(57)【要約】  手術ロボットシステムは、外科医による使用に十分に適合されており、手術室にシームレスに統合可能であり、外科医が手術を通してロボットと患者との間で無菌で作業することを可能にし、比較的低コストであり、かつ／又は統合腹腔鏡手術を可能にする。システムは、好ましくは、複数のマスタージョイントによって相互に連結された複数のマスターリンクを有するマスターコンソールと、遠隔マニピュレータを操作するためにマスターコンソールに結合されたハンドルとを含む。システムは、マスターコンソールに動作可能に結合されたスレーブコンソールをさらに含み、該スレーブコンソールは、マスターコンソールでの動きに応答して動いてエンドエフェクタが外科手術を行うことを可能にする複数のスレーブジョイントによって相互に連結された複数のスレーブリンクを有する。【選択図】図１
2021513442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科手術を行うための遠隔操作用のシステムであって：
複数のマスターリンクを備えるマスターコンソール；
ハンドルで加えられた動きが該複数のマスターリンクの少なくとも1つを動かすように該マスターコンソールに結合された該ハンドル；
複数のスレーブリンクを備えるスレーブコンソールであって、該マスターコンソールに動作可能に結合され、該ハンドルで加えられる動きに応答して動くように構成されている、該スレーブコンソール；及び
該スレーブコンソールに結合されたエンドエフェクタであって、該ハンドルでの作動に応答して動き、かつ該スレーブコンソールでの動きに応答して動いて該外科手術を行うように構成されている、該エンドエフェクタを含み；
該スレーブコンソールが、該エンドエフェクタに動作可能に結合された複数のアクチュエータを備え、該アクチュエータが、該ハンドルでの作動に応答して作動されると、マクロ同期状態中には該複数のスレーブリンクの少なくとも1つにマクロな並進運動を加えるが、マクロ非同期状態では該並進運動を加えず、ミクロ同期状態中には該エンドエフェクタにミクロな動きを加えるが、ミクロ非同期状態では該ミクロな動きを加えない、前記システム。
【請求項２】
前記マスターコンソールが、前記外科手術中に無菌を維持するように構成されている、請求項1記載のシステム。
【請求項３】
前記ハンドルが、前記外科手術中に無菌であり、かつ追加の外科手術のために取り外されている間も滅菌可能であるように、前記マスターコンソールに取り外し可能に結合されている、請求項2記載のシステム。
【請求項４】
前記ハンドルが、クリップアタッチメントを介して前記マスターコンソールに取り外し可能に結合されている、請求項1〜3のいずれか一項記載のシステム。
【請求項５】
前記ハンドルが、ねじアタッチメントを介して前記マスターコンソールに取り外し可能に結合されている、請求項1、2、又は3記載のシステム。
【請求項６】
前記ハンドルが、該ハンドルの作動に応答して動く格納式ピストンを備え、前記マスターコンソールの少なくとも1つのセンサが、該格納式ピストンの動きを検知して、前記複数のアクチュエータに前記エンドエフェクタで対応するミクロな動きをさせるように構成されている、請求項1〜5のいずれか一項記載のシステム。
【請求項７】
前記スレーブコンソールが、前記少なくとも1つのセンサが少なくとも所定程度の前記格納式ピストンを検知しない限り、前記マスターコンソールでの動きに応答しない、請求項6記載のシステム。
【請求項８】
前記マスターコンソールが、前記複数のマスターリンクの少なくとも1つのマスターリンクの動きを制限するように構成された機械的制限部を備える、請求項1〜7のいずれか一項記載のシステム。
【請求項９】
前記マスターコンソールに結合されたディスプレイをさらに含み、該ディスプレイが、前記システムの操作中に使用者が前記エンドエフェクタを視覚化できるように構成されている、請求項1〜8のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数のスレーブリンク及び複数のスレーブジョイントが、前記スレーブコンソールのベースが固定されたまま、前記外科手術を行う前に該スレーブコンソールの遠位端部を所望の水平位置に配置するために近位スレーブジョイントを中心に移動可能であるように、該スレーブコンソールのベースが、該複数のスレーブジョイントの該近位スレーブジョイントを介して該複数のスレーブリンクの近位スレーブリンクに結合されている、請求項1〜9のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１１】
前記スレーブコンソールのベースが、前記複数のスレーブリンクの近位スレーブリンクに結合された調整可能な垂直支柱を備え、該調整可能な垂直支柱が、前記外科手術を行う前に該スレーブコンソールの遠位端部を所望の垂直位置に配置するために該複数のスレーブリンク及び前記複数のスレーブジョイントの高さを調整するように構成されている、請求項10記載のシステム。
【請求項１２】
前記スレーブコンソールの遠位端部と前記外科手術を受けている患者の体内に配置されたトロカールとの整合を可能にするように構成された取り外し可能な切開ポインタをさらに含む、請求項1〜11のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１３】
制御装置をさらに含み、該制御装置が、前記複数のアクチュエータが該制御装置によって実行される命令に応答して前記スレーブコンソールの前記複数のスレーブリンクに動きを加えるように、該複数のアクチュエータに動作可能に結合されている、請求項1〜12のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１４】
前記制御装置が、前記複数のアクチュエータに前記スレーブコンソールの前記複数のスレーブリンクをホーム構成に移動させる命令を実行するように構成されており、該ホーム構成では、該複数のスレーブリンクが、前記外科手術を受けている患者に挿入されたトロカール内で前記エンドエフェクタが配置可能であるように後退している、請求項13記載のシステム。
【請求項１５】
前記制御装置が、前記複数のアクチュエータに前記複数のスレーブリンクの角度付けスレーブリンクを、該角度付けスレーブリンク及び該角度付けスレーブリンクの近位側の前記スレーブコンソールのスレーブリンクが前記システムの操作中に固定されたままである角度まで移動させる命令を実行するように構成されている、請求項13又は14記載のシステム。
【請求項１６】
前記角度付けスレーブリンクの角度では、前記スレーブコンソールの遠位端部により、前記エンドエフェクタが、該角度付けスレーブリンクの角度に平行な角度で傾けられた半球形手術作業空間で前記外科手術を行うことが可能である、請求項15記載のシステム。
【請求項１７】
複数のスレーブジョイントのベータジョイントの遠位側の前記複数のスレーブリンクのうちのスレーブリンクが、該ベータジョイントの近位側の該複数のスレーブリンクのうちのスレーブリンク及び前記スレーブコンソールのベースが固定されたまま、該ベータジョイントに対して移動して該スレーブコンソールの遠位端部を前方手術作業空間と反転手術作業空間との間で反転させるように構成されている、請求項1〜16のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１８】
前記マスターコンソールが、作動されると前記複数のマスターリンクのマクロな並進運動を防止するように構成されたクラッチをさらに備える、請求項1〜17のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１９】
前記ハンドルに結合された少なくとも1つのセンサが、該ハンドルの作動パターンを検知するように構成され、前記複数のセンサによって検知されたハンドルでの動きが、該少なくとも1つのセンサが該ハンドルの作動パターンを検知しない限り、前記エンドエフェクタによる対応するミクロな動きを引き起こさない、請求項1〜18のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２０】
近位端部及び遠位端部を有する器具をさらに含み、該近位端部が、前記スレーブコンソールに取り外し可能に結合されるように構成された器具ハブを備え、該遠位端部が前記エンドエフェクタを備える、請求項1〜19のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２１】
前記スレーブコンソールの遠位端部が、前記複数のスレーブリンクの角度付けスレーブリンクのアルファ軸を中心に回転可能であり、このため、該スレーブコンソールの遠位端部が、使用者が前記マスターコンソールから移動して前記外科手術を受けている患者に腹腔鏡手術を手動で行えるように配置可能である、請求項1〜20のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２２】
前記マスターコンソールがマスター制御装置を備え、前記スレーブコンソールがスレーブ制御装置を備え、該マスター制御装置が、前記ハンドルで検知された動きに基づいて命令を実行して、該動きに基づいて信号を該スレーブ制御装置に送信するように構成され、該スレーブ制御装置が、該信号を受信し、命令を実行して、該マスター制御装置から送信された信号に基づいて前記複数のスレーブリンク若しくは前記エンドエフェクタの少なくとも1つ、又はその両方を動かすように構成されている、請求項1〜21のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２３】
前記スレーブコンソールが、右スレーブ遠隔マニピュレータ、右スレーブ制御装置、左スレーブ遠隔マニピュレータ、及び左スレーブ制御装置を備え、
該マスターコンソールが、右マスター遠隔マニピュレータ、左マスター遠隔マニピュレータ、及びマスター制御装置を備え、
前方手術作業空間構成では、該マスター制御装置が該右スレーブ制御装置と通信して、該右マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該右スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、該マスター制御装置が該左スレーブ制御装置と通信して、該左マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該左スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、かつ
反転手術作業空間構成では、該マスター制御装置が該左スレーブ制御装置と通信して、該右マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該左スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、該マスター制御装置が該右スレーブ制御装置と通信して、該左マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該右スレーブ遠隔マニピュレータを動かす、請求項1〜22のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２４】
外科手術を行うための遠隔操作用のシステムであって：
マスター制御装置、複数の右マスターリンクを有する右マスター遠隔マニピュレータ、及び複数の左マスターリンクを有する左マスター遠隔マニピュレータを備えるマスターコンソール；
該右マスター遠隔マニピュレータを操作するために該右マスター遠隔マニピュレータに結合された右ハンドル；
該左マスター遠隔マニピュレータを操作するために該左マスター遠隔マニピュレータに結合された左ハンドル；
右スレーブ制御装置、複数の右スレーブリンクを有する右スレーブ遠隔マニピュレータ、左スレーブ制御装置、及び複数の左スレーブリンクを有する左スレーブ遠隔マニピュレータを備えるスレーブコンソール；
該右スレーブ遠隔マニピュレータに結合された右エンドエフェクタであって、該右又は左ハンドルでの作動に応答して動いて該外科手術を行うように構成されている、該右エンドエフェクタ；並びに
該左スレーブ遠隔マニピュレータに結合された左エンドエフェクタであって、該左又は右ハンドルでの作動に応答して動いて該外科手術を行うように構成されている、該左エンドエフェクタを含み；
前方手術作業空間構成では、該マスター制御装置が該右スレーブ制御装置と通信して、該右マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該右スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、該マスター制御装置が該左スレーブ制御装置と通信して、該左マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該左スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、かつ反転手術作業空間構成では、該マスター制御装置が該左スレーブ制御装置と通信して、該右マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該左スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、該マスター制御装置が該右スレーブ制御装置と通信して、該左マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該右スレーブ遠隔マニピュレータを動かす、前記システム。
【請求項２５】
前記右スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部が、前記複数の右スレーブリンクの右角度付けスレーブリンクのアルファ軸を中心に回転可能であり、前記左スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部が、前記複数の左スレーブリンクの左角度付けスレーブリンクのアルファ軸を中心に回転可能であり、このため、該右及び左スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部が、使用者が前記マスターコンソールから移動して前記外科手術を受けている患者に腹腔鏡手術を手動で行うことができるように配置可能である、請求項1〜24のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２６】
前記右ハンドルが、前記右マスター遠隔マニピュレータに取り外し可能に結合され、前記左ハンドルが、前記左マスター遠隔マニピュレータに取り外し可能に結合されている、請求項1〜25のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２７】
外科手術を行うための遠隔操作用のシステムであって：
該外科手術中に無菌を維持するように構成された、複数のマスターリンクを備えるマスターコンソール；
ハンドルで加えられた動きが複数のマスターリンクの少なくとも1つを動かすように、該マスターコンソールに取り外し可能に結合された該ハンドルであって、該外科手術中は無菌であり、かつ追加の外科手術のために取り外されている間も滅菌可能である、該ハンドル；
複数のスレーブリンクを備えるスレーブコンソールであって、前記マスターコンソールに動作可能に結合され、かつ該ハンドルで加えられる動きに応答して動くように構成されている、該スレーブコンソール；及び
該スレーブコンソールに結合されたエンドエフェクタであって、該ハンドルでの作動に応答して動き、かつ該スレーブコンソールでの動きに応答して動いて該外科手術を行うように構成されている、該エンドエフェクタを含む、前記システム。
【請求項２８】
前記ハンドルが、前記マスターコンソールから取り外されている間の外科手術間の滅菌を容易にするために、電子機器を備えずに純粋に機械的である、請求項1〜27のいずれか一項記載のシステム。
【請求項２９】
前記ハンドルが、クリップアタッチメントを介して前記マスターコンソールに取り外し可能に結合されている、請求項1〜28のいずれか一項記載のシステム。
【請求項３０】
前記ハンドルが、ねじアタッチメントを介して前記マスターコンソールに取り外し可能に結合されている、請求項1〜29のいずれか一項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、それぞれの全内容が引用により本明細書中に組み込まれている、2019年1月5日に出願された米国仮特許出願第62/788,781号、及び2018年2月7日に出願された米国仮特許出願第62/627,554号の優先権の利益を主張する。
【０００２】
（使用分野）
本出願は、一般に、ロボット遠隔マニピュレータを備える遠隔作動手術ロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
非常に多くの状況及び応用が、遠隔操作外科装置による遠隔作動を必要とする。これらの応用は、オープンフィールドであるか低侵襲性であるかにかかわらず、微細な操作を行う能力、限定された空間で操作する能力、危険な環境や汚染された環境、クリーンルーム又は無菌環境、及び外科的環境で操作する能力を含む。これらの応用は、正確な許容範囲及び末端使用者の技能レベルなどのパラメータと共に変化するが、それぞれの応用は、高精度で巧妙な操作を実行する能力などの、遠隔操作システムの多数の同じ機能を必要とする。
【０００４】
外科的応用を、既知の装置が存在するが既知のシステム及び方法では重大な欠点が明らかである遠隔操作装置システムの例示的な応用としてより詳細に以下の開示で説明する。
【０００５】
観血手術は、依然として多くの外科処置では好ましい方法である。観血手術は、何十年にもわたって医学界で使用されており、典型的には、腹部又は体の他の部位に長い切開部を形成する必要があり、その切開部を介して従来の手術器具が挿入される。そのような切開部により、この非常に侵襲的なアプローチでは、手術中にかなり失血し、典型的には、痛みを伴う長い回復期間にわたって入院することになる。
【０００６】
低侵襲技術である腹腔鏡手術は、観血手術のいくつかの欠点を克服するために開発された。大きな壁貫通切開部の代わりに、いくつかの小さな開口部が患者に形成され、それらの開口部を介して長くて細い手術器具及び内視鏡カメラが挿入される。腹腔鏡処置の低侵襲性により、失血及び痛みが軽減され、入院期間が短縮される。経験豊富な外科医によって行われると、腹腔鏡手術手技は、観血手術と同様の臨床結果が得ることができる。しかしながら、上記の利点にもかかわらず、腹腔鏡手術は、そのような処置で使用される硬くて長い器具をうまく操作するために高度な技能を必要とする。典型的には、入口切開部は回転点として機能し、患者の体内で器具を位置決め及び定位のための自由度を低下させる。この切開点を中心とした外科医の手の動きは、器具先端部では逆になって拡大され（「支点効果」）、巧みさ及び感度を低下させ、外科医の手の震えを増大させる。加えて、長くて真直な器具により、外科医は、手、腕、及び体が不快な姿勢での作業が強いられ、これが長時間の処置の際に甚だしく疲労させ得る。従って、腹腔鏡器具のこれらの欠点により、低侵襲技術は、主に単純な外科手術での使用に限定されており、ごく一部の外科医のみがそのような器具及び方法を複雑な処置で使用することができる。
【０００７】
既知のシステムの前述の制限を克服するために、手術ロボットシステムが開発され、複雑な低侵襲外科手術でより使いやすいアプローチが提供された。コンピュータ化されたロボットインターフェイスにより、それらのシステムは、外科医が2つのマスターマニピュレータを操作するコンソールに座って、いくつかの小さな切開部を介して手術を行う遠隔腹腔鏡手術の実施を可能にする。腹腔鏡手術と同様に、ロボットによるアプローチも低侵襲性であり、痛み、失血、及び回復時間の低減に関して観血手術よりも上述の利点を提供する。加えて、ロボットによるアプローチは、観血及び腹腔鏡手術手技と比較して外科医にとってより優れた人間工学や、巧みさ、精度、及び振戦抑制の改善、並びに支点効果の解消も提供する。技術的には容易であるが、ロボット外科手術にはまだいくつかの欠点がある。既知のロボット手術システムの1つの主な欠点は、このようなシステムの非常に高度な複雑さに関連し、該既知のロボット手術システムは、外科医及び助手の両方の手に取って代わる4本〜5本のロボットアーム、統合型内視鏡画像システム、及び遠隔外科手術を行う能力を備え、取得及び維持管理に莫大な資本コストがかかり、世界中の大部分の外科部門では手頃な価格ではない。これらのシステムのもう1つの欠点は、既知の手術ロボットの嵩張りであり、この嵩張りは、手術室環境内の貴重なスペースを奪い、準備時間が大幅に増加する。従って、患者へのアクセスが妨げられる恐れがあり、安全上の懸念が生じる。
【０００８】
