WO2021049189A1 - 医療用アームシステム、アーム装置、及びマスタースレーブシステムの作動方法 - Google Patents

医療用アームシステム、アーム装置、及びマスタースレーブシステムの作動方法 Download PDF

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WO2021049189A1
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axis
gimbal
end effector
arm system
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和仁 若菜
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ソニー株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a method of operating a medical arm system, an arm device, and a master-slave system.
  • a master-slave type surgical robot for example, there is an arm-type medical holding device capable of independently rotating a medical optical device such as a camera head and a perspective mirror around an optical axis (see Patent Document 1).
  • an operating device operated by an operator and an arm device remotely operated in response to the operator's operation on the operating device are included, and the arm device is connected to a base and the base.
  • the first unit includes an end effector unit provided, the first unit moves the second unit in at least one axial direction with respect to the base, and the second unit is supported by the gimbal.
  • a medical arm system that works with the unit to move the end effector unit in at least the uniaxial direction is provided.
  • a base a first unit connected to the base, a second unit connected to the first unit, a gimbal connected to the base and supporting the second unit, and the gimbal. It comprises an end effector unit connected to the second unit and provided with a surgical tool that comes into contact with the patient, the first unit moving the second unit in at least one axial direction with respect to the base, and the first unit.
  • the two units are supported by the gimbal and interlock with the first unit to provide an arm device for moving the end effector unit in at least the uniaxial direction.
  • FIG. 1 It is a conceptual diagram which shows the relationship between the radius of the input side capstan connected to the 1st motor, and the radius of the output side capstan of a 1st unit. It is an enlarged view of the part including the input side capstan connected to the 1st motor and the output side capstan of a 1st unit. It is a conceptual diagram which shows the relationship between the radius of the input side capstan connected to the 2nd motor, and the radius of the output side capstan of a 2nd unit. It is an enlarged view of the part including the input side capstan connected to the 2nd motor and the output side capstan of a 2nd unit. It is a schematic diagram which shows the external configuration example of the slave device which concerns on modification 1.
  • FIG. 1 It is a conceptual diagram which shows the relationship between the radius of the input side capstan connected to the 1st motor, and the radius of the output side capstan of a 1st unit. It is an enlarged view of the part including the input side capstan connected to the 1st motor and the output
  • FIG. 1 It is a top view of the slave device which concerns on modification 1.
  • FIG. 2 is a side view of the slave device which concerns on modification 1.
  • FIG. It is a rear view of the slave device which concerns on modification 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the external configuration example of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the state which put the end effector unit on the slide base of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. 1 It is explanatory drawing which shows the arrangement of the slide base of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. It is a top view of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. It is a side view of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. It is a rear view of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. 1 shows the external configuration example of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the state which put the end effector unit on the slide base of the slave device which concerns on modification 2.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an outline of medical arm system 1 according to the first embodiment.
  • the medical arm system 1 includes a master device 10 (10R and 10L) and a slave device 50.
  • the master device 10 is a device provided with an input interface operated by an operator such as a doctor (hereinafter, also referred to as a user).
  • the slave device 50 is a device provided with medical instruments such as forceps or tweezers that are remotely controlled according to the user's operation in the master device 10.
  • Bilateral control is adopted as an example in the medical arm system 1.
  • the bilateral control is a feedback control in which the position of the input interface and the surgical instrument and the state of the force are matched between the master device 10 and the slave device 50.
  • bilateral control is a control that matches the positions and force states of the master device and slave device at an arbitrary scale, and has the role of transmitting the position change and force applied to the master device by the user to the object. Also bears. For example, when the user operates the input interface, the surgical tool moves according to the operation. When the surgical instrument moves and comes into contact with the patient, the force at the time of contact is fed back to the input interface.
  • the master device 10 and the slave device 50 are connected by an arbitrary communication method.
  • the master device 10 and the slave device 50 are connected by wired communication or wireless communication.
  • the master device 10 and the slave device 50 may be configured to directly communicate with each other, or may be configured to communicate via a network (or another device).
  • the master device 10 is an information processing device having a function of driving control of the slave device 50 and presenting a vibration signal (first signal) measured by a sensor of the slave device 50 to the user.
  • the master device 10 includes operating devices 100 (100R and 100L) that the user grips and operates.
  • the operating device 100 corresponds to an information processing device that conveys to the user the feeling when the surgical tool of the slave device 50 comes into contact with the affected part of the patient or the like.
  • the master device 10 is connected to a monitor 30 on which the surgical field is displayed, and is provided with a support base 32 on which the user rests both arms or elbows.
  • the master device 10 is composed of a master device 10R for the right hand and a master device 10L for the left hand. Further, the master device 10R for the right hand is provided with the operating device 100R for the right hand, and the master device 10L for the left hand is provided with the operating device 100L for the left hand.
  • the user places both arms or elbows on the support base 32 and grips the operating devices 100R and 100L with his right and left hands, respectively. In this state, the user operates the operating devices 100R and 100L while looking at the monitor 30 on which the surgical field is displayed. By displacing the positions and orientations of the respective operating devices 100R and 100L, the user can remotely control the position or orientation of the surgical tool attached to the slave device 50, or perform a gripping operation by the respective surgical tools. Is also good.
  • the slave device 50 has a mechanism driven by an actuator such as a motor, and moves in response to drive control from the master device 10.
  • the slave device 50 has a function of presenting to the master device 10 the force and vibration when the affected part of the patient (hereinafter, also referred to as an object) in the operation and the part of the slave device 50 in contact with the object come into contact with each other. It is an arm device to have.
  • various sensors for example, origin sensor, limit sensor, encoder, microphone, acceleration sensor, etc.
  • a force sensor is provided on the arm portion 81 of the slave device 50.
  • the force sensor measures the force applied to the arm portion 81 when the surgical tool at the tip of the arm portion 81 comes into contact with the patient.
  • the place where the above-mentioned various sensors are provided is not particularly limited, and the various sensors may be provided at any place on the arm portion 81.
  • the slave device 50 is provided with, for example, a displacement sensor for measuring the movement of the movable portion (that is, the displacement of the position of the movable portion) at the corresponding position.
  • the displacement sensor include a potentiometer and an encoder.
  • the slave device 50 is provided with, for example, a drive mechanism for driving the movable portion at a position corresponding to the movable portion. Examples of the drive mechanism include a motor and a driver thereof.
  • the slave device 50 according to the first embodiment will be described in more detail below with reference to FIGS. 2 to 8B.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an example of an external configuration of the slave device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a part of the slave device according to the first embodiment.
  • the slave device 50 includes a base 51, a gimbal 52, a first unit 60, a first cable reducer 61, a first motor 62, a second unit 70, and a second cable deceleration. It includes a machine 71, a second motor 72, and an end effector unit 80.
  • the gimbal 52 and the first unit 60 are connected to the base 51.
  • a second unit 70 is connected to the first unit 60.
  • the second unit 70 is a long part, supported by a gimbal 52 that supports rotation of two axes, and the first motor 62 and the second motor 72 arranged at positions away from the rotation center of the gimbal 52. Performs a two-degree-of-freedom operation in a polar coordinate system.
  • the first unit 60 together with the second unit 70, performs an arc motion around the Pi axis of the gimbal 52 by the rotation of the first motor 62 via the first cable reducer 61.
  • the second unit 70 makes an arc motion about the center of the Theta axis of the gimbal 52 by the rotation of the second motor 72 via the second cable reducer 71.
  • Each of the first cable reducer 61 and the second cable reducer 71 decelerates using at least one cable (wire).
  • the gimbal 52 has a hollow in the center and has a double-sided shape (central hollow type) in each of the Pi axis direction and the Theta axis direction.
  • the arc guide 64 shown in FIG. 3 is an arc-shaped guide component, and by using this, the first unit 60 can smoothly perform a circular motion around the center of the Ph axis of the gimbal 52.
  • a part of the first unit 60 serves as an output side capstan of the first cable reducer 61, and operates by receiving torque from the first motor 62 fixed to the base 51.
  • the power transmission unit 65 connected to the first motor 62 serves as an input side capstan.
  • one end (one end) of the second unit 70 also serves as an output side capstan of the second cable reducer 71, from the second motor 72 fixed to the first unit 60. It operates by receiving the torque of. Further, the power transmission unit 75 connected to the second motor 72 serves as an input side capstan.
  • both edges of the output side capstan (second cable reducer 71) of the second unit 70 are loosened to the left and right with respect to the first unit 60 by the cam follower 63 fixed to the first unit 60. Is regulated so that only arc movement can be performed around the center of the Theta axis.
  • the cam follower 63 is a highly rigid shaft bearing having a thick outer ring and incorporating a needle-shaped roller called a needle inside.
  • the slave device 50 according to the first embodiment can realize 7-axis drive as shown in FIG. 2 by mounting the end effector unit 80 on the other end (the other end) of the second unit 70. Is.
  • the end effector unit 80 is a surgical instrument unit that slides in the long axis direction with respect to the second unit 70 and rotates the Roll axis around the long axis of the second unit 70. For example, as shown in steps S12 to S14 of FIG. 4, the end effector unit 80 extends 90 mm in the R-axis direction and rotates 90 deg in the rotation direction of the Roll axis as shown in steps S14 to S16.
  • the numerical values such as the angle shown in FIG. 4 indicate the amount of change with respect to the initial state (reference position).
