WO2023176141A1 - エンドエフェクタユニット、術具装置、アーム装置、並びにマスタスレーブシステム - Google Patents

エンドエフェクタユニット、術具装置、アーム装置、並びにマスタスレーブシステム Download PDF

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WO2023176141A1
WO2023176141A1 PCT/JP2023/001742 JP2023001742W WO2023176141A1 WO 2023176141 A1 WO2023176141 A1 WO 2023176141A1 JP 2023001742 W JP2023001742 W JP 2023001742W WO 2023176141 A1 WO2023176141 A1 WO 2023176141A1
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WO
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Prior art keywords
surgical instrument
unit
cable
end effector
linear motion
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/001742
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English (en)
French (fr)
Inventor
和仁 若菜
Original Assignee
ソニーグループ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by ソニーグループ株式会社 filed Critical ソニーグループ株式会社
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Classifications

    • 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
    • A61B34/37—Master-slave robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/08—Gripping heads and other end effectors having finger members
    • 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

Definitions

  • the technology disclosed in this specification includes an end effector unit that is replaceably attached to a drive unit and operates an end effector at a distal end by a drive force transmitted from the drive unit;
  • the present invention relates to a surgical instrument device including a surgical instrument unit having a surgical instrument as an end effector and a drive unit, an arm device that supports the surgical instrument device, and a master-slave system that operates the arm device in a circular manner.
  • a surgical robot used in the medical field consists of an arm device equipped with an end effector consisting of a surgical tool and an observation device (such as an endoscope) at its distal end.
  • an observation device such as an endoscope
  • a robotic surgical assembly has been proposed consisting of a slave manipulator including an actuator and a transmission mechanism, and a surgical instrument including a joint subassembly such as a medical instrument at the distal end, the surgical instrument being removably attached to the slave manipulator. (See Patent Document 1).
  • the object of the present disclosure is to provide an end effector unit that is replaceably attached to a drive unit and operates an end effector at a distal end by a driving force transmitted from the drive unit, and a surgical instrument unit that uses a surgical instrument as an end effector.
  • An object of the present invention is to provide a surgical instrument device including a drive unit, an arm device for supporting the surgical instrument device, and a master-slave system for circularly operating the arm device.
  • An end effector unit comprising:
  • the end effector unit according to the first aspect is made smaller and smaller in diameter by devising the layout of the cable and pulley and moving the linear transmission device composed of rods and the like closer to the center of the circle. .
  • the linear motion transmission device includes a rod having one degree of freedom in linear movement in the longitudinal direction.
  • the linear motion transmission device further includes a rotation suppressing device that suppresses rotation of the rod about the longitudinal axis.
  • a second aspect of the present disclosure is: A surgical instrument supported at a distal end, a cable having one end on the distal end connected to the surgical instrument, a pulley extending toward the base and folding back the cable toward the distal end, and having one degree of freedom for linear movement in the longitudinal direction.
  • a surgical instrument unit including a linear transmission device connected to the other end of the cable folded back by the pulley; a drive unit that drives the linear motion transmission device with the surgical tool unit mounted thereon; This is a surgical instrument device equipped with.
  • a third aspect of the present disclosure is: A surgical instrument supported at a distal end, a cable having one end on the distal end connected to the surgical instrument, a pulley extending toward the base and folding back the cable toward the distal end, and having one degree of freedom for linear movement in the longitudinal direction.
  • a surgical instrument unit comprising a linear motion transmission device connected to the other end of the cable folded back by the pulley, and a drive unit mounted with the surgical instrument unit and driving the linear motion transmission device.
  • equipment an arm having an articulated link structure that supports the surgical instrument device; This is an arm device equipped with.
  • a fourth aspect of the present disclosure is: A surgical instrument supported at a distal end, a cable having one end on the distal end connected to the surgical instrument, a pulley extending toward the base and folding back the cable toward the distal end, and having one degree of freedom for linear movement in the longitudinal direction.
  • a surgical instrument unit comprising a linear motion transmission device connected to the other end of the cable folded back by the pulley, and a drive unit mounted with the surgical instrument unit and driving the linear motion transmission device.
  • a slave device including a surgical tool device and an arm having an articulated link structure that supports the surgical tool device; a master device that operates the surgical instrument device and the arm; It is a master-slave system with
  • system refers to a logical collection of multiple devices (or functional modules that implement specific functions), and each device or functional module is housed within a single housing. It doesn't really matter whether or not. That is, a single device made up of a plurality of parts or functional modules, as well as a collection of a plurality of devices, both correspond to a "system.”
  • an end effector unit that is replaceably attached to a drive unit and operates an end effector at a distal end by a drive force transmitted from the drive unit by a linear transmission device, and an end effector unit that operates a surgical tool
  • a surgical instrument device including a surgical instrument unit and a drive unit, an arm device that supports the surgical instrument device, and a master-slave system that operates the arm device in a circular manner.
  • FIG. 1 is a diagram showing a surgical instrument apparatus 100 in which a surgical instrument unit 101 is attached to a drive unit 103.
  • FIG. 2 is a diagram showing the surgical instrument device 100 with the surgical instrument unit 101 separated from the drive unit 103.
  • FIG. 3 is a diagram showing how the drive unit 103 with the surgical instrument unit 101 attached thereto is further mounted on the arm device 300.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the internal configuration of the surgical instrument unit 101.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the internal configuration of the adapter unit 102 and the drive unit 103 taken along a plane including the longitudinal direction.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating how the surgical tool unit 101 is attached to the drive unit.
  • FIG. 1 is a diagram showing a surgical instrument apparatus 100 in which a surgical instrument unit 101 is attached to a drive unit 103.
  • FIG. 2 is a diagram showing the surgical instrument device 100 with the surgical instrument unit 101 separated from the drive unit 103.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific configuration of the surgical tool unit 101.
  • FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the surgical instrument unit 101 shown in FIG. 7.
  • FIG. 9 is a perspective view of the inner base 703.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the surgical instrument unit 101 taken along a plane 750 perpendicular to the longitudinal direction.
  • FIG. 11 is a perspective view of the root side of the surgical instrument unit 101 cut along a plane 750.
  • FIG. 12 is a diagram showing an exploded view of the surgical instrument unit 101 disassembled in the longitudinal direction.
  • FIG. 13 is a perspective view of the rod 713.
  • FIG. 14 is a diagram showing the vicinity of the pulley support portion 940 of the inner base 703 viewed from the base side.
  • FIG. 15 is a diagram showing a rear view of the surgical instrument unit 101 (or joint portion 704) shown in FIG. 7, viewed from the root side.
  • FIG. 16 is a diagram showing a cross-sectional view of the surgical instrument device 100.
  • FIG. 17A is a diagram showing a cross-sectional view of the adapter unit 102.
  • FIG. 17B is a diagram showing a perspective view of the adapter unit 102.
  • FIG. 18 is a diagram showing an exploded view of the adapter unit 102 disassembled in the longitudinal direction.
  • FIG. 19 is a diagram showing an exploded view of the adapter unit 102 disassembled in the longitudinal direction.
  • FIG. 19 is a diagram showing an exploded view of the adapter unit 102 disassembled in the longitudinal direction.
  • FIG. 20 is an enlarged view of the vicinity of the base of the surgical tool unit 101 attached to the adapter unit 102.
  • FIG. 21 is a front view showing each state of the surgical instrument unit 101 before being attached to the adapter unit 102, in the middle of attachment, and in the attachment position.
  • FIG. 22 is a diagram showing a procedure for mounting the surgical tool unit 101 on the adapter unit 102 (before mounting).
  • FIG. 23 is a diagram showing a procedure for mounting the surgical tool unit 101 on the adapter unit 102 (during mounting).
  • FIG. 24 is a diagram showing a procedure for mounting the surgical tool unit 101 on the adapter unit 102 (during mounting).
  • FIG. 25 is a diagram showing a procedure for mounting the surgical instrument unit 101 on the adapter unit 102 (during mounting).
  • FIG. 26 is a diagram showing a procedure for mounting the surgical instrument unit 101 on the adapter unit 102 (when mounting is completed).
  • FIG. 27 is a diagram showing a procedure for removing the surgical tool unit 101 from the adapter unit 102 (before removal).
  • FIG. 28 is a diagram showing a procedure for removing the surgical tool unit 101 from the adapter unit 102 (during removal).
  • FIG. 29 is a diagram showing a procedure for removing the surgical tool unit 101 from the adapter unit 102 (during removal).
  • FIG. 30 is a diagram showing a procedure for removing the surgical tool unit 101 from the adapter unit 102 (during removal).
  • FIG. 31 is a diagram showing a procedure for removing the surgical tool unit 101 from the adapter unit 102 (when removal is completed).
  • FIG. 32 is a diagram showing an example of the degree of freedom configuration of the arm device 300.
  • FIG. 33 is a diagram showing a series of operations in which the arm device 300 pans the surgical tool device 100.
  • FIG. 34 is a diagram showing a series of operations in which the arm device 300 tilts the surgical tool device 100 with respect to the main body of the arm device 300.
  • FIG. 35 is a diagram showing a series of operations in which the arm device 300 tilts the surgical instrument device 100 at the current position.
  • FIG. 36 is a diagram showing an example of the functional configuration of master-slave system 3600.
  • A. Overview The present disclosure relates to an end effector unit that is replaceably attached to a drive unit and that operates an end effector at a distal end by driving force transmitted from the drive unit by a linear transmission device.
  • a drive unit equipped with an end effector unit is mounted on, for example, an arm device (also referred to as a robot or a manipulator) to perform work.
  • an arm device also referred to as a robot or a manipulator
  • the end effector is a surgical instrument.
  • the end effector unit will also be referred to as a "surgical instrument unit", and when the surgical instrument unit is attached to the drive unit, it will also be referred to as a "surgical instrument device”.
  • the surgical instrument device is mounted on, for example, an arm device (also called a surgical robot or a surgical manipulator) and used for surgery.
  • the surgical instruments include various types of medical instruments such as forceps, pneumoperitoneum tubes, energy treatment instruments, levers, and retractors. Therefore, multiple types of surgical instrument units equipped with different types of medical instruments at their distal ends are prepared, and during surgery, the surgical instrument units attached to the drive unit are replaced as necessary. A possible operation would be to automatically replace the surgical tool unit.
  • the coupling device 93 that restrains the transmission device 54 so as to have one degree of freedom of linear motion with respect to the frame 52 is composed of a linear bearing, and the coupling device 93 is composed of a linear bearing.
  • a linear motion transmission structure is used for the transmission device that transmits the driving force of the drive unit to the surgical instrument at the distal end, and by increasing the slidability of the linear motion transmission structure, the surgical instrument unit We decided to make the diameter smaller.
  • the connected arm (and drive unit) and surgical instrument stand can be made smaller and easier to place near the robot.
  • the robot automatically replaces the surgical tool unit, accurate attachment is possible even if the base of the surgical tool unit is inserted approximately into the tip of the drive unit.
  • FIG. 1 shows a surgical instrument device 100 in which a surgical instrument unit 101 is attached to a drive unit 103.
  • FIG. 2 shows the surgical instrument apparatus 100 with the surgical instrument unit 101 separated from the drive unit 103.
  • the surgical instrument device 100 includes, in order from the distal end side, a surgical instrument unit 101, an adapter unit 102, and a drive unit 103. Note that in actual surgery, it is necessary to separate the surgical instrument unit 101 placed in the clean area from the unclean area on the root side, and a drape is placed between the surgical instrument unit 101 and the adapter unit 102 or between the adapter unit 102 and the drive unit 103. (not shown) is assumed to be used.
  • FIGS. 1 and 2 an adapter unit 102 for receiving (or inserting) the proximal side of the surgical instrument unit 101 is attached to the distal end of the drive unit 103. Therefore, it can be said that the surgical instrument unit 101 is attached to the drive unit 103 via the adapter unit 102.
  • FIG. 3 shows a state in which the surgical instrument device 100 with the surgical instrument unit 101 mounted on the drive unit 103 is further mounted on the arm device 300. The arm device 300 can pan and tilt the surgical instrument unit 101 attached to the drive unit 103, but this point will be discussed later.
  • the surgical tool unit 101 consists of a surgical tool and a hollow shaft that supports the surgical tool at its tip (or distal end).
  • Surgical instruments include various types of medical instruments, such as forceps, pneumoperitoneum tubes, energy treatment instruments, levers, and retractors. However, for the sake of convenience, the following description will focus on an embodiment that is specialized for a forceps consisting of a pair of jaws that open and close the surgical instrument.
  • Forceps consist of a pair of jaws. Each jaw is supported near the tip of the shaft so as to be rotatable around the opening/closing axis (or yaw axis), and an opening force acts between the jaws in the direction of opening (or separating the jaws) around the opening/closing axis.
  • a torsion spring that applies this in advance is built into the opening/closing shaft (or yaw shaft).
  • the forceps consisting of a pair of jaws is supported at the distal end of the shaft so as to be rotatable around a pitch axis (wrist) perpendicular to the opening/closing axis and the longitudinal axis of the shaft.
  • a cable (not shown in FIGS. 1 and 2) is inserted through the shaft of the surgical tool unit 101 to transmit the driving force generated by the drive unit 103 to the surgical tool at the distal end.
  • each jaw has a pair of jaws for pulling the jaw in the direction of closing (or approaching the other jaw) around the opening/closing axis.
  • a total of four cables are inserted through the shaft: a main cable, and one cable each for forward and reverse rotation of the entire forceps consisting of a pair of jaws around the pitch axis (wrist).
  • each cable inserted into the shaft is wound around a pulley at the root side of the surgical tool unit 101 (or shaft), and then folded back toward the distal end (or tip). , connected (or fixed near the end) to a rod as a linear transmission device.
  • a corresponding rod is required for each cable, and a total of four rods are arranged at the root side of the surgical instrument unit 101.
  • Each rod has only one degree of freedom, which is linear movement in the longitudinal direction of the surgical instrument unit 101 (or shaft). When the rod advances proximally, the cable connected to the rod is pulled toward the proximal side, transmitting the driving force.
  • the base side of the surgical instrument unit 101 is attached to the distal end side of the drive unit 103 via the adapter unit 102.
  • the method or structure for mounting the surgical instrument unit 101 on the adapter unit 102 as long as it can be mounted so that each rod on the surgical instrument unit 101 side just contacts the corresponding rod on the drive unit 103 side.
  • the drive unit 103 includes a motor that generates a driving force, and a set of rotation to linear motion conversion mechanisms that converts the rotational motion of the motor into linear motion, corresponding to the number of cables on the surgical tool unit 101 side. Further, each motor is assumed to be equipped with an encoder and a brake. As described above, since the surgical instrument unit 101 has four cables, the drive unit 103 is equipped with only four sets of motors and rotation to linear motion conversion mechanisms. The four cylindrical parts arranged on the proximal side of the drive unit 103 shown in FIGS. 1 and 2 are each motor. The rotation-to-linear converter arranged for each motor is not shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows the internal structure of the surgical instrument unit 101 taken along a plane including the longitudinal direction, and FIG. Shows the internal configuration. Note that for convenience, the xy axes are defined as shown in FIG. 4. The x-axis corresponds to the longitudinal axis. Further, FIG. 6 shows an image in which the surgical instrument unit 101 shown in FIG. 4 and the adapter unit 102 and drive unit 103 shown in FIG. It shows.
  • the surgical tool unit 101 includes a surgical tool 401, a hollow shaft 402 that supports the surgical tool 401 at its tip (or distal end), and a surgical tool unit base that supports the shaft 402 and is coupled to the adapter 102 at the base side. 403.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the surgical instrument unit 101 taken along a plane including the longitudinal direction, showing the internal configuration of each of the shaft 402 and the surgical instrument unit base 403.
  • the surgical instrument unit 101 includes a surgical instrument 401 consisting of a pair of jaws, two cables 411 and 421 that pull each jaw around an opening/closing axis, and a surgical instrument 401 (or A total of four cables (not shown in FIG. 4) are provided, two cables (not shown in FIG. 4) for rotating the axis) forward and backward around the pitch axis (wrist), respectively.
  • the surgical instrument 401 has three degrees of freedom, for example, opening/closing (or gripping) each jaw, rotation around the opening/closing axis (or yaw axis) of the forceps, and rotation around the pitch axis, but the details will be explained here for the sake of simplicity. will be omitted.
  • each cable 411 and 421 is used to open/close (or grip) the surgical tool 401 (jaw) as an end effector, or to rotate the surgical tool 401 around the yaw axis or the pitch axis.
  • the explanation will be made without any particular limitation as to whether it is related to degrees of freedom.
  • One end of the tip side (or distal side) of the cable 411 is connected to a capstan that is related to the degree of freedom of opening/closing (or gripping), pitch, and yaw of the surgical instrument 401 (jaw) as an end effector. (not shown).
