JP5656296B2 - ５バーリンク球面機構を有するロボットアーム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、概してロボット手術システムに関する。より具体的には、本発明の実施形態はロボットアームにおけるリンク機構に関する。

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

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

（概要）
本発明の実施形態は、以下の特許請求の範囲によって要約される。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
球面回転の遠隔中心を有する並列の球面５バーリンク機構であって、
２つの回転軸を有する基盤リンクと、
２つの内部リンクであって、各内部リンクは、該２つの回転軸のうちの１つにおいて該基盤リンクと枢動可能に連結され、各内部リンクは、該回転軸から離間して配置された中間軸を有し、該２つの回転軸および該２つの中間軸はすべて該球面回転の遠隔中心を通過する、２つの内部リンクと、
２つの外部リンクであって、各外部リンクは、該内部リンクの中間軸において該内部リンクのうちの１つと枢動可能に連結され、該２つの外部リンクは、該中間軸から離間して配置された外部軸において共に枢動可能に連結され、かつ該球面回転の遠隔中心を通過する、２つの外部リンクと、
該連結された内部リンクの該中間軸の回りにおける該外部リンクのうちの第１のリンクの回転を、該リンクの間の最大角度が実質的に１８０度未満となるように制限する制約部と
を備えており、
該外部リンクのうちの第２のリンクと該連結された内部リンクとは、該２つの中間軸が、該外部軸と該回転軸のうちの１つとを含む平面の同じ側にあるべく制約されるように、構成され組み立てられる、リンク機構。
（項目２）
上記制約部は機械的停止部をさらに含む、項目１に記載のリンク機構。
（項目３）
上記機械的停止部は、上記連結された内部リンクの上記中間軸の回りにおける上記外部リンクのうちの１つの回転を直接的に制限する、項目２に記載のリンク機構。
（項目４）
上記機械的停止部は、上記内部リンクが上記基盤リンクと枢動可能に連結されている上記回転軸の回りにおける該内部リンクのそれぞれの回転を直接的に制限する、項目２に記載のリンク機構。
（項目５）
上記制約部は、
２つのモータであって、各モータは上記基盤リンクおよび上記２つの回転軸のうちの１つにおいて上記２つの内部リンクのうちの１つと連結されている、２つのモータと、
該２つのモータのそれぞれに、回転の制限範囲を有する上記２つの回転軸のうちの１つの回りにおいて上記連結された内部リンクを回転させるコントローラと
を含む、項目１に記載のリンク機構。
（項目６）
上記２つの内部リンクおよびそれらにそれぞれ連結された外部リンクは、該２つの内部リンクのうちの一方とそれに連結された外部リンクとが、該２つの内部リンクのうちの他方とそれに連結された外部リンクとを自由に通過できるように構成および連結される、項目１に記載のリンク機構。
（項目７）
２つの回転エンコーダであって、各回転エンコーダは、その回転軸において上記内部リンクのうちの１つと連結されている、２つの回転エンコーダと、
該内部リンクのそれぞれの方向を受信し、かつ上記外部軸の位置を計算するために該２つの回転エンコーダと連結されたコンピュータと
をさらに備える、項目１に記載のリンク機構。
（項目８）
上記外部リンクのうちの１つは、上記外部軸および上記中間軸から離間して配置された挿入軸をさらに含み、該挿入軸は上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目１に記載のリンク機構。
（項目９）
上記外部リンクの１つは、上記外部軸と一致する挿入軸をさらに含み、上記挿入軸は上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目１に記載のリンク機構。
（項目１０）
上記２つの回転軸は、上記基盤リンクにおいて離間して配置される、項目１に記載のリンク機構。
（項目１１）
上記２つの回転軸は、上記基盤リンク上で一致する、項目１に記載のリンク機構。
（項目１２）
球面回転の遠隔中心を有する並列の球面５バーリンク機構であって、
第１の回転軸と、該第１の回転軸から第１の距離を置いた第２の回転軸とを有する基盤リンクと、
該第１の回転軸において該基盤リンクと枢動可能に連結され、該第１の回転軸から第２の距離を置いた第１の中間軸を有する第１の内部リンクと、
該第１の中間軸において該第１の内部リンクと枢動可能に連結された第１の外部リンクであって、該第１の中間軸から第３の距離、および該第１の回転軸から可変の第４の距離を置いた外部軸を有する、第１の外部リンクと、
該第１の中間軸の回りにおける該第１の外部リンクの回転を制限する制約部であって、それにより、該第１の外部リンクが該制約部の限界まで回転させられるときに、該可変の第４の距離の最大限が、実質的に該第２の距離と該第３の距離との合計よりも短くなる、制約部と、
該第２の回転軸において該基盤リンクと枢動可能に連結され、かつ該第２の回転軸から第５の距離を置いた第２の中間軸を有する第２の内部リンクと、
該第２の中間軸において該第２の内部リンクと連結され、かつ該外部軸において該第１の外部リンクと枢動可能に連結され、該外部軸は該第２の中間軸から第６の距離を置いている第２の外部リンクと
を備えており、
該すべての軸は、該球面回転の遠隔中心を通過し、該第１および第２の中間軸は、該外部軸および該第１または第２の回転軸のいずれかを含む平面の同じ側にある、並列の球面５バーリンク機構。
（項目１３）
上記可変の第４の距離の上記最大限と上記第１の距離との合計は実質的に、上記第５の距離と上記第６の距離との合計より短い、項目１２に記載のリンク機構。
（項目１４）
上記制約部は機械的停止部を含む、項目１２に記載のリンク機構。
（項目１５）
上記機械的停止部は、上記連結された内部リンクの上記中間軸の回りにおける上記外部リンクのうちの１つの回転を直接的に制限する、項目１４に記載のリンク機構。
（項目１６）
上記機械的停止部は、上記内部リンクの各回転軸の回りにおける該内部リンクの各回転を直接的に制限する、項目１４に記載のリンク機構。
（項目１７）
上記制約部は、
上記第１の回転軸において上記第１の内部リンクと連結された第１のモータと、
上記第２の回転軸において上記第２の内部リンクと連結された第２のモータと、
該第１のモータに、該第１の内部リンクを該第１の回転軸の回りに第１の回転制限範囲内で回転させ、該第２のモータに、該第２の内部リンクを該第２の回転軸の回りに第２の回転制限範囲内で回転させるコントローラと
を含む、項目１２に記載のリンク機構。
（項目１８）
上記第１の内部リンクおよび上記第１の外部リンクは、それらが上記第２の内部リンクおよび上記第２の外部リンクを自由に通過できるように構成および連結される、項目１２に記載のリンク機構。
（項目１９）
２つの回転エンコーダであって、各回転エンコーダは、その回転軸において上記内部リンクのうちの１つと連結された、２つの回転エンコーダと、
該内部リンクのそれぞれの方向を受信し、かつ上記外部軸の位置を計算するために該２つの回転エンコーダと連結されたコンピュータと
をさらに備える、項目１２に記載のリンク機構。
（項目２０）
上記外部リンクの１つは、上記外部軸および上記中間軸から離間して配置された挿入軸をさらに含み、該挿入軸は上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目１２に記載のリンク機構。
（項目２１）
上記外部リンクのうちの１つは、上記外部軸と一致する挿入軸をさらに含み、該挿入軸は上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目１２に記載のリンク機構。
（項目２２）
上記第１の距離はゼロである、項目１２に記載のリンク機構。
（項目２３）
上記第１の距離は、上記第１、第２、第５、および第６のそれぞれの距離よりも短い、項目１２に記載のリンク機構。
（項目２４）
ロボットアームであって、
第１の回転軸を有する第１のモータと、
第２の回転軸を有する第２のモータと、
該第１のモータを該第２のモータに連結する基盤リンクと、
該第１の回転軸において該第１のモータと連結された第１の内部リンクであって、該第１の回転軸から離間して配置された第１の中間軸を有する、第１の内部リンクと、
該第１の中間軸において該第１の内部リンクと枢動可能に連結された第１の外部リンクであって、該第１の中間軸から離間して配置された外部軸を有する、第１の外部リンクと、
該第２の回転軸において該第２のモータと枢動可能に連結された第２の内部リンクであって、該第２の回転軸から離間して配置された第２の中間軸を有する、第２の内部リンクと、
該第２の中間軸において該第２の内部リンクと連結され、かつ該外部軸において該第１の外部リンクと枢動可能に連結された第２の外部リンクであって、該５つの軸は、５つのリンクすべてから離間して配置された球面回転の遠隔中心をすべてが通過する、第２の外部リンクと、
該第１および第２の中間軸は、該外部軸および該第１または第２の回転軸のいずれかを含む平面の同じ側にあるように、該第１の内部リンクおよび該第２の内部リンクをそれぞれ回転させるために、該第１および第２のモータに信号を提供するコントローラと
を備える、ロボットアーム。
（項目２５）
上記第１の外部リンクは、挿入軸を備えるツールシャフトを有する手術器具用の支持部をさらに含み、該挿入軸は上記外部軸および上記第１の中間軸から離間して配置され、該挿入軸は上記球面回転の遠隔中心を通過する、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目２６）
上記挿入軸は、上記外部軸が上記第１の中間軸から離間して配置されているよりも、上記第１の中間軸からさらに離間して配置される、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目２７）
上記挿入軸、上記外部軸、および上記第１の中間軸は、同一平面上にある、項目２６に記載のロボットアーム。
（項目２８）
上記第１の外部リンクは、挿入軸を備えるツールシャフトを有する手術器具用の支持部をさらに含み、該挿入軸は上記外部軸と一致し、該挿入軸は上記球面回転の遠隔中心を含む、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目２９）
上記第１の中間軸の回りにおける上記第１の外部リンクの回転を、上記第１の回転軸と、該第１の中間軸と、上記外部軸との間の角度が、１６０度を超えることができないように制限するための制約部をさらに備える、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目３０）
