JP6959264B2 - ロボット手術システム用制御アームアセンブリ - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年６月３日に出願された米国仮特許出願第６２／３４５，５０５号の利益を主張し、優先権を主張し、その全開示は参照により本明細書に組み込まれる。

（背景技術）
ロボット手術システムは、低侵襲医療処置において使用されている。このような医療処置の間、ロボット手術システムは、ユーザーインタフェースで接続された外科医によって制御される。ユーザーインタフェースは、外科医が患者に作用するロボットシステムのエンドエフェクタを操作することを可能にする。ユーザーインタフェースは、ロボット手術システムを制御するために外科医が動かすことが可能な制御アームアセンブリを含む。

ロボット手術システムのエンドエフェクタを動かして操作するための改良された制御アームアセンブリが必要とされている。

本開示は、概して、外科的処置中に臨床医がロボット手術システムのロボットシステムを制御することを可能にする、ロボット手術システムのユーザーインタフェースの制御アームアセンブリに関する。制御アームアセンブリのハンドルアセンブリは、ロボットシステムのアームおよび／またはツールを制御するために、臨床医が制御アームアセンブリと快適にインターフェースで接続されることを可能にするように構成された、指で制御されるアクチュエータを含み、制御アームアセンブリのジンバルは、臨床医が、ハンドルアセンブリを制御アームアセンブリに容易に接続し、かつ／またはそれから切断することを可能にするように構成されたコネクタを含む。

本開示の１つの態様において、ロボットシステムを制御するための制御アームアセンブリは、移動可能、かつ３つの軸を中心として回転可能なジンバルと、このジンバルに結合されているハンドルアセンブリとを含む。ハンドルアセンブリは、内部に配置されたコントローラと、上部に配置された第１のアクチュエータとを有する本体部分を含む。第１のアクチュエータは、第１のアクチュエータの作動が、コントローラによって電気信号に変換された、コントローラの構成要素の機械的な動きを引き起こすように、４バーリンケージを介してコントローラに機械的に結合されている。

態様において、第１のアクチュエータは、近位部分および遠位部分を含む。第１のアクチュエータは、遠位部分が本体部分から横方向に離間して伸びる付勢位置を有することができる。本体部分に向かう方向への、遠位部分への加力が、第１のアクチュエータを、近位部分が本体部分から横方向に離間するように動かされる作動位置に動かしてもよい。

いくつかの態様では、４バーリンケージの第１のリンクが第１のアクチュエータの近位部分に固定される。特定の態様では、４バーリンケージは、ハンドルアセンブリの本体部分内に固定配置され、コントローラに動作可能に接続された第２のリンクと、第１および第２のリンクに旋回可能に結合されている第３および第４のリンクとを含む。特定の態様では、コントローラの構成要素は第１の歯車であり、４バーリンケージの第２のリンクは、第２のリンク内に回転可能に配置されたシャフトに取り付けられた第２の歯車を含む。第２のリンクの第２の歯車は、コントローラの第１の歯車と噛み合って係合していてもよい。第４のリンクの動きは、コントローラの第１の歯車の回転運動を引き起こす第２のリンクの第２の歯車の回転運動を引き起こすことがある。第４のリンクの端部は、第２のリンクの第２の歯車に回転不能に結合されてもよい。

第１のアクチュエータは、ハンドルアセンブリの本体部分の外面に配置されてもよく、かつ／またはハンドルアセンブリは、第１のアクチュエータの遠位部分の上に伸びるストラップを含んでもよい。

いくつかの態様では、ジンバルは、ハンドルアセンブリの遠位端部に解放可能に結合されているコネクタを含む。特定の態様では、コネクタは、ハンドルアセンブリの遠位端部と解放可能に係合するための、フランジ付き外縁部と、フランジ付き外縁部の終端部に画定された対向する戻り止め部とを含む。

本開示の別の態様では、ロボットシステムを制御するためのハンドルアセンブリは、本体部分と、本体部分内に配置されたコントローラと、本体部分上に配置された第１のアクチュエータと、第１のアクチュエータの作動が、コントローラによって電気信号に変換された、コントローラの構成要素の機械的な動きを引き起こすように、コントローラと第１のアクチュエータとを機械的に結合している４バーリンケージとを含む。

態様では、第１のアクチュエータは、近位部分および遠位部分を含む。第１のアクチュエータは、遠位部分が本体部分から横方向に離間して伸びる付勢位置を有することができる。本体部分に向かう方向への、遠位部分への加力が、第１のアクチュエータを、近位部分が本体部分から横方向に離間するように動かされる作動位置に動かすことができる。

いくつかの態様では、４バーリンケージの第１のリンクが第１のアクチュエータの近位部分に固定される。特定の態様では、４バーリンケージは、本体部分内に固定配置され、コントローラに動作可能に接続された第２のリンクと、第１および第２のリンクに旋回可能に結合されている第３および第４のリンクとをさらに含む。特定の態様では、コントローラの構成要素は第１の歯車であり、４バーリンケージの第２のリンクは、第２のリンク内に回転可能に配置されたシャフトに取り付けられた第２の歯車を含む。第２のリンクの第２の歯車は、コントローラの第１の歯車と噛み合って係合してもよい。第４のリンクの動きは、コントローラの第１の歯車の回転運動を引き起こす第２のリンクの第２の歯車の回転運動を引き起こすことがある。第４のリンクの端部は、第２のリンクの第２の歯車に回転不能に結合されてもよい。

第１のアクチュエータは、本体部分の外面に配置されてもよく、および／またはハンドルアセンブリは、第１のアクチュエータの遠位部分の上に伸びるストラップを含んでもよい。

