JP2015013195A - 内視鏡カメラのための５棒球面リンク機構を備えるセンターロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】改良されたロボットアームを提供する。
【解決手段】球面回転の遠隔中心２１２０を有する並列の球面５棒リンク機構２１００を含む、ロボットアームは、内視鏡カメラを移動可能に支持する。２つの外側リンク２１０２、２１０３は、共に旋回可能に連結される。２つの外側リンクの少なくとも一方は、内視鏡カメラを支持する。２つの内側リンク２１０１、２１０４が互いにクロスオーバー可能なように、２つの内側リンクは、それぞれ２つの外側リンクに旋回可能に連結される。２つの内側リンクは、２つの外側リンクを移動可能に支持する。接地リンクは、２つの内側リンクに旋回可能に連結される。接地リンクは、２つの内側リンクを移動可能に支持する。
【選択図】図２１

Description

本発明の実施形態は、概してロボット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アームにおけるリンク機構に関する。

低侵襲手術（Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ；ＭＩＳ）は、小さい切開部を通して体内の手術部位に導入されるカメラおよび細長い手術器具を使用して、多くの場合、トロカールスリーブまたはカニューレを通して、患者を手術するための手術技術を提供する。手術部位は多くの場合、患者の腹部等の体腔を含む。体腔は任意で、吹送ガス等の透明流体を使用して拡張され得る。従来の低侵襲手術において、執刀医は、細長い手術器具のエンドエフェクタを使用して、器具のハンドルを作動させることにより、ビデオモニタで手術部位を見ながら組織を操作する。

低侵襲手術の一般的な形態は、内視鏡検査である。腹腔鏡検査は、腹腔の内部で低侵襲検査および手術を実行するための、内視鏡検査の一種である。標準的な腹腔鏡手術において、患者の腹部にガスを吹送し、カニューレスリーブを小さい（一般に、１／２インチ以下）切開部に通過させて、腹腔鏡手術器具用の入口ポートを提供する。腹腔鏡手術器具は概して、腹腔鏡（腹腔内の手術野を見るために適用された内視鏡の一種）および作業ツールを含む。作業ツールは、各ツールの作業端またはエンドエフェクタが、ツールシャフトによってそのハンドルから分離されていることを除き、従来の（切開）手術において使用されるものと同様である。本願において使用する場合、「エンドエフェクタ」という用語は、手術器具の実際の作業部分を意味し、例えば、鉗子、把持器、剪刀、吻合器、撮像レンズ、および持針器を含み得る。腹腔鏡用のエンドエフェクタは、ツールシャフトを介してカメラおよびランプに光学的に連結され得るレンズおよび光源を含む場合がある。手術手順を実行するためには、執刀医がカニューレスリーブを介してこれらの作業ツールまたは器具を体内の手術部位に渡し、腹部の外側からそれらを操作する。執刀医は、腹腔鏡から撮影された手術部位の画像を表示するモニタを用いて、手順を監視する。関節鏡検査、後腹膜鏡検査、骨盤鏡検査、腎盂尿管鏡検査、膀胱鏡検査、脳槽鏡検査、洞房鏡検査、子宮鏡検査、尿道鏡検査等、その他の種類の手術においても、同様の内視鏡検査技術が用いられる。

