JP2013144149A - ロボット外科手術システムのための小型のカウンタバランス - Google Patents
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Abstract
【課題】リンケージと、枢動接合部のまわりでリンケージに連結される平衡化機構とを含む装置を提供する。
【解決手段】リンケージ246は第1の端部において支持構造に連結し、第2の端部に加えられる重量を支持する。平衡化機構は、リンケージの第2の端部に加えられる重量を平衡化する。異なるモーメントアーム長を有する重量の高さを鉛直方向に調整するためにリンケージが変形すると、平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて、ばね515の圧縮およびケーブル501の張力を修正し、リンケージに加えられるカウンタバランス力の大きさを調整する。
【選択図】図5
【解決手段】リンケージ246は第1の端部において支持構造に連結し、第2の端部に加えられる重量を支持する。平衡化機構は、リンケージの第2の端部に加えられる重量を平衡化する。異なるモーメントアーム長を有する重量の高さを鉛直方向に調整するためにリンケージが変形すると、平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて、ばね515の圧縮およびケーブル501の張力を修正し、リンケージに加えられるカウンタバランス力の大きさを調整する。
【選択図】図5
Description
本発明は、概して、ロボット外科手術システムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、ロボット外科手術用アームのためのカウンタバランスシステムに関する。
従来、ロボット外科手術システムのロボット外科手術用アームは、ロボット外科手術用アームを患者のテーブルに取り付けることによって、またはこうしたアームを、患者の近くに床上を車輪によって移動される患者側カートに取り付けることによって、患者の上方に支持されていた。
患者側カートは床面積をとり、さらに、一般的には、主操作盤と患者側カートとの間に床に沿って経路を定められたケーブルを必要とする。こうしたコードは、つまずきやすい。さらに、患者側カートおよびロボット外科手術システムはセットアップの手順が必要である。場合によっては、この患者側カートは、患者のそばに置かれる代わりに患者の頭または足の方に配置される。外科手術の終了後に、患者側カートは邪魔にならないように移動される。この患者側カートは重く、移動しにくい。
加えて、床上にないとはいえ、患者のテーブルへロボット外科手術用アームを取り付けることは、一般的には、可動範囲および施行可能な外科手術の種類を制限する。ロボット外科手術用アームは、患者のテーブルのいずれかの側または両側に取り付けられ得る。しかしながら、テーブルに取り付けられたときには、ロボット外科手術用アームはしばしば、互いにぶつかることを避けるために、その可動域を制限される。
ロボット外科手術用アームの可動範囲を大きく保ちながら、手術室の床を乱雑にすることなく、患者の上方にロボット外科手術用アームを取り付けることが望ましい。
本発明の実施形態は、以下に記載される請求項にまとめて記載される。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
第1の端部で支持構造に連結されるリンケージであって、該第1の端部とは反対側の該リンケージの第2の端部に加えられる荷重を支持する、リンケージと、
枢動接合部のまわりで該リンケージに連結される平衡化機構であって、該リンケージの該第2の端部に加えられる該荷重を平衡化するための、ばね、ケーブル、および少なくとも1つのプーリを含む、平衡化機構と、
を備える、装置であって、
該リンケージが、可変モーメントアーム長により該荷重の位置を鉛直方向に調整するときに、該平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて該ばねの圧縮および該ケーブルの張力を修正し、該リンケージに加えられるカウンタバランス力を調整する、
装置。
(項目2)
前記平衡化機構は、それぞれ実質的に同じ直径を有する、第1、第2、および第3のプーリを含み、
該第1、第2、および第3のプーリの周囲の前記ケーブルの接触角の合計は、実質的に一定である、項目1に記載の装置。
(項目3)
前記平衡機構は、第1、第2、および第3のプーリであって、該第3のプーリは前記枢動接合部でシャフトに連結される、第1、第2、および第3のプーリと、
前記リンケージの位置の変化に応答して前記ケーブルパス長を修正するように変化する、該第1のプーリと該第2のプーリとの間の直線距離と、を含む、
項目1に記載の装置。
(項目4)
前記第1のプーリと前記第3のプーリとの間の直線距離は、一定であり、
前記第2のプーリと前記第3のプーリと間の直線距離は、一定である、
項目3に記載の装置。
(項目5)
前記第1、第2、および第3のプーリの中心点位置は、調整可能な三角形を形成し、
該調整可能な三角形は、前記リンケージが水平であるときには、少なくとも1つの頂角が実質的に90度である直角三角形である、
項目3に記載の装置。
(項目6)
前記リンケージは、平行四辺形のリンケージ構造である、項目1に記載の装置。
(項目7)
それに回転可能に連結される第1の回転伝達デバイスを有する第1のリンクであって、第1の端部で支持機構に連結する、第1のリンクと、
それに回転可能に連結される第2の回転伝達装置と、それに連結される第1の端部を有する第1の圧縮ばねとを有する、第2のリンクであって、第1の枢動点において該第1のリンクに枢動可能に連結される、第2のリンクと、
該第1の枢動点において該第2のリンクと該第1のリンクとの間に連結される、第3の回転伝達装置と、
該第2のリンクに連結され、該第3の回転伝達装置、該第1の回転伝達装置、および該第2の回転伝達装置上に経路設定され、かつ、該第1の圧縮ばねの第2の端部に連結されて、該第2のリンクの端部に加えられる荷重を平衡化するためにケーブルの張力を形成する、ケーブルと、
を備える、カウンタバランスアーム。
(項目8)
前記第1の回転伝達装置、前記第2の回転伝達装置、および前記第3の回転伝達装置の中心点が、三角形を形成する、項目7に記載のカウンタバランスアーム。
(項目9)
前記第1の枢動点のまわりの異なる位置への前記第2のリンクの枢動に応答して、前記三角形は、該異なる位置の該第2のリンクの端部に加えられる荷重を平衡化するように前記ケーブルの前記張力を調整するために、ケーブルパス長および前記第1の圧縮ばねの圧縮を修正するように調整可能である、項目8に記載のカウンタバランスアーム。
(項目10)
前記第1、第2、および第3の回転伝達装置の周囲の前記ケーブルの接触角の合計は、前記第1の枢動点のまわりの前記第2のリンクの前記枢動に応答して、実質的に一定である、項目9に記載のカウンタバランスアーム。
(項目11)
前記第1の回転伝達装置と前記第2の回転伝達装置との間の直線距離は、前記第2のリンクの前記枢動に応答して変動し、前記ケーブルパス長および前記第1の圧縮ばねの前記圧縮を修正する、項目9に記載のカウンタバランスアーム。
(項目12)
前記第1の回転伝達装置、前記第2の回転伝達装置、および前記第3の回転伝達装置は、スプロケット、タイミングギア、またはプーリのうちの1つであり、
張力機構は、それぞれ、チェーン、タイミングベルト、またはケーブルのうちの1つである、
項目9に記載のカウンタバランスアーム。
(項目13)
ロボットアームを支持するセットアップアームであって、
支持構造に連結する第1のセットアップ接合部であって、それに回転可能に連結される第1のプーリを有する、第1のセットアップ接合部と、
該第1のセットアップ接合部から離れて位置する第2のセットアップ接合部であって、それに支持を提供するためにロボットアームに連結される、第2のセットアップ接合部と、
第1の枢動点において該第1のセットアップ接合部と、第2の枢動点において該第2のセットアップ接合部とに枢動的に連結され、該第2のセットアップ接合部における荷重を平衡化する、カウンタバランスリンクであって、該カウンタバランスリンクは、
第1の端部において第1の開口を有する円筒形空洞を有する中空筐体と、
該中空筐体に回転可能に連結される第2のプーリと、
該筐体に連結される第1の端部を有する、該円筒形空洞内の第1の圧縮ばねであって、該第2のセットアップ接合部における該荷重の力を平衡化するために圧縮されている、第1の圧縮ばねと、
該カウンタバランスリンクと該第1のセットアップ接合部との間の該第1の枢動点に中心点を有する第3のプーリであって、該第1、第2、および第3のプーリの中心点位置は、三角形の頂点である、第3のプーリと、
を含む、カウンタバランスリンクと、
該円筒形空洞の中に向けて該第2のプーリに巻きつけられ、該第1の圧縮ばねの第2の端部に連結される、張力下にある少なくとも1つのケーブルであって、該第1および第3のプーリにさらに巻きつけられ、該セットアップアームに連結される、張力下にある少なくとも1つのケーブルと、
を備える、セットアップアーム。
(項目14)
前記第1、第2、および第3のプーリの前記中心点位置によって形成される前記三角形は、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの張力を修正するために、前記第1のセットアップ接合部に対する前記カウンタバランスリンクの枢動に応答して、調整可能である、項目13に記載のセットアップアーム。
(項目15)
前記第1、第2および第3のプーリの周囲の前記1つ以上のケーブルの接触角の合計は、前記第1のセットアップ接合部に対する前記カウンタバランスリンクの前記枢動に応答して、実質的に一定であり、
該第1のプーリと該第2のプーリとの間の直線距離は、該第1のセットアップ接合部に対する該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して変動し、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの前記張力を修正し、該カウンタバランスリンクの該枢動および前記第2のセットアップ接合部における前記荷重による、該カウンタバランスリンクと該第1のセットアップ接合部との間の前記枢動点におけるモーメントおよび機械的倍率の変化を平衡化する、
項目14に記載のセットアップアーム。
(項目16)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、前記カウンタバランスリンク、前記第1のセットアップ接合部、または前記第2のセットアップ接合部に連結することによって、前記セットアップアームに連結される、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目17)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、前記カウンタバランスリンクに連結されるポストに巻き付くことによって、前記セットアップアームに連結され、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルは、前記第1、第2、および第3のプーリに2回巻きつけられ、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルは、前記第1の圧縮ばねの前記第2の端部に連結される一対の端部を有する、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目18)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、張力下にある複数のケーブルであり、そのそれぞれは、前記第1の圧縮ばねの圧縮によって生成される全張力を分担するために実質的に同じ張力を有する、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目19)
前記中空筐体は、第1の対角線状にカットされた端部と、該第1の対角線状にカットされた端部とは反対側の第2の対角線状にカットされた端部とを有し、該第1の対角線状にカットされた端部および該第2の対角線状にカットされた端部は、それぞれ、前記第1のセットアップ接合部および前記第2のセットアップ接合部のまわりの前記カウンタバランスリンクの動きを増大させる、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目20)
前記第1、第2、および第3のプーリのそれぞれは、実質的に同じ直径を有する、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目21)
前記第1のプーリと前記第2のプーリとの間の第1の直線距離は、前記第1のセットアップ接合部による前記第1の枢動点における前記カウンタバランスリンクの枢動に応答して変動し、
該第1のプーリと前記第3のプーリとの間の第2の直線距離は、該第1のセットアップ接合部による該第1の枢動点における該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して一定を保ち、
該第2のプーリと該第3のプーリとの間の第3の直線距離は、該第1のセットアップ接合部による該第1の枢動点における該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して一定を保つ、
項目20に記載のセットアップアーム。
(項目22)
前記カウンタバランスリンクは、該カウンタバランスリンクの剛性を増加するために、前記第1の端部で前記円筒形空洞を閉鎖するために前記第1の開口内に連結されるプラグをさらに含む、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目23)
前記カウンタバランスリンクに対して実質的に平行となるように、第3の枢動点で前記第1のセットアップ接合部と、第4の枢動点で前記第2のセットアップ接合部とに、枢動的に連結されるアイドルリンクであって、該第1のセットアップ接合部と該第2のセットアップ接合部との間の前記セットアップアームの剛性と、該セットアップアームの耐荷重能力とを増加させる、アイドルリンクをさらに備える、
項目22に記載のセットアップアーム。
(項目24)
前記第1のセットアップ接合部は、前記第1および前記第3の枢動点でそれぞれ前記アイドルリンクおよびカウンタバランスリンクに連結される、第1のブラケットを有し、該第1のブラケットは、該第1のセットアップ接合部が第1の軸のまわりに回転できるようにし、
前記第2のセットアップ接合部は、前記第2および前記第4の枢動点でそれぞれ該アイドルリンクおよびカウンタバランスリンクに連結される、第2のブラケットを有し、該第2のブラケットは、該第2のセットアップ接合部が第2の軸のまわりに回転できるようにする、
項目23に記載のセットアップアーム。
(項目25)
前記アイドルリンクおよび前記カウンタバランスリンクは、平行リンクであり、
前記第1および第3の枢動点、ならびに前記第2および第4の枢動点は、該平行リンクの捩り剛性を増加させるために、該アイドルリンクの前記筐体および該カウンタバランスリンクの前記筐体によって相隔てられている、
項目23に記載のセットアップアーム。
(項目26)
前記カウンタバランスリンクは、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルを前記第1の圧縮ばねの前記第2の端部に連結する、クランプ機構をさらに含む、
項目25に記載のセットアップアーム。
(項目27)
前記クランプ機構は、
前記第1の圧縮ばねの中心開口内にあり、かつそれに対して同軸であるリボナイザであって、1つの端部に一対のスロットを有する、リボナイザと、
該リボナイザの該一対のスロット内に連結されるクランプブロックであって、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルを該第1の圧縮ばねに連結する、クランプブロックと、
を含む
項目26に記載のセットアップアーム。
(項目28)
前記クランプ機構は、
前記圧縮ばねと同軸である、前記リボナイザの周囲のねじ切りされたスリーブであって、該ねじ切りされたスリーブは外部ねじ山を有し、該ねじ切りされたスリーブの1つの端部は、該リボナイザの隆起部に連結される、ねじ切りされたスリーブと、
