JP5730233B2 - ロボット手術装置及びその作動方法 - Google Patents

Description

（発明の背景）
本発明は、一般に、医療用、手術用、および／またはロボットデバイスおよびシステムに関する。例示の実施形態では、本発明は、手術用器具を移動するためのマニピュレーターのようなロボットマニピュレーター、内視鏡またはその他の画像チャプチャーデバイスを支持し、そしてそれらを患者身体中の所望の手術部位と整列するための改良された構造物を有する最小侵襲的ロボット手術システムを提供する。

最小侵襲的医療技法は、診断手順または手術手順の間に損傷される外部組織の量を低減することが意図され、それによって患者の回復時間、不快さ、および有害な副作用を低減する。最小侵襲的手術の１つの効果は、例えば、低減された手術後病院回復時間である。標準的な開放手術についての平均の病院滞在は、代表的には、類似の最小侵襲的手術についての平均滞在より顕著により長いので、最小侵襲的技法の増加した使用は、毎年病院費用において数百万ドルを節約し得る。米国で毎年実施される多くの手術は最小侵襲的様式で実施され得るけれども、現在の手術のほんの一部分のみがこれらの有利な技法を用いているに過ぎず、これは、最小侵襲的手術器具、およびそれらをマスターすることに関連するさらなる手術訓練における制限に起因する。

最小侵襲的ロボット手術システムまたは遠隔手術システムは、外科医の器用さを増大し、そして伝統的な最小侵襲的技法に関するいくつかの制限を避けるために開発されている。遠隔手術では、外科医は、遠隔制御の特定の形態、例えば、サーボ機構などを用い、手によって手術器具を直接保持し、そして動かすよりもむしろ、これらの手術器具を操作する。遠隔手術システムでは、外科医は、手術ワークステーションで手術部位の画像を提供される。ディスプレイ上の手術部位の二次元または三次元画像を見ながら、外科医は、マスター制御デバイスを操作する（これは、次いでサーボ機械的に手術器具の動きを制御する）ことにより、患者に対して手術手順を実施する。

遠隔手術のために用いられるサーボ機構は、しばしば、２つのマスターコントローラー（外科医の手の各々のため）からの入力を受け、そしてその各々に手術器具が取り付けられる２つ以上のロボットアームを含み得る。操作支持リンケージ機構が、特許文献１および特許文献２に記載され、これらの全体の開示は、本明細書中に参考として援用される。

米国特許第６，２４６，２００号明細書 米国特許第６，７８８，０１８号明細書

新たな遠隔手術システムおよびデバイスは、高度に有効かつ有利であることが証明されているけれども、なおさらなる改良が所望され得る。一般に、改良された最小侵襲的ロボット手術システムを提供することが所望され得る。これらの改良された技法がロボット手術システムの効率および使用の容易さを増大するならば、特に有益であり得る。例えば、操縦性を増加し、手術室におけるスペース利用を改善し、より迅速かつより容易なセットアップを提供し、使用の間のロボットデバイス間の衝突を防ぎ、そして／またはこれら維新たな手術システムの機械的複雑さおよびサイズを低減することが特に有利であり得る。

（発明の簡単な要旨）
本発明は、一般に、医療用、手術用、そして／またはロボットデバイスおよびシステムに関する。多くの実施形態では、本発明は、手術用器具を移動するためのマニピュレーターのようなロボットマニピュレーター、内視鏡またはその他の画像チャプチャーデバイスを支持し、そしてそれらを患者身体中の所望の手術部位と整列するための改良された構造物を有する最小侵襲的ロボット手術システムを提供する。改良されたモジュールマニピュレーター支持体は、いくつかの利点を提供し得、これには、増大された操縦性、手術室における改良されたスペース利用、より迅速およびより容易なセットアップ、使用の間のロボットデバイス間の衝突防止、および／またはこれら新たな手術システムの低減された機械的複雑さ、およびサイズが含まれる。このような利点は、次いで、このようなロボット手術システムの使用の有効性および容易さを増大する。

本発明の第１の局面では、ロボット手術システムは、取り付けベース、複数の手術器具、関節支持体アセンブリを備える。各器具は、付随する関連侵襲アパーチャを通じて患者中に所望の内部手術部位まで挿入可能である。上記関節支持体アセンブリは、上記複数の器具を上記ベースに対して移動可能に支持する。上記支持体は、一般に、配向プラットホーム、この配向プラットホームを上記ベースに対して移動可能に支持するプラットホームリンケージ、および上記配向プラットホームに取り付けられる複数のマニピュレーターを備え、ここで、各マニピュレーターは、付随する器具を移動可能に支持する。

上記取り付けベースは、好ましくは、上記関節支持体アセンブリが上記ベースからほぼ下方に延びることを許容するような天井で支持される構造物を備える。天井に取り付けられる関節支持体アセンブリは、有利なことに、手術室中のスペース利用を改善し、特に、人員および／またはその他の手術設備のための作業テーブルに隣接するスペースを整頓すること、ならびに床上のロボット設備および配線を最小にする。さらに、天井に取り付けられる関節支持アセンブリは、手順の間にその他の隣接するマニピュレーターとの衝突の可能性またはスペース衝突を最小にし、そして上記ロボット手術システムが使用されないとき、便利な貯蔵を提供する。

上記プラットホームリンケージ、好ましくは、直線状レール、このレールに連結可能であるスライド可能なキャリッジ、および近位端上のこのキャリッジおよび遠位端上の上記配向プラットホームに回転可能に連結可能な少なくとも１つのアームを備える。上記プラットホームリンケージは、有利には、上記配向プラットホームの少なくとも三次元並進を収容することにより、および上記配向プラットホームの１つの軸の周りの回転を収容することにより上記関節支持体アセンブリの操縦可能性を増大する。上記配向プラットホームの増大した移動の範囲は、患者身体の広い範囲に亘り切開部位への接近を許容する。これは、結腸手術、複数血管冠状動脈バイパスグラフト手順、心臓手術、胃バイパスなどのような複雑かつ長い手順を実施するとき、手術部位を交互するためにマニピュレーターの中央操作の迅速な再位置決めを容易にすることによって有益であり得る。

上記ロボット手術システムは、上記配向プラットホームに連結可能な複数の配置可能なセットアップジョイントアームをさらに含む。各アームは、付随するマニピュレーターを移動可能に支持しており、そして予備配置可能である離脱可能に固定可能なリンクおよびジョイントを規定している。多くの実施形態では、しばしば４つ以上である、３つ以上のマニピュレーターが上記配向プラットホームに取り付けられ、各マニピュレーターは、別個の切開部位に関連している。４つ以上の切開部位の各々は、直径が約７〜１５mmであり、そして点であると考えることができ、これは、代表的には、腹部中の腹腔壁の中央点、または胸部中の肋骨の隣に位置される。好ましくは、上記配向プラットホームは、上記複数のアームに回転可能に連結可能な４つのハブ、および上記プラットホームリンケージに連結可能な第５のハブを備え、ここで、この第５のハブは、好ましくは内視鏡のための切開部位と一致する旋回点と整列される。この第５のハブは、この内視鏡マニピュレーター旋回点の周り上記配向プラットホームの回転を提供し、上記複数のセットアップアームが、手術手順が行われるべき方向を指すことを可能にする。

一般に、上記配向プラットホームは、器具マニピュレーターを移動可能に支持するための３つのセットアップアーム、および画像キャプチャーデバイスマニピュレーターを移動可能に支持するための１つセットアップジョイントアームを備える。個々に位置決め可能なセットアップアームおよび付随するマニピュレーターを支持するための配向プラットホームの利用は、有利なことに、機械的により複雑でない比較的小さく、そしてコンパクトなマニピュレーター支持体構造を生じる。例えば、単一の配向プラットホームは、各セットアップアームを独立に配置することに付随する遅延および複雑さを避けることによってより迅速および容易なセットアップを許容し得る。

各セットアップジョイントアームは、４を超えない自由度を有する点で単純化される。代表的には、各アームは、上記固定可能なリンクおよびジョイントの一次元の並進、および上記固定可能なリンクおよびジョイントの２つまたは３つの軸の周りの回転を収容する。少なくとも１つのセットアップジョイントアームは、一対の隣接する固定可能な回転ジョイント間に延びる、少なくとも１つのバランスされた固定可能な接続された平衡四辺形リンケージ構造を含む。この接続された構造は、ほぼ垂直方向にある移動を収容し、そしてこの隣接する回転ジョイントは垂直軸の周りの旋回移動を収容する。

