JP2012526625A - 電気力支援システムを有する手動式関節運動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 不要な摩擦および／または操作される時に装置が受ける他の抵抗力を補償するための補償力支援を含む関節運動装置要素およびその作動方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は手動式関節運動装置に関連し、この装置は電気力支援システムを含む。本発明の一面は、最小侵襲外科手術に使用するための手動式関節運動手術器具に関連し、この器具は電気力支援システムを含む。

腹腔鏡手術は当該技術では周知である。しかし、現在の腹腔鏡手術器具は一般的に、かなり使いにくい直線状ボデーを有する。このような既存の腹腔鏡手術器具で侵襲外科手術を実施する際には、角部や他の到達困難箇所でのこの器具の操作は難しい。また、既存の腹腔鏡手術器具は一般的に、器具の手術用先端を操作するのにプッシュロッド、ケーブル、および油圧ラインを使用する。既存の腹腔鏡手術器具のサイズが縮小するにつれて、そこに使用される油圧ラインのサイズも同様に縮小する。しかし、油圧ラインのサイズが縮小すると、油圧ライン内に油圧流体を手作業で導入することが、より実施困難になる。また、外科医が患者から距離を置いて、または遠隔箇所から体内の手術器具を制御している場合には、油圧ラインが比較的長くなり、油圧ラインへの手作業での液体の導入は達成困難である。さらに、手術器具を動かす時に摩擦および不要な抵抗力が発生することで、外科医に検知される触覚フィードバックを制限する。

ゆえに、長時間の外科手術中、または器具および患者に対して遠隔箇所に外科医が所在しているケースでは、外科医は一般的に手の疲労を覚える。さらに、外科器具を操作している間に生じる摩擦が、外科医に検知される触覚フィードバックを遮断または大幅に制限する。

ゆえに、使用が容易で、摩擦または動きに対する他の抵抗を補償し、使用者が感じる手の疲労を軽減する手動式関節運動装置の必要性が、当該技術には存在する。さらに、角部または到達困難箇所で容易な操作が可能な手動式関節運動装置の必要性が、当該技術には存在する。

以下に続く本発明の種々の面についての説明では例示目的として手術を用いているが、本発明の環境は手術に限定されず、他の多様な環境で使用されてもよいことを認識すべきである。例えば、本発明の種々の面は、構築物や組立ラインの製造、危険物の処理または処分、水中での操作、高温物の処理、または使用者が操作対象の物品から離れているか、機械装置を作動させる時に疲労を感じるような他の環境で使用されてもよい。

本発明の種々の面は、電気力支援を行うことにより手動式関節運動手術器具を操作する際に使用者、例えば外科医や他の医療従事者を補助する。電気力支援は、患者の内部において手動式関節運動手術器具の動作の開始または力の入力により生じる摩擦および不要な抵抗力を補償する。本発明の付加的な面は、角部で操作されて到達困難箇所で機能することの可能な手動式関節運動手術器具を提供する。

本発明の一面において、外科医は、発明による手術器具に力を入力して、入力された力の方向に手術器具を動かす。検知装置は、発明による手術器具の動作および／または力が開始されたことを検出して、検出された動作信号を電気要素へ送信する。電気要素は、発明による手術器具に対して電気力支援を行い、器具が操作される時に器具が受ける不要な摩擦および／または他の抵抗力を補償することにより、例えば患者の内部で入力と同じ方向に作用する補償力を付与することにより、この動作を補助する。

本発明の別の面では、制御装置が使用される。動作が開始されたことを検知装置が検出すると、検知装置が制御装置へ信号を送り、制御装置は電気要素へ制御信号を送信する。電気要素は、入力と同じ方向に作用する補償力を患者内の発明による手術器具へ発し、患者内で操作される時に器具が受ける不要な摩擦および／または他の抵抗力を補償することにより、発明による手術器具の動作を補助する。

本発明の種々の面は、患者内で手術器具を操作する時に発生する摩擦および不要な抵抗を補償する能力を含む利点および長所を提供する。ゆえに、患者内での手術器具の操作を達成することが容易になり、外科医が感じる疲労が軽減される。さらに、器具の動作の不要な抵抗を補償すると、手術器具を扱う時に外科医が感じる触覚フィードバックが増大する。そのうえ本発明は、外科医により入力された動作に対してスムーズな力支援反応を生じさせる。

本発明の種々の面は、外科医により入力される動作の方向に手術器具を操作する際に外科医を補助する。また、本発明は高度の関節運動の達成を可能にして、角部での操作および到達困難箇所での機能を容易にする。

本発明に関連する付加的長所および新規の特徴は、以下に続く説明に一部が提示され、一部は、以下を熟読すると、または発明の種々の面の実行により習得すると、当該技術分野の当業者に一層明らかになるだろう。

以下に挙げる詳細な説明と、単なる図示および例として挙げられて限定的ではない本発明の種々の面に関する添付図面から、本発明が充分に理解されるだろう。

本発明の一面による電気力支援システムを有する手動式関節運動手術器具の概略図である。 本発明の一面による回転能力を有する制御ハンドルの側面図である。 本発明の一面による電気力支援システムに結合された回転能力を有する制御ハンドルの側面図である。 本発明で使用されるひずみゲージタイプの検知要素の概略図である。 本発明で使用されるスイッチタイプの検知要素の概略図である。 本発明の一面による回転検知要素および回転電気要素の側面図である。

