CN110381876A - 手术系统、外科手术系统、控制设备、变形生成体、外科手术器具和外力检测系统 - Google Patents

手术系统、外科手术系统、控制设备、变形生成体、外科手术器具和外力检测系统 Download PDF

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Abstract

提供检测作用在端部执行器上的力的手术系统、外科手术系统、控制设备、变形生成体、外科手术器具等。手术系统包含：具有一个或多个连杆的臂；设置在臂的前端的端部执行器；检测端部执行器中发生的变形的第一变形检测单元；检测连杆中发生的变形的第二变形检测单元；以及处理单元，基于来自第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果来计算在作用在体内端部执行器上的力。

Description

手术系统、外科手术系统、控制设备、变形生成体、外科手术器 具和外力检测系统
技术领域
本说明书中公开的技术涉及用于检测作用在端部执行器上的力的手术系统、外科手术系统、控制设备、变形生成体、外科手术器具和外力检测系统。
背景技术
机器人技术的最新进展是显着的，并且机器人技术广泛应用于各种工业领域的作业现场。例如，在主从机器人系统中，人(操作者)可以操作手边的主臂并且远程从臂可以跟踪其运动，从而实现操纵器的远程操作。主从机器人系统用于其中计算机控制的完全自主操作仍然是困难的工业领域，例如医疗机器人。
例如，来自美国Intuitive Surgical公司的“da Vinci Surgical System(daVinci)”是首先为腹腔和胸腔内窥镜外科手术开发的主从手术机器人。da Vinci配备有各种类型的机器人钳子，并且操作者可以通过在观看三维监视器屏幕获得手术区域的同时来远程操作从臂来操作。
在该主从机器人系统中，对于能够检测作用在诸如夹持单元(夹持器)的端部执行器上的力的医疗机器人系统也提出了一些建议(例如，参见非专利文献1)。
在用于内窥镜外科手术的手术机器人中，必要的是使端部执行器的构造小型化，并且驱动机构通过缆索传递由远离端部执行器布置的诸如致动器的驱动单元产生的驱动力，从而打开/关闭端部执行器是常见的。在上述力可检测的医疗机器人系统中，力传感器布置在端部执行器与驱动端部执行器的驱动单元之间。在这种构造中，例如，缆索的用于打开和关闭端部执行器的牵引力干扰在端部执行器的长轴方向上施加的外力，从而担心力传感器的灵敏度发生劣化或校准变得困难。
引用列表
非专利文件
非专利文献1：Ulrich Seibold et al."Prototype of Instrument forMinimally Invasive Surgery with 6-Axis Force Sensing Capability",Proceedingsof the 2005 IEEE International Conference on Robotics and AutomationBarcelona,Spain,April 2005,pp.498-503。
发明内容
本发明要解决的问题
本说明书中公开的技术的目的是提供能够优选地检测作用在端部执行器上的力的优异的手术系统、外科手术系统、控制设备、变形生成体、外科手术器具以及外力检测系统。
解决问题的方法
本说明书中公开的技术是考虑到上述问题而作出的，并且其第一方面是
一种手术系统包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；以及
处理单元，其基于第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果来计算作用在端部执行器上的力。
端部执行器包括钳子单元，钳子单元包括第一刀片、第二刀片和钳子旋转轴，钳子旋转轴将第一刀片和第二刀片耦接成相对于彼此可旋转。
第一变形检测单元包括检测在第一刀片的内侧和外侧产生的变形的变形检测元件，以及检测在第二刀片的内侧和外侧产生的变形的变形检测元件。具体地，第一变形检测单元包括：包括形成在连接到第一刀片的内侧和外侧的光纤上的FBG传感器的变形检测元件，以及包括形成在连接到第二刀片的内侧和外侧的光纤上的FBG传感器的变形检测元件。
然后，处理单元被配置为根据检测到的第一刀片的内侧和外侧的变形以及第二刀片的内侧和外侧的变形，计算作用在端部执行器上的力。
此外，第二变形检测单元包括的变形检测元件设置在与连杆的长轴方向正交的两个方向上的各对边上的两个位置处。具体地，第二变形检测单元包括的变形检测元件，包括：形成在附接到垂直于连杆的长轴方向的两个方向上的各对边的光纤的两个位置的FBG传感器。然后，处理单元获得变形检测元件的检测值的平均值，将通过从变形检测元件的检测值中减去平均值而获得的结果乘以预定校准矩阵，并计算作用在端部执行器上的两个方向上的平移力和力矩。
此外，本说明书中公开的技术的第二方面是
一种外科手术系统包括：
主设备；以及由主设备远程操作的从设备，从设备包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；
处理单元，其基于第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果来计算作用在端部执行器上的力；以及
将由处理单元的处理结果输出到主设备的输出单元。
此外，本说明书中公开的技术的第三方面是
一种控制设备包括：
处理单元，其基于布置在臂的前端处的端部执行器上产生的变形和形成臂的连杆上产生的变形来计算作用在端部执行器上的力。此外，本说明书中公开的技术的第四方面是一种变形生成体包括：
形成为钳子的刀片的结构体；以及
通过在结构体的长轴方向上形成蜿蜒结构而获得的变形生成单元，
其中，变形检测元件附接到变形生成单元的钳子的开闭结构的内侧和外侧。
此外，本说明书中公开的技术的第五方面是
一种外科手术器具包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；以及
发送第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果的发送单元。
此外，本说明书中公开的技术的第六方面是
一种外力检测系统，包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；以及
处理单元，其基于第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果来计算作用在端部执行器上的力。
发明效果
根据本说明书中公开的技术，可以提供能够优选地检测作用在端部执行器上的力的优良的手术系统、外科手术系统、控制设备、变形生成体、外科手术器具和外力检测系统。本说明书中公开的技术可以优选地应用于例如医疗或手术机器人设备。
注意，本说明书中描述的效果仅是说明性的，并且本发明的效果不限于此。此外，还存在这样的情况，其中除了上述效果之外，本发明还具有附加效果。
通过参考稍后描述的实施例和附图的进一步详细描述，本说明书中公开的技术的又一个目的、特征和优点将变得清楚。
附图说明
图1是示意性地示出外科手术系统100的构造示例的视图。
图2是示意性地示出用于检测作用在端部执行器110上的力的配置的视图。
图3是用于说明用于检测作用在端部执行器110上的力的方案的视图。
图4是示出第一刀片111的构造示例的视图，其中构造了具有蜿蜒结构的变形生成体。
图5是用于说明在第一刀片111上安装使用FBG传感器的变形检测元件201和202的方法的视图。
