(57)【要約】医療機器は、コネクタ部分と、コネクタ部分と可撓性に一体である第１のジョー部分と、第１のジョー部分と一体である第１のアーム部分と、アクチュエータ部分の直線運動時に第１のジョー部分の回転運動を引き起こすための第１のアーム部分と可撓性に一体であるアクチュエータ部分とを有する、単一ジョー構造を含む。医療機器は、下停止表面を有する第１のコネクタ部分と、第１のコネクタ部分と一体である小型屈曲部と、小型屈曲部と一体である第２のコネクタ部分であって、下停止表面より下側で小型屈曲部と一体である上停止表面を有し、下停止表面と角度を形成する、第２のコネクタ部分とを有する、単一手首構造を含む。
2014533966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一ジョー構造を含む医療機器であって、
前記単一ジョー構造は、
コネクタ部分と、
前記コネクタ部分と可撓性に一体である第１のジョー部分と、
前記第１のジョー部分と一体である第１のアーム部分と、
アクチュエータ部分の直線運動時に前記第１のジョー部分の回転運動を引き起こすための前記第１のアーム部分と可撓性に一体であるアクチュエータ部分と
を有する、医療機器。
【請求項２】
前記単一ジョー構造は、小型屈曲ヒンジを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記コネクタ部分は、幅を有し、前記第１のジョー部分は、前記幅の片側で前記コネクタ部分と可撓性に一体であり、
前記第１のアーム部分は、前記第１のジョー部分から前記幅の反対側まで延在し、
前記アクチュエータ部分は、前記幅の中心にある、
請求項１に記載の機器。
【請求項４】
前記第１のジョー部分は、前記単一ジョー構造の異なる使用のために異なる形状および異なる材料のタスクアダプタに適応するためのアダプタを含む、請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記単一ジョー構造は、
前記コネクタ部分と可撓性に一体である第２のジョー部分と、
前記アクチュエータ部分の前記直線運動時に前記第２のジョー部分の回転運動を引き起こすための前記アクチュエータ部分と可撓性に一体である第２のアーム部分と
をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記単一ジョー構造は、遠位端でより狭い先細形状を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項７】
前記単一ジョー構造は、円筒構成を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項８】
前記単一ジョー構造は、成形可能、形成可能、または接合可能プラスチックまたは金属でできている、請求項１に記載の機器。
【請求項９】
前記単一ジョー構造を配向するための前記コネクタ部分に接続される手首機構をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１０】
前記アクチュエータ部分の運動に対して静止した前記コネクタ部分を保持するための前記コネクタ部分に直接接続される管と、
前記アクチュエータ部分の往復運動を引き起こすための前記アクチュエータ部分に連結される作動部材と
をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
前記アクチュエータ部分で力センサをさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記力センサは、モータに印加される電流あるいは油圧または空気圧式アクチュエータに印加される圧力の測定に基づく、請求項１１に記載の機器。
【請求項１３】
単一ジョー構造を含む医療機器であって、
前記単一ジョー構造は、
コネクタ部分と、
前記コネクタ部分と一体である第１の可撓性ヒンジと、
前記第１の可撓性ヒンジと一体である第１のジョー部分と、
前記第１のジョー部分と一体である第１のアーム部分と、
前記第１のアーム部分と一体である第１のアームヒンジ部分と、
アクチュエータ部分の直線運動時に前記第１のジョー部分の回転運動を引き起こすための前記第１のアームヒンジ部分と一体であるアクチュエータ部分と
を有する、医療機器。
【請求項１４】
前記単一ジョー構造は、小型屈曲ヒンジからの実質的にゼロの摩擦を含む、請求項１３に記載の機器。
【請求項１５】
前記コネクタ部分は、直径を有し、前記第１の可撓性ヒンジは、前記直径の片側にあり、
前記第１のアーム部分は、前記第１のジョー部分から前記直径の反対側まで延在し、
前記アクチュエータ部分は、前記直径の中心にある、
請求項１３に記載の機器。
【請求項１６】
前記第１のジョー部分は、前記単一ジョー構造の異なる用途のために異なる形状および異なる材料のタスクアダプタに適応するためのアダプタを含む、請求項１３に記載の機器。
【請求項１７】
前記第１のアームヒンジ部分、前記第１のアーム部分、前記第１の可撓性ヒンジ、またはそれらの組み合わせは、前記第１のジョー部分に印加される力を制限する、請求項１３に記載の機器。
【請求項１８】
前記単一ジョー構造は、遠位端でより狭い先細形状を有し、前記第１のジョー部分の前記遠位端で丸みを帯びた角を有する、請求項１３に記載の機器。
【請求項１９】
前記単一ジョー構造は、丸みを帯びた外面を有する、前記第１のジョー部分との円筒構成を有する、請求項１３に記載の機器。
【請求項２０】
前記単一ジョー構造は、
成形可能プラスチックまたは金属、
高温ガス、熱、またはレーザ溶接によって他のプラスチックまたは金属と接合されることが可能である、接合可能プラスチックまたは金属、あるいは、
放電加工によって形成可能な金属
でできている、請求項１３に記載の機器。
【請求項２１】
前記単一ジョー構造は、前記単一ジョー構造を位置付けて配向するための手首機構と一体である、請求項１３に記載の機器。
【請求項２２】
前記アクチュエータ部分の運動に対して静止した前記コネクタ部分を保持するために前記コネクタ部分に直接接続される、中空形状を有する管と、
前記アクチュエータ部分の運動を引き起こすように力を伝達するための前記管に封入され、前記アクチュエータ部分に接続される作動部材と、
前記アクチュエータ部分の往復運動を引き起こすための前記作動部材に接続されるアクチュエータシステムと
をさらに含む、請求項１３に記載の機器。
【請求項２３】
前記アクチュエータ部分で力センサをさらに含む、請求項１３に記載の機器。
【請求項２４】
前記力センサは、モータに印加される電流あるいは油圧または空気圧式アクチュエータに印加される圧力の測定に基づく、請求項２３に記載の機器。
【請求項２５】
単一手首構造を含む医療機器であって、
前記単一手首構造は、
下停止表面を有する、第１のコネクタ部分と、
前記第１のコネクタ部分と一体である可撓性ヒンジと、
小型屈曲部と一体である第２のコネクタ部分であって、前記下停止表面より下側で前記小型屈曲部と一体である上停止表面を有し、前記下停止表面と角度を形成する、第２のコネクタ部分と
を有する、医療機器。
【請求項２６】
前記可撓性ヒンジは、小型屈曲部である、請求項２５に記載の機器。
【請求項２７】
前記上停止表面は、前記下停止表面の真下にあり、それに酷似している、請求項２５に記載の機器。
【請求項２８】
前記第２のコネクタ部分は、前記上停止表面と前記可撓性ヒンジとの間にあり、かつそれらと一体である上レリーフ隙間を含み、
前記第１のコネクタ部分は、前記下停止表面と前記可撓性ヒンジとの間にあり、かつそれらと一体である下レリーフ隙間を含み、前記可撓性ヒンジおよび前記上レリーフ隙間の半径とは異なる前記下レリーフ隙間の半径を形成する、
請求項２５に記載の機器。
【請求項２９】
前記第１のコネクタ部分は、前記下停止表面と前記小型屈曲部との間にあり、かつそれらと一体である下レリーフ隙間を含み、
前記第２のコネクタ部分は、前記上停止表面と前記小型屈曲部との間にあり、かつそれらと一体である上レリーフ隙間を有し、前記小型屈曲部および前記下レリーフ隙間と円筒の一部分を形成する、
請求項２６に記載の機器。
【請求項３０】
前記可撓性ヒンジは、偏向の剪断構成要素の２倍以下であるＳ字屈曲構成要素を有するものとして特徴付けられる、請求項２５に記載の機器。
【請求項３１】
前記単一手首構造は、
前記第１のコネクタ部分および前記第２のコネクタ部分上のアクチュエータ穴であって、中心線と平行な方向に前記第１のコネクタ部分および前記第２のコネクタ部分を通過する、アクチュエータ穴と、
前記第１のコネクタ部分に接続され、前記第２のコネクタ部分上の前記アクチュエータ穴を通して位置付けられる作動部材と
をさらに含む、請求項２５に記載の機器。
【請求項３２】
前記単一手首構造は、円筒形状を有する、請求項２５に記載の機器。
【請求項３３】
前記単一手首構造は、前記第１のコネクタ部分に対して直角で屈曲するように前記第２のコネクタ部分と可撓性に一体である第３のコネクタ部分をさらに含む、請求項２５に記載の機器。
【請求項３４】
前記単一手首構造は、前記単一手首構造の中心線に沿って延在する中央チャネルを含み、
前記単一手首構造は、前記中央チャネル内に位置付けられる作動部材をさらに含む、
請求項２５に記載の機器。
【請求項３５】
前記単一手首構造に接続されるジョー機構と、
前記ジョー機構の反対側で前記単一手首構造に接続される管と
をさらに含む、請求項２５に記載の機器。
【請求項３６】
単一手首構造を含む医療機器であって、
前記単一手首構造は、
水平面より上側で角度を形成する第１の下停止表面を有する、第１のコネクタ部分と、
前記第１のコネクタ部分と一体である第１の小型屈曲部と、
前記第１のコネクタ部分の反対側にあり、かつそれと整合させられる、前記第１の小型屈曲部と一体である第２のコネクタ部分であって、前記第１の下停止表面の真下で前記水平面より下側に角度を形成する第１の上停止表面を有し、前記角度で上方に傾斜した第２の下停止表面を有する、第２のコネクタ部分と、
前記第２のコネクタ部分と一体である第２の小型屈曲部と、
前記第２のコネクタ部分の反対側にあり、かつそれと整合させられる、前記第２の小型屈曲部と一体である第３のコネクタ部分であって、前記第２の下停止表面の真下で、前記角度で下方に傾斜した第２の上停止表面を有し、前記角度で上方に傾斜した第３の下停止表面を有する、第３のコネクタ部分と、
前記第３のコネクタ部分と一体である第３の小型屈曲部と、
前記第３のコネクタ部分の反対側にあり、かつそれと整合させられる、前記第３の小型屈曲部と一体である第４のコネクタ部分であって、前記第３の下停止表面の真下で、前記角度で下方に傾斜した第３の上停止表面を有し、前記角度で上方に傾斜した第４の下停止表面を有する、第４のコネクタ部分と、
前記第４のコネクタ部分と一体である第４の小型屈曲部と、
前記第４のコネクタ部分の反対側にあり、かつそれと整合させられる、前記第４の小型屈曲部と一体である第５のコネクタ部分であって、前記第４の下停止表面の真下で、前記角度で下方に傾斜した第４の上停止表面を有する、第５のコネクタ部分と
を有する、医療機器。
【請求項３７】
前記第１の小型屈曲部、前記第２の小型屈曲部、前記第３の小型屈曲部、前記第４の小型屈曲部、またはそれらの組み合わせは、前記小型屈曲部からの実質的にゼロの摩擦を含む、請求項３６に記載の機器。
【請求項３８】
前記第１の小型屈曲部、前記第２の小型屈曲部、前記第３の小型屈曲部、および前記第４の小型屈曲部は、前記第４の小型屈曲部と平行な前記第１の小型屈曲部を伴ってＡＢＢＡ配列を有し、前記第２の小型屈曲部および前記第３の小型屈曲部は両方とも、前記第１の小型屈曲部に対して直角で回転させられる、請求項３６に記載の機器。
【請求項３９】
前記第１の小型屈曲部、前記第２の小型屈曲部、前記第３の小型屈曲部、前記第４の小型屈曲部は、それが隣接する前記小型屈曲部に対して直角で回転させられる前記小型屈曲部のそれぞれを伴ってＡＢＢＡ配列を有する、請求項３６に記載の機器。
【請求項４０】
前記第２のコネクタ部分、前記第３のコネクタ部分、前記第４のコネクタ部分、またはそれらの組み合わせは、それぞれ前記小型屈曲部とは異なる半径を形成する、上レリーフ隙間および下レリーフ隙間を有する、請求項３６に記載の機器。
【請求項４１】
前記第１の小型屈曲部、前記第２の小型屈曲部、前記第３の小型屈曲部、前記第４の小型屈曲部、またはそれらの組み合わせは、偏向の剪断構成要素の２倍以下であるＳ字屈曲構成要素を有するものとして特徴付けられる、請求項３６に記載の機器。
【請求項４２】
前記第２のコネクタ部分、前記第３のコネクタ部分、前記第４のコネクタ部分、またはそれらの組み合わせは、円形または楕円形断面を有する円筒の一部分を形成する各小型屈曲部を伴って、上レリーフ隙間および下レリーフ隙間を有する、請求項３６に記載の機器。
【請求項４３】
前記下停止表面は、下レリーフ隙間と一体であり、
前記上停止表面は、上レリーフ隙間と一体である、
請求項３６に記載の機器。
【請求項４４】
前記第１のコネクタ部分、前記第２のコネクタ部分、前記第３のコネクタ部分、前記第４のコネクタ部分、前記第５のコネクタ部分、またはそれらの組み合わせを、前記単一手首構造の前記部分を個別に制御するためのアクチュエータシステムと別々に連結する、作動部材をさらに含む、請求項３６に記載の機器。
【請求項４５】
遠位端で前記単一手首構造と一体であるジョー機構をさらに含む、請求項３６に記載の機器。
【請求項４６】
前記単一手首構造は、
成形可能プラスチックまたは金属、
高温ガス、熱、またはレーザ溶接によって他のプラスチックまたは金属と接合されることが可能である、接合可能プラスチックまたは金属、あるいは、
放電加工によって形成可能な金属
でできている、請求項３６に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１１年８月１５日に出願された米国特許出願第１３／２１０，１４２号および２０１１年８月１５日に出願された米国特許出願第１３／２１０，１９６号に対する優先権を主張し、これらの出願は、その全体が参照により本願明細書中に援用される。
【０００２】
本発明は、概して、医療機器に関し、より具体的には、ジョーを伴う医療機器、および／または異なる位置および配向でその中に取り付けられた機構を保持するための医療機器構成要素に関する。
【背景技術】
【０００３】
現代のツールおよび操作機器、特に、切断、把持、および保持等の外科手術を行うためのジョーを伴う機器は、低侵襲マイクロ手術での用途を含む現代の必要性を支持するように、増大するレベルの機能性および強度を提供している。切開サイズならびに術後疼痛および瘢痕化を低減させるように、かつ小児、血管、および神経手術において、ならびに眼科手術等のマイクロ手術において、より小さい生体構造に対処するように、これらの機器の直径をさらに縮小することが望ましい。しかしながら、より小さい操作機器のジョーを位置付けて配向するために利用可能な機構は、効率的ではなく、しばしば精度に欠ける。
【０００４】
しばしば、利用可能なツールは、正しい量の力を正確に印加すること、または正確に位置付けられることにおいて効率的ではない。外科用機器のサイズが減少するにつれて、鉗子、把持器、および鋏等のジョーを有する機構において、いくつかの問題が発生する。
【０００５】
新しい外科技法によって、低侵襲手術（ＭＩＳ）およびロボットＭＩＳ等の低侵襲手技がもたらされたことにより、より小さい直径の必要性を生じた。小型の機器の必要性は、最小限の瘢痕を伴う、または全く伴わない、かつより少ない切開サイズ関連術後疼痛を伴う、審美的治癒に対する患者の懸念が動機となっている。
【０００６】
低侵襲医療機器の開発はまた、小血管および神経再吻合、眼科手術、精管復元術、および同等物等のより小さい生体構造に対処するためにより小型の機器を必要とする外科医も動機となっている。低侵襲医療機器および手技を開発するための別の外科医の動機は、あまり目立たない瘢痕、より少ない術後疼痛、およびより急速な治癒で患者を幸福にするという所望である。
【０００７】
これらの低侵襲医療機器を生産することに対する技術的障害のうちの１つは、機械的アクチュエータから他方の端部上の機器ジョーまたはエンドエフェクタへの力の伝達である。過剰に多いまたは過剰に少ない力の送達は、手術において付加的で不要な複雑を外科医に提示し得る。
【０００８】
