JP6853346B2 - 長さを維持する外科用器具 - Google Patents

Description

この説明は、概して外科用ロボット工学に関し、特にアクティブな張力を伴う外科用リスト（ｗｒｉｓｔ）に関する。

ロボット技術には様々な用途がある。特に、ロボットアームは、人間が通常実行するはずの作業を完了するのを支援する。例えば、工場ではロボットアームを使用して自動車や家電製品を製造している。さらに、科学施設では、ロボットアームを使用して、マイクロプレオートの搬送などの実験手順を自動化している。最近、医師は外科手術の実施を支援するためにロボットアームを使い始めた。例えば、医師は腹腔鏡などの外科用器具を制御するためにロボットアームを使用している。

可動チップを備えた腹腔鏡は、低侵襲性の方式で外科手術を実行するのに役立つ。可動チップは、腹壁を通って腸または胃など患者内のより離れた位置に誘導することができる。ロボット制御腹腔鏡の可動チップは、従来の外科手術での外科医の手首を模倣するいくつかの自由度を有する。ロボット式リストまたは単にリストとも呼ばれるこれらの可動チップは、技術と共に進化し、最小限の数のモータを使用しながら、外科用器具として可能な限り多くの自由度で動作を生成するための多様な技術を包含している。

このような多くのロボット式リストは、予備張力をかけたケーブルのループを使用する。これにより、各ケーブルにモータで張力をかけられている器具に比較して、器具を最小限のモータで駆動することが可能になる。そのような「閉ループ」ケーブルシステムは、モータトルクをケーブル張力にマッピングすることをより困難にする。これは部分的にはシステムの予荷重のためであり、また部分的には予荷重が引き起こす摩擦のためである。予備張力器具の寿命末期は通常、機械的摩耗、洗浄用化学薬品の効果、およびケーブルの伸長の組み合わせにより、ケーブルの張力が徐々になくなるためである。

この説明は、外科手術を通して３方向の自由度（ＤＯＦ）を制御するケーブルの長さおよび張力を維持する自由度（ＤＯＦ）３のロボット外科用リストに関する。

リストを制御する外科用ロボットシステムは、マスタ機器が遠隔位置におけるスレーブ機器の動作を制御するマスタ／スレーブシステムを使用する。概して、スレーブ機器は、例えば、腹腔鏡検査における鉗子など、外科手術用の伝統的な外科用ツールに近似するロボット式外科用器具である。

一実施形態では、スレーブ外科用器具は、ピッチ角、第１のヨー角、および第２のヨー角の３つの動作の自由度により手術部位で外科手術を実行するための外科用エフェクタを有する。さらに、外科用エフェクタは、外科用エフェクタのそれぞれのケーブルの相対的なヨー角および張力の基準である「第４の自由度」を有する。外科用エフェクタはまた、外部アームによって制御される操作軸に沿った並進自由度、および外部器具機器マニピュレータによって制御される操作軸周りの回転自由度も有する。

外科用エフェクタの自由度を制御するために、外科用器具は４つの入力コントローラ、４本のケーブル、往復パンタグラフ、ケーブルシャフト、および外科用エフェクタのセットを有する。２本のケーブルは、外科用エフェクタを介して２つの入力コントローラのペアを結合し、その結果、それらの作動、例えば、スプーリングまたはスプーリング解除は
、ケーブルのセグメントの長さを操作して、自由度についての外科用エフェクタの動作を生成する。他の２本のケーブルは、外科用エフェクタの動作を生成する作動で往復パンタグラフに往復動作が生成されるように、２つの入力コントローラのペアを往復パンタグラフに結合する。往復パンタグラフは、往復パンタグラフを回転させることによって、各ペアの入力コントローラ間でケーブルの長さを一定に維持する。

外科用リストは、ユーザの動作を手術部位での外科手術として解釈するように設計されたコンピュータプログラムによって制御することができる。このコンピュータプログラムは、ユーザの動作を解釈し、ユーザの動作を外科用エフェクタの動作に変換するために入力コントローラのスプーリングおよびスプーリング解除によって４本のケーブルを適切に操作するための命令セットを作成する。

開示された実施形態は、添付の図面と共に解釈されるとき、本発明の以下の詳細な説明および添付の請求項からより容易に明らかになる他の利点および特徴を有する。

外科用ロボットシステムの例示的表現を示す図である。 マスタ／スレーブ外科用ロボットシステムの例示的表現を示す図である。 マスタ／スレーブ外科用システムの外科用器具に結合するロボットアームの端部の例示的表現を示す図である。 マスタ／スレーブ外科用システムの外科用器具の例示的表現を示す図である。 例示的な支持ブラケットの等角図であり、その構成要素部品を示している。 外科用器具の往復パンタグラフの例示的表現を示す図である。 マスタ／スレーブ外科用システムでの外科用器具の往復パンタグラフの引張状態の例示的表現を示す図である。 マスタ／スレーブ外科用システムでの外科用器具の異なる引張状態の例示的表現を示す図である。 外科用エフェクタの例示的表現を示す図である。 エフェクタハウジングが取り外された外科用エフェクタの例示的表現を示す図である。 マスタ／スレーブ外科用システムでの外科用器具の外科用エフェクタへの入力コントローラの例示的な結合を示す図である。 ニュートラル状態の外科用エフェクタの一例を示す図である。 外科用エフェクタの第１および第２のヨー角の増加を示す図である。 ニュートラル状態の外科用エフェクタの異なる例を示す図である。 外科用エフェクタのピッチ角の増加を示す図である。 すべてのケーブル接続を含む外科用器具の一例を示す図である。 第１のヨー角が増加した場合の外科用器具の往復動作の一例を示す図である。 第１のピッチ角が増加した場合の外科用器具の往復動作の一例を示す図である。 代替的なリストのケーブル配線を例示する図である。

（Ｉ．外科用ロボットシステム）
図１は、マスタ機器１１０とスレーブ機器１５０からなるマスタ／スレーブ外科用ロボットシステム１００の例示的表現を示す。概して、マスタ機器は外科用ロボットシステム１００のコマンドコンソールである。マスタ機器１１０は、コンソールベース１１２、ディスプレイモジュール１１４、例えばモニタ、および制御モジュール、例えばキーボード
１１６およびジョイスティック１１８を含む。一部の実施形態では、マスタ機器１１０の機能の１つまたは複数は、外科用ロボットシステム１００のスレーブ機器１５０、または外科用ロボットシステム１００に通信接続された別のシステムに統合することができる。ユーザ１２０、例えば医師は、マスタ機器１１０を使用して人間工学的位置から外科用ロボットシステム１００を遠隔制御する。

スレーブ機器１５０は、手術部位１５８での外科手術のために患者１５６が位置する手術台１５４を支持するための台座１５２を有する。外科用エフェクタ１６４を操作するため、少なくとも１つの配置可能なベース１６２に取り付けられた少なくとも１つのロボットアーム１６０は、台座１５２および手術台１５４にごく近接して配置される。ロボットアーム１６０は、独立して移動できる配置可能なベース１６２を有するのではなく、台座１５２に結合されてもよい。台座１５２および手術台１５４は、手術台の向きを変えるためのモータ、アクチュエータ、または他の機械的もしくは電気的手段を含むことができる。一部の実施形態では、台座１５２および手術台１５４は、異なる手術部位での異なる種類の外科手術のために患者１５６および手術台の向きを変えるように構成することができる。

スレーブ機器１５０は、中央処理装置、メモリ装置、データバス、および例えば、ロボットマニピュレータからのカメラ画像および追跡センサデータなどの信号の解釈および処理を担う関連データ通信ポートを含むことができる。コンソールベース１１２は、中央処理装置、メモリ装置、データバス、および例えば、スレーブ機器からのカメラ画像および追跡センサデータなどの信号の解釈および処理を担う関連データ通信ポートを含むことができる。一部の実施形態では、コンソールベース１１２とスレーブ機器１５０の両方が負荷分散のために信号処理を実行する。

コンソールベース１１２はまた、制御モジュール１１６および１１８を通してユーザ１２０によって提供されるコマンドおよび命令を処理することができる。図１に示されるキーボード１１６およびジョイスティック１１８に加えて、制御モジュールは、他の装置、例えばコンピュータマウス、トラックパッド、トラックボール、制御パッド、ビデオゲームコントローラ、および手のジェスチャおよび指のジェスチャを捕捉するセンサ（例えば、モーションセンサまたはカメラ）を含むことができる。