該ねじ切りされたスリーブの該外部ねじ山とねじによって係合される、内部ねじ山を有するナットであって、該プレテンション式のナットは張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの張力を調整する、ナットと、
該ねじ切りされたスリーブ上の嵌合リングであって、該ナットから力を受けてそれを、張力下にある該少なくとも1つのケーブルの該張力を調整するために前記第1の圧縮ばねに連結する、嵌合リングと、
をさらに含む、
項目27に記載のセットアップアーム。
(項目29)
前記クランプ機構は、
前記ねじ切りされたスリーブの上にある、前記ナットと前記嵌合リングと間に連結されるスラスト軸受であって、該ナットから力を受けてそれを該嵌合リングに連結する、スラスト軸受をさらに含む、
項目28に記載のセットアップアーム。
(項目30)
前記クランプ機構は、
前記クランプブロック上に開口を有し、かつ前記リボナイザに連結される回転防止プレートであって、前記ナットが回転されるときに、該リボナイザ、前記ねじ切りされたスリーブ、および該クランプブロックが回転することを阻止するために、前記空洞内の1つ以上の凹部に連結される1つ以上の突起部を有する回転防止プレートをさらに含む、
項目29に記載のセットアップアーム。
(項目31)
前記クランプ機構は、
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの少なくとも1つの端部と前記クランプブロックとの間に連結される、1つ以上のケーブルテンショナであって、張力下にある該少なくとも1つのケーブルに事前に張力を加える、1つ以上のケーブルテンショナをさらに含み、
該1つ以上のケーブルテンショナのそれぞれは、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルの上にある第2の圧縮ばねと、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルに、その端部の近傍で連結される、ケーブルターミネータと、を含む、
項目27に記載のセットアップアーム。
(項目32)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、張力下にある複数のケーブルであり、前記クランプブロックは、
積層された複数のクランププレートであって、該複数のクランププレートのそれぞれは、第1の開口と、該第1の開口から離れて位置する第2の開口と、張力下にある該複数のケーブルの少なくとも1つのケーブルセグメントを捕捉するための、少なくとも1つの溝とを有する、積層された複数のクランププレートと、
該複数のクランププレートのそれぞれの、該第1の開口に挿入される第1の締結具と、
該複数のクランププレートのそれぞれの、該第2の開口に挿入される第2の締結具と、を含み、
該第1の締結具および該第2の締結具は、該複数のクランププレートをケーブルセグメントの周囲でともに圧迫して、十分な力でその上に締め付ける、
項目27に記載のセットアップアーム。
(項目33)
前記複数のクランププレートは、
上部側に少なくとも1つの溝を有する第1の外部クランププレートと、
該第1の外部クランププレートの上にある1つ以上の内部クランププレートであって、該1つ以上の内部クランププレートのそれぞれは、上部側に少なくとも1つの第1の溝と、底部側に少なくとも1つの第2の溝とを有し、1つの内部クランププレートは、該第1の外部クランププレートの該少なくとも1つの溝の上に整合される、その少なくとも1つの第2の溝を有する、1つ以上の内部クランププレートと、
底部側に少なくとも1つの溝を有する第2の外部クランププレートであって、該第2の外部クランププレートの該少なくとも1つの溝は、1つの内部クランププレートの該少なくとも1つの第1の溝の上に整合される、第2の外部クランププレートと、
を含む、
項目32に記載のセットアップアーム。
(項目34)
前記複数のケーブルは、実質的に同じ直径を有し、
前記複数のクランププレートの前記少なくとも1つの溝のそれぞれの深さは、該複数のケーブルの該直径の半分未満である、
項目33に記載のセットアップアーム。
(項目35)
前記第1の外部クランププレートの前記第1および前記第2の開口は、前記複数のクランププレートを前記ケーブルセグメントのまわりでともに圧迫して、十分な力でその上に締め付けるために、前記第1の締結具および前記第2の締結具とそれぞれねじによって連結するようにねじ切りされている、項目33に記載のセットアップアーム。
(項目36)
前記第1の外部クランププレートの前記第1の開口は、前記第1の締結具とねじによって連結するように、ねじ切りされており、
前記第2の外部クランププレートの前記第2の開口は、前記第2の締結具とねじによって連結するように、ねじ切りされており、
前記第1の締結具および前記第2の締結具は、両側から、前記複数のクランププレートを前記ケーブルセグメントのまわりでともに圧迫して、十分な力でその上に締め付ける、
項目33に記載のセットアップアーム。
(項目37)
張力下にある前記複数のケーブルは、実質的に互いに平行に経路設定され、
前記複数のクランププレートのそれぞれの前記少なくとも1つの溝は、張力下にある前記複数のケーブルのケーブルセグメントを捕捉するために、実質的に平行な一対の溝である、
項目32に記載のセットアップアーム。
(項目38)
ロボット外科手術システムのセットアップアームのための方法であって、
荷重を支持するための平衡化機構を有するリンケージ構造を平衡化するステップと、
該リンケージ構造のリンクの端部における該荷重による、枢動点におけるモーメントを変化させるように、該リンケージ構造を動かすステップと、
該モーメントの変動を平衡化するために、ばねを圧縮または減圧縮して、1つ以上のケーブルの張力をそれぞれ増加または減少するように、該平衡化機構の複数のプーリ上の1つ以上のケーブルのパス長を変更するステップと、
を包含する、方法。
(項目39)
前記平衡化するステップは、
前記荷重を支持するように、前記リンケージ構造のばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の前記1つ以上のケーブルに、張力を加えるステップを含む、
項目38に記載の方法。
(項目40)
前記1つ以上のケーブルは、複数のケーブルであり、
前記平衡化するステップは、
前記荷重を支持するように、前記リンケージ構造のばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の該複数のケーブルに張力を加えるステップであって、該複数のケーブルのそれぞれは、実質的に平等に荷重を分担する、ステップを含む、
項目38に記載の方法。
(項目41)
前記平衡化するステップは、
張力を加える前に、それぞれにおける初期張力を実質的に平等化するために、前記リンケージ構造の前記ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の複数のケーブルの各ケーブルに、独立に事前に張力を加えるステップ、をさらに含む、
項目40に記載の方法。
(項目42)
前記複数のプーリ上の前記1つ以上のケーブルのケーブル長を調整した後に、前記リンケージ構造の動きを阻止するために接合部ブレーキを適用するステップ、をさらに包含する、
項目38に記載の方法。
(項目43)
前記リンケージ構造を前記動かすステップは、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の機械的倍率をさらに変化させる、
項目38に記載の方法であって、該方法は、
該機械的倍率の変動を平衡化するために、該ばねを圧縮または減圧縮して、前記1つ以上のケーブルの張力を増加または減少させるように、該ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の前記複数のプーリ上の1つ以上のケーブルの前記パス長を変更するステップ、をさらに包含する、
方法。
(項目44)
前記リンケージ構造は、平行四辺形のリンケージ構造であり、前記平衡化機構は、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構である、項目38に記載の方法。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
第1の端部で支持構造に連結されるリンケージであって、該第1の端部とは反対側の該リンケージの第2の端部に加えられる荷重を支持する、リンケージと、
枢動接合部のまわりで該リンケージに連結される平衡化機構であって、該リンケージの該第2の端部に加えられる該荷重を平衡化するための、ばね、ケーブル、および少なくとも1つのプーリを含む、平衡化機構と、
を備える、装置であって、
該リンケージが、可変モーメントアーム長により該荷重の位置を鉛直方向に調整するときに、該平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて該ばねの圧縮および該ケーブルの張力を修正し、該リンケージに加えられるカウンタバランス力を調整する、
装置。
(項目2)
前記平衡化機構は、それぞれ実質的に同じ直径を有する、第1、第2、および第3のプーリを含み、
該第1、第2、および第3のプーリの周囲の前記ケーブルの接触角の合計は、実質的に一定である、項目1に記載の装置。
(項目3)
前記平衡機構は、第1、第2、および第3のプーリであって、該第3のプーリは前記枢動接合部でシャフトに連結される、第1、第2、および第3のプーリと、
前記リンケージの位置の変化に応答して前記ケーブルパス長を修正するように変化する、該第1のプーリと該第2のプーリとの間の直線距離と、を含む、
項目1に記載の装置。
(項目4)
前記第1のプーリと前記第3のプーリとの間の直線距離は、一定であり、
前記第2のプーリと前記第3のプーリと間の直線距離は、一定である、
項目3に記載の装置。
(項目5)
前記第1、第2、および第3のプーリの中心点位置は、調整可能な三角形を形成し、
該調整可能な三角形は、前記リンケージが水平であるときには、少なくとも1つの頂角が実質的に90度である直角三角形である、
項目3に記載の装置。
(項目6)
前記リンケージは、平行四辺形のリンケージ構造である、項目1に記載の装置。
(項目7)
それに回転可能に連結される第1の回転伝達デバイスを有する第1のリンクであって、第1の端部で支持機構に連結する、第1のリンクと、
それに回転可能に連結される第2の回転伝達装置と、それに連結される第1の端部を有する第1の圧縮ばねとを有する、第2のリンクであって、第1の枢動点において該第1のリンクに枢動可能に連結される、第2のリンクと、
該第1の枢動点において該第2のリンクと該第1のリンクとの間に連結される、第3の回転伝達装置と、
該第2のリンクに連結され、該第3の回転伝達装置、該第1の回転伝達装置、および該第2の回転伝達装置上に経路設定され、かつ、該第1の圧縮ばねの第2の端部に連結されて、該第2のリンクの端部に加えられる荷重を平衡化するためにケーブルの張力を形成する、ケーブルと、
を備える、カウンタバランスアーム。
(項目8)
前記第1の回転伝達装置、前記第2の回転伝達装置、および前記第3の回転伝達装置の中心点が、三角形を形成する、項目7に記載のカウンタバランスアーム。
(項目9)
前記第1の枢動点のまわりの異なる位置への前記第2のリンクの枢動に応答して、前記三角形は、該異なる位置の該第2のリンクの端部に加えられる荷重を平衡化するように前記ケーブルの前記張力を調整するために、ケーブルパス長および前記第1の圧縮ばねの圧縮を修正するように調整可能である、項目8に記載のカウンタバランスアーム。
(項目10)
前記第1、第2、および第3の回転伝達装置の周囲の前記ケーブルの接触角の合計は、前記第1の枢動点のまわりの前記第2のリンクの前記枢動に応答して、実質的に一定である、項目9に記載のカウンタバランスアーム。
(項目11)
前記第1の回転伝達装置と前記第2の回転伝達装置との間の直線距離は、前記第2のリンクの前記枢動に応答して変動し、前記ケーブルパス長および前記第1の圧縮ばねの前記圧縮を修正する、項目9に記載のカウンタバランスアーム。
(項目12)
前記第1の回転伝達装置、前記第2の回転伝達装置、および前記第3の回転伝達装置は、スプロケット、タイミングギア、またはプーリのうちの1つであり、
張力機構は、それぞれ、チェーン、タイミングベルト、またはケーブルのうちの1つである、
項目9に記載のカウンタバランスアーム。
(項目13)
ロボットアームを支持するセットアップアームであって、
支持構造に連結する第1のセットアップ接合部であって、それに回転可能に連結される第1のプーリを有する、第1のセットアップ接合部と、
該第1のセットアップ接合部から離れて位置する第2のセットアップ接合部であって、それに支持を提供するためにロボットアームに連結される、第2のセットアップ接合部と、
第1の枢動点において該第1のセットアップ接合部と、第2の枢動点において該第2のセットアップ接合部とに枢動的に連結され、該第2のセットアップ接合部における荷重を平衡化する、カウンタバランスリンクであって、該カウンタバランスリンクは、
第1の端部において第1の開口を有する円筒形空洞を有する中空筐体と、
該中空筐体に回転可能に連結される第2のプーリと、
該筐体に連結される第1の端部を有する、該円筒形空洞内の第1の圧縮ばねであって、該第2のセットアップ接合部における該荷重の力を平衡化するために圧縮されている、第1の圧縮ばねと、
該カウンタバランスリンクと該第1のセットアップ接合部との間の該第1の枢動点に中心点を有する第3のプーリであって、該第1、第2、および第3のプーリの中心点位置は、三角形の頂点である、第3のプーリと、
を含む、カウンタバランスリンクと、
該円筒形空洞の中に向けて該第2のプーリに巻きつけられ、該第1の圧縮ばねの第2の端部に連結される、張力下にある少なくとも1つのケーブルであって、該第1および第3のプーリにさらに巻きつけられ、該セットアップアームに連結される、張力下にある少なくとも1つのケーブルと、
を備える、セットアップアーム。
(項目14)
前記第1、第2、および第3のプーリの前記中心点位置によって形成される前記三角形は、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの張力を修正するために、前記第1のセットアップ接合部に対する前記カウンタバランスリンクの枢動に応答して、調整可能である、項目13に記載のセットアップアーム。
(項目15)
前記第1、第2および第3のプーリの周囲の前記1つ以上のケーブルの接触角の合計は、前記第1のセットアップ接合部に対する前記カウンタバランスリンクの前記枢動に応答して、実質的に一定であり、
該第1のプーリと該第2のプーリとの間の直線距離は、該第1のセットアップ接合部に対する該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して変動し、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの前記張力を修正し、該カウンタバランスリンクの該枢動および前記第2のセットアップ接合部における前記荷重による、該カウンタバランスリンクと該第1のセットアップ接合部との間の前記枢動点におけるモーメントおよび機械的倍率の変化を平衡化する、
項目14に記載のセットアップアーム。
(項目16)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、前記カウンタバランスリンク、前記第1のセットアップ接合部、または前記第2のセットアップ接合部に連結することによって、前記セットアップアームに連結される、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目17)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、前記カウンタバランスリンクに連結されるポストに巻き付くことによって、前記セットアップアームに連結され、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルは、前記第1、第2、および第3のプーリに2回巻きつけられ、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルは、前記第1の圧縮ばねの前記第2の端部に連結される一対の端部を有する、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目18)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、張力下にある複数のケーブルであり、そのそれぞれは、前記第1の圧縮ばねの圧縮によって生成される全張力を分担するために実質的に同じ張力を有する、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目19)
