JP5466004B2 - 磁気的連結可能ロボット装置および関連する方法 - Google Patents

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本出願は、本願明細書に援用する、２００６年６月２２日に出願した（特許文献１）、２００６年９月１９日に出願した（特許文献２）、２００６年１１月３０日に出願した（特許文献３）、２００７年１月１２日に出願した（特許文献４）、および２００７年２月５日に出願した（特許文献５）の優先権を主張するものである。

本発明は、腹腔鏡手術で使用するロボット装置のさまざまな実施形態に関する。特に、ロボット装置は、さまざまな外科手術に使用するために外科患者体内に挿入することが可能であり、さまざまな手術の実施および／または手術が行われている領域の表示を行うことができる。

腹腔鏡法は、腹腔内で実施される低侵襲手術（ＭＩＳ）である。これは、いくつかの日常的に行われる処置に対する最適な治療法となっている。
しかし、知られている腹腔鏡技術は、一部は１）アクセス・ポートを通じて挿入される硬質ツールを使用した結果生じる移動性の制約、および２）限られた視覚フィードバックのせいで範囲および複雑さの点で制限される。つまり、小切開を通して腹壁内に挿入された長い硬質腹腔鏡ツールは、外科医の行動範囲を制限し、したがって、実施される外科手術の複雑度を制限する。同様に、小切開部を通して挿入された典型的に硬質の腹腔鏡からの２Ｄ画像は、外科的環境の総合的な理解を狭い範囲に限定する。さらに、現行技術は、腹腔鏡（カメラ）を受け入れるために第３のポートを必要とし、新しい視点毎に、さらなる切開を必要とする。

立体視およびより操縦しやすいエンド・エフェクターを使用してこれらの制限の一部を解消する、ダ・ビンチ（登録商標）サージカル・システム（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）（インチューイティブ・サージカル・インコーポレイテッド社（Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ， Ｉｎｃ．）［米国カリフォルニア州サニーベール（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ）所在］から市販されている）などのロボット・システムが開発されている。しかし、ダ・ビンチ（登録商標）（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標））は、アクセス・ポートにより制約される。他の不利点として、ダ・ビンチ（登録商標）（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標））システムのサイズおよび高いコスト、システムが大半の病院では利用できないという事実、およびシステムの感覚および移動能力が限られていることが挙げられる。さらに、大半の研究は、ダ・ビンチ（登録商標）（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標））システムなどの現在のロボット・システムは、基本的技術を用いる際に標準的な腹腔鏡手術器械に勝る改善をほとんど、または全くもたらさないことを示唆している。（例えば、非特許文献１参照）、（例えば、非特許文献２参照）、および（例えば、非特許文献３参照）を参照のこと。さらに、ダ・ビンチ（登録商標）（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標））システムおよび類似のシステムは、身体の外部から実行され、したがって、小切開を通じての作業に限界があるため常にある程度制約される。例えば、これらの小切開では、外科医は外科手術環境を直接見たり、触ったりすることができず、ツール類およびカメラの終端部の運動は中心が挿入点である球の円弧に束縛される。

米国特許仮出願第６０／８１５，７４１号 米国特許仮出願第６０／８４５，６０３号 米国特許仮出願第６０／８６８，０３０号 米国特許仮出願第６０／８８４，７９２号 米国特許仮出願第６０／８８８，１８２号 米国特許第５，４７１，５１５号

ダキン、ジー・エフ（Ｄａｋｉｎ，Ｇ．Ｆ．）およびギャグナー、エム（Ｇａｇｎｅｒ，Ｍ．）（２００３）"Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｌａｐａｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｋｉｌｌｓ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｗｏ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，"Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ １７：５７４−５７９ ニオ、ディー（Ｎｉｏ，Ｄ．）、ベメルマン、ダブリュ・エー（Ｂｅｍｅｌｍａｎ，Ｗ．Ａ．）、デン・ボーア、ケー・ティー（ｄｅｎ Ｂｏｅｒ，Ｋ．Ｔ．）、ダンカー、エム・エス（Ｄｕｎｋｅｒ，Ｍ．Ｓ．）、グーマ、ディー・ジェー（Ｇｏｕｍａ，Ｄ．Ｊ．）、およびファン・グフィク、ティー・エム（ｖａｎ Ｇｕｆｉｋ，Ｔ．Ｍ．）（２００２）"Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｍａｎｕａｌ ｖｓ． Ｒｏｂｏｔｉｃａｌ （Ｚｅｕｓ） Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｌａｐａｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｕｒｇｅｒｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ Ｔａｓｋｓ，"Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ １６：４１２−４１５ メルビ、ダブリュ・エス（Ｍｅｌｖｉｎ，Ｗ．Ｓ．）、ニードルマン、ビー・ジェー（Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ，Ｂ．Ｊ．）、クラウス、ケー・アール（Ｋｒａｕｓｅ，Ｋ．Ｒ．）、シュナイダー、シー（Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，Ｃ．）、およびエリソン、イー・シー（Ｅｌｌｉｓｏｎ，Ｅ．Ｃ．）（２００２）"Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｖｓ． Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌａｐａｒａｓｃｏｐｉｃ Ａｎｔｉｒｅｆｌｕｘ Ｓｕｒｇｅｒｙ，"Ｊ．Ｇａｓｔｒｏｉｎｔｅｓｔ Ｓｕｒｇ ６：１１−１６ ジョン・ジェー・クレイグ（Ｊｏｈｎ Ｊ． Ｃｒａｉｇ）、"Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ" チャンタソピーファン（Ｃｈａｎｔｈａｓｏｐｅｅｐｈａｎ）ら、（２００３）Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ３１：１３７２〜１３８２頁

そこで、当該技術分野では、改善された外科手術、外科システム、および外科装置が必要である。

本明細書で開示されている一実施形態は、本体、電源、接続コンポーネント、少なくとも１つの操作アーム、および取付用コンポーネントを有するロボット装置である。本体は、患者体内に配置されるように構成される。さらに、アームは、第１の関節を介して本体に動作可能なように連結されている第１のリンクを有し、さらに、アームに動作可能なように連結されている操作コンポーネントを有する。それに加えて、操作アームは、本体内に位置決めできない。

代替えの一実施形態では、このアームは、さらに、第２の関節を介して第１のリンクに動作可能なように連結されている第２のリンクを有する。一実施形態では、第１の関節は、肩関節であり、第２の関節は、肘関節である。代替えの一実施形態では、取付用コンポーネントは、第１の磁性コンポーネントである。それに加えて、装置の一実施形態は、ライト・コンポーネントを有するが、他の実施形態は、センサーを有する。一態様では、センサーは、内部に配置され、本体は、外部の流体が内部に入り込めないように流体封止されている。

他の実施形態は、本体、電源、接続コンポーネント、第１の操作アーム、第２の操作アーム、および取付用コンポーネントを有するロボット装置である。本体は、患者体内に配置されるように構成される。第１の操作アームは、第１の関節を介して本体の第１の端部に動作可能なように連結されている第１のリンクを有し、さらに、アームに動作可能なように連結されている第１の操作コンポーネントを有する。第２の操作アームは、第２の関節を介して本体の第２の端部に動作可能なように連結されている第２のリンクを有し、さらに、アームに動作可能なように連結されている第２の操作コンポーネントを有する。第１または第２のアームのいずれも、本体内に位置決めできない。

代替えの一実施形態によれば、第１の操作アームは、さらに、第３の関節を介して第１のリンクに動作可能なように連結されている第３のリンクを有し、第２の操作アームは、さらに、第４の関節を介して第２のリンクに動作可能なように連結されている第４のリンクを有する。他の実施形態では、装置は、第１の操作アームと第２の操作アームとの間にセンサーを配置する。一態様では、操作アームおよびセンサーは、標準的な腹腔鏡ツール類の相対的構成を実質的に近似するように位置決めされる。それとは別に、第１および第２の操作アームは、標準的な腹腔鏡ツール類の動きを実質的に近似するように構成される。一実施形態では、第１および第２の操作コンポーネントは、外科用メス、バイオプシー・ツール、焼灼器、鉗子、解剖器、結紮器、ステープラー、超音波プローブ、吸引コンポーネント、または潅注コンポーネントのどれかとすることができる。

本明細書で開示されている他の実施形態は、外科手術の方法である。この方法は、ロボット装置を患者の自然な開口部に通して、その自然な開口部に接続されている通路内に挿入することと、その通路の壁に切開を行うこととを含む。この方法は、さらに、患者体内の空洞内にロボット装置を挿入することと、少なくともロボット装置を使用して手術を実行することとを含む。この装置は、本体、電源、接続コンポーネント、少なくとも１つの操作アーム、および取付用コンポーネントを有する。アームは、第１の関節を介して本体に動作可能なように連結されている第１のリンクを有し、さらに、アームに動作可能なように連結されている操作コンポーネントを有する。

代替えの一形態では、自然な開口部は、口であり、壁は、胃である。それとは別に、自然な開口部は、肛門であり、壁は、腸壁である。さらに他の一実施形態では、自然な開口部は、臍である。一実施形態によれば、この方法は、患者を１回だけ切開することを含む。この方法の他の実施形態は、係脱されたハンドルを使用してロボット装置を位置決めすることを含む。

本明細書で開示されている一実施形態は、円筒形本体、センサー、電源、接続コンポーネント、および取付用コンポーネントを有するロボット装置である。円筒形本体は、患者体内に配置され、透明コンポーネントを有するように構成される。それに加えて、センサーは、円筒形本体内に固定されるように配置される。

一実施形態によれば、ロボット装置は、さらに、ライト・コンポーネントを有する。さらに他の実施形態では、本体は、外部の流体が本体の内部に入り込まないように流体封止されている。一実施形態によれば、取付用コンポーネントは、磁性コンポーネントである。さらに他の実装では、装置は、さらに、第１の磁性コンポーネントに動作可能なように連結されるように構成されている少なくとも１つの第２の磁性コンポーネントを有する係脱されたハンドルを備えることができる。

本明細書で開示されている他の実施形態は、本体、センサー、電源、接続コンポーネント、および取付用コンポーネントを有するロボット装置である。本体は、患者体内に配置されるように構成され、内側円筒形コンポーネントおよび外側円筒形コンポーネントを有する。一実施形態では、内側円筒形コンポーネントは、外側円筒形コンポーネントに相対的に回転可能である。本体は、流体封止され、内側円筒形コンポーネントはセンサーに隣接する透明コンポーネントを有する。

１代替え実施形態では、センサーは、内側円筒形コンポーネントの内部に固定されるように配置される。
さらに他の実施形態は、外科手術の方法である。この方法は、ロボット装置を患者の自然な開口部に通して、その自然な開口部に接続されている通路内に挿入することを含む。さらに、この方法は、通路の壁に切開を行うことと、患者体内の空洞内にロボット装置を挿入することと、患者体内の空洞において手術を実行することとを含む。一実施形態では、この装置は、第１の磁性コンポーネントを有し、この方法は、第２の磁性コンポーネントからなる係脱されたハンドルを患者の外面に配置し、それにより、ロボット装置が係脱されたハンドルへ引かれることを含む。他の実施形態は、この方法は、さらに、係脱されたハンドルを使用してロボット装置を位置決めすることを含む。一実施形態では、自然な開口部は、口であり、壁は、胃である。他の実装では、自然な開口部は、肛門であり、壁は、腸壁である。

複数の実施形態が開示されているが、さらに他の実施形態は、当業者にとっては、本発明の例示的な実施形態を図に示し、説明する、以下の詳細な説明から明白なものとなるであろう。理解されるように、本明細書で開示されている実施形態は、すべてさまざまな本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざま明らかな態様において修正を行うことが可能である。したがって、図面および詳細な説明は、性質上例示的であり制約的でないとみなすべきである。

一実施形態による、モバイル・ロボット装置の斜視図。 他の実施形態による、モバイル・ロボット装置の斜視図。 一実施形態による、モバイル・ロボット装置の分解図。 一実施形態による、モバイル・ロボット装置のホイールの側面図。 一実施形態による、モバイル・ロボット装置のホイールの平面図。 一実施形態による、カメラ・ロボットに実装された焦点調節可能コンポーネントを示す図。 一実施形態による、マニピュレーター・アームの斜視図。 一実施形態による、マニピュレーター・アームの分解図。 リンクの特性を決定するために使用されるパラメータを示すラベルを取り付けたマニピュレーター・アームの一実施形態のモデルを示す図。 ヤコビアンを決定するために使用されるマニピュレーター・アームの略図。 マニピュレーター・アームの一実施形態の上面図。 モーメントを計算するために想定されるリンク形状の略図。 マニピュレーター・アームの一実施形態で使用される電子回路および制御システムのブロック図。 他の実施形態による、モバイル・ロボット装置の斜視図。 さらに他の実施形態による、モバイル・ロボット装置の斜視図。 他の実施形態による、薬物送達コンポーネントを有するモバイル・ロボット装置の平面図。 一実施形態による、モバイル・ロボット装置に一体化されうる薬物送達コンポーネントの略図。 一実施形態による、モバイル・ロボット装置に一体化されうる薬物送達コンポーネントの略図。 一実施形態による、薬物送達コンポーネント内でプランジャーを移動するのに必要な外力を測定するための試験治具の略図。 一実施形態による、薬物送達コンポーネントの断面の略図。 一実施形態による、薬物送達コンポーネントの断面の略図。 一実施形態による、展開された構成内の静止または固定ベース・ロボット装置の側面図。 一実施形態による、展開された構成内の固定ベース・ロボット装置の側面図。 一実施形態による、折り畳まれた構成内の固定ベース・ロボット装置の側面図。 一実施形態による、磁気的連結可能ロボット・システムの略図。 一実施形態による、磁気的連結可能ロボット・システムの略図。 他の実施形態による、磁気的連結可能ロボット・システムの分解図。 一実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の内側本体３６０の斜視分解図。 一実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の内側本体３６０の斜視図。 代替え実施形態による、立体映像を使用する磁気的連結可能ロボット装置の側面図。 他の代替え実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の側面図。 さらに他の代替え実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の斜視図。 さらに他の代替え実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の斜視図。 さらに他の代替え実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の斜視図。 さらに他の代替え実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の斜視図。 他の代替え実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置の斜視図。 一実施形態による、バイオプシー・ツールの略図。 一実施形態により、ロボット装置内に実装可能な関節の斜視図。 他の実施形態により、ロボット装置内に実装可能な関節の斜視図。 一実施形態による、磁気的連結可能ロボット装置を使用して自然開口部外科手術の略図。 一実施形態によるモバイル・ロボット装置およびダ・ビンチ（商標）（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（商標））システムと連携して使用される他の実施形態による磁気的連結可能ロボット・カメラ装置を撮った視覚映像。 斜面上に動かないように据えられたモバイル・ロボット装置の自由体図。 モバイル・ロボット装置の一実施形態の摩擦解析で使用される弾性体モデルの図。 マニピュレーター・アームの一実施形態で使用される反転増幅器回路の図。 マニピュレーター・アームの一実施形態で使用される加算器増幅器回路の図。 マニピュレーター・アームの一実施形態で使用される割り込み処理ルーチンの流れ図。 一実施形態による３リンク式マニピュレーター・アームの制御設計に対する現代的制御システムのコントローラおよびプラントのブロック図。 一実施形態による３リンク式マニピュレーター・アームに対する、外乱が含まれる、現代的制御システムのコントローラおよびプラントのブロック図。 一実施形態により３リンク式マニピュレーター・アームのリンケージで使用される３つのモーターに対する、エンコーダー・カウントと時間（秒）との対比に基づくモーター位置のプロットであり、リンク１のモーターに対する結果を示す図。 一実施形態により３リンク式マニピュレーター・アームのリンケージで使用される３つのモーターに対する、エンコーダー・カウントと時間（秒）との対比に基づくモーター位置のプロットであり、リンク２のモーターに対する結果を示す図。 一実施形態により３リンク式マニピュレーター・アームのリンケージで使用される３つのモーターに対する、エンコーダー・カウントと時間（秒）との対比に基づくモーター位置のプロットであり、リンク３のモーターに対する結果を示す図。 一実施形態により３リンク式マニピュレーター・アームのリンケージで使用される３つのモーターに対する、エンコーダー・カウントと時間（秒）との対比に基づくモーター位置のプロットであり、リンク１のモーターに対する結果を示す図。 一実施形態により３リンク式マニピュレーター・アームのリンケージで使用される３つのモーターに対する、エンコーダー・カウントと時間（秒）との対比に基づくモーター位置のプロットであり、リンク２のモーターに対する結果を示す図。 一実施形態により３リンク式マニピュレーター・アームのリンケージで使用される３つのモーターに対する、エンコーダー・カウントと時間（秒）との対比に基づくモーター位置のプロットであり、リンク３のモーターに対する結果を示す図。 一実施形態による、ジーグラー・ニコルス・チューニングに基づくコントローラのシステム・ブロック図。 一実施形態による、リンク１に対する根軌跡のプロットで、リンク１に対する結果を示す図。 一実施形態による、リンク３に対する根軌跡のプロットで、リンク３に対する結果を示す図。 一実施形態による、３リンク式マニピュレーター・アームの単位入力に対する時間応答のプロットで、リンク１に対する結果を示す図。 一実施形態による、３リンク式マニピュレーター・アームの単位入力に対する時間応答のプロットで、リンク２に対する結果を示す図。 一実施形態による、３リンク式マニピュレーター・アームの単位入力に対する時間応答のプロットで、リンク３に対する結果を示す図。 一実施形態による、進みおよび遅れ補償器が設計に組み込まれているコントローラのシステム・ブロック図。 一実施形態による、補償器を使用するリンク１に対するシステムの応答を示し、リンク１に対する結果を示す図。 一実施形態による、補償器を使用するリンク３に対するシステムの応答を示し、リンク３に対する結果を示す図。 一実施形態による３リンク式マニピュレーター・アームのコントローラの最終設計に対するシステム・ブロック図。 本発明の一実施形態による３リンク式マニピュレーター・アームの先端のｘ−ｚ平面内の実際の動きを示す図。 一実施形態による、マニピュレーターの動きが時間に関して線形であり、先端の速度が一定であることを示すエンコーダー・カウント対時間のプロット。 一実施形態による、モバイル・ロボット装置の斜視図。 一実施形態による、自然開口部外科手術で使用されているモバイル・ロボット装置を示す図。 一実施形態による、自然開口部外科手術の１工程で使用されているモバイル・ロボット装置を示す図。 一実施形態による、自然開口部外科手術の他の工程を示す図。 一実施形態による、自然開口部外科手術の他の工程を示す図。 一実施形態による、自然開口部外科手術の他の工程を示す図。 一実施形態による、自然開口部外科手術の他の工程を示す図。 一実施形態による、外科手術時の他の外科用ツールを示すモバイル・ロボット装置からの画像を示す図。 一実施形態による、外科手術時に使用されているモバイル・ロボット装置を示す図。 一実施形態による、胆嚢摘出手術時の他の外科用ツールを示すモバイル・ロボット装置からの画像を示す図。 一実施形態による、鉗子ツールの略図。 一実施形態により、ロード・セルを含むように修正されたバイオプシー・ツールの略図。 一実施形態により、生体内ブタ肝組織に生検を行う測定されたケーブル力を示す図。 一実施形態により、生体外ウシ肝臓に生検を行う測定された抽出力を示す図。 一実施形態により、ブタ肝臓に生検を行う測定された抽出力を示す図。 一実施形態により、減速する前に、図に示されているように、最大牽引棒力が１１秒で発生するロボット生検装置からの牽引棒力発生を示す図。 一実施形態による、装置速度が最初にゆっくり増やされ、その後減じられる、ロボット生検装置からの牽引棒力発生を示す図。 一実施形態による、力発生を測定するために生検ロボット上に実装された作動機構を示す図。 一実施形態による、図５９に示されているロボット生検機構から測定された力発生を示す図。 一実施形態による、生体内試験時にモバイル・ロボットが横切った経路を示す図。 一実施形態による、実験室２成分薬物送達システムを示す図。 一実施形態による、一方が固体で、もう一方が液体の２つの薬物成分の混合の代表的結果を示す図。 一実施形態による、ロボット・カメラ装置を示す図。 一実施形態による、２つの結像系の空間分解能を示すグラフ。 一実施形態による、２つの結像系の間の色差を示すグラフ。 一実施形態による、２つの結像系の間の色差を示すグラフ。 一実施形態による、２つの結像系のそれぞれに対する色誤差を示すグラフ。 一実施形態による、２つの結像系のそれぞれに対するレンズ歪みを示すグラフ。 一実施形態による、２つの結像系のそれぞれに対するレンズ歪みを示すグラフ。 一実施形態による、カメラ・システムの分解能、色精度、および歪みを検査するためのベンチトップ試験の実験装置を示す図。 一実施形態による、２つの立体カメラのジオメトリーを示すグラフ。 一実施形態による、図６４Ｈの実験装置で使用される、光源を示す図。 一実施形態による、ロボット装置上の２つの立体カメラのうちの一方からの視点から見た図６４Ｈの視覚的標的の画像を示す図。 一実施形態による、他方の立体カメラの視点から見た図６４Ｈの視覚的標的の画像を示す図。 一実施形態による、図６４Ｈの標的領域の深度図。 一実施形態による、図６７Ａの図中の点雲から識別される円筒形の中心を示すグラフ。 図６４Ｈに示されている５つの円筒形物体すべてのｘおよびｙ誤差を示すグラフ。 一実施形態により、磁気的連結可能ロボット装置がダ・ビンチ（商標）（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（商標））ツールと連携して使用されるブタ胆嚢摘出術を示す、手術時に磁気的連結可能装置からの画像を示す図。 一実施形態により、磁気的連結可能ロボット装置がダ・ビンチ（商標）（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（商標））ツールと連携して使用されるブタ胆嚢摘出術を示す、手術時に磁気的連結可能装置からの画像を示す図。 図６８ＡおよびＢに示されている画像の深度図。 腹壁に当たるように位置決めされている磁気的連結可能ロボット装置を示す図。 一実施形態による、本明細書で開示されているロボット装置で生じるストール・トルクを示すグラフ。 一実施形態による、人間の腕に似た３つの回転関節（肩の２つの大きな回転と肘の１つ回転）を有する、ロボット装置設計の運動学的構成を示す図。 一実施形態による、２つの回転関節（肩）とその後に続く１つの角柱状（直線的）遠位関節を有する、ロボット装置設計の運動学的構成を示す図。 一実施形態による、任意姿勢可動領域のサイズに基づく３つの回転関節を有する磁気的連結可能装置のマニピュレーターの運動学的モデルを示す略図。

本発明は、外科手術およびシステムで使用するロボット装置のさまざまな実施形態に関する。一般に、ロボット装置は、例えば、体腔などの、患者体内に挿入されるか、または位置決めされるように構成される。

ロボット装置は、モバイル装置、静止または「固定ベース」装置、および磁気的連結装置の３つの一般的カテゴリに分けられる。「モバイル装置」は、装置内のモーターによって引き起こされる推進力を介して患者体内の一方の地点から他方の地点に移動するように構成されたロボット装置を含む。例えば、モバイル装置のいくつかの実施形態は、腹腔内の腹部器官を横断することができる。「固定ベース装置」は、外科医などのユーザーによって位置決めされるロボット装置である。「磁気的連結可能装置」は、少なくとも一部は患者体外に配置された磁石を介して位置決めされるか、操作されるか、または制御されうるロボット装置である。

モバイル・ロボット装置
図１は、一実施形態による、モバイル・ロボット装置１０を示す。装置１０は、本体１２、２つのホイール１４、カメラ１６、および有線接続コンポーネント１８（本明細書で「テザー」とも呼ぶ）を備える。カメラ１６により取り込まれた画像は、接続コンポーネント１８を介して表示装置または他の外部コンポーネントに送信できる。装置１０は、さらに、ホイール１４を回転させる原動力を与えるように構成されているモーター（図に示されていない）、モーターに電力を供給するように構成されている電源（図に示されていない）、および接続コンポーネント１８を介して装置１０に動作可能なように連結されているコントローラ（図に示されていない）を備える。コントローラは、ユーザーによるコントローラのマニピュレーションを介して装置１０を制御または動作させることに対応できるように構成される。一実施形態では、電源は、本体の外に配置され、接続コンポーネント１８を介して電力がモーターに送られる。それとは別に、電源は、装置１０内に、または装置１０上に配置される。

代替えの一実施形態では、装置１０は、さらに、回転変換コンポーネント２０または「テール」を有する。テール２０は、逆回転を制限し、装置１０がホイール１４の回転をある地点から別の地点への移動に変換するのを支援することができる。「回転変換コンポーネント」は、ホイール回転を装置の移動に変換または転換するのを補助するコンポーネントまたは要素である。一実施形態では、テールは引き込むようにバネ仕掛けになっており、したがって、一実施形態によれば、ロボット装置１０を腹腔鏡外科ツールの入口ポートに容易に挿入することができる。

他の実装では、装置１０は、テール２０を持たず、有線接続コンポーネント１８または他の何らかのコンポーネントが、逆回転を制限するために使用される。
それとは別に、他の実施形態によるモバイル・ロボット装置は、さらに、１つまたは複数の操作コンポーネント（本明細書では「マニピュレーター」とも呼ばれる）および／または１つまたは複数のセンサー・コンポーネントを備えることもできる。これらの実施形態では、装置は、撮像コンポーネントを有する場合も、有しない場合もある。つまり、装置は、１つまたは複数の撮像コンポーネント、１つまたは複数の操作コンポーネント、および１つまたは複数のセンサー・コンポーネントの任意の組合せを備えることができる。

操作コンポーネントは、例えば、生検把持器であってよいであろう。さらに、１つまたは複数のセンサー・コンポーネントは、例えば、温度、血液、または他の組織もしくは体液、湿度、圧力、および／またはｐＨを測定するためのセンサーのうちから選択されうる。

他の代替え実施形態では、接続コンポーネントは、無線接続コンポーネントである。つまり、コントローラは、無線で、装置１０に連結され、また無線で装置１０と接続する。このような実施形態では、装置１０の無線接続コンポーネントは、コントローラなどの外部コンポーネントと無線で交信するためのトランシーバまたは送信機および受信機である。例えば、図２は、一実施形態による、無線モバイル・ロボット装置２６を示す。

一実施形態によれば、モバイル・ロボット装置は、外科手術を補助するため、または実施するために患者の体内で使用されうる。一態様では、この装置は、腹腔鏡外科手術時に使用する標準的な腹腔鏡ツールを通り抜けられるサイズのものである。他の代替え実施形態では、この装置は、以下でさらに詳しく説明されるように、食道などの患者の自然開口部に挿入されるサイズものものである。さらに他の代替え実施形態では、この装置は、外科手術で使用できるようなサイズおよび構成のものとすることもできる。

本明細書で説明されているモバイル・ロボット装置のいくつかの実施形態はどれも、多くの方法で使用できる。例えば、モバイル・ロボット装置の一実施形態では、カメラ・システムを用いた視覚フィードバック機能と、把持器が接続されている組織切開またはバイオプシー・コンポーネントを備えることが可能である。さらに、このようなロボットは、圧力、温度、ｐＨ、湿度などを測定することが可能なセンサー一式を備えることも可能である。

一般的に上で説明されているようなロボット装置は、知られている任意の構成をとることができ、またセンサー、マニピュレーター、撮像装置、または他の知られているコンポーネントをいくつでも装備することができることは理解される。つまり、本明細書で説明されているいくつかの態様に適合するロボット装置は、さまざまな実施形態において、円筒形または球形などの多くの異なる構成、またはそれとは別に、小さなビークルの形状などの形をとることができ、図１、２、または３に示されている円筒状ロボット装置に限定されない。さらに、本明細書で説明されているロボット装置を製作する際に使用されうるロボット工学の技術で知られている異なるコンポーネントは数百個もある。例えば、数百個のコントローラ、モーター、電源、ホイール、本体、受信機、送信機、カメラ、マニピュレーター、および感知装置があり、本明細書で説明されているようにロボット装置を製作するためにさまざまな組合せで使用されうる。

図３Ａは、一実施形態による、モバイル・ロボット装置３０の分解図を示している。装置３０は、第１の部分３４および第２の部分３６を備える本体またはコア・コンポーネント３２を有する。それとは別に、コア・コンポーネント３２は、単一のコンポーネントとすることも可能である。カメラ３８は、第１の部分３４内に配置され、テール４０は、第２の部分３６に取り付けられる。それとは別に、カメラ３８および／またはテール４０は、いずれかの部分３４、３６に取り付けられるか、またはカメラ３８およびテール４０を使用できるような他の方法で装置３０に関連付けられうる。さらに、モーター４２は、本体３２のそれぞれの端部においてそれぞれのスロット４６内に配置され、それぞれのモーター４２は、ホイール４８の１つに動作可能なように連結される。

それに加えて、図３Ａに示されているように、装置３０は、それぞれが本体３２の少なくとも何らかの部分の上に回転可能のように配置される２つのホイール４８を有する。一実施形態によれば、２つのブッシング５０が備えられ、それぞれ本体３２と２つのホイール４８のうちの一方との間に配置される。本発明の一態様では、ブッシング５０は、ホイール４８を支え、ホイール４８が回転時にぐらつかないようにする。それとは別に、ブッシングが備えられないか、または他の何らかの種類の知られている支持コンポーネントが備えられる。一実施形態によれば、ホイール４８は、ホイール止めネジ５２を介して装置３０に連結される。

本発明の一態様では、本体３２は、本体３２の残り部分よりも大きい半径を有する中心部分５４を有する。それとは別に、中心部分５４は、本体３２の残り部分と同じ半径を有する。一実施形態によれば、本体３２は、知られているどのような方法でも製作されうる。例えば、一実施形態によれば、本体３２は、機械加工またはステレオリソグラフィを用いて加工される。