图6是用于说明在第一刀片111上安装使用FBG传感器的变形检测元件201和202的方法的视图。
图7是示出光纤的形成变形检测元件201和202的一部分用作虚设FBG传感器701～704的示例的视图。
图8是示出附接变形检测元件211a～214a的第一连杆210的XY横截面的视图。
图9是用于说明在第一连杆210上安装使用FBG传感器的变形检测元件211a～214a和211b～214b的方法的视图。
图10是用于说明由信号处理单元1000执行的算术处理的算法的视图。
图11是示出作用在第一刀片111和第二刀片112上的YZ方向上的外力和来自夹持目标的作用力的视图。
图12是用于说明由信号处理单元执行的算术处理的算法的视图。
图13是用于说明由信号处理单元1300执行的算术处理的算法的视图。
图14是示出主从机器人系统1400的功能配置的视图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本说明书中公开的技术的实施例。
图1示意性地示出了可以应用本说明书中公开的技术的外科手术系统100的构造示例。图示的外科手术系统100包括能够执行打开/关闭操作的端部执行器110和关节臂120，端部执行器110附接到该关节臂120的前端。外科手术系统100例如是在眼外科手术、脑外科手术以及腹腔和胸腔内窥镜手术中使用的主从机器人系统中作为从设备操作的医疗或手术系统。在主从机器人系统中，期望地反馈从臂的位置、施加到从臂的外力等的信息，以便操作者使用主设备正确且有效地远程操作从臂而不伤害对象物。
关节臂120的构造，例如轴的数量(或关节的数量)、每个轴的自由度配置以及连杆的数量(或臂的数量)是任意的。在下文中，为了便于描述，包括在关节臂120中的连杆从远端(或端部执行器110的后端)依次被称为第一连杆、第二连杆……。此外，包括在关节臂120中的关节从远端(或端部执行器110的后端)依次被称为第一关节、第二关节……。
端部执行器110是钳子单元，其包括一对刀片(blade)以及钳子旋转轴113，该一对刀片包括第一刀片111和第二刀片112，该钳子旋转轴113将一对刀片联接以相对于彼此旋转。当第一刀片111和第二刀片绕钳子旋转轴113旋转以便相对于彼此旋转时，钳子单元110可以打开和闭合以抓握、推开和保持诸如内部组织或手术工具的对象物。通过使用例如适当的齿轮机构形成钳子旋转轴113，第一刀片111和第二刀片112可以联接成可相对于彼此旋转。然而，由于齿轮机构的结构本身与本说明书中公开的技术没有直接关系，因此省略其详细描述。
钳子单元110优选地形成为细长的管部，其通过插入诸如腹腔或胸腔的活体而被使用并且尽可能地紧凑。可以说，外科手术系统100的远端是由细长管部形成的端部执行器110，并且近端是连接到关节臂120的驱动单元等的机械结构。
为了使钳子单元110尽可能小，用作钳子单元110的驱动源的诸如致动器的驱动单元(未示出)远离端部执行器布置。然后，由驱动单元产生的驱动力通过缆索(未示出)传递到第一刀片和第二刀片中的每一个，并且第一刀片111和第二刀片可以相对于彼此绕钳子旋转轴113旋转。结果，钳子单元110可以打开和闭合以抓握、推开或保持诸如内部组织或外科手术器具的对象物。此外，用作第一关节的驱动源的驱动单元也是分开布置的，并且第一关节通过缆索的牵引力旋转以进行操作。
图2示意性地示出了用于检测作用在图1所示的外科手术系统100中的端部执行器110上的力的配置。设定端部执行器110的长轴方向为Z轴的XYZ坐标系。因此，纸面的向左方向是Z轴，垂直于纸面的方向是X轴，纸面的上下方向是Y轴。
第一刀片111可以被认为是以钳子旋转轴113作为固定端的悬臂。因此，第一刀片111的包括用于检测开/关结构内侧的变形的变形检测元件201和用于检测开/关结构外侧的变形的变形检测元件202的一对变形检测元件附接到第一刀片111，使得可以检测当力作用时像悬臂一样弯曲的第一刀片111的变形量。注意，尽管第一刀片111被示为具有图2中简单的刀片形状，但是在第一刀片111的至少一部分上形成变形生成体，使得容易检测到变形(稍后描述)。
这里，参照图3描述将一对变形检测元件201和202附接到第一刀片111的原因。
如图3(A)所示，在仅有一个变形检测元件311附接在悬臂301上的情况下，在Z方向上的外力Fz被施加到悬臂301时，变形检测元件311压缩，使得可以测量外力Fz。然而，由于变形检测元件311无论悬臂301在纸面向上还是向下弯曲都伸展，不能在正方向和负方向(纸面的向上和向下方向)之间识别在Y方向上施加的外力Fy作用的方向。
另一方面，如图3(B)所示，在一对检测元件321和322沿Y方向附接在悬臂301上的情况下，当悬臂301在纸面上向上弯曲时，一个变形检测元件321压缩而另一个变形检测元件322伸展，相反，当悬臂301在纸面上向下弯曲时，一个变形检测元件321伸展而另一个变形检测元件322压缩。因此，通过在Y方向上附接一对检测元件321和322，可以识别在Y方向上施加的外力Fy作用的方向。
因此，如图2所示，通过将一对变形检测元件201和202附接到第一刀片111，变得可以检测作用在第一刀片111上的Z方向和Y方向的两个方向上的外力。
类似地，第二刀片112可以被认为是以钳子旋转轴113作为固定端的悬臂。因此，第二刀片的包括用于检测开/关结构内侧的变形的变形检测元件203和用于检测开/关结构的外侧的变形的变形检测元件204的一对变形检测元件作为变形生成体附接到第二刀片112，使得可以检测作用在第二刀片112上的Z方向和Y方向的两个方向上的外力。
通过信号处理单元(图2中未示出)对附接到第一刀片111上的一对变形检测元件201和202和附接在第二刀片112上的一对变形检测元件203和204的检测信号执行算术运算，可以计算作用在作为外科手术系统100的端部执行器的钳子单元110上的Z方向上的外力Fz和当钳子单元110进行开/关操作时从夹持目标(未示出)作用于第一刀片111和第二刀片112上总夹持力Fg。稍后将详细描述信号处理单元的运算处理。还可以说具有两个自由度(2DOF)的传感器被配置为检测包括第一刀片111和第二刀片112的钳子单元110上的作用力Fz和总夹持力Fg。
为了测量作用在端部执行器110上的力而不受由于振动或惯性引起的噪声的影响，期望将力传感器布置成尽可能靠近前端。应当理解，如图2所示的变形检测元件201～204的配置也满足这种需要。
更优选的是，从被用作变形生成体的观点来看，第一刀片111和第二刀片112是不具有简单刀片形状而是具有容易变形的结构体。例如，当孔或缺口形成在简单的刀片形状中时，施加外力时的应力(在物体的断面上产生的每单位面积的内力)趋于集中，结果，这趋于变形并且作为变形生成体的性能得到提高。
参照图4描述其中形成有变形生成体的第一刀片111的具体构造示例。该图示出了附着有变形检测元件201和202的侧表面(YZ平面)和第一刀片111的XZ横截面，在该部分中形成有变形生成体401。具有蜿蜒(蛇行)结构的变形生成体401在第一刀片111的一部分上形成。第一刀片111通过存在具有其中如图所示折叠或蜿蜒在ZX平面上重复的蜿蜒结构的变形生成体401，容易抵抗作用在Z方向和X方向上的外力而压缩和伸展。换句话说，可以说变形生成体在第一刀片111的至少一部分中形成。
如图4所示，通过将变形检测元件201和202附接到第一刀片111中的变形生成体401的部分，变得容易检测作用在第一刀片111上的力。注意，尽管未示出，但应该理解的是，具有与第一刀片111对称的形状的蜿蜒结构的变形生成体类似地在第二刀片112上形成。然而，在第一刀片111和第二刀片112上形成的变形生成体并不特别限于具有蜿蜒结构，并且可以具有其中应力容易集中的各种其他可以用作变形生成体的形状。
