WO2018061683A1 - 力覚提示装置 - Google Patents

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WO2018061683A1
WO2018061683A1 PCT/JP2017/032129 JP2017032129W WO2018061683A1 WO 2018061683 A1 WO2018061683 A1 WO 2018061683A1 JP 2017032129 W JP2017032129 W JP 2017032129W WO 2018061683 A1 WO2018061683 A1 WO 2018061683A1
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WO
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vibration
force
sense presentation
presentation device
unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/032129
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English (en)
French (fr)
Inventor
鈴木　裕之
竜太 堀江
長阪　憲一郎
Original Assignee
ソニー株式会社
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Publication date
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Priority to US16/333,274 priority patent/US10990179B2/en
Priority to EP17855641.1A priority patent/EP3521976A4/en
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    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/35—Surgical robots for telesurgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer

Definitions

  • This disclosure relates to a haptic device.
  • a master-slave type medical robot system is known as a medical robot system used when performing endoscopic surgery, which enables an approach to an affected area without greatly incising a patient's body.
  • an operator such as a doctor operates a master device including an input interface
  • a slave device including a medical instrument such as a forceps or a lever is remotely operated according to the operation of the operator.
  • the slave device is configured, for example, as an arm robot in which a surgical tool is held at the tip, and can change the position or posture of the surgical tool within the abdominal cavity with a high degree of freedom and a wide range of motion.
  • the surgeon mistakes the amount of movement operation and force, and may damage the patient's biological tissue.
  • a medical robot system that employs bilateral control that presents the force generated in the slave device to the master device.
  • bilateral control feedback control is performed between the slave device and the master device so that the positions and forces of the surgical instrument and the input interface coincide.
  • a medical robot system that employs such bilateral control there is an apparatus in which force sense presentation is performed in accordance with a user input operation force detected by a force sensor provided in a master apparatus.
  • Patent Document 1 discloses three force sensors that respectively detect force components in three axial (x, y, z) directions orthogonal to each other, and three angles that respectively detect a roll angle, a pitch angle, and a yaw angle.
  • a master device is disclosed that includes a sensor and three position sensors that respectively detect the tip position of a dental tool handle on an xyz coordinate system.
  • Such a master device is a force sense presentation device having a multi-degree-of-freedom parallel link structure and a force sensor, and is an actuator that controls the posture of the parallel link structure according to the force of a user input operation detected by the force sensor. Drive control is performed.
  • Patent Document 2 discloses a pressure / tactile sensation presentation apparatus that expresses a pseudo pressure / tactile sensation using vibration as an expression of an operation state.
  • a pressure / tactile sense presentation device detects a contact state between a surgical instrument such as forceps and an object by a pressure / tactile sensor, and drives a pressure / tactile sense presentation device such as a voice coil according to the output of the pressure / tactile sensor. Then, pressure / tactile sensation is transmitted to the user's fingertip.
  • a new and improved force sensation capable of suppressing the vibration of a vibration actuator used for presentation of pressure sensation / tactile sensation (hereinafter also collectively referred to as “tactile sensation”) to the force sensor.
  • a presentation device is proposed.
  • a force sensor that detects a force input to an operation unit operated by a user, a vibration generation source for presenting a force or tactile sensation to the user, and between the force sensor and the vibration generation source
  • a force sense presentation device comprising a vibration damping member interposed between the first and second vibration damping members.
  • FIG. 9 It is the figure which looked at the power transmission mechanism shown in FIG. 9 in the direction of arrow A. It is a perspective view of a power transmission mechanism. It is explanatory drawing which shows the use condition of a force sense presentation apparatus. It is a perspective view which shows the structural example of a vibration transmission suppression structure. It is a top view which shows the structural example of a vibration transmission suppression structure. It is sectional drawing which shows the structural example of a vibration transmission suppression structure. It is a perspective view which shows the structural example of the support part which supports a contact part. It is explanatory drawing which shows the magnitude
  • a configuration example of a medical robot system to which a force sense presentation device according to an embodiment of the present disclosure can be applied will be described with reference to FIG.
  • a medical robot system 1 shown in FIG. 1 is a master-slave type medical robot system.
  • the medical robot system 1 when the user operates the master device 60, an operation command is transmitted to the slave device 90 by wired or wireless communication means, and the slave device 90 is remotely operated.
  • the force sense presentation device according to the present embodiment can be applied to the master device 60.
  • the remotely-operated slave device 90 may be, for example, a forceps unit that includes an arm having six degrees of freedom and has a forceps attached to the tip of the arm.
  • the slave device 90 may have a medical instrument such as a lever or a cutting instrument instead of the forceps.
  • the slave device 90 changes the position and orientation of the forceps based on an operation command from the master device 60, and performs a gripping operation with the forceps.
  • the master device 60 may be, for example, an arm device including a grip-type operation unit that is gripped by a user and an arm having six degrees of freedom with the operation unit attached to the tip.
  • the user remotely operates the position and posture of the forceps of the slave device 90 by displacing the position and posture of the operation unit of the master device 60.
  • the user remotely operates the forceps gripping operation of the slave device 90 by performing the gripping operation of the operation unit of the master device 60.
  • the medical robot system 1 includes a slave device 90, a master device 60, a control device 79, a first vibration transmission unit 70, and a second vibration transmission unit 80.
  • the control device 79 drives the slave device 90 in accordance with an instruction input via the master device 60.
  • the first vibration transmission unit 70 transmits the vibration detected by the tactile vibration sensor 97 provided in the slave device 90 to the master device 60.
  • the second vibration transmission unit 80 transmits the vibration detected by the auditory vibration sensor 99 provided in the slave device 90 to the master device 60.
  • the medical robot system 1 may include various components included in a general master-slave medical robot system.
  • an information transmission system is a system for performing drive control of the slave device 90 and force sense presentation to the operator, and for transmitting vibration detected on the slave device 90 side to the operator. Broadly divided into systems. The medical robot system 1 will be briefly described below for each information transmission system.
  • the drive control of the slave device 90 information indicating an instruction for driving the arm of the slave device 90 is obtained from the master device 60 by the operator operating the operation unit attached to the tip of the arm of the master device 60. It is transmitted to the control device 79.
  • the surgical instrument has a drive site like the above-described forceps
  • information indicating an instruction for driving the surgical instrument can also be transmitted from the master device 60 to the control device 79.
  • the master device 60 has a grip-type operation unit. The configuration of the operation unit will be described in detail later.
  • the master device 60 includes a force sensor (torque sensor) 61, a rotation angle sensor 63, and a motor 65 as components for performing drive control and force sense presentation of the slave device 90.
  • the force sensor 61 is provided, for example, at a connection portion between an arm and an operation unit attached to the tip of the arm, and detects forces acting in three axial directions orthogonal to each other. That is, the force sensor 61 detects a force input to the operation unit by the operator.
  • the rotation angle sensor 63 is provided at a plurality of joint portions of the arm and detects the rotation angle of each joint portion.
  • the rotation angle sensor 63 may be an encoder, for example.
  • the control device 79 performs various calculations related to drive control of the slave device 90 based on information input from the force sensor 61 and the rotation angle sensor 63. For example, when the control device 79 performs drive control of the slave device 90 by force control, the control device 79 should generate each motor 95 of the arm of the slave device 90 based on the force acting on the operation unit detected by the force sensor 61. Calculate the torque. In addition, when the drive control of the slave device 90 is performed by the position control, the control device 79 determines each joint portion of the arm of the slave device 90 based on the rotation angle of each joint portion of the arm detected by the rotation angle sensor 63. A target value of the rotation angle is calculated. Further, when the surgical instrument of the slave device 90 has a drive part, a control amount for driving the surgical instrument can be calculated by the control device 79.
  • control device 79 various known control methods may be used as the drive control method of the slave device 90.
  • the control device 79 a device suitable for the adopted control method can be appropriately constructed.
  • the specific configuration of the control device 79 may be the same as the existing one corresponding to various control methods, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the slave device 90 includes a force sensor (torque sensor) 91, a rotation angle sensor 93, and a motor 95 as components used for arm drive control and force sense presentation.
  • a drive signal corresponding to the control amount calculated by the control device 79 is transmitted to the motor 95 of the slave device 90.
  • the motor 95 is provided, for example, at a plurality of joint portions of the arm, and rotationally drives each joint portion.
  • the motor 95 may be a servo motor, for example.
  • the control device 79 can transmit a motor drive signal for operating the drive part.
  • the surgical tool operates as instructed by the operator via the master device 60.
  • the force sensor 91 detects an external force acting on the surgical instrument.
  • the force sensor 91 is provided, for example, at a plurality of joint portions of the arm, and detects a force (torque) acting on each joint portion.
  • the rotation angle sensor 93 is provided, for example, at a plurality of joint portions of the arm, and detects the rotation angle of each joint portion.
  • the rotation angle sensor 93 may be an encoder, for example.
  • Information detected by the force sensor 91 and the rotation angle sensor 93 is transmitted to the control device 79.
  • the control device 79 sequentially grasps the current state of the arm based on the information, and calculates the control amount described above in consideration of the current state of the arm.
  • the force acting on each joint detected by the force sensor 91 may reflect the force acting on the surgical instrument attached to the tip of the arm.
  • the control device 79 extracts the component of the force acting on the surgical instrument from the forces acting on the joints detected by the force sensor 91, and calculates the control amount of the motor 65 of the master device 60.
  • the motor 65 may be a servo motor, for example.
  • the control device 79 drives the arm to drive the arm so as to give resistance to the operation input to the operation unit by the operator, for example.
  • the medical robot system 1 has a function of detecting the force acting on the surgical instrument and feeding back the force to the operator.
  • the slave device 90 includes a tactile vibration sensor 97 and an auditory vibration sensor 99 as elements used for vibration transmission to the surgeon.
  • the tactile vibration sensor 97 and the auditory vibration sensor 99 may be attached to the proximal end side of the surgical instrument, for example.
  • the tactile vibration sensor 97 detects tactile vibration generated in the surgical instrument
  • the auditory vibration sensor 99 detects auditory vibration (that is, sound) generated in the surgical instrument.
  • the tactile vibration sensor 97 may be an acceleration sensor, for example.
  • the auditory vibration sensor 99 may be a condenser microphone, for example.
  • a signal indicating the tactile vibration detected by the tactile vibration sensor 97 is input to the first vibration transmitting unit 70.
  • the first vibration transmission unit 70 generates a drive signal for the vibration source 67 of the master device 60 based on the input signal indicating the tactile vibration.
  • the first vibration transmission unit 70 amplifies the input signal indicating the tactile vibration with the amplifier 71, performs the vibration frequency correction processing with the frequency characteristic correction circuit 73, and further performs the bandpass filter 75.
  • the drive circuit 77 drives the vibration generation source 67 of the master device 60 based on the input signal. Thereby, the vibration corresponding to the tactile vibration detected by the slave device 90 is generated by the vibration generating source 67, and the tactile vibration generated in the surgical instrument is transmitted to the operator.
  • the vibration generation source 67 is, for example, one of a piezoelectric vibration actuator, a voice coil motor vibration actuator, a linear vibration actuator, an ERM (Eccentric Rotating Mass) vibration actuator, or an EPAM (Electroactive Polymer Artifical Muscle) vibration actuator. There may be one.
  • a signal indicating the auditory vibration detected by the auditory vibration sensor 99 is input to the second vibration transmitting unit 80.
  • the second vibration transmission unit 80 outputs a drive signal for the speaker 69 of the master device 60 based on the input signal indicating auditory vibration.
  • the second vibration transmission unit 80 amplifies the input signal indicating the auditory vibration by the amplifier 81, performs the vibration frequency correction processing by the frequency characteristic correction circuit 83, and further performs the band pass filter 85.
  • the drive circuit 87 drives the speaker 69 of the master device 60 based on the input signal. Thereby, the sound corresponding to the auditory vibration detected by the slave device 90 is output from the speaker 69, and the auditory vibration generated in the surgical instrument is transmitted to the operator.
  • control device 79 may be provided in at least one of the slave device 90 and the master device 60.
  • some or all of the components of the first vibration transmission unit 70 and the second vibration transmission unit 80 may be provided in at least one of the slave device 90 or the master device 60.
  • FIG. 2 is a perspective view of the master device 60 according to the present embodiment.
  • a master device 60 shown in FIG. 2 includes a support arm unit 20, a main body unit 30, a base unit 40, and an operation unit 100.
  • the base portion 40 is a base portion of the master device 60, and may be configured by combining aluminum frame materials, for example. However, the configuration of the base unit 40 is not limited to this example.
  • a support base 50 is attached to the base portion 40. The surgeon can obtain operational stability by operating the operation unit 100 with the elbow or arm placed on the support base 50.
  • the support base 50 may not be attached to the base portion 40 and may not be included in the components of the master device 60.
  • the support arm part 20 is supported by the main body part 30 on the base end side.
  • An operation unit 100 is attached to the distal end side of the support arm unit 20.
  • the support arm unit 20 includes a first arm unit 20a, a second arm unit 20b, a third arm unit 20c, and a fourth arm unit 20d.
  • the distal end side of each of the first arm portion 20 a, the second arm portion 20 b, and the third arm portion 20 c is connected to the fourth arm portion 20 d, and the proximal end side is connected to the main body portion 30.
  • the main body 30 includes three motors 65 (one not shown) that controls the rotation of the first arm part 20a, the second arm part 20b, and the connection part between the third arm part 20c and the main body part 30. ) Is provided.
  • the first arm portion 20a, the second arm portion 20b, and the third arm portion 20c are configured by connecting a plurality of link portions in series so as to be rotatable with respect to each other. Further, the connecting portions of the first arm portion 20a, the second arm portion 20b, the third arm portion 20c, and the fourth arm portion 20d are also rotatably connected to each other. Further, the first arm portion 20a, the second arm portion 20b, the third arm portion 20c, and the connecting portion of the main body portion 30 are also connected to each other so as to be rotatable.
