JP2021145728A - 術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム - Google Patents
術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021145728A JP2021145728A JP2020045836A JP2020045836A JP2021145728A JP 2021145728 A JP2021145728 A JP 2021145728A JP 2020045836 A JP2020045836 A JP 2020045836A JP 2020045836 A JP2020045836 A JP 2020045836A JP 2021145728 A JP2021145728 A JP 2021145728A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- strain
- shaft
- layer
- causing
- surgical instrument
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
- A61B17/28—Surgical forceps
- A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/71—Manipulators operated by drive cable mechanisms
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/76—Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
- A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
- A61B2017/00367—Details of actuation of instruments, e.g. relations between pushing buttons, or the like, and activation of the tool, working tip, or the like
- A61B2017/00398—Details of actuation of instruments, e.g. relations between pushing buttons, or the like, and activation of the tool, working tip, or the like using powered actuators, e.g. stepper motors, solenoids
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
- A61B17/28—Surgical forceps
- A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery
- A61B2017/2901—Details of shaft
- A61B2017/2902—Details of shaft characterized by features of the actuating rod
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
- A61B2034/301—Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
- A61B2034/305—Details of wrist mechanisms at distal ends of robotic arms
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
- A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
- A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
- A61B34/37—Master-slave robots
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- Robotics (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Pathology (AREA)
- Ophthalmology & Optometry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
【課題】外力検出機能を有する術具ユニットを提供する。【解決手段】術具ユニットは、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を具備する。前記起歪部は、それぞれ複数本の脚で前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体からなる第1層の起歪体と第2層の起歪体を前記シャフトの長軸方向に順に配置して構成される。前記第1の起歪体は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第2の起歪体は、前記平面に対して前記第1の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している。【選択図】 図12
Description
本明細書で開示する技術(以下、「本開示」とする)は、例えば手術用ロボットに適用され外力検出機能を有する術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システムに関する。
マスタスレーブ方式の手術用ロボットにおいては、エンドエフェクタに作用する外力(例えば、術具先端が患部から受ける外力)を検出して、安全性及び操作性の向上のため、マスタ側で操作するオペレータにフィードバックする技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照のこと)。また、術具(先端多自由度エンドエフェクタ)を細径に保ちつつ、先端で多自由度を実現するためには、複数本のケーブル(ワイヤ)により根本のアクチュエータの駆動力を先端の出力軸に伝達するケーブル駆動方式を使うのが有効である。
術具の先端にかかる力をセンシングするために、ケーブルドライブの根元側に力センサを搭載すると、力センサの重量が大きいためにアーム動作時に慣性力がノイズとして力センサの計測値に載ってしまうおそれがある。また、エンドエフェクタのグリッパ部に力センサを搭載すると、電気配線や光ファイバーをグリッパ部まで取りまわす必要があるために先端の可動域を阻害する原因となり易い。たとえば、ケーブル駆動装置のシャフト部分で力をセンシングできれば上記課題を回避することは可能ではあるが、シャフトの周囲に歪センサを配置しただけでは外力と複数のケーブルによる張力が干渉してしまい正確に外力を測定することが困難である。
本開示の目的は、手術用ロボットに適用され、ケーブルの張力による干渉を受けずに外力検出機能を有する術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システムを提供することにある。
本開示の第1の側面は、
先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
中空形状のベースと、
前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
を具備する術具ユニットである。
先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
中空形状のベースと、
前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
を具備する術具ユニットである。
前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する。
前記起歪部は、それぞれ複数本の脚で前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体からなる第1層の起歪体と第2層の起歪体を前記シャフトの長軸方向に順に配置して構成される。前記第1の起歪体は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第2の起歪体は、前記平面に対して前記第1の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している。
また、本開示の第2の側面は、
中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
を具備する力検出装置である。
中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
を具備する力検出装置である。
また、本開示の第3の側面は、
術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
手術支援システムである。
術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
手術支援システムである。
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置(又は特定の機能を実現する機能モジュール)が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。
本開示によれば、エンドエフェクタを駆動するワイヤの牽引力による干渉を取り除いて外力を検出する機能を有する術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システムを提供することができる。
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。
本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
以下、図面を参照しながら本開示に係る技術について、以下の順に従って説明する。
A.システム構成
B.術具ユニットの構成
C.外力検出システムの配置
D.外力検出システムの構成
D−1.起歪体の構造
D−2.外力による起歪体の歪みモード
D−3.力推定式
E.起歪体の実装例
F.術具ユニットの具体的構造並びに組み立て方法
B.術具ユニットの構成
C.外力検出システムの配置
D.外力検出システムの構成
D−1.起歪体の構造
D−2.外力による起歪体の歪みモード
D−3.力推定式
E.起歪体の実装例
F.術具ユニットの具体的構造並びに組み立て方法
A.システム構成
図1には、手術支援ロボット1の外観構成例を示している。図示の手術支援ロボット1は、多リンク構造からなるアーム12を備え、そのアーム12の先端に、術具ユニット11が搭載されている。術具ユニット11は、手術支援ロボット1又はアーム12から取り外して交換可能であってもよい。手術支援ロボット1は、例えば腹腔鏡下手術に適用され、術具ユニット11の先端部がトロッカー(図示しない)を経由して腹腔内に挿入して、患部の把持や切除といった施術が実施される。
図1には、手術支援ロボット1の外観構成例を示している。図示の手術支援ロボット1は、多リンク構造からなるアーム12を備え、そのアーム12の先端に、術具ユニット11が搭載されている。術具ユニット11は、手術支援ロボット1又はアーム12から取り外して交換可能であってもよい。手術支援ロボット1は、例えば腹腔鏡下手術に適用され、術具ユニット11の先端部がトロッカー(図示しない)を経由して腹腔内に挿入して、患部の把持や切除といった施術が実施される。
