(57)【要約】      （修正有）【課題】駆動モータによって加えられた力を精密かつ正確に測定するトルクトランスデューサを提供する。【解決手段】モータを取り付けるためのトルクトランスデューサ４２４は、取付フランジ５１０と、モータフランジ５３０と、本体５２０と、ひずみゲージ５４０と、を含む。取付フランジは、トルクトランスデューサを固定構造体に確実に固定するように構成される。モータフランジは、モータに確実に固定するように構成される。本体は、取付フランジおよびモータフランジを相互接続する。本体は、本体の縦方向軸を中心にチャネル５２２を画定し、モータのトルクに応じて、取付フランジおよびモータフランジが互いに対して回転することに応じて、撓むように構成される。ひずみゲージは、本体の撓みを測定するために本体上に位置決めされる。【選択図】図８
2019144236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを取り付けるためのトルクトランスデューサであって、
前記トルクトランスデューサを固定された構造体に確実に固定するように構成された取付フランジと、
モータに確実に固定するように構成されたモータフランジと、
前記取付フランジおよび前記モータフランジを相互接続する本体であって、前記本体の縦方向軸を中心にチャネルを画定し、前記モータのトルクに応じて、前記取付フランジおよび前記モータフランジが互いに対して回転することに応じて撓むように構成された、本体と、
前記本体の撓みを測定するために前記本体上に位置決めされたひずみゲージと、を備える、トルクトランスデューサ。
【請求項２】
前記本体が、所与のトルクに応じて、撓みを増幅するように構成された高ひずみ領域を有する、請求項１に記載のトルクトランスデューサ。
【請求項３】
前記本体が、前記取付フランジおよび前記モータフランジの各々に隣接する低ひずみ領域を有し、前記高ひずみ領域は、前記低ひずみ領域の間に配設されている、請求項２に記載のトルクトランスデューサ。
【請求項４】
前記取付フランジが、固定された構造体に対して前記トルクトランスデューサを位置決めするように構成されたリングを含む、請求項１に記載のトルクトランスデューサ。
【請求項５】
前記モータフランジが、モータに対して前記トルクトランスデューサを位置決めするように構成された凹部を画定する、請求項１に記載のトルクトランスデューサ。
【請求項６】
機器駆動ユニットであって、
取付板と、
前記取付板に向かって延在する駆動軸を有する第１のモータと、
前記第１のモータを前記取付板に確実に固定する第１のトルクトランスデューサであって、
前記第１のモータに確実に固定されたモータフランジと、
前記取付板に確実に固定された取付フランジと、
前記取付フランジおよび前記モータフランジを相互接続する本体であって、前記本体が前記本体の縦方向軸を中心にチャネルを画定し、前記本体が前記第１のモータのトルクに応じて、前記取付フランジおよび前記モータフランジが互いに対して回転することに応じて撓むように構成され、前記第１のモータの前記駆動軸が前記チャネル内へ延在する、本体と、
前記本体の撓みから、前記第１のモータによって加えられたトルクを計算するために前記本体上に位置決めされたひずみゲージと、を含む第１のトルクトランスデューサと、を備える、機器駆動ユニット。
【請求項７】
前記第１のトルクトランスデューサが、約１０ＫＨｚ〜約５０ＫＨｚの範囲の速度で前記第１のモータのトルクをサンプリングするように構成されている、請求項６に記載の機器駆動ユニット。
【請求項８】
前記第１のトルクトランスデューサが、前記第１のモータが通電されているとき、および前記第１のモータが通電されていないときに、前記第１のモータのトルクを測定するように構成されている、請求項６に記載の機器駆動ユニット。
【請求項９】
前記取付フランジが、前記チャネルの周囲に配設され、前記取付板に向かって延在するリングを含み、前記取付板が、前記第１のトルクトランスデューサを前記取付板に対して位置決めするように前記リングを受容している、請求項６に記載の機器駆動ユニット。
【請求項１０】
前記モータフランジが、前記チャネルの周囲の凹部を画定し、前記第１のモータが、前記第１のトルクトランスデューサに対して前記第１のモータを位置決めするように前記凹部内に受容されている、請求項６に記載の機器駆動ユニット。
【請求項１１】
前記第１のモータと、
第２のトルクトランスデューサによって前記取付フランジに確実に固定された第２のモータと、
第３のトルクトランスデューサによって前記取付フランジに確実に固定された第３のモータと、
第４のトルクトランスデューサによって前記取付フランジに確実に固定された第４のモータと、を含む、モータアセンブリをさらに備える、請求項６に記載の機器駆動ユニット。
【請求項１２】
前記取付フランジから近位に延在するケージアセンブリをさらに備え、前記ケージアセンブリが前記モータアセンブリの周囲に配設され、各モータのそれぞれの縦方向モータ軸を中心とする回転が、前記トルクトランスデューサのそれぞれ１つによる抑制を除いて抑制されないように、前記モータアセンブリの前記モータの各々が、前記トルクトランスデューサのそれぞれの１つによって前記モータアセンブリ内に懸架されている、請求項１１に記載の機器駆動ユニット。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年５月２日に出願された米国仮特許出願第６１／９８７，８９３号、および２０１４年２月７日に出願された第６１／９３７，０４４号の利益、および優先権を主張する、２０１５年２月５日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１４５４２の利益、および優先権を主張する、２０１６年８月５日に出願された米国特許出願第１５／１１６，９０３号の一部継続出願である。上記出願の各々の全内容物は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（背景技術）
ロボット外科用システムは、低侵襲医療手技において使用されてきた。このような医療手技中、ロボット外科用システムは、ユーザインタフェースと連動する外科医によって制御される。ユーザインタフェースは、外科医が患者に作用するエンドエフェクタを操作することを可能にする。ユーザインタフェースは、ロボット外科用システムを制御するために外科医によって可動である入力コントローラまたはハンドルを含む。
【０００３】
ロボット外科用システムのエンドエフェクタは、ロボットアームの端部で位置決めされる。各エンドエフェクタは、機器駆動ユニット（ＩＤＵ）によって操作される。ＩＤＵは、エンドエフェクタをそれぞれの軸を中心に移動させる、またはエンドエフェクタの特定の機能（例えば、エンドエフェクタの顎部の接近、枢動等）を実行するために、エンドエフェクタに関連付けられる駆動モータを含む。ＩＤＵは、複数の駆動モータを含むことができ、各駆動モータは、エンドエフェクタのそれぞれの自由度または機能に関連付けられる。
【０００４】
ＩＤＵの各駆動モータは、駆動機構（例えば、駆動ケーブル、駆動ロッド、および／または駆動ねじ）によって、エンドエフェクタのそれぞれの程度または自由度に関連付けることができる。エンドエフェクタを自由度（複数可）に関して正確に制御するために、それぞれの駆動機構は、あらかじめ張力をかけることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
