JP2017529893A - 機械的利益把握のロボット制御 - Google Patents

Abstract

外科用ツールのエンドエフェクタは、筐体と、顎支持シャフトと、顎部材と、関節部材と、カムプーリとを含み得る。顎部材は、支持シャフト上に支持され得て、ピボット軸の周りで旋回可能である。関節部材は、スロットを有し、そして、それから延在して顎部材に結合される関節ピンを含み得る。スロットは、顎支持シャフトを受けるように適合されてもよく、顎部材の間の関節部材を支持する。関節部材は、顎支持シャフトの周りで回転可能であり、長手方向軸に対して顎部材を関節運動する。カムプーリは、筐体に搭載され、そして、顎部材に結合され得る。カムプーリは、ピボット軸の周りで回転可能であり得、開状態と閉状態との間で顎部材の対を旋回する。

Description

（関連出願の相互参照）
この出願は、２０１４年８月１３日に出願された、米国仮特許出願第６２／０３６，９２３号の利益および優先権を主張し、その全体の開示が参照により本明細書に援用される。

（技術分野）
本開示は、ロボット工学に関し、より具体的には、ロボット外科用デバイス、および／または、外科処置を行うためのシステムおよびそれを使用する方法に関する。

（背景）
ロボット外科システムは、低侵襲性医療処置に使われてきた。いくつかのロボット外科システムはロボットアームを支持するコンソールを含み、鉗子、またはロボットアームに搭載される把持ツールのような、少なくとも一つのエンドエフェクタを含んでいた。医療処置の間に、エンドエフェクタは、小さな切開（カニューレを介して）、または患者の自然開口部の中に挿入されて、患者の体内の作業部位にエンドエフェクタを位置付けした。

ケーブルは、ロボットコンソールからロボットアームを通って延在し、手首アセンブリ、および／または、エンドエフェクタの顎アセンブリに接続された。いくつかの例では、ロボット外科システムを制御できるように、ケーブルは、外科医または臨床医が、ロボットアーム、手首アセンブリ、および／または、顎アセンブリを含むユーザインターフェイスを有するプロセッシングシステムによって制御されたモータによって作動させられた。

いくつかの例では、手首アセンブリは、いくつかのケーブルを用いる顎アセンブリの動きのために複数の自由度を有していた。例えば、把持または切断エンドエフェクタに対して、ピッチ、ヨー、または顎アセンブリの開閉の変化を可能にすることによって、手首アセンブリは動きの自由度を提供した。

より小さなエンドエフェクタへの要望が増加するにつれて、デバイス製造者は、より小さな断面積を有する把持または切断エンドエフェクタのような、エンドエフェクタの開発を継続した。これらのより小さな断面積は、エンドエフェクタの顎の間に加えられ得る全体の力を低減した。加えて、動作の複数の度合いを支持するエンドエフェクタを設計することは、いくつかのケーブルを必要とした。必要とされた各さらなるケーブルは、これらのエンドエフェクタの断面積を低減する能力をさらに制限した。

動作の複数の度合いを提供しながら、エンドエフェクタの二つの顎の間により高い力を提供できる、小さな断面積を有するエンドエフェクタにたいするニーズがある。

（要旨）
外科用ツールのエンドエフェクタは、近位端および遠位端を有する筐体を含み得る。筐体は、近位端および遠位端を通って延在する長手方向軸を画定し得る。エンドエフェクタは、顎支持シャフト、一対の顎部材、関節部材、および一対のカムプーリを含み得る。

顎支持シャフトは、それを通って延在するピボット軸を画定し得る。ピボット軸は、筐体の長手方向軸に対して横方向であり得る。実施形態において、顎支持シャフトは、筐体に搭載され得る。

顎部材の対は、顎支持シャフト上に支持され、ピボット軸の周りで旋回可能であり得る。顎部材の対のそれぞれは、それを通る弧状スロットを画定し得る。各弧状スロットは、顎支持シャフトを受けるように適合され得る。顎支持シャフトは、顎部材の対の弧状スロットに沿って摺動するように適合され、顎部材の対がピボット軸の周りを旋回することを可能にする。

関節部材は、それを通るスロットを画定し得る。スロットは、顎支持シャフトを受けるように適合され、顎部材の対の間の関節部材を支持し得る。関節部材は、そこから延在して顎部材の対に結合される一対の関節ピンを含み得る。いくつかの実施形態において、関節ピンの対のうちの少なくとも一つの少なくとも一部分は、ピボット軸の近位に位置決めされ得る。実施形態において、関節ピンの対のうちの少なくとも一つの少なくとも一部分は、ピボット軸の遠位に位置決めされ得る。関節部材は、顎支持シャフトの周りで回転可能であり得、長手方向軸に対して顎部材の対を関節運動する。いくつかの実施形態において、顎支持シャフトのピボット軸は、関節ピンの対から長手方向にオフセットし得る。

関節ピンの対は、顎部材の対に結合するように適合され得る。顎部材の対の各顎部材は、関節ピンの対のうちの一つを受けるように適合される関節ピン開口部を画定し得、関節部材を顎部材の対に結合する。いくつかの実施形態において、顎部材の対は、顎支持シャフトの周りの関節部材の回転に応答して、筐体の長手方向軸に対して、約９０度のヨー角に関節運動するように適合され得る。顎部材の対は、長手方向軸に対して関節運動された位置にある間に、ピボット軸の周りで旋回可能であり得る。

カムプーリの対は、筐体に搭載され、顎部材の対に結合され得る。カムプーリの対は、ピボット軸の周りで回転可能であり得、顎部材の対を開状態と閉状態との間で旋回する。実施形態において、カムプーリの対のうちの少なくとも一つの回転に応答して、顎部材の対は、約６０度の顎角で旋回するように適合され得る。

上記カムプーリの対の各カムプーリは、少なくとも一つの第一のケーブルに結合され得、関節部材は少なくとも一つの第二のケーブルに結合され得る。少なくとも一つのモータが顎部材の対を関節運動し、および／または、旋回させるように、少なくとも一つの第一のケーブルおよび少なくとも一つの第二のケーブルは、少なくとも一つのモータに結合され得る。

