(57)【要約】  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、制御装置、起歪体、外科手術用器具などを提供する。  手術用システムは、１以上のリンクを有するアームと、前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、前記第１の歪み検出部及び前記第２の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。
2018163680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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、
を具備する手術用システム。
【請求項２】
前記エンドエフェクターは、第１のブレードと、第２のブレードと、前記第１のブレードと前記第２のブレードを互いに回動可能に連結する鉗子回動軸で構成される鉗子部を備える、
請求項１に記載の手術用システム。
【請求項３】
前記第１のブレード及び前記第２のブレードには起歪体がそれぞれ構成され、
前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレード及び前記第２のブレードの各起歪体にそれぞれ配設された歪み検出素子を含む、
請求項２に記載の手術用システム。
【請求項４】
前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側に発生する歪みを検出する各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側に発生する歪みを検出する各歪み検出素子を備え、
前記処理部は、検出された前記第１のブレードの内側及び外側の歪みと前記第２のブレードの内側及び外側の歪みに基づいて、前記エンドエフェクターに作用する力を算出する、
請求項３に記載の手術用システム。
【請求項５】
前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各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】
前記処理部は、前記第１のブレード及び前記第２のブレードの内側の歪みと前記第１のブレード及び前記第２のブレードの外側の歪みの和に基づいて、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４に記載の手術用システム。
【請求項７】
前記処理部は、前記第２の歪み検出部の検出結果に基づいて算出される前記エンドエフェクターの長軸方向と直交する方向に作用する力に起因する歪み成分を前記和に基づく値から取り除いて、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６に記載の手術用システム。
【請求項８】
前記処理部は、温度変化に起因する歪み成分を前記和に基づく値から取り除いて、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６に記載の手術用システム。
【請求項９】
前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子を備え、且つ、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、温度変化に起因する歪み成分を前記和に基づく値から取り除く、
請求項８に記載の手術用システム。
【請求項１０】
前記処理部は、前記第１のブレード及び前記第２のブレードの内側の歪みと前記第１のブレード及び前記第２のブレードの外側の歪みとの差分に基づいて、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４に記載の手術用システム。
【請求項１１】
前記第２の歪み検出部は、前記リンク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リンク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２方向の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１２】
前記第２の歪み検出部は、前記リンク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１１に記載の手術用システム。
【請求項１３】
前記リンクは、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１１に記載の手術用システム。
【請求項１４】
前記処理部は、各歪み検出素子の検出値の平均値を求め、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２方向の並進力及びモーメントを算出する、
請求項１１に記載の手術用システム。
【請求項１５】
前記エンドエフェクターから離間して配置された駆動部と、前記駆動部で発生する駆動力を前記第１のブレードと前記第２のブレードに伝達する各ケーブルと、をさらに備える、
請求項１に記載の手術用システム。
【請求項１６】
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、
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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、
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１７】
アームの先端に配設されたエンドエフェクターに発生する歪みと、前記アームを構成するリンクに発生する歪みに基づいて、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を具備する制御装置。
【請求項１８】
鉗子のブレードとして構成される構造体と、
前記構造体の長軸方向にミアンダ構造が形成された起歪部と、
前記起歪部の、前記鉗子の開閉構造上の内側及び外側にそれぞれ歪み検出素子が取り付けられる、起歪体。
【請求項１９】
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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２０】
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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、制御装置、起歪体、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ティクス技術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】
このマスタースレーブ方式のロボット・システムにおいて、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アクチュエータ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、制御装置、起歪体、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、
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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、
を具備する手術用システムである。【０００９】
前記エンドエフェクターは、第１のブレードと、第２のブレードと、前記第１のブレードと前記第２のブレードを互いに回動可能に連結する鉗子回動軸で構成される鉗子部を備えている。【００１０】
前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側に発生する歪みを検出する各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側に発生する歪みを検出する各歪み検出素子を備えている。具体的には、前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子で構成される。【００１１】
そして、前記処理部は、検出された前記第１のブレードの内側及び外側の歪みと前記第２のブレードの内側及び外側の歪みに基づいて、前記エンドエフェクターに作用する力を算出するように構成されている。【００１２】
また、前記第２の歪み検出部は、前記リンク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、前記第２の歪み検出部は、前記リンク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で構成される。そして、前記処理部は、各歪み検出素子の検出値の平均値を求め、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２方向の並進力及びモーメントを算出するように構成されている。【００１３】
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、
