(57)【要約】機械的遠隔操作デバイスであって、デバイスの近位部に設けられ、i)ハンドルジョイントにより相互に接続された複数のハンドルリンクを有するハンドル（３０）と、ii)デバイスの遠位部に設けられ、エンドエフェクタジョイントにより相互に接続された複数のエンドエフェクタリンクを有するエンドエフェクタ（３１）と、iii)エンドエフェクタの動きがハンドルの動きに対応するようエンドエフェクタをハンドルに運動学的に接続するよう構成された伝達システムと、を備え、伝達システムは、軸に対して同軸となるよう設けられた複数の回転可能要素（４１ａ−ｄ）であってそのそれぞれが他と独立に回転するよう構成された複数の回転可能要素の少なくともひとつの構成と、b)複数の回転可能要素（４１ａ−ｄ）の回転をハンドルの動きに基づいて生じさせるよう構成された駆動要素（６２ａ−ｃ）を有する第１伝達手段と、c)複数の回転可能要素の回転により駆動されるよう構成された被駆動要素（６３ａ−ｃ）であってその被駆動要素が駆動されることによりエンドエフェクタリンクの動きが生じる被駆動要素を有する第２伝達手段と、を含み、伝達システムは第１伝達手段と第２伝達手段とを取り外し可能に結合するよう構成され、被駆動要素のそれぞれは対応するひとつの回転可能要素に取り外し可能に結合される機械的遠隔操作デバイスが開示される。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的遠隔操作デバイスであって、
前記デバイスの近位部に設けられ、ハンドルジョイントにより相互に接続された複数のハンドルリンクを有するハンドルと、
前記デバイスの遠位部に設けられ、エンドエフェクタジョイントにより相互に接続された複数のエンドエフェクタリンクを有するエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタの動きが前記ハンドルの動きに対応するよう前記エンドエフェクタを前記ハンドルに運動学的に接続するよう構成された伝達システムと、を備え、
前記伝達システムは、
単一の軸に対して同軸となるよう設けられた複数の回転可能要素であってそのそれぞれが他と独立に回転するよう構成された複数の回転可能要素の少なくともひとつの構成と、
前記複数の回転可能要素の回転を前記ハンドルの動きに基づいて生じさせるよう構成された駆動要素を有する第１伝達手段と、
前記複数の回転可能要素の回転により駆動されるよう構成された被駆動要素であってその被駆動要素が駆動されることにより前記エンドエフェクタリンクの動きが生じる被駆動要素を有する第２伝達手段と、を含み、
前記伝達システムは前記第１伝達手段と前記第２伝達手段とを取り外し可能に結合するよう構成され、
被駆動要素のそれぞれは対応するひとつの回転可能要素に取り外し可能に結合される機械的遠隔操作デバイス。
【請求項２】
前記第２伝達手段の被駆動要素のそれぞれのセグメントは前記少なくともひとつの構成の対応するひとつの回転可能要素に取り外し可能に接続され、
セグメントのそれぞれは、前記少なくともひとつの構成の前記対応する回転可能要素がその周りで回転する前記軸に実質的に垂直な平面内の経路に沿って導かれる請求項１に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項３】
前記経路は丸い軌道に沿って延び、
前記丸い軌道の中心点は前記複数の回転可能要素がその周りで回転可能な前記軸と一致する請求項２に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項４】
前記複数の回転可能要素がその周りで回転可能な前記軸は前記機械的遠隔操作デバイスのジョイントの前記軸と一致する請求項１から３のいずれか１項に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項５】
前記第２伝達手段の被駆動要素のそれぞれは、前記複数の回転可能要素がその周りで回転可能な前記軸の周りで回動可能に取り付けられた係合レセプタクルにアンカーされ、
前記少なくともひとつの構成の対応する回転可能要素のそれぞれは前記対応する係合レセプタクルの中に取り外し可能に取り付けられうる相補的な係合部を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項６】
相補的な係合部のそれぞれは対応する回転可能要素に接続された複数のサポートのうちのひとつに取り付けられる請求項５に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項７】
前記係合レセプタクルおよび対応する係合部は第１ハウジングの中に収められ、
前記第１ハウジングは互いに取り外し可能に取り付けられた２以上の相補的ハウジングパーツを含む請求項６に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項８】
前記係合レセプタクルは前記相補的ハウジングパーツのうちのひとつの中に取り付けられ、前記相補的係合部は他の相補的ハウジングパーツの中に取り付けられる請求項７に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項９】
前記伝達システムは２つの構成を含み、前記２つの構成のそれぞれは複数の回転可能要素を有し、
