(57)【要約】  シャフトと関節部と駆動機構を備えているロボット外科用器具。関節部は、シャフトから延び出して、先端の遠位端で終端している。先端は、エンドエフェクタ用のアタッチメントを有している。駆動機構は、可撓性の駆動エレメントによって関節部を駆動し、それによってシャフトに対する先端の角度方向を変更する。駆動機構は、関節部を少なくとも１つの領域に沿って常に完全に圧縮するように制御されており、それによって関節部は、関節部を任意の１つの構成から任意の他の構成になるように駆動している間、先端とシャフトを連結している。駆動機構は、先端が２つの回転自由度を有しかつシャフトに対して並進自由度を持たないように、関節部の動きを制約している。【選択図】図７ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと、
前記シャフトから延び出して先端の遠位端で終端しており、前記先端がエンドエフェクタ用のアタッチメントを有している関節部と、
可撓性の駆動エレメントによって前記関節部を駆動し、それによって前記シャフトに対する前記先端の角度方向を変更する駆動機構と、を備え、
前記駆動機構は、前記関節部を少なくとも１つの領域に沿って常に完全に圧縮するように制御され、それによって前記関節部は、前記関節部を任意の１つの構成から任意の他の構成になるように駆動している間、前記先端と前記シャフトを連結しており、前記駆動機構が、前記先端が２つの回転自由度を有しかつ前記シャフトに対して並進自由度を持たないように前記関節部の動きを制約している
ロボット外科用器具。
【請求項２】
前記駆動機構が、前記先端に前記シャフトの長手方向の軸を横切る平面内の軸周りの回転を許容するように、前記関節部の動きを制約している請求項１に記載のロボット外科用器具。
【請求項３】
前記可撓性の駆動エレメントは、前記シャフトを通って延び出して、前記関節部と係合し、前記先端で終端している請求項１または２に記載のロボット外科用器具。
【請求項４】
前記駆動機構は、少なくとも１つの前記可撓性の駆動エレメントを常にフルテンションで保持するように構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項５】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸と同一線上にある構成において、前記駆動機構は、全ての前記可撓性の駆動エレメントをフルテンションで保持するように構成されている請求項１〜４の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項６】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸と同一線上にない構成において、前記駆動機構は、１つの前記可撓性の駆動エレメントのみをフルテンションで保持するように構成されている請求項１〜５の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項７】
前記駆動機構は、少なくとも１つの他の前記可撓性の駆動エレメントを圧縮状態で保持するように構成されている請求項６に記載のロボット外科用器具。
【請求項８】
前記可撓性の駆動エレメントは、圧縮力および張力に抵抗する請求項１〜７の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項９】
少なくとも３つの前記可撓性の駆動エレメントを備えている請求項１〜８の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１０】
前記関節部は、前記可撓性の駆動エレメントによって互いに連結された一連の環状リングを備えている請求項１〜９の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１１】
前記環状リングは、前記可撓性の駆動エレメントによって前記シャフトおよび前記先端に連結されている請求項１０に記載のロボット外科用器具。
【請求項１２】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸と同一線上にある構成において、前記環状リングは、それらの中心が前記シャフトおよび前記先端の長手方向の軸と同一直線上にある軸上に位置するように積み重ねられている請求項１０または１１に記載のロボット外科用器具。
【請求項１３】
前記構成において、隣接する前記環状リングの対向面は完全に接触している請求項１２に記載のロボット外科用器具。
【請求項１４】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸から角度的にオフセットされた構成において、隣接する前記環状リングの前記対向面は、一点のみで互いに接触している請求項１０または１１に記載のロボット外科用器具。
【請求項１５】
前記環状リングは互いに弾性的に離隔している請求項１０〜１２の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１６】
前記関節部は、シングルスタートヘリカルカットばねを備えている請求項１〜９の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１７】
前記関節部は、マルチスタートヘリカルカットばねを備えている請求項１〜９の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１８】
さらに、それぞれの前記可撓性の駆動エレメント上の張力を測定するように構成された歪みゲージを備えている請求項１〜１７の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１９】
前記駆動機構は、前記可撓性の駆動エレメントが所望の張力を有するまで前記可撓性の駆動エレメントを変位させるように構成されている請求項１８に記載のロボット外科用器具。