本発明の実施形態は、以下の特許請求の範囲によって要約される。
例えば、本願発明は以下を提供する。
（項目１）
球面回転の遠隔中心を有する並列の球面５棒リンク機構を含むロボットアームであって、
内視鏡カメラと、
共に旋回可能に連結された２つの外側リンクであって、上記２つの外側リンクのうちの少なくとも１つは、上記内視鏡カメラを支持する、２つの外側リンクと、
２つの内側リンクであって、上記２つの内側リンクが互いにクロスオーバーできるように、上記２つの外側リンクにそれぞれ旋回可能に連結され、上記２つの外側リンクを移動可能に支持する、２つの内側リンクと、
上記２つの内側リンクに旋回可能に連結された接地リンクであって、上記２つの内側リンクを移動可能に支持する接地リンクと
を備える、ロボットアーム。
（項目２）
離間位置において上記接地リンクによって連結された２つのモータをさらに含み、上記２つのモータの各々は、上記２つの内側リンクのうちの１つにそれぞれ連結され、上記連結された内側リンクを回転させ、それによって上記球面回転の遠隔中心の回りで上記内視鏡カメラを移動させる、項目１に記載のロボットアーム。
（項目３）
上記２つのモータの各々は、直角駆動によって上記２つの内側リンクのうちの１つにそれぞれ連結される、項目２に記載のロボットアーム。
（項目４）
上記２つの内側リンクの各々が上記接地リンクをクロスオーバーし得るように、
駆動端において上記２つのモータのうちの１つに連結され、かつ他端において上記２つの内側リンクのうちの１つに連結される第１の駆動シャフトであって、上記駆動端から上記球面回転の遠隔中心に向かって延在する第１の駆動シャフトと、
駆動端において上記２つのモータのうちの１つに連結され、かつ他端において上記２つの内側リンクのうちの１つに連結される第２の駆動シャフトであって、上記駆動端から上記球面回転の遠隔中心から離れるように延在する第２の駆動シャフトと
をさらに含む、項目２に記載のロボットアーム。
（項目５）
上記２つのモータに連結され、上記モータに信号を提供するコントローラをさらに含む、項目２に記載のロボットアーム。
（項目６）
上記ロボットアームがコンパクトな姿勢範囲に制限されるように、上記コントローラは、上記内側リンクの回転を制限する、項目５に記載のロボットアーム。
（項目７）
上記内視鏡カメラは、上記球面回転の遠隔中心を通過する挿入軸に沿って移動可能である、項目１に記載のロボットアーム。
（項目８）
上記２つの外側リンクは、その間の最小角度を有するように制約される、項目１に記載のロボットアーム。
（項目９）
上記２つの外側リンク間の上記最小角度は、１５度である、項目４に記載のロボットアーム。
（項目１０）
上記ロボットアームは、コンパクトな姿勢範囲に制限される、項目１に記載のロボットアーム。
（項目１１）
球面回転の遠隔中心を有する並列の球面５棒リンク機構であって、
２つの離間した回転軸を有する接地リンクと、
２つの内側リンクであって、上記２つの内側リンクの各々は、上記２つの回転軸のうちの１つにおいて上記接地リンクに旋回可能に連結され、上記回転軸から離間した中間軸を有する、２つの内側リンクと、
２つの外側リンクであって、上記２つの外側リンクの各々は、上記内側リンクの中間軸において上記内側リンクのうちの１つに旋回可能に連結され、上記中間軸から離間した外側軸において共に旋回可能に連結される、２つの外側リンクと、
上記外側リンク間の最小角度が少なくとも１５度となるように、上記外側軸回りの上記外側リンクの回転を制限する制約部と
を含み、
全ての軸は、上記球面回転の遠隔中心を通過し、上記２つの内側リンクの各々は、上記内側リンクが上記接地リンクと同一平面にある場合に、上記内側リンクの上記中間軸が、上記内側リンクの上記回転軸の他方の回転軸と同じ側に配置されるように制約される、リンク機構。
（項目１２）
上記制約部は、機械的停止装置をさらに含む、項目１１に記載のリンク機構。
（項目１３）
上記機械的停止装置は、上記外側リンクの他方に対する上記外側リンクの一方の上記外側軸回りの回転を直接制限する、項目１２に記載のリンク機構。
（項目１４）
上記接地リンクおよび上記２つの内側リンクは、略同一角度長を有する、項目１１に記載のリンク機構。
（項目１５）
上記２つの外側リンクは、略同一角度長を有する、項目１４に記載のリンク機構。
（項目１６）
上記２つの外側リンクは、上記接地リンクと略同一角度長を有する、項目１４に記載のリンク機構。
（項目１７）
上記制約部は、
２つのモータであって、各モータは、上記接地リンクと連結され、かつ上記２つの回転軸のうちの１つにおいて上記２つの内側リンクのうちの１つに連結される、２つのモータと、
上記２つのモータの各々に、上記連結された内側リンクを上記２つの回転軸のうちの１つの回りに制限された回転範囲で回転させるコントローラと
を含む、項目１１に記載のリンク機構。
（項目１８）
上記接地リンクおよび上記２つの内側リンクは、上記２つの内側リンクの各一方およびその連結された外側リンクが、上記接地リンクと上記２つの内側リンクの他方およびその連結された外側リンクとを自由に通過できるように構成され、連結される、項目１１に記載のリンク機構。
（項目１９）
２つの回転エンコーダであって、上記回転エンコーダの各々は、上記内側リンクのうちの１つにその回転軸において連結される、２つの回転エンコーダと、
上記内側リンクの各々の軸受を受ける上記２つの回転エンコーダに連結され、上記外側軸の位置を計算するコンピュータと
をさらに備える、項目１１に記載のリンク機構。
（項目２０）
上記外側リンクのうちの１つは、上記外側軸および上記中間軸から離間した挿入軸をさらに含み、上記挿入軸は、上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目１１に記載のリンク機構。
（項目２１）
上記外側リンクのうちの１つは、上記外側軸と一致する挿入軸をさらに含み、上記挿入軸は、上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目１１に記載のリンク機構。
（項目２２）
第１の回転軸に連結された第１のモータであって、上記第１の回転軸は、上記第１のモータから球面回転の遠隔中心に向かって延在する、第１のモータと、
第２の回転軸に連結された第２のモータであって、上記第２の回転軸は、上記第２のモータから上記球面回転の遠隔中心から離れるように延在する、第２のモータと、
上記第１の回転軸と上記第２の回転軸との間に連結された接地リンクと、
上記第１および第２のモータの第１の側を通過することができるように、上記第１の回転軸に連結された第１の端部を有する旋回可能に連結された第１のリンク対と、
上記第１および第２のモータの第２の側を通過することができるように、上記第２の回転軸に連結された第１の端部を有する旋回可能に連結された第２のリンク対であって、上記第１および第２のモータの上記第２の側は、上記第１の側と反対側であり、上記第２のリンク対の第２の端部は、上記第１のリンク対の第２の端部に旋回可能に連結される、第２のリンク対と
を備え、
リンクを互いに旋回可能に連結する全ての関節は、上記球面回転の遠隔中心を通過する軸回りの回転を可能にする、ロボットアーム。
（項目２３）
上記第１および第２のリンク対のうちの１つは、挿入軸を備えたツールシャフトを有する手術器具の支持部をさらに含み、上記挿入軸は、上記第１および第２のリンク対を旋回可能に連結する上記関節から離間し、上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目２２に記載のロボットアーム。
（項目２４）
上記第１および第２のリンク対を共に旋回可能に連結する上記関節は、上記挿入軸と上記支持部を含む上記リンク対の上記第１の端部との間にある、項目２３に記載のロボットアーム。
（項目２５）
上記挿入軸と、上記第１および第２のリンク対を共に旋回可能に連結する上記関節の第１の回転軸と、上記支持部を含む上記リンク対を旋回可能に連結する上記関節の第２の回転軸とは、同一平面上にある、項目２３に記載のロボットアーム。
（項目２６）
上記第１の外側リンクは、挿入軸を備えるツールシャフトを有する手術器具用の支持部をさらに含み、上記挿入軸は上記外側軸と一致し、上記挿入軸は上記球面回転の遠隔中心を含む、項目２２に記載のロボットアーム。
（項目２７）
上記第１および第２のリンク対のうちの１つは、挿入軸を備えたツールシャフトを有する手術器具の支持部をさらに含み、上記挿入軸は、上記第１および第２のリンク対を共に旋回可能に連結する上記関節の回転軸と一致し、上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目２２に記載のロボットアーム。
（項目２８）
リンク間の最小角度が少なくとも１５度となるように、上記第１および第２のリンク対を旋回可能に連結する上記関節における上記リンクの回転を制限する制約部をさらに備える、項目２２に記載のロボットアーム。
（項目２９）
リンク間の最小角度が少なくとも３０度となるように、上記第１および第２のリンク対を旋回可能に連結する上記関節における上記リンクの回転を制限する制約部をさらに備える、項目２２に記載のロボットアーム。
（項目３０）
上記第１のモータは、第１の角度で上記第１の回転軸に連結され、上記第２のモータは、第２の角度で上記第２の回転軸に連結される、項目２２に記載のロボットアーム。
（項目３１）
上記第１のモータは、直角に上記第１の回転軸に連結され、上記第２のモータは、直角に上記第２の回転軸に連結される、項目２２に記載のロボットアーム。
（項目３２）
第１の回転軸に連結された第１の内側リンクであって、上記第１の回転軸から離間した第１の中間軸を有する第１の内側リンクと、
上記第１の中間軸において上記第１の内側リンクに旋回可能に連結される第１の外側リンクであって、上記第１の中間軸から離間した外側軸を有する第１の外側リンクと、
上記第１の回転軸から離間した第２の回転軸に連結された第２の内側リンクであって、上記第２の回転軸から離間した第２の中間軸を有する第２の内側リンクと
上記第２の中間軸において上記第２の内側リンクに旋回可能に連結され、かつ上記外側軸において上記第１の外側リンクに旋回可能に連結される第２の外側リンクと、
上記第１の回転軸を上記第２の回転軸に連結する接地リンクと、
上記第１の回転軸に連結された第１のモータと、
上記第２の回転軸に連結された第２のモータと、
上記５つの軸はすべて、全５つのリンクから離間した球面回転の遠隔中心を通過し、
コントローラであって、
上記第１の内側リンクが上記接地リンクと同一平面にある場合、上記第１の回転軸から上記第１の中間軸への第１の方向ベクトルが、上記第１の回転軸から上記第２の回転軸への第２の方向ベクトルと同一方向を有し、
上記第２の内側リンクが上記接地リンクと同一平面にある場合、上記第２の回転軸から上記第２の中間軸への第３の方向ベクトルが、上記第２の回転軸から上記第１の回転軸への第４の方向ベクトルと同一方向を有するように、
上記第１および第２のモータに信号を提供し、上記第１の内側リンクおよび上記第２の内側リンクをそれぞれ回転させるコントローラと
を備える、ロボットアーム。
（項目３３）
上記第１の外側リンクは、挿入軸を備えるツールシャフトを有する手術器具の支持部をさらに含み、上記挿入軸は、上記外側軸および上記第１の中間軸から離間し、上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目３２に記載のロボットアーム。
（項目３４）
上記挿入軸は、上記第１の中間軸から離間した上記外側軸より、上記第１の中間軸からさらに離間する、項目３２に記載のロボットアーム。
（項目３５）
上記挿入軸と、上記外側軸と、上記第１の中間軸とは、同一平面上にある、項目３４に記載のロボットアーム。
（項目３６）
上記第１の外側リンクは、挿入軸を備えたツールシャフトを有する手術器具の支持部をさらに含み、上記挿入軸は、上記外側軸と一致し、上記球面回転の遠隔中心を含む、項目３２に記載のロボットアーム。
（項目３７）
上記第１の外側リンと上記第２の外側リンクとの間の最小角度が少なくとも１５度となるように、上記外側軸の回りの上記第１の外側リンクの回転を制限する制約部をさらに含む、項目３２に記載のロボットアーム。
（項目３８）
上記第１の外側リンと上記第２の外側リンクとの間の最小角度が少なくとも３０度となるように、上記外側軸の回りの上記第１の外側リンクの回転を制限する制約部をさらに含む、項目３２に記載のロボットアーム。
（項目３９）
上記第１のモータは、上記第１の回転軸に対し第１の角度で上記第１の内側リンクに連結され、上記第２のモータは、上記第２の回転軸に対し第２の角度で上記第２の内側リンクに連結される、項目３２に記載のロボットアーム。
（項目４０）
上記第１のモータは、上記第１の回転軸に対し直角に上記第１の内側リンクに連結され、上記第２のモータは、上記第２の回転軸に対し直角に上記第２の内側リンクに連結される、項目３２に記載のロボットアーム。
（項目４１）
駆動端において上記第１のモータに連結され、かつ他端において上記第１の内側リンクに連結される第１の駆動シャフトであって、上記駆動端から上記球面回転の遠隔中心に向かって延在する第１の駆動シャフトと、
駆動端において上記第２のモータに連結され、かつ他端において上記第２の内側リンクに連結される第２の駆動シャフトであって、上記駆動端から上記球面回転の遠隔中心から離れるように延在する第２の駆動シャフトと
をさらに備える、項目４０に記載のロボットアーム。
（項目４２）
第１のロボットアームであって、
接地リンクと、
上記接地リンクに連結された２つのモータであって、各モータが回転軸を有し、上記２本の回転軸は第１の球面回転の遠隔中心において交差する、２つのモータと、
２つの内側リンクであって、各内側リンクは上記モータの回転軸において上記モータのうちの１つと連結され、各内側リンクは上記モータの回転軸から離間して配置された中間軸を有し、上記２本の中間軸は上記第１の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの内側リンクと、
２つの外側リンクであって、各外側リンクは上記内側リンクの中間軸において上記内側リンクのうちの１つと旋回可能に連結され、上記２つの外側リンクは、上記中間軸から離間して配置された外側軸において共に旋回可能に連結され、上記第１の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの外側リンクと
を有する第１の並列の球面５棒リンク機構を含む、
ロボットアームと、
上記第１のロボットアームの上記２つのモータのそれぞれに、上記２本の中間軸が、上記外側軸と上記モータのうちのいずれか１つの上記回転軸とを含む平面の同じ側にあるように、それぞれに連結された内側リンクを上記モータの回転軸回りに回転させるコントローラと
を備える、システム。
（項目４３）
上記外側リンクのうちの１つは、上記外側軸から離間して配置された挿入軸を有する手術器具をさらに含み、上記挿入軸は、上記第１の球面回転の遠隔中心を通過する、項目４２に記載のシステム。
（項目４４）
上記挿入軸は、上記外側軸が上記外側リンクのうちの１つの上記中間軸から離間して配置されているよりもさらに、上記中間軸から離間して配置される、項目４３に記載のシステム。
（項目４５）
上記挿入軸、上記外側軸、および上記外側リンクのうちの１つの中間軸は、同一平面上にある、項目４４に記載のシステム。
（項目４６）
上記外側リンクのうちの１つは、上記外側軸と一致する挿入軸を有する手術器具をさらに含み、上記挿入軸は上記第１の球面回転の遠隔中心を通過する、項目４２に記載のシステム。
（項目４７）
上記第１のロボットアームは、上記モータの回転軸と、上記中間軸と、上記外側軸との間の角度が、１６０度を超えることができないように、上記中間軸回りの上記外側リンクのうちの１つの回転を制限するための機械的停止装置をさらに含む、項目４２に記載のシステム。
（項目４８）
上記第１のロボットアームは、上記モータの回転軸と、上記中間軸と、上記外側軸との間の角度が、１２０度を超えることができないように、上記中間軸回りの上記外側リンクのうちの１つの回転を制限するための機械的停止装置をさらに含む、項目４２に記載のシステム。
（項目４９）
上記２つの回転軸は、上記接地リンク上に離間して配置される、項目４２に記載のシステム。
（項目５０）
上記２つの回転軸は、上記接地リンク上で一致する、項目４２に記載のシステム。
（項目５１）
第２のロボットアームであって、
２つのモータであって、各モータが回転軸を有し、上記２本の回転軸は第２の球面回転の遠隔中心において交差する、２つのモータと、
２つの内側リンクであって、各内側リンクは上記モータの回転軸において上記モータのうちの１つと連結され、各内側リンクは上記モータの回転軸から離間して配置された中間軸を有し、上記２本の中間軸は上記第２の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの内側リンクと、
２つの外側リンクであって、各外側リンクは上記内側リンクの中間軸において上記内側リンクのうちの１つと旋回可能に連結され、上記２つの外側リンクは、上記中間軸から離間して配置された外側軸において共に旋回可能に連結され、上記第２の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの外側リンクと
を有する第２の並列の球面５棒リンク機構を含む、
第２のロボットアームと、
さらに上記第２のロボットアームの上記２つのモータのそれぞれに、上記２本の中間軸が、上記外側軸および上記回転軸のうちの１つを含む平面の同じ側にあるように、またさらに、上記第２のロボットアームの上記２本の中間軸が、上記平面の、上記中間軸が上記第１のロボットアームに対するものであるとした場合の反対側にあるように、上記モータの回転軸の回りにおいてそれぞれに連結された内側リンクを回転させるコントローラと
をさらに備える、項目４２に記載のシステム。
（項目５２）
低侵襲手術システム用のロボットアームであって、
コンパクトな姿勢の範囲を有する並列の５棒球面リンク機構であって、球面回転の遠隔中心の回りに上記並列の５棒球面リンク機構と連結されたロボット型手術ツールを球状に回転移動させる並列の５棒球面リンク機構と、
上記ロボットアームと連結された制約部であって、上記並列の５棒球面リンク機構を上記コンパクトな姿勢の範囲に制限するための制約部と
を備える、ロボットアーム。
（項目５３）
上記ロボットアームは、上記並列の５棒球面リンク機構に２つの並列の回転運動入力を提供する第１のモータおよび第２のモータを含み、
上記制約部は、上記コンパクトな姿勢の範囲を維持するよう上記並列の５棒球面リンク機構を制御する上記第１のモータおよび上記第２のモータと連結されたコントローラである、
項目５２に記載のロボットアーム。
（項目５４）
上記並列の５棒球面リンク機構は、外側関節を有し、
上記制約部は、上記外側関節に連結され、上記並列の５棒球面リンク機構を上記コンパクトな姿勢範囲に制限する機械的停止装置を含む、
項目５２に記載のロボットアーム。
（項目５５）
上記ロボットアームは、接地リンクをさらに含み、
上記第１のリンク対は上記第１のリンク対の第１の端部において上記接地リンクと連結され、
直列の旋回可能に連結されたリンクの上記第２のリンク対は上記第２のリンク対の第１の端部において上記接地リンクと連結され、
上記第１のリンク対の第２の端部および上記第２のリンク対の第２の端部は、外側関節において共に連結される、
項目５２に記載のロボットアーム。
（項目５６）
上記第１のリンク対および上記第２のリンク対は、複数の異なる半径の球体上に位置する弓形形状を有する、項目５２に記載のロボットアーム。
（項目５７）
上記制約部は、上記ロボットアームの周囲にその他の手術機器用のクリアランスを提供する、項目５２に記載のロボットアーム。
（項目５８）
上記並列の５棒球面リンク機構は、上記ロボットアームを患者の上に支持するために、台と連結するための接地リンクを有する、項目５２に記載のロボットアーム。
（項目５９）
上記ロボットアームを患者の上に支持するために、上記並列の５棒球面リンク機構と上記台との間に連結された設定アームをさらに備える、項目５８に記載のロボットアーム。（項目６０）
低侵襲手術システムにおけるロボットアームのための方法であって、
並列の５棒球面リンク機構にコンパクトな姿勢をとらせるステップと、
球面回転の遠隔中心の回りに球面運動で上記並列の５棒球面リンク機構を移動させるステップと、
上記並列の５棒球面リンク機構の上記球面運動をコンパクトな姿勢の範囲内に制約するステップと
を含む、方法。
（項目６１）
上記並列の５棒球面リンク機構の複数の点は、上記並列の５棒球面リンク機構を球状に移動させるために異なる球面上を移動する、項目６０に記載の方法。
（項目６２）
上記方法は、上記ロボットアームを患者の上に支持するために、上記並列の５棒球面リンク機構のリンクを台に連結するステップをさらに含む、項目６０に記載の方法。
（項目６３）
上記ロボットアームを患者の上に支持するために、上記並列の５棒球面リンク機構のリンクを、設定アームを有する台に連結するステップをさらに含む、項目６０に記載の方法。
（項目６４）
上記ロボットアームは、上記並列の５棒球面リンク機構に連結された第１のモータおよび第２のモータを有し、
上記並列の５棒球面リンク機構の球面運動を上記コンパクトな姿勢範囲内に制約するステップにおいて、上記第１のモータおよび上記第２のモータを制御し、上記並列の５棒球面リンク機構の球面運動を上記コンパクトな姿勢範囲内に制約する、
項目６０に記載の方法。