他の態様、特徴および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
ロボットシステムを制御するための制御アームアセンブリであって、
移動可能、かつ３つの軸を中心として回転可能なジンバルと、
前記ジンバルに結合されているハンドルアセンブリとを備え、前記ハンドルアセンブリは、内部に配置されたコントローラと、上部に配置された第１のアクチュエータとを有する本体部分を含み、前記第１のアクチュエータは、前記第１のアクチュエータの作動が、前記コントローラによって電気信号に変換される、前記コントローラの構成要素の機械的な動きを引き起こすように、４バーリンケージを介して前記コントローラに機械的に結合されている、制御アームアセンブリ。
（項目２）
前記第１のアクチュエータは、近位部分と遠位部分とを含み、前記第１のアクチュエータは、前記遠位部分が前記本体部分から横方向に離間するように伸びる付勢位置を有し、前記本体部分に向かう方向への、前記遠位部分への加力が、前記第１のアクチュエータを、前記近位部分が前記本体部分から横方向に離間するように動かされる作動位置に動かす、項目１に記載の制御アームアセンブリ。
（項目３）
前記４バーリンケージの第１のリンクが、前記第１のアクチュエータの前記近位部分に固定されている、項目２に記載の制御アームアセンブリ。
（項目４）
前記４バーリンケージは、前記ハンドルアセンブリの前記本体部分内に固定配置され、前記コントローラに動作可能に接続された第２のリンクと、前記第１および第２のリンクに旋回可能に結合されている第３および第４のリンクとをさらに含む、項目３に記載の制御アームアセンブリ。
（項目５）
前記コントローラの前記構成要素が第１の歯車であり、前記４バーリンケージの前記第２のリンクが、前記第２のリンク内に回転可能に配置されたシャフトに取り付けられた第２の歯車を含み、前記第２のリンクの前記第２の歯車は、前記コントローラの前記第１の歯車と噛み合って係合し、前記第４のリンクの動きは、前記コントローラの前記第１の歯車の回転運動を引き起こす前記第２のリンクの前記第２の歯車の回転運動を引き起こす、項目４に記載の制御アームアセンブリ。
（項目６）
前記第４のリンクの端部は、前記第２のリンクの前記第２の歯車に回転不能に結合されている、項目５に記載の制御アームアセンブリ。
（項目７）
前記第１のアクチュエータは、前記ハンドルアセンブリの前記本体部分の外面に配置されている、項目２に記載の制御アームアセンブリ。
（項目８）
前記ハンドルアセンブリは、前記第１のアクチュエータの前記遠位部分の上に伸びるストラップを含む、項目７に記載の制御アームアセンブリ。
（項目９）
前記ジンバルは、前記ハンドルアセンブリの遠位端部に解放可能に結合されているコネクタを含む、項目１に記載の制御アームアセンブリ。
（項目１０）
前記コネクタは、前記ハンドルアセンブリの前記遠位端部と解放可能に係合するための、フランジ付き外縁部と、前記フランジ付き外縁部の終端部に画定された対向する戻り止め部とを含む、項目９に記載の制御アームアセンブリ。
（項目１１）
ロボットシステムを制御するためのハンドルアセンブリであって、
本体部分と、
前記本体部分内に配置されたコントローラと、
前記本体部分上に配置された第１のアクチュエータと、
前記第１のアクチュエータの作動が、前記コントローラによって電気信号に変換される、前記コントローラの構成要素の機械的な動きを引き起こすように、前記コントローラと前記第１のアクチュエータとを機械的に結合している４バーリンケージとを備える、ハンドルアセンブリ。
（項目１２）
前記第１のアクチュエータは、近位部分と遠位部分とを含み、前記第１のアクチュエータは、前記遠位部分が前記本体部分から横方向に伸びる付勢位置を有し、前記本体部分に向かう方向への、前記遠位部分への加力が、前記第１のアクチュエータを、前記近位部分が前記本体部分から横方向に離間するように動かされる作動位置に動かす、項目１１に記載のハンドルアセンブリ。
（項目１３）
前記４バーリンケージの第１のリンクが、前記第１のアクチュエータの前記近位部分に固定されている、項目１２に記載のハンドルアセンブリ。
（項目１４）
前記４バーリンケージは、前記本体部分内に固定配置され、前記コントローラに動作可能に接続された第２のリンクと、前記第１および第２のリンクに旋回可能に結合されている第３および第４のリンクとをさらに含む、項目１３に記載のハンドルアセンブリ。
（項目１５）
前記コントローラの前記構成要素が第１の歯車であり、前記４バーリンケージの前記第２のリンクが、前記第２のリンク内に回転可能に配置されたシャフトに取り付けられた第２の歯車を含み、前記第２のリンクの前記第２の歯車が、前記コントローラの前記第１の歯車と噛み合って係合し、前記第４のリンクの動きは、前記コントローラの前記第１の歯車の回転運動を引き起こす前記第２のリンクの前記第２の歯車の回転運動を引き起こす、項目１４に記載のハンドルアセンブリ。
（項目１６）
前記第４のリンクの端部は、前記第２のリンクの前記第２の歯車に回転不能に結合されている、項目１５に記載のハンドルアセンブリ。
（項目１７）
前記第１のアクチュエータは、前記本体部分の外面に配置されている、項目１２に記載のハンドルアセンブリ。
（項目１８）
前記第１のアクチュエータの前記遠位部分の上に伸びるストラップをさらに備える、項目１７に記載のハンドルアセンブリ。

本開示の様々な態様は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する図面を参照して以下に記載される。