例えば、ダビンチ（登録商標）手術システム（IntuitiVe Surgical, Inc., SunnyVale, California, USAから入手可能）は、外科医による遠隔腹腔鏡手術の実施を可能にするロボット手術システムである。しかしながら、ダビンチ（登録商標）手術システムは非常に複雑なロボットシステムであり、各システムは、ロボット1台当たり約2,000,000ドル、メンテナンス費用に年間150,000ドル、そして外科手術ごとに手術器具に2,000ドルのコストがかかる。ダビンチ（登録商標）手術システムはまた、手術室に多くのスペースを必要とするため、手術室内の所望の場所に移動させるのが困難であり、前方手術作業空間と反転手術作業空間とを切り替えるのが困難である（多象限手術（multi-quadrant surgery）とも呼ばれる）。
【０００９】
さらに、外科医の操作コンソールは、典型的には手術部位から離れて配置されるため、外科医及び操作コンソールは、手術室の無菌ゾーンに存在しない。外科医の操作コンソールが滅菌されていない場合、外科医は、追加の滅菌手順を受けずには、必要に応じて患者を治療することが許可されない。特定の外科手術の間、外科医は、即座に介入する必要があり得るが、現在の嵩張るロボットシステムは、タイムリーに命を救うように患者の手術部位に外科医が迅速にアクセスするのを妨げ得る。
【００１０】
Madhaniの国際公開第97/43942号、Cooperの国際公開第98/25666号、及びBurbankの米国特許出願公開第2010/0011900号はそれぞれ、患者の体内で外科医の手の動きを再現するように設計されたロボット遠隔操作手術器具を開示している。コンピュータ化されたロボットインターフェイスにより、手術器具は、コンソールに座って2つのジョイスティックを操作する外科医がいくつかの小さな切開部を介して手術を行う遠隔腹腔鏡手術の実施を可能にする。それらのシステムは、外科医によって完全に制御される洗練された手段である必要がある自律性又は人工知能を有していない。制御コマンドは、複雑なコンピュータ制御のメカトロニクスシステムによってロボットマスターとロボットスレーブとの間で送信され、これは、製造及び維持に非常にコストがかかり、さらに病院スタッフのかなりの訓練を必要とする。
【００１１】
その全内容が引用により本明細書中に組み込まれている、Beiraの国際公開第2013/014621号は、スレーブユニットの各部品が運動学的に等価なマスターユニットの対応する部品の動きを模倣するように、該マスターユニットによって駆動される該スレーブユニットを含むマスター−スレーブ構成を有する遠隔操作用の機械式遠隔操作装置を説明している。典型的なマスター−スレーブ遠隔マニピュレータは、7自由度の動きを提供する。具体的には、これらの自由度には、3つのマクロな並進運動、例えば、内側／外側、上方／下方、及び左／右の自由度と、1つの回転自由度、例えば回内回外運動（pronosupination）、2つの関節自由度、例えばヨーとピッチ、及び1つの作動自由度、例えば開／閉を含む4つのミクロな動きが含まれる。その公開文献に記載されている機械式伝動システムは装置によく適合しているが、ハンドルから運動学的チェーン全体を通って器具までケーブルで低摩擦の経路を指定することは、費用が嵩み、複雑で、嵩張り、そして精密な較正及び慎重な取り扱いとメンテナンスを必要とする。
【００１２】
加えて、既知の純粋に機械的な解決策は、手首の整合、装置の低い複雑度、低い質量と慣性、高い手術体積、及び優れた触覚フィードバックを提供しない。例えば、純粋に機械的な遠隔操作装置では、器具の純粋な回内回外運動／ロール運動を行うために、外科医は、典型的には、自身の手／前腕の回内回外運動／ロール運動の組み合わせ、及び自身の手首を用いた湾曲した経路での並進運動を行わなければならない。このような運動は、適切に実行するには複雑であり、適切に実行されないと、エンドエフェクタのピッチとヨーが望ましくない寄生運動（parasitic movement）を引き起こす。
【００１３】
さらに、機械式遠隔マニピュレータを通る関節自由度及び作動自由度のケーブルでの経路指定は、遠隔マニピュレータのリンクとジョイント構造の様々なジョイントの角度範囲の巧みさを制限し得る。これにより、患者の体内でアクセス可能な器具の利用可能な手術体積が制限される。機械式遠隔マニピュレータの素早い動きの最中、遠隔マニピュレータの慣性もまた邪魔になり得、標的のオーバーシュート及び外科医の手の疲労をもたらす。この質量の一部は、作動自由度及び関節自由度の経路を指定するために必要な部品及び構成要素に起因し得る。
【００１４】
従って、外科医による使用に十分に適合されたロボット遠隔マニピュレータを有し、手術室にシームレスに統合され、外科医がロボットと患者の間で無菌状態で作業することを可能にし、比較的低コストであり、かつ／又は統合腹腔鏡手術を可能にする遠隔作動手術ロボットシステムを提供することが望ましいであろう。無菌の方法は、比較的低コストであり、及び／又は統合された腹腔鏡手術を可能にする。
【００１５】
さらに、機械式及び／又は電気機械式遠隔マニピュレータを有する遠隔作動手術ロボットを提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（概要）
本発明は、好ましくは、外科医による使用に十分に適合されており、手術室にシームレスに統合可能であり、外科医が手術を通してロボットと患者との間で無菌で作業することを可能にし、比較的低コストであり、かつ／又は統合腹腔鏡手術を可能にするロボット遠隔マニピュレータを有する遠隔作動手術ロボットシステムを提供することによって既知のシステムの欠点を克服する。
【００１７】
遠隔操作用の手術ロボットシステムは、複数のマスターリンクを有するマスターコンソールと、ハンドルで加えられた動きが該複数のマスターリンクの少なくとも1つを動かすように該マスターコンソールに結合された該ハンドルとを含む。マスターコンソールは、外科手術中に無菌状態を維持するように設計することができる。一態様によると、ハンドルは、外科手術中は無菌であり、かつ追加の手術のために取り外されている間も滅菌可能であるように、マスターコンソールに取り外し可能に結合することができる。例えば、ハンドルは、例えばクリップアタッチメント又はねじアタッチメントを介してマスターコンソールに取り外し可能に結合することができる。取り外し可能なハンドルは、該ハンドルがマスターコンソールから取り外されている間の外科手術間の滅菌を容易にするために、回路、センサ、又は電気的に結合されたボタンなどの電子機器を備えずに純粋に機械的であり得る。このようにして、マスターコンソールは、外科医がロボットのハンドルとの直接的な接触から利用可能な触覚フィードバックを有することを可能にしながら、外科手術中に無菌であり得る（例えば、ハンドルを除いて無菌ドレープで覆われる）。
【００１８】
手術ロボットシステムは、複数のスレーブリンクを有するスレーブコンソールをさらに含む。一態様によると、スレーブコンソールの遠位端部は、複数のスレーブリンクの角度付けスレーブリンクのアルファ軸を中心に回転可能であり得、このため、該スレーブコンソールの遠位端部が、使用者がマスターコンソールから移動して外科手術を受けている患者に腹腔鏡手術を手動で行えるように配置可能である。
【００１９】
加えて、システムは、スレーブコンソールに結合されたエンドエフェクタを含み、該エンドエフェクタは、ハンドルで加えられた動きに応答して動き、かつスレーブコンソールでの動きに応答して動いて外科手術を行う。例えば、スレーブコンソールは、エンドエフェクタに動作可能に結合された複数のアクチュエータ、例えばモータを備えることができ、該アクチュエータは、ハンドルでの作動に応答して作動されると、マクロ動同期状態中には複数のスレーブリンクにマクロな並進運動を加えるが、マクロ非同期状態では該並進運動を加えず、ミクロ同期状態中にはエンドエフェクタにミクロな動きを加えるが、ミクロ非同期状態では該ミクロな動きを加えない。さらに、手術ロボットシステムは、近位端部及び遠位端部を有する器具を含むことができ、該近位端部は、スレーブコンソールの遠位端部に結合されるように設計された器具ハブを有し、該遠位端部は、エンドエフェクタを有する。
【００２０】
ハンドルは、その作動に応答して動く格納式ピストンを備えることができる。従って、マスターコンソールの少なくとも1つのセンサは、格納式ピストンの動きを検知して、複数のアクチュエータにエンドエフェクタで対応するミクロな動きをさせるように設計されている。本発明の一態様によると、スレーブコンソールは、少なくとも1つのセンサが少なくとも所定程度の格納式ピストンを検知しない限り、マスターコンソールでの動きに応答しない。さらに、ハンドルに結合された少なくとも1つのセンサは、ロボットをミクロ非同期状態からミクロ同期状態に移行させるハンドルの作動パターンを検知するように設計することができる。例えば、ミクロ非同期状態では、複数のセンサによって検知された該ハンドルでの動きは、少なくとも1つのセンサがハンドルの作動パターンを検知するため、ロボットがミクロ同期状態に移行するまでエンドエフェクタによる対応するミクロな動きを引き起こさない。
【００２１】
マスターコンソールは、複数のマスターリンクの少なくとも1つのマスターリンクの動きを制限するように設計された機械的制限部を備えることができ、作動されると該複数のマスターリンクのマクロな並進運動を防止するクラッチをさらに備えることができる。手術ロボットシステムは、使用者が遠隔マニピュレータの操作中にエンドエフェクタを視覚化することを可能にするマスターコンソールに結合されたディスプレイをさらに備えることができる。さらに、システムは、スレーブコンソールの遠位端部と外科手術を受けている患者の体内に配置されたトロカールとの整合を可能にする取り外し可能な切開ポインタを備えることができる。
【００２２】
さらに、スレーブコンソールのベースは、複数のスレーブリンク及びジョイントが、該スレーブコンソールのベースが固定されたまま、外科手術を行う前に該スレーブコンソールの遠位端部を所望の水平位置に配置するために、該複数のスレーブジョイントの近位スレーブジョイントを中心に移動可能であるように、該近位スレーブジョイントを介して該複数のスレーブリンクの近位スレーブリンクに結合することができる。加えて、スレーブコンソールのベースは、複数のスレーブリンクの近位スレーブリンクに結合された調整可能な垂直支柱を備えることができる。調整可能な垂直支柱は、複数のスレーブリンク及びジョイントの高さを調整して、遠隔マニピュレータの操作の前にスレーブコンソールの遠位端部を所望の垂直位置に配置することができる。
【００２３】
本出願の一態様によると、複数のスレーブジョイントのベータジョイントの遠位側の複数のスレーブリンク及びジョイントのうちのスレーブリンク及びジョイントは、該ベータジョイントの近位側の該複数のスレーブリンクのうちのスレーブリンク及びスレーブコンソールのベースが固定されたまま、該ベータジョイントに対して移動して該スレーブコンソールの遠位端部を前方手術作業空間と反転手術作業空間との間で反転させるように設計されている。
【００２４】
手術ロボットシステムはまた、複数のアクチュエータが、制御装置によって実行される命令に応答してスレーブコンソールの複数のスレーブリンクに動きを加えるように、該複数のアクチュエータに動作可能に結合された制御装置も含むことができる。例えば、制御装置は、複数のアクチュエータにスレーブコンソールの複数のスレーブリンクをホーム構成に移動させる命令を実行することができ、該ホーム構成では、該複数のスレーブリンクが、エンドエフェクタが外科手術を受ける患者に挿入されたトロカール内で配置可能であるように後退される。加えて、制御装置は、複数のアクチュエータに複数のスレーブリンクの角度付けスレーブリンクを、該角度付けスレーブリンク及び該角度付けスレーブリンクの近位側のスレーブコンソールのスレーブリンクが遠隔マニピュレータの操作中に固定されたままである角度まで移動させる命令を実行することができる。従って、角度付けスレーブリンクの角度では、スレーブコンソールの遠位端部により、エンドエフェクタが、該角度付けスレーブリンクの角度に本質的に平行な角度で傾けられた半球形手術作業空間で外科手術を行うことが可能である。
【００２５】
本発明の別の態様によると、マスターコンソールはマスター制御装置を有し、スレーブコンソールはスレーブ制御装置を有し、このため、マスター制御装置は、ハンドルで検知された動きに基づいて命令を実行し、該動きに基づいて信号を該スレーブ制御装置に送信することができる。従って、スレーブ制御装置は、信号を受信し、命令を実行して、マスター制御装置から送信された信号に基づいて、複数のスレーブリンクの少なくとも1つ又はエンドエフェクタ、又はその両方を動かすことができる。例えば、スレーブコンソールは、右スレーブ遠隔マニピュレータ、右スレーブ制御装置、左スレーブ遠隔マニピュレータ、及び左スレーブ制御装置を備えることができ、該マスターコンソールは、右マスター遠隔マニピュレータ、左マスター遠隔マニピュレータ、及びマスター制御装置を備えることができ、このため、前方手術作業空間構成では、該マスター制御装置が、該右スレーブ制御装置と通信して、該右マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該右スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、該マスター制御装置が、該左スレーブ制御装置と通信して、該左マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して該左スレーブ遠隔マニピュレータを動かす。加えて、いくつかの実施態様によると、反転手術作業空間構成では、マスター制御装置が、左スレーブ制御装置と通信して、右マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して左スレーブ遠隔マニピュレータを動かし、該マスター制御装置が、右スレーブ制御装置と通信して、左マスター遠隔マニピュレータでの動きに応答して右スレーブ遠隔マニピュレータを動かす。
【００２６】
従って、右スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部は、複数の右スレーブリンクの右角度付けスレーブリンクのアルファ軸を中心に回転可能であり得、左スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部は、複数の左スレーブリンクの左角度付けスレーブリンクのアルファ軸を中心に回転可能であり得、このため、右及び左スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部が、使用者がマスターコンソールから移動して外科手術を受けている患者に腹腔鏡手術を手動で行うことができるように配置可能である。加えて、右ハンドルは、右マスター遠隔マニピュレータに取り外し可能に結合することができ、左ハンドルは、左マスター遠隔マニピュレータに取り外し可能に結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
（図面の簡単な説明）
【図１】図1は、本発明の原理に従って構成された、ロボット遠隔マニピュレータを有する例示的な遠隔作動手術ロボットシステムを示す。
【００２８】
【図２Ａ】図2Aは、本発明の原理に従って構成された例示的なマスターコンソールを示す。
【００２９】
【図２Ｂ】図2Bは、本発明の原理に従って構成された例示的なディスプレイを示す。
【００３０】
【図３】図3Aは、座位構成にある図2Aのマスターコンソールを示し、図3B及び図3Cは、立位構成にある図2Aのマスターコンソールを示す。
【００３１】
【図４】図4は、本発明の原理に従って構成された例示的なマスターコンソールのハンドルを示す。
【００３２】
【図５】図5Aは、本発明の原理に従って構成された例示的なハンドルグリップを示す。図5B及び図5Cは、本発明の原理に従った、図4Aのマスターコンソールのハンドルに取り外し可能に結合している図5Aのハンドルグリップを示す。
【００３３】
【図６Ａ−６Ｃ】図6A〜図6Cは、本発明の原理に従った、クリップアタッチメントを介してマスターコンソールのハンドルに取り外し可能に結合する例示的なハンドルグリップを示す。
【００３４】
【図７】図7は、本発明の原理に従った、ねじアタッチメントを介してマスターコンソールハンドルに取り外し可能に結合する例示的なハンドルグリップを示す。
【００３５】
【図８Ａ−８Ｃ】図8A〜図8Cは、本発明の原理に従った、図5Aのハンドルグリップの作動工程を示す。
【００３６】
【図９Ａ−９Ｂ】図9A及び図9Bは、マスターコンソールハンドルに結合された図5Aのハンドルグリップの断面図である。
【００３７】
【図１０Ａ−１０Ｃ】図10A〜図10Cは、本発明の原理に従って構成された別の例示的なマスターコンソールのハンドルを示す。
【００３８】
【図１１Ａ−１１Ｂ】図11A及び図11Bは、本発明の原理に従って構成された例示的なスレーブコンソールを示す。
【００３９】
【図１２】図12は、本発明の原理に従って構成された左スレーブコンソールを示す。
【００４０】
【図１３】図13は、遠隔作動手術ロボットシステムの例示的な制御装置を示す。
【００４１】
【図１４Ａ−１４Ｅ】図14A〜図14Eは、本発明の原理に従ったスレーブコンソールのScaraの動きを示す。
【００４２】
【図１５Ａ−１５Ｃ】図15A〜図15Cは、本発明の原理に従ったスレーブコンソールの垂直調整を示す。
【００４３】
【図１６】図16は、本発明の原理に従ったホーム構成にあるスレーブコンソールを示す。
【００４４】
【図１７Ａ−１７Ｄ】図17A〜図17Dは、スレーブコンソールの0度の角度付けの際の前方構成におけるスレーブコンソールに結合された例示的な並進器具インターフェイスの動きを示す。
【００４５】
【図１８Ａ−１８Ｄ】図18A〜図18Dは、図17A〜図17Dの前方手術作業空間を示す。
【００４６】
【図１８Ｅ】図18Eは、図18A〜図18Dのスレーブコンソールの前方手術作業空間の背面図である。
【００４７】
【図１９Ａ−１９Ｃ】図19A〜図19Cは、スレーブコンソールの20度の角度付けの際の前方構成におけるスレーブコンソールに結合された例示的な器具の前方手術作業空間を示す。
【００４８】
【図２０Ａ−２０Ｃ】図20A〜図20Cは、スレーブコンソールの40度の角度付けの際の前方構成におけるスレーブコンソールに結合された例示的な器具の前方手術作業空間を示す。
【００４９】
【図２１Ａ−２１Ｊ】図21A〜図21Jは、本発明の原理に従った、前方構成と反転構成との間のスレーブコンソールの反転を示す。
【００５０】
【図２１Ｋ−２１Ｌ】図21K及び図21Lはそれぞれ、本発明の原理に従った、前方構成及び反転構成の際のマスターコンソールの概略図及びスレーブコンソールの概略図である。
【００５１】
【図２２Ａ−２２Ｃ】図22A〜図22Cはそれぞれ、スレーブコンソールの0度、20度、及び40度の角度付けの際の反転構成におけるスレーブコンソールに結合された例示的な並進器具インターフェイスを示す。
【００５２】
【図２３Ａ−２３Ｃ】図23A〜図23Cは、図22A〜図22Cの反転手術作業空間を示す。
【００５３】
【図２４Ａ−２４Ｄ】図24A〜図24Dは、本発明の原理に従った、統合腹腔鏡手術用のスレーブコンソールの調整を示す。
【００５４】
【図２５】図25は、本発明の原理に従った、図1の遠隔作動手術ロボットシステムの使用を例示するフローチャートである。
【００５５】
【図２６】図26は、本発明の原理に従った、図25の外科医がコンソールを配置する工程を例示するフローチャートである。
【００５６】
【図２７】図27は、本発明の原理に従った、図25の準備工程を例示するフローチャートである。
【００５７】
【図２８】図28は、本発明の原理に従った、図25の器具の準備工程を例示するフローチャートである。
【００５８】
【図２９】図29は、本発明の原理に従った、図25の操作の準備工程を例示するフローチャートである。
【００５９】
【図３０】図30は、本発明の原理に従った、図25の操作工程を例示するフローチャートである。
【００６０】
【図３１Ａ−３１Ｂ】図31A及び図31Bは、本発明の原理に従って構成された、ハイブリッド遠隔マニピュレータを有する例示的な遠隔作動手術ロボットシステムを示す。
【００６１】
【図３２Ａ−３２Ｂ】図32A及び32Bは、図31A及び図31Bの手術ロボットシステムの部分組立分解斜視図を示す。
【００６２】
【図３３】図33は、本発明の原理に従って構成された例示的な機械的伝動システムの部分的に組立分解された上面図を示す。
【００６３】
【図３４Ａ−３４Ｂ】図34A及び図34Bは、本発明の原理に従って構成された例示的なマスターユニットの側面斜視図を示す。
【００６４】
【図３４Ｃ−３４Ｄ】図34C及び図34Dは、図34A及び図34Bに描かれたマスターユニットと共に使用するのに適したハンドルの代替の実施態様を示す。
【００６５】
【図３５Ａ−３５Ｂ】図35A及び図35Bは、本発明の原理に従って構成された例示的なスレーブユニットの側面斜視図を示す。
【００６６】
【図３６Ａ−３６Ｂ】図36A及び図36Bはそれぞれ、例示的なスレーブハブの端部断面図及び側面内部斜視図を示す。