  • the slave device 50 has a Yaw axis / Pitch axis / Grip (grip) at the tip A of the arm portion 81 of the end effector unit 80.
  • a Yaw axis / Pitch axis / Grip grip
  • the tip A of the arm portion 81 of the end effector unit 80 is provided with tweezers 82 that can be used as surgical tools such as forceps or tweezers as an example of the end effector that acts on the object.
  • the gripper 82 is formed by a first blade 83, a second blade 84, a first rotating shaft 85, and a second rotating shaft 86.
  • step S20 to S21 and / or from step S22 to step S23 in FIG. 5 the first blade 83, the second blade 84, and the first rotation shaft 85 are Yaw with the second rotation shaft 86 as a fulcrum. It moves entirely in the direction of rotation of the axis (here, it moves 90 °).
  • steps S20 to S22 and / or steps S21 to S23 in FIG. 5 the first blade 83 and the second blade 84 are in the rotation direction of the Pitch axis with the first rotation axis 85 as a fulcrum. Moves as a whole (here, moves 100 °).
  • the forces of a plurality of actuators arranged at the base of the end effector unit 80 (on the side of the second unit 70) are applied to the tip A of the arm portion 81 by a wire rope. It is operated by transmitting it to the gripper 82.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an operation example of the slave device 50 according to the first embodiment.
  • the numerical values such as the angle shown in FIG. 6 indicate the amount of change with respect to the initial state (reference position).
  • step S30 which is the initial state
  • the operation in polar coordinates can be realized without the operation of the Pi axis and the operation of the Theta axis interfering with each other.
  • FIG. 7A is a conceptual diagram showing the relationship between the radius r J1 of the input side capstan connected to the first motor 62 and the radius R J1 of the output side capstan of the first unit 60.
  • FIG. 7B is an enlarged view of a portion including an input side capstan connected to the first motor 62 and an output side capstan of the first unit 60.
  • FIG. 8A is a conceptual diagram showing the relationship between the radius r J2 of the input side capstan connected to the second motor 72 and the radius R J2 of the output side capstan of the second unit 70.
  • FIG. 8B is an enlarged view of a portion including an input side capstan connected to the second motor 72 and an output side capstan of the second unit 70.
  • the slave device 50 is an arm device having an all (paddle) mechanism having a polar coordinate type degree of freedom configuration, centering on a gimbal 52 that supports rotation of two axes. , Phi axis and Theta axis polar coordinate system operation.
  • the slave device 50 according to the first embodiment has three axes for changing the position of the surgical instrument on the Phi axis / Theta axis / R axis and three axes for rotating the surgical instrument on the Yaw axis / Pitch axis / Roll axis. It is composed of a total of 7 axes, including 1 axis for opening and closing the surgical tool on the Grip axis.
  • the mechanism that constitutes the three axes of the surgical instrument position change operation is called an all mechanism, and the three degrees of freedom at the tip (the operation of the Yaw axis / Pitch axis / Grip axis) is realized by the wire traction mechanism. Further, the R axis and the Yaw axis can be driven in parallel.
  • the reason why the mechanism constituting the above-mentioned three axes of surgical instrument position change operation is called an all mechanism is that torque is applied to the end portion of the long mechanism centering on the gimbal 52, and the polar coordinate system operation of the Pi axis and Theta axis is performed. This is because the way it is done is similar to the movement of a boat oar.
  • the all mechanism since the force is applied at a position away from the center of rotation, a high reduction ratio can be obtained (high output) despite the cable reduction gear, and high rigidity is achieved even with a relatively low rigidity wire drive. Can be secured (high rigidity). In addition, it is effective for smooth and fine positioning operation (high accuracy) because of its backlash-less and high back drivability. Further, by supporting the vicinity of the center of gravity of the mechanism by the gimbal 52, the gravity compensation torque required for the motor can be reduced (gravity compensation).
  • the second unit 70 is supported by a turntable (gimbal 52), and the operation of two degrees of freedom of the Phi axis and the Theta axis (two-axis operation). Tool position change operation) is possible.
  • the second unit 70 is connected to the first unit 60.
  • the first unit 60 operates along an arcuate locus centered on the Phi axis.
  • the second unit 70 obtains rotational power about the Phi axis from the first unit 60 and operates on the Phi axis.
  • the second unit 70 also obtains rotational power about the Theta axis to perform the Theta axis operation.
  • the second unit 70 performs a two-axis surgical instrument position changing operation of a Pi-axis operation and a Theta-axis operation.
  • the end effector unit 80 is connected / mounted to the second unit 70.
  • the end effector unit 80 has an R-axis motion (sliding motion in the major axis direction) that can move back and forth in the longitudinal direction of the second unit 70 with respect to the second unit 70, and a Roll that can rotate around the longitudinal axis center of the second unit 70.
  • Axle movement (rotational movement around the long axis) can be performed.
  • the R-axis motion is a surgical instrument position change motion
  • the Roll-axis motion is a surgical tool rotation motion.
  • the R-axis operation and the Roll-axis operation can also be performed inside the end effector unit 80.
  • the R-axis operation may be realized by expanding / contracting / sliding at least a part of the second unit 70.
  • the Roll-axis operation may be realized by rotating at least a part of the second unit 70 about the center of the long axis.
  • the gripper 82 provided at the tip of the arm portion 81 of the end effector unit 80 can perform a two-axis operation tool rotation operation of the Pitch axis / Yaw axis and an operation tool opening / closing operation of the Grip axis.
  • FIGS. 9 to 14 are diagrams for explaining the slave device 50A according to the first modification.
  • 11 to 13C are diagrams for explaining the slave device 50B according to the second modification.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the slave device 50C according to the third modification.
  • FIG. 9 is a schematic view showing an external configuration example of the slave device 50A according to the first modification.
  • FIG. 10A is a top view of the slave device 50A according to the first modification.
  • FIG. 10B is a side view of the slave device 50A according to the first modification.
  • FIG. 10C is a rear view of the slave device 50A according to the first modification.
  • the gimbal 52A can have a cantilever shape (U-shape) in the Phi axis direction and both sides in the Theta axis direction.
  • the shape may be double-sided in the Phi-axis direction and cantilevered in the Theta-axis direction (horizontal U-shape (U-shape)).
  • the end effector unit 80A can be connected from the rear of the second unit 70A.
  • the positions of the centers of gravity of the second unit 70A and the end effector unit 80A are moved away from the gimbal 52A, the load on the first motor 62 and the second motor 72 increases, but the drive mechanism of the gripper 82 is located near the tip of the arm portion 81. Since it is not necessary to arrange the above, the structure is such that it does not easily interfere with the work target.
  • FIG. 11 is a schematic view showing an external configuration example of the slave device 50B according to the second modification.
  • FIG. 12A is an explanatory diagram showing a state in which the end effector unit is mounted on the slide base of the slave device according to the second modification.
  • FIG. 12B is an explanatory diagram showing the arrangement of the slide base of the slave device according to the second modification.
  • FIG. 13A is a top view of the slave device 50B according to the second modification.
  • FIG. 13B is a side view of the slave device 50B according to the second modification.
  • FIG. 13C is a rear view of the slave device 50B according to the second modification. As shown in FIGS.
  • the gimbal 52B into a cantilever shape (U-shape) in the Phi axis direction, the upper portion of the second unit 70B can be opened. Further, as shown in FIGS. 12A and 12B, a slide base 73 movable in the R-axis direction is arranged at a portion where the upper portion is open, and the end effector unit 80B is mounted on the slide base 73. Similar to the first modification, the slave device 50B according to the second modification can keep the rear stage of the gimbal compact and can arrange the center of gravity closer to the gimbal than the first modification.
  • FIG. 14 is a schematic view showing an external configuration example of the slave device 50C according to the modified example 3.
  • the gimbal 52C may have a cantilever structure (L-shape) for both the Phi axis and the Theta axis.
  • the end effector unit 80 is not shown.
  • the shape of the second unit 70C shown in FIG. 14 may be the same as the second unit 70 of the first embodiment, the second unit 70A of the first modification, or the second unit 70B of the second modification.
  • the medical arm system 1 according to the second embodiment corresponds to the embodiment of the medical arm system 1 according to the first embodiment.
  • the medical arm system according to the second embodiment will be described by taking a master-slave type medical robot system as an example.
  • FIG. 15 is a schematic diagram for explaining the outline of the medical arm system 1 according to the second embodiment.
  • the medical arm system 1 includes a master device 10 and slave devices 50 (50R and 50L).
  • the master device 10 includes an operating device 100R for the right hand and an operating device 100L for the left hand.
  • the slave device 50 two devices, a slave device 50R for the right hand and a slave device 50L for the left hand, are provided.
  • the slave devices 50R and 50L correspond to the operating devices 100R and 100L, respectively.
  • a monitor 30 displaying the surgical field is connected to the master device 10 as in FIG. 1.
  • Bilateral control is adopted as an example in the medical arm system 1.
  • the master device 10 and the slave device 50 are connected by an arbitrary communication method.
  • the master device 10 and the slave device 50 are connected by wired communication or wireless communication.
  • the master device 10 and the slave device 50 may be configured to directly communicate with each other, or may be configured to communicate via a network (or another device).