駆動ケーブルが受ける力を予張し制限する必要性が引き続き存在する。さらに、駆動モータおよび駆動機構の予想寿命を予測および予測するために、駆動モータによって加えられる力を正確かつ正確に測定する必要性が引き続き存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、概して、駆動モータによって加えられた力を精密かつ正確に測定するトルクトランスデューサに関する。トルクトランスデューサは、トルクトランスデューサが駆動ケーブル内の予張力を測定することができ、駆動ケーブルによって受けた力を制限するために使用することができるように、駆動モータがアクティブおよび非アクティブであるとき、トルクを測定することができる。トルクトランスデューサは、外科用デバイスのための駆動モータの制御における向上した忠実度または精度、および限定されるものではないが、ステープラ、手首付きまたはケーブル制御デバイス、エネルギにも続くデバイス、調和デバイス、ロッド作動デバイス、捕捉器具、ナイフ、はさみ、解剖用器具、ドリル、鋸（線形または環状）、タッカー、ヘルニアアンカー、およびクリップデバイス、ならびに生検デバイスを含む、外科用デバイスのための駆動モータの制御におけるフィードバックを提供するために使用することができると考えられる。トルクトランスデューサは、内視鏡回転、内視鏡操作、リニア駆動機構、ねじ駆動機構、キャプスタン駆動ケーブル張力機構、リニア駆動ケーブル張力機構、歯車駆動機構、およびベルト駆動機構を駆動するための滅菌インタフェースモジュール（ＳＩＭ）の一部であり得るとも考えられる。ＳＩＭは、回転および／または並進力の伝達、および駆動機構と被駆動機構との間の電気信号（例えば、電力、制御、フィードバックなど）の伝達を可能にしながら、無菌のインタフェースを維持するということが理解されよう。
【０００７】
向上した忠実度または精度の制御およびフィードバックは、限定されるものではないが、システムによって誘導または駆動される関節運動または位置負荷限界を制限することと、システムによって誘導または駆動される方向の過負荷を制限することと、システムによって誘導または駆動されるクランプ圧力、負荷、または方向を制限することと、システムによって誘導または駆動される手首の移動または方向負荷を制限することと、デバイス、デバイスシャフトまたは回転ギアモータに駆動される駆動ベルトを含むエンドエフェクタを回転させることと、一貫した装荷またはバック駆動によって適切な機能を確認するために負荷を後退させることと、エンドストップおよび遠位限界位置の認識と、駆動部作動または負荷閾値を制限することと、形成および形成品質を検証することによって、ステープル、タック、またはクリップを含む移植可能物を発射することと、切開または顎部の拡張／開放負荷を判定することと、機械的衝撃または重荷重付勢または閾値を通じる衝突を判定することと、リロードまたは移植可能物（ステープル、タック、またはクリップ）の非存在と、ナイフまたは切断機構バック駆動を作動させることと、移植可能物の非存在で発射を防止するデバイスをロックアウトすることと、デバイスリロード長さまたはストロークに対応する力スロープの増加を通じてステープラ長さを判定することと、１つ以上のターゲット駆動上に付加的なドラッグを生成するＳＩＭバックアウトデバイスの起動からの駆動トルクを戻すことと、所望しない組織、骨、靭帯、管のステープルライン、または他のデバイスもしくは移植可能物に対する損傷または清澄を防ぐためのステープルまたは切断荷重限界を設定することと、調和デバイスを起動することと、所望しない振動または一貫しないもしくは不規則なバック駆動負荷を監視することと、機器およびデバイスを備えたカニューレを較正することと、を含む、外科的デバイスの機能を制御するために有利であり得る。向上した忠実度または精度の制御およびフィードバックは、限定されるものではないが、駆動がばね式ＳＩＭカプラ内の軸方向荷重によって適切に結合されることを確認することと、機械的特徴部または突起部の遠位限界のデバイスまたは接近を識別することと、デバイスの寿命を制御または制限するための駆動効率の低下を監視することと、デバイスの寿命を延ばすために負荷スパイクを制限することと、エンドユーザ制御の触覚反力または振動フィードバックのためにさらなる忠実度を提供することと、デバイスまたはエンドエフェクタ上の所望しない負荷を防止することと、疲労寿命を引き延ばすためにベルトおよびケーブルの張力を制限することと、モータ駆動電流フィードバック、回転エンコーダ、リニアエンコーダ、リニア荷重センサ、リニアスイッチ、または位置センサ用のデバイスのタイプの初期化、ホーミング、較正、試験、または確認をすることと、駆動カプラの摩耗および劣化を判定するために振動または反動を監視することとと、反動範囲、ベルト張力バック駆動、またはベルト張力の振動を監視することによって寿命の終了を管理することと、エンドエフェクタ上に誘導されるバック駆動負荷またはデバイスのリロードを監視することと、負荷限界が近づくか、または超えた場合、エンドユーザへのフィードバックを可能にし、システムを停止するように、エンドユーザによってバック駆動されるか、または患者または他のデバイスに加えられた負荷上の衝突を通してエンドエフェクタの負荷を監視することと、を含む、様々な機能を実行するための様々な構成において、使用することができる。
【０００８】
本開示の一態様に従って、モータを取り付けるためのトルクトランスデューサは、取付フランジと、モータフランジと、本体と、ひずみゲージと、を含む。取付フランジは、トルクトランスデューサを固定構造体に確実に固定するように構成される。モータフランジは、モータに確実に固定されるように構成される。本体は、取付フランジおよびモータフランジを相互接続する。本体は、本体の縦方向軸を中心にチャネルを画定し、モータのトルクに応じて、取付フランジおよびモータフランジが互いに対して回転することに応じて撓むように構成される。ひずみゲージは、本体の撓みを測定するために本体上に位置決めされる。
【０００９】
態様において、本体は、所与のトルクに応じて撓みを増幅するように構成された高ひずみ領域を有する。本体は、取付フランジおよびモータフランジの各々に隣接する低ひずみ領域を有してもよい。高ひずみ領域は、低ひずみ領域の間に配設することができる。
【００１０】
いくつかの態様において、取付フランジは、トルクトランスデューサを固定構造体に対して位置決めするように構成されるリングを含む。モータフランジは、トルクトランスデューサをモータに対して位置決めするように構成される凹部を画定し得る。
【００１１】
本開示の別の態様において、機器駆動ユニットは、取付板、第１のモータ、および第１のトルクトランスデューサを含む。第１のモータは、取付板に向かって延在する駆動軸を有する。第１のトルクトランスデューサは、モータフランジと、取付フランジと、本体と、ひずみゲージと、を含む。モータフランジは、第１のモータに確実に固定され、取付フランジは、取付板に確実に固定される。本体は、取付フランジおよびモータフランジを相互接続する。本体は、本体の縦方向軸を中心にチャネルを画定する。本体は、第１のモータのトルクに応じて、取付フランジおよびモータフランジが互いに対して回転することに応じて撓むように構成される。第１のモータの駆動軸は、チャネル内に延在する。ひずみゲージは、本体の撓みから、第１のモータによって加えられたトルクを計算するために本体上に位置決めされる。
【００１２】
態様において、第１のトルクトランスデューサは、約１０ＫＨｚ〜約５０ＫＨｚの範囲の速度で、第１のモータのトルクをサンプリングするように構成される。第１のトルクトランスデューサは、第１のモータが通電されているとき、および第１のモータが通電されていないとき、第１のモータのトルクを測定するように構成され得る。
【００１３】
いくつかの態様において、第１のトルクトランスデューサの取付フランジは、チャネルの周囲に配設されるリングを含む。リングは、取付板が第１のトルクトランスデューサを取付板に対して位置決めするように、リングを受容するように、取付板に向かって延在することができる。モータフランジは、チャネルの周囲に凹部を画定することができる。第１のモータは、第１のモータを第１のトルクトランスデューサに対して位置決めするために、凹部内に受容することができる。
【００１４】