図３Ａに示されている装置３０は、４つの電池４４も有する。一実施形態によれば、電池４４は、コア・コンポーネント３２の空洞内に配置される。例えば、一実施形態では、電池４４は、本体３２の中心部分５４内に配置される。それとは別に、装置３０は、１つ、２つ、３つ、または４つを超える電池４４を備えることができる。一実施形態では、それぞれの電池４４は、エナジャイザー（商標）（Ｅｎｅｒｇｉｚｅｒ（商標））３０９小型酸化銀電池である。それとは別に、それぞれの電池４４は、ロボット装置内で使用されうる公知である任意の小型電池とすることができる。他の代替え実施形態では、電源は、知られているどのような電源であってもよい。

一実施形態では、装置３０は、さらに、カメラ３８により取り込まれた画像が、その画像を表示および／または格納するため外部コンポーネントに送信されうるように、またさらに、制御信号が、外部コントローラまたは他の外部コンポーネントから装置３０のモーター４２および／または他のコンポーネントに送信されうるように装置３０の無線構成で使用する送信機と受信機（図に示されていない）またはトランシーバ（図に示されていない）の形の無線接続コンポーネント（図に示されていない）を有する。それとは別に、装置３０は、装置３０に取り付けられている有線接続コンポーネント（図に示されていない）を有する。

他の実装では、装置３０は、さらに、撮像コンポーネントによりキャプチャされる領域を照らすライト・コンポーネント（図に示されていない）も備えることができる。それとは別に、装置３０は、ライト・コンポーネントを有しない。

一実施形態によれば、図３Ａに示されている装置３０に類似しているロボット装置は、以下のようにして製作することができる。カメラ３８およびテール４０などの本体３２に関連付けられるコンポーネントは、本体３２に連結される。それに加えて、電池４４、モーター４２、および他の電子回路コンポーネント（図に示されていない）など本体３２内に配置されるいずれかのコンポーネントは、本体３２内に位置決めされる。本体３２が２つの部分３４、３６からなる一実施形態では、本体３２に関連付けられるか、または本体３２内に配置されるこれらのコンポーネントは、２つの部分３４、３６を連結するのに先立って本体３２内に位置決めされるか、または取り付けられる。一実施形態によれば、ブッシング５０は、本体３２のそれぞれの端部の上に配置される。それとは別に、ブッシング５０が、いっさい備えられない。その後、ホイール４８は、装置３０上に位置決めされる。例えば、一実施形態によれば、ホイール４８は、モーターの軸５２上に位置決めされる。

図３Ａに示されている装置３０は、一実施形態によれば、知られている腹腔鏡外科ツール内のポートを通り抜けるように構成される。例えば、一実施形態によれば、装置３０は、標準的な１５ｍｍの医療用ポート内に挿入されるように構成される。

他の実施形態によれば、ロボット装置３０は、鋭利な縁を持たないように製作され、これにより、装置３０を使用するときに患者への損傷を減らすことができる。他の実施形態では、装置３０は、生体適合性材料および／または殺菌しやすい材料からなる。

本明細書で説明されているさまざまな実施形態のいくつかの特性に適合するモバイル・ロボット装置は、本明細書において「モビリティ・コンポーネント」とも呼ばれる、移送コンポーネントを有する。「移送コンポーネント」は、２地点間で装置を移動または移送することを可能にするコンポーネントである。一実施形態では、移送コンポーネントは、１つまたは複数のホイールである。例えば、図１、２、および３に示されているモバイル・ロボット装置の移送コンポーネントは、複数のホイールである。

それとは別に、本明細書で説明されているようなロボット装置は、知られているどのような移送コンポーネントをも有することができる。つまり、移送コンポーネントは、装置が一方の場所から他方の場所に移動できるようにすることが知られている任意のコンポーネントである。本出願では、歩行コンポーネント、トレッドまたはトラック（タンク内で使用されるようなもの）、ホイールと脚の両方の組合せを含むハイブリッド・コンポーネント、装置の本体を捻転することにより移動するシャクトリムシまたは蛇状構成などの移動機能の代替え方法の使用を考察している。

図３Ａに示されているような一実施形態によれば、ロボット装置３０は、別々の複数のモーター４２により独立して駆動される２つのホイール４８を有する。一実施形態によれば、モーター４２は、直流モーターである。他の実施形態では、それぞれのホイール４８は、１組の軸受と平歯車を介してモーター４２に取り付けられる。一実施形態では、２つの別々のモーター４２が、前進、逆進、および旋回の機能を実現する。つまり、２つの別々のモーター４２を備える２つのホイール４８は、装置３０を前進または後退、または旋回させることができるように構成される。一実施形態によれば、２つのホイール４８は、同じ速度で回転するそれぞれのホイール４８により装置３０を前進または後退させる。この実施形態では、ホイール４８は、異なる速度で、または異なる方向に回転するそれぞれのホイール４８により装置３０を旋回させることを実現する。つまり、装置３０が右に旋回するときに左側ホイールは右側ホイールよりも速く回転し、装置が左に旋回するときに右側ホイールは左側ホイールよりも速く回転する。一実施形態によれば、ホイール４８は、さらに、ゼロ旋回半径ももたらしうる。つまり、一方のホイール４８が一方の方向に回転するときに、他方のホイール４８は、他方の方向に回転することができ、これにより、装置３０は１８０°または３６０°回転し、しかも装置３０の中心部分は実質的に同じ位置に留まる。

それぞれのホイール４８は、一実施形態によれば、図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃに示されているように、その外面上に表面テクスチャを有する。一実施形態によれば、表面テクスチャは、ホイール４８が組織、臓器、または他の体表面上を移動するときにホイール４８に対する静止摩擦力を発生する。

図３Ｂおよび３Ｃは、ホイール４８がホイール４８上に特定の構成で配置されている隆起部分５８（本明細書では「グローサー」とも呼ばれる）からなる表面テクスチャを有する一実施形態を示している。隆起部分５８は、ホイール４８が横断する表面と接触するホイール４８の部分である。

隆起部分５８は、一実施形態により、外径５８（ｄ_∞）を定めるが、ホイール４８は、内径５６（ｄ_ｒ）を定める。他の実施形態によれば、一実施形態におけるホイールの内径および外径は、それぞれ１７ｍｍおよび２０ｍｍである。それとは別に、グローサー深さは、１．５ｍｍであるが、ただし、グローサー深さは（ｄ_∞−ｄ_ｒ）／２に等しい。さらなる代替え実施形態では、直径および／またはグローサー深さは、本明細書で開示されているモバイル装置のホイールに使用できる計量である。

他の実施形態では、ホイールのらせん状プロファイル５９は、図３Ｃに示されているように３０°のピッチ角を有する。それとは別に、らせん状プロファイルは、約０度から約９０度までの範囲のピッチ角を有することもできる。他の態様では、ホイール４８は、トレッドを有する。それとは別に、表面テクスチャは、ホイール４８に対しトラクションを発生する表面特性である。

一実施形態によれば、移送コンポーネントは、ロボット装置の外部表面領域の少なくとも約８０％を占める。それとは別に、移送コンポーネントは、ロボット装置の外部表面領域の少なくとも約９０％を占める。さらなる代替え実施形態では、移送コンポーネントは、ロボット装置の外部表面領域の約８０％から約９８％を占める。さらに他の代替え実施形態では、移送コンポーネントは、ロボット装置の外部表面領域の任意の割合を占める。

図１、２、および３に示されているホイールは、丸形チューブ状トレッド付き構成を有する。それとは別に、丸形、正方形、球形、または三角形の形状など、事実上どのよう構成をも使用可能である。

さらに、図１、２、および３に示されているホイールは、アルミニウムで作られる。それとは別に、ホイールは、ゴムまたはアルミニウムとゴムの組合せで作られる。さらなる代替え実施形態では、トラクションまたは移動性をもたらしうる事実上どのような材料も、ホイールまたは他の移送コンポーネントを製作するために使用されうる。一実施形態では、材料は、内部組織、肝臓、胃、および／または腸などの臓器などの特異な、つるつるした、起伏のある、変形可能な、または不規則な表面上で、または患者の他の内部表面、裂け目、および輪郭に対しトラクションを生じる材料であり、これらはすべて異なる表面特性を有する。

いくつかの代替え実施形態では、ロボット装置は、１つまたは複数のセンサー・コンポーネントを有する。さまざまな実施形態において、そのようなセンサー・コンポーネントは、限定はしないが、温度、血液、その他の体液、流体組成、ＣＯ_２などのさまざまなガスの存在、またはその他のパラメータ、湿度、電位、心拍数、湿度、圧力、および／またはｐＨを測定または監視するためのセンサーを備える。さらに、１つまたは複数のセンサー・コンポーネントは、本出願の目的に関してある種のセンサー・コンポーネントと考えるべき、１つまたは複数の撮像コンポーネントを含むことができる。撮像装置を含む、センサーは、本明細書で開示されているロボット装置のさまざまな設計および構成と互換性のあるような当該技術分野で知られているコンポーネントまたは装置とすることができる。

一実施形態によれば、本明細書で説明されている複数のセンサーのうちの１つまたは複数のセンサーを有するロボット装置は、ユーザーが外科手術を実施するのを補助する。一実施形態によれば、１つまたは複数のセンサーは、標準の腹腔鏡ツールを使用したときに本質的に失われる自然な監視または感知能力の一部を復元する。したがって、１つまたは複数のセンサー・コンポーネントを使用することで、ユーザーは、より複雑な手術を実行し、および／または手術または患者をより正確に監視することができる。

一実施形態によれば、撮像コンポーネントは、カメラまたは他の撮像装置とすることができる。撮像コンポーネントは、注目する領域（例えば、手術が実施される領域）の表示をユーザー向けに増大または改善するのに役立ちうる。一実施形態によれば、撮像コンポーネントでは、ユーザーはリアルタイム・ビデオを利用できる。

現行の標準的な腹腔鏡では、小切開部に挿入された硬質の単一視点カメラを使用する。カメラは、限られた視野を有し、その運動は、大きく制約されている。この従来技術を使用した新しい遠近法を利用するには、他の切開部におけるカメラの取り出しおよび再挿入を必要とすることが多く、患者の危険性が高まる。このような限られた撮像とは対照的に、本明細書で説明されているさまざまな実施形態による１つまたは複数の撮像コンポーネントを有するロボット装置では、標準腹腔鏡の制限と欠点の多くがなくなり、ほとんどの無制限の運動で拡大された、および調節可能な視野が得られ、それによって手術領域のユーザーの視覚理解が改善される。

本明細書で使用されているように、「撮像コンポーネント」、「カメラ」、および「撮像装置」という用語は、入れ換えて使用することができ、イメージ・センサーまたはコレクターから表示コンポーネントに伝搬する画像信号を生成するために使用される撮像要素および処理回路を意味するものとする。一実施形態によれば、画像は、動画であり、表示コンポーネントは、テレビまたはビデオ・モニターなどの標準ビデオ表示コンポーネントである。それとは別に、画像は、静止画像である。さらなる代替え実施形態では、画像は、静止画像と動画の組合せである。本明細書で使用されているような「イメージ・センサー」という用語は、画像をキャプチャし、格納するコンポーネントを意味する。一実施形態では、イメージ・センサーは、ピクセルの配列内の複数のピクセルのそれぞれのピクセルの構造内にそのような画像を格納するセンサーである。本明細書で使用されているような「信号」または「画像信号」という用語は、特に断りのない限り、特定のフォーマットまたはドメインに置かれている電子の形態で見られる画像を意味する。本明細書で使用されているような「処理回路」という用語は、イメージ・センサーから画像信号を受信し、最終的に画像信号を使用可能なフォーマットにする撮像装置内の電子回路コンポーネントを意味する。本明細書で使用されているような「タイミングおよび制御回路」または「回路」は、ピクセル配列から画像信号の放出を制御する電子回路コンポーネントを指す。

一実施形態によれば、撮像コンポーネントは、小型カメラである。例示的な一実施形態では、撮像コンポーネントは、マイクロン・テクノロジー・インコーポレイテッド社（Ｍｉｃｒｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．）［米国アイダホ州ボイシ（Ｂｏｉｓｅ）所在］のモデルＮｏ．ＭＴ９Ｖ１２５などの相補型金属酸膜半導体（「ＣＭＯＳ」）デジタル・イメージ・センサーである。それとは別に、撮像コンポーネントは、１辺７ｍｍの正方形のカメラである。代替えの一実施形態では、カメラは、セル方式携帯電話または携帯電話で現在使用されているものに似た小型カメラとすることができる。他の実施例では、撮像装置は、内視鏡装置内で現在使用されているか、または内視鏡装置とともに現在使用されている撮像装置とすることができる。一実施形態では、撮像装置は、腹腔全体を観察するために十分な被写界深度を有する装置である。

他の実施形態によれば、撮像装置は、電荷結合素子（ＣＣＤ）、電荷注入素子（ＣＩＤ）、フォトダイオード・アレイ（ＰＤＡ）、または他のＣＭＯＳを含むふつうの固体イメージ・センサーを使用することができ、システムのインターフェース機能が簡素化される。例えば、アクティブ・ピクセル型アレイを含む好適なＣＭＯＳ撮像装置は、本願明細書に組み込まれる、例えば、特許文献６で開示されている。このＣＭＯＳ撮像装置は、かなり大きなサイズの複数の回路基板上に通常見られる多数の他の異なる電子制御装置を組み込むことができる。例えば、タイミング回路、ならびにズームおよびジッタ防止制御装置などの特殊な機能は、ホスト回路基板の全体的サイズを著しく増やすことなくＣＭＯＳピクセル・アレイを含む同じ回路基板上に配置できる。それとは別に、撮像装置は、サン・マイクロシステムズ・インコーポレイテッド社（Ｓｕｎ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．）［米国カリフォルニア州マウンテン・ビュー（Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｖｉｅｗ）所在］から市販されているＣＣＤ／ＣＭＯＳハイブリッドである。

一実施形態によれば、撮像装置は、ＮＴＳＣ形式のビデオ出力を供給する。例えば、本明細書で説明されている装置に適している市販の小型ＮＴＳＣビデオ形式伝送チップを使用できる。それとは別に、知られている形式の知られているビデオ出力は、本明細書で説明されている任意の装置に組み込むことができる。

一実施形態による、撮像コンポーネントは、手動焦点調節コンポーネントを有する。それとは別に、撮像コンポーネントは、機械的作動焦点調節可能コンポーネントを有する。さまざまな焦点調節可能機構が、当該技術分野では知られており、多くの種類の知られている撮像コンポーネントの焦点調節を作動するのに適している。

一実施形態では、撮像コンポーネントは、約２ｍｍから無限大までの範囲の焦点を持つことができる。それとは別に、撮像コンポーネントは、知られている焦点調節可能カメラのと似た焦点距離を有することができる。

それとは別に、撮像コンポーネントは、モーター６２により回転される送りネジ６４に直接接続されているモーター６２を使用する図４に示されているような焦点調節可能機構６０を有する。この実施形態では、送りネジ６４は、回転して、送りナット６６を上下に進める。この上下運動は、リンケージ６８により変換されて、左から右へ移動するスライダー７０に伝えられる。スライダー７０は、機構ハウジングまたはガイド７２により適所に保持される。スライダー７０に取り付けられているレンズまたはイメージ・センサーは、左から右へ前後に平行移動して焦点調節機能を実行できる。いくつかの実施形態によれば、撮像コンポーネントの焦点調節可能機構に動力を供給するために使用されるモーター６２は、さらに、以下でさらに詳しく説明されるように、例えば、バイオプシー・コンポーネントなどのロボット装置の他のコンポーネントに動力を供給するためにも使用されうる。

他の実施形態によれば、撮像コンポーネントは、画質に関係するさまざまな特性を調節するために外部から制御できる。例えば、一実施形態によれば、ユーザー・カラー、ホワイト・バランス、彩度、および／または他の知られている調節可能な特性により、以下の１つまたは複数が調節されうる。一実施形態によれば、この調節機能は、例えば、照明が暗いなどの劣等な観察条件において品質フィードバックを与えることができる。

一実施形態によれば、本明細書で開示されているモバイル撮像装置は、そのような装置とともに使用されうる公知のレンズを有することができる。特定の一実施形態では、レンズは、サネックス社（Ｓｕｎｅｘ）［米国カリフォルニア州カールズバッド（Ｃａｒｌｓｂａｄ）所在］から市販されているプラスチック・レンズ、モデルＮｏ．ＤＳＬ７５６Ａである。この実施形態は、焦点調節可能な機能を必要とする、短い被写界深度のみを与える。これを実現するために、この実装のレンズは、作動機構に取り付けられ、これにより、焦点調節可能な機能を形成できる。レンズは、２ｍｍから無限大までの焦点距離に調節できる作動機構により移動される。それとは別に、レンズは、本明細書で説明されている撮像装置のどれかに組み込むことができる任意のレンズとしてよい。

さらに他の代替え実施形態では、撮像コンポーネントは、画像安定化コンポーネントを備えることができる。例えば、一実施形態によれば、この装置は、当該技術分野で知られているようなベース動き推定を得るためにオプティカル・フローから導き出された画像動き推定を含むオンボード加速度計測定機能を備えることが可能である。それとは別に、画像安定化コンポーネントは、そのような市販のどのようなコンポーネントであってもよい。オプティカル・フローは、連続画像フレーム間で計算された変位の信頼性の高い推定値を得るように示されている。これらのロボット・ベース動き推定を使用することで、画像安定化アルゴリズムを使用して、画像安定化を行うことができる。それとは別に、知られている画像安定化技術は、撮像コンポーネントとともに使用するために組み込まれうる。

いくつかの実施形態では、カメラは、ロボット装置の本体に関して固定され、ロボット位置は、観察対象の領域を変更するために変更されなければならない。それとは別に、カメラ位置は、ロボット装置に関してユーザーがカメラを移動できるように装置に関して変更されうる。一実施形態によれば、ユーザーは、本明細書でさらに詳しく説明されているように装置に動作可能なように連結されているコントローラを使用してカメラの位置を制御する。

ロボット装置は、さらに、一実施形態により、観察対象の領域を照らすための照明コンポーネントを備えることもできる。一実施形態では、照明コンポーネントは、ＬＥＤライトである。それとは別に、照明コンポーネントは、任意の照明光源とすることができる。

一実施形態によれば、カメラは、図３Ａに示されているように、装置の本体の中心部分に配置される。それとは別に、カメラは、本体の任意の部分に配置されうる。さらに他の代替え実施形態では、カメラは、ロボット装置のどこかの場所に配置できる。

一実施形態によれば、ロボット装置は、１つまたは複数の操作コンポーネントを有する。本明細書で使用されているような「操作コンポーネント」は、外科または診査手術に関係する何らかの活動または手術を実施するコンポーネントを意味することを意図されている。一実施形態によれば、操作コンポーネントは、さらに、「マニピュレーター」とも呼ばれ、本明細書でさらに詳しく述べられているように、クランプ、外科用メス、任意の種類のバイオプシー・ツール、把持器、鉗子、ホチキス、切断装置、焼灼装置、超音波燃焼装置、または他の類似のコンポーネントとすることができる。さらに他の実施形態では、操作コンポーネントは、知られている外科または診査腹腔鏡手術を実施するか、または実施するのを補助することができる装置である。一態様では、１つまたは複数の操作コンポーネントは、高い任意姿勢可動性を必要とする手術を補助する。現在知られている技術では、移動は制約されており、小切開部に硬質腹腔鏡ツールを通す作業は、ツール先端の移動および位置決めを制約する。それと対照的に、空洞の内側に操作コンポーネントを有するロボット装置は、その同じ制約を受けない。

一実施形態では、操作コンポーネントは、さらに、アームまたは他の位置決めコンポーネントを備えることもできる。例えば、操作コンポーネントは、アームおよびバイオプシー・ツールを備えることができる。それとは別に、操作コンポーネントは、上記のように位置決めコンポーネントおよび操作コンポーネントを備えることができる。

一実施形態によれば、本明細書で説明されているか、または考察されている操作コンポーネントは、既製品の手術道具またはそれを改造した手術道具とすることができる。それとは別に、そのような操作コンポーネントを新しく製作することができる。

図５および６に示されている操作コンポーネントは、一実施形態により、３本のアームまたは「リンク」８２を有するマニピュレーター・アーム８０である。アーム８０は、２つの関節８４を有し、それぞれモーター８６に連結されている。一実施形態によれば、図６に最もよく示されているように、リンク８２は２つの要素からなり、この２つの要素はくっついてただ１つの構成になる。

関節８４は、知られている形に構成される。図５および６に示されているような一実施形態では、それぞれの関節８４は、モーターに連結されている歯車８８、およびピン９２に連結されている他の歯車９０を有する。１実施態様では、これらの歯車はかさ歯車である。一実施形態によれば、これらの歯車は、ストック・ドライブ・プロダクツ／スターリング・インスツルメント（Ｓｔｏｃｋ Ｄｒｉｖｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ／Ｓｔｅｒｌｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）［米国ニューヨーク州ニュー・ハイド・パーク（Ｎｅｗ Ｈｙｄｅ Ｐａｒｋ）所在］から市販されている標準マイタ歯車である。

一実施形態では、アームは、ステレオリソグラフィを使用して製作された。一実施形態によれば、プラスチックに似た硬化樹脂材料からリンケージおよびベース・セクションを製作するために、ステレオリソグラフィを使用できる。

リンケージで使用されうる、一実施形態によるモーターは、マイクロモ・エレクトロニクス社（ＭｉｃｒｏＭｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）［米国フロリダ州クリアウォーター（Ｃｌｅａｒｗａｔｅｒ）所在］によって製造されているエンコーダーを備えるＤＣマイクロメーターである。このモーターは、１５，８００ｒｐｍの無負荷速度、４．１０４ｇ・ｃｍ（０．０５７オンス・インチ）のストール・トルクを有し、重量３．４０ｇ（０．１２オンス）の６Ｖモーターである。モーターの直径は８ｍｍ、長さは１６ｍｍである。無負荷速度が大きいため、高精度の遊星ギアヘッドが使用される。モーター、ギアヘッド、およびモーターとともに使用されうるエンコーダーの詳細は、実施例２において説明される。それとは別に、アームでは、３Ｖモーターなどの低電圧モーターを使用できる。

一実施形態では、アームは、軸速度と回転方向の両方の指示および制御、さらには位置決めに使用されるエンコーダーを有する。一実施形態では、エンコーダーは、１０ｍｍの磁気エンコーダーである。これは、長さが１６．５ｍｍであるが、アセンブリの全長に１１．５ｍｍが加わるに過ぎない。

図７Ａは、Ｌ_Ｌ、Ｌ_ＢＪ、Ｍ_１、Ｍ_２、ｍ_１ｇ、ｍ_２ｇ、およびＷ_ｐというラベルが付けられている１つのマニピュレーター実施形態の略図である。制限されることなく、この略図は、１マニピュレーター実施形態に関係するさまざまな特性を計算するために使用されており、以下の実施例２でさらに詳しく説明される。試験に基づき、この特定の実施形態について、６４：１の減速比であれば、設計を最適化しながら十分なトルクが得られる。それとは別に、他の減速比を有する高精度歯車も使用されうる。

図８に示されているような一実施形態では、アームの電子回路および制御装置は、ＭＥＩ ＤＳＰモーター・ドライバーＰＣＩカードを備えるＰＣ、ＭＥＩカードからの出力電圧をシフトし、スケーリングするアナログ回路、それぞれの軸のアナログ電圧をＰＷＭ信号に変換するマイクロコントローラ、およびモーターを駆動するＨ−Ｂｒｉｄｇｅ ＩＣＳの４つの主要セクションからなる。この実施形態は、以下の実施例２でさらに詳しく説明される。

一実施形態では、マニピュレーターは、生検鉗子または把持器である。一態様によれば、マニピュレーターは、生検鉗子または把持器をアームの一端に備える。
他の実施形態では、本発明のマニピュレーターは、マニピュレーターを操作するのに必要な力を発生する作動機構を備える。例えば、マニピュレーターが生検鉗子または把持器である一実施形態によれば、マニピュレーターは、さらに、鉗子または把持器で生検標本を切断／取得することができる十分な力を発生する作動機構も有する。一実施形態によれば、作動機構は、０．６Ｎを超える大きさの牽引力を発生する。それとは別に、作動機構は、生検標本を取得するのに十分な量の力を発生する。さらなる代替え実施形態では、作動機構は、クランプ、ホチキス、カッター、焼灼器、バーナーなどの任意の種類のマニピュレーターを操作するのに十分な力を発生する。

図９Ａは、バイオプシー・ツール１０２を有するロボット装置１００を示している。円筒形ロボット装置１００は、生検鉗子１０２が組織採取に使用されるアームの一端にある付属物またはアーム１０６を有する円筒形本体１０４を有する。一実施形態によれば、ロボットの把持器１０２は、１２０度まで開くことができる。さらなる代替え実施形態では、鉗子１０２は、知られている任意の構成をとりうる。

一実施形態では、本体１０４は、さらに、撮像コンポーネント（図に示されていない）、カメラ・レンズ１０８、モーターおよびビデオ制御ボード（図に示されていない）、ならびに作動モーター（図に示されていない）およびカメラ調節可能焦点用の機構（図に示されていない）を含む。この実施形態では、撮像コンポーネントおよびレンズ１０８は、生検把持器１０２用にスペースが設けられるように横へオフセットされる。カメラ側面のホイール１１０は、機械加工で溝１１２が掘られており、これにより、腹部環境および生検把持器１０２を見られるようにカメラ・レンズ１０８のスペースが設けられる。それとは別に、カメラおよびレンズ１０８は、使用中の外科手術領域および／または生検把持器１０２をカメラを使用して見られるようにロボット装置１００上のどこかに配置される。装置１００は、外部コンポーネント（図に示されていない）に接続されている有線接続コンポーネント１１４である。

図９Ｂは、代替え実施形態による、モバイル・ロボット装置１２０を示している。この実施形態では、装置１２０は、無線である。つまり、装置１２０は、装置１２０を患者体外に位置する外部コンポーネントに物理的接続する有線接続コンポーネントをいっさい持たない。図９Ｂの構成において、装置１２０は、図９Ａの有線デバイスに似た構成をとる。つまり、装置１２０は、円筒形本体１２２および、バイオプシー・ツール１２６を有するアーム１２４を備える。さらに、装置１２０は、図９Ａの実施形態に関して上で説明されているものに似た他のコンポーネントも有することができる。代替えの一実施形態において、装置１２０は、さらに、本体１２２に接続される、上でさらに詳しく説明されている、「テール」１２８も有する。

使用時に、カメラおよび図９Ａおよび９Ｂに示されている装置などのバイオプシー・ツールを備えるロボット装置を使用して、生検標本を取得できる。装置は、標準的なトロカールを通して、または本明細書で説明されている自然開口部外科手術を使用するなどして、体内に挿入できる。ユーザーは、オンボード・カメラからの視覚的フィードバックを使用して装置を制御することができる。この機動性により、ロボットは、注目する領域に移動し、特定の組織を採取することができる。次いで、バイオプシー・ツールを作動させて、組織標本を採取できる。さらに他の実施形態では、生検鉗子が、切断された動脈を締め付けて遮断することができるクランプを備える。

代替え実施形態では、マニピュレーターは、薬物送達コンポーネントである。つまり、一実施形態によれば、本明細書で開示されているロボット装置は、ヒトを含む、動物に薬剤を送達する薬物送達コンポーネントまたはシステムを備えることができる。一実施形態では、この薬剤は、止血剤である。それとは別に、この薬剤は、ヒトを含む、動物に送達する送達可能な任意の組成物とすることができる。

図１０は、一実施形態による、薬剤送達システム１４２を有するロボット装置１４０を示す。この実施形態では、送達システム１４２は、円筒形本体１４４内に配置され、２つのホイール１４６が、この円筒形本体１４４上に回転可能なように配置される。装置１４０は、さらに、撮像コンポーネント（図に示されていない）も備えることができる。それとは別に、装置は、撮像コンポーネントを有している必要はない。

図１１Ａは、一実施形態による、薬剤送達コンポーネント１６０を示す。この実施形態における送達コンポーネント１６０は、薬剤貯蔵および分注システムである。一実施形態では、この薬剤は、止血剤である。このシステムは、薬剤を入れておくことができる二重貯蔵容器１６２、混合および放出コンポーネント１６４、および作動コンポーネント１６６を有する。一実施形態によれば、混合および放出コンポーネント１６４は、２本の送達チューブ１６８、多岐管１７０、およびカニューレ１７２を有する。それとは別に、混合および放出コンポーネント１６４は、実際には、２つの独立したコンポーネントである、混合コンポーネントと放出コンポーネントである。一実施形態では、作動コンポーネント１６６は、クランク・ホイール１７４、キャッチ・レバー１７６、およびクランク・ホイール１７４を貯蔵容器１６２内に配置されているプランジャー１８０に連結するラチェット・リンケージ１７８を有する。

一実施形態では、図１１Ａの二重貯蔵容器１６２は、２つの薬剤または薬剤成分を貯蔵し、分離するように構成される。一実施形態では、貯蔵容器１６２は、標準の二重シリンジ注入システムで使用されるものと類似している。一実施形態によれば、これら２つの成分は、止血剤の２つの別々の成分である。つまり、当該技術分野において理解されているように、多くの止血剤は、塗布する前に早く凝固してしまうのを防ぐために別々に保存されなければならない２つの成分からなる。この実施形態では、貯蔵および分注システムは、分注されるまで２つの成分を貯蔵し、分離しておくように構成された二重貯蔵容器を有する。それとは別に、薬剤は、他の成分と組み合わせる必要のない単一成分止血薬であり、その薬剤は、両方の貯蔵容器内に入れられる。さらに他の代替え実施形態では、このシステムは、他の薬剤と組み合わせる必要のない薬剤用の単一貯蔵容器または容器を有する。さらに他の代替え実施形態では、システムは、２つよりも多い貯蔵容器を有することもできる。