  • the other end of the cable 411 extending toward the root side (or proximal side) is inserted into the shaft 402 and then drawn into the surgical tool unit base 403, and is inserted into the surgical tool unit 101 (or shaft 402). After being wrapped around the pulley 412 at the base side and folded back toward the distal end (or tip), it is connected (or fixed near the terminal end) to the rod 413 via a cable connection part (described later).
  • the rod 413 is supported by the surgical instrument unit base 403 so as to slide only in one degree of freedom in the x-axis direction, that is, the longitudinal direction. Further, the pulley 412 is an idler pulley, and is rotatably supported by the surgical tool unit base 403.
  • the rod 413 moves backward and forward in the x-axis direction by the driving force transmitted from the drive unit 103 side. Then, as the rod 413 retreats in the x-axis direction (in other words, moves forward in the distal direction), the cable 411 connected to the rod 413 is pulled, and any one of the surgical tools 401 as an end effector is free.
  • the driving force can be transmitted to the capstan that is involved in the rotation. Therefore, rod 413 serves as a linear transmission device.
  • the rod 413 rotates around its own longitudinal axis, the cable 411 winds around the rod 413, making it impossible to accurately drive the surgical instrument 401 according to the amount of linear displacement of the rod 413 in the longitudinal direction. Therefore, the rod 413 is equipped with a rotation suppressing device so as to suppress rotation around the longitudinal axis and move only in one linear degree of freedom in the longitudinal direction, but the details of this point will be described later.
  • a spring 414 is arranged at the base of the rod 413 to apply force to push the rod 413 toward the distal end so that the cable 411 does not loosen.
  • the rod 413 is passed through a spring 414, and one end of the spring 414 is fixed to the surgical tool unit 403, and the other end is fixed to the rod 413. Therefore, when the rod 413 is pushed in the distal direction by the elastic force of the spring 414, pretension is applied to the cable 411 which is folded back by the pulley 412 and coupled to the rod 413, so that it will not loosen.
  • the cable 421 is similar to the cable 411, and one end of the cable 421 on the distal side (or distal side) has a capstan (not shown) that is related to one of the degrees of freedom of the surgical instrument 401 (jaw) as an end effector. ), and the other end of the cable 421 extending toward the root side (or proximal side) is inserted into the shaft 402 and then pulled into the surgical instrument unit base 403 and connected to the surgical instrument unit 101 (or the shaft 402) is wrapped around a pulley 422 and folded back, and then connected (or fixed near the end) to a rod 423 via a cable connection part (described later).
  • the rod 413 is supported by the surgical instrument unit base 403 so as to slide only in one degree of freedom in the x-axis direction, that is, the longitudinal direction. Further, the pulley 422 is rotatably supported by the surgical tool unit base 403.
  • the rod 423 as a linear transmission device moves backward and forward in the x-axis direction by the driving force transmitted from the drive unit 103 side. When the rod 423 retreats in the x-axis direction (in other words, moves forward in the distal direction), the cable 421 connected to the rod 423 is pulled, and driving force can be transmitted to the surgical instrument 401.
  • the rod 423 is also equipped with a rotation suppressing device (described later) so as to suppress rotation around the longitudinal axis and operate only in one degree of freedom in straight forward movement in the longitudinal direction. Further, even when the surgical tool unit 101 is separated from the drive unit 103 and becomes independent, a spring 424 is arranged at the base of the rod 423 to apply force to push the rod 423 toward the distal end so that the cable 421 does not loosen. .
  • the rod 423 is passed through a spring 424, and one end of the spring 424 is fixed to the surgical instrument unit 403, and the other end is fixed to the rod 423.
  • the pulleys 412 and 422 are shown arranged in easy-to-see positions where they do not interfere with other parts, but the actual arrangement locations are as shown in FIG. is different.
  • the placement locations of the pulleys 412 and 422 are determined so that the surgical tool unit 101 (more specifically, the surgical tool unit base 403) can be made smaller and thinner, but details will be described later. yield.
  • cables (not shown) used depending on the degree of freedom of the surgical instrument 401 are also equipped with a linear motion transmission device similar to the cables 411 and 421 shown in FIG.
  • the drive unit 103 includes as many sets as the number of cables on the surgical tool unit 101 side, including a motor that generates a driving force, and a rotation-to-linear conversion mechanism that converts the rotational motion of the motor into linear motion.
  • the number of cables on the surgical tool unit 101 side differs depending on the degree of freedom configuration of the surgical tool 401, and accordingly, the number of motors and rotation ⁇ linear motion conversion mechanisms installed on the drive unit 103 side also differ.
  • FIG. 5 a cross-sectional view of the drive unit 103 taken along a plane including the longitudinal direction shows the configuration of the motor and rotation to linear motion conversion mechanism that respectively drive the cables 411 and 421 of the surgical instrument unit 101 shown in FIG. ing.
  • the adapter unit 102 is depicted as being integrated with the drive unit base 501 on the drive unit 103 side for the purpose of simplifying the drawing.
  • the same xy axes as in FIG. 4 are defined in FIG. 5 as well.
  • the motor 511 is fixed within the drive unit 103 via the drive unit base 501 on the proximal side of the drive unit 103 to drive the rod 413 that pulls the cable 411 on the surgical instrument unit 101 side.
  • the motor 511 has a reducer 512 attached to its output end, and an encoder 513 that measures the rotation angle of a rotating shaft (not shown) of the motor 511 to its end face opposite to the output end.
  • an incremental type encoder is used for the encoder 513, but an absolute type encoder may of course be used.
  • the motor 511 may further include a brake (not shown).
  • the rotation ⁇ linear motion conversion mechanism that converts the rotation of the motor 511 into linear motion includes a motor capstan 514 attached to the output shaft of the motor 511 (or reducer 512), and one end wound around the motor capstan 514 in opposite directions.
  • a pair of cables 515 and 516, a rod 517, and a rod 517 are guided so that the rod 517 slides only in one degree of freedom in the x-axis direction, that is, the longitudinal direction, with respect to the drive unit base 501. It is composed of a linear guide 518.
  • the other end of the cable 515 is rerouted from the circumferential direction of the motor capstan 514 to the negative direction of the x-axis (towards the distal side of the rod 517) via the idler pulley 515A. connected to the side.
  • the other end of the cable 516 is routed from the circumferential direction of the motor capstan 514 to the positive direction of the x-axis (proximal direction of the rod 517) via the idler pulley 516A, and then Connected proximally.
  • the linear guide 518 is fixed to the drive unit base 501 so that the direction in which the rod 517 is guided coincides with the x-axis direction, that is, the longitudinal direction. Further, each idler pulley 515A and 516A is rotatably supported by the drive unit base 501.
  • the tip of the rod 517 on the drive unit 103 side just contacts the end of the rod 413 on the surgical instrument unit 101 side. Therefore, when the rod 517 retreats and advances in the x-axis direction due to the forward and reverse rotations of the motor 511, the rod 413 also retreats and advances in the x-axis direction following this.
  • the cable 411 connected to the rod 413 is pulled, and the surgical instrument 401 as an end effector is pulled.
  • the driving force can be directly transmitted to the capstan related to any one of the degrees of freedom.
  • the motor 521 is arranged on the proximal side of the drive unit 103 to drive the cable 421 (or rod 413).
  • the motor 521 is also attached with a reducer 522, an encoder 523, and a brake (not shown).
  • the rotation ⁇ linear motion conversion mechanism that converts the rotation of the motor 521 into linear motion includes a motor capstan 524 attached to the output shaft of the motor 511 (or reducer 522), and one end wound around the motor capstan 524 in opposite directions. It is composed of a pair of cables 525 and 526, a rod 527, and a linear guide 528 that guides the rod 527 to slide in only one degree of freedom in the longitudinal direction with respect to the drive unit base 501.
  • the other end of the cable 525 is rerouted from the circumferential direction of the motor capstan 524 to the negative direction of the x-axis (toward the distal side of the rod 527) via the idler pulley 525A, and then to the distal end of the rod 517. connected to the side.
  • the other end of the cable 526 is routed from the circumferential direction of the motor capstan 524 to the positive direction of the x-axis (proximal direction of the rod 527) via the idler pulley 526A, and then Connected proximally.
  • the linear guide 528 is fixed to the drive unit base 501 so that the direction in which the rod 527 is guided coincides with the x-axis direction, that is, the longitudinal direction. Further, each idler pulley 525A and 526A is rotatably supported by the drive unit base 501.
  • the tip of the rod 527 just contacts the end of the rod 423 on the surgical tool unit 101 side. Therefore, when the motor 521 rotates forward and the rod 527 retreats in the x-axis direction (in other words, moves forward in the distal direction), the cable 421 is pulled through the rod 423 and any of the surgical tools 401 Drive force can be directly transmitted to the capstan, which is related to the degree of freedom.
  • a motor (not shown) corresponding to each cable used according to the degree of freedom of the surgical instrument 401 is also equipped with a rotation ⁇ linear motion transmission mechanism similar to the above-mentioned motors 511 and 521, and is connected to the surgical instrument unit 101 side. It should be understood that the driving force is transmitted in a direct motion.
  • a ball screw is also known as a rotation to linear motion transmission mechanism that converts the rotational motion of a motor into linear motion.
  • problems of backlash and backdrivability arise. If the backdriveability is low, it becomes difficult to detect, for example, an external force acting on an end effector such as a surgical instrument on the root side. Furthermore, when a ball screw is used, it becomes difficult to downsize and reduce the diameter of the surgical instrument device.
  • a rotary-to-linear conversion mechanism using a rod cable drive can achieve backlash-free and high backdrivability.For example, it is possible to achieve precise force control. It is also suitable for surgical robots that require it.
  • the rotation ⁇ linear motion conversion mechanism it is also possible to design the rotation ⁇ linear motion conversion mechanism to be placed on the surgical tool unit 101 side instead of the drive unit 103, but as shown in FIGS.
  • the size and diameter of the surgical instrument unit 101 can be reduced. If the surgical tool unit is small and thin, for example, more surgical tool units can be installed on a surgical tool stand, and the robot can automatically exchange surgical tool units in a short time. .
  • capstan and idle pulley are pulleys.
  • a pulley used for adjusting the cable layout or applying tension to the cable is referred to as an “idler pulley.”
  • a pulley used to apply power to a cable or to convert force from a cable into axial force is referred to as a “capstan” in this specification, and both input capstan and output capstan are referred to as “capstan”. This is a pulley used for this purpose.
  • FIG. 7 shows a perspective view showing the specific configuration of the surgical tool unit 101.
  • FIG. 8 shows the internal structure of the surgical instrument unit 101 shown in FIG. 7 in a cross-sectional view taken along a plane including the longitudinal direction.
  • the basic configuration and operation of the surgical instrument unit 101 shown in FIGS. 7 and 8 are as described in Section C above with reference to FIG.
  • the surgical tool unit 101 includes a surgical tool 701, a hollow shaft 702 that supports the surgical tool 701 at its tip (or distal end), and an inner base 703 that supports the shaft 702.
  • the inner base 703 is fixed to a joint portion 704 for joining to the adapter unit 102 on the base side (or proximal side), and is covered with a cylindrical case 705 around the inner base 703 . Note that in FIG. 7, illustration of the case 705 is omitted in order to clarify the internal structure.
  • the surgical instrument 701 is not particularly limited, it may be a forceps consisting of a pair of jaws as disclosed in Patent Document 2 or Patent Document 3, for example.
  • Each jaw is supported near the tip of the shaft so as to be rotatable around the opening/closing axis (or yaw axis), and an opening force acts between the jaws in the direction of opening (or separating the jaws) around the opening/closing axis.
  • a torsion spring that applies this in advance is built into the opening/closing shaft (or yaw shaft).
  • the forceps consisting of a pair of jaws is supported so as to be rotatable around a pitch axis (wrist) that is orthogonal to each of the opening/closing axis and the longitudinal axis of the shaft.
  • One end (or distal side) of the cable 711 is connected to a capstan (not shown in FIG. 7) that is associated with one of the degrees of freedom of the surgical instrument 701 as an end effector. Further, the other end of the cable 711 extending toward the root side (or proximal side) is inserted into the shaft 702 and then pulled into the inner base 703, and is pulled toward the root side of the surgical instrument unit 101 (or shaft 702). After being wrapped around a pulley 712 and folded back toward the distal end (or tip), it is connected (or fixed near the terminal end) to a rod 713 via a cable connection part (described later).
  • the cable 721 is similar to the cable 711, and one end of the cable 721 on the distal side (or distal side) is connected to a capstan (not shown) related to any degree of freedom of the surgical instrument 701.
  • the other end extending toward the root side (or proximal side) is inserted into the shaft 702 and then pulled into the inner base 703, and is connected to the pulley 722 at the root side of the surgical instrument unit 101 (or shaft 702). After being wrapped and folded back, it is connected (or fixed near the end) to the rod 723 via a cable connection part (described later).
  • FIG. 9 shows a perspective view of only the inner base 703 extracted from FIG. 7.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of the surgical instrument unit 101 taken along a plane orthogonal to the longitudinal direction, indicated by reference numeral 750 in FIG.
  • FIG. 11 shows a perspective view of the root side of the surgical instrument unit 101 cut along a plane 750.
  • the plane 750 cuts the surgical instrument unit 101 exactly at the position where the rotation suppressing device 714 (described later) is located.
  • FIG. 12 shows an exploded view of the surgical tool unit 101 disassembled in the longitudinal direction.
  • the inner base 703 has a shaft connecting portion 910 on the distal end side to which the shaft 702 is attached, and four rod insertion holes 921 through which four rods including rods 713 and 723 are inserted in the longitudinal direction. It has a disk-shaped rod support part 920 with holes 924 to 924 drilled therein.
  • the shaft connection part 910 is made up of two symmetrical plates each having a semi-cylindrical space formed at the center attachment part, and by combining these plates, a cylindrical space is formed in the center where the shaft 702 is attached. be done. By inserting the base portion of the shaft 702 into this cylindrical space and then screwing the two plates together, the shaft connecting portion 910 can sandwich the base portion of the shaft 702.
  • the inner base 703 is provided with a pulley support portion 940 on the base side that rotatably supports four idler pulleys for folding back the four cables, including pulleys 712 and 722, toward the distal end.
  • the rod support section 920 and the pulley support section 940 are connected via a frame 930 (the structure in which the pulley support section 940 supports each idler pulley will be explained later with reference to FIG. 14).
  • Four guide grooves including a guide groove 931 are formed in the frame 930 along the longitudinal direction of four rods including the rods 713 and 723. These guide grooves each have a length that covers the longitudinal movable range of the corresponding rod.
  • the inner base 703 is divided into four parts 910 to 940 and each part is named, but it is assumed that the inner base 703 is manufactured as one component that integrates these parts.
  • the inner base 703 may be configured by a combination of a plurality of parts.
  • the rod 713 is supported at two locations, the rod insertion hole 921 of the rod support portion 920 of the inner base 703 and the joint portion 704 on the base side, via bearings 811 and 812, respectively.
  • These bearings 811 and 812 are both constructed of sliding bearings, and guide the linear motion of the rod 713 in the longitudinal direction.
  • the inner base 703 may be configured to be supported by sliding bearings at three or more locations.
  • the rod 723 is supported at two locations, the rod insertion hole 921 of the rod support portion 920 of the inner base 703 and the joint portion 704 on the base side, via bearings 821 and 822, respectively.
  • the rod 713 moves linearly (that is, moves backward and forward) in the longitudinal direction by the driving force transmitted from the drive unit 103 side.
  • the specific configuration of the drive unit 103 is not directly related to the present disclosure, detailed description thereof will be omitted in this specification.
  • the cable 711 connected to the rod 713 is pulled, thereby transmitting a driving force to the capstan related to any degree of freedom of the surgical instrument 701 as an end effector. I can do it. Therefore, rod 713 serves as a linear transmission device.
  • FIG. 13 shows a perspective view of only one rod 713 extracted from the surgical tool unit 101 shown in FIG.
  • the main role of the rotation suppressing device 714 is to suppress rotation about the longitudinal axis when the rod 713 is guided by the bearings 811 and 812 and moves in a linear motion.
  • the cable 711 whose other end is fixed to the rod 713 will wind around the rod 713, making it impossible to accurately drive the surgical instrument 701 according to the amount of linear displacement of the rod 713 in the longitudinal direction. Because it will disappear.
  • the rotation suppressing device 714 has a protrusion 714A that protrudes inward.
  • a guide groove 931 is formed in the frame 930 along the longitudinal direction of the rod 713.
