JP2019050999A - アクチュエータ装置、エンドエフェクタ、並びに手術用システム - Google Patents

アクチュエータ装置、エンドエフェクタ、並びに手術用システム Download PDF

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Abstract

【課題】手術用システムに適用されるアクチュエータ装置などを提供する。【解決手段】アクチュエータ装置は、第１の磁性体部と、所定方向又は前記所定方向の逆方向に移動可能な第１の系と、前記第１の磁性体部との間に生じる磁力により前記第１の系を前記所定方向に移動させる第２の磁性体部と、前記第１の系に前記所定方向と逆方向の力を加えることが可能な、弾性体などからなる加圧部と、を含む第２の系と、駆動により前記所定方向又は前記逆方向の力を前記第２の系に加えることが可能な駆動部を具備する。前記第１の系は、前記所定方向の往復運動により作用する作用部を支持する支持部を有し、前記第２の系は、前記弾性部を介して前記支持部に接続される摺動部を有する。【選択図】 図１

Description

本明細書で開示する技術は、例えば手術用システムに適用されるアクチュエータ装置、手術用システムのエンドエフェクタ、並びに手術用システムに関する。
近年のロボティクス技術の進歩は目覚ましく、さまざまな産業分野の作業現場にロボティクス技術が広く浸透してきている。医療用ロボットなど、コンピュータの制御による完全自律動作がいまだ困難な産業分野では、マスタ−スレーブ方式のロボット・システムが使用されている。例えば、腹腔や胸腔といった内視鏡下手術用のマスタ−スレーブ方式の医療ロボットを用いて、施術者は３Ｄモニタ画面で術野を見ながら、鉗子などの術具がエンドエフェクタに取り付けられたスレーブ・アームを遠隔操作して手術することができる。
内視鏡下での生体組織への侵襲や施術の効率性を考慮すると、スレーブのエンドエフェクタが患部などから受ける外力を、マスタ側でユーザに提示することが好ましい。このマスタースレーブ方式のロボット・システムにおいて、把持部（グリッパー）などのエンドエフェクタに作用する力を検出可能な医療用ロボットについても、いくつかの提案がなされている。また、接触力を検出することを可能にする医療用器具及び医療用支持アーム装置についても提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
内視鏡下手術に利用される手術用ロボットにおいては、エンドエフェクタの構成を小型化することが必須である。したがって、エンドエフェクタから離間して配置されたアクチュエータなどの駆動部で発生する駆動力をワイヤ若しくはケーブルによって伝達してエンドエフェクタを開閉操作するという駆動機構が一般的である。ところが、エンドエフェクタと、エンドエフェクタを駆動する駆動部の間に力センサが配設される構成では、エンドエフェクタを開閉するためのワイヤの牽引力が、例えばエンドエフェクタの長軸方向に加わる外力と干渉するため、力センサの感度低下を招来したり、校正を困難にしたりすることが懸念される。
他方、それぞれカムスロットが穿設され且つ開閉可能に結合された一対のジョー部材と、細長形状で且つ先端のカムピンがカムスロット内に挿入されたシャフトからなり、細長形状のシャフトを長手方向に往復運動させ、カムピンがカムスロット内をスライドすることによりジョー部材を開閉操作する手術用鉗子が知られている（例えば、特許文献２を参照のこと）。この種の鉗子では、把持力が増大するとカムスロット間の摩擦力が大きくなり、シャフトを介した牽引力はジョー部材による把持力として伝わるまでに大きくロスする。所望する大きな把持力を得るためには、摩擦力を補う分だけ牽引力を大きくする必要がある。したがって、牽引力を発生するアクチュエータの出力を大きくしなければならない、という問題がある。
特開２０１７−２９２１４号公報 特開２００８−１８８４４０号公報
本明細書で開示する技術の目的は、手術用システムに適用されるアクチュエータ装置、手術用システムのエンドエフェクタ、並びに手術用システムを提供することにある。
本明細書で開示する技術は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、
第１の磁性体部と、
所定方向又は前記所定方向の逆方向に移動可能な第１の系と、
前記第１の磁性体部との間に生じる磁力により前記第１の系を前記所定方向に移動させる第２の磁性体部と、前記第１の系に前記所定方向と逆方向の力を加えることが可能な、弾性体などからなる加圧部と、を含む第２の系と、
駆動により前記所定方向又は前記逆方向の力を前記第２の系に加えることが可能な駆動部と、
を具備するアクチュエータ装置である。前記弾性部は、前記第１の系が前記所定方向に引き寄せられるほど、前記逆方向の力が大きくなる。また、前記第１の系は、前記所定方向の往復運動により作用する作用部を支持する支持部を有する。
前記第２の系は、前記弾性部を介して前記支持部に接続される摺動部を有する。前記摺動部は、前記所定方向と平行な方向の一の面に前記弾性部が接続され、他の面に前記第２の磁性体部が接続され、前記駆動部の駆動により前記所定方向と平行な方向に相対移動可能である。
前記支持部は中空構造を有している。そして、前記摺動部は、前記中空構造内に収容され、前記所定方向と平行な方向に相対移動可能である。
また、前記磁性体部と対向するように前記摺動部に取り付けられた第２の磁性体部をさらに備え、前記磁性体部は、前記第２の磁性体部を磁力により吸引する。
また、前記駆動部は、例えば誘電性エラストマーからなり、伸縮により前記所定方向に駆動する。
前記第１の系が前記磁性体部に最接近した状態では、前記第１の磁性体部及び前記第２の磁性体部の磁力による引力は前記弾性部の復元力よりも大きい。また、前記第２の系が前記第１の系を前記第１の磁性体部から離脱させる際に、前記駆動部は、前記第１の磁性体部の磁力による引力と前記弾性部の復元力との差分よりも大きな駆動力を前記所定方向と逆方向に発生する。
また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、
把持部と、前記把持部に対する牽引力を発生するアクチュエータ部とを具備し、
前記アクチュエータ部は、
第１の磁性体部と、
所定方向又は前記所定方向の逆方向に移動可能な第１の系と、
前記第１の磁性体部との間に生じる磁力により前記第１の系を前記所定方向に移動させる第２の磁性体部と、前記第１の系に前記所定方向と逆方向の力を加えることが可能な加圧部と、を含む第２の系と、
駆動により前記所定方向又は前記逆方向の力を前記第２の系に加えることが可能な駆動部と、
を備える、エンドエフェクタである。
また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、
エンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタに対する牽引力を発生するアクチュエータ部と、
前記アクチュエータ部よりも近接端側に配置された力センサと、
を具備する手術用システムである。
前記力センサは、例えば、起歪体の歪みを検出する、ＦＢＧセンサからなる歪み検出素子を備えている。
また、本明細書で開示する技術の第４の側面は、
エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに対する牽引力を発生するアクチュエータ部とを具備し、
前記アクチュエータ部は、
磁性体部の磁力により吸引されて、前記把持部に前記牽引力を作用させる作用部を所定方向に移動させる第１の系と、
前記第１の系に対して前記所定の方向と逆方向の力を加えて、前記第１の系を前記磁性体部から離脱させる第２の系と、
を備える、手術用システムである。
本明細書で開示する技術によれば、手術用システムに適用されるアクチュエータ装置、手術用システムのエンドエフェクタ、並びに手術用システムを提供することができる。