ユーザ１２０は、速度モードまたは位置制御モードでマスタ機器１１０を使用して、スレーブ機器１５０に結合された外科用エフェクタ１６４を制御することができる。速度モードでは、ユーザ１２０は、制御モジュールを使用した直接手動制御に基づいて外科用器具のピッチおよびヨー動作を直接制御する。例えば、ジョイスティック１１８上の動きを、外科用エフェクタ１６４のヨーおよびピッチの動きにマッピングすることができる。ジョイスティック１１８は触覚フィードバックをユーザ１２０に提供することができる。例えば、ジョイスティック１１８は外科用エフェクタ１６４が特定の方向にさらに並進または回転できないことを示すために振動する。コマンドコンソール１１２はまた、外科用エフェクタ１６４が最大の並進または回転に達したことを示すために視覚的フィードバック（例えばポップアップメッセージ）および／または音声的フィードバック（例えばビープ音）を提供することができる。

位置制御モードでは、コマンドコンソール１１２は、患者の３次元（３Ｄ）マップおよび患者の所定のコンピュータモデルを使用してスレーブ機器１５０を制御する。コマンドコンソール１１２は、外科用ロボットシステム１００のロボットアーム１６０に制御信号を提供して、手術部位１５８に対して外科用エフェクタを操作する。３Ｄマップに依存しているので、位置制御モードでは患者の解剖学的構造の正確なマッピングが必要である。

一部の実施形態では、ユーザ１２０は、マスタ機器１１０を使用せずに外科用ロボットシステム１００のロボットアーム１６０を手動で操作することができる。外科手術室でのセットアップ中に、ユーザ１２０は、患者にアクセスするためにロボットアーム１６０、外科用エフェクタ１６４、および他の外科用装置を移動することができる。外科用ロボットシステム１００は、ロボットアーム１６０および装置の適切な構成を判定するために、ユーザ１２０からの力フィードバックおよび慣性制御に依存する場合がある。

ディスプレイモジュール１１４は、電子モニタ、ゴーグルまたはめがねなどの仮想現実表示機器、および／または表示機器の他の手段を含むことができる。一部の実施形態では、ディスプレイモジュール１１４は、例えば、タッチスクリーンを備えたタブレット機器として制御モジュールと一体化されている。さらに、ユーザ１２０は、統合ディスプレイモジュール１１４および制御モジュールを使用して、データを見ることも外科用ロボットシステム１００へのコマンドを入力することもできる。

ディスプレイモジュール１１４は、立体機器、例えばバイザまたはゴーグルを使用して３Ｄ画像を表示することができる。３Ｄ画像は「外科用表示」を提供し、これは手術部位１５８での患者の解剖学的構造を示すコンピュータ３Ｄモデルである。「外科用表示」は、患者の内部の仮想環境および患者の内部の外科用エフェクタ１６４の予測位置を提供する。ユーザ１２０は、「外科用表示」モデルをカメラによって捕捉された実際の画像と比較して、外科用エフェクタ１６４が患者内の正しい、またはほぼ正しい位置にあることを頭の中で方向付けて確認できるようにする。「外科用表示」は、手術部位周辺の解剖学的構造、例えば、患者の腸または結腸の形状に関する情報を提供する。ディスプレイモジュール１１４は、手術部位での解剖学的構造の３Ｄモデルおよびコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンを同時に表示することができる。さらに、ディスプレイモジュール１１４は、外科用エフェクタ１６４の所定の最適なナビゲーションパスを３ＤモデルおよびＣＴスキャン上に重ね合わせることができる。

一部の実施形態では、外科手術の状況を示せるように外科用エフェクタのモデルが３Ｄモデルと共に表示される。例えば、スキャンによって、縫合糸が必要となる可能性のある解剖学的構造の領域を識別する。手術中、ディスプレイモジュール１１４は、手術部位１５８での外科用エフェクタの現在の位置に対応する外科用エフェクタ１６４によって捕捉された参照画像を示すことができる。ディスプレイモジュール２０２は、ユーザ設定および特定の外科手術に応じて、内視鏡のモデルの異なるビューを自動的に表示することができる。例えば、ディスプレイモジュール２０２は、外科用エンドエフェクタが患者の手術領域に近づくにつれ、ナビゲーションステップ中に外科用エンドエフェクタの俯瞰透視ビューを示す。

（ＩＩ．スレーブロボット機器）
図２は、一実施形態による外科用ロボットシステム１００からのスレーブロボット機器２００を示す。スレーブ機器２００は、１つまたは複数のロボットアーム、例えばロボットアーム２０４に結合されたスレーブベース２０２を含む。スレーブベース２０２はマスタ機器１１０と通信で結合されている。スレーブベース２０２は、ロボットアーム２０４が患者に外科手術を実行するためにアクセスできるように位置決めすることができ、一方、医師などのユーザはマスタ機器から外科用ロボットシステム１００を制御することができる。一部の実施形態では、スレーブベース２０２は患者を支持するための外科手術台に結合してもよい。明確にする目的で図１には示されていないが、スレーブベース２０２は、制御電子機器、空気圧技術、電源、光源などのサブシステムを含むことができる。ロボットアーム２０４は、ジョイント２０８で結合された複数のアームセグメント２０６を含み、それはロボットアーム２０２に多数の自由度を提供する。スレーブベース２０２は、電源２１０、空気圧２１２、ならびに中央処理装置、データバス、制御回路、およびメモ
リなどの構成部品を含む制御およびセンサ電子機器２１４、ならびにロボットアーム２０４を移動させるためのモータなどの関連アクチュエータを含むことができる。スレーブベース２０２の電子機器２１４はまた、コマンドコンソールから通信された制御信号を処理し送信することができる。

一部の実施形態では、スレーブベース２０２はスレーブロボット機器１５０を搬送するための車輪２１６を含む。スレーブロボット機器１５０の移動性は、外科手術室のスペースの制約に適応するのに役立つほか、外科装置の適切な位置決めおよび移動を容易にする。さらに、移動性は、ロボットアーム２０４が患者、医師、麻酔科医、または他のいずれかの装置と干渉しないようにロボットアーム２０４を構成することを可能にする。手術中、ユーザはマスタ機器などの制御機器を使用してロボットアーム２０４を制御することができる。

一部の実施形態では、ロボットアーム２０４は、ロボットアーム２０４の位置を維持するためにブレーキとカウンタバランスの組み合わせを使用するセットアップジョイントを含む。カウンタバランスにはガススプリングまたはコイルスプリングを含めることができる。ブレーキ、例えばフェールセーフブレーキは、機械的および／または電気的構成部品を含むことができる。さらに、ロボットアーム２０４は重力補助受動支持型ロボットアームとすることができる。

ロボットアームは外科用器具、例えば、腹腔鏡２２０と結合することができ、ロボットアームが外科用器具を手術部位に配置する。ロボットアームは、外科用器具とベースの間の通信を可能にする特別に設計された接続装置２３０を用いて外科用器具に結合することができ、ベースはロボットアームを介して外科用器具を制御するように構成される。

（ＩＩＩ．器具機器マニピュレータ）
図３は、マスタ／スレーブ外科用システムでのロボットアーム３００の端部の一実施形態を示す。各ロボットアームの端部では、機構チェンジャインターフェース（ＭＣＩ）３１０が器具機器マニピュレータ（ＩＤＭ）３２０をロボットアームに結合することができる。ＭＣＩ３１０は、止めねじまたはベースプレートコネクタとすることができる。ＭＣＩ３１０は、空気圧、電力、電気信号、および光信号をロボットアームからＩＤＭ３２０に伝達するためのコネクタを含む。

ＭＣＩ３１０は、ＩＤＭ３２０を外科用ロボットシステムの外科用ロボットアームに取り外し可能または固定的に取り付ける。ＩＤＭは、外科用ツールの接続装置２３０を（例えば、以下の図４に記載の支持ブラケットおよび取り付けブラケットを介して）、外科用ツールが外科用ツールの軸の周りを連続的に回転または「転がるように」させることが可能なように、ロボット外科用アームに取り付けるよう構成される。ＩＤＭ３２０は多様な外科用器具（図３には図示せず）と共に使用することができ、それはハウジングおよび連長体を含むことができ、腹腔鏡、内視鏡、または外科用器具の他の種類のエンドエフェクタ用とすることができる。

（ＩＶ．外科用器具）
図４は、マスタ／スレーブ外科用システムでの外科用器具４００の例示的表現を示す。外科用器具は、支持ブラケット４１０および取り付けブラケット４５０を介してＩＤＭ３２０に結合されている。支持ブラケット４１０および取り付けブラケット４５０は円板形状であり、ケーブルシャフト４２０が支持ブラケットの円板上の中央に位置し、操作軸４３０に沿って取り付けブラケット４５０と反対側の支持ブラケット４１０の平面に対して垂直に外側に延在する。ケーブルシャフト４２０は外科用エフェクタ４４０を支持ブラケット４１０に結合し、ロボットアームおよびＩＤＭを介してスレーブベースによる外科用
エフェクタの制御を可能にする。

