(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎部と、  前記基礎部に近接して設けられた可動部と、  ３つのリニアトラックと６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームを有する連結アセンブリーと、  前記可動部に連結されたツールアセンブリーとを備えた協調制御ロボットであって、  ユーザーにより前記協調制御ロボットの少なくとも一部分に加えられた圧力に応じて前記可動部の動きを制御すべく前記連結アセンブリーと交信するように構成された制御システムをさらに備え、  前記３つのリニアトラックは、互いに平行であり、  前記３つのリニアトラックの各々は、前記基礎部の内部および前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームのうちの２つの第１端部と接続され、  前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームの各々は、前記第１端部と反対側に位置し、前記可動部の個別の位置と接続されている第２端部を有し、  前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームの各々は前記３つのリニアトラックの各々１つに沿って移動するように構成され、  前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームは、前記基礎部に対して実質的に回転することなく連結自由度を持って前記可動部を移動させるように構成され、  前記制御システムは、前記ユーザーにより加えられた前記圧力に応じて、前記可動部および前記ツールアセンブリーを円滑に移動することを特徴とする協調制御ロボット。
【請求項２】
前記連結アセンブリーは、前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームの各々の対に連動連結された少なくとも３つのモーターをさらに備え、前記少なくとも３つのモーターの各々は、前記可動部が前記モーターの重量を支えることなく自由に可動である態様で、基礎部によって支持されていることを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項３】
前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームの各々の対は、操作中に歪度が変化する平行四辺形の形状を形成することを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項４】
前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームは、関節を有するアームであることを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項５】
前記６つの独立に作動可能なアクチュエーターアームは、関節を有するアームであることを特徴とする請求項３に記載の協調制御ロボット。
【請求項６】
前記３つのリニアトラックは、前記基礎部に取り付けられているか又は前記基礎部と一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項７】
前記基礎部がオーバーヘッドブームに搭載可能であることを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項８】
前記基礎部がベッドレールに搭載可能であることを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項９】
前記基礎部がオーバーヘッドブームに搭載可能であることを特徴とする請求項６に記載の協調制御ロボット。
【請求項１０】
前記基礎部がベッドレールに搭載可能であることを特徴とする請求項６に記載の協調制御ロボット。
【請求項１１】
前記ツールアセンブリーは、ツールホルダーと前記ツールホルダーに連結されたツール回転アセンブリーを備え、前記ツール回転アセンブリーは、ツールが前記ツールホルダーによって支持されているときに前記ツールの方向付けのための少なくとも２以上の回転自由度を設けていることを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項１２】
ツールがツールホルダーによって支持されているときに前記ツールに加えられる少なくとも一つの圧力成分を測定するために前記ツールホルダーに取り付けられる圧力センサーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の協調制御ロボット。
【請求項１３】
前記圧力センサーが６自由度の圧力センサーであることを特徴とする請求項１２に記載の協調制御ロボット。
【請求項１４】
オーバーヘッドブームを有する支持構造と、
前記支持構造に連結された第１の協調制御ロボット及び第２の協調制御ロボットと、
前記第１の協調制御ロボット及び前記第２の協調制御ロボットと交信する制御システムとを備えたロボットシステムであって、
前記第１の協調制御ロボット及び前記第２の協調制御ロボットの各々は、前記支持構造に連結された基礎部と、前記基礎部に近接して設けられた可動部と、前記基礎部と前記可動部とに連動連結され、前記基礎部に対して実質的に回転することなく連結自由度を持って前記可動部を移動させるように構成された連結アセンブリーと、前記可動部に連結されたツールアセンブリーとを備え、
前記制御システムは、ユーザーにより前記第１の協調制御ロボット及び前記第２の協調制御ロボットのいずれか一方の少なくとも一部分に加えられた圧力に応じて、対応する前記協調制御ロボットの前記可動部の動きを制御するように構成され、
前記各連結アセンブリーは、独立に作動可能であって各々が前記可動部の異なる箇所に連結されているアクチュエーターアームを少なくとも３つ備え、
前記連結アセンブリーは、さらに少なくとも３つのリニアトラックを備え、前記少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアームの各々が、前記少なくとも３つのリニアトラックに沿って移動するように制約を受けている端部を有し、
前記制御システムは、前記ユーザーにより加えられた前記圧力に応じて、前記可動部および前記ツールアセンブリーを円滑に移動し、
前記支持構造は、第１の前記オーバーヘッドブームに回転可能に取り付けられた第２のオーバーヘッドブームを備えることを特徴とするロボットシステム。
【請求項１５】
ユーザーにより加えられた圧力に起因して、協調制御の中断又は補足の少なくとも一方を行うために前記制御システムと交信するユーザー入力機器をさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載のロボットシステム。
【請求項１６】
前記ユーザー入力機器は、足踏みペダルであることを特徴とする請求項１５に記載のロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、２０１１年１１月４日に出願された米国仮出願番号６１／５５５，７８０を基礎とする優先権を主張し、当該仮出願の全内容は参照によって本出願に組み込まれる。
【０００２】
現在クレームされている本発明の実施形態に係る技術分野は、ロボットシステムに関するものであり、特に協調制御ロボット及び協調制御ロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
