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CN112804962A - 手术系统、外科手术系统、手术器械、医疗设备和外力检测系统 - Google Patents

手术系统、外科手术系统、手术器械、医疗设备和外力检测系统 Download PDF

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CN112804962A
CN112804962A CN201980066432.3A CN201980066432A CN112804962A CN 112804962 A CN112804962 A CN 112804962A CN 201980066432 A CN201980066432 A CN 201980066432A CN 112804962 A CN112804962 A CN 112804962A
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铃木裕之
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Original Assignee
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Abstract

提供一种检测作用在钳子上的力的手术系统。该手术系统包括：臂，所述臂包含一个或多个连杆；钳子，设置在所述臂的远端，并且由第一刀片、第二刀片和将所述第一刀片和所述第二刀片可旋转地彼此连接的钳子旋转部件构成，其中，所述第一刀片和所述第二刀片的各自刀刃部分分别相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。

Description

手术系统、外科手术系统、手术器械、医疗设备和外力检测 系统
技术领域
本说明书中公开的技术涉及检测作用在钳子单元上的力的手术系统、外科手术系统、手术器械、医疗设备以及外力检测系统。
背景技术
近年来，机器人技术取得了举世瞩目的成就，并且机器人技术已广泛传播到各个工业领域的工作场所。主从机器人系统用于工业领域，例如医疗保健，在这些领域仍然很难在计算机的控制下执行完全自主的操作。此外，在主从机器人系统中，检测作用在诸如夹具的末端执行器上的外力的功能对于将力感反馈给操作者并进行适当的力控制非常重要。特别地，在用于内窥镜手术的手术机器人中，优选地，诸如手术钳的末端执行器的构造较小。
例如，已经提出了一种能够检测外力的小型手术钳和一种手术系统，其中，以可打开和可关闭的方式彼此耦接的第一刀片和第二刀片分别被构造为变形产生体，并且变形检测元件布置在第一刀片和第二刀片112的每个变形产生体中(参见专利文献1)。
引文清单
专利文件
专利文件1：WO2018/163680
发明内容
本发明要解决的问题
本说明书中公开的技术的目的是提供一种能够适当地检测作用在钳子单元上的力的手术系统、外科手术系统、手术器械、医疗设备以及外力检测系统。
问题解决方案
本说明书中公开的技术的第一方面是一种手术系统，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；以及
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处的第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。根据第一方面的手术系统还包括第一变形检测单元，被配置为检测在第一刀片和第二刀片中发生的变形。
然而，此处的“系统”是指多个设备(或实现特定功能的功能模块)的逻辑集合，并且每个设备或功能模块是否在单个外壳内(以下以类似方式)都没有关系。
此外，本说明书中公开的技术的第二方面是外科手术系统，其包括：
主设备；以及
从设备，由所述主设备远程地控制，
其中，所述从设备包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处的第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接
第一变形检测单元，检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，检测在所述连杆中发生的变形；
处理单元，基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力；以及
输出单元，将所述处理单元的处理结果输出到所述主设备，并且
所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
此外，本说明书中公开的技术的第三方面是一种手术器械，包括：
第一刀片，在所述第一刀片的刀片中间部分包括变形产生体结构；
第二刀片，在所述第二刀片的刀片中间部分包括变形产生体结构；以及
钳子枢转单元，被配置为将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
此外，本说明书中公开的技术的第四方面是一种医疗设备，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；以及
传输单元，被配置为传输所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果。
此外，本说明书中公开的技术的第五方面是一种外力检测系统，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；以及
处理单元，被配置为基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
发明的效果
本说明书中公开的技术可以提供能够适当地检测作用在钳子单元上的力的手术系统、外科手术系统、手术器械、医疗设备以及外力检测系统。
注意，本说明书中描述的效果仅是说明性的，并且本发明的效果不限于这些效果。此外，除了上述效果之外，本发明还可以产生其他效果。
通过基于如稍后描述的实施方式的描述和附图，本说明书中公开的技术的又一个目的，特征和优点将是显而易见的。
附图说明
[图1]图1是示意性示出外科手术系统100的配置示例的图。
[图2]图2是示意性示出用于检测作用在钳子单元110上的力的结构的图。
[图3]图3是示出包括具有曲折结构的变形产生体的第一刀片111的构造示例的图。
[图4]图4是用于描述使用FBG传感器在第一刀片111中安装变形检测元件201和202的方法的图。
[图5]图5是用于描述使用FBG传感器在第一刀片111中安装变形检测元件201和202的方法的图。
[图6]图6是示出使用构成变形检测元件201和202的一部分光纤作为虚拟FBG传感器701至704的示例的图。
[图7]图7是用于描述使用FBG传感器在第一连杆210中安装变形检测元件211a至214a和211b至214b的方法的图。
[图8]图8是示出作用在钳子单元的刀片上的内部变形和外部变形之间的关系的图。
[图9]图9是示出当沿zx方向的外力作用在具有变形产生体结构的刀片上时内部变形和外部变形之间的关系的图。
[图10]图10是示出当沿y方向和g(重力)方向的外力作用在具有变形产生体结构的刀片上时内部变形和外部变形之间的关系的图。
[图11]图11是示出当将参照外力施加到钳子单元的第一刀片时检测到的内部变形和外部变形的转变的图。
[图12]图12是示出当将参照外力施加到钳子单元的第二刀片时检测到的内部变形和外部变形的转变的图。
[图13]图13是示出当在Z方向上施加外力Fz时，刀片的前端部分如何弯曲的图。
[图14]图14是示意性示出从Y方向观察的第一刀片111的侧面的图。
[图15]图15是示意性示出从Y方向观察的第二刀片112的侧面的图。