  • the user holds the operating devices 100R and 100L with his right hand and his left hand, respectively. In this state, the user operates the operating devices 100R and 100L while looking at the monitor 30 on which the surgical field is displayed. By displacing the position and orientation of the respective operating devices 100R and 100L, the user can remotely control the position or orientation of the surgical tools attached to the slave devices 50R and 50L, or perform a gripping operation by the respective surgical tools. You may go.
  • FIG. 16A is a schematic view showing an example of an external configuration of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 16B is an explanatory diagram for explaining the first cable reducer 61 of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 16C is an explanatory diagram for explaining the second cable speed reducer 71 of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 16D is an explanatory diagram for explaining the slide mechanism 90 of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • the two-cable reducer 71, the second motor 72, and the end effector unit 80 are each covered with an exterior in units of units.
  • the gimbal 52 supports the second unit 70 from the outside of the exterior.
  • the overall configuration of the slave device 50 according to the second embodiment is basically the same as that of the slave device 50 according to the first embodiment.
  • FIGS. 16B and 16C there are two or more cable reducers such as the first cable reducer 61 used for the circular motion centered on the Phi axis and the second cable reducer 71 used for the circular motion centered on the Theta axis.
  • Rigidity can be increased by using the above cable.
  • FIGS. 16B and 16C by reversing the winding direction of the two cables around the input side capstans (power transmission units 65 and 75), the moment acting on the input side capstans by the cables The force can be reduced.
  • the cable is preferably wound around the input side capstan a plurality of times, and may be fixed by soldering or the like so that a part of the wound portion does not shift with respect to the input side capstan.
  • the end effector unit 80 can be slid in the R-axis direction by providing a slide mechanism 90 for linear motion such as a ball screw between the second unit 70 and the end effector unit 80. it can.
  • the slide mechanism 90 is provided inside the exterior of the second unit 70.
  • the actuator for causing the slave device 50 according to the second embodiment to rotate around each axis of the Phi axis / Theta axis / Roll axis / Pitch axis / Yaw axis / Grip axis is other than the electromagnetic rotation motor.
  • a rotary ultrasonic motor / hydraulic rotary motor / electrostatic motor or the like using a piezoelectric element may be used.
  • the actuator for causing the end effector unit 80 to slide in the R-axis direction is a rotary ultrasonic motor / hydraulic rotary motor / electrostatic motor / piezoelectric element using a piezoelectric element.
  • a linear-acting ultrasonic motor / hydraulic linear-actuator (power cylinder) / polymer actuator / voice coil / electromagnetic linear motor or the like may be used.
  • each of the above actuators includes a gear type reducer / wave gear reducer / planetary gear reducer / mysterious planetary gear reducer / cable reducer / traction reducer / ball screw / slip screw / worm gear and other reducers.
  • a position detection device such as a magnetic encoder / optical encoder / potentiometer, and a brake for emergency stop may be provided.
  • the base 51 of the slave device 50 may come above the ground. That is, the slave device 50 can be turned upside down. Further, the base 51 itself may be coupled to an operating device such as another manipulator or a linear motion stage.
  • the movement direction can be regulated by using the arc guide 64 as in the first embodiment so that the first unit 60 can smoothly perform the arc movement at the center of the Phi axis.
  • the movement direction may be regulated by using another guide method such as using a cam follower for the first unit 60.
  • the movement direction can be regulated by using the cam follower 63 as in the first embodiment so that the second unit 70 can smoothly perform the arc movement at the center of the Theta axis.
  • the movement direction may be regulated by using another guide method such as using the arc guide for the second unit 70.
  • FIG. 17A to 17E are image views showing a state in which the slave device 50 according to the second embodiment is viewed from various angles.
  • FIG. 17A is a first perspective view of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 17B is a second perspective view of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 17C is a third perspective view of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 17D is a fourth perspective view of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 17E is a side view of the slave device 50 according to the second embodiment.
  • FIG. 18A to 18E are image views when two slave devices 50 (50R and 50L) according to the second embodiment are used side by side.
  • FIG. 18A is a rear view when two slave devices 50 (50R and 50L) according to the second embodiment are used side by side.
  • FIG. 18B is a first perspective view when two slave devices 50 (50R and 50L) according to the second embodiment are used side by side.
  • FIG. 18C is a second perspective view when two slave devices 50 (50R and 50L) according to the second embodiment are used side by side.
  • FIG. 18D is a side view when two slave devices 50 (50R and 50L) according to the second embodiment are used side by side.
  • FIG. 18E is a top view when two slave devices 50 (50R and 50L) according to the second embodiment are used side by side.
  • the goal of the bilateral control system is to "realize the feeling that the surgeon has entered the world of 1 / N scale and is performing physical operations."
  • 1 / N refers to work in a small space that is difficult for a person to work, such as 1/3 or 1/10.
  • the operation at 1/10 scale means that when the operator operates the master arm by 10 mm, the slave arm moves by 1 mm.
  • "precision that can be used in the world of scale 1 / N" and "high direct operation feeling” are important. When these two elements are reduced to the performance required for the arm, the former has “high position and force resolution", and the latter has “high natural frequency” and "sufficient range of motion”.
  • each joint of the mechanism has no backlash and high back drivability.
  • a bilateral control system with a master arm and a slave arm, in order to prevent the operator from feeling the intervention of the robot in the high frequency band, it has a high natural frequency that can be stably controlled in the high frequency band.
  • the present disclosure relates to a mechanical structure (all mechanism) suitable for a slave arm that does not require a wide translational range of motion, and has the following merits.
  • the gravity compensation torque required for the motor is reduced.
  • the motor torque is arranged at a position away from the center of rotation, a high reduction ratio can be obtained even when the wire reduction structure is used. Therefore, the direction of the mechanism can be controlled with high accuracy with low torque.
  • the motor at the base of the arm can be miniaturized.
  • the present technology can also have the following configurations.
  • An operating device operated by the surgeon and An arm device that is remotely controlled according to the operator's operation on the operating device, and Including The arm device is The foundation and The first unit connected to the base and The second unit connected to the first unit and A gimbal that is connected to the base and supports the second unit, An end effector unit that is connected to the second unit and is provided with a surgical tool that comes into contact with the patient.
  • the first unit moves the second unit in at least one axial direction with respect to the base.
  • the second unit is a medical arm system that interlocks with the first unit while being supported by the gimbal and moves the end effector unit in at least the uniaxial direction.
  • the medical arm system according to any one of (1) to (7), wherein the shape of the gimbal is any of a central hollow type, a U-shape, and an L-shape.
  • the arm device includes a three-axis surgical tool position changing operation of the Phi-axis, Theta-axis, and R-axis, a three-axis surgical tool rotation operation of the Yaw-axis, Pitch-axis, and Roll-axis, and a Grip-axis surgical tool opening / closing operation.
  • the medical arm system according to any one of (1) to (8), which performs a total of 7-axis operation.
  • the medical arm according to any one of (1) to (13), wherein the arm device performs a circular motion around the axis of the gimbal and regulates the direction of motion by using at least one of an arc guide and a cam follower. system.
  • the foundation and The first unit connected to the base and The second unit connected to the first unit and A gimbal that is connected to the base and supports the second unit, An end effector unit connected to the second unit and provided with an end effector that acts on an object, and an end effector unit. With The first unit moves the second unit in at least one axial direction with respect to the base.
  • the second unit is an arm device that interlocks with the first unit while being supported by the gimbal and moves the end effector unit in at least the uniaxial direction.
  • a method of operating a master-slave system that includes a master device operated by an operator and a slave device that is remotely controlled in response to the operator's operation on the master device.
  • the master-slave system controls the slave device based on the operator's input to the master device.
  • the slave device moves the first unit connected to the base and the second unit connected to the first unit in at least one axial direction with respect to the base and supported by the gimbal in an interlocking manner. Then, the end effector unit to which the surgical tool connected to the second unit can be attached is moved at least in the uniaxial direction. How the master-slave system works.