前記第１構成の回転可能要素は第１回転軸の周りで回転するよう互いに同軸に取り付けられ、前記第２構成の回転可能要素は第２回転軸の周りで回転するよう互いに同軸に取り付けられる請求項１から８のいずれか１項に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項１０】
前記第１伝達手段の駆動要素のそれぞれは、前記第２構成の回転可能要素のそれぞれの回転が前記第１構成の対応する回転可能要素を回転させるように、前記第１構成のひとつの回転可能要素および前記第２構成の対応するひとつの回転可能要素に接続される請求項９に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項１１】
前記第２構成の前記複数の回転可能要素がその周りで回転可能な前記軸は前記機械的遠隔操作デバイスのジョイントの前記軸と一致する請求項９または１０に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項１２】
前記伝達システムはさらに複数の伝達要素を有する第３伝達手段を含み、
前記複数の伝達要素のそれぞれは、前記ハンドルの駆動可能要素に運動学的に接続され、かつ前記ハンドルの駆動可能要素が駆動されたときに前記第２構成の対応するひとつの回転可能要素の回転を生じさせるよう構成される請求項９から１１のいずれか１項に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項１３】
前記第３伝達手段の伝達要素のそれぞれのセグメントは、前記第２構成の対応する回転可能要素にアンカーされる請求項１２に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項１４】
前記機械的遠隔操作デバイスはマスタ−スレーブ構成を有し、前記マスタ−スレーブ構成はスレーブユニットとマスタユニットとを備え、
前記スレーブユニットはスレーブジョイントにより相互に接続された複数のスレーブリンクを有し、
前記マスタユニットは、マスタジョイントにより相互に接続された複数のマスタリンクを有する請求項１から１３のいずれか１項に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項１５】
前記スレーブユニットの前記複数のスレーブリンクおよび対応するスレーブジョイントにより形成されるチェーンの運動学的モデルは、前記マスタユニットの前記複数のマスタリンクおよび対応するマスタジョイントにより形成されるチェーンの運動学的モデルと同じである請求項１４に記載の機械的遠隔操作デバイス。
【請求項１６】
ステーションに取り付けられた少なくとも２つの機械的遠隔操作デバイスを備える低侵襲手術のための機械的マニピュレータであって、機械的遠隔操作デバイスのそれぞれは請求項１から１５のいずれか１項に記載のものである機械的マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遠隔から駆動される機械的システムの分野に関する。ある実施の形態では、本発明は主に手術の用に供される機械的遠隔操作デバイスであって交換可能な遠位装置を備える機械的遠隔操作デバイスに関する。ある実施の形態は特に低侵襲手術に適用されうる。本発明は、力フィードバックにしたがう高剛性かつ高精度の繊細な作業が必要とされる任意の遠隔操作アプリケーションにも適している。そのようなアプリケーションの例は、組み立て作業、狭い場所での作業、危険なまたは困難な環境での作業および汚染された環境またはクリーンルーム環境での作業を含む。
【背景技術】
【０００２】
多くの環境やアプリケーションは機械的な遠隔操作デバイスを用いた遠隔作業を必要とする。これらのアプリケーションは、組み立てタスクでの繊細な作業、狭い場所での作業、危険なまたは困難な環境での作業、クリーンルームまたは無菌環境での作業、および開腹（open  field）や低侵襲の手術環境における作業を含む。これらのアプリケーションは精度公差や典型的なエンドユーザなどのパラメータにより異なるが、そのそれぞれは機械的な遠隔操作システムに多くの同じフィーチャを要求する。そのようなフィーチャは例えば力フィードバックにしたがう高剛性かつ高精度の繊細な作業を行いうる能力である。
【０００３】
機械的な遠隔操作デバイスシステムのアプリケーションの代表的な例として手術アプリケーションをここでより詳細に説明する。手術アプリケーションでは、既知のデバイスが存在するが、現行のものにおける顕著な短所が明らかとなっている。
【０００４】
開腹手術は依然としてほとんどの手術的手順において標準的な技術となっている。それは医療コミュニティにより数十年に亘り使用されており、腹壁または他の体の領域を大きく切開し、そこを通じて従来の手術器具を挿入することにより手術タスクを行うことからなる。しかしながら、そのような大きな切開により、このアプローチは患者に対して非常に侵襲的であり、手術中にかなりの失血を生じさせ、また病院での長期の痛みを伴うリハビリ期間を生じさせる。
【０００５】
