(57)【要約】  本出願は、手術用ロボット端末を提供する。手術用ロボット端末は、可動ベースおよび少なくとも二つの支持機構を備え、少なくとも二つの支持機構は、垂直アセンブリの支持端と調整アームの近位端との間に配置されている。ベースの水平可動性により、手術室の天井に支持されたいかなる追加の構成要素も使用することなく、ロボットアーム(特に、調整アーム)が拡大された範囲を動くことが可能になり、端末の配置が、任意の所望の位置に到達することが可能になる。これにより、端末の配置の全体構造の簡略化および質量の軽減が可能になり、軽量で構造的により簡単な医療用ロボットに対する要求により一致したものになる。少なくとも二つの支持機構の使用は、ロボットアームの移動範囲をさらに拡大するだけでなく、ロボットアームが動いているとき、ロボットアーム間の干渉を事実上回避することができ、したがって端末の配置の調整性が向上する。【選択図】図４
2021507783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動ベースと、
少なくとも二つのアーム支持体を備える支持機構と、
前記ベースに固定して連結されたベース端、および前記ベースの上に位置して前記支持機構に回転可能に連結された支持端を有する垂直アセンブリと、
それぞれ設定アームおよびツールアームを備える複数のロボットアームであって、前記設定アームが、前記少なくとも二つのアーム支持体のうちの一つに連結された近位端、および前記ツールアームに連結された遠位端を有し、前記ツールアームが、手術用器具に連結された遠位端を有し、前記ツールアームが、遠隔運動中心の周りを枢動するように前記手術用器具を駆動するように構成され、前記設定アームが、前記遠隔運動中心の空間位置を調整するように構成される、複数のロボットアームとを備え、
前記垂直アセンブリは、前記ベースに対する前記遠隔運動中心の高さを調整するように構成された垂直並進継手を備え、
前記ベースは、それぞれ駆動ホイールおよび案内ホイールを備える少なくとも二つのホイールセットを備え、前記案内ホイールは、運動方向を制御するように構成され、前記駆動ホイールは、運動速度を制御するように構成され、前記少なくとも二つのホイールセットは、協働して前記ベースの位置を変化させて前記遠隔運動中心の水平位置を変化させるように構成される、
手術用ロボット端末。
【請求項２】
前記アーム支持体はそれぞれ、前記垂直アセンブリの前記支持端に連結された近位端と、前記複数の設定アームのうちの少なくとも一つに連結された遠位端とを有する、請求項1に記載の手術用ロボット端末。
【請求項３】
前記支持機構は、前記垂直アセンブリの前記支持端に回転可能に連結された近位端を有する1次アーム支持体をさらに備え、前記少なくとも二つのアーム支持体はそれぞれ、前記1次アーム支持体の遠位端に回転可能に連結された近位端と、前記複数の設定アームのうちの少なくとも一つに連結された遠位端とを有する、請求項1に記載の手術用ロボット端末。
【請求項４】
前記複数の設定アームはそれぞれ、連続して順次ともに連結された第1の回転継手、第1の水平並進継手、旋回継手、および第2の回転継手を備え、
前記第1の水平並進継手は、前記第1の回転継手の回転軸に直交する並進軸を有し、
前記旋回継手は、前記第1の水平並進継手の前記並進軸および前記第1の回転継手の前記回転軸の両方に直交する回転軸を有し、
前記第2の回転継手は、前記第1の回転継手の前記回転軸に平行に向けられた回転軸を有し、
前記第1の回転継手は、前記対応する設定アームを前記支持機構に連結し、前記第2の回転継手は、前記対応する設定アームを前記対応するツールアームに連結する、請求項1に記載の手術用ロボット端末。
【請求項５】
前記旋回継手は、関節リンクによって形成された第1の平行四辺形構造を備え、前記第1の平行四辺形構造は、第1の近位リンクと、前記第1の近位リンクに平行な第1の遠位リンクとを含み、前記第1の近位リンクは、前記第1の回転継手の前記回転軸に平行に延び、前記第1の遠位リンクは、前記第2の回転継手に連結され、前記第2の回転継手の前記回転軸に平行に延びる、請求項4に記載の手術用ロボット端末。
【請求項６】
前記複数の設定アームはそれぞれ、前記旋回継手および前記第2の回転継手の両方に回転可能に連結された接続棒と、前記旋回継手の旋回角度を測定する測定構成要素と、前記接続棒に対して旋回するように前記第2の回転継手を駆動するモータとを備え、
前記測定構成要素は、前記第2の回転継手の前記回転軸が前記第1の回転継手の前記回転軸に平行に維持されるように、前記測定構成要素から受け取った前記旋回継手の前記旋回角度に応じて旋回するように前記第2の回転継手を駆動するように構成された前記モータに通信可能に連結される、請求項4に記載の手術用ロボット端末。
【請求項７】
前記複数の設定アームはそれぞれ、前記支持機構に連結された近位端と、前記第1の回転継手に連結された遠位端とを有する第2の水平並進継手をさらに備え、前記第2の水平並進継手は、前記第1の回転継手の前記回転軸に直交する並進軸を有する、請求項4に記載の手術用ロボット端末。
【請求項８】
前記複数の設定アームはそれぞれ、連続して順次ともに連結された第1の水平並進継手、第1の回転継手、旋回継手、および第2の回転継手を備え、
前記第1の水平並進継手は、前記第1の回転継手の回転軸に直交する並進軸を有し、
前記旋回継手は、前記第1の水平並進継手の前記並進軸および前記第1の回転継手の前記回転軸の両方に直交する回転軸を有し、
前記第2の回転継手は、前記第1の回転継手の前記回転軸に平行に向けられた回転軸を有し、
前記第1の水平並進継手は、前記対応する設定アームを前記支持機構に連結し、前記第2の回転継手は、前記対応する設定アームを前記対応するツールアームに連結する、請求項1に記載の手術用ロボット端末。
【請求項９】
前記複数のツールアームはそれぞれ、三つ以上の自由度を有し、したがって前記遠隔運動中心に対して少なくとも左右に旋回し、前後に枢動し、かつ上下に動くように、前記手術用器具を駆動することが可能である、請求項1に記載の手術用ロボット端末。
【請求項１０】
