JP5542288B2 - 手術器具のための受動的事前負荷およびキャプスタン駆動 - Google Patents

Description

ロボット制御型器具（本明細書で使用する際に、用語「ロボット」または「ロボット式」およびその同等語は、遠隔操作側面または遠隔ロボット側面を含む）は、周知であり、しばしば低侵襲医療処置において使用される。図１は、いくつかの現在のロボット制御型医療器具の基礎的な動作原理を図示するために簡略化される構造を有する器具１００の例を示す。器具１００は、シャフト１２０の遠位端にツールまたはエンドエフェクタ１１０を含む。シャフト１２０の近位端は、場合によってバックエンド機構１３０と呼ばれる伝達または駆動機構１３０に取り付けられる。医療処置中、エンドエフェクタ１１０およびシャフト１２０の遠位端を、小切開または患者の自然開口部を通して挿入し、患者における作業部位にエンドエフェクタ１１０を位置付けることができる。図示するようなエンドエフェクタ１１０は、クランプ、把持、切断、または他の目的のために作業部位で使用され得るジョー１１２および１１４を含む。他の種類のエンドエフェクタ、例えば、外科用メス、ワイヤループ、および焼灼器具が、既知であり、代替としてシャフト１２０の遠位端上に装着してもよい。通常、手術器具は、エンドエフェクタ１１０をシャフト１２０の遠位端に位置付ける、配向する、および使用するために追加の動作自由度を提供するように、リスト機構（図示せず）をさらに含み得る。

撚り線、ロッド、管、または類似の構造であり得るテンドン１２１および１２２は、バックエンド機構１３０からシャフト１２０を通って延出し、エンドエフェクタ１１０に取り付けられる。また、典型的な手術器具は、バックエンド機構１３０を、エンドエフェクタ１１０またはリスト機構の他の構造部材に連結する追加のテンドン（図示せず）も含み、バックエンド機構１３０が、作業部位において所望の処置を実行する際に、テンドンを操作して、エンドエフェクタ１１０および／またはリスト機構を動作させることができるようになる。図１は、ピン継手構造でジョー１１２に取り付けられるテンドン１２１および１２２を図示し、この場合、ジョー１１２は、旋回ピン１１６を中心に回転するように装着される。ジョー１１２の時計回りおよび半時計回りの両方の回転を可能にするために、テンドン１２１は、テンドン１２１の引張によって、図１の図において時計回りにジョー１１２が回転する傾向にあるトルクが引き起こされるように、旋回ピン１１６を中心にモーメントアームでジョーに作用する。同様に、テンドン１２２は、テンドン１２２の引張によって、図１の図において反時計回りにジョー１１２が回転する傾向にあるトルクが引き起こされるように、モーメントアームで作用する。したがって、ジョー１１２には、一方のテンドン１２１または１２２の長さを引張り、同時に、他方のテンドン１２２または１２１の同一の長さを解放することによって双方向作動が提供される。一方のテンドン１２１もしくは１２２の長さを引張り、かつ他方のテンドン１２２もしくは１２１の同等および反対の長さを解放することによって、遠位継手の双方向作動を提供するピン継手以外の機構が、既知であるか、または考察され得る。例えば、Ｃｏｏｐｅｒらによる、名称が「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌ Ｈａｖｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ Ｐｏｓｉｔｉｏｎａｂｌｅ Ｔｅｎｄｏｎ−Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｄｉｓｋ Ｗｒｉｓｔ Ｓｕｐｐｏｒｔ」である特許文献１（２００２年６月２８日出願）と、Ｗａｌｌａｃｅらによる、名称が「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌｓ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｔｅｌｅｓｕｒｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」である特許文献２（１９９９年９月１７日出願）とであって、その両方が参照により本明細書に組み込まれる米国特許は、作動が１つ以上のテンドンの引張とともに、１つ以上の他のテンドンの長さの解放を必要とする、いくつかの既知の医療器具構造について説明している。

テンドン１２１および１２２における緩みは、例えば、テンドン１２１および１２２が、器具１００を通してテンドン１２１および１２２を経路付けるガイドまたはプーリー（図示せず）からの脱線を可能にすることによって、誤動作を引き起こす可能性がある。また、緩みは、器具の激しい揺れまたは予測不可能な動作も引き起こす可能性もある。ジョー１１２の移動時にテンドン１２１または１２２における緩みを生成することを回避するために、バックエンド機構１３０は、一方のテンドン１２１または１２２の長さを解放するとともに、同時に、他方のテンドン１２２または１２１の同等の長さを巻き取るように動作する。テンドン１２１および１２２は、同一のキャプスタン１３２に取り付けられ得るが、駆動モータ（図示せず）がキャプスタン１３２を回転させる場合に、テンドン１２１および１２２の所望の動きを提供するように反対方向に巻き付けられ得る。例えば、特許の特許文献２および特許文献１に説明されるように、エンドエフェクタが、いくつかのテンドンにより制御されるいくつかの自由度を有する場合、バックエンド機構は、遠位継手の回転時にテンドンにおける緩みを回避するために、テンドンの関連長さを解放および巻き取る機能を実行するように、キャプスタン以外の機構を含むことができる。テンドン１２１および１２２が、２つの別々の構成要素であることができるか、または、参照により本明細書に組み込まれる、Ｍａｄｈａｎｉらによる、名称が「Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｆｏｒ Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｗｉｔｈ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄｅｘｔｅｒｉｔｙ Ａｎｄ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ」である特許文献３（２００５年１０月４日）に開示されるように、テンドン１２１および１２２が、キャプスタン作動器を含む閉ループ構成要素の一部であってもよいことが分かる。

また、緩みを回避することは、特に、押圧および引張、クランプ、把持、または抵抗を受ける他の作用にエンドエフェクア１１０を使用し得る場合に、テンドン１２１および１２２に事前に張力を負荷することを必要とし得る。具体的には、バックエンド機構１３０は、張力をテンドン１２２に印加して、ジョー１１２に、ジョー１１２とジョー１１４との間の材料を引き締めさせることができる。テンドン１２２における張力を増加させることによって、クランプ力が高くなるが、テンドン１２２が伸長する。テンドン１２２の伸長によって、テンドン１２１における対応する量の緩みを引き起こすことを防止するために、テンドン１２１には、テンドン１２１を伸長する張力を事前に負荷することができる。例えば、テンドン１２１および１２２が同一であると仮定すると、テンドン１２１には、テンドン１２２に使用する最大クランプ張力とほぼ同等または同等以上の張力を事前に負荷することができる。結果として、テンドン１２１は、事前に負荷された張力によって伸長し始め、クランプ力を印加すると、テンドン１２２の伸長によって、テンドン１２１における張力が減少し、テンドン１２１は、緩むことなく収縮することが可能になる。

テンドンに事前に負荷された張力によって、バックエンド機構が器具を動作するのに印加しなければならない力が増加し得る。具体的には、張力によって、テンドンがガイドまたは固体表面上に重なり得る場所に摩擦が増加し得る。また、シャフト１２０が、患者の身体の自然管腔に追従するように用いられ得るような可撓性管である場合、事前に負荷された張力によって、テンドン１２１および１２２がシャフト１２０の湾曲表面に接触する場所に摩擦が発生する。上述の全ての場合において、増加した摩擦によって、エンドエフェクタ１１０の動作の正確な制御がすぐに困難になり、外科手術中に、例えば、組織、縫合、および針の不正確な誤動作がもたらされる可能性がある。さらに、医療器具のテンドンに正確な張力を事前に負荷することによって、医療器具の製造過程の複雑性も増加する。したがって、高張力を事前に負荷することを必要とせずに、駆動テンドンにおける緩みを回避することができる医療器具が所望される。

