JP2023532913A - 手術用ロボティックアーム、可撓性アーム及び可撓性ジョイント - Google Patents

Abstract

本開示は、手術用ロボティックアーム、可撓性アーム及び可撓性ジョイントに関する。可撓性ジョイント（１）は、２つの支持セクション（１１）と、２つの支持セクション（１１）の間に接続された関節連結セクション（１２）とを含み、関節連結セクション（１２）は、接触補助部（１２２）を有する複数の第１ターン（１２１）を含む。接触補助部（１２２）は、各第１ターン（１２１）の両側に対向して配置され、可撓性ジョイント（１）が屈曲された状態である場合、隣接する第１ターン（１２１）の接触補助部（１２２）が互いに接触する。関節連結セクション（１２）の各第１ターン（１２１）に、駆動腱（６）が通過するための複数の腱貫通孔（５）が設けられる。従来技術と比較して、本開示の可撓性ジョイントは、ズレ傾向が少なく、信頼性が高いというメリットがある。

Description

本開示は、医療器具の技術分野に関し、特に、手術用ロボティックアーム、手術用ロボティックアームの可撓性アーム、及び可撓性アームの可撓性ジョイントに関する。

すべての器具及びカメラが比較的小さい単一切開を介して人体に入るシングルポートアクセス手術（ＳＰＡＳ）は、低侵襲又は非侵襲でさえあるという利点により、ますます人気が高まっている。

従来技術において、手術用ロボティックアームは、シングルポートアクセス手術を支援するためによく使用されている。一般に、手術用ロボット器具は、ベース、位置決めアーム、及び手術用ロボットアームを含む。ベースは手術室に相対的に固定され、位置決めアームはベース上に配置される。手術用ロボティックアームは、位置決めアームを介して患者に対して所望の位置に保持することができる。外科用メス、ジョーなどの様々な端末マニピュレータを手術用ロボティックアームの端部に設けることができる。手術用ロボティックアームは、ポートから患者の体に入り、手術部位で手術を実施する。

見たように、手術用ロボティックアームの設計は、シングルポートアクセス手術を実施するための鍵である。端末マニピュレータの人体へのスムーズな進入を容易にするために、手術用ロボティックアームは複数の屈曲自由度を持つ必要がある。 従来技術におけるそれらの手術用ロボティックアームは、可撓性ジョイントによってこれらの自由度を得る。このような可撓性ジョイントがこの機能を達成するための多くの実現可能な構造がある。例えば、複数の「ターン」を有する可撓性ジョイントを設計し、各ターンで関節連結を提供することが可能である。これらのターンは、螺旋ジョイント、関節連結ジョイント、ヒンジジョイント、ローリングジョイントなどの小規模な機械的ジョイントにすることができるが、機械的ジョイントは通常、非常に複雑で、小規模な材料の要件が高く、製造コストが高く、信頼性が低く、洗浄や消毒も困難である。

先行技術の特許文献ＷＯ２０１７／００９６０４Ａ１では、機械的ジョイントに頼ることない手術用ロボティックアームの幾つかの技術的解決策が開示されている。それにもかかわらず、このような手術用ロボティックアームは、例えば、構造が複雑で、コストが高く、屈曲方向と程度を制御することが困難であるなどの欠点を依然として有している。

先行技術の特許文献ＵＳ２０１８／０２４２８２４Ａ１によれば、直感的な手術用ダビンチＳＰシステム（Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｄａｖｉｎｃｉ ＳＰ ｓｙｓｔｅｍ）における器具アームは、ヒンジ付きジョイントを備えた別個の要素を使用して構築されている。先行技術の特許文献ＷＯ２０１７／２０３２３１Ａ１によれば、精密ロボティクスマイクロｉｇｅｓシステム（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｍｉｃｒｏ－ｉｇｅｓ ｓｙｓｔｅｍ）における器具アームも、ヒンジ付きジョイントを備えた別個の要素を使用して構築されている。しかしながら、これらのシステムにおける製造と組立プロセスは、非常に高価であり得る。

上記の技術的問題を解決するため、又は少なくとも部分的に解決するために、本開示は、手術用ロボティックアーム、手術用ロボティックアームの可撓性アーム、及び可撓性アームの可撓性ジョイントを提供する。

本開示の一態様によれば、可撓性ジョイントが提供される。この可撓性ジョイントは、２つの支持セクションと、２つの支持セクションの間に接続された関節連結セクションとを含む。関節連結セクションは、接触補助部を有する複数の第１ターンを含む。接触補助部は、各第１ターンの両側に対向して配置される。可撓性ジョイントが屈曲された状態である場合、隣接する第１ターンの接触補助部は互いに接触する。関節連結セクションの各第１ターンに、駆動腱が通過するための複数の腱貫通孔が設けられる。

オプションで、複数の第１ターンは、互いに螺旋状に接続されて螺旋構造を形成する。

オプションで、隣接する第１ターンの接触補助部は、互いに転がり接触するか、又は互いに噛み合う。

オプションで、接触補助部のそれぞれは、隣接する接触補助部に向かって滑らかな突起として形成され、突起の先端で隣接する接触補助部と接線方向に接触する。

オプションで、接触補助部は、円形又は楕円形の断面を有する。

オプションで、接触補助部は、シリンダー又はコーンとして構成される。

オプションで、接触補助部のそれぞれは、隣接する接触補助部と噛み合う歯様構造として形成されるか、又は多角形の断面を有する。

オプションで、接触補助部の軸方向中心線は、第１ターンの周方向中心線と一致する。

オプションで、複数の腱貫通孔のうちの少なくとも１対の腱貫通孔の間の接続線は、接触補助部の軸方向中心線に垂直である。

オプションで、可撓性ジョイントは、３Ｄプリンティングにより一体的に形成される。

オプションで、腱貫通孔は、第１ターンの周囲に開口するように設計される。

本開示の別の態様によれば、可撓性アームが提供される。この可撓性アームは、上記のような少なくとも２つの可撓性ジョイントと、２つの隣接する可撓性ジョイントの間に配置され、前記２つの隣接する可撓性ジョイントのそれぞれの支持セクションに接続されたデカップリングセクションと、を含む。

