ツールの斜視図である
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａエンドエフェクタの拡大斜視図である。
【図７】図７は、図６Ａのエンドエフェクタの分解斜視図であり、駆動シャフトの回転運動を対向するクランプあご部の関節動作に変換するために使われる機構を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、多くの実施形態による、対向するクランプあご部及び駆動シャフトの回転運動を対向するクランプあご部の関節動作に変換するために使われる機構を有するエンドエフェクタの斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、多くの実施形態による、対向するクランプあご部及び駆動シャフトの回転運動を対向するクランプあご部の関節動作に変換するために使われる機構を有するエンドエフェクタの斜視図である。
【図９】図９は、多くの実施形態による、回転可能な器具シャフトの遠位端部に支持されているエンドエフェクタの作動機構に連結された駆動シャフトを示す簡略化した斜視図である。
【図１０】図１０は、多くの実施形態による、エンドエフェクタ機構を作動させるために使用される出力運動を発生させるように第１の入力運動と器具シャフトの回転を組み合わせるための差動装置の使用を示す概略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、多くの実施形態による、手術器具における器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動を切り離すために使用されるケーブル実装差動装置を示す簡略化した平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、１１Ａのケーブル実装差動装置を示す簡略化した側面図である。
【図１２】図１２は、多くの実施形態による、手術器具における器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動を切り離すために使用されるケーブル駆動差動装置を有する手術器具の近位シャシを示す斜視図である。
【図１３】図１３は、多くの実施形態による、手術器具における器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動を切り離すために使用される遊星ギヤボックスを有する手術器具の近位シャシを示す斜視図である。
【図１４】図１４は、図１３の手術器具の近位シャシを示す平面図である。
【図１５】図１５は、図１３の手術器具の近位シャシを示す側面図である。
【図１６】図１６は、多くの実施形態による、手術器具の入力カプラに連結される遊星ギヤボックスを示す部分的な分解斜視図である。
【図１７】図１７は、図１６の遊星ギヤボックス及び入力カプラの分解斜視図である。
【図１８】図１８は、多くの実施形態による、手術器具シャフトのロールを、手術器具シャフトによって支持されるエンドエフェクタの機構と駆動可能に連結された駆動シャフトの回転から切り離す方法の動作を示す
【図１９】図１９は、多くの実施形態による、図１８の方法の実装に使用され得るケーブル駆動差動装置に関する動作を示す。
【図２０】図２０は、多くの実施形態による、図１８の方法の実装に使用され得る別のケーブル駆動差動装置に関する動作を示す。
【図２１】図２１は、多くの実施形態による、図１８の方法の実装に使用され得る差動歯車組立体に関する動作を示す。
【図２２】図２２は、多くの実施形態による、回転可能なメインシャフト内に２つのオフセット駆動シャフトを有するロボット組立体を図式的に示す。
【図２３】図２３は、多くの実施形態による、コントローラと図２２のロボット組立体の構成要素の統合を図式的に示す。
【図２４】図２４は、多くの実施形態による、ロボットツール及び関連するロボットシステムを図式的に示す。
【図２５】図２５は、多くの実施形態による、メインシャフトの意図されない回転を避けるように駆動モータがエンドエフェクタ及びエンドエフェクタを支持するメインシャフトに連結される手術用組立体を図式的に示す。
【図２６】図２６は、多くの実施形態による、遊星ギヤ組立体の斜視図である。
【図２７ａ】図２７ａは、多くの実施形態による、駆動シャフトによってエンドエフェクタに伝達される作動トルクに起因するメインシャフトの意図されない回転を避けるように、独立して回転可能なメインシャフト及びそれぞれの内部駆動シャフトに連結される駆動モータを含む、低侵襲手術器具組立体の斜視図である。
【図２７ｂ】図２７ｂは、モータパック並びにモータパックの駆動モータをメインシャフト及びそれぞれの内部駆動シャフトに連結する駆動カップリングを示す図２７ａの器具組立体の分解斜視図である。
【図２８ａ】図２８ａは、駆動モータ並びに駆動モータをメインシャフト及びそれぞれの内部駆動シャフトに回転可能に連結するために使用される構成要素を示す図２７ａの器具組立体の内部構成要素の斜視図である。
【図２８ｂ】図２８ｂは、図２７ｂに対応する切り離された状態における図２８ａの内部構成要素を示す分解斜視図である。
【図２９ａ】図２９ａは、駆動モータの１つとメインシャフト及びそれぞれの内部駆動シャフトの連結に関連する図２７ａの内部構成要素を示す斜視図である。
【図２９ｂ】図２９ｂは、図２９ａの内部構成要素の端面図である。
【図２９ｃ】図２９ｃは、図２９ｂのＡ−Ａ断面図を示す。
【図３０】図３０は、駆動モータ、ギヤボックス、及び駆動モータをそれぞれの内部駆動シャフト及びメインシャフトに回転可能に連結するために使用されるギヤを示す図２７ａの器具組立体の内部構成要素の斜視図である。
【図３１】図３１は、多くの実施形態による、エンドエフェクタに伝達される作動トルクが手術中にバックドライブ可能なメインシャフトを回転駆動することを防ぐための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下の説明では、本発明の様々な実施形態が記載される。説明のために、特定の形態及び詳細が実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかし、本発明が特定の詳細なしに実施され得ることはまた当業者には明らかであろう。さらに、良く知られた特徴は、記載される実施形態を不明瞭にしないために、省略又は簡略化され得る。
【００４０】
（低侵襲性ロボット手術）
今図面を参照すると、図１は、典型的には手術台１４に横たわっている患者１２に低侵襲診断又は外科手術を行うために使用される、低侵襲ロボット手術（ＭＩＲＳ）システム１０の平面図である。図面において、同様の参照番号は同様の部分を表す。システムは、手術中に外科医１８による使用のための外科医用コンソール１６を含む。１人又は複数の助手２０も手術に参加し得る。ＭＩＲＳシステム１０は、患者側カート２２（手術ロボット）及び電子装置カート２４をさらに含み得る。患者側カート２２は、外科医１８がコンソール１６を通して手術部位を視認している間、患者１２の身体の低侵襲性切開部を通る少なくとも１つの取り外し可能に連結されたツール組立体２６（以降、単に「ツール」と呼ばれる）を操作することができる。手術部位の画像は、内視鏡２８を正しい方向に向けるために患者側カート２２によって操作され得る、立体内視鏡等の内視鏡２８によって取得することができる。電子装置カート２４は、外科医用コンソール１６を通じて続いて外科医１８に表示するための手術部位の画像を処理するために、使用され得る。一度に使用される手術ツール２６の数は、概して、診断又は外科手術及び他要因の中でも手術室内の空間的制約に依存する。手術中に使用されている１つ又は複数のツール２６を交換することが必要な場合、助手２０は、患者側カート２２からツール２６を取外し、それを手術室のトレイ３０からの別のツール２６に交換し得る。
【００４１】
図２は、外科医用コンソール１６の斜視図である。外科医用コンソール１６は、奥行き認識を可能にする手術部位の協調立体像を外科医１８に提示するための左眼ディスプレイ３２及び右眼ディスプレイ３４を含む。コンソール１６はさらに、１つ又は複数の入力制御デバイス３６を含み、この入力制御デバイスは次に、患者側カート２２（図１に示される）に１つ又は複数のツールを操作させる。入力制御デバイス３６は、テレプレゼンス、又は外科医がツール２６を直接制御している強い感覚を有するように制御デバイス３６がツール２６と一体であるという認識を、外科医に提供するために、関連するツール２６（図１に示される）と同じ自由度を提供することができる。この目的を達成するために、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ（図示せず）が、入力制御デバイス３６を介して外科医の手にツール２６からの位置、力、及び触感を返送するために用いられ得る。
【００４２】
外科医用コンソール１６は通常、外科医が、手術を直接監視し得る、必要であれば物理的に存在し得る、及び電話又は他の通信媒体よりもむしろ直接助手に話し掛け得るように、患者と同じ部屋の中に配置される。しかし、外科医は、患者とは異なる部屋、全く異なる建物、又は遠隔手術を可能にする患者から離れた他の場所にいることができる。
【００４３】
図３は、電子装置カート２４の斜視図である。電子装置カート２４は、内視鏡２８と連結することができ、外科医用コンソールに、或いは局所的に及び／又は遠隔に位置する別の適切なディスプレイ上に、外科医等に続いて表示するために取り込まれた画像を処理するためのプロセッサを含み得る。例えば、立体内視鏡が使用される場合、電子装置カート２４は、手術部位の協調立体画像を外科医に提示するために、捕り込まれた画像を処理し得る。このような協調は、対向画像間の整列を含み得るとともに、立体内視鏡の立体作業距離を調整することを含み得る。別の例として、画像処理は、光学収差等、画像取込装置の結像誤差を補償するために、以前に決定されたカメラ較正パラメータの使用を含み得る。
【００４４】
図４は、ロボット手術システム５０（図１のＭＩＲＳシステム１０等）を図式的に示す。上述のように、外科医用コンソール５２（図１の外科医用コンソール１６等）は、低侵襲手術中に患者側カート（手術ロボット）５４（図１の患者側カート２２等）を制御するために外科医によって使用され得る。患者側カート５４は、手術部位の画像を取込み、取込まれた画像を電子装置カート５６（図１の電子装置カート２４等）に出力するために、立体内視鏡等の撮像デバイスを使用することができる。上述のように、電子装置カート５６は、後に続く表示の前に、種々の方法で取込まれた画像を処理することができる。例えば、電子装置カート５６は、外科医用コンソール５２を介して組み合わされた画像を外科医に表示する前に、取込まれた画像を仮想制御インターフェースと重ね合わせることができる。患者側カート５４は、電子装置カート５６の外部で処理するために取込まれた画像を出力することができる。例えば、患者側カート５４は、取込まれた画像を処理するために使用され得る、プロセッサ５８に取込まれた画像を出力することができる。画像はまた、共同して、連続して、及び／又はそれらの組み合わせで、取込まれた画像を処理するために一緒に連結され得る、電子装置カート５６及びプロセッサ５８の組み合わせによって処理することもできる。１つ又は複数の別個のディスプレイ６０も、手術部位の画像、又は他の関連画像等、画像の局所及び／又は遠隔表示のために、プロセッサ５８及び／又は電子装置カート５６と連結され得る。
