JP2011521673A - 最小アクセス器具 - Google Patents

Abstract

最小アクセス器具は、使用者の腕に取り付けられるように構成されたフレームと、近位端と遠位端を有する器具シャフトとを備え、器具シャフトの近位端はフレームに連結されている。器具は、更に、フレームに連結された第１の端部と、使用者入力を受けるように構成された第２の端部とを有する入力ジョイントを備え、入力ジョイントは、使用者の手首関節と略一致する回転中心を提供する仮想回転中心（ＶＣ）機構を備える。出力ジョイントは、器具シャフト遠位端に連結されており、出力ジョイントは、入力ジョイントの運動を出力ジョイントの運動に相関させるため、これらの間に連結された機械的伝達部材を介して入力ジョイントに結合されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年４月１１日に出願された米国仮出願第６１／０４４，１６８号の利益を主張し、この特許は参照により本明細書に援用される。

発明の分野
本発明は、手術、内視鏡検査法、又は他の介入などに用いられる最小アクセス器具（minimal access tool）に関する。

最小侵襲手術（minimally invasive surgical）（ＭＩＳ）法および他の最小アクセス処置は、ますます頻繁に行われ、より複雑になりつつあるため、外科医の要求を満たすように技術の改善が求められている。これらの処置では、一般に、細い器具がポートを通して体内に挿入される。外科医などの使用者からの運動入力は、器具を介して、患者の体内の器具の先端に取り付けられたマニピュレータの運動に伝達される。この装置は、大きく切開することなく、体内での操作を外部で制御して行うのに使用される。ＭＩＳ器具は、簡単な鋏状の器具から複雑なロボットシステムにわたる。

ＭＩＳで使用される従来のほとんどの器具は、機械的な手持形のものであり、４自由度（ＤｏＦ）（３並進および１ロール回転）プラス把持を提供するが、より新しい器具には更に２自由度（ピッチ、ヨー）が加わっているものもある。これらの機械的な手持形の器具は、本質的に力のフィードバックが可能であり、より新しい器具は、追加の２自由度が与えられている場合、高い巧緻性が可能であるが、それらは非直感的な自由度制御（入力運動から出力運動への対応付け）機構であり、使用者は、巧緻性の高い器具の能力を十分に活用することができない。ロボット器具では、電気機械的アクチュエータを使用して器具先端のマニピュレータの運動を生じさせると、機械的な力のフィードバックが無くなる。更にまた、このようなロボットシステムは、サイズが大きく、費用が高く、操作が大掛かりで制限されるため、全体的な機能性が低下する。

従って、既存のほとんどの多自由度の器具には、費用効果の高い小型のパッケージで高い巧緻性や所望の機能性を可能にする設計特性がない。特に、器具先端のマニピュレータを手首のように回転させることができる多自由度の器具は、最近の最小アクセスおよびＭＩＳ処置の要求を満たすのに重要であるが、これらの追加の自由度の快適で、人間工学的で、直感的な制御が確実でない限り、有効ではない。

本発明の最小アクセス器具の斜視図である。 本発明の最小アクセス器具の使用者側端部における運動入力を示す図である。 本発明の最小アクセス器具の器具先端における運動出力を示す図である。 本発明の最小アクセス器具の使用者側端部の斜視図である。 前腕取付具を備える本発明の最小アクセス器具の使用者側端部の斜視図である。 本発明の最小アクセス器具のケーブル伝達機構の概略図である。 本発明の最小アクセス器具のケーブル伝達機構の概略図である。 本発明の最小アクセス器具のケーブル伝達機構の概略図である。 本発明の最小アクセス器具のケーブル伝達機構の別の実施形態の概略図である。 カム面がある場合の本発明のケーブル伝達系の入力の概略図である。 伝達ケーブルが仮想回転中心（ＶＣ）機構のリンクに取り付けられている、本発明のケーブル伝達系の概略図である。 本発明の最小アクセス器具の入力ジョイントの役割をするＶＣ機構の三脚型実施形態の斜視図である。 使用者の手首と一致するように、本発明の三脚機構によって提供される入力ジョイント回転中心の斜視図である。 本発明の３自由度のコンプライアントワイヤジョイントの概略図である。 本発明の３自由度のボールジョイントの概略図である。 本発明の３自由度のスプリングジョイントの概略図である。 本発明のカスケードリンクＶＣ機構を示す正面図である。 本発明のカスケードリンクＶＣ機構を示す側面図である。 本発明のカスケードリンクＶＣ機構を示す斜視図である。 本発明の固定軸ＶＣ機構の斜視図である。 本発明の固定軸ＶＣ機構の正面図である。 本発明の出力ジョイントのカスケードディスクの実施の正面図である。 本発明の出力ジョイントのＶＣ機構の実施の正面図である。 本発明の閉止（closure）機構の斜視図である。 本発明のエンドエフェクタの斜視図である。 本発明の可変伝達比を可能にする入力プーリおよび出力プーリの概略図である。 本発明の連続可変伝達を可能にする入力プーリおよび出力プーリの概略図である。 手首の２自由度の作動を分離する本発明の器具先端マニピュレータおよび出力ジョイントの斜視図である。 器具シャフトを交換するためのクイックリリース機構を備える、本発明の最小アクセス器具の一実施形態の概略図である。 本発明の最小アクセス器具を使用者の前腕以外の支持構造に代わりに取り付ける概略図である。

発明の詳細な説明
必要に応じて、本発明の詳細な実施形態を本明細書に開示するが、開示される実施形態は、本発明の典型例に過ぎず、本発明は様々な代替の形態で具体化され得ることを理解すべきである。図は、必ずしも縮尺どおりに記載されておらず、幾つかの特徴は、特定の構成要素の詳細を示すために誇張又は最小化される場合がある。従って、本明細書に開示されている特定の構造的および機能的詳細は、限定的に解釈されるべきではなく、単に本発明の様々な使用を当業者に教示するための代表的基本原理として解釈されるべきである。

本発明は、ＭＩＳ、内視鏡検査法、又は他の介入に使用される直感的作動が可能な、高巧緻性で多自由度の最小アクセス器具を提供する。図面を参照すると、本発明の器具は、全体が参照番号１０で示され、以下の機能性を提供することができる。まず、３つの並進方向と３つの回転方向で完全に運動制御するために、器具先端マニピュレータなどのエンドエフェクタ１２において６自由度を提供することができる。更に、エンドエフェクタ１２は、用途に応じて、把持、切断などのための開／閉能力を有することができる。入力（即ち、使用者の腕、手および指）から出力（即ち、エンドエフェクタ１２）に人間工学的且つ直感的な運動の対応付けをすることができ、器具１０は、使用者が器具１０で加えた力の量を感知できるように力のフィードバックを提供することができる。更に、器具１０は、手術の精度を改善するために、入力運動と出力運動の間で運動の拡大縮小を行い、手の振動を低減することができる。「自由度」および「運動（motion）」は、本明細書に記載の説明において互換的に使用されることに留意すべきである。本発明の器具１０は、簡単さと費用効果の高い製造を確実にするように、最小限の数の構成要素と組立工程を有する純粋に機械的なものとすることができる。

図１を参照すると、機械的な手持形の器具１０が図示されているが、エンドエフェクタ１２の自由度は、使用者側端部１４で類似の器官（physiological analogs）によって制御されてもよい。エンドエフェクタ１２の自由度運動が使用者の腕、手、および指の自由度運動と一致するとき、器具１０に関する直感的な入力−出力運動の対応付けを達成することができる。器具１０は、腕取付部材２０又は他の手段などにより使用者の腕、通常は前腕に取り付けられるように構成されたフレーム１８を備える。フレーム１８は、略硬質であってもよく、様々なサイズの使用者に適応するように長さおよびサイズの調節機構を組み込んでもよい。器具１０は、更に、近位端２１および遠位端２３を有する器具シャフト２２を備え、フレーム１８がシャフト近位端２１に連結されていてもよい。器具シャフト２２は、患者の身体（図示せず）の手術ポートを通るように形成されており、器具シャフト２２は略細長く、略円形の断面を有するようになっているが、シャフト２２はこの形状に限定されない。器具シャフト２２は、略硬質であってもよく、又は、或いは、他のすべての機能性を維持しつつ、内視鏡検査法に使用されるものなどの可撓性器具導管を使用してもよい。