本開示の一つの態様において、ロボット外科システムのロボットアームに使用され接続されるためのエンドエフェクタが提供され得、ここで、このエンドエフェクタは、ロボット外科システムの制御デバイスのモータから延在する少なくとも一つのケーブルによって制御され得る。

なおも別の態様によれば、ロボット外科システムのエンドエフェクタを作動する方法が、提供され得る。この方法は、一対の顎部材に固定されたカムプーリを回転させることであって、ピボット軸の周りで顎部材の対を開、または閉にすることと；顎部材の対の間に位置付けされた関節部材を回転させることであって、顎部材の対をエンドエフェクタの長手方向軸に対して、関節部材から延在する一対の関節ピンで関節運動し、ここで、関節ピンの対のうちの少なくとも一つは、少なくとも部分的にピボットピンから長手方向にオフセットし得ることとを含み得る。

なおも別の態様によれば、外科用ツールのエンドエフェクタが提供され得る。エンドエフェクタは、筐体、顎支持シャフト、一対の顎部材、および一対のカムプーリを含み得る。

顎部材の対のそれぞれは、それを通る支持シャフトスロットを画定し得、そして、それから延在するプーリピンおよび顎ピンを含み得る。実施形態において、顎部材の対のそれぞれの支持シャフトスロットは、湾曲している可能性がある。顎部材の対のそれぞれは、顎部材の対のうちの顎ピンの対向する一つを受けるように適合される顎ピンスロットを画定し得る。実施形態において、顎ピンスロットは湾曲している可能性がある。

カムプーリの対は、顎支持シャフトに搭載され得、顎部材の対に結合される。カムプーリの対は、ピボット軸の周りで回転し得、顎部材の対を顎支持シャフトの周りで旋回させる。カムプーリの対のそれぞれは、プーリピンスロットを含み得る。プーリピンスロットは、顎部材の対のうちのそれぞれの一つのプーリピンを受け取るように適合され得る。少なくとも一つのケーブルは、カムプーリの対に固定され得る。少なくとも一つのケーブルは、カムプーリの対のうちの少なくとも一つを回転するように可動であり、顎部材の対のうちの少なくとも一つをピボット軸の周りで旋回する。

実施形態において、少なくとも一つの第一のケーブルは、カムプーリの対のうちの第一のものに結合され得、そして、少なくとも一つの第二のケーブルは、カムプーリの対のうちの第二のものに結合され得る。少なくとも一つのモータの作動が、（１）関節運動の動き、または、（２）顎部材の対の旋回運動のうちの少なくとも一つを有効にするように、カムプーリの対のうちの第一のもの、およびカムプーリの対のうちの第二のものが、少なくとも一つのモータに結合され得る。

一つの態様において、ロボット外科システムのロボットアームに使用され接続されるエンドエフェクタが提供され得る。ロボット外科システムの制御デバイスの少なくとも一つのモータから延在している少なくとも一つのケーブルによって、このエンドエフェクタは制御され得る。エンドエフェクタは、筐体、顎支持シャフト、一対の顎部材、および一対のカムプーリを含み得る。

（１）関節運動、または、（２）顎部材の対の顎支持シャフトの周りの旋回運動のうちの少なくとも一つを有効にするように、カムプーリの対は、ピボット軸の周りで回転可能であり得る。

実施形態において、少なくとも一つのケーブルは、カムプーリの対のうちの第一のものに結合され得る少なくとも一つの第一のケーブルと、カムプーリの対のうちの第二のものに結合され得る少なくとも一つの第二のケーブルとを含み得る。カムプーリの対のうちの第一のものおよびカムプーリの対のうちの第二のものは、少なくとも一つのモータに結合する。

本開示の例示的実施形態のさらなる詳細および態様は、添付の図面を参照して、より詳細に以下に記述される。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部分を構成する添付の図面は、開示の実施形態を例示し、かつ、上に与えられた開示の概要の記述と共に、以下に与えられる実施形態の詳細な記述が本開示の動作原理を説明するのに役立ち、ここで、

図１Ａは、本開示に従った、医療ワークステーションおよび操作卓の模式図である。 図１Ｂは、図１Ａの医療ワークステーションの制御デバイスのモータの模式的斜視図である。 図２は、本開示の実施形態に従った、図１Ａの医療ワークステーションに使用されるための、エンドエフェクタの斜視図であり、その顎アセンブリの一つの実施形態を関節運動されていない開状態で例示している。 図３は、構成部品が分離した状態での、図２の顎アセンブリの斜視図である。 図４は、図２のエンドエフェクタの側面図であり、明確にするために顎アセンブリの一部分が取り除かれ、および／または透視で示されており、顎アセンブリは関節運動されていない閉状態で例示されている。 図５は、図２のエンドエフェクタの側面図であり、明確にするために顎アセンブリの一部分が取り除かれ、および／または透視で示されており、顎アセンブリは関節運動されている閉状態で例示されている。 図６は、図２のエンドエフェクタの側面図であり、明確にするために顎アセンブリの一部分が取り除かれ、および／または透視で示されており、顎アセンブリは別の関節運動されていない開状態で例示されている。 図７は、図２のエンドエフェクタの側面図であり、明確にするために顎アセンブリの一部分が取り除かれ、および／または透視で示されており、顎アセンブリは関節運動されている開状態で例示されている。 図８は、構成部品が分離した状態での、顎アセンブリの別の実施形態の斜視図である。 図９は、構成部品が分離した状態での、顎アセンブリのなおも別の実施形態の斜視図である。

（詳細な説明）
本開示に従ったロボットで制御されたエンドエフェクタは、増加する機械的利益把握のためのコンパクトな顎アセンブリの、ケーブルによって駆動される動きを可能にする。本明細書に記述されるエンドエフェクタは、エンドエフェクタの長手方向軸からほぼ９０度まで、それぞれの顎アセンブリの両側性の関節運動を提供する関節部材を含む。これらのエンドエフェクタの少なくとも一つのカムプーリは、回転され得、顎部材がほぼ６０度までの顎角を画定するように、開状態でその顎部材を位置合わせする。