前記中空筐体は、第1の対角線状にカットされた端部と、該第1の対角線状にカットされた端部とは反対側の第2の対角線状にカットされた端部とを有し、該第1の対角線状にカットされた端部および該第2の対角線状にカットされた端部は、それぞれ、前記第1のセットアップ接合部および前記第2のセットアップ接合部のまわりの前記カウンタバランスリンクの動きを増大させる、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目20)
前記第1、第2、および第3のプーリのそれぞれは、実質的に同じ直径を有する、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目21)
前記第1のプーリと前記第2のプーリとの間の第1の直線距離は、前記第1のセットアップ接合部による前記第1の枢動点における前記カウンタバランスリンクの枢動に応答して変動し、
該第1のプーリと前記第3のプーリとの間の第2の直線距離は、該第1のセットアップ接合部による該第1の枢動点における該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して一定を保ち、
該第2のプーリと該第3のプーリとの間の第3の直線距離は、該第1のセットアップ接合部による該第1の枢動点における該カウンタバランスリンクの該枢動に応答して一定を保つ、
項目20に記載のセットアップアーム。
(項目22)
前記カウンタバランスリンクは、該カウンタバランスリンクの剛性を増加するために、前記第1の端部で前記円筒形空洞を閉鎖するために前記第1の開口内に連結されるプラグをさらに含む、
項目13に記載のセットアップアーム。
(項目23)
前記カウンタバランスリンクに対して実質的に平行となるように、第3の枢動点で前記第1のセットアップ接合部と、第4の枢動点で前記第2のセットアップ接合部とに、枢動的に連結されるアイドルリンクであって、該第1のセットアップ接合部と該第2のセットアップ接合部との間の前記セットアップアームの剛性と、該セットアップアームの耐荷重能力とを増加させる、アイドルリンクをさらに備える、
項目22に記載のセットアップアーム。
(項目24)
前記第1のセットアップ接合部は、前記第1および前記第3の枢動点でそれぞれ前記アイドルリンクおよびカウンタバランスリンクに連結される、第1のブラケットを有し、該第1のブラケットは、該第1のセットアップ接合部が第1の軸のまわりに回転できるようにし、
前記第2のセットアップ接合部は、前記第2および前記第4の枢動点でそれぞれ該アイドルリンクおよびカウンタバランスリンクに連結される、第2のブラケットを有し、該第2のブラケットは、該第2のセットアップ接合部が第2の軸のまわりに回転できるようにする、
項目23に記載のセットアップアーム。
(項目25)
前記アイドルリンクおよび前記カウンタバランスリンクは、平行リンクであり、
前記第1および第3の枢動点、ならびに前記第2および第4の枢動点は、該平行リンクの捩り剛性を増加させるために、該アイドルリンクの前記筐体および該カウンタバランスリンクの前記筐体によって相隔てられている、
項目23に記載のセットアップアーム。
(項目26)
前記カウンタバランスリンクは、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルを前記第1の圧縮ばねの前記第2の端部に連結する、クランプ機構をさらに含む、
項目25に記載のセットアップアーム。
(項目27)
前記クランプ機構は、
前記第1の圧縮ばねの中心開口内にあり、かつそれに対して同軸であるリボナイザであって、1つの端部に一対のスロットを有する、リボナイザと、
該リボナイザの該一対のスロット内に連結されるクランプブロックであって、張力下にある前記少なくとも1つのケーブルを該第1の圧縮ばねに連結する、クランプブロックと、
を含む
項目26に記載のセットアップアーム。
(項目28)
前記クランプ機構は、
前記圧縮ばねと同軸である、前記リボナイザの周囲のねじ切りされたスリーブであって、該ねじ切りされたスリーブは外部ねじ山を有し、該ねじ切りされたスリーブの1つの端部は、該リボナイザの隆起部に連結される、ねじ切りされたスリーブと、
該ねじ切りされたスリーブの該外部ねじ山とねじによって係合される、内部ねじ山を有するナットであって、該プレテンション式のナットは張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの張力を調整する、ナットと、
該ねじ切りされたスリーブ上の嵌合リングであって、該ナットから力を受けてそれを、張力下にある該少なくとも1つのケーブルの該張力を調整するために前記第1の圧縮ばねに連結する、嵌合リングと、
をさらに含む、
項目27に記載のセットアップアーム。
(項目29)
前記クランプ機構は、
前記ねじ切りされたスリーブの上にある、前記ナットと前記嵌合リングと間に連結されるスラスト軸受であって、該ナットから力を受けてそれを該嵌合リングに連結する、スラスト軸受をさらに含む、
項目28に記載のセットアップアーム。
(項目30)
前記クランプ機構は、
前記クランプブロック上に開口を有し、かつ前記リボナイザに連結される回転防止プレートであって、前記ナットが回転されるときに、該リボナイザ、前記ねじ切りされたスリーブ、および該クランプブロックが回転することを阻止するために、前記空洞内の1つ以上の凹部に連結される1つ以上の突起部を有する回転防止プレートをさらに含む、
項目29に記載のセットアップアーム。
(項目31)
前記クランプ機構は、
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルの少なくとも1つの端部と前記クランプブロックとの間に連結される、1つ以上のケーブルテンショナであって、張力下にある該少なくとも1つのケーブルに事前に張力を加える、1つ以上のケーブルテンショナをさらに含み、
該1つ以上のケーブルテンショナのそれぞれは、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルの上にある第2の圧縮ばねと、
張力下にある該少なくとも1つのケーブルに、その端部の近傍で連結される、ケーブルターミネータと、を含む、
項目27に記載のセットアップアーム。
(項目32)
張力下にある前記少なくとも1つのケーブルは、張力下にある複数のケーブルであり、前記クランプブロックは、
積層された複数のクランププレートであって、該複数のクランププレートのそれぞれは、第1の開口と、該第1の開口から離れて位置する第2の開口と、張力下にある該複数のケーブルの少なくとも1つのケーブルセグメントを捕捉するための、少なくとも1つの溝とを有する、積層された複数のクランププレートと、
該複数のクランププレートのそれぞれの、該第1の開口に挿入される第1の締結具と、
該複数のクランププレートのそれぞれの、該第2の開口に挿入される第2の締結具と、を含み、
該第1の締結具および該第2の締結具は、該複数のクランププレートをケーブルセグメントの周囲でともに圧迫して、十分な力でその上に締め付ける、
項目27に記載のセットアップアーム。
(項目33)
前記複数のクランププレートは、
上部側に少なくとも1つの溝を有する第1の外部クランププレートと、
該第1の外部クランププレートの上にある1つ以上の内部クランププレートであって、該1つ以上の内部クランププレートのそれぞれは、上部側に少なくとも1つの第1の溝と、底部側に少なくとも1つの第2の溝とを有し、1つの内部クランププレートは、該第1の外部クランププレートの該少なくとも1つの溝の上に整合される、その少なくとも1つの第2の溝を有する、1つ以上の内部クランププレートと、
底部側に少なくとも1つの溝を有する第2の外部クランププレートであって、該第2の外部クランププレートの該少なくとも1つの溝は、1つの内部クランププレートの該少なくとも1つの第1の溝の上に整合される、第2の外部クランププレートと、
を含む、
項目32に記載のセットアップアーム。
(項目34)
前記複数のケーブルは、実質的に同じ直径を有し、
前記複数のクランププレートの前記少なくとも1つの溝のそれぞれの深さは、該複数のケーブルの該直径の半分未満である、
項目33に記載のセットアップアーム。
(項目35)
前記第1の外部クランププレートの前記第1および前記第2の開口は、前記複数のクランププレートを前記ケーブルセグメントのまわりでともに圧迫して、十分な力でその上に締め付けるために、前記第1の締結具および前記第2の締結具とそれぞれねじによって連結するようにねじ切りされている、項目33に記載のセットアップアーム。
(項目36)
前記第1の外部クランププレートの前記第1の開口は、前記第1の締結具とねじによって連結するように、ねじ切りされており、
前記第2の外部クランププレートの前記第2の開口は、前記第2の締結具とねじによって連結するように、ねじ切りされており、
前記第1の締結具および前記第2の締結具は、両側から、前記複数のクランププレートを前記ケーブルセグメントのまわりでともに圧迫して、十分な力でその上に締め付ける、
項目33に記載のセットアップアーム。
(項目37)
張力下にある前記複数のケーブルは、実質的に互いに平行に経路設定され、
前記複数のクランププレートのそれぞれの前記少なくとも1つの溝は、張力下にある前記複数のケーブルのケーブルセグメントを捕捉するために、実質的に平行な一対の溝である、
項目32に記載のセットアップアーム。
(項目38)
ロボット外科手術システムのセットアップアームのための方法であって、
荷重を支持するための平衡化機構を有するリンケージ構造を平衡化するステップと、
該リンケージ構造のリンクの端部における該荷重による、枢動点におけるモーメントを変化させるように、該リンケージ構造を動かすステップと、
該モーメントの変動を平衡化するために、ばねを圧縮または減圧縮して、1つ以上のケーブルの張力をそれぞれ増加または減少するように、該平衡化機構の複数のプーリ上の1つ以上のケーブルのパス長を変更するステップと、
を包含する、方法。
(項目39)
前記平衡化するステップは、
前記荷重を支持するように、前記リンケージ構造のばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の前記1つ以上のケーブルに、張力を加えるステップを含む、
項目38に記載の方法。
(項目40)
前記1つ以上のケーブルは、複数のケーブルであり、
前記平衡化するステップは、
前記荷重を支持するように、前記リンケージ構造のばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の該複数のケーブルに張力を加えるステップであって、該複数のケーブルのそれぞれは、実質的に平等に荷重を分担する、ステップを含む、
項目38に記載の方法。
(項目41)
前記平衡化するステップは、
張力を加える前に、それぞれにおける初期張力を実質的に平等化するために、前記リンケージ構造の前記ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の複数のケーブルの各ケーブルに、独立に事前に張力を加えるステップ、をさらに含む、
項目40に記載の方法。
(項目42)
前記複数のプーリ上の前記1つ以上のケーブルのケーブル長を調整した後に、前記リンケージ構造の動きを阻止するために接合部ブレーキを適用するステップ、をさらに包含する、
項目38に記載の方法。
(項目43)
前記リンケージ構造を前記動かすステップは、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の機械的倍率をさらに変化させる、
項目38に記載の方法であって、該方法は、
該機械的倍率の変動を平衡化するために、該ばねを圧縮または減圧縮して、前記1つ以上のケーブルの張力を増加または減少させるように、該ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構の前記複数のプーリ上の1つ以上のケーブルの前記パス長を変更するステップ、をさらに包含する、
方法。
(項目44)
前記リンケージ構造は、平行四辺形のリンケージ構造であり、前記平衡化機構は、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構である、項目38に記載の方法。
以下の図面は、詳細な説明を参照しながら読まれるべきである。異なる図面における同様の数字は、同様の要素を示す。図面は、必ずしも縮尺通りに記載されているとは限らず、本発明の実施形態を図解的に説明するものであり、本発明の範囲を限定することを意図していない。
本発明の実施形態の以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解を提供するために、数多くの特定の詳細が述べられる。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細がなくとも実施可能であることが、当業者には明らかである。その他の例においては、本発明の実施形態の局面を不必要に不明瞭にしないために、周知の方法、手順、構成要素、および要素は詳細には記載されていない。
本発明の一実施形態において、ロボットアームを支持するためのセットアップアームが提供される。セットアップアームは、支持構造に連結するための第1のセットアップ接合部、ロボットアームに連結されてそれに支持を提供する第2のセットアップ接合部、第1のセットアップ接合部と第2のセットアップ接合部との間に枢動的に連結されるアイドルリンク、第1のセットアップ接合部と第2のセットアップ接合部との間に連結されるカウンタバランスリンク、カウンタバランスリンクと第1のセットアップ接合部との間でカウンタバランスリンクに連結される第3のプーリ、および、第1、第2、および第3のプーリに巻きつけられ、セットアップアームに連結される、張力下にある少なくとも1つのケーブルを含む。第1のプーリ、第2のプーリ、および第3のプーリの中心点は三角形を形成する。第1のセットアップ接合部は、それに回転可能に連結される第1のプーリを有するブラケットを有する。カウンタバランスリンクは、第2のセットアップ接合部において重量または荷重の力を平衡化するためのカウンタバランス力を生成する。カウンタバランスリンクは、剛性を増加するために楕円形の開口を形成する対角線状にカットされた第1の端部を有する、円筒形空洞を有する中空筐体を含む。カウンタバランスリンクはさらに、筐体に回転可能に連結される第2のプーリ、筐体に連結されるポスト、および、その第1の端部が筐体に連結される、筐体の円筒形空洞内の第1の圧縮ばねを含む。第1の圧縮ばねは、第2のセットアップ接合部において重量の力を平衡化するために圧縮される。張力下にある少なくとも1つのケーブルは、その端部近傍で第1の圧縮ばねの第2の端部に連結される。
本発明の別の実施形態において、ロボット外科手術システムのセットアップアームのための方法が提供される。該方法は、重量または荷重を支持するために、ばね−ケーブル−プーリ平衡化機構を有するリンケージ構造を平衡化するステップと、重量がリンクの端部に存在するときに、枢動点における重量のモーメントを変化させるためにリンケージ構造を動かすステップと、モーメントの変化を平衡化するために、ばねを圧縮または減圧縮(decompress)して1つ以上のケーブルの張力を増加または減少するために、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構の複数のプーリ上で1つ以上のケーブルのパス長を変更するステップとを含む。