[图16]图16是从Y方向观察的第一刀片111和第二刀片112关闭的钳子单元110的侧视图。
[图17]图17是示出当在Z方向上施加外力Fz时，第一刀片111的末端部分如何弯曲的图。
[图18]图18是示出当在Z方向上施加外力Fz时，第二刀片112的末端部分如何弯曲的图。
[图19]图19是示出根据提议的第二刀片112的构造示例的图。
[图20]图20是从Y方向观察的第一刀片111和第二刀片112关闭的钳子单元110的侧视图。
[图21]图21是示出当在Z方向上施加载荷(改进前)时，第一刀片111的变形模拟结果的图。
[图22]图22是示出当施加Z方向上的载荷(改进前)时，第二刀片112的变形模拟结果的图。
[图23]图23是示出当施加Z方向上的载荷(改进后)时，第一刀片111的变形模拟结果的图。
[图24]图24是示出当施加Z方向上载荷时(改进后)时，第二刀片112的变形模拟结果的图。
[图25]图25是示出改进前的第一刀片111的灵敏度测量结果的图。
[图26]图26是示出改进后的第一刀片111的灵敏度测量结果的图。
[图27]图27是示出改进前的第二刀片112的灵敏度测量结果的图。
[图28]图28是示出改进后的第二刀片112的灵敏度测量结果的图。
[图29]图29是示意性示出力检测系统2900的配置示例的图。
[图30]图30是示出当沿zx方向的外力作用在钳子单元的末端上时第一刀片的内部变形与外部变形之间的关系的图。
[图31]图31是示出当zx方向上的外力作用在钳子单元的顶端上时第二刀片的内部变形与外部变形之间的关系的图。
[图32]图32是示意性示出主从机器人系统1400的功能配置的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述在本说明书中公开的技术的实施方式。
在下文中，作为部分A，将参照图1至图7描述根据本实施方式的手术系统的配置。随后，作为部分B，将参照图8至图28描述钳子单元的详细构造。然后，作为部分C，将参照图29至31描述用于计算作用在钳子单元上的力的检测机构。最后，作为部分D，将参考图32描述主从机器人系统1400。
A.系统配置
图1示意性地示出了可以应用本说明书中公开的技术的外科手术系统100的构造示例。所示的外科手术系统100包括允许打开和关闭操作的钳子单元110，以及具有将钳子单元110附接到前端的臂120。外科手术系统100例如是作为用于眼科手术、脑外科手术、内窥镜手术(例如腹腔和胸腔)的主从机器人系统中的从动系统的医疗或手术系统。为了使操作员能够使用主设备准确而有效地远程控制从臂而又不损伤对象，主从机器人系统优选将诸如从臂的位置和施加到从臂的外力的信息反馈给主设备或操作者。
假设臂120是其中多个连杆通过关节联接的关节运动的臂。诸如轴数(或关节数)、每个轴的自由度结构、以及连杆数(或臂数)的配置是任意的。在下文中，为了便于描述，将臂120中包括的各个连杆从远端(或钳子单元110的后端)依次称为第一连杆，第二连杆……。此外，臂120中包括的各个关节将从远端(或钳子单元110的后端)开始依次被称为第一关节，第二关节……。
钳子单元110包括：包括第一刀片111和第二刀片112的一对刀片；以及将一对刀片彼此可枢转地联接的钳子枢转单元113。通过围绕钳子枢转单元113转动第一刀片111和第二刀片112中的每一个，使得刀片的张开角度增大或减小(换言之，使得第一刀片111和第二刀片112之间围绕钳子枢转单元113的角度差改变)，实现钳子单元110的打开和关闭操作。钳子单元110的打开和关闭操作允许对身体组织、手术器械和其他对象进行抓握、推动打开和按压。此外，钳子单元110绕钳子枢转单元113的转动操作是通过同时使两个刀片绕钳子枢转单元113转动来实现的，同时保持第一刀片111和第二刀片112的打开角度恒定(换言之，使得第一刀片111和第二刀片112围绕钳子枢转单元113的角度之和改变)。例如，通过使用适当的齿轮机构构成钳子枢转单元113，第一刀片111和第二刀片112能够彼此可枢转地联接。然而，由于齿轮机构本身的结构与本说明书中公开的技术不直接相关，因此将省略其详细描述。注意，刀片可以具有或者不具有切割表面。刀片例如是构成诸如钳子的抓握结构的钳口。
可以说，外科手术系统100的远端是包括细长管部件的钳子单元110，并且近端是与诸如臂120的驱动单元相连的机械结构。钳子单元110被构造为细长的管部件，其经由套管针插入诸如腹腔或胸腔的活体中，并且优选地被尽可能地小型化。
为了使钳子单元110尽可能地小型化，将诸如作为钳子单元110的驱动源的致动器的驱动单元(未图示)与钳子单元110分开配置。然后，由驱动单元产生的驱动力通过电缆(未示出)传递到第一刀片和第二刀片112中的每一个，并且第一刀片111和第二刀片中的每一个都可以绕着钳子枢转单元113枢转。结果，钳子单元110可以被打开和关闭，以对诸如身体组织或手术器械的对象进行抓握、推动打开和按压。此外，作为第一关节的驱动源的驱动单元也与第一关节分开设置，并且第一关节通过电缆的牵引力旋转。
图2示意性地示出了用于检测作用在钳子单元110上的力的构造。但是，设定以钳子单元110的长轴方向为Z轴的XYZ坐标系。因此，纸面的左方向是Z轴，垂直于纸面的方向是X轴，且纸面的上下方向是Y轴。
可以将第一刀片111视为以钳子枢转单元113为固定端的悬臂。因此，包括变形检测元件201和变形检测元件202的一对变形检测元件附接到第一刀片111，以允许检测当施加力时像悬臂一样弯曲的第一刀片111的变形量，变形检测元件201用于检测第一刀片111的打开和关闭构造的内部的变形，变形检测元件202用于检测第一刀片111的打开和关闭构造外部的变形。同样地，包括变形检测元件203和变形检测元件204的一对变形检测元件附接到第二刀片112，变形检测元件203用于检测打开和关闭构造内部的变形，变形检测元件204用于检测开打开和关闭构造外部的变形。图2将第一刀片111描绘为简单的刀片形状，但是在第一刀片111的至少一部分中配置有变形产生体，以促进变形的检测。
将参照图3描述包括变形产生体的第一刀片111的具体构造实例。该图示出了第一刀片111的侧面(YZ表面)和XZ截面，在该侧面中，变形产生体401部分地配置成附接到变形检测元件201和202。在第一刀片111的至少一部分上，形成有在打开和关闭方向(或与刀片的长轴，即Z轴正交的X方向)上弯曲的曲折形状的变形产生体401。由于存在具有如图所示在ZX平面上重复折叠或弯曲的曲折结构的变形产生体401，因此第一刀片111容易地被施加在Z方向上的外力压缩和膨胀，并且容易地被施加在与打开和关闭方向(或Y方向)正交的X方向上的外力弯曲。即，可以说变形产生体被构造在第一刀片111的至少一部分中。
如图3中所示，通过将变形检测元件201和202附接到第一刀片111的变形产生体401的部分，变得更容易检测作用在第一刀片111上的力。注意，尽管省略了图示，但是在第二刀片112中类似地形成具有与第一刀片111对称的曲折结构的变形产生体。然而，构造在第一刀片111和第二刀片112中的变形产生体不特别限于曲折结构，并且可以具有应力容易集中在其上并且可以用作变形产生体的各种其他形状。
简而言之，构成钳子单元110的第一刀片111和第二刀片112作为细长的管部件，分别具有其中至少一个变形产生体和变形检测元件布置在远端和近端之间，并且被设计为测量一个或多个轴的外力的构造。此外，钳子单元110的打开和关闭操作所需的牵引力通过电缆传递(如上所述)。本实施方式具有从构成为变形产生体的第一刀片111或第二刀片112自身测量作用在第一刀片111或第二刀片112上的力的结构。因此，可以在不干扰电缆的牵引力的情况下测量在第一刀片111和第二刀片112上的作用力。特别地，能够以高灵敏度地测量作用在钳子单元110的长轴方向上的力Fz。另外，通过使第一刀片111和第二刀片112作为变形产生体，通过减小力传感器的近端侧的实际惯性，还具有可以减小机械振动噪声的效果。