図１１Ｂは、図１１Ａとともに、作動コンポーネント１６６に関係する追加の斜視図となっている。作動コンポーネント１６６は、事前に巻かれ、クランク・ホイール１７４に堅く取り付けられている予荷重ねじりバネ１８２を有する。それに加えて、一実施形態によるレバー１７６は、さらに、ねじりバネ１８４にも取り付けられる。レバー１７６が離されると、バネ１８２に蓄積されている機械的エネルギーが、クランク・ホイール１７４を回転させる。クランク・ホイール１７４へのラチェット・リンケージ１７８の中心外れ取付け点により、ホイール１７４の回転変位がプランジャー１８０の直線変位に変換される。

一実施形態によれば、バネ仕掛けのキャッチ・レバー１７６は、形状記憶合金であり、ＳＭＡワイヤー・トリガーにより作動される。ＳＭＡワイヤーは、室温で容易に伸びるニッケル・チタン合金製である。しかし、電流が流されてワイヤーが加熱されると、ワイヤーは長さが縮み、ワイヤーを伸ばすのに必要な力よりも大きな力を及ぼす。一実施形態では、ワイヤーは、長さを約８％まで縮め、ワイヤーを伸ばすのに必要な力の約５倍の力を及ぼす。

アクチュエータ機構の他の代替え実施形態は、図１２に示されており、以下の実施例６においてさらに詳しく説明される。その機構では、力アクチュエータとして永久磁石直流モーターを使用する。

それとは別に、アクチュエータ機構は、薬剤を分注する貯蔵容器プランジャー１８０の直線変位をもたらすための知られている装置とすることができる。一実施形態によれば、アクチュエータは、貯蔵容器からの薬剤の送達を一様にすることができる。

図１３Ａは、一実施形態による、混合コンポーネント２００を示している。システム２００は、多岐管２０２および２つの送達コンポーネントまたはチューブ２０４、２０５を備える。多岐管２０２の端部からは、流体流の１つを含み、大口径のカニューレ２０８の内側に収まる配管２０６の長さ分が突き出ている。システム２００は、混合部位２１０および放出部位２１２を有する。混合コンポーネントは、同時に単一カニューレ内を通して少なくとも２つの流体成分を混合し、送達するための装置である。薬剤が、２つの化合物を必要とする止血剤である実装では、混合コンポーネントは、最適な凝固を促進するために必要に応じて２つの成分を完全に混合する。一実施形態では、混合システムは、２つの成分が出口近くで接触して効率的な混合を促進するようにし、またカニューレの詰まりを防止するためにすべての反応物質が必ず排出されるようにする。

図１３Ｂは、図１３Ａの混合コンポーネント２００内の薬剤の流れを示している。この実施形態では、２つの貯蔵容器（図に示されていない）内に含まれる流体は、送達チューブ２０４、２０５を通して多岐管２０２に同時に送達される。送達チューブ２０５内の流体流は、多岐管２０２から出て、カニューレ２０８の長さ分を通して配管２０６の周りに強制的に送られる。流体は、放出部位２１２の近くの混合部位２１０内で混合し、反応物質が、放出部位２１２のところの大口径カニューレ２０８から排出される。一実施形態によれば、混合が開始する地点、したがって、送達前に利用可能な時間は、配管およびカニューレの口径と長さとを変えることにより調節されうる。さらに、らせんまたは他の特徴を、カニューレ２０８の内面にそって組み込み、このシステムの混合効率を高めることができる。

それとは別に、混合コンポーネントは、本明細書で説明されているロボット装置のうちの１つまたは複数により実装可能な、限定はしないが止血剤を含む２つの薬剤を混合するための知られているコンポーネントである。

一態様によれば、その１つまたは複数の貯蔵容器は、薬剤または成分を貯蔵容器内に装填、注入、または他の何らかの形で入れることを可能にするように構成された少なくとも１つの外部アクセス可能な装填口を有する。装填口は、ワクチン・バイアルに通常使用される標準的なゴム製ストッパーおよびシールである。そのようなゴム製ストッパーおよびシールでは、標準のシリンジを使用して薬剤を移送しやすくする。それとは別に、装填口は、知られている構成の知られている任意の種類の装填口である。一実施形態によれば、そのような装填口は、現場再構成など、使用するちょっと前に再構成されなければならない公知の薬剤に使用できる。そのようなものとして、１つまたは複数の装填口は、それらの化合物の現場装填が必要になったときに対応できる。

一態様によれば、本明細書で説明されているロボット装置実施形態は、接続コンポーネントを介して外部コントローラに接続される。一実施形態によれば、接続コンポーネントは、ワイヤー、コード、または他の物理的弾性カップリングである。本出願の目的に関して、物理的または「有線」接続コンポーネントは、「有索」または「テザー」とも称される。弾性接続コンポーネントは、ロボット装置の一端に連結され、柔軟であるか、しなりやすいか、または他の何らかの形で、異なる形状または構成に容易に形成またはマニピュレートされうるコンポーネントとすることができる。一実施形態によれば、接続コンポーネントは、１つまたは複数のワイヤーもしくはコードまたは外部ユニットまたは装置の第２の端部に動作可能なように連結されている他の種類のコンポーネントを含む。この実施形態のコンポーネントは、電力および／またはデータ、またはロボット・ユニットと外部ユニットまたは装置との間で装置の操作に必要なまたは有用な他の何かを伝送または伝達するように構成される。他の代替え実施形態では、接続コンポーネントは、少なくとも２本のワイヤーまたはコード、または他のそのようなコンポーネントを備え、それぞれ別々の外部ユニット（一実施形態では、後述のように電源ならびにデータ伝送および受信機ユニットである）に接続される。

それとは別に、接続コンポーネントは、無線接続コンポーネントである。つまり、ロボット装置は、コントローラまたは他の外部コンポーネントと無線で通信する。この無線連結は、本明細書では「無索」とも称される。「無索装置」または「無線装置」は、本出願の目的に関して、外科手術の少なくとも一部について、装置のどの部分も本体の外部にはないように本体内に完全に封じ込められている装置、またはそれとは別に、外科手術の少なくとも一部について、装置が外部物体に物理的に接続されていない間に本体内で動作する装置を意味することが意図されている。一実施形態では、無索ロボット装置は、装置を制御するために必要なデータを含む、データを無線で送信し、受信する。この実施形態では、ロボット装置は、無線接続のために受信機および送信機とともに、内部電源を有する。

本明細書で説明されているように無線ロボット装置とともに使用される受信機および送信機は、任意の知られている受信機および送信機であってよい。例えば、知られている受信機および／または送信機は、遠隔操作車両施錠装置、遠隔制御装置、携帯電話で使用されている。

一実施形態では、ロボット装置に伝送されるデータまたは情報は、さまざまなコンポーネントを移動したり、または他の何らかの形で操作したりするための信号など、装置を制御するためのユーザー・コマンド信号を含むことも可能である。一実施形態によれば、ロボット装置から外部コンポーネント／ユニットに伝送されるデータまたは情報は、撮像コンポーネントまたはセンサーから送られて来るデータを含むことが可能である。それとは別に、装置と外部コンポーネント／ユニットとの間で伝送されるデータまたは情報は、装置の操作で使用されうるデータまたは情報とすることができる。

他の実施形態によれば、本明細書で説明されているロボット装置実施形態は、接続コンポーネントを介して、外部コントローラだけでなく、本明細書で説明されているか、または当該技術分野で他の何らかの形で知られているような装置などの、１つまたは複数の他のロボット装置にも接続される。つまり、一実施形態によれば、２つまたはそれ以上のロボット装置は、互いに、さらには、外部ユニットまたは装置に動作可能なように連結されうる。２つのロボット装置がある一実施形態によれば、２つの装置は、弾性接続コンポーネントにより互いに、また外部ユニットまたは装置に動作可能なように連結される。つまり、２つの装置は、それぞれの装置に連結されている弾性接続コンポーネントにより互いに動作可能なように連結され、それぞれの装置も、弾性接続コンポーネントにより外部ユニットまたは装置に動作可能なように連結される。一実施形態では、（１）２つのロボット装置を接続する接続コンポーネント、（２）それらのロボット装置の一方を外部ユニットに接続する接続コンポーネント、および（３）それらのロボット装置のうちの他方を外部ユニットに接続する接続コンポーネントの３つの独立した弾性接続コンポーネントがある。それとは別に、１つの接続コンポーネントが、両方の装置および外部ユニットに動作可能なように連結される。さらなる代替え実施形態では、２つのロボット装置を互いに、また外部ユニットに接続できるような構成において、任意の数の接続コンポーネントを使用できる。

それとは別に、２つまたはそれ以上のロボット装置は、互いに、さらには、外部ユニットまたは装置に、無索式で、動作可能なように連結される。つまり、ロボット装置は、物理的に接続されない形で、互いに、また外部ユニットもしくは装置に動作可能なように連結される。一実施形態では、これらの装置および外部ユニットは、無線で動作可能なように連結される。

一態様では、本明細書で説明されているロボット装置は、駆動コンポーネントを有する。本明細書で定義されているような「駆動コンポーネント」は、一方の場所から他方の場所にロボット装置を移動できるように推進力を供給する構成をとる任意のコンポーネントまたは本明細書で説明されているようなコンポーネントを含む、移動できるロボット装置の何らかのコンポーネントまたは部品である。駆動コンポーネントは、本明細書では「アクチュエータ」とも称される。一実施形態では、駆動コンポーネントは、モーターである。

アクチュエータは、多数の異なるアクチュエータのうちから選択できる。例えば、本明細書で説明されているロボット装置のうちのすべてではないとしてもその多くに組み込むことができるアクチュエータの１つは、例えば、ギアヘッドＰＧ０４−３３７を持つモデル番号ＳＢＬＯ４−０８２９（ナミキ・プレシジョン・オブ・カリフォルニア社（Ｎａｍｉｋｉ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）［米国カリフォルニア州ベルモント（Ｂｅｌｍｏｎｔ）所在］から市販されている）などのブラシレス直流モーターである。一実施形態によれば、このモーターは、メーカーにより供給される回路により一般的には形成される、外部接続を必要とする。他の実装では、このモーターは、これもまたナミキ社（Ｎａｍｉｋｉ）から入手可能なギアヘッドＰＧ０２−３３７を持つモデル番号ＳＢＬ０２−０６Ｈ１である。

それとは別に、ブラシレス直流モーターはどのようなものでも使用できる。他の代替え実施形態では、マニピュレーターなどのロボット装置のさまざまなコンポーネントを操作するために使用できる他のモーターは、マイクロモ（商標）エレクトロニクス・インコーポレイテッド社（ＭｉｃｒｏＭｏ（商標） Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｉｎｃ．）［米国フロリダ州クリアウォーター（Ｃｌｅａｒｗａｔｅｒ）所在］により製造されている永久磁石ＤＣモーターである。さらに他の代替え実施形態では、知られている永久磁石ＤＣモーターは、本明細書で説明されているロボット装置とともに使用されうる。

モーターは、公称３Ｖで動作し、８０ｒｐｍで１０．６［ｍＮｍ］のストール・トルクをもたらす。このモーターは、７５度の坂に置かれているロボットに対し設計係数を４とする（滑るのを妨げる十分な摩擦力がある場合）。

それに加えて、本明細書で説明されているロボット装置とともに使用できる他のアクチュエータは、形状記憶合金、圧電アクチュエータ、空気圧モーター、油圧モーターなどを含む。それとは別に、本明細書で説明されているロボット装置は、任意の種類の互換性のあるアクチュエータを使用できる。

一実施形態によれば、アクチュエータは、「制御盤」とも呼ばれる、制御コンポーネントを備えることができる。制御盤は、分圧器を作った端子の間のモーター関係の速度を制御するポテンショメーターを備えることができる。一実施形態によれば、制御盤は、さらに、モーターの回転の方向を制御することもできる。

一実施形態によれば、本明細書で説明されているようなロボット装置は、本明細書では「コントローラ」とも呼ばれる、外部制御コンポーネントを有することができる。つまり、本明細書の装置の少なくともいくつかは、動物またはヒトの外部にある場所に位置するコントローラにより操作される。

一実施形態では、外部制御コンポーネントは、データを送信し、および／または受信する。一実施形態では、ユニットは、接続コンポーネントを介して電子操作命令などのデータを送信することによりロボット装置の動作を制御するように構成されているコントローラ・ユニットであり、接続コンポーネントは、有線または物理的コンポーネントまたは無線コンポーネントとすることができる。接続コンポーネントにより伝送されるか、または伝達されるデータは、さらに、限定はしないが、電子写真または生検データなどの装置により収集された電子データまたは装置により収集された他の種類のデータを含むこともできる。それとは別に、外部ユニットは、データを送信または受信するために使用されうるコンポーネント、装置、またはユニットである。

一実施形態によれば、外部コンポーネントは、ジョイスティック・コントローラである。他の実施例では、外部コンポーネントは、タッチ・スクリーン、キーボード、ステアリング・ホイール、１つのボタンもしくはボタンの集まり、または他の知られている制御装置などの、ロボット装置を制御または操作するために使用できるコンポーネント、装置、またはユニットである。さらに、外部コンポーネントは、音声駆動コンポーネントなどの、音声により作動されるコントローラとすることもできる。さらに、コントローラは、市販品を購入するか、または新たに製作してもよく、またはロボット装置または本明細書で開示されているロボット装置コンポーネントを制御するために市販のコントローラをカスタマイズすることもできる。

一実施形態では、コントローラは、プレイステーション（商標）デュアル・ショック（Ｐｌａｙｓｔａｔｉｏｎ（商標）Ｄｕａｌ−Ｓｈｏｃｋ）コントローラからの「サム・スティック」を含む。この実施例では、プレイステーション（商標）コントローラは、２つのアナログ・サムスティックを有し、それぞれ自由度２を持つ。これにより、手術者は、スティックを少し前方に押すと、スティックを大きく前方に押すのと異なる出力を生じるように、ＸＹ座標平面内で有限量だけサム・スティックを移動することができる。つまり、サム・スティックは、対応する方向にスティックが押される量に基づき移動の速度を加減できるように速度制御を行う。

一実施形態によれば、コントローラとロボット装置との間の接続は、独立のジョイスティックによりそれぞれのホイールが制御されるように構成される。
他の実施例では、コントローラは、オリジナルの任天堂ゲーム機の方向パッドと似た方向パッドである。このパッドは、＋記号に似ており、４つの異なる方向を有する。

使用時に、コントローラは、ロボット装置の移動を制御するために使用することができ、さらに、センサー・コンポーネント、マニピュレーター・コンポーネント、または他のそのようなコンポーネントなどの装置のコンポーネントの動作を制御するために使用することができる。例えば、コントローラの一実施形態は、ホイール、カメラのピント調整を制御し、さらに、バイオプシー・ツールを制御する。

一実施形態によれば、制御コンポーネントは、さらに、ロボット装置の電源としても使用される。
一実施形態によれば、モバイル・ロボット装置は、画像表示コンポーネントに連結される。カメラからの信号は、任意の形式（例えば、ＮＴＳＣ、デジタル、ＰＡＬなど）で画像表示コンポーネントに送信される。一実施形態によれば、この信号は、ビデオ信号または静止画像信号である。一実施形態では、画像表示コンポーネントは、手術者側で表示できるビデオ・ディスプレイである。それとは別に、画像表示コンポーネントは、静止画像ディスプレイである。さらなる代替え実施形態では、画像表示コンポーネントは、ビデオおよび静止画像を表示する。一実施形態では、画像表示コンポーネントは、標準ビデオ・モニターである。当業者であれば、カメラから送られてくる信号を処理し、ＮＴＳＣ信号を表示するように構成されているテレビ、ＰＡＬ信号を表示するように構成されているテレビ、コンピュータで使用する陰極線管モニター、ＬＣＤモニター、およびプラズマ・ディスプレイを含む、多くの異なる種類の表示装置向けの表示信号を発生することができることを理解するであろう。さらに他の実施形態では、画像表示コンポーネントは、本明細書で説明されているロボット装置のどれかとともに使用できるカメラにより取り込まれた画像を表示することができる公知の画像表示コンポーネントである。

一実施形態では、画像表示コンポーネントは、コントローラの１コンポーネントである。
一実施形態による、本明細書で説明されているロボット装置は、電源または電力供給装置を有する。一実施形態によれば、電源は、ロボット装置の本体に一体化される。この実施形態では、電源は１つまたは複数の電池とすることができる。電池は、アルカリ電池、リチウム電池、ニッケル・カドミウム電池、または当該技術分野で知られている他の種類の電池とすることができる。

それとは別に、電源は、患者身体の外部の場所に配置される。この実施形態では、電源およびロボット装置に動作可能なように連結されている接続コンポーネントは、電源とロボット装置との間で電力の伝送または伝達を行う。例えば、一実施形態による外部電源は、電池または他の電力源などの電源である。この実施例では、電力は、電力を伝達するように構成されている公知のワイヤーまたはコードである、接続コンポーネントを介して、電池からロボット装置に伝達され、ロボット装置のモーターを含む、ロボット装置に動力を供給する。一実施形態では、電源は、制御をコンポーネント内に一体として組み込まれるか、または制御コンポーネントに動作可能なように連結される。

一実施形態によれば、電源は、上記のようにどのような電池であってもよい。それとは別に、電源は、磁気誘導、圧電、原子力、流体力学、太陽発電、または本明細書で説明されているロボット装置に動力を供給するために使用されうる他の知られている動力源とすることができる。

固定ベース装置
本明細書で開示されているいくつかのロボット装置は、固定ベース・ロボットに関係する。上記のように、「固定ベース・ロボット装置」は、推進輸送コンポーネントを持たないか、またはユーザーにより手動で位置決めされるロボット装置である。このような装置は、本明細書では「静止」ロボット装置とも呼ばれる。一実施形態では、固定ベース・ロボットは、カメラを有し、視覚的フィードバックを送るか、または標的領域の視覚的な概観をもたらすようにユーザーにより手動で位置決めされる。一実施形態による固定ベース・ロボット・カメラ装置は、遠隔制御カメラ・ロボットを用意し、外科手術時に視覚的フィードバックを送ることにより、腹腔鏡および他の外科手技の適用を容易にし、それにより切開および患者リスクを最小限に抑える。

図１４は、一実施形態による、ロボット撮像装置２２０を示す。装置２２０は、撮像コンポーネント２２４が中に配置されている本体２２２、焦点調節可能コンポーネント２２８、および開いているスペース（例えば、体腔）の内側において本体２２２を支持するための支持コンポーネント２３４を有する。一実施形態では、装置２２０は、さらに、照明用のライト・コンポーネント２２６、ハンドル２３２、およびパニングまたはチルティング・コンポーネント（後記）または焦点調節可能コンポーネント２２８などの装置２２０のさまざまなコンポーネントを制御するためのコントローラ２３０を含む。一実施形態によれば、装置２２０は、標準腹腔鏡ツールとともに使用できるサイズである。

一実施形態では、装置２２０は、容易に殺菌可能な生体適合材料から作られる。一実施形態によれば、これらの材料は、限定はしないが、殺菌可能プラスチックおよび／または金属を含むことができる。それとは別に、装置２２０は、外科手術で使用されうる材料から作ることができる。

本体２２２は、当該技術分野で現在知られている腹腔鏡ツールとともに使いやすいように、円筒形または球形などのさまざまな異なる構成をとることができる。しかし、他のコンポーネントの場合と同様に、本体２２２の構成は、本明細書で例示されている構成に限定されない。一般に、本体の形状に対する唯一の制約は、本体が本明細書で説明されているコンポーネントのうちの少なくとも１つを組み込むことができることである。

図１４に示されているような一実施形態による、ハンドル２３２は、リングまたはループの形状に形成された引き込み式の、または他の何らかの形で移動可能なハンドル２３２である。それとは別に、ハンドルは、硬質または動かせないものであってもよい。さらなる代替え実施形態では、ハンドル２３２は、装置２２０の位置変更またはマニピュレーションが容易に行えるような構成のコンポーネントである。他の態様では、ハンドル２３２を介して把持具または他の種類のツールが装置２２０に到達し、それにより患者体内の装置２２０の位置を変更したり、他の何らかの形でマニピュレーションを行ったりできるようにするハンドル２３２が備えられる。つまり、装置２２０は、ハンドル２３２を使用して位置変更され、これにより、撮像コンポーネント２２４の異なる視野を設定し、ユーザーに新しい視点を見せることができる。したがって、装置２２０が移動することで、撮像コンポーネント２２４は、導入切開による制約なしで、複数の異なる角度から外科手術領域の少なくとも一部の画像を撮ることができる。

一実施形態による、ライト・コンポーネント２２６は、「視野」とも呼ばれる、表示すべき領域に光を当てるように構成される。一実施形態では、ライト・コンポーネント２２６は、カメラのために一定または可変照明を行うように撮像コンポーネントの近くにある。それとは別に、ライト・コンポーネント２２６は、図１４に示されているようにハンドル２３２に関連付けられている。このような実施形態では、光源２２６は、視野を照らすだけでなく、ハンド２３２も照らし、したがって、ツールによりハンドル２３２を容易に捕捉したり、掴んだりできる。

一実施形態では、照明コンポーネント２２６は、ＬＥＤライトである。それとは別に、例示的な光源は、２個の５ｍｍのＬＥＤである。さらなる代替え実施形態では、照明コンポーネント２２６は、任意の好適な照明光源とすることができる。

一実施形態では、図１４に示されている撮像コンポーネント２２４は、カメラまたは他の撮像装置とすることができる。いくつかの実施形態では、撮像コンポーネントは、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているような撮像コンポーネントであってよい。とにかく、カメラは、本明細書で考えられている固定ベース・ロボット装置のどれかとともに使用されうる公知の撮像コンポーネントであってよい。一実施形態では、撮像コンポーネントは、３次元画像を形成する立体カメラである。

撮像コンポーネントは、注目する領域（例えば、手術が実施される領域）の表示をユーザー向けに増大または改善するのに役立ちうる。一実施形態によれば、撮像コンポーネントでは、ユーザーはリアルタイム・ビデオを利用できる。それとは別に、撮像コンポーネントは、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているような撮像コンポーネントであってよい。

図１５は、固定ベース・ロボット・カメラ装置２４０の他の実施形態を示す。装置２４０は、チルティング・コンポーネント２４２およびパニング・コンポーネント２４４、２４６を有する。パニング・コンポーネント２４４、２４６は、ベース２４６に取り付けられている小さな玉軸受構造２４４を有し、これにより、自由に回転できる。つまり、構造２４４は、ベース２４６に関して回転可能である。いくつかの実施形態では、パニングおよびチルティング・コンポーネントは、２つの独立軸を中心とする回転を行うが、これにより、外科医は、外科手術の計画立案および手技のため腹腔のより綿密な視覚化を行うことができる。

一実施形態によれば、チルティング・コンポーネント２４２は、ピン（図に示されていない）を介して本体２４８に枢動可能に連結される。それとは別に、チルティング・コンポーネントは、標準ラチェット機構であるか、または当該技術分野で知られている他の種類の好適なコンポーネントとしてよい。一実施形態によれば、チルティング・コンポーネント２４２は、垂直から約４５度上方に傾けられうる（つまり、約９０度の範囲）。それとは別に、チルティング・コンポーネント２４２は、垂直に対し約０度から約３６０度までの範囲の量だけ傾けることができるか、またはチルティング・コンポーネント２４２は、３６０度を超えて回転するように構成されうるか、または複数回、回転させることができる。図２に示されている実施形態などのいくつかの実施形態では、チルティング・コンポーネント２４２は、本体２４８に関連するが、ただし本体２４８とは独立している、分離しているコンポーネントである。それとは別に、チルティング・コンポーネントは、本体２４８内に、またはカメラ・コンポーネント２５０内に組み込まれる。

一実施形態による、パニング・コンポーネント２４４、２４６は、図２に関して上で説明されているように互いに関して回転する２つのコンポーネント２４４、２４６を有する。それとは別に、パニング・コンポーネントは、当該技術分野で知られている好適なコンポーネントとしてよい。一実施形態によれば、パニング・コンポーネント２４４、２４６は、３６０度まで、および３６０度以上に装置をパンすることができる。それとは別に、パニング・コンポーネント２４４、２４６は、約１８０度から約３６０度までの範囲の量だけパニングすることが可能である。さらなる代替え実施形態では、パニング・コンポーネント２４４、２４６は、約０度から約３６０度までの範囲の量だけパニングすることが可能である。図２に示されている実施形態などのいくつかの実施形態では、パニング・コンポーネント２４４、２４６は、本体２４８に関連するが、ただし本体２４８とは独立している、分離しているコンポーネントである。それとは別に、パニング・コンポーネントは、本体２４８内に、またはカメラ・コンポーネント２５０内に組み込まれる。

一態様では、本明細書で説明されている固定ベース・ロボット装置は、駆動コンポーネント（図に示されていない）を有する。いくつかの実施形態によれば、固定ベース・ロボット装置は、複数の駆動コンポーネントを備えることができる。例えば、一実施形態では、固定ベース・ロボット装置は、パニング・コンポーネントを作動させるためのモーターとチルティング・コンポーネントを作動させるための別のモーターとを有する。このようなモーターは、本体コンポーネントおよび／または支持コンポーネント内に収納されうる。一実施形態では、１つまたは複数のアクチュエータは、マイクロモ（商標）エレクトロニクス・インコーポレイテッド社（ＭｉｃｒｏＭｏ（商標）Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．）［米国フロリダ州クリアウォーター（Ｃｌｅａｒｗａｔｅｒ）所在］から市販されている独立の永久磁石ＤＣモーターである。他の好適なアクチュエータは、形状記憶合金、圧電アクチュエータ、空気圧モーター、油圧モーターなどを含む。それとは別に、駆動コンポーネントは、モバイル・ロボット装置に関して上で詳しく説明されているような駆動コンポーネントであってよい。他の代替え実施形態では、パニングおよびチルティング・コンポーネントは、手動で作動させることができる。

一実施形態では、アクチュエータは、送りネジ、歯車、またはプーリーなどの標準回転−直動カップリングに連結される。このような方法で、アクチュエータにより生み出される力は、回転−直動カップリングにより変換される。

さらに、いくつかの実施形態における本体またはカメラが、左右運動（例えば、ヨー）が可能なものとすることができるとも考えられる。
固定ベース・ロボット装置のさまざまな実施形態は、焦点調節可能コンポーネントを有する。例えば、本明細書で説明されている固定ベース・ロボット装置のさまざまな実施形態に組み込むことができる焦点調節可能コンポーネント６０の一実施形態は、図４に示されており、また上でも詳しく説明されている。それとは別に、さまざまな焦点調節可能手段または機構が、当該技術分野では知られており、撮像コンポーネントの焦点調節の能動的または受動的作動に適している。例えば、１設計例では、モーターと送りネジを使用する。モーターは、送りネジに取り付けられているターンテーブルを回す。はめ合いナットが撮像装置に取り付けられる。送りネジが回ると、撮像装置は、ロボットの本体に取り付けられているレンズに向かう方向に、また離れる方向に平行移動する。

一実施形態によれば、撮像コンポーネントでは、レンズ・クリーニング・コンポーネントを有することができる。例えば、レンズ・クリーニング・コンポーネントは、標的環境の明瞭な視界を維持するために複数の層からなるワイパー・ブレードまたは犠牲膜とすることができる。他の実施形態では、レンズ・クリーニング・コンポーネントは、カメラ・レンズをクリーニングするための知られている機構またはコンポーネントとすることができる。

図１６に示されている実施形態などの、固定ベース・ロボット装置のいくつかの実施形態は、より小さなプロファイルに畳み込めるか、または他の何らかの形で再構成可能なように設計されている。例えば、一実施形態によれば、装置２６０は、動物の体内に挿入し、動物の体内から引っ込めるためにトロカール内に収まるように構成可能である。図に示されているような折り畳み位置では、ハンドル２６２は、装置２６０のロボット本体２６４と同軸である。空きスペース内に導入した後、ハンドル２６２は、手動で展開されるか、機械的に作動されるか、または本明細書に例示されているようにバネ仕掛けで動作し、これにより、９０度下に回転して図１および２に示されているのと似た位置になる。一実施形態では、このような受動的作動は、回転軸のところでハンドルに取り付けられているトーション・スプリング（図に示されていない）により行われる。

図１６に示されているような、支持コンポーネント２６６は、折り畳み位置と動作または展開位置との間で移動可能な１つまたは複数の脚２６６の集まりである。例えば、図１６では、折り畳み位置にある脚は、装置２６０の本体２６４と同軸である。支持コンポーネント２６６は、手動で、または機械的作動により、または本明細書に例示されているようなバネ仕掛け（例えば、トーション・スプリング）により展開され、これにより、９０度上に回転して図１および２に示されているのと似た構成になる。一実施形態によれば、支持コンポーネントは、限定はしないが、脚、足、スキーまたはホイール、または患者体内の本明細書で説明されている構成の固定ベース・ロボット装置の位置決め、重量配分、および／または安定化を容易に行えるようにできる他のコンポーネントとすることができる。それとは別に、支持コンポーネントは、空きスペースの外部で磁石の位置決めをすることにより空きスペース内に装置を吊り下げられるように磁石を装備することができる。