ある態様において、機器駆動ユニットは、第１のモータと、第２のトルクトランスデューサによって取付フランジに確実に固定される第２のモータと、第３のトルクトランスデューサによって取付フランジに確実に固定される第３のモータと、第４のトルクトランスデューサによって取付フランジに確実に固定される第４のモータと、を含む、モータアセンブリを有する。機器駆動ユニットは、取付フランジから近位に延在するケージアセンブリを含むことができる。ケージアセンブリは、モータアセンブリのモータの各々が、トルクトランスデューサのそれぞれ１つによってモータアセンブリ内に懸架されるように、モータアセンブリの周囲に配設され、それにより、それぞれの縦方向モータ軸を中心とするモータの各々の回転は、トルクトランスデューサのそれぞれ１つによる抑制を除いて抑制されない。
【００１５】
本開示の例示的な実施形態のさらなる詳細および態様は、添付の図面を参照して以下により詳細に記載される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
モータを取り付けるためのトルクトランスデューサであって、
上記トルクトランスデューサを固定された構造体に確実に固定するように構成された取付フランジと、
モータに確実に固定するように構成されたモータフランジと、
上記取付フランジおよび上記モータフランジを相互接続する本体であって、上記本体の縦方向軸を中心にチャネルを画定し、上記モータのトルクに応じて、上記取付フランジおよび上記モータフランジが互いに対して回転することに応じて撓むように構成された、本体と、
上記本体の撓みを測定するために上記本体上に位置決めされたひずみゲージと、を備える、トルクトランスデューサ。
（項目２）
上記本体が、所与のトルクに応じて、撓みを増幅するように構成された高ひずみ領域を有する、上記項目に記載のトルクトランスデューサ。
（項目３）
上記本体が、上記取付フランジおよび上記モータフランジの各々に隣接する低ひずみ領域を有し、上記高ひずみ領域は、上記低ひずみ領域の間に配設されている、上記項目のいずれかに記載のトルクトランスデューサ。
（項目４）
上記取付フランジが、固定された構造体に対して上記トルクトランスデューサを位置決めするように構成されたリングを含む、上記項目のいずれかに記載のトルクトランスデューサ。
（項目５）
上記モータフランジが、モータに対して上記トルクトランスデューサを位置決めするように構成された凹部を画定する、上記項目のいずれかに記載のトルクトランスデューサ。
（項目６）
機器駆動ユニットであって、
取付板と、
上記取付板に向かって延在する駆動軸を有する第１のモータと、
上記第１のモータを上記取付板に確実に固定する第１のトルクトランスデューサであって、
上記第１のモータに確実に固定されたモータフランジと、
上記取付板に確実に固定された取付フランジと、
上記取付フランジおよび上記モータフランジを相互接続する本体であって、上記本体が上記本体の縦方向軸を中心にチャネルを画定し、上記本体が上記第１のモータのトルクに応じて、上記取付フランジおよび上記モータフランジが互いに対して回転することに応じて撓むように構成され、上記第１のモータの上記駆動軸が上記チャネル内へ延在する、本体と、
上記本体の撓みから、上記第１のモータによって加えられたトルクを計算するために上記本体上に位置決めされたひずみゲージと、を含む第１のトルクトランスデューサと、を備える、機器駆動ユニット。
（項目７）
上記第１のトルクトランスデューサが、約１０ＫＨｚ〜約５０ＫＨｚの範囲の速度で上記第１のモータのトルクをサンプリングするように構成されている、上記項目のいずれかに記載の機器駆動ユニット。
（項目８）
上記第１のトルクトランスデューサが、上記第１のモータが通電されているとき、および上記第１のモータが通電されていないときに、上記第１のモータのトルクを測定するように構成されている、上記項目のいずれかに記載の機器駆動ユニット。
（項目９）
上記取付フランジが、上記チャネルの周囲に配設され、上記取付板に向かって延在するリングを含み、上記取付板が、上記第１のトルクトランスデューサを上記取付板に対して位置決めするように上記リングを受容している、上記項目のいずれかに記載の機器駆動ユニット。
（項目１０）
上記モータフランジが、上記チャネルの周囲の凹部を画定し、上記第１のモータが、上記第１のトルクトランスデューサに対して上記第１のモータを位置決めするように上記凹部内に受容されている、上記項目のいずれかに記載の機器駆動ユニット。
（項目１１）
上記第１のモータと、
第２のトルクトランスデューサによって上記取付フランジに確実に固定された第２のモータと、
第３のトルクトランスデューサによって上記取付フランジに確実に固定された第３のモータと、
第４のトルクトランスデューサによって上記取付フランジに確実に固定された第４のモータと、を含む、モータアセンブリをさらに備える、上記項目のいずれかに記載の機器駆動ユニット。
（項目１２）
上記取付フランジから近位に延在するケージアセンブリをさらに備え、上記ケージアセンブリが上記モータアセンブリの周囲に配設され、各モータのそれぞれの縦方向モータ軸を中心とする回転が、上記トルクトランスデューサのそれぞれ１つによる抑制を除いて抑制されないように、上記モータアセンブリの上記モータの各々が、上記トルクトランスデューサのそれぞれの１つによって上記モータアセンブリ内に懸架されている上記項目のいずれかに記載の機器駆動ユニット。
（摘要）
モータを取り付けるためのトルクトランスデューサは、取付フランジと、モータフランジと、本体と、ひずみゲージと、を含む。取付フランジは、トルクトランスデューサを固定構造体に確実に固定するように構成される。モータフランジは、モータに確実に固定するように構成される。本体は、取付フランジおよびモータフランジを相互接続する。本体は、本体の縦方向軸を中心にチャネルを画定し、モータのトルクに応じて、取付フランジおよびモータフランジが互いに対して回転することに応じて、撓むように構成される。ひずみゲージは、本体の撓みを測定するために本体上に位置決めされる。
【００１６】
本開示の実施形態は、添付の図面を参照して本明細書に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示に従い、ロボット外科用アセンブリを含むロボット外科用システムの概略図である。
【図２Ａ】図１の外科用アセンブリの側面斜視図であり、外科用機器ホルダ、ＩＤＵ、アダプタアセンブリ、および外科用機器を含む。
【図２Ｂ】図１の外科用アセンブリの側面斜視図であり、外科用機器ホルダ、ＩＤＵ、アダプタアセンブリ、および内視鏡を含む。
【図３】図２の区分線３〜３に沿って切り取った、図２の機器駆動ユニットの断面図である。
【図４】ハウジングを取り外した、図２の機器駆動ユニットの斜視図である。
【図５】図４の機器駆動ユニットの構成部品の分解図である。
【図６】図５の機器駆動ユニットの構成部品の一部を組み立てた図である。
【図７】図６の区分線７−７に沿って切り取った断面図である。
【図８】図５のトルクトランスデューサの背面斜視図である。
【図９】図５のトルクトランスデューサの正面斜視図である。
【図１０】図８のトルクトランスデューサ上のひずみゲージの模式図である。
【図１１】図８のひずみゲージのセンサ回路の模式図である。
【図１２】本開示に従って提供された別のトルクトランスデューサである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
外科用機器ホルダ、機器駆動ユニット（ＩＤＵ）、アダプタアセンブリ、および内視鏡、ならびにその方法を含む本開示の外科用アセンブリの実施形態は、図面を参照して詳細に記載され、図面において、同様の参照符号は、複数の図の各々における同一のまたは対応する要素を示す。本明細書で使用されるように、「遠位」という用語は、患者に近い外科用機器ホルダ、ＩＤＵ、アダプタアセンブリ、および／または内視鏡の部分を表し、「近位」という用語は、患者から離れる外科用機器ホルダ、ＩＤＵ、アダプタアセンブリ、および／または内視鏡の部分を表す。
【００１９】