上記システムは、上記関節支持体アセンブリに連結されたブレーキシステムを含み得る。このブレーキシステムは、先に少なくとも実質的に固定された形態に配置された上記固定可能なリンクの関節運動を離脱可能に阻害する。このブレーキシステムは、上記固定された形態に向かって付勢され、そして上記固定可能なリンクおよびジョイントを、この固定可能なリンクおよびジョイントが関節運動され得る再位置決め可能な形態に解放するためにブレーキ解放アクチュエーターを含む。上記システムは、複数の上記固定可能なリンクおよびジョイントをサーボ機構に連結するジョイントセンサーシステムをさらに含み得る。このセンサーシステムはジョイント配置信号を生成する。このサーボ機構は、コンピューターを含み、そして上記ジョイントセンサーシステムは、上記ジョイント配置信号を上記コンピューターに伝達する。このコンピューターは、上記取り付けベースに対して固定された参照座標系と、上記ジョイント配置信号を用いる器具との間の座標系変換を算出する。

少なくとも１つのマニピュレーターは、マニピュレーターベースが水平に対して固定された角度にあるように機械的に拘束される。この少なくとも１つのマニピュレーターは、約４０゜から約６０゜まで、好ましくは、約４５゜から約５０゜までの範囲で水平に対して角度がオフセットされている。上記セットアップジョイント補助アームによって支持される少なくとも１つのマニピュレーターは、０゜から約２０゜までの範囲、好ましくは約１５゜だけ水平に対して角度がオフセットされる。上記セットアップジョイント中央アームによって支持される上記少なくとも１つのマニピュレーターは、４０゜〜約９０゜、好ましくは約６５゜〜約７５゜の範囲で水平に対して角度がオフセットされる。

好ましくは、少なくとも１つのマニピュレーターは、スペース中の旋回点の周りで上記器具の球旋回を拘束するためのオフセット遠隔リンケージを備え、ここで、上記セットアップジョイントアームの固定可能なリンクおよびジョイントの関節運動が上記旋回点を移動する。驚くべきことに、上記セットアップアームは、上記オフセット遠隔中心マニピュレーターによって提供される移動の増加した範囲に起因して単純化され得る（例えば、４を超えない自由度をもつ）。これは、上記セットアップアームのより少ない予備配置とともにより単純なシステムプラットホームを許容する。従って、手術室人員は、専門化された訓練をほとんどなくしてか、またはそれなしで手術のために上記ロボットシステムを迅速に配列および準備し得る。上記セットアップアームの減少した機械的複雑さを提供する例示のオフセット遠隔中心マニピュレーターは、米国特許出願第１０／９５７，０７７号スにさらに詳細に記載されている。

１つの実施形態では、上記オフセット遠隔中心マニピュレーターは、一般に、マニピュレーターベースを有する関節リンケージアセンブリ、平行四辺形リンケージベース、複数の駆動されたリンクおよびジョイント、および器具ホルダーを備える。上記マニピュレーターベースは、第１の軸の周りの回転のために上記平行四辺形リンケージベースに回転可能に連結される。上記平行四辺形リンケージベースは、上記複数の駆動されたリンクおよびジョイントにより上記器具ホルダーに連結される。上記駆動されるリンクおよびジョイントは、上記器具が上記器具ホルダーに取り付けられ、そして上記シャフトが少なくとも１つの自由度で移動されるとき、旋回点に対して上記器具の細長いシャフトを拘束するように平行四辺形を規定する。上記第１の軸および上記平行四辺形リンケージベースに隣接する上記平行四辺形の第１の辺は、上記旋回点で上記シャフトと交差し、そして上記平行四辺形の第１の辺は上記第１の軸から角度がオフセットされる。

本発明の別の局面では、ロボット手術システムにおける使用のためのモジュールマニピュレーター支持体が提供される。このシステムは、取り付けベース、複数の手術器具、および組織を操作するように付随する器具を移動するための駆動されたリンクおよびジョイントを規定する複数のマニピュレーターを備える。上記ベースに対してこのマニピュレーターを移動可能に支持および位置決めするための支持体は、上記取り付けベースに連結可能な配向プラットホーム、およびこの配向プラットホームに連結可能な複数のアームを含む。各アームは、付随するマニピュレーターを移動可能に支持し、そして予備配置可能である離脱可能に固定可能なリンクおよびジョイントを規定する。上記支持体は、上記配向プラットホームに連結可能な相互作用モニターのようなディスプレイをさらに含み得る。このディスプレイは、セットアップ目的、器具変更、および／または手順を人員が見ることのために用いられ得る。

本発明のなお別の局面では、ロボット手術システムは、天井高さ取り付けベース、複数の手術器具、およびこの複数の器具を上記ベースに対して移動可能に支持する関節支持体アセンブリを備える。このアセンブリは、配向プラットホーム、および複数のマニピュレーターに付随する複数のアームを備える。この配向プラットホームは、上記関節支持体アセンブリが上記ベースからほぼ下方に延びることを許容するように上記ベースに連結可能である。上記複数のアームは、この配向プラットホームに連結可能であり、ここで、各アームは、予備配置可能である離脱可能に固定可能なリンクおよびジョイントを規定する。上記複数のマニピュレーターは、上記複数のアームに連結可能であって、各マニピュレーターは、組織を操作するように上記複数の器具を移動するために駆動されたリンクおよびジョイントを規定する。

