JPH06261911A - マニピュレータ装置 - Google Patents

マニピュレータ装置

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JPH06261911A
JPH06261911A JP5248114A JP24811493A JPH06261911A JP H06261911 A JPH06261911 A JP H06261911A JP 5248114 A JP5248114 A JP 5248114A JP 24811493 A JP24811493 A JP 24811493A JP H06261911 A JPH06261911 A JP H06261911A
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ジャネッツ・ファンダ
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デビッド・ダニエル・グロスマン
John P Karidis
ジョン・ピーター・カリディス
David A Larose
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 外科医の補助に使用されるマニピュレータ装
置を改善する。 【構成】 マニピュレータ装置は、中央部と先端部の２
つに分かれている。装置には、複数の剛性リンク１〜７
があり、それらがピボットを中心に回転して、外科用器
具１１等の器具をワーク・ポイントＣｍｏｔに繰り返し
位置合わせする。ワーク・ポイントは患者に近い位置だ
が、装置本体からは離れている。装置中央部は手術台の
ように固定された物体に調節可能であるように取り付け
られていて、装置先端部は、外科用器具を保持してい
る。いくつかの長さを調節可能なリンクが動くことで、
装置先端部が中央部に対して動く。この方法では、装置
中央部を動かすことなく、マニピュレータのワーク・ポ
イント及び動作半径を変更できる。手動もしくはリモー
ト（コンピュータ）制御のアクチュエータが、リンクを
そのピボット中心に回転させ、調節可能なリンクの長さ
を調節する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ロボット工学に関する
もので、詳しくは、外科医療におけるロボットの利用に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】米国特許出願第０７／７１４、８１６号
（Ｒ．Ｈ．Ｔａｙｌｏｒ ｅｔ ａｌ．、１９９１年６
月１３日出願）は、本発明に関係のある技術を開示して
いるので、ここに参照する。この米国特許出願に開示さ
れているのは、中央部から離れた位置に動作の中心点が
ある（ＲＭＣ：ｒｅｍｏｔｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｍ
ｏｔｉｏｎ）マニピュレータの構造であり、動作の自由
度は、そのマニピュレータの先端に位置するワーク・ポ
イント・フレームにおいて、互いに直交する方向に与え
らえている。このような機構では、回転運動の軸も、同
じく直交している。このように、中央部から離れたツー
ル・フレームにおいて、互いに直交する方向に分解する
ことにより、外科医療分野でのこの機構の受動的及び能
動的な実施例に多くの利点が得られる。
【０００３】受動的な実施例では、マニピュレータの各
々の自由度に対して制動器がついていても、各自由度へ
の制動力を与えるのは外科医である。一般的な応用例で
は、外科医は、外科器具、器具のガイド、患部組織の一
部（骨片等）を、患者や手術室内の装置に対して望まし
い配置が得られるように、操作しようとする。この機構
の各動作軸が作用するのは、骨片やワーク・ポイントで
固定されている物体の回転運動もしくは平行移動の１自
由度のみである。そのため、この機構では、外科医が一
度に動かすことができるのは、１もしくは２自由度だけ
であり、既にアラインメント済みの物体を動かすことは
ない。故に、外科医のアラインメント作業が大幅に簡単
化される。また、外科医は、操作が自然で直観的に理解
しやすいと感じる座標系で、作業をすることができる。
【０００４】能動的な実施例では、コンピュータ制御さ
れたアクチュエータが、１個以上の動作軸を駆動する。
一般的な外科分野の応用例としては、内視鏡カメラの操
作、精密な組織の除去、生検サンプリング等がある。こ
うした応用例の多くには、器具の再方向合わせも含め
て、コンピュータにより正確に制御された動作が必要と
され、一方で望ましくない動作は厳密に制限されなくて
はならない。また、こうした応用例の多くで要求される
のは、比較的低速度で正確にコンピュータ制御された動
作だけであり、全体的でおおよその配置を取るためのよ
り高速な動作は、受動的な方法でなされる。
【０００５】内視鏡カメラの操作を例に取ると、この操
作システムに主に必要とされるのは、安全性、患者体内
へのカメラの挿入点における横へのずれを制限する能
力、カメラのおおよその全体的位置を素早く定める能
力、コンピュータ制御によりカメラを正確に動かせる能
力である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】動作の自由度が互いに
直交する方向に与えられ、中央部から離れた位置に動作
中心がある機構には、従来の工業用ロボットに比べて上
記の要求を満たすことができる利点が多くある。従来の
ロボットは、設計の主眼が、機械の構造（通常はシリア
ル・リンク形式）を小さくまとめながら広い動作空間中
を高速に動く能力におかれている。従来の工業ロボット
では、離れた動作中心周りでの動作は、複数のジョイン
