(57)【要約】  エンドエフェクターに作用する力を好適に検出する手術用システム、外科手術システム、外科手術用器具、並びに外力検知システムを提供する。  手術用システムは、エンドエフェクターを有する内スレーブと、前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、前記歪み検出部の検出結果に基づいて、生体内で前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部を具備する。前記外スレーブは前記内スレーブとデカップリングされている構造である。
2018163622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、生体内で前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
を具備する手術用システム。
【請求項２】
前記外スレーブは、長軸方向に対して屈曲する屈曲部を有し、
前記歪み検出部は、前記屈曲部よりも遠位端側に配設される、
請求項１に記載の手術用システム。
【請求項３】
前記外スレーブは前記内スレーブとデカップリングされている構造であり、前記エンドエフェクターを牽引するケーブルを前記内スレーブとともに挿通する、
請求項１に記載の手術用システム。
【請求項４】
前記歪み検出部は、前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺の２箇所にそれぞれ配設された歪み検出素子を備え、
前記処理部は、前記歪み検出素子により検出された前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺の前記２箇所の歪みに基づいて、前記エンドエフェクターに作用する並進力及びモーメントを算出する、
請求項１に記載の手術用システム。
【請求項５】
前記歪み検出部は、前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺に取り付けた光ファイバーの前記２箇所に形成したＦＢＧセンサーからなる前記歪み検出素子を備える、
請求項４に記載の手術用システム。
【請求項６】
前記光ファイバーにダミーＦＢＧセンサーが形成され、
前記処理部は、前記ダミーＦＢＧセンサーの波長変化に基づいて、前記ＦＢＧセンサーの検出結果から温度変化に起因する歪み成分を取り除く、
請求項５に記載の手術用システム。
【請求項７】
前記外スレーブは、前記歪み検出素子が配設された前記２箇所において応力が集中する形状を有する、
請求項４に記載の手術用システム。
【請求項８】
前記処理部は、すべての前記歪み検出素子で検出された歪み量の平均値と、各歪み検出素子の検出値から前記平均値を引き算した結果に対して所定の校正行列を乗算して、前記エンドエフェクターに作用する並進力及びモーメントを算出する、
請求項４に記載の手術用システム。
【請求項９】
前記処理部は、温度変化に起因する歪み成分を前記平均値から取り除いて、前記エンドエフェクターの長軸方向に作用する力を算出する、
請求項８に記載の手術用システム。
【請求項１０】
マスタ装置と、前記マスタ装置により遠隔操作されるスレーブ装置からなり、前記スレーブ装置は、
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、生体内で前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
前記処理部による処理結果を前記マスタ装置に出力する出力部と、
を具備する、外科手術システム。
【請求項１１】
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果を伝送する伝送部と、
を具備する外科手術用器具。
【請求項１２】
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
を具備する外力検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、エンドエフェクターに作用する力を検出する手術用システム、外科手術システム、外科手術用器具、並びに外力検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のロボティクス技術の進歩は目覚ましく、さまざまな産業分野の作業現場にロボットが広く浸透してきている。例えば、マスタ−スレーブ方式のロボット・システムは、人（オペレータ）が手元にあるマスタ・アームを操作し、その動きを遠隔のスレーブ・アームがトレースすることで、マニピュレータの遠隔操作を実現することができる。医療用ロボットなど、コンピュータの制御による完全自律動作がいまだ困難な産業分野では、マスタ−スレーブ方式のロボット・システムが使用されている。【０００３】
例えば、米国インテュイティヴ・サージカル社の“ｄａ  Ｖｉｎｃｉ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ（ｄａ  Ｖｉｎｃｉ）”は、腹腔や胸腔といった内視鏡下手術用として初めて開発されたマスタ−スレーブ方式の手術用ロボットである。ｄａ  Ｖｉｎｃｉは多種類のロボット鉗子を装備し、また、施術者は３Ｄモニター画面を見ながら術野を得てスレーブ・アームを遠隔操作して手術することができる。【０００４】
このため、把持部（グリッパー）などのエンドエフェクターに作用する力を検出可能な医療用ロボティクス・システムについても、いくつかの提案がなされている（例えば、非特許文献１を参照のこと）。【０００５】
内視鏡下手術に利用される手術用ロボットにおいては、エンドエフェクターの構成を小型化することが必須であり、エンドエフェクターから離間して配置されたモーターなどの駆動部で発生する駆動力をケーブルによって伝達してエンドエフェクターを開閉操作するという駆動機構が一般的である。上記の力検出可能な医療用ロボティクス・システムにおいては、エンドエフェクターと、エンドエフェクターを駆動する駆動部の間に力センサーが配設されている。このような構成では、エンドエフェクターを開閉するためのケーブルの牽引力が、例えばエンドエフェクターの長軸方向に加わる外力と干渉するため、力センサーの感度低下を招来したり、校正を困難にしたりすることが懸念される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｕｌｒｉｃｈ  Ｓｅｉｂｏｌｄ  ｅｔ  ａｌ．“Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ  ｏｆ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ  Ｉｎｖａｓｉｖｅ  Ｓｕｒｇｅｒｙ  ｗｉｔｈ  ６−Ａｘｉｓ  Ｆｏｒｃｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００５  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ  Ｂａｒｃｅｌｏｎａ，  Ｓｐａｉｎ，  Ａｐｒｉｌ  ２００５，  ｐ．４９８−５０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書で開示する技術の目的は、エンドエフェクターに作用する力を好適に検出することができる、優れた手術用システム、外科手術システム、外科手術用器具、並びに外力検知システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示する技術は、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、
