手术工具、手术支持系统和手术操作单元的制作方法

1.本说明书中公开的技术(以下被称为“本公开”)涉及一种在手术机器人中使用的手术工具，例如，一种手术支持系统和一种手术操作单元。


背景技术：

2.近年来，机器人技术的进步是显著的，机器人现在广泛应用于各种工业领域的工作场所。例如，在医学领域，主从式手术机器人正变得越来越普遍。这种手术机器人被设计成使得诸如外科医生等操作者从主侧操作包括在从装置中的一个或多个手术工具。此外，作为用于控制主从系统的已知方法，存在从主装置操作从装置的双向方法，同时，从装置的状态被反馈给主装置(例如，参见专利文献1)。
3.在安装在从装置中的手术工具的端部提供了具有打开和闭合机构(例如，镊子)的末端执行器。此外，假设手术工具将用于体腔内、体表等的手术中，强烈希望手术工具的端部具有多个自由度、具有小直径、尺寸小并且重量轻。具体而言，希望手术工具的端部具有总共三个自由度，即两个旋转自由度和一个打开和闭合自由度。此外，为了手术工具的小型化，在处理手术工具的端部时经常采用使用线缆的驱动方法(例如，参见专利文献2至4)。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本专利申请公开号2019-34002
7.专利文献2：日本专利申请公开号09-542671
8.专利文献3：jp 2018-534100 w
9.专利文献4：jp 2019-501699 w
10.专利文献5：wo 2018/163680


技术实现要素：

11.本发明要解决的问题
12.根据本公开的技术的目的是提供一种具有开闭式末端执行器(例如，镊子)的手术工具，该手术工具被设计成尺寸小且重量轻，并且用于手术机器人中，并且提供一种手术支持系统和手术操作单元。
13.问题的解决方案
14.根据本公开的技术的第一方面是：
15.一种手术工具，包括：
16.轴；
17.俯仰单元，以能够绕第一轴线转动的方式连接到轴的末端；
18.滚动单元，由俯仰单元以能够绕第二轴线旋转的方式支撑；以及
19.抓握单元，由滚动单元以能够在第二轴线方向上线性移动的方式支撑。
20.根据第一方面的手术工具还包括一对钳口，该对钳口附接到滚动单元的在第二轴
线方向上的下端，并且与抓握单元在第二轴线方向上的线性移动相结合地打开和闭合。
21.当第一马达旋转第一驱动绞盘时，抓握单元通过在第一前向和后向线缆组中产生的牵引力而在第二轴线方向上线性移动，然后该对钳口与线性移动相结合地打开和闭合。同时，当第二马达旋转第二驱动绞盘时，通过在第二前向和后向线缆组中产生的牵引力，滚动单元绕第二轴线转动。
22.此外，当第三马达使第三驱动绞盘沿正向或反向旋转时，在轴的纵向轴线方向上拉动第一前向和后向线缆组和第二前向和后向线缆组中的一组，因此，俯仰单元绕第一轴线转动。
23.此外，根据本公开的技术的第二方面是：
24.一种手术支持系统，包括手术工具和连接手术工具的臂，
25.该手术工具包括：
26.轴；
27.俯仰单元，以能够绕第一轴线转动的方式连接到轴的末端；
28.滚动单元，由俯仰单元以能够绕第二轴线旋转的方式支撑；以及
29.抓握单元，由滚动单元以能够在第二轴线方向上线性移动的方式支撑。
30.此外，根据本公开的技术的第三方面是：
31.一种手术操作单元，包括手术工具和连接手术工具的手柄单元，
32.所述手术工具包括：
33.轴；
34.俯仰单元，以能够绕第一轴线转动的方式连接到轴的末端；
35.滚动单元，由俯仰单元以能够绕第二轴线旋转的方式支撑；以及
36.抓握单元，由滚动单元以能够在第二轴线方向上线性移动的方式支撑。
37.本发明的效果
38.通过根据本公开的技术，可以提供一种在其端部具有开闭式末端执行器(例如，镊子)的手术工具，该手术工具包括较少数量的部件、具有较小的直径，并且用于手术机器人，并且可以提供一种手术支持系统和一种手术操作单元。
39.注意，本说明书中描述的有利效果仅仅是示例，并且根据本公开的技术带来的有利效果不限于此。此外，在一些情况下，除了上述有利效果之外，根据本公开的技术可以表现出额外的有利效果。
40.通过下面描述的实施例和参考附图的详细描述，根据本公开的技术的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
41.图1是示出手术工具单元100的示例外部配置的图；
42.图2是示出手术工具单元100的示例外部配置的图；
43.图3是手术工具单元100的六面视图；
44.图4是手术工具单元端部101的放大视图；
45.图5是手术工具单元端部101的放大视图；