トを全体的に統一して動作させることでなされるが、そ
の多くの場合、器具の比較的小さい再方向合わせのため
に、変位の大きい動作が必要になる。このような動作が
無理のない時間内になされる程、ジョイントが速く動く
ようであれば、マニピュレータが別の位置にある場合で
も、十分に高速なエンド・エフェクタ動作をさせること
ができる。しかし、器部の最大速度や、あらゆる条件の
中でもクリティカルな要因が制限されるほどに、ジョイ
ント・アクチュエータ（モータとトランスミッション
比）の規模が縮小されていると、必要な動作のほとんど
は耐え難いほど遅くなる。動作の中心点が患者体内への
カメラの挿入点と一致するようにした、ＲＣＭ構造を採
用すれば、こうした問題点の多くを回避できる。各アク
チュエータは、担当する自由度で望み通りの動作速度を
得られるように、規模を縮小できる。機械全体もしくは
自由度のうちの幾つかを、マニュアル操作式のクラッチ
により、より高速に位置合わせすることも簡単にでき
る。特筆すべきは、この場合でも、この機構が加える動
力学的拘束条件のために、カメラの向きの変更の際、不
注意による横方向へのずれを防ぐことができることであ
る。
【０００７】実施例の一つでは、ゴニオメータ軸を交差
させて、離れた動作中心点における回転運動を必要なよ
うに分解している。この例には、多くの長所があるが、
幾つか不利な点もある。一番の難点は、規模と動作半径
とのトレード・オフである。大きい動作半径が必要な場
合、ゴニオメータ軸は非常に大きくなり、その結果ロボ
ット構造は不格好で、患者へのアクセスが妨げられる可
能性さえある。また、これに関連して言えるのは、高品
質なゴニオメータ軸は高価であり、製造が難しいという
ことである。
【０００８】本発明の目的は、外科医の補助に使用され
る、改善された小型ロボットであり、中央部から離れた
動作中心点において互いに直交する方向に動作の自由度
が与えられ、その動作半径は大きい。
【０００９】本発明の他の目的は、外科医の補助に使用
される、改善された小型ロボットであり、外科医の作業
領域中で患者の上にある装置中央部を動かすことなく、
患者体内の外科用器具を再位置合わせできるものであ
る。
【００１０】本発明の他の目的は、外科医の補助に使用
される、改善された小型ロボットであり、外科医の作業
領域外にあるロボット中央部に、全てのドライブがある
ものである。
【００１１】本発明の他の目的は、外科医の補助に使用
される、改善された小型ロボットであり、外科医の作業
領域外にあるロボット中央部に全てのドライブがあるの
で、ドライブが患者体内の外科器具とは電気的に絶縁さ
れているものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明による装置には、
ピボットもしくは回転式ジョイントで接続された、複数
の剛性リンクがある。この剛性リンクは、ピボットを中
心に回転するだけである。そのために、マニピュレータ
機構は、外科器具のワーク・ポイントでの動作が、装置
から一定の距離を保つように制限を加えることができ
る。これらのリンクが作用しあって、マニピュレータに
保持された外科器具を、マニピュレータのＲＣＭ点（即
ち動作点）の周りで動作させ、その点において互いに直
交する方向への移動の自由度を与えている。装置全体を
動かすことなく、マニピュレータのＲＣＭ点を移動させ
るために、いくつかのリンクの長さを調節可能にするこ
とができる。リンクの調節により、装置の動作半径も変
更される。装置のうち、外科器具を保持している部分以
外が、その器具の動作領域に入り込まないように、リン
クを組み立てることができる。装置にかかる重力は、お
もりもしくはバネを用いて釣合を取り、装置の動作に対
する抵抗を最少にする。
【００１３】本発明の装置は、調節可能な剛性リンクを
接続している点で規定される境界線により、中央に近い
部分と末端の部分とへ分けられる。中央に近い部分は、
手術台の様に固定物に、調節ができる形で固定される。
末端部分には、外科器具が取り付けられているが、調整
可能なリンクが調節されると、中央部と連動する。リン
クを回転させたり、その長さを調節したりするのは、
手、もしくはコンピュータ等のコントローラで制御され
るドライブである。ある実施例では、このようなドライ
ブはすべて、装置の中央に近い部分に配置され、末端部
分とは電気的に絶縁されている。絶縁することにより、
患者に電気的ショックを与える可能性を削減できる。
【００１４】
【実施例】図１に本発明の１つの実施例を示す。この図
では、調節可能なマニピュレーション・システムは、患
者が乗る手術台の上に設置されている。このマニピュレ
ーション・システムには、内視鏡カメラが、その運動の
中心点が患者体内への挿入点に来るように、取り付けら
れている。
【００１５】図１で、平行で調整可能な入篭構造リンク
１及び２は、平行なリンク３、４、５、６にピボット
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈで接続されている。ま
た、ジンバル・リンク７はリンク１及び２に平行で、リ
ンク３及び４にピボットＫ，Ｌで接続されている。ビボ
ットＡ〜ＨとＫ〜Ｌの回転軸は平行で、リンク１〜７が
並ぶ平面にたいして垂直である。リンク１及び２は、外
側の部分１ａ及び２ａと、内側の部分１ｂ及び２ｂとで
構成される。外側の部分１ａ及び２ａは、それぞれ、内
側の部分１ｂ及び２ｂに対して、ピン８により固定され
ている。ピン８は、１ｂ及び２ｂに開いている調整用の
穴８ｈのいずれかに通す。別の実施例では、制動器、バ
ックドライブ不可能な装置その他を用いてピン８の代用
としたり、もしくは１ａ及び２ａに対する１ｂ及び２ｂ