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、生体内で前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
を具備する手術用システムである。【０００９】
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。【００１０】
ここで、前記外スレーブは、長軸方向に対して屈曲する屈曲部を有し、前記歪み検出部は、前記屈曲部よりも遠位端側に配設される。また、前記外スレーブは前記内スレーブとデカップリングされている構造であり、前記エンドエフェクターを牽引するケーブルを前記内スレーブとともに挿通する。【００１１】
前記歪み検出部は、前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺の２箇所にそれぞれ配設された歪み検出素子を備えている。具体的には、前記歪み検出部は、前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺に取り付けた光ファイバーの前記２箇所に形成したＦＢＧセンサーからなる前記歪み検出素子を備えている。また、前記光ファイバーには、ダミーＦＢＧセンサーが形成されている。また、前記外スレーブは、前記歪み検出素子が配設された前記２箇所において応力が集中する形状を有する。【００１２】
そして、前記処理部は、前記歪み検出素子により検出された前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺の前記２箇所の歪みに基づいて、前記エンドエフェクターに作用する並進力及びモーメントを算出する。また、前記処理部は、前記歪み検出素子により検出された前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺の前記２箇所の歪みに基づいて、前記エンドエフェクターに作用する並進力及びモーメントを算出するようにする。【００１３】
また、前記処理部は、温度変化に起因する歪み成分を前記平均値から取り除いて、前記エンドエフェクターの長軸方向に作用する力を算出する。具体的には、前記処理部は、前記ダミーＦＢＧセンサーの波長変化に基づいて、前記ＦＢＧセンサーの検出結果から温度変化に起因する歪み成分を取り除くようにする。【００１４】
また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、
マスタ装置と、前記マスタ装置により遠隔操作されるスレーブ装置からなり、前記スレーブ装置は、
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、生体内で前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
前記処理部による処理結果を前記マスタ装置に出力する出力部と、
を具備する、外科手術システムである。【００１５】
また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果を伝送する伝送部と、
を具備する外科手術用器具である。【００１６】
また、本明細書で開示する技術の第４の側面は、
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
を具備する外力検知システムである。
【発明の効果】
【００１７】
本明細書で開示する技術によれば、エンドエフェクターに作用する力を好適に検出することができる、優れた手術用システム、外科手術システム、外科手術用器具、並びに外力検知システムを提供することができる。【００１８】
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、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、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。【００１９】
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、外科手術用システム１００の構成例を模式的に示した図である。
【図２】図２は、外科手術用システム１００の構成例を模式的に示した図である。
【図３】図３は、外科手術用システム１００の構成例を模式的に示した図である。
【図４】図４は、エンドエフェクター１１１に作用する力を例示した図である。
【図５】図５は、第１の外筐部１２１に歪み検出素子を取り付けた例を示した図である。
【図６】図６は、第１の外筐部１２１に歪み検出素子を取り付けた例を示した図である。
【図７】図７は、第１の外筐部１２１（片持ち梁）に作用する力を検出する仕組みを説明するための図である。
【図８】図８は、ＦＢＧセンサーを利用した歪み検出素子２５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂを第１の外筐部１２１に設置する方法を説明するための図である。
【図９】図９は、ダミーＦＢＧセンサーの構成例を示した図である。
【図１０】図１０は、信号処理部１０００においてエンドエフェクター１１１に作用する並進力及びモーメントを算出するための機能的構成を示した図である。
【図１１】図１１は、マスタ−スレーブ方式のロボット・システム１１００の機能的構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１〜図３には、本明細書で開示する技術を適用することが可能な外科手術用システム１００の構成例を模式的に示している。図示の外科手術用システム１００は、体内組織や手術器具などの対象物を把持するための把持機構部１１０と、この把持機構部１１０を軸線方向に挿通する外筐部材１２０とを備えている。外科手術用システム１００は、内スレーブとしての把持機構部１１０と、外スレーブとしての外筐部材１２０からなる２層構造体と言うこともできる。図１には主に把持機構部１１０の構成を示し、図２には主に外筐部材１２０の構成を示し、図３には、外筐部材１２０内に把持機構部１１０を挿通した外科手術用システム１００の全体構成を示している。
【００２３】
以下では、把持機構部１１０の長軸方向をＺ軸とするＸＹＺ座標系を設定する。したがって、紙面左方向がＺ軸、紙面に対して垂直の方向がＸ軸、紙面上下方向がＹ軸となる。
【００２４】
