JP6678686B2 - 外科用ロボットのリストにおけるトルクセンシング - Google Patents

Description

本発明は、外科手術を行うためのロボットに関するものである。

手術を実施または補助するための様々な設計のロボットが提案されてきた。しかしながら、多くのロボット設計には、広範囲の外科的処置への対応を困難にする問題がある。外科用ロボットが様々な手術状況において良好に動作するためには、その手術環境特有の複数の要求項目がある中でうまく調整を図らなければならないことが、一般的な理由である。

通常、外科用ロボットはロボットアームを有し、そのロボットアームの遠位端には、外科用器具が取り付けられている。

外科用ロボットに対する共通の要求項目のひとつは、ロボットアームが、外科用器具（エンドエフェクタ）の作業を行う先端部が多様な所望の手術部位に到達できるように、位置と方向に関し広い範囲で外科的器具を配置できる十分な機械的柔軟性を有する必要があることである。この要求項目だけであれば、図１に示すように、６自由度を有する従来の十分に柔軟なロボットアームによって容易に達成することができる。しかしながら、第２の要求項目として、外科用ロボットは、過大あるいは過重になることなく、器具のエンドエフェクタが非常に正確に位置されるようにそのアームを配置することができなければならない。かかる要求項目は、他の多くの用途で使用されている大型のロボットとは異なり、（ａ）外科用ロボットが人間の近くで安全に作業する必要があること（ここでいう人間とは患者だけではなく、多くの場合麻酔医や外科助手のような外科のスタッフも含む）、と、（ｂ）多くの腹腔鏡手術を実行するために多数のエンドエフェクタを一緒に非常に接近させる必要があることから、外科用ロボットアームは、それらが接近することができるように十分に小さいことが望ましいこと、に起因している。図１のロボットのもうひとつの問題は、外科的環境によっては、手術台のそばの便利な場所でのロボットのベース設置を可能にする十分なスペースがないということである。

多くのロボットは、リスト（即ち、アームの末端に位置する関節式連結構造体）を有しており、かかるリストは、アームに略沿った軸周りの回転を可能にする２つのジョイント（ロールジョイント）と、それらのジョイントの間に設けられアームを略横切るように配置されている軸周りの回転を可能にするひとつのジョイント（ピッチジョイント）と、を含んで構成されている。このようなリストは図２に示されており、ロールジョイントが１および３として示されている一方、ピッチジョイントが２として示されている。図２に示すコンフィギュレーションにおけるリストの場合、１〜３のジョイントの軸はそれぞれ４〜６として表されている。このリストは、器具７に、基端部が軸４を中心とする半球にわたる運動の自由を与える。しかし、このリストは、外科用ロボットでの使用には適していない。その理由のひとつは、ピッチジョイント２が図２に示す直線上の位置からわずかな角度だけオフセットされている場合、器具の先端部を比較的小さく横方向に動かすために、ジョイント１の大きな回転が必要になるからである。ピッチジョイントがほぼ真っ直ぐであるこの状況で、妥当な時間内にスムーズにエンドエフェクタを移動させるためには、ジョイント１を非常に高速に操作することが可能でなければならない。この要求項目はアームの小型軽量化と容易には両立できない。なぜならアームの位置を揺さぶることなくモータが反応できるような、比較的大きな駆動モータと十分な剛性を持つアームが必要とされるからである。

外科用ロボットに対する共通の要求項目として、他にも、外科用器具に加えられる力が測定可能であるように設計されることがある。ロボット手術中に外科医は外科用器具に直接接触しないため、触覚フィードバックは人手で行う手術と比較して失われる。この触覚の欠如は、外科医が、外科用器具を使用する際に、どれだけの力が加えられているか感知しないことを意味する。これは、外科医の技量に影響を及ぼす。加えて、過度に力が加えられると、手術部位における患者への内部損傷が引き起こされる可能性がある。また、外科用器具およびロボットアームが損傷することもある。外科用器具に加えられる力を測定することによって、力のフィードバック機構においてこれらは補われて、外科医は力のフィードバックを得られる。例えば、触覚技術は、外科医と連携されている入力装置において測定された力を身体的感覚に変換するために使用され得る。それにより、人手で行う手術における触覚に代えることができる。

図２に示されるリストは、力測定を可能にする。具体的には、矢印８で示されている、外科用器具に鉛直方向に（軸５に対して直交するように）及ぼされる力を、ピッチジョイント２に適用されたトルクセンサを用いて測定することができる。しかし、他方向から外科用器具に及ぼされる力は、リストに適用されたトルクセンサを使用して感知することができない。他の方向から及ぼされる力を感知するために、他の技術、例えば、歪ゲージを使用することが可能である。しかしながら、これらの他の技術では、より多くのセンサをロボットに適用する必要があり、ひいては、データをルーティングして処理するために、より多くの電子機器が必要になる。これにより、ロボットの重量および動力の要件が増える。

本発明の第一の態様は、関節式末端部を含んでいる外科用ロボットコンポーネントであり、前記末端部が、取付部が連結されている先端セグメントと、中間セグメントと、該末端部が前記外科用ロボットコンポーネントの残りの部分に取り付けられるようにする基部セグメントと、前記先端セグメントと前記中間セグメントの間に設けられる第１関節であり、第１軸を中心とした該先端セグメントと該中間セグメントとの相対回転を許容する前記第１関節と、該中間セグメントと前記基部セグメントの間に設けられる第２関節であり、第２軸を中心とした前記中間セグメントと該基部セグメントとの相対回転を許容する前記第２関節と、を含んで構成され、該中間セグメントが、第３軸と第４軸を中心とした該先端セグメントと前記基部セグメントとの相対回転を許容する第３関節と、前記第３軸周りのトルクを感知する第１トルクセンサと、前記第４軸周りのトルクを感知する第２トルクセンサと、を含んで構成され、前記第３関節の少なくともひとつのコンフィギュレーションにおいて、前記第１軸と前記第２軸が平行であり該第３軸と該第４軸が第１軸を横切るように、前記第１関節、前記第２関節、および該第３関節が配置されていることを特徴とする該外科用ロボットコンポーネントである。

