1.在本说明书(在下文中称为“本公开”)中公开的技术涉及应用于例如外科手术机器人并且具有外力检测功能的外科手术器械单元、力检测装置和外科手术支持系统。
背景技术：2.在主-从外科手术机器人中，已经提出了一种技术，其中，检测作用在末端执行器上的外力(例如，从患部接收在外科手术器械的末端上的外力)并且将该外力反馈给在主侧上操作的操作者，以便提高安全性和操作性(例如，参见专利文献1)。另外，为了在维持手术器械(顶端多自由度末端执行器)的小直径的同时在顶端实现多个自由度，使用缆线驱动系统是有效的，在该缆线驱动系统中，基座处的致动器的驱动力通过多个缆线(线)传递到顶端处的输出轴。
3.如果力传感器安装在缆线驱动器的根部侧上以便感测施加到外科器械的尖端的力，则存在由于力传感器的重量大而在臂的运动期间惯性力作为噪声被添加到力传感器的测量值的可能性。此外，如果力传感器安装在末端执行器的夹持器部件上，则必须设置电线和光纤直到夹持器部件。其结果，前端的可动范围容易受到阻碍。例如，如果在缆线驱动装置的轴部分中能够感测到力，则能够避免上述问题。然而，当应变传感器被简单地布置在轴周围时，由于外力和由多个缆线引起的张力之间发生干涉，因此难以精确地测量外力。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：wo2018/163680
技术实现要素：7.本发明要解决的问题
8.本公开的目的是提供一种应用于外科手术机器人并且具有不受缆线的张力干扰的外力检测功能的外科手术器械单元、力检测装置和外科手术支持系统。
9.问题的解决方案
10.本公开的第一方面是
11.一种手术器械单元，包括：
12.轴，在尖端处具有末端执行器；
13.中空基座；以及
14.应变产生部，在基座中支撑轴的根部。
15.轴允许用于驱动末端执行器的缆线通过，并且牵引缆线的马达布置在基座中。
16.应变产生部具有在轴的长轴方向上依次布置的第一层应变产生体和第二层应变产生体，第一层应变产生体和第二层应变产生体中的每个包括用多个支腿支撑轴的根部的多向应变产生体。第一层应变产生体相对于与轴的长轴正交的平面以预定角度θ倾斜，并且第二层应变产生体相对于所述平面以与第一层应变产生体的每个支腿相反的角度-θ倾斜。
17.此外，本公开的第二方面是
18.力检测装置，包括：
19.应变产生部，在中空基座中支撑轴，以及
20.应变传感器，检测应变生成部中的应变。
21.此外，本公开的第三方面是：
22.手术支持系统，包括：
23.手术器械以及附接该手术器械的臂，其中，
24.手术器械包括：轴，在尖端处具有末端执行器；中空基座；以及应变产生部，在所述基座中支撑轴的根部。
25.然而，要注意的是，在本文中使用的术语“系统”表示多个装置(或实施具体功能的功能模块)的逻辑组件，并且每个装置或每个功能模块是否在单个外壳内无关紧要。
26.本发明的效果
27.根据本公开，可以提供具有通过去除由于驱动末端执行器的线的牵引力而引起的干扰来检测外力的功能的手术器械单元、力检测装置和手术支持系统。
28.应注意，本说明书中描述的效果仅是实例，并且本公开带来的效果不限于此。此外，除了上述效果之外，本公开可进一步表现出另外的效果。
29.通过基于以下描述的实施例和附图的更详细描述，本公开的其他目标、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
30.图1是示出手术支持机器人1的外部配置实例的示图。
31.图2是示出手术器械单元的配置实例的示图。
32.图3是手术器械单元顶端部件101的放大图。
33.图4是手术器械单元驱动器103的放大图。
34.图5是示出手术器械单元100的自由度配置实例的图。
35.图6是示出手术器械单元100的简化自由度配置的示图。
36.图7是示出了手术器械单元700中的外力检测系统的布置的视图。
37.图8是示出了手术器械单元800的具体构造示例的示图。
38.图9是轴801的根部和基座803的连接部的横截面透视图。
39.图10是示出轴801的根部和基座803的连接部的横截面的视图。
40.图11是示出了四方向应变产生体的结构的图。
41.图12是示出了四方向应变产生体的结构的横截面图。
42.图13是示出四方向应变产生体的结构的横截面图(图12的变形例)。
43.图14是示出三方向应变产生体的结构的图。
44.图15是示出五方向应变产生体的结构的图。
45.图16是示出四方向应变产生体的结构的图。
46.图17是示出了缆线牵引模式下的a层和b层的应变产生体的运动实例的示图。
47.图18是示出了缆线牵引模式下a层和b层的应变产生体的运动实例的示图。
48.图19是示出fz模式下层和b层的应变产生体的运动示例的示图。
49.图20是示出fz模式下层和b层的应变产生体的运动示例的示图。
50.图21是示出fy模式下a层和b层的应变产生体的运动实例的示图。
51.图22是示出fy模式下a层和b层的应变产生体的运动实例的示图。
52.图23是示出三方向应变产生体的结构的图。
53.图24是示出手术器械单元800的抽象结构的图。
54.图25是示出作用在图24所示的手术器械单元800的y方向上的力的图。
55.图26是示出作用在图24所示的手术器械单元800的z方向上的力的图。
56.图27是示出使用金属板的应变产生体的构造实例的示图。
57.图28是示出使用金属板的应变产生体的配置实例的示图。
58.图29是示出使用金属板的应变产生体的配置实例的示图。
59.图30是示出使用金属板的应变产生体的配置实例的示图。
60.图31是示出使用金属板的应变产生体的配置实例的示图。
61.图32是示出使用用于应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的图27中示出的应变产生体的手术器械单元800的透视图的示图。
62.图33是示出图32所示的手术器械单元800的基座803的一部分的横截面的图。
63.图34是示出了装配之前的基座803的一部分的透视图的示图。
64.图35是示出了装配之前的基座803的一部分的立体截面图的示图。
65.图36是示出了装配之前的基座803的一部分的横截面图。
66.图37是示出了装配之后的基座803的一部分的透视图的示图。
67.图38是示出了装配之后的基座803的一部分的截面透视图的示图。
68.图39是示出了装配之后的基座803的一部分的横截面图。
具体实施方式
69.在下文中，将参考附图按照以下顺序描述根据本公开的技术。
70.a.系统配置
71.b.手术器械单元的配置
72.c.外力检测系统的布置
73.d.外力检测系统的配置
74.d-1.应变产生体的结构
75.d-2.由外力设定的应变产生体的应变模式
76.d-3力估计方程
77.e.应变产生体的安装实例
78.f.外科器械单元的具体结构和组装方法
79.a.系统配置
80.图1示出了手术支持机器人1的外部配置实例。图1中示出的手术支持机器人1包括具有多连杆结构的臂12，并且手术器械单元11安装在臂12的末端。手术器械单元11通过从手术支持机器人1或臂12上拆卸可以是可更换的。手术支持机器人1应用于例如腹腔镜手术，并且手术器械单元11的前端部经由套管针(未示出)插入到腹腔内以进行诸如抓握和切割患部等的处理。
81.图1中示出的手术支持机器人1可以用作例如主从系统中的从装置，并且根据来自主装置(未示出)的命令驱动臂12和手术器械单元11。此外，手术支持机器人1可以通过由操作者作为包括手术仪器的臂直接操作而移动。
82.臂12可以是具有任何类型的机构的机器人，例如极性机器人、圆柱形机器人、笛卡尔机器人、竖直铰接机器人、水平铰接机器人、平行连杆机器人或rcm(远端运动中心)机器人。在手术支持机器人1旨在用于腹腔镜手术的情况下，从机构的紧凑性、在套管针部位处实现枢转的容易性等的观点来看，优选地使用竖直铰接臂或rcm臂作为臂12，其中，在远离驱动旋转中心的位置处布置远程旋转中心以实现枢转(定点)运动。