上記第１の中間軸の回りにおける上記第１の外部リンクの回転を、上記第１の回転軸と、該第１の中間軸と、上記外部軸との間の角度が、１２０度を超えることができないように制限するための制約部をさらに備える、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目３１）
上記第２の回転軸と上記外部軸との間の最大距離を、該第２の回転軸と上記第２の中間軸との間の距離および該記第２の中間軸と該外部軸との間の距離の合計よりも実質的に短くなるように制限するための制約部をさらに備える、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目３２）
上記第１の回転軸および上記第２の回転軸は、固定距離だけ離間して基盤リンク上に配置される、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目３３）
上記第１の回転軸および上記第２の回転軸は、上記基盤リンク上で一致する、項目２４に記載のロボットアーム。
（項目３４）
第１の並列の球面５バーリンク機構を含む第１のロボットアームであって、該第１の並行の球面５バーリンク機構は、
基盤リンクと、
該基盤リンクに連結された２つのモータであって、各モータは回転軸を有し、該２つの回転軸は第１の球面回転の遠隔中心において交差する、２つのモータと、
２つの内部リンクであって、各内部リンクは該モータの回転軸において該モータの１つと連結され、各内部リンクは該モータの回転軸から離間して配置された中間軸を有し、該２つの中間軸は該第１の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの内部リンクと、
２つの外部リンクであって、各外部リンクは該内部リンクの中間軸において該内部リンクの１つと枢動可能に連結され、該２つの外部リンクは、該中間軸から離間して配置された外部軸において共に枢動可能に連結され、該第１の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの外部リンクと
を有する、第１の並列の球面５バーリンク機構と
を含む、第１のロボットアームと、
該２つの中間軸が該外部軸および該モータのいずれか１つの該回転軸を含む平面の同じ側にあるように、該第１のロボットアームの該２つのモータのそれぞれに、該モータの回転軸の回りにおいて該連結された内部リンクをそれぞれ回転させるコントローラと
を備える、システム。
（項目３５）
上記外部リンクのうちの１つは、上記外部軸から離間して配置された挿入軸を有する手術器具をさらに含み、該挿入軸は、上記第１の球面回転の遠隔中心を通過する、項目３４に記載のシステム。
（項目３６）
上記挿入軸は、上記外部軸が上記外部リンクのうちの１つの上記中間軸から離間して配置されているよりも、該中間軸からさらに離間して配置される、項目３５に記載のシステム。
（項目３７）
上記挿入軸、上記外部軸、および上記外部リンクのうちの上記１つの上記中間軸は、同一平面上にある、項目３６に記載のシステム。
（項目３８）
上記外部リンクのうちの１つは、上記外部軸と一致する挿入軸を有する手術器具をさらに含み、該挿入軸は上記第１の球面回転の遠隔中心を通過する、項目３４に記載のシステム。
（項目３９）
上記ロボットアームは、上記中間軸の回りにおける上記外部リンクの１つの回転を、上記モータの回転軸と、上記中間軸と、上記外部軸との間の角度が、１６０度を超えることができないように制限するための機械的停止部をさらに含む、項目３４に記載のシステム。
（項目４０）
上記第１のロボットアームは、上記中間軸の回りにおける上記外部リンクの１つの回転を、上記モータの回転軸と、該中間軸と、上記外部軸との間の角度が、１２０度を超えることができないように制限するための機械的停止部をさらに含む、項目３４に記載のシステム。
（項目４１）
上記２つの回転軸は、上記基盤リンク上に離間して配置される、項目３４に記載のシステム。
（項目４２）
上記２つの回転軸は、上記基盤リンク上で一致する、項目３４に記載のシステム。
（項目４３）
第２の並列の球面５バーリンク機構を含む第２のロボットアームであって、該第２の並列の球面５バーリンク機構は、
２つのモータであって、各モータは回転軸を有し、該２つの回転軸は第２の球面回転の遠隔中心において交差する、２つのモータと、
２つの内部リンクであって、各内部リンクは、該モータの回転軸において該モータのうちの１つと連結され、各内部リンクは、該モータの回転軸から離間して配置された中間軸を有し、該２つの中間軸は該第２の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの内部リンクと、
２つの外部リンクであって、各外部リンクは、該内部リンクの中間軸において該内部リンクのうちの１つと枢動可能に連結され、該２つの外部リンクは、該中間軸から離間して配置された外部軸において共に枢動可能に連結され、かつ該第２の球面回転の遠隔中心を通過する、２つの外部リンクと、
該第２のロボットアームの該２つのモータのそれぞれに、該モータの回転軸の回りにおいて該各連結された内部リンクをさらに回転させるコントローラであって、それにより、該２つの中間軸は、該外部軸および該回転軸のうちの１つを含む平面の同じ側にあり、さらに、該第２のロボットアームの該２つの中間軸が、上記第１のロボットアームの場合と同様に、該平面の反対側にあるようになる、コントローラと
を有する、第２のロボットアームをさらに備える、項目３４に記載のシステム。
（項目４４）
低侵襲手術システム用のロボットアームであって、該ロボットアームは、
コンパクトな姿勢の範囲を有する並列の５バー球面リンク機構であって、球面回転の遠隔中心の回りにおいて該並列の５バー球面リンク機構と連結されたロボット型手術ツールを球状に回転移動させる、並列の５バー球面リンク機構と、
該ロボットアームと連結された制約部であって、該並列の５バー球面リンク機構を該コンパクトな姿勢の範囲に制限する、制約部と
を備える、ロボットアーム。
（項目４５）
上記ロボットアームは、上記並列の５バー球面リンク機構に２つの並列の回転運動入力を提供するために第１のモータおよび第２のモータを含み、
上記制約部は、上記コンパクトな姿勢の範囲を維持するよう上記並列の５バー球面リンク機構を制御する上記第１のモータおよび上記第２のモータと連結されたコントローラである、項目４４に記載のロボットアーム。
（項目４６）
上記並列の５バー球面リンク機構は、第１の中間関節を有し、
上記制約部は、該並列の５バー球面リンク機構を上記コンパクトな姿勢の範囲に制限するために該第１の中間関節と連結された機械的停止部を含む、項目４４に記載のロボットアーム。
（項目４７）
上記制約部は、上記コンパクトな姿勢の範囲を維持するために、上記並列の５バー球面リンク機構への２つの並列の回転運動入力のそれぞれに機械的停止部を含む、
項目４４に記載のロボットアーム。
（項目４８）
上記ロボットアームは、第１の中間関節において枢動可能に連結された第１のリンク対と、第２の中間関節において枢動可能に連結された第２のリンク対とを含み、上記制約部は、該第１のリンク対および該第２のリンク対の両方が同じ「利き手」を有するように上記並列の５バー球面リンク機構の上記コンパクトな姿勢の範囲を制限する、項目４４に記載のロボットアーム。
（項目４９）
上記第１の中間関節および上記第２の中間関節は、右方向を指すために、右側に維持される、項目４８に記載のロボットアーム。
（項目５０）
上記第１の中間関節および上記第２の中間関節は、左方向を指すために、左側に維持される、項目４８に記載のロボットアーム。
（項目５１）
上記ロボットアームは、基盤リンクをさらに含み、
上記第１のリンク対は、該第１のリンク対の第１の端部において該基盤リンクと連結され、
直列の枢動可能に連結されたリンクの上記第２のリンク対は、該第２のリンク対の第１の端部において該基盤リンクと連結され、
該第１のリンク対の第２の端部および該第２のリンク対の第２の端部は、外部関節において共に連結される、項目４８に記載のロボットアーム。
（項目５２）
上記第１のリンク対および上記第２のリンク対は、異なる半径の複数の球体上に位置する弓形形状を有する、項目４８に記載のロボットアーム。
（項目５３）
上記制約部は、上記ロボットアームの回りにその他の手術機器用のクリアランスを提供する、項目４４に記載のロボットアーム。
（項目５４）
上記並列の５バー球面リンク機構は、上記ロボットアームを患者の上方に支持するために、台と連結する基盤リンクを有する、項目４４に記載のロボットアーム。
（項目５５）
上記ロボットアームを患者の上方に支持するために、上記並列の５バー球面リンク機構と上記台との間に連結された設置アームをさらに備える、項目５４に記載のロボットアーム。
（項目５６）
低侵襲手術システムにおけるロボットアームのための方法であって、
並列の５バー球面リンク機構にコンパクトな姿勢をとらせることと、
球面回転の遠隔中心の回りにおける球面運動によって上記並列の５バー球面リンク機構を移動させることと、
上記並列の５バー球面リンク機構の上記球面運動をコンパクトな姿勢の範囲内に制約することと
を含む、方法。
（項目５７）
上記並列の５バー球面リンク機構の点は、上記並列の５バー球面リンク機構を球状に移動させるために異なる球面上を移動する、項目５６に記載の方法。
（項目５８）
上記方法は、上記ロボットアームを患者の上方に支持するために、上記並列の５バー球面リンク機構のリンクを台に連結することをさらに含む、項目５６に記載の方法。
（項目５９）
上記ロボットアームを患者の上に支持するために、上記並列の５バー球面リンク機構のリンクを、設置アームを有する台に連結することをさらに含む、項目５６に記載の方法。
（項目６０）
上記並列の５バー球面リンク機構にコンパクトな姿勢をとらせることは、
第１の中間関節を有する第１のリンク対および第２の中間関節を有する第２のリンク対を、同じ「利き手」を有するように位置付けることを含む、項目５６に記載の方法。
（項目６１）
上記並列の５バー球面リンク機構の上記球面運動を上記コンパクトな姿勢の範囲内に制約することにおいて、同じ「利き手」を維持するために、上記第１の中間関節および上記第２の中間関節の運動を機械的に制限する、項目６０に記載の方法。
（項目６２）
上記ロボットアームは、上記並列の５バー球面リンク機構と連結された第１のモータおよび第２のモータを有し、該並列の５バー球面リンク機構の上記球面運動を上記コンパクトな姿勢の範囲内に制約することにおいて、該並列の５バー球面リンク機構の該球面運動を該コンパクトな姿勢の範囲内に制約するように該第１のモータおよび該第２のモータを制御する、項目５６に記載の方法。