前記末端部は、第１軸周りのトルクを感知する第３トルクセンサをさらに含んで構成されていてもよい。該末端部は、前記第２軸周りのトルクを感知する第４トルクセンサをさらに含んで構成されていてもよい。

好適には、前記コンフィギュレーションにおいて、前記第３軸および前記第４軸が相互に横切っている。好適には、該コンフィギュレーションにおいて、該第３軸および該第４軸が相互に直交している。前記コンフィギュレーションにおいて、前記第３軸および前記第４軸が前記第１軸に直交してもよい。前記コンフィギュレーションにおいて、該第１軸と前記第２軸が同一直線上にあってもよい。

前記第３軸および前記第４軸は相互に交差していてもよい。

前記第１関節は、回転ジョイントであってもよい。前記第２関節は、回転ジョイントであってもよい。前記第３関節は、球面ジョイントあるいは一対の回転ジョイントであってもよい。該第３関節は、ユニバーサルジョイントであってもよい。

好適には、前記取付部を前記基部セグメントに対して関節式に連結する唯一の媒体が前記第１関節、前記第２関節、および前記第３関節である。

前記取付部は、前記第１軸上に位置してもよい。

好適には、前記外科用ロボットコンポーネントは、外科用ロボットアームの端部に位置しており、前記取付部には、外科用器具が取り付けられている。前記外科用器具は、前記第１軸に略沿う方向に延びていてもよい。

あるいは、前記外科用ロボットコンポーネントは、外科用器具の端部に位置しており、前記取付部には、外科用エンドエフェクタが取り付けられている。前記外科用エンドエフェクタは、前記第１軸に略沿う方向に延びていてもよい。

以下、本発明を、例示として図面を参照しつつ説明する。

従来技術のロボットアームを示す。 従来技術のロボットのリストを示す。 本発明の一実施形態に従うロボットアームに外科用器具が取り付けられた状態を示す。 外科用リストの３つの異なるコンフィギュレーションのひとつを示す。 外科用リストの３つの異なるコンフィギュレーションの別のひとつを示す。 外科用リストの３つの異なるコンフィギュレーションのさらに別のひとつを示す。 外科用器具を示す。 追加の外科用器具を示す。 ロボットアームの他の態様を示す。

図３に示す外科用ロボットアームはリストを有しており、かかるリスト内では、アームの遠位部を略横切るように配置されている軸周りの回転を許容する２つのジョイントが、アームの遠位部に対して略平行となる軸周りの回転を許容する２つのジョイントの間に置かれている。このような配置が、器具に、基端部がアームの遠位部分を中心とする半球状の領域内の運動を許容する。エンドエフェクタをスムーズに動かすためにジョイントのひとつを高速で動かす必要がなく、しかもアームの他のいずれの部分の動きも必要としない。

より詳細には、図３には、外科用器具１１が取り付けられたロボットアーム（全体を１０で表示されている）が示されている。ロボットアーム１０は、ベース１２から延び出す。ここでベース１２は、手術室の床あるいは固定された台座に備え付けられていてもよいし、可動性のワゴンやカートの一部であってもよいし、ベッドに備え付けられていてもよいし、手術室の天井に備え付けられていてもよい。手術が実行される際には、ベース１２は、患者のベッドあるいは椅子に対する場所に固定される。ロボットアーム１０は、全体を１３で表されるリスト部と、全体を１４で表される本体部を含んで構成されている。かかる本体部１４は、アームの大部分を構成しており、かつ遠位端にリスト部が取り付けられることにより終端されている。本体部１４の近位端は、ベース１２に取り付けられている。リスト部１３は、アームの遠位部分を構成しかつ本体部１４の遠位端に取り付けられている。

アームの本体部１４は、４つのジョイント１５，１６，１７，１８と３つのシャフト部１９，２０，２１を含んで構成されている。ここで、ジョイントは回転ジョイントである。シャフト部は、シャフト部１９，２０それぞれにセットされるジョイント１５，１７を除いて、堅固とされている。各シャフト部は、実質的な長さを有していてもよく、それによりアームが長さを持ち、リスト１３をベース１２から横方向および／または垂直方向にオフセットさせることができるようになっていてもよい。ベース１２が適切な場所に置かれた場合、特にベース１２が床から持ち上げられている場合には、第２および第３シャフト部２０，２１に対して第１シャフト部１９を短くしてもよい。

第１シャフト部１９は、ベース１２に取り付けられている。実際には第１シャフト部１９は、好適にベース１２からほぼ直立方向に延び出していてもよいが、鉛直方向に対して大きな勾配で、あるいは水平に延びていてもよい。

ジョイント１５は、第１シャフト部１９に配置されている。ジョイント１５は、ベース１２に固定されている第１シャフト部１９の近位部とアームの残りの部分との軸２２周りの相対的回転を許容している。好適には、軸２２は、ベース１２からジョイント１６に向かって延びるアームの形成における第１シャフト部１９の主要範囲と平行、または実質的に平行である。したがって、アームの形成における第１シャフト部１９の主要範囲に対する軸２２の角度は、好適には３０°未満または２０°未満もしくは１０°未満となっていてもよい。軸２２は、鉛直または実質的に鉛直であってもよい。また、軸２２は、ベース１２とジョイント１６の間を延びていてもよい。

ジョイント１６は、第１シャフト部１９の遠位端に配置されている。ジョイント１６は、第１シャフト部１９および／あるいは第２シャフト部２０を横切るように配置されている軸２３を中心とした、第１シャフト部１９とジョイント１６の遠位端に取り付けられている第２シャフト部２０との相対的回転を許容している。好適には、軸２３は、第１シャフト部と第２シャフト部のどちらか一方または両方と直交または実質的に直交している。したがって、第１シャフト部１９と第２シャフト部２０のどちらか一方または両方の主要範囲に対する軸２３の角度は、好適には、６０°より大きく、または７０°より大きく、もしくは８０°より大きくなっていてもよい。より好ましくは、軸２３は、軸２２および／または以下で述べる軸２４と直交もしくは実質的に直交している。