83.图1示出了可以仅附接一个手术器械单元的手术支持机器人1的配置实例。然而，手术支持机器人1可以是能够同时附接多个手术器械单元以进行腹腔镜手术的手术支持机器人。
84.在将手术支持机器人1应用于主从系统的从装置的情况下，为了使操作者使用主装置准确且高效地远程操作作为从装置的手术支持机器人1而不损坏目标物，期望向主装置反馈诸如臂12的位置和施加到手术器械单元11的外力的信息。
85.b.手术器械单元的配置
86.图2示出了应用于手术支持机器人1的手术器械单元的配置实例。图2所示的手术器械单元100包括具有纵轴的中空轴102、位于轴102一端的手术器械单元尖端部101以及位于轴102另一端的手术器械单元驱动器103。手术器械单元尖端部101包括：腕部件，可相对于轴102绕平行于偏航轴的第一轴线转动；以及末端执行器，在腕部件的尖端以平行于俯仰轴的第二轴线作为开/闭轴线而打开和关闭。末端执行器包括一对彼此对置的钳构件，该对钳构件围绕第二轴线转动以打开和关闭。然而，应注意，第二轴线布置在偏离第一轴线的位置处。另外，手术器械单元驱动器103包括分别驱动手术器械单元尖端部件101中的钳构件的两个致动器和驱动腕部件的一个致动器。
87.图3以放大的方式示出了手术器械单元尖端部101。另外，图4以放大的方式示出了手术器械单元驱动器103。另外，图5示出了外科器械单元100的自由度配置实例。此外，图6描绘了外科器械单元100的简化自由度配置。
88.手术器械单元尖端部件101包括腕部件we和开/闭式末端执行器。末端执行器包括彼此对置的第一钳构件j1和第钳构件j2的一对钳构件(例如，见图3)。腕部件we被靠近根部支撑，以便在轴102的尖端(远端)处围绕平行于偏航轴线的第一轴线可转动。此外，包括在末端执行器中的第一钳构件j1和第二钳构件j2被支撑为在腕部件we的末端处可围绕平行于俯仰轴线的第二轴线转动。第1钳构件j1和第2钳构件j2通过改变以第二轴线为开/闭轴线的开角而进行开闭。
89.另外，手术器械单元驱动器103包括用于驱动第一钳构件j1的第一马达m1、用于驱动第二钳构件j2的第二马达m2以及用于驱动腕部件we的第三马达m3(例如，见图4和图5)。此外，作为驱动绞盘的第一至第三马达绞盘mc1、mc2和mc3分别附接至第一至第三马达m1至m3的输出轴(例如，见图5)。虽然假定对于第一至第三马达m1至m3中的每个使用旋转马达，但是可以使用具有减速器的马达。
90.第一往复缆线组c1a和c1b围绕第一马达绞盘mc1缠绕，并且第一钳构件j1通过由第一马达m1旋转第一马达绞盘mc1而由缆环法驱动。此外，第二往复缆线组c2a和c2b围绕第
二马达绞盘mc2缠绕，并且第二钳构件j2通过由第二马达m2旋转第二马达绞盘mc2由缆环法驱动。
91.参考图4和图5，第一马达m1支撑在沿着轴102的纵向轴线方向滑动的第一滑动基座sb1上，并且第二马达m2支撑在沿着轴102的纵向轴线方向滑动的第二滑动基座sb2上。此外，第三往复缆线组c3a和c3b经由第三惰带轮p3a和p3b缠绕在第三马达绞盘mc3周围。第3外缆线c3a的另一端固定在第1滑动基座sb1上，第3返回缆线c3b的另一端固定在第2滑动基座sb2上。然后，通过用缆环法拉动第三往复线缆组c3a和c3b，第三马达m3可在轴102的纵向轴线方向上的相反方向上向前和向后移动第一滑动基座sb1和第二滑动基座sb2。
92.参照图3，第一钳构件j1在根部附近由腕部件we支撑，以便可围绕第二轴线转动。类似地，第二钳构件j2在根部附近由腕部件we支撑，以便可围绕第二轴线转动。因此，通过围绕第二轴线转动第一钳构件j1和第二钳构件j2中的每一个来实现末端执行器的打开和闭合，使得第一钳构件j1和第二钳构件j2之间的开角增加或减小(即，使得第一钳构件j1和第二钳构件j2之间围绕第二轴线的角度差改变)。另外，通过同时围绕第二轴线转动第一钳构件j1和第二钳构件j2，同时保持第一钳构件j1和第二钳构件j2之间的开角恒定(即，使得第一钳构件j1和第二钳构件j2围绕第二轴线的角度之和改变)，实现包括第一钳构件j1和第二钳构件j2的末端执行器围绕第二轴线的转动。
93.参照图3和图5，具有作为旋转轴线的第二轴线的第一钳绞盘jc1设置在第一钳构件j1的根部附近。第一往复缆线组c1a和c1b围绕第一钳绞盘jc1缠绕。如图4和图5所示，第一往复缆线组c1a和c1b在手术器械单元驱动器103侧上围绕第一马达绞盘mc1缠绕。因此，根据第一马达m1的旋转方向，牵引力作用于缆线c1a和c1b中的一个，实现第一钳构件j1绕第二轴线的转动。由于第一钳构件j1通过使用第一往复缆线组c1a和c1b的缆环法来驱动，因此能够实现第一钳构件j1的宽的可移动范围。
94.此外，参考图3和图5，具有作为旋转轴线的第二轴线的第二钳绞盘jc2设置在第二钳构件j2的根部附近。第二往复缆线组c2a和c2b围绕第二钳绞盘jc2缠绕。如图4和图5所示，第二往复缆线组c2a和c2b在外科手术器械单元驱动器103侧上缠绕在第二马达绞盘mc2周围。因此，根据第二马达m2的旋转方向，牵引力作用于缆线c2a和c2b中的一个，实现第二钳构件j2绕第二轴线的转动。通过利用第二往复缆线组c2a、c2b的缆环法来驱动第二钳口构件j2，因此能够实现第二钳构件j2的宽的可动范围。
95.接下来，将描述外科器械单元100中的线缆的布局和外科器械单元尖端部件101的具体动作。
96.惰带轮用于在第一轴线附近使第一往复缆线组c1a和c1b和第二往复缆线组c2a和c2b改变方向以允许缆线穿过轴102，并且还用于调节缆索在轴102中的布局。
97.如图3和图5所示，第一向外缆线c1a在与第二轴线正交的方向上被牵引，通过以第一轴线为旋转轴线的第一惰带轮p11a被重定向到与第一轴线正交的方向，布局被调整成使得第一向外缆线c1a通过与第一惰带轮p11a相邻且具有与第一轴线平行的旋转轴线的第一相邻惰带轮p12a插入轴102中。然后，第一向外缆线c1a插入轴102中，然后经由惰带轮p13a围绕第一马达绞盘mc1缠绕，如图4中所示。
98.另一方面，第一返回缆线c1b沿与第二轴线正交的方向牵引，并通过具有第一轴线作为旋转轴线的第一惰带轮p11b重定向至与第一轴线正交的方向，且布局被调整成使得第
一返回缆线c1b通过与第一惰带轮p11b相邻且具有平行于第一轴线的旋转轴线的第一相邻惰带轮p12b插入轴102中。然后，将第一返回缆线c1b插入轴102中，然后经由惰带轮p13b从第一向出缆线c1a的相反方向围绕第一马达绞盘mc1缠绕，如图4中所示。
99.简言之，第一往复缆线组c1a和c1b被布置成通过缆环法在第一钳绞盘jc1与第一马达绞盘mc1之间传输动力。因此，如从图6可见，通过利用第一马达m1旋转第一马达绞盘mc1，第一钳绞盘jc1可以旋转以调整第一钳构件j1围绕第二轴线的转动角度。
100.另外，如图3和图5所示，第二向外缆线c2a沿与第二轴线正交的方向被牵引，并通过以第一轴线为旋转轴线的第二惰带轮p21a被重定向至与第一轴线正交的方向，布局被调整成使得第二向外缆线c2a通过与第二惰带轮p21a相邻并具有与第一轴线平行的旋转轴线的第二相邻惰带轮p22a插入轴102中。然后，第二向外缆线c2a插入轴102中，然后经由惰带轮p23a围绕第二马达绞盘mc2缠绕。
101.另一方面，第二返回缆线c2b沿与第二轴线正交的方向被牵引，并且通过以第一轴线为旋转轴线的第二惰带轮p21b被重定向至与第一轴线正交的方向，并且布局被调整为使得第二返回缆线c2b通过与第二惰带轮p21b相邻并具有与第一轴线平行的旋转轴线的第二相邻惰带轮p22b插入到轴102中。然后，将第二返回缆线c2b插入轴102，然后从第二向外缆线c2a的相反方向经由惰带轮p23b围绕第二马达绞盘mc2缠绕。