の配置を、固定ではなく、連続的に動くよう修正したり
もできる。部品１ｂは、コネクタ１ｂ．ｋにより、中心
に近い方の部分１ｂ．ｐと、末端の方の部分１ｂ．ｄに
分かれている。同様に、部品２ｂは、コネクタ２ｂ．ｋ
により、中心に近い方の部分２ｂ．ｐと、末端の方の部
分２ｂ．ｄに分かれている。そのため、マニピュレータ
は、コネクタ１ｂ．ｋ及び２ｂ．ｋの定める線ＱＱによ
り、中心に近い部分２５と、末端の部分２６に分けられ
ているように見える。これらのコネクタは、固定式ネジ
のついたソケット型コメクションでも、剛性リンクの接
続・解除に用いられる従来型のコネクションでもよい。
リンク５を含む部分は末端部分に属し、リンク３を含む
のは中心に近い部分である。別の実施例では、部品１ｂ
及び２ｂは分断されず、マニピュレータは、１ａと１
ｂ、及び２ａと２ｂ間の入篭式接続部で、中心に近い部
分と末端部分に分けられる。
【００１６】リンク５に付属しているリニア・アクチュ
エータ９が、リンク５に平行な軸ＷＷに沿う方向におけ
る回転アクチュエータ１０の位置を変える。ある実施例
では、このアクチュエータについている測微親ネジは、
コンピュータ制御によるサーボ・モータでも、（モータ
の電源が切れている時には）手でも駆動できるようにな
っている。回転アクチュエータ１０にも、同様に、コン
ピュータ制御のサーボ・モータが付いていて、電源が切
られている時には手で動かせるような駆動機構を備えて
いる。回転アクチュエータ１０は外科用器具（この場合
は内視鏡カメラ）を保持していて、リンク５に平行でｄ
Ｗだけ離れている軸ＷＷを中心に、この器具を回転させ
る。この動作をＴｈｅｔａ−ｚとする。あるいは、外科
用器具を取り付けるために、全く回転しないか、軸ＷＷ
を中心にある一定の角度だけ回転するか、もしくは連続
的に回転する保持手段が回転アクチュエータ１０に含ま
れていればよい。
【００１７】ジンバル・リンク７は、回転式ジョイント
１２により、キャリア１２ａへ取り付けられていて、リ
ンク１、２、７に平行な軸ＵＵを中心として回転する。
軸ＵＵは、ピボットＡ〜Ｌの回転軸に対し垂直である。
また、軸ＵＵと軸ＷＷの交点Ｃｍｏｔは、ワーク・ポイ
ントであり、ピボットＬからの距離は、ピボットＡとピ
ボットＧ間の距離とｄＷとの和に等しい。回転式ジョイ
ント１２を中心とするジンバル・リンク７の回転運動Ｔ
ｈｅｔａ−ｘは、回転アクチュエータ１３で制御され
る。好ましい実施例の一つでは、アクチュエータ１３は
ウォーム歯車であり、そのウォームは歯車の歯にバネで
噛み合わされていて、コンピュータ制御のサーボ・モー
タでも、電源が切られているときには手でも駆動でき
る。ウォームをウォーム歯車から引き抜くこともでき
る。回転式ジョイントの摩擦がきわめて小さいように製
造できるので、ウォームを引き抜く時でも動作Ｔｈｅｔ
ａ−ｘは実際には妨げられず、外科医が、軸ＵＵを中心
に器具１１へかけたトルクに対して、マニピュレータ装
置からの抵抗を感じることは実質的に無い。同様なアク
チュエータ１４が、ピボットＬを中心とするリンク４の
回転を制御している。リンク１〜７からなるパンタグラ
フ状のマルチ・リンク機構により、器具の軸ＷＷがリン
ク４と平行に保たれているので、アクチュエータ１４
は、器具１１の軸ＶＶを中心とする回転Ｔｈｅｔａ−ｙ
を制御している。軸ＶＶは、軸ＷＷ及びＵＵと、点Ｃｍ
ｏｔで交差する。ｄＷが０の場合は、この交差点Ｃｍｏ
ｔは固定されたままである。一般には、垂直方向からの
角度θyのずれにより、点Ｃｍｏｔは、ＵＵからｄＷ×
（１−１／ｃｏｓθy）だけ横へ変位する。多くの応用
例では、この横への変位は無視できる程小さく、ｄＷが
十分小さいかθyが０に近い場合は特にそうなる。しか
しながら、ｄＷが０に等しいようにこの機械を設計する
ことは容易である。図２には、アクチュエータ１０をリ
ンク５と一緒に取り付けることで、ｄＷを０にする好ま
しい実施例を示してある。
【００１８】ＵＵとＶＶが直交し、ＶＶとＷＷも直交す
ることに注意されたい。また、このことは、回転アクチ
ュエータ１０に支持されている器具１１の性質には影響
されない（器具１１があってもなくても変わらない）。
故に、このマニピュレータでは、マニピュレータ装置か
ら離れた点Ｃｍｏｔにおいて、互いに直交する３方向を
軸とする、３個の回転の自由度が得られる。また、運動
Ｔｈｅｔａ−ｙを制御するアクチュエータ１４から、そ
の回転運動の軸ＶＶまでの距離は、入篭式リンク１及び
２の長さを調節することで変更することができる。
【００１９】マニピュレータの先端部（回転アクチュエ
ータ１０）の、点Ｃｍｏｔを中心とする有効動作半径
は、リニア・アクチュエータ９を動かすことで修正でき
る。他の実施例では、同様のことが、リンク３及び４
を、リンク１及び２のような入篭式リンクに取り替える
ことで可能になる。
【００２０】図３中の釣合おもり１５は、軸ＷＷが垂直
でない限り重力によりマニピュレータにかかるトルク
と、平衡を保っている。こうすることは、アクチュエー
タ１３及び１４に必要なトルクを減少させるためにも、
また、アクチュエータが外されている場合にマニピュレ
ーションをより容易にするためにも、都合がよい。ある
一定の釣合おもりの重量及び位置について、完全な平衡
が保たれるのは、リニア・ジョイント９が特定の重量及
び位置を取る場合のみである。だが、他の場合でも、違
いは十分に小さく、多くの応用例では無視できる程度で
しかない。その違いが重要になる場合でも、容易に調整
できる。例として、釣合おもり１５をネジ式軸１５ａに
取り付けることができる。荷重及び動作半径の増加を補
正するには、ジンバル・リンク７から釣合おもり１５ま
での距離を広げればよい。この方式で一つ困る点は、実
行動作半径の変化や、器具１１の重心の軸ＷＷに沿った