図１は、本発明の実施形態が使用される手術室の平面図である。 図２は、図１の手術室の一部の平面図である。 図３は、図２の線３−３に沿った断面図である。 図４は、本発明の一実施形態の平面図である。 図５は、図４に示す本発明の実施形態の側面図である。 図６は、図４に示す本発明の実施形態の端面図である。 図７は、並列の５バーリンク機構の概略図である。 図８は、並列の球面５バーリンク機構の概略図である。 図９は、別の並列の球面５バーリンク機構の概略図である。 図１０は、別の並列の球面５バーリンク機構およびコントローラの概略図である。 図１１は、並列の球面５バーリンク機構の端面図である。 図１２は、図１１の並列の球面５バーリンク機構の概略図である。 図１３は、図１１の並列の球面５バーリンク機構の別の概略図である。 図１４は、挿入軸を含む別の並列の球面５バーリンク機構の概略図である。 図１５は、本発明の一実施形態の透視図である。 図１６は、モータアセンブリの透視図である。 図１７は、図１５の実施形態の詳細の透視図である。 図１８は、光学エンコーダの透視図である。

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

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

本発明を具現化する１つ以上のロボットアーム１００、１０２は、ロボット支援手術中、手術部位に手術器具１０４を支持および移動させるために使用され得る。手術器具のツールシャフト１１８が、該ツールシャフトの長さに沿った空間内に配置された球面回転の中心の回りを枢動するように該器具を支持することが望ましい。追加のロボットアーム１１６により、腹腔鏡カメラを支持し、移動させてもよい。該カメラを支持するためのロボットアーム１１６は、手術器具１０４を支持するためのロボットアーム１００、１０２とは異なる形態のものである。

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

各ロボットアーム１００、１０２は、球面回転の中心が、実質的に体内の手術部位へのアクセスポイント１１４にある位置（例えば、腹腔鏡手術中に腹壁においてトロカールまたはカニューレ１０６用の入口を提供する切開部を有するもの）に固定され得る。ロボットアーム１００によって支持される手術器具１０４のエンドエフェクタは、ロボットアーム１００によってツールシャフト１１８の近位端を移動させることにより、腹壁に対して危険な力を与えることなく、安全に配置され得る。

各ロボットアーム１００、１０２は、ロボットアームから取り外し可能であってもよい１つの手術器具を支持することになる。種々の手術器具１０８が、単一手術の経過中にロボットアーム１００上にある手術器具１０４に置き換わり得る。各ロボットアーム１００は、切開部１１４を通過して患者１１０の体内に至るカニューレ１０６を支持することができる。手術器具１０４のツールシャフト１１８は、カニューレ１０６を通過して体内の手術部位に至る。

ロボットアーム１００は、カニューレ１０６および器具のツールシャフト１１８が、カニューレ１０６の長さに沿った空間内に配置された球面回転の中心の回りを枢動するように、手術器具１０４を支持することができる。球面回転の中心は、ロボットアーム用の回転運動の球の中心であり、１つでロボットアームの構造体から離間して配置されていることから、球面回転の遠隔中心とも称される場合がある。球面回転の中心の回りにおける運動は、該球面回転の中心から半径方向距離にある点が、その半径として半径方向距離を有する球面上を移動することから、球面運動と称される場合がある。カニューレ１０６は、患者１１０の腹壁内にある切開部１１４等のアクセスポイントを通過して体内の手術部位に至る、挿入軸を画定する。ツールシャフト１１８は、挿入軸に沿って伸展する。