別の困難は、医療機器ジョーまたはエンドエフェクタの正確な位置付けおよび移動である。リンク機構のシステムを通して正確な制御を提供することは困難であり得る。組み合わせられたリンク機構は、無駄な運動または無駄なエネルギーと有用に考えられる、「ヒステリシス」と呼ばれる固有の移動誤差を有する。医療機器のヒステリシスは、可動部品の間の摩擦、および相互接続部品の伸張によって引き起こされる。
【０００９】
ジョー作動のための滑車装置型機構は、より優れた機械効率を作動ケーブルに提供するが、部品数、組立費用、および機構摩擦を増加させ得る。
【００１０】
その上でヒンジの部分が枢動する、ピンまたはシャフトを使用する、ケーブル作動型ヒンジ機構では、ケーブル力が、ヒンジ回転に抵抗する枢動ピン摩擦を増加させる。枢動ピン摩擦は、摩擦を克服するように十分な作動力が印加されるまで移動に抵抗するであろう。これは、ヒンジ回転を開始するために、所望されるよりも大きい作動力が印加されなければならないことを意味する。この望ましくない条件は、いったん運動が開始されると、摩擦力が劇的に低減するにつれて、過剰な運動を引き起こし得る。
【００１１】
無駄な運動または無駄なエネルギーと有用に考えられる、任意の機構のヒステリシスが、その駆動系コンプライアンスによって乗算される機構摩擦の積とともに変化するため、これらの摩擦およびコンプライアンス増加の複合効果として、握持器等の機器の断面直径が所与の種類のヒンジ機構に対して減少する際の手首運動ヒステリシスの大きな増加となる。これは、静摩擦と呼ばれることもある、不均等または予測不可能な運動効果をもたらす、より高い始動摩擦を伴う擦り摩擦があるときに、特に不利である。したがって、より小さい円滑に機能する外科用機器の手首を可能にするために、より低い摩擦を伴う新しい手首機構を有することも望ましい。
【００１２】
費用を削減する、効率および性能を向上させる、および競争圧力を満たす必要性が、これらの問題に対する解答を見出すための重大な必要性に、さらなる緊急性を追加する。これらの問題に対する解決策は、長く模索されてきたが、以前の開発は、いかなる解決策も教示または提案しておらず、したがって、これらの問題に対する解決策は、長い間、当業者から避けられてきた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のいくつかの実施形態は、コネクタ部分と、コネクタ部分と可撓性に一体である第１のジョー部分と、第１のジョー部分と一体である第１のアーム部分と、アクチュエータ部分の直線運動時に第１のジョー部分の回転運動を引き起こすための第１のアーム部分と可撓性に一体であるアクチュエータ部分とを有する、単一ジョー構造を含む、医療機器を提供する。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態はさらに、下停止表面を有する第１のコネクタ部分と、第１のコネクタ部分と一体である小型屈曲部と、小型屈曲部と一体である第２のコネクタ部分であって、下停止表面より下側で小型屈曲部と一体である上停止表面を有し、下停止表面と角度を形成する、第２のコネクタ部分とを有する、単一手首構造を含む、医療機器を提供する。
【００１５】
本発明のある実施形態は、上述のものに加えて、またはそれらの代わりに、他のステップまたは要素を有する。ステップまたは要素は、添付図面を参照して解釈されたときに、以下の発明を実施するための形態を読むことにより、当業者に明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態における単一ジョー構造を伴う医療機器である。
【図２】図２は、単一ジョー構造の拡大詳細等角図である。
【図３】図３は、単一ジョー構造の詳細切断等角図である。
【図４】図４は、単一ジョー構造の開放の例示的な図である。
【図５】図５は、単一ジョー構造の閉鎖の例示的な図である。
【図６】図６は、第１の実施形態における単一手首構造の拡大詳細等角図である。
【図７】図７は、第１の実施形態における単一手首構造の拡大正面図である。
【図８】図８は、第１の実施形態における単一手首構造の拡大側面図である。
【図９】図９は、部分的に前方に屈曲された、第１の実施形態における単一手首構造の拡大側面図である。
【図１０】図１０は、部分的に前方に屈曲され、かつ部分的に左に屈曲された、第１の実施形態における単一手首構造の拡大側面図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態における単一接合構造の拡大詳細等角図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態における単一接合構造の正面図である。
【図１３】図１３は、完全屈曲位置にある第２の実施形態における単一接合構造の正面図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態における単一接合構造の側面図である。
【図１５】図１５は、第３の実施形態における単一手首構造の拡大詳細等角図である。
【図１６】図１６は、第３の実施形態における単一手首構造の拡大正面図である。
【図１７】図１７は、第３の実施形態における単一手首構造の拡大側面図である。
【図１８】図１８は、部分的に前方に屈曲された、第３の実施形態における単一手首構造の拡大側面図である。
【図１９】図１９は、部分的に前方に屈曲され、かつ部分的に右に屈曲された、第３の実施形態における単一手首構造の拡大側面図である。
【図２０】図２０は、本発明の例示的実施形態における小型屈曲部構造の拡大等角図である。
【図２１】図２１は、単一手首構造の実施形態に載置された単一ジョー構造の実施形態を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
単一ジョー機構
以下の実施形態は、当業者が本発明を作製および使用することを可能にするように十分詳細に説明される。他の実施形態が、本開示に基づいて明白となり、本発明の範囲から逸脱することなく、システム、プロセス、または機械的変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００１８】
以下の説明では、本発明の徹底的な理解を提供するように、多数の具体的詳細が挙げられる。しかしながら、本発明は、これらの具体的詳細を伴わずに実践されてもよいことが明白となるであろう。本発明を曖昧にすることを回避するために、いくつかの周知のデバイス、機器構成、およびプロセスステップは詳細に開示されていない。
【００１９】
説明目的において、本明細書で使用されるような「水平」という用語は、「図」という図指定によって指示されるような図面を視認する時に見られる水平方向として定義される。「垂直」という用語は、上記で定義されるような水平と垂直な方向を指す。「〜より上側」、「〜より下側」、「底部」、「最上部」、「側面」（「側壁」の場合のような）、「より高い」、「より低い」、「上方」、「下方」、「上方に」、および「〜の下」という用語は、図で示されるように、水平に対して定義される。「〜の上」という用語は、説明される要素の間に直接接触があることを意味する。概して、本発明は、任意の配向で操作することができる。
【００２０】
また、以下の説明では、２つの部材の間の関係を説明するために、接続および連結が使用される。「接続される」という用語は、２つの部材が物理的および直接的に相互に接合されることを意味する。
【００２１】
異なる部材を種々の方法で接続することができる。例えば、成形または彫成等、相互に隣接して形成されることによって、異なる部材を接続することができる。また、例えば、接着剤、締結具、溶接、またはろう付けを通して等、ともに取り付けられることによって、異なる部材を接続することができる。「手首」という用語は、同時に１つよりも多くの方向に屈曲できることによって、２自由度が可能な構造を意味する。「接合」という用語は、１８０度離れている２つの方向に屈曲できることによって、１自由度が可能である構造を意味する。
【００２２】
「連結される」という用語は、２つの部材が、１つ以上の他の部材を通して物理的に結合されることを意味する。「往復運動」および「往復移動」という語句は、反復的な上下または前後の直線または角度回転運動を表すように定義される。「遠位」および「近位」という語句は、それぞれ、図１の関連矢印によって指定される、および機器がロボットアームに連結する点（近位）と外科患者組織に接触する機器先端（遠位）との間の接続性の経路に沿った方向を示すように定義される。
【００２３】
本システムの実施形態を示す図面は、半図形的であり、一定の縮尺ではなく、特に、寸法のうちのいくつかは、表現を明確にするためのものであり、図面において誇張されて示されている。同様に、図面における図は、説明を容易にするために、概して、類似配向を示すが、この図での描写は、大部分が恣意的である。概して、本発明を、任意の配向で操作することができる。
【００２４】
しばしば、利用可能な外科用機器は、正しい量のジョー握持力を印加すること、またはジョーを正確に位置付けることにおいて効率的ではない。外科用機器のサイズが減少するにつれて、鉗子、把持器、および鋏等のジョーを有する機構で、いくつかの問題が発生する。
【００２５】
ジョー作動レバーの長さに対するジョーの長さの比が増加するにつれて、作動システムの機械効率が減少する。したがって、所望のジョー閉鎖力のために、大抵の作動システムケーブルおよび滑車は、外科用機器の直径が減少するにつれて、比較的大きい力が作動ケーブルによって及ぼされるように要求する。
【００２６】
その上で個々のジョーが枢動する、ピンまたはシャフトを使用する、ジョーシステムでは、より大きいケーブル力が、ジョー回転に抵抗する枢動ピン摩擦を増加させる。これは、所望されるよりも大きい作動力がジョー作動のために印加されなければならないことを意味する。
【００２７】
より高いケーブル力はまた、ジョーを支持する枢動ピンの断面剪断面積の対応する増加も必要とし、したがって、故障を防止するために、より大きい枢動ピン直径を必要とする。枢動ピンの直径に対するアクチュエータ滑車の直径の比は、滑車サイズの減少およびピンサイズの増加の結果として減少し、それは、ジョー回転に抵抗する摩擦トルクをさらに増加させ、所与のジョー力を達成するように作動ケーブル力をさらに増加させる。
【００２８】
より高い摩擦力およびより低い機械効率は、作動ケーブルの近位端の所望されるよりも大きい移動が、所定量のジョー回転および力のために必要とされるように、ケーブル軸偏向または伸張を増加させ、これは、有効駆動系コンプライアンスが増加させられることを意味する。
【００２９】
任意の機構のヒステリシスが、その駆動系コンプライアンスによって乗算される機構摩擦の積とともに変化するため、これらの摩擦およびコンプライアンス増加の複合効果として、握持器等の機器の断面直径が所与の種類のヒンジ機構に対して減少する際のヒステリシスの大きな増加となる。これは、静摩擦またはスティックスリップと呼ばれることもある、不均等または予測不可能な運動効果をもたらす、より高い始動摩擦を伴う擦り摩擦があるときに、特に不利である。
【００３０】
したがって、より小さい円滑に機能する外科用機器を可能にするために、より低い摩擦、より大きいジョーレバー機械効率、およびより低い有効駆動系コンプライアンスを伴う新しいジョー機構を有することが望ましい。
【００３１】
その他は、より高い軸方向剛性（より低いコンプライアンス）を伴う重い中実作動ロッドを提供することによって、これらの問題に対処してきた。しかしながら、大型の中実ジョー作動ロッドは、可撓性に干渉し、ジョーを位置付けて配向するために使用される関節動作型手首の使用を妨げ、また、高サイクル寿命の使用において曲げ応力疲労破損の影響を受けやすくあり得る。したがって、重い中実ロッド作動部材は、手首を伴わない手動腹腔鏡手術機器に最も良く適合され、関節動作型手首を伴うロボット腹腔鏡手術機器にはうまく適合されない。
【００３２】
ここで図１を参照すると、本発明の実施形態における単一ジョー構造１１０を伴う医療機器１００がその中で示されている。医療機器１００は、近位端１０２および遠位端１０４を有する。
【００３３】
医療機器１００は、遠位端１０４における単一ジョー構造１１０と、作動部材１１４を伴う管１１２と、近位端１０２におけるアクチュエータシステム１１８とを含むことができる。本発明の実施形態における単一ジョー構造１１０は、人間の手に類似している。「単一」という用語は、単一のユニットの材料の構造を意味する。単一ジョー構造１１０は、単一のユニットとして単一の材料から製造することができる。
【００３４】
医療機器１００は、単一ジョー構造１１０に取り付けられた、またはそれと一体的に形成された、人間の手首に類似する手首機構１２４を含むことができる。手首機構１２４は、接着剤または機械的締結具を使用して単一ジョー構造１１０に接続することができ、あるいはまた、溶接またはろう付けされてもよい。代替実施形態では、単一ジョー構造１１０および手首機構１２４は、単一のユニットとして単一の材料からともに製造することができる。
【００３５】
単一ジョー構造１１０は、プラスチックまたは金属合金等の単一のユニットの材料から彫成または成形することができる。例えば、単一ジョー構造１１０は、ポリプロピレンプラスチックまたは金属合金を切断または彫成することによって形成することができ、あるいは、Ｎｉｔｉｎｏｌ合金を成形するために使用されるとき等に、表層再溶融を除去するためにワイヤ放電加工（ＥＤＭ）プロセスおよび後処理を使用することによって形成することができる。
【００３６】
単一ジョー構造１１０はまた、形状に成形することもできる。例えば、単一ジョー構造１１０は、成形プラスチックまたは鋳造金属であり得る。単一ジョー構造１１０はまた、繊維強化ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のポリマーの単一の射出成形として、あるいは連続空洞を有する金型または成型の中への金属射出成形（ＭＩＭ）によって形成することもできる。
【００３７】
単一ジョー構造１１０は、遠位端１０４に向かって狭くなる先細部を伴う円筒構成を有して示されている。先細部は、単一ジョー構造１１０が、緊密な空間の中へ突出し、器官または血管等の障害物の間を移動することを可能にする。
【００３８】
単一ジョー構造１１０は、その一部品構造により、組立動作を排除するという利点を伴って、改良型製造動作を提供する。削減された費用により、使い捨て用途のために単一ジョー構造１１０を作製することが実行可能である。使い捨てツールは、使用後の清掃および再滅菌と関連付けられる取扱および処理の必要性、ならびに高圧蒸気滅菌に耐える能力等の再滅菌のためのある機器設計要件の必要性を回避する。
【００３９】
管１１２は、空間内の場所で単一ジョー構造１１０および単一手首構造１２４を保持する。例えば、管１１２は、医療機器の真っ直ぐな管であり得る。
【００４０】
例証目的において、管１１２は、管１１２内に作動部材１１４を封入する、中空円筒部材として示されている。しかしながら、管１１２は、異なり得、かつ種々の断面形状を有することができる、または中実であり得、かつ作動部材１１４の外部バージョンを有することができると理解される。
【００４１】
単一ジョー構造１１０は、管１１２の遠位端１０４において単一手首構造１２４、および近位端１０２においてアクチュエータシステム１１８に取り付けられる。概して、単一ジョー構造１１０は、より遠位の部分であり、手首機構１２４は、より近位の部分である。
【００４２】
手首機構１２４は、単一ジョー構造１１０の相対位置および配向を変化させるように屈曲する、または多軸移動を提供する部材である。例えば、手首機構１２４は、ボールおよびソケットであり得、または相互に対して直角で１つよりも多くのピン接合ヒンジを有してもよい。
【００４３】
また、例えば、手首機構１２４は、医療機器１００が単一ジョー構造１１０を位置付けることを可能にするように移動することができる、単一のユニットとして単一の材料から製造される可撓性機構であり得る。手首機構１２４は、離散枢動ピン継手を伴わずに屈曲することができる、可撓性部材であり得る。手首機構１２４は、管１１２によって支持される。
【００４４】
一実施形態では、単一ジョー構造１１０は、ＤＪとして描写される直径を有し、手首機構１２４は、図１で描写されるような直径ＤＷを有する。一実施形態では、ＤＷは、単一ジョー構造１１０の両方の部分が、低侵襲外科的手技中に切開の中の同一カニューレを通って容易に進入することができるように、ＤＪに等しい。
【００４５】