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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、
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。【００１４】
また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、
アームの先端に配設されたエンドエフェクターに発生する歪みと、前記アームを構成するリンクに発生する歪みに基づいて、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を具備する制御装置である。【００１５】
また、本明細書で開示する技術の第４の側面は、
鉗子のブレードとして構成される構造体と、
前記構造体の長軸方向にミアンダ構造が形成された起歪部と、
前記起歪部の、前記鉗子の開閉構造上の内側及び外側にそれぞれ歪み検出素子が取り付けられる、起歪体である。【００１６】
また、本明細書で開示する技術の第５の側面は、
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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。【００１７】
また、本明細書で開示する技術の第６の側面は、
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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】
【００１８】
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、制御装置、起歪体、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。本明細書で開示する技術は、例えば医療用若しくは手術用のロボット装置に好適に適用することができる。【００１９】
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。【００２０】
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】
【００２１】
【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、エンドエフェクター１１０に作用する力を検出するための構成を模式的に示した図である。
【図３】図３は、エンドエフェクター１１０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４】図４は、ミアンダ構造からなる起歪体が構成された第１のブレード１１１の構成例を示した図である。
【図５】図５は、ＦＢＧセンサーを利用した歪み検出素子２０１、２０２を第１のブレード１１１に設置する方法を説明するための図である。
【図６】図６は、ＦＢＧセンサーを利用した歪み検出素子２０１、２０２を第１のブレード１１１に設置する方法を説明するための図である。
【図７】図７は、歪み検出素子２０１、２０２を構成する光ファイバーの一部をダミーＦＢＧセンサー７０１〜７０４として利用する例を示した図である。
【図８】図８は、歪み検出素子２１１ａ〜２１４ａを取り付けた第１のリンク２１０のＸＹ断面を示した図である。
【図９】図９は、ＦＢＧセンサーを利用した歪み検出素子２１１ａ〜２１４ａ、２１１ｂ〜２１４ｂを第１のリンク２１０に設置する方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、信号処理部１０００で実施する演算処理のアルゴリズムを説明するための図である。
【図１１】図１１は、第１のブレード１１１と第２のブレード１１２に作用するＹＺ各方向の外力並びに把持対象からの作用力を示した図である。
【図１２】図１２は、信号処理部で実施する演算処理のアルゴリズムを説明するための図である。
【図１３】図１３は、信号処理部１３００で実施する演算処理のアルゴリズムを説明するための図である。
【図１４】図１４は、マスタースレーブ方式のロボット・システム１４００の機能的構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１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、開閉操作可能なエンドエフェクター１１０と、エンドエフェクター１１０を先端に取り付けた多関節アーム１２０で構成される。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に利用される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として動作する、医療用若しくは手術用システムである。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装置を使って、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。
【００２４】
多関節アーム１２０が備える、軸数（若しくは、関節数）や各軸の自由度構成、リンク数（若しくは、アーム数）などの構成は任意である。以下では、説明の便宜上、多関節アーム１２０に含まれる各リンクを、遠位端（若しくは、エンドエフェクター１１０の後端）から順に、第１のリンク、第２のリンク、…と呼ぶことにする。また、多関節アーム１２０に含まれる各関節を、遠位端（若しくは、エンドエフェクター１１０の後端）から順に、第１の関節、第２の関節、…と呼ぶことにする。
【００２５】
エンドエフェクター１１０は、第１のブレード１１１と第２のブレード１１２からなる一対のブレードと、この一対のブレードを互いに回動可能に連結する鉗子回動軸１１３で構成される鉗子部である。第１のブレード１１１と第２のブレードが互いに鉗子回動軸１１３回りに回動することで、鉗子部１１０は開閉して、体内組織や手術器具などの対象物を把持したり、押し開いたり、押さえたりすることができる。例えば適当な歯車機構を用いて鉗子回動軸１１３を構成することで、第１のブレード１１１と第２のブレード１１２を互いに回動可能に連結することができる。但し、歯車機構の構造自体は本明細書で開示する技術と直接関連しないので、詳細な説明は省略する。
【００２６】
鉗子部１１０は、腹腔や胸腔といった生体内に挿入して用いられる、細長い管部品として構成され、極力小型化されることが好ましい。外科手術用システム１００の遠位端は細長い管部品からなるエンドエフェクター１１０であり、近位端は多関節アーム１２０などの駆動ユニットに連結されるメカ構造と言うことができる。
【００２７】
鉗子部１１０を極力小さくするために、鉗子部１１０の駆動源となるアクチュエータなどの駆動部（図示しない）は、エンドエフェクターから離間して配置されている。そして、この駆動部で発生する駆動力がケーブル（図示しない）によって第１のブレードと第２のブレードの各々に伝達されて、第１のブレード１１１と第２のブレードが互いに鉗子回動軸１１３回りに回動させることができる。この結果、鉗子部１１０が開閉して、体内組織や手術器具などの対象物を把持したり、押し開いたり、押さえたりすることができる。また、第１の関節の駆動源となる駆動部も離間して配置され、ケーブルの牽引力によって第１の関節が回転動作する。
【００２８】
図２には、図１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１１０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。但し、エンドエフェクター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。
【００２９】
第１のブレード１１１は、鉗子回動軸１１３を固定端とする片持ち梁として捉えることができる。したがって、第１のブレード１１１には、第１のブレード１１１の、開閉構造の内側の歪みを検出するための歪み検出素子２０１と、開閉構造の外側の歪みを検出するための歪み検出素子２０２からなる一対の歪み検出素子を取り付けて、力が作用したときに片持ち梁のように撓む第１のブレード１１１の歪み量を検出できるようにしている。なお、図２では第１のブレード１１１を簡素なブレード形状として描いているが、歪みを検出し易くするために、第１のブレード１１１の少なくとも一部には起歪体が構成されている（後述）。
【００３０】
ここで、第１のブレード１１１に、一対の歪み検出素子２０１、２０２を取り付ける理由について、図３を参照しながら説明しておく。
【００３１】
図３（Ａ）に示すように、片持ち梁３０１に、１つの歪み検出素子３１１しか取り付けない場合、片持ち梁３０１にＺ方向の外力Ｆｚが加わると、歪み検出素子３１１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３０１が紙面の上下いずれの方向に撓んでも歪み検出素子３１１は伸展することから、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。
【００３２】