一態様によれば、本明細書で説明されている固定ベース・ロボット装置実施形態は、接続コンポーネントを介して外部コントローラに接続される。一実施形態によれば、接続コンポーネントは、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているような有線または弾性接続コンポーネント実施形態または構成である。それとは別に、接続コンポーネントは、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているような実施形態または構成による無線接続コンポーネントである。本明細書で説明されているように無線ロボット装置とともに使用される受信機および送信機は、上でも説明されているように、任意の公知である受信機および送信機であってよい。モバイル装置に関して上でさらに詳しく説明されている他の実装によれば、本明細書で説明されている固定ベース・ロボット装置実施形態は、（有線または無線）接続コンポーネントを介して、外部コントローラだけでなく、本明細書で説明されているか、または当該技術分野で他の何らかの形で知られているような装置などの、任意の種類または構成の１つまたは複数の他のロボット装置にも接続される。

一実施形態では、ロボット装置に伝送されるデータまたは情報は、さまざまなコンポーネントを移動したり、または他の何らかの形で操作したりするための信号など、装置を制御するためのユーザー・コマンド信号を含むことも可能である。一実施形態によれば、ロボット装置から外部コンポーネント／ユニットに伝送されるデータまたは情報は、撮像コンポーネントまたはセンサーから送られて来るデータを含むことが可能である。それとは別に、装置と外部コンポーネント／ユニットとの間で伝送されるデータまたは情報は、装置の操作で使用されうるデータまたは情報とすることができる。

一実施形態によれば、本明細書で説明されているような固定ベース・ロボット装置は、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているような実施形態による外部制御コンポーネントを有することができる。つまり、本明細書の固定ベース装置の少なくともいくつかは、動物またはヒトの外部にある場所に位置するコントローラにより操作される。一実施形態では、外部制御コンポーネントは、データを送信、および／または受信する。一実施形態では、ユニットは、接続コンポーネントを介して電子操作命令などのデータを送信することによりロボット装置の動作を制御するように構成されているコントローラ・ユニットであり、接続コンポーネントは、有線または物理的コンポーネントまたは無線コンポーネントとすることができる。それとは別に、外部ユニットは、データを送信または受信するために使用されうるコンポーネント、装置、またはユニットである。

使用時に、コントローラは、カメラ・コンポーネント、センサー・コンポーネント、または他のコンポーネントなどの装置のコンポーネントの移動または動作を制御するために使用することができる。例えば、コントローラの一実施形態は、カメラのピント調整を制御し、さらに、装置のパニングおよび／または角度調節機能を制御する。

一実施形態によれば、制御コンポーネントは、イメージ・センサー、パニング・コンポーネント、およびチルティング・コンポーネントの動作を制御するように構成されている。一実施形態では、制御コンポーネントは、例えば、画質調節などに関係する、イメージ・センサーへの動作命令を含む信号などの、それらのコンポーネントのそれぞれを制御することに関係する動作命令を含む信号を送信する。

一実施形態によれば、制御コンポーネントは、さらに、ロボット装置の電源としても使用される。
一実施形態によれば、固定ベース・ロボット装置は、画像表示コンポーネントに連結される。画像表示コンポーネントは、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているような画像表示コンポーネントとすることができる。

一実施形態による、本明細書で説明されている固定ベース・ロボット装置は、電源または電力供給装置を有する。一実施形態によれば、電源は、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているような構成を有する電源である。さまざまな実施形態によれば、外部テザーまたは内部電源により、電力が供給される。装置が無線である（つまり、接続コンポーネントが無線である）場合、内部電源を使用できる。固定ベース・ロボット装置のさまざまな実装では、アルカリ電池、リチウム電池、ニッケル・カドミウム電池、または当該技術分野で知られている他の種類の電池を使用することができる。それとは別に、電源は、磁気誘導、圧電、流体力学、太陽発電、または他の知られている電源とすることができる。さらなる代替え実施形態では、電源は、患者体内に配置されている電源ユニットである。この実施形態では、電源ユニットは、電力を１つまたは複数のロボット・カメラ装置にだけでなく、他の外科手術用ロボット装置にも供給するために使用できる。

一実施形態では、固定ベース・ロボット装置は、１つまたは複数のセンサー・コンポーネントを有する。さまざまな実施形態では、このようなセンサー・コンポーネントは、モバイル・ロボット装置に関して上で説明されているようなセンサー・コンポーネントのどれかを含む。

一実施形態によれば、本明細書で説明されているような固定ベース・ロボット装置上のこれらのコンポーネントはどれも、知られている市販のコンポーネントとすることができる。

使用時に、さまざまな外科手術において、固定ベース・ロボット装置を利用することができる。例えば、固定ベース装置を腹腔鏡外科手術ツールと組み合わせて使用することができ、その場合、装置は、腹腔鏡外科手術ツールのポートを通り抜けるように適合され、動物の体内画像を撮るために使用される。さらに他の実施形態では、体内画像を撮るために、装置全体が空きスペース内に導入される。

それとは別に、口腔外科手術および一般の歯科的処置において、特にアクセスしにくい場所の画像を得るために、固定ベース・ロボット装置が使用されうる。さらに、当業者であれば、本明細書に記載されている装置は、他の機能的な分野にも応用することができ、この装置は、工業用機器などのアクセスしにくい場所を表示するために使用できることを理解するであろう。例えば、装置は、多くの工業用ボロスコープの代わりに使用することが可能である。

磁気的連結可能ロボット装置およびシステム
本明細書で開示されているいくつかのロボット装置は、磁気的連結可能ロボット装置および関係するシステムに関するものである。上記のように、「磁気的連結可能装置」は、少なくとも一部は患者体外に配置された磁石を介して位置決めされるか、操作されるか、または制御されうるロボット装置である。

図１７Ａおよび１７Ｂは、一実施形態による、磁気的連結可能ロボット・システム３００を示している。システム３００は、ロボット装置３０２および磁気ハンドル３０４を備える。図１７Ｂに最もよく示されているような一実施形態では、ロボット装置３０２は、患者の腹腔内に配置され、磁気ハンドル３０４が、患者の外部のある場所に配置される。ハンドル３０４は、磁力を介して腹膜（腹壁）３２０に当てて腹腔内に装置３０２を保持するように動作する。

一実施形態では、ロボット装置３０２は、それぞれ装置３０２の端部に配置されている２つの磁石３１０、３１２とともに、撮像コンポーネント３０６および照明コンポーネント３０８を有する円筒形ロボット装置３０２である。一実施形態によれば、装置の磁石３１０、３１２は、装置３０２が体腔壁３２０に向けて押し付けられるようにハンドル３０４上の磁石３１４、３１６に磁気的に連結される。一実施形態では、磁石３１０、３１２は、撮像コンポーネント３０６が体腔または注目する標的領域の表示を行えるような位置をとる構成である。それとは別に、ロボット装置は、本明細書で開示されているような公知のロボット装置であるか、または少なくとも一部は外部磁石により位置決め、操作、または制御されうる当該技術分野で他の何らかの形で知られているものとしてよい。

一実施形態による、撮像コンポーネント３０６は、単一のカメラである。それとは別に、撮像コンポーネント３０６は、立体映像を形成するために使用される複数のカメラとすることができる。

磁石３１０、３１２が、装置３０２内のどこか、または装置３０２上のどこかに位置決めされうることは理解される。装置３０２は、図１７Ｂに示されているように装置３０２のそれぞれの端部に配置されている２つの磁石３１０、３１２を備えることができることも理解される。これら２つの磁石３１０、３１２は、２つの取付け点を備え、これにより、腹壁とのかなりの接触面積が確保され、したがって、外部磁石３０４への安定した取付けが可能になる。それとは別に、ロボット装置は、１つまたは複数の磁石を備えることができる。

同様に、ハンドル３０４内の磁石３１４、３１６は、磁石が装置内の磁石と磁気的に連結可能である限り、ハンドル３０４内の、またはハンドル３０４上の任意の場所に配置されうることも理解される。また、図１７Ｂに示されているようにハンドル３０４は、２つの磁石３１４、３１６を有するか、またはハンドル３０４が、１つの磁石、または２つよりも多い磁石を備えることができることも理解される。

一態様によれば、磁気ハンドル３０４は、本明細書では「外部磁石」とも呼ばれ、ハンドルの形状をしている。しかし、本明細書で使用されているような「磁気ハンドル」および／または「外部磁石」は、装置を位置決めしたり、操作したり、または制御したりするために磁性コンポーネントを使用できるように本明細書で説明されているようなロボット装置と磁気的に連結可能な磁性コンポーネントを包含することを意図されていることは、理解される。

一実施形態では、ハンドル３０４は、矢印３１８により示されているように回転することができ、これにより撮像コンポーネント３０６の角度調節機能が実現される。つまり、撮像コンポーネント３０６は、「傾ける」ことができるが、これは、本出願の目的に関して、装置３０２の円筒の軸に垂直に移動することを意味するものとする。さらに、装置３０２は、以下でさらに詳しく説明されるように、矢印３２２により示されている撮像コンポーネント３０６の回転を介してパニング機能を備えることもできる。つまり、撮像コンポーネント３０６は、「パン」することができるが、これは、本出願の目的に関して、円筒の軸を中心として回転することを意味するものとする。

使用時に、ハンドル３０４は、体外でハンドル３０４を移動することにより腹部全体を横切る形で所望の位置に移動されうる。それとは別に、装置３０２は、動物体内のどこかに位置決めされ、少なくとも一部は、体外に位置する磁気ハンドル３０４により、位置決めされ、操作され、または制御されうる。一実施形態によれば、装置３０２は、さらに、一端が自由に打たれる場合に再付着しうる。一実施形態では、磁石３１０、３１２は、振動に抵抗するのに十分な、外部磁石による磁力を持つ。磁石を使用すると、腹部の外部でハンドル３０４を介して容易に調節することができ、また挿入後に壁に容易に取り付けられる。他の実施形態では、導入切開の近くで腹部に対しハンドル３０４を当てて、ハンドル３０４を内向きに押すことにより調節が行われる。磁石の対向極により、装置３０２は、腹壁まで持ち上げられる。

一実施形態では、装置３０２は、腹腔内に挿入されるサイズのものであり、行われている最中の外科手術または手技を邪魔しないように腹壁上に位置決めされうる。このような一実施形態では、撮像コンポーネント３０６は、外科手術の様子をユーザーに見せる。この実施形態の１変更形態では、装置３０２は、標準腹腔鏡ツールを通り抜けるサイズである。

図１８は、一実施形態による、磁気的連結可能ロボット・システム３４０の分解図を示している。システム３４０は、ロボット装置３４２ａ、３４２ｂ、および外部磁石３４４を備える。図１８に示されているようなロボット装置３４２ａ、３４２ｂは、内側部分３４２ａと外側部分３４２ｂの２つの部分を有する。一実施形態による、内側部分３４２ａは、円筒形内側本体３４２ａであり、外側部分３４２ｂは、内側本体３４２ａ上に回転可能なように配置される構成をとる外側スリーブ３４２ｂである。装置３４２ａ、３４２ｂは、さらに、２つの磁石３４６も有する。この実施形態では、磁石３４６は、装置３４２ａ、３４２ｂのそれぞれの端部の終端部分３４８に配置される。磁石３４６は、磁気ハンドル３４４のそれぞれの端部内に配置されている磁石３５０と磁気的に連結可能であるように構成され、このため、ハンドル３４４は、患者の体外の位置から使用することができ、体内に位置する装置３４２ａ、３４２ｂを位置決めし、操作し、および／または制御することができる。

図１９Ａおよび１９Ｂは、磁気的連結可能ロボット装置の内側本体３６０の一実施形態を示している。図１９Ａは、第１の部分３６２および第２の部分３６４、焦点調節可能コンポーネント３６６、レンズ３６８、照明コンポーネント３７０、作動コンポーネント３７２、撮像コンポーネント３７４、およびブッシング３７６を含む、本体３６０のさまざまなコンポーネントを示す略図である。一実施形態では、２つの部分３６２、３６４は、半分に割ったもので、組立て時に組み合わせて接続可能でありチューブ状内側本体３６０を形成する。

一実施形態によれば、図１９Ｂに示されている本体３６０に類似の内側本体は、本体３６０上に回転可能なように配置されている図１８に示されているスリーブ３４２ｂに似た外側スリーブを有する。このような一実施形態では、撮像コンポーネント３７４およびレンズ３６８は、スリーブ３４２ｂに関して内側本体３６０を回転することによりパンされ、レンズ３６８は、図１７Ｂの矢印３２２により示されているのと同様に回転することができる。スリーブ３４２ｂに溝があるため、レンズ３６８または照明コンポーネント３７０を遮ることなく、スリーブ３４２ｂを本体３６０上に配置できる。一実施形態によれば、作動コンポーネント３７２は、外側スリーブ３４２ｂに関して内側本体３６０を回転させる力を生み出すモーター３７２である。一実施形態では、モーター３７２は、静止太陽歯車（図に示されていない）の周りを回る、遊星歯車（図に示されていない）を回す６ｍｍのブラシ付きモーターであり、これにより、内側本体３６０は、外側スリーブ３４２ｂの内側で回転する。

一実施形態によれば、焦点調節可能機構３６６は、２つの電線コイル（図に示されていない）とレンズ３６８の近くの２つの追加磁石（図に示されていない）により生成される磁界を含む。磁界内に置かれたコイルを通る電流は、レンズ３６８の位置を進めるために使用される力を発生する。一実施形態では、コイルからの力が取り除かれたときにレンズを静止位置に押し戻す復元力が与えられる。一実施形態によれば、復元力は、フォーム・コンポーネントによりもたらされる。それとは別に、復元力をもたらす公知である任意のコンポーネントを使用できる。

図２０は、立体撮像機能を備える磁気的連結可能ロボット装置３６３の代替え実施形態を示している。装置３６３は、２つの撮像コンポーネント３６５、装置３６３のそれぞれの端部に配置されている２つの磁石３６７、およびそれぞれ撮像コンポーネント３６５のうちの１つと装置３６３の端部との間に配置される２つの照明コンポーネント３６９を有する。

図２１は、磁気的連結可能ロボット装置３８０の代替え実施形態を示している。一実施形態によれば、外側スリーブは、装置３８０の周に配置されうる。それとは別に、スリーブが使用されない。一実施形態では、装置３８０は、上部４００と底部４０２とを有する。上部４００は、撮像コンポーネント３８２、レンズ３８４、および開口３８８内に位置決めされている鏡３８６を有する。一実施形態では、開口３８８は、透明カバー（図に示されていない）により覆われている。それとは別に、カバーはない。一実施形態による底部４０２は、装置３８０を回転させるために使用される歯車３９６および軸受３９８に動作可能なように連結されている少なくとも１つの作動コンポーネント３９４を含む。

レンズ３８４は、レンズ調節コンポーネント３９０に動作可能なように連結され、鏡３８６は、鏡調節コンポーネント３９２に動作可能なように連結される。光は、開口３８８に通され、鏡３８６から反射され、レンズ３８４を通して撮像コンポーネント３８２に到達する。この実施形態では、鏡３８６の角度を調節することで、他の何らかの形で装置３８０の角度調節をすることなく、さまざまな異なる角度から画像をキャプチャすることが可能になる。この実施形態では、鏡調節コンポーネント３９２は、ネジ棒を回して案内溝内でナットを上下させる動作をする６ｍｍモーターを備える。ナットは、鏡の傾斜角を変えるように鏡に取り付けられる。それとは別に、鏡３８６の配置の調節を行う公知の機構を使用することができる。一実施形態では、調節可能鏡３８６により、装置３８０の周りの広い領域から画像をキャプチャすることができる。つまり、装置３８０は、比較的静止したままとすることができる。

一実施形態によれば、画像は、レンズ３８４を移動することによりピントが合わされる。この実施形態では、レンズ３８４の調節は、レンズ調節コンポーネント３９０により行われる。コンポーネント３９０は、レンズが堅くナットに固定されている場合に、案内溝内のナットを駆動するネジ棒に動作可能なように連結されている作動コンポーネントを有する。代替え実施形態によれば、焦点調節は、知られている焦点調節コンポーネントにより行われる。

一実施形態によれば、底部４０２は、作動コンポーネント３９４用の空洞を持つソリッド部分であり、他の実施形態によれば、レンズ調節モーターおよび鏡調節モーターである。

この実施形態では、装置３８０は、作動コンポーネント３９４を使用して装置３８０を回転させることにより撮像コンポーネント３８２のパニングを行い、さらに、上記のように鏡３８６の角度調節を行うことで角度調節機能を実現する。

それとは別に、磁気的連結可能ロボット装置は、パニング機能を備える公知のコンポーネントおよび／または角度調節機能を備える公知のいるコンポーネントを有することができる。他の実施形態では、装置は、パニング機能も、および／または角度調節機能も有しない。他の実施形態では、装置は、パン・コンポーネントおよび傾斜コンポーネントの両方を有する。

図２２Ａおよび２２Ｂは、磁気的連結可能ロボット装置４２０の他の実施形態を示している。装置４２０は、関節４２６を介してアーム４２４に連結されている円筒形ハウジング４２２を有する。装置４２０は、４本のアーム４２４と４つの関節４２６を有する。それとは別に、装置４２０は、１つまたは複数の関節４２６を介して円筒形ハウジング４２２に連結される１つまたは複数のアーム４２４を有する。

一実施形態では、円筒形ハウジング４２２は、撮像コンポーネント（図に示されていない）を有する。一実施形態によれば、撮像コンポーネントは、カメラである。それとは別に、撮像コンポーネントは、１対の立体カメラである。

一実施形態による装置４２０は、関節４２６のそれぞれを作動させるためのアクチュエータ（図には示されていない）を有する。一実施形態では、装置４２０は、それぞれの関節４２６に対する別々のアクチュエータを有する。それとは別に、装置４２０は、１つまたは複数のアクチュエータを有する。一実施形態では、それぞれのアクチュエータは、アーム４２４内に配置される。それとは別に、それぞれのアクチュエータは、装置４２０のどれかの部分内に配置される。

図２２Ｂは、直線構成の装置３８０を示している。つまり、装置３８０のコンポーネントは、装置３８０が、一般に、患者体内への挿入および取り外しを容易に行えるようにする直線チューブ形状になるように関節４２６を介して構成される。一実施形態では、装置４２０は、標準腹腔鏡外科手術ツール・ポート内に挿入し、すべての標準腹腔鏡ツールとともに使用することができる直径を有する。

一態様による装置４２０は、装置４２０に連結されている外部コントローラ（図には示されていない）を有する。コントローラは、有線接続コンポーネントを介して装置４２０に連結されうるか、または無線で連結されうる。いくつかの実施形態では、コントローラは、ロボット装置の他の実施形態に関して上で説明されているような任意のコントローラとすることができる。他の実施形態では、コントローラは、スイッチまたはボタンまたは他の種類の入力コンポーネントを使用してそれぞれの関節が別々に制御または作動される工業用ロボットで使用されるものと似たコントローラである（このようなコントローラのいくつかのバージョンは、当該技術分野では「ティーチ・ペンダント」とも呼ばれる）。それとは別に、コントローラは、上記のものと似たジョイスティック・コントローラである。

他の代替え実施形態では、コントローラは、ロボット技術でふつうに使用されている「閉ループ」コントローラ・システムである。理解されているように、「閉ループ」コントローラ・システムは、特定の移動またはアクションに関する特定の命令をユーザーが与えることを可能にするコントローラを備え、さらに、装置が特定の移動またはアクションを完了することを確認するフィードバック・センサーを備えるシステムである。このシステムでは、特異性の高い命令またはコマンドおよび非常に精度の高いアクションを利用できる。例えば、図２２Ａの実施形態では、ユーザーは、装置４２０が本体４２２に関して３０°の角度で右側アーム４２４の位置を決めることを指示する命令をコントローラに入力することができ、すると、右側アーム４２４は、アーム４２４が所望の角度に位置することをセンサーが感知するまで移動を続ける。フィードバック・センサーは、関節センサー、視覚センサー、または他の知られているフィードバック・センサーとすることができる。したがって、コントローラ・システムを使用すると、高精度の装置位置決め、軌道制御、および力制御を含む、装置の非常に特異性の高い、精度の高い制御を利用することが可能になる。次いで、一実施形態では、装置は、関節空間または直交座標空間内で正確に動作させることが可能である。さらに、知られているロボット・コントローラ技術は、本明細書で開示されているロボット装置のどれにも組み込むことができることは理解される。

さらに他の代替え実施形態では、コントローラは、装置コンポーネントそれ自体に似ている構成を有するコンポーネントである。例えば、図２３Ａに示されている実施形態では、コントローラは、アーム４４４と似た運動学的構成をとることが可能であり、これによりコントローラは、類似の方法で装置４２０のアーム４４４をアクティブ化するために移動できる「肩関節」および「肘関節」を持つアームを有することになる。

コントローラは、装置４２０のコンポーネントをアクティブ化するために使用される。つまり、コントローラは、装置４２０を動作させるためにユーザーによって操作されうる。コントローラが、装置４２０のアクチュエータ（図に示されていない）に連結され、アーム４２４および関節４２６、撮像コンポーネント、および装置４２０に動作可能なように連結されている操作コンポーネントを操作する。それとは別に、２つまたはそれ以上のコントローラ（図に示されていない）が装置４２０に連結され、装置４２０の異なる複数のコンポーネントを操作することができる。

使用する場合、ロボット装置４２０は、一実施形態による、開創器装置４２０である。装置４２０は、図２２Ｂの直線構成をとっていて、体内に完全に位置している間に患者体内に挿入することができる。一実施形態では、装置４２０は、標準腹腔鏡ポートを通して体内に挿入される。それとは別に、装置４２０は、本明細書の別のところでさらに詳しく説明されているように自然な開口部を通して挿入されうる。

一実施形態では、装置は、手術者によって制御され、これにより、撮像コンポーネントを介して、および／または患者体内での任意の種類の手術に対する作業補助機能を介して肉眼的組織マニピュレーション、立体映像、および視覚フィードバックを行う。つまり、装置４２０が、体内に配置された後、ユーザーは、外部コントローラを操作して、アクチュエータをアクティブ化し、アーム４２４を適切な構成にすることができる。一実施形態では、装置４２０は、組織および臓器の肉眼的マニピュレーションに使用され、これにより外科医を物理的に、または視覚的に妨げるものを引っ込める。この実施形態では、装置４２０のアーム４２４を使用して、外科医が必要な手術野に物理的に、また視覚的にアクセスできるように組織および臓器を抑えておくことができる。

一実施形態によれば、アーム４２４の位置決めまたは構成は、ユーザーがクランプ締め付けまたは手で保持することに頼る必要がないようにユーザーによる初期位置設定に従って維持されうる。それに加えて、アーム４２４の構成は、ユーザーによる手術全体にわたって遠隔調節できる。

代替え実施形態では、磁気的連結可能装置は、追加のコンポーネントを有し、付加的な手術に使用されうる。つまり、装置は、アームまたは円筒形ハウジングに取り付けられた少なくとも１つの操作コンポーネントを備えることができる。図２３Ａおよび２３Ｂは、２つの操作コンポーネント４５０、４５２を有する磁気的連結可能ロボット装置４４０の代替え実施形態を示している。装置４４０は、４つの関節４４６、４４８を介して４つのアーム４４４に連結されている円筒形ハウジング４４２を有する。それに加えて、円筒形ハウジング４４２は、この実施例では、１対の立体カメラ４５４である、撮像コンポーネント４５４を有する。装置４４０は、さらに、装置４４０の外側の２本のアーム４４４に連結されている２つの操作コンポーネント４５０、４５２も有する。この実施形態では、操作コンポーネントは、鉗子４５０および焼灼器４５２である。

一実施形態では、鉗子４５０は、図２５に示されている鉗子ツール４８０に似た、標準のハンドヘルド型腹腔鏡鉗子に似ている。このツール４８０は、一般的に、内側の軸４８２（またはケーブル）が外側の鞘内に引き込まれる単純なレバーを使用して機能する。次いで、内側の軸４８２は、共通ピン４８６を中心として枢動する、対向する「顎」４８４の両方を作動させる。一実施形態では、ツール４８０は、モーター軸上に取り付けられている送りネジ４８８とともに永久磁石直流モーターを備えることができる。送りネジ４８８は、送りナット４９０を出し入れして、内側の軸を移動し、対向する顎４８４を作動させる。それとは別に、モーターは、任意の作動コンポーネントとすることができる。さらに、他の実施形態において、鉗子は、本明細書で説明されている実施形態により、磁気的連結可能ロボット装置に組み込むことができる公知の鉗子ツールとすることができる。

一実施形態では、焼灼器４５２は、エー・シー・エム・アイ・コーポレーション社（ＡＣＭＩ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、メドトロニック社（Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ）、または他のメーカー数社により製造されているものなどの市販のハンドヘルド型使い捨て焼灼器ツールとすることができる。このような装置は、専用の先端からなり、多くの場合、２つの標準ＡＡ電池を電源として使用する。これらの装置は、一般に、３ボルトで動作し、約２Ａの電流を先端に通し、温度を約１２００℃（２２００°Ｆ）にする。これらの装置の先端は、脱着可能操作コンポーネントとして取り外し、取り付けが可能である。一実施形態では、この焼灼器ツールは、さらに、マイクロプロセッサにより制御され、電流を通すことができる、ダーリントン・トランジスタ・ペアを備える。それとは別に、焼灼器コンポーネント４５２は、本明細書で説明されている実施形態の磁気的連結可能ロボット装置とともに使用できる公知のコンポーネントとすることができる。

それとは別に、操作コンポーネントは、把持器または外科用メスであってもよい。他の実施形態では、操作コンポーネントは、本発明の磁気的連結可能ロボット装置とともに使用することが可能なモバイル・ロボット装置実施形態に関して上で説明されているような操作コンポーネントとすることができる。例えば、操作コンポーネントは、解剖器、結紮器、ステープラー、超音波プローブ、吸引コンポーネント、潅注コンポーネント、またはどのような種類の医学的手技であっても使用することができるコンポーネントとすることができる。そのようなものとして、操作コンポーネントとともに本明細書で説明されているような磁気的連結可能装置は、組織解剖、縫合、または本明細書で説明されているような磁気的連結可能装置に連結されている操作コンポーネントにより実行可能な他の医学的手技などの手術において使用することが可能である。

一実施形態では、円筒形本体４４２のそれぞれの端部に位置する図２３Ａに示されている関節は、「肩」関節４４６と呼ぶことができ、肩関節４４６に取り付けられているアームと終端アーム４４との間の関節４４８は、「肘」関節４４８である。一実施形態によれば、肩関節４４６および肘関節４４８は、異なる自由度を有する。例えば、一実施形態によれば、肩関節４４６は、自由度２を有し、肘関節４４８は、自由度１を有する。それとは別に、肩関節４４６および肘関節４４８のそれぞれは、同じ自由度を有していてもよい。それぞれの関節４４６、４４８に対する自由度は、約０度の自由度から約３６０度の自由度まで変化するか、またはそれとは別に、３６０度を超えて回転するように関節を構成することができるか、または関節は複数回、回転できる。

図２３Ｂに示されているように、外部磁気ハンドル４５６は、ハンドル内の磁石４５８が装置４４０内の磁石（図には示されていない）と相互作用するような形で患者体外に配置され、これにより、装置４４０は、ハンドル４５６の方へ押しやられ、そうして、装置４４０とハンドル４５６との間にある腹壁の一部に押し当てられる。一実施形態では、装置４４０内の１つまたは複数の磁石は、円筒形本体４４２内に配置される。それとは別に、磁石は、ハンドルの磁石４５８と相互作用できるように装置４４０内、または装置４４０上のどこかに配置される。ハンドル４５６は、本体の外側部分を横切る形で移動され、ロボットの位置を決めることができる。これにより、ロボットの肉眼的位置決めを行い、しかも、一実施形態により、装置のアーム４４４を使用してより正確な移動を行うことができる。一実施形態では、磁気的付着の力は、装置４４０の操作コンポーネントと外科手術標的との間の相互作用により生じる反応力に対応できる十分な力である。

一実施形態では、撮像コンポーネント４５４は、マイクロン・テクノロジー・インコーポレイテッド社（Ｍｉｃｒｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．）［米国アイダホ州ボイシ（Ｂｏｉｓｅ）所在］から市販されているＣＭＯＳセンサーを備える。このセンサーは、アクティブ・イメージ・エリアの面積が３．６３ｍｍ×２．７８ｍｍである６４０×４８０ピクセルのアレイからなり、アナログ・カラーＮＴＳＣコンポジット・ビデオ信号を出力するオンボード信号処理回路を備える。このセンサーは、さらに、画質を最適化するために使用できる複数の設定を有する。それらの設定は、標準的なシリアル接続を介してプログラム可能であり、彩度、輝度、色調、ホワイト・バランス、露出、および利得を含む。センサー全体は、９ｍｍ×９ｍｍ×１．３ｍｍのサイズであり、シングルエンデッド型２．５ボルト電源のみあればよく、約４０ｍＡの電流（１００ｍＷ）を引き込む。それとは別に、公知のどのような撮像コンポーネントをも使用できる。他の実施形態によれば、それらの種類のセンサーにマッチする多数の複合レンズのうちの１つが広く利用可能である。それに加えて、装置４４０は、さらに、ボイス・コイル設計に基づき可変焦点機構を備えることもできる。それとは別に、公知のどのような可変焦点コンポーネントをも使用できる。