  • the guide groove 931 has a length that covers the movable range of the rod 713 in the longitudinal direction. Therefore, since the rod 713 moves linearly in the longitudinal direction while the protrusion 714A is guided by the guide groove 931, rotation of the rod 713 about the longitudinal axis can be suppressed.
  • the relationship of the unevenness is reversed from the above, and a linear protrusion having a length that covers the movable range of the rod 713 in the longitudinal direction is provided on the frame 930, and the linear protrusion is slid on the rotation suppressing device 714 side. Even if a groove is formed to guide the linear protrusion in the groove on the rotation suppressing device 714 side when the rod 713 moves linearly, the rotation suppressing device 714 similarly guides the linear protrusion around the longitudinal axis of the rod 713. rotation can be suppressed.
  • the rotation suppressing device 714 also serves as a cable coupling part that connects (or fixes) the other end of the cable 711 that is wrapped around the pulley 712 and folded back toward the distal end (or tip) (however, the 13, the illustration of the cable 711 is omitted to avoid confusion in the drawing).
  • the other end of the cable 711 may be fixed to the rod 713 by a cable coupling portion configured as a separate component from the rotation suppressing device 714.
  • the rod 713 and the rotation suppressing device 714 are configured as separate parts, but the rod 713 and the rotation suppressing device 714 may be configured as an integrated component.
  • a spring 715 is arranged on the base side of the rod 713 to apply force to push the rod 713 toward the distal end so that the cable 711 does not loosen.
  • the base side of the rod 713 is passed through the spring 715.
  • the rotation suppressing device 714 also serves as a facing surface for the spring 715.
  • the pulley support section 940 disposed on the base side of the inner base 703 has four idlers for folding back the four cables toward the distal end. It supports the pulley in a rotatable manner.
  • FIG. 14 shows the vicinity of the pulley support portion 940 of the inner base 703 viewed from the base side. As can be seen from FIG. 14, it has a cross-shaped cross section, and includes an idler pulley 712 for folding back the cable 711, an idler pulley 722 for folding back the cable 721, an idler pulley 732 for folding back the cable 731, and an idler pulley 732 for folding back the cable 741.
  • the idler pulley 742 is supported.
  • each rod 713, 723, 733, 743 that pulls a plurality of (four in this embodiment) cables 711, 721, 731, 741, respectively, and each Pulleys 712, 722, 732, and 742 for folding back the cables 711, 721, 731, and 741, respectively, are arranged along a circumference centered on the longitudinal axis.
  • both the cable and the pulley can be brought together in the radial direction of the shaft 702 and laid out compactly.
  • the cable and pulley layout and moving the rod that moves the cable in a direct motion closer to the center of the circle it is possible to reduce the diameter of the surgical instrument unit 101 (particularly the part of the case 705 that includes the rod). can.
  • FIG. 15 is a rear view of the surgical instrument unit 101 (or joint portion 704) shown in FIG. 7, viewed from the base side.
  • the first condition for reducing the diameter of the surgical instrument unit 101 is that the farthest point from the longitudinal axis of the surgical instrument unit 101 (hereinafter referred to as the "center point” of the surgical instrument unit 101) and the center point of the cable folded back by the pulley. (hereinafter referred to as the "outermost point") and "straight line C" connecting the center point and the center of the rod are defined, and the rotational positions of these straight lines B and C around the center point are different. Arrange the pulleys and rods in the circumferential direction. Note that the center of the rod may be the area center of the cross section of the rod.
  • the rods and pulleys are arranged alternately in the circumferential direction around the longitudinal axis.
  • the rods and pulleys do not necessarily need to be arranged in a regular order in the circumferential direction, and may be arranged as follows: rod -> pulley -> pulley -> rod ->...
  • a pulley is placed inside a "straight line A" that is perpendicular to the straight line B connecting the center point and the outermost point at the outermost point.
  • the term "inside” here refers to the side where the center point of the surgical tool unit 101 is located between the two regions divided by the straight line A, and the other region is "outside" of the straight line A.
  • the straight line C connecting the center point and the center of the rod is shorter than the straight line B connecting the center point of the surgical tool unit 101 and the outermost point of the cable. Place the rod as shown.
  • the rod can be placed closer to the center point, and the diameter of the surgical instrument unit 101 can be further reduced.
  • FIG. 16 shows a cross-sectional view of the surgical instrument device 100 in a state in which the surgical instrument unit 101 is attached to the drive unit 103 and in a state in which the surgical instrument unit 101 is separated from the drive unit 103. There is. As described in Section B above while showing perspective views in FIGS. 1 and 2, the surgical instrument unit 101 is replaceably attached to the drive unit 103 via the adapter unit 102.
  • FIG. 17A and 17B respectively show a cross-sectional view of the adapter unit 102 cut along a plane including the longitudinal axis and a perspective view of the adapter unit 102 viewed from the distal side (however, FIG. 17B shows the internal configuration. For clarity, some parts are made transparent and the outline is drawn with dotted lines).
  • FIG. 18 shows an exploded view of the adapter unit 102 disassembled in the longitudinal direction (however, an image of the surgical tool unit 101 being attached is also shown).
  • FIG. 19 shows an exploded view of the adapter unit 102 viewed from the proximal side, contrary to FIG. 18.
  • the adapter unit 102 includes, in order from the distal side, a front plate 1801, an adapter base 1802, a pressing device 1803, a plurality of springs 1804 that push the pressing device 1803 toward the distal side, and each spring. It is composed of a spring fixing plate 1805 that serves as a contact surface for the other proximal end of the spring 1804 .
  • the spring fixing plate 1805 includes a plurality of guide shafts 1806 for inserting each spring 1804 and determining the position in the expansion/contraction direction.
  • the surgical instrument unit 101 has a plurality of claws 1811 and a rotation positioning pin 1812 on the outer periphery of the base side.
  • the front plate 1801 engages with a plurality of recesses 1801A through which the claws 1811 on the surgical instrument unit 101 side pass, and a rotational positioning pin 1812 on the surgical instrument unit 101 side, thereby allowing the surgical instrument unit 101 and the adapter unit 102 to pass through. It has a positioning groove 1801B for determining the mounting position.
  • the pushing device 1803 is biased distally by a plurality of circumferentially arranged springs 1804.
  • the adapter base 1802 has a counterbore surface 1802A that comes into contact with each claw 1811 on the surgical instrument unit 101 side.
  • FIG. 20 shows an enlarged view of the vicinity of the base of the surgical instrument unit 101 attached to the adapter unit 102. Furthermore, the upper, interrupted, and lower parts of FIG. 21 respectively show front views of the surgical instrument unit 101 before being attached to the adapter unit 102, in the middle of attachment, and in the attachment position, as viewed from the distal end side. .
  • the longitudinal axes of the surgical tool unit 101 and the adapter unit 102 are aligned, and the rotational positions of the claws 1811 at the base of the surgical tool unit 101 are aligned with the recess 1801A of the front plate 1801.
  • the surgical instrument unit 101 can be inserted into the central opening of the front plate 1801.
  • FIGS. 22 to 26 show a perspective view of the entire surgical instrument device, a perspective view (enlarged) of the attached part, and a cross section of the attached part when attaching the surgical instrument unit 101 to the adapter unit 102.
  • Fig. 2 shows a front view from the distal side and a front view from the distal side.
  • FIG. 22 is before installation
  • FIGS. 23 to 25 are during installation
  • FIG. 26 is after installation is complete.
  • the claw 1811 on the surgical tool unit 101 side is passed through the recess 1801A on the adapter unit 102 side (front base 1801), and the root end of the surgical tool unit 101 is pressed into the pressing device 1803. bring it into contact.
  • the surgical instrument unit 101 is rotated clockwise relative to the adapter unit 102 toward the mounting position.
  • the clearance between the outer diameter of the claw 1811 and the counterbore surface 1802A of the adapter base 1802 decreases.
  • the rotational positioning pin 1812 on the surgical tool unit 101 side is fixed in the positioning groove 1801B of the front plate 1801, and the mounting positions of the surgical tool unit 101 and the adapter unit 102 are determined, and the surgical tool The attachment of the unit 101 to the adapter unit 102 is completed.
  • FIGS. 27 to 31 show a perspective view of the entire surgical instrument device, a perspective view (enlarged) of the attached part, and a cross-sectional view of the attached part when removing the surgical instrument unit 101 from the adapter unit 102. , and a front view viewed from the distal side, respectively.
  • FIG. 27 is before removal
  • FIGS. 28 to 30 are during removal
  • FIG. 31 is after removal is completed.
  • the state before removal shown in FIG. 27 is the same as the state shown in FIG. 26 when the installation is completed.
  • the surgical instrument unit 101 is pushed proximally until the claw 1811 of the surgical instrument unit 101 comes into contact with the counterbore surface 1802A of the adapter base 1802.
  • the surgical instrument unit 101 is rotated counterclockwise relative to the adapter unit 102, and as shown in FIG. Align so that the rotational position matches the concave portion 1801A of the base 1801).
  • FIG. 32 shows an example of the degree of freedom configuration of the arm device 300 shown in FIG. 3.
  • the arm device 300 is suspended from the ceiling, which is a mechanical ground (MG).
  • MG mechanical ground
  • the arm device 300 is a four-bar link mechanism consisting of, in order from the top, a first shaft 3201 that rotates around a vertical pan axis, a second shaft 3202 that rotates around a horizontal tilt axis, and four links 3204 to 3207. Contains.
  • the first axis 3201 and the second axis 3202 are active axes.
  • the third axis 3203 is an active axis, and the other joints are passive axes. Therefore, the four-bar linkage mechanism includes a driving link 3204 driven by the third shaft 3203, two intermediate links 3205 and 3206, and a driven link 3207 that operates following the driving link 3204 via the intermediate links 3205 and 3206. Consisting of Furthermore, the surgical instrument device 100 is supported by a device holder 3208 that is integrated with the driven link 3207 . As described above, the surgical instrument device 100 includes the surgical instrument unit 101, the adapter unit 102, and the drive unit 103, but detailed illustration is omitted in FIG. 32. The device holder 3208 includes a mechanism for rotating the surgical instrument device 100 around the longitudinal axis of the shaft 102, but the details will be omitted.
  • the first shaft 3201 realizes a panning operation in which the entire arm device 300 is rotated around a vertical panning axis with respect to the mechanical ground.
  • the second shaft 3203 connects the output shaft of the first shaft and the four-bar link mechanism, and realizes a first tilt operation in which the entire four-bar link mechanism is rotated around the tilt axis.
  • the third shaft 3203 can rotate the driving link 3204 around the third shaft 3203 and cause the driven link 3207 to follow this rotation, and as a result, the driven link 3207 and the driven link 3207 are integrated.
  • a second tilt operation is realized in which the surgical instrument device 100 supported by the device holder 3208 is rotated about the lowermost joint axis 3209.
  • FIGS. 33A to 33C show a series of operations in which the arm device 300 pans the surgical instrument device 100.
  • the arm device 300 can pan the surgical instrument device 100 around the first axis 3201 by driving the first axis 3201 .
  • FIGS. 34A to 34C show a series of operations in which the arm device 300 tilts the surgical instrument device 100 with respect to the main body of the arm device 300.
  • the entire four-bar linkage mechanism rotates around the tilt axis, and the surgical instrument device 100 can be tilted around the second axis 3203 (this is referred to as a "first tilt operation"). do).
  • FIGS. 35A to 35C show a series of operations in which the arm device 300 tilts the surgical instrument device 100 at the current position.
  • the driving link 3204 rotates around the third axis 3203
  • the driven link 3207 rotates around the joint axis 3209 so as to follow the driving link 3204.
  • the surgical instrument device 100 supported by the device holder 3208 integrated with the driven link 3207 can be rotated about the lowermost joint shaft 3209 (this is referred to as a "second tilt motion").
  • FIG. 36 schematically shows an example of a functional configuration of a master-slave system 3600.
  • the illustrated master-slave system 3600 includes a master 3610 that remotely controls slave robots, and a slave 3620 that has slave robots.
  • a user such as a surgeon operates an operation console device on the master 3610 side, and a slave 3620 installed in the operating room is configured with the arm device 300 etc. according to the user's operation.
  • Surgery can be performed by controlling the drive of the slave robot 3622.
  • the master 3610 is installed, for example, outside the operating room (or in a location separated from the operating table within the operating room), and the user (operator) remotely controls the slave 3620.
  • Slave 3620 includes a slave robot 3622, such as arm device 300, located near the operating table.
  • the arm device 300 supports the surgical instrument device 100, which is an end effector including a surgical instrument and an observation device, and realizes panning and tilting motions as described in Section G above.
  • the surgical tools mentioned here are, for example, medical instruments such as forceps, pneumoperitoneum tubes, energy treatment tools, levers, and retractors, and the observation device is, for example, an endoscope.
  • the slave robot 3622 then performs surgery on the patient lying on the operating table according to instructions from the master 3610.
  • the surgeries referred to here include various types, such as laparoscopic surgery, body cavity surgery, brain surface surgery, and ocular fundus surgery.
  • Master 3610 and slave 3620 are interconnected via transmission line 3630. It is desirable that the transmission path 3630 can transmit signals with low delay using a medium such as an optical fiber.
  • the master 3610 includes a master side control section 3611, an operation console device 3612, a presentation section 3613, and a master side communication section 3614.
  • the master 3610 operates under the overall control of a master-side control unit 3611.
  • the operation console device 3612 is an input device for a user (such as a surgeon) to perform remote control or on-screen 3D operation on a slave robot 3622 on which a surgical tool such as forceps is mounted in the slave 3620. .
  • the operation console device 3612 can perform, for example, three degrees of freedom in translation for translationally moving the surgical tool, three degrees of freedom in rotation for changing the posture of the surgical tool, and one degree of freedom in gripping such as opening and closing operations of forceps. shall be able to do so.
  • the presentation unit 3613 provides information to the user (operator) who is operating the operation console device 3612 on the slave 3620 based mainly on sensor information acquired by a sensor unit 3623 (described later) on the slave 3620 side. Provide information about the surgery being performed.
  • the sensor unit 3623 on the slave 3620 side may be equipped with an RGB camera for observing the surface of the affected area, an RGB camera for taking microscopic images, an endoscope for laparoscopic or body cavity surgery, or may capture images captured by these cameras.
  • the presentation unit 3613 displays captured images of the affected area in real time using a monitor display or the like. Display on screen.
  • the sensor unit 3623 is equipped with a function to measure force sense such as external force and moment acting on the surgical instrument mounted on the slave robot 3622, and such force sense information is transmitted to the master via the transmission path 3630 with low delay.
  • the presentation unit 3613 provides a force sense presentation to the user (operator).
  • the haptic presentation function of the presentation unit 3613 is implemented by being incorporated into the operation console device 3612.
  • the presentation unit 3613 provides a force sense presentation to the user (operator) by driving a gripping unit at the tip of the operation console device 3612, which has, for example, three rotational degrees of freedom and one gripping degree of freedom, with a motor. .
  • the master-side communication unit 3614 performs signal transmission and reception processing with the slave 3620 via the transmission path 3630 under the control of the master-side control unit 3611.
  • the master-side communication unit 3614 includes an electro-optical conversion unit that converts an electrical signal sent from the master 3610 into an optical signal, and an electro-optical conversion unit that converts the optical signal received from the transmission line 3630 into an electrical signal. Equipped with a photoelectric conversion section.
  • the master side communication unit 3614 transfers the operation command for the slave robot 3622, which is input by the user (operator) via the master 3610, to the slave 3620 via the transmission path 3630. Further, the master side communication unit 3614 receives sensor information sent from the slave 3620 via the transmission path 3630.
  • the slave 3620 includes a slave-side control section 3621, a slave robot 3622, a sensor section 3623, and a slave-side communication section 3624.
  • the slave 3620 performs operations according to instructions from the master 3610 under the overall control of the slave-side control unit 3621.
  • the slave robot 3622 is, for example, an arm-type surgical robot having a multi-joint link structure like the arm device 300 described above, and is equipped with a surgical tool and an observation device as an end effector at its tip (or distal end).
  • surgical tools include forceps, pneumoperitoneum tubes, energy treatment tools, levers, and retractors.
  • an endoscope etc. are mentioned as an observation device.
  • the slave-side control unit 3621 interprets the operation command sent from the master 3610 via the transmission line 3630, converts it into a drive signal for an actuator that drives the slave robot 3622, and outputs the signal.
  • the slave robot 3622 operates based on a drive signal from the slave-side control unit 3621.
  • the sensor unit 3623 includes a plurality of sensors for detecting the slave robot 3622 and the situation in the affected area of the surgery being performed by the slave robot 3622, and also has an interface for importing sensor information from various sensor devices installed in the operating room. Equipped.
  • the sensor unit 3623 includes a force torque sensor (FTS) for measuring external forces and moments that act on a surgical tool mounted on the tip (distal end) of the slave robot 3622 during surgery.