米国特許第６，８１７，９７４号明細書 米国特許第６，３９４，９９８号明細書 米国特許第７，３１６，６８１号明細書

本発明の側面によると、バネベースの機構等の受動的事前負荷システムが、キャプスタンに巻き付けられるテンドンに取り付けられて、受動的事前負荷システムが、テンドンにおける弛緩張力を制御できるようになる。キャプスタンは、器具の構造部材を引張ることにテンドンが必要とされる場合に、モータにより駆動され得る。例えば、クランプ圧力の印加または抵抗に対する構造部材の移動の際に、キャプスタンの摩擦は、受動的事前負荷張力の何倍もの張力をテンドンにおいて生成し得る。しかしながら、部材に力を印加するのにテンドンが必要とされない場合、キャプスタンは、駆動モータによりキャプスタンに印加されたトルクをゼロにするか、または解放することによって、効果的かつ迅速に、自由に回ることが可能になり、受動的事前負荷システムは、テンドン張力を制御し、テンドンの脱線または他の誤動作を防止するのに十分な張力を提供することができる。テンドンがキャプスタンに永久的に取り付けられるのではないことから、キャプスタンが解放される場合に、テンドンが、キャプスタン上を容易に摺動することができることに留意されたい。言い換えると、力は、単に摩擦によって、キャプスタンとテンドンとの間で交換される。弛緩テンドンにおいて減少した張力は、特に、曲げシャフトまたは可撓性シャフトを含む器具において、テンドン摩擦を減少させることができる。受動的事前負荷システムに取り付けられたテンドンを使用する器具の２つの動作モードは、テンドンが巻き付けられるキャプスタンをモータが回転させることによって、テンドンを引張るモードと、キャプスタンが解放され、テンドン張力が受動的事前負荷システムの張力と一致するモードとを含む。システムは、駆動モータにより出力されたトルクを制御することによって、これらの２つの動作モードを迅速に切り替えることができ、したがって、広域幅トルク制御を有する。

本発明の１つの具体的な実施形態は、手術器具である。手術器具は、シャフトと、シャフトの遠位端に装着された部材と、シャフトの近位端に取り付けられた機構と、テンドンとを含む。部材は、リンク、つまりエンドエフェクタのジョー、または結合されたリンク群であることができ、部材は、シャフトに対する部材の動作を可能にするように装着される。機構は、キャプスタンと、バネ系等の受動的事前負荷システムとを含む。キャプスタンは、通常、自由に転がることができ、モータが取り付けられることができ、かつキャプスタンを回転させる結合部を有する。テンドンは、部材に取り付けられた第１の端部を有し、シャフトに延出しし、キャプスタンに巻き付き、テンドンにおける弛緩張力を制御する受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する。

本発明の別の具体的な実施形態は、ロボット手術システムである。ロボット手術システムは、モータと、ドッキングポートによってモータに結合された器具とを含む。また、ロボット手術システムは、モータパックおよびドッキングポートを保持する関節アームも含むことができる。器具は、概して、シャフトと、シャフトの遠位端に装着された部材と、シャフトの近位端に取り付けられたバックエンド機構と、テンドンとを含む。部材は、シャフトに対する部材の動きを可能にするように装着される。バックエンド機構は、キャプスタンおよび受動的事前負荷システムを含む。キャプスタンは、駆動モータがキャプスタンを回転させることができるように、ドッキングポートにおいて駆動モータに結合される。テンドンは、部材に取り付けられた第１の端部を有し、シャフトに延出し、キャプスタンに巻き付き、受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する。