【請求項２０】
前記駆動機構は、コントローラから前記所望の張力を受け取るように構成されており、前記所望の張力は、前記先端の現在のおよび所望の前記向きと、前記可撓性の駆動エレメントの前記張力のモデルに従って決定される請求項１９に記載のロボット外科用器具。
【請求項２１】
隣接する前記環状リングの前記対向面間の接触を検出するための接触センサをさらに備えている請求項１０〜１４の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項２２】
前記駆動機構は、前記接触センサによって前記隣接する環状リングの前記対向面間で接触が検出されるまで、前記可撓性の駆動エレメントを変位させるように構成されている請求項２１に記載のロボット外科用器具。
【請求項２３】
ロボット外科用器具は、実質的に添付図面の図６，図７ａ，図７ｂ，図７ｃを参照して記述されている。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
手術を支援して行うためにロボットを用いることが知られている。通常、外科用ロボットは、ベースと、アームと、器具から構成されている。ベースは、外科用ロボットを支持して、例えば、手術室の床や手術室の天井あるいはトロリーに堅固に取り付けられる。アームは、ベースと器具の間に延在している。アームは一般的に複数の関節を有しており、かかる関節は、患者に対して所望の位置に外科用器具を配置するために使用されている。外科用器具は、ロボットアームの遠位端に取り付けられている。外科用器具は、手術部位にアクセスするために、ポートで患者の身体を貫通する。
【０００２】
図１は、ロボット腹腔鏡手術を行うための代表的な外科用器具１００を示している。外科用器具１００は、外科用器具１００がロボットアームに接続するためのベース１０１を備えている。シャフト１０２は、ベース１０１と関節部１０３の間に延在している。関節部１０３は、エンドエフェクタ１０４で終端している。図１では、一対の鋸歯状の顎部がエンドエフェクタ１０４として例示されている。関節部１０３は、エンドエフェクタ１０４がシャフト１０２に対して移動することを可能にしている。関節部１０３によってエンドエフェクタ１０４の動きに少なくとも２つの自由度が与えられていることが望ましい。
【０００３】
図２は、エンドエフェクタ１０４がピッチジョイント２０１とヨージョイント２０２によってシャフト１０２に対して移動することが許容されている公知の外科用器具２００の一例を示している。ピッチジョイント２０１は、エンドエフェクタ１０４がピッチ軸２０３周りに回転することを可能にしている。ヨージョイント２０２は、エンドエフェクタ１０４がヨー軸２０４周りに回転することを可能にしている。関節部１０３は、多くの精密に製造されたエレメントを必要としている。関節部１０３はまたジョイント毎に２本のケーブルを必要としており、エンドエフェクタを全てのものにつなぐことが必要とされたケーブルは、関節部およびエンドエフェクタの任意の構成において互いに絡まることなく関節部内に収まっている。プーリー２０５のようなプーリーは、このようにケーブルを扱うために用いられている。シャフト１０２の外径は、関節部１０３の内部エレメントの数と大きさに対応するために８ｍｍとなっている。患者の皮膚を貫く切開の大きさや患者の体内の破壊を最小にするために、シャフト１０２の外径を減少することが望ましい。
【０００４】
図３は、エンドエフェクタ１０４が関節部１０３によってシャフト１０２に対して移動することが許容されている公知の外科用器具３００の別の例を示している。関節部１０３は、４つのジョイント３０１，３０２，３０３，３０４のコース上でエンドエフェクタ１０４の２つの自由度を可能にする可撓部である。各ジョイントは、一対のケーブルによって独立に制御される。かかる可撓部１０３は図２の場合よりも小型であり、それゆえシャフトの外径は図２に比較して小さくされている。しかしながら、可撓部１０３は、多数の精密に構成された非常に小さなエレメントを必要としている。さらに、５対のケーブルが、可撓部のジョイントとエンドエフェクタ１０４をつなぐために必要とされている。それほど複雑でない関節接合が好ましいであろう。
【０００５】
図４は、関節部１０３が可撓性を有する公知の外科用器具４００のさらなる例を示している。エンドエフェクタ１０４の２つの自由度は、４本のケーブルを用いて可撓部に亘って可能とされている。これは、図３の関節接合ほど複雑ではない。しかしながら、後ほど図５ａ，図５ｂ，図５ｃを参照して説明するように、この構成では正確に制御できない。図５ａ，図５ｂ，図５ｃは、一端がシャフト１０２に連結され、他端が器具先端５０１に連結された関節部１０３を示している。２本のケーブル５０２，５０３が示されている。これらのケーブルは、１つの軸周りの器具先端の作動を可能にしている。別の軸周りの器具先端の作動を可能にする２本のさらなるケーブルは、説明を容易にするためにここでは示されていない。ケーブル５０１，５０２は、可撓部に係合している。ケーブル５０２がピンと張られており、ケーブル５０３が緩められている時には、器具先端５０１は、図５ｂに示すように、一方の側に屈曲している。それゆえ、このような関節部の配置は、器具先端を作動させることを可能にしている。しかしながら、器具先端は正確に制御されていない。例えば、図５ｃは、両方のケーブル５０２，５０３が同じ長さを有するシナリオを示しているが、器具先端５０１は器具シャフト１０２と同じ線上にはない。
【０００６】
