JP2016518999A - 医療用ロボット - Google Patents

Abstract

一実施形態に係る医療用ロボットは対象体が位置するベッド及び前記ベッドの上部又は下部に位置し、ターゲット地点が球状の中心に位置する球状軌跡内で移動可能な放出部材を備えるロボットアームユニットを含み、前記ベッドと前記ロボットアームユニットは相互垂直又は水平方向に相対移動可能で、前記ベッドと前記ロボットアームユニットを垂直又は水平方向に相対移動して前記対象体を前記ターゲット地点に移動させ、前記ターゲット地点に向かうように前記放出部材を移動させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は医療用ロボットに関し、より詳しくは、治療部位に向かって正確かつ迅速に狙うことができる医療用ロボットに関する。

放射線治療とは、高エネルギー放射線を用いてガン細胞を殺す治療をいう。ここで、放射線とは、エネルギーが空間を通して伝搬現象又は電波を媒介する物質を示し、Ｘ線が代表的な例である。

放射線治療は、外科的手術、坑ガン化学療法と共に、ガン治療の３代治療法の１つとして、普通入院することなく、１日を基準に数分から２０〜３０分程度の時間を必要とし、治療時に苦痛を伴わないという長所がある。

このような放射線治療に関する装備として、Ｘ−Ｋｎｉｆｅ（Ｒａｄｉｏｎｉｃｓ、ＵＳＡ）、Ｎｏｖａｌｉｓ Ｔｘ（ＢｒａｉｎＬＡＢ、Ｇｅｒｍａｎｙ）、Ｐｅａｃｏｋ（ＮＯＭＯＳ Ｃｏｒｐ、ＵＳＡ）、Ｔｒｉｌｏｇｙ（Ｖａｒｉａｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、ＵＳＡ）、ＣｙｂｅｒＫｎｉｆｅ（Ａｃｃｕｒａｙ Ｉｎｃ．ＵＳＡ）などが知られており、その大部分は、線形加速器と画像誘導放射線治療（Ｉｍａｇｅ Ｇｕｉｄｅｄ Ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ：ＩＧＲＴ）の技術に基づいて治療時に発生する誤差を減らし、正確度を高める方案に進んでいる。

前記装備のうち、サイバーナイフ（ＣｙｂｅｒＫｎｉｆｅ）は、小型の線形加速器を６個の関節に自由に動いているロボットアームに装着して様々な方向に腫瘍部位に放射線を集中照射する、精密度の極めて高い定位放射線治療の専用装備である。

サイバーナイフは、浸湿的な固定機構なしでリアルタイムに映像誘導技術を用いて身体の骨格映像及び身体内に挿入される金針の座標を追跡することで、精密に治療できる長所がある。また、脳腫瘍だけを治療することのできるガンマナイフとは異なって、全身のガン治療にも用いられ、一回ではない数回にかけて分割治療する場合も多い。

最近、サイバーナイフに対する研究が盛んに行われ、２００９年４月３０日に出願された先行文献ＫＲ第２００９−００３８０５１号では、放射線治療計画情報統合照会システムが開示されている。

一実施形態に係る目的は、ベッドとロボットアームユニットの相対移動により、ターゲット地点に向かって迅速かつ正確に照準できる医療用ロボットを提供する。

一実施形態に係る目的は、制御が容易でえい、ターゲット地点に対する方向性を向上させることができ、治療又は手術時間を短縮させ得る医療用ロボットを提供する。

一実施形態に係る目的は、コンパクトな設計を備え、駆動部材の個数を減少させて総重量を減少させ得る医療用ロボットを提供する。

一実施形態に係る目的は、複数のロボットアームユニットが独立的かつ非干渉的に回転して相互衝突を防止することのできる医療用ロボットを提供する。

一実施形態に係る目的は、ベッドの位置を移動することで、放出部材を効率よく照準できる医療用ロボットを提供する。

上記のような目的を達成するための一実施形態に係る医療用ロボットは、対象体が位置するベッドと、前記ベッドの上部又は下部に位置し、ターゲット地点が球状の中心に位置する球状軌跡内で移動可能な放出部材を備えるロボットアームユニットとを含み、前記ベッドと前記ロボットアームユニットは、相互垂直又は水平方向に相対移動可能であり、前記ベッドと前記ロボットアームユニットを垂直又は水平方向に相対移動して前記対象体を前記ターゲット地点に移動させ、前記ターゲット地点に向かうように前記放出部材を移動することができる。

一実施形態によると、前記ロボットアームユニットは、前記ベッドの上部で回転する上部ロボットアームと、前記ベッドの下部で回転する下部ロボットアームとを含み、前記上部ロボットアームの放出部材と前記下部ロボットアームの放出部材は、同じターゲット地点に向かうように配置してもよい。