  • the connecting portion of the plurality of link portions or arm portions becomes a joint portion, and the angle of each link portion or arm portion can be freely changed around the joint portion. Thereby, the position on the space of the operation part 100 attached to the front end side of the support arm part 20 can change freely.
  • the fourth arm portion 20d is configured by connecting a plurality of arms, and each arm is rotatable about its axis. Thereby, the direction of the operation part 100 attached to the front end side of the support arm part 20 can change freely.
  • Encoders for detecting the rotation angles of the respective arm portions are provided at connecting portions of the first arm portion 20a, the second arm portion 20b, the third arm portion 20c, and the main body portion 30, respectively. ing.
  • the fourth arm portion 20d is provided with a plurality of encoders that detect the shaft rotation angle of each arm.
  • the encoder is an example of a sensor that detects a rotation angle, and may be replaced with another sensor. Signals indicating the rotation angles detected by these encoders are transmitted to the control device 79 described above.
  • the operation unit 100 functions as a grasping interface for operating a surgical tool supported by a slave device (not shown).
  • a slave device not shown.
  • a force sensor 61 is provided at a connection portion between the operation unit 100 and the fourth arm unit 20d. The force sensor 61 detects a force input to the operation unit 100 by the operator.
  • the control device 79 described above controls the posture of the arm of the slave device based on the information of the rotation angle detected by the encoder provided in the master device 60, and thereby determines the position and orientation of the surgical instrument supported by the slave device. Change. At this time, the control device 79 detects the external force acting on the surgical instrument of the slave device, and controls the movement of the operation unit 100 operated by the operator by driving and controlling the three motors 65 based on the external force. On the other hand, a reaction force is applied, and a force sense for the moving operation of the operation unit 100 is presented to the operator.
  • the control device 79 acquires a signal indicating the operation amount of the gripping operation from the operation unit 100, and the technique attached to the slave device based on the signal. Have the tool perform a gripping action. At this time, the control device 79 detects a reaction force with respect to the grasping operation of the surgical instrument attached to the slave device, and drives and controls a motor (not shown) provided in the operation unit 100 based on the reaction force. A force sense for the grasping operation of the operation unit 100 may be presented to the surgeon.
  • the operation unit 100 also has a vibration generation source (not shown) such as a voice coil motor.
  • the first vibration transmission unit 70 described above detects tactile vibration generated in the surgical instrument of the slave device, and presents a tactile sensation to the operator by driving and controlling a vibration generation source based on the tactile vibration.
  • the master device 60 has a speaker (not shown).
  • the second vibration transmission unit 80 described above detects auditory vibration generated in the surgical instrument of the slave device, and outputs a sound by driving a speaker based on the auditory vibration.
  • the support arm unit 20 including the rotation angle sensor that detects the rotation angle of the joint part and the axis rotation angle of the arm can be configured using a conventionally known support arm device. The detailed description of is omitted.
  • FIG. 3 shows a usage example of the master device 60 according to the present embodiment.
  • two master devices 60R and 60L for right hand and left hand are provided.
  • the surgeon places both arms or both elbows on the support base 50 and grasps the operation units 100R and 100L with the right hand and the left hand, respectively.
  • the surgeon operates the operation units 100R and 100L while looking at the monitor 210 on which the surgical field is displayed.
  • the surgeon displaces the positions and orientations of the operation units 100R and 100L to remotely control the position or orientation of the surgical instrument attached to the slave device (not shown), or grasping operation by the surgical instrument. May be performed.
  • FIGS. 4 is a perspective view of the operation unit 100
  • FIG. 5 is a side view of the operation unit 100 of FIG. 4 viewed from the front side
  • FIG. 6 is a bottom view of the operation unit 100 of FIG. 4 as viewed from below
  • FIG. 7 is a top view of the operation unit 100 of FIG. 4 as viewed from above.
  • FIG. 8 is an explanatory view showing the internal structure of the operation unit 100, and is an internal perspective view of the operation unit 100 of FIG. 4 viewed from the back side.
  • the operation unit 100 includes a housing 101 that houses a motor 187 and an encoder 185 therein.
  • the casing 101 has a long rod-like outer shape as a whole so that the user can easily hold it. That is, the operation unit 100 is a so-called stylus-type gripping interface.
  • the operation unit 100 is attached to the fourth arm unit 20d of the master device 60 on the distal end side.
  • a force sensor 61 is provided at a connection portion between the distal end side of the operation unit 100 and the fourth arm unit 20d.
  • Encoder 185 is an example of a rotation angle sensor that detects the rotation angle of motor 187.
  • the sensor that detects the rotation angle of the motor 187 is not limited to the encoder 185.
  • the output shaft of the motor 187 is disposed along the longitudinal direction of the operation unit 100 and is connected to a pulley 170 disposed on the distal end side of the operation unit 100. Thereby, the pulley 170 can be rotated by the driving torque of the motor 187.
  • the pulley 170 is exposed to the outside of the housing 101, and the rail portion 120 faces the outer peripheral surface 171 of the pulley 170 on one side of the operation unit 100.
  • the outer peripheral surface 171 of the pulley 170 is formed by a part of a virtual conical surface having a conical axis that coincides with the axis of the output shaft of the motor 187.
  • a rotating shaft member 151 is provided on the rear end side of the housing 101. Both ends of the rotating shaft member 151 are supported by the bearing portion 155 and the housing 101.
  • a master frame 110 as a frame portion is coupled to the rotation shaft member 151 so as to be rotatable about the rotation shaft member 151.
  • the master frame 110 that rotates about the rotation shaft member 151 and the entire components attached to the master frame 110 correspond to the movable portion in the present disclosure.
  • the master frame 110 is a long member disposed along the longitudinal direction on one side surface of the operation unit 100 and extends along a direction intersecting the axial direction of the rotary shaft member 151.
  • a contact portion 105 having a surface that intersects with the rotation direction of the master frame 110 and extends along the longitudinal direction of the operation portion 100 is provided at an appropriate position on the front end side of the master frame 110. .
  • the contact portion 105 is attached to the master frame 110 using a support portion 109.
  • the contact unit 105 includes a placement unit 107 on which, for example, a user's index finger is placed.
  • the placement unit 107 has an arcuate shape so as to easily conform to the shape of the operator's finger. The operator can hold the operation unit 100 as if holding a writing pen, and can place the index finger on the mounting unit 107 to rotate the master frame 110.
  • a vibration source 67 is provided in the vicinity of the contact portion 105. Specifically, a vibration generating source 67 is attached to the back surface side of the surface of the support portion 109 where the contact portion 105 is disposed. In this embodiment, a voice coil motor type vibration actuator is used as the vibration source 67, but another vibration source may be used.
  • the vibration generation source 67 generates vibrations to be transmitted to the operator's finger placed on the placement unit 107, and presents tactile vibrations acting on the surgical instrument of the slave device to the operator.
  • a rail portion 120 extending in the rotation direction of the master frame 110 is provided on the front end side of the master frame 110.
  • the rail portion 120 has a substantially arc-shaped outer shape, and rotates along the extending direction of the rail portion 120 as the master frame 110 rotates. That is, the rail part 120 rotates around the rotating shaft member 151.
  • the rail part 120 has a facing surface 128 that faces the outer peripheral surface 171 of the pulley 170.
  • the facing surface 128 is formed by a part of a virtual conical surface having the rotation shaft member 151 as a conical axis.
  • a wire 135 is wound around the wire groove 173 of the pulley 170. Both ends of the wire 135 are disposed on the rail portion 120, and the central portion of the wire 135 is wound around the pulley 170.
  • the wire 135 functions as a member that transmits power, and the driving torque generated by the motor 187 is transmitted to the rail portion 120 via the pulley 170 and the wire 135.
  • the rotational torque of the rail portion 120 can be transmitted to the motor 187 via the wire 135 and the pulley 170.
  • the force sensor 61 is provided at the connection portion between the operation unit 100 and the fourth arm unit 20d of the support arm unit 20.
  • the force sensor 61 may be a six-axis force sensor that detects the force and twist of the three-direction six-axis component input to the operation unit 100 operated by the operator.
  • the force sensor 61 When a translational force or a twisting direction force is applied to the operation unit 100, the force sensor 61 generates an output corresponding to the moment of the force.
  • the control device 79 described above detects the force moment input to the operation unit 100 by the force sensor 61, and based on the force moment, the arm of the slave device is detected. Control attitude. Thereby, the position and direction of the surgical instrument attached to the slave device can be controlled smoothly.
  • the motor 187 and the encoder 185 are electrically connected to the above-described control device 79 by cables or the like (not shown).
  • a force sensor 61 that detects a force input to the operation unit 100 is also electrically connected to the control device 79.
  • the vibration generation source 67 is electrically connected to the first vibration transmission unit 70 described above.
  • detection signals from the encoder 185 and the force sensor 61 are output to the control device 79, and a drive signal is input from the control device 79 to the motor 187.
  • a drive signal is input from the drive circuit of the first vibration transmission unit 70 to the vibration generation source 67.
  • FIG. 9 is an explanatory view showing the periphery of the pulley 170 and the rail part 120 in an enlarged manner.
  • 10 is a view taken in the direction of arrow A in FIG.
  • FIG. 11 is an enlarged perspective view showing the periphery of the pulley 170 and the rail portion 120.
  • the driving torque of the motor 187 provided in the operation unit 100 can be transmitted to the rail unit 120 via the pulley 170 and the wire 135. Further, the rotational torque when the rail portion 120 is rotated by the operator can be transmitted to the motor 187 via the wire 135 and the pulley 170.
  • the pulley 170 rotated by the driving force of the motor 187 has an outer peripheral surface 171 formed by a part of a virtual conical surface having a conical axis coinciding with the axis of the output shaft of the motor 187. That is, the outer peripheral surface 171 has a tapered shape.
  • a spiral wire groove 173 that turns on the outer peripheral surface 171 is provided on the outer peripheral surface 171 of the pulley 170.
  • Rail portion 120 has a facing surface 128 that faces the outer peripheral surface of pulley 170.
  • the facing surface 128 is formed by a part of a virtual conical surface having a conical axis as the axis of the rotating shaft member 151.
  • a first guide portion 121 and a second guide portion 123 for guiding the wire 135 are provided on the facing surface 128 of the rail portion 120 along the circumferential direction of the second virtual conical surface.
  • the 1st guide part 121 and the 2nd guide part 123 can be made into the wall part of the predetermined length which protrudes from the opposing surface 128, respectively.
  • a wire 135 is wound around the pulley 170 as a means for transmitting the rotational torque of the pulley 170 to the rail portion 120.
  • the wire 135 is wound along a spiral wire groove 173 formed on the outer peripheral surface 171 of the pulley 170.
  • the wire 135 led out from the front side of the pulley 170 having a large diameter is guided and disposed by the first guide part 121. Further, the wire 135 led out from the rear side of the pulley 170 having a small diameter is guided and disposed by the second guide portion 123.
  • the end portion of the wire 135 disposed along the first guide portion 121 is guided to the back side of the facing surface 128 through a hole 125 provided in the rail portion 120 and fixed to a fixing means such as a screw. Is done.
  • the end of the wire 135 disposed along the second guide portion 123 is located on the back side of the facing surface 128 through the hole 127 provided in the rail portion 120.
  • Guided and fixed to one end of a spring 130 fixed to the back side of the rail portion 120. Thereby, tension is applied to the wire 135 using the elastic force of the spring 130, and the slack of the wire 135 on the pulley 170 and the rail portion 120 can be suppressed.
  • the spring 130 is an example of a configuration for applying tension to the wire 135, and another tension generating unit may be employed.
  • the facing surface of the rail portion 120 is formed by a part of the conical surface, the wire 135 slides on the facing surface 128 of the rail portion 120 due to the tension of the wire 135 and is sent to the pulley 170.
  • the opposing surface 128 of the rail part 120 is provided with the first guide part 121 and the second guide part 123, and the wire 135 on the rail part 120 has the first guide part 121 or the second guide part due to tension. It is pressed against the guide part 123. Thereby, the position shift of the wire 135 is prevented.
  • the wire 135 disposed along the first guide portion 121 and the second guide portion 123 is not limited to the winding position of the pulley 170 or the pulley regardless of the rotation angle of the pulley 170 and the position of the rail portion 120. It is located at the delivery position from 170. Therefore, the wire 135 wound around the pulley 170 is appropriately disposed along the wire groove 173, and the power can be smoothly transmitted between the rail portion 120 and the pulley 170.
  • FIG. 12 shows how the surgeon rotates the master frame 110 and the rail portion 120.
  • the upper part of FIG. 12 shows a state where the master frame 110 and the rail part 120 are placed at the origin position. At this time, the pulley 170 is opposed to the distal end portion of the rail portion 120. 12 shows a state in which the master frame 110 and the rail portion 120 are pushed to about half of the movable range. At this time, the pulley 170 is opposed to the central portion of the rail portion 120 (see FIG. 9).
  • the lower part of FIG. 12 shows a state in which the master frame 110 and the rail part 120 are pushed most. At this time, the pulley 170 faces the facing surface 128 on the base side of the rail portion 120. In this manner, the surgeon can perform the gripping operation of the operation unit 100 by pushing the contact unit 105 with an index finger or the like.
  • the pulley 170 rotates and the output shaft of the motor 187 also rotates.
  • the control device 79 described above receives the information on the rotation angle of the motor 187 detected by the encoder 185, drives the driving portion of the operation tool of the slave device based on the change in the rotation angle, and performs the grasping operation on the operation tool. Let it be done. Further, the first vibration transmission unit 70 described above drives the vibration generation source 67 based on the tactile vibration acting on the surgical instrument of the slave device, and presents the operator with a tactile sensation.
  • the operation unit 100 has a vibration transmission suppressing structure for suppressing the vibration generated by the vibration generating source 67 used for presenting the sense of touch to the operator from being transmitted to the force sensor 61.