関節部１０３をばね化することにより、図５ｃのずれ問題を解決することが知られている。図５ｃのずれた構成は、図５ａの位置合わせされた構成と比較して、エネルギー的に不利である。したがって、関節部１０３をばね化することにより、図４の外科用器具の可撓部がより制御可能となる。しかしながら、関節部を確実に制御するのに必要なばね力の大きさは、外科用器具に印加される負荷の大きさと方向に依存している。外科用器具に適用される負荷の大きさおよび方向を決定するように構成されている。非ばね状ジョイントと比較してジョイントを作動させる力の２倍または３倍の力が一般的に必要である。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、シャフトと、前記シャフトから延び出して先端の遠位端で終端しており、前記先端がエンドエフェクタ用のアタッチメントを有している関節部と、可撓性の駆動エレメントによって前記関節部を駆動し、それによって前記シャフトに対する前記先端の角度方向を変更する駆動機構と、を備え、前記駆動機構は、前記関節部を少なくとも１つの領域に沿って常に完全に圧縮するように制御され、それによって前記関節部は、前記関節部を任意の１つの構成から任意の他の構成になるように駆動している間、前記先端と前記シャフトを連結しており、前記駆動機構が、前記先端が２つの回転自由度を有しかつ前記シャフトに対して並進自由度を持たないように前記関節部の動きを制約している。
【０００８】
駆動機構は、先端がシャフトの長手方向の軸を横切る平面内の軸周りの回転を許容するように、関節部の動きを制約していてもよい。
【０００９】
可撓性の駆動エレメントは、シャフトを通って延び出して、関節部と係合し、先端で終端していてもよい。
【００１０】
駆動機構は、少なくとも１つの可撓性の駆動エレメントを常にフルテンションで保持するように構成されていてもよい。
【００１１】
好適には、先端の長手方向の軸がシャフトの長手方向の軸と同一線上にある構成において、駆動機構は、全ての可撓性の駆動エレメントをフルテンションで保持するように構成されていることが望ましい。
【００１２】
好適には、先端の長手方向の軸がシャフトの長手方向の軸と同一線上にない構成において、駆動機構は、１つの可撓性の駆動エレメントのみをフルテンションで保持するように構成されていることが望ましい。好適には、この構成において、駆動機構は、少なくとも１つの他の可撓性の駆動エレメントを圧縮状態で保持するように構成されていることが望ましい。
【００１３】
好適には、可撓性の駆動エレメントは、圧縮力および張力に抵抗することが望ましい。
【００１４】
好適には、ロボット外科用器具は、少なくとも３つの可撓性の駆動エレメントを備えていることが望ましい。
【００１５】
好適には、関節部は、可撓性の駆動エレメントによって互いに連結された一連の環状リングを備えていることが望ましい。環状リングは、可撓性の駆動エレメントによってシャフトおよび先端に連結されていてもよい。好適には、先端の長手方向の軸がシャフトの長手方向の軸と同一線上にある構成において、環状リングは、それらの中心がシャフトおよび先端の長手方向の軸と同一直線上にある軸上に位置するように積み重ねられていることが望ましい。前述の構成において、隣接する環状リングの対向面は完全に接触していてもよい。
【００１６】
先端の長手方向の軸がシャフトの長手方向の軸から角度的にオフセットされている構成において、隣接する環状リングの対向面は、一点のみで互いに接触していてもよい。
【００１７】
環状リングは互いに弾性的に離隔していてもよい。
【００１８】
関節部は、シングルスタートヘリカルカットばねを備えていてもよい。関節部は、マルチスタートヘリカルカットばねを備えていてもよい。
【００１９】
ロボット外科用器具は、さらに、それぞれの可撓性の駆動エレメント上の張力を測定するように構成された歪みゲージを備えていてもよい。
【００２０】
駆動機構は、可撓性の駆動エレメントが所望の張力を有するまで、可撓性の駆動エレメントを変位させるように構成されていてもよい。駆動機構は、コントローラから所望の張力を受け取るように構成されていてもよく、かかる所望の張力は、先端の現在の向きおよび所望の向きと、可撓性の駆動エレメントの張力のモデルに従って決定される。
【００２１】
ロボット外科用器具は、隣接する環状リングの対向面間の接触を検出するための接触センサをさらに備えていてもよい。
【００２２】
好適には、駆動機構は、接触センサによって隣接する環状リングの対向面間で接触が検出されるまで、可撓性の駆動エレメントを変位させるように構成されていることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明を、添付図面を参照して説明する。
【図１】公知のロボット外科用器具を示す図。
【図２】２つの分離されたジョイントを有する公知のロボット外科用器具を示す図。
【図３】独立に制御されるジョイントと共に可撓部を有する公知のロボット外科用器具を示す図。
【図４】一緒に制御される可撓部を有する公知のロボット外科用器具を示す図。
【図５ａ】ロボット外科用器具の可撓部の１つの構成を示す図。
【図５ｂ】ロボット外科用器具の可撓部の別の構成を示す図。
【図５ｃ】ロボット外科用器具の可撓部のさらに別の構成を示す図。
【図６】外科用器具の遠位端を示す図。
【図７ａ】図６の外科用器具の１つの構成を示す図。
【図７ｂ】図６の外科用器具の別の構成を示す図。
【図７ｃ】図６の外科用器具のさらに別の構成を示す図。
【図８】さらなる外科用器具の遠位端を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図６は、外科用器具６００の遠位端を示している。全体としての外科用器具は、図１に示される一般的な形状を有している。言い換えれば、外科用器具は、外科用器具が外科用ロボットアームに接続するためのベース１０１を備えている。器具ベース１０１は、器具ベース１０１がロボットアームの端末に取り外し可能に取り付けることができるように、外科用ロボットアームの端末と協働して設計されている。シャフト１０２は、ベース１０１と関節部１０３間に延在している。関節部１０３は、その近位端でシャフト１０２に接続されている一方、その遠位端で器具先端６０１に接続されている。器具先端６０１は、エンドエフェクタ１０４を取り付けるのに適したアタッチメント６０２を有している。シャフト１０２，関節部１０３および器具先端６０１は全て中空である。これにより、これらの部分へのエレメントの挿通が可能になり、エンドエフェクタ１０４を作動させることができる。また、外科用器具の重量を低減できる。