Abstract

アームとしての剛性を高くするべく、医療用アームシステム（１）は、術者が操作する操作装置（１００）と、操作装置（１００）に対する術者の操作に応じて遠隔操作されるアーム装置と、を含み、アーム装置は、土台（５１）と、土台（５１）に接続された第１ユニット（６０）と、第１ユニット（６０）に接続された第２ユニット（７０）と、土台（５１）に接続され、第２ユニット（７０）を支えるジンバル（５２）と、第２ユニット（７０）に接続され、患者に接触する術具が設けられるエンドエフェクタユニット（８０）と、を備え、第１ユニット（６０）は、土台（５１）に対して少なくとも１軸方向に第２ユニット（７０）を動かし、第２ユニット（７０）は、ジンバル（５２）に支えられた状態で第１ユニット（６０）と連動し、エンドエフェクタユニット（８０）を少なくとも１軸方向に動かすように構成した。

Description

医療用アームシステム、アーム装置、及びマスタースレーブシステムの作動方法
　本開示は、医療用アームシステム、アーム装置、及びマスタースレーブシステムの作動方法に関する。
　近年、マスタースレーブ型の手術ロボットを用いた手術が提案されている。マスタースレーブ型の手術ロボットとして、例えば、カメラヘッドと斜視鏡などの医療用光学機器を光軸周りに独立して回転できるようにしたアーム型の医療用保持装置がある（特許文献１参照）。
特開２０１９－８４３３４号公報
　しかしながら、スレーブ側を上記先行技術のような複数のリンクを関節部で繋げて一本のアームとして機能させる場合、関節部における支点と作用点が離れているため、アームとしての剛性を高くすることが難しい。
　そこで、本開示では、従来のアームとは異なる構造によりアームとしての剛性を高くした医療用アームシステム、アーム装置、及びマスタースレーブシステムの作動方法を提案する。
　本開示によれば、術者が操作する操作装置と、前記操作装置に対する前記術者の操作に応じて遠隔操作されるアーム装置と、を含み、前記アーム装置は、土台と、前記土台に接続された第１ユニットと、前記第１ユニットに接続された第２ユニットと、前記土台に接続され、前記第２ユニットを支えるジンバルと、前記第２ユニットに接続され、患者に接触する術具が設けられるエンドエフェクタユニットと、を備え、前記第１ユニットは、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第２ユニットを動かし、前記第２ユニットは、前記ジンバルに支えられた状態で前記第１ユニットと連動し、前記エンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かす医療用アームシステムが提供される。
　また、本開示によれば、土台と、前記土台に接続された第１ユニットと、前記第１ユニットに接続された第２ユニットと、前記土台に接続され、前記第２ユニットを支えるジンバルと、前記第２ユニットに接続され、患者に接触する術具が設けられるエンドエフェクタユニットと、を備え、前記第１ユニットは、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第２ユニットを動かし、前記第２ユニットは、前記ジンバルに支えられた状態で前記第１ユニットと連動し、前記エンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かすアーム装置が提供される。
本開示の第１の実施形態に係る医療用アームシステムの概要を説明するための模式図である。 第１の実施形態に係るスレーブ装置の外部構成例を示す模式図である。 第１の実施形態に係るスレーブ装置の一部の拡大図である。 第１の実施形態に係るスレーブ装置のエンドエフェクタユニットの動作の一例を示す説明図である。 第１の実施形態に係るスレーブ装置のエンドエフェクタユニットの先端の術具の動作の一例を示す説明図である。 第１の実施形態に係るスレーブ装置の動作例を示す説明図である。 第１モータに連結された入力側キャプスタンの半径と、第１ユニットの出力側キャプスタンの半径との関係を示す概念図である。 第１モータに連結された入力側キャプスタンと第１ユニットの出力側キャプスタンとを含む部位の拡大図である。 第２モータに連結された入力側キャプスタンの半径と、第２ユニットの出力側キャプスタンの半径との関係を示す概念図である。 第２モータに連結された入力側キャプスタンと第２ユニットの出力側キャプスタンとを含む部位の拡大図である。 変形例１に係るスレーブ装置の外部構成例を示す模式図である。 変形例１に係るスレーブ装置の上面図である。 変形例１に係るスレーブ装置の側面図である。 変形例１に係るスレーブ装置の背面図である。 変形例２に係るスレーブ装置の外部構成例を示す模式図である。 変形例２に係るスレーブ装置のスライドベースにエンドエフェクタユニットを載せた状態を示す説明図である。 変形例２に係るスレーブ装置のスライドベースの配置を示す説明図である。 変形例２に係るスレーブ装置の上面図である。 変形例２に係るスレーブ装置の側面図である。 変形例２に係るスレーブ装置の背面図である。 変形例３に係るスレーブ装置の外部構成例を示す模式図である。 本開示の第２の実施形態に係る医療用アームシステムの概要を説明するための模式図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の外部構成例を示す模式図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の第１ケーブル減速機を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の第２ケーブル減速機を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置のスライド機構を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の第１の斜視図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の第２の斜視図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の第３の斜視図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の第４の斜視図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置の側面図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置を２台並べて使用したときの背面図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置を２台並べて使用したときの第１の斜視図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置を２台並べて使用したときの第２の斜視図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置を２台並べて使用したときの側面図である。 第２の実施形態に係るスレーブ装置を２台並べて使用したときの上面図である。
　以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
　また、以下に示す項目順序に従って本開示を説明する。
　１．第１の実施形態
　１．１．医療用アームシステムの概要
　１．１．１．マスター装置の概要
　１．１．２．スレーブ装置の概要
　１．２．スレーブ装置の詳細
　１．２．１．スレーブ装置の外部構成例
　１．２．２．スレーブ装置の動作例
　１．３．変形例
　１．３．１．変形例１
　１．３．２．変形例２
　１．３．３．変形例３
　２．第２の実施形態
　２．１．医療用アームシステムの概要
　２．２．スレーブ装置の詳細
　３．むすび
　１．第１の実施形態
　まず、本開示の第１の実施形態に係る医療用アームシステムについて、以下に図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、マスタースレーブ方式の医療ロボットシステムを例に、本開示の第１の実施形態に係る医療用アームシステムを説明する。
　１．１．医療用アームシステムの概要
　図１は、第１の実施形態に係る医療用アームシステム１の概要を説明するための模式図である。図１に示すように、医療用アームシステム１は、マスター装置１０（１０Ｒ及び１０Ｌ）と、スレーブ装置５０とを備える。マスター装置１０は、医師等の術者（以下では、ユーザとも称される）が操作する入力インタフェースを備えた装置である。スレーブ装置５０は、マスター装置１０におけるユーザの操作に応じて遠隔操作される鉗子又は攝子等の医療用術具を備えた装置である。
　医療用アームシステム１には、一例としてバイラテラル制御が採用されている。バイラテラル制御とは、マスター装置１０とスレーブ装置５０との間で、入力インタフェースと術具の位置、及び力の状態を一致させるフィードバック制御である。言い換えれば、バイラテラル制御は、マスター装置とスレーブ装置の位置と力の状態を任意の縮尺率下で一致させる制御であり、マスター装置にユーザが加えた位置変化および力を、対象物へ伝える役割も担う。例えば、ユーザが入力インタフェースを操作すると、当該操作に応じて術具は移動する。術具が移動して患者に接触すると、接触した時の力が入力インタフェースにフィードバックされる。
　なお、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、任意の通信方式で接続されている。例えば、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、有線通信または無線通信によって接続されている。また、例えば、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、直接的に通信を行う構成であっても良いし、ネットワーク（または他の装置）を介して通信を行う構成であっても良い。
　１．１．１．マスター装置の概要
　マスター装置１０は、スレーブ装置５０の駆動制御や、スレーブ装置５０のセンサが計測した振動信号（第１の信号）等をユーザへ提示する機能を有する情報処理装置である。
　図１に示すように、マスター装置１０は、ユーザが把持して操作する操作装置１００（１００Ｒ及び１００Ｌ）を備えている。この操作装置１００は、スレーブ装置５０の術具が患者の患部等に接触した際の感触をユーザへ伝える情報処理装置に相当する。また、マスター装置１０には、術野が表示されるモニタ３０が接続され、ユーザが両腕又は両肘を載せる支持台３２が設けられている。なお、マスター装置１０は、右手用のマスター装置１０Ｒ、及び左手用のマスター装置１０Ｌで構成されている。さらに、右手用のマスター装置１０Ｒには右手用の操作装置１００Ｒが備えられ、左手用のマスター装置１０Ｌには左手用の操作装置１００Ｌが備えられている。