アクチュエータシステム１１８は、手首機構１２４を屈曲するように、および単一ジョー構造１１０を作動させるように、作動部材１１４によって連結される力を及ぼす。作動部材１１４は、例えば、印加された力の方向に沿って手首機構１２４を屈曲するように押される、または引かれる、ロッド、ケーブル、またはケーブルおよび滑車システムであり得る。アクチュエータシステム１１８はまた、力を伝えて単一ジョー構造１１０の回転往復運動を引き起こすように、作動部材１１４を通して連結することもできる。
【００４６】
アクチュエータシステム１１８は、印加された力を生成するように、電気、油圧、または空気動力システムを含んでもよく、またはそれに連結されてもよい。単一ジョー構造１１０および手首機構１２４に対する印加された力および運動の量を制御するために、制御システム１２０をアクチュエータシステム１１８に連結することができる。制御システム１２０は、単一ジョー構造１１０の動作を制御することができる機構である。例えば、制御システム１２０は、コンピュータおよびモータアセンブリ、あるいはハンドル、歯車、およびレバーのアセンブリであり得る。
【００４７】
ここで図２を参照すると、単一ジョー構造１１０の拡大詳細等角図がその中で示されている。単一ジョー構造１１０は、第１のジョー部分２０２と、アクチュエータ部分２０４と、コネクタ部分２０６と、第２のジョー部分２０８とを含む。
【００４８】
単一ジョー構造１１０は、中心線２１４に対して直角な面に沿って、第１の横断寸法２１０および第２の横断寸法２１２を有する。第１の横断寸法２１０および第２の横断寸法２１２は、同一であるように示されているが、その必要はなく、単一ジョー構造１１０の幾何学形状に基づいて調整されてもよい。それらが等しい場合において、単一ジョー構造１１０は、図２で図示されるように、断面が円形であり得る。
【００４９】
第１のジョー部分２０２は、第２のジョー部分２０８と放射対称性である単一ジョー構造１１０の一部分である。第１のジョー部分２０２、第２のジョー部分２０８、またはそれらの組み合わせは、把持する、操作する、切断する、または動作の組み合わせを行うために使用することができる。第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８は、それぞれ、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８を中心とした弧に沿って同時に反対方向へ等しい距離で回転することができる。
【００５０】
第１のジョー部分２０２は、コネクタ部分２０６から離れて延在することができる。第１のジョー部分２０２は、種々の形状を有することができる。例えば、第１のジョー部分２０２は、コネクタ部分から離れて延在し、形状が台形、長方形、または長円形であり得る。また、例えば、第１のジョー部分２０２は、平面的な外面または丸みを帯びた外面を有することができる。
【００５１】
第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、２つの他の比較的剛性の部材を連結する、屈曲部として知られている可撓性部材である。例えば、第１の可撓性ヒンジ２１６は、第１のジョー部分２０２およびコネクタ部分２０６を連結することができる。また、例えば、第２の可撓性ヒンジ２１８は、第２のジョー部分２０８およびコネクタ部分２０６を連結することができる。
【００５２】
第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、ヒンジ長２２４およびヒンジ厚２２６を有することができる。ヒンジ長２２４は、中心線２１４と平行な方向で測定することができる、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８の長さであり得る。ヒンジ厚２２６は、第２の横断寸法２１２と平行な方向で測定することができる、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８の厚さであり得る。
【００５３】
ヒンジ厚２２６は、ヒンジ長２２４より十分小さくあり得るため、連結された剛性部材の間で曲げコンプライアンスを提供し、一方の剛性部材が、ヒンジ長２２４およびヒンジ厚２２６に垂直な軸の周囲で他方の部材に対して回転することを可能にする。回転のための軸は、屈曲部が真っ直ぐであるときに、ヒンジ長２２４およびヒンジ厚２２６の中間点に位置することができる。
【００５４】
ヒンジ長２２４およびヒンジ厚２２６は、屈曲部における曲げひずみおよび結果として生じる応力が、降伏強度または疲労強度限界、角度可動域、および必要屈曲運動サイクル等のその材料特性に基づく限界内であるように、長さ対厚さの比を有することができる。第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、２つの連結された部材の間で、少なくともヒンジ長２２４に沿って力を堅固に伝達してもよい。有利には、移動するときに、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、同様に負荷を受けたピン接合ヒンジにおける、対応する実際の摩擦損失よりも有意に低い、同等摩擦とも呼ばれる、材料における低い内部ヒステリシス損失のみを有する。ヒステリシス損失は、その物理的特性による、機構および構造における運動またはエネルギーの損失である。
【００５５】
第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、小型屈曲ヒンジであり得る。小型屈曲ヒンジは、好ましくは、同時に多数の屈曲運動サイクルを可能にしながら、材料特性が短い屈曲部長を可能にする、射出成形ポリプロピレンまたは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）等のプラスチック材料でできている屈曲部である。例えば、屈曲部長は、ヒンジが凹形状を有するときの頂点における長さ等のヒンジ厚２２６または同等厚さの２倍未満であり得る。小型屈曲ヒンジは、凹状曲面によって境界することができる。
【００５６】
成型が充填されるにつれて、溶融プラスチックがヒンジを通って一方の連結された剛性部材から他方の部材に向かって流れることを規定することによって、および成型から除去すると即時に両方向へヒンジを完全に屈曲することによって、小型屈曲ヒンジを確実に屈曲または屈折することができる回数である、小型屈曲ヒンジの屈曲寿命を増強することができる。
【００５７】
また、有利には、小型屈曲ヒンジは、複数の別個の構成要素および関連組立作業を排除することによって、ならびに低費用の材料を使用することによって、費用を削減してもよい。小型屈曲ヒンジは、屈曲部厚の方向におけるジョーヒンジの剛性の利益になる。
【００５８】
その厚さに関して、それらの短縮した長さにより、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、小型屈曲ヒンジとして構成されたときに、ヒンジ厚２２６の方向で連結された部材の間の力に対して、従来の細長い屈曲部よりも比較的大きい剛性を有利に提供する。
【００５９】
プラスチックまたは金属射出成形、あるいはワイヤＥＤＭによる金属切断を含む、機械加工方法によるプラスチックまたは金属の切断に加えて、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、１ｍｍ以下の直径の単一構造を可能にするように、めっき層の平面内で可撓性ヒンジを配向することによって、平面的フォトリソグラフィ金属合金めっきプロセスの利用を可能にする。したがって、本発明は、これまでにないほど小さいサイズの機能的医療機器ジョーの製造を可能にし、さらに、小血管および神経の再吻合または眼の内側の構造の操作および修復等の、対応してより小さい生体構造上での手術を可能にする。
【００６０】
第１のジョー部分２０２は、第１の可撓性ヒンジ２１６を通してコネクタ部分２０６と可撓性に一体であり得る。第２のジョー部分２０８はまた、第２の可撓性ヒンジ２１８を通してコネクタ部分２０６と可撓性に一体でもあり得る。
【００６１】
例証目的において、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、同一の形状および寸法を有し、かつ均一な厚さを有するものとして示されている。しかしながら、２つのヒンジは、異なり得ることが理解される。例えば、２つのヒンジは、異なる形状、寸法、またはそれらの組み合わせを有することができ、ヒンジ厚２２６は、ヒンジ長２２４に沿って、ヒンジ長２２４に垂直な方向に沿って、または両方で変化し得る。また、代替実施形態では、一方のジョー部分が静止し得る一方で、他方は物体を握持するための往復運動を有することも理解される。
【００６２】
第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８は、特定のタスクのためにタスクアダプタ２２２を締結するためのアダプタ２２０を有することができる。アダプタ２２０は、タスクアダプタを取り付けるための穴または締結機構である。例えば、アダプタ２２０は、嵌合または締結によって等、タスクアダプタ２２２を、第１のジョー部分２０２、第２のジョー部分２０８、またはそれらの組み合わせに適応させるための穴または機械的締結具であり得る。
【００６３】
タスクアダプタ２２２は、特定のタスクのために単一ジョー構造１１０を適合させるためのパッドまたは機構であり得る。例えば、タスクアダプタ２２２は、滑らない握持のための鋸歯状パッド、または血管等の円筒形の物体を取り囲んで把持するための半円形のくぼみを伴うパッドであり得る。
【００６４】
さらに、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８は、異なり得ることが理解される。例えば、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８は、形状が相互と異なり得る。また、例えば、第１のジョー部分２０２は、より幅広い締め付け表面を提供するように、第１のジョー部分２０２の全体を通して一定である第１の横断寸法２１０を伴って、形状が長方形であり得る。
【００６５】
アクチュエータ部分２０４は、一方または両方のジョー部分の往復運動を引き起こす、単一ジョー構造１１０の部分である。アクチュエータ部分２０４は、移動させることができる、棒またはワイヤ等の中実部材であり得る。
【００６６】
アクチュエータ部分２０４は、ロッドまたは柱部分を有することができる。図１の作動部材１１４のうちの１つは、コネクタ部分２０６に対してアクチュエータ部分２０４を移動させるように、手首機構を伴わずに、または図１の手首機構１２４を通してのいずれかで、アクチュエータ部分２０４のロッドまたは柱部分に接続または連結することができる。
【００６７】
例えば、医療機器１００の近位端１０２における作動部材１１４のうちの１つを引くことにより、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８を閉じさせることができる。作動部材１１４への引く力または押す力がない、それらの解放は、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８が真っ直ぐである位置まで単一ジョー構造１１０を開かせることができる。同様に、所望であれば、一方または両方のジョー部分を強制的により完全に開かせるように、押す力が、作動部材１１４を通してアクチュエータ部分２０４に印加されてもよい。
【００６８】
代替実施形態では、アクチュエータ部分２０４は、アクチュエータ部分２０４の移動が、第１のジョー部分２０２のみの回転移動を引き起こすことができるように、第１のジョー部分２０２のみに連結することができる。
【００６９】
ヒンジ部分は、弾性であり得る。したがって、アクチュエータ部分２０４への引く力または押す力がない、作動部材１１４の解放は、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８が、相互と実質的に平行等の定義された中立位置にある位置まで、第１のジョー部分２０２、第２のジョー部分２０８、または両方を移動させることができる。
【００７０】
コネクタ部分２０６は、ひいては、管１１２に接続される、手首機構１２４の遠位部に接続することができる。コネクタ部分２０６はまた、管１１２に直接接続することもでき、または代替的な構造によって連結することができる。
【００７１】
一側面では、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、コネクタ部分２０６に対する第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８の移動を可能にするために、弾性構造等の低同等摩擦構造である。
【００７２】
代替実施形態では、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、全ての付随利点を伴う小型屈曲ヒンジであり得る。切断線３−３は、以下の図３の断面図の視認位置および方向を示す。
【００７３】
ここで図３を参照すると、単一ジョー構造１１０の詳細切断等角図がその中で示されている。単一ジョー構造１１０は、遠位端１０４で可撓性ジョー機構３０８、および近位端１０２でコネクタ部分２０６を含むことができる。可撓性ジョー機構３０８は、第１のジョー部分２０２と、第２のジョー部分２０８と、アクチュエータ部分２０４とを備える。可撓性ジョー機構３０８は、それぞれ、第１のジョー部分２０２およびアクチュエータ部分２０４と一体である、第１のアーム部分３０２および第１のアームヒンジ部分３０４を含む。アクチュエータ部分２０４はまた、ロッドまたは柱部分に垂直に接続され、また、第１のジョー部分２０２、第２のジョー部分２０８、またはそれらの組み合わせにも連結される、横梁部分３０６を有することもできる。
【００７４】
第２のジョー部分２０８が移動可能である場合、それは同様に、それぞれ、第２のジョー部分２０８およびアクチュエータ部分２０４と一体である、第２のアーム部分および第２のアームヒンジ部分を有するであろう。
【００７５】
第１のアーム部分３０２の一方の端は、中心線２１４から第２のジョー部分２０８の外周まで外向きに延在し、第１のアーム部分３０２の他方の端は、第１の可撓性ヒンジ２１６で第１のジョー部分２０２と一体である。これは、第１のジョー部分２０２を移動させるための機械効率を最大限化するように、第１のアーム部分３０２の長さを最大限化する。第１のアーム部分３０２の最大長は、単一ジョー構造１１０のコネクタ部分２０６の第２の横断寸法２１２に沿って端から端まで測定される、幅３１０によって制限されることが理解される。単一ジョー構造１１０が円形断面を有する場合において、幅３１０は、円形断面の直径３１０となるであろう。実施例として、第１のジョー部分２０２の長さと比較した、第１の可撓性ヒンジ２１６から第１のアームヒンジ部分３０４までの第１のアーム部分３０２の長さの比は、ジョーがジョーアセンブリの中心線２１４と交差するヒンジピン上で枢動させられる、設計の比より約２倍大きくあり得る。
【００７６】
第１のアーム部分３０２、第１の可撓性ヒンジ２１６、および第１のアームヒンジ部分３０４の配列は、第１のジョー部分２０２の長さと比較すると、ジョーから見た図１の作動部材１１４のより高い機械効率およびより低い有効コンプライアンスを提供し、したがって、ジョーの運動におけるヒステリシスを低減させることが発見されている。このヒステリシス低減は、従来のピン接合ヒンジと比較して、可撓性ヒンジの低同等摩擦によって獲得される向上と合体する。
【００７７】
第１のアームヒンジ部分３０４は、２つの他の比較的剛性の部材を連結する、屈曲部または可撓性部材である。第１のアームヒンジ部分３０４は、第１の可撓性ヒンジ２１６、第２の可撓性ヒンジ２１８、またはそれらの組み合わせに類似し得る。例えば、長さおよび厚さ等の寸法は、第１および第２の可撓性ヒンジと同様に最適化することができる。また、例えば、第１のアームヒンジ部分３０４は、小型屈曲ヒンジであり得る。第１のアームヒンジ部分３０４は、アクチュエータ部分２０４の横梁部分３０６および第１のアーム部分３０２を連結することができる。
【００７８】
