JP2005516786A - 遠隔動心ロボットシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

遠隔動心ロボットシステムは、支持体部および複数の連結部を含み、この支持体部は第１の軸の回りに回転可能であり、そして複数の連結部は互いに結合される。前記連結部の少なくとも２つは、動作中において互いに平行に保たれる。前記複数の連結部は、第１の端において前記支持体部と結合される。前記複数の連結部は、各々の間の角度を変化させることにより、第２の軸の回りに回転可能である。

Description

本出願は、言及して内容が本明細書に盛り込まれており、２００２年２月６日出願された標題「調整可能な遠隔動心ロボットモジュール」の米国仮出願第６０／３５４，６５６号に優先することを主張するものである。

本発明は、ロボット装置およびロボット方法に関し、詳しくは、旋回中心、つまり遠隔動心（ＲＣＭ：Remote Center of Motion）を具体化して、先端に位置する固定された幾何学的な点で交差する２軸の回りにエンドエフェクタを向けるシステムおよび方法に関する。

ロボット工学においては、用いられる旋回中心および運動学的な原理は、一般的に遠隔動心（ＲＣＭ）と称される。この機構と遠く離れたＲＣＭ点の回りに部品や用具や器具を向けるシステムや方法はよく知られている。例えば、米国特許第５，３９７，３２３号、５，５１５，４７８号、５，６３０，４３１号、５，８１７，０８４号、５，９０７，６６４号、６，０４７，６１０号および６，２４６，２００号を参照されたい。それぞれの全体の内容は、本明細書に言及して盛り込まれている。

ＲＣＭ原理は、一般的に自由裁量の外科手術業務に用いられる。ロボット補助外科手術において、ＲＣＭ原理を満たす機構もまたいくつか開発されている。本発明は、運動学的な特異点を持たない無制限の回転と調節可能なＲＣＭ点を有する新型ＲＣＭ機構である。

米国特許第４，０９８，００１号（ワトソンによる）においては、ＲＣＭの前駆体、つまり、釘を穴に挿入する工業的なロボットの用途のために導き出された遠隔追従心（ＲＣＣ：Remote Center of Compliance）原理を紹介した。ＲＣＣ機構は、配置ミスの場合に当該ロボットが組立動作を実施できるように、当該「穴」への挿入点における当該「釘」に対して回転および並進運動の追従を付与する。一般的に、当該動作は狭い領域に限定され、かつ受動的である。

米国特許第４，０９８，００１号においては、部品組み立て動作用の受動３次元ｎ本-棒連結ＲＣＣ機構について記載している。ワトソンの共同製作者による相次ぐ発明は、製造組立動作用のＲＣＣ動作を達成するために、剛性および弾性の連結機構、つまり、受動的なものも能動的なものも両方を用いる多数の他の解決策について記載している（米国特許第４，４０９，７３６号、４，４７７，９７５号、４，５５６，２０３号および４，５３７，５５７号を参照のこと：Nevins J.著 (1981年): "Systems analysis and experimental study advance the art of assembly automation", Assembly Automation, Vol. 1, No.4, 186-9項；Masamune K, Patriciu A, Stoianovici D, Susil R, Taylor RE, Fichtinger G, Kavoussi LR, Anderson J, Sakuma I, Dohi T共著, (1999年), "Development of CT-PAKY frame system-CT image guided Needle puncturing manipulator and a single slice registration for urological surgery", Proc. 8th annual meeting of JSCAS, Kyoto 1999年:89-90項）。これらの機構の全ては、連結設計の結果として角運動の範囲に制限がある。現今では、商業的に利用可能な受動型３次元連結ＲＣＣ装置が多数ある。例えば、エイティアイ インダストリアル オートメーション社(http://www.atila.com/another.html）、リステック社(http://www.ristec.com/rcc.html)およびピーエフエイ社(http://www.pfa-inc.com/rccfront.html)。ＲＣＣ機構のみにおいて、支点回りの回転・旋回動作が可能になり、広範囲で実行され、かつ正常に作動する。

ＵＳ特許第５，３９７，３２３（テーラー等による）号は、「外科手術用遠隔動心ロボット」の発明でＲＣＭ（遠隔動心）原理の紹介をした。この発明は、患者に最も近いがロボット機構から遠く離れた旋回ＲＣＭ点を用いるＩＢＭで開発されたラーズロボットで実施された。米国特許第５，６３０，４３１号も参照されたい。テーラーシステムにおいて、回転点の第１の軸はＲＣＭを指すと共に、第２の軸は剛性の棒および筒状の関節の２つの結合した平行な連結により実施された平行四辺形機構により具体化される。ＲＣＭの２つの軸は直交しており、かつ前記機構は垂直な初期（ゼロ）方向の回りで動作する。

米国特許第５，６３０，４３１号において、当該ロボットは、直列で接続された通常の相対的な方向における２つの同心角度計の円弧を使用する。以下の括弧内資料も参照されたい（Cutting CB, Bookstein FLおよび Taylor RH.共著, (1996年):"Applications of Simulation, Morphometrics and Robotics in Craniofacial Surgery, in Computer-Integrated Surgery", MIT Press 1996年: Cambridge, Mass. 641-662項; 37. Taylor RE著, (1991年):"A Model-Based Optimal Planning and Execution System with Active Sensing and Passive Manipulation for Augmentation of Human Precision in Computer-Integrated Surgery", Second Int. Symposium on Experimental Robotics, Toulouse, France; Taylor RH著, (1992年): "Augmentation of Human Precision in Computer-Integrated Surgery", Innovation et Technologie energy absorption shaft Biologie et Medicine, 13(4(special issue on computer assisted surgery)): 450-459項; Taylor RH著, (1992年): "A Passive/Active Manipulation System for Surgery Augmentation," First Int. Workshop on Mechatronics in Medicine, Malaga, Spain）。当該ＲＣＭ点は、当該機構から遠く離れて位置するガイドの共通の中心に位置している。回転の２つの方向は直交している。旋回中心の位置は、前記機構の構造により固定されており、そして当該ロボットは、垂直な初期方向の回りにのみ動作可能である。