本発明の変形や種々の面が示された添付図面を参照して、本発明の種々の面を以下でより詳しく説明する。しかし、本発明の種々の面は、多様な形で実現されるものであり、ここに提示される変形に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、本開示が例示的実行例において完全かつ完璧であって当該技術分野の当業者にその範囲を充分に伝えるものであるように、変形が用意される。

他の形で定義されていない限り、ここで使用される技術的および科学的用語はすべて、本発明の種々の面が属する技術分野の当業者に共通して理解されるものと同じ意味を持つ。ここに提示される方法および例は単に例示的であって、限定的な意図はない。

さて図１を参照すると、図示されているのは、本発明の一面による手動式関節運動装置１である。装置１は、一つ以上の使用者入力を受け取って従動システム１２４に作業を実施させる支援システム１２２を含む。支援システム１２２は、使用者から入力１２０を受け取るシャフトなどの入力受取部１０２を含む。支援システム１２２は、動作の開始および／またはシステムの力により生じる摩擦と不要な抵抗力とを補償する電気力支援を行うことにより、従動システム１２４への使用者入力の伝達を補助する電気要素１０６も含む。一面において、電気力支援は、システムの動作を補助するとともにシステムにより生じる摩擦および不要な抵抗力を補償する、入力と同じ方向に作用する補償力である。システムにより実施される作業が入力受取部１０２を介した機械的伝達の結果生じるものであることを認識すべきである。支援システム１２２はさらに、使用者により動作および／または力が開始された時を検出することにより、適切な方向における適切な量の出力での電気要素１０６の起動を補助する検知要素１０４を含む。加えて、支援システム１２２は、電気要素１０６への使用者入力の伝達を補助する制御回路１０８を含む。

シャフト１０２は、一つ以上の使用者入力を受け取るとともに、使用者入力の全部または一部あるいはこれを表すものを検知要素１０４および／または電気要素１０６へ伝達するように構成された装置または機構を含むが、これに限定されるわけではない。そのため、シャフト１０２は、シャフト１０２の近位端部と電気要素１０６の近位端部との間に検知要素１０４が配置された状態で、電気要素１０６に動作接続される。例えば、シャフト１０２は、装置１の使用者から手または指による入力を受け取る一つ以上の入力機構を有する。他の面において、シャフト１０２は、使用者からの足による入力、腕または体による入力などを受け取る入力機構を含んでもよい。さらなる面では、声または音によるか眼による使用者からの入力を受け取る入力機構をシャフト１０２が含んでもよい。入力機構は、例えばジョイスティック、トラックボール、回転ノブ、エンコーダ、マニピュレータ、その他の入力機構のうち一つ以上を含むが、これらに限定されるわけではない。入力機構の例が、図２に図示されている。

検知要素１０４は、使用者によるシャフト１０２の動作の開始を検出する。検知要素１０４は例えば、シャフト１０２の上か下方に設けられるか、これを被覆または囲繞するとよいがこれに限定されるわけではないことを認識すべきである。加えて、検知要素１０４は、直接的または間接的にシャフト１０２に接続される。検知要素１０４は、例えばひずみゲージ、小変位双極スイッチ、単極スイッチ、二つの単極スイッチ、閉鎖スイッチ、圧縮および引張を検出する要素、ねじれを検出する要素、曲げを検出する要素、力１２０に応じて変化する抵抗値を検出する要素、力１２０に応じた光の屈折または透過の変化を検出する光学システム、または動作の開始および／もしくはシャフト１０２に印加される力を検出する他の適当な検知要素でよいが、これらに限定されるわけではない。検知要素１０４は、検出された力および／またはシャフト１０２の動作についての信号を電気要素１０６へ送信する。

電気要素１０６は、シャフト１０２および検知要素１０４と直列または並列である。また電気要素１０６は、シャフト１０２に直接的または間接的に接続される。電気要素１０６は、例えばリニアモータまたはリニアボイスコイル、回転モータ、回転ボイスコイル、または動作に即座に反応して高周波応答を持つ他の装置でよいが、これらに限定されるわけではない。加えて、制御回路１０８は、検知要素１０４および電気要素１０６に直接的または間接的に接続される。制御回路１０８は、検知装置から信号を受け取って、電気要素１０６へ制御信号を送信する。制御信号は例えば、使用者入力に基づいて電気要素１０６を起動させる電流を含むがこれに限定されるわけではない。使用者入力に基づいて電流が可変である、例えば増加および／または減少することを認識すべきである。加えて、制御回路１０８は、一連の非プログラマブル要素、一つ以上のハードワイヤード要素、コンピュータまたはプロセッサその他であるが、これらに限定されるわけではない。制御回路１０８はまた、システムが正しく作動しているかどうかを判断する、例えばシステムの摩擦力を補償するため電気要素１０６が正しい量の力を付与しているかどうかを判断するため、動作前のセルフチェックおよび／またはシステムチェックを定期的に実施する。電気要素１０６が正しい量の力を付与していないと制御回路１０８が判断した場合には、電気要素１０６により付与される力の量を増加および／または減少させるため、電気要素１０６に供給される電流の量を制御回路１０８が修正する。