ジョイント１７は、第２シャフト部２０に配置されている。ジョイント１７は、軸２４を中心とした、第２シャフト部２０の近位部とアームの残りの部分との相対的回転を許容している。好適には、軸２４は、第２シャフト部２０の主要範囲と平行又は実質的に平行である。したがって、第２シャフト部２０の主要範囲に対する軸２４の角度は、好適には、３０°未満または２０°未満、もしくは１０°未満となっていてもよい。軸２４は、軸２３および以下で述べる軸２５と、交差もしくは実質的に（例えば５０ｍｍの範囲内で）交差していてもよい。図３に示すように、ジョイント１７は、第２シャフト部２０の近位端よりも遠位端の近くに配置されている。ジョイント１７で回転させる必要がある質量を減らすので、これは好適であるが、ジョイント１７は、第２シャフト部上の任意のポイントに配置されてもよい。好適には、第２シャフト部２０は、第１シャフト部１９よりも長くなっている。

ジョイント１８は、第２シャフト部２０の遠位端に配置されている。ジョイント１８は、第２シャフト部２０とジョイント１８の遠位端に取り付けられた第３シャフト部２１との、軸２５周りの相対的回転を許容している。軸２５は第２シャフト部２０および／あるいは第３シャフト部２１を横切るように配置されている。好適には、軸２５は、第２シャフト部と第３シャフト部のどちらか一方あるいは両方と直交または実質的に直交している。したがって、第２シャフト部と第３シャフト部のどちらか一方あるいは両方の主要範囲に対する軸２５の角度は、好適には、６０°より大きく、または７０°より大きく、もしくは８０°より大きくなっていてもよい。好適には、軸２５は、軸２４および／または以下で述べる軸２９と直交もしくは実質的に直交している。

要約すると、一例としてアームの本体部１４は、ベース１２から本体部１４の遠位端の順に、下記のように構成され得る。
１．実質的または非実質的な長さを有し、かつ、例えばアームの形成における第１シャフト部１９の長さ（もしあれば）にほぼ沿うような軸周りの回転を許容するジョイント１５（「ロールジョイント」）を含む第１シャフト部１９。
２．第１シャフト部１９および／または前述のジョイント（ジョイント１５）の軸および／または次のジョイント（ジョイント１７）の軸を横切るような回転を許容するジョイント１６（「ピッチジョイント」）。
３．実質的な長さを有し、かつ、第２シャフト部２０の長さにほぼ沿った軸周りの回転および／または前述のジョイント（ジョイント１６）の軸に対する回転および／または次のジョイント（ジョイント１８）に対する回転を許容するジョイント１７（ロールジョイント）を含む第２シャフト部２０。
４．第２シャフト部２０および／または前述のジョイント（ジョイント１７）および／または次のジョイント（ジョイント２８）を横切るような回転を許容するジョイント１８（「ピッチジョイント」）。
５．実質的な長さを有する第３シャフト部２１。

リスト部１３は、第３シャフト部２１の遠位端に取り付けられている。図４において、図１のリスト部１３などの外科用リストがより詳細に説明されている。図４において、図４ａは直線的コンフィギュレーションのリストを示す一方、図４ｂはジョイント２６における動きにより折り曲げられたコンフィギュレーションのリストを示し、また図４ｃはジョイント２６，２７，２８における動きにより折り曲げられたコンフィギュレーションのリストを示している。直線的コンフィギュレーションは、リストのトランスバースジョイント（２６，２７）の動きの中点を表している。

図４において、リストは１３で示されている。図４では、図３のロボットアームにリスト１３を備え付けた例が示されている。この実施形態において、図４で、第３シャフト部２１の遠位部は２１aで示されている。リストは第３シャフト部２１の先端部に、ジョイント２８によって取り付けられる。ジョイント２８は、リストがアームの先端部に対して軸２９を中心として相対的に回転することを許容する回転ジョイントである。好適には、軸２９は第３シャフト部２１の主要範囲に平行または実質的に平行である。したがって、第３シャフト部２１の主要範囲に対する軸２９の角度は、好適には、３０°未満または２０°未満、もしくは１０°未満となっていてもよい。軸２９は、軸２５と交差もしくは実質的に（例えば５０ｍｍの範囲内で）交差していてもよい。好適に、軸２９は軸２５を横切る。

別の実施形態では、リスト１３が外科用器具に備え付けられている。リスト１３は外科用器具の先端部に備え付けられている。外科用器具の近位端はロボットアームに取り付けられている。この実施形態において、リスト１３は外科用器具のシャフトにジョイント２８によって取り付けられている。上記のように、ジョイント２８は、リスト１３の器具シャフトに対する軸２９周りの相対回転を許容する回転ジョイントである。好適には、軸２９は、器具シャフトの主要範囲に対して平行または実質的に平行である。したがって、器具シャフトの主要範囲に対する軸２９の角度は、好適には、３０°未満または２０°未満、もしくは１０°未満となっていてもよい。