眼科、耳科医学、喉頭学、神経外科、美容整形外科、再建外科などの多くの外科専門分野においては、生体医学研究およびマイクロアセンブリといった非外科的分野においてもそうであるように、人間の感覚運動の限界を押し進める顕微手術という課題が存在する。外科の分野におけるこれらと同様な問題の解決のために、ロボットによる解決が提案されているが、その中でも最も顕著なものとしては米国インテュイティヴ・サージカル社のダ・ヴィンチ（登録商標）外科ロボットが挙げられる（図１）。ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットは、主として低侵襲外科手術のために設計されており、遠隔操作制御パラダイムを使用している。すなわち、制御コンソールとロボット自身は設備の別々の部分であり、外科医は患者から離れて座る。
【０００４】
遠隔操作制御パラダイムは低侵襲外科手術において多々利点があるものの、顕微外科手術においてはほとんど恩恵がない。ロボットと制御コンソールとを分離すると手術室（ＯＲ）の設置面積が大幅に増大し、外科医を手術現場から不自然に引き離すことになる。システム全体が大型化すると設定および解除に時間がかかることになり、このため必要に応じてＯＲから出し入れすることが困難になる。また、ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットは低侵襲外科手術を実施する外科医の手の位置を模擬するので、喉頭外科の手術のように手術器具の軸同士を互いに平行に保ちながら稼働するのが困難となる。かかる制限事項のため、ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットを取り入れるためには手術の方法を根本的に変更する必要が生じる場合もあり得る。さらに、このシステムにはコストが高いという欠点がある。ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットは固定費（初期導入費用〜２００万ドル）変動費（使い捨ての特注外科器具、ダ・ヴィンチ（登録商標）システムの外科教育訓練費）ともに高価である。
【０００５】
ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットは主として低侵襲外科手術に用いられているため、切開を小さくして稼働するように設計されている。このため、切開部分に力がかからないようにするために、器具が患者の体内に侵入する箇所で旋回する必要がある。ツールがロボットの外部の個所を中心に回転しているので、これは遠隔中心動作（以下「ＲＣＭ」という）と呼ばれている。ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットは、回転ステージとケーブル機構を用いてＲＣＭを中心に２回転自由度（傾斜及び回転）を実現している（図２）。当該ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットは、ツール軸に沿ってツールを挿入および引出しする連結自由度をも有している。この連結機構はアームの端部に位置し、相当の容積を加えており、またこの連結機構があるため２つの器具を互いに平行に保つこと及びこれら２つの器具を近接して配置することができない（図３）。
【０００６】
一方、ザ・ジョンズ・ホプキンス大学（以下「ＪＨＵ」という）のアイロボット２では外科の分野における人間の感覚運動の限界を打破するために、ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットとは別のアプローチが採られている（図４）。外科医が患者と同じ場所に座り、ロボットと並行して手術器具を持つ協調制御パラダイムを採用している。アイロボット２は、ツールセンサーを通じて外科医がツールに加える力を感知し、その力に応じて稼働する。アイロボット２は、ダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットに比べてずっと小さく、外科手術手順への変更もずっと少ない。
【０００７】
ＪＨＵアイロボット２は、回転ステージ及びＲＣＭとの連係（参考文献２）を用いて必要な回転自由度を与えているのと同様に、３つの連結ステージを用いてＸ，Ｙ，Ｚ方向の連結自由度を与えている。ツールが機構の回転中心と異なる箇所を中心に回転することが必要な場合は、連結ステージはツールの軸が他の個所を中心に回転できるようにツールの軸を調整する。アイロボット２の主要な制限事項は、一つのアクチュエーターがその後段の全てのアクチュエーターの重量を負担する必要がある縦列機構に依存しているという点である。縦列機構の場合、縦列機構でない場合に比べて、システム全体がより大きくかつより重くなる。ロボットの重量は連結ステージに速度制限を課し、その結果、外科手術における早い動作の追跡や該縦列機構の中心から遠い場所にある動作の中心の補正ができなくなる。
【０００８】
ＪＨＵアイロボット２より一世代前のＪＨＵアイロボット１では、ＲＣＭ連係、回転ステージおよび３自由度（ｄｏｆ）の連結ステージ、ではなく標準的な４バー連係を採用していた（図５）。当該機構は、固有のＲＣＭポイントを有さず、回転接合点の数を増加して
ＲＣＭ機能を提供する目的で連結ステージを用いていた。ＪＨＵアイロボット１では、縦列設計になっている連結ステージの処理速度が遅すぎたため、眼科手術において必要とされるＲＣＭポイントの補正ができなかった。それゆえ、ＪＨＵアイロボット２でＲＣＭ連係が追加された。
【０００９】
自由度３の連結機構を提供するための代替機構が存在し、その中でもデルタ機構が最も注目に値する（図６）。この機構では、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の連結自由度を与える目的で３つの平行四辺形の連係機構が並列的に用いられ、これに加えて両端にユニバーサルジョイントが付いたシャフトが回転自由度を提供しているので、結果として４自由度が実現されている。この機構の利点は、アクチュエーターが並列的に動作するため、各アクチュエーターは他のアクチュエーターの重量を負担する必要がないことである。このため、デルタ機構は、外科の適用分野およびハプテイック・マスター・コントローラーのみならず高速ピックアンドプレイスの適用分野における産業用ロボットの中で広範囲に用いられている（図７）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
デルタ機構は、外科の適用分野、とりわけ顎顔面外科の分野で用いられている（図８、参考文献６）。フランス国ＩＳＩＳ社のＳｕｒｇｉＳｃｏｐｅ（登録商標）は、外科顕微鏡を操作する頭上式の大型デルタロボットを骨ドリルなどの外科ツールを操作するように改良したものである。ＳｕｒｇｉＳｃｏｐｅ（登録商標）は圧力センサーを用いてツールと人体組織の間の圧力の相互作用を感知する。このシステムは、協調制御パラダイムではなく、むしろ「ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ  ｐｌａｎｎｉｎｇ，  ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ  ａｎｄ  ｔｅａｃｈｉｎｇ（対話式プランニング・プログラミング・ティーチング）」スキームを採用しており、該スキームにおいてはロボットの自由度が位置、方向、圧力およびトルクの限界から来る制約を受ける。このシステムは、デルタロボットの可動部（図６の符号８）に搭載されたモーターを用いて外科ツールを制御する。
【００１１】
