JP2021145728A - 術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】外力検出機能を有する術具ユニットを提供する。【解決手段】術具ユニットは、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を具備する。前記起歪部は、それぞれ複数本の脚で前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体からなる第１層の起歪体と第２層の起歪体を前記シャフトの長軸方向に順に配置して構成される。前記第１の起歪体は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第２の起歪体は、前記平面に対して前記第１の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している。【選択図】 図１２

Description

本明細書で開示する技術（以下、「本開示」とする）は、例えば手術用ロボットに適用され外力検出機能を有する術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システムに関する。

マスタスレーブ方式の手術用ロボットにおいては、エンドエフェクタに作用する外力（例えば、術具先端が患部から受ける外力）を検出して、安全性及び操作性の向上のため、マスタ側で操作するオペレータにフィードバックする技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照のこと）。また、術具（先端多自由度エンドエフェクタ）を細径に保ちつつ、先端で多自由度を実現するためには、複数本のケーブル（ワイヤ）により根本のアクチュエータの駆動力を先端の出力軸に伝達するケーブル駆動方式を使うのが有効である。

術具の先端にかかる力をセンシングするために、ケーブルドライブの根元側に力センサを搭載すると、力センサの重量が大きいためにアーム動作時に慣性力がノイズとして力センサの計測値に載ってしまうおそれがある。また、エンドエフェクタのグリッパ部に力センサを搭載すると、電気配線や光ファイバーをグリッパ部まで取りまわす必要があるために先端の可動域を阻害する原因となり易い。たとえば、ケーブル駆動装置のシャフト部分で力をセンシングできれば上記課題を回避することは可能ではあるが、シャフトの周囲に歪センサを配置しただけでは外力と複数のケーブルによる張力が干渉してしまい正確に外力を測定することが困難である。

ＷＯ２０１８／１６３６８０

本開示の目的は、手術用ロボットに適用され、ケーブルの張力による干渉を受けずに外力検出機能を有する術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システムを提供することにある。

本開示の第１の側面は、
先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
中空形状のベースと、
前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
を具備する術具ユニットである。

前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する。

前記起歪部は、それぞれ複数本の脚で前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体からなる第１層の起歪体と第２層の起歪体を前記シャフトの長軸方向に順に配置して構成される。前記第１の起歪体は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第２の起歪体は、前記平面に対して前記第１の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している。

また、本開示の第２の側面は、
中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
を具備する力検出装置である。

また、本開示の第３の側面は、
術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
手術支援システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

本開示によれば、エンドエフェクタを駆動するワイヤの牽引力による干渉を取り除いて外力を検出する機能を有する術具ユニット、力検出装置、並びに手術支援システムを提供することができる。

なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。

本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、手術支援ロボット１の外観構成例を示した図である。 図２は、術具ユニットの一構成例を示した図である。 図３は、術具ユニット先端部１０１を拡大して示した図である。 図４は、術具ユニット駆動部１０３を拡大して示した図である。 図５は、術具ユニット１００の自由度構成例を示した図である。 図６は、術具ユニット１００の自由度構成を簡略化して示した図である。 図７は、術具ユニット７００における外力検出システムの配置を示した図である。 図８は、術具ユニット８００の具体的な構成例を示した図である。 図９は、シャフト８０１の根元部分とベース８０３の連結部分の断面斜視図を示した図である。 図１０は、シャフト８０１の根元部分とベース８０３の連結部分の断面を示した図である。 図１１は、４方向起歪体の構造を示した図である。 図１２は、４方向起歪体の構造を示した断面図である。 図１３は、４方向起歪体の構造を示した断面図（図１２の変形例）である。 図１４は、３方向起歪体の構造を示した図である。 図１５は、５方向起歪体の構造を示した図である。 図１６は、４方向起歪体の構造を示した図である。 図１７は、ケーブル牽引モードにおけるａ層及びｂ層の起歪体の動作例を示した図である。 図１８は、ケーブル牽引モードにおけるａ層及びｂ層の起歪体の動作例を示した図である。 図１９は、Ｆ_zモードにおけるａ層及びｂ層の起歪体の動作例を示した図である。 図２０は、Ｆ_zモードにおけるａ層及びｂ層の起歪体の動作例を示した図である。 図２１は、Ｆ_Yモードにおけるａ層及びｂ層の起歪体の動作例を示した図である。 図２２は、Ｆ_Yモードにおけるａ層及びｂ層の起歪体の動作例を示した図である。 図２３は、３方向起歪体の構造を示した図である。 図２４は、術具ユニット８００の構造化を抽象化して示した図である。 図２５は、図２４に示した術具ユニット８００のＹ方向に作用する力を示した図である。 図２６は、図２４に示した術具ユニット８００のＺ方向に作用する力を示した図である。 図２７は、板金を用いた起歪体の構成例を示した図である。 図２８は、板金を用いた起歪体の構成例を示した図である。 図２９は、板金を用いた起歪体の構成例を示した図である。 図３０は、板金を用いた起歪体の構成例を示した図である。 図３１は、板金を用いた起歪体の構成例を示した図である。 図３２は、を示した図である。 図３３は、を示した図である。 図３４は、組み立て前のベース８０３部分の斜視図を示した図である。 図３５は、組み立て前のベース８０３部分の断面斜視図を示した図である。 図３６は、組み立て前のベース８０３部分の断面図を示した図である。 図３７は、組み立て後のベース８０３部分の斜視図を示した図である。 図３８は、組み立て後のベース８０３部分の断面斜視図を示した図である。 図３９は、組み立て後のベース８０３部分の断面図を示した図である。

以下、図面を参照しながら本開示に係る技術について、以下の順に従って説明する。

Ａ．システム構成
Ｂ．術具ユニットの構成
Ｃ．外力検出システムの配置
Ｄ．外力検出システムの構成
Ｄ−１．起歪体の構造
Ｄ−２．外力による起歪体の歪みモード
Ｄ−３．力推定式
Ｅ．起歪体の実装例
Ｆ．術具ユニットの具体的構造並びに組み立て方法

Ａ．システム構成
図１には、手術支援ロボット１の外観構成例を示している。図示の手術支援ロボット１は、多リンク構造からなるアーム１２を備え、そのアーム１２の先端に、術具ユニット１１が搭載されている。術具ユニット１１は、手術支援ロボット１又はアーム１２から取り外して交換可能であってもよい。手術支援ロボット１は、例えば腹腔鏡下手術に適用され、術具ユニット１１の先端部がトロッカー（図示しない）を経由して腹腔内に挿入して、患部の把持や切除といった施術が実施される。

図示の手術支援ロボット１は、例えばマスタスレーブシステムにおけるスレーブ装置として利用されてもよく、マスタ装置（図示しない）からの指令に従ってアーム１２並びに術具ユニット１１が駆動する。また、手術支援ロボット１は、術具を備えたアームとして術者により直接操作されて動作することも可能である。

アーム１２は、極座標型ロボット、円筒座標型ロボット、直角座標系型ロボット、垂直多関節型ロボット、水平多関節型ロボット、パラレルリンク型ロボット、ＲＣＭ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｍｏｔｉｏｎ）型ロボットなどのうちいずれの機構型のロボットであってもよい。手術支援ロボット１が腹腔鏡手術に使用されることを想定した場合には、機構のコンパクト性や、トロッカー箇所でのピボット動作生成の容易性などの観点から、アーム１２として、垂直多関節型や、駆動回転中心から離れた位置に遠隔回転中心を配置してピボット（不動点）運動を実現するＲＣＭ型のアームを用いることが好ましい。

図１では１本の術具ユニットのみを装着可能な手術支援ロボット１の構成例を示したが、同時に複数本の術具ユニットを装着して腹腔鏡下手術を実施可能な手術支援ロボットであってもよい。

手術支援ロボット１がマスタスレーブシステムのスレーブ装置に適用される場合、オペレータがマスタ装置を使って、対象物を傷付けることなく、正確且つ効率的にスレーブ装置としての手術支援ロボット１を遠隔操作するには、アーム１２の位置や、術具ユニット１１に加わる外力などの情報をマスタ装置にフィードバックすることが望ましい。

Ｂ．術具ユニットの構成
図２には、手術支援ロボット１に適用される術具ユニットの一構成例を示している。図示の術具ユニット１００は、長手軸を有する中空のシャフト１０２と、シャフト１０２の一端の術具ユニット先端部１０１と、シャフト１０２の他端の術具ユニット駆動部１０３を備えている。術具ユニット先端部１０１は、シャフト１０２に対しヨー軸と平行な第１軸回りに旋回可能なリストエレメントと、リストエレメントの先端にピッチ軸と平行な第２軸を開閉軸として開閉動作するエンドエフェクタを含んでいる。エンドエフェクタは、第２軸を中心に旋回して開閉動作する一対の対向するジョー部材からなる。但し、第２軸は第１軸からオフセットさせた位置に配置されている。また、術具ユニット駆動部１０３は、術具ユニット先端部１０１における各ジョー部材をそれぞれ駆動する２個のアクチュエータと、リストを駆動する１個のアクチュエータを備えている。

図３には、術具ユニット先端部１０１を拡大して示している。また、図４には、術具ユニット駆動部１０３を拡大して示している。また、図５には、術具ユニット１００の自由度構成例を示している。また、図６には、術具ユニット１００の自由度構成を簡略化して描いている。

術具ユニット先端部１０１は、リストエレメントＷＥと開閉型のエンドエフェクタを含んでおり、エンドエフェクタは第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２という一対の対向するジョー部材からなる（例えば、図２を参照のこと）。リストエレメントＷＥは根元付近で、シャフト１０２の先端（遠位端）の、ヨー軸と平行な第１軸回りに旋回可能に支持されている。また、エンドエフェクタを構成する第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２は、リストエレメントＷＥの先端の、ピッチ軸と平行な第２軸回りに旋回可能に支持されている。第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２は、第２軸を開閉軸とする開き角度が変化して開閉動作する。

また、術具ユニット駆動部１０３は、第１のジョー部材Ｊ１の駆動に使用される第１のモータＭ１と、第２のジョー部材Ｊ２駆動に使用される第２のモータＭ２と、リストエレメントＷＥの駆動に使用される第３のモータＭ３を備えている（例えば、図４、図５を参照のこと）。また、これら第１乃至第３のモータＭ１〜Ｍ３の各出力軸には、駆動キャプスタンとしての第１乃至第３のモータキャプスタンＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３がそれぞれ取り付けられている（例えば、図６を参照のこと）。第１乃至第３のモータＭ１〜Ｍ３の各々に回転モータを使用することを想定しているが、減速機付きのモータであってもよい。

第１のモータキャプスタンＭＣ１には第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂが巻き付けられており、第１のモータキャプスタンＭＣ１を第１のモータＭ１で回転させることで、ケーブルループ方式により第１のジョー部材Ｊ１を駆動する。また、第２のモータキャプスタンＭＣ２には第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが巻き付けられており、第２のモータキャプスタンＭＣ２を第２のモータＭ２で回転させることで、ケーブルループ方式により第２のジョー部材Ｊ２を駆動する。

図４及び図５を参照すると、第１のモータＭ１は、シャフト１０２の長手軸方向にスライド動作する第１のスライドベースＳＢ１上に支持され、第２のモータＭ２は、シャフト１０２の長手軸方向にスライド動作する第２のスライドベースＳＢ２上に支持されている。また、第３のモータキャプスタンＭＣ３には、第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂが第３のアイドラプーリＰ３ａ及びＰ３ｂを経由して巻き付けられている。第３の往路のケーブルＣ３ａの他端は第１のスライドベースＳＢ１に固定され、第３の復路のケーブルＣ３ｂの他端は第２のスライドベースＳＢ２に固定されている。そして、第３のモータＭ３は、ケーブルループ方式により第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂを牽引することで、第１のスライドベースＳＢ１と第２のスライドベースＳＢ２をシャフト１０２の長手軸方向に互いに逆方向に進退動作させることができる。

図３を参照すると、第１のジョー部材Ｊ１は、第２軸回りに旋回可能となるように、根元付近でリストエレメントＷＥに支持されている支持されている。同様に、第２のジョー部材Ｊ２は、第２軸回りに旋回可能となるように、根元付近でリストエレメントＷＥに支持されている支持されている。したがって、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の開き角が増大又は減少するように（言い換えれば、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの角度の差が変化するように）、各々を第２軸回りに旋回させることによって、エンドエフェクタの開閉動作が実現する。また、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の開き角を一定に保ったまま（言い換えれば、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの角度の和が変化するように）、両者を同時に第２軸回りに旋回させることによって、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２からなるエンドエフェクタの第２軸回りの旋回動作が実現する。

図３及び図５を参照すると、第１のジョー部材Ｊ１の根元付近には、上記の第２軸を回転軸とする第１のジョーキャプスタンＪＣ１が形設されている。第１のジョーキャプスタンＪＣ１には、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂが巻き付けられている。図４及び図５に示したように、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂは、術具ユニット駆動部１０３側で、第１のモータキャプスタンＭＣ１に巻き付けられている。したがって、第１のモータＭ１の回転方向に応じてケーブルＣ１ａ及びＣ１ｂのいずれか一方に牽引力が作用して、第１のジョー部材Ｊ１の第２軸回りの旋回動作が実現する。第１のジョー部材Ｊ１は、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂを使ってケーブルループ方式により駆動されるので、第１のジョー部材Ｊ１の広可動域化を実現することができる。

また、図３及び図５を参照すると、第２のジョー部材Ｊ２の根元付近には、上記の第２軸を回転軸とする第２のジョーキャプスタンＪＣ２が形設されている。第２のジョーキャプスタンＪＣ２には、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが巻き付けられている。図４及び図５に示したように、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは、術具ユニット駆動部１０３側で、第２のモータキャプスタンＭＣ２に巻き付けられている。したがって、第２のモータＭ２の回転方向に応じてケーブルＣ２ａ及びＣ２ｂのいずれか一方に牽引力が作用して、第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの旋回動作が実現する。第２のジョー部材Ｊ２は、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを使ってケーブルループ方式により駆動されるので、第２のジョー部材Ｊ２の広可動域化を実現することができる。

続いて、術具ユニット１００における各ケーブルのレイアウトと、術具ユニット先端部１０１の具体的な動作方法について説明する。

第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂをそれぞれシャフト１０２内に挿通するように第１軸付近で方向変換させ、さらにはシャフト１０２内での各ケーブルのレイアウトを調整するために、アイドラプーリが使用される。

図３及び図５に示すように、第１の往路のケーブルＣ１ａは、第２軸に直交する方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第１のアイドラプーリＰ１１ａによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第１のアイドラプーリＰ１１ａに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第１の隣接アイドラプーリＰ１２ａによってシャフト１０２内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第１の往路のケーブルＣ１ａは、シャフト１０２内を挿通した後、図４に示すようにアイドラプーリＰ１３ａを経由して第１のモータキャプスタンＭＣ１に巻き付けられる。

一方、第１の復路のケーブルＣ１ｂは、第２軸に直交する方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第１のアイドラプーリＰ１１ｂによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第１のアイドラプーリＰ１１ｂに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第１の隣接アイドラプーリＰ１２ｂによってシャフト１０２内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第１の復路のケーブルＣ１ｂは、シャフト１０２内を挿通した後、図４に示すようにアイドラプーリＰ１３ｂを経由して第１のモータキャプスタンＭＣ１に、第１の往路のケーブルＣ１ａとは逆方向から巻き付けられる。

要するに、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂは、ケーブルループ方式により第１のジョーキャプスタンＪＣ１と第１のモータキャプスタンＭＣ１間の動力伝達を行うようにレイアウトされている。したがって、図６からも分かるように、第１のモータキャプスタンＭＣ１を第１のモータＭ１で回転させることで、第１のジョーキャプスタンＪＣ１を回転させて、第１のジョー部材Ｊ１の第２軸回りの旋回角度を調整することができる。

また、図３及び図５に示すように、第２の往路のケーブルＣ２ａは、第２軸に直交する方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第２のアイドラプーリＰ２１ａによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第２のアイドラプーリＰ２１ａに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第２の隣接アイドラプーリＰ２２ａによってシャフト１０２内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第２の往路のケーブルＣ２ａは、シャフト１０２内を挿通した後、アイドラプーリＰ２３ａを経由して第２のモータキャプスタンＭＣ２に巻き付けられる。

一方、第２の復路のケーブルＣ２ｂは、第２軸に直交する方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第２のアイドラプーリＰ２１ｂによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第２のアイドラプーリＰ２１ｂに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第２の隣接アイドラプーリＰ２２ｂによってシャフト１０２内を挿通するようにレイアウト調整される。そして、第１の復路のケーブルＣ１ｂは、シャフト１０２内を挿通した後、アイドラプーリＰ２３ｂを経由して第２のモータキャプスタンＭＣ２に、第２の往路のケーブルＣ２ａとは逆方向から巻き付けられる。

要するに、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは、ケーブルループ方式により第２のジョーキャプスタンＪＣ２と第２のモータキャプスタンＭＣ２間の動力伝達を行うようにレイアウトされている。したがって、図６からも分かるように、第２のモータキャプスタンＭＣ２を第２のモータＭ２で回転させることで、第２のジョーキャプスタンＪＣ２を回転させて、第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの旋回角度を調整することができる。

第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの角度の差が変化するように、第１のモータＭ１及び第２のモータＭ２によって第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂの牽引力を制御することで、１対のジョー部材Ｊ１及びＪ２からなるエンドエフェクタの開閉動作を行うことができる。開閉角度は、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの角度の差分で決定される。

また、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの角度の和が変化するように第１のモータＭ１及び第２のモータＭ２によって第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂの牽引力を制御することで、エンドエフェクタを第２軸回りに旋回動作させることができる。第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの角度の平均値がエンドエフェクタの第２軸回りの旋回角度となる。

他方、第１のモータＭ１は、第１のモータキャプスタンＭＣ１と各アイドラプーリＰ１３ａ及びＰ１３ｂとともに、第１のスライドベースＳＢ１に固定されている。また、第２のモータＭ２は、第２のモータキャプスタンＭＣ２と各アイドラプーリＰ２３ａ及びＰ２３ｂとともに、第１のスライドベースＳＢ１に固定されている。そして、第１のスライドベースＳＢ１には、アイドラプールＰ３ａを経由して第３の往路のケーブルＣ３ａが結合されている。また、第２のスライドベースＳＢ２には、第３のアイドラプーリＰ３ｂを経由して第３の復路のケーブルＣ３ｂが結合されている。

なお、第１のスライドベースＳＢ１から第３のアイドラプーリＰ３ａの区間での第３の往路のケーブルＣ３ａ、並びに第２のスライドベースＳＢ２から第３のアイドラプーリＰ３ｂの区間での第３の復路のケーブルＣ３ｂは、シャフト１０２の長手軸に対して平行となるようにレイアウトされていることが望ましい。

要するに、第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂは、第３のモータキャプスタンＭＣ３と第１のスライドベースＳＢ１及び第２のスライドベースＳＢ２間の動力伝達を行うようにレイアウトされている。したがって、第３のモータキャプスタンＭＣ３を第３のモータＭ３で回転させることで、第１のスライドベースＳＢ１と第２のスライドベースＳＢ２をシャフト１０２の長手軸方向に互いに逆方向に進退動作させることができる。

図５や図６を参照すると、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ａが第１のアイドラプーリＰ１１ａ及びＰ１１ｂに巻き付けられている方向とか逆の方向から、第２のアイドラプーリＰ２１ａ及びＰ２１ｂに巻き付けられている。このため、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ａを後退させたときと、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ａを後退させたときで、リストエレメントＷＥには第１軸回りに逆向きの回転力が加わることになる。したがって、第１のスライドベースＳＢ１をシャフト１０２の先端（すなわち、遠位端）に前進させ、第２のスライドベースＳＢ２をシャフト１０２の根元側（すなわち、近位端）に後退させると、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ａが前進するとともに第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが後退することとなり、結果としてリストエレメントＷＥは第１軸回りに正方向に回転する。逆に、第１のスライドベースＳＢ１を後退させ、第２のスライドベースＳＢ２を前進させると、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ａが後退するとともに第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが前進することとなり、結果としてリストエレメントＷＥは第１軸回りに負方向に回転する。ここで、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂのいずれも全長が一定であることを前提とする。

第３のモータＭ３で第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂを牽引して、第１のスライドベースＳＢ１と第２のスライドベースＳＢ２のスライド動作を通じて、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを進退動作させることにより、リストエレメントＷＥを第１軸回りに旋回動作させることができる。また、リストエレメントＷＥを第１軸回りに旋回動作させる際に、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂの予張力が変化しない。

術具ユニット先端部１０１の動作方法についてまとめておく。

第１軸における動作：
第３のモータＭ３で第３のモータキャプスタンＭＣ３を回転させると、第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂのいずれかに牽引力が発生する。これによって、リストエレメントＷＥ及びリストエレメントＷＥに搭載されたエンドエフェクタを、第１軸回りに正方向又は逆方向に旋回させることができる。

第２軸における動作：
第１のジョー部材Ｊ１の第２軸回りの角度と第２のジョー部材Ｊ２の第２軸回りの角度の平均値をエンドエフェクタの第２軸回りの角度とする。第１のジョーキャプスタンＪＣ１及び第２のジョーキャプスタンＪＣ２を同じ方向に同じ速度で回転させることで、エンドエフェクタの第２軸回りの旋回動作が生成される。

エンドエフェクタの動作：
エンドエフェクタは、第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２という一対の対向するジョー部材からなる（例えば、図３を参照のこと）。第１のジョー部材Ｊ１と第２のジョー部材Ｊ２の開き角度をエンドエフェクタの開閉角度とする。第１のモータキャプスタンＭＣ１と第２のモータキャプスタンＭＣ２を反対方向に同じ速度で回転させることで、エンドエフェクタの開閉動作が生成される。

なお、術具ユニット１００の詳細については、本出願人に既に譲渡されている特願２０１９−１６６７６３号明細書を参照されたい。

また、用語について説明しておく。上記の術具ユニット１００では、「アイドラプーリ」と「キャプスタン」の２種類のプーリを使用している。アイドラプーリは、「自由滑車」のことであり、ケーブルのレイアウト調整や、ケーブルにテンションを加える用途で使用される。キャプスタンは、動力を加える用途や、反対にケーブルからの力を軸力に変換する用途で使用される。

また、以下の説明では、特に言及しない限り、術具ユニットは、シャフトと、シャフトの先端に取り付けられた鉗子などのエンドエフェクタと、シャフトを支持するベースからなり、シャフトをベースから取り外して交換可能であるものとする。鉗子や攝子などのエンドエフェクタに牽引力を与えるケーブルはシャフト内部に挿通され、ベースにはケーブルを牽引するモータが配設されている。上述したスライドベースはベースに相当する。ケーブルは、「ワイヤ」と呼ばれることもあるが、本明細書では「ケーブル」に統一する。

Ｃ．外力検出システムの配置
術具ユニットに加わる外力などの情報をマスタ装置にフィードバックするためには、術具ユニットの先端に加わる外力を検出する検出システムが必要である。また、外力検出システムは、術具ユニットの長手方向（又は、シャフト方向）であるＺ方向に作用する外力と、Ｚ方向と直交するＸＹ方向に作用する外力を含む、少なくとも３方向を検出可能な３ＤｏＦ（Ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ：自由度）を有することが望ましい。

術具ユニットに加わる外力を検出する外力検出システムの構成方法について考察する。上記Ｂ項では、シャフトの先端に対してリストを例えばヨー軸回りに旋回させる第１軸と、リストに対してエンドエフェクタの向きを例えばピッチ軸回りに旋回させる第２軸と、ジョー部材を開閉操作する第３軸（開閉軸）、という合計３自由度を持つ術具ユニット１００について説明した。Ｂ項で説明した術具ユニット１００は、３本の往復のケーブルと、３個のモータを使用する。

ここでは、簡素化のため、図７に示すように、先端のジョー部材を開閉操作するための１本のケーブル７０１と、ケーブル７０１の往路側及び復路側をそれぞれ牽引する２個のモータ７０２及び７０３を備えた術具ユニット７００を例にとって説明する。

外力の検出には力センサが用いられる。一般に、力センサは、外力に対し歪み易い起歪体と、起歪体に取り付けられて起歪体の歪み量に応じた信号を出力する歪みセンサで構成され、歪みセンサの出力信号を信号処理して、起歪体の歪み量から外力を換算する。図７に示した術具ユニット７００においては、このような力センサを設置する場所は、ケーブル７０１で牽引する区間よりも根元側（又は、近位端側）の領域７１１と、ケーブル７０１が挿通される中間領域７１２と、ケーブルよりも先端側（又は、遠位端側）の領域７１３の３つの領域に大別される。

中間領域７１３に力センサを設置すると、外力だけでなくケーブル７０１の牽引力（又は、モータ７０２及び７０３のトルク）が作用するため、ケーブル７０１の牽引力に干渉されて、外力を正しく測定できないことが懸念される。これに対し、根元側の領域７１１と先端側の領域７１３はいずれもケーブル７０１の牽引力が作用しない。したがって、根元側の領域７１１又は先端側の領域７１３のいずれかに力センサを配置すれば、ケーブル７０１の牽引力の干渉を受けずに、外力を測定することができる。

しかしながら、根元側の領域７１１に力センサを設置した場合、術具ユニット７００の重量による慣性力が力センサに作用するため、外力を正しく測定することが難しい。

また、先端側の領域７１３に力センサを設置した場合、ケーブル７０１の牽引力や慣性力による干渉を受けずに、外力を正しく測定することができる。しかしながら、術具ユニット７００は手術に使用する度に滅菌処理する必要があり、滅菌処理の過程で力センサが劣化するおそれがある。また、先端部に力センサを設置して構造を複雑化すると、洗浄しても汚れが残ってしまうおそれがある。また、力センサを配置すると先端部の小型化が難しくなる。

そこで、本開示では、術具ユニット７００の中間領域７１２に、ワイヤの牽引力による干渉を取り除くことが可能な、力センサを配置することを提案する。本開示に係る力センサによれば、根元側の領域７１１よりも遠位端側に配置されるので、術具ユニット７００の重量による慣性力の影響を低減することができる。また、本開示に係る力センサは、術具ユニット７００の先端に配置されないで、滅菌による劣化や汚れの残存、並びに先端部の小型化の問題を解消することができる。

Ｄ．外力検出システムの具体的構成例
図８には、上述した「中間領域」に外力検出システムを組み込んだ、術具ユニット８００の具体的な構成例を示している。

術具ユニット８００は、シャフト８０１と、シャフト８０１の先端に取り付けられた鉗子などのエンドエフェクタ８０２と、シャフト８０１を支持するベース８０３からなる。鉗子などのエンドエフェクタ８０２に牽引力を与えるケーブル（図８では省略）はシャフト８０１内部に挿通され、ベース８０３にはケーブルを牽引するモータ（図８では省略）が配設されている。エンドエフェクタ８０２の具体的構成や、ケーブル駆動方式、並びにモータの配置に関しては、上記Ｂ項で既に説明したので、ここでは説明を省略する。

Ｄ−１．起歪体の構造
シャフト８０１は、根元部分でベース８０３に支持されている。図９には、シャフト８０１の根元部分とベース８０３の連結部分の断面斜視図を示している。また、図１０には、シャフト８０１の根元部分とベース８０３の連結部分の断面を示している。シャフト８０１をベース８０３から取り外して交換可能であるものとする。一般に、シャフト８０１を交換する度に、エンドエフェクタ８０２部分の洗浄や滅菌処理が施される。

本開示では、図８〜図１０に示すように、シャフト８０１の根元部分は、２層の起歪体８１１及び８１２で支持されている。以下では、先端側の起歪体８１１を「ａ層」の起歪体、根元側の起歪体８１２を「ｂ層」の起歪体とも呼ぶ。

図１１には、ベース８０３を透明に描いて、起歪体８１１及び８１２を可視化して示している。起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２はそれぞれ、シャフト８０１の根元から外側のベース８０３に伸びる４本の脚でシャフト８０１の根元部分を４方向で支持する「４方向起歪体」である。図１１に示す例では、４方向起歪体の各脚は同一形状及び同一寸法であり、且つ均等な間隔（シャフト８０１の長軸回りに９０度の間隔）で配置され、中空の円筒形状をしたベース８０３のほぼ中央でシャフト８０１を支持している。また、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の、シャフト８０１の長軸回りの回転位置はほぼ一致しているものとする。そして、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の各脚には歪みセンサが取り付けられており、シャフト８０１の先端のエンドエフェクタ８０２に外力が加わったときに各脚の歪み量を計測するように構成されている。図１１中、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２を淡いグレーで塗り潰して描いている。また、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の各脚に取り付けられた歪みセンサを濃いグレーで塗り潰して描いている。

起歪体は、例えば、生体適合性に優れている金属系材料として知られているステンレス鋼（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ：ＳＵＳ）やＣｏ−Ｃｒ合金、チタン系材料を用いて製作される。術具ユニット８００のような医療用器具に適用されるという観点からは、高強度で且つ低剛性（ヤング率が低い）といった機械的特性を持つ材料、例えばチタン合金を用いて起歪体を製作することが好ましい。

また、本実施形態では、歪みセンサには光ファイバーを利用して製作されるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサを用いることを想定している。ここで、ＦＢＧセンサは、光ファイバーの長軸に沿って回折格子（グレーティング）を刻んで構成されるセンサであり、作用力によって生じる歪みや温度の変化に伴う膨張又は収縮による回折格子の間隔の変化を、所定波長帯（ブラッグ波長）の入射光に対する反射光の波長の変化として検出することができる（周知）。そして、ＦＢＧセンサから検出された波長の変化を、原因となる歪みや応力、温度変化に換算することができる。もちろん、歪みセンサに静電容量式センサ、半導体歪みゲージ、箔歪みゲージなどの当業界で広く知られている他のタイプの歪み検出素子を利用することも考えられる。但し、伝送損失が小さいことや、医療に必要な滅菌対応や強磁場環境下対応などの利点を考慮すると、ＦＢＧセンサがより好ましいと思料される。

図１２には、４方向起歪体を構成する１組の起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２を、シャフト８０１の長軸（又は、Ｚ軸）と直交する方向から眺めた側面図（又は、ＹＺ断面）を示している。起歪体ａ層８１１の４方向の各脚は、Ｚ軸と直交する面（又は、Ｙ軸）に対して所定の角度だけ傾斜している。以下では、この傾斜角度をθとする。また、起歪体ｂ層８１２の４方向の各脚は、Ｚ軸と直交する面（又は、Ｙ軸）に対して、起歪体ａ層８１１とは逆に角度−θだけ傾斜している。したがって、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の断面は、図１２からも分かるように「ハ」の字形状を構成している。θは例えば３度程度である。

また、図１３には、４方向起歪体を構成する１組の起歪体８１１及び８１２の変形例を示している。図１３に示す例では、起歪体ａ層８１１の４方向の各脚は、Ｚ軸と直交する面（又は、Ｙ軸）に対して角度−θだけ傾斜している。また、起歪体ｂ層８１２の４方向の各脚は、Ｚ軸と直交する面（又は、Ｙ軸）に対して、起歪体ａ層８１１とは逆に釜と角度θだけ傾斜している。したがって、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の断面は、図１３からも分かるように逆「ハ」の字形状を構成している。

なお、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の構造は、図１１に示したような、シャフト８０１の根元部分を４方向の脚でベース８０３に支持する「４方向起歪体」には限定されない。図１４に示すように、シャフト８０１の根元部分を３方向の脚でベース８０３に支持する「３方向起歪体」１４０１及び１４０２や、図１５に示すように、シャフト８０１の根元部分を５方向の脚でベース８０３に支持する「５方向起歪体」であってもよい。また、図示を省略するが、６方向以上の脚で支持する多方向起歪体であってもよい。但し、２方向の脚でシャフト８０１の根元部分を支持する「２方向起歪体」の場合、シャフト８０１の先端に作用する外力をＸＹＺの各方向の成分に分離できなくなる。

Ｄ−２．外力による起歪体の歪みモード
続いて、シャフト８０１に外力が作用したときの起歪体の歪みモードについて説明する。ここでは、便宜上、図１１及び図１２に示した、シャフト８０１の根元部分を４方向でベース８０３に支持する「４方向起歪体」を例にとって、歪みモードについて説明する。

起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の４本の脚は同一形状及び同一寸法であり、且つ均等な間隔（シャフト８０１の長軸回りに９０度の間隔）で配置され、中空の円筒形状をしたベース８０３のほぼ中央でシャフト８０１を支持している。また、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の、シャフト８０１の長軸回りの回転位置はほぼ一致しているものとする。そして、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の各脚には歪みセンサが取り付けられており、シャフト８０１の先端のエンドエフェクタ８０２に外力が加わったときに各脚の歪み量を計測するように構成されている。

ここで、図１６に示すように、起歪体ａ層８１２の４本の脚をそれぞれａ１〜ａ４とし、起歪体ｂ層８１２の４本の脚をそれぞれｂ１〜ｂ４とする。また、各々の脚ａ１〜ａ４及びｂ１〜ｂ４に配置した歪みセンサで検出される、起歪体ａ層８１１の各脚ａ１〜ａ４の歪み量をそれぞれε_a1〜ε_a4とし、起歪体ｂ層８１２の各脚ｂ１〜ｂ４の歪み量をそれぞれε_b1〜ε_b4とする。また、図１６には、ＸＹＺ座標を併せて示している。Ｚ軸は、シャフト８０１の長軸と一致する。Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸と直交する軸であり、Ｘ軸とＹ軸同士も直交する。図示を省略するが、本開示に係る外力検出システムは、各々の脚ａ１〜ａ４及びｂ１〜ｂ４に配置した歪みセンサの検出信号を処理する信号処理装置を含んでいるものとする。この信号処理装置は、脚ａ１〜ａ４及びｂ１〜ｂ４の歪み量ε_a1〜ε_a4及びε_b1〜ε_b4を計算し、さらに歪み量ε_a1〜ε_a4及びε_b1〜ε_b4に基づいて、術具ユニット８００の歪みモードを判定したり、術具ユニット８００に作用するＸＹＺ各方向の外力Ｆ_X、Ｆ_Y、Ｆ_Zを換算したりする。歪みモードの判定並びに外力の計算方法の詳細については後述に譲る。

起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の歪みモードは、ケーブルに牽引力が作用したときに歪みが生じる「ケーブル牽引モード」と、シャフト８０１の先端部分に±Ｚ方向の外力が作用したときの「Ｆ_Zモード」と、シャフト８０１の先端部分に±Ｙ方向の外力が作用したときの「Ｆ_Yモード」と、シャフト８０１の先端部分に±Ｘ方向の外力が作用したときの「Ｆ_xモード」がある。

なお、ここで言うケーブルは、上記Ｂ項で説明した第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂ、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂ、又は第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂのいずれかとする。

図１７及び図１８には、ケーブル牽引モードにおける起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の動作例を示している。図１７には往路側のケーブルが牽引されたときの動作例を示し、図１８には復路側のケーブルが牽引されたときの動作例を示している。

また、図１９及び図２０には、Ｆ_zモードにおける起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の動作例を示している。図１９には、シャフト８０１の先端にＺ方向の圧縮力（又は、−Ｚ方向の外力）が作用したときの動作例を示し、図２０には、シャフト８０１の先端にＺ方向の引張力（又は、＋Ｚ方向の外力）が作用したときの動作例を示している。

また、図２１及び図２２には、Ｆ_Yモードにおける起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の動作例を示している。図２１には、シャフト８０１の先端に−Ｙ方向の外力が作用したときの動作例を示し、図２２には、シャフト８０１の先端に＋Ｙ方向の外力が作用したときの動作例を示している。なお、Ｆ_Xモードにおける起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の動作は、図２１及び図２２に示すＦ_Yモードの動作をＺ軸回りに９０度回転した場合と同じになるので、ここでは図示及び説明を省略する。

図１７〜図２２の各図は、術具ユニット８００をＸ方向から眺めた断面を示している。したがって、起歪体ａ層８１１のうち脚ａ１及び脚ａ３と、起歪体ｂ層８１２のうち脚ｂ１及び脚ｂ３が図示されている。上述したように、歪みセンサにより計測される各々の脚ａ１、ａ３、ｂ１、ｂ３の歪み量を、それぞれε_a1、ε_a3、ε_b1、ε_b3とする。

なお、図１７〜図２２では、簡素化のため、ケーブルは、上記Ｂ項で説明した第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂ、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂ、又は第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂのいずれか１組のケーブルセットとする。下記の説明は、各ケーブルセットについて同様に当てはまるものと理解されたい。

起歪体の歪みモードに応じて、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及び脚ａ３と、起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１及び脚ｂ３は、収縮し、又は伸長する。図１７〜図２２では、各歪みモードにおいて収縮する脚と伸長する脚を網掛けの違いで区別して描いている。

図１７を参照すると、往路側のケーブルが牽引されたときには、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１が収縮し、起歪体ａ層８１１の脚ａ３及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ３が伸長する。これは、往路側のケーブルの牽引力によって、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１に圧縮力が作用し、逆に起歪体ａ層８１１の脚ａ３及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ３には引張力が作用するからである。また、図１８に示すように、復路側のケーブルが牽引されたときには、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１が収縮し、起歪体ａ層８１１の脚ａ３及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ３が伸長する。これは、復路側のケーブルの牽引力によって、起歪体ａ層８１１の脚ａ３及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ３に圧縮力が作用し、逆に起歪体ａ層８１１の脚ａ１及び起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１には引張力が作用するからである。

図１９を参照すると、Ｆ_zモードにおいて、シャフト８０１の先端に−Ｚ方向の外力Ｆ_zが作用したときには、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及び脚ａ３は伸長するが、起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１及び脚ｂ３は収縮する。これは、シャフト８０１を圧縮する外力Ｆ_zが作用することによって、先端側の起歪体ａ層８１１の各脚ａ１及びａ３（図示しないが、脚ａ２及びａ４も）に圧縮力が作用し、逆に根元側の起歪体ｂ層８１２の各脚ｂ１及びｂ３（図示しないが、脚ｂ２及びｂ４も）に引張力が作用するからである。また、図２０を参照すると、シャフト８０１の先端に＋Ｚ方向の外力Ｆ_zが作用したときには、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及び脚ａ３は収縮するが、起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１及び脚ｂ３は伸長する。これは、シャフト８０１を引っ張る外力Ｆ_zが作用することによって、根元側の起歪体ｂ層８１２の各脚ｂ１及びｂ３（図示しないが、脚ｂ２及びｂ４も）に圧縮力が作用し、逆に先端側の起歪体ａ層８１１の各脚ａ１及びａ３（図示しないが、脚ａ２及びａ４も）に引張力が作用するからである。

上述したように、先端側の起歪体ａ層８１１と根元側の起歪体ｂ層８１２とで、Ｚ軸と直交する面に対する傾斜角度が逆となっている。このため、図１９及び図２０に示すように、Ｚ軸方向の外力Ｆ_zに対して、先端側の起歪体ａ層８１１と根元側の起歪体ｂ層８１２の一方が収縮し他方が伸長するという逆の挙動になる。

図２１を参照すると、Ｆ_Yモードにおいて、シャフト８０１の先端に−Ｙ方向の外力Ｆ_Yが作用したときには、起歪体ａ層８１１の脚ａ１と起歪体ｂ層８１２の脚ｂ３は伸長し、起歪体ａ層８１１の脚ａ３と起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１は収縮する。これは、シャフト８０１を−Ｙ方向に撓ませる外力Ｆ_Yが作用することによって、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の中間付近を中心とする紙面反時計回りのモーメントが発生するからである。また、図２２を参照すると、シャフト８０１の先端に＋Ｙ方向の外力Ｆ_Yが作用したときには、起歪体ａ層８１１の脚ａ１と起歪体ｂ層８１２の脚ｂ３は収縮し、起歪体ａ層８１１の脚ａ３と起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１は伸長する。これは、シャフト８０１をＹ方向に撓ませる外力Ｆ_Yが作用することによって、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の中間付近を中心とする紙面時計回りのモーメントが発生するからである。

以上をまとめると、図１７及び図１８に示すケーブル牽引モードでは、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の同じ位置の脚の伸縮方向が一致するが、図１９及び図２０に示すＦ_Zモード、並びに図２１及び図２２に示すＦ_Yモードでは起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の同じ位置の脚の伸縮方向は逆になる。ケーブル牽引モードは、外力検出システムがケーブルの牽引力すなわちモータのトルクの干渉を受けるモードである。したがって、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の同じ位置の脚の伸縮方向が一致することを検出したときには、測定から外すことによって、ケーブルの牽引力からの干渉を排除することができる。

また、図１９及び図２０に示すＦ_zモードでは、同じ層の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、異なる層の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる。これに対し、図２１及び図２２に示すＦ_Yモードでは、同じ層の脚の対向する位置の脚の伸縮方向は逆になる。したがって、歪みセンサの検出信号を処理する信号処理装置は、層内及び層間の起歪体の脚の伸縮方向に応じて、Ｆ_zモードとＦ_Yモードを判別することができる。

なお、Ｆ_zモードとＦ_Yモードにおける起歪体の動作は、シミュレーション計算でも確認されている。

Ｄ−３．力推定式
図１９及び図２０に示すＦ_zモードにおける外力Ｆ_zの推定式は、下式（１）の通りとなる。

また、図２１及び図２２に示すＦ_Yモードにおける外力Ｆ_zの推定式は、下式（２）の通りとなる。

但し、上式（１）及び（２）は、起歪体ａ層８１１の２本の脚ａ１及びａ３と、起歪体ｂ層８１２の２本の脚ｂ１及びｂ３の歪み量しか考慮していない。図１６に示すように、起歪体ａ層８１１の４本の脚をそれぞれａ１〜ａ４とし、起歪体ｂ層８１２の４本の脚をそれぞれｂ１〜ｂ４とする４方向起歪体の場合の外力Ｆ_X、Ｆ_Y、Ｆ_Zの推定式は、それぞれ下式（３）〜（５）に示す通りとなる。但し、Δ₁＝ε_b1−ε_a1、Δ₂＝ε_b2−ε_a2、Δ₃＝ε_b3−ε_a3、Δ₄＝ε_b4−ε_a4とする。

また、図２３に示すように、起歪体ａ層８１１の３本の脚をそれぞれａ１〜ａ３とし、起歪体ｂ層８１２の３本の脚をそれぞれｂ１〜ｂ３とする３方向起歪体の場合の外力Ｆ_X、Ｆ_Y、Ｆ_Zの推定式は、それぞれ下式（６）〜（８）に示す通りとなる。但し、Δ₁＝ε_b1−ε_a1、Δ₂＝ε_b2−ε_a2、Δ₃＝ε_b3−ε_a3とする。

続いて、Ｋ_Yの導出方法について説明する（但し、４方向起歪体の場合）。係数Ｋ_Yは、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２を用いた歪みセンサのＹ方向の感度を表す。ここでは、術具ユニット８００の構造を図２４に示すように抽象化して考える。図２４では、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の間の距離をＡとし、シャフト８０１（又は、エンドエフェクタ８０２）の先端から起歪体ａ層８１１までの距離をＢとする。また、起歪体ａ層８１１はＺ軸と直交する面（又は、Ｙ軸）に対して角度θだけ傾斜し、起歪体ｂ層８１２はＺ軸と直交する面（又は、Ｙ軸）に対して角度−θだけ傾斜している。

ここで、図２５に示すように、エンドエフェクタ８０２の先端でＹ方向に作用する先端力をＦ_Y、エンドエフェクタ８０２の先端力の推定値をＦ_{Y_pre}、起歪体ａ層８１１に加わるＹ方向の力をＦ_Y1、起歪体ｂ層８１２に加わるＹ方向の力をＦ_Y2とする。また、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の厚みをｔ、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の幅をｗ、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２のヤング率をＥとする。

力とモーメントの釣り合いより、起歪体ａ層８１１に加わるＹ方向の力Ｆ_Y1、起歪体ｂ層８１２に加わるＹ方向の力Ｆ_Y2はそれぞれ下式（９）及び（１０）のように表される。

力と歪みの関係より、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及びａ３の歪み量ε_a1とε_a1、並びに起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１及びｂ３の歪み量ε_b1とε_b1は、それぞれ下式（１１）及び（１２）に示す通りとなる。

エンドエフェクタ８０２の先端力Ｆ_Yの推定値をＦ_{Y_pre}は、下式（１３）で表される。

エンドエフェクタ８０２の先端力の推定値Ｆ_{Y_pre}がエンドエフェクタ８０２の先端でＹ方向に作用する先端力Ｆ_Yに等しいとき、すなわち、Ｆ_{Y_pre}＝Ｆ_Yが成り立つとき、Ｋ_Yは下式（１４）で表される。

なお、説明を省略するが、Ｋ_Xも上式（１４）で表される。係数Ｋ_Xは、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２を用いた歪みセンサのＸ方向の感度を表す。

続いて、Ｋ_Zの導出方法について説明する（但し、４方向起歪体の場合）。係数Ｋ_Zは、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２を用いた歪みセンサのＺ方向の感度を表す。ここでは、術具ユニット８００の構造を図２４に示すように抽象化して考える（同上）。ここで、図２６に示すように、エンドエフェクタ８０２の先端でＺ方向に作用する先端力Ｆ_Zは均等に分配される。

力と歪みの関係より、起歪体ａ層８１１の脚ａ１及びａ３の歪み量ε_a1とε_a1、並びに起歪体ｂ層８１２の脚ｂ１及びｂ３の歪み量ε_b1とε_b1は、それぞれ下式（１５）に示す通りとなる。

エンドエフェクタ８０２の先端力Ｆ_Zの推定値をＦ_{Z_pre}は、下式（１６）で表される。

エンドエフェクタ８０２の先端力の推定値Ｆ_{Z_pre}がエンドエフェクタ８０２の先端でＺ方向に作用する先端力Ｆ_Zに等しいとき、すなわち、Ｆ_{Z_pre}＝Ｆ_Zが成り立つとき、Ｋ_Zは下式（１７）で表される。

続いて、Ｋ_Y＝Ｋ_Zが成り立つ条件について説明する。上式（１４）及び（１７）より、Ｋ_YとＫ_Zの比は下式（１８）のように表される。

したがって、Ｋ_Y＝Ｋ_Zが成り立つ条件は、各パラメータθ、Ａ及びＢが下式（１９）を満たすことである。

上式（１４）及び（１７）より、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の断面を「ハ」の字形状を構成したことにより、起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２の傾きθによって歪みセンサの感度を調整することができるという効果が導き出される。本開示に係る歪みセンサの特徴を以下に挙げておく。

（ａ）起歪体の傾きθを変更することによって、Ｋ_z対Ｋ_x又はＫ_Yの感度バランス調整が可能である。
（ｂ）シャフト８０１の先端から起歪体ａ層８１１までの距離Ａと、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の間の距離Ｂの比率により、Ｋ_xとＫ_Yの感度調整が可能である。
（ｃ）シャフト８０１の先端から起歪体ａ層８１１までの距離Ａを適切な距離にすることで、ケーブルを起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の中間に配置することが可能である。
（ｄ）板金を使って起歪体を製作することが可能である。板金は、厚みｔの精度が高く、低コストであり、レーザー加工によって所望の形状の起歪体を製作することができる。

Ｅ．起歪体の実装例
図２７には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層として使用することが可能な起歪体の構成例（正面図及び斜視図）を示している。図示の起歪体は、４本の脚でシャフト（図２７では図示しない）を支持する４方向起歪体の構造である。ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）解析により、感度が最適となる起歪体の形状を決定した結果である。図２７を参照すると、４本の脚の中央付近には、メッシュ形状がそれぞれ形成されており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、４本の脚にはそれぞれ、ＦＢＧセンサを構成する光ファイバーが取り付けられており、メッシュ形状と重なる部分の光ファイバーにグレーティングが施されてＦＢＧセンサが配置されている。

図２８には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層として使用することが可能な起歪体の他の構成例（正面図及び斜視図）を示している。図示の起歪体は、４本の脚でシャフト（図２８では図示しない）を支持する４方向起歪体の構造である。４本の脚の中央付近には、長手方向に切り取られた２つの開口がそれぞれ形成されており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、各脚の２つの開口の間に、ＦＢＧセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。

図２９には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層として使用することが可能な起歪体のさらに他の構成例（正面図及び斜視図）を示している。図示の起歪体は、４本の脚でシャフト（図２８では図示しない）を支持する４方向起歪体の構造である。４本の脚には、ＦＢＧセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。

図３０には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層として使用することが可能な起歪体のさらに他の構成例（正面図及び斜視図）を示している。図示の起歪体は、４本の脚でシャフト（図３０では図示しない）を支持する４方向起歪体の構造である。４本の脚は、それぞれ中央付近の両端が削り取られて細くなっており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、各脚の細い部分に、ＦＢＧセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。

図３１には、本開示に係る術具ユニットにおいて起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層として使用することが可能な起歪体のさらに他の構成例（正面図及び斜視図）を示している。図示の起歪体は、４本の脚でシャフト（図３１では図示しない）を支持する４方向起歪体の構造である。４本の脚の中央付近には、折り畳み構造がそれぞれ形成されており、脚のその他の部分よりも歪み易くなるように構成されている。そして、各脚の折り畳み構造の部分に、ＦＢＧセンサとなるグレーティングが施された光ファイバーが取り付けられている。

起歪体用の材料としてＳＵＳなどの板金を使用する場合、厚みｔの精度が高く、図２７〜図３１に示すような形状をした起歪体を、レーザー加工によって低コストで製作することができる。

Ｆ．術具ユニットの具体的構造並びに組み立て方法
図３２には、図２７に示した起歪体を起歪体ａ層８１１及び起歪体ｂ層８１２に使用した術具ユニット８００の斜視図を示している。また、図３３には、図３２に示した術具ユニット８００のベース８０３部分の断面図を示している。

ベース８０３は、根元側（図示しない）で、ケーブルを牽引するモータを取り付ける、中空形状をした外側のモータベースと、モータベースの中央付近でシャフト８０１を取り付けるシャフトベースに分けられる。そして、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２を介して、シャフトベースがモータベースに取り付けられる。

図３４〜図３６には、組み立て前のベース８０３部分の斜視図、断面斜視図、並びに断面図をそれぞれ示している。また、図３７〜図３９には、組み立て後（又は、起歪体を組み込んだ後）のベース８０３部分の斜視図、断面斜視図、並びに断面図をそれぞれ示している。

モータベースは、先端側のモータベース前段部と、根元側のモータベースの後段部と、モータベース前段部とモータベース後段部に挟まれたモータベース中段部に３分割される。また、シャフトベースは、先端側のシャフトベース前段部と、根元側のシャフトベースの後段部と、シャフトベース前段部とシャフトベース後段部に挟まれたシャフトベース中段部に３分割される。

組み立ての過程では、図３５及び図３６から分かるように、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の中央付近で、シャフトベース中段部を挟持するとともに、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の周縁部でモータベース中段部を挟持する。また、起歪体ａ層８１１の周縁をモータベース前段部とモータベース中段部で挟持するとともに、起歪体ｂ層８１２の周縁をモータベース中段部とモータベース後段部で挟持する。モータベース前段部、モータベース中段部、及びモータベース後段部は、例えばネジを使って螺着されるが、その他の固定方法であってもよい。

なお、この状態では、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２、及び、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の各々に取り付けられているＦＢＧセンサは、予張力が加えられていない自然長の状態である。また、図３６から分かるように、この状態では、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の断面は、ほぼ平行で、「ハ」の字形状になっていない。また、起歪体ａ層８１１の中央付近とシャフトベース中段部の前面、及び起歪体ｂ層８１２の中央付近とシャフトベース中段部の背面は、接触せず、離間した状態である。

続いて、図３８及び図３９からも分かるように、起歪体ａ層８１１の中央付近をシャフトベース前段部とシャフトベース中段部で挟持するとともに、起歪体ｂ層８１２の中央付近をシャフトベース中段部とシャフトベース後段部で挟持する。シャフトベース前段部、シャフトベース中段部、及びシャフトベース後段部は、例えばネジを使って螺着されるが、その他の固定方法であってもよい。図３７〜図３９を省略しているが、シャフトベース前段部の先端に、術具ユニット８００のシャフト８０１を差し込んで使用される。

図３６及び図３９から分かるように、シャフトベース中段部の長手方向の寸法は、モータベース中段部の長手方向の寸法よりも短くなっている。したがって、図３７〜図３９に示すように、起歪体ａ層８１１の中央前方にシャフトベース前段部を取り付けて、シャフトベース中段部の前面に押し付けるとともに、起歪体ｂ層８１２の中央後方にシャフトベース後段部を取り付けて、シャフトベース中段部の背面に押し付けると、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の断面は「ハ」の字形状になる。この状態では、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２、及び、起歪体ａ層８１１と起歪体ｂ層８１２の各々に取り付けられているＦＢＧセンサには、予張力が加えられる。起歪体やＦＢＧセンサに予張力が与えられると、圧縮力が加わった際に座屈し難くなるという効果がある。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、本開示を手術用ロボットに用いられる術具に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本開示の要旨はこれに限定されるものではない。本開示は、精密作業ロボットなど、医療以外のさまざまな分野のロボットに適用することができる。

要するに、例示という形態により本開示について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

なお、本開示は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
中空形状のベースと、
前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
を具備する術具ユニット。
（２）前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
上記（１）に記載の術具ユニット。
（３）前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第１層の起歪体と第２層の起歪体からなる、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の術具ユニット。
（４）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
上記（３）に記載の術具ユニット。
（５）前記第１の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第２の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第１の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
請求項４に記載の術具ユニット。
（６）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
請求項５に記載の術具ユニット。
（７）前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
請求項６に記載の術具ユニット。
（８）前記第１の起歪体と前記第２の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
請求項７に記載の術具ユニット。
（９）前記第１の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第２の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第１の起歪体と前記第２の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項７に記載の術具ユニット。
（１０）前記第１の起歪体及び第２の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
請求項７に記載の術具ユニット。
（１１）前記歪みセンサはＦＢＧセンサからなる、
請求項６乃至１０のいずれかに記載の術具ユニット。
（１２）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体は板金により作成される、
請求項２乃至１１のいずれかに記載の術具ユニット。
（１３）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
請求項６乃至１２のいずれかに記載の術具ユニット。
（１４）中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
を具備する力検出装置。
（１４−２）前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
上記（１４）に記載の力検出装置。
（１４−３）前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第１層の起歪体と第２層の起歪体からなる、
上記（１４）又は（１４−２）のいずれかに記載の力検出装置。
（１４−４）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
上記（１４−３）に記載の力検出装置。
（１４−５）前記第１の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第２の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第１の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
上記（１４−４）に記載の力検出装置。
（１４−６）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
上記（１４−５）に記載の力検出装置。
（１４−７）前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
上記（１４−６）に記載の力検出装置。
（１４−８）前記第１の起歪体と前記第２の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
上記（１４−７）に記載の力検出装置。
（１４−９）前記第１の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第２の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第１の起歪体と前記第２の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
上記（１４−７）に記載の力検出装置。
（１４−１０）前記第１の起歪体及び第２の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
上記（１４−７）に記載の力検出装置。
（１４−１１）前記歪みセンサはＦＢＧセンサからなる、
上記（１４−６）乃至（１４−１０）のいずれかに記載の力検出装置。
（１４−１２）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体は板金により作成される、
上記（１４−２）乃至（１４−１１）のいずれかに記載の力検出装置。
（１４−１３）前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
上記（１４−６）乃至（１４−１２）のいずれかに記載の力検出装置。
（１５）術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
手術支援システム。

１…手術支援ロボット、１１…術具ユニット、１２…アーム
１００…術具ユニット、１０１…術具ユニット先端部
１０２…シャフト、１０３…術具ユニット駆動部
８００…術具ユニット、８０１…シャフト、８０２…エンドエフェクタ
８０３…ベース、８１１…起歪体ａ層、８１２…起歪体ｂ層
１４０１、１４０２…３方向起歪体
１５０１、１５０２…５方向起歪体

Claims (15)

1. 先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、
   中空形状のベースと、
   前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部と、
   を具備する術具ユニット。
2. 前記シャフトは、前記エンドエフェクタを駆動するためのケーブルを挿通し、
   前記ベースは、前記ケーブルを牽引するモータを配置する、
   請求項１に記載の術具ユニット。
3. 前記起歪部は、前記シャフトの長軸方向に順に配置された第１層の起歪体と第２層の起歪体からなる、
   請求項１に記載の術具ユニット。
4. 前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体は、複数本の脚で複数方向から前記ベースの内壁に対して前記シャフトの根元部分を支持する複数方向起歪体である、
   請求項３に記載の術具ユニット。
5. 前記第１の起歪体の各脚は、前記シャフトの長軸に直交する平面に対して所定の角度θだけ傾斜し、前記第２の起歪体の各脚は、前記平面に対して前記第１の起歪体の各脚とは逆の角度−θだけ傾斜している、
   請求項４に記載の術具ユニット。
6. 前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体の各脚に歪みセンサが取り付けられている、
   請求項５に記載の術具ユニット。
7. 前記各脚の歪み量に基づいて、前記シャフト又は前記エンドエフェクタの歪みモードを判定する、
   請求項６に記載の術具ユニット。
8. 前記第１の起歪体と前記第２の起歪体の同じ位置の脚の伸縮方向が一致する場合には、前記エンドエフェクタを牽引するケーブルの牽引力によって歪みが生じるケーブル牽引モードと判定する、
   請求項７に記載の術具ユニット。
9. 前記第１の起歪体の脚の伸縮方向は一致するとともに前記第２の起歪体の脚の伸縮方向は一致するが、前記第１の起歪体と前記第２の起歪体の脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
   請求項７に記載の術具ユニット。
10. 前記第１の起歪体及び第２の起歪体の各々において、対向する脚の伸縮方向は逆になる場合には、前記シャフトの長手方向に直交する方向に作用する外力によって歪みが生じるモードと判定する、
    請求項７に記載の術具ユニット。
11. 前記歪みセンサはＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサからなる、
    請求項６に記載の術具ユニット。
12. 前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体は板金により作成される、
    請求項２に記載の術具ユニット。
13. 前記第１の起歪体及び前記第２の起歪体と前記歪みセンサには予張力が与えられている、
    請求項６に記載の術具ユニット。
14. 中空形状のベース内でシャフトを支持する起歪部と、
    前記起歪部に歪み検出する歪みセンサと、
    を具備する力検出装置。
15. 術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
    前記術具は、先端にエンドエフェクタを有するシャフトと、中空形状のベースと、前記シャフトの根元部分を前記ベース内で支持する起歪部を備える、
    手術支援システム。

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