(57)【要約】本発明の一実施形態において、リンケージと、枢動接合部のまわりでリンケージに連結される平衡化機構とを含む装置が提供される。リンケージは第１の端部において支持構造に連結し、第２の端部に加えられる重量を支持する。平衡化機構は、リンケージの第２の端部に加えられる重量を平衡化する。異なるモーメントアーム長を有する重量の高さを鉛直方向に調整するためにリンケージが変形すると、平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて、ばね（５１５）の圧縮およびケーブル（５０１）の張力を修正し、リンケージに加えられるカウンタバランス力の大きさを調整する。
2010516398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部で支持構造に連結されるリンケージであって、該第１の端部とは反対側の該リンケージの第２の端部に加えられる荷重を支持する、リンケージと、
枢動接合部のまわりで該リンケージに連結される平衡化機構であって、該リンケージの該第２の端部に加えられる該荷重を平衡化するための、ばね、ケーブル、および少なくとも１つのプーリを含む、平衡化機構と、
を備える、装置であって、
該リンケージが、可変モーメントアーム長により該荷重の位置を鉛直方向に調整するときに、該平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて該ばねの圧縮および該ケーブルの張力を修正し、該リンケージに加えられるカウンタバランス力を調整する、
装置。
【請求項２】
前記平衡化機構は、それぞれ実質的に同じ直径を有する、第１、第２、および第３のプーリを含み、
該第１、第２、および第３のプーリの周囲の前記ケーブルの接触角の合計は、実質的に一定である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記平衡機構は、第１、第２、および第３のプーリであって、該第３のプーリは前記枢動接合部でシャフトに連結される、第１、第２、および第３のプーリと、
前記リンケージの位置の変化に応答して前記ケーブルパス長を修正するように変化する、該第１のプーリと該第２のプーリとの間の直線距離と、を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のプーリと前記第３のプーリとの間の直線距離は、一定であり、
前記第２のプーリと前記第３のプーリと間の直線距離は、一定である、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１、第２、および第３のプーリの中心点位置は、調整可能な三角形を形成し、
該調整可能な三角形は、前記リンケージが水平であるときには、少なくとも１つの頂角が実質的に９０度である直角三角形である、
請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記リンケージは、平行四辺形のリンケージ構造である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
それに回転可能に連結される第１の回転伝達デバイスを有する第１のリンクであって、
第１の端部で支持機構に連結する、第１のリンクと、
それに回転可能に連結される第２の回転伝達装置と、それに連結される第１の端部を有する第１の圧縮ばねとを有する、第２のリンクであって、第１の枢動点において該第１のリンクに枢動可能に連結される、第２のリンクと、
該第１の枢動点において該第２のリンクと該第１のリンクとの間に連結される、第３の回転伝達装置と、
該第２のリンクに連結され、該第３の回転伝達装置、該第１の回転伝達装置、および該第２の回転伝達装置上に経路設定され、かつ、該第１の圧縮ばねの第２の端部に連結されて、該第２のリンクの端部に加えられる荷重を平衡化するためにケーブルの張力を形成する、ケーブルと、
を備える、カウンタバランスアーム。
【請求項８】
前記第１の回転伝達装置、前記第２の回転伝達装置、および前記第３の回転伝達装置の中心点が、三角形を形成する、請求項７に記載のカウンタバランスアーム。
【請求項９】
前記第１の枢動点のまわりの異なる位置への前記第２のリンクの枢動に応答して、前記三角形は、該異なる位置の該第２のリンクの端部に加えられる荷重を平衡化するように前記ケーブルの前記張力を調整するために、ケーブルパス長および前記第１の圧縮ばねの圧縮を修正するように調整可能である、請求項８に記載のカウンタバランスアーム。
【請求項１０】
前記第１、第２、および第３の回転伝達装置の周囲の前記ケーブルの接触角の合計は、前記第１の枢動点のまわりの前記第２のリンクの前記枢動に応答して、実質的に一定である、請求項９に記載のカウンタバランスアーム。
【請求項１１】
前記第１の回転伝達装置と前記第２の回転伝達装置との間の直線距離は、前記第２のリンクの前記枢動に応答して変動し、前記ケーブルパス長および前記第１の圧縮ばねの前記圧縮を修正する、請求項９に記載のカウンタバランスアーム。
【請求項１２】
前記第１の回転伝達装置、前記第２の回転伝達装置、および前記第３の回転伝達装置は、スプロケット、タイミングギア、またはプーリのうちの１つであり、
張力機構は、それぞれ、チェーン、タイミングベルト、またはケーブルのうちの１つである、
請求項９に記載のカウンタバランスアーム。
【請求項１３】
ロボットアームを支持するセットアップアームであって、
支持構造に連結する第１のセットアップ接合部であって、それに回転可能に連結される第１のプーリを有する、第１のセットアップ接合部と、
該第１のセットアップ接合部から離れて位置する第２のセットアップ接合部であって、それに支持を提供するためにロボットアームに連結される、第２のセットアップ接合部と、
第１の枢動点において該第１のセットアップ接合部と、第２の枢動点において該第２のセットアップ接合部とに枢動的に連結され、該第２のセットアップ接合部における荷重を平衡化する、カウンタバランスリンクであって、該カウンタバランスリンクは、
第１の端部において第１の開口を有する円筒形空洞を有する中空筐体と、
該中空筐体に回転可能に連結される第２のプーリと、
該筐体に連結される第１の端部を有する、該円筒形空洞内の第１の圧縮ばねであって、該第２のセットアップ接合部における該荷重の力を平衡化するために圧縮されている、第１の圧縮ばねと、
該カウンタバランスリンクと該第１のセットアップ接合部との間の該第１の枢動点に中心点を有する第３のプーリであって、該第１、第２、および第３のプーリの中心点位置は、三角形の頂点である、第３のプーリと、
を含む、カウンタバランスリンクと、
該円筒形空洞の中に向けて該第２のプーリに巻きつけられ、該第１の圧縮ばねの第２の端部に連結される、張力下にある少なくとも１つのケーブルであって、該第１および第３のプーリにさらに巻きつけられ、該セットアップアームに連結される、張力下にある少なくとも１つのケーブルと、
を備える、セットアップアーム。
【請求項１４】
前記第１、第２、および第３のプーリの前記中心点位置によって形成される前記三角形は、張力下にある前記少なくとも１つのケーブルの張力を修正するために、前記第１のセットアップ接合部に対する前記カウンタバランスリンクの枢動に応答して、調整可能である、請求項１３に記載のセットアップアーム。
【請求項１５】
前記第１、第２および第３のプーリの周囲の前記１つ以上のケーブルの接触角の合計は、前記第１のセットアップ接合部に対する前記カウンタバランスリンクの前記枢動に応答して、実質的に一定であり、
該第１のプーリと該第２のプーリとの間の直線距離は、該第１のセットアップ接合部に対する該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して変動し、張力下にある前記少なくとも１つのケーブルの前記張力を修正し、該カウンタバランスリンクの該枢動および前記第２のセットアップ接合部における前記荷重による、該カウンタバランスリンクと該第１のセットアップ接合部との間の前記枢動点におけるモーメントおよび機械的倍率の変化を平衡化する、
請求項１４に記載のセットアップアーム。
【請求項１６】
張力下にある前記少なくとも１つのケーブルは、前記カウンタバランスリンク、前記第１のセットアップ接合部、または前記第２のセットアップ接合部に連結することによって、前記セットアップアームに連結される、
請求項１３に記載のセットアップアーム。
【請求項１７】
張力下にある前記少なくとも１つのケーブルは、前記カウンタバランスリンクに連結されるポストに巻き付くことによって、前記セットアップアームに連結され、
張力下にある該少なくとも１つのケーブルは、前記第１、第２、および第３のプーリに２回巻きつけられ、
張力下にある該少なくとも１つのケーブルは、前記第１の圧縮ばねの前記第２の端部に連結される一対の端部を有する、
請求項１３に記載のセットアップアーム。
【請求項１８】
張力下にある前記少なくとも１つのケーブルは、張力下にある複数のケーブルであり、そのそれぞれは、前記第１の圧縮ばねの圧縮によって生成される全張力を分担するために実質的に同じ張力を有する、
請求項１３に記載のセットアップアーム。
【請求項１９】
前記中空筐体は、第１の対角線状にカットされた端部と、該第１の対角線状にカットされた端部とは反対側の第２の対角線状にカットされた端部とを有し、該第１の対角線状にカットされた端部および該第２の対角線状にカットされた端部は、それぞれ、前記第１のセットアップ接合部および前記第２のセットアップ接合部のまわりの前記カウンタバランスリンクの動きを増大させる、
請求項１３に記載のセットアップアーム。
【請求項２０】
前記第１、第２、および第３のプーリのそれぞれは、実質的に同じ直径を有する、
請求項１３に記載のセットアップアーム。
【請求項２１】
前記第１のプーリと前記第２のプーリとの間の第１の直線距離は、前記第１のセットアップ接合部による前記第１の枢動点における前記カウンタバランスリンクの枢動に応答して変動し、
該第１のプーリと前記第３のプーリとの間の第２の直線距離は、該第１のセットアップ接合部による該第１の枢動点における該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して一定を保ち、
該第２のプーリと該第３のプーリとの間の第３の直線距離は、該第１のセットアップ接合部による該第１の枢動点における該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して一定を保つ、
請求項２０に記載のセットアップアーム。
【請求項２２】
前記カウンタバランスリンクは、該カウンタバランスリンクの剛性を増加するために、前記第１の端部で前記円筒形空洞を閉鎖するために前記第１の開口内に連結されるプラグをさらに含む、
請求項１３に記載のセットアップアーム。
【請求項２３】
前記カウンタバランスリンクに対して実質的に平行となるように、第３の枢動点で前記第１のセットアップ接合部と、第４の枢動点で前記第２のセットアップ接合部とに、枢動的に連結されるアイドルリンクであって、該第１のセットアップ接合部と該第２のセットアップ接合部との間の前記セットアップアームの剛性と、該セットアップアームの耐荷重能力とを増加させる、アイドルリンクをさらに備える、
請求項２２に記載のセットアップアーム。
【請求項２４】
前記第１のセットアップ接合部は、前記第１および前記第３の枢動点でそれぞれ前記アイドルリンクおよびカウンタバランスリンクに連結される、第１のブラケットを有し、該第１のブラケットは、該第１のセットアップ接合部が第１の軸のまわりに回転できるようにし、
前記第２のセットアップ接合部は、前記第２および前記第４の枢動点でそれぞれ該アイドルリンクおよびカウンタバランスリンクに連結される、第２のブラケットを有し、該第２のブラケットは、該第２のセットアップ接合部が第２の軸のまわりに回転できるようにする、
請求項２３に記載のセットアップアーム。
【請求項２５】
前記アイドルリンクおよび前記カウンタバランスリンクは、平行リンクであり、
前記第１および第３の枢動点、ならびに前記第２および第４の枢動点は、該平行リンクの捩り剛性を増加させるために、該アイドルリンクの前記筐体および該カウンタバランスリンクの前記筐体によって相隔てられている、
請求項２３に記載のセットアップアーム。
【請求項２６】
前記カウンタバランスリンクは、張力下にある前記少なくとも１つのケーブルを前記第１の圧縮ばねの前記第２の端部に連結する、クランプ機構をさらに含む、
請求項２５に記載のセットアップアーム。
【請求項２７】
前記クランプ機構は、
前記第１の圧縮ばねの中心開口内にあり、かつそれに対して同軸であるリボナイザであって、１つの端部に一対のスロットを有する、リボナイザと、
該リボナイザの該一対のスロット内に連結されるクランプブロックであって、張力下にある前記少なくとも１つのケーブルを該第１の圧縮ばねに連結する、クランプブロックと、
を含む
請求項２６に記載のセットアップアーム。
【請求項２８】
前記クランプ機構は、
前記圧縮ばねと同軸である、前記リボナイザの周囲のねじ切りされたスリーブであって、該ねじ切りされたスリーブは外部ねじ山を有し、該ねじ切りされたスリーブの１つの端部は、該リボナイザの隆起部に連結される、ねじ切りされたスリーブと、
該ねじ切りされたスリーブの該外部ねじ山とねじによって係合される、内部ねじ山を有するナットであって、該プレテンション式のナットは張力下にある前記少なくとも１つのケーブルの張力を調整する、ナットと、
該ねじ切りされたスリーブ上の嵌合リングであって、該ナットから力を受けてそれを、張力下にある該少なくとも１つのケーブルの該張力を調整するために前記第１の圧縮ばねに連結する、嵌合リングと、
をさらに含む、
請求項２７に記載のセットアップアーム。