第一刀片111和第二刀片112通过使用例如不锈钢(不锈钢：SUS)、Co-Cr合金或已知为具有优异生物相容性的金属基材料的钛基材料制造。从在如上所述的结构的一部分中形成变形生成体401的观点来看，第一刀片111和第二刀片112优选地通过使用具有诸如高强度和低刚度(低杨氏模量)的机械特性的材料(例如，钛合金)来制造。通过将低刚度材料用于变形生成体，可以以高灵敏度测量作用力。
简而言之，作为细长管部的具有其中至少一个变形生成体和一个变形检测元件布置在远端和近端之间的构造的端部执行器110，可以测量作用在端部执行器上的一个或多个轴上的力。此外，尽管通过缆索传递由钳子单元110夹持所需的牵引力(如上所述)，但是当从本身被配置为变形生成体的第一刀片111和第二刀片112测量作用在第一刀片111和第二刀片112上的力时，它们不会与缆索的牵引力发生干扰。特别地，可以高灵敏度地测量作用在作为端部执行器的钳子单元110的长轴方向上的力Fz。另外，还具有通过减小使用第一刀片111和第二刀片112作为变形生成体的传感器的后续级上的实际惯性来减小机械振动噪声的效果。
作为变形检测元件，电容式传感器、半导体变形计、箔变形计等在本领域中也是众所周知的，并且可以使用它们中的任何一个作为测量第一刀片111和第二刀片112的变形的变形检测元件201～204中的每一个。然而，在该实施例中，使用光纤制造的光纤布拉格光栅(FBG)传感器用作变形检测元件201～204。
这里，FBG传感器是通过沿着光纤的长轴雕刻衍射光栅(光栅)而配置的传感器，其可以检测由于作用力产生的变形和与温度变化相关的伸展或压缩引起的衍射光栅间隔的变化，作为反射光相对于预定波长带(布拉格波长)的入射光的波长变化(众所周知的)。然后，可以将从FBG传感器检测到的波长变化转换为作为原因的变形、应力和温度变化。
在该实施例中，假设处理检测信号的信号处理单元布置在远离附接有变形检测元件201～204的钳子单元110的位置。由于使用光纤的FBG传感器具有小的传输损耗(来自外部的噪声几乎不叠加)，所以即使在假定的使用环境下也可以高精度地保持检测精度。此外，FBG传感器还具容易进行灭菌处理和在医疗必需的高磁场环境下的处理的优点。
参照图5和图6描述在第一刀片111上安装使用FBG传感器的变形检测元件201和202的方法。尽管未示出第二刀片112，但应该理解这类似于在图5和图6的刀片。
图5示出了第一刀片111的XY横截面。在第一刀片111的表面上，沿长轴方向(Z方向)雕刻有两个凹槽501和502。然后，光纤511和512通过分别嵌入凹槽501和502中而附接到第一刀片111的内侧和外侧，使得第一刀片111的轮廓不会膨胀。光纤511和512通过粘合剂等在几个位置(稍后描述)固定到第一刀片111的表面。因此，当外力作用使第一刀片111变形时，光纤511和512与第一刀片111一体地变形。
衍射光栅从附接的光纤511和512中雕刻出的位置用作FBG传感器。因此，在沿第一刀片111的长轴方向铺设的光纤511和512中的与变形生成体(如上所述)重叠的范围内雕刻衍射光栅，以形成用作检测第一刀片111的内侧和外侧上的变形的变形检测元件201和202的FBG传感器。
此外，图6示出了其上雕刻有上述凹槽501和502的侧表面(YZ平面)和第一刀片111的XZ横截面。光纤511和512嵌入在第一刀片111的表面的长轴方向(Z方向)上雕刻的两个凹槽501和502中。衍射光栅雕刻在光纤511和512中的与变形生成体401重叠的范围内，以形成用作变形检测元件201和202的FBG传感器。FBG传感器包括光纤511和512的部分在图中用阴影表示。
此外，光纤511和512通过粘合剂等在形成FBG传感器的部分的两端601～604处固定到第一刀片111的表面。因此，当外力作用使第一刀片111的变形生成体401的部分变形时，光纤511和512也整体变形，并且在FBG传感器(换句话说，变形检测元件201和202)部分中产生变形。
从图6可以理解，光纤511和512固定在靠近第一刀片111的前端和根部的两个位置。因此，由于可以通过使用FBG传感器形成的变形检测元件201和202检测在这两个固定点之间产生的变形，可以检测从第一刀片111的前端到根部的宽范围内作用的力。
注意，在图6中，仅示出了光纤的形成用作变形检测元件201和202的FBG传感器的一部分(形成第一刀片111的变形生成体的部分)，并且未示出其他部分。应当理解，未示出的光纤的另一端实际上伸展超过钳子旋转轴113到检测单元和信号处理单元(均未示出)。
尽管未示出第二刀片112，但是与第一刀片111的情况一样，由使用嵌入在第二刀112的侧表面上雕刻的凹槽中的两根光纤的FBG传感器形成的变形检测元件203和204可以在第二刀片112的内侧和外侧上形成。简言之，四个光纤铺设在整个钳子单元110中。
此外，与变形检测元件201和202相比较的FBG传感器(下文中，称为“虚设FBG传感器”)可以形成在作为变形检测元件201和202附着的光纤中的与第一刀片111和第二刀片112的变形生成体分离的部分中。根据虚设FBG传感器的检测结果，可以检测由温度变化引起的波长变化Δλtemp，此外，可以对变形检测元件201和202的检测结果在温度补偿过程中使用波长变化。
图7示出虚设FBG传感器布置在附接到钳子单元110的光纤511～514上的示例。如上所述，作为变形检测元件201～204的FBG传感器在光纤511～514中的铺设于第一刀片111和第二刀片112上的位置中形成。此外，光纤511～514中的由附图标记701～704指示的在跨坐钳子旋转轴113的部分雕刻衍射光栅，并且各个部分上形成虚设FBG传感器。从图中可以理解，虚设FBG传感器701～704在光纤511～514中的未附接到第一刀片111或第二刀片112的部分中形成(换句话说，未固定到变形生成体的部分)。因此，可以估计由每个虚设FBG传感器701～704检测到的波长变化是仅由温度变化引起而不受第一刀片111或第二刀片112的变形影响的波长变化。
检测单元和信号处理单元布置在远离端部执行器的位置处，例如，在外科手术系统100的根部附近。假设光纤511～514的总长度为约400mm。检测单元允许预定波长(布拉格波长)的光入射到附着到第一刀片111和第二刀片112的光纤511、512……上，并且接收其反射光以检测FBG传感器部分中的波长变化Δλ。然后，信号处理单元将检测到的波长变化Δλ转换为作用在变形生成体上的力F。
此外，信号处理单元还可以在计算时通过使用从上述虚设FBG传感器检测到的信号分量来补偿由于温度变化引起的波长变化(使用由虚设传感器检测的变形分量执行温度补偿的方法在本领域中也已知为例如使用两个变形计的两规法)。稍后将详细描述用于将波长变化Δλ转换为力的处理方法(算法)。
再次参考图2，钳子单元110的后端经由钳子旋转轴113联接到第一连杆210。也可以说钳子单元110连接到第一连杆210的前端。
第一连杆210可以被视为以第一关节轴220作为固定端的悬臂。在第一连杆210的外周上，附接有多个变形检测元件，用于检测在长轴方向上的两个不同位置a和b处的XY方向上的变形。具体地，在位置a处，用于检测第一连杆210的X方向上的变形量的一对变形检测元件211a和213a(未示出)附接到对边，并且用于检测Y方向上的变形量的一对变形检测元件212a和214a附接到对边。类似地，在位置b处，附接有用于检测第一连杆210的X方向上的变形量的一对变形检测元件211b和213b(未示出)，以及附接有用于检测Y方向上的变形量的一对变形检测元件212b和214b。