オプションで、デカップリングセクション上に腱ルートが設けられ、駆動腱が通過するために可撓性ジョイントの支持セクションに設けられた腱貫通孔に延在する。

オプションで、腱ルートは、デカップリングセクションの表面上に螺旋状に設けられる。

オプションで、腱ルートは、デカップリングセクションの外面に設けられた螺旋状のワイヤ溝を含む。

オプションで、デカップリングセクションはシリンダーとして構成される。

オプションで、２つの隣接する可撓性ジョイントの対応する腱貫通孔は互いにオフセットされる。

オプションで、２つの隣接する可撓性ジョイントの支持セクションの腱貫通孔は、２つの隣接する可撓性ジョイントが１つの平面でＳ字形に屈曲するように配置される。

オプションで、デカップリングセクションの外面が平面内に展開されると、腱ルートは、平面内でＳ字形の曲線を形成する。

オプションで、可撓性アームは、３Ｄプリンティングにより一体的に形成される。

本開示のまた別の態様によれば、手術用ロボティックアームが提供される。この手術用ロボティックアームは、上記のような可撓性アームと、外科手術を行うための端末マニピュレータと、両端が可撓性アーム及び端末マニピュレータにそれぞれ接続された手首ジョイントと、を含む。端末マニピュレータの制御ケーブルは、可撓性アームからアクセスされ、手首ジョイントを通過し、端末マニピュレータに接続される。

オプションで、手首ジョイントは、端末マニピュレータと接続するための端子接続セクションと、可撓セクションであって、複数のセグメントで設けられた第２ターンを含み、第２ターンの両端が端子接続セクション及び可撓性アームにそれぞれ接続され、可撓セクションの各第２ターンには、駆動腱が通過するための少なくとも２対の腱貫通孔が対向して設けられる可撓セクションと、可撓セクションの中心を通過する弾性を有する中央背骨であって、中央背骨の両端が端子接続セクション及び可撓性アームにそれぞれ接続される中央背骨と、を含む。

オプションで、可撓性アームと手首ジョイントは、３Ｄプリンティングにより一体的に形成される。

本開示の実施形態をより良好に説明するために、以下の関連する図面を簡単に紹介する。以下に説明する図面は、本開示の幾つかの実施形態を例示することのみを意図し、当業者は、これらの図面に従って、本明細書で言及されていない多くの他の技術的特徴及び接続関係を取得できることが理解される。
ロボティック腹腔鏡手術を行うための手術ロボット器具の概略図である。 端末マニピュレータの近くの手術用ロボティックアームの一部の概略構造図である。 手術用ロボティックアームの可撓性ジョイントの動作原理の概略図である。 別の手術用ロボティックアームの可撓性ジョイントの概略構造図である。 本開示の第１実施形態に係る可撓性ジョイントの伸張時の概略図である。 図５に示される可撓性ジョイントの屈曲時の概略図である。 図５に示される可撓性ジョイントの第１ターンの概略断面図である。 本開示の第２実施形態に係る可撓性ジョイントの伸張時の概略図である。 本開示の第３実施形態に係る可撓性ジョイントの伸張時の概略図である。 本開示の第４実施形態に係る可撓性ジョイントの接触補助部の概略平面図である。 本開示による可撓性アームの伸張時の概略図である。 図１１に示される可撓性アームのデカップリングセクションの外面の展開時の概略図である。 本開示による別の可撓性アームの伸張時の概略図である。 本開示による手術用ロボティックアームの伸張時の概略図である。 図１４に示される手術用ロボティックアームの屈曲時の概略図である。 図１４に示される手術用ロボティックアームの手首ジョイントでの部分拡大概略図である。

以下、添付図面を参照して本開示を詳細に説明する。本開示の手術用ロボティックアームへの改善をより良好に示すために、手術用ロボティックアームの基本原理及び端末マニピュレータの実施原理をそれぞれ説明する。

図１は、ロボティック腹腔鏡手術を行うための典型的な手術ロボット器具ａ１００を概略的に示す。手術ロボット器具ａ１００は、ベースａ１０１、位置決めアームａ１０２、及び位置決めアームａ１０２を介してベースａ１０１に接続された手術用ロボティックアームａ１０３を含む。手術用ロボティックアームａ１０３の一端に端末マニピュレータａ１０４が設けられる。図１では、１対のジグザグ形のジョーが端末マニピュレータ１０４として示される。手術用ロボティックアームａ１０３は、端末マニピュレータａ１０４が位置決めアームａ１０２に対して移動することを可能にし、それによって、人体又は動物体内の外科手術を可能にする。

図２は、手術用ロボティックアームの特定の実施の理解を容易にするために、端末マニピュレータの近くの手術用ロボティックアームの一部の概略的構造図を示す。示されるように、端末マニピュレータａ１０４は、ピッチジョイントｂ２０１及び撓みジョイントｂ２０２によって手術用ロボティックアームの手首ｂ２０６に対して移動する。ピッチジョイントｂ２０１は、端末マニピュレータａ１０４がピッチ軸ｂ２０３の周りに回転することを可能にし、撓みジョイントｂ２０２は、端末マニピュレータａ１０４が撓み軸ｂ２０４のまわりに回転することを可能にする。ピッチジョイントｂ２０１と撓みジョイントｂ２０２は両方とも腱によって駆動され、プーリｂ２０５は、駆動腱を管理しガイドするために使用され得る。