  • FTS force torque sensor
  • the sensor unit 3623 is equipped with an observation device such as an RGB camera for observing the surface of the affected area during surgery by the slave robot 3622, an RGB camera for taking microscopic images, and an endoscope for laparoscopic or body cavity surgery, or It is equipped with an interface to import images captured by these cameras.
  • the slave-side communication unit 3624 performs signal transmission and reception processing with the master 3610 via the transmission path 3630 under the control of the slave-side control unit 3621.
  • the slave-side communication unit 3624 includes an electro-optical conversion unit that converts the electrical signal sent from the slave 3620 into an optical signal, and an electro-optic converter that converts the optical signal received from the transmission line 3630 into an electrical signal. Equipped with a photoelectric conversion section.
  • the slave-side communication unit 3624 receives the force sense data of the surgical instrument acquired by the sensor unit 3623, an RGB camera that observes the surface of the affected area, an RGB camera that captures a microscopic image, an endoscope for laparoscopic or body cavity surgery, etc.
  • the captured image is transferred to the operation console device 3612 via the transmission line 3630.
  • the slave-side communication unit 3624 receives an operation command for the slave robot 3622 sent from the master 3610 via the transmission path 3630.
  • an operation command for remotely controlling the slave robot 3622 is input via the operation console device 3612.
  • the operation commands include a panning motion of the arm device 300 (see FIG. 33), a first tilting motion of the arm device 300 (see FIG. 34), and a second tilting motion of the arm device 300 (see FIG. 35). (see), a rotational movement around the longitudinal axis (or roll axis) of the surgical tool device 100 held by the arm device 300, and a movement of the surgical tool at the distal end of the surgical tool unit 101.
  • the slave side control unit 3621 controls and drives the active axes (first to third axes) of the arm device 300 so as to realize the operation of the arm device 300 and the surgical tool unit 101 according to the received operation command. Drive control of the device 103 is performed.
  • the slave side control unit 3621 On the master 3610 side, the operation of the arm device 300 (see FIGS. 19 to 21) and the operation of the surgical instrument (specifically, the yaw motion, pitch motion, and opening/closing of the forceps) are controlled via the operation console device 3612. action) is instructed.
  • the slave side control unit 3621 receives an operation command from the master 3610 side that instructs the yaw operation, pitch operation, and opening/closing operation of the forceps, the slave side control unit 3621 controls each motor in the drive unit 103 to realize the instructed forceps operation. Calculate the rotation angle and generate angle commands for each motor.
  • a certain input/output relationship is established between the rotation angle of the motor on the drive unit 103 side and each operation of the surgical tool unit 101, such as opening/closing, pitch rotation, and yaw rotation of the forceps. Since the surgical tool unit 101 to which the present disclosure is applied is backlash-free and has high backdriveability, the forceps at the distal end of the surgical tool unit 101 can be precisely driven based on the rotation angle of the motor on the drive unit 103 side. be able to.
  • the amount of displacement of the jaws can be calculated from the displacement angle of each motor based on the detection results of the encoders of each motor. It is converted and sent to the master 3610 side as force feedback information. Since the drive unit 103 to which this embodiment is applied has high backdriveability, it is possible to measure the displacement amount of the surgical instrument with high precision based on the displacement angle of the motor, and therefore accurate force feedback to the master 3610 side. By providing information, it will be possible to perform precise surgeries.
  • the present disclosure can be applied to a wide variety of fields, such as remote-controlled robots that perform precision work in difficult work spaces such as manufacturing factories, construction sites, and outer space, and remote-controlled operation console devices, to finely control end effector units. It can be made smaller and smaller. As a result, it is easy to install multiple types of end effector units on a mounting table (such as a surgical tool stand) near the robot, and the robot itself can automatically replace end effector units in a short time. You will be able to do this.
  • An end effector unit comprising:
  • (1-1) further comprising a shaft that supports the end effector at the distal end and through which the cable is inserted;
  • the end effector unit is closer than a third straight line that is perpendicular to the first straight line connecting the longitudinal axis of the end effector unit and the outermost point farthest from the longitudinal axis of the cable folded back by the pulley at the outermost point.
  • the pulley is arranged on the longitudinal axis side of the The end effector unit according to (1) above.
  • a first line segment connecting the longitudinal axis of the end effector unit and the outermost point farthest from the longitudinal axis of the cable folded back by the pulley connects the longitudinal axis and the center of the linear motion transmission device.
  • the pulley is arranged so that the second line segment is shorter;
  • the linear motion transmission device includes a rod having one degree of freedom for linear movement in the longitudinal direction.
  • the end effector unit according to any one of (1) to (4) above.
  • the linear transmission device further includes a rotation suppressing device that suppresses rotation about the longitudinal axis of the rod.
  • the end effector unit according to any one of (5) or (6) above.
  • a base that supports the linear motion transmission device so as to slide in the longitudinal direction; a rotation suppressing device that is attached to the linear motion transmission device and suppresses rotation about the longitudinal axis of the linear motion transmission device; further comprising;
  • the end effector unit according to any one of (1) to (6) above.
  • the rotation suppressing device includes a cable coupling part that connects the other end of the cable.
  • the end effector unit according to any one of (8) or (9) above.
  • the linear motion transmission device is guided in linear motion by at least two bearings arranged in the longitudinal direction,
  • the rotation suppressing device is attached to the linear motion transmission device in the middle of the positions where the rotation suppressing device is supported by any two bearings, respectively.
  • the end effector unit according to any one of (8) to (10) above.
  • the bearing is made of a sliding bearing.
  • the tension applying section includes a spring disposed between a base that supports the linear motion transmission device and a rotation suppressing device attached to a predetermined position in the longitudinal direction of the linear motion transmission device.
  • the end effector has two bending axes and a degree of freedom in gripping, and is operated by driving force transmitted by four cables.
  • the end effector unit according to any one of (1) to (14) above.
  • the end effector is made of a surgical tool used in surgery.
  • the end effector unit according to any one of (1) to (16) above.
  • a surgical instrument supported at the distal end, a cable whose distal end is connected to the surgical instrument, a pulley that bends the cable extending toward the base toward the distal end, and one degree of freedom for linear movement in the longitudinal direction.
  • a surgical instrument unit having a linear motion transmission device connected to the other end of the cable folded back by the pulley; a drive unit that drives the linear motion transmission device with the surgical tool unit mounted thereon; A surgical instrument device equipped with.
  • a surgical instrument supported at the distal end a cable whose distal end is connected to the surgical instrument, a pulley that bends the cable extending toward the base toward the distal end, and one degree of freedom for linear movement in the longitudinal direction. and a surgical instrument unit equipped with a linear motion transmission device connected to the other end of the cable folded back by the pulley, and a drive unit that attaches the surgical instrument unit and drives the linear motion transmission device.
  • a surgical instrument device an arm having an articulated link structure that supports the surgical instrument device;
  • An arm device comprising:
