WO2023176143A1 - 駆動装置、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

駆動装置、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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WO2023176143A1
WO2023176143A1 PCT/JP2023/001845 JP2023001845W WO2023176143A1 WO 2023176143 A1 WO2023176143 A1 WO 2023176143A1 JP 2023001845 W JP2023001845 W JP 2023001845W WO 2023176143 A1 WO2023176143 A1 WO 2023176143A1
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WO
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capstan
unit
surgical instrument
rod
motor
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Application number
PCT/JP2023/001845
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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
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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
    • A61B34/35—Surgical robots for telesurgery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints

Definitions

  • the technology disclosed in this specification includes a drive device that drives an end effector, a surgical instrument device including a surgical instrument unit and a drive unit that use a surgical instrument as an end effector,
  • the present invention relates to an arm device that supports a tool device, and a master-slave system that remotely controls the arm device.
  • surgical manipulators used in the medical field are generally equipped with an end effector consisting of a medical instrument such as a surgical tool at the distal end, and the end effector is driven by the rotational force of a motor placed at the base. It is true.
  • a mechanism for converting the rotational force of the motor into direct force is required, which poses problems such as complicating the structure of the rotary-to-linear converting device and increasing the size of the device.
  • a surgical instrument has been proposed in which a surgical instrument is coupled to a motor in a surgical instrument manipulator assembly via a mechanical interface (see Patent Document 1).
  • This surgical device employs a mechanism that converts the rotation of a motor into linear motion using a ball screw in order to impart linear motion to the cable that operates the surgical instrument.
  • a ball screw is used, there are problems such as the surgical equipment becoming elongated in the axial direction of the ball screw, backlash occurring, and backdrivability decreasing.
  • the purpose of the present disclosure is to provide a drive device that converts the rotational force of a motor into direct force to drive an end effector, a surgical tool device including a surgical tool unit and a drive unit that use a surgical tool as an end effector, and a surgical tool device.
  • An object of the present invention is to provide an arm device that supports an arm device, and a master slave system that remotely controls the arm device.
  • the present disclosure has been made in consideration of the above problems, and the first aspect thereof is: a rod having one degree of freedom for linear movement, to which the cable is connected and which moves linearly as the capstan rotates;
  • a drive device comprising: a drive device that drives a replaceably attached end effector by direct motion of the rod.
  • the cables consist of a pair of cables that are wound around the capstan in opposite directions and connected to the rod in opposite directions.
  • the rod moves back and forth depending on the direction of rotation of the capstan.
  • the capstan assembly includes a reaction force applying portion that applies a reaction force to rotate the first capstan and the second capstan in mutually opposite directions, and the pair of cables are connected to the reaction force. Pretension is applied by winding the first capstan and the second capstan, respectively, by force rotation.
  • a second aspect of the present disclosure is: A drive unit comprising a motor, a capstan attached to an input shaft or an output shaft of the motor, a cable wound around the capstan, and a rod to which the cable is connected and which operates in direct motion by rotation of the motor. , a surgical instrument unit that is replaceably attached to the drive unit and drives the surgical instrument by direct force transmitted via the rod; This is a surgical instrument device equipped with.
  • a third aspect of the present disclosure is: a drive unit comprising a motor, a capstan attached to an input shaft or an output shaft of the motor, a cable wound around the capstan, and a rod to which the cable is connected and which operates in direct motion by rotation of the motor; a surgical instrument unit that is replaceably attached to a drive unit and drives the surgical instrument by direct force transmitted via the rod; an arm having an articulated link structure that supports the surgical instrument device; This is an arm device equipped with.
  • a drive unit comprising a motor, a capstan attached to an input shaft or an output shaft of the motor, a cable wound around the capstan, and a rod to which the cable is connected and which operates in direct motion by rotation of the motor; a surgical instrument unit that is replaceably attached to the unit and drives the surgical instrument by direct force transmitted via the rod; and an arm with an articulated link structure that supports the surgical instrument device.
  • a slave device with 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.”
  • the rotational force of a motor is converted into direct force and transmitted to a replaceably attached end effector. It is possible to provide a surgical instrument device including a replaceable surgical instrument unit and a drive unit as an effector, an arm device that supports the surgical instrument device, and a master-slave system that remotely controls the arm device.
  • 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 how four sets of motors and rotation-to-linear motion converters are arranged in the drive unit 103.
  • FIG. 15A is a side perspective view of one set of motors and rotation-to-linear motion converter.
  • FIG. 15B is a side view of one set of motors and rotation-to-linear motion converter viewed from the opposite side from FIG. 15A.
  • FIG. 16 is a diagram showing an enlarged view and an exploded view of the vicinity of motor capstans 1521 and 1522.
  • FIG. 17 is a diagram showing a cross-sectional view of the surgical instrument device 100.
  • FIG. 18A is a diagram showing a cross-sectional view of the adapter unit 102.
  • FIG. 18B is a diagram showing a perspective view of the adapter unit 102.
  • FIG. 19 is a diagram showing an exploded view of the adapter unit 102 disassembled in the longitudinal direction.
  • FIG. 20 is a diagram showing an exploded view of the adapter unit 102 disassembled in the longitudinal direction.
  • FIG. 21 is an enlarged view showing the vicinity of the base of the surgical instrument unit 101 attached to the adapter unit 102.
  • FIG. 22 is a front view showing each state of the surgical instrument unit 101 before being attached to the adapter unit 102, during attachment, and in the attachment position.
  • FIG. 23 is a diagram showing a procedure for mounting the surgical tool unit 101 on the adapter unit 102 (before 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 tool unit 101 on the adapter unit 102 (during mounting).
  • FIG. 27 is a diagram showing a procedure for mounting the surgical instrument unit 101 on the adapter unit 102 (when mounting is completed).
  • FIG. 28 is a diagram showing a procedure for removing the surgical tool unit 101 from the adapter unit 102 (before 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 (during removal).
  • FIG. 32 is a diagram showing a procedure for removing the surgical tool unit 101 from the adapter unit 102 (when removal is completed).
  • FIG. 33 is a diagram showing a perspective view of the forceps.
  • FIG. 34 is a diagram showing a top view of the forceps.
  • FIG. 35 is a diagram showing a side view of the forceps.
  • FIG. 36 is a diagram showing the degree of freedom configuration of forceps.
  • FIG. 37 is a diagram illustrating the layout of motors M1 to M4 on the drive unit 103 side.
  • FIG. 38 is a diagram showing input parameters to the drive unit 103 and output parameters from the surgical tool unit 101 side.
  • FIG. 39 is a diagram showing a series of operations in which the forceps at the distal end of the surgical tool unit 101 are yaw-moving.
  • FIG. 40 is a diagram showing a series of operations in which the forceps at the distal end of the surgical instrument unit 101 are making pitch movements.
  • FIG. 41 is a diagram showing a series of operations in which the forceps at the distal end of the surgical tool unit 101 are opened and closed.
  • FIG. 42 is a diagram showing an example of the degree of freedom configuration of the arm device 300.
  • FIG. 43 is a diagram showing a series of operations in which the arm device 300 pans the surgical instrument device 100.
  • FIG. 44 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. 45 is a diagram showing a series of operations in which the arm device 300 tilts the surgical tool device 100 at the current position.
  • FIG. 46 is a diagram showing an example of the functional configuration of master-slave system 4600.
  • A. SUMMARY The present disclosure relates to a drive unit that replaceably mounts an end effector unit and provides driving force to drive an end effector supported at a distal end of the end effector unit.
  • 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 entire arm device can be made significantly smaller and lighter. If a surgical robot is made smaller and lighter by making the arm device smaller and lighter, it will become applicable to a wide variety of operating rooms.
  • a plurality of surgical instrument units to be replaced are installed on a mounting table such as a "surgical instrument stand.”
  • a mounting table such as a "surgical instrument stand.”
  • the arm device can be made smaller, the range of movement of the arm device associated with automatic surgical instrument exchange will be reduced, reducing the risk of contact with the environment and reducing the required work space.
  • the arm device is small and lightweight, the risk of destroying the other party when it comes into contact with the environment or runs out of control can be reduced, and safety can be improved.
  • Patent Document 1 discloses a surgical instrument that converts rotation from linear motion using a ball screw.
  • a ball screw when used, there are problems such as the surgical equipment becoming elongated in the axial direction of the ball screw, backlash occurring, and backdriveability decreasing.
  • a rotational translation device when installed on the surgical tool unit side, the surgical tool unit that is a replacement part becomes larger and the surgical tool stand also becomes larger, which increases the operating range of the arm device during automatic exchange. .
  • the cost of each surgical tool unit also increases.
  • the present disclosure proposes a technology in which a drive unit is equipped with a rotary-linear motion conversion device that is simple and compact, and achieves backlash-free and high back drivability.
  • the rotary-linear motion conversion device that achieves backlash-free and high backdrivability according to the present disclosure, it becomes easier to apply the surgical instrument device to a surgical robot that performs delicate work.
  • the backdriveability is high, it becomes possible to measure the external force acting on the surgical tool unit (or the surgical tool at the distal end) based on the current value of the motor on the drive unit side.
  • the drive unit equipped with this device can be made smaller and lighter, making it easier to apply to a wide variety of operating rooms.
  • equipping the drive unit rather than the surgical tool unit with a rotational linear motion converter there is no need to increase the cost of each surgical tool unit, which is a replacement part, and it is easier to make the surgical tool unit smaller and smaller in diameter.
  • the surgical tool stand is also smaller and easier to place near the surgical robot, reducing the range of movement of the arm device during replacement, reducing the risk of contact with the environment, and reducing the required work space. .
  • 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 tool.
  • 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 set of a motor that generates a driving force and a rotary-linear motion converter that converts the rotational motion of the motor into a 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. Each motor may include a planetary gear mechanism, but the present disclosure is not limited thereto. 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 converters. 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 in a cross-sectional view along a plane including the longitudinal direction
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of the adapter unit 102 and the drive unit 103 in a plane including the longitudinal direction. Shows the internal configuration.
  • the xy axes are defined as shown in FIG. 4. The x-axis corresponds to the longitudinal axis.
  • 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 shows the internal configuration of each of the shaft 402 and the surgical instrument unit base 403 using a cross-sectional view of the surgical instrument unit 101 taken along a plane including the longitudinal direction.
  • 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.