図３は、手術用ロボティックアーム内の可撓性ジョイントの各ターンｃ３０５が同心リング又はディスクとして配置された設計を示す。この設計では、可撓性ジョイントの前端ｃ３０１は、端末マニピュレータａ１０４と接続するために使用され、左駆動腱ｃ３０３と右駆動腱ｃ３０４はそれぞれ可撓性ジョイントの後端ｃ３０２を通過し、各ターンｃ３０５の対向する側を通過して、可撓性ジョイントの前端ｃ３０１に達する。左駆動腱ｃ３０３及び右駆動腱ｃ３０４の緊張及び弛緩は、可撓性ジョイントに１自由度の移動を与える。駆動腱の数が４つに増加すると、可撓性ジョイントは２自由度を持つことになる。しかしながら、この場合、端末マニピュレータは、ターンｃ３０５の偶発的なズレにより、正確に制御することはできない。例えば、左駆動腱ｃ３０３及び右駆動腱ｃ３０４は、図３に示すように同じ緊張度を有するが、可撓性ジョイントの前端ｃ３０１及び後端ｃ３０２は共線ではない。

ズレの欠点を克服するために、３つの駆動腱を使用して可撓性ジョイントを拘束することができる。しかしながら、各可撓性ジョイントが追加の駆動腱を必要とする場合、結果として生じる過剰の駆動腱は、間違いなくシステムの複雑さ及び製造コストの著しい増加を招くことになる。また、図４に示すように、ばねｄ４０１として、それぞれのターンからなる関節連結セクションを形成し、ばねｄ４０１の弾性特性によりズレを補正することも可能である。しかしながら、ばね構造の場合、ばねｄ４０１の弾性力が比較的大きく設定された場合、ジョイントを作動させるためにより多くの力を駆動腱に加える必要がある。ばねｄ４０１の弾性力が比較的小さく設定された場合はまた、 ズレを効果的に補正ことができない。

上記に鑑みて、本開示は、改善された可撓性ジョイント、可撓性ジョイントを含む可撓性アーム、及び可撓性アームを含む手術用ロボティックアームを提供し、それらの特定構造及び操作方法は、図５～１６を参照して以下に説明される。

［Ｉ． 可撓性ジョイント］
（第１実施形態）

本開示の第１実施形態に係る可撓性ジョイントは、図５～７に示される。図５は、可撓性ジョイントの伸張時の概略図であり、図６は、可撓性ジョイントの屈曲時の概略図であり、図７は、可撓性ジョイントの第１ターンの概略断面図である。

図５及び６に示すように、本開示の第１実施形態に係る可撓性ジョイント１は、２つの支持セクション１１と、２つの支持セクション１１の間に接続された関節連結セクション１２とを含む。関節連結セクション１２は、接触補助部１２２を有する複数の第１ターン１２１を含む。接触補助部１２２は、各第１ターン１２１の両側に対向して配置される。可撓性ジョイント１が図６に示すその屈曲状態にある場合、２つの隣接する第１ターン１２１の接触補助部１２２は、互いに接触している。駆動腱６が通過する複数の腱貫通孔５はそれぞれ、関節連結セクション１２の各第１ターン１２１に対向して設けられる。複数の腱貫通孔５は、第１ターン１２１の直径に沿って対に設けられた少なくとも１対の腱貫通孔５を含んでもよい。オプションで、これらの第１ターン１２１の対応する腱貫通孔５を通過する駆動腱６が締め付けられると、可撓性ジョイント１は腱貫通孔５が設けられた側に向かって屈曲するように、１つの腱貫通孔５は関節連結セクション１２の各第１ターン１２１に設けられてもよい。

本開示の実施形態に言及されている支持セクション１１は、支持の役割を果たすために関節連結セクション１２の両端に設けられた構成要素を指す。一般に、支持セクション１１は、十分な支持を可能にするために一定の剛性を有してもよい。腱貫通孔５はまた、駆動腱６がより滑らかに通過できるように、支持セクション１１の対応する位置に設けられてもよい。また、様々な腱又はケーブルの通過を容易にするように、支持セクション１１の中心に中空の孔が設けられてもよい。

支持セクション１１が剛性である場合、剛性支持セクション１１と可撓性ジョイント連結セクション１２の組み合わせは、両グループのメリットを与える。即ち、剛性支持セクション１１は、可撓性ジョイント連結セクション１２の移動を所望の２Ｄ空間内に拘束し、高いペイロードで構造的剛性を有する。可撓性ジョイント連結セクション１２は、剛性支持セクション１１における非線形特性摩擦を消滅させることで、可撓性ジョイント１に対する駆動力は、各支持セクション１１に均一に分散され、一定の曲率を有する屈曲形状を形成することができる。この新規な設計は、螺旋状の梁に沿ってより均一にねじり及び屈曲力を分散できるバネ状の構造を使用することで、コンプライアンスを実現する。

関節連結セクション１２に設けられた第１ターン１２１は、可撓性ジョイント１の屈曲動作を実現するキー特徴である。図６に示すように、１対の駆動腱６が、支持セクション１１の一側に設けられた腱貫通孔５、第１ターン１２１の各々、及び支持セクション１１の他側に設けられた腱貫通孔５を通過した後、駆動腱６は、第１ターン１２１の各々に相対的に固定されて、関節連結セクション１２の屈曲動作は、駆動腱６によって駆動することができる。具体的には、第１側（図６の下側）の駆動腱６が締め付けられ、第２側（図６の上側）の駆動腱６が緩められると、関節連結セクション１２は、第１側の駆動腱６に向かって屈曲する。この動作により、可撓性ジョイント１には、駆動腱６の対によって規定された平面内での移動の自由が与えられる。機械的ジョイントを使用する先行技術と比較して、本開示で採用される第１ターン１２１は、装置の複雑さを著しく低減する。

一実施形態では、可撓性ジョイント１の第１ターン１２１は、螺旋状のセクションであってもよく、つまり、複数の第１ターン１２１は、互いに螺旋状に接続されてバネ状の螺旋構造を形成する。この構造により、関節連結セクション１２におけるズレの欠点は、さらに抑制することができる。さらに、第１ターン１２１が互いに接続されるため、可撓性ジョイント１は、構成要素が少なくなり、製造及び組み立てがより容易になる。また、螺旋状の関節連結セクション１２の使用により、ねじり力及び屈曲力をより均一に第１ターン１２１の各々に分散することが可能になり、それによって、より良好な可撓性が得られる。オプションで、第１ターン１２１はまた、基本的に本開示の技術的目的を達成することができる、図３に示すような同心リング又はディスク設計を採用してもよい。