１９９８年にジェンセンは、米国特許第５，８１７，０８４号においてテーラーの初期の設計を変更した。この特許のロボットは、平行四辺形機構の支持体における棒の平行連結をベルト駆動部（「弾力性ある駆動部」）で置き換えた。この機構は、腹腔鏡検査法用のＳＲＩ（スタンフォード リサーチインスティテュート）ロボットで実施された。以下の括弧内の資料を参照されたい（Cornum RL, Bowersox JC: Telepresence: a 21st century interface for urologic surgery. J Urol. 1996年; 155 (Supp 5): 489A, Abstract 715）。ジェンセンは、平行連結を連続変速装置で置き換える利点を分かっていたが、完全には前者の使用を排除しなかった。この理由として、ジェンセンの機構はテーラーシステムの疑う余地のないお粗末な特徴、つまり、上方ゼロ回りでの動作範囲が制限されていること、および異なる位置で剛性が等しくないことを引き継いでいた。この従来技術のＲＣＭシステムは調整可能でもなく、そして直交する軸を有している。

ＲＣＭ点は、当該機構の運動学により決められて機械的に固定されるか、あるいは協調した結合部制御下で任意に選択されて高自由度（ＤＯＦ）で実施される。高動作ロボットは、ほとんどどのようなものでもそのような作業を行うようにプログラム化することが可能である。米国特許第６，０４７，６１０号には、ひとつの例が記載されている。この方法は、旋回の柔軟性、操作性の増加および全体的に見た汎用性という利点を有している。しかしながら、これらの機構は外科手術用途には不安全である。機械的なＲＣＭは、自由度の削減、脱離動作および固定旋回の特徴により安全である。

１９９６年から１９９９年の間にワング等は、標題「最適位置決め用に自動化した内視鏡システム」、つまり、ＡＥＳＯＰ（オンライン処理用旋回システム）ロボット（Computer Motion, Inco., Goleta, CA, http://www.computermotion.com/）に類似した一連の１０の発明を報告した。ＡＥＳＯＰロボットの最後の２つの関節は受動的であり、交差する軸で回転する。これら軸の交差点は、当該機構から遠く離れておらず、また腹腔鏡引き込み口の高さにも位置していない。腹腔鏡器具は、ロボットの端と腹腔鏡入側引き込み口との間に自由な方向を占める。ＡＥＳＯＰロボットは、純粋なＲＣＭ機構ではなく、むしろ腹腔鏡を旋回する安全な方法を提供する浮動ＲＣＭである。

ＲＣＭ分野におけるより最近の進歩は、ダビンチロボットに関するものである（Intuitive Surgical, Inc., Mountain View, CA, http://www.intusurg.com/）。米国特許第６，２４６，２００号を参照されたい。このシステムは、指示操作卓に位置する外科医の直接指示の下で腹腔鏡作業を実行する左右対称のロボットとカメラ保持具を備える。前記ロボットおよび外科医の操作卓は、両者共ＲＣＭ機構のバージョンを用いる。このＲＣＭ機構は、元のテーラーシステムの大変優雅であるが、むしろ大掛かりなバージョンである。ジェンセンと同様に、インテューイティブ サージカル社は、付加的なケーブル駆動ＤＯＦの駆動部を収容するために前記平行四辺形機構の支持体連結を変更した。運動学的には、ダビンチ（ロボット名）はテーラーのラーズロボットと同じ能力を有する。

極まれな例外はあるが、外科手術用途に用いられる従来技術のＲＣＭ機械装置は、元のラーズロボットから最新で高精巧なダビンチに至るまで、角度計円弧システムあるいはテーラーの設計の変形のいずれかである。従来技術は、各々改善を要する制限を有している。とりわけ、柔軟性のない連結ＲＣＭ設計は、動作範囲に制限がある。

以上のように、共通に利用可能な画像技術の利点を活用すると共に、従来技術の問題点を解決する新しくかつ改善した画像準拠の目標誘導システムおよび方法が必要とされている。

発明の要約

本発明のひとつの実施形態によれば、「非較正」システムおよび方法が、精密なカメラ／イメージャー（双眼のカメラシステム）の較正なしに、正確に針を配置するために提供される。

本発明のひとつの実施形態によれば、旋回中心、つまり、遠隔動心（ＲＣＭ）を具体化する機構と遠く離れて位置する固定の幾何学的な点で交差する２つの軸の回りにエンドエフェクタを向けるように使用することが可能なロボットモジュールが提供される。ＲＣＭモジュールに搭載されたロボットの道具（つまりエンドエフェクタ）は、当該ＲＣＭ点の回りに回転し、このＲＣＭ点は前記ロボットモジュールから遠く離れているので、都合よく前記エンドエフェクタ上に位置することが可能である。

前記モジュールは、幾何学的な点で同時に存在する軸に２つの回転自由度（ＤＯＦ）を付与する。旋回位置は、当該軸間の相対角度を変更することにより一方の軸に沿って調整可能である。このように２つの回転は必ずしも直交していない。