以这种方式，配置成使得可以在第一连杆210的长轴方向上的两个不同位置a和b处检测XY方向上的变形量。尽管可以根据悬臂的一个位置处的变形量来计算平移力(并进力)，但是不能计算力矩。另一方面，在结构力学中明显的问题是，可以根据两个或更多个位置处的变形量来计算力矩和平移力。根据图2所示的配置，可以基于在两个位置a和b处检测到的XY方向上的变形量来计算作用在第一连杆210上的两个方向上的平移力Fx和Fy以及两个方向上的力矩Mx和My。
因此，也可以说在第一连杆210中形成具有4个DOF的传感器。该4个DOF传感器可以通过利用作用在端部执行器210上的外力使第一连杆210变形的事实来测量作用在端部执行器110上的两个方向上的平移力Fx和Fy以及两个方向上的力矩Mx和My。
仅在2DOF传感器形成在钳子单元110上的情况下，作用在与长轴方向(Z方向)正交的Y方向(纸面的上下方向)上的外力Fy不能与闭合第一刀片111和第二刀片112以夹持夹持目标时作用的总夹持力Fg分开。因此，使用在第一连杆210上形成的4 DOF传感器检测Y方向上的平移力Fy。
图8示出第一连杆210的位置a处的XY横截面。从图中可以看出，用于检测X方向上的变形量的一对变形检测元件211a和213a附接到第一连杆210的外周的X方向的对边，并且用于检测Y方向上的变形的一对变形检测元件212a和214a附接到第一连杆210的外周的Y方向上的对边。注意，尽管未示出，但是类似于图8，在第一连杆210的位置b处的XY横截面上，用于检测X方向上的变形量的一对变形检测元件211b和213b附接在第一连杆210的外周的X方向的对边，且用于检测Y方向上的变形量的一对变形检测元件212b和214b附接到第一连杆210的外周的Y方向上的对边。
通过获取对边上的变形检测元件211a和213a之间的检测信号的差值，可以消除由温度变化引起的分量并执行温度补偿。具体地，由每个变形检测元件211a和213a检测的变形量包括由外力引起的变形分量和由于作为变形生成体的第一连杆210伴随温度升高而膨胀引起的变形分量。这里，由于在对边上的膨胀引起的后一种变形分量一致，因此可以通过获取变形检测元件211a和213a的检测结果之间的差值来消除由温度变化引起的变形分量，并且仅提取由外力引起的变形量。
通过获取安装在对边上的传感器之间的检测值的差值来执行温度补偿的方法在该领域中也已知为使用例如四个变形计的四测量方法。
类似地，用于检测Y方向上的变形量的一对变形检测元件212a和214a附接到第一连杆210的Y方向上的对边，并且通过获取对边的变形检测元件212a和214a之间的检测信号的差值可以消除由温度变化引起的分量，以进行温度补偿。
注意，尽管未示出，但是一对变形检测元件211b和213b附接在X方向的对边，并且一对变形检测元件212b和214b附接在Y方向的对边以便在第一连杆210的位置b的外周上进行温度补偿。
在图2和图8中，第一连杆210被示出为简单的圆筒状，以简化附图。当第一连杆210形成为通过在长轴方向上的两个测量位置a和b中的每一个处集中的应力而容易变形的形状时，在变形检测元件211a～214a和211b～214b中容易测量变形量，并且预计作为4 DOF传感器的检测性能得到改善。
此外，在该实施例中，使用光纤的FBG传感器用作变形检测元件211a～214a和211b～214b。不言而喻，也可以想到使用本领域公知的其他类型的变形检测元件，例如电容传感器、半导体变形计和箔变形计(foil distortion gauge，铜层变形计)作为变型。然而，考虑到诸如传输损耗小以及在消毒处理和医疗处理所需的高磁场环境下的处理(如上所述)的优点，FBG传感器被认为是更优选的。
参考图9描述被配置为在两个测量位置a和b处容易变形的第一连杆210的结构，以及在第一连杆210上安装使用FBG传感器的变形检测元件211a～214a和211b～214b的方法。
图9示出第一连杆210的YZ横截面和ZX横截面中的每一个。在该图中，第一连杆210的YZ横截面和ZX横截面的多个部分用灰色填充。应该理解的是，第一连杆210具有围绕长轴旋转对称的形状。
如图所示，第一连杆210具有颈缩结构，该颈缩结构具有半径在长轴方向上的两个不同测量位置a和b处逐渐减小的凹部。因此，当力作用在XY方向中的至少一个方向上时，第一连杆210由于在每个测量位置a和b处的应力集中而倾向于变形。第一连杆210优选地使用钛合金制造，该钛合金与作为材料的诸如SUS或铁钢的钢材料相比具有高强度和低刚度。
在第一连杆210的外周上，一对光纤902和904在Y轴方向上的对边沿长轴方向铺设。类似地，在第一连杆201的外周上，一对光纤901和903在X轴方向的对边上沿长轴方向铺设。简而言之，四根光纤901～904铺设在整个第一连杆210中。
注意，与铺设在钳子单元110中的光纤511～514一起，在整个外科手术系统100中使用八根光纤。然而，可以考虑通过多路复用钳子单元110的光纤和第一连杆210的光纤来使用四根光纤的构造示例。
在Y方向的对边铺设的光纤902和904中，FBG传感器是通过在与第一连杆201的两个凹陷部重叠的范围内(或在测量位置a和b附近)雕刻衍射光栅而形成的，以用作变形检测元件212a、212b、214a和214b。在图中用阴影表示光纤902和904的形成FBG传感器的部分。
此外，光纤902和904在形成FBG传感器的部分的两端911～913和914至916处利用粘合剂等固定至第一连杆210的表面。因此，当外力作用并且第一连杆210在Y方向上弯曲时，光纤902和904也整体变形，并且在FBG传感器部分(换句话说，变形检测元件212a、212b、214a和214b)中发生变形。
类似地，在铺设在X方向的对边的光纤901和903中，通过在与第一连杆201的两个凹陷部重叠的范围内(或在测量位置a和b附近)雕刻衍射光栅来形成FBG传感器，以用作变形检测元件211a、211b、213a和213b。光纤901和903的形成FBG传感器的部分在图中用阴影表示。
此外，光纤901和903在形成FBG传感器的部分的两端921～923和924～926处用粘合剂等固定到第一连杆210的表面。因此，当外力作用并且第一连杆210沿X方向弯曲时，光纤901和903也整体变形，并且在FBG传感器部分(换句话说，变形检测元件211a、211b、213a和213b)中发生变形。
在图9中，光纤901～904中仅画出连接到第一连杆210的外周的用作变形检测元件211a～214a和211b～214b的部分，而其他部分未示出。应当理解，光纤901～904的另一端实际上伸展超出第一关节221到检测单元和信号处理单元(均未示出)。例如，假设光纤901～904的总长度约为400mm。
检测单元和信号处理单元布置在远离端部执行器的位置处，例如，在外科手术系统100的根部附近。检测单元允许预定波长(布拉格波长)的光入射在光纤901～904上并接收其反射光以检测波长变化Δλ。然后，信号处理单元根据从作为变形检测元件211a～214a和211b～214b附着在第一连杆210的XY方向上的对边以便相对的每个FBG传感器检测到的波长变化，计算作用于端部执行器110的两个方向上的平移力Fx和Fy，以及两个方向上的力矩Mx和My。稍后将详细描述信号处理单元的运算处理。
注意，在本说明书中，尽管在最靠近端部执行器110的第一连杆210上形成的4 DOF传感器被描述为最佳实施例之一，但是在前端处连接有端部执行器110的关节臂120的另一个连杆，例如第二连杆上形成4 DOF传感器的另一个实施例也是可以想到的。