前記複数のツールアームはそれぞれ、ベース継手と、伸縮継手と、関節リンクによって形成された第2の平行四辺形構造とを備え、
前記ベース継手は、第1の軸の周りを旋回して、前記第1の軸の周りを旋回するように前記手術用器具を駆動するように構成され、前記ベース継手は、前記設定アームに連結された近位端と、前記第2の平行四辺形構造に連結された遠位端とを有し、
前記第2の平行四辺形構造は、第2の近位リンクと、前記第2の近位リンクに平行な第2の遠位リンクとを備え、前記第2の平行四辺形構造は、第2の軸の周りを枢動するように前記手術用器具を駆動するように構成され、
前記伸縮継手は、前記第2の遠位リンクに連結され、前記伸縮継手は、前記第2の遠位リンクの軸に平行な並進軸を有し、前記伸縮継手は、前記伸縮継手の前記並進軸に沿って並進するように前記手術用器具を駆動することが可能になるように、前記手術用器具に取外し可能に連結され、
前記遠隔運動中心は、前記第1の軸、前記第2の軸、および前記伸縮継手の前記並進軸の交点に規定される、請求項9に記載の手術用ロボット端末。
【請求項１１】
前記複数のツールアームはそれぞれ、二つ以上の自由度を有し、したがって前記遠隔運動中心に対して少なくとも左右に旋回しかつ前後に枢動するように、前記手術用器具を駆動することが可能である、請求項1に記載の手術用ロボット端末。
【請求項１２】
前記複数のツールアームはそれぞれ、ベース継手と、関節リンクによって形成された第3の平行四辺形構造とを備え、
前記ベース継手は、第1の軸の周りを旋回して、前記第1の軸の周りを旋回するように前記手術用器具を駆動するように構成され、前記ベース継手は、前記設定アームに連結された近位端と、前記第3の平行四辺形構造に連結された遠位端とを有し、
前記第3の平行四辺形構造は、第3の近位リンクと、前記第3の近位リンクに平行な第3の遠位リンクとを備え、前記第3の平行四辺形構造は、前記遠位リンクの軸に平行な軸を有するように構成された前記手術用器具に連結された端末端を有し、したがって前記第3の平行四辺形構造は、第2の軸の周りを枢動するように前記手術用器具を駆動することが可能であり、
前記遠隔運動中心は、前記第1の軸および前記第2の軸の交点に規定される、請求項11に記載の手術用ロボット端末。
【請求項１３】
前記ベース、前記垂直アセンブリ、および/または前記ロボットアームの動作を制御するコンソールをさらに備える、請求項1に記載の手術用ロボット端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、医療デバイスの分野、より詳細には手術用ロボット端末に関する。
【背景技術】
【０００２】
より小さい傷および速い回復を含む利点のため、患者の間では低侵襲手術の人気がますます高まっている。ますます多くの手術において、手術形式が従来の切開手術から低侵襲動作へ変化している。同時に、手術用ツールもまた、初期の鉗子およびメスから現代の手術用ロボットアーム、手術用ロボットなどへ徐々に進化している。
【０００３】
ロボット工学の急速な発展により、初期の単一アームのロボットから二つ以上の協働アームを有する最近のロボットまで、様々な特徴を有する多種多様なロボットが絶えず現れている。そのようなマルチアームロボットは、外科医の手にさらによく取って代わるマスタ-スレーブ動作を有し、スレーブは、マルチアームロボットの端末である。これらのアームを使用して、広範囲の手術を実行することができるが、これらのアームの構造は、手術用ロボットの端末の性能に直接影響する可能性がある。
【０００４】
従来の産業用ロボットとは異なり、医療用のロボットは、人間と機械の良好な連係、すなわち実際の手術中のロボットアームの動きと外科医の手の動きとの高度の一貫性を補償しなければならない。この目的で、手術が実施される前に、ロボットと患者との間に望ましい空間関係を確保するために、患者に対するロボットの位置を正確に調整しなければならない。
【０００５】
この要件を満たすため、そのような位置調整を可能にする端末配置を有する複数の手術用ロボットが提案されてきたが、これには次の欠陥がある。
【０００６】
(1)ロボットアームの調整性が限られている；特許出願公開第CN102579133A号は、標的手術部位へのアクセスに好適な向きにロボットアーム全体を調整するために、ロボットアームの上に配置されたサスペンションディスクを備える手術用ロボットの端末を提案している。しかし、この解決策では、手術室の天井にサスペンションディスクを吊り下げることが多く、ベッドに横たわっている患者の標的手術部位へのロボットアームのより良好なアクセスを確保するために、手術用ベッドの調整を必要とする。
【０００７】
(2)ロボットアームの調整範囲が限られている；手術用ベッドに固定されたとき、ロボットアームの運動範囲が大幅に制限される。同様に、他のロボットアームに対して固定の相対位置関係を有するロボットアームでは、可動性が制限される。オーバーヘッドサスペンション構造を有する手術用ロボットでは、ロボットアームの全体的な調整が可能であるが、ロボットアームの相対位置が固定され、調整範囲が抑制されるため、端末の全体的な調整性が制限される。
【０００８】
(3)ロボットアーム間の干渉が発生しやすい；上記の解決策に対する改善として、特許出願公開第CN104334112A号は、可動ベース上に懸架式ロボットアームが配置され、したがってより広い範囲を動くことができる解決策を提案している。しかし、これらのロボットアームはそれぞれ、複数の自由度を有し、互いに対して動くことができるため、これらのロボットアームが単一のサスペンションディスクに連結されたとき、互いの衝突を回避するための隣接するロボットアーム間の空間が制限される。したがって、この場合、手術動作の実施を妨げうるロボットアーム間の干渉が発生する傾向がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
いくつかの実施形態の目的は、そのような従来の端末に伴う問題の少なくとも一つがない手術用ロボットの端末を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本出願は、手術用ロボット端末を提供し、手術用ロボット端末は、