最初に図１を参照すると、例えば、ロボット外科用システム１等の外科用システムは、概して、外科用機器２００Ａ（図２Ａ）または、例えば、外科用ロボットアーム２、３の摺動レール４０に取り外し可能に結合された内視鏡２００Ｂ（図２Ｂ）を含む、ロボット外科用アセンブリ１００を有する複数の外科用ロボットアーム２、３と、制御デバイス４と、制御デバイス４に結合された操作コンソール５と、を含む。
【００２０】
操作コンソール５は、当業者にとって原則的に既知であるように、特に３次元画像を表示するように設定された表示デバイス６と、例えば外科医などの人間（図示せず）がロボットアーム２、３を第１の動作モードで遠隔操作することができる手動入力デバイス７、８と、を含む。ロボットアーム２、３の各々は、ジョイントを介して接続される複数の部材から構成されてもよい。ロボットアーム２、３は、制御デバイス４に接続される電気駆動部（図示せず）によって駆動されてもよい。制御デバイス４（例えば、コンピュータ）は、ロボットアーム２、３、取り付けられたロボット外科用アセンブリ１００、ひいては外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂが、手動入力デバイス７、８によって画定される移動に従って所望の移動を実行するように、特にコンピュータプログラムによって駆動部を作動させるように設定されてもよい。制御デバイス４はまた、ロボットアーム２、３の移動を調整するように設定され得る。
【００２１】
ロボット外科用システム１は、外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂによって、最小侵襲様式で処置されるように、外科用テーブル「ＳＴ」上に横たわる患者「Ｐ」上で使用するために構成される。ロボット外科用システム１はまた、３つ以上のロボットアーム２、３を含んでもよく、同様に、付加的なロボットアームが制御デバイス４に接続され、操作コンソール５によって遠隔操作可能である。外科用機器２００Ａ、または、例えば、内視鏡２００Ｂもまた、付加的なロボットアームに取り付けられ得る。
【００２２】
制御デバイス４は、複数のモータ、例えば、モータ（モータ１…ｎ）を制御し得、各モータは複数の方向においてロボットアーム２、３の移動を駆動するように構成される。さらに、制御デバイス４は、外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂの回転をもたらすために、アダプタアセンブリ１２０の駆動アセンブリ１６０を作動させるロボット外科用アセンブリ１００のＩＤＵ４００の個々のモータ４２０（図２Ｂ）を制御し得る。加えて、制御デバイス４は、例えば、下記に詳細に記載されるように、ＩＤＵ４００のモータアセンブリ４１０、同様にアダプタアセンブリ１２０、および内視鏡２００の相対回転を駆動するように構成された、外科用機器ホルダ１０２のキャニスタモータ「Ｍ」（図２Ｂ）等の回転モータの動作を制御し得る。実施形態において、ＩＤＵ４００の各モータは、電気機械式外科用機器２００Ａの動作および／または移動をもたらすために、駆動ロッド／ケーブルまたはレバーアームを作動させるように構成されることができる。
【００２３】
ロボット外科用システムの構成および動作の詳細な考察について、２０１１年１１月３日に出願された米国特許第８，８２８，０２３号、名称「Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ」で参照することができ、その全体の内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００２４】
図１、図２Ａ、および図２Ｂを参照すると、ロボット外科用システム１は、ロボットアーム２または３に結合されたロボット外科用アセンブリ１００を含む。ロボット外科用アセンブリ１００は、外科用機器ホルダ１０２と、ＩＤＵ４００と、アダプタアセンブリ１２０と、外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂと、を含む。ＩＤＵ４００は、動力および作動力をそのＩＤＵのモータ４２０からアダプタアセンブリ１２０の駆動アセンブリ（明示的せず）に伝達して、外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂの回転を、その縦方向軸「Ｘ」を中心として最高少なくとも約１８０度まで駆動する。外科機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂは、その回転運動をアダプタアセンブリ１２０に、同様に、外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂに伝達する、外科用機器ホルダ１０２内に支持されたモータ「Ｍ」の作動によって、少なくとも付加的に１８０度回転させてもよい。このように、外科用アセンブリ１００は、外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂの回転位置を調整するための２つの機械的経路を提供し、各機械的経路は、以下に記載されるように、外科用機器２００Ａまたは内視鏡２００Ｂの異なる回転速度をもたらす。
【００２５】
図２Ｂを参照すると、外科用アセンブリ１００の外科用機器ホルダ１０２は、ＩＤＵ４００を支持し、ＩＤＵ４００のモータアセンブリ４１０の回転を作動させるように機能する。外科用機器ホルダ１０２は、背面部材または台車１０４および、台車１０４の端部から横方向に（例えば、垂直に）延在する外側部材またはハウジング１０６を含む。いくつかの実施形態において、ハウジング１０６は、台車１０４に対して様々な角度で、かつ台車１０４の様々な部分から延在してもよい。台車１０４は、第１の側面１０８ａ、および第１の側面１０８ａの反対側の第２の側面１０８ｂを有する。台車１０４の第１の側面１０８ａは、ロボットアーム２のレール４０に選択的に接続可能、または永久的に接続し得、台車１０４が、保守または修理目的で、現場の技術者などによってロボットアーム２のレール４０からのみ取り外され得ることがさらに考えられる。外科用機器ホルダ１０２は、ロボットアーム２のレール４０に沿って摺動または並進する。台車１０４の第２の側面１０８ｂは、ＩＤＵ４００のハウジングまたは外側シェル４０２を回転不能に支持するように構成される。
【００２６】
外科用機器ホルダ１０２の台車１０４は、例えば、その中のキャニスタモータ「Ｍ」などのモータを支持または収容する。モータ「Ｍ」は、制御デバイス４からの制御および電力を受容して、ＩＤＵ４００の内部モータアセンブリ４１０を最終的に回転させる。いくつかの実施形態において、台車１０４は、台車１０４のモータ「Ｍ」の動作を制御するために、モータ「Ｍ」と電気的に通信するプリント回路基板（図示せず）を含んでもよい。台車１０４は、モータ「Ｍ」から台車１０４を縦方向に通って延在する回転可能な駆動軸（図示せず）を有する。台車１０４の駆動軸は、下記に詳細に記載されるように、ＩＤＵ４００のモータアセンブリ４１０のギアまたは連結部材（図示せず）との動作可能な係合のために構成されたギアまたは連結部材（図示せず）を有して、外科用機器ホルダ１０２のモータ「Ｍ」からＩＤＵ４００のモータアセンブリ４１０に回転を伝達する。いくつかの実施形態において、外科用機器ホルダ１０２のモータ「Ｍ」は、例えば、ギアアセンブリ、ラックピニオン、プーリ摩擦駆動部、油圧、空気圧、ケーブル、ベルトなどの任意の適切な駆動機構によってＩＤＵ４００のモータアセンブリ４１０の回転を駆動し得る。
【００２７】
外科用機器ホルダ１０２のハウジング１０６は、内部にＩＤＵ４００を回転可能に受容し、支持するように構成された内部を通るチャネル（図示せず）を画定する。ハウジング１０６は、略縦長半円形状を有するが、いくつかの実施形態において、ハウジング１０６は、例えば、Ｃ字形状、Ｕ字形状、Ｖ字形状、フック形状、または同様のもの等、様々な形状をとり得る。
【００２８】