  • the pulley 412 is an idler pulley, and is rotatably supported by the surgical instrument 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 401 is separated from the drive unit 403 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. Therefore, when the rod 423 is pushed in the distal direction by the elastic force of the spring 424, pretension is applied to the cable 421 which is folded back by the pulley 422 and coupled to the rod 423, so that it will not loosen.
  • cables (not shown) used depending on the degree of freedom of the surgical tool 401 are also equipped with a linear motion transmission device similar to the cables 411 and 421 shown in FIG. 4.
  • the drive unit 103 includes a set of a motor that generates a driving force and a rotary-linear motion converter that converts the rotational motion of the motor into a linear motion, corresponding to the number of cables on the surgical instrument unit 101 side.
  • 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-to-linear motion converters 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 the rotation-to-linear motion converter that drive the cables 411 and 421 of the surgical instrument unit 101 shown in FIG. 4, respectively.
  • 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-to-linear conversion device 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 linear guide 518 that guides the rod 517 so that it 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. .
  • 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.
  • each idler pulley 515A and 515B is rotatably supported by the drive unit base 501.
  • the tip of the rod 515 on the drive unit 103 side just contacts the end of the rod 413 on the surgical tool unit 101 side. Therefore, when the rod 515 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 rod 515 and the rod 413 move back together in the x-axis direction (in other words, move forward in the distal direction), 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-to-linear conversion device 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.
  • a linear guide 528 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 525B is rotatably supported by the drive unit base 501.
  • the tip of the rod 525 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 525 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 instruments 401 Drive force can be directly transmitted to the capstan, which is related to the degree of freedom.
  • Any motor (not shown) corresponding to each cable used depending on the degree of freedom of the surgical instrument 401 is equipped with a rotational translation device similar to the above-mentioned motors 511 and 521, and provides driving force to the surgical instrument unit 101 side. It should be understood that this is a direct motion transmission.
  • ball screws and rack and pinion mechanisms are also known as rotary-linear motion conversion devices that convert the rotational motion of a motor into linear motion.
  • problems of backlash and backdrivability arise as explained in section B above. 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. Further, if a ball screw or a rack and pinion mechanism is used, the structure becomes complicated and it becomes difficult to reduce the size and weight of the entire surgical instrument device.
  • a rotary-linear motion converter that utilizes cable drive of a rod, as shown in Fig. 5, it is possible to achieve backlash-free and high backdrivability, and for example, precise force control is required. It is also suitable for surgical robots, etc.
  • this rotary-linear motion conversion device on the drive unit 103 side, the surgical instrument unit 101, which is a replacement part, can be made smaller and thinner, and the surgical instrument stand that accommodates a plurality of surgical instrument units can be made smaller. It is small and can be placed near the arm device, and the operating range of the arm device for exchanging surgical tools can be reduced.
  • 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. 4.
  • 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 or other elastic body that pre-applies this is incorporated 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.
  • 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 cable 711 connected to the rod 713 is pulled, and the driving force can be transmitted to the capstan related to any degree of freedom of the surgical instrument 701 as an end effector. can. Therefore, rod 713 serves as a linear transmission device.
  • the specific configuration of the drive unit 103 will be discussed in the next section E.
  • 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, and when the surgical instrument unit 101 is assembled, the base side of the spring 715 comes into contact with the distal end surface of the joint portion 704.
  • the tip side of the spring 715 is in contact with the rotation suppressing device 714. Therefore, the rotation suppressing device 714 also serves as a facing surface for the spring 715.
  • the drive unit attaches the surgical instrument unit via the adapter unit and supplies direct power to the surgical instrument unit.
  • the drive unit is equipped with a number of motors corresponding to the number of direct forces required by the surgical instrument unit (four in this embodiment) and a rotational linear motion converter that converts the rotational force of the motor into direct force. ing.
  • the surgical instrument device can be easily applied to a surgical robot that performs delicate work.
  • the backdriveability is high, it becomes possible to measure the external force acting on the surgical tool unit (or the surgical tool at the distal end) based on the current value of the motor on the drive unit side.
  • the rotary-linear motion conversion device using a cable drive has a simple structure and is small and lightweight, so the drive unit equipped with it, and even the entire arm device, can be made small and lightweight, allowing it to be used in a wide variety of operating rooms. becomes easier to apply.
  • the range of movement of the arm device associated with automatic surgical tool exchange becomes smaller, so the risk of contact with the environment can be reduced and the required work space can be reduced.
  • the cost of each surgical tool unit, which is a replacement part does not increase, and the surgical tool unit can be made smaller and smaller in diameter. It becomes easier to do.
  • the drive unit 103 includes a set of a motor that generates a driving force and a rotational translation device that converts the rotational motion of the motor into linear motion.
  • the number of cables corresponding to the number of cables on the surgical instrument unit 101 side.
  • the end effector attached to the distal end of the surgical tool unit 101 is assumed to be a forceps consisting of a pair of jaws, and in this case, the surgical tool unit 101 pulls each jaw around the opening/closing axis.
  • the drive unit 101 is equipped with only four sets of combinations of motors and rotation-to-linear motion converters.
  • FIG. 14 shows an image in which four sets of motors and rotation-to-linear motion converters are arranged on the drive unit 103 side with respect to the adapter unit 102.
  • FIGS. 15A and 15B show one set of the motor and the rotary linear motion device out of the four sets as viewed from one side and the opposite side perpendicular to the longitudinal direction, respectively.
  • the structure and operation of one set of motor and rotary linear motion device will be described below with reference to FIGS. 15A and 15B, but it should be understood that the same applies to the other three sets.
  • a motor 1511 is inserted into the drive unit 103 through the drive unit base 1501 on the proximal side of the drive unit 103 for driving a rod (not shown) that pulls the cable on the surgical instrument unit 101 side.
  • the motor 1511 has a speed reducer 1512 attached to its output end, and an encoder 1513 that measures the rotation angle of a rotating shaft (not shown) of the motor 1511 to its end face opposite to the output end.
  • an incremental type encoder 1513 is adopted. Therefore, as shown in FIG. 14, a printed wiring board 1401 including an origin sensor for detecting the origin position of the rotary-linear motion converter driven by the motor 1501 is arranged for each motor. Further, the motor 1511 may further include a brake (not shown).
  • the rotation-to-linear conversion device that converts the rotation of the motor 1511 into linear motion includes a capstan assembly consisting of a pair of front and rear motor capstans 1521 and 1522 coaxially attached to the output shaft of the motor 1511 (or reducer 1512); Cables 1523 and 1524 wound around motor capstans 1521 and 1522, respectively, a slide base 1526 to which a rod 1525 is integrally attached (hereinafter, the rod 1525 and slide base 1526 will be described as one body), and a slide base 1526.
  • a linear guide that guides the drive unit base 1501 so that it slides only in one linear degree of freedom in the x-axis direction, that is, the longitudinal direction, and three idler pulleys 1531 to 1533 for changing the route of the cables 1523 and 1524. Consists of. Although it is difficult to visually recognize the linear guide in FIG. 15, the linear guide corresponds to the linear guides 518 and 528 in FIG. Idler pulleys 1531 to 1533 are all rotatably supported by drive unit base 1501.
  • Idler pulley 1531 and idler pulley 1532 have the same horizontal rotation axis perpendicular to the rotation axis of motor 1511, and idler pulley 1532 has a vertical rotation axis perpendicular to the rotation axis of motor 1511.
  • Each end of the cables 1523 and 1524 is fixed to the side surface of the slide base 1526 by a cable fixing part 1528 from mutually opposite longitudinal directions.
  • a cable fixing part 1528 First, the layout of the cable 1523 will be described.
  • One end of the cable 1523 is fixed to the motor capstan 1521 at the front, and is wound around the motor capstan 1521 in the direction in which it is wound by the forward rotation of the motor 1511. Then, as the cable 1523 leaves the circumference of the motor capstan 1521, it is rerouted longitudinally rearward of the rod 1525 by an idler pulley 1531, and then longitudinally forward again by an idler pulley 1532 near the rear end of the motor 1511. After the route has been changed, the other end is fixed to the side surface of the slide base 1526 by a cable fixing part 1528.
  • one end of the cable 1524 is fixed to the rear motor capstan 1522, and is wound around the motor capstan 1522 in the direction in which it is wound up by the reverse rotation of the motor 1511.
  • the cable 1524 leaves the circumference of the motor capstan 1522, it is routed backward in the longitudinal direction of the rod 1525 by an idler pulley 1533, and the other end is fixed to the side surface of the slide base 1526 by a cable fixing part 1528.
  • each set of four motors and rotation-to-linear motion converters is coupled to an adapter unit 102, and a printed wiring board 1401 on which an origin sensor is mounted is also incorporated.
  • the assembly method of assembling each motor and rotation-to-linear motion converter individually and then attaching them to the adapter unit 102 is easy and easy to maintain.
  • the rotation-to-linear motion conversion device using a cable drive it is possible to achieve backlash-free and high back drivability compared to a ball screw or a rack and pinion mechanism, and for example, it is possible to achieve high back drivability, which requires precise force control. It is also suitable for surgical robots, etc.
  • the surgical tool unit 101 which is a replacement part, can be made smaller and thinner, and multiple The surgical tool stand that accommodates the surgical tool units can be made small and placed near the arm device, and the operating range of the arm device for exchanging surgical tools can be reduced.
  • the motor capstan attached to the output shaft of the motor 1511 is divided into two parts, the front and rear pair of motor capstans 1521 and 1522, as described above, and the space between the motor capstan 1521 and the motor capstan 1522 is A torsion spring is sandwiched between the two. According to such a configuration, the restoring force of the torsion spring can apply rotational force in the direction of winding the cables 1523 and 1524 to the motor capstan 1521 and the motor capstan 1522, respectively.
  • FIG. 16 shows an enlarged view of the motor capstans 1521 and 1522 attached to the output shaft of the motor 1511 of the rotary-linear motion converter shown in FIG. 15B, and shows an exploded view of the motor capstan 1521 and the motor capstan 1522. It also shows how a torsion spring 1601 is attached inside the motor capstan 1521 (or 1522).
  • the motor capstan 1521 and the motor capstan 1522 each include a space in which the torsion spring 1601 is attached.
  • the structure within each space is symmetrical between motor capstan 1521 and motor capstan 1522.
  • Each space has hollow shaft parts 1611 and 1612 attached to the output shaft of the motor 1511 in the center, and protrusions 1621 and 1622 that lock the end of the torsion spring 1601 are formed at one place on the outer wall. has been done.