入力ジョイントは、フレーム１８に連結されており、使用者の手首の運動入力を受けるように構成されており、入力ジョイントは、使用者の手首関節Ｗと略一致する回転中心を提供する仮想回転中心（ＶＣ）機構１６（図９、１２および１３に最もよく示されている）を備える。換言すれば、ＶＣ機構１６は、使用者自身の手首Ｗの近くに位置する仮想回転中心を有する２自由度又は３自由度のジョイントを作り出す。仮想回転中心を有するジョイントは、物理的構造が仮想回転中心に存在する必要がないものである。このようなジョイントは、使用者の手で作動させることができる本体を備えなければならず、この本体は、ＶＣ機構１６に拘束され、事実上２自由度のユニバーサルジョイント又は３自由度の回転ジョイントにより使用者の手首の点で回転するかのように動く。この機構では、使用者の手は、使用者の手首Ｗを中心に使用者の前腕に対して少なくとも２方向で自然に自由に回転することができる。患者の体内のエンドエフェクタ１２で使用者の腕の自然な運動が複製される。

米国特許第７，１４７，６５０号明細書におけるように従来の２自由度のジョイントを入力ジョイントに使用することもでき、この特許は参照により本明細書に援用される。しかし、このような場合の入力ジョイントの回転中心は、ジョイントの物理的位置と一致し、従って、物理的形態／空間制約を考慮すると、決して使用者の手首と一致させることはできない。そのため、エンドエフェクタ１２で出力ピッチ運動と出力ヨー運動を生じさせるために、使用者は入力時に手首と一緒に前腕、肘、および肩を動かさなければならず、これは煩わしく、直感的ではない。使用者が前腕に対して手首を回転させるだけでピッチ入力運動とヨー入力運動を発生させ得ることが非常に望ましく、それによって最も自然で、直感的で、人間工学的な作動が得られる。これが起こるためには、入力ジョイント１６の回転中心は、使用者の手首の位置と略一致しなければならない。これによって、使用者は、操作中、前腕、肘、および肩の運動と独立して、手首を自然に且つ快適に動かすことができる。

図１〜図３を参照すると、フレーム１８は器具１０全体に構造的一体性を提供し、腕取付部材２０と器具シャフト２２の間を剛結し、またＶＣ機構１６に基準グランド（reference ground）を提供する。フレーム１８は、幾つかの方法の１つで実施されてもよい。本発明の１つの非限定的態様によれば、手首の回転中に使用者の手／指を妨げない湾曲した構造を備えてもよく、これは、構造的一体性を向上させるために、Ｔ形又は管状の断面を有してもよい。また、図９に最もよく示されているように、ＶＣ機構１６は、フレーム１８に連結されているか又はフレーム１８の一部である第１の端部又はグランドベース（ground base）２５を備えてもよい。

更に図１を参照すると、ＶＣ機構１６の第２の入力端部は、プレート２６などの浮動部材を含んでもよい。器具１０は、更に、使用者の手で把持しやすいようにプレート２６に取り付けられたハンドル２４（図３および４にも示されている）を含み、使用者の手のどのような手首の回転もハンドル２４を介してプレート２６に伝達される。ハンドル２４は、ゴムなどの材料からなる軟質の被覆を備えてもよく、快適さのために、異なる種類のグリップテープ、フォーム、又は他の材料を使用してもよい。ハンドル２４は、図示されているようなピストルグリップタイプのものであってもよく、又は、鋏状のリング、スクイーズボールグリップ設計又は使用者の手の握りに適合する人間工学的形状を含む他のハンドル形状を使用してもよいが、これらに限定されない。浮動プレート２６に取り付けることができれば、どのような形状のハンドル２４を使用してもよい。あるいは、単に浮動プレート２６の形状を延長することにより、ハンドル２４とプレート２６を単一の構成要素として構成してもよい。また、浮動部材２６は、本明細書に図示されているプレート以外の形態をとってもよいことが分かる。外観上の理由などで、また、後述のような３自由度のＶＣ機構１６によって提供され得る追加のロール回転自由度を含むように、ＶＣ機構１６をバッフル３０で被覆してもよい。

エンドエフェクタ１２は、出力ジョイント３２を介して器具シャフト遠位端２３に連結してもよく、出力ジョイント３２はＶＣ機構入力ジョイント１６に機械的に結合しており、ＶＣ機構１６の運動を出力ジョイント３２の運動に相関させる。このようなものとして、器具シャフト２２は、エンドエフェクタ１２に対する基準グランドを提供する。ケーブル３４（図５〜１０に最もよく示されている）を含む伝達系は、ＶＣ機構入力ジョイント１６を出力ジョイント３２およびエンドエフェクタ１２に連結させ、これによってそれらの運動を連動させる。しかし、本発明はケーブル３４の使用に限定されるものではなく、入力ジョイント１６と出力ジョイント３２の間のどのような種類の機械的伝達も十分考えられることが分かる。更に、本発明の器具１０の全ての構成要素の寸法および幾何学的形態は、使用者の手の手首運動が任意の所望の調節可能な倍率でエンドエフェクタ１２において複製されるように選択されてもよい。

図２ａは、ヒトの前腕の３つの並進運動およびロール回転、ヒトの手首の２つの回転運動（ピッチおよびヨー）、並びにヒトの手の把持運動を示す。図２ｂは、本発明の器具１０の対応する自由度を示す。これらの自由度には、器具シャフト２２の３つの並進およびロール回転、手首様の２つの回転（ピッチおよびヨー）、並びにエンドエフェクタ１２の把持運動が含まれる。本明細書に記載の器具１０では、ヒトの入力自由度とエンドエフェクタ１２の出力自由度が１対１対で対応付けられる。使用者入力の各自由度のエンドエフェクタ１２の対応する自由度への対応付けが、残りの全ての自由度の対応付けから大きく分離されるため、器具１０を装着した使用者によるエンドエフェクタ１２の直感的制御（即ち、使用者入力から器具出力への運動の対応付け）が容易になる。

フレーム１８および腕取付部材２２により使用者の前腕を器具シャフト２２に取り付けて、出力ジョイント３２と連絡するＶＣ機構を使用する場合、腕と手首の６自由度、および手の把持動作をエンドエフェクタ１２にうまく伝えることができる。エンドエフェクタ１２の運動の制御は、使用者の前腕、手首および手の自然な運動で行われるため、本発明の器具１０によって、多自由度運動に直感的入力−出力運動の対応付けが適切にもたらされる。このシステムは純粋に機械的なものとなり得るため、本質的に力のフィードバックを伝える。

一実施形態では、使用者の手首における使用者の前腕に対するロール回転がないため、エンドエフェクタ１２におけるロール回転は、前腕のロール回転のみの結果である。フレーム１８は、使用者の前腕に固定されるため、出力ジョイント３２が２自由度のジョイントであるとき、前腕のどのようなロール回転も全てフレーム１８、器具シャフト２２、および最終的にエンドエフェクタ１２に伝達される。従って、回転３自由度（所望のヨーおよびピッチ、並びに追加のロール）を提供する入力ジョイント１６を有することが許容される。前述の機構では、入力ジョイント１６のロール自由度を使用者の手首の運動で作動させることができないため、ロールは冗長である。この作動が起こるためには、手首はフレーム１８に対してロール回転しなければならないが、ヒトの手首の生理学的構造を考慮すると、これは起こり得ない。しかし、ここで説明したように、入力ジョイント１６が追加のロール自由度を提供するようになっている場合、この自由度は単に使用されないままであり、器具１０全体の所望の機能性および巧緻性に悪影響を及ぼすことはない。

別の実施形態では、空間的伝達機構を使用して、回転２自由度（ピッチとヨー）だけでなく回転３自由度（ピッチ、ヨーおよびロール）を全て伝達することができる。このような実施形態では、それぞれ回転３自由度を有する入力ジョイント１６と出力ジョイント３２を使用することが可能になる。その場合、入力ジョイント１６と出力ジョイント３２のロール自由度が使用される。