開腹手術の侵襲性を低減するために、低侵襲技術である腹腔鏡術が開発された。単一の大きな切開の代わりに、患者にいくつかの小さな切開を設け、それらを通じて長くて細い手術器具および内視鏡カメラを挿入する。この手段の低侵襲性により、この技術は失血および痛みを低減し、入院期間を短くする。経験を積んだ外科医により行われた場合、この技術は開腹手術と同様の医療成績を得ることができる。しかしながら、上述の利点があるにもかかわらず、腹腔鏡術は硬くて長い器具を扱うため非常に高度の手術スキルを必要とする。入り口切開部が回転の基点として機能するため、患者の内部で器具を位置決めしたり方向付けたりする際の自由度が低減される。この切開部に対する外科医の手の動きは器具の先端に対して反転されかつ拡大される（「てこの効果」）。これにより、繊細さおよび感度が低減され、かつ外科医の手の震えが増幅される。加えて、長くてまっすぐな器具は外科医に手や腕や体について無理な姿勢で作業することを強要する。これは数時間に亘る作業中に顕著な疲れを生じさせうる。したがって、腹腔鏡器具のこれらの不利な点により、これらの低侵襲技術は主に単純な手術における使用に限られ、少数の外科医しか複雑な手術においてそれを使用することができない。
【０００６】
これらの制限を克服するため、複雑な低侵襲手術へのより使いやすいアプローチを提供する手術ロボットシステムが開発された。コンピュータ化されたロボットインタフェースにより、これらのシステムは遠隔腹腔鏡術を実行可能とする。そこでは、外科医はコンソールに座ってふたつのマスタマニピュレータを操作し、いくつかの小さな切開を通じて作業を行う。腹腔鏡術と同様に、ロボット的アプローチもまた低侵襲であり、痛みや失血やリハビリ期間についての開腹手術に対する上述の利点を生じさせる。加えて、それは開腹技術や腹腔鏡技術と比べて、外科医にとって人間工学的によりよいものを提供する。しかしながら、技術的にはより簡単ではあるものの、ロボット手術はいくつかの負の側面を有する。これらのシステムの主な欠点は、既存のロボットデバイスが非常に複雑であることに関する。既存のロボットデバイスは複雑なメカトロシステムを備え、したがって取得および維持の費用が膨大となり、世界中の大抵の外科はそのような費用を負担することができない。これらのシステムの別の欠点は、現行の手術ロボットが大きいということから生じる。その大きさにより手術室環境内の貴重なスペースの取り合いが生じ、また準備期間をかなり増大させる。したがって患者へのアクセスが妨げられ、これは、一般に力フィードバックが欠如していることとあいまって、安全上の懸念を生じさせる。
【０００７】
ＷＯ９７４３９４２、ＷＯ９８２５６６６およびＵＳ２０１００１１９００は患者の体内で外科医の手の動きを再現するよう設計されたロボット的遠隔操作手術器具を開示する。コンピュータ化されたロボットインタフェースにより、それは遠隔腹腔鏡術を実行可能とする。そこでは、外科医はコンソールに座ってふたつのジョイスティックを操作し、いくつかの小さな切開を通じて作業を行う。しかしながら、このシステムは自律性も人工知能も有さない、単に外科医によって完全に制御される複雑なツールである。制御コマンドはロボット的マスタとロボット的スレーブとの間で複雑なコンピュータ制御メカトロシステムにより伝達される。このシステムの製造および維持のコストは膨大であり、病院の従業員が使うのは困難である。
【０００８】
ＷＯ２０１２０４９６２３は、マスタスレーブ構成を伴う手術器具のための機械的マニピュレータであって遠位エンドエフェクタの遠隔駆動を含むマニピュレータを開示する。しかしながら、そこで開示されるシステムは交換可能な器具を提供しない。
【０００９】
ＷＯ２０１３０１４６２１は、マスタスレーブ構成を備える遠隔操作のための機械的遠隔操作デバイスを開示する。マスタスレーブ構成はスレーブユニットを含み、該スレーブユニットは運動学的に同等なマスタユニットによって駆動され、その結果、スレーブユニットの各部分はマスタユニットの対応する部分の動きを模倣する。機械的伝達システムはそのデバイスによく適合されているが、軸ジョイントを通過するケーブルはデバイスの操作中により合わされる。これにより、ケーブルは互いにこすれ合うこととなる。これによりケーブルの経時的な損耗が増大し、また機械的伝達全体の摩擦が増大する。
【発明の概要】
【００１０】
これらに鑑み、本発明のある目的は交換可能な遠位器具を備える機械的遠隔操作デバイスを提供することである。このデバイスは、手術環境における使用のために設計されてもよく、その場合、交換可能な遠位器具は手術器具であろう。しかしながら、当業者であれば、複雑な遠隔操作が要求される他のアプリケーションや交換可能な器具が異なる複数の操作タスクについて便利である他のアプリケーションにおいてこのデバイスを利用できることを認識するであろう。
【００１１】
本発明の別の目的は改良された伝達システムを備える機械的遠隔操作デバイスを提供することである。そのようなシステムでは、伝達システムおよび特にジョイントは、ケーブルがこすれ合うことなく、したがって損耗が低減されるよう設計されてもよい。
【００１２】