これに対し、図３（Ｂ）に示すように、片持ち梁３０１に、Ｙ方向に一対の検出素子３２１、３２２を取り付けた場合、片持ち梁３０１が紙面上方向に撓んだときには一方の歪み検出素子３２１が圧縮するとともに他方の歪み検出素子３２２が伸展するが、逆に片持ち梁３０１が紙面下方向に撓んだときには一方の歪み検出素子３２１が伸展するとともに他方の歪み検出素子３２２が圧縮する。したがって、Ｙ方向に一対の検出素子３２１、３２２を取り付けることにより、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になる。
【００３３】
よって、図２に示すように、第１のブレード１１１に一対の歪み検出素子２０１、２０２を取り付けることで、第１のブレード１１１に作用するＺ方向及びＹ方向の２方向の外力を検出することが可能になる。
【００３４】
同様に、第２のブレード１１２は、鉗子回動軸１１３を固定端とする片持ち梁として捉えることができる。したがって、第２のブレード１１２には、起歪体としての第２のブレード１１２の、開閉構造の内側の歪みを検出するための歪み検出素子２０３と、開閉構造の外側の歪みを検出するための歪み検出素子２０４からなる一対の歪み検出素子が取り付けられており、第２のブレード１１２に作用するＺ方向及びＹ方向の２方向の外力を検出することを可能としている。
【００３５】
第１のブレード１１１に取り付けられた一対の歪み検出素子２０１、２０２と、第２のブレード１１２に取り付けられた一対の歪み検出素子２０３、２０４の検出信号を、信号処理部（図２では図示を省略）で演算処理を実施することで、外科手術用システム１００のエンドエフェクターとしての鉗子部１１０に作用する、Ｚ方向の外力Ｆｚと、鉗子部１１０を開閉操作させた際に把持対象物（図示しない）から第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２に作用する把持合力Ｆｇを算出することができる。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。第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２からなる鉗子部１１０への作用力Ｆｚと把持合力Ｆｇを検出する、２ＤＯＦ（Ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｅｄｏｍ：自由度）を持つセンサーを構成している、と言うこともできる。
【００３６】
エンドエフェクター１１０に作用する力を、振動や慣性によるノイズの影響を受けることなく計測するには、力センサーを極力先端に寄せて配置することが望ましい。図２に示すような歪み検出素子２０１〜２０４の構成によれば、この要望にも適うという点を理解されたい。
【００３７】
第１のブレード１１１と第２のブレード１１２は、起歪体として利用されるという観点から、単純なブレード形状ではなく、変形し易い形状からなる構造体であることがより好ましい。例えば、単純なブレード形状に対して、孔や切り欠きを形設すると、外力が加わると応力（物体の断面に生じる単位面積当たりの内力）が集中し易く、その結果として変形し易くなり、起歪体としての性能が向上する。
【００３８】
起歪体が構成された第１のブレード１１１の具体的な構成例について、図４を参照しながら説明する。同図は、一部に起歪体４０１が構成された第１のブレード１１１の、歪み検出素子２０１、２０２が取り付けられた側面（ＹＺ面）と、ＸＺ断面を示している。第１のブレード１１１の一部には、ミアンダ状の構造からなる起歪体４０１が形設されている。図示のようなＺＸ平面上で折り返し若しくは蛇行を繰り返したミアンダ構造からなる起歪体４０１が存在することで、第１のブレード１１１は、Ｚ方向とＸ方向に作用する外力に対して圧縮・伸長し易くなる。すなわち、第１のブレード１１１の少なくとも一部には起歪体が構成されていると言うことができる。
【００３９】
図４に示すように、第１のブレード１１１のうち、起歪体４０１の部分に歪み検出素子２０１、２０２を取り付けることで、第１のブレード１１１に作用する力を検出し易くなる。なお、図示を省略するが、第２のブレード１１２は、第１のブレード１１１と対称的な形状をなすミアンダ構造の起歪体が同様に形成されているものと理解されたい。但し、第１のブレード１１１と第２のブレード１１２に構成される起歪体は特にミアンダ構造に限定されるものではなく、応力が集中し易く起歪体として利用可能な他のさまざまな形状でもよい。
【００４０】
第１のブレード１１１と第２のブレード１１２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４０１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のブレード１１１と第２のブレード１１２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、作用力を高感度で計測することが可能になる。
【００４１】
要するに、細長い管部品としてのエンドエフェクター１１０は、遠位端と近位端の間に少なくとも１つの起歪体と歪み検出素子が配置された構成であり、エンドエフェクターに作用する１軸以上の力を計測することができるようになっている。また、鉗子部１１０による把持に必要な牽引力はケーブルによって伝達されるが（前述）、第１のブレード１１１や第２のブレード１１２に作用する力を、起歪体として構成された第１のブレード１１１や第２のブレード１１２自体から計測すると、ケーブルの牽引力と干渉することはない。とりわけ、エンドエフェクターとしての鉗子部１１０の長軸方向に作用する力Ｆｚを高感度で計測することが可能である。付言すれば、第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２を起歪体とするセンサーの後段の実慣性が低減されることにより、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。
【００４２】
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第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２の歪みを計測する歪み検出素子２０１〜２０４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２０１〜２０４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。
【００４３】
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。
【００４４】
本実施形態では、歪み検出素子２０１〜２０４を取り付けた鉗子部１１０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。
【００４５】
ＦＢＧセンサーを利用した歪み検出素子２０１、２０２を第１のブレード１１１に設置する方法について、図５及び図６を参照しながら説明する。第２のブレード１１２については図示を省略するが、図５並びに図６と同様であると理解されたい。
【００４６】
図５には、第１のブレード１１１のＸＹ断面を示している。第１のブレード１１１の表面には、長軸方向（Ｚ方向）に沿って２本の溝部５０１、５０２が刻設されている。そして、各溝部５０１、５０２に埋設することで、第１のブレード１１１の輪郭が膨らまないようにして、第１のブレード１１１の内側と外側に光ファイバー５１１、５１２がそれぞれ取り付けられる。光ファイバー５１１、５１２は、数箇所（後述）で第１のブレード１１１の表面に接着剤などで固定される。したがって、外力が作用して第１のブレード１１１が変形すると、各光ファイバー５１１、５１２はそれぞれ第１のブレード１１１と一体となって変形する。
【００４７】
取り付けられた光ファイバー５１１、５１２のうち回折格子を刻んだ箇所が、ＦＢＧセンサーとして動作する。したがって、第１のブレード１１１の長軸方向に沿って敷設された光ファイバー５１１、５１２のうち、起歪体（前述）と重なる範囲に回折格子を刻んでＦＢＧセンサーを構成して、第１のブレード１１１の内側及び外側の歪みを検出する歪み検出素子２０１、２０２としてそれぞれ利用に供される。
【００４８】
また、図６には、第１のブレード１１１の、上記の溝部５０１、５０２が刻設された側面（ＹＺ面）と、ＸＺ断面を示している。第１のブレード１１１の表面に長軸方向（Ｚ方向）に沿って刻設された２本の溝部５０１、５０２には、光ファイバー５１１、５１２が埋設されている。これら光ファイバー５１１、５１２のうち、起歪体４０１と重なる範囲は、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２０１、２０２として利用に供される。光ファイバー５１１、５１２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。
【００４９】
また、ＦＢＧセンサーが構成された部分の両端６０１〜６０４で、各光ファイバー５１１、５１２は第１のブレード１１１の表面に接着剤などで固定されている。したがって、外力が作用して第１のブレード１１１の起歪体４０１の部分が変形すると各光ファイバー５１１、５１２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２０１、２０２には歪みが生じる。
【００５０】
図６から分かるように、各光ファイバー５１１、５１２は、第１のブレード１１１の先端付近と根元付近の２箇所で固定されている。したがって、これら２箇所の固定点の間で発生する歪みをＦＢＧセンサーからなる歪み検出素子２０１、２０２で検出することが可能なので、第１のブレード１１１の先端から根元にわたる広い範囲で作用する力を検出することができる。