図１は、本発明の実施形態が使用される手術室の平面図である。 図２は、図１の手術室の一部の平面図である。 図３は、図２の手術室の一部の側面図である。 図４は、並列の５棒リンク機構の概略図である。 図５は、並列の球面５棒リンク機構の概略図である。 図６別の並列の球面５棒リンク機構の概略図である。 図７は、本発明の実施形態の透視図である。 図８は、本発明の実施形態の第１の側面の図である。 図９は、図８に示される本発明の実施形態の底面図である。 図１０は、図８に示される本発明の実施形態の第２の側面の図である。 図１１は、図８に示される本発明の実施形態の上面図である。 図１２は、図８に示される本発明の実施形態の端面図である。 図１３は、図１２に示されるような実施形態の一部の透視図である。 図１４は、異なる操作位置にある、図９に示されるような本発明の実施形態の底面図である。 図１５は、本発明の別の実施形態の底面図である。 図１６は、本発明の別の実施形態の端面図である。 図１７は、並列の球面５棒リンク機構の概略図である。 図１８は、別の並列の球面５棒リンク機構の概略図である。 図１９は、本発明の別の実施形態の透視図である。 図２０は、図１９に示される並列の球面５棒リンク機構の概略図である。 図２１は、本発明の別の実施形態の透視図である。