【００２５】
エンドエフェクタは、任意の適切な形状とされていてもよい。例えば、エンドエフェクタは、滑らかな顎部、鋸歯状の顎部、グリップ部、一対の鋏、縫合用針、カメラ、レーザー、ナイフ、ホッチキス、焼灼器、吸引器、であってもよい。
【００２６】
関節部１０３は、可撓性を有している。好適には、関節部１０３はばね化されていないことが望ましい。あるいは、関節部１０３は少しばね化されていてもよい。図６の関節部１０３は、一組の環状リング６０３、６０４，６０５と駆動エレメント６１１，６１２，６１３を備えている。
【００２７】
３つの環状リングが図６に示されているが、より少ないまたはより多くの環状リングが使用されてもよいことは理解されるであろう。これらの環状リングは互いに強固に取り付けられていない。器具が、図６に示されるように先端がシャフトと同一直線上にあるまっすぐな構成にあるときに、環状リングの中心が器具の長手方向の軸６０６上に位置するように、環状リングが積み重ねられる。各環状リングは、環状体の内側および外側の同心リングによって境界付けされた第１の表面６０７と、第１の表面とは反対側かつ同じく環状体の内側および外側の同心リングによって境界付けされた第２の表面６０８と、環状体の内側の同心リングによって画定されかつ第１および第２の表面６０７，６０８に垂直な内面６０９と、環状体の外側の同心リングによって画定されかつ同じく第１および第２の表面６０７，６０８に垂直な外面６１０と、を備えている。環状リングの外面は、シャフトおよび先端の外面と位置合わせされている。環状リングの外面は、シャフトおよび先端の外面と面一である。各環状リングに対して、その第１の表面は、その一方の側に積み重ねられた隣接する環状リングの第２の表面に対向している一方、第２の表面は、他方の側に積層された隣接する環状リングの第１の表面に対向している。これに対する例外は、関節部１０３のいずれかの端部における環状リングであり、その一方はシャフト１０２の端末側の環状リング６１４に対向している一方、他方は器具先端６０１の基端部の環状リング６１５に対向している。
【００２８】
図６に示す環状リングの内側および外側の同心リングは円形である。内側および外側リングは、非円形の外形を有していてもよい。例えば、卵形あるいは楕円形であってもよい。好適には、環状リングの外側リングは、シャフトの外形と一致していることが望ましい。それゆえ、シャフトの断面形状が円形である場合には、環状リングの外側リングは、シャフトと一致する円形の形状および大きさである。このことは、器具が手術部位に捕捉されたり引っ掛かって動きが取れなくなり難くする滑らかな外形を、器具に提供する。
【００２９】
環状リングは、駆動エレメントによって互いに連結されている。各駆動エレメントは、各環状リングに係合している。図６に示されている構成では、各駆動エレメントは、各環状リングの開口を通過している。開口は、第１および第２の表面に垂直な環状リングの第１の表面および第２の表面を通って環状リングを貫通している。環状リングは、駆動エレメントに固定されていない。環状リングは、駆動エレメントに沿って摺動自在である。しかし、各環状リングの動きは、それを通過する駆動エレメントによって制約されている。これにより、駆動エレメントは、環状リングが外科用器具から外れることを防止している。環状リングは、駆動エレメントによってシャフトおよび先端に連結されている。各駆動エレメントは、シャフトの遠位端で環状リング６１４を通過後、可撓部における環状リングの各々を通って、器具先端６０１の基端部で環状リング６１５を通過する。駆動エレメントの基端部は、外科用器具のベース内の駆動機構に接続されている。駆動エレメントは、シャフト１０２を通って延び出し、可撓部１０３を通って器具先端６０１に挿入されている。駆動エレメントの先端部は、器具先端に固定されている。
【００３０】
駆動エレメントは可撓性を有している。各駆動エレメントは細長い。各駆動エレメントは、静止時には線状である。換言すれば、各駆動エレメントは、外力が加えられておらず、無歪み状態にあるときには線状である。各駆動エレメントは、その主要領域で横方向に屈曲可能である。換言すれば、各駆動エレメントは、その長手方向の軸に対して横方向に屈曲可能である。各駆動エレメントは、その主要領域に沿って可撓性を有していない。各駆動エレメントは、その長手方向の軸の方向に作用する圧縮および張力の力に抵抗する。これにより、駆動エレメントは、器具のベースから器具先端に駆動を伝達することができる。駆動エレメントは、ロッドであってもよい。例えば、駆動エレメントはプッシュ／プルロッドであってもよい。駆動エレメントはケーブルであってもよい。駆動エレメントは、ばね鋼から作られていてもよい。あるいは、駆動エレメントは、炭素繊維のような合成物から作られていてもよい。
【００３１】
駆動エレメントは、張力下、またオプションで圧縮された状態に置くことができるように、器具のベースに固定されている。例えば、駆動エレメントはプレートに固定されていてもよい。ねじはプレートに通されている。モータは、ねじの回転を駆動する。ねじを締め付けることにより、プレートが器具の近位端（すなわち、ロボットアームの方）に向かって移動して、それによって駆動エレメントを牽引する。ねじを緩めることにより、プレートは器具の遠位端（すなわち、器具先端の方）に向かって移動して、それによって駆動エレメントを押圧する。別の例として、駆動エレメントはそれぞれ、スプールに固定されていてもよい。モータは、スプールの回転を駆動する。スプールを一方向に回転させることにより、駆動エレメントはスプールに巻き付き、それによってシャフトおよび関節部内の駆動エレメントの長さを短くする。換言すれば、この動きは、駆動エレメントに張力または牽引力を提供する。スプールを他の方向に回転させることにより、駆動エレメントはスプールから解かれ、それによってシャフトおよび関節部内の駆動エレメントの長さを増加させる。換言すれば、この動きは、駆動エレメントに圧縮力または押圧力を提供する。