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

図２は、患者１１０およびロボットアーム１００、１０２、１１６を含む、図１の一部の拡大図を示す。図３は、患者の頭部から足部の方へ見たロボットアーム１００、１０２の端面図を示す。患者１１０の概略断面を、カニューレ１０６が挿入されるエリアに示している。手術器具１０４のツールシャフト１１８は、患者１１０の内部にあるカニューレ１０６の端部から現れるのが見える。ツールシャフト１１８の内側端部にあるエンドエフェクタ３００は、ロボットアーム１００によって支持することができるサーボ機構２００（図２に示す）によって作動され得る、種々の手術ツールのいずれかを提供し得る。

ロボットアームによってとられる特定の位置は、姿勢と称される場合がある。ロボットアームを特定の位置に設置することを、ロボットアームに姿勢をとらせると称する場合がある。図４、５、および６は、図１〜３に示すものと同じ姿勢において、患者の右手側で使用されるロボットアーム１００の直交図である。図４は平面図である。図５は側面図である。図６は端面図である。

図２および３を再度参照すると、ロボットアーム１００、１０２は、以下でさらに詳細に論じるように、手術器具１０４を支持するための球面リンク機構を含む。球面リンク機構は、カニューレ１０６の長さに沿って位置し得る球面回転の遠隔中心２０６の回りの回転に、挿入軸の運動を制約する。球面回転の遠隔中心２０６を、切開部１１４またはその付近に位置させることにより、挿入軸は、該切開部における有意な運動なく移動され得る。

エンドエフェクタ３００は、カニューレ１０６を通過し、挿入軸に沿って体内の手術部位へ至る。エンドエフェクタ３００は、ツールシャフト１１８によって支持され、該ツールシャフトを介してサーボ機構２００と連結される。サーボ機構２００は、エンドエフェクタ３００を操作することができ、挿入軸の回りにおける運動および挿入軸に沿った平行移動を含み得る種々の運動を可能にすることができる。エンドエフェクタ３００の平行移動は、ツールシャフト１１８および装着されたエンドエフェクタを用いた手術器具１０４の平行移動によって達成され得る。

エンドエフェクタ３００は、その球面回転の遠隔中心２０６の回りでツールシャフト１１８を移動させることにより、２つの追加の次元において移動させられることができる。ロボットアーム１００は、空間内におけるその角度位置を変化させるために、ツールシャフト１１８を移動させることによって、これら二次元の運動を制御することになる。ツールシャフト１１８の運動は、球面座標系内における挿入軸の位置の観点から説明され得る。空間内の点は、２つの角度および球面座標系の中心からの距離の観点から特定され得る。球面座標系の中心を通過する挿入軸を特定するためには、その２つの角度があればよいことが十分に理解されるであろう。

本発明のロボットアーム１００は、器具のツールシャフト１１８が、挿入軸に沿った空間内に、概してカニューレ１０６の長さに沿って配置された球面回転の遠隔中心２０６の回りを枢動するように、手術器具１０４を移動させて支持するための、並列の球面５バーリンク機構を含む。

図７は、並列の５バーリンク機構７００の、単純化した二次元概略図を示す。この例は、本質的に平坦な面において動作するリンク機構を図解するものである。本発明のリンク機構は、三次元空間においても同様に動作し、それについては後に説明する。並列の５バーリンク機構は、４つの剛なバーまたはリンク７０１、７０２、７０３、７０４のシステムであって、４つの剛なバーは互いの、および固定基準リンク７０５の回りを枢動する。固定基準リンクは、基盤リンクと称される場合がある。基盤リンク７０５は、残り４つのリンクに固定基準系を提供するという意味でのみ固定されることを理解されたい。基盤リンク７０５は、５バーリンク機構全体を移動させるために、空間内に配置され得る。

各リンクは２つの枢動軸を含む。基盤リンクの２つの枢動軸７１２、７１３は、一致するものであってもよく、それにより、長さゼロの基盤リンクを作成する。残り４つのリンクはいずれも、各リンクにおける２つの枢動軸の間に実質的な距離を有する。枢動軸７１１、７１２、７１３、７１４、７１５はすべて、共有面に対して垂直である。これらのリンクは、該リンクが連結された枢動軸の回りを互いに回転可能なように、枢動軸に連結される。枢動軸におけるリンクの回転可能な連結は、連結されたリンクの運動を枢動軸の回りの回転に制限する、任意の種々の形態をとることができる。並列の球面５バーリンク機構のための多数の軸が記載されている。「軸」という用語は、挿入軸を除き、「関節」または「ピボット」と称するものと同義で使用され得る。

基盤リンク７０５は、２つの内部軸７１２、７１３を提供する。内部リンク７０１、７０４は、内部軸７１３、７１２のそれぞれと枢動可能に連結される。各内部リンク７０１、７０４は、内部軸７１３、７１２から離間して配置された中間軸７１４、７１１を有する。各内部リンク７０１、７０４は、中間軸７１４、７１１において外部リンク７０２、７０３と枢動可能に連結される。各外部リンク７０２、７０３は、中間軸７１４、７１１から離間して配置された外部軸７１５を有する。２つの外部リンク７０２、７０３は、それらの外部軸７１５において枢動可能に連結される。外部軸７１５は、その運動範囲内であれば何処にでも、共有面（この二次元の図解例において）と垂直に配置され、したがって、外部軸７１５における終点運動に２自由度を提供することができる。それらの内部軸７１３、７１２の回りにおいて内部リンク７０１、７０４のそれぞれを回転させるためにモータが設けられている場合、矢印で示すように、外部軸７１５は、２つの内部リンクをモータで回転させることによって、その運動範囲内であれば何処にでも配置され得る。逆に、その運動範囲内における外部軸７１５の動きは、それらの内部軸７１３、７１２の回りにおける２つの内部リンク７０１、７０４の回転に転換される。

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

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

ここで、図７の元の二次元リンク機構を参照すると、外部軸の考えられる位置のほとんどのための５バーリンク機構において、内部リンク７０１、７０４のそれぞれのための２つの考えられる位置があることが十分に理解されるであろう。例えば、内部リンク７０１を、点線７０１′で示すように位置づけてもよい。内部リンクのためのこの位置は、中間軸７１４′、７１１間の距離が短縮され、外部リンク７０２′、７０３間の角度が縮小されることから、概して望ましくないと考えられている。通常、外部軸７１５に広範な支持基盤を提供するために、中間軸間の距離を最大化することが望ましい。通常、外部軸７１５を支持するために、互いに可能な限り直角に近づくような外部リンク７０２′、７０３を有することも望ましい。従来の構成の５バーリンク機構は外部軸７１５に良好な構造的支持を提供するが、結果として生じる構造体は、移動するためにかなりの空間を必要とする。点線を引いた７０１′、７０２′位置によって示されるような代替的な構成は、（平面に投影されているような）より小さい面積、したがって、よりコンパクトな機械的構成を占める。

図８は、並列の球面５バーリンク機構８００の概略図を示す。前述した平面的な５バーリンク機構と同様に、並列の球面５バーリンク機構８００は、互いにおよび固定基準または基盤リンク８０５へ枢動する４つの剛なリンク８０１、８０２、８０３、８０４のシステムである。並列の５バーリンク機構が球形に構成されている場合、枢動軸８１１、８１２、８１３、８１４、８１５はすべて、共通の球面に対して垂直であり、したがって、球体の球面回転の遠隔中心８２０を通過する。特に、外部軸８１５は、その運動範囲内において常に球面回転の遠隔中心８２０を通過することになる。したがって、並列の球面５バーリンク機構８００は、該リンク機構８００の外部軸８１５によって支持および移動させられるときに、器具のツールシャフトが球面回転の遠隔中心の回りを枢動するよう、所望の制約運動を手術器具に提供する。手術器具を移動させるためのモータは、基盤リンク８０５の内部軸８１３、８１２に設置される。これにより、直列アーム機構を使用した場合に必要とされる場合がある、一方のモータを他方のモータによって移動させる必要性を回避する。