これらの目的および他の利点は、遠隔操作のための機械的遠隔操作デバイスを通じて達成される。このデバイスは、操作が発生しなければならない遠位領域においてオペレータの手の動きを自然に再現するよう設計される。機械的遠隔操作デバイスはスレーブユニットを備えてもよい。該スレーブユニットはマスタユニットによって駆動されるよう構成される。該マスタユニットはスレーブユニットと運動学的に同等であることが好ましい。スレーブユニットはスレーブジョイントにより相互に接続された複数のスレーブリンクを有する。スレーブユニットは近位部と遠位部（遠位器具とも称される）とを備える。遠位部はスレーブジョイントのうちのひとつ（インタフェーススレーブジョイントとも称される）と遠位に接続される。より詳細には、スレーブユニットのこのインタフェーススレーブジョイントは同軸構成を有してもよい。インタフェーススレーブジョイントはスレーブユニットの近位リンクおよび遠位リンクを、これらのふたつの隣り合うリンクが同軸ジョイントの軸の周りで互いに対して軸回転可能なように接続する。マスタユニットはマスタジョイントにより相互に接続された複数のマスタリンクを備え、対応するインタフェースマスタジョイントを含む。
【００１３】
機械的遠隔操作デバイスを操作するための多関節ハンドルはマスタユニットに接続され、多関節エンドエフェクタは遠位器具の遠位先端に接続される。機械的遠隔操作デバイスはさらに、マスタユニットおよびスレーブユニットの等価な自由度を運動学的に接続するよう構成された伝達システムを備える。そのような自由度の接続は、機械的遠隔操作デバイスの操作中に前記エンドエフェクタがハンドルの動きを再現するように、エンドエフェクタの自由度をハンドルの自由度に接続することを含む。
【００１４】
伝達システムは、(i)同軸となるよう設けられ、スレーブユニットのインタフェーススレーブジョイントの軸と同軸となり、他と独立に回転するよう構成された複数の回転可能要素の少なくともひとつの構成と、(ii)スレーブユニットの近位部に組み込まれた第１伝達手段であって前記少なくともひとつの構成の複数の回転可能要素のそれぞれの回転を生じさせるよう構成された駆動ケーブル等を有する第１伝達手段と、(iii)遠位器具に組み込まれた第２伝達手段であって複数の回転可能要素の前記少なくともひとつの構成の対応する回転可能要素のそれぞれの回転により駆動されるよう構成された被駆動ケーブル等を有する第２伝達手段と、を含む。
【００１５】
本発明に係る伝達システムはスレーブユニットの近位部および遠位部それぞれの第１伝達手段および第２伝達手段を取り外し可能に互いに結合するよう構成されていると有利である。この構成では、前記第２伝達手段の被駆動ケーブルのそれぞれは、追加的な要素により、複数の回転可能要素の前記少なくともひとつの構成の対応するひとつの回転可能要素に取り外し可能に接続され、これにより機械的遠隔操作デバイスと共に使用されるユーザフレンドリな交換可能かつモジュール化された道具／器具システムを提供することができる。
【００１６】
本発明のひとつの実施の形態によると、第２伝達手段の被駆動ケーブルのそれぞれのセグメントは、複数の回転可能要素の前記少なくともひとつの構成の対応するひとつの回転可能要素に取り外し可能に接続される。これらのセグメントのそれぞれは、複数の回転可能要素の前記少なくともひとつの構成の前記回転可能要素がその周りで回転可能な軸に実質的に垂直な平面内の経路に沿って導かれる。この経路は丸い軌跡に沿って延びることが好ましく、その円い軌跡の中心点は回転可能要素の軸と一致する。
【００１７】
本発明の別の実施の形態によると、前記第２伝達手段の被駆動ケーブルのそれぞれは、スレーブユニットのインタフェーススレーブジョイントの軸の周りで回動可能に取り付けられた係合レセプタクルにアンカーされる。複数の回転可能要素の前記少なくともひとつの構成の対応する回転可能要素のそれぞれは前記対応する係合レセプタクルの中に取り外し可能に取り付けられる相補的な係合部を備える。
【００１８】
本発明のさらなる実施の形態によると、相補的な係合部のそれぞれは、対応するひとつの回転可能要素に接続されたポインタに取り付けられる。これらのポインタはインタフェーススレーブジョイントの軸の周りに回転可能であり、その動きの角度振幅がエンドエフェクタ関節部のフルレンジ動作を可能とするように互いに角度オフセットされていてもよい。
【００１９】
本発明のさらなる実施の形態によると、係合レセプタクルおよび対応する係合部はスレーブハウジングの中に収められている。スレーブハウジングは取り外し可能に互いに取り付けられたふたつの相補的ハウジングパーツを備える。前記係合レセプタクルはスレーブユニットの遠位部に接続された相補的ハウジングパーツのうちのひとつの中に取り付けられ、一方前記相補的係合部はスレーブユニットの近位部に接続された他の相補的ハウジングパーツの中に取り付けられる。
【００２０】
本発明の別の実施の形態によると、伝達システムは複数の回転可能要素の２つの構成を含み、第１構成の回転可能要素はそのそれぞれがスレーブユニットのインタフェーススレーブジョイントの軸の周りで回転できるよう互いに同軸に取り付けられ、第２構成の回転可能要素はマスタユニットのインタフェースマスタジョイントの軸と共線となり、互いの周りで回転するよう互いに同軸に取り付けられる。この構成では、第１伝達手段の駆動ケーブルのそれぞれは、前記第２構成の回転可能要素のそれぞれの回転が前記第１構成の対応する回転可能要素を回転させるように、スレーブユニットの第１構成のひとつの回転可能要素およびマスタユニットの第２構成の対応するひとつの回転可能要素に接続される。
【００２１】
