特許 6720207 器具駆動装置内のロードセル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6720207

(24)【登録日】2020年6月19日

(45)【発行日】2020年7月8日

(54)【発明の名称】器具駆動装置内のロードセル

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/22 20060101AFI20200629BHJP

   A61B 34/30 20160101ALI20200629BHJP

   B25J 9/06 20060101ALI20200629BHJP

   B25J 19/02 20060101ALI20200629BHJP

【ＦＩ】

   G01L1/22 F

   A61B34/30

   B25J9/06 B

   B25J19/02

【請求項の数】15

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-554257(P2017-554257)

(86)(22)【出願日】2016年4月20日

(65)【公表番号】特表2018-517893(P2018-517893A)

(43)【公表日】2018年7月5日

(86)【国際出願番号】GB2016051079

(87)【国際公開番号】WO2016170315

(87)【国際公開日】20161027

【審査請求日】2019年4月9日

(31)【優先権主張番号】1506710.1

(32)【優先日】2015年4月21日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】516263638

【氏名又は名称】シーエムアール サージカル リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＣＭＲ ＳＵＲＧＩＣＡＬ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001966

【氏名又は名称】特許業務法人笠井中根国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100147717

【弁理士】

【氏名又は名称】中根 美枝

(74)【代理人】

【識別番号】100103252

【弁理士】

【氏名又は名称】笠井 美孝

(72)【発明者】

【氏名】マーシャル，キース

(72)【発明者】

【氏名】フールチャンド，ニッキ プリヤム ス−リン

(72)【発明者】

【氏名】ジャクソン，トーマス ベイツ

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１１−５１７４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２５４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０２−０２４３４９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１７２７１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／２２

Ｇ０１Ｌ ５／００− ５／２８

Ｂ２５Ｊ １／００−２１／０２

Ａ６１Ｂ ３４／３０−３４／３７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボットアームから器具に駆動を提供するための駆動ユニットであって、
前記器具の対応するエレメントと係合される複数の駆動エレメントを備えており、各前記駆動エレメントは駆動軸に沿って動作可能とされかつ各前記駆動エレメントの前記駆動軸は互いに実質的に平行とされており、
前記駆動軸が平行とされた前記駆動エレメントのロードセンシングのために前記駆動エレメントに結合された複数の可撓体と、各前記可撓体を、他の前記可撓体に印加されるロードから隔離するように、前記複数の可撓体を支持する一体部材からなるフレームと、を含むロードセル構造を備えている、ことを特徴とする駆動ユニット。

【請求項2】

前記駆動ユニットは複数のリードスクリューを備える一方、各前記駆動エレメントは前
記リードスクリューのそれぞれ１つと螺合するように構成されており、
前記フレームが一組のアパーチャを画定している一方、前記リードスクリューが前記ア
パーチャを貫通して延び出しかつ前記可撓体が前記フレームから前記リードスクリューま
で前記アパーチャを横切って延び出している請求項１に記載の駆動ユニット。

【請求項3】

各前記可撓体は、各前記リードスクリューが各前記可撓体に関してその長手方向の軸回
りに自由に回転できるように構成されている、少なくとも１つのベアリングを介して各前
記リードスクリューに結合されている請求項２に記載の駆動ユニット。