另外，在本实施方式中，作为变形检测元件201至204，使用了使用光纤制造的光纤布拉格光栅(FBG)传感器。FBG传感器是沿着光纤长轴雕刻衍射光栅的传感器。FBG传感器是如下传感器：能够检测出由作用力引起的变形和与温度的变化相关的膨胀或收缩而引起的衍射光栅的间隔的变化，作为相对于预定波长带的入射光的反射光的波长变化的传感器。然后，从FBG传感器检测到的波长变化可以转换为引起变化的变形、应力和温度变化。由于使用光纤的FBG传感器的传输损耗小(难以引入外界噪声)，因此即使在假定的使用环境下也可以保持较高的检测精度。此外，FBG传感器具有易于支持灭菌和医疗所需的强磁场环境的优点。然而，作为变形检测元件、电容传感器、半导体变形量规、箔形变形量规等在工业中也是众所周知的。这些中的任何一个还可以用作用于测量第一刀片111和第二刀片112变形的变形检测元件201至204。
将参照图4和图5描述使用FBG传感器在第一刀片111中安装变形检测元件201和202的方法。尽管省略了图示，但是第二刀片112类似于图4和图5。
图4示出了第一刀片111的XY截面。在第一刀片111的表面上沿长轴方向(Z方向)雕刻有两个凹槽部501、502。然后，光纤511和512通过掩埋在凹槽部501和502中而分别附接到第一刀片111的内部和外部，以防止第一刀片111的轮廓隆起。光纤511和512通过粘合剂等在多个位置(后述)固定于第一刀片111的表面。因此，如果第一刀片111在外力的作用下变形，则光纤511和512中的每一个都与第一刀片111一体地变形。
在连接的光纤511和512中，雕刻衍射光栅的地方用作FBG传感器。因此，在沿第一刀片111的长轴方向布置的光纤511和512中，FBG传感器通过在与变形产生体(如上所述)重叠的范围内雕刻衍射光栅而构成，并且用作分别检测第一刀片111的内部和外部变形的变形检测元件201和202。
此外，图5示出了上面雕刻有上述凹槽部501和502的第一刀片111的侧面(YZ表面)和XZ截面。光纤511和512埋入在第一刀片111的表面上沿长轴方向(Z方向)雕刻的两个凹槽部501和502中。在这些光纤511和512中，与变形产生体401(雕刻有衍射光栅并且配置了FBG传感器)重叠的范围分别用作变形检测元件201和202。光纤511和512中配置有FBG传感器的部分在图中用对角线填充。
另外，在构成FBG传感器的部分的两端601～604上，通过粘接剂等将各光纤511、512固定于第一刀片111的表面。因此，如果第一刀片111的变形产生体401的部分在外力的作用下变形，则各个光纤511和512也整体变形，并且在FBG传感器部分即在变形检测元件201和202中发生变形。
从图5可以看出，光纤511和512中的每一个都固定在第一刀片111的前端附近和根部附近的两个位置。因此，可以通过包括FBG传感器的变形检测元件201和202来检测在这两个固定位置之间产生的变形，并且因此可以检测从第一刀片111的前端到根部在宽范围内作用的力。
尽管省略了第二刀片112的图示，但是以与第一刀片111类似的方式，通过使用埋入雕刻在第二刀片112的侧表面上的凹槽部中的两个光纤，包括FBG传感器的变形检测元件203和204可以分别配置在第二刀片112的内部和外部。简而言之，将四个光纤整体放置在钳子单元110中。
此外，在作为变形检测元件201和202附接的光纤中，在第一刀片111和第二刀片112的与变形产生体分离的部分中，还可以配置要与变形检测元件201和202进行比较的FBG传感器(以下称为“虚拟FBG传感器”)。基于虚拟FBG传感器的检测结果，可以检测由温度变化引起的波长变化Δλtemp，并且可以进一步将波长变化Δλtemp用于变形检测元件201和202的检测结果的温度补偿处理。
图6示出了其中将虚拟FBG传感器布置在附接到钳子单元110的光纤511至514中的示例。如上所述，在第一刀片111和第二刀片112上分别放置光纤511至514的位置，配置了作为变形检测元件201至204的FBG传感器。此外，衍射光栅也被雕刻在跨越钳子枢转单元113的光纤511至514的部分上，在图6中由附图标记701至704示出，并且虚拟FBG传感器被配置在每个部分中。从图中可以看出，虚拟FBG传感器701至704形成在光纤511至514的未附接到第一刀片111或第二刀片112的部分中(换句话说，未固定在变形产生体上的部分)。因此，可以假定由各个虚拟FBG传感器701至704检测到的波长变化是仅由不受第一刀片111或第二刀片112的变形影响的温度变化引起的波长变化。
检测FBG传感器的信号的检测单元和处理检测到的信号的信号处理单元设置在与钳子单元110分开的位置处，例如在外科手术系统100的根部附近。光纤511至514的总长度优选地为大约400mm，其对应于从钳子单元110到检测单元和信号处理单元的距离。检测单元使预定波长(布拉格波长)的光进入附接到第一刀片111和第二刀片112的光纤511、512...，并接收其反射光并检测FBG传感器部分中的波长变化Δλ。然后，信号处理单元将检测到的波长变化Δλ转换为作用在变形产生体上的力F。
此外，在此计算期间，信号处理单元可以通过使用从上述虚拟FBG传感器检测到的信号分量来补偿由温度变化引起的波长变化(使用虚拟传感器检测到的变形分量进行温度补偿的方法在工业上也是已知的，例如，作为使用两个变形仪的两规格方法)。然而，稍后将描述用于将波长变化Δλ转换为力的处理方法(算法)的细节。
再次参考图1和图2，钳子单元110的后端经由钳子枢转单元113联接至第一连杆210。可以说，钳子单元110附接在第一连杆210的前端。此外，如果钳子单元110是人的“手”，则第一连杆210可以被认为对应于“手腕”。
第一连杆210可以看作是悬臂，而第一关节221是固定端。如图2所示，多个变形检测元件附接到第一连杆210的外周，以在长轴方向上的两个不同的位置a和b的每个位置处检测在XY方向上的变形。具体地，在位置a处，一对变形检测元件211a和213a附接到相对侧，以用于检测第一连杆210的X方向上的变形量，并且一对变形检测元件212a和214a附接到相对侧，以用于检测Y方向上的变形量。类似地，在位置b处，附接一对变形检测元件211b和213b，以用于检测第一连杆210的X方向上的变形量，并且附接一对变形检测元件212b和214b，以用于检测Y方向上的变形量。然而，图2中未示出变形检测元件213a和213b。
以这种方式，提供了一种构造，其中，可以在第一连杆210的长轴方向上的两个不同位置的位置a和b处检测XY方向上的变形量。结构力学中不言而喻的事情是，可以从两个或多个位置的变形量计算出力矩以及平移力。利用图2中所示的配置，基于在两个位置的位置a和b处检测到的每个XY方向上的变形量，可以计算作用在第一连杆210上的两个方向上的平移力Fx和Fy以及两个方向上的力矩Mx和My。
因此，可以说在第一连杆210中配置了具有4DOF的传感器。该4DOF传感器可以通过利用第一连杆210在外力作用在钳子单元110下的变形来测量作用在钳子单元110上的两个方向上的平移力Fx和Fy以及两个方向上的力矩Mx和My。
仅在钳子单元110中配置了2DOF传感器时，不能分离作用在与长轴方向(Z方向)正交的Y方向(纸表面的上下方向)上的外力Fy，并且当第一刀片111和第二刀片112闭合以抓握被抓物时，抓握合力Fg起作用。因此，通过使用配置在第一连杆210中的4DOF传感器来检测Y方向上的平移力Fy。
如果将第一连杆210配置成应力集中并且容易在长轴方向上的两个位置的每个测量位置a和b处发生变形的形状，则可以预期，随着4DOF传感器的改进，变形检测元件211a至214a和211b至214b可以轻松测量变形量和检测性能。参考图7，将描述配置成易于在两个位置的测量位置a和b处变形的第一连杆210的变形产生体结构以及在第一连杆210中使用FBG传感器安装变形检测元件211a至214a和211b至214b的方法。在图中，第一连杆210的YZ横截面和ZX横截面的部分被涂成灰色。第一连杆210具有关于长轴旋转对称的形状。