詳細な説明では、腹腔鏡手術において使用され得る場合の本発明について記載する。これは、本発明が使用され得る手術の種類の単なる一例であることを理解されたい。本発明は、腹腔鏡検査にも図示されている特定の構造配置にも限定されず、それらは本発明の理解を補助するための例に過ぎない。従来の低侵襲手術では、執刀医の手からかなりの距離の所にある手術ツールを執刀医の手の動きによって制御しているため、高度な手術技能が必要であり、多くの場合、不自然且つ非直観的な手の運動を必要とする。ロボット支援手術において、執刀医は、マスタコントローラを動作させて、手術部位における手術器具の運動を制御することができる。サーボ機構は、執刀医による手入力デバイスの操作に基づいて、手術器具を移動させ、関節運動させることができる。ロボットによる支援は、執刀医が手術器具の運動をより容易に且つ極めて正確に制御することを可能にし得る。

図１は、本発明が使用され得る手術室の概略平面図を示す。手術台１１２上には、ロボット支援腹腔鏡手術を受けている患者１１０が示されている。執刀医１２０は、マスタコントローラ１２２を使用して、内視鏡カメラ、腹部手術の場合は腹腔鏡カメラ１０４によって提供される、体内の手術部位のビデオ画像を見るとともに、ロボットサーボ機構を用いて１つ以上の手術器具および腹腔鏡カメラを制御することができる。マスタコントローラ１２２は、一般に、サーボ機構によって手術器具に連結された、１つ以上の手入力デバイス（ジョイスティック、外骨格グローブ等）を含むことになる。

本発明を具現化するロボットアーム１１６は、ロボット支援手術中、手術部位に腹腔鏡カメラ１０４を支持および移動させるために使用され得る。手術器具のツールシャフト１１８およびツールシャフトが通過するカニューレ１０６が、ツールシャフトおよびカニューレの長さに沿った空間内に位置づけられた球面回転の中心の回りを旋回するように、腹腔鏡カメラ１０４を支持することが望ましい。さらなるロボットアーム１００、１０２により、手術器具を支持し、移動させてもよい。手術器具を支持するためのロボットアーム１００、１０２は、腹腔鏡カメラを支持するためのロボットアーム１１６とは異なる形態であってもよい。

各ロボットアーム１００、１０２、１１６は、関節運動する設定アーム１３０、１３２、１３４によって支持され得る。設定アームは、手術台１１２に装着されてもよい。各設定アームは、画定された運動範囲内にロボットアームを位置づけることを可能にする１以上の自由度を提供する関節によって連結された多数のセグメントを含み得る。ロボットアームが所望の位置にある場合、設定アームのセグメントおよび関節を固定するために、１つ以上の係止機構を設けてもよい。設定アームは、ロボットアーム１００、１０２、１１６が、手術台およびその上の患者に対して任意の位置に固定されるのを可能にすることができる。設定アームの姿勢および結果として生じる支持されたロボットアームの位置を決定することを可能にするため、設定アームに関節角度センサを設けてもよい。

各ロボットアーム１００、１０２、１１６は、球面回転の中心が、実質的に体内の手術部位へのアクセスポイントにある位置（例えば、腹腔鏡手術中に腹壁においてトロカールまたはカニューレ１０６用の入口を提供する切開部を有するもの）に固定され得る。ロボットアーム１１６によって支持される手術器具１０４のエンドエフェクタは、ロボットアーム１１６によってツールシャフト１１８の近位端を移動させることにより、腹壁に対して危険な力を与えることなく、安全に位置づけられ得る。

各ロボットアーム１００、１０２、１１６は、ロボットアームから取り外し可能であってもよい１つの手術器具を支持することになる。種々の手術器具１０８が、単一手術の経過中にロボットアーム１００、１０２上にある手術器具に取って代わり得る一方、腹腔鏡カメラ１０４は、概して、手術の経過中を通して所定位置に残される。各ロボットアーム１１６は、切開部を通過して患者１１０の体内に至るカニューレ１０６を支持することができる。手術器具または腹腔鏡カメラ１０４のツールシャフト１１８は、カニューレ１０６を通過して体内の手術部位に至る。

ロボットアーム１１６は、カニューレ１０６および器具のツールシャフト１１８が、カニューレ１０６の長さに沿った空間内に位置づけられた球面回転の中心の回りを旋回するように、腹腔鏡カメラ１０４を支持することができる。球面回転の中心は、ロボットアーム用の回転運動の球中心であり、一方でロボットアームの構造体から離間して配置されていることから、球面回転の遠隔中心とも称される場合がある。球面回転の中心の回りにおける運動は、球面回転の中心から半径方向距離にある点が、その半径として半径方向距離を有する球面上を移動することから、球面運動と称される場合がある。カニューレ１０６は、患者１１０の腹壁内にある切開部等のアクセスポイントを通過して体内の手術部位に至る、挿入軸を画定する。ツールシャフト１１８は、挿入軸に沿って伸展する。

各ロボットアーム１００、１０２、１１６は、アームを所望の位置へ移動させるために、１つ以上のサーボモータを含み得る。各ロボットアームは、手術器具または腹腔鏡カメラ１０４および／または手術器具または腹腔鏡カメラ上のエンドエフェクタを移動させるために、１つ以上のさらなるサーボモータを含んでもよい。１つ以上の制御ケーブル１２４は、マスタコントローラ１２２内のコンピュータ１２３とロボットアーム１００、１０２、１１６のサーボモータとの間に信号を提供し得る。マスタコントローラ１２２は、執刀医の入力およびサーボ機構からの受信フィードバックに基づいて、ロボットアームのサーボ機構、手術器具、および腹腔鏡カメラを制御する信号を提供するために、コンピュータ１２３を含み得る。

図２は、患者１１０およびロボットアーム１００、１０２、１１６を含む、図１の一部の拡大図を示す。図３は、患者の左手側から見た、腹腔鏡カメラを支持し、移動させるロボットアーム１１６の側面図を示す。患者１１０の概略断面を、カニューレ１０６が腹壁の切開部３１４を通して挿入されるエリアに示している。腹腔鏡カメラ１０４のツールシャフト１１８は、患者１１０の内部にあるカニューレ１０６の端部から現れるのが見える。ツールシャフト１１８の遠位端にあるエンドエフェクタ３００は、レンズおよび光源を提供され得る。レンズおよび光源は、ツールシャフトを介してカメラおよびランプに光学的に連結され得る。カメラおよびランプは、ツールシャフトの近位端にあるロボットアーム１１６によって支持され得る。

ロボットアーム１１６は、以下でさらに詳細に論じるように、腹腔鏡カメラを支持するための球面リンク機構を含む。球面リンク機構は、挿入軸の運動を、カニューレ１０６の長さに沿って位置し得る、球面回転の遠隔中心３０６の回りにおける回転に制約する。球面回転の遠隔中心３０６を、切開部３１４またはその付近に位置させることにより、挿入軸は、切開部における有意な横方向運動なく移動され得る。

エンドエフェクタ３００は、カニューレ１０６を通過し、挿入軸に沿って体内の手術部位へ至る。エンドエフェクタ３００は、ツールシャフト１１８によって支持され、ツールシャフトを介してカメラ、ランプ、およびサーボ機構の１つ以上に連結される。エンドエフェクタ３００の平行移動は、ツールシャフト１１８および装着されたエンドエフェクタとの腹腔鏡カメラ１０４の平行移動によって達成され得る。

エンドエフェクタ３００は、その球面回転の遠隔中心３０６の回りにツールシャフト１１８を移動させることにより、２つのさらなる次元で移動されることができる。ロボットアーム１１６は、空間内におけるその角度位置を変化させるようにツールシャフト１１８を移動させることによって、これら二次元の運動を制御することになる。ツールシャフト１１８の運動は、球面座標系内における挿入軸の位置の観点から説明され得る。空間内の点は、２つの角度および球面座標系の中心からの距離の観点から特定され得る。球面座標系の中心を通過する挿入軸を特定するためには、その２つの角度があればよいことが十分に理解されるであろう。