しかし、このシステムは、その大きさ及び重量のため、顕微手術にはあまり適していない。また、このシステムは非常に大きく天井に据え付けられるものなので、両手を用いた手術において２台で協働するシステムとしては現実的でない。術前に広範囲にわたって視覚化、位置決め及び精密な解剖学的構造が定まっていない外科手術においては、このシステムが用いる大まかに計画済で事前に定められた稼働方式は有益ではない。
【００１２】
デルタ機構にはさらなる改良が加えられ、頂点における自由度を高める目的でアームに追加のアクチュエーターが統合された（図９、参考文献７）。さらに、リニア・アクチュエータを用いたデルタロボットの改良型が、当初のデルタロボットにおいて提案されていた（図１０）。このように、現在もロボット及びロボットシステムの改良の需要が存続している。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施形態に係る協調制御ロボットは、基礎部と、前記基礎部に近接して設けられた可動部と、前記基礎部と前記可動部とに連動連結され、前記基礎部に対して実質的に回転することなく連結自由度を持って前記可動部を移動させるように構成された連結アセンブリーと、前記可動部に連結されたツールアセンブリーと、ユーザーにより前記協調制御ロボットの少なくとも一部分に加えられた圧力に応じて前記可動部の動きを制御すべく前記連結アセンブリーと交信するように構成された制御システムとを有している。前記連結アセンブリーは、独立に作動可能であって各々が前記可動部の異なる箇所に連結されているアクチュエーターアームを少なくとも３つ有している。
【００１４】
本発明の一実施形態に係るロボットシステムは、支持構造と、前記支持構造に連結された第１の協調制御ロボット及び第２の協調制御ロボットと、前記第１の協調制御ロボット及び前記第２の協調制御ロボットと交信する制御システムとを有している。前記第１の協調制御ロボット及び前記第２の協調制御ロボットの各々は、前記支持構造に連結された基礎部と、前記基礎部に近接して設けられた可動部と、前記基礎部と前記可動部とに連動連結され、前記基礎部に対して実質的に回転することなく連結自由度を持って前記可動部を移動させるように構成された連結アセンブリーと、前記可動部に連結されたツールアセンブリーとを有している。前記制御システムは、ユーザーにより前記第１の協調制御ロボット及び前記第２の協調制御ロボットのいずれか一方の少なくとも一部分に加えられた圧力に応じて、対応する前記協調制御ロボットの前記可動部の動きを制御するように構成され、前記各連結アセンブリーは、独立に作動可能であって各々が前記可動部の異なる箇所に連結されているアクチュエーターアームを少なくとも３つ有している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明のさらなる目的および利点は、発明の詳細な説明、図面および実施例を考慮することにより明らかになる。
【００１６】
【図１】図１は、米国インテュイティヴ・サージカル社が開発したダ・ヴィンチ（登録商標）ロボットシステムの実例を示している。
【００１７】
【図２】図２は、ダ・ヴィンチ（登録商標）のＲＣＭ機構を示している（参考文献１）。
【００１８】
【図３】図３は、ダ・ヴィンチ（登録商標）の自由度の一例を示している。細い両端矢印の直線矢印マークは挿入／引出連結ステージ、図中下方の曲線矢印マークは傾斜、図中上方の曲線矢印マークは回転を示している。
【００１９】
【図４】図４は、ＪＨＵアイロボット２の一例を示している。
【００２０】
【図５】図５は、ＪＨＵアイロボット１の一例を示している。
【００２１】
【図６】図６は、デルタ機構の図である（参考文献３）。
【００２２】
【図７】図７は、デルタロボットの例を示している。左上：産業用デルタロボット（参考文献４）、右上：米国アデプト・テクノロジー社のＡｄｅｐｔＱｕａｔｔｒｏ（登録商標）  ４つのリンクを有するデルタロボット、左下：デルタ機構を用いた市販のハプティックマスター、右下：６自由度のハプティックマスター（参考文献５）
【００２３】
【図８】図８は、顎顔面外科手術のためのデルタロボットの例を示している。
【００２４】
【図９】図９は、ロボットの足の部分に３つのアクチュエーターを搭載した改良デルタ機構の概略図である。
【００２５】
【図１０】図１０は、線形改良型デルタロボット（参考文献３）を示している。
【００２６】
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に係る協調制御ロボットを示している。
【００２７】
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に係るロボットシステムの概略図である。
【００２８】
【図１３】図１３は、レゴにより構築した図１１の実施形態のプロトタイプを示している。
【図１４】図１４は、レゴにより構築した図１１の実施形態のプロトタイプを示している。
【図１５】図１５は、レゴにより構築した図１１の実施形態のプロトタイプを示している。
【００２９】
【図１６】図１６は、本発明の他の実施形態に係る協調制御ロボットを示している。
【図１７】図１７は、本発明の他の実施形態に係る協調制御ロボットを示している。
【図１８】図１８は、本発明の他の実施形態に係る協調制御ロボットを示している。
【図１９】図１９は、本発明の他の実施形態に係る協調制御ロボットを示している。
【００３０】
【図２０】図２０は、本発明の他の実施形態に係るロボットシステムを示している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する。本発明の実施形態を記載するにあたり、明確性を確保するために特定の技術用語が用いられている。しかし、本発明は、かかる選択された特定の技術用語に限定することを意図するものではない。関連分野の当業者は、他の同等の部材が適用され得ること、および本発明の広い概念から逸脱することなく他の方法が展開され得ることを認めるであろう。従来技術、発明の詳細な説明を包含する本明細書で引用したすべての参照文献はそれぞれが独立に組み込まれるように組み込まれる。
【００３２】
図１１は、本発明の実施形態に係る協調制御ロボット１００の概略図である。協調制御ロボット１００は、基礎部１０２と、可動部１０４と、基礎部１０２及び可動部１０４に連動連結されている連結アセンブリー１０６とを備えている。
【００３３】
基礎部１０２は、図１１に示すとおり、協調制御ロボット１００の一部分を構成し、また協調制御ロボット１００と共に運搬される構造的な構成要素となり得る。しかしながら、他の実施形態においては、基礎部１０２は建物の一部のように協調制御ロボット１００より大きな構造体の一部であることがある。例えば、基礎部は建物の天井、壁、床又は梁となりうる。
【００３４】
連結アセンブリー１０６は、基礎部１０２に対して実質的に回転することなく、純粋な連結自由度をもって可動部１０４を移動させる。すなわち、仮に可動部１０４が基礎部１０２と平行な向きになっているものとすると、可動部１０４を他の場所に移動しても可動部１０４は基礎部１０２と実質的に平行な向きに保たれる。ここで、「実質的に平行」とは、製造において許容できる精度の範囲内で平行又は特定の適用分野に要求される程度で平行という意味である。可動部１０４は、基礎部１０２に対して傾斜又は回転しない。すなわち、回転自由度がないという意味である。いくつかの実施形態においては、可動部１０４は、例えば互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ座標軸で表現される３連結自由度で移動することができる。基礎部１０２、可動部１０４及び連結アセンブリー１０６は、全体として、例えば、デルタ機構を構成することができる。該デルタ機構には前述したデルタ機構が含まれるがこれらに限定されるわけではない。
