CN103517684B - 手术器械装置 - Google Patents
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Abstract
一种手术器械装置(1)包括:在手术操作中使用的手术器械部(32);从动臂(31),该从动臂(31)保持手术器械(32);驱动杆(34),该驱动杆(34)形成为轴形状,其沿轴线方向的一端部连接到手术器械(32)而其沿轴线方向的另一端部被从动臂(31)支撑,并且该驱动杆(34)在手术器械(32)与从动臂(31)之间传递力;距离变化检测单元,该距离变化检测单元以当无负荷施加于手术器械(32)时驱动杆(34)上沿轴线方向的两个点之间的距离为基准,来检测该距离的变化;以及力计算单元,该力计算单元基于距离变化检测单元所检测到的距离的变化,来计算从手术器械(32)或从动臂(31)向驱动杆(34)施加的力。
Description
技术领域
本发明涉及手术器械装置。更具体地,本发明涉及例如,对从设置在远端中的手术器械部施加的力进行检测并且适当用于主从式操纵器中的手术器械装置。
背景技术
到目前为止,作为手术操作辅助系统,有一种已知的主从式操纵器,该主从式操纵器将手术操作员操纵的主部的移动传递到在从部中设置的手术器械装置。
在这种操纵器中,期望主部中的操纵精确地传递到手术器械装置。而且,期望手术操作员在对伴随着手术操作而作用于手术器械装置的手术器械部上的力的大小进行精确识别的同时来操纵主部。
出于这个原因,例如,专利文献1公开了一种力觉检测装置,该力觉检测装置检测施加于操纵器臂部的远端中所设置的操作部(手术器械部)的力。该力觉检测装置设置有内管,该内管容纳用于传递驱动力的驱动力传递机构;以及力觉检测部,向该力觉检测部传递该内管的变形。该力觉检测部利用通过固定部和啮合部附接到内管的外周壁并检测连接部的变形量的应变仪来检测应变量。该力觉检测装置可以基于该应变量来检测施加于操作部的力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本未审查专利申请首次公开No.2005-103056
发明内容
本发明要解决的问题
然而,在专利文献1所公开的技术中,由应变仪来检测操作部附近的微小应变量,因此,检测到施加于操作部的力。由于应变仪是对局部产生的微小应变进行测量的装置,所以无法高精度地检测力,除非在安装应变仪的位置处的应变量与作用于操作部上的力之间存在着高的相关性。
此外,在手术器械装置中,需要对在体腔内使用的手术器械部执行灭菌处理,并且存在无法重复再使用手术器械部的情况。出于这个原因,手术器械部被设置为可附接到手术器械装置主体并且可从该手术器械装置主体拆卸,该手术器械装置主体设置在体腔外部且可以再使用。
在这种情况下,当应变仪设置在手术器械部侧时,需要在手术器械部与手术器械装置主体之间设置可拆装的连接器,以便传输应变仪的输出。然而,由于因拆装所产生的接触电阻的变化,所以难以发送稳定输出。
此外,当应变仪设置在手术器械装置主体侧时,在手术器械部与手术器械装置主体之间夹着可拆装的连接部。出于这个原因,应变测量位置从力所作用的位置移开,并且由于该连接部的接触状态的变化而难以精确地传递应变。
鉴于上述问题,做出本发明,并且本发明的目的是提供能够用简单的构造来高度精确地测量施加于手术器械部的力的手术器械装置。
解决问题的方案
根据本发明的第一方面,一种手术器械装置包括:在手术操作中使用的手术器械部;手术器械装置主体,该手术器械装置主体保持所述手术器械部;力传递部件,该力传递部件形成为轴形状,其沿轴线方向的一端部连接到所述手术器械部而其沿所述轴线方向的另一端部被所述手术器械装置主体支撑,并且该力传递部件在所述手术器械部与所述手术器械装置主体之间传递力;距离变化检测单元,该距离变化检测单元以当无负荷施加于所述手术器械部时在所述力传递部件上沿轴线方向彼此分开的两点之间的距离为基准,来检测所述距离的变化;以及力计算单元,该力计算单元基于所述距离变化检测单元所检测到的距离的变化,来计算从所述手术器械部或所述手术器械装置主体向所述力传递部件施加的力。
此外,根据本发明的第二方面,在根据本发明的第一方面的手术器械装置中,所述力计算单元包括存储用于将所述距离的变化转换为所述力的转换公式的存储单元,并且执行使用所述转换公式将所述距离的变化转换为所述力的计算。
此外,根据本发明的第三方面,在根据本发明的第一方面或第二方面的手术器械装置中,所述距离变化检测单元包括第一位移检测单元,该第一位移检测单元检测在所述力传递部件上沿所述轴线方向彼此分开的两点中的远端侧点的位移;以及第二位移检测单元,该第二位移检测单元检测在所述力传递部件上沿所述轴线方向彼此分开的两点中的近端侧点的位移。然后,所述距离变化检测单元将所述第一位移检测单元所检测到的所述远端侧点的位移和所述第二位移检测单元所检测到的所述近端侧点的位移转换为以所述手术器械部不被施加负荷时的位置为基准的位移,并且利用转换之后所述远端侧点的位移与所述近端侧点的位移之间的差来计算所述距离的变化。
此外,根据本发明的第四方面,在根据本发明的第三方面的包括所述第一位移检测单元和所述第二位移检测单元的所述手术器械装置中,所述第一位移检测单元和所述第二位移检测单元中的至少一方由线性编码器组成。
此外,根据本发明的第五方面,在根据本发明的第三方面或第四方面的手术器械装置中,所述手术器械装置主体包括使所述力传递部件的所述近端部沿轴线方向前后移动的驱动单元,并且所述力传递部件借助所述驱动单元而被支撑于所述手术器械装置主体。
此外,根据本发明的第六方面,在根据本发明的第五方面的手术器械装置中,所述驱动单元包括驱动量检测器,该驱动量检测器检测前后驱动的驱动量,并且所述第二位移检测单元基于所述驱动量检测器的所述输出来检测所述近端侧点的位移。
此外,根据本发明的第七方面,在根据本发明的第三方面至第六方面中任意一个方面的手术器械装置中,所述手术器械部可附接到所述手术器械装置主体并且从该手术器械装置主体可拆卸,并且所述力传递部件包括远端侧力传递部件,该远端侧力传递部件设置在所述手术器械部中并且具有设置在其所述近端侧的第一连接部;和近端侧力传递部件,该近端侧力传递部件设置在所述手术器械装置主体中并且具有第二连接部,该第二连接部设置在所述远端侧并连接到所述远端侧力传递部件的第一连接部。
此外,根据本发明的第八方面,在根据本发明的第七方面的包括第一位移检测单元和第二位移检测单元并且包括远端侧力传递部件和近端侧力传递部件的手术器械装置中,所述第一位移检测单元检测所述远端侧力传递部件上的点的位移,并且所述第二位移检测单元检测所述近端侧力传递部件上的点的位移。
此外,根据本发明的第九方面,在根据本发明的第一方面或第二方面的手术器械装置中,所述距离变化检测单元包括位移检测单元,该位移检测单元检测在所述力传递部件上沿所述轴线方向彼此分开的所述两点中的一个点的位移;以及位移检测单元保持部件,该位移检测单元保持部件被固定到所述力传递部件上沿所述轴线方向彼此分开的所述两点中的另一个点,沿所述力传递部件的轴线方向延伸,并且将所述位移检测单元保持在距所述另一个点预定距离处。
此外,根据本发明的第十方面,在根据本发明的第九方面的包括位移检测单元的手术器械装置中,所述位移检测单元由线性编码器构成。
此外,根据本发明的第十一方面,在根据本发明的第九方面或第十方面的手术器械装置中,所述手术器械装置主体包括使所述力传递部件的所述近端部沿所述轴线方向前后移动的驱动单元,并且所述力传递部件借助所述驱动单元而被支撑于所述手术器械装置主体。
此外,根据本发明的第十二方面,在根据本发明的第九方面至第十一方面中任意一个方面的手术器械装置中,所述手术器械部可附接到所述手术器械装置主体并且从该手术器械装置主体可拆卸,并且所述力传递部件包括远端侧力传递部件,该远端侧力传递部件设置在所述手术器械部中并且具有设置在其所述近端侧的第一连接部;和近端侧力传递部件,该近端侧力传递部件设置在所述手术器械装置主体中并且具有第二连接部,该第二连接部设置在近端侧力传递部件的远端侧,连接到所述远端侧力传递部件的第一连接部。
此外,根据本发明的第十三方面,在根据本发明的第一方面至第十二方面中的任意一个方面的手术器械装置中,所述力传递部件包括距离变化放大部,该距离变化放大部设置在沿所述轴线方向彼此分开的所述两点之间的部分中,使得由从所述手术器械部或所述手术器械装置主体施加的力造成的沿所述轴线方向的变形变得比所述两个点之间的另一个部其它部分的变形更大。
发明效果