（Ｖ．支持ブラケット）
図５は、支持ブラケットの一実施形態の等角図を示しており、取り付けブラケットは図示されておらず、その構成要素部品を示している。支持ブラケット４１０は、支持ブラケットを取り付けブラケットに結合するのを支援するために円板の外縁に結合された少なくとも１つの接続用貫通孔５１２を備えるほぼ円板形状の支持ベース５１０を含む。一部の実施形態では、支持ブラケットを取り付けブラケットに結合するための接続用貫通孔がない。他の実施形態では、取り付けブラケットはなく、支持ブラケットはＩＤＭに直接結合している。支持ベースの一方の面、これ以後、結合面５１４は、入力コントローラ５２０、ガイダンスプーリ５３０、および往復パンタグラフ５４０のための支持構造として機能する。支持ベース５１０の反対側の面、これ以後、操作面５１６（見えるように示されていない）は、ケーブルシャフト４２０のための支持構造として機能する。

支持ベースの中心には、ケーブルシャフト４２０を介して入力コントローラ５２０を外科用エフェクタ４４０に結合するために、操作軸４３０に沿って結合面５１４から操作面５１６まで支持ベース５１０を貫通する動作貫通孔５１８がある。動作貫通孔５１８は、少なくとも４つのケーブル５６０セグメントが支持ベース５１０を通って結合面５１４から操作面５１６まで妨げられることなく通過することを可能にするのに十分大きな直径を有する。

動作貫通孔の外縁に沿って、２つの外側５３０ａ、５３０ｄおよび２つの内側５３０ｂ、５３０ｃの４つのガイダンスプーリ５３０のセットが、結合面の平面の下に少なくとも部分的に凹設されている。各ガイダンスプーリ５３０の平面は結合面５１４の平面と直交し、プーリの平面はプーリの円板の平面である。プーリは、各ガイダンスプーリの平面が動作貫通孔５１８の縁部に対して垂直であり、ガイダンスプーリの少なくとも一部が動作貫通孔内に延在するように配置される。ガイダンスプーリ５３０は、支持ベース５１０に結合され、支持ベース５１０の平面と同一平面上の中心ガイダンス軸の周りを回転するように構成される。一実施形態では、ガイダンスプーリ５３０はベアリングを介して支持ベース５１０に接続されている。ガイダンスプーリにより、ケーブル５６０は、互いに絡み合ったり、または動作貫通孔の縁部を擦ることなく、動作貫通孔５１８を通って移動することが可能である。

操作軸４３０からガイダンスプーリの平面に沿って外側に向かう線は、２つの外側軸５５０ａ、５５０ｄおよび２つの内側軸５５０ｂ、５３２ｃの４つのケーブル軸５５０のセットを生成する。ガイダンスプーリ５３０は、外側ケーブル軸５５０ａ、５５０ｄが支持ブラケットの直径に沿って線を形成し、外側ケーブル軸（例えば、５５０ａ）と最も近い内側ケーブル軸（例えば、５５０ｂ）との間の角度が０度と９０度の間のゼロではないように位置決めされ、その一例は図５で、約６０度であるとして示されている。同様に、２本の内側ケーブル軸（例えば、５５０ｂと５５０ｃ）の間の角度は０度と９０度の間の角度であり、その一例は約６０度として示されている。

（ＶＩ．ケーブルシャフト）
ケーブルシャフト４２０は外科用エフェクタ４４０を支持ブラケット４１０に結合し、ロボットアームおよびＩＤＭを介してスレーブベースによる外科用エフェクタの制御を可能にする。一実施形態では、ケーブルシャフトは、アクション端とドライバ端を備える長い中空円筒であり、アクション端は外科用エフェクタ４４０に結合し、ドライバ端は支持ブラケット５１０の操作面５１６に結合する。ケーブルシャフト４２０が操作軸４３０に沿って支持ブラケットから直交して延在するように、ケーブルシャフトは支持ブラケット５１０に結合される。ケーブルシャフト４２０は、入力コントローラ５２０を外科用エフ
ェクタ４４０に結合するケーブル５６０を収容する。

（ＶＩＩ．入力コントローラ）
２つの外側入力コントローラ５２０ａ、５２０ｄおよび２つの内側入力コントローラ５２０ｂ、５２０ｃは支持ベースに結合されており、結合面５１４から外向きに直交する方向に延在している。入力コントローラ５２０は、各入力コントローラがケーブル軸５５０のうちの１つに沿って操作軸から放射状に等距離で、操作軸４３０の周囲を同心の半円に沿って配置されている。入力コントローラ５２０は、円筒の半径が大きいものが上に結合される、逆層状円筒ピラミッドと同様の形状とすることができる。入力コントローラ５２０の結合された円筒は、結合面５１４に直交しかつ操作軸４３０に平行であるその特定の入力コントローラに関連付けられたスプール軸５５６に沿って中央に整列されている。入力コントローラは、外側入力コントローラ５２０ａ、５２０ｄの２つのスプール軸５５６が２つの外側ケーブル軸と同様に支持ブラケットの直径に沿って線を形成するように配置され、それに応じて、操作軸４３０に対して最も近いそれぞれの内側入力コントローラと同様の角度を形成する。２つの内側入力コントローラも同様に、上述のように、２つの内側ケーブル軸と同様に互いに対してある角度で配置されている。

支持ベース５１０は４つの円形ロータリジョイント５７０を含む。ロータリジョイント５７０は、各入力コントローラが、５５６などのそのスプール軸の周りを回転することを可能にするように構成される。ロータリジョイント５７０は、各ロータリジョイントの頂部が支持ベース５１０の結合面５１４と実質的に同一平面上にあるか、またはそこからわずかにくぼむように形成される。ロータリジョイント５７０は、ロータリジョイントの回転軸が関連する入力コントローラのスプール軸５５６と同軸となるように、各入力コントローラがロータリジョイントの中心に結合された状態で入力コントローラ５２０に同様に配置される。一実施形態では、ロータリジョイントはベアリングである。

図５には示されていないが、支持ブラケットはさらに入力コントローラを介して取り付けブラケット４５０に結合されている。取り付けブラケットは、入力コントローラの上部が取り付けブラケットを通過し、入力コントローラの上部が取り付けブラケットの上部と実質的に同一平面上になるように入力コントローラに結合する。取り付けブラケットはさらに、支持ブラケットのロータリジョイントと同軸の同様のロータリジョイントのセットで構成されており、これにより入力コントローラを回転させることができる。入力コントローラ５２０および取り付けブラケット４５０はＩＤＭに結合され、ケーブル５６０を作動させて外科用エフェクタ４４０の動作を制御するように構成されており、このことは後のセクションで詳細に説明する。ケーブル５６０は、ケーブルが少なくとも部分的に入力コントローラの周りを包み込み、スプール軸の周りを回転するときにコントローラの周りをスプーリングまたはスプーリング解除できるように、入力コントローラ５２０に結合される。各入力コントローラは単一のケーブルに接続されている。

（ＶＩＩＩ．往復パンタグラフ）
往復パンタグラフ５４０は、セクションＸおよびＸＩで説明されているように、外科用エフェクタに対し往復して動作するように構成されているので、そのように命名された複数の物理的構成部品を含む物理的構造である。したがって、往復パンタグラフは、外科用器具全体、具体的にはリスト、より具体的にはその中のケーブルの長さを維持することを可能にする。ケーブルは固定クランプやシリンダーの周りのスプーリングなどの従来の技術を使用して締め付けられるが、これは通常の消耗で時間の経過と共に緩む（張力が少なくなる）ことが多い。ケーブルの摩耗によりケーブルの全長が変化する場合があるが、この変化は長さ保持システムを維持するためにＩＤＭ、ロボットアーム、および制御コンピュータによって補正される。往復パンタグラフはさらに、入力コントローラおよびＩＤＭによって制御されていないとき、例えば外科用器具がスレーブ外科用機器から取り外され
たとき、外科用器具のケーブルの長さを維持するように構成される。

往復パンタグラフは２つの動作モードを有する。アタッチドモード、これはＩＤＭおよびロボットアームが入力コントローラを作動させて外科用エフェクタの動作を制御することができるように、外科用器具がＩＤＭおよびロボットアームに取り付けられる。デタッチモード、これは往復パンタグラフおよび入力コントローラが受動的に外科用エフェクタの外科用ケーブルの長さを維持するように外科用器具がＩＤＭおよびロボットアームから分離され、それによって緩む／脱落するのを防止する。