任意であるが、支援システム１２２は一面において、装置および／または工作物と制御回路１０８とに動作接続された運動または力センサなどの出力センサ１３０も含むことができる。例えば、電気要素１０６が付与している力および／または運動の量が、摩擦力を補償すると判断された量よりも低下したと出力センサ１３０が判断した場合には、出力センサ１３０が制御回路へ信号を送って電気要素１０６へ印加される電流を増加させ、補償力を高める。あるいは、電気要素１０６により付与されている力および／または動作の量が、摩擦力を補償すると判断された量を上回っていると出力センサ１３０が判断した場合には、出力センサ１３０が制御回路１０８へ信号を送り、これが電気要素１０６へ供給される電流を減少させて補償力を低下させる。ゆえに出力センサ１３０は、電気要素１０６により付与される力および／または動作の量を測定し、電気要素１０６へ供給される電流を変化させる、例えば、電気要素１０６へ供給される電流の量を一定の割合で増加および／または減少させて実際の出力に基づくフィードバックに基づいて補償力を変化させるのを補助する。

加えて、電気要素１０６へ供給される電流の制御を助けるのに他のセンサが採用されてもよいことを認識すべきである。センサは、速度、加速度、屈折、温度、角度、圧力、質量、重量、位置センサその他を含むが、これに限定されるわけではない。一面において、電気要素１０６に付与される電力の一定の割合での増加および／または減少を調節するように、外科医の手の動作の特徴を学習するため、制御回路１０８により加速度センサが使用される。別の面では、装置の角度位置または姿勢を判断し、これを受けて電流を調節するため、制御回路１０８によって角度センサが使用される。

さらに、シャフト１０２の端部には従動システム１２４が動作接続されている。従動システム１２４は、使用者入力またはこれを表すものなど一つ以上の入力をシャフト１０２から受け取って、元の使用者入力１２０に比例するように、またはこれと相関させて機能端部１１８を制御するため対応の出力を発生させるように構成された装置または機構である。例えば、一面において従動システム１２４は、油圧制御ライン１１４，１１６により従動シリンダ１１２に動作接続された制御シリンダ１１０を含む複動閉ループ油圧システムを含むがこれに限定されるわけではない。加えて、機能端部１１８は従動シリンダ１１２の遠位端部に動作接続されている。この面では、閉ループ複動油圧回路は、従動システム１２４など装置１の端部へ力を伝達するのに使用される基本的機械要素である。例えば、制御シリンダ１１０は、使用者入力またはこれを表すものの全部または一部などの入力を受け取り、油圧制御ライン１１４，１１６を介してこの入力を従動シリンダ１１２へ伝達し、従動シリンダは、従動システム１２４の機能端部１１８を駆動するのに使用される出力を生成する。これらの面では、閉ループ複動油圧システムは、参考として全体が取り入れられている米国特許第６，６０７，４７５号に開示されたのと同一または類似の機能性を有する。別の面において従動システム１２４および支援システム１２２が、単一のシステムに統合されてもよい。代替的な面では、シャフト１０２の端部と機能端部１１８の近位端部との間に機能的に接続された機械要素によって、従動シリンダ１１２および制御シリンダ１１０が置き換えられる。機械要素は例えば、リンク装置ギヤ、カム、一連のユニバーサルジョイント、プッシュプルワイヤまたはケーブル、ケーブル／プーリシステム、ケーブルギヤシフトシステム、プッシュプルチェーン、プッシュプル回転チェーン、リードスクリュ、プッシュプル可撓性ストラップ、可撓性スチールバンド、またはこれらの機械要素の組合せ（一連のユニバーサルジョイントおよびプッシュプルチェーン）、その他、使用者が機械要素を操作する時に疲労を引き起こす他の機械要素でよいが、これらに限定されるわけではない。

機能端部１１８は、対応の従動システム１２４からの出力を入力として受け取り、これに応じて、シャフト１０２により受け取られた一つ以上の元の使用者入力１２０と相関して制御される何らかの作業を実施する。そのため、機能端部１１８は、何らかのタイプの作業を実施するように構成された装置または機構の一つまたはその組合せを含むか、これに接続される。本発明の一面において、機能端部１１８は多様な道具を含むかこれに接続される。例えば、機能端部１１８は、手術道具、手術器具、はさみ、ナイフ、スクリュドライバ、クランプ、またはペンチ、その他の道具を含むかこれに接続されるとよいが、これらに限定されるわけではない。

加えて、シャフト１０２は、中実、中空、または「Ｃ」字形などの構造を有するが、これに限定されない。シャフト１０２が中実である一面では、油圧ラインおよび電気回路構成はシャフト１０２の外側に接続される。シャフト１０２が中空である一面では、油圧ラインおよび電気回路構成はシャフト１０２の内側にあって内腔を通っている。さらに、シャフト１０２が「Ｃ」字形である一面では、縦スリットまたは他の形状の孔がシャフトに設けられて、油圧ラインおよび電気回路構成がシャフト１０２の内側と外側の両方を通る。