図示の手術支援ロボット1は、例えばマスタスレーブシステムにおけるスレーブ装置として利用されてもよく、マスタ装置(図示しない)からの指令に従ってアーム12並びに術具ユニット11が駆動する。また、手術支援ロボット1は、術具を備えたアームとして術者により直接操作されて動作することも可能である。
アーム12は、極座標型ロボット、円筒座標型ロボット、直角座標系型ロボット、垂直多関節型ロボット、水平多関節型ロボット、パラレルリンク型ロボット、RCM(Remote Center of Motion)型ロボットなどのうちいずれの機構型のロボットであってもよい。手術支援ロボット1が腹腔鏡手術に使用されることを想定した場合には、機構のコンパクト性や、トロッカー箇所でのピボット動作生成の容易性などの観点から、アーム12として、垂直多関節型や、駆動回転中心から離れた位置に遠隔回転中心を配置してピボット(不動点)運動を実現するRCM型のアームを用いることが好ましい。
図1では1本の術具ユニットのみを装着可能な手術支援ロボット1の構成例を示したが、同時に複数本の術具ユニットを装着して腹腔鏡下手術を実施可能な手術支援ロボットであってもよい。
手術支援ロボット1がマスタスレーブシステムのスレーブ装置に適用される場合、オペレータがマスタ装置を使って、対象物を傷付けることなく、正確且つ効率的にスレーブ装置としての手術支援ロボット1を遠隔操作するには、アーム12の位置や、術具ユニット11に加わる外力などの情報をマスタ装置にフィードバックすることが望ましい。
B.術具ユニットの構成
図2には、手術支援ロボット1に適用される術具ユニットの一構成例を示している。図示の術具ユニット100は、長手軸を有する中空のシャフト102と、シャフト102の一端の術具ユニット先端部101と、シャフト102の他端の術具ユニット駆動部103を備えている。術具ユニット先端部101は、シャフト102に対しヨー軸と平行な第1軸回りに旋回可能なリストエレメントと、リストエレメントの先端にピッチ軸と平行な第2軸を開閉軸として開閉動作するエンドエフェクタを含んでいる。エンドエフェクタは、第2軸を中心に旋回して開閉動作する一対の対向するジョー部材からなる。但し、第2軸は第1軸からオフセットさせた位置に配置されている。また、術具ユニット駆動部103は、術具ユニット先端部101における各ジョー部材をそれぞれ駆動する2個のアクチュエータと、リストを駆動する1個のアクチュエータを備えている。
図2には、手術支援ロボット1に適用される術具ユニットの一構成例を示している。図示の術具ユニット100は、長手軸を有する中空のシャフト102と、シャフト102の一端の術具ユニット先端部101と、シャフト102の他端の術具ユニット駆動部103を備えている。術具ユニット先端部101は、シャフト102に対しヨー軸と平行な第1軸回りに旋回可能なリストエレメントと、リストエレメントの先端にピッチ軸と平行な第2軸を開閉軸として開閉動作するエンドエフェクタを含んでいる。エンドエフェクタは、第2軸を中心に旋回して開閉動作する一対の対向するジョー部材からなる。但し、第2軸は第1軸からオフセットさせた位置に配置されている。また、術具ユニット駆動部103は、術具ユニット先端部101における各ジョー部材をそれぞれ駆動する2個のアクチュエータと、リストを駆動する1個のアクチュエータを備えている。
図3には、術具ユニット先端部101を拡大して示している。また、図4には、術具ユニット駆動部103を拡大して示している。また、図5には、術具ユニット100の自由度構成例を示している。また、図6には、術具ユニット100の自由度構成を簡略化して描いている。
術具ユニット先端部101は、リストエレメントWEと開閉型のエンドエフェクタを含んでおり、エンドエフェクタは第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2という一対の対向するジョー部材からなる(例えば、図2を参照のこと)。リストエレメントWEは根元付近で、シャフト102の先端(遠位端)の、ヨー軸と平行な第1軸回りに旋回可能に支持されている。また、エンドエフェクタを構成する第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2は、リストエレメントWEの先端の、ピッチ軸と平行な第2軸回りに旋回可能に支持されている。第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2は、第2軸を開閉軸とする開き角度が変化して開閉動作する。
また、術具ユニット駆動部103は、第1のジョー部材J1の駆動に使用される第1のモータM1と、第2のジョー部材J2駆動に使用される第2のモータM2と、リストエレメントWEの駆動に使用される第3のモータM3を備えている(例えば、図4、図5を参照のこと)。また、これら第1乃至第3のモータM1〜M3の各出力軸には、駆動キャプスタンとしての第1乃至第3のモータキャプスタンMC1、MC2、MC3がそれぞれ取り付けられている(例えば、図6を参照のこと)。第1乃至第3のモータM1〜M3の各々に回転モータを使用することを想定しているが、減速機付きのモータであってもよい。
第1のモータキャプスタンMC1には第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bが巻き付けられており、第1のモータキャプスタンMC1を第1のモータM1で回転させることで、ケーブルループ方式により第1のジョー部材J1を駆動する。また、第2のモータキャプスタンMC2には第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bが巻き付けられており、第2のモータキャプスタンMC2を第2のモータM2で回転させることで、ケーブルループ方式により第2のジョー部材J2を駆動する。
図4及び図5を参照すると、第1のモータM1は、シャフト102の長手軸方向にスライド動作する第1のスライドベースSB1上に支持され、第2のモータM2は、シャフト102の長手軸方向にスライド動作する第2のスライドベースSB2上に支持されている。また、第3のモータキャプスタンMC3には、第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bが第3のアイドラプーリP3a及びP3bを経由して巻き付けられている。第3の往路のケーブルC3aの他端は第1のスライドベースSB1に固定され、第3の復路のケーブルC3bの他端は第2のスライドベースSB2に固定されている。そして、第3のモータM3は、ケーブルループ方式により第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bを牽引することで、第1のスライドベースSB1と第2のスライドベースSB2をシャフト102の長手軸方向に互いに逆方向に進退動作させることができる。
図3を参照すると、第1のジョー部材J1は、第2軸回りに旋回可能となるように、根元付近でリストエレメントWEに支持されている支持されている。同様に、第2のジョー部材J2は、第2軸回りに旋回可能となるように、根元付近でリストエレメントWEに支持されている支持されている。したがって、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の開き角が増大又は減少するように(言い換えれば、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の差が変化するように)、各々を第2軸回りに旋回させることによって、エンドエフェクタの開閉動作が実現する。また、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の開き角を一定に保ったまま(言い換えれば、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の和が変化するように)、両者を同時に第2軸回りに旋回させることによって、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2からなるエンドエフェクタの第2軸回りの旋回動作が実現する。
図3及び図5を参照すると、第1のジョー部材J1の根元付近には、上記の第2軸を回転軸とする第1のジョーキャプスタンJC1が形設されている。第1のジョーキャプスタンJC1には、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bが巻き付けられている。図4及び図5に示したように、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bは、術具ユニット駆動部103側で、第1のモータキャプスタンMC1に巻き付けられている。したがって、第1のモータM1の回転方向に応じてケーブルC1a及びC1bのいずれか一方に牽引力が作用して、第1のジョー部材J1の第2軸回りの旋回動作が実現する。第1のジョー部材J1は、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bを使ってケーブルループ方式により駆動されるので、第1のジョー部材J1の広可動域化を実現することができる。
また、図3及び図5を参照すると、第2のジョー部材J2の根元付近には、上記の第2軸を回転軸とする第2のジョーキャプスタンJC2が形設されている。第2のジョーキャプスタンJC2には、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bが巻き付けられている。図4及び図5に示したように、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bは、術具ユニット駆動部103側で、第2のモータキャプスタンMC2に巻き付けられている。したがって、第2のモータM2の回転方向に応じてケーブルC2a及びC2bのいずれか一方に牽引力が作用して、第2のジョー部材J2の第2軸回りの旋回動作が実現する。第2のジョー部材J2は、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bを使ってケーブルループ方式により駆動されるので、第2のジョー部材J2の広可動域化を実現することができる。
続いて、術具ユニット100における各ケーブルのレイアウトと、術具ユニット先端部101の具体的な動作方法について説明する。
第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bと第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bをそれぞれシャフト102内に挿通するように第1軸付近で方向変換させ、さらにはシャフト102内での各ケーブルのレイアウトを調整するために、アイドラプーリが使用される。
図3及び図5に示すように、第1の往路のケーブルC1aは、第2軸に直交する方向に牽引されるが、第1軸を回転軸とする第1のアイドラプーリP11aによって第1軸に直交する方向に方向変換され、さらに第1のアイドラプーリP11aに隣接し第1軸と平行な回転軸を持つ第1の隣接アイドラプーリP12aによってシャフト102内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第1の往路のケーブルC1aは、シャフト102内を挿通した後、図4に示すようにアイドラプーリP13aを経由して第1のモータキャプスタンMC1に巻き付けられる。
一方、第1の復路のケーブルC1bは、第2軸に直交する方向に牽引されるが、第1軸を回転軸とする第1のアイドラプーリP11bによって第1軸に直交する方向に方向変換され、さらに第1のアイドラプーリP11bに隣接し第1軸と平行な回転軸を持つ第1の隣接アイドラプーリP12bによってシャフト102内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第1の復路のケーブルC1bは、シャフト102内を挿通した後、図4に示すようにアイドラプーリP13bを経由して第1のモータキャプスタンMC1に、第1の往路のケーブルC1aとは逆方向から巻き付けられる。