可動ベースと、
少なくとも二つのアーム支持体を備える支持機構と、
ベースに固定して接続されたベース端、およびベース上に位置して支持機構に回転可能に連結された支持端を有する垂直アセンブリと、
それぞれ設定アームおよびツールアームを備える複数のロボットアームであって、設定アームが、少なくとも二つのアーム支持体のうちの一つに連結された近位端、およびツールアームに連結された遠位端を有し、ツールアームが、手術用器具に連結された遠位端を有し、ツールアームが、遠隔運動中心の周りを枢動するように手術用器具を駆動するように構成され、設定アームが、遠隔運動中心の空間位置を調整するように構成される、複数のロボットアームとを備え、
垂直アセンブリは、ベースに対する遠隔運動中心の高さを調整するように構成された垂直並進継手を備え、
ベースは、それぞれ駆動ホイールおよび案内ホイールを備える少なくとも二つのホイールセットを備え、案内ホイールは、運動方向を制御するように構成され、駆動ホイールは、運動速度を制御するように構成され、少なくとも二つのホイールセットは、協働してベースの位置を変化させて遠隔運動中心の水平位置を変化させるように構成される。
【００１１】
任意選択で、手術用ロボット端末において、アーム支持体はそれぞれ、垂直アセンブリの支持端に連結された近位端と、複数の設定アームのうちの少なくとも一つに連結された遠位端とを有する。
【００１２】
任意選択で、手術用ロボット端末において、支持機構は、垂直アセンブリの支持端に回転可能に連結された近位端を有する1次アーム支持体をさらに備え、少なくとも二つのアーム支持体はそれぞれ、1次アーム支持体の遠位端に回転可能に連結された近位端と、複数の設定アームのうちの少なくとも一つに連結された遠位端とを有する。
【００１３】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数の設定アームはそれぞれ、連続して順次ともに連結された第1の回転継手、第1の水平並進継手、旋回継手、および第2の回転継手を備え、
第1の水平並進継手は、第1の回転継手の回転軸に直交する並進軸を有し、
旋回継手は、第1の水平並進継手の並進軸および第1の回転継手の回転軸の両方に直交する回転軸を有し、
第2の回転継手は、第1の回転継手の回転軸に平行に向けられた回転軸を有し、
第1の回転継手は、対応する設定アームを支持機構に連結し、第2の回転継手は、対応する設定アームを対応するツールアームに連結する。
【００１４】
任意選択で、手術用ロボット端末において、旋回継手は、関節リンクによって形成された第1の平行四辺形構造を備え、第1の平行四辺形構造は、第1の近位リンクと、第1の近位リンクに平行な第1の遠位リンクとを含み、第1の近位リンクは、第1の回転継手の回転軸に平行に延び、第1の遠位リンクは、第2の回転継手に連結され、第2の回転継手の回転軸に平行に延びる。
【００１５】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数の設定アームはそれぞれ、旋回継手および第2の回転継手の両方に回転可能に連結された接続棒と、旋回継手の旋回角度を測定する測定構成要素と、接続棒に対して旋回するように第2の回転継手を駆動するモータとを備え、
測定構成要素は、第2の回転継手の回転軸が第1の回転継手の回転軸に平行に維持されるように、測定構成要素から受け取った旋回継手の旋回角度に応じて旋回するように第2の回転継手を駆動するように構成されたモータに通信可能に連結される。
【００１６】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数の設定アームはそれぞれ、支持機構に連結された近位端と、第1の回転継手に連結された遠位端とを有する第2の水平並進継手をさらに備え、第2の水平並進継手は、第1の回転継手の回転軸に直交する並進軸を有する。
【００１７】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数の設定アームはそれぞれ、連続して順次ともに連結された第1の水平並進継手、第1の回転継手、旋回継手、および第2の回転継手を備え、
第1の水平並進継手は、第1の回転継手の回転軸に直交する並進軸を有し、
旋回継手は、第1の水平並進継手の並進軸および第1の回転継手の回転軸の両方に直交する回転軸を有し、
第2の回転継手は、第1の回転継手の回転軸に平行に向けられた回転軸を有し、
第1の水平並進継手は、対応する設定アームを支持機構に連結し、第2の回転継手は、対応する設定アームを対応するツールアームに連結する。
【００１８】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数のツールアームはそれぞれ、三つ以上の自由度を有し、したがって遠隔運動中心に対して少なくとも左右に旋回し、前後に枢動し、かつ上下に動くように、手術用器具を駆動することが可能である。
【００１９】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数のツールアームはそれぞれ、ベース継手と、伸縮継手と、関節リンクによって形成された第2の平行四辺形構造とを備え、
ベース継手は、第1の軸の周りを旋回して、第1の軸の周りを旋回するように手術用器具を駆動するように構成され、ベース継手は、設定アームに連結された近位端と、第2の平行四辺形構造に連結された遠位端とを有し、
第2の平行四辺形構造は、第2の近位リンクと、第2の近位リンクに平行な第2の遠位リンクとを備え、第2の平行四辺形構造は、第2の軸の周りを枢動するように手術用器具を駆動するように構成され、
伸縮継手は、第2の遠位リンクに連結され、伸縮継手は、第2の遠位リンクの軸に平行な並進軸を有し、伸縮継手は、伸縮継手の並進軸に沿って並進するように手術用器具を駆動することが可能になるように、手術用器具に取外し可能に連結され、
遠隔運動中心は、第1の軸、第2の軸、および伸縮継手の並進軸の交点に規定される。