上記の可撓性ジョイント１において、要点の１つは接触補助部１２２の設計にある。図５及び６に示すように、各接触補助部１２２は、各第１ターン１２１の両側に対向して配置された幾つかの接触補助ユニット１２２３を含む。典型的には、各接触補助部１２２には、別個の左右１対の接触補助ユニット１２２３が設けられてもよいが、より多い接触補助ユニット１２２３も実現可能である。可撓性ジョイント１が屈曲状態にある場合、隣接する第１ターン１２１の対向する接触補助ユニット１２２３は互いに接触し、それによって、関節連結セクション１２の屈曲方向を効果的に拘束する。

一実施形態では、腱貫通孔５は、第１ターン１２１の周囲に開口するように設計されてもよい。即ち、図１３の符号１に示すように、腱貫通孔５の周囲は、閉じておらず、開口している。このように、可撓性ジョイント１内に開口腱ガイドチャネルが形成されるので、腱を引っ張ると腱のトルクアームを増加させることができ、器具アームのペイロードを増大させることができる。従って、可撓性ジョイントを屈曲するために必要な力が少なくなり、器具アームのためのより大きなペイロードが提供される。

図７は、図５に示される可撓性ジョイント１の第１ターン１２１の概略断面図である。示されるように、第１ターン１２１は円形の断面を有する。第１ターン１２１の中心に円形の中心孔が形成される。接触補助部１２２は、孔の両側に径方向に設けられる。接触補助部１２２の軸方向中心線Ｌ１は、第１ターン１２１の周方向中心線Ｌ２、即ち、第１ターン１２１の断面中心を通過する直線と一致する。また、腱貫通孔５において、少なくとも１対の腱貫通孔５の間の接続線Ｌ３は、接触補助部１２２の軸方向中心線Ｌ１に垂直であってもよい。この場合、接触補助部１２２の力受け面は、関節連結セクション１２の屈曲方向と一致するため、よりよい安定性が期待できる。

接触補助部１２２を設けることにより、図３に示すようなジョイントのズレを防止するのを助けることができることが理解される。さらに、接触補助部１２２は、接触のみを補助し、関節連結セクション１２の移動抵抗を増加させないので、駆動腱６は、可撓性ジョイント１を作動させるために小さな力を必要としない。接触補助ユニット１２２３を設けることによって、第１ターン１２１は、より柔らかい螺旋状のセクションを採用することができ、駆動腱６の駆動力に対する要求をさらに低くする。関節連結セクション１２の弾性復元力の限界により、可撓性ジョイント１の移動精度を向上させることができる。

図３に示される可撓性ジョイントでは、第１ターン１２１は、同心リング又はディスクとして形成される。この場合、可撓性ジョイント１の移動精度を確保し、ズレを防止するために、通常３つ以上の駆動腱６が必要となる。本開示の実施形態では、接触補助部１２２は、関節連結セクション１２の移動を１自由度内に拘束するように形成されるので、１対の駆動腱６はズレを防止するのに十分であり、それによって、可撓性ジョイント１の構造上の複雑さを低減する。

可撓性ジョイント１は、従来のサブトラクティブ製造プロセス又は付加製造プロセスによって作り出すことができる。サブトラクティブ製造プロセスでは、管状構造に特定のパターンを作成し、屈曲可能にするために溝を入れるなどして、完全な材料から一部の部品を取り除く。付加製造プロセスでは、部品を１層ずつ追加することで可撓性ジョイントを構築する。また、既製のコイルばねを用いて可撓性ジョイントを構築することが可能である。

オプションで、本開示の可撓性ジョイント１は、３Ｄプリンティングプロセスによって一体的に形成されてもよい。特に、バネ状の螺旋構造を採用した場合、可撓性ジョイント１全体が全体として接続されているため、一体成形方法によって可撓性ジョイント１を製造することは、多くの廃棄物を発生させることなく、従来の製造プロセスと比較して１つずつ部品を組み立てる必要がなくなるこれにより、低コストで高効率のメリットが得られる。先行技術の直感的な手術用ダビンチＳＰシステム（Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｄａｖｉｎｃｉ ＳＰ ｓｙｓｔｅｍ）及び精密ロボティクスマイクロｉｇｅｓシステム（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｍｉｃｒｏ－ｉｇｅｓ ｓｙｓｔｅｍ）と比較して、本開示で使用される３Ｄプリンティングプロセスは、ジョイントをモノリシックに作り出することができ、したがって、製造及び組立コストを節約することができる。例えば、サブトラクティブ製造プロセスで作り出された可撓性ジョイントについては、通常、レーザ切断を使用して、管状構造体の外面に水平スロットを形成し、梁状材料の屈曲に基づくコンプライアンスを達成するため、スロット付き管状構造は、短い設計寿命を有する。対照的に、３Ｄプリンティングによって作り出された螺旋状梁を有する可撓性ジョイント１は、比較的長い疲労寿命を有する。３Ｄプリンティングでは、同じ又は異なる材料を使用して、支持セクション１１、第１ターン１２１、及び接触補助部１２２などの可撓性ジョイント１の様々な部品を形成することができる。

（第２実施形態）
可撓性ジョイント１の接触補助部１２２については、関節連結セクション１２が屈曲したときに、隣接する第１ターン１２１の接触補助ユニット１２２３を互いに接触させ、関節連結セクション１２の屈曲の自由度を拘束することができれば、本開示の技術的目的を達成することができる。従って、接触補助部１２２は、様々な実現可能な形状及びタイプで提供されてもよい。