図９で図式的に示すように、並列の球面５バーリンク機構９００が制約されることにより、中間軸９１４、９１１は、考えられる最大距離間隔にある従来の構成をとることができないが、驚くべきことに、外部軸９１５に良好な構造的支持を提供することあり得ることが発見された。この結果、手術器具を支持するためのロボットアームとしての使用に対して、より適した、よりコンパクトな構成をもたらすこととなり、この構成においては、図１〜３の例示的なシステムによって示されるような限られた量の空間内において、極めて接近した２つ以上のそのようなアームを使用することがしばしば必要になる。

図示されている概略リンク機構９００は、基盤リンク９０５と、２つの内部リンク９０１、９０４と、２つの外部リンク９０２、９０３とを含む。第１の内部リンク９０１は、第１の回転軸から第１の距離に、第１の回転軸９１３および第１の中間軸９１４を含む。第１の外部リンク９０２は、第１の中間軸９１４において第１の内部リンク９０１と枢動可能に連結される。第１の外部リンク９０２は、第１の中間軸９１４から第２の距離に外部軸９１５を有する。

機械的停止部９１６は、第１の外部リンクを該機械的停止部の限界まで回転させた場合、第１の回転軸９１３から外部軸９１５までの第３の距離が、実質的に、第１の距離に第２の距離を加えたものより短くなるよう、第１の中間軸９１４の回りにおける第１の外部リンク９０２の回転を制限することができる。別の実施形態（図示せず）において、機械的停止部は２つの部分であってもよく、それらのそれぞれは、２つの内部リンクのうち１つの回転を制限する。

図９に示すリンク９０１〜９０５等、単純な弓形セグメントであるリンクの場合、機械的停止部９１６は、第１の内部リンク９０１と第１の外部リンク９０２との間の角度が常に実質的に１８０度未満となるように、リンクの運動を制約する。より一般的には、第１の回転軸９１３から第１の中間軸９１４までの線分と、第１の中間軸９１４から外部軸９１５までの線分との間の角度が、実質的に１８０度未満となるように制約される。

第２の内部リンク９０４は、第１の回転軸９１３から第４の距離に第２の回転軸９１２を、第２の回転軸９１２から第５の距離に第２の中間軸９１１を有する。第２の外部リンク９０３は、第２の中間軸９１１において第２の内部リンク９０４と、外部軸９１５において第１の外部リンク９０２と、枢動可能に連結される。外部軸９１５は、第２の中間軸９１１から第６の距離にある。本発明の球面５バーリンク機構は、外部軸９１５および第１の回転軸９１３または第２の回転軸９１２のいずれかを含む平面の同じ側に第１および第２の中間軸９１４、９１１を有するように、さらに制約される。この制約は、第２の内部リンク９０４および第２の外部リンク９０３の構成および組み立てによって実現され得る。

第２の内部リンク９０４と第２の外部リンク９０３とを組み合わせた長さが、第１の回転軸９１３と第２の回転軸９１２との間の距離を考慮して十分な長さである場合、第１の内部リンク９０１および第１の外部リンク９０２の運動の制約部は、本発明の構成のままとなるように、第２の内部リンク９０４および第２の外部リンク９０３を制約することになる。所与の長さの第１の内部リンク９０１および第１の外部リンク９０２、第１のリンク対９０１、９０２の間の角度に対する所与の制約、および第１の回転軸９１３と第２の回転軸９１２との間の所与の距離の場合、第２の回転軸９１２から外部軸９１５までの距離が最大となる。第２の内部リンク９０４と第２の外部リンク９０３とを組み合わせた長さがその最大距離よりも長い場合、第２のリンク対９０４、９０３は、それらが中間軸９１４、９１１の相対位置と関連して組み立てられた構成のままとなるように制約されることになる。

並列の球面５バーリンク機構は、２つの中間軸９１４、９１１が、ロボットアーム９００の任意の所与の姿勢について可能な最大距離間隔と比較して、比較的近くなるように、その運動が制限され得る。第１のリンク対９０１、９０２および第２のリンク対９０４、９０３のいずれも、同じ「利き手」を有することになる。すなわち、両方のリンク対について中間軸９１４、９１１にある「肘」は、アームの同じ側に屈曲する。このように形成されたロボットアーム９００は、機械的停止部９１６がどのように配列されているかに応じて、右利きまたは左利きであるという特徴を有する。図９に示す例示的な実施形態は、第１の中間関節および第２の中間関節が右方向を指すために右側に維持されていることから、右利きであると考えられる。同様に、左利きのロボットアームは、左方向を指すために左側に維持された、第１の中間関節および第２の中間関節を有することになる。上記の制約にしたがって構成された並列の５バー球面リンク機構は、コンパクトな姿勢の範囲に限定されるものとして説明される場合がある。

図９に示す実施形態によって示唆されるように、ロボットアーム９００は、第１の回転軸９１３および第２の回転軸９１２の間の第４の距離を、実質的に移動中のリンク９０１、９０２、９０３、９０４のいずれかの軸の間の距離をより短くすることにより、さらにコンパクト化され得る。

図１０は、ロボットアーム用の並列の球面５バーリンク機構１０００の別の実施形態を示す。ロボット用の並列の球面５バーリンク機構１０００は、外部軸１０１５の運動の主要範囲が概して、第１の回転軸１０１３または第２の回転軸１０１２のいずれかおよび外部軸１０１５を含む平面の片側にあるようにリンク機構を配列することにより、さらに一層コンパクト化され得る。

図１０に示す並列の球面５バーリンク機構１０００の実施形態等、いくつかの実施形態において、第１の回転軸１０１３および第２の回転軸１０１２は、第１および第２のモータに信号を提供するために、コントローラ１０１８と連結されたモータによって駆動される。第１のモータは第１の内部リンク１００１を回転させ、第２のモータは第２の内部リンク１００４を回転させる。コントローラ１０１８は、第１および第２の中間軸１０１４、１０１１が、外部軸１０１５および第１の回転軸１０１３または第２の回転軸１０１２のいずれかを含む平面の同じ側にあるように、内部リンク１００１、１００４の運動を制限することができる。コントローラ１０１８は、機械的停止部９１６が図９に示す実施形態のリンク９０１〜９０４に提供するのと同じ制約を、リンク１００１〜１００４の運動範囲に提供することができる。

並列の球面５バーリンク機構１０００は、サーボモータまたはステッピングモータを使用する等して内部リンクを制御可能に回転させることにより、外部軸を所望の位置まで移動させるために使用され得る。別の実施形態において、並列の球面５バーリンク機構１０００は、外部軸の操作に起因する２つの内部軸の方向を測定することにより、外部軸の位置を検知するために使用され得る。例えば、回転エンコーダまたはその他のセンサを、図１０に示す並列の球面５バーリンク機構の第１の回転軸１０１３および第２の回転軸１０１２に設置してもよい。コントローラ１０１８を、内部リンク１００１、１００４のぞれぞれの方向を受信するために、２つの回転エンコーダと連結されたコンピュータと置き換えてもよい。続いて、コンピュータは外部軸の位置を計算することができ、これをオペレータが操作して位置入力を提供することができる。外部軸は球面リンク機構の球面回転の遠隔中心１０２０の回りを回転するように制約されることが十分に理解されるであろう。したがって、執刀医１２０から外部軸１０１５の位置入力を受信するために、並列の球面５バーリンク機構を図１の制御コンソール１２２において使用してもよい。位置入力は、ロボットアーム１００の外部軸と同じ制約運動を有し得る。

図１１は、図１〜６に示すロボットアーム１００と同様の構造を有する、本発明を具現化する並列の球面５バーリンク機構１１００を示す。並列の球面５バーリンク機構１１００は、構造および姿勢の点で、図１０の並列の球面５バーリンク機構１０００の概略と同様である。その回りで４つの可動リンク１１０１〜１１０４が回転する５本の枢動軸１１１１〜１１１５はすべて、共通の球面回転の遠隔中心１１２０を通過する。図の機構は、第１の回転軸１１１３および第２の回転軸１１１２の回りにおいてリンクを回転させることができるように、それぞれ第１の内部リンク１１０１および第２の内部リンク１１０４と連結された２つのモータ１１２３、１１２２を含む。２つのモータ１１２３、１１２２は、共に連結されて、基盤リンクである第５のリンク１１０５を形成する。