要するに、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bは、ケーブルループ方式により第1のジョーキャプスタンJC1と第1のモータキャプスタンMC1間の動力伝達を行うようにレイアウトされている。したがって、図6からも分かるように、第1のモータキャプスタンMC1を第1のモータM1で回転させることで、第1のジョーキャプスタンJC1を回転させて、第1のジョー部材J1の第2軸回りの旋回角度を調整することができる。
また、図3及び図5に示すように、第2の往路のケーブルC2aは、第2軸に直交する方向に牽引されるが、第1軸を回転軸とする第2のアイドラプーリP21aによって第1軸に直交する方向に方向変換され、さらに第2のアイドラプーリP21aに隣接し第1軸と平行な回転軸を持つ第2の隣接アイドラプーリP22aによってシャフト102内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第2の往路のケーブルC2aは、シャフト102内を挿通した後、アイドラプーリP23aを経由して第2のモータキャプスタンMC2に巻き付けられる。
一方、第2の復路のケーブルC2bは、第2軸に直交する方向に牽引されるが、第1軸を回転軸とする第2のアイドラプーリP21bによって第1軸に直交する方向に方向変換され、さらに第2のアイドラプーリP21bに隣接し第1軸と平行な回転軸を持つ第2の隣接アイドラプーリP22bによってシャフト102内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第1の復路のケーブルC1bは、シャフト102内を挿通した後、アイドラプーリP23bを経由して第2のモータキャプスタンMC2に、第2の往路のケーブルC2aとは逆方向から巻き付けられる。
要するに、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bは、ケーブルループ方式により第2のジョーキャプスタンJC2と第2のモータキャプスタンMC2間の動力伝達を行うようにレイアウトされている。したがって、図6からも分かるように、第2のモータキャプスタンMC2を第2のモータM2で回転させることで、第2のジョーキャプスタンJC2を回転させて、第2のジョー部材J2の第2軸回りの旋回角度を調整することができる。
第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の差が変化するように、第1のモータM1及び第2のモータM2によって第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bと第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bの牽引力を制御することで、1対のジョー部材J1及びJ2からなるエンドエフェクタの開閉動作を行うことができる。開閉角度は、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の差分で決定される。
また、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の和が変化するように第1のモータM1及び第2のモータM2によって第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bと第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bの牽引力を制御することで、エンドエフェクタを第2軸回りに旋回動作させることができる。第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の平均値がエンドエフェクタの第2軸回りの旋回角度となる。
他方、第1のモータM1は、第1のモータキャプスタンMC1と各アイドラプーリP13a及びP13bとともに、第1のスライドベースSB1に固定されている。また、第2のモータM2は、第2のモータキャプスタンMC2と各アイドラプーリP23a及びP23bとともに、第1のスライドベースSB1に固定されている。そして、第1のスライドベースSB1には、アイドラプールP3aを経由して第3の往路のケーブルC3aが結合されている。また、第2のスライドベースSB2には、第3のアイドラプーリP3bを経由して第3の復路のケーブルC3bが結合されている。
なお、第1のスライドベースSB1から第3のアイドラプーリP3aの区間での第3の往路のケーブルC3a、並びに第2のスライドベースSB2から第3のアイドラプーリP3bの区間での第3の復路のケーブルC3bは、シャフト102の長手軸に対して平行となるようにレイアウトされていることが望ましい。
要するに、第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bは、第3のモータキャプスタンMC3と第1のスライドベースSB1及び第2のスライドベースSB2間の動力伝達を行うようにレイアウトされている。したがって、第3のモータキャプスタンMC3を第3のモータM3で回転させることで、第1のスライドベースSB1と第2のスライドベースSB2をシャフト102の長手軸方向に互いに逆方向に進退動作させることができる。
図5や図6を参照すると、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bは、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1aが第1のアイドラプーリP11a及びP11bに巻き付けられている方向とか逆の方向から、第2のアイドラプーリP21a及びP21bに巻き付けられている。このため、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1aを後退させたときと、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2aを後退させたときで、リストエレメントWEには第1軸回りに逆向きの回転力が加わることになる。したがって、第1のスライドベースSB1をシャフト102の先端(すなわち、遠位端)に前進させ、第2のスライドベースSB2をシャフト102の根元側(すなわち、近位端)に後退させると、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1aが前進するとともに第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bが後退することとなり、結果としてリストエレメントWEは第1軸回りに正方向に回転する。逆に、第1のスライドベースSB1を後退させ、第2のスライドベースSB2を前進させると、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1aが後退するとともに第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bが前進することとなり、結果としてリストエレメントWEは第1軸回りに負方向に回転する。ここで、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bと第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bのいずれも全長が一定であることを前提とする。
第3のモータM3で第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bを牽引して、第1のスライドベースSB1と第2のスライドベースSB2のスライド動作を通じて、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bと第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bを進退動作させることにより、リストエレメントWEを第1軸回りに旋回動作させることができる。また、リストエレメントWEを第1軸回りに旋回動作させる際に、第1の往復のケーブルセットC1a及びC1bと第2の往復のケーブルセットC2a及びC2bの予張力が変化しない。
術具ユニット先端部101の動作方法についてまとめておく。
第1軸における動作:
第3のモータM3で第3のモータキャプスタンMC3を回転させると、第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bのいずれかに牽引力が発生する。これによって、リストエレメントWE及びリストエレメントWEに搭載されたエンドエフェクタを、第1軸回りに正方向又は逆方向に旋回させることができる。
第3のモータM3で第3のモータキャプスタンMC3を回転させると、第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bのいずれかに牽引力が発生する。これによって、リストエレメントWE及びリストエレメントWEに搭載されたエンドエフェクタを、第1軸回りに正方向又は逆方向に旋回させることができる。
第2軸における動作:
第1のジョー部材J1の第2軸回りの角度と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の平均値をエンドエフェクタの第2軸回りの角度とする。第1のジョーキャプスタンJC1及び第2のジョーキャプスタンJC2を同じ方向に同じ速度で回転させることで、エンドエフェクタの第2軸回りの旋回動作が生成される。
第1のジョー部材J1の第2軸回りの角度と第2のジョー部材J2の第2軸回りの角度の平均値をエンドエフェクタの第2軸回りの角度とする。第1のジョーキャプスタンJC1及び第2のジョーキャプスタンJC2を同じ方向に同じ速度で回転させることで、エンドエフェクタの第2軸回りの旋回動作が生成される。
エンドエフェクタの動作:
エンドエフェクタは、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2という一対の対向するジョー部材からなる(例えば、図3を参照のこと)。第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の開き角度をエンドエフェクタの開閉角度とする。第1のモータキャプスタンMC1と第2のモータキャプスタンMC2を反対方向に同じ速度で回転させることで、エンドエフェクタの開閉動作が生成される。
エンドエフェクタは、第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2という一対の対向するジョー部材からなる(例えば、図3を参照のこと)。第1のジョー部材J1と第2のジョー部材J2の開き角度をエンドエフェクタの開閉角度とする。第1のモータキャプスタンMC1と第2のモータキャプスタンMC2を反対方向に同じ速度で回転させることで、エンドエフェクタの開閉動作が生成される。
なお、術具ユニット100の詳細については、本出願人に既に譲渡されている特願2019−166763号明細書を参照されたい。
また、用語について説明しておく。上記の術具ユニット100では、「アイドラプーリ」と「キャプスタン」の2種類のプーリを使用している。アイドラプーリは、「自由滑車」のことであり、ケーブルのレイアウト調整や、ケーブルにテンションを加える用途で使用される。キャプスタンは、動力を加える用途や、反対にケーブルからの力を軸力に変換する用途で使用される。
また、以下の説明では、特に言及しない限り、術具ユニットは、シャフトと、シャフトの先端に取り付けられた鉗子などのエンドエフェクタと、シャフトを支持するベースからなり、シャフトをベースから取り外して交換可能であるものとする。鉗子や攝子などのエンドエフェクタに牽引力を与えるケーブルはシャフト内部に挿通され、ベースにはケーブルを牽引するモータが配設されている。上述したスライドベースはベースに相当する。ケーブルは、「ワイヤ」と呼ばれることもあるが、本明細書では「ケーブル」に統一する。
C.外力検出システムの配置