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本明細書で開示する技術を適用した手術用ロボット１００の構成例を示した図である。 図２は、手術用ロボット１００の変形例を示した図である。 図３は、アクチュエータ部１０２の構成例を示した図である。 図４は、アクチュエータ部１０２の構成例を示した図である。 図５は、第１の系に作用する力を示した図である。 図６は、第２の系に作用する力を示した図である。 図７は、アクチュエータ部１０２の変位量に応じた発生力の計算例を示した図である。 図８は、アクチュエータ部１０２の変位量に応じた把持部１０１の把持力の計算例を示した図である。 図９は、アクチュエータ部１０２の変位量に応じた発生力の計算例を示した図である。 図１０は、力センサ１０３の一構成例を示した図である。 図１１は、起歪体１００１の位置ａにおけるＸＹ断面を示した図である。 図１２は、起歪体１００１に作用する力を検出する仕組みを説明するための図である。 図１３は、ＦＢＧセンサを利用した歪み検出素子を起歪体１００１に設置する方法を説明するための図である。 図１４は、４ＤＯＦの力センサ用の処理アルゴリズムを示した図である。 図１５は、アクチュエータ部１０２の実装例を示した図である。 図１６は、アクチュエータ部１０２の第１の系を示した図である。 図１７は、アクチュエータ部１０２の第２の系を示した図である。 図１８Ａは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。 図１８Ｂは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。 図１８Ｃは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。 図１８Ｄは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。 図１８Ｅは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。 図１８Ｆは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。 図１８Ｇは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。 図１８Ｈは、アクチュエータ部１０２の動作例を示した図である。
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
図１には、本明細書で開示する技術を適用した手術用ロボット１００の構成例を模式的に示している。図示の手術用ロボット１００は、例えばアーム型ロボットからなるが、関節などの屈曲部１０４よりも遠位端側から順に、エンドエフェクタとしての把持部１０１と、把持部１０１に対して把持牽引力を供給するアクチュエータ部１０２と、把持部１０１に作用する外力を検出するための力センサ１０３を備えている。
把持部１０１は、手術用鉗子であり、開閉可能に結合された一対のブレード１０１ａ、１０１ｂを備えている。各ブレード１０１ａ、１０１ｂが互いに反対方向に駆動することによって開閉して、生体組織を把持することができる。各ブレード１０１ａ、１０１ｂの結合部分は、直動方向の牽引力を把持力に変換する機械構造を備えている。したがって、同図中の矢印Ａで示す直動方向の牽引力が把持部１０１に作用するとブレード１０１ａ、１０１ｂは閉じ、矢印Ａとは逆方向の力が把持部１０１に作用するとブレード１０１ａ、１０１ｂは開く。
例えば、各ブレード１０１ａ、１０１ｂにはそれぞれカムスロットが穿設され、細長形状のシャフトの先端部分に突設されたカムピンをカムスロット内に挿入するとともに、細長形状のシャフトを長手方向に往復運動させ、カムピンがカムスロット内をスライドすることにより、一対のブレードを開閉操作することができる（例えば、特許文献２を参照のこと）。なお、図面の簡素化のため、カムやスロットの構造については図示を省略している。
アクチュエータ部１０２は、例えば直進運動する作用部を備え、手術用鉗子としての把持部１０１の細長形状シャフトを往復運動させるための牽引力を、作用部を介して供給することができる。
例えば、手術中に針を強い力で掴むなど、把持部１０１の開閉角が０度付近で大きな把持力が必要となる。本実施形態では、アクチュエータ部１０２は、把持部１０１の開閉角が０度付近で大きな牽引力を発生するように構成されている。但し、アクチュエータ部１０２の詳細な構成については、後述に譲る。
力センサ１０３は、例えば６軸力センサからなり、エンドエフェクタとしての把持部１０１に作用する３軸方向の力並びに各軸回りのトルクを検出することができる。力センサ１０３の詳細な構成については、後述に譲る。
本実施形態に係る手術用ロボット１００は、遠位端側から近接端に向かって、把持部１０１、アクチュエータ部１０２、力センサ１０３の順に配設されている。言い換えれば、力センサ１０３は、アクチュエータ部１０２と近接端の間で、把持部１０１の把持力を発生するための牽引力が作用しない領域に配置されている。このような構成によれば、アクチュエータ部１０２による牽引力は力センサ１０３には及ばない。アクチュエータ部１０２の牽引力はエンドエフェクタの長軸方向に加わる外力とは干渉しないので、力センサ１０３の感度低下を招くことはなく、且つ、力センサ１０３からの検出信号の校正は容易になる。
図２には、図１との対比として、手術用ロボット１００の変形例を示している。図示の変形例に係る手術用ロボット１００は、遠位端側から順に、把持部１０１、屈曲部１０４、力センサ１０３、アクチュエータ部１０２が配設されている。但し、図１に示したものと同一の構成要素については、同一の参照番号を付している。
図１に示した構成例との主な相違は、把持部１０１と力センサ１０３及びアクチュエータ部１０２の間に屈曲部１０４に介在する点と、アクチュエータ部１０２よりも遠位端側（若しくは、把持部１０１に近い方）に力センサ１０３が配設されている点にある。把持部１０１とアクチュエータ部１０２の間に力センサ１０３が配置されるような構成では、アクチュエータ部１０２による牽引力が力センサ１０３に及んでしまう。言い換えれば、アクチュエータ部１０２の牽引力が、エンドエフェクタの長軸方向に加わる外力と干渉してしまう。このため、力センサ１０３の感度低下を招来するとともに、力センサ１０３の構成が困難になるという問題がある。
上述したように、図１に示す手術用ロボット１００の構成によれば、力センサ１０３の感度を向上させることができる。その反面、遠位端近傍にアクチュエータ部１０２を配置する場合には、小型化することが必須となるため、アクチュエータの出力が低下してしまうという問題がある。例えば、手術中に針や薄い物体を強い力で掴むなど、把持部１０１の開閉角が０度付近で大きな把持力が必要となる。そこで、本明細書では、小型化が可能で、小さな駆動力でも大きな把持力を取り出すことができるアクチュエータ部１０２の構造について提案する。
図３及び図４には、本明細書で提案するアクチュエータ部１０２の構成例を示している。図３及び図４ともにアクチュエータ部１０２の断面を示している。但し、図３は、把持部１０１の把持力を発生するための牽引力が作用していない状態（すなわち、把持部１０１が開いた状態に相当）を示し、図４は、牽引力が作用している状態（すなわち、把持部１０１が閉じた状態に相当）を示している。
図示のアクチュエータ部１０２は、矢印Ａで示す直動方向の牽引力を発生するが、この牽引力を把持部１０１に作用させる作用部３０１と、作用部３０１を支持する支持部３０２と、支持部３０２に対して矢印Ａと平行な方向に相対移動可能な摺動部３０３を備えている。
支持部３０２は、中空円筒の形状をなし、その円筒の軸は矢印Ａと平行である。また、摺動部３０３は、この円筒内に収容され、円筒の内壁に沿って摺動若しくは滑動することで、支持部３０２に対して矢印Ａと平行な方向に相対移動することが可能である。したがって、作用部３０１及び支持部３０２と、摺動部３０３とは、基本的には矢印Ａと平行な方向にのみ相対移動するように拘束されていることになる。摺動部３０３は、支持部３０２の内部部品ということもできる。
摺動部３０３の、矢印Ａの方向の一端面は、コイルばねなどからなる弾性部３０４を介して、支持部３０２側の中空円筒の底面部分に接続されている。したがって、支持部３０２と摺動部３０３との相対位置が矢印Ａで示す直動方向又はその逆方向に変化すると、元の位置に戻ろうとする復元力Ｆkが作用する。弾性部３０４に用いられるコイルばねは例えば線形特性を持ち、その復元力Ｆkはコイルばねの自然長からの変位量Δｘに正比例する。ばね定数ｋを用いて、Ｆk＝ｋ・Δｘと表すことができる。但し、弾性部３０４に非線形ばねを用いることもできる。また、所定方向の逆方向の力を加えることが可能であれば、弾性部材からなる弾性部３０４には限定されず、加圧部を弾性部３０４に用いることができる。例えば、逆方向に引力を発生させる磁石を弾性部３０４に適用することもできる。
また、当該アクチュエータ部３０２の後端（近接端側）には、永久磁石などからなり、磁力を発生する磁性体部３０６が配設されている。そして、摺動部３０３の他方の端面には、磁性体部３０６に対向して、第２の磁性体部３０７が取り付けられている。異極同士が向き合うように、磁性体部３０６と第２の磁性体部３０７を配設することで、摺動部３０３には、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMが矢印Ａの方向に作用する。したがって、支持部３０２には、摺動部３０３及び弾性部３０４を介して、矢印Ａの方向の力ＦMが加わり、これが作用部３０１の直動方向の牽引力となる。
