JP5816457B2 - 術具装置 - Google Patents
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Description
本発明は、術具装置に関する。例えば、先端に設けられた術具部から作用する力を検出することができ、マスタスレーブ方式のマニピュレータに好適に用いることができる術具装置に関する。
従来、手術支援システムとして、術者の操作するマスタ部の動きを、スレーブ部に設けられた術具装置に伝達するマスタスレーブ方式のマニピュレータが知られている。
このようなマニピュレータでは、マスタ部における操作を正確に術具装置に伝達するとともに、マスタ部を操作する術者に、手術動作に伴って術具装置の術具部に作用する力の大きさを正確に把握しながら操作できることが好ましい。
このため、例えば特許文献１には、マニピュレータのアーム部の先端に設けられた作業部（術具部）に加わる力を検出する力覚検出装置が記載されている。この力覚検出装置は、駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の変形が伝達される力覚検出部とが設けられており、力覚検出部は内管の外周壁に固定部および係合部を介して取り付けられた連結部の変形量を検出するひずみゲージによってひずみ量を検出し、このひずみ量から作業部に加わる力を検出することができる。
このようなマニピュレータでは、マスタ部における操作を正確に術具装置に伝達するとともに、マスタ部を操作する術者に、手術動作に伴って術具装置の術具部に作用する力の大きさを正確に把握しながら操作できることが好ましい。
このため、例えば特許文献１には、マニピュレータのアーム部の先端に設けられた作業部（術具部）に加わる力を検出する力覚検出装置が記載されている。この力覚検出装置は、駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の変形が伝達される力覚検出部とが設けられており、力覚検出部は内管の外周壁に固定部および係合部を介して取り付けられた連結部の変形量を検出するひずみゲージによってひずみ量を検出し、このひずみ量から作業部に加わる力を検出することができる。
しかしながら、上記のような従来の術具装置には以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、ひずみゲージにより作業部近傍の微小なひずみ量を検出して、作業部にかかる力を検出している。ひずみゲージは局所的に生じる微小ひずみを計測するものであるため、ひずみゲージが設けられた位置におけるひずみ量と作業部に作用する力とが高い相関を有しない場合には、高精度に力の検出を行うことはできない。
また、術具装置においては、体腔内で使われる術具部は滅菌処理する必要があり、繰り返して再使用できない場合もあるため、術具部を、体腔の外部に配置され再使用が可能な術具装置本体に着脱可能に設けることが行われている。
このような場合、ひずみゲージを術具部側に設けると、術具部と術具装置本体の間にひずみゲージの出力を伝達する着脱可能なコネクタを設ける必要があるが、着脱時の接触抵抗のバラツキなどによって、安定した出力を伝達することが難しいという問題がある。
また、ひずみゲージを術具装置本体側に設けると、術具部と術具装置本体の間に着脱可能な連結部が介在することになるため、ひずみの測定位置が力の作用する位置から離れることに加えて、連結部の密着状態のバラツキによってひずみの正確な伝達が困難になるという問題がある。
特許文献１に記載の技術では、ひずみゲージにより作業部近傍の微小なひずみ量を検出して、作業部にかかる力を検出している。ひずみゲージは局所的に生じる微小ひずみを計測するものであるため、ひずみゲージが設けられた位置におけるひずみ量と作業部に作用する力とが高い相関を有しない場合には、高精度に力の検出を行うことはできない。
また、術具装置においては、体腔内で使われる術具部は滅菌処理する必要があり、繰り返して再使用できない場合もあるため、術具部を、体腔の外部に配置され再使用が可能な術具装置本体に着脱可能に設けることが行われている。
このような場合、ひずみゲージを術具部側に設けると、術具部と術具装置本体の間にひずみゲージの出力を伝達する着脱可能なコネクタを設ける必要があるが、着脱時の接触抵抗のバラツキなどによって、安定した出力を伝達することが難しいという問題がある。
また、ひずみゲージを術具装置本体側に設けると、術具部と術具装置本体の間に着脱可能な連結部が介在することになるため、ひずみの測定位置が力の作用する位置から離れることに加えて、連結部の密着状態のバラツキによってひずみの正確な伝達が困難になるという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成によって、術具部にかかる力を精度よく測定することができる術具装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の術具装置は、手術に用いる術具部と、該術具部を保持する術具装置本体と、軸状に形成され、軸方向の一端部が前記術具部に連結されるとともに軸方向の他端部が前記術具装置本体に支持され、前記術具部および前記術具装置本体の間で力伝達を行う力伝達部材と、該力伝達部材上で軸方向に離間した２点間の距離変化を前記２点の変位の差分を算出することによって、前記術具部が無負荷時の距離を基準として検出する距離変化検出部と、該距離変化検出部で検出された前記距離変化から、前記術具部または前記術具装置本体から前記力伝達部材が受ける力を算出する力算出部と、を備える構成とする。
また、本発明の術具装置において、前記力算出部は、前記距離変化を前記力に変換する変換式を記憶する記憶部を有し、前記変換式を用いて、前記距離変化を前記力に変換する演算を行うことが好ましい。
また、本発明の術具装置において、前記距離変化検出部は、前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうち先端側の点の変位を検出する第１の変位検出部と、前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうち基端側の点の変位を検出する第２の変位検出部と、を備え、前記第１の変位検出部が検出した前記先端側の点の変位と、前記第２の変位検出部が検出した前記基端側の点の変位とを、前記術具部が無負荷時の位置を基準とする変位に換算して、換算後の前記先端側の点の変位と前記基端側の点の変位との差分によって、前記距離変化を算出することが好ましい。
また、本発明の前記第１の変位検出部および第２の変位検出部を備える術具装置において、前記第１の変位検出部および前記第２の変位検出部の少なくともいずれかは、リニアエンコーダからなることが好ましい。
また、本発明の術具装置において、前記術具装置本体は、前記力伝達部材の前記基端部を軸方向に進退させる駆動部を備え、前記力伝達部材は、前記駆動部を介して前記術具装置本体に支持されていることが好ましい。
また、本発明の術具装置において、前記駆動部は、前記進退駆動の駆動量を検出する駆動量検出器を備え、前記第２の変位検出部は、前記駆動量検出器の出力から前記基端側の点の変位を検出することが好ましい。
また、本発明の術具装置において、前記術具部は、前記術具装置本体に対して着脱可能に設けられ、前記力伝達部材は、前記術具部に設けられ、基端側に第１の連結部を有する先端側力伝達部材と、前記術具装置本体に設けられ、先端側に前記先端側力伝達部材の第１の連結部と連結する第２の連結部を有する基端側力伝達部材と、を備えることが好ましい。
また、本発明の前記第１の変位検出部および第２の変位検出部を備えるとともに前記先端側力伝達部材および前記基端側力伝達部材を備える術具装置において、前記第１の変位検出部は、前記先端側力伝達部材上の点の変位を検出し、前記第２の変位検出部は、前記基端側力伝達部材上の点の変位を検出することが好ましい。
また、本発明の術具装置において、前記距離変化検出部は、前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうちの一方の点の変位を検出する変位検出部と、前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうち他方の点に固定され、前記力伝達部材の軸方向に沿って延ばされ、前記変位検出部を前記他方の点から一定の距離に保持する変位検出部保持部材と、を備えることが好ましい。
また、本発明の前記変位検出部を備える術具装置において、前記変位検出部は、リニアエンコーダからなる
ことが好ましい。
ことが好ましい。
また、本発明の術具装置において、前記力伝達部材は、前記軸方向に離間した２点の間の一部に、前記術具部または前記術具装置本体から受ける力による軸方向の変形が前記２点の間の他の部分に比べて大きくなる距離変化増幅部を備えることが好ましい。
本発明の術具装置によれば、距離変化検出部によって、術具部が無負荷時の距離を基準として、力伝達部材上の２点間の距離変化を検出し、この距離変化から力算出部によって力伝達部材が受ける力を算出することができるため、簡素な構成によって、術具部にかかる力を精度よく測定することができるという効果を奏する。
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る術具装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る術具装置を用いた手術支援システムのシステム構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る術具装置の術具部の装着時および取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る術具装置の演算処理部の機能構成を示す機能ブロック図である。
本発明の第１の実施形態に係る術具装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る術具装置を用いた手術支援システムのシステム構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る術具装置の術具部の装着時および取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る術具装置の演算処理部の機能構成を示す機能ブロック図である。
本実施形態の術具装置１は、図１に示すように、マスタスレーブ方式の手術支援システム１００に好適に使用できるものである。
手術支援システム１００の概略構成は、マスタ操作入力装置１０、マスタ側制御装置２０、スレーブ側制御部３３、およびスレーブマニピュレータ３０を備える。
手術支援システム１００の概略構成は、マスタ操作入力装置１０、マスタ側制御装置２０、スレーブ側制御部３３、およびスレーブマニピュレータ３０を備える。
マスタ操作入力装置１０は、術者Ｏｐの操作の動きをスレーブマニピュレータ３０に伝達するマスタとして機能するものであって、マスタ表示部１２と、操作部１１と、を有している。
マスタ表示部１２は、図示略のカメラによって撮影される患者Ｐの術部およびその近傍の映像を表示するものである。
操作部１１は、術者Ｏｐの操作の動きをスレーブマニピュレータ３０に伝達するものであり、マスタ側制御装置２０と通信可能に接続されている。また操作部１１は、術者Ｏｐがマスタ表示部１２を見ながら操作できるようにマスタ表示部１２の前側に配置されている。
術者Ｏｐによって操作部１１が操作されると、操作部１１は操作の動きを解析し、スレーブマニピュレータ３０を駆動するための操作信号がマスタ側制御装置２０に送出されるようになっている。
マスタ表示部１２は、図示略のカメラによって撮影される患者Ｐの術部およびその近傍の映像を表示するものである。
操作部１１は、術者Ｏｐの操作の動きをスレーブマニピュレータ３０に伝達するものであり、マスタ側制御装置２０と通信可能に接続されている。また操作部１１は、術者Ｏｐがマスタ表示部１２を見ながら操作できるようにマスタ表示部１２の前側に配置されている。
術者Ｏｐによって操作部１１が操作されると、操作部１１は操作の動きを解析し、スレーブマニピュレータ３０を駆動するための操作信号がマスタ側制御装置２０に送出されるようになっている。
マスタ側制御装置２０は、マスタ制御部２１と、マニピュレータ制御部２２と、を有している。
マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０から送出される操作信号を受信し、この操作信号に基づいた動作を実現するためのスレーブマニピュレータ３０の制御対象となる可動部の駆動量を解析し、可動部選択信号２４と、可動部選択信号２４で選択される可動部への指令値２３と、をマニピュレータ制御部２２に送出するものである。
マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１から送出される指令値２３の動作を実現するため、スレーブ側制御部３３を介して、可動部選択信号２４で選択されたスレーブマニピュレータ３０の可動部と通信を行って、各可動部の動作制御を行うものである。
マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０から送出される操作信号を受信し、この操作信号に基づいた動作を実現するためのスレーブマニピュレータ３０の制御対象となる可動部の駆動量を解析し、可動部選択信号２４と、可動部選択信号２４で選択される可動部への指令値２３と、をマニピュレータ制御部２２に送出するものである。
マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１から送出される指令値２３の動作を実現するため、スレーブ側制御部３３を介して、可動部選択信号２４で選択されたスレーブマニピュレータ３０の可動部と通信を行って、各可動部の動作制御を行うものである。
スレーブ側制御部３３は、マニピュレータ制御部２２およびスレーブマニピュレータ３０の各可動部と電気的に接続されており、マニピュレータ制御部２２からの制御信号に基づいて、スレーブマニピュレータ３０の制御を行うとともに、スレーブマニピュレータ３０から送信される各可動部の位置情報や制御に必要な検知信号等をマニピュレータ制御部２２に送出するものである。
また、本実施形態では、スレーブ側制御部３３に表示部３９が接続されており、後述する術具部の作動力の情報を術者Ｏｐが見える位置に表示できるようになっている。
また、本実施形態では、スレーブ側制御部３３に表示部３９が接続されており、後述する術具部の作動力の情報を術者Ｏｐが見える位置に表示できるようになっている。
スレーブマニピュレータ３０は、複数の術具装置１と、術具装置１を患者Ｐの周囲で可動指示する関節ロボット３０ａと、を有している。
各術具装置１、各関節ロボット３０ａは、それぞれスレーブ側制御部３３の制御対象である複数の可動部を有し、スレーブ側制御部３３からの制御信号に基づいてそれぞれの動作が制御されるようになっている。
各術具装置１、各関節ロボット３０ａは、それぞれスレーブ側制御部３３の制御対象である複数の可動部を有し、スレーブ側制御部３３からの制御信号に基づいてそれぞれの動作が制御されるようになっている。
術具装置１は、図２に示すように、術具３２（術具部）と、スレーブアーム３１（術具装置本体）と、演算処理部４０と、を有している。
本実施形態では、術具装置１は、全体として細長い軸状に設けられ、使用時には一端側が患者Ｐの体腔に向けられる。このため、以下では、術具装置１の各部材において術具装置１の軸方向の相対位置を表す場合に、特に断らない限りは、使用時に患者Ｐの体腔に向けられる方を先端側、これと反対の方を基端側と称する。
本実施形態では、術具装置１は、全体として細長い軸状に設けられ、使用時には一端側が患者Ｐの体腔に向けられる。このため、以下では、術具装置１の各部材において術具装置１の軸方向の相対位置を表す場合に、特に断らない限りは、使用時に患者Ｐの体腔に向けられる方を先端側、これと反対の方を基端側と称する。
術具３２は、外科手術において体腔内や術部の近傍で種々の作業に用いる適宜構成の外科用手術具を採用することができる。また、術具３２は、可動部を有していてもよいし、可動部を有しないものでもよい。また、可動部は、患部や他の術具に直接触れて作動する作動部でもよいし、単に術具部内の可動機構でもよい。
術具３２の具体例としては、例えば、持針器、ハサミ、電気メス、超音波処置具等の処置具、鉗子などを挙げることができる。
以下では、一例として、術具３２が術部や他の術具を把持する術具の場合の例で説明する。
また、術具３２は、スレーブアーム３１と一体に設けられていてもよいが、本実施形態では、スレーブアーム３１に対して着脱可能に設けられている。図２（ａ）は、術具３２がスレーブアーム３１に装着されている状態を示しており、図２（ｂ）は、術具３２を取り外した状態を示している。
術具３２の具体例としては、例えば、持針器、ハサミ、電気メス、超音波処置具等の処置具、鉗子などを挙げることができる。
以下では、一例として、術具３２が術部や他の術具を把持する術具の場合の例で説明する。
また、術具３２は、スレーブアーム３１と一体に設けられていてもよいが、本実施形態では、スレーブアーム３１に対して着脱可能に設けられている。図２（ａ）は、術具３２がスレーブアーム３１に装着されている状態を示しており、図２（ｂ）は、術具３２を取り外した状態を示している。
術具３２は、患者Ｐの体腔に向けられる先端側から、スレーブアーム３１に接続される基端側に向かって、把持部３２ａ、駆動リンク３２ｂ、および被駆動部３２ｃを備える。このうち、駆動リンク３２ｂおよび被駆動部３２ｃは、筒状の術具筐体３２ｅの内部に収容されている。
把持部３２ａは、例えば、開閉可能に設けられた把持アームを有し、把持アームが閉じられる時に把持アームの間に被把持物を挟んで把持するものである。
駆動リンク３２ｂは、把持部３２ａを開閉するリンク機構である。
被駆動部３２ｃは、スレーブアーム３１に対して術具３２が連結された際に、スレーブアーム３１内の駆動ロッド３４から伝達される駆動力によって、駆動リンク３２ｂの原節を術具筐体３２ｅの軸方向に進退させる棒状部材である。
被駆動部３２ｃの一端は駆動リンク３２ｂの原節に連結されている。また被駆動部３２ｃの他端には、駆動ロッド３４と連結するための連結部３２ｄが設けられている。
また、被駆動部３２ｃは、使用時に、後述する駆動ロッド３４から伝達される駆動力によって圧縮や引っ張りが作用しても座屈することなく、また伸縮量も小さくなるように、例えば金属などの高剛性材料によって形成されている。
把持部３２ａは、例えば、開閉可能に設けられた把持アームを有し、把持アームが閉じられる時に把持アームの間に被把持物を挟んで把持するものである。
駆動リンク３２ｂは、把持部３２ａを開閉するリンク機構である。
被駆動部３２ｃは、スレーブアーム３１に対して術具３２が連結された際に、スレーブアーム３１内の駆動ロッド３４から伝達される駆動力によって、駆動リンク３２ｂの原節を術具筐体３２ｅの軸方向に進退させる棒状部材である。
被駆動部３２ｃの一端は駆動リンク３２ｂの原節に連結されている。また被駆動部３２ｃの他端には、駆動ロッド３４と連結するための連結部３２ｄが設けられている。
また、被駆動部３２ｃは、使用時に、後述する駆動ロッド３４から伝達される駆動力によって圧縮や引っ張りが作用しても座屈することなく、また伸縮量も小さくなるように、例えば金属などの高剛性材料によって形成されている。
スレーブアーム３１は、術具３２を保持する術具装置本体を構成するもので、筒状のアーム筐体３１ａを備える。アーム筐体３１ａの軸方向の一端側には、術具３２の術具筐体３２ｅの基端側と嵌合する嵌合部３１ｂが設けられている。
また、アーム筐体３１ａの外周部は、図１に示すように、関節ロボット３０ａの端部に連結されている。このため、関節ロボット３０ａを駆動することにより、関節ロボット３０ａの自由度に応じて、スレーブアーム３１の位置、姿勢が変更できるようになっている。
また、アーム筐体３１ａの外周部は、図１に示すように、関節ロボット３０ａの端部に連結されている。このため、関節ロボット３０ａを駆動することにより、関節ロボット３０ａの自由度に応じて、スレーブアーム３１の位置、姿勢が変更できるようになっている。
本実施形態では、スレーブアーム３１の内部に、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、駆動ロッド３４（力伝達部材）、リニアエンコーダ３５（第１の変位検出部）、直動機構３６（駆動部）、モーター３７（駆動部）、およびエンコーダ３８（第２の変位検出部）が設けられている。
駆動ロッド３４は、軸状に形成され、先端側の端部である軸方向の一端部に被駆動部３２ｃの連結部３２ｄと着脱可能に連結する連結部３４ａが設けられている。また、基端側の端部である軸方向の他端部は、駆動ロッド３４を軸方向に進退させる直動機構３６およびモーター３７を介してスレーブアーム３１の基端側に支持されている。
また、駆動ロッド３４の連結部３４ａは、術具３２との着脱時においては、嵌合部３１ｂの内部に位置付けられる。
なお、連結部３４ａ、３２ｄの構成は、図２（ａ）、（ｂ）では模式的に描かれており、互いに着脱可能であって被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とが軸方向のがたつきなく連結できれば特に限定されない。例えば、凹凸嵌合して軸方向に着脱する構成でもよいし、雌ねじ部と雄ねじ部とで螺合する構成でもよい。
また、駆動ロッド３４の連結部３４ａは、術具３２との着脱時においては、嵌合部３１ｂの内部に位置付けられる。
なお、連結部３４ａ、３２ｄの構成は、図２（ａ）、（ｂ）では模式的に描かれており、互いに着脱可能であって被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とが軸方向のがたつきなく連結できれば特に限定されない。例えば、凹凸嵌合して軸方向に着脱する構成でもよいし、雌ねじ部と雄ねじ部とで螺合する構成でもよい。
また、駆動ロッド３４の基端部は、本実施形態では、直動機構３６の後述する直動ブロック３６ｂに連結されている。連結形態としては、例えば、螺設、圧入、かしめ、溶接、連結金具を介したねじ締結等の種々の形態を採用することができる。
このような連結形態では、駆動ロッド３４の基端部は、ある程度の長さにわたり、直動ブロック３６ｂ等によって拘束される。以下では、駆動ロッド３４の基端という場合、直動ブロック３６ｂ等によって拘束されることなく伸縮できる最も基端側の位置を意味するものとする。例えば、図２（ａ）、（ｂ）の場合、駆動ロッド３４が直動ブロック３６ｂから突出した部分において最も基端側の位置を駆動ロッド３４の基端と称し、点Ｐ２で表す。
このような連結形態では、駆動ロッド３４の基端部は、ある程度の長さにわたり、直動ブロック３６ｂ等によって拘束される。以下では、駆動ロッド３４の基端という場合、直動ブロック３６ｂ等によって拘束されることなく伸縮できる最も基端側の位置を意味するものとする。例えば、図２（ａ）、（ｂ）の場合、駆動ロッド３４が直動ブロック３６ｂから突出した部分において最も基端側の位置を駆動ロッド３４の基端と称し、点Ｐ２で表す。
駆動ロッド３４の材質は、少なくとも軸方向に弾性変形する材料からなる。例えば、ステンレス鋼などの金属材料を好適に採用することができる。
また駆動ロッド３４の形状は、使用時に被駆動部３２ｃからの反作用や直動機構３６から受ける駆動力によって圧縮や引っ張りが作用しても、座屈したり、塑性変形したりすることがない形状に設けられている。
軸方向の伸縮量は、リニアエンコーダ３５の分解能で伸縮の変化が精度よく測定できる程度になっていればよい。
また本実施形態では、駆動ロッド３４の軸直角断面の形状は、連結部３４ａを除いて均一としているため、駆動ロッド３４の両端部に力が作用すると、駆動ロッド３４が軸方向に沿って均一に弾性変形するようになっている。
なお、軸直角断面の形状は、特に限定されず、円でも多角形でもよい、また、中実断面でも中空部を有する断面でもよい。
また駆動ロッド３４の形状は、使用時に被駆動部３２ｃからの反作用や直動機構３６から受ける駆動力によって圧縮や引っ張りが作用しても、座屈したり、塑性変形したりすることがない形状に設けられている。
軸方向の伸縮量は、リニアエンコーダ３５の分解能で伸縮の変化が精度よく測定できる程度になっていればよい。
また本実施形態では、駆動ロッド３４の軸直角断面の形状は、連結部３４ａを除いて均一としているため、駆動ロッド３４の両端部に力が作用すると、駆動ロッド３４が軸方向に沿って均一に弾性変形するようになっている。
なお、軸直角断面の形状は、特に限定されず、円でも多角形でもよい、また、中実断面でも中空部を有する断面でもよい。
このような構成により、駆動ロッド３４は、術具３２とスレーブアーム３１との間で、軸方向に力伝達を行うことができる力伝達部材になっている。
リニアエンコーダ３５は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点のうち先端側の点の変位を検出する第１の変位検出部であり、変位量を検出するためのパターンが形成されたスケール部３５ａと、スケール部３５ａに形成されたパターンの移動量を検出して、スケール部３５ａとの間の相対変位量を検出する検出部３５ｂと、を備える。
リニアエンコーダ３５は、増分形でも絶対値形でもよいが、本実施形態では、増分形であるとして説明する。
また、リニアエンコーダ３５の検出方式としては、駆動ロッド３４の変位を精度よく検出できる分解能を有していれば、特に限定されず、例えば、光学式、磁気式のリニアエンコーダを採用することができる。特に、ＬＥＤ光源を用いた光学式リニアエンコーダは、スケール部３５ａのパターンピッチを微細化することで、高分解能が得られるため、特に好適である。
本実施形態のリニアエンコーダ３５は光学式を採用している。好適な光学式リニアエンコーダの例としては、例えば、マイクロリニアエンコーダＭＬ−０８／１０００ＧＡ（商品名；キャノン（株）製）を挙げることができる。この製品では、スケール部３５ａの例えば、格子ピッチを１．６μｍとして、分割数を１０００とすることで、０．８ｎｍの分解能を得ることができる。
リニアエンコーダ３５は、増分形でも絶対値形でもよいが、本実施形態では、増分形であるとして説明する。