本開示の一実施形態による、２つの制御アームアセンブリを有するロボットシステムおよびユーザーインタフェースを含むロボット手術システムの概略図である。 図１のユーザーインタフェースの２つの制御アームアセンブリの拡大斜視図である。 図２の制御アームアセンブリの１つのハンドルアセンブリの斜視図であり、臨床医の手が破線で示されている。 本開示の一実施形態による図１のロボットシステムのツールの斜視図である。 （図５および６）図３のハンドルアセンブリの部品を取り外した斜視図である。 （図５および６）図３のハンドルアセンブリの部品を取り外した斜視図である。 臨床医の手の人差し指を破線で示した、図３、図５、図６のハンドルアセンブリの部品を取り外した状態の上面斜視図である。 （図８Ａおよび８Ｂ）臨床医の手中において付勢位置および作動位置にそれぞれ位置づけされた図３および図５〜７のハンドルアセンブリの概略図である。 （図８Ａおよび８Ｂ）臨床医の手中において付勢位置および作動位置にそれぞれ位置づけされた図３および図５〜７のハンドルアセンブリの概略図である。 （図９Ａおよび９Ｂ）臨床医の手中において付勢位置および作動位置にそれぞれ位置づけされた、単一の旋回点を有するアクチュエータを含む従来技術のハンドルアセンブリの概略図である。 （図９Ａおよび９Ｂ）臨床医の手中において付勢位置および作動位置にそれぞれ位置づけされた、単一の旋回点を有するアクチュエータを含む従来技術のハンドルアセンブリの概略図である。 本開示の一実施形態による、顎角度およびパドル力対パドル角度を示すグラフである。 本開示の別の実施形態による制御アームアセンブリの斜視図である。 図１１のコントロールアームアセンブリのジンバルを分解した斜視図である。

本開示の実施形態は、図面を参照して詳細に説明され、同様の参照番号は、いくつかの図の各々において同一または対応する要素を示す。本明細書で使用される場合、「臨床医」という用語は、医者、看護士、または他の介護提供者を指し、サポート要員を含むことができる。この説明を通して、「近位」という用語は、臨床医の手に近いシステム、デバイス、またはその構成要素の一部を指し、用語「遠位」は、臨床医の手から遠いシステム、デバイス、または構成要素の一部を指す。

ここで図１を参照すると、本開示によるロボット手術システム１が示されている。ロボット手術システム１は、ロボットシステム１０と、処理ユニット３０と、操作コンソールまたはユーザーインタフェース４０とを含む。ロボットシステム１０は、一般に、リンク１２と、ロボットベース１８とを含む。リンケージ１２は、手術部位「Ｓ」において患者「Ｐ」の組織に作用するように構成されたエンドエフェクタまたはツール２０を移動可能に支持する。リンケージ１２はアームを形成し、各アーム１２はツール２０を支持する端部１４を有する。さらに、各アーム１２の端部１４は、手術部位「Ｓ」を撮像するための撮像装置１６および／またはアーム１２の端部１４に支持または取り付けられているツール２０（例えば、一種の手術器具）を識別するツール検出システム（図示せず）を含むことができる。

処理ユニット３０は、ロボットシステム１０とユーザーインタフェース４０とを電気的に相互接続して、以下でさらに詳細に説明するように、ユーザーインタフェース４０とロボットシステム１０との間で送信および／または受信される信号を処理および／または送信する。

ユーザーインタフェース４０は、３次元画像を表示するように構成された表示装置４４を含む。表示装置４４は、アーム１２の端部１４に位置づけされた撮像装置１６によって捕捉されたデータを含んでもよい、および／または手術室の周囲に位置づけされた撮像装置（例えば、手術部位「Ｓ」内に位置づけされた撮像装置、患者「Ｐ」に隣接して位置づけされた撮像装置、撮像アーム５２の遠位端部に位置づけされた撮像装置５６）によって捕捉されたデータを含む手術部位「Ｓ」の３次元画像を表示する。撮像装置（例えば、撮像装置１６、５６）は、手術部位「Ｓ」の視覚画像、赤外線画像、超音波画像、Ｘ線画像、熱画像および／または他の既知のリアルタイム画像を取り込むことができる。撮像装置１６、５６は、撮像した撮像データを処理部３０に送信し、処理部３０は、撮像データから手術部位「Ｓ」の３次元画像をリアルタイムで生成し、３次元画像を表示装置４４に送信して表示させる。

ユーザーインタフェース４０は、臨床医がロボットシステム１０を操作する（例えば、アーム１２、アーム１２の端部１４および／またはツール２０を動かす）ことができるように制御アームアセンブリ４６を支持する制御アーム４２を含む。制御アームアセンブリ４６は処理ユニット３０と通信して、そこに制御信号を送信し、そこからフィードバック信号を受信し、今度は、ロボットシステム１０に制御信号を送信し、ロボットシステム１０からフィードバック信号を受信してロボットシステム１０の所望の動作を実行する。

各制御アームアセンブリ４６は、制御アーム４２に動作可能に結合されているジンバル１００と、ジンバル１００に動作可能に結合されている入力装置またはハンドルアセンブリ２００とを含む。ハンドルアセンブリ２００の各々は、手術部位「Ｓ」内でアーム１２の端部１４を動かすために、「Ｘ」、「Ｙ」および「Ｚ」軸を有する座標系内の所定の作業空間を通って移動可能である。表示装置４４上の３次元画像は、ハンドルアセンブリ２００が動いた結果として、ジンバル１００の動きが、表示装置４４上で見たときにアーム１２の端部１４を動かすように方向付けられる。表示装置４４上の３次元画像の向きは、患者「Ｐ」の上からの視野に対して鏡像となる、または回転されてもよいことが理解されよう。さらに、表示装置４４上の３次元画像のサイズは、臨床医が手術部位「Ｓ」内の構造物のより良好な視野を持てるように、手術部位「Ｓ」の実際の構造よりも大きくまたは小さくなるようにスケーリングされ得ることが理解されよう。ハンドルアセンブリの動きのスケーリングに関する詳細な議論については、２０１５年１２月１０日に出願された共同所有された米国仮特許出願第６２／２６５，４５７号、現在は２０１６年１２月８日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１６／６５５８８号を参照することができ、各々の全内容は参照により本明細書に組み込まれている。ハンドルアセンブリ２００が動かされると、ツール２０は手術部位「Ｓ」内で動かされる。ツール２０の動きは、ツール２０を支持するアーム１２および／またはアーム１２の端部１４の動きも含むことができることを理解されたい。