一実施形態によると、前記上部ロボットアームと前記下部ロボットアームは、同じ中心を有する球状軌跡内に位置してもよい。

一実施形態によると、前記ロボットアームユニットは複数のリンク部材と複数の駆動部材を含み、前記複数のリンク部材は同じ中心を有する同心球上に位置し、前記駆動部材の軸の延長線は前記中心で接してもよい。

一実施形態によると、前記ロボットアームユニットは、第１中央部材と、前記第１中央部材の長手方向軸を中心に回転する第１リンク部材と、前記第１リンク部材の一端に取り付けられ、前記第１リンク部材に回転力を伝達する第１駆動部材と、前記第１リンク部材の他端に接続し、第１軸を中心に回転する第２リンク部材と、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に配置し、前記第２リンク部材に回転力を伝達する第２駆動部材と、前記第１中央部材上に前記第１リンク部材が接続した部分と異なる位置に接続し、前記第１中央部材の長手方向軸を中心に回転する第３リンク部材と、前記第３リンク部材の一端に取り付けられ、前記第３リンク部材に回転力を伝達する第３駆動部材と、前記第３リンク部材の他端に接続し、第２軸を中心に回転する第４リンク部材と、前記第３リンク部材と前記第４リンク部材との間に配置し、前記第４リンク部材に回転力を伝達する第４駆動部材と、前記第１中央部材の長手方向軸と同軸上に位置し、前記第１中央部材と前記中心との間の距離だけ前記中心から離隔した第２中央部材と、前記第２中央部材の長手方向軸を中心に回転する第５リンク部材と、前記第５リンク部材の一端に取り付けられ、前記第５リンク部材に回転力を伝達する第５駆動部材と、前記第５リンク部材の他端に接続し、第３軸を中心に回転する第６リンク部材と、前記第５リンク部材と前記第６リンク部材との間に配置し、前記第６リンク部材に回転力を伝達する第６駆動部材と、前記第２中央部材上に前記第５リンク部材が接続した部分と異なる位置に接続し、前記第２中央部材の長手方向軸を中心に回転する第７リンク部材と、前記第７リンク部材の一端に取り付けられ、前記第７リンク部材に回転力を伝達する第７駆動部材と、前記第７リンク部材の他端に接続し、第４軸を中心に回転する第８リンク部材と、前記第７リンク部材と前記第８リンク部材との間に配置し、前記第８リンク部材に回転力を伝達する第８駆動部材と、前記第２リンク部材、前記第４リンク部材、前記第６リンク部材、及び前記第８リンク部材の端部に前記中心に向かうようにそれぞれ取り付けられた放出部材を含み、前記第１中央部材の長手方向軸、前記第２中央部材の長手方向軸、前記第１軸、前記第２軸、前記第３軸及び前記第４軸は、前記中心で接してもよい。

一実施形態によると、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材は前記第３リンク部材よりも前記中心から遠く位置し、前記第５リンク部材と前記第６リンク部材は前記第７リンク部材よりも前記中心から遠く位置してもよい。

一実施形態によると、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に前記第３リンク部材が位置するとき、前記第３リンク部材の長さは前記第１リンク部材の長さよりも短く、前記第４リンク部材は前記第２リンク部材よりも前記中心に近く位置し、前記第５リンク部材と前記第６リンク部材との間に前記第７リンク部材が位置するとき、前記第７リンクの長さは前記第５リンク部材の長さよりも短く、前記第８リンク部材は、前記第６リンク部材よりも前記中心に近く位置してもよい。

一実施形態によると、前記ベッドの位置を調整するための位置調整要素をさらに含んでもよい。

一実施形態に係る医療用ロボットによると、ベッドとロボットアームユニットの相対移動により、ターゲット地点に向かって迅速かつ正確に照準することができる。

一実施形態に係る医療用ロボットによると、制御が容易であり、ターゲット地点に対する方向性を向上させることができ、治療又は手術時間を短縮させ得る。

一実施形態に係る医療用ロボットによると、コンパクトな設計を備え、駆動部材の個数を減少させて総重量を減少させ得る。

一実施形態に係る医療用ロボットによると、複数のロボットアームユニットが独立的かつ非干渉的に回転して相互衝突を防止することができる。

一実施形態に係る医療用ロボットによると、ベッドの位置を移動させることで効率よく放出部材照準することができる。

一実施形態に係る医療用ロボットを示す。 一実施形態に係る医療用ロボットでロボットアームユニットの配置を示す。 一実施形態に係る医療用ロボットの放出部材によって放射線が照射される範囲を示す。 一実施形態に係る医療用ロボットに角度調整要素が取り付けられた形状を示す。 一実施形態に係る医療用ロボットで放出部材の方向を示す。 球面座標を示す。

以下、本発明に係る実施形態を添付する図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明が実施形態によって制限されたり限定されることはない。各図面に提示された同じ参照符号は同じ部材を示す。