一変形において、支援システム１２２は患者の体の外側に配置される、例えば手術室の台に接続されこれに支持される。他の面では、従動システム１２４から離れて、例えば別の部屋または箇所に支援システム１２２が配置される。支援システム１２２と従動システム１２４との間には、適切な有線および／または無線の接続が設けられる。

動作時には、使用者の手、腕、および／または指は、例えばシャフト１０２の近位端部へ力１２０を印加することにより装置１の動きを誘導する。力１２０はシャフト１０２へ伝達され、力１２０の方向に対応する方向にシャフト１０２を動かす。例えば、使用者が直線押圧力を入力する場合には、補償力は機械的負荷（直線方向でのシャフトなど）の動きを補助する。力１２０の方向にシャフト１０２を動かすことにより生じる一つ以上の摩擦力を、この力が補償する。例えば、摩擦力は、油圧制御ライン１１４，１１６内で流体を移動させる際の抵抗により引き起こされる摩擦力１２８を含む。

一面において、補償力についての設定点を決定するための方程式は、
（１）Ｆｃ＝Ｃ・Ｆｐ
（Ｃ≦１）
を含む。

Ｆｃは、電気要素１０６により付与される力などの電気補償力である。Ｆｐは、システムを動かすことにより生じる摩擦および／または不要な抵抗力などの寄生的システム力である。Ｃは、一般的には寄生的システム力Ｆｐより下に設定される補償力である。例えば、Ｃ＝０．９である場合、付与される電気補償力は、Ｆｃ＝（０．９）（Ｆｐ）など、寄生的システム力の９０％であろう。

加えて、方程式（１）に関して上述した補償力が、使用者により入力される力に適用されない場合には、使用者により入力された力は以下の方程式を用いて計算される。
（２）Ｆｉ＝Ｆｐ＋Ｆｒ
Ｆｉは、力１２０など使用者により入力される力である。Ｆｐは寄生的システム力である。Ｆｒは対象による反応力である。ゆえに、補償力が使用者入力に適用されない時には、装置へ力を印加している時の対象による反応力とシステムの摩擦力の両方を、使用者が検知する。

しかし、使用者により入力された力が、方程式（１）に関して上述したような補償力を含む場合、使用者により入力された力は以下の方程式を用いて計算される。
（３）Ｆｉ＝Ｆｐ−Ｆｃ＋Ｆｒ
Ｆｉは、力１２０など、使用者により入力される力である。Ｆｐは寄生的システム力である。Ｆｃは方程式（１）に関して上で計算された電気補償力である。Ｆｒは対象による反応力である。ゆえに、使用者入力に補償力が適用される時に、使用者は、実施される作業の抵抗力を検知するのであって、システム内を移動している油圧流体など、システムの摩擦力を検知するのでない。

補償力は、（工場または手術室、あるいは他の箇所で）予め設定された係数であるか、またはシャフトの動きに対する抵抗力の測定から補償力が自己学習されてもよい。一面において、予設定係数は、シャフト１０２の動きに関連する摩擦力１２８またはその一部より上か下に設定される。シャフト１０２の動作は例えば、押し、引き、回転、左移動、右移動、上方移動、下方移動、曲げ、スピン、斜め移動、または装置１が動く必要のある他の方向であることを認識すべきである。さらに代替例では、シャフト１０２に動作接続された不図示の入力機構に、使用者が力１２０を印加してもよい。

さて図２を参照すると、使用者から入力を受け取ってこの入力を装置１（図１）へ伝達する制御ハンドル入力機構９０２の一例が図示されている。制御ハンドル９０２は第１軸９０４を中心として回転し、第１振子ギヤ９０６に動作接続されている。第１軸９０４を中心として制御ハンドル９０２を回転させることによって開始される動作および／または力は、例えば第１軸９０４を中心とする揺動で第１振子ギヤ９０６を回転させる。第１振子ギヤ９０６の揺動は、中間ギヤ９０８を回転させる。中間ギヤ９０８は、第１振子ギヤ９０６と第２振子ギヤ９１０との間に配置されている。中間ギヤ９０８からの回転は、第２振子ギヤ９１０が第２軸９１８に動作接続された第２軸９１８を中心とする揺動で第２振子ギヤ９１０を回転させ、第２軸９１８はリードスクリュ９１２により画定される。第２振子ギヤ９１０の揺動は、第２軸９１８を中心としてリードスクリュ９１２を回転させる。リードナット９１４は、リードスクリュ９１２と油圧シリンダ９１６との間に配置されてこれらに動作接続されている。リードスクリュ９１２の回転から開始された動作および／または力は、油圧シリンダ９１６のシャフトを第２軸に沿って動かす。一面において、油圧シリンダ９１６がリードナット９１４に動作接続され、リードスクリュ９１２の動きがリードナット９１４へ入力される力１２０を生み出す。入力機構９０２は装置１とともに作動可能な入力機構の非限定的な一例に過ぎないことを理解すべきである。図３に図示されているように、リードナット９１４が支援システム１２２（図１）に動作接続されてもよいことも理解すべきである。