  • the force sensor 61 is a sensor that detects a force generated by the operation of the operation unit 100 by the operator, and therefore the operation unit 100 suppresses transmission of vibration of the vibration generation source 67 to the force sensor 61.
  • the structure is provided.
  • FIG. 13 to 16 are explanatory views showing the vibration transmission suppressing structure.
  • 13 is a perspective view of the operation unit 100 as viewed from the rear end side
  • FIG. 14 is a plan view showing the contact unit 105 supported by the master frame 110
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along II of FIG. It is sectional drawing which shows a cross section typically.
  • FIG. 16 is a perspective view of the support portion 109.
  • the contact portion 105 that comes into contact with a part of the operator such as an index finger is attached to the master frame 110 using the support portion 109.
  • the support portion 109 is a member that is cantilevered by the master frame 110 and includes a frame connection portion 191, an elastic portion 193, and a fixing portion 194.
  • the support part 109 can be formed of, for example, stainless steel.
  • the support portion 109 includes a frame connection portion 191 having a U-shaped cross section together with a part of the elastic portion 193, and a fixed portion having a planar shape substantially corresponding to the planar shape of the contact portion 105. 194 and an elastic portion 193 provided between the frame connecting portion 191 and the fixed portion 194.
  • the fixing portion 194 has three small holes 195a, 195b, 195c and one large hole 197. Fixing screws 198 for attaching the contact portion 105 and the vibration generating source 67 are inserted into the three small holes 195a, 195b, 195c, respectively. In addition, a part of the vibration source 67 is inserted into the large hole 197 to allow direct contact between the vibration source 67 and the contact portion 105. Thereby, the vibration generated by the vibration generation source 67 is easily transmitted to the operator.
  • the frame connecting portion 191 of the support portion 109 is attached to the master frame 110 via the vibration damping member 165.
  • the vibration attenuating member 165 is interposed between the force sensor 61 and the vibration generation source 67, absorbs vibration generated from the vibration generation source 67, and suppresses transmission of the vibration to the force sensor 61.
  • the vibration damping member 165 is a sheet-like member disposed between the master frame 110 and the support portion 109, and the vibration of the support portion 109 to which the vibration generation source 67 is attached is transmitted to the master frame 110. By suppressing the transmission, the vibration of the vibration generation source 67 is hardly transmitted to the force sensor 61 via the master frame 110, the casing 101, and the like.
  • the vibration damping member 165 By disposing the vibration damping member 165 between the support portion 109 and the master frame 110, the vibration generated by the vibration generating source 67 can be transmitted to the contact portion 105 without passing through the vibration damping member 165.
  • the sheet-like vibration damping member 165 may be formed of, for example, at least one of carbon fiber reinforced resin, rubber, foaming sponge, foaming synthetic resin, or gel. These high attenuation rate materials can effectively reduce the transmission rate of vibration from the support portion 109 to the master frame 110. In particular, when a sheet-like vibration damping member 165 made of carbon fiber reinforced resin is used, high rigidity is obtained in combination with the realization of a low vibration transmission rate.
  • the elastic part 193 of the support part 109 has a function as a vibration frequency band limiting part.
  • the elastic portion 193 is a portion having a substantially U shape that connects the frame connecting portion 191 and the fixing portion 194, and includes a first elastic portion 193a provided at the center with an opening 192 interposed therebetween, and It has the 2nd elastic part 193b.
  • the elastic portion 193 is configured to have an appropriate elastic constant, and realizes a function as a low-pass filter that restricts transmission of vibration exceeding a predetermined frequency. Therefore, the vibration band can be selectively adjusted according to the dynamic range required for the force sensor 61.
  • the elastic constant of the elastic part 193 is the Young's modulus of the constituent material of the elastic part 193, the thickness, size or shape of the first elastic part 193a and the second elastic part 193b, or the size of the opening 192. By adjusting at least one of them, it can be set to a desired value. For example, since the force detected by the force sensor 61 corresponds to vibration in a relatively low frequency band, the elastic constant of the elastic portion 193 is set so that transmission of vibration having a frequency exceeding the frequency band is limited. It may be set. As a result, vibrations of high frequency are transmitted to the force sensor 61 via the master frame 110, the casing 101, and the like, thereby suppressing a reduction in drive control of the slave device and accuracy of force sense presentation to the surgeon. be able to.
  • a vibration damping member 165 and an elastic portion 193 as a vibration frequency band limiting unit are provided in the vicinity of the position where the vibration generation source 67 is attached.
  • the vibration transmission suppressing structure is provided near the contact portion 105 on which an index finger or the like is placed in order to rotate the master frame 110.
  • the transmission of vibration is limited by the vibration transmission suppression structure between the force sensor 61 and the portion where the force for displacing the position and orientation of the operation unit 100 from the hand holding the operation unit 100 is input. There is nothing to do. Therefore, the force for displacing the position and orientation of the operation unit 100 can be transmitted to the force sensor 61 without being attenuated.
  • the vibration transmission suppressing structure is not interposed between the vibration generation source 67 and the contact portion 105, the influence on the tactile sensation presented to the operator can be reduced.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the vibration transmission suppressing effect of the vibration transmission suppressing structure.
  • the broken line in FIG. 17 indicates the vibration that can be generated by the vibration generating source 67 and its magnitude. Also, the solid line in FIG. 17 indicates the vibration after attenuation by the vibration attenuation member 165 and its magnitude.
  • the vibration generated by the vibration generating source 67 when the tactile sensation is presented to the operator has a peak in a band of 210 to 220 Hz, for example, and is higher than the band of the peak.
  • the frequency vibration appears larger than the frequency vibration lower than the peak band.
  • the vibration generated by the vibration generation source 67 is damped by the vibration damping member 165.
  • the degree of attenuation of vibrations in a high frequency band is relatively large.
  • the dynamic range necessary for the force sensor 61 that is, the vibration frequency of the force applied to the operation unit 100 by the operator who operates the master device 60 is often 130 Hz or less, for example.
  • the elastic part 193 as the vibration frequency band limiting part by suppressing the transmission of vibrations having a frequency exceeding 130 Hz by the elastic part 193 as the vibration frequency band limiting part, vibrations other than the frequency band surrounded by the broken line are hardly transmitted to the force sensor 61. That is, vibrations in the frequency band surrounded by a broken line in FIG. 17 can be transmitted to the force sensor 61 side, while vibrations in other frequency bands are not easily transmitted to the force sensor 61 side. Thereby, drive control of the slave device using information detected by the force sensor 61 and control of force sense presentation to the surgeon can be executed with high accuracy.
  • the master device 60 includes the vibration damping member 165 in the operation unit 100, so that the vibration generated by the vibration source 67 for presenting a tactile sensation to the operator is detected by the force sensor 61. It is possible to suppress the transmission to.
  • the master device 60 can suppress transmission of vibrations other than the dynamic range necessary for the force sensor 61 by including the elastic portion 193 as the vibration frequency band limiting portion in the operation portion 100. For this reason, the vibration noise to the force sensor 61 due to the vibration of the vibration generating source 67 is reduced, and the signal noise ratio (SN ratio) of the force sensor 61 is improved. Thereby, the sensitivity of the force sensor 61 can be improved.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating a vibration transmission suppressing structure according to a first modification.
  • FIG. 18 corresponds to the cross-sectional view of FIG. 15, and corresponds to a schematic diagram of the II cross section of FIG.
  • the contact portion 105 and the vibration generation source 67 are fixed to the fixing portion 194 of the support portion 109, the contact portion 105 and the vibration generation source 67 are directly connected to the fixing portion 194. It is configured not to contact.
  • the first vibration damping member 165a is provided between the frame connecting portion 191 of the support portion 109 and the master frame 110, similarly to the vibration transmission suppressing structure of the above embodiment.
  • the support portion 109 is provided with an elastic portion 193 as a vibration frequency band limiting portion, similarly to the vibration transmission suppressing structure of the above embodiment.
  • the second vibration damping member 165 b is disposed between the vibration generation source 67 fixed using the fixing screw 198 and the fixing portion 194. Further, a gap is provided between the contact portion 105 and the fixing portion 194 so that the contact portion 105 fixed using the fixing screw 198 and the fixing portion 194 do not directly contact each other.
  • the vibration generated by the vibration generation source 67 is difficult to be transmitted to the support portion 109 directly or via the contact portion 105, and the vibration is suppressed from being transmitted to the master frame 110.
  • the effect to do can be further enhanced.
  • the vibration generated by the vibration generation source 67 is suppressed from being transmitted to the force sensor 61 via the master frame 110, the casing 101, and the like, and the sensitivity of the force sensor 61 can be further improved.
  • a vibration damping member may be disposed between the contact portion 105 and the fixed portion 194.
  • the first vibration damping member 165a may be omitted instead of providing the second vibration damping member 165b.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram illustrating a vibration transmission suppressing structure according to a second modification.
  • FIG. 19 corresponds to the cross-sectional view of FIG. 15, and corresponds to a schematic diagram of the II cross section of FIG.
  • the vibration generating source 67 is sandwiched up and down by the support portion 109.
  • the first vibration damping member 165a is provided between the frame connecting portion 191 of the support portion 109 and the master frame 110, similarly to the vibration transmission suppressing structure of the above embodiment.
  • the support portion 109 is provided with an elastic portion 193 as a vibration frequency band limiting portion, similarly to the vibration transmission suppressing structure of the above embodiment.
  • the fixed portion 194 of the support portion 109 is folded back in a U shape to form a folded portion 194a.
  • the vibration generating source 67 is placed on the folded portion 194 a and is fixed to the fixing portion 194 using a fixing screw 198.
  • the second vibration damping member 165b is disposed between the vibration generating source 67 and the fixed portion 194, and the third vibration damping member 165c is disposed between the vibration generating source 67 and the folded portion 194a. ing.
  • a gap is provided between the contact portion 105 and the fixing portion 194 so that the contact portion 105 fixed using the fixing screw 198 and the fixing portion 194 do not directly contact each other.
  • the vibration transmission suppressing structure according to the second modification even if the support unit 109 is configured to sandwich the vibration generation source 67 up and down, the vibration generated by the vibration generation source 67 is directly or It becomes difficult to be transmitted to the support portion 109 via the contact portion 105. Therefore, the effect of suppressing the vibration from being transmitted to the master frame 110 can be further enhanced. Thereby, the vibration generated by the vibration generation source 67 is suppressed from being transmitted to the force sensor 61 via the master frame 110, the casing 101, and the like, and the sensitivity of the force sensor 61 can be further improved.
  • a vibration damping member may be disposed between the contact portion 105 and the fixed portion 194.
  • the first vibration attenuation member 165a may be omitted instead of providing the second vibration attenuation member 165b and the third vibration attenuation member 165c.
  • FIG. 20 is explanatory views showing a vibration transmission suppressing structure according to a third modification.
  • 20 and 21 correspond to the cross-sectional view of FIG. 15, and correspond to the schematic view of the II cross section of FIG.
  • an intermediate part 199 is provided between the vibration generation source 67 and the fixed portion 194.
  • the example shown in FIG. 20 is an example in which the third modification is applied to the first modification
  • the example shown in FIG. 21 is the third modification to the second modification. This is an applied example.
  • an intermediate part 199 is provided between the upper portion of the vibration source 67 and the lower surface of the fixed portion 194.
  • the intermediate component 199 is fixed to the fixing portion 194 by the fixing screw 198 together with the vibration generating source 67 and the second vibration damping member 165b.
  • the central part of the intermediate part 199 is inserted into a large hole 197 provided in the fixing part 194 and comes into contact with the contact part 105.
  • the intermediate part 199 is in contact with the vibration generation source 67 at the lower part, and transmits the vibration generated by the vibration generation source 67 to the contact portion 105.
  • the second vibration damping member 165b is disposed between the intermediate component 199 and the lower surface of the fixed portion 194.
  • a gap is provided between the contact portion 105 and the fixed portion 194.
  • a vibration damping member may be disposed between the contact portion 105 and the fixed portion 194.
  • the first vibration damping member 165a may be omitted.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram illustrating a vibration transmission suppressing structure according to a fourth modification.
  • FIG. 22 corresponds to the cross-sectional view of FIG. 15, and corresponds to a schematic diagram of the II cross section of FIG.
  • the vibration generating source 67 and the contact portion 105 are fixed to the upper surface of the fixing portion 194 b of the support portion 109.
  • the first vibration damping member 165a is provided between the frame connecting portion 191 of the support portion 109 and the master frame 110, similarly to the vibration transmission suppressing structure of the above embodiment.
  • the support portion 109 is provided with an elastic portion 193 as a vibration frequency band limiting portion, similarly to the vibration transmission suppressing structure of the above embodiment.
  • the vibration generating source 67 and the contact portion 105 are configured integrally.
  • the integrated vibration generating source 67 and the contact portion 105 are attached on the fixed portion 194 b of the support portion 109.
  • the method for fixing the vibration source 67 and the fixing portion 194b is not particularly limited.
  • the elastic portion 193 as the vibration frequency band limiting portion has an S shape instead of a U shape, so that the position of the fixed portion 194 b is shifted downward.
  • a second vibration damping member 165b is disposed between the vibration source 67 and the fixed portion 194b.
  • the contact portion 105 is also provided with a gap so as not to directly contact the support portion 109. Therefore, the vibration generated by the vibration generation source 67 is difficult to be transmitted to the support portion 109 directly or via the contact portion 105, and the vibration is suppressed from being transmitted to the master frame 110. The effect to do can be further enhanced. Thereby, the vibration generated by the vibration generation source 67 is suppressed from being transmitted to the force sensor 61 via the master frame 110, the casing 101, and the like, and the sensitivity of the force sensor 61 can be further improved.
  • the first vibration damping member 165a may be omitted instead of providing the second vibration damping member 165b.