102.简而言之，布置第二往复缆线组c2a和c2b，以便通过缆环法在第二钳绞盘jc2与第二马达绞盘mc2之间传输动力。因此，如从图6可见，通过利用第二马达m2旋转第二马达绞盘mc2，第二钳绞盘jc2可以旋转以调整第二钳构件j2围绕第二轴线的转动角度。
103.通过由第一马达m1和第二马达m2控制第一往复缆线组c1a和c1b和第二往复缆线组c2a和c2b的牵引力，使得第一钳构件j1和第二钳构件j2之间围绕第二轴线的角度差改变，包括一对钳构件j1和j2的末端执行器可打开和关闭。打开/闭合角度由第一钳构件j1和第二钳构件j2之间围绕第二轴线的角度差确定。
104.此外，通过由第一马达m1和第二马达m2控制第一往复缆线组c1a和c1b以及第二往复缆线组c2a和c2b的牵引力，使得第一钳构件j1和第二钳构件j2围绕第二轴线的角度总和改变，可以使末端执行器围绕第二轴线转动。第一钳构件j1和第二钳构件j2围绕第二轴线的角度的平均值是末端执行器围绕第二轴线的转动角度。
105.另一方面，第一马达m1与第一马达绞盘mc1和惰带轮p13a和p13b一起固定到第一滑动基座sb1。此外，第二马达m2与第二马达绞盘mc2以及惰带轮p23a和p23b一起固定至第二滑动基座sb2。然后，第三向外缆线c3a经由惰带轮p3a耦接到第一滑动基座sb1。此外，第三返回缆线c3b经由第三惰带轮p3b耦接到第二滑动基座sb2。
106.要注意的是，在从第一滑动基座sb1到第三惰带轮p3a的区段中的第三向外缆线c3a以及在从第二滑动基座sb2到第三惰带轮p3b的区段中的第三返回缆线c3b理想地布置成平行于轴102的纵向轴线。
107.简言之，第三往复缆线组c3a和c3b被布置成在第三马达绞盘mc3与第一滑动基座sb1和第二滑动基座sb2之间传送动力。因此，通过由第三马达m3旋转第三马达绞盘mc3，第一滑动基座sb1和第二滑动基座sb2可以在轴102的纵向轴线方向上在相反方向上向前和向后移动。
108.参照图5和图6，第二往复缆线组c2a和c2b从与第一往复缆线组c1a和c1b围绕第一
惰带轮p11a和p11b缠绕方向相反的方向围绕第二惰带轮p21a和p21b缠绕。因此，当第一往复缆线组c1a和c1a缩回时以及当第二往复缆线组c2a和c2b缩回时，旋转力围绕围绕第一轴线的相反方向施加到腕部件we。因此，当第一滑动基座sb1前进到轴102的尖端(即，远端)并且第二滑动基座sb2缩回到轴102的根部侧(即，近端)时，第一往复缆线组c1a和c1b前进并且第二往复缆线组c2a和c2b缩回。因此，腕部件we围绕第一轴线在正方向上旋转。相反，当第一滑动基座sb1缩回并且第二滑动基座sb2前进时，第一往复缆线组c1a和c1b缩回并且第二往复缆线组c2a和c2b前进。因此，腕部件we围绕第一轴线在负方向上旋转。这里，假设第一往复缆线组c1a和c1b和第二往复缆线组c2a和c2b均具有恒定的总长度。
109.通过用第三马达m3拉动第三往复缆线组c3a和c3b，并根据第一滑动基座sb1和第二滑动基座sb2的滑动前后移动第一往复缆线组c1a和c1b以及第二往复缆线组c2a和c2b，可以使腕部件we围绕第一轴线转动。此外，当腕部件we绕第一轴转动时，第一往复缆线组c1a和c1b以及第二往复缆线组c2a和c2b的预张力不改变。
110.对处置器械单元前端部101的动作进行概述。
111.第一轴的运动：
112.当第三马达绞盘mc3通过第三马达m3旋转时，在第三往复缆线组c3a和c3b中的任一个中产生牵引力。结果，腕部件we和安装在腕部件we上的末端执行器可围绕第一轴线沿正向或反向转动。
113.第二轴的运动：
114.第一钳构件j1绕第二轴线的角度和第二钳构件j2绕第二轴线的角度的平均值被定义为末端执行器绕第二轴线的角度。通过使第一钳绞盘jc1和第二钳绞盘jc2以相同的速度在相同方向上旋转，末端执行器围绕第二轴线转动。
115.末端执行器的运动：
116.末端执行器包括彼此面对的第一钳构件j1和第二钳构件j2的一对夹钳构件(例如，参见图3)。第一钳构件j1与第二钳构件j2之间的打开角度被设定为末端执行器的打开/闭合角度。通过以相同的速度在相反方向上旋转第一马达绞盘mc1和第二马达绞盘mc2，打开和闭合末端执行器。
117.注意，对于手术器械单元100的细节，参考已经转让给本技术人的日本专利申请号2019-166763(pct/jp2020/031905)。
118.此外，将描述术语。在上述手术器械单元100中，使用了两种类型的滑轮：“惰带轮”和“绞盘”。惰带轮是“自由带轮”，并且用于缆线布局调整和对缆线施加张力。绞盘用于施加电力或者相反地将来自缆线的力转换成轴向力。
119.另外，在以下描述中，除非另有规定，否则手术器械单元包括轴、附接到轴的尖端的末端执行器(诸如镊子)以及支撑轴的基座，并且通过从基座移除轴而可更换。对诸如镊子或镊子的末端执行器施加牵引力的缆线插入轴中，并且拉动缆线的马达设置在基座中。上述滑动基座对应于基座。缆线可以称为“电线”，但是在本说明书中统一为"缆线"。
120.c.外力检测系统的布置
121.为了将诸如施加到手术器械单元的外力的信息反馈给主装置，需要检测施加到手术器械单元的前端的外力的检测系统。另外，期望外力检测系统具有能够检测至少三个方向包括作用在作为手术器械单元的纵向方向(或轴方向)的z方向上的外力和作用在与z方
向正交的x方向和y方向上的外力的三个自由度(dof)。
122.考虑检测施加到手术器械单元的外力的外力检测系统的配置方法。上述部分b描述了具有总共三个自由度的手术器械单元100，即，第一轴线，其使腕部件绕偏航轴转动，例如，相对于轴的尖端；第二轴线，其使末端执行器的方向绕俯仰轴转动，例如，相对于腕部件；以及第三轴线(打开/闭合轴线)，其使钳构件打开和关闭。b部分中描述的手术器械单元100使用三个往复缆线和三个马达。
123.这里，为了简化，如图7所示，作为一例，说明手术器械单元700，该手术器械单元700包括用于开闭尖端的钳构件的一条缆线701、以及用于牵引缆线701的向外侧和返回侧的两个马达702、703。
124.力传感器用于检测外力。通常，力传感器包括容易因外力而扭曲的应变产生体和安装到应变产生体并输出与应变产生体的应变量相对应的信号的应变传感器，并且对应变传感器的输出信号执行信号处理以将应变产生体的应变量转换成外力。在图7所示的手术器械单元700中，安装这种力传感器的位置大致分为三个区域：位于由缆线701牵引的部分的根侧(或近端侧)区域711、插入缆线701的中间区域712和位于缆线的尖端侧(或远端侧)区域713。
125.当力传感器安装在中间区域712中时，不仅外力而且缆线701的牵引力(或马达702和703的扭矩)作用在其上。因此，担心由于干扰缆线701的牵引而不能精确地测量外力。另一方面，缆线701的牵引力不作用于根侧区域711或尖端侧区域713的任一个。因此，如果力传感器被布置在根侧区域711或尖端侧区域713中的任一个中，则能够在不干扰缆线701的牵引的情况下测量外力。
126.然而，在力传感器安装在根侧区域711中的情况下，由于手术器械单元700的重量引起的惯性力作用在力传感器上，并且因此，难以准确地测量外力。
127.另外，在力传感器安装在尖端侧区域713中的情况下，能够在没有由于缆线701的牵引或惯性力引起的干扰的情况下精确地测量外力。然而，手术器械单元700每次用于手术时都需要被消毒，并且力传感器可能在消毒处理的过程中劣化。另外，如果力传感器安装在尖端部以使结构复杂化，则存在即使在清洁之后也可能残留污染物的可能性。此外，当安装力传感器时，难以缩小尖端部的尺寸。
128.因此，在本公开中，提出了在手术器械单元700的中间区域712中布置能够消除由于线的牵引而引起的干扰的力传感器。根据本公开的力传感器布置在根侧区域711的远端侧上，并且因此可减小由于手术器械单元700的重量引起的惯性力的影响。此外，根据本公开的力传感器未布置在手术器械单元700的尖端。因此，能够解决由于灭菌引起的劣化、污染的残留、以及尖端部的小型化的问题。