【００５１】
なお、図６では、歪み検出素子２０１、２０２として用いられるＦＢＧセンサーを構成する光ファイバーの一部（第１のブレード１１１の起歪体が構成された部分）しか描いておらず、その他の部分の図示を省略している。実際には、図示しない光ファイバーの他端は、鉗子回動軸１１３を越えて、検出部や信号処理部（いずれも図示しない）まで延びているものと理解されたい。
【００５２】
第２のブレード１１２については図示を省略したが、第１のブレード１１１と同様に、第２のブレード１１２の側面に刻設された溝部に埋設した２本の光ファイバーを用いてＦＢＧセンサーからなる歪み検出素子２０３、２０４をそれぞれ第２のブレード１１２の内側及び外側に構成することができる。要するに、鉗子部１１０全体としては４本の光ファイバーが敷設されていることになる。
【００５３】
また、歪み検出素子２０１、２０２として取り付けられた光ファイバーのうち、第１のブレード１１１並びに第２のブレード１１２の起歪体から分離した部分に、歪み検出素子２０１、２０２の比較対象となるＦＢＧセンサー（以下、「ダミーＦＢＧセンサー」とする）を構成することもできる。ダミーＦＢＧセンサーの検出結果に基づいて、温度変化に起因する波長変化Δλtempを検出して、さらには歪み検出素子２０１、２０２の検出結果に対する温度補償処理に利用することができる。
【００５４】
図７には、鉗子部１１０に取り付けられた光ファイバー５１１〜５１４にダミーＦＢＧセンサーを配設した例を示している。上述したように、各光ファイバー５１１〜５１４のうち第１のブレード１１１並びに第２のブレード１１２上に敷設された箇所には歪み検出素子２０１〜２０４としてのＦＢＧセンサーが構成されている。さらに、光ファイバー５１１〜５１４のうち、参照番号７０１〜７０４で示す、鉗子回動軸１１３を跨ぐ部分に回折格子を刻んで、各々にダミーＦＢＧセンサーが構成されている。同図から分かるように、ダミーＦＢＧセンサー７０１〜７０４は、光ファイバー５１１〜５１４のうち第１のブレード１１１や第２のブレード１１２に取り付けられていない部分（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７０１〜７０４で検出される波長変化は、第１のブレード１１１や第２のブレード１１２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。
【００５５】
検出部や信号処理部は、エンドエフェクターから離間した場所、例えば外科手術用システム１００の根元付近に配設される。光ファイバー５１１〜５１４の全長は４００ミリメートル程度を想定している。検出部は、第１のブレード１１１並びに第２のブレード１１２に取り付けた光ファイバー５１１、５１２…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、ＦＢＧセンサー部分における波長の変化Δλを検出する。そして、信号処理部は、検出された波長の変化Δλを起歪体に作用した力Ｆに換算する。
【００５６】
また、信号処理部は、この演算の際に、上述したダミーＦＢＧセンサーから検出された信号成分を用いて、温度変化による波長変化を補償するようにしてもよい（ダミー・センサーで検出される歪み成分を用いて温度補償を行なう方法は、例えば２つの歪みゲージを用いた２ゲージ法でも当業界で知られている）。但し、波長変化Δλを力に換算するための処理方法（アルゴリズム）の詳細については、後述に譲る。
【００５７】
再び図２を参照すると、鉗子部１１０の後端は、鉗子回動軸１１３を介して、第１のリンク２１０と連結している。第１のリンク２１０の先端には、鉗子部１１０が取り付けられていると言うこともできる。
【００５８】
第１のリンク２１０は、第１の関節軸２２０を固定端とする片持ち梁として捉えることができる。第１のリンク２１０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。具体的には、位置ａにおいて、第１のリンク２１０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２１１ａ、２１３ａ（図示しない）が対辺に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２１２ａ、２１４ａが対辺に取り付けられている。同様に、位置ｂにおいて、第１のリンク２１０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２１１ｂ、２１３ｂ（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２１２ｂ、２１４ｂが取り付けられている。
【００５９】
このように、第１のリンク２１０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できる構成となっている。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、ということは構造力学において自明の事項である。図２に示した構成によれば、２箇所の位置ａ、ｂで検出されるＸＹ各方向の歪み量に基づいて、第１のリンク２１０に作用する２方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙと２方向のモーメントＭｘ、Ｍｙを算出することができる。
【００６０】
したがって、４ＤＯＦを持つセンサーを第１のリンク２１０に構成している、と言うこともできる。この４ＤＯＦセンサーは、エンドエフェクター２１０に外力が作用したことにより第１のリンク２１０が変形することを利用して、エンドエフェクター１１０に作用する２方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙと２方向のモーメントＭｘ、Ｍｙを計測することができる。
【００６１】
鉗子部１１０に構成された２ＤＯＦセンサーだけでは、長軸方向（Ｚ方向）と直交するＹ方向（紙面の上下方向）に作用する外力Ｆｙと、第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２を閉じて把持対象を把持したときに作用する把持合力Ｆｇとを分離することができない。そこで、第１のリンク２１０に構成された４ＤＯＦセンサーを用いてＹ方向の並進力Ｆｙを検出するようにしている。
【００６２】
図８には、第１のリンク２１０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２１１ａ、２１３ａが第１のリンク２１０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２１２ａ、２１４ａが第１のリンク２１０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のリンク２１０の位置ｂにおけるＸＹ断面も図８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２１１ｂ、２１３ｂが第１のリンク２１０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２１２ｂ、２１４ｂが第１のリンク２１０の外周のＹ方向の対辺に取り付けられている。
【００６３】
対辺の歪み検出素子２１１ａ、２１３ａ間で検出信号の差分をとることで、温度変化に起因する成分をキャンセルして温度補償することができる。具体的には、各歪み検出素子２１１ａ、２１３ａで検出される歪み量は、外力に起因する歪み成分と、温度上昇に伴う起歪体としての第１のリンク２１０の膨張による歪み成分を含む。ここで、後者の膨張による歪み成分は対辺で一致するので、各歪み検出素子２１１ａ、２１３ａの検出結果の差分をとることで、温度変化に起因する歪み成分をキャンセルして、外力に起因する歪み量のみを抽出することができる。
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。
【００６４】
同様に、Ｙ方向の歪み量を検出する一対の歪み検出素子２１２ａ、２１４ａが、第１のリンク２１０のＹ方向の対辺に取り付けられており、対辺の歪み検出素子２１２ａ、２１４ａ間で検出信号の差分をとることで、温度変化に起因する成分をキャンセルして温度補償することができる。
【００６５】
なお、図示を省略するが、第１のリンク２１０の位置ｂの外周においても、温度補償のために、一対の歪み検出素子２１１ｂ、２１３ｂがＸ方向の対辺に取り付けられるとともに、一対の歪み検出素子２１２ｂ、２１４ｂがＹ方向の対辺に取り付けられている。
【００６６】
図２や図８には、第１のリンク２１０を、図面の簡素化のため、単純な円筒形状として描いた。第１のリンク２１０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２１１ａ〜２１４ａ、２１１ｂ〜２１４ｂにおいて歪み量を計測し易くなり、４ＤＯＦ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。
【００６７】