如图7所示，第一连杆210具有在其长轴方向上的两个不同位置的测量位置a和b处半径逐渐减小的凹部的收缩结构。因此，当力沿XY的至少一个方向作用时，应力集中在测量位置a和b上，并且第一连杆210可能变形。第一连杆210优选地通过使用钛合金作为材料来制造，该钛合金具有比钢材料(例如，钢用不锈钢(SUS)和钢)更高的强度和更低的刚性。
在长轴方向上，在第一连杆210的外周上的Y方向的相对侧上铺设一对光纤902和904。类似地，在长轴方向上，在第一连杆210的外周上的X方向的相对侧上铺设一对光纤901和903。简而言之，四个光纤901至904整体上布置在第一连杆210中。
注意，当与放置在钳子单元110中的光纤511至514组合时，在整个外科手术系统100中将使用八根光纤。但是，也可以考虑将钳子单元110的光纤和第一连杆210的光纤多路复用以使用四根光纤的配置示例。
在Y方向的相对侧上铺设的光纤902和904中，在与第一连杆210的两个凹部重叠的范围内(或在测量位置a和b附近)，FBG传感器通过雕刻衍射光栅而构成，并且用作变形检测元件212a，212b，214a和214b。配置了FBG传感器的光纤902和904的部分在图7中用对角线填充。
此外，在配置有FBG传感器的部分的两端911至913和914至916，各根光纤902和904通过粘合剂等固定在第一连杆210的表面上。因此，如果外力作用并且第一连杆210在Y方向上弯曲，则光纤902和904也一体地变形，并且在FBG传感器部分，即变形检测元件212a，212b，214a和214b中发生变形。
类似地，在X方向的相对侧上铺设的光纤901和903中，在与第一连杆210的两个凹部重叠的范围内(或在测量位置a和b附近)，FBG传感器通过雕刻衍射光栅而构成，并且用作变形检测元件211a，211b，213a和213b。配置了FBG传感器的光纤901和903的部分在图7中用对角线填充。
此外，在配置有FBG传感器的部分的两端921至923和924至926中，各个光纤901和903通过粘合剂等固定在第一连杆210的表面。因此，如果外力作用并且第一连杆210在X方向上弯曲，则光纤901和903也一体地变形，并且在FBG传感器部分，即在变形检测元件211a，211b，213a和213b中发生变形。
在图7中，在用作变形检测元件211a至214a和211b至214b的光纤901至904中，仅绘制了附接到第一连杆210的外周的部分，并且省略了其他部分的图示。实际上，这些光纤901至904的另一端优选地延伸超过第一关节221到达检测单元和信号处理单元。光纤901至904的总长度对应于从钳子单元110到检测单元和信号处理单元的距离例如为大约400mm。
检测单元和信号处理单元设置在与钳子单元110分开的位置处，例如，在外科手术系统100的根部附近。检测单元使预定波长(布拉格波长)的光进入光纤901至904，并接收其反射光以检测波长变化Δλ。然后，基于从FBG传感器检测到的波长变化作为彼此相对并在每个XY方向上附接到第一连杆210的相对侧的变形检测元件211a至214a和211b至214b，信号处理单元计算作用在钳子单元110上的两个方向上的平移力Fx和Fy以及两个方向上的力矩Mx和My。
稍后将描述用于基于来自附接到具有变形产生体结构的钳子单元110的每个FBG传感器的检测信号来计算作用在钳子单元110上的力的处理算法。
B.钳子单元的详细配置
首先，考虑具有变形产生体结构的钳子单元110的变形操作。
图5示出了构成钳子单元110的第一刀片111的侧面(YZ面)。这里，如果由布置在钳子单元110的打开和关闭操作内部的变形检测元件201测量的变形是内部变形ei，并且如果由布置在外部的变形检测元件202测量的变形是外部变形eo，则内部变形ei和外部变形eo具有如图8所示的关系。变形检测元件201的差异取决于变形检测元件201和变形检测元件202到支点第一刀片111的距离之间的差异，但是基本上相同的符号是正常的。
图9分别示出了当外力Fx和-Fz分别沿zx方向作用在具有变形产生体结构的第一刀片111上时，包括FBG传感器的变形检测元件201和变形检测元件202的检测值λi和λo。λi对应于内部变形，而λo对应于外部变形。由于检测值λi和λo具有相同的符号，因此可以说是正常变形模式(以下，也称为“变形模式1”)。
此外，图10示出了当外力Fy和Fg沿y方向和ag(重力)方向作用在具有变形产生体结构的第二刀片112上时，包括FBG传感器的变形检测元件203和变形检测元件204的检测值λi和λo。λi对应于内部变形，而λo对应于外部变形。由于检测值λi和λo具有不同的符号，因此可以说是异常变形模式(以下也称为“变形模式2”)。
图11示出了当z方向上的参照外力F-ref被施加到钳子单元110的第一刀片111(纸表面的右(L)侧的刀片)时检测到的内部变形λli和外部变形λlo的转变。在这种情况下，由于内部变形λli和外部变形λlo具有相同的符号，因此可以看出第一刀片111以正常变形模式1变形。
此外，图12示出了当z方向上的参照外力F-ref被施加到钳子单元110的第二刀片112(纸张表面的右(R)侧的刀片)时检测到的内部变形λri和外部变形λro的转变。在这种情况下，由于内部变形λri和外部变形λro具有不同的符号，因此可以看出第二刀片112以异常变形模式2变形。
第一刀片111和第二刀片112均可以视为由钳子枢转单元113枢转地支撑的悬臂结构。然后，如图13所示，例如，当在Z方向上的外力Fz作用在刀片的前端部分上时，假定力作用在长轴方向两端的销的构件上，并且刀片弯曲。此外，假定纸面顺时针(CW方向)力矩作用在刀片的顶端侧，而纸面逆时针(CCW方向)力矩作用于旋转轴侧，即刀片的根侧。换句话说，相反的力矩作用在刀片的前端和根部。
在图2等中，为简化起见，将第一刀片111和第二刀片112绘制为对称形状。如果第一刀片111和第二刀片112具有基本相同的形状，则如图11和图12所示，不会发生较大的变形模式差异。然而，实际上，为了防止第一刀片111和第二刀片112在围绕钳子枢转单元113枢转以执行打开和关闭操作时相互干扰，在钳子枢转单元113的旋转轴方向(或x方向)上设置彼此不同的偏移量。因此，如图11和图12所示，形状的差异被认为是变形模式差异的原因。
图14示意性地示出了从Y方向观察的第一刀片111的侧视图。在该图中，以下以类似方式定义了穿过第一刀片111的根部处的旋转轴(或钳子枢转单元113的旋转轴)并且平行于钳子长轴(或Z轴)的基准轴1401。假设刀片中间部分在钳子长轴方向上的长度为ll3，且刀刃部分相对于基准轴1401的偏移量为ll1，且刀片中间部分相对于基准轴1401的偏移量是ll2。图14中的偏移量表示在平行于钳子枢转单元113的旋转轴的方向上从基准轴1401突出的长度。
此外，图15示意性地示出了从Y方向观察的第二刀片112的侧视图。在该图中，定义了穿过第二刀片112的根部处的旋转轴(或钳子枢转单元113的旋转轴)并且平行于钳子长轴(或Z轴)的基准轴1501。假设刀片中间部分的长度为lr3(但是，ll3＝lr3＝l3)，刀刃部分相对于基准轴1501的偏移量为-lr1，且刀片中间部分相对于基准轴1501的偏移量为0。
此外，图16示出了从Y方向观察到的钳子单元110的侧视图，其中第一刀片111和第二刀片112是关闭的。第一刀片111与第二刀片112的不同之处在于，每个刀片的刀片中间部分和刀刃部分相对于基准轴1401或1501的偏移量(换言之，是钳子枢转单元113在旋转轴方向上的偏移量)。因此，可以在第一刀片111和第二刀片112的剪刀彼此不碰撞的情况下执行打开和关闭操作。
但是，如图14至图16所示，配置成使得偏移量在与两个刀片的长轴方向正交的方向上不同的夹持结构在钳子和剪刀中是常见的。此外，为方便起见，在绘制图14至16时，偏移量的差异很大，但是在实践中，偏移量的差异很小，以至于两个刀片的刀片后部滑动。