開示されているエンドエフェクタの実施形態は、図面を参照して詳細に記述され、図面においては、同様な参照番号は、いくつかの図面のそれぞれにおいて同一のまたは対応する要素を指定する。本明細書で使用される場合、用語「遠位」は、ユーザからより遠いエンドエフェクタの部分を参照し、一方、用語「近位」は、ユーザにより近いエンドエフェクタの部分を参照する。

初めに図１Ａおよび１Ｂを参照すると、医療ワークステーションが概してワークステーション１として示され、複数のロボットアーム２、３；制御デバイス４；および制御デバイス４と結合される操作卓５を概して含み得る。操作卓５は、特に三次元画像を表示するようにセットアップされ得る表示デバイス６；および手動入力デバイス７、８であって、その手段によって、例えば外科医のような人間（示されない）は、原則として当業者には公知のように、第一の動作モードにおいて、ロボットアーム２、３を遠隔操作でき得る手動入力デバイス７，８を含み得る。

ロボットアーム２、３のそれぞれは、詳細が以下に記載されるような、本明細書に開示されるいくつかの実施形態のいずれか一つに従って、ジョイント、および例えば、エンドエフェクタ１００を支持する外科用ツール「ＳＴ」が取り付けられ得る取り付けデバイス９、１１を通して接続される複数の部材を含み得る。

ロボットアーム２、３は、制御デバイス４に接続される電気駆動部（示されない）によって駆動され得る。制御デバイス４（例えば、コンピュータ）は、ロボットアーム２、３、それらの取り付けデバイス９、１１、および従って外科用ツール（エンドエフェクタ１００を含む）が、手動入力デバイス７、８によって画定される動きに従って所望の動きを実行するような方法で、駆動部を起動するために特にコンピュータプログラムによってセットアップされ得る。制御デバイス４も、それが、ロボットアーム２、３および／または駆動部の動きを調整するような方法で、またセットアップされ得る。

医療ワークステーション１は、患者テーブル１２に横たわる、エンドエフェクタ１００による低侵襲性の方法で処置されるべき患者１３での使用のために構成され得る。医療ワークステーション１は、また、二つより多いロボットアーム２、３を含み得、さらなるロボットアームは、同様に、制御デバイス４に接続されており、操作コンソール５によって遠隔操作可能である。医療機器または外科用ツール（エンドエフェクタ１００を含む）も、また、さらなるロボットアームに取り付けられ得る。医療ワークステーション１は、特に、制御デバイス４に結合されるデータベース１４を含み得、データベースには、例えば、生物１３からの術前データ、および／または解剖図解書が格納される。

医療ワークステーション１の構築および動作の詳細な議論のために、２０１１年１１月３日に出願された、「Ｍｅｄｉｃａｌ Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ」と題される、米国特許出願公開第２０１２／０１１６４１６号を参照し得、その全体の内容が参照により本明細書に援用されている。

制御デバイス４は、各モータが、各ロボットアームを通って外科用ツールのエンドエフェクタ１００まで延在するケーブル「Ｃ」（図１Ｂ）の長さを巻き取るか、または繰り出されるように構成された状態で複数のモータ（モータ１．．．ｎ）を制御し得る。使用において、ケーブル「Ｃ」は巻き取られるか繰り出されるので、ケーブル「Ｃ」は、外科用ツールの各エンドエフェクタ１００の動作、および／または動きをもたらす。制御デバイス４は、様々なモータ（モータ１．．．ｎ）の起動を連係させ得、それぞれのエンドエフェクタの動作、および／または動きを連係させるために、各ケーブル「Ｃ」の長さを巻き取るか繰り出すことを連係させる。図１Ｂは、単一のモータによって巻き取られるか、または繰り出される単一のケーブル「Ｃ」を示しているが、いくつかの例では、二つ以上のケーブル、または単一のケーブルの二つの端が、単一のモータによって巻き取られるか、または繰り出され得る。例えば、いくつかの例において、モータが第一の方向に起動され得るとき、ケーブルのうちの一つが巻き取り、他方、他のケーブルが繰り出すように、二つのケーブルまたはケーブル両端が単一のモータに向かって反対の方向に結合されてもよい。他のケーブル構成も、異なる実施形態において使用され得る。

ロボットアーム２、３への接続のための、および、制御デバイス４による操作のためのエンドエフェクタが、概して１００として指定される。図２に示されるように、エンドエフェクタ１００は、手首アセンブリ１１０と、手首アセンブリ１１０に旋回可能に接続される顎アセンブリ１２０とを含み得る。手首アセンブリ１１０は、遠位に延在する、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」を画定するＵ字形金具の形で手首筐体１１２を含み得る。手首筐体１１２は、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に直交して配向される第一のピボット軸「Ａ−Ａ」を画定する。一つの実施形態において、第一のピボット軸「Ａ−Ａ」は第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」を通って延在し得る。Ｕ字形金具の形である手首筐体１１２は、一対の離間した、対向する直立した支持体１１２ａ、１１２ｂを含み得、それらを通して、第一のピボット軸「Ａ−Ａ」が延在する。対向する直立した支持体１１２ａ、１１２ｂは、複数の開口部１１２ｃを画定する。

手首アセンブリ１１０は、第一の支持シャフト１１４ａと第二の支持シャフト１１４ｂとをさらに含み得、それらのそれぞれは、対向する直立した支持体１１２ａ、１１２ｂの複数の開口部１１２ｃの長手方向に整列された対の中に固定され、およびそれらの間に延在する。第一の支持シャフト１１４ａは、長手方向に第二の支持シャフト１１４ｂから離間され得る第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に沿って場所に配置され得る。支持シャフト１１４ａ、１１４ｂのそれぞれは、一つ以上のカムプーリ１１６を支持する。各カムプーリ１１６は、第一、および／または第二の支持シャフト１１４ａ、１１４ｂのうちの一つを受ける、それを通る開口部１１６ａを画定する。カムプーリ１１６のうちの一つ以上は、第一のおよび／または第二の支持シャフト１１４ａ、１１４ｂの一つに回転可能に搭載され得るか、強く固定され得る。よく理解されるように、第一、および／または第二の支持シャフト１１４ａ、１１４ｂは、任意の適切な形状または、寸法を有する任意の数のカムプーリ１１６を支持し得る。