根据上述手术器械装置,距离变化检测单元以当无负荷施加于手术器械部时力传递部件上的两个点之间的距离为基准来检测该距离的变化,并且可以由力计算单元基于距离的变化来计算作用于力传递部件上的力。由此,可以利用简单的构造来高度精确地测量作用于手术器械部上的力。
附图说明
图1是使用根据本发明的第一实施方式的手术器械装置的手术操作辅助系统的系统构造图。
图2A是例示当根据本发明的第一实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆装时的构造的示意性截面图。
图2B是例示当根据本发明的第一实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆装时的构造的示意性截面图。
图3是例示根据本发明的第一实施方式的手术器械装置的计算处理单元的功能构造的功能框图。
图4是例示当根据本发明的第一实施方式的变型例(第一变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图5是例示当根据本发明的第二实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图6是例示根据本发明的第二实施方式的手术器械装置的计算处理单元的功能构造的功能框图。
图7是例示当根据本发明的第二实施方式的变型例(第二变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图8是例示当根据本发明的第二实施方式的另一个变型例(第三变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图9是例示当根据本发明的第三实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图10是例示根据本发明的第三实施方式的手术器械装置的计算处理单元的功能构造的功能框图。
图11是例示当根据本发明的第四实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图12A是根据本发明的第四实施方式的手术器械部的操作的示意性说明图。
图12B是根据本发明的第四实施方式的手术器械部的操作的示意性说明图。
图13是例示根据本发明的第四实施方式的变型例(第四变型例)的手术器械装置的构造的示意性截面图。
图14A是例示当根据本发明的第五实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图14B是例示当根据本发明的第五实施方式的变型例(第五变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
图14C是例示当根据本发明的第五实施方式的另一个变型例(第六变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
具体实施方式
下文将通过参照附图来描述本发明的实施方式。在所有附图中,即使是不同的实施方式,相同的附图标记也将给予相同或等同部件,并且将不重复其重复描述。
[第一实施方式]
将描述根据本发明的第一实施方式的手术器械装置。
图1是使用根据本发明的第一实施方式的手术器械装置的手术操作辅助系统的系统构造图。图2是例示当根据本发明的第一实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆装时的构造的示意性截面图。图3是例示根据本发明的第一实施方式的手术器械装置的计算处理单元的功能构造的功能框图。
如图1所示,本实施方式的手术器械装置1对应于适当用于主从式手术操作辅助系统100的装置。
手术操作辅助系统100包括主操纵输入装置10、主控制装置20、从侧控制单元33和从操纵器30。
主操纵输入装置10充当向从操纵器30传递手术操作员Op的操纵移动的主装置。主操纵输入装置10包括主显示单元12和操纵单元11。
主显示单元12显示由照相机(未示出)拍摄的患者P的被治疗部及其附近的图像。
操纵单元11是将手术操作员Op的操纵移动传递到从操纵器30的部件,并且连接到主控制装置20,使得能够进行与主控制装置20之间的通信。此外,操纵单元11设置在主显示单元12前面,使得手术操作员Op可以在观看主显示单元12的同时对操纵单元进行操纵。
当操纵单元11由手术操作员Op操纵时,操纵单元11分析操纵移动。然后,用于驱动从操纵器30的操纵信号被发送到主控制装置20。
主控制装置20包括主控制单元21和操纵器控制单元22。
主控制单元21接收从主操纵输入装置10发送的操纵信号,并且为了实现基于该操纵信号的操作,分析作为从操纵器30的控制对象的可动部的驱动量。主控制单元21向操纵器控制单元22发送可动部选择信号24和针对由该可动部选择信号24选择的可动部的指示值23。
为了实现从主控制单元21发送的指示值23的操作,操纵器控制单元22通过借助从侧控制单元33执行与由可动部选择信号24选择的从操纵器30的可动部的通信,来控制各个可动部的操作。
从侧控制单元33电连接到操纵器控制单元22和从操纵器30的各个可动部。从侧控制单元33基于来自操纵器控制单元22的控制信号来控制从操纵器30,并且向操纵器控制单元22发送从从操纵器30所发送的各个可动部的位置信息、和用于控制各个可动部所需的检测信号等。
此外,在本实施方式中,显示单元39连接到从侧控制单元33,使得在手术操作员Op看得见的位置显示后面要描述的手术器械部的作用力的信息。
从操纵器30包括多个手术器械装置1和指示手术器械装置1在患者P周围移动的关节型机器人30a。
手术器械装置1和关节型机器人30a分别包括多个可动部,这些可动部作为从侧控制单元33的控制对象。基于来自从侧控制单元33的控制信号来控制多个可动部的各个操作。
如图2A和图2B所示,手术器械装置1包括手术器械32(手术器械部)、从动臂31(手术器械装置主体)和计算处理单元40。
在本实施方式中,手术器械装置1整体形成为细长轴形状,并且其一端侧在使用时指向患者P的体腔。出于这个原因,下文中,在描述手术器械装置1的各个部件沿手术器械装置1的轴线方向的相对位置的描述中,在使用中面向患者P的体腔的一侧将称作远端侧,并且该远端侧的相对侧将称作近端侧,除非有具体指示。
作为手术器械32,可以采用手术操作工具,该手术操作工具具有在手术操作期间用于体腔内或被治疗部附近的各种操作的适当构造。此外,手术器械32可以包括可动部或者可以不包括可动部。此外,可动部可以是在与病变部或其他手术操作工具直接接触的同时进行操作的操作部,或者可以仅仅是手术器械部内部的可动机构。
作为手术器械32的具体示例,可以列举处理工具,诸如持针器、剪刀、烙刀、超声处理工具、钳子等。
下文中,作为示例,将说明其中手术器械32把持被治疗部或其他手术器械的手术器械的情况。
此外,手术器械32可以与从动臂31一体化,但是在本实施方式中,手术器械32被设置为可附接到从动臂31并且可从从动臂31拆卸。图2A例示手术器械32附接到从动臂31的状态,并且图2B例示手术器械32从从动臂31拆卸下来的状态。
手术器械32从面向患者P的体腔的远端侧朝向连接到从动臂31的近端侧包括把持部32a、驱动连杆32b和被驱动部32c。
在这些组件中,驱动连杆32b和被驱动部32c容纳在圆筒形手术器械壳体32e中。
把持部32a是例如包括被设置为可开闭的把持臂并且把持臂闭合时在把持臂之间夹持被把持物的部件。
驱动连杆32b是打开和闭合把持部32a的连杆机构。
被驱动部32c是棒状部件,当手术器械32连接到从动臂31时,该被驱动部32c利用从从动臂31内的驱动杆34传递的驱动力使驱动连杆32b的基关节沿手术器械壳体32e的轴线方向前后移动。
被驱动部32c的一端连接到驱动连杆32b的基关节。此外,被驱动部32c的另一端设置有用于连接到驱动杆34的连接部32d。
此外,例如,被驱动部32c由诸如金属等的高刚性材料形成,使得在使用中,即使在因从后面描述的驱动杆34传递的驱动力引起的压缩或拉紧的情况下,伸缩量也会变小,而没有挠曲。
从动臂31构成保持手术器械32的手术器械装置主体,并且包括圆筒形臂壳体31a。臂壳体31a沿轴线方向的一端侧设置有嵌合部31b,该嵌合部31b被嵌合到手术器械32的手术器械壳体32e的近端侧。
此外,如图1所示,臂壳体31a的外周部连接到关节型机器人30a的端部。出于这个原因,当关节型机器人30a被驱动时,从动臂31的位置和方位可以根据关节型机器人30a的自由度而改变。