運動学的な特異点を有する全ての先のＲＣＭ機構と異なり、この新しい機構は両軸の回りに制限されない回転を特異点なしに提供する。この新しい機構は先に報告されていない２重ベルト駆動により達成される。２重ベルト駆動によれば、エンドエフェクタを、折り畳んでいる場合、延長している場合あるいは途中の場合において、前記機構のどのような初期方向の回りにでも回転することも可能になる。この機構は異なる方向において均一な力学的性質を付与する。機械的かつ／または電子的な手段は、所望範囲の動作を制限して設定するように用いられることが可能である。

本発明は、ロボットモジュールの形式で制御された動作を実行する新しいＲＣＭ装置である。この装置の新規性は、柔軟性がない連結ＲＣＭについて、先に報告した全ての機構の動作を制限する運動学的な特異点に遭遇することなしに、この装置が回転の方向付けを達成することが可能なことにある。専用のエンドエフェクタアダプタを用いれば、このモジュールはいろいろな道具／器具を操作することが可能である。自由度の増加に対しては、単独または他のロボット構成部品と併せてこのモジュールを用いることが可能である。前記モジュールは、ＲＣＭ機構のどの部分も動心を越えてぶつかることなしに（すなわち、この機構が、ＲＣＭ点からＲＣＭ機構の２つの回転軸に直交する方向に沿って、自由な接近を妨げることなしに）ＲＣＭ動作も提供する。

本発明のひとつの実施形態によれば、遠隔動心ロボットシステムが提供される。このシステムは、支持体部と複数の連結部を備える。支持体部は、第１の軸回りに回転可能である。複数の連結部は互いに結合される。複数の連結部のすくなくとも２つは、互いの初めから終わりまでの動作に平行のままである。複数の連結部は、第１の端で支持体部と結合され、複数の連結部の各々の間の角度を変えることにより、第２の軸の回りに回転可能になっている。

本発明のひとつの実施形態によれば、遠隔動心ロボットシステムが提供される。このシステムは、第１の軸の回りに回転する支持体手段を含む。このシステムは、複数の連結手段の各々の間の角度を変えることにより、第２の軸の回りに回転する複数の連結手段をも含む。前記複数の連結手段は、第１の端で支持体手段と結合されている。

本発明によれば、画像補助外科手術を実施する新規な装置が提供される。本発明は、遠隔動心（ＲＣＭ）と称する旋回中心を具体化する機構と遠く離れて位置する、固定された幾何学的な点で交差する２つの軸の回りにエンドエフェクタを方向付けるように用いることが可能なロボットシステム、つまり、ロボットモジュールを含む。ひとつのエンドエフェクタ、例えば、針式ドライバーのようなロボット道具は、ＲＣＭモジュールに搭載されてＲＣＭ点回りに回転するように構成されてよく、このＲＣＭ点は、ロボットモジュールから遠く離れているので前記エンドエフェクタ上に都合よく位置することが可能である。

本発明は、幾何学的なＲＣＭ点において同時に存在する軸を有する２つの回転自由度（ＤＯＦ）を可能とするように構成されている。旋回位置は、調節角度と称する軸間の相対角度を変更することにより、一方の軸に沿って調整可能である。このように、２つの回転は必ずしも直交していない。

運動学的な特異点を有する従来技術のＲＣＭ機構と異なり、本発明によれば、特異点なしに両軸の回りに制限されない回転を達成することを助ける２重ベルト駆動の構成を設けられる。本発明によれば、当該エンドエフェクタを折り畳んだ方向か延長した方向またはその間のどのような方向をも含んで、ＲＣＭ機構のどのような初期方向の回りにでも回転することも可能になる。機械的かつ／または電子的な手段を、所望範囲の動作を制限して設定するように用いることが可能になる。

図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃは、それぞれ本発明の実施形態によるＲＣＭモジュールの等角投影図、平面図、正面図を示す。このモジュール、つまり機構１００は、第１のアーム１０、第２のアーム１８および第３のアーム２６（連結金具および連結部とも称する）を含む。第１のアーム１０は、支持体軸１を介して固定支持または先導ロボット構成要素のような支持体に固定されることが可能な支持体要素９と結合されている。第３のアーム２６は、このアームの出力軸３１または３４のどちらか側の上に接続されることが可能なエンドエフェクタ３３を保持する保持具／ドライバー３２を受けるように構成されている。異なる用途の異なるエンドエフェクタを収容することが可能な取り付けネジ３５が用いられる。以上の各要素を結合する手段を以下に詳細に記載する。

このシステム１００は、２つの能動自由度（ＤＯＦ）を可能とするように構成されている。この２つの能動ＤＯＦは、ａ）第１の旋回軸を表す支持体軸１の軸ｘγ回りの回転αと、ｂ）アーム１８と２６および保持具／ドライバー３２かつ／またはエンドエフェクタ３３により形成された、第２の旋回軸ｙを表す平行四辺形構造の軸ｙ回りの回転βである。この２つの軸は、前記機構の旋回中心、つまりＲＣＭ点を表すｘｙｚ座標系の中心で交差する。

システム１００は、要素９と１０との間の調節角度ｙが調整可能であると共に、要素９と１０が所望の相対的な方向で固定されることが可能なように構成されている。調節角度γは、軸ｘγの方向を変化させて第２の旋回中心ｙに沿ってＲＣＭ点の位置を移動させる。この角度の調整設計により、コンパクトな設計を維持しながら、異なるエンドエフェクタを収容するのに都合よく前記旋回中心を設定することが可能になる。ひとつの欠点は、直交旋回軸（ｘとｙ、γ＝０）を非直交旋回（ｘとｙ、γ＞０）に退歩させることである。このことは、作業範囲を減少させて前記エンドエフェクタの直交旋回動作を得るためには、必要に応じて前記軸の協調した動作が必要になる。それにもかかわらず、小さな調節角度に対して退歩は最小限である。テスト中において調節角度γ｛０°、１５°の範囲｝場合には、この問題に関して難しいことは見出されなかった。