術具ユニットに加わる外力などの情報をマスタ装置にフィードバックするためには、術具ユニットの先端に加わる外力を検出する検出システムが必要である。また、外力検出システムは、術具ユニットの長手方向(又は、シャフト方向)であるZ方向に作用する外力と、Z方向と直交するXY方向に作用する外力を含む、少なくとも3方向を検出可能な3DoF(Degrees of Freedom:自由度)を有することが望ましい。
術具ユニットに加わる外力などの情報をマスタ装置にフィードバックするためには、術具ユニットの先端に加わる外力を検出する検出システムが必要である。また、外力検出システムは、術具ユニットの長手方向(又は、シャフト方向)であるZ方向に作用する外力と、Z方向と直交するXY方向に作用する外力を含む、少なくとも3方向を検出可能な3DoF(Degrees of Freedom:自由度)を有することが望ましい。
術具ユニットに加わる外力を検出する外力検出システムの構成方法について考察する。上記B項では、シャフトの先端に対してリストを例えばヨー軸回りに旋回させる第1軸と、リストに対してエンドエフェクタの向きを例えばピッチ軸回りに旋回させる第2軸と、ジョー部材を開閉操作する第3軸(開閉軸)、という合計3自由度を持つ術具ユニット100について説明した。B項で説明した術具ユニット100は、3本の往復のケーブルと、3個のモータを使用する。
ここでは、簡素化のため、図7に示すように、先端のジョー部材を開閉操作するための1本のケーブル701と、ケーブル701の往路側及び復路側をそれぞれ牽引する2個のモータ702及び703を備えた術具ユニット700を例にとって説明する。
外力の検出には力センサが用いられる。一般に、力センサは、外力に対し歪み易い起歪体と、起歪体に取り付けられて起歪体の歪み量に応じた信号を出力する歪みセンサで構成され、歪みセンサの出力信号を信号処理して、起歪体の歪み量から外力を換算する。図7に示した術具ユニット700においては、このような力センサを設置する場所は、ケーブル701で牽引する区間よりも根元側(又は、近位端側)の領域711と、ケーブル701が挿通される中間領域712と、ケーブルよりも先端側(又は、遠位端側)の領域713の3つの領域に大別される。
中間領域713に力センサを設置すると、外力だけでなくケーブル701の牽引力(又は、モータ702及び703のトルク)が作用するため、ケーブル701の牽引力に干渉されて、外力を正しく測定できないことが懸念される。これに対し、根元側の領域711と先端側の領域713はいずれもケーブル701の牽引力が作用しない。したがって、根元側の領域711又は先端側の領域713のいずれかに力センサを配置すれば、ケーブル701の牽引力の干渉を受けずに、外力を測定することができる。
しかしながら、根元側の領域711に力センサを設置した場合、術具ユニット700の重量による慣性力が力センサに作用するため、外力を正しく測定することが難しい。
また、先端側の領域713に力センサを設置した場合、ケーブル701の牽引力や慣性力による干渉を受けずに、外力を正しく測定することができる。しかしながら、術具ユニット700は手術に使用する度に滅菌処理する必要があり、滅菌処理の過程で力センサが劣化するおそれがある。また、先端部に力センサを設置して構造を複雑化すると、洗浄しても汚れが残ってしまうおそれがある。また、力センサを配置すると先端部の小型化が難しくなる。
そこで、本開示では、術具ユニット700の中間領域712に、ワイヤの牽引力による干渉を取り除くことが可能な、力センサを配置することを提案する。本開示に係る力センサによれば、根元側の領域711よりも遠位端側に配置されるので、術具ユニット700の重量による慣性力の影響を低減することができる。また、本開示に係る力センサは、術具ユニット700の先端に配置されないで、滅菌による劣化や汚れの残存、並びに先端部の小型化の問題を解消することができる。
D.外力検出システムの具体的構成例
図8には、上述した「中間領域」に外力検出システムを組み込んだ、術具ユニット800の具体的な構成例を示している。
図8には、上述した「中間領域」に外力検出システムを組み込んだ、術具ユニット800の具体的な構成例を示している。
術具ユニット800は、シャフト801と、シャフト801の先端に取り付けられた鉗子などのエンドエフェクタ802と、シャフト801を支持するベース803からなる。鉗子などのエンドエフェクタ802に牽引力を与えるケーブル(図8では省略)はシャフト801内部に挿通され、ベース803にはケーブルを牽引するモータ(図8では省略)が配設されている。エンドエフェクタ802の具体的構成や、ケーブル駆動方式、並びにモータの配置に関しては、上記B項で既に説明したので、ここでは説明を省略する。
D−1.起歪体の構造
シャフト801は、根元部分でベース803に支持されている。図9には、シャフト801の根元部分とベース803の連結部分の断面斜視図を示している。また、図10には、シャフト801の根元部分とベース803の連結部分の断面を示している。シャフト801をベース803から取り外して交換可能であるものとする。一般に、シャフト801を交換する度に、エンドエフェクタ802部分の洗浄や滅菌処理が施される。
シャフト801は、根元部分でベース803に支持されている。図9には、シャフト801の根元部分とベース803の連結部分の断面斜視図を示している。また、図10には、シャフト801の根元部分とベース803の連結部分の断面を示している。シャフト801をベース803から取り外して交換可能であるものとする。一般に、シャフト801を交換する度に、エンドエフェクタ802部分の洗浄や滅菌処理が施される。
本開示では、図8〜図10に示すように、シャフト801の根元部分は、2層の起歪体811及び812で支持されている。以下では、先端側の起歪体811を「a層」の起歪体、根元側の起歪体812を「b層」の起歪体とも呼ぶ。
図11には、ベース803を透明に描いて、起歪体811及び812を可視化して示している。起歪体a層811及び起歪体b層812はそれぞれ、シャフト801の根元から外側のベース803に伸びる4本の脚でシャフト801の根元部分を4方向で支持する「4方向起歪体」である。図11に示す例では、4方向起歪体の各脚は同一形状及び同一寸法であり、且つ均等な間隔(シャフト801の長軸回りに90度の間隔)で配置され、中空の円筒形状をしたベース803のほぼ中央でシャフト801を支持している。また、起歪体a層811と起歪体b層812の、シャフト801の長軸回りの回転位置はほぼ一致しているものとする。そして、起歪体a層811及び起歪体b層812の各脚には歪みセンサが取り付けられており、シャフト801の先端のエンドエフェクタ802に外力が加わったときに各脚の歪み量を計測するように構成されている。図11中、起歪体a層811と起歪体b層812を淡いグレーで塗り潰して描いている。また、起歪体a層811と起歪体b層812の各脚に取り付けられた歪みセンサを濃いグレーで塗り潰して描いている。
起歪体は、例えば、生体適合性に優れている金属系材料として知られているステンレス鋼(Steel Use Stainless:SUS)やCo−Cr合金、チタン系材料を用いて製作される。術具ユニット800のような医療用器具に適用されるという観点からは、高強度で且つ低剛性(ヤング率が低い)といった機械的特性を持つ材料、例えばチタン合金を用いて起歪体を製作することが好ましい。
また、本実施形態では、歪みセンサには光ファイバーを利用して製作されるFBG(Fiber Bragg Grating)センサを用いることを想定している。ここで、FBGセンサは、光ファイバーの長軸に沿って回折格子(グレーティング)を刻んで構成されるセンサであり、作用力によって生じる歪みや温度の変化に伴う膨張又は収縮による回折格子の間隔の変化を、所定波長帯(ブラッグ波長)の入射光に対する反射光の波長の変化として検出することができる(周知)。そして、FBGセンサから検出された波長の変化を、原因となる歪みや応力、温度変化に換算することができる。もちろん、歪みセンサに静電容量式センサ、半導体歪みゲージ、箔歪みゲージなどの当業界で広く知られている他のタイプの歪み検出素子を利用することも考えられる。但し、伝送損失が小さいことや、医療に必要な滅菌対応や強磁場環境下対応などの利点を考慮すると、FBGセンサがより好ましいと思料される。
図12には、4方向起歪体を構成する1組の起歪体a層811及び起歪体b層812を、シャフト801の長軸(又は、Z軸)と直交する方向から眺めた側面図(又は、YZ断面)を示している。起歪体a層811の4方向の各脚は、Z軸と直交する面(又は、Y軸)に対して所定の角度だけ傾斜している。以下では、この傾斜角度をθとする。また、起歪体b層812の4方向の各脚は、Z軸と直交する面(又は、Y軸)に対して、起歪体a層811とは逆に角度−θだけ傾斜している。したがって、起歪体a層811と起歪体b層812の断面は、図12からも分かるように「ハ」の字形状を構成している。θは例えば3度程度である。
また、図13には、4方向起歪体を構成する1組の起歪体811及び812の変形例を示している。図13に示す例では、起歪体a層811の4方向の各脚は、Z軸と直交する面(又は、Y軸)に対して角度−θだけ傾斜している。また、起歪体b層812の4方向の各脚は、Z軸と直交する面(又は、Y軸)に対して、起歪体a層811とは逆に釜と角度θだけ傾斜している。したがって、起歪体a層811と起歪体b層812の断面は、図13からも分かるように逆「ハ」の字形状を構成している。
なお、起歪体a層811及び起歪体b層812の構造は、図11に示したような、シャフト801の根元部分を4方向の脚でベース803に支持する「4方向起歪体」には限定されない。図14に示すように、シャフト801の根元部分を3方向の脚でベース803に支持する「3方向起歪体」1401及び1402や、図15に示すように、シャフト801の根元部分を5方向の脚でベース803に支持する「5方向起歪体」であってもよい。また、図示を省略するが、6方向以上の脚で支持する多方向起歪体であってもよい。但し、2方向の脚でシャフト801の根元部分を支持する「2方向起歪体」の場合、シャフト801の先端に作用する外力をXYZの各方向の成分に分離できなくなる。
D−2.外力による起歪体の歪みモード
続いて、シャフト801に外力が作用したときの起歪体の歪みモードについて説明する。ここでは、便宜上、図11及び図12に示した、シャフト801の根元部分を4方向でベース803に支持する「4方向起歪体」を例にとって、歪みモードについて説明する。
続いて、シャフト801に外力が作用したときの起歪体の歪みモードについて説明する。ここでは、便宜上、図11及び図12に示した、シャフト801の根元部分を4方向でベース803に支持する「4方向起歪体」を例にとって、歪みモードについて説明する。
起歪体a層811及び起歪体b層812の4本の脚は同一形状及び同一寸法であり、且つ均等な間隔(シャフト801の長軸回りに90度の間隔)で配置され、中空の円筒形状をしたベース803のほぼ中央でシャフト801を支持している。また、起歪体a層811及び起歪体b層812の、シャフト801の長軸回りの回転位置はほぼ一致しているものとする。そして、起歪体a層811及び起歪体b層812の各脚には歪みセンサが取り付けられており、シャフト801の先端のエンドエフェクタ802に外力が加わったときに各脚の歪み量を計測するように構成されている。
ここで、図16に示すように、起歪体a層812の4本の脚をそれぞれa1〜a4とし、起歪体b層812の4本の脚をそれぞれb1〜b4とする。また、各々の脚a1〜a4及びb1〜b4に配置した歪みセンサで検出される、起歪体a層811の各脚a1〜a4の歪み量をそれぞれεa1〜εa4とし、起歪体b層812の各脚b1〜b4の歪み量をそれぞれεb1〜εb4とする。また、図16には、XYZ座標を併せて示している。Z軸は、シャフト801の長軸と一致する。X軸及びY軸は、Z軸と直交する軸であり、X軸とY軸同士も直交する。図示を省略するが、本開示に係る外力検出システムは、各々の脚a1〜a4及びb1〜b4に配置した歪みセンサの検出信号を処理する信号処理装置を含んでいるものとする。この信号処理装置は、脚a1〜a4及びb1〜b4の歪み量εa1〜εa4及びεb1〜εb4を計算し、さらに歪み量εa1〜εa4及びεb1〜εb4に基づいて、術具ユニット800の歪みモードを判定したり、術具ユニット800に作用するXYZ各方向の外力FX、FY、FZを換算したりする。歪みモードの判定並びに外力の計算方法の詳細については後述に譲る。