本発明のさらに別の実施形態は、可動部材と、一方の方向の部材の動きのために取り付けられた第１のテンドンと、別の方向の部材の動きのために取り付けられた第２のテンド
ンとを含む手術器具を動作させるための方法である。本方法は、第１のテンドンが巻き付けられる第１のキャプスタンに第１のトルクを印加するステップと、同時に、第２のキャプスタンから延在する第２のテンドンの端部に取り付けられた受動的事前負荷システムが、第２のテンドンにおける張力を制御するように、第２のテンドンが巻き付けられる第２のキャプスタンをモータトルクから解放するステップとを含む。
本発明はまた、以下の項目を提供する。
（項目１）
手術器具であって、
シャフトと、
該シャフトの遠位端に装着された部材であって、該シャフトに対する該部材の動きを可能にするように装着される部材と、
該シャフトの近位端に取り付けられた機構であって、該機構は、第１のキャプスタンおよび第１の受動的事前負荷システムを含み、該第１のキャプスタンは、自由に転がり、モータが取り付けられ、該第１のキャプスタンを回転させる結合部を有する、機構と、
該シャフトに延出し、該第１のキャプスタンに巻き付く第１のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第１の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第１のテンドンと
を備える、手術器具。
（項目２）
上記第１の受動的事前負荷システムは、上記テンドンに力を印加するために圧縮または拡張を介して機能するバネ要素を備える、項目１に記載の器具。
（項目３）
上記バネ要素は、線状バネ、コイルバネ、および板バネから成る群から選択される、項目２に記載の器具。
（項目４）
上記第１の受動的事前負荷システムは、一定力バネを備える、項目１に記載の器具。
（項目５）
上記第１の受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、項目１に記載の器具。
（項目６）
上記第１の受動的事前負荷システムは、上記テンドンに力を印加するための圧縮または拡張を介して機能する弾性部材を備える、項目１に記載の器具。
（項目７）
上記弾性部材は、片持ちビームおよびゴムバンドから成る群から選択される、項目６に記載の器具。
（項目８）
上記部材に対する１つの動作自由度に機械的に拘束される第１の接合部材と、
上記機構における第２の受動的事前負荷システムと、
該機構における第２のキャプスタンであって、該第２のキャプスタンは、自由に転がり、第２のモータが取り付けられ、かつ該第２のキャプスタンを回転させることができる結合部を有する、該第２のキャプスタンと、
上記シャフトに延出し、かつ該第２のキャプスタンに巻き付く第２のテンドンであって、該第２のテンドンは、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第２の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有し、該第１および第２のテンドンは、反対方向に動きを生成するように該部材に作用する、第２のテンドンと
をさらに備える、項目１に記載の器具。
（項目９）
上記部材は、該部材に対する２つの動作自由度に機械的に拘束され、上記器具は、
第２のキャプスタンと、
第２の受動的事前負荷システムと、
上記シャフトに延出し、かつ該第２のキャプスタンに巻き付く第２のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第２の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第２のテンドンと、
第３のキャプスタンと、
第３の受動的事前負荷システムと、
該シャフトに延出し、かつ上記第３のキャプスタンに巻き付く第３のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第３の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第３のテンドンと
をさらに備えており、
該第１および第２のテンドンは、該部材の第１の自由度において双方向の動きを生成するように該部材に作用し、該第１および第３のテンドンは、該部材の第２の自由度において双方向の動きを生成するように該部材に作用する、項目１に記載の器具。
（項目１０）
上記シャフトは可撓性である、項目１に記載の器具。
（項目１１）
上記機構に取り付けられ、かつ上記シャフトを通って延在するシースをさらに備え、上記第１のテンドンは、該シースの内部で該シャフトを横断する、項目１に記載の器具。
（項目１２）
上記第１のキャプスタンの回転軸は、上記シャフトに垂直である、項目１に記載の器具。
（項目１３）
上記第１のキャプスタンの回転軸は、上記シャフトに平行である、項目１に記載の器具。
（項目１４）
上記第１のキャプスタンの上記結合部は、モータピニオンにおけるスロットに適合するような形状を有するバネ負荷型突起部を含む取り外し可能な連結機構を備える、項目１に記載の器具。
（項目１５）
上記第１のキャプスタンの上記結合部は、上記ボアに挿入されたモータピニオンへの摩擦連結を提供するようなサイズを有するボアを備え、該第１のキャプスタンは、十分に可撓性であるので、該キャプスタンの周りの該第１のテンドンの締め付けは、該キャプスタンと該ピニオンとの間の摩擦を増加させる、項目１に記載の器具。
（項目１６）
ロボット手術システムであって、
第１の駆動モータを含むドッキングポートと、
第１の器具と
を備えており、該第１の器具は、
シャフトと、
該シャフトの遠位端に装着された部材であって、該シャフトに対する該部材の動きを可能にするように装着される、部材と、
該シャフトの近位端に取り付けられた機構であって、該機構は、第１のキャプスタンおよび第１の受動的事前負荷システムを含み、該第１のキャプスタンは、該第１の駆動モータが取り付けられ、かつ該第１のキャプスタンを回転させることが可能である結合部を有する、機構と、
該シャフトに延出し、かつ該第１のキャプスタンに巻き付く第１のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第１の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第１のテンドンと
を含む、ロボット手術システム。
（項目１７）
上記ドッキングポートは、第２の駆動モータをさらに備え、
上記第１の器具は、
上記部材の第１の動作自由度を可能にする継手と、
上記機構における第２の受動的事前負荷システムと、
該機構における第２のキャプスタンであって、該第２の駆動モータが取り付けられ、かつ上記第１のキャプスタンを回転させることが可能である結合部を有する、第２のキャプスタンと、
上記シャフトに延出し、かつ該第２のキャプスタンに巻き付く第２のテンドンであって、該第２のテンドンは、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第２の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有し、上記第１のテンドンおよび該第２のテンドンは、該部材の該第１の動作自由度において反対方向に該部材を移動させるように作用する、第２のテンドンと
をさらに備える、項目１６に記載のシステム。
（項目１８）
上記第１の器具を動作するためのプロセスを実装するプログラムを実行するコンピュータシステムをさらに備え、該プロセスは、上記第１のテンドンを引張るために、上記第１のキャプスタンにトルクを印加するために上記第１の駆動モータを動作するとともに、同時に、上記第２のキャプスタンが自由に回転することを可能にすることを含む、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
上記第１の器具は、上記部材の位置を測定するセンサをさらに備え、上記コンピュータシステムは、該部材を移動させるときに、上記第１および第２の駆動モータの制御のためのフィードバックとして、該センサからの情報を使用する、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
上記コンピュータシステムは、上記センサからの上記情報を使用して、上記第１の駆動モータが上記第１のキャプスタンに印加する上記トルクを選択する、項目１９に記載のシステム。
（項目２１）
接合部材と、該接合部材の動作自由度に沿う１つの方向に該接合部材を移動させるように取り付けられた第１のテンドンと、該接合部材の該動作自由度に沿う反対方向に上記接合部材を移動させるように取り付けられた第２のテンドンとを含む医療器具を動作するための方法であって、該方法は、
該第１のテンドンが巻き付けられる第１のキャプスタンに第１のトルクを印加することと、
同時に、上記第２のキャプスタンから延在する該第２のテンドンの端部に取り付けられた受動的事前負荷システムが、該第２のテンドンにおける張力を制御するために、該第２のテンドンが巻き付けられる該第２のキャプスタンを解放することと
を含む、方法。
（項目２２）
上記第２のキャプスタンに第２のトルクを印加することと、
該第２のトルクを印加することと同時に、上記第１のキャプスタンから延在する上記第１のテンドンの端部に取り付けられた受動的事前負荷システムが、該第１のテンドンの張力を制御するように、該第１のキャプスタンを解放することと
をさらに含む、項目２１に記載のプロセス。
（項目２３）
上記第１のキャプスタンに上記第１のトルクを印加するステップは、上記第１のキャプスタンを回転させるように機械的に結合されるモータを動作させるステップを含む、項目２１に記載のプロセス。
（項目２４）
上記接合部材の位置を検知することと、
該接合部材の検知された位置と該接合部材の所望の位置との間の差異に従って、該第１のトルクを選択することと
をさらに含む、項目２１に記載のプロセス。

図１は、従来のロボット制御型医療器具の簡略型バージョンを示す。 図２Ａおよび２Ｂは、バネおよびキャプスタン摩擦を使用して、器具において最小テンドン張力を維持する、本発明のある実施形態に従う医療器具を示す。 図３Ａは、駆動モータをキャプスタンに結合する本発明のある実施形態に従うシステムを示す。図３Ｂは、複数のテンドンのためのキャプスタンがモータパックに係合する、本発明のある実施形態に従うシステムを示す。 図４は、３つのキャプスタンを使用して、２つの垂直軸を中心とする回転に対応する２つの自由度を有する器具のリストまたは継手を制御する、本発明のある実施形態を概略的に図示する拡大図である。 図５Ａおよび５Ｂは、一定力バネ系を用いて、弛緩テンドンにおいて一定のテンドン張力を維持する、本発明の実施形態を図示する。 図５Ａおよび５Ｂは、一定力バネ系を用いて、弛緩テンドンにおいて一定のテンドン張力を維持する、本発明の実施形態を図示する。 図６は、可撓性シャフトの遠位端にエフェクタを有する本発明のある実施形態に従う医療器具を示す。 図７Ａおよび７Ｂは、器具のシャフトに平行なシャフトを含む駆動モータを使用する、本発明のある実施形態に従う医療器具の側面図および斜視図を示す。 図８は、本発明の実施形態に従う医療器具を、医療処置の実行のために装着することができる、ロボット制御型システムを示す。