第２の旋回軸ｙは、連結金具１８と２６およびエンドエフェクタ３３／保持具３２により記載された擬似平行四辺形機構により具体化される。連結金具１８は、連結金具１０に関して作動されてよく、連結金具２６は、連結金具１０に関して平行な方向を維持する。エンドエフェクタ３３／保持具３２（出力軸３１または３４に固定して取り付けられている）は、連結金具１８に関して相対的な方向を維持する。出力軸３１または３４は回転可能であり、それゆえ連結金具２６に関して、エンドエフェクタ３３／保持具３２の方向は調節可能である。

この設計は、前記機構から遠く離れている軸ｙ回りにエンドエフェクタ３３／保持具３２が回転することを可能にする。実際上、これは標準的なＲＣＭ設計である。本モジュールの新規性は、前記平行四辺形を満たすように用いられる運動学的な設計および機構により付与される。

前記２つの旋回軸は、動作に制限がなく、連続的に回転することが可能である。このことは、多数の旋回を実行するためには必ずしも重要なことではないが、異なる動作モードを可能にするためには重要である。機構１００の初期（ゼロ）位置は、どのような角度、特にどのようなβ角度にでも設定されることが可能であり、前記エンドエフェクタが空間においてゼロ設定位置の一方の側から他方の側へ旋回することを可能にする。図２Ａと２Ｂおよび図３Ａと３Ｂは、それぞれ２つの実施例を図解する。

「折り畳んだ」初期位置β₀＝０°回りの動作である図２Ａと２Ｂは、それぞれモジュールの正面図と専用のエンドエフェクタ３３および保持具３２共に一列に並んだモジュールの平面図を示す。β＝β₀＝０°を向いた機構１００は実線で表され、この機構はモジュールを「折り畳んだ」位置回りに旋回し、この旋回は２つの点線位置β＝β₀±２０°で例示されている。

機構１００は、前記ＲＣＭ点の上方にこの機構を上げるために、地面に関して傾斜して（δ₁＞０°）搭載されるように図示されている。保持具３２は、角度δ₃＝９０°でエンドエフェクタ３３を支持し、このエンドエフェクタは、初期位置β＝β₀＝０°で垂直となるように前記機構に関してδ₂＝δ₃−δ₁に位置付けられる。

保持具３２は、モジュールの外側３１上に接続されるように図示されている。調節角度γ＞０°の調節は、ｙ軸に沿って前記ＲＣＭ点を移動させてエンドエフェクタ３３の先端にこのＲＣＭ点を置くように用いられる。このようにして、このＲＣＭはｘγ軸とｙ軸（γ＞０）に対する旋回中心になる。

この折り畳んだ動作モード（β₀＝０°）によれば、前記モジュールが単にＲＣＭ旋回軸を通過するだけでなく、ＲＣＭ上方の領域を通過することも可能になる。このことは、画像誘導手順を実行するに際し重要なことであり、当該ロボットは、この手順中に目標およびエンドエフェクタの視角化を妨害することなく可能にするように、当該画像の動作中の領域から離されている必要がある。

図３Ａと３Ｂは、前記機構が「折り畳まれていない」位置β＝β₀＝９０°の回りで旋回する実施例を図解する。折り畳まれた場合に関しては、この機構は、前記ＲＣＭ点を下げるために地面に関して傾斜している（δ₁＞０°）。しかしながら、エンドエフェクタ３３は、保持具３２に沿って取り付けられており（δ₃＝０°、図３Ａ参照）、δ₂＝βとなるように（図３Ｂ参照）出力軸３１または３４の軸を通過する。この場合初期方向は、角度β₀＝９０°−δ₁でエンドエフェクタ３３を垂直に置くように選択される。さらに、前記モジュールの反対（内）側３４上に保持具３２を接続することにより、旋回方向が直交するように（γ＝０°）保持具３２を組み立てることが可能である。エンドエフェクタ３３が非常に小さな角度で連結金具１８と干渉する場合は、干渉を避ける外側実装を採用することも可能である。この９０°に近いβ₀を有して折り畳まれていないモードは、ロボット補助の腹腔鏡検査法のような手順において、前記ＲＣＭ旋回軸の上方のロボットモジュールの存在が動作を妨げない状況で好適である。

したがって、前記モジュールは、前記機構のどちらか側にエンドエフェクタ３３を搭載して、折り畳んだ位置（β＝０°）、通常位置（β＝９０°）、反転位置（β＝−９０°）、延長位置（β＝１８０°）またはどのようにも折り畳んでいない位置（β｛−９０°、０°、９０°、１８０°間の範囲｝）の回りにでも動作することが可能である。上に例示した折り畳んだ動作および折り畳んでいない動作モードは、多様な可能性のある構造および適用能力を示す初期位置、前記モジュールの方向、保持具設計および側面実装の２つの好ましい配置である。

図４は、本発明のひとつの実施形態による前記ＲＣＭモジュールの運動学的な設計を図解する。６つの連結金具（１，９，１０，１８，２６および３１）と５つの回転関節（２，８，１７，２２および３０）が図示されている。これらの回転関節のひとつは受動的であり（γ調節８）、前記機構がたった２つの能動ＤＯＦ（２、１７−２２−３０）を付与するように他の３つの回転関節（１７，２２および３０）はベルトにより運動学的に結合されている。