本発明は、使用者の腕にしっかりと取り付けられる、エンドエフェクタ１２に対する基準グランドを提供することによって、使用者の前腕の４自由度（３並進および１ロール回転）をエンドエフェクタ１２の対応する自由度に変換する方法を提供する。図１〜４に関する上記の説明を参照すると、本明細書に記載の器具１０は、使用者の腕に直接又は間接的に取り付けられる連続的剛構造を備えてもよい。この連続的剛構造は、また、患者の身体に挿入する比較的細長い特徴を組み込んでもよい。連続的剛構造の一部となっている細長い特徴の先端は、エンドエフェクタ１２に対する基準グランドを提供してもよい。このグランドとエンドエフェクタ１２は、出力ジョイント３２を介して相互連結してもよい。この連続的剛構造は、また、前述のＶＣ機構１６に対する基準グランドも提供する。使用者の運動入力を受けるプレート２６は、ＶＣ機構入力ジョイント１６を介してこのグランドに連結されてもよい。このようにして、連続的剛構造は、本発明の器具１０の様々な機構、下位機構、およびジョイントに対する共用基準グランドを有効に作り出し得る。この連続的剛構造は、単一の剛体を備えても又は互いに剛結された幾つかの剛体を備えてもよい。これらの幾つかの剛体は、取り外し可能、再取り付け可能、且つ再構成可能であってもよい。

本発明の一実施形態によれば、連続的剛構造は、腕取付部材２０、フレーム１８、および器具シャフト２２（図１を参照）を含んでもよい。腕取付部材２０を使用して、連続的剛構造を使用者の前腕に取り付けることができる。出力ジョイント３２を介してエンドエフェクタ１２を連続的剛構造の器具シャフト遠位端２３に取り付けることができる。外科処置中、エンドエフェクタ１２、出力ジョイント３２、および器具シャフト２２の一部は、概ね生体内にあるが、他の構成要素は概ね生体外にある。フレーム１８、器具シャフト２２および腕取付部材２０の実施は、連続的剛構造の全体形状を決定する。これらの構成要素および連続的剛構造全体の幾何学的形態は、本明細書に記載のものと異なってもよく、右手用又は左手用に関して選択できることが明らかである。

一実施形態では、使用者が１つのエンドエフェクタ１２を解放し、取り外して、それを異なる種類のエンドエフェクタ１２と交換し得るように、エンドエフェクタ１２は取り外し可能に作られてもよい。フレーム１８を使用者の前腕に取り付けたまま、且つ器具シャフト２２をフレーム１８に取り付けたまま、エンドエフェクタ１２を交換することができる。これによって、手術中にエンドエフェクタ１２を患者の体外の位置で器具シャフト２２から引き抜き、異なる機能性を有するエンドエフェクタ１２と交換することができ、このようにして、エンドエフェクタ１２を交換する時、器具シャフト２２を所定の位置に維持することができる。クイックリリース機構又は他の機構を使用してエンドエフェクタ１２とそれに関連する機構を係脱し、器具シャフト２２を移動させることなくフレーム１８又は器具シャフト２２の穴を通して抜去してもよい。これによって、使用者は、器具１０を患者の体内に保持したまま、エンドエフェクタ１２を交換することができる。

図１および図３〜４を参照すると、使用者の前腕をフレーム１８に迅速且つ容易に固定するために、腕取付部材２０を備える。腕取付部材２０は、前腕とフレーム１８の間に確実な接触面を提供する軟質又は硬質の部材を備えてもよい。本発明の一態様によれば、腕取付部材２０は、前腕を取り囲み、面ファスナ、スナップジョイント、バックル、又は使用者の前腕に腕取付部材２０を固定するための他の特徴を使用する軟質の調節可能なストラップ３６を備えてもよい。腕取付部材２０は、また、快適さと取り付けの正確な位置決めを確実にするため、略前腕の形状（例えば、半円錐状）に作られてもよいシェル型支持構造３８を備えてもよい。更に、使用者の前腕と腕取付部材２０の間に快適な接触面を提供するように、シェル構造３８は、少なくとも部分的にフォームパッド４０又は他の適した材料でライニングされていてもよい。フォームパッド４０は、ポリウレタン連続気泡フォームを含んでもよいが、他の種類の柔軟なゲルおよび／又はフォームを使用してもよい。一実施形態では、腕取付部材２０は、前腕周囲の約半分に延びてもよい。本発明の１つの非限定的な態様によれば、腕取付部材２０は、製造を容易にするため、フレーム１８と一体になっていてもよい。

本発明の範囲内で腕取付部材２０の変形も考えられることが分かる。例えば、シェル型支持構造３８は前腕の周囲に部分的に又は完全に延びてもよい。シェル構造３８が前腕の周囲に部分的に延びる場合、他の軟質又は硬質の構成要素を使用して前腕を完全に包囲し固定してもよい。シェル構造３８はまた、腕の周囲全体に連続的に又は複数の部分に分かれて延びてもよい。シェル構造３８が前腕を連続的に取り囲む場合、前腕に所定の位置でぴったりとフィットするように変形性パッドを使用してもよい。このパッドは、場合によっては、受動的であっても、即ち、圧力、熱によって変形しても、又は、他の何らかの制御可能な変形構造であってもよい。シェル構造３８が複数の部分に分かれて前腕を取り囲む場合、各部分の間にジョイントが設けられてもよい。

ここで図５ａ〜５ｃを参照すると、本発明は、手首の２自由度をエンドエフェクタ１２の対応する回転２自由度に関係付ける方法を提供する。これは、マスタースレーブのケーブルをベースにする空間伝達設計を使用して達成されてもよく、ここで、使用者はマスタージョイント（入力ジョイント又はＶＣ機構１６）を作動させ、その運動をケーブル３４、および任意にカム（例えば、図７を参照）又はプーリ（例えば、図８を参照）を介してスレーブジョイント（出力ジョイント３２）に伝達する。この設計では、２つのジョイントは、出力ジョイント３２における運動が入力ジョイント１６に依存するように結合している。入力ジョイント１６を作動させる使用者入力は、使用者の手首を中心に使用者の前腕に対して起こる使用者の手の回転から生じる。当該の２つのジョイントは、それぞれ、少なくとも２の回転自由度（ピッチおよびヨー）を有していなければならない。更に、前述のようにフレーム１８は使用者の前腕に固定されるため、この構造体は２つのジョイントに対するグランドも提供する。そのため、エンドエフェクタ１２で生じる２つの回転は、使用者の前腕に対する回転である。回転１自由度を示す伝達設計の平面図が、説明の目的で図５に記載されている。しかし、本発明の空間伝達設計は、手首の少なくとも２つの回転（ピッチおよびヨー）を伝達し、２自由度又は３自由度のジョイントを入力ジョイント１６および出力ジョイント３２として使用することを理解すべきである。

一実施形態では、図５に概略的に示すように、類似の向きになっている入力ジョイント１６の浮動プレート２６上の箇所と出力ジョイント３２のエンドエフェクタ１２上の箇所が、ケーブル３４を介して連結されている（即ち、上部から上部、下部から下部など）。この種の連結は、エンドエフェクタ１２における回転２自由度が使用者の手首の対応する回転によって独立制御されることを確実にする。入力ジョイント１６の回転によって、押す動作および／又は引く動作がケーブル３４を介して浮動プレート２６からエンドエフェクタ１２に伝達されるが、ケーブル３４は器具シャフト２２の中を通り、出力ジョイント３２に取り付けられてもよい。一般に、浮動プレート２６とエンドエフェクタ１２上の対応する箇所は、ケーブル３４で連結されても、又はその代わりに適切なジョイントを有する剛性リンク（又はプッシュロッド）で連結されてもよい。また、連結箇所を逆に、例えば、上部から下部、下部から上部にして、エンドエフェクタ１２における運動を、浮動プレート２６およびハンドル２４における入力運動と反対の方向に生じさせることも考えられる。

本発明の伝達系は、ケーブル連結箇所の種類と位置に応じた、運動の拡大縮小を可能にする。例えば、図５ｃは、入力ジョイント１６と出力ジョイント３２の間の運動の拡大縮小を示し、これは、エンドエフェクタ１２（出力ジョイント３２）と浮動プレート２６（入力ジョイント１６）の間のケーブル３４の取付箇所を変えることによって達成することができる。一実施形態では、ＶＣ機構１６にコンプライアンスを有する減衰ジョイントを使用してもよく、出力ジョイント３２にコンプライアンスを有する減衰ユニバーサルジョイントを使用してもよく、運動伝達系に有限剛性ケーブル３４を使用してもよい。これらの可撓性のある減衰要素は全て一緒に、ローパスフィルタの役割をし、エンドエフェクタ１２の出力運動における入力の高振動数の手の振動の影響を低減し得る。

ケーブル３４は、遮蔽され磨耗から保護された状態を維持するように、器具シャフト２２の中を通されてもよい（例えば、図６および７に示すように）。本発明によれば、ケーブル３４のもつれを防止し、運動が妨げられないこと確実にするため、幾つかの経路構成要素があってもよい。これらの構成要素は、フレーム１８又は器具シャフト２２に取り付けられてもよく、個々のケーブル３４が通る個々の穴４２を幾つか備えてもよい。器具シャフト２２やフレーム１８の構成に応じて、これらの経路構成要素の変形があってもよい。