图17示出了在Z方向上的外力Fz如何作用在具有如图14所示的偏移的第一刀片111的顶端部分上弯曲。这里，假定钳子枢转单元113的旋转轴具有游隙。然后，由于第一刀片111的刀刃部分从基准轴的偏移量为ll1＞0，因此，在刀片的变形产生体部分产生的弯矩1701的方向为CW方向，反之，具有间隙游隙的围绕钳子枢转单元113的旋转轴的力矩1702的方向为CCW方向。因此，第一刀片111的变形产生体几乎不受间隙游隙的影响，因为相对于Z方向上的载荷，相反方向上的力矩作用在前端和根部。结果，在第一刀片111中形成的变形产生体中产生了与载荷相对应的变形。如图17所示，由于第一刀片111变形而弯曲，因此变形产生体的内部和外部在大致相同的方向上被压缩。结果，如图11所示，在变形产生体中产生的内部变形λli和外部变形λlo具有相同的符号，并且第一刀片111能够以正常变形模式1变形。注意，间隙游隙例如是由在部件等的连接处的一定间隔引起的游隙。
此外，图18示出了在Z方向上的外力Fz如何作用在具有如图15所示的偏移的第二刀片112的末端部分上弯曲。这里，假定钳子枢转单元113的旋转轴具有游隙(同上)。然后，由于第二刀片112的刀刃部分相对于基准轴的偏移量为lr1<0，因此在刀片中的变形产生体部分中产生的弯矩1801的方向为CW方向，反之，具有间隙游隙的围绕钳子枢转单元113的旋转轴的力矩1802方向为CW方向。因此，相对于Z方向上的载荷，相同方向上的力矩作用在第二刀片112的变形产生体的前端和根部。如图18所示，由于第二刀片112以使悬臂弯曲的方式变形，所以变形产生体的内部和外部中一个被压缩而另一个膨胀。因此，由于载荷引起的力Fz分散在变形产生体的变形和绕支点轴的旋转力中，并且不能获得足够的变形产生体变形。结果，如图12所示，在变形产生体中产生的内部变形λri和外部变形λro具有不同的符号，并且第二刀片112以异常变形模式2变形。
作为避免第二刀片112的变形产生体的异常变形模式2的措施，以与第一刀片111类似的方式，本说明书提出第二刀片112的刀刃部分相对于基准轴的偏移量为lr1>0。
图19示出了根据上述建议的第二刀片112的构造示例，其配置成使得刀刃部分相对于基准轴1901的偏移量为lr1>0。此外，图19示出了已被改进以将第二刀片112装配在一起的第一刀片111的构造示例。然后，图20示出了从Y方向观察的，处于关闭状态的包括根据图19所示的改进的第一刀片111和第二刀片112的组合的钳子单元110的侧视图。然而，为了方便起见，在绘制图19和图20时，偏移量的差异很大，但是在实践中，偏移量的差异很小，以至于两个刀片的刀片后部滑动。
与图17所示的第一刀片111的变形产生体变形相同，由于图19所示的第二刀片112的刀刃部分相对于基准轴的偏移量为lr1>0，因此在刀片中的在变形产生体部分中产生的弯矩的方向是在CW方向上，而在具有间隙游隙的情况下围绕钳子枢转单元113的旋转轴的弯矩的方向是CCW方向。因此，第二刀片112的变形产生体几乎不受间隙游隙的影响，因为相对于Z方向上的载荷，相反方向的力矩作用在前端和根部，并且在变形产生体中发生与负荷相应的变形。以与第一刀片111(参见图17)的情况类似的方式，由于第二刀片112变形而弯曲，所以变形产生体的内部和外部在基本相同的方向上被压缩。结果，期望在变形产生体中产生的内部变形λri和外部变形λro具有相同的符号，并且第二刀片121可以在正常变形模式1下与第一刀片111一起变形。
简而言之，本说明书中提出的钳子单元110具有以下特征：第一刀片111和第二刀片112中的每一个的刀刃部分相对于基准轴的偏移量满足ll1>0且lr1>0的条件。
此外，对于第一刀片111和第二刀片112中的每一个，刀片中间部分和刀刃部分之间的距基准轴的偏移量之差即ll2-ll1和lr2-lr1是重要的尺寸，其确定每个变形产生体对载荷的灵敏度。随着灵敏度的提高，可以通过利用刀片的形状来设计具有良好的信噪比(SNR)的力传感器。然而，应该考虑的是，如果偏移量(ll2-ll1)和(lr2-lr1)之间的差变大，则施加至刀片的应力增大并且强度减小。因此，从灵敏度和强度以及机械设计的布局等观点出发，优选地确定每个刀片的刀片中间部分和刀刃部分的偏移量。例如，在将钳子单元110应用于手术机器人的情况下，从当钳子单元110倾斜时与要握住的躯干部分的物理干涉的角度来看，认为仅需要将偏移量(ll2-ll1)和(lr2-lr1)之差设置为约4.6mm。
此外，第一刀片111和第二刀片112的刀片中间部分在钳子长轴方向上的长度ll3和lr3分别对应于附接有变形检测元件的变形产生体的长度。在将FBG传感器用作变形检测元件的情况下，为了在光栅部分中获得足够的折射率变化并确保期望的信号强度，刀片中间部分的长度ll3和lr3优选为5mm以上。
此外，从钳子单元110的工作期间的闭塞的角度来看，第一刀片111和第二刀片112各自的刀片中间部分相对于基准轴的偏移量优选满足ll2>0和lr2>0的条件。
第一刀片111和第二刀片112使用例如SUS，钴铬(Co-Cr)合金或钛基材料(被称为具有优异生物相容性的金属基材料)制造。从在如上所述的结构的一部分中形成变形产生体401的观点来看，为了获得高灵敏度，第一刀片111和第二刀片112优选地通过使用具有诸如高强度和低刚度(低杨氏模量)的机械特性以及良好的温度特性(低线性膨胀系数)的材料来制造。具体的示例包括钛合金，例如Ti6V4。
为了提高握持时与握持物的摩擦力，优选对第一刀片111和第二刀片112的前端部进行表面处理，以使表面粗糙化。这种类型的表面处理的示例包括金刚石电沉积，喷砂，飞秒激光处理等。
此外，第一刀片111和第二刀片112的滑动部分优选具有不允许由于重复的打开和关闭操作而引起的磨损的低摩擦和低表面硬度。例如，优选地对第一刀片111和第二刀片112的滑动部分进行高表面硬度处理。这种类型的高表面硬度处理的示例包括新鲜绿色，类金刚石碳(DLC)，离子镀等。
图21和图22各自示出在Z方向上的载荷Fz在改善之前作用的情况下变形模拟结果，即，在第一刀片111和第二刀片112上被配置为使得每个刀刃部分相对于基准轴的偏移量为ll1>0且lr1<0(见图14至16)。该图示出了变形模拟结果，其中，当施加载荷Fz时，分别从Y方向和X方向分别观看第一刀片111和第二刀片112。图21和22根据变形量以明暗示出刀片的每个部分。变形产生体的中心附近用最深的灰色表示，可以看出该部分的变形量大。
由于第一刀片111的刀刃部分的偏移量满足改进前的条件ll1>0，因此几乎不受间隙游隙的影响，在变形产生体中产生了与载荷相应的变形，并且变形发生在正常变形模式1下。相反，由于第二刀片112的刀刃部分的偏移量不满足该条件，导致lr1＜0，所以由于载荷引起的力Fz分散在变形产生体的变形和绕支点轴的旋转力中，并且在异常变形模式2下发生变形。
图23和图24各自示出在Z方向上的载荷Fz在改善之后作用的情况下变形模拟结果，即，在第一刀片111和第二刀片112上被配置为满足条件使得每个刀刃部分相对于基准轴的偏移量为ll1>0和lr1>0(见图19至20)。此外，对于第一刀片111和第二刀片112中的每一个，已经进行了改进以增加刀片中间部分和刀刃部分之间的偏离基准轴的偏移量的差，即，ll2-ll1和lr2-lr1。该图示出了变形模拟结果，其中，当施加载荷Fz时，分别从Y方向和X方向分别观看第一刀片111和第二刀片112。图23和24根据变形量以明暗示出刀片的每个部分。变形产生体的中心附近用最深的灰色表示，可以看出该部分的变形量大。
由于第一刀片111的刀刃部分的偏移量满足改进后的条件ll1>0，因此几乎不受间隙游隙的影响，在变形产生体中产生了与载荷相应的变形，并且变形发生在正常变形模式1下。此外，由于第二刀片112的刀刃部分的偏移量满足条件lr1>0，因此几乎不受间隙游隙的影响，因此在变形产生体中发生与载荷相应的变形，并且进行了改进，使得在正常变形模式1下发生变形。此外，可以看出，变形量是改进之前的几倍，并且还获得了高灵敏度。