一実施形態によれば、撮像コンポーネントは、装置４２０の動作に関係する視覚フィードバックを送ることができる。例えば、撮像コンポーネントは、アーム４２４の配置を決定し、および／または実施される外科手術に関する視覚フィードバックをユーザーに送るために使用することができる。つまり、ユーザーは、撮像コンポーネントからの視覚フィードバックを利用して、検査対象の組織の位置決め、または解剖または縫合などの、操作コンポーネントにより実行可能と思われる手技の実行を補助することが可能である。この種類の情報はすべて、アーム４２４の調節に使用され、組織引き込みまたは手術補助を行うための望ましい構成をとることができる。

一態様では、図２３Ａおよび２３Ｂで構成されているよう装置４４０は、標準の知られている腹腔鏡ツールを使用して腹腔鏡手術の「ルック・アンド・フィール」に近い感じを出す。公知のツールを使用する標準的手術では、外科医は、典型的には、カメラ装置用の切開部を形成し、カメラ装置切開部が、手術実行のため標準値ツールが挿入される切開部の間に位置決めされる。この位置決めにより、カメラは、カメラによりキャプチャされた（複数の）画像がユーザーまたは外科医にとって見やすい最良の視野を持つ。同様に、装置４４０は、アーム４４４の間に位置する、撮像コンポーネント４５４（図２３Ａに示されているような２つの立体カメラであってよい）を備え、これにより、標準腹腔鏡手術のときに得られるのと似た視野をもたらし、したがって、撮像腹腔鏡が２つの標準値ツールの間に置かれている標準値ツールを使用して標準的手術の構成および「ルック・アンド・フィール」を近似する。

一実施形態では、それぞれのアクチュエータは、２つの６ｍｍブラシ付きモーターと２つのバネを円筒形アーム４２４内に配置している。アクチュエータは、もっぱら２つの平面内で関節４２６を関節動作させる。この実施形態では、モーターの回転運動は、案内の中の送りネジと送りナットを使用して直線運動に変換される。それぞれのナットは、スイングまたはケーブルを介して関節４２６の片側に取り付けられる。モーターは、関節４２６のこのセグメントを引き、関節４２６を回転させる。関節４２６の反対側に取り付けられているバネは、１つの平面内での関節４２６の関節動作に対する復元力をもたらす。それとは別に、アクチュエータは、この装置４２０とともに使用されうる公知である任意の作動コンポーネントとしてよい。

図２４は、２つの操作コンポーネント４６８、４６９を有する磁気的連結可能ロボット装置４６６の他の代替え実施形態を示している。装置４６６は、２つの関節４７１を介して２本のアーム４７０に連結されているハウジング４６７を有する。それに加えて、ハウジング４６７は、この実施例では、１対の立体カメラ４７２である。撮像コンポーネント４７２を有し、さらに、ハウジング４６７内に埋め込まれるかまたは組み込まれる少なくとも１つの磁性コンポーネント４７３を有する。

アーム４７０は、ハウジング４６７に移動可能なように連結され、これによりアーム４７０を移動させることができる。より具体的には、図２４に示されている実施形態では、アーム４７０は、矢印４７６により示されているようにある軸を中心として枢動することを可能にする蝶番４７１を介してハウジング４６７に連結される。それに加えて、この装置では、さらに、矢印４７１により示されているようにハウジング４６７の長さにそって伸びる軸を中心としてアームを枢動または回転させることができる。さらに、知られているヒンジ、関節、回転可能コンポーネント、または他の連結コンポーネントを使用して、アーム４７０をハウジング４６７に連結し、アーム４７０がハウジング４６７に関して移動するようにすることが可能であることは理解されている。

２つの操作コンポーネント４６８、４６９は、それぞれ、アーム４７０に連結されており、これによりそれぞれの操作コンポーネント４６８、４６９は、それぞれのアーム４７０に関して移動できる。より具体的には、この実施形態において、両方の操作コンポーネント４６８、４６９は、コンポーネント４６８、４６９のそれぞれが、矢印４７４に示されているようにアーム４７０の軸にそって横方向に伸縮できるようにアーム４７０に移動可能な形で連結されている。さらに、コンポーネント４６８、４６９は、さらに、矢印４７５により示されているようにその軸を中心として回転することもできる。公知の関節、回転可能コンポーネント、または他の連結コンポーネントを使用して、コンポーネント４６８、４６９をアーム４７０に連結し、アーム・コンポーネント４６８、４６９がアーム４７０に関して移動できるようにすることが可能であることは理解されている。それに加えて、代替え実施形態によれば、コンポーネント４６８、４６９は、アーム４７０に移動可能なように連結されている第２の１組のアーム（図には示されていない）に連結され、この第２の１組のアームは、横方向に（矢印４７４）および／または回転しながら（矢印４７５）移動できる。他の実施形態では、この第２の１組のアームは、それぞれ、操作コンポーネントに動作可能なように連結されているその遠位端にシングル・モーションまたはマルチ・モーション関節を備えることができ、これにより操作コンポーネントは、第２の１組のアームに関して移動できる。

一態様による装置４６６は、撮像コンポーネント４７２の反対側のハウジング４６７の側面にそって平坦な表面（図には示されていない）を有する。装置４６６が、磁石コンポーネント４７３を介して、外部磁石に磁気的に連結され、したがって前の実施形態において説明されているように空洞の内面に当たる形で位置する場合に、この平坦な表面は、図２４に示されているようにｙ軸にそったハウジング４６７の回転を阻止する。

一実施形態によれば、図２４で構成されているような装置４６６は、公知である腹腔鏡ツールの「ルック・アンド・フィール」とそれらのツールの移動の両方を近似する。図２３Ａおよび２３Ｂに関して上で説明されているように、装置４６６は、２本のアーム４７０の間の撮像コンポーネント４７２の構成により知られているツールの「ルック・アンド・フィール」を近似する。さらに、装置４６６は、アーム４７０に関して操作コンポーネント４６８、４６９の移動機能を介して知られているツールの移動を近似する。つまり、矢印４７４により示されているようなコンポーネント４６８、４６９の伸縮および矢印４７５により示されているようなコンポーネント４６８、４６９の回転は、それらの知られているツールの移動を近似し、したがって、ユーザーにとって馴染みのある移動機能を実現する。

他の実施形態による、代替えのアームまたはリンク５００は、図２６ＡおよびＢに示されている。図２６Ａに最もよく示されているように、リンク５００は、モーター５０６、さらにはナット５０４に動作可能なように連結されている送りネジ５０２を有する。図２６Ａと組み合わせて図２６Ｂに最もよく示されているように、孔５０５を通してナット５０４に取り付けられ、一方の端部にあるプーリー５１０を周り、回転可能関節コンポーネント５１２の一方の端部内の孔５１１にひも５０８の一方の端部のところで取り付けられ、さらに、回転可能関節コンポーネント５１２の他方の端部内の孔５１３にひも５０８の他方の端部のところで取り付けられているひもまたはケーブル５０８が備えられる。

この実施形態における送りネジ５０２およびナット５０４は、直線変換を行う。より具体的には、モーター５０６は、送りネジ５０２を回す動作をし、これによりナット５０４を直線運動させる。ナット５０４に取り付けられているひも５０８は、その結果移動し、これにより、関節コンポーネント５１２が回転し、その結果、関節コンポーネント５１２のところに接続されているリンク（図には示されていない）に関してリンク５００を移動する（これにより、関節のところの肘角度を変更する）。

リンク５００は、さらに、少なくとも部分的にモーター５０６を覆う位置にある２つのカバー・コンポーネント５１６、５１８の間に位置決めされた圧縮または引張バネ５１４を有する。バネ５１４は、２つのコンポーネント５１６、５１８を互いに引き離すことによりひも５０８の張力を維持する動作をする。さらに、使用時に、バネ５１４は、装置の操作コンポーネントのリンク５００および他のリンクが、患者体内に挿入されるときなどに曲げられるか、またはねじられると、ひも５０８の張力を緩和できるようにすることにより、何らかの受動的コンプライアンスを与える。張力を緩和することにより、リンクは互いに関して移動することができ、そのため、装置をある程度曲げ、ねじり、そうすることで、挿入をいくぶん容易にすることができる。

一実施形態によれば、磁気的連結可能ロボット装置システムは、以下でさらに詳しく説明されているように自然開口部手術時に患者の胃の中にロボット装置を挿入するために使用される挿入コンポーネントを備えることができる。一態様では、挿入コンポーネントは、殺菌済みチューブ状コンポーネント（本明細書では「挿入オーバーチューブ」とも呼ばれる）である。標準的な上部内視鏡を使用して装置が体内に挿入される一実施形態では、オーバーチューブは、ロボット装置と内視鏡の両方についてサイズが決められる。

上で説明されている磁気的連結可能ロボット装置実施形態はどれも、ライト・コンポーネントを備えることができる。例えば、一実施形態のライト・コンポーネントは、図１９Ａおよび１９Ｂに示されているのと類似しているライト・コンポーネント３７０である。他の実施形態では、照明コンポーネントは、高輝度低電力発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイである。例えば、一実施形態では、照明コンポーネントは、１対の１０，０００ミリキャンドルのＬＥＤである。一実施形態によるライト・コンポーネントは、視野を照らすように構成される。一実施形態では、ライト・コンポーネントは、カメラのために一定または可変照明を行うように撮像コンポーネントの近くにある。それとは別に、ライト・コンポーネントは、適切な照明が得られるのであればロボット装置のどこに配置してもよい。一実施形態では、照明コンポーネントは、ＬＥＤライトである。それとは別に、例示的な光源は、２個の５ｍｍのＬＥＤである。さらなる代替え実施形態では、照明コンポーネントは、任意の好適な照明光源とすることができる。

磁気的連結可能ロボット装置とともに使用される撮像コンポーネントは、カメラまたは他の撮像装置とすることができる。いくつかの実施形態では、撮像コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているような撮像コンポーネントであってよい。とにかく、カメラは、本明細書で考えられている磁気的連結可能ロボット装置のどれかとともに使用されうる公知の撮像コンポーネントであってよい。一実施形態では、撮像コンポーネントは、３次元画像を形成する立体カメラである。

撮像コンポーネントは、注目する領域（例えば、手術が実施される領域）の表示をユーザー向けに増大または改善するのに役立ちうる。一実施形態によれば、撮像コンポーネントでは、ユーザーはリアルタイム・ビデオを利用できる。それとは別に、撮像コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているような撮像コンポーネントであってよい。

一態様では、磁気的連結可能ロボット装置に関して本明細書で説明されている少なくとも１つの作動コンポーネントは、永久磁石ＤＣモーター、形状記憶合金、圧電アクチュエータ、空気圧モーター、油圧モーターなどとすることができる。それとは別に、駆動コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で詳しく説明されているような駆動コンポーネントであってよい。

磁気的連結可能ロボット装置のさまざまな実施形態は、焦点調節可能コンポーネントを有し、その一部については上で説明されている。さまざまな焦点調節可能コンポーネントまたは機構が、当該技術分野では公知であり、撮像コンポーネントの焦点調節の能動的または受動的作動に適している。それとは別に、焦点調節可能コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で詳しく説明されているような焦点コンポーネントであってよい。

一態様によれば、本明細書で説明されている磁気的連結可能ロボット装置実施形態は、接続コンポーネントを介して外部コントローラに接続される。一実施形態では、接続コンポーネントは、２つのビデオ信号、電力、および動作信号をコントローラから伝送するように構成されている７線ケーブルである有線接続コンポーネントである。この実施形態では、装置は、さらに、受信動作信号をデコードし、コマンドを装置コンポーネントに送るマイクロプロセッサを備えることもできる。例えば、マイクロプロセッサは、最高速度のオンボードＵＳＢインターフェースを備える８ビット埋め込みマイクロプロセッサ（例えば、アットメル・コーポレーション社（Ａｔｍｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）［米国カリフォルニア州サンノゼ（Ｓａｎ Ｊｏｓｅ）所在］の８０Ｃ５Ｘ２ Ｃｏｒｅなど）とすることができる。インターフェースは、コントローラから入力コマンドを受信し、プロセッサは、モーター・ドライバー、焦点機構、カメラ設定などのコンポーネント回路と相互作用する３４本のデジタルＩ／Ｏピンを有する。それとは別に、マイクロプロセッサは、本明細書で説明されているようなロボット装置に使用されうる公知である任意のマイクロプロセッサとしてよい。

それとは別に、接続コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているような有線または弾性接続コンポーネント実施形態または構成である。さらなる代替え実施形態において、接続コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているような実施形態または構成による無線接続コンポーネントである。本明細書で説明されているように無線ロボット装置とともに使用される受信機および送信機は、上でも説明されているように、任意の知られている受信機および送信機であってよい。モバイル装置および固定ベース装置に関して上でさらに詳しく説明されている他の実装によれば、本明細書で説明されている磁気的連結可能ロボット装置実施形態は、（有線または無線）接続コンポーネントを介して、外部コントローラだけでなく、本明細書で説明されているか、または当該技術分野で他の何らかの形で公知である装置などの、任意の種類または構成の１つまたは複数の他のロボット装置にも接続される。

一実施形態では、磁気的連結可能ロボット装置に伝送されるデータまたは情報は、さまざまなコンポーネントを移動したり、または他の何らかの形で操作したりするための信号など、装置を制御するためのユーザー・コマンド信号を含むことも可能である。一実施形態によれば、ロボット装置から外部コンポーネント／ユニットに伝送されるデータまたは情報は、撮像コンポーネントまたはセンサーから送られて来るデータを含むことが可能である。それとは別に、装置と外部コンポーネント／ユニットとの間で伝送されるデータまたは情報は、装置の操作で使用されうるデータまたは情報とすることができる。

一実施形態によれば、本明細書で説明されているような磁気的連結可能ロボット装置は、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているような実施形態による外部制御コンポーネントを有することができる。つまり、本明細書の磁気的連結可能装置の少なくともいくつかは、外部磁石だけでなく、動物またはヒトの外部にある場所に位置するコントローラによっても操作される。一実施形態では、外部制御コンポーネントは、データを送信し、および／または受信する。一実施形態では、ユニットは、接続コンポーネントを介して電子操作命令などのデータを送信することによりロボット装置の動作を制御するように構成されているコントローラ・ユニットであり、接続コンポーネントは、有線または物理的コンポーネントまたは無線コンポーネントとすることができる。それとは別に、外部ユニットは、データを送信または受信するために使用されうるコンポーネント、装置、またはユニットである。

磁気的連結可能ロボット装置が図２２Ａ、２３Ａ、２５、および２６で示されている実施形態に類似するアームおよび関節を有する一実施形態では、コントローラは、ロボット装置と同じまたは類似の運動学的構成を有するマスター・コントローラであり、これにより、ユーザーは、マスター上のアームおよび関節を移動し、装置がマスター・コントローラの新しい構成を反映するようにロボット装置に信号が送信される。コントローラは、さらに、ユーザーが装置の構成を表示し、その情報を利用して、装置の適切な構成および動作を決定できるような画像ディスプレイも備える。

使用時に、コントローラは、カメラ・コンポーネント、センサー・コンポーネント、または他のコンポーネントなどの装置のコンポーネントの移動または動作を制御するために使用することができる。例えば、コントローラの一実施形態は、カメラのピント調整を制御し、さらに、装置のパニングおよび／または角度調節機能を制御する。

一実施形態によれば、制御コンポーネントは、図１９に示されている装置３８０などのロボット装置の撮像コンポーネント、パニング・コンポーネント、およびチルティング・コンポーネントの動作を制御するように構成されている。一実施形態では、制御コンポーネントは、例えば、画質調節などに関係する、撮像コンポーネントへの動作命令を含む信号などの、それらのコンポーネントのそれぞれを制御することに関係する動作命令を含む信号を送信する。

一実施形態によれば、制御コンポーネントは、さらに、ロボット装置の電源としても使用される。
一実施形態によれば、磁気的連結可能ロボット装置は、画像表示コンポーネントに連結される。一実施形態では、画像表示コンポーネントは、コントローラの１コンポーネントである。一実施形態では、画像表示コンポーネントは、市販の立体３Ｄ画像表示システムである。このようなシステムでは、２つのビデオ・センサーからの画像を使用し、それらの画像を３Ｄ効果を生み出すような方法で表示する。例えば、画像表示コンポーネントは、Ｓｈａｒｐ ＬＬ−１５１−３Ｄコンピュータ・モニターとすることができる。それとは別に、画像表示コンポーネントは、例えば、リアル・ディー社（Ｒｅａｌ Ｄ）［米国カリフォルニア州ビバリーヒルズ（Ｂｅｖｅｒｌｙ Ｈｉｌｌｓ）所在］が市販しているＣｒｙｓｔａｌＥｙｅｓ ３（商標）などの、２つのセンサーからの画像を高速度で切り替える、特殊な無線メガネである。それとは別に、画像表示コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているような画像表示コンポーネントとすることができる。

一実施形態による、本明細書で説明されているような磁気的連結可能ロボット装置は、電源または電力供給装置を有する。一実施形態によれば、電源は、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているような構成を有する電源である。さまざまな実施形態によれば、外部テザーまたは内部電源により、電力が供給される。装置が無線である（つまり、接続コンポーネントが無線である）場合、内部電源を使用できる。磁気的連結可能ロボット装置のさまざまな実装では、アルカリ電池、リチウム電池、ニッケル・カドミウム電池、または当該技術分野で知られている他の種類の電池を使用することができる。それとは別に、電源は、磁気誘導、圧電、流体力学、太陽発電、または他の知られている電源とすることができる。さらなる代替え実施形態では、電源は、患者体内に配置されている電源ユニットである。この実施形態では、電源ユニットは、電力を１つまたは複数のロボット・カメラ装置にだけでなく、他の外科手術用ロボット装置にも供給するために使用できる。

一実施形態では、磁気的連結可能ロボット装置は、１つまたは複数のセンサー・コンポーネントを有する。さまざまな実施形態では、このようなセンサー・コンポーネントは、モバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置に関して上で説明されているようなセンサー・コンポーネントのどれかを含む。

一実施形態によれば、本明細書で説明されているような磁気的連結可能ロボット装置上のこれらのコンポーネントはどれも、知られている市販のコンポーネントとすることができる。

上記の実施形態は、磁気的連結コンポーネントを備えていたけれども、他のアタッチメント・コンポーネントまたは装置を使用することで、上で開示されている、または明細書全体を通して開示されている装置実施形態のどれかを患者の体内部分に取り外し可能な形で取り付けることができることは理解される。例えば、アタッチメント・コンポーネントは、クリップ、ピン、クランプ、または患者の内面にそって取付けまたは位置決めを行う他のコンポーネントとすることも可能である。

さらに、ロボット装置の特定の実施形態に関して本明細書で開示されているコンポーネントはどれも、本明細書で開示されている他のロボット装置実施形態に組み込むことができることも意図されていることは理解される。例えば、磁気的連結可能ロボット装置実施形態に関して開示されているコンポーネントも、本明細書で説明されているようにモバイル・ロボット装置または固定ベース・ロボット装置のどれかの実施形態に組み込むことができる。

ロボット装置を使用する方法
本明細書で説明されているロボット装置は、患者の体内で装置が使用されるさまざまな異なる外科手技または手術において使用されうる。つまり、ロボット装置は、外科的作業または手術を実施し、および／またはユーザーに視覚フィードバックを送るために患者体内で使用されうる。

一実施形態によれば、上記のモバイル装置はどれも、患者体内に丸ごと挿入することができ、また患者は、ヒトを含む、動物とすることができる。公知の腹腔鏡手術では、小切開を使用することで、患者の外傷が低減されるが、その反面、外科的環境に対する外科医の観察および直に触れる活動能力が制限され、そのため、感覚フィードバックが不足し、撮像が制限され、機動性と任意姿勢可動性が制限される。それとは対照的に、体内でさまざまなロボット装置を使用する本明細書で説明されている方法では、視覚および外科手技を補うことができ、および／または外科手術を実行することができ、しかもロボット装置が導入切開により制約されない。

一実施形態では、上記の装置はどれも、腹腔鏡などの、低侵襲手術において腹腔内部で使用できる。これらの装置のいくつかは、標準腹腔鏡ツールを通り抜けるようなサイズおよび構成をとる。一実施形態によれば、１つの標準腹腔鏡ポートを通して挿入されたロボット装置を使用することで、標準腹腔鏡手術で必要な第２のポートが必要なくなる。

一実施形態によれば、カメラを備える本明細書で説明されているようなロボット装置では、トレーサーの挿入およびツールの配置を計画するだけでなく、手術者が外科的環境をより容易に、また完全に探索し、理解できるように補助する追加の視覚的手掛かりを与えることを可能にしうる。公知の腹腔鏡では、小切開部に挿入された、視野が制限されている硬質の単一視点カメラを使用する。この従来技術の装置を使用した新しい遠近法を利用するには、他の切開部におけるカメラの取り出しおよび再挿入を必要とすることが多く、患者の危険性が高まる。対照的に、本明細書で説明されているようなカメラを備えるロボット装置では、１つまたは複数のロボットを腹腔内に入れることで、追加の腔内画像を撮り、視野を簡単に調節することができるため、外科医の外科手術領域に対する幾何学的理解が改善される。カメラの位置を素早く任意の場所に変更できるので、外科医は他のツールに関する最適な向きを維持しやすい。

一実施形態によれば、本明細書で説明されているモバイル・ロボット装置はどれも、病院などの従来の外科的環境だけでなく、戦場などの前線環境においても使用できる。
他の実施形態によれば、本明細書で説明されているロボット装置はどれも、自然開口部手術で使用できる。本明細書で使用されているような「自然開口部外科手術」は、身体の標的部分が、外科手術または診査目的で、口、肛門、膣、尿道、耳、または鼻腔などの自然開口部、または他の自然開口部を通してアクセスされる手術である。

本出願の目的に関して、臍は、自然開口部であるとみなされる。より具体的には、臍は、外科手術または診査手技において使用するために開通され、その後、再び閉じて治癒させることができる自然開口部である。

一実施形態による、自然開口部外科手術は、適切な医療装置を口から体内に挿入し、胃壁内の切開を介して腹腔内に貫通することにより実施されうるが、これは「経胃的」外科手術とも呼ばれる。一実施形態では、標準内視鏡ツールを使用して胃切開部（胃壁内の孔）が形成される。それとは別に、胃切開部は、ロボット装置のうちの１つを使用して形成される。

このような外科手術の利点の１つは、皮膚切開が必要なく、また術後疼痛および／または不快症状が緩和されることである。胃腔を通しての自然開口部外科手術の他の利点は、胃の実質的な殺菌状態にあり、これにより、感染の危険性が少なくなる。他の利点は、胃の速やかな治癒という特性である。つまり、胃切開部は、腹壁に形成された切開部に比べて速く治癒する。自然開口部外科手術では、皮膚切開の必要がなく、術後疼痛および不快症状が緩和される。このようなアプローチは、ツールおよびカメラのために複数の導入切開が必要な従来の腹腔鏡に比べて際だった利点を有する。したがって、自然開口部を通してアクセスすると、外部切開が必要なくなり、これにより、創傷感染の発症を回避しつつ、疼痛を低減し、化粧を改善し、回復を早め、癒着および腸閉塞を低減する。さらに、自然開口部手術では、初めて、腹壁の厚さのせいで腹腔鏡を使えない肥満患者に対し侵襲の少ない技術を使用することが可能になる。

一実施形態による、図２７は自然開口部外科手技５４０を示している。ロボット装置は、ヒトの患者の口を通し、また胃壁の切開部を通し、送気された腹腔内に挿入される。この実施形態では、有線接続コンポーネントは、装置に連結される。それとは別に、装置は無線である。

一態様によれば、自然開口部外科手術を実施する方法は、無索ロボット装置を使用して手術を実施することを含む。それとは別に、この方法は、弾性接続コンポーネントで繋留されたロボット装置を使って自然開口部外科手術を実施する方法に関する。装置は、本明細書で開示されているロボット装置のどれかとしてよい。それとは別に、装置は、外科手術または診査を目的とする身体の自然開口部内に挿入されうるロボット装置とすることができる。さらなる代替え実施形態では、装置は、外科手術または診査目的で自然開口部内に挿入されうるロボット装置である限り知られている形態または構造をとることができる。

他の実施形態によれば、本明細書で開示されているロボット装置の１つは、本明細書で開示されている装置のどれかを含む、１つまたは複数の他のロボット装置とともに使用できる。つまり、本明細書で開示されているロボット装置は、外科手術を実行するために、一緒に、および／または他の知られているロボット装置と組み合わせて使用できるロボット装置群である。つまり、ロボット装置の任意の組合せを患者体内に配置し、外科手術を連携実行することができる。

一実施形態では、２つまたはそれ以上のロボット装置は、無索方式で連結されているか、有線接続コンポーネントを介して連結されているかに関係なく、連携して、または順次、またはロボット装置が複数あることが有利である手術における他の方式で操作されうる。他の実施形態では、さまざまなセンサーおよびマニピュレーターを備える複数のモバイル装置、固定ベース装置、および／または磁気的連結可能装置が、単一切開部を通して患者体内に挿入される低コスト・ロボット外科手術「チーム」として連携使用される。この装置群は、ユーザーに遠隔制御されながら、手術全体を実行することができる。

一実施形態により、複数のロボット装置が連携使用される一実施形態は、図２８に示されており、これは、上記のと似たモバイル・ロボット装置およびｄａ Ｖｉｎｃｉ（商標）システムと連携して使用される上記のものと似た磁気的連結可能ロボット・カメラ装置を示している。上部腹膜壁に当てられているロボット・カメラ装置は、モバイル・ロボット装置およびｄａ Ｖｉｎｃｉ（商標）ツールにより実行される手術の画像をキャプチャするために使用されうる。

さらに、手術者が複数の視角から改善された視覚フィードバックを得られるように、複数のロボット・カメラ装置を同時に使用することができると考えられる。同様に、１つまたは複数のロボット・カメラ装置を１つまたは複数の外科手術ロボットと併用することもできる。

他の実施形態では、すべての無線ロボットの数および配置が手術全体にわたって文書に記載できるように、外科手術中に方法を実施できる。
一実施形態によれば、この連携手技は、自然開口部手技と組み合わせることができる。つまり、それぞれさまざまな異なる機能を有する複数のロボットを、自然開口部を通して患者体内に挿入することが可能である。この方法では、複数のロボットを無関係に開口部に挿入することができ、これにより、外科手術時に患者体内に外科手術「チーム」を置くことができる。一実施形態では、現行の方法により、破棄された組織（胆嚢など）を取り除き、専用ツール（焼灼など）を挿入するため、食道内に十分な空き領域を形成することができる。

他の実施形態は、ロボット装置を（１）標準腹腔鏡ツール、（２）ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システム、および／または（２）少なくとも１つの他のロボット装置と連携使用するための方法、システム、および装置に関するものであり、上記の、または上で参照されている装置、またはそれらの装置の組合せを含む。

一実施形態では、ロボット・カメラ装置は、標準腹腔鏡と併用され、これにより、外科医は、例えば、腹部の特徴の後部視点などの補助視点を得られる。他の実施形態では、ロボット・カメラ装置を単独で使用し、ツール・ポートに挿入することにより患者の外傷を減らすことができる。他の実施形態では、ロボット・カメラ装置は、低侵襲性腹部外科手術用の１つまたは複数のカメラとして使用され、この１つまたは複数のカメラは、体腔内の任意に位置に移動することができ、腹腔鏡が不要になる。これは、腹壁の切開部は３つも必要なく２つでよく、患者の外傷および合併症の危険性が減じる。

一実施形態によれば、本明細書で開示されているロボット装置は、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）ツールと連携し、これにより、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）に補助視点を補い、外科医への視覚フィードバックを改善する。複数のロボット装置のうちの１つまたは複数は、腹腔内に丸ごと入れられ、したがって、導入切開による制約はない。

一実施形態では、外科手術時に２つのロボット装置をｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムと連携使用することができる。第１の装置は、磁石を使用して腹壁に取り付けられている磁気的連結可能パン・アンド・チルト・ロボット・カメラ装置である。第２は、カメラを備えるホイール付きモバイル・ロボット装置である。パン・アンド・チルト装置は、外科手術標的の上からの様子を表示し、モバイル装置は、低い視点からの様子を表示する。これら両方の装置の視点は、手術全体を通して容易に変更可能である。一実施形態では、これらの装置からのビデオは、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）コンソールに直接送られ、外科医の選択により、立体視システムで１つの画像として表示されうる。他の実施形態では、装置は両方とも、外科手術全体を通して位置変更され、これにより、他の方法だと新しい切開を必要とし、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）ツールの位置変更に時間が費やされるであろう視点を得ることができる。一実施形態では、ロボット装置は、別のジョイスティックを介して外科医により制御される。

一実施形態では、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムは、通常の手順に従って位置決めされる。２つのツール・ポートおよび腹腔鏡用に腹壁に３つの小切開部が形成される。装置の電線テザーを使用できるロボット装置を挿入するために、特殊な、わずかに大きい、トロカールが使用される。それとは別に、ロボット装置は無線である。次いで、残りのトロカールが配置され、腹部に送気される。次いで、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）ツールおよび腹腔鏡が挿入され、外科手術の準備がなされる。次いで、ロボット装置が給電され、腹部の外にある磁石ホルダーを使用してパン／チルト装置が臓器から腹壁の上面へ持ち上げられる。ロボット装置は、カメラ、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）ツール、または腹腔鏡を使用して位置決めされうる。ロボット装置が、適宜位置決めされると、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）のビデオ入力は、標準腹腔鏡から吊り下げ装置に切り替えられる。次いで、適切な動作および照明であることを確定するためにロボット装置の機能がチェックされる。次いで、執刀者が、手術を開始する。一実施形態では、手術中に、ロボット装置の位置変更を行い、ツール移動を追跡するためにパン／チルト機能を作動させることができる。次いで、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システム・ツールを使用して手術を実施できるが、ただし、装置から送られて来る１次ビデオ・フィードバックを使用する。手術の後、ロボット装置は、特殊なトロカールに戻され、腹部が収縮し、ロボット装置が引き込まれる。