本発明の運動伝達系では、４本以上などの複数のケーブル３４を使用してもよいが、これに限定されない。ケーブル３４の数の増加は、ある点までは有利な可能性があり、どの位置でも高度の関節結合（articulation）を提供する。ケーブル３４はまた、剛性であっても、又はその長さに沿って適度のコンプライアンスを有してもよい。コンプライアンスを有する場合、ケーブル３４は、弾性を提供する固有の可撓性又は弾力性（springiness）を連続して有していてもよい。この軸方向のコンプライアンスを慎重に選択し、手の振動を取り除き／減衰させ、エンドエフェクタ１２における運動の安定性と精度を向上させることができる。

少なくとも１つのばね又は他のこのような機構の一方側をＶＣ機構１６のグランド（即ち、フレーム１８）に、他方側を浮動プレート２６に取り付けてもよい。このようなばねは入力ジョイント１６の前述の自由度を拘束せず、使用者からの入力運動がない状態では、プレート２６を公称「中心」状態に保ち得る。

図７に示すように、ＶＣ機構１６のプレート２６が、ハンドル２４における使用者入力に応答して一方側を向く時、それは一方側の伝達ケーブル３４を引っ張り、他方側の伝達ケーブル３４を緩める。一方側のケーブル３４の張力は、エンドエフェクタ１２までずっと伝達され、それに応じてエンドエフェクタ１２を回転させる。この全手順の間、ＶＣ機構１６の幾何学的形態と伝達は、第１の側で引っ張られるケーブル３４の量と比較して、より多くのケーブル３４が第２の側で緩められるようになっていてもよい。ケーブル３４の全長は、この系で一定のままでなければならないため、この結果、第２の側でケーブルの弛みが生じる。一実施形態によれば、この問題を軽減するために、浮動プレート２６の幾何学的形態、入力ジョイント１６の別の部分、又はフレーム１８にカム面４４が組み込まれてもよい。本明細書に開示される様々な器具の実施形態のいずれかにカム面４４を使用できることが分かる。伝達の入力部分のどの側の余分なケーブル３４もカム面４４に巻き付けられ、このようにしてケーブルの弛みを有効に無くすように、カム面４４を構成してもよい。図８に示されている別の実施形態は、伝達ケーブル３４を、ＶＣ機構１６の浮動プレート２６ではなく、ＶＣ機構１６の１つ以上の構成要素／リンクに取り付けることを含む。また、プーリ４８を使用してもよく、ここで、各プーリ４８はフレーム１８上の点を中心に回転し、前述のケーブルの弛みに関連する問題を軽減する。

ここで、図９を参照すると、三脚リンク機構を備えるＶＣ機構１６の一実施形態が示されている。この三脚機構は、２つのプレート２５、２６と３つの剛性リンク４６を備えてもよい。各リンク４６は、図１１に示されているものなどのジョイント５０を介して両端のプレート２５、２６に連結されてもよい。２つのプレート２５、２６のうち、プレート２５は機構のグランドを提供し、この場合、フレーム１８の一部である。他方のプレート２６は、ＶＣ機構１６の浮動部材であり、それは更にはハンドル２４に取り付けられている。各リンク４６の一端は、約１２０度（器具の長軸５２に対して測定）の間隔でフレーム１８に取り付けられてもよく、各リンク４６の他端は、比較的小さい半径で、ほぼ同じ度数間隔で同様にプレート２６に取り付けられてもよい。図１０に示すように、２つのプレート２５、２６の取り付け半径の比によって仮想回転中心の位置が決まる。

このようにしてリンクを取り付ける場合、各リンク４６を通って軸方向に延びる３つの軸が略使用者の手首の位置で交差する（図１０）。これらの軸の交差点は、ＶＣ機構１６、従って入力ジョイントの回転中心でもある。このようにして、入力ジョイントの回転中心が使用者の手首と一致するようになっている。そのため、プレート２６がその公称位置から移動するとき、それは、ほぼ使用者の手首を中心とする球上にある軌道に沿って移動する。従って、使用者の手が浮動プレート２６を保持すると、手首の自然な回転（ピッチおよびヨー）が可能になる。本発明に従って、２つのプレート２５、２６のどちらかのリンク４６の連結箇所を変えることによってＶＣの位置を調節できることに留意されたい。あるいは、連結箇所を固定したままで、個々のリンク４６の長さを可変にしてもよい。これらの２つの選択肢のどちらでも、ある範囲の使用者の手のサイズおよび快適さに適合するように器具１０を調節することができる。図示されている３つのリンク４６の代わりに、４、５又はそれより多くの剛性リンクを使用し、全てのリンク４６が、変形していない状態／公称状態で外挿したとき、機構の仮想回転中心となる同じ点で交わるように配置することによって、類似のＶＣ機構１６を実現してもよい。

前述の実施形態に使用される剛性リンク４６はどのような形状であってもよく、リンク４６とプレート２５、２６の間のジョイント５０は、様々な異なる方法で実施されてもよい。リンク４６は、円形、正方形、六角形、又は他のどのような断面を有してもよく、中実であっても又は中空であってもよい。別の実施形態では、リンク４６の代わりに、軸方向に非伸張性であるが曲げおよび捩れにおけるコンプライアンスを有するピアノ線などの連続的な半剛性ワイヤを使用してもよい。更に別の実施形態では、曲げおよび引張、並びに軸方向におけるコンプライアンスを有するリンク４６を使用してもよい。

図１１に示すように、ジョイント５０は、コンプライアントワイヤ（図１１ａ）、従来のボールジョイントアセンブリ（図１１ｂ）、引張コイルばね（図１１ｃ）および他のものを含む、幾つかの異なる種類の１つのジョイントであってもよいが、これらに限定されない。引張コイルばねは、軸方向において幾らかの追加の弾性を付与するが、従来のボールジョイントはこのような弾性を付与しない。このような軸方向の追加の弾性によって、ＶＣ機構１６の許容可能な運動範囲が広がり得る。使用者が浮動プレート２６をその変形していない状態／公称状態から移動させる時、プレート２６と取り付けられているハンドル２４は、三脚機構の運動力学により使用者の手から離れる。コイルばねを使用するとき、それらは軸方向に伸長することができ、使用者がハンドル２４を自由に動かして、比較的大きく撓ませることを可能にする。コイルばねは、本発明の器具１０のロバスト性を向上させ、メンテナンスの必要性と故障の可能性を最小限にする。

本発明に従って、手首に仮想中心を作り出す他の可能な機構は、任意の数の剛性リンク又はコンプライアントリンクを有する他のリンク機構を含むことができ、１つの（浮動）リンクの軌道は、概ね、手首を中心とする球（２自由度回転）の表面上での運動に制限される。

前述のように、ＶＣ機構１６は、使用者の手でハンドル２４などを介してフレーム１８に対して動かすことができる浮動プレート２６を備えてもよい。ＶＣ機構１６は、このプレート２６、従ってハンドル２４が２自由度又は３自由度のジョイントを介して事実上使用者の手首の点を中心に回転するかのように動くように制限されることを確実にする。ＶＣ機構１６は、使用者の手首に位置する仮想中心をできるだけ最良に提供しなければならない。第２に、ＶＣ機構１６によって作り出される仮想中心は、機構の全運動範囲にわたって使用者の手首の近くに位置したままでなければならない。しかし、ＶＣ機構１６は、典型的には、使用者が大きく回転移動させると、仮想中心の位置のずれを引き起こす可能性がある。ＶＣ機構１６のある実施形態では、仮想中心の位置は器具１０の軸に沿ってずれる可能性があるが、これは機構の種類と幾何学的形態の結果である。このようなずれの大きさを最小限にするように寸法や幾何学的形態を選択することができるが、少し残ることがある。その場合、ＶＣ機構１６が、使用者の実際の手首の回転箇所からの仮想中心の偏移を調節する何らかの手段（前述のばねなど）を提供することが望ましい。これを備えていない場合、使用者がハンドル２４を介してプレート２６をヨー回転方向およびピッチ回転方向で滑らかに且つ容易に移動させることができる範囲は、限られる可能性がある。