ずれを補正することはできても、器具の重量の変化によ
る軸ＳＳに関するトルクを補正できないことである。し
かし、図４に示すように、さらなる調整も容易にでき
る。ここでは、付加的な重量１５ａを、リンク４に垂直
なネジ式軸１５ｃにはめ込んでいる。器具重量の増加
や、ピン軸Ａ〜Ｌに垂直な面内での重心の変化は、おも
り１５及び（もしくは）１５ｂを、各々の調整ネジ軸１
５ａ及び１５ｃに沿って移動させることで補正できる。
図に示していないが、リンク４上のピン軸Ａ〜Ｌに平行
なネジ軸に、さらにおもりを取り付けて、さきに述べた
面外への荷重の重心の移動を補正することもできる。好
ましくは、これらの釣合おもりを調整して、マニピュレ
ータと器具とを合わせた全体の重心が、線ＵＵ上の点と
一致するようにするべきである。さらに好ましくは、こ
の点が、線ＵＵとピボット軸Ｌとの交点にあたるとよ
い。
【００２１】動作半径内での変化を補正するための別の
実施例を、図５に示す。この場合、重量が回転アクチュ
エータ１０と器具１１との和に等しい釣合おもり３０１
がリンク５に沿ってスライドする。この釣合おもり３０
１は、ワイア３０２と滑車３０３とによりアクチュエー
タ１０へ取り付けられていて、重心の位置を一定に保つ
ようにアクチュエータ１０とは反対方向へ動く。
【００２２】再び図１を参照する。キャリア１２ａは従
来型のＸＹＺステージ１６へ取り付けられている。ある
好ましい実施例では、このステージは、３個のリニア・
ステージ（軸ＵＵに平行なＸ、軸ＶＶに平行なＹ、Ｘ及
びＹに垂直なＺ）で構成される。各リニア・ステージ
は、さらに、リニア・アクチュエータ９と同様のリニア
・アクチュエータを１個ずつ含む。必要ならば、バネを
Ｚステージへ取り付けて、マニピュレータの重量を補正
することができる。あるいは、図６に示すような釣合お
もりのシステムを採用することができる。図６中で、可
動のＺステージ４０１は、ベアリング・レール４０２上
を移動し、その総重量はＷ１である。リンク４０３は、
ピボット４０４を軸にして旋回する。距離Ｄ１のところ
にあるローラー４０５は、Ｚステージの水平な底面４０
６上で回転する。重量Ｗ２を持つ釣合おもり４０７は、
リンク４０３の他端で距離Ｄ２のところに位置する。Ｄ
２は、Ｄ１×Ｗ１／Ｗ２に等しい。第２の（小さいほう
の）釣合おもり４０８には距離を調節する手段（ここで
はネジ軸）４０９が付いていて、荷重の微少な加減（例
えば、器具１１の取り付けや交換による）を補正するの
に使用される。必要ならば、この調整も、釣合おもり４
０７を移動することでできる。
【００２３】再び図１を参照する。ＸＹＺステージ１６
は、垂直で線形の部品１７に取り付けられている。部品
１７は、部品１９内側を垂直方向にスライドし、ロック
用部品１８により都合のよい位置にロックすることがで
きる。ここでも、力が一定のバネ及び（もしくは）釣合
おもりを随意に用いて、マニピュレータ及び荷重を補正
できる。好ましい実施例の一つでは、これらのバネの力
は、マニピュレータにかかる重力より僅かに大きくして
あるので、ロック用部品が緩んだ場合でもマニピュレー
タが患者の上に落下せず釣り下がるようになっている。
部品１９はロック用部品２０により、手術台２２に固定
されたレール２１へロックされる。
【００２４】ここに示した実施例では、入篭式リンク１
及び２の長さは、ピン８で固定され、部品１７〜２０を
使ってそれらを調節して、動作中心のおよその一を調整
する。その動作中心点は、ＸＹＺステージの調整によっ
て、細かく調節する。ピン８を外すと、補助リンク６に
より、先端部の入篭式部品１ｂ及び２ｂは平行に保た
れ、２ａ及び２ｂは平行に保たれ、２ａ及び２ｂ中を自
由にスライドできる。これにより、入篭式の伸縮が容易
になる。リンク１及び２が、リンク３〜６と直角をなさ
ない限りは、たとえピンがはずされても、リンク５はリ
ンク４との平行を保つ。そのため、粗調整で外科医が確
かめるべきことは、リンクが直角をなしている時は調整
できないことと、調整終了後はピンが正しい位置にはめ
られていることである。この条件は、リンクが直角をな
さないよう機械的に制限するだけで、動作空間に多少の
ロスを生じはするが、保証される。点ＣｍｏｔのＵＵ沿
いの位置調整に入篭式リンク１及び２を用いることの利
点は更に２つある。１）この仕組みでは、器具の保持に
必要な空間が少な目で、手術台から離れた位置ですむ。
２）この機械の先端部は、滅菌のために容易に取り外す
ことができる。中央部分は、滅菌布で覆うことができ
る。さらに、先端部の構造を変えること、例えば、別の
アクチュエータや長さの違う１ｂ及び２ｂを装備してみ
ることも、簡単である。
【００２５】他の実施例では、入篭式リンクは、手によ
っても、コンピュータ制御による測微ネジによっても合
わせることができ、細かい位置合わせに使用される。リ
ンク１及び２が、リンク３〜６と直角をなさない限り
は、入篭式リンクの一つを駆動するだけでよい。他のリ
ンクはそれに従って動く。直角をなしてもよしとする場
合は、１ｂ及び２ｂが同じ方向へ動くことを保証するた
めに、さらなる部品を必要とする。そのための機械の仕
組みを、図７に示した。ここで、リンク５０１を部品１
ａへピボット５０２で取り付け、リンク５０３を５０４
へピボット５０５で取り付ける。リンク５０３を部品１
ｂへピボット５０６で取り付ける。同様に、リンク５０
７を部品２ａへピボット５０８で、リンク５０９及び５
０４へはピボット５１０で取り付ける。リンク５０９は
部品１ｂへピボット５１１で取り付ける。この実施例で
は、リンク５０１、５０３、５０７及び５０９の長さは
等しい。
【００２６】この仕組みが、１ｂ及び２ｂが常に同方向
へ動くことを保証することを理解するために、１ｂが外