【請求項4】

前記可撓体は、前記駆動エレメントの前記駆動軸に垂直な平面内に並んで配置されてい
る請求項１〜３の何れか１項に記載の駆動ユニット。

【請求項5】

前記可撓体は、実質的に平坦であり、前記駆動エレメントの前記駆動軸に対して垂直に
延び出している請求項１〜４の何れか１項に記載の駆動ユニット。

【請求項6】

前記可撓体は、実質的に同一平面とされている請求項４に記載の駆動ユニット。

【請求項7】

前記フレームは、実質的に剛性を有している請求項１〜６の何れか１項に記載の駆動ユ
ニット。

【請求項8】

前記フレームは、前記可撓体と一体である請求項１〜７の何れか１項に記載の駆動ユニ
ット。

【請求項9】

各前記可撓体は、前記可撓体の撓みを検知するための歪みゲージに結合されている請求
項１〜８の何れか１項に記載の駆動ユニット。

【請求項10】

前記駆動エレメントを駆動するための複数のモータと、前記駆動エレメントおよび前記
モータを支持する剛性ハウジングと、を備えており、
前記ハウジングは、前記モータが取り付けられる第１のコンポーネントと、前記駆動エ
レメントが内部で動作可能とされた第２のコンポーネントの、２つのコンポーネントを有
しており、前記ロードセル構造が、前記第１のコンポーネントと前記第２のコンポーネン
トの間に挟まれている請求項１〜９の何れか１項に記載の駆動ユニット。

【請求項11】

前記ハウジングの前記第２のコンポーネントは、前記駆動軸の周りの前記駆動エレメン
トの回転を防止するように構成されている請求項１０に記載の駆動ユニット。

【請求項12】

各前記モータと前記リードスクリューの間にスプライン結合を有しており、各前記スプ
ライン結合は、各前記モータと各前記リードスクリュー間の軸方向の遊びを許容するよう
に構成されている請求項２に従属する請求項１０または１１に記載の駆動ユニット。

【請求項13】

外科用器具との係合のために配置された請求項１〜１２のいずれか１項に記載の駆動ユ
ニットを備えていることを特徴とする外科用ロボット。

【請求項14】

前記駆動ユニットは、前記ロボットの前記アームの先端に配置されている請求項１３に
記載の外科用ロボット。

【請求項15】

前記外科用ロボットは、前記駆動ユニットを備える可動性のアームと、前記アームに係
合された外科用器具と、を有しており、前記器具は、前記対応するエレメントを備え、前
記対応するエレメントは、それによって駆動されるように前記駆動エレメントに係合され
ている請求項１３または１４に記載の外科用ロボット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外科用ロボットアームと外科用器具間の機械的インターフェース内のロードセンシングに関するものである。

【背景技術】

【0002】

外科手術を実行するためのロボットアームを設計する際の１つの望ましい特徴は、アームが比較的小さく軽量であることである。これらの特徴は多くの利点を提供する。例えば、手術が行われる前に技術者が容易にアームを特定位置にセットできることや、より多くのアームを手術部位の周りに接近して取り付けることができることや、アームを動かすのに必要な力がかさばった装置よりも少ないことである。特にアームの遠位端におけるサイズおよび重量を低減することが望ましい。器具は通常アームの遠位端に取り付けられることから、このことはアームと器具間のインターフェースのサイズおよび重量を低減することを意味している。

【0003】

ロボット手術用の器具は、ロボットの制御下で動作可能な様々な機械的エレメントを有していてもよい。アーム上に設けられたインターフェースは、その外側に１つ以上の動作可能な機械的エレメントを含んでいてもよい。かかる機械的エレメントは、器具がインターフェース上の所定の位置にある時に、器具上の対応するエレメントと結合されていてもよい。アーム上のかかる動作可能なエレメントは、アーム内のモータまたは他のアクチュエータによって駆動されていてもよいし、かかる動作がインターフェースを介して器具の対応するエレメントに伝達されるようになっていてもよい。このようにして、器具上の機械的エレメントがアームから駆動されるようになっていてもよい。ロボットの制御システムは、器具に対する機械的駆動装置の位置およびかかる駆動装置によって印加された力に関するフィードバックを受信できることが望ましい。これを行うための１つの方法は、アームと器具間のインターフェース上に１つ以上の力センサを設けることである。

【0004】

このようなセンサを設けることの困難さは、第一にアームの大型化を回避するために小型で軽量でなければならないことである。しかも手術時に加わる力は比較的小さい場合があることから、かかるセンサは相対的に敏感で正確なものでなければならない。このことは、センサの慎重な設計を必要とする。加えて、複数のセンサが複数の力の経路上にある力を検知するように設けられている時には、１つの経路上の力が別の経路上の測定に影響を及ぼさないように配置されていることが望ましい。