【００４５】
図５Ａ及び５Ｂは、それぞれ、患者側カート２２及び手術ツール６２を示す。手術ツール６２は、手術ツール２６の例である。図示された患者側カート２２は、３つの手術ツール２６、及び手術の部位の画像の取込に使用される立体内視鏡等の撮像デバイス２８の操作を提供する。操作は、幾つかのロボット関節を有するロボット機構によって提供される。撮像デバイス２８及び手術ツール２６は、切開部のサイズを最小化するよう、運動学的遠隔中心が切開部において保持されるように、患者の切開部を通って位置決めされ得るとともに操作され得る。手術部位の画像は、手術ツール２６の遠位端が撮像デバイス２８の視野内に位置決めされるとき、手術ツール２６の遠位端の画像を含み得る。
（組織把持エンドエフェクタ）
図６Ａは、近位シャシ７２、器具シャフト７４、及び患者の組織を把持するように関節動作され得るあご部７８を有する遠位エンドエフェクタ７６を含む手術器具７０を示す。近位シャシは、患者側カート２２の出力カプラとインターフェースで接続するとともに患者側カート２２の出力カプラによって駆動されるように構成された入力カプラを含む。入力カプラは、バネ組立体８０の入力リンクに駆動可能に連結される。バネ組立体８０は、近位シャシ７２のフレーム８２に取り付けられるとともに、器具シャフト７４内に配置される駆動シャフトに駆動可能に連結される出力リンクを含む。駆動シャフトは、あご部７８に駆動可能に連結される。図６Ｂは、エンドエフェクタ７６のあご部７８の拡大図を提供する。
【００４６】
図７は、図６Ａのエンドエフェクタ７６の分解斜視図であり、駆動シャフト８４の回転運動をエンドエフェクタ７６の対向するクランプあご部の関節動作に変換するために使われるクランプ機構を示す。エンドエフェクタは、上方あご部８６、下方あご部８８、フレーム９０、上方あご部８６及び下方あご部８８をフレーム９０に揺動可能に取り付けるためのピン９２、及び駆動シャフト８４に駆動可能に連結されている送りねじ機構９４を含む。送りねじ機構９４は、送りねじ９６及び送りねじ９６の回転を介してフレーム９０のスロット１００に沿って前進又は後退される嵌合並進移動ナット９８を含む。並進移動ナット９８は、上方あご部８６のスロット１０２及び下方あご部８８のスロット１０４と連結する逆に延びる突出部を含むので、並進移動ナット９８がスロット１００に沿って前進又は後退されるとき上方あご部８６及び下方あご部８８のピン９２周りの関節動作を引き起こす。
【００４７】
図８Ａ及び図８Ｂは、図７のクランプ機構に類似するクランプ機構の動作を示す。図示された方向への駆動シャフト８４の回転は、並進移動ナット９８を、下方あご部８８及び上方あご部８６がエンドエフェクタのフレーム９０に揺動可能に取り付けられるピボットピン９２に向かって遠位に進ませる。図８Ｂに示されるように、並進移動ナット９８の突出部は、上方あご部８６のスロット１０２に係合する。ピボットピン９２に向かう並進移動ナット９８の遠位前進は、上方あご部を図示された方向に回転させるとともに、下方あご部８８を反対方向に回転させ、したがってあご部を開かせる。同様に、ピボットピン９２から離れる並進移動ナット９８の近位前進は、あご部を閉じさせる。したがって、あご部は患者の組織を把持するように関節動作され得る。
【００４８】
図７、図８Ａ、及び図８Ｂに示された送りねじタイプのクランプ機構は、駆動シャフトによって伝達される比較的低いトルクを比較的高いクランプ力に変換する相当な機械的利点を提供する。このような相当な機械的利点を有する機構を介して組織を過度なクランプ力にさらすことを避けるために、駆動シャフトによってクランプ機構に伝達されるトルクは制御され得る。
【００４９】
（代替エンドエフェクタ機構）
駆動シャフト８４は、任意の適切なエンドエフェクタ機構を作動させるために使用され得る。例えば、駆動シャフト８４は、組織吻合機構、組織切断機構、及び回転入力によって作動され得る一般的な任意の適切なエンドエフェクタ機構等、機構を作動させるために使用され得る。
【００５０】
（器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動の切り離し）
図９は、手術器具における器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動の切り離しを論じるための適切な出発点を提供する。図９は、アイテム（例えば、患者の組織、縫合針等）を把持するように操作可能な関節動作されるあご部１１２を含むエンドエフェクタ１１０を示す。エンドエフェクタ１１０は、関節動作されるあご部１１２等、エンドエフェクタ１１０の機構を作動させるための作動機構を含む。作動機構は、駆動シャフト１１４と駆動可能に連結される。エンドエフェクタ１１０は、器具シャフト１１６の遠位端部に支持される。器具シャフト１１６は、器具シャフト１１６を支持する近位シャシベースに対してある回転の範囲で回転可能である。同様に、駆動シャフト１１４は、近位シャシベースに対してある回転の範囲で回転可能である。
【００５１】
駆動シャフト１１４が駆動シャフト１１６の回転との如何なるつながりからも独立している場合、エンドエフェクタあご部１１２を作動させるために使用され得る近位シャシベースに対する駆動シャフト１１４の回転の範囲の一部は、近位シャシベースに対する駆動シャフト１１６の回転の範囲によって減らされる。例えば、ベースに対する器具シャフト１１６の回転の範囲が２回転に等しく且つベースに対する駆動シャフト１１４の回転の範囲が１０回転に等しい場合、エンドエフェクタ１１０に対する駆動シャフト１１４のネットの回転の範囲は８回転に等しい。言い換えると、これらの２つの独立した２回転は、組み合わされた場合、エンドエフェクタ１１０の作動機構に対する駆動シャフト１１４のゼロのネット回転を生み出すので、ベースに対する駆動シャフト１１４の２回転は、ベースに対する器具シャフト１１６の２回転によって事実上打ち消される。
【００５２】
図１０は、エンドエフェクタ作動機構を駆動させるための出力運動１２４を発生させるように第１の入力運動１２０と器具シャフトの回転１２２を組み合わせるための差動装置１１８の使用を概略的に示す。差動装置１１８は、近位シャシベースに対する駆動シャフト１１４の回転の量とエンドエフェクタ作動機構に対する駆動シャフト１１４の回転の対応する量との間の差を生じさせるときの器具シャフトの回転の上述の影響に対抗（相殺）するように構成され得る。例えば、差動装置１１８は、近位シャシベースに対する時計周りの３回転の出力運動１２４を生み出すように、近位シャシベースに対する時計回りの２回転の第１の入力運動１２０を近位シャシベースに対する時計回りの１回転の器具シャフトの運動１２２と組み合わせるように構成されることができ、事実上エンドエフェクタに対する時計回りの２回転の出力運動をもたらす。このような差動装置はまた、駆動シャフト１１４及び器具シャフト１１６が反対方向に回転する場合、器具シャフトの回転の上述の影響に対抗するように機能する。例えば、このような差動装置の構成を用いて、近位シャシベースに対する第１の入力運動１２０の時計回りの２回転は、ベースに対する器具シャフト１２２の反時計回りの１回転と組み合わせてベースに対する出力運動１２４の時計回りの１回転を生み出し、事実上エンドエフェクタに対する出力運動の時計回りの２回転の出力運動を作り出す。
【００５３】
差動装置が近位シャシベースに対する駆動シャフトの量とエンドエフェクタ作動機構に対する駆動シャフトの回転の対応する量との間の差を生み出す上述の器具シャフトの回転の影響の全てを実質的に相殺するように構成されることが好ましい一方、差動装置はまた、器具シャフトの回転の影響を任意の適切な程度に対抗（相殺）するように構成され得る。例えば、差動装置は、手術器具の所望の動作特性を達成するために適切であるように、上述の器具シャフトの回転の影響に、下回って対抗する、上回って対抗する、及び影響を拡大さえするように構成され得る。
【００５４】
差動装置は、任意の適切な方法で実装され得る。例えば、差動装置は、ケーブル及びプーリを使用して実装され得る。他の例として、差動装置は、遊星ギヤボックス組立体等、伝動装置を使用して実装され得る。
【００５５】
（ケーブル実装差動装置）
図１１Ａは、多くの実施形態による、ロボット手術器具における器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動を切り離すために使用されるケーブル実装差動装置１３０を示す。差動装置１３０は、近位シャシベースに対する器具シャフトの回転に回転可能に連結されるロールプーリ１３２、作動源に回転可能に連結されるエンドエフェクタ作動プーリ１３４、及びエンドエフェクタあご部作動機構に回転可能に連結される送りねじ駆動プーリ１３６を含む。ロールプーリ１３２及び送りねじ駆動プーリ１３６の両方に掛かる第１のケーブル１３８は、ロールプール１３２の回転に応じて送りねじ駆動プーリ１３６の回転を提供する。エンドエフェクタ作動プーリ１３４に掛かる第２のケーブル１４０は、第１のプーリブロック１４２及び第２のプーリブロック１４４に連結される。第１のプーリブロック１４２は、第１の可動プーリ１４６を含む。第２のプーリブロック１４４は、第２の可動プーリ１４８を含む。第１及び第２の可動プーリ１４６、１４８は第１のケーブル１３８が掛かる。
【００５６】
ロールプーリ１３２と送りねじ駆動プーリ１３６との間には、第１のケーブル１３８が４つの固定ガイドプーリに掛かる。これらの固定ガイドプーリは、第１のガイドプーリ１５０、第２のガイドプーリ１５２、第３のガイドプーリ１５４、及び第４のガイドプーリ１５６を含む。
【００５７】
図１１Ｂは、ケーブル実装差動装置１３０の側面図である。ロールプーリ１３２は、ヘリカルギヤ１５８を通して器具シャフトの回転と回転可能に連結される。ロールプーリ１３２及びヘリカルギヤ１５８は、回転軸１６０周りに回転する。器具シャフトは、ヘリカルギヤの回転軸１６０に直角に配向される回転軸周りに回転する。ヘリカルギヤ１５８及び器具シャフトとともに回転するように取り付けられた噛み合いヘリカルギヤは、器具シャフトの回転をロールプーリ１３２の回転に伝達する。
【００５８】
４つの固定ガイドプーリ１５０、１５２、１５４、１５６は、第１のケーブル１３８の位置を水平及び垂直に拘束するように働く。第１及び第３のガイドプーリ１５０、１５４は、第１のケーブル１３８の重なる部分の間の垂直な分離を提供するように、第２及び第４のガイドプーリ１５２、１５６の間に配置される。第１及び第３のガイドプーリ１５０、１５４はまた、第１の可動プーリ１４６の移動範囲にわたって第１の可動プーリ１４６と第１のケーブル１３８との間の１８０度の掛かりを提供するように、水平に配置される。同様に、第２及び第４のガイドプーリ１５２、１５６もまた、第２の可動プーリ１４８の移動範囲にわたって第２の可動プーリ１４８と第１のケーブル１３８との間の１８０度の掛かりを提供するように、水平に配置される。