本発明のさらに別の実施形態において、第1のリンクと、第1の枢動点において第1のリンクに枢動的に連結される第2のリンクと、第1の枢動点において第2のリンクと第1のリンクとの間に回転可能に連結される第3のプーリと、第2のリンクに連結され、第3のプーリ、第1のプーリ、および第2のプーリに経路設定されるケーブルとを含む、カウンタバランスアームが提供される。第1のリンクは、第1の端部において支持機構に連結し得る。第1のリンクは、これに回転可能に連結される第1のプーリを有する。第2のリンクは、これに回転可能に連結される第2のプーリを有する。第2のリンクはさらに、これに連結される第1の端部を有する第1の圧縮ばねを有する。ケーブルはさらに、ケーブルに張力を形成するための第1の圧縮ばねの第2の端部に連結され、第2のリンクの端部に加えられる重量を平衡化する。
本発明のさらに別の実施形態において、リンケージ、および、枢動接合部の周囲でリンケージに連結される、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構を含む装置が提供される。リンケージは第1の端部で支持構造に連結し、第2の端部で重量を支持する。ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構は、リンケージの第2の端部における重量を平衡化する。異なるモーメントアーム長を有する重量の高さを鉛直方向に調整するためにリンケージが変形すると、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構は、ケーブルパス長を変化させて、ばねの圧縮およびケーブルの張力を修正し、リンケージに加えられるカウンタバランス力の大きさを調整する。
(天井取り付け型ロボット外科手術システム)
ここで図1を参照すると、例示的なモジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130、プラットフォームリンケージ192、および外科医の操作盤103の斜視図を含む、ロボット外科手術システム100が図示されている。プラットフォームリンケージ192は、一対のブラケット124によって、天井101または頭上の支持構造に連結し得る。モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130は、プラットフォームリンケージ192に摺動的に連結される。
ここで図1を参照すると、例示的なモジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130、プラットフォームリンケージ192、および外科医の操作盤103の斜視図を含む、ロボット外科手術システム100が図示されている。プラットフォームリンケージ192は、一対のブラケット124によって、天井101または頭上の支持構造に連結し得る。モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130は、プラットフォームリンケージ192に摺動的に連結される。
オペレータO(一般的に、外科医)は、モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130およびプラットフォームリンケージ192の下の、手術台T上に横たわる患者に対して低侵襲外科手術の処置を施行する。オペレータOは、外科医の操作盤103において、1つ以上の入力デバイスまたはマスタ102を操作する。外科医の入力に応答して、操作盤103のコンピュータプロセッサ113は、内視鏡外科手術器具またはツール105の動きを指示し、モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130を介して器具のサーボ機構的な動きを実現する。外科手術部位内の画像が、外科医の操作盤103の立体的なディスプレイビューア112によって外科医またはオペレータOに表示され、さらに、アシスタントのディスプレイ104によって、同時にアシスタントAに表示される。アシスタントAは、セットアップリンケージアーム138、140、142、144を使用して、患者Pに対してマニピュレータ132、134を事前に位置設定する、1つ以上の外科手術マニピュレータのツール105を代替的な外科手術用ツールまたは器具と取り替える、および、関連する非ロボット的医療器具および装置、などを操作する、ことについて補助をする。
モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130は、患者側マニピュレータ132または内視鏡カメラマニピュレータ134等のロボットマニピュレータを、患者の体の一組の望ましい外科手術切開部位と整合し、かつ支持する。モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130は、一般的に、配向プラットフォーム136および配向プラットフォーム136に連結可能な複数の設定可能なセットアップ接合部アーム138、140、142、144を含む。各アーム138、140、142、144は、関連するマニピュレータ132、134を可動的に支持し、これらマニピュレータはさらに、関連する器具を可動的に支持する。この記述は単なる例示を目的としたものであって、モジュール式マニピュレータ支持アセンブリ130の実際の形状、サイズ、または寸法を必ずしも反映するものではないことが理解される。これは、以降に記載される全ての記述にも適用される。
一般的に、アームまたはリンケージ138、140、142、144は、システム100の位置決めリンケージまたはセットアップアーム部分を備え、一般的には、組織を処置しているあいだには、固定された構成のままで維持され、マニピュレータ132、134は、外科医の操作盤103の指示の下で、アクティブに形作られる駆動部分を備える。マニピュレータ132、134は、マスタ/スレーブ組織操作のために主に使用され、その一方で、セットアップアーム138、140、142、144は、患者、手術台、切開点、などの再位置決めを行うときに、使用前にマニピュレータ132、134を位置決めおよび/または構成するために使用される。
用語の便宜上、外科手術ツール195を用いて組織に作用するマニピュレータ132は、PSM(患者側マニピュレータ)と称されることがあり、内視鏡111のような画像捕捉またはデータ取得装置を制御する134のようなマニピュレータは、ECM(内視鏡カメラマニピュレータ)と称されることがあるが、こうした遠隔外科手術ロボットマニピュレータは、外科手術で有用な幅広い種類の器具、ツール、および装置を任意に作動、操作、ならびに制御し得ることが、留意される。
配向プラットフォーム136は、一般的に、関連する患者側マニピュレータ132を可動的に支持するための複数のセットアップ接合部アームSJA1 140、SJA2 142、およびSJX 144を支持する。一般的には、各アームは、患者側マニピュレータの3次元(x、y、z)の平行移動、および患者側マニピュレータの1つの鉛直方向軸まわり(方位角)の回転に対応する。一般的に、セットアップ接合部アーム140、142、および144は、ロボット外科手術用アームまたは患者側マニピュレータ(PSM)を支持する。右および左の外科医コントロール102の一方または両方は、ロボット外科手術用アームまたはセットアップ接合部アーム140、142、および144に連結される患者側マニピュレータを柔軟に駆動し得る。外科医Oは、フットペダルの使用等によって、彼がマスタコントロール102で制御しているアームの選択および切り替えを行い得る。
配向プラットフォーム136は、さらに、内視鏡カメラマニピュレータ134を可動的に支持するための、1つのセットアップ接合部中心アーム138(SJC)を支持する。セットアップアーム138、140、142、144は、器具マニピュレータ132またはカメラマニピュレータ134を交換可能に支持および位置決めし得ることが理解される。個々に位置決め可能なセットアップアーム138、140、142、144、および関連するマニピュレータ132、134を支持するための配向プラットフォーム136の使用は、利点として、相対的に縮小された小型サイズの単純化された単一支持ユニットをもたらす。例えば、単一配向プラットフォーム136は、しばしば、わかりにくく煩雑でもある、各セットアップアーム138、140、142、144を取り付けベースに個別に配置および取り付ける必要性を排除し得る。これによって、より速やかでより容易なセットアップが実現される。
配向プラットフォーム136は、さらに、ディスプレイ104を含み得る。ディスプレイ104は、セットアップの目的、器具の変更、および/またはスタッフが手順を視認するために使用され得る。ディスプレイ104は、スタッフが望ましい方向でモニタを視認できるように、好適にも平行四辺形のリンケージ106によって配向プラットフォーム136に調整可能に取り付けられる。
プラットフォームリンケージ192は、5番目のハブ190において配向プラットフォーム136を可動的に支持する。すなわち、5番目のハブ190は、プラットフォームリンケージ192に連結可能である。5番目のハブ190は、セットアップ接合部の中心アーム138の枢動点と整合し得、これは、好適にも、内視鏡のその切開部位と一致する。5番目のハブ190は、図1の矢印SJC1によって示されるように、鉛直方向軸を中心として配向プラットフォーム136を回転させる。外科手術切開部位と整合された内視鏡マニピュレータ134の枢動点を中心として配向プラットフォーム136が回転することは、有用にも、外科手術手順を施行する方向での配向プラットフォーム136および関連するセットアップアーム138、140、142、144の操作性の向上を可能にする。これは、マニピュレータ132、134の位置決めが、5番目のハブ190のまわりに配向プラットフォーム136を回転するだけで手術中に変更できるために、複雑な外科手術中において特に利点を有する。一般的には、器具は、安全のために、回転前に待避される。配向プラットフォーム136のわずかな回転または手術台の傾斜に対して、低摩擦平衡化アーム140、142、144は、移動中にカニューレに取り付けられ、切開部位からの力によって押されるあいだは、浮動され得る。
プラットフォームリンケージ192は、5番目のハブ190において配向プラットフォーム136を可動的に支持する。すなわち、5番目のハブ190は、プラットフォームリンケージ192に連結可能である。5番目のハブ190は、セットアップ接合部の中心アーム138の枢動点と整合し得、これは、好適にも、内視鏡のその切開部位と一致する。5番目のハブ190は、図1の矢印SJC1によって示されるように、鉛直方向軸を中心として配向プラットフォーム136を回転させる。外科手術切開部位と整合された内視鏡マニピュレータ134の枢動点を中心として配向プラットフォーム136が回転することは、有用にも、外科手術手順を施行する方向での配向プラットフォーム136および関連するセットアップアーム138、140、142、144の操作性の向上を可能にする。これは、マニピュレータ132、134の位置決めが、5番目のハブ190のまわりに配向プラットフォーム136を回転するだけで手術中に変更できるために、複雑な外科手術中において特に利点を有する。一般的には、器具は、安全のために、回転前に待避される。配向プラットフォーム136のわずかな回転または手術台の傾斜に対して、低摩擦平衡化アーム140、142、144は、移動中にカニューレに取り付けられ、切開部位からの力によって押されるあいだは、浮動され得る。
ハブ190(SJC1)のまわりの配向プラットフォーム136の回転、ハブ(SJA11)のまわりのセットアップ接合部アーム140、142の回転、およびハブのまわりのセットアップ接合部補助アーム144の回転は、好適には、電動であるが、代替案として、手動またはコンピュータで制御であり得る。配向プラットフォーム回転(SJC1)のためのベルトおよびプーリ機構を駆動するモータは、配向プラットフォーム136内にある。配向プラットフォーム136が位置固定できるように、ブレーキシステムがまた含まれ得る。右、左、および補助のセットアップアーム回転(SJA11、SJX1)140、142、144のための、ベルトおよびプーリ機構を駆動するモータがまた、それぞれ、配向プラットフォーム136内に含まれ得る。
プラットフォームリンケージ192は、一般的に、直線レール108、レール108と連結可能な摺動可能キャリッジ110、および、近位端部114でキャリッジ110と、遠位端部116でハブ190を介して配向プラットフォーム136と、回転可能に連結可能な少なくとも1つのアーム112を含む。プラットフォームリンケージ192は、配向プラットフォーム136の3次元(x、y、z)の平行移動を提供することによって、有用にもモジュール式マニピュレータ支持130の操作性を向上させる。略水平方向の配向プラットフォームの動きが、矢印OP1によって示される。また、略鉛直方向の配向プラットフォームの動きが、矢印OP2によって示される。紙面の内外方向の配向プラットフォームの動きは、矢印OP3に示されるように、接合部120の回転運動によって連動される。プラットフォームリンケージ192はさらに、矢印SJC1で示されるように、1つの鉛直方向軸のまわりの配向プラットフォーム136の回転を提供する。アーム112は、好適にも、一対の隣接する接合部120、122の間を延伸する4本のバーの平行四辺形のリンケージ118を備える。5番目のハブ190は、配向プラットフォーム136の回転(SJC1)を提供するが、5番目のハブ190がプラットフォームリンケージ192に回転可能に連結可能であり、その結果として、プラットフォームリンケージが配向プラットフォームの枢動の動きを提供するように、システムがまた設計され得ることが理解される。
プラットフォームリンケージ192によって運動範囲を拡大された配向プラットフォーム136は、患者の体の幅広い範囲の切開部位に対するアクセスを可能にする。これは、マニピュレータ132、134が手術中に他の外科手術部位に速やかに再位置決めされるような、複雑で時間のかかる手順を施行するときには、特に有用である。一般的には、安全のために、配向プラットフォーム136の平行移動または回転の前に、器具は待避される。プラットフォームリンケージ192は、好適には、電動であるが、代替案として手動またはコンピュータ制御であり得る。プーリおよびベルト機構を駆動するために、モータがプラットフォームリンケージ192または配向プラットフォーム136内に配置され得る。プラットフォームリンケージ192が位置固定できるように、ブレーキシステムがまた、含まれ得る。
プラットフォームリンケージ192は、ボルトおよびブラケット124または他の従来の締結具装置を介して、取り付けベース(図示せず)に取り付けられ得る。取り付けベースは、好適にも、マニピュレータ支持アセンブリ192、130がベースから略下方に延伸できるように、天井101に連結可能な天井の高さの支持構造を備える。天井の高さに取り付けられたマニピュレータ支持アセンブリ192、130は、有用にも、手術室の空間利用を向上させ、特に、スタッフおよび/またはその他外科手術装置のために手術台に隣接するスペースを空けさせ、さらに、ロボット装置および床上のケーブルを最小化する。さらに、天井の高さに取り付けられるマニピュレータ支持アセンブリは、処置中のその他の隣接するマニピュレータとの衝突またはスペース競合の可能性を最小限にし、ロボット外科手術システムが使用されないときの保管の便宜を提供する。
「天井の高さの支持構造」という用語は、手術室の天井の上に、隣接して、または内部に配置される支持構造を含み、さらに、特に一般的な手術室の天井よりも高い場合には、実際の天井高さのかなり下に配置される支持構造を含む。取り付けベースは、マニピュレータ支持アセンブリ192、130を、これを壁に向かって引っ張ることによって保管することを可能にする。取り付けベースは、元のままの、または補強された構造的な要素、接合部、または梁などの、既存の構造上の要素を含み得る。さらに、取り付けベースは、振動を防ぐために十分な剛性および硬さのある素材から形成され得る。代替案として、粘性または弾性を有するダンパーのような受動的な手段、あるいはサーボ機構のような能動的な手段が、振動または鉛直方向および/または水平方向の病院建物のフロア間の動きを補償するために使用され得る。
(セットアップ接合部アームおよびロボット外科手術用アーム)