129.d.外力检测系统的具体配置实例
130.图8示出了其中外力检测系统包含在上述"中间区域"中的手术器械单元800的具体构造实例。
131.手术器械单元800包括轴801、附接到轴801的尖端的末端执行器802(例如镊子)、以及支撑轴801的基座803。用于向诸如镊子的末端执行器802施加牵引力的缆线(图8中未示出)插入轴801中，并且用于拉动缆线的马达(图8中未示出)设置在基座803中。由于在上面部分b中已经描述了末端执行器802、缆线驱动系统以及马达的布置的具体配置，因此这
里将省略对其的描述。
132.d-1.应变产生体的结构
133.轴801在根部处由基座803支撑。图9是轴801的根部和基座803的连接部的截面透视图。图10示出了轴801的根部和基座803的连接部分的横截面。假定轴801可从基座803移除并更换。一般而言，每当轴801被替换时，末端执行器802的部件被清洁和消毒。
134.在本公开中，如图8至图10所示，轴801的根部由两层应变产生体811和812支撑。在下文中，在尖端侧的应变产生体811也称为“a层”应变产生体，并且在根侧的应变产生体812也称为“b层”应变产生体。
135.在图11中，基座803被透明地绘制，以使应变产生体811和812可视化。应变产生体-a层811和应变产生体-b层812中的每一个是通过从轴801的根部向外部基座803伸展的四个支腿在四个方向上支撑轴801的根部的“四方向应变产生体”。在图11中示出的实例中，四方向应变产生体的支腿具有相同的形状和相同的尺寸，以等间隔(围绕轴801的长轴的90度的间隔)布置，并且在中空圆柱形基部803的基本上中心处支撑轴801。另外，假定应变产生体-a层811和应变产生体-b层812围绕轴801的长轴的旋转位置基本上彼此一致。然后，应变传感器被附接到应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的每个支腿，并且当外力被施加到轴801的末端处的末端执行器802时，测量每个支腿的应变量。在图11中，以浅灰色喷涂应变产生体-a层811和应变产生体-b层812。此外，附接到应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的支腿的应变传感器被涂成深灰色。
136.应变产生体使用例如不锈钢(钢用不锈钢：sus)、co-cr合金、或称为具有优良生物相容性的金属基材料的钛基材料来制造。从应用于诸如手术器械单元800的医疗器械的角度来看，优选地，使用诸如钛合金的具有诸如高强度和低刚性(低杨氏模量)的机械特性的材料来制造应变产生体。
137.另外，在本实施方式中，假定使用光纤制造的光纤布拉格光栅(fbg)传感器作为应变传感器。这里，fbg传感器是通过沿着光纤的长轴对衍射光栅(光栅)进行雕刻而形成的传感器，能够检测衍射光栅之间的间隔的变化，该间隔的变化是由于作为反射光的波长相对于预定波长带(布拉格波长)的入射光的变化的作用力或伴随温度变化的膨胀或收缩而产生的应变(众所周知)。然后，由fbg传感器检测到的波长的变化可以转换为应变、应力或温度变化作为原因。当然，还可以想到利用本领域广泛已知的其他类型的应变检测元件作为应变传感器，诸如电容传感器、半导体应变计、箔式应变计等。但是，考虑到传输损耗小、医疗所需的灭菌处理、强磁场环境中的处理等优点，fbg传感器被认为是更优选的。
138.图12示出了从与轴801的长轴(或z轴)正交的方向观察时包括在四方向应变产生体中的一组应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的侧视图(或yz截面)。应变产生体-a层811的四个方向上的每个支腿相对于与z轴正交的平面(或y轴)倾斜预定角度。在下文中，倾斜角度由θ表示。此外，与应变产生体-a层811相反，应变产生体-b层812的四个方向上的每个支腿相对于与z轴正交的平面(或y轴)倾斜角度-θ。因此，应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的横截面形成“v形”形状，如从图12可以看出。例如，θ约为三度。
139.此外，图13示出了包括在四方向应变产生体中包括的一组应变产生体811和812的变形。在图13中所示的实例中，应变产生体-a层811的四个方向上的每个支腿相对于与z轴正交的平面(或y轴)倾斜角度-θ。此外，与应变产生体-a层811相反，应变产生体-b层812的
四个方向上的每个支腿相对于与z轴(或y轴)正交的平面以角度θ倾斜。因此，应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的横截面形成倒置的“v形”形状，如从图13可见。
140.应注意，应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的结构不限于如图11所示的轴801的根部相对于基底803在四个方向上由支腿支撑的“四方向应变产生体”。如图14所示，轴801的基座可以是通过支腿在三个方向上相对于基座803支撑根部的"三方向应变产生体”1401和1402，或者如图15所示，轴801的基座可以是通过支腿在五个方向上相对于基座803支撑根部的“五方向应变产生体”1501和1502。另外，虽然未示出，但是可使用在六个或更多个方向上由支腿支撑根部的多向应变产生体。然而，应注意，在轴801的根部由支腿在两个方向上支撑的“双向应变产生体”的情况下，作用在轴801的末端上的外力不能分离成xyz方向中的每个上的分量。
141.d-2.由外力设定的应变产生体的应变模式
142.接下来，将描述当外力作用在轴801上时的应变产生体的应变模式。这里，为了方便起见，将采用图11和图12中示出的相对于底座803在四个方向上支撑轴801的根部的“四方向应变产生体”作为实例来描述应变模式。
143.应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的四个支腿具有相同的形状和相同的尺寸，以等间隔(围绕轴801的长轴的90度的间隔)布置，并且在中空圆柱形基座803的基本上中心处支撑轴801。另外，假定应变产生体-a层811和应变产生体-b层812围绕轴801的长轴的旋转位置基本上彼此一致。然后，应变传感器被附接到应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的每个支腿，并且当外力被施加到轴801的尖端处的末端执行器802时，测量每个支腿的应变量。
144.在此，如图16所示，应变产生体-a层811的四个支腿分别由a1至a4表示，并且应变产生体-b层812的四个支腿分别由b1至b4表示。此外，应变发生体-a层811的支腿a1至a4的应变量分别由ε
a1
至ε
a4
表示，并且应变发生体-b层812的支腿b1至b4的应变量分别由ε
b1
至ε
b4
表示，由布置在支腿a1至a4和b1至b4中的应变传感器检测的应变量。此外，图16还示出了xyz坐标。z轴与轴801的长轴一致。x轴和y轴是与z轴正交的轴，x轴和y轴也彼此正交。虽然未示出，但是假设根据本公开的外力检测系统包括信号处理装置，信号处理装置处理布置在支腿a1至a4和b1至b4中的每一个中的应变传感器的检测信号。信号处理装置计算支腿a1至a4和b1至b4的应变量ε
a1
至ε
a4
和ε
b1
至ε
b4
，基于应变量ε
a1
至ε
a4
和ε
b1
至ε
b4
进一步确定手术器械单元800的应变模式，并且转换作用在手术器械单元800上的沿xyz方向的外力f
x
、fy和fz。应变模式的确定和外力的计算方法的细节将在后面描述。
145.应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的应变模式包括“缆线牵引模式”，其中，当牵引力作用在缆线上时产生应变；“fz模式”，其中，