【請求項２９】
前記クランプ機構は、
前記ねじ切りされたスリーブの上にある、前記ナットと前記嵌合リングと間に連結されるスラスト軸受であって、該ナットから力を受けてそれを該嵌合リングに連結する、スラスト軸受をさらに含む、
請求項２８に記載のセットアップアーム。
【請求項３０】
前記クランプ機構は、
前記クランプブロック上に開口を有し、かつ前記リボナイザに連結される回転防止プレートであって、前記ナットが回転されるときに、該リボナイザ、前記ねじ切りされたスリーブ、および該クランプブロックが回転することを阻止するために、前記空洞内の１つ以上の凹部に連結される１つ以上の突起部を有する回転防止プレートをさらに含む、
請求項２９に記載のセットアップアーム。
【請求項３１】
前記クランプ機構は、
張力下にある前記少なくとも１つのケーブルの少なくとも１つの端部と前記クランプブロックとの間に連結される、１つ以上のケーブルテンショナであって、張力下にある該少なくとも１つのケーブルに事前に張力を加える、１つ以上のケーブルテンショナをさらに含み、
該１つ以上のケーブルテンショナのそれぞれは、
張力下にある該少なくとも１つのケーブルの上にある第２の圧縮ばねと、
張力下にある該少なくとも１つのケーブルに、その端部の近傍で連結される、ケーブルターミネータと、を含む、
請求項２７に記載のセットアップアーム。
【請求項３２】
張力下にある前記少なくとも１つのケーブルは、張力下にある複数のケーブルであり、前記クランプブロックは、
積層された複数のクランププレートであって、該複数のクランププレートのそれぞれは、第１の開口と、該第１の開口から離れて位置する第２の開口と、張力下にある該複数のケーブルの少なくとも１つのケーブルセグメントを捕捉するための、少なくとも１つの溝とを有する、積層された複数のクランププレートと、
該複数のクランププレートのそれぞれの、該第１の開口に挿入される第１の締結具と、
該複数のクランププレートのそれぞれの、該第２の開口に挿入される第２の締結具と、を含み、
該第１の締結具および該第２の締結具は、該複数のクランププレートをケーブルセグメントの周囲でともに圧迫して、十分な力でその上に締め付ける、
請求項２７に記載のセットアップアーム。
【請求項３３】
前記複数のクランププレートは、
上部側に少なくとも１つの溝を有する第１の外部クランププレートと、
該第１の外部クランププレートの上にある１つ以上の内部クランププレートであって、該１つ以上の内部クランププレートのそれぞれは、上部側に少なくとも１つの第１の溝と、底部側に少なくとも１つの第２の溝とを有し、１つの内部クランププレートは、該第１の外部クランププレートの該少なくとも１つの溝の上に整合される、その少なくとも１つの第２の溝を有する、１つ以上の内部クランププレートと、
底部側に少なくとも１つの溝を有する第２の外部クランププレートであって、該第２の外部クランププレートの該少なくとも１つの溝は、１つの内部クランププレートの該少なくとも１つの第１の溝の上に整合される、第２の外部クランププレートと、
を含む、
請求項３２に記載のセットアップアーム。
【請求項３４】
前記複数のケーブルは、実質的に同じ直径を有し、
前記複数のクランププレートの前記少なくとも１つの溝のそれぞれの深さは、該複数のケーブルの該直径の半分未満である、
請求項３３に記載のセットアップアーム。
【請求項３５】
前記第１の外部クランププレートの前記第１および前記第２の開口は、前記複数のクランププレートを前記ケーブルセグメントのまわりでともに圧迫して、十分な力でその上に締め付けるために、前記第１の締結具および前記第２の締結具とそれぞれねじによって連結するようにねじ切りされている、請求項３３に記載のセットアップアーム。
【請求項３６】
前記第１の外部クランププレートの前記第１の開口は、前記第１の締結具とねじによって連結するように、ねじ切りされており、
前記第２の外部クランププレートの前記第２の開口は、前記第２の締結具とねじによって連結するように、ねじ切りされており、
前記第１の締結具および前記第２の締結具は、両側から、前記複数のクランププレートを前記ケーブルセグメントのまわりでともに圧迫して、十分な力でその上に締め付ける、
請求項３３に記載のセットアップアーム。
【請求項３７】
張力下にある前記複数のケーブルは、実質的に互いに平行に経路設定され、
前記複数のクランププレートのそれぞれの前記少なくとも１つの溝は、張力下にある前記複数のケーブルのケーブルセグメントを捕捉するために、実質的に平行な一対の溝である、
請求項３２に記載のセットアップアーム。
【請求項３８】
ロボット外科手術システムのセットアップアームのための方法であって、
荷重を支持するための平衡化機構を有するリンケージ構造を平衡化するステップと、
該リンケージ構造のリンクの端部における該荷重による、枢動点におけるモーメントを変化させるように、該リンケージ構造を動かすステップと、
該モーメントの変動を平衡化するために、ばねを圧縮または減圧縮して、１つ以上のケーブルの張力をそれぞれ増加または減少するように、該平衡化機構の複数のプーリ上の１つ以上のケーブルのパス長を変更するステップと、
を包含する、方法。
【請求項３９】
前記平衡化するステップは、
前記荷重を支持するように、前記リンケージ構造のばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の前記１つ以上のケーブルに、張力を加えるステップを含む、
請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記１つ以上のケーブルは、複数のケーブルであり、
前記平衡化するステップは、
前記荷重を支持するように、前記リンケージ構造のばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の該複数のケーブルに張力を加えるステップであって、該複数のケーブルのそれぞれは、実質的に平等に荷重を分担する、ステップを含む、
請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記平衡化するステップは、
張力を加える前に、それぞれにおける初期張力を実質的に平等化するために、前記リンケージ構造の前記ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の複数のケーブルの各ケーブルに、独立に事前に張力を加えるステップ、をさらに含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記複数のプーリ上の前記１つ以上のケーブルのケーブル長を調整した後に、前記リンケージ構造の動きを阻止するために接合部ブレーキを適用するステップ、をさらに包含する、
請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
前記リンケージ構造を前記動かすステップは、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の機械的倍率をさらに変化させる、
請求項３８に記載の方法であって、該方法は、
該機械的倍率の変動を平衡化するために、該ばねを圧縮または減圧縮して、前記１つ以上のケーブルの張力を増加または減少させるように、該ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の前記複数のプーリ上の１つ以上のケーブルの前記パス長を変更するステップ、をさらに包含する、
方法。
【請求項４４】
前記リンケージ構造は、平行四辺形のリンケージ構造であり、前記平衡化機構は、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構である、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ロボット外科手術システムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、ロボット外科手術用アームのためのカウンタバランスシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボット外科手術システムのロボット外科手術用アームは、ロボット外科手術用アームを患者のテーブルに取り付けることによって、またはこうしたアームを、患者の近くに床上を車輪によって移動される患者側カートに取り付けることによって、患者の上方に支持されていた。
【０００３】
患者側カートは床面積をとり、さらに、一般的には、主操作盤と患者側カートとの間に床に沿って経路を定められたケーブルを必要とする。こうしたコードは、つまずきやすい。さらに、患者側カートおよびロボット外科手術システムはセットアップの手順が必要である。場合によっては、この患者側カートは、患者のそばに置かれる代わりに患者の頭または足の方に配置される。外科手術の終了後に、患者側カートは邪魔にならないように移動される。この患者側カートは重く、移動しにくい。
【０００４】
加えて、床上にないとはいえ、患者のテーブルへロボット外科手術用アームを取り付けることは、一般的には、可動範囲および施行可能な外科手術の種類を制限する。ロボット外科手術用アームは、患者のテーブルのいずれかの側または両側に取り付けられ得る。しかしながら、テーブルに取り付けられたときには、ロボット外科手術用アームはしばしば、互いにぶつかることを避けるために、その可動域を制限される。
【０００５】
ロボット外科手術用アームの可動範囲を大きく保ちながら、手術室の床を乱雑にすることなく、患者の上方にロボット外科手術用アームを取り付けることが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、以下に記載される請求項にまとめて記載される。
【０００７】
以下の図面は、詳細な説明を参照しながら読まれるべきである。異なる図面における同様の数字は、同様の要素を示す。図面は、必ずしも縮尺通りに記載されているとは限らず、本発明の実施形態を図解的に説明するものであり、本発明の範囲を限定することを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、外科手術処置を入力するための外科医用マスタ操作盤またはワークステーションと、天井に取り付けられたロボットカートとを含む、ロボット外科手術システムの斜視図であり、天井に取り付けられたロボットカートは、複数の患者側ロボットマニピュレータが、外科手術用エンドエフェクタを有する外科手術器具を、手術部位においてロボット的に動かすことを可能にするための位置決めリンケージと、１つの内視鏡カメラロボットマニピュレータと、事前設定されるモニタとを含む。
【図２Ａ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図２Ｃ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図２Ｄ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図２Ｅ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図２Ｆ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図２Ｇ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図２Ｈ】図２Ａ〜図２Ｈは、患者側ロボットマニピュレータまたはロボット外科手術用アームを支持および位置決めする、セットアップ接合部アームの斜視図および上面図を示す。
【図３】図３は、小型のカウンタバランス機構を有する第１のセットアップアームの右側からの斜視図である。
【図４】図４は、小型のカウンタバランス機構を有する第１のセットアップアームの左側の斜視図である。
【図５】図５は、小型のカウンタバランス機構を有する第１のセットアップアームの右側の切り欠き断面図である。
【図６Ａ】図６Ａ〜図６Ｂは、角度位置および水平位置における、小型のカウンタバランス機構の右側の拡大切り欠き断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａ〜図６Ｂは、角度位置および水平位置における、小型のカウンタバランス機構の右側の拡大切り欠き断面図である。
【図７】図７は、小型のカウンタバランス機構を有する第２のセットアップアームの右側の切り欠き断面図である。
【図８】図８は、小型のカウンタバランスリンクの斜視図である。
【図９】図９は、中空筐体を取り除いた状態の、小型のカウンタバランスリンクの斜視図である。
【図１０】図１０は、小型のカウンタバランスリンクの一部の拡大切り欠き断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａ〜図１１Ｂは、複数の要素を取り除いた状態の、小型のカウンタバランスリンクの斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａ〜図１１Ｂは、複数の要素を取り除いた状態の、小型のカウンタバランスリンクの斜視図である。
【図１２Ａ】図１２Ａ〜図１２Ｂは、クランプ機構の展開斜視図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａ〜図１２Ｂは、クランプ機構の展開斜視図である。