ＶＣ機構１６は、使用者の手によりハンドル２４を介して作動される、浮動プレート２６のピッチ運動とヨー運動をエンドエフェクタ１２に伝達する実際的な伝達方法を可能にしなければならない。別の実施形態では、使用者入力（ピッチとヨーの一般的な組み合わせであってもよい）を２つの明確に分離された単一の回転に分解するカスケードＶＣ機構１６を備えてもよい。換言すれば、図１２ａ〜１２ｃに示すように、浮動プレート２６がヨーおよびピッチにより回転するとき、第１の中間部材又はプレート５４は全入力運動のヨー部分だけを受けて、ピッチ成分を拒絶するが、それに対して第２の中間部材又はプレート５６は全運動のピッチ部分だけを受けて、ピッチ成分を拒絶する。第１および第２の中間部材５４、５６に機械的に結合したケーブル（図示せず）は、その後、分離したピッチ運動とヨー運動をエンドエフェクタ１２に伝達する。ケーブルの弛みを防止するため、図７を参照して前述したものに類似のカム面を、第１および第２の中間部材５４、５６の一方又は両方に備えてもよい。この構成は、２つの回転を同時に伝達しなければならない１つの２自由度の伝達の設計上の問題を、それぞれが他方とは独立して１つの回転だけを伝達すればよい２つの１自由度の伝達の設計上の問題に低減させる。

ＶＣ機構１６の浮動プレート２６は、第１組のコネクタ５８を介して中間部材５４に連結されてもよい。コネクタ５８は、浮動プレート２６から第１の中間部材５４にヨー回転を伝達するようになっていてもよいが、その理由は、コネクタ５８がその方向に剛性を有するからである。第１の中間部材５４は、第２組のコネクタ６０を介してフレーム１８に連結されてもよい。コネクタ５８はピッチ方向にコンプライアンスを有し、コネクタ６０はフレーム１８に対するピッチ回転に関して剛性を有するため、浮動プレート２６のピッチ回転は第１の中間部材５４に伝達されない。

このようにして、このＶＣ機構１６は、（使用者の手によりハンドル２４などを介して作動される）プレート２６のヨー回転とピッチ回転の任意のランダムな組み合わせが与えられた場合、その回転のヨー成分だけが第１の中間部材５４に受けられ、全回転のピッチ成分は第１の中間部材５４に拒絶される又は受けられないような、機械的フィルタリング機構を提供する。他の方向では、プレート２６は、ピッチ方向に剛性を有し且つヨー方向にコンプライアンスを有する第３組のコネクタ６２を介して第２の中間部材５６に取り付けられている。第２の中間部材５６は、ヨー方向に剛性を有し且つピッチ方向にコンプライアンスを有する第４組のコネクタ６４を介してフレーム１８に取り付けられている。従って、浮動プレート２６のどのようなピッチ回転もコネクタ６２を介して第２の中間部材５６に伝達される。しかし、プレート２６のヨー回転は第２の中間部材５６に伝達されないが、その理由は、コネクタ６２がこの方向にコンプライアンスを有し、コネクタ６４がこの方向に剛性を有するからである。

従って、最後に、ＶＣ機構１６のこの実施形態は、浮動プレート２６のヨー回転とピッチ回転が組み合わさったものを第１の中間部材５４の純粋なヨー回転と第２の中間部材５６の純粋なピッチ回転に分離することができる。ここで、中間部材５４、５６を使用して、ヨー回転とピッチ回転をケーブルへの継手（図示せず）を介してエンドエフェクタ１２に更に伝達することができる。前述のように、単一の２自由度の伝達の問題ではなく、２つの比較的独立した１自由度の伝達の問題を扱うことができる。部材５４、５６並びにコネクタ５８、６０、６２および６４は本明細書に示した形状と構成に限定されないことに留意すべきである。

コネクタ６０および６４は、その長さの外挿が使用者の手首で交差するような向きに配置することができる。これによって、ＶＣ機構１６の仮想中心の性質を提供することができる。コネクタ５８および６２は、器具の軸５２に沿って何ら制約を加えないような形状であってもよい。このようにして、コネクタ６０および６４によって提供される仮想中心の、使用者の実際の手首の中心からのどのような偏移も、コネクタ５８および６２の軸方向のコンプライアンスによって調節することができる。

ここで、図１３ａおよび１３ｂを参照すると、固定軸ＶＣ機構１６が示されている。このＶＣ機構１６は、使用者の手でハンドル２４を介して作動される、各固定軸を中心とするピッチ回転とヨー回転をエンドエフェクタ１２に伝達する方法を提供する。これは、使用者入力（ピッチとヨーの一般的な組み合わせとなり得る）を、各固定軸を中心とする２つの明確に分離された単一の回転に分解することによって達成することができる。ＶＣ機構１６は２つの固定された直交ピボット軸を備え、その回転の延長線は使用者の手首の位置で交差し、このようにして仮想中心を作り出す。このＶＣ機構１６は、ハンドル２４、従って使用者の手が、事実上、使用者の手首にある点を中心に回転するかのように動くことができることを確実にする。この実施形態のハンドル２４は、腕取付位置の方に動く又は腕取付位置から離れることができ、器具１０が様々な使用者の手および腕のサイズに自然に適応することを可能にし、使用者の手首の自然な運動範囲が制限されないことを確実にすることに留意すべきである。

再び図１３ａおよび１３ｂを参照すると、図示するように、ハンドル２４および浮動プレート２６は第１のピッチコネクタ６６と第２のヨーコネクタ６８に連結されてもよい。各コネクタ６６、６８は、更に、それぞれピッチ軸およびヨー軸７６上のシャフト７０、７２の周りにピン留めされてもよく、ここで、ピッチシャフト７０はピッチ軸プーリ７８を受けてもよく、ヨーシャフト７２はヨー軸プーリ８０を受けてもよい。シャフト７０、７２は、回転がＶＣ機構１６自体に対するものとなるように、使用者の腕に固定されるフレーム１８に連結されている。ピッチコネクタ６６は、ピッチ軸の周りに剛性を有するが、ヨー軸の周りにはコンプライアンスを有し、ピッチコネクタ６６がヨー軸を中心に拘束されずに回転できるようにすることによって回転のピッチ成分だけを伝達することが可能であり、ヨー成分は取り除かれる。ヨーコネクタ６８に関してその逆が当てはまり、ヨーコネクタ６８は、専ら、回転のどのようなヨー成分も伝達し、回転のどのようなピッチ成分も拒絶する。この設計は、同時に２つの回転を伝達しなければならない１つの２自由度の伝達の設計上の問題を、それぞれが他方とは独立した１つの回転だけを伝達すればよい２つの１自由度の伝達の設計上の問題に低減させるため、固定軸を中心とする運動および力の入力をエンドエフェクタ１２に容易に伝達することができる。最も重要なことには、得られる仮想中心の位置は、常に、器具フレーム１８（および、従って使用者の前腕）に対して静止したままである。

このようなものとして、この固定軸ＶＣ機構１６は、使用者の手によりハンドル２４にヨー回転とピッチ回転の任意の一般的な組み合わせが与えられた場合、その回転のヨー成分だけがヨーコネクタ６８に受けられ、全回転のピッチ成分はヨー軸７６に関して拒絶されて受けられず、また、ピッチ成分だけがピッチコネクタ６６に受けられ、ヨー成分はピッチ軸７４に関して拒絶されて受けられないような、機械的フィルタリング機構を提供する。最後に、ハンドル２４のヨー回転とピッチ回転が組み合わさったものを、ヨー軸７６を中心とする純粋なヨー回転とピッチ軸７４を中心とする純粋なピッチ回転に分離することができる。ここで、それぞれピッチ軸７４とヨー軸７６を中心とする回転を使用して、所望のヨー回転とピッチ回転をエンドエフェクタ１２のピッチ軸とヨー軸に伝達することができる。特に、ピッチ軸プーリ７８とヨー軸プーリ８０で生じる回転は、前述のものに類似のケーブル機構（図示せず）を使用してエンドエフェクタ１２に個々に伝達することができる。

この固定軸実施形態では、回転の直交するピッチ軸とヨー軸は手首の位置で交差し、所望のＶＣ機構１６の挙動を提供する。更に、軸は固定されているため、仮想中心の位置は、ＶＣ機構１６の運動範囲全体にわたって静止したままである。コネクタ６６、６８の幾何学的形態は、器具の軸５２（図９参照）に沿って何ら制約を加えず、使用者によるハンドル２４調節を可能にするようになっている。最後に、固定された回転軸は、伝達ケーブルの一定の長さを維持したまま、使用者による回転入力のピッチ成分とヨー成分をエンドエフェクタ１２に独立して伝達することができる通常の（trivial）伝達方法を提供する。