また、本実施形態では、歪み検出素子２１１ａ〜２１４ａ、２１１ｂ〜２１４ｂとして、光ファイバーを利用したＦＢＧセンサーを用いている。もちろん、変形例として、静電容量式センサー、半導体歪みゲージ、箔歪みゲージなどの当業界で広く知られている他のタイプの歪み検出素子を利用することも考えられる。但し、伝送損失が小さいことや、医療に必要な滅菌対応や強磁場環境下対応などの利点を考慮すると、ＦＢＧセンサーがより好ましいと思料される（同上）。
【００６８】
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のリンク２１０の構造、並びにＦＢＧセンサーを利用した歪み検出素子２１１ａ〜２１４ａ、２１１ｂ〜２１４ｂを第１のリンク２１０に設置する方法について、図９を参照しながら説明する。
【００６９】
図９には、第１のリンク２１０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のリンク２１０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のリンク２１０は、長軸回りに回転対称の形状であると理解されたい。
【００７０】
図示の通り、第１のリンク２１０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。したがって、第１のリンク２１０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い。第１のリンク２１０は、ＳＵＳや鉄鋼といった鋼材に比べて高強度で且つ低剛性なチタン合金を材料に用いて製作することが好ましい。
【００７１】
第１のリンク２１０の外周には、Ｙ方向の対辺に一対の光ファイバー９０２、９０４が長軸方向に敷設されている。同様に、第１のリンク２０１の外周には、Ｘ方向の対辺に一対の光ファイバー９０１、９０３が長軸方向に敷設されている。要するに、第１のリンク２１０全体としては４本の光ファイバー９０１〜９０４が敷設されていることになる。
【００７２】
なお、鉗子部１１０に敷設された光ファイバー５１１〜５１４と併せると、外科手術用システム１００全体では８本の光ファイバーを利用することになる。但し、鉗子部１１０の光ファイバーと第１のリンク２１０の光ファイバーを多重化して、４本の光ファイバーを用いるという構成例も考えられる。
【００７３】
Ｙ方向の対辺に敷設された光ファイバー９０２、９０４のうち、第１のリンク２０１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２１２ａ、２１２ｂ、２１４ａ、２１４ｂとして利用に供される。光ファイバー９０２、９０４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。
【００７４】
また、ＦＢＧセンサーが構成された部分の両端９１１〜９１３、９１４〜９１６で、各光ファイバー９０２、９０４は第１のリンク２１０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のリンク２１０がＹ方向に撓むと各光ファイバー９０２、９０４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２１２ａ、２１２ｂ、２１４ａ、２１４ｂには歪みが生じる。
【００７５】
同様に、Ｘ方向の対辺に敷設された光ファイバー９０１、９０３のうち、第１のリンク２０１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２１１ａ、２１１ｂ、２１３ａ、２１３ｂとして利用に供される。光ファイバー９０１、９０３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。
【００７６】
また、ＦＢＧセンサーが構成された部分の両端９２１〜９２３、９２４〜９２６で、各光ファイバー９０１、９０３は第１のリンク２１０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のリンク２１０がＸ方向に撓むと各光ファイバー９０１、９０３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２１１ａ、２１１ｂ、２１３ａ、２１３ｂには歪みが生じる。
【００７７】
図９では、歪み検出素子２１１ａ〜２１４ａ、２１１ｂ〜２１４ｂとして用いられる光ファイバー９０１〜９０４のうち、第１のリンク２１０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。実際には、これらの光ファイバー９０１〜９０４の他端は、第１の関節２２１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ものと理解されたい。光ファイバー９０１〜９０４の全長は例えば４００ミリメートル程度を想定している。
【００７８】
検出部や信号処理部は、エンドエフェクターから離間した場所、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９０１〜９０４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のリンク２１０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２１１ａ〜２１４ａ、２１１ｂ〜２１４ｂ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１１０に作用する２方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙ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。
【００７９】
なお、本明細書では、最良の実施形態の１つとして、エンドエフェクター１１０から最も近い第１のリンク２１０に構成した４ＤＯＦセンサーを説明したが、第２のリンクなど、先端にエンドエフェクター１１０を取り付けた多関節アーム１２０の他のリンクに４ＤＯＦセンサーを構成するという他の実施形態も考え得る。
【００８０】
また、図９で示したように、歪み検出素子を起歪体の表面に直接取り付けるのではなく、光ファイバーを介して間接的に取り付ける構造となっているので、起歪体が有する熱が歪み検出素子に伝わるのが抑制され、歪み検出素子の検出精度が向上する効果を奏する。
【００８１】
この効果が生じる理由について説明する。歪み検出素子として知られる静電容量式センサー、半導体歪みゲージ、箔歪みゲージなどは、起歪体に対して密着して配置すると、起歪体の熱が歪み検出素子に伝わり、検出ノイズが生じてしまう。また、半導体歪みゲージや箔歪みゲージには自家発熱の問題があり、起歪体に直接接している場合には、起歪体及び歪み検出素子の温度特性に影響を与えてしまい、検出精度が低下する。そこで、起歪体に比べて熱伝導率が低い光ファイバーを介して歪み検出素子を取り付ける構造により、起歪体が有する熱が歪み検出素子に伝わるのを抑制し、歪み検出素子の検出精度を向上することができる。
【００８２】
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、鉗子部１１０に構成された２ＤＯＦセンサーや、第１のリンク２１０に構成された４ＤＯＦセンサーの検出信号に基づいて、エンドエフェクター（鉗子部１１０）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。
【００８３】
図１０には、信号処理部１０００において、第１のブレード１１１に敷設された光ファイバー５１１、５１２、及び、第２のブレード１１２に敷設された光ファイバー５１３、５１４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としての鉗子部１１０の長軸方向に作用する力Ｆｚと、鉗子部１１０における把持合力Ｆｇを算出するための、２ＤＯＦセンサー用の処理アルゴリズムを模式的に示している。
【００８４】
エンドエフェクターとしての鉗子部１１０を構成する第１のブレード１１１と第２のブレード１１２にはそれぞれ、ＸＹＺの各方向の外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが作用する。また、鉗子部１１０が閉じて対象物を把持したときには、第１のブレード１１１と第２のブレード１１２に把持対象からの力Ｆｔが作用する。図１１に示すように、第１のブレード１１１に作用するＹＺ各方向の外力並びに把持対象からの作用力をｆｒｙ、ｆｒｚ、ｆｒｔと定義するとともに、第２のブレード１１２に作用するＹＺ各方向の外力並びに把持対象からの作用力をｆｌｙ、ｆｌｚ、ｆｌｔと定義する。
【００８５】
図１２には、第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２に取り付けられた光ファイバー５１１〜５１４上の各ＦＢＧセンサーの波長変化が検出部によって検出される様子を示している。
【００８６】
検出部は、光ファイバー５１１、５１２への所定波長帯の入射光に対する反射光に基づいて、第１のブレード１１１の内側及び外側にそれぞれ配設された歪み検出素子２０１、２０２としての各ＦＢＧセンサーにおける波長変化Δλｒｉ及びΔλｒｏをそれぞれ検出する。波長変化Δλｒｉ及びΔλｒｏには、外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚや把持対象からの作用力Ｆｔに起因する波長変化成分と、温度変化に起因する波長変化成分が含まれる。
【００８７】