当業者であれば、説明されている方法は、単なる一実施形態を表すものであり、説明されている順序は、変えることができ、さまざまな工程を説明されている方法に挿入するか、または取り除くことが可能であることを理解するであろう。

説明されている方法および類似の手技は、いくつかの実施形態においてｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムと連携して少なくとも１つのロボット装置を使用することを含む、複数の連携装置の連携使用により外科医を補助するロボット装置を使用する利点を示している。この実施形態では、ロボット装置は、手術中に外科医に補完的視覚フィードバックを送る。複数の視点が外科的環境の理解を高め、それにより、どのようにして少なくとも１つのロボット装置が互いに、またはｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムと連携して、外科介護を改善するかを示す。

一実施形態では、手術部位に妨げられることなくアクセスすることは、腹腔のすでに限られているスペース内で使用するように構成されていても、機動的に、また自由自在に配置できるように設計されている装置を使用することで実現される。本発明の実施形態では、連携外科的環境は、腹腔内で機動的に配置できるような方法で腹壁からロボット装置を吊り下げることにより達成される。適切な手術部位の有用なビデオ・フィードバックによる機能性も実現される。他の実施形態では、装置は、カメラのパンおよびチルトを行うだけでなく、腹腔内でさまざまな距離にある物体に焦点を合わせることもできる。

他の実施例では、外科手術を実行するために吊り下げられているパン／チルト・ロボット装置がｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムと連携使用される。吊り下げられている装置は、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）コンソールに１次（非立体）視覚フィードバックを送る。外科医が利用できるフィードバックを最適化するために、手術全体を通して位置変更および作動が行われる。

他の実施形態では、ロボット装置からｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）コンソールへのビデオ・フィードバックは、コンソールの２つの接眼レンズのうちの１つのみに送られる。外科医は、別のジョイスティックを介してコンソールからパン／チルト装置機能を制御する。連携ロボット装置を使用することで利用できる複数の視点が、外科的環境の理解を改善する。

他の実施形態では、装置視覚フィードバックを使用するｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）による手技は、低侵襲性外科手術における連携装置が実現されることを実証している。追加のフィードバックはきわめて有益であり、これを用いて、外科医は手術部位をさまざまな角度から走査できる。パン／チルト装置懸垂システムも、腹腔鏡アーム用に複数の切開部を形成しなくても手術全体を通して装置の位置変更を行うことができる。

一実施形態では、自然開口部手術は、ロボット装置を患者の胃の中に挿入するために使用される挿入コンポーネントを伴うことができる。一態様では、挿入コンポーネントは、殺菌済みチューブ状コンポーネント（本明細書では「挿入オーバーチューブ」とも呼ばれる）である。標準的な上部内視鏡を使用して装置が体内に挿入される一実施形態では、オーバーチューブは、ロボット装置と内視鏡の両方についてサイズが決められる。

一実施形態による、自然開口部手術の１方法は、標準上部内視鏡とともに殺菌済みオーバーチューブを患者の胃の中に送り込むことと、抗生物質溶液で胃を洗浄することとを含む。次いで、ロボット装置がオーバーチューブを通して胃腔内に挿入される。次いで、ロボットが、内視鏡針尖刀で形成された経胃切開部を通して腹腔内に挿入される。切開は、ロボットとほぼ同じ直径のものとすることができる。最後に、装置は、胃腔内に引き込まれる。その後、２つの内視鏡用クリップと１つの内視鏡用ループを使用して、経胃切開の内視鏡的閉鎖術が実行されうる。さらに、ロボット装置は、内視鏡用ループで掴まれ、食道に通して引き戻される。

本発明は、好ましい実施形態を参照しつつ説明されているが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細に変更が加えられうることを理解するであろう。

モーター・トルク
モバイル・ロボット装置の開発において考慮すべき要素の１つは、装置を移動するのに必要なトルクの量であった。

必要なトルクを計算するために、傾斜面上に動かずにいるロボットの自由体図を使用して、ロボットを傾斜面上に静止させておくのに必要なトルクを計算した。この計算結果が、モーターが必要とするストール・トルクとなる（表面の摩擦が、ホイールがスリップするのを妨げるのに十分な摩擦であると仮定した）。以下の図２９に自由体図が示されている。

この自由体図から、以下の式が書かれた。
（Ｗ ｓｉｎθ）ｒ＝（ｍａ）＋ｌα＋τ
Ｗ ｓｉｎθ−ｆ＝ｍａ
Ｗ ｃｏｓθ＝Ｎ
この結果、以下のようになる。

τ＝（Ｗ ｓｉｎθ）ｒ
ただし、
Ｗは、円筒の重量であり、
θは、傾斜面の角度であり、
ｒは、円筒の半径であり、
ｍは、円筒の質量であり、
ａは、円筒の加速度であり、
ｌは、円筒の慣性モーメントであり、
αは、円筒の角加速度であり、
τは、モーターのトルクであり、
ｆは、円筒と傾斜面との間の摩擦力であり、
Ｎは、法線力である。

ロボットは、直径１５ｍｍ、長さ７６ｍｍの固体アルミニウム円筒としてモデル化された。このサイズの固体アルミニウム円筒は、質量３６．４ｇ、慣性モーメント１．０２［ｋｇ−ｍ^２］であろう。計算結果から、θ度の傾斜面上でロボットがその位置を保持するには、トルクτが必要であることがわかる（表１）。

ロボットを移動するのにどれだけのトルクが必要かを決定した後に、速度を落とし、モーターからのトルク出力を高めるモーターおよびギアヘッドが選択された。トルク要件を満たしているか調べるために、２つのモーターが試験された。第１のモーターは、標準の市販の直径６ｍｍのページャー・モーターであり、第２のモーターは、ラジオ・シャック社（Ｒａｄｉｏ Ｓｈａｃｋ）から市販されている、おもちゃのＺｉｐＺａｐ（商標）リモコン自動車から取り出された６ｍｍの青色モーターであった。

試験の結果、１ボルト入力に対するそれぞれのモーターのストール・トルクが判明した。試験のため、バーがモーター軸上に置かれ、電圧がモーターに印加された。次いで、印加される電圧毎に、バーが止まった角度が測定された。モーター軸上に存在するトルクが計算され、電圧を横軸にとってプロットされ、モーターのストール・トルク／ボルトを決定するために、直線当てはめが使用された。試験の結果は、表２に示されている。

この試験の結果から、いずれのモーターも、最小よりも大きな勾配の傾斜面上にモバイル・ロボットを保持するのに十分なトルクを供給しないことがわかる。ＺｉｐＺａｐ（商標）モーターは、３Ｖで０．０５７［ｍＮｍ］を発生し、ページャー・モーターは、３Ｖで０．０８４［ｍＮｍ］を発生しうる。モーターは両方とも、１５度の傾斜面上でロボットを静止状態に保つことのみ可能であろう。

試験された他のモーターは、ナミキ社（Ｎａｍｉｋｉ）から市販されている、ギアヘッドＰＧ０４−３３７を備えるモデルＳＢＬＯ４−０８２９であった。モーターは、３Ｖで動作し、試験結果から、８０ｒｐｍで１０．６［ｍＮｍ］のストール・トルクを発生しうることがわかった。このモーターは、７５度の坂に置かれているロボットに対し設計係数を４とする（滑るのを妨げる十分な摩擦力がある場合）。

ホイールの摩擦
２つのホイールの摩擦特性について試験された。
試験された装置は、２８．３５ｇ（１．０オンス）の重量（「Ｗ」）を有するロボットであった。２つのホイールの半径は、７．５ｍｍであり、アルミニウム製であった。

実験は、テーブル表面、マウス・パッド、パーティクル・ボード、スライスした牛のレバーの４種類の物体の上で実施された。ロボットは、これらの物体のそれぞれの上に置かれ、最大摩擦力Ｆが測定された。７．１ｇ（１／４オンス）単位で区切られたＯｈａｕｓバネばかりを使用して力が測定された。力は、最近１．４２ｇ（０．０５オンス）に近かった。

摩擦係数は、式μ＝Ｆ／Ｗにより決定された。表３は、実験で測定された４つの摩擦係数を示している。

上記のホイールを２つ備える装置に対し、追加の力解析も行った。つまり、必要な摩擦力の量は、以下のようにして決定された。

力解析は、弾性体基礎に基づいた、つまり、モバイル・ロボット装置は、弾性曲面上で転がると仮定された（図３０を参照）。このモデルでは、転がりに対する摩擦抵抗は、もっぱら、基礎の変形からのヒステリシスによるものである。接触部分では、弾性力δ（Ｘ）は、ｘの正規分布関数であると仮定された。ここで、ｘは、−ａからａまでの範囲内であった。そこで、式

が導き出された。

次いで、上の式から、

が得られた。

したがって、各部分の摩擦力の差の総和は、
Σｆ＝δ（θ）ｃｏｓ（θ）＋τ（θ）ｓｉｎ（ｌ）
となる。

積分計算により、摩擦力

が得られるが、ただし、Σはヤング率であり、Ｒはポアソン比である。

力解析から、摩擦力は、重量に比例し、ホイールの半径に反比例することがわかった。したがって、以下の２つの方法のいずれかを使用して、摩擦力に影響を与えることが可能であろう。第１に、ロボットの質量を増やすことが可能である。そうするのにちょうどよい方法は、ホイールの材料を変更することであろう。第２に、ホイールの半径を縮小してもよいであろう。他の解決策は、ホイールにトレッドを付加することである。それとは別に、ホイール自体の直径を縮小せずに、トレッドの先端の半径を小さくしてもよい。

この実施例では、上記の一実施形態による、モバイル・ロボットに対するマニピュレーター・アームについて速度解析が実施された。
このような解析を実行するときに、ヤコビアンと呼ばれる行列量を定義すると有益であった。ヤコビアンは、関節空間における速度から直交座標空間における速度への写像を指定する。ヤコビアンは、任意のフレームについて求めることができ、また後述の関節トルクを求めるためにも使用されうる。

図７Ｂは、この実施例でヤコビアンを求めるために使用されるマニピュレーターの略図である。ヤコビアンの詳細については、（例えば、非特許文献４を参照）。
ヤコビアンを求める際に使用される基本方程式は、

である。

リンク１については、

である。

リンク２については、

である。

リンク３、ｉ＝２については、

である。

リンク４、ｉ＝３については、

であるが、ただし、Ｓ_ｎｓｉｎθ_ｎｃ_ｎ＝ｃｏｓθ_ｎ、ｓ_ｎｍ＝ｓｉｎ（θ_ｎ＋θ_ｍ）、ｃ_ｎｍ＝ｃｏｓ（θ_ｎ＋θ_ｍ）である。

第２の方法からは、図７Ｃに見られる結果が得られる。ｘ、ｙ、およびｚの式は、リンク３の先端に対するものである。

ただし、Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌであるため、ｓ_ｎ＝ｓｉｎθ_ｎ、ｃ_ｎ＝ｃｏｓθ_ｎ、ｓ_ｎｍ＝ｓｉｎ（θ_ｎ＋θ_ｍ）、ｃ_ｎｍ＝ｃｏｓ（θ_ｎ＋θ_ｍ）である。

この実施例でマニピュレーターに対して選択されたモーターは、ファウルハーバー・カンパニー社（Ｆａｕｌｈａｂｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ）で製造している６Ｖ ＤＣマイクロモーターであった。この６Ｖモーターは、１５，８００ｒｐｍの無負荷速度、４．１０４ｇ・ｃｍ（０．０５７オンス・インチ）のストール・トルクを有し、重量３．４０ｇ（０．１２オンス）の６Ｖモーターであった。モーターの直径は８ｍｍ、長さは１６ｍｍであった。

無負荷速度が大きいため、高精度のギアヘッドが使用された。使用される高精度ギアヘッドは、遊星ギアヘッドであった。予備解析のため、減速比２５６：１のギアヘッドが選択された。これの直径は８ｍｍ、長さは１７．７ｍｍ、重量は５．３９ｇ（０．１９オンス）であった。

この特定の調査のため１０ｍｍの磁気エンコーダーが選択された。これは、長さが１６．５ｍｍであるが、アセンブリの全長に１１．５ｍｍが加わるに過ぎなかった。エンコーダーの重量は、２．８３ｇ（０．１ｏｚ）であると仮定された。エンコーダーは、位相シフト９０度の２つのチャネル（ＡおよびＢ）を備え、これらは、固体ホール・センサーおよび低慣性磁気ディスクにより実現される。表４は、モーター、遊星ギアヘッド、およびエンコーダーの特性をまとめたものである。

Ｌ_Ｔ＝Ｌ_Ｍ＋Ｌ_ＰＧ＋Ｌ_Ｅ＝４５．２
ｍ_Ｔ＝ｍ_Ｍ＋ｍ_ＰＧ＋Ｍ_Ｅ＝０．４１ｏｚ

図７Ａは、Ｌ_Ｌ、Ｌ_ＢＪ、Ｍ_１、Ｍ_２、ｍ_１ｇ、ｍ_２ｇ、およびＷ_ｐというラベルが付けられているこの実施例で使用されるマニピュレーターの略図である。

以下の計算のため、リンクは、図７Ｄに示されているように円筒形チューブであると仮定した。

リンク体積：

モーメントの計算（図７Ａを参照）：

上記の式に基づき計算すると、連続運転についてモーターにより許容される最大トルクは、６１２．０７ｇ・ｃｍ（８．５オンス・インチ）である、つまり０．４１ｍＮｍであるとことがわかった。減速比２５６：１を使用すると、最大許容トルクは、１０４．８６ｍＮｍ（２５６×０．４１ｍＮｍ）である。

上記のように、さまざまな実施形態に応じて、他の減速比を有する高精度歯車も使用されうる。低減速比についての計算結果をまとめた表を以下に示す。これらの計算は、例示的であり、いかなる形でも制限することを意図していない。

すでに求めてあり、以下に示されているヤコビアンを使用することにより、この実施例で使用されるマニピュレーターの先端に加えられる力により発生するトルクを計算することが可能である。しかし、この方法は、リンクおよびモーターの重量を考慮しないことに留意されたい。

したがって、ベース・モーターのトルクは０ｍＮｍであり、リンク１については、５．８３６ｍＮｍ、リンク２については、２．９１８ｍＮｍである。この結果は、最大のトルクがマニピュレーターの先端から最も遠く離れている関節に加えられるためつじつまが合う。また、距離は、真ん中の関節までの距離の２倍であるため、結果は、２倍大きい。

リンクおよびモーターの質量については、

上に示されているように、両方の方法から同じ結果が得られる。

この実施例で使用されるマニピュレーター・アーム・ロボットの実施形態では、電子回路および制御装置類は、上の「発明を実施するため最良の形態」で説明され、図８でブロック図形式により示されている４つの主要セクションから成り立っていた。それぞれのハードウェア・セクションについて詳しく説明し、続いて、ＰＣＩ−ＤＳＰカードを制御するＰＣソフトウェアおよびマイクロコントローラ上で実行されるソフトウェアについて説明する。

この実施形態のハードウェアの第１のセクションは、モーション・エンジニアリング・インコーポレイテッド社（Ｍｏｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．）のＰＣＩ／ＤＳＰモーション・コントローラ・カードを搭載したＰＣであった。このカードは２０ＭＨｚで動作するＡｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＤＳＰチップを使用しており、最大４軸までの閉ループＰＩＤ制御を同時に行う。これは、位置フィードバック用のエンコーダー入力を備えていた。サーボ・アナログ出力は、１６ビットＤＡＣにより制御され、これにより、非常に正確な出力制御を行うことができた。このカードは、また、増幅器イネーブル出力、増幅器フォルト出力、ホーム出力、正リミット入力、および負リミット入力を含む、複数の専用デジタルＩ／Ｏ機能を備えていた。しかし、本出願では、基本機能、つまり、サーボ・アナログ出力およびデジタル・エンコーダー入力のみが使用された。ＰＣＩ／ＤＳＰには、フル機能のＣプログラミング・ライブラリーが付属しており、さまざまなモーション機能のプログラミングに役立った。また、Ｗｉｎｄｏｗｓベースのプログラム、Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌも用意されており、コントローラの構成およびチューニングを行うだけでなく、単純な１軸モーション・プロファイルからデータを取り込むことができた。

ＰＣＩ／ＤＳＰからの出力は、±１０Ｖの範囲のアナログ信号であった。マイクロコントローラとインターフェースするために、この信号は、０．５Ｖ範囲に変換された。２つの単純なＯＰアンプ回路が、この機能を実行した。両方のＯＰアンプ回路において、ナショナル・セミコンダクター社（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のＬＭ３１８ ＯＰアンプが使用された。第１のセクションは、−０．２５の利得を持つ標準反転回路であった。これは、±１０Ｖ入力を−／＋２．５Ｖ出力に変換する。この回路は、図３１Ａに示されている。第２のセクションは、

で与えられる伝達関数を持つ加算増幅器回路である。

Ｖ２を一定電圧２．５Ｖとすると、出力電圧０〜５Ｖが結果として得られる。この回路は、図３１Ｂに示されている。
高周波雑音を除去するために、キャパシタがそれぞれのＯＰアンプの出力のところに入れられた。この２増幅器回路は、軸毎に全く同じものを用意する。１０Ｋポテンショメーターにより、２．５Ｖ基準電圧が供給される。

アナログ電圧がスケーリングされ、シフトされた後、それぞれ、ＰｓｏＣ（プログラマブル・システム・オン・チップ）マイクロコントローラによりサンプリングされ、ＰＷＭ出力信号および指令信号に変換される。さらに、ＰｓｏＣは、入力電圧に基づき指令出力を供給する。ＰｓｏＣは、サイプレス・セミコンダクター社（Ｃｙｐｒｅｓｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）により製造されている、８ビット・コントローラであり、ＰｓｏＣ Ｄｅｓｉｇｎｅｒソフトウェア・パッケージを使用して多数の異なる機能を実行するように構成されうるいくつかの汎用デジタルおよびアナログ「ブロック」を備える。これらの機能は、限定はしないが、ＡＤＣ、ＤＡＣ、ＰＷＭ発生器、タイマー、ＵＡＲＴＳ、ＬＣＤドライバー、フィルター、およびプログラム可能増幅器を含む。ＰｓｏＣ Ｄｅｓｉｇｎｅｒは、さらに、それらのオンボード・コンポーネントとインターフェースするためにＣおよびアセンブリ言語からアクセス可能なＡＰＩも備える。本明細書で説明されている実施形態に関して、単一のＡＤＣ、アナログ・マルチプレクサー、および３つのＰＷＭ発生器が使用された。ＰＷＭ出力のデューティ・サイクルは、アナログ入力信号に正比例する。表８は、マイクロコントローラの機能をまとめたものである。

マイクロコントローラ回路の出力は、ＦＡＮ８２００の入力に供給された。これらは、２０ピン表面実装パッケージ内のＨ−Ｂｒｉｄｇｅ Ｄｒｉｖｅｒ回路であった。それぞれのドライバーは、イネーブルおよび指令入力を有していた。この実施形態では、ＰＷＭ信号がイネーブル入力に供給され、マイクロコントローラの指令出力は、モーター・ドライバーの指令入力に供給された。ロボットに搭載されているモーターは、ＰＣＩ／ＤＳＰカードに直接接続されており、信号調節はいっさい必要なかった。すでに説明したように、ＰｓｏＣマイクロコントローラは、３つのアナログ出力をそれぞれサンプリングし、対応するＰＷＭデューティ・サイクルおよび指令出力をそれに応じて更新した。

コードの大半は、ＡＤＣ割り込み処理ルーチン内で実行された。ＩＳＲの流れ図が、図３２に示されている。初期化後、ＰｓｏＣのメイン・プログラムは、エンドレス・ループに入った。ＡＤＣは、周期割り込みを発生するように設定された。データがサンプリングされた後、最後の２つのサンプルが無視されたか調べるためのチェックが実行された。３つの異なる入力信号がサンプリングされるので、ハードウェアの制限上、有効な値を取得する前に、２つのサンプルをスキップする必要があった。最後の２つのサンプルがスキップされた場合、適切なＰＷＭパルス幅レジスタおよび指令ビットがセットされた。次に、アナログ・マルチプレクサーの入力が、次の軸入力に切り替えられた。次いで、このサイクルは、次の割り込みが発生すると繰り返された。

システム内の他のソフトウェア要素は、ロボットを試験するために使用されるＰＣプログラムであった。これは、ＰＣＩ／ＤＳＰにコマンドを送信するためにＭｏｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇライブラリーを使用するコンソールベースのＷｉｎｄｏｗｓプログラムであった。このプログラムは、それぞれの軸を個別に移動するか、またはＤＳＰの協調モーション機能を使用して３つの軸をすべて同時に移動することができ、これにより、ユーザーは、軸毎に、エンコーダー・カウント単位で所望の位置を入力することができる。次いで、ＤＳＰカードは、適切なモーション・プロファイルを作成し、それぞれのモーターを正しい位置に移動する。このプログラムは、さらに、分析のためそれぞれのモーターに対するインパルス応答を発生するのに使用された。

システム制御を設計するのに利用可能ないくつかの技術があり、ここでは、３リンク・ロボット・アームの制御設計に現代的制御理論が使用された。典型的な現代制御システムは、プラントおよびフィードフォワードのコントローラを備える。この設計理論は、図３３にブロック図として示されている。現代的制御理論は、制御設計のための効果的な一般に使用されている理論である。

この場合、現代的制御理論は、３つの独立のコントローラを設計するために使用された。３つのコントローラは、アームのマニピュレーションに使用される３つのモーターを制御するために必要であった。これを実行するために、３つの独立のシステムが存在していると仮定した。それぞれのシステムは、ただ１つのモーターが、システム内で制御されており、アクティブであると仮定して、設計された。これは、外乱に対するシステムの反応を測定する方法に基づいて容認できた。

図３４には、外乱を含むシステムのブロック図が示されている。出力Ｃが入力Ｒにどのように応答するかを決定するために、Ｄはゼロに設定される。この方法を使用することで、制御されていないモーターは、外乱に相当すると考えられ、ゼロに設定される。次いで、これにより、コントローラは、単一入力を含む単一出力に基づき設計された。しかし、３つの独立の出力があるため、３つの独立のシステムは、それでも必要である。これらの出力は、軸１、２、および３の、エンコーダー・カウント単位のモーター位置である。

一実施形態では、設計者がプラントを設計するために使用できる方法がいくつかある。使用されるほとんどの方法は、解析的である。この場合、プラントの実験的近似が作成された。これは、システムを近似するうえで効果的で検証可能な方法であった。実験データを収集するために、コンピュータ・プログラムを使用して、電圧インパルスをモーターに送った。プログラムは、同時に、エンコーダーを使用してモーターの位置を記録した。この手順は、モーター毎に１回、別々に３回実行された。次いで、時間（秒数）に対するモーター位置（エンコーダー・カウント単位の）のプロットを作成するために、これらのデータが使用された。これらのデータから得られたプロットは、図３５Ａ、３５Ｂ、および３５Ｃに示されている。これらのプロットでは、軸１は、リンク１に対するモーター、軸２は、リンク２に対するモーター、軸３は、リンク３に対するモーターを表す。

図３５Ａ、３５Ｂ、および３５Ｃのデータを解析することで、インパルス入力に対する時間応答の近似が得られた。経験が、このシステムでは十中八九、零点よりも極のほうが２つ多いと判定するのに役立った。これが正しいかどうかを判定するために、連続時間領域を使用してデジタル・システムの近似が作られた。連続時間領域内のプラントに対するアルゴリズムは、Ｍａｐｌｅ Ｖを使用してＦＯＲＴＲＡＮ用のものが作成された。次いで、このアルゴリズムは、誤差サブルーチンに組み込まれた。最大９個までの変数の値を決定するシンプレックス探索プログラムは、この誤差サブルーチンを使用した。このプログラムは、実験プラントと比較して、近似プラントで生成された誤差平方和をもはや小さくできなくなるまで実行された。

実験プラントの近似を求めるために、プラントの複数の構成が使用された。これは、複素極の使用だけでなく、伝達関数内の極と零点の個数の変更も含んでいた。これらの構成から、プラントＧ（ｓ）は、以下の式に示されている連続時間領域内で伝達関数を使用してモデル化されうると決定された。この式において、極は、０、−ｂ、および−ｃであり、零点は、−αである。

シンプレックス探索プログラムを誤差サブルーチンとともに使用することで、以下のシステム・プラント値が決定された。
軸１に対するシステム：
ａ＝４２７２５１．２
ｂ＝４６５．３２２９
ｃ＝１８．２８４３５
誤差平方和＝１６．３７７９
軸２に対するシステム：
ａ＝２２．２１９７２６＊１０^９
ｂ＝４．１４２６０５＊１０^１６
ｃ＝５６．９３３５
誤差平方和＝２．８６９８６
軸３に対するシステム：
ａ＝２８２２２０．０
ｂ＝４１４．５０２９
ｃ＝２４．２９６６
誤差平方和＝９．７７２４
すべてのモーターは同一なので、これらは、ロボット上の異なる位置に配置されているとしても、類似のシステム極および零点を有しているべきである。これは、軸１および３に対するシステムについては真であることが示された。しかし、軸２に対するシステムは、他の２つのシステムにあまり適合していなかった。これは、データがよくないせいであると思われた。軸２のモーターに対するインパルスが大きければ大きいほど、より現実的なデータを得るのに役立つと言えた。

連続時間領域におけるシステムがデジタル・システムから取り出されたデータをどれだけよく反映しているかを調べるために、誤差サブルーチンがもう一度使用された。このときに、誤差サブルーチンは、サブルーチンとしてではなくプログラムとしてコンパイルされた。ａ、ｂ、およびｃに対する上記の値を誤差プログラムに代入することにより、連続当てはめが実際のデジタル・データに写像された。これらの結果は、もう一度、時間（秒数）に対するモーター位置（エンコーダー・カウント単位の）としてプロットされた。これらのプロットは、図３６Ａ、３６Ｂ、および３６Ｃに示されている。これらの図のそれぞれに示されているように、作成された近似は、実際のデータのよい当てはめとなっていた。

ロボット上のモーター位置を制御するために、ＰＩＤコントローラが使用された。ＰＩＤコントローラを使用する場合、図３１Ａおよび３１Ｂからのコントローラは、式

の形をとる。

ただし、Ｋ_ｐは、比例定数であり、Ｋ_Ｄは、微分定数であり、Ｋ_１は、積分定数である。ＰＩＤコントローラでは、システムは、タイプ２のシステムになる。これは、ステップおよびランプ入力への応答の誤差がゼロであることを意味する。しかし、放物線入力への応答の誤差は、１／Ｋ_ａである。ただし、Ｋａは、加速度定数であり、

と定義される。

入力を定義することができるので、放物線入力は、使用されない。
Ｋ_ｐ、Ｋ_Ｄ、およびＫ_１に対する値の計算は、Ｚｉｅｇｌｅｒ−Ｎｉｃｈｏｌｓチューニング法とともにＲｏｕｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓを使用して実行された。Ｒｏｕｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓでは、システム伝達関数の特性方程式を使用する。しかし、この場合は、Ｄ（ｓ）＝Ｋ_ｐだけである。上で定義されたようなＧ（ｓ）を使用する、利得のみを持つこのシステムの伝達関数は、式

で示されている。

Ｒｏｕｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓは、Ｄ（ｓ）＝１に対するシステムが安定している場合にのみ使用できる。これは、Ｄ（ｓ）＝１のときのシステムの特性方程式が安定した根を持つ場合に真である。安定したシステム極、または特性方程式の根は、負の実数値を持つ根であるか、または原点に位置する。以下の式は、Ｄ（ｓ）＝１のときのシステムの特性方程式である。

ＣＥ＝ｓ（ｓ＋ｂ）（ｓ＋ｃ）＋（ｓ＋α）
ＣＥの以下の極または根は、以下のとおりである。
軸１に対するシステム：
−４６７．３５６３９８０，
−８．１２５４２５９８９−２９．１２３２６５１６＊Ｉ，
−８．１２５４２５９８９＋２９．１２３２６５１６＊Ｉ
軸２に対するシステム：
−４１４２６０５０００ｅ１７，
−５６．９３３５００００，
−１８１１５１４７８６ｅ−１２
軸３に対するシステム：
−４１７．１０８０１２４，
−１０．８４５７４３７９−３０．１１１２５５９３＊Ｉ，
−１０．８４５７４３７９＋３０．１１１２５５９３Ｉ
すべての極は、負の実部を持つので、制御されないシステムは、安定しており、Ｒｏｕｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓを使用できる。

特性方程式、または式の分母を使用し、上でＴＦについて解き、

Ｍａｐｌｅ Ｖを使用して、項（ｂ_１＊ｓ）をゼロに設定し、次いで、Ｋ_ｐ＝Ｋ_{ｐ（ｍａｘ）}について解く。結果は、以下のとおりである。
軸１に対するシステム：
Ｋ_{ｐ（ｍａｘ）}＝９．６４１２９３８９４
軸２に対するシステム：
Ｋ_{ｐ（ｍａｘ）}＝．４４０９８８０６０６＊１０^１８
軸３に対するシステム：
Ｋ_{ｐ（ｍａｘ）}＝１５．６８２９２９３６
これらの結果は、すべてＭａｐｌｅ Ｖを使用して得られた。