モジュール１００は、３つの主要な機構、すなわち支持体調節角度、傾斜方向ｘγに沿った回転αの第１の旋回関節および擬似平行四辺形機構を組み込んでいる。

支持体調節角度は、回転関節８により結合されるモジュール１００の要素９と１０との間で角度を変化させることにより実現される。所望の方向に設定されて固定される回転関節８となるように、凸型とそれぞれに凹の筒形状を一致させることが可能である。

傾斜方向ｘγに沿った回転αの第１の旋回関節は、入力軸１と連結金具９との間で作用する回転関節２により実現される。好ましい実施形態においては、この回転関節は入力軸１上にウォーム歯車３を搭載することでウォーム変速装置３−４により起動される。このウォーム変速装置は、ここに言及して盛り込まれている２００２年１０月１６日に出願した標題「小型ボールウォーム変速装置」米国仮出願第６０／３３９，２４７号に記載されたボールウォーム形式であればよい。

かさ歯車変速装置６−７は、前記第１軸の作動モーター１１からウォーム４を作動させるように用いられる。これらの構成部品は、調節回転関節８、ウォーム４およびかさ歯車６が同軸となるように配置される。ウォーム４およびかさ歯車６は互いに固定して取り付けられ、凸型関節表面９の中心に位置する１セットのベアリング５により支持される。この運動学的な連結により作動モーター１１の動作が、調節回転関節８のどのような設定位置γにおいても出力軸１に伝達されることが保証される。このようにして、他方の旋回軸の作動モーター１２と一緒に支持体連結金具１０内に、作動モーター１１をコンパクトに設置することが可能になる。

前記擬似平行四辺形機構は、残った構成部品により実現される。明確にするために、図４は第２の旋回軸の角度β＝９０°に対する前記モジュールを示す。平行四辺形（図１Ｃおよび図３Ｂの正面図において容易に観察される）は、連結金具１８と２６、保持具３２かつ／またはエンドエフェクタ３３との間で形成される。想像線は、出力軸３１を前記ＲＣＭ旋回軸に接続している。この平行四辺形の３つの隅の点は回転関節１７，２２および３０に位置しており、第４の隅の点は第２のＲＣＭ旋回軸を表す仮想のものである。このＲＣＭの原型において、平行四辺形は１００ｍｍの等しい辺を有している。唯一の作動する回転関節は１７であり、他の２つは２つのベルト１９および２５（タイミングベルト、チェーン、ケーブルチェーン、ケーブル駆動、金属ベルト等）により実現される１対１のスリップなしの変速比のベルト駆動機構を介して回転関節１７に結合される。

連結金具１０と１８との間で作用する回転関節１７は、前記１セットのベアリング１５により支持されるウォーム１３を有するウォーム機構１３−１４により係合され、このウォーム機構は連結金具１０に取り付けられたモーター１２により作動される。ウォーム機構１３−１４は、前記仮出願第６０／３３９，２４７号に記載された機構により実施されるのが好ましい。

標準的な４つの棒連結でよりもむしろ２つのベルト駆動で平行四辺形機構の動作を発生させるために、反転プーリ搭載設計を用いることが可能である。この場合において、前記モーターは連結金具１８を角度βで回転させ、連結金具２６はどのような回転βにおいても支持体１０と平行にとどまり、そして出力軸３１は連結金具１８に関して自分の方向（平行にとどまる）を維持する。このために歯車１４は、支持体要素１０に取り付けられたプーリ１６ではなく、連結金具１８も回転させる。このようにして、ベアリング２０に搭載された遊動輪２１により張力を付与された第１のベルト１９の第２のプーリ２３は、支持体１０に関して自分の方向を維持する。同様の反転プーリ搭載は、前記平行四辺形の第２の端２６および第３の端３１に採用される。連結金具２６は、軸を介してプーリ２３に取り付けられて支持体１０と平行のままとなり、そして第２のベルト２５の第１のプーリ２４は先の連結金具１８に接続される。ベアリング２０で支持された遊動輪２１は、第２のプーリ２９を結合してベルト２５に張力を付与する。このようにして、プーリ２９に取り付けられる出力軸３１は、擬似平行四辺形を閉じて、連結金具１８に関して自分の相対的な方向を維持する。

組み合わせた運動学的な設計は、どのような角度β（折り畳んだ位置、通常位置、反転位置、延長位置または一般的に折り畳んでいない位置）の回りにでも動作可能なＲＣＭ点において、両側にエンドエフェクタを搭載することにより、非直交なｘγ軸とｙ軸（γ＞０）の調節可能な旋回ＲＣＭ機構を実現する。

本発明の疑う余地のない機械的な態様を、図５Ａおよび５Ｂを参照して記載する。図５Ａおよび５Ｂは、ＲＣＭモジュール１００を折り畳んだ位置（β＝０°）で直交する旋回軸設定（γ＝０°）を有するＲＣＭモジュール１００の正面図および中央断面Ａ−Ａを図解する。図５Ｂは、ボールウォーム機構を用いる本発明のひとつの実施形態を表す。

ボールウォームの実施形態に関して、図５Ｂに表すようにウォーム歯車３および１４は、それぞれ軸１と３５に機械加工されている。標準的なウォームの実施形態においては、ウォーム歯車が、圧入と細長いキーで固定されることにより軸上に搭載されている。

運動学的な設計（図４）の関節を実現するように用いられるベアリングには、図５Ｂと同じ数字が付されている。例えば、軸１は、２つのベアリング２で支持されている。ウォーム４の軸と同軸で、連結金具９と１０との間の支持体角度γの調節回転関節８を断面Ａ−Ａにおいて容易に観察することが可能である。連結金具１８および２６は、それぞれ蓋４２と４３で覆われている。