起歪体a層811及び起歪体b層812の歪みモードは、ケーブルに牽引力が作用したときに歪みが生じる「ケーブル牽引モード」と、シャフト801の先端部分に±Z方向の外力が作用したときの「FZモード」と、シャフト801の先端部分に±Y方向の外力が作用したときの「FYモード」と、シャフト801の先端部分に±X方向の外力が作用したときの「Fxモード」がある。
なお、ここで言うケーブルは、上記B項で説明した第1の往復のケーブルセットC1a及びC1b、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2b、又は第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bのいずれかとする。
図17及び図18には、ケーブル牽引モードにおける起歪体a層811及び起歪体b層812の動作例を示している。図17には往路側のケーブルが牽引されたときの動作例を示し、図18には復路側のケーブルが牽引されたときの動作例を示している。
また、図19及び図20には、Fzモードにおける起歪体a層811及び起歪体b層812の動作例を示している。図19には、シャフト801の先端にZ方向の圧縮力(又は、−Z方向の外力)が作用したときの動作例を示し、図20には、シャフト801の先端にZ方向の引張力(又は、+Z方向の外力)が作用したときの動作例を示している。
また、図21及び図22には、FYモードにおける起歪体a層811及び起歪体b層812の動作例を示している。図21には、シャフト801の先端に−Y方向の外力が作用したときの動作例を示し、図22には、シャフト801の先端に+Y方向の外力が作用したときの動作例を示している。なお、FXモードにおける起歪体a層811及び起歪体b層812の動作は、図21及び図22に示すFYモードの動作をZ軸回りに90度回転した場合と同じになるので、ここでは図示及び説明を省略する。
図17〜図22の各図は、術具ユニット800をX方向から眺めた断面を示している。したがって、起歪体a層811のうち脚a1及び脚a3と、起歪体b層812のうち脚b1及び脚b3が図示されている。上述したように、歪みセンサにより計測される各々の脚a1、a3、b1、b3の歪み量を、それぞれεa1、εa3、εb1、εb3とする。
なお、図17〜図22では、簡素化のため、ケーブルは、上記B項で説明した第1の往復のケーブルセットC1a及びC1b、第2の往復のケーブルセットC2a及びC2b、又は第3の往復のケーブルセットC3a及びC3bのいずれか1組のケーブルセットとする。下記の説明は、各ケーブルセットについて同様に当てはまるものと理解されたい。
起歪体の歪みモードに応じて、起歪体a層811の脚a1及び脚a3と、起歪体b層812の脚b1及び脚b3は、収縮し、又は伸長する。図17〜図22では、各歪みモードにおいて収縮する脚と伸長する脚を網掛けの違いで区別して描いている。
図17を参照すると、往路側のケーブルが牽引されたときには、起歪体a層811の脚a1及び起歪体b層812の脚b1が収縮し、起歪体a層811の脚a3及び起歪体b層812の脚b3が伸長する。これは、往路側のケーブルの牽引力によって、起歪体a層811の脚a1及び起歪体b層812の脚b1に圧縮力が作用し、逆に起歪体a層811の脚a3及び起歪体b層812の脚b3には引張力が作用するからである。また、図18に示すように、復路側のケーブルが牽引されたときには、起歪体a層811の脚a1及び起歪体b層812の脚b1が収縮し、起歪体a層811の脚a3及び起歪体b層812の脚b3が伸長する。これは、復路側のケーブルの牽引力によって、起歪体a層811の脚a3及び起歪体b層812の脚b3に圧縮力が作用し、逆に起歪体a層811の脚a1及び起歪体b層812の脚b1には引張力が作用するからである。
図19を参照すると、Fzモードにおいて、シャフト801の先端に−Z方向の外力Fzが作用したときには、起歪体a層811の脚a1及び脚a3は伸長するが、起歪体b層812の脚b1及び脚b3は収縮する。これは、シャフト801を圧縮する外力Fzが作用することによって、先端側の起歪体a層811の各脚a1及びa3(図示しないが、脚a2及びa4も)に圧縮力が作用し、逆に根元側の起歪体b層812の各脚b1及びb3(図示しないが、脚b2及びb4も)に引張力が作用するからである。また、図20を参照すると、シャフト801の先端に+Z方向の外力Fzが作用したときには、起歪体a層811の脚a1及び脚a3は収縮するが、起歪体b層812の脚b1及び脚b3は伸長する。これは、シャフト801を引っ張る外力Fzが作用することによって、根元側の起歪体b層812の各脚b1及びb3(図示しないが、脚b2及びb4も)に圧縮力が作用し、逆に先端側の起歪体a層811の各脚a1及びa3(図示しないが、脚a2及びa4も)に引張力が作用するからである。
上述したように、先端側の起歪体a層811と根元側の起歪体b層812とで、Z軸と直交する面に対する傾斜角度が逆となっている。このため、図19及び図20に示すように、Z軸方向の外力Fzに対して、先端側の起歪体a層811と根元側の起歪体b層812の一方が収縮し他方が伸長するという逆の挙動になる。
図21を参照すると、FYモードにおいて、シャフト801の先端に−Y方向の外力FYが作用したときには、起歪体a層811の脚a1と起歪体b層812の脚b3は伸長し、起歪体a層811の脚a3と起歪体b層812の脚b1は収縮する。これは、シャフト801を−Y方向に撓ませる外力FYが作用することによって、起歪体a層811と起歪体b層812の中間付近を中心とする紙面反時計回りのモーメントが発生するからである。また、図22を参照すると、シャフト801の先端に+Y方向の外力FYが作用したときには、起歪体a層811の脚a1と起歪体b層812の脚b3は収縮し、起歪体a層811の脚a3と起歪体b層812の脚b1は伸長する。これは、シャフト801をY方向に撓ませる外力FYが作用することによって、起歪体a層811と起歪体b層812の中間付近を中心とする紙面時計回りのモーメントが発生するからである。
以上をまとめると、図17及び図18に示すケーブル牽引モードでは、起歪体a層811と起歪体b層812の同じ位置の脚の伸縮方向が一致するが、図19及び図20に示すFZモード、並びに図21及び図22に示すFYモードでは起歪体a層811と起歪体b層812の同じ位置の脚の伸縮方向は逆になる。ケーブル牽引モードは、外力検出システムがケーブルの牽引力すなわちモータのトルクの干渉を受けるモードである。したがって、起歪体a層811と起歪体b層812の同じ位置の脚の伸縮方向が一致することを検出したときには、測定から外すことによって、ケーブルの牽引力からの干渉を排除することができる。
また、図19及び図20に示すFzモードでは、同じ層の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、異なる層の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる。これに対し、図21及び図22に示すFYモードでは、同じ層の脚の対向する位置の脚の伸縮方向は逆になる。したがって、歪みセンサの検出信号を処理する信号処理装置は、層内及び層間の起歪体の脚の伸縮方向に応じて、FzモードとFYモードを判別することができる。
なお、FzモードとFYモードにおける起歪体の動作は、シミュレーション計算でも確認されている。
D−3.力推定式
図19及び図20に示すFzモードにおける外力Fzの推定式は、下式(1)の通りとなる。
図19及び図20に示すFzモードにおける外力Fzの推定式は、下式(1)の通りとなる。
また、図21及び図22に示すFYモードにおける外力Fzの推定式は、下式(2)の通りとなる。
但し、上式(1)及び(2)は、起歪体a層811の2本の脚a1及びa3と、起歪体b層812の2本の脚b1及びb3の歪み量しか考慮していない。図16に示すように、起歪体a層811の4本の脚をそれぞれa1〜a4とし、起歪体b層812の4本の脚をそれぞれb1〜b4とする4方向起歪体の場合の外力FX、FY、FZの推定式は、それぞれ下式(3)〜(5)に示す通りとなる。但し、Δ1=εb1−εa1、Δ2=εb2−εa2、Δ3=εb3−εa3、Δ4=εb4−εa4とする。
また、図23に示すように、起歪体a層811の3本の脚をそれぞれa1〜a3とし、起歪体b層812の3本の脚をそれぞれb1〜b3とする3方向起歪体の場合の外力FX、FY、FZの推定式は、それぞれ下式(6)〜(8)に示す通りとなる。但し、Δ1=εb1−εa1、Δ2=εb2−εa2、Δ3=εb3−εa3とする。
続いて、KYの導出方法について説明する(但し、4方向起歪体の場合)。係数KYは、起歪体a層811及び起歪体b層812を用いた歪みセンサのY方向の感度を表す。ここでは、術具ユニット800の構造を図24に示すように抽象化して考える。図24では、起歪体a層811と起歪体b層812の間の距離をAとし、シャフト801(又は、エンドエフェクタ802)の先端から起歪体a層811までの距離をBとする。また、起歪体a層811はZ軸と直交する面(又は、Y軸)に対して角度θだけ傾斜し、起歪体b層812はZ軸と直交する面(又は、Y軸)に対して角度−θだけ傾斜している。
ここで、図25に示すように、エンドエフェクタ802の先端でY方向に作用する先端力をFY、エンドエフェクタ802の先端力の推定値をFY_pre、起歪体a層811に加わるY方向の力をFY1、起歪体b層812に加わるY方向の力をFY2とする。また、起歪体a層811及び起歪体b層812の厚みをt、起歪体a層811及び起歪体b層812の幅をw、起歪体a層811及び起歪体b層812のヤング率をEとする。
力とモーメントの釣り合いより、起歪体a層811に加わるY方向の力FY1、起歪体b層812に加わるY方向の力FY2はそれぞれ下式(9)及び(10)のように表される。
力と歪みの関係より、起歪体a層811の脚a1及びa3の歪み量εa1とεa1、並びに起歪体b層812の脚b1及びb3の歪み量εb1とεb1は、それぞれ下式(11)及び(12)に示す通りとなる。
エンドエフェクタ802の先端力FYの推定値をFY_preは、下式(13)で表される。
エンドエフェクタ802の先端力の推定値FY_preがエンドエフェクタ802の先端でY方向に作用する先端力FYに等しいとき、すなわち、FY_pre=FYが成り立つとき、KYは下式(14)で表される。
なお、説明を省略するが、KXも上式(14)で表される。係数KXは、起歪体a層811及び起歪体b層812を用いた歪みセンサのX方向の感度を表す。
続いて、KZの導出方法について説明する(但し、4方向起歪体の場合)。係数KZは、起歪体a層811及び起歪体b層812を用いた歪みセンサのZ方向の感度を表す。ここでは、術具ユニット800の構造を図24に示すように抽象化して考える(同上)。ここで、図26に示すように、エンドエフェクタ802の先端でZ方向に作用する先端力FZは均等に分配される。
力と歪みの関係より、起歪体a層811の脚a1及びa3の歪み量εa1とεa1、並びに起歪体b層812の脚b1及びb3の歪み量εb1とεb1は、それぞれ下式(15)に示す通りとなる。
エンドエフェクタ802の先端力FZの推定値をFZ_preは、下式(16)で表される。
エンドエフェクタ802の先端力の推定値FZ_preがエンドエフェクタ802の先端でZ方向に作用する先端力FZに等しいとき、すなわち、FZ_pre=FZが成り立つとき、KZは下式(17)で表される。
続いて、KY=KZが成り立つ条件について説明する。上式(14)及び(17)より、KYとKZの比は下式(18)のように表される。
したがって、KY=KZが成り立つ条件は、各パラメータθ、A及びBが下式(19)を満たすことである。