側へ飛び出し、２ｂが内側へ入り込む場合を考えてみ
る。この場合、リンク５０１と５０３のなす角度はより
大きくなり、リンク５０７と５０９のなす角度はより鋭
くなる。しかし、こうすると、ピボット５０５と５１０
との距離が変わってしまうが、双方のピボットはリンク
５０４で固定されているのである。従って、１ｂは外側
へ飛び出せず、２ｂは内側へ入り込むことができない。
この状況は１ｂと２ｂに関して対称なものであるから、
１ｂと２ｂは、同方向へ動くよりない。リンク１及び２
がリンク３〜６と直角をなす場合、明らかに、この仕組
みを採用して、調整作業に適切な拘束条件を変えること
ができる。
【００２７】別の実施例を図８に示す。この実施例で
は、リンク１及び２の部品１ａ及び２ａには線形ベアリ
ング部品６０１及び６０２が含まれ、これに沿って、１
ｂ及び２ｂがスライドする。１ｂ及び２ｂには、それぞ
れローラー６０３及び６０４が付いていて、これらは１
ａ及び２ａの回転面６０５及び６０６を空滑りせずに回
転する。そうするためには、予荷重を伴った摩擦係数の
高い材質のものを使用したり、バックラッシュのないラ
ック及びピニオン部材か、何等かの工学的手段を用い
る。ローラー６０３及びｂ６０４の回転軸から、各々の
ピボットＡ及びＢへの距離は等しい。ローラー６０３及
び６０４には滑車６０７及び６０８が付いている。滑車
６０７及び６０８は、空滑りせず柔軟なベルト６０９で
連結され、その間の距離は、ピボットＡ及びＢ間の距離
に等しい。そのため、リンク６１０は、リンク１ｂ及び
２ｂの平行を保つ支持手段となるので、リンク６は随意
に省略してもよい。ベルト６０９の滑車６０７及び６０
８に対する空滑りを防ぐには、従来の適切な工学的手段
の何れを採用してもよい。一つの方法としては、歯が刻
まれた滑車及びベルトを用いることである。他には、単
に、摩擦係数の高い物質を使用し、ベルトに十分な張力
がかかるようにすることである。滑車６０７及び６０８
と、ローラー６０３及び６０４が同じように回転するこ
とは理解しやすいだろう。ローラー６０３及び６０４
は、１ａ及び２ａに接していない回転面６０５及び６０
６に対して空滑りしないので、ローラー６０３及び６０
４は、６０３及び６０４に対して必ず同じだけ離れた位
置にある。また、ローラー６０３及び６０４は、１ｂ及
び２ｂに取り付けられているため、１ｂ及び２ｂは１ａ
及び２ａに対して必ず同じ変位分だけ動く。このように
しておくと、これらローラーの一つに手動かコンピュー
タ制御されたドライブ（クランク・ハンドルやサーボ・
モータ）を備え付けることで、リンク１及び２の長さの
連続的な調節を簡単にできる。
【００２８】同じような方式を用いて、リンク３及び４
の、リンク１及び２に近い部分の長さを、連続的に調節
できる。この場合、アクチュエータ９をリンク５から外
してしまってよい。同じ調節機能が、リンク３及び４の
長さの調節によりなされるからである。これは、簡素
化、滅菌しやすさ、マニピュレータ先端部の小型化の点
で実に有利である。生検への応用時によくされるよう
に、アクチュエータ１０を単純な器具ホルダやガイドと
取り替える場合には、特に有利である。さらに、リンク
３及び４の長さを変更すると、動作点Ｃｍｏｔ上でのリ
ンク１、２間の距離を変更できるという利点もある。
【００２９】リンク１及び２、もしくはリンク３及び４
の長さを変更すると、一般には、この機械の回転部分の
重心がずれることに気を付けるべきである。これは釣合
おもり１５及び１５ｂの配置の変更により簡単に補正で
きる。こうした変更は、手動でも、コンピュータ制御の
アクチュエータでも、リンクの動作と組合わさった機械
的手段でもできる。
【００３０】バックドライブ不可能なトランスミッショ
ンがアクチュエータ９、１０、１３、１４及びＸＹＺス
テージ１６に使用されているので、外科用器具１１にか
けた力はドライブモータへ伝達されず、（モータの電源
が切れていても）器具が動くことはない。別の実施例で
は、外科用器具から患者へかかる力の能動的な制御が必
要な場合、上述のトランスミッションをバックドライブ
可能なもの（ボール式ネジ、摩擦の少ない歯ざお・歯
車、ベルト、直接的な連結方式など）に取り替えて、外
科用器具にかかった力が、殆どロスなくドライブへ逆伝
達されるようにする。また、直交方向へ自由度が分解さ
れているので、各自由度に関する力やトルクは、各々に
対応するモータへ伝達される。同様に、各々のモータに
よりかけられる力やトルクは、殆どロスされず器具へ伝
達され、動作の中心点で、他の自由度へカップリングさ
れることがない。この機構自体が、機械や器具へかかる
重力を補正されている。また、安全上の配慮から、機械
の動作により生じる慣性運動がきわめて小さくなるよう
に、動作はゆっくりしたものでなくてはならない。それ
ゆえ、器具から患者に加えられ、動作中心で直交方向へ
分解される力やトルクの最大値は小さくなるが、それに
対応さえできればよいように、アクチュエータを小型化
できる。さらに、力の直交方向への分解が非常に簡単に
なる。
【００３１】コンピュータ制御か手動の制動器がドライ
ブモータの代用になり、バックドライブ可能なトランス
ミッションを用いる場合には、この機械では、選択した
自由度だけをロックすることができる。こうすると、外
科医は、ロックされていない自由度に関しては、殆ども
しくは全く抵抗なく外科用器具を操作できるが、ロック
されている自由度の方向へは操作できない。この機能に
より、器具と、患者や手術室内の物体との正確なアライ
ンメント操作や、安全上の理由から幾つかの自由度に関
する動作を一時的に防ぐ必要のある操作を、非常に簡単
にできる。ドライブ・アクチュエータをそのジョイント
へ着脱するのに、クラッチ機構を採用した場合は、各自