図１は、一実施形態に係る医療用ロボットを示し、図２は、一実施形態に係る医療用ロボットでロボットアームユニットの配置を示し、図３は、一実施形態に係る医療用ロボットの放出部材によって放射線が照射される範囲を示し、図４は、一実施形態に係る医療用ロボットに角度調整要素が取り付けられた形状を示す。

図１を参照すると、一実施形態に係る医療用ロボット１０はベッド１００及びロボットアームユニット２００を含む。

前記ベッド１００には対象体が位置し、前記対象体は、例えば、患者であってもよい。

一実施形態に係る医療用ロボット１０がサイバーナイフ（ｃｙｂｅｒｋｎｉｆｅ）として用いられる場合、対象体は、放射線治療又は腫瘍除去手術が必要なガン患者であってもよい。ここで、ターゲット地点Ｔは腫瘍の位置、すなわち、治療部位又は手術部位となる。

前記ベッド１００には位置調整要素１１０が取り付けられ、ベッド１００の位置を調整する。

図１に示すように、位置調整要素１１０を矢印方向に移動する場合、ベッド１００も矢印方向に沿って移動する。

そのため、ベッド１００又は対象体の位置を自在に移動することができ、これによりターゲット地点Ｔの位置を移動させ得る。

具体的に、ベッド１００は地面に対して垂直又は水平方向に移動してもよい。

そのため、ベッド１００とロボットアーム２００は相互垂直又は水平方向に相対移動することができる。

具体的に、ベッド１００が固定された状態で対象体の位置が固定し、ロボットアーム２００を移動させて放出部材３００の照射位置又は放出部材３００から放射線が放出される位置をベッド１００に対して相対移動させてもよい。

または、ベッド１００が位置調整要素１１０によってロボットアーム２００に対して相対移動し、対象体をターゲット地点Ｔに移動した後、ターゲット地点Ｔに向かうように放出部材３００を移動させてもよい。

したがって、ロボットアーム２００に備えられた放出部材３００がベッド１００上に位置する対象体のターゲット地点Ｔに向かって効率よく照準することができる。これについては以下に詳説する。

前記ベッド１００の上部又は下部にはロボットアーム２００が配置してもよい。

前記ロボットアーム２００は、上部ロボットアーム２１０及び下部ロボットアーム２２０からなり、上部ロボットアーム２１０及び下部ロボットアーム２２０の端部にはそれぞれ放出部材３００を備えてもよい。

ここで、放出部材３００から放射線が放出され、対象体のターゲット地点Ｔに向かって放射線が放出又は照射してもよい。

特に図２を参照すると、前記上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０は同じ中心、すなわち、同じターゲット地点Ｔを有する球状軌跡内に位置する。

また、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０の放出部材３００は、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０の回転によって移動するため、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０の球状軌跡上で移動可能であり、それぞれの放出部材３００は同じターゲット地点Ｔに向かうように配置してもよい。

そのため、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０にそれぞれ取り付けられる放出部材３００から放射線がただ１つの特異点に集中することができ、例えば、放出部材３００がターゲット地点Ｔに向かうよう容易に照準することができる。

また、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０は、ベッド１００を中心に互いに離隔して配置してもよい。

このような上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０の配置に応じて、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０は互いに非干渉的に作動することができ、これにより相互衝突を防止できる。

具体的に、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０は、複数のリンク部材と複数の駆動部材を含んでもよい。

例えば、上部ロボットアーム２１０は、第１リンク部材２１１、第２リンク部材２１２、第３リンク部材２１５、及び第４リンク部材２１６を含む。

前記第１リンク部材２１１は第１中央部材２０２に取り付けられてもよく、第１リンク部材２１１は第１中央部材の長手方向軸Ｘ_Ａを中心に回転してもよい。

前記第１中央部材２０２は、一実施形態に係る医療用ロボット１０の外側に位置するフレームの内側に垂直方向に取り付けられてもよい。

また、第１リンク部材２１１は、ターゲット地点Ｔに中心を有する球状上に位置して弧状に備えられてもよい。

さらに、第１リンク部材２１１は、第２リンク部材２１２、第３リンク部材２１５及び第４リンク部材２１６よりも大きい長さを有し、第１リンク部材２１１はターゲット地点Ｔから最も遠く位置してもよい。