また、リニアエンコーダ３５の検出方式としては、駆動ロッド３４の変位を精度よく検出できる分解能を有していれば、特に限定されず、例えば、光学式、磁気式のリニアエンコーダを採用することができる。特に、ＬＥＤ光源を用いた光学式リニアエンコーダは、スケール部３５ａのパターンピッチを微細化することで、高分解能が得られるため、特に好適である。
本実施形態のリニアエンコーダ３５は光学式を採用している。好適な光学式リニアエンコーダの例としては、例えば、マイクロリニアエンコーダＭＬ−０８／１０００ＧＡ（商品名；キャノン（株）製）を挙げることができる。この製品では、スケール部３５ａの例えば、格子ピッチを１．６μｍとして、分割数を１０００とすることで、０．８ｎｍの分解能を得ることができる。
またリニアエンコーダ３５は、スレーブアーム３１のアーム筐体３１ａに対する駆動ロッド３４の変位を測定するものである。このため、スケール部３５ａを駆動ロッド３４およびアーム筐体３１ａのいずれか一方に設けた場合、検出部３５ｂは駆動ロッド３４およびアーム筐体３１ａのいずれか他方に設ける。
本実施形態では、スケール部３５ａを、連結部３４ａの基端側の近傍となる駆動ロッド３４の側面に固定している。駆動ロッド３４は、被駆動部３２ｃが可動範囲を移動した場合にこれと連動して移動するため、スケール部３５ａも駆動ロッド３４とともに移動する。
スケール部３５ａの軸方向長さは、駆動ロッド３４が連結される被駆動部３２ｃの使用時の最大可動範囲よりも長く設定される。
また、検出部３５ｂは、被駆動部３２ｃが可動範囲を移動してもスケール部３５ａと常に対向できる位置に固定されている。
また、検出部３５ｂは、演算処理部４０と電気的に接続されており、スケール部３５ａの変位に応じたパルス信号を演算処理部４０に送出できるようになっている。
なお、図２（ａ）は模式図のため、検出部３５ｂがスレーブアーム３１の外部を通して演算処理部４０と接続されているように描かれているが、配線は、スレーブアーム３１の外部に設けられていてもよいし、内部に設けられていてもよい。
本実施形態では、スケール部３５ａを、連結部３４ａの基端側の近傍となる駆動ロッド３４の側面に固定している。駆動ロッド３４は、被駆動部３２ｃが可動範囲を移動した場合にこれと連動して移動するため、スケール部３５ａも駆動ロッド３４とともに移動する。
スケール部３５ａの軸方向長さは、駆動ロッド３４が連結される被駆動部３２ｃの使用時の最大可動範囲よりも長く設定される。
また、検出部３５ｂは、被駆動部３２ｃが可動範囲を移動してもスケール部３５ａと常に対向できる位置に固定されている。
また、検出部３５ｂは、演算処理部４０と電気的に接続されており、スケール部３５ａの変位に応じたパルス信号を演算処理部４０に送出できるようになっている。
なお、図２（ａ）は模式図のため、検出部３５ｂがスレーブアーム３１の外部を通して演算処理部４０と接続されているように描かれているが、配線は、スレーブアーム３１の外部に設けられていてもよいし、内部に設けられていてもよい。
直動機構３６は、本実施形態ではボールねじ方式の直動機構を採用している。このため、直動機構３６は、アーム筐体３１ａの軸方向に延ばして設けられたボールスクリュー３６ａと、スレーブアーム３１の内部に設けられた図示略の直動ガイド部材によって、アーム筐体３１ａの軸方向に沿って移動可能にガイドされるとともにボールスクリュー３６ａと螺合された直動ブロック３６ｂと、を備える。
ボールスクリュー３６ａの基端側の端部は、モーター３７の回転軸３７ａと、回転ジョイント３６ｃを介して連結されている。
また、直動ブロック３６ｂには、駆動ロッド３４の基端側の端部が連結されている。このため、モーター３７を駆動してボールスクリュー３６ａを回転すると、直動ブロック３６ｂがボールスクリュー３６ａによって進退されるとともに、駆動ロッド３４もボールスクリュー３６ａの軸方向に進退移動するようになっている。
ボールスクリュー３６ａの基端側の端部は、モーター３７の回転軸３７ａと、回転ジョイント３６ｃを介して連結されている。
また、直動ブロック３６ｂには、駆動ロッド３４の基端側の端部が連結されている。このため、モーター３７を駆動してボールスクリュー３６ａを回転すると、直動ブロック３６ｂがボールスクリュー３６ａによって進退されるとともに、駆動ロッド３４もボールスクリュー３６ａの軸方向に進退移動するようになっている。
モーター３７は、直動機構３６のボールスクリュー３６ａを回転駆動するもので、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、アーム筐体３１ａの基端側の内部に設けられた固定部材３１ｃに固定されている。また、モーター３７は、図３に示すように、スレーブ側制御部３３に電気的に接続され、スレーブ側制御部３３からの制御信号に応じた回転角の回転を行うことができる。
また、モーター３７には、回転軸３７ａの回転角を検出するエンコーダ３８が接続されている。本実施形態では、回転軸３７ａとボールスクリュー３６ａとは回転ジョイント３６ｃで直結されているため、エンコーダ３８が検出する回転角は、ボールスクリュー３６ａの回転角と一致する。
また、モーター３７には、回転軸３７ａの回転角を検出するエンコーダ３８が接続されている。本実施形態では、回転軸３７ａとボールスクリュー３６ａとは回転ジョイント３６ｃで直結されているため、エンコーダ３８が検出する回転角は、ボールスクリュー３６ａの回転角と一致する。
エンコーダ３８は、図３に示すように、スレーブ側制御部３３および演算処理部４０に、電気的に接続されており、回転軸３７ａの回転角の情報をスレーブ側制御部３３および演算処理部４０に送出できるようになっている。
スレーブ側制御部３３に送出される回転角の情報は、スレーブ側制御部３３によるモーター３７の制御にフィードバックされる。
エンコーダ３８が検出する回転軸３７ａの回転角は、例えばボールスクリュー３６ａの送りピッチを用いて直動ブロック３６ｂの移動量に換算することができる。つまり、エンコーダ３８は、進退駆動の駆動量を検出する駆動量検出器を成している。直動ブロック３６ｂの移動量は、直動ブロック３６ｂに連結された駆動ロッド３４の基端の点Ｐ２の変位を表している。
したがって、エンコーダ３８は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点のうち基端側の点Ｐ２の変位を検出する第２の変位検出部を構成している。
スレーブ側制御部３３に送出される回転角の情報は、スレーブ側制御部３３によるモーター３７の制御にフィードバックされる。
エンコーダ３８が検出する回転軸３７ａの回転角は、例えばボールスクリュー３６ａの送りピッチを用いて直動ブロック３６ｂの移動量に換算することができる。つまり、エンコーダ３８は、進退駆動の駆動量を検出する駆動量検出器を成している。直動ブロック３６ｂの移動量は、直動ブロック３６ｂに連結された駆動ロッド３４の基端の点Ｐ２の変位を表している。
したがって、エンコーダ３８は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点のうち基端側の点Ｐ２の変位を検出する第２の変位検出部を構成している。
このような構成により、直動ブロック３６ｂとモーター３７とは、駆動ロッド３４の基端部を軸方向に進退させる駆動部を構成している。
演算処理部４０は、本実施形態では、リニアエンコーダ３５が検出する変位と、エンコーダ３８が検出する変位とに基づいて、駆動ロッド３４の弾性変形による２点間の軸方向の距離変化（駆動ロッド３４の伸縮量）を求め、この距離変化を発生させる力を演算処理によって求め、駆動ロッド３４に作用する力として算出するものである。
演算処理部４０の機能構成は、図３に示すように、第１基準量算出部４１、第２基準量算出部４２、基準量差分算出部４３、および作動力算出部４４を備える。
演算処理部４０の機能構成は、図３に示すように、第１基準量算出部４１、第２基準量算出部４２、基準量差分算出部４３、および作動力算出部４４を備える。
第１基準量算出部４１は、リニアエンコーダ３５と電気的に接続され、リニアエンコーダ３５の出力から駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点のうち先端側の点の変位を検出し、変位ΔＸ１として基準量差分算出部４３に送出するものである。
なお、変位ΔＸ１の正負は、本実施形態では、基端側から先端側に向かう方向を正とする。
なお、変位ΔＸ１の正負は、本実施形態では、基端側から先端側に向かう方向を正とする。
リニアエンコーダ３５は、変位検出開始位置である原点の設定時に、検出部３５ｂに固有の検出位置Ｑ１に位置するスケール部３５ａ上の点Ｐ１（図２（ａ）参照）の変位を、この点Ｐ１の移動に伴って発生する検出位置Ｑ１での通過パターンを読み取ることで検出する。検出位置Ｑ１は、例えば、検出部３５ｂが光学式の場合にはスケール部３５ａに対する検出光の照射位置である。
このため、スケール部３５ａは、駆動ロッド３４の全長に比べて充分短くかつ変形を起こしにくい材質で形成されており、スケール部３５ａの伸縮は無視することができる。したがって、リニアエンコーダ３５は、スケール部３５ａが検出する変位は、スケール部３５ａ上の各位置で一定と見なすことができる。
すなわち、リニアエンコーダ３５が検出する変位ΔＸ１は、原点の設定時の点Ｐ１の変位を検出しているものとして説明する。
このため、スケール部３５ａは、駆動ロッド３４の全長に比べて充分短くかつ変形を起こしにくい材質で形成されており、スケール部３５ａの伸縮は無視することができる。したがって、リニアエンコーダ３５は、スケール部３５ａが検出する変位は、スケール部３５ａ上の各位置で一定と見なすことができる。
すなわち、リニアエンコーダ３５が検出する変位ΔＸ１は、原点の設定時の点Ｐ１の変位を検出しているものとして説明する。
第２基準量算出部４２は、エンコーダ３８と電気的に接続され、エンコーダ３８の出力から駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点のうち基端側の点の変位を変位ΔＸ２として基準量差分算出部４３に送出するものである。
エンコーダ３８は、ボールスクリュー３６ａの回転角を出力する。このため、例えば、ボールスクリュー３６ａのリードの大きさから回転角をねじ送り量に換算することができ、直動ブロック３６ｂの変位を算出することができる。
直動ブロック３６ｂの変位は、直動ブロック３６ｂに連結された駆動ロッド３４の基端の点Ｐ２の変位に等しいため、第２基準量算出部４２は、点Ｐ２の変位を算出することができる。
エンコーダ３８は、ボールスクリュー３６ａの回転角を出力する。このため、例えば、ボールスクリュー３６ａのリードの大きさから回転角をねじ送り量に換算することができ、直動ブロック３６ｂの変位を算出することができる。
直動ブロック３６ｂの変位は、直動ブロック３６ｂに連結された駆動ロッド３４の基端の点Ｐ２の変位に等しいため、第２基準量算出部４２は、点Ｐ２の変位を算出することができる。
ただし、ボールスクリュー３６ａの回転角と直動ブロック３６ｂの移動量との間には、装置ごとに異なる機械的な誤差が存在する。
そこで、本実施形態では、このような装置固有の移動誤差を補正するため、ボールスクリュー３６ａのリードの大きさで換算するのではなく、予めエンコーダ３８の回転角とボールスクリュー３６ａによる点Ｐ２の移動位置との対応関係を実測し、この対応関係に基づいて、変位ΔＸ２を算出するようにしている。
そこで、本実施形態では、このような装置固有の移動誤差を補正するため、ボールスクリュー３６ａのリードの大きさで換算するのではなく、予めエンコーダ３８の回転角とボールスクリュー３６ａによる点Ｐ２の移動位置との対応関係を実測し、この対応関係に基づいて、変位ΔＸ２を算出するようにしている。
基準量差分算出部４３は、第１基準量算出部４１から送出された点Ｐ１の変位ΔＸ１と、第２基準量算出部４２から送出された点Ｐ２の変位ΔＸ２とを、それぞれ、スレーブアーム３１に連結された術具３２の無負荷時の点Ｐ１、Ｐ２の位置を基準とする変位ΔＸ１’、ΔＸ２’に換算して、これらの差分ΔＬを次式（１）によって算出し、作動力算出部４４に送出するものである。
ΔＬ＝ΔＸ１’−ΔＸ２’ ・・・（１）
術具３２とスレーブアーム３１とが連結され、術具装置１に通電されると、スレーブ側制御部３３によって、術具装置１の初期化が行われる。このとき、リニアエンコーダ３５、エンコーダ３８の原点がリセットされ、以後の動作ではこの位置がΔＸ１＝０、ΔＸ２＝０の位置となる。
したがって、初期化時に術具３２が無負荷となる場合には、これらの原点が無負荷時の変位の基準であるため、ΔＸ１’＝ΔＸ１、ΔＸ２’＝ΔＸ２となる。
ただし、初期化時に、術具３２に負荷をかけておきたい場合がある。例えば、術具３２が把持部３２ａを有する場合に、初期化時には把持部３２ａを確実に閉じておきたいとすると、把持部３２ａ同士が密着するようにある程度負荷をかけて互いに押圧し合う状態とする必要がある。この場合、初期化時の原点は無負荷時の位置とすることができない。
このため、本実施形態では、術具３２ごとに、初期化時と無負荷時との、術具３２の駆動状態を定義し、初期化時の原点を基準とする無負荷時の基準変位ΔＸ０１、ΔＸ０２を予め実測するなどして求めておき記憶部４５に記憶しておく。初期化時と無負荷時とが同一の状態の場合には、ΔＸ０１＝０、ΔＸ０２＝０である。