ロボット手術システム１の構成および動作の詳細な説明については、米国特許第８、８２８、０２３号を参照することができ、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

ここで図２を参照すると、制御アームアセンブリ４６の各ジンバル１００は、外側リンク１１０と、中間リンク１２０と、内側リンク１３０とを含む。外側リンク１１０は、中間リンク１２０が「Ｘ_１」の矢印で示すように（図１）、「Ｘ」軸を中心として回転可能となるように、制御アーム４２に旋回可能に接続された第１の端部１１０ａと、中間リンク１２０の第１の端部１２０ａに旋回可能に接続された第２の端部１１０ｂとを含む。中間リンク１２０は、内側リンク１３０が、矢印「Ｙ_１」によって示されるように（図１）、「Ｙ」軸周りに回転可能であるように、内側リンク１３０の第１の端部１３０ａに旋回可能に接続された第２の端部１２０ｂを含む。内側リンク１３０は、ハンドルアセンブリ２００が、「Ｚ_１」によって示されるように（図１）、「Ｚ」軸周りに回転可能であるように、ハンドルアセンブリ２００の遠位端部２００ａを解放可能に係合するように構成されたコネクタ１３２を有する第２の端部１３０ｂを含む。実施形態では、外側、中間および内側リンク１１０、１２０、１３０は、お互いに入れ子になるように構成された、ほぼＬ字形のフレームである。しかしながら、外側、中間および内側リンク１１０、１２０、１３０は、「Ｘ」、「Ｙ」および「Ｚ」軸がゼロまたはホームポジションで互いに直交する限り、いかなる形状であってもよいことを理解されたい。（図２参照）。

図２および図３に示すように、各制御アームアセンブリ４６のハンドルアセンブリ２００は、本体部分２１０およびグリップ部分２２０を含む。本体部分２１０は、ロボットシステム１０（図１）のツール２０（図４）の様々な機能を制御するための複数のアクチュエータ２１４、２１６、２１８を支持するハウジング２１２を含む。図３に示すように、第１のアクチュエータ２１４は、ハウジング２１２の外側面２１２ａに配置され、第２のアクチュエータ２１６は、ハウジング２１２の上面２１２ｂに配置され、第３のアクチュエータ２１８は、トリガを形成するためにハウジング２１２の底面２１２ｃから伸びている。アクチュエータ２１４、２１６、２１８は、任意の適切な構成（例えば、ボタン、ノブ、トグル、スライド、ロッカーなど）を有することができ、ハンドルアセンブリ２００についてのアクチュエータ２１４、２１６、２１８の配置は、変化する。第１のアクチュエータ２１４は、指置き台２２２および指置き台２２２上に伸びるストラップ２２４を含み、ハンドルアセンブリ２００が指に対してスライドしないように、臨床医の手の指（例えば人差し指）を第１のアクチュエータ２１４に固定する。

各ハンドルアセンブリ２００は、アーム１２の端部１４に支持されたそれぞれのツール２０を臨床医が操作（例えば、クランプする、把持する、発射する、開放する、閉鎖する、回転させる、押す、スライスすることなど）を可能にする（図１）。例えば図４に示すように、ツール２０は、ツールシャフト２６から伸びる対向する顎部材２２、２４を含む顎アセンブリであってもよい。第１のアクチュエータ２１４は、以下でさらに詳細に説明するように、開いた構成と閉じた構成との間でツール２０の顎部材２２、２４を作動させるように構成されてもよい。第２および第３のアクチュエータ２１６、２１８は、当業者の知識の範囲内の他の機能の中でも特に、顎部材２２、２４の構成を互いに固定する、顎部材２２、２４をツールシャフト２６に対して回転させる、顎部材２２、２４のうちの１つからファスナーを発射する（図示せず）、顎部材２２、２４のうちの１つの中に配置されたナイフ（図示せず）を作動させる、電気外科用エネルギーが顎部材２２、２４を介して組織に送達されるように電気外科用エネルギー源を駆動するなどのツール２０の他の機能を実行する。

図５〜７に示すように、コントローラ２３０は、第１、第２、および／または第３のアクチュエータ２１４、２１６、２１８（図３）の作動が、第１、第２および／または第３のアクチュエータ２１４、２１６、２１８の機械的な動きを処理ユニット３０（図１）による処理のための電気信号に変換し、次に、電気信号をロボットシステム１０（図１）に送信しツール２０（図１）の機能を作動させるコントローラ２３０を作動させるように、ハンドルアセンブリ２００の本体部分２１０内に配置される。ロボットシステム１０は、ハンドルアセンブリ２００を操作する臨床医にフィードバックを提供するために、処理ユニット３０に、またコントローラ２３０に信号を送信してもよいことを理解されたい。

第１のアクチュエータ２１４は、４バーリンケージ２４０によってコントローラ２３０に機械的に結合されている。４バーリンケージ２４０は、第１のリンク２４２、第２のリンク２４４、第３のリンク２４６、および第４のリンク２４８を含む。第３および第４のリンク２４６、２４８はそれぞれ、第１および第２のリンク２４２、２４４に旋回可能に結合されている。第３および第４のリンク２４６、２４８のそれぞれは、それぞれ上部リンク部分２４５ａ、２４９ａおよび下部リンク部分２４５ｂ、２４９ｂを含む。