  • FIG. 23 is an explanatory diagram illustrating a vibration transmission suppressing structure according to a fifth modification.
  • FIG. 23 corresponds to the cross-sectional view of FIG. 15, and corresponds to a schematic diagram of the II cross section of FIG.
  • the configuration of the vibration frequency band limiting unit is different from that of the vibration transmission suppressing structure according to the above embodiment.
  • the first vibration damping member 165a is provided between the frame connecting portion 191 of the support portion 109 and the master frame 110, similarly to the vibration transmission suppressing structure of the above embodiment. Has been placed. Further, in the fifth modification, the vibration generating source 67 and the contact portion 105 are integrally formed and attached to the fixed portion 194 c of the support portion 109 that is cantilevered by the master frame 110. A second vibration damping member 165b is disposed between the vibration source 67 and the fixed portion 194c.
  • a thin portion 196 having a reduced plate thickness is provided on the proximal end side of the fixing portion 194c provided continuously from the frame connection portion 191 of the support portion 109. Since the rigidity of the thin portion 196 is smaller than that of other portions, the thin portion 196 has elasticity.
  • the thin portion 196 functions as a vibration frequency band limiting unit that limits the frequency band of vibration transmitted from the vibration source 67 to the master frame 110 side.
  • the thin-walled portion 196 is configured to have an appropriate elastic constant, and realizes a function as a low-pass filter that restricts transmission of vibration exceeding a predetermined frequency. Therefore, the vibration band can be selectively adjusted according to the dynamic range required for the force sensor 61.
  • the elastic constant of the thin-walled portion 196 can be set to a desired value by adjusting at least one of the Young's modulus of the constituent material of the thin-walled portion 196 or the thickness, size, arrangement position, or shape of the thin-walled portion 196. Can be set to a value.
  • the thin portion 196 also transmits high-frequency vibrations to the force sensor 61 via the master frame 110, the casing 101, and the like, thereby reducing the accuracy of drive control of the slave device and force sense presentation to the operator. This can be suppressed. As a result, the vibration generated by the vibration generating source 67 is suppressed from being transmitted as vibration noise to the force sensor 61, and the sensitivity of the force sensor 61 can be further improved.
  • the first vibration damping member 165a may be omitted instead of providing the second vibration damping member 165b.
  • FIG. 24 is an explanatory diagram illustrating a vibration transmission suppressing structure according to a sixth modification.
  • FIG. 24 corresponds to the cross-sectional view of FIG. 15, and corresponds to a schematic diagram of the II cross section of FIG.
  • the way of attaching the vibration damping member is different from the case of the vibration transmission suppressing structure according to the above embodiment.
  • the example shown in FIG. 24 is an example in which the sixth modification is applied to the fifth modification.
  • the vibration damping member is a sheet-like member disposed between the frame connecting portion 191 and the master frame 110 or between the vibration generating source 67 and the fixing portion 194.
  • the vibration damping member 165d is configured as a member that connects the frame connection portion 191 and the fixing portion 194d of the support portion 109. That is, in the vibration transmission suppressing structure according to the sixth modified example, the support portion 109 has, for example, a portion on the frame connecting portion 191 side and a portion on the fixed portion 194d side formed of stainless steel via the vibration damping member 165d. Concatenated and configured.
  • the vibration damping member 165d has, for example, an H-shaped cross section, and each end is fixed to a portion on the frame connecting portion 191 side and a portion on the fixing portion 194d side.
  • the vibration damping member 165d according to the sixth modification may also be formed of at least one of carbon fiber reinforced resin, rubber, foamable sponge, foamable synthetic resin, or gel, for example.
  • the vibration damping member 165d attenuates the vibration generated by the vibration generation source 67 and makes it difficult to transmit to the master frame 110.
  • the thin portion 196 limits the frequency band of vibration transmitted from the vibration generation source 67 to the master frame 110 side. As a result, the vibration generated by the vibration generating source 67 is suppressed from being transmitted as vibration noise to the force sensor 61, and the sensitivity of the force sensor 61 can be further improved.
  • a vibration damping member may be provided.
  • FIG. 25 is an explanatory diagram showing a vibration transmission suppressing structure according to a seventh modification.
  • FIG. 25 corresponds to the cross-sectional view of FIG. 15, and corresponds to a schematic diagram of the II cross section of FIG.
  • the vibration transmission suppressing structure according to the seventh modification is an example in which a vibration frequency band limiting unit is configured using a coil spring.
  • the support portion 109 has a frame connection portion 191 and a fixing portion 194e.
  • the frame connecting portion 191 is attached to the master frame 110, and the fixing portion 194e extends in a direction away from the master frame 110.
  • the support portion 109 is cantilevered by the master frame 110.
  • the vibration generating source 67 in which the contact portion 105 is integrated is attached on the fixed portion 194e.
  • a vibration damping member 165e and a coil spring 189 are disposed between the vibration source 67 and the fixed portion 194e.
  • the two coil springs 189 support the vibration generating source 67 on the fixed portion 194e, and the vibration damping member 165e is disposed so as to surround the two coil springs 189.
  • the vibration generated by the vibration generating source 67 can be attenuated by the vibration damping member 165e and transmitted to the fixed portion 194e.
  • the coil spring 189 provided between the vibration generating source 67 and the fixed portion 194e functions as a vibration frequency band limiting portion.
  • the coil spring 189 is configured to have an appropriate elastic constant, and realizes a function as a low-pass filter that limits transmission of vibration exceeding a predetermined frequency. Therefore, the vibration band can be selectively adjusted according to the dynamic range required for the force sensor 61. As a result, the vibration generated by the vibration generating source 67 is suppressed from being transmitted as vibration noise to the force sensor 61, and the sensitivity of the force sensor 61 can be further improved.
  • the arrangement position and form of the coil spring 189 are not limited to the above example.
  • the vibration frequency band limiting unit may be configured by a spring structure other than the coil spring 189.
  • the position and form of the vibration damping member 165e are not limited to the above example.
  • a vibration damping member may be provided between the frame connecting portion 191 of the support portion 109 and the master frame 110 in addition to the vibration damping member 165e.
  • the master device 60 as the force sense presentation device includes the vibration damping member 165 interposed between the force sensor 61 and the vibration generation source 67. For this reason, the vibration generated by the vibration generating source 67 is attenuated and transmitted to the force sensor 61 side. Therefore, it is possible to suppress transmission of vibration noise to the force sensor 61, which is a detection target of the force sensor 61 and is not a force input to the operation unit 100 by the surgeon.
  • the master device 60 includes a vibration frequency band limiting unit interposed between the force sensor 61 and the vibration generation source 67. For this reason, vibrations having a frequency other than the predetermined frequency band are suppressed from being transmitted from the vibration source 67 to the force sensor 61 side. Therefore, it is possible to suppress the vibration other than the frequency band corresponding to the dynamic range of the force sensor 61 from being transmitted from the vibration generation source 67 to the force sensor 61.
  • the master device 60 suppresses the vibration generated by the vibration generation source 67 from being transmitted as vibration noise to the force sensor 61, and improves the sensitivity of the force sensor 61. be able to. Therefore, in the force sense presentation device having a tactile sense presenting function, the force sense presentation to the operator can be performed with high accuracy.
  • the master device 60 has the hardness and rigidity, Young's modulus, elasticity of the vibration damping member 165 and the vibration frequency band limiting unit according to the frequency characteristics of the force sensor 61 and the frequency characteristics of the vibration generation source 67.
  • the haptic presentation device having the haptic presentation function, the haptic presentation and the haptic presentation to the operator can be performed in a balanced manner.
  • the vibration generated by the vibration generation source 67 is configured to be transmitted to the operator's finger via the contact portion 105 in contact with the vibration generation source 67. It is not limited to examples.
  • the contact part 105 may be omitted, and the operator's finger may be in direct contact with the vibration source 67.
  • the vibration frequency band limiting unit is realized using a member having a predetermined elastic constant.
  • the present disclosure is not limited to such an example.
  • the frequency band of vibration transmitted to the force sensor 61 is limited by shaping the drive signal by signal processing in advance. May be.
  • the grip force sense presentation device including the pen-type operation unit 100 for writing has been described as an example, but the present disclosure is not limited to such an example.
  • the force sense presentation device may be a scissors-type gripping force sense presentation device.
  • the force sense presentation device is not limited to a device applicable to a medical robot system, and may be applied to various devices such as industrial products and entertainment products.
  • a force sensor that detects a force input to an operation unit operated by a user; A vibration source for presenting a tactile sensation to the user; A vibration damping member interposed between the force sensor and the vibration source; A force sense presentation device.
  • the operation unit includes a contact unit that contacts a part of the user. The vibration source is provided in the vicinity of the contact portion, The force sense presentation device according to (1), wherein the vibration damping member is interposed between the force sensor and the vibration generation source in the vicinity of the contact portion.
  • the operation unit is a gripping device including a movable unit that is displaced by receiving a force input by the user, and the movable unit includes the contact unit that contacts the user's finger.
  • the force sense presentation device wherein the vibration damping member is provided in the movable portion.
  • the operation portion includes a frame portion, and the contact portion is provided on a support portion that is cantilevered by the frame portion, The force sense presentation device according to (2) or (3), wherein the vibration damping member is interposed between the frame portion and the support portion.
  • the vibration damping member is any one of the above (1) to (5), which is formed of at least one of carbon fiber reinforced resin, rubber, foamable sponge, foamable synthetic resin, or gel.
  • the haptic device according to claim 1.
  • the force sense presentation device according to any one of (1) to (6), further including a vibration frequency band limiting unit interposed between the force sensor and the vibration generation source.
  • the force sense presentation device (8)
  • the force sense presentation device wherein the vibration frequency band limiting unit transmits vibration in a band less than a predetermined frequency to the force sensor side.
  • the force sense presentation device according to (7) or (8), wherein the vibration frequency band limiting unit has rigidity corresponding to a vibration frequency band transmitted from the vibration generation source side to the force sensor.
  • the force sense presentation device according to any one of (7) to (9), wherein the vibration frequency band limiting unit has a spring structure or a hinge structure.
  • the operation unit includes a contact unit that contacts a part of the user.
  • the vibration source is provided in the vicinity of the contact portion,
  • the force sense presentation device according to any one of (7) to (10), wherein the vibration frequency band limiting unit is interposed between the force sensor and the vibration generation source in the vicinity of the contact portion.
  • the operation unit is a gripping device including a movable unit that is displaced in response to a force input by the user, and the movable unit includes the contact unit that contacts the user's finger.
  • the haptic device according to (11), wherein the vibration frequency band limiting unit is provided in the movable unit.
  • the operation portion includes a frame portion, and the contact portion is provided on a support portion that is cantilevered by the frame portion.