由度に関して、コンピュータ（もしくは人間）制御によ
る微調整と、全くの自由動作との選択が、きわめて簡単
にできる。例えば、回転アクチュエータ１３及び１４を
ウォーム歯車で実現した場合、ウォームをバネじかけに
して歯車と噛み合わせればよい。噛み合っている時は、
このウォーム歯車を介して、相当する回転の自由度Ｔｈ
ｅｔａ−ｘ及びＴｈｅｔａ−ｙの微調整を、コンピュー
タ制御もしくは手動で行うことができる。ウォームを歯
車の歯から引き離した場合は、外科医が器具へかけた力
に応じて、上述の自由度に関する速い自由な動作が可能
になる。この機能は、外科医が外科器具から伝わるはっ
きりした触感のフィードバックにより、素早い粗調整を
する場合に、特に有効である。この粗調整に続いて、よ
りゆっくりした測微計による微調整をして、器具の最終
的な位置決定をする。
【００３２】外科的応用例の多くの場合、望ましいこと
は、マニピュレータの先端部全体が滅菌のために取り外
し可能であること、１ａ及び１ｂを全く異なる長さに合
わせたり別のエンド・エフェクタに適応させたりするこ
とである。このためには、リンク１及び２における１ａ
−１ｂ接合部と２ａ−２ｂ接合部とで、マニピュレータ
を中央部と先端部に分ければよい。上述した別の実施例
では、コネクタ１ｂ．ｋと２ｂ．ｋにおいて、マニピュ
レータを分けている。
【００３３】マニピュレータの先端部は、電気部品を含
まないこと、電導性のものや金属製部品も含まないこと
が望ましい。このためには、アクチュエータ９及び１０
以外先端部には、化合物かセラミックを用いればよい。
リンク３及び４を調整可能な入篭式リンクにすること
で、アクチュエータ９及び１０の代用ができる。図９
に、マニピュレータ中央部に取り付けた、コンピュータ
制御されたモータで、アクチュエータ１０へ動力を供給
する仕組みを示す。図９のアクチュエータ１０は、受動
的な器具キャリア１０ａに取り替えられ、ＵＵ及びＶＶ
に垂直な軸周りで自由に回転するように、ベアリングで
リンク５へ取り付けられている。部品１ｂの内側には、
回転する部品７０１がある。１ｂには、内側のベアリン
グつまりスリーブ７０２もあり、この中を７０１が回転
し、７０１が直接１ｂに沿ってスライドしないように包
み込んでいる。部品７０１には傘歯車７０３が付いてい
て、それが、ピボットＡの同軸上に取り付けられた傘歯
車７０４と噛み合っている。傘歯車７０５は傘歯車７０
４へしっかりと固定されていて、器具キャリア１０ａに
取り付けられた傘歯車７０６と噛み合っている。この実
施例では、器具キャリア１０ａには能動的な部品は何も
なく、ベアリング内を回転するだけである。ベアリング
は、歯車７０３〜７０６と同様に、ナイロン、化合物、
セラミック等適切な材質でできている。部品１ａには、
７０１と同軸の回転する部品７０７があり、これは、ス
プライン式結合部品７０８か、７０１と７０７とを同期
して回転させる手段かにより、スライドできるように７
０１へ接続されている。７０７は、コンピュータ制御さ
れたサーボ・モータ９で駆動する。必要ならば、コンピ
ュータ制御されたサーボ・モータを、手動のクランク等
と取り替えることができる。
【００３４】部品７０１の回転を器具キャリア１０ａの
回転へ変換する手段としては、傘歯車７０３〜７０６
を、ドライブ・ケーブル及び滑車で、もしくは他の手段
で代用することである。
【００３５】上述した、傘歯車７０３〜７０６を用いた
実施例では、軸ＵＵと軸ＷＷに関する回転運動が組み合
わされていることに注意されたい。つまり、リンク５が
ピボットＡを中心に回転すると、必ず、器具キャリア１
０ａが軸ＷＷを中心に回転する。もちろん、この組み合
わされた運動は、７０７の適正な回転により補正でき
る。しかし、他の実施例では、この回転運動を分解し
て、回転のトルクを違う角度に伝達する。簡単な解決策
としては、傘歯車７０３〜７０６を取り除き、その代わ
りに、キャリア１０ａに付いているウォーム歯車のドラ
イブ７１２へ柔軟なシャフトを連結し、それを通して、
器具キャリア１０ａを駆動するとよい。図１０を参照の
こと。
【００３６】以上の説明から、全てのドライブ及び電気
部品は、マニピュレータ中央部で簡単に調節できること
がわかるであろう。また、マニピュレータ先端部には、
電源も電導体や金属製の部品さえも必要ないので、滅
菌、電気的な安全性確保、ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔ
ｏｍｏｇｒａｐｈｙ）やＭＲＩ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒ
ｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）といった医療用イ
メージング装置との互換性等を容易で簡単にしている。
また、マニピュレータ先端部のしめる体積を削減しても
いる。
【００３７】単に電気的絶縁のみが必要な場合は、部品
１ａ中の７１０と部品２ａ中の同じ部分とを、非電導性
材質で製造すればよい。これらの部分をマニピュレータ
先端部を素早く外すための接合部にし、リンク１及び２
の入篭式部分はマニピュレータ中央部へ固定されたまま
残るように設計し、結果として簡素化された設計にする
ことができる。ある実施例では、この部分７１０は、コ
ネクタ１ｂ．ｋ及び２ｂ．ｋを含んでいる。
【００３８】水圧式アクチュエータを用いると、マニピ
ュレータ全体を、非電導性の材質で製造することができ
る。サーボ・バルブは、マニピュレータから離して設置
できるので、マニピュレータに電力が供給されることは
なく、マニピュレータ上やその近くに電導性の部品は存
在しない。全ての動作は比較的ゆっくりしているので、