引力ＦMは、磁性体部３０６と第２の磁性体部３０７間の距離の二乗に反比例する。このため、磁性体部３０６と第２の磁性体部３０７が最接近して、把持部１０１の開閉角が０度付近になると、アクチュエータ部１０２は磁力によって大きな牽引力を発生することができる。したがって、アクチュエータ部１０２の寸法（とりわけ、長手方向と直交する方向）を小型化することが可能となる。
なお、磁性体部３０６と第２の磁性体部３０７のいずれか一方又は両方に、永久磁石に代えて、コイルによる電磁石を用いるようにしてもよい（但し、永久磁石と同じだけの磁力を発生させるには、コイル巻線数を大きくする必要があり大型になり、また大きなコイル電流を必要とする。永久磁石を用いた方が安価で且つ簡易な構造である）。また、磁性体部３０６と第２の磁性体部３０７のいずれか一方を、磁石ではなく磁性体で製作しても、摺動部３０３と磁性体部３０６の間（若しくは、支持部３０２と磁性体部３０６の間）に、磁力による引力ＦMを作用させることができる。例えば、摺動部３０３の他端面に磁性体を取り付けるのでなく、摺動部３０３全体を磁性体で構成してもよい。
また、摺動部３０３は、矢印Ａと平行な方向に直動する駆動部３０５と結合している。具体的には、摺動部３０３には、紙面の上端及び下端にそれぞれ突起部が突設されている。そして、これらの突起部は、支持部３０２の円筒部分に穿設された線条の開口を介して、支持部３０３の外側に配設された駆動部３０５と結合している。駆動部３０５は、支持部３０２を矢印Ａと平行な方向に駆動する直動アクチュエータである。したがって、摺動部３０３には、駆動部３０５から矢印Ａと平行な方向の駆動力ＦAが加わる。後述するように、矢印Ａと逆方向の駆動力ＦAは、摺動部３０３を磁性体部３０６から引き離すように作用する。
本実施形態では、直動アクチュエータである駆動部３０５として、電気活性ポリマー（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ：ＥＡＰ）の１つである誘電性エラストマー（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ：ＤＥＡ）が使用されている。ＤＥＡとしては、シリコン系重合体、ウレタン系重合体、又はアクリル系重合体などが挙げられる。駆動部３０５としてのＤＥＡは、矢印Ａで示す直動方向に伸縮するように構成され、これによって作用部３０１及び支持部３０２と摺動部３０３との相対位置が変化しようとする。したがって、駆動部３０５による駆動力ＦAは、ＤＥＡによる発生力ＦDEAである。駆動部３０５による駆動力ＦDEAは、ＤＥＡに印加する電圧に応じて変化する。例えば、駆動部３０５は、中空円筒状のＤＥＡで構成され、支持部３０３をその円筒の収容するように配設される。
ＤＥＡは、直動アクチュエータの一例である。ＤＥＡ以外にも、導電性高分子アクチュエータや、イオン電導アクチュエータ、マクロ・ファイバー・コンポジット（ＭＦＣ）アクチュエータ、強誘電高分子アクチュエータ、ピエゾ・アクチュエータ、ボイス・コイル、マイクロモータ、空圧シリンダなどを、直動アクチュエータである駆動部３０５に使用することができる。但し、寸法、発生力の大きさと変位量、及び、変位量と静電容量の変化から直動方向の変位量を推定することができる、といった特性から、ＤＥＡが好ましいと本出願人は思料する。なお、ＤＥＡを利用したトランスデューサ装置については、例えば本出願人に既に譲渡されている特願２０１７−１３３１６０号明細書を参照されたい。
上述した支持部３０２、摺動部３０３、駆動部３０５、及び、磁性体部３０６といった、アクチュエータ部１０２の主要部品は、筐体３１０内に収容されているものとする。
作用部３０１と支持部３０２は一体的に固定されている。作用部３０１を矢印Ａで示す直動方向に推進する力は、作用部１０１の先端（遠位端側）に結合された把持部１０１に対する牽引力となる。この牽引力は、弾性部３０４による復元力Ｆkと、駆動部３０５による駆動力ＦDEAと、磁性体部３０６による磁力ＦMの合力からなる。但し、復元力Ｆkは支持部３０３が内部部品としての摺動部３０３から受ける内力であり、内部で相殺されるため、外部に作用する牽引力には寄与しない。図４は、アクチュエータ部１０２の牽引力が作用している状態を示している。作用部３０１が把持部１０１に対して牽引力を加えているので、把持部１０１は閉じている。
把持部１０１は、生体組織を把持する手術用鉗子であり、互いに反対方向に駆動することによって開閉する一対のブレード１０１ａ、１０１ｂを備えている。各ブレード１０１ａ、１０１ｂの結合部分は、直動方向の牽引力を把持力に変換する機械構造を備えている。具体的には、各ブレード１０１ａ、１０１ｂには、それぞれカムスロットが穿設されている。また、作用部３０１は、細長形状のシャフトからなり、その先端部分に突設されたカムピンがカムスロット内をスライドすることにより一対のブレード１０１ａ、１０１ｂを開閉操作することができる。すなわち、同図中の矢印Ａで示す直動方向の牽引力が把持部１０１に作用すると、ブレード１０１ａ、１０１ｂは閉じ、矢印Ａとは逆方向の力が把持部１０１に作用すると、ブレード１０１ａ、１０１ｂは開く。
但し、直動方向の牽引力を把持力に変換して開閉するという手術用端子の構造自体は周知であり、また、本明細書で開示する技術は特定の手術用端子の構造に限定されないので、把持部１０１並びにブレード１０１ａ、１０１ｂの詳細な構成については、図示を省略する。
アクチュエータ部１０２の動作について、さらに詳細に説明する。
図３及び図４に示したアクチュエータ部１０２は、把持部１０１の牽引力に直接影響する第１の系と、把持部１０１の牽引力に直接影響しない第２の系に、構造的に分離されている。以下では、第１の系に作用する合力をＦ1とし、第２の系に作用する合力をＦ2とする。
第１の系は、作用部３０１及び支持部３０２からなる。なお、摺動部３０３は支持部３０２の内部部品として含まれるが、第１の系ではない。第１の系は、とりわけ把持部１０１の開閉角が０度付近になる領域において、磁性体部３０６の磁力ＦMを利用して、矢印Ａで示す直動方向に移動して、大きな牽引力を発生する。なお、支持部３０２と摺動部３０３間を接続する弾性部３０４が発生する復元力Ｆkは、支持部３０３が内部部品としての摺動部３０３から受ける内力であり、内部で相殺されるため、外部に作用する牽引力には寄与しない。
一方、第２の系は、摺動部３０３と、弾性部３０４と、摺動部３０３と一体である第２の磁性体部３０７からなり、駆動部３０５からの駆動力ＦDEAを受けるとともに、弾性部３０４からの復元力Ｆkが加わる。第２の系において、弾性部３０４による復元力Ｆkと磁性体部３０６による磁力ＦMが相互に打ち消すように設計すれば、第２の系を小さな力Ｆ2によって矢印Ａとは逆の方向にスライドさせて、第２の磁性体部３０７を磁性体部３０６から引き離すことができる。
磁力は磁石間の距離に対し非線形的に減衰する特性を有する（具体的には、磁石間の距離の二乗に反比例して、磁力が減衰する）。したがって、アクチュエータ部１０２は、磁石のこのような特性に基づいて、把持部１０１の開閉角が０度付近では磁性体部３０６の磁力を利用して大きな把持力を得るとともに、駆動部３０５による小さな駆動力ＦDEAでも第２の系をスライドさせて、把持部１０１を開いて、把持していたものを解放することができる。
図５には、アクチュエータ部１０２が把持部１０１を牽引する際に、第１の系に作用する力を示している。同図中、第１の系を構成する部品を太線５０１で囲っている。第１の系に作用する力の合力Ｆ1が、把持部１０１に対する牽引力となり、また、把持部１０１の開閉角が０度付近における把持力となる。
支持部３０２には、弾性部３０４から復元力Ｆkが加わる。また、摺動部３０３には、磁性体部３０６からの引力ＦMが加わる。このうち、復元力Ｆkは、支持部３０３が内部部品としての摺動部３０３から受ける内力であり、内部で相殺される。したがって、第１の系において把持部１０１の牽引力Ｆ1は、下式（１）に示すように、磁性体部３０６から受ける引力ＦMということになる。
引力ＦMは矢印Ａで示す牽引力と同じ方向に作用し、言い換えれば、引力ＦMが把持部１０１に作用する直動方向の牽引力となる。したがって、把持部１０１の開閉角が０度付近になると、第１の系は、磁力ＦMを利用して大きな牽引力Ｆ1を発生させて、把持ロックを掛けることができる。