例えば、接触補助部１２２は、隣接する接触補助ユニット１２２３が互いに噛み合うことができる構造として構成されてもよく、第２実施形態に係る可撓性ジョイント１の伸張時の図を概略的に示す図８に示すように、特に、互いに噛み合う歯様構造として構成されてもよい。噛み合い構成により、関節連結セクション１２を屈曲させながら、関節連結セクション１２の移動の自由を拘束することが可能である。そのうち、歯様構造は、個々の第１ターン１２１の変形をさらに防止することができる。オプションで、個々の接触補助ユニット１２２３の断面を、歯様構造の代わりに、４つ以上の辺を有する正多角形として設計することも可能である。接触補助部１２２の周方向に沿って相互噛み合いが得られる図８に示される歯様構造に加えて、接触補助部１２２の軸方向に相互噛み合いが得られる構造が使用されてもよく、これにより、個々の第１ターン１２１が関節連結セクション１２から抜け出すことをよりよく防止することができると理解される。

（第３実施形態）
一実施形態では、隣接する第１ターン１２１の接触補助部１２２は、互いに転がり接触してもよい。歯様構造と比較して、転がり接触を伴う接触補助部１２２は、関節連結セクション１２の屈曲曲線に対してほぼ線形の抵抗変化を有するので、関節連結セクション１２の屈曲動作はより滑らかになり、駆動腱６の駆動出力パワーに対する要件を低減することができる。

転がり接触を伴う接触補助部１２２が使用される場合、接触補助部１２２は様々な形態で実施され得る。例えば、各接触補助部１２２は、隣接する接触補助部１２２に向かって滑らかな突起として形成され、突起の先端で隣接する接触補助部１２２と接線方向に接触してもよい。この場合、接触補助部１２２は、 図５に示される円形の断面、又は図９に示される楕円形の断面を有してもよく、図９は、本開示の第３実施形態に係る可撓性ジョイントの伸張時の概略図である。

図９に示されるような接触補助ユニット １２２３の楕円形の断面は、可撓性ジョイント１の長手方向軸に平行な方向により小さいサイズ、長手方向軸に垂直な方向により大きいサイズを有する。この場合、可撓性ジョイント１の屈曲幅が比較的小さいため、可撓性ジョイント１に接続された端末マニピュレータ４の様々な動作をより正確に調整することができる。オプションで、接触補助ユニット１２２３は、可撓性ジョイント１の長手方向軸に平行な方向により大きいサイズ及び長手方向軸に垂直な方向により小さいサイズを有する楕円形の断面を含んでもよい。この場合、可撓性ジョイント１の屈曲幅は比較的大きいため、可撓性ジョイント１に接続された端末マニピュレータ４の操作範囲を拡大することができる。

（第４実施形態）
図１０は、本開示の第４実施形態に係る可撓性ジョイントの接触補助部の概略平面図である。接触補助部１２２は、図５に示すような円形の断面を有するが、図５に示されるシリンダーとは異なり、接触補助部１２２における接触補助ユニット１２３２の少なくとも一部は、コーンとして構成される。即ち、１つの接触補助部１２２の直径は、軸方向に沿って徐々に増加し、それに接触する隣接する接触補助部１２２の直径は、同じ方向に徐々に減少する。

本開示で言及されるシリンダー、コーンなどの形状は、幾何学的な意味で厳密に定義されていない。当技術分野で知られているように、幾つかの近似形状は、これらの形状と呼ばれることが多い。本開示において、形状は、本出願の技術的目的を達成できる近似形状である限り、特許請求の範囲で定義される「シリンダー」又は「コーン」と見なすことができる。実際、可撓性ジョイント１の全体的な縁が滑らかであることを保証し、突出した縁が人体の内部を傷つけないようにするために、接触補助部１２２の外面は、特定の曲率を有するように設計されてもよい。 これにより、その端面は完全に平坦な面ではなくなるため、それは厳密にシリンダー又はコーンではなくなる。しかしながら、これらの詳細な変更は、本出願の特許請求の範囲の保護範囲から逸脱するものと見なされるべきではない。

シリンダー状の接触補助ユニット１２２３が採用されると、関節連結セクション１２の屈曲動作に対する接触補助部１２２の抵抗は、 関節連結セクション１２の屈曲度が大きくなるにつれて実質的に変化しないため、駆動腱６の駆動動力をより容易に制御することができる。対照的に、コーン状の接触補助ユニット１２２３が採用されると、２つの隣接する接触補助ユニット１２２３の形状は互いに一致し、それにより、第１ターン１２１が滑ってコーンの軸方向にずれる可能性をよりよく防止し、可撓性ジョイント１の作業安定性を向上させる。

図９に示すような楕円形の断面が採用されると、接触補助部１２２における接触補助ユニット１２２３の少なくとも一部は、必要に応じて、楕円形のシリンダー又は楕円形のコーンとして形成することができることが理解される。シリンダーと比較して、可撓性ジョイント１の接触補助ユニット１２２３が楕円形のシリンダーとして形成された場合、接触補助部１２２が様々な程度に屈曲したときに生じる関節連結セクション１２に対する抵抗は、設計された曲率に従って正確に調整することができ、駆動腱６の駆動動力の出力特定によりよく適合させることができる。また、楕円形のコーンと楕円形のシリンダーとの間の差は、コーンとシリンダーとの間の差と同様であり、ここでは繰り返さない。

［ＩＩ． 可撓性アーム］
図１１は、本開示による可撓性アームの伸張時の概略図である。図１２は、図１１に示される可撓性アームのデカップリングセクションの外面の展開時の概略図である。示されるように、可撓性アーム２は、可撓性ジョイント１及びデカップリングセクション２１を含む。デカップリングセクション２１は、２つの隣接する可撓性ジョイント１の間に配置され、２つの可撓性ジョイント１のそれぞれの支持セクション１１に接続される。ここで、可撓性ジョイント１は、第１～第４実施形態で上述した可撓性ジョイントであってもよい。