【００３５】
協調制御ロボット１００は、可動部１０４に連結されたツールアセンブリー１０８と、ユーザーにより協調制御ロボット１００の少なくとも一部分に加えられた圧力に応じて可動部１０４の動きを制御すべく連結アセンブリー１０６と交信するように構成された制御システム１１０とをさらに備えている。制御システム１１０は、少なくともその一部分が基礎部に含まれているように概略的に描かれている。制御システム１１０は、協調制御ロボット１００の中、例えば基礎部１０２の中に取り込むことができる信号処理部と同様に、協調制御ロボット１００の中の多数の位置に設置できるセンサー及び／又は有線方式または無線方式で各センサー及び連係アセンブリー１０６と交信する別の構成要素を有している。
【００３６】
連結アセンブリー１０６は、少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアーム１１２，１１４，１１６を備え、これらの各々は可動部１０４の異なる箇所に連結されている。これら少なくとも３つのアクチュエーターアーム１１２，１１４，１１６は、幾何学的な意味でなく論理的な意味で並行動作している、すなわち並列回路のように並行動作していると考えられる。つまり、複数のアクチュエーターアームは可動部１０４の周囲に間隔を空けて配置されているのであり、ＥｙｅＲｏｂｏｔ２の連結ステージにおいて互いに縦列的に配置されているのとは異なる。
【００３７】
いくつかの実施形態においては、連結アセンブリー１０６は、さらに少なくとも３つのモーター１１８，１２０，１２２を備える場合があり、これらの各モーターは各々少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアーム１１２，１１４，１１６の各々に連動連結されている。これら少なくとも３つのモーター１１８，１２０，１２２の各々は、可動部１０４がモーター１１８，１２０，１２２の重量を支えることなく自由に可動である態様で、基礎部１０２によって支持されている
【００３８】
少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアーム１１２，１１４，１１６の各々は、互いに連結された構造体のペア（例えば、アクチュエーターアーム１１４に対しては１２４と１２６のペア）を備えており、かかる構造体のペアは（クロス部材１２８，１３０と共に）、アクチュエーターアームの操作中に歪度が変化する平行四辺形の形状を形成する。
【００３９】
いくつかの実施形態においては、少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアーム１１２，１１４，１１６は、図１１に示すとおり、関節を有するアームであり得る。しかしながら、全ての実施形態において関節を有するアームを要するわけではない。さらに、他の実施形態においては、関節を有するアームは、図１１に示される実例とは異なり多数の関節を有する場合がある。
【００４０】
ツールアセンブリー１０８は、ツ−ルホルダー１３２及びツ−ルホルダー１３２に連動連結されたツール回転アセンブリー１３４を備えることができる。ツール回転アセンブリー１３４は、ツール１３６がツールホルダー１３２によって支持されているときにツール１３６の方向付けのための少なくとも２以上の回転自由度、又は選択的に少なくとも３以上の回転自由度を設けている。しかしながら、本発明の一般的概念は、図１１に示される特定のツールアセンブリー１０８に限定されるわけではない。いくつかの実施形態においては、ツール１３６は改良されていないツールであり得る。いくつかの実施形態においては、協調制御ロボット１００は、例えば顕微手術ロボットのような手術外科ロボットであり得るが、これには限定されず、ツール１３６は例えば改良されていない外科ツールであり得る。しかしながら、本発明の一般的概念は、外科ロボットのみに限定されず、また、改良されていないツールのみに限定されるわけではない。
【００４１】
ツール回転アセンブリー１３４は、基礎部１０２から操作可能な寸切ボルト１４０を有するティルトアセンブラー１３８を有しうる。寸切ボルト１４０を回転するとツールホルダー１３２が蝶番１４２の周囲を旋回する。寸切ボルト１４０は、その内側に設けられ、前後に拡張され、基礎部１０２に取り付けられ、可動部１０４を貫通し、両端にユニバーサルジョイントが付いたスプラインシャフトによって駆動され得る。さらに、ギアメカニズム１４６は基礎部１０２から駆動され、寸切ボルト１４０、ギア１４８及びロッド１５０を除いたツールアセンブリー１０８全体を回転する。ギア１４８は、その外側に設けられ、前後に拡張され、基礎部１０２に取り付けられ、両端にユニバーサルジョイントが付いたスプラインシャフトによって駆動され得る。かかる構成は、ツール回転アセンブリーにおける２回転自由度の実例である。第３の回転自由度は、例えばツール１３６が外軸の周りに回転することによって、ツ−ルホルダー１３２の中で提供され得る。しかしながら、本発明の一般的概念は、かかる特定の事例に限定されるわけではない。例えば、他の実施形態においては、前述の例とは異なる配置によって２又は３の回転自由度が提供されることがあり、また、４以上の回転自由度が提供できることもあり得る。本発明に係るある実施形態においては、ロボットのツール制御アセンブリーは、ツールホルダーに取り付けられ、ツールホルダーに掴まれたときにツールに加えられた圧力の少なくとも一つの成分を測定する圧力センサーをさらに有してよい。本発明に係るある実施形態においては、圧力センサーは６自由度を有する圧力センサーであってよい。本発明に係る他の実施形態においては、追加の圧力センサー及び／又は代替品を備えてよい。
【００４２】
操作にあたり、ユーザーは外科手術、製造又はこれら以外に適用可能な操作手順を実施するためにツール１３６を掴む。顕微手術または微細精密製造などを例示できるが、これらに限定されるわけではない。１つ以上の圧力センサーを用いてユーザーにより加えられた圧力を検出し、制御システム１１０は可動部１０４及びツールアセンブリー１０８をユーザーの所望どおりに移動する。例えば、手の震えによる影響を軽減するために、ユーザーの動作は顕微手術も円滑に実行できる程度に拡大縮小される。制御システム１１０はプログラム済の機能、例えば、これらに限定されないが、通過できない安全圏又は操作の限定領域などの機能を有しうる。制御システム１１０は、例えば、ある程度のオートメーション機能又は半オートメーション機能を有していてもよい。
【００４３】
当実施形態には、ロボットを制御する全てのモーターが基礎部に設置されているのでどのモーターも他のモーターの重量を負担する必要がないという利点がある。従って、各モーターが負担する重量は非常に小さいので、より小型のモーターを用いることができ、また、ツールアセンブリーを動かす構造体も軽量化できる。このため、縦列機構が用いられた場合に比べて高速ではるかに軽量化されたモーターの製造が可能になる。
【００４４】
図１２は、本発明の実施形態に係るロボットシステム２００の概略図である。ロボットシステム２００は、指示構造２０２と、支持構造２０２に連結された第１の協調制御ロボット２０４及び第２の協調制御ロボット２０６と、第１の協調制御ロボット２０４及び第２の協調制御ロボット２０６と交信する制御システム２０８とを備えている。第１の協調制御ロボット２０４及び第２の協調制御ロボット２０６の各々は、それぞれ本発明の実施形態に係るいずれかの協調制御ロボットである。図１２の例においては、第１の協調制御ロボット２０４及び第２の協調制御ロボット２０６は、協調制御ロボット１００と同一又は類似である。