　ユーザは、両腕又は両肘を支持台３２上に載せ、右手及び左手でそれぞれ操作装置１００Ｒ、１００Ｌを把持する。この状態で、ユーザは、術野が表示されるモニタ３０を見ながら操作装置１００Ｒ、１００Ｌを操作する。ユーザは、それぞれの操作装置１００Ｒ、１００Ｌの位置及び向きを変位させることにより、スレーブ装置５０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良い。
　１．１．２．スレーブ装置の概要
　スレーブ装置５０は、モータ等のアクチュエータにより駆動する機構を有し、マスター装置１０からの駆動制御に応じて動く。スレーブ装置５０は、手術における患者の患部（以下では、対象物とも称される）と、対象物と接触するスレーブ装置５０の部位が接触した際の力及び振動をマスター装置１０へ提示する機能を有するアーム装置である。
　スレーブ装置５０では、対象物と接触するアーム部分８１に、各種センサ（例えば、原点センサや、Ｌｉｍｉｔセンサ、エンコーダ、マイクロフォン、加速度センサなど）が設けられる。また、スレーブ装置５０のアーム部分８１には、力センサが設けられる。力センサは、アーム部分８１の先端の術具が患者と接触した際に、アーム部分８１に印加される力を計測する。なお、上述した各種センサが備えられる場所は特に限定されず、各種センサは、アーム部分８１の任意の場所に備えられても良い。
　スレーブ装置５０は、例えば、可動部の動き（すなわち、可動部の位置の変位）を計測するための変位センサを、対応する位置に備える。上記変位センサとしては、例えば、ポテンショメータやエンコーダなどが挙げられる。また、スレーブ装置５０は、例えば、上記可動部を駆動させるための駆動機構を、可動部に対応する位置に備える。上記駆動機構としては、例えば、モータ及びそのドライバ等が挙げられる。
　１．２．スレーブ装置の詳細
　以下では、図２から図８Ｂを参照しながら、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０について、より詳細に説明する。
　１．２．１．スレーブ装置の外部構成例
　まず、図２及び図３を参照しながら、スレーブ装置５０の外部構成例について説明する。図２は、第１の実施形態に係るスレーブ装置の外部構成例を示す模式図である。図３は、第１の実施形態に係るスレーブ装置の一部の拡大図である。
　図２に示すように、スレーブ装置５０は、土台５１と、ジンバル５２と、第１ユニット６０と、第１ケーブル減速機６１と、第１モータ６２と、第２ユニット７０と、第２ケーブル減速機７１と、第２モータ７２と、エンドエフェクタユニット８０とを備える。
　土台５１には、ジンバル５２及び第１ユニット６０が接続されている。第１ユニット６０には、第２ユニット７０が接続されている。第２ユニット７０は、長尺の部品であり、２軸の回転支持をするジンバル５２によって支えられていて、ジンバル５２の回転中心から離れた位置に配置された第１モータ６２及び第２モータ７２によって、極座標系での２自由度動作を行う。
　本実施形態では、第１ユニット６０は、第２ユニット７０と共に、第１ケーブル減速機６１を介して、第１モータ６２の回転により、ジンバル５２のＰｈｉ（ファイ）軸中心に円弧運動を行う。また、第２ユニット７０は、第２ケーブル減速機７１を介して、第２モータ７２の回転により、ジンバル５２のＴｈｅｔａ（シータ）軸中心に円弧運動を行う。第１ケーブル減速機６１及び第２ケーブル減速機７１はそれぞれ、少なくとも１本のケーブル（ワイヤ）を用いて減速を行う。また、図２に示すように、ジンバル５２は、中央が空洞で、Ｐｈｉ軸方向及びＴｈｅｔａ軸方向のそれぞれに両持ちの形状（中央空洞型）となっている。
　ここで、図３に示す円弧ガイド６４は、円弧状のガイド部品であり、これを用いることで、第１ユニット６０はジンバル５２のＰｈｉ軸中心に滑らかに円弧運動が行える。第１ユニット６０の一部は、第１ケーブル減速機６１の出力側キャプスタンの役目をもっており、土台５１に固定された第１モータ６２からのトルクを受けて動作する。また、第１モータ６２に連結された動力伝達部６５は、入力側キャプスタンの役目をもっている。
　第１ユニット６０と同様に、第２ユニット７０の一方の末端（一端部）も第２ケーブル減速機７１の出力側キャプスタンの役目をもっており、第１ユニット６０に固定された第２モータ７２からのトルクを受けて動作する。また、第２モータ７２に連結された動力伝達部７５は、入力側キャプスタンの役目をもっている。
　図３に示すように、第２ユニット７０の出力側キャプスタン（第２ケーブル減速機７１）の両縁は、第１ユニット６０に固定されたカムフォロア６３により、第１ユニット６０に対する左右のガタつきを規制され、Ｔｈｅｔａ軸中心に円弧運動のみできるようになっている。カムフォロア６３は、厚肉な外輪を持ち、内部にニードルと呼ばれる針状のローラーを組み込んだ剛性の高い軸付きベアリングである。
　スレーブ装置５０において、Ｐｈｉ軸とＴｈｅｔａ軸にケーブル減速機（第１ケーブル減速機６１及び第２ケーブル減速機７１）を用いることは、バックラッシレスを実現し、かつバックドライバビリティを向上させる点で有効な手段である。無論、ギアによる動力伝達を用いても良い。
　さらに、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０は、第２ユニット７０の他方の末端（他端部）にエンドエフェクタユニット８０を装着することで、図２に示すように７軸駆動が実現可能である。
　エンドエフェクタユニット８０は、術具ユニットであり、第２ユニット７０に対して長軸方向へのスライド運動を行い、第２ユニット７０の長軸を中心としたＲｏｌｌ（ロール）軸回転を行う。例えば、図４のステップＳ１２からステップＳ１４に示すように、エンドエフェクタユニット８０は、Ｒ軸方向へ９０ｍｍ延伸し、ステップＳ１４からステップＳ１６に示すように、Ｒｏｌｌ軸の回転方向に９０ｄｅｇ回転する。なお、図４に示す角度等の数値は、初期状態（基準位置）に対する変化量を示す。
　さらに、図２に示すように、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０は、エンドエフェクタユニット８０のアーム部分８１の先端部ＡでのＹａｗ（ヨー）軸／Ｐｉｔｃｈ（ピッチ）軸／Ｇｒｉｐ（グリップ）軸の３軸運動ができる。本実施形態では、エンドエフェクタユニット８０のアーム部分８１の先端部Ａには、対象物に作用するエンドエフェクタの一例として、鉗子又は攝子等の術具として使用可能なグリッパ８２が設けられている。グリッパ８２は、第１ブレード８３と、第２ブレード８４と、第１回転軸８５と、第２回転軸８６とにより形成されている。例えば、図５のステップＳ２０に示す状態をグリッパ８２の初期状態とする。図５のステップＳ２０からステップＳ２１、及び／又はステップＳ２２からステップＳ２３に示すように、第１ブレード８３と第２ブレード８４と第１回転軸８５とは、第２回転軸８６を支点として、Ｙａｗ軸の回転方向に全体移動する（ここでは９０°移動）。また、図５のステップＳ２０からステップＳ２２、及び／又はステップＳ２１からステップＳ２３に示すように、第１ブレード８３と第２ブレード８４とは、第１回転軸８５を支点として、Ｐｉｔｃｈ軸の回転方向に全体移動する（ここでは１００°移動）。さらに、図５のステップＳ２０からステップＳ２４に示すように、グリッパ８２がＰｉｔｃｈ軸の回転方向に移動した状態（ここでは３０°移動）であっても、図５のステップＳ２４からステップＳ２５に示すように、第１ブレード８３と第２ブレード８４とは、第１回転軸８５を支点として、Ｇｒｉｐ軸の回転方向に開閉する。無論、逆方向の動作、例えば元の状態に戻る動作も可能である。なお、図５に示す角度等の数値は、初期状態（基準位置）に対する変化量を示す。
　Ｙａｗ軸／Ｐｉｔｃｈ軸／Ｇｒｉｐ軸に関しては、例えば、エンドエフェクタユニット８０の根元（第２ユニット７０側）に配置された複数のアクチュエータの力をワイヤロープによりアーム部分８１の先端部Ａに設けられたグリッパ８２に伝達することで動作させる。
　１．２．２．スレーブ装置の動作例
　次に、図６から図８Ｂを参照しながら、スレーブ装置５０の動作例について説明する。図６は、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０の動作例を示す説明図である。図６は、Ｐｈｉ軸（Ｊｏｉｎｔ１＝Ｊ１）とＴｈｅｔａ軸（Ｊｏｉｎｔ２＝Ｊ２）の極座標系動作（円弧運動）を行った際の、スレーブ装置５０の機構の様子である。なお、図６に示す角度等の数値は、初期状態（基準位置）に対する変化量を示す。図６のステップＳ３０に示す状態（Ｊ１＝０°、Ｊ２＝０°）を基準となるスレーブ装置５０の初期状態とする。ステップＳ３０に示す状態からＰｈｉ軸の回転方向に１５°移動するとステップＳ３１に示す状態（Ｊ１＝１５°、Ｊ２＝０°）となる。ステップＳ３１に示す状態からＴｈｅｔａ軸の回転方向に－１０°移動するとステップＳ３２に示す状態（Ｊ１＝１５、Ｊ２＝－１０°）となる。ステップＳ３２に示す状態からＰｈｉ軸の回転方向に－１５°移動するとステップＳ３３に示す状態（Ｊ１＝０、Ｊ２＝－１０°）となる。ステップＳ３３に示す状態からＰｈｉ軸の回転方向に－１５°移動するとステップＳ３４に示す状態（Ｊ１＝－１５°、Ｊ２＝－１０°）となる。ステップＳ３４に示す状態からＴｈｅｔａ軸の回転方向に１０°移動するとステップＳ３５に示す状態（Ｊ１＝－１５°、Ｊ２＝０°）となる。ステップＳ３５に示す状態からＴｈｅｔａ軸の回転方向に１０°移動するとステップＳ３６に示す状態（Ｊ１＝－１５°、Ｊ２＝１０°）となる。ステップＳ３６に示す状態からＰｈｉ軸の回転方向に１５°移動するとステップＳ３７に示す状態（Ｊ１＝０、Ｊ２＝１０°）となる。ステップＳ３７に示す状態からＰｈｉ軸の回転方向に－１５°移動するとステップＳ３８に示す状態（Ｊ１＝－１５°、Ｊ２＝１０°）となる。なお、ステップＳ３８に示す状態からＰｈｉ軸の回転方向に３０°移動し、Ｔｈｅｔａ軸の回転方向に－１０°移動するとステップＳ３１に示す状態（Ｊ１＝１５°、Ｊ２＝０°）となる。また、初期状態であるステップＳ３０に示す状態からＰｈｉ軸の回転方向に－１５°移動するとステップＳ３５に示す状態（Ｊ１＝－１５°、Ｊ２＝０°）となる。ステップＳ３０に示す状態からＴｈｅｔａ軸の回転方向に－１０°移動するとステップＳ３３に示す状態（Ｊ１＝０、Ｊ２＝－１０°）となる。ステップＳ３０に示す状態からＴｈｅｔａ軸の回転方向に１０°移動するとステップＳ３７に示す状態（Ｊ１＝０、Ｊ２＝１０°）となる。無論、逆方向の動作、例えば元の状態に戻る動作も可能である。図６に示すように、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０では、Ｐｈｉ軸の動作とＴｈｅｔａ軸の動作とが互いに干渉することなく極座標での動作が実現できる。