水圧装置内の液体やホースのコンプライアンスが、重大
な制御上の問題を引き起こすことはない。サーボ・バル
ブ・ドライブに代わるものとしては、水圧システムを、
この分野では既知の方式のリモート・シリンダによっ
て、駆動することができる。あるいは、非電導性で柔軟
なシャフトによって、駆動力をマニピュレータに伝達で
きる。気体アクチュエータや、非電導性アクチュエータ
を用いることもできる。コンピュータ制御されたマニピ
ュレータ動作の必要が無い場合は、測微計、リンケージ
等の非電導性部品を用いたより簡単な実施例が可能であ
る。このように、電動アクチュエータ及び（もしくは）
非電導性部品を除外したマニピュレータ設計は、マニピ
ュレータをＭＲＩシステムと共に使用する場合に、特に
有用である。
【００３９】
【発明の効果】本発明により、装置本体から離れたワー
ク・ポイントに、動作中心点を含む機械部分を繰り返し
位置合わせできる装置が実現される。この装置は、小型
で、製造コストも安く、調節可能である。この装置によ
り、外科医は、装置中央部から離れた患者体内のワーク
・ポイントに、動作中心点含む機械部分を簡単に位置合
わせすることができる。また、装置中央部を、動作範囲
内の外科医の視界の外に、一般には動作範囲の外におく
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】好ましい実施例を上から見た図である。
【図３】マニピュレータにかかる重力との釣合を取るた
めのおもりを有する機構を示す図である。
【図４】重心が２自由度に関して変化した場合に、マニ
ピュレータにかかる重力との釣合を取るためのおもりを
有する機構を示す図である。
【図５】外科用器具とそれを動かすアクチュエータとの
重量と釣合を取るためのおもり装置を示す図である。
【図６】マニピュレータ構造の重量を相殺するためにマ
ニピュレータのステージに取り付けるおもりのシステム
を示す図である。
【図７】平行リンクの入篭構造部分がどれも等量動くよ
うに保証するためのリンク機構を示す図である。
【図８】図７に示す機能を持つ別の実施例を示す図であ
る。
【図９】マニピュレータの末端部の外科用器具を、マニ
ピュレータ中央部のドライブから駆動するための実施例
を示す図である。
【図１０】マニピュレータの末端部の外科用器具を、マ
ニピュレータ中央部のドライブから駆動するための別の
実施例を示す図である。
【符号の説明】 １、２ 平行な入篭式リンク ３、４、５、６ 平行なリンク Ａ〜Ｋ ピボット ７ ジンバル・リンク ９ リニア・アクチュエータ １０、１３ 回転アクチュエータ １０ａ 器具キャリア １２ 回転式ジョイント １５ 釣合おもり １６ ＸＹＺステージ １８、２０ ロック用部品 ２２ 手術台 ３０１ 釣合おもり ３０２ ワイア ３０３ 滑車 ４０１ ＸＹＺステージ ４０２ ベアリング・レール ４０３ リンク ４０４ ピボット ４０５ ローラー ４０７、４０８ 釣合おもり ５０１ リンク ５０２ ピボット ６０１、６０２ ベアリング ６０３、６０４ ローラー ６０７、６０８ 滑車 ６１０ リンク ７０２ スリーブ ７０３〜７０６ 傘歯車 ７０９ サーボ・モータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャネッツ・ファンダ アメリカ合衆国10595 ニューヨーク州、 バルハラ、ウエスト・クリントン・ストリ ート 25 (72)発明者 デビッド・ダニエル・グロスマン アメリカ合衆国10514 ニューヨーク州、 チャパクア、プロスペクト・ドライブ 100 (72)発明者 ジョン・ピーター・カリディス アメリカ合衆国10562 ニューヨーク州、 オシニング、アンダーヒル・ロード 69 (72)発明者 デビッド・アーサー・ラローズ アメリカ合衆国10520 ニューヨーク州、 クロトン・オン・ハドソン、メイプル・ス トリート 161

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】外科医療に使用されるマニピュレータ装置
    であり、 第１の軸を中心に第１の回転運動をする回転手段と、 軸が互いに平行な１個以上のピボットで、先端部を取り
    付けるピボットと中央部を取り付けるピボットに分けら
    れ、何れの軸も第１の軸に直交するようなピボットを中
    心に、第２方向の回転運動をする１個の剛性リンケージ
    であって、しかも中央部を取り付けるピボットにより前
    記回転手段に接続されるものと、 先端部を取り付ける１個以上のピボットにより前記リン
    ケージに接続され、それらピボット軸と直交する第３の
    軸を持つ支持手段と、 前記支持手段上にあり外科用器具を取り付けるためのも
    ので、器具の軸が第３の軸に平行でワーク・ポイントを
    通るような接続手段とから構成され、 第１の軸と第３の軸がワーク・ポイントで交差し、その
    ワーク・ポイントは少なくとも１個の中央部のピボット
    からほぼ固定されている距離だけ離れており、第１及び
    第２の方向の回転運動中は前記支持手段が第２の軸と前
    記ワーク・ポイントとの間隔をほぼ固定されている第２
    の距離に保っていることを特徴とする、 マニピュレータ装置。
  2. 【請求項２】前記支持手段の第３方向の回転運動によ
    り、前記外科用器具が第３の軸を中心に第３方向の回転
    運動をすることを特徴とする請求項１に記載のマニピュ
    レータ装置。
  3. 【請求項３】外科医療の補助に使用されるマニピュレー
    タ装置であり、 第１の軸を中心に第１の回転運動をする回転手段と、 先端部と中央部とがあり、中央部の第１の端が先端部の