上式(14)及び(17)より、起歪体a層811と起歪体b層812の断面を「ハ」の字形状を構成したことにより、起歪体a層811及び起歪体b層812の傾きθによって歪みセンサの感度を調整することができるという効果が導き出される。本開示に係る歪みセンサの特徴を以下に挙げておく。
(a)起歪体の傾きθを変更することによって、Kz対Kx又はKYの感度バランス調整が可能である。
(b)シャフト801の先端から起歪体a層811までの距離Aと、起歪体a層811と起歪体b層812の間の距離Bの比率により、KxとKYの感度調整が可能である。
(c)シャフト801の先端から起歪体a層811までの距離Aを適切な距離にすることで、ケーブルを起歪体a層811と起歪体b層812の中間に配置することが可能である。
(d)板金を使って起歪体を製作することが可能である。板金は、厚みtの精度が高く、低コストであり、レーザー加工によって所望の形状の起歪体を製作することができる。
(b)シャフト801の先端から起歪体a層811までの距離Aと、起歪体a層811と起歪体b層812の間の距離Bの比率により、KxとKYの感度調整が可能である。
(c)シャフト801の先端から起歪体a層811までの距離Aを適切な距離にすることで、ケーブルを起歪体a層811と起歪体b層812の中間に配置することが可能である。
(d)板金を使って起歪体を製作することが可能である。板金は、厚みtの精度が高く、低コストであり、レーザー加工によって所望の形状の起歪体を製作することができる。
E.起歪体の実装例
図27には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体a層811及び起歪体b層として使用することが可能な起歪体の構成例(正面図及び斜視図)を示している。図示の起歪体は、4本の脚でシャフト(図27では図示しない)を支持する4方向起歪体の構造である。FEM(Finite Element Method)解析により、感度が最適となる起歪体の形状を決定した結果である。図27を参照すると、4本の脚の中央付近には、メッシュ形状がそれぞれ形成されており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、4本の脚にはそれぞれ、FBGセンサを構成する光ファイバーが取り付けられており、メッシュ形状と重なる部分の光ファイバーにグレーティングが施されてFBGセンサが配置されている。
図27には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体a層811及び起歪体b層として使用することが可能な起歪体の構成例(正面図及び斜視図)を示している。図示の起歪体は、4本の脚でシャフト(図27では図示しない)を支持する4方向起歪体の構造である。FEM(Finite Element Method)解析により、感度が最適となる起歪体の形状を決定した結果である。図27を参照すると、4本の脚の中央付近には、メッシュ形状がそれぞれ形成されており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、4本の脚にはそれぞれ、FBGセンサを構成する光ファイバーが取り付けられており、メッシュ形状と重なる部分の光ファイバーにグレーティングが施されてFBGセンサが配置されている。
図28には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体a層811及び起歪体b層として使用することが可能な起歪体の他の構成例(正面図及び斜視図)を示している。図示の起歪体は、4本の脚でシャフト(図28では図示しない)を支持する4方向起歪体の構造である。4本の脚の中央付近には、長手方向に切り取られた2つの開口がそれぞれ形成されており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、各脚の2つの開口の間に、FBGセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。
図29には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体a層811及び起歪体b層として使用することが可能な起歪体のさらに他の構成例(正面図及び斜視図)を示している。図示の起歪体は、4本の脚でシャフト(図28では図示しない)を支持する4方向起歪体の構造である。4本の脚には、FBGセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。
図30には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体a層811及び起歪体b層として使用することが可能な起歪体のさらに他の構成例(正面図及び斜視図)を示している。図示の起歪体は、4本の脚でシャフト(図30では図示しない)を支持する4方向起歪体の構造である。4本の脚は、それぞれ中央付近の両端が削り取られて細くなっており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、各脚の細い部分に、FBGセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。
図31には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体a層811及び起歪体b層として使用することが可能な起歪体のさらに他の構成例(正面図及び斜視図)を示している。図示の起歪体は、4本の脚でシャフト(図31では図示しない)を支持する4方向起歪体の構造である。4本の脚の中央付近には、折り畳み構造がそれぞれ形成されており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、各脚の折り畳み構造の部分に、FBGセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。
起歪体用の材料としてSUSなどの板金を使用する場合、厚みtの精度が高く、図27〜図31に示すような形状をした起歪体を、レーザー加工によって低コストで製作することができる。
F.術具ユニットの具体的構造並びに組み立て方法
図32には、図27に示した起歪体を起歪体a層811及び起歪体b層812に使用した術具ユニット800の斜視図を示している。また、図33には、図32に示した術具ユニット800のベース803部分の断面図を示している。
図32には、図27に示した起歪体を起歪体a層811及び起歪体b層812に使用した術具ユニット800の斜視図を示している。また、図33には、図32に示した術具ユニット800のベース803部分の断面図を示している。
ベース803は、根元側(図示しない)で、ケーブルを牽引するモータを取り付ける、中空形状をした外側のモータベースと、モータベースの中央付近でシャフト801を取り付けるシャフトベースに分けられる。そして、起歪体a層811と起歪体b層812を介して、シャフトベースがモータベースに取り付けられる。
図34〜図36には、組み立て前のベース803部分の斜視図、断面斜視図、並びに断面図をそれぞれ示している。また、図37〜図39には、組み立て後(又は、起歪体を組み込んだ後)のベース803部分の斜視図、断面斜視図、並びに断面図をそれぞれ示している。
モータベースは、先端側のモータベース前段部と、根元側のモータベースの後段部と、モータベース前段部とモータベース後段部に挟まれたモータベース中段部に3分割される。また、シャフトベースは、先端側のシャフトベース前段部と、根元側のシャフトベースの後段部と、シャフトベース前段部とシャフトベース後段部に挟まれたシャフトベース中段部に3分割される。
組み立ての過程では、図35及び図36から分かるように、起歪体a層811と起歪体b層812の中央付近で、シャフトベース中段部を挟持するとともに、起歪体a層811と起歪体b層812の周縁部でモータベース中段部を挟持する。また、起歪体a層811の周縁をモータベース前段部とモータベース中段部で挟持するとともに、起歪体b層812の周縁をモータベース中段部とモータベース後段部で挟持する。モータベース前段部、モータベース中段部、及びモータベース後段部は、例えばネジを使って螺着されるが、その他の固定方法であってもよい。
なお、この状態では、起歪体a層811と起歪体b層812、及び、起歪体a層811と起歪体b層812の各々に取り付けられているFBGセンサは、予張力が加えられていない自然長の状態である。また、図36から分かるように、この状態では、起歪体a層811と起歪体b層812の断面は、ほぼ平行で、「ハ」の字形状になっていない。また、起歪体a層811の中央付近とシャフトベース中段部の前面、及び起歪体b層812の中央付近とシャフトベース中段部の背面は、接触せず、離間した状態である。
続いて、図38及び図39からも分かるように、起歪体a層811の中央付近をシャフトベース前段部とシャフトベース中段部で挟持するとともに、起歪体b層812の中央付近をシャフトベース中段部とシャフトベース後段部で挟持する。シャフトベース前段部、シャフトベース中段部、及びシャフトベース後段部は、例えばネジを使って螺着されるが、その他の固定方法であってもよい。図37〜図39を省略しているが、シャフトベース前段部の先端に、術具ユニット800のシャフト801を差し込んで使用される。
図36及び図39から分かるように、シャフトベース中段部の長手方向の寸法は、モータベース中段部の長手方向の寸法よりも短くなっている。したがって、図37〜図39に示すように、起歪体a層811の中央前方にシャフトベース前段部を取り付けて、シャフトベース中段部の前面に押し付けるとともに、起歪体b層812の中央後方にシャフトベース後段部を取り付けて、シャフトベース中段部の背面に押し付けると、起歪体a層811と起歪体b層812の断面は「ハ」の字形状になる。この状態では、起歪体a層811と起歪体b層812、及び、起歪体a層811と起歪体b層812の各々に取り付けられているFBGセンサには、予張力が加えられる。起歪体やFBGセンサに予張力が与えられると、圧縮力が加わった際に座屈し難くなるという効果がある。
以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
本明細書では、本開示を手術用ロボットに用いられる術具に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本開示の要旨はこれに限定されるものではない。本開示は、精密作業ロボットなど、医療以外のさまざまな分野のロボットに適用することができる。
要するに、例示という形態により本開示について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
なお、本開示は、以下のような構成をとることも可能である。
(1)先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
中空形状のベースと、
前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
を具備する術具ユニット。
(2)前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
上記(1)に記載の術具ユニット。
(3)前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第1層の起歪体と第2層の起歪体からなる、
上記(1)又は(2)のいずれかに記載の術具ユニット。
(4)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
上記(3)に記載の術具ユニット。
(5)前記第1の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第2の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第1の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
請求項4に記載の術具ユニット。