　図７Ａ及び図７Ｂは、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０のＰｈｉ軸（Ｊｏｉｎｔ１＝Ｊ１）の減速比を示す説明図である。図７Ａは、第１モータ６２に連結された入力側キャプスタンの半径ｒＪ１と、第１ユニット６０の出力側キャプスタンの半径ＲＪ１との関係を示す概念図である。図７Ｂは、第１モータ６２に連結された入力側キャプスタンと第１ユニット６０の出力側キャプスタンとを含む部位の拡大図である。Ｐｈｉ軸の減速比は、第１モータ６２に連結された入力側キャプスタンの半径ｒＪ１と、第１ユニット６０の出力側キャプスタンの半径ＲＪ１とを用いて、ｒＪ１／ＲＪ１（＝２πｒＪ１／２πＲＪ１）で求める。
　図８Ａ及び図８Ｂは、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０のＴｈｅｔａ軸（Ｊｏｉｎｔ２＝Ｊ２）の減速比を示す説明図である。図８Ａは、第２モータ７２に連結された入力側キャプスタンの半径ｒＪ２と、第２ユニット７０の出力側キャプスタンの半径ＲＪ２との関係を示す概念図である。図８Ｂは、第２モータ７２に連結された入力側キャプスタンと第２ユニット７０の出力側キャプスタンとを含む部位の拡大図である。Ｔｈｅｔａ軸の減速比は、第２モータ７２に連結された入力側キャプスタンの半径ｒＪ２と、第２ユニット７０の出力側キャプスタンの半径ＲＪ２とを用いて、ｒＪ２／ＲＪ２（＝２πｒＪ２／２πＲＪ２）で求める。
　以上のように、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０は、極座標型の自由度構成を持ったオール（櫂）機構を有するアーム装置であり、２軸の回転支持をするジンバル５２を中心に、Ｐｈｉ（ファイ）軸及びＴｈｅｔａ（シータ）軸の極座標系動作を行う。具体的には、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０は、Ｐｈｉ軸／Ｔｈｅｔａ軸／Ｒ軸の術具位置変更動作３軸と、Ｙａｗ軸／Ｐｉｔｃｈ軸／Ｒｏｌｌ軸の術具回転動作３軸と、Ｇｒｉｐ軸の術具開閉動作１軸との合計７軸で構成されている。術具位置変更動作３軸を構成する機構をオール機構と呼び、先端３自由度（Ｙａｗ軸／Ｐｉｔｃｈ軸／Ｇｒｉｐ軸の動作）はワイヤ牽引機構で実現している。また、Ｒ軸とＹａｗ軸をパラレル駆動することもできる。
　上記の術具位置変更動作３軸を構成する機構をオール機構と呼ぶ理由は、ジンバル５２を中心に、長尺な機構の末端の部分にトルクを与え、Ｐｈｉ軸及びＴｈｅｔａ軸の極座標系動作を行う様子が、ボートのオールの動きに似ているためである。当該オール機構では、回転中心から離れた位置で力を加えるため、ケーブル減速機にも関わらず、高い減速比が得られ（高出力）、比較的低剛性なワイヤ駆動であっても高い剛性を確保できる（高剛性）。また、バックラッシレス及び高バックドライバビリティのため、滑らかで細かな位置決め動作に有効である（高精度）。さらに、ジンバル５２により機構の重心付近を支えることで、モータに必要な重力補償トルクを低減できる（重力補償）。
　具体的には、第１の実施形態に係るスレーブ装置５０は、第２ユニット７０が回転台（ジンバル５２）により支持されていて、Ｐｈｉ軸とＴｈｅｔａ軸の２自由度の動作（２軸の術具位置変更動作）が可能である。第２ユニット７０は、第１ユニット６０に接続されている。第１ユニット６０は、Ｐｈｉ軸を中心とした円弧状の軌跡に沿って動作する。第２ユニット７０は、第１ユニット６０からＰｈｉ軸を中心とした回転動力を得てＰｈｉ軸動作をする。さらに、第２ユニット７０は、このＰｈｉ軸動作に加えて、Ｔｈｅｔａ軸を中心とした回転動力も得てＴｈｅｔａ軸動作をする。これにより、第２ユニット７０は、Ｐｈｉ軸動作とＴｈｅｔａ軸動作の２軸の術具位置変更動作をする。
　第２ユニット７０には、エンドエフェクタユニット８０が接続／搭載される。エンドエフェクタユニット８０は、第２ユニット７０に対して第２ユニット７０の長手方向に前後できるＲ軸動作（長軸方向へのスライド運動）と、第２ユニット７０の長手方向軸中心に回転できるＲｏｌｌ軸動作（長軸中心の回転運動）を行うことができる。Ｒ軸動作は術具位置変更動作であり、Ｒｏｌｌ軸動作は術具回転動作である。このＲ軸動作及びＲｏｌｌ軸動作は、エンドエフェクタユニット８０の内部で行うこともできる。また、実際には、Ｒ軸動作は、第２ユニット７０の少なくとも一部が伸縮／スライド運動することにより実現しても良い。同様に、Ｒｏｌｌ軸動作は、第２ユニット７０の少なくとも一部が長軸中心に回転運動することにより実現しても良い。エンドエフェクタユニット８０のアーム部分８１の先端に設けられたグリッパ８２は、Ｐｉｔｃｈ軸／Ｙａｗ軸の２軸の術具回転動作と、Ｇｒｉｐ軸の術具開閉動作を行うことができる。
　１．３．変形例
　次に、図９から図１４を参照しながら、本開示の第１の実施形態に係るスレーブ装置５０の変形例について説明する。図９から図１０Ｃは、変形例１に係るスレーブ装置５０Ａを説明するための図である。図１１から図１３Ｃは、変形例２に係るスレーブ装置５０Ｂを説明するための図である。図１４は、変形例３に係るスレーブ装置５０Ｃを説明するための図である。
　１．３．１．変形例１
　図９は、変形例１に係るスレーブ装置５０Ａの外部構成例を示す模式図である。図１０Ａは、変形例１に係るスレーブ装置５０Ａの上面図である。図１０Ｂは、変形例１に係るスレーブ装置５０Ａの側面図である。図１０Ｃは、変形例１に係るスレーブ装置５０Ａの背面図である。図９、図１０Ａから図１０Ｃに示すように、ジンバル５２ＡはＰｈｉ軸方向には片持ち、Ｔｈｅｔａ軸方向には両持ちの形状（Ｕ字型）とすることができる。また、反対に、Ｐｈｉ軸方向には両持ち、Ｔｈｅｔａ軸方向には片持ちの形状（横向きのＵ字型（コの字型））にしても良い。また、第２ケーブル減速機７１を、第２ユニット７０Ａの長軸から横にずらすことで、エンドエフェクタユニット８０Ａを第２ユニット７０Ａの後方から接続可能になる。この場合、第２ユニット７０Ａ及びエンドエフェクタユニット８０Ａの重心位置がジンバル５２Ａから遠ざかるため、第１モータ６２及び第２モータ７２への負荷は増すが、アーム部分８１の先端付近にグリッパ８２の駆動機構を配置しなくて良いため、作業対象と干渉しにくい構造となる。
　１．３．２．変形例２
　図１１は、変形例２に係るスレーブ装置５０Ｂの外部構成例を示す模式図である。図１２Ａは、変形例２に係るスレーブ装置のスライドベースにエンドエフェクタユニットを載せた状態を示す説明図である。図１２Ｂは、変形例２に係るスレーブ装置のスライドベースの配置を示す説明図である。図１３Ａは、変形例２に係るスレーブ装置５０Ｂの上面図である。図１３Ｂは、変形例２に係るスレーブ装置５０Ｂの側面図である。図１３Ｃは、変形例２に係るスレーブ装置５０Ｂの背面図である。図１１から図１３Ｃに示すように、ジンバル５２ＢをＰｈｉ軸方向に片持ちの形状（Ｕ字型）にすることで、第２ユニット７０Ｂの上部が開けた状態となるようにすることができる。また、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、その上部が開けた個所に、Ｒ軸方向に移動可能なスライドベース７３を配置し、そのスライドベース７３にエンドエフェクタユニット８０Ｂを載せた構成とする。変形例２に係るスレーブ装置５０Ｂは、変形例１と同様に、ジンバル後段をコンパクトに保ちつつ、さらに重心位置を変形例１よりジンバル近傍に配置することが可能となる。
　１．３．３．変形例３
　図１４は、変形例３に係るスレーブ装置５０Ｃの外部構成例を示す模式図である。図１４に示すように、ジンバル５２Ｃは、Ｐｈｉ軸、Ｔｈｅｔａ軸ともに片持ちの構造（Ｌ字型）でも良い。図１４では、エンドエフェクタユニット８０の図示を省略する。図１４に示す第２ユニット７０Ｃの形状は、第１の実施形態の第２ユニット７０、変形例１の第２ユニット７０Ａ又は変形例２の第２ユニット７０Ｂと同じであっても良い。
　２．第２の実施形態
　次に、本開示の第２の実施形態に係る医療用アームシステム１について、以下に図面を参照して詳細に説明する。第２の実施形態に係る医療用アームシステム１は、第１の実施形態に係る医療用アームシステム１の実施例に相当する。なお、以下では、マスタースレーブ方式の医療ロボットシステムを例に、第２の実施形態に係る医療用アームシステムを説明する。
　２．１．医療用アームシステムの概要
　図１５は、第２の実施形態に係る医療用アームシステム１の概要を説明するための模式図である。図１５に示すように、医療用アームシステム１は、マスター装置１０と、スレーブ装置５０（５０Ｒ及び５０Ｌ）とを備える。マスター装置１０は、右手用の操作装置１００Ｒと、左手用の操作装置１００Ｌとを備えている。また、スレーブ装置５０として、右手用のスレーブ装置５０Ｒと、左手用のスレーブ装置５０Ｌとの２台が設けられている。スレーブ装置５０Ｒ及び５０Ｌは、それぞれ操作装置１００Ｒ及び１００Ｌに対応している。また、図示を省略するが、図１と同様に、マスター装置１０には、術野が表示されるモニタ３０が接続されている。
　医療用アームシステム１には、一例としてバイラテラル制御が採用されている。なお、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、任意の通信方式で接続されている。例えば、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、有線通信または無線通信によって接続されている。また、例えば、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、直接的に通信を行う構成であっても良いし、ネットワーク（または他の装置）を介して通信を行う構成であっても良い。
　ユーザは、右手及び左手でそれぞれ操作装置１００Ｒ、１００Ｌを把持する。この状態で、ユーザは、術野が表示されるモニタ３０を見ながら操作装置１００Ｒ、１００Ｌを操作する。ユーザは、それぞれの操作装置１００Ｒ、１００Ｌの位置及び向きを変位させることにより、スレーブ装置５０Ｒ、５０Ｌ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良い。
　２．２．スレーブ装置の詳細
　以下では、図１６Ａから図１８Ｅを参照しながら、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０について、より詳細に説明する。図１６Ａは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の外部構成例を示す模式図である。図１６Ｂは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の第１ケーブル減速機６１を説明するための説明図である。図１６Ｃは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の第２ケーブル減速機７１を説明するための説明図である。図１６Ｄは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０のスライド機構９０を説明するための説明図である。