在本实施方式中,如图2A和图2B所示,从动臂31设置有驱动杆34(力传递部件)、线性编码器35(第一位移检测单元)、线性驱动机构36(驱动单元)、马达37(驱动单元)以及编码器38(第二位移检测单元)。
驱动杆34形成为轴形状,并且沿轴线方向的与远端侧的端部对应的一端部设置有连接部34a,该连接部34a可拆装地连接到被驱动部32c的连接部32d。此外,沿轴线方向的与近端侧的端部对应的另一端部通过使驱动杆34沿轴线方向前后移动的线性驱动机构36和马达37被从动臂31的近端侧支撑。
此外,驱动杆34的连接部34a当附接到手术器械32和从手术器械32拆卸时位于嵌合部31b的内部。
而且,图2A和图2B示意性地示出连接部34a和32d的构造,并且不对连接部34a和32d的构造具体进行限制,只要被驱动部32c和驱动杆34可拆装地彼此连接并且沿轴线方向无间隙地连接即可。例如,被驱动部和驱动杆可以通过凹凸嵌合沿轴线方向彼此附接到一起或者彼此拆开,或者可以利用阴螺丝和阳螺丝彼此螺丝连接。
此外,在本实施方式中,驱动杆34的近端部连接到后面要描述的线性驱动机构36的线性驱动块36b。例如,作为连接类型,可以采用诸如螺纹连接、压插入、型锻、焊接和利用连接配件的螺丝连接。
在这种连接类型中,驱动杆34的近端部在特定长度上受到线性驱动块36b等的约束。下文中,驱动杆34的近端表示最靠近近端侧的位置,在该位置可以使驱动杆伸缩,而不受线性驱动块36b等的约束。例如,在图2A和图2B的情况下,在驱动杆34从线性驱动块36b突出的部分中,最靠近近端的位置称作驱动杆34的近端,并且由点P2表示。
驱动杆34由至少沿轴线方向弹性变形的材料形成。例如,可以适当采用诸如不锈钢等的金属。
此外,驱动杆34形成为这样的形状:即使在因使用中来自被驱动部32c的反作用或从线性驱动机构36施加的驱动力引起的压缩或拉伸的情况下,也不会有挠曲或塑性变形。
沿轴线方向的伸缩量可以被设置为以线性编码器35的分辨率性能高精度地测量的伸缩变化的程度。
此外,在本实施方式中,除了连接部34a之外,驱动杆34的与轴线垂直的截面的形状可以形成为均一的。出于这个原因,当力作用在驱动杆34的两端部上时,使驱动杆34沿着轴线方向均一且弹性变形。
同样地,不具体限制与轴线垂直的截面的形状,并且该截面形状可以是圆形或多边形。此外,可以使用实心截面或空心截面。
凭借上述构造,驱动杆34充当能够在手术器械32与从动臂31之间沿轴线方向传递力的力传递部件。
线性编码器35是第一位移检测单元,该第一位移检测单元检测在驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点中的远端侧点的位移。线性编码器35包括形成为用于检测位移量的图案的刻度部35a和通过检测在刻度部35a中形成的图案的移动量来检测相对于刻度部35a的相对位移量的检测部35b。
线性编码器35可以是增量型或绝对值型。在本实施方式中,线性编码器35将被描述为增量型。
此外,作为线性编码器35的检测类型,没有具体限制,只要线性编码器具有能够高精度地检测驱动杆34的位移的分辨率即可。例如,可以采用光学或磁线性编码器。具体地,由于使用LED光源的光学线性编码器通过对刻度部35a的图案节距进行微细化可以获得高分辨率,所以采用光学或磁线性编码器是尤其期望的。
本实施方式的线性编码器35采用光学型。作为合适的光学线性编码器的示例,例如,可以列举由Canon Inc.制造的微型线性编码器ML-08/1000GA(产品名称)。在该产品中,例如,刻度部35a的格栅节距被设置为1.6μm,并且分割数被设置为1000,从而获得0.8nm的分辨率。
此外,线性编码器35是测量驱动杆34相对于从动臂31的臂壳体31a的位移的部件。出于这个原因,当刻度部35a设置在驱动杆34和臂壳体31a中的任一方时,检测部35b设置在驱动杆34和臂壳体31a中的另一方。
在本实施方式中,刻度部35a被固定到驱动杆34的与连接部34a的近端侧附近对应的侧面。当被驱动部32c在可移动范围内移动时,驱动杆34与被驱动部32c连动。出于这个原因,刻度部35a也与驱动杆34一起移动。
刻度部35a沿轴线方向的长度被设置为比连接到驱动杆34的被驱动部32c在使用时的最大可移动范围更长。
此外,检测部35b被固定到即使当被驱动部32c在可移动范围中移动时检测部35b也始终与刻度部35a相对的位置。
此外,检测部35b电连接到计算处理单元40,并且向计算处理单元40发送与刻度部35a的位移相对应的脉冲信号。
而且,由于图2A是示意图,所以示出了检测部35b通过从动臂31的外部连接到计算处理单元40。然而,配线(interconnection)可以设置在从动臂31的外部或内部。
在本实施方式中,滚珠丝杆型线性驱动机构用作线性驱动机构36。出于这个原因,线性驱动机构36包括:滚珠丝杆36a,该滚珠丝杆36a形成为沿臂壳体31a的轴线方向延伸;和线性驱动块36b,该线性驱动块36b被在从动臂31内部设置的线性驱动引导部件(未示出)沿着臂壳体31a的轴线方向可动地引导,并且该线性驱动块36b螺丝连接到滚珠丝杆36a。
滚珠丝杆36a的近端侧的端部通过旋转关节36c连接到马达37的旋转轴37a。
此外,驱动杆34的近端侧的端部连接到线性驱动块36b。出于这个原因,当马达37被驱动使得滚珠丝杆36a旋转时,线性驱动块36b被滚珠丝杆36a前后移动,并且驱动杆34也沿滚珠丝杆36a的轴线方向前后移动。
马达37是对线性驱动机构36的滚珠丝杆36a进行可旋转地驱动的部件,并且如图2A和图2B所示,固定到在臂壳体31a的近端侧内部设置的固定部件31c。此外,如图3所示,马达37电连接到从侧控制单元33,并且以与来自从侧控制单元33的控制信号相对应的旋转角度旋转。
此外,对旋转轴37a的旋转角度进行检测的编码器38连接到马达37。在本实施方式中,旋转轴37a和滚珠螺杆丝杆36a在旋转关节36c处直接彼此连接。出于这个原因,编码器38所检测到的旋转角度与滚珠丝杆36a的旋转角度匹配。
如图3所示,编码器38电连接到从侧控制单元33和计算处理单元40,并且向从侧控制单元33和计算处理单元40发送关于旋转轴37a的旋转角度的信息。
发送到从侧控制单元33的关于旋转角度的信息被反馈到利用从侧控制单元33对马达37的控制。
例如,利用滚珠丝杆36a的进给螺距,可以将编码器38所检测到的旋转轴37a的旋转角度转换为线性驱动块36b的移动量。即,编码器38构成检测前后驱动量的驱动量检测器。线性驱动块36b的移动量表示连接到线性驱动块36b的驱动杆34的近端的点P2的位移。
由此,编码器38构成第二位移检测单元,该第二位移检测单元检测在驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点中的近端侧点P2的位移。
凭借上述构造,线性驱动块36b和马达37构成使驱动杆34的近端部沿轴线方向前后移动的驱动单元。
在本实施方式中,计算处理单元40是以下部件,该部件基于线性编码器35所检测到的位移和编码器38所检测到的位移,获得因驱动杆34的弹性变形而引起的两点之间沿轴线方向的距离变化(驱动杆34的伸缩量)、经由计算处理获得引起距离变化的力、并且计算距离变化作为作用在驱动杆34上的力。
如图3所示,计算处理单元40包括第一基准量计算单元41、第二基准量计算单元42、基准量差计算单元43和作用力计算单元44。
第一基准量计算单元41电连接到线性编码器35、基于线性编码器35的输出来检测在驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点中的远端侧点的位移、然后向基准量差计算单元43发送检测结果作为位移ΔX1。
此外,在本实施方式中,对于位移ΔX1的正负侧,从近端侧指向远端侧的方向被定义为正侧。
在将原点设置为位移检测的开始位置时,线性编码器35通过读取随着点P1的移动而产生的检测位置Q1处的通过图案,来检测位于检测部35b中的固有检测位置Q1处的刻度部35a上的点P1(参见图2A)的位移。例如,当检测部35b为光学类型时,检测位置Q1是检测光相对于刻度部35a的照射位置。
出于这个原因,刻度部35a由比驱动杆34的全长足够短并且难以引起变形的材料形成。出于这个原因,可以忽略刻度部35a的伸缩。由此,线性编码器35假定由刻度部35a检测到的位移在刻度部35a上的各个位置处是均一的。
即,线性编码器35所检测到的位移ΔX1被描述为在设置原点时检测到的点P1的位移。
第二基准量计算单元42电连接到编码器38,并且向基准量差计算单元43发送与基于编码器38的输出相对应的在驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点中的近端侧点的位移作为位移ΔX2。