±
z方向上的外力作用于轴801的尖端部；以及“fy模式”，其中，
±
y方向上的外力作用于轴801的尖端部，以及“fx模式”，其中，
±
x方向上的外力作用在轴801的尖端部上。
146.注意，这里提到的缆线是在以上部分b中描述的第一往复缆线组c1a和c1b、第二往复缆线组c2a和c2b或第三往复缆线组c3a和c3b中的任一个。
147.图17和图18示出了缆线牵引模式中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的运动实例。图17示出了当拉动向外侧缆线时的动作实例，并且图18示出了当拉动返回侧缆线时的动作实例。
148.另外，图19和图20示出fz模式下的应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的运动实例。图19示出了当在z方向上的压缩力(或在-z方向上的外力)作用在轴801的尖端上时的运动实例，并且图20示出了当在z方向上的牵引力(或在+z方向上的外力)作用在轴801的尖端上时的运动实例。
149.此外，图21和图22示出fy模式中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的运动实例。图21示出了当在-y方向上的外力作用在轴801的尖端上时的运动实例，并且图22示出了当在+y方向上的外力作用在轴801的尖端上时的运动实例。注意，f
x
模式中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的运动与图21和图22中示出的fy模式中的运动围绕z轴旋转90度的情况相同，因此这里省略其图示和描述。
150.图17至图22中的每个示出了当在x方向上观察时的手术器械单元800的横截面。因此，示出了应变产生体-a层811的支腿a1和支腿a3以及应变产生体-b层812的支腿b1和支腿b3。如上所述，由应变传感器测量的支腿a1、a3、b1以及b3的应变量分别由ε
a1
、ε
a3
、ε
b1
、以及ε
b3
表示。
151.应注意，在图17至图22中，为了简单起见，缆线是在以上部分b中描述的第一往复缆线组c1a和c1b、第二往复缆线组c2a和c2b、以及第三往复缆线组c3a和c3b中的任一个缆线组。应当理解，以下描述同样适用于每个缆线组。
152.应变发生体-a层811的支腿a1和支腿a3以及应变发生体-b层812的支腿b1和支腿b3根据应变发生体的应变模式收缩或伸展。在图17至图22中，在每个应变模式中收缩的支腿和伸展的支腿通过阴影的差异进行区分。
153.参照图17，当牵引向外侧电缆时，应变发生体-a层811的支腿a1和应变发生体-b层812的支腿b1收缩，并且应变发生体-a层811的支腿a3和应变发生体-b层812的支腿b3伸展。这是因为，由于向外侧缆线的牵引，压缩力作用于应变产生体-a层811的支腿a1和应变产生体-b层812的支腿b1，相反，张力作用于应变产生体-a层811的支腿a3和应变产生体-b层812的支腿b3。此外，如图18所示，当牵引返回侧缆线时，应变发生体-a层811的支腿a1和应变发生体-b层812的支腿b1伸展，并且应变发生体-a层811的支腿a3和应变发生体-b层812的支腿b3收缩。这是因为由于返回侧电缆的牵引，压缩力作用于应变产生体-a层811的支腿a3和应变产生体-b层812的支腿b3，相反，张力作用于应变产生体-a层811的支腿a1和应变产生体-b层812的支腿b1。
154.参考图19，当在fz模式下在-z方向上的外力fz作用在轴801的末端上时，应变发生体-a层811的支腿a1和支腿a3伸展，而应变发生体-b层812的支腿b1和b3收缩。这是因为，当压缩轴801的外力fz作用时，张力作用在前端侧的应变发生体-a层811的支腿a1和a3(尽管未示出，支腿a2和a4)上，相反，压缩力作用在根侧的应变发生体-b层812的支腿b1和b3(尽管未示出，支腿b2和b4)上。此外，参考图20，当+z方向上的外力fz作用在轴801的末端上时，应变发生体-a层811的支腿a1和支腿a3收缩，而应变发生体-b层812的支腿b1和支腿b3伸展。这是因为，当拉动轴801的外力fz作用时，张力作用在根部侧上的应变发生体-b层812的支腿b1和b3(尽管未示出，支腿b2和b4)上，并且相反地，压缩力作用在前端侧上的应变发生体-a层811的支腿a1和a3(尽管未示出，支腿a2和a4)上。
155.如上所述，尖端侧的应变产生体-a层811和根侧的应变产生体-b层812相对于与z轴正交的平面的倾斜角彼此相对。为此，如图19和图20所示，响应于z轴方向上的外力fz，前
端侧的应变发生体-a层811和根部侧的应变发生体-b层812以一个收缩和另一个伸展的相反方式表现。
156.参照图21，当在fy模式下沿-y方向的外力fy作用在轴801的尖端上时，应变产生体-a层811的支腿a1和应变产生体-b层812的支腿b3伸展，并且应变产生体-a层811的支腿a3和应变产生体-b层812的支腿b1收缩。这是因为，当沿-y方向弯曲轴801的外力fy作用时，产生在附图平面中绕应变产生体-a层811与应变产生体-b层812之间的中间逆时针的力矩。此外，参照图22，当在+y方向上的外力fy作用在轴801的尖端上时，应变发生体-a层811的支腿a1和应变发生体-b层812的支腿b3收缩，并且应变发生体-a层811的支腿a3和应变发生体-b层812的支腿b1伸展。这是因为，当沿y方向弯曲轴801的外力fy作用时，产生在附图平面中绕应变产生体-a层811与应变产生体-b层812之间的中间的顺时针力矩。
157.综上所述，在图17和图18所示的缆线牵引模式中，处于相同位置的应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的支腿的伸缩方向彼此一致，而在图19和图20所示的fz模式和图21和图22所示的fy模式中，处于相同位置的应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的支腿的伸缩方向相反。缆线牵引模式是外力检测系统受缆线的牵引(即，马达的扭矩)干扰的模式。因此，当检测到在相同位置中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的支腿的伸缩方向彼此一致时，可以通过从测量中去除缆线的牵引来消除缆线的牵引的干扰。
158.另外，在图19和20所示的fz模式中，相同层中的应变发生体的支腿的伸展和收缩方向彼此一致，而不同层中的应变发生体的支腿的伸展和收缩方向相反。另一方面，在图21和图22中示出的fy模式中，在相同层的支腿彼此相对的位置中的支腿的伸展和收缩方向相反。因此，处理应变传感器的检测信号的信号处理装置可根据层中以及层之间的应变产生体的支腿的伸缩方向区分fz模式和fy模式。
159.注意，fz模式和fy模式中的应变产生体的运动也通过模拟计算确认。
160.d-3力估计方程
161.图19和图20所示的fz模式下的外力fz的估计方程与下面的方程(1)相同。
162.[表达式1]
[0163]fz
＝kz×
((ε
b1-ε
a1
)+(ε
b3-ε
a3
))
…
(1)
[0164]
此外，图21和图22中示出的fy模式中的外力fy的估计方程与下面的方程(2)中一样。
[0165]
[表达式2]
[0166]fy
＝ky×
((ε
b1-ε
a1
)-(ε
b3-ε
a3
))
…
(2)
[0167]
然而，注意，上述等式(1)和(2)仅考虑应变产生体-a层811的两条支腿a1和a3以及应变产生体-b层812的两条支腿b1和b3的应变量。如图16所示，在四方向应变发生体(其中，应变发生体-a层811的四个支腿分别是a1到a4，并且应变发生体-b层812的四个支腿分别是b1到b4)的情况下，外力f