図７には、アクチュエータ部１０２が作用部３０１を矢印Ａで示す直動方向に変位させるとき（すなわち、把持部１０１に牽引力を加えて、閉じようとするとき）に、磁性体部３０６の磁力による引力ＦM、弾性部３０４の復元力ＦK、並びに駆動部（ＤＥＡ）３０５の発生力ＦDEAの計算値の一例を示している。但し、横軸を作用部３０１の変位量とし、縦軸を力［Ｎ］とする。また、アクチュエータ部１０２の最大変位量は３ｍｍとし、作用部３０１が矢印Ａの逆方向に最大限に変位した位置を横軸の０とし、矢印Ａで示す直動方向を横軸の正方向とする。また、弾性部３０４の弾性係数をｋ＝４．５Ｎ／ｍｍとして計算した。
磁性体部３０６の磁力による引力ＦMは、第２の磁性体部３０７との距離に反比例して増大する。また、弾性部３０４は、例えば線形特性を持つコイルばねからなり、その復元力ＦKは、変位量が１．５ｍｍ付近から距離に比例して増大する。したがって、変位量が増し、把持部１０１の開閉角が小さくなるにつれて、把持力は非線形的に大きくなる。また、弾性部３０４の復元力ＦKは線形特性を持ち、作用部３０１が変位する過程で、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMと大小関係が逆転するが、不足分は駆動部３０５の発生力ＦDEAにより補償される。駆動部３０５の発生力ＦDEAは−１〜＋１［Ｎ］の範囲であれば、アクチュエータ部１０２を動作可能であることが分かる。
図７に示したグラフの横軸の最右端は、磁性体部３０６と第２の磁性体部３０７が密着した（若しくは、最接近した）、アクチュエータ部１０２の最大変位位置である。この最大変位位置で把持部１０１が完全に閉じるように、把持部１０１を設計し、且つ、作用部３０１の先端（遠位端側）に正確に取り付けるべきである。また、アクチュエータ部１０２の最大変位位置で、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMの方が弾性部３０４の復元力ＦKよりも大きくなるように、弾性部３０４に用いるコイルばねを選択することで、把持部１０１を把持ロックした状態にすることができる。
なお、図７では、復元力ＦKが線形特性を持つ弾性部３０４を使用する場合の計算例を示した。非線形特性を持つコイルばねなどを弾性部３０４に用いることによって、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMの変位曲線とフィッティングすることが可能である。これによって、駆動部３０５に用いられるＤＥＡに必要とされる力をさらに抑制することができ、その結果として、アクチュエータ部１０２の寸法（とりわけ、長手方向と直交する方向）の小型化に寄与することができる。
駆動部３０５を矢印Ａで示す直動方向に収縮させることで、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMと駆動部３０５の発生力ＦDEAの合計が把持力となる。図８には、アクチュエータ部１０２が作用部３０１を矢印Ａで示す直動方向に変位させるときの把持部１０１の把持力の計算値の一例を示している。但し、横軸を作用部３０１の変位量、最大変位を３ｍｍとし、縦軸を力［Ｎ］とする。また、アクチュエータ部１０２の最大変位量は３ｍｍとし、作用部３０１が矢印Ａで示す直動方向に最大限に変位した位置（図４を参照のこと）を横軸の０とし、矢印Ａの逆方向を横軸の正方向とする。また、図７に示した計算結果に基づき、駆動部３０５の発生力ＦDEAを１Ｎ未満（すなわち、ＦDEA＜１［Ｎ］）として計算した。図示の通り、アクチュエータ部１０２の変位量とともに把持力は推移する。
磁性体部３０６の磁力による引力ＦMと駆動部３０５の発生力ＦDEAの合計がアクチュエータ部１０２による牽引力となるが、７Ｎ以上の力を得ることができることが図８から分かる。ＤＥＡからなる駆動部３０５の最低限必要とされる力は、コイルばねなどからなる弾性部３０４の復元力Ｆkで補償することにより、１Ｎ以下に抑えることができる、という点を十分理解されたい。したがって、ＤＥＡの出力を小さく抑えることができ、アクチュエータ部１０２の寸法（とりわけ、長手方向と直交する方向）を小型化することができる。
また、図６には、把持部１０１を開いて把持していたものを解放する際に、第２の系に作用する力を示している。同図中、第２の系を構成する部品を太線６０１で囲っている（上述したように、第２の系は、摺動部３０３及び第２の磁性体３０７と、弾性部３０４からなる）。第２の系に作用する力の合力Ｆ2が矢印Ａと反対方向に作用すると、摺動部３０３と一体である第２の磁性体部３０７を磁性体部３０６から引き離す力となり、第２の系をスライドさせて、把持部１０１を開くことができる。
摺動部３０３には、弾性部３０４からの復元力Ｆkと、駆動部３０５による駆動力（但し、ＤＥＡが伸長するとき）ＦDEAと、摺動部３０３の他端面に取り付けられた第２の磁性体部３０７が磁性体部３０７の磁力により吸引される引力ＦMが加わる。このうち、復元力Ｆkと、駆動力（但し、ＤＥＡが伸長するとき）ＦDEAは、矢印Ａで示す牽引力と反対の方向に作用し、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMは矢印Ａで示す牽引力と同じ方向に作用する。したがって、第２の系に作用する合力Ｆ2は、下式（２）に示す通りとなる。
Ｆ2＞０、すなわち、復元力Ｆkと駆動力ＦDEAの合計が磁力ＦMよりも大きいとき、言い換えれば、駆動力ＦDEAが、磁力ＦMと復元力Ｆkとの差分よりも大きいときに、摺動部３０３と一体である第２の磁性体部３０７を磁性体部３０６から引き離して、第２の系をスライドさせ、把持部１０１を開くことができる。第２の磁性体部３０７を磁性体部３０６から引き離す条件式は、下式（３）に示す通りである。
したがって、適切な復元力Ｆkを得られるように、弾性部（コイルばね）３０４を選択すれば、ＤＥＡからなる駆動部３０５の小さな駆動力ＦDEAを以って２の磁性体部３０７を磁性体部３０６から引き離し、把持ロックを解除することができる。
図９には、アクチュエータ部１０２が作用部３０１を矢印Ａの逆方向に変位させるとき（すなわち、把持部１０１を開こうとするとき）に、磁性体部３０６の磁力による引力ＦM、弾性部３０４の復元力ＦK、並びに駆動部（ＤＥＡ）３０５の発生力ＦDEAの計算値の一例を示している。但し、横軸を作用部３０１の変位量、最大変位を３ｍｍとし、縦軸を力［Ｎ］とする。また、アクチュエータ部１０２の最大変位量は３ｍｍとし、作用部３０１が矢印Ａで示す直動方向に最大限に変位した位置（図４を参照のこと）を横軸の０とし、矢印Ａの逆方向を横軸の正方向とする。また、弾性部３０４の弾性係数をｋ＝４．５Ｎ／ｍｍとして計算した。
磁性体部３０６の磁力による引力ＦMは、第２の磁性体部３０７との距離に反比例して減衰する。また、弾性部３０４は、例えば線形特性を持つコイルばねからなり、その復元力ＦKは、変位量が１．５ｍｍ付近から距離に比例して減少する。したがって、変位量が増し、把持部１０１の開閉角が大きくなるにつれて、把持力は非線形的に小さくなる。また、弾性部３０４の復元力ＦKは線形特性を持ち、作用部３０１が変位する過程で、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMと大小関係が逆転するが、不足分は駆動部３０５の発生力ＦDEAにより補償される。駆動部３０５の発生力ＦDEAは−１〜＋１［Ｎ］の範囲であれば、アクチュエータ部１０２を動作可能であることが分かる。
図９に示したグラフの横軸の最左端は、磁性体部３０６と第２の磁性体部３０７が密着した（若しくは、最接近した）、アクチュエータ部１０２の最大変位位置である。図７を参照しながら既に説明したように、アクチュエータ部１０２の最大変位位置では、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMの方が弾性部３０４の復元力ＦKよりも大きくなるので、駆動部３０５の駆動力ＦDEAを停止させることで、把持部１０１を把持ロックした状態になる。したがって、磁力ＦMと復元力Ｆkとの差分よりも大きくなる駆動力ＦDEAを駆動部３０５が供給することで、把持部１０１の把持ロックを解除することができる。
図１５には、アクチュエータ部１０２の実装例を示している。また、図１６には、アクチュエータ部１０２のうち第１の系の部分を抽出して示し、図１７には、第２の系の部分を抽出して示している。図１６に示す第１の系は、作用部３０１を支持する支持部３０２を含む。支持部３０２は、図１中に矢印Ａで示したアクチュエータ部１０２の直動方向（図１６の紙面左方向）及びその逆方向に移動可能である。また、図１７に示す第２の系は、摺動部３０３と、弾性部３０４と、第２の磁性体部３０７を含む。第２の磁性体部３０７は、磁性体部３０６との間に生じる磁力により、図１６に示した第１の系を直動方向に移動させる。また、弾性部３０４は、第１の系に直動方向と逆方向の力を加えることが可能である。摺動部３０３は、直動方向と平行な方向の一の面（遠位端側の端面）に弾性部３０４が接続されるとともに、他の面（近接端側の端面）に第２の磁性体部３０７が接続されている。摺動部３０３は、駆動部３０５（図１５〜図１７では図示を省略）の駆動によって、直動方向と平行な方向に相対移動することが可能である。