図１に戻って、検知要素１０４はシャフト１０２の動きの開始を検出する。検知要素１０４は、例えばひずみゲージ、小変位双極スイッチ、単極スイッチ、閉鎖スイッチ、圧縮または引張を検出する要素、力１２０に応じて変化する抵抗値を検出する要素、力１２０に応じた光の屈折または透過の変化を検出する光学システム、あるいは動作開始および／またはシャフト１０２に印加される力を検出する他の適当な検知要素でよいが、これらに限定されるわけではない。検知要素１０４は、検出された力および／またはシャフト１０２の動作についての信号を制御回路１０８へ送信し、電気要素１０６を適切な方向に起動させる。加えて、一面において、電気要素１０６への電流を適切に変化させるため、検知要素１０４からの出力が制御回路１０８へ伝達される。例えば、制御回路１０８は、検知要素１０４からの検出力および／または動作に基づいて電気要素１０６がどれほどの速さで動くべきか、例えば使用者入力１２０に基づいて電気要素１０６の動きを一定の割合で増加および／または減少させるべきかを判断する。こうして、使用者入力の力および／または速度に基づき、電気要素１０６により付与される力の量は可変である。電気要素１０６は、ボイスコイル、リニアモータ、または動作の開始および／または力の入力に即座に応答して高周波応答を有する他の装置などでよいが、これらに限定されないことを認識すべきである。

電気要素１０６は、力１２０と同一の方向のシャフト１０２への力を発生させることにより検知要素１０４から送信された信号に応答する。この力は、力１２０の方向にシャフト１０２を動かす際に使用者を補助する。例えば、使用者がシャフト１０２を左へ移動させたい場合には、検知要素１０４が動作の開始および／またはシャフト１０２へ入力される力を検出して、シャフト１０２を左へ動かす際に使用者を補助する力を発生させるように電気要素１０６を起動させる。この力は、シャフト１０２を動かすことにより生じる摩擦力１２８を補償し、摩擦力１２８ではなく反応力１２６を使用者が検知できるようにする。本発明の一面において、検知要素１０４は、検出されたシャフト１０２の動作についての信号を制御回路１０８へ送信する。

制御回路１０８は、一連の非プログラマブル要素、一つ以上のハードワイヤード要素、コンピュータ、またはプロセッサ、その他の制御回路であるが、これらに限定されるわけではない。制御回路１０８は、電力信号などの信号を電気要素１０６へ送信して、力１２０と同一の方向の力を電気要素に発生させる。この力は、シャフト１０２を動かすことにより生じる摩擦力１２８を補償して、摩擦力１２８などの摩擦力ではなく反応力１２６を使用者に検知させる。電気要素１０６により生じる力は、力１２０の方向におけるシャフト１０２の動きに対する抵抗、例えば摩擦とほぼ等しいことを認識すべきである。例えば患者の体温、装置１の位置、既存の手術ポートへの装置１の出入、油圧ラインの潤滑、直線部か曲げ付近の螺旋部かなどの油圧ラインの位置、運動の軸、実施される外科手術のタイプ、手術室の温度、時刻、摩擦力１２８を変化させる他の要因に基づいて、抵抗力は可変であるが、これらに限定されるわけではない。

電気要素１０６により発生される力は装置１の動作に対する抵抗に近い予設定係数であることを認識すべきである。一面において予設定係数は、シャフト１０２の摩擦力１２８またはその一部より上か下に設定される。例えば、機械負荷を動かす（力１２０の方向に対応する方向にシャフト１０２を動かす）ための摩擦力１２８が１ポンド（ｌｂ）に等しい場合には、予設定係数は０．９に設定され、結果的に補償力は０．９ｌｂとなる。予設定係数が摩擦力より上に設定された場合に、使用者は、シャフト１０２からの予想外の動きを防止するようにシステムを制御および／または抑制する必要があることを認識すべきである。例えば、予設定係数の値は、製造者により、または予設定係数の値を使用者に固有の快適なレベルに調節する使用者により設定されてもよいし、予設定係数の値が自己学習されてもよい。予設定係数の値を使用者が調節する時には、例えば使用者が使用している入力装置に電位差計または制御パネルを設けるとよいことを認識すべきである。こうして、シャフト１０２に動作接続された制御ハンドルを使用者が有する場合には、例えば電気要素１０６により生じる力について予設定係数の値を調節するのに使用者が使用する電位差計を、制御パネル／ハンドルが有する。本発明の一面によれば、電気要素１０６により生じる力の値がいったん設定されると、力の値は実質的に変化しない。

例えば、システムが予設定係数を自己決定する始動手順中に、予設定係数が自己学習される時には、センサ１３０により検出された増分距離をシャフト１０２が移動するまで、電気要素１０６に供給される電流が増大し、これにより、シャフト１０２を動かすのにどれだけの電流が必要とされるかを制御回路１０８が学習することを認識すべきである。さらに制御回路１０８は、例えば電気要素１０６がシャフト１０２を動かす時に学習される電流レベルよりも下に予設定係数を設定するためのプロセッサである。予設定係数がいったん設定されると、力１２０と同一方向の力が予設定係数でシャフト１０２に生じるように、制御回路１０８が電気要素１０６に命令する。