【0005】

図１は、外科用アームの器具駆動装置内における力を感知することが可能な配置の１つを示したものである。モータ１がリードスクリュー２をその軸周りに回転させることができるように、リードスクリュー２にはモータ１が取り付けられている。リードスクリュー２のシャフトは、ねじ部３と非ねじ部４を備えている。ベアリング５，６は、シャフトに沿って摺動することができないように、非ねじ部４に接着されている。フォロワーナット８は、リードスクリュー２に螺合されている。フォロワーナット８は、例えば外科用アームの外壁に形成されたスロット内で動作している間は、モータ１によってリードスクリュー２が回転させられた際に回転することができないように動作が制限されている。その結果として、モータ１を用いてリードスクリュー２を回転させることは、フォロワーナット８をリードスクリュー２の軸に沿って並進移動させることになる。フォロワーナット８は、器具が外科用アームに固定された際に器具の一部分の駆動を可能とするために、器具上の対応する構造と嵌合可能な構造９を有している。

【0006】

ロードセル７は、ベアリング５，６間に配置されている。ロードセル７は、図２にさらに詳細に示されている。ロードセル７は、環状の外側ハウジング１０を備えている。膜１１は、外側ハウジング１０の内部を横切って懸架されている。２１３，１４は、膜１１の歪みを感知するように膜１１に固定されている。歪みゲージ１３，１４は、膜１１上の歪みを示す電気的出力を提供する。膜１１の中心には孔１２がある。このタイプのロードセル７は市販されている。例えば、Ｅｍｓｙｓｔ社製のＥＭＳ ７０や、ミュラーインダストリアルエレクトロニック社製のＦＯＷＡ−１という環状のロードセルがある。これらのロードセルは、ケーブル張力またはボルト圧縮の測定のような用途に用いられている。

【0007】

ロードセル７が図１の器具駆動装置に取り付けられた際には、リードスクリュー２のシャフトが孔１２を挿通した状態で、膜１１がベアリング５，６の間に挟持される。外側ハウジング１０は、ロボットアームの本体に取り付けられている。このようにして、リードスクリュー２は、ロードセル７によってロボットアームの本体から少なくとも部分的に支持されている。リードスクリュー２の軸に沿って器具から力が印加された場合には、かかる力は、構造９を通してフォロワーナット８に伝えられる。リードスクリュー２のねじ山のピッチは、軸方向の力がリードスクリュー２を回転させないようになっている。その代わりに、かかる力は、リードスクリュー２と共に長手方向に対して固定されているベアリング５，６によってロードセル７の膜１１に伝達される。かかる力は、歪みゲージ１３，１４によって検出されるようになっていてもよい。このことは、器具によって印加される力の指標を提供する。

【0008】

より複雑な器具における全ての動作を可能とするために、ロボットアームは、多くのこのような器具駆動装置を有していてもよい。図１に示すように、ロードセル７は、器具駆動装置の最も半径方向に張り出した部分にあってもよい。これにより、ロードセル７のパッケージを改善することにより、アームと器具間のインターフェースのコンパクト化に貢献することができる。インターフェースが、図１に示すタイプの複数の駆動装置を有する場合には、それらを効率的にパッケージする１つの方法は、各駆動装置のロードセル７が、隣接する駆動装置のロードセル７から長手方向にオフセットされるように駆動装置を互い違いに配置することである。しかしながら、これの欠点は、器具駆動装置の全体的な長さを増大させる傾向があることである。