【００５９】
ケーブル実装差動装置１３０は、送りねじ駆動プーリ１３６の運動を生じさせるように、ロールプーリ１３２の運動とエンドエフェクタ作動プーリ１３４の運動を結合する。例えば、エンドエフェクタ作動プーリ１３４のどんな回転もない場合、ロールプーリ１３２の回転は、送りねじ駆動プーリ１３６の対応する回転を生じさせるので、エンドエフェクタあご部作動機構に対する送りねじ駆動プーリ１３６のネットの回転をもたらさない。ロールプーリ１３２のどんな回転もない場合、エンドエフェクタ作動プーリ１３４の回転は、第１及び第２の可動プーリ１４６、１４８の対応する運動を生じさせるので、送りねじ駆動プーリ１３６のネットの回転を生じさせる。そしてロールプーリ１３２及びエンドエフェクタ作動プーリ１３４両方の同時の回転に関しては、第１のケーブル１３８及び第２のケーブル１４０の対応する運動は、ロールプーリ１３２及びエンドエフェクタ作動プーリ１３４の回転の組み合わせである送りねじ駆動プーリ１３６の回転をもたらす。
【００６０】
図１２は、多くの実施形態による、ケーブル実装差動装置１７０を有するロボット手術器具の近位シャシの斜視図である。ケーブル実装差動装置１７０は、ケーブル実装差動装置１３０と同様に構成されるが、第１のケーブル１８４を水平及び垂直に拘束するために、６つの固定ガイドプーリ１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２を含む。
【００６１】
任意の適切なケーブル実装差動装置が使用され得る。例えば、ケーブル実装差動装置１３０の変形形態では、第１のケーブル１３８はエンドエフェクタ作動プーリ１３４によって駆動されるとともに第２のケーブル１４０はロールプーリ１３２によって駆動される。
（ギヤ実装差動装置）
図１３は、多くの実施形態による、ギヤ実装差動装置１９２を含むロボット手術器具の近位シャシ１９０の斜視図である。ギヤ実装差動装置１９２は、サンギヤ、キャリアに連結された遊星ギヤ、及びリングギヤを含む遊星ギヤ組立体を含む。キャリアは、入力シャフトを通して近位シャシの入力カプラと回転可能に連結される。入力シャフトは、入力カプラに一直線に並べられるとともに器具シャフトと直交する。サンギヤは、ヘリカルギヤ１９４、１９６を通して器具シャフト１１６の回転と回転可能に連結される。キャリア及びサンギヤの回転は、リングギヤの回転をもたらす。リングギヤは、ヘリカルギヤ１９８、２００、出力シャフト２０２、及び器具シャフト１１６の内部に通された駆動シャフトを通して、エンドエフェクタ作動機構に回転可能に連結される。図１４は、近位シャシ１９０及びギヤ実装差動装置１９２の平面図を示す。そして、図１５は、近位シャシ１９０及びギヤ実装差動装置１９２の側面図を示す。
【００６２】
図１６及び図１７は、多くの実施形態による、ギヤ実装差動装置２１０の詳細を示す分解図である。ギヤ実装差動装置２１０は、遊星ギヤボックス組立体２１２を含む。図１６は、入力シャフト１１６を有するロボット手術器具の近位シャシに設置される所から横に移動されたギヤ実装差動装置２１０並びに取付けられた入力シャフト及び入力カプラ２１４を示す。設置中心線２１８及びギヤ実装差動装置２１０の中心軸２２０は設置位置からのオフセットを示す。
【００６３】
図１７は、ギヤ実装差動装置２１０、入力シャフト、及び入力カプラ２１４の分解斜視図である。差動装置２１０は、遊星ギヤ２２４に連結されたキャリア２２２、入力ギヤ２２８によって回転駆動されるサンギヤ２２６、内部リングギヤ及び外部ヘリカル出力ギヤ２３２を有するリングギヤ部材２３０、を含む。キャリア２２２は、入力シャフト２３４に回転可能に連結されるとともに入力シャフト２３４によって駆動され、入力シャフト２３４は、入力カプラ２１４に回転可能に連結されるとともに入力カプラ２１４によって駆動される。入力カプラ２１４は、近位シャシ２１６がロボットアームに取付けられる場合、手術ロボットのロボットアームの対応する出力カプラと接続するとともに出力カプラによって回転駆動される。キャリア２２２の回転は中心軸２２０周りの遊星ギヤ２２４の中心線の回転をもたらす。入力ギヤ２２８は、入力シャフト１１６の回転と回転連結される。中心軸２２０周りのサンギヤ２２６及び遊星ギヤ２２４の中心線の組み合わされた回転は、中心軸２２０周りのリングギヤ部材２３０の対応する回転をもたらす。リングギヤ部材２３０は、外部ヘリカル出力ギヤ２３２を通してエンドエフェクタ作動機構に駆動連結される。
【００６４】
ギヤ実装差動装置２１０は、キャリア２２２と近位シャシ２１６との間に連結されたトーションバネ２３６を含む。トーションバネは、ロボットアームの作動源とキャリアとの間の分離の後でキャリアを所定の位置に戻すので、エンドエフェクタ作動機構を所定の配置に戻す。
【００６５】
動作において、ギヤ実装差動装置２１０は上述の差動装置１１８と同様に動作する。既知のアプローチを通じて追加的な伝動装置が器具シャフト１１６と外部ヘリカル出力ギヤ２３２との間の方向及び回転速度の差を相殺するために使用され得る。
（例示的な遊星ギヤボックスのパラメータ）
以下の式は、サンギヤ２２６、キャリア２２２、及びリングギヤ部材２３０の回転の間の関係を提供する。
【００６６】
（２＋ｎ）ωａ＋ｎωｓ−２（１＋ｎ）ωＣ＝０  式（１）
ここで、ｎ＝Ｎｓ／Ｎｐ  （遊星ギヤボックスに関する形状係数）
Ｎｓ＝サンギヤの歯数
ＮＰ＝遊星ギヤのギヤの歯数
ωａ＝リングギヤ部材（「環」としても知られる）の角速度
ωS＝サンギヤの角速度
ωＣ＝キャリアの角速度、である。
【００６７】
式（１）に示されるように、リングギヤ部材２３０の角速度は、サンギヤ２２６の角速度及びキャリア２２２の角速度の線形結合である。したがって、（サンギヤ２２６が器具シャフト１１６の回転によって回転駆動され、キャリア２２２が入力カプラ２１４によって回転駆動され、リングギヤ部材２３０がエンドエフェクタ作動機構に回転連結される）ギヤ実装差動装置２１０では、器具シャフト１１６の回転は、リングギヤ部材２３０の対応する追加的な回転をもたらすので、エンドエフェクタ作動機構の作動から器具シャフトの回転を切り離す。
【００６８】
以下のパラメータは、ギヤ実装差動装置２１０の遊星ギヤボックスの例示的な構成を提供する。
【００６９】
Ｎｓ＝２４  ＮＰ＝１２  ｎ＝Ｎｓ／ＮＰ＝２
Ｎａ＝Ｎｓ＋２ＮＰ＝４８  リングギヤの歯数
ＤＰ＝６４  ギヤの歯数／ピッチ円直径（歯／インチ）
ＰＤｓ＝Ｎｓ／ＤＰ＝０．３７５  インチ−サンギヤのピッチ円直径
ＰＤＰ＝ＮＰ／ＤＰ＝０．１８７５  インチ−遊星ギヤのピッチ円直径
ＰＤａ＝Ｎａ／ＤＰ＝０．７５  インチ−リングギヤ部材のリングギヤのピッチ円直径
【００７０】
ゼロのキャリア角速度（入力カプラ２１４を通した回転入力が無いものに対応する）のために、式（１）は、次のように変えられる。
【００７１】
（２＋ｎ）ωａ＋ｎωｓ＝０  式（１）でωＣ＝０
上述の例示的な遊星ギヤボックスのパラメータに関して、ｎ＝２であり、
リングギヤ部材の角速度（ωａ）とサンギヤの角速度（ωＳ）との間の以下の関係を作り出す。
【００７２】
【数１】
2018020145.tif 000003
サンギヤ２２６とリングギヤ部材２３０との間の回転方向の差を相殺するために及びエンドエフェクタ作動機構に回転連結された駆動シャフトの回転の器具シャフト１１６のものと等しい回転量を実現するために、既知のアプローチを使用する追加的な伝動装置が、器具シャフト１１６とサンギヤ２２６との間に、及び／又はリングギヤ部材２３０とエンドエフェクタ作動機構に回転連結された駆動シャフトとの間に使用され得る。
【００７３】
（手術用組立体への適用）
本願に開示された手術用組立体は、任意の適切な応用に用いられ得る。例えば、本願に開示された手術用組立体は、他の手術器具で、手動式又は動力式で、携帯式又はロボット式で、直接制御式又は遠隔操作式で、観血式又は低侵襲（単一又は複数ポート）手術のために、用いられ得る。このような器具の例は、（例えば、グリップ制御機能、構成要素配向制御機能、構成要素位置決め機能等のための）トルク作動入力を受ける遠位構成要素を持つものを含む。図解の非限定的な例は、吻合、切断、組織溶融、撮像装置の向き及び位置の制御、高い力での把持、生検、エンドエフェクタ及び向きの制御を含む遠隔操作式又は携帯式器具を含む。
【００７４】
（器具シャフトのロールとエンドエフェクタの作動を切り離す方法）
図１８は、多くの実施形態による、器具シャフトの回転を手術器具シャフトによって支持されたエンドエフェクタの機構に駆動連結された駆動シャフトの回転から切り離すための方法２５０の動作を示す。方法２５０は、例えば、上述の差動装置１１８、ケーブル実装差動装置１３０、ケーブル実装差動１７０、及びギヤ実装差動装置１９２のいずれか等、任意の適切な差動装置を使用して、実施され得る。方法２５０は、所望のエンドエフェクタ配置に関連する第１の入力運動を発生させるステップ（動作２５２）、ベースに隣接する近位端部とエンドエフェクタを支持する遠位端部との間に延びる手術器具シャフトをベースに対して回転させるステップ（動作２５４）、ベースに対する器具シャフトの回転に応じて第２の入力運動を発生させるステップ（動作２５６）、出力運動を発生させるために第１及び第２の入力運動を結合させるステップ（２５８）、及び出力運動に応じて駆動シャフトを回転させる（動作２６０）を含む。多くの実施形態において、第１及び第２の入力運動は、第１の入力運動がゼロである場合、手術器具に対する駆動シャフトの回転が実質的に生じないように結合される。
【００７５】
図１９は、本願に記載されたもののいずれかのような、ケーブル実装差動装置を使用することによって方法２５０を実施するために使用され得る動作を示す。動作は、ベースに対する手術器具シャフトの回転に応じて第１のケーブルを動かすステップ（動作２６２）、第２のケーブルを動かすステップ（動作２６４）、第２のケーブルの動きに応じて第１のプーリ及び第２のプーリを動かすステップ（動作２６６）、第１のケーブルを第１及び第２のプーリのそれぞれに掛けるステップ（動作２６８）、及び第１のケーブルの動きに応じて駆動シャフトを回転させるステップ（動作２７０）を含む。多くの実施形態において、第１のケーブルは、第１及び第２のプーリに、それぞれのプーリの約１８０度の扇形に渡って掛けられる。
【００７６】
図２０は、本願に記載されたもののいずれかのような、ケーブル実装差動装置を使用することによって方法２５０を実施するために使用され得る動作を示す。動作は、第１のケーブルを動かすステップ（動作２７２）、ベースに対する手術器具シャフトの回転に応じて第２のケーブルを動かすステップ（動作２７４）、第２のケーブルの動きに応じて第１のプーリ及び第２のプーリを動かすステップ（動作２７６）、第１のケーブルを第１及び第２のプーリのそれぞれに掛けるステップ（動作２７８）、及び第１のケーブルの動きに応じて駆動シャフトを回転させるステップ（動作２８０）を含む。多くの実施形態において、第１のケーブルは、第１及び第２のプーリに、それぞれのプーリの約１８０度の扇形に渡って掛けられる。