【図１３】図１３は、ケーブル端部の張力機構の側面の斜視図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、リンクのための、ばねカウンタバランス機構の図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａのばねカウンタバランス機構の略図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、リンクのためのばね、プーリ、およびケーブルのカウンタバランス機構の図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂ〜図１５Ｃは、図１５Ａのばね、プーリ、およびケーブルのカウンタバランス機構の略図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｂ〜図１５Ｃは、図１５Ａのばね、プーリ、およびケーブルのカウンタバランス機構の略図である。
【図１６Ａ】図１６Ａ〜図１６Ｃは、カウンタバランスリンクにさらなる剛性を提供するために、空洞に挿入される末端部プラグの図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａ〜図１６Ｃは、カウンタバランスリンクにさらなる剛性を提供するために、空洞に挿入される末端部プラグの図である。
【図１６Ｃ】図１６Ａ〜図１６Ｃは、カウンタバランスリンクにさらなる剛性を提供するために、空洞に挿入される末端部プラグの図である。
【図１７Ａ】図１７Ａ〜図１７Ｂは、図１２Ａ〜図１２Ｂの展開図に示された、組み立て後のリボナイザ（ｒｉｂｂｏｎｉｚｅｒ）およびクランプブロックの斜視図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａ〜図１７Ｂは、図１２Ａ〜図１２Ｂの展開図に示された、組み立て後のリボナイザおよびクランプブロックの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態の以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解を提供するために、数多くの特定の詳細が述べられる。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細がなくとも実施可能であることが、当業者には明らかである。その他の例においては、本発明の実施形態の局面を不必要に不明瞭にしないために、周知の方法、手順、構成要素、および要素は詳細には記載されていない。
【００１０】
本発明の一実施形態において、ロボットアームを支持するためのセットアップアームが提供される。セットアップアームは、支持構造に連結するための第１のセットアップ接合部、ロボットアームに連結されてそれに支持を提供する第２のセットアップ接合部、第１のセットアップ接合部と第２のセットアップ接合部との間に枢動的に連結されるアイドルリンク、第１のセットアップ接合部と第２のセットアップ接合部との間に連結されるカウンタバランスリンク、カウンタバランスリンクと第１のセットアップ接合部との間でカウンタバランスリンクに連結される第３のプーリ、および、第１、第２、および第３のプーリに巻きつけられ、セットアップアームに連結される、張力下にある少なくとも１つのケーブルを含む。第１のプーリ、第２のプーリ、および第３のプーリの中心点は三角形を形成する。第１のセットアップ接合部は、それに回転可能に連結される第１のプーリを有するブラケットを有する。カウンタバランスリンクは、第２のセットアップ接合部において重量または荷重の力を平衡化するためのカウンタバランス力を生成する。カウンタバランスリンクは、剛性を増加するために楕円形の開口を形成する対角線状にカットされた第１の端部を有する、円筒形空洞を有する中空筐体を含む。カウンタバランスリンクはさらに、筐体に回転可能に連結される第２のプーリ、筐体に連結されるポスト、および、その第１の端部が筐体に連結される、筐体の円筒形空洞内の第１の圧縮ばねを含む。第１の圧縮ばねは、第２のセットアップ接合部において重量の力を平衡化するために圧縮される。張力下にある少なくとも１つのケーブルは、その端部近傍で第１の圧縮ばねの第２の端部に連結される。
【００１１】
本発明の別の実施形態において、ロボット外科手術システムのセットアップアームのための方法が提供される。該方法は、重量または荷重を支持するために、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構を有するリンケージ構造を平衡化するステップと、重量がリンクの端部に存在するときに、枢動点における重量のモーメントを変化させるためにリンケージ構造を動かすステップと、モーメントの変化を平衡化するために、ばねを圧縮または減圧縮（ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓ）して１つ以上のケーブルの張力を増加または減少するために、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構の複数のプーリ上で１つ以上のケーブルのパス長を変更するステップとを含む。
【００１２】
本発明のさらに別の実施形態において、第１のリンクと、第１の枢動点において第１のリンクに枢動的に連結される第２のリンクと、第１の枢動点において第２のリンクと第１のリンクとの間に回転可能に連結される第３のプーリと、第２のリンクに連結され、第３のプーリ、第１のプーリ、および第２のプーリに経路設定されるケーブルとを含む、カウンタバランスアームが提供される。第１のリンクは、第１の端部において支持機構に連結し得る。第１のリンクは、これに回転可能に連結される第１のプーリを有する。第２のリンクは、これに回転可能に連結される第２のプーリを有する。第２のリンクはさらに、これに連結される第１の端部を有する第１の圧縮ばねを有する。ケーブルはさらに、ケーブルに張力を形成するための第１の圧縮ばねの第２の端部に連結され、第２のリンクの端部に加えられる重量を平衡化する。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態において、リンケージ、および、枢動接合部の周囲でリンケージに連結される、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構を含む装置が提供される。リンケージは第１の端部で支持構造に連結し、第２の端部で重量を支持する。ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構は、リンケージの第２の端部における重量を平衡化する。異なるモーメントアーム長を有する重量の高さを鉛直方向に調整するためにリンケージが変形すると、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて、ばねの圧縮およびケーブルの張力を修正し、リンケージに加えられるカウンタバランス力の大きさを調整する。
【００１４】
（天井取り付け型ロボット外科手術システム）
ここで図１を参照すると、例示的なモジュール式マニピュレータ支持アセンブリ１３０、プラットフォームリンケージ１９２、および外科医の操作盤１０３の斜視図を含む、ロボット外科手術システム１００が図示されている。プラットフォームリンケージ１９２は、一対のブラケット１２４によって、天井１０１または頭上の支持構造に連結し得る。モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ１３０は、プラットフォームリンケージ１９２に摺動的に連結される。
【００１５】
オペレータＯ（一般的に、外科医）は、モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ１３０およびプラットフォームリンケージ１９２の下の、手術台Ｔ上に横たわる患者に対して低侵襲外科手術の処置を施行する。オペレータＯは、外科医の操作盤１０３において、１つ以上の入力デバイスまたはマスタ１０２を操作する。外科医の入力に応答して、操作盤１０３のコンピュータプロセッサ１１３は、内視鏡外科手術器具またはツール１０５の動きを指示し、モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ１３０を介して器具のサーボ機構的な動きを実現する。外科手術部位内の画像が、外科医の操作盤１０３の立体的なディスプレイビューア１１２によって外科医またはオペレータＯに表示され、さらに、アシスタントのディスプレイ１０４によって、同時にアシスタントＡに表示される。アシスタントＡは、セットアップリンケージアーム１３８、１４０、１４２、１４４を使用して、患者Ｐに対してマニピュレータ１３２、１３４を事前に位置設定する、１つ以上の外科手術マニピュレータのツール１０５を代替的な外科手術用ツールまたは器具と取り替える、および、関連する非ロボット的医療器具および装置、などを操作する、ことについて補助をする。
【００１６】
モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ１３０は、患者側マニピュレータ１３２または内視鏡カメラマニピュレータ１３４等のロボットマニピュレータを、患者の体の一組の望ましい外科手術切開部位と整合し、かつ支持する。モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ１３０は、一般的に、配向プラットフォーム１３６および配向プラットフォーム１３６に連結可能な複数の設定可能なセットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４を含む。各アーム１３８、１４０、１４２、１４４は、関連するマニピュレータ１３２、１３４を可動的に支持し、これらマニピュレータはさらに、関連する器具を可動的に支持する。この記述は単なる例示を目的としたものであって、モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ１３０の実際の形状、サイズ、または寸法を必ずしも反映するものではないことが理解される。これは、以降に記載される全ての記述にも適用される。
【００１７】
一般的に、アームまたはリンケージ１３８、１４０、１４２、１４４は、システム１００の位置決めリンケージまたはセットアップアーム部分を備え、一般的には、組織を処置しているあいだには、固定された構成のままで維持され、マニピュレータ１３２、１３４は、外科医の操作盤１０３の指示の下で、アクティブに形作られる駆動部分を備える。マニピュレータ１３２、１３４は、マスタ／スレーブ組織操作のために主に使用され、その一方で、セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４は、患者、手術台、切開点、などの再位置決めを行うときに、使用前にマニピュレータ１３２、１３４を位置決めおよび／または構成するために使用される。
【００１８】
用語の便宜上、外科手術ツール１９５を用いて組織に作用するマニピュレータ１３２は、ＰＳＭ（患者側マニピュレータ）と称されることがあり、内視鏡１１１のような画像捕捉またはデータ取得装置を制御する１３４のようなマニピュレータは、ＥＣＭ（内視鏡カメラマニピュレータ）と称されることがあるが、こうした遠隔外科手術ロボットマニピュレータは、外科手術で有用な幅広い種類の器具、ツール、および装置を任意に作動、操作、ならびに制御し得ることが、留意される。
【００１９】
配向プラットフォーム１３６は、一般的に、関連する患者側マニピュレータ１３２を可動的に支持するための複数のセットアップ接合部アームＳＪＡ１  １４０、ＳＪＡ２  １４２、およびＳＪＸ  １４４を支持する。一般的には、各アームは、患者側マニピュレータの３次元（ｘ、ｙ、ｚ）の平行移動、および患者側マニピュレータの１つの鉛直方向軸まわり（方位角）の回転に対応する。一般的に、セットアップ接合部アーム１４０、１４２、および１４４は、ロボット外科手術用アームまたは患者側マニピュレータ（ＰＳＭ）を支持する。右および左の外科医コントロール１０２の一方または両方は、ロボット外科手術用アームまたはセットアップ接合部アーム１４０、１４２、および１４４に連結される患者側マニピュレータを柔軟に駆動し得る。外科医Ｏは、フットペダルの使用等によって、彼がマスタコントロール１０２で制御しているアームの選択および切り替えを行い得る。
【００２０】
配向プラットフォーム１３６は、さらに、内視鏡カメラマニピュレータ１３４を可動的に支持するための、１つのセットアップ接合部中心アーム１３８（ＳＪＣ）を支持する。セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４は、器具マニピュレータ１３２またはカメラマニピュレータ１３４を交換可能に支持および位置決めし得ることが理解される。個々に位置決め可能なセットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４、および関連するマニピュレータ１３２、１３４を支持するための配向プラットフォーム１３６の使用は、利点として、相対的に縮小された小型サイズの単純化された単一支持ユニットをもたらす。例えば、単一配向プラットフォーム１３６は、しばしば、わかりにくく煩雑でもある、各セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４を取り付けベースに個別に配置および取り付ける必要性を排除し得る。これによって、より速やかでより容易なセットアップが実現される。
【００２１】
配向プラットフォーム１３６は、さらに、ディスプレイ１０４を含み得る。ディスプレイ１０４は、セットアップの目的、器具の変更、および／またはスタッフが手順を視認するために使用され得る。ディスプレイ１０４は、スタッフが望ましい方向でモニタを視認できるように、好適にも平行四辺形のリンケージ１０６によって配向プラットフォーム１３６に調整可能に取り付けられる。