  • the coil portion of the torsion spring 1601 is inserted into the shaft portions 1611 and 1612 of the motor capstan 1521 and the motor capstan 1522, and each end of the torsion spring 1601 is inserted into the projections 1612 and 1622 of the motor capstan 1521 and 1522, respectively.
  • a restoring force acts on the torsion spring 1601 to rotate the motor capstan 1521 and the motor capstan 1522 in opposite directions. That is, a rotational force in a direction to wind up the cable 1523 is always applied to one motor capstan 1521, so that pretension can be applied to the cable 1523.
  • a rotational force in the direction to wind up the cable 1524 is always applied to the other motor capstan 1522, so that pretension can be applied to the cable 1524.
  • an elastic body other than the torsion spring 1601 may be incorporated into the capstan assembly to apply rotational forces in opposite directions to the motor capstan 1521 and the motor capstan 1522.
  • the pretensioning mechanism shown in FIG. 16 compared to a method in which tension coil springs are connected in series to a cable, it is possible to lengthen the rotation-to-linear motion converter by the length of the tension coil spring.
  • the width of the rotary-linear motion converter does not increase due to the outer diameter of the rotary-linear motion converter. Therefore, according to the present disclosure, it is possible to avoid increasing the size of the rotation-to-linear motion conversion device due to pretensioning of the cable.
  • FIG. 17 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. 18A and 18B 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. 18B shows the internal configuration. For clarity, some parts are made transparent and the outline is drawn with dotted lines).
  • FIG. 19 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. 20 shows an exploded view of the adapter unit 102 viewed from the proximal side, contrary to FIG. 19.
  • 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 tool unit 101 side.
  • FIG. 21 shows an enlarged view of the vicinity of the base of the surgical tool unit 101 attached to the adapter unit 102.
  • the upper, interrupted, and lower parts of FIG. 22 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 instrument unit 101 and the adapter unit 102 are aligned, and the rotational positions of the claws 1811 at the base of the surgical instrument 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. 23 and 24 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. 23 is before installation
  • FIGS. 24 to 25 are during installation
  • FIG. 27 is after installation is completed.
  • 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. 28 to 32 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. 28 is before removal
  • FIGS. 29 to 31 are during removal
  • FIG. 32 is after removal is completed.
  • the state before removal shown in FIG. 28 is the same as the state shown in FIG. 27 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).
  • the surgical instrument device 100 operates a drive unit 103 that includes four motors and a rotation-to-linear motion conversion device for each motor, and a surgical instrument at the distal end.
  • the surgical instrument unit 101 includes four cables and four rods to which each cable is connected, and is configured to operate the surgical instrument by pulling the cables using a linear transmission force via the rods.
  • this section H the input/output relationship showing the relationship between the input to the drive unit 103 and the output of the surgical instrument unit 101 will be explained.
  • the input to the drive unit 103 referred to here is the rotation angle command value ⁇ m1 to ⁇ m4 to each motor (however, the rotation angle at the time of output after deceleration of each motor is used). Further, the output from the surgical instrument unit 101 is assumed to be the operation of the surgical instrument supported at the distal end.
  • FIGS. 33 to 36 show the specific configuration of the surgical instrument assumed in the explanation of the input/output relationship.
  • the surgical instrument is a forceps consisting of a pair of jaws J1 and J2 that operate to open and close
  • FIG. 33 is a perspective view of the forceps
  • FIG. 34 is a top view of the plane in which the forceps operate to open and close, viewed from above
  • FIG. 35 is a FIG. 34 shows a side view from the side where the line of sight is orthogonal
  • FIG. 36 shows the configuration of the degrees of freedom of the forceps.
  • One jaw J1 is integrated with a jaw capstan JC1 whose rotation axis is the yaw axis (second axis), and the other jaw J2 is integrated with a jaw capstan JC2 whose rotation axis is also the yaw axis.
  • a spring such as a torsion spring is disposed between the jaws J1 and J2 so that a repulsive force always acts in the opening direction.
  • the radius of jaw capstan JC1 and jaw capstan JC2 is the same as R ⁇ .
  • a cable C1 and a cable C2 are wound around the jaw capstan JC1 and the jaw capstan JC2 from opposite directions, respectively.
  • the cable C1 is wound around the jaw capstan JC1 so that when it is pulled, the jaw J1 pivots in a direction toward the jaw J2.
  • cable C2 is wrapped around jaw capstan JC2 such that when pulled, jaw J2 pivots toward jaw J1. Therefore, by pulling the cables C1 and C2 so that the difference in angle around the yaw axis between the jaws J1 and J2 changes, the forceps can be opened and closed. Further, by pulling the cable C1 and the cable C2 so that the sum of the angles of the jaw J1 and the jaw J2 around the yaw axis changes, the forceps can be rotated around the yaw axis.
  • the cable C1 and the cable C2 are pulled by the rotational force of the motor M1 and the motor M2 on the drive unit 103 side, respectively. Therefore, by controlling the rotation angles of the motors M1 and M2, it is possible to realize the opening/closing operation of the forceps and the turning operation of the forceps around the yaw axis.
  • the wrist element WE supports each of the jaw capstan JC1 and the jaw capstan JC2 rotatably around the yaw axis. Further, the wrist element WE is integrated with a wrist capstan WC whose rotation axis is the pitch axis (first axis). As can be seen from FIG. 36, the yaw axis (second axis) is disposed on the distal side, and the pitch axis (first axis) is disposed on the proximal side.
  • a pair of cables C3a and C3b are wound around the wrist element WE in opposite directions. Therefore, by opposingly operating the pair of cables C3a and C3b, the wrist element WE, and by extension the jaws J1 and J2 (ie, forceps) supported by the wrist element WE, can be rotated around the pitch axis.
  • the cable C3a and the cable C3b are pulled by the rotational force of the motor M3 and the motor M4 on the drive unit 103 side, respectively. Therefore, by controlling the rotation angles of the motors M3 and M4, the forceps can be rotated about the pitch axis.
  • Cable C1, cable C2, cable C3a, and cable C3b are each inserted into the shaft, then folded back to the distal side by the idler pulley, and then connected to each rod (as described above). Note that the cable C1 is inserted into the shaft after the layout is adjusted by an idler pulley P1a coaxial with the pitch axis and an idler pulley P1b adjacent to the idler pulley P1a and having a rotation axis parallel to the pitch axis.
  • the cable C2 is inserted into the shaft after the layout is adjusted by an idler pulley P2a coaxial with the pitch axis and an idler pulley P2b adjacent to the idler pulley P2a and having a rotation axis parallel to the pitch axis.
  • the cable layout is not limited to the examples shown in FIGS. 33 to 36.
  • FIG. 37 shows an example of the layout of the motors M1 to M4 on the drive unit 103 side.
  • the rotational force of each of the motors M1 to M4 is linearly transmitted to the surgical instrument unit 101 side through the rotation-to-linear motion conversion device described in Section E above, and pulls the cables C1, C2, C3a, and C3b.
  • the radius of the motor capstan attached to the output shaft of each motor M1 to M4 is the same Rm.
  • each of the motors M1 to M4 may have a built-in planetary gear mechanism, but the present disclosure is not limited thereto.
  • FIGS. 39(A) to 39(C) show a series of operations in which the forceps at the distal end of the surgical tool unit 101 are making a yaw motion.
  • the yaw axis angle ⁇ of the forceps is as expressed by the above equation (4).
  • the yaw of the forceps is changed by driving and controlling the motors M1 and M2 to pull the cables C1 and C2 so that the sum of the angles of jaw J1 and jaw J2 around the yaw axis changes. It can rotate around an axis.
  • FIGS. 40(A) to 40(C) show a series of operations in which the forceps at the distal end of the surgical tool unit 101 are making pitch movements.
  • the pitch axis angle ⁇ of the forceps is as expressed by the above equation (3).
  • the forceps can be rotated about the pitch axis.
  • FIGS. 41(A) and 41(B) show a series of operations in which the forceps at the distal end of the surgical tool unit 101 are opened and closed.
  • the opening angle ⁇ of jaw J1 and jaw J2 and the opening width of the tips of jaw J1 and jaw J2 are as expressed by the above equations (5) and (6), respectively.
  • the forceps can be opened and closed by driving and controlling the motors M1 and M2 to pull the cables C1 and C2 so that the difference in angle around the yaw axis between jaw J1 and jaw J2 changes. can perform actions.
  • FIG. 42 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 linkage mechanism consisting of, in order from the top, a first shaft 4201 that rotates around a vertical pan axis, a second shaft 4202 that rotates around a horizontal tilt axis, and four links 4204 to 4207. Contains.
  • the first shaft 4201 and the second shaft 4202 are active shafts.
  • the third axis 4203 is an active axis, and the other joints are passive axes. Therefore, the four-bar linkage mechanism includes a driving link 4204 driven by the third shaft 4203, two intermediate links 4205 and 4206, and a driven link 4207 that operates following the driving link 4204 via the intermediate links 4205 and 4206. Consisting of Furthermore, the surgical instrument device 100 is supported by a device holder 4208 that is integrated with a driven link 4207 . 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 4208 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 4201 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 4203 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 4203 can rotate the driving link 4204 around the third shaft 4203 and cause the driven link 4207 to follow this, and as a result, it is integrated with the driven link 4207.
  • a second tilt operation is realized in which the surgical instrument device 100 supported by the device holder 4208 is rotated about the lowermost joint axis 4209.
  • 43(A) to (C) 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. 44(A) to 44(C) 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 4203 (this is referred to as a "first tilt operation"). do).
  • FIGS. 45A to 45C show a series of operations in which the arm device 300 tilts the surgical instrument device 100 at the current position.
  • the driving link 4204 rotates around the third axis 4203
  • the driven link 4207 rotates around the joint axis 4209 so as to follow the driving link 4204.
  • the surgical instrument device 100 supported by the device holder 4208 integrated with the driven link 4207 can be rotated about the lowermost joint shaft 3209 (this is referred to as a "second tilt motion").
  • J. Master-Slave System Generally, surgical operations are difficult tasks that are performed by the surgeon's sensory movements. Recently, master-slave surgical systems have been introduced in order to suppress the tremor of the surgeon and achieve precise surgery.
  • the arm device 300 described in Section I above can be applied to a master-slave system as a slave robot remotely controlled from the master side.
  • FIG. 46 schematically shows an example of the functional configuration of a master-slave system 4600.
  • the illustrated master-slave system 4600 includes a master 4610 that remotely controls slave robots, and a slave 4620 that has slave robots.