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Abstract

【課題】触覚の提示に用いられる振動アクチュエータの振動が、力センサに伝達されることを抑制可能な力覚提示装置を提供する。 【解決手段】力覚提示装置は、ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、ユーザに力覚又は触覚を提示するための振動発生源と、力センサと振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、を備える。

Description

力覚提示装置
　本開示は、力覚提示装置に関する。
　近年、内視鏡外科手術を施す際に用いられる医療ロボットシステムとして、患者の体を大きく切開することなく患部へのアプローチを可能とするマスタ－スレーブ方式の医療ロボットシステムが知られている。かかる医療ロボットシステムでは、医師等の術者（ユーザ）が入力インタフェースを備えたマスタ装置を操作し、鉗子又は攝子等の医療用術具を備えたスレーブ装置が術者の操作にしたがって遠隔操作される。スレーブ装置は、例えば、先端に術具が保持されるアームロボットとして構成され、腹腔内において高い自由度及び広い可動域で術具の位置又は姿勢を変化させることができる。かかる医療ロボットシステムでは、スレーブ装置に発生する力が術者に伝達されない場合、術者が移動操作量や力加減を誤ってしまい、患者の生体組織に損傷を与えるおそれがある。
　そこで、スレーブ装置に発生する力をマスタ装置に提示するバイラテラル制御を採用した医療ロボットシステムが知られている。バイラテラル制御においては、スレーブ装置とマスタ装置との間で、術具及び入力インタフェースの位置及び力を一致させるようにフィードバック制御が行われる。かかるバイラテラル制御を採用した医療ロボットシステムとして、マスタ装置に設けられた力センサにより検出されるユーザの入力操作の力に応じて力覚提示が行われるようにされた装置がある。
　例えば、特許文献１には、互いに直交する３軸（ｘ，ｙ，ｚ）方向の力成分をそれぞれ検出する３つの力センサと、ロール角、ピッチ角、及びヨー角をそれぞれ検出する３つの角度センサと、ｘｙｚ座標系上のデンタルツールハンドルの先端位置をそれぞれ検出する３つの位置センサとを備えたマスタ装置が開示されている。かかるマスタ装置は、多自由度のパラレルリンク構造と力センサとを有する力覚提示装置であり、力センサにより検出されるユーザの入力操作の力に応じてパラレルリンク構造の姿勢を制御するアクチュエータの駆動制御が行われる。
　また、医療用装置に適用可能な技術として、特許文献２には、操作状況の表現として、疑似的圧覚・触覚を、振動を用いて表現する圧覚・触覚提示装置が開示されている。かかる圧覚・触覚提示装置は、鉗子等の術具と対象物との接触状況を圧覚・触覚センサにより検出し、当該圧覚・触覚センサの出力に応じてボイスコイル等の圧覚・触覚提示デバイスを駆動して、ユーザの指先に圧覚・触覚を伝達する。
米国特許第８７１６９７３号明細書 特開平０８－２５４４７２号公報
　ここで、特許文献１に記載されたような力覚提示装置に、特許文献２に記載されたような圧覚・触覚提示デバイス（振動アクチュエータ）を搭載した場合、力センサに振動アクチュエータの振動が伝達されるおそれがある。かかる振動アクチュエータの振動は、バイラテラル制御においてはノイズとなるため、バイラテラル制御に悪影響を及ぼす可能性がある。
　そこで、本開示では、圧覚・触覚（以下、総じて「触覚」とも言う。）の提示に用いられる振動アクチュエータの振動が、力センサに伝達されることを抑制可能な、新規かつ改良された力覚提示装置を提案する。
　本開示によれば、ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、ユーザに力覚又は触覚を提示するための振動発生源と、力センサと振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、を備えた、力覚提示装置が提供される。
　以上説明したように本開示によれば、触覚の提示に用いられる振動アクチュエータの振動が、力センサに伝達されることを抑制することができる。
　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の実施形態に係る力覚提示装置を適用可能な医療ロボットシステムの構成例を示す説明図である。 同実施形態に係る力覚提示装置を示す斜視図である。 同実施形態に係る力覚提示装置の使用例を示す説明図である。 同実施形態に係る力覚提示装置を示す斜視図である。 同実施形態に係る力覚提示装置の側面図である。 同実施形態に係る力覚提示装置の底面図である。 同実施形態に係る力覚提示装置の上面図である。 同実施形態に係る力覚提示装置の内部構造を示す説明図である。 動力伝達機構を拡大して示す説明図である。 図９に示す動力伝達機構を矢印Ａの方向に見た図である。 動力伝達機構の斜視図である。 力覚提示装置の使用状態を示す説明図である。 振動伝達抑制構造の構成例を示す斜視図である。 振動伝達抑制構造の構成例を示す上面図である。 振動伝達抑制構造の構成例を示す断面図である。 接触部を支持する支持部の構成例を示す斜視図である。 力センサに伝達される振動の大きさを周波数ごとに示す説明図である。 振動伝達抑制構造の第１の変形例を示す断面図である。 振動伝達抑制構造の第２の変形例を示す断面図である。 振動伝達抑制構造の第３の変形例を示す断面図である。 振動伝達抑制構造の第３の変形例を示す断面図である。 振動伝達抑制構造の第４の変形例を示す断面図である。 振動伝達抑制構造の第５の変形例を示す断面図である。 振動伝達抑制構造の第６の変形例を示す断面図である。 振動伝達抑制構造の第７の変形例を示す断面図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　１．医療ロボットシステムの構成例
　２．力覚提示装置（マスタ装置）の全体構成例
　３．操作部
　　３－１．全体構成例
　　３－２．振動伝達抑制構造
　　３－３．変形例
　４．まとめ
　＜１．医療ロボットシステムの構成例＞
　図１を参照して、本開示の実施形態に係る力覚提示装置を適用可能な医療ロボットシステムの構成例を説明する。図１に示した医療ロボットシステム１は、マスタ－スレーブ方式の医療ロボットシステムである。かかる医療ロボットシステム１において、ユーザがマスタ装置６０を操作することで、スレーブ装置９０に対して、有線又は無線の通信手段により操作指令が送信され、スレーブ装置９０が遠隔操作される。本実施形態に係る力覚提示装置は、マスタ装置６０に適用され得る。
　遠隔操作されるスレーブ装置９０は、例えば、６自由度を有するアームを備え、当該アームの先端に鉗子が取り付けられた鉗子ユニットであってもよい。スレーブ装置９０は、鉗子の代わりに、攝子又は切断器具等の医療用術具を有してもよい。スレーブ装置９０は、マスタ装置６０からの操作指令に基づいて鉗子の位置や向きを変化させ、また、鉗子による把持動作を行う。また、マスタ装置６０は、例えば、ユーザによって把持される把持型の操作部と、当該操作部が先端に取り付けられた６自由度を有するアームとを備えたアーム装置であってもよい。ユーザは、マスタ装置６０の操作部の位置及び姿勢を変位させることで、スレーブ装置９０の鉗子の位置及び姿勢を遠隔操作する。また、ユーザは、マスタ装置６０の操作部の把持動作を行うことで、スレーブ装置９０の鉗子の把持動作を遠隔操作する。
　図１を参照すると、医療ロボットシステム１は、スレーブ装置９０と、マスタ装置６０と、制御装置７９と、第１の振動伝達部７０と、第２の振動伝達部８０とを備える。制御装置７９は、マスタ装置６０を介して入力される指示に応じてスレーブ装置９０を駆動させる。第１の振動伝達部７０は、スレーブ装置９０に設けられた触覚振動センサ９７によって検出された振動を、マスタ装置６０に伝達する。第２の振動伝達部８０は、スレーブ装置９０に設けられた聴覚振動センサ９９によって検出された振動を、マスタ装置６０に伝達する。
　なお、図１に示すブロック図では、本開示の説明のために特に必要となる構成のみが示されている。医療ロボットシステム１は、図示した構成要素以外にも、一般的なマスタ－スレーブ方式の医療ロボットシステムが有する各種の構成要素を備えてもよい。
　医療ロボットシステム１では、情報伝達の系統が、スレーブ装置９０の駆動制御及び術者への力覚提示を行うための系統と、スレーブ装置９０側で検出された振動を術者へ伝達するための系統とに大別される。以下、情報伝達の系統ごとに分けて、医療ロボットシステム１について簡単に説明する。
　まず、スレーブ装置９０の駆動制御及び術者への力覚提示を行うための系統について説明する。スレーブ装置９０の駆動制御においては、術者がマスタ装置６０のアームの先端に取り付けられた操作部を操作することで、スレーブ装置９０のアームを駆動するための指示を示す情報がマスタ装置６０から制御装置７９に送信される。上述した鉗子のように、術具が駆動部位を有する場合には、当該術具を駆動するための指示を示す情報も、併せてマスタ装置６０から制御装置７９に送信され得る。本実施形態において、マスタ装置６０は、把持型の操作部を有している。かかる操作部の構成は後で詳しく説明する。
　マスタ装置６０は、スレーブ装置９０の駆動制御及び力覚提示を行うための構成要素として、力センサ（トルクセンサ）６１、回転角度センサ６３、及びモータ６５を備える。力センサ６１は、例えば、アームと、当該アームの先端に取り付けられた操作部との接続部分に設けられて、互いに直交する３軸方向に作用する力を検出する。つまり、力センサ６１により、術者によって操作部に入力される力が検出される。また、回転角度センサ６３は、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部の回転角度を検出する。回転角度センサ６３は、例えば、エンコーダであってもよい。
　制御装置７９は、力センサ６１及び回転角度センサ６３から入力される情報に基づき、スレーブ装置９０の駆動制御に係る各種の演算を行う。例えば、制御装置７９は、力制御によりスレーブ装置９０の駆動制御を行う場合、力センサ６１により検出される操作部に作用する力に基づいて、スレーブ装置９０のアームの各モータ９５に発生させるべきトルクを算出する。また、制御装置７９は、位置制御によりスレーブ装置９０の駆動制御を行う場合、回転角度センサ６３により検出されるアームの各関節部の回転角度に基づいて、スレーブ装置９０のアームの各関節部の回転角度の目標値を算出する。また、スレーブ装置９０の術具が駆動部位を有する場合には、当該術具を駆動するための制御量が制御装置７９により算出され得る。
　本実施形態では、スレーブ装置９０の駆動制御の方式としては、各種の公知の制御方式が用いられてよい。制御装置７９としては、採用された制御方式に適合したものが適宜構築され得る。制御装置７９の具体的な構成は、各種の制御方式に応じた既存のものと同様であってよいため、その詳細な説明は省略する。
　スレーブ装置９０は、アームの駆動制御及び力覚提示に用いられる構成要素として、力センサ（トルクセンサ）９１、回転角度センサ９３、及びモータ９５を備える。制御装置７９により算出された制御量に応じた駆動信号は、スレーブ装置９０のモータ９５に送信される。モータ９５は、例えば、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部を回転駆動する。モータ９５は、例えば、サーボモータであってもよい。制御装置７９によって算出された制御量に応じてモータ９５が駆動することにより、術者がマスタ装置６０を介して指示したようにアームが動作する。また、術具が駆動部位を有する場合には、制御装置７９は、当該駆動部位を動作させるためのモータの駆動信号を送信し得る。制御装置７９によって算出された制御量に応じて当該モータが駆動することにより、術者がマスタ装置６０を介して指示したように術具が動作する。
　力センサ９１は、術具に対して作用する外力を検出する。力センサ９１は、例えば、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部に作用する力（トルク）を検出する。回転角度センサ９３は、例えば、アームの複数の関節部に設けられ、各関節部の回転角度を検出する。回転角度センサ９３は、例えば、エンコーダであってもよい。これらの力センサ９１及び回転角度センサ９３により検出された情報は、制御装置７９に送信される。制御装置７９は、当該情報に基づいてアームの現在の状態を逐次把握し、アームの現在の状態も考慮して上述した制御量を算出する。
　ここで、力センサ９１によって検出される各関節部に作用する力には、アームの先端に取り付けられた術具に作用する力が反映され得る。制御装置７９は、力センサ９１によって検出された各関節部に作用する力の中から、術具に作用する力の成分を抽出し、マスタ装置６０のモータ６５の制御量を算出する。モータ６５は、例えば、サーボモータであってもよい。制御装置７９は、術具に作用する力に応じて、例えば、術者による操作部への操作入力に対して抵抗を与えるようにアームを駆動させることにより、術具に作用する力を術者に対して提示する。このように、医療ロボットシステム１は、術具に作用した力を検出し、当該力を術者に対してフィードバックする機能を備えている。
　次に、スレーブ装置９０側で検出された振動を術者へ伝達するための系統について説明する。スレーブ装置９０は、術者への振動伝達に用いられる要素として、触覚振動センサ９７及び聴覚振動センサ９９を備える。触覚振動センサ９７及び聴覚振動センサ９９は、例えば、術具の基端側に取り付けられてもよい。触覚振動センサ９７は、術具に生じた触覚振動を検出し、聴覚振動センサ９９は、術具に生じた聴覚振動（すなわち、音）を検出する。触覚振動センサ９７は、例えば、加速度センサであってもよい。聴覚振動センサ９９は、例えば、コンデンサマイクであってもよい。
　触覚振動センサ９７により検出された触覚振動を示す信号は、第１の振動伝達部７０に入力される。第１の振動伝達部７０は、入力された触覚振動を示す信号に基づいて、マスタ装置６０の振動発生源６７の駆動信号を生成する。具体的には、第１の振動伝達部７０は、入力された触覚振動を示す信号を増幅器７１で増幅処理した後、周波数特性補正回路７３で振動周波数の補正処理を行い、さらにバンドパスフィルタ７５でフィルタリング処理を行った後に、駆動回路７７に出力する。駆動回路７７は、入力された信号に基づいてマスタ装置６０の振動発生源６７を駆動させる。これにより、スレーブ装置９０で検出された触覚振動に対応する振動が振動発生源６７により生成され、術具に生じた触覚振動が術者に対して伝達される。振動発生源６７は、例えば、ピエゾ式振動アクチュエータ、ボイスコイルモータ式振動アクチュエータ、リニア振動アクチュエータ、ＥＲＭ（Eccentric　Rotating　Mass）式振動アクチュエータ、又はＥＰＡＭ（Electroactive　Polymer　Artifical　Muscle）式振動アクチュエータのうちのいずれか１つであってもよい。
　聴覚振動センサ９９により検出された聴覚振動を示す信号は、第２の振動伝達部８０に入力される。第２の振動伝達部８０は、入力された聴覚振動を示す信号に基づいて、マスタ装置６０のスピーカ６９の駆動信号を出力する。具体的には、第２の振動伝達部８０は、入力された聴覚振動を示す信号を増幅器８１で増幅処理した後、周波数特性補正回路８３で振動周波数の補正処理を行い、さらにバンドパスフィルタ８５でフィルタリング処理を行った後に、駆動回路８７に出力する。駆動回路８７は、入力された信号に基づいてマスタ装置６０のスピーカ６９を駆動させる。これにより、スレーブ装置９０で検出された聴覚振動に対応する音声がスピーカ６９から出力され、術具に生じた聴覚振動が術者に対して伝達される。
　なお、制御装置７９の機能の一部又は全部が、スレーブ装置９０又はマスタ装置６０の少なくとも一方に備えられてもよい。また、第１の振動伝達部７０及び第２の振動伝達部８０の各構成要素の一部又は全部が、スレーブ装置９０又はマスタ装置６０の少なくとも一方に備えられてもよい。
　＜２．力覚提示装置（マスタ装置）の全体構成例＞
　次に、図２を参照して、本実施形態に係る力覚提示装置としてのマスタ装置６０の全体構成について説明する。図２は、本実施形態に係るマスタ装置６０の斜視図を示す。図２に示すマスタ装置６０は、支持アーム部２０と、本体部３０と、ベース部４０と、操作部１００とを備える。ベース部４０は、マスタ装置６０の基台部分であり、例えばアルミニウム製のフレーム材を組み合わせて構成されてもよい。ただし、ベース部４０の構成はかかる例に限定されない。ベース部４０には、支持台５０が取り付けられている。術者は、支持台５０に肘又は腕を載せた状態で操作部１００を操作することで、操作の安定性を得ることができる。なお、支持台５０は、ベース部４０に取り付けられていなくてもよく、マスタ装置６０の構成要素に含まれていなくてもよい。
　支持アーム部２０は、基端側で本体部３０に支持される。支持アーム部２０の先端側には、操作部１００が取り付けられている。支持アーム部２０は、第１のアーム部２０ａと、第２のアーム部２０ｂと、第３のアーム部２０ｃと、第４のアーム部２０ｄとを有する。第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃのそれぞれの先端側は第４のアーム部２０ｄに連結され、基端側は本体部３０に連結される。本体部３０には、第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと本体部３０との連結部分の回転を制御する３つのモータ６５（１つは不図示）が備えられる。