図１では、把持機構部１１０を単体で示している。また、図２では、外筐部材１２０を単体で、長軸方向と平行な平面（ＹＸ平面）で切断した断面を示している。また、図３では、把持機構部１１０を外筐部材１２０内に挿通させて固定した状態で、長軸方向と平行な平面（ＹＸ平面）で切断した断面を示している。
【００２５】
把持機構部１１０は、「生検鉗子」とも呼ばれる処置具に相当し、開閉操作が可能な１対のブレードからなるエンドエフェクター１１１を先端に備えている。エンドエフェクター１１１は、ケーブル１１２を介して伝達されるモーターなどの駆動部（図示しない）からの牽引力によって開閉して、体内組織や手術器具などの対象物を把持することができる。図１に示す例では、ケーブル１１２の引張力によりエンドエフェクター１１１が閉じて、対象物を把持することができる。
【００２６】
また、外筐部材１２０は、中空の円筒状の構造体からなり、腹腔や胸腔などの体腔内に刺入して、把持機構部１１０を体腔内にガイドする、「トラカール」に相当する案内管である。
【００２７】
外筐部材１２０を刺入した場所から把持対象が存在する場所まで、体腔内で把持機構部１１０（若しくは、エンドエフェクター１１１）を直進させることができるとは限らない。このため、外筐部材１２０は、外筐部材１２０を刺入した場所から、障害物などを迂回して把持対象に到達できるように、屈曲構造を備えている。
【００２８】
具体的には、図２から分かるように、外筐部材１２０は、遠位端から順に第１の外筐部１２１と、第２の外筐部１２２に分離されている。そして、第１の外筐部１２１の根元が、第１の関節部１２３を介して第２の外筐部１２２の先端に回動可能に支持されているので、外筐部材１２０は屈曲可能な構造となっている。ケーブル１２４を介して伝達されるモーターなどの駆動部（図示しない）からの牽引力によって第１の関節部１２３が回動すると、第１の外筐部１２１は長軸方向から屈曲する。
【００２９】
外科手術用システム１００は、例えば、眼科手術や脳外科手術、腹腔や胸腔といった内視鏡下手術を低侵襲に実施するために利用される医療用若しくは手術用ロボットのロボット・アームに着脱可能に装着される生検鉗子に相当する。外科手術用システム１００がマスタースレーブ方式ロボット・システムにおけるスレーブである場合、マスタからの指令に従って、生検鉗子すなわちエンドエフェクター１１１をケーブル１１２で牽引するための駆動部、及び、第１の外筐部１２１をケーブル１２４で牽引するための駆動部を動作させる。また、マスタ−スレーブ方式のロボット・システムでは、オペレータがマスタ・アームを使って、対象物を傷付けることなく、正確且つ効率的にスレーブ・アームを遠隔操作するには、スレーブ・アームの位置や、スレーブ・アームに加わる外力などの情報をフィードバックすることが望ましい。
【００３０】
なお、図示を省略するが、第２の外筐部１２２の根元部をさらに第３の外筐部（図示しない）の先端で回動可能に支持され、ケーブルの牽引力で回動するように、外科手術用システム１００を構成することも可能である。
【００３１】
第１の外筐部１２１と第２の外筐部１２２は、ともに中空の円筒状で、把持機構部１１０を挿通して、「トラカール」のように体腔内にガイドする案内管である。第１の外筐部１２１の遠位端側の端面のほぼ中央には、把持機構部１１０の先端を出現させるための開口部１２５が穿設されている。把持機構部１１０が、近位端側から中空の第１の外筐部１２１内に挿入される。そして、エンドエフェクター１１１を含む把持機構部１１０の先端側から所定の長さ部分が、開口部１２５から外部に出現している。このような位置関係で、把持機構部１１０は、第１の外筐部１２１の端縁の開口部１２５にて、支持部１２６により長軸回りに回転可能に支持されている。
【００３２】
本実施形態に係る外科手術用システム１００は、開閉操作が可能なエンドエフェクター１１１を備えた把持機構部１１０と、屈曲構造を有する外筐部材１２０を組み合わせることにより、把持の１自由度と屈曲の１自由度を実現することができる。さらに、内スレーブとして把持機構部１１０は、外スレーブとしての外筐部材１２０に対して長軸回りに回転する自由度を有している。
【００３３】
なお、内スレーブとしての把持機構部１１０と外スレーブとしての第１の外筐部１２１はデカップリングされている構造である。図３では簡素化して描いたが、支持部１２６は例えば転がり軸受やすべり軸受で構成され、外筐部１２１に対し把持機構部１１０を長軸回りに回転可能に軸支している。したがって、把持機構部１１０と外筐部１２１は、所定の嵌合誤差を以って互いに摺動可能に独立している（若しくは、浮いている）構造である。把持機構部１１０は、エンドエフェクター１１１の把持力を、外筐部１２１から独立して伝達することができ、把持動作を行なう際に外筐部１２１には外乱を与えることはない。また、把持機構部１１０は、生検鉗子のようにフレキシブルな構造を有することを想定しており、外力が作用する方向に変形する自由度を持ち、変形したときには外筐部１２１と接触して、エンドエフェクター１１１に作用した外力を間接的に外筐部１２１に伝えることができる。すなわち、デカップリングされている構造のため、把持機構部１１０の先端のエンドエフェクター１１１に作用する並進力は第１の外筐部１２１にも作用するが、エンドエフェクター１１１の把持動作のためのケーブル１１２による牽引力は、第１の外筐部１２１に作用することはないものとする。
【００３４】
図４には、エンドエフェクター１１１に作用する力を例示している。体腔内での作業中などには、エンドエフェクター１１１には、Ｚ方向の外力Ｆｚと、Ｘ方向並びにＹ方向の外力Ｆｘ、Ｆｙが作用し、さらにはＸＹ方向の並進力Ｆｘ、ＦｙとともにＸＹ各軸回りのモーメントＭｘ、Ｍｙも作用する。
【００３５】
外科手術用システム１００がマスタ−スレーブ方式のロボット・システムにおけるスレーブ装置に適用される場合、エンドエフェクター１１１への作用力を検出して、マスタ装置側でオペレータに対する力覚提示などに利用することができる。また、エンドエフェクター１１１がケーブル１１２を介して伝達される駆動力によって開閉動作する構造の場合には、このケーブル１１２の牽引力と干渉することなくエンドエフェクター１１１への作用力を検出する必要がある。
【００３６】
図５には、図１〜図３に示した外科手術用システム１００において、エンドエフェクター１１１に作用する力を検出するための構成を模式的に示している。
【００３７】
把持機構部１１０は、支持部１２６によって、第１の外筐部１２１に対して長軸方向に回転可能に支持されている（前述）。エンドエフェクター１１１に作用する並進力は、第１の外筐部１２１にも作用する。したがって、第１の外筐部１２１は、エンドエフェクター１１１に作用する並進力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚに応じて歪みΔεを生じる。
【００３８】
第１の外筐部１２１は、第１の関節部１２３を固定端としてＸＹ方向に撓み且Ｚ方向に伸縮する片持ち梁として捉えることができる。したがって、本実施形態では、第１の外筐部１２１を起歪体として活用して、その外周の１以上の箇所に歪み検出素子が配設される。図５に示す例では、第１の外筐部１２１の外周には、長軸方向の異なる２箇所ａ及びｂの各位置におけるＸＹ方向の歪みを検出するための複数の歪み検出素子が取り付けられている。