  • a user such as a surgeon operates an operation console device on the master 4610 side, and a slave 4620 installed in the operating room is configured with an arm device 300 etc. according to the user's operation.
  • Surgery can be performed by controlling the drive of the slave robot 4622.
  • the master 4610 is installed, for example, outside the operating room (or in a location away from the operating table within the operating room), and the user (operator) remotely controls the slave 4620.
  • Slave 4620 includes a slave robot 4622, 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 I 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 4622 then performs surgery on the patient lying on the operating table according to instructions from the master 4610.
  • the surgeries referred to here include various types, such as laparoscopic surgery, body cavity surgery, brain surface surgery, and ocular fundus surgery.
  • Master 4610 and slave 4620 are interconnected via transmission path 4630. It is desirable that the transmission path 4630 can transmit signals with low delay using a medium such as an optical fiber.
  • the master 4610 includes a master-side control section 4611, an operation console device 4622, a presentation section 4613, and a master-side communication section 4614.
  • the master 4610 operates under the overall control of a master-side control unit 4611.
  • the operation console device 4622 is an input device for a user (such as a surgeon) to remotely control or perform 3D operations on the screen on the slave robot 4622 on which a surgical tool such as forceps is mounted in the slave 4620. .
  • the operation console device 4622 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 4613 provides information on the slave 4620 to the user (operator) operating the operation console device 4622 based mainly on sensor information acquired by a sensor unit 4623 (described later) on the slave 4620 side. Provide information about the surgery being performed.
  • the sensor unit 4623 on the slave 4620 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 4613 displays captured images of the affected area in real time using a monitor display or the like. Display on screen.
  • the sensor unit 4623 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 4622, and such force sense information is transmitted to the master via the transmission path 4630 with low delay.
  • the presentation unit 4613 provides a force sense presentation to the user (operator).
  • the haptic presentation function of the presentation unit 4613 is incorporated and implemented in the operation console device 4622.
  • the presentation unit 4613 provides a force sense presentation to the user (operator) by driving a gripping unit at the tip of the operation console device 4622, which has, for example, three rotational degrees of freedom and one gripping degree of freedom, with a motor. .
  • the master-side communication unit 4614 performs signal transmission and reception processing with the slave 4620 via the transmission path 4630 under the control of the master-side control unit 4611.
  • the master-side communication unit 4614 includes an electro-optical conversion unit that converts an electrical signal sent from the master 4610 into an optical signal, and an electro-optical conversion unit that converts the optical signal received from the transmission line 4630 into an electrical signal. Equipped with a photoelectric conversion section.
  • the master side communication unit 4614 transfers the operation command for the slave robot 4622, which is input by the user (operator) via the master 4610, to the slave 4620 via the transmission path 4630. Further, the master side communication unit 4614 receives sensor information sent from the slave 4620 via the transmission path 4630.
  • the slave 4620 includes a slave-side control section 4621, a slave robot 4622, a sensor section 4623, and a slave-side communication section 4624.
  • the slave 4620 performs operations according to instructions from the master 4610 under the overall control of the slave-side control unit 4621.
  • the slave robot 4622 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 4621 interprets the operation command sent from the master 4610 via the transmission line 4630, converts it into a drive signal for an actuator that drives the slave robot 4622, and outputs the signal.
  • the slave robot 4622 operates based on a drive signal from the slave-side control unit 4621.
  • the sensor unit 4623 includes a plurality of sensors for detecting the slave robot 4622 and the situation in the affected area of the surgery being performed by the slave robot 4622, and further includes an interface for importing sensor information from various sensor devices installed in the operating room. Equipped.
  • the sensor unit 4623 includes a force torque sensor (FTS) for measuring external force or moment that acts on a surgical instrument mounted on the tip (distal end) of the slave robot 4622 during surgery.
  • FTS force torque sensor
  • the sensor unit 4623 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 4622, 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 4624 performs signal transmission and reception processing with the master 4610 via the transmission path 4630 under the control of the slave-side control unit 4621.
  • the slave-side communication unit 4624 includes an electro-optical conversion unit that converts an electrical signal sent from the slave 4620 into an optical signal, and an electro-optical conversion unit that converts the optical signal received from the transmission line 4630 into an electrical signal. Equipped with a photoelectric conversion section.
  • the slave-side communication unit 4624 receives the force sense data of the surgical instrument acquired by the sensor unit 4623, an RGB camera that observes the surface of the affected area, an RGB camera that captures a microscopic image, an endoscope used in laparoscopic or body cavity surgery, etc.
  • the captured image is transferred to the operation console device 4612 via the transmission line 4630.
  • the slave side communication unit 4624 receives an operation command for the surgical manipulator 122 sent from the master 4610 via the transmission path 4630.
  • an operation command for remotely controlling the slave robot 4622 is input via the operation console device 4612.
  • the operation commands include a panning motion of the arm device 300 (see FIG. 43), a first tilting motion of the arm device 300 (see FIG. 44), and a second tilting motion of the arm device 300 (see FIG. 45). (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 4621 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 operation of the arm device 300 (see FIGS. 39 to 41) and the operation of the surgical instrument (specifically, the yaw movement of the forceps (see FIG. 39) are controlled via the operation console device 4612. ), the pitching motion of the forceps (see FIG. 40), and the opening/closing motion of the forceps (see FIG. 41)).
  • the slave side control unit 4621 receives an operation command from the master 4610 side that instructs the yaw axis angle ⁇ of the forceps, the pitch axis angle of the forceps, the opening angle ⁇ or the opening width d of the forceps, the slave side control unit 4621 The rotation angle of each motor M1 to M4 in the drive unit 103 for realizing the forceps operation is calculated, and an angle command to each motor M1 to M4 is generated.
  • the input/output relationship between the drive unit 103 and the surgical instrument unit 101 is as described in Section H above. Since the drive unit 103 to which this embodiment is applied is backlashless and has high backdriveability, it is possible to accurately drive the forceps of the surgical tool unit 101 based on angle commands to each of the motors M1 to M4.
  • the displacement angle ⁇ m1 of each motor is determined based on the detection results of the encoders of each motor M1 to M4.
  • ⁇ m4 is calculated, converted into the displacement amount ( ⁇ g1 , ⁇ g1 , ⁇ , ⁇ d) of the jaw J1 or J2, and sent to the master 4610 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 haptic feedback to the master 4610 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 control robots that perform precision work in difficult work spaces such as manufacturing factories, construction sites, and outer space, and operation console devices for remote control. can be made smaller and lighter.
  • the end effector unit that does not include a rotation-to-linear motion converter can be made smaller and smaller in diameter, making it easier to install multiple types of end effector units on a mounting table (such as a surgical tool stand) near the robot.
  • the robot itself can automatically replace the end effector unit automatically and in a short time.
  • Capstan a cable wrapped around the capstan; a rod having one degree of freedom for linear movement, to which the cable is connected and which moves linearly as the capstan rotates;
  • a drive device comprising: a drive device that drives a replaceably attached end effector by direct motion of the rod.
  • the cable consists of a pair of cables that are wound around the capstan in opposite directions and connected to the rod in opposite directions, the rod moves back and forth depending on the rotational direction of the capstan;
  • the capstan is a capstan assembly including a first capstan and a second capstan arranged coaxially; the pair of cables are wound around each of the first capstan and the second capstan in opposite directions;
  • the capstan assembly includes a reaction force applying section that applies a reaction force to rotate the first capstan and the second capstan in opposite directions.
  • the reaction force applying section is made of a torsion spring or other elastic body disposed between the first capstan and the second capstan.
  • the drive device according to any one of (4) or (5) above.
  • the capstan is attached to at least one of a power input shaft or an output shaft.
  • the drive device according to any one of (1) to (6) above.
  • the rod is fixed to a slide base that is slidably guided in the one direction via a linear guide with respect to a unit base on which the motor is mounted.
  • a motor a capstan attached to the input shaft or the output shaft of the motor, a cable wound around the capstan, and a rod connected to the cable and driven in direct motion by rotation of the motor.
  • drive unit a surgical instrument unit that is replaceably attached to the drive unit and drives the surgical instrument by direct force transmitted via the rod;
  • a drive unit comprising a motor, a capstan attached to the input shaft or output shaft of the motor, a cable wound around the capstan, and a rod to which the cable is connected and which operates in direct motion by rotation of the motor. and a surgical instrument unit that is replaceably attached to the drive unit and drives the surgical instrument by direct force transmitted via the rod; an arm having an articulated link structure that supports the surgical instrument device;
  • An arm device comprising:
  • a drive unit comprising a motor, a capstan attached to the input shaft or output shaft of the motor, a cable wound around the capstan, and a rod to which the cable is connected and which operates in direct motion by rotation of the motor.
  • a surgical instrument unit that is replaceably attached to the drive unit and drives the surgical instrument by direct force transmitted via the rod; and an articulated link that supports the surgical instrument device.