【００６７】
【図３６Ｃ−３６Ｄ】図36C及び図36Dはそれぞれ、本発明の原理に従って構成されたスレーブ器具の斜視側面図及びエンドエフェクタの詳細な内部図である。
【００６８】
【図３６Ｅ】図36Eは、例示的なエンドエフェクタの代替の実施態様の詳細図である。
【００６９】
【図３７】図37は、選択されたエンドエフェクタの運動学を識別するための例示的な方法工程を例示するフローチャートを示す。
【００７０】
【図３８】図38は、本発明の遠隔作動手術ロボットシステムの代替の例示的な実施態様を示す。
【００７１】
【図３９】図39は、図38の遠隔作動手術ロボットシステムのマスターユニットの内部側面斜視図を示す。
【００７２】
【図４０Ａ−４０Ｂ】図40A及び図40Bは、図38の遠隔作動手術ロボットシステムのスレーブユニットの前方斜視図及び後方斜視図である。
【００７３】
【図４１Ａ−４１Ｂ】図41A及び図41Bは、本発明の手術ロボットシステムでの使用に適した制御システムの代替の概略図である。
【００７４】
【図４２Ａ−４２Ｂ】図42A及び図42Bは、本発明の原理に従って構成された遠隔マニュピレータの代替の実施態様の側面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
（詳細な説明）
本発明の原理に従って構成された、低侵襲外科処置又は他の応用で使用できる、ロボット遠隔マニピュレータを有する遠隔作動手術ロボットシステム及び統合腹腔鏡手術について本明細書で説明する。手術ロボットシステムは、縫合及び切開などの時間のかかる困難な手術作業にロボット工学の有用性を提供し、使用者、例えば外科医が、血管の閉鎖及びステープル留めなどの短時間の特殊な手術作業のために統合腹腔鏡手術に効率的に切り替えることを可能にする。十分に多関節の器具は、複雑な手術作業を単純にし、手の動きの再現により精度が向上する。使用者は、外科医の集中力及び能力を向上させるために、リラックスした人間工学的作業姿勢で座る又は立つことができる。
【００７６】
図1を参照すると、ロボット遠隔マニピュレータを有する例示的な遠隔作動手術ロボットシステム10が示されている。手術ロボットシステム10は、例えば電気ケーブルを介してスレーブコンソール50に電気的かつ動作可能に結合されたマスターコンソール20を含む。以下にさらに詳細に説明されるように、手術ロボットシステム10は、スレーブコンソール50に結合された複数のアクチュエータ、例えば、好ましくはモータが、プロセッサ駆動制御システムを介してマスターコンソール20に加えられる動きに応答してスレーブコンソール50のエンドエフェクタにマクロな並進運動を加えるマクロ同期状態と、スレーブコンソール50に結合された複数のアクチュエータ、例えば、好ましくはモータが、プロセッサ駆動制御システムを介してマスターコンソール20のハンドルで加えられた動きに応答してスレーブコンソール50のエンドエフェクタにミクロな動きを加えるミクロ同期状態とを有する。
【００７７】
制御システムは、マスターコンソール20の右マスター遠隔マニピュレータ22a及び左マスター遠隔マニピュレータ22bに動作可能に結合されたマスター制御装置2、並びにスレーブコンソール50の右スレーブ遠隔マニピュレータ51a及び左スレーブ遠隔マニピュレータ51bに動作可能に結合されたスレーブ制御装置4a及び4bをそれぞれ備えることができる。例えば、マスター制御装置2は、その1つ又は複数のプロセッサによって実行されるとマスターコンソール20の操作を可能にする命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体、例えばメモリを備えることができる。同様に、スレーブ制御装置4a、4bはそれぞれ、それらのそれぞれの1つ又は複数のプロセッサによって実行されるとスレーブコンソール50の操作を可能にする命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体、例えばメモリを備えることができる。マスター制御装置2は、ケーブル（例示されている）などの通信リンクを介して、又は無線通信部品を介してスレーブ制御装置4a及びスレーブ制御装置4bに動作可能に結合されている。
【００７８】
マスター制御装置2は、マスターコンソール20の1つ又は複数のセンサに動作可能に結合することができ、スレーブ制御装置4a、4bは、スレーブコンソール50の1つ又は複数のアクチュエータに動作可能に結合することができ、このため、マスター制御装置2は、マスターコンソール20の1つ又は複数のセンサによってマスターコンソール20で加えられた動きを示す信号を受信し、そしてそこに格納された命令を実行してスレーブコンソール50の1つ又は複数のアクチュエータを作動させるために必要な座標変換を実行し、そこに格納された命令を実行するそれぞれのスレーブ制御装置4a、4bに処理された信号を送信して、この処理された信号に基づいてスレーブコンソール50をマスターコンソール20の動きに対応するように動かすことができる。例えば、1つ又は複数のアクチュエータは、1つ又は複数のモータを備えることができる。別法では、マスター制御装置2は、マスターコンソール20の1つ又は複数のセンサから信号を受信し、その信号を処理し、この処理された信号を、それぞれのスレーブ制御装置4a、4bに送信し、該スレーブ制御装置4a、4bが、そこに格納された命令を実行して該処理された信号に基づいて座標変換を実行し、そして命令を実行してスレーブコンソール50の1つ又は複数のアクチュエータを作動させて、該変換された処理信号に基づいてマスターコンソール20の動きに対応するようにスレーブコンソール50を動かすことができる。好ましくは、スレーブコンソール50のスレーブリンク及びスレーブジョイントは、以下にさらに詳細に説明されるように、エンドエフェクタ／器具先端部が、手術ロボットシステム10の動作中に遠隔運動中心から逸脱することなく、マスターコンソール20のハンドルで加えられた動きを再現するように動く。従って、並進自由度、例えば左／右、上方／下方、内側／外側、関節自由度、例えばピッチとヨー、作動自由度、例えば開／閉、及び回転自由度、例えば回内回外運動は、以下にさらに詳細に説明されるように、センサ、アクチュエータ、及び制御システムを介して電気機械的に再現される。
【００７９】
マスターコンソール20は、使用者、例えば外科医が位置し得る手術室内、及び外科手術を受けている患者が位置し得るスレーブコンソール50に近接して、例えば無菌ゾーンに配置することができるため、該使用者は、必要に応じて、外科手術中にマスターコンソール20とスレーブコンソール50との間を素早く移動して腹腔鏡手術を手動で行うことができる。従って、スレーブコンソール50は、以下にさらに詳細に説明されるように、外科医が患者の手術部位にアクセスすることを可能にする構成に効率的に後退するように設計されている。マスターコンソール20は、無菌ドレープで覆うことができ、かつ外科手術間に取り外して滅菌することができる取り外し可能なハンドルを備えることができ、このため、該ハンドルは、外科手術中に無菌であり、該ハンドルと外科医の手との間に物理的な障壁がなく、これにより該外科医による制御及び成績が向上する。取り外し可能なハンドルは、回路、センサ、又は電気的に結合されたボタンなどの電子器具を備えずに純粋に機械的にすることができ、このため、該取り外し可能なハンドルは、外科手術間で容易に滅菌可能である。このようにして、マスターコンソールは、手術中に無菌であり得るが、外科医がロボットのハンドルとの直接接触から得られる触覚フィードバックを有することを可能にする。
【００８０】
図1に例示されているように、マスターコンソール20は、右マスター遠隔マニピュレータ22a及び左マスター遠隔マニピュレータ22bを備える。右マスター遠隔マニピュレータ22a及び左マスター遠隔マニピュレータ22bは、外科医がマスターコンソール20にいるときに右マスター遠隔マニピュレータ22aを該外科医の右手によって操作することができ、かつ左マスター遠隔マニピュレータ22bを該外科医の左手によって操作することができるように単一マスターコンソール上に配置することができる。従って、マスターコンソール20は、手術室内での移動のための車輪、及び、例えば保管中又は外科手術中の外科医による使用中に、遠隔マニピュレータを所定の位置にロックするために作動させることができる車輪ロックを備えることができる。加えて、右マスター遠隔マニピュレータ22a及び左マスター遠隔マニピュレータ22bは、例えば外科医の右手及び左手によって、同時に、かつ他方に対して独立に操作することができる。好ましくは、手術ロボットシステム10は、外科処置での使用のために最適化される。
【００８１】
図1にさらに例示されているように、スレーブコンソール50は、右マスター遠隔マニピュレータ22aに動作可能に結合された右スレーブ遠隔マニピュレータ51a、及び左マスター遠隔マニピュレータ22bに動作可能に結合された左スレーブ遠隔マニピュレータ51bを備える。右及び左スレーブ遠隔マニピュレータ51a及び51bは、右スレーブ遠隔マニピュレータ51aを外科手術を受けている患者の右側に配置することができ、かつ左スレーブ遠隔マニピュレータを該患者の左側に配置できるように別々のコンソールに配置することができる。従って、右及び左スレーブ遠隔マニピュレータ51a及び51bはそれぞれ、手術室内での移動のための車輪、及び、例えば保管中に所定の位置に又は手術中に患者の近くに遠隔マニピュレータをロックするために作動させることができるフロアロックを備えることができる。加えて、右及び左スレーブ遠隔マニピュレータ51a及び51bはそれぞれ、手術室内で遠隔マニピュレータを押したり引いたりするためのプルバーを備えることができる。
【００８２】
さらに、カメラシステムを、手術ロボットシステム10で使用することができる。例えば、スレーブコンソール50に位置するアシスタントによって操作されるカメラ、例えば内視鏡は、スレーブコンソール50で操作することができ、かつ／又は所定の位置に保持することができる。従って、カメラシステムは、外科処置中に外科医が容易に観察可能な位置でマスターコンソール20に取り付けられたディスプレイ21を備えることができる。ディスプレイ21は、手術ロボットシステム10に関する状態情報を表示し、かつ／又は内視鏡カメラによって捕捉された手術部位を外科医にリアルタイムで表示することができる。
【００８３】
ここで図2Aを参照すると、例示的なマスターコンソール20が示されている。上述のように、マスターコンソール20は、右マスター遠隔マニピュレータ22a及び左マスター遠隔マニピュレータ22bを備える。左マスター遠隔マニピュレータ22bは、例示されているように右マスター遠隔マニピュレータ22aの構造的鏡像型とすることができるため、右マスター遠隔マニピュレータ22aの以下の説明は、左マスター遠隔マニピュレータ22bにも当てはまる。
【００８４】
マスター遠隔マニピュレータ22aは、複数のマスタージョイント、例えば、第1のマスタージョイント25、第2のマスタージョイント27、第3のマスタージョイント29、第4のマスタージョイント31、及び第5のマスタージョイント34によって相互に連結された複数のマスターリンク、例えば、第1のマスターリンク26、第2のマスターリンク28、第3のマスターリンク30、及び第4のマスターリンク、例えば、誘導マスターリンク32を備える。図1に示されているように、ハンドル部分35は、ジョイント34を介してマスター遠隔マニピュレータ22aに連結され、かつマスター遠隔マニピュレータ22aを操作するための複数のハンドルジョイントによって相互に連結された複数のハンドルリンクを備える。加えて、マスター遠隔マニピュレータ22aは、伸縮ベース23a及び23bを有するベース部と、伸縮ベース23a及び23bの上に固定されたベースキャップ24とを備える。リンク26は、ジョイント25を介してベースキャップ24に回転可能に結合されている。従って、リンク26、従ってリンク26の遠位側のすべてのマスタージョイント及びリンクは、ジョイント25で軸δ1を中心にベースキャップ24に対して回転することができる。図1に示されているように、リンク28、従ってリンク28の遠位側のすべてのマスタージョイント及びリンクは、ジョイント27で軸δ2を中心にリンク26に対して回転することができ、リンク30、従ってリンク30の遠位側のすべてのマスタージョイント及びリンクは、ジョイント29で軸δ3を中心にリンク28に対して回転することができ、誘導マスターリンク32、従って誘導マスターリンク32の遠位側のすべてのマスタージョイント及びリンクは、ジョイント31で軸δ4を中心にリンク30に対して回転することができる。
【００８５】
マスターコンソール20は、マスター遠隔マニピュレータ22a内に配置された複数のセンサを備え、このため、任意のマスターリンク及びジョイントに加えられたあらゆる動きを検知して制御システムに送信することができ、次いで、該制御システムが命令を実行して、図12を参照して下にさらに詳細に説明されるように、スレーブコンソール50に結合された1つ又は複数のアクチュエータに、スレーブ遠隔マニピュレータ51aの対応するスレーブリンク及びジョイントで動きを再現させる。
【００８６】
引き続き図2Aを参照すると、マスター遠隔マニピュレータ22aは、機械的制限部33を備え、該機械的制限部33は、リンク26内に開口部を備え、該開口部は、誘導マスターリンク32をそこに通して配置することを可能にするサイズ及び形状であり、これにより、マスター遠隔マニピュレータ22aのそのピボット点を中心とする動きを制限する。例えば、機械的制限部33は、マスター遠隔マニピュレータ22aが作動されたときに、誘導マスターリンク32が長手方向軸δ5に沿って並進することを保証する。加えて、機械的制限部33により、誘導マスターリンク32が、互いに垂直な軸δ1及びδ6を中心に回転することができ、誘導マスターリンク32の向きとは無関係に、固定ピボット点Pで長手方向軸δ5と交差する平面を形成する。結果として、スレーブ遠隔マニピュレータは、対応する動きを生成し、これにより、例えば、トロカールが患者の腹部に入る患者の固定切開点で、マスター遠隔マニピュレータのピボット点を事実上維持する。
【００８７】
手術ロボットシステム10が、遠隔の運動中心Vが患者の切開部と整合するように配置されると、ハンドル部分35に加えられる並進運動が、患者の体内に配置されたエンドエフェクタによって再現される。エンドエフェクタは、ハンドル部分35に加えられる動きを再現するため、この構成は、ハンドルとエンドエフェクタとの間の支点効果を有利に排除する。
【００８８】
加えて、マスターコンソール20は、例えばベースキャップ24に結合されたアーム支持体12を備えることができ、該アーム支持体12は、マスターコンソール20の操作中に外科医がアーム支持体にその腕を休ませることができるようなサイズ及び形状である。従って、アーム支持体12は、マスター遠隔マニピュレータ22aの操作中は静止したままである。マスターコンソール20は、以下にさらに詳細に説明されるように、作動されると手術ロボットシステム10のマクロ同期を防止するクラッチ11、例えばフットペダルをさらに備えることができる。
【００８９】
ここで図2Bを参照すると、ディスプレイ21が示されている。ディスプレイ21は、文章を含まない単純な設計を有することができ、可視グラフィック要素及びLED、例えば白色、黄色、及び赤色の光のみを利用する。例えば、白色光は、構成要素が適切に機能していることを伝え、黄色光は、外科医が不適切な動作を行ったことを伝え、赤色光は、構成要素にエラーがあることを伝える。図2Bに示されているように、ディスプレイ21は、スレーブコンソール50の様々な構成要素及びその状態をグラフィック表示する。アイコン2laは、システムの起動に対応し、アイコン2lbは、システムの警告に対応し、アイコン2lhは、作業限界に達していることに対応し、そしてアイコン2ljは、スレーブコンソール50のそれぞれのスレーブ遠隔マニピュレータが前方手術作業空間又は反転手術作業空間にあるか否かに対応し、これらのアイコンはすべて、照明されていない場合は目に見えないようにすることができ、他のすべてのアイコンは、照明されていない場合でも目に見えるグラフィック要素を有する。アイコン2lcは、スレーブコンソール50のホーミング、例えばホーム構成に対応し、アイコン2ldは、器具82の状態に対応し、アイコン2leは、変換器具インターフェイス81の無菌インターフェイスに対応し、アイコン2lfは、マクロ同期に対応し、アイコン2lgは、ミクロ同期に対応し、アイコン2liは、スレーブコンソール50の車輪がロックされているか又はロック解除されているか対応し、これらのすべての機能は、以下にさらに詳細に説明する。当業者には理解されるように、ディスプレイ21は、外科医に情報を伝達することができる当技術分野で公知の任意のディスプレイとすることができる。
【００９０】
ここで図3A〜図3Cを参照すると、マスターコンソール20は、伸縮ベース23a及び23bを介して、座位構成と立位構成との間で調整することができる。例えば、図3Aに例示されているように、マスターコンソール20は、伸縮ベース23a及び23bが垂直高さD1を有するように座位構成に調整することができる。この座位構成では、外科医は、マスターコンソール20の操作中に座っていることができる。図3B及び図3Cに例示されているように、マスターコンソール20は、伸縮ベース23a及び23bが垂直高さD2を有するように立位構成に調整することができる。この構成では、外科医は、マスターコンソール20の操作中は立っていることができる。加えて、伸縮ベース23a及び23bの垂直高さは、マスターコンソール20、例えばマスターリンク26に配置されたアクチュエータを介して調整することができる。例えば、アクチュエータは、作動されると伸縮ベース23a及び23bの垂直高さを増加させる上昇ボタン又は減少させる下降ボタンを備えることができる。当業者には理解されるように、伸縮ベース23a及び23bの垂直高さは、外科医の要求通りにD1とD2との間の任意の垂直高さに調整することができる。
【００９１】
ここで図4を参照すると、マスターコンソールのハンドル部分35が示されている。マスターコンソールのハンドル部分35は、複数のハンドルジョイント、例えばハンドルジョイント37及びハンドルジョイント39によって相互に連結された複数のハンドルリンク、例えばハンドルリンク36及びハンドルリンク38を備える。図4に例示されているように、ハンドルリンク36は、ジョイント34を介して誘導マスターリンク32に回転可能に結合され、従って、軸δ7を中心に誘導マスターリンク32に対して回転することができる。加えて、ハンドルリンク38は、ハンドルジョイント37を介してハンドルリンク36に回転可能に結合され、従って、軸δ8を中心にハンドルリンク36に対して回転することができる。さらに、ハンドルグリップ40は、ジョイント39でマスターコンソールのハンドル部分35に取り外し可能に結合することができ、このため、ハンドルグリップ40は、軸δ9を中心にハンドルリンク37に対して回転することができる。図4に示されているように、ハンドルグリップ40は、外科医の指、例えば親指及び人差し指に係合するためのフィンガーストラップ41を備えることができる。
【００９２】
ハンドル部分35の内側／外側への動きにより、誘導マスターリンク32が長手方向軸δ5に沿って内側／外側に動き、この動きが、マスター遠隔マニピュレータ22aに結合された1つ又は複数のセンサによって検知され、制御システムに伝達され、次いで、該制御システムが命令を実行して、スレーブ遠隔マニピュレータ51aに結合された1つ又は複数のアクチュエータにより、対応するスレーブリンクに仮想長手方向軸ω9に沿った内側／外側への動きを再現させる。同様に、ハンドル部分35の上方／下方への動きは、誘導マスターリンクを長手方向軸δ6に沿って上方／下方に動かし、この動きが、マスター遠隔マニピュレータ22aに結合された1つ又は複数のセンサによって検知され、制御システムに伝達され、次いで、該制御システムが命令を実行して、スレーブ遠隔マニピュレータ51aに結合された1つ又は複数のアクチュエータにより、対応するスレーブリンクに仮想長手方向軸ω10を中心とする上方／下方側への動きを再現させる。最後に、ハンドル部分35の左／右への動きにより、誘導マスターリンクが長手方向軸δ1に沿って左／右に動かし、この動きが、マスター遠隔マニピュレータ22aに結合された1つ又は複数のセンサによって検知され、制御システムに伝達され、次いで、該制御システムが命令を実行して、スレーブ遠隔マニピュレータ51aに結合された1つ又は複数のアクチュエータにより、対応するスレーブリンクに仮想長手方向軸ω5を中心とする左／右への動きを再現させる。
【００９３】