２つ以上の可撓性ジョイント１が互いに直列に接続された場合、遠位可撓性ジョイント１を制御するために、遠位可撓性ジョイント１を制御するための駆動腱６を近位可撓性ジョイント１に通過させる必要がある。即ち、近位可撓性ジョイント１と遠位可撓性ジョイント１との間にカップリング関係がある。したがって、遠位可撓性ジョイント１が駆動腱６によって制御される場合、駆動腱６に加えられる力も近位可撓性ジョイント１に作用して、それを強制的に変形させる。特に、可撓性アーム２自体がＳ字形の曲線を形成した場合、変形の方向は、近位可撓性ジョイント１の屈曲方向からずれ、悪影響を及ぼしやすい。

このため、図１１に示すような可撓性アーム２は、デカップリングセクション２１によって遠位可撓性ジョイント１と近位可撓性ジョイント１とをデカップルし、 近位可撓性ジョイント１に対する遠位可撓性ジョイント１での駆動腱６の影響を弱め、又は排除することさえできる。したがって、本開示の実施形態で提供される可撓性アーム２は、簡単な構造の利点を有するだけでなく、より容易に制御することもできる。

図１１に示される実施形態では、デカップリングセクション２１に腱ルート２２が設けられ、駆動腱６が貫通できるように、可撓性ジョイント１の支持セクション１１に設けられた腱貫通孔５まで延在する。腱ルート２２は、駆動腱６の配置及び位置をガイドするために利用することができるので、デカップリングセクション２１のデカップリングにおいて重要な役割を果たす。オプションで、腱ルート２２は、デカップリングセクション２１の外面に螺旋状のワイヤ溝として構成されてもよい。また、１つ以上の円周方向に囲まれたパイプは、腱ルート２２として機能するように、デカップリングセクション２１に螺旋状に設けられてもよい。螺旋状のワイヤ溝及び円周方向に囲まれたパイプは、単独で又は組み合わせて使用することができる。螺旋状のワイヤ溝設計の場合、製造コストが低く、駆動腱６の取付け及びメンテナンスもより簡単でより便利である。

遠位可撓性ジョイント１と近位可撓性ジョイント１との間のカップリング関係は、主に、駆動腱６によるこれらの２つの可撓性ジョイント１の間の力の伝達に起因する。デカップリングセクション２１の外面に腱ルート２２を螺旋状に構成することによって、この力をデカップリングセクション２１自体に分散させ、それにより、これらの２つの可撓性ジョイント１をデカップリングすることができる。腱ルート２２がデカップリングセクション２１の外面に設けられた場合、デカップリングセクション２１は、腱ルート２２の配置をより容易にするように、シリンダーとして構成されてもよいことが理解される。

デカップリングセクション２１は、材料が支持セクション１１と一致してもよい剛性セクションであってもよい。デカップリングセクション２１は、支持セクション１１と一体的に形成されてもよい。それにより、デカップリングセクション２１は、可撓性アーム２がオンデマンドで屈曲するように、可撓性アーム２に良好な支持役割を果たすことができる。さらに、可撓性アーム２全体は、３Ｄプリンティングによって一体的に形成することができる。可撓性アーム２全体が一体的に製造される場合、可撓性ジョイント１とデカップリングセクション２１を順次組み立てる必要がない。その結果、可撓性アーム２の複雑さが軽減され、その信頼性が向上し、可撓性アーム２全体は、より優れた機械的特性およびより長い耐用年数を有することができる。３Ｄプリンティングでは、同じ又は異なる材料を使用して、可撓性ジョイント１とデカップリングセクション２１など、可撓性アーム２の様々な部品を形成してもよい。

２つの隣接する可撓性ジョイント１の対応する腱貫通孔５は、互いにオフセットすることができる。「対応する腱貫通孔５」という用語は、同じ駆動腱６が貫通する２つの隣接する可撓性ジョイント１内の腱貫通孔５を指す。２つの腱貫通孔５が互いにオフセットされると、駆動腱６が螺旋状に配置されやすくなる。図１１に示される実施形態では、２つの隣接する可撓性ジョイント１の対応する腱貫通孔５は、互いに３６０度オフセットされている。即ち、一方の可撓性ジョイント１６の腱貫通孔５に進入した駆動腱６は、デカップリングセクション２１に一周巻き付いた後、他方の可撓性ジョイント１の腱貫通孔５を通って存在するので、２つの可撓性ジョイント１は依然として同じ直線上に配置されている。図１２に示すように、図１１に示されるデカップリングセクション２１の表面が平面に展開されると、腱ルート２２は、平面内でＳ字形の曲線を形成する。従来の螺旋腱ルート２２は、展開されたときに平面内でほぼ直線である。腱ルート２２が平面内でＳ字形の曲線を形成する場合、セクションの曲率はＳ字形の曲線に沿って変化するため、駆動腱６に対する腱ルート２２の表面の抵抗が増加し、それによって、デカップリングセクション２１の改善されたデカップリング能力につながる。

図１３に示される実施形態では、本開示による別の可撓性アームは、伸張された時に実質的にＳ字形の輪郭を有するものとして示される。ここで、２つの隣接する可撓性ジョイント１の支持セクション１１における腱貫通孔５は、対応する腱貫通孔５のオフセット角度が約１８０度となるように配置される。即ち、一方の可撓性ジョイント１の腱貫通孔５に進入した駆動腱６は、デカップリングセクション２１に半周巻き付いた後、他方の可撓性ジョイント１の腱貫通孔５を通って存在し、それによって、２つの可撓性ジョイント１が１つの平面にＳ字形に屈曲される。オプションで、２つの隣接する可撓性ジョイント１の支持セクション１１における腱貫通孔５は、９０度又は４５度など、１８０度及び３６０度以外の角度だけオフセットされてもよい。この場合、遠位可撓性ジョイント１と近位可撓性ジョイント１は同一平面上にない。