プラットフォームリンケージ１９２は、５番目のハブ１９０において配向プラットフォーム１３６を可動的に支持する。すなわち、５番目のハブ１９０は、プラットフォームリンケージ１９２に連結可能である。５番目のハブ１９０は、セットアップ接合部の中心アーム１３８の枢動点と整合し得、これは、好適にも、内視鏡のその切開部位と一致する。５番目のハブ１９０は、図１の矢印ＳＪＣ１によって示されるように、鉛直方向軸を中心として配向プラットフォーム１３６を回転させる。外科手術切開部位と整合された内視鏡マニピュレータ１３４の枢動点を中心として配向プラットフォーム１３６が回転することは、有用にも、外科手術手順を施行する方向での配向プラットフォーム１３６および関連するセットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４の操作性の向上を可能にする。これは、マニピュレータ１３２、１３４の位置決めが、５番目のハブ１９０のまわりに配向プラットフォーム１３６を回転するだけで手術中に変更できるために、複雑な外科手術中において特に利点を有する。一般的には、器具は、安全のために、回転前に待避される。配向プラットフォーム１３６のわずかな回転または手術台の傾斜に対して、低摩擦平衡化アーム１４０、１４２、１４４は、移動中にカニューレに取り付けられ、切開部位からの力によって押されるあいだは、浮動され得る。
【００２２】
ハブ１９０（ＳＪＣ１）のまわりの配向プラットフォーム１３６の回転、ハブ（ＳＪＡ１１）のまわりのセットアップ接合部アーム１４０、１４２の回転、およびハブのまわりのセットアップ接合部補助アーム１４４の回転は、好適には、電動であるが、代替案として、手動またはコンピュータで制御であり得る。配向プラットフォーム回転（ＳＪＣ１）のためのベルトおよびプーリ機構を駆動するモータは、配向プラットフォーム１３６内にある。配向プラットフォーム１３６が位置固定できるように、ブレーキシステムがまた含まれ得る。右、左、および補助のセットアップアーム回転（ＳＪＡ１１、ＳＪＸ１）１４０、１４２、１４４のための、ベルトおよびプーリ機構を駆動するモータがまた、それぞれ、配向プラットフォーム１３６内に含まれ得る。
【００２３】
プラットフォームリンケージ１９２は、一般的に、直線レール１０８、レール１０８と連結可能な摺動可能キャリッジ１１０、および、近位端部１１４でキャリッジ１１０と、遠位端部１１６でハブ１９０を介して配向プラットフォーム１３６と、回転可能に連結可能な少なくとも１つのアーム１１２を含む。プラットフォームリンケージ１９２は、配向プラットフォーム１３６の３次元（ｘ、ｙ、ｚ）の平行移動を提供することによって、有用にもモジュール式マニピュレータ支持１３０の操作性を向上させる。略水平方向の配向プラットフォームの動きが、矢印ＯＰ１によって示される。また、略鉛直方向の配向プラットフォームの動きが、矢印ＯＰ２によって示される。紙面の内外方向の配向プラットフォームの動きは、矢印ＯＰ３に示されるように、接合部１２０の回転運動によって連動される。プラットフォームリンケージ１９２はさらに、矢印ＳＪＣ１で示されるように、１つの鉛直方向軸のまわりの配向プラットフォーム１３６の回転を提供する。アーム１１２は、好適にも、一対の隣接する接合部１２０、１２２の間を延伸する４本のバーの平行四辺形のリンケージ１１８を備える。５番目のハブ１９０は、配向プラットフォーム１３６の回転（ＳＪＣ１）を提供するが、５番目のハブ１９０がプラットフォームリンケージ１９２に回転可能に連結可能であり、その結果として、プラットフォームリンケージが配向プラットフォームの枢動の動きを提供するように、システムがまた設計され得ることが理解される。
【００２４】
プラットフォームリンケージ１９２によって運動範囲を拡大された配向プラットフォーム１３６は、患者の体の幅広い範囲の切開部位に対するアクセスを可能にする。これは、マニピュレータ１３２、１３４が手術中に他の外科手術部位に速やかに再位置決めされるような、複雑で時間のかかる手順を施行するときには、特に有用である。一般的には、安全のために、配向プラットフォーム１３６の平行移動または回転の前に、器具は待避される。プラットフォームリンケージ１９２は、好適には、電動であるが、代替案として手動またはコンピュータ制御であり得る。プーリおよびベルト機構を駆動するために、モータがプラットフォームリンケージ１９２または配向プラットフォーム１３６内に配置され得る。プラットフォームリンケージ１９２が位置固定できるように、ブレーキシステムがまた、含まれ得る。
【００２５】
プラットフォームリンケージ１９２は、ボルトおよびブラケット１２４または他の従来の締結具装置を介して、取り付けベース（図示せず）に取り付けられ得る。取り付けベースは、好適にも、マニピュレータ支持アセンブリ１９２、１３０がベースから略下方に延伸できるように、天井１０１に連結可能な天井の高さの支持構造を備える。天井の高さに取り付けられたマニピュレータ支持アセンブリ１９２、１３０は、有用にも、手術室の空間利用を向上させ、特に、スタッフおよび／またはその他外科手術装置のために手術台に隣接するスペースを空けさせ、さらに、ロボット装置および床上のケーブルを最小化する。さらに、天井の高さに取り付けられるマニピュレータ支持アセンブリは、処置中のその他の隣接するマニピュレータとの衝突またはスペース競合の可能性を最小限にし、ロボット外科手術システムが使用されないときの保管の便宜を提供する。
【００２６】
「天井の高さの支持構造」という用語は、手術室の天井の上に、隣接して、または内部に配置される支持構造を含み、さらに、特に一般的な手術室の天井よりも高い場合には、実際の天井高さのかなり下に配置される支持構造を含む。取り付けベースは、マニピュレータ支持アセンブリ１９２、１３０を、これを壁に向かって引っ張ることによって保管することを可能にする。取り付けベースは、元のままの、または補強された構造的な要素、接合部、または梁などの、既存の構造上の要素を含み得る。さらに、取り付けベースは、振動を防ぐために十分な剛性および硬さのある素材から形成され得る。代替案として、粘性または弾性を有するダンパーのような受動的な手段、あるいはサーボ機構のような能動的な手段が、振動または鉛直方向および／または水平方向の病院建物のフロア間の動きを補償するために使用され得る。
【００２７】
（セットアップ接合部アームおよびロボット外科手術用アーム）
各セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４は、マニピュレータ１３２、１３４によって提供される改善された運動範囲のために、簡略化された運動力学を有する。一般的には、アームは、図１のアーム１３８の矢印ＳＪＣ３、および図２Ｅ、図２Ｇのアーム１４０の矢印ＳＪＡ１３によって示されるような略鉛直方向の、固定可能なリンクおよび接合部の平行移動を提供する。アームはまた、２本または３本の鉛直方向軸のまわりの、固定可能なリンクおよび接合部の回転を提供する。
【００２８】
ここで図２Ａ〜図２Ｈを参照すると、例示的なセットアップ接合部アーム１４０および患者側マニピュレータ１３２が示されている。セットアップ接合部アーム１４０は、その他のセットアップ接合部アーム１３８、１４２、１４４のそれぞれの代表例である。患者側マニピュレータ１３２は、内視鏡カメラマニピュレータ１４０の代表例である。患者側ロボットマニピュレータ１３２を支持するセットアップ接合部アーム１４０の上面図が、図２Ａ〜図２Ｂによって示されている。セットアップ接合部アーム１４０は４自由度（ＳＪＡ１１、ＳＪＡ１２、ＳＪＡ１３、ＳＪＡ１４）を有しており、ここで、ＳＪＡ１１接合部は電動であり、その他の接合部は手動で位置決めされる。図２Ｃおよび図２Ｄは、矢印ＳＪＡ１２によって示される、セットアップ接合部アーム１４０の回転運動を図示する。図２Ｅおよび図２Ｆは、矢印ＳＪＡ１３、およびＳＪＡ１４で示される、セットアップ接合部アーム１４０の平行移動および回転運動の両方を図示する。左セットアップ接合部アーム１４２の平行移動および回転の軸（ＳＪＡ２）は、右セットアップ接合部アーム１４０のそれ（ＳＪＡ１）と実質的に同様である。
【００２９】
図２Ａに示されるように、矢印ＳＪＡ１１、ＳＪＡ１２、およびＳＪＡ１４は、セットアップ接合部アーム１４０の回転接合部２６０、２４８、２５０をそれぞれ示す。左セットアップ接合部アーム１４２の平行移動および回転の軸（ＳＪＡ２）は、右セットアップ接合部アーム１４０のそれ（ＳＪＡ１）と実質的に同様である。
【００３０】
セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４は、電動、コンピュータ制御、手動の事前設定、またはその組み合わせであり得る。好適にも、セットアップ接合部アーム１４０の接合部ＳＪＡ１１は電動であり、その一方で、その他の接合部は手動で位置決めされる。モータは、プーリおよびベルト機構を駆動するために、複数の固定可能なリンクまたは配向プラットフォーム内に配置され得る。
【００３１】
セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４の固定可能な接合部は、一般的には、アームが適切に展開された後に接合部が固定されるようにするために、ブレーキシステムを含む。図２Ａにおいて、ブレーキシステムは、その前に少なくとも実質的に固定された設定に構成された、固定可能なリンク２５２、２５８、および接合部２４８、２５０の動きを、解放可能な方法で、阻止する。ブレーキシステムは、好適にも、固定された設定に向けてバイアスされ、固定可能なリンク２５２、２５８および接合部２４８、２５０を、固定可能なリンクおよび接合部が置かれ得る再位置決め設定になるように、解放するためのブレーキ解放アクチュエータを含む。システムはさらに、複数の固定可能なリンク２５２、２５８、および接合部２４８、２５０をサーボ機構に連結する接合部センサシステムを含み得る。センサシステムは、接合部設定シグナルを生成する。サーボ機構は、コンピュータを含み、接合部センサシステムは、接合部設定シグナルをコンピュータに送信する。コンピュータは、接合部設定シグナルを使用して、取り付けベースに対して固定された基準座標系と器具との間の座標系の変換を計算する。
【００３２】
ここで図１および図２Ａを参照すると、マニピュレータ１３２、１３４は、マニピュレータベース２６６が水平に対して一定の角度となるように、機械的な制約を受ける。セットアップ接合部アーム１４０によって支持されるマニピュレータ１３２は、約４０度から約６０度までの範囲で、好適には、約４５度から約５０度までの範囲で、水平に対して角度的にオフセットされる。セットアップ接合部補助アーム１４４によって支持されるマニピュレータ１３２は、０度から約２０度までの範囲で、好適には、約１５度で、水平に対して角度的にオフセットされる。セットアップ接合部中心アーム１３８によって支持されるマニピュレータ１３４は、４０度から約９０度までの範囲で、好適には、約６５度から約７０度までの範囲で、水平に対して角度的にオフセットされる。
【００３３】
好適にも、マニピュレータ１３２、１３４は、枢動点２７８のまわりの空間での、器具の球状の枢動を制約するために、オフセットリモート中心リンケージを備え、セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４の固定可能なリンクおよび接合部の作動が、枢動点を移動させる。上述のように、ロボット外科手術システムの全体的な複雑さは、システムの運動範囲の向上によって低減され得る。具体的には、セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４の自由度の数が、低減（例えば、６自由度未満に）され得る。これは、セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４の事前設定がより少なくてすむ、より単純なシステムプラットフォームを可能とする。このようにして、手術室スタッフは、ほとんどまたは全く専門的な訓練を行わずに、外科手術用ロボットシステムを短時間で配置および準備し得る。
【００３４】
セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４の機械的な複雑さを低減させる例示的なマニピュレータ１３２、１３４が、米国特許出願第１０／９５７，０７７号においてさらに詳細に記述されており、該特許出願は、本明細書において参考として援用される。
【００３５】
図２Ａにおいて、オフセットリモート中心マニピュレータ１３２は、一般的に、マニピュレータベース２６６、平行四辺形のリンケージベース２６８、複数の駆動リンクおよび接合部２７０、２７２、ならびに器具ホルダ２７４を含む。マニピュレータベース２６６は、ヨー軸としても公知の、第１の軸のまわりに回転するように平行四辺形のリンケージベース２６８に回転可能に連結される。平行四辺形のリンケージベース２６８は、回転枢動接合部によってともに連結される剛性リンク２７０、２７２によって、器具ホルダ２７４に連結される。駆動リンクおよび接合部２７０、２７２は、平行四辺形を画定し、器具が器具ホルダ２７４に取り付けられ、シャフトが挿入軸に沿って動かされるときに、器具の細長いシャフトまたはカニューレ２７６を、回転中心（枢動点とも称される）２７８に関して制約する。第１の軸および平行四辺形のリンケージベース２６８に隣接する平行四辺形の第１の辺は、回転中心２７８でシャフトと交差し、平行四辺形の第１の辺は、第１の軸から角度的にオフセットされる。
【００３６】