Ｒｏｕｔｈ ＡｎａｌｙｓｉｓとともにＺｉｅｇｌｅｒ−Ｎｉｃｈｏｌｓチューニング法を使用するために、システム周期も必要だった。システム周期は、ｓ＝ｊω、Ｋ_ｐ＝Ｋ_{ｐ（ｍａｘ）}と設定し、式
α_１（ｊω）^２＋α_３＝０
をω（システム周波数、ｒａｄ／ｓ）について解くことにより求められた。
次いで、
ω＝２πｆ
である。
そこで、システム周期（秒）は、

となった。

その結果得られるシステム周期は以下のとおりであった。
軸１に対するシステム：
Ｔ＝０．０６８０７９５９４９９秒
軸２に対するシステム：
Ｔ＝０．４０８７４６０１４１＊１０^−８秒
軸３に対するシステム：
Ｔ＝０．０６２５６７０９７３４秒
Ｋ_ｐ、Ｋ_１、およびＫ_Ｄに対するＺｉｅｇｌｅｒ−Ｎｉｃｈｏｌｓチューニング法の式を使用することで、上で定義されたコントローラＤ（ｓ）が設計された。ＰＩＤ制御に対するＺｉｅｇｌｅｒ−Ｎｉｃｈｏｌｓチューニング法の式は、
Ｋ_ｐ＝０．６Ｋ_{ｐ（ｍａｘ）}

として示される。

Ｋ_ｐ、Ｋ_１、およびＫ_Ｄに対する結果の値は以下のとおりである。
軸１に対するシステム：
Ｋ_ｐ＝５．７８４７７６３３６
Ｋ_Ｄ＝０．０４９２２８１５３７６
Ｋ_１＝１６９．９
軸２に対するシステム：
Ｋ_ｐ＝０．２６４５９２８３６４ｅ１６
Ｋ_Ｄ＝１３５１８９０．８４０
Ｋ_１＝０．１２９４６５６４７３ｅ２５
軸３に対するシステム：
Ｋ_ｐ＝９．４０８
Ｋ_Ｄ＝０．０７３５７８９０６４８
Ｋ_１＝３００．７３３１４５６
すべてのシステムに対するＰＩＤ制御のある結果として得られるシステムは、図３７に示されているが、ただし、Ｇ（ｓ）、Ｋ_ｐ、Ｋ_Ｄ、およびＫ_１は、定義済みの定数および関数であり、Ｃは、エンコーダー・カウント単位で示されるモーター位置であり、Ｒは、エンコーダー・カウント単位で示される入力位置である。

これらのＰＩＤ値が妥当な値であるかどうかを判定する方法の１つは、開ループ伝達関数Ｄ（ｓ）＊Ｇ（ｓ）の根軌跡プロットを作成することであった。システムの安定性も、この根軌跡プロットから見つけることができた。つまり、根軌跡に対する特性方程式の極または根は、負の実平面内に置かれているべきである。図３８Ａおよび３８Ｂに示されている、これらのプロットは、Ｍａｐｌｅ Ｖプログラムを使用して作成される。軸２に対する根軌跡は示されていないことに留意されたい。ＰＩＤ制御値を決定する前の結果を調べると、軸２に対するデータは、予想どおり軸１および３に対するデータに追随しないことが明らかであった。

図３９Ａおよび３９Ｂに示されているように、軸１および３に対する両方のシステムは、軸２に対するシステムと同様に、安定していた。図３８Ａおよび３８Ｂを見ると、システムの完全な最適化を行うと、３つの極の位置が揃えられることがわかる。すべてのシステムは安定しているので、システムへの単位入力に対する時間応答を分析した。もう一度、図３９Ａ、３９Ｂ、および３９Ｃに示されている応答を決定するために、Ｍａｐｌｅ Ｖプログラムが使用された。図３９Ａ、３９Ｂ、および３９Ｃにおいて、横軸に時間（秒）をとり、縦軸にエンコーダー・カウント単位のモーター位置をとる。

図３９Ａ、３９Ｂ、および３９Ｃに示されているすべての応答は、安定応答であった。しかし、それぞれの場合において、６６パーセントを超えるオーバーシュートがあり、そのようなオーバーシュートは、ロボット・アームの制御には望ましくない。進み遅れ補償器を使用することにより、オーバーシュートは大幅に低減された。

進みまたは進み遅れ補償器を使用してシステムの位相マージンを調節することは、システムのオーバーシュート率を一般的に低減する１技術である。位相マージンは、負の横軸とシステムのナイキスト図上の点との間の角度であり、大きさは１である。大半の場合において、オーバーシュート率を低減するのに約６０度の位相マージンが最適である。

ナイキスト・プロット・プログラムを使用することで、以下のデータが得られた。
軸１に対するシステム：
位相マージン＝１８０−１６２．９６３３＝１７．８４度
ω_ｃ＝７１．９９９ｒａｄ／ｓ
Ｇ（ｊω）＝１．０００７〜１．０
Φ_{（ａｄｄｅｄ）}＝６０−１７．８４＝４２．９６度
遅れ補償器による位相損失を補償するために：
Φ_{（ａｄｄｅｄ）}＝４５．０度
軸３に対するシステム：
位相マージン＝１８０−１６１．９０５１２＝１８．０９５度
ω_ｃ＝７１．９９９ｒａｄ／ｓ
Ｇ（ｊω）＝１．０００７〜１．０
Φ_{（ａｄｄｅｄ）}＝６０−１８．０９５＝４１．９０５度
遅れ補償器による位相損失を補償するために：
Φ_{（ａｄｄｅｄ）}＝４８．０度
注意すべき点がいくつかある。もう一度、軸２に対するデータの結果、軸１および３のみに対する補償器設計が得られた。また、ω_ｃは所望の周波数に変更できる。Ｇ（ｊω）およびΦ_{（ａｄｄｅｄ）}は、その後、選択されたω_ｃにおける位相と大きさに応じて変わる。しかし、位相マージンは、同じままである。

進み遅れ補償器を定義するために、それぞれ、式

が使用された。

軸１および３に対するシステムの式１１および１２の結果として得られる補償器は、以下のとおりであった。
軸１に対する補償器：

軸３に対する補償器：

遅れおよび進み補償器は、図４０に示されているように設計に組み込まれる。

極に比べて原点の近い零点はオーバーシュートを生じるので、進み補償器が、フィードバック内に置かれた。これは、フィードフォワード内に置いた場合、零点は原点と根軌跡プロット内の極との間に置かれるからである。この同じ理由から、遅れ補償器は、フィードフォワード内に置かれた。

システムに対するこれらの補償器の効果を分析した。第１に、ナイキスト・プロット・プログラムがもう一度使用された。これは、補償器が位相マージンに対しどのような効果を持つかを調べるために実行された。最後に、単位ステップ入力に対するシステムの応答のプロットが、Ｍａｐｌｅ Ｖプログラム１を使用して作成された。

ナイキスト・プロット・プログラムから結果として得られたデータ：
軸１に対するシステム：
位相マージン＝１８０−１２３．８８＝５６．１２度＠ω＝７３．１９９ｒａｄ／ｓ
軸３に対するシステム：
位相マージン＝１８０−１２０．２３８＝５９．７６度＠ω＝７９．５９９ｒａｄ／ｓ
これは、位相の所望の６０度に合わせて位相マージンを調節する補償器設計が成功したことの証明となっていた。図４１Ａおよび４１Ｂに示されているのは、補償器の追加後の軸１および３に対するシステムの応答である。これらのプロットは、Ｍａｐｌｅ Ｖプログラムを使用して作成された。ここでもまた、横軸に時間（秒）をとり、縦軸にエンコーダー・カウント単位のモーター位置をとる。

図４１Ａおよび４１Ｂに示されているように、これらの補償器は、オーバーシュート率を大幅に低減した。このオーバーシュート率は、単に４パーセント程度に低減されたに過ぎないが、数字としては６６パーセントを超える大きな改善となっている。

連続的時間領域においてコントローラ設計が完了した後、離散時間領域に変換することができた。これは、デジタル・システムを制御するために必要である。しかし、補償器およびコントローラを離散時間領域に変換するだけでよかった。これがなされると、制御アルゴリズムがコンピュータ・プログラムに導入された。

補償器およびコントローラを離散時間領域またはｚ領域に変換するために、Ｔｕｓｔｉｎ法が使用された。Ｔｕｓｔｉｎ法は、線形システムにのみ適しており、式

で示されている関係を導入する。ただし、Ｔは、コントローラのサンプリング周期を表す。この式をコントローラ、進み補償器、および遅れ補償器に代入すると、式

が得られる。

この実施形態の最後のシステム・ブロック図は、図４２に示されている。
図４２において、Ｇ（ｓ）のゼロ次ホールドからＧ（ｚ）が得られる。Ｇ（ｓ）からＧ（ｚ）への変換は、ＴＦ（ｚ）＝Ｃ（ｚ）／Ｒ（ｚ）のモデルが作成された場合にのみ実行される。

設計されたコンポーネントが組み立てられた後、この実施例で使用されるマニピュレーターの制御性と正確さを検証するために試験が実施された。カメラに取り付けられている、マニピュレーターの先端は、図４３に示されている三角形の辺上の４点を通って移動すると想定され、位置１は、始点および終点であり、距離１、２は３９ｍｍ、距離２、３は２４ｍｍ、距離３、４は６７ｍｍ、距離４、５は２９ｍｍである。

先端の移動の正確さを試験するために、仮定されたモーター回転角度が制御プログラムに入力された。これらの入力角度は、三角形の辺にそった移動の先端を制御した。表９は、４つの異なる点について、モーター回転角度をエンコーダー・カウント単位で示している。エンコーダー・カウントと度の比は、２８．９であった。

次のステップは、ヤコビアンを使用して次のようにエンコーダー・カウントをｘｙｚ座標に変換することであった。

Ｌ_１＝８３ｍｍ、Ｌ_２＝Ｌ_３＝５９．５ｍｍ、およびｔ_１、ｔ_２、ｔ_３は、軸１、２、および３のエンコーダー・カウント単位のモーター角度を表す。

以下の表１０に示されているのは、４つの異なる点に対するｘ、ｙ、およびｚ座標の結果である。

次いで、式

を使用して、４点の間の距離が計算された。

実際のエンコーダーの読み取り値は、マニピュレーター先端の移動を示すことがわかった。以下の表１１に示されているのは、４点の間の距離である。図４４は、マニピュレーターの移動は、時間に関して直線的である、つまり、先端の速度は一定であることを示している。

測定された変位と計算された変位との間の差は、両者の間に大きな誤差のあることを示している。これは、リンク長Ｌ_１、Ｌ_２、およびＬ_３の測定における複数の誤差源のせいであり、またエンコーダー・カウントと度数との推定される比によるものであった。機械的誤差の発生源は、歯車噛み合いにおけるバックラッシュである。

方法と材料
現在の研究の目標は、モバイル・ロボットを、食道裂孔を通して腹腔内に導入することが可能であることを実証することである。

この研究では、食道胃十二指腸内視鏡（ＥＧＤ）制御の下で経胃探索を行うことができる、図４５に示されているモバイル・ロボット装置を使用した。このロボットは、直径１２ｍｍ、長さ３５ｍｍであった。らせん状のホイール・プロファイルであるため、組織を傷つけることなく機動性に十分な牽引力がもたらされる。２つの独立のモーターで、ホイールを制御しており、これにより、前進、後退、および回転の機能が実現された。ロボットのテールは、ホイールが回転しているときにロボット本体の逆回転を防いだ。ロボットの全長は７５ｍｍであった。ロボットは、ブタの外科手術時の動力用に繋留された。

動物モデルとして麻酔されたブタが使用された。手術の３６時間前に、２７．２２ｋｇ（６０ポンド）のブタにゲータレードと水を与えた。標準の上部内視鏡を用いて殺菌済みオーバーチューブをブタの胃の中に送り込んだ。胃は、抗生物質溶液で洗浄された。

ロボットが、オーバーチューブを通して胃腔内に挿入された。ロボットは、図４６に示されているように胃腔内を探索し、次いで、経胃切開部を通して腹腔内に挿入された。胃切開は、図４７に示されているように内視鏡針尖刀を使用して実行された。切開部は、直径１２ｍｍのロボットが通過できるだけの十分な大きさであった。ロボットが腹腔に入った後、内視鏡を送り込み、腹部環境を探索しつつモバイル・ロボットを観察した。図４８および４９に示されているように腹腔内の探索の後、ロボットは、胃腔内に引き込まれた。経胃切開の内視鏡的閉鎖術は、図５０に示されているように、２つの内視鏡用クリップと１つの内視鏡用ループを使用して成功した。次いで、ロボットは、図５１に示されているように、食道を通して引き戻された。

結果
胃腔内に挿入した後、モバイル・ロボットは、ＥＧＤ制御の下で（内視鏡からの視覚フィードバックを使用して）胃腔内全体にわたって操縦に成功した（図４６を参照のこと）。ロボットのサイズは、その運動を妨げることはなく、ホイール設計は、胃腔全体を横断するのに十分な牽引力をもたらすものであった。胃探査の後、小型ロボットを腹腔内に配備し、遠隔制御により操縦し、外科手術チームはロボットを制御して、胃腔内の清掃に成功した。

モバイル・ロボットは、肝臓（図４８を参照）および小腸（図４９を参照）を含む、腹腔全体を横断することができた。この探査は、内視鏡により監視された。
腹腔を探査するのに成功した後、モバイル・ロボットは、胃腔内に引き込まれた。胃切開部の閉鎖は、内視鏡用クリップおよび１つの内視鏡用ループを使用して正常に行えた。小型ロボットの取り出しは、内視鏡用スネアを使用して難なく実行できた。

皮膚切開せずに腹部外科手術を実行できるため、患者の外傷が軽減されうる。しかし、ＥＧＤビデオ・フィードバックのみを使用してこれらの手術を実行すること、および腹腔内に十分な機能を持つツールを導入することには困難が伴う。経胃的ロボット補助手段を腹腔内に入れる方法は、これらの問題を一部解決するのに役立ちうる。ロボットは、内視鏡挿入の長さまたは角度により制約されないので、定義上、さらに大きな自由度を持つ。内視鏡の作業用経路も、外科医が利用できる実装のサイズと種類を制限する。そのため、小型ロボットは、さまざまな外科手術を実行することが可能であり、および／または内視鏡もしくは他の外科装置と併用し、腹膜腔内の視認性を高め、またその機動性を向上させることができた。一実施形態によれば、本発明の管腔内ロボットは、カメラおよびマニピュレーターを備えることができる。これらのロボットは、外科手術を補助することができる。さらに、ロボット群は、食道を通して挿入された後、胃腔および腹腔内で連携して作業することができる。このような技術は、外科手術の柔軟性を高めつつ、患者の外傷を低減するのに役立つ。

本発明の実施例では、腹部探査および胆嚢摘出術の単独の視覚フィードバックを得るためにモバイル・カメラ・ロボットを使用することが有効かどうかを調べた。
方法と材料
本実施例では、図１に示されている装置と似たモバイル・ロボット・カメラ装置が、使用された。装置は、直径２０ｍｍであり、オンボードの焦点調達可能ビデオ・カメラ・システムを組み込んでいた。２つのＤＣモーターは、それぞれのホイールを独立制御しており、これにより、ロボットは前進、後進、および回転の機能を持った。この５０グラム装置は、長さ１００ｍｍで、らせん状のホイール・プロファイル、および安定化用のテールを備えた。このテールは、移動方向を逆にするときにテールを持ち上げて反転することができるようにする設計であった。これにより、装置は、ホイールの位置を変えることなくカメラを１５度傾けることができた。装置は、動力用に繋留された。

装置は、加工されたトロカールを通して、麻酔されたブタ体内に挿入され、次いで、腹腔は、炭酸ガスを送気された。トロカールは、装置の２０ｍｍの直径を収納できるように設計された。代替え実施形態によれば、装置は、標準の１５ｍｍ腹腔鏡的トロカールを使用する。次に、標準トロカールが挿入され、追加のツール・ポートを設けた。標準腹腔鏡を受け入れるように、第３のポートも作成された。モバイル・ロボット装置のカメラ用の照明を設けるために、腹腔鏡が使用されたが、外科医は、手術中、腹腔鏡からの視覚フィードバックを使用しなかった。

結果
図５２に示されているように、追加のトロカール挿入および腹腔鏡ツール配置の計画をたて、観察するのを補助するため、外科チームはこの装置を使用した。装置のカメラからの複数の達成可能な画像を用いることで、外科医は、動物の腹壁内にトロカールを安全にかつ適切に計画、配置することができた。

この装置は、さらに、図５３に示されているように、腹腔を探索するためにも使用された。ホイールによる機動性があるため、外科医は、腹腔内のさまざまな領域を探査することができ、その一方で、外科医は、焦点調節可能カメラを使って、注目する領域の特定の部分に集中することができた。これらの映像による手掛かりを使用することで、外科医は、腹部環境を安全に、効果的にナビゲートできた。腹腔内で操縦できるため、標準腹腔鏡では利用できない基準および視点の追加のフレームがもたらされた。

最後に、図５４に示されているように、外科医が利用できる視覚フィードバックのみを返す装置で、胆嚢摘出術が実施された（つまり、外科医は腹腔鏡からのビデオを見なかった）。装置がホイールの位置を変えることなく焦点調節可能カメラを１５度傾けることができるという事実は、肝臓を引き込めながらきわめて有用であることが実証された。カメラ・システムの焦点調節可能機能により、外科医は深さを適切に把握することができた。

議論
このように実験が成功したことで、生体内カメラ・システムを視覚フィードバックの単独の供給源として使用することによりふつうの腹腔鏡手術を実施することが可能であることが実証された。これは、カメラ・ポートを必要なくし、代わりに、ツール・ポートの１つを通して、この実施例で使用される装置などのモバイル生体内カメラ・ロボットを挿入することにより患者の外傷を低減することが可能である。

この実施例は、モバイル・ロボット装置の診査バイオプシー・ツール設計である。装置は、ブタ組織の生検を行うのに十分な締め付けおよび牽引力を発生すべきである。
生検時に使用される締め付けおよび牽引力を調べるために、実験的生検が実施された。食道胃十二指腸内視鏡検査（ＥＧＤ）および大腸内視鏡検査のときに行われる組織標本採取に通常使用される生検鉗子装置は、組織生検時に切断力を測定するように修正された。図５５Ａに略図が示されているこれらの鉗子５６０は、近位端上にハンドル／レバー・システムを備える遠位端上の把持器５６２から成り立っていた。ハンドル５６４の片側に弾性チューブ５６６が貼り付けられ、他端は、生検把持器５６２の支点５６８に取り付けられた。把持器５６２を作動させるために、チューブ５６６内でプラスチック（テフロン（登録商標））で包まれたワイヤー５７０が使用された。このワイヤー５７０は、ハンドル・レバー５６４の自由端に貼り付けられ、また把持器レバー・アーム５７２の端部に他端のところで貼り付けられた。ハンドル・レバー５６４を作動させると、ワイヤー５７０が、チューブ５６６に関して平行移動し、生検把持器５６２を作動させた。鉗子の先端には、標本採取時に組織を貫通する小さなスパイク５７４を備えた。

図５５Ａに示されている鉗子の直径（ｈ）は２．４ｍｍであった。ｃ、ｇ、およびｆの寸法は、それぞれ、２．１ｍｍ、２．０ｍｍ、および６．７ｍｍであった。鉗子がほぼ閉じたときに把持器の先端に生じる力は、鉗子の幾何学的設計に応じて異なっていた。

１０Ｎのケーブル力に対して、先端の力は、この設計ではａを２．９ｍｍ、ｂを１．７ｍｍ、ｄを０．６５ｍｍとして約１．４Ｎであった。生検時に組織と接触する鉗子の最大面積は、０．３７５６ｍｍ^２であった。

力が均等に分配されると仮定すると、加圧は約３．７５ＭＰａであった。しかし、小さな「バイト」を取ることにより、接触面積が低減され、圧力は劇的に高められ、必要な力が減少した。

通常の生検装置は、図５５Ｂに示されているように、締め付け力を間接的に測定するためにロード・セル５８２を含むように修正された。このツールに加えられた修正は、ワイヤー５８６が図５５Ｂに示されているように作動されたときに引張力を測定するようにワイヤー５８６と直列にロード・セル５８２を置くためにチューブ５８４およびワイヤー５８６を切断することを含んでいた。チューブの２つの自由端を接続しシステムの構造を保持するようにプラスチック・ケース５８８が製作されたが、ただし、ワイヤー５８６は、ロード・セル５８２の自由端に貼り付けられた。この設計を使用することで、ケーブルの力が測定された。上記のモデルを使い、ブタ・モデルを使用して生体内組織の集まりを標本採取しながら把持器の先端の力が推定された。

ケーブル力の測定は、麻酔されたブタの肝臓、網、小腸、および腹壁の標本採取をしながら行われた。肝生検に対する代表的な結果は、図５６Ａおよび５５Ｃに示されている。１試験において、図５６Ａに示されている結果により、初期に生じた負のオフセットは、生検前に把持器の顎を押し開くケーブル内のわずかな圧縮のせいであった。３つの標本についてブタ肝臓を生検するための平均最大測定力は、１２．０±０．４Ｎであった。他の試験では、図５６Ｃに示されている結果により、３つの標本についてブタ肝臓を生検するための平均最大測定力は、９．０±０．３Ｎであった。これらの結果は、ブタ肝臓を切断する十分な力に関して公表されている他の結果（例えば、非特許文献５参照）による大きさと一致している。

一般に、生検鉗子は、組織を完全には切断しない。その場合、鉗子は軽く引っ張られて、標本を解放する。この抽出力は、さらに、生検ロボットにおいて発生する必要がある。標本を解放する十分な牽引力を発生するロボット設計となるように、抽出力の大きさが決定される必要がある。

実験室試験治具を組み立てて、ウシ肝臓の生検標本を解放するのに必要な力を測定した。生検鉗子で標本を締め付けた後、引張力を記録しながら、装置のハンドルに取り付けられているロード・セルを軽く引っ張って標本を解放した。図５６Ｂに示されている代表的な結果から、生検鉗子を使用してウシ肝組織を抽出するには約０．６Ｎの力が必要であることがわかる。

示されているように、組織の完全な切断は、めったに達成されず、標本を採取するのに標本の一部を裂く必要がある。生検標本を採取するために、本発明の実施例の生体内ロボット実施形態は、標本を引っ張って解放するのに十分な牽引力を発生すべきである。図９Ａおよび９Ｂに示されている装置に類似の生検ロボットは、生体内で試験され、切除されたウシ肝臓を使って牽引力が測定された。生検把持器（ロボットのテール）が、静止しているロード・セルに取り付けられた。図５７に示されている結果が得られた第１の試験では、ロボット速度をゆっくり上げて、牽引力を記録した。１１秒程度で、最大牽引力に達した後、ロボットのホイールの動作が停止された。結果から、ロボットは、約０．９Ｎの牽引力を発生することができたことがわかった。この力の量は、図５６Ｂに示されているように、実験室での測定による０．６Ｎの目標値よりも５０％大きい。したがって、この牽引力は、標本抽出に十分である。

図５８に示されている結果が得られた第２の試験では、最初にロボット速度をゆっくり上げ、次いで下げて、牽引力を記録した。ホイール・モーターに印加されるパルス幅変調電圧信号は、最初の２０秒間に、０％から１００％まで直線的に上昇し、次いで、次の２０秒間に、０％に戻った。この試験は、５回実施された。暗色の線は、５つの試験すべての平均である。この試験の結果から、試験されたロボットは、約０．６５Ｎの牽引力を発生することができることがわかった。この力の量は、実験室での測定による０．６Ｎの目標値よりもおおよそ１０％大きい。

図５９に示されているように、生検把持器およびこの実施例で説明されている実施形態のカメラを駆動する作動機構も開発された。送りネジ６０２がスライダー６０８に通された。次いで、送りナット６０４を、把持器６１０閉鎖点で、発生力が非常に大きくなる（つまり、０°で、０°に近づく）機構の特異点にリンケージ６０６が近づくように十分遠くまで平行移動させることができた。スライダー６０８は、中空に近い円筒であり、送りナット６０４およびリンケージ６０６は、リンケージがその特異点に近いところにあるときにスライダー６０８の内側にある。把持器ワイヤー６１２は、カメラのレンズまたはイメージ・センサーのいずれかのようにスライダー６０８に取り付けられる。これにより、カメラは生体内環境において必要な焦点調節機能を備えることになる。

リンケージ６０６は送りナット６０４の垂直方向運動をスライダー６０８の水平方向平行移動に変換するので、直流モーター６００は送りネジ６０２を垂直方向に駆動する。これは、把持器がほぼ閉じられた時点で大きな機械的利点をもたらす効果を有する。

力の測定は、この実施例の生検ロボット実施形態を使用して発生させることが可能な最大量の力を決定するために実験室で行われた。これらの試験の代表的結果は、図６０に示されている。３つの標本について発生する平均の最大の力は、９．６±０．１Ｎであった。この力は、本明細書で説明されているように１生体内試験において測定された１２Ｎに比べて約１６％小さく、本明細書で説明されているように第２の生体内試験において測定された９Ｎに比べて約７％大きかった。しかし、１２Ｎは、単に、加えられた力を表しているに過ぎない。これは、組織を生検するのに必要な最小の力を表さない。理論の制限を受けることなく、外科医は、生検を実行し、力を大きくし続けて、単に標本を「圧搾」したに過ぎないことが、ありえそうである。外科医は、最小の力ではなく十分な力であることが知られている力を加えた。必要な力は、さらに、単により小さな生検標本を採取することで大きく低減することができた。接触面積を１６％だけ縮小すると、同じ負荷応力が生じる。

本明細書で説明されている実施形態による生体内移動性試験から、本発明の実施形態のホイール設計は腹部環境内で操縦する十分な牽引力を発生し、これによりロボットが腹部器官（肝臓、脾臓、小腸、および大腸）のすべてを横断するだけでなく、その高さの２倍から３倍の高さまで器官を登ることができることがわかった。これらの試験は、目に見える組織の損傷を引き起こすことなく実施された。これらの試験の１つにおいて記録されたビデオを使用して、ロボットが横断する経路を再構成したが、その一部が図６１に示されている。示されている移動の長さは、約０．５ｍであるが、補助なしで試験時に移動した全距離は、約１ｍであった。

腹部環境を探査した後、この実施例で説明されている生検機構を使用して、動物の肝臓から肝組織の３つの標本を採取した。好適な標本採取部位を見つけるために、ロボット・カメラが使用された。生検把持器を開き、生検鉗子のスパイクを標本採取部位に刺し通した。次いで、把持器を作動させた。これにより、組織標本のほぼすべてが切り離された。次いで、ロボットは、標本採取部位からゆっくり遠ざけられ、これにより組織標本を引き離す。次いで、この組織標本は、導入切開を通してロボット抽出した後取り出された。これは、一実施形態により、１ポート生検が成功したこと、また生体内ロボットによる組織マニピュレーションに成功したことを実証している。

２つの薬物貯蔵容器を組み込んだ実験室２成分薬物送達システムが、図６２に示されている。薬物成分を液体形態で保持するために、標準注射器を改造して作られた流体貯蔵容器が使用される。固体貯蔵容器は、第２の薬物成分を粉末形態で貯蔵する。プランジャーに力が加えられると、固体成分を保持する貯蔵容器内を液体成分が流れる。次いで、混合工程が完了した室内に、部分的混合された溶液が流れ込む。次いで、活性化成分が、送達ノズルを通り標的部位へと流れる。

このシステムが薬物の液体成分と固体成分とを適切に混合することができることが、一連のベンチトップ実験で評価された。液体薬物成分と固体薬物成分は、一般に入手可能な材料（例えば、コーンスターチ、染色食塩水など）を使用してシミュレートされた。混合効率の視覚的計量の１つは、画像処理ソフトウェアを使用して混合物のＲＧＢ色成分を測定することにより決定されるような混合物の色の一様さである。代表的な結果は、図６３に示されている。左および右の画像は、それぞれ混合前の固体成分および液体成分に対するＲＧＢ値を示す。中央の画像は、結果の混合物を示している。混合物の２つの代表的領域に対するＲＧＢ色値の類似度は、２つの成分の一様な混合を示す。

このような種類の薬物送達ツールに組み込むことが可能な作動機構により加えられうる力を測定するために、ベンチトップ試験も実施された。機構の１種類では、モーター軸上に取り付けられている送りネジとともに永久磁石直流モーター（マイクロモ（ＭｉｃｒｏＭｏ）、２００５）を使用することが可能であった。送りネジの回転は、流体貯蔵容器プランジャーに取り付けられている送りナットを出入りさせ、２つの薬物成分を分注する。この概念は、プランジャー１８６を移動するモーター１８４により生み出される外力を測定するためのロード・セル１８２を備える、図１２に例示されている試験治具１８０で実現された。力の測定は、この種類のアクチュエータ設計を使用して発生させることが可能な最大の力を決定するために実験室で行われた。これらの試験からの代表的な結果は、発生した平均の最大の力は、約１０．０Ｎであることを示している。

ナーゲルシュミット（Ｎａｇｅｌｓｃｈｍｉｄｔ）（１９９９年）は、長さ２７ｃｍ、直径１ｍｍのカテーテルを通して、フィブリンをベースとする止血剤を混合し、分注するのに必要な最大の力は、５Ｎ未満であることを発見した。これらの結果は、上記の作動機構が、２成分のフィブリンをベースとする止血剤を送達するのに十分な力を発生することを強く示唆している。