また、図１８には、アクチュエータ部１０２の動作により、把持部１０１が閉じた状態から開いた状態になり、再び閉じた状態になるまでの様子を示している。
図１８Ａ〜図１８Ｅでは、アクチュエータ部１０２の紙面左側に直進する動作によって把持部１０１が開く様子を示している。図１８Ａ〜図１８Ｂの区間では、駆動部３０５が伸長して、弾性部３０４の引張力Ｆkと駆動部３０５の駆動力ＦDEAの合力により、第２の磁石部３０７が磁石部３０６から離脱して、第２の系が紙面左側に向かって直進し始める。
そして、図１８Ｃに示す時点で、摺動部３０３の端面が作用部３０１の後端部に当接すると、図１８Ｃ〜図１８Ｅの区間では、第１の系と第２の系が一体となって紙面左側に向かって直進し、その結果、図１８Ｅに示すように、把持部１０１を開くことができる。
図１８Ｅ〜図１８Ｈでは、アクチュエータ部１０２が紙面右側に直進して牽引力を発生することによって、把持部１０１が様子を示している。図１８Ｅに示す状態で、駆動部３０５が駆動力ＦDEAを停止し、又は、紙面右側（すなわち、磁石部３０６）に向く駆動力ＦDEAに切り替えると、図１８Ｆに示すように、磁石部３０６が第２の磁石部３０７を磁力により吸引する力ＦMの影響が増大して、第２の系が紙面右側に向かって直進し始める。
図１８Ｇ〜図１８Ｈの区間では、摺動部３０３の端面が作用部３０１の後端部から離れ、第２の系のみが紙面右側に向かって移動する。また、弾性部３０４としてのコイルばねが自然長を超えると、第２の系には紙面左向きに弾性力Ｆkが加わるが、磁石部３０６の磁力による引力ＦMの方が強いので、第２の系は紙面右側に向かって移動し続ける。
そして、図１８Ｈに示すように、第２の磁石部３０７が磁石部３０６に吸着された最大変位位置で、把持部１０１は完全に閉じる。この最大変位位置で、磁性体部３０６の磁力による引力ＦMの方が弾性部３０４の復元力ＦKよりも大きくなるように、弾性部３０４に用いるコイルばねを選択することで、把持部１０１を把持ロックした状態にすることができる。
上述したように、本実施形態に係るアクチュエータ部１０２によれば、把持部１０１の開閉角が０度付近で大きな牽引力を発生することができる。したがって、手術中に、把持部１０１は針や生体組織を強い力で掴むことができる。その反面、構造的な故障などにより、把持部１０１の開閉角が０度付近で固定されると、生体組織を把持したままの状態になり、危険である。そこで、アクチュエータ部１０２に安全担保用の構造を装備しておくことが好ましい。
一例として、近接端側の磁性体部３０６を着脱構造にしておくことが挙げられる。具体的には、図４中の参照番号３１１で示すように、磁性体部３０６の近接端側の端面にワイヤを取り付け、緊急時のこのワイヤ３１１を引っ張って磁性体部３０６を脱落させる（若しくは、人手で第２の磁性体部３０７から引き離せるようにする）。これによって、アクチュエータ部１０２の牽引力が失われることになり、把持部１０１を開いて、把持していたものを解放することができる。
また、磁性体部３０６に、永久磁石に代えて、コイルによる電磁石を用いる場合には（前述）、コイル電流の向きを変えることで、磁力の向きを反対方向にすることができ、把持ロックを解除し易くなる。また、構造的な故障や緊急時にも、電磁石の極性を切り替えて、把持ロックを解除して、把持していたものを解放することができる。電気的な故障時には、コイルへの電流が停止することにより磁力が失われるので、自ずと把持ロックが解除されることになる。
続いて、図１に示した手術用ロボット１００に適用される力センサ１０３について詳細に説明する。本実施形態では、力センサ１０３は、アクチュエータ部１０２と近接端の間で、把持部１０１の把持力を発生するための牽引力が作用しない領域に配置されている（図１を参照のこと）。したがって、アクチュエータ部１０２の牽引力はエンドエフェクタの長軸方向に加わる外力とは干渉しないので、力センサ１０３の感度低下を招くことはなく、且つ、力センサ１０３からの検出信号の校正は容易になる。
図１０には、力センサ１０３の一構成例を示している。図示の力センサ１０３は、中空円筒形状をした起歪体１００１と、起歪体１００１の外周の１以上の箇所に配設された歪み検出素子で構成される。但し、手術用ロボット１００に含まれるリンク構造物の一部を起歪体１００１として用いることもできる。
図１０に示す例では、起歪体１００１の外周には、長軸方向の異なる２箇所ａ及びｂの各位置におけるＸＹ方向の歪みを検出するための複数の歪み検出素子が取り付けられている。具体的には、位置ａにおいて、起歪体１００１のＸ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子１０１１ａ、１０１３ａ（図示しない）が、起歪体１００１の外周の対辺に取り付けられている。また、起歪体１００１のＹ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子１０１２ａ、１０１４ａが、起歪体１００１の外周の対辺に取り付けられている。同様に、位置ｂにおいて、起歪体１００１のＸ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子１０１１ｂ、１０１３ｂ（図示しない）が取り付けられるとともに、Ｙ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子１０１２ｂ、１０１４ｂが取り付けられている。
図１１には、起歪体１００１の位置ａにおけるＸＹ断面を示している。同図から分かるように、Ｘ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子１０１１ａ、１０１３ａが起歪体１００１の外周のＸ方向の対辺に取り付けられているとともに、Ｙ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子１０１２ａ、１０１４ａが起歪体１００１の外周のＹ方向の対辺に取り付けられている。なお、図示を省略するが、起歪体１００１の位置ｂにおけるＸＹ断面も図１１と同様に、Ｘ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子１０１１ｂ、１０１３ｂが起歪体１００１の外周のＸ方向の対辺に取り付けられているとともに、Ｙ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子１０１２ｂ、１０１４ｂが起歪体１００１の外周のＹ方向の対辺に取り付けられている。
まず、１つの検出位置で、Ｘ方向の対辺に一対の歪み検出素子１０１１ａと１０１３ａ（又は、１０１１ｂと１０１３ｂ）を配設するとともに、Ｙ方向の対辺に一対の歪み検出素子１０１２ａと１０１４ａ（又は、１０１２ｂと１０１４ｂ）を配設する理由について、図１２を参照しながら説明する。
図１２（Ａ）に示すように、片持ち梁１２０１に、１つの歪み検出素子１２１１しか取り付けない場合、片持ち梁１２０１にＺ方向の外力Ｆｚが加わると、歪み検出素子１２１１が圧縮することから、外力Ｆｚを計測することができる。ところが、片持ち梁１２０１が紙面の上下いずれの方向に撓んでも歪み検出素子１２１１は伸展することから、Ｙ方向に加えられた外力Ｆｙが作用する方向が正負（紙面の上下）いずれの方向であるかを識別できない。
これに対し、図１２（Ｂ）に示すように、片持ち梁１２０１のＹ方向の対辺に一対の検出素子１２２１、１２２２を取り付けた場合、片持ち梁１２０１が紙面上方向に撓んだときには一方の歪み検出素子１２２１が圧縮するとともに他方の歪み検出素子１２２２が伸展するが、逆に片持ち梁１２０１が紙面下方向に撓んだときには一方の歪み検出素子１２２１が伸展するとともに他方の歪み検出素子１２２２が圧縮する。したがって、Ｙ方向の対辺に取り付けた一対の検出素子１２２１、１２２２で検出される歪み量の正負符号の関係から、Ｙ方向に加えられた外力Ｆｙが作用する方向を識別することが可能である。
よって、起歪体１００１の長軸方向の任意の位置のＸ方向の対辺に取り付けられた一対の歪み検出素子１０１１ａと１０１３ａ（又は、１０１１ｂと１０１３ｂ）で検出される各歪み量の和をとることによって、起歪体１００１に作用するＺ方向の外力を検出することができるとともに、各歪み量の差をとることによって、起歪体１００１に作用するＸ方向の外力を算出することが可能になる。