图25示出了改进之前的第一刀片111的灵敏度测量结果，且图26示出了改进之后的第一刀片111的灵敏度测量结果。作为第一刀片111的改进，刀刃部分相对于基准轴的偏移量ll1(>0)增加，并且刀片中间部分与刀刃部分之间的距基准轴的偏移量的差(ll2-ll1)增大。在此，在Z方向上对第一刀片111的刀片边缘施加0.5N的载荷。在每个图中，水平轴是时间(单位为秒)，垂直轴是分别与内部变形和外部变形相对应的FBG传感器的检测信号λli和λlo的位移量Δλ(单位为皮米)。
此外，图27示出了改进之前的第二刀片112的灵敏度测量结果，而图28示出了改进之后的第二刀片112的灵敏度测量结果。作为第二刀片112的改进，将刀刃部分相对于基准轴的偏移量设置为lr1>0，并且刀片中间部分与刀刃部分之间的相对于基准轴的偏移量的差(lr2-lr1)增加。在此，在Z方向上对第二刀片112的刀片边缘施加0.5N的载荷。在每个图中，水平轴是时间(单位为秒)，垂直轴是分别与内部变形和外部变形相对应的FBG传感器的检测信号λri和λro的位移量Δλ(单位为皮米)。
从图25和图26之间的比较结果以及图27和图28之间的比较结果可以看出，改进后的第一刀片111和第二刀片112的灵敏度分别比改进之前高10倍和6倍。此外，比较图27和图28，通过进行改进以使第二刀片112的刀刃部分相对于基准轴的偏移量变为lr1＞0，可以看出，检测值λri和λro的变化量从不同的符号改变为相同的符号，并且第二刀片112可以以正常变形模式1变形，这已经得到改善。
C.力检测机制
到目前为止，已经主要描述了外科手术系统100和钳子单元110的构造。随后，将描述力检测机构，其用于基于内置在钳子单元110中的2DOF传感器和4DOF传感器的检测信号来计算作用在钳子单元110上的力。
图29示意性地示出了力检测系统2900的构造示例，其根据布置在钳子单元110和第一连杆210中的FBG传感器的检测信号来检测作用在钳子单元110上的力。
从FBG传感器检测关于波长变化Δλ的信号。波长变化Δλ对应于在FBG传感器中产生的变形Δε。这里，变形Δε是由在附接有FBG传感器的结构中产生的作用力变形Δεforce和温度变形ΔεTemp引起的。因此，可以说从FBG传感器检测到的波长变化Δλ包括由于作用力变形引起的波长变化Δλforce和由于温度变形引起的波长变化ΔλTemp之和(Δλ＝Δλforce+ΔλTemp)。此外，在本实施方式中，结构是形成在钳子单元110和第一连杆210中的变形产生体。
将以下项输入到力检测系统2900：从设置在钳子单元110的第一刀片111的内部和外部的FBG传感器检测到的与内部变形相对应的波长变化Δλri和与外部变形相对应的波长变化Δλro，以及从设置在第二刀片112的内侧和外侧的FBG传感器检测出的与内部变形对应的波长变化Δλli和与外部变形对应的波长变化Δλlo。
此外，将以下项输入到力检测系统2900：从使用设置在钳子单元110的第一刀片111中的两个光纤配置的虚拟FBG传感器检测到的波长变化Δλli_free和λlo_free，以及从使用设置在第二刀片112中的两根光纤构成的虚拟FBG传感器检测到的波长变化Δλri_free和λro_free。
此外，也将以下项输入到力检测系统2900：从设置在第一连杆210的位置a处的FBG传感器检测到的波长变化Δλal，Δλa2，Δλa3和Δλa4，以及从设置在第一连杆210的位置b的FBG传感器检测出的波长变化Δλb1，Δλb2，Δλb3和Δλb4。
然而，从每个FBG传感器输入到力检测系统2900的波长变化Δλ可以全部包括上述两个分量(由于作用力变形引起的波长变化和由于温度变形引起的波长变化)。
第一补偿单元2901对布置在第一连杆210中的FBG传感器的检测信号补偿线性膨胀和夹持牵引力，并根据以下公式(1)计算线性膨胀ΔS。
[公式1]
Figure BDA0003011799250000241
然后，力和力矩计算单元2902将由第一补偿单元2901计算出的线性膨胀ΔS乘以校准矩阵KW，并且根据以下公式(2)计算在钳子单元110中产生的在XY方向上的作用力Fx和Fy，以及在钳子单元110中产生的围绕XY的每个轴的力矩Mx和My。注意，校准矩阵KW是具有4行和4列的矩阵，如以下公式(3)所示。
[公式2]
Figure BDA0003011799250000242
[公式3]
Figure BDA0003011799250000243
此外，第二补偿单元2903对设置在钳子单元110中的FBG传感器的检测信号Δλ补偿线性膨胀，并根据以下公式(4)计算补偿后的波长变化Δλ'。
[公式4]
Figure BDA0003011799250000251
然后，变形模式分离单元2904将由第二补偿单元2903计算出的波长变化Δλ'乘以分离矩阵Tg，以根据以下公式(5)分离为变形模式1和变形模式2的每个变化量ΔS。注意，分离矩阵Tg是具有4行4列的矩阵，如以下公式(6)所示。
[公式5]
Figure BDA0003011799250000252
[公式6]
Figure BDA0003011799250000253
最后，力计算单元2905从变形模式1中提取Z方向上的作用力Fz，并基于由力和力矩计算单元2902和由变形模式分离单元2904获得的变形模式分离单元2904计算的在X方向上的作用力Fx，根据下面的公式(7)，从变形模式2计算第一刀片111和第二刀片112在g方向上的作用力Fl，g和Fr，g。此外，在以下公式(7)中使用的校准矩阵Kg是如以下公式(8)所示的具有3行5列的矩阵。
[公式7]
Figure BDA0003011799250000261
[公式8]
Figure BDA0003011799250000262
随后，将描述作用力Fx和Fy以及力矩Mx和My的四轴检测机制。如上所述，从FBG传感器检测到的波长变化Δλ包括由于作用力变形引起的波长变化Δλforce和由于温度变形引起的波长变化ΔλTemp之和。
[公式9]
Δλ＝Δλforce+ΔλTemp …(9)
然后，通过使用2轨距方法，根据以下公式(10)进行温度补偿，并且获得作用力Fx和Fy。然而，校准矩阵K可以从实验中得出。
[公式10]
F＝K(Δλi-Δλi-2) …(10)
然后，通过检测两个位置的作用点(图2中的位置a和b)的变形来获得力矩Mx和My。有关细节，例如，参见专利文献1。
随后，将描述作用力Fz和Fg的两轴检测机制。
在通常使刀片变形的变形模式1中，在刀片的内部和外部产生的内部变形λi和外部变形λo之间的关系具有与图9所示的符号相同的符号，并且以下公式(11)成立。
[公式11]
ΔSm＝λi-tmλo＝0 …(11)
此外，如图10所示，在使刀片异常地变形的变形模式2中，在刀片的内部和外部产生的内部变形λi和外部变形λo之间的关系具有不同的符号，并且下式(12)成立。
[公式12]
ΔSm′＝λi-tm′λo＝0 …(12)
然后，如上式(11)和(12)所示，通过定义ΔSm和δSm′，可以补偿变形模式1和变形模式2中的每一个的波长变化。然后，参考基于布置在第一连杆210中的FBG传感器的检测信号计算出的X方向上的作用力Fx，从变形模式1提取Z方向上的作用力Fz。有关细节，例如，参见专利文献1。
随后，将描述力矩Mz的检测机制。
在变形模式1中，当围绕Z轴的力矩Mz被施加到钳子单元110的前端时，载荷沿相反的方向被施加到第一刀片111和第二刀片112。图30示出了当沿zx方向的外力作用在钳子单元110的前端上时第一刀片111的内部变形λ1i和外部变形λ1o之间的关系。此外，图31示出了当zx方向上的外力作用在钳子单元110的前端上时第二刀片112的内部变形λri和外部变形λro之间的关系。因此，力矩Mz可通过将函数f(λli，λ1o，λri，λro)(其变量是第一刀片111和第二刀片112中的每一个的内部变形和外部变形)乘以根据以下公式(13)的预定常数K来计算。