リスト１３の近位端は、リストベースブロック３０によって構成されている。リストベースブロック３０は、ジョイント２８に取り付けられている。図３のロボットアームにリストが取り付けられている場合であれば、リストベースブロック３０は、第３シャフト部２１の遠位端に接している。あるいは、外科用器具にリストが取り付けられている場合であれば、リストベースブロック３０は、器具シャフトの遠位端に接する。リストベースブロック３０は堅固で、ベース３３を含んで構成されており、かかるベース３３によってジョイント２８に取り付けられている。リストベースブロック３０はまた、隙間を隔てて離隔配置された一対の腕部３１，３２を含んで構成されており、かかる一対の腕部３１，３２は、リストベースブロック３０が取り付けられている第３シャフト部２１ａまたは器具シャフトから離隔する方向にリストベースブロック３０のベース３３から延び出している。中間部材３４は、軸３５周りで腕部３１，３２に対して回転できるように、腕部３１，３２間に回転可能な状態で懸架されている。こうして、リストの回転ジョイント２７が構成されている。好適には、中間部材３４は、堅固なブロック形状であり、十字架形状をとってもよい。リストヘッドブロック３６は、中間部材３４に取り付けられている。リストヘッドブロック３６は堅固とされており、以下で述べるジョイント３８に取り付けるために用いられるヘッド３７と、中間部材３４に向かってヘッド３７から延び出し隙間を隔てて離隔配置された一対の腕部３９，４０と、を含んで構成されている。腕部３９，４０は、中間部材３４を取り囲むように設けられていると共に、リストヘッドブロック３６が軸４１周りで中間部材３４に対して回転できるように枢着されている。こうして、リストの回転ジョイント２６が設けられる。軸３５と４１は、実質的な角度で互いにオフセットされている。好適には、軸３５，４１は、互いに横切るように配置されており、さらに好適には、互いに直交している。また、好適には、軸３５と４１は、交差または実質的に（例えば５０ｍｍ以内で）交差していてもよい。しかし、中間部材３４は、それらの軸が長手方向にオフセットされるようある程度の長さを有していてもよい。また、好適には、軸３５と２９は、互いに横切るように配置され、さらに好適には、互いに直交する。また、好適には、軸３５と２９は、交差または実質的に（例えば５０ｍｍ以内で）交差していてもよい。さらに、好適には、軸３５と２９は、一点で軸４１と交差してもよいし、または（例えばすべてが半径５０ｍｍの球に交差することにより）３つの軸が実質的に一点で交差していてもよい。

このようにして、リストベースブロック３０、中間部材３４とリストヘッドブロック３６が全体としてユニバーサルジョイントを形成している。かかるユニバーサルジョイントは、リストヘッドブロック３６が、基部がジョイント２８の軸２９と直交している半球内のあらゆる方向に向くことを許容している。リストベースブロック３０とリストヘッドブロック３６間の結合は、例えばボールジョイントや等速ジョイントのような異なるタイプの機械的結合によって構成されていてもよい。そのような動作がジョイント２８と３８によって調整されていることからリストベースブロック３０とリストヘッドブロック３６の相対的な軸上の回転が許容されていることは必要ではないが、好ましくは、結合は通常、球面ジョイントとして作動する。あるいは、ジョイント２６と２７と２８が、共同でひとつの球面ジョイントを形成していると見なしてもよい。かかる球面ジョイントは、ボールジョイントとして提供されていてもよい。

端末ユニット４２は、回転ジョイント３８によってリストヘッドブロック３６のヘッド３７に取り付けられている。ジョイント３８は、端末ユニット４２が軸４３周りでヘッドブロックに対して回転することを許容している。好適には、軸４３と軸４１は互いに横切るように配置されており、より好適には、軸４３と軸４１は互いに直交している。また、好適には、軸３５と２９は、交差または実質的に（例えば５０ｍｍ以内で）交差していてもよい。また、好適には、軸３５と２９が軸４１に一点で交差していてもよいし、または（例えばすべて半径５０ｍｍの球に交差することにより）３つの軸が実質的に一点で交差していてもよい。

リスト１３は、一連のトルクセンサ、S₁、S₂、S₃、S₄も備える。各トルクセンサは、ジョイントと連合し、ジョイントの回転軸周りの印加トルクを感知する。S₁は、ジョイント２７と連合し、軸３５周りのトルクを感知する。S₂は、ジョイント２６と連合し、軸４１周りのトルクを感知する。S₃は、ジョイント２８と連合し、軸２９周りのトルクを感知する。S₄は、ジョイント３８と連合し、軸４３周りのトルクを感知する。トルクセンサの出力は、（図示しない）制御ユニットに伝達され、そこにおいてそれらは（図示しない）プロセッサへの入力を形成する。プロセッサはまた、感知されたジョイントを駆動するモータからの入力を受け取ることができる。これにより、プロセッサは、モータによって駆動される運動によってジョイントに印加されたトルクと、外力によってジョイントに印加されたトルクを分析する。トルクセンサS₁、S₂、S₃、S₄のすべてをリスト１３に適用してもよい。また、S₃および／またはS₄が省略されてもよい。

リスト１３が図３のロボットアームの遠位端にある実施形態において、端末ユニット４２は、外科用器具１１を取り付けることができるソケットやクリップなどのコネクタを有する。この外科用器具は、図５にさらに詳細に示されている。器具は、器具ベース５０、細長い器具シャフト５１、任意でひとつ以上のジョイント５２、そしてエンドエフェクタ５３を含んで構成されている。エンドエフェクタは、例えば、グリッパーや、鋏、カメラ、レーザー、ナイフとすることができる。器具ベース５０および端末ユニット４２のコネクタは、協同的に設計されて、シャフト５１が器具ベース５０から延び出している状態で、器具ベース５０がコネクタに取り外し可能に取り付けられるようになっている。好適には、シャフト５１は器具ベース５０から、ジョイント２６の軸４１を横切る方向に、および／またはジョイント３８の軸４３と平行あるいは実質的に平行に、および／または同軸的あるいは実質的に同軸的に、延び出している。つまり、エンドエフェクタ５３は、リストのジョイントのおかげで実質的な運動範囲を有しており、リストのジョイントは好適にエンドエフェクタ５３を位置決めするために使用されることが可能である。例えば、器具シャフト５１の延長部が軸４３に沿って延びている状態で、ジョイント３８は純粋にエンドエフェクタ５３を方向づけるために使用されることができる。このとき、手術箇所に至るためにシャフト５１が挿入された患者の組織の破裂に繋がりかねない方法で、器具シャフト５１の一部または全部を横方向の分力で動かす必要はない。器具シャフト５１の延長部がリスト１３から上述のように延び出すということは、人間の外科医の手首と同じ関節機能を、リスト１３もある程度有しているということである。そのひとつの結果として、人間によって実施される多くの外科技術が、このロボットアームの動作に容易に変換され得る。このことによって、既知の外科的処置のロボット特有のバージョンを考案する必要性を減らすことができる。シャフト５１は、略直線状の剛性のあるロッドとして好適に形成される。