（ＶＩＩＩ−Ａ．往復パンタグラフの構築）
往復パンタグラフ５４０は、内側入力コントローラ５２４とは反対側の結合面５１４の半分で支持ベース５１０に結合されている。図６に拡大図で示されている往復パンタグラフ５４０は、２つの結合差動装置、回転シャフト、およびアーマチュアを含む。回転シャフトは、回転シャフトの中心軸、これ以後、往復軸５５８と呼ぶが、これが操作軸４３０と平行になるように、結合面５１４から直交して外側に延在する。回転シャフトは操作軸４３０から放射状に離れて配置されている。加えて、外側スプール軸５５６と操作軸４３０と往復軸５５８との間の角度は約９０度であるが、他の実施形態では異なる角度の場合がある。

図６Ａは、例示的な往復パンタグラフ５４０の等角図である。往復パンタグラフは、２つの差動装置６１０ａおよび６１０ｂを結合するアーマチュア６２０から構成される。第１の差動装置６１０ａはプーリのペアを結合し、第１のプーリは２つの溝を備える往復リストプーリ６１２ａであり、第２のプーリは１つの溝を備える往復メンバプーリ６１４ａである。第２の差動装置６１０ｂも同様に、リストプーリ６１２ｂとメンバプーリ６１４ｂで構成される。別の実施形態では、往復リストプーリ６１２ａおよび６１２ｂは、２つの別々の同軸単一の溝プーリ、または２つのケーブルを考慮に入れた十分な大きさの単一溝を備える単一のプーリを含むことができる。アーマチュア６２０は、往復リストプーリ６１２ａおよび６１２ｂが互いに、かつ往復軸５５８に同軸であるように、差動装置６１０ａおよび６１０ｂを互いに結合する。さらに、アーマチュア６２０は各差動装置の往復メンバプーリ６１４ａおよび６１４ｂを、往復リストプーリ６１２ａおよび６１２ｂから等しい距離に結合する。アーマチュア６２０はさらに、往復メンバプーリ６１４ａおよび６１４ｂが往復軸５５８の周りを互いからゼロ以外の角度で離れて配置されるようにそれらを連結する。他の実施形態では、往復メンバプーリ６１２は往復リストプーリ６１４から異なる距離、離れている。往復メンバプーリ６１４は引張軸６３０の周りを回転し、引張軸は往復軸５５８に対して鋭角を形成する。

（ＶＩＩＩ−Ｂ．往復パンタグラフのケーブル配線）
各差動装置６１０内では、往復リストプーリ６１２と往復メンバプーリ６１４がさらにケーブル５６０によって結合されている。説明のために、ケーブルは、インバウンドセグメント６１６ａおよびアウトバウンドセグメント６１６ｂを有し、インバウンドセグメントは往復軸５５８から引張軸６３０に向かって延在し、アウトバウンドセグメントは引張軸から往復軸に向かって延在すると説明することができる。ケーブルは使用中に動くので、セグメントの定義は任意であり、ケーブル自体の固定位置にあるのではなく、プーリに対する明確さのためにここで定義されている。

インバウンドセグメント６１６ａ上で、ケーブルは、往復リストプーリ６１２の周りでその第１の溝で少なくとも部分的にループする。次に、ケーブルは、往復メンバプーリ６１４の周りで少なくとも部分的にループし、往復メンバプーリを往復リストプーリ６１２に結合して、アウトバウンドセグメントに移行する。次に、アウトバウンドセグメント６１６ｂ上で、ケーブルはさらに少なくとも部分的に往復メンバプーリ６１４の周りでルー
プし、それによってケーブルの方向を逆にし、その後、ケーブルは引張軸６３０から離れる方に向けられる。ケーブルのアウトバウンドセグメントは、往復メンバリストプーリ６１２の第２の溝の周りで少なくとも部分的にループし、その後、往復軸５５８から離れる方に向けられる。

（ＶＩＩＩ−Ｃ．往復パンタグラフの動作）
図６Ｂは、入力コントローラが抑制パンタグラフにどのように結合されるかの一例を示す。各入力コントローラ５２０の最上層、すなわち支持ブラケットの結合面から最も離れた円筒は、ＩＤＭが入力コントローラの独立したスプール軸５５６ａ、５５６ｂ、５５６ｃ、５５６ｄの周りの回転を操作できるように、入力コントローラをＩＤＭの対応するアクチュエータに取り外し可能で取り付けるように構成される。さらに、入力コントローラ５２０の各ペアは、ケーブルのインバウンドセグメントおよびアウトバウンドセグメントが第１の入力コントローラを入力コントローラのペアの第２の入力コントローラに結合するように、往復パンタグラフ５４０の差動装置６１０のうちの１つにケーブル５６０によって結合される。図示の実施形態では、外側５２０ａおよび内側５２０ｂ入力コントローラは第１のケーブルによってペアにされ、内側５２０ｃおよび外側５２０ｄは第２のケーブルによってペアにされているが、当業者であれば任意の２つの入力コントローラを一緒にペアにできることを認識されよう。

腹腔鏡ツールが手術部位で手術を行うためにＩＤＭに取り付けられている間、往復パンタグラフはアタッチモードにある。アタッチモードの間、往復パンタグラフの差動装置が各ペアの入力コントローラを結合する各ケーブルを一定の長さに維持する。ケーブルの全長は、所与のケーブルに関連付けられた入力コントローラのペアのスプーリングおよびスプーリング解除の相互作用のほか、往復軸周りの抑制パンタグラフの回転によっても操作される。ケーブルの長さを維持するために、差動装置のプーリおよびアーマチュアが往復軸と引張軸の周りを回転し、スプール軸周りの入力コントローラのスプーリングまたはスプーリング解除によって生じる短縮（または延長）を補うために、等しくかつ反対の延長（または短縮）を生成する。

図６Ｂおよび図６Ｃはこのプロセスを示しており、以下の段落ではさらにインバウンドおよびアウトバウンドケーブルセグメント、往復パンタグラフ、および入力コントローラのペアの間の相互作用を詳細に説明している。明確にするために、これ以後、第１の差動装置内の第１のケーブルのインバウンドセグメントは第１のセグメント６６０ａ、第１の差動装置内の第１のケーブルのアウトバウンドセグメントは第２のセグメント６６０ｂ、第２差動装置内の第２のケーブルのインバウンドセグメントは第３のセグメント６６０ｃ、および第２の差動装置内の第２のケーブルのアウトバウンドセグメントは第４のセグメント６６０ｄである。

さらに、第１のコントローラのペアの第１の入力コントローラは第１のセグメント６６０ａの長さを制御し、第１のコントローラのペアの第２の入力コントローラは第２のセグメント６６０ｂの長さを制御し、第２のコントローラのペアの第１の入力コントローラは第３のセグメント６６０ｃの長さを制御し、そして第２のコントローラのペアの第２の入力コントローラは第４のセグメント６６０ｄの長さを制御する。上記のケーブルセグメントの任意のペアは、その時点でペアの一方の入力コントローラで実行されているスプーリング／スプーリング解除に応じて、インバウンド／アウトバウンドセグメントのペアとして説明することができる。図示の実施形態では、内側および外側入力コントローラ（例えば５２０ａと５２０ｂ）はペアになっているが、当業者ならば、入力コントローラは異なるペアで構成されてもよいことを理解されよう。

図示の実施形態では、差動装置によって結合された入力コントローラのペアの所与のケ
ーブルについて、アタッチモードには５つの可能な状態がある。第１の状態では、入力コントローラのペアは同時に、第１のセグメントの長さを減少させ、第２のセグメントの長さを増大させる。第２の状態では、入力コントローラのペアは同時に、第２のセグメントの長さを増大させ、第１のセグメントの長さを減少させる。第３の状態では、入力コントローラのペアは同時に、第１および第２のセグメントをスプーリング解除し、その結果、往復パンタグラフが往復軸の周りを補償回転してケーブルの長さを維持する。第４の状態では、入力コントローラのペアは同時に、第１および第２のセグメントをスプーリングし、その結果、往復パンタグラフが往復軸の周りを補償回転してケーブルの長さを維持する。第５の「ニュートラル」状態では、入力コントローラのペアはケーブルセグメントを操作しない。可能なすべての状態で、入力コントローラのペアの第１の入力コントローラから第２のコントローラまでのケーブルの長さは維持される。