可撓性ジョー機構３０８による枢動ピン摩擦の排除は、ヒステリシスを低減させ、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８における最大の印加可能な力を増加させることができる。単一ジョー構造１１０の全体的なサイズは、握持力のより少ない低減とともに減少することができる。結果として生じるサイズの減少は、より小さい切開を通した、より小さく緊密な空間の中への向上したアクセス可能性を提供することができ、それは、低侵襲手技により患者の外傷を低減させることができる。
【００７９】
医療機器１００は、図１の管１１２に連結される単一ジョー構造１１０のコネクタ部分２０６を有することができる。コネクタ部分２０６および管１１２は、直接接続する、または図１の手首機構１２４を通して間接的に連結することができる。医療機器１００は、コネクタ部分２０６、それにより、単一ジョー構造１１０を位置付けて配向するように、手首機構１２４、管１１２、またはそれらの組み合わせを移動させることができる。管１１２は、アクチュエータ部分２０４の運動に対して静止したコネクタ部分２０６を保持することができる。
【００８０】
ここで図４を参照すると、単一ジョー構造１１０の開放の例示的な図がその中で示されている。第２のジョー部分２０８は、アクチュエータ部分２０４と一体である第２のアームヒンジ部分４０４と一体である、第２のアーム部分４０２と一体である。第２のアーム部分４０２の形状は、第１のアーム部分３０２に類似し得る。第２のアームヒンジ部分４０４の形状もまた、図３の第１のアームヒンジ部分３０４に類似し得る。
【００８１】
第２のアーム部分４０２は、第１のアーム部分３０２がアクチュエータ部分２０４に係合する場所から反対側の場所で、アクチュエータ部分２０４に係合することができる。
【００８２】
アクチュエータ部分２０４は、単一ジョー構造１１０の可撓性ジョー機構３０８の開放のために、第１のジョー部分２０２に外向きの移動４０８を行わせ、第２のジョー部分２０８に外向きの移動４１０を行わせるように、方向４０６へ上向きに移動させることができる。第１のジョー部分２０２は、第１の可撓性ヒンジ２１６の周囲で弧状に移動し、第２のジョー部分２０８は、第２の可撓性ヒンジ２１８の周囲で弧状に移動する。この移動のために、アクチュエータ部分２０４は、ボーデンケーブル等の押す力を及ぼすことが可能なロッドまたは他の構成要素であり得る、図１の作動部材１１４のうちの１つであるロッドに接続され、またはその一部となるであろう。
【００８３】
ここで図５を参照すると、単一ジョー構造１１０の閉鎖の例示的な図がその中で示されている。アクチュエータ部分２０４は、単一ジョー構造１１０の可撓性ジョー機構３０８の閉鎖のために、第１のジョー部分２０２に内向きの移動５０４を行わせ、第２のジョー部分２０８に内向きの移動５０６を行わせるように、方向５０２へ下向きに移動させることができる。第１のジョー部分２０２は、第１の可撓性ヒンジ２１６の周囲で弧状に移動し、第２のジョー部分２０８は、第２の可撓性ヒンジ２１８の周囲で弧状に移動する。この移動のために、アクチュエータ部分２０４は、図１の作動部材１１４のうちの１つであるロッドに接続され、またはその一部となるであろう。引張運動のみを伴うため、アクチュエータ部分２０４は、作動部材１１４のうちの１つであるワイヤまたはケーブルに接続することができる。
【００８４】
それぞれ、図３の第１のアームヒンジ部分３０ならびに図４および５の第２のアームヒンジ部分４０４による、アクチュエータ部分２０４への第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８の弾性連結、ならびに第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８によるコネクタ部分２０６への第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８の弾性連結は、可撓性ジョー機構３０８が図４のように開いており、力がアクチュエータ部分２０４に印加されていない場合に、内向きの移動５０４および内向きの移動５０６を引き起こすことができる。
【００８５】
第１のアームヒンジ部分３０４および第２のアームヒンジ部分４０４において真っ直ぐになる、第１のアームヒンジ部分３０４の機械的特性である、機械的バネ付勢が、例えば、図２の構成に向かった内向きの移動５０４および内向きの移動５０６により、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８を閉じさせる付勢力を印加する。
【００８６】
垂直往復運動による上下のアクチュエータ部分２０４の移動は、それぞれ、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８の周囲で、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８の回転往復移動を引き起こす。
【００８７】
要約すると、可撓性ジョー機構３０８の第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８は、それぞれ、外科用機器業界の全体を通して現在行われているように、中心線２１４と交差するシャフトまたはピン上で枢動させられるよりもむしろ、それぞれのジョー部分と同一の中心線２１４の側面にオフセットされる、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８上に載置される。
【００８８】
加えて、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８のそれぞれに対する第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８が、実用的である限り、中心線２１４から外れて位置する一方で、ジョー部分作動力は、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８のそれぞれと一体であり、実用的である限り、中心線２１４の反対側まで延在する、第１のアーム部分３０２および第２のアーム部分４０２の遠位端に印加される。加えて、第１のアームヒンジ部分３０４および第２のアームヒンジ部分４０４は、第１のアーム部分３０２および第２のアーム部分４０２を、中心線２１４の上または付近の梁中間点でアクチュエータ部分２０４に締結される作動部材１１４のうちの１つによって作動させられる、アクチュエータ部分２０４の共通横梁に接続する。したがって、アクチュエータ部分２０４は、等しく相互に向かって、または相互から離して、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８の両方を作動させる。
【００８９】
第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、ジョー枢動ピン摩擦トルクを大きく排除する。アクチュエータ部分２０４に接続される作動部材１１４のジョー運動のための有効軸方向剛性は、より長いレバーアームによって大いに増加させられる。複合効果として、単一ジョー構造１１０において、失われた、または予測不可能な運動を呈する、ヒステリシスを大いに低減させることになる。
【００９０】
コネクタ部分２０６の外周に位置付けられる第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８は、そうでなければ、単一ジョー構造１１０において、失われた、または予測不可能な運動を呈したであろう、ヒステリスを低減する、より長いレバーアームを提供することが発見されている。第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８等の屈曲ヒンジによる摩擦の低減は、図１の単一ジョー構造１１０および管１１２の近位にある場所でジョー握持力感知を可能にする。実施例として、アクチュエータシステム１１８が、実用的困難を有する、第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８の上よりもむしろ、アクチュエータ部分２０４に接続される作動部材１１４に力を印加する場所で、低摩擦屈曲ベースのジョー機構におけるジョー力が感知されてもよい。別の側面では、低摩擦ジョー機構において、ジョー力感知は、例えば、モータに印加される電流、あるいは油圧または空気圧式アクチュエータに印加される圧力に基づいてもよい。
【００９１】
さらに、第１のアームヒンジ部分３０４および第２のアームヒンジ部分４０４もまた、そうでなければ、単一ジョー構造１１０において、失われた、または予測不可能な運動を呈したであろう、ヒステリスを低減させ、それは、ジョー機構に基づく低摩擦屈曲部におけるジョー力が、アクチュエータ部分２０４およびアクチュエータシステム１１８で感知されることを可能にすることが発見されている。アクチュエータ部分２０４での感知の方法は、第１の可撓性ヒンジ２１６および第２の可撓性ヒンジ２１８について上記で説明される方法に類似し得る。
【００９２】
その上さらに、張力を受けて、ならびに第１のジョー部分２０２および第２のジョー部分２０８を閉じるための屈曲において動作する、第１のアームヒンジ部分３０４および第２のアームヒンジ部分４０４は、余分な感知機構を伴わずに、最大の印加可能なジョー力を制限するように設計できることが発見されている。例えば、印加された力が、その合金の応力・ひずみプラトーに基づく最大閾値に達するときに、部材が、最大で閾値量の力のみを伝達し、力の増加を伴わずに長くなることによって変形するように、Ｎｉｔｉｎｏｌ等の非線形応力・ひずみ関係を伴う材料に基づいて、第１のアームヒンジ部分３０４および第２のアームヒンジ部分４０４の断面積を選択することができる。
【００９３】
図２の小型屈曲ヒンジ２１６は、ジョー２０２および２０８またはタスクアダプタ２２２によって患者組織または縫合針あるいは同等物に印加される力に反応して起こるように、横方向力が小型屈曲部に印加されたときに、実質的に等しい剪断およびＳ字屈曲変位または剪断優勢変位を提供するように設計される。横方向力を受けたときの小型屈曲ヒンジ２１６の特性としては、Ｓ字屈曲構成要素による偏向が、横方向力によって引き起こされる剪断変位のせいぜい２倍である。
【００９４】
本発明の実施形態は、いくつかのより大きい離散構成要素ジョー機構の中の６個の部品、またはいくつかのより小さい離散構成要素ジョー機構の中の１１個の部品から、放電加工または他の実用的な減法製造プロセス等の機械加工のいくつかのステップで加工することができる単一の統合部品まで、可撓性ジョー機構３０８の中の部品の数を削減することが分かっている。
【００９５】
可撓性ジョー機構３０８はまた、プラスチックまたは繊維強化プラスチック複合材からの射出成形、焼結または平面的フォトリソグラフィ金属めっきが後に続く金属射出成形等の加法プロセスによって、単一の部品として加工することもでき、したがって、部品の費用および組立の時間を削減することが分かっている。ジョー部分の可撓性ヒンジは、硬化ステンレス鋼、チタンまたはアルミニウム合金等の高いひずみを許容する合金で、あるいはＮｉｔｉｎｏｌまたはさらに高い許容ひずみを伴う他のより高度な形状記憶合金から、または金属ガラス材料から作製されてもよい。
【００９６】
各ジョー部分の作業表面は、用途に応じて、より高い硬度の合金、炭化タングステン、強化セラミック、または最終的に、金属めっき、接着硬質グリット、または他の堆積物等の好適な接着被覆でできている、親ジョー材料または図２のタスクアダプタ２２２であってもよい。
【００９７】
単一手首機構
機器の直径が縮小されるとき、ヒンジ回転滑車の直径またはヒンジレバーアームの長さも減少し、必要ケーブル力がさらに増加する。より高い摩擦力およびより低い機械効率は、作動ケーブルの近位端の所望されるよりも大きい移動が、所定量の遠位ヒンジ回転のために必要とされるように、ケーブル軸偏向または伸張を増加させ、これは、有効駆動系コンプライアンスが増加させられることを意味する。
【００９８】
無駄な運動または無駄なエネルギーと有用に考えられる、任意の機構のヒステリシスが、その駆動系コンプライアンスによって乗算される機構摩擦の積とともに変化するため、これらの摩擦およびコンプライアンス増加の複合効果として、握持器等の機器の断面直径が所与の種類のヒンジ機構に対して減少する際の手首運動ヒステリシスの大きな増加となる。これは、静摩擦と呼ばれることもある、不均等または予測不可能な運動効果をもたらす、より高い始動摩擦を伴う擦り摩擦があるときに、特に不利である。
【００９９】
再び図１を参照すると、本発明の第１の実施形態における単一手首構造１２４を伴う医療機器１００がその中で示されている。単一手首構造１２４は、その上に取り付けられた部材の相対位置および配向を変化させるように屈曲する、または多軸移動を提供する連続部材である。「単一」という用語は、単一のユニットの材料でできている構造を意味する。単一手首構造１２４は、離散枢動ピン継手を伴わずに屈曲することができる、可撓性部材である。単一手首機構１２４はまた、その上に取り付けられた別の部材によっても支持される。
【０１００】
例えば、単一手首構造１２４は、片側で静止部材、および反対側で可動部材に接続することができる。静止部材は、定位置で単一手首構造１２４を保持することができ、単一手首構造１２４は、可動部材を位置付けて配向するように操作することができる。
【０１０１】
より具体的な実施例について、単一手首構造１２４は、片側に取り付けられた機械的アーム、および反対側にカメラ、握持器、または他のエンドエフェクタを有することができる。機械的アームは、定位置にエンドエフェクタを伴って単一手首構造１２４を位置付けることができる。単一手首構造１２４は、所与の場所からのカメラの異なる角度、配向、および視界を提示するように操作することができる。
【０１０２】
単一手首構造１２４は、プラスチックまたは金属合金等の単一のユニットの材料から彫成または成形することができる。例えば、単一手首構造１２４は、ポリプロピレンプラスチックまたは金属合金を切断または彫成することによって形成することができ、あるいは、Ｎｉｔｉｎｏｌ合金を成形するために使用されるとき等に、表層再溶融を除去するためにワイヤ放電加工（ＥＤＭ）プロセスおよび後処理を使用することによって形成することができる。
【０１０３】
単一手首構造１２４はまた、形状に成形することもできる。例えば、単一手首構造１２４は、成形プラスチックまたは鋳造あるいはめっき金属であり得る。単一手首構造１２４はまた、ポリプロピレンの単一の射出成形として、あるいは連続空洞を有する金型または成型の中への金属射出成形（ＭＩＭ）によって形成することもできる。
【０１０４】
医療機器１００は、近位端１０２および遠位端１０４を有する。医療機器１００は、遠位端１０４の付近の単一手首構造１２４、作動部材１１４を伴う管１１２、および近位端１０２におけるアクチュエータシステム１１８を含むことができる。医療機器１００は、遠位端でジョー機構１１０を含むことができる。
【０１０５】
ジョー機構１１０は、医療機器１００の遠位端１０４にあり得る。単一手首構造１２４は、ジョー機構１１０に接続することができる。単一手首構造１２４は、反対側に取り付けられた管１１２を有することができる。単一手首構造１２４はまた、作動部材１１４を通してアクチュエータシステム１１８に連結することもできる。ジョー機構１１０は、人間の手に類似し得、単一手首構造１２４は、人間の手首に類似し得る。
【０１０６】
ジョー機構１１０は、握持器またはカッター等の機械アセンブリ、あるいは単一のユニットとして単一の材料から製造される可撓性に一体の構造であり得る。代替実施形態では、ジョー機構１１０および単一手首構造１２４は、ともに連続かつ一体であり得る。ジョー機構１１０および単一手首構造１２４は両方とも、単一のユニットとして単一の材料から製造することができる。
【０１０７】
単一手首構造１２４は、円筒構成を有して示されている。円筒構成は、鋭い縁を排除し、単一手首構造１２４およびジョー機構１１０が、緊密な空間の中へ突出し、器官または血管等の障害物の間を移動することを可能にする。
【０１０８】
単一手首構造１２４は、その一部品構造により、組立動作を排除するという利点を伴って、改良型製造動作を提供することが発見されている。削減された費用により、使い捨て用途のために単一手首構造１２４を作製することが実行可能である。使い捨てツールは、使用後の清掃および再滅菌と関連付けられる取扱および処理の必要性、ならびに高圧蒸気滅菌に耐える能力等の再滅菌のためのある機器設計要件の必要性を回避する。
【０１０９】