【0009】

外科用ロボットアーム用としては、改善された駆動装置が必要である。

【発明の概要】

【0010】

本発明によれば、ロボットアームから器具に駆動を提供するための駆動ユニットであって、かかる駆動ユニットは、前記器具の対応するエレメントと係合される複数の駆動エレメントを備えている一方、各前記駆動エレメントは駆動軸に沿って動作可能とされかつ各前記駆動エレメントの前記駆動軸は互いに実質的に平行とされており、前記駆動軸が平行とされた前記駆動エレメントのロードセンシングのために前記駆動エレメントに結合された複数の可撓体と、各前記可撓体を、他の前記可撓体に印加されるロードから隔離するように、前記複数の可撓体を支持する一体部材からなるフレームと、を含むロードセル構造を備えている、ことを特徴とする。

【0011】

駆動ユニットは、複数のリードスクリューを備えていてもよく、各駆動エレメントは、リードスクリューのそれぞれ１つと螺合するように構成されていてもよい。フレームが一組のアパーチャを画定していてもよいし、リードスクリューがアパーチャを貫通して延び出していてもよいし、可撓体がフレームからリードスクリューまでアパーチャを横切って延び出していてもよい。

【0012】

各可撓体は、各リードスクリューが各可撓体に関してその長手方向の軸回りに自由に回転できるように構成されている、少なくとも１つのベアリングを介して各リードスクリューに結合されていてもよい。

【0013】

フレームは、アームの残りの部分に関連する駆動エレメントを駆動させるためのリードスクリューあるいは他のアクチュエータに対してほぼ垂直に延在していてもよい。可撓体は、少なくともそれらが変形されていない状態においては、フレームの周囲に置かれていてもよい。

【0014】

可撓体は、駆動エレメントの駆動軸に垂直な平面内に並んで配置されていてもよい。

【0015】

可撓体は、実質的に平坦であってもよい。可撓体は、駆動エレメントの駆動軸に対して垂直に延び出していてもよい。

【0016】

可撓体は、実質的に同一平面とされていてもよい。

【0017】

フレームは、実質的に剛性を有していてもよい。フレームは、各可撓体を他の可撓体の動きから隔離するように構成されていてもよい。

【0018】

フレームは、可撓体と一体であってもよい。

【0019】

各可撓体は、可撓体の撓みを検知するための１つ以上の歪みゲージに結合されていてもよい。

【0020】

本発明の第２の態様によれば、上記のように設定された駆動ユニットは、前記駆動エレメントを駆動するための複数のモータと、前記駆動エレメントおよび前記モータを支持する剛性ハウジングと、を備えており、前記ハウジングは、前記モータが取り付けられる第１のコンポーネントと、前記駆動エレメントが内部で動作可能とされた第２のコンポーネントの、２つのコンポーネントを有しており、前記ロードセル構造が、前記第１のコンポーネントと前記第２のコンポーネントの間に挟まれている。

【0021】

ハウジングの第２のコンポーネントは、駆動軸の周りの駆動エレメントの回転を防止するように構成されていてもよい。

【0022】

各モータとリードスクリューの間にスプライン結合を有していてもよく、各スプライン結合は、各モータと各リードスクリュー間の軸方向の遊びを許容するように構成されていてもよい。スプライン結合は、オルダム結合であってもよい。

【0023】

本発明の第３の態様によれば、外科用ロボットは、実質的に上記のように設定された駆動ユニットを備えている。

【0024】

前記外科用ロボットは、前記駆動ユニットを備える可動性のアームと、前記アームに係合された外科用器具と、を有していてもよく、前記器具は、前記対応するエレメントを備え、前記対応するエレメントは、それによって駆動されるように前記駆動エレメントに係合されている。