外科手術マニピュレータ１３２、１３４のマニピュレータベース２６６は、セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４によって、一定の仰角で取り付けおよび支持される。本実施形態のマニピュレータベース２６６は、ねじまたはボルトによって、セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４のマニピュレータベース支持２８０に固定される。例示的なセットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４は、リモート中心マニピュレータ１３２、１３４の形状に適したマニピュレータベース支持２８０を有するが、マニピュレータベース支持２８０は、その他の遠隔外科手術マニピュレータに適した種々の代替的な支持構成をとり得る。例えば、マニピュレータベース支持は、さらなる代替的なリモート中心マニピュレータ、自然中心マニピュレータ、コンピュータによる中心マニピュレータ、ソフトウェア中心マニピュレータ、およびこれらの機能的な原理の組み合わせを採用するマニピュレータを支持するように構成され得る。さらに、上述したように、セットアップアーム１３８、１４０、１４２、１４４のマニピュレータベース支持２８０は、器具１３２またはカメラ１３４のマニピュレータを交換可能に支持および位置決めし得る。
【００３７】
操作時において、一般的には値を事前設定するために、電動接合部位置ＳＪＡ１１が設定されると、ユーザは、患者側マニピュレータの各リモート中心を各切開部位と整合するだけでよい。これは、各患者側マニピュレータを切開部位内に既に位置決めされている関連するカニューレに取り付けることによって行われ得る。これは、冗長性が残されないように、セットアップ接合部位置を自動的に設定する。これら３つの接合部の低摩擦および平衡化が、患者側マニピュレータを浮動させることを可能とし、その結果として、各マニピュレータは、有用にも単一点においてこれを保持することによって制御され得る。電動の接合部を異なる位置に設定することは、カニューレを取り付けた後の患者側マニピュレータに対して異なる方位角をもたらす。換言すると、冗長な電動の接合部の機能が、患者側マニピュレータを、別の患者側マニピュレータまたは内視鏡マニピュレータに対してより遠ざけたり、またはより近づけたりすることを可能にする。代替案として、カニューレが取り付けられた後に、セットアップ接合部ブレーキが解放され、カニューレが切開部位に保持されているあいだに、モータを作動させることによって方位角が調整され得る。
【００３８】
（小型のカウンタバランス機構）
セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４のそれぞれは、事前構成可能な固定可能なリンクおよび接合部を、解放可能に画定する。各セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４は、一対の隣接する固定可能な回転接合部２４８、２５０の間に延伸する、少なくとも１つの平衡化された、固定可能な、接合された平行四辺形のリンケージ構造２４６を含む。セットアップ接合部アーム１３８、１４０、１４２、１４４は、重量、引張ばね、ガスばね、引張ばね、捩りばね、圧縮ばね、空気または油圧シリンダ、トルクモータ、またはその組み合わせを含む、種々の機構によって平衡化され得る。好適な本発明の実施形態において、小型のカウンタバランス機構が、患者側マニピュレータ１３２および内視鏡カメラマニピュレータ１３４などのセットアップ接合部アームならびにロボット外科手術用アームの重量を平衡化するために提供される。患者側マニピュレータ１３２の端部におけるツールまたは器具１０５の変更は、一般的には、ツールまたは器具の重量が通常はわずかであるために、カウンタバランス機構に影響を与えない。
【００３９】
図２Ａに示されるように、セットアップ接合部アーム１４０は、一対の隣接する固定可能な回転接合部２４８、２５０の間を延伸する、平衡化された、固定可能な、接合された平行四辺形リンケージ構造２４６を含む。接合された平行四辺形のリンケージ構造２４６は、略鉛直方向の動きを提供し、隣接する回転接合部２４８、２５０は、鉛直方向軸ＳＪＡ１２、ＳＪＡ１４のまわりの枢動的な動きを提供する。任意のまたは全ての回転軸の代わりに、１つ以上の直線状または湾曲した摺動軸が使用され得る。セットアップ接合部アームの平行四辺形のリンケージ構造のそれぞれは、平行四辺形のリンケージ構造２４６と概ね同様の構造を有し得、本例では、平行リンク２５２（上部リンクまたはアイドルリンク２９１および水平またはカウンタバランスリンク２９２を含む）、近位ブラケット２５４、および遠位ブラケット２５６を備える。近位ブラケット２５４および遠位ブラケット２５６はまた、それぞれ平行リンク２５２の近位端部および遠位端部と称され得る。
【００４０】
平行リンク２５２は、鉛直方向の平面の平行四辺形の構成に、近位および遠位ブラケット２５４、２５６にそれぞれ枢動的に接合される。これは、鉛直方向の面内における平行リンク２５２の枢動の動きを可能にし、その一方で、平行四辺形のリンケージ構造２４６が変形または形状を変える際に、ブラケット２５４、２５６を相互に実質的に平行を保つように拘束する。上述したように、回転セットアップ接合部２４８、２５０、およびそのそれぞれのブラケット２５４、２５６は、それぞれ鉛直方向軸ＳＪＡ１２、ＳＪＡ１４のまわりの枢動的な動きを提供する。かくして、平行リンク２５２およびブラケット２５４は、セットアップ接合部２４８およびその軸ＳＪＡ１２のまわりを水平面内で枢動し得る。
【００４１】
図２Ｃ〜図２Ｄに示されるように、平行リンク２５２は、ブラケット２５４と２５６との間に、これらに枢動可能に連結される上部リンクまたはアイドルリンク２９１、ならびに水平リンクまたはカウンタバランスリンク２９２を含む。アイドルリンク２９１、カウンタバランスリンク２９２、およびブラケット２５４、２５６は、平行四辺形のリンケージ構造２４６を形成する。ブラケット２５６、回転接合部２５０、およびマニピュレータ１３２は、図２Ｅおよび図２Ｇの矢印ＳＪＡ１３で示されるように、ブラケット２５４および回転接合部２４８に対して鉛直方向に移動し得る。
【００４２】
図３は、アイドルリンク２９１、カウンタバランスリンク２９２、近位ブラケット２５４、および遠位ブラケット２５６を含む、平行四辺形リンケージ構造２４６の右側の拡大斜視図を示す。図３に示されるように、アイドルリンク２９１は、枢動接合部３０１で近位ブラケット２５４に、および枢動接合部３０２で遠位ブラケット２５６に、枢動可能に連結される。カウンタバランスリンク２９２は、枢動接合部３１１で近位ブラケット２５４に、および枢動接合部３１２で遠位ブラケット２５６に枢動可能に連結される。枢動接合部３０１、３１１、３０２、３１２は、平行四辺形のリンケージ構造２４６の角に配置される。
【００４３】
図４は、セットアップ接合部アーム１４０の平行四辺形のリンケージ構造２４６の、左側の拡大斜視図を示す。本発明の一実施形態において、セットアップ接合部アーム１４０は、接合部２６０を介して天井の高さの支持構造に連結される。
【００４４】
ブラケット２５４とアイドルリンク２９１との間の接合部３０１において、セットアップ接合部アーム１４０は、平行四辺形のリンケージ構造２４６の位置を計測するための電位差計４０１を含む。ブラケット２５４とカウンタバランスリンク２９２との間の接合部３１１において、セットアップ接合部アーム１４０は、セットアップ接合部ブレーキ４１１を含む。係合されると、接合部３１１におけるセットアップ接合部ブレーキ４１１は、平行四辺形のリンケージ構造２４６の位置を保持し得る。
【００４５】
図５は、アイドルリンク２９１、カウンタバランスリンク２９２、近位ブラケット２５４、および遠位ブラケット２５６を含む、平行四辺形のリンケージ構造２４６の切り欠き断面図を示す。カウンタバランスリンク２９２は、枢動接合部３１１の周囲で概して動作する、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構５００の実質的な部分を含む。
【００４６】
ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構５００は、複数のプーリ５０２〜５０４に巻きつけられ、圧縮可能なばねアセンブリ６０２によって張力を加えられる、セットアップアームに連結される１つ以上のケーブル５０１を含む。１つ以上のケーブル５０１は、セットアップ接合部またはカウンタバランスリンク２９２に連結することによって、セットアップアームに連結し得る。本発明の一実施形態において、１つ以上のケーブル５０１は、複数のプーリ５０２〜５０４に一方向に巻き付き、カウンタバランスリンクに連結するためにピンまたはポスト５０５に巻き付き、次いで、ルートバックしてプーリ５０２〜５０４に反対方向に巻きつく、セグメントを有し得る。ピンまたはポスト５０５の周囲にこのようにして１つ以上のケーブルを巻きつけることは、単一ケーブルのセグメントを、冗長な一対のケーブルと同様に作用させるための便利な方法である。代替案として、１つ以上のケーブルのそれぞれの１つの端部は、ピンまたはポスト５０５にクランプされ得、あるいは、一部のその他の連結機構によってセットアップアーム、カウンタバランスリンク２９２、またはセットアップ接合部の１つに連結され得る。１つ以上のケーブル５０１のそれぞれの少なくとも１つの端部は、圧縮可能なばねアセンブリ６０２の圧縮ばね５１５の端部にクランプされる。
【００４７】
本発明の一実施形態において、圧縮ばね５１５は、コイルばねである。圧縮ばねは、本発明のいくつかの実施形態において、引張ばねよりも安全であると考えられる。引張ばねが破損する場合には、端部は飛散し、何らかの重量と釣り合うためのいかなる負荷をも提供できない。反対に、圧縮コイルばねが破損する場合には、破損点におけるコイルは、わずかに移動して、ばねの隣のコイル上に留まる。このわずかな動きは、小さな量（例えば、５〜１０％）だけ荷重を変更し得、これは、コイルの間の間隔に、ばね定数を掛け算することによって計算され得る。
【００４８】
本発明の一実施形態において、ポスト５０５の上に巻きついてＵターンをする、４つの張力を受けているケーブル５０１が存在し、その結果として、８つのケーブルセグメントがばね５１５の端部に連結される。本発明の一実施形態において、８つのケーブルセグメントの全体に対して約４８０ポンドの張力が存在し、セグメントそれぞれが、６０ポンドの張力を実質的に分担する。
【００４９】
本発明の一実施形態において、複数のプーリ５０２〜５０４は等しい直径を有する。プーリ５０２〜５０４のそれぞれ、およびポスト５０５は、１つ以上のトラックを含み得、１つ以上のケーブル５０１がそのトラックに巻きつけられ、誘導されて、実質的にその整合を維持する。プーリ５０４は、枢動接合部においてシャフトと連結する枢動接合部３１１と同心である。１つ以上のケーブル５０１をこれに巻きつけると、プーリ５０４は、カウンタバランスリンク２９２に対して回転しない。しかしながら、カウンタバランスリンク２９２よびプーリ５０４は、ブラケット２５４に対して枢動接合部３１１のまわりに共に回転する。プーリ５０３は、ブラケット２５４に連結される調整可能なマウント５１３に回転可能に連結される。調整可能なマウント５１３は、プーリ５０３の位置を調整し、かつ、さらにセットアップおよび保守中にケーブル５０１およびばね５１５の張力を調整するために、ブラケット２５４内で摺動し得る。三角形の辺の１つ（以下に記載する理論にでは、辺ａまたは辺ｂ）の長さの変更は、ばね定数または平衡化される重量の大きさの変化に対してカウンタバランス機構を調整する。しかしながら、調整可能なマウント５１３は、動作期間のあいだは適所に強固に固定され、その結果として、調整可能なマウント５１３に回転可能に連結されるプーリ５０３の位置は変化しない。プーリ５０２は、リンク２９２の筐体に回転可能に連結され、従って、枢動接合部３１１のまわりにリンクと共に枢動する。プーリ５０２〜５０４の中心点または中心点位置は、三角形の角すなわち頂点である。
【００５０】
ここで図６Ａ〜図６Ｂを参照すると、異なる位置におけるカウンタバランスリンク２９２およびカウンタバランス機構５００の拡大された切り欠き部分図が示されている。リンク２９２は、圧縮可能なばねアセンブリ６０２を受容するための円筒形空洞６１１を有する中空筐体６０１を含む。本発明の一実施形態において、円筒形空洞６１１は、円形の円筒形空洞である。リンク２９２の中に圧縮可能なばねアセンブリ６０２を含むことは、より小型のカウンタバランス機構に寄与する。リンク２９２の筐体６０１は、斜めのまたは対角線状にカットされた端部６０３を有し、リンクの強度を維持しながらブラケット２５６および接合部２５０に対する動きを可能にする。斜めの端部６０３はまた、空洞６１１への楕円形の開口を提供し、これを通ってばねアセンブリ６０２が組み立てられ得る。リンク２９２の筐体６０１はまた、反対側の斜めのまたは対角線状にカットされた端部６０４を有し、リンクの強度を維持しながらブラケット２５４および接合部２４８に対する動きを可能にする。
【００５１】
医療用またはロボット外科手術システムのような一部の用途において、実質的に固体の支持構造を提供できるように、平行四辺形のリンケージ構造を剛にすることが望ましい。これは、ロボットアームの動きからのような、動きによって励起され得る望ましくない振動を防止するうえで有益である。一時的に図５を参照すると、１つの端部の枢動接合部３０１、３１１と、反対側の端部の枢動接合部３０２、３１２とは、リンク２９１、２９２の筐体に関して広く離れて位置するように配置されている。すなわち、アイドルリンクの枢動接合部は、リンクの上部外側の近くに配置され、カウンタバランスリンクの枢動接合部は、リンクの底部外側の近くに配置されている。これは、それぞれブラケット２５４、２５６に沿った、平行四辺形のリンケージ構造の左辺および右辺を長くする。ブラケットに沿った平行四辺形のリンケージ構造の辺の剛性は、枢動接合部３０１、３１１と枢動接合部３０２、３１２との間の離間距離の二乗に比例する。リンク２９２の筐体６０１の底側は、これを剛にするために比較的強くされ、枢動接合部３１１〜３１２の間のリンク２９２における張力および圧縮に耐える。上部リンク２９１は、枢動接合部３０１〜３０２の間のその筐体の構造を通じて、平行リンク２５２における張力および圧縮に耐えるさらなる剛性および強度を提供する。