ここで、図３に移ると、顎アセンブリ１２０の一つの実施形態は、顎筐体１３０、関節部材１４０、一対の顎部材１５０、一対のカムプーリ１６０、および顎支持シャフト１７０を含み得る。

Ｕ字形金具の形であり得る顎筐体１３０は、それを通って延在する長手方向軸「Ｘ２−Ｘ２」を画定する。顎筐体１３０は、第二の支持シャフト１１４ｂを受けるように適合され、かつそのような寸法の、それを通る開口部１３２を画定する本体１３０ａを有し、顎アセンブリ１２０を手首アセンブリ１１０に旋回可能に接続する。特に、本体１３０ａは、一対のカムプーリ１１６の間における第二の支持シャフト１１４ｂ上に位置決めされ得る。本体１３０ａは、本体１３０ａから遠位に延在する対向する直立した支持体１３４、１３６を含み得る。対向する直立した支持体１３４、１３６は離間しており、サドル型１３８の形でそれらの間の内表面を含み得る。内面１３８は、少なくとも関節部材１４０の一部分を受けるように適合されるＵ字型の開口部１３８ａ、顎部材１５０の対、カムプーリ１６０の対、および顎支持シャフト１７０を画定し得る。対向する直立した支持体１３４、１３６のそれぞれは、顎支持シャフト１７０を受けるように適合され、かつそのような寸法にされる、そこを通るシャフト開口部１３４ａを画定し、支持シャフト１７０が関節部材１４０、顎部材１５０の対、およびカムプーリ１６０の対を支持することを可能にする。対向する直立した支持体１３４、１３６のシャフト開口部１３４ａは、長手方向に互いに整列させられる。

図２および３に見られるように、対向する直立した支持体１３４、１３６を通って（例えば、シャフト開口部１３４ａを通って）延在する第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」は、第一のピボット軸「Ａ−Ａ」に直交して、かつ、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に直交して配向され得る。いくつかの実施形態において、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」は第二の長手方向軸「Ｘ２−Ｘ２」と平行であり得（例えば、顎アセンブリ１２０は、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に対して長手方向に整列させられ得る）、そして、第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」は第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」を通って延在する。

図３を参照すると、関節部材１４０は、サドル１３８のＵ字型開口部１３８ａに受け取られ得、そして、三角形の構成を有する本体１４２を含み得る。十分に理解されるように、本体１４２は、任意の適切な形状、および／または寸法を有し得る。本体１４２は、底面１４２ａ、平面状であり得る一対の側面１４２ｂ、および遠位に向けて頂点１４２ｄに向かってテーパがついている上面１４２ｃを含み得る。細長いスロット１４４は、本体１４２を通って対の側面１４２ｂの間に画定され得る。細長いスロット１４４は、近位端１４４ａと遠位端１４４ｂとを含み得る。一対の関節ピン１４６ａ、１４６ｂは、細長いスロット１４４の近位端１４４ａに隣接する位置において、対の側面１４２ｂから延在する。関節ピン１４６ａ、１４６ｂの対の各関節ピン１４６ａ、１４６ｂは、関節ピン１４６ａ、１４６ｂの対の他方に関して、細長いスロット１４４に対して鏡面の関係で配置され得る。関節ピン１４６ａ。１４６ｂの対の関節ピン１４６ａは、関節ピン１４６ａ、１４６ｂの対の関節ピン１４６ｂとは反対の方向の横方向外方に延在する。関節ピン１４６ａ、１４６ｂの対は、少なくとも関節ピンの対のうちの一方または両方の一部分が、顎支持シャフト１７０の中央長手軸１７０ａと整列され得る顎アセンブリ１２０の第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」（より詳しい詳細が以下に記述される）の近位に位置決めされて留まるように、関節部材１４０に固定され得、その一方、顎支持シャフト１７０は、細長いスロット１４４の近位端および遠位端１４４ａ、１４４ｂの両方の位置を含む細長いスロット１４４の中に位置決めされ得る。

図１Ａ、１Ｂ、２、および３を参照すると、任意の公知の締め付け技術を使用する、一つ以上のケーブル「Ｃ」は、プーリ１６０に固定され得て、プーリ１６０の時計方向周りの回転運動、および／または第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」周りの反時計回り方向の回転運動を可能にし、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に対する、顎アセンブリ１２０の手首アセンブリ１１０の周りの両側性の関節運動を容易にする（下記に詳細に説明される）。例えば、単一のケーブル「Ｃ」は、チャネル１６６に沿って少なくとも部分的に単一のプーリ１６０の周りに（例えば、少なくとも１８０度）巻き付けられ、および／または固定される。いくつかの例では、単一のケーブル「Ｃ」がプーリ１６０の周りで巻き付けられる代わりに、ケーブル「Ｃ１」および「Ｃ２」のようなケーブルの第一の対の遠位端が、ケーブルを介してプーリ１６０の時計回りおよび反時計回りの回転を可能にする任意の適切な場所で、プーリ１６０の異なる側に固定され得る。ケーブル「Ｃ１」および「Ｃ２」を含むこれらのケーブル「Ｃ」のいずれも、それぞれの第一のモータ、および／または制御デバイス４の少なくとも一つの第二のモータ（示されない）に動作可能に関連する、ロボットアーム２または３を通って延在し得る近位端を有する。

再び図３を参照すると、顎部材１５０の対は、第一の顎部材１５０ａおよび第二の顎部材１５０ｂを含み得る。顎部材１５０の対のそれぞれは、ベース部１５２とベース部１５２から遠位に延在しる顎部１５４を有する。弧状スロット１５６は、ベース部１５２を通して画定され得、それを通る顎支持シャフト１７０を受け取るように適合され、かつそのような寸法にされ得る。第一および第二の顎部材１５０ａ、１５０ｂが、第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」に対して支持シャフト１７０の周りを旋回するとき、弧状スロット１５６は、顎支持シャフト１７０が、弧状スロット１５６の近位端および遠位端１５６ａ、１５６ｂの間で摺動することを可能にするように適合され、かつそのような寸法にされ得る。関節ピン開口部１５８ａおよびカムピン開口部１５８ｂは、各ベース部１５２を通って画定される。顎部１５４は、その把持面上に複数の歯１５４ａを含み得る。