　第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃは、それぞれ複数のリンク部が互いに回動可能に直列に連結されて構成される。また、第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと、第４のアーム部２０ｄとの連結部分も互いに回動可能に連結されている。さらに、第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと、本体部３０との連結部分も互いに回動可能に連結されている。
　これらの複数のリンク部あるいはアーム部の連結部分が関節部となって、当該関節部を中心に、それぞれのリンク部あるいはアーム部の角度が自由に変化し得る。これにより、支持アーム部２０の先端側に取り付けられた操作部１００の空間上の位置が自由に変化し得る。また、第４のアーム部２０ｄは、複数のアームが連結されて構成され、それぞれのアームは、軸回転可能になっている。これにより、支持アーム部２０の先端側に取り付けられた操作部１００の向きが自由に変化し得る。
　第１のアーム部２０ａ、第２のアーム部２０ｂ、及び第３のアーム部２０ｃと、本体部３０とのそれぞれの連結部分には、各アーム部の回転角度を検出するためのエンコーダが設けられている。また、第４のアーム部２０ｄには、各アームの軸回転角度を検出する複数のエンコーダが設けられている。エンコーダは回転角度を検出するセンサの一例であり、他のセンサに置き換えられてもよい。これらのエンコーダによって検出された回転角度を示す信号は、上述の制御装置７９に送信される。
　操作部１００は、図示しないスレーブ装置に支持された術具を動作させるための把持インタフェースとして機能する。術者が、操作部１００の位置や向きを変化させることにより、支持アーム部２０の姿勢が変化し、関節部の回転角度やアームの軸回転角度が変化する。操作部１００と第４のアーム部２０ｄとの接続部分には力センサ６１が設けられている。かかる力センサ６１によって、術者により操作部１００に対して入力される力が検出される。
　上述の制御装置７９は、マスタ装置６０に備えられたエンコーダにより検出される回転角度の情報に基づき、スレーブ装置のアームの姿勢を制御して、スレーブ装置に支持された術具の位置や向きを変化させる。このとき、制御装置７９は、スレーブ装置の術具に対して作用する外力を検出し、当該外力に基づいて３つのモータ６５を駆動制御することにより術者によって操作される操作部１００の動きに対して反力を付与し、術者に対して、操作部１００の移動動作に対する力覚を提示する。
　また、ユーザが、操作部１００の把持動作を行うことにより、制御装置７９は、操作部１００から把持動作の操作量を示す信号を取得し、当該信号に基づいて、スレーブ装置に取り付けられた術具に把持動作を行わせる。このとき、制御装置７９は、スレーブ装置に取り付けられた術具の把持動作時に対する反力を検出し、当該反力に基づいて操作部１００に備えられた図示しないモータを駆動制御することによって、術者に対して、操作部１００の把持動作に対する力覚を提示してもよい。
　また、操作部１００は、ボイスコイルモータ等の図示しない振動発生源を有する。上述の第１の振動伝達部７０は、スレーブ装置の術具に生じる触覚振動を検出し、当該触覚振動に基づいて振動発生源を駆動制御することによって、術者に対して触覚を提示する。さらに、マスタ装置６０は、図示しないスピーカを有する。上述の第２の振動伝達部８０は、スレーブ装置の術具に生じる聴覚振動を検出し、当該聴覚振動に基づいてスピーカを駆動することによって、音声を出力する。
　なお、関節部の回転角度及びアームの軸回転角度を検出する回転角度センサを含む支持アーム部２０は、従来公知の支持アーム装置を用いて構成し得るものであり、支持アーム部２０の構成についての詳細な説明は省略する。
　図３は、本実施形態に係るマスタ装置６０の使用例を示している。図３においては、右手用及び左手用の２台のマスタ装置６０Ｒ，６０Ｌが併設されている。術者は、両腕又は両肘を支持台５０上に載せ、右手及び左手でそれぞれ操作部１００Ｒ，１００Ｌを把持する。この状態で、術者は、術野が表示されるモニタ２１０を見ながら操作部１００Ｒ，１００Ｌを操作する。術者は、それぞれの操作部１００Ｒ，１００Ｌの位置及び向きを変位させることにより、それぞれ図示しないスレーブ装置に取り付けられた術具の位置又は向きを遠隔操作し、あるいは、それぞれの術具による把持動作を行ってもよい。
　＜３．操作部＞
　次に、本実施形態に係るマスタ装置６０に取り付けられた操作部１００の構成例について説明する。
　（３－１．全体構成例）
　まず、図４～図８を参照して、操作部１００の全体構成例について説明する。図４は、操作部１００の斜視図であり、図５は、図４の操作部１００を手前側から見た側面図である。また、図６は、図４の操作部１００を下方側から見た底面図であり、図７は、図４の操作部１００を上方側から見た上面図である。さらに、図８は、操作部１００の内部構造を示す説明図であって、図４の操作部１００を奥側から見た内部透視図である。
　操作部１００は、内部にモータ１８７及びエンコーダ１８５を収容する筐体１０１を有する。筐体１０１は、ユーザが把持しやすいように、全体として長尺の棒状の外形を有する。すなわち、操作部１００は、いわゆるスタイラス型の把持インタフェースとなっている。かかる操作部１００は、先端側において、マスタ装置６０の第４のアーム部２０ｄに取り付けられる。操作部１００の先端側と第４のアーム部２０ｄとの接続部分には、力センサ６１が設けられている。
　エンコーダ１８５は、モータ１８７の回転角度を検出する回転角度センサの一例である。モータ１８７の回転角度を検出するセンサは、エンコーダ１８５に限られない。モータ１８７の出力軸は、操作部１００の長手方向に沿って配置されており、操作部１００の先端側に配置されたプーリ１７０に接続される。これにより、モータ１８７の駆動トルクによってプーリ１７０が軸回転可能になっている。プーリ１７０は、筐体１０１の外部に露出しており、操作部１００の一側面側において、プーリ１７０の外周面１７１にレール部１２０が対向する。プーリ１７０の外周面１７１は、モータ１８７の出力軸の軸線に一致する円錐軸を有する仮想円錐面の一部により形成される。
　筐体１０１の後端側には回転軸部材１５１が設けられている。回転軸部材１５１の両端は、軸受部１５５及び筐体１０１により支持されている。回転軸部材１５１には、フレーム部としてのマスタフレーム１１０が回転軸部材１５１を中心に回動自在に連結されている。かかる回転軸部材１５１を中心に回動するマスタフレーム１１０、及びマスタフレーム１１０に取り付けられた構成要素全体が、本開示における可動部に相当する。
　マスタフレーム１１０は、操作部１００の一側面側に、長手方向に沿って配置された長尺の部材であり、回転軸部材１５１の軸方向に対して交差する方向に沿って延在する。マスタフレーム１１０の先端側の適宜の位置には、マスタフレーム１１０の回転方向に対して交差し、かつ、操作部１００の長手方向に沿って延在する面を有する接触部１０５が設けられている。接触部１０５は、支持部１０９を用いてマスタフレーム１１０に取り付けられている。接触部１０５は、例えばユーザの人差し指が載置される載置部１０７を有する。載置部１０７は、術者の指の形に適合しやすいように、アーチ状に凹んだ形状を有する。術者は、筆記用のペンを握るようにして操作部１００を把持し、その際に、人差し指を載置部１０７に載せて、マスタフレーム１１０を回動させることができる。
　また、接触部１０５の近傍には振動発生源６７が設けられている。具体的に、支持部１０９のうち、接触部１０５が配置された面の裏面側には、振動発生源６７が取り付けられている。本実施形態では、振動発生源６７としてボイスコイルモータ式の振動アクチュエータが用いられているが、他の振動発生源であってもよい。かかる振動発生源６７は、載置部１０７に載せられる術者の指に伝達させる振動を発生し、スレーブ装置の術具に作用する触覚振動を術者に対して提示する。
　また、マスタフレーム１１０の先端側には、マスタフレーム１１０の回転方向に向かって延在するレール部１２０が設けられている。レール部１２０は、略円弧状の外形を有し、マスタフレーム１１０の回動に伴って、レール部１２０の延在方向に沿って回動する。すなわち、レール部１２０は、回転軸部材１５１を中心に回転する。レール部１２０は、プーリ１７０の外周面１７１に対向する対向面１２８を有する。対向面１２８は、回転軸部材１５１を円錐軸とする仮想円錐面の一部により形成される。
　プーリ１７０のワイヤ溝１７３には、ワイヤ１３５が巻き付けられている。かかるワイヤ１３５の両端部は、レール部１２０上に配設され、ワイヤ１３５の中央部がプーリ１７０に巻き付けられている。ワイヤ１３５は、動力を伝達する部材として機能し、モータ１８７により生成される駆動トルクが、プーリ１７０及びワイヤ１３５を介して、レール部１２０に伝達される。一方、レール部１２０の回動に伴って、レール部１２０の回転トルクが、ワイヤ１３５及びプーリ１７０を介して、モータ１８７にも伝達され得る。
　上述のように、操作部１００と支持アーム部２０の第４のアーム部２０ｄとの接続部分には、力センサ６１が設けられている。力センサ６１は、術者によって操作される操作部１００に対して入力される３方向６軸成分の力及び捻じれを検出する６軸力センサであってもよい。力センサ６１は、操作部１００に対して並進力あるいは捻じり方向の力が付与されたときに、当該力のモーメントに対応する出力を生成する。スレーブ装置の術具の位置及び向きを力制御する場合、上述の制御装置７９は、力センサ６１によって操作部１００に入力された力モーメントを検出し、当該力モーメントに基づいてスレーブ装置のアームの姿勢を制御する。これにより、スレーブ装置に取り付けられた術具の位置及び向きをスムーズに制御することができる。
　かかる操作部１００において、モータ１８７及びエンコーダ１８５は、それぞれ図示しないケーブル等により、上述の制御装置７９に電気的に接続される。操作部１００に入力される力を検出する力センサ６１も、制御装置７９に電気的に接続される。また、振動発生源６７は、上述の第１の振動伝達部７０に電気的に接続される。これにより、エンコーダ１８５及び力センサ６１の検出信号が制御装置７９に出力されるとともに、制御装置７９からモータ１８７に対して駆動信号が入力される。また、第１の振動伝達部７０の駆動回路から振動発生源６７に対して駆動信号が入力される。
　図９は、プーリ１７０及びレール部１２０の周辺を拡大して示す説明図である。図１０は、図９のＡ矢視図である。図１１は、プーリ１７０及びレール部１２０の周辺を拡大して示す斜視図である。操作部１００に設けられたモータ１８７の駆動トルクは、プーリ１７０及びワイヤ１３５を介してレール部１２０に伝達され得る。また、術者によってレール部１２０が回動させられたときの回転トルクは、ワイヤ１３５及びプーリ１７０を介してモータ１８７に伝達され得る。
　モータ１８７の駆動力によって回転されるプーリ１７０は、モータ１８７の出力軸の軸線に一致する円錐軸を有する仮想円錐面の一部により形成された外周面１７１を有する。すなわち、かかる外周面１７１は、テーパ形状を成している。プーリ１７０の外周面１７１には、外周面１７１上を旋回する螺旋状のワイヤ溝１７３が設けられている。レール部１２０は、プーリ１７０の外周面に対向する対向面１２８を有する。かかる対向面１２８は、回転軸部材１５１の軸線を円錐軸とする仮想円錐面の一部により形成される。レール部１２０の対向面１２８には、ワイヤ１３５をガイドするための第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３が、第２の仮想円錐面の周方向に沿って設けられている。第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３は、例えば、それぞれ対向面１２８から突出する所定長さの壁部とすることができる。
　プーリ１７０には、プーリ１７０の回転トルクをレール部１２０に伝達するための手段としてのワイヤ１３５が巻き付けられている。ワイヤ１３５は、プーリ１７０の外周面１７１に形成された螺旋状のワイヤ溝１７３に沿って捲回されている。プーリ１７０のうちの直径が大きい前方側から導出されるワイヤ１３５は、第１のガイド部１２１によってガイドされて配設される。また、プーリ１７０のうちの直径が小さい後方側から導出されるワイヤ１３５は、第２のガイド部１２３によってガイドされて配設される。
　第１のガイド部１２１に沿って配設されるワイヤ１３５の端部は、レール部１２０に設けられた孔１２５を介して、対向面１２８の背面側に導かれ、ネジ等の固定手段に固定される。また、ワイヤ１３５の両端部のうち、第２のガイド部１２３に沿って配設されるワイヤ１３５の端部は、レール部１２０に設けられた孔１２７を介して、対向面１２８の背面側に導かれ、レール部１２０の背面側に固定されたスプリング１３０の一端に固定される。これにより、スプリング１３０の弾性力を利用してワイヤ１３５に張力が付与され、プーリ１７０及びレール部１２０上でのワイヤ１３５の弛みを抑制することができる。スプリング１３０は、ワイヤ１３５に張力を付与するための構成の一例であって、他の張力発生部が採用されてもよい。
　ここで、レール部１２０の対向面が円錐面の一部により形成されているために、ワイヤ１３５の張力によって、ワイヤ１３５がレール部１２０の対向面１２８上を滑り、プーリ１７０への送出し位置あるいは巻き取り位置からずれるおそれがある。このため、レール部１２０の対向面１２８には第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３が設けられ、レール部１２０上のワイヤ１３５は、張力によって第１のガイド部１２１又は第２のガイド部１２３に押し付けられる。これにより、ワイヤ１３５の位置ずれが防止されている。このとき、第１のガイド部１２１及び第２のガイド部１２３に沿って配設されるワイヤ１３５は、プーリ１７０の回転角度及びレール部１２０の位置にかかわらず、プーリ１７０の巻き取り位置あるいはプーリ１７０からの送出し位置に位置するようになっている。したがって、プーリ１７０に巻き付けられるワイヤ１３５が、ワイヤ溝１７３に沿って適切に配設され、レール部１２０とプーリ１７０との間でスムーズに動力伝達させることができる。
　図１２は、術者がマスタフレーム１１０及びレール部１２０を回動させる様子を示している。図１２の上段には、マスタフレーム１１０及びレール部１２０が原点位置に置かれた状態が示されている。このとき、プーリ１７０は、レール部１２０の先端部に対向している。また、図１２の中段には、マスタフレーム１１０及びレール部１２０が、可動域の半分程度まで押し込まれた状態が示されている。このとき、プーリ１７０は、レール部１２０の中央部に対向している（図９を参照）。さらに、図１２の下段には、マスタフレーム１１０及びレール部１２０が最も押し込まれた状態が示されている。このとき、プーリ１７０は、レール部１２０の基部側で対向面１２８に対向している。このようにして、術者は、人差し指等により接触部１０５を押し込むことによって、操作部１００の把持動作を行うことができる。
　マスタフレーム１１０及びレール部１２０の回動に伴って、プーリ１７０が回転し、モータ１８７の出力軸も回転する。上述の制御装置７９は、エンコーダ１８５によって検出されるモータ１８７の回転角度の情報を受け取り、当該回転角度の変化に基づいてスレーブ装置の術具の駆動部位を駆動させて、術具に把持動作を行わせる。また、上述の第１の振動伝達部７０は、スレーブ装置の術具に作用する触覚振動に基づき振動発生源６７を駆動し、術者に触覚を提示する。
　（３－２．振動伝達抑制構造）
　ここで、操作部１００は、術者に対して触覚を提示するために用いられる振動発生源６７が生成する振動が力センサ６１に伝達されることを抑制するための振動伝達抑制構造を有する。つまり、力センサ６１は、術者による操作部１００の操作により発生する力を検出するセンサであるため、操作部１００には、振動発生源６７の振動の力センサ６１への伝達を抑制するための構造が設けられている。
　図１３～図１６は、振動伝達抑制構造を示す説明図である。図１３は、操作部１００を後端側から見た斜視図であり、図１４は、マスタフレーム１１０に支持された接触部１０５を示す平面図であり、図１５は、図１４のＩ－Ｉ断面を模式的に示す断面図である。また、図１６は、支持部１０９の斜視図である。
　上述のとおり、人差し指等の術者の一部に接触する接触部１０５は、支持部１０９を用いてマスタフレーム１１０に取り付けられている。支持部１０９は、マスタフレーム１１０に片持ち支持された部材であって、フレーム接続部１９１と、弾性部１９３と、固定部１９４とを有する。支持部１０９は、例えば、ステンレス鋼により形成され得る。図１６に示したように、支持部１０９は、弾性部１９３の一部と合わせて断面Ｕ字状を成すフレーム接続部１９１と、接触部１０５の平面形状に略対応する平面形状を有する固定部１９４と、フレーム接続部１９１と固定部１９４との間に設けられた弾性部１９３とを有する。