第１のリンク２４２は、第１のアクチュエータ２１４から近位方向に伸びている。第３のリンク２４６の第１の端部２４６ａは、第１のリンク２４２の近位部分２４２ａに旋回可能に接続され、第３のリンク２４６の第２の端部２４６ｂは、第２のリンク２４４の近位部分２４４ａに旋回可能に接続される。第２のリンク２４４は、その遠位部分２４４ｂに歯車２５０を含み、歯車２５０は、歯車２５０がシャフト２５２と共に回転するように、シャフト２５２にキー止めされてもよい。第４のリンク２４８の第１の端部２４８ａは、第１のリンク２４２の遠位部分２４２ｂに旋回可能に接続され、第４のリンク２４８の第２の端部２４８ｂは、歯車２５０および／またはシャフト２５２に回転不能に固定され、その結果、第４のリンク２４８の動きが歯車２５０を回転させる。

第１のアクチュエータ２１４は、近位部分２１４ａと、指置き台２２２を含む遠位部分２１４ｂとを含む。実施形態では、第１のアクチュエータ２１４が指置き台２２２の周りの指の存在または動きを検出できるように、１つまたは複数のセンサ２２３が第１のアクチュエータ２１４内に埋め込まれている。適切なセンサには、例えば、タッチセンサ、容量センサ、光センサなどが含まれる。第１のアクチュエータ２１４は、第１のアクチュエータ２１４に力が加えられていないとき、付勢位置を有し、遠位部分２１４ｂがハンドルアセンブリ２００のハウジング２１２の外側側面２１２ａから側方に伸び、図７に示すように、近位部分２１４ａは、外側面２１２ａとぴったりと重なるか、またはその中に配置されている。

使用時に、臨床医が指置き台２２２を押圧して力を加えると、第１のアクチュエータ２１４は、第１のアクチュエータ２１４の遠位部分２１４ｂがハンドルアセンブリ２００の本体部分２１０に向かって動く作動位置に動かされ、第１のアクチュエータ２１４の近位部分２１４ａが本体部分２１０から横方向に離間するように動いて、４バーリンケージ２４０の第１のリンク２４２の対応する動きをもたらす。第１のリンク２４２がハンドルアセンブリ２００の本体部分２１０から横方向に動くと、第３のリンク２４６および第４のリンク２４８は、第４のリンク２４８が第２のリンク２４４の歯車２５０を回転させるためのクランクとして働くように、第２のリンク２４４について動く。第２のリンク２４４の歯車２５０は、第２のリンク２４４の歯車２５０の回転がコントローラ２３０の歯車２３２の対応する回転を引き起こすように、コントローラ２３０の歯車２３２と噛み合って係合される。コントローラ２３０は、歯車２３２の機械的な動きを、上述のように、デジタル位置および運動情報を含む電気信号に変換する。

臨床医によって第１のアクチュエータ２１４に加えられる力の量は、第１のアクチュエータ２１４を付勢位置から作動位置に動かして、顎部材２２、２４（図４）の互いの位置に影響を及ぼす。実施形態では、第１のアクチュエータ２１４は、付勢位置において、顎部材２２、２４が全開位置にあり、コントローラ２３０によって測定されるように、第１のアクチュエータ２１４の角度位置が約２０°になるように構成される。力が第１のアクチュエータ２１４に加えられると、第１のアクチュエータ２１４は、４バーリンケージ２４０の第２のリンク２４４の歯車２５０を回転させ、顎部材２２、２４を全閉位置に達するまで互いの方に動かす。全閉位置では、第１のアクチュエータ２１４の角度位置は約５°未満である。４バーリンケージ２４０により、臨床医は、顎部材２２、２４を完全に閉じるように、および／または顎部材２２、２４を、臨床医に第１のアクチュエータ２１４を０°に保持することを要求する従来のハンドル上の全閉位置に維持するように、第１のアクチュエータ２１４に加える力をより少なくすることができる。このような構成は、例えば、外科的処置中に臨床医の指疲労を最小限にすること、および／または顎部材の過度の閉鎖および過度の開口を防止することができる。さらに、第１のアクチュエータ２１４が作動されると、第１のアクチュエータ２１４は指に沿って摺動する傾向にはない。

図８Ａおよび８Ｂに関連して図３および６に示すように、臨床医は、臨床医の手「Ｈ」の人差し指「Ｉ」（破線で示す）が第１のアクチュエータ２１４に載置され、臨床医の手「Ｈ」の手のひら（図示せず）がハンドルアセンブリ２００の把持部分２２０に載置され、臨床医の手「Ｈ」の親指「Ｔ」および中指「Ｍ」は自由であって第２および第３のアクチュエータ２１６、２１８をそれぞれ作動させるように、ハンドルアセンブリ２００を把持する。人差し指「Ｉ」の中手指節関節「Ｊ」は、第１のアクチュエータ２１４の動きが、人差し指「Ｉ」によって付勢位置（例えば、図８Ａを参照）と作動位置（例えば、図８Ｂを参照）との間の動きの範囲で動くように、第１のアクチュエータ２１４の４バーリンケージ２４０の有効な旋回点と整列する。この整列は、ハンドルアセンブリ２００のピストルグリップスタイルと同様に、ハンドルアセンブリ２００の安定した制御を可能にし、第１のアクチュエータ２１４に対する人差し指「Ｉ」の摺動を防止し、これにより、例えば図９Ａおよび９Ｂに示すように、単一の旋回点「Ｃ」によって接続された第１のアクチュエータ「Ｂ」を含むハンドルアセンブリ「Ａ」と比較して、より制御された感触をハンドルアセンブリに与える。第１のアクチュエータ「Ｂ」の旋回点「Ｃ」は、人差し指「Ｉ」の中手指節関節「Ｊ」と整列せず、図９Ｂの矢印「Ｄ」で示すように、付勢位置（図９Ａ）と作動位置（図９Ｂ）との間を移動中に第１のアクチュエータ「Ｂ」に対して指「Ｉ」を長手方向に摺動させる。