内部リンク１１０１は、ほぼ弓状形態を有するものとして示されている。残り３つのリンク１１０２、１１０３、１１０４は、リンクおよびピボットが互いに通過できるように枢動接続部１１１１、１１１４、１１１５の配置を調整するために、弓形セグメントを含み得る不規則な形状を有するように示されている。リンクは、本発明の機能に影響を及ぼすことなく、あらゆる所望の形態を有し得ることが十分に理解されるであろう。枢動接続部１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、１１１５の軸がすべて実質的に共通の球面回転の遠隔中心１１２０を通過する限り、リンク機構は球面リンク機構として機能することになる。

図１２は、リンク１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５と、枢動接続部１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、１１１５との関係をより明確に示すための、図１１の並列の球面５バーリンク機構１１００の概略図である。図１２は、構造体の球状の性質を強調するために、弓状形態のリンクを示す。図１３は、図１１の実施形態におけるリンクの形態を示唆する概略形態のリンクを示す。図１３に示す不規則な形状のリンクは、第１のリンク対１１０１、１１０２と第２のリンク対１１０４、１１０３との間の距離間隔を増大させることが分かる。それらのリンクが実質的に球面回転の遠隔中心１１２０を通過するように枢動軸を保持している限り、リンクの形態は重要でないことが十分に理解されるであろう。

本発明の並列の球面５バーリンク機構のコンパクトな構成において、第１の回転軸１１１３を外部軸１１１５に連結する第１のリンク対１１０１、１１０２が、第２の回転軸１１１２を外部軸１１１５に連結する第２のリンク対１１０４、１１０３を自由に通過できるようにリンク機構を構成することが望ましい場合がある。並列の球面５バーリンク機構の唯一の要件は、すべての枢動軸が実質的に共通の球面回転の遠隔中心１１２０を通過することであるため、第１のリンク対１１０１、１１０２および第１の中間ピボット１１１４は、第１の対によって掃引された第１のボリュームが、第２のリンク対１１０４、１１０３および第２の中間ピボット１１１１によって掃引された第２のボリュームと交差しないように構成されてもよい。第１および第２のボリューム間の唯一の接続部は、外部軸１１１５および基盤リンク１１０５に近接している。図１１および１３によって示される実施形態におけるリンクの形態は、第１のリンク対１１０１、１１０２が第２のリンク対１１０４、１１０３を通過することを可能にする構成の一例である。

図１４は、ロボットアーム用の並列の球面５バーリンク機構１４００の別の実施形態を示す。図１０のリンク機構１０００と比較すると、並列の球面５バーリンク機構１４００は、外部軸１４１５から離隔距離だけ離間して配置された挿入軸１４１９を有する外部リンク１４０２を含む。挿入軸１４１９が外部軸１４１５と一致するのが理想的である。しかしながら、挿入軸１４１９を外部軸１４１５から分離することにより、機械的なパッケージングの利点を得ることができる。

好ましくは、挿入軸１４１９は、外部軸１４１５よりも中間軸１４１４から離れている、外部リンク１４０２に設置される。挿入軸１４１９が球面回転の遠隔中心１４２０を中心とする球体の表面に対して垂直であり、したがって球面回転の遠隔中心１４２０を通過する限り、挿入軸は並列の球面５バーリンク機構１４００の枢動軸１４１１〜１４１５と同じ運動学的特徴を有することになる。すなわち、挿入軸１４１９は、球面回転の遠隔中心１４２０に対して移動することになる。挿入軸１４１９は、中間軸１４１４と外部軸１４１５とによって画定される平面内にあってもよいし、そうでなくてもよい。

並列の球面５バーリンク機構の枢動軸の外側での挿入軸１４１９の設置は、リンク機構１４００の運動を妨害することなく手術ツールが支持および操作されることを可能にし得る。カニューレ１０６およびその関連する機械的装着手段の構成、据付、除去、および無菌境界構成を単純化することもできる。

図１４に図示するもの等、離間して配置された挿入軸を有するいくつかの実施形態において、挿入軸１４１９、外部軸１４１５、および中間軸１４１４は、同一平面上にあってもよい。この配列により、２つの内部リンク１４０１、１４０４の位置と外部軸１４１５の位置との間の関係を単純化することができる。挿入軸１４１９を、２つの外部リンク１４０２、１４０３のいずれに設置してもよいことに留意されたい。

本発明の並列の球面５バーリンク機構は、球体の表面上における平面幾何学である、球面幾何学を使用して説明され得る。本発明のリンク機構のリンクは、同じ球面上にある必要も、またいかなる球面上にある必要もないが、リンク機構について説明することを目的として、共通の球面に投影され得る。球面幾何学において、球面上の幾何学的関係は球体の半径を変化させることによって影響を受けないことから、距離を角度として計測することができる。角距離は、球体の半径に関係なく依然として同じである。

地球表面における航海法は、球面幾何学の一般的な例である。地球規模の航海法において使用される緯度および経度は、球面系における位置および方向を説明するための馴染みのあるシステムである。赤道は、緯度０°の地点を定義する。北極は緯度９０°を定義し、南極は緯度−９０°を定義する。経度は、経度０°の任意に定義された線から一定緯度の円上における角距離である。経度は従来、東に１８０°、西に１８０°の緯度０°の線として表現される。方向は、該方向と北極への方向線との間の角度として表現される地点からの方向線である。以下は、球面幾何学の用語によって表現される、本発明の一実施形態についての説明である。

図１４を参照すると、第１の内部リンク１４０１の第１の回転軸１４１３は、緯度０°、経度０°にあるものと考えられることになる。第２の内部リンク１４０４の第２の回転軸１４１２は、同じ経度、負の緯度にあるものとして示されている。

第１の中間軸１４１４は、第１の回転軸１４１３から６０°離間して配置され得る。第１の外部軸１４１５は、第１の中間軸１４１４から４０°離間して配置され得る。挿入軸１４１９は、外部軸１４１５から３０°離間して配置され得る。第２の回転軸１４１２は、経度０°および緯度マイナス１８°の定位置に配置され得る。定位置は、リンク機構の球面幾何学の基準系内に固定されていることを意味し、その基準系を有するリンク機構全体は、空間内に自由に配置され得ることを記憶にとどめておかなくてはならない。第２の中間軸１４１１は、第２の回転軸１４１２から４５°離間して配置され得る。第２の中間軸１４１１は、外部軸１４１５から５５°離間して配置され得る。

第１の回転軸１４１３の回りにおける第１の内部リンク１４０１の回転の範囲は、８０°から−３０°の方向であってもよい。図１〜６のロボットアーム１００は、第１の内部リンクが約１５°の方向を有するように示されている。第１の内部リンク１４０１と第１の外部リンク１４０２との間の角度は、１１０°〜３０°であってもよい。図１〜６のロボットアーム１００は、第１の内部リンクと第１の外部リンクとの間に約７５°の角度を有するように示されている。

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

図１５は、図１４に示す並列の球面５バーリンク機構１４００の概略の外形と同様の外形を有するロボットアーム１５００の一実施形態を示す。図１５のビューは、図１５のビューを見るために概して図１４の左から右へ見た際の、図１４のビューに関連する。基盤リンク１５０５は、ロボットアーム１５００の近位端であると考えることができる。第１のモータアセンブリ１５２３は、第１のモータの第１の回転軸１５１３において基盤リンク１５０５と連結され得る。第２のモータアセンブリ１５２２は、第１の回転軸から第１の距離だけ離間して配置された第２のモータの第２の回転軸１５１２において基盤リンク１５０５と連結され得る。回転軸１５１２、１５１３は、モータアセンブリ１５２２、１５２３内にあり、モータが透明であるかのようにこれらの軸が描かれているため、これらの軸と該実施形態の構造との関係が、より明確に分かることに留意されたい。