  • a slave device with an arm of the structure; a master device that operates the surgical instrument device and the arm;

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Abstract

エンドエフェクタを駆動する駆動装置を提供する。　駆動装置は、キャプスタンと、前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと、直動１自由度を持ち、前記ケーブルが接続されて、前記キャプスタンの回転により直動動作するロッドを具備し、前記ロッドの直動動作でエンドエフェクタを駆動する。前記キャプスタンアセンブリは、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタン間に互いに反対方向に回転させる反力を付与する反力付与部を備え、前記反力による回転で前記第１のキャプスタン及び前記第２のキャプスタンにそれぞれ巻き取ることによってケーブルに予張力を付与する。

Description

駆動装置、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、エンドエフェクタを駆動する駆動装置、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遠隔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マニピュレータは、術具などの医療用器具からなるエンドエフェクタを遠位端に装備し、根元側に配置したモータの回転力によってエンドエフェクタを駆動するという構成が一般的である。しかしながら、モータの回転力を直動力に変換する機構が必要となり、回転直動変換装置のための装置の構造を複雑化したり装置が大型化したりするという問題がある。
　例えば、機械的なインターフェースを介して手術用器具を手術用器具マニピュレータアセンブリ内のモータに結合した手術用機器が提案されている（特許文献１を参照のこと）。この手術用機器では、手術用器具を操作するケーブルに直動動作を与えるために、モータの回転をボールねじで直動動作に変換する機構が採用されている。ボールねじを用いると、手術用機器がボールねじの軸方向に長尺化してしまうことや、バックラッシュが発生すること、バックドライバビリティが低下することなどの問題がある。
特開２０２０－１５１５２４号公報 特開２０２１－４１０３７号公報、段落００３０、段落００５５、図５
　本開示の目的は、モータの回転力を直動力に変換してエンドエフェクタを駆動する駆動装置、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遠隔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、
　直動１自由度を持ち、前記ケーブルが接続されて、前記キャプスタンの回転により直動動作するロッドと、
を具備し、交換可能に取り付けられたエンドエフェクタを前記ロッドの直動動作によって駆動させる、駆動装置である。
　前記ケーブルは、前記キャプスタンに互いに反対方向に巻き付けられるとともに、前記ロッドに前後逆向きに接続された一対のケーブルからなる。そして、前記ロッドは前記キャプスタンの回転方向に応じて前後に動作する。
　また、前記キャプスタンアセンブリは、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタン間に互いに反対方向に回転させる反力を付与する反力付与部を備え、前記１対のケーブルは、前記反力による回転で前記第１のキャプスタン及び前記第２のキャプスタンにそれぞれ巻き取られることによって予張力が付与される。
　また、本開示の第２の側面は、
　モータと、前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと、前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと、前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、
　前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて、前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと、
を具備する術具装置である。
　また、本開示の第３の側面は、
　モータと前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと、前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと、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、
　モータと前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと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、モータの回転力を直動力に変換して、交換可能に取り付けたエンドエフェクタに伝達し、バックラッシュレスで且つ高バックドライバビリティを有する駆動装置、手術用の術具をエンドエフェクタとする交換可能な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遠隔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、駆動ユニット１０３に４セットのモータ及び回転直動変換装置が配置される様子を示した図である。 図１５Ａは、１セットのモータ及び回転直動変換装置の側面を斜視した様子を示した図である。 図１５Ｂは、図１５Ａとは反対側から１セットのモータ及び回転直動変換装置の側面を斜視した様子を示した図である。 図１６は、モータキャプスタン１５２１及び１５２２付近の拡大図並びに分解図を示した図である。 図１７は、術具装置１００の断面図を示した図である。 図１８Ａは、アダプタユニット１０２の断面図を示した図である。 図１８Ｂは、アダプタユニット１０２の斜視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を長手方向に分解した分解図を示した図である。 図２１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２２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（装着前）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（装着途中）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に装着する手順（装着完了時）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（取り外す前）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（取り外す途中）を示した図である。 図３２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３３は、鉗子の斜視図を示した図である。 図３４は、鉗子の上面図を示した図である。 図３５は、鉗子の側面図を示した図である。 図３６は、鉗子の自由度構成を示した図である。 図３７は、駆動ユニット１０３側のモータＭ１～Ｍ４のレイアウトを例示した図である。 図３８は、駆動ユニット１０３への入力パラメータと術具ユニット１０１側の出力パラメータを示した図である。 図３９は、術具ユニット１０１の遠位端の鉗子がヨー動作している一連の動作を示した図である。 図４０は、術具ユニット１０１の遠位端の鉗子がピッチ動作している一連の動作を示した図である。 図４１は、術具ユニット１０１の遠位端の鉗子が開閉動作している一連の動作を示した図である。 図４２は、アーム装置３００の自由度構成例を示した図である。 図４３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４４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４５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４６は、マスタスレーブシステム４６００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．駆動ユニットの詳細な構成
Ｆ．回転直動変換装置のコンパクト化
Ｇ．術具ユニットの着脱構造、装着手順及び取り外し手順
　Ｇ－１．術具ユニットの着脱構造
　Ｇ－２．術具ユニットの装着手順
　Ｇ－３．術具ユニットの取り外し手順
Ｈ．駆動ユニットと術具ユニットの入出力関係
Ｉ．アーム装置
Ｊ．マスタスレーブシステム
Ａ．概要
　本開示は、エンドエフェクタユニットを交換可能に取り付け、エンドエフェクタユニットの遠位端に支持されたエンドエフェクタを駆動する駆動力を供給する駆動ユニットに関する。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。
　駆動ユニットを小型軽量に製作することができれば、アーム装置全体を大幅に小型軽量化することができる。アーム装置の小型軽量化により手術ロボットを小型化すれば、多種多様な手術室に適用できるようになる。
　また、ロボット自身が自動で術具ユニットの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。交換の際、アーム装置を大きく動かして、手術スタンドまで術具ユニットを取りに行く動作が必要である。アーム装置を小型化できれば、自動術具交換に伴うアーム装置の動作範囲が小さくなるので、環境との接触リスクを低減し、必要なワークスペースを小さくすることができる。また、アーム装置が小型軽量であれば、環境と接触時や暴走時に相手側を破壊するリスクが低減し、安全性を高めることができる。
　ここで、術具装置並びに駆動ユニットの構成について考察してみる。駆動ユニット側のモータの回転動作で術具ユニット側の遠位端の術具をそのまま駆動する場合は、駆動ユニットの構造を簡素化し且つ小型化することができる。これに対し、直動動作により術具を動作させる場合には、駆動ユニット側のモータの回転動作を直動動作に変換する動力変換機構が必要となり、術具装置の構造が複雑化し大型化してしまう。
　例えば特許文献１には、ボールねじを用いて回転→直動変換する手術用器具が開示されている。ところが、ボールねじを用いると、手術用機器がボールねじの軸方向に長尺化してしまうことや、バックラッシュが発生すること、バックドライバビリティが低下することなどの問題がある。また、回転直動変換装置を術具ユニット側に装備すると、交換部品である術具ユニットが大型化し術具スタンドも大型化するため、自動交換の際のアーム装置の動作範囲が大きくなってしまう。また、各術具ユニットのコストも増大する。
　そこで、本開示では、簡素及び小型で、且つバックラッシュレス及び高バックドライバビリティを実現する回転直動変換装置を駆動ユニットに装備する技術を提案する。
　本開示によりバックラッシュレス及び高バックドライバビリティを実現する回転直動変換装置を用いることで、術具装置を繊細な作業を行う手術ロボットに適用し易くなる。バックドライバビリティが高いと、術具ユニット（又は、遠位端の術具）に作用した外力を、駆動ユニット側のモータの電流値に基づいて計測することが可能になる。
　また、本開示により回転直動変換装置を小型軽量化することで、これを装備する駆動ユニット、ひいてはアーム装置全体が小型軽量化して、多種多様な手術室に適用し易くなる。術具ユニットではなく駆動ユニット側に回転直動変換装置を装備することで、交換部品である各術具ユニットのコストを増大せずに済むとともに、術具ユニットの小型細径化を実現し易くなる。術具スタンドも小型化して手術ロボットの近くに配置し易くなるので、交換の際のアーム装置の動作範囲が小さくなり、環境との接触リスクを低減し、必要なワークスペースを小さくすることができる。
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装置のセットを、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。各モータは遊星歯車機構を内蔵していてもよいが、本開示はこれに限定されるものではない。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装置を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、図５には、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術具ユニット１０１を切断した断面図によって、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４０１が駆動ユニット４０３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４０１が駆動ユニット４０３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。したがって、スプリング４２４の弾性力によってロッド４２３が先端方向に押し込まれると、プーリ４２２で折り返されてロッド４２３に結合されたケーブル４２１には予張力が付与されるので、緩むことはない。
　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装置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装置のセットを、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装置の個数も相違する。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装置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装置は、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、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５１５Ｂ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５１５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５１５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５１５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５１５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装置は、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５２５Ｂ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５２５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５１６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）に向かって進出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５２５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５２５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の図示しないモータも、上述したモータ５１１及び５２１と同様の回転直動変換装置が装備され、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変換装置としてボールねじやラック及びピニオン機構も知られている。ボールねじやラック及びピニオン機構を使用する場合、上記Ｂ項で説明したように、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、ボールねじやラック及びピニオン機構を使用すると、構造が複雑化し、術具装置全体の小型軽量化も難しくなる。