ここで図６を参照すると、第１の実施形態における単一手首構造１２４の拡大詳細等角図がその中で示されている。単一手首構造１２４は、中心線６２４に対して直角な面に沿って第１の横断寸法６２０および第２の横断寸法６２２を有する。
【０１１０】
第１の横断寸法６２０および第２の横断寸法６２２は、同一であるように示されているが、その必要はなく、単一手首構造１２４の幾何学形状に基づいて調整されてもよい。それらが等しい場合において、単一手首構造１２４は、図６で図示されるように、断面が円形であり得る。実施例として、第１の横断寸法６２０および第２の横断寸法６２２は、相互に垂直な方向に沿って示されているが、必ずしも垂直である必要はない。
【０１１１】
単一手首構造１２４は、第１のコネクタ部分６３２と、第２のコネクタ部分６３４と、第３のコネクタ部分６３６と、第４のコネクタ部分６３８と、第５のコネクタ部分６４０とを含む。第１のコネクタ部分６３２と第２のコネクタ部分６３４との間には、第１の一対の可撓性ヒンジ６４２があり得る。第２のコネクタ部分６３４と第３のコネクタ部分６３６との間には、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４があり得る。第３のコネクタ部分６３６と第４のコネクタ部分６３８との間には、第３の一対の可撓性ヒンジ６４６があり得る。第４のコネクタ部分６３８と第５のコネクタ部分６４０との間には、第４の一対の可撓性ヒンジ６４８があり得る。第５のコネクタ部分６４０は、図１の管１１２に接続可能であり得る。
【０１１２】
複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８のうちの２つは、第１のコネクタ部分６３２が第５のコネクタ部分６４０から全ての方向に、または全方向性に屈曲されることを可能にするように、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８のうちの他の２つに対して直角に配置することができる。さらに、複数対のヒンジは、最外ヒンジ、第１の一対の可撓性ヒンジ６４２、および第４の一対の可撓性ヒンジ６４８の屈曲軸が相互と平行であるように配列することができる。最内ヒンジ、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４、および第３の一対の可撓性ヒンジ６４６の屈曲軸は、相互と平行であり得る。このようにして構成される単一手首構造１２４は、ＡＢＢＡ構成にあると言われる。
【０１１３】
単一手首構造１２４は、デカルト「ヨー・ピッチ・ピッチ・ヨー」またはＡＢＢＡ構成を有して示されている。該構成は、上記で説明されるようなヒンジの屈曲軸の配向の組み合わせに基づく。「ヨー」および「ピッチ」という用語は、恣意的な用語であり、「ヨー」および「ピッチ」は、直交方向での移動を表す。ＡＢＢＡ構成にとっての「一定速度」利点は、参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許第６，８１７，９７４号（２００２年６月２８日）でさらに詳細に説明されている。
【０１１４】
複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、屈曲部幅６５０および屈曲部厚６５２を有することができる。屈曲部幅６５０は、各一対の可撓性ヒンジの屈曲軸に沿った複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の幅の尺度である。
【０１１５】
例えば、図６に示されるように、第１の一対の可撓性ヒンジ６４２および第４の一対の可撓性ヒンジ６４８の屈曲軸は両方とも、第２の横断寸法６２２と平行である。第１の一対の可撓性ヒンジ６４２および第４の一対の可撓性ヒンジ６４８の屈曲部幅６５０は、第２の横断寸法６２２と平行な線に沿って測定することができる。同様に、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４および第３の一対の可撓性ヒンジ６４６の屈曲部幅６５０は、第１の横断寸法６２０と平行な線に沿って測定することができる。
【０１１６】
屈曲部厚６５２は、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の厚さの尺度である。屈曲部厚６５２は、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の最も薄い点での尺度であり得る。例えば、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８が、図６に示されるように相互に対向する２つの楕円形凹面を有する場合、屈曲部厚６５２は、頂点間の尺度、または凹面のそれぞれの中間点であり得る。
【０１１７】
屈曲部厚６５２はまた、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８のそれぞれの屈曲軸および中心線６２４の両方に垂直な線に沿って測定することもできる。例えば、図６に示されるように、第１の一対の可撓性ヒンジ６４２および第４の一対の可撓性ヒンジ６４８の屈曲軸は両方とも、第２の横断寸法６２２と平行であり得る。したがって、第１の一対の可撓性ヒンジ６４２および第４の一対の可撓性ヒンジ６４８の屈曲部厚６５２は、第１の横断寸法６２０と平行な線に沿って測定することができる。同様に、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４および第３の一対の可撓性ヒンジ６４６の屈曲部厚６５２は、第２の横断寸法６２２と平行な線に沿って測定することができる。
【０１１８】
複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８はまた、屈曲部長６５４を有することもできる。屈曲部長６５４は、中心線６２４と平行な方向に沿った複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の長さまたは高さの尺度である。屈曲部長６５４は、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８が図６に示されるように中立位置にあるときに測定することができる。屈曲部長６５４は、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８が隣接コネクタ部分６３２−６４０と一体である、点の間の距離であり得る。
【０１１９】
図６で図示される複数対の可撓性ヒンジは、可撓性ヒンジおよび小型屈曲部の典型である。屈曲部または可撓性ヒンジは、２つの他の比較的剛性の部材を連結する、可撓性部材として定義される。複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、比較的剛性の部材であるコネクタ部分６３２−６４０を連結する、可撓性部材であり得る。
【０１２０】
複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、連結された剛性部材の間で曲げコンプライアンスを提供し、一方の剛性部材が、屈曲部幅６５０に沿った軸の周囲で他方の部材に対して回転することを可能にするために、屈曲部長６５４よりも十分に小さい屈曲部厚６５２を有することができる。屈曲軸は、屈曲部が真っ直ぐであるときに屈曲部長６５４および屈曲部厚６５２の中間点に位置する。
【０１２１】
屈曲部長６５４および屈曲部厚６５２は、屈曲部における曲げひずみおよび結果として生じる応力が、降伏強度または疲労強度限界、その角度可動域、および必要屈曲運動サイクル等のその材料特性に基づく限界内であるように、長さ対厚さの比を有することができる。複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、２つの連結された部材の間で、少なくとも屈曲部幅６５０および屈曲部長６５４に沿って力を堅固に伝達してもよい。
【０１２２】
複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、移動するときに、同様に負荷を受けたピン接合ヒンジにおける、対応する実際の摩擦損失よりも有意に低い、同等摩擦とも呼ばれる、材料における低い内部ヒステリシス損失のみを有することが発見されている。ヒステリシス損失は、その物理的特性および機械的構成による、機構および構造における運動またはエネルギーの損失である。
【０１２３】
複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８はまた、小型屈曲部であり得る。小型屈曲部は、同時に多数の屈曲運動サイクルを可能にしながら、材料特性が短い屈曲部長を可能にする、射出成形ポリプロピレンまたは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）等のプラスチック材料でできている屈曲部である。例えば、屈曲部長６５４は、屈曲部厚６５２の２倍未満であり得る。
【０１２４】
屈曲寿命は、破損することなく可撓性ヒンジ６４２−６４８を確実に屈曲または屈折することができる回数であるように定義される。成型が充填されるにつれて、溶融プラスチックがヒンジを通って一方の連結された剛性部材から他方の部材に向かって流れることを規定することによって、および成型から除去すると即時に両方向へヒンジを完全に屈曲することによって、複数対の小型屈曲部６４２−６４８の屈曲寿命を増強することができる。屈曲部厚６５２との関連で、屈曲部長６５４の短縮により、複数対の小型屈曲部６４２−６４８は、屈曲部厚６５２の方向に沿った横方向負荷または中心線６２４の周囲のねじり負荷が、６４０を通して隣接する複数対の連結された部材６３２の間に印加されたときに起こり得るように、屈曲部厚６５２の方向での連結された部材の間の力に対して、従来の屈曲部よりも比較的大きい剛性を有利に提供する。また、有利には、成形プラスチック小型屈曲部は、複数の別個の構成要素および関連組立作業を排除することによって、ならびに低費用の材料を使用することによって、費用を削減してもよい。
【０１２５】
プラスチックまたは金属射出成形、あるいはワイヤ放電加工（ＥＤＭ）による金属切断を含む、機械加工方法によるプラスチックまたは金属の切断に加えて、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、１ｍｍ以下の直径の単一構造を可能にするように、めっき層の平面内で可撓性ヒンジを配向することによって、平面的フォトリソグラフィめっき金属合金加工プロセスの利用を可能にするように、十分な長さおよび均一な厚さを伴って構成されてもよい。したがって、本発明は、これまでにないほど小さいサイズの機能的医療用可撓性ヒンジ手首機器の製造を可能にし、さらに、小血管および神経の再吻合または眼の内側の構造の操作および修復等の、対応してより小さい生体構造上の手術での使用を可能にする。
【０１２６】
可撓性ヒンジ部分は、弾性であり得る。したがって、コネクタ部分６３２−６４０への引く力または押す力がない、図１の作動部材１１４の解放は、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８が、定義された中立位置にある位置まで、コネクタ部分６３２−６４０を移動させることができる。例えば、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、概して、相互と実質的に平行である、真っ直ぐな延長構成に、または所定の屈曲形状に戻るように付勢することができる。
【０１２７】
第１のコネクタ部分６３２、第２のコネクタ部分６３４、第３のコネクタ部分６３６、第４のコネクタ部分６３８、および第５のコネクタ部分６４０は全て、各コネクタ部分の周囲の中にあり、中心線６２４と平行に及ぶ、複数のアクチュエータ穴６６０を有する。
【０１２８】
アクチュエータ穴６６０は、単一手首構造１２４の周囲に示されている。アクチュエータ穴６６０は、単一手首構造１２４を通して整合させられる。一側面では、アクチュエータ穴６６０は、各コネクタ部分を通過する。別の側面では、アクチュエータ穴６６０のうちのそれぞれは、コネクタ部分のうちのいくつかのみを通過してもよい。一実施例では、アクチュエータ穴６６０のうちのいくつかは、作動部材が第５のコネクタ部分６４０に対してコネクタ部分６３８および６３６を移動させるために、それらが使用されるのみであろうときに、コネクタ部分６４０、６３８、および６３６のみを通過してもよい。
【０１２９】
制御ワイヤあるいは小型巻装または編組ケーブルまたはロープの形態である、単一手首構造１２４を制御するために使用される図１の作動部材１１４は、アクチュエータ穴６６０を通してコネクタ部分のそれぞれまで、単一手首構造１２４を通して螺入される。作動部材１１４への張力が、単一手首構造１２４を複数の可撓性ヒンジで屈曲させることができる。アクチュエータ穴６６０の中の手首制御ワイヤの配置、および作動部材１１４の相対的変位に応じて、単一手首構造１２４は、２から４自由度で屈曲することができるが、２が好ましい事例である。
【０１３０】
中央チャネル６６２が、単一手首構造１２４に接続されたジョー機構１１０を起動するための作動部材１１４のうちの１つの通過のために、単一手首構造１２４の中心線６２４に沿って延在する。
【０１３１】
ここで図７を参照すると、第１の実施形態における単一手首構造１２４の拡大正面図がそこで示されている。コネクタ部分６３２−６３８は、その下部分の上に下レリーフ隙間７０２を有することができる。コネクタ部分６３４−６４０は、その上部分の上に上レリーフ隙間７０４を有することができる。
【０１３２】
複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、隣接コネクタ部分の間にあり得る。例えば、第１の一対の可撓性ヒンジ６４２は、第１のコネクタ部分６３２の下部分の上の下レリーフ隙間７０２と一体であり得る。第１の一対の可撓性ヒンジ６４２はまた、第２のコネクタ部分６３４の上部分の上の上レリーフ隙間７０４とも一体であり得る。複数対の可撓性ヒンジ６４４−６４８は、同様に、コネクタ部分６３４−６４０の間に一体接続を提供することができる。
【０１３３】
例証目的において、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８は、各ヒンジの上端で下レリーフ隙間３０２、および各ヒンジの下端で上レリーフ隙間７０４に接続して示されている。しかしながら、単一手首構造１２４は、異なる配向を有することができ、それにより、下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４およびヒンジの相対位置を変化させることが理解される。
【０１３４】
下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４は、コネクタ部分６３２−６４０のそれぞれと複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８のそれぞれとの間の接合点におけるコネクタ部分６３２−６４０の中のくぼみである。例えば、下レリーフ隙間７０２は、第１のコネクタ部分６３２との接合点における第１の一対の可撓性ヒンジ６４２による半径であり得る。
【０１３５】
実施例を続けると、下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４は、楕円の長軸上の頂点の周囲の楕円の一部分である一方で、屈曲部の中間点は、楕円の短軸上の共頂点にある。より具体的な実施例として、下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４は、ヒンジのそれぞれの上の表面とともに、楕円形断面を有する円筒の一部分を形成することができる。下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４は、単一手首構造１２４の垂直高さの低減を可能にする。下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４は、楕円形断面の長軸の端部で複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８と一体であり得る。ヒンジの部分および隙間を分割するための点は、楕円形断面の頂点であり得る。さらに、各ヒンジの屈曲部長６５４は、図６の中心線６２４と平行な線に沿って１つの頂点から別の頂点まで測定される、楕円形断面の長軸の長さであり得る。