46.图6是手术工具单元端部101的分解图；
47.图7是手术工具单元端部101的放大视图(俯仰单元401和轴102以透明方式示出)；
48.图8是手术工具单元端部101的六面视图；
49.图9是示出滚动单元402、抓握单元、杆404和一对钳口405a和405b的图；
50.图10是示出滚动单元402、抓握单元、杆404和一对钳口405a和405b的截面的图；
51.图11是杆404的下端和一对钳口405a和405b的放大剖视图；
52.图12是示出在第一轴线附近的手术工具单元端部101的一部分的放大视图的图；
53.图13是示出第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组固定到抓握单元403的机构的图；
54.图14是示出第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组被固定到滚动单元402的机构的图；
55.图15是示出手术工具单元驱动单元103中的致动器的示例布局的图；
56.图16是示出钳口405a和405b打开和闭合的状态的图；
57.图17是示出钳口405a和405b打开和闭合的状态的图；
58.图18是示出钳口405a和405b打开和闭合的状态的图；
59.图19是示出滚动单元402绕第二轴线旋转的状态的图；
60.图20是示出滚动单元402绕第二轴线旋转的状态的图；
61.图21是示出滚动单元402绕第二轴线旋转的状态的图；
62.图22是示出滚动单元402绕第二轴线旋转的状态的图；
63.图23是示出滚动单元402绕第二轴线旋转的状态的图；
64.图24是示出俯仰单元401绕第一轴线转动的状态的图；
65.图25是示出俯仰单元401绕第一轴线转动的状态的图；
66.图26是示出俯仰单元401绕第一轴线转动的状态的图；
67.图27是示出俯仰单元401绕第一轴线转动的状态的图；
68.图28是示出俯仰单元401绕第一轴线转动的状态的图；
69.图29是示出在手术工具单元端部101中同时驱动三个轴的状态的图；
70.图30是示出在手术工具单元端部101中同时驱动三个轴的状态的图；
71.图31是示出在手术工具单元端部101中同时驱动三个轴的状态的图；
72.图32是示出俯仰单元401绕第一轴线旋转的示例操作的图；
73.图33是示出滚动单元402绕第二轴线旋转的示例操作的图；
74.图34是示出钳口405a和405b的示例抓握操作的图；
75.图35是示出钳口的示例转动操作的图；
76.图36是示出钳口的示例转动操作的图；
77.图37是示出根据修改的滚动单元3700的截面的图；
78.图38是示出使用fbg传感器的滚动单元3700的示例性截面配置的图；
79.图39是示出使用手术工具单元的手术机器人3900的示例外部配置的图；
80.图40是示出操作单元4000的示例外部配置的图。
具体实施方式
81.在下面的描述中，将参考附图，按照以下顺序解释根据本公开的技术。
82.a.关于手术工具单元的问题
83.b.手术工具单元的示例配置
84.c.手术工具单元的操作
85.d.滚动单元的修改
86.e.手术工具单元的修改
87.f.手术工具单元的应用示例
88.g.效果
89.a.关于手术工具单元的问题
90.用于手术机器人的手术工具优选地具有总共三个自由度，即两个旋转自由度和一个在末端打开和闭合的自由度。例如，已知类型的手术工具包括由一对钳口形成的开闭式末端执行器、支撑末端执行器的腕部以及具有纵向轴线并将腕部连接到其端部的轴。这种手术工具具有自由度结构，包括：第一轴线，用于例如相对于轴的端部绕偏航轴线转动手腕；第二轴线，用于例如相对于手腕围绕俯仰轴线转动末端执行器的方位；以及用于打开和闭合钳口的第三轴线(开闭轴)(例如，参见专利文献2至4)。在这种自由度配置的情况下，由于对每个连杆的移动范围的限制，第一轴线和第二轴线都被限制在大约
±
90
°
内的移动。
91.在手术工具通常通过套管针插入体腔的情况下，如在腹腔镜手术中，手术工具的直径需要在其端部变小。因此，如上所述，手术工具优选地具有这样的配置，该配置具有例如用于相对于轴的端部绕偏航轴线转动腕部的第一轴线以及例如用于相对于腕部绕俯仰轴线转动末端执行器的方位的第二轴线。
92.另一方面，在身体表面或身体表面附近的手术中使用手术工具的情况下，对端部直径减小的限制放松，但是需要更大范围的移动。
93.因此，本说明书将在下面建议一种总共具有三个自由度的手术工具单元，这三个自由度是两个旋转自由度和一个在末端打开和闭合的自由度，并且实现更大范围的移动。根据本公开的手术工具单元应该用于例如身体表面上或身体表面附近的手术，但是其目的是实现更大范围的移动。