本発明のなお別の局面では、取り付けベース、複数の手術器具、およびこれら複数の器具を上記ベースに対して移動可能に支持する関節支持体アセンブリを有するロボット手術システムを調製するための方法が提供される。１つの方法は、配向プラットホームを、この配向プラットホームに取り付けられた複数のマニピュレーターを予備位置決めするために、この配向プラットホームを移動可能に支持するプラットホームリンケージを上記ベースに対して、これら複数のマニピュレーターによって支持される手術器具が関連する最小侵襲的アパーチャに向かって配向されるように関節運動することによって移動する工程を包含する。上記配向プラットホームの移動は、この配向プラットホームを三次元で並進すること、そして／または上記配向プラットホームを１つの軸の周りで回転することを含み得る。上記複数のマニピュレーターは、上記配向プラットホームに連結可能な複数のアームを関節運動することによって移動され得る。上記プラットホームリンケージ、配向プラットホーム、および／またはアームは、さらなる関節運動を防ぐようにブレーキシステムで拘束され得る。
より特定すれば、本願発明は以下の項目に関し得る。
（項目１）
ロボット手術システムであって：
取り付けベース；
複数の手術器具であって、各器具が付随する関連侵襲アパーチャを通じて患者中に挿入可能である複数の手術器具；
上記複数の器具を上記ベースに対して移動可能に支持する関節支持体アセンブリを備え、
上記アセンブリが：
配向プラットホーム；
上記配向プラットホームを上記ベースに対して移動可能に支持するプラットホームリンケージ；および
上記配向プラットホームに取り付けられる複数のマニピュレーターであって、各マニピュレーターが付随する器具を移動可能に支持する複数のマニピュレーターを備える、システム。
（項目２）
上記取り付けベースが、上記関節支持体アセンブリが上記ベースからほぼ下方に延びることを許容するような天井で支持される構造物を備える、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記プラットホームリンケージが、直線状レール、上記レールに連結可能であるスライド可能なキャリッジ、および近位端上の上記キャリッジおよび遠位端上の上記配向プラットホームに回転可能に連結可能な少なくとも１つのアームを備える、項目１に記載のシステム。
（項目４）
上記プラットホームリンケージが、上記配向プラットホームの三次元並進を収容する、項目３に記載のシステム。
（項目５）
上記プラットホームリンケージが、上記配向プラットホームの１つの軸の周りの回転を収容する、項目３に記載のシステム。
（項目６）
上記配向プラットホームに連結可能な複数のアームをさらに備え、各アームが、付随するマニピュレーターを移動可能に支持し、そして予備配置可能である離脱可能に固定可能なリンクおよびジョイントを規定する、項目１に記載のシステム。
（項目７）
上記配向プラットホームが、上記複数のアームに回転可能に連結可能な４つのハブ、および上記プラットホームリンケージに連結可能な第５のハブを備え、上記第５のハブが旋回点と整列され、そして上記旋回点の周りの上記配向プラットホームの回転を収容する、項目６に記載のシステム。
（項目８）
各アームが、上記固定可能なリンクおよびジョイントの一次元の並進を収容する、項目６に記載のシステム。
（項目９）
各アームが、上記固定可能なリンクおよびジョイントの２つまたは３つの軸の周りの回転を収容する、項目６に記載のシステム。
（項目１０）
各アームが、４を超えない自由度を有する、項目６に記載のシステム。
（項目１１）
上記システムが、器具マニピュレーターを移動可能に支持するための３つのアーム、および画像キャプチャーデバイスマニピュレーターを移動可能に支持するための１つアームを備える、項目６に記載のシステム。
（項目１２）
少なくとも１つのアームが、一対の隣接する固定可能な回転ジョイント間に延びる、少なくとも１つのバランスされた固定可能な接続された平衡四辺形リンケージ構造を含み、上記接続された構造がほぼ垂直方向にある移動を収容し、そして上記隣接する回転ジョイントが垂直軸の周りの旋回移動を収容する、項目６に記載のシステム。
（項目１３）
上記関節支持体アセンブリに連結されたブレーキシステムをさらに備え、上記ブレーキシステムが、先に少なくとも実質的に固定された形態に配置された上記固定可能なリンクの関節運動を離脱可能に阻害し、上記ブレーキシステムが上記固定された形態に向かって付勢され、上記ブレーキシステムが、上記固定可能なリンクおよびジョイントを、上記固定可能なリンクおよびジョイントが関節運動され得る再位置決め可能な形態に解放するためにブレーキ解放アクチュエーターを含む、項目６に記載のシステム。
（項目１４）
複数の上記固定可能なリンクおよびジョイントをサーボ機構に連結するジョイントセンサーシステムをさらに備え、上記センサーシステムがジョイント配置信号を生成し、上記サーボ機構がコンピューターを含み、そして上記ジョイントセンサーシステムが上記ジョイント配置信号を上記コンピューターに伝達する、項目６に記載のロボットシステム。
（項目１５）
上記コンピューターが、上記取り付けベースに対して固定された参照座標系と、上記ジョイント配置信号を用いる器具との間の座標系変換を算出する、項目１４に記載のロボットシステム。
（項目１６）
少なくとも１つのマニピュレーターが、マニピュレーターベースが水平に対して固定された角度にあるように機械的に拘束される、項目１に記載のシステム。
（項目１７）
上記少なくとも１つのマニピュレーターが、約４５゜から約５０゜までの範囲で水平に対して角度がオフセットされている、項目１６に記載のシステム。
（項目１８）
上記少なくとも１つのマニピュレーターが、約１５゜だけ水平に対して角度がオフセットされている、項目１６に記載のシステム。
（項目１９）
上記少なくとも１つのマニピュレーターが、約６５゜から約７５゜までの範囲で水平に対して角度がオフセットされている、項目１６に記載のシステム。
（項目２０）
上記少なくとも１つのマニピュレーターが、スペース中の旋回点の周りで上記器具の球旋回を拘束するためのオフセット遠隔リンケージを備える、項目１６に記載のシステム。
（項目２１）
上記オフセット遠隔中心マニピュレーターが、第１の軸の周りの回転のために平行四辺形リンケージベースに回転可能に連結されるマニピュレーターベースを有する関節リンケージアセンブリを備える項目２０に記載のシステムであって、上記平行四辺形リンケージベースが複数の駆動されたリンクおよびジョイントによって器具ホルダーに連結され、上記器具が上記器具ホルダーに取り付けられ、そして上記シャフトが少なくとも１つの自由度で移動されるとき、上記駆動されたリンクおよびジョイントが上記器具の細長いシャフトを旋回点に対して拘束するように平行四辺形を規定し、ここで、上記第１の軸および上記平行四辺形リンケージベースに隣接する上記平行四辺形の第１の辺が上記旋回点で上記シャフトと交差し、そして上記平行四辺形の第１の辺が上記第１の軸から角度がオフセットされる、システム。
（項目２２）
上記配向プラットホームに連結可能なディスプレイをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目２３）
上記ディスプレイが、相互作用モニターを備える、項目２２に記載のシステム。
（項目２４）
ロボット手術システムにおける使用のためのモジュールマニピュレーター支持体であって、上記システムが、取り付けベース、複数の手術器具、および組織を操作するように付随する器具を移動するための駆動されたリンクおよびジョイントを規定する複数のマニピュレーターを備え、上記ベースに対して上記マニピュレーターを移動可能に支持および位置決めするための上記支持体が：
上記取り付けベースに連結可能な配向プラットホーム；および
上記配向プラットホームに連結可能な複数のアームであって、各アームが付随するマニピュレーターを移動可能に支持し、そして予備配置可能である離脱可能に固定可能なリンクおよびジョイントを規定する、支持体。
（項目２５）
ロボット手術システムであって：
天井高さ取り付けベース；
複数の手術器具；
上記複数の器具を上記ベースに対して移動可能に支持する関節支持体アセンブリであって、上記アセンブリが：
上記関節支持体アセンブリが上記ベースからほぼ下方に延びることを許容するように上記ベースに連結可能な配向プラットホーム；
上記配向プラットホームに連結可能な複数のアームであって、各アームが予備配置可能である離脱可能に固定可能なリンクおよびジョイントを規定する複数のアーム；および
上記複数のアームに連結可能な複数のマニピュレーターであって、各マニピュレーターが組織を操作するように上記複数の器具を移動するために駆動されたリンクおよびジョイントを規定する複数のマニピュレーターを備える、システム。
（項目２６）
取り付けベース、複数の手術器具、および上記複数の器具を上記ベースに対して移動可能に支持する関節支持体アセンブリを有するロボット手術システムを調製するための方法であって：
配向プラットホームを、上記配向プラットホームに取り付けられた複数のマニピュレーター予備位置決めするために、上記配向プラットホームを移動可能に支持するプラットホームリンケージを上記ベースに対して、上記複数のマニピュレーターによって支持される手術器具が関連する最小侵襲的アパーチャに向かって配向されるように関節運動することによって移動する工程を包含する、方法。
（項目２７）
上記移動する工程が、上記配向プラットホームを三次元で並進することを包含する、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
上記移動する工程が、１つの軸の周りで上記配向プラットホームを回転することを含む、項目２６に記載の方法。
（項目２９）
上記配向プラットホームに連結可能な複数のアームを関節運動することによって、上記複数のマニピュレーターを移動する工程をさらに包含する、項目２６に記載の方法。
（項目３０）
上記プラットホームリンケージ、配向プラットホーム、またはアームを、さらなる関節運動を防ぐようにブレーキシステムで拘束する工程をさらに包含する、項目３０に記載の方法。

本発明の性質および利点のさらなる理解は、本明細書および図面の残りの部分を参照することによって明らかになる。

以下の図面は、詳細な説明を参照して読まれるべきである。異なる図面における同様の番号は、同様の要素に言及する。必ずしもスケール通りではない図面は、本発明の実施形態を例示して描写し、そして本発明の範囲を制限することは意図されない。
図１は、ロボット手術システムを示す手術室の一部分の概略平面図であり、手術手順を入力するためのマスター外科医コンソールまたはワークステーション、および手術部位で手術端部エフェクターを有する手術器具をロボットにより移動するためのロボット患者側カートを含む。 図２は、ロボット患者側カートまたはスタンドの斜視図であり、予備配置されるべき、２つの患者側ロボットマニピュレーターおよび１つの内視鏡カメラロボットマニピュレーターを可能にする位置決めリンケージを含む。 図３Ａは、図２のロボットマニピュレーターのリンケージの側面図である。 図３Ｂは、図２のロボットマニピュレーターのリンケージの前面図である。 図４は、図１のシステムにおける使用のために関節運動する外科用器具の斜視図である。 図５Ａは、本発明の原理に従って構築された例示のモジュールマニピュレーター支持体の上からの斜視図である。 図５Ｂは、本発明の原理に従って構築された例示のモジュールマニピュレーター支持体の上からの斜視図である。 図６Ａは、図５Ａのマニピュレーター支持体のセットアップジョイントアームの斜視図である。図６Ｂは、図５Ａのマニピュレーター支持体のセットアップジョイント補助アームの斜視図である。 図７Ａは、図５Ａのマニピュレーター支持体の配向プラットホームの上からの斜視図である。図７Ｂは、図５Ａのマニピュレーター支持体の配向プラットホームの下からの斜視図である。 図７Ｃは、図５Ａのマニピュレーター支持体の配向プラットホームの上からの斜視図である。 図７Ｄは、図５Ａのマニピュレーター支持体の配向プラットホームの下からの斜視図である。 図８Ａは、図５Ａのマニピュレーター支持体を移動可能に支持するためのプラットホームリンケージの下からの斜視図である。図８Ｂは、図５Ａのマニピュレーター支持体を移動可能に支持するためのプラットホームリンケージの上からの斜視図である。 図９Ａは、内視鏡カメラロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイント中央アームの斜視図を示す。図９Ｂは、内視鏡カメラロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイント中央アームの斜視図を示す。 図９Ｃは、内視鏡カメラロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイント中央アームの平面図を示す。図９Ｄは、内視鏡カメラロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイント中央アームの斜視図を示す。 図９Ｅは、内視鏡カメラロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイント中央アームの斜視図を示す。図９Ｆは、内視鏡カメラロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイント中央アームの斜視図を示す。 図９Ｇは、内視鏡カメラロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイント中央アームの斜視図を示す。 図１０Ａは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの斜視図を示す。 図１０Ｂは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの平面図を示す。 図１０Ｃは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの斜視図を示す。図１０Ｄは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの斜視図を示す。 図１０Ｅは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの斜視図を示す。図１０Ｆは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの斜視図を示す。 図１０Ｇは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの斜視図を示す。図１０Ｈは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップジョイントアームの斜視図を示す。 図１１Ａは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップ補助アームの斜視図を示す。図１１Ｂは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップ補助アームの平面図を示す。 図１１Ｃは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップ補助アームの斜視図を示す。図１１Ｄは、患者側ロボットマニピュレーターを支持および位置決めするセットアップ補助アームの斜視図を示す。 図１２Ａは、余分の自由度の作用を示す４つのセットアップジョイントアームの上からの斜視図を示す。図１２Ｂは、余分の自由度の作用を示す４つのセットアップジョイントアームの上からの斜視図を示す。図１２Ｃは、余分の自由度の作用を示す４つのセットアップジョイントアームの上からの斜視図を示す。