此外，如图9所示，由于这种结构使得变形检测元件不是直接附着在变形生成体的表面上，而是通过光纤间接地附接，所以抑制了变形生成体的热量传递到元件，并且具有提高变形检测元件的检测精度的效果。
描述了发生这种效果的原因。当称为变形检测元件的电容传感器、半导体变形计、箔变形计等被设置为与变形生成体紧密接触时，变形生成体的热量被传递到变形检测元件以产生检测噪声。此外，半导体变形计和箔变形计具有自发热的问题，并且在它们与变形生成体直接接触的情况下，它们影响变形生成体和变形检测元件的温度特性，并且检测精度恶化。因此，利用导热率低于变形生成体的光纤附着变形检测元件的结构，抑制变形生成体的热量传递到变形检测元件，并且可以改善变形检测元件的检测精度。
至此主要描述了根据该实施例的外科手术系统100的结构。随后，描述由信号处理单元实现用于根据在钳子单元110中形成的2DOF传感器和在第一连杆210中形成的4 DOF传感器的检测信号计算作用在端部执行器(钳子单元110)上的力的处理算法。
图10示意性地示出了在信号处理单元1000中用于2DOF传感器的基于在铺设在第一刀片111上的光纤511和512以及铺设在第二刀片112上的光纤513和514的每一个上形成的FBG传感器获得的检测结果，计算作用在作为端部执行器的在钳子单元110的长轴方向上的力Fz和钳子单元110中的总夹持力Fg的处理算法。
XYZ方向上的外力Fx、Fy和Fz分别作用在形成作为端部执行器的钳子单元110的第一刀片111和第二刀片112上。此外，当钳子单元110闭合并抓住目标时，来自夹持目标的力Ft作用在第一刀片111和第二刀片112上。如图11所示，作用在第一刀片111上的YZ方向上的外力和来自夹持目标的作用力分别被定义为fry、frz和frt，并且作用在第二刀片112上的YZ方向上的外力和来自夹持目标的作用力分别被定义为fly、flz和flt。
图12示出由检测单元检测附接于第一刀片111和第二刀片112的光纤511～514上的每个FBG传感器的波长变化的状态。
检测单元基于对光纤511和512的预定波长带的入射光的反射光，检测作为分别布置在第一刀片111的内侧和外侧的变形检测元件201和202的FBG传感器中的波长变化Δλri和Δλro。波长变化Δλri和Δλro包括由外力Fx、Fy和Fz和来自夹持目标的作用力Ft引起的波长变化分量，以及由温度变化引起的波长变化分量。
检测单元接收到光纤513和514的预定波长带的入射光的反射光，并检测(作为分别布置在第二刀片112的内侧和外侧的变形检测元件203和204的)FBG传感器中的波长变化Δλli和Δλlo。波长变化Δλli和Δλlo包括由外力Fx、Fy和Fz和来自夹持目标的作用力Ft引起的波长变化分量以及由温度变化引起的波长变化分量。在下文中，假设在对边的光纤511和513的波长变化Δλri和Δλli中包括的由温度变化引起的分量相等，并且在对边的光纤512和514的波长变化Δλro和Δλlo中包括的由温度变化引起的分量相等。
此外，虽然图12中未示出，但是检测单元检测设置在每个光纤511～514中的虚设FBG传感器中的波长变化。后一级的信号处理单元使用四个虚设FBG传感器的检测值之和或者通过将总值乘以校准增益获得的值作为虚设FBG传感器(稍后描述)的波长变化量Δλdammy。波长变化量Δλdammy是由每根光纤511～514中的温度变化引起的波长变化分量。
这里，当力作用在第一刀片111上时(在忽略由温度变化引起的波长变化的分量的情况下)，检测单元分别从光纤511和512检测到的波长变化Δλri和Δλro等于在第一刀片111的内侧和外侧产生的内变形量Δεri和外变形量Δεro。此外，当力作用在第二刀片112上时(在忽略由温度变化引起的波长变化分量的情况下)，检测单元分别从光纤513和514检测到的波长变化Δλli和Δλlo等于在第二刀片112的内侧和外侧产生的内变形量Δεli和外变形量Δεlo。
还可以说，外力Fx、Fy和Fz以及来自夹持物体的作用力Ft被输入到端部执行器110，并且第一刀片111的内变形量Δεri和外变形量Δεro和第二刀片112的内变形量Δεli和外变形量Δεlo从端部执行器110输出。当下面的表1中示出了当每个作用力Fx、Fy、Fz和Ft在正方向上作用时的变形量Δε的变形方向的关系。在表中，+表示扩展，-表示压缩。
[表1]
从表1可以理解，当X方向和Z方向上的外力Fx和Fz作用时，在第一刀片111中产生的内变形Δεri和外变形Δεro具有相同的符号。因此，通过获取在第一刀片111中产生的内变形Δεri和外变形Δεro之和以及在第二刀片112中产生的内变形Δεli和外变形Δεlo之和，可以提取由作用在X方向上的力Fx和作用在Z方向上的力Fz在钳子单元110上引起的变形量分量。
另一方面，可以理解，当外力Fy在Y方向上作用时以及当来自夹持目标的作用力Ft作用时，在第一刀片111中产生的内变形Δεri和外变形Δεro具有不同的符号。这类似于第二刀片112中产生的内变形Δεli和在外变形Δεlo。因此，通过获取在第一刀片111中产生的内变形Δεri和外变形Δεro之间的差值以及在第二刀片112中产生的内变形Δεli和外变形Δεlo之间的差值，可以提取由夹持目标作用的力Fz和作用在Y方向上的力Fy在钳子单元110上引起的变形量分量。
从上面，参考图10，描述信号处理单元1000的将从光纤511～514检测到的波长变化Δλri、Δλro、Δλli和Δλlo转换为作为端部执行器的钳子单元110的长轴方向作用的力Fz以及总夹持力Fg的处理。
和模式单元1001获得从附接到第一刀片111的光纤511和512检测到的内外波长变化Δλri和Δλro的和(Δλri+Δλro)，并将通过将和除以2而获得的值作为Δλsum,r输出到后一级的Fz导出单元1003。此外，和模式单元1001获得从附接到第二刀片112的光纤513和514检测到的内外波长变化Δλli和Δλlo的和(Δλli+Δλlo)，并将通过将和除以2而获得的值作为Δλsum,l输出到后一级的Fz导出单元1003。然而，和模式单元1001并不总是输出分别通过将第一刀片111的内变形和外变形的总和以及第二刀片112的内变形和外变形的总和除以2而获得的值，并且还存在将和乘以由校准实验等导出的预定校准增益以输出的情况。
差模式单元1002获得从附接到第一刀片111的光纤511和512检测到的内波长变化Δλri和外波长Δλro之间的差(Δλri-Δλro)，并将通过将差值除以2而获得的值作为Δλdiff,r输出到后一级的Fg导出单元1004。此外，差模式单元1002获得从附接到第二刀片112的光纤513和514检测到的内波长变化Δλli和外波长Δλlo之间的差(Δλli-Δλlo)，并将通过将差值除以2而获得的值作为Δλdiff,l输出到后一级的Fg导出单元1004。然而，差模式单元1002并不总是输出分别通过将第一刀片111的内变形和外变形之间的差值以及第二刀片112的内变形和外变形之间的差值除以2而获得的值，并且还存在将差值乘以由校准实验等导出的预定校准增益以输出的情况。
4 DOF传感器单元1005是功能模块，其在信号处理单元1000中基于第一连杆210中形成的4 DOF传感器的检测信号，计算作用在端部执行器(钳子单元110)上的两个方向上的平移力Fx和Fy以及两个方向上的力矩Mx和My。稍后详细描述用于4 DOF传感器单元1005中计算两个方向上的平移力Fx和Fy以及两个方向上的力矩Mx和My的过程。这里，应当注意，作为由4 DOF传感器单元1005计算的平移力之一的Fx被输入到Fz导出单元1003。