したがって、基準量差分算出部４３は、次式（２）、（３）から、変位ΔＸ１’、ΔＸ２’を算出して、上記式（１）に代入する。
したがって、初期化時に術具３２が無負荷となる場合には、これらの原点が無負荷時の変位の基準であるため、ΔＸ１’＝ΔＸ１、ΔＸ２’＝ΔＸ２となる。
ただし、初期化時に、術具３２に負荷をかけておきたい場合がある。例えば、術具３２が把持部３２ａを有する場合に、初期化時には把持部３２ａを確実に閉じておきたいとすると、把持部３２ａ同士が密着するようにある程度負荷をかけて互いに押圧し合う状態とする必要がある。この場合、初期化時の原点は無負荷時の位置とすることができない。
このため、本実施形態では、術具３２ごとに、初期化時と無負荷時との、術具３２の駆動状態を定義し、初期化時の原点を基準とする無負荷時の基準変位ΔＸ０１、ΔＸ０２を予め実測するなどして求めておき記憶部４５に記憶しておく。初期化時と無負荷時とが同一の状態の場合には、ΔＸ０１＝０、ΔＸ０２＝０である。
したがって、基準量差分算出部４３は、次式（２）、（３）から、変位ΔＸ１’、ΔＸ２’を算出して、上記式（１）に代入する。
ΔＸ１’＝ΔＸ１−ΔＸ０１ ・・・（２）
ΔＸ２’＝ΔＸ２−ΔＸ０２ ・・・（３）
ΔＸ２’＝ΔＸ２−ΔＸ０２ ・・・（３）
作動力算出部４４は、基準量差分算出部４３から送出された差分ΔＬから、術具３２または直動ブロック３６ｂを介したスレーブアーム３１から駆動ロッド３４が受ける力Ｆを算出するものである。
本実施形態では、駆動ロッド３４は、点Ｐ１、Ｐ２間では軸直角断面が均一であるため、作動力算出部４４は、フックの法則に基づく次式（４）の演算を行って力Ｆを算出する。
本実施形態では、駆動ロッド３４は、点Ｐ１、Ｐ２間では軸直角断面が均一であるため、作動力算出部４４は、フックの法則に基づく次式（４）の演算を行って力Ｆを算出する。
Ｆ＝Ｅ・Ｓ・（ΔＬ／Ｌ） ・・・（４）
ここで、Ｅは駆動ロッド３４の縦弾性係数（ヤング率）、Ｓは駆動ロッド３４の点Ｐ１、Ｐ２間の軸直角断面の断面積、Ｌは駆動ロッド３４の点Ｐ１、Ｐ２間の無負荷時の距離である。
上記式（２）は、変換定数（Ｅ・Ｓ／Ｌ）を用いて差分ΔＬを力Ｆに変換する変換式になっている。
上記式（２）は、変換定数（Ｅ・Ｓ／Ｌ）を用いて差分ΔＬを力Ｆに変換する変換式になっている。
記憶部４５は、第２基準量算出部４２、基準量差分算出部４３、作動力算出部４４と電気的に接続され、演算処理部４０で行う演算処理に必要となるデータを記憶しておくものである。記憶部４５に記憶されるデータとしては、上記に説明したように、例えば、エンコーダ３８の回転角とボールスクリュー３６ａによる点Ｐ２の移動位置との対応関係を表すデータ、無負荷時の基準変位ΔＸ０１、ΔＸ０２、変換定数（Ｅ・Ｓ／Ｌ）などを挙げることができる。
このように、本実施形態における記憶部４５は、変換定数を記憶することで、距離変化を力に変換する変換式を記憶するものとなっている。
なお、変換式の記憶の仕方としては、変換式自体を、関係式、関数、サブプログラム、テーブル等の形で記憶してもよい。また、汎用の変換式と変換式に設定するパラメータとを記憶してもよい。
このように、本実施形態における記憶部４５は、変換定数を記憶することで、距離変化を力に変換する変換式を記憶するものとなっている。
なお、変換式の記憶の仕方としては、変換式自体を、関係式、関数、サブプログラム、テーブル等の形で記憶してもよい。また、汎用の変換式と変換式に設定するパラメータとを記憶してもよい。
演算処理部４０の装置構成は、上記機能構成に対応するハードウェアのみで構成してもよいし、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータとから構成し、このコンピュータによって上記に説明した各演算機能に対応するプログラムを実行することで実現してもよい。
また、図２（ａ）は模式図のため、演算処理部４０をスレーブアーム３１の外部に位置するように描いているが、演算処理部４０の配置位置は特に限定されない。例えば、アーム筐体３１ａの内部に設けられていてもよいし、アーム筐体３１ａの外周面や基端部に設けられていてもよい。また、スレーブ側制御部３３に設けられていてもよい。
また、図２（ｂ）では、演算処理部４０の図示を省略している。
また、図２（ａ）は模式図のため、演算処理部４０をスレーブアーム３１の外部に位置するように描いているが、演算処理部４０の配置位置は特に限定されない。例えば、アーム筐体３１ａの内部に設けられていてもよいし、アーム筐体３１ａの外周面や基端部に設けられていてもよい。また、スレーブ側制御部３３に設けられていてもよい。
また、図２（ｂ）では、演算処理部４０の図示を省略している。
このような構成により、リニアエンコーダ３５、エンコーダ３８、第１基準量算出部４１、第２基準量算出部４２、および基準量差分算出部４３は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ１、Ｐ２間の距離変化ΔＬを、術具３２が無負荷時の距離Ｌを基準として検出する距離変化検出部を構成している。
また、作動力算出部４４は、距離変化検出部で検出された距離変化ΔＬから、術具３２またはスレーブアーム３１から駆動ロッド３４が受ける力を算出する力算出部を構成している。
また、作動力算出部４４は、距離変化検出部で検出された距離変化ΔＬから、術具３２またはスレーブアーム３１から駆動ロッド３４が受ける力を算出する力算出部を構成している。
次に、本実施形態の術具装置１の動作について説明する。
まず、スレーブアーム３１に術具３２を連結して、図２（ｂ）に示すように、術具装置１を組み立てる。これにより、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とが連結部３２ｄ、３４ａで連結され、駆動リンク３２ｂと直動ブロック３６ｂとが、被駆動部３２ｃおよび駆動ロッド３４からなる軸状部材で連結される。
次に手術支援システム１００に通電すると、スレーブ側制御部３３によって、術具装置１および関節ロボット３０ａの初期化が行われる。
術具装置１では、モーター３７が、予め設定された初期化時の位置に駆動され、直動ブロック３６ｂの位置が初期化される。この状態でリニアエンコーダ３５、エンコーダ３８の原点がリセットされる。
また、関節ロボット３０ａは予め設定された初期化時の位置に移動される。
まず、スレーブアーム３１に術具３２を連結して、図２（ｂ）に示すように、術具装置１を組み立てる。これにより、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とが連結部３２ｄ、３４ａで連結され、駆動リンク３２ｂと直動ブロック３６ｂとが、被駆動部３２ｃおよび駆動ロッド３４からなる軸状部材で連結される。
次に手術支援システム１００に通電すると、スレーブ側制御部３３によって、術具装置１および関節ロボット３０ａの初期化が行われる。
術具装置１では、モーター３７が、予め設定された初期化時の位置に駆動され、直動ブロック３６ｂの位置が初期化される。この状態でリニアエンコーダ３５、エンコーダ３８の原点がリセットされる。
また、関節ロボット３０ａは予め設定された初期化時の位置に移動される。
次に、術者Ｏｐは、マスタ操作入力装置１０のマスタ表示部１２の映像を見ながら、操作部１１を操作する。操作部１１は術者Ｏｐによる操作の動きを解析し、スレーブマニピュレータ３０を駆動するための操作信号をマスタ側制御装置２０に送出する。
マスタ側制御装置２０では、操作信号に基づいて、マスタ制御部２１からスレーブマニピュレータ３０の各可動部の動作を制御する可動部選択信号２４および指令値２３がマニピュレータ制御部２２に送出され、これらに基づいてマニピュレータ制御部２２からスレーブ側制御部３３に制御信号が送出される。
例えば、術具装置１の把持部３２ａを開放し、関節ロボット３０ａによって被把持物を把持する位置に把持部３２ａを移動して、把持部３２ａを閉じて被把持物を把持する、といった動作を行う制御信号が送出される。
これにより、術具装置１のモーター３７が駆動され、直動ブロック３６ｂが先端側に移動し、駆動ロッド３４を介して被駆動部３２ｃが先端側に移動され、駆動リンク３２ｂによって把持部３２ａが開放される。
被把持物を把持する際は、モーター３７を逆回転させて直動ブロック３６ｂを基端側に移動する。
マスタ側制御装置２０では、操作信号に基づいて、マスタ制御部２１からスレーブマニピュレータ３０の各可動部の動作を制御する可動部選択信号２４および指令値２３がマニピュレータ制御部２２に送出され、これらに基づいてマニピュレータ制御部２２からスレーブ側制御部３３に制御信号が送出される。
例えば、術具装置１の把持部３２ａを開放し、関節ロボット３０ａによって被把持物を把持する位置に把持部３２ａを移動して、把持部３２ａを閉じて被把持物を把持する、といった動作を行う制御信号が送出される。
これにより、術具装置１のモーター３７が駆動され、直動ブロック３６ｂが先端側に移動し、駆動ロッド３４を介して被駆動部３２ｃが先端側に移動され、駆動リンク３２ｂによって把持部３２ａが開放される。
被把持物を把持する際は、モーター３７を逆回転させて直動ブロック３６ｂを基端側に移動する。
このような駆動動作と並行して、演算処理部４０は、リニアエンコーダ３５およびエンコーダ３８によって取得される駆動ロッド３４上の点Ｐ１、Ｐ２の変位量に基づいて駆動ロッド３４に作用する力を逐次算出し、スレーブ側制御部３３に出力する。
すなわち、モーター３７が駆動されるとリニアエンコーダ３５およびエンコーダ３８の出力信号が、それぞれ第１基準量算出部４１および第２基準量算出部４２に逐次入力される。第１基準量算出部４１および第２基準量算出部４２は、これらの出力信号に基づいて、それぞれ点Ｐ１の変位ΔＸ１および点Ｐ２の変位ΔＸ２を基準量差分算出部４３に送出する。
基準量差分算出部４３では、上記式（２）、（３）に基づいて、変位ΔＸ１、ΔＸ２を変位ΔＸ１’、ΔＸ２’に換算し、上記式（１）に基づいて差分ΔＬを算出し、作動力算出部４４に送出する。
作動力算出部４４では、上記式（４）に基づいて、力Ｆを算出し、スレーブ側制御部３３に送出する。スレーブ側制御部３３に送出された力Ｆは、本実施形態では表示部３９に数値やグラフ等の形態で表示され、これにより術者Ｏｐが駆動ロッド３４に作用する力Ｆの大きさを把握することができる。
すなわち、モーター３７が駆動されるとリニアエンコーダ３５およびエンコーダ３８の出力信号が、それぞれ第１基準量算出部４１および第２基準量算出部４２に逐次入力される。第１基準量算出部４１および第２基準量算出部４２は、これらの出力信号に基づいて、それぞれ点Ｐ１の変位ΔＸ１および点Ｐ２の変位ΔＸ２を基準量差分算出部４３に送出する。
基準量差分算出部４３では、上記式（２）、（３）に基づいて、変位ΔＸ１、ΔＸ２を変位ΔＸ１’、ΔＸ２’に換算し、上記式（１）に基づいて差分ΔＬを算出し、作動力算出部４４に送出する。
作動力算出部４４では、上記式（４）に基づいて、力Ｆを算出し、スレーブ側制御部３３に送出する。スレーブ側制御部３３に送出された力Ｆは、本実施形態では表示部３９に数値やグラフ等の形態で表示され、これにより術者Ｏｐが駆動ロッド３４に作用する力Ｆの大きさを把握することができる。
このように算出される力Ｆは、駆動ロッド３４が点Ｐ１、Ｐ２の位置で受ける引張力または圧縮力であり、連結部３４ａ、３２ｃによって一体化された被駆動部３２ｃおよび駆動ロッド３４上では、各所でこの引張力または圧縮力が作用している。
特に、本実施形態の場合、駆動ロッド３４に作用する引張力は、駆動リンク３２ｂを基端側に引っ張って把持部３２ａを閉じる作動力である。力Ｆの大きさは、把持部３２ａから被把持物に作用する押圧力に対応するため、術者Ｏｐは、力Ｆの大きさの表示を見ることで、被把持物の押圧力が適切となるように操作を加減することが可能となる。
特に、本実施形態の場合、駆動ロッド３４に作用する引張力は、駆動リンク３２ｂを基端側に引っ張って把持部３２ａを閉じる作動力である。力Ｆの大きさは、把持部３２ａから被把持物に作用する押圧力に対応するため、術者Ｏｐは、力Ｆの大きさの表示を見ることで、被把持物の押圧力が適切となるように操作を加減することが可能となる。
本実施形態では、駆動ロッド３４上の離間した２点Ｐ１、Ｐ２間の距離変化を検出して、駆動ロッド３４に作用する力を求めるため、駆動ロッド３４の伸縮量が微小になる術具３２の場合でも、２点Ｐ１、Ｐ２間の無負荷時の距離Ｌを大きく設定することで、駆動ロッド３４の伸縮量を高精度に検出することができる。
例えば、駆動ロッド３４が直径１ｍｍのステンレス鋼製の円柱で、Ｌ＝１０（ｍｍ）とした場合、Ｅ＝１９３（ＧＰａ）、Ｓ＝π×０．５２（ｍｍ２）である。したがって、リニアエンコーダ３５の分解能を０．８ｎｍとしたとき、上記式（４）から、力Ｆの検出分解能は、Ｆ＝０．０１２（Ｎ）となる。
例えば、駆動ロッド３４が直径１ｍｍのステンレス鋼製の円柱で、Ｌ＝１０（ｍｍ）とした場合、Ｅ＝１９３（ＧＰａ）、Ｓ＝π×０．５２（ｍｍ２）である。したがって、リニアエンコーダ３５の分解能を０．８ｎｍとしたとき、上記式（４）から、力Ｆの検出分解能は、Ｆ＝０．０１２（Ｎ）となる。