【００２０】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数のツールアームはそれぞれ、二つ以上の自由度を有し、したがって遠隔運動中心に対して少なくとも左右に旋回しかつ前後に枢動するように、手術用器具を駆動することが可能である。
【００２１】
任意選択で、手術用ロボット端末において、複数のツールアームはそれぞれ、ベース継手と、関節リンクによって形成された第3の平行四辺形構造とを備え、
ベース継手は、第1の軸の周りを旋回して、第1の軸の周りを旋回するように手術用器具を駆動するように構成され、ベース継手は、調整部分に連結された近位端と、第3の平行四辺形構造に連結された遠位端とを有し、
第3の平行四辺形構造は、第3の近位リンクと、第3の近位リンクに平行な第3の遠位リンクとを備え、第3の平行四辺形構造は、遠位リンクの軸に平行な軸を有するように構成された手術用器具に連結された端末端を有し、したがって第3の平行四辺形構造は、第2の軸の周りを枢動するように手術用器具を駆動することが可能であり、
遠隔運動中心は、第1の軸および第2の軸の交点に規定される。
【００２２】
任意選択で、手術用ロボット端末において、端末は、ベース、垂直アセンブリ、および/またはロボットアームの動作を制御するコンソールをさらに備える。
【００２３】
本出願によれば、手術用ロボット端末は、可動ベースおよび支持機構を含み、支持機構は、垂直アセンブリの支持端と設定アームの近位端との間に配置され、ベースの水平可動性により、手術室の天井に支持されたいかなる追加の構成要素も使用することなく、ロボットアーム(特に設定アーム)が、拡大された範囲内を動くことが可能になり、端末が、任意の所望の位置に到達することが可能になる。これにより、端末の全体構造の簡略化および質量の軽減が可能になり、軽量で構造的により簡単な医療用ロボットに対する要求により一致したものになる。支持機構を用いることで、ロボットアームの運動範囲がさらに拡大されるだけでなく、ロボットアームが動いているとき、ロボットアーム間の干渉を事実上回避することができ、したがって端末の調整性および動作の信頼性が向上する。
【００２４】
加えて、ベースの可動性と垂直アセンブリにおける垂直並進継手の垂直並進とを組み合わせることで、各ロボットアームおよび各ロボットアームが取り付けられた手術用器具の遠隔運動中心(RCM)が、患者の手術部位により容易にアクセスすることがさらに可能になり、したがって構造的により簡単な端末により、手術部位上で動作を実行するのにより好適な位置へロボットアームを配置し、それによって手術動作を容易にすることができる。駆動ホイールおよび案内ホイールの両方をベースに設けることで、速度制御を方向制御から切り離すことができ、その結果、特に手術用ロボット端末などの大型の機器の全体的な動きに貢献する操作性および操作精度の両方が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本出願の一実施形態による手術用ロボット端末の主要な図である。
【図２】本出願の一実施形態による手術用ロボット端末の自由度分布の調整を概略的に示す図である。
【図３】本出願の一実施形態による手術用ロボット端末におけるロボットアームの拡大概略図である。
【図４】本出願の一実施形態による二つのアーム支持体を有する手術用ロボット端末の構造を概略的に示す図である。
【図５】ロボットアームが垂直アセンブリから離れる方へ動いている、図4の手術用ロボット端末の斜視図である。
【図６】本出願の一実施形態による一つの1次アーム支持体および二つの2次アーム支持体を有する手術用ロボット端末の構造を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
提案される手術用ロボット端末の特有の実施形態について、添付の図面を参照して以下でより詳細に説明する。本出願の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲からより明らかになる。これらの図は、実施形態の説明の利便性および明瞭性を促進することのみを意図して、非常に簡略化された形で提供されており、必ずしも原寸に比例して提示されていないことに留意されたい。
【００２７】
本明細書全体にわたって、物品の「近位端」は、遠隔運動中心(RCM)とも呼ばれる遠隔中心(RC)からより遠くへ離れて垂直アセンブリにより近いその端部を指すことを意味し、物体の「遠位端」または「端末端」は、RCMにより近く、垂直アセンブリからより遠くへ離れた端部を指すことを意味する。
【００２８】
本出願の一実施形態による手術用ロボット端末の主要な図である図1を次に参照する。図1に示すように、端末は、可動ベース1、垂直アセンブリ2、支持機構(図1には図示せず)、および複数のロボットアーム3を含む。垂直アセンブリは、ベース1に固定されたベース端203と、ベース1の上に位置し、支持機構に回転可能に連結された支持端202とを有する。各ロボットアーム3は、設定アーム31およびツールアーム32を含む。設定アーム31の近位端は、支持機構に連結され、その遠位端は、ツールアーム32に連結される。ツールアーム32の遠位端は、手術用器具に連結される。ツールアーム32は、遠隔運動中心(RC)の周りを枢動するように手術用器具を駆動するように構成され、設定アーム31は、RCMの空間位置を調整するように適合される。垂直アセンブリ2は、ベース1に対するRCMの高さを調整する垂直並進継手21を含む。支持機構は、少なくとも二つのアーム支持体を含むことができ、ロボットアーム3間の干渉を回避するために、少なくとも二つのアーム支持体のそれぞれに一つまたは複数のロボットアーム3を取り付けることができる。ベース1は、少なくとも二つのホイールセットを備えて底部に設けることができ、少なくとも二つのホイールセットはそれぞれ、運動速度制御および運動方向制御のためにそれぞれ構成された駆動ホイールおよび案内ホイールを含み、それによってベース1の動きを容易にする。支持機構およびホイールセットのより詳細な説明は、以下に述べる。
【００２９】