各セットアップ接合部アーム138、140、142、144は、マニピュレータ132、134によって提供される改善された運動範囲のために、簡略化された運動力学を有する。一般的には、アームは、図1のアーム138の矢印SJC3、および図2E、図2Gのアーム140の矢印SJA13によって示されるような略鉛直方向の、固定可能なリンクおよび接合部の平行移動を提供する。アームはまた、2本または3本の鉛直方向軸のまわりの、固定可能なリンクおよび接合部の回転を提供する。
各セットアップ接合部アーム138、140、142、144は、マニピュレータ132、134によって提供される改善された運動範囲のために、簡略化された運動力学を有する。一般的には、アームは、図1のアーム138の矢印SJC3、および図2E、図2Gのアーム140の矢印SJA13によって示されるような略鉛直方向の、固定可能なリンクおよび接合部の平行移動を提供する。アームはまた、2本または3本の鉛直方向軸のまわりの、固定可能なリンクおよび接合部の回転を提供する。
ここで図2A〜図2Hを参照すると、例示的なセットアップ接合部アーム140および患者側マニピュレータ132が示されている。セットアップ接合部アーム140は、その他のセットアップ接合部アーム138、142、144のそれぞれの代表例である。患者側マニピュレータ132は、内視鏡カメラマニピュレータ140の代表例である。患者側ロボットマニピュレータ132を支持するセットアップ接合部アーム140の上面図が、図2A〜図2Bによって示されている。セットアップ接合部アーム140は4自由度(SJA11、SJA12、SJA13、SJA14)を有しており、ここで、SJA11接合部は電動であり、その他の接合部は手動で位置決めされる。図2Cおよび図2Dは、矢印SJA12によって示される、セットアップ接合部アーム140の回転運動を図示する。図2Eおよび図2Fは、矢印SJA13、およびSJA14で示される、セットアップ接合部アーム140の平行移動および回転運動の両方を図示する。左セットアップ接合部アーム142の平行移動および回転の軸(SJA2)は、右セットアップ接合部アーム140のそれ(SJA1)と実質的に同様である。
図2Aに示されるように、矢印SJA11、SJA12、およびSJA14は、セットアップ接合部アーム140の回転接合部260、248、250をそれぞれ示す。左セットアップ接合部アーム142の平行移動および回転の軸(SJA2)は、右セットアップ接合部アーム140のそれ(SJA1)と実質的に同様である。
セットアップ接合部アーム138、140、142、144は、電動、コンピュータ制御、手動の事前設定、またはその組み合わせであり得る。好適にも、セットアップ接合部アーム140の接合部SJA11は電動であり、その一方で、その他の接合部は手動で位置決めされる。モータは、プーリおよびベルト機構を駆動するために、複数の固定可能なリンクまたは配向プラットフォーム内に配置され得る。
セットアップアーム138、140、142、144の固定可能な接合部は、一般的には、アームが適切に展開された後に接合部が固定されるようにするために、ブレーキシステムを含む。図2Aにおいて、ブレーキシステムは、その前に少なくとも実質的に固定された設定に構成された、固定可能なリンク252、258、および接合部248、250の動きを、解放可能な方法で、阻止する。ブレーキシステムは、好適にも、固定された設定に向けてバイアスされ、固定可能なリンク252、258および接合部248、250を、固定可能なリンクおよび接合部が置かれ得る再位置決め設定になるように、解放するためのブレーキ解放アクチュエータを含む。システムはさらに、複数の固定可能なリンク252、258、および接合部248、250をサーボ機構に連結する接合部センサシステムを含み得る。センサシステムは、接合部設定シグナルを生成する。サーボ機構は、コンピュータを含み、接合部センサシステムは、接合部設定シグナルをコンピュータに送信する。コンピュータは、接合部設定シグナルを使用して、取り付けベースに対して固定された基準座標系と器具との間の座標系の変換を計算する。
ここで図1および図2Aを参照すると、マニピュレータ132、134は、マニピュレータベース266が水平に対して一定の角度となるように、機械的な制約を受ける。セットアップ接合部アーム140によって支持されるマニピュレータ132は、約40度から約60度までの範囲で、好適には、約45度から約50度までの範囲で、水平に対して角度的にオフセットされる。セットアップ接合部補助アーム144によって支持されるマニピュレータ132は、0度から約20度までの範囲で、好適には、約15度で、水平に対して角度的にオフセットされる。セットアップ接合部中心アーム138によって支持されるマニピュレータ134は、40度から約90度までの範囲で、好適には、約65度から約70度までの範囲で、水平に対して角度的にオフセットされる。
好適にも、マニピュレータ132、134は、枢動点278のまわりの空間での、器具の球状の枢動を制約するために、オフセットリモート中心リンケージを備え、セットアップ接合部アーム138、140、142、144の固定可能なリンクおよび接合部の作動が、枢動点を移動させる。上述のように、ロボット外科手術システムの全体的な複雑さは、システムの運動範囲の向上によって低減され得る。具体的には、セットアップ接合部アーム138、140、142、144の自由度の数が、低減(例えば、6自由度未満に)され得る。これは、セットアップ接合部アーム138、140、142、144の事前設定がより少なくてすむ、より単純なシステムプラットフォームを可能とする。このようにして、手術室スタッフは、ほとんどまたは全く専門的な訓練を行わずに、外科手術用ロボットシステムを短時間で配置および準備し得る。
セットアップアーム138、140、142、144の機械的な複雑さを低減させる例示的なマニピュレータ132、134が、米国特許出願第10/957,077号においてさらに詳細に記述されており、該特許出願は、本明細書において参考として援用される。
図2Aにおいて、オフセットリモート中心マニピュレータ132は、一般的に、マニピュレータベース266、平行四辺形のリンケージベース268、複数の駆動リンクおよび接合部270、272、ならびに器具ホルダ274を含む。マニピュレータベース266は、ヨー軸としても公知の、第1の軸のまわりに回転するように平行四辺形のリンケージベース268に回転可能に連結される。平行四辺形のリンケージベース268は、回転枢動接合部によってともに連結される剛性リンク270、272によって、器具ホルダ274に連結される。駆動リンクおよび接合部270、272は、平行四辺形を画定し、器具が器具ホルダ274に取り付けられ、シャフトが挿入軸に沿って動かされるときに、器具の細長いシャフトまたはカニューレ276を、回転中心(枢動点とも称される)278に関して制約する。第1の軸および平行四辺形のリンケージベース268に隣接する平行四辺形の第1の辺は、回転中心278でシャフトと交差し、平行四辺形の第1の辺は、第1の軸から角度的にオフセットされる。
外科手術マニピュレータ132、134のマニピュレータベース266は、セットアップアーム138、140、142、144によって、一定の仰角で取り付けおよび支持される。本実施形態のマニピュレータベース266は、ねじまたはボルトによって、セットアップアーム138、140、142、144のマニピュレータベース支持280に固定される。例示的なセットアップアーム138、140、142、144は、リモート中心マニピュレータ132、134の形状に適したマニピュレータベース支持280を有するが、マニピュレータベース支持280は、その他の遠隔外科手術マニピュレータに適した種々の代替的な支持構成をとり得る。例えば、マニピュレータベース支持は、さらなる代替的なリモート中心マニピュレータ、自然中心マニピュレータ、コンピュータによる中心マニピュレータ、ソフトウェア中心マニピュレータ、およびこれらの機能的な原理の組み合わせを採用するマニピュレータを支持するように構成され得る。さらに、上述したように、セットアップアーム138、140、142、144のマニピュレータベース支持280は、器具132またはカメラ134のマニピュレータを交換可能に支持および位置決めし得る。
操作時において、一般的には値を事前設定するために、電動接合部位置SJA11が設定されると、ユーザは、患者側マニピュレータの各リモート中心を各切開部位と整合するだけでよい。これは、各患者側マニピュレータを切開部位内に既に位置決めされている関連するカニューレに取り付けることによって行われ得る。これは、冗長性が残されないように、セットアップ接合部位置を自動的に設定する。これら3つの接合部の低摩擦および平衡化が、患者側マニピュレータを浮動させることを可能とし、その結果として、各マニピュレータは、有用にも単一点においてこれを保持することによって制御され得る。電動の接合部を異なる位置に設定することは、カニューレを取り付けた後の患者側マニピュレータに対して異なる方位角をもたらす。換言すると、冗長な電動の接合部の機能が、患者側マニピュレータを、別の患者側マニピュレータまたは内視鏡マニピュレータに対してより遠ざけたり、またはより近づけたりすることを可能にする。代替案として、カニューレが取り付けられた後に、セットアップ接合部ブレーキが解放され、カニューレが切開部位に保持されているあいだに、モータを作動させることによって方位角が調整され得る。
(小型のカウンタバランス機構)
セットアップ接合部アーム138、140、142、144のそれぞれは、事前構成可能な固定可能なリンクおよび接合部を、解放可能に画定する。各セットアップ接合部アーム138、140、142、144は、一対の隣接する固定可能な回転接合部248、250の間に延伸する、少なくとも1つの平衡化された、固定可能な、接合された平行四辺形のリンケージ構造246を含む。セットアップ接合部アーム138、140、142、144は、重量、引張ばね、ガスばね、引張ばね、捩りばね、圧縮ばね、空気または油圧シリンダ、トルクモータ、またはその組み合わせを含む、種々の機構によって平衡化され得る。好適な本発明の実施形態において、小型のカウンタバランス機構が、患者側マニピュレータ132および内視鏡カメラマニピュレータ134などのセットアップ接合部アームならびにロボット外科手術用アームの重量を平衡化するために提供される。患者側マニピュレータ132の端部におけるツールまたは器具105の変更は、一般的には、ツールまたは器具の重量が通常はわずかであるために、カウンタバランス機構に影響を与えない。
セットアップ接合部アーム138、140、142、144のそれぞれは、事前構成可能な固定可能なリンクおよび接合部を、解放可能に画定する。各セットアップ接合部アーム138、140、142、144は、一対の隣接する固定可能な回転接合部248、250の間に延伸する、少なくとも1つの平衡化された、固定可能な、接合された平行四辺形のリンケージ構造246を含む。セットアップ接合部アーム138、140、142、144は、重量、引張ばね、ガスばね、引張ばね、捩りばね、圧縮ばね、空気または油圧シリンダ、トルクモータ、またはその組み合わせを含む、種々の機構によって平衡化され得る。好適な本発明の実施形態において、小型のカウンタバランス機構が、患者側マニピュレータ132および内視鏡カメラマニピュレータ134などのセットアップ接合部アームならびにロボット外科手術用アームの重量を平衡化するために提供される。患者側マニピュレータ132の端部におけるツールまたは器具105の変更は、一般的には、ツールまたは器具の重量が通常はわずかであるために、カウンタバランス機構に影響を与えない。
図2Aに示されるように、セットアップ接合部アーム140は、一対の隣接する固定可能な回転接合部248、250の間を延伸する、平衡化された、固定可能な、接合された平行四辺形リンケージ構造246を含む。接合された平行四辺形のリンケージ構造246は、略鉛直方向の動きを提供し、隣接する回転接合部248、250は、鉛直方向軸SJA12、SJA14のまわりの枢動的な動きを提供する。任意のまたは全ての回転軸の代わりに、1つ以上の直線状または湾曲した摺動軸が使用され得る。セットアップ接合部アームの平行四辺形のリンケージ構造のそれぞれは、平行四辺形のリンケージ構造246と概ね同様の構造を有し得、本例では、平行リンク252(上部リンクまたはアイドルリンク291および水平またはカウンタバランスリンク292を含む)、近位ブラケット254、および遠位ブラケット256を備える。近位ブラケット254および遠位ブラケット256はまた、それぞれ平行リンク252の近位端部および遠位端部と称され得る。
平行リンク252は、鉛直方向の平面の平行四辺形の構成に、近位および遠位ブラケット254、256にそれぞれ枢動的に接合される。これは、鉛直方向の面内における平行リンク252の枢動の動きを可能にし、その一方で、平行四辺形のリンケージ構造246が変形または形状を変える際に、ブラケット254、256を相互に実質的に平行を保つように拘束する。上述したように、回転セットアップ接合部248、250、およびそのそれぞれのブラケット254、256は、それぞれ鉛直方向軸SJA12、SJA14のまわりの枢動的な動きを提供する。かくして、平行リンク252およびブラケット254は、セットアップ接合部248およびその軸SJA12のまわりを水平面内で枢動し得る。
図2C〜図2Dに示されるように、平行リンク252は、ブラケット254と256との間に、これらに枢動可能に連結される上部リンクまたはアイドルリンク291、ならびに水平リンクまたはカウンタバランスリンク292を含む。アイドルリンク291、カウンタバランスリンク292、およびブラケット254、256は、平行四辺形のリンケージ構造246を形成する。ブラケット256、回転接合部250、およびマニピュレータ132は、図2Eおよび図2Gの矢印SJA13で示されるように、ブラケット254および回転接合部248に対して鉛直方向に移動し得る。
図3は、アイドルリンク291、カウンタバランスリンク292、近位ブラケット254、および遠位ブラケット256を含む、平行四辺形リンケージ構造246の右側の拡大斜視図を示す。図3に示されるように、アイドルリンク291は、枢動接合部301で近位ブラケット254に、および枢動接合部302で遠位ブラケット256に、枢動可能に連結される。カウンタバランスリンク292は、枢動接合部311で近位ブラケット254に、および枢動接合部312で遠位ブラケット256に枢動可能に連結される。枢動接合部301、311、302、312は、平行四辺形のリンケージ構造246の角に配置される。
図4は、セットアップ接合部アーム140の平行四辺形のリンケージ構造246の、左側の拡大斜視図を示す。本発明の一実施形態において、セットアップ接合部アーム140は、接合部260を介して天井の高さの支持構造に連結される。
ブラケット254とアイドルリンク291との間の接合部301において、セットアップ接合部アーム140は、平行四辺形のリンケージ構造246の位置を計測するための電位差計401を含む。ブラケット254とカウンタバランスリンク292との間の接合部311において、セットアップ接合部アーム140は、セットアップ接合部ブレーキ411を含む。係合されると、接合部311におけるセットアップ接合部ブレーキ411は、平行四辺形のリンケージ構造246の位置を保持し得る。
図5は、アイドルリンク291、カウンタバランスリンク292、近位ブラケット254、および遠位ブラケット256を含む、平行四辺形のリンケージ構造246の切り欠き断面図を示す。カウンタバランスリンク292は、枢動接合部311の周囲で概して動作する、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構500の実質的な部分を含む。
ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構500は、複数のプーリ502〜504に巻きつけられ、圧縮可能なばねアセンブリ602によって張力を加えられる、セットアップアームに連結される1つ以上のケーブル501を含む。1つ以上のケーブル501は、セットアップ接合部またはカウンタバランスリンク292に連結することによって、セットアップアームに連結し得る。本発明の一実施形態において、1つ以上のケーブル501は、複数のプーリ502〜504に一方向に巻き付き、カウンタバランスリンクに連結するためにピンまたはポスト505に巻き付き、次いで、ルートバックしてプーリ502〜504に反対方向に巻きつく、セグメントを有し得る。ピンまたはポスト505の周囲にこのようにして1つ以上のケーブルを巻きつけることは、単一ケーブルのセグメントを、冗長な一対のケーブルと同様に作用させるための便利な方法である。代替案として、1つ以上のケーブルのそれぞれの1つの端部は、ピンまたはポスト505にクランプされ得、あるいは、一部のその他の連結機構によってセットアップアーム、カウンタバランスリンク292、またはセットアップ接合部の1つに連結され得る。1つ以上のケーブル501のそれぞれの少なくとも1つの端部は、圧縮可能なばねアセンブリ602の圧縮ばね515の端部にクランプされる。
本発明の一実施形態において、圧縮ばね515は、コイルばねである。圧縮ばねは、本発明のいくつかの実施形態において、引張ばねよりも安全であると考えられる。引張ばねが破損する場合には、端部は飛散し、何らかの重量と釣り合うためのいかなる負荷をも提供できない。反対に、圧縮コイルばねが破損する場合には、破損点におけるコイルは、わずかに移動して、ばねの隣のコイル上に留まる。このわずかな動きは、小さな量(例えば、5〜10%)だけ荷重を変更し得、これは、コイルの間の間隔に、ばね定数を掛け算することによって計算され得る。
本発明の一実施形態において、ポスト505の上に巻きついてUターンをする、4つの張力を受けているケーブル501が存在し、その結果として、8つのケーブルセグメントがばね515の端部に連結される。本発明の一実施形態において、8つのケーブルセグメントの全体に対して約480ポンドの張力が存在し、セグメントそれぞれが、60ポンドの張力を実質的に分担する。
本発明の一実施形態において、複数のプーリ502〜504は等しい直径を有する。プーリ502〜504のそれぞれ、およびポスト505は、1つ以上のトラックを含み得、1つ以上のケーブル501がそのトラックに巻きつけられ、誘導されて、実質的にその整合を維持する。プーリ504は、枢動接合部においてシャフトと連結する枢動接合部311と同心である。1つ以上のケーブル501をこれに巻きつけると、プーリ504は、カウンタバランスリンク292に対して回転しない。しかしながら、カウンタバランスリンク292よびプーリ504は、ブラケット254に対して枢動接合部311のまわりに共に回転する。プーリ503は、ブラケット254に連結される調整可能なマウント513に回転可能に連結される。調整可能なマウント513は、プーリ503の位置を調整し、かつ、さらにセットアップおよび保守中にケーブル501およびばね515の張力を調整するために、ブラケット254内で摺動し得る。三角形の辺の1つ(以下に記載する理論にでは、辺aまたは辺b)の長さの変更は、ばね定数または平衡化される重量の大きさの変化に対してカウンタバランス機構を調整する。しかしながら、調整可能なマウント513は、動作期間のあいだは適所に強固に固定され、その結果として、調整可能なマウント513に回転可能に連結されるプーリ503の位置は変化しない。プーリ502は、リンク292の筐体に回転可能に連結され、従って、枢動接合部311のまわりにリンクと共に枢動する。プーリ502〜504の中心点または中心点位置は、三角形の角すなわち頂点である。
ここで図6A〜図6Bを参照すると、異なる位置におけるカウンタバランスリンク292およびカウンタバランス機構500の拡大された切り欠き部分図が示されている。リンク292は、圧縮可能なばねアセンブリ602を受容するための円筒形空洞611を有する中空筐体601を含む。本発明の一実施形態において、円筒形空洞611は、円形の円筒形空洞である。リンク292の中に圧縮可能なばねアセンブリ602を含むことは、より小型のカウンタバランス機構に寄与する。リンク292の筐体601は、斜めのまたは対角線状にカットされた端部603を有し、リンクの強度を維持しながらブラケット256および接合部250に対する動きを可能にする。斜めの端部603はまた、空洞611への楕円形の開口を提供し、これを通ってばねアセンブリ602が組み立てられ得る。リンク292の筐体601はまた、反対側の斜めのまたは対角線状にカットされた端部604を有し、リンクの強度を維持しながらブラケット254および接合部248に対する動きを可能にする。
医療用またはロボット外科手術システムのような一部の用途において、実質的に固体の支持構造を提供できるように、平行四辺形のリンケージ構造を剛にすることが望ましい。これは、ロボットアームの動きからのような、動きによって励起され得る望ましくない振動を防止するうえで有益である。一時的に図5を参照すると、1つの端部の枢動接合部301、311と、反対側の端部の枢動接合部302、312とは、リンク291、292の筐体に関して広く離れて位置するように配置されている。すなわち、アイドルリンクの枢動接合部は、リンクの上部外側の近くに配置され、カウンタバランスリンクの枢動接合部は、リンクの底部外側の近くに配置されている。これは、それぞれブラケット254、256に沿った、平行四辺形のリンケージ構造の左辺および右辺を長くする。ブラケットに沿った平行四辺形のリンケージ構造の辺の剛性は、枢動接合部301、311と枢動接合部302、312との間の離間距離の二乗に比例する。リンク292の筐体601の底側は、これを剛にするために比較的強くされ、枢動接合部311〜312の間のリンク292における張力および圧縮に耐える。上部リンク291は、枢動接合部301〜302の間のその筐体の構造を通じて、平行リンク252における張力および圧縮に耐えるさらなる剛性および強度を提供する。
さらに、端部が変形することなく、円形形状のような形に維持される場合には、管は、捩じりに対する剛性を向上し得る。再び図6A〜図6Bを参照すると、筐体601の斜めのまたは対角線状にカットされた端部604における小さな開口621が、1つ以上のケーブル501に円筒形空洞611の中への経路を与える。剛性を最大限にするために、ケーブルが通過する斜めのまたは対角線状にカットされた端部604の小さい開口621は、できるだけ小さくされる。リンク292の反対側の端部603における楕円形の開口において、プラグ613が、空洞611の円筒形の形状を維持するために挿入される。プラグは、一方の側にスリット813(図8を参照)を有する。プラグを壁または空洞611の壁に対して拡張するために、取り付けた後でスリット813は、ねじによって強制的に拡げられる。プラグ613は、楕円形の開口のサイズを、リンク292の端部においてより小さい開口に縮小させ、その捩じり剛性を増大させる。リンク292が最終的に組み立てられると、剛性を最大限にするために、空洞611の端部は、それぞれに小さい開口を残して実質的に閉じられる。
一部の用途においては、リンケージは、それほど剛性を高くしたり、重い荷重を支持したりする必要はなく、その結果として、平行四辺形リンケージ構造の代わりに、連続的なリンケージ構造が採用され得る。この場合、第1のリンクは、直接地面に連結されているか、または地面に間接的に連結されている1つの端部と、第2のリンク、カウンタバランスリンクに枢動的に連結されている反対側の端部とを有し得る。
ばねアセンブリ602は、ばね515と、ケーブルクランプ機構615とを含む。ケーブルクランプ機構はまた、ばねピストンとも呼ばれ得る。ばね515は、1つの端部において筐体601のフランジ614に対して取り付けられ、ケーブルクランプ機構615によって、反対側の端部で1つ以上のケーブル501に連結される。ケーブルクランプ機構615は、クランプスリーブ612と、1つ以上のケーブル端部テンショナ616とを含み得る。ケーブルクランプ機構615のこれらのおよびその他の要素は、図8〜図13を参照して、以下でさらに記載される。
プーリ502〜504は、その中心点または中心点位置が三角形の角となるように、一平面内において実質的に共に整合されている。図6A〜図6Bに図示されているように、プーリ503および504の互いの相対的な位置は、リンク292およびリンケージ構造が動くときに変化しない。プーリ502、504およびポスト502の互いの相対的な位置は、リンク292が動くときに変化しない。したがって、プーリ502〜504の枢動点によって形成される三角形の2つの辺は、長さにおいて変化しない。しかしながら、プーリ502およびポスト505の位置は、プーリ503に対して変化する。プーリ502と503との間の三角形の辺は、リンク292およびリンケージ構造が動くときに、長さを変える。すなわち、プーリ502〜504の枢動点によって形成される三角形は、カウンタバランスリンク292の動きに応答して調整可能である。図6Bに示されるような、カウンタバランスリンクおよび平行四辺形リンケージ構造の水平位置において、プーリ502〜504の枢動点によって形成される調整可能な三角形は、辺の間の少なくとも1つの角の角度が実質的に90度である、直角三角形を形成し得る。
例えば、図6Aで示されるように、リンク292が上方に角度設定されているときの、プーリ502と503との間の直線距離X1を想定する。プーリ502〜503の間の直線距離は、図6Bに示されるように、リンク292が水平であるときには、距離X2に増加する。個々のプーリ502〜504の周囲のケーブル501の接触角も、同様に変化し得る。しかしながら、プーリの周囲の接触角の合計は、ケーブルの端部が互いに対する相対角度を変えないために、一定値のままであり得る。接触角は、ケーブルが接触するプーリの周囲の角度である。接触角はまた、ケーブルセグメントがプーリに接触する円弧状の距離として見なされ得る。例えば、プーリ504に接触するケーブル501の接触角は、図6Aに示されているように、リンク292が上方に角度付けられているときには、第1の角度θ1である。図6Bにおいて、プーリ504に接触するケーブル501の接触角は、図6Bに図示されるように、リンク292が水平であるときには、第2の角度θ2に減少する。したがって、ポスト505が、図6Aのその位置から図6Bのその位置へと、プーリ503に対して移動すると、ケーブル501の一部は、プーリ502と503との間の距離の増加に対するわずかな補償のために、プーリ504から繰り出され得る。さらに、プーリ502の周囲のケーブル501の接触角は、図6Aのその初期位置から図6Bの位置まで増加し、プーリ503の周囲の接触角もまた増加し、その結果として、プーリ502〜504の全ての回りの全接触角が保全される。全プーリの周囲の全接触角が同じままであるために、ケーブルパス長PLは、直線距離X2とX1との間の差と同じ大きさだけ変化する。すなわち、ケーブルパス長の変化、デルタ(PL)は、以下の式
デルタ(PL)=X2−X1
によって決定され得る。
デルタ(PL)=X2−X1
によって決定され得る。
プーリの周囲のケーブルパス長の変化は、ばね515および1つ以上のケーブル501の張力の変化をもたらす。接合部250の所与の重量に対して、図6Aに図示されるようにリンク292が上向き角度の位置になっているときよりも、図6Bに図示されるようにリンクが水平位置にあるときには、軸311におけるより大きいモーメントがリンク292に加えられる。これは、カウンタバランスリンクの異なる位置、および平行四辺形リンケージ構造の異なる変形における、異なるモーメントアーム長のためである。全ケーブル長が一定である(例えば、クランプにおいて伸縮またはすべりが存在しない)と仮定すると、プーリ502〜503の間の距離X2がXlよりも大きくなるので、ケーブル501は引っ張られ、リンク292から引き出され、さらにばね515を圧縮して、軸311に加えられるより大きなモーメントを補償する。リンク292が、図6Bに図示されている水平位置を越えて、さらに下方に移動する(図示せず)場合には、ケーブルの追加の長さがリンク292から引き出され、ばね515をさらに圧縮し、その張力をさらに増加させる。リンクが水平よりも下になるために、プーリによって形成される三角形は鈍角三角形となり、ばねに対する機械的倍率の損失が生じる。機械的倍率の損失は、より大きな圧縮によって補償される。リンク292が、図6Aに示されている位置のような、その上向きの角度位置に戻ると、ケーブル501は解放されてリンク292の中に戻り、その結果として、ばね515が減圧縮され、ばね515およびケーブル501の中で張力が減少し、軸311に加えられているより低いレベルのモーメントを補償する。このようにして、初期張力が設定された後に、リンク292は、ブラケット254および接合部248に対して異なる位置における重量を、適切に平衡化することができる。
図5および図6A〜図6Bは、セットアップアームのカウンタバランスリンク292およびアイドルリンク291の一実施形態を図示する。しかしながら、セットアップアームのカウンタバランスリンク292およびアイドルリンク291は、動きの大きさをトレードオフすることで、さらに小型化され得る。例えば、カウンタバランスリンク292は、図6Bに図示されている水平位置から、正および負に40度移動し得る。より少ない動きが許容可能である場合には、カウンタバランスリンクはさらに小型化され得る。
ここで図7を参照すると、セットアップアームのより小型のカウンタバランスリンク292′の実施形態が示されている。アイドルリンク291′は、カウンタバランスリンク292′に平行に連結される。カウンタバランスリンク292′は、図6Bのリンク292によって示されるもののような水平位置から、正および負に30度移動し得る。
ここで図6A〜図6Bおよび図7を参照すると、リンク292′は、わずかな差を有する同様の要素を含むリンク292に、ある程度似ている。例えば、リンク292′は、リンク292のプーリ502〜504およびポスト505と同様の、プーリ502′〜504′およびポスト505′を含む。しかしながら、プーリ502′、504′およびポスト505′の位置は、プーリ502、504およびポスト505の位置とは若干異なる。リンク292′内の1つ以上のケーブル501′は、より小さい動きの角度を考慮して、リンク292のケーブル501よりも短い。リンク292′の中空筐体601′は、リンク292の中空筐体601よりも短い。筐体601′の円筒形空洞611′への開口621′は、筐体601の円筒形空洞611への開口621とは若干異なる。リンク292′のばね515′は、リンク292のばね515よりも短い。しかし、これらの違いを別にすれば、リンク292′の要素は、リンク292の要素と同様に機能する。
ここで図6A〜図6Bおよび図7を参照すると、リンク292′は、わずかな差を有する同様の要素を含むリンク292に、ある程度似ている。例えば、リンク292′は、リンク292のプーリ502〜504およびポスト505と同様の、プーリ502′〜504′およびポスト505′を含む。しかしながら、プーリ502′、504′およびポスト505′の位置は、プーリ502、504およびポスト505の位置とは若干異なる。リンク292′内の1つ以上のケーブル501′は、より小さい動きの角度を考慮して、リンク292のケーブル501よりも短い。リンク292′の中空筐体601′は、リンク292の中空筐体601よりも短い。筐体601′の円筒形空洞611′への開口621′は、筐体601の円筒形空洞611への開口621とは若干異なる。リンク292′のばね515′は、リンク292のばね515よりも短い。しかし、これらの違いを別にすれば、リンク292′の要素は、リンク292の要素と同様に機能する。
ここで図8を参照すると、平行四辺形のリンケージ構造246から分離された小型のカウンタバランスリンク292の斜視図が示されている。筐体601の斜めのまたは対角線状にカットされた端部603において、プラグ613が、筐体601の空洞611を閉じる。1つ以上のケーブル端部テンショナ616が、プラグ613から外に延伸する。筐体の反対側の端部の近傍に、筐体を抜けて延伸するシャフト802があり、その端部は筐体に結合されている。
ここで図9を参照すると、小型のカウンタバランスリンク292の斜視図が、内部要素をわかりやすく示すために、中空筐体601を除いた状態で示されている。筐体601の内部で、プーリ502が、シャフト802に回転可能に連結される。枢動接合部311における筐体601の内部で、プーリ504が、シャフト上に載置された一対の離れた軸受820の間で、シャフト902に載置される。シャフト902は、1つの端部において筐体601のベースを抜けて延伸する。枢動接合部312におけるベースの反対側の端部で、別のシャフト903が、筐体601のベースを抜けて延伸し、そのシャフトに載置された、別の一対の離れた軸受820を有する。