図１０を参照すると、第１のアクチュエータ２１４（図３）のパドル角度の関数としてのツール２０（図４）の顎角度のグラフが示されている。ツール２０の顎部材２２、２４は、第１のアクチュエータ２１４が約２０°のパドル角度θを有するときに、完全に開いていて（例えば、互いに対して０°より大きい所定の顎角度に配置されている）、顎部材２２、２４は、第１のアクチュエータ２１４が約５°のパドル角度θを有するとき、完全に閉じられる（例えば、互いに対して約０°の角度で配置される）。顎角曲線は、（例えば、臨床医による第１のアクチュエータ２１４の動きによる）第１のアクチュエータ２１４のパドル角度θの変化が、ツール２０の顎角において対応して正比例する変化を生じるように線形である。

しかしながら、顎角曲線は原点で水平軸と交差しない。むしろ、第１のアクチュエータ２１４のパドル角度θが約５°であり、顎部材２２、２４が全閉位置に配置されるとき、顎角度曲線は水平軸と交差する。このような構成により、第１のアクチュエータ２１４が完全に押圧される前に顎部材２２、２４を完全に閉じることができ、例えば、その結果、使用中に臨床医の指疲労を少なくすることができ、また、パドル角度θが０°に近づくにつれて顎部材２２、２４を過度に閉じることができる（例えば、第１のアクチュエータ２１４が完全に押圧される）。顎部材２２、２４を過度に閉じることは、例えば堅い組織の収縮または針駆動のようなきつい保持を必要とする外科手術を行うのに望ましいツール２０の把持力を増加させる。同様に、顎部材２２、２４は、パドル角度θが２０°を超えると、過度に開くことがある。顎部材２２、２４を過度に開くと、例えば組織切開のような顎部材２２、２４を開くために追加のトルクを必要とする外科手術を行うのに望ましいツール２０の開放力が増加する。

引き続き図１０を参照すると、第１のアクチュエータ２１４（図３）のパドル角度θの関数としてのパドル力も示されている。ハンドルアセンブリ２００のモータによって生成されたトルクは、第１のアクチュエータ２１４が臨床医によって押圧されて第１のアクチュエータ２１４のパドル角度θ、ひいては顎部材２２、２４間の顎角の変化をもたらす力を生成する。力曲線は、異なる傾き「Ｓ１」、「Ｓ１＋Ｓ２」、および「Ｓ３」を有する３つの線形領域を含む。領域の１つは、顎部材２２、２４が全開位置と全閉位置との間に配置されている力曲線の部分に画定される。この領域の勾配「Ｓ１」は負であり、パドル角θが減少するにつれて第１のアクチュエータ２１４を閉じるのに必要な力が増大する。力曲線は、第１のアクチュエータ２１４のパドル角度θが約２０°であり、顎部材２２、２４が全開位置に配置されるとき、水平軸と交差する。このような構成により、顎部材２２、２４は、臨床医の指が第１のアクチュエータ２１４から取りのぞかれたときに、上で詳述した第１のアクチュエータ２１４の付勢位置に対応する全開位置まで開くことができるが、過度に開くことはない。

別の領域は、顎部材２２、２４が過度に閉じられ、勾配「Ｓ１＋Ｓ２」を含む力曲線の一部に画定され、また別の領域は、顎部材２２、２４が過度に開かれ、力曲線の顎部材勾配「Ｓ３」を含む力曲線の一部に画定される。スロープ「Ｓ１＋Ｓ２」はスロープ「Ｓ３」よりも急勾配であるか、またはそれより大きい。したがって、臨床医が第１のアクチュエータ２１４を押圧して顎部材２２、２４を閉じると、第１のアクチュエータ２１４を閉じるために必要な力は、第１のアクチュエータ２１４が過度閉鎖領域に近づくにつれて増加し、次いで、第１のアクチュエータ２１４内の剛性を増加させ、顎部材２２、２４が過度閉鎖領域に進入しつつあるかまたは進入したことを臨床医に示す。同様に、傾き「Ｓ３」は傾き「Ｓ１」よりも急勾配であり、顎部材２２、２４が過度開口領域に進入しつつあるまたは進入したことを臨床医に示す。臨床医の指が第１のアクチュエータ２１４から離間すると、顎部材２２、２４が全開位置に動くように、力のすべての値は各領域において負である。

顎角度曲線および／または力曲線は、第１のアクチュエータ２１４のパドル角度の変化に応答して顎部材２２、２４および／または第１のアクチュエータ２１４の異なる挙動を達成するように、および／または顎部材２２、２４および／または第１のアクチュエータ２１４の異なる所望の特徴を実現するように修正されてもよいことを理解されたい。したがって、ロボット手術システム１で利用される異なるツールタイプまたは制御モードに対して、顎角曲線および／または力曲線の形状が異なってもよいことが考えられる。

ここで図１１を参照すると、制御アームアセンブリ４６’の別の実施形態が示されている。下記に説明されている制御アームアセンブリ４６’は１つだけであるが、当業者であれば、ロボット手術システム１（図１）のユーザーインタフェース４０は、複数の実質的に同一の制御アームアセンブリ４６’を含むことができることを容易に理解することができる。制御アームアセンブリ４６’は、制御アームアセンブリ４６と実質的に同様であるため、その構成および動作における相違点を説明するのに必要な範囲でのみ本明細書において説明される。