本発明のさらに別の実施の形態によると、ふたつ以上の上記の遠隔操作デバイスを一緒に動作するよう設定してもよい。この場合、ユーザは両手で操作することができる。加えて、ふたつ以上の遠隔マニピュレータを移動可能かつ多関節ステーションに設置してもよい。この場合、そのようなマニピュレータを地上である場所から別の場所へ簡単に動かすことができ、三次元空間内でその作業位置および向きを調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
以下に本発明のいくつかの実施の形態を添付の図面を参照して説明する。これにより、本発明をよりよく理解することができるであろう。
【図１】本発明に係る機械的遠隔操作デバイスの斜視図である。
【図２】図１の機械的遠隔操作デバイスの伝達システムの模式図である。
【図３】第１、第２および第３伝達手段を備える図１の伝達システムの模式図である。
【図４】図４、図５、図６は、ハンドルの各自由度をエンドエフェクタに伝達するための伝達システムの模式図である。
【図５】図４、図５、図６は、ハンドルの各自由度をエンドエフェクタに伝達するための伝達システムの模式図である。
【図６】図４、図５、図６は、ハンドルの各自由度をエンドエフェクタに伝達するための伝達システムの模式図である。
【図７】取り外し可能遠隔器具の斜視図である。
【図８】係合レセプタクルを含む伝達システムの第１構成のスレーブハウジングの下部の斜視図である。
【図９】図８のスレーブハウジングのガイド手段の斜視図である。
【図１０】図８の対応する係合レセプタクルの中に取り外し可能に取り付けられるよう構成された相補的係合部を含むスレーブハウジングの上部の図である。
【図１１ａ】図１１ａ、図１１ｂ、図１１ｃは、図１の機械的遠隔操作デバイスのスレーブユニットの近位部と結合する遠位部の３つの異なる図である。
【図１１ｂ】図１１ａ、図１１ｂ、図１１ｃは、図１の機械的遠隔操作デバイスのスレーブユニットの近位部と結合する遠位部の３つの異なる図である。
【図１１ｃ】図１１ａ、図１１ｂ、図１１ｃは、図１の機械的遠隔操作デバイスのスレーブユニットの近位部と結合する遠位部の３つの異なる図である。
【図１２】多関節かつ移動可能ステーション上に設けられたふたつの同じ図１の機械的遠隔操作デバイスを備える例示的な実施の形態、すなわち手術のための機械的遠隔マニピュレータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態にしたがい構成される機械的遠隔マニピュレータは低侵襲手術や他のアプリケーションにおいて用いられてもよい。そのような機械的遠隔マニピュレータは本明細書で説明され、図１２において概説される。このマニピュレータは例えば図１に示される同じ機械的遠隔操作デバイスを２つ備えることが好ましい。このふたつの同じ機械的遠隔操作デバイスは多関節かつ移動可能ステーション１１０（図１２）上に設けられ、互いに独立に操作されうるよう構成される。図１の機械的遠隔操作デバイスのそれぞれはコンセプト的にＷＯ２０１３／０１４６２１に開示され、マスタスレーブ構成を備える一方、機械的制限手段９０を備える。マスタスレーブ構成はスレーブユニット１０を備え、スレーブユニット１０は運動学的に同等なマスタユニット２０により駆動される。機械的制限手段９０は、図３に示されるようにデバイスの操作中に遠隔運動中心（ＲＣＭ）から外れることなくスレーブユニット１０の各部がマスタユニット２０の対応する各部の動きを模倣するよう構成される。しかしながら、本発明の他の実施の形態では、機械的遠隔操作デバイスは遠隔運動中心（ＲＣＭ）を有さなくてもよい。２つの機械的遠隔操作デバイスは構造的にも機能的にも同等であるから、特に図１から図６に示されるように、以下では一方の機械的遠隔操作デバイスのみを参照して説明する。
【００２４】
より詳しくは図３を参照すると、スレーブユニット１０は複数のスレーブリンク１１、１２、１３、１４を備え、複数のスレーブリンク１１、１２、１３、１４は対応するスレーブジョイント１６、１７、１８、１９により互いに接続される。多関節エンドエフェクタ３１はスレーブリンク１４の遠位端に設けられ、スレーブリンク１４は同軸ジョイント１９を通じて隣接リンク１３と、そのふたつの隣接するリンク１３、１４が軸ジョイント１９の軸の周りで互いに対して同軸に回転できるように、回転可能に接続される。スレーブユニット１０の残りのスレーブジョイント１６、１７、１８はいわゆるピボットジョイントタイプのものである。ピボットジョイントはふたつの隣接するリンクを接続し（例えば、ピボットジョイント１７はリンク１２をリンク１３に接続する）、そのようなリンクを前記ピボットジョイントの回転の軸に垂直な平面内で互いに角度をもって駆動可能とする。マスタユニット２０は、スレーブユニット１０と同じ構造的構成および運動学的構成を備える。より詳しくは、マスタユニット２０は複数の対応するマスタリンク２１、２２、２３、２４を備え、複数のマスタリンク２１、２２、２３、２４は対応するマスタジョイント２６、２７、２８、２９により互いに接続される。これらのジョイントのうちのひとつは同軸ジョイント２９であり、他のジョイントはピボットジョイント２６、２７、２８である。機械的遠隔操作デバイスを操作するための多関節ハンドル３０は、マスタユニット２０のマスタリンク２４の遠位端に接続される。