  • a surgical instrument supported at its distal end, a cable whose distal end is connected to the surgical instrument, a pulley that bends the cable extending toward the base toward the distal end, and one degree of freedom for linear movement in the longitudinal direction. and a surgical instrument unit equipped with a linear motion transmission device connected to the other end of the cable folded back by the pulley, and a drive unit that attaches the surgical instrument unit and drives the linear motion transmission device.
  • a slave device including an arm with an articulated link structure that supports the surgical tool device; a master device that operates the surgical instrument device and the arm;
  • a master-slave system equipped with
  • Shaft connection part 920... Rod support part 921-924... Rod insertion hole, 930... Frame 931... Guide groove, 940... Pulley support part 1801... Front plate, 1801A... Recessed part 1801B... Positioning groove, 1802... Adapter base 1802A ... Counterbore surface, 1803 ... Pressing device, 1804 ... Spring 1805 ... Spring fixing plate, 1806 ... Guide shaft, 1811 ... Claw 1812 ... Positioning pin 3600 ... Master slave system, 3610 ... Master 3611 ... Master side control section, 3612 ... Operation console device 3613...presentation section, 3614...master side communication section 3620...slave, 3621...slave side control section 3622...slave robot, 3623...sensor section 3624...slave side communication section, 3630...transmission line

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Abstract

駆動ユニットに交換可能に取り付けられ、駆動ユニットから伝達される駆動力によって動作するエンドエフェクタユニットを提供する。　エンドエフェクタユニットは、先端側の一端がエンドエフェクタに接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を具備する。前記直動伝達装置と前記プーリは長手軸を中心とする円周方向に交互に配置され、小型且つ細径化されている。

Description

エンドエフェクタユニット、術具装置、アーム装置、並びにマスタスレーブシステム
　本明細書で開示する技術（以下、「本開示」とする）は、駆動ユニットに交換可能に取り付けられ、駆動ユニットから伝達される駆動力によって遠位端のエンドエフェクタを動作させるエンドエフェクタユニット、手術用の術具をエンドエフェクタとする術具ユニットと駆動ユニットを含む術具装置、術具装置を支持するアーム装置、並びにアーム装置を円環操作するマスタスレーブシステムに関する。
　例えば、医療分野で使用される手術用ロボットは、術具や観察装置（内視鏡など）からなるエンドエフェクタを遠位端に搭載したアーム装置からなる。例えば、アクチュエータと伝達機構を含むスレーブマニピュレータと、遠位端に医療用器具などのジョイントサブアセンブリを含んだ手術器具からなり、手術器具はスレーブマニピュレータに取り外し可能に取り付けられる、ロボット手術アセンブリが提案されている（特許文献１を参照のこと）。
特表２０２０－５１６４３０号公報 特開２０２１－４１０３７号公報 特開２０２１－４１０３８号公報
　本開示の目的は、駆動ユニットに交換可能に取り付けられ、駆動ユニットから伝達される駆動力によって遠位端のエンドエフェクタを動作させるエンドエフェクタユニット、手術用の術具をエンドエフェクタとする術具ユニットと駆動ユニットを含む術具装置、術具装置を支持するアーム装置、並びにアーム装置を円環操作するマスタスレーブシステムを提供することにある。
　本開示は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、
　先端側の一端がエンドエフェクタに接続されたケーブルと、
　根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、
　長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置と、
を具備するエンドエフェクタユニットである。
　第１の側面に係るエンドエフェクタユニットは、ケーブルとプーリのレイアウトを工夫して、ロッドなどで構成される直動伝達装置を円の中心により近づけることで、小型且つ細径化が図られている。
　また、前記直動伝達装置は、長手方向の直進１自由度を有するロッドを備える。前記直動伝達装置は、前記ロッドの長手軸回りの回転を抑制する回転抑制装置をさらに備える。
　また、本開示の第２の側面は、
　遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、
　前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットと、
を具備する術具装置である。
　また、本開示の第３の側面は、
　遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットで構成される術具装置と、
　前記術具装置を支持する多関節リンク構造のアームと、
を具備するアーム装置である。
　また、本開示の第４の側面は、
　遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットで構成される術具装置と、前記術具装置を支持する多関節リンク構造のアームを備えたスレーブ装置と、
　前記術具装置及び前記アームを操作するマスタ装置と、
を具備するマスタスレーブシステムである。
　但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。すなわち、複数の部品又は機能モジュールからなる１つの装置も、複数の装置の集合体も、「システム」に相当する。
　本開示によれば、駆動ユニットに交換可能に取り付けられ、駆動ユニットから直動伝達装置によって伝達される駆動力によって遠位端のエンドエフェクタを動作させるエンドエフェクタユニット、手術用の術具をエンドエフェクタとする術具ユニットと駆動ユニットを含む術具装置、術具装置を支持するアーム装置、並びにアーム装置を円環操作するマスタスレーブシステムを提供することができる。
　なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。
　本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
図１は、駆動ユニット１０３に術具ユニット１０１を取り付けた状態の術具装置１００を示した図である。 図２は、駆動ユニット１０３から術具ユニット１０１を分離した状態の術具装置１００を示した図である。 図３は、術具ユニット１０１を装着した状態の駆動ユニット１０３をさらにアーム装置３００に搭載した様子を示した図である。 図４は、術具ユニット１０１を切断した断面図によって内部構成を示した図である。 図５は、長手方向を含む面でアダプタユニット１０２及び駆動ユニット１０３を切断した断面図によって内部構成を示した図である。 図６は、術具ユニット１０１が駆動ユニットに装着されるイメージを示した図である。 図７は、術具ユニット１０１の具体的な構成を示した図である。 図８は、図７に示した術具ユニット１０１の断面構成を示した図である。 図９は、インナーベース７０３を斜視した様子を示した図である。 図１０は、長手方向に直交する平面７５０で術具ユニット１０１を切断した断面を示した図である。 図１１は、術具ユニット１０１を平面７５０で切断した根元側の斜視図を示した図である。 図１２は、術具ユニット１０１を長手方向に分解した分解図を示した図である。 図１３は、ロッド７１３の斜視図を示した図である。 図１４は、インナーベース７０３のプーリ支持部９４０付近を根元側から斜視した様子を示した図である。 図１５は、図７に示した術具ユニット１０１（又は、接合部７０４）を根元側から眺めた背面図を示した図である。 図１６は、術具装置１００の断面図を示した図である。 図１７Ａは、アダプタユニット１０２の断面図を示した図である。 図１７Ｂは、アダプタユニット１０２の斜視図を示した図である。 図１８は、アダプタユニット１０２を長手方向に分解した分解図を示した図である。 図１９は、アダプタユニット１０２を長手方向に分解した分解図を示した図である。 図２０は、アダプタユニット１０２に装着した術具ユニット１０１の根元付近を拡大して示した図である。 図２１は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着前、装着途中、及び装着位置の各状態を示した正面図である。 図２２は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着する手順（装着前）を示した図である。 図２３は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着する手順（装着途中）を示した図である。 図２４は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着する手順（装着途中）を示した図である。 図２５は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着する手順（装着途中）を示した図である。 図２６は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着する手順（装着完了時）を示した図である。 図２７は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２から取り外す手順（取り外す前）を示した図である。 図２８は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２から取り外す手順（取り外す途中）を示した図である。 図２９は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２から取り外す手順（取り外す途中）を示した図である。 図３０は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２から取り外す手順（取り外す途中）を示した図である。 図３１は、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２から取り外す手順（取り外し完了時）を示した図である。 図３２は、アーム装置３００の自由度構成例を示した図である。 図３３は、アーム装置３００が術具装置１００をパンさせている一連の動作を示した図である。 図３４は、アーム装置３００が術具装置１００をアーム装置３００本体に対してチルトさせている一連の動作を示した図である。 図３５は、アーム装置３００が術具装置１００を現在位置においてチルトさせている一連の動作を示した図である。 図３６は、マスタスレーブシステム３６００の機能的構成例を示した図である。
　以下、図面を参照しながら本開示について、以下の順に従って説明する。
Ａ．概要
Ｂ．全体構成
Ｃ．術具装置の基本構成及び動作
Ｄ．術具ユニットの詳細な構成
Ｅ．術具ユニットの細径化構造
Ｆ．術具ユニットの着脱構造、装着手順及び取り外し手順
　Ｆ－１．術具ユニットの着脱構造
　Ｆ－２．術具ユニットの装着手順
　Ｆ－３．術具ユニットの取り外し手順
Ｇ．アーム装置
Ｈ．マスタスレーブシステム
Ａ．概要
　本開示は、駆動ユニットに交換可能に取り付けられ、駆動ユニットから直動伝達装置によって伝達される駆動力によって遠位端のエンドエフェクタを動作させるエンドエフェクタユニットに関する。エンドエフェクタユニットを装着した駆動ユニットは、例えばアーム装置（ロボット、又はマニピュレータとも呼ぶ）に搭載して用いられて作業を実施する。本明細書では、とりわけ本開示が医療分野に適用される実施形態を中心に説明する。このような実施形態では、エンドエフェクタは術具である。以下では、エンドエフェクタユニットのことを「術具ユニット」とも呼ぶことにし、駆動ユニットに術具ユニットを装着した状態では「術具装置」とも呼ぶことにする。
　術具装置は、例えばアーム装置（手術ロボット、又は手術用マニピュレータとも呼ぶ）に搭載して手術に用いられる。また、術具は、例えば鉗子や気腹チューブ、エネルギー処置具、攝子、レトラクタなどのさまざまな種類の医療用器具である。したがって、種類が異なる医療用器具を遠位端に備えた複数種類の術具ユニットを用意しておき、手術中は必要に応じて駆動ユニットに取り付けた術具ユニットを交換する、さらにはロボットが自動で術具ユニットの交換を行うという運用が考えられる。
　ロボット自身が自動で術具交換を実施するには、交換対象となる複数の術具ユニットが「術具スタンド」などの載置台に設置されていることが望ましい。術具ユニットが細径化及び小型化すれば、交換対象の術具ユニットや術具スタンドをロボットの近くに配置し易くなる。
　ちなみに、特許文献１に開示されるロボット手術アセンブリの場合、フレーム５２に対して１直線動作自由度を有するように伝達装置５４を拘束するカップリング装置９３はリニアベアリングで構成され、シンプルな軸受に対してサイズが大きくなるため、ジョイントサブアセンブリの細径化は難しいと思料される。
　そこで、本開示では、駆動ユニットの駆動力を遠位端の術具まで伝達する伝達装置に直動の伝達構造を用い、且つその直動伝達構造の摺動性を高めることで、術具ユニットの細径化を図ることにした。術具ユニットを細径化することで、接続先のアーム（及び駆動ユニット）や術具スタンドを小型化して、ロボットの近くに配置し易くなる。また、ロボットが自動で術具ユニットの交換を行う際に、術具ユニットの根元を駆動ユニットの先端にアバウトに挿入しても正確な装着が可能になる。
Ｂ．全体構成
　このＢ項では、術具ユニット及び駆動ユニットを含めた術具装置の全体構成について説明する。
　図１には、駆動ユニット１０３に術具ユニット１０１を取り付けた状態の術具装置１００を示している。また、図２には、駆動ユニット１０３から術具ユニット１０１を分離した状態の術具装置１００を示している。術具装置１００は、遠位端側から順に、術具ユニット１０１と、アダプタユニット１０２と、駆動ユニット１０３を備えている。なお、実際の手術では清潔領域に配置される術具ユニット１０１を根元側の不潔領域と分離する必要があり、術具ユニット１０１とアダプタユニット１０２間、又はアダプタユニット１０２と駆動ユニット１０３間にドレープ（図示しない）を配置して使用されることが想定される。
　図１及び図２に示すように、駆動ユニット１０３は先端に、術具ユニット１０１の根元側を受容する（又は、挿入する）ためのアダプタユニット１０２が取り付けられている。したがって、術具ユニット１０１は、アダプタユニット１０２を介して駆動ユニット１０３に装着される、と言うことができる。また、図３には、術具ユニット１０１を駆動ユニット１０３に装着した状態の術具装置１００をさらにアーム装置３００に搭載した様子を示している。アーム装置３００は、駆動ユニット１０３に装着された術具ユニット１０１を、パン動作及びチルト動作させることができるが、この点については後述に譲る。
　術具ユニット１０１は、術具と、術具を先端（又は、遠位端）で支持する中空のシャフトからなる。術具は、例えば鉗子や気腹チューブ、エネルギー処置具、攝子、レトラクタなどのさまざまな種類の医療用器具がある。但し、以下では便宜上、術具を開閉動作する１対のジョーからなる鉗子に特化した実施形態を中心にして説明する。
　本実施形態おいて、エンドエフェクタすなわち術具として適用される鉗子の構造について簡単に説明しておく。鉗子は一対のジョーからなる。各ジョーはシャフトの先端付近で開閉軸（又は、ヨー軸）回りに回転可能にそれぞれ支持され、且つ、ジョー間に開閉軸回りに開成する（又は、ジョー同士が離れる）方向に作用する開成力をあらかじめ付与するトーションバネが開閉軸（又は、ヨー軸）に組み込まれている。そして、１対のジョーからなる鉗子は、開閉軸及びシャフトの長手軸の各々と直交するピッチ軸（リスト）回りに回転可能となるようにシャフトの遠位端に支持されている。
　術具ユニット１０１のシャフトには、駆動ユニット１０３で生成される駆動力を遠位端の術具まで伝達するためのケーブル（図１及び図２には図示しない）が挿通されている。１つ前の段落で説明したように術具が１対のジョーで構成される場合、各ジョーを開閉軸回りに閉成する（又は、他方のジョーに近づく）方向に牽引するための各1本のケーブルと、１対のジョーからなる鉗子全体をピッチ軸（リスト）回りに正回転及び逆回転させるための各1本のケーブルの合計４本のケーブルがシャフトに挿通されている。
　また、後述するように、シャフト内に挿通される各ケーブルはそれぞれ、術具ユニット１０１（又は、シャフト）の根元側でプーリに巻き付いて遠位端（又は、先端）の方向に折り返された後、直動伝達装置としてのロッドに接続（又は、終端付近が固定）される。ケーブル毎に対応するロッドが必要であり、合計４本のロッドが術具ユニット１０１の根元側に配置される。各ロッドは、術具ユニット１０１（又は、シャフト）の長手方向に直動する１自由度のみを有する。ロッドが近位側に前進すれば、そのロッドに接続されたケーブルは根元側に牽引されて、駆動力を伝達するようになっている。
　図１及び図２から分かるように、術具ユニット１０１の根元側は、アダプタユニット１０２を介して駆動ユニット１０３の先端側に装着される。術具ユニット１０１側の各ロッドが駆動ユニット１０３側の対応するロッドとちょうど当接するように装着することができれば、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着する方法や構造は特に限定されない。
　駆動ユニット１０３は、駆動力を生成するモータと、モータの回転運動を直動運動に変換する回転→直動変換機構のセットを、術具ユニット１０１側のケーブルの本数分だけ備えている。また、各モータは、エンコーダ及びブレーキを備えているものとする。上述したように、術具ユニット１０１は４本のケーブルなので、駆動ユニット１０３は、モータ及び回転→直動変換機構を４セットだけ装備している。図１及び図２に示した駆動ユニット１０３の近位側に配置された４本の円筒形状の部品が各モータである。モータ毎に配置される回転→直動変換機については、図１及び図２では図示を省略している。
Ｃ．術具装置の基本構成及び動作
　このＣ項では、術具装置１００の基本構成及び動作について説明する。上記Ｂ項で説明したように、術具装置１００は、術具ユニット１０１と駆動ユニット１０３を備え、術具ユニット１０１はアダプタユニット１０２を介して交換可能に駆動ユニット１０３に装着される。図４には、長手方向を含む面で切断した術具ユニット１０１の断面図によって内部構成を示し、図５には、長手方向を含む面で切断したアダプタユニット１０２及び駆動ユニット１０３の断面図によって内部構成を示している。なお、便宜上、図４に示す通りのｘｙ軸を定義する。ｘ軸は長手軸に相当する。また、図６には、図４に示した術具ユニット１０１と、図５に示したアダプタユニット１０２及び駆動ユニット１０３を長手方向に並べて、術具ユニット１０１が駆動ユニット１０３に装着されるイメージを示している。