（発明の詳細な説明）
図１〜４は、米国特許第６，２４６，２００号により詳細に記載されている、最小侵襲的ロボット手術を実施するためのロボット手術システム１を示す。操作者Ｏ（一般に外科医）は、手術テーブルＴ上に横たわる患者Ｐに対して最小侵襲的手術手順を実施し、操作者Ｏは、外科医のコンソール３で１つ以上の入力デバイスまたはマスター２を操作する。この外科医の入力に応答して、コンソール３のコンピュータープロセッサ４は、内視鏡手術器具またはツール５の動きを取り扱い、ロボット患者側システム６（この例では、カートに載せられたシステム）を経由してこれら器具のサーボ機械的移動を行う。

代表的には、患者側システムまたはカート６は、少なくとも３つのロボットマニピュレーターアームを含む。２つのセットアップジョイントまたはリンケージ７（この例では、カート６の側面に取り付けられている）は、手術ツール５を駆動するサーボマニピュレーター８を支持および位置決めし；そして１つのセットアップジョイントアームまたはリンケージ９（この例では、カート６の中央に取り付けられている）は、内部手術部位の画像（好ましくは、立体的）をキャプチャーする内視鏡カメラプローブ１１の動きを制御するサーボマニピュレーター１０を支持および位置決めする。

内部手術部位の画像は、外科医コンソール３中の立体的ディスプレイビュワー１２によって外科医または操作者Ｏに示され、そしてアシスタントのディスプレイ１４によってアシスタントに同時に示される。アシスタントＡは、関連する非ロボット医療用器具および設備などを操作する際に代替の手術ツールまたは器具５’のための１つ以上の手術マニピュレーター８（および／または１０）中のツールを交換することで、セットアップリンケージアーム７、９を用い、患者Ｐに対してマニピュレーター８および１０を予備位置決めすることを支援する。

一般的な用語で、アームまたはリンケージ７、９は、組織が操作されるとき、代表的には固定された形態のままである、患者側システム６の位置決めリンケージまたはセットアップアーム部分を備え、そして上記マニピュレーター８、１０は、外科医のコンソール３の指令の下で能動的に関節運動される駆動部分を含む。これらマニピュレーター８、１０は、主に、マスター／スレーブ組織操作のために用いられ、その一方、セットアップアーム７、９は、患者、手術テーブル、切開点などを再位置決めするとき、使用前に上記マニピュレーター８、１０を位置決め、および／または配置するために用いられる。

用語法における簡便性のために、組織に影響する手術を作動する８のようなマニピュレーターは、しばしばＰＳＭ（患者側マニピュレーター）と称され、そして内視鏡１１のような、画像キャプチャーデバイスまたはデータ獲得デバイスを制御する１０のようなマニピュレーターは、しばしばＥＣＭ（内視鏡−カメラマニピュレーター）と称され、このような遠隔手術ロボットマニピュレーターは、手術において有用な広範な種類の器具、ツールおよびデバイスを必要に応じて作動、操縦および制御し得ることが注記される。

図２は、図１のカートに載せられた遠隔手術患者側システム６の斜視図を示し、２つのＰＳＭおよび１つのＥＣＭ１０を含む。カートシステム６は、次に、２つのＰＳＭセットアップアーム７（各々はＰＳＭの８の１つを支持する）および１つのＥＣＭセットアップアーム９（ＥＣＭ１０を支持する）を含む３つの位置決めリンケージまたはセットアップアームを取り付けるカラム１５を含む。これらＰＳＭセットアップアーム７の各々は、６つの自由度を有し、そして中央に取り付けられるＥＣＭセットアップアーム９の各側面上の１つに取り付けられる。示されるＥＣＭセットアップアーム９は、６より少ない自由度を有し、そしてＥＣＭ１０は、代表的にはＰＳＭ８中に含まれるような関節運動される手術器具のために提供されるすべてのツール作動駆動システムを含まなくても良い。各ＰＳＭ８は、手術ツール５（点線で示される）を離脱可能に取り付け、そしてＥＣＭ１０は、内視鏡プローブ１１（点線で示される）を離脱可能に取り付ける。

図３Ａおよび３Ｂは、遠隔中心機構を有する、図２のロボット手術マニピュレーターまたはＰＳＭ８のリンケージのそれぞれ側面図および前面図である。ＰＳＭ８は、カートマウント６、天井マウント、または床／台座マウントによって取り付け、そして支持され得るマニピュレーターの１つの先行技術の例である。この例では、このＰＳＭ８は、好ましくは、ツールインターフェースハウジング２１、および取り付けられた器具またはツールの移動を拘束するリンケージ配列２０を含む。より詳細には、リンケージ２０は、発行された米国特許第６，７５８，８４３号により詳細に記載されるように、ハウジング２１およびツール５がスペース２２中の点の周りで回転するように、平行四辺形配列中の回転ジョイントによって一緒に連結された剛直性リンクを含む。

このリンケージ２０の平行四辺形配列は、図３Ａ中に矢印２２ａによって示されるような、しばしばピッチ軸と呼ばれる軸の周りの旋回に対して回転を拘束し、この軸は、その図示の中ではこのページに垂直であり、そして旋回点２２を通過する。この平行四辺形リンケージを支持するリンクは、旋回可能にセットアップジョイントアーム（図２中の７）に取り付けられ、その結果、ツール５は、しばしば偏揺れ軸と呼ばれる軸２２ｂ（図３Ｂ）の周りでさらに回転する。ピッチ軸および偏揺れ軸は、ツール５のシャフト２３に沿って整列される遠隔中心２２で交差する。ツール５は、挿入軸２２ｃに沿ってこのツールのスライドする移動を含む、マニピュレーター８によって支持されるようななおさらに駆動される自由度を有する。ツール５は、マニピュレーターインターフェースハウジング２１に取り付けられる近位ハウジング２４を含む。インターフェースハウジング２１は、軸２２ｃに沿ったツール５の移動を提供し、そしてＰＳＭ８の端部エフェクターアクチュエーターからツール５にアクチュエーター入力を移すために役立つことの両方を行う。遠隔中心システムのこの例では、平行四辺形配列２０は、ツール５に、外科医の制御入力に従ってサーボ機構がツール移動を作動するとき、ツールシャフト２３が旋回点２２の周りで回転することを機械的に拘束するように連結される。

ツール５がマニピュレーター８に対して軸２２ｃに沿ってスライドするとき、遠隔中心２２は、マニピュレーター８の取り付けベース２５（セットアップアーム７への取り付け点）に対して固定されたままである。これ故、全体のマニピュレーター８は、整復遠隔中心２２にほぼ動く。マニピュレーター８のリンケージ２０は、一連のモーター２６によって駆動される（図３Ａ）。これらのモーターは、プロセッサ（図１中の４）からの指令に応答してリンケージ２０を能動的に動かす。モーター２６は、軸２２ｃの周りでツール５を回転するようにこのツールにさらに連結され、そしてほぼ少なくとも１つ、そしてしばしば２つの自由度でツール５の遠位端でリスト（図４中の２９）を関節運動させ得る。さらに、モーター２６は、鉗子などの顎中に組織を握るために、上記ツールの関節運動可能な端部エフェクターを作動するために用いられ得る。モーター２６は、これもまたその全体の開示が参考として本明細書中に援用される米国特許第５，７９２，１３５号中により詳細に記載されるように、ケーブルを用いてツール５の少なくともいくつかのジョイントに連結され得る。この参考文献に記載されるように、このマニピュレーター８は、駆動構成要素から上記手術ツール５まで運動を移すために可撓性部材を含む。内視鏡手順には、マニピュレーター８は、しばしばカニューレ２７を含む。マニピュレーター８に離脱可能に連結され得るカニューレ２７は、好ましくは、ツール５を、回転し、そしてカニューレ２７の中央ボアを通って軸方向に移動することを可能にして支持する。

図４は、図１のシステムにおいて採用され得る、関節運動される手術ツールまたは器具５の曝された斜視図を示す。ツール５は、近位端ハウジング２４に対して端部エフェクター２８を支持する細長いシャフト２３を含む。近位ハウジング２４は、マニピュレーター（例えば、図１、２、３Ａ、および３Ｂ中のＰＳＭ）に器具を離脱可能に取り付け、そしてインターフェースするため、およびマニピュレーター８と端部エフェクター２８との間で信号および／または動きを伝達するために適合されている。関節運動されるリスト機構２９は、端部エフェクター２８とシャフト２３との間で２つの自由度の動きを提供し得、そしてこのシャフト２３は、近位ハウジング２４に対して、端部エフェクター２８に患者身体内で３つの実質的に配向の自由度を提供するように回転可能であり得る。