【００２５】
機械的遠隔操作デバイスが図３のニュートラル位置にあるときにオペレータによりハンドル３０に加えられた上下方向の動きは、機械的制限手段９０を通じてマスタリンク２４をその縦軸に沿って移動させる。一方、ハンドルに加えられた前後方向の動きは、各ピボットジョイントの軸に平行な軸の周りでマスタリンク２４を回転させる。これらの動きのそれぞれまたはそれらの組み合わせは、マスタユニット２０のマスタジョイント２６、２７、２８、２９の角度変位を生じさせる。各マスタジョイントの前記角度変位は、機械的伝達を通じて、スレーブユニット１０の対応するスレーブジョイント１６、１７、１８、１９に同じ角度変位を生じさせる。マスタユニット２０の各ピボットジョイント２６、２７、２８とスレーブユニット１０の対応するピボットジョイント１６、１７、１８との間の運動学的接続は、滑車で導かれるケーブルによって達成される。そのケーブルのそれぞれは、ふたつの対応する滑車にアンカーされるよう構成される。そのふたつの対応する滑車はシャフトの周りで回転可能に取り付けられ、そのシャフトの軸は、対応するピボットジョイントの軸に一致する。スレーブユニット１０の各ピボットジョイント１６、１７、１８とマスタユニット２０の対応するピボットジョイント２６、２７、２８との間の運動学的接続は、上述の国際特許出願（ＷＯ２０１３／０１４６２１）でより詳細に説明される。この構成では、スレーブユニット１０の複数のスレーブリンク１１、１２、１３、１４および対応するスレーブジョイント１６、１７、１８、１９により形成されるチェーンの運動学的モデルは、マスタユニット２０の複数のマスタリンク２１、２２、２３、２４および対応するマスタジョイント２６、２７、２８、２９により形成されるチェーンの運動学的モデルと同じである。
【００２６】
図２に概説される通り、ハンドル３０は、伝達システムにより、エンドエフェクタ３１の三つの自由度を駆動するよう構成される。その伝達システムは、ハンドル３０の三つの滑車３０ａ、３０ｂ、３０ｃをエンドエフェクタ３１の対応する三つの滑車３１ａ、３１ｂ、３１ｃに運動学的に接続するよう構成される。このようにすることで、遠隔操作手術デバイスが操作されるとき、ハンドル３０の各滑車の角変位はエンドエフェクタ３１の対応する滑車によって模される。後者は、一方の向きにおける滑車３１ｂ、３１ｃの両方の反対向き回転があご部３２ａ、３２ｂを互いに離れるよう逆向きに回転させ、あご部のグリップを開かせる一方、他方の向きにおける滑車３１ｂ、３１ｃの両方の反対向き回転が、あご部３２ａ、３２ｂを互いに近づくよう逆向きに回転させ、グリップを閉じてあご部のグリップ力を維持するよう構成される。あご部３２ａ、３２ｂの作業端部はグリップのための表面を有し、例えば鉗子や焼灼アプリケーションにおいて使用されうる。あるいはまた、あご部３２ａ、３２ｂの先端がハサミのように協働して切断する刃である場合、あご部を閉じる「グリッピング」は切断アクションであってもよい。したがって、グリッピングは、エンドエフェクタ３１の性質によって異なる機能を実行してもよい。さらに、このエンドエフェクタは、滑車３１ａが本発明にしたがいケーブル駆動システムによって駆動された場合、滑車３１ａの軸の周りで回動するよう構成されてもよい。
【００２７】
図２を参照すると、この好適な実施の形態に係る伝達システムは、スレーブユニットのインタフェーススレーブジョイントの軸１９ａに対して同軸となるよう設けられた三つの回転可能要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃの第１構成４０と、マスタユニットのインタフェースマスタジョイントの軸２９ａに対して同軸となるよう設けられた三つの回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃの第２構成５０と、を備える。回転可能要素４１ｄはスレーブユニット１０のインタフェーススレーブジョイント１９を駆動する被駆動滑車を備える。この被駆動滑車は、スレーブリンク１４に固く取り付けられている。回転可能要素５１ｄはマスタユニット２０のインタフェースマスタジョイント２９を駆動する駆動滑車を備える。この駆動滑車は、マスタリンク２４に固く取り付けられている。第１構成４０の回転可能要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃは部分的にスレーブハウジング４０'の内部に収められている。一方、第２構成５０の回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃは部分的にマスタハウジング５０'の内部に収められている。図１に示されるように、スレーブハウジング４０'およびマスタハウジング５０'はそれぞれ、スレーブユニット１０の遠位リンク１４およびマスタユニット２０の対応するマスタリンク２４に接続される。スレーブハウジング４０'はさらに回転可能要素４１ｄに接続され、マスタハウジング５０'はさらに対応する回転可能要素５１ｄに接続される。
【００２８】