【００４５】
図１２の実施形態においては、支持構造２０２は、第１のオーバーヘッドブーム２１０と、第１のオーバーヘッドブーム２１０に回転可能に取り付けられた第２のオーバーヘッドブーム２１２とを有している。
【００４６】
図１２は、例えば、ツール同士が互いに近くで使われ実質的に平行になるためには、２台の協調制御ロボットをどのように配置すればよいかを示している。ロボットシステム２００には２台の協調制御ロボットが備えられているが、本発明の一般的概念は協調制御ロボットが２台のみであるシステムに限定されない。例えば、３台以上の協調制御ロボットを有するロボットシステムも他の実施形態に含まれうる。
【００４７】
本発明の実施形態に係るロボット制御アセンブリー及び顕微手術ロボットにつき、図１３−１５を参照して説明する。
【００４８】
図１６−１９は、本発明の他の実施形態に係る協調制御ロボット３００を３つの異なる角度から見た図である。協調制御ロボット３００は、基礎部３０２と、基礎部３０２に近接して設けられた可動部３０４と、基礎部３０２と可動部３０４に連動連結された連結アセンブリー３０６とを有している。
【００４９】
基礎部３０２は、図１６−１９に示すとおり、協調制御ロボット３００の一部として協調制御ロボット３００とともに運搬されるよう想定されている構造的構成要素である。しかし、他の実施形態においては、基礎部は、建物の一部のような他のより大きな構造体の一部となりうる。例えば、建物の天井、壁、床又は梁である。
【００５０】
連結アセンブリー３０６も、実質的に基礎部３０２に対して回転することなく純粋に連結自由度のみで可動部３０４を移動するようになっている。すなわち、仮に可動部３０４が基礎部３０２と平行な向きになっているものとすると、可動部３０４を他の場所に移動しても可動部３０４は基礎部３０２と実質的に平行な向きに保たれる。ここで、「実質的に平行」とは、製造において許容できる精度の範囲内で平行又は特定の適用分野に要求される程度に平行という意味である。可動部３０４は、基礎部３０２に対して傾斜又は回転しない。すなわち、回転自由度がないという意味である。いくつかの実施形態においては、可動部３０４は、例えば互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ座標軸で表現される３連結自由度で移動することができる。
【００５１】
連結アセンブリー３０６は、少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアーム３１２，３１４，３１６を備え、これらの各々は可動部３０４の異なる箇所に連結されている。これら少なくとも３つのアクチュエーターアーム３１２，３１４，３１６は、幾何学的な意味でなく論理的な意味で並行動作している、すなわち並列回路のように並行動作していると考えられる。つまり、複数のアクチュエーターアームは可動部３０４の周囲に間隔を空けて配置されているのであり、ＥｙｅＲｏｂｏｔ２の連結ステージにおいて互いに縦列的に配置されているのとは異なる。
【００５２】
いくつかの実施形態においては、連結アセンブリー３０６は、さらに少なくとも３つのリニアトラック３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃをさらに備え、前記少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアームの各々が少なくとも３つのリニアトラック３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃの各々に沿って移動するように制約を受けている端部を有する。いくつかの実施形態においては、少なくとも３つのリニアトラック３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃは、基礎部３０２に取り付けられているか又は基礎部３０２と一体に形成されている。基礎部３０２、可動部３０４及び連結アセンブリー３０６は、全体として、例えば、線形デルタ機構を構成することができる。
【００５３】
協調制御ロボット３００は、可動部３０４に連結されたツールアセンブリー３０８と、ユーザーにより協調制御ロボット３００の少なくとも一部分に加えられた圧力に応じて可動部３０４の動きを制御すべく連結アセンブリー３０６と交信するように構成された（図示しない）制御システムとをさらに備えている。本実施形態における制御システムは、図１１に示される制御システム１１０と類似するか又は実質的に同一である。
【００５４】
いくつかの実施形態においては、連結アセンブリー３０６は、さらに少なくとも３つの（図示しない）モーターを備える場合があり、これらの各モーターは各々少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアーム３１２，３１４，３１６の各々に連動連結されている。これら少なくとも３つのモーターの各々は、可動部３０４がモーターの重量を支えることなく自由に可動である態様で、基礎部３０２によって支持されている。
【００５５】
少なくとも３つの独立に作動可能なアクチュエーターアーム３１２，３１４，３１６の各々は、互いに連結された構造体のペア（例えば、アクチュエーターアーム３１４に対しては３２４と３２６のペア）を備えており、かかる構造体のペアは（クロス部材と共に）、アクチュエーターアームの操作中に歪度が変化する平行四辺形の形状を形成する。
【００５６】
ツールアセンブリー３０８は、ツ−ルホルダー３３２とツ−ルホルダー３３２に連動連結されたツール回転アセンブリー３３４を備えることができる。ツール回転アセンブリー３３４は、ツール３３６がツールホルダー１３２によって支持されているときにツール１３６の方向付けのための少なくとも２以上の回転自由度、又は選択的に少なくとも３以上の回転自由度を設けている。しかしながら、本発明の一般的概念は、図１６−１９に示される特定のツールアセンブリー３０８に限定されるわけではない。いくつかの実施形態においては、ツール３３６は改良されていないツールであり得る。いくつかの実施形態においては、協調制御ロボット１００は、例えば顕微手術ロボットのような手術外科ロボットであり得るが、これには限定されず、ツール３３６は例えば改良されていない外科ツールであり得る。しかしながら、本発明の一般的概念は、外科ロボットのみに限定されず、また、改良されていないツールのみに限定されるわけではない。
【００５７】
操作にあたり、ユーザーは外科手術、製造又はこれら以外に適用可能な操作手順を実施するためにツール３３６を掴む。顕微手術または微細精密製造などを例示できるが、これらに限定されるわけではない。１つ以上の圧力センサーを用いてユーザーにより加えられた圧力を検出し、制御システムは可動部３０４及びツールアセンブリー３０８をユーザーの所望どおりに移動する。例えば、手の震えによる影響を軽減するために、ユーザーの動作は顕微手術も円滑に実行できる程度に拡大縮小される。制御システムはプログラム済の機能、例えば、これらに限定されないが、通過できない安全圏又は操作の限定領域などの機能を有しうる。制御システムは、例えば、ある程度のオートメーション機能又は半オートメーション機能を有していてもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態においては、基礎部３０２は支持構造に取り付けられていてよい。支持構造は、例えば図１２の実施形態における支持構造２０２と同一または類似であってよい。他の実施形態においては、支持機構は、例えば１つ以上のベッドレールであってよい。しかしながら、本発明の一般的概念は上述した特定の支持構造に限定されない。