図５Ｂは、ベルト１９および２５の反転プーリの搭載も表す。プーリ１６は支持体１０に関して固定され、そして歯車１４は連結金具１８に係合する。同様に、プーリ２４は連結金具１８に取り付けられ、そしてプーリ２３は連結金具２６に係合する。それぞれ偏芯軸３７および３８により支持されるベアリング２０と２７に搭載され、かつ前記平頭ネジにより固定される遊動輪２１および２８を用いて、前記ベルトに張力を付与することが可能である。

運動学的な関節２２の高さにおける角度の調節は、連結金具２６が支持体連結金具１０と平行になるように、組立工程において連結金具１８と２６との間で角度を調節するために組み込まれている。これにより、どのような初期方向においても前記プーリの軸上にプーリを搭載して、前記ベルトへの張力の付与およびベルトの「計時（タイミング）」実行が可能になる。この機構により、プーリ２３と連結金具２６との間の角度を調節して、所望の方向においてこの角度を固定することが可能になる。このためにプーリ２３を、連結金具２６に取り付ける軸４０に一致する円錐状の表面を付与する軸３９上に搭載する。軸３９と４０との間の相対的な角度を設定して、この角度をネジ４１で固定することにより調節を行う。

出力軸は、エンドエフェクタ保持具をネジ３５で側３１または側３４の円錐状表面上に搭載することが可能なように対称構造となっている。図５Ｂは、前記保持具を軸３１（外側）側上に搭載するために、軸３４の側３１から取り付けられたネジ３５を表している。反対側（内側）上に搭載するためには、ネジ３５の頭を軸３１の上においてこのネジを反対向きにする。

図６Ａおよび６Ｂは、前記モジュールの平面図および前記調節関節の中心を通る位置合わせをした断面Ｂ−Ｂを示す。前記機構は、γ＝７．５°における支持体調節角度の中央並びにこの機構を折り畳んだ位置β＝０°に対して表されている。

図６Ｂは、支持体調節配置およびこの調節配置の両側張力機構を表しており、この張力機構は張力プレート４６、合わせピン４７および先細の先端を有する位置決めネジ４８を備える。合わせピン４７は、調節回転関節８と同軸である半径方向通路４９を付与する連結金具９に挿入される。このようにして、合わせピン４７は、張力プレート４６がこの関節８の表面において通常方向を維持するように、自分の位置を調節して前記通路を通過することが可能である。このようにして、前記プレート４６は、前記ピン４７により連結金具９に一方の端で固定される。プレート４６の他方の端には穴があり、この穴は先細の位置決めネジ４８の円錐状部分上に係合し、この位置決めネジ４８は連結金具１０に通される。この金具１０は、位置決めネジ４８により始動されて、プレート４６において前記位置決めネジ４８の円錐状表面と前記穴との間で楔のように作用する。連結金具１０の両側の位置決めネジ４８を緩めることにより、プレート４６は調節回転関節８が外れて開放され、また固定する場合はその逆である。

図６Ｂは、連結金具１０の本体にコンパクトに設置される両方の作動モーター１１と１２および前記モーターに直ちに近づくことを可能にするモーターカバー４４も示す。第２の原型に組み込まれている全ての電気部品、モーターコネクタおよび冗長的な位置検出器接続は、前記モーターに隣接する連結金具１０の中空の空間内に設置される。配線ケーブルは、キャップ４４に穿孔した穴４５を介して配線される。

本発明のひとつの実施形態によれば、前記ＲＣＭモジュールは、ボールウォームＲＣＭ（ＢＷ−ＲＣＭ）、すなわち、前記機構から１００ｍｍ離れて位置する支点を有する外科手術用途のロボットモジュールであることが可能である。ＢＷ−ＲＣＭはコンパクトな設計を与え、小さな構造に折り畳み可能であり、かつ非常に重量を小さくすることが可能である（例えば、１７５ｘ６８ｘ５４ｍｍの構造体でたった１．３５Ｋｇである）。このＢＷ−ＲＣＭは、外科手術器具の点のひとつの位置を維持しながら、外科手術器具を正確に空間に向けることができる。

本発明のＲＣＭモジュールの運動学的な構造によれば、ＲＣＭモジュールは経皮的な処置における套管針／針の方向付けと同様に、最小に浸潤的な用途に好適である。本発明のＲＣＭモジュールは、様々なエンドエフェクタを収容することが可能である。例えば、画像誘導される経皮的な腎臓への接近を実行するために、このＲＣＭモジュールを経皮的腎臓接近（ＰＡＫＹ）の放射線透過性針ドライバーと併用してもよい（以下を参照：Stoianovici D, Cadeddu JA, Demaree RD, Basile HA, Taylor RH, Whitcomb LL, Sharpe WN, Kavoussi LR: "An Efficient Needle Injection Technique and Radiological Guidance Method for Percutaceous Procedures", Lecture !Votes in Computer Science, 1997CVRNIed-MRCAS', Springler-Verlag, 1997年, 1205:295-298項; Stoianovici D, Cadeddu JA, Demaree RD, Basile HA, Taylor RH, Whitcomb LL, Kavoussi LR: "A Novel Mechanical Transmission Applied to Percutaenous Renal Access", Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division, 1997年, DSC-61:401-406項; Stoianovici D, Kavoussi LR, Whitcomb LL, Taylor RH, Cadeddu JA, Basile HA, Demaree RD共著. (1996年), "Friction Transmission with Axial Loading and a Radiolucent Surgical Needle Drive"; 米国仮出願第６０／０３８,１１５号、ジョンズ ホプキンズ大学により１９９８年２月２０日に正規の有益なＰＣＴ願書として出願;未決の米国出願第０９／０２６,６６９号、１９９８年２月２０日に出願; 公布済みＰＣＴ資料ＷＯ９８／３６６８８：各々の上記出願内容は言及してこの明細書に盛り込まれている）。当該ロボットは、当該外科医により制御されるようにＣアームイメージャーからのＸ線蛍光透視誘導を用い、前記針を方向付けて挿入することが可能である。ＰＡＫＹ放射線透過性針ドライバーを用いると、前記モジュールは折り畳んだ位置β＝０°の回りで動作し、このようにしてＸ線領域を飛び越え、そして支持体調節角度γ＝９．３°を用い、このようにして非直交旋回を発生させる。本発明のシステムは、患者および泌尿器科医への放射線被爆を減少させる一方で、疑いの余地なく正確な針設置および処置時間の改善を提供して、経皮的な腎臓への接近に利用可能である。