【００３２】
駆動エレメントが器具ベースの方へ牽引されると、駆動エレメントは器具先端に固定されていることから、器具先端は印加された張力の方向に引っ張られる。換言すれば、器具先端は器具ベースの方へ引っ張られる。これにより、関節部１０３は、その駆動エレメントの領域で圧縮される。図６の例では、シャフトおよび器具先端は剛体で長さが固定されているが、環状リングは、駆動エレメントに沿って摺動可能である。それゆえ、駆動エレメントが引っ張られると、その駆動エレメントは、それが係合する環状リングを通って摺動し、それによって一緒に通過する環状リングを牽引する。これにより、駆動エレメントが通過する積み重ねられた環状リングが圧縮される。
【００３３】
駆動エレメントが器具ベースから離隔するように押圧されると、駆動エレメントは器具先端に固定されていることから、器具先端が印加された圧縮の方向に押圧される。換言すれば、器具先端は器具ベースから離れるように押圧される。このことは、関節部１０３を、その駆動エレメントの領域内に延在させる。図６の例では、駆動エレメントが押圧されると、その駆動エレメントは、それが係合する環状リングを通って摺動し、それによって通過する環状リングを互いに離隔するように押圧する。これにより、駆動エレメントが通過する積み重ねられた環状リングが延ばされる。
【００３４】
図６は、関節部１０３および器具先端６０１と係合して器具先端６０１を配向する３つの駆動エレメントを有する外科用器具を示している。あるいは、４つの駆動エレメントを使用してもよい。さらに多くの駆動エレメントを使用してもよい。少なくとも３つの駆動エレメントが、シャフト１０２に対して２つの回転自由度で器具先端を配向させられるように用いられている。図７ａ，図７ｂ，図７ｃは、器具先端の３つの異なる配向をもたらす駆動エレメントの３つの配置を示している。
【００３５】
図７ａは、外科用器具の真っ直ぐな構成を示している。この構成では、器具先端の長手方向の軸７０１は、シャフトの長手方向の軸７０２と同一直線上にある。この構成では、器具のベース内の駆動機構は、全ての駆動エレメントをフルテンションで保持している。それゆえ、図７ａの例では、３つの駆動エレメント６１１，６１２，６１３は全て引っ張られている。これにより、関節部１０３は完全に圧縮されている。環状リングは、互いの上部に積層されている。環状リングの中心は、器具先端の長手方向の軸７０１およびシャフトの長手方向の軸７０２と同一直線上にある軸７０３上に位置している。隣接する環状リングの対向面は完全に接触している。換言すれば、各環状リングにおいて、第１の表面は、第１の表面全体に亘って隣接する環状リングの第２の表面に接触している。同様に、かかる環状リングにおいて、第２の表面は、第２の表面全体に亘って隣接する環状リングの第１の表面に接触している。関節部１０３のシャフトの端部における環状リングの場合、シャフト表面６１４に対向する面は、シャフト表面６１４と完全に接触している。関節部１０３の先端の端部における環状リングの場合は、先端表面６１５に対向する面は、先端表面６１５と完全に接触している。
【００３６】
図７ｂは、外科用器具の第１の屈曲構成を示している。この構成では、器具先端の長手方向の軸７０１は、シャフトの長手方向の軸７０２と同一線上にない。器具先端の長手方向の軸７０１は、シャフトの長手方向の軸７０２から角度的にオフセットされている。器具のベース内の駆動機構は、フルテンションで１つの駆動エレメントのみを保持している。図７ｂでは、この駆動エレメントは駆動エレメント６１１である。駆動エレメント６１１が引っ張られることにより、関節部１０３がその駆動エレメントの領域内で完全に圧縮される。隣接する環状リングの対向面は、１つの接触点７０４でのみ接触する。かかる接触点７０４は、張力下で駆動エレメントに最も近い隣接する環状リングの対向面の外縁にある。環状リングの対向面は、図７ａのようにそれらの表面を横切って等しく間隔を置いて配置されてはいない。環状リングの対向面は、図７ａのように互いに平行ではない。隣接する環状リングの対向面間の分離は、接触点７０４ではゼロから増加する一方、反対側の外縁においてはより大きな分離７０５を生じている。これにより、器具先端は、図示された第１の屈曲構成に配向されている。環状リングの中心は、器具先端の長手方向の軸７０１をシャフトの長手方向の軸７０２につなぐ一様な曲線７０６上に位置している。
【００３７】
他の駆動エレメントは、駆動機構によって力を受けないようにしてもよい。あるいは、１つ以上の他の駆動エレメントは、駆動機構によって押圧されていてもよい。駆動エレメント６１１を張力状態に保持することに加えて、１つ以上の他の駆動エレメント６１２，６１３を圧縮状態に保持することによって、関節部および器具先端の構成はより堅固になる。これにより、エンドエフェクタの位置に余分の安定性がもたらされる。エンドエフェクタの所定位置における余分の安全性および安定性は、外科用器具をストレス状態に置いている場合、例えばエンドエフェクタに負荷がかけられている場合、に有用である。
【００３８】
図７ｃは、外科用器具の第２の屈曲構成を示している。かかる構成では、器具先端は、図７ｂに示されたものとは反対側に曲げられている。図７ｂに関して上述したものと同じ原理が適用される。今回、駆動エレメント６１３のみがフルテンションである。隣接する環状リングの対向面は、接触点７０７のみで接触している。接触点７０７は、駆動エレメント６１３に最も近い隣接する環状リングの対向面の外縁にある。
【００３９】