　まず、術具ユニット１０１に装備された直動伝達機構の動作原理について、図４を参照しながら説明する。術具ユニット１０１は、術具４０１と、術具４０１を先端（又は、遠位端）で支持する中空のシャフト４０２と、シャフト４０２を支持するとともに根元側でアダプタ１０２と結合する術具ユニットベース４０３を有する。図４は、長手方向を含む面で切断した術具ユニット１０１の断面図によって、シャフト４０２及び術具ユニットベース４０３の各々の内部構成を示している。
　上述したように、術具ユニット１０１は、１対のジョーからなる術具４０１と、各ジョーをそれぞれ開閉軸回りに牽引する２本のケーブル４１１及び４２１と、術具４０１（又は、ジョーの開閉軸）をピッチ軸（リスト）回りにそれぞれ正回転及び逆回転させる２本のケーブル（図４では図示しない）の、合計４本のケーブルを備えている。術具４０１は、例えば各ジョーの開閉（又は、把持）、鉗子の開閉軸（又は、ヨー軸）回り及びピッチ軸回り各回転の３自由度を有するが、ここでは説明の簡素化のため詳細については省略する。但し、術具４０１の駆動に必要なケーブルの本数は、術具４０１の自由度構成などによって相違する。図４では、図面の簡素化のため、２本のケーブル４１１及び４２１と、各ケーブル４１１及び４２１に対応する２つの直動伝達装置をそれぞれ示している。また、以下では便宜上、各ケーブル４１１及び４２１がそれぞれエンドエフェクタとしての術具４０１（ジョー）の開閉（又は、把持）、術具４０１のヨー軸回り及びピッチ軸回りの回転のうちのいずれかの自由度に関わるかを特に限定しないで説明する。
　ケーブル４１１の先端側（又は、遠位側）の一端は、エンドエフェクタとしての術具４０１（ジョー）の開閉（又は、把持）、ピッチ、及びヨーのうちのいずれかの自由度に関わるキャプスタン（図示しない）に接続されている。また、ケーブル４１１の根元側（又は、近位側）に伸びる他端は、シャフト４０２内に挿通された後、術具ユニットベース４０３内に引き込まれ、術具ユニット１０１（又は、シャフト４０２）の根元側でプーリ４１２に巻き付いて遠位端（又は、先端）の方向に折り返された後、ロッド４１３にケーブル結合部（後述）を介して接続（又は、終端付近が固定）されている。ロッド４１３は、ｘ軸方向すなわち長手方向の直進１自由度にのみ摺動するように、術具ユニットベース４０３に支持されている。また、プーリ４１２は、アイドラプーリであり、術具ユニットベース４０３によって回転自在に支持されている。
　後で図５を参照しながら説明するが、ロッド４１３は、駆動ユニット１０３側から伝達される駆動力によってｘ軸方向に後退及び前進する。そして、ロッド４１３がｘ軸方向に後退する（言い換えれば、遠位方向に前進する）ことによって、ロッド４１３に接続されたケーブル４１１が引っ張られて、エンドエフェクタとしての術具４０１のいずれかの自由度に関わるキャプスタンへ駆動力を伝達することができる。したがって、ロッド４１３は、直動伝達装置としての役割を果たす。
　ロッド４１３が自身の長手軸回りに回転すると、ケーブル４１１がロッド４１３に巻き付いてしまい、ロッド４１３の長手方向の直進変位量に応じて正確に術具４０１を駆動できなくなるからである。そこで、ロッド４１３は、長手軸回りの回転を抑制して、長手方向の直進１自由度にのみ動作するように、回転抑制装置を装備しているが、この点の詳細については後述に譲る。
　また、術具ユニット１０１が駆動ユニット１０３から切り離され、独立した状態でも、ケーブル４１１が緩まないように、ロッド４１３を先端方向に押し込む力を与えるスプリング４１４がロッド４１３の根元側に配置されている。ロッド４１３はスプリング４１４の中に通され、スプリング４１４の一端は術具ユニット４０３に固定されるとともに他端はロッド４１３に固定されている。したがって、スプリング４１４の弾性力によってロッド４１３が先端方向に押し込まれると、プーリ４１２で折り返されてロッド４１３に結合されたケーブル４１１には予張力が付与されるので、緩むことはない。
　ケーブル４２１についてもケーブル４１１と同様である、ケーブル４２１の先端側（又は、遠位側）の一端は、エンドエフェクタとしての術具４０１（ジョー）のいずれかの自由度に関わるキャプスタン（図示しない）に接続され、ケーブル４２１の根元側（又は、近位側）に伸びる他端は、シャフト４０２内に挿通された後、術具ユニットベース４０３内に引き込まれ、術具ユニット１０１（又は、シャフト４０２）の根元側でプーリ４２２に巻き付いて折り返された後に、ロッド４２３にケーブル結合部（後述）を介して接続（又は、終端付近が固定）されている。ロッド４１３は、ｘ軸方向すなわち長手方向の直進１自由度にのみ摺動するように、術具ユニットベース４０３に支持されている。また、プーリ４２２は、術具ユニットベース４０３によって回転自在に支持されている。直動伝達装置としてのロッド４２３は、駆動ユニット１０３側から伝達される駆動力によってｘ軸方向に後退及び前進する。ロッド４２３がｘ軸方向に後退する（言い換えれば、遠位方向に前進する）ことによって、ロッド４２３に接続されたケーブル４２１が引っ張られて、術具４０１へ駆動力を伝達することができる。ロッド４２３にも、長手軸回りの回転を抑制して、長手方向の直進１自由度にのみ動作するように、回転抑制装置を装備している（後述）。また、術具ユニット１０１が駆動ユニット１０３から切り離され、独立した状態でも、ケーブル４２１が緩まないように、ロッド４２３を先端方向に押し込む力を与えるスプリング４２４がロッド４２３の根元側に配置されている。ロッド４２３はスプリング４２４の中に通され、スプリング４２４の一端は術具ユニット４０３に固定されるとともに他端はロッド４２３に固定されている。
　なお、図４では、術具ユニット１０１の基本構成を説明する便宜上、プーリ４１２及び４２２を、他の部品と干渉しない、見易い位置に配置して描いているが、実際の配置場所は図４とは異なる。現実の実装では、術具ユニット１０１（より具体的には、術具ユニットベース４０３）を小型且つ細径化できるように、プーリ４１２及び４２２の配置場所が決定されるが、詳細については後述に譲る。
　また、術具４０１の自由度に応じて使用されるいずれも図示を省略したケーブルにも、図４に示したケーブル４１１及び４２１と同様の直動伝達装置が装備されるものと理解されたい。
　続いて、駆動ユニット１０３に装備された回転→直動変換機構の動作原理について、図５を参照しながら説明する。駆動ユニット１０３は、駆動力を生成するモータと、モータの回転運動を直動運動に変換する回転→直動変換機構のセットを、術具ユニット１０１側のケーブルの本数分だけ備えている。術具ユニット１０１側のケーブルの本数は術具４０１の自由度構成などによって相違し、これに伴って駆動ユニット１０３側で装備するモータ及び回転→直動変換機構の個数も相違する。図５では、長手方向を含む面で切断した駆動ユニット１０３の断面図によって、図４に示した術具ユニット１０１のケーブル４１１及び４２１をそれぞれ駆動するモータ及び回転→直動変換機構の構成を示している。また、図５では、図面の簡素化のため、アダプタユニット１０２を、駆動ユニット１０３側の駆動ユニットベース５０１と一体化して描いている。なお、便宜上、図５にも図４と同じｘｙ軸を定義する。
　モータ５１１は、術具ユニット１０１側のケーブル４１１を牽引するロッド４１３を駆動用に、駆動ユニット１０３の近位側で駆動ユニットベース５０１を介して駆動ユニット１０３内に固定されている。モータ５１１は、出力端に減速機５１２が取り付けられるとともに、出力端の反対側の端面にはモータ５１１の回転軸（図示しない）の回転角度を計測するエンコーダ５１３が取り付けられている。小型化を考慮して、エンコーダ５１３にはインクリメンタル式が採用されるが、もちろんアブソリュート式のエンコーダを採用してもよい。また、モータ５１１はブレーキ（図示しない）をさらに含んでいてもよい。
　モータ５１１の回転を直進に変換する回転→直動変換機構は、モータ５１１（又は減速機５１２）の出力軸に取り付けられたモータキャプスタン５１４と、一端がモータキャプスタン５１４に互いに反対方向に巻き付けられた一対のケーブル５１５及び５１６と、ロッド５１７と、駆動ユニットベース５０１に対しロッド５１７を駆動ユニットベース５０１に対してｘ軸方向すなわち長手方向の直進１自由度にのみ摺動するように案内するリニアガイド５１８で構成される。ケーブル５１５の他端は、アイドラプーリ５１５Ａを介して、モータキャプスタン５１４の円周方向からｘ軸の負方向（ロッド５１７の遠位側の方向）に経路変更された後、ロッド５１７の遠位側に接続される。また、ケーブル５１６の他端は、アイドラプーリ５１６Ａを介して、モータキャプスタン５１４の円周方向からｘ軸の正方向（ロッド５１７の近位側の方向）に経路変更された後、ロッド５１７の近位側に接続される。リニアガイド５１８は、ロッド５１７を案内する方向がｘ軸方向すなわち長手方向と一致するように、駆動ユニットベース５０１に固定されている。また、各アイドラプーリ５１５Ａ及び５１６Ａは、駆動ユニットベース５０１によって回転自在に支持されている。
　モータ５１１が正回転すると、一方のケーブル５１５がモータキャプスタン５１４に巻き取られる結果、ロッド５１７がｘ軸の負方向（又は、遠位側）に向かって進出する直動運動に変換される。また、モータ５１１が逆回転すると、他方のケーブル５１６がモータキャプスタン５１４に巻き取られる結果、ロッド５１７がｘ軸の正方向（又は、近位側）に向かって後退する直動運動に変換される。
　術具ユニット１０１を、アダプタユニット１０２を介して駆動ユニット１０３に装着すると、駆動ユニット１０３側のロッド５１７の先端は術具ユニット１０１側のロッド４１３の末端にちょうど当接する。したがって、モータ５１１の正回転及び逆回転によってロッド５１７がｘ軸方向に後退及び前進すると、これに追従してロッド４１３もｘ軸方向に後退及び前進する。ロッド５１７及びロッド４１３が一体となってｘ軸方向に後退する（言い換えれば、遠位方向に前進する）ことによって、ロッド４１３に接続されたケーブル４１１が引っ張られて、エンドエフェクタとしての術具４０１のいずれかの自由度に関わるキャプスタンへ駆動力を直動伝達することができる。
　また、モータ５２１は、ケーブル４２１（又は、ロッド４１３）を駆動用に、駆動ユニット１０３の近位側に配置されている。モータ５２１にも、減速機５２２とエンコーダ５２３とブレーキ（図示しない）が取り付けられている。モータ５２１の回転を直進に変換する回転→直動変換機構は、モータ５１１（又は減速機５２２）の出力軸に取り付けられたモータキャプスタン５２４と、一端がモータキャプスタン５２４に互いに反対方向に巻き付けられた一対のケーブル５２５及び５２６と、ロッド５２７と、駆動ユニットベース５０１に対しロッド５２７を長手方向の直進１自由度にのみ摺動するように案内するリニアガイド５２８で構成される。ケーブル５２５の他端は、アイドラプーリ５２５Ａを介して、モータキャプスタン５２４の円周方向からｘ軸の負方向（ロッド５２７の遠位側の方向）に経路変更された後、ロッド５１７の遠位側に接続される。また、ケーブル５２６の他端は、アイドラプーリ５２６Ａを介して、モータキャプスタン５２４の円周方向からｘ軸の正方向（ロッド５２７の近位側の方向）に経路変更された後、ロッド５２７の近位側に接続される。リニアガイド５２８は、ロッド５２７を案内する方向がｘ軸方向すなわち長手方向と一致するように、駆動ユニットベース５０１に固定されている。また、各アイドラプーリ５２５Ａ及び５２６Ａは、駆動ユニットベース５０１によって回転自在に支持されている。
　モータ５２１が正回転すると、一方のケーブル５２５がモータキャプスタン５２４に巻き取られて、ロッド５２７がｘ軸の負方向（又は、遠位側）に向かって進出する直動運動に変換される。また、モータ５２１が逆回転すると、他方のケーブル５２６がモータキャプスタン５２４に巻き取られて、ロッド５２７がｘ軸の正方向（又は、近位側）に向かって後退する直動運動に変換される。
　術具ユニット１０１を、アダプタユニット１０２を介して駆動ユニット１０３に装着すると、ロッド５２７の先端は術具ユニット１０１側のロッド４２３の末端にちょうど当接する。したがって、モータ５２１が正回転してロッド５２７がｘ軸方向に後退する（言い換えれば、遠位方向に前進する）と、ロッド４２３を介してケーブル４２１が引っ張られて、術具４０１のいずれかの自由度に関わるキャプスタンへ駆動力を直動伝達することができる。
　術具４０１の自由度に応じて使用される各ケーブルに対応するいずれも図示しないモータにも、上述したモータ５１１及び５２１と同様の回転→直動伝達機構が装備され、術具ユニット１０１側へ駆動力を直動伝達するものと理解されたい。
　なお、当業界では、モータの回転運動を直動運動に変換する回転→直動伝達機構としてボールねじも知られている。ボールねじを使用する場合、バックラッシュの問題やバックドライバビリティの問題が生じる。バックドライバビリティが低いと、例えば術具などのエンドエフェクタに作用する外力を根元側で検出することが困難になる。また、ボールねじを使用すると、術具装置の小型化及び細径化も難しくなる。
　これに対し、図５に示したような、ロッドのケーブル駆動を利用した回転→直動変換機構によれば、バックラッシュレス且つ高バックドライバビリティを実現することができ、例えば精密な力制御を必要とする手術ロボットなどにも適している。
　また、回転→直動変換機構を駆動ユニット１０３ではなく術具ユニット１０１側に配置するという設計も可能であるが、図４及び図５に示したように駆動ユニット１０３に回転→直動変換機構を配置する構成によって、術具ユニット１０１の小型及び細径化を実現することができる。術具ユニットが小型且つ細径であれば、例えば術具スタンドにより多くの術具ユニットを設置することができ、ロボットが自動で且つ短時間で術具ユニットの交換を行うことができるようになる。
　なお、本明細書で使用する用語について簡単に説明を行う。「キャプスタン」及び「アイドラプーリ」はともにプーリである。ケーブルのレイアウト調整や、ケーブルにテンションを加える用途で使用するプーリを、本明細書では「アイドラプーリ」とする。また、ケーブルに動力を加える用途や、反対にケーブルからの力を軸力に変換する用途で使用するプーリを、本明細書では「キャプスタン」と呼び、入力キャプスタン及び出力キャプスタンはともにこの用途で使用されているプーリである。
Ｄ．術具ユニットの詳細な構成
　上記Ａ項で説明したように、術具ユニットを小型且つ細径化することで、接続先のアーム（及び駆動ユニット）や術具スタンドを小型化したり、術具スタンドにより多くの術具ユニットを搭載して集積度を向上したりすることができる。また、ロボットが自動で術具ユニットの交換を行う際に、小型且つ細径であれば術具ユニットの根元を駆動ユニットの先端にアバウトに挿入しても正確な装着が可能になる。このＤ項では、小型及び細径化を実現するための、術具ユニットの詳細な構成について説明する。
　図７には、術具ユニット１０１の具体的な構成を表した斜視図を示している。また、図８には、図７に示した術具ユニット１０１を、長手方向を含む面で切断した断面図によって内部構成を示している。図７及び図８に示す術具ユニット１０１の基本的な構成及び動作は、上記Ｃ項で図４を参照しながら説明した通りであるが、
　術具ユニット１０１は、術具７０１と、術具７０１を先端（又は、遠位端）で支持する中空のシャフト７０２と、シャフト７０２を支持するインナーベース７０３を有する。インナーベース７０３は、根元側（又は、近位側）でアダプタユニット１０２に接合するための接合部７０４に固定されるとともに、周囲は円筒状のケース７０５で覆われている。なお、図７では、内部構造を明らかにするために、ケース７０５の図示を省略している。
　術具７０１は特に限定されないが、例えば特許文献２又は特許文献３で開示される、１対のジョーからなる鉗子でもよい。各ジョーはシャフトの先端付近で開閉軸（又は、ヨー軸）回りに回転可能にそれぞれ支持され、且つ、ジョー間に開閉軸回りに開成する（又は、ジョー同士が離れる）方向に作用する開成力をあらかじめ付与するトーションバネが開閉軸（又は、ヨー軸）に組み込まれている。そして、１対のジョーからなる鉗子は、開閉軸及びシャフトの長手軸の各々と直交するピッチ軸（リスト）回りに回転可能となるように支持されている。
　ケーブル７１１の先端側（又は、遠位側）の一端は、エンドエフェクタとしての術具７０１のいずれかの自由度に関わるキャプスタン（図７には図示しない）に接続されている。また、ケーブル７１１の根元側（又は、近位側）に伸びる他端は、シャフト７０２内に挿通された後、インナーベース７０３内に引き込まれ、術具ユニット１０１（又は、シャフト７０２）の根元側でプーリ７１２に巻き付いて遠位端（又は、先端）の方向に折り返された後、ロッド７１３にケーブル結合部（後述）を介して接続（又は、終端付近が固定）されている。
　ケーブル７２１についてもケーブル７１１と同様である、ケーブル７２１の先端側（又は、遠位側）の一端は、術具７０１のいずれかの自由度に関わるキャプスタン（図示しない）に接続され、ケーブル７２１の根元側（又は、近位側）に伸びる他端は、シャフト７０２内に挿通された後、インナーベース７０３内に引き込まれ、術具ユニット１０１（又は、シャフト７０２）の根元側でプーリ７２２に巻き付いて折り返された後に、ロッド７２３にケーブル結合部（後述）を介して接続（又は、終端付近が固定）されている。
　さらに図９には、図７からインナーベース７０３のみを抽出した斜視図を示している。また、図１０には、図７中の参照番号７５０で示す、長手方向に直交する平面で切断した術具ユニット１０１の断面図を示している。また、図１１には、術具ユニット１０１を平面７５０で切断した根元側の斜視図を示している。平面７５０は、ちょうど回転抑制装置７１４（後述）が配置されている位置で、術具ユニット１０１を切断している。また、図１２には、術具ユニット１０１を長手方向に分解した分解図を示している。
　図９に示すように、インナーベース７０３は、先端側に、シャフト７０２を装着するシャフト接続部９１０と、ロッド７１３及び７２３を含む４本のロッドを長手方向に挿通させる４個のロッド挿通穴９２１～９２４が穿設された円板状のロッド支持部９２０を有している。シャフト接続部９１０は、それぞれ中央装着部分で半円筒状のスペースが形成された２枚の対称的な板材からなり、これら板材を合わせることで、中央にシャフト７０２を装着する円筒状のスペースが形成される。この円筒状のスペースにシャフト７０２の根元部分を差し込んだ後に、２枚の板材を螺子止めすることで、シャフト接続部９１０はシャフト７０２の根元部分を挟持することができる。また、インナーベース７０３は、根元側には、プーリ７１２及び７２２を含む、４本のケーブルをそれぞれ遠位端側に折り返すための４個のアイドラプーリを回転自在に支持するプーリ支持部９４０が配設され、ロッド支持部９２０とプーリ支持部９４０は、フレーム９３０を介して連結している（プーリ支持部９４０が各アイドラプーリを支持する構造については、後で図１４を参照しながら説明する）。フレーム９３０には、ロッド７１３及び７２３を含む４本のロッドの長手方向に沿って、ガイド溝９３１を含む４本のガイド溝が形成されている。これらのガイド溝は、それぞれ対応するロッドの長手方向の可動範囲をカバーする長さを有する。なお、説明の便宜上、インナーベース７０３を４つの部位９１０～９４０に分けて各部位に名称を付けているが、これらを一体化した１つの部品としてインナーベース７０３が製作されるものとする。もちろん、複数の部品の組み合わせでインナーベース７０３が構成されていてもよい。
　図８に示す断面図から分かるように、ロッド７１３は、インナーベース７０３のロッド支持部９２０のロッド挿通穴９２１と根元側の接合部７０４の２箇所で、それぞれ軸受８１１及び８１２を介して支持されている。これらの軸受８１１及び８１２は、ともに滑り軸受で構成され、ロッド７１３の長手方向の直動運動をガイドしている。なお、インナーベース７０３を３箇所以上で滑り軸受で支持するように構成してもよい。ロッド７２３も同様に、インナーベース７０３のロッド支持部９２０のロッド挿通穴９２１と根元側の接合部７０４の２箇所で、それぞれ軸受８２１及び８２２を介して支持されている。
　上記Ｃ項で図５を参照しながら説明したように、ロッド７１３は、駆動ユニット１０３側から伝達される駆動力によって長手方向に直動運動（すなわち、後退及び前進）する。但し、駆動ユニット１０３の具体的な構成は本開示に直接関連しないので、本明細書では詳細な説明を省略する。ロッド７１３が遠位方向に前進する）ことによって、ロッド７１３に接続されたケーブル７１１が引っ張られて、エンドエフェクタとしての術具７０１のいずれかの自由度に関わるキャプスタンへ駆動力を伝達することができる。したがって、ロッド７１３は、直動伝達装置としての役割を果たす。