【００７７】
図２１は、本願に記載されたもののいずれかのような、ギヤ実装差動装置を使用することによって方法２５０を実施するために使用され得る動作を示す。動作は、第１の入力運動に応じて差動ギヤ組立体の第１の入力リンクを回転させるステップ（動作２８２）、第２の入力運動に応じて差動ギヤ組立体の第２の入力リンクを回転させるステップ（動作２８４）、及び差動ギヤ組立体の出力リンクの回転に応じて駆動シャフトを回転させるステップ（動作２８６）を含む。
【００７８】
（方法の適用）
本願に開示された手術用組立体は、任意の適切な応用に用いられ得る。例えば、本願に開示された手術用組立体は、他の手術器具で、手動式又は動力式で、携帯式又はロボット式で、直接制御式又は遠隔操作式で、観血式又は低侵襲（単一又は複数ポート）手術のために、用いられ得る。このような器具の例は、（例えば、グリップ制御機能、構成要素配向制御機能、構成要素位置決め機能等のための）トルク作動入力を受ける遠位構成要素を持つものを含む。図解の非限定的な例は、吻合、切断、組織溶融、撮像装置の向き及び位置の制御、高い力での把持、生検、エンドエフェクタ及び向きの制御を含む遠隔操作式又は携帯式器具を含む。
【００７９】
（回転可能なシャフト内の駆動シャフト）
図２２は、回転可能なメインシャフト内に２つのオフセット駆動シャフトを有するロボット組立体３７０を図式的に示す。ロボット組立体３７０は、回転可能なメインシャフト３７４の遠位端部に連結されるエンドエフェクタ３７２、並びにメインシャフト７４及びエンドエフェクタ３７２の両方に連結された作動組立体３７６を含む。
【００８０】
エンドエフェクタ３７２は、エンドエフェクタベース、第１の作動機構３７８、第２の作動機構３８０、及び制御ケーブル機構３８２を含む。エンドエフェクタベースは、回転可能なメインシャフト３７４に旋回可能に連結される。第１の作動機構３７８及び第２の作動機構３８０は、シャフト駆動型であり、さまざまなエンドエフェクタ特徴及び／又はデバイス、例えば、クランピング機能、可動式切断機能、切断及び吻合機能、又はシャフト駆動型機構で作動及び／又は関節動作することができる別の好適なエンドエフェクタ機能及び／又は装置を、作動及び／又は関節動作させるために使用することができる。制御ケーブル機構３８２もまた、さまざまなエンドエフェクタ機能及び／又は装置、特に、迅速な反応が望ましいもの、例えば、把持機能、エンドエフェクタベースをメインシャフトに対して関節動作させるために使用されるエンドエフェクタベースリストに対するメインシャフト、又は１つ以上の制御ケーブルを介して作動及び／又は関節動作することができる別の好適な機能及び／又は装置を、作動及び／又は関節動作させるために使用することができる。
【００８１】
エンドエフェクタベースは、メインシャフト回転軸周りのメインシャフト３７４の回転がエンドエフェクタベースの対応する回転を生じさせるように、回転可能なメインシャフト３７４と連結される。上述のように、メインシャフト３７４を独立して回転させる能力は、非回転メインシャフトに対するエンドエフェクタの操作性の増大を提供し、それは、ある特定の手術中、例えば、ある特定の低侵襲手術に有益になり得る。エンドエフェクタベースはまた、追加的なエンドエフェクタの操作性を提供する適切なリスト機構３８４を用いて、回転可能なメインシャフト３７４に連結することができる。
【００８２】
２つの駆動シャフトがエンドエフェクタシャフト駆動型作動機構を駆動するために使用される。第１の駆動シャフト３８６は、メインシャフト回転軸からオフセットされる第１の駆動シャフト回転軸周りの回転のために取付けられる。第１の駆動シャフト３８６は第１の作動機構３７８と動作可能に連結される。同様に、第２の駆動シャフト３８８は、メインシャフト回転軸からオフセットされる第２の駆動シャフト回転軸周り回転のために取付けられる。第２の駆動シャフト３８８は第２の作動機構３８０と動作可能に連結される。
【００８３】
作動組立体３７６は、回転可能なメインシャフト３７４、第１の駆動シャフト３８６、第２の駆動シャフト３８８、及び制御ケーブル３８２と連結される。回転可能なメインシャフト３７４は、作動組立体３７６のベースに対する回転のために装着される。作動組立体３７６は、ベースに対する回転可能なメインシャフト３７４の回転を生じるように動作可能である。作動組立体３７６はまた、ベースに対する回転可能なメインシャフト３７４の回転、回転可能なメインシャフト３７４に対する第１の駆動シャフト３８６の回転、及び回転可能なメインシャフト３７４に対する第２の駆動シャフト３８８の回転の任意の組み合わせを発生させるように動作可能である。そのため、第１の作動機構３７８及び／又は第２の作動機構３８０は、回転可能なメインシャフト３７４の回転と独立して及び／又は同時に、作動され得る。
【００８４】
作動組立体３７６は、ベースに対する回転可能なメインシャフト３７４の回転中でさえ、第１の駆動シャフト３８６及び第２の駆動シャフト３８８が、回転可能なメインシャフト３７４に対して、独立して回転することができる、上述の機能性を提供するように構成される。作動組立体３７６は、メインシャフトエンコーダ３９２及びメインシャフトインターフェース３９４と連結されたメインシャフトモータ３９０、第１のエンコーダ３９８及び第１のインターフェース４００と連結された第１のモータ３９６、第２のエンコーダ４０４及び第２のインターフェース４０６と連結された第２のモータ４０２、並びに制御ケーブルエンコーダ４１０及び制御ケーブルインターフェース４１２に連結された制御ケーブルモータ４０８を含む。メインシャフトインターフェース３９４は、回転運動をメインシャフトモータ３９０から回転可能なメインシャフト３７４に伝達するように、回転可能なメインシャフト３７４と連結される。メインシャフトモータ３９０は、伝達された回転運動が、ベースに対する回転可能なメインシャフト３７４の回転をもたらすように、ベースと固定して連結され得る。メインシャフトエンコーダ３９２は、メインシャフトモータ３９０、メインシャフトインターフェース３９４、及び／又は回転可能なメインシャフト３７４の向きを測定し、測定された向きコントローラに提供するようにコントローラ（図２２に図示せず）と連結され得る。第１のインターフェース４００は、回転可能なメインシャフト３７４の任意の向き及び／又は回転運動中に、回転運動を第１のモータ３９６から第１の駆動シャフト３８６に伝達するために動作可能になるように、第１の駆動シャフト３８６に連結される。第１のエンコーダ３９８は、第１のモータ３９６、第１のインターフェース４００、及び／又は第１の駆動シャフト３８６の向きを測定し、測定された向きをコントローラに提供するように、コントローラと連結され得る。第２のインターフェース４０６は、回転可能なメインシャフト３７４の任意の向き及び／又は回転運動中に、回転運動を、第２のモータ４０２から第２の駆動シャフト３８８に伝達するために動作可能になるように、第２の駆動シャフト３８８と連結される。第２のエンコーダ４０４は、第２のモータ４０２、第２のインターフェース４０６、及び／又は第２の駆動シャフト３８８の向きを測定し、測定された向きをコントローラに提供するように、コントローラと連結され得る。制御ケーブルインターフェース４１２は、制御ケーブル機構３８２と動作可能に連結される制御ケーブル４１４と連結される。制御ケーブル４１４は、例えば、回転可能なメインシャフト３７４の回転に依る制御ケーブルの長さの変化を最小化するようにメインシャフト回転軸の近傍にルーティングされることによって、及び（例えば、ケーブルとケーブルのこすれることに耐える構成を有することによって）メインシャフト３７４のいくつかの回転配向をもたらし得る制御ケーブルの任意のねじれ及び／又は制御ケーブル間のねじれに耐えるように構成されることによって、回転可能なメインシャフト３７４の回転配向範囲を許容するようにルーティングされ得る。制御ケーブルエンコーダ４１０は、制御ケーブルモータ４０８及び／又は制御ケーブルインターフェース４１２の向きを測定し、測定された向きをコントローラに提供するようにコントローラに連結され得る。
【００８５】
図２３は、多くの実施形態による、コントローラ４１６を持つロボットアセンブリ３７０の構成要素の統合を図示する簡略化されたブロック図である。コントローラ４１６は、バスサブシステム４２０を介して、多くの周辺デバイスと通信する少なくとも１つのプロセッサ４１８を含む。これらの周辺デバイスは、典型的には、記憶サブシステム４２２を含む。
【００８６】
記憶サブシステム４２２は、コントローラ４１６の機能性を提供する基本的プログラミング及びデータ構造を保持する。上述のロボット組立体の機能性を実装するためのソフトウエアモジュールは、典型的には、記憶サブシステム４２２内に記憶される。記憶サブシステム４２２は、典型的には、メモリサブシステム４２４及びファイル記憶サブシステム４２６を含む。
【００８７】
メモリサブシステム４２４は、典型的には、プログラム実行中に命令及びデータを記憶するためのメインランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４２８及び固定命令が記憶される読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）４３０を含む、幾つかのメモリを含む。
【００８８】
ファイル記憶サブシステム４２６は、プログラム及びデータファイルのための永続性（不揮発性）記憶装置を提供し、ハードドライブ、ディスクドライブ、又はフラッシュメモリ等他の不揮発性メモリを含み得る。入力デバイス、例えば、ディスクドライブを使用して、上述のソフトウエアモジュールを入力するために使用され得る。或いは、他の既知の構成、例えば、ＵＳＢポートが、ソフトウエアモジュールを入力するために使用され得る。
【００８９】
この文脈では、「バスサブシステム」という用語は、種々の構成要素及びサブシステムが意図されるように互いに通信させるための任意の機構を含むように包括的に使用される。バスサブシステム４２０を、単一のバスとして概略的に示されるが、典型的なシステムは、ローカルバス及び１つ又は複数の拡張バス（例えば、ＡＤＢ、ＳＣＳＩ、ＩＳＡ、ＥＩＳＡ、ＭＣＡ、ＮｕＢｕｓ、又はＰＣＩ）等の多くのバス、並びにシリアルおよびパラレルポートを有する。
【００９０】
コントローラ４１６は、入力制御デバイス３６（図２に示す）からの信号、並びにメインシャフトエンコーダ３９２、第１のエンコーダ３９８、第２のエンコーダ４０４、及び制御ケーブルエンコーダ４１０からの信号を含む、様々な受信信号に応じて、ロボットアセンブリ３７０の構成要素を制御する。制御される構成要素は、メインシャフトモータ３９０、第１のモータ３９６、第２のモータ４０２、及び制御ケーブルモータ４０８を含む。デジタル／アナログ変換器等の追加的な構成要素（図示せず）は、構成要素をコントローラ４１６とインターフェースするために使用され得る。