编码器38输出滚珠丝杆36a的旋转角度。出于这个原因,例如,可以将旋转角度从滚珠丝杆36a的导程大小转换为螺纹进给量,从而计算线性驱动块36b的位移。
线性驱动块36b的位移等于连接到线性驱动块36b的驱动杆34的近端的点P2的位移。出于这个原因,第二基准量计算单元42可以计算点P2的位移。
然而,在滚珠丝杆36a的旋转角度与线性驱动块36b的移动量之间存在机械误差,机械误差在各个装置中不同。
因此,在本实施方式中,为了校正装置的这种固有的移动误差,不是进行基于滚珠丝杆36a的导程大小的转换,而是预先测量编码器38的旋转角度与利用滚珠丝杆36a的点P2的移动位置之间的对应关系,并且基于该对应关系来计算位移ΔX2。
基准量差计算单元43将从第一基准量计算单元41传送的点P1的位移ΔX1和从第二基准量计算单元42传送的点P2的位移ΔX2分别转换为以当无负荷施加于连接到从动臂31的手术器械32时的点P1和P2的位置为基准的位移ΔX1’和ΔX2’,经由以下公式(1)计算差ΔL,然后向作用力计算单元44传送该差。
ΔL=ΔX1’-ΔX2'...(1)
当手术器械32和从动臂31彼此连接并且电流被提供到手术器械装置1时,从侧控制单元33执行手术器械装置1的初始化。此时,线性编码器35和编码器38的原点被重置,并且在以下操作中,位置被设置到ΔX1=0和ΔX2=0的位置。
由此,在初始化状态下无负荷施加于手术器械32时,这些原点用作无负荷状态下的位移的基准,使得ΔX1’=ΔX1并且ΔX2’=ΔX2。
然而,存在在初始化状态下需要向手术器械32施加负荷的情况。例如,在手术器械32包括把持部32a的情况下,当在初始化状态下需要可靠地闭合把持部32a时,施加特定程度的负荷,使得把持部32a彼此压接触。在这种情况下,可以不将初始化状态下的原点设置为无负荷状态下的位置。
出于这个原因,在本实施方式中,针对各手术器械32确定初始化状态和无负荷状态下手术器械32的驱动状态,经由预先测量获得以初始化状态下的原点为基准的、无负荷状态下的基准位移ΔX01和ΔX02,然后该基准位移被存储在存储单元45中。在初始化状态和无负荷状态下的基准位移彼此相等时,ΔX01=0并且ΔX02=0。
由此,基准量差计算单元43根据以下公式(2)和(3)计算位移ΔX1’和ΔX2’,并且将该位移代入上述公式(1)。
ΔXl'=ΔXl-ΔX01...(2)
ΔX2'=ΔX2-ΔX02...(3)
作用力计算单元44根据从基准量差计算单元43传送的差ΔL来计算从从动臂31通过手术器械32或线性驱动块36b施加到驱动杆34的力F。
在本实施方式中,驱动杆34被形成为使得在点P1和P2之间与轴线垂直的截面的形状是均一的。出于这个原因,作用力计算单元44通过计算以下基于虎克(Hooke)定律的公式(4)来计算力F。
F=ES.(ΔL/L)...(4)
这里,E表示驱动杆34的纵向弹性模量(杨氏模量),S表示驱动杆34的在点P1和P2之间与轴线垂直的截面的截面面积,并且L表示驱动杆34的点P1和P2之间的无负荷状态下的距离。
上述公式(2)是用于利用转换常数(E·S/L)将差ΔL转换为力F的转换公式。
存储单元45电连接到第二基准量计算单元42、基准量差计算单元43和作用力计算单元44,并且存储计算处理单元40执行计算处理所需要的数据。作为存储在存储单元45中的数据,如上所述,例如,可以给出表示编码器38的旋转角度与使用滚珠丝杆36a的点P2的移动位置之间的对应关系的数据、无负荷状态下的基准位移ΔX01和ΔX02、转换常数(E·S/L)等。
这样,本实施方式的存储单元45通过存储转换常数,来存储用于将距离变化转换为力的转换公式。
而且,作为用于存储转换公式的方法,可以以关系式、函数、子程序、表单等的形式来存储转换公式。此外,可以存储普通转换公式和在转换公式中设置的参数。
计算处理单元40可以仅由与上述功能构造对应的硬件组成,或者可以由硬件和包括CPU、存储器、输入输出接口、外部存储装置等在内的计算机来构成,并且可以通过该计算机来执行与各个上述计算功能对应的程序。
此外,由于图2A是示意图,所以计算处理装置40被示为位于从动臂31的外部,但是不具体限制计算处理单元40的排布位置。例如,计算处理单元40可以设置在臂壳体31a的内部,或者可以设置在臂壳体31a的外周面或近端部中。此外,计算处理单元40可以设置在从侧控制单元33中。
此外,在图2B中,省略了计算处理单元40。
凭借上述构造,线性编码器35、编码器38、第一基准量计算单元41、第二基准量计算单元42和基准量差计算单元43构成距离变化检测单元,该距离变化检测单元以当无负荷施加于手术器械32时的距离L为基准,来检测在驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点P1和P2之间的距离变化ΔL。
此外,作用力计算单元44构成力计算单元,该力计算单元基于该距离变化检测单元所检测到的距离变化ΔL,来计算从手术器械32或从动臂31施加到驱动杆34的力。
下面,将描述本实施方式的手术器械装置1的操作。
首先,如图2B所示,通过将手术器械32连接到从动臂31组装手术器械装置1。因此,被驱动部32c和驱动杆34在连接部32d和34a处彼此连接,并且驱动连杆32b和线性驱动块36b通过由被驱动部32c和驱动杆34构成的轴状部件而彼此连接。
接着,当电流被提供到手术操作辅助系统100时,手术器械装置1和关节型机器人30a被从侧控制单元33初始化。
在手术器械装置1中,将马达37驱动到预定的初始化位置,并且对线性驱动块36b的位置进行初始化。在该状态下,线性编码器35和编码器38的原点被重置。
此外,关节型机器人30a移动到预定的初始化位置。
接着,手术操作员Op在观看主操纵输入装置10的主显示单元12的图像的同时,对操纵单元11进行操纵。操纵单元11分析由手术操作员Op执行的操纵移动,并且向主控制装置20传送用于驱动从操纵器30的操纵信号。
在主控制装置20中,基于该操纵信号,从主控制单元21向操纵器控制单元22传送用于控制从操纵器30的各个可动部的操作的可动部选择信号24和指示值23。基于这些操作,从操纵器控制单元22向从侧控制单元33传送控制信号。
例如,传送用于执行以下操作的控制信号:打开手术器械装置1的把持部32a、把持部32a移动到关节型机器人30a把持被把持物的位置、然后闭合把持部32a,以便把持该被把持物。
因此,驱动手术器械装置1的马达37,使线性驱动块36b朝向远端侧移动,被驱动部32c通过驱动杆34朝向远端侧移动,并且把持部32a被驱动连杆32b打开。
在把持该被把持物时,马达37反向旋转,使得线性驱动块36b朝向近端侧移动。
与这种驱动操作并行地,计算处理单元40基于线性编码器35和编码器38所获取的驱动杆34上的点P1和P2的位移量,来顺序计算作用于驱动杆34上的力,并且向从侧控制单元33输出表示该力的信息的信号。
即,当驱动马达37时,线性编码器35和编码器38的输出信号分别且顺序地输入到第一基准量计算单元41和第二基准量计算单元42。第一基准量计算单元41和第二基准量计算单元42基于该输出信号向基准量差计算单元43传送点P1的位移ΔX1和点P2的位移ΔX2。
在基准量差计算单元43中,位移ΔX1和ΔX2基于上述公式(2)和(3)被转换为位移ΔX1’和ΔX2’,基于上述公式(1)来计算差ΔL,并且向作用力计算单元44传送该差。
作用力计算单元44基于上述公式(4)来计算力F,并且向从侧控制单元33传送该力。在本实施方式中,在显示单元39上以数值、图表等形式显示传送给从侧控制单元33的力F。因此,手术操作员Op可以识别作用于驱动杆34的力F的大小。
以这种方式计算的力F对应于在点P1和P2的位置处施加到驱动杆34的张力或压缩力。该张力或压缩力施加于经由连接部34a和32c而彼此一体化的被驱动部32c和驱动杆34上的各个位置。
尤其是,在本实施方式的情况下,作用于驱动杆34上的张力对应于通过朝向近端侧拉动驱动连杆32b而将把持部32a闭合的作用力。力F的大小对应于从把持部32a向被把持物施加的压力。出于这个原因,手术操作员Op可以通过观看力F的大小的显示,来调节操纵,使得被把持物上的压力变得合适。
在本实施方式中,通过检测在驱动杆34上彼此分开的两个点P1和P2之间的距离的变化,来获得作用于驱动杆34上的力。出于这个原因,即使在驱动杆34的伸缩量变得微小的手术器械32的情况下,通过将两个点P1和P2之间的无负荷状态下的距离L设置得比较大,可以高度精确地检测驱动杆34的伸缩量。