プラグ613は、空洞に一致するような円筒形の形状を有し、1つの端部において平坦な端部を有し、反対側の端部において、筐体601の斜めのまたは対角線状にカットされた端部603と一致するように、斜めの楕円形の形状の端部を有する。ケーブルクランプ機構615のクランプスリーブ612は、ばね515の中心の開口の中において、ばね515と同軸であり得、その結果として、それは、ばね515によって実質的に囲まれる。
ここで図10を参照すると、小型のカウンタバランスリンク292の一部の、拡大された切り欠き断面図が示されている。
ばねピストンとも称されるケーブルクランプ機構615は、図示されるように、互いに連結された、クランプスリーブ612(カウンタバランス管とも称される)、嵌合リング1002(ばねフランジとも称される)、スラスト軸受1004、事前負荷調整ナット1006、および回転防止プレート1008を含む。
ここで図10および図16A〜図16Cを参照すると、プラグ613が、空洞611に挿入され、筐体601の1つの端部の開口を塞ぐ。締結具1031が、中空壁に沿った適切な位置にプラグ613の整合を維持するために、ねじ切りされた穴1631に挿入される。拡張ねじ1030が、プラグ613の切り込まれた側のねじ切りされた開口1630に挿入される。セットねじ1632が、ねじ切りされた開口1631に挿入され得、拡張ねじ1030に対するバックストップを提供する。代替案として、ねじ切りされた開口1631は、固体の切り込みフランジを形成する部分で充填され得る。拡張ねじ1030の端部がセットねじ1632の端部と整合および嵌合するときに、切り込み813およびプラグ613は、拡張し始める。ねじ1030をさらに締め込むと、切り込み813はさらに拡張し、プラグの側面を空洞611の壁に対して堅く押し付けて、小型のカウンタバランスリンク292に捩じり剛性を与える。プラグ613を除去する場合には、セットねじ1632は除去され得、拡張ねじ1030は、その頭近傍でねじ切りされていない特殊ねじと置き換えられ得、その結果として、特殊ねじは、切り込みのねじ側のねじ山上を自由に回転できる。プラグ613の側面が、空洞の壁に対して拡張状態で固着している場合には、特殊ねじが開口1631にさらにねじ込まれ、プラグの切り込まれた側を互いに引き寄せて、プラグの側面を空洞の壁から引き離し得る。このようにして、プラグは、カウンタバランスリンクの分解および保守のために、空洞611からより簡単に取り外されるようになる。
プラグ613は、中心開口1602を有し、1つ以上のケーブル端部テンショナ616がそこを通過して、クランプブロック1012に達する。1つ以上のケーブル端部テンショナ616は、たるみを取り、組み立て中に略等しい張力で、1つ以上のケーブル501に事前張力を加えるために使用される。1つ以上のケーブル端部テンショナ616は、図13により詳細に図示されている。
図13を一時的に参照すると、1つ以上のケーブル端部テンショナ616のそれぞれは、プレテンション方式のばね1302およびケーブルターミネータ1303を含む。ケーブルターミネータ1303は、ボール、球体、筒状、円筒形、またはその他のブロック形状であり得る。ケーブルターミネータ1303は、ケーブル501の端部の上を摺動する円筒形の開口1313を有する。ケーブルターミネータ1303は、ケーブル上にばね1302を保持するために、ケーブル501に圧着され得る。プレテンション方式のばね1302は、一方の側のクランプスリーブ612のクランプブロック1012と、反対側のケーブルターミネータ1303との間にトラップされる。プレテンション方式のばね1302は、ケーブルに事前張力を加えるために、クランプブロック1012をそこにクランプする前に、1つ以上のケーブル501上で引張する。
ここで以前の図10と、図12A〜12Bおよび図17A〜図17Bを参照すると、クランプ機構615は、ねじ切りされたカウンタバランススリーブ612、クランプブロック1012、嵌合リング1002、スラスト軸受1004、リボナイザ1015、ねじ切りされたナット1006、および整合プレート1008を含む。1つ以上のケーブル501は、ばね515、リング1002、軸受1004、ねじ切りされたスリーブ612、リボナイザ1015、およびナット1006を通過して、クランプブロック1012の開口1204および整合プレート1008内の開口1120へと経路設定される。
リボナイザ1015は、2つのリボナイザの半分1015A〜1015Bで形成される。各半分1015A〜1015Bは、それぞれ、平坦な部分1202A〜1202Bを有し、その平坦な部分は、1つ以上のケーブル501を平坦化し、かつプーリ502上に経路設定するように実質的に整合するために、間隔を有する。半分が互いに連結されると、それぞれの平坦部分1202A〜1202Bは、リボナイザ1015の内部に開口1202を残す。2つのリボナイザの半分1015A〜1015Bは、クランプブロック1012を受容するためのスロット1212A〜1212Bをそれぞれ含む。組み立て時には、2つのリボナイザの半分1015A〜1015Bは、ねじ切りされたスリーブ612へ挿入され、その内部に固く嵌合される。リボナイザの半分はさらに、ねじ切りされたスリーブ612の円形のエッジと嵌合し、リボナイザがねじ切りされたスリーブの中へさらに移動しないためのストップとして作用する、隆起部セグメント1224A〜1224Bを含む。クランプブロック1012は、ねじ切りされたスリーブ612またはリボナイザ1015に対して移動しない。
クランプブロック1012は、1つ以上のケーブル501をクランプするために互いに積層されている5つのクランププレート1214A〜1214B、1215A〜1215Cで形成され得る。5つのクランププレート1214A〜1214B、1215A〜1215Cは、それぞれの間の溝1204A〜1204Bの中に1つ以上のケーブル501を捕捉する。内部クランププレート1215A〜1215Cのそれぞれは、一方の側の一対の溝1204A、反対側の一対の溝1204B、および、クランプねじ1028A〜1208Bが摺動できるようにする一対の穴1221を含み得る。外部クランププレート1214Aは底部側に一対の溝1204Bを含み得、その一方で、外部クランププレート1214Bは上部側に一対の溝1204Aを含む。溝1204A〜1204Bは、ケーブル501の直径の半分よりも少しだけ浅い。本発明の一実施形態において、1つ以上のケーブル501のそれぞれの直径は0.062インチである。クランププレートは順次積層され、ケーブルセグメントまたはケーブル501は各溝の中に、一方の側で1つのプレートの溝に、他の側で別のプレートの溝に部分的に収まる。クランププレートの平行な一対の溝1204A〜1204Bはそれぞれ、別のクランププレートの平行な一対の溝1204B〜1204Aと整合し、ケーブルまたはケーブルセグメントをクランプするための、クランプブロック1012の開口1204を形成する。
外部クランププレート1214Aは、クランプねじ1208Aのねじ山を受容するための、ねじ切りされた開口1220と、クランプねじ1208Bがこれを通過して他のクランププレートに達することができるようにする、通しの開口1221とをさらに含む。外部クランププレート1214Bは、クランプねじ1208Bのねじ山を受容するための、ねじ切りされた開口1220と、クランプねじ1208Aがこれを通過して他クランププレートに達することができるようにする、通しの開口1221とをさらに含む。かくして、外部クランププレート1214A〜1214Bは、コストを削減するために実質的に同じとなり得る。このようにして、クランプねじ1208A〜1208Bは、全てのクランププレートを間隔を保つように反対側から圧迫し、クランプブロック1012を組み立てる。ねじのクランプ力はクランププレートの接合部の間で分割されずに、全体に適用される。かくして、クランプねじ1208A〜1208Bは、小さいねじであり得、それでも、ケーブルを大きなクランプ力でクランプし得る。
本発明の一実施形態において、5つのクランププレートとそれらの間の4つの接合部とを用いると、接合部はそれぞれ、その間に一対の溝を有するので、8つのケーブルまたは4つのケーブルの8つのケーブルセグメントが受容され得る。クランププレートを追加すれば、より多くのケーブルまたはケーブルセグメントが受容され得る。代替案として、クランプブロック1012によってクランプされるケーブルまたはケーブルセグメントの数を増大させるために、それぞれに追加の溝が設けられ得る。代替案として、クランプ力を増加させるために、それぞれにより少ない溝が設けられ得る。本発明の一実施形態において、2倍のクランプ力を提供するために、クランププレートは、一方の側面につき一対の溝の代わりに1つの溝のみを有し得る。8つのケーブルまたは4つのケーブルの8つのケーブルセグメントをクランプするために、9つのクランププレート、すなわち、2つの外部クランププレート1214A〜1214Bと7つの内部クランププレートが、提供される。
上述したように、2つのリボナイザの半分1015A〜1015Bは、リボナイザ1015がクランプブロック1012を受容し得るように、それぞれスロット1212A〜1212Bを含む。ねじ切りされたスリーブ612はまた、クランプブロック1012の一部を受容し、これを適所に固定するために、両側に一対のスロット1213を含む。クランプブロック1012は、次いで、クランプブロック1012、ねじ切りされたスリーブ612、およびリボナイザ1015が筐体601の空洞611の中で回転しないように保つ、回転防止プレート1008の開口1120の中に装着される。
リボナイザ1015の一端は、回転防止プレート1008にボルト固定される。少なくとも一対の締結具1122が、回転防止プレート1008の、少なくとも一対の対角線上に離れた穴1121を通って挿入される。一対の締結具1122が、リボナイザを回転防止プレートに連結するために、少なくとも一対のねじ切りされた穴1241へねじ込まれる。
ねじ切りされたスリーブ612は、ナット1006の内部ねじ山1056とねじで係合する、外部ねじ山1013を有する。ねじ切りされたスリーブ612上でナット1006を回転させて圧縮可能なばね515を圧縮することによって、1つ以上のケーブル501の張力調整が行われる。ナット1006の内部ねじ山1056は、ねじ切りされたスリーブ612の外部ねじ山1013と合致する。
1つ以上のケーブル501の各端部は、その端部近傍に圧着されるケーブルターミネータ1303およびばね1302を有する。ばね1302は、ケーブルターミネータ1303とクランプブロック1012の端部との間にトラップされる。ばね1302が存在しない場合には、1つ以上のケーブル501において張力を同じにすることは困難であり、なぜならば、ケーブルは正確に同じ長さで製造されておらず、かつ初期組み立て時において、ケーブルは異なる量で伸び得るからである。組み立て時において、クランプブロック1012のクランププレートは、最初は緩いままにされる。圧縮ばね515の圧縮および1つ以上のケーブルの張力は、予想される重量に対して部分的に調整される。クランプ機構615を含むばねアセンブリ602は、初期の伸びを取り除くために、リンク292を枢動させることによって筐体601の中で前後方向に動かされる。この時点において、各ケーブル上の全ての張力は、ばね1302に加えられている。以前に上述した偏差のために、ばね1302の一部は、他のものよりも強く圧縮され得る。1つ以上のケーブル501またはそのセグメントの間の張力の差は、長さとばね1302のばね定数との積の差である。例えば、一対のセグメントまたはケーブルの間の長さの差が0.06インチであり、ばね定数が52ポンド/インチである場合には、張力の差は3ポンド(lb)である。他のケーブルまたはケーブルセグメントの張力の差は、例えば8ポンドまたは5ポンドのように、10ポンドの範囲内にあり得る。
1つ以上のケーブルが事前に張力を加えられた後に、クランプねじ1208A〜1208Bが、クランプブロックの1つ以上のクランププレートを1つ以上のケーブル501の周囲にクランプするために、締め付けられる。次に、圧縮ばねの圧縮調整およびプーリの中心点によって形成される三角形の寸法の調整によって、小型のカウンタバランス機構が適切な平衡化状態に調整され得る。さらなる調整の前に、ばね515の全負荷は、約500ポンドであり、8つのケーブルセグメントが使用されている場合には、ケーブルセグメントあたり、500/8すなわち62ポンドである。1つ以上のケーブル501のそれぞれが同じ特性を有している限り、ケーブルセグメントまたはケーブルの間の張力の差は残る。例えば、セグメントまたはケーブルの一部は60ポンドの張力を有し、その他は63ポンドの張力を有する。張力のパーセント変化は比較的小さく、ケーブルセグメントまたはケーブルのそれぞれは負荷を分担する。ケーブル端部テンショナ616のばね1302およびケーブルターミネータ1303の別の機能は、クランプブロック1012のクランププレートが万一スリップする場合に、ケーブル501は、ばね1302がその固定高さになるまで、わずかしか摺動できないことである。ケーブル端部テンショナ616のケーブルターミネータ1303は、1つ以上のケーブルの端部に十分に圧着されており、故にそれは、ばね515に加えられる最大負荷を与えない。
事前負荷平衡化調整ナット1006が、ねじ切りされたスリーブ612の一部分に沿って延在し、ねじ切りされたスリーブ612の外部ねじ山1013とねじで係合するための、内部ねじ山1016を含む。ナット1006が1方向に回転すると、それはねじ切りされたスリーブ612上で移動し、嵌合リング1002およびスラスト軸受1002を介してばね515を圧縮する。図10の矢印1021〜1022は、ばね515および1つ以上のケーブル501により大きな張力を発生させるためにナットが回転されるときの、スリーブ612に沿ったナット1006の動きの方向を示す。同軸のねじ切りされたスリーブ612およびそのケーブルクランプ1012は、ばね515から外側方向に移動されて、ばね515および1つ以上のケーブル501の張力を増大させる。ナット1006が、反対方向に回転され、その結果として、ねじ切りされたスリーブ612およびそのケーブルクランプ1012はばね515に中へと移動し、それによってばね515および1つ以上のケーブル501の張力を緩和する。筐体601の底の側には、ナット1006にアクセスし、調整するための、空洞611の中への1つ以上の開口1050がある。
摩擦のために、ナット1006は、ばね515の全ての力がこれを押している場合には、調整不可能である。ばね固定ピンが挿入され得るピン穴815が、筐体601の各側に存在する。ばね515をピン固定するために、筐体のそれぞれの側の適切な一対のピン穴815が、嵌合リング1002の溝1052と整合し、ばね515が解放されるのを制限するために各側から制限ピン(図示せず)を配置するまで、カウンタバランス機構は、引き上げられたり引き下げられたりする。カウンタバランスリンク292を持ち上げることは、ケーブルから引張り力を解放し、その結果として、調整ナット1006は容易に回転され得る。調整ナット1006が適切な分量だけ回転した後に、溝1052およびピン穴815から制限ピンが除去され、その結果として、ばね515が弛緩して空洞611に沿った位置に戻り、1つ以上のケーブル501の張力を加える。
嵌合リング1002は、ばね515をクランプ機構に嵌合する。嵌合リング1002は、一方の側において、整合リップ1032を含む。整合リップ1032は、ねじ切りされたスリーブ612の本体とともに、筐体601の空洞611内の一端部で、ばね515を整合した状態に保持する。嵌合リング1002の反対側は、スラスト軸受1004に連結する。
一方の側において、スラスト軸受1004は、ナット1006が回転できるようにし、その結果として、ナットのねじ山1016がねじ切りされたスリーブ612のねじ山1013とねじで係合し得る。スラスト軸受1004の反対側は、嵌合リング1002の側を圧迫し、ばね515を圧縮する。