【００５９】
図２０は、本発明の他の実施形態に係るロボットシステム４００を示している。ロボットシステム４００は、指示構造４０２と、支持構造４０２に連結された第１の協調制御ロボット４０４及び第２の協調制御ロボット４０６と、第１の協調制御ロボット４０４及び第２の協調制御ロボット４０６と交信する図示しない制御システムとを備えている。第１の協調制御ロボット４０４及び第２の協調制御ロボット４０６の各々は、それぞれ本発明の実施形態に係るいずれかの協調制御ロボットである。図２０の例においては、第１の協調制御ロボット４０４及び第２の協調制御ロボット４０６は、協調制御ロボット３００と同一又は類似である。
【００６０】
図２０の実施形態においては、支持構造４０２は、第１のベッドレール４１０と第２のベッドレール４０２を有する手術用ベッドである。
【００６１】
図２０は、例えばツール同士が互いに近くで使われ実質的に平行になるように配置された２台の協調制御ロボットの他の実施形態を示している。ロボットシステム４００には２台の協調制御ロボットが備えられているが、本発明の一般的概念は協調制御ロボットが２台のみであるシステムに限定されない。例えば、３台以上の協調制御ロボットを有するロボットシステムも当該他の実施形態に含まれうる。
【００６２】
本発明に係るいくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーにより加えられた圧力に起因して、協調制御の中断又は補足の少なくとも一方を行うために制御システムと交信するユーザー入力機器をさらに備えてよい。例えば、いくつかの実施形態においては、ロボットシステム４００はユーザー入力機器４１４を有してよい。ユーザー入力機器４１４は、例えば足踏みペダルであるが、これに限定されない。
【００６３】
上述のとおり、本発明に係るいくつかの実施形態は、２台の協調制御ロボットを有してよい。協調制御ロボットは外科医が両手を用いて操作することができ、これにより両手を用いた外科手術能力を備えるように配置されてよい。いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、ＪＨＵの「ｓｔｅａｄｙ  ｈａｎｄ」ロボットに類似した実地協調制御パラダイムを有することがある。この場合、ツールホルダー、ツールホルダーの制御ハンドルあるいはツール自身に取り付けられた圧力センサーが、外科医によりツールに加えられた圧力を感知し、かかる圧力に従ってロボットを動かすので、外科医は、通常の手術におけるのと同様に自分自身でそのツールを操作しているという印象を持ち得る。しかし、実際ツールを動かしているのはロボットなので、手の震えはないか、あっても十分減少されている。また、外科医がツールから手を放すと、通常の手術の現場では下に落ちてしまうであろうところ、当システムにおいてはその位置に留まる。
【００６４】
いくつかの実施形態に係るロボットシステムは、ダ・ヴィンチ（登録商標）外科ロボットの制御に用いられるようなマスター制御アーム、米国センサブル・テクノロジーズ社のＳｅｎｓａｂｌｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｏｍｎｉ（登録商標）のアームのようなより簡素なマスター制御アーム、複数のジョイスティックまたは他のマスター制御アームから遠隔操作されることもある。この場合、圧力センサーにより感知されたツールに加えられる圧力をマスター制御アームにフィードバックすることにより、触覚フィードバックを提供したりロボットの動きを調整したりすることができる。また、制御モードは、遠隔操作と実地協調制御をミックスすることもでき、また両者を切り替えることもできる。
【００６５】
さらに、単純な動作について半自律制御又は監視制御できるよう、ロボットにプログラムを組み込むこともできる。この場合、外科医は一方又は双方のツ−ルを操作することによりツールと生体組織間との所望の関係を確立し、外科医が監視しつつロボットに対し限定された立体空間の範囲内で一つ以上の動作を自律的に行うよう指示することができる。かかる動作の一例として、針又は注射器を生体組織に特定の短い長さだけ正確に挿入し、センサーが閾値を超えたときに止まる、という動作が挙げられる。
【００６６】
協調制御とは、安定性を有するロボットを制御する方法をいう。外科医とロボットの両者がツールを掴む（又は、外科医がツールに取り付けられたハンドルを掴む）。ロボットは外科医によって加えられた圧力を感知し、その動作に従った動きをする。協調制御の一般的な概念が以下の文献に説明されており、その全内容は参照によって本出願に組み込まれる。
●Ｒ．  Ｋｕｍａｒ，  Ｔ．  Ｇｏｒａｄｉａ，  Ａ．  Ｂａｒｎｅｓ，  Ｐ．  Ｊｅｎｓｅｎ，  Ｌ．  Ｗｈｉｔｃｏｍｂ，  Ｄ．  Ｓｔｏｉａｎｏｖｉｃｉ，  Ｌ．  Ａｕｅｒ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｓｕｒｇｅｒｙ−Ｓｃａｌｅ  Ｍｏｔｉｏｎｓ"，  ｉｎ  ２ｎｄ  Ｉｎｔ．  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｕｒｇｅｒｙ，  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，  Ｅｎｇｌａｎｄ，  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９−２２，  １９９９．  ｐｐ．  １１０８−１１１５．  
●Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  Ｐ．  Ｊｅｎｓｅｎ，  Ｌ．  Ｌ．  Ｗｈｉｔｃｏｍｂ，  Ａ．  Ｂａｒｎｅｓ，  Ｒ．  Ｋｕｍａｒ，  Ｄ．  Ｓｔｏｉａｎｏｖｉｃｉ，  Ｐ．  Ｇｕｐｔａ，  Ｚ．  Ｘ．  Ｗａｎｇ，  Ｅ．  ｄｅＪｕａｎ，  ａｎｄ  Ｌ．  Ｒ．  Ｋａｖｏｕｓｓｉ，  "Ａ  Ｓｔｅａｄｙ−Ｈａｎｄ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｕｒｇｉｃａｌ  Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ"，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，  ｖｏｌ．  １８−１２，  １９９９．
●Ｋａｐｏｏｒ，  Ｒ．  Ｋｕｍａｒ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｓｉｍｐｌｅ  Ｂｉｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔａｓｋｓ  ｗｉｔｈ  ａ  "Ｓｔｅａｄｙ  Ｈａｎｄ"  Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ"，  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｉｘｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ  〜  ＭＩＣＣＡＩ  ２００３，  Ｍｏｎｔｒｅａｌ，  Ｎｏｖ  １５−１８，  ２００３．  ｐｐ．  １４１−１４８．