図６Ｂは、第１の６６０ａおよび第２の６６０ｂセグメントに関連付けられたケーブルの第１の状態での入力コントローラおよび往復パンタグラフを示す支持ブラケットの平面図である。第１の入力コントローラ５２０ａはケーブルをスプーリング解除し、第１のセグメント６６０ａ内で長さ６７０ａを増大させ（矢印で示す）で、一方、第２の入力コントローラ５２０ｂは同じケーブルをスプーリングし、第２のセグメント６６０ｂの長さ６７０ｂを減少させる。これにより、往復メンバプーリ６１４が引張軸６３０の周りを回転すること、往復リストプーリ６１２が往復軸５５４の周りを回転しないこと、アーマチュア６２０が往復軸６１４の周りを回転しないこと、および動作貫通孔５１８のケーブルの往復動作が生じる。第１の状態のこの実施形態では、往復リストプーリと接触しているケーブルの接触領域６４０ａは変化していない。第２の状態は第１と同様であり、第１および第２の入力コントローラが反対になっている。

図６Ｃは、第３の引張状態にある入力コントローラおよび往復パンタグラフを示す支持ブラケットの平面図である。入力コントローラのペアの第１の入力コントローラ、例えば外側入力コントローラ５２０ａ、ペアはそのスプール軸５５６ａの周囲をスプーリングする（第１のセグメント６６０ａの長さ６８０ａを減少させることを試みる）、一方、入力コントローラのペアの第２の入力コントローラ、例えば内側入力コントローラ５２０ｂはそのスプール軸５５６ｂの周囲をスプーリングする（第３のセグメント６６０ｂの長さ６８０ａを減少させることを試みる）。これにより、往復メンバプーリ６１４が引張軸６３０の周りを回転すること、往復リストプーリが往復軸５５８の周りを回転すること、および差動装置が往復軸５５８の周りを回転することが生じる。第３の状態のこの実施形態では、差動装置は、往復リストプーリとのケーブルの接触領域６４０ｂが減少するように、入力コントローラのペアの周りのケーブルセグメントのスプーリングを補償する量だけ往復軸５５８の周りを回転６９０し、パンタグラフのケーブルの全長は維持される。第４の状態は第３の状態と同様であり、第１および第２の入力コントローラが、第１および第２のセグメントを同時にスプーリング解除し、スプーリング解除は往復軸の周りの差動装置の回転によってオフセットされる。

（ＩＸ．外科用エフェクタ）
図７Ａは、マスタ／スレーブ外科用システムでの腹腔鏡検査のための外科用エフェクタの実施形態を示す。外科用エフェクタは、２つの作動メンバ７１０、外科用リスト７２０、およびエフェクタハウジング７３０から構成される。図７Ｂは、エフェクタハウジングが取り外された外科用エフェクタの図である。

（ＩＸ−Ａ．外科用エフェクタの構築）
２つの作動メンバ７１０は、外科手術を実行するための既存の外科用ツールのロボットバージョン、例えば、図７Ａおよび図７Ｂに例示する小型ロボット鉗子として設計することができる。各作動メンバは、単一の溝を備えるメンバプーリ７１２と鉗子の片方７１４
とから構成される。メンバプーリは外面および内面を有し、内面および外面に直交する、中心に位置する回転軸、これ以後、メンバ軸７４０の周りを回転することができる。メンバプーリは、内面から外面へと通過し、かつ操作軸４３０に直交するメンバ軸と同軸で中心に配置されたメンバボア７１６を有することができる。

各鉗子の片方７１４は、実質的に平坦な側面と丸みを帯びた側面を有し、平坦な側面は外科手術で組織と相互作用するためのものである。実質的に平坦な側面は、外科手術で組織とのより容易な相互作用を可能にするためにテクスチャ加工することができる。別の実施形態では、鉗子は外科手術で針と相互作用するように構成されている。各鉗子の片方７１４は、鉗子の片方がメンバプーリの縁部に垂直であり、メンバプーリ７１２の平面のメンバ軸７４０から放射上に延在するように、メンバプーリ７１２に独立して結合されている。メンバプーリ７１２はさらに、鉗子の片方７１４に結合され、鉗子の片方もメンバ軸７４０の周りを回転する。

作動メンバ７１０は、メンバプーリの内面がメンバボア７１６と実質的に同一平面上にあり、メンバ軸７４０が同軸であるように結合される。作動メンバ７１０はさらに、各鉗子の片方の平坦な側面が互いに面し、同じ平面上にあるように結合される。

外科用リストは４つの溝を備える２つのリストプーリのセットである。第１のリストプーリ７２２は、第２のリストプーリ７２４よりも大きい半径を有することができる。リストプーリは前面と後面を有し、前面と後面に直交する中心に配置された回転軸、これ以後リスト軸７４２の周りを回転することができる。本明細書では、リストプーリの４つの溝は、後側から前側に向かって１から４と呼ばれる。リストプーリ７２０は、リストプーリの前面から後面へ通過するリスト軸７４２と同軸の中心に配置されたリストボア７２６を有することができる。各リストプーリのリスト軸７４２は、互いに平行であり、メンバ軸７４０と直交し、かつ操作軸４２０と直交しているので、３種類の軸は直交セット７４４である。リストプーリは、前面が同じ平面上にあるように配置され、第１のリストプーリ７２２は第２のリストプーリ７２４よりも操作軸４３０に沿ってケーブルシャフト４２０のアクション端に近くなっている。

エフェクタハウジング７３０は、リストプーリ７２０をメンバプーリ７１２に結合する円筒形保護金属シースとすることができ、シースを通るケーブル５６０の移動を可能にする。一部の実施形態では、エフェクタハウジングは近位クレビス７３０ｂおよび遠位クレビス７３０ｃを含むことができ、近位クレビスは接続ピンによって遠位クレビスに結合される。第１のリストプーリ７２０および第２のリストプーリ７２２は、リストプーリ７２０のリストボア７２６を通りリスト軸７４２に沿ってハウジングの一方の側からハウジングの他方の側に貫通する独立した止めねじ７３２によってエフェクタハウジング７３０に結合される。メンバプーリ７１２は、メンバプーリ７１２の中心メンバボア７１６を通り同軸メンバ軸７４０に沿ってハウジングの一方の側からハウジングの他方の側に貫通する単一の止めねじ７３４によってエフェクタハウジングに結合される。メンバプーリ７１２はさらに、鉗子の片方７１４が操作軸４３０に沿ってエフェクタハウジングからケーブルシャフト４２０のアクティブ端に向かって延在するように、エフェクタハウジングに結合される。ハウジングは、メンバプーリがリストプーリよりも操作軸４３０に沿ってケーブルシャフト７２０のアクティブ端に近くなるように、リストプーリ７２０とメンバプーリ７１２を結合する。エフェクタハウジング７３０はリストプーリ７２０とメンバプーリ７１４を結合して、操作軸４３０、メンバ軸７４０、および平行リスト軸７４２の直交セットを維持し、すなわちメンバプーリ７１２の外面、リストプーリ７２０の前面、および操作軸４３０は直交７４４である。

（ＩＸ−Ｂ．外科用エフェクタのケーブル配線）
ハウジング内で、リストプーリ７２０およびメンバプーリ７１４はさらに２本のケーブルによって結合されている。一部の実施形態では、エフェクタハウジング内のケーブルは、これ以後、明確にするために第３および第４のケーブルと呼ばれる、入力コントローラを往復パンタグラフに結合する２本のケーブルとは異なる。説明のために、ケーブルは、インバウンドセグメントおよびアウトバウンドセグメントを有し、インバウンドセグメントはケーブルシャフト内でドライバ端からアクション端まで延在し、アウトバウンドセグメントはケーブルシャフト内でアクション端からドライバ端まで延在しているものとして説明することができる。

これ以後、第３のケーブルのインバウンドセグメントは第５のセグメント７５０ａであり、第３のケーブルのアウトバウンドセグメントは第６のセグメント７５０ｂである。１つの可能なケーブル配線方式によると、インバウンドセグメント６５０ａでは、ケーブルは、第２のリストプーリの周りでその第１の溝で少なくとも部分的にループする。次に、第５のセグメント６５０ａは、ハウジング内の第１のリストプーリ７２２の第１の溝の周りで少なくとも部分的にループし、第１のリストプーリを第２のリストプーリに結合する。次に、インバウンドセグメントは、第１のメンバプーリ７１２の第１の溝の周りで少なくとも部分的にループし、第１のリストプーリをメンバプーリに結合する。第１のメンバプーリ７１２の周りで少なくとも部分的にループするインバウンドセグメント７５０ａは、アクション端から離れる方へケーブルの方向を反転し、アウトバウンドセグメント６５０ｂを開始する。アウトバウンドセグメント６５０ｂで、ケーブルは第１のリストプーリ７２２の第３の溝の周りで少なくとも部分的にループする。次に、アウトバウンドセグメント６５０ｂは、第２のリストプーリ７２４の第３の溝の周りで少なくとも部分的にループする。