【００９１】
図２４は、多くの実施形態による、ロボット手術システム内のロボット手術ツール４３２の統合を示す簡略されたブロック図である。ツール４３２は、近位ツールシャシ４３４とインターフェースするように構成されたツールインターフェースを有するマニピュレータ４３６上に解放可能に取り付け可能になるように構成された近位ツールシャシ４３４を含む。ツール４３２はさらに、上述のように、メインシャフトモータによって回転させられるとき、近位ツールシャシ４３４に対して回転するように取付けられる細長いメインシャフト３７４を含む。エンドエフェクタ４４０は、メインシャフトとともに回転するように、メインシャフト３７４の遠位端と連結される。主制御システム４４２は、マニピュレータ４３６と動作可能に連結される。補助制御システム４４４はまた、マニピュレータ４３６と動作可能に連結され得る。主制御システム４４２及び補助制御システム４４４の組み合わせは、マニピュレータ４３６を介するツール４３２の全ての可能な関節運動を制御するために使用され得る。例えば、補助制御システム４４４は、第１の駆動シャフトの回転及び第２の駆動シャフトの回転のために駆動モータを制御し得る。主制御システム４４２は、メインシャフトの回転のための駆動モータ、及び１つ又は複数の制御ケーブル駆動モータを制御し得る。この様な補助コントローラは、独立して回転するメインシャフト内にルーティングされた１つ又は複数のオフセット駆動シャフトを有する現在開示されるロボットツールの使用を可能にするように、既存のロボット手術システム構造を補完するために使用され得る。
（意図されたにメインシャフトの回転を避けるためにエンドエフェクタ及びエンドエフェクタを支持するメインシャフトに駆動モータを連結すること）
図２５は、多くの実施形態による、エンドエフェクタ回転機構の作動中、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体の意図されない回転を避けるために、エンドエフェクタ回転機構を作動するために使用される駆動モータがメインシャフト／エンドエフェクタ組立体に連結される手術用組立体５００を図式的に示す。手術用組立体５００は、ベース（例えば、図２４に示されたマニピュレータ４３６）に回転可能に取り付けられるメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２、ベースに対してメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２を回転駆動するメインシャフト駆動装置５０４、並びに作動トルクをエンドエフェクタ回転機構に及び相殺トルク５０７をメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に提供するようにメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に回転可能に連結される反作用作動組立体５０６を含む。
【００９２】
メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２は、ベースに回転可能に取り付けられるとともにメインシャフト駆動装置５０４によって回転駆動されるメインシャフト５０８、及びメインシャフト５０８によって支持されるエンドエフェクタ５１０を含む。エンドエフェクタ５１０は、第１の回転機構５１２及び第２の回転機構５１４を含む。第１及び第２の回転機構５１２、５１４は、例えば、クランプあご部、吻合装置、切断装置、及び同様のもの等、エンドエフェクタ構成要素を関節動作させるために使用され得る。
【００９３】
低侵襲手術ツールに課される寸法の制約のために、作動トルクを第１及び第２の回転機構５１２、５１４にメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２の外側にあるソースから供給することが望ましい。しかし、このような構成では、第１及び第２の回転機構５１２、５１４が、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２によって支持される、エンドエフェクタ５１０の一部であるので、作動トルクが外側ソースから第１及び第２の回転機構５１２、５１４に伝達されるとき、伝達された作動トルクの一部又はすべてがメインシャフト５０８によって縮小され得る。メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２によって縮小される作動トルクはまた、メインシャフト５０８によって縮小され得る。結果として、メインシャフト駆動装置５０４は、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２によって縮小される十分な量のトルクを介してバックドライブ可能であり得る。言い換えると、メインシャフト駆動装置５０４は、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２がバックドライビング閾値を超えるネットトルク（引き起こされた摩擦に打ち勝つのに必要な任意のトルクを含む）を受けるときメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２がメインシャフト駆動装置をバックドライブさせるように且つメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２がバックドライビング閾値より下のネットトルクを受けるときメインシャフト駆動装置をバックドライブさせないような、バックドライビングトルク閾値を有し得る。そして、例えば、付随するコスト、サイズ、重量、付随する有害な特性、及び／又は費用を避けるために、トルクブレーキ、逆転できない伝動装置、その他同様のもの等、メインシャフト５０８によるメインシャフト駆動装置５０４の回転駆動（バックドライビングとしても知られる）を防ぐある機構の使用を避けることも望ましい。
【００９４】
手術用組立体５００では、反作用作動組立体５０６は、第１及び第２の回転機構５１２、５１４に伝達される作動トルクを発生させる外部ソースである。反作用作動組立体５０６はまた、メインシャフト５０４のバックドライビングを防ぐようにメインシャフト５０８に伝達されるバランストルクを発生させる。反作用作動組立体５０６は、第１の駆動モータ５１６、第２の駆動モータ５１８、第１の変速装置５２０、第１の回転カップリング５２２、第２の変速装置５２４、及び第２の回転カップリング５２６を含む。
【００９５】
第１の駆動モータ５１６は、第１の変速装置５２０及び第１の回転カップリング５２２を介して第１の駆動機構５１２及びメインシャフト５０８に回転可能に連結される。第１の駆動モータ５１６は、第１の変速装置の第１の入力リンク５２８に回転可能に連結されるとともに第１の入力トルクを第１の入力リンク５２８に伝達する。第１の変速装置５２０は、第１の入力リンク５２８と第１の変速装置５２０の第１の出力リンク５３０との間に第１のギヤ比を提供する。第１の出力リンク５３０は、第１の回転機構５１２に回転可能に連結される。第１の回転カップリング５２２は、第１の変速装置５２０の第１のベースリンク５３２とメインシャフト５０８との間に接続される。第１の回転カップリング５２２は、第１のベースリンク５３２とメインシャフト５０８との間に第２のギヤ比を提供する。第１のベースリンク５３２は、回転接地されていない（例えば、メインシャフト５０８が回転可能に取り付けられるベースに回転接地されていない）。
【００９６】
第１の変速装置５２０によって与えられる第１のギヤ比は、第１の出力リンク５３０が第１の入力トルクを超えるトルクを伝達するようなものより十分大きい。第１の変速装置５２０の第１のベースリンク５３２は回転接地されていないので、第１の出力リンク５３０によって伝達されるトルクと第１の入力トルクとの間の差は、第１のベースリンク５３２から第１の回転カップリング５２２に伝達される反対方向のトルクによってバランスされる。多くの実施形態では、第１のギヤ比は、第１の出力リンク５３０によって伝達されるトルク及び第１のベースリンク５３２から第１の回転カップリング５２２に伝達される反対方向のトルクが略等しい大きさを有するようなものより著しく大きい。例えば、第１のギヤ比が９対１である実施形態では、第１の出力リンク５３０によって伝達されるトルクは、第１の入力トルクの９倍である。そして、第１のベースリンク５３２から第１の回転カップリング５２２に伝達される反対方向のトルクは、第１の入力トルクの大きさの８倍の大きさを有する。
【００９７】
第１の回転カップリング５２２によって提供される第２のギヤ比は、第１の回転カップリング５２２によるメインシャフト５０８に伝達されるトルクが、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２によってメインシャフト駆動装置５０４の回転駆動を抑止するように第１の出力リンク５３０によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクを十分バランスさせるように、選択される。メインシャフト駆動装置５０４が非ゼロバックドライビングトルク閾値を有する場合、第２のギヤ比は、ある範囲のギヤ比から選択され得るとともに、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２によるメイン駆動装置の回転駆動の抑止を依然としてもたらすことができる。理想的には、第２のギヤ比は、第１の回転カップリングによってメインシャフトに伝達されるトルクが第１の出力リンク５３０によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクをバランスさせるように選択される。図９には示されていないが、第１の変速装置５２０の第１の出力リンク５３０は、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に直接回転連結される必要はないが、代わりに第１の出力リンク５３０とメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２との間に非単一ギヤ比を提供するような方法で連結され得る。このような非単一ギヤ比が存在する場合、第１の回転カップリング５２２によって提供される第２のギヤ比は、追加的な非単一ギヤ比を相殺するように構成され得る。
【００９８】
同様な方法で、第２の駆動モータ５１８は、第２の変速装置５２４及び第２の回転カップリング５２６を介して第２の駆動機構５１４及びメインシャフト５０８に回転可能に連結される。第２の駆動モータ５１８は、第２の変速装置の第２の入力リンク５３４に回転可能に連結されるとともに第２の入力トルクを第２の入力リンク５３４に伝達する。第２の変速装置５２４は、第２の入力リンク５３４と第２の変速装置５２４の第２の出力リンク５３６との間に第３のギヤ比を提供する。第２の出力リンク５３６は、第２の回転機構５１４に回転可能に連結される。第２の回転カップリング５３６は、第２の変速装置５２４の第２のベースリンク５３８とメインシャフト５０８との間に接続される。第２の回転カップリング５２６は、第２のベースリンク５３８とメインシャフト５０８との間に第４のギヤ比を提供する。第２のベースリンク５３８は、回転接地されていない（例えば、メインシャフト５０８が回転可能に取り付けられるベースに回転接地されていない）。