一実施形態では、本発明は、エンドエフェクタ１２における運動出力のための２自由度（ピッチおよびヨー）出力ジョイント３２を提供する。出力ジョイント３２は、器具シャフト２２からエンドエフェクタ１２にロール回転を伝達する。器具シャフト２２は、連続的剛構造の一部であるため、また、連続的剛構造は使用者の前腕に固定されるため、使用者の前腕のロール回転をエンドエフェクタ１２に伝達することができる。従って、器具シャフト２２の生体内部分に取り付けられる、ピッチおよびヨー回転自由度を提供する２自由度の回転ジョイントをこの目的に使用してもよい。別の実施形態では、出力ジョイント３２は、第３の自由度（ロール回転）と共に、器具の入力端１４で使用者がこのロール回転を作動させる適切な方法を備えてもよい。

図１４ａに示すように、本発明の一実施形態によれば、出力ジョイント３２は、各要素の屈曲の方向が交互になるように取り付けられた可撓性ディスク８２を含むものなどの可撓性のスネーク状のジョイントであってもよい。異なる位置のディスク８２を押して又は引いてその側を伸び縮みさせることにより、このジョイント３２を作動させることができる。出力ジョイント３２の各ディスク８２を通って延びるケーブル（図示せず）を選択的に引っ張って、ヨー回転方向およびピッチ回転方向で又はこれらの任意の組み合わせで撓みを生じさせてもよい。使用できる代替のジョイントの種類としては、曲げにおいてコンプライアンスを有する非伸張性ワイヤ、砂時計形フレクシャ、拘束捩れを有する圧縮／引張ばね、又は他の任意の２自由度（ヨーおよびピッチ）ジョイントが挙げられるが、これらに限定されない。また、出力ジョイント３２を器具シャフト２２に対して任意の所望の向きに一時的に固定し得ることも考えられる。

従来の２自由度のジョイントの代わりに、前述の入力ジョイント１６で使用されるものに目的が類似している図１４ｂに示すＶＣ機構により、出力ジョイント３２を実現することもできる。出力ジョイント３２におけるＶＣ機構などの空間制約をなくすことによって、出力ジョイント３２の物理的位置以外の任意の好都合な位置に位置し得るエンドエフェクタ１２の回転中心が得られる。

本発明は、また、使用者の把持（親指／指による）をエンドエフェクタ１２に関連付ける方法も提供する。ハンドル２４からエンドエフェクタ１２まで通るケーブル系を介して、エンドエフェクタ１２の把持運動を作動させてもよい。一実施形態では、入力運動デバイスは、エンドエフェクタ１２の把持運動を作動させるために、エンドエフェクタ１２に機械的に結合しているハンドル２４に取り付けられたレバー８４を含んでもよい。より詳細には、ケーブル８６は、レバー８４および設けられた関連する閉止機構８８に取り付けられてもよく、ここで、ケーブル８６でレバー８４および閉止機構８８からエンドエフェクタ１２に把持運動を伝達することができる。把持伝達系は、使用者の親指／指からの把持１自由度を、エンドエフェクタ１２における対応する開／閉動作（同様に１自由度）に伝達する。ハンドル２４は、手首運動の間、使用者の手、親指および指と一緒に動くため、ハンドル２４にレバー８４および閉止機構８８を設けることによって、把持運動を提供する入力デバイスが手、親指および指に対して動かないことが確実になる。

図１５を参照すると、使用者の指でレバー８４を押す時、それはほぼ軸（ａ）を中心に回転する。ばね鋼片などの屈曲要素９０が１自由度のジョイントとして使用されてもよく、ここで、このジョイントは、その公称（変形していない）位置に自動的に戻るように本来コンプライアンスを有していてもよい。使用者の親指に対する運動入力の要求を軽減するため、このように自動的に戻ることが望ましい。このような作動のために、例えば、ピン、摺動体、又は押ボタン（コンプライアント又はばね取り付け）などの任意の１自由度のジョイントを使用してもよいことが分かるが、但し、一端はハンドル２４に取り付けられ、他端は指又は親指で作動されるものとする。親指による作動を使用することによって、使用者は指と手のひらでハンドル２４を把持すると同時に、独立してレバー８４を作動させることができる。あるいは、ハンドル２４の形状によるサイズの制約に応じて、指で作動するレバーを使用してもよい。

本発明の１つの非限定的な態様によれば、閉止機構８８は、使用者がレバー８４を異なる位置に固定することを可能にするラチェット機構を備えてもよい。このデバイスはまた、図１５に示すような、コンプライアンスを有する１自由度の屈曲ジョイント９２を使用してもよい。ラチェット機構は、米国特許第５，２０９，７４７号および同第４，９５０，２７３号（これらの特許は、参照により本明細書に援用される）に見られるものに類似しており、レバー８４上の異なる位置の単一の歯と係合する歯付き本体９４を含んでもよい。使用者がレバー８４を押す時、歯付き本体９４は、軸（ｂ）を中心に撓み、レバー８４が次の歯に滑り降りることを可能にする。使用者がレバー８４を解放するとき、レバー８４は現在どの位置にあってもそのままの状態を維持する。レバー８４を解除するためには、単に歯付き本体９４を使用者の親指で前方に撓ませ、ラチェット歯を脱係させる。レバー８４を保持する屈曲ジョイント９２の弾力性によって、レバー８４はその公称状態に戻る。一般に、用途の詳細に応じて、ラチェット機構の代わりに、他の任意の可変の閉止機構を使用してもよい。このような機構は、エンドエフェクタ１２のジョー９６により患者の体内で把持（例えば、組織を）し続ける能力を使用者に提供する。

操作中、ハンドル２４は、使用者入力と器具出力の間の距離が可変となるように、使用者の手および手首と一緒に動く。使用者の入力運動はそれぞれ器具の所望の機能性に関して独立していなければならないため、構成要素間の距離と向きを可変にし得る伝達手段が一般に望ましい。図１５の系では、ケーブル８６とシース（図示せず）の間の相対的運動を使用して作動させてもよい。８６ケーブルはエンドエフェクタ１２に取り付けられ、器具シャフト２２の中を通り、シースの中を通ってＶＣ機構１６の浮動プレート２６に達し、ハンドル２４の中を通った後、レバー８４に取り付けられてもよい。シースは、器具フレーム１８とプレート２６の間に連結されてもよい。プレート２６の運動がシースによって拘束されないことを確実にするため、器具フレーム１８とプレート２６の間でシースに弛みがあってもよい。浮動プレート２６が使用者の手首の作動に応答して動くとき、シースの弛みの量は変化するが、ケーブル８６とシースの相対的運動は起こらない。

伝達ケーブル８６は、シースの中を通って器具フレーム１８と浮動プレート２６の間に延びるが、シースは、曲げにおける可撓性を有する任意の種類の中空体であってよい。本発明の１つの非限定的な態様によれば、シースは、曲げにおける十分な可撓性を提供するが圧縮下では高い剛性を有する可撓性のコイルばね又はナイロンチューブを含んでもよい。この剛性は、伝達ケーブル８６の伸張中、ケーブル８６とシースの相対的運動が起こることを確実にする。シースを通してケーブル８６を引っ張ると、ケーブル８６は、シースの形状に関わらず同様に動作する。シースに弛みを持たせて、ある一定の距離、ケーブル８６の把持作動力に影響を及ぼすことなく、ケーブル８６を真直ぐに伸ばすことができる。このケーブル／シース系は、様々な方法で実施され得るが、最終的に、器具フレーム１８とＶＣ機構１６の浮動プレート２６との距離を可変にすることができなければならない。把持動作の伝達のためだけではなく、入力ジョイント１６から出力ジョイント３２への手首回転の伝達のためにも、このようなケーブル／シース機構を使用し得ることに留意しなければならない。例えば、２本のピッチ伝達ケーブル、２本のヨーケーブル、および１本の把持作動ケーブルに別々のシースを使用してもよい。