また、各歪み検出素子１０１１ａと１０１３ａ（又は、１０１１ｂと１０１３ｂ）で検出される歪み量は、作用力に起因する成分の他に温度変化に起因する成分も含まれるが、各歪み量の差をとってＸ方向の外力を算出する際には温度変化に起因する成分が相殺され、温度補償処理を行なう必要がなくなるという利点もある。なお、対辺に設置したセンサ間で検出値の差分をとって温度補償を行なう方法は、例えば４つの歪みゲージを用いた４ゲージ法でも当業界で知られている。
同様に、起歪体１００１の長軸方向の任意の位置のＹ方向の対辺に取り付けられた一対の歪み検出素子１０１２ａと１０１４ａ（又は、１０１２ｂと１０１４ｂ）で検出される各歪み量の和をとることによって、起歪体１００１に作用するＺ方向の外力を検出することができるとともに、各歪み量の差をとることによって起歪体１００１に作用するＹ方向の外力を算出することが可能になる。また、各歪み検出素子１０１２ａと１０１４ａ（又は、１０１２ｂと１０１４ｂ）で検出される歪み量は、作用力に起因する成分の他に温度変化に起因する成分も含まれるが、各歪み量の差をとってＹ方向の外力を算出する際には温度変化に起因する成分が相殺され、温度補償処理を行なう必要がなくなるという利点もある（同上）。
続いて、起歪体１００の長軸方向に異なる２箇所の位置ａ、ｂで、ＸＹ方向の歪み量を検出する構成を採用している理由について説明する。
片持ち梁の１箇所の歪み量からは並進力を算出できるが、モーメントを算出できない。これに対し、２箇所以上の歪み量からは並進力とともにモーメントも算出することができる。したがって、図１０に示した構成によれば、２箇所の位置ａ、ｂで検出されるＸ方向の歪み量に基づいて、起歪体１００１に作用するＸ方向の並進力ＦｘとＸ軸回りのモーメントＭｘを算出することができ、同様に、２箇所の位置ａ、ｂで検出されるＹ方向の歪み量に基づいて、起歪体１００１に作用するＹ方向の並進力ＦｙとＹ軸回りのモーメントＭｙを算出することができる。したがって、力センサ１０３は、２方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙに加え、２軸回りのモーメントＭｘ、Ｍｙの４ＤＯＦ（Ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ：自由度）を持つセンサを装備している、と言うこともできる。
図１０及び図１１では、図面の簡素化のため、起歪体１００１を単純な円筒形状として描いている。起歪体１００１を起歪体として相応しい構造にすることで、４ＤＯＦセンサとしての検出の性能が向上する。すなわち、起歪体１００１を、長軸方向の２箇所の計測位置ａ、ｂの各々において応力が集中して変形し易い形状に構成すると、歪み検出素子１０１１ａ〜１０１４ａ、１０１１ｂ〜１０１４ｂにおいて歪み量を計測し易くなり、４ＤＯＦセンサとしての検出の性能が向上することが期待される。
また、歪み検出素子としては、静電容量式センサ、半導体歪みゲージ、箔歪みゲージなども当業界で広く知られており、これらのうちいずれかを歪み検出素子１０１１ａ〜１０１４ａ、１０１１ｂ〜１０１４ｂとして用いることもできる。但し、本実施形態では、歪み検出素子１０１１ａ〜１０１４ａ、１０１１ｂ〜１０１４ｂとして、光ファイバーを利用して製作されるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサを用いている。
ここで、ＦＢＧセンサは、光ファイバーの長軸に沿って回折格子（グレーティング）を刻んで構成されるセンサであり、作用力によって生じる歪みや温度の変化に伴う膨張又は収縮による回折格子の間隔の変化を、所定波長帯（ブラッグ波長）の入射光に対する反射光の波長の変化として検出することができる。そして、ＦＢＧセンサから検出された波長の変化を、原因となる歪みや応力、温度変化に換算することができる。光ファイバーを利用したＦＢＧセンサは伝送損失が小さい（外界からのノイズが乗り難い）ことから、想定される使用環境下でも検出精度を高精度に保つことができる。また、ＦＢＧセンサは、医療に必要な滅菌対応や強磁場環境下対応をとり易いという利点もある。
２箇所の計測位置ａ、ｂにおいて変形し易くなるように構成した起歪体１００１の構造、並びにＦＢＧセンサを利用した歪み検出素子１０１１ａ〜１０１４ａ、１０１１ｂ〜１０１４ｂを起歪体１００１の外周に設置する方法について、図１３を参照しながら説明する。
図１３には、起歪体１００１のＹＺ断面並びにＺＸ断面の各々を示している。同図では、起歪体１００１のＹＺ断面並びにＺＸ断面の部分をグレーで塗り潰している。起歪体１００１は、例えば、中空で且つ長軸回りに回転対称の形状である。起歪体１００１は、長軸方向の異なる２箇所の計測位置ａ、ｂにおいて、半径が緩やかに縮小した凹み部をそれぞれ有するくびれ構造をなしている。したがって、起歪体１００１は、ＸＹの少なくとも一方向に力が作用したときに、各計測位置ａ、ｂで応力が集中して変形し易くなり、起歪体として利用することができる。
起歪体１００１は、例えば、生体適合性に優れている金属系材料として知られているステンレス鋼（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ：ＳＵＳ）やＣｏ−Ｃｒ合金、チタン系材料を用いて製作される。例えば手術用ロボット１００の一部の構造物に起歪体を形成するという観点からは、高強度で且つ低剛性（ヤング率が低い）といった機械的特性を持つ材料、例えばチタン合金を用いて起歪体１００１を製作することが好ましい。起歪体１００１に低剛性の材料を用いることで、把持部１０１などのエンドエフェクタへの作用力を高感度で計測することが可能になる。また、チタン合金は生体適合性があり、外科手術などの医療現場で使用する場合にも好ましい材料である。
起歪体１００１の外周には、Ｙ方向の対辺に一対の光ファイバー１３０２、１３０４が長軸方向に敷設されている。同様に、起歪体１００１の外周には、Ｘ方向の対辺に一対の光ファイバー１３０１、１３０３が長軸方向に敷設されている。要するに、起歪体１００１全体としては４本の光ファイバー１３０１〜１３０４が敷設されていることになる。
Ｙ方向の対辺に敷設された光ファイバー１３０２、１３０４のうち、起歪体１００１の２箇所の凹み部と重なる範囲（若しくは、計測位置ａ、ｂの近辺）は、回折格子を刻んでＦＢＧセンサが構成され、それぞれ歪み検出素子１０１２ａ、１０１２ｂ、１０１４ａ、１０１４ｂとして利用に供される。光ファイバー１３０２、１３０４のうちＦＢＧセンサが構成された部分を、図中、斜線で塗り潰している。
また、ＦＢＧセンサ１０１２ａ、１０１２ｂ、１０１４ａ、１０１４ｂが構成された部分の両端１３１１〜１３１３、１３１４〜１３１６で、各光ファイバー１３０２、１３０４は起歪体１００１の表面に接着剤などでそれぞれ固定されている。したがって、外力が作用して起歪体１００１がＹ方向に撓むと各光ファイバー１３０２、１３０４も一体となって変形して、ＦＢＧセンサ部分、すなわち歪み検出素子１０１２ａ、１０１２ｂ、１０１４ａ、１０１４ｂには歪みが生じる。
同様に、Ｘ方向の対辺に敷設された光ファイバー１３０１、１３０３のうち、起歪体１００１の２箇所の凹み部と重なる範囲（若しくは、計測位置ａ、ｂの近辺）は、回折格子を刻んでＦＢＧセンサが構成され、それぞれ歪み検出素子１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１３ａ、１０１３ｂとして利用に供される。光ファイバー１３０１、１３０３のうちＦＢＧセンサが構成された部分を、図中、斜線で塗り潰している。
また、ＦＢＧセンサ１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１３ａ、１０１３ｂが構成された部分の両端１３２１〜１３２３、１３２４〜１３２６で、各光ファイバー１３０１、１３０１は起歪体１００１の表面に接着剤などでそれぞれ固定されている。したがって、外力が作用して起歪体１００１がＹ方向に撓むと各光ファイバー１３０１、１３０３も一体となって変形して、ＦＢＧセンサ部分、すなわち歪み検出素子１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１３ａ、１０１３ｂには歪みが生じる。
図１３では、歪み検出素子１０１１ａ〜１０１４ａ、１０１１ｂ〜１０１４ｂとして用いられる光ファイバー１３０１〜１３０４のうち、起歪体１００１の外周に取り付けられた部分しか描いておらず、その他の部分の図示を省略している。実際には、これらの光ファイバー１３０１〜１３０４は、例えば４００ミリメートル程度の全長を持ち、検出部や信号処理部（いずれも図示しない）まで延設されているものと理解されたい。