【００３９】
具体的には、位置ａにおいて、第１の外筐部１２１のＸ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子５０１ａ、５０３ａ（図示しない）が、第１の外筐部１２１の外周の対辺に取り付けられている。また、第１の外筐部１２１のＹ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子５０２ａ、５０４ａが、第１の外筐部１２１の外周の対辺に取り付けられている。同様に、位置ｂにおいて、第１の外筐部１２１のＸ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子５０１ｂ、５０３ｂ（図示しない）が取り付けられるとともに、Ｙ方向の歪み量を検出するための一対の歪み検出素子５０２ｂ、５０４ｂが取り付けられている。
【００４０】
図６には、第１の外筐部１２１の位置ａにおけるＸＹ断面を示している。同図から分かるように、Ｘ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子５０１ａ、５０３ａが第１の外筐部１２１の外周のＸ方向の対辺に取り付けられているとともに、Ｙ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子５０２ａ、５０４ａが第１の外筐部１２１の外周のＹ方向の対辺に取り付けられている。なお、図示を省略するが、第１の外筐部１２１の位置ｂにおけるＸＹ断面も図６と同様に、Ｘ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子５０１ｂ、５０３ｂが第１の外筐部１２１の外周のＸ方向の対辺に取り付けられているとともに、Ｙ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子５０２ｂ、５０４ｂが第１の外筐部１２１の外周のＹ方向の対辺に取り付けられている。
【００４１】
まず、１つの検出位置で、Ｘ方向の対辺に一対の歪み検出素子５０１ａと５０３ａ（又は、５０１ｂと５０３ｂ）を配設するとともに、Ｙ方向の対辺に一対の歪み検出素子５０２ａと５０４ａ（又は、５０２ｂと５０４ｂ）を配設する理由について、図７を参照しながら説明する。
【００４２】
図７（Ａ）に示すように、片持ち梁３０１に、１つの歪み検出素子７１１しか取り付けない場合、片持ち梁７０１にＺ方向の外力Ｆｚが加わると、歪み検出素子７１１が圧縮することから、外力Ｆｚを計測することができる。ところが、片持ち梁７０１が紙面の上下いずれの方向に撓んでも歪み検出素子７１１は伸展することから、歪み検出素子７１１の検出結果のみからＹ方向に加えられた外力Ｆｙが作用する方向が正負（紙面の上下）いずれの方向であるかを識別できない。
【００４３】
これに対し、図７（Ｂ）に示すように、片持ち梁７０１のＹ方向の対辺に一対の検出素子７２１、７２２を取り付けた場合、片持ち梁７０１が紙面上方向に撓んだときには一方の歪み検出素子７２１が圧縮するとともに他方の歪み検出素子７２２が伸展するが、逆に片持ち梁７０１が紙面下方向に撓んだときには一方の歪み検出素子７２１が伸展するとともに他方の歪み検出素子７２２が圧縮する。したがって、Ｙ方向の対辺に取り付けた一対の検出素子７２１、７２２で検出される歪み量の正負符号の関係から、Ｙ方向に加えられた外力Ｆｙが作用する方向を識別することが可能である。
【００４４】
よって、第１の外筐部１２１の長軸方向の任意の位置のＸ方向の対辺に取り付けられた一対の歪み検出素子５０１ａと５０３ａ（又は、５０１ｂと５０３ｂ）で検出される各歪み量の和をとることによって、第１の外筐部１２１に作用するＺ方向の外力を検出することができるとともに、各歪み量の差をとることによって第１の外筐部１２１に作用するＸ方向の外力を算出することが可能になる。また、各歪み検出素子５０１ａと５０３ａ（又は、５０１ｂと５０３ｂ）で検出される歪み量は、作用力に起因する成分の他に温度変化に起因する成分も含まれるが、各歪み量の差をとってＸ方向の外力を算出する際には温度変化に起因する成分が相殺され、温度補償処理を行なう必要がなくなるという利点もある。なお、対辺に設置したセンサー間で検出値の差分をとって温度補償を行なう方法は、例えば４つの歪みゲージを用いた４ゲージ法でも当業界で知られている。
【００４５】
同様に、第１の外筐部１２１の長軸方向の任意の位置のＹ方向の対辺に取り付けられた一対の歪み検出素子５０２ａと５０４ａ（又は、５０２ｂと５０４ｂ）で検出される各歪み量の和をとることによって、第１の外筐部１２１に作用するＺ方向の外力を検出することができるとともに、各歪み量の差をとることによって第１の外筐部１２１に作用するＹ方向の外力を算出することが可能になる。また、各歪み検出素子５０２ａと５０４ａ（又は、５０２ｂと５０４ｂ）で検出される歪み量は、作用力に起因する成分の他に温度変化に起因する成分も含まれるが、各歪み量の差をとってＹ方向の外力を算出する際には温度変化に起因する成分が相殺され、温度補償処理を行なう必要がなくなるという利点もある（同上）。
【００４６】
続いて、第１の外筐部１２１の長軸方向に異なる２箇所の位置ａ、ｂで、ＸＹ方向の歪み量を検出する構成を採用している理由について説明する。
【００４７】
片持ち梁の１箇所の歪み量からは並進力を算出できるが、モーメントを算出できない。これに対し、２箇所以上の歪み量からは並進力とともにモーメントも算出することができる。したがって、図５に示した構成によれば、２箇所の位置ａ、ｂで検出されるＸ方向の歪み量に基づいて、第１の外筐部１２１に作用するＸ方向の並進力ＦｘとＸ軸回りのモーメントＭｘを算出することができ、同様に、２箇所の位置ａ、ｂで検出されるＹ方向の歪み量に基づいて、第１の外筐部１２１に作用するＹ方向の並進力ＦｙとＹ軸回りのモーメントＭｙを算出することができる。
【００４８】
外科手術用システム１００全体としては、３方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚに加え、２軸回りのモーメントＭｘ、Ｍｙの５ＤＯＦ（Ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｅｄｏｍ：自由度）を持つセンサーを装備している、と言うこともできる。
【００４９】
第１の外筐部１２１に挿通された把持機構部１１０には、エンドエフェクター１１１を開閉操作するためのケーブル１１２の牽引力が働く。但し、内スレーブとしての把持機構部１１０と外スレーブとしての第１の外筐部１２１は互いにデカップリングされた構造であるため（前述）、ケーブル１１２の牽引力が第１の外筐部１２１に作用することはない。したがって、第１の外筐部１２１に装備された５ＤＯＦセンサーは、ケーブル１１２の牽引力（言い換えれば、エンドエフェクター１１１の把持力）と干渉することがなくなるので、エンドエフェクター１１０に作用する５ＤＯＦの作用力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙを高感度で計測することが可能である。付言すれば、この５ＤＯＦセンサーの後段の実慣性が低減されることによる、機械振動ノイズを低減することができるという効果もある。