本発明の別の面によれば、電気要素１０６によって生じる力は、使用者による力１２０に応じて電気要素１０６により生じる力を増大させるサーボ関数である。ゆえに、電気要素１０６が発生させる力の値は、力１２０に応じて変化する。

シャフト１０２は、制御シリンダ１１０へ力１２０を伝達することにより、力１２０の方向に対応する機械装置１の動きを制御する。例えば、シャフト１０２に動作接続された入力装置を使用者が押す、引く、回転させる、左へ移動させる、右へ移動させる、上方移動させる、下方移動させる、手首または指を曲げる、スピンさせる場合には、制御シリンダ１１０が同一の方向に動く。制御シリンダ１１０、従動シリンダ１１２、油圧制御管１１４，１１６、機能端部１１８が閉ループ複動油圧回路１２４に含まれることを認識すべきである。閉ループ複動油圧回路１２４は、患者内にある手術器具の遠位端部へ力を伝達するのに使用される基本的機械要素である。さらに一面において、閉ループ複動油圧回路１２４は、参考として全体が取り入れられている米国特許第６，６０７，４７５号に開示されたのと実質的に同一の機能性を有する。

制御シリンダ１１０は、油圧制御ライン１１４，１１６内で流体を移動させることにより従動シリンダ１１２へ力１２０を伝達する。流体は周知であるか今後開発される適当な油圧流体でよいが、水か塩水であることが好ましいことを認識すべきである。機能端部１１８は、従動シリンダ１１２の遠位端部に動作接続されている。従動シリンダ１１２は、力１２０の方向における機能端部１１８の動きを起動させる。機能端部１１８は手術道具、手術器具、または手術に使用される他の装置であることを認識すべきである。一面において、機能端部１１８は多様な道具であるか、これに接続される。例えば、道具はレンチ、はさみ、スクリュドライバ、クランプ、ナイフ、ペンチ、カッタ、その他の道具である。

さて図３を参照すると、一例としての支援システム１２２（図１）に制御ハンドル９０２（図２）が動作結合された、本発明の一面による装置２が図示されている。制御ハンドル９０２および支援システム１２２は、図２に関して説明された制御ハンドルおよび図１に関して説明された支援システム１２２と類似の機能性および参照番号を有することを理解すべきである。

この面において、リードナット９１４は、リードスクリュ９１２と検知要素１０４（図１）との間に配置されてこれらに動作接続されている。こうして、第１軸９０４を中心として制御ハンドル９０２を回転させることから開始された動作および／または力がリードスクリュ９１２の動きを引き起こして、入力１２０の機能をリードナット９１４へ伝達する。検知要素１０４はリードナット９１４の動きの開始を検出し、検出された動作および／またはリードナット９１４の力についての信号を、検知要素１０４に動作接続された電気要素１０６へ送信して、適切な方向に電気要素１０６を起動させる。電気要素１０６は、力１２０（図１）と同一方向の油圧シリンダ１１０への力を発することにより、検知要素１０４から送信された信号に応答する。こうして、電気要素１０６により付与される補償力は、使用者が入力１２０の方向に装置２を動かすのを補助する。

図４を参照すると、本発明の一面によれば、検知装置１０４（図１）はひずみゲージセンサ２０４である。例えば、ひずみゲージセンサ２０４はシャフト１０２の遠位端部に動作接続される。ひずみゲージセンサ２０４は、シャフト１０２への圧縮および引張など、シャフト１０２への力１２０を検出する。例えば、使用者がシャフト１０２を押す場合には、シャフト１０２が圧縮されたことをひずみゲージセンサ２０４が検出する。こうして、使用者により付与される力の量と、使用者が力を印加する速度など入力の割合とに基づいて、ひずみゲージセンサ２０４が可変出力を提供する。

使用者がシャフト１０２を動かす際の他の方向をひずみゲージセンサ２０４が検出することを認識すべきである。例えば、引く、回転させる、左へ移動させる、右へ移動させる、上方へ移動させる、下方へ移動させる、曲げる、スピンさせる、斜めに移動させる、または装置１を動かすのに必要な他の方向の移動により、使用者はシャフト１０２を動かす。さらに、図１を参照して上述した制御回路が本発明のこの面で使用されてもよいが、必要なわけではないことを認識すべきである。

図５を参照すると、本発明の別の面によれば、検知装置１０４はスイッチ検知要素３０４を含む。スイッチ３０４は例えば小変位双極スイッチであることを理解すべきである。シャフト１０２の近位端部と電気要素１０６の近位端部との間において、スイッチ検知要素３０４がシャフト１０２に動作接続されている。別の面では、スイッチ検知要素３０４がシャフト１０２の上方か下方に動作接続されるかこれを囲繞していてもよい。スイッチ検知要素３０４は、一つの極または別の極に接続することによりシャフト１０２への力１２０を検出する。こうしてスイッチ検知要素３０４は、どの極が接続されているかに応じて電気要素１０６へ電流を送り、電気要素１０６を適切な方向に起動させる。さらに、電気要素１０６により生じる補償力の値を設定するため電位差計または類似の装置が設けられてもよい。本発明のこの面では、図１を参照して上述した制御回路が使用されるが必要なわけではないことを認識すべきである。