(6)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
請求項5に記載の術具ユニット。
(7)前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
請求項6に記載の術具ユニット。
(8)前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。
(9)前記第1の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。
(10)前記第1の起歪体及び第2の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。
(11)前記歪みセンサはFBGセンサからなる、
請求項6乃至10のいずれかに記載の術具ユニット。
(12)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は板金により作成される、
請求項2乃至11のいずれかに記載の術具ユニット。
(13)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
請求項6乃至12のいずれかに記載の術具ユニット。
(14)中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
を具備する力検出装置。
(14−2)前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
上記(14)に記載の力検出装置。
(14−3)前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第1層の起歪体と第2層の起歪体からなる、
上記(14)又は(14−2)のいずれかに記載の力検出装置。
(14−4)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
上記(14−3)に記載の力検出装置。
(14−5)前記第1の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第2の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第1の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
上記(14−4)に記載の力検出装置。
(14−6)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
上記(14−5)に記載の力検出装置。
(14−7)前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
上記(14−6)に記載の力検出装置。
(14−8)前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
上記(14−7)に記載の力検出装置。
(14−9)前記第1の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
上記(14−7)に記載の力検出装置。
(14−10)前記第1の起歪体及び第2の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
上記(14−7)に記載の力検出装置。
(14−11)前記歪みセンサはFBGセンサからなる、
上記(14−6)乃至(14−10)のいずれかに記載の力検出装置。
(14−12)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は板金により作成される、
上記(14−2)乃至(14−11)のいずれかに記載の力検出装置。
(14−13)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
上記(14−6)乃至(14−12)のいずれかに記載の力検出装置。
(15)術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
手術支援システム。
(1)先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
中空形状のベースと、
前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
を具備する術具ユニット。
(2)前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
上記(1)に記載の術具ユニット。
(3)前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第1層の起歪体と第2層の起歪体からなる、
上記(1)又は(2)のいずれかに記載の術具ユニット。
(4)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
上記(3)に記載の術具ユニット。
(5)前記第1の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第2の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第1の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
請求項4に記載の術具ユニット。
(6)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
請求項5に記載の術具ユニット。
(7)前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
請求項6に記載の術具ユニット。
(8)前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。
(9)前記第1の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。
(10)前記第1の起歪体及び第2の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。
(11)前記歪みセンサはFBGセンサからなる、
請求項6乃至10のいずれかに記載の術具ユニット。
(12)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は板金により作成される、
請求項2乃至11のいずれかに記載の術具ユニット。
(13)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
請求項6乃至12のいずれかに記載の術具ユニット。
(14)中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
を具備する力検出装置。
(14−2)前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
上記(14)に記載の力検出装置。
(14−3)前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第1層の起歪体と第2層の起歪体からなる、
上記(14)又は(14−2)のいずれかに記載の力検出装置。
(14−4)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
上記(14−3)に記載の力検出装置。
(14−5)前記第1の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第2の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第1の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
上記(14−4)に記載の力検出装置。
(14−6)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
上記(14−5)に記載の力検出装置。
(14−7)前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
上記(14−6)に記載の力検出装置。
(14−8)前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
上記(14−7)に記載の力検出装置。
(14−9)前記第1の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
上記(14−7)に記載の力検出装置。
(14−10)前記第1の起歪体及び第2の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
上記(14−7)に記載の力検出装置。
(14−11)前記歪みセンサはFBGセンサからなる、
上記(14−6)乃至(14−10)のいずれかに記載の力検出装置。
(14−12)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は板金により作成される、
上記(14−2)乃至(14−11)のいずれかに記載の力検出装置。
(14−13)前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
上記(14−6)乃至(14−12)のいずれかに記載の力検出装置。
(15)術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
手術支援システム。
1…手術支援ロボット、11…術具ユニット、12…アーム
100…術具ユニット、101…術具ユニット先端部
102…シャフト、103…術具ユニット駆動部
800…術具ユニット、801…シャフト、802…エンドエフェクタ
803…ベース、811…起歪体a層、812…起歪体b層
1401、1402…3方向起歪体
1501、1502…5方向起歪体
100…術具ユニット、101…術具ユニット先端部
102…シャフト、103…術具ユニット駆動部
800…術具ユニット、801…シャフト、802…エンドエフェクタ
803…ベース、811…起歪体a層、812…起歪体b層
1401、1402…3方向起歪体
1501、1502…5方向起歪体
Claims (15)
- 先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
中空形状のベースと、
前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
を具備する術具ユニット。 - 前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
請求項1に記載の術具ユニット。 - 前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第1層の起歪体と第2層の起歪体からなる、
請求項1に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
請求項3に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第2の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第1の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
請求項4に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
請求項5に記載の術具ユニット。 - 前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