引き続き図4を参照すると、マスター遠隔マニピュレータ22aのハンドル部分35に加えられる動きにより、関節自由度、例えばピッチとヨー、作動自由度、例えば開／閉、及び回転自由度、例えば回内回外運動が、センサ、アクチュエータ、及び制御システムを介して電気機械的に行われる。マスター遠隔マニピュレータ22aは、好ましくは、ハンドル部分35の動きを検出するためにハンドル部分35に結合された1つ又は複数のセンサを備える。理解されるように、センサは、角度及び位置を測定することで回転を測定するために一側に磁石を他側にセンサを備える磁気ベースの回転センサなどの、回転運動を検出するように設計された任意のセンサであり得る。センサは、該センサによって測定された回転を示す信号を生成し、該信号をスレーブコンソール50に結合された1つ又は複数のアクチュエータに送信するための制御システムに結合され、該スレーブコンソール50は、ハンドル部分35に加えられる動きをエンドエフェクタで再現することができる。例えば、電気ケーブルを、ハンドル部分35から制御システム、例えば、制御電子器具を含むユニットまで延ばすことができ、追加の電気ケーブルを、該制御システムから、スレーブコンソール50に結合された1つ又は複数のアクチュエータまで延ばすことができる。
【００９４】
図5Aに例示されているように、ハンドルグリップ40は、開放構成に向かって付勢されているトリガ41a、41bを備える。従って、トリガ41a、41bを作動させて、制御システムを介して送信される信号を生成することができ、該制御システムが命令を実行して、スレーブコンソール50に結合されたアクチュエータにエンドエフェクタを開／閉させる。
【００９５】
図4に戻って参照すると、ハンドルグリップ40は、ハンドル軸δ9を中心に回転可能であり得、このため、該ハンドルグリップ40の回転が、制御システムを介して信号を生成及び送信するセンサによって検出され、該制御システムが命令を実行して、スレーブコンソール50に結合されたアクチュエータにエンドエフェクタを回内回外運動自由度で回転させる。
【００９６】
ハンドル部分35はまた、ハンドル軸δ8を中心に回転可能であり、このため、ハンドル軸δを中心とする回転が、制御システムを介して信号を生成及び送信するセンサによって検出され、該制御システムが命令を実行して、スレーブコンソール50に結合されたアクチュエータに、エンドエフェクタをヨー自由度で回転させる。加えて、ハンドル部分35は、ハンドル軸δ7を中心に回転可能であり得、このため、ハンドル軸δ7を中心とするハンドル部分35の回転が、制御システムを介して信号を生成及び送信するセンサによって検出され、該制御システムが命令を実行して、スレーブコンソール50に結合されたアクチュエータに、エンドエフェクタをピッチ自由度で回転させる。
【００９７】
図5B及び図5Cに例示されているように、ハンドルグリップ40は、ジョイント39を介してマスター遠隔マニピュレータ22aのハンドル部分35に取り外し可能に結合することができる。従って、ハンドルグリップ40は、滅菌するために手術間に取り外し、手術直前にマスター遠隔マニピュレータ22aに再び連結することができる。従って、手術ロボットシステム10の操作中、マスターコンソール20全体を無菌ドレープで覆うことができるため、ハンドルグリップ40は無菌となり、該無菌ドレープの外側でマスターコンソール20に連結することができる。これにより、外科医が、ハンドルグリップ40との間に物理的な障壁なしに該ハンドルグリップ40に直接接触することができ、これにより、触覚フィードバック及び全体の性能が向上する。
【００９８】
ここで図6A〜図6Cを参照すると、ハンドルグリップ40は、クリップアタッチメントを介してマスターコンソール20のハンドル部分35に取り外し可能に結合することができる。図6A〜図6Cに示されているように、アタッチメントに予荷重をかけて固定バックラッシュをなくすために、ばね43を、ハンドル部分35のジョイント39及びハンドルグリップ40のクリップ部分42に連結することができる。本発明の別の態様によると、図7に示されているように、ハンドルグリップ40'は、ねじアタッチメントを介してマスターコンソール20のハンドル部分35'に取り外し可能に結合することができる。図7に示されているように、雌ねじ部分44aを有するハンドルグリップ40'のねじ部分42'は、ハンドル部分35'のジョイント39'の雄ねじ部分44bに螺合することができ、このため、該ハンドルグリップ40'が該ハンドル部分35'にねじ留めされる。
【００９９】
ここで、図8A〜図8Cを参照すると、ハンドルグリップ40の作動工程が示されている。図8B及び図8Cに例示されているように、ハンドルグリップ40は、その中心管腔内に配置された格納式ピストン45を備える。格納式ピストン45は、コネクタ46aを介してハンドルグリップ40のトリガ41aに機械的に結合され、コネクタ46bを介して該ハンドルグリップ40のトリガ41bに機械的に結合されている。図8Aに示されているように、トリガ41a、41bが弛緩状態にある、例えば、開放構成に付勢されているときは、格納式ピストン45は、完全にハンドルグリップ40の中心管腔内にある。図8B及び図8Cに示されているように、ハンドルグリップ40が作動されると、例えば、トリガ41a、41bが互いに向かって押されると、コネクタ46a、46bにより、格納式ピストン45がハンドルグリップ40の中心管腔から突き出る。ハンドルグリップ40の中心管腔を越えた格納式ピストン45の動きは、ハンドル部分35内のセンサによって検知することができる。
【０１００】
例えば、図9A及び図9Bに示されているように、ハンドルグリップ40がハンドル部分35に取り外し可能に結合される場所に隣接したマスターコンソールの部分は、ハンドル部分35での動きを検知するための1つ又は複数のセンサ47を備えることができる。従って、1つ又は複数のセンサ47は、格納式ピストン45の動きを示す信号を制御システムに送信することができ、該制御システムが命令を実行して、1つ又は複数のアクチュエータにより、エンドエフェクタを動かすことができる。センサ47が格納式ピストン45の動きを検知しないと、制御システムがアクチュエータによりエンドエフェクタを動かす命令をしないため、これはフェイルセーフとして機能し得る。例えば、ハンドグリップ40のトリガ4la、4lbが弛緩した状態のときは、トリガ4la、4lbの小さな偶発的な動きを考慮して、トリガ4la、4lbが外科医によって意図的に作動されるまで動きが検知されない。従って、格納式ピストン45がハンドルグリップ40の中心管腔を越えて突き出るためには、トリガ4la、4lbは少なくとも予め指定された程度まで作動されなければならないであろう。加えて、図9A及び図9Bに例示されているように、ハンドル部分35は、格納式ピストン45を押して、コネクタ46a、46bを介してトリガ41a、41bを開放構成に付勢するためのばね48を備えることができる。
【０１０１】
本発明の別の態様によると、図10A〜図10Cに例示されているように、ハンドルグリップ40''は、マスター遠隔マニピュレータ22aのハンドル部分35に取り外し可能に結合することができる。例えば、ハンドルグリップ40''は、所望の手術作業を行うためにハンドル及びトリガ49を含むピストル形状を有し得る。当業者には理解されるように、様々な形状のハンドルグリップをマスター遠隔マニピュレータに取り外し可能に結合して、スレーブ遠隔マニピュレータのエンドエフェクタに所望の動きをさせることができる。従って、ハンドルグリップは、統合された識別子要素、例えばRFIDタグを有することができ、このため、制御システムは、識別子要素を検出し、ハンドルグリップが手術ロボットシステム10での使用を許可されているか否かを確認する。
【０１０２】
ここで図11A及び図11Bを参照すると、スレーブコンソール50が示されている。図11Aに示されているように、スレーブコンソール50は、右スレーブ遠隔マニピュレータ51a及び左スレーブ遠隔マニピュレータ51bを備える。左スレーブ遠隔マニピュレータ51bは、例示されているように右スレーブ遠隔マニピュレータ51aの構造的鏡像型であり得るため、右スレーブ遠隔マニピュレータ51aの以下の説明は、左スレーブ遠隔マニピュレータ51bにも当てはまる。
【０１０３】
図12に例示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータ51aは、複数のスレーブジョイント、例えば第1のスレーブジョイント、例えば近位Scaraジョイント54、第2のスレーブジョイント、例えば中央Scaraジョイント56、第3のスレーブジョイント、例えば遠位Scaraジョイント58、第4のスレーブジョイント、例えば角度付けジョイント60、第5のスレーブジョイント、例えばアルファジョイント62、第6のスレーブジョイント、例えばベータジョイント64、第7のスレーブジョイント、例えばガンマジョイント66、及び第8のスレーブジョイント、例えばシータジョイント68によって相互に連結された複数のスレーブリンク、例えば第1のスレーブリンク55、第2のスレーブリンク57、第3のスレーブリンク59、第4のスレーブリンク、例えば角度付けリンク61、第5のスレーブリンク63、第6のスレーブリンク65、第7のスレーブリンク67、及び第8のスレーブリンク、例えばスレーブハブ69を備える。図12に示されているように、並進器具インターフェイス81は、シータジョイント68を介してスレーブ遠隔マニピュレータ51aに結合されている。
【０１０４】
並進器具インターフェイス81は、その全内容が引用により本明細書中に組み込まれている、本出願の譲受人に譲渡されたChassotの米国特許出願公開第2018/0353252号に記載されているように構成することができる。例えば、並進器具インターフェイス81は、スレーブハブ69及び手術器具を備える。図11Bに示されているように、スレーブハブ69は、スレーブ遠隔マニピュレータ51aのリンク67に取り付けることができる。手術器具は、そのシャフトの遠位端部に配設されたエンドエフェクタを備え、かつスレーブハブ69に結合することができる。例えば、エンドエフェクタは、スレーブハブ69に取り外し可能に結合することができる。無菌インターフェイスを、スレーブハブ69と手術器具の間に配置することができる。加えて、並進器具インターフェイス81は、スレーブハブ69内に配置された1つ又は複数のアクチュエータからエンドエフェクタの構成要素まで延びた並進伝動システムを備える。例えば、エンドエフェクタは、並進器具インターフェイス81の並進伝動システムに結合された複数のエンドエフェクタジョイントによって相互に連結された複数のエンドエフェクタリンクを備え、このため、1つ又は複数のアクチュエータによる並進伝動システムの作動により、複数のエンドエフェクタのリンク及びジョイントを介してエンドエフェクタが動く。
【０１０５】
加えて、スレーブ遠隔マニピュレータ51aは、調整可能な支柱を有するベース部分52、及び該調整可能な支柱の上に固定されたスレーブ支持体53を備える。リンク55は、近位Scaraジョイント54を介してスレーブ支持体53に回転可能に結合されている。従って、リンク55、従ってリンク55の遠位側のすべてのスレーブジョイント及びリンクは、近位Scaraジョイント54の軸ω1を中心にスレーブ支持体53に対して回転することができる。図12に示されているように、リンク57、従ってリンク57の遠位側のすべてのスレーブジョイント及びリンクは、中央Scaraジョイント56の軸ω2を中心にリンク55に対して回転することができ、リンク59、従ってリンク59の遠位側のすべてのスレーブジョイント及びリンクは、遠位Scaraジョイント58の軸ω3を中心にリンク57に対して回転することができ、角度付けリンク61、従って角度付けリンク61の遠位側のすべてのスレーブジョイント及びリンクは、角度付けジョイント60の軸ω4を中心にリンク59に対して回転することができ、リンク63、従ってリンク63の遠位側のすべてのスレーブジョイント及びリンクは、アルファジョイント62のアルファ軸ω5を中心に角度付けリンク61に対して回転することができ、リンク65、従ってリンク65の遠位側のすべてのスレーブジョイント及びリンクは、ベータジョイント64のベータ軸ω6を中心にリンク63に対して回転することができ、リンク67、従ってリンク67の遠位側のすべてのスレーブジョイント及びリンクは、ガンマジョイント66のガンマ軸ω7を中心にリンク65に対して回転することができ、スレーブハブ69、従って並進器具インターフェイス81がスレーブハブ69に結合されたときの並進器具インターフェイス81は、シータジョイント68のシータ軸ω8を中心にリンク67に対して回転することができる。
【０１０６】
スレーブ支持体53と一体化した支柱は、該支柱の伸長及び引き込みを可能にし、これにより地面に対するスレーブ支持体53の遠位側のすべてのリンクの高さを調整するアクチュエータ、例えば、電気モータを備える。別法では、スレーブ支持体53と一体化した支柱の代わりに、スレーブ支持体53は、カウンターウェイトに基づくカウンターバランスシステムを有する機械的線形誘導システム、及び垂直移動を阻止するための電気ブレーキを備えることができる。従って、電気ブレーキが解除されると、スレーブ支持体53の遠位側のすべてのリンクの垂直高さを地面に対して調整することができる。近位Scaraジョイント54、中央Scaraジョイント56、及び遠位Scaraジョイント58はそれぞれ、それぞれのブレーキが係合しているときは対応するジョイントの動きを阻止することができ、それぞれのブレーキが解除されているときはそれぞれのジョイントの手動での動きを可能にする電気ブレーキを備える。角度付けジョイント60は、リンク59を中心とするリンク61の角度位置の調整を可能にするアクチュエータ、例えば電磁モータを備える。アルファジョイント62、ベータジョイント64、ガンマジョイント66、及びシータジョイント68はそれぞれ、専用の電磁モータとブレーキの対に連結され、このため、制御システムが、それぞれのモータに位置コマンドを出すことによって各ジョイントの角度位置を調整し、それぞれのブレーキを作動させることによってジョイントのすべての動きを停止することができる。
【０１０７】
当業者には理解されるように、スレーブコンソール50は、複数のセンサを備えることができ、マスターコンソール20は、複数のアクチュエータを備えることができ、このため、スレーブコンソール50で加えられた動きが、マスターコンソール20で加えられるべき動きを引き起こすことができ、これにより触覚フィードバックを提供する。
【０１０８】
ここで図13を参照すると、制御装置70が示されている。制御装置70は、遠隔制御装置、又は手術ロボットシステム10の制御システムに動作可能に結合されたグラフィカルユーザインターフェイス、又は左及び右の遠隔マニピュレータ51a及び51bにそれぞれ組み込まれた一連のアクチュエータであり得る。従って、制御装置70は、複数のアクチュエータ、例えば、ボタン、又はタッチスクリーンインターフェイスを備えることができ、それによって、使用者は、タッチにより複数の選択肢を選択することができる。例えば、制御装置70は、以下のコマンドの少なくとも1つを選択するための選択肢を使用者に提供することができる：Scaraブレーキの係合及び解除、スレーブコンソールの垂直調整、垂直支柱ブレーキの解除、ホーム構成、前方角度付けの増減、前進ギアから後退ギア又は後退ギアから前進ギアへの反転、腹腔鏡手術構成、及び停止位置構成。制御装置70は、スレーブ制御装置及び／又はマスター制御装置の一方又は両方に動作可能に結合されている。制御装置70での使用者の入力に応答して、それぞれのスレーブ制御装置は、そこに格納された命令を実行して、該使用者によって入力された以下で説明されるコマンド（複数可）を実行する。各スレーブコンソールは、それ自体の専用制御装置70を備えてもよいし、又は両方のスレーブコンソール用の共用制御装置70を使用してもよい。
【０１０９】
例えば、図14A〜図14Eに例示されているように、制御装置70は、使用者が近位Scaraジョイント54、中央Scaraジョイント56、及び遠位Scaraジョイント56のブレーキを解除することを可能にすることができ、このため、外科医は、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブ支持体53が固定されたまま、近位Scaraジョイント54の遠位側のスレーブアームリンクを掴んで保持し、そして押す／引くことによってスレーブアームを手動で水平に再配置することができる。具体的には、Scaraが動く際に、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブ支持体53が固定されたまま、かつスレーブリンク59の遠位側のスレーブジョイント及びリンクがスレーブリンク59に対して固定されたまま、スレーブリンク55、57、59は、ジョイント54、56、58の軸ω1、ω2、ω3を中心に動くことができる。従って、使用者は、スレーブ遠隔マニピュレータ、例えばスレーブハブ69の遠位端部を、外科手術を受けている患者に対して所望の位置に調整することができる。
【０１１０】
図15A〜図15Cに例示されているように、制御装置70は、使用者がスレーブコンソールのコマンドの垂直調整を選択することを可能にすることができ、それによって制御システムが命令を実行して、スレーブ支持体53の支柱に結合されたアクチュエータ、例えば、モータを伸長又は後退させる。具体的には、スレーブ遠隔マニピュレータの垂直調整中に、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブリンク55とベース部分52の上面との間の相対距離を調整することができる。例えば、図15Aに例示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブリンク55とベース部分52の上面との間の垂直距離はH1であり、図15Bに示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブリンク55とスレーブベース部分52の上面との間の垂直距離はH2であり、図15Cに示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブリンク55とベース部分52の上面との間の垂直距離はH3である。従って、使用者は、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブリンク55とベース部分52の上面との間の相対距離を、外科手術を受けている患者に対して所望の高さに調整することができる。スレーブコンソールが、カウンターウェイトに基づいたカウンターバランスシステムを有する機械的線形誘導スシステムを備える実施態様では、制御装置70は、使用者がスレーブコンソールのコマンドの垂直調整を選択することを可能にすることができ、それによって制御システムが、機械的カウンターバランス線形誘導システムを上下に移動できるように支柱の電気ブレーキを解除させる命令を実行し、これにより、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブリンク55とベース部分52の上面との間の相対距離を、外科手術を受けている患者に対して所望の高さに調整することができる。
【０１１１】
図16に例示されているように、制御装置70は、使用者がホーム構成コマンドを選択することを可能にすることができ、それによって制御システムが命令を実行して、ベータジョイント64、ガンマジョイント66、及びシータジョイント68に結合されたアクチュエータにスレーブリンク及びジョイントを後退位置に移動させて、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69が、外科手術を受けている患者の体内のトロカール内の並進器具インターフェイス81のシャフトを位置決めするために所望の位置に来るようにする。ホーム位置では、スレーブハブ69が、器具82がスレーブハブ69に挿入されてそこに結合されるように患者の体内のトロカールに対して配置され、このため、器具先端部84が該トロカール内をスライドするが通過しないため、外科医が、内視鏡を使用した該トロカールの遠位端部の監視を必要とすることなく安全に器具を挿入することができる。
【０１１２】
加えて、制御装置70は、使用者が角度付けコマンドを選択することを可能にすることができ、それによって制御システムが命令を実行して、角度付けジョイント60に結合されたアクチュエータに、角度付けジョイント60の軸ω4を中心とした角度付けリンク61の角度付けをスレーブ遠隔マニピュレータ51aのベース52に対して所望の角度付け角度、例えば0度〜45度に調整させる。具体的には、角度付けコマンドが実行されると、スレーブリンク59及びその近位側のすべてのスレーブリンク及びジョイント並びにスレーブ遠隔マニピュレータのベース部分52が固定されたまま、角度付けリンク61、従って角度付けリンク61の遠位側のすべてのスレーブリンク及びジョイントが、角度付けジョイント60の軸ω4を中心に回転する。スレーブ遠隔マニピュレータの角度付け角度を調整することにより、該スレーブ遠隔マニピュレータの手術作業空間の角度が調整されるため、並進器具インターフェイス81を介した外科医による患者へのアクセスが容易になる。
【０１１３】