【図面の簡単な説明】

【0025】

本発明を、添付図面を参照して説明する。

【図1】外科用ロボットアームの駆動機構を示す図。

【図2】外科用ロボットアームのロードセルを示す図。

【図3】外科用アームを示す図。

【図4】図３の外科用アームの器具マウントを示す図。

【図5】図４の器具マウントに取り付けられた器具を示す図。

【図6】図４の器具マウントを示す端面図。

【図7】図４の器具マウントの駆動機構を示す平面図。

【図8】図７におけるＡ−Ａ断面図。

【図9】図７におけるＢ−Ｂ断面図。

【図10】複合ロードセルハウジングを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下に説明する外科用アームにおいては、動作が、アームからアームに取り付けられた器具のパーツに伝達されている。動作を伝達するために、アーム上の可動部材は、器具上の部材と機械的に連結されている。アーム上の部材は、アーム内のモータによって直線的に動作可能である。器具上の部材は、器具のエレメントを動かすことができるジョイントに動作的に結合されている。アーム上の部材は、１組の平行なリードスクリュー，ピストンまたは他のリニアアクチュエータによって駆動される。複数のアクチュエータが、共通のロードセルユニットに取り付けられている。ロードセルユニットは、複数のアクチュエータの全てに対してロードセンシングを提供する一体型エレメントである。ロードセルユニットは、１組のセンサ構造体と、これらのアクチュエータの１つと、センサ構造体を互いに接合すると共に各センサ構造体を他のセンサ構造体から機械的に分離する単一の隔離壁と、を含んでいる。隔離壁は、リニアアクチュエータの動作に対してほぼ垂直に延び出している。センサ構造体は、隔離壁内にある。今回の方法では、センサ構造体を特にコンパクトにすることができる。

【0027】

図３に、外科用ロボットのアームを示す。アームは、患者に外科手術を行うための手術台近くの適切な位置に配置することができるベース２０を有している。アームは、その長さ方向沿いに複数の剛性の部材または部位２１，２２，２３と、アームの遠位端２６を所望の位置に位置決めするために剛性の部材を互いに相対的に動かすことを可能にする複数のジョイント２４，２５と、を有している。アームの遠位部位が２３とされており、次の最遠位部位が２２とされている。器具は、図５に示すように、アームの遠位端に取り付けられ得る。今回の例では、器具は、細長いシャフト２８の遠位端にエンドエフェクタ２７を備えている。使用時には、器具を患者の身体内に通すことができ、エンドエフェクタ２７を用いて外科手術を実行することができる。外科医は、外科用ロボットとエンドエフェクタ２７のジョイントを、アームのジョイントおよびアームと器具間のインターフェース内に設けられたモータおよび位置・力センサに通信可能に連結された操作ステーションから操作することができる。

【0028】

図４に、アームの遠位端２６をより詳細に示す。アームの末端部材２３は、リストジョイント２５によってアームの最後から２番目の部材２２に取り付けられている。今回の例では、リストジョイント２５は単純な回転ジョイントであるが、例えば本発明者らの同時係属出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５３５２３に記載されているような、より複雑な構成とすることもできる。末端部材２３は、器具をアームに取り付けることができるインターフェースを規定している。インターフェースは、Ｕ字断面形状のチャンネル２９を含んでいる（図６参照）。チャンネル２９は、外科用器具の近位端と嵌合するように構成されている。複数の駆動タブ３０がチャンネル２９内に突出している。各駆動タブ３０は、アームの外壁内のそれぞれの窓３１を貫通して延びている。これらの窓３１は互いに平行である。窓３１の延長方向は、アームの遠位先端の方を向いている。アームの外壁の内側には、各駆動タブ３０に対して駆動機構が設けられており、かかる駆動機構はそれぞれの駆動タブ３０をその窓３１の長さ方向に沿って駆動できるように構成されている。駆動タブ３０は、ツールがインターフェースに取り付けられた時にツール上の対応する駆動エレメントが駆動タブ３０と係合するように構成されかつ配置されている。ツール上のこれらのエレメントは、ツール上の動作可能な外部エレメント、例えば図５のエンドエフェクタ２７の顎部またはツールのシャフトが方向を変えることを可能にするジョイント、に連結されている。これにより、ツールがインターフェース上の所定位置に固定されると、ツールの動作可能な外部エレメントがアーム内の駆動機構の操作により動作可能となる。ツール上の各駆動エレメントは、ツールのシャフト内を通る可撓性繊維に取り付けられていてもよく、その際にはそれぞれ動作可能な外部エレメントの１つに結合されている。このようにして、アーム上の駆動タブ３０が動かされると、それに結合された駆動エレメントを動かすことになり、その駆動エレメントに結合された可撓性繊維が次々に動かされて、器具の可動コンポーネントを動かすことになる。