前述のように、エンドエフェクタ１２は、使用者の動作を生体内で再現する。エンドエフェクタ１２は、任意の数の１自由度の器具、例えば、鋏（scissors）、剪刀（shears）、持針器、切開具、把持具、又はリトラクタなどであってもよい。これらのエンドエフェクタ１２は、コンプライアンスを有しても又は剛性を有していよく、能動的構成要素および受動的構成要素（運動伝達系に依存する）を有してもよい。図１６を参照すると、図示されている実施形態は、開放（又は把持−解放）位置で平衡状態にあるコンプライアント把持機構を備える。この把持具の中心を軸方向に後方に引くと、エンドエフェクタ１２のジョー９６は内側に閉じる。把持の他に、ジョー９６は、組織の切離又は焼灼などの他の機能性を有してもよいが、これらに限定されない。

ここで、図１７を参照すると、入力ジョイント１６と出力ジョイント３２の間の伝達は、上記の幾つかの実施形態に関して記載した手首の２自由度のそれぞれに対するプーリおよびケーブル系を介して達成されてもよい。この設計は、入力プーリ９８で反映される使用者の入力回転（θ）を出力プーリ１００における器具出力回転（φ）に幾らかの伝達比Ｔで拡大縮小し、それによって、器具入力（手首を中心とする使用者の手の回転）と器具出力（出力ジョイント３２を中心とするエンドエフェクタ１２回転）の間の伝達比を可変にする機構を組み込んでもよい。この伝達比Ｔは、固定されていても、不連続に段階的に変化しても、又は連続的に変化してもよい。入力プーリ９８と出力プーリ１００に適切な半径を選択することによって、任意の固定された伝達比を達成することができる。図１７に示されているもののような入力プーリ９８と出力プーリ１００の段階的構成、および使用者が比を変更することを可能にするシフト機構（図示せず）によって、不連続可変伝達比を達成することができる。あるいは、使用者が入力回転と出力回転の任意の比を選択することを可能にする連続可変伝達（ＣＶＴ）を使用してもよい。このようなＣＶＴは、Ｖ−ベルト又はトロイダル機構などの中間モジュール１０２によって実施され得るが、これらに限定されるものではなく、一般的なＣＶＴ機構を図１８に示す。入力プーリ９８と出力プーリ１００を使用する機構のＣＶＴ実施形態を示すが、プーリ９８および１００は、本発明によるＣＶＴの実施に必要ではないことが分かる。

次に図１９を参照すると、本発明の器具１０は、器具出力におけるピッチおよびヨー自由度の作動を分離するエンドエフェクタ１２と出力ジョイント３２を組み込んでもよい。前述のように、器具出力は、エンドエフェクタ１２と２自由度の回転ジョイント３２を含み、エンドエフェクタ１２は２自由度の回転ジョイント３２を中心に回転することができる。この実施形態では３つの運動（出力ジョイント３２を中心とするエンドエフェクタ１２の手首様の２つの回転、およびエンドエフェクタジョー９６の１つの開／閉運動）の作動が分離される。これらの３つの運動は、それぞれ、ＶＣ機構１６を介して自然に達成される手首を中心とした使用者の手の回転および器具入力に設けられたエンドエフェクタ作動機構（例えば、レバー８４および閉止機構８８）により、入力ジョイント１６において作動される。

ピンをベースにするジョイントは、非常に小さい空間で大きい回転を達成することができるが、それらの機械的実施は、カスケード機構において回転の結合を生じさせる可能性がある。このような従来技術の構成では、器具のピッチ回転はヨー回転の後に実施され、そのため、所望のピッチを生じさせる伝達ケーブルの作動は、現在のヨー角度に依存する。これは、エンドエフェクタ運動結合と称され、非直感的な器具出力挙動が生じる。図１９に示されている本発明の実施形態では、出力ジョイント３２は１対の入れ子リング１０４、１０６を備える。外側のリング１０４は、ピンジョイントで器具シャフト２２に連結されてもよく、１対のケーブル（図示せず）によって作動されるが、ケーブルは外側のリング１０４の略ピッチ軸の位置に取り付けられてもよく、ヨー軸を中心とした回転を生じさせる。内側のリング１０６は、ピッチ軸がヨー軸に直交するように外側のリング１０４にピン留めされている。内側のリング１０６は、また、１対の駆動ケーブル（図示せず）によって駆動され、駆動ケーブルは、外側のリング１０４と略同じ高さで、且つ略ヨー軸の位置で内側のリング１０６に取り付けられてもよい。２つのジョイントは、ピッチ軸とヨー軸の交差点で生じる回転の中心を作り出す。この機構は、従来のピンをベースにするカスケードジョイントでは実現可能とならないであろう機構内の同じ場所に２つのジョイント軸を配置することによって運動結合を防止する。このエンドエフェクタ１２と出力ジョイント３２の設計は、本発明の器具１０を比較的小さい曲率半径で操作することを可能にし、このようにして比較的狭い作業空間を提供するが、これは外科医（使用者）にとって望ましい。この出力ジョイント３２は、また、ピッチ運動とヨー運動を完全に分離して運動を完全に独立させることができ、このようにして回転を機械的に分離された状態に保つ。

図２０を参照すると、器具シャフト２２は、フレーム１８を使用者の腕に取り付けたまま、容易に交換することができる。この特徴により、使用者は、腕から器具全体１０を取り外す必要なく、器具シャフト２２およびエンドエフェクタ１２を素早く交換することができる。ケーブル接続部１０８は、器具シャフト２２とフレーム１８との連結点に設けられてもよい。あるいは、器具入力を支持するフレーム１８の一部を腕取付部材２０を介して使用者の前腕に取り付けたまま、フレーム１８の残りの部分を器具シャフト２２と一緒に交換できるように、接続部１０８は器具フレーム１８の基部に導入されてもよい。これらの２つの場合のどちらでも、器具シャフト２２をフレーム１８から解放／再連結するために、伝達ケーブル接続は、有効な入力−出力運動の伝達を可能にするのに十分なケーブル張力を維持したまま、切り離され、再接続されなければならない。これらの連結は、スナップ嵌め機構、磁気継手、又は２つの引張部材を一時的に結合および解放する他の何らかの方法などのクイックリリース機構１１０によって形成することができるが、これらに限定されない。手術中、必要に応じて、この連結を切り離し、再度取り付けることができ、使用者は、腕取付部材２０を変える又は取り外す必要なく器具シャフト２２を交換することができる。

本発明の器具１０により、手術ポートにおける力を著しく低減することができ、更にはそれによって患者の皮膚／組織の損傷が低減する。現在市販されているＭＩＳ器具では、ハンドルと器具シャフトの間に器具入力ジョイントが配置されており、そのため、器具の作動は、外部グランドリファレンス（external ground reference）の存在に依存したものとなり、それは、反作用荷重を提供し得る、換言すれば、荷重ループを閉鎖し得る。使用者は、器具ハンドルにトルクを加え、手術ポートは外部グランドリファレンスの役割をし、ハンドルが下方に傾動することを可能にするのに必要な釣り合い荷重を提供し、それによってエンドエフェクタが下方に傾動する。荷重ループは、この場合、器具ハンドル、器具シャフト、手術ポート、患者の身体、患者の身体が載っているグランド、外科医（使用者）が立っているグランド、外科医の身体、外科医の前腕、および、器具ハンドルを把持する外科医の手を、その順番に含む。このようなものとして、器具作動荷重は全て、必然的に、手術ポートおよび患者の身体を通って流れる。これらの荷重は、若年又は年配の患者の場合、手術ポートを取り囲む皮膚および組織に特に有害である。

対照的に、本発明の器具１０は、器具シャフト２２と使用者の腕を橋架けする共通のグランドフレーム１８を提供する。使用者の前腕をグランドリファレンスとして使用することにより、手首自由度作動力に関連する荷重ループを局所的に閉鎖する。ここで、荷重ループは、ハンドル２４、ＶＣ機構１６、フレーム１８、腕取付部材２０および使用者の腕と手を含む。既存の手持形器具とは対照的に、これによって、反作用荷重を提供する手術ポートなどの外部グランドリファレンスの必要がなくなる。

最後に、図２１を参照すると、フレーム１８を使用者の腕に取り付ける代わりに、フレーム１８を使用者の体外にあるベッドフレーム又は他の構造１１２に、それらの間に連結される接続機構１１４を介して取り付けてもよく，接続機構１１４は器具１０の重量を支持することを助けることができる。この接続機構１１４は、器具１０の運動を過剰に拘束又は制限しないようにするため、概ね、外部構造１１２とフレーム１８の間に６自由度を提供し得る。外科医（使用者）が腕取付部材２０の中に腕を入れて、前述の器具１０を案内することができ、その時、外部構造１１２は器具１０の重量を支持する。