x
、fy和fz的估计等式分别如下列等式(3)到(5)所示。其中，δ1＝ε
b1-ε
a1
、δ2＝ε
b2-ε
a2
、δ3＝ε
b3-ε
a3
和δ4＝ε
b4-ε
a4
。
[0168]
[表达式3]
[0169]fx
＝k
x
(δ
4-δ2)
…
(3)
[0170]
[表达式4]
[0171]fy
＝ky(δ
3-δ1)
…
(4)
[0172]
[表达式5]
[0173]fz
＝kz(δ1+δ2+δ3+δ4)
…
(5)
[0174]
此外，如图23所示，在应变发生体-a层811的三条支腿分别为a1至a3，并且应变发生体-b层812的三条支腿分别为b1至b3的三方向应变发生体的情况下，外力f
x
、fy和fz的估计等式分别如下列等式(6)至(8)所示。其中，δ1＝ε
b1-ε
a1
、δ2＝ε
b2-ε
a2
以及δ3＝ε
b3-ε
a3
。
[0175]
[表达式6]
[0176][0177]
[表达式7]
[0178][0179]
[表达式8]
[0180]fz
＝kz(δ1+δ2+δ3)
…
(8)
[0181]
接下来，将描述推导ky的方法(四方向应变产生体的情况)。系数ky表示使用应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的应变传感器在y方向上的灵敏度。这里，如图24所示，抽象地示出了手术器械单元800的结构。在图24中，应变产生体-a层811与应变产生体-b层812之间的距离为a，并且从轴801(或末端执行器802)的末端到应变产生体-a层811的距离为b。此外，应变产生体-a层811相对于与z轴正交的平面(或y轴)以角度θ倾斜，并且应变产生体-b层812相对于与z轴正交的平面(或y轴)以角度-θ倾斜。
[0182]
在此，如图25所示，将沿y方向作用于末端执行器802的尖端的尖端力定义为fy，将末端执行器802的尖端力的估计值定义为f
y_pre
，将沿y方向施加至应变产生体-a层811的力定义为f
y1
，并且将沿y方向施加至应变产生体-b层812的力定义为f
y2
。此外，应变发生体-a层811和应变发生体-b层812的厚度由t表示，应变发生体-a层811和应变发生体-b层812的宽度由w表示，并且应变发生体-a层811和应变发生体-b层812的杨氏模量由e表示。
[0183]
根据力和力矩的平衡，施加到应变产生体-a层811的y方向的力f
y1
和施加到应变产生体-b层812的y方向的力f
y2
分别被表示为以下等式(9)和(10)。
[0184]
[表达式9]
[0185][0186]
[表达式10]
[0187][0188]
根据力与应变之间的关系，分别在以下等式(11)和(12)中示出了应变发生体-a层811的支腿a1和a3的应变量ε
a1
和ε
a3
以及应变发生体-b层812的支腿b1和b3的应变量ε
b1
和ε
b3
。
[0189]
[表达式11]
[0190][0191]
[表达式12]
[0192][0193]
末端执行器802的尖端力fy的估计值f
y_pre
由以下等式(13)表示。
[0194]
[表达式13]
[0195][0196]
当末端执行器802的尖端力的估计值f
y_pre
等于在末端执行器802的尖端在y方向上作用的尖端力fy时，即，当f
y_pre
＝fy成立时，ky由以下等式(14)表示。
[0197]
[表达式14]
[0198][0199]
应注意，尽管未描述，k
x
也通过以上等式(14)表示。系数k
x
表示使用应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的应变传感器的x方向上的灵敏度。
[0200]
接下来，将描述推导kz的方法(四方向应变产生体的情况)。系数kz表示使用应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的应变传感器在z方向上的灵敏度。这里，如图24所示，抽象出手术器械单元800的结构(与上述相同)。这里，如图26所示，沿z方向作用在末端执行器802的尖端处的尖端力fz均匀地分布。
[0201]
根据力与应变之间的关系，应变发生体-a层811的支腿a1和a3的应变量ε
a1
和ε
a3
以及应变发生体-b层812的支腿b1和b3的应变量ε
b1
和ε
b3
如以下等式(15)所示。
[0202]
[表达式15]
[0203][0204]
通过以下等式(16)表示末端执行器802的末端力fz的估计值f
z_pre
。
[0205]
[表达式16]
[0206][0207]
当末端执行器802的尖端力的估计值f
z_pre
等于在末端执行器802的尖端以z方向作用的尖端力fz时，即，当f
z_pre
＝fz成立时，kz由以下等式(17)表示。
[0208]
[表达式17]
[0209]kz
＝(twe)
·
sinθ
…
(17)
[0210]
接下来，将描述ky＝kz成立的条件。从以上等式(14)和(17)，ky与kz的比被表示为以下等式(18)。
[0211]
[表达式18]
[0212][0213]
因此，ky＝kz成立的条件是参数θ、a和b满足以下等式(19)。
[0214]
[表达式19]
[0215][0216]
从以上等式(14)和(17)，通过将应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的截面形成为“v形”形状，推导出可以通过应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的倾斜度θ来调整应变传感器的灵敏度的效果。下面将描述根据本公开的应变传感器的特征。
[0217]
(a)kz与k
x
或ky之间的灵敏度平衡可以通过改变应变产生体的倾斜度θ来调整。
[0218]
(b)k
x
和ky的灵敏度可以通过从轴801的尖端到应变产生体-a层811的距离b与应变产生体-a层811与应变产生体-b层812之间的距离a的比率来调节。
[0219]
(c)通过将从轴801的尖端到应变产生体-a层811的距离b设置为适当的距离，可以在应变产生体-a层811和应变产生体-b层812之间布置缆线。
[0220]
(d)可以使用金属板制造应变产生体。金属板材具有高的厚度t精度和低成本，并且可以通过激光加工生产具有期望形状的应变产生体。
[0221]
e.应变产生体的安装实例
[0222]
图27示出了可以用作根据本公开的手术仪器单元中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层的应变产生体的配置实例(正视图和透视图)。图27中的应变产生体具有其中轴(图27中未示出)由四个支腿支撑的四方向应变产生体的结构。这是通过有限元法(fem)分析以最佳灵敏度确定应变产生体的形状的结果。参照图27，网格形状形成在四个支腿中的每一个的中心附近，并且被配置为比支腿的其他部分更容易地变形。然后，将包括在fbg传感器中的光纤附接至四个支腿中的每一个，并且在光纤上在与网格形状重叠的部分中形成光栅，以布置fbg传感器。
[0223]
图28示出了可以用作根据本公开的手术仪器单元中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层的应变产生体的另一配置实例(正视图和透视图)。图28中的应变产生体具有其中轴(图28中未示出)由四个支腿支撑的四方向应变产生体的结构。在纵向上切出的两个开口形成在四个支腿中的每一个的中心附近，并且被构造成比支腿的其他部分更容易应变。然后，在每个支腿的两个开口之间附接光纤，在该光纤上形成用作fbg传感器的光栅。
[0224]