検出部や信号処理部は、エンドエフェクタから離間した場所、例えば手術用ロボット１００の根元付近に配設される。検出部は、光ファイバー１３０１〜１３０４に所定波長（ブラッグ波長）の光を入射させるとともにその反射光を受光して波長の変化Δλを検出する。そして、信号処理部は、起歪体１００１のＸＹ各方向の対辺にそれぞれ対向して取り付けられた歪み検出素子１０１１ａ〜１０１４ａ、１０１１ｂ〜１０１４ｂとしての各ＦＢＧセンサから検出された波長変化に基づいて、把持部１０１に作用する２方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙと２方向のモーメントＭｘ、Ｍｙを算出する。
図１４には、検出部１４０１及び信号処理部１４０２において、起歪体１００１に敷設された光ファイバー１３０１〜１３０４の各々に形成されたＦＢＧセンサから得られる検出結果に基づいて、エンドエフェクタとしての把持部１０１に作用する２方向の並進力Ｆｘ、ＦｙとモーメントＭｘ、Ｍｙを算出するための、４ＤＯＦセンサ用の処理アルゴリズムを模式的に示している。
検出部１４０１は、起歪体１００１のＸＹ方向それぞれの各対辺に取り付けた光ファイバー１３０１〜１３０４への所定波長帯の入射光に対する反射光に基づいて、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときの、起歪体１００１の位置ａに配設された歪み検出素子１０１１ａ〜１０１４ａとしての各ＦＢＧセンサにおける波長変化Δλａ１〜Δλａ４をそれぞれ検出する。但し、検出される波長変化Δλａ１〜Δλａ４には、温度変化に起因する波長変化成分も含まれている。
また、検出部１４０１は、起歪体１００１のＸＹ方向それぞれの各対辺に取り付けた光ファイバー１３０１〜１３０４への所定波長帯の入射光に対する反射光に基づいて、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときの、起歪体１００１の位置ｂに配設された歪み検出素子１０１１ｂ〜１０１４ｂとしての各ＦＢＧセンサにおける波長変化Δλｂ１〜Δλｂ４をそれぞれ検出する。但し、検出される波長変化Δλｂ１〜Δλｂ４には、温度変化に起因する波長変化成分も含まれている。
ここで、検出部１４０１が各光ファイバー１３０１〜１３０４の位置ａから検出する波長変化Δλａ１〜Δλａ４は、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときに起歪体１００１の位置ａに発生する歪み量Δεａ１〜Δεａ４とそれぞれ等価である。また、検出部１４０１が各光ファイバー１３０１〜１３０４の位置ｂから検出する波長変化Δλｂ１〜Δλｂ４は、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときに起歪体１００１の位置ｂに発生する歪み量Δεｂ１〜Δεｂ４とそれぞれ等価である（但し、温度変化に起因する波長変化の成分を無視した場合）。
差動モード部１４０３は、以下の式（４）に従って、検出部からの上記の８入力Δλａ１〜Δλａ４、Δλｂ１〜Δλｂ４の各々から、これら８入力の平均値を引き算して、後段の並進力／モーメント導出部１４０４に出力する。各位置ａ、ｂで検出される波長変化は、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙによる作用歪みによる波長変化成分とともに、温度変化に起因する波長変化成分Δλｔｅｍｐが含まれる。差動モード部１４０３では温度変化に起因する波長変化成分Δλｔｅｍｐをキャンセルすることができる。
そして、並進力／モーメント導出部１４０４は、以下の式（５）に示すように、差動モード部１４０３からの入力Δλｄｉｆｆに校正行列Ｋを乗算して、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙを算出する。
なお、図１４に示した信号処理部１４０２並びに上式（５）の演算で使用される校正行列Ｋは、例えば校正実験により導出することができる。本実施形態では、力センサ１０３は、アクチュエータ部１０２と近接端の間で、把持部１０１の把持力を発生するための牽引力が作用しない領域に配置されている（図１を参照のこと）。したがって、アクチュエータ部１０２の牽引力はエンドエフェクタの長軸方向に加わる外力とは干渉しないので、校正行列の算出が容易である。
例えば、手術用ロボット１００が、マスタ−スレーブ方式のロボット・システムにおけるスレーブ装置として動作する場合、上記の４ＤＯＦの力センサ１０３による検出結果を、遠隔制御に対するフィードバック情報としてマスタ装置に送信する。マスタ装置側では、フィードバック情報をさまざまな用途に利用することができる。例えば、マスタ装置は、スレーブ装置からのフィードバック情報に基づいて、オペレータに対する力覚提示を実施することができる。これによって、内視鏡下での低侵襲の施術の実現に寄与することができる。
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
本明細書で提案するアクチュエータ装置並びにエンドエフェクタの適用範囲は、把持用途に限定されない。例えば、文房具（ハサミやクリップ）、工作道具（ペンチやニッパー）といった、開閉角度が小さなときに大きな把持力を得たいさまざまなシチュエーションにおいて、本明細書で提案するアクチュエータ装置並びにエンドエフェクタを適用すれば、小さい牽引力で大きな把持力を発生することができる。
また、本明細書では、開閉可能に結合された一対のブレードからなる手術用鉗子を取り付けたエンドエフェクタに関する実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の適用範囲はこれに限定されない。エンドエフェクタとして、鉗子の他に、攝子又は切断器具など外科手術中に患者に触れる医療用術具、内視鏡や顕微鏡といった撮像装置が取り付けられていてもよい。また、所定方向の逆方向の力を加えることが可能であれば、加圧部は弾性部材に制限されない。例えば、逆方向に引力を発生させる磁石を用いてもよい。
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたが、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）第１の磁性体部と、
所定方向又は前記所定方向の逆方向に移動可能な第１の系と、
前記第１の磁性体部との間に生じる磁力により前記第１の系を前記所定方向に移動させる第２の磁性体部と、前記第１の系に前記所定方向と逆方向の力を加えることが可能な加圧部と、を含む第２の系と、
駆動により前記所定方向又は前記逆方向の力を前記第２の系に加えることが可能な駆動部と、
を具備するアクチュエータ装置。
（２）前記加圧部は、弾性部である、
上記（１）に記載のアクチュエータ装置。
（３）前記弾性部は、前記第１の系が前記所定方向に引き寄せられるほど、前記逆方向の力が大きくなる、
上記（２）に記載のアクチュエータ装置。
（４）前記第１の系は、前記所定方向の往復運動により作用する作用部を支持する支持部を有する、
上記（３）に記載のアクチュエータ装置。
（５）前記第２の系は、前記弾性部を介して前記支持部に接続される摺動部を有する、
上記（４）に記載のアクチュエータ装置。
（６）前記摺動部は、前記所定方向と平行な方向の一の面に前記弾性部が接続され、他の面に前記第２の磁性体部が接続され、前記駆動部の駆動により前記所定方向と平行な方向に相対移動可能である、
上記（５）に記載のアクチュエータ装置。
（７）前記支持部は中空構造を有し、
前記摺動部は、前記中空構造内に収容され、前記所定方向と平行な方向に相対移動可能である、
上記（６）に記載のアクチュエータ装置。
（８）前記駆動部は、誘電性エラストマーからなる、
上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のアクチュエータ装置。
（９）前記第１の系が前記磁性体部に最接近した状態では、前記第１の磁性体部及び前記第２の磁性体部の磁力による引力は前記弾性部の復元力よりも大きい、
上記（１）乃至（８）のいずれかに記載のアクチュエータ装置。
（１０）前記第２の系が前記第１の系を前記第１の磁性体部から離脱させる際に、前記駆動部は、前記第１の磁性体部の磁力による引力と前記弾性部の復元力との差分よりも大きな駆動力を前記所定方向と逆方向に発生する、
上記（２）乃至（９）のいずれかに記載のアクチュエータ装置。
（１１）前記作用部の前記所定方向の往復運動により開閉する把持部を備える、
上記（４）に記載のアクチュエータ装置。
（１２）把持部と、前記把持部に対する牽引力を発生するアクチュエータ部とを具備し、
前記アクチュエータ部は、
第１の磁性体部と、
所定方向又は前記所定方向の逆方向に移動可能な第１の系と、