【０１３６】
コネクタ部分６３２−６３８は、その下部分の上に下停止表面７０６を有することができる。コネクタ部分６３４−６４０は、その上部分の上に上停止表面７０８を有することができる。下レリーフ隙間７０２は、下停止表面７０６に隣接し得、上レリーフ隙間７０４は、上停止表面７０８に隣接し得る。下停止表面７０６は、コネクタ部分６３２−６３８の移動および複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の屈曲を制限するためのコネクタ部分６３２−６３８の下部分の上の平面である。上停止表面７０８は、コネクタ部分６３４−６４０の移動および複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の屈曲を制限するためのコネクタ部分６３２−６３８の上部分の上の平面である。
【０１３７】
例証目的において、下停止表面７０６は、コネクタ部分６３２−６３８の下面であるものとして示され、上停止表面７０８は、コネクタ部分６３４−６４０の上面であるものとして示されている。しかしながら、単一手首構造１２４は、異なる位置で配向することができ、それにより、下停止表面７０６および上停止表面７０８の相対位置を変化させることが理解される。
【０１３８】
第１のコネクタ部分６３２は、一対の下停止表面７０６のみを有することができる。第５のコネクタ部分６４０は、一対の上停止表面７０８のみを有することができる。コネクタ部分６３４−６３８は、一対の下停止表面７０６および一対の上停止表面７０８の両方を有することができる。
【０１３９】
第２のコネクタ部分６３４、第３のコネクタ部分６３６、および第４のコネクタ部分６３８については、それぞれ、相互の上に位置付けられ、中心線６２４の周囲で９０度オフセットされる、または異なる角度でオフセットされる、上停止表面７０８および下停止表面７０６を有することができる。例えば、第２のコネクタ部分６３４は、現在の実施形態では、第２のコネクタ部分６３４の左右に上停止表面７０８を有して示されている。下停止表面７０６は、９０度オフセットで配列されて示され、正面および背面上に位置付けられる。
【０１４０】
実施例を続けると、第３のコネクタ部分６３６は、中心線６２４の周囲の角度オフセットを伴わずに相互の上に直接配列された上停止表面７０８および下停止表面７０６の両方を有して示されている。両方の上停止表面７０８は、単一手首構造１２４の正面および背面（図示せず）上に位置付けられて示されている。
【０１４１】
１つのコネクタ部分の下停止表面７０６は、下側のコネクタ部分の上停止表面７０８の真上にあり、それより上側にあり、それに対面し、またはそれに酷似し得る。例えば、第１のコネクタ部分６３２の下停止表面７０６は、第２のコネクタ部分６３４の上停止表面７０８の真上にあり、かつそれより上側にあり、かつそれに酷似し得る。また、例えば、第２のコネクタ部分６３４は、第３のコネクタ部分６３６の上停止表面７０８の真上にあり、かつそれに酷似する下停止表面７０６を有することができる。
【０１４２】
下停止表面７０６および上停止表面７０８は、コネクタ部分６３２−６３８の移動および複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の屈曲を制限するための水平面から離れて角度を成すことができる。下停止表面７０６は、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の下レリーフ隙間７０２に接続し、上向きに、および所定の角度で複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８から離れて延在することができる。上停止表面７０８は、複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８の上レリーフ隙間７０４に接続し、下向きに、および所定の角度で複数対の可撓性ヒンジ６４２−６４８から離れて延在することができる。
【０１４３】
ここで図８を参照すると、第１の実施形態における単一手首構造１２４の拡大側面図がその中で示されている。単一手首構造１２４は、前後の間および左右の間で同一の形状を有することができる。
【０１４４】
論議の目的において、図７に示されるような単一手首構造１２４は、図８−１０では左に対面するものとして論議されるであろう。言い換えれば、図８−１０は、図７の単一手首構造１２４の右側を図示させるものとして論議されるであろう。しかしながら、図８は、単一手首構造１２４の左または右側であり得ることが理解される。
【０１４５】
ここで図９を参照すると、部分的に前方に屈曲された、第１の実施形態における単一手首構造１２４の拡大側面図がその中で示されている。単一手首構造１２４は、完全に前方に屈曲された第２の一対の可撓性ヒンジ６４４を有して示されている。
【０１４６】
第１のコネクタ部分６３２および第２のコネクタ部分６３４は、前方に傾いて示されている。コネクタ部分６３６−６４０は、図８と同一の中立配向を有する。
【０１４７】
単一手首構造１２４は、第３のコネクタ部分６３６の正面の上の上停止表面７０８に隣接する、第２のコネクタ部分６３４の正面の上の下停止表面７０６を有して示されている。２つの隣接表面は、相互に重複し、表面全体を覆うことができる。２つの隣接表面は、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４がさらに前方に屈曲することを阻止する。単一手首構造１２４は、類似方式で同様に第３の一対の可撓性ヒンジ６４６を前方に屈曲させることによって、前方に完全に屈曲することができる。図１の医療機器１００は、単一手首構造１２４を屈曲するように図１の作動部材１１４を使用することができる。
【０１４８】
さらなるデバイスまたは制限機構を伴わずに、単一手首構造１２４における屈曲の量を制限するために、下停止表面７０６および上停止表面７０８の傾斜を使用できることが発見されている。したがって、下停止表面７０６および上停止表面７０８の傾斜は、歯車機構およびソフトウェアにおける制限特徴等の外部リミッタ、および段差またはストッパ等の内部リミッタを排除し、製造の複雑性を単純化し、製造費用を削減することができる。
【０１４９】
下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４は、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４の正面上に示されるような楕円形断面を有する円筒を形成することができる。例えば、下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４は、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４の背面の上の下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４の円弧部分を広げる、または拡大することができる。
【０１５０】
第２の一対の可撓性ヒンジ６４４の正面における材料は、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４が前方に屈曲するときに圧縮する。第２の一対の可撓性ヒンジ６４４の背面における材料は、第２の一対の可撓性ヒンジ６４４が前方に屈曲する時に伸張する。
【０１５１】
隣接する一対の上停止表面７０８および下停止表面７０６の傾斜は、複数対の可撓性ヒンジの屈曲を制限することができる。例えば、上停止表面７０８のための水平面から離れた角度の大きさは、下停止表面７０６の大きさを加えることができる。複合角度は、所与の一対の可撓性ヒンジの最大量の屈曲であり得る。
【０１５２】
ここで図１０を参照すると、部分的に前方に屈曲され、かつ部分的に右に屈曲された、第１の実施形態における単一手首構造１２４の拡大側面図がその中で示されている。単一手首構造１２４は、上記で説明されるように前方に屈曲されて示されている。単一手首構造１２４はまた、図７の参照枠の中で前から見たときに、同様に部分的に右に屈曲されて示されている。
【０１５３】
第２のコネクタ部分６３４は、図９に示されるのと同一の位置を有する。コネクタ部分６３６−６４０は、図８に示されるのと同一の中立位置を有する。第１のコネクタ部分６３２は、その左に回転させられて示されている。
【０１５４】
第１のコネクタ部分６３２の左側の図７の下停止表面７０６は、第２のコネクタ部分６３４の左側の図７の上停止表面７０８に隣接することができる。第１の一対の可撓性ヒンジ６４２は、上記で説明されるような第２の一対の可撓性ヒンジ６４４と同様に、左に屈曲および屈折することができる。
【０１５５】
ここで図１１を参照すると、第２の実施形態における単一接合構造１１００の拡大詳細等角図である。第１のコネクタ部分１１０２は、図６の第１のコネクタ部分６３２に類似し、第２のコネクタ部分１１０４は、図６の第５のコネクタ部分６４０に類似する。第１のコネクタ部分１１０２は、図１のジョー機構１１０に接続し、またはそれと一体であり得、第２のコネクタ部分１１０４は、図１の管１１２に接続することができる。
【０１５６】
第１のコネクタ部分１１０２と第２のコネクタ部分１１０４との間には、一対の可撓性ヒンジ１１０６がある。一対の可撓性ヒンジ１１０６は、図６の第１の一対の可撓性ヒンジ６４２に類似する。
【０１５７】
図１の作動部材１１４は、線１１１０に沿って第２のアクチュエータ穴１１０８を通って摺動することができ、かつ第１のアクチュエータ穴１１１２の中で締結することができる。一対の可撓性ヒンジ１１０６の片側または別の側で作動部材１１１４を引っ張ることによって、単一接合構造１１００は、１つまたは別の方向に屈曲するであろう。この原理はまた、図６の単一手首構造１２４にも大きく適用可能である。
【０１５８】
ここで図１２を参照すると、第２の実施形態における単一接合構造１１００の正面図がその中で示されている。一対の可撓性ヒンジ１１０６は、第１のコネクタ部分１１０２および第２のコネクタ部分１１０４を接続する。
【０１５９】
第１のコネクタ部分１１０２は、その下部分の上に下レリーフ隙間８０２を有することができる。第２のコネクタ部分１１０４は、その上部分の上に上レリーフ隙間１２０４を有することができる。
【０１６０】
一対の可撓性ヒンジ１１０６は、一方の端部で下レリーフ隙間１２０２、および反対の端部で上レリーフ隙間１２０４に接続することができる。下レリーフ隙間１２０２および上レリーフ隙間１２０４は、図７の下レリーフ隙間７０２および上レリーフ隙間７０４に類似し得る。下レリーフ隙間１２０２および上レリーフ隙間１２０４は、組み合わせられたコネクタ部分および可撓性ヒンジがより小さい全体的高さで嵌合することを可能にするように、単一接合構造１１００の垂直高さの低減を可能にする。
【０１６１】
ここで図１３を参照すると、完全屈曲位置にある第２の実施形態における単一接合構造１１００の正面図がその中で示されている。第１のコネクタ部分１１０２は、その下部分の上に下停止表面１３０２を有することができ、第２のコネクタ部分１１０４は、その上部分の上に上停止表面１３０４を有することができる。完全屈曲位置では、第１のコネクタ部分１１０２の下停止表面１３０２は、第２のコネクタ部分１１０４の上停止表面１３０４に隣接する。
【０１６２】
下停止表面１３０２は、図７の下停止表面７０６に類似し得る。上停止表面１３０４は、図７の上停止表面７０８に類似し得る。下停止表面１３０２および上停止表面１３０４は、一対の可撓性ヒンジ１１０６および単一接合構造１１００の屈曲の量を制限するように角度を成す。
【０１６３】
停止表面を有することにより、一対の可撓性ヒンジ１１０６の十分な寿命を確保するように、一対の可撓性ヒンジ１１０６が設計パラメータ以内にとどまることを確実にすることが発見されている。停止表面が図１の単一手首構造１２４で使用されるとき、作動部材１１４がアクチュエータ穴６６０の入口で過剰に屈曲し、過剰な摩擦および摩耗を引き起こすことを防止することも分かっている。
【０１６４】
一対の可撓性ヒンジ１１０６は、中間部分で屈曲し、または屈曲位置に適応するように伸張することができる。例えば、一対の可撓性ヒンジ１１０６の中間部分は、片側で伸張し、反対側で圧縮することができる。図１２の下レリーフ隙間１２０２、図１２の上レリーフ隙間１２０４、および一対の可撓性ヒンジ１１０６の伸張表面は、数字「３」のように成形された断面を形成することができ、または楕円形断面を形成することができる。反対側で、下レリーフ隙間１２０２、上レリーフ隙間１２０４、および一対の可撓性ヒンジ１１０６の圧縮表面は、三角形またはハート形の断面を形成することができる。また、例えば、一対の可撓性ヒンジ１１０６は、均等に伸張または圧縮し、図９および１０で例示されるように全体的な長円形を保持することができる。
【０１６５】
ここで図１４を参照すると、第２の実施形態における単一接合構造１１００の側面図がその中で示されている。上停止表面１３０４は、下停止表面１３０２の真下で、かつそれに酷似して示されている。
【０１６６】
ここで図１５を参照すると、第３の実施形態における単一手首構造１５００の拡大詳細等角図がその中で示されている。単一手首構造１５００は、中心線１５２４に対して直角な面に沿って、第１の横断寸法１５２０および第２の横断寸法１５２２を有する。第１の横断寸法１５２０および第２の横断寸法１５２２は、同一であるように示されているが、その必要はなく、単一手首構造１５００の幾何学形状に基づいて調整されてもよい。それらが等しい場合において、単一手首構造１５００は、図１５で図示されるように、断面が円形であり得る。
【０１６７】
単一手首構造１５００は、第１のコネクタ部分１５３２と、第２のコネクタ部分１５３４と、第３のコネクタ部分１５３６と、第４のコネクタ部分１５３８と、第５のコネクタ部分１５４０とを含む。第１のコネクタ部分１５３２と第２のコネクタ部分１５３４との間には、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２がある。第２のコネクタ部分１５３４と第３のコネクタ部分１５３６との間には、第２の一対の可撓性ヒンジ１５４４がある。第３のコネクタ部分１５３６と第４のコネクタ部分１５３８との間には、第３の一対の可撓性ヒンジ１５４６がある。第４のコネクタ部分１５３８と第５のコネクタ部分１５４０との間には、第４の一対の可撓性ヒンジ１５４８がある。第５のコネクタ部分１５４０は、図１の管１１２に接続可能である。
【０１６８】
複数対の可撓性ヒンジのうちの２つは、第１のコネクタ部分１５３２が第５のコネクタ部分１５４０から全ての方向に、または全方向性に屈曲されることを可能にするように、複数対の可撓性ヒンジのうちの他の２つに対して直角に配置することができる。さらに、複数対のヒンジは、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２および第３の一対の可撓性ヒンジ１５４６の屈曲軸が相互と平行であるように、９０度で交互に配列することができる。第２の一対の可撓性ヒンジ１５４４および第４の一対の可撓性ヒンジ１５４８の屈曲軸は、相互と平行であり得る。このようにして構成される単一手首構造１５００は、ＡＢＢＡ構成にあると言われる。
【０１６９】
単一手首構造１５００は、デカルト「ヨー・ピッチ・ピッチ・ヨー」またはＡＢＢＡ構成を有して示されている。該構成は、上記で説明されるようなヒンジの屈曲軸の配向の組み合わせに基づく。「ヨー」および「ピッチ」という用語は、恣意的な用語であり、「ヨー」および「ピッチ」は、直交方向での移動を表す。
【０１７０】
この交互配列によって、構造的特徴をさらにネスト化することにより、１つの好ましい実施形態では、ＡＢＡＢの場合のＬ／Ｄ＝２から、ＡＢＡＢの場合のＬ／Ｄ＝１．８ほどの小ささまで、直径対長さの比Ｌ／Ｄの低減を可能にする。ＡＢＡＢの実施形態では、第５のコネクタ部分１５４０が中心線１５２４の周囲で回転させられ、第１のコネクタ部分１５３２が固定指向方向を維持するときに、第５のコネクタ部分１５４０に対する第１のコネクタ部分１５３２の回転運動の誤差が発生する。これは、手首ロール運動と呼ばれる。第１のコネクタ部分１５３２の回転運動誤差は、運動学的計算によって補償されてもよい。
【０１７１】