　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装置によれば、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、この回転直動変換装置を駆動ユニット１０３側に配置することで、交換部品である術具ユニット１０１を小型及び細径化することができ、複数の術具ユニットを収容する術具スタンドを小型でアーム装置の近くに配置可能となり、術具交換のためのアーム装置の動作範囲を小さくすることができる。
　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
　このＤ項では、駆動ユニット側から供給される直動力によって遠位端の術具を操作可能な術具ユニットの詳細な構成について説明する。術具ユニットは、回転直動変換装置を含まないので小型且つ細径化することが容易である。したがって、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。
　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。
　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（又は、その他の弾性体）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術具ユニット１０１を切断した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。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。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。但し、駆動ユニット１０３の具体的な構成については次項Ｅに譲る。
　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おり、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を含む他の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．駆動ユニットの詳細な構成
　このＥ項では、駆動ユニットの詳細な構成について説明する。駆動ユニットは、アダプタユニットを介して術具ユニットを装着し、術具ユニットに対して直動力を供給する。駆動ユニットは、術具ユニット側で必要とする直動力の数（本実施形態では４つ）に応じた個数のモータと、モータの回転力を直動力に変換する回転直動変換装置を装備している。
　本開示では、ケーブル駆動を利用してバックラッシュレス及び高バックドライバビリティを実現する回転直動変換装置を用いることで、術具装置を繊細な作業を行う手術ロボットに適用し易くしている。バックドライバビリティが高いと、術具ユニット（又は、遠位端の術具）に作用した外力を、駆動ユニット側のモータの電流値に基づいて計測することが可能になる。
　本開示に係る、ケーブル駆動を利用した回転直動変換装置は構造が簡素で小型軽量化を実現するので、これを装備する駆動ユニット、ひいてはアーム装置全体が小型軽量化して、多種多様な手術室に適用し易くなる。アーム装置の小型化により、自動術具交換に伴うアーム装置の動作範囲が小さくなるので、環境との接触リスクを低減し、必要なワークスペースを小さくすることができる。また、術具ユニットではなく駆動ユニット側に回転直動変換装置を装備することで、交換部品である各術具ユニットのコストを増大せずに済むとともに、術具ユニットの小型細径化を実現し易くなる。
　上記Ｂ項で図１及び図２を参照しながら説明したように、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装置のセットを、術具ユニット１０１側のケーブルの本数分だけ備えている。本実施形態では、術具ユニット１０１の遠位端に取り付けられるエンドエフェクタとして、１対のジョーからなる鉗子を想定しており、この場合の術具ユニット１０１は各ジョーをそれぞれ開閉軸回りに牽引する２本のケーブルと、鉗子をピッチ軸（リスト）回りにそれぞれ正回転及び逆回転させる２本のケーブルの、合計４本のケーブルを使用する（前述）。したがって、図１及び図２に示したように、駆動ユニット１０１は、モータ及び回転直動変換装置の組み合わせを４セットだけ搭載している。
　図１４には、アダプタユニット１０２に対して駆動ユニット１０３側の４セットのモータ及び回転直動変換装置が配置されるイメージを示している。また、図１５Ａ及び図１５Ｂには、４セットのうちの１セットのモータ及び回転直動装置を長手方向に直交する一方の側面及び反対側の側面がそれぞれ眺めた様子を示している。以下では、図１５Ａ及び図１５Ｂを参照しながら１セットのモータ及び回転直動装置の構造及び動作について説明するが、他の３セットについても同様であるものと理解されたい。
　図１５を参照すると、モータ１５１１は、術具ユニット１０１側でケーブルを牽引するロッド（図示しない）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１５０１を介して駆動ユニット１０３内に固定されている。モータ１５１１は、出力端に減速機１５１２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１５１１の回転軸（図示しない）の回転角度を計測するエンコーダ１５１３が取り付けられている。小型化を考慮して、エンコーダ１５１３にはインクリメンタル式が採用される。このため、図１４に示すように、モータ１５０１によって駆動される回転直動変換装置の原点位置を検出するための原点センサを含む印刷配線基板１４０１が、モータ毎に配置されている。また、モータ１５１１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１５１１の回転を直進に変換する回転直動変換装置は、モータ１５１１（又は減速機１５１２）の出力軸に同軸上に取り付けられた前後一対のモータキャプスタン１５２１及び１５２２からなるキャプスタンアセンブリと、モータキャプスタン１５２１及び１５２２にそれぞれ巻き付けられたケーブル１５２３及び１５２４と、ロッド１５２５が一体的に取り付けられたスライドベース１５２６と（以下では、ロッド１５２５とスライドベース１５２６は一体として説明する）、スライドベース１５２６を駆動ユニットベース１５０１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と、ケーブル１５２３及び１５２４の経路変更のための３個のアイドラプーリ１５３１～１５３３で構成される。なお、リニアガイドは、図１５では視認が難しいが、図５中のリニアガイド５１８及び５２８に対応し、ロッド１５２５と一体のスライドベース１５２６と駆動ユニットベース１５０１の間に配設されている。アイドラプーリ１５３１～１５３３はいずれも駆動ユニットベース１５０１に回転自在に支持されている。アイドラプーリ１５３１とアイドラプーリ１５３２は、モータ１５１１の回転軸に直交する水平な同じ回転軸を持ち、アイドラプーリ１５３２は、モータ１５１１の回転軸に直交する鉛直な回転軸を持つ。
　ケーブル１５２３及び１５２４の各端部は、長手方向の互いに反対方向から、ケーブル固定部１５２８によってスライドベース１５２６の側面に固定されている。まず、ケーブル１５２３のレイアウトについて説明すると、ケーブル１５２３の一端は、前方のモータキャプスタン１５２１に固定され、且つ、モータ１５１１の正回転によって巻き取られる方向にモータキャプスタン１５２１に巻き付けられている。そして、ケーブル１５２３は、モータキャプスタン１５２１の円周から離れると、アイドラプーリ１５３１によってロッド１５２５の長手方向の後方に経路変更され、さらにモータ１５１１の後端付近のアイドラプーリ１５３２によって長手方向前方に再び経路変更された後、他端がケーブル固定部１５２８によってスライドベース１５２６の側面に固定されている。
　続いて、ケーブル１５２４のレイアウトについて説明すると、ケーブル１５２４の一端は、後方のモータキャプスタン１５２２に固定され、且つ、モータ１５１１の逆回転によって巻き取られる方向にモータキャプスタン１５２２に巻き付けられている。そして、ケーブル１５２４は、モータキャプスタン１５２２の円周から離れると、アイドラプーリ１５３３によってロッド１５２５の長手方向の後方に経路変更され、他端がケーブル固定部１５２８によってスライドベース１５２６の側面に固定されている。
　モータ１５１１が正回転すると、一方のケーブル１５２３がモータキャプスタン１５２１に巻き取られるため、リニアガイドによってスライドベース１５２６が駆動ユニットベース１５０１に対してｘ軸方向の正方向に摺動され、その結果、ロッド１５２５が近位側に向かって後退する直動運動に変換される。また、モータ１５１１が逆回転すると、他方のケーブル１５２４がモータキャプスタン１５２２に巻き取られるため、リニアガイドによってスライドベース１５２６が駆動ユニットベース１５０１に対してｘ軸方向の負方向に摺動され、その結果、ロッド１５２５が遠位側に向かって前進する直動運動に変換される。
　図１４に示したいずれのモータ及び回転直動変換装置のセットも、図１５Ａ及び図１５Ｂを参照しながら上述した通りの構成及び動作を有するものとする。図１４からもイメージできるように、４つのモータ及び回転直動変換装置の各セットがそれぞれアダプタユニット１０２に結合され、さらに原点センサを搭載する印刷配線基板１４０１が組み込まれる。各々のモータ及び回転直動変換装置を個別に組み立てた後に、アダプタユニット１０２に取り付けるという組み立て方法は容易であり、且つ、メンテナンス性も高い。
　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側の各ロッドの先端は術具ユニット１０１側のそれぞれに対応するロッドの末端にちょうど当接する。したがって、あるモータが逆回転するとロッドがｘ軸の負方向すなわち遠位側に前進するので、術具ユニット１０１側の対応するロッドを遠位側に押し出し、そのロッドに接続されたケーブルを牽引することにより、遠位端の術具へ駆動力を直動伝達することができる。
　本開示に係るケーブル駆動を利用した回転直動変換装置によれば、ボールねじやラック及びピニオン機構に比べて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。図１４、図１５Ａ及び図１５Ｂに示したように、回転直動変換装置を駆動ユニット１０３側に配置することで、交換部品である術具ユニット１０１を小型及び細径化することができ、複数の術具ユニットを収容する術具スタンドを小型でアーム装置の近くに配置可能となり、術具交換のためのアーム装置の動作範囲を小さくすることができる。
Ｆ．回転直動変換装置のコンパクト化
　例えば図１５Ａ及び図１５Ｂを参照すると、ケーブル１５２３やケーブル１５２４がたるむと、それぞれアイドラプーリ１５３１及びアイドラプーリ１５３３から脱線してしまったり、バックラッシュが生じる原因になったりする。その結果、駆動ユニット１０３から術具ユニット１０１へ直動駆動力を供給できなくなったり、遠位端の術具を精密に動作できなくなったりする。このため、ケーブル１５２３及び１５２４に予張力を付与する構造が必要である。
　ケーブルに対して引張コイルバネを直列にして予張力を付与することが常套手段の１つとして挙げられる（例えば、特許文献２を参照のこと）。しかしながら、この手段を利用する場合、ケーブルの経路上に引張コイルバネの長尺分だけのスペースが必要である。図１５Ａ及び図１５Ｂを参照すると、ケーブル１５２３に引張コイルバネを直列接続するには、アイドラプーリ１５３１とアイドラプーリ１５３２間、又はアイドラプーリ１５３２とケーブル固定部１５２８の間の少なくとも一方の間隔を、引張コイルバネの長尺分だけ広げる必要がある。また、ケーブル１５２４に引張コイルバネを直列接続するには、ケーブル固定部１５２８とアイドラプーリ１５３３の間隔を、引張コイルバネの長尺分だけ広げる必要がある。このため、回転直動変換装置が長尺化する。また、付言すれば、コイルバネの外径はケーブル１５２３及び１５２４の直径に比べて大きいため、回転直動変換装置の幅も増大する傾向にある。
　そこで、本開示では、モータ１５１１の出力軸に取り付けるモータキャプスタンを、上述したように前後一対のモータキャプスタン１５２１及び１５２２の２部品に分割するとともに、モータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２の間にトーションバネを挟む構成とした。このような構成によれば、トーションバネの復元力によって、モータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２にそれぞれケーブル１５２３及び１５２４を巻き付ける方向への回転力を付与することができる。
　図１６には、図１５Ｂに示した回転直動変換装置のモータ１５１１の出力軸に取り付けられたモータキャプスタン１５２１及び１５２２を拡大して示すとともに、モータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２を分解した様子、さらにモータキャプスタン１５２１（又は１５２２）の内側にトーションバネ１６０１を取り付けた様子を示している。
　図１６中の分解図から分かるように、モータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２は、内部にトーションバネ１６０１を取り付けるスペースをそれぞれ含む。各スペース内の構造はモータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２で対称的である。各スペースは、中央にモータ１５１１の出力軸に取り付けられる中空の軸部１６１１及び１６１２を有し、外側の壁部の一箇所にはトーションバネ１６０１の端部を係止する突起１６２１及び１６２２が形成されている。
　トーションバネ１６０１のコイル部分がモータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２の各軸部１６１１及び１６１２に挿通され、且つ、トーションバネ１６０１の各端部がそれぞれモータキャプスタン１５２１及び１５２２の突起１６１２及び１６２２に引っ掛かるようにして、トーションバネ１６０１を挟んでモータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２を組み立てる。このようにすれば、トーションバネ１６０１には、モータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２を互いに反対方向に回転させようとする復元力が作用する。すなわち、一方のモータキャプスタン１５２１にはケーブル１５２３を巻き取る方向への回転力が常に作用して、ケーブル１５２３に予張力を付与することができる。また、他方のモータキャプスタン１５２２にはケーブル１５２４を巻き取る方向への回転力が常に作用して、ケーブル１５２４に予張力を付与することができる。なお、トーションバネ１６０１以外の弾性体をキャプスタンアセンブリ内部に組み込んで、モータキャプスタン１５２１とモータキャプスタン１５２２に互いに反対方向の回転力を付与するようにしてもよい。