図１６は、ロボットアームの一実施形態において使用され得るモータアセンブリ１５２２を示す。該アセンブリは、回転運動を提供するためのモータ１６０２を含み得る。モータは、モータ１６０２の回転を低減し得るギヤボックス１６０４を介して、内部リンクの回転軸１５１２を中心とするシャフト１６１６と連結され得る。ブレーキ１６０６は、移動中でないときにモータを停止および保持するために、モータ１６０２と連結され得る。エンコーダディスク１６１０は、モータ１６０２と連結され得る。光学センサ１６１８は、エンコーダディスク１６１０の角運動または角位置を検知し、ロボットアーム用のコントローラと連結され得る電気コネクタ１６１４に信号を提供することができる。

第１の内部リンク１５０１は、第１の回転軸１５１３において基盤リンク１５０５と枢動可能に連結される。第１の内部リンク１５０１は、第１の回転軸１５１３から遠位の第２の距離に第１の中間軸１５１４を有する。第１の外部リンク１５０２は、第１の中間軸１５１４において第１の内部リンク１５０１と枢動可能に連結される。第１の外部リンク１５０２は、第１の中間軸１５１４から遠位の第３の距離に外部軸１５１５を有する。第１の外部リンク１５０２は、外部軸１５１５および中間軸１５１４から離間して配置された挿入軸１５１９をさらに含む。挿入軸１５１９は、ロボットアーム１５００の遠位端にある。第１の外部リンク１５０２は、挿入軸１５１９を中心とするカニューレ１５０６を支持することができる。挿入軸１５１９は、カニューレ１５０６を通過し、カニューレが透明であるかのように挿入軸が描かれているため、挿入軸と回転軸および該実施形態の構造との関係が、より明確に分かることに留意されたい。

図１７に示すように、制約部によって、第１の中間軸１５１４の回りにおける第１の外部リンク１５０２の回転を制限することができる。第１のモータ１５２３が基盤リンク１５０５と連結される第１の回転軸１５１３と外部軸１５１５との間の可変距離の最大限は、実質的に、第１の回転軸１５１３から第１の中間軸１５１４までの距離と第１の中間軸１５１４から外部軸１５１５までの距離との合計より短くなるように制約される。図１７は、第１の内部リンク１５０１を第１の外部リンク１５０２と枢動可能に連結する第１の中間軸１５１４の詳細を示す。停止ピン１７１６が、第１の外部リンクと共に移動するように、第１の外部リンク１５０２と連結され得る。第１の内部リンク１５０１上に、中で停止ピン１７１６が制約されるスロット１７１８を設け、それによって第１の中間軸１５１４の回りにおける第１の外部リンク１５０２の回転を制限し得る。

第２の内部リンク１５０４は、第２の回転軸１５１２において基盤リンク１５０５と枢動可能に連結される。第２の内部リンク１５０４は、第２の回転軸１５１２から遠位の第５の距離に第２の中間軸１５１１を有する。第２の外部リンク１５０３は、第２の中間軸１５１１において第２の内部リンク１５０４と枢動可能に連結される。第２の外部リンク１５０３は、外部軸１５１５において第１の外部リンク１５０２とも枢動可能に連結され、それによって並列の球面５バーリンク機構を閉鎖している。並列の球面５バーリンク機構のすべての枢動軸が、球面回転の遠隔中心１５２０を通過する。第１の中間軸１５１４および第２の中間軸１５１１は、外部軸１５１５および第１の回転軸１５１３または第２の回転軸１５１２のいずれかを含む平面の同じ側にあり、これらは第１のモータ１５２３および第２のモータ１５２２と併用される。第１の中間軸１５１４および第２の中間軸１５１１が肘として見られる場合、両肘は、ロボットアーム１５００の制約された運動範囲全体にわたって、同じ方向に屈曲したままである。

本発明の並列の球面５バーリンク機構は、動力を受ける構成および受けない構成の両方において具現化され得ることを理解されたい。動力供給を受ける実施形態においては、サーボモータ等のデバイスが内部リンクを回転させる。並列の球面５バーリンク機構は、それらの回転を外部軸の二次元の動きに転換する。動力供給を受けない実施形態においては、外部軸の二次元の動きは、並列の球面５バーリンク機構によって内部リンクの回転に転換される。回転エンコーダ等のデバイスは、内部リンクの方向を検知することができ、該情報を使用して、外部軸の位置を計算することができる。前述したように中間軸の回転を制約することは、該制約により、外部軸の位置を、内部リンクの方向に対応する２つの考えられる位置の１つに制限することから、動力供給を受けない実施形態において有利である。

図１８は、並列の球面５バーリンク機構の動力供給を受けない実施形態において使用され得るエンコーダアセンブリを示す。外部軸の位置は、外部軸の操作に起因する並列の球面５バーリンク機構の２つの内部軸の方向を測定することによって検知され得る。エンコーダディスク１８１０は、並列の球面５バーリンク機構の２つの内部リンクのそれぞれの回転軸１８１２を中心とするシャフト１８１６と連結され得る。エンコーダディスク１８１０は、該エンコーダディスクの回転を増大させ得るギヤボックス１８０４を介して連結され得る。光学センサ１８１８は、エンコーダディスク１８１０の角運動または角位置を検知することができる。光学センサ１８１８は、電気コネクタ１８１４に信号を提供することができる。２つの回転エンコーダからの信号は、内部リンクのそれぞれの方向を測定するために、コンピュータと連結され得る。

コンピュータは、２つの方向から外部軸の位置を測定することができる。内部リンクの方向の所与の対について、概して外部軸のための考えられる２つの位置があることに留意すべきである。コンピュータには、制約部によって限定されるような、中間軸の回りにおける外部リンクの１つの回転範囲が提供されてもよい。回転範囲の追加の入力は、コンピュータが外部軸の位置を一意的に測定することを可能にし得る。

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

Claims (29)