引き続き図２Ｂを参照すると、外科用アセンブリ１００のＩＤＵ４００は、外側ハウジング４０２と、外側ハウジング４０２内に回転可能に配設された内側ハウジングまたはモータアセンブリ４１０と、を含む。外側ハウジング４０２は、外科用機器ホルダ１０２の台車１０４の第２の側面１０８ｂに係合し、下記でより詳細に説明するように、ＩＤＵ４００の様々な構成部品を収容する。いくつかの実施形態において、外側ハウジング４０２は、台車１０４の第２の側面１０８ｂに永久的にまたは取り外し可能に取り付けられ得る。ＩＤＵ４００の外側ハウジング４０２は、略長方形の形状を有するが、いくつかの実施形態において、外側ハウジング４０２は、例えば、円筒形状、正方形状、細長状、管状、または同様のもの等、様々な構成をとり得る。
【００２９】
ＩＤＵ４００の外側ハウジング４０２は、内部にモータアセンブリ４１０、モータパック、または同様のものを摺動可能に受容するように構成され、および寸法決定されてもよい。モータアセンブリ４１０は、ＩＤＵ４００から非取り外し可能でありえると考えられる。ＩＤＵ４００を外科用機器ホルダ１０２に連結することにより、外科用機器ホルダ１０２の駆動アセンブリ（図示せず）は、外科用機器ホルダ１０２のモータ「Ｍ」の作動が、ＩＤＵ４００の外側ハウジング４０２内のモータアセンブリ４１０の回転をもたらすように、ＩＤＵ４００のモータアセンブリ４１０に動作可能に係合する。例えば、外科用機器ホルダ１０２のモータ「Ｍ」から延在する駆動軸（図示せず）のギアは、外科用機器ホルダ１０２のモータ「Ｍ」に取り付けられたギアの回転が、モータアセンブリ４１０を回転させるように、モータアセンブリ４１０の歯付き内側表面または外側表面（図示せず）と動作可能に係合すると考えられる。いくつかの実施形態において、外科用機器ホルダ１０２は、外科用機器ホルダ１０２のモータ「Ｍ」によって出力された回転力をモータアセンブリ４１０の回転に伝達するプーリシステムを有し得る。任意の適切な機構が、外科用機器ホルダ１０２のモータ「Ｍ」によって出力される回転力をモータアセンブリ４１０の回転に伝達するために提供され得ることが想定される。
【００３０】
図３をさらに参照すると、モータアセンブリ４１０は、非円形の横断面形状（例えば、実質的にＤ字形状など）を有する駆動軸４２２、４３２、４４２、４５２を各々有する、４つのモータ４２０、４３０、４４０、４５０を含み得る。いくつかの実施形態において、駆動軸は、円形の横断面形状を有し得る。４つのモータ４２０、４３０、４４０、４５０は、そのそれぞれの駆動軸４２２、４３２、４４２、４５２が、全て互いに平行であり、かつ全てが共通の方向に延在するように長方形の形態に配置されている。モータアセンブリ４１０のモータ４２０の駆動軸４２２は、例えば、アダプタアセンブリ１２０の駆動アセンブリ（明示せず）に動作可能に結合するように構成されたクラウンギア４２４等の、駆動カプラを有する。モータアセンブリ４１０のモータ４２０が作動される際、モータ４２０の駆動軸４２２の回転は、アダプタアセンブリ１２０の駆動アセンブリ１６０に伝達され、最終的に内視鏡２００をその縦方向軸「Ｘ」を中心に回転させる。
【００３１】
例示的な内視鏡の構成および動作の詳細な考察について、ＸＸに出願された、米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号  ［Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ＃３５６４１４（２０３−１０９０１）］、表題「ＲＯＢＯＴＩＣ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ  ＡＮＤ  ＡＤＡＰＴＥＲ  ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ  ＴＨＥＲＥＯＦ」で参照され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
図３〜６を参照すると、ＩＤＵ４００が、本開示に従って詳細に記載される。ＩＤＵ４００は、外側ハウジング４０２と、モータアセンブリ４１０と、制御アセンブリ４６０と、回転アセンブリ４７０と、冷却ユニット４８０と、を含む。ＩＤＵ４００は、外科手技中のＩＤＵ４００の汚染を防止するために、無菌カバーまたはドレープ４９０によって覆うことができる。モータアセンブリ４１０および制御アセンブリ４６０は、ドレープ４９０によって覆われることになるハウジング内に一体化されてもよく、オートクレーブ滅菌に曝される、または浸水もしくは自動洗浄機に曝される必要無く、洗浄液を拭き取るためにのみ曝されることになる。ハウジングは封止されてもよく、または封止されていなくてもよいと考えられる。モータアセンブリ４１０および／または制御アセンブリ４６０を含む、ＩＤＵ４００全体またはＩＤＵ４００の部分は、約１０℃〜約６５℃の範囲の動作温度を有するように構成され得、約−１０℃〜約５５℃の温度範囲で保管されることが可能である。モータアセンブリ４１０および／または制御アセンブリ４６０を含む、ＩＤＵ４００全体またはＩＤＵ４００の部分は、約１０％〜約８５％の相対湿度範囲内で、かつ約７０ｋＰＡ〜約１１０ｋＰＡの範囲の大気圧で動作および保管されるように構成され得る。
【００３３】
下記に詳述されるように、回転アセンブリ４７０は、外側ハウジング４０２内のＩＤＵ４００の縦方向軸を中心に、モータアセンブリ４１０および制御アセンブリ４６０の回転を制限するように構成される。
【００３４】
モータアセンブリ４１０は、外科用機器（例えば、内視鏡２００Ｂ）の様々な態様を制御するために、アダプタアセンブリ１２０（図２Ｂ）と係合するように構成される。モータアセンブリ４１０は、近位ケージ４１４と、中央アイソレータ４１６と、遠位アイソレータ４１７と、遠位ケージ４１８と、モータ４２０、４３０、４４０、４５０と、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４と、を含む。遠位ケージ４１８は、上記で詳述されたように、遠位面４０４ｂ上でアダプタアセンブリ１２０の近位ハウジング１２２に結合される、ＩＤＵ４００の取付板４０４を含む。モータ４２０、４３０、４４０、４５０の各々は、それぞれのモータ４２０、４３０、４４０、４５０によって生成されたトルク以外の外力からモータ４２０、４３０、４４０、４５０を実質的に隔離するような様式でモータアセンブリ４１０内に確実に固定される。
【００３５】
下記に詳述されるように、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４の各々は、構造的に頑強な様式で、それぞれのモータを取付板４０４に取り付けるように構成される。トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４の設計はまた、モータの質量および慣性の影響を最小限に抑え、ＩＤＵ４００内の他のトランスデューサとのねじれおよび／または軸方向のひずみを最小限に抑え、または排除し得る。さらに、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４の各々は、極端な動作温度および重い負荷サイクルに曝されたとき、正確で再現可能なトルク測定値を提供するように構成される。さらに、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４の各々は、極端な温度に曝されたとき、サイクル毎および／または経時的に一貫した様式で劣化および／または疲労するように設計される。
【００３６】