請求項6に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第1の起歪体と前記第2の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体及び第2の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項7に記載の術具ユニット。 - 前記歪みセンサはFBG(Fiber Bragg Grating)センサからなる、
請求項6に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体は板金により作成される、
請求項2に記載の術具ユニット。 - 前記第1の起歪体及び前記第2の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
請求項6に記載の術具ユニット。 - 中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
を具備する力検出装置。 - 術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
手術支援システム。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020045836A JP2021145728A (ja) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム |
EP21770634.0A EP4122418A4 (en) | 2020-03-16 | 2021-01-19 | SURGICAL INSTRUMENT UNIT, FORCE DETECTOR, AND SURGICAL ASSISTANCE SYSTEM |
US17/799,279 US20230073791A1 (en) | 2020-03-16 | 2021-01-19 | Surgical instrument unit, force detection device, and surgery support system |
PCT/JP2021/001738 WO2021186882A1 (ja) | 2020-03-16 | 2021-01-19 | 術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム |
CN202180020047.2A CN115279295A (zh) | 2020-03-16 | 2021-01-19 | 手术器械单元、力检测装置和手术支持*** |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020045836A JP2021145728A (ja) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021145728A true JP2021145728A (ja) | 2021-09-27 |
Family
ID=77770815
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020045836A Pending JP2021145728A (ja) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20230073791A1 (ja) |
EP (1) | EP4122418A4 (ja) |
JP (1) | JP2021145728A (ja) |
CN (1) | CN115279295A (ja) |
WO (1) | WO2021186882A1 (ja) |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8945095B2 (en) * | 2005-03-30 | 2015-02-03 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Force and torque sensing for surgical instruments |
JP4877665B2 (ja) * | 2006-01-16 | 2012-02-15 | 有限会社ケイテックシステム | 3軸力覚センサ |
JP2009195489A (ja) * | 2008-02-21 | 2009-09-03 | Olympus Medical Systems Corp | マニピュレータ操作システム |
JP2011208963A (ja) * | 2010-03-29 | 2011-10-20 | Wacoh Corp | 力検出機能をもった駆動装置 |
US9987095B2 (en) * | 2014-06-26 | 2018-06-05 | Covidien Lp | Adapter assemblies for interconnecting electromechanical handle assemblies and surgical loading units |
WO2018042571A1 (ja) * | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 株式会社 トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
US11154373B2 (en) * | 2017-02-08 | 2021-10-26 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Control of computer-assisted tele-operated systems |
US10631945B2 (en) * | 2017-02-28 | 2020-04-28 | Covidien Lp | Autoclavable load sensing device |
CN110381876B (zh) | 2017-03-10 | 2022-10-21 | 索尼公司 | 手术***、外科手术***、控制设备、变形生成体、外科手术器具和外力检测*** |
JP7028012B2 (ja) | 2018-03-26 | 2022-03-02 | セイコーエプソン株式会社 | プリントヘッド、液体吐出装置及び圧電素子制御回路 |
CN109567946B (zh) * | 2018-12-06 | 2021-03-16 | 青岛科智星机器人有限公司 | 机器人手术工具 |
-
2020
- 2020-03-16 JP JP2020045836A patent/JP2021145728A/ja active Pending
-
2021
- 2021-01-19 CN CN202180020047.2A patent/CN115279295A/zh active Pending
- 2021-01-19 EP EP21770634.0A patent/EP4122418A4/en active Pending
- 2021-01-19 WO PCT/JP2021/001738 patent/WO2021186882A1/ja unknown
- 2021-01-19 US US17/799,279 patent/US20230073791A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021186882A1 (ja) | 2021-09-23 |
EP4122418A4 (en) | 2023-08-23 |
CN115279295A (zh) | 2022-11-01 |
EP4122418A1 (en) | 2023-01-25 |
US20230073791A1 (en) | 2023-03-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7514279B2 (ja) | 外科手術装置 | |
Ding et al. | Design and coordination kinematics of an insertable robotic effectors platform for single-port access surgery | |
JP5777673B2 (ja) | ロボット親指アセンブリ | |
Sang et al. | External force estimation and implementation in robotically assisted minimally invasive surgery | |
JP5388966B2 (ja) | 手首関節アセンブリ、及び人間型ロボット | |
US20040199147A1 (en) | Manipulator | |
EP3706657A1 (en) | Tension control in actuation of jointed instruments | |
EP2637592A1 (en) | Tension control in actuation of multi-joint medical instruments | |
CN113038900A (zh) | 具有传感器对准电缆导向件的外科手术器械 | |
JPWO2018163680A1 (ja) | 手術用システム、外科手術システム、制御装置、起歪体、外科手術用器具、並びに外力検知システム | |
Noonan et al. | A modular, mechatronic joint design for a flexible access platform for MIS | |
Do et al. | Dynamic friction-based force feedback for tendon-sheath mechanism in notes system | |
JP6935814B2 (ja) | 手術用システム、外科手術システム、外科手術用器具、並びに外力検知システム | |
US20230233274A1 (en) | Extensible continuum manipulator | |
Li et al. | A novel 4‐DOF surgical instrument with modular joints and 6‐Axis Force sensing capability | |
WO2021049345A1 (ja) | 術具、手術支援システム、並びに手術用操作ユニット | |
WO2021186882A1 (ja) | 術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム | |
Brumfiel et al. | Towards FBG-based end-effector force estimation for a steerable continuum robot | |
Yu et al. | Microinstrument contact force sensing based on cable tension using BLSTM–MLP network | |
CN114340537A (zh) | 手术器械、手术辅助***以及手术操作单元 | |
Fasel et al. | Control evaluation of antagonistic series elastic actuation for a robotic endoscope joint | |
Tholey et al. | A compact and modular laparoscopic grasper with tridirectional force measurement capability | |
Palli et al. | Mechatronic design of innovative robot hands: Integration and control issues | |
Low et al. | Master-slave robotic system for therapeutic gastrointestinal endoscopic procedures | |
CN109310478A (zh) | 用于在手术期间保持医疗器械的3d打印的机器人以及其控制 |