94.具体而言，根据本公开的手术工具单元包括具有纵向轴线的轴、俯仰单元、滚动单元和抓握单元。轴在其端部支撑俯仰单元，使得俯仰单元能够绕平行于俯仰轴线的第一轴线转动。同时，俯仰单元围绕平行于滚动轴线的第二轴线可旋转地支撑滚动单元。此外，滚动单元可以支撑由一对能够打开和闭合的钳口形成的抓握单元。因此，根据本公开的手术工具单元具有三个自由度：俯仰单元相对于轴的端部绕第一轴线转动的旋转自由度；当滚动单元由俯仰单元支撑时，绕第二轴线转动的旋转自由度；以及打开和闭合该对钳口的自由度。
95.如稍后将描述的，在根据本公开的手术工具单元中，俯仰单元具有绕第一轴线
±
80
°
的移动范围，并且滚动单元具有绕第二轴线-140
°
至150
°
的移动范围。例如，在手术工具单元用于身体表面或身体表面附近的手术的情况下，可以有把握地说这些移动范围足够宽。注意，例如，这对钳口的最大开闭角度为20
°
。
96.在下面描述的实施例中，由线缆产生的牵引力用于驱动俯仰单元、滚动单元和抓握单元(或钳口)。也就是说，设置在轴的根部侧(近端侧)的每个致动器的功率通过线缆传递到末端侧(远端侧)的俯仰单元、滚动单元和抓握单元。
97.此外，在使用线缆的功率传输机构中，可以使用多个滑轮，例如，用于向线缆施加功率或将来自线缆的力转换成轴向力的绞盘以及用于调节线缆在轴中的布局并向线缆施加恒定张力的惰轮。
98.b.手术工具单元的示例配置
99.图1和图2示出了根据本公开的手术工具单元的示例外部配置。此外，图3示出了手术工具单元的六面视图。图中所示的手术工具单元100包括具有纵向轴线的中空轴102、位于轴102一端的手术工具单元端部101以及位于轴102另一端的手术工具单元驱动单元103。图1示出了手术工具单元100的透视图。图2以透明的方式示出了轴102和手术工具单元驱动单元103，以使其内部可见。
100.手术工具单元端部101包括：相对于轴102可绕与俯仰轴线平行的第一轴线旋转的俯仰单元、由俯仰单元以可绕与滚动轴平行的第二轴线旋转的方式支撑的滚动单元、以及由滚动单元支撑的抓握单元。抓握单元包括一对可打开和闭合的钳口。然而，第二轴线位于偏离第一轴线的位置。
101.手术工具单元端部101的每个可移动部分由线缆的牵引力驱动。此外，用于拉动相应线缆的致动器设置在手术工具单元驱动单元103中。在该实施例中，电磁旋转马达用作致动器。如图2所示，用于驱动手术工具单元端部101的俯仰单元、滚动单元和抓握单元的多根线缆穿过轴102插入。此外，在手术工具单元驱动单元101中设置有三个马达，用于拉动驱动俯仰单元、滚动单元和抓握单元的相应线缆。
102.图4和图5以放大的方式示出了手术工具单元端部101(然而，图4和图5之间的观察方向不同)。此外，图6示出了手术工具单元端部101的分解图。如图6所示，手术工具单元端部101包括俯仰单元401、滚动单元402、抓握单元403、杆404、附接到杆404下端的一对钳口405a和405b、第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组。作为参考，在图7中，俯仰单元401和轴102以透明的方式示出，并且使得手术工具单元端部101附近的相应线缆的布局可见。此外，图8示出了手术工具单元端部101的六面视图。注意，用于拉动第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组的相应致动器设置在手术工具单元驱动单元103中，但是这方面将在后面详细描述。
103.如图4所示，俯仰单元401支撑在轴102的端部附近的部分，从而能够绕平行于俯仰轴线的第一轴线转动。从图6和图7可以看出，俯仰单元401具有中空圆柱形状，其旋转中心是平行于滚转轴线的第二轴线。然后将滚动单元402插入俯仰单元401的中空圆柱体中。结果，滚动单元402由俯仰单元401支撑，从而能够绕第二轴线旋转。滚动单元402通过第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组的牵引力绕第二轴线旋转，但是这一方面将在后面详细描述。
104.如图4所示，限制抓握单元403的移动的轨道沿第二轴线方向设置在滚动单元402的背面上。因此，抓握单元403可以沿着轨道在第二轴线方向(或垂直方向)上在预定范围内移动。抓握单元403通过第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组的牵引力在第二轴线方向上移动，但是这方面将在后面详细描述。