【００５２】
さらに、端部が変形することなく、円形形状のような形に維持される場合には、管は、捩じりに対する剛性を向上し得る。再び図６Ａ〜図６Ｂを参照すると、筐体６０１の斜めのまたは対角線状にカットされた端部６０４における小さな開口６２１が、１つ以上のケーブル５０１に円筒形空洞６１１の中への経路を与える。剛性を最大限にするために、ケーブルが通過する斜めのまたは対角線状にカットされた端部６０４の小さい開口６２１は、できるだけ小さくされる。リンク２９２の反対側の端部６０３における楕円形の開口において、プラグ６１３が、空洞６１１の円筒形の形状を維持するために挿入される。プラグは、一方の側にスリット８１３（図８を参照）を有する。プラグを壁または空洞６１１の壁に対して拡張するために、取り付けた後でスリット８１３は、ねじによって強制的に拡げられる。プラグ６１３は、楕円形の開口のサイズを、リンク２９２の端部においてより小さい開口に縮小させ、その捩じり剛性を増大させる。リンク２９２が最終的に組み立てられると、剛性を最大限にするために、空洞６１１の端部は、それぞれに小さい開口を残して実質的に閉じられる。
【００５３】
一部の用途においては、リンケージは、それほど剛性を高くしたり、重い荷重を支持したりする必要はなく、その結果として、平行四辺形リンケージ構造の代わりに、連続的なリンケージ構造が採用され得る。この場合、第１のリンクは、直接地面に連結されているか、または地面に間接的に連結されている１つの端部と、第２のリンク、カウンタバランスリンクに枢動的に連結されている反対側の端部とを有し得る。
【００５４】
ばねアセンブリ６０２は、ばね５１５と、ケーブルクランプ機構６１５とを含む。ケーブルクランプ機構はまた、ばねピストンとも呼ばれ得る。ばね５１５は、１つの端部において筐体６０１のフランジ６１４に対して取り付けられ、ケーブルクランプ機構６１５によって、反対側の端部で１つ以上のケーブル５０１に連結される。ケーブルクランプ機構６１５は、クランプスリーブ６１２と、１つ以上のケーブル端部テンショナ６１６とを含み得る。ケーブルクランプ機構６１５のこれらのおよびその他の要素は、図８〜図１３を参照して、以下でさらに記載される。
【００５５】
プーリ５０２〜５０４は、その中心点または中心点位置が三角形の角となるように、一平面内において実質的に共に整合されている。図６Ａ〜図６Ｂに図示されているように、プーリ５０３および５０４の互いの相対的な位置は、リンク２９２およびリンケージ構造が動くときに変化しない。プーリ５０２、５０４およびポスト５０２の互いの相対的な位置は、リンク２９２が動くときに変化しない。したがって、プーリ５０２〜５０４の枢動点によって形成される三角形の２つの辺は、長さにおいて変化しない。しかしながら、プーリ５０２およびポスト５０５の位置は、プーリ５０３に対して変化する。プーリ５０２と５０３との間の三角形の辺は、リンク２９２およびリンケージ構造が動くときに、長さを変える。すなわち、プーリ５０２〜５０４の枢動点によって形成される三角形は、カウンタバランスリンク２９２の動きに応答して調整可能である。図６Ｂに示されるような、カウンタバランスリンクおよび平行四辺形リンケージ構造の水平位置において、プーリ５０２〜５０４の枢動点によって形成される調整可能な三角形は、辺の間の少なくとも１つの角の角度が実質的に９０度である、直角三角形を形成し得る。
【００５６】
例えば、図６Ａで示されるように、リンク２９２が上方に角度設定されているときの、プーリ５０２と５０３との間の直線距離Ｘ１を想定する。プーリ５０２〜５０３の間の直線距離は、図６Ｂに示されるように、リンク２９２が水平であるときには、距離Ｘ２に増加する。個々のプーリ５０２〜５０４の周囲のケーブル５０１の接触角も、同様に変化し得る。しかしながら、プーリの周囲の接触角の合計は、ケーブルの端部が互いに対する相対角度を変えないために、一定値のままであり得る。接触角は、ケーブルが接触するプーリの周囲の角度である。接触角はまた、ケーブルセグメントがプーリに接触する円弧状の距離として見なされ得る。例えば、プーリ５０４に接触するケーブル５０１の接触角は、図６Ａに示されているように、リンク２９２が上方に角度付けられているときには、第１の角度θ１である。図６Ｂにおいて、プーリ５０４に接触するケーブル５０１の接触角は、図６Ｂに図示されるように、リンク２９２が水平であるときには、第２の角度θ２に減少する。したがって、ポスト５０５が、図６Ａのその位置から図６Ｂのその位置へと、プーリ５０３に対して移動すると、ケーブル５０１の一部は、プーリ５０２と５０３との間の距離の増加に対するわずかな補償のために、プーリ５０４から繰り出され得る。さらに、プーリ５０２の周囲のケーブル５０１の接触角は、図６Ａのその初期位置から図６Ｂの位置まで増加し、プーリ５０３の周囲の接触角もまた増加し、その結果として、プーリ５０２〜５０４の全ての回りの全接触角が保全される。全プーリの周囲の全接触角が同じままであるために、ケーブルパス長ＰＬは、直線距離Ｘ２とＸ１との間の差と同じ大きさだけ変化する。すなわち、ケーブルパス長の変化、デルタ（ＰＬ）は、以下の式
デルタ（ＰＬ）＝Ｘ２−Ｘ１
によって決定され得る。
【００５７】
プーリの周囲のケーブルパス長の変化は、ばね５１５および１つ以上のケーブル５０１の張力の変化をもたらす。接合部２５０の所与の重量に対して、図６Ａに図示されるようにリンク２９２が上向き角度の位置になっているときよりも、図６Ｂに図示されるようにリンクが水平位置にあるときには、軸３１１におけるより大きいモーメントがリンク２９２に加えられる。これは、カウンタバランスリンクの異なる位置、および平行四辺形リンケージ構造の異なる変形における、異なるモーメントアーム長のためである。全ケーブル長が一定である（例えば、クランプにおいて伸縮またはすべりが存在しない）と仮定すると、プーリ５０２〜５０３の間の距離Ｘ２がＸｌよりも大きくなるので、ケーブル５０１は引っ張られ、リンク２９２から引き出され、さらにばね５１５を圧縮して、軸３１１に加えられるより大きなモーメントを補償する。リンク２９２が、図６Ｂに図示されている水平位置を越えて、さらに下方に移動する（図示せず）場合には、ケーブルの追加の長さがリンク２９２から引き出され、ばね５１５をさらに圧縮し、その張力をさらに増加させる。リンクが水平よりも下になるために、プーリによって形成される三角形は鈍角三角形となり、ばねに対する機械的倍率の損失が生じる。機械的倍率の損失は、より大きな圧縮によって補償される。リンク２９２が、図６Ａに示されている位置のような、その上向きの角度位置に戻ると、ケーブル５０１は解放されてリンク２９２の中に戻り、その結果として、ばね５１５が減圧縮され、ばね５１５およびケーブル５０１の中で張力が減少し、軸３１１に加えられているより低いレベルのモーメントを補償する。このようにして、初期張力が設定された後に、リンク２９２は、ブラケット２５４および接合部２４８に対して異なる位置における重量を、適切に平衡化することができる。
【００５８】
図５および図６Ａ〜図６Ｂは、セットアップアームのカウンタバランスリンク２９２およびアイドルリンク２９１の一実施形態を図示する。しかしながら、セットアップアームのカウンタバランスリンク２９２およびアイドルリンク２９１は、動きの大きさをトレードオフすることで、さらに小型化され得る。例えば、カウンタバランスリンク２９２は、図６Ｂに図示されている水平位置から、正および負に４０度移動し得る。より少ない動きが許容可能である場合には、カウンタバランスリンクはさらに小型化され得る。
【００５９】
ここで図７を参照すると、セットアップアームのより小型のカウンタバランスリンク２９２′の実施形態が示されている。アイドルリンク２９１′は、カウンタバランスリンク２９２′に平行に連結される。カウンタバランスリンク２９２′は、図６Ｂのリンク２９２によって示されるもののような水平位置から、正および負に３０度移動し得る。
ここで図６Ａ〜図６Ｂおよび図７を参照すると、リンク２９２′は、わずかな差を有する同様の要素を含むリンク２９２に、ある程度似ている。例えば、リンク２９２′は、リンク２９２のプーリ５０２〜５０４およびポスト５０５と同様の、プーリ５０２′〜５０４′およびポスト５０５′を含む。しかしながら、プーリ５０２′、５０４′およびポスト５０５′の位置は、プーリ５０２、５０４およびポスト５０５の位置とは若干異なる。リンク２９２′内の１つ以上のケーブル５０１′は、より小さい動きの角度を考慮して、リンク２９２のケーブル５０１よりも短い。リンク２９２′の中空筐体６０１′は、リンク２９２の中空筐体６０１よりも短い。筐体６０１′の円筒形空洞６１１′への開口６２１′は、筐体６０１の円筒形空洞６１１への開口６２１とは若干異なる。リンク２９２′のばね５１５′は、リンク２９２のばね５１５よりも短い。しかし、これらの違いを別にすれば、リンク２９２′の要素は、リンク２９２の要素と同様に機能する。
【００６０】
ここで図８を参照すると、平行四辺形のリンケージ構造２４６から分離された小型のカウンタバランスリンク２９２の斜視図が示されている。筐体６０１の斜めのまたは対角線状にカットされた端部６０３において、プラグ６１３が、筐体６０１の空洞６１１を閉じる。１つ以上のケーブル端部テンショナ６１６が、プラグ６１３から外に延伸する。筐体の反対側の端部の近傍に、筐体を抜けて延伸するシャフト８０２があり、その端部は筐体に結合されている。
【００６１】
ここで図９を参照すると、小型のカウンタバランスリンク２９２の斜視図が、内部要素をわかりやすく示すために、中空筐体６０１を除いた状態で示されている。筐体６０１の内部で、プーリ５０２が、シャフト８０２に回転可能に連結される。枢動接合部３１１における筐体６０１の内部で、プーリ５０４が、シャフト上に載置された一対の離れた軸受８２０の間で、シャフト９０２に載置される。シャフト９０２は、１つの端部において筐体６０１のベースを抜けて延伸する。枢動接合部３１２におけるベースの反対側の端部で、別のシャフト９０３が、筐体６０１のベースを抜けて延伸し、そのシャフトに載置された、別の一対の離れた軸受８２０を有する。
【００６２】
プラグ６１３は、空洞に一致するような円筒形の形状を有し、１つの端部において平坦な端部を有し、反対側の端部において、筐体６０１の斜めのまたは対角線状にカットされた端部６０３と一致するように、斜めの楕円形の形状の端部を有する。ケーブルクランプ機構６１５のクランプスリーブ６１２は、ばね５１５の中心の開口の中において、ばね５１５と同軸であり得、その結果として、それは、ばね５１５によって実質的に囲まれる。
【００６３】
ここで図１０を参照すると、小型のカウンタバランスリンク２９２の一部の、拡大された切り欠き断面図が示されている。
【００６４】
ばねピストンとも称されるケーブルクランプ機構６１５は、図示されるように、互いに連結された、クランプスリーブ６１２（カウンタバランス管とも称される）、嵌合リング１００２（ばねフランジとも称される）、スラスト軸受１００４、事前負荷調整ナット１００６、および回転防止プレート１００８を含む。
【００６５】
ここで図１０および図１６Ａ〜図１６Ｃを参照すると、プラグ６１３が、空洞６１１に挿入され、筐体６０１の１つの端部の開口を塞ぐ。締結具１０３１が、中空壁に沿った適切な位置にプラグ６１３の整合を維持するために、ねじ切りされた穴１６３１に挿入される。拡張ねじ１０３０が、プラグ６１３の切り込まれた側のねじ切りされた開口１６３０に挿入される。セットねじ１６３２が、ねじ切りされた開口１６３１に挿入され得、拡張ねじ１０３０に対するバックストップを提供する。代替案として、ねじ切りされた開口１６３１は、固体の切り込みフランジを形成する部分で充填され得る。拡張ねじ１０３０の端部がセットねじ１６３２の端部と整合および嵌合するときに、切り込み８１３およびプラグ６１３は、拡張し始める。ねじ１０３０をさらに締め込むと、切り込み８１３はさらに拡張し、プラグの側面を空洞６１１の壁に対して堅く押し付けて、小型のカウンタバランスリンク２９２に捩じり剛性を与える。プラグ６１３を除去する場合には、セットねじ１６３２は除去され得、拡張ねじ１０３０は、その頭近傍でねじ切りされていない特殊ねじと置き換えられ得、その結果として、特殊ねじは、切り込みのねじ側のねじ山上を自由に回転できる。プラグ６１３の側面が、空洞の壁に対して拡張状態で固着している場合には、特殊ねじが開口１６３１にさらにねじ込まれ、プラグの切り込まれた側を互いに引き寄せて、プラグの側面を空洞の壁から引き離し得る。このようにして、プラグは、カウンタバランスリンクの分解および保守のために、空洞６１１からより簡単に取り外されるようになる。
【００６６】
プラグ６１３は、中心開口１６０２を有し、１つ以上のケーブル端部テンショナ６１６がそこを通過して、クランプブロック１０１２に達する。１つ以上のケーブル端部テンショナ６１６は、たるみを取り、組み立て中に略等しい張力で、１つ以上のケーブル５０１に事前張力を加えるために使用される。１つ以上のケーブル端部テンショナ６１６は、図１３により詳細に図示されている。
【００６７】
図１３を一時的に参照すると、１つ以上のケーブル端部テンショナ６１６のそれぞれは、プレテンション方式のばね１３０２およびケーブルターミネータ１３０３を含む。ケーブルターミネータ１３０３は、ボール、球体、筒状、円筒形、またはその他のブロック形状であり得る。ケーブルターミネータ１３０３は、ケーブル５０１の端部の上を摺動する円筒形の開口１３１３を有する。ケーブルターミネータ１３０３は、ケーブル上にばね１３０２を保持するために、ケーブル５０１に圧着され得る。プレテンション方式のばね１３０２は、一方の側のクランプスリーブ６１２のクランプブロック１０１２と、反対側のケーブルターミネータ１３０３との間にトラップされる。プレテンション方式のばね１３０２は、ケーブルに事前張力を加えるために、クランプブロック１０１２をそこにクランプする前に、１つ以上のケーブル５０１上で引張する。