ここで、図５Ａおよび５Ｂを参照して、本発明の原理に従って構築された例示のモジュールマニピュレーター支持体アセンブリ３０の上からの斜視図が示される。このモジュールマニピュレーター支持体３０は、患者側マニピュレーター３２または内視鏡カメラマニピュレーター３４のようなロボットマニピュレーターを、患者身体中の所望の手術切開のセットと整列し、そして支持する。このモジュールマニピュレーター支持体アセンブリ３０は、一般に、配向プラットホーム３６、およびこの配向プラットホーム３６に連結可能な複数の配置可能なセットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４を含む。各アーム３８、４０、４２、４４は、付随するマニピュレーター３２、３４を移動可能に支持し、これは、次いで、付随する器具を移動可能に支持する。上記の描写は、例示目的のみのためであり、そしてモジュールマニピュレーター支持体アセンブリ３０の実際の形状、サイズ、または寸法を必ずしも反映しないことが認識される。これは、本明細書で以後すべての描写に適用される。

配向プラットホーム３６は、一般に、付随する患者側マニピュレーター３２を移動可能に支持するために２つのセットアップジョイントアーム４０、４２（ＳＪＡ１右、およびＳＪＡ２左）、ならびに１つの随意の補助アーム４４（ＳＪＸ）を支持する。代表的には、各アームは、患者側マニピュレーターの並進を三次元（ｘ、ｙ、ｚ）で、そして患者側マニピュレーターの１つの垂直軸（方位）の周りの回転を収容する。上記セットアップジョイント右アーム４０および上記セットアップジョイント補助アーム４４のさらなる斜視図が、図６Ａおよび６Ｂ中にそれぞれ示される。一般に、右アーム４０および左アーム４２は、右外科医制御および左外科医制御に対応するマニピュレーターを支持し、その一方、補助またはアシスタントアーム４４は、心臓手術のような複雑な手術の間で特に有益であるマニピュレーター位置決めでさらなるバリエーションのために提供される。上記配向プラットホーム３６は、内視鏡カメラマニピュレーター３４を移動可能に支持するために、１つのセットアップジョイント中央アーム３８（ＳＪＣ）をさらに支持する。これらセットアップアーム３８、４０、４２、４４は、器具マニピュレーター３２またはカメラマニピュレーター３４を交換可能に支持し、そして位置決めし得ることが認識される。個々に位置決め可能なセットアップアーム３８、４０、４２、４４および付随するマニピュレーター３２、３４を支持するための配向プラットホーム３６の利用は、有利なことに、比較的スケールがダウンされたコンパクトなサイズを有する単純化された単一の支持ユニットを生じる。例えば、単一の配向プラットホーム３６は、しばしば、混乱し、そして面倒である、取り付けベースに各セットアップアーム３８、４０、４２、４４を個々に整列および取り付ける任意の必要性をなくし得る。これは、次に、より迅速でかつより容易なセットアップを可能にする。

図６Ａ、６Ｂ、９Ａを参照して、各セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４は、予備配置される離脱可能に固定可能なリンクおよびジョイントを規定する。好ましい実施形態では、各セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４は、一対の隣接する固定可能な回転ジョイント４８、５０の間に延びる、少なくとも１つのバランスされた固定可能な接続された平行四辺形リンケージ構造物４６を含む。この接続された平行四辺形構造物４６はほぼ垂直な方向にある動きを収容し、そして隣接回転ジョイント４８、５０は、以下により詳細に説明されるように垂直軸の周りの旋回運動を収容する。１つ以上の直線状または湾曲した滑動軸が、任意またはすべての回転軸に代わって用いられ得る。平行四辺形構造物４６の各々は、ほぼ類似の構造を有し得、この例では、可変長のリンク５２、近位ブラケット５４、および遠位ブラケット５６を備える。リンク５２は、垂直に配向された平面状平行四辺形形態で、近位ブラケット５４および遠位ブラケット５６それぞれに旋回して接続される。これは、垂直平面内のリンク５２の回転運動を許容し、その一方、上記ブラケット５４、５６は、上記平行四辺形４６がジョイント回転４８、５０によって変形するとき互いに実質的に平行なままである。図６Ａに示されるように、さらなるリンク５８が、セットアップジョイントアーム４０、４２のためのさらなるピボット６０によって回転可能に連結され得る。より長い長さのさらなる補助リンク６２が、セットアップジョイント補助アーム４４のためにさらなる補助ピボット６４によって回転可能に連結され得る。図９Ａに示されるように、セットアップジョイント中央アーム３８は、上記平行四辺形構造物４６によって主に規定される比較的短い剛直性アームを備える。セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４は、重量、張力スプリング、ガススプリング、捩じれスプリング、圧縮スプリング、空気または水力シリンダー、トルクモーター、またはそれらの組み合わせを含む種々の機構によってバランスされ得る。

各セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４は、マニピュレーター３２、３４によって提供される改善された範囲の運動に起因して、驚くべき単純化された運動学を有している（例えば、４を超えない自由度をもつ）。代表的には、これらアームは、図５Ａ中にアーム３８について矢印ＳＪＣ３、図６Ａ中にアーム４０についてＳＪＡ１３、および図６Ｂ中にアーム４４について矢印ＳＪＸ３によって示されるように、ほぼ垂直方向の固定可能なリンクおよびジョイントの並進を収容する。これらアームはまた、２つまたは３つの垂直軸の周りでこれら固定可能なリンクおよびジョイントの回転を収容する。図６Ａに見られるように、矢印ＳＪＡ１１、ＳＪＡ１２、およびＳＪＡ１４は、セットアップジョイントアーム４０の各々の回転ジョイント６０、４８、５０を示す。左セットアップジョイントアーム４２のための並進および回転軸（ＳＪＡ２）は、図６Ａ中に示される右アーム４０（ＳＪＡ１）のそれと同一である。図６Ｂは、それぞれ矢印ＳＪＸ１、ＳＪＸ２、およびＳＪＸ４によってセットアップジョイント補助アーム４４の回転ジョイント６４、４８、５０を示す。矢印ＳＪＣ２およびＳＪＣ４は、図５Ａ中のセットアップジョイント中央アーム３８の各々の回転ジョイント４８、５０を示す。これらアーム３８、４０、４２、４４は、電力で作動され得、コンピューター制御され得、手動で配置され得るか、またはこれらの組み合わせであり得る。好ましくは、セットアップジョイントアーム４０、４２のジョイントＳＪＡ１１、ＳＪＡ２１、およびＳＪＸ１は、モーターをつけられ、その一方、その他のジョイントおよびセットアップジョイント中央アーム３８は手動で位置決めされる。モーターは、プーリーおよびベルト機構を駆動するために、複数の固定可能なリンクまたは配向プラットホーム内に位置され得る。

セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４の固定可能なジョイント４８、５０、６２、６４は、代表的には、ブレーキシステムを含み、これらアームが適切に展開された後、上記ジョイントをその場にロックされるようにすることを可能にする。このブレーキシステムは、少なくとも実質的に固定された形態で先に配置された固定可能なリンク５２、５８、６２およびジョイント４８、５０、６２、６４の関節運動を解放可能に阻害する。このブレーキシステムは、好ましくは、固定された配置に向かって付勢され、そして固定可能なリンク５２、５８、６２およびジョイント４８、５０、６２、６４を、これら固定可能なリンクおよびジョイントが関節運動され得る再位置決め可能な配置に解放するためのブレーキ解放アクチュエーターを含む。このシステムは、複数の固定可能なリンク５２、５８、６２およびジョイント４８、５０、６２、６４をサーボ機構に連結するジョイントセンサーシステムをさらに含み得る。このセンサーシステムは、ジョイント配置信号を発生する。上記サーボ機構は、コンピューター、および上記ジョイント配置信号をこのコンピューターに伝達するジョイントセンサーシステムを含む。このコンピューターは、ジョイント配置信号を用いて、取り付けベースに対して固定された参照座標系と、器具との間の座標系変換を算出する。

図６Ａ、６Ｂ、９Ａを再び参照して、マニピュレーター３２、３４は、マニピュレーターベース６６が、水平に対して固定された角度であるように機械的に拘束される。図６Ａに示されるように、セットアップジョイントアーム４０によって支持されるマニピュレーター３２は、４０゜〜約６０゜、好ましくは約４５゜〜約５０゜の範囲で水平に対して角度がオフセットされる。図６Ｂに示されるように、セットアップジョイント補助アーム４４によって支持されるマニピュレーター３２は、０゜〜約２０゜、好ましくは約１５゜だけ水平に対して角度がオフセットされる。図９Ａに示されるように、セットアップジョイント中央アーム３８によって支持されるマニピュレーター３４は、４０゜〜約９０゜、好ましくは約６５゜〜約７５゜の範囲で水平に対して角度がオフセットされる。