図５を参照すると、上述の面はさらに、システムの動きを開始させるのに必要な力を補償するため入力端部３１８と出力端部３２０との間に一定量のコンプライアンスを有するシャフト１０２を含む。言い換えると、最初に入力１２０を付与する時に使用者が不要な摩擦および／または他の抵抗力１２８（図１）をシステム１（図１）に感じるのを回避するため、この任意の面では、支援システム１２２（図１）が起動されて不要な摩擦および／または他の抵抗力１２８（図１）を上回るまで、シャフト１０２の入力端部３１８を出力端部３２０に対して動かす。こうして、使用者が、システムの不要な摩擦および／または他の抵抗力を上回るように付加的入力を印加することと、支援システム１２２（図１）が起動する時に不要な摩擦および／または他の抵抗力が突然取り除かれることとを回避する。

図５に図示されているように、検知要素３０４の中央極３０８は、中立位置３１４と前方位置３１２と後方位置３１６との間などで、極３０６の方向へ前方に、また極３１０の方向へ後方に移動する。一面において、中立位置３１４と前方または後方位置３１２，３１６との間で中央極３０８を変化させるためにシャフト１０２が移動する距離は、それぞれ、シャフト１０２の前方または後方コンプライアンス３２４，３２２の各々に対応する。例えば、シャフト１０２が最初に検知要素３０４と接触する時に使用者入力１２０が前方方向である場合には、前方位置３１２の極３０６と接触する前に中央極３０８が短い距離だけ前方へ移動する。上述した面では、起動のための時間をシステムに与えながら極３０６の方向にシャフト１０２を動かすのに必要な量の力を補償するため、一定量のコンプライアンスをシャフト１０２に付与する。例えば、上述した面では、従動システム１２４（図１）の運動が開始して、システムを動かすのに必要な力を使用者が感じる前または感じないうちに検知要素３０４が電気要素１０６（図１）を始動させることで、起動のための時間を装置１に与え、動作の開始により生じる摩擦および不要な抵抗力、および／またはシステムによる力を使用者が補償するのを助ける。これはシステムにコンプライアンスを付与する非限定的な一例であることと、本発明の様々な面ではコンプライアンスを補償する必要があることを認識すべきである。

図６を参照すると、本発明の一面によれば、検知装置１０４はねじれ検知要素６０４であって、電気要素１０６は回転電気要素６０６である。ねじれ検知要素６０４は、入力機構６０２と回転電気要素６０６とに動作接続される。非限定的な一例では、回転電気要素６０６は軸６０８と同心であって、ねじれ検知要素６０４と直列である。例えば、一つの面の作動時には、使用者の手、腕、および／または指が、例えば、回転させるおよび／または回すなど、入力機構６０２に力１２０を印加することにより、入力機構６０２の動きを誘導する。ねじれ検知要素６０４は、入力機構６０２への力１２０を検出して、適切な方向および／または量で回転電気要素６０６を起動させる。例えば、使用者が入力機構６０２を回転させるか回す場合には、ねじれ検知要素６０４が回転方向を検出して、適切な方向の力１２０で回転電気要素６０６を起動させる。本発明のこの面では、図１を参照して上述した制御回路が使用されるが、必要なわけではないことを認識すべきである。

本発明の一つの変形例は、多様な動作を発生させるため使用者制御による多数の検知要素および電気要素を含む。例えば、押す、引く、回転させる、左へ移動させる、右へ移動させる、上方へ移動させる、下方へ移動させる、曲げる、スピンさせる、斜めに移動させるための個別のシステムが、他のシステムとともに設けられる。個別システムは、適切な使用者の手の動作に反応することで起動する。さらに、各個別システムは、特定システムにより実施される動作に応じた多様な摩擦特性を補償する。

本発明の別の変形は、上述したように電気要素の代わりに機械的な真空圧および／または圧力補助を使用することを含む。例えば、使用者は複動ダイヤフラムおよびバルブを操作する。こうして、使用者が手術器具を前方へ動かすと、バルブによってダイヤフラムの一面に真空が発生して使用者が前方へ動かすのを助ける。加えて、使用者が手術器具を引き戻す場合には、バルブが逆転して使用者が手術器具を引き戻すのを助ける。

本発明の様々な面および手術器具に関する例を参照して本発明を説明してきたが、適当な機械装置を取り入れるかこれとともに使用することは、発明の範囲および趣旨に包含される。さらに、外科医について本発明を説明してきたが、発明が使用される状況に応じて別の使用者により発明が使用されてもよい。ゆえに、発明の趣旨を逸脱せずに多数の様々な変形が行われることを理解すべきである。