　図７及び図８から分かるように、ロッド７１３には、軸受８１１及び８１２でそれぞれ支持される２箇所の中間となる位置に、回転抑制装置７１４が取り付けられている。図１３には、図７に示した術具ユニット１０１から一本のロッド７１３のみを抽出した斜視図を示している。図１３を参照することにより、回転抑制装置７１４の具体的な形状や構造はより明らかであろう。回転抑制装置７１４は、ロッド７１３が軸受８１１及び８１２に案内されて直動運動する際に、長手軸回りの回転を抑制することを主な役割とする。もしロッド７１３が長手軸回りに回転すると、他端がロッド７１３に固定されたケーブル７１１がロッド７１３に巻き付いてしまい、ロッド７１３の長手方向の直進変位量に応じて正確に術具７０１を駆動できなくなるからである。
　図１３に示すように、回転抑制装置７１４は、内側に突設した突起７１４Ａを有している。また、図９を参照しながら既に説明したように、フレーム９３０には、ロッド７１３の長手方向に沿ってガイド溝９３１が形成されている。回転抑制装置７１４が取り付けられたロッド７１３を術具ユニット１０１に組み込んだ状態では、突起７１４Ａがガイド溝９３１にちょうど入る。ガイド溝９３１は、ロッド７１３の長手方向の可動範囲をカバーする長さを有する。したがって、突起７１４Ａがガイド溝９３１に案内されながら、ロッド７１３が長手方向に直動運動することで、ロッド７１３の長手軸回りの回転を抑制することができる。
　なお、上記とは凹凸の関係を逆にして、フレーム９３０にロッド７１３の長手方向の可動範囲をカバーする長さを有する線条突起を設けるとともに、回転抑制装置７１４側に線条突起を摺動する溝を穿設して、ロッド７１３が直動する際に回転抑制装置７１４側の溝で線条突起を案内するように構成しても、同様に回転抑制装置７１４がロッド７１３の長手軸回りの回転を抑制することができる。
　また、回転抑制装置７１４は、プーリ７１２に巻き付いて遠位端（又は、先端）の方向に折り返されたケーブル７１１の他端を接続（又は固定）するケーブル結合部を兼ねている（但し、図１３では、図面の錯そうの防止のため、ケーブル７１１の図示を省略している）。但し、回転抑制装置７１４とは別の部品として構成されたケーブル結合部によってケーブル７１１の他端をロッド７１３に固定するようにしてもよい。また、図７～図１３に示す例では、ロッド７１３と回転抑制装置７１４は別の部品として構成されているが、ロッド７１３と回転抑制装置７１４を一体化した部品として構成してもよい。
　また、術具ユニット１０１が駆動ユニット７０３から切り離され、独立した状態でも、ケーブル７１１が緩まないように、ロッド７１３を先端方向に押し込む力を与えるスプリング７１５がロッド７１３の根元側に配置されている。具体的には、図１２から分かるように、スプリング７１５にロッド７１３の根元側が通されている。術具ユニット１０１を組み立てた状態では、スプリング７１５の根元側は接合部７０４の先端面に当接するとともに、スプリング７１５の先端側は回転抑制装置７１４に当接している。したがって、回転抑制装置７１４は、スプリング７１５の宛て面としての役割も持つ。そして、術具ユニット１０１が駆動ユニット７０３から切り離された状態では、スプリング７１５の弾性力によってロッド７１３が先端方向に押し込まれて、プーリ７１２で折り返されたケーブル７１１には予張力が付与されるので、緩むことはない。
　上記では、ロッド７１３の動作及びロッド７１３に関わる回転抑制装置７１４を中心に説明してきたが、ロッド７２３及びケーブル７２１、及びその他の３本のロッド及びケーブルについても、動作や回転抑制装置の仕組み、ケーブルの予張力付与スプリングの各々については同様であると理解されたい。
Ｅ．術具ユニットの細径化構造
　このＥ項では、図７に示した術具ユニット１０１の細径化を実現するための構造について詳細に説明する。
 上記Ｄ項で図９を参照しながら説明したように、インナーベース７０３の根元側に配設されたプーリ支持部９４０は、４本のケーブルをそれぞれ遠位端側に折り返すための４個のアイドラプーリを回転自在に支持している。図１４には、インナーベース７０３のプーリ支持部９４０付近を、根元側から斜視した様子を示している。図１４から分かるように、十字状の断面からなり、ケーブル７１１を折り返すためのアイドラプーリ７１２、ケーブル７２１を折り返すためのアイドラプーリ７２２、ケーブル７３１を折り返すためのアイドラプーリ７３２、及び、ケーブル７４１を折り返すためのアイドラプーリ７４２を支持している。
　図１４から分かるように、長手方向に直交する面上では、複数（本実施形態では４本）のケーブル７１１、７２１、７３１、７４１をそれぞれ牽引する各ロッド７１３、７２３、７３３、７４３と、各ケーブル７１１、７２１、７３１、７４１をそれぞれ折り返すプーリ７１２、７２２、７３２、７４２が、長手軸を中心とする円周に沿うように配置されている。シャフト７０２内を通ってきたケーブルをプーリで遠位方向に折り返す構造とすることで、ケーブル及びプーリをともにシャフト７０２の径方向に寄せてコンパクトにレイアウトすることができる。また、ケーブルとプーリのレイアウトを工夫して、ケーブルを直動動作させるロッドを円の中心により近づけることで、術具ユニット１０１（とりわけ、ロッドを含むケース７０５の部分）を細径化することができる。
　ここで、細径化するためのケーブルとプーリのレイアウト設計について、図１５を参照しながら、具体的且つ幾何学的に説明する。図１５は、図７に示した術具ユニット１０１（又は、接合部７０４）を根元側から眺めた背面図である。
　術具ユニット１０１を細径化する第１の条件として、術具ユニット１０１の長手軸（以下、術具ユニット１０１の「中心点」とする）とプーリで折り返されるケーブルの中心点から最も遠い点（以下、「最外点」とする）を結ぶ「直線Ｂ」と、中心点とロッドの中心を結ぶ「直線Ｃ」を定義し、これら直線Ｂと直線Ｃの中心点回りの回転位置が異なるように、プーリとロッドを円周方向に配置する。なお、ロッドの中心は、ロッドの断面の面積中心でよい。第１の条件を満たし、直線Ｂと直線Ｃの中心点回りの回転角度が十分離間していることによって、ロッドを円の中心により近づけて、術具ユニット１０１の細径化を実現することができる。本実施形態では、ロッドとプーリは長手軸を中心とする円周方向に交互に配置されている。但し、円周方向に、ロッドとプーリが規則正しい順番で配置される必要は必ずしもなく、ロッド→プーリ→プーリ→ロッド→…のように配置されていてもよい。
　また、術具ユニット１０１を細径化する第２の条件として、中心点と最外点を結ぶ直線Ｂに最外点で直交する「直線Ａ」の内側に、プーリを配置する。ここで言う「内側」は、直線Ａで分割される２つの領域のうち術具ユニット１０１の中心点が存在する側のことを指し、もう一方の領域は直線Ａの「外側」となる。第２の条件を満たすことによって、ロッドとともにケーブル及びプーリを中心点の近くにコンパクトに配置することができる。なお、第１の条件及び第２の条件を満たさず、直線Ａの外側で直線Ｂ上にプーリを配置すれば、ケーブルとロッドのレイアウトが容易となるが、術具ユニット１０１は大径化する。
　また、術具ユニット１０１を細径化する第３の条件として、術具ユニット１０１の中心点とケーブルの最外点を結ぶ直線Ｂよりも、中心点とロッドの中心を結ぶ直線Ｃが短くなるように、ロッドを配置する。第１の条件又は第２の条件を満たしながら、さらに第３の条件を満たすことで、ロッドを中心点のより近くに配置することになり、術具ユニット１０１をさらに細径化することができる。
Ｆ．術具ユニットの着脱構造、装着手順及び取り外し手順
　上記Ｅ項で説明したように術具ユニット１０１を小型且つ細径化することにより、接続先のアーム（及び駆動ユニット）や術具スタンドを小型化して、ロボットの近くに配置し易くなる。また、ロボットが自動で術具ユニットの交換を行う際に、術具ユニットの根元を駆動ユニットの先端にアバウトに挿入しても正確な装着が可能になる。このＦ項では、術具ユニット１０１の着脱構造と、駆動ユニット１０３への装着手順及び取り外し手順について説明する。
Ｆ－１．術具ユニットの着脱構造
　図１６には、駆動ユニット１０３に術具ユニット１０１を取り付けた状態と、駆動ユニット１０３から術具ユニット１０１を分離した状態の各々の術具装置１００の断面図を示している。上記Ｂ項で、図１及び図２に斜視図を示しながら説明したように、術具ユニット１０１は、アダプタユニット１０２を介して駆動ユニット１０３に交換可能に装着される。
　図１７Ａ及び図１７Ｂには、長手軸を含む平面で切断したアダプタユニット１０２の断面図とアダプタユニット１０２を遠位側から眺めた斜視図をそれぞれ示している（但し、図１７Ｂでは、内部構成を明らかにするために、一部を透明化し輪郭を点線で描いている）。また、図１８には、アダプタユニット１０２を長手方向に分解した分解図を示している（但し、術具ユニット１０１を装着するイメージを合わせて示している）。参考のため、図１９には、図１８とは逆に近位側から眺めたアダプタユニット１０２の分解図を示している。
　図１８に示すように、アダプタユニット１０２は、遠位側から順に、フロントプレート１８０１と、アダプタベース１８０２と、押圧装置１８０３と、押圧装置１８０３を遠位側に押し出す複数のバネ１８０４と、各バネ１８０４の近位側の他端の当て面となるバネ固定用プレート１８０５で構成される。バネ固定用プレート１８０５は、各バネ１８０４を挿通して伸縮方向の位置を決めるための複数のガイド軸１８０６を含んでいる。
　また、図１８に示すように、術具ユニット１０１は、根元側の外周に、複数の爪１８１１と回転位置決めピン１８１２を有している。フロントプレート１８０１は、術具ユニット１０１側の各爪１８１１を通過させるための複数の凹部１８０１Ａと、術具ユニット１０１側の回転位置決めピン１８１２と係合して、術具ユニット１０１及びアダプタユニット１０２の装着位置を決める位置決め溝１８０１Ｂを有している。押圧装置１８０３は、円周方向に配置された複数のバネ１８０４によって遠位方向に付勢されている。各爪１８１１が凹部１８０１Ａを通過して、術具ユニット１０１の根元部分がアダプタベース１８０２に挿入されると、押圧装置１８０３は、術具ユニット１０１の各爪１８１１をフロントプレート１８０１の背面に押し付けるようになっている。アダプタベース１８０２は、術具ユニット１０１側の各爪１８１１と当接する座繰り面１８０２Ａを有している。
　図２０には、アダプタユニット１０２に装着した術具ユニット１０１の根元付近を拡大して示している。また、図２１の上段、中断、及び下段にはそれぞれ、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着前、装着途中、及び装着位置の各状態を遠位端側から眺めた正面図を示している。
　図２１の上段に示すように、術具ユニット１０１とアダプタユニット１０２の長手軸が一致するように、且つ、術具ユニット１０１の根元の各爪１８１１がフロントプレート１８０１の凹部１８０１Ａと回転位置が揃うように位置合わせすると、術具ユニット１０１をフロントプレート１８０１の中央の開口に挿入することができる。
　次いで、図２１の中段に示すように、装着位置に向けて術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に対して時計回りに回転させていくと、爪１８１１の外径とアダプタベース１８０２の座繰り面１８０２Ａとのクリアランスが減少していき、図２１の下段に示すように、術具ユニット１０１とアダプタユニット１０２が同軸に固定される。
Ｆ－２．術具ユニットの装着手順
　図２２～図２６には、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に装着する際の、術具装置全体の斜視図、装着部分の斜視図（拡大）、装着部分の横断面図、及び遠位側から眺めた正面図をそれぞれ示している。但し、図２２は装着前、図２３～図２５は装着途中、図２６は装着完了時とする。
　まず、図２２に示すように、術具ユニット１０１側の爪１８１１がアダプタユニット１０２側（フロントベース１８０１）の凹部１８０１Ａと回転位置が合うように位置合わせする。
　そして、図２３に示すように、術具ユニット１０１側の爪１８１１をアダプタユニット１０２側（フロントベース１８０１）の凹部１８０１Ａに通過させて、術具ユニット１０１の根元側の端部を押圧装置１８０３に当接させる。
　次いで、図２４及び図２５に示すように、装着位置に向けて術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に対して時計回りに回転させていく。その結果、爪１８１１の外径とアダプタベース１８０２の座繰り面１８０２Ａとのクリアランスが減少していく。最終的には、術具ユニット１０１側の回転位置決めピン１８１２がフロントプレート１８０１の位置決め溝１８０１Ｂに留められて、術具ユニット１０１及びアダプタユニット１０２の装着位置が定まり、図２６に示すように術具ユニット１０１のアダプタユニット１０２への装着が完了する。
Ｆ－３．術具ユニットの取り外し手順
　図２７～図３１には、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２から取り外す際の、術具装置全体の斜視図、装着部分の斜視図（拡大）、装着部分の横断面図、及び遠位側から眺めた正面図をそれぞれ示している。但し、図２７は取り外す前、図２８～図３０は取り外す途中、図３１は取り外し完了時とする。
　図２７に示す取り外し前の状態は、図２６に示した装着完了時と同じである。まず、図２８に示すように、術具ユニット１０１の爪１８１１がアダプタベース１８０２の座繰り面１８０２Ａに当接するまで、術具ユニット１０１を近位側に押し込む。
　次いで、図２９に示すように、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２に対して反時計回りに回転させて、図３０に示すように、術具ユニット１０１側の爪１８１１がアダプタユニット１０２側（フロントベース１８０１）の凹部１８０１Ａと回転位置が合うように位置合わせする。
　そして、術具ユニット１０１側の爪１８１１がアダプタユニット１０２側（フロントベース１８０１）の凹部１８０１Ａと回転位置が合う位置になると、図３１に示すように、術具ユニット１０１をアダプタユニット１０２から抜き取って、取り外し操作を完了する。
Ｇ．アーム装置
　上記Ｂ項では、図３を参照しながら、本開示に係る術具装置１００をアーム装置３００に搭載して、術具ユニット１０１をパン動作及びチルト動作させる点について言及した。このＧ項ではアーム装置３００の具体的構成及びアーム装置３００に搭載した術具ユニット１０１の動作について説明する。
　図３２には、図３に示したアーム装置３００の自由度構成例を示している。説明の便宜上、アーム装置３００は、メカニカルグランド（ＭＧ）である天井に吊り下げられているものとする。図３２中、アーム装置３００が有する関節軸のうち能動関節のみをグレーで塗り潰している。
　アーム装置３００は、上から順に、鉛直なパン軸回りに回転する第１軸３２０１と、水平なチルト軸回りに回転する第２軸３２０２と、４本のリンク３２０４～３２０７からなる４節リンク機構を含んでいる。第１軸３２０１及び第２軸３２０２は能動軸である。
　４節リンク機構に含まれる関節のうち第３軸３２０３が能動軸であり、その他の関節は受動軸である。したがって、４節リンク機構は、第３軸３２０３によって駆動する原動リンク３２０４と、２本の中間リンク３２０５及び３２０６と、中間リンク３２０５及び３２０６を介して原動リンク３２０４に追従して動作する従動リンク３２０７からなる。また、従動リンク３２０７と一体化された装置ホルダー３２０８によって術具装置１００が支持されている。上述したように、術具装置１００は、術具ユニット１０１とアダプタユニット１０２と駆動ユニット１０３からなるが、図３２では詳細な図示を省略している。装置ホルダー３２０８は、術具装置１００をシャフト１０２の長手軸回りに回転させる機構を備えているが、詳細は省略する。
　第１軸３２０１は、メカニカルグランドに対してアーム装置３００全体を鉛直なパン軸回りに回転させるパン動作を実現する。また、第２軸３２０３は、第１軸の出力軸と４節リンク機構を連結し、４節リンク機構全体をチルト軸回りに回転させる第１のチルト動作を実現する。また、第３軸３２０３は、４節リンク機構において、原動リンク３２０４を第３軸３２０３回りに回転させ、これに追従するように従動リンク３２０７をさせることができ、その結果、従動リンク３２０７と一体の装置ホルダー３２０８に支持された術具装置１００を最下端の関節軸３２０９に回転させる第２のチルト動作を実現する。
　図３３（Ａ）～（Ｃ）には、アーム装置３００が術具装置１００をパンさせている一連の動作を示している。アーム装置３００は、第１軸３２０１を駆動することによって、術具装置１００を第１軸３２０１回りにパン動作させることができる。
　また、図３４（Ａ）～（Ｃ）には、アーム装置３００が術具装置１００をアーム装置３００本体に対してチルトさせている一連の動作を示している。第２軸３２０３が回転すると、４節リンク機構全体をチルト軸回りに回転させて、術具装置１００を第２軸３２０３回りにチルト動作させることができる（これを「第１のチルト動作」とする）。
　また、図３５（Ａ）～（Ｃ）には、アーム装置３００が術具装置１００を現在位置においてチルトさせている一連の動作を示している。第３軸３２０３が回転すると、原動リンク３２０４が第３軸３２０３回りに回転し、従動リンク３２０７は原動リンク３２０４に追従するように関節軸３２０９回りに回転する。その結果、従動リンク３２０７と一体の装置ホルダー３２０８に支持された術具装置１００を最下端の関節軸３２０９に回転させることができる（これを「第２のチルト動作」とする）。
Ｈ．マスタスレーブシステム
　一般に外科手術は、術者の感覚運動によって行われる難しい作業である。最近では、術者の振戦を抑制して精密な手術を実現するために、マスタスレーブ方式の手術システムが導入されつつある。上記Ｇ項で説明したアーム装置３００は、マスタ側から遠隔操作されるスレーブロボットとして、マスタスレーブシステムに適用することができる。
　図３６には、マスタスレーブシステム３６００の機能的構成例を模式的に示している。図示のマスタスレーブシステム３６００は、スレーブロボットを遠隔操作するマスタ３６１０と、スレーブロボットを有するスレーブ３６２０からなる。マスタスレーブシステム３６００が手術に適用される場合、術者などのユーザはマスタ３６１０側の操作コンソール装置の操作を行い、手術室に設置されたスレーブ３６２０側ではユーザの操作に従ってアーム装置３００などで構成されるスレーブロボット３６２２の駆動をコントロールすることによって手術を行うことができる。
　マスタ３６１０は例えば手術室外（又は、手術室内で手術台から離間した場所）に設置されて、ユーザ（術者）がスレーブ３６２０を遠隔操作する。スレーブ３６２０は、手術台の近傍に設置されたアーム装置３００などのスレーブロボット３６２２を含む。アーム装置３００は、術具や観察装置からなるエンドエフェクタとする術具装置１００を支持し、上記Ｇ項で説明したようにパン動作及びチルト動作などを実現する。ここで言う術具は例えば鉗子や気腹チューブ、エネルギー処置具、攝子、レトラクタなどの医療用器具であり、観察装置は例えば内視鏡である。そして、スレーブロボット３６２２は、マスタ３６１０からの指示に従って、手術台上に横たえられた患者の手術を実施する。ここで言う手術は、例えば腹腔鏡手術、体腔鏡手術、脳表手術、眼球多は眼底の手術などさまざまである。マスタ３６１０とスレーブ３６２０間は、伝送路３６３０を介して相互接続されている。伝送路３６３０は、例えば光ファイバなどのメディアを用いて低遅延で信号伝送を行えることが望ましい。
　マスタ３６１０は、マスタ側制御部３６１１と、操作コンソール装置３６１２と、提示部３６１３と、マスタ側通信部３６１４を備えている。マスタ３６１０は、マスタ側制御部３６１１による統括的な制御下で動作する。
　操作コンソール装置３６１２は、ユーザ（術者など）が、スレーブ３６２０において鉗子などの術具を搭載するスレーブロボット３６２２に対して、ユーザが遠隔操作又は画面上の３Ｄ操作を行うための入力装置である。操作コンソール装置３６１２は、例えば、術具を並進移動させるための並進３自由度と、術具の姿勢を変更するための回転３自由度と、鉗子の開閉動作などの把持１自由度の操作を行うことができるものとする。
　提示部３６１３は、主にスレーブ３６２０側のセンサ部３６２３（後述）で取得されるセンサ情報に基づいて、操作コンソール装置３６１２を操作しているユーザ（術者）に対して、スレーブ３６２０において実施されている手術に関する情報を提示する。
　例えば、スレーブ３６２０側のセンサ部３６２３が患部の表面を観察するＲＧＢカメラや顕微鏡画像を撮り込むＲＧＢカメラ、腹腔鏡又は体腔鏡手術における内視鏡を装備し、又はこれらのカメラの撮像画像を取り込むインターフェースを装備し、これらの画像データが伝送路３６３０を介して低遅延で操作コンソール装置３６１２に転送される場合、提示部３６１３は、モニタディスプレイなどを使って、リアルタイムの患部の患部の撮像画像を画面表示する。