カムプーリ１６０の対は、第一のカムプーリ１６０ａと第二のカムプーリ１６０ｂとを含み得、カムプーリのそれぞれは、実質的に円盤型であり得る。カムプーリ１６０の対のそれぞれは、支持シャフト１７０を受けるように適合され、かつそのような寸法にされている、それを通るシャフト開口部１６２を画定する。カムピン１６４は、カムプーリ１６０の対のそれぞれから延在する。各カムピン１６４は、顎部材１５０の対のカムピン開口部１５８ｂのうちの一つに受けられ得る。対のカムプーリ１６０のそれぞれは、その外表面に一つ以上のチャネル１６６を画定する。一つ以上のチャネル１６６が、ケーブル「Ｃ３」、および／または「Ｃ４」のような一つ以上のケーブルに固定されて、カムプーリ１６０の回転運動を容易にし、そして顎部材１５０の開状態と閉状態（より詳細には下に記述される）との間でピボット運動をするように適合され、かつそのような寸法にされている。よく理解されるように、ケーブル「Ｃ１」および「Ｃ２」に関して上に述べられたような任意の適切な締め付け技術を使用して、ケーブル「Ｃ３」、および「Ｃ４」はカムプーリ１６０の対のうちの一つの周りに巻き付けられるか、および／またはそれに固定され得る。ケーブル「Ｃ１」および「Ｃ２」と同様であり、ケーブル「Ｃ３」および「Ｃ４」は、ロボットアーム２または３を通って延在し得、制御デバイス４の第一のモータ、および／または少なくとも一つの第二のモータ（示されない）それぞれに動作可能に関連する近位端を有する。加えて、ここに記述された、ケーブル「Ｃ１」、「Ｃ２」、「Ｃ３」および「Ｃ４」を含むケーブル「Ｃ」は、一つ以上のカムプーリ１１６の回りに少なくとも部分的に巻かれ得る。カムプーリ１１６は、任意の本明細書に記述されたケーブル「Ｃ」へのケーブルガイドとして機能できる。

動作において、制御デバイス４は、それに接続される一つ以上の電気駆動装置またはモータを起動し得、エンドエフェクタ１００を第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」の周りで、時計方向か、または反時計方向かのいずれかにおいて、図４に例示される「α」で指定された線によって示されるような任意の適切な半径方向配向（例えば、３６０度）に回転させる。第一のピボット軸「Ａ−Ａ」の周りで顎部材１５０の対を関節運動するために、個々の顎部材１５０ａ、１５０ｂが任意の半径方向配向である間、プーリ１６０ａまたは１６０ｂのうちの一つの周りに巻き付けられた一つ以上のケーブル（例えば、ケーブル「Ｃ１」および「Ｃ４」またはケーブル「Ｃ２」および「Ｃ３」）の近位端が、近位方向に引き込まれ得、その一方、他方のプーリ１６０ｂまたは１６０ａに巻き付けられた他のケーブルの近位端が緩められ得る。第一のピボット軸「Ａ−Ａ」の周りの関節運動の方向は、近位方向に引き込まれるその近位ケーブル端を有するように選択される、プーリ１６０ａ、ｂに依存する。

ピボット軸「Ｂ−Ｂ」の周りの関節運動は、他のケーブル端を繰り出しながら、プーリ１６０ａ、ｂのそれぞれを同じ方向に（例えば、ケーブル「Ｃ１」および「Ｃ２」、またはケーブル「Ｃ３」および「Ｃ４」）回転させる各それぞれのプーリ１６０ａおよび１６０ｂのケーブルの近位端を引き込むことによって、達成され得る。プーリ１６０ａ、ｂのそれぞれを回転させることは、プーリ１６０ａ、ｂ上のカムピン１６４および関節部材１４０上の関節ピン１４６を介して、顎部材１５０を回転させ、顎部材１５０のベース部１５２上のそれぞれのピン開口部１５８とインターフェイスする。これらのピン１６４および１４６、およびピン開口部１５８の位置は、異なる実施形態では変化され変更され得る。例えば、ピン１６４は、異なる場所でベース部材１５２に固定され得、各ピン開口部１５８がプーリ１６０上に提供され得る。関節部材１４０が旋回するとき、関節ピン１４６の対は、顎部材１５０の対の関節ピン開口部１５８ａに位置決めされながら、顎部材１５０の対をそれによって駆動して、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に対して顎部材１５０の対を関節運動する。実施形態においては、顎部材１５０の対の個別の顎部材１５０ａ、１５０ｂは、両側方向に、つまり、二つの反対の側方方向に関節運動され得る。図５に図示される、角「β」によって例示されるように、顎部材１５０の対は、いくつかの例において、境界線「Ｌ」（例えば、最大ヨー角）まで、関節運動され得、これは、両側方方向のそれぞれにおいて第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に対して約９０度の角度まであり得る（例えば、合計約１８０度）。実施形態において、境界線「Ｌ」は、第一のピボット軸「Ａ−Ａ」と同一平面上であり得る。

加えて、動作において、エンドエフェクタ１００の顎部材１５０の対のうちの一つまたは両方を顎アセンブリ１２０の第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」の周りで閉状態（図４）と開状態（図６および７）の間で旋回させるため、ケーブル「Ｃ３」および「Ｃ４」の近位端の一つは、制御デバイス４からの入力の結果として、近位方向に引き込まれ、第三のモータ（示されない）、および任意選択として、第四のモータ（示されない）を起動して、ケーブル「Ｃ３」および「Ｃ４｝の近位端の他方を繰り出し、逆もまた同様である。ケーブル「Ｃ３」および「Ｃ４」のどちらの近位端が近位方向に繰り出されるのかに応じて、ピボットのどの方向が、第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」の周りで、伝送され得、カムピン１６４を通って、カムプーリ１６０ａ、１６０ｂを支持し、従って、第一および第二の顎部材１５０ａ、１５０ｂを旋回させるかを決定し得る。

