弦振動によるワイヤ駆動手術
ロボットの力センシング
東京工業大学 工学院 機械系
教授 小俣 透2023年12月14日

手術ロボットの基本構造
鉗子関節駆動アクチュエータ

アーム部

ワイヤ駆動
着脱ユニット １０回の使用制限
要洗浄滅菌
鉗子部

知りたい力
接触力，グリップ力，微小な力，過大な力
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手術ロボットの力センシングはなぜ難しいのか
どこで測る(iii)体腔外アクチュエータ(ii) 着脱ユニット体腔外 張力センシング
着脱ユニット(i)着脱ユニット体腔内
先端リンク
グリッパ内部(i)着脱ユニット体腔内（先端リンク，グリッパ内部）
厳しい要求：過酷な環境（体内の液体，電磁ノイズや熱）で使用，洗浄・滅菌が可能である，小型で堅牢，１０回使用できる耐久性、１０回しか使わない経済性⇒実用化は難しい
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手術ロボットの力センシングはなぜ難しいのか(iii)体腔外アクチュエータ(ii) 着脱ユニット体腔外 張力センシング
着脱ユニット(i)着脱ユニット体腔内先端リンク
グリッパ内部(ii) 着脱ユニット体腔外
サイズと環境は緩和，しかし、１０回使用できる耐久性、１０回しか使わない経済性は体腔内の場合と同様(iii)体腔外アクチュエータ
空気圧アクチュエータが唯一の実用化例
力の作用点から遠い⇒摩擦の影響
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本研究の方針・(ii) の着脱ユニット体腔外で張力センシングを採用・電気素子を使わない、または使い捨てにして洗浄滅菌可能とする。

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ワイヤの弦振動による力センシング
着脱ユニット体腔外M

張力𝑇𝑇1ピン

𝑇𝑇2

原理図

外力𝐹𝐹
𝑟𝑟𝑙𝑙

方法：ワイヤ𝑖𝑖を弦振動させ、振動周波数𝑓𝑓𝑖𝑖 からワイヤ張力𝑇𝑇𝑖𝑖を求める
𝑓𝑓𝑖𝑖 ：周波数 𝐿𝐿：弦の長さ
1𝑇𝑇𝑖𝑖
𝑓𝑓𝑖𝑖 =
2𝐿𝐿 𝜌𝜌
𝑇𝑇𝑖𝑖 ：張力𝜌𝜌：線密度

2本のワイヤの計測結果から、さらに外力，グリップ力を計算
𝑟𝑟
𝐹𝐹 = (𝑇𝑇1 − 𝑇𝑇2 )𝑙𝑙Copyright © 2023 Toru Omata All Right Reserved弦振動の周波数計測方法（1）マイクによる音声計測（2）光による計測
光ファイバ

発光素子より受光素子へ

Copyright © 2023 Toru Omata All Right Reserved典型的な張力センシング方法との比較

歪部
３プーリ張力センサ
歪計測には電気を用いないFBGセンサが有望
しかし、歪部が柔で精巧、貼り付け作業を伴う
𝑛𝑛 ×使用する鉗子類の数だけ張力センサが必要（通常𝑛𝑛 = 6）
一つ一つの張力センサに歪ゲージを貼付⇒ コスト的に見合わない
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本方式の利点
・歪部がない、歪センサを貼付する必要がない。
・安価な部材で構成できる。
・電気素子を使わない、または使い捨てにできる。
・衝撃（衝突、落下）に強く堅牢である。

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従来技術とその問題点
１．既に実用化されているものには、空気圧アクチュエータの圧力計測による方法があるが、・力の作用点から遠い・電磁アクチュエータには適用できない等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。
２．歪センサを用いる方式は実用化に至っていない。
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新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術の問題点であった、歪部を廃止することに成功した。
• 従来の実用化例は空気圧アクチュエータの圧力計測による方法の一例に限られていた。
• 本技術の適用により、歪部および貼付する歪センサが必要なくなるので、コストが削減されることが期待される。

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3自由度屈曲鉗子への適用
左右の屈曲

6上下の屈曲とグリッパ開閉

12543６本のワイヤ
Copyright © 2023 Toru Omata All Right Reservedピンの適正サイズ
サイズの影響∆ℎ ：ワイヤの持ち上げ量短い(∆ℎが小さい) → 振動が小さい
計測が不安定長い(∆ℎが大きい) → 大きな摩擦力が発生
ワイヤを弾きづらいピン(短い)∆ℎ

ワイヤピン(長い)∆ℎ（出典：日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023 2P2-B20）

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∆ℎピン
(POM)

ナイロンコートワイヤ1軸の試験装置
𝐿𝐿 = 40mm

ピーク大ワイヤの持ち上げ量∆ℎ

ピーク小例：15N (計測可能)

15N(計測不可能)

周波数解析例（マイクを使用した場合）

５～２５Nの張力において異なる長さのピンを用いた振動周波数計測を行い、振動計測可能なピンの持ち上げ量(∆ℎ )の範囲を調べた。マイクを使用した場合、⇒ ∆ℎ = 815〜1114μmのピンが計測に適していた。
（出典：日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023 2P2-B20）

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耐久性試験
仕様：１秒間に１０回の力フィードバック
弾く回数：
１本のワイヤ １秒間に１０回
６本のワイヤ １秒間に６０回
１時間に２１６，０００回
手術時間 ４～５時間 約１００万回

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耐久性試験結果
ワイヤ

加振前

ピン

加振後ナイロンコートにわずかな摩耗が見られたが、ステンレス線の露出はないことを確認

1950 μm

1936 μm

加振前加振後1950μmから1936μmへ, 約20μmの摩耗が見られた。
⇒∆ℎの許容変動範囲である300μmを満たし100万回以上の耐久性を確認（出典：日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023 2P2-B20）

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光センサを用いた場合マイクと比較して高いＳ/Ｎ比低い∆ℎで振動計測が可能⇒
耐久性向上 光センサの使用が推奨される

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想定される用途• 歪部がないという本技術の特徴は、ワイヤ駆動手術ロボットの張力センシングにメリットが大きいと考えられる。
• また、達成された張力センシングに着目すると、狭所検査用のワイヤ駆動マニピュレータなどへ応用することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題• 現在、摩耗については基本的には問題がないことを確認している。しかし、手術ロボットの使用環境は厳しいので、より厳格に実用化への問題点がないか調べる必要がある。
• 今後、実用化試験を行い、手術ロボットに適用する場合の条件設定を行っていく。

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企業への期待• 実用化については、材料技術や製造技術により克服できると考えている。
• 材料技術や製造技術を持つ企業との共同研究を希望。
• また、手術ロボット全体を開発するのではな
く、張力センシング部だけを開発することも製品化として考えらえるので、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：ワイヤ駆動マニピュレータ装置• 出願番号 ：特願2018-176855• 特許番号 ：特許7250303• 出願人：東京工業大学• 発明者：小俣 透、日下部 雄樹
謝辞：本研究は科学研究費19K21940の支援を受けた。

お問い合わせ先
国立大学法人 東京工業大学
研究・産学連携本部 知的財産部門
ＴＥＬ 03 － 5734 － 2445
ＦＡＸ 03 － 5734 － 2482
e-mail sangaku@sangaku.titech.ac.jp