　また、センサ部３６２３が、スレーブロボット３６２２が搭載する術具に作用する外力やモーメントなどの力覚を計測する機能を装備し、このような力覚情報が伝送路３６３０を介して低遅延でマスタ３６１０に転送される場合には、提示部３６１３は、ユーザ（術者）に対して力覚提示を行う。提示部３６１３の力覚提示機能は、操作コンソール装置３６１２に組み込まれて実装される。具体的には、提示部３６１３は、操作コンソール装置３６１２の先端の例えば回転３自由度及び把持１自由度を有する把持部をモータで駆動することによって、ユーザ（術者）に力覚提示を行う。
　マスタ側通信部３６１４は、マスタ側制御部３６１１による制御下で、伝送路３６３０を介したスレーブ３６２０との信号の送受信処理を行う。例えば伝送路３６３０が光ファイバからなる場合、マスタ側通信部３６１４は、マスタ３６１０から送出する電気信号を光信号に変換する電光変換部と、伝送路３６３０から受信した光信号を電気信号に変換する光電変換部を備えている。マスタ側通信部３６１４は、ユーザ（術者）がマスタ３６１０を介して入力した、スレーブロボット３６２２に対する操作コマンドを、伝送路３６３０を介してスレーブ３６２０に転送する。また、マスタ側通信部３６１４は、スレーブ３６２０から送られてくるセンサ情報を、伝送路３６３０を介して受信する。
　一方、スレーブ３６２０は、スレーブ側制御部３６２１と、スレーブロボット３６２２と、センサ部３６２３と、スレーブ側通信部３６２４を備えている。スレーブ３６２０は、スレーブ側制御部３６２１による統括的な制御下で、マスタ３６１０からの指示に応じた動作を行う。
　スレーブロボット３６２２は、例えば上述したアーム装置３００のような多関節リンク構造からなるアーム型の手術ロボットであり、先端（又は、遠位端）にエンドエフェクタとして術具や観察装置を搭載している。術具として、例えば鉗子や気腹チューブ、エネルギー処置具、攝子、レトラクタなどが挙げられる。また、観察装置として内視鏡などが挙げられる。スレーブ側制御部３６２１は、伝送路３６３０を介してマスタ３６１０から送られてきた操作コマンドを解釈して、スレーブロボット３６２２を駆動するアクチュエータの駆動信号に変換して出力する。そして、スレーブロボット３６２２は、スレーブ側制御部３６２１からの駆動信号に基づいて動作する。
　センサ部３６２３は、スレーブロボット３６２２やスレーブロボット３６２２が実施している手術の患部における状況を検出する複数のセンサを備え、さらに手術室内に設置された各種センサ装置からセンサ情報を取り込むためのインターフェースを装備している。例えば、センサ部３６２３は、スレーブロボット３６２２の先端（遠位端）に搭載された術具に、手術中に作用する外力やモーメントを計測するための力覚センサ（Ｆｏｒｃｅ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｓｅｎｓｏｒ：ＦＴＳ）を備えている。また、センサ部３６２３は、スレーブロボット３６２２が手術中の患部の表面を観察するＲＧＢカメラや顕微鏡画像を撮り込むＲＧＢカメラ、腹腔鏡又は体腔鏡手術における内視鏡などの観察装置を装備し、又はこれらのカメラの撮像画像を取り込むインターフェースを装備している。
　スレーブ側通信部３６２４は、スレーブ側制御部３６２１による制御下で、伝送路３６３０を介したマスタ３６１０との信号の送受信処理を行う。例えば伝送路３６３０が光ファイバからなる場合、スレーブ側通信部３６２４は、スレーブ３６２０から送出する電気信号を光信号に変換する電光変換部と、伝送路３６３０から受信した光信号を電気信号に変換する光電変換部を備えている。
　スレーブ側通信部３６２４は、センサ部３６２３によって取得される術具の力覚データや、患部の表面を観察するＲＧＢカメラや顕微鏡画像を撮り込むＲＧＢカメラ、腹腔鏡又は体腔鏡手術における内視鏡などの撮像画像を、伝送路３６３０を介して操作コンソール装置３６１２に転送する。また、スレーブ側通信部３６２４は、マスタ３６１０から送られてくるスレーブロボット３６２２に対する操作コマンドを、伝送路３６３０を介して受信する。
　マスタ３６１０側では、操作コンソール装置３６１２を介してスレーブロボット３６２２を遠隔操作するための操作コマンドが入力される。操作コマンドは、アーム装置３００のパン動作（図３３を参照のこと）、アーム装置３００の第１のチルト動作（図３４を参照のこと）、アーム装置３００の第２のチルト動作（図３５を参照のこと）、アーム装置３００にホールドされた術具装置１００の長手軸（又はロール軸）回りの回転動作、及び術具ユニット１０１の遠位端の術具の動作が含まれる。
　スレーブ側制御部３６２１は、受信した操作コマンドに応じたアーム装置３００及び術具ユニット１０１の動作を実現するように、アーム装置３００の能動軸（第１軸乃至第３軸）の駆動制御と駆動装置１０３の駆動制御を実施する。
　マスタ３６１０側では、操作コンソール装置３６１２を介して、アーム装置３００の動作（図１９～図２１を参照のこと）や、術具の動作（具体的には鉗子のヨー動作、ピッチ動作、及び開閉動作）が指示される。スレーブ側制御部３６２１は、マスタ３６１０側から鉗子のヨー動作、ピッチ動作、開閉動作を指示する操作コマンドを受信した場合、指示された鉗子の動作を実現するための駆動ユニット１０３内の各モータの回転角度を算出して、各モータへの角度指令を生成する。
　駆動ユニット１０３側のモータの回転角度と、術具ユニット１０１の鉗子の開閉、ピッチ回転、ヨー回転などの各動作の間には、一定の入出力関係が成り立つ。本開示を適用した術具ユニット１０１はバックラッシュレスで且つバックドライバビリティが高いので、駆動ユニット１０３側のモータの回転角度に基づいて、術具ユニット１０１の遠位端の鉗子を精密に駆動することができる。
　また、スレーブロボット３６２２が手術中に鉗子が外界（患部など）から外力を受けてジョーが変位した場合には、各モータのエンコーダの検出結果に基づいて各モータの変位角度からジョーの変位量を換算して、力覚フィードバック情報としてマスタ３６１０側に送出する。本実施形態を適用した駆動ユニット１０３はバックドライバビリティが高いので、モータの変位角度に基づいて術具の変位量を高精度に計測することができ、したがって、マスタ３６１０側へ正確な力覚フィードバック情報を供給して精密な手術を実現できるようになる。
　以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
　本明細書では、本開示を医療分野における手術に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本開示の要旨はこれに限定されるものではない。本開示は、製造工場や工事現場、宇宙空間などの難作業空間で精密作業を実施する遠隔操作ロボットや、遠隔操作用の操作コンソール装置など、多岐にわたる分野に適用して、エンドエフェクタユニットを細径化及び小型化することができる。その結果、複数種類のエンドエフェクタユニットをロボットの近傍の載置台（術具スタンドなど）に設置することが容易となり、ロボット自身が自動でエンドエフェクタユニットの交換を自動で且つ短時間で実施することができるようになる。
　要するに、例示という形態により本開示について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
　なお、本開示は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）先端側の一端がエンドエフェクタに接続されたケーブルと、
　根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、
　長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置と、
を具備するエンドエフェクタユニット。
（１－１）遠位端でエンドエフェクタを支持し、前記ケーブルを挿通するシャフトをさらに備える、
上記（１）に記載のエンドエフェクタユニット。
（２）前記エンドエフェクタユニットの長手軸と前記プーリで折り返される前記ケーブルの長手軸から最も遠い最外点を結ぶ第１の直線と、前記長手軸と前記直動伝達装置の中心を結ぶ第２の直線の、前記長手軸回りの回転位置が異なるように、前記プーリが配置される、
上記（１）に記載のエンドエフェクタユニット。
（３）前記エンドエフェクタユニットの長手軸と前記プーリで折り返される前記ケーブルの長手軸から最も遠い最外点を結ぶ第１の直線に最外点で直交する第３の直線よりも前記エンドエフェクタユニットの長手軸側に前記プーリが配置される、
上記（１）に記載のエンドエフェクタユニット。
（４）前記エンドエフェクタユニットの長手軸と前記プーリで折り返される前記ケーブルの長手軸から最も遠い最外点を結ぶ第１の線分よりも、前記長手軸と前記直動伝達装置の中心を結ぶ第２の線分の方が短くなるように、前記プーリが配置される、
上記（１）に記載のエンドエフェクタユニット。
（５）前記直動伝達装置は、長手方向の直進１自由度を有するロッドを備える、
上記（１）乃至（４）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（６）前記直動伝達装置と前記プーリは長手軸を中心とする円周方向に交互に配置される、
上記（１）乃至（５）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（７）前記直動伝達装置は、前記ロッドの長手軸回りの回転を抑制する回転抑制装置をさらに備える、
上記（５）又は（６）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（８）前記直動伝達装置を長手方向に摺動するように支持するベースと、
　前記直動伝達装置に取り付けられて、前記直動伝達装置の長手軸回りの回転を抑制する回転抑制装置と、
をさらに備える、
上記（１）乃至（６）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（９）前記ベース又は前記回転抑制装置のいずれか一方に長手方向に沿って形成されたガイド溝と、前記ベース又は前記回転抑制装置の他方に形成された前記ガイド溝に入れられる突起を有し、
　前記ガイド溝が前記突起を案内することによって前記直動伝達装置の長手軸回りの回転を抑制する、
上記（８）に記載のエンドエフェクタユニット。
（１０）前記回転抑制装置は、前記ケーブルの他端を接続するケーブル結合部を備える、
上記（８）又は（９）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（１１）前記直動伝達装置は、長手方向に配置された少なくとも２個の軸受によって直進運動を案内され、
　前記回転抑制装置は、いずれか２個の軸受でそれぞれ支持される位置の中間で前記直動伝達装置に取り付けられる、
上記（８）乃至（１０）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（１２）前記軸受は滑り軸受からなる、
上記（１１）に記載のエンドエフェクタユニット。
（１３）前記ケーブルに張力が加わる方向に前記直動伝達装置に外力を付与する張力付与部をさらに備える、
上記（１）乃至（１２）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（１４）前記張力付与部は、前記直動伝達装置を支持するベースと前記直動伝達装置の長手方向の所定位置に取り付けられた回転抑制装置の間に配置されたスプリングからなる、
上記（１３）に記載のエンドエフェクタユニット。
（１５）前記エンドエフェクタは、屈曲２軸と把持自由度を有し、４本のケーブルで伝達される駆動力によって動作する、
上記（１）乃至（１４）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（１６）前記４本のケーブルは、各々に対応するプーリで先端方向に折り返された後、各々に対応する直動伝達装置に接続される、
上記（１５）に記載のエンドエフェクタユニット。
（１７）前記エンドエフェクタは、手術に用いられる術具からなる、
上記（１）乃至（１６）のいずれか１つに記載のエンドエフェクタユニット。
（１８）遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、
　前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットと、
を具備する術具装置。
（１９）遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットで構成される術具装置と、
　前記術具装置を支持する多関節リンク構造のアームと、
を具備するアーム装置。
（２０）遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットで構成される術具装置と、前記術具装置を支持する多関節リンク構造のアームを備えたスレーブ装置と、
　前記術具装置及び前記アームを操作するマスタ装置と、
を具備するマスタスレーブシステム。
　１０１…術具ユニット、１０２…アダプタユニット
　１０３…駆動ユニット、３００…アーム装置
　４０１…術具、４０２…シャフト、４０３…術具ユニットベース
　４１１、４２１…ケーブル、４１２、４２２…プーリ
　４１３、４２３…ロッド、４１４、４２４…スプリング
　５０１…駆動ユニットベース、５１１、５２１…モータ
　５１２、５２２…減速機、５１３、５２３…エンコーダ
　５１４、５２４…モータキャプスタン
　５１５、５１６、５２５、５２６…ケーブル
　５１５Ａ、５１６Ａ、５２５Ａ、５２６Ａ…アイドラプーリ
　５１７、５２７…ロッド、５１８、５２８…リニアガイド
　７０１…術具、７０２…シャフト、７０３…インナーベース
　７０４…接合部、７０５…ケース
　７１１、７２１、７３１、７４１…ケーブル
　７１２、７２２、７３２、７４２…プーリ
　７１３、７２３、７３３、７４３…ロッド
　７１４…回転抑制装置、７１４Ａ…突起、７１５…スプリング
　８１１、８１２、８２１、８２２…軸受（滑り軸受）
　９１０…シャフト接続部、９２０…ロッド支持部
　９２１～９２４…ロッド挿通穴、９３０…フレーム
　９３１…ガイド溝、９４０…プーリ支持部
　１８０１…フロントプレート、１８０１Ａ…凹部
　１８０１Ｂ…位置決め溝、１８０２…アダプタベース
　１８０２Ａ…座繰り面、１８０３…押圧装置、１８０４…バネ
　１８０５…バネ固定用プレート、１８０６…ガイド軸、１８１１…爪
　１８１２…位置決めピン
　３６００…マスタスレーブシステム、３６１０…マスタ
　３６１１…マスタ側制御部、３６１２…操作コンソール装置
　３６１３…提示部、３６１４…マスタ側通信部
　３６２０…スレーブ、３６２１…スレーブ側制御部
　３６２２…スレーブロボット、３６２３…センサ部
　３６２４…スレーブ側通信部、３６３０…伝送路

Claims (20)

  1. 　先端側の一端がエンドエフェクタに接続されたケーブルと、
    　根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、
    　長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置と、
    を具備するエンドエフェクタユニット。
  2. 　前記エンドエフェクタユニットの長手軸と前記プーリで折り返される前記ケーブルの長手軸から最も遠い最外点を結ぶ第１の直線と、前記長手軸と前記直動伝達装置の中心を結ぶ第２の直線の、前記長手軸回りの回転位置が異なるように、前記プーリが配置される、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  3. 　前記エンドエフェクタユニットの長手軸と前記プーリで折り返される前記ケーブルの長手軸から最も遠い最外点を結ぶ第１の直線に最外点で直交する第３の直線よりも前記エンドエフェクタユニットの長手軸側に前記プーリが配置される、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  4. 　前記エンドエフェクタユニットの長手軸と前記プーリで折り返される前記ケーブルの長手軸から最も遠い最外点を結ぶ第１の線分よりも、前記長手軸と前記直動伝達装置の中心を結ぶ第２の線分の方が短くなるように、前記プーリが配置される、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  5. 　前記直動伝達装置は、長手方向の直進１自由度を有するロッドを備える、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  6. 　前記直動伝達装置と前記プーリは長手軸を中心とする円周方向に交互に配置される、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  7. 　前記直動伝達装置は、前記ロッドの長手軸回りの回転を抑制する回転抑制装置をさらに備える、
    請求項５に記載のエンドエフェクタユニット。
  8. 　前記直動伝達装置を長手方向に摺動するように支持するベースと、
    　前記直動伝達装置に取り付けられて、前記直動伝達装置の長手軸回りの回転を抑制する回転抑制装置と、
    をさらに備える、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  9. 　前記ベース又は前記回転抑制装置のいずれか一方に長手方向に沿って形成されたガイド溝と、前記ベース又は前記回転抑制装置の他方に形成された前記ガイド溝に入れられる突起を有し、
    　前記ガイド溝が前記突起を案内することによって前記直動伝達装置の長手軸回りの回転を抑制する、
    請求項８に記載のエンドエフェクタユニット。
  10. 　前記回転抑制装置は、前記ケーブルの他端を接続するケーブル結合部を備える、
    請求項８に記載のエンドエフェクタユニット。
  11. 　前記直動伝達装置は、長手方向に配置された少なくとも２個の軸受によって直進運動を案内され、
    　前記回転抑制装置は、いずれか２個の軸受でそれぞれ支持される位置の中間で前記直動伝達装置に取り付けられる、
    請求項８に記載のエンドエフェクタユニット。
  12. 　前記軸受は滑り軸受からなる、
    請求項１１に記載のエンドエフェクタユニット。
  13. 　前記ケーブルに張力が加わる方向に前記直動伝達装置に外力を付与する張力付与部をさらに備える、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  14. 　前記張力付与部は、前記直動伝達装置を支持するベースと前記直動伝達装置の長手方向の所定位置に取り付けられた回転抑制装置の間に配置されたスプリングからなる、
    請求項１３に記載のエンドエフェクタユニット。
  15. 　前記エンドエフェクタは、屈曲２軸と把持自由度を有し、４本のケーブルで伝達される駆動力によって動作する、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  16. 　前記４本のケーブルは、各々に対応するプーリで先端方向に折り返された後、各々に対応する直動伝達装置に接続される、
    請求項１５に記載のエンドエフェクタユニット。
  17. 　前記エンドエフェクタは、手術に用いられる術具からなる、
    請求項１に記載のエンドエフェクタユニット。
  18. 　遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、
    　前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットと、
    を具備する術具装置。
  19. 　遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットで構成される術具装置と、
    　前記術具装置を支持する多関節リンク構造のアームと、
    を具備するアーム装置。
  20. 　遠位端で支持された術具と、先端側の一端が前記術具に接続されたケーブルと、根元側に伸びる前記ケーブルを先端方向へ折り返すプーリと、長手方向の直進１自由度を有し、前記プーリで折り返された前記ケーブルの他端と接続する直動伝達装置を備えた術具ユニットと、前記術具ユニットを装着して前記直動伝達装置を駆動する駆動ユニットで構成される術具装置と、前記術具装置を支持する多関節リンク構造のアームを備えたスレーブ装置と、
    　前記術具装置及び前記アームを操作するマスタ装置と、
    を具備するマスタスレーブシステム。
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