【0029】

図６は、アームの遠位端２６の端面図である。図６は、アームの末端部材２３の内部に駆動ユニット３２があることを示している。駆動ユニット３２は、駆動タブ３０を動かす駆動機構を備えている。駆動ユニット３２は、図７〜図９に詳細に示されている。

【0030】

駆動ユニット３２は、３つの駆動タブ３０を駆動するための３つの独立して操作可能な駆動機構を備えている。以下の説明では、各駆動機構の類似のコンポーネントは、同一の参照番号によって示され、サフィックス“ａ”、“ｂ”および“ｃ”でもってそれぞれ３つの駆動機構のパーツを識別する。

【0031】

各駆動機構はリードスクリュー４０を備えている。リードスクリュー４０の一端はエンドベアリング４１に支持されている。リードスクリュー４０の他端は、リードスクリュー４０を電動モータ４３に結合するマルチパートモータカプラ４２と回転可能に固定されている。今回の例では、カプラ４２はオルダムカプラである。カプラ４２の一つの目的は、モータ４３の回転軸とリードスクリュー４０との間の小さな半径方向のオフセットを調整することである。リードスクリュー４０の主要部４４にはねじが切られている。フォロワーナット４５は、ねじ部上を動く。ナット４５には雌ねじが切られており、リードスクリュー４０と螺合している。リードスクリュー４０の両端部４６は滑らかである。２つのベアリング４７，４８が、それらがリードスクリュー４０と軸方向に固定されるように滑らかな両端部４６に取り付けられている。ベアリング４７，４８は、接着剤を用いてリードスクリュー４０に固定されていてもよいし、リードスクリュー４０上の半径方向外方に延びる肩部４９と、リードスクリュー４０に螺合されたロックナット５０との間に挟持されていてもよい。フォロワーナット４５は、駆動タブ３０を構成する構造５１（図８）を有している。構造５１は、外科用器具上の対応する構造と係合して、器具上の構造をリードスクリュー４０の軸に沿って前後に動かすように構成されている。

【0032】

エンドベアリング４１は、駆動機構の本体ブロック６０に支持されている。モータ４３は、駆動機構のエンドブロック６１に支持されている。本体ブロック６０とエンドブロック６１とは、エンドブロック６１内の滑らかな両端の穴を貫通して本体ブロック６０内のねじ孔に挿入されているボルト（図示せず）によって一体に取り付けられている。

【0033】

本体ブロック６０とエンドブロック６１の間には、複合ロードセルユニット６３が挟まれている。複合ロードセルユニット６３は、図９の端部に示されていると共に、図１０において様々な図で示されている。複合ロードセルユニット６３は、略剛体のフレームを構成する一体型の本体エレメントと、フレームと一体である一組の幾分かの可撓性を有するウェブ６５と、を備えている。フレームは３つの環状リング６４ａ，６４ｂ，６４ｃを構成しており、駆動機構に設置されると、それらの壁はリードスクリュー４０の軸線と平行に延びている。リング６４ａ，６４ｂ，６４ｃは互いに一体化されている。ウェブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃは、環状リング６４ａ，６４ｂ，６４ｃのそれぞれ１つの内部を横切って延びている。各ウェブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃの中心には、フランジ６６ａ，６６ｂ，６６ｃと、スルーホール６７ａ，６７ｂ，６７ｃがある。複合ロードセルユニット６３が駆動機構に設置されると、リードスクリュー４０は各スルーホール６７を貫通すると共に、各フランジ６６は各ベアリング４７，４８間に挟持される。ベアリングとロードセルの間にパッキンカップが介在されていてもよい。ベアリング４７，４８はそれぞれのリードスクリュー４０に対して軸方向に固定されていることから、ウェブ６５の中央部もまたリードスクリュー４０に対して軸方向に取り付けられている。一方、ウェブ６５の外側部分は、フレームの本体ブロック６０に対してボルト６２で保持されている、フレームのそれぞれの環状リング６４と一体とされている。