また、駆動ロッド３４に生じるひずみをひずみゲージによって測定する場合、駆動ロッド３４に発生するひずみ分布が均一でないと、ひずみゲージを設ける場所による測定誤差が生じるが、本実施形態の場合には、２点間の距離変化によって平均的なひずみを測定していることになるため、２点間の距離を大きくとることで、局所的なひずみ分布に起因する測定誤差を低減することができる。このため、ひずみゲージの測定に比べてより高精度な検出が可能となる。
さらに、ひずみゲージはアナログ信号として測定結果が出力されるため、外部磁場の影響を受けやすく安定した出力が得られない。本実施形態の場合にはエンコーダによるパルス上のデジタル信号により測定結果が出力されるため，ノイズの影響を受けにくい安定した出力を得ることが可能となる。
さらに、ひずみゲージはアナログ信号として測定結果が出力されるため、外部磁場の影響を受けやすく安定した出力が得られない。本実施形態の場合にはエンコーダによるパルス上のデジタル信号により測定結果が出力されるため，ノイズの影響を受けにくい安定した出力を得ることが可能となる。
［第１変形例］
次に、本実施形態の変形例（第１変形例）について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
次に、本実施形態の変形例（第１変形例）について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
本変形例の術具装置１Ａは、図４に示すように、上記第１の実施形態の術具装置１の術具３２に代えて、術具３２Ａ（術具部）を備え、上記第１の実施形態でスレーブアーム３１の内部に設けられていたリニアエンコーダ３５を削除したものである。また、術具装置１Ｂは上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に用いることができる。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
術具３２Ａは、被駆動部３２ｃの連結部３２ｄの近傍の側面にスケール部３５ａが固定されている。また、術具筐体３２ｅの内周面において、スケール部３５ａと対向する位置に検出部３５ｂが固定されている。検出部３５ｂの固定位置は、被駆動部３２ｃが可動範囲を移動した場合にスケール部３５ａと常に対向できる位置とされる。
このため、リニアエンコーダ３５は、被駆動部３２ｃにおいて検出位置Ｑ１に位置するスケール部３５ａ上の点Ｐ３の変位を検出することができるようになっている。これにより、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とが連結された際に形成される軸状部材上において、先端側となる点Ｐ３の変位がリニアエンコーダ３５によって検出可能となり、基端側となる点である点Ｐ２の変位がエンコーダ３８によって検出可能となっている。
なお、スケール部３５ａおよび検出部３５ｂは、被駆動部３２ｃ上に検出部３５ｂ、術具筐体３２ｅにスケール部３５ａを設けた構成としてもよい。
このため、リニアエンコーダ３５は、被駆動部３２ｃにおいて検出位置Ｑ１に位置するスケール部３５ａ上の点Ｐ３の変位を検出することができるようになっている。これにより、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とが連結された際に形成される軸状部材上において、先端側となる点Ｐ３の変位がリニアエンコーダ３５によって検出可能となり、基端側となる点である点Ｐ２の変位がエンコーダ３８によって検出可能となっている。
なお、スケール部３５ａおよび検出部３５ｂは、被駆動部３２ｃ上に検出部３５ｂ、術具筐体３２ｅにスケール部３５ａを設けた構成としてもよい。
検出部３５ｂは、上記第１の実施形態と同様に、演算処理部４０の第１基準量算出部４１と電気的に接続されている。図４は模式図のため、検出部３５ｂが術具３２の外部を通して演算処理部４０と接続されているように描かれているが、配線は、術具３２の外部に設けられていてもよいし、内部に設けられていてもよい。内部に設けられている場合、術具３２の着脱時に同時に着脱可能なコネクタを嵌合部３１ｂに設けておき、このコネクタに接続されアーム筐体３１ａ内に配置された配線を通して演算処理部４０と接続できるようにしてもよい。
コネクタによって着脱可能に接続する場合でも、検出部３５ｂからの検出信号はパルス信号であり、ひずみゲージの出力のようにアナログ信号ではないため、繰り返し挿抜による接触抵抗の変化などに起因する測定誤差は抑制される。
コネクタによって着脱可能に接続する場合でも、検出部３５ｂからの検出信号はパルス信号であり、ひずみゲージの出力のようにアナログ信号ではないため、繰り返し挿抜による接触抵抗の変化などに起因する測定誤差は抑制される。
本変形例の構成によれば、リニアエンコーダ３５およびエンコーダ３８によって、被駆動部３２ｃおよび駆動ロッド３４が連結された際の軸状部材上の２点Ｐ３、Ｐ２の間の距離変化を測定できるため、上記第１の実施形態と同様にして、被駆動部３２ｃおよび駆動ロッド３４に作用する力Ｆを算出することができる。ただし、本変形例では、点Ｐ１に代えて点Ｐ３の変位を測定するため、無負荷時の距離Ｌや点Ｐ３の無負荷時の位置は点Ｐ３の位置に応じて変更する。
本変形例によれば、距離変化を測定する２点間の距離を上記第１の実施形態に比べて大きく設定することができる。
本変形例によれば、距離変化を測定する２点間の距離を上記第１の実施形態に比べて大きく設定することができる。
本変形例においては、リニアエンコーダ３５は、配置位置が上記第１の実施形態と異なるものの上記第１の実施形態と同様に第１の変位検出部を構成している。
また、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とはともに力伝達部材を構成している。
そして、被駆動部３２ｃは、スレーブアーム３１に対して着脱可能とされた術具３２に設けられ、基端側に第１の連結部である連結部３２ｄを有する先端側力伝達部材を構成している。
また、駆動ロッド３４は、先端側に連結部３２ｄと連結する第２の連結部である連結部３４ａを有する基端側力伝達部材を構成している。
このため、リニアエンコーダ３５は先端側力伝達部材上の変位を検出し、エンコーダ３８は基端側力伝達部材上の変位を検出する場合の例になっている。
また、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とはともに力伝達部材を構成している。
そして、被駆動部３２ｃは、スレーブアーム３１に対して着脱可能とされた術具３２に設けられ、基端側に第１の連結部である連結部３２ｄを有する先端側力伝達部材を構成している。
また、駆動ロッド３４は、先端側に連結部３２ｄと連結する第２の連結部である連結部３４ａを有する基端側力伝達部材を構成している。
このため、リニアエンコーダ３５は先端側力伝達部材上の変位を検出し、エンコーダ３８は基端側力伝達部材上の変位を検出する場合の例になっている。
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る術具装置について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図６は、本発明の第２の実施形態に係る術具装置の演算処理部の機能構成を示す機能ブロック図である。
次に、第２の実施形態に係る術具装置について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図６は、本発明の第２の実施形態に係る術具装置の演算処理部の機能構成を示す機能ブロック図である。
本実施形態の術具装置１Ｂは、図５に示すように、上記第１の実施形態の術具装置１のスレーブアーム３１の内部に、上記第１の実施形態におけるリニアエンコーダ３５に代えて、第１のリニアエンコーダ３５Ａ（第１の変位検出部）と第２のリニアエンコーダ３５Ｂ（第２の変位検出部）とを備え、上記第１の実施形態の演算処理部４０に代えて、演算処理部６０を備えるものである。
ただし、本実施形態においてエンコーダ３８は、スレーブ側制御部３３のみに電気的に接続されている。
また、術具装置１Ｂは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
ただし、本実施形態においてエンコーダ３８は、スレーブ側制御部３３のみに電気的に接続されている。
また、術具装置１Ｂは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
第１のリニアエンコーダ３５Ａは、上記第１の実施形態のリニアエンコーダ３５と同様の構成を有し、同様な位置に設けられ、同様にして点Ｐ１の変位を検出するものである。
第２のリニアエンコーダ３５Ｂは、上記第１の実施形態のリニアエンコーダ３５と同様の構成を有し、このため、リニアエンコーダ３５Ａの検出位置Ｑ１に対応して、検出位置Ｑ４を有し、無負荷時の駆動ロッド３４上で、点Ｐ１よりも基端側に距離Ｌだけ離れた点Ｐ４の変位を検出する位置に設けられている。
第１のリニアエンコーダ３５Ａおよび第２のリニアエンコーダ３５Ｂは、それぞれ演算処理部６０に電気的に接続されている。
第２のリニアエンコーダ３５Ｂは、上記第１の実施形態のリニアエンコーダ３５と同様の構成を有し、このため、リニアエンコーダ３５Ａの検出位置Ｑ１に対応して、検出位置Ｑ４を有し、無負荷時の駆動ロッド３４上で、点Ｐ１よりも基端側に距離Ｌだけ離れた点Ｐ４の変位を検出する位置に設けられている。
第１のリニアエンコーダ３５Ａおよび第２のリニアエンコーダ３５Ｂは、それぞれ演算処理部６０に電気的に接続されている。
演算処理部６０は、図６に示すように、上記第１の実施形態の演算処理部４０の第２基準量算出部４２に代えて、第２基準量算出部６２を備える。
第２基準量算出部６２は、上記第１の実施形態の第１基準量算出部４１と同様の構成を備え、第２のリニアエンコーダ３５Ｂと電気的に接続され、第２のリニアエンコーダ３５Ｂの出力から駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点のうち基端側の点Ｐ４の変位を検出し、変位ΔＸ２として基準量差分算出部４３に送出するものである。
第２基準量算出部６２は、上記第１の実施形態の第１基準量算出部４１と同様の構成を備え、第２のリニアエンコーダ３５Ｂと電気的に接続され、第２のリニアエンコーダ３５Ｂの出力から駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点のうち基端側の点Ｐ４の変位を検出し、変位ΔＸ２として基準量差分算出部４３に送出するものである。
なお、本実施形態の記憶部４５では、エンコーダ３８の出力信号が力Ｆの算出に用いられないこと、および第２のリニアエンコーダ３５Ｂが点Ｐ４の変位を検知することに対応して、エンコーダ３８の回転角とボールスクリュー３６ａによる点Ｐ２の移動位置との対応関係を表すデータは削除され、無負荷時の基準変位ΔＸ０２として、無負荷時の点Ｐ４の変位が記憶され、無負荷時の距離Ｌとして点Ｐ１、Ｐ４間の距離が記憶されている。
本実施形態の構成によれば、第１のリニアエンコーダ３５Ａおよび第２のリニアエンコーダ３５Ｂによって、駆動ロッド３４上の２点Ｐ１、Ｐ４の間の距離変化を測定できるため、上記第１の実施形態と同様にして、演算処理部６０により、駆動ロッド３４に作用する力Ｆを算出することができる。
また、本実施形態によれば、基端側の点Ｐ４の変位を、先端側の点Ｐ１と同様の構成を有する第２のリニアエンコーダ３５Ｂによって検出するため、第２基準量算出部６２は、エンコーダ３８の回転角を直動ブロック３６ｂの移動量に換算する演算を行わなくてよい。このため、第２基準量算出部６２の変位の算出の演算が簡素化される。また、第１基準量算出部４１と同様の構成を採用することができるため、演算処理部６０の構成が簡素化される。
また、点Ｐ４の変位は、直動機構３６の機械的な誤差に起因する測定誤差が含まれないため、直動機構３６の移動誤差があっても、点Ｐ４の変位を精度よく測定することができる。
また、点Ｐ１、Ｐ４の間の間隔を適宜設定することにより、力Ｆの検出感度を容易に変更することができる。
また、本実施形態によれば、基端側の点Ｐ４の変位を、先端側の点Ｐ１と同様の構成を有する第２のリニアエンコーダ３５Ｂによって検出するため、第２基準量算出部６２は、エンコーダ３８の回転角を直動ブロック３６ｂの移動量に換算する演算を行わなくてよい。このため、第２基準量算出部６２の変位の算出の演算が簡素化される。また、第１基準量算出部４１と同様の構成を採用することができるため、演算処理部６０の構成が簡素化される。
また、点Ｐ４の変位は、直動機構３６の機械的な誤差に起因する測定誤差が含まれないため、直動機構３６の移動誤差があっても、点Ｐ４の変位を精度よく測定することができる。
また、点Ｐ１、Ｐ４の間の間隔を適宜設定することにより、力Ｆの検出感度を容易に変更することができる。
本実施形態においては、第１のリニアエンコーダ３５Ａ、第２のリニアエンコーダ３５Ｂは、それぞれ、第１の変位検出部、第２の変位検出部を構成している。