ここで図10および図11A〜図11Bを参照すると、回転防止プレート1008は、筐体601の空洞611内の凹部(図示せず)と係合する1つ以上の突起部1118(図11Aを参照)を有する。回転防止プレート1008の矩形の開口1120は、クランプブロック1012を受容する。1つ以上のボルトまたは締結具1122が、回転防止プレート1008をねじ切りされたスリーブ612の上部に連結する。回転防止プレート1008の1つ以上の突起部1118は、筐体の空洞の凹部に係合されたときには、プレテンション方式のナットが回転される際に、ねじ切りされたスリーブ612およびクランプブロック1012が空洞611の中で回転することを阻止する。これは、プレテンション方式のナットが張力を調整することを可能にし、1つ以上のケーブル501が一緒にねじれることを防止する。突起部1118が凹部の中にある状態で、回転防止プレート1008は、ナット1006が回転し、ばねが1つ以上のケーブル501によって圧縮および解放される際に、ねじ切りされたスリーブ612と共に空洞611の壁に沿って移動する。
図8〜図9に示されるように、プラグ613は、上部部分に沿って切り込み813を含み得、切り込みは、上部部分を切り込み部分に分け、また、端部のキャップが筐体601の空洞611の中に挿入されたときには、わずかに圧縮されるようにする。図10に示されるように、プラグ613は、切り込み813を有するその上部部分近傍に締結具1030を含む。締結具1030は、プラグ613の切り込み部分を押し拡げて、プラグ613を空洞611の壁に向けて拡張する。締結具1031が筐体601に挿入され、プラグ613の底部にねじ込まれる。締結具1031は、空洞611内にプラグ613を整合させる。ケーブル端部テンショナ616のばねの1つの端部が、クランプブロック1012に連結する。ばねの反対側の端部は、1つ以上のケーブルのそれぞれに圧着される、ケーブルターミネータに連結する。
平行リンケージ構造246およびカウンタバランスリンク292の組み立て時に、1つ以上のケーブルの端部近傍にケーブルクランプ機構を連結するために、ナット1006が回転し得るように一対のピンを筐体601のそれぞれの側の穴815の1つに挿入することによって、圧縮ばね515が、圧縮可能な状態にピン固定される。ポスト505から、1つ以上のケーブル501が、プーリ502〜504または502′〜504′をこえて、空洞611、611′の中へ、ばね515を通って経路設定される。1つ以上のケーブルはさらに、クランプブロック1012のクランププレートを通って摺動される。1つ以上のケーブル501のそれぞれは、ケーブルのたるみを除去し、それぞれの初期張力を実質的に均一化するために、1つ以上のケーブル端部テンショナ616によって独立に事前に張力を加えられる。本発明の一実施形態において、各ケーブルの初期張力は、ケーブル端部テンショナ616のばね1302によって設定される。本発明の一実施形態において、各ケーブルの初期張力は、10ポンド程度である。
1つ以上のケーブル501にプレテンションを行った後に、クランプ機構は、1つ以上のケーブルをクランプブロック1012にクランプするために係合される。クランププレートを移動するためにクランプねじが回転され、1つ以上のケーブルをクランプブロック1012に捕捉する。
次に、1つ以上のケーブル501は、セットアップアームで支持される、予測される重量または荷重を平衡化するように、張力が加えられる。荷重は、ロボットアーム、医療装置、さらなるリンケージまたは平行四辺形のリンケージ構造に連結し得るその他装置の、重量であり得る。事前負荷調整ナット1006が回転され、ばね515の張力を調整し、ケーブルの張力を確立する。ばね515の張力は、1つ以上のケーブル501によって実質的に均等に分担され得る。プーリ503が連結されるブロック513の位置がまた、ばねの変化または荷重の変化を補償するために、必要に応じて調整され得る。
カウンタバランスリンクが平行四辺形のリンケージ構造に組み立てられ較正されると、セットアップアーム上の予想される重量または荷重が平衡化され、その結果として、リンケージ構造は、重力に対抗して鉛直方向に容易に移動し得る。リンケージ構造が移動すると、カウンタバランスリンクの接合部におけるモーメントまたは力が変動し得る。カウンタバランスリンク292は、その接合部におけるモーメントまたは力の変動または変化に対して平衡化し、またはこれを補償する。一般的に、その接合部におけるモーメントまたは力に対して平衡化する、またはこれを補償するために、カウンタバランスリンク292によって生成される可変の力またはモーメントは、カウンタバランス力またはカウンタバランスモーメントと称され得る。1つ以上のケーブル501は、ばね515を圧縮または減圧縮するために、カウンタバランスリンク292のプーリ502〜04に巻きつけられ、または、ほどかれて、カウンタバランス力の生成にあたり1つ以上のケーブル501の張力を、それぞれ増加または減小する。1つ以上のケーブル501の張力の増加は、カウンタバランスリンク292の接合部におけるモーメントまたは力の増加を平衡化する。1つ以上のケーブル501の張力の減少は、カウンタバランスリンク292の接合部におけるモーメントまたは力の減少を平衡化する。
セットアップアームが適切な位置に移動され、荷重または重量が平衡化された後に、セットアップアーム、平行四辺形リンケージ構造、およびカウンタバランスリンク292の動きを阻止するために、セットアップ接合部のブレーキが適用され得る。
(小型ばねの平衡化理論)
ここで図14Aを参照すると、単一リンク1400が、枢動点Oにおいて鉛直方向の壁1402に枢動可能に連結されて示されている。鉛直方向の(および水平方向の)面内で回転するリンク1400は、線形のばね1401によって平衡化され得、その結果として、重力の影響にかかわらず、任意の位置において釣り合い状態となる。重力(f=mg)は、質量mと、リンクの中点に作用する重力の加速度gとの積に等しい。リンク1401の長さは2lであり、その中点は、リンクに沿って距離lにある。線形のばね1401は、ばね定数Kを有し、点vでリンク1401に、および点wで壁1402に連結する。リンク1400は、図14Aに図示されているように、壁Wとの角度シータを形成する。
ここで図14Aを参照すると、単一リンク1400が、枢動点Oにおいて鉛直方向の壁1402に枢動可能に連結されて示されている。鉛直方向の(および水平方向の)面内で回転するリンク1400は、線形のばね1401によって平衡化され得、その結果として、重力の影響にかかわらず、任意の位置において釣り合い状態となる。重力(f=mg)は、質量mと、リンクの中点に作用する重力の加速度gとの積に等しい。リンク1401の長さは2lであり、その中点は、リンクに沿って距離lにある。線形のばね1401は、ばね定数Kを有し、点vでリンク1401に、および点wで壁1402に連結する。リンク1400は、図14Aに図示されているように、壁Wとの角度シータを形成する。
ここで図14Bを参照すると、剛性リンク1400の概略図が、点Oにおいてピン結合され、点wにおいて鉛直方向の壁1402に付着された線形のばね1401によって保持された状態で、示されている。距離xは、点wと点vとの間の距離である。距離bは、点wと点oとの間の距離である。距離aは、点oと点vとの間の距離である。距離tは、点oと、点wと点vとを結ぶ線に対する垂線の足との間の、線に沿った距離である。
重力に関して釣り合い状態にあるリンクに対して、点OのまわりのモーメントM0は実質的にゼロでなければならない。図14Bから、点OのまわりのモーメントM0に対する式は、次のように決定され得、
M0=mglsinθ―K(x−x0)t=0
ここで、x0は、ばねの伸びていないときの長さである。
M0=mglsinθ―K(x−x0)t=0
ここで、x0は、ばねの伸びていないときの長さである。
この式の項を再構成すると、
mglsinθ=K(x−x0)t
が得られる。
mglsinθ=K(x−x0)t
が得られる。
壁に対してゼロでない角度シータ(θ)をなすリンク1400について、同様の三角形(図15Bを参照)から導かれるtを式に代入することができ、
t/b=asinθ/x
再構成して、tについて解くと、
t=absinθ/x
tを式に代入すると、サイン項が約分されて、
mgl=K(x−x0)ab/x
ばねの伸びていないときの長さ、x0が0に等しい場合には、式はさらに簡単になり、
mgl=Kab
項を再構成して、ばね定数について解くと、
K=mgl/ab
となる。
t/b=asinθ/x
再構成して、tについて解くと、
t=absinθ/x
tを式に代入すると、サイン項が約分されて、
mgl=K(x−x0)ab/x
ばねの伸びていないときの長さ、x0が0に等しい場合には、式はさらに簡単になり、
mgl=Kab
項を再構成して、ばね定数について解くと、
K=mgl/ab
となる。
かくして、ばね定数Kに対する式は、ばね1401の剛性Kが一定値で、かつリンクの角度シータθとは独立となり得ることを示す。ばね1401の伸びていないときの長さx0が実質的にゼロになるように選択される場合には、ばねの剛性Kは一定となり、かつ、角度シータθとは独立となり得る。引張ばね1401が点wと点vとを結ぶ線の外側に配置される場合には、ばね1401の伸びていないときの長さx0は、実質的にゼロに設定され得る。
それ故に、リンク1400は、(i)ばね剛性Kが、K=mgl/abの式に従って適切に選択される場合、および(ii)ばねが、リンクへのその接続点と固定された参照点との間の線wvよりも外側に配置される場合には、全てのその位置に対して平衡化され得る。
ここで図15Aを参照すると、リンク1400に対するばね、プーリ、およびケーブルのカウンタバランス機構が示されている。図15Aは、点wと点vとを結ぶ線の外側に配置された引張ばね1501を示し、その結果として、ばね1501の伸ばされていない状態での長さx0は効果的に、実質的にゼロに設定される。ケーブル1503が、ばね1501から点vにおけるプーリ1502の上に経路設定され、点wにおいて壁1402に連結される。正確な平衡化のために、プーリ1502の直径は、三角形の辺aおよび辺bに対して小さくなければならない。しかしながら、ばね荷重が高い場合には、荷重を安全に保持するために十分強いケーブルは、使用時に屈曲疲労で破損しないために、適切なサイズのプーリを必要とする。かくして、単一プーリ1502は、一部の用途に対して実際的でないことがある。この場合には、図15Cに示されるような、3つのプーリシステムが使用され得る。
図15Bは、図14Aのものと同様の三角形を有する、剛性リンク1400の概略図を示す。図15Cは、図15Bの概略図に対応する3つのプーリシステムの概略図を示す。すでに上述したように、距離xは点wと点vとの間の距離である。距離bは、点wと点oとの間の距離である。距離はa、点oと点vとの間の距離である。距離tは、点oと、点wと点vとを結ぶ線に対する垂線の足との間の、線に沿った距離である。
図15Cにおいて、リンク1400の重量およびモーメントを平衡化するのための、3つのプーリ1512A〜1512Cを有する、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構の概略図が示されている。ケーブル1513は、3つのプーリ1512A〜1512Cのそれぞれの部分の周囲に巻きつけられる。3つのプーリ1512A〜1512のそれぞれは、等しい直径を有し得、システムの距離aおよびbは、一定に維持され得る。しかしながら、角度シータθが変化すると、3つのプーリ上のケーブル1513の合計接触角は一定であるために、ケーブル1513の全ケーブルパス長(a+b+x)は、xの変化と同じ量だけ変化する。ケーブル長の変化は、ばねアセンブリ602のばねを引張るか、または押し動かして、実質的にゼロモーメントを維持しリンクの重量を平衡化するために加えられる、カウンタバランス力を調整する。
図15Cにおいて、リンク1400の重量およびモーメントを平衡化するのための、3つのプーリ1512A〜1512Cを有する、ばね−ケーブル−プーリの平衡化機構の概略図が示されている。ケーブル1513は、3つのプーリ1512A〜1512Cのそれぞれの部分の周囲に巻きつけられる。3つのプーリ1512A〜1512のそれぞれは、等しい直径を有し得、システムの距離aおよびbは、一定に維持され得る。しかしながら、角度シータθが変化すると、3つのプーリ上のケーブル1513の合計接触角は一定であるために、ケーブル1513の全ケーブルパス長(a+b+x)は、xの変化と同じ量だけ変化する。ケーブル長の変化は、ばねアセンブリ602のばねを引張るか、または押し動かして、実質的にゼロモーメントを維持しリンクの重量を平衡化するために加えられる、カウンタバランス力を調整する。
追加のリンクおよび取り付けられたロボット外科手術用アームの追加の重量はまた、ばね定数Kと、加えられと追加の力に耐えることができるケーブルとの適切な選択によって、カウンタバランス力によって平衡化され得る。
(結論)
セットアップ接合部アーム140の平行四辺形のリンク構造246が、患者側マニピュレータ(PSM)132を参照して詳細に説明されてきたが、平行四辺形のリンケージ構造は、内視鏡カメラロボットマニピュレータ134を支持するセットアップ接合部の中心アーム138、あるいは、ロボット外科手術システムのその他のセットアップ接合部アームまたは構造に使用され得る。
セットアップ接合部アーム140の平行四辺形のリンク構造246が、患者側マニピュレータ(PSM)132を参照して詳細に説明されてきたが、平行四辺形のリンケージ構造は、内視鏡カメラロボットマニピュレータ134を支持するセットアップ接合部の中心アーム138、あるいは、ロボット外科手術システムのその他のセットアップ接合部アームまたは構造に使用され得る。
図1に示されるように、セットアップ接合部中心アーム138は、平行四辺形リンク構造246によって主に画定される、比較的短い、略鉛直方向の剛性アームを備える。セットアップ接合部中心アーム138は、その他の3つのアーム140、142、144よりも短い平行四辺形のリンク252を有する。セットアップ接合部中心アーム138は、一般的には、手動で位置決めされる3自由度を有する。セットアップ接合部中心アーム138は、方位角角度が配向プラットフォーム136の回転によって制御されるときには、いかなる冗長な接合部もなくなる。セットアップ接合部中心アーム138は、矢印SJC3によって示されるように、鉛直方向に平行移動し得る。セットアップ接合部中心アーム138の一般的な回転の動きは、図1において矢印SJC4によって示される。
天井取り付け型ロボット外科手術システム100を参照して、本発明の実施形態が詳細に説明されてきたが、本発明の実施形態は、天井に取り付けるのではなく、代わりに床によって支持されるか、またはテーブルに取り付けられるロボット外科手術システムに対して、等しく適用され得る。加えて、本発明の実施形態は、平行四辺形のリンケージ構造を参照して詳細に記載されてきた。しかしながら、本発明の実施形態は、平衡化を要する連続リンケージアーム構造、または平衡化を要するその他の平行リンケージ構造のような、その他のリンケージに対して等しく適用可能であり得る。さらに、本発明の実施形態は、ばね−ケーブル−プーリのカウンタバランス機構を参照して記載されてきた。ケーブルとプーリは、ベルトまたはストラップとプーリ、チェーンとスプロケット、有孔金属製テープと球状ピンを有するプーリ、またはタイミングベルトとタイミングギア、で代替され得る。プーリ、スプロケット、球状ピンを有するプーリ、およびタイミングギアは、回転伝達デバイスとして総称され得る。ケーブル、ベルト、ストラップ、チェーン、有孔金属製テープ、およびタイミングベルトは、張力機構として総称され得る。
特定の例示的な実施形態および方法が、理解しやすさのために、かつ例示として、ある程度詳細に記載されてきたが、上記の開示内容から当業者には、これら実施形態および方法の変形、修正、変更、および適用が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われ得ることが明らかとなる。それ故に、上記の記載は、添付された請求項によって定義される本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
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- 明細書に記載の発明。
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