【００５０】
図２〜図４、図６などでは、第１の外筐部１２１を、図面の簡素化のため、単純な円筒形状として描いている。第１の外筐部１２１を起歪体として相応しい構造にすることで、５ＤＯＦセンサーとしての検出の性能が向上する。すなわち、第１の外筐部１２１を、長軸方向の２箇所の計測位置ａ、ｂの各々において応力が集中して変形し易い形状に構成すると、歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂにおいて歪み量を計測し易くなり、５ＤＯＦセンサーとしての検出の性能が向上することが期待される。
【００５１】
また、歪み検出素子としては、静電容量式センサー、半導体歪みゲージ、箔歪みゲージなども当業界で広く知られており、これらのうちいずれかを歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂとして用いることもできる。但し、本実施形態では、歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂとして、光ファイバーを利用して製作されるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）センサーを用いている。
【００５２】
ここで、ＦＢＧセンサーは、光ファイバーの長軸に沿って回折格子（グレーティング）を刻んで構成されるセンサーであり、作用力によって生じる歪みや温度の変化に伴う膨張又は収縮による回折格子の間隔の変化を、所定波長帯（ブラッグ波長）の入射光に対する反射光の波長の変化として検出することができる（周知）。そして、ＦＢＧセンサーから検出された波長の変化を、原因となる歪みや応力、温度変化に換算することができる。
【００５３】
本実施形態では、歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂを取り付けた第１の外筐部１２１から離間した場所に、検出信号を処理する信号処理部を配置することを想定している。光ファイバーを利用したＦＢＧセンサーは伝送損失が小さい（外界からのノイズが乗り難い）ことから、想定される使用環境下でも検出精度を高精度に保つことができる。また、ＦＢＧセンサーは、医療に必要な滅菌対応や強磁場環境下対応をとり易いという利点もある。
【００５４】
２箇所の計測位置ａ、ｂにおいて変形し易くなるように構成した第１の外筐部１２１の構造、並びにＦＢＧセンサーを利用した歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂを第１の外筐部１２１の外周に設置する方法について、図８を参照しながら説明する。
【００５５】
図８には、第１の外筐部１２１のＹＺ断面並びにＺＸ断面の各々を示している。同図では、第１の外筐部１２１のＹＺ断面並びにＺＸ断面の部分をグレーで塗り潰している。第１の外筐部１２１は、中空で且つ長軸回りに回転対称の形状であると理解されたい。なお、中空の内部には把持機構部１１０が挿通されているが、図８では簡素化のため把持機構部１１０の図示を省略している。
【００５６】
図示の通り、第１の外筐部１２１の外周は、長軸方向の異なる２箇所の計測位置ａ、ｂにおいて、半径が緩やかに縮小した凹み部をそれぞれ有するくびれ構造をなしている。一方、第１の外筐部１２１の内径は長軸方向で一定であり、凹み部では肉厚が薄くなっている。したがって、第１の外筐部１２１は、ＸＹの少なくとも一方向に力が作用したときに、各計測位置ａ、ｂで応力が集中して変形し易くなり、起歪体として利用することができる。
【００５７】
第１の外筐部１２１は、例えば、生体適合性に優れている金属系材料として知られているステンレス鋼（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ：ＳＵＳ）やＣｏ−Ｃｒ合金、チタン系材料を用いて製作される。上記のように構造の一部に起歪体を形成するという観点からは、高強度で且つ低剛性（ヤング率が低い）といった機械的特性を持つ材料、例えばチタン合金を用いて第１の外筐部１２１を製作することが好ましい。起歪体に低剛性の材料を用いることで、エンドエフェクター１１１への作用力を高感度で計測することが可能になる。また、チタン合金は生体適合性があり、外科手術などの医療現場で使用する場合にも好ましい材料である。
【００５８】
第１の外筐部１２１の外周には、Ｙ方向の対辺に一対の光ファイバー８０２、８０４が長軸方向に敷設されている。同様に、第１の外筐部１２１の外周には、Ｘ方向の対辺に一対の光ファイバー８０１、８０３が長軸方向に敷設されている。要するに、第１の外筐部１２１全体としては４本の光ファイバー８０１〜８０４が敷設されていることになる。
【００５９】
Ｙ方向の対辺に敷設された光ファイバー８０２、８０４のうち、第１の外筐部１２１の２箇所の凹み部と重なる範囲（若しくは、計測位置ａ、ｂの近辺）は、回折格子を刻んでＦＢＧセンサーが構成され、それぞれ歪み検出素子５０２ａ、５０２ｂ、５０４ａ、５０４ｂとして利用に供される。光ファイバー８０２、８０４のうちＦＢＧセンサーが構成された部分を、図中、斜線で塗り潰している。
【００６０】
また、ＦＢＧセンサー５０２ａ、５０２ｂ、５０４ａ、５０４ｂが構成された部分の両端８１１〜８１３、８１４〜８１６で、各光ファイバー８０２、８０４は第１の外筐部１２１の表面に接着剤などでそれぞれ固定されている。したがって、外力が作用して第１の外筐部１２１がＹ方向に撓むと各光ファイバー８０２、８０４も一体となって変形して、ＦＢＧセンサー部分、すなわち歪み検出素子５０２ａ、５０２ｂ、５０４ａ、５０４ｂには歪みが生じる。
【００６１】
同様に、Ｘ方向の対辺に敷設された光ファイバー８０１、８０３のうち、第１の外筐部１２１の２箇所の凹み部と重なる範囲（若しくは、計測位置ａ、ｂの近辺）は、回折格子を刻んでＦＢＧセンサーが構成され、それぞれ歪み検出素子５０１ａ、５０１ｂ、５０３ａ、５０３ｂとして利用に供される。光ファイバー８０１、８０３のうちＦＢＧセンサーが構成された部分を、図中、斜線で塗り潰している。
【００６２】
また、ＦＢＧセンサー５０１ａ、５０１ｂ、５０３ａ、５０３ｂが構成された部分の両端８２１〜８２３、８２４〜８２６で、各光ファイバー８０１、８０１は第１の外筐部１２１の表面に接着剤などでそれぞれ固定されている。したがって、外力が作用して第１の外筐部１２１がＹ方向に撓むと各光ファイバー８０１、８０３も一体となって変形して、ＦＢＧセンサー部分、すなわち歪み検出素子５０１ａ、５０１ｂ、５０３ａ、５０３ｂには歪みが生じる。
【００６３】
図８では、歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂとして用いられる光ファイバー８０１〜８０４のうち、第１の外筐部１２１の外周に取り付けられた部分しか描いておらず、その他の部分の図示を省略している。
【００６４】
例えば、歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂとして用いられる光ファイバー８０１〜８０４のうち、第１の外筐部１２１の外周から分離した部分に、ダミーＦＢＧセンサーを構成することもできる。