　図１６Ａに示すように、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０では、土台５１と、第１ユニット６０と、第１ケーブル減速機６１と、第１モータ６２と、第２ユニット７０と、第２ケーブル減速機７１と、第２モータ７２と、エンドエフェクタユニット８０が、それぞれユニット単位で外装により覆われている。ジンバル５２は、第２ユニット７０を外装の外側から支持している。第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の全体構成は、基本的に第１実施形態に係るスレーブ装置５０と同様である。
　図１６Ｂ及び図１６Ｃに示すように、Ｐｈｉ軸中心の円弧運動に用いる第１ケーブル減速機６１／Ｔｈｅｔａ軸中心の円弧運動に用いる第２ケーブル減速機７１等の各ケーブル減速機は、２本以上のケーブルを用いることで、剛性を高めることができる。また、図１６Ｂ及び図１６Ｃに示すように、２本のケーブルの入力側キャプスタン（動力伝達部６５、７５）への巻き付け方向を逆向きにすることで、ケーブルによる入力側キャプスタンへ働くモーメント力を低減させることができる。ケーブルは、入力側キャプスタンに対して複数回巻き付けることが好ましく、巻き付け部分の一部が入力側キャプスタンに対して位置ズレを起こさないように、はんだ付け等により固定しても良い。各ケーブル減速機の剛性を高めるために、ケーブルへはコイルバネ等により一定の張力が働くようにすることが好ましい。
　図１６Ｄに示すように、第２ユニット７０とエンドエフェクタユニット８０との間にボールねじ等の直線運動を行うスライド機構９０を設けることで、エンドエフェクタユニット８０をＲ軸方向にスライド運動させることもできる。図１６Ｄに示す例では、第２ユニット７０の外装の内部にスライド機構９０を設けている。
　なお、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０に、Ｐｈｉ軸／Ｔｈｅｔａ軸／Ｒｏｌｌ軸／Ｐｉｔｃｈ軸／Ｙａｗ軸／Ｇｒｉｐ軸の各軸中心の回転動作を行わせるためのアクチュエータは、電磁回転モータ以外に、圧電素子を用いた回転型超音波モータ／油圧式の回転モータ／静電モータ等を用いても良い。
　また、エンドエフェクタユニット８０にＲ軸方向のスライド運動を行わせるためのアクチュエータは、電磁回転モータ以外に、圧電素子を用いた回転型超音波モータ／油圧式の回転モータ／静電モータ／圧電素子を用いた直動型超音波モータ／油圧式の直動アクチュエータ（動力シリンダ）／高分子アクチュエータ／ボイスコイル／電磁式リニアモータ等を用いても良い。
　また、上記のそれぞれのアクチュエータは、ギア式減速機／波動歯車減速機／遊星歯車減速機／不思議遊星歯車減速機／ケーブル減速機／トラクション減速機／ボールねじ／滑りねじ／ウォームギア等の減速機や、磁気式エンコーダ／光学式エンコーダ／ポテンショメータ等の位置検出装置、非常停止用のブレーキを備えていても良い。
　さらに、スレーブ装置５０の土台５１が地面に対して上側に来ても良い。すなわち、スレーブ装置５０の上下は反転させることができる。また、土台５１自体が他のマニピュレータや直動ステージ等の動作装置に結合されていても良い。
　また、Ｐｈｉ軸のガイド方法として、第１ユニット６０が、Ｐｈｉ軸中心の円弧運動を円滑に行えるように、第１実施形態と同様に円弧ガイド６４を用いて運動方向を規制することができる。そのほかにも、第１ユニット６０用のカムフォロアを用いるなど、他のガイド方法を用いて運動方向を規制しても良い。
　また、Ｔｈｅｔａ軸のガイド方法として、第２ユニット７０が、Ｔｈｅｔａ軸中心の円弧運動を円滑に行えるように、第１実施形態と同様にカムフォロア６３を用いて運動方向を規制することができる。そのほかにも、第２ユニット７０用の円弧ガイドを用いるなど、他のガイド方法を用いて運動方向を規制しても良い。
　図１７Ａから図１７Ｅは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０を様々な角度から見た状態を示すイメージ図である。図１７Ａは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の第１の斜視図である。図１７Ｂは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の第２の斜視図である。図１７Ｃは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の第３の斜視図である。図１７Ｄは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の第４の斜視図である。図１７Ｅは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０の側面図である。
　図１８Ａから図１８Ｅは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０（５０Ｒ及び５０Ｌ）を２台並べて使用したときのイメージ図である。図１８Ａは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０（５０Ｒ及び５０Ｌ）を２台並べて使用したときの背面図である。図１８Ｂは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０（５０Ｒ及び５０Ｌ）を２台並べて使用したときの第１の斜視図である。図１８Ｃは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０（５０Ｒ及び５０Ｌ）を２台並べて使用したときの第２の斜視図である。図１８Ｄは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０（５０Ｒ及び５０Ｌ）を２台並べて使用したときの側面図である。図１８Ｅは、第２の実施形態に係るスレーブ装置５０（５０Ｒ及び５０Ｌ）を２台並べて使用したときの上面図である。
　３．むすび
　バイラテラル制御システムで目指す形は「術者が１／Ｎの縮尺の世界に入り込み物理操作を行っている感覚の実現」である。ここでいう１／Ｎは、例えば１／３や１／１０のように、人が作業するには難しい小さな空間での作業を指す。１／１０の縮尺での操作とは、術者がマスターアームを１０ｍｍ操作したら、スレーブアームが１ｍｍ動くことを指す。上記目的を達成するためには、「縮尺１／Ｎの世界で通用する精密さ」と「高い直接操作感」が重要である。この２つの要素をそれぞれアームへ求められる性能に落とし込むと、前者に関しては「高い位置及び力分解能」となり、後者に関しては「高い固有振動数」と「十分な可動域」となる。従来のスレーブアームの機構構造（関節機構）では、可動域を広くして自由度数を高めれば、自ずと機構サイズが大きくなってしまうため、高い固有振動数を両立することが難しくなる。また、高い位置と力の精度も実現するためには、さらに付け加えて、機構の各関節にバックラッシがないことや、バックドライバビリティが高いことなども求められる。
　マスターアームとスレーブアームを有するバイラテラル制御システムにて、高い周波数帯域で操作者にロボットの介在を感じさせないようにするには、高い周波数帯域で安定して制御可能な、高い固有振動数を持ったアームが必要である。本開示は、広い並進可動域を必要としないスレーブアームに適した機構構造（オール機構）に関するものであり、下記のメリットを有する。まず、可動部の重心付近をジンバルで支えることで、モータに必要とする重力補償トルクを低減する。また、回転中心から離れた位置でモータトルクを配置するため、ワイヤ減速構造を用いた場合でも高い減速比が得られる。そのため、低トルクにて機構の方向を高い精度で制御できる。さらに、支点と力点が離れているため、機構の固有振動数を高めやすい。また、従来のアーム構造は重力補償を行うためにアームの根本のモータを大きくする必要がある。これに対して本開示では、ジンバルで重力補償を行うのでアームの根元のモータを小型化できる。例えば、本開示では、従来のアーム構造のようにアームの根本部分に大口径の精密減速機を使用する必要がなく、ケーブル減速機を使用することができる。本開示によれば、精密操作に適した極座標型マニピュレータを提供することができる。
　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、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、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、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　術者が操作する操作装置と、
　前記操作装置に対する前記術者の操作に応じて遠隔操作されるアーム装置と、
を含み、
　前記アーム装置は、
　土台と、
　前記土台に接続された第１ユニットと、
　前記第１ユニットに接続された第２ユニットと、
　前記土台に接続され、前記第２ユニットを支えるジンバルと、
　前記第２ユニットに接続され、患者に接触する術具が設けられるエンドエフェクタユニットと、
を備え、
　前記第１ユニットは、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第２ユニットを動かし、
　前記第２ユニットは、前記ジンバルに支えられた状態で前記第１ユニットと連動し、前記エンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かす医療用アームシステム。
（２）
　前記ジンバルは、２軸の回転支持をする、（１）に記載の医療用アームシステム。
（３）
　前記第２ユニットは、前記第１ユニットと連動し、前記ジンバルの第１軸中心に円弧運動することで、前記エンドエフェクタユニットを前記第１軸中心に円弧運動させる、（１）又は（２）に記載の医療用アームシステム。
（４）
　前記第２ユニットは、前記第１ユニットと連動して動く方向とは別に、前記ジンバルの第２軸中心に円弧運動することで、前記エンドエフェクタユニットを前記第２軸中心に円弧運動させる、（１）から（３）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（５）