上記の説明において、リストベースブロック３０の長さは、ロボットアームの最終シャフト部２１の長さよりも小さい。これは、ジョイント２８で回転する必要がある質量を低減するので有利である。しかし、ジョイント２８は、ジョイント２６および２７よりジョイント２５に近い位置に配置され得る。

前記リストが前記外科用器具の遠位端にある実施形態では、端末ユニット４２は、エンドエフェクタ５３に接続されている。外科用器具は、図６にさらに詳細に示されている。器具は、器具ベース５０と、細長い器具シャフト５１と、リスト１３と、エンドエフェクタ５３と、を備えている。エンドエフェクタ５３は、上述した形態のいずれであってもよい。エンドエフェクタ５３および端末ユニット４２は、動きが端末ユニット４２を介してエンドエフェクタ５３に伝達され得るように設計されている。エンドエフェクタ５３のジョイントは、器具が連結されているロボットアームにおいて、動力手段によって駆動されてもよい。ロボットアームおよび器具において、ケーブルやリンク装置を通じて、動きがジョイントへ伝達され得る。

図４のリストが運動学的冗長性を有していることは、理解されるであろう。エンドエフェクタ５３は、ジョイント２８，２７の運動だけによって、軸２９の周りの半球の広い範囲に配置することができる。しかし、ジョイント２６を追加すると、一揃いのジョイント２８，２７しかない場合にもたらされる運動学的特異性が排除されるので、外科的用途のロボットの操作性が大いに向上されることがわかっている。また、ジョイント２６の追加によって、下記で詳細に述べるとおり、多数のロボットアームが互いにより近い場所で動作することができるようにエンドエフェクタを患者の体内で移動させる機構が単純化される。

リスト１３がロボットアームの遠位端に位置している場合、図４aを参照して、力８が外科用器具に対して鉛直方向に（軸４１に垂直に）加えられたとき、軸４１を中心としてリストが回転する。より具体的には、方向８に印加された力の分析された成分が、軸４１の周りのリストの回転を引き起こす。トルクセンサS₂はこのトルクを感知し、感知されたトルクをプロセッサに出力する。力９が横方向に（軸３５に垂直に）外科用器具に加えられると、軸３５を中心としてリストが回転する。より具体的には、方向９に印加された力の分析された成分が、軸３５の周りのリストの回転を引き起こす。トルクセンサS₁は、このトルクを感知し、感知されたトルクをプロセッサに出力する。したがって、外科用器具に加えられた荷重はリストによって測定される。一般的に、力が外科用器具に加えられると、多数のジョイントの周りでトルクが発生する。軸３５および４１の平面に平行である外科用器具に加えられるいかなる力も、トルクセンサS₁およびS₂によって感知され得る。プロセッサはトルクセンサS₁およびS₂の出力を分析して、外科用器具に加えられるトルクの方向と大きさを判定する。

リスト１３が外科用器具の遠位端にある場合、エンドエフェクタ５３に加えられる力は、前の段落で外科用器具に関して記載されているのと同様に検出可能である。

図３のロボットアームの各ジョイントは、電気モータまたは油圧ピストンなどのひとつ以上の動力装置によって、他のジョイントから独立して駆動され得る。動力装置は、それぞれのジョイントに局所的に配置することができる。または、動力装置は、ロボットのベースにより近接して配置することができ、ケーブルまたはリンク装置などの結合によってジョイントに結合され得る。動力装置は、ロボットのユーザによって制御可能である。ユーザは、ひとつ以上のジョイスティック等の人工入力装置によって、あるいはユーザによって動かされるマスターアームに働くセンサから得られる入力によって、リアルタイムで動力装置を制御することができる。また、この動力装置は、外科的処置を実施するよう予めプログラミングされたコンピュータによって自動的に制御することができる。コンピュータは、コンピュータによって実行可能な、ロボットアームにひとつ以上の外科的処置を実行させる不揮発性プログラムを格納するコンピュータ可読メモリを読み取ることができるようになっていてもよい。

図７は、外科用アームの代替的な設計を示す。図７のアームは、ベース１１２と、４つのジョイント１１５，１１６，１１７，１１８と、３つのシャフト部１１９，１２０，１２１と、リストユニット１１３を含んで構成されている。ジョイントは回転ジョイントである。シャフト部は堅固であるが、ジョイント１１５と１１７は例外である。外科用器具１１１はリストユニット１１３の末端部に取り付けられる。

第１シャフト部１１９はベース１１２から延びており、ジョイント１１５を備えている。第１シャフト部１１９は、ジョイント１１６によって、第２シャフト部１２０に取り付けられている。第２シャフト部１２０はジョイント１１７を備えている。第２シャフト部はジョイント１１８によって第３シャフト部１２１に取り付けられている。第３シャフト部１２１は、回転ジョイント１２８において終端し、それによってリストユニット１１３に取り付けられている。リストユニットは、回転ジョイントの中間の一対１２６，１２７を含み、それらは全体としてユニバーサルジョイントと、末端回転ジョイント１３８を形成する。

図３のロボットアームにおける類似のジョイントと同様に、次に述べるジョイントの組（１１５と１１６，１１６と１１７，１１７と１１８，１１８と１２８，１２８と１２６，１２８と１２７，１２６と１３８，１２７と１３８，１２６と１２７）のそれぞれの軸は、互いに横切るように独立して配置されていてもよく、実質的に（例えば、直角に対して３０°，２０°，あるいは１０°以内で）互いに直交するように配置されていてもよいし、あるいは互いに直交してもよい。図３のロボットアームにおける類似のジョイントと同様に、次に述べるジョイント（ジョイント１１７、ジョイント１２８）の軸は、独立して、それらジョイントがセットされる各シャフト（シャフト部１２０、シャフト部１２１）の伸長主要軸と（例えば、３０°，２０°，あるいは１０°以内のずれを許容して）向きを揃えられてもよいし、平行にされてもよい。図３のロボットアームにおける類似のジョイントと同様に、アームのひとつ以上のコンフィギュレーションにおいてジョイント１２８と１３８の軸が向きを揃えられるように、リストが構成されていてもよい。好適には、リストが左右の動きの中間の段階にある時にそれら軸が向きを揃えられてもよい。図３のロボットアームにおける類似のジョイントと同様に、好適には、器具１１１の伸長軸は、ジョイント１３８の軸と（例えば、３０°，２０°，あるいは１０°以内のずれを許容して）向きを揃えられてもよいし、平行にされてもよい。また、器具の伸長軸は、ジョイント１３８の軸と完全に一致していてもよい。