【００６８】
ここで以前の図１０と、図１２Ａ〜１２Ｂおよび図１７Ａ〜図１７Ｂを参照すると、クランプ機構６１５は、ねじ切りされたカウンタバランススリーブ６１２、クランプブロック１０１２、嵌合リング１００２、スラスト軸受１００４、リボナイザ１０１５、ねじ切りされたナット１００６、および整合プレート１００８を含む。１つ以上のケーブル５０１は、ばね５１５、リング１００２、軸受１００４、ねじ切りされたスリーブ６１２、リボナイザ１０１５、およびナット１００６を通過して、クランプブロック１０１２の開口１２０４および整合プレート１００８内の開口１１２０へと経路設定される。
【００６９】
リボナイザ１０１５は、２つのリボナイザの半分１０１５Ａ〜１０１５Ｂで形成される。各半分１０１５Ａ〜１０１５Ｂは、それぞれ、平坦な部分１２０２Ａ〜１２０２Ｂを有し、その平坦な部分は、１つ以上のケーブル５０１を平坦化し、かつプーリ５０２上に経路設定するように実質的に整合するために、間隔を有する。半分が互いに連結されると、それぞれの平坦部分１２０２Ａ〜１２０２Ｂは、リボナイザ１０１５の内部に開口１２０２を残す。２つのリボナイザの半分１０１５Ａ〜１０１５Ｂは、クランプブロック１０１２を受容するためのスロット１２１２Ａ〜１２１２Ｂをそれぞれ含む。組み立て時には、２つのリボナイザの半分１０１５Ａ〜１０１５Ｂは、ねじ切りされたスリーブ６１２へ挿入され、その内部に固く嵌合される。リボナイザの半分はさらに、ねじ切りされたスリーブ６１２の円形のエッジと嵌合し、リボナイザがねじ切りされたスリーブの中へさらに移動しないためのストップとして作用する、隆起部セグメント１２２４Ａ〜１２２４Ｂを含む。クランプブロック１０１２は、ねじ切りされたスリーブ６１２またはリボナイザ１０１５に対して移動しない。
【００７０】
クランプブロック１０１２は、１つ以上のケーブル５０１をクランプするために互いに積層されている５つのクランププレート１２１４Ａ〜１２１４Ｂ、１２１５Ａ〜１２１５Ｃで形成され得る。５つのクランププレート１２１４Ａ〜１２１４Ｂ、１２１５Ａ〜１２１５Ｃは、それぞれの間の溝１２０４Ａ〜１２０４Ｂの中に１つ以上のケーブル５０１を捕捉する。内部クランププレート１２１５Ａ〜１２１５Ｃのそれぞれは、一方の側の一対の溝１２０４Ａ、反対側の一対の溝１２０４Ｂ、および、クランプねじ１０２８Ａ〜１２０８Ｂが摺動できるようにする一対の穴１２２１を含み得る。外部クランププレート１２１４Ａは底部側に一対の溝１２０４Ｂを含み得、その一方で、外部クランププレート１２１４Ｂは上部側に一対の溝１２０４Ａを含む。溝１２０４Ａ〜１２０４Ｂは、ケーブル５０１の直径の半分よりも少しだけ浅い。本発明の一実施形態において、１つ以上のケーブル５０１のそれぞれの直径は０．０６２インチである。クランププレートは順次積層され、ケーブルセグメントまたはケーブル５０１は各溝の中に、一方の側で１つのプレートの溝に、他の側で別のプレートの溝に部分的に収まる。クランププレートの平行な一対の溝１２０４Ａ〜１２０４Ｂはそれぞれ、別のクランププレートの平行な一対の溝１２０４Ｂ〜１２０４Ａと整合し、ケーブルまたはケーブルセグメントをクランプするための、クランプブロック１０１２の開口１２０４を形成する。
【００７１】
外部クランププレート１２１４Ａは、クランプねじ１２０８Ａのねじ山を受容するための、ねじ切りされた開口１２２０と、クランプねじ１２０８Ｂがこれを通過して他のクランププレートに達することができるようにする、通しの開口１２２１とをさらに含む。外部クランププレート１２１４Ｂは、クランプねじ１２０８Ｂのねじ山を受容するための、ねじ切りされた開口１２２０と、クランプねじ１２０８Ａがこれを通過して他クランププレートに達することができるようにする、通しの開口１２２１とをさらに含む。かくして、外部クランププレート１２１４Ａ〜１２１４Ｂは、コストを削減するために実質的に同じとなり得る。このようにして、クランプねじ１２０８Ａ〜１２０８Ｂは、全てのクランププレートを間隔を保つように反対側から圧迫し、クランプブロック１０１２を組み立てる。ねじのクランプ力はクランププレートの接合部の間で分割されずに、全体に適用される。かくして、クランプねじ１２０８Ａ〜１２０８Ｂは、小さいねじであり得、それでも、ケーブルを大きなクランプ力でクランプし得る。
【００７２】
本発明の一実施形態において、５つのクランププレートとそれらの間の４つの接合部とを用いると、接合部はそれぞれ、その間に一対の溝を有するので、８つのケーブルまたは４つのケーブルの８つのケーブルセグメントが受容され得る。クランププレートを追加すれば、より多くのケーブルまたはケーブルセグメントが受容され得る。代替案として、クランプブロック１０１２によってクランプされるケーブルまたはケーブルセグメントの数を増大させるために、それぞれに追加の溝が設けられ得る。代替案として、クランプ力を増加させるために、それぞれにより少ない溝が設けられ得る。本発明の一実施形態において、２倍のクランプ力を提供するために、クランププレートは、一方の側面につき一対の溝の代わりに１つの溝のみを有し得る。８つのケーブルまたは４つのケーブルの８つのケーブルセグメントをクランプするために、９つのクランププレート、すなわち、２つの外部クランププレート１２１４Ａ〜１２１４Ｂと７つの内部クランププレートが、提供される。
【００７３】
上述したように、２つのリボナイザの半分１０１５Ａ〜１０１５Ｂは、リボナイザ１０１５がクランプブロック１０１２を受容し得るように、それぞれスロット１２１２Ａ〜１２１２Ｂを含む。ねじ切りされたスリーブ６１２はまた、クランプブロック１０１２の一部を受容し、これを適所に固定するために、両側に一対のスロット１２１３を含む。クランプブロック１０１２は、次いで、クランプブロック１０１２、ねじ切りされたスリーブ６１２、およびリボナイザ１０１５が筐体６０１の空洞６１１の中で回転しないように保つ、回転防止プレート１００８の開口１１２０の中に装着される。
【００７４】
リボナイザ１０１５の一端は、回転防止プレート１００８にボルト固定される。少なくとも一対の締結具１１２２が、回転防止プレート１００８の、少なくとも一対の対角線上に離れた穴１１２１を通って挿入される。一対の締結具１１２２が、リボナイザを回転防止プレートに連結するために、少なくとも一対のねじ切りされた穴１２４１へねじ込まれる。
【００７５】
ねじ切りされたスリーブ６１２は、ナット１００６の内部ねじ山１０５６とねじで係合する、外部ねじ山１０１３を有する。ねじ切りされたスリーブ６１２上でナット１００６を回転させて圧縮可能なばね５１５を圧縮することによって、１つ以上のケーブル５０１の張力調整が行われる。ナット１００６の内部ねじ山１０５６は、ねじ切りされたスリーブ６１２の外部ねじ山１０１３と合致する。
【００７６】
１つ以上のケーブル５０１の各端部は、その端部近傍に圧着されるケーブルターミネータ１３０３およびばね１３０２を有する。ばね１３０２は、ケーブルターミネータ１３０３とクランプブロック１０１２の端部との間にトラップされる。ばね１３０２が存在しない場合には、１つ以上のケーブル５０１において張力を同じにすることは困難であり、なぜならば、ケーブルは正確に同じ長さで製造されておらず、かつ初期組み立て時において、ケーブルは異なる量で伸び得るからである。組み立て時において、クランプブロック１０１２のクランププレートは、最初は緩いままにされる。圧縮ばね５１５の圧縮および１つ以上のケーブルの張力は、予想される重量に対して部分的に調整される。クランプ機構６１５を含むばねアセンブリ６０２は、初期の伸びを取り除くために、リンク２９２を枢動させることによって筐体６０１の中で前後方向に動かされる。この時点において、各ケーブル上の全ての張力は、ばね１３０２に加えられている。以前に上述した偏差のために、ばね１３０２の一部は、他のものよりも強く圧縮され得る。１つ以上のケーブル５０１またはそのセグメントの間の張力の差は、長さとばね１３０２のばね定数との積の差である。例えば、一対のセグメントまたはケーブルの間の長さの差が０．０６インチであり、ばね定数が５２ポンド／インチである場合には、張力の差は３ポンド（ｌｂ）である。他のケーブルまたはケーブルセグメントの張力の差は、例えば８ポンドまたは５ポンドのように、１０ポンドの範囲内にあり得る。
【００７７】
１つ以上のケーブルが事前に張力を加えられた後に、クランプねじ１２０８Ａ〜１２０８Ｂが、クランプブロックの１つ以上のクランププレートを１つ以上のケーブル５０１の周囲にクランプするために、締め付けられる。次に、圧縮ばねの圧縮調整およびプーリの中心点によって形成される三角形の寸法の調整によって、小型のカウンタバランス機構が適切な平衡化状態に調整され得る。さらなる調整の前に、ばね５１５の全負荷は、約５００ポンドであり、８つのケーブルセグメントが使用されている場合には、ケーブルセグメントあたり、５００／８すなわち６２ポンドである。１つ以上のケーブル５０１のそれぞれが同じ特性を有している限り、ケーブルセグメントまたはケーブルの間の張力の差は残る。例えば、セグメントまたはケーブルの一部は６０ポンドの張力を有し、その他は６３ポンドの張力を有する。張力のパーセント変化は比較的小さく、ケーブルセグメントまたはケーブルのそれぞれは負荷を分担する。ケーブル端部テンショナ６１６のばね１３０２およびケーブルターミネータ１３０３の別の機能は、クランプブロック１０１２のクランププレートが万一スリップする場合に、ケーブル５０１は、ばね１３０２がその固定高さになるまで、わずかしか摺動できないことである。ケーブル端部テンショナ６１６のケーブルターミネータ１３０３は、１つ以上のケーブルの端部に十分に圧着されており、故にそれは、ばね５１５に加えられる最大負荷を与えない。
【００７８】
事前負荷平衡化調整ナット１００６が、ねじ切りされたスリーブ６１２の一部分に沿って延在し、ねじ切りされたスリーブ６１２の外部ねじ山１０１３とねじで係合するための、内部ねじ山１０１６を含む。ナット１００６が１方向に回転すると、それはねじ切りされたスリーブ６１２上で移動し、嵌合リング１００２およびスラスト軸受１００２を介してばね５１５を圧縮する。図１０の矢印１０２１〜１０２２は、ばね５１５および１つ以上のケーブル５０１により大きな張力を発生させるためにナットが回転されるときの、スリーブ６１２に沿ったナット１００６の動きの方向を示す。同軸のねじ切りされたスリーブ６１２およびそのケーブルクランプ１０１２は、ばね５１５から外側方向に移動されて、ばね５１５および１つ以上のケーブル５０１の張力を増大させる。ナット１００６が、反対方向に回転され、その結果として、ねじ切りされたスリーブ６１２およびそのケーブルクランプ１０１２はばね５１５に中へと移動し、それによってばね５１５および１つ以上のケーブル５０１の張力を緩和する。筐体６０１の底の側には、ナット１００６にアクセスし、調整するための、空洞６１１の中への１つ以上の開口１０５０がある。
【００７９】
摩擦のために、ナット１００６は、ばね５１５の全ての力がこれを押している場合には、調整不可能である。ばね固定ピンが挿入され得るピン穴８１５が、筐体６０１の各側に存在する。ばね５１５をピン固定するために、筐体のそれぞれの側の適切な一対のピン穴８１５が、嵌合リング１００２の溝１０５２と整合し、ばね５１５が解放されるのを制限するために各側から制限ピン（図示せず）を配置するまで、カウンタバランス機構は、引き上げられたり引き下げられたりする。カウンタバランスリンク２９２を持ち上げることは、ケーブルから引張り力を解放し、その結果として、調整ナット１００６は容易に回転され得る。調整ナット１００６が適切な分量だけ回転した後に、溝１０５２およびピン穴８１５から制限ピンが除去され、その結果として、ばね５１５が弛緩して空洞６１１に沿った位置に戻り、１つ以上のケーブル５０１の張力を加える。
【００８０】
嵌合リング１００２は、ばね５１５をクランプ機構に嵌合する。嵌合リング１００２は、一方の側において、整合リップ１０３２を含む。整合リップ１０３２は、ねじ切りされたスリーブ６１２の本体とともに、筐体６０１の空洞６１１内の一端部で、ばね５１５を整合した状態に保持する。嵌合リング１００２の反対側は、スラスト軸受１００４に連結する。
【００８１】
一方の側において、スラスト軸受１００４は、ナット１００６が回転できるようにし、その結果として、ナットのねじ山１０１６がねじ切りされたスリーブ６１２のねじ山１０１３とねじで係合し得る。スラスト軸受１００４の反対側は、嵌合リング１００２の側を圧迫し、ばね５１５を圧縮する。      
【００８２】
ここで図１０および図１１Ａ〜図１１Ｂを参照すると、回転防止プレート１００８は、筐体６０１の空洞６１１内の凹部（図示せず）と係合する１つ以上の突起部１１１８（図１１Ａを参照）を有する。回転防止プレート１００８の矩形の開口１１２０は、クランプブロック１０１２を受容する。１つ以上のボルトまたは締結具１１２２が、回転防止プレート１００８をねじ切りされたスリーブ６１２の上部に連結する。回転防止プレート１００８の１つ以上の突起部１１１８は、筐体の空洞の凹部に係合されたときには、プレテンション方式のナットが回転される際に、ねじ切りされたスリーブ６１２およびクランプブロック１０１２が空洞６１１の中で回転することを阻止する。これは、プレテンション方式のナットが張力を調整することを可能にし、１つ以上のケーブル５０１が一緒にねじれることを防止する。突起部１１１８が凹部の中にある状態で、回転防止プレート１００８は、ナット１００６が回転し、ばねが１つ以上のケーブル５０１によって圧縮および解放される際に、ねじ切りされたスリーブ６１２と共に空洞６１１の壁に沿って移動する。