　前記エンドエフェクタユニットは、前記第２ユニットが前記ジンバルに支えられた状態で、前記第２ユニットの長軸方向へのスライド運動を行う、（１）から（４）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（６）
　前記エンドエフェクタユニットは、前記第２ユニットが前記ジンバルに支えられた状態で、前記第２ユニットの長軸中心に回転運動する、（１）から（５）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（７）
　前記術具は、前記第２ユニットが前記ジンバルに支えられた状態で、前記エンドエフェクタユニットに対して少なくとも１軸方向に動く、（１）から（６）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（８）
　前記ジンバルの形状は、中央空洞型、Ｕ字型、Ｌ字型のいずれかである、（１）から（７）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（９）
　前記アーム装置は、Ｐｈｉ軸、Ｔｈｅｔａ軸、Ｒ軸の３軸の術具位置変更動作と、Ｙａｗ軸、Ｐｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸の３軸の術具回転動作と、Ｇｒｉｐ軸の術具開閉動作との合計７軸動作を行う、（１）から（８）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（１０）
　前記アーム装置は、根本にケーブル減速機が設けられる、（１）から（９）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（１１）
　前記ケーブル減速機は、少なくとも２本のケーブルを用いる、（１０）に記載の医療用アームシステム。
（１２）
　前記ケーブル減速機は、モータに連結された入力側キャプスタンに少なくとも前記２本のケーブルを巻き付けており、
　少なくとも前記２本のケーブルの前記入力側キャプスタンへの巻き付け方向は逆向きである、（１１）に記載の医療用アームシステム。
（１３）
　モータの軸を中心とする入力側キャプスタンの半径をｒ、前記ジンバルの軸を中心とする前記ケーブル減速機の出力側キャプスタンの半径をＲとしたとき、前記ケーブル減速機の減速比はｒ／Ｒである、（１０）に記載の医療用アームシステム。
（１４）
　前記アーム装置は、前記ジンバルの軸中心に円弧運動を行い、円弧ガイド及びカムフォロアの少なくとも一方を用いて運動方向を規制する、（１）から（１３）のいずれか一項に記載の医療用アームシステム。
（１５）
　土台と、
　前記土台に接続された第１ユニットと、
　前記第１ユニットに接続された第２ユニットと、
　前記土台に接続され、前記第２ユニットを支えるジンバルと、
　前記第２ユニットに接続され、対象物に作用するエンドエフェクタが設けられるエンドエフェクタユニットと、
を備え、
　前記第１ユニットは、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第２ユニットを動かし、
　前記第２ユニットは、前記ジンバルに支えられた状態で前記第１ユニットと連動し、前記エンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かすアーム装置。
（１６）
　術者が操作するマスター装置と、前記マスター装置に対する前記術者の操作に応じて遠隔操作されるスレーブ装置と、を含むマスタースレーブシステムの作動方法であって、
　前記マスタースレーブシステムは、前記マスター装置への術者の入力に基づいて、前記スレーブ装置を制御し、
　前記スレーブ装置は、土台に接続された第１ユニットと、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第１ユニットに接続されるとともにジンバルに支えられた第２ユニットと、を連動して動かすことで、前記第２ユニットに接続された術具を装着可能なエンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かす、
　マスタースレーブシステムの作動方法。
　１　医療用アームシステム
　１０、１０Ｒ、１０Ｌ　マスター装置
　１００、１００Ｒ、１００Ｌ　操作装置
　３０　モニタ
　５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｒ、５０Ｌ　スレーブ装置（アーム装置）
　５１　土台
　５２、５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ　ジンバル
　６０　第１ユニット
　６１　第１ケーブル減速機
　６２　第１モータ
　７０、７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ　第２ユニット
　７１　第２ケーブル減速機
　７２　第２モータ
　８０、８０Ａ、８０Ｂ　エンドエフェクタユニット
　８１　アーム部分
　８２　グリッパ

Claims (16)

  1. 　術者が操作する操作装置と、
    　前記操作装置に対する前記術者の操作に応じて遠隔操作されるアーム装置と、
    を含み、
    　前記アーム装置は、
    　土台と、
    　前記土台に接続された第１ユニットと、
    　前記第１ユニットに接続された第２ユニットと、
    　前記土台に接続され、前記第２ユニットを支えるジンバルと、
    　前記第２ユニットに接続され、患者に接触する術具が設けられるエンドエフェクタユニットと、
    を備え、
    　前記第１ユニットは、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第２ユニットを動かし、
    　前記第２ユニットは、前記ジンバルに支えられた状態で前記第１ユニットと連動し、前記エンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かす医療用アームシステム。
  2. 　前記ジンバルは、２軸の回転支持をする、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  3. 　前記第２ユニットは、前記第１ユニットと連動し、前記ジンバルの第１軸中心に円弧運動することで、前記エンドエフェクタユニットを前記第１軸中心に円弧運動させる、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  4. 　前記第２ユニットは、前記第１ユニットと連動して動く方向とは別に、前記ジンバルの第２軸中心に円弧運動することで、前記エンドエフェクタユニットを前記第２軸中心に円弧運動させる、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  5. 　前記エンドエフェクタユニットは、前記第２ユニットが前記ジンバルに支えられた状態で、前記第２ユニットの長軸方向へのスライド運動を行う、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  6. 　前記エンドエフェクタユニットは、前記第２ユニットが前記ジンバルに支えられた状態で、前記第２ユニットの長軸中心に回転運動する、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  7. 　前記術具は、前記第２ユニットが前記ジンバルに支えられた状態で、前記エンドエフェクタユニットに対して少なくとも１軸方向に動く、請求項６に記載の医療用アームシステム。
  8. 　前記ジンバルの形状は、中央空洞型、Ｕ字型、Ｌ字型のいずれかである、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  9. 　前記アーム装置は、Ｐｈｉ軸、Ｔｈｅｔａ軸、Ｒ軸の３軸の術具位置変更動作と、Ｙａｗ軸、Ｐｉｔｃｈ軸、Ｒｏｌｌ軸の３軸の術具回転動作と、Ｇｒｉｐ軸の術具開閉動作との合計７軸動作を行う、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  10. 　前記アーム装置は、根本にケーブル減速機が設けられる、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  11. 　前記ケーブル減速機は、少なくとも２本のケーブルを用いる、請求項１０に記載の医療用アームシステム。
  12. 　前記ケーブル減速機は、モータに連結された入力側キャプスタンに少なくとも前記２本のケーブルを巻き付けており、
    　少なくとも前記２本のケーブルの前記入力側キャプスタンへの巻き付け方向は逆向きである、請求項１１に記載の医療用アームシステム。
  13. 　モータの軸を中心とする入力側キャプスタンの半径をｒ、前記ジンバルの軸を中心とする前記ケーブル減速機の出力側キャプスタンの半径をＲとしたとき、前記ケーブル減速機の減速比はｒ／Ｒである、請求項１０に記載の医療用アームシステム。
  14. 　前記アーム装置は、前記ジンバルの軸中心に円弧運動を行い、円弧ガイド及びカムフォロアの少なくとも一方を用いて運動方向を規制する、請求項１に記載の医療用アームシステム。
  15. 　土台と、
    　前記土台に接続された第１ユニットと、
    　前記第１ユニットに接続された第２ユニットと、
    　前記土台に接続され、前記第２ユニットを支えるジンバルと、
    　前記第２ユニットに接続され、対象物に作用するエンドエフェクタが設けられるエンドエフェクタユニットと、
    を備え、
    　前記第１ユニットは、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第２ユニットを動かし、
    　前記第２ユニットは、前記ジンバルに支えられた状態で前記第１ユニットと連動し、前記エンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かすアーム装置。
  16. 　術者が操作するマスター装置と、前記マスター装置に対する前記術者の操作に応じて遠隔操作されるスレーブ装置と、を含むマスタースレーブシステムの作動方法であって、
    　前記マスタースレーブシステムは、前記マスター装置への術者の入力に基づいて、前記スレーブ装置を制御し、
    　前記スレーブ装置は、土台に接続された第１ユニットと、前記土台に対して少なくとも１軸方向に前記第１ユニットに接続されるとともにジンバルに支えられた第２ユニットと、を連動して動かすことで、前記第２ユニットに接続された術具を装着可能なエンドエフェクタユニットを少なくとも前記１軸方向に動かす、
    　マスタースレーブシステムの作動方法。
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