例如,当驱动杆34由不锈钢形成为直径为1mm的柱体时,L=10(mm)、E=193(GPa)并且S=π×0.52(mm2)。由此,当线性编码器35的分辨率性能被设置为0.8nm时,基于上述公式(4),力F的检测分辨率性能变为F=0.012(N)。
此外,在应变仪测量在驱动杆34中产生的应变的情况下,当在驱动杆34中产生的应变分布不均匀时,应变仪的安装位置可能造成测量误差。然而,在本实施方式的情况下,由于通过两个点之间的距离变化来测量平均应变,所以通过将两个点之间的距离设置得比较长,可以减少因局部应变分布引起的测量误差。出于这个原因,与应变仪的测量相比,可以执行高度精确的检测。
而且,由于应变仪将测量结果输出为模拟信号,所以应变仪容易受外部磁场影响,因此无法获得稳定输出。在本实施方式的情况下,由于使用编码器将测量结果输出为脉冲数字信号,所以可以获得几乎不受噪声影响的稳定输出。
[第一变型例]
下面,将描述本实施方式的变型例(第一变型例)。
图4是例示当根据本发明的第一实施方式的变型例(第一变型例)的手术器械装置的手术器械部时被拆卸的构造的示意性截面图。
如图4所示,本变型例的手术器械装置1A包括手术器械32A(手术器械部),而不是第一实施方式的手术器械装置1的手术器械32。而且,本变型例的手术器械装置1A不包括在第一实施方式的从动臂31的内部设置的线性编码器35。此外,手术器械装置1B可以应用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。下文中将主要描述与第一实施方式的区别。
在手术器械32A中,刻度部35a固定到被驱动部32c的连接部32d附近的侧面。此外,在手术器械壳体32e的内周面中,检测部35b被固定到面向刻度部35a的位置。检测部35b的固定位置对应于当被驱动部32c在可移动范围内移动时始终与刻度部35a相对的位置。
出于这个原因,线性编码器35可以检测位于被驱动部32c中的检测位置Q1处的刻度部35a上的点P3的位移。因此,在通过将从动部32c与驱动杆34彼此连接而形成的轴状部件上,作为远端侧的点P3的位移可以由线性编码器35来检测,并且作为近端侧的点P2的位移可以由编码器38来检测。
此外,检测部35b可以设置在被驱动部32c上,并且刻度部35a可以设置在手术器械壳体32e上。
与第一实施方式相同,检测部35b电连接到计算处理单元40的第一基准量计算单元41。因为图4是示意图,所以示出检测部35b通过手术器械32的外部而连接到计算处理单元40,但是配线可以设置在手术器械32的外部或内部。当配线设置在内部时,可以在嵌合部31b中设置与手术器械32的拆装同时进行拆装的连接器,并且通过连接到连接器且设置在臂壳体31a内部的配线,检测部35b可以连接到计算处理单元40。
即使在连接器可拆装地连接手术操作工具时,由于来自检测部35b的检测信号是脉冲信号而不是如在应变仪的输出的情况下的模拟信号,所以可以抑制由重复插拔引起的接触电阻的变化所造成的测量误差。
根据本变型例的构造,利用线性编码器35和编码器38,可以测量当被驱动部32c和驱动杆34彼此连接时轴状部件上两个点P3和P2之间的距离的变化。出于这个原因,与第一实施方式相同,可以计算作用在被驱动部32c和驱动杆34上的力F。然而,在本变型例中,由于测量点P3的位移,而不是点P1的位移,所以无负荷状态下的距离L、或点P3的无负荷状态下的位置根据点P3的位置变化。
根据本变型例,与第一实施方式相比,可以将用于测量距离变化的两个点之间的距离设置为更长。
在本变型例中,线性编码器35设置在与第一实施方式的位置不同的位置,但是与第一实施方式相同构成第一位移检测单元。
此外,被驱动部32c和驱动杆34这两者构成力传递部件。
然后,被驱动部32c设置在可附接到从动臂31并且可从从动臂31拆卸的手术器械32中,并且构成远端侧力传递部件,该远端侧力传递部件在近端侧包括作为第一连接部的连接部32d。
此外,驱动杆34构成近端侧力传递部件,该近端侧力传递部件在远端侧包括作为用于连接到连接部32d的第二连接部的连接部34a。
出于这个原因,线性编码器35检测远端侧力传递部件上的位移,并且编码器38检测近端侧力传递部件上的位移。
[第二实施方式]
下面,将描述根据第二实施方式的手术器械装置。
图5是例示当根据本发明的第二实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。图6是例示根据本发明的第二实施方式的手术器械装置的计算处理单元的功能构造的功能框图。
如图5所示,本实施方式的手术器械装置1B包括位于第一实施方式的手术器械装置1的从动臂31中的第一线性编码器35A(第一位移检测单元)和第二线性编码器35B(第二位移检测单元),而不是第一实施方式的线性编码器35。而且,本实施方式的手术器械装置1B包括计算处理单元60,而不是第一实施方式的计算处理单元40。
然而,在本实施方式中,编码器38仅电连接到从侧控制单元33。
此外,手术器械装置1B可以适当用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。
下文中将主要描述与第一实施方式的区别。
第一线性编码器35A具有与第一实施方式的线性编码器35相同的构造,设置在相同位置,并且以相同方式检测点P1的位移。
第二线性编码器35B具有与第一实施方式的线性编码器35相同的构造。出于这个原因,第二线性编码器35B具有与线性编码器35A的检测位置Q1对应的检测位置Q4,并且设置在对点P4的位移进行检测的位置,该点P4在无负荷状态下的驱动杆34上朝向近端侧与点P1间隔距离L。
第一线性编码器35A和第二线性编码器35B各电连接到计算处理单元60。
如图6所示,计算处理单元60包括第二基准量计算单元62,而不是第一实施方式的计算处理单元40的第二基准量计算单元42。
第二基准量计算单元62具有与第一实施方式的第一基准量计算单元41相同的构造。第二基准量计算单元62电连接到第二线性编码器35B,根据第二线性编码器35B的输出来检测在驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点中的近端侧点P4的位移,并且向基准量差计算单元43传送该位移作为位移ΔX2。
此外,在本实施方式的存储单元45中,与不用于计算力F的编码器38以及用于检测点P4的位移的第二线性编码器35B的输出信号对应,删除了表示编码器38的旋转角度与使用滚珠丝杆36a的点P2的移动位置之间的对应关系的数据,无负荷状态下的点P4的位移被存储为无负荷状态下的基准位移ΔX02,并且点P1和P4之间的距离被存储为无负荷状态下的距离L。
根据本实施方式的构造,可以使用第一线性编码器35A和第二线性编码器35B来测量驱动杆34上的两个点P1和P4之间的距离的变化。出于这个原因,可以由计算处理单元60以与第一实施方式相同的方式来计算作用于驱动杆34上的力F。
此外,根据本实施方式,近端侧点P4的位移由具有与远端侧点P1的线性编码器相同的构造的第二线性编码器35B来检测。出于这个原因,第二基准量计算单元62可以不执行将编码器38的旋转角度转换为线性驱动块36b的移动量的计算。出于这个原因,简化了第二基准量计算单元62的用于计算位移的计算。此外,由于可以采用与第一基准量计算单元41相同的构造,所以简化了计算处理单元60的构造。
此外,点P4的位移不包括线性驱动机构36的机械误差所造成的测量误差。出于这个原因,即使当线性驱动机构36的移动误差存在时,也可以高度精确地测量点P4的位移。
此外,通过适当设置点P1与P4之间的间隔,可以容易地改变力F的检测灵敏度。
在本实施方式中,第一线性编码器35A和第二线性编码器35B分别构成第一位移检测单元和第二位移检测单元。
此外,第一线性编码器35A、第二线性编码器35B、第一基准量计算单元41、第二基准量计算单元62和基准量差计算单元43构成距离变化检测单元,该距离变化检测单元以当无负荷施加于手术器械32时的距离L为基准,来检测驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点P1和P4之间的距离变化ΔL。
[第二变型例]
下面,将描述本实施方式的变型例(第二变型例)。
图7是例示当根据本发明的第二实施方式的变型例(第二变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