本発明のＲＣＭモジュールは、専用の針ドライバーと一緒にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）位置合わせ精度用に利用可能である。Ｚ段階のＰＡＫＹは、コンピュータ統合外科手術システムおよび技術（ＣＩＳＳＴ）のために、ＮＳＦ（米国立科学財団）エンジニアリング リサーチセンターと共同で、ジョンズ ホプキンズ大学および東京大学に構築されたＰＡＫＹの針駆動能力に加えて、ＣＴ／ＭＲＩ（磁気共鳴映像法）位置合わせ精度法を実施するように適応されたＰＡＫＹ針ドライバーの変更版である。このＰＡＫＹドライバーと同様に、前記ＲＣＭモジュールも、非直交軸を有する折り畳んだモードで動作する。

図７は、ＣＴおよびＭＲ画像化システムにおけるロボット位置合わせ精度用の簡単な方法を用いて、腎臓および脊椎の経皮的な処置用にＣＴ誘導下で本発明のＲＣＭモジュールを用いることが可能なことを示す。この方法は、どのようなＣＴスキャナにおいてもたやすく利用可能なレーザマーカーを用いており、画像化を必要とせず、したがって放射線被爆を排除する。手動の方法と異なり、この方法によれば皮膚に入る点および目標が異なる切片に位置している斜めの挿入を実行することが可能になる。

前記ＲＣＭモジュールを組み込んでいる高ＤＯＦロボットシステムは、ＣＴ誘導動作用に発展させることが可能である。図８は、ＣＴ誘導された経皮的な腎臓への接近用に構成されるこのシステムを示す。写真で観察可能なように、この場合において当該ロボットは、折り畳んだ非直交動作モード（β₀＝０°、γ＝９.３°）も示すが、支持体傾斜角度δ₁＝９０°（図２）を示して、会陰へ接近するために垂直に設置される。

したがって、上記のものは、前記機構と遠く離れて位置する旋回中心回りの空間において２つの方向にひとつのエンドエフェクタを向けることができる、コンパクトなロボットモジュールであるＲＣＭモジュールである。遠隔旋回動作用途は、工業的動作および外科手術動作を包含し、後者の型の動作モードは、手による外科手術の実務において一般的に含まれるがゆえに最も重要である。このモードは、用途に柔軟性を付与する様々なエンドエフェクタおよび動作モードを提供する。多数のモジュール配置により実行される多数の臨床用途は、外科手術への利用に対するＲＣＭモジュールの汎用性、有用性および安全性を示す。

以上のように、付属の図面を参照して実施例により本発明について十分に記載したが、添付の特許請求範囲に定めたように、本発明の範囲および考えを逸脱することなく開示された本発明および実施形態においては、多くの変更や修正を行ってもよいことは容易かつ十分に理解される。

本発明のひとつの実施形態によるロボットモジュールの図である。 本発明のひとつの実施形態によるロボットモジュールの図である。 本発明のひとつの実施形態によるロボットモジュールの図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールを模式的に表した図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールを模式的に表した図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールを模式的に表した図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールを模式的に表した図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールの運動学的な主要部の模式図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールの正面図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールの図５におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールの平面図である。 本発明のひとつの実施形態による、図１Ａから図1Ｃにおけるロボットモジュールの位置合わせをした図6ＡにおけるＢ−Ｂ断面図である。 本発明のひとつの実施形態によるＣＴ誘導下でのＲＣＭモジュールを示す図である。 本発明のひとつの実施形態による、ＣＴ誘導されたうつ伏せの近接照射療法用に構成されたＲＣＭモジュールを示す図である。

Claims (30)