【００６５】
図９には、第１の外筐部１２１の外周に取り付けられた光ファイバー８０１、８０２、８０４にダミーＦＢＧセンサーを配設した例を示している。図示の例では、参照番号９０１、９０２、９０４で示すように、各光ファイバー８０１、８０２、８０４が第１の関節部１２３を跨ぐ部分に回折格子を刻んで、各々にダミーＦＢＧセンサーを構成している。なお、同図では、光ファイバー５０３は隠れて見えないが、同様に第１の関節部１２３を跨ぐ部分にもダミーＦＢＧセンサーが配設されているものと理解されたい。
【００６６】
図９から分かるように、ダミーＦＢＧセンサー９０１、９０２、９０４は、光ファイバー８０１、８０２、８０４のうち第１の外筐部１２１の外周に固定されていない部分（言い換えれば、起歪体には固定されていない部分）に形成されている。したがって、各ダミーＦＢＧセンサー９０１、９０２、９０４で検出される波長変化は、第１の外筐部１２１の歪みに影響されない、温度変化のみに起因する波長変化と推定することができる。
【００６７】
歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂは、ＸＹ各方向の対辺に配設されているので、ＸＹ方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙの算出時には対辺の歪み量の差をとって温度変化に起因する成分が相殺されるので、温度補償処理を行なう必要がない（前述）。他方、Ｚ方向の並進力Ｆｚの算出時には、ダミーＦＢＧセンサー９０１、９０２、９０４の波長変化Δλtempを用いて温度補償処理を行なうようにすればよい。
【００６８】
図８では光ファイバー８０１〜８０４のうち、第１の外筐部１２１の外周に取り付けられた部分しか描いていないが、他端は第１の関節部１２３を越えて、検出部や信号処理部（いずれも図示しない）まで延設されている。実際には、光ファイバー８０１〜８０４の全長は例えば４００ミリメートル程度を想定している。
【００６９】
検出部や信号処理部は、エンドエフェクター１１１から離間した場所、例えば外科手術用システム１００の根元付近に配設される。検出部は、光ファイバー８０１〜８０４に所定波長（ブラッグ波長）の光を入射させるとともにその反射光を受光して波長の変化Δλを検出する。そして、信号処理部は、第１の外筐部１２１のＸＹ各方向の対辺にそれぞれ対向して取り付けられた歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂとしての各ＦＢＧセンサーから検出された波長変化に基づいて、エンドエフェクター１１１に作用する３方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと２方向のモーメントＭｘ、Ｍｙを算出する。信号処理部によるこの演算処理の詳細については、後述に譲る。
【００７０】
これまでは、主に本実施形態に係る外科手術用システム１００の構造について説明してきた。続いて、第１の外筐部１２１に構成された５ＤＯＦセンサーの検出信号に基づいて、第１の外筐部１２１に挿通されたエンドエフェクター１１１に作用する力を算出するための、信号処理部で実施される処理アルゴリズムについて説明する。
【００７１】
図１０には、信号処理部１０００において、第１の外筐部１２１に敷設された光ファイバー８０１〜８０４の各々に形成されたＦＢＧセンサーから得られる検出結果に基づいて、エンドエフェクター１１１に作用する３方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚとモーメントＭｘ、Ｍｙを算出するための、５ＤＯＦセンサー用の処理アルゴリズムを模式的に示している。
【００７２】
検出部は、第１の外筐部１２１のＸＹ方向それぞれの各対辺に取り付けた光ファイバー８０１〜８０４への所定波長帯の入射光に対する反射光に基づいて、エンドエフェクター１１１に外力が作用したときの、第１の外筐部１２１の位置ａに配設された歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａとしての各ＦＢＧセンサーにおける波長変化Δλａ１〜Δλａ４をそれぞれ検出する。但し、検出される波長変化Δλａ１〜Δλａ４には、温度変化に起因する波長変化成分も含まれている。
【００７３】
また、検出部は、第１の外筐部１２１のＸＹ方向それぞれの各対辺に取り付けた光ファイバー８０１〜８０４への所定波長帯の入射光に対する反射光に基づいて、エンドエフェクター１１１に外力が作用したときの、第１の外筐部１２１の位置ａに配設された歪み検出素子５０１ｂ〜５０４ｂとしての各ＦＢＧセンサーにおける波長変化Δλｂ１〜Δλｂ４をそれぞれ検出する。但し、検出される波長変化Δλｂ１〜Δλｂ４には、温度変化に起因する波長変化成分も含まれている。
【００７４】
また、図１０では図示を省略したが、検出部は、各光ファイバー８０１〜８０４に設けられたダミーＦＢＧセンサー（図９を参照のこと）における波長変化を検出する。後段の信号処理部１０００では、これらダミーＦＢＧセンサーの検出値の合計、又は合計値に校正ゲインを掛けた値をダミーＦＢＧセンサーの波長変化量Δλdammyとして利用するようにしている（後述）。波長変化量Δλdammyは、各光ファイバー８０１〜８０４における温度変化に起因する波長変化成分である。
【００７５】
ここで、検出部が各光ファイバー８０１〜８０４の位置ａから検出する波長変化Δλａ１〜Δλａ４は、エンドエフェクター１１１に外力が作用したときに第１の外筐部１２１の位置ａに発生する歪み量Δεａ１〜Δεａ４とそれぞれ等価である。また、検出部が各光ファイバー８０１〜８０４の位置ｂから検出する波長変化Δλｂ１〜Δλｂ４は、エンドエフェクター１１１に外力が作用したときに第１の外筐部１２１の位置ｂに発生する歪み量Δεｂ１〜Δεｂ４とそれぞれ等価である（但し、温度変化に起因する波長変化の成分を無視した場合）。
【００７６】
エンドエフェクター１１１にＸ方向の並進力Ｆｘ又はモーメントＭｘが発生したとき、Ｘ方向の対辺に配設された歪み検出素子５０１ａと５０３ａ間、並びに歪み検出素子５０１ｂと５０３ｂ間では、図７からも分かるように、歪み方向が逆向きとなる（すなわち、一方の素子が圧縮する場合は他方が伸展する）。また、エンドエフェクター１１１に作用するＸ方向の並進力Ｆｘ又はモーメントＭｘに対し、Ｙ方向の対辺に配設された歪み検出素子５０２ａと５０４ａ間、並びに歪み検出素子５０２ｂと５０４ｂ間では、歪み方向は同じ向きになる。
【００７７】
同様に、エンドエフェクター１１１にＹ方向の並進力Ｆｙ又はモーメントＭｙが発生したとき、Ｙ方向の対辺に配設された歪み検出素子５０２ａと５０４ａ間、並びに歪み検出素子５０２ｂと５０４ｂ間では、歪み方向が逆向きとなる（すなわち、一方の素子が圧縮する場合は他方が伸展する）。また、エンドエフェクター１１１に作用するＹ方向の並進力Ｆｙ又はモーメントＭｙに対し、Ｘ方向の対辺に配設された歪み検出素子５０１ａと５０３ａ間、並びに歪み検出素子５０１ｂと５０３ｂ間では、歪み方向は同じ向きになる。
【００７８】