また、第１のリニアエンコーダ３５Ａ、第２のリニアエンコーダ３５Ｂ、第１基準量算出部４１、第２基準量算出部６２、および基準量差分算出部４３は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ１、Ｐ４間の距離変化ΔＬを、術具３２が無負荷時の距離Ｌを基準として検出する距離変化検出部を構成している。
また、第１のリニアエンコーダ３５Ａ、第２のリニアエンコーダ３５Ｂ、第１基準量算出部４１、第２基準量算出部６２、および基準量差分算出部４３は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ１、Ｐ４間の距離変化ΔＬを、術具３２が無負荷時の距離Ｌを基準として検出する距離変化検出部を構成している。
［第２変形例］
次に、本実施形態の変形例（第２変形例）について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態の変形例（第２変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
次に、本実施形態の変形例（第２変形例）について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態の変形例（第２変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
本変形例の術具装置１Ｃは、図７に示すように、上記第２の実施形態の術具装置１Ｂの術具３２に代えて、術具３２Ｂ（術具部）を備え、上記第２の実施形態でスレーブアーム３１の内部に設けられていた第１のリニアエンコーダ３５Ａを削除したものである。また、術具装置１Ｃは上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に用いることができる。
以下、上記第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
以下、上記第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
術具３２Ｂは、上記第１の実施形態の第１変形例の術具３２Ａのリニアエンコーダ３５に代えて、上記第２の実施形態の第１のリニアエンコーダ３５Ａを備えたものである。
本変形例の構成によれば、第１のリニアエンコーダ３５Ａおよび第２のリニアエンコーダ３５Ｂによって、被駆動部３２ｃおよび駆動ロッド３４が連結された際の軸状部材上の２点Ｐ３、Ｐ４の間の距離変化を測定できるため、上記第２の実施形態と同様にして、被駆動部３２ｃおよび駆動ロッド３４に作用する力Ｆを算出することができる。ただし、本変形例では、点Ｐ１に代えて点Ｐ３の変位を測定するため、無負荷時の距離Ｌや点Ｐ３の無負荷時の変位は点Ｐ３の位置に応じて変更する。
本変形例によれば、距離変化を測定する２点間の距離を上記第２の実施形態に比べて大きく設定することができる。
本変形例は、上記第１の実施形態の第１変形例において、第２の変位検出部を、エンコーダ３８から第２のリニアエンコーダ３５Ｂに代えた場合の例になっている。
本変形例によれば、距離変化を測定する２点間の距離を上記第２の実施形態に比べて大きく設定することができる。
本変形例は、上記第１の実施形態の第１変形例において、第２の変位検出部を、エンコーダ３８から第２のリニアエンコーダ３５Ｂに代えた場合の例になっている。
［第３変形例］
次に、本実施形態の他の変形例（第３変形例）について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態の他の変形例（第３変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
次に、本実施形態の他の変形例（第３変形例）について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態の他の変形例（第３変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
本変形例の術具装置１Ｄは、図８に示すように、上記第２の実施形態の術具装置１Ｂの術具３２に代えて、術具３２Ｃ（術具部）を備え、上記第２の実施形態でスレーブアーム３１の内部に設けられていた第２のリニアエンコーダ３５Ｂを削除したものである。また、術具装置１Ｄは上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に用いることができる。
以下、上記第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
以下、上記第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
術具３２Ｃは、上記第２の実施形態の術具３２において、被駆動部３２ｃの連結部３２ｄを削除して、被駆動部３２ｃの基端側に、駆動ロッド３４と軸直角断面の形状が同一で同材質からなる先端側駆動ロッド部３２ｆ（先端側力伝達部材）を追加し、この先端側駆動ロッド部３２ｆの基端に連結部３２ｄを設けた構成とし、さらに先端側駆動ロッド部３２ｆの先端側および基端側の２点Ｐ５、Ｐ６の変位を測定できるように、第１のリニアエンコーダ３５Ａおよび第２のリニアエンコーダ３５Ｂを設けたものである。
すなわち、先端側駆動ロッド部３２ｆには、先端側から、第１のリニアエンコーダ３５Ａのスケール部３５ａが固定され、第２のリニアエンコーダ３５Ｂのスケール部３５ａが固定され、これらと対向する位置における術具筐体３２ｅの内周面に、それぞれの検出部３５ｂが設けられている。
なお、第１のリニアエンコーダ３５Ａの検出位置Ｑ１と第２のリニアエンコーダ３５Ｂ検出位置Ｑ４との間の距離は、力Ｆの測定精度に応じて適宜の大きさに設定することができる。
すなわち、先端側駆動ロッド部３２ｆには、先端側から、第１のリニアエンコーダ３５Ａのスケール部３５ａが固定され、第２のリニアエンコーダ３５Ｂのスケール部３５ａが固定され、これらと対向する位置における術具筐体３２ｅの内周面に、それぞれの検出部３５ｂが設けられている。
なお、第１のリニアエンコーダ３５Ａの検出位置Ｑ１と第２のリニアエンコーダ３５Ｂ検出位置Ｑ４との間の距離は、力Ｆの測定精度に応じて適宜の大きさに設定することができる。
本変形例の構成によれば、第１のリニアエンコーダ３５Ａおよび第２のリニアエンコーダ３５Ｂによって、それぞれの検出位置Ｑ１、Ｑ４に対応する先端側駆動ロッド部３２ｆ上の２点Ｐ５、Ｐ６の間の距離変化を測定できるため、上記第２の実施形態と同様にして、先端側駆動ロッド部３２ｆに作用する力Ｆを算出することができる。ただし、本変形例では、点Ｐ１、Ｐ４に代えて点Ｐ５、Ｐ６の変位を測定するため、無負荷時の距離Ｌや点Ｐ５、Ｐ６の無負荷時の変位は点Ｐ５、Ｐ６の位置に応じて変更する。
本変形例によれば、距離変化検出部を術具３２Ｃ側のみに設けることができるため、スレーブアーム３１の構成は、汎用の構成を採用することができる。また、把持部３２ａの近くの距離変化を検出して力を算出することができるため、力の検出精度を向上することができる。
本変形例は、先端側駆動ロッド部３２ｆおよび駆動ロッド３４がそれぞれ先端側力伝達部材および基端側力伝達部材を構成しており、第１の変位検出部および第２の変位検出部が、先端側力伝達部材上の２点間の距離変化を検出する場合の例になっている。
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る術具装置について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る術具装置の演算処理部の機能構成を示す機能ブロック図である。
次に、第３の実施形態に係る術具装置について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る術具装置の演算処理部の機能構成を示す機能ブロック図である。
本実施形態の術具装置１Ｅは、図９に示すように、上記第１の実施形態の術具装置１に基準部材７２（変位検出部保持部材）を追加し、演算処理部４０に代えて、演算処理部８０を備えるものである。
ただし、本実施形態においてエンコーダ３８は、スレーブ側制御部３３のみに電気的に接続されている。
また、術具装置１Ｅは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
ただし、本実施形態においてエンコーダ３８は、スレーブ側制御部３３のみに電気的に接続されている。
また、術具装置１Ｅは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
基準部材７２は、駆動ロッド３４上の２点間の距離変化を測定する際に無負荷時の距離Ｌを規定する基準距離規定部材である。本実施形態では、基準部材７２の基端面Ｑ２が、直動機構３６の直動ブロック３６ｂにおいて点Ｐ２と接する側面に固定され、駆動ロッド３４の側方において駆動ロッド３４と平行に延ばして設けられた細長いブロック状部材からなる。
基準部材７２は、環境温度や使用時の外力、振動などによっても、軸方向の長さが安定している材質であれば、特に限定されない。例えば線膨張率の小さい金属材料やセラミックス材料などを採用することができる。
基準部材７２の先端側には、基端面Ｑ２から距離Ｌの位置において駆動ロッド３４と対向する側面に、リニアエンコーダ３５の検出部３５ｂが固定されている。ここで、検出部３５ｂの位置は、検出部３５ｂの検出位置Ｑ１と基端面Ｑ２との距離がＬになる位置を意味する。
また、リニアエンコーダ３５のスケール部３５ａは、検出部３５ｂに対向する位置の駆動ロッド３４の側面に固定されている。
スケール部３５ａは、本実施形態では、術具３２の無負荷時に検出位置Ｑ１に位置する点が点Ｐ７であり、本実施形態では、点Ｐ７、Ｐ２間の距離が上記式（４）における距離となる。
基準部材７２は、環境温度や使用時の外力、振動などによっても、軸方向の長さが安定している材質であれば、特に限定されない。例えば線膨張率の小さい金属材料やセラミックス材料などを採用することができる。
基準部材７２の先端側には、基端面Ｑ２から距離Ｌの位置において駆動ロッド３４と対向する側面に、リニアエンコーダ３５の検出部３５ｂが固定されている。ここで、検出部３５ｂの位置は、検出部３５ｂの検出位置Ｑ１と基端面Ｑ２との距離がＬになる位置を意味する。
また、リニアエンコーダ３５のスケール部３５ａは、検出部３５ｂに対向する位置の駆動ロッド３４の側面に固定されている。
スケール部３５ａは、本実施形態では、術具３２の無負荷時に検出位置Ｑ１に位置する点が点Ｐ７であり、本実施形態では、点Ｐ７、Ｐ２間の距離が上記式（４）における距離となる。
演算処理部８０は、図１０に示すように、上記第１の実施形態の演算処理部４０の第２基準量算出部４２を削除し、第１基準量算出部４１、基準量差分算出部４３に代えて、それぞれ基準量算出部８１、基準量差分算出部８３を備える。
基準量算出部８１は、リニアエンコーダ３５と電気的に接続され、リニアエンコーダ３５の出力から駆動ロッド３４上で、先端側に位置する検出部３５ｂの検出位置Ｑ１での駆動ロッド３４の変位を検出し、変位ΔＸ１として基準量差分算出部８３に送出するものである。変位ΔＸ １ は、上記第１の実施形態に説明したように、スケール部３５ａ上の各点に共通であるため、点Ｐ７の変位を表している。
基準量差分算出部８３は、基準量算出部８１から送出された変位ΔＸ１を、記憶部４５に予め記憶された点Ｐ７の変位ΔＸ０との差分ΔＬを、次式（５）のように算出するものである。
基準量差分算出部８３で算出された差分ΔＬは、作動力算出部４４に送出される。
基準量差分算出部８３で算出された差分ΔＬは、作動力算出部４４に送出される。
ΔＬ＝ΔＸ１−ΔＸ０ ・・・（５）
点Ｐ７、Ｐ２の間の軸方向の距離は、基準部材７２における検出部３５ｂの位置によって規定されており、本実施形態では、距離Ｌに等しい。このため、差分ΔＬは、術具３２に負荷が発生した場合における距離Ｌからの距離変化を表している。
術具３２とスレーブアーム３１とが連結され、術具装置１Ｅに通電されると、スレーブ側制御部３３によって、術具装置１Ｅの初期化が行われる。このとき、リニアエンコーダ３５の原点がリセットされ、以後の動作ではこの位置がΔＸ１＝０の位置となる。
したがって、初期化時に術具３２が無負荷となる場合には、この原点が無負荷時の位置の基準であるため、ΔＸ０＝０となる。
ただし、第１の実施形態と同様、初期化時に、術具３２に負荷をかけておきたい場合がある。この場合、初期化時の原点は無負荷時の位置とすることができない。
このため、本実施形態では、術具３２ごとに、初期化時と無負荷時との、術具３２の駆動状態を定義し、初期化時の原点から測った無負荷時の変位ΔＸ０を予め実測するなどして、記憶部４５に記憶しておく。
したがって、初期化時に術具３２が無負荷となる場合には、この原点が無負荷時の位置の基準であるため、ΔＸ０＝０となる。
ただし、第１の実施形態と同様、初期化時に、術具３２に負荷をかけておきたい場合がある。この場合、初期化時の原点は無負荷時の位置とすることができない。
このため、本実施形態では、術具３２ごとに、初期化時と無負荷時との、術具３２の駆動状態を定義し、初期化時の原点から測った無負荷時の変位ΔＸ０を予め実測するなどして、記憶部４５に記憶しておく。