同様に、第４のケーブルのインバウンドセグメントは第７のセグメント７５０ｃであり、第４のケーブルのアウトバウンドセグメントは第８のセグメント７５０ｄである。上記と同じケーブル配線方式を続けて、インバウンドセグメント７５０ｃは、インバウンドルート上のリストプーリ７２０の第２の溝の周りで少なくとも部分的にループし、第２のメンバプーリ７１２の周りで少なくとも部分的にループし、方向を反転してアウトバウンドセグメント７５０ｄを開始し、リストプーリの第４の溝の周りで少なくとも部分的にループする。

図示の実施形態では、インバウンドケーブルは、第２のリストプーリの半分および第１のリストプーリの反対側の半分を少なくとも部分的にループしている。これらの半分が反転できることは当業者には明らかであろう。

図示の実施形態では、第３のケーブルは、インバウンドルート上の第１の溝およびアウトバウンドルート上の第３の溝のリストプーリの周りで少なくとも部分的にループし、一方、第４のケーブルは、インバウンドルート上の第２の溝およびアウトバウンドルート上の第４の溝のリストプーリの周りで少なくとも部分的にループする。第３および第４のケーブルのインバウンドおよびアウトバウンドルートの溝が異なる方法で構成できることは当業者には明らかであろう。

図８は、入力コントローラ５２０がどのように外科用エフェクタ４４０に結合されているかを示す。各入力コントローラ５２０の底部層は、支持ブラケット４１０上のロータリジョイント５７０に結合されている。内側入力コントローラと外側入力コントローラの各ペア（例えば、５２０ａと５２０ｂ）は、外側入力コントローラのインバウンドセグメントの第５のセグメント７５０ａが外科用エフェクタ４４０を介して内側入力コントローラのアウトバウンドの第６のセグメント７５０ｂに結合するように、動作貫通孔５１８を貫通するケーブルによって外科用エフェクタ４４０に結合する。代替構成では、インバウン
ドおよびアウトバウンドセグメントのほか、ペアの入力コントローラも交換可能である。

（ＩＸ−Ｃ 外科用エフェクタの自由度）
説明した構成では、外科用エフェクタは、３つの制御可能な自由度、すなわち図９Ａ〜図９Ｄに示す第１のヨー角９１０、第２のヨー角９２０、およびピッチ角９３０を有する。

図９Ａおよび図９Ｂに示すように、第１の自由度は、第１のメンバプーリ７１２がメンバ軸７４０、すなわちヨー軸の周りで回転９１２し、鉗子の片方が操作軸４３０に対して第１のヨー角９１０を生成するように鉗子の片方７１４を第１のメンバプーリの平面で動かすときの第１の鉗子の片方７１４の動作である。

同様に、第２の自由度は、第２のメンバプーリ７１２がメンバ軸７１０、すなわちヨー軸の周りで回転し、鉗子の片方が操作軸４３０に対して第２のヨー角９２０を生成するように第２の鉗子の片方を第２のメンバプーリの平面で動かすときの第２の鉗子の片方７１４の動作である。

図９Ｃおよび図９Ｄに示すように、第３の自由度は、第１のリストプーリが第１のリスト軸７４２、すなわちピッチ軸の周りで回転９２２し、作動メンバが操作軸４３０に対して第１のヨー角９２０を生成するように作動メンバを第１のリストプーリ７２２の平面で動かすときの作動メンバの動作である。

記載の実施形態では、第１および第２のヨー角は同じ平面上にあり、ピッチ角の平面はヨー角の平面に直交している。他の実施形態では、第１のヨー角、第２のヨー角、およびピッチ角は、操作軸に対して異なる向きを有することができる。さらに他の実施形態では、第１および第２のヨー角は同一平面上になくてもよい。

外科用エフェクタはまた、２つの追加の自由度、すなわち回転角および並進距離で動くことができる。回転角度は、操作軸の周りでＩＤＭとＭＣＩの回転によって生成される。並進距離は、ケーブルシャフトが操作軸に沿って並進するようにロボットアームの動作によって生成される。

（ＩＸ．外科用エフェクタの動作）
このシステムの３自由度についての動作は、メンバプーリ７１４およびリストプーリ７２０のそれぞれの軸の周りの回転によって生成される。プーリのその軸の周りの回転は、ケーブルの長さを制御するために入力コントローラがケーブルをスプーリングまたはスプーリング解除することにより発生する。

図９Ａ〜図９Ｄは、ケーブルの長さを制御することによって、３つの制御可能な自由度について外科用エフェクタを動作させる方法をさらに示す。この実施形態では、各入力コントローラは、外科用エフェクタの第３のケーブルの入力または出力セグメント、あるいは第４のケーブルの入力または出力セグメントのいずれかに結合されている。第１のコントローラのペアの第１の入力コントローラは第５のセグメント７５０ａの長さを制御し、第１のコントローラのペアの第２の入力コントローラは第６のセグメント７５０ｂの長さを制御し、第２のコントローラのペアの第１の入力コントローラは第７のセグメント７５０ｃの長さを制御し、そして第２のコントローラのペアの第２の入力コントローラは第８のセグメント７５０ｄの長さを制御する。

図９Ａは、「ニュートラル」状態の外科用エフェクタを示しており、すなわち第１のヨー角９１０、第２のヨー角９２０、およびピッチ角９３０は操作軸４３０からのオフセッ
トを有しておらず、ケーブルセグメントの長さは変更されていない。第１のヨー角９１０は、第７のセグメントの長さが増大９２０し、一方、第８のセグメントの長さが減少９２２するように第４のケーブルの長さを制御することによって操作される。この構成により、第４のケーブルが移動し、それにより、第１のメンバプーリがヨー軸７４０の周りを回転して、片方の鉗子７１４と操作軸４３０の間の第１のヨー角９１０が増大する。往復構成では、第７のセグメントの長さを減少させ、第８のセグメントの長さを増大させることによって、第１のヨー角９１０を減少させることができる。両方の構成で、外科用ケーブルの全長は維持される。

同様に、第２のヨー角は、第５のセグメント７５０ａの長さが増大し、一方、第６のセグメント７５０ｂの長さが減少するように第３のケーブルの長さを制御することによって操作される。この構成により、第４のケーブルが移動し、それにより、第２のメンバプーリがヨー軸７４０の周りを回転して、片方の鉗子と操作軸４３０の間の第２のヨー角９２０が増大する。往復構成では、第３のケーブルは、第８のセグメントの長さを増大させ、第７のセグメントの長さを減少させることによってヨー角を減少させることができるように移動する。さらに、ヨー軸の周りの鉗子の片方の動作は、メンバプーリの平面の操作軸から離れたどちらの方向の可能性もある。両方の構成で、外科用ケーブルの全長は維持される。

一部の実施形態では、ケーブルのセグメントの長さの操作は、握力などの追加の「自由度」を生成する。これらの実施形態では、第１および第２の自由度についての動作は互いに制限し合う、すなわち、一方の鉗子の片方は他方の鉗子の片方の位置およびヨー角９２０のためにそのヨー角９１０を変えることができない場合がある。このことは、例えば、鉗子の片方間に対象物が保持されているために起こる場合がある。第１および第２の自由度が互いに制限するときにシステムで測定される電気的負荷の量は、握力の基準を提供する。

図９Ｃは、ニュートラル状態の外科用エフェクタを示しており、すなわち第１のヨー角９１０、第２のヨー角９２０、およびピッチ角９３０は操作軸４３０からのオフセットを有しておらず、ケーブルセグメントは入力コントローラによって操作されていない。ピッチ角９３０は、第３および第４のケーブルの長さを制御することによって操作される。第５および第６のセグメントの長さは増大９２４し、一方、第７および第８のセグメントの長さは減少９２６して、第１リストプーリがピッチ軸の周りを回転９１４するようになる。この構成は、第３および第４のケーブルを移動させ、それにより、第１のリストプーリ７２２の平面での作動メンバ７１０と操作軸４３０の間のピッチ角が増大する。ピッチ角の周りのエフェクタの回転は、第１および第２のケーブルが長さを維持するようなセグメントの長さの増減を補償する。往復構成では、ピッチ角は第５および第６のセグメントの長さを減少させ、一方、第７および第８のセグメントの長さを増大させることによって減少させることができる。すべての構成で、外科用ケーブルの長さは維持される。さらに、ピッチ軸の周りの作動メンバの動作は、リストプーリの平面の操作軸から離れたどちらの方向の可能性もある。