図７〜図９をさらに参照すると、モータ４２０をモータアセンブリ４１０内に確実に固定するために、モータ４２０をトルクトランスデューサ４２４に取り付けることについて詳細に記載される。他のモータ４３０、４４０、４５０の各々は、トルクトランスデューサ４３４、４４４、４５４のそれぞれ１つを有して、モータアセンブリ４１０内に同様の様式で取り付けられることが理解されるであろう。トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４は、設計された出力応答を達成するために、設計パラメータの包装および同調の両方において可撓性を提供するためにカスタム集積トルクセンサであり得る。このような一体化されたトルクセンサを利用することは、コスト上の利点があることが想定される。これらのトルクセンサは、コストの大幅な増加無く、特定の用途のために具体的に調整することができると考えられる。トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４の設計は、従来のトルクトランスデューサと比較するとき、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４のサイズをより厳密に詰める、または低減することを可能にし得る。下記本明細書に詳述されるように、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４のアーキテクチャは、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４によって測定されたトルク上のモータ質量、慣性、および重量の、動的および静的な影響を最小限に抑える。
【００３７】
トルクトランスデューサ４２４は、取付フランジ５１０と、モータフランジ５３０と、それらの間の本体５２０と、を含む。取付フランジ５１０は、取付板４０４の近位面４０４ａに結合される。取付フランジ５１０は、取付板４０４に対してトルクトランスデューサ４２４を位置決めまたは位置付けるために、取付板４０４の近位面４０４ａを遠位に越えて延在する位置付け特徴部またはリング５１２を含む。取付フランジ５１０は、複数の締結具４０５ａによって取付板４０４に確実に固定される。位置付け特徴部またはリング５１２は、締結具４０５ａのための高いクリアランスおよび公差を可能にすることができる。モータフランジ５３０は、モータ５２０をモータアセンブリ４１０内に確実に固定するために、モータ４２０の遠位部分に結合される。モータフランジ５３０は、複数の締結具４０５ｂによってモータ４２０に確実に固定される。モータフランジ５３０は、モータフランジ５３０に対してモータ４２０を位置決めまたは位置付けるために、モータ４２０の遠位部分を受容する位置決め特徴部または凹部５３２を画定することができる。トルクトランスデューサ４２４の本体５２０は、下記により詳細に記載されるように、本体５２０の中心縦方向軸を中心にチャネル５２２を画定し、モータ４２０のトルクを判定するためにセンサアセンブリ５２４を含む。モータ４２０は、モータ４２０からトルクトランスデューサ４２４のチャネル５２２を通って近位方向に延在する駆動軸４２２、および取付板４０４を含む。駆動軸４２２は、上記で詳述されたように、アダプタアセンブリ１２０の駆動アセンブリ１６０の入力１６４と係合する駆動カプラまたはギア４２６を含むことができる。ベアリング４２７（図３）は、駆動カプラ４２６を前板４０４に対して位置決めするために、駆動カプラ４２６と前板４０４との間に配設され得る。
【００３８】
取付板４０４に結合されたモータ４２０、４３０、４４０、４５０との組み立て中、モータ４２０、４３０、４４０、４５０の各々が、それぞれのモータ４２０、４３０、４４０、４５０の駆動軸４２２、４３２、４４２、４５２によって画定される軸を中心に回転することを可能にする一方で、中央アイソレータ４１６は、モータ４２０、４３０、４４０、４５０を互いに対して離間させるようにモータ４２０、４３０、４４０、４５０の各々の中心部分の周囲に配設される。近位ケージ４１４は、近位ケージ４１４の遠位フランジ４１５が中央アイソレータ４１６に当接するまで、モータ４２０、４３０、４４０、４５０にわたって位置決めされる。締結具４１５ａは、近位ケージ４１４を間の中央アイソレータ４１６を伴い遠位ケージ４１８に確実に固定するために、遠位フランジ４１５、中央アイソレータ４１６を通過して、遠位ケージ４１８内に入る。
【００３９】
制御アセンブリ４６０は、モータアセンブリ４１０の周囲に配設される。制御アセンブリ４６０は、制御基板４６２ａ〜ｄと、近位アイソレータ４６６と、保持板４６８と、を含む。制御基板４６２ａ〜ｄは、近位ケージ４１４および遠位ケージ４１８の側面に沿って配設されたモータアセンブリ４１０の側面に沿って位置決めされる。制御基板４６２ａ〜ｄの各々は、制御信号に応じてモータ４２０、４３０、４４０、４５０を作動または回転させるために、１つ以上のモータ４２０、４３０、４４０、４５０に電気的に結合される。制御基板４６２ａ〜ｄは、制御デバイス４（図１）から制御信号を受信するために、各々コネクタ４６４に電気的に結合される。保持板４６８は、制御ボード４６２ａ〜ｄを、保持板４６８と制御アセンブリ４６０との間に配設された近位アイソレータ４６６を伴うモータアセンブリ４１０に確実に固定するために、モータアセンブリ４１０の近位ケージ４１４に結合される。制御アセンブリ４６０は、遠位アイソレータ４１７と近位アイソレータ４６６との間に「挟まれる」ことによって確実に固定されてもよい。制御基板４６２ａ〜ｄをトルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４に隣接して位置決めすることは、低減し、または短縮されたケーブルが必要となることから、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４が電磁気および高周波誘導ノイズの影響を受けにくくし得る。コネクタ４６４は、最終的なＩＤＵアセンブリを試験、較正、および制限するために使用することができると考えられる。
【００４０】
回転アセンブリ４７０は、スプール板４７２と、内側カップ４７６と、回転リミッタ４７８と、を含む。スプール板４７２は、ＩＤＵ４００の回転を制限するために保持板４６８の周囲に配設された回転リミッタ４７８の周囲に配設される。内側カップ４７６は、ＩＤＵ４００の中心軸を中心にモータアセンブリ４１０を回転させるために、保持板４６８、したがってモータアセンブリ４１０に係合する。スプール板４７２は、制御信号をモータ４２０、４３０、４４０、４５０に伝達するために、制御アセンブリ４６０のコネクタ４６４に結合する内部コネクタ４７３ａを含む。近位スプール板４７２はまた、制御デバイス４からの制御信号を受信し、制御基板４６２ａ〜ｄを介してモータ４２０、４３０、４４０、４５０に電気的に結合される外部コネクタ４７３ｂを含む。
【００４１】
冷却ユニット４８０は、内部機械構成部品（例えば、モータ４２０、４３０、４４０、４５０）および内部電気構成部品（例えば、回路基板１６２ａ〜ｄ）を冷却するために、スプール板４７２に取り付けられ、冷却流体をＩＤＵ４００に循環させるように構成される。冷却ユニット４８０は、ＩＤＵ４００内部から空気を引き出し、または空気をＩＤＵ４００を通じて押し出すファンを含むことができる。
【００４２】
制御アセンブリ４６０、回転アセンブリ４７０、および冷却ユニット４８０の参照の付加的な詳細については、２０１６年５月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／３４１，７１４号（現在、２０１７年５月２３日に出願されたＰＣＴ出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ１７／３３８９９）、表題「ＲＯＢＯＴＩＣ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ」に記載されており、その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４３】