１ 手動式関節運動装置
２ 装置
１０２ 入力受取部／シャフト
１０４ 検知要素
１０６ 電気要素
１０８ 制御回路
１１０ 制御シリンダ
１１２ 従動シリンダ
１１４，１１６ 油圧制御ライン
１１８ 機能端部
１２０ 力／入力
１２２ 支援システム
１２４ 従動システム
１２６ 反応力
１２８ 摩擦力
１３０ 出力センサ
２０４ ひずみゲージセンサ
３０４ スイッチ検知要素
３０６，３１０ 極
３０８ 中央極
３１２ 前方位置
３１４ 中立位置
３１６ 後方位置
３１８ 入力端部
３２０ 出力端部
３２２ 後方コンプライアンス
３２４ 前方コンプライアンス
６０２ 入力機構
６０４ ねじれ検知要素
６０６ 回転電気要素
６０８ 軸
９０２ 制御ハンドル入力機構
９０４ 第１軸
９０６ 第１振子ギヤ
９０８ 中間ギヤ
９１０ 第２振子ギヤ
９１２ リードスクリュ
９１４ リードナット
９１６ 油圧シリンダ
９１８ 第２軸

Claims (24)

1. 入力を受け取ることのできる入力受取部と、
   前記入力受取部から入力を受け取って対応の出力を生成するように作動可能な、前記入力受取部に結合された従動システムであって、前記入力受取部に結合された第１従動端部と、第２従動端部とを具備する従動システムと、
   前記第２従動端部に結合された機能端部であって、前記出力を実施する機能端部と、
   前記入力受取部に結合されるとともに、前記入力受取部で受け取った入力を検出するように作動可能である検知要素と、
   前記検知要素と前記入力受取部とに結合されるとともに、検出された前記入力の機能を前記検知要素から前記従動システムへ伝達するように作動可能である要素と、
   を具備し、
   前記要素がさらに、前記関節運動装置を動かす際の抵抗力を補償する補償力を付与する、
   関節運動装置。
2. さらに、
   前記入力と同じ方向の前記補償力を発生させるように前記要素に命令する制御信号を前記要素に送信するように作動可能な、前記検知要素と前記要素とに結合された制御回路、
   を具備する、請求項１に記載の関節運動装置。
3. 前記制御回路がさらに、前記関節運動装置により発生される抵抗力を計算するとともに、前記要素に前記制御信号を供給して、計算された前記抵抗力に基づいて前記補償力を発生させるように作動可能である、請求項２の関節運動装置。
4. 前記要素へ送信される前記制御信号が前記要素を起動させる電流を含み、前記入力の力に基づいて前記電流が可変である、請求項２の関節運動装置。
5. 前記制御回路がさらに、前記関節運動装置が正しく作動しているかどうかを診断するように作動可能である、請求項２の関節運動装置。
6. 前記補償力が、前記関節運動装置により生じる前記抵抗力の百分率である、請求項１の関節運動装置。
7. 前記補償力がユーザにより設定される、請求項１の関節運動装置。
8. 前記入力受取部を動かす時の抵抗を測定することにより前記補償力が自己学習される、請求項１の関節運動装置。
9. 前記入力の速度および力に基づいて前記補償力が可変である、請求項１の関節運動装置。
10. 前記従動システムが閉ループ複動式油圧システムを具備する、請求項１の関節運動装置。
11. 前記従動システムが機械要素を具備する、請求項１の関節運動装置。
12. 前記機械要素が、リンク装置、ギヤ、カム、一連のユニバーサルジョイント、プッシュプルチェーン、リードスクリュ、ケーブルプーリシステム、または可撓性スチールバンドのうち少なくとも一つを具備する、請求項１１の関節運動装置。
13. 前記機能端部が、手術道具、手術器具、はさみ、ナイフ、スクリュドライバ、クランプ、またはペンチのうち一つを具備する、請求項１の関節運動装置。
14. 前記検知要素が、ひずみゲージ、双極スイッチ、閉鎖スイッチ、または光学システムのうち一つである、請求項１の関節運動装置。
15. 要素がボイスコイルまたはリニアモータの一つである、請求項１の関節運動装置。
16. 前記要素が前記入力受取部および前記検知要素に直列に結合される、請求項１の関節運動装置。
17. 前記要素が前記入力受取部および前記検知要素に並列に結合される、請求項１の関節運動装置。
18. 前記要素が電気要素である、請求項１の関節運動装置。
19. 入力を受け取ることのできる機械システムと、
    受け取った前記入力を検出するように作動可能である、前記機械システムに結合されたセンサと、
    検出された前記入力の機能を前記機械システムへ伝達するように作動可能である、前記機械システムに結合された力支援要素と、
    前記センサと前記力支援要素とに結合された制御要素であって、受け取った前記入力の方向に前記力支援要素を起動させるように作動可能である制御要素と、
    を具備する装置。
20. 前記センサが前記機械システムと直列である、請求項１９の装置。
21. 前記センサが前記機械システムと並列である、請求項１９の装置。
22. 前記力支援要素が前記機械システムと直列である、請求項１９の装置。
23. 前記力支援要素が前記機械システムと並列である、請求項１９の装置。
24. センサを介して入力受取部での入力を検出することと、
    検出された前記入力に、抵抗力を補償する補償力を付与することと、
    前記補償力を含む、検出された前記入力の機能を、前記入力受取部に結合された従動システムへ伝達することと、
    検出された前記入力に対応する出力を前記従動システムにおいて生成することと、
    を包含する方法。