手術用ロボット端末の主な目的の一つは、ロボットアーム3に取外し可能に連結された手術用器具を、RCMの周りに作られた切開部から患者に挿入して標的手術部位に到達するのに好適な所望の位置に、ロボットアーム3のRCMが到達することを可能にすることである。これには、手術用ロボット端末の調整範囲が十分に広い必要がある。他方では、調整アームおよびツールアームは、手術動作における使用前および使用中の相互干渉を最小にする必要がある。本実施形態では、ベース1は、すべての方向に可動であり、垂直アセンブリ2は、上下に動くことができる。ベース1および垂直アセンブリ2を組み合わせることで、各ロボットアーム3が患者により容易に接近することが可能になる。支持機構を設けることによって、複数のロボットアーム3間の干渉を回避することができ、その結果、設定アームの調整能力が改善される。ロボットアーム3のそれぞれにおいて、設定アーム31は、空間運動を実行することが可能であり、したがって手術用ロボット端末が患者付近にあるとき、設定アーム31を調整して、手術用器具が患者の手術部位に到達するのに好適な所望の位置にRCを到達させることができ、次に特定の手術動作を実現するために、ツールアーム32によって、RCの周りを枢動するように手術用器具を駆動することができる。
【００３０】
図1を引き続き参照すると、垂直アセンブリ2は、概して、「L」を反転させた文字に似たものとすることができる。具体的には、垂直アセンブリ2は、垂直並進継手21と、水平梁と、水平梁の近位端に固定して接続された垂直柱とを含むことができる。水平梁の遠位端は、支持端202として働く。支持機構は、支持端202に回転可能に連結され、回転軸は、垂直柱に平行に延び、かつ水平平面に直交する。垂直並進継手21は、垂直柱(L字形の長辺に対応する)上に配置されており、ベース1に対するRCの高さを変化させるようにロボットアーム3を垂直に調整するように構成される。
【００３１】
図4および図5を参照すると、ベース1に可動性を与えるために、本実施形態では、ベース1は本質的に、少なくとも二つのホイールセット11を含み、各ホイールセット11は、駆動ホイール111および案内ホイール112を含み、案内ホイール112は、運動方向制御のために構成され、駆動ホイール111は、運動速度制御のために構成される。少なくとも二つのホイールセット11は、協働してベース1を変位させて各手術用器具の(患者に対する)作業位置を調整するように構成される。本実施形態では、ベース1は、好ましくは、三つのホイールセット11を含み、三つのホイールセット11は、三角形のパターンで配置され、ベース1の動きを可能にするようにモータ駆動される。三つの案内ホイール112の調整性および三つの駆動ホイール111の可動性により、手術用ロボット端末は、患者に接近するように特定の経路に沿って全体的に動くことができる。ベース1は、自由に動くことが可能であるため、患者の状態に適合した好適な位置で患者に接近することができ、手術用ロボットが接近すると同時に、RCも患者に接近する。これにより、垂直アセンブリ2の支持端202の構造、したがって手術用ロボット端末の全体的な構造を大幅に簡略化しながら、手術用ロボット端末の全質量を軽減し、軽量で構造的により簡単な医療用ロボットに対する要求により一致したものとする。
【００３２】
図5を引き続き参照すると、ロボットアーム3は、垂直アセンブリ2から離れる方へ向けられる(すなわち、ロボットアーム3の端末端は外方へ延びる)。各ロボットアーム3の向きは、設定アーム31およびツールアーム32の回転角度および接続モードの組合せによって決定される。設定アーム31およびツールアーム32は、手術動作によって必要とされる適合可能な角度差で互いに回転可能に連結される。すなわち、ロボットアーム3の向きは、実際の手術における必要に応じて修正することができる。
【００３３】
図2から図3を参照すると、各設定アーム31は、この順でともに順次接続された第1の回転継手311、第1の水平並進継手312、旋回継手313、および第2の回転継手314を含み、第1の水平並進継手312は、第1の回転継手311の回転軸に直交する並進軸(すなわち、その運動軌道もしくは伸縮方向、または継手312がスライダ-トラック構造として実施される場合はトラック)を有し、旋回継手313は、第1の水平並進継手312の並進軸および第1の回転継手311の回転軸の両方に直交する回転軸を有し、第2の回転継手314は、第1の回転継手311の回転軸に平行に向けられた回転軸を有する。第1の回転継手311は、設定アーム31を支持機構に連結し、第2の回転継手314は、設定アーム31をツールアーム32に連結する。第1の回転継手311は、第1の回転継手311の回転軸の周りを回転するようにロボットアーム3全体を駆動することが可能であり、第1の水平並進継手312は、水平に並進するようにツールアーム32を駆動することができる。旋回継手313は、垂直平面内で動くようにツールアーム32を駆動するように、旋回するように構成される。第1の回転継手311および第2の回転継手314は、互いに重複しており、より微細な調整を可能にするように構成される。設定アーム31のこれらの四つの継手は、空間位置におけるRCのあらゆる変化を可能にするようにともに機能することができる。
【００３４】
本実施形態は、第2の回転継手314の回転軸を第1の回転継手311の回転軸に平行にするためのいかなる特定の方法にも限定されるものではない。好ましい実施形態では、設定アームは、接続棒と、測定構成要素と、測定構成要素に通信可能に連結されたモータとをさらに含む。接続棒の近位端は、旋回継手313に連結され、その遠位端は、第2の回転継手314に回転可能に連結される。測定構成要素は、旋回継手313の旋回角度を実時間で測定するように構成される。モータは、第2の回転継手314の回転軸を第1の回転継手311の回転軸に平行に常に維持するために、旋回継手313の旋回角度に応じて、第2の回転継手314を接続棒に対して回転させるように構成される。別の好ましい実施形態では、旋回継手313は、ともに連結された四つのリンクによって形成された第1の平行四辺形構造を含み、第1の平行四辺形構造は、第1の回転継手311の回転軸に平行に維持された近位リンクと、第2の回転継手314に連結され、第2の回転継手314の回転軸に平行に維持された遠位リンク(近位リンクに平行)とを含む。このようにして、第2の回転継手314の回転軸は、第1の回転継手311の回転軸に平行に常に維持される。