●Ｉｏｒｄａｃｈｉｔａ，  Ａ．  Ｋａｐｏｏｒ，  Ｂ．  Ｍｉｔｃｈｅｌｌ，  Ｐ．  Ｋａｚａｎｚｉｄｅｓ，  Ｇ．  Ｈａｇｅｒ，  Ｊ．  Ｈａｎｄａ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｓｔｅａｄｙ−Ｈａｎｄ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｒｅｔｉｎａｌ  Ｓｕｒｇｅｒｙ"，  ｉｎ  ＭＩＣＣＡＩ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，  Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ５，  ２００６．  ｐｐ．  ６６−７３．
【００６７】
前述の制御モードのいずれも、仮想取付具（"ｖｉｒｔｕａｌ  ｆｉｘｔｕｒｅｓ"）による改良を通じてロボットの動作をさらに制約することができる。かかる仮想取付具は動的制約（すなわち仮想ＲＣＭ（"ｖｉｒｔｕａｌ  ｒｅｍｏｔｅ−ｃｅｎｔｅｒ−ｏｆ−ｍｏｔｉｏｎ"）をツールに実装すること）から派生したものである。かかる仮想取付具を提供する方法についてのさらなる議論が以下の文献に説明されており、その全内容は参照によって本出願に組み込まれる。
●Ｊ．  Ｆｕｎｄａ，  Ｒ．  Ｔａｙｌｏｒ，  Ｂ．  Ｅｌｄｒｉｄｇｅ，  Ｓ．  Ｇｏｍｏｒｙ，  ａｎｄ  Ｋ．  Ｇｒｕｂｅｎ，  "Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｃａｒｔｅｓｉａｎ  ｍｏｔｉｏｎ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｅｄ  ｓｕｒｇｉｃａｌ  ｒｏｂｏｔｓ"，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，  ｖｏｌ．１２−３，  ｐｐ．４５３−４６６，  １９９６．
●Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  ５，８８７，１２１，  Ｊ．  Ｆｕｎｄａ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｃａｒｔｅｓｉａｎ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ  ｗｉｔｈ  ａｃｔｉｖｅ  ａｎｄ  ｐａｓｓｉｖｅ  ｊｏｉｎｔｓ"，  Ｆｉｌｅｄ  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  １８，  １９９９，  Ｉｓｓｕｅｄ  Ｍａｙ  １，  ２００１．
●Ｍ．  Ｌｉ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｓｐａｔｉａｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  Ａｎａｔｏｍｙ"，  ｉｎ  ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，  Ｎｅｗ  Ｏｒｌｅａｎｓ，  Ａｐｒｉｌ，  ２００４．  ｐｐ．１２７０−１２７５．
●Ｍ．  Ｌｉ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｓｐａｔｉａｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  Ａｎａｔｏｍｙ"，  ｉｎ  ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，  Ｎｅｗ  Ｏｒｌｅａｎｓ，  Ａｐｒｉｌ，  ２００４．  ｐｐ．１２７０−１２７５．
●Ｍ．  Ｌｉ，  Ａ．  Ｋａｐｏｏｒ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ａ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ"，  ｉｎ  ＩＥＥＥ／ＲＳＪ  Ｉｎｔ  Ｃｏｎｆ  ｏｎ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｒｏｂｏｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  （ＩＲＯＳ），  Ｅｄｍｏｎｔｏｎ，  Ａｌｂｅｒｔａ，  Ｃａｎａｄａ，  ２００５，  ｐｐ．２９２４−２９２９
●Ｍ．  Ｌｉ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｅｄ  ａｎｄ  ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｓｕｒｇｉｃａｌ  ｒｏｂｏｔｓ  ｗｉｔｈ  ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｓｐａｔｉａｌ  ｖｉｒｔｕａｌ  ｆｉｘｔｕｒｅｓ．"，  ｉｎ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，  Ｂａｒｃｅｌｏｎａ，  Ｓｐａｉｎ，  ２００５
●Ａ．  Ｋａｐｏｏｒ，  Ｎ．  Ｓｉｍａａｎ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｔｅｌｅｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｎａｋｅ−Ｌｉｋｅ  Ｒｏｂｏｔｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ  Ｉｎｖａｓｉｖｅ  Ｓｕｒｇｅｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｐｐｅｒ  Ａｉｒｗａｙ"，  ｉｎ  ＭＩＣＣＡＩ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，  Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ，  Ｏｃｔｏｂｅｒ，  ２００６．  ｐｐ．１７−２５．
●Ｍ．  Ｌｉ，  Ｍ．  Ｉｓｈｉｉ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｓｐａｔｉａｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔ  Ｕｓｉｎｇ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  Ａｎａｔｏｍｙ"，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，  ｖｏｌ．２３−１，  ｐｐ．４−１９，  ２００７．
●Ｍ．  Ｌｉ，  Ａ．  Ｋａｐｏｏｒ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｈ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｂｙ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，  ｉｎ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｈｕｍａｎ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，  Ｂｉｌａｔｅｒａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｍ．  Ｆｅｒｒｅ，  Ｍ．  Ｂｕｓｓ，  Ｒ．  Ａｒａｃｉｌ，  Ｃ．  Ｍｅｌｃｈｉｏｒｒｉ，  ａｎｄ  Ｃ．  Ｂａｌａｇｕｅｒ，  Ｅｄｓ．，  ２００７，  ｐｐ．３８１−４０１．