本発明のロボットアーム１１６は、器具のツールシャフト１１８が、挿入軸に沿った空間内に、概してカニューレ１０６の長さに沿って位置づけられた球面回転の遠隔中心３０６の回りを旋回するよう、腹腔鏡カメラ１０４を移動させ支持するための、並列の球面５棒リンク機構を含む。

図４Ａは、並列の５棒リンク機構４００の、単純化した二次元概略図を示す。この例は、本質的に平坦な面において動作するリンク機構を図解するものである。本発明のリンク機構は、三次元空間においても同様に動作し、それについては後に説明する。並列の５棒リンク機構は、互いに対しかつ固定されたベースリンク４０５に対し旋回する４つの剛な棒またはリンク４０１、４０２、４０３、４０４のシステムである。固定されたベースリンクは、接地リンクと称される場合がある。接地リンク４０５は、残り４つのリンクを維持する固定されたフレームを提供するという意味でのみ固定されることを理解されたい。接地リンク４０５は、５棒リンク機構４００全体を移動させるために、空間内に位置づけられ得る。

各リンクは２本の旋回軸を含む。本発明では、各リンク上の２つの旋回軸間に相当な距離がある。旋回軸４１１、４１２、４１３、４１４、４１５はすべて、共有面に対して垂直である。これらのリンクは、リンクが連結された旋回軸の回りを互いに対して回転できるように、旋回軸において連結される。旋回軸におけるリンクの回転可能な連結は、連結されたリンクの運動を旋回軸の回りの回転に制限する、種々の形態をとることができる。並列の球面５棒リンク機構のための多数の軸が記載されている。「軸」という用語は、挿入軸を除き、「関節」または「ピボット」と称するものと同義で使用され得る。

接地リンク４０５は、２本の内側軸４１２、４１３を提供する。内側リンク４０１、４０４は、内側軸４１３、４１２のそれぞれと旋回可能に連結される。各内側リンク４０１、４０４は、内側軸４１３、４１２から離間して配置された中間軸４１４、４１１を有する。各内側リンク４０１、４０４は、中間軸４１４、４１１において外側リンク４０２、４０３と旋回可能に連結される。各外側リンク４０２、４０３は、中間軸４１４、４１１から離間して配置された外側軸４１５を有する。２つの外側リンク４０２、４０３は、外側軸４１５において共に旋回可能に連結される。外側軸４１５は、その運動範囲内であれば何処にでも、共有面（この二次元の図解例において）と垂直に位置づけられ、したがって、外側軸４１５における終点運動に２自由度を提供することができる。それらの内側軸４１３、４１２の回りにおいて内側リンク４０１、４０４のそれぞれを回転させるためにモータが設けられている場合、矢印で示すように、外側軸４１５は、２つの内側リンクをモータで回転させることによって、その運動範囲内であれば何処にでも位置づけられ得る。逆に、その運動範囲内における外側軸４１５の動きは、それらの内側軸４１３、４１２の回りにおける２つの内側リンク４０１、４０４の回転に転換される。

接地基準の独立した２つの軸の二次元の動きを有するリンクの回転を連結するリンク機構は、並列リンク機構である。２つのモータによって２つの内側リンクに提供される回転運動は、並列回転運動入力と称される場合がある。「並列」は、本願において使用する場合、互いに独立して提供される２つの入力を示し、幾何学的意味で入力の方向を示すものではないことに留意すべきである。並列リンク機構において、２つの独立した並列入力は、入力と連結されたリンクが結合するいずれかの遠位点において、同じ本体に作用し、該同じオブジェクトまたはリンクを駆動する。

外側軸の可能性な位置の大部分に対し、５棒リンク機構内の内側リンク４０１、４０４のそれぞれに２つの可能性な位置があることを理解されるであろう。例えば、内側リンク４０１、４０４はまた、点線４０１’、４０４’によって示されるように、位置づけることが可能である。中間軸４１４’と４１１’との間の距離は短縮し、外側リンク４０２’と４０３’との間の角度は縮小されるため、内側リンクのこれらの位置は、概して望ましくないとみなされる。通常、中間軸間の距離を最大限にし、外側軸４１５のための幅広い支持ベースを提供することが望ましい。また、通常、外側軸４１５を支持するために、可能な限り互いに直角になるよう近接して外側リンク４０２’、４０３’を有することが望ましい。５棒リンク機構の従来の構成が、外側軸４１５のための優れた構造支持を提供するが、結果として生じる構造は、移動のための相当量の空間を必要とする。点線で描かれたリンク４０１’、４０２’、４０３’、４０４’によって示される代替構成は、小面積を占有し（平面上に投影されるように）、したがって、よりコンパクトな機械構成である。

図４Ｂは、内側リンク４０１、４０４が反時計方向に回転した後の並列の５棒リンク機構４００を示す。外側軸４１５は、内側リンク４０１、４０４の回転によって、略左方向に移動したことを理解できるであろう。外側軸４１５の同じ位置はまた、並列の５棒リンク機構４００が、点線によって示されるコンパクトな機械構成にある場合の内側リンク４０１’、４０４’の同様の回転によっても生成されることができる。

球面リンク機構は、この説明を目的として、上述した二次元の機械的リンク機構の三次元版である。三次元リンク機構においては、すべての旋回軸が共通の球面回転の遠隔中心を通過する。「通過する」とは、正確な理論上の球面回転の遠隔中心に軸が実際に含まれるかのように、リンク機構が実質的に同じ運動学（特徴的運動）を有するのに十分なほど変位が小さい場合であって、ロボットアームの構造的制限を収容するために、球面回転の遠隔中心から（例えば、物理リンクの製造におけるわずかな誤差によって）わずかに離れている場合がある軸を含む。球面回転の遠隔中心を通過する軸はまた、球面回転の遠隔中心を中心とする球面に対して垂直であることに留意されたい。

図５は、並列の球面５棒リンク機構５００の概略図を示す。前述した平面的な５棒リンク機構と同様に、並列の球面５棒リンク機構５００は、互いにかつ固定されたベースまたは接地リンク５０５に対し旋回する４つの剛なリンク５０１、５０２、５０３、５０４のシステムである。並列の５棒リンク機構が球形に構築されている場合、旋回軸５１１、５１２、５１３、５１４、５１５はすべて、共通の球面に対して垂直であり、したがって、球体の球面回転の遠隔中心５２０を通過する。特に、外側軸５１５は、その運動範囲内において常に球面回転の遠隔中心５２０を通過することになる。したがって、並列の球面５棒リンク機構５００は、リンク機構５００の外側軸５１５によって支持され動かされる際には、器具のツールシャフトが球面回転の遠隔中心の回りを旋回するよう、所望の制約された運動を手術器具に提供する。手術器具を移動させるためのモータは、接地リンク５０５の内側軸５１３、５１２に設置される。これにより、直列アーム機構を使用した場合に必要とされる場合がある、一方のモータを他方のモータと共に移動させる必要性を回避する。

図６Ａで図式的に示すように、並列の球面５棒リンク機構６００が、中間軸６１４、６１１がそれらの可能な最大距離間隔にある場合の従来の構成をとらないように制約され得、驚くべきことに、外側軸６１５に良好な構造的支持を提供することが分かっている。この結果として、多くの場合、図１および２の例示的なシステムによって示されるような限られた量の空間内において他方のロボットアームを極めて接近して使用することが必要とされる場面で、内視鏡カメラを支持するためのロボットアームとしての使用により適した、よりコンパクトな構成をもたらす。

図式的に示されている並列の球面５棒リンク機構６００は、接地リンク６０５と、接地リンクに旋回可能に連結された２つの内側リンク６０１、６０４と、一端で互いに、他端でそれぞれ２つの内側リンク６０１、６０４に旋回可能に連結された２つの外側リンク６０２、６０３とを含む。第１の内側リンク６０１は、第１の回転軸６１３において、接地リンク６０５に旋回可能に連結される。第１の内側リンク６０１は、第１の回転軸６１３から第１の距離に、第１の中間軸６１４をさらに含む。第１の外側リンク６０２は、第１の中間軸６１４において第１の内側リンク６０１と旋回可能に連結される。第１の外側リンク６０２は、第１の中間軸６１４から第２の距離に外側軸６１５を有する。