また、検出部は、光ファイバー５１３、５１４への所定波長帯の入射光に対する反射光を受光して、第２のブレード１１２の内側及び外側にそれぞれ配設された歪み検出素子２０３、２０４としての各ＦＢＧセンサーにおける波長変化Δλｌｉ及びΔλｌｏをそれぞれ検出する。波長変化Δλｌｉ及びΔλｌｏには、外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚや把持対象からの作用力Ｆｔに起因する波長変化成分と、温度変化に起因する波長変化成分が含まれる。以下では、対辺となる光ファイバー５１１、５１３の各々の波長変化Δλｒｉ及びΔλｌｉに含まれる温度変化に起因する成分は等しく、また、対辺となる光ファイバー５１２、５１４の各々の波長変化Δλｒｏ及びΔλｌｏに含まれる温度変化に起因する成分は等しいと仮定する。
【００８８】
また、図１２では図示を省略したが、検出部は、各光ファイバー５１１〜５１４に設けられたダミーＦＢＧセンサーにおける波長変化を検出する。後段の信号処理部では、これら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５１１〜５１４における温度変化に起因する波長変化成分である。
【００８９】
ここで、検出部が各光ファイバー５１１、５１２から検出する波長変化Δλｒｉ及びΔλｒｏは、第１のブレード１１１に力が作用したときに、第１のブレード１１１の内側及び外側で発生する内歪み量Δεｒｉ及び外歪み量Δεｒｏ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）。また、検出部が各光ファイバー５１３、５１４から検出する波長変化Δλｌｉ及びΔλｌｏは、第２のブレード１１２に力が作用したときに、第２のブレード１１２の内側及び外側で発生する内歪み量Δεｌｉ及び外歪み量Δεｌｏ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）。
【００９０】
外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚや把持対象からの作用力Ｆｔはエンドエフェクター１１０に対する入力であり、第１のブレード１１１の内歪み量Δεｒｉ及び外歪み量Δεｒｏと、第２のブレード１１２の内歪み量Δεｌｉ及び外歪み量Δεｌｏはエンドエフェクター１１０からの出力と言うこともできる。各作用力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｆｔが正方向に作用したときの、各歪み量Δεの歪み方向の関係を、以下の表１に示しておく。但し、同表において、＋は伸展を示し、−は圧縮を示す。
【００９１】
【表１】
2018163680.tif 000003
【００９２】
表１から、Ｘ方向並びにＺ方向の外力Ｆｘ、Ｆｚが作用したときに、第１のブレード１１１に発生する内歪みΔεｒｉと外歪みΔεｒｏは同符号であることが分かる。したがって、第１のブレード１１１に発生する内歪みΔεｒｉと外歪みΔεｒｏの和、並びに第２のブレード１１２に発生する内歪みΔεｌｉと外歪みΔεｌｏの和をとることによって、鉗子部１１０に対してＸ方向に作用する力ＦｘとＺ方向に作用する力Ｆｚに起因する歪み量成分を取り出すことができる。
【００９３】
他方、Ｙ方向に外力Ｆｙが作用したとき並びに把持対象からの作用力Ｆｔが作用したときに、第１のブレード１１１に発生する内歪みΔεｒｉと外歪みΔεｒｏは異符号であることが分かる。第２のブレード１１２に発生する内歪みΔεｌｉ及び外歪みΔεｌｏについても同様である。したがって、第１のブレード１１１に発生する内歪みΔεｒｉと外歪みΔεｒｏの差、並びに第２のブレード１１２に発生する内歪みΔεｌｉと外歪みΔεｌｏの差をとることによって、鉗子部１１０に対して把持対象が作用する力ＦｚとＹ方向に作用する力Ｆｙに起因する歪み量成分を取り出すことができる。
【００９４】
上記を踏まえて、図１０を参照しながら、信号処理部１０００において、光ファイバー５１１〜５１４から検出される波長変化Δλｒｉ、Δλｒｏ、Δλｌｉ、Δλｌｏを、エンドエフェクターとしての鉗子部１１０の長軸方向に作用する力Ｆｚと把持合力Ｆｇに換算する処理について説明する。
【００９５】
和モード部１００１は、第１のブレード１１１に取り付けられた光ファイバー５１１、５１２からそれぞれ検出される内側及び外側の波長変化ΔλｒｉとΔλｒｏの和（Δλｒｉ＋Δλｒｏ）を求め、これを２で割った値をΔλsum,rとして後段のＦｚ導出部１００３に出力する。また、和モード部１００１は、第２のブレード１１２に取り付けられた光ファイバー５１３、５１４からそれぞれ検出される内側及び外側の波長変化ΔλｌｉとΔλｌｏの和（Δλｌｉ＋Δλｌｏ）を求め、これを２で割った値をΔλsum,lとして後段のＦｚ導出部１００３に出力する。但し、和モード部１００１は、第１のブレード１１１並びに第２のブレード１１２の内側の歪みと外側の歪みの和をそれぞれ２で割った各値をそのまま出力するのではなく、校正実験などにより導出された所定の校正ゲインを掛けて出力する場合もある。
【００９６】
差モード部１００２は、第１のブレード１１１に取り付けられた光ファイバー５１１、５１２からそれぞれ検出される内側及び外側の波長変化ΔλｒｉとΔλｒｏの差（Δλｒｉ−Δλｒｏ）を求め、これを２で割った値をΔλdiff,rとして後段のＦｇ導出部１００４に出力する。また、差モード部１００２は、第２のブレード１１２に取り付けられた光ファイバー５１３、５１４からそれぞれ検出される内側及び外側の波長変化ΔλｌｉとΔλｌｏの差（Δλｌｉ−Δλｌｏ）を求め、これを２で割った値をΔλdiff,lとして後段のＦｇ導出部１００４に出力する。但し、差モード部１００２は、第１のブレード１１１並びに第２のブレード１１２の内側の歪みと外側の歪みの差をそれぞれ２で割った各値をそのまま出力するのではなく、校正実験などにより導出された所定の校正ゲインを掛けて出力する場合もある。
【００９７】
４ＤＯＦセンサー部１００５は、信号処理部１０００内において、第１のリンク２１０に構成された４ＤＯＦセンサーの検出信号に基づいて、エンドエフェクター（鉗子部１１０）に作用する２方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙと２方向のモーメントＭｘ、Ｍｙを算出する機能モジュールである。４ＤＯＦセンサー部１００５において２方向の並進力Ｆｘ、Ｆｙと２方向のモーメントＭｘ、Ｍｙを算出するための処理手順の詳細については後述に譲る。ここでは、４ＤＯＦセンサー部１００５が算出した並進力の１つであるＦｘがＦｚ導出部１００３に入力されるという点に留意されたい。
【００９８】
ダミーＦＢＧ処理部１００６は、各光ファイバー５１１〜５１４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Ｆｚ導出部１００３に出力する。なお、各ダミーＦＢＧセンサーの波長変化は、温度変化に起因するものである（前述）。但し、検出部が各光ファイバー５１１〜５１４に設けられた４つのダミーＦＢＧセンサーの波長変化を検出するものとする。
【００９９】
Ｆｚ導出部１００３は、和モード部１００１から、第１の鉗子部１１１の内側及び外側の波長変化の和Δλsum,rと、第２の鉗子部１１２の内側及び外側の波長変化の和Δλsum,lを入力するとともに、４ＤＯＦセンサー部１００５から並進力Ｆｘを入力し、ダミーＦＢＧ処理部１００６からダミーＦＢＧセンサーで検出された波長変化量Δλdammyを入力して、エンドエフェクターとしての鉗子部１１０の長軸方向に作用する並進力Ｆｚを導出する。
【０１００】
ここで、Ｆｚは、第１のブレード１１１に長軸方向に作用する並進力ｆｒｚと、第２のブレード１１２の長軸方向に作用する並進力ｆｌｚの合力である（すなわち、Ｆｚ＝ｆｒｚ＋ｆｌｚ）。他方、和モード部１００１から入力されるΔλsum,rとΔλsum,lはそれぞれ、鉗子部１１０に作用する２方向の並進力ＦｚとＦｘの各々に起因する成分を含んでいる。また、和モード部１００１から入力されるΔλsum,rとΔλdammyは、第１の鉗子部１１１の対辺間の歪みの和並びに第２のブレード１１２の対辺間の歪みの和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がいずれも残留している。
【０１０１】
したがって、Ｆｚ導出部１００３は、４ＤＯＦセンサー部１００５から入力されたＸ方向の並進力Ｆｘを、Ｆｘによる波長変化を力に変換する校正行列ｋｘで割って、Ｆｘに起因する歪み成分（Ｆｘ／ｋｘ）を求める。そして、Ｆｚ導出部１００３は、和モード部１００１から入力されるΔλsum,rとΔλsum,lの和を算出し、この和からＦｘに起因する波長変化成分（Ｆｘ／ｋｘ）と、ダミーＦＢＧ処理部１００６から入力した温度変化に起因する波長変化成分Δλdammyとを引き算してから、波長変化を力に換算する校正行列ｋｚを乗算することで、鉗子部１１０の長軸方向に作用する力Ｆｚを導出することができる。Ｆｚ導出部１００３において、Ｆｚを算出するための式（１）を以下に示しておく。但し、同式において、ｋｘは並進力Ｆｘによる波長変化を力に換算する校正行列であり、ｋｚは並進力Ｆｚによる波長変化を力に換算する校正行列であるとする。
【０１０２】
【数１】
2018163680.tif 000004
【０１０３】
Ｆｇ導出部１００４は、差モード部１００２から、第１の鉗子部１１１の内側及び外側の波長変化の差Δλdiff,rと、第２の鉗子部１１２の内側及び外側の波長変化の差Δλdiff,lを入力して、把持対象を把持する鉗子部１１０の把持合力Ｆｇを導出する。