異なる図面において同一の参照記号を使用することによって、類似または同一のものが標示される。

本発明のある側面によると、手術器具は、自由に回転可能であるキャプスタンにテンドンを巻き付け、テンドンの端部を、バネ系等の受動的事前負荷システムに取り付けることによって、テンドンの緩みを回避し、弛緩駆動テンドンにおいて比較的低い張力を維持することができる。手術器具を操作する場合、テンドンとキャプスタンとの間の摩擦によって、キャプスタンを回転させる駆動モータは、テンドンの長さを巻き取ることが可能になり、キャプスタンの摩擦は、キャプスタンにテンドンを巻き付ける全角度に指数関数的に依存する最大張力をテンドンに印加することができる。ゆえに、受動的事前負荷システムからの力、例えば、バネからのバネ力と、弛緩テンドンにおける張力とを、比較的低く維持することができとともに、依然として器具のクランプまたは抵抗に対する他の動きに必要な高張力を生成することができる。キャプスタン上のモータトルクがゼロになる場合、キャプスタンは自由に回転することができ、受動的事前負荷システムは、テンドンを引張り、テンドンの緩みを防止することができる。低弛緩張力によって、器具の操作に必要な力が減少し、医療器具において特に問題になり得る、湾曲または可撓性シャフトとのテンドンの摩擦が減少し得る。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明のある実施形態に従う手術器具２００の上面図および側面図をそれぞれ示す。器具２００は、シャフト２２０の遠位端にエンドエフェクタ２１０を含み、シャフト２２０は、バックエンド機構２３０に連結される。図示する実施形態におけるエンドエフェクタ２１０は、ジョー２１２および２１４を含み、その両方ともは、ジョー２１２および２１４の相対的な動きを可能にするように装着される。ジョー２１２および２１４は、エフェクタ２１０が意図する特定の手順のために選択された形状を有することができる。例えば、ジョーは、任意の所望の種類の鉗子として機能するような形状を有することができるか、またはエフェクタ２１０がハサミとして作用することを可能にする刃を含んでもよい。ジョー２１２および２１４の材料および構造は、概して、器具２００の特定の使用のために選択可能であり、多くの適切なエフェクタ構造が、既知であるか、または開発され得る。

ジョー２１２は、第１の対のテンドン２２１および２２２に連結され、ジョー２１４は、第２の対のテンドン２２３および２２４に連結される。各対のテンドン２２１および２２２または２２３および２２４は、例えば、接着剤によって、またはジョー２１２もしくは２１４における切り欠きに存在する圧着部によって、ジョー２１２または２１４に取り付けられる点を有する連続的なテンドンの一部分であってもよい。典型的な実施形態では、追加のテンドン（図示せず）は、エンドエフェクタ２１０を位置付けおよび配向するための動きに追加の自由度を提供するリスト機構または継手（図示せず）に、器具２００において連結され得る。

テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４は、バックエンド機構２３０によって引張られる場合に、力およびトルクをジョー２１２および２１４に印加し、そのタスクに適切な任意の構造を有することができる。例えば、テンドンは、金属、ポリマー、または他の材料から作製される撚り線、ワイヤ、ロッド、または管であることができる。例示的実施形態では、テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４は、管に融合される撚り線の部分を含み、撚り線は、テンドンの有意な曲げまたは屈曲が期待される場所で使用され、管は、テンドンの伸長を減少させるように他の場所で使用される。シャフト２２０が可撓性である場合に特に有用である別の実施形態では、テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４は、織布ポリマー材料から作製されることができ、個々のシース（図示せず）の内部で延出する。

図２Ａおよび図２Ｂは、ジョー２１２および２１４の相対的な動作が、旋回ピン２１６を中心とするジョー２１２および２１４の独立した回転に対応する旋回継手構造にテンドン２２１、２２２、２２３、および２２４が取り付けられる例示的実施形態を図示する。この継手構造は、ほんの一例であり、テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４に印加された張力に応答して手術器具の部材を移動させるための他の機構が既知であり、本発明の代替実施形態に用いられてもよい。例えば、平面、円筒形、または球形の回転継手が、エンドエフェクタ２１０におけるジョー２１２および２１４に、類似の動作自由を提供してもよく、または角柱線形継手またはスライドをエンドエフェクタ２１０に用いて、線形双方向の動作自由度を提供してもよい。

シャフト２２０は、中空管であり、そこを通って、テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４が延出する。シャフト２２０は、剛性または可撓性であってもよい。例えば、器具２００が、医療処置中に直線状のカニューレを通って挿入されるように意図する場合、シャフト２２０は、剛性のステンレス鋼の管であり得るが、器具２００が、自然管腔の可変経路に追従するように意図する場合、シャフト１２０は、可撓性である必要があり得る。典型的な構成では、シャフト２２０は、いくつかの既存のカニューレとの使用のために約５ｍｍまたは８ｍｍの直径を有してもよく、約数十センチメートルの長さを有してもよい。シャフト２２０が可撓性である場合、テンドンは、ボーデンケーブル配置（すなわち、自転車のケーブル等）でシースの内部に延出することができる。本明細書において使用する際に、用語の「可撓性」は、連続的に可撓性である構成要素（その長さに沿った各点において曲がるゴム管等）と、リンクが連続的に可撓性であるユニットの動きに近似することを可能にする制約された一連の短い離散的なリンク（一連の「蛇状」椎骨等）とを含む。

バックエンド機構２３０は、シャフト２２０の近位端に取り付けられ、駆動モータ（例えば、図２Ｂの駆動モータ２４２および２４４）の回転を、エンドエフェクタ２１０の動きに変換する伝達として作用する。具体的には、バックエンド機構２３０は、テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４を操作してエンドエフェクタ２１０を動作させ、加えて、シャフト２２０を回転または移動させて、エンドエフェクタ２１０の配向または位置を変更することが可能であり得る。図示する実施形態では、バックエンド機構２３０は、テンドン２２１、２２２、２２３、または２２４毎に、１つのキャプスタン２３１、２３２、２３３、または２３４を含む。本発明のある側面によると、各テンドン２２１、２２２、２２３、または２２４は、設定された巻き付き角度（全回転未満であり得るか、または１つ以上の回転と同等の大きさであり得る角度）で、対応するキャプスタン２３１、２３２、２３３、または２３４に巻き付き、キャプスタン２３１、２３２、２３３、または２３４から延在する端部を有する。テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４は、キャプスタン２３１、２３２、２３３、および２３４に永久的に取り付けられる必要はなく、キャプスタン２３１、２３２、２３３、および２３４に対して滑ることが可能であり得る。

テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４の端部は、受動的事前負荷システムに取り付けられ、受動的事前負荷システムは、本明細書において、バックエンド機構２３０のケースまたはシャーシに固定可能である線形コイルバネ２３５、２３６、２３７、および２３８として実装される。バネ２３５、２３６、２３７、および２３８は、付勢、例えば、伸長されて、バネ２３５、２３６、２３７、および２３８が、手術器具２００の動作範囲において、それぞれの取り付けられたテンドン２２１、２２２、２２３、および２２４に非ゼロ力を印加するようになる。本構成では、キャプスタン２３１、２３２、２３３、および２３４が自由に回転する場合、対応するバネ２３５、２３６、２３７、または２３８は、関連付けられたテンドン２３１、２３２、２３３、または２３４における張力を制御し、テンドン２３１、２３２、２３３、または２３４の必要な長さを引張ることによって緩みを回避する。テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４は、手術器具２００の動作に使用される最大張力よりも高い、事前に負荷された張力を必要としない。

各受動的事前負荷システムは、より概して、テンドンの自由端に力を印加するとともに、テンドン端部を変位可能にすることができる任意の構造またはシステムであることができる。事前負荷システムは、システムが、制御またはフィードバックシステムに応答する必要がないという点において受動的である。このようなシステムは、図２Ａおよび図２Ｂに図示するような線形コイルバネを使用することができるか、または回転コイルバネ、板バネ、または曲げビーム、片持ちビーム、もしくはゴムバンド等の弾性部材等の、他のバネ要素を使用することができる。さらに、バネ要素または弾性部材は、取り付けられたテンドンの端部に直接的または間接的に力を印加するように、拡張または圧縮によって機能することができる。重しまたは磁石を使用するシステム等の、所望の力を印加するための他の方法を、代替として用いてもよい。力の源に加えて、受動的事前負荷システムは、取り付けられたテンドンに印加された力の大きさを指向または制御する機械的要素を含んでもよい。