前記第１リンク部材２１１の他端には、第２リンク部材２１２が接続してもよい。

前記第２リンク部材２１２は第１軸Ｘ_１を中心に回転する。

前記第１軸Ｘ_１は、第１中央部材の長手方向軸Ｘ_Ａに対して角があるように形成されてもよい。

また、第１中央部材２０２上に第１リンク部材２１１が接続した部分と異なる位置には第３リンク部材２１５が接続してもよい。

前記第３リンク部材２１５は、第１中央部材の長手方向軸Ｘ_Ａを中心に回転する。

例えば、第１中央部材２０２の上部には第１リンク部材２１１が接続し、第１中央部材２０２の下部には第３リンク部材２１５が接続してもよい。

前記第３リンク部材２１５の他端には第４リンク部材２１６が接続してもよい。

前記第４リンク部材２１６は第２軸Ｘ_２を中心に回転する。

前記第２軸Ｘ_２は、第１中央部材の長手方向軸Ｘ_Ａに対して角があるように形成されてもよい。

また、上部ロボットアーム２１０は、第１駆動部材２１３、第２駆動部材２１４、第３駆動部材２１７及び第４駆動部材２１８を含む。

前記第１駆動部材２１３は第１中央部材２０２内に含まれ、図面には詳細に図示していないが、第１中央部材２０２には第１駆動部材２１３の取り付けのための溝が形成されてもよい。

前記第１駆動部材２１３は第１リンク部材２１１に回転力を伝達する。

前記第２駆動部材２１４は第２リンク部材２１２に回転力を伝達し、第１軸Ｘ_１に沿ってターゲット地点Ｔに向かうように配置してもよい。

前記第３駆動部材２１７は、第１駆動部材２１３と同様に第１中央部材２０２内に含まれ、第１中央部材２０２には第３駆動部材２１７の取り付けのための溝が形成されてもよい。

前記第３駆動部材２１７は、第３リンク部材２１５に回転力を伝達する。

そして、第３駆動部材２１７は第１駆動部材２１３と一体に形成されたり、別に形成されてもよい。例えば、第３駆動部材２１７が第１駆動部材２１３と別に形成される場合、第３リンク部材２１５は、第１リンク部材２１１と異なる方向又は異なる速度で回転する。

前記第４駆動部材２１８は第４リンク部材２１６に回転力を伝達し、第２軸Ｘ_２に沿ってターゲット地点Ｔに向かうように配置してもよい。

ここで、第１中央部材の長手方向軸Ｘ_Ａ、第１軸Ｘ_１及び第２軸Ｘ_２の延長線はターゲット地点Ｔで接することができる。

また、第２リンク部材２１２と第４リンク部材２１６に取り付けられた放出部材３００は、第２リンク部材２１２と第４リンク部材２１６に対して垂直方向に取り付けられ、ターゲット地点Ｔに向かうように配置してもよい。

したがって、第１中央部材の長手方向軸Ｘ_Ａ、第１軸Ｘ_１及び第２軸Ｘ_２の延長線だけではなく、放出部材３００及び駆動部材２１３、２１４、２１７、２１８もターゲット地点Ｔに向かって、放出部材３００からの放射線はターゲット地点Ｔに向かって放出又は照射されてもよい。

同様に、下部ロボットアーム２２０は、第５リンク部材２２１、第６リンク部材２２２、第７リンク部材２２５、第８リンク部材２２６を含む。

前記第５リンク部材２２１は、第２中央部材の長手方向軸Ｘ_Ｂを中心に回転する。

前記第２中央部材２０４は、一実施形態に係る医療用ロボット１０の外側に位置するフレームの内側に垂直方向に取り付けられてもよい。

そして、第２中央部材の長手方向軸Ｘ_Ｂは第１中央部材の長手方向軸Ｘ_Ａと同軸に位置し、第１中央部材２０２とターゲット地点Ｔとの間の距離だけターゲット地点Ｔから離隔される。

また、第５リンク部材２２１は、ターゲット地点Ｔに中心を有する球状上に位置し、弧状に備えられてもよい。

前記第５リンク部材２２１の他端には、第６リンク部材２２２が接続してもよい。

前記第６リンク部材２２２は、第３軸Ｘ_３を中心に回転する。

前記第３軸Ｘ_３は、第２中央部材の長手方向軸Ｘ_Ｂに対して角があるように形成されてもよい。

また、第２中央部材２０４上に第５リンク部材２２１が接続された部分と異なる位置には第７リンク部材２２５が接続してもよい。

前記第７リンク部材２２５は、第２中央部材の長手方向軸Ｘ_Ｂを中心に回転する。

例えば、第２中央部材２０４の下部には第５リンク部材２２１が接続し、第２中央部材２０４の上部には、第７リンク部材２２５が接続してもよい。

前記第７リンク部材２２５の他端には、第８リンク部材２２６が接続してもよい。

前記第８リンク部材２２６は、第４軸Ｘ_４を中心に回転する。

前記第４軸Ｘ_４は、第２中央部材の長手方向軸Ｘ_Ｂに対して角があるように形成されてもよい。

また、下部ロボットアーム２２０は、第５駆動部材２２３、第６駆動部材２２４、第７駆動部材２２７及び第８駆動部材２２８を含む。

前記第５駆動部材２２３は第２中央部材２０４内に含まれ、第５リンク部材２２１に回転力を伝達する。

前記第６駆動部材２２４は第６リンク部材２２２に回転力を伝達し、第３軸Ｘ_３に沿ってーゲット地点Ｔに向かうように配置してもよい。

前記第７駆動部材２２７は、第５駆動部材２２３と同様に第２中央部材２０４内に含まれ、第７リンク部材２２５に回転力を伝達する。

そして、第７駆動部材２２７は、第５駆動部材２２３と一体に形成されたり、別に形成されてもよい。例えば、第７駆動部材２２７が第５駆動部材２２３と別に形成される場合、第７リンク部材２２５は第５リンク部材２２１と異なる方向又は異なる速度で回転することができる。