上記の説明は、各動作が非同期で独立して制御される、例えば、最初に一方の鉗子の片方を開き、次にリストをピッチングするなど、自由度を制御する構成である。しかしながら、ほとんどのロボット外科手術では、自由度は同時に変化し、例えば、鉗子を開くと同時に手術部位でそれらの向きを回転させる。当業者であれば、３つの制御可能な自由度についての同時動作は、４つのケーブルとセグメントの長さを制御するために入力コントローラのスプーリングおよびスプーリング解除のためのより複雑な制御方式によって達成されることに留意されるであろう。

一実施形態では、この制御方式は、ユーザの動作を手術部位での外科用エフェクタの対応する動作に解釈するように構成された、マスタ機器の制御ベース上で実行されるコンピュータプログラムである。コンピュータプログラムは、ケーブルセグメントの長さおよび／または動作を計算するため入力コントローラを回転させるのに必要な電気的負荷を測定するように構成することができる。コンピュータプログラムはさらに、入力コントローラがケーブルセグメントの長さを変更するのに必要な回転量を増減することによって、（例えば、ケーブルがポリマである場合）ケーブル弾性の変化を補償するように構成することができる。張力は、協調してすべての入力コントローラの回転を増減することによって調整することができる。同時に回転を増大させることによって張力を増大させることができ、同時に回転を減少させることによって張力を減少させることができる。コンピュータプログラムはさらに、ケーブルの最小レベルの張力を維持するように構成することができる。いずれかのケーブルの張力が下限最小張力しきい値を下回ることが検知された場合には、コンピュータプログラムは、すべてのケーブルのケーブル張力が下限最小張力しきい値を上回るまで、すべての入力コントローラの回転を協調して増大させることができる。すべてのケーブルの張力が上限最小張力しきい値を上回ることが検知された場合には、コンピュータプログラムは、いずれかのケーブルのケーブル張力が上限最小張力しきい値を下回るまで、すべての入力コントローラの回転を協調して減少させることができる。コンピュータプログラムは、特に作動メンバが対象物を保持しているかまたは一緒に押圧されている状況で、ケーブルセグメントに結合された入力コントローラを作動させるモータの負荷に基づいてオペレータの握力を認識するようさらに構成することができる。より一般的には、コンピュータプログラムはさらに、ロボットアームとＩＤＭを介して外科用器具の並進および回転をさらに制御するように構成することができる。

（Ｘ．往復動作）
往復パンタグラフは、外科用エフェクタの動作を往復動作により模倣するように構成される。図１０Ａ〜図１０Ｃは、外科用器具での往復動作の例を示す。

図１０Ａは、ニュートラル状態でのスレーブ機器の腹腔鏡の配線例を示す。第１の入力コントローラのペアの外側入力コントローラ５２０ａおよび内側入力コントローラ５２０ｂは、第１および第３のケーブルによって結合され、ケーブルセグメントのスプーリングおよびスプーリング解除を制御する。第１のケーブルは、第１の６６０ａケーブルセグメントおよび第２の６６０ｂケーブルセグメントを介して往復パンタグラフ５４０内の入力コントローラのペアを結合する。第３のケーブルは、第５の７５０ａセグメントおよび第６の７５０ｂセグメントを介して外科用エフェクタ４４０内の入力コントローラのペアを結合する。第１および第２のケーブルセグメントの長さは、外側５２０ａおよび内側５２０ｂ入力コントローラをそれぞれ、スプール軸５２４の周りを回転させることによって制御される。この回転は、第５および第６のケーブルセグメントの長さを、それぞれ往復動作により同時に変化させる。例えば、第１のセグメント７５０の長さを増大すると、第５のセグメント６６２の長さが減少して、入力コントローラ間のケーブルの全長が維持される。

第２の入力コントローラのペアの内側入力コントローラおよび外側入力コントローラは、第２および第４のケーブルによって結合され、ケーブルセグメントのスプーリングおよびスプーリング解除を制御する。第１の入力コントローラのペアの内側入力コントローラ５２０ｃおよび外側入力コントローラ５２０ｄは、第２および第４のケーブルによって結合され、セグメントの長さを制御する。第２のケーブルは、第３の６６０ｃケーブルセグメントおよび第４の６６０ｄケーブルセグメントを介して往復パンタグラフ５４０内の入力コントローラのペアを結合する。第４のケーブルは、第７の７５０ｃセグメントおよび第８の７５０ｄセグメントを介して外科用エフェクタ４４０内の入力コントローラのペアを結合する。第３および第４のケーブルセグメントの長さは、内側５２０ｃおよび外側５
２０ｄ入力コントローラをそれぞれ、スプール軸５２４の周りを回転させることによって制御される。この回転は、第７および第８のケーブルセグメントの長さをそれぞれ往復動作により同時に変化させる。例えば、第３のセグメントの長さを増大すると、第７のセグメントの長さが減少する。

図１０Ｂは、外科用エフェクタ４４０の第１のヨー角９１０が増大する実施形態を最初に示す。ヨー角は第１の入力コントローラのペア５２０ａおよび５２０ｂをスプーリングおよびスプーリング解除することによって制御され、その結果、第５のセグメントの長さは減少１０００し、第６のセグメントの長さは増大１００２する。ヨー角が増大するにつれて、第１のセグメントの長さは増大１００４し、一方、第２のセグメントの長さは減少１００６して、抑制パンタグラフ内でメンバプーリが引張軸の周りを回転する。この構成では、第３のケーブルの全長は往復パンタグラフ５４０内に維持され、第１のケーブルの長さは外科用エフェクタおよびケーブルシャフトに維持される。第２のヨー角は、第３および第４のケーブルのセグメントの長さを操作するために第２のペアの入力コントローラを同様にスプーリングすることによって操作することができる。どちらのヨー角も、入力コントローラでセグメントの長さを反対にして操作することによって減少させることができる。

図１０Ｃは、外科用エフェクタ４４０のピッチ角９３０が増大する実施形態を示す。外科用エフェクタのピッチ角は、第５のセグメント１０１０の長さおよび第６のセグメント１０１２の長さの増大を試みるように第１のケーブルをスプーリング解除し同時に、第７のセグメント１０２０の長さおよび第８セグメント１０２２の長さの減少を試みるように第２のケーブルをスプーリングすることによって制御される。外科用エフェクタのピッチ角の変化は、第１および第２のケーブルが長さを維持するようにケーブルのスプーリングおよびスプーリング解除を補償する。ピッチ角９３０が増大するにつれて、第１のセグメント１０１４の長さおよび第２のセグメント１０１６の長さが増大し、一方、第３のセグメント１０２４および第４のセグメント１０２６の長さは減少して、抑制パンタグラフ内で、リストプーリおよびアーマチュアが往復軸を回転する１０３０。この構成では、第３のケーブルの全長は、前述のように往復パンタグラフで維持される。ピッチ角は、入力コントローラでケーブルのセグメントの長さを反対にして操作することによって減少させることができる。

（ＸＩ．デタッチモード）
手術部位で外科手術を実行している間、往復パンタグラフおよび入力コントローラはアタッチモードで動作しており、入力コントローラは外科用エフェクタの自由度を操作する。

入力コントローラおよび往復パンタグラフはまた、入力コントローラが抑制パンタグラフのケーブルの長さを維持するように構成されているデタッチモードで動作することができる。これは外科用器具をＩＤＭおよびロボットアームから着脱するときに役立つ。外科用器具をＩＤＭおよびロボットアームから取り外すために、ケーブルは、外科用器具の使用の間の期間を通して維持される特定の長さを達成するように操作することができる。

別の実施形態では、第１から第４までのケーブルの長さは、入力コントローラ以外の機構の作動を介して望ましい結果を達成するためにデタッチモード中に制御される。例えば、機構は、スイッチ、ボタン、レバー、ピンなどとすることができる。一部の実施形態では、代替機構の作動は、任意の保持された対象物をエフェクタから解放したり、ケーブル位置をニュートラルの位置に移動したり、または、エフェクタを取り外しのためにニュートラルの位置に移動したりするなどにすることができる。

（ＸＩＩ．代替の実施形態）
図６と同様に構成される、アタッチモードの動作の代替実施形態では、抑制パンタグラフは外科用エフェクタの１自由度が操作できるように、往復軸の周りで物理的に回転することができる。操作される自由度は、入力コントローラペアの結合方法によって異なる。