例えば、図17A〜図17Dは、スレーブコンソールの0度の角度付けの際の、スレーブ遠隔マニピュレータ51aに結合された並進器具インターフェイス81の動きを例示する。図17A〜図17Dに示されているように、角度付けリンク61、従って角度付け軸ω5は、スレーブ遠隔マニピュレータ51aのベース52の長手方向軸と平行であり、かつ地面に垂直である。スレーブ遠隔マニピュレータ51aの操作中に、制御システムは、スレーブコンソール20に結合されたアクチュエータに、角度付けリンク61の遠位側のスレーブリンク及びジョイントを動かす命令のみを実行する。従って、図18A〜図18Dに示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータ51aの並進器具インターフェイス81は、前方手術作業空間FSW、例えば、スレーブコンソールの0度の角度付けの際に並進器具インターフェイス81が前方構成で到達できる範囲を有する。図18Eは、図18A〜図18Dのスレーブコンソールの前方手術作業空間FSWの背面図である。
【０１１４】
図19A〜図19Cは、スレーブコンソールの20度の角度付けの際のスレーブ遠隔マニピュレータ51aに結合された並進器具インターフェイス81の動きを例示する。図19Aに示されているように、角度付けリンク61、従って角度付け軸ω5は、スレーブ遠隔マニピュレータ51aのベース52の長手方向軸に対して20度の角度に調整されている。スレーブ遠隔マニピュレータ51aの操作中に、制御システムは、スレーブコンソール20に結合されたアクチュエータに、角度付けリンク61の遠位側のスレーブリンク及びジョイントを動かす命令のみを実行する。従って、図19Bに示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータ51aの並進器具インターフェイス81は、前方手術作業空間FSW、例えば、スレーブコンソールの20度の角度付けの際に並進器具インターフェイス81が前方構成で到達できる範囲を有する。図19Cは、スレーブコンソールの20度の角度付けの際の図19Bのスレーブコンソールの前方手術作業空間FSWの背面図である。
【０１１５】
図20A〜図20Cは、スレーブコンソールの40度の角度付けの際のスレーブ遠隔マニピュレータ51aに結合された並進器具インターフェイス81の動きを例示する。図20Aに示されているように、角度付けリンク61、従って角度付け軸ω5は、スレーブ遠隔マニピュレータ51aのベース52の長手方向軸に対して40度の角度に調整されている。スレーブ遠隔マニピュレータ51aの操作中に、制御システムは、スレーブコンソール20に結合されたアクチュエータに、角度付けリンク61の遠位側のスレーブリンク及びジョイントを動かす命令のみを実行する。従って、図20Bに示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータ51aの並進器具インターフェイス81は、前方手術作業空間FSW、例えば、スレーブコンソールの40度の角度付けの際に並進器具インターフェイス81が前方構成で到達できる範囲を有する。図20Cは、スレーブコンソールの40度の角度付けの際の図19Bのスレーブコンソールの前方手術作業空間FSWの背面図である。
【０１１６】
図21A〜図21Jに例示されているように、制御装置70は、使用者が反転コマンドを選択することを可能にすることができ、それによって制御システムが命令を実行して、スレーブコンソールに結合された複数のアクチュエータに、スレーブ遠隔マニピュレータ51aを前方手術作業空間と反転手術作業空間との間で移動させる。例えば、制御システムは、スレーブコンソールに結合された複数のアクチュエータに、スレーブ遠隔マニピュレータ51aを前方手術作業空間から反転手術作業空間に、及びその逆に反転させることができる。具体的には、反転コマンドの実行中に、リンク65、従ってリンク65の遠位側のすべてのスレーブリンク及びスレーブジョイントが、スレーブ遠隔マニピュレータ51aのベータジョイント64を中心に回転する。加えて、リンク65がベータジョイント64を中心に回転すると、スレーブ遠隔マニピュレータ51aが反転手術作業空間構成になるまで、リンク67がガンマジョイント66でリンク65に対して回転し、スレーブハブ69がシータジョイント68を中心にリンク67に対して回転する。図22B〜図22Hに例示されているように、並進器具インターフェイス81が患者を負傷させないようにするために、該並進器具インターフェイス81は、反転コマンドの実行前にスレーブハブ69から取り外される。スレーブ遠隔マニピュレータ5laは、そのロックを解除して該スレーブ遠隔マニピュレータ5laを手術室を移動させる必要も、Scaraブレーキ解除コマンド及び垂直調整のスレーブコンソールコマンドを実行する必要もなく、並進器具インターフェイス81を取り外して反転コマンドを実行するだけで前方手術作業空間と反転手術作業空間との間で反転させることができるため、使用者は、多くの時間を節約でき、別の手術作業空間で患者の手術を速やかに継続することができる。
【０１１７】
ここで図21K及び図21Lを参照すると、それぞれ前方手術作業空間及び反転手術作業空間を有するマスターコンソール及びスレーブコンソールの概略図が示されている。図21Kに示されているように、スレーブコンソール50の遠隔マニピュレータが前方手術作業空間を有する場合、マスターコンソール20のマスター制御装置2は、右マスター遠隔マニピュレータ22aが右スレーブ遠隔マニピュレータ51aと通信し、左マスター遠隔マニピュレータ22bが左スレーブ遠隔マニピュレータ51bと通信するようにプログラムされている。従って、マスター制御装置2は、マスターコンソール20の1つ又は複数のセンサによって右マスター遠隔マニピュレータ22aに加えられた動きを示す信号を受信し、そこに格納された命令を実行して、スレーブコンソール50の1つ又は複数のアクチュエータを作動させるために必要な座標変換を実行し、そこに格納された命令を実行するそれぞれのスレーブ制御装置4aに処理された信号を送信して、該処理された信号に基づいて右マスター遠隔マニピュレータ22aの動きに対応するように右スレーブ遠隔マニピュレータ51aを動かすことができる。同様に、マスター制御装置2は、マスターコンソール20の1つ又は複数のセンサによって左マスター遠隔マニピュレータ22bに加えられた動きを示す信号を受信し、そしてそこに格納されている命令を実行して、スレーブコンソール50の1つ又は複数のアクチュエータを作動させるために必要な座標変換を実行し、そこに格納された命令を実行するそれぞれのスレーブ制御装置4bに処理された信号を送信して、該処理された信号に基づいて左マスター遠隔マニピュレータ22bの動きに対応するように左スレーブ遠隔マニピュレータ51bを動かすことができる。
【０１１８】
図21Lに示されているように、スレーブコンソール50の遠隔マニピュレータが反転手術作業空間を有する場合、マスターコンソール20のマスター制御装置2は、スイッチボードとして機能し、右マスター遠隔マニピュレータ22aが左スレーブ遠隔マニピュレータ51bと通信し、左マスター遠隔マニピュレータ22bが右スレーブ遠隔マニピュレータ5laと通信するようにプログラムされている。これは、マスターコンソール20に位置して、ディスプレイ21を介して手術部位を見ている外科医が、「右」スレーブ遠隔マニピュレータ（反転手術作業空間における左スレーブ遠隔マニピュレータ51b）として該外科医に見えるものを右マスター遠隔マニピュレータ22aで操作できるようにし、かつ「左」スレーブ遠隔マニピュレータ（反転手術作業空間における右スレーブ遠隔マニピュレータ51a）として該外科医に見えるものを左マスター遠隔マニピュレータ22aで操作できるようにするために必要である。従って、マスター制御装置2は、マスターコンソール20の1つ又は複数のセンサによって右マスター遠隔マニピュレータ22aに加えられた動きを示す信号を受信し、そこに格納された命令を実行して、スレーブコンソール50の1つ又は複数のアクチュエータを作動させるために必要な座標変換を実行し、処理された信号をそこに格納された命令を実行するそれぞれのスレーブ制御装置4bに送信して、該処理された信号に基づいて右マスター遠隔マニピュレータ22aの動きに対応するように左スレーブ遠隔マニピュレータ51bを動かすことができる。同様に、マスター制御装置2は、マスターコンソール20の1つ又は複数のセンサによって左マスター遠隔マニピュレータ22bに加えられた動きを示す信号を受信し、そこに格納された命令を実行して、スレーブコンソール50の1つ又は複数のアクチュエータを作動させるために必要な座標変換を実行し、処理された信号をそこに格納された命令を実行するそれぞれのスレーブ制御装置4aに送信して、該処理された信号に基づいて左マスター遠隔マニピュレータ22bの動きに対応するように右スレーブ遠隔マニピュレータ51aを動かすことができる。
【０１１９】
従って、前方手術作業空間構成では、マスター制御装置2は、右スレーブ制御装置4aと通信して、右マスター遠隔マニピュレータ22aにおける動きに応答して右スレーブ遠隔マニピュレータ51aを動かし、かつ該マスター制御装置2は、左スレーブ制御装置4bと通信して、左マスター遠隔マニピュレータ22bにおける動きに応答して左スレーブ遠隔マニピュレータ51bを動かす。さらに、反転手術作業空間構成では、マスター制御装置2は、左スレーブ制御装置4bと通信して、右マスター遠隔マニピュレータ22aにおける動きに応答して左スレーブ遠隔マニピュレータ51bを動かし、かつ該マスター制御装置2は、右スレーブ制御装置4aと通信して、左マスター遠隔マニピュレータ22bにおける動きに応答して右スレーブ遠隔マニピュレータ51aを動かす。
【０１２０】
図22Aは、スレーブコンソールの0度の角度付けの際の反転構成におけるスレーブ遠隔マニピュレータ51aを例示し、図22Bは、スレーブコンソールの20度の角度付けの際の反転構成におけるスレーブ遠隔マニピュレータ51aを例示し、図22Cは、スレーブコンソールの40度の角度付けの際の反転構成におけるスレーブ遠隔マニピュレータ51aを例示する。加えて、図23A〜図23Cに示されているように、スレーブ遠隔マニピュレータ51aの並進器具インターフェイス81は、反転手術作業空間RSW、例えば、スレーブコンソールの0度の角度付け、20度の角度付け、及び40度の角度付けそれぞれの際に並進器具インターフェイス81が反転構成で到達できる範囲を有する。
【０１２１】
図24A〜図24Dに例示されているように、制御装置70は、使用者が腹腔鏡手術構成コマンドを選択することを可能にすることができ、それによって制御システムが命令を実行して、スレーブコンソールに結合された複数のアクチュエータに、スレーブハブ69を外科手術を受けている患者から遠ざけさせ、このため、外科医は、迅速かつ安全にマスターコンソール20から患者の手術部位に移動して、該患者に対して腹腔鏡手術作業を手動で実行することができる。具体的には、腹腔鏡手術構成コマンドの実行により、角度付けリンク61、従ってスレーブ遠隔マニピュレータ5laのベース52を含む角度付けリンク61の近位側のすべてのスレーブリンク及びジョイントが固定されたまま、リンク63、従ってリンク63の遠位側のすべてのスレーブリンク及びジョイントが、図24Dに示されているようにスレーブハブ69が患者に背を向けるまで、ジョイント62のアルファ軸ω3を中心に回転する。従って、腹腔鏡手術構成コマンドの実行の前に、並進器具インターフェイス81をスレーブハブ69から取り外さなければならない。
【０１２２】
ここで図25〜図30を参照すると、制御システムを介して手術ロボットシステム10を使用するための例示的な方法90が示されている。当業者には理解されるように、本明細書で説明される方法の工程は、使用者の入力に応答して1つ又は複数のメモリ構成要素に格納された命令を実行する制御システムの（例えば、マスター制御装置、第1のスレーブ制御装置、及び／又は第2のスレーブ制御装置における）1つ又は複数のプロセッサによって実行することができる。図25に示されているように、工程91で、システム10に電源を入れる。工程92で、図27にさらに例示されているように、スレーブコンソール50を、外科手術を受けている患者に対する手術の準備のために準備し、図26にさらに例示されているように、工程93で、マスターコンソール20を、手術中に外科医の所望の構成に配置する。
【０１２３】
例えば、図26は、マスターコンソール20を外科医の所望の構成に配置する工程93を例示している。マスターコンソール20は、車輪がロック解除されているときはそのベースにある車輪によって手術室を移動させることができる。手術室内の所望の位置に到達したら、車輪ロックを作動させて、マスターコンソール20を所定の位置に維持する。図26に示されているように、工程93Aで、マスター遠隔マニピュレータは固定されており、伸縮ベース23a、23bは初期高さを有する。次いで、マスターコンソール20に動作可能に結合された制御装置、例えばボタンを作動させて、工程93Bでマスターコンソール20が外科医の所望の高さになるまで、伸縮ベース23a、23bの高さを調整する、例えば、伸縮ベース23a、23bの高さを増減することができる。例えば、マスターコンソール20を調整して、マスターコンソール20の操作中に外科医が座っていることができる座位構成にする、又はマスターコンソール20の操作中に外科医が立っていることができる立位構成にすることができる。従って、例えば保管目的のために、制御装置を作動させてマスターコンソール20を初期高さに戻すことができる。
【０１２４】
ここで図27を参照すると、スレーブコンソール50の準備の工程92が示されている。図27に示されているように、工程92Aで、スレーブコンソール50を患者に対して所望の位置まで手術室を移動させることができるように、スレーブ遠隔マニピュレータの車輪ロックを解除する。車輪ロックは、患者が負傷しないようにするために、器具82がスレーブハブ69に挿入されていないときにのみ解除することができる。複数のスレーブ遠隔マニピュレータを使用することができるため、各スレーブ遠隔マニピュレータが工程92Aの間に配置される。スレーブコンソール50が、外科手術を受けている患者に隣接した手術室内の所望の位置にある場合、工程92Bで、スレーブコンソール50が車輪により手術室でそれ以上移動しないように、スレーブコンソール50のその車輪をロックする。従って、スレーブコンソール50を異なる所望の位置に移動させる必要がある場合、工程92Aで、車輪ロックを再び解除することができる。
【０１２５】
工程92Cで、Scaraブレーキ解除コマンドは実行されておらず、スレーブコンソール50のScaraブレーキは解除されていない。工程92Dで、Scaraブレーキ解除コマンドを使用者が実行して、スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部、例えばリンク59の遠位側のスレーブリンクを、外科手術を受けている患者に対して所望の位置に配置することができる。具体的には、Scaraブレーキ解除コマンドが実行されると、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブ支持体53が固定されたまま、かつスレーブリンク59の遠位側のスレーブジョイント及びリンクがスレーブリンク59に対して固定されたまま、スレーブリンク55、57、59が、ジョイント54、56、58の軸ω1、ω2、ω3を中心に回転することが可能になる。スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部が患者に対して所望の位置にあると、工程92Cで、Scaraブレーキ解除コマンドの実行が終了する。加えて、図15A〜図15Cを参照して上で説明されたように、スレーブ遠隔マニピュレータの垂直高さは、該スレーブ遠隔マニピュレータの遠位端部が患者の体内のトロカールに対して所望の高さに来るように調整することができる。Scaraブレーキ解除コマンドは、患者が負傷しないようにするためにスレーブハブ69に器具82が存在しない場合にのみ有効にすることができる。
【０１２６】
図27を再び参照すると、工程92Eで、スレーブ遠隔マニピュレータの角度付けリンク61が、スレーブリンク59に対して固定されている。例えば、スレーブ遠隔マニピュレータは、最初は0度の角度付け角度を有し得る。工程92Fで、角度付けコマンドを実行して、角度付けジョイント60の軸ω4を中心とする角度付けリンク61の角度付けを所望の角度付け角度、例えば、スレーブ遠隔マニピュレータ51aのベース52に対して0〜45度に調整することができる。具体的には、角度付けコマンドの実行時に、スレーブリンク59及びスレーブリンク59の近位側のすべてのスレーブリンク及びジョイント、並びにスレーブ遠隔マニピュレータのベース部分52が固定されたまま、角度付けリンク61、従って角度付けリンク61の遠位側のすべてのスレーブリンク及びジョイントが、角度付けジョイント60の軸ω4を中心に回転する。スレーブ遠隔マニピュレータの所望の角度の角度付けが達成されると、スレーブ遠隔マニピュレータの角度付け作リンク61がスレーブリンク59に対して固定されるように、工程92Eで角度付けコマンドの実行が終了する。角度付けコマンドは、1つは角度付けを増加させ、もう1つは角度付けを減少させる2つのボタンを有し得る。
【０１２７】
工程92Gで、スレーブ遠隔マニピュレータは、前方手術作業空間を有するか、あるいは、工程92Hで、該スレーブ遠隔マニピュレータは、反転手術作業空間を有する。工程92G及び工程92Hの両方の間、器具82がスレーブハブ69内にあってはならない。工程92Gで、スレーブ遠隔マニピュレータが前方手術作業空間を有し、使用者が反転手術作業空間を望む場合、反転コマンドを実行して、スレーブ遠隔マニピュレータ51aを前方手術作業空間から反転手術作業空間に反転させることができる。具体的には、反転コマンドの実行時に、リンク65、従ってリンク65の遠位側のすべてのスレーブリンク及びスレーブジョイントが、スレーブ遠隔マニピュレータ51aのベータジョイント64を中心に回転する。加えて、リンク65がベータジョイント64を中心に回転すると、スレーブ遠隔マニピュレータ5laが反転手術作業空間構成になるまで、リンク67が、ガンマジョイント66でリンク65に対して回転し、スレーブハブ69が、シータジョイント68でリンク67に対して回転する。同様に、工程92Hで、スレーブ遠隔マニピュレータが反転手術作業空間を有し、使用者が前方手術作業空間を望む場合、反転コマンドを実行して、スレーブ遠隔マニピュレータ51aを前方手術作業空間から反転手術作業空間に反転させることができる。
【０１２８】
工程92Iでは、並進器具インターフェイス81は、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69に結合されていない。工程92Jで、一時的切開ポインタをスレーブ遠隔マニピュレータに取り外し可能に結合することができる。例えば、一時的切開ポインタは、軸ω5上の所定の点に位置する仮想遠隔運動中心Vを指すようにスレーブ遠隔マニピュレータに取り外し可能に結合され、このため、仮想遠隔運動中心Vが、外科切開点と一致することになり得、患者の外傷が減少し、手術の美容上の結果が向上する。一時的切開ポインタは、必要に応じて、並進器具インターフェイス81の装着の前に取り外すことができる。準備工程92の間、器具82は、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69に結合するべきではない。従って、器具82がスレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69に結合に結合されている場合、工程92Kで、制御システムは、並進器具インターフェイス81が取り外されるまではさらなる動作を防止する。
【０１２９】
工程92Lで、スレーブ遠隔マニピュレータのリンク61の遠位側のスレーブリンク及びジョイントは任意の位置にあり得る。従って、工程92Mで、ホーム構成コマンドを実行して、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69が外科手術を受けている患者の体内のトロカール内の器具先端部84を位置決めするために所望の位置に来るようにスレーブリンク及びジョイントを後退位置に移動させることができる。工程92Nで、スレーブ遠隔マニピュレータはホーム位置にあり、スレーブハブ69は、器具82をスレーブハブ69を介して挿入して結合できるように患者の体内の該トロカールに対して配置され、器具先端部84は該トロカール内をスライドするが、該トロカールを通過しない。
【０１３０】
工程92Oで、腹腔鏡手術構成コマンドを実行して、スレーブハブ69を外科手術を受けている患者から遠ざけることができ、このため、外科医が、マスターコンソール20から該患者の手術部位に迅速かつ安全に移動して、該患者に対して腹腔鏡手術作業を手動で行うことができる。具体的には、腹腔鏡手術構成コマンドの実行時に、スレーブハブ69が患者から背を向けるまで、角度付けリンク61、従ってスレーブ遠隔マニピュレータ51aのベース52を含む角度付けリンク61の近位側のすべてのスレーブリンク及びジョイントが固定されたまま、リンク63、従ってリンク63の遠位側のすべてのスレーブリンク及びジョイントが、ジョイント62のアルファ軸ω3を中心に回転する。工程92Pでは、スレーブハブ69は後退位置にある。