【００９９】
第２の変速装置５２４によって与えられる第３のギヤ比は、第２の出力リンク５３６が第２の入力トルクを超えるトルクを伝達するようなものより十分大きい。第２の変速装置５２４の第２のベースリンク５３８は回転接地されていないので、第２の出力リンク５３６によって伝達されるトルクと第２の入力トルクとの間の差は、２１のベースリンク５３８から第２の回転カップリング５２６に伝達される反対方向のトルクによってバランスされる。多くの実施形態では、第３のギヤ比は、第２の出力リンク５３８によって伝達されるトルク及び第２のベースリンク５３８から第２の回転カップリング５２６に伝達される反対方向のトルクが略等しい大きさを有するようなものより著しく大きい。例えば、第３のギヤ比が９対１である実施形態では、第２の出力リンク５３６によって伝達されるトルクは、第２の入力トルクの９倍である。そして、第２のベースリンク５３８から第２の回転カップリング５２６に伝達される反対方向のトルクは、第２の入力トルクの大きさの８倍の大きさを有する。
【０１００】
第２の回転カップリング５２６によって提供される第４のギヤ比は、第２の回転カップリング５２６によってメインシャフト５０８に伝達されるトルクが、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２によるメインシャフト駆動装置５０４の回転駆動を抑止するように第２の出力リンク５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクを十分バランスさせるように、選択される。メインシャフト駆動装置５０４が非ゼロバックドライビングトルク閾値を有する場合、第４のギヤ比は、ある範囲のギヤ比から選択され得るとともに、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２によるメイン駆動装置の回転駆動の抑止を依然としてもたらすことができる。理想的には、第４のギヤ比は、第２の回転カップリングによってメインシャフトに伝達されるトルクが第２の出力リンク５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクをバランスさせるように選択される。図２５には示されていないが、第２の変速装置５２４の第２の出力リンク５３６は、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に直接回転連結される必要はないが、代わりに第２の出力リンク５３６とメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２との間に非単一ギヤ比を提供するような方法で連結され得る。このような非単一ギヤ比が存在する場合、第２の回転カップリング５２４によって提供される第４のギヤ比は、追加的な非単一ギヤ比を相殺するように構成され得る。
【０１０１】
第１及び第２の出力リンクは第１及び第２の回転機構５１２、５１４にそれぞれ直接回転連結され得る一方、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２は、第１の出力リンク５３０と第１の回転機構５１２に回転連結される第１の駆動シャフト５４２との間にギヤ比を提供する第１のギヤ組立体５４０、及び第２の出力リンク５３６と第２の回転機構５１４に回転連結される第２の駆動シャフト５４６との間にギヤ比を提供する第２のギヤ組立体５４４を含む。第１及び第２のギヤ組立体５４０、５４４の両方に関して、それらの入力と出力との間のトルク差はメインシャフト５０８に反応され得る。第１及び第２のギヤ組立体５４０、５４４によって提供されるギヤ比にかかわらず、第１及び第２のギヤ組立体５４０、５４４はメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２の一部であるため、第１及び第２のギヤ組立体５４０、５４４の非単一ギヤ比によって発生する如何なるトルク差も、第１及び第２の回転機構５１２、５１４に伝達されるトルクであるように、メインシャフト５０８によって反応される。結果として、第１及び第２のギヤ組立体５４０、５４４のギヤ比は、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達される作動トルクを相殺するように使用される反作用トルク５０７の大きさに対して反作用作動組立体５０６の構成（例えば、ギヤ比）に影響を与えない。
【０１０２】
反作用作動組立体５０６を介してメインシャフト５０８に伝達される反作用トルクは、メインシャフト５０４の回転駆動を抑止する間、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６を介してメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクは、メインシャフト駆動装置５０４のバックドライビングトルク閾値を越え得る。反作用トルクの大きさが、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえメインシャフト駆動装置５０４のバックドライビングトルク閾値より小さいネットトルクの大きさだけ、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクの大きさと異なるように、反作用作動組立体５０６は構成される。好ましくは、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえ、ネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の５０パーセントより小さい。より好ましくは、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえ、ネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の２５パーセントより小さい。さらにより好ましくは、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえ、ネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の１０パーセントより小さい。そして理想的には、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２に伝達されるトルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえ、ネットトルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の２パーセントより小さい。例えば、メインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２がメインシャフト駆動装置５０４と回転連結されない場合では（例えば、故障の場合又は手術用組立体５００と手術ロボットとの間のカップリングが適切に確立されていない場合）、ベースに対するメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２の回転を抑制して機能する手術用組立体５００の摩擦は、ネットトルクの大きさがバックドライビングトルク閾値の２パーセントより小さい場合のメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２の回転を防ぐのに十分であり得る。
【０１０３】
第１の回転カップリング５０２及び第２の回転カップリング５３６は、メインシャフト５０８に回転連結される１つ又は複数の共通構成要素を共有し得る。例えば、共通駆動シャフトが、ベースリンク５３２、５３８の１つ又は両方からメインシャフト５０８に反作用トルクを伝達するように、メインシャフトに回転連結され得る。
【０１０４】
任意の適切なタイプの変速装置が第１及び第２の変速装置に対して使用され得るが、遊星ギヤボックスが使用され得るとともに適切なギヤ比を提供するように構成され得る。このような遊星ギヤボックスは、反作用作動組立体５０６での使用を可能にする適切な小さいサイズを有するように構成され得る。図２６は、例示的な遊星ギヤセット５５０を示す。遊星ギヤセット５５０は、入力リンク５５４に取り付けられたサンギヤ５５２、リングギヤ５５６、サンギヤ５５２の周りに分配されるとともにサンギヤ５５２をリングギヤ５５６に回転連結する４つの遊星ギヤ５５８、及び遊星ギヤ５５８のそれぞれに回転可能に連結するとともに遊星ギヤ５５８のそれぞれを支持するキャリア５６０を含む。
【０１０５】
さらに、遊星ギヤボックスは、第１及び第２の変速装置５２０、５２４の、第１及び第２の入力リンク５２８、５３４、第１及び第２の出力リンク５３０、５３６、並びに第１及び第２のベースリンク５３２、５３８のような、任意の可能な組合せで使用され得る適切な特徴を提供する。例えば、サンギヤは、第１及び第２の入力リンク、第１及び第２の出力リンク、並びに第１及び第２のベースリンクの何れか１つに対応し得る。同様に、キャリアは、第１及び第２の入力リンク、第１及び第２の出力リンク、並びに第１及び第２のベースリンクの何れか１つに対応し得る。そして、リングギヤは、第１及び第２の入力リンク、第１及び第２の出力リンク、並びに第１及び第２のベースリンクの何れか１つに対応し得る。適切な組合せの特定の例として、サンギヤは第１／第２の入力リンクに対応することができ、キャリアは第１／第２の出力リンクに対応することができ、リングギヤは第１／第２のベースリンクに対応することができる。他の例として、サンギヤは第１／第２の出力リンクに対応することができ、キャリアは第１／第２の入力リンクに対応することができ、リングギヤは第１／第２のベースリンクに対応することができる。そして、更なる例証に関して、キャリア又はサンギヤは第１／第２のベースリンクに対応することができる。
【０１０６】
図２７ａ乃至図２９ｃは図９の手術用組立体５００による低侵襲ロボット手術器具組立体６００の実施形態を示す。したがって、手術用組立体５００に関する上記の詳解は、手術器具組立体６００に適用され、したがって上記の詳解の部分はここでは省略され得る。器具組立体６００は、器具組立体の近位端部に配置された作動組立体６０２を含む。メインシャフト６０４は、作動組立体６０２に回転可能に取り付けられる。第１の駆動シャフト６０６及び第２の駆動シャフト６０８は、メインシャフト６０４内の回転のために取り付けられ、器具組立体の遠位端部に支持されるエンドエフェクタ（図示せず）の、第１の回転機構及び第２の回転機構にそれぞれトルクを伝達する。図２７ａは作動組立体の斜視外観図である。図２７ｂは、それを通して第１及び第２の駆動モータがメインシャフト６０４並びに第１及び第２の駆動シャフト６０６、６０８に回転連結される駆動カップリング６１２から切り離されたモータパック６１０を示す器具組立体６００の分解斜視図である。