【０１０４】
ここで、Ｆｇは、第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２の各々にＹ方向に作用する並進力ｆｒｙ、ｆｌｙと、把持対象から第１のブレード１１１及び第２のブレード１１２の各々に作用するｆｒｔ、ｆｌｔの合力である（すなわち、Ｆｇ＝ｆｒｔ＋ｆｌｔ＋ｆｒｙ−ｆｌｙ）。他方、第１のブレード１１１側の波長変化の差Δλdiff,rと第２のブレード１１２側の波長変化の差Δλdiff,lはそれぞれ、鉗子部１１０にＹ方向に作用する並進力Ｆｙと把持対象からの作用力Ｆｔの各々に起因する成分を含んでいる。また、差モード部１００２から入力されるΔλdiff,rとΔλdiff,lは、第１の鉗子部１１１の対辺間の歪みの差分並びに第２のブレード１１２の対辺間の歪み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がいずれもキャンセルされている。
【０１０５】
したがって、Ｆｇ導出部１００６は、下式（２）に示すように、差モード部１００２から入力されるΔλdiff,rとΔλdiff,lの和を算出し、さらに、把持対象からの作用力Ｆｔによる波長変化を力に換算する校正行列ｋｔを乗算することで、鉗子部１１０に加わる把持合力Ｆｇを導出することができる。
【０１０６】
【数２】
2018163680.tif 000005
【０１０７】
なお、図１０に示した信号処理部１０００の演算で使用される各校正行列ｋｘ、ｋｚ、ｋｔは、例えば校正実験により導出することができる。
【０１０８】
このように、外科手術用システム１００に対して上記の信号処理部１０００による演算処理を適用することにより、エンドエフェクターとしての鉗子部１１０に作用する力と、鉗子部１１０における把持合力Ｆｇを検出する２ＤＯＦセンサーを実現することができる。
【０１０９】
図１３には、信号処理部１３００において、第１のリンク２１０に敷設された光ファイバー９０１〜９０４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１１０に作用する２方向の並進力Ｆｘ、ＦｙとモーメントＭｘ、Ｍｙを算出するための、４ＤＯＦセンサー用の処理アルゴリズムを模式的に示している。なお、図１３に示す信号処理部１３００は、図１０中の４ＤＯＦセンサー部１００５に相当するものと理解されたい。
【０１１０】
検出部は、第１のリンク２１０のＸＹ方向それぞれの各対辺に取り付けた光ファイバー９０１〜９０４への所定波長帯の入射光に対する反射光に基づいて、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときの、第１のリンク２１０の位置ａに配設された歪み検出素子２１１ａ〜２１４ａ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。
【０１１１】
また、検出部は、第１のリンク２１０のＸＹ方向それぞれの各対辺に取り付けた光ファイバー９０１〜９０４への所定波長帯の入射光に対する反射光に基づいて、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときの、第１のリンク２１０の位置ｂに配設された歪み検出素子２１１ｂ〜２１４ｂ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。
【０１１２】
ここで、検出部が各光ファイバー９０１〜９０４の位置ａから検出する波長変化Δλａ１〜Δλａ４は、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときに第１のリンク２１０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９０１〜９０４の位置ｂから検出する波長変化Δλｂ１〜Δλｂ４は、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙが作用したときに第１のリンク２１０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）。
【０１１３】
差動モード部１３０１は、以下の式（３）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１３０２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Δλsum,rが含まれる。差動モード部１３０１では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。
【０１１４】
【数３】
2018163680.tif 000006
【０１１５】
そして、並進力／モーメント導出部１３０２は、以下の式（４）に示すように、差動モード部１３０１からの入力Δλdiffに校正行列Ｋを乗算して、並進力Ｆｘ、Ｆｙ並びにモーメントＭｘ、Ｍｙを算出する。また、並進力／モーメント導出部１３０２で算出された並進力Ｆｘは、Ｆｚ算出のためにＦｚ導出部１００３に入力される（前述）。
【０１１６】
【数４】
2018163680.tif 000007
【０１１７】
なお、図１３に示した信号処理部１３００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。
【０１１８】
図１０に示した信号処理部１０００と図１３に示した信号処理部１３００は、１つの回路チップとして構成することができ、あるいは個々に異なる回路チップとして構成することもできる。
【０１１９】
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１１０に構成された２ＤＯＦセンサーにより並進力Ｆｚ並びに把持対象からの作用力Ｆｔを検出することができるとともに（図１０を参照のこと）、第１のリンク２１０に構成された４ＤＯＦセンサーにより２つの並進力Ｆｘ及びＦｙと２つのモーメントＭｘ及びＭｙを検出することができる（図１３を参照のこと）。したがって、外科手術用システム１００全体としては、（５＋１）ＤＯＦセンサー（若しくは、６ＤＯＦセンサー）を装備していると言うこともできる。
【０１２０】
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（５＋１）ＤＯＦ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。
【０１２１】
図１４には、マスタ−スレーブ方式のロボット・システム１４００の機能的構成を模式的に示している。ロボット・システム１４００は、オペレータが操作するマスタ装置１４１０と、オペレータによる操作に従ってマスタ装置１４１０から遠隔制御されるスレーブ装置１４２０で構成される。マスタ装置１４１０とスレーブ装置１４２０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。
【０１２２】
マスタ装置１４１０は、操作部１４１１と、変換部１４１２と、通信部１４１３と、力覚提示部１４１４を備えている。
【０１２３】
操作部１４１１は、オペレータがスレーブ装置１４２０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１４１２は、オペレータが操作部１４１１に対して行なった操作内容を、スレーブ装置１４２０側（より具体的には、スレーブ装置１４２０内の駆動部１４２１）の駆動を制御するための制御情報に変換する。
【０１２４】
通信部１４１３は、スレーブ装置１４２０側（より具体的には、スレーブ装置１４２０内の通信部１４２３）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１４１３は、変換部１４１２から出力される制御情報を、スレーブ装置１４２０に送信する。
【０１２５】
一方、スレーブ装置１４２０は、駆動部１４２１と、検出部１４２２と、通信部１４２３を備えている。
【０１２６】
スレーブ装置１４２０は、図１に示したような、先端に鉗子部１１０のようなエンドエフェクター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１４２１は、リンク間を接続する各関節を回転駆動するアクチュエータや、鉗子部１１０を開閉動作させるためのアクチュエータが含まれている。鉗子部１１０を開閉動作させるためのアクチュエータは、鉗子部１１０から離間した場所に配設され、ケーブルによって駆動力が鉗子部１１０に伝達される。
【０１２７】
検出部１４２２は、鉗子部１１０に構成された２ＤＯＦセンサーと、第１のリンク２１０（若しくは、その他のリンク）に構成された４ＤＯＦセンサーからなる。すなわち、検出部１４２２、エンドエフェクターとしての鉗子部１１０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に加え、把持対象から鉗子部１１０への作用力Ｆｔを検出することができる（５＋１）ＤＯＦセンサーである。
【０１２８】
通信部１４２３は、マスタ装置１４１０側（より具体的には、マスタ装置１４２０内の通信部１４１３）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１４２１は、通信部１４２３がマスタ装置１４１０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１４２２による検出結果（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｔ）は、通信部１４２３からマスタ装置１４１０側に送信される。