【００３５】
好ましくは、設定アーム31は、支持機構に連結された近位端と、第1の回転継手311に連結された遠位端とを有する第2の水平並進継手をさらに含む。さらに、第2の水平並進継手は、第1の回転継手311の回転軸に直交する並進軸を有する。このようにして、設定アーム31の水平運動範囲は、事実上広くなる。
【００３６】
別の実施形態では、各設定アームは、この順でともに順次接続された第1の水平並進継手312、第1の回転継手311、旋回継手313、および第2の回転継手314を含み、第1の水平並進継手312は、第1の回転継手311の回転軸に直交する並進軸を有し、旋回継手313は、第1の水平並進継手312の並進軸および第1の回転継手311の回転軸に直交する回転軸を有し、第2の回転継手314は、第1の回転継手311の回転軸に平行に向けられた回転軸を有する。第1の水平並進継手312は、設定アーム31を支持機構に連結し、第2の回転継手314は、設定アーム31をツールアーム32に連結する。この配置により、垂直アセンブリ2の支持端202の周りの空間の完全な利用が可能になる。
【００３７】
ツールアーム32は、ツールアーム32に連結された手術用器具がRCの周りを枢動することが可能なRC機構である。たとえば、ツールアーム32は、二つの自由度(この場合、ツールアーム32は、左右方向および前後方向の両方にRCの周りを旋回するように手術用器具を駆動することが可能である)、三つの自由度(この場合、ツールアーム32は、左右方向および前後方向の両方にRCの周りを旋回しかつ上下に動くように手術用器具を駆動することが可能である)など、複数の自由度を有することができる。
【００３８】
図1および図4に示す実施形態では、ツールアーム32は、第1の軸「a」の周りを旋回し、第2の軸「c」の周りを枢動し、かつ並進軸「b」に沿って並進するように手術用器具を駆動することを可能にするために、三つの自由度を有し、RCは、第1の軸「a」、並進軸「b」、および第2の軸「c」の交点で規定される(三つの軸は、図に破線によって示す)。具体的には、ツールアーム32は、ベース継手321、第2の平行四辺形構造、および伸縮継手323を含む。ベース継手321は、第1の軸「a」の周りを回転して、手術用器具に第1の軸「a」の周りを旋回させるように構成される。ベース継手321の近位端は、設定アーム31に連結され、その遠位端は、第2の平行四辺形構造に連結される。第2の平行四辺形構造は、回転可能であり、関節リンクによって形成され、近位リンクと、近位リンクに平行な遠位リンクとを含む。第2の平行四辺形構造の端末端は、伸縮継手323によって手術用器具に連結され、手術用器具は、その軸が遠位リンクに平行になるように構成される。その結果、第2の平行四辺形構造は、第2の軸の周りを枢動するように手術用器具を駆動することが可能になる。本実施形態では、第2の平行四辺形構造は、第1の平行四辺形下部構造322aと、第1の平行四辺形下部構造322aに接続された第2の平行四辺形下部構造322bとを含む。すなわち、第2の平行四辺形構造は、第2の軸「c」の周りを回転するように手術用器具を駆動するための2重平行四辺形構造を形成する。第1の平行四辺形下部構造322aは、第1の近位リンクと、第1の近位リンクに平行な第1の遠位リンクとを含む(どちらも図示せず)。第2の平行四辺形下部構造322bは、第2の近位リンクと、第2の近位リンクに平行な第2の遠位リンクとを含む(どちらも図示せず)。第1の遠位リンクは、第2の近位リンクまたは第2の遠位リンクに重複することができる。第2の平行四辺形下部構造322bは、伸縮継手323に連結された遠位端を有し、伸縮継手323は、第2の平行四辺形下部構造322bにおける第2の遠位リンクの軸に平行な並進軸「b」を規定し、RCを通って延びる。伸縮継手323は、手術用器具が並進軸「b」に沿って並進することが可能になるように、手術用器具に取外し可能に連結される。
【００３９】
代替実施形態では、ツールアーム32は、第1の軸「a」の周りを旋回しかつ第2の軸「c」の周りを枢動するように手術用器具を駆動することを可能にするために、二つの自由度のみを有することができ、RCは、第1の軸「a」および第2の軸「c」の交点で規定される。この場合、ツールアーム32は、ベース継手321および第3の平行四辺形構造を含み、第3の平行四辺形構造は、回転可能であり、関節リンクによって形成され、近位リンクと、近位リンクに平行な遠位リンクとを含む。第3の平行四辺形構造の端末端は、手術用器具に取外し可能に連結されており、手術用器具の軸は、第3の平行四辺形構造における遠位リンクの軸に平行であり、かつRCを通って延びる。ツールアームは、RCの周りを旋回するように手術用器具を駆動するために、ベース継手を組み込む構造およびベース継手に連結されたスライダ-弧状トラック構造などの別の構造を採用することもできることが、当業者には理解されよう。
【００４０】
本実施形態によれば、手術動作に対する事前準備中、様々な継手の動きの結果、設定アーム31は、ツールアーム32のRCを患者の標的手術部位に接近させ、それによってより正確な手術動作の実施を容易にする。動作中、設定アーム31の継手はすべてロックされ、したがってRCの位置が固定され、ツールアーム32に取外し可能に連結された手術用器具は、RCの周りの切開部を介して患者に挿入されて、標的手術部位に到達するように構成される。手術用器具は、頂点がRCに位置する円錐形の作業空間内で旋回および枢動するように、ツールアーム32によって駆動することができる。したがって、設定アーム31によってRCの位置を調整することで、ツールアーム32上に取り付けられた手術用器具が、標的手術部位に到達することが可能になり、ツールアーム32の個々の継手を調整することで、手術用器具が、所望の特定の手術動作に好適なRC規定空間内で動くことが可能になる。