    第１の端に１個以上のピボットで接続され、中央部の第
    ２の端が前記回転手段に１個以上の中央のピボットで接
    続され、先端部の第２の端が１個の支持手段に１個以上
    の先端のピボットで接続されている１個の剛性リンケー
    ジであって、しかも第１の軸に直項する各ピボットの軸
    を中心に第２方向の回転運動をするものと、 前記ピボット軸と直交する第３の軸を持つ支持手段と、 前記支持手段上にあり外科用器具を取り付けるためのも
    ので、該器具の軸が第３の軸に平行でワーク・ポイント
    を通るような接続手段とから構成され、 前記第１の軸と第３の軸がワーク・ポイントで交差し、
    そのワーク・ポイントは少なくとも１個の中央のピボッ
    トからほぼ固定されている距離だけ離れており、第１及
    び第２の方向の回転運動中は前記支持手段が第２の軸と
    前記ワーク・ポイントとの間隔をほぼ固定されている第
    ２の距離に保っていることを特徴とする、 マニピュレ
    ータ装置。
  4. 【請求項４】前記中央部の長さが調節可能であって、該
    中央部の長さの調節により該装置と前記ワーク・ポイン
    トとの距離が変更されることを特徴とする請求項３に記
    載のマニピュレータ装置。
  5. 【請求項５】前記先端部の長さが調節可能であり、該先
    端部の長さの調節によってほぼ固定されている距離が変
    更されることを特徴とする請求項３に記載のマニピュレ
    ータ装置。
  6. 【請求項６】前記リンケージがパンタグラフ状の仕組み
    であることを特徴とする請求項３に記載のマニピュレー
    タ装置。
  7. 【請求項７】前記中央部が平行な複数の中央部分一組か
    らなり、前記先端部が平行な複数の先端部分一組からな
    り、該平行な中央部分の間の距離がその部分の平行を保
    ったままで変更可能であり、中央部分間の距離の変更に
    より該装置と前記ワーク・ポイント間の距離が変更され
    ることを特徴とする請求項３に記載のマニピュレータ装
    置。
  8. 【請求項８】前記中央部が平行な複数の中央部分一組か
    らなり、前記先端部が平行な複数の先端部分一組からな
    り、該平行な先端部分の間の距離がその部分の平行を保
    ったままで変更可能であり、先端部分間の距離の変更に
    より該装置と前記のほぼ固定されていた距離が変更され
    ることを特徴とする請求項３に記載のマニピュレータ装
    置。
  9. 【請求項９】少なくとも１個の前記リンケージが接合部
    で第１及び第２の部分に分離されていて、そのため該マ
    ニピュレータ装置が外科用器具のついている先端部と、
    残りの中央部とに分かれていることを特徴とする請求項
    ３に記載のマニピュレータ装置。
  10. 【請求項１０】少なくとも１個の前記リンケージが非電
    導性材質でできており、該マニピュレータが外科用器具
    のついている先端部と、残りの中央部とに分かれている
    ことを特徴とする請求項３に記載のマニピュレータ装
    置。
  11. 【請求項１１】該マニピュレータの全部品が非電導性材
    質で製造されていることを特徴とする請求項３に記載の
    マニピュレータ装置。
  12. 【請求項１２】外科医療に使用されるマニピュレータ装
    置であり、 第１の軸を中心に第１の回転運動をする回転手段と、 軸が互いに平行な１個以上のピボットで、先端部を取り
    付けるピボットと中央部を取り付けるピボットに分けら
    れ、何れの軸も第１の軸に直交するようなピボットを中
    心に、第２方向の回転運動をする１個のリジッド・リン
    ケージであって、しかも中央部を取り付けるピボットに
    より前記回転手段に接続されるリジッド・リンケージ
    と、 先端部を取り付ける１個以上のピボットにより前記リン
    ケージに接続され、それらピボット軸と直交する第３の
    軸を持つ支持手段と、 前記支持手段上にあり外科用器具を該支持手段へ取り付
    けるためのもので、器具の軸が第３の軸に平行でワーク
    ・ポイントを通るような接続手段と、 該マニピュレータを固定された外科用装置へ接続するた
    めの取り付け手段とから構成され、 第１の軸と第３の軸がワーク・ポイントで交差し、その
    ワーク・ポイントは少なくとも１個の中央部のピボット
    からほぼ固定されている距離に離れており、第１及び第
    ２の方向の回転運動中は前記支持手段が第２の軸と前記
    ワーク・ポイントとの間隔をほぼ固定されている第２の
    距離に保っていることを特徴とする、 マニピュレータ装置。
  13. 【請求項１３】前記支持手段が１個以上のリニア・ステ
    ージであることを特徴とする請求項１２に記載のマニピ
    ュレータ装置。
  14. 【請求項１４】該装置の重量が少なくとも回転の１方向
    に対して釣合を保つ手段により釣合を取られ、該装置に
    かかる重力を削減していることを特徴とする請求項１２
    に記載のマニピュレータ装置。
  15. 【請求項１５】前記の固定された外科用装置が手術台で
    あることを特徴とする請求項１２に記載のマニピュレー
    タ装置。
  16. 【請求項１６】前記取り付け手段が、該マニピュレータ
    を前記外科用装置に固定された部品へ調整可能なように
    接続する、スライド可能なロック手段であることを特徴
    とする請求項１２に記載のマニピュレータ装置。
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