隣接する環状リングの対向面は、弱いばねによって分離されていてもよい。例えば、弱いばねは、０．１Ｎ／ｍｍと１Ｎ／ｍｍ間のばね定数を有していてもよい。弱いばねは、関節部が図７ｂあるいは図７ｃのような構成に屈曲する際に、環状リングが関節部上に均等に間隔を置いて配置される、ことを確実にする。弱いばねには、図５ｃの構成が勝手に進展するのを防止するのに十分な強度はない。
【００４０】
図７ａ，図７ｂ，図７ｃに示す構成において、駆動機構は、制御の下で駆動エレメントを引っ張るおよび（オプションで）圧縮することによって、器具先端を所望の位置に配向する。駆動機構は常に、少なくとも１つの駆動エレメントをフルテンションで保持している。これにより、関節部１０３は、器具先端とシャフトとを連結する少なくとも１つの領域に沿って常に完全に圧縮されている。かかる完全圧縮は、フルテンション下で駆動エレメントに最も近い部分に沿った関節部の外縁部にある。したがって、器具先端とシャフトとの間の与えられた角度関係のために、関節部の長さは、少なくとも１つの領域に沿って最小化されている。関節部分の長さは、シャフトの先端部６１４と器具先端の基端部６１５との離隔距離である。関節部分の長さは、環状リングが接触する方向に沿って最小化されている。関節部は、器具先端がどのような向きであっても、１つの領域で常に同じ最小長さを有している。これは、関節部が常に完全に圧縮されており、それゆえ少なくとも１つの領域に沿った最短長さであるからである。関節部は、図７ａ，図７ｂ，図７ｃに示すような構成の際、また１つの構成から別の構成に移動する際、の両者ともに、屈曲部の内側の縁部に沿って常に完全に圧縮されている。
【００４１】
このように、駆動機構は、器具先端がシャフトに対して２つの回転自由度で移動することを許容するように、関節部の動きを可能にしている。これにより、器具先端は、シャフトの長手方向の軸を横切る平面内で軸周りに回転するように、関節部を介して駆動機構によって制御されている。３つの駆動エレメントがこの回転を可能にしている。駆動機構は、装置先端がシャフトに対して並進しないように、関節部の動きを制限している。このように、駆動機構は、関節部の外形に２つ以上の曲線が決してないように、関節部の動きを制約している。したがって、図５ｃのずれた構成は生じない。駆動エレメント６１１，６１２，６１３の長さを制御することにより、器具先端の位置および向きが制御されている。駆動エレメントが全て同じ長さである場合には、関節部は、器具先端６０１の長手方向の軸７０１がシャフト１０２の長手方向の軸７０２と同一直線上にある、図７ａに示す構成をとる。この装置先端６０１の制御は、関節部の駆動エレメントまたは環状リングがばね化されることを必要とせずに達成される。環状リングが弱くばね化されて離隔している場合には、図７ｂまたは図７ｃのような屈曲構成において、環状リングの均等な分離を維持するだけである。かかる弱いばねは、図５ｃのずれた構成が発生するのを防止するのに十分なばね力を提供しない。
【００４２】
各駆動エレメントには、それぞれ歪みゲージが取り付けられていてもよい。各歪みゲージは、それが取り付けられた駆動エレメントの張力を測定する。オプションで、１つ以上の歪みゲージはまた器具シャフトに取り付けられていてもよい。歪みゲージは、測定された張力をコントローラに出力する。コントローラは、器具システムのモデルを保持している。コントローラは、プロセッサと、コンピュータ実行可能命令を記憶するためのメモリのような、非一時的なコンピュータ可読媒体と、を含むコンピュータベースの装置である。プロセッサは、器具の駆動機構の動作を制御するために、コンピュータ実行可能命令を処理する。コントローラは、器具先端の現在位置および向き、並びに各駆動エレメントの測定された張力と、オプションで器具シャフトの測定された張力と、を記憶している。コントローラは、器具先端の所望の位置を受け取る。これは、例えば、ユーザ入力によって受け取ってもよい。コントローラは、器具先端の向きを所望の位置に変更するために、駆動エレメントに印加される張力を決定する。コントローラは、駆動エレメントの張力を器具先端の位置にマップするモデルを参照してこの決定を行う。駆動エレメントに印加される、コントローラによって決定された張力は、器具シャフトを圧縮状態に維持すると共に、駆動エレメントの少なくとも１つを完全圧縮状態に維持する。
【００４３】
駆動エレメントの所望の張力は、器具ベース内の駆動機構に伝達される。コントローラは、駆動機構に駆動エレメントの実際の所望の張力を伝達してもよい。あるいは、コントローラは、駆動エレメントの所望の張力の指示を伝達してもよい。例えば、コントローラは、モータに一定量だけスプールを巻かせる制御信号を送ってもよい。別の例として、コントローラは、モータに一定量だけねじを巻かせる制御信号を送ってもよい。駆動機構は、信号を受信して、命令を実行する。これにより、駆動エレメントは、コントローラによって決定された量だけ張力をかけたり圧縮される。
【００４４】
コントローラは、駆動機構に対して駆動エレメントに張力を付与するような信号を送ってもよいが、どの程度の張力であるかを明示しなくてもよい。駆動機構は、かかる信号を受信して、駆動エレメントを引張る。かかる駆動エレメントに取り付けられた歪みゲージは、その駆動エレメントの張力を測定して、それをコントローラに出力する。駆動エレメントの所望の張力が達成されたと判定された場合、コントローラは、駆動機構に対して駆動エレメント上の現在の張力を維持する信号を送ってもよい。これに応答して、駆動機構は、さらなる張力が駆動エレメントに印加されるのを停止して、駆動エレメント上の現在の張力を維持する。
【００４５】
器具の遠位端の記憶されたモデルにしたがって駆動エレメントの動きを制御することにより、器具先端とシャフトを接続する少なくとも１つの領域に沿った関節部の完全な圧縮が保証されている。
【００４６】