【００４１】
自由度に関して手術用ロボット端末を示す図である図2をさらに参照する。手術用ロボット端末の調整自由度は、ベース1の平面内並進自由度101、102(ともにベース1が湾曲運動軌道103に沿って動くことを可能にする)と、垂直アセンブリ2の垂直並進自由度201と、各設定アーム31の四つの自由度(それぞれ第1の回転自由度301、第1の水平並進自由度302、旋回自由度303、および第2の回転自由度304)と、支持機構の第3の回転自由度401とを含む。平面内並進自由度101、102は、ベース1の案内ホイール111および駆動ホイール112によって可能になる。図2の破線付近に位置する所望のRCに対して、ロボットアーム3が標的手術部位に到達するのに好適なRCにより近い位置に、ロボットアーム3のうちの対応するロボットアーム3を配置することができるように、端末は、ベース1の移動および垂直アセンブリ2の上下運動の両方の結果として破線の周りを動くことができる。四つの自由度により、各設定アーム31に空間可動性が与えられ、対応するツールアーム32の端末端上に取り付けられた手術用器具が所望のRCにより正確に近接することが可能になる。支持機構の第3の回転自由度401により、設定アーム31間の干渉、さらにはロボットアーム3間の干渉なく、各設定アーム31がより広い範囲内を動くことが可能になる。
【００４２】
加えて、手術用ロボット端末における各継手(たとえば、ベース1、垂直アセンブリ2、設定アーム31、およびツールアーム32の一つまたは複数における継手)には、これらの継手のロックまたはアンロックを制御するように構成されたそれぞれのブレーキを設けることができる。たとえば、各ブレーキは、対応する継手が正常に動くことができる通電されている解放状態、または継手が特定の向きで静止したままである通電されていないロック状態とすることができる。
【００４３】
手術用ロボット端末における各継手の能動的な調整性を促進するために、加速または減速などの自発的な調整を可能にするモータを各継手に設けることができる。
【００４４】
加えて、手術用ロボット端末における各継手に、継手の状態情報を感知するための少なくとも一つのセンサを設けることができ、この状態情報から、対応する手術用器具のエンドエフェクタ(図示せず)の空間位置および向きを導出することができる。
【００４５】
手術用ロボット端末における様々な構成要素の正確な制御を容易にするために、手術用ロボット端末は、ベース1、垂直アセンブリ2、および/またはロボットアーム3の動作を制御するためのコンソールを含むことができる。具体的には、コンソールは、上述したセンサ、ブレーキ、およびモータに通信可能に連結されており、センサから継手に関する状態情報を取得し、それぞれのブレーキによって個々の継手をロックまたはアンロックするように構成される。受動制御モードでは、コンソールはまた、それぞれのモータのトルク出力を制御することによって、個々の継手の動きを容易にするように構成される。
【００４６】
支持機構の一例では、支持機構は、少なくとも二つのアーム支持体を含み、各アーム支持体は、垂直アセンブリ2の支持端202に連結された上端と、少なくとも一つの設定アーム31に連結された下端とを有する。好ましくは、各アーム支持体は、少なくとも一つの設定アーム31に回転可能に連結される。アーム支持体は、設定アーム31の空間位置を変化させるように回転することができ、それによって設定アーム31の調整範囲を拡大することができる。さらに、支持機構は、手術動作が実行される前に、ロボットアーム3の空間位置を調整することができる。これにより、手術中のロボットアーム3間の干渉を大幅に軽減することができ、したがって設定アーム31の調整性を向上させることができる。
【００４７】
図5に示す特定の例では、支持機構は、二つのアーム支持体、すなわち第1のアーム支持体41aおよび第2のアーム支持体41bを含む。好ましくは、第1のアーム支持体41aおよび第2のアーム支持体41bはそれぞれ、二つの設定アーム31の第1の回転継手311の両方に連結される。さらに、第1のアーム支持体41aに連結された二つの設定アーム31は、第1のアーム支持体41aの両側に位置し、同様に第2のアーム支持体41bに連結された二つの設定アーム31は、第2のアーム支持体41bの両側に位置する。この配置により、設定アーム31の間の干渉、さらには対応するツールアーム32間の干渉を事実上回避することができる。
【００４８】
同様に、設定アーム31と支持機構(第1のアーム支持体41aおよび第2のアーム支持体41bを組み込む)との間に、第2の水平並進継手をさらに設けることができる。この場合、各設定アーム31は、第2の水平並進継手を介して、第1の回転継手311で支持機構(すなわち、第1のサスペンションディスク41aまたは第2のアーム支持体41b)に連結される。これにより、ロボットアーム3の運動範囲を事実上拡大することができる。
【００４９】
別法として、第2の水平並進継手は、第1のアーム支持体41aまたは第2のアーム支持体41bと、対応する設定アーム31との間に設けることができる。この場合、設定アーム31はそれぞれ、第2の水平並進継手を介して、第1の回転継手311で第1のアーム支持体41aまたは第2のアーム支持体41bに連結され、上述した第1の水平並進継手312は省略され、旋回継手313は、第1の回転継手311に連結される。これにより、垂直アセンブリ2の支持端202の周りの空間の完全な利用が可能になる。
【００５０】
図6を参照すると、支持機構の別の例では、手術用ロボット端末は、一つの1次アーム支持体42および少なくとも二つの2次アーム支持体43を含み、1次アーム支持体42は、垂直アセンブリ2の支持端202に回転可能に連結された上端を有し、少なくとも二つの2次アーム支持体43はそれぞれ、1次アーム支持体42の下端に回転可能に連結されており、対応する設定アーム31に連結された下端を有する。1次アーム支持体42は、2次アーム支持体43の空間位置を変化させるように回転することができ、2次アーム支持体43はそれぞれ、2次アーム支持体43に連結された設定アーム31の空間位置を変化させるように回転することができる。