前記第８駆動部材２２８は第８リンク部材２２６に回転力を伝達し、第４軸Ｘ_４に沿ってターゲット地点Ｔに向かうように配置してもよい。

ここで、第２中央部材の長手方向軸Ｘ_Ｂ、第３軸Ｘ_３及び第４軸Ｘ_４の延長線は、ターゲット地点Ｔで接することができる。

また、第６リンク部材２２２と第８リンク部材２２６に取り付けられた放出部材３００は、第６リンク部材２２２と第８リンク部材２２６に対して垂直方向に取り付けられ、ターゲット地点Ｔに向かうように配置してもよい。

したがって、第２中央部材の長手方向軸Ｘ_Ｂ、第３軸Ｘ_３及び第４軸Ｘ_４の延長線だけではなく、放出部材３００及び駆動部材２２３、２２４、２２７、２２８もターゲット地点Ｔに向かって、放出部材３００からの放射線はターゲット地点Ｔに向かって放出又は照射されることができる。

図面には上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０が類似又は同じ形状を有するよう図示したが、これに限定することなく、上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０に取り付けられた放出部材３００が同じターゲット地点Ｔに向かうように配置されていれば、いかなる形状でも可能である。

このように構成された上部ロボットアーム２１０と下部ロボットアーム２２０の複数のリンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６は、同時に回転するとき相互衝突を防止するため、具体的には次のように配置することができる。

第１に、第１リンク部材２１１と第２リンク部材２１２は、第３リンク部材２１５よりもターゲット地点Ｔから遠く位置し、第５リンク部材２２１と第６リンク部材２２２は、第７リンク部材２２５よりもターゲット地点Ｔから遠く位置してもよい。

第２に、第１リンク部材２１１と第２リンク部材２１２との間に第３リンク部材２１５が位置するとき、第３リンク部材２１５の長さは第１リンク部材２１１の長さよりも短く、第４リンク部材２１６は第２リンク部材２１２よりもターゲット地点Ｔに近く位置してもよい。

また、第５リンク部材２２１と第６リンク部材２２２との間に第７リンク部材２２５が位置するとき、第７リンク部材２２５の長さは第５リンク部材２２１の長さもより短く、第８リンク部材２２６は６リンク部材２２２よりもターゲット地点Ｔに近く位置してもよい。

また、上部ロボットアーム２１０はベッド１００の上部で放射線を放出し、下部ロボットアーム２２０はベッド１００の下部で放射線を放出してもよい。

特に図３を参照すると、上部ロボットアーム２１０はＡ領域とＢ領域で放射線を放出してもよく、下部ロボットアーム２２０はＣ領域とＤ領域で放射線を放出してもよい。

前記Ａ領域は、第１リンク部材２１１と第２リンク部材２１２によって放出部材３００から放射線が照射される範囲であり、Ｂ領域は、第３リンク部材２１５と第４リンク部材２１５によって放出部材３００から放射線が照射される範囲であり、Ｃ領域は、第５リンク部材２２１と第６リンク部材２２２によって放出部材３００から放射線が照射される範囲であり、Ｄ領域は、第７リンク部材２２５と第８リンク部材２２６によって放出部材３００から放射線が照射される範囲を示す。

Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、及びＤ領域は、ターゲット地点Ｔに向かうようになり、互いに異なる領域で放射線を照射することになる。

このように、上部ロボットアーム２１０は、ベッド１００の上部で球状回転軌跡を有し、下部ロボットアーム２２０はベッド１００の下部で球状回転軌跡を有することで、互いに独立した動きを有することで互いに干渉を受けることがない。

また、図４を参照すると、第２リンク部材２１２、第４リンク部材２１６、第６リンク部材２２２、及び第８リンク部材２２６の端部又は放出部材３００に角度調整要素３１０が取り付けられ、放出部材３００が小さい角度で動くことができる。

そのため、ターゲット地点Ｔを照準するとき効率よく作動させることができる。例えば、駆動部材２１３、２１４、２１７、２１８、２２３、２２４、２２７、２２８によって放出部材３００がターゲット地点Ｔに向かって狙らわれ後、微細な角度調整が必要な場合に有効に使える。