1. 球面回転の遠隔中心を有する並列の球面５バーリンク機構であって、該リンク機構は、
   第１の回転軸と、該第１の回転軸から第１の角距離を置いた第２の回転軸とを有する基盤リンクと、
   該第１の回転軸において該基盤リンクと枢動可能に連結され、該第１の回転軸から第２の角距離を置いた第１の中間軸を有する第１の内部リンクと、
   該第１の中間軸において該第１の内部リンクと枢動可能に連結された第１の外部リンクであって、該第１の中間軸から第３の角距離、および該第１の回転軸から可変の第４の角距離を置いた外部軸を有する、第１の外部リンクと、
   該第１の中間軸の回りにおける該第１の外部リンクの回転を制限する制約部であって、それにより、該第１の外部リンクが該制約部の限界まで回転させられるときに、該可変の第４の角距離の最大限が、実質的に該第２の角距離と該第３の角距離との合計よりも短くなる、制約部と、
   該第２の回転軸において該基盤リンクと枢動可能に連結され、かつ該第２の回転軸から第５の角距離を置いた第２の中間軸を有する第２の内部リンクと、
   該第２の中間軸において該第２の内部リンクと連結され、かつ該外部軸において該第１の外部リンクと枢動可能に連結され、該外部軸は該第２の中間軸から第６の角距離を置いている第２の外部リンクと
   を備え、
   該すべての軸は、該球面回転の遠隔中心を通過し、該第１および第２の中間軸は、該外部軸および該第１または第２の回転軸のいずれかを含む平面の同じ側にある、並列の球面５バーリンク機構。
2. 前記可変の第４の角距離の前記最大限と前記第１の角距離との合計は実質的に、前記第５の角距離と前記第６の角距離との合計より短い、請求項１に記載のリンク機構。
3. 前記制約部は機械的停止部を含む、請求項１に記載のリンク機構。
4. 前記機械的停止部は、前記連結された内部リンクの前記中間軸の回りにおける前記外部リンクのうちの１つの回転を直接的に制限する、請求項３に記載のリンク機構。
5. 前記機械的停止部は、前記内部リンクの各回転軸の回りにおける該内部リンクの各回転を直接的に制限する、請求項３に記載のリンク機構。
6. 前記制約部は、
   前記第１の回転軸において前記第１の内部リンクと連結された第１のモータと、
   前記第２の回転軸において前記第２の内部リンクと連結された第２のモータと、
   該第１のモータに、該第１の内部リンクを該第１の回転軸の回りに第１の回転制限範囲内で回転させ、該第２のモータに、該第２の内部リンクを該第２の回転軸の回りに第２の回転制限範囲内で回転させるコントローラと
   を含む、請求項１に記載のリンク機構。
7. 前記第１の内部リンクおよび前記第１の外部リンクは、それらが前記第２の内部リンクおよび前記第２の外部リンクを自由に通過できるように構成および連結される、請求項１に記載のリンク機構。
8. ２つの回転エンコーダであって、各回転エンコーダは、その回転軸において前記内部リンクのうちの１つと連結された、２つの回転エンコーダと、
   該内部リンクのそれぞれの方向を受信し、かつ前記外部軸の位置を計算するために該２つの回転エンコーダと連結されたコンピュータと
   をさらに備える、請求項１に記載のリンク機構。
9. 前記外部リンクの１つは、前記外部軸および前記中間軸から離間して配置された挿入軸をさらに含み、該挿入軸は前記球面回転の遠隔中心を通過する、請求項１に記載のリンク機構。
10. 前記外部リンクのうちの１つは、前記外部軸と一致する挿入軸をさらに含み、該挿入軸は前記球面回転の遠隔中心を通過する、請求項１に記載のリンク機構。
11. 前記第１の角距離はゼロである、請求項１に記載のリンク機構。
12. 前記第１の角距離は、前記第１、第２、第５、および第６のそれぞれの角距離よりも短い、請求項１に記載のリンク機構。
13. 低侵襲手術システム用のロボットアームであって、該ロボットアームは、
    コンパクトな姿勢の範囲を有する並列の５バー球面リンク機構であって、球面回転の遠隔中心の回りにおいて該並列の５バー球面リンク機構と連結されたロボット型手術ツールを球状に回転移動させる、並列の５バー球面リンク機構と、
    該ロボットアームと連結された制約部であって、該並列の５バー球面リンク機構を該コンパクトな姿勢の範囲に制限する、制約部と、
    第１の回転軸と第２の回転軸とを有する基盤リンクと
    を備え、
    該並列の５バー球面リンク機構は、第１の中間関節とロボットアームとを有し、該ロボットアームは、第１の中間関節において枢動可能に連結された第１のリンク対と、第２の中間関節において枢動可能に連結された第２のリンク対とを含み、
    該第１のリンク対は、該第１のリンク対の第１の端部において、かつ、該第１の回転軸において該基盤リンクと連結され、
    直列の枢動可能に連結されたリンクの前記第２のリンク対は、該第２のリンク対の第１の端部において、かつ、該第２の回転軸において該基盤リンクと連結され、
    該第１のリンク対の第２の端部および該第２のリンク対の第２の端部は、外部関節において共に連結され、
    該第１の中間関節および該第２の中間関節は、該外部関節および該第１の回転軸または該第２の回転軸のいずれかを含む平面の同じ側にある、ロボットアーム。
14. 前記ロボットアームは、前記並列の５バー球面リンク機構に２つの並列の回転運動入力を提供するために第１のモータおよび第２のモータを含み、
    前記制約部は、前記コンパクトな姿勢の範囲を維持するよう前記並列の５バー球面リンク機構を制御する前記第１のモータおよび前記第２のモータと連結されたコントローラである、請求項１３に記載のロボットアーム。
15. 前記制約部は、前記並列の５バー球面リンク機構を前記コンパクトな姿勢の範囲に制限するために該第１の中間関節と連結された機械的停止部を含む、請求項１３に記載のロボットアーム。
16. 前記制約部は、前記コンパクトな姿勢の範囲を維持するために、前記並列の５バー球面リンク機構への２つの並列の回転運動入力のそれぞれに機械的停止部を含む、請求項１３に記載のロボットアーム。
17. 前記制約部は、該第１のリンク対および該第２のリンク対の両方が同じ「利き手」を有するように前記並列の５バー球面リンク機構の前記コンパクトな姿勢の範囲を制限する、請求項１３に記載のロボットアーム。
18. 前記第１の中間関節および前記第２の中間関節は、右方向を指すために、右側に維持される、請求項１７に記載のロボットアーム。
19. 前記第１の中間関節および前記第２の中間関節は、左方向を指すために、左側に維持される、請求項１７に記載のロボットアーム。
20. 前記第１のリンク対および前記第２のリンク対は、異なる半径の複数の球体上に位置する弓形形状を有する、請求項１７に記載のロボットアーム。
21. 前記制約部は、前記ロボットアームの回りにその他の手術機器用のクリアランスを提供する、請求項１３に記載のロボットアーム。
22. 前記並列の５バー球面リンク機構は、前記ロボットアームを患者の上方に支持するために、台と連結する基盤リンクを有する、請求項１３に記載のロボットアーム。
23. 前記ロボットアームを患者の上方に支持するために、前記並列の５バー球面リンク機構と前記台との間に連結された設置アームをさらに備える、請求項２２に記載のロボットアーム。
24. 低侵襲手術システムにおけるロボットアームのための方法であって、該方法は、
    第１の回転軸と第２の回転軸とを有する基盤リンクと、第１のリンク対と、第２のリンク対とを含む並列の５バー球面リンク機構にコンパクトな姿勢をとらせることであって、該並列の５バー球面リンク機構にコンパクトな姿勢をとらせることは、第１の中間関節を有する該第１のリンク対と、同じ「利き手」を有する第２の中間関節を有する該第２のリンク対とを配置することを含み、該第１のリンク対は、該第１のリンク対の第１の端部において、かつ、該第１の回転軸において該基盤リンクと連結され、該第２のリンク対は、該第２のリンク対の第１の端部において、かつ、該第２の回転軸において該基盤リンクと連結され、該第１のリンク対の第２の端部と該第２のリンク対の第２の端部とは、外部関節において互いに連結されている、ことと、
    球面回転の遠隔中心の回りにおける球面運動によって前記並列の５バー球面リンク機構を移動させることと、
    該第１の中間関節および該第２の中間関節を、該外部関節および該第１の回転軸または該第２の回転軸のいずれかを含む平面の同じ側に維持することによって、該並列の５バー球面リンク機構の該球面運動をコンパクトな姿勢の範囲内に制約することと
    を含む、方法。
25. 前記並列の５バー球面リンク機構の点は、前記並列の５バー球面リンク機構を球状に移動させるために異なる球面上を移動する、請求項２４に記載の方法。
26. 前記方法は、前記ロボットアームを患者の上方に支持するために、前記並列の５バー球面リンク機構のリンクを台に連結することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
27. 前記ロボットアームを患者の上に支持するために、前記並列の５バー球面リンク機構のリンクを、設置アームを有する台に連結することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
28. 前記並列の５バー球面リンク機構の前記球面運動を前記コンパクトな姿勢の範囲内に制約することにおいて、同じ「利き手」を維持するために、前記第１の中間関節および前記第２の中間関節の運動を機械的に制限する、請求項２４に記載の方法。
29. 前記ロボットアームは、前記並列の５バー球面リンク機構と連結された第１のモータおよび第２のモータを有し、該並列の５バー球面リンク機構の前記球面運動を前記コンパクトな姿勢の範囲内に制約することにおいて、該並列の５バー球面リンク機構の該球面運動を該コンパクトな姿勢の範囲内に制約するように該第１のモータおよび該第２のモータを制御する、請求項２４に記載の方法。