【０１０７】
図２８ａは作動組立体６００の内部構成要素の斜視図である。図２８ｂは、図２７ｂに対応する切り離された状態の図２８ａの内部構成要素を示す分解斜視図である。図２９ａは、残りの構成要素の図を不明瞭にしないように第２の駆動モータ、第２の遊星ギヤ変速装置、及び第２のカップリングシャフトが取り望まれた状態の器具組立体６００の内部構成要素を示す斜視図である。図２９ｂは、図２９ａの内部構成要素の端面図である。図２９ｃは、図２９ｂのＡ−Ａ断面図を示す。器具組立体６００は、第１の駆動モータ６１４、第１の遊星ギヤ変速装置６１６、第２の駆動モータ６１８、第２の遊星ギヤ変速装置６２０、第１のカップリングシャフト６２２、第２のカップリングシャフト６２４、及び共通フィードバックシャフト６２６を含む。第１及び第２の遊星ギヤ変速装置６１６、６２０はメインシャフトに回転接地されるので、第１及び第２の遊星ギヤ変速装置６１６、６２０は、メインシャフト６０４の回転に応じて、第１及び第２の駆動モータ６１４、６１８それぞれに対して、回転する。
【０１０８】
第１のカップリングシャフト６２２は、第１の遊星変速装置６１６のキャリアと第１の駆動シャフト６０６との間のトルク経路の一部を形成する。第１の駆動モータ６１４は、第１の入力トルクを第１の遊星変速装置６１６のサンギヤに伝達する。第１の遊星変速装置６１６のキャリアは、第１の駆動シャフト６０６に互いにかみ合うピニオンギヤを介して回転連結される。そして、第１のカップリングシャフト６２２は、図２９ａ及び図２９ｃに示されるように並びに参照により本願に全ての開示が援用される、２００９年１１月１３日に出願された、“ＭＯＴＯＲ  ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ  ＦＯＲ  ＰＡＲＡＬＬＥＬ  ＤＲＩＶＥ  ＳＨＡＦＴＳ  ＷＩＴＨＩＮ  ＡＮ  ＩＮＤＥＰＥＮＤＥＮＴＬＹ  ＲＯＴＡＴＩＮＧ  ＭＥＭＢＥＲ”という名称の米国特許仮出願番号第６１／２６０，９１９号（代理人整理番号ＩＳＲＧ０２３６０ＰＲＯＶ）に記載されるように、一対のピニオンギヤ及びリングギヤを介して、第１の駆動シャフト６０６に、回転可能に連結される。
【０１０９】
同様に、第２のカップリングシャフト６２４は、第２の遊星変速装置６２０のキャリアと第２の駆動シャフト６０８との間のトルク経路の一部を形成する。第２の駆動モータ６１８は、第２の入力トルクを第２の遊星変速装置６２０のサンギヤに伝達する。第２の遊星変速装置６２０のキャリアは、第２の駆動シャフト６２４に互いにかみ合うピニオンギヤを介して回転連結される。そして、第２のカップリングシャフト６２４は、参照により本願に全ての開示が援用される、２００９年１１月１３日に出願された、“ＭＯＴＯＲ  ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ  ＦＯＲ  ＰＡＲＡＬＬＥＬ  ＤＲＩＶＥ  ＳＨＡＦＴＳ  ＷＩＴＨＩＮ  ＡＮ  ＩＮＤＥＰＥＮＤＥＮＴＬＹ  ＲＯＴＡＴＩＮＧ  ＭＥＭＢＥＲ”という名称の米国特許仮出願番号第６１／２６０，９１９号（代理人整理番号ＩＳＲＧ０２３６０ＰＲＯＶ）に記載されるように、一対のピニオンギヤ及びリングギヤを介して、第２の駆動シャフト６０８に、回転可能に連結される。
【０１１０】
共通フィードバックシャフト６２６は、第１の遊星変速装置６１６のベースリンクとメインシャフト６０４との間のトルク経路の一部及び第２の遊星変速装置６２０のベースリンクとメインシャフト６０４との間のトルク経路の一部を形成する。第１の遊星変速装置６１６のベースリンクは、一対のピニオンギヤを介して共通フィードバックシャフト６２６に回転可能に連結され、この一対のピニオンギヤの１つは第１の遊星変速装置６１６のベースリンクの一部を形成する。同様に、第２の遊星変速装置６２０のベースリンクは、一対のピニオンギヤを介して共通フィードバックシャフト６２６に回転可能に連結され、この一対のピニオンギヤの１つは第２の遊星変速装置６２０のベースリンクの一部を形成する。共通フィードバックシャフト６２６は、一対のピニオンギヤを介してメインシャフト６０４に回転可能に連結され、この一対のピニオンギヤの１つはメインシャフトに直接回転連結される。メインシャフト６０４は、一対のヘリカルギヤ６２８、６３０を介してメイン駆動モータ（図示せず）に回転連結される。
【０１１１】
動作では、メインシャフトが回転されないとき、共通フィードバックシャフト６２６並びに第１及び第２の変速装置のベースリンクもまた、メインシャフトに回転連結されているため回転しない。第１及び第２の遊星変速装置のベースリンクが作動組立体のベースに回転接地されていないため、ベースリンクは、駆動モータからの入力トルクに応じて反作用トルクをメインシャフトに伝達するように、要求に応じて自由に回転をそらせることができ、ベースリンクは、メイン駆動モータによるメインシャフトの任意の回転によって決定されるときに共通駆動シャフトの回転によって決定されるように自由に回転する。
【０１１２】
器具組立体６００は、エンドエフェクタの回転機構への作動トルクの伝達に起因する望ましくないメインシャフトの回転を防ぐように検討された代替のアプローチに対して多数の利点を提供する。例えば、器具組立体６００は、独立して回転可能なメインシャフトによって支持されるエンドエフェクタの第１及び第２の回転機構の一方又は両方への高レベルのトルクの伝達を提供する一方、同時にメインシャフトへの反作用トルクの伝達を提供し、したがって、メインシャフトを回転させるために使用されるメイン駆動モータをバックドライブさせ得るメインシャフトに加えられるネットルクが実質的にないことをもたらし得る。反作用トルクの伝達は、受動的に実現されるので、能動的アプローチで必要となり得る構成要素の使用を避ける。器具組立体６００は、エネルギの突然の解放の可能性無しにいずれの回転方向においても連続的なリニアな性能を提供する。器具組立体６００は、メインシャフトのサイズに対する比較的大きいサイズのモータ及びギヤボックスを考慮する現実的なパッキングの解決法に対応する。器具組立体６００はまた、摩擦、磨耗、バックラッシュ、加工精度、及び機構に使用される構成要素の剛性に対する実質的な不変性も示す。伝動装置が変速装置とメインシャフトとの間の運動学的な閉じた系を作るため、如何なるバックラッシュもこの閉じた系において吸収され、したがって、機構の計算された残りのトルクを超えるネットトルクはメインシャフト／エンドエフェクタ組立体に決して加えられない。そして、前述の利点全てが、エンドエフェクタの第１及び第２の回転機構の一方又は両方へのトルクの伝達中、メイン駆動モータによるメインシャフトの自由な回転を提供する器具に提供される。
【０１１３】
検討された代替アプローチは、前述の利点の１つ又は複数を提供しない。検討された代替アプローチは、一方向平歯車、バックドライブできないウォームギヤ、摩擦ブレーキ、メインシャフト回転ロック、メイン駆動モータを介して加えられる余分なパワー、メイン駆動モータを介したメインシャフトの回転の能動的補償、与えられるトルクを補償するための補助モータの使用、及びメインシャフトへのモータ及びギヤボックスの取り付けを含んだ。特にセルフロッキングギヤのコンセプトは、特に、ギヤセットがロックされた状態からロック解除された状態になるので、負荷をかけられる間の回転方向の変化が突然且つ素早い機械的エネルギの解放を生じさせ得るという問題に悩まされる。ブレーキは、ブレーキの解放が突然エネルギを解放し得るという同様な欠陥を有する。
（例示のギヤ比に対するトルクバランス計算）
図３０は、上述の手術用組立体５００に使用され得る例示的なギヤ比に関する以下の詳解のための参照符号の識別を提供する。反作用作動組立体５０６は、第１及び第２の駆動モータ５１６、５１８をメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２と連結するために同様の構成を使用するので、以下の詳解は、詳解がまた第２の駆動モータ５１８をメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２と連結することに関しても適用可能であるという理解とともに、第１の駆動モータ５１６をメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２と連結することに関して述べられる。
【０１１４】
第１の出力リンク５３０によってメインシャフト／エンドエフェクタ組立体５０２（Ｔｃ）に伝達されるトルクは式（１）によって計算され得る。
【０１１５】
Ｔｃ＝Ｔｍ×Ｐ×（Ｎ１Ｂ／Ｎ１Ａ）×（Ｎ１Ｄ／Ｎ１Ｃ）    式（１）
ここで、  Ｔｍ＝モータ１の駆動トルク
Ｐ＝遊星ギヤボックスＰ１のギヤ比
Ｎ１Ａ＝ギヤ１Ａのギヤの歯数
Ｎ１Ｂ＝ギヤ１Ｂのギヤの歯数
Ｎ１Ｃ＝ギヤ１Ｃのギヤの歯数
Ｎ１Ｄ＝ギヤ１Ｄのギヤの歯数、である。
【０１１６】
第１のベースリンク５３２及び第１の回転カップリング５３２を介してメインシャフト５０８（Ｔｒ）に伝達される反作用トルクは式（２）によって計算され得る。
【０１１７】
Ｔｒ＝−Ｔｍ×（Ｐ−１）×（Ｎ３Ｂ／Ｎ３Ａ）×（Ｎ３Ｄ／Ｎ３Ｃ）    式（２）
ここで、  Ｎ３Ａ＝ギヤ３Ａのギヤの歯数
Ｎ３Ｂ＝ギヤ３Ｂのギヤの歯数
Ｎ３Ｃ＝ギヤ３Ｃのギヤの歯数
Ｎ３Ｄ＝ギヤ３Ｄのギヤの歯数、である。
（メインシャフトの位置からエンドエフェクタ駆動シャフトの位置の切り離し）
上述のように反作用トルクを提供することに加えて、手術用組立体５００は及び器具組立体６００は、エンドエフェクタ駆動シャフトの位置をメインシャフトの位置から実質的に切り離すことを実装され得る。例えば、手術用組立体５００の構成は、第１及び第２の入力リンク５２８、５３４が回転しないとき（すなわち、第１及び第２の駆動モータ５１６、５１８が回転しない）、メインシャフト駆動装置５０４によるメインシャフト５０８の回転がメインシャフト５０８に対する第１及び第２の駆動シャフト５４２、５４６の回転の著しい量を生じさせないように、選択され得る。第１及び第２の駆動シャフト５４２、５４６の引き起こされる回転は、メインシャフト５０８の回転の１０パーセント未満であり得る。そして、幾つかの実施形態では、第１及び第２の駆動シャフト５４２、５４６の引き起こされる回転は、メインシャフトの回転の５パーセント未満であり得る。この特質は非常に有益である。例えば、幾つかの実施形態では、第１及び第２の駆動モータ５１６、５１８は、限られた動作範囲を有する。第１及び第２の駆動モータ５１６、５１８の位置をメインシャフト５０８の位置から実質的に切り離すことによって、メインシャフトの動作範囲は、第１及び第２の駆動モータ５１６、５１８の限られた動作範囲によって制限されない。さらに、このような切り離しがメインシャフトのわずかな回転に応じた第１及び第２の回転機構５１２、５１４の実質的な作動を防ぐので、このような切り離しは、第１及び第２の回転機構５１２、５１４に関するエンドエフェクタの操作特性に関して有益である。例えば、第１及び第２の回転機構５１２、５１４の一方が吻合器機構を作動させるために使用される場合、切り離しはメインシャフト５０８の回転によって引き起こされる第１及び第２の回転機構５１２、５１４の回転に起因するステープルの不注意な発射を防ぐのに役立つ。さらに、このような切り離しがない場合、メインシャフト５０８の位置を観測すること及び第１及び第２の駆動シャフト５４２、５４６の引き起こされた運動を修正するように第１及び第２の駆動モータ５１６、５１８の反作用回転を発生するために観測された位置を使用することが必要になり得る。