制御アームアセンブリ４６’は、ジンバル１００’と、ジンバル１００’に動作可能に結合されているハンドルアセンブリ２００’とを含む。ジンバル１００’は、外側リンク１１０’と、中間リンク１２０’と、内側リンク１３０’とを含む。外側リンク１１０’は、中間リンク１２０’の第１の端部１２０ａ’に旋回可能に接続された第２の端部１１０ｂ’を含み、中間リンク１２０’は、内側リンク１３０’の第１の端部１３０ａ’に旋回可能に接続された第２の端部１２０ｂ’を含み、内側リンク１３０’は、ハンドルアセンブリ２００’の遠位端部２００ａ’を解放可能に係合するように構成されたコネクタ１３２’を有する第２の端部１３０ｂ’を含み、その結果、ハンドルアセンブリ２００（図１および図２）に関して上述したように、ハンドルアセンブリ２００’は、「Ｘ」軸、「Ｙ」軸、および「Ｚ」軸を中心として回転可能となる。

エンコーダデータをシリアライズしてジンバル１００’を通る配線を減らすために、コントローラ（図示せず）は外側、中間および内側リンク１１０’、１２０’、１３０’のそれぞれの中に配置される。図１２に示すエンコーダ１０２’のような二次エンコーダは、外側、中間および内側リンク１１０’、１２０’、１３０’の第２の端部１１０ｂ’、１２０ｂ’、１３０ｂ’に配置され、外側、中間および内側のリンク１１０’、１２０’、１３０’の位置を感知する。二次エンコーダは、処理ユニット３０（図１）による処理のために、回転運動および／または角度位置をデジタル信号に変換する磁気エンコーダ、光学エンコーダまたは容量エンコーダなどのロータリエンコーダであってもよい。二次エンコーダは、ポテンショメータ、ホールセンサ、光学センサ、または回転運動および／または角度位置を測定するための他の適切な既知のセンサとすることができる。

フィードバックアセンブリ１４０’は、制御アーム４２（図２）、ジンバル１００’の外側、中間、または内側リンク１１０’、１２０’、１３０’および／またはハンドルアセンブリ２００’に載置され、ハンドルアセンブリ２００’を操作する臨床医に振動または触覚フィードバックを提供する。図示されるように、フィードバックアセンブリ１４０’は、振動ボイスコイルアセンブリであるが、フィードバックアセンブリ１４０’は、圧電振動アセンブリ、オフバランスモータフィードバックアセンブリ、臨床医が着用するウェアラブルアクセサリ、または他の適切な既知の振動アセンブリであってもよい。例示的な振動ボイスコイルアセンブリの構成および動作の詳細な議論については、２０１５年１１月１３日に出願された共同所有された米国仮特許出願第６２／２４８，５１６号、現在は２０１６年１０月２７日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１６／５８９７０号を参照することができ、これらのそれぞれの内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

図１１に関連して図１２に示すように、ジンバル１００’のコネクタ１３２’は、実質的に半円形の形状をしたフランジ付き外縁部１３４’と、舌部および溝のコネクタまたはバヨネットカップリングなどの迅速接続／切断を形成するフランジ付き外縁部１３４’の終端部に画定された対向する戻り止め１３６’とを含み、ハンドルアセンブリ２００’の遠位端部２００ａ’は、ハンドルアセンブリ２００’をジンバル１００’に解放可能に係合する。ガイドポスト１３８’は、コネクタ１３２’から遠位に伸び、ハンドルアセンブリ２００’の遠位端部２００ａ’に画定された貫通孔（図示せず）にキー止めされてもよい。

ジンバル１００’のコネクタ１３２’は、臨床医が、例えば、ロボットシステム１０（図１）のツール２０を制御するために使用するのに望ましい臨床医の手および／またはハンドルの種類との人間工学的適合性のためのハンドルの所望のサイズに応じて、図３のハンドルアセンブリ２００などの制御アームアセンブリ４６’のハンドルアセンブリ２００’を変更することを可能にする。ハンドルアセンブリ２００’を制御アームアセンブリ４６’から取り外し可能にすることにより、臨床医は、カスタムメイドハンドルアセンブリおよび／または様々な外科手術用途のための異なる種類のハンドルアセンブリを使用することができる。例えば、ピストルグリップスタイルのハンドルアセンブリ（例えば、図２参照）は、一般的な手術のために使用され得るが、より小型のピンチャースタイルのハンドルアセンブリは、心臓手術のような他の外科的処置のために好ましく、一方で、異なるスタイルのハンドルアセンブリは、例えば、脳神経外科手術、顕微手術または整形外科手術のような他の外科的処置から好まれるかまたは必要とされ得る。

上に詳述され、図１に示されているように、ユーザーインタフェース４０は、ロボットシステム１０と動作可能に通信して、患者「Ｐ」に対して外科的処置を実行するが、ユーザーインタフェース４０は、シミュレートされた環境においてロボットシステムおよび／またはツールを仮想的に作動させるために手術シミュレータ（図示せず）と動作可能に通信することができることが想定される。例えば、外科用ロボットシステム１は、ロボットシステム１０を作動させるためにユーザーインタフェース４０が結合されている第１のモードと、ロボットシステムを事実上作動させるためにユーザーインタフェース４０が手術シミュレータに結合されている第２のモードとを有し得る。手術シミュレータは、独立型ユニットであってもよいし、処理ユニット３０に一体化されていてもよい。手術シミュレータは、ユーザーインタフェース４０を介して臨床医に視覚、聴覚、力、および／または触覚フィードバックを提供することによって、ユーザーインタフェース４０に接続された臨床医に事実上応答する。例えば、医師がハンドルアセンブリ２００とインターフェースで接続すると、手術シミュレータは、模擬手術部位で組織に実質的に作用する代表的なツールを動かす。