上記で詳述されたように、トルクトランスデューサ４２４は、従来のトルクセンサと比較されるとき、モータ４２０によって伝えられるトルクの改善された精密なリアルタイム測定を提供するための反応トルクセンサとして構成される。従来のトルクセンサは、所与の速度でモータを回転させるためにモータに伝えられる電流を測定することと、既知の値からトルクを計算することによって、モータ（例えば、モータ４２０）によって伝えられるトルクを測定する。このため、従来のトルクセンサは、モータのトルクを測定するためにモータが通電される（例えば、モータに伝えられる電流）必要がある一方で、トルクトランスデューサ４２４は、モータ４２０が通電されているとき、または通電されていなくいときにも、モータ４２０のトルクを測定することが可能である。ＩＤＵ４００は、トルクトランスデューサ４２４のトルク測定値が予想される範囲内にあることを検証し、トルクトランスデューサ４２４からの予期せぬ読み取りの場合に安全遮断として作用するために、従来のトルクセンサを含み得ることが理解されるであろう。反応トルクセンサと関連して使用される従来のトルクセンサの実施例は、２０１６年６月１５日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１６／３７４７８、表題「ＲＯＢＯＴＩＣ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＴＯＲＱＵＥ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＴＩＯＮ  ＳＥＮＳＩＮＧ」内で開示され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００４４】
トルクトランスデューサ４２４をＩＤＵ４００に統合することにより、モータ４２０のトルクが直接的に測定され、従来のトルク測定と比較して、測定されたトルク内のノイズを低減することができる。例えば、本明細書に詳述されたトルクトランスデューサは、±２ｍＮＭの反復可能な精度を有して示される。加えて、トルクトランスデューサ４２４をモータ４２０の遠位端部および駆動軸４２２にわたって取り付けることは、測定されたトルク内のノイズの付加的な減少を提供することができる。さらに、トルクトランスデューサ４２４の構成は、本明細書で詳述されたように、従来のトルク測定の約５０〜約１００Ｈｚ（例えば、約０．０１〜約０．０５秒）と比較して約１０ＫＨｚ〜約５０ＫＨｚ（例えば、約０．０００００８秒〜約０．００００４秒）の速度でトルク測定のサンプリングを可能にする。向上したサンプリング速度は、モータ４２０のトルクにおける変化に対して、より速い動的応答速度を可能にすることができる。向上したサンプリング速度は、ＩＤＵ４０を制御する臨床医にリアルタイムのフィードバック（例えば、視覚、聴覚、または触覚フィードバック）の向上した精度を提供することができる。
【００４５】
より速い動的応答速度を可能にすることにより、ＩＤＵ４００の各モータ（例えば、モータ４２０、４３０、４４０、４５０）の駆動トルクの管理における精度を、向上させることができる。この向上した精度は、限定されるものではないが、ケーブル張力、ロッド張力、シャフトの角回転を含む、ＩＤＵ４００によって駆動される外科用機器の、より精密な制御パラメータに転換される。向上した精度は、負荷からの損傷を緩和することができ、外科用機器の使用寿命および信頼性を向上させることになる。加えて、向上した精度は、ねじり力の精度を向上させることができ、ハードストップならびに駆動部とケーブルの結びつきに関する、較正の簡素化および制限の設定を可能にする。さらに、向上した精度は、駆動ケーブルの寿命を監視するために、疲労、伸び、または劣化を検出するようにケーブルの変位対負荷パラメータを監視することに使用し得る。
【００４６】
図８〜１１を参照すると、トルクトランスデューサ４２４は、モータ４２０のトルクを測定するために、反応トルクトランスデューサとして構成される。上記で詳述されたように、トルクトランスデューサ４２４は、取付フランジ５１０と、本体５２０と、モータフランジ５３０と、を含む。本体５２０は、略円筒形状であり、中心の縦方向すなわちトランスデューサ軸Ｔ〜Ｔを画定し、トランスデューサ軸Ｔ〜Ｔを中心にチャネル５２２を画定する。取付フランジ５１０およびモータフランジ５３０は、トランスデューサ軸Ｔ〜Ｔの周辺のねじり偏位を最小限に抑え、または防止するように構成される。加えて、取付フランジ５１０は、複数の締結具によって取付板４０４に確実に固定され、モータフランジ５３０は、ねじり偏位を最小限に抑え、または防止するために、モータ４２０の遠位端部分に確実に固定される。取付フランジ５１０および／またはモータフランジ５３０は、それぞれ、取付板４０４およびモータ４２０に確実に固定されてもよい。
【００４７】
本体５２０は、モータ４２０のトルクに応答してゆがむ、または屈折するように構成される。本体５２０は、取付フランジ５１０およびモータフランジ５３０を相互接続する、低ひずみ領域５２６および高ひずみ領域５２８を含むことができる。低ひずみ領域５２６は、トランスデューサ軸Ｔ〜Ｔを中心に連続したリングであり、高ひずみ領域５２８は、トランスデューサ軸Ｔ〜Ｔを中心に開口または間隙を画定し、そのため、高ひずみ領域５２８は、同じトルクのモータ４２０に応答して低ひずみ領域５２６と比較するとき、増加した偏位を有する（例えば、付加的なひずみを経験する）。加えて、開口部または間隙は、トルクトランスデューサ４２４を確実に固定するために締結具４０５ａ、４０５ｂと係合するように駆動部にアクセスすることを可能にすることができる。高ひずみ領域５２８は、低ひずみ領域５２６とは異なる材料で構成された、または低ひずみ領域５２６とは異なる材料特性を有する連続的なリングであり得、そのため高ひずみ領域５２８は、低ひずみ領域５２６と比較するとき、トルクに応答して増加した偏位を有すると考えられる。高ひずみ領域５２８は、取付フランジ５１０とモータフランジ５３０との間に延在する支柱５２９の形態であってもよい。
【００４８】
トルクトランスデューサ４２４は、高ひずみ領域５２８の上、または内部に配設されたひずみゲージ５４０を含む。ひずみゲージ５４０は、高ひずみ領域５２８の内側表面５２９ａまたは外側表面５２９ｂ上に配設することができ、または高ひずみ領域５２８内にエッチングすることができる。ひずみゲージ５４０は、トルクがトルクトランスデューサ４２４に加えられる際に、最大撓みまたは偏位を受ける高ひずみ領域５２８の部分上に位置決めされる。ひずみゲージ５４０は、能動ひずみセンサ５４２および較正ひずみセンサ５４４を含む。能動ひずみセンサ５４２は、能動型ひずみセンサ５４２が高ひずみ領域５２８の半径方向ひずみを測定する際、トランスデューサ軸Ｔ〜Ｔを中心にトルクトランスデューサ４２４に加えられるトルクに応答して、高ひずみ領域５２８の偏位または撓みを測定するように配向される。較正ひずみセンサ５４４は、能動ひずみセンサ５４２に対して垂直に位置合わせされ、そのため、較正ひずみセンサ５４４は、トランスデューサ軸Ｔ〜Ｔを中心に高ひずみ領域５２８の半径方向の偏位をほとんどまたは全く受けない。較正ひずみセンサ５４４は、半径方向の偏位以外の要因（例えば、本体５２０の熱膨張）に応じて高ひずみ領域５２８のひずみを測定する。較正ひずみセンサ５４４は、軸方向の張力または圧縮力を検出するために使用することができると考えられる。加えて、較正ひずみセンサ５４４は、カプラ２０６、２０８の不適切な使用、直線駆動スラスト負荷、および／またはひずみ負荷条件を監視するために使用することができる。さらに、ひずみゲージ５４０は、ひずみゲージ５４０の寿命を最適化または制御するために読み取り、使用することができる、寿命、ゲージ、コールドスタート、負荷限界、直列化、熱限界、および較正オフセットを監視するための集積電子機器（例えば、ＥＥＰＲＯＭまたはマイクロプロセッサ）を含むことができる。
【００４９】