【0034】

歪みゲージ６８はウェブ６５に結合されている。ウェブ６５は薄くて幾分可撓性を有していることから、スルーホール６７を貫通するリードスクリュー４０によってフランジ６６に軸方向の荷重が印加されると、ウェブ６５は撓むことができる。かかる撓みは、各リードスクリュー４０の軸方向荷重を示す電気的出力を提供する歪みゲージ６８によって感知することができる。ウェブ６５は実質的に剛性のある環状リング６４によって互いに分離されていることから、各リードスクリュー４０の荷重を独立して検知することができる。ウェブ６５の代わりの撓み可能なエレメントは、指状または梁状であってもよい。ウェブ６５間のより厚いおよび／またはより剛性の高い領域はウェブ６５間の力の伝播を抑制しており、このことは別の歪みゲージに関連する力経路からの力によってある歪みゲージによる測定が改悪される危険性を低減している。

【0035】

複合ロードセルユニット６３のフレームは、３つのリードスクリュー４０ａ，４０ｂ，４０ｃのそれぞれ１つに対応する３つのセンサのためのキャリアとして振る舞う。このように単一のキャリアによりこれらを統合することにより、省スペース化を図ることができる。

【0036】

複合ロードセルユニット６３のフレームは、全ての３つのロードセルの可撓性エレメント６５を支持する単一材料で形成された一体構造である。かかる材料は、例えばアルミニウムのような金属材料であってもよいし、あるいはポリマー材料であってもよい。フレームは、可撓性エレメント６５が互いに同一平面内にあるように配置されている。ウェブ６５は平坦である。複合ロードセルユニット６３は、３つのウェブ６５が同一平面になるように配置されている。３つのロードセルが、リードスクリュー４０の回転軸を横断する共通平面内に並んで配置されていることから、駆動機構を特にコンパクトにすることができる。さらに、複合ロードセルユニット６３が組み立てられて駆動機構の本体ブロック６０に一体的に取り付けることができることから、駆動機構を組み立てる作業がより容易になされている。

【0037】

ウェブ６５を支持するフレームは、それ自体可撓性を有していてもよい。フレームは駆動機構の本体ブロック６０に対してボルト止めされていることから、本体ブロック６０がフレームを強化しかつあるウェブ６５上のロードを他から隔離することを当てにされてもよい。

【0038】

上述したように、リードスクリューの主要部４４は、フォロワーナット４５に直線運動を伝達するために、回転駆動されている。ロードセルは、リードスクリュー４０の軸方向荷重の測定に影響を与えないようにかかる回転から隔離されていることが望ましい。そのために、各ロードセルに関連する可撓性ウェブ６５が、以下のようにして各リードスクリュー４０に取り付けられている。可撓性ウェブ６５は、その半径方向内側部分において、ウェブ６５の可撓性部位よりも厚いリングまたはフランジ６６を有している。フランジ６６は、２つのベアリング４７，４８の間に配置されている。リードスクリュー４０のシャフトの基端部４６がベアリング４７，４８およびフランジ６６を貫通している。ベアリング４７，４８は、リードスクリュー４０の半径方向突起４９と、リードスクリュー４０に螺合されかつベアリング４７，４８とフランジ６６を一緒にパックするために締結される締結ナット５０と、の間に捕捉されることによりフランジ６６に対して堅固に固定されている。各ベアリング４７，４８は、その軸方向の面の一方の他方に対する自由な回転を許容しているが、軸方向に実質的に非圧縮性である。このことは、リードスクリュー４０が回転すると、フランジ６６とそれゆえウェブ６５がかかる回転から隔離されていることを意味している。一方、リードスクリュー４０が軸方向に動かされると、その動きは、ウェブ６５の変形として測定できるように忠実にフランジ６６に伝えられる。ウェブ６５がリードスクリュー４０の回転運動から実質的に隔離されているという事実は、力測定の精度を向上させる。フランジ６６がウェブ６５よりも厚いという事実は、ベアリング４７，４８の隣接する面が共にウェブ６５から離間していることを意味している。このことは、ウェブ６５がベアリング４７，４８の面に衝突することなく軸方向に撓むことを許容している。