ユーザーインタフェースが、図１１に示すハンドルアセンブリ２００’のような取り外し可能なハンドルアセンブリを含む実施形態では、ハンドルアセンブリは、ユーザーインタフェースからハンドルアセンブリを取り外してそれらを手術シミュレータ（図示せず）に電気的に結合することによって手術シミュレーション用のスタンドアロンモードで使用することができる。ハンドルアセンブリは、モータ電力用の薄い可撓性ワイヤを介して手術シミュレータに動作可能に接続され、ハンドルアセンブリと手術シミュレータとの間で制御信号を送受信する。ハンドルアセンブリの位置は、磁気または光学３Ｄ追跡システムなどの３Ｄ追跡システムを使用して３Ｄ空間（ＸＹＺ、ロール、ピッチ、およびヨー）で追跡され、ハンドルアセンブリの位置を測定する。このような構成は、家庭またはオフィスなどの任意の場所で使用するためのポータブル手術シミュレータを医師に提供する。手術シミュレータは、臨床医が患者の外科的処置を行う前に外科的処置を行うことを可能にすることが想定される。さらに、手術シミュレータは、臨床医の外科的処置を訓練するために使用され得る。さらに、手術シミュレータは、臨床医が外科的処置を計画できるように、提案された外科的処置中に「合併症」をシミュレートすることができる。

本開示のいくつかの実施形態が図面に示されているが、本開示は、当該技術分野が許容する範囲で広範なものであり、本明細書も同様に読まれることが意図されているので、本開示はそれらに限定されるものではない。上記の実施形態の任意の組み合わせも想定され、それは添付の特許請求の範囲の範囲内にある。したがって、上記の説明は、限定として解釈されるべきではなく、特定の実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者は本明細書に添付される特許請求の範囲の範囲内で他の修正を想定するであろう。

Claims (12)

1. ロボットシステムを制御するための制御アームアセンブリであって、
   移動可能、かつ３つの軸を中心として回転可能なジンバルと、
   前記ジンバルに結合されているハンドルアセンブリと
   を備え、前記ハンドルアセンブリは、内部に配置されたコントローラを有する本体部分を含み、前記本体部分は、ハウジングと、第１のアクチュエータとを備え、
   前記第１のアクチュエータは、前記ハウジング上に配置され、前記第１のアクチュエータは、前記第１のアクチュエータの作動が、前記コントローラによって電気信号に変換される、前記コントローラの構成要素の機械的な動きを引き起こすように、４バーリンケージを介して前記コントローラに機械的に結合され、
   前記第１のアクチュエータは、近位部分と遠位部分とを含み、前記第１のアクチュエータは、前記遠位部分が前記ハウジングから横方向に離間するように延びる付勢位置を有し、前記本体部分に向かう方向への、前記遠位部分への加力が、前記近位部分が前記ハウジングから横方向に離間するように動かされる作動位置に前記第１のアクチュエータを動かす、制御アームアセンブリ。
2. 前記４バーリンケージの第１のリンクが、前記第１のアクチュエータの前記近位部分に固定されている、請求項１に記載の制御アームアセンブリ。
3. 前記４バーリンケージは、前記ハンドルアセンブリの前記本体部分内に固定配置され、前記コントローラに動作可能に接続された第２のリンクと、前記第１および第２のリンクに旋回可能に結合されている第３および第４のリンクとをさらに含む、請求項２に記載の制御アームアセンブリ。
4. 前記第１のアクチュエータは、前記ハンドルアセンブリの前記本体部分の外面に配置されている、請求項１に記載の制御アームアセンブリ。
5. 前記ハンドルアセンブリは、前記第１のアクチュエータの前記遠位部分の上に延びるストラップを含む、請求項４に記載の制御アームアセンブリ。
6. 前記ジンバルは、前記ハンドルアセンブリの遠位端部に解放可能に結合されているコネクタを含む、請求項１に記載の制御アームアセンブリ。
7. 前記コネクタは、フランジ付き外縁部を含む、請求項６に記載の制御アームアセンブリ。
8. ロボットシステムを制御するためのハンドルアセンブリであって、
   ハウジングと第１のアクチュエータとを備える本体部分であって、前記第１のアクチュエータは、前記ハウジング上に配置されている、本体部分と、
   前記本体部分内に配置されたコントローラと、
   前記第１のアクチュエータの作動が、前記コントローラによって電気信号に変換される、前記コントローラの構成要素の機械的な動きを引き起こすように、前記コントローラと前記第１のアクチュエータとを機械的に結合している４バーリンケージとを備え、
   前記第１のアクチュエータは、近位部分と遠位部分とを含み、前記第１のアクチュエータは、前記遠位部分が前記ハウジングから横方向に離間するように延びる付勢位置を有し、前記本体部分に向かう方向への、前記遠位部分への加力が、前記近位部分が前記ハウジングから横方向に離間するように動かされる作動位置に前記第１のアクチュエータを動かす、ハンドルアセンブリ。
9. 前記４バーリンケージの第１のリンクが、前記第１のアクチュエータの前記近位部分に固定されている、請求項８に記載のハンドルアセンブリ。
10. 前記４バーリンケージは、前記本体部分内に固定配置され、前記コントローラに動作可能に接続された第２のリンクと、前記第１および第２のリンクに旋回可能に結合されている第３および第４のリンクとをさらに含む、請求項９に記載のハンドルアセンブリ。
11. 前記第１のアクチュエータは、前記本体部分の外面に配置されている、請求項８に記載のハンドルアセンブリ。
12. 前記第１のアクチュエータの前記遠位部分の上に延びるストラップをさらに備える、請求項１１に記載のハンドルアセンブリ。
    

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