好ましくは、マニピュレーター３２、３４は、スペース中の旋回点の周りで器具の球旋回を拘束するためのオフセット遠隔中心リンケージを備え、ここで、上記セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４の固定可能なリンク５２、５８、６２およびジョイント４８、５０、６２、６４の作動は、上記旋回点を移動する。上記で論議されたように、このロボット手術システムの全体の複雑さは、このシステムの運動の改良された範囲に起因して低減され得る。詳細には、セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４中の自由度の数が低減され得る（例えば、６より少ない自由度）。これは、セットアップジョイントアーム３８、４０、４２、４４のより少ない予備配置を必要とするに過ぎないより単純なシステムプラットホームを可能にする。従って、手術室人員は、専門訓練をほとんどなしに、またはそれなしに手術のためにこのロボットシステムを迅速に配列および準備し得る。セットアップアーム３８、４０、４２、４４の低減された機械的複雑さを提供するための例示のオフセット遠隔中央マニピュレーター３２、３４は、米国特許出願第１０／９５７，０７７号にさらに詳細に記載されている。

図６Ａ、６Ｂ、９Ａに示される実施形態では、オフセット遠隔中央マニピュレーター３２、３４は、一般に、マニピュレーターベース６６、平行四辺形リンケージベース６８、複数の駆動されるリンクおよびジョイント７０、７２、および器具ホルダー７４を含む。上記マニピュレーターベース６６は、偏揺れ軸としても知られる第１の軸の周りの回転のために、平行四辺形リンケージベース６８に回転可能に連結される。平行四辺形リンケージベース６８は、回転の旋回ジョイントによって一緒に連結される剛直性リンク７０、７２によって器具ホルダー７４に連結される。上記複数の駆動されるリンクおよびジョイント７０、７２は、上記器具が上記器具ホルダー７４に取り付けられ、そして上記シャフトが上記平行四辺形の平面に沿って移動されるとき、回転の中心（旋回点）７８に対して器具またはカニューレ７６の細長いシャフトを拘束するように平行四辺形を規定する。上記第１の軸と、上記平行四辺形リンケージベース６８に隣接する平行四辺形の第１の辺とは、回転の中心７６でシャフトと交差し、ここで、平行四辺形の第１の辺は、上記第１の軸から角度がオフセットされている。

手術マニピュレーター３２、３４のマニピュレーターベース６６は、上記で詳細に記載されたように、セットアップアーム３８、４０、４２、４４によって一定の仰角で取り付けられ、そして支持される。この実施形態におけるマニピュレーターベース６６は、セットアップアーム３８、４０、４２、４４のマニピュレーターベース支持体８０に、ネジまたはボルトによって固定される。例示のセットアップアーム３８、４０、４２、４４は、遠隔中央マニピュレーター３２、３４の幾何学的形状に適合するマニピュレーターベース支持体８０を有するけれども、マニピュレーターベース支持体８０は、その他の遠隔手術マニピュレーターに適合する種々の代替の支持形態をとり得る。例えば、このマニピュレーターベース支持体は、さらなる代替の遠隔中央マニピュレーター、中立の中央マニピュレーター、コンピューター化中央マニピュレーター、ソフトウェア中央マニピュレーター、およびこれらの機能的原理の組み合わせを採用するマニピュレーター類を支持するような形態であり得る。さらに、上記に注記したように、セットアップアーム３８、４０、４２、４４のマニピュレーターベース支持体８０は、器具マニピュレーター３２またはカメラ３４マニピュレーターを交換可能に支持および位置決めし得る。

ここで、図７Ａ〜７Ｄを参照して、配向プラットホーム３６の上および下からのさらなる斜視図が示される。この配向プラットホーム３６は、図７Ｂおよび７Ｃの下からの図で示されるように、複数のアーム３８、４０、４２、４４にそれぞれ回転可能に連結可能な４つのハブ８２、８４、８６、８８を有する、ほぼ水平であるグランドピアノ形状のプラットホームを備える。特に、内視鏡カメラマニピュレーター３４を支持するセットアップジョイント中央アーム３８の回転ジョイント４８は、配向プラットホーム３６の側面に対してオフセットされるハブ８２に回転可能に連結される。患者側マニピュレーター３２を支持する左右のセットアップジョイントアーム４０、４２の回転ジョイント６０は、上記配向プラットホーム３６のハブ８４、８６にそれぞれ回転可能に連結される。最後に、患者側マニピュレーター３２を支持するセットアップジョイント補助アーム４４の回転ジョイント６４は、ハブ８８に回転可能に連結される。ハブ８８は、この配向プラットホーム３６の中央線上にあり、その結果、上記補助アーム４４は、左右いずれの側でも利用され得る。５つのセットアップジョイントアーム支持体の場合、ハブは、ハブ８４および８６の位置決めと同様に、右側のための補助アームおよび左側のための別の保持アームとともに上記中央線の各側に位置決めされ得る。上記配向プラットホーム３６の形状、およびハブ８２、８４、８６、８８、９０の相対位置は、このシステムの増加した操縦性およびアームおよび／またはマニピュレーター間の衝突阻害にさらに寄与する。

図７Ａおよび７Ｄに示されるように、第５のハブ９０は、図８Ａおよび８Ｂに関して以下により詳細に論議されるように、プラットホームリンケージ９２に連結可能である。この第５のハブ９０は、好ましくは内視鏡のためのその切開部位と一致する、上記セットアップジョイント中央アーム３８の旋回点７８と整列される。この第５のハブ９０は、図５Ａにおいて矢印ＳＪＣによって示されるような垂直軸の周りの配向プラットホーム３６の回転を提供する。手術切開と整列される内視鏡マニピュレーター３４の旋回点７８の周りの上記配向プラットホーム３６の回転は、有利なことに、この配向プラットホーム３６、および付随するセットアップアーム３８、４０の、手術手順が行われるべき方向における増加した操縦可能性を可能にする。これは、複雑な手術の間で特に有益であり、マニピュレーター３２、３４の位置決めが、この第５のハブ９０の周りで配向プラットホーム３６を単に回転することにより手術途中で変動され得るからである。代表的には、上記器具は、安全性目的のために回転の前に退却され得る。配向プラットホーム３６の小回転または手術テーブルの傾きのために、低摩擦の、そしてバランスされたアーム４０、４２、４４は、移動の間でカニューレが取り付けられながら、切開からの力によって押されて浮遊し得る。

ハブ９０の周りの配向プラットホーム３６の回転（ＳＪＣ１）、ハブ８４、８６の周りのセットアップジョイントアーム４０、４２の回転（ＳＪＡ１１）、およびハブ８８の周りのセットアップジョイント補助アーム４４の回転（ＳＪＸ１）は、好ましくは電力で作動されるが、それに代わって手動またはコンピューターで制御され得る。配向プラットホーム回転（ＳＪＣ１）のためにベルトおよびプーリー機構９４を駆動するモーターは、図７Ｃに示されるように配向プラットホーム内にある。ブレーキシステムがまた、配向プラットホーム３６がその場にロックされるべきことを可能にするために含まれ得る。それぞれ、右、左、および補助セットアップアーム回転（ＳＪＡ１、ＳＪＸ１）４０、４２、４４のためのモーター駆動ベルトおよびプーリー機構９６、９８、１００もまた、図７Ｄに示されるように配向プラットホーム３６内にある。図７Ｃおよび７Ｄは、各々の付随するセットアップアーム３８、４０、４２、４４のための電子モジュールコントロール１０２をさらに示す。この配向プラットホーム３６は、図７Ａおよび７Ｂに示されるように、相互作用モニターのようなディスプレイ１０４をさらに含む。このディスプレイ１０４は、セットアップ目的、器具変更、および／または手順を人員が見ることのために用いられ得る。このディスプレイ１０４は、好ましくは、平行四辺形リンケージ１０６で配向プラットホーム３６に調節可能に取り付けられ、その結果、人員は、このモニターを所望の方向で見ることができる。

ここで、図８Ａおよび８Ｂを参照して、ハブ９０で配向プラットホーム３６を移動可能に支持するためのプラットホームリンケージ９２の下および上からの斜視図が示される。このプラットホームリンケージ９２は、一般に、直線状レール１０８、このレール１０８に連結可能なスライド可能なキャリッジ１１０、ならびに近位端１１４上でキャリッジ１１０に、そして遠位端１１６上でハブ９０を経由して配向プラットホーム３６に回転可能に連結可能な少なくとも１つのアーム１１２を備える。このプラットホームリンケージ９２は、有利なことに、配向プラットホーム３６の並進を三次元（ｘ、ｙ、ｚ）で収容することによってモジュールマニピュレーター支持体３０の操縦可能性を増大する。配向プラットホームのほぼ水平方向の移動は、矢印ＯＰ１によって示される。配向プラットホームのほぼ垂直方向の移動は矢印ＯＰ２によって示される。配向プラットホームのこの頁の内外の移動は、矢印ＯＰ３によって示されるように、ジョイント１２０の回転移動によって関節運動される。プラットホームリンケージ９２はさらに、矢印ＳＪＣ１によって示されるように、１つの垂直軸の周りの配向プラットホーム３６の回転をさらに収容する。アーム１１２は、好ましくは、一対の隣接するジョイント１２０、１２２の間を延びる４つの棒の平行四辺形リンケージ１１８を備える。第５のハブ９０は、配向プラットホーム３６の回転（ＳＪＣ１）を収容するけれども、このシステムはまた、この第５のハブ９０がプラットホームリンケージ９２に回転可能に連結可能であり、その結果、このプラットホームリンケージが配向プラットホームの旋回運動を収容することが認識され得る。