複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、屈曲部幅１５５０および屈曲部厚１５５２を有することができる。屈曲部幅１５５０は、各一対の可撓性ヒンジの屈曲軸に沿った複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の幅の尺度である。
【０１７２】
例えば、図１５に示されるように、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２および第３の一対の可撓性ヒンジ１５４６の屈曲軸は両方とも、第１の横断寸法１５２０と平行である。第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２および第３の一対の可撓性ヒンジ１５４６の屈曲部幅１５５０は、第１の横断寸法１５２０と平行な線に沿って測定することができる。同様に、第２の一対の可撓性ヒンジ１５４４および第４の一対の可撓性ヒンジ１５４８の屈曲部幅１５５０は、第２の横断寸法１５２２と平行な線に沿って測定することができる。
【０１７３】
屈曲部厚１５５２は、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の厚さの尺度である。屈曲部厚１５５２は、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の最も薄い点での尺度であり得る。例えば、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８が、図１５に示されるように相互に対向する２つの凹面を有する場合、屈曲部厚１５５２は、凹面のそれぞれの頂点間の尺度であり得る。
【０１７４】
屈曲部厚１５５２はまた、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８のそれぞれの屈曲軸および中心線１５２４の両方に垂直な線に沿って測定することもできる。例えば、図１５に示されるように、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２および第３の一対の可撓性ヒンジ１５４６の屈曲軸は両方とも、第１の横断寸法１５２０と平行である。したがって、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２および第３の一対の可撓性ヒンジ１５４６の屈曲部厚１５５２は、第２の横断寸法１５２２と平行な線に沿って測定することができる。同様に、第２の一対の可撓性ヒンジ１５４４および第４の一対の可撓性ヒンジ１５４８の屈曲部厚１５５２は、第１の横断寸法１５２０と平行な線に沿って測定することができる。
【０１７５】
複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８はまた、屈曲部長１５５４を有することもできる。屈曲部長１５５４は、中心線１５２４と平行な方向に沿った複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の長さまたは高さの尺度である。屈曲部長１５５４は、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８が図１５に示されるように中立位置にあるときに測定することができる。屈曲部長１５５４は、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８が隣接コネクタ部分１５３２−１５４０と一体である、点の間の距離であり得る。
【０１７６】
図１５で図示される複数対の可撓性ヒンジは、可撓性ヒンジおよび小型屈曲部の典型である。屈曲部または可撓性ヒンジは、２つの他の比較的剛性の部材を連結する、可撓性部材として定義される。複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、比較的剛性の部材であるコネクタ部分１５３２−１５４０を連結する、可撓性ヒンジであり得る。
【０１７７】
複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、連結された剛性部材の間で曲げコンプライアンスを提供し、一方の剛性部材が、屈曲部幅１５５０に沿った軸の周囲で他方の部材に対して回転することを可能にするために、屈曲部長１４５４よりも十分に小さい屈曲部厚１５５２を有することができる。屈曲軸は、屈曲部が真っ直ぐであるときに屈曲部厚１５５２の中間点に位置することができる。
【０１７８】
屈曲部長１５５４および屈曲部厚１５５２は、屈曲部における曲げひずみおよび結果として生じる応力が、降伏強度または疲労強度限界、その角度可動域、および必要屈曲運動サイクル等のその材料特性に基づく限界内であるように、長さ対厚さの比を有することができる。複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、少なくも２つの連結された部材の間の屈曲部幅１５５０に沿って、好ましくは屈曲部厚１５５２および屈曲部長１５５４に沿って、力を堅固に伝達してもよい。
【０１７９】
複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、移動するときに、同様に負荷を受けたピン接合ヒンジにおける、対応する実際の摩擦損失よりも有意に低い、同等摩擦とも呼ばれる、材料における低い内部ヒステリシス損失のみを有することが発見されている。ヒステリシス損失は、その物理的特性および機械的構成による、機構および構造における運動またはエネルギーの損失である。
【０１８０】
複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８はまた、小型屈曲部であり得る。小型屈曲部は、同時に多数の屈曲運動サイクルを可能にしながら、材料特性が短い屈曲部長を可能にする、射出成形ポリプロピレンまたは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）等のプラスチック材料でできている屈曲部である。例えば、屈曲部長１５５４は、屈曲部厚１５５２の２倍未満であり得る。
【０１８１】
成型が充填されるにつれて、溶融プラスチックがヒンジを通って一方の連結された剛性部材から他方の部材に向かって流れることを規定することによって、および成型から除去すると即時に両方向へヒンジを完全に屈曲することによって、複数対の小型屈曲部１５４２−１５４８の屈曲寿命を増強することができる。その厚さとの関連で、その短縮した長さにより、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、その厚さの方向での連結された部材の間の力に対して、および中心線１５２４の周囲のトルクに対して、従来の屈曲部よりも比較的大きい剛性を有利に提供する。また、有利には、小型屈曲部は、複数の別個の構成要素および関連組立作業を排除することによって、ならびに低費用の材料を使用することによって、費用を削減してもよい。
【０１８２】
プラスチックまたは金属射出成形、あるいはワイヤＥＤＭによる金属切断を含む、機械加工方法によるプラスチックまたは金属の切断に加えて、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、１ｍｍ以下の直径の単一構造を可能にするように、めっき層の平面内で可撓性ヒンジを配向することによって、平面的フォトリソグラフィめっき金属合金加工プロセスの利用を可能にするように、より大きい長さおよび均一な厚さを伴って構成されてもよい。したがって、本発明は、これまでにないほど小さいサイズの機能的医療用可撓性ヒンジ手首機器の製造を可能にし、さらに、小血管および神経の再吻合または眼の内側の構造の操作および修復等の、対応してより小さい生体構造上の手術での使用を可能にする。
【０１８３】
第１のコネクタ部分１５３２、第２のコネクタ部分１５３４、第３のコネクタ部分１５３６、第４のコネクタ部分１５３８、および第５のコネクタ部分１５４０は全て、各コネクタ部分の周囲の中にあり、中心線１５２４と平行に及ぶ、複数のアクチュエータ穴１５６０を有する。
【０１８４】
アクチュエータ穴１５６０は、単一手首構造１５００の周囲に示されている。アクチュエータ穴１５６０は、単一手首構造１５００を通して整合させられる。一側面では、アクチュエータ穴１５６０は、各コネクタ部分を通過する。別の側面では、アクチュエータ穴１５６０のうちのそれぞれは、コネクタ部分のうちのいくつかのみを通過してもよい。一実施例では、アクチュエータ穴１５６０のうちのいくつかは、作動部材が第５のコネクタ部分１５４０に対してコネクタ部分１５３８および１５３６を移動させるために、それらが使用されるのみであろうときに、コネクタ部分１５４０、１５３８、および１５３６のみを通過してもよい。
【０１８５】
制御ワイヤあるいは小型巻装または編組ケーブルまたはロープの形態である、単一手首構造１５００を制御するために使用される図１の作動部材１１４は、アクチュエータ穴１５６０を通してコネクタ部分のそれぞれまで、単一手首構造１５００を通して螺入される。作動部材１１４への張力が、単一手首構造１５００を複数の可撓性ヒンジで屈曲させることができる。アクチュエータ穴１５６０の中の手首制御ワイヤの配置、および作動部材１１４の相対的変位に応じて、単一手首構造１５００は、２から４自由度で屈曲することができるが、２が好ましい事例である。
【０１８６】
中央チャネル１５６２が、単一手首構造１５００に接続されたジョー機構１１０を起動するための作動部材１１４のうちの１つの通過のために、単一手首構造１５００の中心線１５２４に沿って延在する。
【０１８７】
ここで図１６を参照すると、第３の実施形態における単一手首構造の拡大正面図がその中で示されている。コネクタ部分１５３２−１５３８は、その下部分の上に下レリーフ隙間１６０２を有することができる。コネクタ部分１５３４−１５４０は、その上部分の上に上レリーフ隙間１６０４を有することができる。
【０１８８】
複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、隣接コネクタ部分の間にあり得る。例えば、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２は、第１のコネクタ部分１５３２の下部分の上の下レリーフ隙間１６０２と一体であり得る。第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２はまた、第２のコネクタ部分１５３４の上部分の上の上レリーフ隙間１６０４とも一体であり得る。複数対の可撓性ヒンジ１５４４−１５４８は、同様に、コネクタ部分１５３４−１５４０の間に一体接続を提供することができる。
【０１８９】
例証目的において、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８は、各ヒンジの上端で下レリーフ隙間１６０２、および各ヒンジの下端で上レリーフ隙間１６０４に接続して示されている。しかしながら、単一手首構造１５００は、異なる配向を有することができ、それにより、下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４およびヒンジの相対位置を変化させることが理解される。下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４は、コネクタ部分１５３２−１５４０のそれぞれと複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８のそれぞれとの間の接合点にあるコネクタ部分１５３２−１５４０の中のくぼみである。例えば、下レリーフ隙間１６０２は、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２との接合点における第１のコネクタ部分１５３２の中の円形くぼみまたはへこみの円弧または一部分であり得る。
【０１９０】
実施例を続けると、下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４は、対向する複数対のコネクタ部分１５３２−１５４０の表面と一体である円形のくぼみまたはへこみの円弧または一部分であり得る。下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４は、ヒンジのそれぞれの表面とともに、円形断面を有する円筒の連続部分を形成することができる。
【０１９１】
下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４は、円形断面上の図１５の中心線１５２４と平行な直径の端部で複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８と一体であり得る。ヒンジの部分および隙間を分割するための点は、円形断面上の中心線と平行な直径の端部にあり得る。さらに、各ヒンジの屈曲部長１５５４は、円形断面の直径であり得る。
【０１９２】
下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４は、下停止表面１６０６および上停止表面１６０８に接続することができる。下レリーフ隙間１６０２は、下停止表面１６０６に接続することができ、上レリーフ隙間１６０４は、上停止表面１６０８に接続することができる。
【０１９３】
下停止表面１６０６は、コネクタ部分１５３２−１５３８の移動および複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の屈曲を制限するためのコネクタ部分１５３２−１５３８の下部分の上の平面である。上停止表面１６０８は、コネクタ部分１５３２−１５３８の移動および複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の屈曲を制限するように下停止表面１６０６に隣接するための、コネクタ部分１５３４−１５４０の上部分の上にあり、下停止表面１６０６に酷似する平面である。
【０１９４】
例証目的において、下停止表面１６０６は、コネクタ部分１５３２−１５３８の下面であるものとして示され、上停止表面１６０８は、コネクタ部分１５３４−１５４０の上面であるものとして示されている。しかしながら、単一手首構造１５００は、異なって配向することができ、それにより、下停止表面１６０６および上停止表面１６０８、コネクタ部分１５３２−１５４０、およびヒンジの相対位置を変化させることが理解される。
【０１９５】
第１のコネクタ部分１５３２は、一対の下停止表面１６０６のみを有することができる。第５のコネクタ部分１５４０は、一対の上停止表面１６０８のみを有することができる。コネクタ部分１５３４−１５３８は、一対の下停止表面１６０６および一対の上停止表面１６０８の両方を有することができる。
【０１９６】
第２のコネクタ部分１５３４、第３のコネクタ部分１５３６、および第４のコネクタ部分１５３８については、それぞれは、下停止表面１６０６から中心線１５２４の周囲で９０度回転オフセットされる、または異なる角度でオフセットされる、上停止表面１６０８を有することができる。例えば、第２のコネクタ部分１５３４は、現在の実施形態では、第２のコネクタ部分１５３４の正面および背面（図示せず）に上停止表面１６０８を有して示されている。下停止表面１６０６は、９０度オフセットで配列されて示され、左側および右側に位置付けられる。
【０１９７】
１つのコネクタ部分の下停止表面１６０６は、下側のコネクタ部分の上停止表面１６０８の真上にあり、それより上側にあり、それに対面し、またはそれに酷似し得る。例えば、第１のコネクタ部分１５３２の下停止表面１６０６は、第２のコネクタ部分１５３４の上停止表面１６０８の真上にあり、かつそれより上側にあり、かつそれに酷似し得る。また、例えば、第２のコネクタ部分１５３４は、第３のコネクタ部分１５３６の上停止表面１６０８の真上にあり、かつそれより上側にある下停止表面１６０６を有することができ、２組の表面は相互に酷似する。
【０１９８】
下停止表面１６０６および上停止表面１６０８は、コネクタ部分１５３２−１５３８の移動および複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の屈曲を制限するための水平面から離れて角度を成すことができる。下停止表面１６０６は、複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８の下レリーフ隙間１６０２に接続し、上向きに、および所定の角度で複数対の可撓性ヒンジ１５４２−１５４８から離れて延在することができる。