また、駆動部材２１３、２１４、２１７、２１８、２２３、２２４、２２７、２２８の軸が全てターゲット地点Ｔに向かっているため、リンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６が回転する間に、放出部材３００は持続的にターゲット地点Ｔに向かって狙うことができる。これは、リンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６と駆動部材２１３、２１４、２１７、２１８、２２３、２２４、２２７、２２８の構造的な配置に起因する。

特に、放射線はロボットアーム２１０、２２０のリンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６が停止した状態においてのみ放出されるため、ロボットアーム２１０、２２０のリンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６が次の放出地点まで移動する間は放出されることはない。

しかし、ロボットアーム２１０、２２０が複数のリンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６を備える場合、一個のリンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６が移動する間に、残りのリンク部材２１１、２１２、２１５、２１６、２２１、２２２、２２５、２２６が停止した状態で放射線が放出されることから、治療又は手術時間をより短縮させ得る。

さらに、ロボットアーム２１０、２２０が複数備えられる場合、治療又は手術時間を短縮させるという効率的な面もある。

以下は、一実施形態に係る医療用ロボット１０の構造の運動学的な分析について詳細に説明する。

まず、順運動学（ｆｏｒｗａｒｄ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）は次の通りである。

ここで、θはジョイント角度であり、Χはエンドエフェクタ（ｅｎｄ−ｅｆｆｅｃｔｏｒ）位置及び方向を示す。

このように、リンク部材が互いに接続した角度に応じて放出部材の座標を予測することができる。

また、デナビット−ハーテンバーグ（Ｄｅｎａｖｉｔ−Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ、Ｄ−Ｈ）表示法を用いて表現する場合、ロボットの運動学はリンク部材のリンクの長さ（ａ）、リンクオフセット（ｄ）、リンクゆがみ（α）、及びジョイント角度（θ）のように４個の媒介変数からなる。
ここで、ジョイントがｚ軸周辺で回転する場合、その変換行列（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ）は次の通りである。

ここで、ｓとｃはそれぞれサイン（ｓｉｎｅ）とコサイン（ｃｏｓｉｎｅ）を示す。

上記の２つの変換行列により、次のような変換行列が導き出される。

上記の変換行列は２つのリンク部材を備える場合を示し、変換行列によって３次元座標上でいずれか１つの点が移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ、ｏｆｆｓｅｔ）、大きさ（ｓｃａｌｅ）、回転によりいずれかの点に移動したかを予測することができる。

また、エンドエフェクタ、または放出部材３００の位置及び方向は次の通りである。

ここで、エンドエフェクタ又は放出部材３００の位置は常に一定である。

図５は、一実施形態に係る医療用ロボットで放出部材３００の方向を示す。

図５を参照すると、放出部材３００はｚ軸に向かい、ｚ軸を基準にして回転するロール（ｒｏｌｌ）、ｚ軸を基準にして上下に振動するヨー（ｙａｗ）、及びｚ軸を基準にして上下に回転するピッチ（ｐｉｔｃｈ）の動きを含んでもよい。

ここで、ロール方向は放出部材３００において重要ではない。

そして、単に放出部材３００の方向のためにはｚ−ベクトル（ｖｅｃｔｏｒ）のみを考慮する。
それにより、変換行列（３）は次のように整理される。

一方、放出部材３００の所望する方向は、図６に示す球面座標（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）のα及びβ値に指定してもよい。このように図６に示すα及びβ値に方向が与えられた場合、その方向に該当する回転行列は次の通りである。

回転行列（８）及び（９）からα及びβを用いて^０χ_２＝［χ_１，χ_２，χ_３］^Ｔ，^０ｙ_２＝［ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３］^Ｔ，^０ｚ_２＝［ｚ_１，ｚ_２，ｚ_３］^Ｔを決定し、さらにθ_１、θ_２を決定してもよい。

このような関係を逆運動学（ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）に表示すると次の通りである。

ここで、ｘはベクトル^０ｚ_２＝［ｚ_１，ｚ_２，ｚ_３］^Ｔであり、θはθ_１、θ_２からなるベクトルである。

数式（１０）は数式（１）の逆関数である。

直交正規ベクトルの^０χ_２，^０ｙ_２，^０ｚ_２を考慮してジョイント角度であるθ_１、θ_２を把握することができる。このようなベクトルを算出する直観的な方法は、球面座標を用いるものであり、α及びβ値に方向が与えられた場合、その方向に該当する回転行列は次のように示す。

ここで、ベクトルの構成要素は^０χ_２＝［χ_１，χ_２，χ_３］^Ｔ，^０ｙ_２＝［ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３］^Ｔ，^０ｚ_２＝［ｚ_１，ｚ_２，ｚ_３］^Ｔである。