作動力算出部４４は、上記第１の実施形態と同様、上記式（４）を用いて、力Ｆを算出するものである。
ただし、本実施形態では、上記式（４）に用いるΔＬは、上記式（５）によって算出され基準量差分算出部８３から送出される値である。また、上記式（４）における無負荷時の距離Ｌは、基準部材７２における検出部３５ｂの取付位置に基づいて決まる点Ｐ７、Ｐ２間の距離である。また、上記式（４）におけるＳは、駆動ロッド３４の点Ｐ７、Ｐ２間の軸直角断面の断面積である。
ただし、本実施形態では、上記式（４）に用いるΔＬは、上記式（５）によって算出され基準量差分算出部８３から送出される値である。また、上記式（４）における無負荷時の距離Ｌは、基準部材７２における検出部３５ｂの取付位置に基づいて決まる点Ｐ７、Ｐ２間の距離である。また、上記式（４）におけるＳは、駆動ロッド３４の点Ｐ７、Ｐ２間の軸直角断面の断面積である。
このため、本実施形態の記憶部４５では、エンコーダ３８の回転角とボールスクリュー３６ａによる点Ｐ２の移動位置との対応関係を表すデータは削除され、基準変位ΔＸ０１、ΔＸ０２に代えて、無負荷時の変位ΔＸ０が記憶され、無負荷時の距離Ｌとしては点Ｐ７、Ｐ２間の距離が記憶されている。
本実施形態の構成によれば、リニアエンコーダ３５が、駆動ロッド３４の基端の点Ｐ２と同一の位置に基端面Ｑ２が設けられた基準部材７２に固定されているため、術具３２の無負荷時の点Ｐ７、Ｐ２間の距離変化を測定できるため、上記第１の実施形態と同様にして、演算処理部８０により、駆動ロッド３４に作用する力Ｆを算出することができる。
本実施形態では、基準部材７２を用いることにより、２点間の距離変化を１つのリニアエンコーダ３５のみで測定でき、これに対応して演算処理部８０の構成も簡素化される。このため、全体として簡素かつ安価な構成とすることができる。
本実施形態では、基準部材７２を用いることにより、２点間の距離変化を１つのリニアエンコーダ３５のみで測定でき、これに対応して演算処理部８０の構成も簡素化される。このため、全体として簡素かつ安価な構成とすることができる。
本実施形態においては、リニアエンコーダ３５、基準量算出部８１、および基準量差分算出部８３は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ７、Ｐ２間の距離変化ΔＬを、術具３２が無負荷時の距離Ｌを基準として検出する距離変化検出部を構成している。
また、リニアエンコーダ３５は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ７、Ｐ２うちの一方の点Ｐ７の変位を検出する変位検出部を構成している。
また、基準部材７２は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ７、Ｐ２のうち他方の点Ｐ２に固定され、駆動ロッド３４の軸方向に沿って延ばされ、変位検出部を他方の点Ｐ２から一定の距離Ｌに保持する変位検出部保持部材を構成している。
また、リニアエンコーダ３５は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ７、Ｐ２うちの一方の点Ｐ７の変位を検出する変位検出部を構成している。
また、基準部材７２は、駆動ロッド３４上で軸方向に離間した２点Ｐ７、Ｐ２のうち他方の点Ｐ２に固定され、駆動ロッド３４の軸方向に沿って延ばされ、変位検出部を他方の点Ｐ２から一定の距離Ｌに保持する変位検出部保持部材を構成している。
［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態に係る術具装置について説明する。
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る術具部の模式的な動作説明図である。
次に、第４の実施形態に係る術具装置について説明する。
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る術具部の模式的な動作説明図である。
本実施形態の術具装置１Ｆは、図１１、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、上記第１の実施形態の術具装置１の術具３２に代えて、術具３２Ｄ（術具部）を備える。
また、術具装置１Ｆは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
また、術具装置１Ｆは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
術具３２Ｄは、上記第１の実施形態の術具３２の把持部３２ａを回転可能に支持する関節９０を備え、駆動ロッド３４、直動機構３６、およびモーター３７は、関節９０を回動させるために用いられている。
関節９０は、術具筐体３２ｅの先端に設けられた回転支持部３２ｇに回動可能に設けられた関節本体９０ｂと、関節本体９０ｂに回転支持部３２ｇの回転支軸回りのモーメントを加えて関節本体９０ｂを回転させる駆動ロッド９０ａとを備える。
駆動ロッド９０ａの一端は、関節本体９０ｂに回転可能に連結され、駆動ロッド９０ａの他端は、被駆動部３２ｃの先端に回転可能に連結されている。
また、把持部３２ａの駆動機構は図示を省略するが、関節９０を駆動するこれらの駆動機構とは別の駆動機構によって、開閉されるようになっている。例えば、上記第１の実施形態と同様の構成によって、駆動してもよいし、把持部３２ａに作用する力を検出する必要がなければ、例えば、ワイヤー駆動などによって、開閉動作のみを行えるようにしてもよい。
関節９０は、術具筐体３２ｅの先端に設けられた回転支持部３２ｇに回動可能に設けられた関節本体９０ｂと、関節本体９０ｂに回転支持部３２ｇの回転支軸回りのモーメントを加えて関節本体９０ｂを回転させる駆動ロッド９０ａとを備える。
駆動ロッド９０ａの一端は、関節本体９０ｂに回転可能に連結され、駆動ロッド９０ａの他端は、被駆動部３２ｃの先端に回転可能に連結されている。
また、把持部３２ａの駆動機構は図示を省略するが、関節９０を駆動するこれらの駆動機構とは別の駆動機構によって、開閉されるようになっている。例えば、上記第１の実施形態と同様の構成によって、駆動してもよいし、把持部３２ａに作用する力を検出する必要がなければ、例えば、ワイヤー駆動などによって、開閉動作のみを行えるようにしてもよい。
このような構成により、術具３２Ｄがスレーブアーム３１に連結され、モーター３７によって駆動ロッド３４を進退駆動することで、関節９０を回転することができる。また、
例えば、駆動ロッド３４を基端側に退避させると、図１２（ａ）に示すように、関節本体９０ｂが回動し、把持部３２ａを術具３２Ｄの先端方向に向け、その状態で被把持物を把持することができる。
また、駆動ロッド３４を先端側に進出させると、被駆動部３２ｃを介して駆動ロッド９０ａから関節本体９０ｂに力のモーメントが加わり、把持部３２ａを軸方向に交差する側面方向に向け、その状態で被把持物を把持することができる。
また、例えば、被把持物として患部を把持した場合、例えば、関節９０を回転させると、患部がひねられるため、関節９０の動きに抵抗し、関節本体９０ｂにモーメントが作用する。このモーメントは、駆動ロッド９０ａを介して、被駆動部３２ｃを進退させる力として伝わり、連結部３２ｄを介して駆動ロッド３４の先端部に力が作用する。この結果、上記第１の実施形態と同様にして、駆動ロッド３４に作用する力Ｆが検出され、表示部３９に表示される。このため、術者Ｏｐは、力Ｆの大きさを見て、関節９０に対する抵抗力の大きさを評価し、操作の加減を行うことができる。
例えば、駆動ロッド３４を基端側に退避させると、図１２（ａ）に示すように、関節本体９０ｂが回動し、把持部３２ａを術具３２Ｄの先端方向に向け、その状態で被把持物を把持することができる。
また、駆動ロッド３４を先端側に進出させると、被駆動部３２ｃを介して駆動ロッド９０ａから関節本体９０ｂに力のモーメントが加わり、把持部３２ａを軸方向に交差する側面方向に向け、その状態で被把持物を把持することができる。
また、例えば、被把持物として患部を把持した場合、例えば、関節９０を回転させると、患部がひねられるため、関節９０の動きに抵抗し、関節本体９０ｂにモーメントが作用する。このモーメントは、駆動ロッド９０ａを介して、被駆動部３２ｃを進退させる力として伝わり、連結部３２ｄを介して駆動ロッド３４の先端部に力が作用する。この結果、上記第１の実施形態と同様にして、駆動ロッド３４に作用する力Ｆが検出され、表示部３９に表示される。このため、術者Ｏｐは、力Ｆの大きさを見て、関節９０に対する抵抗力の大きさを評価し、操作の加減を行うことができる。
［第４変形例］
次に、本実施形態の変形例（第４変形例）に係る術具装置について説明する。
図１３は、本発明の第４の実施形態の変形例（第４変形例）に係る術具装置の構成を示す模式的な断面図である。
次に、本実施形態の変形例（第４変形例）に係る術具装置について説明する。
図１３は、本発明の第４の実施形態の変形例（第４変形例）に係る術具装置の構成を示す模式的な断面図である。
本変形例の術具装置１Ｇは、図１３に示すように、上記第４の実施形態の術具装置１Ｆの術具部の変形例であり、術具装置１Ｆの術具３２Ｄを削除し、アーム筐体３１ａの嵌合部３１ｂに代えて、開口部３１ｄを備え、駆動ロッド３４の先端に、連結部３４ａに代えて術具部３４Ａが設けられたものである。また、術具装置１Ｇは上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に用いることができる。
以下、上記第４の実施形態と異なる点を中心に説明する。
以下、上記第４の実施形態と異なる点を中心に説明する。
術具部３４Ａは、アーム筐体３１ａの内部から開口部３１ｄを通して、アーム筐体３１ａの外部に突出された棒状部であり、先端部には、例えば、患部を押さえたり、患部を押圧して患部の硬さ等を調べたりするために用いる押圧面３４Ｂが設けられている。術具部３４Ａは、駆動ロッド３４の先端に着脱可能に設けられていてもよいが、本変形例では、駆動ロッド３４と一体に設けられている。
このような構成により、本変形例の術具装置１Ｇは、術具部３４Ａの押圧面３４Ｂを患部等に対して押圧する際、力Ｆによって押圧力や押圧力と関係する患部等の硬さを評価しながら、押圧操作を行うことができる。
本変形例は、術具部が、術具装置本体に着脱可能でない場合の例になっている。
また、本変形例は、術具部が可動部を有しない構成になっている場合の例になっている。
また、本変形例は、術具部が可動部を有しない構成になっている場合の例になっている。
［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態に係る術具装置について説明する。
図１４（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
次に、第５の実施形態に係る術具装置について説明する。
図１４（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
本実施形態の術具装置２は、図１４（ａ）に示すように、上記第１の実施形態の術具装置１の駆動ロッド３４に代えて、駆動ロッド３４Ｃ（力伝達部材）を備える。なお、図１４（ａ）では、簡単のため、演算処理部４０の図示は省略している。
また、術具装置２は、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
また、術具装置２は、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
駆動ロッド３４Ｃは、軸直角断面の大きさが軸方向に不均一な棒状部材からなり、本実施形態では、上記第１の実施形態の駆動ロッド３４の点Ｐ１、Ｐ２の間に、軸直角断面の断面積が両端部に比べて小さい細径部３４ｂ（距離変化増幅部）を設けている。
このような構成により、駆動ロッド３４Ｃの両端に力が作用すると、軸直角断面の断面積が小さい細径部３４ｂの変形が相対的に大きくなるため、駆動ロッド３４に比べて力Ｆの検出感度を高めることができる。すなわち、駆動ロッド３４と同じ長さであっても、駆動ロッド３４Ｃに作用する力に対する２点Ｐ１、Ｐ２間の距離変化がより大きくなる。
このため、同じ大きさの力を検出する場合に、駆動ロッド３４Ｃの方が全長を短くすることができるため、小型化が可能となる。
このため、同じ大きさの力を検出する場合に、駆動ロッド３４Ｃの方が全長を短くすることができるため、小型化が可能となる。
［第５変形例］
次に、第５の実施形態の変形例（第５変形例）に係る術具装置について説明する。
図１４（ｂ）は、本発明の第５の実施形態の変形例（第５変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
次に、第５の実施形態の変形例（第５変形例）に係る術具装置について説明する。
図１４（ｂ）は、本発明の第５の実施形態の変形例（第５変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