如图7所示,本变型例的手术器械装置1C包括手术器械32B(手术器械部),而不是第二实施方式的手术器械装置1B的手术器械32。而且,本变型例的手术器械装置1C不包括设置在第二实施方式的从动臂31内部的第一线性编码器35A。此外,手术器械装置1C可以用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。
下文中将主要描述与第二实施方式的区别。
手术器械32B包括第二实施方式的第一线性编码器35A,而不是第一实施方式的第一变型例的手术器械32A的线性编码器35。
根据本变型例的构造,可以由第一线性编码器35A和第二线性编码器35B来测量被驱动部32c和驱动杆34彼此连接时轴状部件上的两个点P3和P4之间的距离的变化。出于这个原因,可以以与第二实施方式相同的方式来计算作用于被驱动部32c和驱动杆34上的力F。然而,在本变型例中,由于测量了点P3的位移,而不是点P1的位移,所以无负荷状态下的距离L或点P3的无负荷状态下的位移根据点P3的位置变化。
根据本变型例,与第二实施方式相比,可以将用于测量距离变化的两个点之间的距离设置为更长。
本变型例对应于在第一实施方式的第一变型例的第二位移检测单元中编码器38由第二线性编码器35B来代替的示例。
[第三变型例]
下面,将描述本实施方式的另一个变型例(第三变型例)。
图8是例示当根据本发明的第二实施方式的另一个变型例(第三变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
如图8所示,本变型例的手术器械装置1D包括手术器械32C(手术器械部),而不是第二实施方式的手术器械装置1B的手术器械32。而且,在本变型例的手术器械装置1D中,在第二实施方式的从动臂31的内部设置的第二线性编码器35B没有设置。此外,手术器械装置1D可以用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。
下文中将主要描述与第二实施方式的区别。
手术器械32C不包括第二实施方式的手术器械32的被驱动部32c的连接部32d,而包括设置在被驱动部32c的近端侧的远端侧驱动杆部32f(远端侧力传递部件),使得与轴线垂直的截面的形状与驱动杆34的截面形状相同并且使用相同材料。此外,远端侧驱动杆部32f的近端设置有连接部32d。而且,手术器械32C包括第一线性编码器35A和第二线性编码器35B,以测量远端侧驱动杆部32f的远端侧和近端侧处的两个点P5和P6的位移。
即,第一线性编码器35A的刻度部35a和第二线性编码器35B的刻度部35a从远端侧起被固定到远端侧驱动杆部32f,并且各个检测部35b设置在手术器械壳体32e的内周面中面向刻度部的位置。
而且,根据力F的测量精度,可以将第一线性编码器35A的检测位置Q1与第二线性编码器35B的检测位置Q4之间的距离设置为合适距离。
根据本变型例的构造,可以使用第一线性编码器35A和第二线性编码器35B来测量远端侧驱动杆部32f上的与各个检测位置Q1和Q4对应的两个点P5和P6之间的距离的变化。出于这个原因,可以以与第二实施方式相同的方式来计算作用于远端侧驱动杆部32f上的力F。然而,在本变型例中,由于测量了点P5和P6的位移,而不是点P1和P4的位移,所以根据点P5和P6的位置来改变无负荷状态下的距离L或点P5和P6的无负荷状态下的位移。
根据本变型例,由于距离变化检测单元可以仅设置在手术器械32C的一侧中,所以可以采用通用构造作为从动臂31的构造。此外,由于通过检测把持部32a附近的距离变化可以计算力,所以可以提高力的检测精度。
在本变型例中,远端侧驱动杆部32f和驱动杆34分别构成远端侧力传递部件和近端侧力传递部件,并且第一位移检测单元和第二位移检测单元检测远端侧力传递部件上两个点之间的距离变化。
[第三实施方式]
下面,将描述根据第三实施方式的手术器械装置。
图9是例示当根据本发明的第三实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。图10是例示根据本发明的第三实施方式的手术器械装置的计算处理单元的功能构造的功能框图。
如图9所示,本实施方式的手术器械装置1E包括位于第一实施方式的手术器械装置1中的基准部件72(位移检测单元保持部件),并且包括计算处理单元80,而不是计算处理单元40。
然而,在本实施方式中,编码器38仅电连接到从侧控制单元33。
此外,手术器械装置1E可以适当用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。
下文中将主要描述与第一实施方式的区别。
基准部件72是当测量驱动杆34上的两个点之间的距离的变化时对无负荷状态下的距离L进行限定的基准距离限定部件。在本实施方式中,基准部件72的近端面Q2被固定到线性驱动机构36的线性驱动块36b中的与点P2接触的侧面。基准部件72由设置在驱动杆34的侧部、以与驱动杆34平行延伸的细长块状部件形成。
只要即使是在环境温度、使用中的外力、振动等的情况下也稳定地维持轴线长度,就不具体限制基准部件72的材料。例如,可以采用具有小的线膨胀系数的金属、陶瓷等。
在基准部件72的远端侧,线性编码器35的检测部35b固定到面向驱动杆34的侧面在与近端面Q2相隔距离L的位置处。这里,检测部35b的位置表示检测部35b的检测位置Q1与近端面Q2之间的距离变为L的位置。
此外,线性编码器35的刻度部35a固定到驱动杆34的侧面在面向检测部35b的位置处。
在刻度部35a中,在本实施方式中,当无负荷施加于手术器械32时处于检测位置Q1处的点是点P7,并且点P7和P2之间的距离变为上述公式(4)中的距离。
如图10所示,计算处理单元80不包括第一实施方式的计算处理单元40的第二基准量计算单元42,而包括基准量计算单元81和基准量差计算单元83,而不是第一基准量计算单元41和基准量差计算单元43。
基准量计算单元81电连接到线性编码器35,基于线性编码器35的输出在位于驱动杆34上的远端侧处的检测部35b的检测位置Q1处检测驱动杆34的位移,并且向基准量差计算单元83传送该位移作为位移ΔX1。如第一实施方式中所述,由于位移ΔX1对于刻度部35a上的各个点是共同的,所以其表示点P7的位移。
基准量差计算单元83根据以下公式(5)计算从基准量计算单元81传送的位移ΔX1与预先存储在存储单元45中的点P7的位移ΔX0之间的差ΔL。
基准量差计算单元83中所算得的差ΔL被传送到作用力计算单元44。
ΔL=ΔX1-ΔX0...(5)
点P7与P2之间沿轴线方向的距离由基准部件72中的检测部35b的位置来限定,并且在本实施方式中,等于距离L。出于这个原因,差ΔL表示当在手术器械32中产生负荷时相对于距离L的距离变化。
当手术器械32和从动臂31彼此连接并且电流被提供到手术器械装置1E时,从侧控制单元33对手术器械装置1E进行初始化。此时,线性编码器35的原点被重置,并且在以下操作中,该位置被设置为ΔX1=0的位置。
由此,当在初始化状态下无负荷施加于手术器械32时,该原点用作无负荷状态下的位置的基准,使得ΔX0=0。
然而,与第一实施方式相同,存在在初始化状态下需要向手术器械32施加负荷的情况。在这种情况下,可以不将初始化状态下的原点设置为无负荷状态下的位置。
出于这个原因,在本实施方式中,针对各个手术器械32限定初始化状态下和无负荷状态下手术器械32的驱动状态,预先测量从初始化状态下的原点测量的无负荷状态下的位移ΔX0,然后在存储单元45中存储该位移。
与第一实施方式相同,作用力计算单元44使用上述公式(4)来计算力F。
然而,在本实施方式中,上述公式(4)所使用的ΔL是在上述公式(5)中计算的并且从基准量差计算单元83传送的值。此外,上述公式(4)中无负荷状态下的距离L表示基于基准部件72中检测部35b的附接位置而确定的点P7和P2之间的距离。此外,上述公式(4)中的S表示驱动杆34的点P7和P2之间的与轴线垂直的截面的截面面积。
出于这个原因,本实施方式的存储单元45不存储表示编码器38的旋转角度与使用滚珠丝杆36a的点P2的移动位置之间的对应关系的数据。而且,本实施方式的存储单元45存储无负荷状态下的位移ΔX0,而不是基准位移ΔX01和ΔX02,并且存储点P7和P2之间的距离作为无负荷状态下的距离L。
根据本实施方式的构造,线性编码器35被固定到基准部件72,该基准部件72在与驱动杆34的近端的点P2相同的位置处设置有近端面Q2。出于这个原因,可以测量当无负荷施加于手术器械32时点P7和P2之间的距离的变化,并且以与第一实施方式相同的方式,计算处理单元80计算作用于驱动杆34上的力F。