したがって、各光ファイバー８０１〜８０４の位置ａ及びｂで対辺のＦＢＧセンサーからそれぞれ検出する波長変化Δλａ１〜Δλａ４、Δλｂ１〜Δλｂ４間の差をとることによって、エンドエフェクター１１１に作用するＸＹ各方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙ、並びにモーメントＭｘ、Ｍｙに起因する波長変化成分を取り出すことができる。
【００７９】
他方、エンドエフェクター１１１にＺ方向の並進力Ｆｚが発生したときには、すべての歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂにおいて、歪み方向は同じ向きになる。したがって、各光ファイバー８０１〜８０４の位置ａ及びｂからそれぞれ検出する波長変化Δλａ１〜Δλａ４、Δλｂ１〜Δλｂ４の和をとることによって、エンドエフェクター１１１に作用するＺ方向の並進力Ｆｚに起因する波長変化成分を取り出すことができる。
【００８０】
信号処理部１０００内の和モード部１００１は、下式（１）に示すように各光ファイバー８０１〜８０４の位置ａ及びｂからそれぞれ検出される波長変化Δλiの和を求め、これを歪み検出素子数（すなわち、ＦＢＧセンサー数）８で割った値を出力する。
【００８１】
【数１】
2018163622.tif 000003
【００８２】
但し、各歪み検出素子５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂの波長変化の合計は、作用力による歪みに起因する成分の他に、温度変化に起因する波長変化成分を含んでいる。そこで、ダミーＦＢＧ処理部１００３は、各光ファイバー８０１〜８０４に設けられた４つのダミーＦＢＧセンサーの検出値の合計、又は合計値に校正ゲインを掛けた値を求め、これをダミーＦＢＧセンサーで検出された波長変化量Δλdammyとして出力する。そして、和モード部１００１の出力からダミーＦＢＧ処理部１００３の出力Δλdammyを引き算することで、温度補償を行なう。
【００８３】
また、差モード部１００２は、以下の式（２）に従って、検出部からの上記の８入力Δλａ１〜Δλａ４、Δλｂ１〜Δλｂ４の各々から、これら８入力の平均値を引き算して、後段の並進力・モーメント導出部１００４に出力する。各位置ａ、ｂで検出される波長変化は、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙによる作用歪みによる波長変化成分とともに、温度変化に起因する波長変化成分Δλtempが含まれる。差動モード部１３０１では、対辺のＦＢＧセンサーで検出された波長変化の差分をとっているので、温度変化に起因する波長変化成分Δλtempをキャンセルすることができる。
【００８４】
【数２】
2018163622.tif 000004
【００８５】
そして、並進力／モーメント導出部１００４は、以下の式（３）に示すように、和モード部１００１の出力に対して温度補償処理を行なった結果（Δλsum−Δλdammy）と、差モード部１００２の出力Δλdiffからなるベクトルに校正行列Ｋを乗算して、エンドエフェクター１１１に作用する並進力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙを算出する。
【００８６】
【数３】
2018163622.tif 000005
【００８７】
なお、図１０に示した信号処理部１０００の演算で使用される校正行列Ｋは、例えば校正実験により導出することができる。
【００８８】
このように、本実施形態によれば、外科手術用システム１００は、エンドエフェクター１１１を持つ把持機構部１１０を挿通する外筐部材１２０に構成された５ＤＯＦセンサーにより、エンドエフェクター１１１に作用する並進力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ並びにモーメントＭｘ及びＭｙを検出することができる。また、把持機構部１１０と外筐部材１２０はデカップリングされている構造であるため（前述）、エンドエフェクター１１１を開閉操作するためのケーブル１１２の牽引力と干渉することなくエンドエフェクター１１１への作用力を検出することが可能である。
【００８９】
例えば、外科手術用システム１００が、マスタ−スレーブ方式のロボット・システムにおけるスレーブ装置として動作する場合、上記の５ＤＯＦセンサーによる検出結果を、遠隔制御に対するフィードバック情報としてマスタ装置に送信する。マスタ装置側では、フィードバック情報をさまざまな用途に利用することができる。例えば、マスタ装置は、スレーブ装置からのフィードバック情報に基づいて、オペレータに対する力覚提示を実施することができる。例えば外科手術では、外科手術用システム１００に作用する外力を検出してマスタ装置を使用するオペレータ（外科医）にフィードバックすることにより、臓器の損傷を防ぐことが可能になる。
【００９０】
図１１には、マスタ−スレーブ方式のロボット・システム１１００の機能的構成を模式的に示している。ロボット・システム１１００は、オペレータが操作するマスタ装置１１１０と、オペレータによる操作に従ってマスタ装置１１１０から遠隔制御されるスレーブ装置１１２０で構成される。マスタ装置１１１０とスレーブ装置１１２０間は、無線又は有線のネットワークを経由して相互接続されている。
【００９１】
マスタ装置１１１０は、操作部１１１１と、変換部１１１２と、通信部１１１３と、力覚提示部１１１４を備えている。
【００９２】
操作部１１１１は、オペレータがスレーブ装置１１２０を遠隔操作するためのマスタ・アームなどからなる。変換部１１１２は、オペレータが操作部１１１１に対して行なった操作内容を、スレーブ装置１１２０側（より具体的には、スレーブ装置１１２０内の駆動部１１２１）の駆動を制御するための制御情報に変換する。
【００９３】
通信部１１１３は、スレーブ装置１１２０側（より具体的には、スレーブ装置１１２０内の通信部１１２３）と、無線又は有線のネットワークを経由して相互接続されている。通信部１１１３は、変換部１１１２から出力される制御情報を、スレーブ装置１１２０に送信する。
【００９４】
一方、スレーブ装置１１２０は、駆動部１１２１と、検出部１１２２と、通信部１１２３を備えている。
【００９５】
スレーブ装置１１２０は、図１に示したような、先端に多軸鉗子のようなエンドエフェクター１１１が取り付けられた多リンク構成のアーム型ロボットを想定している。駆動部１１２１は、リンク間を接続する各関節を回転駆動するモーターや、エンドエフェクター１１１を開閉動作させるためのモーターが含まれている。エンドエフェクター１１１を開閉動作させるためのモーターは、エンドエフェクター１１１から離間した場所に配設され、ケーブル１１２によって駆動力が伝達される。
【００９６】
検出部１１２２は、第１の外筐部１２１に構成された、エンドエフェクター１１１に作用する３方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｘ並びにＸＹ各軸回りのモーメントＭｘ及びＭｙを検出することができる５ＤＯＦセンサーである。
【００９７】