　固定部１９４は、３つの小孔１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃと、１つの大孔１９７とを有する。３つの小孔１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃには、それぞれ、接触部１０５及び振動発生源６７を取り付けるための固定ネジ１９８が挿入される。また、大孔１９７には、振動発生源６７の一部が挿入され、振動発生源６７と接触部１０５との直接的な接触を可能にしている。これにより、振動発生源６７が発生した振動が術者に伝達されやすくなっている。
　一方、支持部１０９のフレーム接続部１９１は、振動減衰部材１６５を介してマスタフレーム１１０に装着されている。振動減衰部材１６５は、力センサ６１と振動発生源６７との間に介在して、振動発生源６７から発生した振動を吸収し、当該振動の力センサ６１への伝達を抑制する。本実施形態では、振動減衰部材１６５は、マスタフレーム１１０と支持部１０９との間に配置されるシート状の部材であり、振動発生源６７が取り付けられた支持部１０９の振動がマスタフレーム１１０に伝達されることを抑制することで、振動発生源６７の振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されにくくなっている。かかる振動減衰部材１６５が支持部１０９とマスタフレーム１１０との間に配置されることで、振動発生源６７が生成する振動は、振動減衰部材１６５を介することなく接触部１０５に伝達され得る。
　かかるシート状の振動減衰部材１６５は、例えば、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又はゲルの少なくとも１つにより形成されてもよい。これらの高減衰率素材は、支持部１０９からマスタフレーム１１０への振動の伝達率を効果的に低減し得る。中でも、炭素繊維強化樹脂からなるシート状の振動減衰部材１６５が用いられる場合、振動の低伝達率の実現と併せて高い剛性が得られる。
　また、支持部１０９の弾性部１９３は、振動周波数帯域制限部としての機能を有する。本実施形態において、弾性部１９３は、フレーム接続部１９１と固定部１９４とを接続する略Ｕ字状を有する部位であり、中央に開口部１９２を挟んで設けられた第１の弾性部１９３ａ及び第２の弾性部１９３ｂを有する。かかる弾性部１９３は、適宜の弾性定数を有するように構成され、所定の周波数を超える振動の伝達を制限するローパスフィルタとしての機能を実現する。したがって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジに合わせて選択的に振動帯域を調整することが可能になる。
　例えば、弾性部１９３の弾性定数は、弾性部１９３の構成材料のヤング率、第１の弾性部１９３ａ及び第２の弾性部１９３ｂの厚さ、大きさ又は形状、あるいは、開口部１９２の大きさのうちの少なくとも１つを調節することによって、所望の値に設定することができる。例えば、力センサ６１により検出される力は、比較的低い周波数帯域の振動に相当するものであるため、かかる周波数帯域を超える周波数の振動の伝達が制限されるように弾性部１９３の弾性定数が設定されてもよい。これにより、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して、力センサ６１に高い周波数の振動が伝達されて、スレーブ装置の駆動制御及び術者への力覚提示の精度が低下することを抑制することができる。
　本実施形態では、力センサ６１と振動発生源６７との間において、振動発生源６７が取り付けられる位置の近傍に、振動減衰部材１６５、及び振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。つまり、振動伝達抑制構造は、マスタフレーム１１０を回動させるために人差し指等が載せられる接触部１０５の近くに設けられる。このため、操作部１００を把持する手から操作部１００の位置や向きを変位させるための力が入力される部分と、力センサ６１との間において、振動伝達抑制構造によって振動の伝達が制限されることがない。したがって、操作部１００の位置や向きを変位させるための力を減衰させることなく、力センサ６１に伝達させることができる。一方、振動発生源６７と接触部１０５との間には、振動伝達抑制構造が介在しないため、術者に対する触覚提示への影響を低減することができる。
　図１７は、振動伝達抑制構造による振動伝達抑制効果を説明するための図である。図１７中の破線は、振動発生源６７が生成し得る振動とその大きさを示している。また、図１７中の実線は、振動減衰部材１６５による減衰後の振動とその大きさを示している。
　図１７に示すように、術者への触覚提示を行う際に振動発生源６７により生成される振動は、例えば、２１０～２２０Ｈｚの帯域にピークを有し、かつ、当該ピークの帯域よりも高い周波数の振動が、ピークの帯域よりも低い周波数の振動よりも大きく現れる。かかる振動発生源６７により生成される振動は、振動減衰部材１６５によって減衰される。図１７に示した例では、周波数が高い帯域の振動の減衰度合いが比較的大きくなっている。
　また、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジ、つまり、マスタ装置６０を操作する術者によって操作部１００に与えられる力の振動周波数は、例えば、１３０Ｈｚ以下である場合が多い。この場合、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３によって、１３０Ｈｚを超える周波数の振動の伝達を抑制することによって、力センサ６１には、破線で囲んだ周波数帯域以外の振動が伝達されにくくなる。つまり、図１７中の破線で囲まれた周波数帯域の振動が力センサ６１側に伝達され得る一方、それ以外の周波数帯域の振動は力センサ６１側に伝達されにくくなる。これにより、力センサ６１によって検出される情報を用いたスレーブ装置の駆動制御及び術者への力覚提示の制御を精度よく実行させることができる。
　このように、本実施形態に係るマスタ装置６０は、操作部１００に振動減衰部材１６５を有することによって、術者に触覚を提示するための振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１に伝達されることを抑制することができる。また、マスタ装置６０は、操作部１００に振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３を有することによって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジ以外の振動の伝達を抑制することができる。このため、振動発生源６７の振動による力センサ６１への振動ノイズが低減されて、力センサ６１の信号雑音比（ＳＮ比）が改善される。これにより、力センサ６１の感度を向上させることができる。
　（３－３．変形例）
　ここまで、本実施形態に係るマスタ装置６０の操作部１００の構成例を説明した。操作部１００に設けられる振動伝達抑制構造の構成は、上記の実施形態の例に限られない。以下、振動伝達抑制構造の変形例の幾つかを説明する。
　（３－３－１．第１の変形例）
　図１８は、第１の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図１８は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ－Ｉ断面の模式図に相当する。第１の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９の固定部１９４に接触部１０５及び振動発生源６７を固定するにあたり、接触部１０５及び振動発生源６７が直接的に固定部１９４に当接しないように構成される。
　具体的に、第１の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、支持部１０９には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。第１の変形例では、固定ネジ１９８を用いて固定された振動発生源６７と固定部１９４との間に、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置されている。さらに、固定ネジ１９８を用いて固定された接触部１０５と固定部１９４とが直接接しないように、接触部１０５と固定部１９４との間には隙間が設けられている。
　したがって、振動発生源６７により生成された振動が、直接的に、又は、接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなって、当該振動が、マスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
　なお、第１の変形例において、接触部１０５と固定部１９４との間にも振動減衰部材が配置されていてもよい。また、第１の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
　（３－３－２．第２の変形例）
　図１９は、第２の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図１９は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ－Ｉ断面の模式図に相当する。第２の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動発生源６７が、支持部１０９により上下に挟持される。
　具体的に、第２の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、支持部１０９には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。第２の変形例では、支持部１０９の固定部１９４がＵ字状に折り返されて、折返部１９４ａが形成されている。振動発生源６７は、折返部１９４ａ上に載置され、かつ、固定ネジ１９８を用いて固定部１９４に固定されている。
　このとき、振動発生源６７と固定部１９４との間に、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置され、振動発生源６７と折返部１９４ａとの間に、第３の振動減衰部材１６５ｃが配置されている。また、固定ネジ１９８を用いて固定された接触部１０５と固定部１９４とが直接接しないように、接触部１０５と固定部１９４との間には隙間が設けられている。
　第２の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９が振動発生源６７を上下に挟持する構成の場合であっても、振動発生源６７により生成された振動が、直接的に、又は、接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなる。したがって、当該振動がマスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
　なお、第２の変形例において、接触部１０５と固定部１９４との間にも振動減衰部材が配置されていてもよい。また、第２の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂ及び第３の振動減衰部材１６５ｃを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
　（３－３－３．第３の変形例）
　図２０及び図２１は、第３の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２０及び図２１は、それぞれ図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ－Ｉ断面の模式図に相当する。第３の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動発生源６７と固定部１９４との間に、中間部品１９９が設けられる。図２０に示した例は、第１の変形例に対して第３の変形例を適用した例であり、図２１に示した例は、第２の変形例に対して第３の変形例を適用した例である。
　具体的に、第３の変形例において、振動発生源６７の上部と固定部１９４の下面との間には中間部品１９９が設けられている。かかる中間部品１９９は、振動発生源６７及び第２の振動減衰部材１６５ｂとともに、固定ネジ１９８により固定部１９４に固定される。中間部品１９９の中央部は、固定部１９４に設けられた大孔１９７に挿通されて、接触部１０５に接する。また、中間部品１９９は、下部において振動発生源６７に接し、振動発生源６７により生成された振動を接触部１０５に伝達する。第２の振動減衰部材１６５ｂは、中間部品１９９と固定部１９４の下面との間に配置されている。また、接触部１０５と固定部１９４との間には隙間が設けられている。
　中間部品１９９から固定部１９４に対する振動の伝達を抑制する。
　第３の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動発生源６７の上部と固定部１９４との間に中間部品１９９が設けられる場合であっても、振動発生源６７により生成された振動が、中間部品１９９又は接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなる。したがって、当該振動がマスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
　なお、第３の変形例において、接触部１０５と固定部１９４との間にも振動減衰部材が配置されていてもよい。また、第３の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂ及び第３の振動減衰部材１６５ｃを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
　（３－３－４．第４の変形例）
　図２２は、第４の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２２は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ－Ｉ断面の模式図に相当する。第４の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９の固定部１９４ｂの上面に振動発生源６７及び接触部１０５が固定される。
　具体的に、第４の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、支持部１０９には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が設けられている。第４の変形例では、振動発生源６７と接触部１０５とが一体となって構成されている。一体とされた振動発生源６７及び接触部１０５は、支持部１０９の固定部１９４ｂ上に取り付けられている。振動発生源６７と固定部１９４ｂとの固定方法は特に限定されない。振動発生源６７が固定部１９４ｂの上面に取り付けられる分、固定部１９４ｂの位置は、上記実施形態に係る振動伝達抑制構造の場合に比べて低くなっている。図２２に示した例では、振動周波数帯域制限部としての弾性部１９３が、Ｕ字状ではなくＳ字状を有することにより、固定部１９４ｂの位置が下方にずらされている。
　振動発生源６７と固定部１９４ｂとの間には、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置されている。また、接触部１０５についても、支持部１０９に直接接しないように隙間が設けられている。したがって、振動発生源６７により生成された振動が、直接的に、又は、接触部１０５を介して、支持部１０９に伝達されにくくなって、当該振動が、マスタフレーム１１０に伝達されることを抑制する効果をさらに高めることができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して力センサ６１に伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
　なお、第４の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
　（３－３－５．第５の変形例）
　図２３は、第５の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２３は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ－Ｉ断面の模式図に相当する。第５の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動周波数帯域制限部の構成が上記の実施形態に係る振動伝達抑制構造の場合と異なっている。
　具体的に、第５の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間には、上記の実施形態の振動伝達抑制構造と同様に、第１の振動減衰部材１６５ａが配置されている。また、第５の変形例において、振動発生源６７と接触部１０５とは一体となって構成され、マスタフレーム１１０に片持ち支持された支持部１０９の固定部１９４ｃ上に取り付けられている。振動発生源６７と固定部１９４ｃとの間には、第２の振動減衰部材１６５ｂが配置されている。