図７におけるロボットアームは図３におけるロボットアームとは異なっており、アーム部１１９，１２０，１２１が、ジョイント１１６の軸がジョイント１１５と１１７の軸から実質的に横方向のオフセットを持つように、かつジョイント１１８の軸がジョイント１１７と１２８の軸から実質的に横方向のオフセットを持つように構成されている。それらの各オフセットは独立して、例えば５０ｍｍや８０ｍｍや１００ｍｍを超える値を有していてもよい。器具の先端部近傍の掃引空間を増加させることなくアームの移動性が高まるから、このような配置は有利である。

図７のロボットアームにおいて、ベースに最も近い回転ジョイント（ジョイント１１５）の軸は、例えば少なくとも３０°、鉛直方向から実質的に一定量オフセットして固定されている。このことは、ベースを適当な方向で固定することによってなされていてもよい。図７に示されているように、ジョイント１１５の軸がエンドエフェクタからほぼ離れる方向に向くようにアームが設定されている場合には、このことは、運転中のジョイント１１５と１１７の間に運動学上の特異点が現れる機会を減らす。

したがって、図７のアームは、外科用ロボットアームに有利な相当数の一般的な特性を有している。
―アームは、長さ方向に沿って配置された一連の回転ジョイントを含んでおり、かかる一連の回転ジョイントは、順番にアームに沿って配置された一連の４つのジョイントを含んでいる。一連の４つのジョイントは、（ａ）配列における次のジョイントにほぼ向かって延びる軸を有するもの（「ロールジョイント」）と、（ｂ）配列における次のジョイントの軸をほぼ横切るように延びる軸を有するもの（「ピッチジョイント」）が交互に配置されている。したがって、図７のアームは、ロールジョイント１１５と１１７およびピッチジョイント１１６と１１８を含んで構成されている。この一連のジョイントによって、アームを重くしたり、大きくしたり、あるいはアームに非常に多数のジョイントを設けたりする必要なく、高い移動性がアームに提供されている。上述のように、交互に配置されたジョイントが、互いから横方向に有効にオフセットされ得る。
―アームは、ロールジョイント（１２８）で始まり２つのピッチジョイント（１２６，１２７）を有するリスト部を含んで構成されている。リストのピッチジョイントは、それらの軸がアームの全てのコンフィギュレーションにおいて交差するように同一場所に配置されていてもよい。この一連のジョイントによって、エンドエフェクタがアームの端部周りで高い移動性を得ることができる。
―外科用器具の伸長軸と軸が一致した回転ジョイント（１３８）で終端するリスト部。最も好適には、器具シャフトは直線状に延びて、ジョイントの軸はシャフトと一直線とされている。かかる配置は、エンドエフェクタが、患者の創傷チャンネルを過度に引き裂くことなく単一のジョイントにおける動きを介して所望の向きに容易に回転することを可能にできる。かかる配置がなければ、アームジョイントは、それ自体の軸周りの器具シャフトの回転を獲得するために一緒に動くように制御されねばならないだろう。その場合、アームのエルボージョイントが移動領域中で揺動して器具の望ましい動きを獲得できるように、アームのエルボージョイントの作業空間を広げる必要がある。大きなジョイント作業空間は、ロボットアーム周辺で働く手術室のスタッフのためには望ましくない。かかる配置はまた、器具自体において同等の機能を果たすジョイントを有する必要性を減らすことができる。
―実質的に垂直からオフセットされており、より好適には患者の手術部位から離れる方向に向けられている近位の回転ジョイント（１１５）。このことは、ジョイントがアームの別のジョイントと運動学上の特異点を持つ機会を減らしている。

上述したように、図３および図７に示すアームにおける近位の一連のジョイントは、アームの遠位端に向かって順番に、上記で定義された用語を用いて、ロールジョイント、ピッチジョイント、ロールジョイント、およびピッチジョイントとなる。この一連のジョイントはＲＰＲＰと表してもよい。ここで「Ｒ」はロールジョイントを表し、「Ｐ」はピッチジョイントを表し、そしてジョイントはアームの近位端から遠位端に向かって列挙されている。同じ用語法を用いると、外科用アームのための他の便利なジョイント配列には以下のものがある。
１．ＰＲＰＲＰ：即ち、図３および図７に示すロボットアームにおけるジョイント配列であるが、ＲＰＲＰジョイント配列とベースの間に追加のピッチジョイントを含むものである。
２．ＲＰＲＰＲ：即ち、図３および図７に示すロボットアームにおけるジョイント配列であるが、ＲＰＲＰジョイント配列とリストの間に追加のロールジョイントを含むものである。
３．ＰＲＰＲＰＲ：即ち、連続する３組のＲＰであって、図３および図７に示すロボットアームにおけるジョイント配列に類似しているが、ＲＰＲＰジョイント配列とベースの間に追加のピッチジョイントを含むと共に、ＲＰＲＰジョイント配列とリストの間に追加のロールジョイントを含むものである。
アームに対してさらにジョイントを追加してもよい。