【０１３１】
工程92Qでは、並進器具インターフェイス81の無菌インターフェイスは、スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69に結合されていない。工程92Rで、無菌インターフェイスがスレーブハブに結合され、制御システムが、例えば無菌インターフェイスに組み込まれたRFIDタグを読み取ることによって、無菌インターフェイスが識別されたか否かを判断する。無菌インターフェイスが識別されない場合、工程92Sで、制御システムは、該無菌インターフェイスが工程92Qでスレーブハブ69から取り外されるまで該無菌インターフェイスの取り外しを待つ。無菌インターフェイスが識別された場合、工程92Tで、該無菌インターフェイスは正常に装着される。
【０１３２】
工程92Uで、停止位置コマンドを実行して、スレーブ遠隔マニピュレータ51bを輸送及び保管に適した位置に移動させることができる。具体的には、停止位置コマンドの実行時に、スレーブ支持体53の垂直支柱が最小の高さまで引き込み、Scaraブレーキが解除されてScaraアームが折りたたみ位置に折りたたまれ、角度付けが0度の角度付けに戻り、そしてジョイント62の遠位側のジョイントが移動してスレーブアームがコンパクトな位置に折りたたまれる。工程92の後に、必要に応じて、手術ロボットシステム10の電源を切ることができる。
【０１３３】
工程92の後で手術ロボットシステム10の電源が切られていない場合、工程94で、制御システムが、無菌インターフェイスが正常に装着されているか否か、及びフロアロックが作動しているか否かを判断する。無菌インターフェイスが正常に設置されていないか、又はフロアロックが解除されていると判断された場合、手術ロボットシステム10は、上記を修正するために準備工程92に戻らなければならない。工程94で無菌インターフェイスが正常に装着され、かつフロアロックが作動していると判断された場合、手術ロボットシステム10は、工程95に進むことができる。
【０１３４】
工程95では、図28に示されているように、手術ロボットシステムは器具82の準備ができている。例えば、工程95Aで、スレーブコンソール50の制御システムは、器具82が該スレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69に結合されるまで器具82を待つ。従って、器具82が選択されて、スレーブハブ69内に挿入される。器具がスレーブハブから絶対に脱落しないようにするために、使用者は、該器具の近位端部を回転させることによって該器具をスレーブハブ69に機械的にロックすることができる。スレーブハブ69は、器具がロックされているか否かを検出する一体型センサを有する。工程95Bで、スレーブハブ69内に配置されたセンサは、選択された器具、例えば選択された器具の識別情報を有するRFIDタグに組み込まれた識別子要素を読み出す。工程95Cで、制御システムは、RFIDタグの検出に基づいて、選択された器具が許可されているか否かを判断する。選択された器具が許可されていない場合、工程95Dで、制御システムは、該選択された器具が取り外されるまで待機する。許可されていない器具が取り外されると、工程95Dから工程95Aに戻る。工程95Eで、選択された器具が許可されたものであり、かつスレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69内にロックされている場合、方法90は工程96に進むことができる。工程95のいかなる時点でも、無菌インターフェイスが取り外される、フロアロックが解除される、反転コマンドが実行される、Scaraブレーキ解除コマンドが実行される、ホーム構成コマンドが実行される、又は切開ポインタが挿入されると、方法90は準備工程92に戻ることができる。
【０１３５】
工程96で、手術ロボットシステム10は、操作の準備ができている。図29に示されているように、工程96Aで、制御システムは、器具82がスレーブ遠隔マニピュレータのスレーブハブ69に結合されているかを確認する。工程96Bで、制御システムは、外科医がハンドル部分35のハンドルグリップ40を掴んだ際に検出する。図9A及び図9Bに示されているように、ハンドル内のセンサは、外科医がハンドルを掴んだことを検出することができる。工程96Cで、クラッチ11を作動させて、工程97Aに示されているようにマクロ同期のために制御システムを準備する。
【０１３６】
図30に示されているように、手術ロボットシステム10を直ちに操作することができる。例えば、工程97Aで、手術ロボットシステム10は、マクロ同期状態にあるが、ミクロ同期状態にはない。マクロ同期状態では、マスターコンソール20で加えられたマクロな並進運動が検知されて制御システムに送信され、該制御システムが、スレーブコンソール50に結合されたアクチュエータに命令して、器具先端部84のマクロな動き（すなわち、上方／下方、左／右、内側／外側）がマスターコンソール20におけるハンドルのマクロな動きに対応するように、対応するスレーブリンク及びジョイントを移動させる。しかしながら、マクロ非同期状態では、制御システムは、マスターコンソール20で加えられたマクロな動きを、対応するようにスレーブコンソール50で引き起こさない。ミクロ同期状態では、マスターコンソール20のハンドル部分35で加えられたミクロな動きが検知されて制御システムに送信され、該制御システムが、スレーブコンソール50に結合されたアクチュエータに命令して、器具先端部84を、マスターコンソール20のハンドル部分35で加えられたミクロな動きに対応するように移動させる。しかしながら、ミクロ非同期状態では、制御システムは、マスターコンソール20／ハンドル部分35で加えられたミクロな動きを、対応するようにスレーブコンソール50／エンドエフェクタで引き起こさない。従って、工程97Aで、マクロな並進運動は再現されるが、ミクロな動きは同期されない。工程97Bで、クラッチ11を作動させて手術ロボットシステム10をマクロ非同期状態に移行させることができ、マクロな並進運動をマスターコンソール20によって防止することができ、従って、スレーブコンソール50によって再現されない。例えば、クラッチ11は、踏まれると手術ロボットシステム10をマクロ非同期状態に維持するフットペダルとすることができる。クラッチ11が解除されると、工程97Aで、手術ロボットシステム10がマクロ同期状態に戻る。
【０１３７】
加えて、制御システムは、該制御システムが作動パターンを検出しない限り、ハンドル部分35におけるミクロな動きがエンドエフェクタによって再現されないように、ハンドル部分35によって作動パターンを検出するようにプログラムすることができる。例えば、作動パターンは、ハンドルグリップ40の迅速な二重作動を含み得る。従って、工程97Cで使用者がハンドルグリップ40を繰り返し2回押すと、制御システムが作動パターンを検出し、手術ロボットシステム10がミクロ同期状態になり、ハンドル部分35でのミクロな動きがエンドエフェクタによって再現されることになる。ミクロ非同期状態からミクロ同期状態に移行すると、制御システムが命令を実行して、器具先端部84のミクロな位置が、器具シャフト82に対して、マスター遠隔マニピュレータ22aの対応するリンク32に対するハンドル部分35の空間的定位と同じ空間的定位を有するようにする。工程97Dで、例えば、エンドエフェクタが手術の目標位置にあり、かつ外科医が手術作業を行うために手術ロボットシステム10を使用することができる場合、手術ロボットシステム10は、十分にマクロ同期状態及びミクロ同期状態の両方にある。クラッチ11の作動時、工程97Eで、手術ロボットシステム10はミクロ同期状態にあるが、マクロ同期状態にない。
【０１３８】
本発明の別の態様によると、本発明の原理に従って構成された、低侵襲外科処置又は他の用途で使用することができる、ハイブリッド遠隔マニピュレータを有する遠隔作動手術ロボットシステムが本明細書で説明される。
【０１３９】
図31A及び図31Bを参照すると、ハイブリッド遠隔マニピュレータを有する例示的な遠隔作動手術ロボットシステム100が示されている。手術ロボットシステム100は、例示的に、可動カート101の上部に取り付けられ、該可動カート101には、手術室内での移動及び輸送を容易にするためにハイブリッド遠隔マニピュレータも取り付けることができる。手術ロボットシステム100は、外科医がシステム100を操作するために位置し得るマスター領域400、及び外科手術を受ける患者が配置され得る無菌ゾーンに近接した遠隔スレーブ領域500を備える。図31Bに示されているように、手術を行う外科医は、好ましくは、マスター領域400にすぐにアクセスできる状態で座るが、別の外科医又は助手は、患者の上に位置するスレーブ領域500の近傍に位置し得る。図31A及び図31Bの実施態様では、マスター領域400は、スレーブ領域500に隣接して横方向に位置する。加えて、カメラシステム102は、手術ロボットシステム100と共に使用することができる、例えば、スレーブ領域500に位置するアシスタントによって操作される内視鏡を操作し、かつ／又は図31Bに示されている位置に保持することができる。カメラシステム102はまた、カメラ102によって捕捉された手術部位をリアルタイムで外科医に表示するためのディスプレイ103を含み得る。ディスプレイ103は、マスター領域400に、又は外科処置中に外科医が容易に観察可能なマスター領域400に近接した任意の場所に取り付けることができる。
【０１４０】
再び図31Aを参照すると、システム100は、外科医の左手で操作される左ハイブリッド遠隔マニピュレータ104、及び外科医の右手で操作される右ハイブリッド遠隔マニピュレータ105を含む、2つのハイブリッド遠隔マニピュレータ104及び105を備える。ハイブリッド遠隔マニピュレータ104及び105は、例えば外科医の左手及び右手によって、他方と同時かつ独立に操作することができる。好ましくは、遠隔操作される遠隔作動手術ロボットシステム100は、外科処置での使用に最適化される。
【０１４１】
各ハイブリッド遠隔マニピュレータは、マスタースレーブ構成への入力を提供し、複数の剛性スレーブリンク及びスレーブジョイントからなるスレーブユニットは、複数の剛性マスターリンク及びマスタージョイントからなるマスターユニットによって運動学的に駆動される。例えば、左ハイブリッド遠隔マニピュレータ104は、マスターユニット401及び対応するスレーブユニット501を備え、右ハイブリッド遠隔マニピュレータ105は、マスターユニット402及び対応するスレーブユニット502を備える。マスターユニット401及び402は、システム100のマスター領域400内に配設されている一方、スレーブユニット501及び502は、システム100のスレーブ領域500内にある。好ましくは、スレーブユニット501及び502はそれぞれ、以下でさらに詳細に説明されるように、装置の操作中に遠隔運動中心から逸脱することなく、マスターユニット401及び402の対応する部分の動きを模倣する。
【０１４２】
引き続き図31Aを参照すると、エンドエフェクタ107を有する遠隔操作手術器具106、例えば並進器具インターフェイスが、スレーブユニット501の遠位端部に結合され、ハンドルが、該ハンドルに加えられた動きがプロセッサ駆動制御システムを介してエンドエフェクタ107の対応するミクロな動きを誘導するようにマスターユニット401の遠位端部に結合されている。例えば、制御システムは、ハンドルに結合された1つ又は複数のセンサによって該ハンドルで加えられた動きを示す信号を受信し、エンドエフェクタ107に動作可能に結合された1つ又は複数のアクチュエータを作動させるために必要な座標変換を実行して、該エンドエフェクタの対応する動きを再現することができる。並進器具インターフェイスのスレーブ器具106は、スレーブユニット501に取り外し可能に取り付けられ、該スレーブユニット501によって操作することができ、このため、並進自由度、例えば、左／右、上方／下方、内側／外側が直接的な機械的結合によって得られるが、関節自由度、例えばピッチとヨー、作動自由度、例えば開／閉、及び回転自由度、例えば回内回外運動は、以下でさらに詳細に説明されるように、センサ、アクチュエータ、及び制御システムを介して電気機械的に再現される。
【０１４３】
ここで図32A及び図32Bを参照すると、ハイブリッド遠隔マニピュレータを有する例示的な遠隔作動手術ロボットシステム100の機構が示され、図31に示されている外部カバーは、分かりやすくするために省略されている。図32A及び図32Bでは、機械式伝動装置300は、スレーブユニット501をマスターユニット401に直接結合するように配置され、このため、マスターユニット401の複数のマスタージョイントに加えられるマクロな並進運動が、スレーブユニット501の複数のスレーブジョイントの対応するそれぞれのジョイントによって再現される。同様に、機械式伝動装置300はまた、スレーブユニット502をマスターユニット402に直接結合し、このため、マスターユニット402の複数のマスタージョイントに加えられるマクロな並進運動が、スレーブユニット502の複数のスレーブジョイントの対応するそれぞれのジョイントによって再現される。伝動装置300は、スレーブユニット501及び502の4自由度のうちの1自由度を制御するために、1つ又は複数のプーリによってマスターユニット401からスレーブユニット501まで経路指定された1本又は複数本のケーブル301、及び1つ又は複数のプーリによってマスターユニット402からスレーブユニット502まで経路指定された1本又は複数本のケーブル303を例示的に備える。マスターユニット401の機械的制限部200は、運動の自由度をなくすことによりマスターユニット401の動きを制限し、これにより、3つの並進自由度、例えば左／右、上方／下方、内側／外側の動きを制限する。
【０１４４】
例えば、1本又は複数本のケーブル301は、マスターユニット401に結合されたプーリP1で始まり、プーリP2、P3、P4、P5、P6、張力システム302、プーリP7を通り、そしてスレーブユニット501に結合されたプーリP8の周りを回り、そしてプーリP7、張力システム302、プーリP6、P5、P4、P3、P2を介して戻り、そしてプーリP1で終了する1つ又は複数の閉ループを形成することができる。従って、プーリP1の時計回り又は反時計回りの回転により、1本又は複数本のケーブル301のうちの1本のケーブルがプーリP8を回転させ、これにより、スレーブユニット501が4自由度のうちの1自由度で作動される。しかしながら、マスターユニット401の機械的制限部200は、動きの1自由度をなくすことによってマスターユニット401の動きを制限し、これにより、スレーブユニット501の動きを3つの並進自由度、例えば左／右、上方／下方、内側／外側に制限する。プーリP1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、及びP8のそれぞれは、マスターユニット401によるスレーブユニット501の作動可能な動きの自由度数に対応するいくつかの個々のプーリを含み得る。同様に、1本又は複数本のケーブル301は、マスターユニット401によるスレーブユニット501の作動可能な動きの自由度数に対応するいくつかのケーブルの閉ループを含み得る。
【０１４５】
同様に、1本又は複数本のケーブル303は、マスターユニット402に結合されたプーリP9で始まり、張力システム304、プーリP10、P11、P12、P13、P14を通り、そしてスレーブユニット502に結合されたプーリP15の周りを回り、そしてプーリP14、P13、P12、P11、P10、張力システム304を通って戻り、そしてプーリP9で終了する1つ又は複数の対応する閉ループを形成することができる。このようにして、プーリP9の時計回り又は反時計回りの回転により、1本又は複数本のケーブル303のうちの1本のケーブルがプーリP15を回転させることができ、これにより、スレーブユニット502が4自由度のうちの1自由度で作動される。マスターユニット402の機械的制限部201（図32Aを参照）は、同様に、動きの自由度をなくすことによってマスターユニット402の動きを制限し、これにより、スレーブユニット502の動きを3つの並進自由度、例えば左／右、上方／下方、内側／外側に制限する。プーリP9、P10、P11、P12、P13、P14、及びP15のそれぞれは、マスターユニット402によるスレーブユニット502の作動可能な動きの自由度数に対応するいくつかの個々のプーリを含み得る。同様に、1本又は複数本のケーブル303は、マスターユニット402によるスレーブユニット502の作動可能な動きの自由度数に対応するいくつかのケーブルの閉ループを含み得る。
【０１４６】
当業者には理解されるように、プーリP1とP8との間でケーブル301を経路指定するために利用されるプーリP2〜P7の数、及びプーリP9とP15との間でケーブル303を経路指定するために利用されるプーリP10〜P14の数はそれぞれ、右及び左ハイブリッド遠隔マニピュレータの構造によって決まる。
【０１４７】
ここで図33を参照すると、機械式伝動装置300の1本又は複数本のケーブル301が張力システム302を通り、かつ1本又は複数本のケーブル303が張力システム304を通っている。張力システム302は、ケーブル301に所定の張力を加えるように設計され、張力システム304は、ケーブル303に所定の張力を加えるように設計されている。例えば、張力システム302は、張力リンク305を介してプーリP17に結合されたプーリP16、及び張力リンク306を介してプーリP19に結合されたプーリP18を含み得る。張力リンク305は、軸307を通る垂直軸を中心に張力リンク306に対して調整可能かつ回転可能に結合され、このため、所定の張力がプーリP16、P17、P18、及びP19によってケーブル301に加えられる。加えて、張力システム302を使用して機械式伝動装置300を較正することができ、これにより、対応するマスタージョイント及びスレーブジョイントの角度が確実に同一となる。張力システム304は、張力システム302と構造が同一であってもよい。
【０１４８】
また、図33では、右ハイブリッド遠隔マニピュレータの機械式伝動装置のプーリP11、P12、及びP13は、スレーブリンク309を介して位置決めシステム310に回転可能に結合されたスレーブリンク308に結合されている。位置決めシステム310は、例えば、スレーブユニット502のスレーブユニット501に対する単一平面に沿った動きを制限する油圧装置であり得る。例えば、プーリP8の位置を固定することができ、このため、P15の位置が、水平面（x方向及びy方向）に沿ってP8に対して移動可能である。
【０１４９】
ここで図34A及び図34Bを参照すると、システム100の例示的なマスターユニットの構成要素が示されている。マスターユニット401はそれぞれ、構造がマスターユニット402と同一であるため、マスターユニット401の以下の説明は、マスターユニット402にも当てはまる。
【０１５０】
マスターユニット401は、複数のマスタージョイントによって相互に連結された複数のマスターリンク、例えば、第1のマスターリンク405a、第2のマスターリンク405b、第3のマスターリンク405c、及び第4のマスターリンク、例えば誘導マスターリンク404を備える。ハンドル403は、誘導マスターリンク404、例えばマスターロッドを介してマスターユニット401の遠位端部に連結され、ハイブリッド遠隔マニピュレータを操作するための複数のハンドルジョイントによって相互に連結された複数のハンドルリンクを備える。例えば、ハンドル403に加えられたマクロな並進運動は、複数のマスターリンクを介して複数のマスタージョイントの対応する動きを引き起こし、この動きが、機械式伝動装置300を介してスレーブユニット501の対応するスレーブジョイントに伝達され、これにより、マクロな並進運動がスレーブユニット501で再現される。ハンドル403の並進運動により、誘導マスターリンク404が、第1のマスターリンク405a、第2のマスターリンク405b、及び第3のマスターリンク405cを介してこの運動をプーリP1に伝達し、これにより、スレーブユニット501が、機械式伝動装置300を介して並進運動を模倣する。第1のマスターリンク405a、第2のマスターリンク405b、第3のマスターリンク405c、及び誘導マスターリンク404は、例えば、1つ又は複数のプーリ407によって経路指定された1つ又は複数の歯付きベルト406を含む伝動システムを介してプーリP1に結合されている。別法では、プーリP1とマスターユニット501の複数のマスターリンク及びジョイントとを結合する伝動システムは、ケーブルとプーリのシステム、及び／又は剛性伝達リンクを含み得る。
【０１５１】