【０１１８】
メインシャフト５０８の回転によって引き起こされる第１の駆動シャフト５４２の回転の量は、式（３）によって計算され得る。理解され得るように、第２の駆動シャフト５４６に対応するパラメータは、メインシャフト５０８の回転によって引き起こされた第２の駆動シャフト５４６の回転の量を計算するために、式（３）において第１の駆動シャフト５４２に対応するパラメータに代入され得る。
式（３）
【０１１９】
【数２】
2018020145.tif 000004
ここで、Ｎ１Ｅ＝ギヤ１Ｅのギヤの歯数
Ｎ１Ｆ＝ギヤ１Ｆのギヤの歯数、である。
【０１２０】
表１乃至３は、例示の実施形態のエンドエフェクタ駆動シャフトに関する、伝導装置パラメータ、結果として得られる単位トルク計算、及び引き起こされる回転のレベルを記載する。
【０１２１】
（表１．  第１の例示の実施形態）
【表１】
2018020145.tif 000005
2018020145.tif 000006
【０１２２】
（表２  第２の例示の実施形態）
【表２】
2018020145.tif 000007
【０１２３】
（表３  第３の例示の実施形態）
【表３】
2018020145.tif 000008
【０１２４】
（関連する方法）
図３１は、多くの実施形態による、エンドエフェクタに伝達される作動トルクが手術中にバックドライブ可能なメインシャフトをバックドライブさせることを防ぐための方法７００を示す。上述の手術用組立体５００及び器具組立体６００は、方法７００を実施するために使用され得る。そして、１つ又は複数の以下の動作は省略され得る。
【０１２５】
動作７０２において、第１の変速装置の入力リンクは、第１の変速装置の出力リンクが第１の出力トルクをメインシャフト及びメインシャフトに支持されたエンドエフェクタを含むとともに第１のエンドエフェクタトルクをエンドエフェクタに伝達するメインシャフト組立体に伝達するように、回転される。第１の変速装置は、第１の入力リンクと第１の出力リンクとの間に第１のギヤ比を提供する。第１の出力トルクは、メインシャフト組立体を回転駆動するように動作可能なメインシャフトのバックドライビングトルク閾値より大きい。
【０１２６】
動作７０４では、トルクは、第１の変速装置のベースリンクからメインシャフトに第１の回転カップリングを介して伝達される。第１の回転カップリングは、第１の出力トルクと反対方向である第１の反作用トルクがメインシャフトに加えられるように、第１のベースリンクとメインシャフトとの間に第２のギヤ比を提供する。第１の反作用トルクは、第１の出力トルクによるメインシャフト組立体の回転駆動を抑止する。
【０１２７】
メインシャフト駆動装置は、メインシャフト組立体がバックドライビングトルク閾値を越えるネットトルクにさらされるときメインシャフトがメインシャフト駆動装置をバックドライブするとともにメインシャフト組立体がバックドライビングトルク閾値未満のネットトルクにさらされるときメインシャフト駆動装置をバックドライブしないような、バックドライビングトルク閾値を有し得る。好ましくは、第１の反作用トルクの大きさは、バックドライビングトルク閾値の５０パーセント未満である第１のネットトルクだけ、第１の出力トルクの大きさと異なる。より好ましくは、第１のネットトルクの大きさは、第１の出力トルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえ、バックドライビングトルク閾値の２５パーセント未満である。さらにより好ましくは、第１のネットトルクの大きさは、第１のエンドエフェクタトルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえ、バックドライビングトルク閾値の１０パーセント未満である。そして、理想的には、第１のネットトルクの大きさは、第１のエンドエフェクタトルクがバックドライビングトルク閾値を越えるときでさえ、バックドライビングトルク閾値の２パーセント未満である。
【０１２８】
動作７０６では、第２の変速装置の第２の入力リンクは、第２の変速装置の出力リンクが第２の出力トルクをメインシャフト組立体に伝達するとともに第２のエンドエフェクタトルクをエンドエフェクタに伝達するように、回転される。第２の変速装置は、第２の入力リンクと第２の出力リンクとの間に第３のギヤ比を提供する。第２の出力トルクは、メインシャフト駆動装置のバックドライビングトルク閾値より大きい。
【０１２９】
動作７０８では、トルクは、第２の変速装置の第２のベースリンクからメインシャフトに第２の回転カップリングを介して伝達される。第２の回転カップリングは、第２の出力トルクと反対方向である第２の反作用トルクがメインシャフトに加えられるように、第２のベースリンクとメインシャフトとの間に第４のギヤ比を提供する。第２の反作用トルクは、第２の出力トルクによるメインシャフト組立体の回転駆動を抑止する。
【０１３０】
第１及び第２の回転カップリングは、１つ又は複数の共通構成要素を共有し得る。例えば、第１及び第２の回転カップリングは共通駆動シャフトを共有し得る。
【０１３１】
他の変形形態は本発明の精神の中にある。したがって、本発明は、様々な変更形態及び代替構造が可能であり、特定の説明された実施形態は図面に示されるとともに詳細に記載されている。しかし、本発明を特定の形態又は開示された形態に限定する意図はなく、それどころか、全ての修正、代替構造、及び添付の特許請求の範囲に定義されるように、本発明の精神及び範囲内に属する均等物をカバーすることを意図していることが理解されるべきである。
【０１３２】
本発明を記載する文脈における用語「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」（１つの、ある）、及び同様の指示物（特に以下の特許請求の範囲の文脈において）の使用は、本願に示されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、単数形及び複数形の両方を包含するように解釈されるべきである。用語「有する、含む、備える（“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”、“ｈａｖｉｎｇ”、“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”、及び“ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ”）」は、記載されない限りオープンエンドタームとして（すなわち、「含んでいるが限定されない」ことを意味する）解釈されるべきである。用語「接続される」は、たとえ何かが介在していても、部分的に又は完全に中に含まれる、取り付けられる、又は一緒に結合されるとして解釈されるべきである。本願における値の範囲の列挙は、ここに示されない限り、範囲に入るそれぞれの独立した値を個別に参照する省略表現方法として機能することが単に意図され、それぞれの独立した値は、それが本願に個別に参照されるように、明細書に組み込まれる。本願に記載された全ての方法は、本願に示されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、任意の適切な順番で実行され得る。任意の及び全ての例、又は本願に用いられる例示的な言語（例えば、「等」）の使用は、本発明の実施形態をより良く明らかにすることを単に意図し、特許請求の範囲に記載されない限り、本発明の範囲の限定をもたらさない。明細書の言語は、本発明の実施に必須であるような任意のクレームされていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。
【０１３３】
本発明を実施するために発明者に知られているベストモードを含む、本発明の好適な実施形態がここに記載されている。これらの好適な実施形態の変形形態は、前述の記載を読むことで当業者に明らかになり得る。発明者は、熟練した職人がこのような変形形態を適切に用いることを予期し、発明者は発明が特に本願に記載されるより他の方法で実施されることを意図する。したがって、本発明は、全ての修正形態及び適用される法律によって許されるように添付された特許請求の範囲に記載された主題の均等物を含む。さらに、それらの全ての可能な変形形態の上述の構成要素の任意の組み合わせが、本願に示されない限り又は文脈によって明らかに否定されない限り、本発明によって包含される。
【０１３４】
本願に引用された、出版物、特許出願、特許を含む全ての参考文献は、各参考文献が参照により組み込まれることが個々に且つ明確に示されるような、並びに且つ完全に本願に述べられているような、同じ程度まで、参照により本願に組み込まれる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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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２７ａ】
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【図２７ｂ】
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【図２８ａ】
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【図２８ｂ】
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【図２９ａ】
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【図２９ｂ】
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【図２９ｃ】
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【図３０】
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【図３１】
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【外国語明細書】
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