これらのアームはそれぞれ、図３または図７に示すタイプのリストを有していてもよい。ジョイント２８，３８のひとつが、リストから省かれていてもよい。

上記に示したように、図５の外科用器具は、その先端付近にひとつ以上のジョイント５２を有していてもよい。ロボットアームが本明細書に記載のタイプのものである場合には、好適には、外科用器具は、２つのジョイントだけを含んでいてもよい。また好適には、それらは、その器具シャフト５１を横切るように延びる軸を有する回転ジョイントであってもよい。これらのジョイントの軸は、ユニバーサルジョイントを形成しながら交差していてもよいし、あるいは器具シャフトの伸長方向にオフセットされていてもよい。器具のジョイントは、アーム内の駆動手段や、器具内のケーブルあるいはリンク装置を介してジョイントに伝達された動きによって駆動されていてもよい。リストユニットの終端部におけるコネクタや器具ベース５０が、そのような動きを器具に伝えるように構成されていてもよい。好適には、器具上のジョイントは、器具シャフトと直線上に揃えられた軸を有する回転ジョイントを含んでいない。そのようなジョイントが設けられた場合にそれによって提供される動きは、好適には、ロボットアームのリスト上のジョイント３８によって得ることができる。加えて、多くの外科的処置において、そのような動きは必要ではない。また、器具はしばしば使い捨てられるように形成されるので、器具からそのようなジョイントを省くことによってコストが低減され得る。そのうえ、そのようなジョイントを省くことによって、器具とアーム間に必要とされる機械的な相互作用が簡素化される。そのジョイントの動きを器具に伝達する必要がないからである。

トルクセンサは、リストに直接接触するセンサであってもよい。例えば、抵抗ベースの歪ゲージをトルクセンサとして使用することができる。これは、回転されているリストの部分に直接接続される。回転軸の周りにトルクが印加されると、歪ゲージはその抵抗を変化させながら変形する。この抵抗変化は、例えばブリッジ回路で計測されて、制御ユニットのプロセッサに出力される。プロセッサは、抵抗変化の関数とするべき、軸周りで加えられるトルクを判定する。

別の例として、圧電歪ゲージをトルクセンサとして使用することができる。ここでも、これは、回転されているリストの部分に直接接続される。ゲージは、歪み時に電圧を発生する圧電材料からなる。回転軸の周りにトルクが印加されると、圧電歪ゲージが変形し、電圧を発生する。その電圧は測定され、制御ユニットのプロセッサに出力される。プロセッサは、電圧変化の関数とするべき軸の周りに加えられるトルクを判定する。

トルクセンサは、リストと直接接触しないセンサであってもよい。例えば、トルクセンサとして磁歪式のゲージを用いることができる。磁歪材料は、回転されているリストの部分上に置かれる。回転軸の周りにトルクが印加されると、応力を受けている磁歪材料によって、外磁束が発生する。磁歪材料に近接して、ただし移動しているジョイントには接触せずに配置されたセンサが、生成された電流を感知して制御ユニットのプロセッサに出力する。プロセッサは、生成された電流の関数とするべき、軸の周りに加えられるトルクを判定する。

トルクセンサの出力は、ロボット本体の筐体に外付けされたワイヤを経由する信号によって制御ユニットに伝達されてもよい。あるいは、ワイヤは、ロボットアームのシャフトのコアに沿って制御ユニットへ内部的にめぐっていてもよい。また、トルクセンサおよび制御ユニットは、無線通信可能であってもよい。この場合、トルクセンサの出力はトルクセンサによって制御ユニットに無線送信される。

制御ユニットは、リストのジョイントの周りの感知されたトルクを外科医への力フィードバックに変換するための力フィードバック機構を提供してもよい。例えば、触覚技術を使用して、感知されたトルクを、外科医と連携している入力装置内で身体的感覚に変換してもよい。

手術に使用する際には、図３のロボットアームは、患者から分離または密閉されるようにアームを保持するために、滅菌ドレープによって覆われていてもよい。これにより、手術の前にアームを滅菌する必要性を回避することができる。対照的に、器具は、ドレープの患者の側に露出されることになる。即ち、器具がドレープ内の密閉空間を貫いて延び出す状態となるか、またはドレープがリストユニットの末端部分におけるコネクタと器具ベース５０の間に挟まれる状態となるか、である。一旦器具がアームに取り付けられたら、手術を行うために使用できるようになっている。手術を行う際には、アームは最初に、器具シャフト５１の軸が、患者の外面上の所望の挿入位置（例えば、患者の皮膚の切開位置）と所望の手術部位の間の軸と一直線になるように操作され得る。次に、ロボットアームは、エンドエフェクタが手術部位に到達するまで器具シャフトの軸に平行な方向に向かって切開部を通じて器具を挿入するために操作され得る。他のツールは、他のロボットアームによって、同様の方法で挿入することができる。一旦必要なツールを手術部位に配置したら手術を行うことができ、ツールを患者の身体から引き抜いて、切開部を、例えば縫合によって閉じることができる。器具が患者内に配置されている状況で、器具シャフトの軸を横切るような方向にエンドエフェクタを移動させることが望まれる際には、器具が通過する切開部における動作中心周りに器具シャフトを回転させることによって移動させることが望ましい。それによって、切開部が大きくなることが回避される。