図２に示される伝達システムはさらに第１伝達手段を備える。第１伝達手段は、三本のケーブル６２ａ、６２ｂ、６２ｃまたは同様の構成を有する。三本のケーブル６２ａ、６２ｂ、６２ｃのそれぞれは、第２構成の回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃのうちのひとつを第１構成４０の回転可能要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃのうちの対応するひとつと、第２構成５０の回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃのそれぞれの回転が対応するケーブルを駆動し、その駆動により第１構成４０の回転可能要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃのうちの同等のものが回転するように、接続する。
【００２９】
図４から図６を参照すると、伝達システムは第２伝達手段を備える。この第２伝達手段は三本の被駆動ケーブル６３ａ、６３ｂ、６３ｃまたは同様の構成を有する。三本の被駆動ケーブル６３ａ、６３ｂ、６３ｃのそれぞれは、エンドエフェクタ３１の対応する滑車３１ａ、３１ｂ、３１ｃにアンカーされることで、それぞれの滑車の回動接続の周りでのその滑車の角変位を可能とするよう構成される。これらの被駆動ケーブルはスレーブリンク１４を通じて軸方向に延び、スレーブユニット１０の第１構成４０の対応する回転可能要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃに取り外し可能にアンカーされる。各被駆動ケーブルの対応する回転可能要素への取り外し可能接続については後述する。
【００３０】
伝達システムはさらに第３伝達手段を備える。この第３伝達手段は三本のケーブル６１ａ、６１b、６１ｃまたは同様の構成を有する。三本のケーブル６１ａ、６１ｂ、６１ｃのそれぞれは、ハンドル３０の対応する滑車３０ａ、３０ｂ、３０ｃにアンカーされることで、それぞれの滑車の回動接続の周りでのその滑車の角変位であってハンドル３０の駆動により生成される角変位によって駆動されるよう構成される。これらのケーブル６１ａ、６１ｂ、６１ｃのそれぞれはマスタリンク２４に沿って軸方向に延び、マスタユニット２０の第２構成５０の対応する回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃにアンカーされる。図２は、このタイプの接続がいかにして達成されるのかを部分的により詳細に示す。ケーブル６１ａ、６１ｂ、６１ｃのそれぞれ（ケーブル６１ａおよび６１ｃのみが図示されている）は、マスタユニット２０の軸ジョイント２９の軸に好適には垂直な平面内で、（本実施の形態では）１２０度よりも小さい角度を通じて実質的に丸い経路に沿って、部分的に導かれる。各ケーブルのセグメント７５ａ、７５ｃ（７５ｂは図２では見えない）は対応するポインタ７６ａ、７６ｂ、７６ｃに取り付けられる。これらのポインタは、対応する回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃと併せて同軸に取り付けられ、互いに重ね合わされ、角度方向にオフセットされる。
【００３１】
伝達システムの構成によると、機械的遠隔操作デバイスの操作中におけるハンドル３０の各滑車３０ａ、３０ｂ、３０ｃのその回動接続の周りでの角変位は第３伝達手段の対応するケーブル６１ａ、６１ｂ、６１ｃを駆動し、これにより第２構成５０の対応する回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃの角変位であってマスタユニット２０のインタフェーススレーブジョイント２９の軸の周りでの角変位が引き起こされる。これらの回転可能要素５１ａ、５１ｂ、５１ｃのひとつひとつの回転は、第１伝達手段の対応するケーブル６２ａ、６２ｂ、６２ｃを駆動し、これにより第１構成４０の等価な回転可能要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃの角変位であってスレーブユニット１０のインタフェーススレーブジョイント１９の軸の周りでの角変位が引き起こされる。これらの回転可能要素４１ａ、４１ｂ、４１ｃのひとつひとつの回転は次に、第２伝達手段の対応する被駆動ケーブル６３ａ、６３ｂ、６３ｃにより、エンドエフェクタ３１の対応する滑車３１ａ、３１ｂ、３１ｃの角変位を引き起こす。スレーブユニット１０およびマスタユニット２０のそれぞれの残りの２つの回転可能要素４１ｄ、５１ｄは、マスタリンク２４の軸回転が対応するスレーブリンク１４をその縦軸の周りで回転させるように、ケーブル６２ｄにより接続される。
【００３２】
この構成によると、伝達システムは、マスタリンク２４と対応するスレーブリンク１４とが同軸的に回転する場合にケーブルが捩れるのを避けるよう構成されるので有利である。これにより、機械的遠隔操作デバイスを長期間使用することによるケーブルの損耗がかなり低減される。
【００３３】
図８、図９および図１０を参照すると、本発明に係る伝達システムは、ユーザフレンドリで交換可能かつモジュール化されたツールシステムを機械的遠隔操作デバイスに提供するために、第２伝達手段の被駆動ケーブル６３ａ、６３ｂ、６３ｃのそれぞれを第１伝達手段の対応するケーブル６２ａ、６２ｂ、６２ｃに取り外し可能な態様で接続するための着脱機構を備える。この目的のために、スレーブハウジング４０'の下部４０ａおよび上部４０ｂは、好ましくは螺子により、互いに対して取り外し可能に取り付けられる。これにより、図１に示されるように、ユーザはスレーブユニット１０の近位部１０ｂから遠位部１０ａ（図７）を構造的に外すことができる。