【０１２９】
マスタ装置１４１０側では、力覚提示部１４１４は、通信部１４１３がスレーブ装置１４２０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、Ｆｔ）に基づいて、オペレータに対する力覚提示を実施する。
【０１３０】
マスタ装置１４１０を操作するオペレータは、力覚提示部１４１４を通じて、スレーブ装置１４２０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１４２０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】
【０１３１】
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。【０１３２】
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。【０１３３】
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。【０１３４】
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）１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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、
を具備する手術用システム。
（２）前記エンドエフェクターは、第１のブレードと、第２のブレードと、前記第１のブレードと前記第２のブレードを互いに回動可能に連結する鉗子回動軸で構成される鉗子部を備える、
上記（１）に記載の手術用システム。
（３）前記第１のブレード及び前記第２のブレードには起歪体がそれぞれ構成され、
前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレード及び前記第２のブレードの各起歪体にそれぞれ配設された歪み検出素子を含む、
上記（２）に記載の手術用システム。
（４）前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側に発生する歪みを検出する各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側に発生する歪みを検出する各歪み検出素子を備え、
前記処理部は、検出された前記第１のブレードの内側及び外側の歪みと前記第２のブレードの内側及び外側の歪みに基づいて、前記エンドエフェクターに作用する力を算出する、
上記（３）に記載の手術用システム。
（５）前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各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）前記処理部は、前記第１のブレード及び前記第２のブレードの内側の歪みと前記第１のブレード及び前記第２のブレードの外側の歪みの和に基づいて、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（４）又は（５）のいずれかに記載の手術用システム。
（７）前記処理部は、前記第２の歪み検出部の検出結果に基づいて算出される前記エンドエフェクターの長軸方向と直交する方向に作用する力に起因する歪み成分を前記和に基づく値から取り除いて、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（６）に記載の手術用システム。
（８）前記処理部は、温度変化に起因する歪み成分を前記和に基づく値から取り除いて、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（６）又は（７）のいずれかに記載の手術用システム。
（９）前記第１の歪み検出部は、前記第１のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子と、前記第２のブレードの内側及び外側の各々に取り付けた光ファイバーに形成したＦＢＧセンサーからなる各歪み検出素子を備え、且つ、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、温度変化に起因する歪み成分を前記和に基づく値から取り除く、
上記（８）に記載の手術用システム。
（１０）前記処理部は、前記第１のブレード及び前記第２のブレードの内側の歪みと前記第１のブレード及び前記第２のブレードの外側の歪みとの差分に基づいて、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（４）乃至（９）のいずれかに記載の手術用システム。
（１１）前記第２の歪み検出部は、前記リンク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、前記第２の歪み検出素子により検出された前記リンク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２方向の並進力及びモーメントを算出する、
上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の手術用システム。
（１２）前記第２の歪み検出部は、前記リンク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（１１）に記載の手術用システム。
（１３）前記リンクは、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（１１）又は（１２）のいずれかに記載の手術用システム。
（１４）前記処理部は、各歪み検出素子の検出値の平均値を求め、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２方向の並進力及びモーメントを算出する、
上記（１１）乃至（１３）のいずれかに記載の手術用システム。
（１５）前記エンドエフェクターから離間して配置された駆動部と、前記駆動部で発生する駆動力を前記第１のブレードと前記第２のブレードに伝達する各ケーブルと、をさらに備える、
上記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の手術用システム。
（１６）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、
１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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、
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。
（１７）アームの先端に配設されたエンドエフェクターに発生する歪みと、前記アームを構成するリンクに発生する歪みに基づいて、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を具備する制御装置。
（１８）鉗子のブレードとして構成される構造体と、
前記構造体の長軸方向にミアンダ構造が形成された起歪部と、
前記起歪部の、前記鉗子の開閉構造上の内側及び外側にそれぞれ歪み検出素子が取り付けられる、起歪体。
（１９）１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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。
（２０）１以上のリンクを有するアームと、
前記アームの先端に配設されたエンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターに発生する歪みを検出する第１の歪み検出部と、
前記リンクに発生する歪みを検出する第２の歪み検出部と、
前記第１の歪み検出部及び前記第２の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】
【０１３５】
１００…外科手術用システム
１１０…エンドエフェクター（鉗子部）
１１１…第１のブレード、１１２…第２のブレード、１１３…鉗子回動軸
１２０…多関節アーム
２０１〜２０４…歪み検出素子
４０１…起歪体
５０１、５０２…溝部、５１１〜５１４…光ファイバー
７０１、７０２…ダミーＦＢＧセンサー
９０１〜９０４…光ファイバー
１０００…信号処理部
１００１…和モード部、１００２…差モード部
１００３…Ｆｚ導出部、１００４…Ｆｇ導出部
１００５…４ＤＯＦセンサー部、１００６…ダミーＦＢＧ処理部
１３００…信号処理部
１３０１…差動モード部、１３０２…並進力／モーメント導出部
１４００…ロボット・システム
１４１０…マスタ装置、１４１１…操作部、１４１２…変換部
１４１３…通信部、１４１４…力覚提示部
１４２０…スレーブ装置、１４２１…駆動部
１４２２…検出部、１４２３…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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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