图29示出了可以用作根据本公开的手术仪器单元中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层的应变产生体的又一配置实例(正视图和透视图)。图29中的应变产生体具有其中轴(图29中未示出)由四个支腿支撑的四方向应变产生体的结构。在其上形成有用作fbg传感器的光栅的光纤被附接到四个支腿中的每个。
[0225]
图30示出了可以用作根据本公开的手术仪器单元中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层的应变产生体的又一配置实例(正视图和透视图)。图30中的应变产生体具有其中轴(图30中未示出)由四个支腿支撑的四方向应变产生体的结构。四个支腿中的每一个都是细的，其中靠近中心的两端被刮掉，并且被配置为比支腿的其他部分更容易应变。而且，在各脚部的细部安装形成有作为fbg传感器的光栅的光纤。
[0226]
图31示出了可以用作根据本公开的手术仪器单元中的应变产生体-a层811和应变产生体-b层的应变产生体的又一配置实例(正视图和透视图)。图31中的应变产生体具有其中轴(图31中未示出)由四个支腿支撑的四方向应变产生体的结构。折叠结构形成在四个支腿中的每一个的中心附近，并且被构造成比支腿的其他部分更容易应变。然后，在其上形成用作fbg传感器的光栅的光纤被附接至每个支腿的折叠结构的一部分。
[0227]
在诸如sus的金属板用作用于应变产生体的材料的情况下，具有高度精确的厚度t并且具有如图27至图31所示的形状的应变产生体可以通过激光处理以低成本制造。
[0228]
f.外科器械单元的具体结构和组装方法
[0229]
图32示出了将图27中所示的应变产生体用于应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的手术器械单元800的立体图。另外，图33示出图32所示的手术器械单元800的基座803的一部分的剖视图。
[0230]
基座803被分成中空的外部马达基座和轴基座，用于牵引缆线的马达在根侧(未示出)附接到中空的外部马达底座，轴801附接到轴底座的中心附近。然后，轴基底经由应变产生体-a层811和应变产生体-b层812附接到马达基底。
[0231]
图34至图36分别示出了在装配之前的基座803的一部分的立体图、截面立体图、以及截面图。此外，图37至图39示出了在组装之后(或者在结合应变产生体之后)基座803的一部分的立体图、截面立体图和截面图。
[0232]
马达基座分为三部分：尖端侧的马达基座的前段部分；根侧的马达基座的后段部分；以及夹在马达基座的前段部分和马达基座的后段部分之间的马达基座的中段部分。另外，轴基座被分割为三个部分：尖端侧的轴基座的前段部分；根侧的轴基座的后段部分；以及夹在轴基座的前段部分和轴基座的后段部分之间的轴基座的中段部分。
[0233]
在组装过程中，如从图35和图36可见，轴基中段部分被夹在应变发生体-a层811和应变发生体-b层812的中心附近，并且马达基座中段部分被夹在应变发生体-a层811和应变发生体-b层812的外周边缘之间。此外，应变发生体-a层811的外周边缘夹在马达基座前段部分和马达基座中段部分之间，并且应变发生体-b层812的外周边缘夹在马达基座中级部分和马达基座后级部分之间。马达基座前段部分、马达基座中段部分、马达基座后段部分例如使用螺纹螺合，但也可以使用其他固定方法。
[0234]
注意，在这种状态下，应变产生体-a层811和应变产生体-b层812以及附接到应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的fbg传感器处于没有施加预张力的自然长度状态。此外，如从图36可以看出，在这种状态下，应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的横截面基本上平行并且不形成“v形”形状。此外，应变产生体-a层811的中心附近和轴基座中段部分的前表面，以及应变产生体-b层812的中心附近和轴基座中段部分的后表面彼此不接触，而是彼此分离。
[0235]
接下来，如从图38和图39可见，应变产生体-a层811的中心附近夹在轴基座前段部分与轴基座中段部分之间，并且应变产生体-b层812的中心附近夹在轴基座中段部分与轴基座后段部分之间。轴基座前段部分、轴基座中段部分、轴基座后段部分例如使用螺钉进行螺纹固定，但也可以使用其他固定方式。虽然在图37至图39中省略，但是手术器械单元800的轴801通过插入到轴基座前段部分的尖端中而被使用。
[0236]
如图36和图39所示，轴基座中段部分的纵向尺寸小于马达基座中段部分的纵向尺
寸。因此，如图37至图39所示，当轴基座前段部分附接至应变产生体-a层811的前中心并且压靠在轴基座中段部分的前表面上，并且轴基座后段部分附接至应变产生体-b层812的后中心并且压靠在轴基座中段部分的后表面上时，应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的截面形成“v形”形状。在这种状态下，预张力被施加到应变产生体-a层811和应变产生体-b层812，以及被附接到应变产生体-a层811和应变产生体-b层812的fbg传感器。当对应变产生体和fbg传感器施加预张力时，存在在施加压缩力时几乎不发生屈曲的效果。
[0237]
工业实用性
[0238]
上面已经参考具体实施方式详细描述了本公开。然而，不言而喻，在不背离本公开的主旨的情况下，本领域技术人员可以修改或者替换实施方式。
[0239]
在本说明书中，已经主要描述了本公开应用于在外科手术机器人中使用的外科手术器械的实施方式，但是本公开的要旨不限于此。本公开可应用于医疗保健之外的各种领域的机器人，诸如精密作业机器人。
[0240]
简而言之，已经以例证的形式描述了本公开，但是不应以限制的方式解释本说明书中描述的内容。为了确定本公开的要点，应当考虑权利要求。
[0241]
应注意，本公开还可配置如下。
[0242]
(1)一种手术器械单元，包括：
[0243]
轴，在尖端处具有末端执行器；
[0244]
中空基座；以及
[0245]
应变产生部，在基座中支撑轴的根部。
[0246]
(2)根据以上(1)所述的手术器械单元，其中
[0247]
轴允许用于驱动末端执行器的缆线通过，并且
[0248]
牵引缆线的马达布置在基座中。
[0249]
(3)根据以上(1)或(2)所述的手术器械单元，其中
[0250]
应变产生部包括在轴的长轴方向上依次布置的第一层应变产生体和第二层应变产生体。
[0251]
(4)根据以上(3)所述的外科器械单元，其中
[0252]
第一应变产生体和第二应变产生体中的每个是多向应变产生体，多向应变产生体用来自多个方向的多个支腿相对于基座的内壁支撑轴的根部。
[0253]
(5)根据以上(4)所述的手术器械单元，其中
[0254]
第一应变产生体的各支腿相对于与轴的长轴正交的平面以预定角度θ倾斜，并且第二应变产生体的各支腿相对于平面以与第一应变产生体的各支腿相反的角度-θ倾斜。
[0255]
(6)根据以上(5)所述的手术器械单元，其中
[0256]
应变传感器附接至第一应变产生体和第二应变产生体的每个支腿。
[0257]
(7)根据以上(6)所述的手术器械单元，其中
[0258]
基于每个支腿的应变量，确定轴或末端执行器的应变模式。
[0259]
(8)根据以上(7)所述的外科器械单元，其中
[0260]
在处于相同位置的第一应变产生体的支腿与第二应变产生体的支腿的伸缩方向彼此一致的情况下，判断为是由于牵引末端执行器的缆线的牵引力而发生应变的缆线牵引模式。
[0261]
(9)根据以上(7)所述的手术器械单元，其中
[0262]
在第一应变产生体的脚部的伸缩方向一致、且第二应变产生体的脚部的伸缩方向一致、且第一应变产生体的脚部的伸缩方向与第二应变产生体的脚部的伸缩方向相反的情况下，判断为是由于作用于轴的长度方向的外力而发生应变的模式。
[0263]