【００５１】
図6に示す特有の例では、1次アーム支持体42の数は一つであり、2次アーム支持体43の数は二つであり、二つの2次アーム支持体43はそれぞれ、その上端で1次アーム支持体42に回転可能に連結され、したがって2次アーム支持体43は、1次アーム支持体42に対して回転することができる。さらに、1次アーム支持体42は、2次アーム支持体43の位置を調整することができ、2次アーム支持体43は、2次アーム支持体43に連結された設定アーム31の位置を調整することができる。2次アーム支持体43はそれぞれ、設定アーム31が対応する2次アーム支持体43の両側に位置するように、その下端で二つの設定アーム31に連結される。言い換えれば、2次アーム支持体43は、二つの設定アーム31を互いから隔置する。これにより、使用中の設定アーム31間の干渉を回避することができる。ベース1の可動性と、1次アーム支持体42および2次アーム支持体43の可動性とを組み合わせるには、ロボットアーム3上に取り付けられた手術用器具が標的手術部位上で動作をより正確に実行するのに好適な位置に、各ロボットアーム3のRCMが到達することを可能にする重複設計が必要とされる。
【００５２】
上記の説明から分かるように、本実施形態による手術用ロボット端末は、支持機構に基づいて設定アーム31の空間位置を調整し、設定アーム31に基づいてRCMの空間位置を調整し、ツールアーム32に基づいてRCに対する手術用器具の向きを調整することができる。したがって、手術部位を取り扱うのにより好適な位置に、各手術用器具を配置することができ、これは現在の臨床上の必要に一致しており、手術精度の改善に役立つ。
【００５３】
同様に、第2の水平並進継手は、設定アーム31と2次アーム支持体43との間に追加することができ、設定アーム31の第1の回転継手311は、第2の水平並進継手を介して2次アーム支持体43に連結される。これにより、ロボットアーム3の運動範囲を事実上拡大することができる。別法として、設定アーム31の第1の水平並進継手312を省略することができ、第1の回転継手311は、それぞれの旋回継手313に連結される。これにより、垂直アセンブリ2の支持端202の周りの空間の完全な利用が可能になる。
【００５４】
本明細書に開示する実施形態について段階的に説明しており、各実施形態の説明は、他の実施形態とのその違いに焦点を当てている。同一または類似の部分については、実施形態同士を参照することができる。
【００５５】
要約すると、本出願によれば、手術用ロボット端末は、可動ベースおよび支持機構を含み、支持機構は、垂直アセンブリの支持端と設定アームの近位端との間に配置され、ベースの水平可動性により、手術室の天井に支持されたいかなる追加の構成要素も使用することなく、ロボットアームが、拡大された範囲内を動くことが可能になり、手術用ロボット端末が、任意の所望の位置に到達することが可能になる。これにより、手術用ロボット端末の全体構造の簡略化および質量の軽減が可能になり、軽量で構造的により簡単な医療用ロボットに対する要求により一致したものになる。支持機構の位置の調整により、ロボットアームの運動範囲がさらに拡大されるだけでなく、ロボットアームが動いているとき、ロボットアーム間の干渉を事実上回避することができ、したがって端末の調整性および動作の信頼性が向上する。
【００５６】
加えて、ベースの可動性と垂直アセンブリにおける垂直並進継手の垂直並進とを組み合わせることで、各ロボットアームがそのRCMにより近づくことがさらに可能になり、したがって手術部位の動作を実行するのにより好適な位置へロボットアームを配置することが可能になり、それによって手術動作を容易にすることができる。駆動ホイールおよび案内ホイールの両方をベースに設けることで、速度制御を方向制御から切り離すことができ、その結果、特に手術用ロボット端末などの大型の機器の全体的な動きに貢献する操作性および操作精度の両方が向上する。
【００５７】
上記で提示した説明は、本出願のいくつかの好ましい実施形態の単なる説明であり、本出願の範囲を決して限定するものではない。上記の教示に基づいて当業者によって加えられるあらゆる変更および修正は、添付の特許請求の範囲に定義される範囲に入る。
【符号の説明】
【００５８】
図面において、
1はベース、11はホイールセット、111は駆動ホイール、112は案内ホイール、101および102は平面内並進自由度、103は湾曲運動軌道、
2は垂直アセンブリ、21は垂直並進継手、201は垂直並進自由度、202は支持端、203はベース端、
3はロボットアーム、31は設定アーム、311は第1の回転継手、312は第1の水平並進継手、313は旋回継手、314は第2の回転継手、301は第1の回転自由度、302は第1の水平並進自由度、303は旋回自由度、304は第2の回転自由度、32はツールアーム、321はベース継手、322aは第1の平行四辺形下部構造、322bは第2の平行四辺形下部構造、323は伸縮継手、
41aは第1のアーム支持体、41bは第2のアーム支持体、42は1次アーム支持体、43は2次アーム支持体、401は第3の回転自由度、
RCは遠隔運動中心(RCM)を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2021507783.tif 000005
【図４】
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【図５】
2021507783.tif 000007
【図６】
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【国際調査報告】
2021507783.tif 000009
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2021507783.tif 000011
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