　図１６に示したような予張力付与機構によれば、ケーブルに引張コイルバネを直列接続する方法と比べて、引張コイルバネの長尺分だけ回転直動変換装置を長尺化することも、引張コイルバネの外径によって回転直動変換装置の幅が増大することもない。したがって、本開示によれば、ケーブルの予張力付与に伴う回転直動変換装置の大型化を回避することができる。
Ｇ．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項及びＦ項で説明したように、駆動ユニット１０３内に配置した回転直動変換装置をコンパクト化して、駆動ユニット１０３及びアーム装置全体を大幅に小型軽量化することができる。さらに、術具ユニット１０１の交換の際のアーム装置の動作範囲が小さくなるので、環境と接触時や暴走時に相手側を破壊するリスクが低減し、安全性を高めることができる。このＧ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。
Ｇ－１．術具ユニットの着脱構造
　図１７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１８Ａ及び図１８Ｂ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１８Ｂ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１９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２０には、図１９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１９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１９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２１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２２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２２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２２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２２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。
Ｇ－２．術具ユニットの装着手順
　図２３～図２４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２３は装着前、図２４～図２５は装着途中、図２７は装着完了時とする。
　まず、図２３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２４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２５及び図２６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２７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。
Ｇ－３．術具ユニットの取り外し手順
　図２８～図３２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２８は取り外す前、図２９～図３１は取り外す途中、図３２は取り外し完了時とする。
　図２８に示す取り外し前の状態は、図２７に示した装着完了時と同じである。まず、図２９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３０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３１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３２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。
Ｈ．駆動ユニットと術具ユニットの入出力関係
　本実施形態に係る術具装置１００は、４個のモータとモータ毎の回転直動変換装置を備える駆動ユニット１０３と、遠位端の術具を動作させる４本のケーブルと各ケーブルが結合する４本のロッドを備える術具ユニット１０１を含み、ロッドを介した直動伝達力によってケーブルを牽引して術具を動作させるように構成されている。このＨ項では、駆動ユニット１０３への入力と、術具ユニット１０１の出力の関係を示す入出力関係について説明する。ここで言う駆動ユニット１０３への入力は、各モータへの回転角度指令値φm1～φm4とする（但し、各モータの減速後の出力時の回転角度とする）。また、術具ユニット１０１からの出力は、遠位端に支持した術具の動作とする。
　図３３～図３６には、入出力関係の説明において想定する術具の具体的な構成を示している。但し、術具は開閉動作する１対のジョーＪ１及びＪ２からなる鉗子とし、図３３は鉗子を斜視した斜視図、図３４は鉗子が開閉動作する平面を上方から眺めた上面図、図３５は図３４とは視線が直交する側面から側面図、図３６は鉗子の自由度構成を、それぞれ示している。
　一方のジョーＪ１はヨー軸（第２軸）を回転軸とするジョーキャプスタンＪＣ１と一体であり、他方のＪ２は同じくヨー軸を回転軸とするジョーキャプスタンＪＣ２と一体である。また、ジョーＪ１とジョーＪ２間には、常に開く方向に反発力が作用するように、トーションバネなどからなるスプリング（図示しない）が配設されている。ジョーキャプスタンＪＣ１とジョーキャプスタンＪＣ２の半径は同じくＲθとする。
　ジョーキャプスタンＪＣ１とジョーキャプスタンＪＣ２には、それぞれケーブルＣ１とケーブルＣ２が互いに逆方向から巻き付けられている。具体的には、ケーブルＣ１は、牽引されたときにジョーＪ１がジョーＪ２に接近する方向に旋回するように、ジョーキャプスタンＪＣ１に巻き付けられている。同様に、ケーブルＣ２は、牽引されたときに、ジョーＪ２がジョーＪ１に接近する方向に旋回するように、ジョーキャプスタンＪＣ２に巻き付けられている。したがって、ジョーＪ１とジョーＪ２のヨー軸回りの角度の差が変化するようにケーブルＣ１とケーブルＣ２を牽引することで、当該鉗子の開閉動作を行うことができる。また、ジョーＪ１とのジョーＪ２のヨー軸回りの角度の和が変化するようにケーブルＣ１とケーブルＣ２を牽引することで、当該鉗子のヨー軸回りの旋回動作を行うことができる。
　後述するように、ケーブルＣ１とケーブルＣ２は、それぞれ駆動ユニット１０３側のモータＭ１とモータＭ２の回転力によって牽引される。したがって、モータＭ１及びモータＭ２の回転角度の制御によって、鉗子の開閉動作とヨー軸回りの鉗子の旋回動作を実現することができる。
　リストエレメントＷＥは、ジョーキャプスタンＪＣ１及びジョーキャプスタンＪＣ２の各々をヨー軸回りに回転可能に支持している。また、リストエレメントＷＥはピッチ軸（第１軸）を回転軸とするリストキャプスタンＷＣと一体である。図３６からも分かるように、ヨー軸（第２軸）が遠位側に配置され、ピッチ軸（第１軸）が近位側に配置されている。リストエレメントＷＥには、一対のケーブルＣ３ａ及びＣ３ｂが互いに反対方向に巻き付けられている。したがって、一対のケーブルＣ３ａ及びＣ３ｂを拮抗動作させることによって、リストエレメントＷＥ、ひいてはリストエレメントＷＥに支持されているジョーＪ１及びジョーＪ２（すなわち鉗子）をピッチ軸回りに旋回させることができる。
　後述するように、ケーブルＣ３ａとケーブルＣ３ｂは、それぞれ駆動ユニット１０３側のモータＭ３とモータＭ４の回転力によって牽引される。したがって、モータＭ３及びモータＭ４の回転角度の制御によって、鉗子のピッチ軸軸回りの旋回動作を実現することができる。
　ケーブルＣ１、ケーブルＣ２、ケーブルＣ３ａ及びケーブルＣ３ｂは、それぞれシャフトに挿通された後、アイドラプーリで遠位側に折り返された後に各ロッドに接続されている（前述）。なお、ケーブルＣ１は、ピッチ軸と同軸のアイドラプーリＰ１ａと、アイドラプーリＰ１ａに隣接しピッチ軸と平行な回転軸を持つアイドラプーリＰ１ｂによってレイアウト調整された後に、シャフトに挿通される。また、ケーブルＣ２は、ピッチ軸と同軸のアイドラプーリＰ２ａと、アイドラプーリＰ２ａに隣接しピッチ軸と平行な回転軸を持つアイドラプーリＰ２ｂによってレイアウト調整された後に、シャフトに挿通される。但し、ケーブルのレイアウトは図３３～図３６に示した例に限定されない。
　図３３～図３６では駆動ユニット１０３側の図示を省略したが、ケーブルＣ１、ケーブルＣ２、ケーブルＣ３ａ及びケーブルＣ３ｂは、それぞれ駆動ユニット１０３側のモータＭ１、モータＭ２、モータＭ３、及びＭ４によって牽引される。図３７には、駆動ユニット１０３側のモータＭ１～Ｍ４のレイアウトを例示している。各モータＭ１～Ｍ４の回転力はそれぞれ、上記Ｅ項で説明した回転直動変換装置を通じて術具ユニット１０１側に直動伝達され、ケーブルＣ１、ケーブルＣ２、ケーブルＣ３ａ及びケーブルＣ３ｂを牽引する。各モータＭ１～Ｍ４の出力軸に取り付けられるモータキャプスタンの半径はいずれも同じくＲmとする。また、各モータＭ１～Ｍ４は遊星歯車機構を内蔵していてもよいが、本開示はこれに限定されるものではない。
　駆動ユニット１０３への入力パラメータ、及び術具ユニット１０１側の出力パラメータを図３８にまとめた。すると、各入出力パラメータ間の関係は、下式（１）～（６）のように表される。
　図３９（Ａ）～（Ｃ）には、術具ユニット１０１の遠位端の鉗子がヨー動作している一連の動作を示している。鉗子のヨー軸角度θは上式（４）で表される通りである。上述したように、モータＭ１とモータＭ２を駆動制御して、ジョーＪ１とのジョーＪ２のヨー軸回りの角度の和が変化するようにケーブルＣ１とケーブルＣ２を牽引することで、当該鉗子のヨー軸回りの旋回動作を行うことができる。
　また、図４０（Ａ）～（Ｃ）には、術具ユニット１０１の遠位端の鉗子がピッチ動作している一連の動作を示している。鉗子のピッチ軸角度ψは上式（３）で表される通りである。上述したように、モータＭ３とモータＭ４を駆動制御して、ケーブルＣ３ａとケーブルＣ３ｂが拮抗するように牽引することで、当該鉗子のピッチ軸回りの旋回動作を行うことができる。
　また、図４１（Ａ）～（Ｂ）には、術具ユニット１０１の遠位端の鉗子が開閉動作している一連の動作を示している。ジョーＪ１とジョーＪ２の開き角度αとジョーＪ１とジョーＪ２の先端の開き幅はそれぞれ上式（５）及び（６）で表される通りである。上述したように、モータＭ１とモータＭ２を駆動制御して、ジョーＪ１とのジョーＪ２のヨー軸回りの角度の差が変化するようにケーブルＣ１とケーブルＣ２を牽引することで、当該鉗子の開閉動作を行うことができる。
Ｉ．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Ｉ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４２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４２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４２０１と、水平なチルト軸回りに回転する第２軸４２０２と、４本のリンク４２０４～４２０７からなる４節リンク機構を含んでいる。第１軸４２０１及び第２軸４２０２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４２０３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４２０３によって駆動する原動リンク４２０４と、２本の中間リンク４２０５及び４２０６と、中間リンク４２０５及び４２０６を介して原動リンク４２０４に追従して動作する従動リンク４２０７からなる。また、従動リンク４２０７と一体化された装置ホルダー４２０８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４２０８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４２０１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４２０３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４２０３は、４節リンク機構において、原動リンク４２０４を第３軸４２０３回りに回転させ、これに追従するように従動リンク４２０７をさせることができ、その結果、従動リンク４２０７と一体の装置ホルダー４２０８に支持された術具装置１００を最下端の関節軸４２０９に回転させる第２のチルト動作を実現する。
　図４３（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４４（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４２０３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４２０３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４５（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４２０３が回転すると、原動リンク４２０４が第３軸４２０３回りに回転し、従動リンク４２０７は原動リンク４２０４に追従するように関節軸４２０９回りに回転する。その結果、従動リンク４２０７と一体の装置ホルダー４２０８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）。
Ｊ．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Ｉ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４６には、マスタスレーブシステム４６００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４６００は、スレーブロボットを遠隔操作するマスタ４６１０と、スレーブロボットを有するスレーブ４６２０からなる。マスタスレーブシステム４６００が手術に適用される場合、術者などのユーザはマスタ４６１０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４６２０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４６２２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４６１０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４６２０を遠隔操作する。スレーブ４６２０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４６２２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Ｉ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４６２２は、マスタ４６１０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４６１０とスレーブ４６２０間は、伝送路４６３０を介して相互接続されている。伝送路４６３０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４６１０は、マスタ側制御部４６１１と、操作コンソール装置４６２２と、提示部４６１３と、マスタ側通信部４６１４を備えている。マスタ４６１０は、マスタ側制御部４６１１による統括的な制御下で動作する。