シングルポートアクセス手術に関しては、すべての手術器具が１つの単一の動作チャネルを介して人体に進入するため、狭い作業スペース内で協調動作を実現することが困難である。可撓性アーム２が１つの平面内でＳ字形に屈曲する場合、又は遠位可撓性ジョイント１と近位可撓性ジョイント１が同一平面上にない場合、狭い作業スペース内で、可撓性アーム２の遠位端に取り付けられた端末マニピュレータ４の様々な協調動作をより良好に可能にすることができる。

［ＩＩＩ． 手術用ロボティックアーム］
図１４は、本開示による手術用ロボティックアームの伸張時の図を概略的に示す。図１５は、手術用ロボティックアームの屈曲時の概略図である。図１６は、手術用ロボティックアームの手首ジョイントでの部分拡大概略図である。図示のように、手術用ロボティックアームは、可撓性アーム２と、外科手術を行う、即ち、手術器具の主要な機能を提供する端末マニピュレータ４と、両端が可撓性アーム２及び端末マニピュレータ４にそれぞれ接続された手首ジョイント３と、を含む。端末マニピュレータ４の制御ケーブルは、可撓性アーム２からアクセスされ、手首ジョイント３を通過し、端末マニピュレータ４に接続される。そのうち、可撓性アーム２は上記の可撓性アームであってもよい。

端末マニピュレータ４は、ジョー、レーザーメス、内視鏡などを含んでもよい。端末マニピュレータ４の可撓性を向上させるために、手首ジョイント３は、多方向に移動の自由を有してもよい。手首ジョイント３は手術用ロボティックアームの端部に位置するため、他のジョイントの駆動腱６の影響を受けにくい。端末マニピュレータ４及び可撓性アーム２の優れた制御性能により、本開示で開示される手術用ロボティックアームは、シングルポートアクセス手術における様々な動作を正確かつ効率的に行うことができる。

図１６に示される実施形態では、手首ジョイント３は、端末マニピュレータ４と接続するための端子接続セクション３３と、複数のセグメントで設けられた第２ターン３１１を含む可撓セクション３１であって、可撓セクション３１の両端が可撓性アーム２及び端子接続セクション３３にそれぞれ接続される可撓セクション３１と、可撓セクション３１の中心を通過する中央背骨３２であって、中央背骨３２の両端が端子接続セクション３３及び可撓性アーム２にそれぞれ接続される中央背骨３２と、を含む。

支持セクション１１と同様に、端子接続セクション３３は、支持の役割を果たすために、一定の剛性を有してもよい。第２ターン３１１の形状、構造及び材料は、第１ターン１２１と同じであっても異なってもよい。 即ち、第２ターン３１１は、図３に示すような同心リング又はディスク構造、又は複数のターンを互いに螺旋状に接続することで形成された螺旋構造、又は接触補助部１２２を有する図５～１０に示される構造を含んでもよい。可撓セクション３１の各第２ターン３１１において、駆動腱６が通過するために、少なくとも２対の腱貫通孔５が対向して設けられる。可撓セクション３１には、少なくとも２対の腱貫通孔５によって、２つの方向に移動の自由が与えられるので、端末マニピュレータ４は柔軟に移動し動作することができる。

オプションで、可撓セクション３１の中心を通過する中央背骨３２は弾性を有してもよい。遠位端に近くの可撓セクション３１に中央背骨３２が設けられるため、駆動腱６の駆動力を高くする必要がない。弾性中央背骨３２が組み込まれ、可撓セクション３１の移動の自由が確保される場合、中央背骨３２の弾性復元力を使用して、可撓セクション３１のズレを防止することができ、手術用ロボティックアームの信頼性をさらに向上させることができる。

一実施形態では、手術用ロボティックアームにおける可撓性アーム２及び手首ジョイント３（少なくとも部分的に、その端接続セクション３３）は、３Ｄプリンティングによって一体的に形成することができる。実際の使用では、別個の端末マニピュレータ４及び駆動腱６の可動要素を、３Ｄプリンティングによって作る出された手術用ロボティックアームの主要部品に取り付けるだけでよく、その後、組み立てプロセスが完了する。従って、３Ｄプリンティングの使用は、製造効率を向上させ、耐用年数を延長し、コストを削減することができる。３Ｄプリンティングでは、同じ又は異なる材料を使用して、可撓性ジョイント１、デカップリングセクション２、可撓セクション３１、中央背骨３２、及び端子接続セクション３３など、手術ロボットアームの様々な部品を形成することができる。

最後に、本開示は限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明されたが、本開示はそのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本開示は、これまで説明されていないが、本開示の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換、又は同等の配置を組み込むように修正することができる。さらに、本開示の様々な実施形態が説明されてきたが、本開示の態様は、説明された実施形態の幾つかのみを含み得ることが理解されるべきである。したがって、本開示は、前述の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１： 可撓性ジョイント； １１： 支持セクション； １２： 関節連結セクション； １２１： 第１ターン； １２２： 接触補助部； １２２３： 接触補助ユニット； ２： 可撓性アーム； ２１： デカップリングセクション； ２２： 腱ルート； ３： 手首ジョイント； ３１： 可撓セクション； ３１１： 第２ターン； ３２： 中央背骨； ３３： 端子接続セクション； ４： 端末マニピュレータ； ５： 腱貫通孔； ６： 駆動腱； Ｌ１： 接触補助部の軸方向中心線； Ｌ２： 第１ターンの周方向中心線； Ｌ３： 一対の腱貫通孔間の接続線。

Claims (23)