第２の内側リンク６０４は、第２の回転軸６１２において、接地リンクに旋回可能に連結される。第２の内側リンク６０４は、第４の距離分第１の回転軸６１３から離間する第２の回転軸６１２を有する。第２の内側リンク６０４は、第２の回転軸６１２から第５の距離に、第２の中間軸６１１をさらに含む。第２の外側リンク６０３は、第２の中間軸６１１において第２の内側リンク６０４に、外側軸６１５において第１の外側リンク６０２に旋回可能に連結される。外側軸６１５は、第２の中間軸６１１から第６の距離にある。

機械的停止装置は、外側リンク間で最小角度が維持されるように、外側軸６１５回りの外側リンク６０２、６０３の回転を制限することができる（おそらく、最小角度は、１５乃至３０度の範囲）。外側軸６１５が、第１の回転軸６１３から第２の回転軸６１２への線分の垂直な二等分線である平面６２２上にあるときに、内側リンク６０１、６０４のそれぞれが、二等分平面６２２を交差６２４するように、リンクは組み立てられ、制約される。（二重点線は、リンク機構６００の近傍にある虚の二等分平面６２２の一部の縁を示唆するように意図されている。点線の円は、内側リンク６０１、６０４のそれぞれと二等分平面６２２との間の交差点を示し、図示される構成および姿勢に対し同一場所にある）。内側リンクが二等分平面を交差する場合、回転軸と中間軸とは、平面の反対側にあることになる。これは、内側リンク６０１、６０４が互いに交差可能であることが必要となることを理解されるであろう。

ロボットアームによってとられる特定の位置は、姿勢と称される場合がある。ロボットアームを特定の位置に設置することを、ロボットアームに姿勢をとらせると称する場合がある。並列の球面５棒リンク機構は、２つの中間軸６１４、６１１が、ロボットアーム６００の任意の所与の姿勢に対し可能な最大距離間隔と比較して、比較的近接するように、その運動が制限され得る。特に、回転軸６１２、６１３、中間軸６１１、６１４、および外側軸６１５は、同一平面上にあるという特異性を除き、各内側リンク６０１、６０４は、外側軸６１５の所与の位置に対する２つの位置のうちの一方にあってもよい。２つの内側リンク６０１、６０４のそれぞれの２つの位置のうちの一方は、中間軸６１１、６１４との間の最大距離を提供するであろう。２つの内側リンク６０１、６０４のそれぞれが２つの位置のうちの他方にある場合の姿勢は、コンパクトな姿勢として記載されるであろう。これは、最小可能距離とならない場合もあるが、常に、中間軸６１１、６１４間の最大距離よりも小さくなることを理解されるであろう。外側リンクが、外側リンク間の少なくとも最小角度を維持するように制約され、並列の５棒球面リンク機構が、コンパクトな姿勢に組み立てられる場合、リンク機構は、コンパクトな姿勢の範囲に制限されるであろう。

図６Ｂは、内側リンクの一方６０１が反時計方向に回転した後の並列の球面５棒リンク機構６００を示す。外側軸６１５は、内側リンク６０１の回転によって、略左方向に移動したことを理解できるであろう。また、外側軸６１５上の点は、球面上を移動するように制約されることも理解されるであろう。図６Ｂに示される姿勢では、２つの内側リンク６０１、６０４のいずれも、二等分平面６２２を交差しない。外側軸６１５が、第１の回転軸６１３から第２の回転軸６１２への線分の垂直な二等分線である平面６２２上にある姿勢からずれた場合でも、リンク機構６００は、コンパクトな構成を保持することが分かるであろう。

次に図７Ａを参照すると、内側リンク７０１、７０４および外側リンク７０２、７０３は、図１〜３に示される実施形態に対し図示される。モータアセンブリによって提供される接地リンクは、４つの移動リンク間の関係をよりよく示すために図７には示されていない。２つの内側リンク７０１、７０４はそれぞれ、回転軸７１３、７１２のうちの一方の回りを回転可能である。各内側リンク７０１、７０４は、中間軸７１１、７１４において、外側リンク７０２、７０３に旋回可能に連結される。２つの外側リンク７０２、７０３は、外側軸７１５において、共に旋回可能に連結される。また、外側軸７１５は、カニューレ（図示せず）が中心となる挿入軸であってもよい。

いくつかの実施形態では、第１の回転軸７１３および第２の回転軸７１２は、モータに信号を提供するコントローラに接続されるモータによって駆動される。第１のモータは、第１の内側リンク７０１を回転させ、第２のモータは、第２の内側リンク７０４を回転することができる。並列の５棒球面リンク機構が、コンパクトな姿勢の範囲に制限されるように、コントローラは、リンクの運動を制限することができる。外側軸７１５が二等分平面上にある場合に、内側リンク７０１、７０４のそれぞれが、第１の回転軸７１３から第２の回転軸７１２への線分の垂直な二等分平面を交差するように、コントローラは、内側リンク７０１、７０４の運動を制限することができる。内側リンクが、二等分平面を交差する場合、回転軸と中間軸とは、二等分平面の反対側にあるだろう。また、最小角距離が、中間軸７１１、７１４間に維持されるように（おそらく、最小角距離は、１５乃至３０度の範囲にある）、コントローラは、内側リンク７０１、７０４の回転を制限することができる。コントローラは、リンク７０１−７０４の動きの範囲に、外側軸７１５での外側リンク７０２と７０３との間の角度を制限する機械的停止装置と同じ制約を提供することが可能である。

並列の球面５棒リンク機構は、サーボモータまたはステッピングモータ等を使用して内側リンク７０１、７０４を制御可能に回転させることにより、外側軸７１５を所望の位置まで移動させるために使用され得る。図７Ｂは、内側リンクの一方７０１が反時計方向に回転した後の並列の球面５棒リンク機構を示す。図７Ａおよび７Ｂに示される並列の球面５棒リンク機構の姿勢は、図６Ａおよび６Ｂそれぞれに図式的に示される並列の球面５棒リンク機構の姿勢と略同様である。

別の実施形態において、並列の球面５棒リンク機構は、外側軸の操作に起因する２つの内側軸の軸受を測定することにより、外側軸の位置を検知するために使用され得る。例えば、回転エンコーダまたはその他のセンサを、図７に示す並列の球面５棒リンク機構の第１回転軸７１３および第２回転軸７１２に設置してもよい。コントローラを、内側リンク７０１、７０４のぞれぞれの軸受を受ける２つの回転エンコーダと連結されたコンピュータと置き換えてもよい。続いてコンピュータは、外側軸の位置を計算することができ、これをオペレータが操作して位置入力を提供することができる。外側軸は球面リンク機構の球面回転７２０の遠隔中心の回りを回転するように制約されることが十分に理解されるであろう。したがって、執刀医１２０から外側軸７１５の位置入力を受けるために、並列の球面５棒リンク機構を図１の制御コンソール１２２において使用してもよい。位置入力は、ロボットアーム１１６の外側軸と同じ制約された運動を有し得る。

次に図８、９、１０、１１、および１２を参照すると、図１〜３から示される同一姿勢において、腹腔鏡カメラを支持するために使用されるロボットアーム１１６の４つの側面および端部の正面図が示される。図８は、第１の側面図である。図９は、底面図である。図１０は、第１の側面の反対側の側面の第２の側面図。図１１は、上面図である。図１２は、図８〜１１の右側端部の図である。

図８〜１２は、本発明を具現化するロボットアーム１１６を示す。ロボットアームは、接地リンクとして機能するモータアセンブリ８００と、並列の球面５棒リンク機構を提供するための４つの移動可能リンク７０１、７０２、７０３、７０４を含む。４つの可動リンクの関係は、図７に関連して上述されている。モータアセンブリ８００は、２つの回転可能シャフト８０２、８０４を提供する。回転軸７１３、７１２（図７に図示）のうちの一方において、回転可能シャフトのそれぞれは、２つの内側リンク７０１、７０４のうちの一方に連結される。カニューレ１０６は、外側軸７１５（図７に図示）と同軸にある位置において、２つの外側リンク７０２、７０３によって支持される。本実施形態では、外側軸７１５は、内視鏡カメラのツールシャフトの挿入軸と一致する。

図１３は、モータアセンブリ８００と２つの内側リンク７０１、７０４との関係が分かるように、２つの外側リンク７０２、７０３を取り外した図１２のロボットアーム１１６を示す。モータアセンブリ８００および２つの内側リンク７０１、７０４は、２つの内側リンクが互いにおよびモータアセンブリを通過可能なような構成に成形および連結される。２つの回転可能シャフト８０２、８０４は、本実施形態において、モータアセンブリ８００から略反対方向に出現することを理解できるであろう。２つの回転可能シャフト８０２、８０４は、ウォームおよび螺旋駆動等の直角駆動を介して、シャフトに連結されるモータによって駆動され得る。