虚设FBG处理单元1006获得光纤511～514中设置的四个虚设FBG传感器的检测值之和或者通过将和值乘以校准增益获得的值，并将其输出到Fz导出单元1003，作为虚设FBG传感器检测到的波长变化量Δλdammy。注意，每个虚设FBG传感器的波长变化是由温度变化引起的(如上所述)。然而，假设检测单元检测设置在光纤511～514中的四个虚设FBG传感器的波长变化。
Fz导出单元1003通过输入来自和模式单元1001的第一钳子单元111的内侧和外侧上波长变化的总和Δλsum,r以及第二钳子单元112的内侧和外侧上波长变化的总和Δλsum,l；输入来自4 DOF传感器单元1005的平移力Fx以及从虚设FBG处理单元1006输入由虚设FBG传感器检测到的波长变化量Δλdammy，导出沿作为端部执行器的钳子单元110的长轴方向作用的平移力Fz。
这里，Fz是在第一刀片111上沿长轴方向作用的平移力frz和在第二刀片112上沿长轴方向作用的平移力flz的总力(换句话说，Fz＝frz+flz)。另一方面，从和模式单元1001输入的Δλsum，r和Δλsum，l包括分别由作用在钳子单元110上的两个方向上的平移力Fz和Fx引起的分量。此外，由于从和模式单元1001输入的Δλsum，r和Δλdammy采用第一钳子单元111的对边之间的变形之和与第二刀片112的对边之间的变形之和，所以由温度变化引起的波长变化分量Δλtemp保留。
因此，Fz导出单元1003通过将从4 DOF传感器单元1005输入的X方向上的平移力Fx除以将Fx引起的波长变化转换为力的校准矩阵kx来获得由Fx引起的变形分量(Fx/kx)。然后，Fz导出单元1003可以计算从和模式单元1001输入的Δλsum，r和Δλsum，l之和，从该和中减去由Fx引起的波长变化分量(Fx/kx)及从FBG处理单元1006输入的由温度变化引起的波长变化分量Δλdammy，并将其乘以将波长变化转换为力的校准矩阵kz，从而导出作用在钳子单元110的长轴方向上的力Fz。下面描述用于Fz导出单元1003中计算Fz的等式(1)。在该等式中，kx表示将由于平移力Fx引起的波长变化转换为力的校准矩阵，并且kz表示将由于平移力Fz引起的波长变化转换为力的校准矩阵。
[等式1]
Fg导出单元1004通过从差模式单元1002输入第一钳子单元111的内侧和外侧之间的波长变化的差Δλdiff，r和第二钳子单元112的内侧和外侧之间的波长变化的差Δλdiff，1导出夹持夹持目标的钳子单元110的总夹持力Fg。
这里，Fg是沿Y方向作用在第一刀片111和第二刀片112上的fry和fly以及自夹持目标作用在第一刀片111和第二刀片112上的frt和flt的总力(换句话说，Fg＝frt+flt+fry-fly)。另一方面，第一刀片111侧的波长变化中的差Δλdiff，r和第二刀片112侧的波长变化的差Δλdiff，1包括由沿Y方向作用在钳子单元110上的平移力Fy和来自夹持目标的作用力Ft中的每一个引起的分量。此外，由于从差模式单元1002输入的Δλdiff，r和Δλdiff，1采用第一钳子单元111的对边之间的变形的差值和第二刀片112的对边之间的变形的差值，因此由温度变化引起的波长变化分量Δλtemp被抵消。
因此，Fg导出单元1006可以如下面的等式(2)所示地计算从差模式单元1002输入的Δλdiff，r和Δλdiff，1的和，并且进一步乘以将由来自夹持目标的作用力Ft引起的波长变化转换为力的校准矩阵kt，从而导出施加到钳子单元110的总夹持力Fg。
[等式2]
注意，在图10所示的信号处理单元1000的计算中使用的校准矩阵kx、kz和kt可以例如通过校准实验导出。
以这种方式，通过将信号处理单元1000的上述运算处理应用于外科手术系统100，可以实现检测作用在作为端部执行器的钳子单元110上的力和钳子单元110中的总夹持力Fg的2DOF传感器。
图13示意性地示出了4 DOF传感器的处理算法，用于在信号处理单元1300中基于从铺设在第一连杆210上的各个光纤901～904上形成的FBG传感器获得的检测结果，计算作用在端部执行器110上的两个方向上的平移力Fx和Fy以及力矩Mx和My。注意，应当理解，图13中所示的信号处理单元1300对应于图10中的4 DOF传感器单元1005。
检测单元基于在第一连杆210的XY方向上的对边上附接的光纤901～904的预定波段的入射光的反射光，检测当平移力Fx和Fy以及力矩Mx和My作用时作为布置在第一连杆210的位置a处的变形检测元件211a～214a的FBG传感器中的波长变化Δλa1～Δλa4。检测到的波长变化Δλa1～Δλa4还包括由温度引起的波长变化分量。
此外，检测单元基于在第一连杆210的XY方向上的对边上附接的光纤901～904的预定波段的入射光的反射光，检测当平移力Fx和Fy以及力矩Mx和My作用时在作为布置在第一连杆210的位置b处的变形检测元件211b～214b的FBG传感器中的波长变化Δλb1～Δλb4。检测到的波长变化Δλb1～Δλb4还包括由温度变化引起的波长变化分量。
这里，由检测单元从光纤901～904的位置a检测到的波长变化Δλa1～Δλa4等于当平移力Fx和Fy以及力矩Mx和My作用时在第一连杆210的位置a处产生的变形量Δεa1～Δεa4。此外，由检测单元从光纤901～904的位置b检测到的波长变化Δλb1～Δλb4等于当平移力Fx和Fy以及力矩Mx和My作用时在第一连杆210的位置b处产生的变形量Δεb1～Δεb4(在忽略由温度变化引起的波长变化分量的情况下)。
差分模式单元1301根据下面的等式(3)从来自检测单元的Δλa1～Δλa4和Δλb1～Δλb4的八个输入中的每一个中减去八个输入的平均值，并将结果输出到后一级的平移力/力矩导出单元1302。在位置a和b中的每一个处检测到的波长变化包括由温度变化引起的波长变化分量Δλsum，r以及由于平移力Fx和Fy以及力矩Mx和My而由动作变形引起的波长变化分量。差分模式单元1301可以消除由温度变化引起的波长变化分量Δλtemp。
[等式3]
然后，如下面的等式(4)所示，平移力/力矩导出单元1302将校准矩阵K乘以来自差分模式单元1301的输入Δλdiff，以计算平移力Fx和Fy以及力矩Mx和My。此外，由平移力/力矩导出单元1302计算的平移力Fx被输入到Fz导出单元1003，用于计算Fz(如上所述)。
[等式4]
注意，可以例如通过校准实验导出在图13中所示的信号处理单元1300的计算中使用的校准矩阵K。
图10中所示的信号处理单元1000和图13中所示的信号处理单元1300可以被配置为一个电路芯片，或者可以被配置为不同的电路芯片。
以这种方式，根据该实施例，外科手术系统100可以通过在端部执行器110中形成的2DOF传感器检测来自平移力Fz和夹持目标的作用力Ft(参见图10)，并且通过在第一连杆210中形成的4 DOF传感器检测两个平移力Fx和Fy以及两个力矩Mx和My(参见图13)。因此，还可以说整个外科手术系统100配备有(5+1)DOF传感器(或6DOF传感器)。
例如，在外科手术系统100作为主从机器人系统中的从设备操作的情况下，上述(5+1)DOF传感器的检测结果作为用于远程控制的反馈信息被发送到主设备。在主设备侧，反馈信息可以用于各种应用。例如，主设备可以基于来自从设备的反馈信息向操作者执行力呈现。
图14示意性地示出了主从机器人系统1400的功能配置。机器人系统1400包括由操作者操作的主设备1410和根据操作者的操作从主设备1410远程控制的从设备1420。主设备1410和从设备1420经由无线或有线网络互连。