1. 第１の軸の回りに回転可能な支持体部と、
   互いに結合した複数の連結部を備え、
   前記複数の連結部の少なくとも２つは互いに平行のままであり、前記複数の連結部は第１の端で前記支持体と結合しており、かつ前記複数の連結部の各々の間の角度を変化させることにより、前記複数の連結部が第２の軸の回りに回転可能なことを特徴とする遠隔動心ロボットシステム。
2. 前記第１の軸と前記第２の軸は、直交していることを特徴とする請求項１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
3. 前記複数の連結部は、前記複数の連結部の少なくとも２つの間の角度を制御する、少なくとも１つの結合されたベルト駆動部を含むことを特徴とする請求項１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
4. 前記第１の軸の回りに回転する第１のウォーム駆動部と、前記第２の軸の回りに回転する第２のウォーム駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
5. 前記複数の連結部の第２の端と結合するエンドエフェクタ保持具をさらに備え、
   前記エンドエフェクタ保持具は第３の軸の回りに回転可能であり、前記複数の連結部の各々の間の角度および前記エンドエフェクタ保持具の回転の制御は、前記エンドエフェクタ保持具により保持されたエンドエフェクタが遠隔動心点の回りに回転することを可能にすることを特徴とする請求項１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
6. 前記エンドエフェクタ保持具は、前記複数の連結部の少なくともひとつと平行な位置において、当該エンドエフェクタを保持するように当該第２の端の上に位置することを特徴とする請求項５に記載の遠隔動心ロボットシステム。
7. 前記複数の連結部は複数の関節を含み、前記複数の関節の各々は運動学的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
8. 前記複数の連結部は受動関節により前記支持体部と結合され、前記受動関節はＸ軸から前記第１の軸の調節角度を設定することを特徴とする請求項１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
9. 前記複数の連結部は受動関節により前記支持体部と結合され、前記受動関節はＸ軸から前記第１の軸の調節角度を設定することを特徴とする請求項５に記載の遠隔動心ロボットシステム。
10. 前記第２の軸はＹ軸であることを特徴とする請求項１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
11. 前記複数の連結部は第１、第２および第３の連結部を含み、前記第１の連結部は前記受動関節により前記支持体部と結合され、前記第２の連結部は第1の回転関節を介して前記第１の連結部に結合され、前記第３の連結部は第２の回転関節を介して前記第２の連結部と結合され、かつ第１、第２および第３の回転関節の各々は運動学的に結合されていることを特徴とする請求項９に記載の遠隔動心ロボットシステム。
12. 前記第１および第２回転関節に接続する第１のベルト駆動部と、前記第２および第３回転関節に接続される第２のベルト駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の遠隔動心ロボットシステム。
13. 前記第１のウォーム歯車と結合されて前記第１のウォーム歯車を駆動する第１のモーターと、前記第２のウォーム歯車と結合されて前記第２のウォーム歯車駆動する第２のモーターをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の遠隔動心ロボットシステム。
14. 前記支持体を前記第１の軸の回りに回転させる第１のウォーム駆動部と、
    前記複数の連結部を前記第２の軸の回りに回転させるように前記第１のベルト駆動部と結合された第２のウォーム駆動部と、
    前記第１のウォーム歯車と結合されて前記第１のウォーム歯車を駆動する第１のモーターと、
    前記第２のウォーム歯車と結合されて前記第２のウォーム歯車を駆動する第２のモーターをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の遠隔動心ロボットシステム。
15. 前記調節角度を変化させるように前記第１のウォーム歯車を係合させる変速装置をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の遠隔動心ロボットシステム。
16. 前記調節角度は０から１５度の間に設定されることを特徴とする請求項９に記載の遠隔動心ロボットシステム。
17. 前記調節角度は０から１５度の間に設定されることを特徴とする請求項１５に記載の遠隔動心ロボットシステム。
18. 第１の軸の回りに回転する支持体手段と、
    複数の連結手段の各々の間の角度を変化させることにより第２の軸の回りに回転する前記複数の連結手段を備え、
    前記複数の連結手段は第１の端において前記支持体手段と結合されることを特徴とする遠隔動心ロボットシステム。
19. 前記第１の軸および前記第２の軸は、直交していることを特徴とする請求項１８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
20. 前記複数の連結手段は、前記複数の連結手段の少なくとも２つの間の角度を制御する少なくともひとつのベルト駆動手段を含むことを特徴とする請求項１８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
21. 前記第１軸の回りに前記支持体を回転させる第１のウォーム駆動手段と、
    前記第２軸の回りに前記支持体を回転させる第２のウォーム駆動手段をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
22. 第３の軸の回りに回転するエンドエフェクタ保持具手段を前記複数の手段の第２の端にさらに備え、
    前記複数の連結手段の各々の間の角度および前記エンドエフェクタ保持具手段の回転の制御により、前記エンドエフェクタ保持具によって保持されるエンドエフェクタが遠隔動心点の回りに回転することが可能になることを特徴とする請求項１８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
23. 前記エンドエフェクタ保持具手段は、前記複数の連結部の少なくともひとつの連結部に平行な位置において当該エンドエフェクタを保持することを特徴とする請求項２２に記載の遠隔動心ロボットシステム。
24. 前記複数の連結手段は、前記連結手段を回転可能に結合する複数の関節手段を含むと共に、前記複数の連結手段の各々は運動学的に結合されていることを特徴とする請求項１８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
25. 前記複数の連結手段は、Ｘ軸からの前記第１の軸の調節角度を調節する受動関節手段により、前記支持体手段と結合されていることを特徴とする請求項１８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
26. 前記複数の連結手段は、Ｘ軸からの前記第１の軸の調節角度を調節する受動関節手段により、前記支持体手段と結合されていることを特徴とする請求項２２に記載の遠隔動心ロボットシステム。
27. 前記第２の軸はＹ軸であることを特徴とする請求項１８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
28. 前記複数の連結手段は第１、第２および第３の連結手段を含み、前記第１の連結手段は前記支持体手段と結合する手段であり、前記第２の連結手段は前記第１の連結手段と回転可能に結合する手段であり、前記第３の連結手段は前記第２の連結手段と回転可能に結合する手段であり、また前記第３の連結手段は前記エンドエフェクタ保持具を回転させる手段であり、前記第１、第２および第３の連結手段の各々は運動学的に結合されていることを特徴とする請求項２６に記載の遠隔動心ロボットシステム。
29. 前記第２と第３の連結手段の間における角度および前記エンドエフェクタ保持具手段の回転を制御する第２のベルト駆動手段と結合される、前記第１と第２の連結手段の間の角度を制御するための第１のベルト駆動手段をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載の遠隔動心ロボットシステム。
30. 前記第１のウォーム歯車手段と結合されて前記第１のウォーム歯車手段を駆動する第１のモーターと、前記第２のウォーム歯車手段と結合されて前記第２のウォーム歯車手段を駆動する第２のモーターをさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の遠隔動心ロボットシステム。