本変形例の術具装置２Ａは、図１４（ｂ）に示すように、上記第５の実施形態の駆動ロッド３４Ｃを上記第２の実施形態の術具装置１Ｂの駆動ロッド３４に代えて用いたものである。なお、図１４（ｂ）では、簡単のため、演算処理部６０の図示は省略している。
また、術具装置２Ａは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
また、術具装置２Ａは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
術具装置２Ａにおいても、駆動ロッド３４Ｃの細径部３４ｂの作用により、上記第２の実施形態の術具装置１Ｂに比べて、２点Ｐ１、Ｐ４間の距離変化がより大きくなり、小型化が可能となる。
［第６変形例］
次に、第５の実施形態の他の変形例（第６変形例）に係る術具装置について説明する。
図１４（ｃ）は、本発明の第５の実施形態の他の変形例（第６変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
次に、第５の実施形態の他の変形例（第６変形例）に係る術具装置について説明する。
図１４（ｃ）は、本発明の第５の実施形態の他の変形例（第６変形例）に係る術具装置の術具部の取り外し時の構成を示す模式的な断面図である。
本変形例の術具装置２Ｂは、図１４（ｃ）に示すように、上記第５の実施形態の駆動ロッド３４Ｃを上記第３の実施形態の術具装置１Ｅの駆動ロッド３４に代えて用いたものである。
また、術具装置２Ｂでは、上記第３の実施形態の術具装置１Ｅの直動機構３６に代えて、直動機構３６Ａを備える。直動機構３６Ａは、術具装置１Ｅにおける基準部材７２を直動ブロック３６ｂに固定したＬ型ブロック状の構成を、それぞれに対応する形状の基準部７３ａと直動ブロック部７３ｂとが一体に設けられたＬ型ブロック７３に代えたものである。なお、図１４（ｃ）では、簡単のため、演算処理部８０の図示は省略している。
また、術具装置２Ｂは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
また、術具装置２Ｂでは、上記第３の実施形態の術具装置１Ｅの直動機構３６に代えて、直動機構３６Ａを備える。直動機構３６Ａは、術具装置１Ｅにおける基準部材７２を直動ブロック３６ｂに固定したＬ型ブロック状の構成を、それぞれに対応する形状の基準部７３ａと直動ブロック部７３ｂとが一体に設けられたＬ型ブロック７３に代えたものである。なお、図１４（ｃ）では、簡単のため、演算処理部８０の図示は省略している。
また、術具装置２Ｂは、上記第１の実施形態の術具装置１に代えて手術支援システム１００に好適に用いることができる。
術具装置２Ｂにおいては、駆動ロッド３４Ｃの細径部３４ｂの作用により、上記第５の実施形態の術具装置１Ｅに比べて、２点Ｐ７、Ｐ２間の距離変化がより大きくなり、小型化が可能となる。
なお、上記の説明では、変位検出部、第１の変位検出部、第２の変位検出部として、それぞれリニアエンコーダ３５、３５Ａ、３５Ｂを用いた場合の例で説明したが、リニアエンコーダ以外の変位検出器を採用してもよい。例えば、レーザ変位計、磁気式変位計等の例を挙げることができる。
また、上記の説明では、各変位検出部に用いるリニアエンコーダは増分形であるとして説明したが、リニアエンコーダは絶対値形を採用してもよい。この場合、スケール上の位置測定ができるため、スケール上の任意の点の変位を測定することができる。したがって、ΔＬは２点の変位同士の差によって求めればよい。
また、上記の説明では、術具装置が駆動部を有する場合の例で説明したが、駆動部を有しない構成としてもよい。例えば、上記第４の実施形態において直動機構３６、モーター３７を削除し、駆動ロッド３４の基端部をアーム筐体３１ａの基端側の位置に固定した構成とし、かつ第２の実施形態と同様に、駆動ロッド３４上の２点間の距離変化を第１のリニアエンコーダ３５Ａおよび第２のリニアエンコーダ３５Ｂによって検出する構成としてもよい。この場合、関節ロボット３０ａによってスレーブアーム３１を患部等に進退させる際の押圧力を検出したり、スレーブアーム３１を固定した場合に、患部等からの反力を検出することができる。
また、上記の実施形態で説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり、削除したりして実施することができる。
例えば、術具部が術具装置本体と着脱可能に設けられた構成を有する上記各実施形態および各変形例において、上記第４の実施形態と同様に、術具部と術具装置本体とを一体化し、例えば、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とを一体化した１本の軸状部材を術具装置本体から術具部の内部に挿入して術具部の把持部３２ａ等の可動部に作動力を伝達してもよい。
例えば、術具部が術具装置本体と着脱可能に設けられた構成を有する上記各実施形態および各変形例において、上記第４の実施形態と同様に、術具部と術具装置本体とを一体化し、例えば、被駆動部３２ｃと駆動ロッド３４とを一体化した１本の軸状部材を術具装置本体から術具部の内部に挿入して術具部の把持部３２ａ等の可動部に作動力を伝達してもよい。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、２、２Ａ、２Ｂ 術具装置
３０ スレーブマニピュレータ
３１ スレーブアーム（術具装置本体）
３１ａ アーム筐体
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ 術具（術具部）
３２ａ 把持部
３２ｃ 被駆動部（先端側力伝達部材）
３２ｆ 先端側駆動ロッド部（先端側力伝達部材）
３３ スレーブ側制御部
３４ 駆動ロッド（力伝達部材、基端側力伝達部材）
３４Ａ 術具部
３４ｂ 細径部（距離変化増幅部）
３４Ｃ 駆動ロッド（力伝達部材）
３５ リニアエンコーダ（第１の変位検出部、変位検出部、距離変化検出部）
３５Ａ 第１のリニアエンコーダ（第１の変位検出部、距離変化検出部）
３５Ｂ 第２のリニアエンコーダ（第２の変位検出部、距離変化検出部）
３５ａ スケール部
３５ｂ 検出部
３６、３６Ａ 直動機構（駆動部）
３６ａ ボールスクリュー
３６ｂ 直動ブロック
３７ モーター（駆動部）
３８ エンコーダ（駆動量検出器、第２の変位検出部、距離変化検出部）
３９ 表示部
４０、６０、８０ 演算処理部
４１ 第１の基準量算出部（距離変化検出部）
４２、６２ 第２の基準量算出部（距離変化検出部）
４３、８３ 基準量差分算出部（距離変化検出部）
４４ 作動力算出部（力算出部）
４５ 記憶部
７２ 基準部材（変位検出部保持部材）
７３ Ｌ型ブロック（変位検出部保持部材）
８１ 基準量算出部（距離変化検出部）
１００ 手術支援システム
３０ スレーブマニピュレータ
３１ スレーブアーム（術具装置本体）
３１ａ アーム筐体
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ 術具（術具部）
３２ａ 把持部
３２ｃ 被駆動部（先端側力伝達部材）
３２ｆ 先端側駆動ロッド部（先端側力伝達部材）
３３ スレーブ側制御部
３４ 駆動ロッド（力伝達部材、基端側力伝達部材）
３４Ａ 術具部
３４ｂ 細径部（距離変化増幅部）
３４Ｃ 駆動ロッド（力伝達部材）
３５ リニアエンコーダ（第１の変位検出部、変位検出部、距離変化検出部）
３５Ａ 第１のリニアエンコーダ（第１の変位検出部、距離変化検出部）
３５Ｂ 第２のリニアエンコーダ（第２の変位検出部、距離変化検出部）
３５ａ スケール部
３５ｂ 検出部
３６、３６Ａ 直動機構（駆動部）
３６ａ ボールスクリュー
３６ｂ 直動ブロック
３７ モーター（駆動部）
３８ エンコーダ（駆動量検出器、第２の変位検出部、距離変化検出部）
３９ 表示部
４０、６０、８０ 演算処理部
４１ 第１の基準量算出部（距離変化検出部）
４２、６２ 第２の基準量算出部（距離変化検出部）
４３、８３ 基準量差分算出部（距離変化検出部）
４４ 作動力算出部（力算出部）
４５ 記憶部
７２ 基準部材（変位検出部保持部材）
７３ Ｌ型ブロック（変位検出部保持部材）
８１ 基準量算出部（距離変化検出部）
１００ 手術支援システム
Claims (13)
- 手術に用いる術具部と、
該術具部を保持する術具装置本体と、
軸状に形成され、軸方向の一端部が前記術具部に連結されるとともに軸方向の他端部が前記術具装置本体に支持され、前記術具部および前記術具装置本体の間で力伝達を行う力伝達部材と、
該力伝達部材上で軸方向に離間した２点間の距離変化を前記２点の変位の差分を算出することによって、前記術具部が無負荷時の距離を基準として検出する距離変化検出部と、
該距離変化検出部で検出された前記距離変化から、前記術具部または前記術具装置本体から前記力伝達部材が受ける力を算出する力算出部と、
を備えることを特徴とする術具装置。 - 前記力算出部は、
前記距離変化を前記力に変換する変換式を記憶する記憶部を有し、
前記変換式を用いて、前記距離変化を前記力に変換する演算を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の術具装置。 - 前記距離変化検出部は、
前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうち先端側の点の変位を検出する第１の変位検出部と、
前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうち基端側の点の変位を検出する第２の変位検出部と、
を備え、
前記第１の変位検出部が検出した前記先端側の点の変位と、前記第２の変位検出部が検出した前記基端側の点の変位とを、前記術具部が無負荷時の位置を基準とする変位に換算して、換算後の前記先端側の点の変位と前記基端側の点の変位との差分によって、前記距離変化を算出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の術具装置。 - 前記第１の変位検出部および前記第２の変位検出部の少なくともいずれかは、リニアエンコーダからなる
ことを特徴とする請求項３に記載の術具装置。 - 前記術具装置本体は、
前記力伝達部材の前記基端部を軸方向に進退させる駆動部を備え、
前記力伝達部材は、
前記駆動部を介して前記術具装置本体に支持されている
ことを特徴とする請求項３または４に記載の術具装置。 - 前記駆動部は、
前記進退駆動の駆動量を検出する駆動量検出器を備え、
前記第２の変位検出部は、
前記駆動量検出器の出力から前記基端側の点の変位を検出する
ことを特徴とする請求項５に記載の術具装置。 - 前記術具部は、
前記術具装置本体に対して着脱可能に設けられ、
前記力伝達部材は、
前記術具部に設けられ、基端側に第１の連結部を有する先端側力伝達部材と、
前記術具装置本体に設けられ、先端側に前記先端側力伝達部材の第１の連結部と連結する第２の連結部を有する基端側力伝達部材と、を備える、
ことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の術具装置。 - 前記第１の変位検出部は、前記先端側力伝達部材上の点の変位を検出し、
前記第２の変位検出部は、前記基端側力伝達部材上の点の変位を検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の術具装置。 - 前記距離変化検出部は、
前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうちの一方の点の変位を検出する変位検出部と、
前記力伝達部材上で軸方向に離間した２点のうち他方の点に固定され、前記力伝達部材の軸方向に沿って延ばされ、前記変位検出部を前記他方の点から一定の距離に保持する変位検出部保持部材と、
を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の術具装置。 - 前記変位検出部は、リニアエンコーダからなる
ことを特徴とする請求項９に記載の術具装置。 - 前記術具装置本体は、
前記力伝達部材の前記基端部を軸方向に進退させる駆動部を備え、
前記力伝達部材は、
前記駆動部を介して前記術具装置本体に支持されている
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の術具装置。 - 前記術具部は、
前記術具装置本体に対して着脱可能に設けられ、
前記力伝達部材は、
前記術具部に設けられ、基端側に第１の連結部を有する先端側力伝達部材と、
前記術具装置本体に設けられ、先端側に前記先端側力伝達部材の第１の連結部と連結する第２の連結部を有する基端側力伝達部材と、を備える
ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の術具装置。 - 前記力伝達部材は、
前記軸方向に離間した２点の間の一部に、前記術具部または前記術具装置本体から受ける力による軸方向の変形が前記２点の間の他の部分に比べて大きくなる距離変化増幅部を備える
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の術具装置。
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