エンドエフェクタ２１０は、人の入力（例えば、マスター／スレーブサーボ制御システムにおけるマスター制御入力）と、ロボット制御型システムにおいて実行されるソフトウェアとのアクティブ制御下にある駆動モータを使用して動作することができる。具体的には、制御システム（図示せず）のドッキングポートに設けられる４つの駆動モータが、図２Ａのキャプスタン２３１、２３２、２３３、および２３４にそれぞれ連結されることができる。図２Ｂは、キャプスタン２３２および２３４に連結される２つの駆動モータ２４２および２４４を示す。バックエンド機構２３０におけるキャプスタン２３１、２３２、２３３、および２３４の配向は、器具２００の位置または構成に対して特定の固定された関係を有する必要はない。したがって、モータを回転可能にするか、またはトルクをキャプスタンに印加可能にする任意の機械的結合部を、モータ２４２および２４４をバックエンド機構２３０におけるキャプスタン２３２および２３４に結合するために使用することができる。

バックエンド機構２３０は、滅菌プラスチックシート等の滅菌バリアを通して、モータ２４２および２４４を含むモータパックに着脱可能に取り付けられることができ、器具２００は、使い捨てまたは再利用可能および滅菌可能であるように設計されることができる。器具がモータパックから取り外される場合、受動的事前負荷システム（例えば、図２Ａのバネ２３５、２３６、２３７、および２３８）は、依然として、テンドン２２１、２２２、２２３、および２２４を緩まないように維持し、バックエンド機構２３０に損傷を及ぼさずに、または任意のテンドン２２１、２２２、２２３、もしくは２２４において緩みを生成せずに、エンドエフェクタ２１０およびシャフト２２０（可撓性である場合）を、任意の構成で手動配置（または設置）することを可能にする。この「バックドライブ」能力は、概して、手術器具、具体的には、器具がアクティブ制御下にない間に、器具挿入中に曲げられ得るか、または操作され得る可撓性シャフトを含む器具の望ましい特性である。例えば、可撓性シャフトを、手動設置することができ、シャフト内のテンドンは、過度の張力または緩みを受けない。

機械的にモータをキャプスタンに結合するための１つのシステムは、モータのピニオンが、キャプスタンのボアにしっかりと適合する場所で摩擦連結を使用し、ピニオンとボアとの間の摩擦に依存する。概して、モータがキャプスタンを回転させると、キャプスタンに巻き付けられたテンドンは締め付けられ、これにより、テンドンからの絞り力に応答して半径が収縮するのに十分な弾力性をキャプスタンが有する場合、摩擦連結が増加し得る。図３Ａは、駆動モータ３１０をキャプスタン３２０に機械的に結合するための代替技法を示す。この特定の技法により、駆動モータ３１０のシャフト３１２は、キャプスタン３２０のボア３２２に適合する。シャフト３１２は、スロット３１４を有し、キャプスタン３２０は、ボア３２２内に延在するバネ負荷型レバーまたは他の突起部３２４を有する。突起部３２４は、シャフト３１２がボア３２２に挿入されると圧縮され得るが、突起部３２４は、スロット３１４が回転して突起部３２４と整合すると、跳ね返り、スロット３１４に係合する。したがって、モータ３１０は、キャプスタン３２０にトルクを印加することができる。他の実装では、雄／雌機械的関係およびその多くの変形例が逆であってもよい（例えば、突起部が、モータシャフトから延在し、キャプスタンにおけるスロットに係合するように）ことを理解されたい。

また、器具の逆駆動能力は、シャフト３１２がボア３２２内に挿入される場合に、シャフト３１２に対するキャプスタン３２０の配向が未知であり得る状況をもたらし得る。相対的配向にかかわらず、図３Ａの機械的結合により、モータ３１２は、突起部３２４がスロット３１４に係合するまでシャフト３１２を単純に回転させることができる。この能力は、特に、バックエンド機構３３０が、図３Ｂに図示するように、モータパック３４０におけるモータのシャフト３１２に係合するような配列で配置された複数のキャプスタンを含む場合に重要であり、この場合、モータシャフト３１２の全ては、関連付けられたキャプスタンのボア３２２に対して異なる未知の配向を有し得る。

図２Ａおよび図２Ｂのバックエンド機構２３０に結合された駆動モータは、概して、関連付けられたキャプスタンにトルクを印加するか、または関連付けられたキャプスタンを自由に回転可能にするように動作する。器具２００の構造部材の回転のために連結される対のテンドンを制御する過程では、一方の駆動モータは、一方のテンドンが巻き付けられたキャプスタンにトルクを印加し、他方のテンドンが巻き付けられたキャプスタンは、自由に回転可能になる。例えば、図２Ａの図においてジョー２１２を反時計回りに回転させるためには、キャプスタン２３２に係合するモータ２４２が作動し、テンドン２２２を引張る方向にキャプスタン２３２を回転させる。テンドン２２２がジョー２１２に印加する結果として生じるトルクは、ジョー２１２を、ジョー２１４に向かって反時計回りに回転させる傾向にある。テンドン２２２がキャプスタン２３２上で滑ることなく、キャプスタン２３２が、テンドン２２２に印加することのできる最大張力は、バネ２３６からの力に比例し、キャプスタン２３２を中心とするテンドン２２２の巻き付け角度とともに指数関数的に増加する。したがって、キャプスタン２３２を中心とするテンドン２２２の適切な巻き付け角度により、バネ２３６からの力は、抵抗に対してジョー２１２を回転させる場合にテンドン２２２に印加する必要のあり得る最大張力よりも大幅に小さくなり得る。キャプスタン２３２がテンドン２２２を引張る間、キャプスタン２３１は、自由に回転し、ジョー２１２の回転に対応するテンドン２２１の長さを繰り出す。自由に回転するキャプスタン２２１によって、キャプスタン２３１とジョー２１２との間のテンドン２１２の部分における張力が、キャプスタン２３１とバネ２３５との間のテンドン２２１の部分における張力と同等であることが可能になる。テンドン２２１は、緩まず、バネ２３５により制御されるテンドン２２１の張力は、テンドン２２２に印加された最大予想張力よりも大幅に低く維持され得る。ジョー２１２が所望の位置に到達し、クランプ張力がテンドン２２２において必要とされなくなると、キャプスタン２３１および２３２の両方は、自由に回転するように解放され得る。ジョー２１２の時計回りの回転は、テンドン２２１を引張るとともに、キャプスタン２３２を自由に回転させるように、キャプスタン２３１に結合された駆動モータの動作によって達成され得る。また、ジョー２１４の回転または器具２００の他の要素の動きも、類似の手順を使用して実行され得る。