実施形態において、第一の顎部材１５０ａは、第二の顎部材１５０ｂとは別々に独立して旋回され得、そして、逆も同様である。加えて、および／または代替えとして、第一および第二の顎部材１５０ａ、１５０ｂが、閉状態と開状態との間で旋回するとき、第一および第二の顎部材１５０ａ、１５０ｂは、互いに向かって、および／または互いから離れて、同時に旋回し得る。実施形態において、第一および第二の顎部材１５０ａ、１５０ｂは、図６に図示されるように、約６０度の最大顎角「θ」まで旋回し得る。図４、６および７に見られるように、第一および第二の顎部材１５０ａ、１５０ｂが開状態と閉状態との間で移動するとき、関節部材１４０は、弧状のスロット１５６に沿って、その近位端１５６ａおよび遠位端１５６ｂの間で摺動する。例えば、閉状態（図４）において、顎支持シャフト１７０は、細長いスロット１４４の近位端１４４ａ、および顎部材１５０の対の弧状スロット１５６の近位端に配置されてもよい一方、開状態（図６および図７）の一つにおいて、顎支持シャフト１７０は、細長いスロット１４４の遠位端１４４ｂ、および顎部材１５０の対の弧状スロット１５６の遠位端に配置されてもよい。この点において、その開状態の一つへの顎部材１５０の対の旋回運動は、顎部材１５０の対および関節部材１４０が、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に沿って近位方向（手首アセンブリ１１０に向かっ）に、線「Ｌ」、顎支持シャフト１７０、および／またはカムプーリ１６０の対に対して軸方向に並進することを可能にし、そして、顎部材１５０の対の閉状態に向う旋回運動に関して逆もまた同様である。理解できるように、エンドエフェクタ１００の一つ以上の構成部品は、同時に（および／または、別々に／独立して）回転され、関節運動され、および／または旋回され得る。

ここで、図８を参照すると、ロボットアーム２、３のエンドエフェクタに接続するための、および制御デバイス４による操作のための顎アセンブリは、本開示の別の実施形態に従って、概して２２０と指定される。顎アセンブリ２２０は、顎アセンブリ１２０と実質的に同様であり、従って、本明細書では、顎アセンブリ１２０の構築および／または動作から、構築、および／または動作における差異を説明するために必要な範囲のみを詳細に記述される。特に、顎アセンブリ２２０は、顎筐体１３０、関節部材２４０、一対の顎部材２５０、一対のカムプーリ１６０、および顎支持シャフト１７０を含み得る。

関節部材２４０は、その対向する側面から延在する一対の関節ピン２４２を含み、それを通る細長いスロット２４４を画定し得、顎支持シャフト１７０を摺動可能に受けるように適合され、かつそのような寸法にされている。図８に見られるように、上に記述されるように、手首アセンブリ１１０に結合されたとき、関節ピン２４２の対のそれぞれは、細長いスロット２４４の遠位に位置決めされ得、従って、顎支持シャフト１７０の中央長手軸１７０ａの遠位に位置決めされ得、第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」（図２を参照）と整列され得る。

顎部材２５０の対は、第一の顎部材２５０ａと第二の顎部材２５０ｂとを含み得る。顎部材２５０の対のそれぞれは、それを通る弧状のスロット２５２を画定し、当該弧状のスロット２５２は、顎支持シャフト１７０を受けるように適合され、かつそのような寸法にされ得る。支持シャフト１７０の中央長手軸１７０ａに対して（例えば、そして、第二のピボット軸「Ｂ−Ｂ」に対して図２を参照）第一および第二の顎部材２５０ａ、２５０ｂが支持シャフト１７０の周りを旋回するとき、弧状のスロット２５２は、顎支持シャフト１７０が弧状スロット２５２の近位端と遠位端との間で摺動できるように、適合され、かつそのような寸法にされ得る。関節ピン開口部２５４およびカムピン開口部２５６は、顎部材２５０の対のそれぞれを通して画定される。各関節ピン開口部２５４は、顎部材２５０の対の一つの上に位置決めされ、関節部材２４０の関節ピン２４２のうちの一つを受け、第一の長手方向軸「Ｘ１−Ｘ１」に対して、上に記載されたものと同様に、関節部材１４０に対して、関節部材２４０が顎部材の対を関節運動することを可能にする。各カムピン開口部２５６は、顎部材２５０の対の一つの上に位置決めされ得、カムプーリ１６０のカムピン１６４の一つを受け、カムプーリ１６０が顎部材２５０の対を、顎部材１５０の対に対して上で記載されことと同様に、開状態と閉状態との間で旋回させることを可能にする。

ここで、図９を参照すると、ロボットアーム２、３のエンドエフェクタに接続するための、および制御デバイス４による操作のための顎アセンブリは、本開示のなおも別の実施形態に従って、概して３２０と指定される。顎アセンブリ３２０は、顎アセンブリ１２０、２２０と実質的に同様であり得、従って、本明細書では、顎アセンブリ１２０、２２０の構築および／または動作から、構築、および／または動作における差異を説明するために必要な範囲のみが詳細に記述される。

概して、顎アセンブリ３２０は、筐体３３０、顎支持シャフト１７０、一対のカムプーリ３４０、および一対の顎部材３５０を含み得る。

カムプーリ３４０の対は、第一のカムプーリ３４０ａおよび第二のカムプーリ３４０ｂを含み得る。カムプーリ３４０の対のそれぞれは、顎支持シャフト１７０に搭載され得、中央孔３４２ａおよびプーリピンスロット３４２ｂを画定する本体３４２を有する。各プーリ３４０の中央孔３４２は、それを通る顎支持シャフト１７０を受けるように適合され得る。各プーリ３４０の本体３４２は、ケーブルチャネル３４４をさらに画定し、一つ以上のケーブルをチャネル３４４の中に受けるように適合される。少なくとも部分的にその周りに巻き付けられ、および／または、その中に固定され得る。例えば、第一のケーブル「Ｃ１」は、第一のカムプーリ３４０ａの周りに巻き付けられ得、そして、第二のケーブル「Ｃ２」は、第二のカムプーリ３４０ｂの周りに巻き付けられ得る。プーリ３４０に巻き付く単一のケーブルの代わりに、いくつかの例において、プーリ３４０上で終端している二つの別々のケーブルが代わりに使用され得る。一つ以上のケーブルは、可動であり得（例えば、モータを介して−図１Ｂを参照）、カムプーリ３４０ａ、３４０ｂの対の一つまたは両方を顎支持シャフト１７０の周りで回転または旋回する。