【００８３】
図８〜図９に示されるように、プラグ６１３は、上部部分に沿って切り込み８１３を含み得、切り込みは、上部部分を切り込み部分に分け、また、端部のキャップが筐体６０１の空洞６１１の中に挿入されたときには、わずかに圧縮されるようにする。図１０に示されるように、プラグ６１３は、切り込み８１３を有するその上部部分近傍に締結具１０３０を含む。締結具１０３０は、プラグ６１３の切り込み部分を押し拡げて、プラグ６１３を空洞６１１の壁に向けて拡張する。締結具１０３１が筐体６０１に挿入され、プラグ６１３の底部にねじ込まれる。締結具１０３１は、空洞６１１内にプラグ６１３を整合させる。ケーブル端部テンショナ６１６のばねの１つの端部が、クランプブロック１０１２に連結する。ばねの反対側の端部は、１つ以上のケーブルのそれぞれに圧着される、ケーブルターミネータに連結する。
【００８４】
平行リンケージ構造２４６およびカウンタバランスリンク２９２の組み立て時に、１つ以上のケーブルの端部近傍にケーブルクランプ機構を連結するために、ナット１００６が回転し得るように一対のピンを筐体６０１のそれぞれの側の穴８１５の１つに挿入することによって、圧縮ばね５１５が、圧縮可能な状態にピン固定される。ポスト５０５から、１つ以上のケーブル５０１が、プーリ５０２〜５０４または５０２′〜５０４′をこえて、空洞６１１、６１１′の中へ、ばね５１５を通って経路設定される。１つ以上のケーブルはさらに、クランプブロック１０１２のクランププレートを通って摺動される。１つ以上のケーブル５０１のそれぞれは、ケーブルのたるみを除去し、それぞれの初期張力を実質的に均一化するために、１つ以上のケーブル端部テンショナ６１６によって独立に事前に張力を加えられる。本発明の一実施形態において、各ケーブルの初期張力は、ケーブル端部テンショナ６１６のばね１３０２によって設定される。本発明の一実施形態において、各ケーブルの初期張力は、１０ポンド程度である。
【００８５】
１つ以上のケーブル５０１にプレテンションを行った後に、クランプ機構は、１つ以上のケーブルをクランプブロック１０１２にクランプするために係合される。クランププレートを移動するためにクランプねじが回転され、１つ以上のケーブルをクランプブロック１０１２に捕捉する。
【００８６】
次に、１つ以上のケーブル５０１は、セットアップアームで支持される、予測される重量または荷重を平衡化するように、張力が加えられる。荷重は、ロボットアーム、医療装置、さらなるリンケージまたは平行四辺形のリンケージ構造に連結し得るその他装置の、重量であり得る。事前負荷調整ナット１００６が回転され、ばね５１５の張力を調整し、ケーブルの張力を確立する。ばね５１５の張力は、１つ以上のケーブル５０１によって実質的に均等に分担され得る。プーリ５０３が連結されるブロック５１３の位置がまた、ばねの変化または荷重の変化を補償するために、必要に応じて調整され得る。
【００８７】
カウンタバランスリンクが平行四辺形のリンケージ構造に組み立てられ較正されると、セットアップアーム上の予想される重量または荷重が平衡化され、その結果として、リンケージ構造は、重力に対抗して鉛直方向に容易に移動し得る。リンケージ構造が移動すると、カウンタバランスリンクの接合部におけるモーメントまたは力が変動し得る。カウンタバランスリンク２９２は、その接合部におけるモーメントまたは力の変動または変化に対して平衡化し、またはこれを補償する。一般的に、その接合部におけるモーメントまたは力に対して平衡化する、またはこれを補償するために、カウンタバランスリンク２９２によって生成される可変の力またはモーメントは、カウンタバランス力またはカウンタバランスモーメントと称され得る。１つ以上のケーブル５０１は、ばね５１５を圧縮または減圧縮するために、カウンタバランスリンク２９２のプーリ５０２〜０４に巻きつけられ、または、ほどかれて、カウンタバランス力の生成にあたり１つ以上のケーブル５０１の張力を、それぞれ増加または減小する。１つ以上のケーブル５０１の張力の増加は、カウンタバランスリンク２９２の接合部におけるモーメントまたは力の増加を平衡化する。１つ以上のケーブル５０１の張力の減少は、カウンタバランスリンク２９２の接合部におけるモーメントまたは力の減少を平衡化する。
【００８８】
セットアップアームが適切な位置に移動され、荷重または重量が平衡化された後に、セットアップアーム、平行四辺形リンケージ構造、およびカウンタバランスリンク２９２の動きを阻止するために、セットアップ接合部のブレーキが適用され得る。
【００８９】
（小型ばねの平衡化理論）
ここで図１４Ａを参照すると、単一リンク１４００が、枢動点Ｏにおいて鉛直方向の壁１４０２に枢動可能に連結されて示されている。鉛直方向の（および水平方向の）面内で回転するリンク１４００は、線形のばね１４０１によって平衡化され得、その結果として、重力の影響にかかわらず、任意の位置において釣り合い状態となる。重力（ｆ＝ｍｇ）は、質量ｍと、リンクの中点に作用する重力の加速度ｇとの積に等しい。リンク１４０１の長さは２ｌであり、その中点は、リンクに沿って距離ｌにある。線形のばね１４０１は、ばね定数Ｋを有し、点ｖでリンク１４０１に、および点ｗで壁１４０２に連結する。リンク１４００は、図１４Ａに図示されているように、壁Ｗとの角度シータを形成する。
【００９０】
ここで図１４Ｂを参照すると、剛性リンク１４００の概略図が、点Ｏにおいてピン結合され、点ｗにおいて鉛直方向の壁１４０２に付着された線形のばね１４０１によって保持された状態で、示されている。距離ｘは、点ｗと点ｖとの間の距離である。距離ｂは、点ｗと点ｏとの間の距離である。距離ａは、点ｏと点ｖとの間の距離である。距離ｔは、点ｏと、点ｗと点ｖとを結ぶ線に対する垂線の足との間の、線に沿った距離である。
【００９１】
重力に関して釣り合い状態にあるリンクに対して、点ＯのまわりのモーメントＭ０は実質的にゼロでなければならない。図１４Ｂから、点ＯのまわりのモーメントＭ０に対する式は、次のように決定され得、
Ｍ０＝ｍｇｌｓｉｎθ―Ｋ（ｘ−ｘ０）ｔ＝０
ここで、ｘ０は、ばねの伸びていないときの長さである。
【００９２】
この式の項を再構成すると、
ｍｇｌｓｉｎθ＝Ｋ（ｘ−ｘ０）ｔ
が得られる。
【００９３】
壁に対してゼロでない角度シータ（θ）をなすリンク１４００について、同様の三角形（図１５Ｂを参照）から導かれるｔを式に代入することができ、
ｔ／ｂ＝ａｓｉｎθ／ｘ
再構成して、ｔについて解くと、
ｔ＝ａｂｓｉｎθ／ｘ
ｔを式に代入すると、サイン項が約分されて、
ｍｇｌ＝Ｋ（ｘ−ｘ０）ａｂ／ｘ
ばねの伸びていないときの長さ、ｘ０が０に等しい場合には、式はさらに簡単になり、
ｍｇｌ＝Ｋａｂ
項を再構成して、ばね定数について解くと、
Ｋ＝ｍｇｌ／ａｂ
となる。
【００９４】
かくして、ばね定数Ｋに対する式は、ばね１４０１の剛性Ｋが一定値で、かつリンクの角度シータθとは独立となり得ることを示す。ばね１４０１の伸びていないときの長さｘ０が実質的にゼロになるように選択される場合には、ばねの剛性Ｋは一定となり、かつ、角度シータθとは独立となり得る。引張ばね１４０１が点ｗと点ｖとを結ぶ線の外側に配置される場合には、ばね１４０１の伸びていないときの長さｘ０は、実質的にゼロに設定され得る。
【００９５】
それ故に、リンク１４００は、（ｉ）ばね剛性Ｋが、Ｋ＝ｍｇｌ／ａｂの式に従って適切に選択される場合、および（ｉｉ）ばねが、リンクへのその接続点と固定された参照点との間の線ｗｖよりも外側に配置される場合には、全てのその位置に対して平衡化され得る。
【００９６】
ここで図１５Ａを参照すると、リンク１４００に対するばね、プーリ、およびケーブルのカウンタバランス機構が示されている。図１５Ａは、点ｗと点ｖとを結ぶ線の外側に配置された引張ばね１５０１を示し、その結果として、ばね１５０１の伸ばされていない状態での長さｘ０は効果的に、実質的にゼロに設定される。ケーブル１５０３が、ばね１５０１から点ｖにおけるプーリ１５０２の上に経路設定され、点ｗにおいて壁１４０２に連結される。正確な平衡化のために、プーリ１５０２の直径は、三角形の辺ａおよび辺ｂに対して小さくなければならない。しかしながら、ばね荷重が高い場合には、荷重を安全に保持するために十分強いケーブルは、使用時に屈曲疲労で破損しないために、適切なサイズのプーリを必要とする。かくして、単一プーリ１５０２は、一部の用途に対して実際的でないことがある。この場合には、図１５Ｃに示されるような、３つのプーリシステムが使用され得る。
【００９７】
図１５Ｂは、図１４Ａのものと同様の三角形を有する、剛性リンク１４００の概略図を示す。図１５Ｃは、図１５Ｂの概略図に対応する３つのプーリシステムの概略図を示す。すでに上述したように、距離ｘは点ｗと点ｖとの間の距離である。距離ｂは、点ｗと点ｏとの間の距離である。距離はａ、点ｏと点ｖとの間の距離である。距離ｔは、点ｏと、点ｗと点ｖとを結ぶ線に対する垂線の足との間の、線に沿った距離である。
図１５Ｃにおいて、リンク１４００の重量およびモーメントを平衡化するのための、３つのプーリ１５１２Ａ〜１５１２Ｃを有する、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構の概略図が示されている。ケーブル１５１３は、３つのプーリ１５１２Ａ〜１５１２Ｃのそれぞれの部分の周囲に巻きつけられる。３つのプーリ１５１２Ａ〜１５１２のそれぞれは、等しい直径を有し得、システムの距離ａおよびｂは、一定に維持され得る。しかしながら、角度シータθが変化すると、３つのプーリ上のケーブル１５１３の合計接触角は一定であるために、ケーブル１５１３の全ケーブルパス長（ａ＋ｂ＋ｘ）は、ｘの変化と同じ量だけ変化する。ケーブル長の変化は、ばねアセンブリ６０２のばねを引張るか、または押し動かして、実質的にゼロモーメントを維持しリンクの重量を平衡化するために加えられる、カウンタバランス力を調整する。
【００９８】
追加のリンクおよび取り付けられたロボット外科手術用アームの追加の重量はまた、ばね定数Ｋと、加えられと追加の力に耐えることができるケーブルとの適切な選択によって、カウンタバランス力によって平衡化され得る。
【００９９】
（結論）
セットアップ接合部アーム１４０の平行四辺形のリンク構造２４６が、患者側マニピュレータ（ＰＳＭ）１３２を参照して詳細に説明されてきたが、平行四辺形のリンケージ構造は、内視鏡カメラロボットマニピュレータ１３４を支持するセットアップ接合部の中心アーム１３８、あるいは、ロボット外科手術システムのその他のセットアップ接合部アームまたは構造に使用され得る。
【０１００】
図１に示されるように、セットアップ接合部中心アーム１３８は、平行四辺形リンク構造２４６によって主に画定される、比較的短い、略鉛直方向の剛性アームを備える。セットアップ接合部中心アーム１３８は、その他の３つのアーム１４０、１４２、１４４よりも短い平行四辺形のリンク２５２を有する。セットアップ接合部中心アーム１３８は、一般的には、手動で位置決めされる３自由度を有する。セットアップ接合部中心アーム１３８は、方位角角度が配向プラットフォーム１３６の回転によって制御されるときには、いかなる冗長な接合部もなくなる。セットアップ接合部中心アーム１３８は、矢印ＳＪＣ３によって示されるように、鉛直方向に平行移動し得る。セットアップ接合部中心アーム１３８の一般的な回転の動きは、図１において矢印ＳＪＣ４によって示される。
【０１０１】
天井取り付け型ロボット外科手術システム１００を参照して、本発明の実施形態が詳細に説明されてきたが、本発明の実施形態は、天井に取り付けるのではなく、代わりに床によって支持されるか、またはテーブルに取り付けられるロボット外科手術システムに対して、等しく適用され得る。加えて、本発明の実施形態は、平行四辺形のリンケージ構造を参照して詳細に記載されてきた。しかしながら、本発明の実施形態は、平衡化を要する連続リンケージアーム構造、または平衡化を要するその他の平行リンケージ構造のような、その他のリンケージに対して等しく適用可能であり得る。さらに、本発明の実施形態は、ばね−ケーブル−プーリのカウンタバランス機構を参照して記載されてきた。ケーブルとプーリは、ベルトまたはストラップとプーリ、チェーンとスプロケット、有孔金属製テープと球状ピンを有するプーリ、またはタイミングベルトとタイミングギア、で代替され得る。プーリ、スプロケット、球状ピンを有するプーリ、およびタイミングギアは、回転伝達デバイスとして総称され得る。ケーブル、ベルト、ストラップ、チェーン、有孔金属製テープ、およびタイミングベルトは、張力機構として総称され得る。
【０１０２】
特定の例示的な実施形態および方法が、理解しやすさのために、かつ例示として、ある程度詳細に記載されてきたが、上記の開示内容から当業者には、これら実施形態および方法の変形、修正、変更、および適用が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われ得ることが明らかとなる。それ故に、上記の記載は、添付された請求項によって定義される本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
2010516398.tif 000015
【図６Ｂ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【国際調査報告】
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2010516398.tif 000037
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