●Ａ．  Ｋａｐｏｏｒ，  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｓ  ｆｏｒ  Ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｔａｓｋｓ，  Ｐｈ．Ｄ．  ｔｈｅｓｉｓ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  Ｊｏｈｎｓ  Ｈｏｐｋｉｎｓ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，  Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，  ２００７．
●Ａ．  Ｋａｐｏｏｒ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ａ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｕｌｔｉ−Ｈａｎｄｅｄ  Ｔａｓｋｓ"，  ｉｎ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ  （ＩＣＲＡ），  Ｐａｓａｄｅｎａ，  Ｍａｙ  １９−２３，  ２００８．  ｐｐ．３４０１−３４０６．
●Ｎ．  Ｓｉｍａａｎ，  Ｋ．  Ｘｕ，  Ａ．  Ｋａｐｏｏｒ，  Ｗ．  Ｗｅｉ，  Ｐ．  Ｋａｚａｎｚｉｄｅｓ，  Ｐ．  Ｆｌｉｎｔ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｔａｙｌｏｒ，  "Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ  Ｉｎｖａｓｉｖｅ  Ｓｕｒｇｅｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｔｈｒｏａｔ"，  Ｉｎｔ．  Ｊ．  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  （ｓｐｅｃｉａｌ  ｉｓｓｕｅ  ｏｎ  ｍｅｄｉｃａｌ  ｒｏｂｏｔｉｃｓ），  ｖｏｌ．  ２８−  ９，  ｐｐ．  １１３４−１１５３，  Ｊｕｎｅ，  ２００９．
ｈｔｔｐ：／／ｉｊｒ．ｓａｇｅｐｕｂ．ｅｏｍ／ｃｇｉ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ａｂｓｔｒａｃｔ／２８／９／ｌ１３４  ＤＯＩ
【産業上の利用可能性】
【００６８】
標準的な外科器具であればアダプターを用いることにより本発明に係る協調制御ロボットに適用することができ、当該ロボットの器具ホルダーに素早く着脱可能である。本発明の実施形態においては、例えば炭素繊維、アルミニウム、あるいはその他の硬くて軽量な素材を用いることが可能である。３台の連結駆動モーターは、例えば、（歯車の）バックラッシュを最小限に抑えるために光学エンコーダーとハーモニックギアヘッド（減速器）を備えた直流サーボモーターによって実装できる。傾斜自由度は、ボールねじのような低バックラッシュねじ機構によって実装できる。例えばタイミングベルトやチェーンなどのような低バックラッシュのギア比低減機構を用いれば駆動シャフトに回転自由度を与えることができる。さらなる減速を要する場合には駆動シャフトの端部に小型のハーモニックギアヘッドを用いてもよい。バックラッシュを最小に抑えるためにスプライン結合又はボールスプラインを用いれば、駆動軸を実装できる。少なくとも３０度の作動角で動作することが可能なニードルベアリング付きのユニバーサルジョイントを駆動シャフトの両端において使用することができる。
【００６９】
他の実施形態においては、例えばダ・ヴィンチ（登録商標）操作端末などのようなマスターを用いてリモートに遠隔操作することもでき、また例えば、米国センサブル・テクノロジーズ社のＰｈａｎｔｏｍＯｍｎｉ（登録商標）（３次元触覚／力覚インターフェイスデバイス）またはジョイスティックなどのより簡素な機器を用いてローカルに遠隔操作することもできる。この場合、組み込み式の圧力センサーを用いて外科医師に対してツールに加えられた圧力をフィードバックすることが可能である。
【００７０】
他の実施形態においては、市販の外科器具ではなく、ダ・ヴィンチ（登録商標）システムが用いる手首付きの器具のような高度な巧緻性を有する特注品を組み入れることも可能である。
【００７１】
他の実施形態においては、駆動軸の追加、エンドエフェクターへの小型モーターの直接組み込み、あるいは、例えば空気圧技術などのような、その他の動力伝達方法を用いることによってより高い自由度を実現可能である。
【００７２】
駆動軸は、他の構成であってもよく、例えば、２つの同軸シャフトでもよく、また、双方のシャフトが軸心から離れた場所に位置して鎖、ベルト、ケーブルなどにより傾斜／回転機構に結合されている構成であってもよい。
【００７３】
軸から傾斜機構、回転機構への動力伝達方法としては、上記以外の方法（鎖、ケーブル、滑車、ベルトなど）を用いることも可能である。
【００７４】
傾斜機構は幾多の方法により実装することができる。例えば、図面に示されるとおり線形アクチュエーターにより駆動される４バー連係、回転式アクチュエーターにより駆動される連係、鎖、ケーブル、滑車又はこれら以外の連結手段を利用した回転式アクチュエーターにより直接駆動される連係などがある。アイロボット２のように動作連係のリモートセンターを用いることも可能である。
【００７５】
他の実施形態においては、２人以上のユーザーに対するロボット支援あるいは１人のユーザーのためのより多数の器具の制御を提供する目的で、追加ロボットツール制御アセンブリーを追加することが可能である。
【００７６】
軟性内視鏡又は硬性内視鏡のような視覚化機器を制御するためのロボットを追加することが可能である。
【００７７】
ＡｄｅｐｔＱｕａｔｔｒｏ（登録商標）（図７中左）のように、剛性を強化するために、４つの連係を有するアクチュエーターにデルタ機構を実装することも可能である。
【００７８】
適用する分野によっては、ロボットに線形改良型デルタ機構を用いることが幾何級数的に有利である場合がある。
【００７９】
（参考文献）
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当明細書において説明され議論された実施形態は、当業者に本発明に係るものを製造し使用する方法を教示することのみを意図したものである。本発明の実施形態を記載するにあたり、明確性を確保するために特定の技術用語が用いられている。しかし、本発明は、かかる選択された特定の技術用語に限定することを意図するものではない。上記の本発明の実施形態は、上記技術を考慮することにより当業者によって認識されるように、本発明から逸脱することなく変形・変更されてもよい。したがって、特許請求の範囲およびその同等範囲内において、本発明は特に説明された以外の方法でも実施されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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