(10)根据以上(7)所述的手术器械单元，其中
[0264]
在第一应变产生体和第二应变产生体中的每个中彼此相对的支腿的伸缩方向相反的情况下，判断为是由于作用在与轴的长度方向正交的方向上的外力而发生应变的模式。
[0265]
(11)根据以上(6)至(10)中任一项所述的手术器械单元，其中
[0266]
应变传感器包括fbg传感器。
[0267]
(12)根据以上(2)至(11)中任一项所述的手术器械单元，其中
[0268]
第一应变产生体和第二应变产生体包括金属片。
[0269]
(13)根据以上(6)至(12)中任一项所述的手术器械单元，其中
[0270]
预张力被施加至第一应变产生体、第二应变产生体和应变传感器。
[0271]
(14)一种力检测装置，包括：
[0272]
应变产生部，在中空基座中支撑轴，以及
[0273]
应变传感器，检测应变产生部中的应变。
[0274]
(14-2)根据以上(14)所述的力检测装置，其中
[0275]
轴允许用于驱动末端执行器的缆线通过，并且
[0276]
牵引缆线的马达布置在基座中。
[0277]
(14-3)根据以上(14)或(14-2)所述的力检测装置，其中，
[0278]
应变产生部包括在轴的长轴方向上依次布置的第一层应变产生体和第二层应变产生体。
[0279]
(14-4)根据以上(14-3)所述的力检测装置，其中
[0280]
第一应变产生体和第二应变产生体中的每个是多向应变产生体，多向应变产生体用来自多个方向的多个支腿相对于基座的内壁支撑轴的根部。
[0281]
(14-5)根据以上(14-4)的力检测装置，其中，
[0282]
第一应变产生体的各支腿相对于与轴的长轴正交的平面以预定角度θ倾斜，并且第二应变产生体的各支腿相对于平面以与第一应变产生体的各支腿相反的角度-θ倾斜。
[0283]
(14-6)根据以上(14-5)所述的力检测装置，其中，
[0284]
应变传感器附接至第一应变产生体和第二应变产生体的每个支腿。
[0285]
(14-7)根据以上(14-6)的力检测装置，其中，
[0286]
基于每个支腿的应变量，确定轴或末端执行器的应变模式。
[0287]
(14-8)根据以上(14-7)所述的力检测装置，其中，
[0288]
在处于相同位置的第一应变产生体的支腿与第二应变产生体的支腿的伸缩方向彼此一致的情况下，判断为是由于牵引末端执行器的缆索的牵引力而发生应变的缆索牵引模式。
[0289]
(14-9)根据以上(14-7)所述的力检测装置，其中
[0290]
在第一应变产生体的脚部的伸缩方向一致、且第二应变产生体的脚部的伸缩方向
一致、但第一应变产生体的支腿的伸缩方向与第二应变产生体的脚部的伸缩方向相反时，判断为是由于作用于轴的长度方向的外力而发生应变的模式。
[0291]
(14-10)根据以上(14-7)的力检测装置，其中
[0292]
在第一应变产生体和第二应变产生体中的每个中彼此相对的支腿的伸缩方向相反的情况下，判断为是由于作用在与轴的长度方向正交的方向上的外力而发生应变的模式。
[0293]
(14-11)根据以上(14-6)至(14-10)中任一项所述的力检测装置，其中，
[0294]
应变传感器包括fbg传感器。
[0295]
(14-12)根据以上(14-2)至(14-11)中任一项所述的力检测装置，其中，
[0296]
第一应变产生体和第二应变产生体包括金属片。
[0297]
(14-13)根据以上(14-6)至(14-12)中任一项所述的力检测装置，其中，
[0298]
预张力被施加至第一应变产生体、第二应变产生体和应变传感器。
[0299]
(15)一种手术支持系统，包括：
[0300]
手术器械以及附接该手术器械的臂，其中，
[0301]
外科器械包括：轴，在尖端处具有末端执行器；中空基座；以及应变产生部，在基座中支撑轴的根部。
[0302]
符号说明
[0303]
1 手术支持机器人
[0304]
11 手术器械单元
[0305]
12 臂
[0306]
100 手术器械单元
[0307]
101 手术器械单元尖端部
[0308]
102 轴
[0309]
103 手术器械单元驱动器
[0310]
800 手术器械单元
[0311]
801 轴
[0312]
802 末端执行器
[0313]
803 基座
[0314]
811 应变产生体-a层
[0315]
812 应变产生体-b层
[0316]
1401、1402 三方向应变产生体
[0317]
1501、1502 五方向应变产生体。
技术特征：1.一种手术器械单元，包括：轴，在尖端处具有末端执行器；中空基座；以及应变产生部，在所述基座中支撑所述轴的根部。2.根据权利要求1所述的手术器械单元，其中，所述轴允许用于驱动所述末端执行器的缆线通过，并且牵引所述缆线的马达布置在所述基座中。3.根据权利要求1所述的手术器械单元，其中，所述应变产生部包括在所述轴的长轴方向上依次布置的第一层应变产生体和第二层应变产生体。4.根据权利要求3所述的手术器械单元，其中，所述第一应变产生体和所述第二应变产生体中的每个是多向应变产生体，所述多向应变产生体用来自多个方向的多个支腿相对于所述基座的内壁支撑所述轴的根部。5.根据权利要求4所述的手术器械单元，其中，所述第一应变产生体的各支腿相对于与所述轴的长轴正交的平面以预定角度θ倾斜，并且所述第二应变产生体的各支腿相对于所述平面以与所述第一应变产生体的各支腿相反的角度-θ倾斜。6.根据权利要求5所述的手术器械单元，其中，应变传感器附接至所述第一应变产生体和所述第二应变产生体的每个支腿。7.根据权利要求6所述的手术器械单元，其中，基于每个支腿的应变量，确定所述轴或所述末端执行器的应变模式。8.根据权利要求7所述的手术器械单元，其中，在处于相同位置的所述第一应变产生体的支腿与所述第二应变产生体的支腿的伸缩方向彼此一致的情况下，判断为是由于牵引所述末端执行器的缆线的牵引力而发生应变的缆线牵引模式。9.根据权利要求7所述的手术器械单元，其中，在所述第一应变产生体的支腿的伸缩方向一致、且所述第二应变产生体的支腿的伸缩方向一致、但所述第一应变产生体的支腿的伸缩方向与所述第二应变产生体的支腿的伸缩方向相反的情况下，判断为是由于作用于所述轴的长度方向的外力而发生应变的模式。10.根据权利要求7所述的手术器械单元，其中，在所述第一应变产生体和所述第二应变产生体中的每个中彼此相对的支腿的伸缩方向相反的情况下，判断为是由于作用在与所述轴的长度方向正交的方向上的外力而发生应变的模式。11.根据权利要求6所述的手术器械单元，其中，所述应变传感器包括光纤布拉格光栅(fbg)传感器。12.根据权利要求2所述的手术器械单元，其中，所述第一应变产生体和所述第二应变产生体包括金属片。13.根据权利要求6所述的手术器械单元，其中，预张力被施加至所述第一应变产生体、所述第二应变产生体和所述应变传感器。
14.一种力检测装置，包括：应变产生部，在中空基座中支撑轴，以及应变传感器，检测所述应变产生部中的应变。15.一种手术支持系统，包括：手术器械以及附接所述手术器械的臂，其中，所述手术器械包括：轴，在尖端处具有末端执行器；中空基座；以及应变产生部，在所述基座中支撑所述轴的根部。
技术总结提供了一种手术器械单元，包括外力检测功能。该手术器械单元包括：轴，在其远端包括的末端执行器；中空基座；以及可变形部件，在基座内支撑该轴的根部。应变部包括由多向应变元件构成的第一层应变元件和第二层应变元件，多向应变元件中的每一个利用多条支腿支撑轴的根部，所述多条支腿沿着轴的主轴方向被顺序地布置。第一应变元件相对于与轴的长轴正交的平面倾斜对应于预定角度θ的量，并且第二应变元件相对于该平面倾斜对应于与第一应变元件的支腿的角度相反的角度-θ的量。θ的量。θ的量。
技术研发人员：若菜和仁 铃木裕之
受保护的技术使用者：索尼集团公司
技术研发日：2021.01.19
技术公布日：2022/11/1