ジョー２１２および２１４ならびにエンドエフェクタ２１０またはシャフト２２０における任意の継手の制御は、継手の現在の位置の測定を、その継手のモータ制御トルクの基礎とすることによって閉ループでもらされ得る。このような測定は、例えば、Ｌａｒｋｉｎらによる、名称が「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ」である米国特許出願公報第２００７／０１５６０１９ Ａ１（２００６年７月２０日出願）と、Ｐｒｉｓｃｏによる、名称が「Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｏｒ」である米国特許出願第１２／１６４，８２９号（２００８年６月３０日出願）とに説明されるもの等の検知技術を使用して実行可能であり、これらの両方の特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。図２Ａおよび図２Ｂは、ジョー２１２の位置を検知するための、ジョー２１２まで延在する例証的な形状検知ファイバ２５０を図示する。制御ループでは、制御システムは、所望の継手位置を、測定された継手位置と比較して、継手位置誤差を計算する。次いで、制御または補正トルクを、例えば、比例積分微分制御法を使用して、継手位置誤差の現在値に基づいて計算する。時計回りまたは反時計回り補正を標示する制御トルクサインに応じて、継手に関連付けられたモータのうちの１つは、その関連付けられたキャプスタンにトルクを印加するようにコマンドを受け、一方、継手に関連付けられた他方のモータは、そのモータトルクをゼロにすることによって、その関連付けられたキャプスタンを解放するようにコマンドを受ける。このようにして、継手は、所望の位置に配置される。

図４は、３つのテンドン４２１、４２２、および４２３を使用して、ピボット４１２および４１４により画定された２つの垂直軸を中心とする構造部材４１０の回転を制御する本発明のある実施形態に従う、医療器具４００の部分を図示する。部材４２０は、器具シャフトもしくはエンドエフェクタにおけるリストまたは継手機構におけるリンクであり得る。継手ならびにピボット４１２および４１４に関連付けられた機械的構造の大部分は、テンドン４２１、４２２、および４２３の動作をより十分に例証するために省略されるが、このような継手を、既知の機械的構造を使用して実装してもよい。図２Ａおよび図２Ｂに関連して上述するものと概して同一の種類および構造を有し得るテンドン４２１、４２２、および４２３は、部材４１０に取り付けられ、キャプスタン４３１、４３２、および４３３と、受動的事前負荷システム４３５、４３６、および４３７を含むバックエンド機構までシャフト４２０を通って後方に延在する。シャフト４２０は、概して、上述のシャフト２２０と同一であり得る。また、上述と類似の方式で、各テンドン４２１、４２２、または４２３は、対応するキャプスタン４３１、４３２、または４３３に巻き付き、対応する受動的事前負荷システム４３５、４３６、または４３７に取り付けられた端部を有する。受動的事前負荷システム４３５、４３６、および４３７は、バックエンド機構のケースまたはシャーシに固定され得る。

ピボット４１２を中心とする部材４１０の制御された回転は、テンドン４２１および４２２がモーメントアームで部材４１０に取り付けられていることに依存し、テンドン４２１または４２２を引張ることによって、テンドン４２３の引張が引き起こし得る回転に反対の方向にピボット４１２を中心とする部材４１０の回転が引き起こされ得るようにする。同様に、ピボット４１４を中心とする部材４１０の回転は、テンドン４２２および４２３がモーメントアームで部材４１０に取り付けられていることに依存し、テンドン４２２または４２３を引張ることによって、テンドン４２１の引張が引き起こし得る回転に反対の方向にピボット４１４を中心とする部材４１０の回転が引き起こされ得るようにする。テンドン４２１、４２２、および４２３の所望の相対的な固定は、例えば、テンドン４２１、４２２、および４２３を、部材４１０の中心長手方向軸から相互に対して１２０度で延在する線上で終端とすることによって、達成され得る。器具４００の動作において、受動的事前負荷システム４３５、４３６、および４３７ならびに駆動モータ４４１、４４２、および４４３は、テンドン４２１、４２２、および４２３において張力を生成し、制御システム（図示せず）は、駆動モータ４４１、４４２、および４４３を制御して、必要に応じてピボット４１２および４１４を中心とするトルクのバランスを取り、部材４１０の所望の相対的な配向を達成するか、部材４１０の動きまたは静止位置に対する抵抗に打ち勝つことができる。センサ（図示せず；例えば、図２Ａおよび図２Ｂの要素２５０を参照）を構造部材４１０に埋め込んで、フィードバックを、モータ４４１、４４２、および４４３を動作する制御システムに提供してもよい。構造部材４１０の例証的な例の１つとして、Ｃｏｏｐｅｒによる、名称が「Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｍｏｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ」である米国特許出願公報第ＵＳ２００８／００６５１０２ Ａ１号（２００７年６月１３日出願）に開示された並行動作機構の一部が挙げられ、この特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

上記で開示された器具は、受動的事前負荷システムを用いて、駆動テンドンにおいて最小弛緩張力を維持する。上述のような受動的事前負荷システムは、線形バネまたは回転コイルバネ等の可撓性部材またはバネを用いて容易に実装される。大部分の一般的なバネは、幅広い力および偏向についてフックの法則によって少なくとも近似的に説明される力を生成する。具体的には、大部分のバネは、その平衡長さからのバネの偏向に比例する力を印加する。フックの法則のバネにより、上述の種類の器具の弛緩テンドンにおける張力は、バネが伸長する程度に依存し、その程度は、器具における継手およびエフェクタの位置および配向を含む、器具の一般的な構成に依存する。この変動は、テンドンの動作範囲が、付勢するためのバネにおける既存の伸長に比べて小さい場合に、有意ではあり得ない。しかしながら、単純なフックの法則のバネは、器具のための最小エネルギー構成を作成する傾向にあり、器具は、キャプスタンの全てが自由に回転する場合に、その構成に近付く傾向にある。実際は、上述のように、バネの長さ変化が、バネ付勢に比べて小さくなるように設計され得ることから、この効果は小さい。さらに、一定力を印加するバネ系を使用して、弛緩テンドンにおける張力の変動を回避または減少させることができる。

図５Ａは、一定力バネ５３５Ａを用いる本発明のある実施形態に従う手術器具５００Ａを示す。器具５００Ａは、エンドエフェクタ５１０、シャフト５２０、およびバックエンド機構５３０を含み、これらの全ては、上記の類似の要素について説明したものと実質的に同一であることができる。テンドン５２１は、エンドエフェクタ５１０に取り付けられ、シャフト５２０を通ってバックエンド機構５３０まで後方に延在し、キャプスタン５３１に巻き付き、一定力バネ５３５Ａに取り付けられる。一定力バネは、バネの動作領域において一定の力を及ぼすバネである。図５Ａの実施形態では、一定力バネ５３５Ａは、リボンが完全に巻き上がる際に弛緩するバネ材料のロール型リボンである。リボンの巻きが広がる際に、ロール付近のリボンの部分は、バネ力を生成する。このバネ力は、リボンの巻きが広がる際にほぼ一定になり、これは、バネ力を生成するリボンの部分、すなわち、ロール付近の部分が、バネの巻きが広がる際にほぼ同一の形状を有するからである。