顎部材３５０の対は、第一の顎部材３５０ａおよび第二の顎部材３５０ｂを含み得る。顎部材３５０の対のそれぞれは、その近位部分を通る支持シャフトスロット３５２を画定し、その対向する側面上の近位部分から延在するプーリピン３５４および顎ピン３５６を含み得る。支持シャフトスロット３５２は、顎支持シャフト１７０を受けるように適合され、かつそのような寸法にされ、その中の顎支持シャフト１７０の滑り運動を可能にする。実施形態において、支持シャフトスロット３５２は、顎部材３５０の対のうちの一つまたは両方の近位部分の中心からずれて配置され得る。顎部材３５０の対のうちの一つまたは両方の支持シャフトスロット３５２は、湾曲し得、少なくとも一つの突起３５２ａを含み得る。顎部材３５０の対のそれぞれは、顎部材３５０の対の顎ピン３５６の対向する一つを摺動可能に受けるように適合される顎ピンスロット３５８を画定する。顎ピンスロット３５８は、湾曲していることがあり、プーリ角（例えば、プーリの対のうちの一つまたは両方の回転角）と顎角（例えば、顎部材の対のうちの一つまたは両方の回転角）との間の非線型関係を提供し得る。

実施形態において、カムプーリ３５０の対のうちの一つまたは両方が作動されるとき、一つ以上のスロット３５２、および／または３５８は、顎部材１５０の対のうちの一つまたは両方の比率および運動プロファイルを決定付けるような形状にされ得る。一つ以上のスロット３５２、および／または３５８は、任意の適切なプロファイル（例えば、細長い、円形の、楕円形の、ｃ−形状の、ｓ−形状の、等）を有し得、プーリ角と顎角との間の任意の適切な関係（例えば、線型、非線型）に適合する。

動作において、顎ピンスロット３５８の中で顎ピン３５６が摺動し、顎部材３５０ｂのうちの少なくとも一つが、支持シャフトスロット３５２を介して顎支持シャフト１７０の周りを摺動的に旋回するように、一つ以上のケーブルが作動されて、カムプーリ３４０の対のうちの一つまたは両方を顎支持シャフト１７０の周りで回転させる。

加えて、動作では、回転の方向に依存して（例えば、時計回りの方向／反時計回りの方向）、および／またはカムプーリ３５０の対のうちの一つまたは両方の回転変位の量に依存して、カムプーリ３４０の対のうちの一つまたは両方の動き（例えば、旋回）が、顎支持シャフト１７０の周りの顎部材３５０の対の旋回、および／または関節運動を与える。理解されるように、顎部材３５０の対は、上に記載されたことと同じく顎部材１５０の対に対して、開状態と閉状態との間で旋回するように適合され得る。第一および第二のカムプーリ３５０ａ、３５０ｂは、互いに対して同じ、および／または反対の方向に回転され得、顎部材３５０の対の旋回、および／または関節運動を与える。実施形態において、第一および第二のカムプーリ３５０ａ、３５０ｂは、同じ、および／または異なる量で回転可能に変位され得、顎部材３５０の対の旋回、および／または関節運動を与える。

支持シャフトスロット３５２の形状および大きさは、実質的に平行な関係で、第一および第二の顎部材３５０ａ、３５０ｂが互いに接近（例えば、閉状態に向かって）するように、顎部材３５０の対を顎支持シャフト１７０の周りで摺動的に旋回／回転させることを可能にし得る。顎部材３５０の対の組織接触面３５０ｃに沿った負荷の分布は、支持シャフトスロット３５２の形状に、および結果として得られる顎部材３５０の対の角度および位置に依存して、部分的に変化し得る。

理解され得るように、本開示される顎アセンブリの任意のものは、増加する機械的利益を力の増大を伴った改良された把持のためのその特徴（例えば、ピン、スロット、ケーブル、および／またはそれらの組み合わせ）と共に提供する。特に、顎角に対するプーリ角の増大は、一つ以上のケーブルの近位端に加えられた同等な、または実質的に同等な張力に対する顎部材の先端（例えば、遠位端）における力を増幅する。この増加した機械効率は、より大きな把持力を生成することによって、ケーブルにおける張力を最小にし、および／またはエンドエフェクタの様々な構成部品（例えば、ケーブル、プーリ、等）にかかる機械的ストレスを減少させながら、ユーザが、厚くて重い組織を操作することを可能にする。一つの実施形態において、一つ以上のプーリが８０度だけ回転するとき、力増大特徴は、顎部材の対のうちの一つまたは両方を４０度まで開くことを可能にする。

具体的に本明細書に記載され、添付の図面に示された構造および方法は、非限定の例示的実施形態であり、記述、開示、および図面は、単に特定の実施形態の例示であると解釈されるべきであることを当業者は理解するであろう。本開示は、正確な実施形態が記載されていると限定されているわけではなく、様々な他の変更および修正が、本開示の範囲または精神から外れることなく当業者によってもたらされる。さらに、いくつかの実施形態に関係して示されたまたは記述された要素および特徴は、本開示の範囲から外れることなく、いくつかの他の実施形態の特徴と結び付けられ、そのような修正および変化は、また本開示の範囲内に含まれる。よって、本開示の発明は、何が具体的に示され、かつ、記述されているかによって限定されるのではない。

Claims (20)