通信部１１２３は、マスタ装置１１１０側（より具体的には、マスタ装置１１２０内の通信部１１１３）と、無線又は有線のネットワークを経由して相互接続されている。上記の駆動部１１２１は、通信部１１２３がマスタ装置１１１０側から受信した制御情報に従って駆動する。また、上記の検出部１１２２による検出結果（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ）は、通信部１１２３からマスタ装置１１１０側に送信される。
【００９８】
マスタ装置１１１０側では、力覚提示部１１１４は、通信部１１１３がスレーブ装置１１２０からフィードバック情報として受信した検出結果（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ）に基づいて、オペレータに対する力覚提示を実施する。
【００９９】
マスタ装置１１１０を操作するオペレータは、力覚提示部１１１４を通じて、スレーブ装置１１２０側のエンドエフェクターに加わる接触力を認識することができる。例えば、スレーブ装置１１２０が手術用ロボットの場合には、オペレータは、鉗子部１１０に作用する手ごたえなどの触感を得ることにより、縫合糸の操作時における手加減を適切に行ない、縫合を完全に終えることができ、生体組織への侵襲を防止して効率よく作業することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術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。【０１０１】
本明細書で開示する技術は、マスタ−スレーブ方式以外のさまざまなタイプのロボット装置にも同様に適用することができる。また、本明細書では、本明細書で開示する技術を主に手術用ロボットに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではなく、手術以外の医療用途、あるいは医療以外のさまざまな分野で利用されるロボット装置にも同様に適用することができる。【０１０２】
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術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。本明細書で開示する技術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。【０１０３】
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、生体内で前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
を具備する手術用システム。
（２）前記外スレーブは、長軸方向に対して屈曲する屈曲部を有し、
前記歪み検出部は、前記屈曲部よりも遠位端側に配設される、
上記（１）に記載の手術用システム。
（３）前記外スレーブは前記内スレーブとデカップリングされている構造であり、前記エンドエフェクターを牽引するケーブルを前記内スレーブとともに挿通する、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の手術用システム。
（４）前記歪み検出部は、前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺の２箇所にそれぞれ配設された歪み検出素子を備え、
前記処理部は、前記歪み検出素子により検出された前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺の前記２箇所の歪みに基づいて、前記エンドエフェクターに作用する並進力及びモーメントを算出する、
上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の手術用システム。
（５）前記歪み検出部は、前記外スレーブの長軸方向に直交する２方向の各対辺に取り付けた光ファイバーの前記２箇所に形成したＦＢＧセンサーからなる前記歪み検出素子を備える、
上記（４）に記載の手術用システム。
（６）前記光ファイバーにダミーＦＢＧセンサーが形成され、
前記処理部は、前記ダミーＦＢＧセンサーの波長変化に基づいて、前記ＦＢＧセンサーの検出結果から温度変化に起因する歪み成分を取り除く、
上記（５）に記載の手術用システム。
（７）前記外スレーブは、前記歪み検出素子が配設された前記２箇所において応力が集中する形状を有する、
上記（４）乃至（６）のいずれかに記載の手術用システム。
（８）前記処理部は、すべての前記歪み検出素子で検出された歪み量の平均値と、各歪み検出素子の検出値から前記平均値を引き算した結果に対して所定の校正行列を乗算して、前記エンドエフェクターに作用する並進力及びモーメントを算出する、
上記（４）に記載の手術用システム。
（９）前記処理部は、温度変化に起因する歪み成分を前記平均値から取り除いて、前記エンドエフェクターの長軸方向に作用する力を算出する、
上記（８）に記載の手術用システム。
（１０）マスタ装置と、前記マスタ装置により遠隔操作されるスレーブ装置からなり、前記スレーブ装置は、
エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、生体内で前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
前記処理部による処理結果を前記マスタ装置に出力する出力部と、
を具備する、外科手術システム。
（１１）エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果を伝送する伝送部と、
を具備する外科手術用器具。
（１２）エンドエフェクターを有する内スレーブと、
前記内スレーブを挿通するとともに、先端から前記エンドエフェクターが出現する位置で前記内スレーブを支持する外スレーブと、
前記外スレーブに発生する歪みを検出する歪み検出部と、
前記歪み検出部の検出結果に基づいて、前記エンドエフェクターに作用する力を算出する処理部と、
を具備する外力検知システム。
【符号の説明】
【０１０４】
１００…外科手術用システム
１１０…把持機構部
１１１…エンドエフェクター、１１２…ケーブル
１２０…外筐部材、１２１…第１の外筐部
１２２…第２の外筐部、１２３…第１の関節部、１２４…ケーブル
１２５…開口部、１２６…支持部
５０１ａ〜５０４ａ、５０１ｂ〜５０４ｂ…歪み検出素子
８０１〜８０４…光ファイバー
９０１、９０２、９０４…ダミーＦＢＧセンサー
１０００…信号処理部
１００１…和モード部、１００２…差モード部
１００３…ダミーＦＢＧ処理部、１００４…並進力・モーメント導出部
１１００…ロボット・システム
１１１０…マスタ装置、１１１１…操作部、１１１２…変換部
１１１３…通信部、１１１４…力覚提示部
１１２０…スレーブ装置、１１２１…駆動部
１１２２…検出部、１１２３…通信部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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