変換行列（４）から次の等式が抽出される。

ここで、θ_２が次のように誘導されてもよい。

２つの入力変数を有するアークタン（ａｒｃｔａｎ）関数であるアークタン２関数は、ゼロ入力値に近接する安定性及び最終的な角度が適切な四分面に復元する特性を有するため使用される。

θ_１の値は次のように算出されてもよい。

変換行列（５）から次の数式を取得することができる。

また、次のように仮定してもよい。

数式（１６）及び（１７）により次のように算出されてもよい。

すなわち、数式（１５）及び（１８）により次のような値を取得できる。

数式（１３）及び（１９）から２つのジョイント角θ_１、θ_２を決定する。

最後に、ヤコビアン（ｊａｃｏｂｉａｎ）行列について説明する。

θ−空間とχ−空間の間の線形マッピングは次の通りである。

数式（１）を微分すれば次の通りである。

そして、変換行列（２）は次の通りである。

すなわち、ヤコビアン行列は次の通りである。

したがって、ヤコビアン行列は次の通りである。

行列（２５）により、単なる角速度のみが考慮され、並進的な速度は考慮されることなく、α＝ｎπ、ｎ∈Ｎである場合を除いては、唯一性を有することはできない。

このようにヤコビアン行列を用いて、リンク部材の動きと放出部材の動きの関係が表れ、リンク部材の動きに応じて放出部材の動きを予測することができる。

具体的に、リンク部材の現在位置に応じて放出部材の位置を予測することができ、それとは反対に、放出部材が中心点又はターゲットに向かうようにするため、放出部材の現在位置に応じてリンク部材の作動を制御することができる。

さらに、複数のロボットアームが備えられる場合、複数のロボットアームが互いに協力して作動できるようにヤコビアン行列を用いて制御することができる。

上述したように本発明の実施形態では、多様なコンピュータ手段を介して様々な処理を実行することができるプログラム命令の形態で実現され、コンピュータで読取可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読取可能な媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などのうち１つまたはその組合せを含んでもよい。媒体に記録されるプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計されて構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり、使用可能なものであってもよい。コンピュータ読取可能な記録媒体の例としては、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク及び磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤのような光記録媒体、光ディスクのような光磁気媒体、及びＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を保存して実行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれてもよい。プログラム命令の例には、コンパイラによって作られるような機械語コードだけでなく、インタープリタなどを用いてコンピュータによって実行できる高級言語コードが含まれる。前記したハードウェア装置は、本発明の動作を行うために１つ以上のソフトウェアモジュールとして動作するように構成されてもよく、その逆も同様である。

上述したように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形が可能である。

したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲だけではなく特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。

１０：医療用ロボット
１００：ベッド
１１０：位置調整要素
２００：ロボットアームユニット
２０２：第１中央部材
２０４：第２中央部材
２１０：第１ロボットアーム
２１１：第１リンク部材
２１２：第２リンク部材
２１３：第１駆動部材
２１４：第２駆動部材
２１５：第３リンク部材
２１６：第４リンク部材
２１７：第３駆動部材
２１８：第４駆動部材
２２０：第２ロボットアーム
２２１：第５リンク部材
２２２：第６リンク部材
２２３：第５駆動部材
２２４：第６駆動部材
２２５：第７リンク部材
２２６：第８リンク部材
２２７：第７駆動部材
２２８：第８駆動部材
３００：放出部材
３１０：角度調整要素

Claims (19)