図34A及び図34Bでは、マスターユニット40lの機械的制限部408は、誘導マスターリンク404上をスライドするスリーブに旋回可能に結合されたヨークを備え、該スリーブは、患者の切開点、例えばトロカールが患者の腹部を通過する点と整合する遠隔運動中心に一致するスレーブユニット501の遠位端部の動きを制限する。例えば、機械的制限部408は、ハイブリッド遠隔マニピュレータが作動すると、マスターユニット401の誘導マスターリンク404が長手方向軸θ1に沿って並進することを確実にし、このため、図35A及び図35Bに示されているように、スレーブユニット501の対応するスレーブリンク、例えば、スレーブユニット501の遠位端部に結合された並進器具インターフェイスも同様に、遠隔操作の近傍の誘導マスターリンク404の長手方向軸θ1に平行な仮想軸θ4に沿って並進する。加えて、機械的制限部408は、誘導マスターリンク404が、互いに垂直な第2の軸θ2及び第3の軸θ3を中心に回転することを可能にする。引き続き図34A及び図34Bを参照すると、軸θ3は、プーリP1の軸と同軸である。誘導マスターリンク404の長手方向軸θ1と第2の軸θ2によって画定される平面は、マスターリンク404の向きとは無関係に静止単一点409で第3の軸θ3と交差する。この構成により、スレーブユニット501の対応するスレーブリンクが、互いに垂直な第5の仮想軸θ5及び第6の仮想軸θ6を中心に回転することが可能になる。対応するスレーブリンクの長手方向軸θ4と第5の仮想軸θ5と第6の仮想軸θ6は常に、患者の切開部の近傍の仮想静止単一点509、例えば、遠隔運動中心で互いに交差している。
【０１５２】
手術ロボットシステム100が、遠隔運動中心509が患者の切開部と整列するように配置されると、ハンドル403に加えられた並進運動は、患者の体内に配置されたエンドエフェクタによって再現される。エンドエフェクタは、ハンドル403に加えられた動きを完全に再現するため、この配置は、ハンドルとエンドエフェクタとの間の支点効果を有利に排除し、器具が常に遠隔運動中心を通過することを保証する。既に知られている手術ロボットでは、患者の切開部を通過するときに手術器具の動きの固定点を維持するためには複雑な制御電子器具が必要であるが、本発明のシステムでは、機械的制限部408が、器具が常に遠隔運動中心509を通過することを保証する、マスターユニット401とスレーブユニット501との間での並進運動の再現を実現する。
【０１５３】
図34A及び図34Bの実施態様のハンドル403の内側／外側への動きにより、第1のマスターリンク405a、第2のマスターリンク405b、第3のマスターリンク405c、及び誘導マスターリンク404が、誘導マスターリンク404の長手方向軸θ1に沿って内側／外側に動く。この動きは、複数のマスターリンクを介してプーリP1に伝達され、これにより、スレーブユニット501が、機械式伝動装置300並びに複数のスレーブリンク、ジョイント、及びタイミングベルトを介して長手方向軸θ4に沿った内側／外側への動きを再現する。同様に、ハンドル403の上方／下方への動きにより、第1のマスターリンク405a、第2のマスターリンク405b、第3のマスターリンク405c、及び誘導マスターリンク404が第2の軸θ2を中心に上方／下方に回転する。この動きは、複数のマスターリンクを介してプーリP1に伝達され、これにより、スレーブユニット501が、機械式伝動装置300並びに複数のスレーブリンク、ジョイント、及びタイミングベルトを介して第5の軸θ5を中心とする上方／下方への動きを再現する。最後に、ハンドル403の左／右への動きにより、第1のマスターリンク405a、第2のマスターリンク405b、第3のマスターリンク405c、及び誘導マスターリンク404が第3の軸θ3を中心に左／右に回転する。この動きは、複数のマスターリンクを介してプーリP1に伝達され、これにより、スレーブユニット501が、機械式伝動装置300並びに複数のスレーブリンク、ジョイント、及びタイミングベルトを介して第6の軸θ6を中心とする左／右への動きを再現する。
【０１５４】
引き続き図34A及び図34Bを参照すると、マスターユニット401のハンドル403に加えられた動きは、センサ、モータ、及び制御システムを介して電気機械的に関節自由度、例えばピッチとヨー、作動自由度、例えば開／閉、及び回転自由度、例えば回内回外運動を引き起こす。マスターユニット401は、好ましくは、ハンドル403の動きを検出するために回路基板411を介してハンドル403に結合された1つ又は複数のセンサ410を備える。理解されるように、センサ410は、回転運動を検出するように設計された任意のセンサ、例えば、角度と位置を測定することによって回転を測定するために一側に磁石及び反対側にセンサを含む磁気式回転センサであり得る。回路基板411は、センサ410によって測定された回転を示す信号を生成し、該信号をスレーブユニット501に結合された1つ又は複数のモータに送信するために制御システムに結合され、該スレーブユニット501は、ハンドル403に加えられた動きをエンドエフェクタで再現することができる。例えば、電気ケーブルを、ハンドル403から制御システム、例えば制御電子機器を含むユニットまで延ばすことができ、追加の電気ケーブルを、制御システムから、スレーブユニット501に結合された1つ又は複数のモータまで延ばすことができる。
【０１５５】
ハンドル403のトリガ４12の作動により、制御システムを介して、スレーブユニット501に結合されたモータに送信される信号が生成され、これにより、スレーブユニット501に結合された並進器具インターフェイスの並進伝動システムが作動され、次に、該並進器具インターフェイスのエンドエフェクタが作動されて開く／閉じる。
【０１５６】
ハンドル403はまた、外科医が容易に握れるように設計された、外科医の手首をマスターユニット401と整合させるボール413を備えることができる。ボール413は、ハンドル軸θ7を中心に回転可能であり得、このため、信号を生成し、該信号をスレーブユニット501に接続されたモータに制御システムを介して送信するセンサによってボール413の回転が検出される。スレーブユニットにおける制御システムから受信した信号により、スレーブユニット501に接続された並進器具インターフェイスが回転し、従って、該並進器具インターフェイスのエンドエフェクタが回内回外運動自由度で回転する。
【０１５７】
ハンドル403はまた、ハンドル軸θ8を中心に回転可能であり、このため、ハンドル軸θ8を中心とする回転がセンサによって検出され、該センサは、信号を生成し、該信号を制御システムを介してスレーブユニット501のモータに送信する。この信号により、スレーブユニット501に結合された並進器具インターフェイスの並進伝動システムが作動し、これにより、該並進器具インターフェイスのエンドエフェクタがヨー自由度で動く。加えて、ハンドル403は、ハンドル軸θ9を中心に回転可能であり得、このため、ハンドル軸θ9を中心とするハンドル403の回転がセンサによって検出され、該センサが、信号を生成し、該信号を制御システムを介してスレーブユニット501のモータに送信する。この信号により、スレーブユニット501に結合された並進器具インターフェイスの並進伝動システムが作動し、これにより、並進器具インターフェイスのエンドエフェクタがピッチ自由度で動く。
【０１５８】
ここで図34C及び図34Dを参照すると、マスターユニット401のハンドルの代替実施態様が示されている。図34Cでは、ハンドル403'は、ハンドル軸θ7、ハンドル軸θ8、及びハンドル軸θ9を中心に回転可能であり、このため、該ハンドル軸を中心とするハンドル403'の回転が1つ又は複数のセンサ410によって検出され、該センサ410は、信号を生成し、該信号を制御システムを介してスレーブユニット501のモータに送信する。この信号により、スレーブユニット501に結合された並進器具インターフェイスの並進伝動システムが作動し、これにより、該並進器具インターフェイスのエンドエフェクタが、回内回外運動自由度、ヨー自由度、及びピッチ自由度それぞれで動く。
【０１５９】
同様に、図34Dのハンドル403''は、ハンドル軸θ7、ハンドル軸θ8、及びハンドル軸θ9を中心に回転可能であり、このため、該ハンドル軸を中心とするハンドル403''の回転が、1つ又は複数のセンサ410によって検出され、該センサ410が、信号を生成し、該信号を制御システムを介してスレーブユニット501に結合された1つ又は複数のモータに送信する。この信号により、スレーブユニット501に結合された並進器具インターフェイスの並進伝動システムが作動し、これにより、該並進器具インターフェイスのエンドエフェクタが、回内回外運動自由度、ヨー自由度、及びピッチ自由度それぞれで動く。
【０１６０】
ここで図35A及び図35Bを参照すると、システム100の例示的なスレーブユニットが示されている。スレーブユニット501はそれぞれ、スレーブユニット502と構造が同一であるため、スレーブユニット501の以下の説明は、スレーブユニット502にも当てはまる。
【０１６１】
上記のように、マスターユニット401は、複数のマスタージョイントによって相互に連結された複数のマスターリンクを備える。スレーブユニット501は、複数のスレーブジョイントによって相互に連結された対応する複数のスレーブリンク、例えば、第1のスレーブリンク505a、第2のスレーブリンク505b、第3のスレーブリンク505c、及び第4のスレーブリンク、例えば並進器具インターフェイス503を備え、このため、スレーブユニット501の複数のスレーブリンク及び対応する複数のスレーブジョイントによって直接的な機械結合が形成され、これは、マスターユニット401の対応する複数のマスターリンク及び対応する複数のマスタージョイントによって形成される動力学的モデルと同一である。例えば、ハイブリッド遠隔マニピュレータの操作中は、第1のスレーブリンク505aは常に、第1のマスターリンク405aに対して平行を維持し、第2のスレーブリンク505bは常に、第2のマスターリンク405bに対して平行を維持し、第3のスレーブリンク505cは常に、第3のマスターリンク405cに対して平行を維持し、そして並進器具インターフェイス503は常に、誘導マスターリンク404に対して平行を維持する。従って、マスターユニット401の複数のマスタージョイントに加えられるマクロな各並進運動は、機械式伝動装置300及び複数のスレーブリンクを介して、スレーブユニット501の複数のスレーブジョイントの対応するそれぞれのジョイントによって再現される。
【０１６２】
図35A及び図35Bでは、並進器具インターフェイス503は、スレーブユニット501の遠位端部504に結合されている。ハンドル403の並進運動は、機械式伝動装置300を介してプーリP9に伝達される。より具体的には、ハンドル403の並進運動の開始により、プーリP9が、第1のスレーブリンク505a、第2のスレーブリンク505b、第3のスレーブリンク505c、及び並進器具インターフェイス503を介して運動をエンドエフェクタ512に伝達し、これにより、スレーブユニット501が並進運動を再現する。第1のスレーブリンク505a、第2のスレーブリンク505b、第3のスレーブリンク505c、及び並進器具インターフェイス503は、例えば、1つ又は複数のプーリ507を介して経路指定された1つ又は複数のタイミングベルト506を含む、伝動システムを介してプーリP9に結合されている。従って、P9の4つのプーリのそれぞれは、第1のスレーブリンク505a、第2のスレーブリンク505b、第3のスレーブリンク505c、及び並進器具インターフェイス503に動作可能に結合され、これらの動きを制御する。別法では、スレーブユニット501のプーリP9と複数のスレーブリンクとスレーブジョイントを結合する伝動システムは、ケーブルとプーリのシステム、及び／又は剛性伝達リンクを含み得る。
【０１６３】
マスターユニット401の機械的制限部408は、ハイブリッド遠隔マニピュレータが操作されているときに、第1のスレーブリンク505a、第2のスレーブリンク505b、第3のスレーブリンク505c、及び並進器具インターフェイス503が常に、仮想静止点509を中心に回転することを保証する。例えば、スレーブユニット501に結合された並進器具インターフェイス503のエンドエフェクタ512は常に、遠隔操作の近傍のマスターリンク404の長手方向軸θ1に対応する長手方向軸θ4に沿って並進する。加えて、機械的制限部408は、互いに垂直な第5の仮想軸θ5及び第6の仮想軸θ6を中心とするエンドエフェクタ512の回転を可能にする。スレーブユニット501に結合された並進器具インターフェイス503の長手方向軸θ4、第5の仮想軸θ5、及び第6の仮想軸θ6は常に、遠隔操作の近傍の仮想静止単一点509で互いに交差する。低侵襲外科処置の間、仮想静止点509は外科切開点と整合し、患者の外傷が減少し、手術の美容上の結果が向上する。
【０１６４】
内側／外側方向へのハンドル403の動きにより、スレーブユニット501に結合されたエンドエフェクタ512が、機械式伝動装置300及びスレーブユニット501のプーリP9と複数のスレーブリンクとスレーブジョイントを連結する伝動システムを介して、長手方向軸θ4を中心とする内側／外側への動きを再現する。ハンドル403の上方／下方への動きにより、スレーブユニット501に結合されたエンドエフェクタ512が、機械式伝動装置300及びスレーブユニット501のプーリP9と複数のスレーブリンクとスレーブジョイントを連結する伝動システムを介して、長手方向軸θ5を中心とする上方／下方への動きを再現する。ハンドル403の左／右への動きにより、スレーブユニット501に結合されたエンドエフェクタ512が、機械式伝動装置300及びスレーブユニット501のプーリP9と複数のスレーブリンクとスレーブジョイントを連結する伝動システムを介して、長手方向軸θ6を中心とする左／右への動きを再現する。
【０１６５】
加えて、マスターユニット401のハンドル403に加えられた動きは、センサ、モータ、及び制御システムを介して電気機械的に並進器具インターフェイス503のエンドエフェクタの関節自由度、例えばピッチとヨー、作動自由度、例えば開／閉、及び回転自由度、例えば回内回外運動をもたらす。並進器具インターフェイス503は、その全内容が引用により本明細書中に組み込まれている、本出願の譲受人に譲渡されたChassotの米国特許出願公開第2018/0353252号に記載されているように構成することができる。例えば、並進器具インターフェイス503は、スレーブハブ510及び手術器具511を備える。スレーブハブ510は、スレーブユニット501の遠位端部504に固定することができる。手術器具511は、そのシャフトの遠位端部に配設されたエンドエフェクタを備え、かつスレーブハブ510に取り外し可能に結合することができる。無菌インターフェイスを、スレーブハブ510と手術器具511との間に配置することができる。加えて、並進器具インターフェイス503は、スレーブハブ510内に配置された1つ又は複数のモータからエンドエフェクタ512の構成要素まで延びた並進伝動システムを備える。例えば、エンドエフェクタ512は、並進器具インターフェイス503の並進伝動システムに結合された複数のエンドエフェクタジョイントによって相互連結された複数のエンドエフェクタリンクを含み、このため、1つ又は複数のモータによる並進伝動システムの作動により、エンドエフェクタ512が、複数のエンドエフェクタのリンク及びジョイントを介して動く。
【０１６６】
スレーブハブ510の構成要素及び動作に関するさらなる詳細は、図36A及び図36Bを参照して説明する。スレーブユニット501に固定された並進器具インターフェイス503のスレーブハブ510は、回路基板602を介して制御システムに、例えば電気配線によって動作可能に結合された1つ又は複数のモータ、例えば、第1のモータ601a、第2のモータ601b、第3のモータ601c、及び第4のモータ601dを備える。モータ601a〜601dは、ハンドル403に結合された1つ又は複数のセンサ410によって測定された動きを示す信号を受け取り、ハンドル403を作動させる。これらの信号は、制御システムによって処理され、次に、並進器具インターフェイス503を作動させるモータに信号を提供し、これにより、ハンドル403でのこれらの入力に対応するミクロな動きを再現する。第1のモータ601a、第2のモータ601b、及び第3のモータ601cは、エンドエフェクタ512を開／閉自由度、ピッチ自由度、及びヨー自由度で作動させるために並進器具インターフェイス503の並進伝動システム603に直接結合されている。並進伝動システム603は、複数の伝動要素、例えばケーブル及び／又は親ねじを備え、該複数の伝動要素のそれぞれは、エンドエフェクタを開／閉自由度、ピッチ自由度、及びヨー自由度で動かすために、一方の端部で第1のモータ601a、第2のモータ601b、及び第3のモータ601cに結合され、反対側の端部で第1、第2、及び第3のエンドエフェクタのリンクに結合されている。並進伝動システム603は、複数の親ねじ及び／又はケーブルの閉ループを備えることができる。第4のモータ601dは、回内回外運動タイミングベルト513を介してスレーブ器具503を回転させる。当業者には理解されるように、スレーブハブ510は、モータ601a〜601dの任意の組み合わせ、例えば、非関節式器具が使用される場合、エンドエフェクタ512を開／閉自由度で作動させるための1つ又は複数のモータ、及びエンドエフェクタ512を回内回外運動自由度で回転させるためのモータのみを備えることができる。
【０１６７】
回路基板602はまた、並進器具インターフェイス503の望ましくない動きを検出し、そのような望ましくない動きに抵抗するために第1のモータ601a、第2のモータ601b、第3のモータ601c、及び第4のモータ601dと電気的に通信するように設計された1つ又は複数のセンサを備えることができる。
【０１６８】
本発明の一態様によると、制御システムは、並進器具インターフェイス503のエンドエフェクタ512の運動学を、図36Cに示されている識別子要素516、例えば、該器具に組み込まれたRFIDトークンを読み出すことによって識別することができ、該RFIDトークンは、該器具の運動学的構成に関する情報を含む。特に、制御システムは、識別子要素516から読み取られた情報に基づいて、エンドエフェクタ要素を作動させるために異なって動作する（例えば、同時に時計回り、又は一方を時計回り、他方を反時計回りに回転させる）ように並進器具インターフェイス503とインターフェイスする1つ又は複数のモータの動作を構成することができる。例えば、図36Dには、平行−直列器具運動学を有する鉗子型エンドエフェクタが示されている。この構成では、第1のモータ601aがエンドエフェクタ512'の第1のリンクを外側／内側に動かすように、第1のモータ601aを、並進伝動システムの伝動要素514aを介してエンドエフェクタ512'の第1のリンク、例えば第1のブレードに動作可能に結合することがでる。第2のモータ601bがエンドエフェクタ512'の第2のリンクを外側／内側に動かすように、第2のモータ601bを、並進伝動システムの伝動要素514bを介してエンドエフェクタ512'の第2のリンク、例えば第2のブレードに動作可能に結合することができる。従って、制御システムは、第1のモータ601aに命令してエンドエフェクタ512'の第1のリンクを伝動要素514aを介して外側に動かし、同時に第2のモータ601bに命令してエンドエフェクタ512'の第2のリンクを伝動要素514bを介して外側に動かすことができ、これにより、ハンドル403のトリガ412の作動に基づいてエンドエフェクタ512'が開く。逆に、制御システムは、第1のモータ601aに命令してエンドエフェクタ512'の第1のリンクを伝動要素514aを介して内側に動かし、同時に第2のモータ601bに命令してエンドエフェクタ512'の第2のリンクを伝動要素514bを介して内側に動かすことができ、これにより、ハンドル403のトリガ412の作動に基づいてエンドエフェクタ512'が閉じる。従って、第1のモータ601a及び第2のモータ601bにより、エンドエフェクタ512'を開／閉自由度で動かすことができる。
【０１６９】
制御システムは、第1のモータ601aに命令してエンドエフェクタ512'の第1のリンクを伝動要素514aを介して外側に動かし、同時に第2のモータ601bに命令してエンドエフェクタ512'の第2のリンクを伝動要素514bを介して内側に動かすことができ、これにより、エンドエフェクタ512'が、ハンドル軸θ9を中心とするハンドル403の回転に基づいて上方にピッチする。逆に、制御システムは、第1のモータ601aに命令してエンドエフェクタ512'の第1のリンクを伝動要素514aを介して内側に動かし、同時に第2のモータ601bに命令してエンドエフェクタ512'の第2のリンクを伝動要素514bを介して外側に動かすことができ、これにより、エンドエフェクタ512'が、ハンドル軸θ9を中心とするハンドル403の回転に基づいて下方にピッチする。従って、第1のモータ601a及び第2のモータ601bにより、エンドエフェクタ512'をピッチ自由度で動かすことができる。
【０１７０】