この配向プラットホーム３６のプラットホームリンケージ９２に起因する運動の範囲の増加した範囲は、患者の身体の広い範囲に亘って切開部位への接近を許容する。これは、これらマニピュレーター３２、３４が手術中に代替の手術部位に迅速に再位置決めされ得る、複雑でかつ長い手順を実施しているとき特に有益である。代表的には、器具類は、安全性目的のために上記配向プラットホーム３６の並進または回転の前に退却され得る。プラットホームリンケージ９２は、好ましくは、電力で作動されるが、それに代わって、手動またはコンピューターで制御され得る。モーターは、プラットホームリンケージ９２内であるか、または配向プラットホーム３６内に位置され得、プーリーおよびベルト機構を駆動する。例えば、ハブ９０の周りの配向プラットホーム回転（ＳＪＣ１）のための調和駆動を備えたベルトおよびプーリー機構９４を駆動するモーターは、図７Ｃに示されるように、配向プラットホーム内にある。ブレーキシステムもまた含められ得、プラットホームリンケージ９２がその場にロックされることを可能にする。

図８Ｂに示されるように、プラットホームリンケージ９２は、好ましくは、ボルト１２４またはその他の従来の固定具デバイスを経由して取り付けベースに取り付けられる。この取り付けベースは、好ましくは、上記マニピュレーター支持体アセンブリ９２、３０がこのベースからほぼ下方に延びることを許容するように、天井高さ支持体構造物を備える。この天井高さに取り付けられたマニピュレーター支持体アセンブリは、有利には、手術室におけるスペース利用、特に、人員のための作業テーブルおよび／または手術設備に隣接するスペースを特に整頓し、および床上のロボット設備および配線を最小にすることを改善する。さらに、天井高さに取り付けられたマニピュレーター支持体アセンブリは、手順の間にその他の隣接するマニピュレーターとの衝突およびスペース闘争の可能性を最小にし、そしてこのロボット手術システムが使用されないとき便利な貯蔵を提供する。

この用語「天井高さ支持体構造物」は、手術室天井上、それに隣接して、またはその中に配置される支持構造物を含み、そして、特に、代表的な手術室天井より高い場合に実際の天井高さを実質的に下回って配置される支持構造物を含む。上記取り付けベースは、図８Ａおよび８Ｂに示されるように、ジョイントを用いて、壁に対してそれを引くことにより、マニピュレーター支持体アセンブリ９２、３０が貯蔵されることを許容する。この取り付けベースは、当初の、または補強された構造要素、ジョイスト、またはビームのような現存する建築術要素を含み得る。さらに、この取り付けベースは、振動を阻害するために十分に剛直でかつ硬い材料から形成され得る。あるいは、粘性またはエラストマーダンパーのような受動的手段、またはサーボ機構のような能動的手段が、垂直方向および／または水平方向の病院建物の振動に反作用するか、または床間移動するために用いられ得る。

ここで、図９Ａおよび９Ｂを参照して、内視鏡カメラロボットマニピュレーター３４を支持するセットアップジョイント中央アーム３８の斜視図が示される。図９Ｃは、平面図を示す。上記で論議されたように、このセットアップジョイント中央アーム３８は、平行四辺形構造物４６によって主に規定される比較的短い垂直に近い剛直性アームを備える。このセットアップジョイント中央アーム３８は、その他の３つのアーム４０、４２、４４より短い平行四辺形リンク５２を有する。このセットアップジョイント中央アーム３８は、代表的には手動で位置決めされる３つの自由度（ＳＪＣ２、ＳＪＣ３、ＳＪＣ４）を有する。このセットアップジョイント中央アーム３８は任意の余分のジョイントはない。なぜなら、この方位角は、配向プラットホーム３６の回転によって制御されるからである。図９Ｄおよび９Ｅは、矢印ＳＪＣ３によって示されるようなセットアップジョイント中央アーム３８の並進を示す。図９Ｆおよび９Ｇは、矢印ＳＪＣ４によって示されるようなセットアップジョイント中央アーム３８回転運動を示す。

ここで、図１０Ａおよび１０Ｂを参照して、患者側ロボットマニピュレーター３２を支持するセットアップジョイントアーム４０の斜視図および平面図が示される。上記で論語されたように、このセットアップジョイントアーム４０は、４つの自由度を有し（ＳＪＡ１１、ＳＪＡ１２、ＳＪＡ１３、ＳＪＡ１４）、ここで、ＳＪＡ１１ジョイントはモーターで駆動され、そしてその他のジョイントは手動で位置決めされる。図１０Ｃおよび１０Ｄは、矢印ＳＪＡ１２によって示されるようなセットアップジョイントアーム４０の回転運動を示す。図１０Ｅおよび１０Ｆは、矢印ＳＪＡ１３によって示されるようなセットアップジョイントアーム４０の並進を示す。図１０Ｇおよび１０Ｈは、矢印ＳＪＡ１３、およびＳＪＡ１４によって示されるようなセットアップジョイントアーム４０の並進および回転運動を示す。左のセットアップジョイントアーム４２の並進軸および回転軸は、右アーム４０のそれ（ＳＪＡ１）と同じである。

ここで、図１１Ａおよび１１Ｂを参照して、患者側ロボットマニピュレーター３２を支持するセットアップジョイント補助アーム４４の斜視図および平面図が示される。上記で論議されたように、このセットアップジョイント補助アーム４４は、上記セットアップジョイントアーム４と運動学が類似しているが、長さがより長く、そしてそのハブ８８が上記配向プラットホーム３６の端部上にあるとき、より浅い角度を有する。このセットアップジョイント補助アーム４４は４つの自由度（ＳＪＸ１、ＳＪＸ２、ＳＪＸ３、ＳＪＸ４）を有し、ここで、ＳＪＸ１ジョイントはモーターで駆動され、そしてその他のジョイントは手動で位置決めされる。図１１Ｃおよび１１Ｄは、矢印ＳＪＸ４によって示されるようなセットアップジョイント補助アーム４４の回転運動を示す。

ここで、図１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃを参照して、配向プラットホーム３６なしで４つのセットアップジョイント３８、４０、４２、４４の上からの斜視図が示される。これらの描写は、方位角を変える余分の自由度の作用を示し、これは、患者側マニピュレーター３２を、内視鏡カメラマニピュレーター３４に対しより遠く、またはより近く移動する。作動において、一旦、モーター駆動ジョイント位置ＳＪＡ１、ＳＪＡ２、およびＳＪＸ１が、代表的には予備設定値に設定されると、使用者は、患者側マニピュレーターの遠隔中心を角切開と整列しなければならないに過ぎない。これは、各患者側マニピュレーターを、この切開内に既に位置決めされている付随するカニューレに取り付けることによってなされ得る。これは、セットアップジョイント位置を自動的に設定する。なぜなら、残りの余分さがないからである。これら３つのジョイントの低摩擦およびバランスすることは、患者側マニピュレーターが浮遊することを可能にし、その結果、各マニピュレーターは、それを有利に単一の点で保持することにより制御され得る。モーター駆動ジョイントを異なる位置に設定することは、カニューレが取り付けられた後に患者側マニピュレーターに対して異なる方位角を生じる。換言すれば、この余分のモーター駆動ジョイントの機能は、患者側マニピュレーターを、別の患者側マニピュレーターまたは内視鏡マニピュレーターからより遠くに、またはそれにより近くにすることである。あるいは、カニューレが取り付けられた後、上記方位角は、上記セットアップジョイントブレーキが解放され、そしてカニューレが切開中に保持されながら、モーターを作動することによって調節され得る。

理解の明瞭さのため、および例により、ある程度詳細に特定の例示の実施形態および方法が説明されているが、前述の開示から、このような実施形態および方法のバリエーション、改変、変更、および適合が本発明の真の思想および範囲から逸脱することなくなされ得ることは当業者に明らかである。従って、上記の説明は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を制限するとして考慮されるべきではない。

Claims (39)