1. 対象体が位置するベッドと、
   前記ベッドの上部又は下部に位置し、ターゲット地点が球状の中心に位置する球状軌跡内で移動可能な放出部材を備えるロボットアームユニットと、
   を含み、
   前記ベッドと前記ロボットアームユニットは、相互垂直又は水平方向に相対移動可能であり、
   前記ベッドと前記ロボットアームユニットを垂直又は水平方向に相対移動して前記対象体を前記ターゲット地点に移動させ、前記ターゲット地点に向かうように前記放出部材を移動することを特徴とする医療用ロボット。
2. 前記ロボットアームユニットは、
   前記ベッドの上部で回転する上部ロボットアームと、
   前記ベッドの下部で回転する下部ロボットアームと、
   を含み、
   前記上部ロボットアームの放出部材と前記下部ロボットアームの放出部材は、同じターゲット地点に向かうように配置することを特徴とする請求項１に記載の医療用ロボット。
3. 前記上部ロボットアームと前記下部ロボットアームは、同じ中心を有する球状軌跡内に位置することを特徴とする請求項２に記載の医療用ロボット。
4. 前記ロボットアームユニットは複数のリンク部材と複数の駆動部材を含み、前記複数のリンク部材は同じ中心を有する同心球上に位置し、前記駆動部材の軸の延長線は前記中心で接することを特徴とする請求項１に記載の医療用ロボット。
5. 前記同心球の中心は、前記ターゲット地点と一致することを特徴とする請求項４に記載の医療用ロボット。
6. 前記ロボットアームユニットは、
   第１中央部材と、
   前記第１中央部材の長手方向軸を中心に回転する第１リンク部材と、
   前記第１リンク部材の一端に取り付けられ、前記第１リンク部材に回転力を伝達する第１駆動部材と、
   前記第１リンク部材の他端に接続し、第１軸を中心に回転する第２リンク部材と、
   前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に配置し、前記第２リンク部材に回転力を伝達する第２駆動部材と、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の医療用ロボット。
7. 前記ロボットアームユニットは、
   前記第１中央部材上に前記第１リンク部材が接続した部分と異なる位置に接続し、前記第１中央部材の長手方向軸を中心に回転する第３リンク部材と、
   前記第３リンク部材の一端に取り付けられ、前記第３リンク部材に回転力を伝達する第３駆動部材と、
   前記第３リンク部材の他端に接続し、第２軸を中心に回転する第４リンク部材と、
   前記第３リンク部材と前記第４リンク部材との間に配置し、前記第４リンク部材に回転力を伝達する第４駆動部材と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の医療用ロボット。
8. 前記ロボットアームユニットは、
   前記第１中央部材の長手方向軸と同軸上に位置し、前記第１中央部材と前記中心との間の距離だけ前記中心から離隔した第２中央部材と、
   前記第２中央部材の長手方向軸を中心に回転する第５リンク部材と、
   前記第５リンク部材の一端に取り付けられ、前記第５リンク部材に回転力を伝達する第５駆動部材と、
   前記第５リンク部材の他端に接続し、第３軸を中心に回転する第６リンク部材と、
   前記第５リンク部材と前記第６リンク部材との間に配置し、前記第６リンク部材に回転力を伝達する第６駆動部材と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の医療用ロボット。
9. 前記ロボットアームユニットは、
   前記第２中央部材上に前記第５リンク部材が接続した部分と異なる位置に接続し、前記第２中央部材の長手方向軸を中心に回転する第７リンク部材と、
   前記第７リンク部材の一端に取り付けられ、前記第７リンク部材に回転力を伝達する第７駆動部材と、
   前記第７リンク部材の他端に接続し、第４軸を中心に回転する第８リンク部材と、
   前記第７リンク部材と前記第８リンク部材との間に配置し、前記第８リンク部材に回転力を伝達する第８駆動部材と、
   をさらにことを特徴とする請求項８に記載の含む医療用ロボット。
10. 前記第１中央部材の長手方向軸、前記第２中央部材の長手方向軸、前記第１軸、前記第２軸、前記第３軸及び前記第４軸は、前記中心で接することを特徴とする請求項９に記載の医療用ロボット。
11. 前記第１軸、前記第２軸、前記第３軸及び前記第４軸は、前記リンク部材の端部の接線方向に対して垂直に形成されることを特徴とする請求項９に記載の医療用ロボット。
12. 前記第１リンク部材と前記第２リンク部材は前記第３リンク部材よりも前記中心から遠く位置し、前記第５リンク部材と前記第６リンク部材は前記第７リンク部材よりも前記中心から遠く位置することを特徴とする請求項８に記載の医療用ロボット。
13. 前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に前記第３リンク部材が位置するとき、前記第３リンク部材及び前記第４リンク部材の長さは前記第１リンク部材の長さよりも短いことを特徴とする請求項７に記載の医療用ロボット。
14. 前記第３リンク部材及び前記第４リンク部材は前記第２リンク部材よりも前記中心に近く位置し、前記第４リンク部材は前記第３リンク部材よりも前記中心に近く位置することを特徴とする請求項１３に記載の医療用ロボット。
15. 前記第５リンク部材と前記第６リンク部材との間に前記第７リンク部材が位置するとき、前記第７リンク部材及び前記第８リンク部材の長さは前記第５リンク部材の長さよりも短いことを特徴とする請求項９に記載の医療用ロボット。
16. 前記第７リンク部材及び前記第８リンク部材は前記第６リンク部材よりも前記中心に近く位置し、前記第８リンク部材は前記第７リンク部材よりも前記中心に近く位置することを特徴とする請求項１５に記載の医療用ロボット。
17. 前記ロボットアームユニットは、前記第２リンク部材、前記第４リンク部材、前記第６リンク部材、及び前記第８リンク部材の端部に前記中心に向かうようにそれぞれ取り付けられた放出部材を含むことを特徴とする請求項９に記載の医療用ロボット。
18. 前記放出部材は、前記第２リンク部材、前記第４リンク部材、前記第６リンク部材、及び前記第８リンク部材端部の接線方向に対して垂直に位置することを特徴とする請求項１７に記載の医療用ロボット。
19. 前記ベッドの位置を調整するための位置調整要素をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の医療用ロボット。