一方の内側リンク７０１は、モータアセンブリよりも球面運動の中心に近い球状「シェル」内で移動する。他方の内側リンク７０４は、モータアセンブリよりも球面運動の中心から遠い球状「シェル」内で移動する。モータアセンブリ８００は、これらの２つの球状「シェル」間にある。したがって、一方のリンク対は、モータアセンブリの内側を通過し、他方のリンク対は、外側を通過する。

図１４は、外側軸８０６がモータアセンブリ８００に近接する姿勢にある図９のロボットアーム１１６’を示す（モータアセンブリ８００は、移動可能リンク７０１’、７０２’、７０３’、７０４’の構成が分かるように、点線で示唆されるように透明に描かれている）。遠隔球面中心へ延在する第１の回転可能シャフト８０２に連結される一方の内側リンク７０１’と、連結された外側リンク７０２’とは、モータアセンブリ８００の内側を通過している。これらのリンクは、モータアセンブリ８００と遠隔球面中心との間にある。遠隔球面中心から離れて延在する第２の回転可能シャフト８０４に連結される他方の内側リンク７０４’と、連結された外側リンク７０３’とは、モータアセンブリ８００の外側を通過する。モータアセンブリ８００は、これらのリンクと遠隔球面中心との間にある。

図１５は、本発明を具現化する別のロボットアーム１５００を示す。モータアセンブリは、２つの回転軸１５０８、１５１０からかなりの距離離れた位置で、支持部１５０６によって連結される２つのモータ１５０２、１５０４を含む。モータアセンブリは、並列の球面５棒リンク機構に接地リンクを提供する。支持部１５０６のこの構成は、カニューレ１５１４の軸でもあり得る外側軸１５１２が、２つの回転軸１５０８と１５１０との間、および２つのモータ１５０２と１５０４との間を通過し、より大きい運動範囲を提供することを可能にする。

図１６は、本発明を具現化するさらに別のロボットアーム１６００を示す。モータアセンブリは、並列の球面５棒リンク機構に接地リンクを提供する支持部１６０６によって連結される２つのモータ１６０２、１６０４を含む。２つの回転軸１６０８、１６１０は、直角駆動が必要とされないように、２つのモータ１６０２、１６０４の軸と一致し得る。内側リンクのうちの少なくとも一方１６１４は、２つの回転軸１６０８、１６１０間の角距離より実質的に短い角度長を有する。これによって、他方の内側リンク１６１６に連結されるモータ１６０４に対し内側リンク１６１４を可能にする。他方の内側リンク１６１６は、短縮された内側リンク１６１４に連結されるモータ１６０２の内側、該モータと遠隔球面中心との間を通過するように構成され得るため、２つの回転軸１６０８、１６１０間の角距離より実質的に短い角度長を有しても、有さなくてもよい。

図１７は、図１６に示されるロボットアーム１６００と同様のロボットアーム１７００の略図を示す。内側および外側リンク１７０１、１７０２の第１の対は、第１の中間軸１７１４において、旋回可能に連結される。内側および外側リンク１７０４、１７０３の第２の対は、第２の中間軸１７１１において、旋回可能に連結される。２つの外側リンク１７０２、１７０３は、外側軸１７１５において、旋回可能に連結される。２つのモータ１７３３、１７３４の一方は、内側リンク１７０１、１７０４のそれぞれに連結され、回転軸１７１３、１７１２の回りで内側リンクを回転させる。２つのモータは、接地リンク１７０５によって連結され、並列の球面５棒リンク機構を完成する。

内側および外側リンク１７０１、１７０２の第１の対は、第１の球面シェル１７３６内を移動するように、構成され得ることが理解されるであろう。内側および外側リンク１７０４、１７０３の第２の対は、外側軸１７１５の近傍を除き、第１の球面シェル１７３６と共有しない第２の球面シェル１７３８内を移動する。この配列によって、内側リンク１７０１、１７０４は、互いにクロスオーバーすることが可能になる。また、この配列における内側リンク１７０１、１７０４も、接地リンクが、第２の球面シェル１７３８の外側にある場合、２つのモータ１７３３、１７３４を連結する接地リンク１７０５の内側、球面回転１７２０の遠隔中心のより近くを通過することができる。

リンク機構１７００の配列は、図示されるように、第１の内側リンク１７０１が、接地リンク１７０５と同一平面上にある場合、第１の回転軸１７１３から第１の中間軸１７１４への第１の方向ベクトル１７２１は、第１の回転軸１７１３から第２の回転軸１７１２への第２の方向ベクトル１７２２と同一方向を有するというさらなる特徴がある。同様に、第２の内側リンク１７０４が、接地リンク１７０５と同一平面にある場合、第２の回転軸１７１２から第２の中間軸１７１１への第３の方向ベクトル１７２３は、第２の回転軸１７１２から第１の回転軸１７１３への第４の方向ベクトル１７２４と同一方向を有する。

図１８は、図１１に示されるロボットアーム１１６と同様のロボットアーム１８００の略図を示す。内側および外側リンク１８０１、１８０２の第１の対は、第１の中間軸１８１４において、旋回可能に連結される。内側および外側リンク１８０４、１８０３の第２の対は、第２の中間軸１８１１において、旋回可能に連結される。２つの外側リンク１８０２、１８０３は、外側軸１８１５において、旋回可能に連結される。２つのモータ１８３３、１８３４のうちの１つは、内側リンク１８０１、１８０４のそれぞれに連結され、回転軸１８１３、１８１２の回りに内側リンクを回転させる。２つのモータは、接地リンク１８０５によって連結され、並列の球面５棒リンク機構を完成する。

図１８に示される配列では、３つすべてのリンクが同一平面にある場合、接地リンク１８０５は、２つの内側リンク１８０１、１８０４の間にある。内側および外側リンク１８０１、１８０２の第１の対は、第１の球面シェル１８３６内を移動し得る。内側および外側リンク１８０４、１８０３の第２の対は、外側軸１８１５の近傍を除き、第１の球面シェル１８３６と共有しない第２の球面シェル１８３８内を移動し得る。接地リンクが、第１と第２の球面シェルとの間にある第３の球面シェル１８３７内にある場合、内側リンク１８０１、１８０４は、互いにクロスオーバーし、さらに接地リンクをクロスオーバーし得る。図１７に示されるリンク機構１７００に対する上述のように、内側リンク１８０１、１８０４が、接地リンク１８０５と同一平面にある場合には、リンク機構１８００の配列は、同じ方向性特徴を有する。

図１８に示される配列では、モータ１８３３、１８３４の軸は、回転軸１８１３、１８１２に垂直であり得る。これは、モータの全部または一部が、内側リンク１８０１、１８０４が通過可能な第３の球面シェル１８３７内にあるように成され得る。駆動シャフト１８４０、１８４２は、直角駆動手段１８４４、１８４６によって、モータ１８３３、１８３４を内側リンク１８０１、１８０４に連結することができる。他の実施形態では、駆動シャフトは、他の配列でモータに連結してもよく、モータシャフトの同軸延長部であってもよい。モータ１８３３、１８３４に連結される駆動シャフト１８４０、１８４２の端部は、駆動端として説明され得る。図示される配列では、第１の駆動シャフト１８４０は、駆動端から球面回転の遠隔中心１８２０へ向かって延在し、第２の駆動シャフト１８４２は、駆動端から球面回転の遠隔中心１８２０から離れるように延在するように示され得る。

図１９は、図７〜１２に示されるロボットアーム１１６と同様の構造を有する、本発明を具現化する並列の球面５棒リンク機構１９００を示す。図２０は、図１９の並列の球面５棒リンク機構１９００の概略図を示す。４つの移動可能リンク１９０１〜１９０４が回転する５つの旋回軸１９１１−１９１５はすべて、球面回転の共通遠隔中心１９２０を通過する。第１の内側リンク１９０１および第２の内側リンク１９０４は、第１の回転軸１９１３および第２の回転軸１９１２の回りに内側リンクを回転させることが可能なモータに連結され得る。２つのモータは、共に連結され、接地リンクである第５のリンク（図示せず）を形成することができる。