1. 直線状の軸および該直線状の軸に沿ってスライド可能なキャリッジを備えるプラットホームリンケージと；
   該キャリッジに回転可能に連結される配向プラットホームと；
   複数のセットアップアームであって、各々のセットアップアームが、近位端、遠位端および離脱可能に固定可能なジョイントによって連結されるリンクを含み、各々のアームが、その近位端で、該配向プラットホームに回転可能に連結されている複数のセットアップアームと；
   各々のセットアップアームの遠位端に連結されたロボットマニピュレーターとを備える装置であって
   該装置はさらに、該キャリッジと該配向プラットホームとの間に連結された第１のアームを備え、該第１のアームの該配向プラットホームへの連結が該配向プラットホームのエッジに隣接している、装置。
2. 前記プラットホームリンケージに連結されたベースをさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記ベースが、天井高さ支持構造物を備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記プラットホームリンケージがさらにレールを備え、そして前記キャリッジが連結されて該レール上をスライドする、請求項１に記載の装置。
5. 各々のセットアップアームが、付随するロボットマニピュレーターのほぼ垂直方向の並進を受け入れるように構成される、請求項１に記載の装置。
6. 少なくとも１つのセットアップアームが平行四辺形リンケージを含み、付随するロボットマニピュレーターのほぼ垂直方向の並進を受け入れる、請求項１に記載の装置。
7. 少なくとも１つのセットアップアームが直線状の滑動軸を含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記直線状の滑動軸が、付随するロボットマニピュレーターのほぼ垂直方向の並進を受け入れる、請求項７に記載の装置。
9. 少なくとも１つのセットアップアームが、湾曲した滑動軸を含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記湾曲した滑動軸が、付随するロボットマニピュレーターのほぼ垂直方向の並進を受け入れる、請求項９に記載の装置。
11. 前記複数のセットアップアームの各々が前記配向プラットホームに連結されて固有の回転軸の周りで回転し、該固有の回転軸のそれぞれが平行である、請求項１に記載の装置。
12. 前記セットアップアームの第１のセットアップアームの遠位端に連結されたロボットマニピュレーターが内視鏡カメラマニピュレーターを備え；そして前記セットアップアームの第２のセットアップアームの遠位端に連結されたロボットマニピュレーターが外科器具マニピューレーターを備える、請求項１に記載の装置。
13. 少なくとも１つの離脱可能に固定可能なジョイントが、ほぼ垂直な軸の周りで回転する、請求項１に記載の装置。
14. 少なくとも１つの離脱可能に固定可能なジョイントが、ブレーキシステムを含む、請求項１に記載の装置。
15. 前記ブレーキシステムが、固定された構成およびブレーキ解放アクチュエーターに向かって付勢される、請求項１４に記載の装置。
16. 少なくとも１つのロボットマニピュレーターが、その付随するセットアップアームの遠位端に、回転ジョイントによって連結される、請求項１に記載の装置。
17. 前記ロボットマニピュレーターが、遠隔中央リンケージを備える、請求項１に記載の装置。
18. 請求項１に記載の装置であって、さらに：
    前記複数のセットアップアーム中の各々の離脱可能に固定可能なジョイントに連結されたジョイントセンサーシステム；および
    該ジョイントセンサーシステムからのジョイント配置信号を受信し、そして受信されたジョイント配置信号で運ばれた情報を使用し、ベースに対して固定された第１の参照座標系と前記ロボットマニピュレーターの１つによって支持される器具に対して固定された第２の参照座標系との間の変換を算出するよう構成されたコンピューター、を備える、装置。
19. 前記配向プラットホームに連結されたディスプレイをさらに備える、請求項１に記載の装置。
20. 前記ディスプレイが、相互作用モニターを含む、請求項１９に記載の装置。
21. 前記配向プラットホームが、前記プラットホームリンケージに対し、前記直線状の軸に垂直な回転軸の周りで回転可能である、請求項２０に記載の装置。
22. セットアップアームが、前記直線状の軸に垂直な軸の周りの回転のために前記配向プラットホームに回転可能に連結される、請求項２１に記載の装置。
23. セットアップアームのリンクが、前記配向プラットホームに対して垂直に移動可能であるように構成された遠位リンクを含む、請求項１に記載の装置。
24. 前記遠位リンクが、該遠位リンクを前記アームの残りに連結するジョイントで第１の軸の周りに回転する、請求項２３に記載の装置。
25. ロボットマニピュレーターが、前記遠位リンクを該ロボットマニピュレーターに連結するジョイントで第２の軸の周りに回転する、請求項２３に記載の装置。
26. 請求項２３に記載の装置であって、前記ロボットマニピュレーターが：
    前記少なくとも１つのアームの遠位リンクに連結されたマニピュレーターベース；および
    該マニピュレーターベースに連結された平行四辺形リンケージベースであって、該平行四辺形リンケージベースが該マニピュレーターベースに対し、偏揺れ軸の周りで回転可能であり、該偏揺れ軸が、９０゜からオフセットされた角度で第２の軸と交差する平行四辺形リンケージベース、を備える、装置。
27. さらに取り付けベースを備え、該取り付けベースが天井で支持された構造物を備え、前記配向プラットホームが該ベースからほぼ下方に延びることを許容する、請求項２に記載の装置。
28. 前記配向プラットホームが、前記複数のセットアップアームに回転して連結可能な４つのハブ、および前記プラットホームリンケージに連結可能な第５のハブを備え、該第５のハブが旋回点と整列され、そして該配向プラットホームの該旋回点の周りの回転を受け入れる、請求項１に記載の装置。
29. ３つのロボットマニピュレーターが器具マニピューレーターであり、そして１つのロボットマニピュレーターが画像キャプチャーデバイスマニピュレーターである、請求項１に記載の装置。
30. キャリッジと配向プラットホームとの間に連結される第１のアームであり、該配向プラットホームのエッジに隣接したところで該配向プラットホームへ連結される第１のアームを備えるプラットホームリンケージを含むロボット手術装置の作動方法であって、
    該キャリッジを該プラットホームリンケージの直線状の軸にそってスライドする工程；
    該キャリッジに連結された該配向プラットホームを回転する工程；
    複数のセットアップアームの各々のアームを該配向プラットホームに対して回転する工程であって、各々のアームが、近位端、遠位端および離脱可能に固定可能なジョイントによって連結されるリンクを含み、各々のアームが、その近位端で、該配向プラットホームに回転可能に連結されている、工程；および
    各々のセットアップアームの遠位端に連結されたロボットマニピュレーターを操作する工程、をコンピュータが実行する、作動方法。
31. さらに：
    前記キャリッジを前記プラットホームリンケージのレールに沿ってスライドする工程、を前記コンピュータが実行する、請求項３０に記載の作動方法。
32. さらに：
    各々のセットアップアームを、付随するロボットマニピュレーターがほぼ垂直方向に並進するように操縦する工程を前記コンピュータが実行する、請求項３０に記載の作動方法。
33. さらに：
    各々のセットアップアームを互いに平行な固有の回転軸の周りで回転する工程を前記コンピュータが実行する、請求項３０に記載の作動方法。
34. さらに：
    前記複数のセットアップアーム中の各々の離脱可能に固定可能なジョイントに連結されたジョイントセンサーシステムからジョイント配置信号を受信する工程；および
    受信されたジョイント配置信号からの情報を使用し、前記プラットホームリンケージに連結されたベースに対して固定された第１の参照座標系と前記ロボットマニピュレーターの１つによって支持される器具に対して固定された第２の参照座標系との間の座標系の変化を算出する工程、を前記コンピュータが実行する、請求項３０に記載の作動方法。
35. さらに：
    前記セットアップアームの少なくとも１つを、前記配向プラットホームに対し、前記直線状の軸に垂直な軸の周りで回転する工程を前記コンピュータが実行する、請求項３０に記載の作動方法。
36. さらに：
    セットアップアームのリンクの遠位リンクを前記配向プラットホームに対して垂直に移動する工程を前記コンピュータが実行する、請求項３５に記載の作動方法。
37. さらに：
    前記遠位リンクを、該遠位リンクを前記セットアップアームの残りに連結するジョイントで第１の軸の周りに回転する工程を前記コンピュータが実行する、請求項３６に記載の作動方法。
38. さらに：
    前記セットアップアームの付随するロボットマニピュレーターを、前記遠位リンクを該セットアップアームの付随するロボットマニピュレーターに連結するジョイントで第２の軸の周りに回転する工程を前記コンピュータが実行する、請求項３６に記載の作動方法。
39. 外科用ロボット装置であって、以下：
    プラットホームリンケージの直線状の軸に沿ってスライドするキャリッジと；
    該キャリッジに連結された配向プラットホームであって、該キャリッジに対して回転する配向プラットホームと；
    複数のセットアップアームであって、各々のセットアップアームが、近位端、遠位端および離脱可能に固定可能なジョイントによって連結されるリンクを含み、各々のセットアップアームが、該セットアップアームの近位端で、該配向プラットホームに連結され、そして各々のセットアップアームが該配向プラットホームに対して回転する、複数のセットアップアームと；
    複数の外科用ロボットマニピュレーターであって、該外科用ロボットマニピュレーターの各々の特有の１つが該セットアップアームの対応する特有の１つの遠位端に連結される複数の外科用ロボットマニピュレーター、を備え、
    さらに、該キャリッジと該配向プラットホームとの間に連結された第１のアームを備え、該第１のアームの該配向プラットホームへの連結が該配向プラットホームのエッジに隣接している、外科用ロボット装置。

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