主设备1410包括操作单元1411、转换单元1412、通信单元1413和力呈现单元1414。
操作单元1411包括用于操作者远程控制从设备1420的主臂等。转换单元1412将操作者在操作单元1411上执行的操作的内容转换为用于控制从设备1420侧(更具体地，从设备1420中的驱动单元1421)的驱动的控制信息。
通信单元1413经由无线或有线网络互连到从设备1420侧(更具体地，从设备1420中的通信单元1423)。通信单元1413将从转换单元1412输出的控制信息发送到从设备1420。
另一方面，从设备1420包括驱动单元1421、检测单元1422和通信单元1423。
假设从设备1420是具有多连杆构造的臂式机器人，其前端附接有执行器如钳子单元110，如图1所示。驱动单元1421包括用于旋转地驱动连接连杆的每个关节的致动器，以及用于打开和关闭钳子单元110的致动器。用于打开和关闭钳子单元110的致动器布置在远离钳子单元110的位置处，并且驱动力通过缆索传递到钳子单元110。
检测单元1422包括在钳子单元110中形成的2DOF传感器和在第一连杆210(或其他连杆)中形成的4 DOF传感器。换句话说，检测单元1422是除了作用于作为端部执行器的钳子单元110上的在三个方向上的平移力Fx，Fy和Fx以及关于XY轴的力矩Mx和My之外，还能够检测从夹持目标作用到钳子单元110的力Ft的(5+1)DOF传感器。
通信单元1423经由无线或有线网络互连到主设备1410侧(更具体地，主设备1420中的通信单元1413)。上述驱动单元1421根据通信单元1423从主设备1410侧接收的控制信息进行驱动。此外，上述检测单元1422的检测结果(Fx、Fy、Fz、Mx、My和Ft)从通信单元1423发送到主设备1410侧。
在主设备1410侧，力呈现单元1414基于由通信单元1413接收的检测结果(Fx、Fy、Fz、Mx、My和Ft)向操作者执行力呈现，作为来自从设备1420的反馈信息。
操作主设备1410的操作者可以通过力呈现单元1414识别施加到从设备1420侧的端部执行器的接触力。例如，在从设备1420是外科手术机器人的情况下，当通过获得诸如作用在钳子单元110上的响应之类的触感来操作缝合线时，操作者可以适当地执行手动操作，并且完全完成缝合，从而可以在防止对活组织的侵入的同时有效地工作。
工业实用性
到目前为止，参考特定实施例详细描述了本说明书中公开的技术。然而，显而易见的是，本领域技术人员可以在不脱离本说明书中公开的技术的范围的情况下修改或替换实施例。
本说明书中公开的技术可以类似地应用于除主从类型之外的各种类型的机器人设备。此外，尽管在本说明书中主要描述了本说明书中公开的技术主要应用于手术机器人的实施例，但是本说明书中公开的技术的主旨不限于此；这也可以类似地应用于除了手术之外的医疗应用中使用的机器人设备或除医疗应用之外的各种领域。
简而言之，本说明书中公开的技术迄今为止以示例的形式描述，并且本说明书中描述的内容不应以限制的方式解释。为了确定本说明书中公开的技术的要点，应该考虑权利要求。
注意，本说明书中公开的技术也可以具有以下配置。
(1)一种手术系统，包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；以及
处理单元，其基于第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果来计算作用在端部执行器上的力。
(2)根据上述(1)的手术系统，
其中，端部执行器包括钳子单元，钳子单元包括第一刀片、第二刀片和钳子旋转轴，钳子旋转轴将第一刀片和第二刀片耦接成相对于彼此可旋转。
(3)根据上述(2)的手术系统，
其中，在第一刀片和第二刀片中的每一个上形成变形生成体，以及
第一变形检测单元包括设置在第一刀片和第二刀片的变形生成体上的变形检测元件。
(4)根据上述(3)的手术系统，
其中，第一变形检测单元包括检测在第一刀片的内侧和外侧产生的变形的变形检测元件，以及检测在第二刀片的内侧和外侧产生的变形的变形检测元件，以及
处理单元基于检测到的第一刀片的内侧和外侧上的变形以及第二刀片的内侧和外侧上的变形来计算作用在端部执行器上的力。
(5)根据上述(4)的手术系统，
其中，第一变形检测单元包括：包括形成在连接到第一刀片的内侧和外侧的光纤上的FBG传感器的变形检测元件，以及包括形成在连接到第二刀片的内侧和外侧的光纤上的FBG传感器的变形检测元件。
(6)根据上述(4)或(5)的手术系统，
其中，处理单元基于第一刀片和第二刀片的内侧上的变形的总和以及第一刀片和第二刀片的外侧上的变形的总和来计算作用在端部执行器的长轴方向上的力。
(7)根据上述(6)的手术系统，
其中，处理单元从基于总和的值中去除由基于第二变形检测单元的检测结果计算出的与端部执行器的长轴方向正交的方向上作用的力引起的变形分量，并计算作用在端部执行器的长轴方向上的力。
(8)根据上述(6)或(7)的手术系统，
其中，处理单元从基于总和的值中去除由温度变化引起的变形分量，并计算作用在端部执行器的长轴方向上的力。
(9)根据上述(8)的手术系统，
其中，第一变形检测单元包括：包括形成在连接到第一刀片的内侧和外侧的光纤上的FBG传感器的变形检测元件，以及包括形成在连接到第二刀片的内侧和外侧的光纤上的FBG传感器的变形检测元件，光纤包括在其上形成的虚设FBG传感器，以及
处理单元基于虚设FBG传感器的波长变化从基于总和的值去除由温度变化引起的变形分量。
(10)根据上述(4)至(9)中任一项的手术系统，
其中，处理单元基于第一刀片和第二刀片的内侧上的变形与第一刀片和第二刀片的外侧上的变形之间的差值来计算在端部执行器的长轴方向上作用的力。
(11)根据上述(1)至(10)中任一项的手术系统，
其中，第二变形检测单元包括变形检测元件，变形检测元件设置在与连杆的长轴方向正交的两个方向上的各对边上的两个位置处，以及
处理单元基于在与由变形检测元件检测到的连杆的长轴方向正交的两个方向上的各对边上的两个位置处的变形，计算作用在端部执行器上的两个方向上的平移力和力矩。
(12)根据上述(11)的手术系统，
其中，第二变形检测单元包括变形检测元件，变形检测元件包括FBG传感器，FBG传感器形成在连接到垂直于连杆的长轴方向的两个方向上的各对边的光纤的两个位置。
(13)根据上述(11)或(12)的手术系统，
其中，连杆具有应力集中在其中布置了变形检测元件的两个位置处的形状。
(14)根据上述(11)至(13)中任一项的手术系统，
其中，处理单元获得变形检测元件的检测值的平均值，将通过从变形检测元件的检测值中减去平均值而获得的结果乘以预定校准矩阵，并计算作用在端部执行器上的两个方向上的平移力和力矩。
(15)根据上述(1)至(14)中任一项的手术系统，还包括：
与端部执行器分开布置的驱动单元；以及
将由驱动单元产生的驱动力传递到第一刀片和第二刀片的缆索。
(16)一种外科手术系统，包括：
主设备；以及由主设备远程操作的从设备，从设备包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；
处理单元，其基于第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果来计算作用在端部执行器上的力；以及
将由处理单元的处理结果输出到主设备的输出单元。
(17)一种控制设备，包括：
处理单元，其基于布置在臂的前端处的端部执行器上产生的变形和形成臂的连杆上产生的变形来计算作用在端部执行器上的力。
(18)一种变形生成体，包括：