上述したようなタイプのロボットアームは、外科的処置を実行するための多様な利点を提供することができる。まず第一に、全体としての器具、特に器具のエンドエフェクタを広範囲に亘る位置と方向において配置するために必要な様々な動きを提供しながらも、過剰な数のジョイントを含んでいないことから、ロボットアームは比較的スリム且つ軽量化が可能となっている。このことが、例えば手術室に患者を受け入れるための準備中、看護師がアームの近くで作業している時にアームの望ましくない動きによって人間が負傷する機会を減らすことを可能としている。また、このことによって、特に、一般的に多数の器具が小さな開口部を通して手術部位にアクセスしなければならないＥＮＴ（耳や鼻やのど）手術のような処置の部位において、手術部位に対する多数のアームのアクセス容易性が向上する。例えば、多数の器具が臍付近の領域から患者に挿入されて、胸郭の内部を延びて患者の腹部に至ることが一般的である腹部の処置についても同様のことが考えられる。そして、器具が手術部位に接近できる方向が、骨盤の骨やその他の内部構成を避ける必要性から制限されている、骨盤エリアにおける処置についても同様である。同じように、改善された動作範囲を有するアームを使うと、手術スタッフがロボットのベースが配置された場所の上方でより自由にふるまえることから、手術部位付近に多くのロボットのベースを配置しやすくなる。このことは、ロボットを収容するために、既存の手術室のワークフローを再設計する必要性を回避するのに役立つことができる。第二に、アームは、ロボットのベースの患者に対する位置決めを手術スタッフが柔軟に考えられるように、十分に余裕のある動作を提供する。このことは、多数のロボットが小さな手術部位で作業する必要がある場合や、手術室に追加の設備がある場合や、あるいは患者が例外的な寸法を有している場合に重要である。第三に、リスト部が、図４のように、一対の交差軸ピッチジョイントの近位に位置するロールジョイントを含む場合であって、特に、さらにアームと器具が、器具シャフトがそれらピッチジョイントから離れて真っ直ぐに延びるように構成されている場合に、リストの動きは人間の動きに近づき、従来の外科的処置をロボットにできるように直すことが容易にできるようになる。リストと器具との間のこの関係はまた、メインアーム部材（例えば、２１および１２１）の末端部が、器具シャフトの動きの自由を損なうことなく、器具シャフトに対して角度をもって曲げられ得ることから、多数のアームが手術部位の近傍で互いに密接に接近することを可能にするのに役立っている。そのひとつの理由は、器具シャフトを患者に挿入する外面上のポイントを中心とした回転によってエンドエフェクタが患者内で動く必要がある場合、かかる回転は、空間的にオフセットされた軸を有する多数のジョイントの間の複雑な相互作用あるいは運動学的特異点によって阻害されることなく、もっぱらリストによって提供され得るからである。一方、アームの残りの部分は、単にリストを所望の位置に移すだけである。ロボットがコンピュータの制御下にある場合には、コンピュータのプログラムは、ロボットが、器具のシャフトに沿ったポイント周りのエンドエフェクタの回転によってエンドエフェクタの位置を移すように定めてもよい。このポイントは、患者の切開部と一致していてもよいし、その遠位側であってもよい。プログラムは、リスト用の駆動ドライバーに対してジョイント２６および／あるいはジョイント２７がかかるポイント周りに器具を回転させるように命じることによって、そして同時にアームの残りの部分用の駆動ドライバーに対してリストを移動させるように命じることによって、エンドエフェクタの移動を成し遂げるものであってもよい。

出願人はこれによって、ここに記載の各個別の特徴および２つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを別々に開示しており、そのような特徴または特徴の組み合わせが当業者の共通の一般的な知識に照らして全体として本明細書に基づいて実施されることが可能な程度に開示している。なお、そのような特徴または特徴の組み合わせが本明細書に開示される問題を解決するかどうかは関係がなく、またかかる具体的記載が特許請求の範囲を限定するものでもない。出願人は、本発明の態様は、このような個々の特徴または特徴の組み合わせから成ってもよいことを示している。以上の説明に鑑みて、種々の改変が本発明の範囲内でなされ得ることは当業者にとって明らかであろう。

Claims (14)

1. 関節式末端部を含んでいる外科用ロボットコンポーネントであり、前記末端部が、
   取付部が連結されている先端セグメントと、
   中間セグメントと、
   該末端部が前記外科用ロボットコンポーネントの残りの部分に取り付けられるようにする基部セグメントと、
   前記先端セグメントと前記中間セグメントの間に設けられる第１関節であり、第１軸を中心とした該先端セグメントと該中間セグメントとの相対回転を許容する前記第１関節と、
   該中間セグメントと前記基部セグメントの間に設けられる第２関節であり、第２軸を中心とした前記中間セグメントと該基部セグメントとの相対回転を許容する前記第２関節と、
   を含んで構成され、
   該中間セグメントが、
   第３軸と第４軸を中心とした該先端セグメントと前記基部セグメントとの相対回転を許容する第３関節と、
   前記第３軸周りのトルクを感知する第１トルクセンサと、
   前記第４軸周りのトルクを感知する第２トルクセンサと、
   を含んで構成され、
   前記第３関節の少なくともひとつのコンフィギュレーションにおいて、前記第１軸と前記第２軸が平行であり、該第３軸と該第４軸が第１軸を横切り、前記第３軸と前記第４軸が相互に横切るように、前記第１関節、前記第２関節、および該第３関節が配置されている
   ことを特徴とする該外科用ロボットコンポーネント。
2. 前記末端部が、前記第１軸周りのトルクを感知する第３トルクセンサを更に含んで構成されている請求項１に記載の外科用ロボットコンポーネント。
3. 前記末端部が、前記第２軸周りのトルクを感知する第４トルクセンサを更に含んで構成されている請求項１又は２に記載の外科用ロボットコンポーネント。
4. 前記コンフィギュレーションにおいて、前記第３軸と前記第４軸が前記第１軸に直交している請求項１〜３の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
5. 前記コンフィギュレーションにおいて、前記第１軸と前記第２軸が同一直線上にある請求項１〜４の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
6. 前記第３軸と前記第４軸が相互に交差している請求項１〜５の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
7. 前記第１関節および／または第２関節が回転ジョイントである請求項１〜６の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
8. 前記第３関節が球面ジョイントあるいは一対の回転ジョイントおよび／またはユニバーサルジョイントである請求項１〜７の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
9. 前記取付部を前記基部セグメントに対して関節式に連結する唯一の媒体が前記第１関節、前記第２関節、および前記第３関節である請求項１〜８の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
10. 前記取付部が前記第１軸上に位置している請求項１〜９の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
11. 前記外科用ロボットコンポーネントが外科用ロボットアームの端部に位置しており、前記取付部に取り付けられた外科用器具を更に含んでいる請求項１〜１０の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
12. 前記外科用器具が前記第１軸に略沿う方向に延びる請求項１１に記載の外科用ロボットコンポーネント。
13. 前記外科用ロボットコンポーネントが外科用器具の端部に位置しており、前記取付部に取り付けられた外科用エンドエフェクタを更に含んでいる請求項１〜１０の何れか１項に記載の外科用ロボットコンポーネント。
14. 前記外科用エンドエフェクタが前記第１軸に略沿う方向に延びる請求項１３に記載の外科用ロボットコンポーネント。

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