また、一定力バネ系は、フックの法則に従うバネおよび１つ以上のカムまたは可変半径プーリーを使用して生産または近似化されることができる。図５Ｂは、手術器具５００Ａと同一の要素を含む手術器具５００Ｂを示し、一定力バネ５３５Ａが、フックの法則に従うバネ要素５３８および可変半径カム５３９を含む一定力バネ系５３５Ｂに置換されることを例外とする。具体的には、カム５３９は、その出力半径とは異なる入力半径を有し、入力半径と出力半径との比率は、カム５３９の具体的な角度位置におけるカム力伝達である。バネ要素５３８が延在する際に、カム５３９に対して入力された力は、比例して増加し、カム５３９は、回転する。カムプロファイルは、入力バネ力の増加を相殺する量をカム５３９が回転させる際に、カム力伝達比率を低下させるように設定される。また、バネ要素５３８は、例えば、線形バネ、回転バネ、もしくは板バネ、または片持ちビームもしくはゴムバンド等の弾性部材として実装されてもよい。一特定の実施形態では、バネ要素５３８は、同一のカム軸上のカム５３９と一体型である回転バネである。一定のバネ力に関するさらなる詳細は、Ｄｕｖａｌによる、名称が「Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｂａｌａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｗｉｔｈ Ｏｎｅ Ｏｒ Ｍｏｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｒｍｓ」である米国特許出願公報第ＵＳ２００４／００３５２４３ Ａ１号（２００３年５月２２日出願）に説明されており、この特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

上述の技法を使用して維持された低張力は、可撓性シャフトを有する手術器具において特に有利である。図６は、例えば、可撓性であり、湾曲状で波状の形状に曲げられるシャフト６２０の遠位端上にエンドエフェクタ６１０を有する医療器具６００を図示する。このような曲げは、低侵襲医療処置中に、エンドエフェクタ６１０およびシャフト６２０が患者の消化管の部分等の自然管腔を通ってガイドされる場合にもたらされ得る。シャフト６２０の形状は、概して、異なる処置中に異なる。エンドエフェクタ６１０の動作に使用されるテンドン６２１は、可撓性シャフト６２０を通って延出するため、シャフト６２０とほぼ同一の経路を追従する。テンドン６２１は、シャフト６２０を通るテンドン６２１のガイドを支援し、かつエフェクタ６１０の作動中のテンドン６２１の側方の動きを防止するために、テンドン６２１より剛性な囲繞シース６２６を有し得る。シャフト６２０における曲げによって、テンドン６２１はシース６２６の固体表面上に重なり、これらの曲げにおける摩擦力は、テンドン６２１における張力とともに増加する。したがって、シャフト６２０が曲がる際にテンドン６２１における弛緩張力を減少させることによって、バックエンド機構６３０がエフェクタ６１０を動作させるのに及ぼすことが可能でなければならない力が低下し得る。したがって、バックエンド機構６３０は、より高いテンドン張力に起因するより高いテンドン摩擦に打ち勝つのに十分強固でなくてもよい小さい構成要素を使用可能であってもよい。

上述の実施形態は、キャプスタンが、器具のシャフトの方向に略垂直である回転軸を有するバックエンド機構を有する手術器具の実施形態を図示する。しかしながら、テンドンを経路付けおよび指向するための多くの機械的システムが既知であり、バックエンド機構に用いてキャプスタンの構成を変更してもよい。図７Ａは、例えば、エンドエフェクタ７１０が装着されるシャフト７２０に平行な回転軸を有するキャプスタン７２３を含むバックエンド機構７３０を有する医療器具７００のある実施形態を図示する。本実施形態では、エンドエフェクタ７１０に取り付けられたテンドン７２１は、シャフト７３０の長さにおいてバックエンド機構７３０内まで延出する。次いで、テンドン７２１は、第１のカムまたはプーリー７３１に巻き付き、キャプスタン７３２に巻き付き、第２のカムまたはプーリー７３３に巻き付き、バックエンド機構７３０に固定されるバネ７３５に取り付けられる。カムまたはプーリー７３１および７３３は、バネ７３５がフックの法則に従う場合であっても、テンドン７２１が弛緩する際に、テンドン７２１において一定の張力を提供するような形状を有し得る。

図７Ｂは、医療器具７００における複数のテンドンのためのキャプスタンのボアが、バックエンド機構７３０の裏（最も近位の表面）に配置されることができることを示す。器具７００のドッキングポートは、器具７００が制御システムに連結される場合に、器具７００を使用するためにキャプスタン７３２のボアに適合するモータシャフトの一致する配列を提供することができる。上述のように、多くの雄／雌機械的嵌合構成が使用可能であるとともに、キャプスタンおよびモータシャフトを回転整合する多くの方式が使用可能である。

図８は、本発明の実施形態に従う医療器具を使用可能であるロボット制御型システム８００の例を示す。例えば、Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ， Ｉｎｃ．より入手可能であるｄａ Ｖｉｎｃｉ^(R) Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍであり得るシステム８００は、複数の手術器具８１０を含み、その各々は、ロボットマニプレータアーム８３０上のドッキングポート８２０に装着される。各器具８１０は、概して、エンドエフェクタ８１２、シャフト８１４、およびバックエンド機構８１６を含み、これらは、上述の種類のいずれかであってもよい。具体的には、器具８１０は、剛性または可撓性であるシャフト８１６を有し得る。シャフト８１６が、自然管腔への挿入および追従のために可撓性である場合、ロボット制御型および接合型アーム８３０は、必要とされない場合があり、器具８１０は、カートまたは他の固定構造上の装着ポート８２０に装着され得る。器具８１０は、交換可能に作製可能であり、ドッキングポート８２０に装着された器具８１０が、特定の医療処置のために選択可能であるように、または医療処置中に、必要とされる臨床機能を提供するように変更可能であるようにする。器具８１０は、多くの異なる形状およびサイズの鉗子または捕捉器具、針ドライバ、およびハサミを含むがこれらに限定されない多くの機能を実装することができる。内視鏡カメラ、例えば、立体カメラも、アーム８４０上に装着され、視覚的情報、器具８１０が動作する作業部位に関する視覚的情報、特に画像を提供することができる。

ドッキングポート８２０は、概して、器具８１０および器具８１０と残りのロボット制御システム８００との間の滅菌バリアの確立のためのシステムの動作に機械力を提供する駆動モータを含む。いくつかの適切な滅菌バリアは、Ｃｏｏｐｅｒによる、名称が「Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」である米国特許第６，１３２，３６８号（１９９７年１１月２１日出願）に説明されており、この特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。加えて、ドッキングポート８２０は、器具８１０との通信のための電気的インターフェースを含み、例えば、ドッキングポートにおける器具の種類を識別し、器具のパラメータにアクセスし得る。また、電気的インターフェースは、エフェクタ８１２またはシャフト８１４の位置および配向の測定等の測定を伝え得る。コンピュータシステム８５０は、測定を受信し、必要に応じてドッキングポート８２０における駆動モータを制御するソフトウェアを実行して、システム８００を使用して外科手術を実行する外科医または他の医療関係者により指示されるように器具８１０を操作することができる。

特定の実施形態に関連して本発明について説明したが、この説明は、本発明の用途のほんの一例であり、制限するものとして解釈されるべきではない。開示された実施形態の種々の他の適合および特徴の組み合わせは、以下の請求項により規定される本発明の範囲内にある。

Claims (18)