　第５の変形例において、支持部１０９のフレーム接続部１９１から連設された固定部１９４ｃの基端側には、板厚が薄くされた薄肉部１９６が設けられている。薄肉部１９６の剛性は、他の部分に比べて小さいため、薄肉部１９６は弾性を有する。かかる薄肉部１９６は、振動発生源６７からマスタフレーム１１０側に伝達される振動の周波数帯域を制限する振動周波数帯域制限部として機能する。かかる薄肉部１９６は、適宜の弾性定数を有するように構成され、所定の周波数を超える振動の伝達を制限するローパスフィルタとしての機能を実現する。したがって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジに合わせて選択的に振動帯域を調整することが可能になる。
　例えば、薄肉部１９６の弾性定数は、薄肉部１９６の構成材料のヤング率、あるいは、薄肉部１９６の厚さ、大きさ、配置位置又は形状のうちの少なくとも１つを調節することによって、所望の値に設定することができる。かかる薄肉部１９６によっても、マスタフレーム１１０及び筐体１０１等を介して、力センサ６１に高い周波数の振動が伝達されて、スレーブ装置の駆動制御及び術者への力覚提示の精度が低下することを抑制することができる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
　なお、第５の変形例において、第２の振動減衰部材１６５ｂを設ける代わりに、第１の振動減衰部材１６５ａが省略されてもよい。
　（３－３－６．第６の変形例）
　図２４は、第６の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２４は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ－Ｉ断面の模式図に相当する。第６の変形例に係る振動伝達抑制構造では、振動減衰部材の取り付け方が上記の実施形態に係る振動伝達抑制構造の場合と異なっている。図２４に示した例は、第５の変形例に対して第６の変形例を適用した例である。
　具体的に、上記の実施形態及び各変形例では、振動減衰部材は、フレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間、あるいは、振動発生源６７と固定部１９４との間に配置されたシート状の部材であったのに対して、第６の変形例では、振動減衰部材１６５ｄは、支持部１０９のフレーム接続部１９１と固定部１９４ｄとを接続する部材として構成される。つまり、第６の変形例に係る振動伝達抑制構造では、支持部１０９は、例えばステンレス鋼により形成されるフレーム接続部１９１側の部分及び固定部１９４ｄ側の部分が、振動減衰部材１６５ｄを介して連結されて構成される。
　固定部１９４ｄ上には、例えば、接触部１０５と一体にされた振動発生源６７が直接取り付けられている。また、固定部１９４ｄのうちの基端側には、振動周波数帯域制限部としての薄肉部１９６が設けられている。振動減衰部材１６５ｄは、例えば、Ｈ字状の断面を有して、それぞれの端部がフレーム接続部１９１側の部分及び固定部１９４ｄ側の部分に固定されている。第６の変形例に係る振動減衰部材１６５ｄについても、例えば、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又はゲルの少なくとも１つにより形成されてよい。
　振動減衰部材１６５ｄは、振動発生源６７により生成された振動を減衰して、マスタフレーム１１０に伝達されにくくする。また、薄肉部１９６は、振動発生源６７からマスタフレーム１１０側に伝達される振動の周波数帯域を制限する。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
　なお、第６の変形例において、振動減衰部材１６５ｄ以外にも、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間、あるいは、固定部１９４ｄと振動発生源６７との間の少なくとも一方に、振動減衰部材が設けられてもよい。
　（３－３－７．第７の変形例）
　図２５は、第７の変形例に係る振動伝達抑制構造を示す説明図である。かかる図２５は、図１５の断面図に対応する図であり、図１４のＩ－Ｉ断面の模式図に相当する。第７の変形例に係る振動伝達抑制構造は、コイルばねを用いて振動周波数帯域制限部を構成した例である。
　具体的に、第７の変形例において、支持部１０９は、フレーム接続部１９１と固定部１９４ｅとを有する。フレーム接続部１９１はマスタフレーム１１０に装着され、固定部１９４ｅはマスタフレーム１１０から離れる方向へと延在している。支持部１０９は、マスタフレーム１１０に片持ち支持されている。図２５に示した例では、固定部１９４ｅ上に、接触部１０５が一体とされた振動発生源６７が取り付けられている。第５の変形例において、振動発生源６７と固定部１９４ｅとの間には、振動減衰部材１６５ｅとコイルばね１８９とが配置されている。図２５に示した例では、固定部１９４ｅ上で２本のコイルばね１８９が振動発生源６７を支持し、当該２本のコイルばね１８９の周りを囲むようにして振動減衰部材１６５ｅが配置されている。
　振動発生源６７により生成された振動は、振動減衰部材１６５ｅにより減衰されて固定部１９４ｅに伝達され得る。また、振動発生源６７と固定部１９４ｅとの間に設けられたコイルばね１８９は、振動周波数帯域制限部として機能する。かかるコイルばね１８９は、適宜の弾性定数を有するように構成され、所定の周波数を超える振動の伝達を制限するローパスフィルタとしての機能を実現する。したがって、力センサ６１にとって必要なダイナミックレンジに合わせて選択的に振動帯域を調整することが可能になる。これにより、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度をさらに向上させることができる。
　なお、第７の変形例において、コイルばね１８９の配置位置や形態は上記の例に限定されない。振動周波数帯域制限部は、コイルばね１８９以外のばね構造によって構成されてもよい。また、振動減衰部材１６５ｅについても、配置位置や形態は上記の例に限定されない。さらに、第７の変形例において、振動減衰部材１６５ｅ以外にも、支持部１０９のフレーム接続部１９１とマスタフレーム１１０との間に、振動減衰部材が設けられてもよい。
　＜４．まとめ＞
　以上説明したように、本実施形態に係る力覚提示装置としてのマスタ装置６０は、力センサ６１と振動発生源６７との間に介在する振動減衰部材１６５を有する。このため、振動発生源６７により生成された振動は減衰されて力センサ６１側に伝達される。したがって、力センサ６１の検出対象である、術者によって操作部１００に入力される力ではない振動発生源６７による振動ノイズが力センサ６１に伝達されることを抑制することができる。
　また、本実施形態に係るマスタ装置６０は、力センサ６１と振動発生源６７との間に介在する振動周波数帯域制限部を有する。このため、所定の周波数帯域以外の周波数の振動が振動発生源６７から力センサ６１側に伝達されることが抑制される。したがって、力センサ６１のダイナミックレンジに対応する周波数帯域以外の振動が振動発生源６７から力センサ６１に伝達されることを抑制することができる。
　このようにして、本実施形態に係るマスタ装置６０は、振動発生源６７により生成された振動が、力センサ６１への振動ノイズとして伝達されることが抑制され、力センサ６１の感度を向上させることができる。したがって、触覚提示機能を兼ね備えた力覚提示装置において、術者への力覚提示を精度よく行うことができる。
　また、本実施形態に係るマスタ装置６０は、力センサ６１の周波数特性や、振動発生源６７の周波数特性に応じて、振動減衰部材１６５及び振動周波数帯域制限部の硬度や剛性、ヤング率、弾性定数の少なくとも１つを調節することにより、触覚提示のための振動の強度と、力センサ６１への振動ノイズの低減度合いとのバランスを調節することができる。したがって、触覚提示機能を兼ね備えた力覚提示装置において、術者への触覚提示及び力覚提示をバランスよく行うことができる。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、上記実施形態及び上記各変形例を適宜組み合わせたものも、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記実施形態では、振動発生源６７により生成された振動が、振動発生源６７に接する接触部１０５を介して術者の指に伝達されるように構成されていたが、本開示は係る例に限定されない。例えば、接触部１０５が省略され、振動発生源６７に術者の指が直接接触するように構成されてもよい。
　また、上記実施形態では、振動周波数帯域制限部が、所定の弾性定数を有する部材を用いて実現されていたが、本開示は係る例に限定されない。例えば、第１の振動伝達部７０が振動発生源６７の駆動信号を生成する際に、あらかじめ、信号処理によって駆動信号を整形することで、力センサ６１に伝達される振動の周波数帯域を制限してもよい。
　また、上記実施形態では、筆記用のペン型の操作部１００を有する把持力覚提示装置を例に採って説明したが、本開示はかかる例に限定されない。例えば、力覚提示装置は、ハサミ型の把持力覚提示装置としてもよい。また、力覚提示装置は、医療ロボットシステムに適用可能な装置に限られず、産業用製品や娯楽用製品等の種々の装置に適用されてもよい。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、
　前記ユーザに触覚を提示するための振動発生源と、
　前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、
　を備えた、力覚提示装置。
（２）前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
　前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
　前記振動減衰部材は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、前記（１）に記載の力覚提示装置。
（３）前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持デバイスであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
　前記振動減衰部材は、前記可動部に設けられる、前記（２）に記載の力覚提示装置。
（４）前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
　前記振動減衰部材は、前記フレーム部と前記支持部との間に介在する、前記（２）又は（３）に記載の力覚提示装置。
（５）前記振動発生源が発生する振動は、前記振動減衰部材を介することなく前記接触部に対して伝達される、前記（２）～（４）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（６）前記振動減衰部材は、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又は、ゲルの少なくとも１つにより形成される、前記（１）～（５）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（７）前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動周波数帯域制限部をさらに備える、前記（１）～（６）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（８）前記振動周波数帯域制限部は、所定の周波数未満の帯域の振動を前記力センサ側に伝達する、前記（７）に記載の力覚提示装置。
（９）前記振動周波数帯域制限部は、前記振動発生源側から前記力センサに伝達させる振動周波数の帯域に応じた剛性を有する、前記（７）又は（８）に記載の力覚提示装置。
（１０）前記振動周波数帯域制限部は、ばね構造又はヒンジ構造を有する、前記（７）～（９）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（１１）前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
　前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
　前記振動周波数帯域制限部は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、前記（７）～（１０）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（１２）前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持デバイスであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
　前記振動周波数帯域制限部は、前記可動部に設けられる、前記（１１）に記載の力覚提示装置。
（１３）前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
　前記振動周波数帯域制限部は、片持ち支持構造に設けられた弾性構造からなる、前記（１１）又は（１２）に記載の力覚提示装置。
（１４）前記力覚提示装置は、マスタスレーブ装置のマスタ側デバイスである、前記（１）～（１３）のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
（１５）前記力覚提示装置は、医療用の術具の遠隔操作を行う入力装置である、前記（１４）に記載の力覚提示装置
　１　　　　　医療ロボットシステム
　６０　　　　マスタ装置（力覚提示装置）
　６１　　　　力センサ
　６５　　　　モータ
　６７　　　　振動発生源
　７９　　　　制御装置
　１００　　　操作部
　１０５　　　接触部
　１０９　　　支持部
　１１０　　　マスタフレーム
　１６５　　　振動減衰部材
　１９１　　　フレーム接続部
　１９３　　　弾性部（振動周波数帯域制限部）
　１９４　　　固定部

Claims (15)

  1. 　ユーザによって操作される操作部に入力される力を検出する力センサと、
    　前記ユーザに触覚を提示するための振動発生源と、
    　前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動減衰部材と、
    　を備えた、力覚提示装置。
  2. 　前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
    　前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
    　前記振動減衰部材は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、請求項１に記載の力覚提示装置。
  3. 　前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持インタフェースであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
    　前記振動減衰部材は、前記可動部に設けられる、請求項２に記載の力覚提示装置。
  4. 　前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
    　前記振動減衰部材は、前記フレーム部と前記支持部との間に介在する、請求項２に記載の力覚提示装置。
  5. 　前記振動発生源が発生する振動は、前記振動減衰部材を介することなく前記接触部に対して伝達される、請求項２に記載の力覚提示装置。
  6. 　前記振動減衰部材は、炭素繊維強化樹脂、ゴム、発泡性スポンジ、発泡性合成樹脂、又は、ゲルの少なくとも１つにより形成される、請求項１に記載の力覚提示装置。
  7. 　前記力センサと前記振動発生源との間に介在する振動周波数帯域制限部をさらに備える、請求項１に記載の力覚提示装置。
  8. 　前記振動周波数帯域制限部は、所定の周波数未満の帯域の振動を前記力センサ側に伝達する、請求項７に記載の力覚提示装置。
  9. 　前記振動周波数帯域制限部は、前記振動発生源側から前記力センサに伝達させる振動周波数の帯域に応じた弾性又は剛性を有する、請求項７に記載の力覚提示装置。
  10. 　前記振動周波数帯域制限部は、弾性構造又はばね構造を有する、請求項７に記載の力覚提示装置。
  11. 　前記操作部は、前記ユーザの一部に接触する接触部を有し、
    　前記振動発生源は、前記接触部の近傍に設けられ、
    　前記振動周波数帯域制限部は、前記接触部の近傍において、前記力センサと前記振動発生源との間に介在する、請求項７に記載の力覚提示装置。
  12. 　前記操作部は、前記ユーザにより入力される力を受けて変位する可動部を含む把持インタフェースであって、前記可動部に前記ユーザの指に接触する前記接触部を有し、
    　前記振動周波数帯域制限部は、前記可動部に設けられる、請求項１１に記載の力覚提示装置。
  13. 　前記操作部はフレーム部を有し、前記接触部は前記フレーム部に片持ち支持された支持部に設けられ、
    　前記振動周波数帯域制限部は、片持ち支持構造に設けられた弾性構造からなる、請求項１１に記載の力覚提示装置。
  14. 　前記力覚提示装置は、マスタスレーブ装置のマスタ側装置である、請求項１に記載の力覚提示装置。
  15. 　前記力覚提示装置は、医療用の術具の遠隔操作を行う入力装置である、請求項１４に記載の力覚提示装置。
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