　操作コンソール装置４６２２は、ユーザ（術者など）が、スレーブ４６２０において鉗子などの術具を搭載するスレーブロボット４６２２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４６２２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４６１３は、主にスレーブ４６２０側のセンサ部４６２３（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４６２２を操作しているユーザ（術者）に対して、スレーブ４６２０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４６２０側のセンサ部４６２３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４６３０を介して低遅延で操作コンソール装置４６１２に転送される場合、提示部４６１３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４６２３が、スレーブロボット４６２２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４６３０を介して低遅延でマスタ４６１０に転送される場合には、提示部４６１３は、ユーザ（術者）に対して力覚提示を行う。提示部４６１３の力覚提示機能は、操作コンソール装置４６２２に組み込まれて実装される。具体的には、提示部４６１３は、操作コンソール装置４６２２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４６１４は、マスタ側制御部４６１１による制御下で、伝送路４６３０を介したスレーブ４６２０との信号の送受信処理を行う。例えば伝送路４６３０が光ファイバからなる場合、マスタ側通信部４６１４は、マスタ４６１０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４６３０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４６１４は、ユーザ（術者）がマスタ４６１０を介して入力した、スレーブロボット４６２２に対する操作コマンドを、伝送路４６３０を介してスレーブ４６２０に転送する。また、マスタ側通信部４６１４は、スレーブ４６２０から送られてくるセンサ情報を、伝送路４６３０を介して受信する。
　一方、スレーブ４６２０は、スレーブ側制御部４６２１と、スレーブロボット４６２２と、センサ部４６２３と、スレーブ側通信部４６２４を備えている。スレーブ４６２０は、スレーブ側制御部４６２１による統括的な制御下で、マスタ４６１０からの指示に応じた動作を行う。
　スレーブロボット４６２２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４６２１は、伝送路４６３０を介してマスタ４６１０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４６２２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４６２２は、スレーブ側制御部４６２１からの駆動信号に基づいて動作する。
　センサ部４６２３は、スレーブロボット４６２２やスレーブロボット４６２２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４６２３は、スレーブロボット４６２２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４６２３は、スレーブロボット４６２２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４６２４は、スレーブ側制御部４６２１による制御下で、伝送路４６３０を介したマスタ４６１０との信号の送受信処理を行う。例えば伝送路４６３０が光ファイバからなる場合、スレーブ側通信部４６２４は、スレーブ４６２０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４６３０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４６２４は、センサ部４６２３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４６３０を介して操作コンソール装置４６１２に転送する。また、スレーブ側通信部４６２４は、マスタ４６１０から送られてくる手術マニピュレータ１２２に対する操作コマンドを、伝送路４６３０を介して受信する。
　マスタ４６１０側では、操作コンソール装置４６１２を介してスレーブロボット４６２２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４３を参照のこと）、アーム装置３００の第１のチルト動作（図４４を参照のこと）、アーム装置３００の第２のチルト動作（図４５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４６２１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４６１０側では、操作コンソール装置４６１２を介して、アーム装置３００の動作（図３９～図４１を参照のこと）や、術具の動作（具体的には鉗子のヨー動作（図３９を参照のこと）、鉗子のピッチ動作（図４０を参照のこと）、及び鉗子の開閉動作（図４１を参照のこと））が指示される。これに対し、スレーブ側制御部４６２１は、マスタ４６１０側から鉗子のヨー軸角度θ、鉗子のピッチ軸角度、鉗子の開き角度α又は開き幅ｄ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Ｍ１～Ｍ４の回転角度を算出して、各モータＭ１～Ｍ４への角度指令を生成する。
　駆動ユニット１０３と術具ユニット１０１間の入出力関係については、上記Ｈ項で説明した通りである。本実施形態を適用した駆動ユニット１０３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、各モータＭ１～Ｍ４への角度指令に基づいて、術具ユニット１０１の鉗子を正確の駆動することができる。
　また、スレーブロボット４６２２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Ｊ１又はＪ２が変位した場合、各モータＭ１～Ｍ４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Δφm1～Δφm4を算出して、ジョーＪ１又はＪ２の変位量（Δθg1、Δθg1、Δα、Δｄ）に換算して、力覚フィードバック情報としてマスタ４６１０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４６１０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、駆動ユニット及び装置全体を小型軽量化することができる。また、回転直動変換装置を含まないエンドエフェクタユニットを小型細径化することができるので、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）キャプスタンと、
　前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと、
　直動１自由度を持ち、前記ケーブルが接続されて、前記キャプスタンの回転により直動動作するロッドと、
を具備し、交換可能に取り付けられたエンドエフェクタを前記ロッドの直動動作によって駆動させる、駆動装置。
（２）前記ケーブルは、前記キャプスタンに互いに反対方向に巻き付けられるとともに、前記ロッドに前後逆向きに接続された一対のケーブルからなり、
　前記ロッドは前記キャプスタンの回転方向に応じて前後に動作する、
上記（１）に記載の駆動装置。
（３）前記キャプスタンは、同軸上に配置された第１のキャプスタン及び第２のキャプスタンを含むキャプスタンアセンブリであり、
　前記一対のケーブルは、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタンの各々に互いに反対方向に巻き付けられる、
上記（２）に記載の駆動装置。
（４）前記キャプスタンアセンブリは、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタン間に互いに反対方向に回転させる反力を付与する反力付与部を備える、
上記（３）に記載の駆動装置。
（５）前記１対のケーブルは、前記反力による回転で前記第１のキャプスタン及び前記第２のキャプスタンにそれぞれ巻き取られることによって予張力が付与される、
上記（４）に記載の駆動装置。
（６）前記反力付与部は、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタンの間に配置されたトーションバネ又はその他の弾性体からなる、
上記（４）又は（５）のいずれか１つに記載の駆動装置。
（７）前記キャプスタンは、動力の入力軸又は出力軸のうち少なくとも一方に取り付けられる、
上記（１）乃至（６）のいずれか１つに記載の駆動装置。
（８）入力軸又は出力軸のうち少なくとも一方に前記キャプスタンを取り付けたモータをさらに備える、
上記（１）乃至（７）のいずれか１つに記載の駆動装置。
（９）前記ロッドは、前記モータを搭載するユニットベースに対してリニアガイドを介して前記１方向に摺動可能に案内されるスライドベースに固定される、
上記（８）に記載の駆動装置。
（１０）モータと、前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと、前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと、前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、
　前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて、前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと、
を具備する術具装置。
（１１）モータと前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと、前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと、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。
（１２）モータと前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと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…ケーブル
　７１２、７２２…プーリ、７１３、７２３…ロッド
　７１４…回転抑制装置、７１４Ａ…突起、７１５…スプリング
　８１１、８１２…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
　１４０１…印刷配線基板、１５０１…駆動ユニットベース
　１５１１…モータ、１５１２…減速機、１５１３…エンコーダ
　１５２１、１５２２…モータキャプスタン
　１５２３、１５２４…ケーブル、１５２５…ロッド
　１５２６…スライドベース、１５２８…ケーブル固定部
　１５３１～１５３３…アイドラプーリ
　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
　４６００…マスタスレーブシステム、４６１０…マスタ
　４６１１…マスタ側制御部、４６１２…操作コンソール装置
　４６１３…提示部、４６１４…マスタ側通信部
　４６２０…スレーブ、４６２１…スレーブ側制御部
　４６２２…スレーブロボット、４６２３…センサ部
　４６２４…スレーブ側通信部、４６３０…伝送路

Claims (12)

  1. 　キャプスタンと、
    　前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと、
    　直動１自由度を持ち、前記ケーブルが接続されて、前記キャプスタンの回転により直動動作するロッドと、
    を具備し、交換可能に取り付けられたエンドエフェクタを前記ロッドの直動動作によって駆動させる、
    駆動装置。
  2. 　前記ケーブルは、前記キャプスタンに互いに反対方向に巻き付けられるとともに、前記ロッドに前後逆向きに接続された一対のケーブルからなり、
    　前記ロッドは前記キャプスタンの回転方向に応じて前後に動作する、
    請求項１に記載の駆動装置。
  3. 　前記キャプスタンは、同軸上に配置された第１のキャプスタン及び第２のキャプスタンを含むキャプスタンアセンブリであり、
    　前記一対のケーブルは、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタンの各々に互いに反対方向に巻き付けられる、
    請求項２に記載の駆動装置。
  4. 　前記キャプスタンアセンブリは、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタン間に互いに反対方向に回転させる反力を付与する反力付与部を備える、
    請求項３に記載の駆動装置。
  5. 　前記１対のケーブルは、前記反力による回転で前記第１のキャプスタン及び前記第２のキャプスタンにそれぞれ巻き取られることによって予張力が付与される、
    請求項４に記載の駆動装置。
  6. 　前記反力付与部は、前記第１のキャプスタンと前記第２のキャプスタンの間に配置されたトーションバネ又はその他の弾性体からなる、
    請求項４に記載の駆動装置。
  7. 　前記キャプスタンは、動力の入力軸又は出力軸のうち少なくとも一方に取り付けられる、
    請求項１に記載の駆動装置。
  8. 　入力軸又は出力軸のうち少なくとも一方に前記キャプスタンを取り付けたモータをさらに備える、
    請求項１に記載の駆動装置。
  9. 　前記ロッドは、前記モータを搭載するユニットベースに対してリニアガイドを介して前記１方向に摺動可能に案内されるスライドベースに固定される、
    請求項８に記載の駆動装置。
  10. 　モータと、前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと、前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと、前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、
    　前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて、前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと、
    を具備する術具装置。
  11. 　モータと前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと、前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと、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。
  12. 　モータと前記モータの入力軸又は出力軸に取り付けられたキャプスタンと前記キャプスタンに巻き付けられたケーブルと前記ケーブルが接続されて前記モータの回転により直動動作するロッドを備える駆動ユニットと、前記駆動ユニットに交換可能に取り付けられて前記ロッドを介して伝達される直動力により術具を駆動させる術具ユニットと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。
PCT/JP2023/001845 2022-03-15 2023-01-23 駆動装置、術具装置、アーム装置、並びにマスタスレーブシステム WO2023176143A1 (ja)

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