1. 外科用ツールのエンドエフェクタであって、該エンドエフェクタは、
   近位端および遠位端を有する筐体であって、該筐体は、該近位端および遠位端を通って延在する長手方向軸を画定する、筐体と、
   ピボット軸を画定する顎支持シャフトであって、該ピボット軸はそれを通って延在する、顎支持シャフトと、
   該顎支持シャフトに支持され、該ピボット軸の周りで旋回可能である一対の顎部材と、
   関節部材であって、それを通るスロットを画定し、それから延在する一対の関節ピンを含み、該一対の顎部材に結合される関節部材であって、該スロットは、該顎支持シャフトを受けるように適合され、該一対の顎部材の間で該関節部材を支持し、該関節部材は該顎支持シャフトの周りで回転可能であり、該長手方向軸に対して該一対の顎部材を関節運動する、関節部材と、
   該筐体に搭載される一対のカムプーリであって、該一対の顎部材に結合され、該一対のカムプーリは、該ピボット軸の周りで回転可能であり、該一対の顎部材を開状態と閉状態との間で旋回させるカムプーリと、を含む、
   エンドエフェクタ。
2. 前記一対の関節ピンのうちの少なくとも一つの少なくとも一部分は、前記ピボット軸の近位に位置決めされる、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
3. 前記一対の関節ピンのうちの少なくとも一つの少なくとも一部分は、前記ピボット軸の遠位に位置決めされる、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
4. 前記一対の顎部材の各々は、それを通る弧状のスロットを画定し、各弧状のスロットは、前記顎支持シャフトを受けるように適合されており、ここで、該顎支持シャフトは、該一対の顎部材の弧状のスロットに沿って摺動するように適合され、該一対の顎部材が前記ピボット軸の周りを旋回することを可能にする、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
5. 前記一対の顎部材のうちの各顎部材は、前記一対の関節ピンのうちの一つを受けるように適合される関節ピン開口部を画定し、前記関節部材を該一対の顎部材に結合する、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
6. 前記一対のカムプーリのうちの少なくとも一つの回転に応答して、前記一対の顎部材は、約６０度の顎角に旋回するように適合される、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
7. 前記支持シャフトの周りの前記関節部材の回転に応答して、前記一対の顎部材は、前記長手方向軸に対して約９０度のヨー角に関節運動するように適合される、請求項６に記載のエンドエフェクタ。
8. 前記一対のカムプーリのうちの各カムプーリは、少なくとも一つの第一のケーブルに結合され、かつ、前記関節部材は、少なくとも一つの第二のケーブルに結合される、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
9. 少なくとも一つのモータの作動が、前記一対の顎部材を関節運動し、および／または旋回するように、前記少なくとも一つの第一のケーブルおよび前記少なくとも一つの第二のケーブルが、該少なくとも一つのモータに結合される、請求項８に記載のエンドエフェクタ。
10. 前記ピボット軸は、前記長手方向軸に対して横方向である、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
11. 前記長手方向軸に対して関節運動した位置にある間、前記一対の顎部材は、前記ピボット軸の周りで旋回可能である、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
12. ロボット外科システムのロボットアームに使用され接続されるエンドエフェクタであって、該エンドエフェクタは、ロボット外科システムの制御デバイスのモータから延在する少なくとも一つのケーブルによって制御され、該エンドエフェクタは、
    近位端および遠位端を有する筐体であって、該筐体は、該近位端および遠位端を通って延在する長手方向軸を画定する、筐体と、
    該筐体に搭載される顎支持シャフトであって、それを通って延在するピボット軸を画定する顎支持シャフトと、
    該顎支持シャフト上に支持され、該ピボット軸の周りで旋回可能である一対の顎部材と、
    関節部材であって、それを通るスロットを画定し、それから延在する一対の関節ピンを含み、該一対の関節ピンは、該一対の顎部材に結合するように適合されており、該スロットは、該一対の顎部材の間で該関節部材を支持するための該顎支持シャフトを受けるように適合されており、該顎支持シャフトの該ピボット軸は、該一対の関節ピンのうちの少なくとも一つから長手方向にオフセットしており、該関節部材は、該顎支持シャフトの周りで回転可能であり、該長手方向軸に対して該一対の顎部材を関節運動する、関節部材と、
    該筐体に搭載され、該一対の顎部材に結合される一対のカムプーリであって、該のカムプーリは、該ピボット軸の周りで回転可能であり、開状態と閉状態との間で該一対の顎部材を旋回する、一対のカムプーリとを含む、
    エンドエフェクタ。
13. 前記一対の関節ピンのうちの少なくとも一つの少なくとも一部分は、前記ピボット軸の近位に位置決めされる、請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
14. 前記一対の関節ピンのうちの少なくとも一つの少なくとも一部分は、前記ピボット軸の遠位に位置決めされる、請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
15. 前記一対の顎部材の各々は、それを通る弧状のスロット画定し、各弧状のスロットは前記支持シャフトを受けるように適合され、ここで、前記顎支持シャフトは、該一対の顎部材の該弧状のスロットに沿って摺動するように適合され、該一対の顎部材が前記ピボット軸の周りで旋回することを可能にする、請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
16. 前記一対のカムプーリのうちの少なくとも一つの回転に応答して、前記一対の顎部材は、約６０度の顎角に旋回するように適合される、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
17. 前記一対の顎部材は、前記顎支持シャフトの周りの前記関節部材の回転に応答して、前記長手方向軸に対して、約９０度のヨー角に関節運動するように適合される、請求項１６に記載のエンドエフェクタ。
18. 前記ピボット軸は、前記長手方向軸に対して横方向である、請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
19. 前記長手方向軸に対して関節運動された位置にある間、前記一対の顎部材は、前記ピボット軸の周りで旋回可能である、請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
20. ロボット外科システムのエンドエフェクタを作動する方法であって、該方法は、
    一対の顎部材に固定されたカムプーリをピボット軸の周りで回転させることであって、前記一対の顎部材を開くか、または閉じることと、
    該関節部材から延在する一対の関節ピンを有する該エンドエフェクタの長手方向軸に対して、該一対の顎部材の間に位置決めされた関節部材を回転させることであって、該一対の顎部材を関節運動し、ここで、該一対の関節ピンのうちの少なくとも一つが、少なくとも部分的に該ピボット軸から長手方向にオフセットしていることとを含む、
    方法。

Images