この実施例は、一実施形態によるロボット・カメラ装置と標準腹腔鏡カメラとの画質の定量的比較を示すものとなっている。変調伝達関数（ＭＴＦ）、色再現、および画像歪みの調査を含む、生体内ロボットと標準腹腔鏡の両方の画像解析結果が提示されている。次いで、立体３次元再構成が生体外実験で解析される。最後に、動物モデルにおける胆嚢摘出術の際の生体内立体撮像ロボットの使用が実証される。これらの結果は、これらの生体内装置が、標準腹腔鏡と遜色のない、腹腔鏡検査法に十分な腹腔鏡検査手順の視覚化を行えることを示唆している。

この実施例で試験される装置が、図６４Ａに示されている。この装置は、生体内操作環境の３次元画像を手術者に見せるための立体表示ディスプレイとともに使用することができる立体カメラ・ペアを有する。

単一カメラの比較
この調査では、撮像装置は、マイクロン社（Ｍｉｃｒｏｎ）のカラー・デジタルＣＭＯＳイメージ・センサーであった。さらに、使用された腹腔鏡は、すべてカール・シュトルツ有限合資会社（Ｋａｒｌ Ｓｔｏｒｚ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧ）［ドイツ、ツットリンゲン（Ｔｕｔｔｌｉｎｇｅｎ）所在］によって製造されているＴｒｉｃａｍ（商標）ＳＬ ＮＴＳＣ制御ユニットおよびキセノン１７５光源を備える装置である。

視覚的計量は、多くの場合、多数の一般に入手可能なデジタル撮像装置の画質の差を定量化するために使用される。このような計量の１つは、光学系とデジタル撮像システムの両方に対する計量として使用される確立されている変調伝達関数（ＭＴＦ）である。この伝達関数は、所定の撮像システムが周波数領域測定を使用して表示できる細部の量を測定するものである。この計量は、通常、１ｍｍ当たりの線対数（ｌｐ／ｍｍ）または１ピクセル当たりのサイクル数（ｃ／ｐ）などの空間周波数の単位で表される。ＭＴＦ試験に使用される視覚目標は、１９６ｍｍ×１２０ｍｍ（７．７５インチ×４．７５インチ）を測定する、Ｋｏｄａｋ写真用紙に印刷されたＩＳＯ１２２３３解像度チャートである。

色精度は、もう１つの重要な画質計量である。色精度を測定する方法の１つは、Ｍａｃｂｅｔｈカラー・チャートを使用するものである。このチャートは、２４のゾーン、１８色、および６階調グレースケールを有する。色誤差測定に使用される目標チャートは、Ｍｉｎｉ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒ（商標）である。ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒ（商標）は、８２ｍｍ×５７ｍｍ（３．２５インチ×２．２５インチ）を測定する標準Ｍａｃｂｅｔｈ（商標）カラー・チャートである。

生体内撮像ロボットの性能を定量化し、比較するために、これらの両方の計量とともに歪みの標準尺度が使用される。歪み試験のため、Ｉｍａｔｅｓｔ（商標）アプリケーションから正方形のグリッドが生成され、レーザー・プリンターを使って印刷された。Ｉｍａｔｅｓｔ（商標）は、さまざまな種類の撮像システムを評価するために使用できるソフトウェア・パッケージである。

同じ実験装置で、すべての撮像試験（ＭＴＦ、色誤差、歪み）が実施された。この実験装置では、撮像目標を撮像装置（生体内カメラおよび腹腔鏡）に関して固定された距離および向きに保持する。距離および向きは、外科手術用途（胆嚢摘出術）に合うように選択された。周辺光のない外科手術用のマネキンの内側で実験が実施された。それぞれの撮像装置は、それ専用のそれぞれの光源−腹腔鏡用の外部キセノン光ファイバー光源およびロボット・カメラ用の２個の１０キャンドル形白色ＬＥＤ−を使用した。両方のシステムからのビデオ出力は、アナログＮＴＳＣ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）コンポジットである。ラップトップＰＣに接続された、Ｓｅｎｓｏｒａｙ Ｍｏｄｅｌ ２２５０ ＵＳＢ ２．０フレーム・グラバーを使用して、ビデオのフレームをキャプチャし、後から解析した。

ＭＴＦ試験
変調伝達関数（ＭＴＦ）は、撮像システムの画質評価を実行するため広く使用されている計量である。ＭＴＦは、撮像システムの空間分解能の１尺度である。ＭＴＦは、画質の評価のためＩＳＯ１２２３３解像度チャートとともに使用された。このチャートは、生体内カメラおよび腹腔鏡の両方を使って撮像された。チャートは、１５０ｍｍの距離のところにあるイメージ・センサーと平行に置かれた。複数の静止画像がキャプチャされ、解析された。変調伝達関数は、

として定義され、ただし、Ｍ_１およびＭ_０は、それぞれ、画像の変調および対象の変調である。変調は、

で定義され、ただし、Ｙ_ｍａｘは、輝度の最大値であり、Ｙ_ｍｉｎは、輝度の最小値である。すべての空間周波数にわたるＭＴＦのプロットが、システムのＭＴＦを定義する。ＭＴＦは、システムのインパルス応答のフーリエ変換を計算することにより求められる。インパルス応答は、エッジ応答の微分である、狭線に対する応答である。

これらのＭＴＦ曲線は、図６４Ｂでプロットされている。ここで、ＭＴＦ値が高ければ高いほど、性能が優れていることを示す。図６４Ａに示されているように、腹腔鏡は、ほとんどの周波数において比べるわずかによい応答を示す。

色精度
２つのシステムの色精度は、Ｍａｃｂｅｔｈ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒ（商標）を使用して測定された。ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒ（商標）は、一様な照明下に置かれ、複数の静止画像がキャプチャされ、複数の静止画像上で結果が平均された。次いで、Ｉｍａｔｅｓｔ（商標）アプリケーションにより、試験画像がＣＩＥＬＡＢ色空間に変換された。ＣＩＥＬＡＢ空間は、人間の色知覚に基づく。これは、３次元空間であり、Ｌ＊は明度、（ａ＊，ｂ＊）は色情報を示す。ＣＩＥＬＡＢ空間は、色差の指定を、直線的な方法で行えるようにレイアウトされた。Ｉｍａｔｅｓｔプログラムは、目標チャート内のカラー・パッチ毎に、それぞれの試験画像色値を知られている色値と比較する。この差の式は、

で与えられる。

これらの色差のプロットは、図６４Ｃ（生体内カメラ）および６４Ｄ（腹腔鏡）に示されている。これらのプロットは、理想色値および実際の色値を示し、ＣＩＥＬＡＢ色空間内にプロットされる。平均およびＲＭＳ色誤差も示されている。これらの結果は、表１２にまとめられている。カラー・ゾーン数についてプロットされた、それぞれのシステムに対する色誤差が、図６４Ｅに示されている。表１２および図６４Ｅに取りあげられているデータは、ロボット・カメラ装置が、腹腔鏡に比べて著しく小さい色誤差を有していたことを示している。

歪み
歪みは、直線を湾曲しているように見せる効果である。半径方向成分と接線方向成分の組合せである、レンズの歪みをモデル化するために、無限級数を使用することができる。しかし、通常は、半径方向の歪みのみを考慮すればよく、１つの項でモデル化できる。これは、

のようにモデル化されうる。この式は、無歪み半径ｒ_ｕと歪み半径ｒ_ｄの関係式となっている。歪みのこの１項モデルは、パラメータｋ_１の符号に応じて、樽形歪みまたは糸巻き歪みと呼ばれる。これらの試験に関して、ｋ_１の値が低ければ低いほど、カメラ・システムの歪みは小さい。

腹腔鏡および生体内カメラに対するレンズの歪みの例が、図６４Ｆ（腹腔鏡）および図６４Ｇ（ロボット・カメラ装置）に示されている。使用される試験目標は、正方形のグリッド・パターンである。画像から明らかなように、腹腔鏡は、著しい半径方向歪みを有する。ロボット・カメラ装置は、歪みが非常に小さい。これらの数値結果は、このことを定量的に確認するものとなっており、また表１３に示されている。

単一カメラの比較の説明
ＭＴＦ試験では、腹腔鏡は、生体内システムに比べてよい結果を出した。これは、たぶん、生体内システム内の低品質の光学系の制限により引き起こされているが、それというのも、システムのＭＴＦが、システムのそれぞれのコンポーネント（レンズ、撮像装置など）に対するＭＴＦの積となるように定義されているからである。これらの装置の設計では、生体内システムの物理的サイズが小さいことを考慮して、空間に関して光学系の品質を犠牲にしなければならない。腹腔鏡システムは、光学系が生体内に配置されず、代わりに光ファイバーが腹腔鏡先端から高精度の光学計測器まで伸びているため、比較的高品質の光学系を持つことができる。しかし、このことは、腹腔鏡が、生体内ロボット装置よりも優れていることを意味しない。空間分解能の差は、２つのシステムの主観的差を引き起こすほどには大きくない場合がある。ここで説明されている生体内ロボットは、歪み試験において従来の腹腔鏡を凌ぐ。腹腔鏡の歪みが大きいと、手術時の定量的面積測定が困難になる。生体内ロボットは、こうした問題に患わされない。

生体外立体画像解析
立体表示ディスプレイにより、奥行きを知覚することができるため、腹腔鏡外科手術ではきわめて有益である。図６４Ａに示されているロボット・カメラ装置は、上記のマイクロン社（Ｍｉｃｒｏｎ（商標））製イメージ・センサーの２つを含む。この節では、立体撮像性能を定量化するベンチトップ実験室研究の結果を説明する。

生体外立体撮像実験装置が、図６４Ｈに示されている。目標は、公知の、正確な寸法の複数の円筒形および球形を持つ機械加工されたアルミニウム製ベースである。このロボット・カメラ装置は、図６４Ａに示されているのと同じ装置である。

これらのカメラの幾何学的形状は、図６４Ｉに詳細に示されている。この公知の幾何学的形状を使用して、両方のカメラの視野内にある対象の３次元空間座標を決定することができる。図６４Ｉは、θ_ｆの視野を持つカメラで見えるｏｂｊというラベルが付けられている点対象の幾何学的形状を示している。カメラは、Ｎ個のピクセルを有し、これらのピクセルはそれぞれ、カメラから点対象と同じ距離ｙ_ｏｂｊのところで水平行ｉ＝１．．．Ｎ内に射影されうる。点対象は、ピクセルｉ＝ｎで示されている。ここで、ピクセルｉ＝１およびｉ＝Ｎは、その距離のところで見える最も広い点群（−ｘ_ｍａｘとｘ_ｍａｘのところ）を示している。

ｙ_ｏｂｊにより与えられるｏｂｊのｙ座標（および虚部射影上のすべての点）は、視野角θ_ｆと線分の長さｄにより表すことができる。

同様に、値ｘ_ｍａｘは、

で表される。

対象のｘ座標は、ｘ_ｍａｘと、ｏｂｊの水平ピクセル位置であるピクセルｎを使用して見つけられる。

ｘ_ｏｂｊおよびｙ_ｏｂｊの値を使用して、対象の角度θ_ｏｂｊを見つけることができる。この代入により、未知変数ｄを消去する。

最後に、対象の「勾配」Ｓ_ｏｂｊは、単純に、θｏｂｊのアークタンジェントである。

立体カメラの両方における対象について勾配Ｓ_ｏｂｊが求められたら、対象のｘおよびｙ位置を決定することができる。図６５は、ベースライン（距離）Ｄおよび傾斜角θ_ｔを有する、２つのカメラ構成の幾何学的形状を示している。

対象の距離の値ｘおよびｙに対する座標系は、２つのカメラの間に直接ある１つの点を中心とする。これにより、左と右のカメラのｘ座標が、−Ｄ／２とＤ／２にそれぞれ設定される。直線ｙ＝０は、両方のカメラの像平面である。最後の式を使って、左と右の両方のカメラについて対象の「勾配」Ｓ_ＬおよびＳ_Ｒを求めることができる。Ｉ_ＬおよびＩ_Ｒは、カメラの「勾配」がシステムｙ軸と交差する左および右のｙ切片である。

ｙ＝Ｓ_Ｌｘ＋Ｉ_Ｌ （１０）
ｙ＝Ｓ_Ｒｘ＋Ｉ_Ｒ （１１）
それぞれの式の中でｙ＝０と設定し、それぞれの式の中の知られているｘ座標（−Ｄ／２およびＤ／２）を使用して、Ｉ_ＬおよびＩ_Ｒは、

のように求めることができる。

それぞれの直線の勾配は、（９）から求められる。

（１０）および（１１）においてｘ＝ｘ_ｏｂｊ、ｙ＝ｙ_ｏｂｊと置き、ｘ_ｏｂｊについて解くと、（１５）が得られる。

同様に、ｙ_ｏｂｊについて解くと、（１６）が得られる。

ｙ_ｏｂｊ＝Ｓ_Ｌｘ_ｏｂｊ＋Ｉ_Ｌ＝Ｓ_Ｒｘ_ｏｂｊ＋Ｉ_Ｒ （１６）
カメラが回転される場合、カメラは対象の様子が比較的よく見える生体内撮像ロボット内にあるので、３つの新しい変数θ_ｔ（カメラの回転角）、ΔｘおよびΔｙ（回転によるカメラのシフト）が導入される。ここで、回転角は、両方のカメラについて等しいと仮定される。新しい位置は、

および

が元の勾配を有するベクトルである回転行列を使用して求めることができる。

次いで、回転されたフレーム内の勾配は、（１９）および（２０）に示されているようにそれらの回転された位置から決定されうる。

シフトΔｘおよびΔｙを使用して、（１０）および（１１）から新しい切片が、

のように求められる。

最後に、ｘおよびｙ座標が、新しい勾配と切片を（１５）および（１６）に代入することにより求められる。これらの結果を３次元に拡張するには、ｚ方向の距離が必要になる。垂直勾配は、式

を使用して決定されうる。

ただし、θ_ｆは、垂直視野であり、ｍは、垂直ピクセル位置であり、Ｍは、垂直ピクセルの総数である。この導出は、（５）〜（９）のθ_ｏｂｊの計算と類似している。ｚ成分は、垂直勾配Ｓ_ｖ、および対象までの距離を使用して求められる。

ｘ座標は同じままである（２５）。

ｘ_ｒｅａｌ＝ｘ_ｏｂｊ （２５）
ｙ座標は、垂直角度のコサインによりスケーリングされなければならない（２６）。
ｙ_ｒｅａｌ＝ｙ_ｏｂｊ・ｃｏｓ（ｔａｎ^−１（Ｓ_ｖ）） （２６）
この数学的解析は、オフラインのＭａｔｌａｂプログラムにより以下の節で実施された。記録された画像を使用して、対象の位置が計算され、空間内でプロットされた。生体内カメラ・ロボットからの立体視の正確さを決定するために、知られている寸法の対象を撮影する。

ロボット立体カメラ装置の試験
図６４Ｈの実験装置を使用して、複数の画像対をキャプチャし、上記の計算を使用して解析した。左および右の画像対の例が、図６６Ａおよび６６Ｂに示されている。

画像対の対応する点の対が解析され、プロットされた。画像内の円筒形の形状は、図６７Ａに示されているように深度図で再現されうる。この３次元情報は、外科手術では非常に有益であると思われる。図６７Ｂは、深度図に描かれた点雲から識別される円筒形の中心を示している。このデータを目標の知られている寸法と比較した場合、ｙ方向（深さ）の誤差は１．８ｍｍであり、ｘ方向（横断）の誤差は２．９ｍｍであることがわかる。図６７Ｃは、５つの円筒形対象すべてのｘおよびｙ誤差を示している。これが正確であれば、外科医は正確な深さフィードバックを受け取れるであろう。

ロボット立体カメラ装置によるブタ胆嚢摘出術の実施
ブタ胆嚢摘出術（胆嚢除去）を実施するために、生体内カメラ・ロボットが使用された。外科医は、立体カメラ・ロボットから送られて来るビデオ映像を使用して、手術を実施した。外科医は、立体表示ディスプレイを使用することで、３次元情報を閲覧した。標本画像は、図６８Ａおよび６８Ｂに示されている。これらの表示画像中で組織をマニピュレートする３つの手術道具が見える。

外科医は、立体表示ディスプレイを使用して外科手術をリアルタイムで実施した。それに加えて、いくつかのキャプチャされた画像が後処理され、外科医が利用できる奥行知覚が実証された。図６８ＡおよびＢに示されている画像に対する結果として得られる深度図が図６８Ｃに示されている。３つのツールすべておよび関連する位置は、深度図内ではっきり見える。

胆嚢摘出術のときには、正規の手続きに従って動物の用意がなされた。２つのツール・ポートおよび腹腔鏡用にブタの腹壁に３つの小切開部が形成された。手術を観察するために腹腔鏡が使用されたが、外科医は、生体内立体カメラからの視覚フィードバックを利用した。ロボットの電線テザーを考慮した特殊なトロカールを使用して、生体内立体視ロボットが最初に挿入された。次いで、残りのトロカールが配置され、腹部に二酸化炭素が送気された。次いで、腹腔鏡ツールおよび腹腔鏡が挿入された。次いで、外科の助手が、図６８Ｄに示されているような磁気ホルダーおよび腹腔鏡ツールを使用して生体内ロボットを腹壁の適所まで持ち上げた。助手は、手術全体を通して必要に応じてカメラを適所に保持し、また位置変更した。

次いで、執刀者が、標準腹腔鏡外科手術と同様に立体ビデオ・フィードバックを使用して胆嚢摘出術を開始した。胆嚢摘出術は、標準ツールを使用し、ただし生体内ロボットから送られて来る主ビデオ・フィードバックも用いて、実施された。胆嚢摘出術の後、生体内ロボットは、テザーにより引き寄せられた。

図２３Ａおよび２３Ｂに示されているような装置と類似のロボット装置で生み出されうるトルクを決定するために、ベンチトップ試験が実施された。この試験では、関節に静荷重をかけ、ストール・トルクが測定された。これらの結果は、図６９に示されている。関節トルク出力（縦軸）は、肘角度（横軸）とともに変化する。これらの試験から、有意なトルクが発生しうることがわかる。通常の構成（肘が完全に伸びている状態）では、ロボットは６ｍＮｍの力を発生することができる。トルクは、肘が曲げ伸ばしされると減少する（人間の肘は、まっすぐな状態を超えて伸びることはない）。試験は１０回実施され、最小二乗適合が示された。設計に固有の機械的増幅（つまり、歯車比、枢軸位置など）の変化があると得られるトルクが増大すると考えられる。「十分な」トルクの運動学的詳細は、「実験設計」の項の第Ｄ２節で説明されている。

第２の１組の試験は、一実施形態による、ロボット設計に対する運動学的構成（つまり、関節運動）の調査に関係するものであった。ロボットは、そのエンド・エフェクターで力を加えることにより組織をマニピュレートする。これは、妥当な速度で実行されなければならない。ロボットにより発生されうる終点の力および速度は、ロボット運動学に大きく依存している。２つの可能な制限されることのない構成が、図７０Ａおよび７０Ｂに示されている。第１のもの（図７０Ａ）は、人間の腕に似た、３つの回転関節を有する（肩の２つの大きな回転と肘の１つの回転）。第２のもの（図７０Ｂ）は、２つの回転関節（肩）と、その後の直動（直線的）遠位関節とを有する。

一実施形態による１設計が、図７１に概略として示されており、これは、３つの回転関節を有する。マニピュレーターの運動学的モデルを開発するために、最低でも３つのパラメータが指定されなければならない。第１のパラメータは、ロボットが到達可能な空間の体積としてここでは定義される、「任意姿勢可動領域」のサイズである。目標任意姿勢可動領域内で、ロボットはロボットの前にある５ｃｍの立方体内の組織をマニピュレートすることができる（２．５ｃｍ＜ｘ＜７．５ｃｍ、−２．５＜ｙ＜２．５、−２．５＜ｚ＜２．５）。この任意姿勢可動領域は、多くの腹腔鏡手術に典型的なもので、またロボットの２つの「手」を連携動作させるのに妥当なものである。任意姿勢可動領域のサイズ／形状は、関節の限界および構成に依存し、これらの設計上の決定事項に関係するさまざまなトレードオフが調査される。

必要な２つの追加パラメータは、ロボットがそのエンド・エフェクターを移動することができる公称速度と、エンド・エフェクターにより加えられうる最大終点力である。この実施例では、目標終点力は、任意姿勢可動領域内のすべての点におけるすべての方向（ｘ、ｙ、およびｚ）において３Ｎとなる。この実施例の目標終点速度は、０．５ｃｍ／秒である。これらのパラメータは両方とも、ロボットの任意姿勢可動領域全体を通して変化する。例えば、ロボットは、その「肘」がまっすぐなときにｘ方向により大きな力を加えることができる。これらのパラメータは、ロボットのヤコビアンを使って
δｘ＝Ｊδθ
のように数学的に表すことができる。

ここで、終点速度δｘは、モーターとアクチュエータにより決定される。これらは、関節速度δθとヤコビアン行列Ｊの積である。ヤコビアンは、関節長（ａ_ｉ）および関節構成（α_ｉ）に対する設計パラメータを含む。

提案されている構成については、ヤコビアンは、

で与えられ、ただし、ｓ_ｉ＝ｓｉｎ（θ_ｉ）およびｃ_ｉ＝ｃｏｓ（θ_ｉ）である。この式は、ロボットのそれぞれの関節およびリンクの詳細設計の一部として使用される。

Claims (12)

1. ロボット装置であって、
   （ａ）患者体内に配置されるように構成された装置本体と、
   （ｂ）該装置本体に動作可能なように連結された取付けコンポーネントであって、該取付けコンポーネントは、前記患者の体腔壁を貫通して位置決め可能なピンを含む、前記取付けコンポーネントと、
   （ｃ）該装置本体に動作可能なように連結された接続コンポーネントであって、該接続コンポーネントは、テザーを含む、前記接続コンポーネントと、
   （ｄ）該テザーに動作可能なように連結された外部電源と、
   （ｅ）第１の操作アームであって、
   （ｉ）第１の肩関節を介して該装置本体の第１の端部と動作可能なように連結された第１の内部リンクと、
   （ｉｉ）第１の肘関節を介して前記第１の内部リンクと動作可能なように連結された第１の外部リンクと、
   （ｉｉｉ）前記第１の外部リンクと動作可能なように連結された第１の操作コンポーネントとを含む前記第１の操作アームと、
   （ｆ）第２の操作アームであって、
   （ｉ）第２の肩関節を介して該装置本体の第２の端部と動作可能なように連結された第２の内部リンクと、
   （ｉｉ）第２の肘関節を介して前記第２の内部リンクと動作可能なように連結された第２の外部リンクと、
   （ｉｉｉ）前記第２の外部リンクと動作可能なように連結された第２の操作コンポーネントとを含む前記第２の操作アームと、
   （ｇ）前記第１の操作アーム内に配置された少なくとも１つの第１のアクチュエータであって、該少なくとも１つの第１のアクチュエータは、前記テザー及び前記第１の操作アームに動作可能なように連結され、且つ前記第１の操作アームを動作させるように構成されている、前記少なくとも１つの第１のアクチュエータと、
   （ｈ）前記第２の操作アーム内に配置された少なくとも１つの第２のアクチュエータであって、該少なくとも１つの第２のアクチュエータは、前記テザー及び前記第２の操作アームに動作可能なように連結され、且つ前記第２の操作アームを動作させるように構成されている、前記少なくとも１つの第２のアクチュエータと、
   （ｉ）前記装置本体に動作可能なように連結された少なくとも１つの撮像コンポーネントであって、前記第１及び第２の操作アームの動作中にユーザが前記少なくとも１つの撮像コンポーネントを介して前記第１及び第２の操作アームを見ることができるように、該少なくとも１つの撮像コンポーネントは、前記第１及び第２の操作アーム間に位置付けられる、前記少なくとも１つの撮像コンポーネントとを備えるロボット装置。
2. 前記少なくとも１つの撮像コンポーネントは、前記少なくとも１つの撮像コンポーネントが公知の長い硬質の２つの腹腔鏡ツール間の切開を介して位置付けられた場合に公知の腹腔鏡により提供される視野と実質的に同一の視野を提供するように位置付けられる、請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記第１及び第２の操作アーム及び前記少なくとも１つの撮像コンポーネントは、公知である第１及び第２の長い硬質の腹腔鏡ツール及び公知である腹腔鏡の相対的構成を実質的に近似するように位置決めされ、
   前記相対的構成は、前記公知である第１及び第２の長い硬質の腹腔鏡ツール間の切開を貫通して位置付けされた前記公知である腹腔鏡を含む、請求項１に記載のロボット装置。
4. 前記第１及び第２の操作アームの各々は、少なくとも４自由度を有して、公知である長い硬質の腹腔鏡ツールを再現する、請求項１に記載のロボット装置。
5. 前記テザーと動作可能なように連結された外部コントローラを備え、
   前記外部コントローラは、
   前記テザーを介して前記少なくとも１つの撮像コンポーネントに動作可能に連結された撮像ディスプレイコンポーネントであって、該撮像ディスプレイコンポーネントは、少なくとも１つの撮像コンポーネントにより取得された画像を表示するように構成される、前記撮像ディスプレイコンポーネントと、
   前記テザーを介して前記第１及び第２の操作アームのうちの少なくとも１つに動作可能なように連結された少なくとも１つのジョイスティックであって、該少なくとも１つのジョイスティックは、前記第１及び第２の操作アームのうちの少なくとも１つを制御するように構成される、前記少なくとも１つのジョイスティックとを含む、請求項１に記載のロボット装置。
6. 前記第１及び第２の操作アームの各々は、少なくとも３自由度を有する、請求項１に記載のロボット装置。
7. 前記第１および第２の操作コンポーネントは、外科用メス、バイオプシー・ツール、焼灼器、鉗子、解剖器、結紮器、ステープラー、および超音波プローブからなる群からそれぞれ選択される、請求項１に記載のロボット装置。
8. ロボット装置であって、
   （ａ）患者体内に配置されるように構成された装置本体であって、該装置本体は、前記装置本体の第１の端部に配置されるか又は隣接して配置される第１の肩関節と、前記装置本体の第２の端部に配置されるか又は隣接して配置される第２の肩関節とを含む、前記装置本体と、
   （ｂ）該装置本体に動作可能なように連結されたピンであって、該ピンは、前記患者の体腔壁を貫通して位置決め可能である、前記ピンと、
   （ｃ）該装置本体に動作可能なように連結されたテザーと、
   （ｄ）該テザーに動作可能なように連結された外部電源と、
   （ｄ）第１の操作アームであって、
   （ｉ）前記第１の肩関節と動作可能なように連結された第１の内部リンクと、
   （ｉｉ）第１の肘関節を介して前記第１の内部リンクと動作可能なように連結された第１の外部リンクと、
   （ｉｉ）前記第１の外部リンクと動作可能なように連結された第１の操作コンポーネントとを含む前記第１の操作アームと、
   （ｆ）第２の操作アームであって、
   （ｉ）前記第２の肩関節を介して動作可能なように連結された第２の内部リンクと、
   （ｉｉ）第２の肘関節を介して前記第２の内部リンクと動作可能なように連結された第２の外部リンクと、
   （ｉｉｉ）前記第２の外部リンクと動作可能なように連結された第２の操作コンポーネントとを含む前記第２の操作アームと、
   （ｇ）前記第１の操作アーム内に配置された少なくとも１つの第１のアクチュエータであって、該少なくとも１つの第１のアクチュエータは、前記テザー及び前記第１の操作アームに動作可能なように連結され、且つ前記第１の操作アームを動作させるように構成されている、前記少なくとも１つの第１のアクチュエータと、
   （ｈ）前記第２の操作アーム内に配置された少なくとも１つの第２のアクチュエータであって、該少なくとも１つの第２のアクチュエータは、前記テザー及び前記第２の操作アームに動作可能なように連結され、且つ前記第２の操作アームを動作させるように構成されている、前記少なくとも１つの第２のアクチュエータと、
   （ｉ）前記装置本体に動作可能なように連結された少なくとも１つの撮像コンポーネントであって、前記第１及び第２の操作アームおよび前記少なくとも１つの撮像コンポーネントが、公知である第１及び第２の長い硬質の腹腔鏡ツール及び公知である腹腔鏡の相対的構成を実質的に近似するように位置決めされるように、該少なくとも１つの撮像コンポーネントは、前記第１及び第２の操作アーム間に位置付けられる、前記少なくとも１つの撮像コンポーネントとを備えるロボット装置。
9. 前記第１及び第２の操作アームの各々は、少なくとも３自由度を有する、請求項８に記載のロボット装置。
10. 前記第１及び第２の操作アームの各々は、少なくとも４自由度を有する、請求項８に記載のロボット装置。
11. 前記テザーと動作可能なように連結された外部コントローラを備え、
    前記外部コントローラは、
    前記テザーを介して前記少なくとも１つの撮像コンポーネントに動作可能に接続された撮像ディスプレイコンポーネントであって、該撮像ディスプレイコンポーネントは、少なくとも１つの撮像コンポーネントにより取得された画像を表示するように構成されている、前記撮像ディスプレイコンポーネントと、
    前記テザーを介して前記第１及び第２の操作アームのうちの少なくとも１つに動作可能なように連結された少なくとも１つのジョイスティックであって、該少なくとも１つのジョイスティックは、前記第１及び第２の操作アームのうちの少なくとも１つを制御するように構成されている、前記少なくとも１つのジョイスティックとを含む、請求項８に記載のロボット装置。
12. 前記第１および第２の操作コンポーネントは、外科用メス、バイオプシー・ツール、焼灼器、鉗子、解剖器、結紮器、ステープラー、および超音波プローブからなる群からそれぞれ選択される、請求項８に記載のロボット装置。

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