在本实施方式中,由于使用基准部件72,所以可以仅通过一个线性编码器35来测量两点之间的距离变化,因此简化了计算处理单元80的构造。
出于这个原因,可以获得整体上构造简单且成本低的手术器械装置。
在本实施方式中,线性编码器35、基准量计算单元81和基准量差计算单元83构成距离变化检测单元,该距离变化检测单元以当无负荷施加于手术器械32时的距离L为基准,来检测驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点P7和P2之间的距离的变化ΔL。
此外,线性编码器35构成位移检测单元,该位移检测单元检测驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点P7和P2中的一个点P7的位移。
此外,基准部件72构成位移检测单元保持部件,该位移检测单元保持部件被固定到驱动杆34上沿轴线方向彼此分开的两个点P7和P2中的另一个点P2,沿驱动杆34的轴线方向延伸,并且将位移检测单元保持在与该另一个点P2间隔预定距离L处。
[第四实施方式]
下面,将描述根据第四实施方式的手术器械装置。
图11是例示当根据本发明的第四实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。图12A和图12B是例示根据本发明的第四实施方式的手术器械部的操作的示意图。
如图11、图12A和图12B所示,本实施方式的手术器械装置1F包括手术器械32D(手术器械部),而不是第一实施方式的手术器械装置1的手术器械32。
此外,手术器械装置1F可以适当用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。
下文中将主要描述与第一实施方式的区别。
手术器械32D包括关节90,该关节90可转动地支撑第一实施方式的手术器械32的把持部32a。驱动杆34、线性驱动机构36和马达37用于使关节90旋转。
关节90包括:关节主体90b,该关节主体90b可旋转地设置在手术器械壳体32e的远端中所设置的旋转支撑部32g中;和驱动杆90a,该驱动杆90a通过向关节主体90b施加关于旋转支撑部32g的旋转支撑轴线的力矩来使关节主体90b旋转。
驱动杆90a的一端可旋转地连接到关节主体90b,并且驱动杆90a的另一端可旋转地连接到被驱动部32c的远端。
此外,附图中省略了把持部32a的驱动机构,但是与对关节90进行驱动的驱动机构不同的驱动机构打开和闭合把持部32a。例如,可以由与第一实施方式相同的构造来驱动把持部32a。此外,在不需要检测作用于把持部32a上的力时,例如,线驱动等可以仅用于打开和闭合把持部32a。
凭借上述构造,手术器械32D连接到从动臂31。然后,当马达37对驱动杆34进行驱动,使得驱动杆34前后移动时,可以使关节90旋转。
此外,例如,当驱动杆34朝向近端侧后退时,如图12A所示,关节主体90b转动,并且把持部32a面向手术器械32D的远端。在该状态下,可把持被把持物。
此外,当驱动杆34朝向远端侧前进时,力的力矩从驱动杆90a通过被驱动部32c施加于关节主体90b。然后,使把持部32a指向与轴线方向交叉的侧面方向,并且在该状态下,可以把持该被把持物。
此外,例如,在被治疗部作为被把持物而把持的情况下,例如,当使关节90旋转时,被治疗部扭转,使得力矩逆着关节90的移动而作用在关节主体90b上。该力矩作为使被驱动部32c前后移动的力通过驱动杆90a传递,并且该力通过连接部32d作用于驱动杆34的远端部上。因此,以与第一实施方式相同的方式检测作用在驱动杆34上的力F,并且在显示单元39上显示。出于这个原因,手术操作员Op通过查看力F的大小来评估对于关节90的阻力的大小,并且可以调节操纵。
[第四变型例]
下面,将描述根据本实施方式的变型例(第四变型例)的手术器械装置。
图13是例示根据本发明的第四实施方式的变型例(第四变型例)的手术器械装置的构造的示意性截面图。
如图13所示,本变型例的手术器械装置1G是第四实施方式的手术器械装置1F的手术器械部的变型例。本变型例的手术器械装置1G不包括手术器械装置1F的手术器械32D,而包括开口部31d,而不是臂壳体31a的嵌合部31b。此外,驱动杆34的远端设置有手术器械部34A,而不是连接部34a。此外,手术器械装置1G可以用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。
下文中将主要描述与第四实施方式的区别。
手术器械部34A是棒状部件,该棒状部件通过开口部31d从臂壳体31a的内部朝向臂壳体31a的外部突出。例如,手术器械部34A的远端部设置有按压面34B,该按压面34B用于按压被治疗部或对被治疗部进行加压,以检查患病部的硬度等。手术器械部34A可以设置为可附接到驱动杆34的远端并且可从驱动杆34的远端拆卸,但是在本变型例中,手术器械部34A是与驱动杆34一体的。
凭借上述构造,本变型例的手术器械装置1G可以在使手术器械部34A的按压面34B按压被治疗部等时,在通过力F来评估压力和与压力有关的被治疗部等的硬度的同时,执行按压操作。
本变型例对应于手术器械部与手术器械装置主体不可拆装的示例。
此外,本变型例对应于手术器械部不包括可动部的示例。
[第五实施方式]
下面,将描述根据第五实施方式的手术器械装置。
图14A是例示当根据本发明的第五实施方式的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
如图14A所示,本实施方式的手术器械装置2包括驱动杆34C(力传递部件),而不是第一实施方式的手术器械装置1的驱动杆34。而且,在图14A中,为了简化附图,省略了计算处理单元40。
此外,手术器械装置2可以适当用于手术操作辅助系统100,而不是第一实施方式的手术器械装置1。
下文中将主要描述与第一实施方式的区别。
驱动杆34C形成为棒状部件,该棒状部件的与轴线垂直的截面的尺寸沿轴线方向不均匀。在本实施方式中,在第一实施方式的驱动杆34的点P1和P2之间设置有小直径部34b(距离变化放大部),该小直径部34b的与轴线垂直的截面的截面面积小于两端部的截面的截面面积。
凭借上述构造,当力作用于驱动杆34C的两端上时,与轴线垂直的截面的截面面积较小的小直径部34b的变形相对增加。出于这个原因,与驱动杆34相比,可以提高力F的检测灵敏度。即,即使在驱动杆34C和驱动杆34具有相同长度时,对于作用在驱动杆34C上的力,两个点P1和P2之间的距离的变化也进一步增大。
出于这个原因,由于在检测相同的力时,可以缩短驱动杆34C的总长度,所以获得了小型化的手术器械装置。
[第五变型例]
下面,将描述根据第五实施方式的变型例(第五变型例)的手术器械装置。
图14B是例示当根据本发明的第五实施方式的变型例(第五变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
如图14B所示,本变型例的手术器械装置2A是使用第五实施方式的驱动杆34C而不是第二实施方式的手术器械装置1B的驱动杆34的装置。而且,在图14B中,为了简化附图,省略了计算处理单元60。
此外,手术器械装置2A可以代替第一实施方式的手术器械装置1适当用于手术操作辅助系统100。
即使在手术器械装置2A中,由于驱动杆34C的小直径部34b的作用,与第二实施方式的手术器械装置1B相比,两点P1和P4之间的距离的变化也进一步增大,因此获得了小型化的手术器械装置。
[第六变型例]
下面,将描述根据第五实施方式的另一个变型例(第六变型例)的手术器械装置。
图14C是例示当根据本发明的第五实施方式的另一个变型例(第六变型例)的手术器械装置的手术器械部被拆卸时的构造的示意性截面图。
如图14C所示,本变型例的手术器械装置2B是使用第五实施方式的驱动杆34C而不是第三实施方式的手术器械装置1E的驱动杆34的装置。
此外,手术器械装置2B包括线性驱动机构36A,而不是第三实施方式的手术器械装置1E的线性驱动机构36。在线性驱动机构36A中,其中彼此对应的基准部73a和线性驱动块部73b彼此一体化的L形块73代替了手术器械装置1E的基准部件72被固定到线性驱动块36b的L形块的构造。而且,在图14C中,为了简化附图,省略了计算处理单元80。
此外,手术器械装置2B可以代替第一实施方式的手术器械装置1适当用于手术操作辅助系统100。