[公式13]
Mz＝Kf(λli，，λlo，λri，，λro) …(13)
D.主从机器人系统
图32示意性地示出了主从机器人系统1400的功能配置。机器人系统1400包括由操作员操作的主设备1410和根据操作员的操作从主设备1410远程控制的从设备1420。主设备1410和从设备1420经由无线或有线网络互连。
主设备1410包括操作单元1411，转换单元1412，通信单元1413和力感呈现单元1414。
操作单元1411包括主臂等，以供操作者远程控制从设备1420。转换单元1412将由操作员在操作单元1411上执行的操作内容转换为用于控制从设备1420侧(更具体地，从设备1420中的驱动单元1421)上的驱动的控制信息。
通信单元1413经由无线或有线网络与从设备1420侧(更具体地，从设备1420中的通信单元1423)互连。通信单元1413将从转换单元1412输出的控制信息发送到从设备1420。
同时，从设备1420包括驱动单元1421，检测单元1422和通信单元1423。
如图1所示，假定从设备1420是外科手术系统100，其使用具有将钳子单元110附接到前端的多连杆构造臂。驱动单元1421包括用于旋转地驱动联接连杆的每个关节的致动器和用于打开和关闭钳子单元110的致动器。用于打开和关闭钳子单元110的致动器设置在与钳子单元110分开的位置处，并且驱动力通过电缆传递到钳子单元110。
检测单元1422包括通过使用FBG传感器安装在钳子单元110上的2DOF传感器和通过使用FBG传感器安装在第一连杆210(或其他连杆)上的4DOF传感器。也就是说，检测单元1422包括(5+1)DOF传感器，除了作用在钳子单元110上的三个方向上的平移力Fx、Fy、Fx以及围绕XY的每个轴的力矩Mx和My之外，该传感器还可以检测来自夹持目标的作用在钳子单元110上的作用力Ft。此外，假设检测单元1422包括信号处理单元，其处理FBG传感器的检测信号并且具有与图29所示的力检测系统2900相同的功能。
通信单元1423经由无线或有线网络与主设备1410侧(更具体地，主设备1410中的通信单元1413)互连。上述驱动单元1421根据通信单元1423从主设备1410侧接收的控制信息来进行驱动。此外，上述检测单元1422的检测结果(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Ft)从通信单元1423发送到主设备1410侧。
在主设备1410侧，力感呈现单元1414基于通信单元1413从从设备1420接收的检测结果(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Ft)，向操作者呈现力感。
操作主设备1410的操作者可以通过力感呈现单元1414识别施加在从设备1420侧的钳子单元110上的接触力。例如，在从设备1420是手术机器人的情况下，操作员在操作缝合线时，可以通过获得作用在钳子单元110上的诸如反应之类的触感，完成缝合线，防止侵入活组织并有效地进行工作来适当地进行调整。
工业适用性
上面已经参考特定实施方式详细描述了本说明书中公开的技术。然而，显然，本领域技术人员可以在不脱离本说明书中公开的技术的精神的情况下修改或替代实施方式。
本说明书中公开的技术可以类似地应用于除主从系统以外的各种类型的机器人设备。利用本说明书中公开的具有力检测功能的钳子单元，改善了其他轴的干涉特性。因此，通过应用于主从手术系统，在双向控制中产生了增加可以控制力的一个轴的效果。
此外，本说明书主要描述了将本说明书中公开的技术主要应用于手术器械和手术机器人的实施方式。本说明书中公开的技术的精神不限于该示例，并且可以类似地应用于除操作之外的医疗应用，或者应用于除医疗之外的各个领域中使用的抓手或机器人装置。
简而言之，已经以说明的形式描述了本说明书中公开的技术，并且不应以限制的方式解释本说明书的描述细节。为了确定本说明书中公开的技术的精神，应当考虑权利要求。
注意，本说明书中公开的技术还可以具有以下配置。
(1)一种手术系统，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；以及
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处的第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
(2)根据上述(1)的手术系统，还包括：第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形。
(3)根据上述(2)的手术系统，还包括：
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；
以及
处理单元，被配置为基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力。
(4)根据上述(3)的手术系统，其中，
变形产生体配置在所述第一刀片和所述第二刀片的刀片中间部分，
所述第一变形检测单元包括：检测在所述第一刀片的内部和外部发生变形的变形检测元件，以及检测在所述第二刀片的内部和外部发生变形的变形检测元件，并且
所述处理单元基于检测到的所述第一刀片的内部和外部的变形以及所述第二刀片的内部和外部的变形来计算作用在所述钳子单元上的力。
(5)根据上述(4)的手术系统，其中，
所述第一变形检测单元包括：包括形成在附接于所述第一刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件；以及包括形成在附接于所述第二刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件。
(6)根据上述(2)至(5)中任一项的手术系统，其中，
基于所述第一变形检测元件的灵敏度来确定所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分和刀片中间部分与所述基准轴之间的偏移量的差。
(7)根据上述(5)的手术系统，其中，
基于所述第一变形检测元件的灵敏度来确定所述第一刀片的刀片中间部分和所述第二刀片的刀片中间部分在钳子长轴方向上的尺寸。
(8)根据上述(3)的手术系统，其中，
所述第一变形检测单元包括：包括形成在附接于所述第一刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件；以及包括形成在附接于所述第二刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件，并且虚拟FBG传感器形成在所述光纤上，并且
所述处理单元基于所述虚拟FBG传感器的波长变化去除由温度变化引起的变形分量。
(9)根据上述(3)的手术系统，其中，
所述第二变形检测单元包括变形检测元件，该变形检测元件布置在与所述连杆的长轴方向正交的两个方向上的相对侧的两个位置处，并且
所述处理单元基于与由该变形检测元件检测出的在与所述连杆的长轴方向正交的所述两个方向上的相对侧的所述两个位置处的变形，计算作用于所述钳子单元的两个方向的平移力和力矩。
(10)根据上述(9)的手术系统，其中，
所述第二变形检测单元包括包含FBG传感器的变形检测元件，所述FBG传感器形成在光纤的两个位置处，所述光纤附接到与所述连杆的长轴方向正交的两个方向上的相对侧。
(11)根据上述(10)的手术系统，其中，
每个所述连杆具有如下形状：应力集中在布置所述变形检测元件的所述两个位置的形状。
(12)一种外科手术系统，包括：
主设备；以及
从设备，由所述主设备远程地控制，
其中，所述从设备包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处的第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，检测在所述连杆中发生的变形；
处理单元，基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力；以及
输出单元，将所述处理单元的处理结果输出到所述主设备，并且
所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
(13)一种手术器械，包括：
第一刀片，在所述第一刀片的刀片中间部分包括变形产生体结构；
第二刀片，在所述第二刀片的刀片中间部分包括变形产生体结构；以及
钳子枢转单元，被配置为将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
(14)一种医疗设备，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；以及
传输单元，被配置为传输所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果。
(15)一种外力检测系统，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；以及
处理单元，被配置为基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
参考标志列表
100外科手术系统
110钳子单元
111第一刀片
112第二刀片
113钳子枢转单元
120臂
201至204变形检测元件
401变形产生体
501、502凹槽部
511至514光纤
701、702虚拟FBG传感器
901至904光纤
1410主设备
1411操作单元
1412转换单元
1413通信单元
1414力感呈现单元
1420从设备
1421驱动单元
1422检测单元
1423通信单元
2900力检测系统
2901第一补偿单元
2902力和力矩计算单元
2903第二补偿单元
2904变形模式分离单元
2905力计算单元。

Claims (15)

1.一种手术系统，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；以及
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处的第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
2.根据权利要求1所述的手术系统，还包括：第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形。
3.根据权利要求2所述的手术系统，还包括：
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；以及
处理单元，被配置为基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力。
4.根据权利要求3所述的手术系统，其中，
变形产生体配置在所述第一刀片和所述第二刀片的刀片中间部分，
所述第一变形检测单元包括：检测在所述第一刀片的内部和外部发生变形的变形检测元件，以及检测在所述第二刀片的内部和外部发生变形的变形检测元件，并且
所述处理单元基于检测到的所述第一刀片的内部和外部的变形以及所述第二刀片的内部和外部的变形来计算作用在所述钳子单元上的力。
5.根据权利要求4所述的手术系统，其中，
所述第一变形检测单元包括：包括形成在附接于所述第一刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件；以及包括形成在附接于所述第二刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件。
6.根据权利要求2所述的手术系统，其中，
基于所述第一变形检测元件的灵敏度来确定所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分和刀片中间部分与所述基准轴之间的偏移量的差。
7.根据权利要求5所述的手术系统，其中，
基于所述第一变形检测元件的灵敏度来确定所述第一刀片的刀片中间部分和所述第二刀片的刀片中间部分在钳子长轴方向上的尺寸。
8.根据权利要求3所述的手术系统，其中，
所述第一变形检测单元包括：包括形成在附接于所述第一刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件；以及包括形成在附接于所述第二刀片的内部和外部的光纤上的FBG传感器的变形检测元件，并且虚拟FBG传感器形成在所述光纤上，并且
所述处理单元基于所述虚拟FBG传感器的波长变化去除由温度变化引起的变形分量。
9.根据权利要求3所述的手术系统，其中，
所述第二变形检测单元包括变形检测元件，该变形检测元件布置在与所述连杆的长轴方向正交的两个方向上的相对侧的两个位置处，并且
所述处理单元基于与由该变形检测元件检测出的在与所述连杆的长轴方向正交的所述两个方向上的相对侧的所述两个位置处的变形，计算作用于所述钳子单元的两个方向的平移力和力矩。
10.根据权利要求9所述的手术系统，其中，
所述第二变形检测单元包括包含FBG传感器的变形检测元件，所述FBG传感器形成在光纤的两个位置处，所述光纤附接到与所述连杆的长轴方向正交的两个方向上的相对侧。
11.根据权利要求10所述的手术系统，其中，
每个所述连杆具有如下形状：应力集中在布置所述变形检测元件的所述两个位置的形状。
12.一种外科手术系统，包括：
主设备；以及
从设备，由所述主设备远程地控制，
其中，所述从设备包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处的第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，检测在所述连杆中发生的变形；
处理单元，基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力；以及
输出单元，将所述处理单元的处理结果输出到所述主设备，并且
所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
13.一种手术器械，包括：
第一刀片，在所述第一刀片的刀片中间部分包括变形产生体结构；
第二刀片，在所述第二刀片的刀片中间部分包括变形产生体结构；以及
钳子枢转单元，被配置为将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
14.一种医疗设备，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；以及
传输单元，被配置为传输所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果。
15.一种外力检测系统，包括：
臂，所述臂包括一个或多个连杆；
钳子单元，包括设置于所述臂的前端处第一刀片、第二刀片以及钳子枢转单元，所述钳子枢转单元将所述第一刀片和所述第二刀片彼此可枢转地联接；
第一变形检测单元，被配置为检测在所述第一刀片和所述第二刀片中发生的变形；
第二变形检测单元，被配置为检测在所述连杆中发生的变形；以及
处理单元，被配置为基于所述第一变形检测单元和所述第二变形检测单元的检测结果来计算作用在所述钳子单元上的力，
其中，所述第一刀片和所述第二刀片的刀刃部分均相对于被定义平行于钳子长轴的预定基准轴在正方向上偏移。
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