第3のモータ601cが、ハンドル軸θ8を中心とするハンドル403の回転に基づいてエンドエフェクタ512'をヨー自由度で動かすように、第3のモータ601cを、並進伝動システムの伝動要素514cを介してエンドエフェクタ512'の第3のリンクに動作可能に結合することができる。第4のモータ601dが、ハンドル403のボール413の回転に基づいて第1のモータ601a、第2のモータ601b、第3のモータ601c、及び手術器具511、従ってエンドエフェクタ512'を回内回外運動の自由度で回転させるように、第4のモータ601dを、回転可能な回内回外運動タイミングベルト513を介して第1のモータ601a、第2のモータ601b、第3のモータ601c、及び手術器具511に動作可能に結合することができる。
【０１７１】
ここで図36Eを参照すると、直列−直列器具運動学を有するエンドエフェクタが示されている。例えば、第1のモータ601aが、ハンドル403のトリガ412の作動に基づいてエンドエフェクタ512''を開／閉自由度で動かすように、第1のモータ601aを、並進伝動システムの伝動要素515aを介してエンドエフェクタ512''の第1のリンクに動作可能に結合することができる。第2のモータ601bが、ハンドル軸θ9を中心とするハンドル403の回転に基づいてエンドエフェクタ512''をピッチ自由度で動かすように、第2のモータ601bを、並進伝動システムの伝動要素515bを介してエンドエフェクタ512''の第2のリンクに動作可能に結合することができる。第3のモータ601cが、ハンドル軸θ8を中心とするハンドル403の回転に基づいてエンドエフェクタ512''をヨー自由度で動かすように、第3のモータ601cを、並進伝動システムの伝動要素515cを介してエンドエフェクタ512''の第3のリンクに動作可能に結合することができる。第4のモータ601dが、第1のモータ601a、第2のモータ601b、第3のモータ601c、及び手術器具511、従ってエンドエフェクタ512''を、ハンドル403のボール413の回転に基づいて回内回外運動自由度で回転させるように、第4のモータ601dを、回転可能な回内回外運動タイミングベルト513を介して第1のモータ601a、第2のモータ601b、第3のモータ601c、及び手術器具511に動作可能に結合することができる。
【０１７２】
本発明の一態様によると、制御システムは、図37に列挙された方法工程700で概説されるように、器具に組み込まれた識別子要素516、例えば、RFIDトークンに格納された情報を読み取って、並進器具インターフェイス503のエンドエフェクタ512の運動学を識別することができる。工程701で、使用者が、ハイブリッド遠隔マニピュレータで使用するべきエンドエフェクタを有する手術器具を選択する。例えば、手術器具は、図36Dに示されている並列−直列器具運動学又は図36Eに示されている直列−直列器具運動学を有するエンドエフェクタを有し得る。次いで、手術器具をハイブリッド遠隔マニュピレータのスレーブユニットに結合することができる。工程702で、制御システムは、選択されたエンドエフェクタの運動学的構成についての情報を検出する。例えば、制御システムは、選択されたエンドエフェクタの運動学的構成、例えば、該選択されたエンドエフェクタが並列−直列器具運動学を有するか又は直列−直列器具運動学を有するかに関する情報を含む、手術器具511に組み込まれたRFIDトークンを読み取ることができる。RFIDトークンは、例えば、スレーブハブに配置され、制御システムに動作可能に結合されたリーダによってスキャンされ得る識別情報を含む誘導的に読み取られるマイクロチップであり得る。別法では、識別子要素516の機能は、例えば、スレーブハブによって読み取られる、手術器具511に配置されるバーコード、QRコード、Datamatrix、Aztecコード、又はSemacodeなどの光学タグによって提供することができる。手術器具がハイブリッド遠隔マニピュレータのスレーブユニットに未結合の場合、工程702の後に、手術器具を、ハイブリッド遠隔マニピュレータのスレーブユニットに結合することができる。
【０１７３】
工程703で、制御システムが、工程702で検出された情報に基づいて選択されたエンドエフェクタの運動学を識別して、どのタイプのエンドエフェクタがハイブリッド遠隔マニピュレータのスレーブユニットに結合されているかを決定する。工程704で、制御システムが、ハイブリッド遠隔マニピュレータが適切に作動され得るように、選択されたエンドエフェクタの識別情報に基づいてそのパラメータを調整する。例えば、エンドエフェクタが並列−直列器具運動学を有する場合、制御システムは、上述のように、第1のモータ60la及び第2のモータ601bに命令して、第1及び第2のエンドエフェクのタリンクを同時に作動させて、エンドエフェクタを開／閉自由度及びピッチ自由度で動かすパラメータを有する。エンドエフェクタが直列−直列器具運動学を有する場合、制御システムは、上述のように、第1のモータ60laに命令してエンドエフェクタを開／閉自由度で作動させ、そして第2のモータ601bに命令して該エンドエフェクタをピッチ自由度で作動させるパラメータを有する。
【０１７４】
図38を参照すると、すべての自由度が電気機械的に制御される遠隔作動手術ロボットシステムの代替の例示的な実施態様が示されている。例えば、内側／外側、上方／下方、左／右、ヨー、ピッチ、開／閉、及び回内回外運動の7つの自由度すべてが、センサのシステム、モータ、及び制御システムを介して電気機械的に制御されるが、システム800は、マスターユニットに上記の機械的制限要素を維持し、これにより、スレーブユニットで単一仮想静止点、例えば遠隔運動中心を形成する。従って、システム800は、スレーブユニット1001を切開部に整合させるために座標変換及び複雑な制御システムを必要としない。機械的制限部及び対応する遠隔運動中心が、この設計が一般的なロボットアームを使用する場合よりもはるかに単純で安全であることを保障する。
【０１７５】
ここで図39を参照すると、マスターユニット901は、図34A及び図34Bのマスターユニット401と同様に構成されているが、プーリP1に結合された機械式伝動装置の複数のケーブル及びプーリの代わりに、マスターユニット901が、プーリP1の4つのプーリのそれぞれに作動可能に結合された1つ又は複数のセンサ、例えば、センサ902a、センサ902b、センサ902c、及びセンサ902dを備える点が異なる。センサ902a〜902dは、複数のマスターリンク、ジョイント、及びケーブルを介してマスターユニット901のハンドル903に加えられる動きに応答して、プーリP1の角度及び位置を測定することによって回転運動を測定する。4つのセンサのそれぞれは、プーリP1の4つのプーリのそれぞれを介してマスターユニット901のジョイントの動きを測定し、これにより、4つの自由度におけるマスターユニット901の動きを測定する。しかしながら、機械的制限部は、1自由度の動きをなくすことによってマスターユニット901の動きを制限し、これにより、スレーブユニット1001の動きが、3自由度の動き、例えば、内側／外側、上方／下方、及び左／右となる。
【０１７６】
ハンドル903は、図34A及び図34Bのハンドル403と同様に構成されている。例えば、ハンドル903は、そこに加えられたミクロな動きを1つ又は複数のセンサ410、及びスレーブユニット1001のエンドエフェクタに結合された1つ又は複数のモータを介して該スレーブユニット1001のエンドエフェクタに伝達して、該エンドエフェクタを開／閉、ピッチ、ヨー、及び回内回外運動の自由度で動かすことができるように、1つ又は複数のセンサ410及び回路基板411を備える。
【０１７７】
マクロな動きの伝達に関して、センサ902a、センサ902b、センサ902c、及びセンサ902dは、それぞれのセンサによって測定されたプーリP1の回転を示す信号を生成し、この信号を、制御システムを介してスレーブユニット1001に結合された1つ又は複数のモータに送信し、これにより、マスターユニット901に結合されたハンドル903に加えられたマクロな並進運動を再現する。例えば、電気ケーブルを、マスターユニット901から制御システム、例えば、制御電子器具を含むユニットまで延ばすことができ、追加の電気ケーブルを、該制御システムから、スレーブユニット1001に結合された1つ又は複数のモータまで延ばすことができる。
【０１７８】
図40A及び図40を参照すると、スレーブユニット1001は、図35A及び図35Bのスレーブユニット501と同様に構成されている。例えば、スレーブユニット1001は、ハンドル903に加えられたミクロな動きを、1つ又は複数のセンサ410、並びに第1のモータ60la、第2のモータ601b、第3のモータ60lc、及び第4のモータ601dを介してスレーブユニット1001のエンドエフェクタに伝達して、該エンドエフェクタを開／閉、ピッチ、ヨーイ、及び回内回外運動の自由度で動かすことができるように、スレーブユニット1001のエンドエフェクタに動作可能に結合された第1のモータ601a、第2のモータ601b、第3のモータ601c、及び第4のモータ601dを備える。スレーブユニット1001は、プーリP8に結合された機械式伝動装置の複数のケーブル及びプーリの代わりに、1つ又は複数のモータ、例えば、プーリP8の4つのプーリのそれぞれに動作可能に結合された第1のモータ1002a、第2のモータ1002b、第3のモータ1002c、及び第4のモータ1002dを備えるという点でスレーブユニット501とは異なる。1つ又は複数のモータは、マスターユニット901のハンドル903に加えられた動きに応答してセンサ902a、センサ902b、センサ902c、及びセンサ902dによって測定されたプーリP1の回転を示す信号を受信するための回路基板に結合され、これにより、プーリP8が作動して、複数のスレーブリンク、ジョイント、タイミングベルト、及び／又はケーブルとプーリのシステムを介してスレーブユニット1001においてマスターユニット901に結合されたハンドル903に加えられたマクロな並進運動を再現する。例えば、プーリP8並びに複数のスレーブジョイント、タイミングベルト、及び／又はケーブルとプーリのシステムを介して、第1のモータ1002aが、第1のスレーブリンク505aに動作可能に結合されて、その動きを制御し、第2のモータ1002bが、第2のスレーブリンク505bに動作可能に結合され、その動きを制御し、第3のモータ1002cが、第3のスレーブリンク505cに動作可能に結合されて、その動きを制御し、第4のモータ1002dが、並進器具インターフェイス503に動作可能に結合され、その動きを制御する。
【０１７９】
マスターユニット901の機械的制限部が、マスターユニット901の動きを3自由度、例えば、内側／外側、上方／下方、及び左／右の動きに制限するため、第1のモータl002a、第2のモータl002b、第3のモータl002c、及び第4のモータl002dそれぞれによるスレーブユニット1001の第1のスレーブリンク505a、第2のスレーブリンク505b、第3のスレーブリンク505c、及び並進器具インターフェイス503の動きが、3自由度、例えば、仮想静止点1005、例えば遠隔運動中心を中心とする内側／外側、上方／下方、及び左／右への動きに制限される。
【０１８０】
スレーブユニット1001は、仮想静止点1005が外科切開点と一致し、患者の外傷が減少し、手術の美容上の結果が向上され得るように、マスターユニット1001における機械的制限部によって形成される仮想静止点1005、例えば遠隔運動中心を指す一時的切開ポインタ1004を備えることができる。一時的切開ポインタ1004は、手術ロボットシステム800の操作の前に取り外すことができる。
【０１８１】
ここで図41A及び図41Bを参照すると、手術ロボットシステムの制御システムの代替の実施態様が示されている。システム100と統合することができる図41Aの制御システム1100は、制御システム1100のプロセッサ1102によって実行されるとハイブリッド遠隔マニピュレータの操作を可能にする命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体、例えばメモリ1101を含む。加えて、制御システム1100は、無線で又は電気ケーブルを使用してスレーブユニット501の識別子要素リーダ517と通信することができ、従って、メモリ1101は、識別子要素516から読み取られたエンドエフェクタの運動学的構成の識別情報を格納することができ、このため、命令が、プロセッサ1102によって実行されると、開／閉及びピッチの自由度でエンドエフェクタを制御するためのモータを選択されたエンドエフェクタの種類に応じて動かす。制御システム1100は、無線で又は電気ケーブルを使用してマスターユニット401の回路基板に電気的に結合され、従って、ハンドル403に加えられたミクロな動きを示す信号を受信するための1つ又は複数のセンサ410に結合されている。加えて、制御システム1100は、無線で又は電気ケーブルを使用してスレーブユニット501の回路基板に電気的に結合され、従って、エンドエフェクタのミクロな動きを、例えば、開／閉、ピッチ、ヨー、及び回内回外運動の自由度で行わせるための第1のモータ60la、第2のモータ601b、第3のモータ60lc、及び第4のモータ601dに結合されている。
【０１８２】
システム800と統合することができる図41Bの制御システム1110は、制御システム1110のプロセッサ1112によって実行されるとハイブリッド遠隔マニピュレータの操作を可能にする命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体、例えばメモリ1111を含む。加えて、制御システム1110は、無線で又は電気ケーブルを使用してスレーブユニット1001の識別子要素リーダ517と通信することができ、メモリ1111は、識別子要素516から読み取られたエンドエフェクタの運動学的構成の識別情報を格納することができ、このため、命令が、プロセッサ1112によって実行されると、開／閉及びピッチの自由度でエンドエフェクタを制御するためのモータを選択されたエンドエフェクタの種類に応じて動かす。制御システム1110は、無線で又は電気ケーブルを使用してマスターユニット901の回路基板に電気的に結合され、従って、ハンドル903に加えられたミクロな動きを示す信号を受信するための1つ又は複数のセンサ410、並びにハンドル903に加えられたマクロな動きを示す信号を受信するためのセンサ902a、センサ902b、センサ902c、及びセンサ902dに結合されている。加えて、制御システム1110は、無線で又は電気ケーブルを使用してスレーブユニット1001の回路基板に電気的に結合され、従って、エンドエフェクタのミクロな動きを、例えば、開／閉、ピッチ、ヨー、及び回内回外運動の自由度で作動させるための第1のモータ60la、第2のモータ601b、第3のモータ60lc、及び第4のモータ601d、並びに該エンドエフェクタのマクロな動きを、例えば、内側／外側、上方／下方、及び左／右の自由度で作動させるための第1のモータ1002a、第2のモータ1002b、第3のモータ1002c、及び第4のモータ1002dに結合されている。
【０１８３】
ここで図42A及び図42Bを参照すると、本発明の原理の代替の応用を、代替の遠隔マニピュレータの設計に適用することができる。例えば、図42Aに示されているBeiraの米国特許第9,696,700号に記載されているように構成された遠隔マニピュレータは、エンドエフェクタのミクロな動き、例えば、開／閉、ピッチ、ヨー、回内回外運動の自由度を電気機械的に制御するためのハンドル及び並進器具インターフェイスを備えるように変更することができる一方、該エンドエフェクタのマクロな並進運動、例えば、上方／下方、内側／外側、及び左／右の自由度は、機械的伝動システムによって機械的に制御される。遠隔作動手術ロボットシステム1200は、スレーブユニット1202に機械的に直接結合されたマスターユニット1201、マスターユニット1201に結合されたハンドル1203、スレーブユニット1202に結合された並進器具インターフェイス1204、及び機械的制限部1205を含む。ハンドル1203は、図34A及び図34Bのハンドル403と同様に構成することができ、並進器具インターフェイス1204もまた、図35A及び図35Bの並進器具インターフェイス503と同様に構成することができる。例えば、ハンドル1203は、そこで加えられたミクロな動きを、1つ又は複数のセンサ、及びスレーブユニット1202のエンドエフェクタに結合された1つ又は複数のモータを介して並進器具インターフェイス1204のエンドエフェクタに伝達して、該エンドエフェクタを開／閉、ピッチ、ヨー、及び回内回外運動の自由度で動かすことができるように、1つ又は複数のセンサを備える。従って、ハンドル1201で加えられるマクロな併進運動は、機械的制限部1203により、3自由度、例えば、内側／外側、上方／下方、及び左／右の自由度で並進器具インターフェイス1204によって再現される。別法では、遠隔作動手術ロボットシステム1200は、電気機械的に作動される7自由度を有し得る。
【０１８４】
図42Bを参照すると、代替の遠隔マニピュレータが示されている。例えば、Beiraの米国特許公開第2017/0245954号に記載されているように構成された遠隔マニピュレータは、エンドエフェクタのミクロな動き、例えば、開／閉、ピッチ、ヨー、回内回外運動の自由度を電気機械的に制御するためのハンドル及び並進器具インターフェイスを備えるように変更することができる一方、該エンドエフェクタのマクロな並進運動、例えば、上方／下方、内側／外側、及び左／右の自由度は、機械的伝動システムによって機械的に制御される。遠隔作動手術ロボットシステム1210は、スレーブユニット1212に機械的に結合されたマスターユニット1211、マスターユニット1211に結合されたハンドル1213、スレーブユニット1212に結合された並進器具インターフェイス1214、及び機械的制限部1215を含む。ハンドル1213は、図34A及び図34Bのハンドル403と同様に構成され、並進器具インターフェイス1214は、図35A及び図35Bの並進器具インターフェイス503と同様に構成されている。例えば、ハンドル1213は、そこで加えられたミクロな動きを、1つ又は複数のセンサ、及びスレーブユニット1212のエンドエフェクタに結合された1つ又は複数のモータを介して並進器具インターフェイス1214のエンドエフェクタに伝達して、該エンドエフェクタを開／閉、ピッチ、ヨー、及び回内回外運動の自由度で動かすことができるように、1つ又は複数のセンサを備える。従って、ハンドル1213で加えられるマクロな並進運動は、機械的制限部1213により、3自由度、例えば、内側／外側、上方／下方、及び左／右の自由度で並進器具インターフェイス1214のエンドエフェクタによって再現される。別法では、遠隔作動手術ロボットシステム1210は、電気機械的に作動される7自由度を有し得る。
【０１８５】
本発明の様々な例示的な実施態様を上で説明したが、本発明から逸脱することなく、様々な変更及び修正を本発明の範囲で行うことができることは当業者には明らかであろう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲内にあるそのようなすべての変更及び修正を含むことを意図している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１８Ｅ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２１Ｆ】
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【図２１Ｇ】
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【図２１Ｈ】
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【図２１Ｉ】
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【図２１Ｊ】
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【図２１Ｋ】
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【図２１Ｌ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３４Ｃ】
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【図３４Ｄ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３６Ｃ】
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【図３６Ｄ】
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【図３６Ｅ】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【国際調査報告】
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