在手术器械装置2B中,由于驱动杆34C的小直径部34b的作用,与第五实施方式的手术器械装置1E相比,两个点P7和P2之间的距离的变化也进一步增大,因此获得了小型化的手术器械装置。
而且,在上面的描述中,已经描述了线性编码器35、35A和35B分别用作位移检测单元、第一位移检测单元和第二位移检测单元的情况。然而,可以采用除了线性编码器之外的其它位移检测器。例如,作为位移检测器,可以列举激光位移计、磁位移计等。
此外,在上面的描述中,已经描述了各个位移检测单元中使用的线性编码器是增量型的情况,但是也可以使用绝对值型的线性编码器。在这种情况下,由于可以执行刻度上的位置测量,所以可以测量刻度上任意点的位移。由此,可以由两个点的位移之间的差获得ΔL。
此外,在上面的描述中,已经描述了手术器械装置包括驱动单元的情况,但是可以不设置驱动单元。例如,在第四实施方式中,可以不设置线性驱动机构36和马达37,驱动杆34的近端部可以被固定到臂壳体31a的近端侧位置,并且以与第二实施方式相同的方式,第一线性编码器35A和第二线性编码器35B可以检测驱动杆34上两个点之间的距离的变化。在这种情况下,可以检测当关节型机器人30a使从动臂31相对于被治疗部前后移动时的压力,或者可以检测当从动臂31被固定时来自被治疗部等的反作用力。
此外,在不偏离本发明的范围的情况下,可以适当组合或省略上述实施方式中例示的所有组件。
例如,在手术器械部与手术器械装置主体可拆装的各个实施方式和各个变型例中,如第四实施方式中,可以使手术器械部和手术器械装置主体彼此一体化,通过使被驱动部32c和驱动杆34彼此一体化而获得的一个轴状部件可以从手术器械装置主体插入到手术器械部中,然后作用力可以施加于诸如手术器械部的把持部32a等的可动部。
[工业实用性]
根据上述手术器械装置,距离变化检测单元以当无负荷施加于手术器械部时力传递部件上两个点之间的距离为基准来检测该距离的变化,并且力计算单元基于距离的变化来计算作用于力传递部件上的力。出于这个原因,可以利用简单的构造来高度精确地测量作用于手术器械部上的力。
[附图标记列表]
1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、2、2A、2B:手术器械装置
30:从操纵器
31:从动臂(手术器械装置主体)
31a:臂壳体
32、32A、32B、32C、32D:手术器械(手术器械部)
32a:把持部
32c:被驱动部(远端侧力传递部件)
32f:远端侧驱动杆部(远端侧力传递部件)
33:从侧控制单元
34:驱动杆(力传递部件、近端侧力传递部件)
34A:手术器械部
34b:小直径部(距离变化放大部)
34C:驱动杆(力传递部件)
35:线性编码器(第一位移检测单元、位移检测单元、距离变化检测单元)
35A:第一线性编码器(第一位移检测单元、距离变化检测单元)
35B:第二线性编码器(第二位移检测单元、距离变化检测单元)
35a:刻度部
35b:检测部
36、36A:线性驱动机构(驱动单元)
36a:滚珠丝杆
36b:线性驱动块
37:马达(驱动单元)
38:编码器(驱动量检测器、第二位移检测单元、距离变化检测单元)
39:显示单元
40、60、80:计算处理单元
41:第一基准量计算单元(距离变化检测单元)
40、62:第二基准量计算单元(距离变化检测单元)
40、83:基准量差计算单元(距离变化检测单元)
44:作用力计算单元(力计算单元)
45:存储单元
72:基准部件(位移检测单元保持部件)
73:L形块(位移检测单元保持部件)
81:基准量计算单元(距离变化检测单元)
100:手术操作辅助系统
Claims (13)
1.一种手术器械装置,该手术器械装置包括:
在手术操作中使用的手术器械部;
手术器械装置主体,该手术器械装置主体保持所述手术器械部;
力传递部件,该力传递部件形成为轴形状,该力传递部件沿轴线方向的一端部连接到所述手术器械部而该力传递部件沿所述轴线方向的另一端部被所述手术器械装置主体支撑,并且该力传递部件在所述手术器械部与所述手术器械装置主体之间传递力;
距离变化检测单元,该距离变化检测单元以当无负荷施加于所述手术器械部时在所述力传递部件上沿轴线方向彼此分开的两点之间的距离为基准,来检测所述距离的变化;以及
力计算单元,该力计算单元基于所述距离变化检测单元所检测到的所述距离的变化,来计算从所述手术器械部或所述手术器械装置主体向所述力传递部件施加的力。
2.根据权利要求1所述的手术器械装置,
其中,所述力计算单元包括存储用于将所述距离的变化转换为所述力的转换公式的存储单元,并且执行使用所述转换公式将所述距离的变化转换为所述力的计算。
3.根据权利要求1所述的手术器械装置,
其中,所述距离变化检测单元包括:
第一位移检测单元,该第一位移检测单元检测在所述力传递部件上沿轴线方向彼此分开的所述两点中的远端侧点的位移;以及
第二位移检测单元,该第二位移检测单元检测在所述力传递部件上沿轴线方向彼此分开的所述两点中的近端侧点的位移,并且
将所述第一位移检测单元所检测到的所述远端侧点的位移和所述第二位移检测单元所检测到的所述近端侧点的位移转换为以所述手术器械部不被施加负荷时的位置为基准的位移,并且利用转换之后所述远端侧点的位移与所述近端侧点的位移之间的差来计算所述距离的变化。
4.根据权利要求3所述的手术器械装置,
其中,所述第一位移检测单元和所述第二位移检测单元中的至少一方由线性编码器构成。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的手术器械装置,
其中,所述手术器械装置主体包括使所述力传递部件的近端部沿轴线方向前后移动的驱动单元,并且
所述力传递部件借助所述驱动单元而被支撑于所述手术器械装置主体。
6.根据权利要求5所述的手术器械装置,
其中,所述驱动单元包括驱动量检测器,该驱动量检测器检测前后驱动的驱动量,并且
所述第二位移检测单元基于所述驱动量检测器的输出来检测所述近端侧点的位移。
7.根据权利要求3或权利要求4所述的手术器械装置,
其中,所述手术器械部可附接到所述手术器械装置主体并且可从所述手术器械装置主体拆卸,并且
所述力传递部件包括:
远端侧力传递部件,该远端侧力传递部件设置在所述手术器械部中并且具有设置在该远端侧力传递部件的近端侧的第一连接部;以及
近端侧力传递部件,该近端侧力传递部件设置在所述手术器械装置主体中并且具有第二连接部,该第二连接部设置在所述近端侧力传递部件的远端侧并连接到所述远端侧力传递部件的第一连接部。
8.根据权利要求7所述的手术器械装置,
其中,所述第一位移检测单元检测所述远端侧力传递部件上的点的位移,并且
所述第二位移检测单元检测所述近端侧力传递部件上的点的位移。
9.根据权利要求1所述的手术器械装置,
其中,所述距离变化检测单元包括:
位移检测单元,该位移检测单元检测在所述力传递部件上沿轴线方向彼此分开的所述两点中的一个点的位移;以及
位移检测单元保持部件,该位移检测单元保持部件被固定到所述力传递部件上沿轴线方向彼此分开的所述两点中的另一个点,沿所述力传递部件的轴线方向延伸,并且将所述位移检测单元保持在距所述另一个点预定距离处。
10.根据权利要求9所述的手术器械装置,
其中,所述位移检测单元由线性编码器构成。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的手术器械装置,
其中,所述手术器械装置主体包括使所述力传递部件的近端部沿所述轴线方向前后移动的驱动单元,并且
所述力传递部件借助所述驱动单元而被支撑于所述手术器械装置主体。
12.根据权利要求9或权利要求10所述的手术器械装置,
其中,所述手术器械部可附接到所述手术器械装置主体并且可从所述手术器械装置主体拆卸,并且
所述力传递部件包括:
远端侧力传递部件,该远端侧力传递部件设置在所述手术器械部中并且具有设置在该远端侧力传递部件的近端侧的第一连接部;以及
近端侧力传递部件,该近端侧力传递部件设置在所述手术器械装置主体中并且具有第二连接部,该第二连接部设置在近端侧力传递部件的远端侧,并且,该第二连接部连接到所述远端侧力传递部件的第一连接部。
13.根据权利要求1~4、9~10中任一项所述的手术器械装置,
其中,所述力传递部件包括距离变化放大部,该距离变化放大部设置在沿所述轴线方向彼此分开的所述两点之间的部分中,使得由从所述手术器械部或所述手术器械装置主体施加的力造成的沿所述轴线方向的变形变得比所述两点之间的其它部分的变形更大。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant |