JP7455245B2 - 手術ロボットシステム及びその手術器具 - Google Patents
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Description
機械的構造は、シャフトと、シャフトの末端に接続されているエンドエフェクタと、を備え、
スリーブはシャフトの末端を覆う固定的な又は取り外し可能なスリーブを提供し、
力センサは、少なくとも一つの検知要素と、検知要素に接続されている周辺測定モジュールと、を備え、検知要素はスリーブ上に配設されてスリーブの歪み情報を取得するように構成されており、
周辺測定モジュールは、検知要素が取得した歪み情報に基づいて検知要素が測定した応力を取得し、検知要素が測定した応力、検知要素の位置、及び検知要素の検知軸の方向に基づいて、シャフト上でスリーブに及ぼされる作用力の等価な合力及び等価な合モーメントの両方を取得し、このことにより手術器具のエンドエフェクタに作用する接触力を取得するように構成されている、手術器具、によって達成される。
少なくとも一つの検知要素は可撓要素上に配置されて、可撓要素に対する応力を測定するように構成されている。
周辺測定モジュールは、そのスリーブ用の座標系{p}と、その末端にある手術器具用の座標系{q}と、座標系{q}における座標系{p}の位置及び姿勢の記述子と、を確立するように構成されており、
周辺測定モジュールは、座標系{q}における座標系{p}の姿勢の記述子と、座標系{p}における検知要素の検知軸の方向の記述子と、検知要素が測定した応力と、に基づいて、座標系{q}における検知要素が測定した応力の記述子を取得し、このことにより等価な合力Fqを取得するように更に構成されており、
周辺測定モジュールは、座標系{q}における座標系{p}の位置及び姿勢の記述子と、座標系{p}における検知要素の位置の記述子と、に基づいて、座標系{q}における検知要素の位置の記述子を取得するように更に構成されており、
周辺測定モジュールは、座標系{q}における検知要素が測定した応力の記述子に基づいて、座標系{q}におけるスリーブに作用する力のモーメントの記述子を取得し、このことにより等価な合モーメントMqを取得するように更に構成されている。
等価な合力Fqは、次式によって与えられる。
座標系{q}における四つの検知要素が測定した応力の記述子は、次式として与えられる。
等価な合力Fqは、次式によって与えられる。
検知要素の位置はそれぞれの中心位置として測定され、中心位置は座標系{q}において、次式として記述される。
制御ユニットはマスター及びスレーブの両方に通信可能に接続されており、制御ユニットは、手術器具の力センサからエンドエフェクタに作用する接触力についての情報を取得し情報を力指示器に送信するように構成されており、力指示器はエンドエフェクタに作用する接触力についての情報を示すように構成されている。
内視鏡と、
内視鏡に取り外し可能に接続されている内視鏡ホルダと、を備え、
手術器具の周辺測定モジュールは、スリーブ用の座標系{p}、手術器具用の座標系{q}、及び内視鏡用の座標系{e}を確立するように、並びに、座標系{q}から座標系{e}への回転を記述する行列eR及び座標系{q}から座標系{e}への位置ベクトルer=(rx ry rz)Tから、座標系{e}におけるエンドエフェクタに作用する接触力の記述子を、次式として取得するように構成されている。
Claims (23)
- 機械的構造と、スリーブと、力センサと、を備える手術器具であって、
前記機械的構造は、シャフトと、前記シャフトの末端に関節を介して接続されているエンドエフェクタと、を備え、
前記スリーブは、前記シャフトに固定的な又は取り外し可能なスリーブであって、前記スリーブは、前記シャフトの外径と一致する内径を有する、中空の内腔を含み、前記スリーブの内面は前記シャフトの外面と接続され、
前記スリーブは、前記関節と接触せず、
前記力センサは、少なくとも一つの検知要素と、前記検知要素に接続されている周辺測定モジュールと、を備え、前記検知要素は前記スリーブ上に配設されて前記スリーブの歪み情報を取得するように構成されており、
前記周辺測定モジュールは、前記検知要素が取得した前記歪み情報に基づいて前記検知要素が測定した応力を取得し、前記検知要素が測定した前記応力、前記検知要素の位置、及び前記検知要素の検知軸の方向に基づいて、前記シャフトによって前記スリーブに及ぼされる作用力の等価な合力及び等価な合モーメントの両方を取得し、このことにより前記手術器具の前記エンドエフェクタに作用する接触力を取得するように構成されている、手術器具。 - 前記エンドエフェクタは、前記シャフトの前記末端にロール関節およびピッチ関節を介して接続され、前記スリーブは、前記ロール関節および前記ピッチ関節のいずれにも接触せず、前記スリーブは、前記シャフトの前記末端に固定的なまたは取り外し可能なスリーブであって、前記スリーブの前記内面は前記シャフトの前記末端の外面に接続される、請求項1に記載の手術器具。
- 前記スリーブは周方向に沿って延在するくり抜き構造を備え、前記くり抜き構造は、複数の可撓要素と、前記可撓要素のうちの隣り合う二つの間に各々位置する開口部と、を備え、前記可撓要素は前記くり抜き構造よりも上にある前記スリーブの上側区域を前記くり抜き構造よりも下にある前記スリーブの下側区域に接続するように構成されており、
前記少なくとも一つの検知要素は前記可撓要素上に配置されて、前記可撓要素に対する応力を測定するように構成されている、請求項1に記載の手術器具。 - 前記可撓要素の弾性率は前記シャフトの弾性率以下である、請求項3に記載の手術器具。
- 前記可撓要素の各々は内面と外面と側面とを備え、前記少なくとも一つの検知要素は前記可撓要素の前記内面、外面、又は側面上に配置されている、請求項3に記載の手術器具。
- 前記くり抜き構造は、前記スリーブの軸方向中央部の周囲に配置されている、請求項3に記載の手術器具。
- 前記検知要素の前記検知軸は、前記スリーブの軸方向に対して平行又は垂直になるように配置されている、請求項1に記載の手術器具。
- 前記スリーブは、ねじ接続、ラッチ接続、又はスナップ嵌合によって、前記シャフトの前記末端を覆う取り外し可能なスリーブを提供する、請求項1に記載の手術器具。
- 前記スリーブは一方の端部が前記シャフトの前記末端と同一平面にある、請求項1に記載の手術器具。
- 前記周辺測定モジュールは、互いに通信可能に直列接続されている、データ取得ユニットと、信号調整ユニットと、計算及び出力ユニットと、を備え、前記データ取得ユニットは前記検知要素から出力された信号を獲得するように構成されており、前記信号調整ユニットは前記検知要素から出力された前記信号を調整するように構成されており、前記計算及び出力ユニットは前記調整された信号に基づいて計算を行って前記エンドエフェクタに対する前記接触力を取得するように構成されている、請求項1に記載の手術器具。
- 前記検知要素が測定した前記応力は、
によって与えられ、
上式において、iはi番目の検知要素、fiは前記i番目の検知要素が測定した応力、εiは、前記i番目の検知要素の前記検知軸の方向に沿って前記i番目の検知要素が表面に配置されている前記可撓要素の歪み、g(・)は前記応力と前記歪みの間の関係を記述する関数、kiは、前記i番目の検知要素の前記検知軸の前記方向に沿って前記i番目の検知要素が表面に配置されている前記可撓要素の応力-歪み係数、f(εi)は前記応力及び前記歪みに関する非線形補正項を表す、請求項3に記載の手術器具。 - 前記接触力は等価な合力Fqと等価な合モーメントMqとを含み、
前記周辺測定モジュールは、その前記スリーブ用の座標系{p}と、その前記末端にある前記手術器具用の座標系{q}と、前記座標系{q}における前記座標系{p}の位置及び姿勢の記述子と、を確立するように構成されており、
前記周辺測定モジュールは、前記座標系{q}における前記座標系{p}の前記姿勢の前記記述子と、前記座標系{p}における前記検知要素の前記検知軸の前記方向の記述子と、前記検知要素が測定した前記応力と、に基づいて、前記座標系{q}における前記検知要素が測定した前記応力の記述子を取得し、このことにより前記等価な合力Fqを取得するように更に構成されており、
前記周辺測定モジュールは、前記座標系{q}における前記座標系{p}の前記位置及び前記姿勢の前記記述子と、前記座標系{p}における前記検知要素の前記位置の記述子と、に基づいて、前記座標系{q}における前記検知要素の前記位置の記述子を取得するように更に構成されており、
前記周辺測定モジュールは、前記座標系{q}における前記検知要素が測定した前記応力の前記記述子に基づいて、前記座標系{q}における前記スリーブに作用する力のモーメントの記述子を取得し、このことにより前記等価な合モーメントMqを取得するように更に構成されている、請求項11に記載の手術器具。 - 前記座標系{p}における前記検知要素が測定した前記応力の記述子は、
によって与えられ、
上式において、eiは前記座標系{p}における前記i番目の検知要素の前記検知軸の前記方向の記述子を表す単位ベクトル、fiは前記i番目の検知要素が測定した前記応力、fxi、fyi、fziは前記座標系{p}の軸に沿った前記fiの成分、exi、eyi、eziは前記座標系{p}の軸に沿ったeiの成分である、請求項12に記載の手術器具。 - 前記座標系{q}における前記検知要素が測定した前記応力の前記記述子は、
によって与えられ、
上式において、左辺のfiは前記座標系{q}における前記i番目の検知要素が測定した前記応力の記述子を表し、qRは前記座標系{q}における前記座標系{p}の前記姿勢の前記記述子を表し、
前記等価な合力Fqは、
によって与えられ、
上式において、diag(・)はベクトル・の要素を対角要素とする対角行列を表し、nx、ny、nzはx軸、y軸、及びz軸のそれぞれの方向における重複する力の数を表す、請求項13に記載の手術器具。 - 前記座標系{q}における前記検知要素の前記位置の前記記述子は、
によって与えられ、
上式において、riは前記座標系{q}における前記i番目の検知要素の前記位置の記述子、priは前記座標系{p}における前記i番目の検知要素の前記位置の記述子、qRは前記座標系{q}における前記座標系{p}の前記姿勢の前記記述子、rpは前記座標系{q}における前記座標系{p}の前記位置の記述子である、請求項12又は13に記載の手術器具。 - 前記等価な合モーメントMqは、
によって与えられ、
上式において、nx'、ny'、nz'はx軸、y軸、及びz軸のそれぞれの方向における重複するモーメントの数を表す、請求項15に記載の手術器具。 - 前記くり抜き構造は前記周方向に沿って配置されている四つの可撓要素を備え、前記力センサは前記可撓要素のそれぞれ一つの外面上に各々配置されている四つの検知要素を備え、前記座標系{p}における前記四つの検知要素の検知軸の方向の記述子e1、e2、e3、e4は全て(1,0,0)Tであり、
前記座標系{q}における前記四つの検知要素が測定した応力の記述子は、
として与えられ、
上式において、fx1、fx2、fx3、fx4はそれぞれ、前記座標系{q}のx軸の方向において前記四つの検知要素の第1から第4の検知要素が測定した応力を表し、
前記等価な合力Fqは、
によって与えられる、請求項13に記載の手術器具。 - 前記座標系{q}における前記座標系{p}の前記姿勢の前記記述子であるqRは恒等行列であり、
前記検知要素の前記位置はそれぞれの中心位置として測定され、前記中心位置は前記座標系{q}において、
として記述され、
上式において、pr1、pr2、pr3、pr4は前記座標系{p}における前記四つの検知要素の前記中心位置の記述子、rpは前記座標系{q}における前記座標系{p}の前記位置の記述子、x1、x2、x3、x4は前記座標系{q}における前記四つの検知要素の第1から第4の検知要素の前記中心位置のx軸座標、y1、y2、y3、y4は前記座標系{q}における前記第1から第4の検知要素の前記中心位置のy軸座標、z1、z2、z3、z4は前記座標系{q}における前記第1から第4の検知要素の前記中心位置のz軸座標、r1、r2、r3、r4は前記座標系{q}における前記第1から第4の検知要素の前記位置の記述子である、請求項17に記載の手術器具。 - 前記等価な合モーメントMqは、
として与えられる、請求項18に記載の手術器具。 - 前記スリーブの全体が前記シャフトの前記末端と重なる、請求項1に記載の手術器具。
- スレーブを備え、
前記スレーブは、
ロボットアームと、
請求項1から20のいずれか一項に定義されている手術器具と、を備え、
前記ロボットアームは前記手術器具に取り外し可能に接続されている末端を備え、前記ロボットアームは遠隔運動中心を中心として移動するよう前記手術器具を駆動するように構成されている、手術ロボットシステム。 - マスターと制御ユニットとを更に備え、前記マスターは力指示器を備え、
前記制御ユニットは前記マスター及び前記スレーブの両方に通信可能に接続されており、前記制御ユニットは、前記手術器具の前記力センサから前記エンドエフェクタに作用する接触力についての情報を取得し前記情報を前記力指示器に送信するように構成されており、前記力指示器は前記エンドエフェクタに作用する前記接触力についての前記情報を示すように構成されている、請求項21の記載の手術ロボットシステム。 - 前記スレーブは、
内視鏡と、
前記内視鏡に取り外し可能に接続されている内視鏡アームと、を更に備え、
前記手術器具の周辺測定モジュールは、前記スリーブ用の座標系{p}、前記手術器具用の座標系{q}、及び前記内視鏡用の座標系{e}を確立するように、並びに、前記座標系{q}から前記座標系{e}への回転を記述する行列eR及び前記座標系{q}から前記座標系{e}への位置ベクトルer=(rx ry rz)Tから、前記座標系{e}における前記エンドエフェクタに作用する前記接触力の記述子を、
として取得するように構成されており、
上式において、eFは前記座標系{e}における合力、eMは前記座標系{e}における合モーメント、S(er)は前記ベクトルerに対応する反対称行列、Fqは前記エンドエフェクタに作用する前記接触力の前記等価な合力、Mqは前記エンドエフェクタに作用する前記接触力の前記等価な合モーメントを表し、
である、請求項21又は22に記載の手術ロボットシステム。
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