関節部の隣接する環状リングの対向面間の接触を直接感知することによって、器具先端とシャフトを接続する少なくとも１つの領域に沿った関節部の完全な圧縮が保証されていてもよい。関節部に配置された接触センサがかかる接触を感知して、感知された接触をコントローラに出力する。コントローラは、駆動機構に駆動エレメントを変位させる信号を送ってもよい。駆動機構は、この信号を受信して、指示されたように駆動エレメントを変位させる。コントローラが、関節部の完全な圧縮が達成されたことを確認する出力を接触センサから受信した際には、駆動機構に駆動エレメント上の現在の張力を維持する信号を送る。これに応答して、駆動機構は、さらなる張力が駆動エレメントに印加されるのを停止して、駆動エレメント上の現在の張力を維持する。
【００４７】
アタッチメント６０２は、器具先端６０１に堅固に取り付けられていてもよい。あるいは、アタッチメント６０２は、ロールジョイントによって器具先端６０１に接続されていてもよい。この場合、ロールジョイント（例えば、可撓性ロッドまたはケーブル）のための制御は、シャフト１０２および関節部１０３の内部を通る。エンドエフェクタ（例えば、可撓性ロッドまたはケーブル）のための制御も、シャフト１０２および関節部１０３の内部を通る。
【００４８】
関節部１０３は、異なる方法で実現されていてもよい。例えば、関節部１０３は、カットばねを備えていてもよい。カットばねは、シングルスタートであってもよいし、マルチスタートであってもよい。図８は、マルチスタートヘリカルカットばね８０３である関節部１０３を示している。かかるばねは、一端がシャフト１０２の端部に連結されている一方、他端が器具先端８０１に連結されている。かかるばねの外形は、シャフト１０２および器具先端８０１の外面と位置合わせされている。ばねの外形は、シャフト１０２および器具先端８０１の外面と面一である。ばねは内部が中空であり、ケーブルをシャフト１０２および器具先端８０１を貫いて通過させることができる。シャフト１０２，器具先端８０１，アタッチメント８０２および駆動エレメント８１１，８１２，８１３は、図６，図７ａ，図７ｂ，図７ｃの対応するコンポーネントに関して説明したように、配置され、動作する。ばねは、圧縮および伸張するように構成されている。ばねは、もう一方の側よりも一方の側でより圧縮できる。それゆえ、ばねは、図７ｂ，図７ｃに示されたものに対応する方法で、シャフト１０２に対して器具先端８０１を角度変位させることを可能にしている。
【００４９】
図６，図７ａ，図７ｂ，図７ｃ，図８に記載された器具は、関節部１０３が移動することを制約された結果としてリスト中に制御可能な２つの自由度を与える。この動きを成し遂げるためには、３つの駆動エレメントだけが必要である。可撓関節部は、図３中の可撓部の内部コンポーネントほど複雑でなく、小型かつ精密に製造される必要はない、環状リングまたはばねを備えている。それゆえ、器具の外径を５ｍｍとすることができる。このような制御を実現するためには、関節部に作用するばね力は必要とされない。
【００５０】
器具は、非外科的目的のために用いられてもよい。例えば、それは、美容手術に用いられてもよい。
【００５１】
出願人はこれによって、ここに記載の分離した各個別の特徴および２つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを開示しており、そのような特徴または特徴の組み合わせが当業者の共通の一般的な知識に照らして全体として本明細書に基づいて実施されることが可能な程度に開示している。なお、そのような特徴または特徴の組合せが本明細書に開示される任意の問題を解決するかどうかは関係がなく、またかかる具体的記載が特許請求の範囲を限定するものでもない。出願人は、本発明の態様は、このような個々の特徴または特徴の組み合わせから成ってもよいことを示している。以上の説明に鑑みて、種々の改変が本発明の範囲内でなされ得ることは当業者にとって明らかであろう。
【図１】
2018520785.tif 000003
【図２】
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【図３】
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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６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年3月13日(2018.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと、
前記シャフトから延び出して先端の遠位端で終端しており、前記先端がエンドエフェクタ用のアタッチメントを有している関節部と、
可撓性の駆動エレメントによって前記関節部を駆動し、それによって前記シャフトに対する前記先端の角度方向を変更する駆動機構と、を備え、
前記駆動機構は、前記関節部を少なくとも１つの領域に沿って常に完全に圧縮するように制御され、それによって前記関節部は、前記関節部を任意の１つの構成から任意の他の構成になるように駆動している間、前記先端と前記シャフトを連結しており、前記駆動機構が、前記先端が２つの回転自由度を有しかつ前記シャフトに対して並進自由度を持たないように前記関節部の動きを制約している
ロボット外科用器具。
【請求項２】
前記駆動機構が、前記先端に前記シャフトの長手方向の軸を横切る平面内の軸周りの回転を許容するように、前記関節部の動きを制約している請求項１に記載のロボット外科用器具。
【請求項３】
前記可撓性の駆動エレメントは、前記シャフトを通って延び出して、前記関節部と係合し、前記先端で終端している請求項１または２に記載のロボット外科用器具。
【請求項４】