図１１は、７５０ａ〜７５０ｄのラベルが付けられた第５から第８のケーブルセグメントを備える外科用エフェクタを示す。入力コントローラは、差動装置および外科用エフェクタによって２つのペアに結合されている。４つのケーブルセグメントでは、外科用エフェクタの２つのケーブルについて、次の３つの異なるペアリングの可能性がある。（１）第１の入力コントローラのペアをペアリングする第５および第６のセグメント、ならびに第２の入力コントローラのペアをペアリングする第７および第８のセグメント、（２）第５および第７のセグメントは第１の入力コントローラのペアをペアリングし、第６および第８のセグメントは第２の入力コントローラのペアをペアリングする、（３）第５および第８のセグメントは第１の入力コントローラのペアをペアリングし、第６および第７のセグメントは第２の入力コントローラのペアをパート化（ｐａｒｔ）する。

外科用器具は、往復パンタグラフの回転が、一方の入力コントローラのペアをペアリングするケーブルセグメントのスプーリングおよびスプーリング解除を行い、同時に他方の入力コントローラのペアを往復的にスプーリングおよびスプーリング解除するように構成される。この構成では、往復パンタグラフを回転させると、入力コントローラのペアリングに応じて外科用エフェクタの３つの異なる動作が生じる。すなわち、第１の可能なペアリングでピッチ角の操作が生じ、第２の可能なペアリングで同じ方向の両方のヨー角の同時操作が生じ、第３の可能なペアリングで反対方向の両方のヨー角の同時操作が生じる。

これらのペアリングの組み合わせは、特定の状況、例えば、緊急解放、停電で外科用器具の潜在的な機械的オーバライドのためのツールに組み込むことができる。例えば、第３のペアリングは、外科用エフェクタに保持されている対象物を自動的に解放させる緊急コマンドを可能にし、緊急の場合に外科用器具をより迅速に取り外すことを可能にする。

（ＸＩＩＩ．追加の考慮事項）
この開示を読むと、当業者は、本明細書に開示された原理を通して、さらに追加の代替の構造的および機能的設計を理解するであろう。したがって、特定の実施形態および用途を例示し説明してきたが、開示された実施形態は本明細書に開示された厳密な構造および構成部品に限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に定義された趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された方法および装置の構成、動作および詳細で、当業者に明らかな様々な修正、変更および変形を行うことができる。

本明細書で使用されるように、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明された特定の要素、特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所で「一実施形態では」という句が出現していることは、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。

一部の実施形態は、「結合された」および「接続された」という表現をそれらの派生語と共に使用して説明することができる。例えば、一部の実施形態は、２つ以上の要素が直接的に物理的または電気的に接触していることを示すために「結合された」という用語を使用して説明することができる。しかしながら、「結合された」という用語はまた、２つ以上の要素が互いに直接接触していないが、それでもなお互いに協働または相互作用していることを意味する場合がある。特に明記しない限り、実施形態はこの文脈に限定されない。

本明細書で使用されるように、「構成する」、「構成している」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」という用語またはそれらの任意の他の変形は、非排他的包含を含むことを意図している。例えば、要素のリストから構成されるプロセス、方法、物品、または装置は必ずしもそれらの要素のみに限定されず、明示的にリスト表示されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含むことができる。さらに、そうでないと明示的に述べられていない限り、「または」は包括的な「または」を指し、排他的な、または、を指すのではない。例えば、条件ＡまたはＢは、次のいずれかによって満たされる。Ａが真（または存在）でＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）でＢが真（または存在）、およびＡとＢの両方が真（または存在）である。

さらに、「ａ」または「ａｎ」の使用は、本明細書の実施形態の要素および構成部品を説明するために採用されている。これは単に便宜上および本発明の一般的な意味を付与するために行われている。この説明は、１つまたは少なくとも１つを含むように読まれるべきであり、そうでないことを意味することが明らかでない限り、単数形は複数形も含む。

Claims (18)

1. 少なくともＮの自由度を有する外科用エフェクタであって、手術部位で対象物の操作をするため前記外科用エフェクタと、
   前記外科用エフェクタを制御するように構成された少なくともＮ＋１個の独立して操作可能な入力コントローラと、
   回転シャフトの周りを回転可能な少なくとも１つのアーマチュアと、前記少なくとも１つのアーマチュアに結合され、前記少なくとも１つのアーマチュアとともに前記回転シャフトの周りを回転するように構成された差動装置のペアとを含む往復構造と、
   複数のケーブルであって、前記入力コントローラの作動が前記ケーブルを操作するように構成され、前記ケーブルはさらに、
   前記入力コントローラでの前記ケーブルの操作によって前記外科用エフェクタが動作するように、少なくとも１つのケーブルが少なくとも１つの入力コントローラを前記外科用エフェクタに結合し、
   前記入力コントローラでの前記ケーブルの操作によって前記往復構造が動作するように、少なくとも１つのケーブルが前記往復構造を前記入力コントローラの少なくとも１つに結合する、
   ように構成された複数のケーブルと、
   を備える外科用器具。
2. 前記少なくともＮの自由度が、ピッチ、ヨー、およびグリップの少なくとも１つの組み合わせを含む、請求項１に記載の外科用器具。
3. 前記入力コントローラが、前記入力コントローラの作動が前記入力コントローラを回転軸の周りで回転させ、前記入力コントローラの前記回転が前記入力コントローラの周りで前記ケーブルをスプーリングまたはスプーリング解除するようにさらに構成される、請求項１または２のいずれかに記載の外科用器具。
4. 前記入力コントローラの作動が前記外科用エフェクタの動作を引き起こし、前記往復構造内に往復動作を生成する、請求項３に記載の外科用器具。
5. 前記往復構造は、前記ケーブルの動作が前記往復構造内の往復動作を生成するようにさらに構成された、請求項３または４のいずれかに記載の外科用器具。
6. 前記入力コントローラの作動が前記ケーブルの長さを変えない、請求項１から５のいずれか一項に記載の外科用器具。
7. 操作軸に沿って前記外科用エフェクタを前記少なくともＮ＋１個の入力コントローラから分離するケーブルシャフトをさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の外科用器具。
8. 前記入力コントローラ、前記往復構造、および前記ケーブルシャフトを取り付けるための支持ブラケットをさらに備える、請求項７に記載の外科用器具。
9. マニピュレータであって、前記マニピュレータが前記少なくともＮ＋１個の入力コントローラを制御するための少なくともＮ＋１個のモータをさらに備える、請求項８に記載の外科用器具。
10. 前記往復構造が、前記支持ブラケットが前記マニピュレータに取り付けられていないときに前記ケーブルの状態を維持するように構成された、請求項９に記載の外科用器具。
11. 前記支持ブラケットが前記マニピュレータに取り外し可能で取り付け可能である、請求項９または１０のいずれかに記載の外科用器具。
12. 少なくともＮの自由度で移動する外科用リストであって、Ｎ＋１個の外科用ケーブルの少なくとも１つが少なくともＮ＋１個の独立して操作可能な入力コントローラ、回転シャフトの周りを回転可能な少なくとも１つのアーマチュアと、前記少なくとも１つのアーマチュアに結合され、前記少なくとも１つのアーマチュアとともに前記回転シャフトの周りを回転するように構成された差動装置のペアとを含む往復構造、および前記外科用リストのそれぞれに結合され、前記独立して操作可能な入力コントローラが、前記外科用ケーブルの長さを維持するために前記往復構造の反対の動作が発生するように作動時に前記外科用リストの動作を制御するように構成された外科用リスト。
13. 前記少なくともＮの自由度が、ピッチ、ヨー、およびグリップの少なくとも１つの組み合わせを含む、請求項１２に記載の外科用リスト。
14. 前記入力コントローラの作動が前記入力コントローラを回転軸の周りで回転させ、前記入力コントローラの前記回転が前記入力コントローラの周りで前記外科用ケーブルをスプーリングまたはスプーリング解除する、請求項１２または１３のいずれかに記載の外科用リスト。
15. 前記入力コントローラの周りの前記外科用ケーブルのスプーリングまたはスプーリング解除が前記外科用リストの動作を生成する、請求項１４に記載の外科用リスト。
16. 前記入力コントローラおよび前記外科用リストを取り付けるための支持ブラケットをさらに備える、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の外科用リスト。
17. マニピュレータであって、前記マニピュレータが前記少なくともＮ＋１個の入力コントローラを制御するための少なくともＮ＋１個のモータを備え、前記マニピュレータが前記支持ブラケットに取り外し可能で取り付け可能であるマニピュレータをさらに備える、請求項１６に記載の外科用リスト。
18. 前記往復構造が前記外科用ケーブルの少なくとも１つおよび前記入力コントローラの少
    なくとも１つに結合され、前記外科用リストが前記マニピュレータに取り付けられていないとき、前記往復構造が前記外科用ケーブルの長さを一定に維持するように構成された、請求項１７に記載の外科用リスト。

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