【0039】

カプラ４２は、３つのパーツ９０，９１，９２を備えている（図８参照）。パーツ９０〜９２は、各リードスクリュー４０の軸方向に沿って略直列に配置されている。パーツ９２は、リードスクリュー４０に堅固に取り付けられている。パーツ９０は、モータ４３の出力シャフトに堅固に取り付けられている。パーツ９１は、パーツ９０とパーツ９２の間に位置しており、パーツ９０からパーツ９２に回転を伝えることができるように両者にスプライン結合されている。パーツ９１とパーツ９０，９２間のスプラインジョイントは、軸方向の遊びを可能とされている。これにより、リードスクリュー４０の軸方向の動きがモータ４３からの抵抗によって改悪されることを回避しつつ、リードスクリュー４０を回転駆動させることができる。また、これにより、測定精度も向上できる。その先端部では、リードスクリュー４０がエンドベアリング４１の軸方向に摺動自在とされている。スプライン結合における所望の量の軸方向の遊びを維持するために、かかる結合は、パーツ９０，９１，９２間にスペーサを用いて組み立てることができる。一旦残りのパーツが所定位置にセットされたとしても、使用前であればスペーサを除去することができる。カプラ４２が３つのパーツ９０，９１，９２を有していてもよく、図示のように、これらの間にスプライン結合を有する２つのパーツまたはそれ以上のパーツを有していてもよい。スプラインは、任意の適切な形状であってよい。例えば、図に示すような放射状の凹凸を有していてもよいし、嵌合部の対応する孔に嵌合するキャスタレーションあるいは軸ピンを有していてもよい。モータの出力シャフトは、リードスクリューのシャフトに対して摺動可能なスプライン結合によって直接連結されていてもよいし、例えば、不規則な筒形状を有する出力シャフトやリードスクリュー内の対応するキー溝に嵌合する出力シャフトによって直接連結されていてもよい。

【0040】

本体ブロック６０はナット４５を取り囲んでいる一方、器具の対応する構造と係合するための構造５１を部分的に取り囲んでいる。本体ブロック６０は、ナット４５と相互に作用する細長い壁またはリブのような構造および／またはリードスクリュー４０が回転された際にそれらが本体ブロック６０に対して回転することを防止する構造５１を備えていてもよい。

【0041】

図１０のロードセルにおいて、ウェブ６５はフレームと一体である。別の設計では、ウェブ６５／膜は、フレームに取り付けられた別体のコンポーネントで構成されていてもよい。

【0042】

図に示された駆動配置では、駆動は器具に伝達され、負荷はリードスクリュー４０によって器具からロードセルに伝えられる。駆動および負荷を伝達するために、他の手法を用いてもよい。例えば、ウェブ６５の面に平行な軸周りに回転するピニオンを有するモータがウェブ６５に取り付けられていてもよいし、フランジ６６を有するスルーホール６７を貫通するボルトによって伝達してもよい。モータのピニオンは、器具上のラックまたは他のギアに係合されていてもよい。

【0043】

上述したように、駆動機構は、ロボットのアームに取り付けることができる、好ましくは、器具に機械的駆動インターフェースを提供するためにロボットの遠位部位に取り付けられていることが好ましい。ロボットは、外科用ロボットであってもよい。器具は、外科用器具であってもよい。例えば、器具は、切断、把持、撮像または照射ツールであってもよい。

【0044】

出願人はこれによって、ここに記載の分離した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合せが本明細書に開示される任意の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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】