1. 可撓性ジョイント（１）であって、２つの支持セクション（１１）と、前記２つの支持セクション（１１）の間に接続された関節連結セクション（１２）とを含み、前記関節連結セクション（１２）は、接触補助部（１２２）を有する複数の第１ターン（１２１）を含み、
   前記接触補助部（１２２）は、各第１ターン（１２１）の両側に対向して配置され、前記可撓性ジョイントが屈曲された状態である場合、隣接する第１ターン（１２１）の接触補助部（１２２）は互いに接触し、
   前記関節連結セクション（１２）の各第１ターン（１２１）に、駆動腱（６）が通過するための複数の腱貫通孔（５）が設けられる、ことを特徴とする可撓性ジョイント（１）。
2. 前記複数の第１ターン（１２１）は、互いに螺旋状に接続されて螺旋構造を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の可撓性ジョイント（１）。
3. 隣接する第１ターン（１２１）の前記接触補助部（１２２）は、互いに転がり接触するか、又は互いに噛み合う、ことを特徴とする請求項１に記載の可撓性ジョイント（１）。
4. 前記接触補助部（１２２）のそれぞれは、隣接する接触補助部（１２２）に向かって滑らかな突起として形成され、前記突起の先端で隣接する接触補助部（１２２）と接線方向に接触する、ことを特徴とする請求項３に記載の可撓性ジョイント（１）。
5. 前記接触補助部（１２２）は、円形又は楕円形の断面を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の可撓性ジョイント（１）。
6. 前記接触補助部（１２２）は、シリンダー又はコーンとして構成される、ことを特徴とする請求項５に記載の可撓性ジョイント（１）。
7. 前記接触補助部（１２２）のそれぞれは、隣接する接触補助部（１２２）と噛み合う歯様構造として形成されるか、又は多角形の断面を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の可撓性ジョイント（１）。
8. 前記接触補助部（１２２）の軸方向中心線は、前記第１ターン（１２１）の周方向中心線と一致する、ことを特徴とする請求項１に記載の可撓性ジョイント（１）。
9. 前記複数の腱貫通孔（５）のうちの少なくとも１対の腱貫通孔（５）の間の接続線は、前記接触補助部（１２２）の軸方向中心線に垂直である、ことを特徴とする請求項１に記載の可撓性ジョイント（１）。
10. 前記可撓性ジョイント（１）は、３Ｄプリンティングにより一体的に形成される、ことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の可撓性ジョイント（１）。
11. 前記腱貫通孔（５）は、前記第１ターン（１２１）の周囲に開口するように設計される、ことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の可撓性ジョイント（１）。
12. 可撓性アーム（２）であって、
    請求項１～１１のいずれか一項に記載の少なくとも２つの可撓性ジョイント（１）と 、
    ２つの隣接する可撓性ジョイント（１）の間に配置され、前記２つの隣接する可撓性ジョイント（１）のそれぞれの支持セクション（１１）に接続されたデカップリングセクション（２１）と、を含むことを特徴とする可撓性アーム（２）。
13. 前記デカップリングセクション（２１）上に腱ルート（２２）が設けられ、駆動腱（６）が通過するために前記可撓性ジョイント（１）の支持セクション（１１）に設けられた腱貫通孔（５）に延在する、ことを特徴とする請求項１２に記載の可撓性アーム（２）。
14. 前記腱ルート（２２）は、前記デカップリングセクション（２１）の表面に螺旋状に設けられる、ことを特徴とする請求項１３に記載の可撓性アーム（２）。
15. 前記腱ルート（２２）は、前記デカップリングセクション（２１）の外面に設けられた螺旋状のワイヤ溝を含む、ことを特徴とする請求項１３に記載の可撓性アーム（２）。
16. 前記デカップリングセクション（２１）はシリンダーとして構成される、ことを特徴とする請求項１２に記載の可撓性アーム（２）。
17. ２つの隣接する可撓性ジョイント（１）の対応する腱貫通孔（５）は互いにオフセットされる、ことを特徴とする請求項１３に記載の可撓性アーム（２）。
18. 前記２つの隣接する可撓性ジョイント（１）の前記支持セクション（１１）の前記腱貫通孔（５）は、２つの隣接する可撓性ジョイント（１）が１つの平面内でＳ字形に屈曲するように配置される、ことを特徴とする請求項１７に記載の可撓性アーム（２）。
19. 前記デカップリングセクション（２１）の外面が平面内に展開されると、前記腱ルート（２２）は、前記平面内でＳ字形の曲線を形成する、ことを特徴とする請求項１３に記載の可撓性アーム（２）。
20. 前記可撓性アーム（２）は、３Ｄプリンティングにより一体的に形成される、ことを特徴とする請求項１２～１９のいずれか一項に記載の可撓性アーム（２）。
21. 手術用ロボティックアームであって、
    請求項１２～２０のいずれか一項に記載の可撓性アーム（２）と、
    外科手術を行うための端末マニピュレータ（４）と、
    両端が前記可撓性アーム（２）及び前記端末マニピュレータ（４）にそれぞれ接続された手首ジョイント（３）と、を含み、
    前記端末マニピュレータ（４）の制御ケーブルは、前記可撓性アーム（２）からアクセスされ、前記手首ジョイント（３）を通過し、前記端末マニピュレータ（４）に接続される、ことを特徴とする手術用ロボティックアーム。
22. 前記手首ジョイント（３）は、
    前記端末マニピュレータ（４）と接続するための端子接続セクション（３３）と、
    可撓セクション（３１）であって、複数のセグメントで設けられた第２ターン（３１１）を含み、前記第２ターン（３１１）の両端が前記端子接続セクション（３３）及び前記可撓性アーム（２）にそれぞれ接続され、前記可撓セクション（３１）の各第２ターン（３１１）には、駆動腱（６）が通過するための少なくとも２対の腱貫通孔（５）が対向して設けられる可撓セクション（３１）と、
    前記可撓セクション（３１）の中心を通過する弾性を有する中央背骨（３２）であって、前記中央背骨（３２）の両端が前記端子接続セクション（３３）及び前記可撓性アーム（２）にそれぞれ接続される中央背骨（３２）と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の手術用ロボティックアーム。
23. 前記可撓性アーム（２）及び前記手首ジョイント（３）はＤプリンティングにより一体的に形成される、ことを特徴とする請求項２１又は２２に記載の手術用ロボティックアーム。