ＶＣ機構１６を備え得る入力ジョイントを使用するエンドエフェクタ１２の作動を前述したが、別の用途では、類似のＶＣ機構に基づく入力ジョイントを使用して、内視鏡装置の運動を作動させてもよい。このような機構は、使用者に、患者の体内に内視鏡装置を案内するための直感的で人間工学的手段を提供する。

本発明の実施形態を例証し、説明してきたが、これらの実施形態は本発明の全ての可能な形態を例証し、説明するものではない。様々な実施形態の特徴を組み合わせて本発明の他の実施形態を形成できることが分かる。明細書に使用される用語は、説明するための用語であって、限定するための用語ではなく、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更をなし得ることが分かる。

Claims (22)

1. 最小アクセス器具であって、
   使用者の腕に取り付けられるように構成されたフレームと、
   近位端と遠位端を有する器具シャフトであって、前記近位端が前記フレームに連結されている器具シャフトと、
   前記フレームに連結された第１の端部と、使用者入力を受けるように構成された第２の端部を有する入力ジョイントであって、使用者の手首関節と略一致する回転中心を提供する仮想回転中心（ＶＣ）機構を備える入力ジョイントと、
   前記器具シャフト遠位端に連結された出力ジョイントであって、前記入力ジョイントの運動を前記出力ジョイントの運動に相関させるため、これらの間に連結された機械的伝達部材を介して前記入力ジョイントに結合されている出力ジョイントと、
   を含む器具。
2. 前記機械的伝達部材がケーブルを含む、請求項１に記載の器具。
3. 前記ケーブルが、前記器具シャフトの中を通されている、請求項２に記載の器具。
4. 前記機械的伝達部材が、可変伝達比を有する、請求項１に記載の器具。
5. 前記入力ジョイントの第２の端部が、使用者からの入力を受ける浮動部材を含む、請求項１に記載の器具。
6. 前記ＶＣ機構が、前記入力ジョイントの第１の端部と前記浮動部材との間に配置された少なくとも３つのリンクを備え、前記機械的伝達部材が、前記浮動部材と前記出力ジョイントとの間に接続されたケーブルを備え、前記少なくとも３つのリンクの軸が略使用者の手首関節で交差する、請求項５に記載の器具。
7. 前記浮動部材が、前記ケーブルの弛みを防止するために少なくとも１つのカム面を備える、請求項６に記載の器具。
8. 前記ＶＣ機構が、
   第１組のコネクタで前記入力ジョイントの第１の端部に連結され、第２組のコネクタで前記入力ジョイントの第２の端部に連結された第１の中間部材と、
   第３組のコネクタで前記入力ジョイントの第１の端部に連結され、第４組のコネクタで前記入力ジョイントの第２の端部に連結された第２の中間部材と、
   を備え、前記出力ジョイントと前記第１および第２の中間部材との間に機械的伝達部材が連結されており、
   前記第１組のコネクタと前記第４組のコネクタが１つの回転方向にだけコンプライアンスを有し、前記第２組のコネクタと前記第３組のコネクタが別の回転方向にだけコンプライアンスを有し、前記ＶＣ機構の２自由度の回転運動が、第１および第２の中間部材で示される別々の１自由度の回転に分離される、請求項１に記載の器具。
9. 前記機械的伝達部材がケーブルを備え、前記第１および第２の中間部材がそれぞれ前記ケーブルの弛みを防止するために少なくとも１つのカム面を備える、請求項８に記載の器具。
10. 前記ＶＣ機構が、前記入力ジョイントの第１の端部と第２の端部間に連結される第１および第２のコネクタを備え、前記機械的伝達部材が、前記出力ジョイントと前記入力ジョイントの第１の端部との間に連結され、前記第１のコネクタが１つの回転方向にだけコンプライアンスを有し、前記第２のコネクタが別の回転方向にだけコンプライアンスを有し、前記ＶＣ機構の２自由度の回転運動が、第１および第２のコネクタで示される別々の１自由度の回転に分離される、請求項１に記載の器具。
11. 前記機械的伝達部材が、前記入力ジョイントの少なくとも１つの入力プーリと前記出力ジョイントの少なくとも１つの出力プーリとに接続されているケーブルを備える、請求項１０に記載の器具。
12. 前記出力ジョイントに連結されたエンドエフェクタを更に含む、請求項１に記載の器具。
13. 前記エンドエフェクタが、前記出力ジョイントから取り外し可能である、請求項１２に記載の器具。
14. 前記エンドエフェクタが、開閉運動可能なジョーを備える、請求項１２に記載の器具。
15. 前記ジョーの開閉運動を作動させるために、前記入力ジョイントの第２の端部に隣接し、前記エンドエフェクタと連絡しているレバーを更に含む、請求項１４に記載の器具。
16. 前記エンドエフェクタが、前記器具シャフトに連結され、第１の回転軸を中心とする第１の回転が可能な第１のリングと、前記第１のリングおよび前記エンドエフェクタに連結され、第２の回転軸を中心とする第２の回転が可能な第２のリングとを含み、前記軸の交差点で生じる回転の中心を作り出し、前記第１の回転と前記第２の回転を機械的に分離する、請求項１２に記載の器具。
17. 前記機械的伝達部材がケーブルを含み、前記第１のリングが、略前記第１の回転軸の位置で前記第１のリングに取り付けられている１対のケーブルによって作動し、前記第２のリングが、前記第１のリングと略同じ高さで、且つ略前記第２の回転軸の位置で前記第２のリングに取り付けられている１対のケーブルによって作動する、請求項１６に記載の器具。
18. 前記フレームから前記器具シャフトを係脱するためのクイックリリース機構を更に含む、請求項１に記載の器具。
19. 最小アクセス器具であって、
    使用者の腕に取り付けられるように構成されたフレームと、
    近位端と遠位端を有する器具シャフトであって、前記近位端が前記フレームに連結されている器具シャフトと、
    前記フレームに連結された第１の端部と、使用者入力を受けるように構成された第２の端部とを有する入力ジョイントであって、使用者の手首関節と略一致し、運動範囲全体にわたって静止したままである回転中心を提供する仮想回転中心（ＶＣ）機構を備える入力ジョイントであり、前記ＶＣ機構が、入力ジョイントの第１の端部と第２の端部との間に連結されたピッチコネクタとヨーコネクタとを備え、前記ピッチコネクタが前記フレームに対するヨー軸の周りにだけコンプライアンスを有し、前記ヨーコネクタが前記フレームに対するピッチ軸の周りにだけコンプライアンスを有し、それによって前記ＶＣ機構の２自由度の回転運動が、前記ピッチコネクタおよびヨーコネクタで示される別々の１自由度の回転に分離される、入力ジョイントと、
    前記器具シャフト遠位端に連結された出力ジョイントであって、前記入力ジョイントの運動を前記出力ジョイントの運動に相関させるため、ケーブルを介して前記入力ジョイントに機械的に結合されている出力ジョイントと、
    を含む器具。
20. 前記ピッチコネクタを前記フレームに結合させるためのピッチ軸シャフトと、
    前記ヨーコネクタを前記フレームに結合させるためのヨー軸シャフトと、
    前記ピッチ軸シャフトで受けられるピッチ軸プーリと、
    前記ヨー軸シャフトで受けられるヨー軸プーリと、
    を更に含み、
    前記ケーブルが、分離されたピッチ回転とヨー回転をそれぞれ前記出力ジョイントに伝達するために前記ピッチ軸プーリと前記ヨー軸プーリに連結されている、請求項１９に記載の器具。
21. 外部構造に支持されるように構成された最小アクセス器具であって、
    使用者の腕に取り付けられるように構成されたフレームと、
    近位端と遠位端を有する器具シャフトであって、前記近位端が前記フレームに連結されている器具シャフトと、
    前記フレームに連結された第１の端部と、使用者の入力を受けるように構成された第２の端部を有する入力ジョイントであって、使用者の手首関節と略一致する回転中心を提供する仮想回転中心（ＶＣ）機構を備える入力ジョイントと、
    前記器具シャフト遠位端に連結された出力ジョイントであって、前記入力ジョイントの運動を前記出力ジョイントの運動に相関させるため、これらの間に連結された機械的伝達部材を介して前記入力ジョイントに結合されている出力ジョイントと、
    前記フレームと前記外部構造を連結する接続機構と、
    を含む、器具。
22. 前記接続機構が、前記器具の可動性を拘束することなく、前記器具の重量を支持する、請求項２１に記載の器具。

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