1. 手術器具であって、
   可撓性シャフトと、
   該シャフトの遠位端に装着された部材であって、該シャフトに対する該部材の動きを可能にするように装着される部材と、
   該シャフトの近位端に取り付けられた機構であって、該機構は、第１のキャプスタンおよび第１の受動的事前負荷システムを含み、該第１のキャプスタンは、自由に転がり、モータが取り付けられ、該第１のキャプスタンを回転させる結合部を有する、機構と、
   該シャフトに延出し、該第１のキャプスタンに巻き付く第１のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第１の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第１のテンドンと
   を備え、
   該第１の受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または第１の受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、手術器具。
2. 前記第１の受動的事前負荷システムは、前記テンドンに力を印加するために圧縮または拡張を介して機能するバネ要素を備える、請求項１に記載の器具。
3. 前記バネ要素は、線状バネ、コイルバネ、および板バネから成る群から選択される、請求項２に記載の器具。
4. 前記部材に対する１つの動作自由度に機械的に拘束される第１の接合部材と、
   前記機構における第２の受動的事前負荷システムと、
   該機構における第２のキャプスタンであって、該第２のキャプスタンは、自由に転がり、第２のモータが取り付けられ、かつ該第２のキャプスタンを回転させることができる結合部を有する、該第２のキャプスタンと、
   前記シャフトに延出し、かつ該第２のキャプスタンに巻き付く第２のテンドンであって、該第２のテンドンは、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第２の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有し、該第１および第２のテンドンは、反対方向に動きを生成するように該部材に作用する、第２のテンドンと
   をさらに備え、
   該第２の受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または第２の受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、請求項１に記載の器具。
5. 前記部材は、該部材に対する２つの動作自由度に機械的に拘束され、前記器具は、
   第２のキャプスタンと、
   第２の受動的事前負荷システムと、
   前記シャフトに延出し、かつ該第２のキャプスタンに巻き付く第２のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第２の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第２のテンドンと、
   第３のキャプスタンと、
   第３の受動的事前負荷システムと、
   該シャフトに延出し、かつ前記第３のキャプスタンに巻き付く第３のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第３の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第３のテンドンと
   をさらに備えており、
   該第１および第２のテンドンは、該部材の第１の自由度において双方向の動きを生成するように該部材に作用し、該第１および第３のテンドンは、該部材の第２の自由度において双方向の動きを生成するように該部材に作用し、
   該第２の受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または第２の受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備え、
   該第３の受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または第３の受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、請求項１に記載の器具。
6. 前記機構に取り付けられ、かつ前記シャフトを通って延在するシースをさらに備え、前記第１のテンドンは、該シースの内部で該シャフトを横断する、請求項１に記載の器具。
7. 前記第１のキャプスタンの回転軸は、前記シャフトに垂直である、請求項１に記載の器具。
8. 前記第１のキャプスタンの回転軸は、前記シャフトに平行である、請求項１に記載の器具。
9. 前記第１のキャプスタンの前記結合部は、モータピニオンにおけるスロットに適合するような形状を有するバネ負荷型突起部を含む取り外し可能な連結機構を備える、請求項１に記載の器具。
10. 前記第１のキャプスタンの前記結合部は、前記ボアに挿入されたモータピニオンへの摩擦連結を提供するようなサイズを有するボアを備え、該第１のキャプスタンは、十分に可撓性であるので、該キャプスタンの周りの該第１のテンドンの締め付けは、該キャプスタンと該ピニオンとの間の摩擦を増加させる、請求項１に記載の器具。
11. ロボット手術システムであって、
    第１の駆動モータを含むドッキングポートと、
    第１の器具と
    を備えており、該第１の器具は、
    可撓性シャフトと、
    該シャフトの遠位端に装着された部材であって、該シャフトに対する該部材の動きを可能にするように装着される、部材と、
    該シャフトの近位端に取り付けられた機構であって、該機構は、第１のキャプスタンおよび第１の受動的事前負荷システムを含み、該第１のキャプスタンは、該第１の駆動モータが取り付けられ、かつ該第１のキャプスタンを回転させることが可能である結合部を有する、機構と、
    該シャフトに延出し、かつ該第１のキャプスタンに巻き付く第１のテンドンであって、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第１の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有する、第１のテンドンと
    を含み、
    該第１の受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または第１の受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、ロボット手術システム。
12. 前記ドッキングポートは、第２の駆動モータをさらに備え、
    前記第１の器具は、
    前記部材の第１の動作自由度を可能にする継手と、
    前記機構における第２の受動的事前負荷システムと、
    該機構における第２のキャプスタンであって、該第２の駆動モータが取り付けられ、かつ前記第１のキャプスタンを回転させることが可能である結合部を有する、第２のキャプ
    スタンと、
    前記シャフトに延出し、かつ該第２のキャプスタンに巻き付く第２のテンドンであって、該第２のテンドンは、該部材に取り付けられた第１の端部、および該第２の受動的事前負荷システムに取り付けられた第２の端部を有し、前記第１のテンドンおよび該第２のテンドンは、該部材の該第１の動作自由度において反対方向に該部材を移動させるように作用する、第２のテンドンと
    をさらに備え、
    該第２の受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または第２の受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第１の器具を動作するためのプロセスを実装するプログラムを実行するコンピュータシステムをさらに備え、該プロセスは、前記第１のテンドンを引張るために、前記第１のキャプスタンにトルクを印加するために前記第１の駆動モータを動作するとともに、同時に、前記第２のキャプスタンが自由に回転することを可能にすることを含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１の器具は、前記部材の位置を測定するセンサをさらに備え、前記コンピュータシステムは、該部材を移動させるときに、前記第１および第２の駆動モータの制御のためのフィードバックとして、該センサからの情報を使用する、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記コンピュータシステムは、前記センサからの前記情報を使用して、前記第１の駆動モータが前記第１のキャプスタンに印加する前記トルクを選択する、請求項１４に記載のシステム。
16. 接合部材と、該接合部材の動作自由度に沿う１つの方向に該接合部材を移動させるように取り付けられた第１のテンドンと、該接合部材の該動作自由度に沿う反対方向に前記接合部材を移動させるように取り付けられた第２のテンドンとを含む医療器具であって、
    第１のモータが、第１のキャプスタンを回転させるように機械的に結合され、それによって該第１のテンドンが巻き付けられる該第１のキャプスタンに第１のトルクが印加され、
    同時に、該医療器具は、第２のキャプスタンから延在する該第２のテンドンの端部に取り付けられた受動的事前負荷システムが、該第２のテンドンにおける張力を制御するために、該第２のテンドンが巻き付けられる該第２のキャプスタンを解放するように構成され、
    該受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または該受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、医療器具。
17. 前記第２のキャプスタンを回転させるように機械的に結合され、それによって該第２のキャプスタンに第２のトルクを印加する第２のモータをさらに含む、請求項１６に記載の医療器具であって、該医療器具は、該第２のトルクを印加することと同時に、前記第１のキャプスタンから延在する前記第１のテンドンの端部に取り付けられた受動的事前負荷システムが、該第１のテンドンの張力を制御するように、該第１のキャプスタンを解放するように構成され、該受動的事前負荷システムは、一定力バネを備えるか、または該受動的事前負荷システムは、可変半径プーリーおよびバネ要素を備える、医療器具。
18. 前記接合部材の位置を検知するし、該接合部材の検知された位置と該接合部材の所望の位置との間の差異に従って、該第１のトルクを選択するためのセンサをさらに含む、請求項１６に記載の医療器具。
    

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