形成为钳子的刀片的结构体；以及
通过在结构体的长轴方向上形成蜿蜒结构而获得的变形生成单元，
其中，变形检测元件附接到变形生成单元的钳子的开闭结构的内侧和外侧。
(19)一种外科手术器具，包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；以及
发送第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果的发送单元。
(20)一种外力检测系统，包括：
包括一个或多个连杆的臂；
设置在臂的前端的端部执行器；
检测端部执行器中产生的变形的第一变形检测单元；
检测连杆中产生的变形的第二变形检测单元；以及
处理单元，其基于第一变形检测单元和第二变形检测单元的检测结果来计算作用在端部执行器上的力。
参考符号列表
100 外科手术系统
110 端部执行器(钳子单元)
111 第一刀片
112 第二刀片
113 钳子旋转轴
120 关节臂
201～204 变形检测元件
401 变形生成体
501,502 凹槽
511～514 光纤
701,702 虚设FBG传感器
901～904 光纤
1000 信号处理单元
1001 和模式单元
1002 差模式单元
1003 Fz导出单元
1004 Fg导出单元
1005 4 DOF传感器单元
1006 虚设FBG处理单元
1300 信号处理单元
1301 差分模式单元
1302 平移力/力矩导出单元
1400 机器人系统
1410 主设备
1411 操作单元
1412 转换单元
1413 通信单元
1414 力呈现单位
1420 从设备
1421 驱动单元
1422 检测单元
1423 通信单元

Claims (20)

1.一种手术系统，包括：
臂，包括一个或多个连杆；
端部执行器，设置在所述臂的前端；
第一变形检测单元，检测所述端部执行器中产生的变形；
第二变形检测单元，检测所述连杆中产生的变形；以及
处理单元，基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用于所述端部执行器上的力。
2.根据权利要求1所述的手术系统，
其中，所述端部执行器包括钳子单元，所述钳子单元包括第一刀片、第二刀片和钳子旋转轴，所述钳子旋转轴将所述第一刀片和所述第二刀片耦接成相对于彼此可旋转。
3.根据权利要求2所述的手术系统，
其中，在所述第一刀片和所述第二刀片中的每一个上形成变形生成体，并且
所述第一变形检测单元包括设置在所述第一刀片和所述第二刀片的变形生成体上的变形检测元件。
4.根据权利要求3所述的手术系统，
其中，所述第一变形检测单元包括：检测在所述第一刀片的内侧和外侧产生的变形的变形检测元件以及检测在所述第二刀片的内侧和外侧产生的变形的变形检测元件，并且
所述处理单元基于检测到的所述第一刀片的内侧和外侧上的变形以及所述第二刀片的内侧和外侧上的变形来计算作用在所述端部执行器上的力。
5.根据权利要求4所述的手术系统，
其中，所述第一变形检测单元包括：包括在附接到所述第一刀片的内侧和外侧的光纤上所形成的FBG传感器的变形检测元件以及包括在附接到所述第二刀片的内侧和外侧的光纤上所形成的FBG传感器的变形检测元件。
6.根据权利要求4所述的手术系统，
其中，所述处理单元基于所述第一刀片和所述第二刀片的内侧上的变形的总和以及所述第一刀片和所述第二刀片的外侧上的变形的总和来计算在所述端部执行器的长轴方向上作用的力。
7.根据权利要求6所述的手术系统，
其中，所述处理单元从基于所述总和的值中去除基于所述第二变形检测单元的检测结果而计算出的由与所述端部执行器的长轴方向正交的方向上作用的力引起的变形分量，并且计算在所述端部执行器的所述长轴方向上作用的力。
8.根据权利要求6所述的手术系统，
其中，所述处理单元从基于所述总和的值中去除由温度变化引起的变形分量，并且计算在所述端部执行器的所述长轴方向上作用的力。
9.根据权利要求8所述的手术系统，
其中，所述第一变形检测单元包括：包括在附接到所述第一刀片的内侧和外侧的光纤上所形成的FBG传感器的变形检测元件以及包括在附接到所述第二刀片的内侧和外侧的光纤上所形成的FBG传感器的变形检测元件，所述光纤包括所述光纤上形成的虚设FBG传感器，以及
所述处理单元基于所述虚设FBG传感器的波长变化，从基于所述总和的值中去除由温度变化引起的变形分量。
10.根据权利要求4所述的手术系统，
其中，所述处理单元基于所述第一刀片和所述第二刀片的内侧上的变形与所述第一刀片和所述第二刀片的外侧上的变形之间的差值来计算在所述端部执行器的长轴方向上作用的力。
11.根据权利要求1所述的手术系统，
其中，所述第二变形检测单元包括在与所述连杆的长轴方向正交的两个方向上的各对边上的两个位置设置的变形检测元件，以及
所述处理单元基于由所述变形检测元件检测到的在与所述连杆的长轴方向正交的两个方向上的各对边上的所述两个位置处的变形，计算作用在所述端部执行器上的两个方向上的平移力和力矩。
12.根据权利要求11所述的手术系统，
其中，所述第二变形检测单元包括：包括正交于所述连杆的长轴方向的两个方向上的各对边所附接的光纤的两个位置形成的FBG传感器的所述变形检测元件。
13.根据权利要求11所述的手术系统，
其中，所述连杆具有应力集中在布置有所述变形检测元件的所述两个位置处的形状。
14.根据权利要求11所述的手术系统，
其中，所述处理单元获得各所述变形检测元件的检测值的平均值，将通过从各所述变形检测元件的检测值中减去所述平均值而获得的结果乘以预定校准矩阵，并计算作用在所述端部执行器上的两个方向上的平移力和力矩。
15.根据权利要求1所述的手术系统，还包括：
驱动单元，与所述端部执行器分开布置；以及缆索，将由所述驱动单元产生的驱动力传递到第一刀片和第二刀片。
16.一种外科手术系统，包括：
主设备；以及由所述主设备远程操作的从设备，所述从设备包括：
臂，包括一个或多个连杆；
端部执行器，设置在所述臂的前端；
第一变形检测单元，检测所述端部执行器中产生的变形；
第二变形检测单元，检测所述连杆中产生的变形；以及
处理单元，基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用于所述端部执行器上的力；以及
输出单元，将所述处理单元的处理结果输出到所述主设备。
17.一种控制设备，包含：
处理单元，基于布置在臂的前端的端部执行器上产生的变形和形成所述臂的连杆上产生的变形来计算作用在所述端部执行器上的力。
18.一种变形生成体，包括：
结构体，形成为钳子的刀片；以及
变形生成单元，通过沿所述结构体的长轴方向形成蜿蜒结构而获得，
其中，变形检测元件附接在所述变形生成单元的所述钳子的开闭结构的内侧和外侧。
19.一种外科手术器具，包含：
臂，包括一个或多个连杆；
端部执行器，设置在所述臂的前端；
第一变形检测单元，检测所述端部执行器中产生的变形；
第二变形检测单元，检测所述连杆中产生的变形；以及
发送单元，发送所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果。
20.一种外力检测系统，包含：
臂，包括一个或多个连杆；
端部执行器，设置在所述臂的前端；
第一变形检测单元，检测所述端部执行器中产生的变形；
第二变形检测单元，检测所述连杆中产生的变形；以及
处理单元，基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用于所述端部执行器上的力。
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