【０１９９】
ここで図１７を参照すると、第３の実施形態における単一手首構造の拡大側面図がその中で示されている。単一手首構造１５００は、前後および左右の間で同一の形状を有することができる。
【０２００】
論議の目的において、図１６に示されるような単一手首構造１５００は、図１７−１９では左に対面するものとして論議されるであろう。言い換えれば、図１７−１９は、図１６の単一手首構造１５００の右側を図示させるものとして論議されるであろう。しかしながら、図１７は、単一手首構造１５００の左または右側であり得ることが理解される。
【０２０１】
ここで図１８を参照すると、部分的に前方に屈曲された、第３の実施形態における単一手首構造の拡大側面図がその中で示されている。単一手首構造１５００は、完全に前方に屈曲された第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２を有して示されている。
【０２０２】
第１のコネクタ部分１５３２は、前方に回転させられて示されている。図１５のコネクタ部分１５３４−１５３８は、図１６と同一の中立配向を有する。
【０２０３】
単一手首構造１５００は、第２のコネクタ部分１５３４の正面上の上停止表面１６０８に隣接する、第１のコネクタ部分１５３２の正面の上の下停止表面１６０６を有して示されている。２つの隣接表面は、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２がさらに前方に屈曲されることを阻止する。単一手首構造１５００は、類似方式で同様に図１６の第３の一対の可撓性ヒンジ１５４６を前方に屈曲させることによって、前方に完全に屈曲することができる。図１の医療機器１００は、単一手首構造１５００を屈曲するように図１の作動部材１１４を使用することができる。
【０２０４】
さらなるデバイスまたは制限機構を伴わずに、単一手首構造１５００における屈曲の量を制限するために、下停止表面１６０６および上停止表面１６０８の傾斜を使用できることが発見されている。したがって、下停止表面１６０６および上停止表面１６０８の傾斜は、歯車機構およびソフトウェアにおける制限特徴等の外部リミッタ、および段差またはストッパ等の内部リミッタを排除し、製造の複雑性を単純化し、製造費用を削減することができる。
【０２０５】
下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４は、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２の正面とともに円形断面を有する円筒を形成することができる。下レリーフ隙間１６０２および上レリーフ隙間１６０４は、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２の背面で、楕円形断面または数字「３」と同様に成形された断面を有する、円筒の一部分を形成するように伸張することができる。
【０２０６】
第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２の正面における材料は、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２が前方に屈曲するときに圧縮する。第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２の背面における材料は、第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２が前方に屈曲する時に伸張する。
【０２０７】
隣接する一対の上停止表面１６０８および下停止表面１６０６の傾斜は、複数対の可撓性ヒンジの屈曲を制限することができる。例えば、上停止表面１６０８のための水平面から離れた角度の大きさは、下停止表面１６０６の大きさを加えることができる。複合角度は、所与の一対の可撓性ヒンジの最大量の屈曲であり得る。
【０２０８】
ここで図１９を参照すると、部分的に前方に屈曲され、かつ部分的に右に屈曲された、第３の実施形態における単一手首構造の拡大側面図がその中で示されている。単一手首構造１５００は、上記で説明されるように前方に屈曲されて示されている。単一手首構造１５００はまた、同様に左に屈曲されて示されている。
【０２０９】
第１のコネクタ部分１５３２は、図１８に示されるように第２のコネクタ部分１５３４に対して同一の位置を有する。図１５のコネクタ部分１５３６−１５４０は、図１６に示されるのと同一の中立位置を有する。第１のコネクタ部分１５３２および第２のコネクタ部分１５３４２は、左に回転させられて示されている。
【０２１０】
第１のコネクタ部分１５３２の左側の図１６の下停止表面１６０６は、第２のコネクタ部分１５３４の左側の図１６の上停止表面１６０８に隣接することができる。第１の一対の可撓性ヒンジ１５４２は、上記で説明されるような第２の一対の可撓性ヒンジ１５４４と同様に、左に屈曲および屈折することができる。
【０２１１】
図６の可撓性ヒンジ６４２−６４８、図１１の１１０６、および図１５の１５４２−１５４８は、枢動ピン摩擦トルクを大きく排除する。複合効果として、単一手首構造１２４および１５００ならびに単一接合構造１１００において、失われた、または予測不可能な運動を呈する、ヒステリシスを大いに低減させることになる。
【０２１２】
ここで図２０を参照すると、本発明の例示的実施形態における小型屈曲部構造２０００の拡大等角図がその中で示されている。小型屈曲部構造２０００の拡大等角図は、その間に接続された小型屈曲部２００６を有する、第１の接続部分２００２および第２の接続部分２００４を描写する。想像線２０１０は、図６の軸６２４、図１１の軸１１２４、または図１５の軸１５２４の周囲で、横方向力またはトルクの印加前の静止中心線２０１２を有する、第１の接続部分２００２の初期位置を示す。
【０２１３】
小型屈曲部２００６は、横方向力またはトルクが、図１の単一手首構造１２４等の小型屈曲部２００６の用途に印加されたときに、実質的に等しい剪断およびＳ字屈曲変位または剪断優勢変位を提供するように設計されている、可撓性ヒンジである。横方向力またはトルクを受けたときの小型屈曲部２００６の特性としては、Ｓ字屈曲構成要素２０１６による偏向が、横方向力またはトルクによって引き起こされる剪断変位のせいぜい２倍である。
【０２１４】
小型屈曲部２００６は、図６の屈曲部長６５４の半分を表す梁長２００８を有し、かつ屈曲部厚６５２および屈曲部幅６５０を有するものとして特徴付けられる。第１の接続部分２００２または第２の接続部分２００４のいずれかからの梁長２００８の測定は、小型屈曲部２００６の中央面２０１４を識別する。中央面２０１４は、いずれか一方が他方に対して横方向に移動させられたときに第１の接続部分２００２または第２の接続部分２００４の間の変形のＳ字屈曲構成要素２０１６の変曲点の位置を表す。
【０２１５】
小型屈曲部２００６は、平面よりもむしろ対向する凹面によって画定される、図６の可撓性ヒンジ６４２−６４８、図１１の１１０６、および図１５の１５４２−１５４８の設計原理を表す。梁長２００８および屈曲部厚６５２の寸法は、剪断およびＳ字屈曲の両方において実質的に等しい偏向、またはＳ字屈曲においてより少ない偏向を提供するように設計される。Ｓ字屈曲偏向の低減した寄与は、手首の意図した屈曲を可能にしながら、図１の医療機器１００の図１の単一手首構造１２４のねじりおよび横方向コンプライアンスを最小限化するために必要である。偏向距離は、図２０に示されるように、横方向力が小型屈曲部２００６に及ぼされるときの剪断およびＳ字屈曲により、小型屈曲部２００６が移動する距離の合計であるように定義される。偏向距離は、以下の方程式によって計算されてもよい。
【化１】
2014533966.tif 000003
【０２１６】
式中、δは、屈曲によって引き起こされる距離および剪断によって引き起こされる距離の合計である、偏向２０１８の半分である。屈曲偏向距離項において、
Ｐ＝部材に印加される負荷力
Ｌ＝図２０に示されるような梁長２００８
Ｅ＝ヤング係数
Ｉ＝慣性モーメント
である。
剪断偏向距離項において、
Ｐ＝部材に印加される負荷力
Ｌ＝図２０に示されるような梁長２００８
ｋ＝剪断係数＝長方形の梁断面については５／６
Ａ＝断面積
Ｇ＝剪断弾性率
である。
さらに、
Ｅ＝２＊Ｇ（１＋ν）、式中、ν＝ポアソン比
Ｉ＝ｂ＊ｈ＾３／１２、式中、ｂは幅２５０であり、ｈは、梁の厚さ２５２である。
Ａ＝ｂ＊ｈ
【０２１７】
上記のＳ字屈曲および剪断偏向項を同等と見なし、類似係数を排除することによって、厚さに対する屈曲部梁長の結果として生じる簡略化関係に達することが、当業者によって理解されるであろう。
Ｌ＝ｈ＊√（３（１＋ν）／５）          （２）
【０２１８】
Ｓ字屈曲による偏向が、実質的に、軸６２４の周囲で図６の単一手首構造１２４、軸１１２４の周囲で図１１の単一接合構造１１００、または軸１５２４の周囲で単一手首構造１５００に印加されるトルクによって引き起こされる、剪断による偏向以下であるという特性を有するように、小型屈曲部１６０６の長さおよび厚さは釣り合いがとれているため、大いに低減させられるＳ字屈曲を生じるであろうことが発見されている。このＳ字変位と剪断変位との間の平衡は、従来技術の可撓性ヒンジ手首に存在している過剰な回転コンプライアンスおよび横方向コンプライアンスを最小限化する。
【０２１９】
一例として、ポアソン比ν＝０．４２を有するポリプロピレンで形成される小型屈曲部２００６は、屈曲部梁長２００８が屈曲部厚６５２の０．９２倍に等しいときに、等しい剪断および屈曲変位寄与を有することができる。梁長２００８は、図６の全体的な屈曲部長６５４の半分であることが理解される。小型屈曲部２００６は、屈曲部厚６５２の２倍未満である屈曲部長６５４を有する。剪断偏向の実質的に２倍以下である所望の低減したＳ字屈曲偏向を伴う小型屈曲部２００６の厚さに対する屈曲部長の比は、図６から１９のような凹状屈曲部２００６表面を伴う実施形態について、いくぶん変化してもよい。
【０２２０】
図２１は、本発明のいくつかの実施形態による、単一手首構造１２４の実施形態に取り付けられた単一ジョー構造１１０の実施形態を図示する。上記で論議されるように、単一ジョー構造１１０は、ポリプロピレンプラスチックまたは金属合金を切断または彫成することによって形成することができ、あるいは、Ｎｉｔｉｎｏｌ合金を成形するために使用されるとき等に、表層再溶融を除去するためにワイヤ放電加工（ＥＤＭ）プロセスおよび後処理を使用することによって形成することができる。単一ジョー構造１１０は、成形プラスチックまたは鋳造金属であり得る。単一ジョー構造１１０は、繊維強化ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のポリマーの単一の射出成形として、あるいは連続空洞を有する金型または成型の中への金属射出成形（ＭＩＭ）によって形成することができる。可撓性ジョー機構３０８はまた、プラスチックまたは繊維強化プラスチック複合材からの射出成形、焼結または平面的フォトリソグラフィ金属めっきが後に続く金属射出成形によって形成することもできる。ジョー部分の可撓性ヒンジは、硬化ステンレス鋼、チタンまたはアルミニウム合金等の高いひずみを許容する合金で、あるいはＮｉｔｉｎｏｌまたはさらに高い許容ひずみを伴う他のより高度な形状記憶合金から、または金属ガラス材料から作製されてもよい。
【０２２１】
単一手首構造１２４はまた、プラスチックまたは金属合金等の単一のユニットの材料から彫成または成形することができる。例えば、単一手首構造１２４は、ポリプロピレンプラスチックまたは金属合金を切断または彫成することによって形成することができ、あるいは、Ｎｉｔｉｎｏｌ合金を成形するために使用されるとき等に、表層再溶融を除去するためにＥＤＭプロセスおよび後処理を使用することによって形成することができる。単一手首構造１２４はまた、成形プラスチックまたは鋳造あるいはめっき金属でもあり得る。単一手首構造１２４は、ポリプロピレンの単一の射出成形として、あるいは連続空洞を有する金型または成型の中への金属射出成形（ＭＩＭ）によって形成することができる。上記で論議されるように、金型からポリプロピレンの単一手首構造１２４を除去した直後に、単一手首構造１２４の屈曲寿命を増強するようにヒンジ６４２−６４８を屈曲することができる。
【０２２２】
図２１に示されるように、単一手首構造１２４および単一ジョー構造１１０が接合される。通路２１０２は、作動部材１１４がアクチュエータ穴６６０から単一ジョー機構１１０の中へ入ることを可能にする。通路２１０２は、内部に形成されてもよく、または上記で説明されるように、作動部材１１４が複数対のアクチュエータ穴６６０を通過することを可能にするように単一ジョー機構１１０の側面に溝として形成されてもよい。
【０２２３】
単一ジョー構造１１０および単一手首構造１２４は、いくつかの方法で接合することができる。例えば、単一ジョー構造１１０および単一手首構造１２４は、上記で説明されるように単一の材料から形成することができる。単一ジョー構造１１０および単一手首構造１２４は、上記で説明されるように、単一の部品として射出成形または鋳造によって形成することができる。代替として、単一ジョー機構１１０および単一手首構造１２４は、例えば、２つが噛み合うように、単一ジョー機構１１０の対応する部品を受容する穴縁を単一ジョー構造１２４上に形成することによって、別々に形成して組み合わせることができる。さらに、単一ジョー機構１１０は、別々に形成することができ、単一手首機構は、単一ジョー機構１１０がすでに定位置にある状態で射出成形によって形成することができ、単一ジョー機構は、その周囲で単一手首構造１２４の一部分が成形される、構造を含む。加えて、単一ジョー構造１１０は、単一手首構造１２４に結合することができる。
【０２２４】
本発明の実施形態は、放電加工または他の実用的な減法製造プロセス等の機械加工のいくつかのステップで加工することができる単一の統合部品まで、可撓性手首機構の中の部品の数を削減することが分かっている。
【０２２５】
単一手首構造１２４および１５００ならびに単一接合構造１１００はまた、プラスチックまたは繊維強化プラスチック複合材からの射出成形、焼結または平面的フォトリソグラフィ金属めっきが後に続く金属射出成形等の加法プロセスによって、単一の部品として加工することもでき、したがって、部品の費用および組立の時間を削減することが発見されている。可撓性ヒンジは、硬化ステンレス鋼、チタンまたはアルミニウム合金等の高いひずみを許容する合金で、あるいはＮｉｔｉｎｏｌまたはさらに高い許容ひずみを伴う他のより高度な形状記憶合金から、または金属ガラス材料から作製されてもよい。
【０２２６】
結果として生じる方法、プロセス、装置、デバイス、製品、および／またはシステムは、率直であり、費用効果的であり、複雑でなく、極めて多目的であり、正確であり、感度が高く、および効果的であり、準備ができている効率的かつ経済的な製造、適用、および利用のために、既知の材料およびプロセスを適合させることによって実装することができる。
【０２２７】
本発明の別の重要な側面は、それが費用を削減し、システムを単純化し、および性能を増加させるという歴史的動向を大切に支持して果たすことである。
【０２２８】
本発明のこれらおよび他の重要な側面は、さらに、その結果として、技術の状態を少なくとも次のレベルに進める。
【０２２９】
本発明は、具体的な最善の様態と併せて説明されているが、先述の説明に照らして、多くの代替案、修正、および変形例が当業者に明白となるであろうと理解されたい。したがって、含まれる請求項の範囲内に入る全てのそのような代替案、修正、および変形例を包含することが意図される。本明細書でここまで記載された、または添付図面に示された全ての事柄は、例証的かつ非限定的な意味で解釈されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図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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【国際調査報告】
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