前記第１の磁性体部との間に生じる磁力により前記第１の系を前記所定方向に移動させる第２の磁性体部と、前記第１の系に前記所定方向と逆方向の力を加えることが可能な加圧部と、を含む第２の系と、
駆動により前記所定方向又は前記逆方向の力を前記第２の系に加えることが可能な駆動部と、
を備える、エンドエフェクタ。
（１３）前記第１の系は、把持部に対して前記所定方向の力を作用させる作用部を支持する支持部と、前記支持部を磁力により前記所定方向に吸引する磁性体部を有し、
前記第２の系は、弾性部を介して前記支持部に接続される前記摺動部と、前記摺動部を前記所定の方向と平行な方向に駆動する駆動部を有する、
上記（１２）に記載のエンドエフェクタ。
（１４）前記把持部は、直動方向の前記牽引力を把持力に変換する、
上記（１２）又は（１３）のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
（１５）前記把持部は、手術用鉗子又はその他の術具である、
上記（１２）乃至（１４）のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
（１６）エンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタに対する牽引力を発生するアクチュエータ部と、
前記アクチュエータ部よりも近接端側に配置された力センサと、
を具備する手術用システム。
（１７）エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに対する牽引力を発生するアクチュエータ部とを具備し、
前記アクチュエータ部は、
磁性体部の磁力により吸引されて、前記把持部に前記牽引力を作用させる作用部を所定方向に移動させる第１の系と、
前記第１の系に対して前記所定の方向と逆方向の力を加えて、前記第１の系を前記磁性体部から離脱させる第２の系と、
を備える、手術用システム。
（１８）前記第１の系は、把持部に対して前記所定方向の力を作用させる作用部を支持する支持部と、前記支持部を磁力により前記所定方向に吸引する磁性体部を有し、
前記第２の系は、弾性部を介して前記支持部に接続される前記摺動部と、前記摺動部を前記所定の方向と平行な方向に駆動する駆動部を有する、
上記（１７）に記載の手術用ロボット。
（１９）前記アクチュエータ部よりも近接端側に配置された力センサをさらに備える、
上記（１６）乃至（１８）のいずれかに記載の手術用システム。
（２０）前記力センサは、起歪体の歪みを検出する、ＦＢＧセンサからなる歪み検出素子を備える、
上記（１５）又は（１９）のいずれかに記載の手術用システム。
１００…手術用ロボット
１０１…把持部、１０１ａ、１０１ｂ…ブレード
１０２…アクチュエータ部、１０３…力センサ、１０４…屈曲部
３０１…作用部、３０２…支持部、３０３…摺動部
３０４…弾性部、３０５…駆動部（ＤＥＡ）
３０６…磁性体部、３０７…第２の磁性体部
３１０…筐体、３１１…ワイヤ
１００１…起歪体
１０１１〜１０１４…歪み検出素子（ＦＢＧセンサ）
１３０１〜１３０４…光ファイバー
１４０１…検出部、１４０２…信号処理部
１４０３…差モード部、１４０４…並進力／モーメント導出部

Claims (20)

  1. 第１の磁性体部と、
    所定方向又は前記所定方向の逆方向に移動可能な第１の系と、
    前記第１の磁性体部との間に生じる磁力により前記第１の系を前記所定方向に移動させる第２の磁性体部と、前記第１の系に前記所定方向と逆方向の力を加えることが可能な加圧部と、を含む第２の系と、
    駆動により前記所定方向又は前記逆方向の力を前記第２の系に加えることが可能な駆動部と、
    を具備するアクチュエータ装置。
  2. 前記加圧部は、弾性部である、
    請求項１に記載のアクチュエータ装置。
  3. 前記弾性部は、前記第１の系が前記所定方向に引き寄せられるほど、前記逆方向の力が大きくなる、
    請求項２に記載のアクチュエータ装置。
  4. 前記第１の系は、前記所定方向の往復運動により作用する作用部を支持する支持部を有する、
    請求項３に記載のアクチュエータ装置。
  5. 前記第２の系は、前記弾性部を介して前記支持部に接続される摺動部を有する、
    請求項４に記載のアクチュエータ装置。
  6. 前記摺動部は、前記所定方向と平行な方向の一の面に前記弾性部が接続され、他の面に前記第２の磁性体部が接続され、前記駆動部の駆動により前記所定方向と平行な方向に相対移動可能である、
    請求項５に記載のアクチュエータ装置。
  7. 前記支持部は中空構造を有し、
    前記摺動部は、前記中空構造内に収容され、前記所定方向と平行な方向に相対移動可能である、
    請求項６に記載のアクチュエータ装置。
  8. 前記駆動部は、誘電性エラストマー（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ：ＤＥＡ）からなる、
    請求項１乃至７のいずれかに記載のアクチュエータ装置。
  9. 前記第１の系が前記磁性体部に最接近した状態では、前記第１の磁性体部及び前記第２の磁性体部の磁力による引力は前記弾性部の復元力よりも大きい、
    請求項３に記載のアクチュエータ装置。
  10. 前記第２の系が前記第１の系を前記第１の磁性体部から離脱させる際に、前記駆動部は、前記第１の磁性体部の磁力による引力と前記弾性部の復元力との差分よりも大きな駆動力を前記所定方向と逆方向に発生する、
    請求項２に記載のアクチュエータ装置。
  11. 前記作用部の前記所定方向の往復運動により開閉する把持部を備える、
    請求項４に記載のアクチュエータ装置。
  12. 把持部と、前記把持部に対する牽引力を発生するアクチュエータ部とを具備し、
    前記アクチュエータ部は、
    第１の磁性体部と、
    所定方向又は前記所定方向の逆方向に移動可能な第１の系と、
    前記第１の磁性体部との間に生じる磁力により前記第１の系を前記所定方向に移動させる第２の磁性体部と、前記第１の系に前記所定方向と逆方向の力を加えることが可能な加圧部と、を含む第２の系と、
    駆動により前記所定方向又は前記逆方向の力を前記第２の系に加えることが可能な駆動部と、
    を備える、エンドエフェクタ。
  13. 前記第１の系は、把持部に対して前記所定方向の力を作用させる作用部を支持する支持部と、前記支持部を磁力により前記所定方向に吸引する磁性体部を有し、
    前記第２の系は、弾性部を介して前記支持部に接続される前記摺動部と、前記摺動部を前記所定の方向と平行な方向に駆動する駆動部を有する、
    請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
  14. 前記把持部は、直動方向の前記牽引力を把持力に変換する、
    請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
  15. 前記把持部は、手術用鉗子又はその他の術具である、
    請求項１２に記載のエンドエフェクタ。
  16. エンドエフェクタと、
    前記エンドエフェクタに対する牽引力を発生するアクチュエータ部と、
    前記アクチュエータ部よりも近接端側に配置された力センサと、
    を具備する手術用システム。
  17. エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに対する牽引力を発生するアクチュエータ部とを具備し、
    前記アクチュエータ部は、
    磁性体部の磁力により吸引されて、前記把持部に前記牽引力を作用させる作用部を所定方向に移動させる第１の系と、
    前記第１の系に対して前記所定の方向と逆方向の力を加えて、前記第１の系を前記磁性体部から離脱させる第２の系と、
    を備える、手術用システム。
  18. 前記第１の系は、把持部に対して前記所定方向の力を作用させる作用部を支持する支持部と、前記支持部を磁力により前記所定方向に吸引する磁性体部を有し、
    前記第２の系は、弾性部を介して前記支持部に接続される前記摺動部と、前記摺動部を前記所定の方向と平行な方向に駆動する駆動部を有する、
    請求項１７に記載の手術用システム。
  19. 前記アクチュエータ部よりも近接端側に配置された力センサをさらに備える、
    請求項１７に記載の手術用システム。
  20. 前記力センサは、起歪体の歪みを検出する、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサからなる歪み検出素子を備える、
    請求項１６に記載の手術用システム。
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