前記駆動機構は、少なくとも１つの前記可撓性の駆動エレメントを常にフルテンションで保持するように構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項５】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸と同一線上にある構成において、前記駆動機構は、全ての前記可撓性の駆動エレメントをフルテンションで保持するように構成されている請求項１〜４の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項６】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸と同一線上にない構成において、前記駆動機構は、１つの前記可撓性の駆動エレメントのみをフルテンションで保持するように構成されている請求項１〜５の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項７】
前記駆動機構は、少なくとも１つの他の前記可撓性の駆動エレメントを圧縮状態で保持するように構成されている請求項６に記載のロボット外科用器具。
【請求項８】
前記可撓性の駆動エレメントは、圧縮力および張力に抵抗する請求項１〜７の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項９】
少なくとも３つの前記可撓性の駆動エレメントを備えている請求項１〜８の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１０】
前記関節部は、前記可撓性の駆動エレメントによって互いに連結された一連の環状リングを備えている請求項１〜９の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１１】
前記環状リングは、前記可撓性の駆動エレメントによって前記シャフトおよび前記先端に連結されている請求項１０に記載のロボット外科用器具。
【請求項１２】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸と同一線上にある構成において、前記環状リングは、それらの中心が前記シャフトおよび前記先端の長手方向の軸と同一直線上にある軸上に位置するように積み重ねられている請求項１０または１１に記載のロボット外科用器具。
【請求項１３】
前記構成において、隣接する前記環状リングの対向面は完全に接触している請求項１２に記載のロボット外科用器具。
【請求項１４】
前記先端の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸から角度的にオフセットされた構成において、隣接する前記環状リングの前記対向面は、一点のみで互いに接触している、および／または前記環状リングは互いに弾性的に離隔している請求項１０または１１に記載のロボット外科用器具。
【請求項１５】
前記関節部は、シングルスタートヘリカルカットばね、あるいはマルチスタートヘリカルカットばね、を備えている請求項１〜９の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１６】
さらに、それぞれの前記可撓性の駆動エレメント上の張力を測定するように構成された歪みゲージを備えている請求項１〜１５の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項１７】
前記駆動機構は、前記可撓性の駆動エレメントが所望の張力を有するまで前記可撓性の駆動エレメントを変位させるように構成されている請求項１６に記載のロボット外科用器具。
【請求項１８】
前記駆動機構は、コントローラから前記所望の張力を受け取るように構成されており、前記所望の張力は、前記先端の現在のおよび所望の前記向きと、前記可撓性の駆動エレメントの前記張力のモデルに従って決定される請求項１７に記載のロボット外科用器具。
【請求項１９】
隣接する前記環状リングの前記対向面間の接触を検出するための接触センサをさらに備えている請求項１０〜１４の何れか１項に記載のロボット外科用器具。
【請求項２０】
前記駆動機構は、前記接触センサによって前記隣接する環状リングの前記対向面間で接触が検出されるまで、前記可撓性の駆動エレメントを変位させるように構成されている請求項１９に記載のロボット外科用器具。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
図４は、関節部１０３が可撓性を有する公知の外科用器具４００のさらなる例を示している。エンドエフェクタ１０４の２つの自由度は、４本のケーブルを用いて可撓部に亘って可能とされている。これは、図３の関節接合ほど複雑ではない。しかしながら、後ほど図５ａ，図５ｂ，図５ｃを参照して説明するように、この構成では正確に制御できない。図５ａ，図５ｂ，図５ｃは、一端がシャフト１０２に連結され、他端が器具先端５０１に連結された関節部１０３を示している。２本のケーブル５０２，５０３が示されている。これらのケーブルは、１つの軸周りの器具先端の作動を可能にしている。別の軸周りの器具先端の作動を可能にする２本のさらなるケーブルは、説明を容易にするためにここでは示されていない。ケーブル５０２，５０３は、可撓部に係合している。ケーブル５０２がピンと張られており、ケーブル５０３が緩められている時には、器具先端５０１は、図５ｂに示すように、一方の側に屈曲している。それゆえ、このような関節部の配置は、器具先端を作動させることを可能にしている。しかしながら、器具先端は正確に制御されていない。例えば、図５ｃは、両方のケーブル５０２，５０３が同じ長さを有するシナリオを示しているが、器具先端５０１は器具シャフト１０２と同じ線上にはない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７ｂ】
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【国際調査報告】
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2018520785.tif 000018
2018520785.tif 000019