図１１を特に参照すると、測定回路５５０は、ひずみゲージ５４０によって測定されたひずみからモータ４２０の反応トルクを判定する。測定回路５５０は、ひずみゲージ５４０と、電圧源５５２と、フィルタ５５４と、増幅器５５６と、コントローラ５５８と、を含む。ひずみゲージ５４０は、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２を含むブリッジ回路の一部として能動ひずみセンサ５４２および較正ひずみセンサ５４４を含む。トルクトランスデューサ４２４の本体５２０のひずみは、ひずみゲージ４４０の電圧変化として測定され、ひずみセンサ５４２、５４４の各々の抵抗は、本体５２０の撓みに応じて変化する。測定された電圧は、ひずみゲージ５４０からフィルタ５５４に送られる。示されるように、測定された電圧は、較正ひずみセンサ５４４を能動ひずみセンサ５４２に隣接して位置決めし、能動ひずみセンサ５４２に直交して位置合わせした結果、本体５２０の撓み以外の要因となる。フィルタ５５４は、測定された電圧からノイズを除去するローパスフィルタである。フィルタ５５４は、フィルタリングされた電圧を増幅器５５６に伝達し、増幅器５５６は、増幅された電圧をコントローラ５５８に伝達する。コントローラ５５８は、増幅された電圧の変化を検出し、トルクトランスデューサ４２４の本体５２０のひずみを計算する。トルクトランスデューサ４２４の本体５２０のひずみから、コントローラ５５８は、本体５２０の撓みを計算する。コントローラ５５８は、本体５２０の既知の特性および寸法を考慮して、トルクトランスデューサ４２４の本体５２０の撓みからモータ４２０の反応トルクを計算する。コントローラ５５８は、算出したモータ４２０の反応トルクを制御デバイス４（図１）に伝達する。測定回路５５０のサンプリング速度は、約３ｋＨｚよりも大きくてもよい。
【００５０】
制御デバイス４は、モータ４２０の反応トルクを分析して、ＩＤＵ６０によってアダプタ１６０に加えられた力を判定する。制御デバイス４は、エンドエフェクタ２０に加えられた力に応答してモータ４２０に供給されるエネルギを調節してもよい。付加的にまたは代替的に、制御デバイス４は、モータ４２０の反応トルクに応答して、操作コンソール５を通じてユーザにフィードバックを提供し得る。フィードバックは、視覚的、可聴的、または触覚的であり得る。
【００５１】
ひずみゲージ５４０は、測定回路５５０に延在するリード線（明示せず）を含む。本体５２０は、リード線を本体５２０に確実に固定し、リード線に対してひずみの緩和を提供するスナップまたはエポキシを含むことができる。
【００５２】
ここで図１２を参照すると、別のトルクトランスデューサ６００が、本開示に従って開示される。トルクトランスデューサ６００は、取付フランジ６１０と、モータフランジ６３０と、取付フランジ６１０とモータフランジ６３０とを相互接続する本体６２０と、を含む。取付フランジ６１０は、取付フランジ６１０を固定板（例えば、取付板４０４）に確実に固定するための締結具を受容するための、締結具孔６１４を各々画定する半径方向突出部６１３のリングから形成される。取付フランジ６１０は、半径方向突出部６１３の各々の間に凹部６１６を画定する。凹部６１６は、配線をひずみゲージ６４０に、またはＩＤＵ４００とアダプタ１２０との間に配線するために使用し得る。付加的にまたは代替的に、凹部６１６は、モータフランジ６３０の締結具への駆動部アクセスを提供し得る。取付フランジ６１０は、取付板４０４に対してトルクトランスデューサ６００を位置決めまたは位置付けるために、遠位に延在する位置付け特徴部またはリング６１２を含み得る。モータフランジ６３０は、上記で詳述されたモータフランジ５３０と実質的に同様であり、簡潔さの理由からこれ以上考察することはない。
【００５３】
本体６２０は、上記で詳述されたトルクトランスデューサ４２４の本体５２０と同様であるので、相違点のみを本明細書で詳述することになる。本体６２０は、略円筒形状であり、本体６２０を通じてチャネル６２２を画定するために、取付フランジ６１０とモータフランジ６３０との間に延在する複数の支柱６２８から形成される。支柱６２８は、トランスデューサ軸Ｔ〜Ｔを中心に加えられたトルクに応じて偏向または撓むように構成される。支柱は、取付フランジ６１０およびモータフランジ６３０の各々に隣接する低応力領域６２４、および低応力区分６２６の間の高応力領域６２６を含む。本体６２０は、支柱６２８のうちの少なくとも１つの高応力領域内に配設された応力ゲージ６４０を含む。応力ゲージ６４０は、上記で詳述された応力ゲージ５４０と同様である。
【００５４】
本体５２０、６２０の重量は、モータ４２０、４３０、４４０、４５０をＩＤＵ４００内に取り付けるために適切な寸法を有し、本体５２０、６２０が永久的に変形無く、モータ４２０、４３０、４４０、４５０の動作トルクに耐えることが可能である一方で、最小限に抑えられ得る。いくつかの用途において、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００の各々は、高精度の分解能を有する、約±１４ｍＮｍの軽使用トルク範囲および約±３５０ｍＮｍの重使用トルク範囲を有し得る。特定の用途において、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００の各々の予期されるピークトルクは、約±７００ｍＮｍであり得、そのため、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００が、本体５２０、６２０が永久的に変形無く、約±１４００ｍＮｍの瞬間トルクに耐えるように設計され得、これは低い精度の分解能を生成し得る。ある用途において、本体５２０、６２０は、塑性変形を経験することなく、±２２Ｎの軸方向装荷に耐えるように構成され得る。トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００のデューティサイクルは、軽い使用では１００％、重い使用では５０％、ピークトルクで、またはその近くで５％未満の定格としてもよい。
【００５５】
実施例としてトルクトランスデューサ６００を使用する場合、本体６２０の外径は、約１７．５ｍｍ未満、例えば、約９．５ｍｍであり、取付フランジおよびモータフランジ６１０、６３０は、約２２ｍｍ未満、例えば、約１７ｍｍの直径を有してもよい。位置付けリング６１２は、約９ｍｍの外径を有してもよい。
【００５６】
本明細書で詳述されるトルクトランスデューサ（例えば、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００）は、限定されるものではないが、鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、またはそれらの合金を含み得る、低疲労寿命材料または合金を利用する、ワンピース設計であり得る。代替的に、本明細書に詳述されるトルクトランスデューサは、上記材料のうちの１つのマルチピース構造、またはそれらの組み合わせであり得る。例えば、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００は、１７−４ステンレス鋼および／または２０２４−Ｔ３５１アルミニウムで構成されてもよい。トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００がアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されているとき、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００は、軍事仕様、例えば、ＭＩＬ−Ａ−８６２５ＦタイプＩＩ、クラス１によって陽極酸化処理され得、または保護コーティング、例えば、Ａｌｏｄｉｎｅ  ５２００非クロム化成皮膜で被覆され得る。また、トルクトランスデューサ４２４、４３４、４４４、４５４、６００は、防錆処理および腐食耐性を向上させるための不動態化処理によって強化されてもよいと考えられる。
【００５７】
本明細書で開示された実施形態に様々な改造が成され得ることが理解されるであろう。したがって、上記の説明は、限定として解釈されるべきではなく、単に様々な実施形態の例示として解釈されるべきである。当業者であれば、本明細書に添付される特許請求の範囲に含まれる他の改造を想到するであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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