【００３４】
図９を参照すると、伝達システムの着脱機構はスレーブハウジングの下部４０ａの内部にガイド手段７３ａ、７３ｂ、７３ｃを備える。これらのガイド手段７３ａ、７３ｂ、７３ｃのそれぞれはローラ列の形態であることが好ましい。このローラ列は、スレーブユニット１０のインタフェーススレーブジョイント１９の軸に実質的に垂直な平面内で所定の角度範囲に亘る実質的に丸い経路に沿って第２伝達手段のケーブル６３ａ、６３ｂ、６３ｃのそれぞれのセグメント７４ａ、７４ｂ、７４ｃをガイドするよう構成される。同じ発明の他の実施の形態では、ローラ列で構成される代わりに、ガイド手段は、第２伝達手段のケーブル６３ａ、６３ｂ、６３ｃのそれぞれのセグメント７４ａ、７４ｂ、７４ｃをその経路内でガイドするために、非可動要素または表面を備えてもよい。これらのケーブルのひとつひとつの各セグメント７４ａ、７４ｂ、７４ｃは係合レセプタクル８１ａ、８１ｂ、８１ｃにアンカーされる。係合レセプタクル８１ａ、８１ｂ、８１ｃは、図８に示されるように、スレーブユニット１０の前記インタフェーススレーブジョイント１９の軸１９ａの周りで回動可能となるよう取り付けられる。図１０に示されるように、相補的係合部８２ａ、８２ｂ、８２ｃは接続ピンの形態であることが好ましい。この相補的係合部８２ａ、８２ｂ、８２ｃのそれぞれは対応するサポート８３ａ、８３ｂ、８３ｃに設けられる。サポート８３ａ、８３ｂ、８３ｃは第１構成の対応する回転可能要素と共に同軸となるよう構成される。これらのサポート８３ａ、８３ｂ、８３ｃはポインタの形態であることが好ましく、互いに重ね合わされ、かつ互いに角度オフセットしている。図１１ｃに示されるように、接続ピン８２ａ、８２ｂ、８２ｃのそれぞれは、対応する係合レセプタクル８１ａ、８１ｂ、８１ｃの内部に取り外し可能に取り付けられるよう構成される。
【００３５】
伝達システムによると、比Ｒｓ／Ｒｍ（図２）は比Ｄｓ／Ｄｍと等しい。ここで、
ｉ）Ｒｓはスレーブユニット１０のインタフェーススレーブジョイント１９の軸と第２伝達手段の被駆動ケーブル６３ａ、６３ｂ、６３ｃのアンカーされたセグメント７３ａ、７３ｂ、７３ｃのうちのひとつとの間の径方向距離であり、
ｉｉ）Ｒｍはマスタユニット２０のインタフェーススレーブジョイント２９の軸と第３伝達手段のケーブル６１ａ、６１b、６１ｃのアンカーされたセグメントのうちのひとつとの間の径方向距離であり、
ｉｉｉ）Ｄｓはエンドエフェクタ３１の対応するひとつの滑車３１、３１ｂ、３１ｃの直径であり、
ｉｖ）Ｄｍはハンドル３０の対応するひとつの滑車３０ａ、３０b、３０ｃの直径である。
【００３６】
本発明に係る機械的遠隔操作デバイスの構成によると、オペレータは遠位端にエンドエフェクタ３１を備える遠位部１０ａを簡単に取り外すことができ、またそれをハサミやメスやカッターや持針器や他の任意の手術器具などの任意のタイプのエンドエフェクタを備える他の遠位部と置き換えることができる。
【００３７】
この好適な実施の形態で開示される伝達システムはケーブルを備えるが、その具体的な構成はこの実施の形態に限定されない。例えば、本発明は棒やリンケージなどの他の可撓性や非可撓性駆動要素を包含してもよい。この駆動要素は上述の機能と同じ機能を達成するよう構成されてもよい。
【００３８】
さらに、好適な実施の形態に係る機械的遠隔操作デバイスの伝達システムは第１、第２および第３伝達手段を備え、そのそれぞれがハンドルが操作されたときにエンドエフェクタの３自由度を駆動するための三つのケーブルを備えるが、本発明の範囲は、第１および第２伝達手段のみを備える構成をもカバーする。それらの伝達手段のケーブルはスレーブユニット１０の近位部１０ｂからの遠位部１０ａの取り外しを可能とするようスレーブユニットのジョイント１９のみを回る。それぞれが別個のケーブルの組を備える三つより多い伝達手段もまた実施の形態をカバーするものとして想定されている。そのような実施の形態では、マスタユニットおよびスレーブユニットはそれぞれいくつかの同軸ジョイントを備える。
【００３９】
本発明を本発明の具体的な実施の形態を参照して具体的に説明したが、添付の請求項によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状や詳細に係る種々の変更を行うことができることは当業者には理解されるであろう。例えば、本発明の範囲は、少なくとも第１および第３伝達手段がハンドルのＮ自由度をエンドエフェクタに伝達するためのＮ個のケーブルを備え、Ｎが例えば２、４または５であってもよい構成を含む。加えて、本明細書で説明される実施の形態により開示される伝達システムは、運動学的に同等なマスタスレーブ構成を必ずしも備えない任意の遠隔操作デバイスにも適用可能である。
【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１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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