移動可能リンク１９０１、１９０２、１９０３、１９０４は、略弓状を有するように示される。リンクは、本発明の機能に影響を及ぼすことなく、任意の所望の形態を有することができることを理解されるであろう。回転接続部１９２１、１９２２、１９２３、１９２４、１９２５の軸がすべて、球面回転の共通遠隔中心１９２０を実質的に通過する限り、リンク機構は、球面リンク機構として機能するであろう。リンクおよびピボットが互いに通過可能なように、リンクのいずれかは、弓状セグメントを含み得る不規則な形を有し、回転接続部の配置に適合してもよい。球面回転の遠隔中心１９２０を実質的に通過するように、旋回軸を支持する限り、リンクの形態は重要ではないことを理解されるであろう。

本発明の並列の球面５棒リンク機構のコンパクトな構成において、第１の回転軸１９１３を外側軸１９１５に連結する第１のリンク対１９０１、１９０２が、第２の回転軸１９１２を外側軸１９１５に連結する第２のリンク対１９０４、１９０３を自由に通過できるようにリンク機構を構成することが望ましい場合がある。並列の球面５棒リンク機構の唯一の要件は、すべての旋回軸が実質的に共通の球面回転の遠隔中心１９２０を通過することであるため、第１のリンク対１９０１、１９０２および第１の中間ピボット１９１４は、第１の対によって掃引された第１のボリュームが、第２のリンク対１９０４、１９０３および第２の中間ピボット１９１１によって掃引された第２のボリュームと交差しないように構成されてもよい。第１および第２のボリューム間の唯一の接続部は、外側軸１９１５および接地リンク１９０５に近接している。図１９および２０によって示される実施形態におけるリンクの形態は、第１のリンク対１９０１、１９０２が第２のリンク対１９０４、１９０３を通過するのを可能にする構成の一例である。

図２１は、２つの内側リンク２１０１、２１０４と、２つの外側リンクと、モータアセンブリ２１０５によって提供される接地リンクとを含む、ロボットアームのための並列の球面５棒リンク機構２１００の別の実施形態を示す。図１９のリンク機構１９００と比較すると、並列の球面５棒リンク機構２１００は、外側軸２１１５からオフセット距離だけ離間して配置された挿入軸２１１９を有する外側リンク２１０３を含む。挿入軸２１１９が外側軸２１１５と一致するのが理想的である。しかしながら、挿入軸２１１９を外側軸２１１５から分離することにより、機械的なパッケージングの利点を得ることができる。

好ましくは、挿入軸２１１９は、外側軸２１１５よりも中間軸２１１１から離れて、外側リンク２１０３に設置される。挿入軸２１１９が球面回転の遠隔中心２１２０を中心とする球体の表面に対して垂直であり、したがって球面回転の遠隔中心２１２０を通過する限り、挿入軸は並列の球面５棒リンク機構２１００の旋回軸２１１１〜２１１５と同じ運動学的特徴を有することになる。すなわち、挿入軸２１１９は、球面回転の遠隔中心２１２０に対して移動することになる。挿入軸２１１９は、中間軸２１１４と外側軸２１１５とによって画定される平面内にあってもよいし、そうでなくてもよい。

並列の球面５棒リンク機構の旋回軸から外側への挿入軸２１１９の設置は、リンク機構２１００の運動を妨害することなく、内視鏡カメラ（図示せず）が支持および操作されることを可能にし得る。カニューレ２１０６およびその関連する機械的装着手段の構築、据付、除去、および無菌境界構築を単純化することもできる。

図２１に図示するもの等、離間して配置された挿入軸を有するいくつかの実施形態において、挿入軸２１１９、外側軸２１１５、および中間軸２１１１は、同一平面上にあってもよい。この配列により、２つの内側リンク２１０１、２１０４の位置と外側軸２１１５の位置との間の関係を単純化することができる。挿入軸２１１９を、２つの外側リンク２１０２、２１０３のいずれに設置してもよいことに留意されたい。

本発明の並列の球面５棒リンク機構は、球体の表面上における平面幾何学である、球面幾何学を使用して説明され得る。本発明のリンク機構のリンクは、同じ球面上にある必要も、またいかなる球面上にある必要もないが、リンク機構について説明することを目的として、共通の球面に投影され得る。球面幾何学において、球面上の幾何学的関係は球体の半径を変化させることによって影響を受けないことから、距離を角度として計測することができる。角距離は、球体の半径に関係なく同じままである
地球表面における航法は、球面幾何学の一般的な例である。世界的航法において使用される緯度および経度は、球面系におけるロケーションおよび方向を説明するための馴染みのあるシステムである。赤道は、緯度０°の地点を定義する。北極は緯度９０°を定義し、南極は緯度−９０°を定義する。経度は、経度０°の任意に定義された線から一定緯度の円上における角距離である。経度は、従来、経度０°の線から西に１８０°、東に１８０°の範囲にあるとして表現される。軸受は、軸受と北極への方向線との間の角度として表現される地点からの方向線である。西方向軸受は、正の角度として表現され、東方向軸受は、負の角度として表現され得る。以下は、球面幾何学の観点から表される本発明の実施形態の説明である。

再び図６を参照すると、第１の内側リンク６０１の第１の回転軸６１３は、緯度０°、経度０°にあるものと考えられることになる。第２の内側リンク６０４の第２の回転軸６１２は、同一緯度、正の（東方向）経度にあるものとして示されている。第２の回転軸６１２は、例えば、経度５５°および緯度０°の定位置にあり得る。したがって、本例では、接地リンクは、角度長５５°を有する。定位置は、リンク機構の球面幾何学の基準系内に固定されていることを意味し、その基準系を有するリンク機構全体は、空間内に自由に位置づけられ得ることを記憶にとどめておかなくてはならない。

移動可能リンク６０１−６０４はすべて、接地リンクと同一角度長を有してもよい。例えば、第１の中間軸６１４は、第１の回転軸６１３から５５°離間して配置され得る。第１の外側軸６１５は、第１の中間軸６１４から５５°離間して配置され得る。挿入軸６１９は、外側軸６１５から３０°離間して配置され得る。第２の中間軸６１１は、第２の回転軸６１２から５５°離間して配置され得る。第２の中間軸６１１は、外側軸６１５から５５°離間して配置され得る。

回転軸６１３、６１２回りの内側リンク６０１、６０４の回転範囲は、例えば、外側リンク６０２と６０３との間で最小角度１５°が維持されるように制約され得る。内側リンク６０１、６０４の回転範囲は、例えば、外側軸６１５が経度２７．５°有する場合、第１の内側リンク６０１は、負の（東方向）軸受を有し、第２の内側リンク６０４は、正の（西方向）軸受を有するように、さらに制約され得る。回転軸６１３、６１２を共通球面上の中間軸６１４、６１１に最も直接接続する線分は、内側リンクの両方に対し外側軸６１５の経度線を交差するであろう。したがって、外側軸が、その東西運動範囲の中心またはその近傍にある場合、内側リンクは、互いに交差するであろう。外側軸が、その東西運動範囲の中心部分にある場合、内側リンクの回転上の制約は、交差が解けることを防止する。

これらの寸法は、単なる例に過ぎない。本発明は、実質的に異なる寸法および実質的に異なる運動範囲を有するリンク機構によって実践され得る。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。挿入軸の運動範囲について、およびデバイスがその運動範囲によって占める空間について特定の要件を有する、特定種類の手術の必要性に本発明を適合させるために、異なる寸法および異なる運動範囲を使用することが望ましい場合がある。

本発明の並列の球面５棒リンク機構は、動力を受ける構成および受けない構成の両方において具現化され得ることを理解されたい。動力供給を受ける実施形態においては、サーボモータ等のデバイスが内側リンクを回転させる。並列の球面５棒リンク機構は、それらの回転を外側軸の二次元の動きに転換する。動力供給を受けない実施形態においては、外側軸の二次元の動きは、並列の球面５棒リンク機構によって内側リンクの回転に転換される。回転エンコーダ等のデバイスは、内側リンクの軸受を検知することができ、該情報を使用して、外側軸の位置を計算することができる。前述したように中間軸の回転を制約することは、該制約により、外側軸の位置を、内側リンクの軸受に対応する２つの考えられる位置の一方に制限することから、動力供給を受けない実施形態において有利である。

いくつかの例示的な実施形態を説明し、添付の図面に示したが、そのような実施形態は広範な本発明の単なる例示であって限定的なものではなく、当業者であればその他種々の修正形態に想到し得るため、本発明は図示および説明した特定の構築および配列に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明の実施形態は、以下に続く特許請求の範囲によって解釈されるべきである。

Claims (1)

1. 明細書に記載の発明。