105.图9示出了从手术工具单元端部101取出的滚动单元402、抓握单元、杆404和一对钳口405a和405b。此外，图10是沿着垂直于第一轴线并包括第二轴线的平面截取的滚动单
元402、抓握单元、杆404和一对钳口405a和405b的剖视图。
106.滚动单元402具有沿第二轴线方向穿透的通孔，并且杆404插入通孔中。杆404的上端部由抓握单元403支撑，从而可通过轴承旋转。轴承具有支撑沿第二轴线方向施加的负荷的结构。杆404可相对于抓握单元403绕第二轴线旋转，但不相对于抓握单元403在第二轴线方向上移动。因此，当抓握单元403相对于滚动单元402在第二轴线方向上线性移动时，杆404与抓握单元403一起也相对于滚动单元402在第二轴线方向上线性移动。
107.图11示出了杆404的下端和一对钳口405a和405b的放大剖视图。
108.钳口405a和钳口405b具有关于第二轴线基本对称的形状。钳口405a和钳口405b都能够围绕形成在滚动单元402端部的开闭轴1101转动。此外，在钳口405a和405b中的每个中，细长孔槽1102形成在开闭轴1101的后面。此外，从杆404的端部突出的销1103插入到钳口405a和405b的每个细长孔槽1102中。钳口405a和405b的相应细长孔槽1102的纵向轴线相对于第二轴线在彼此相反的方向上倾斜，并且每个细长槽1102的壁表面形成凸轮，该凸轮将第二轴线方向上的线性移动转换成钳口405a和405b的打开/闭合方向上的移动。
109.如上所述，杆404与抓握单元403一起相对于滚动单元402在第二轴线方向上线性移动。销1103与杆404一体地在第二轴线方向(纸表面的垂直方向)上往复移动。当销1103往复移动，以便在每个细长槽孔1102中滑动时，相应的细长槽孔1102需要在销1103的当前位置穿过杆404(或第二轴线)。此外，钳口405a和405b的相应细长孔槽1102的纵向轴线相对于第二轴线在彼此相反的方向上倾斜，并且每个细长孔槽1102的壁表面形成凸轮。因此，根据销1103在第二轴线方向上的线性移动，钳口405a和钳口405b围绕开闭轴1101在彼此相反的方向上旋转。这是通过杆404在第二轴线方向上的线性移动来打开和闭合钳口405a和钳口405b的机构。然而，钳口405a和钳口405b的开关结构不限于此，并且一些其他机构可以用于随着杆404在第二轴线方向上的线性移动而引起钳口405a和钳口405b的打开和闭合移动。
110.接下来，详细描述利用线缆的牵引力引起俯仰单元401绕第一轴线的转动移动、滚动单元402绕第二轴线的旋转移动以及钳口405a和405b的打开和闭合移动的机构。
111.如图4至图7所示，手术工具单元100包括第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组。用于拉动第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组的相应致动器设置在手术工具单元驱动单元103中，但是这方面将在后面详细描述。
112.图12是手术工具单元端部101的一部分的放大图，第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组在第一轴线附近穿过该部分。此外，图13示出了一种机构，其中，第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组固定到抓握单元403。此外，图14示出了一种机构，其中，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组固定到滚动单元402。
113.参考图13，第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组在形成于抓握单元403中的线缆连接部分1301处固定到抓握单元403。参考图4、图6和图13，第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组被布置成从相反方向缠绕在可旋转地支撑在俯仰单元401的背面上的抓握滑轮gp周围，并且被折回成u形。
114.此外，参考图12，在第二轴线方向上拉动第一前向线缆c1a。然而，线缆c1a的方向被第一惰轮ip11a切换到垂直于第一轴线的方向，第一惰轮使用第一轴线作为其旋转轴线，
此外，调整轴102中的布局，使得第一前向线缆c1a通过第一相邻惰轮ip12a插通轴102，第一相邻惰轮与第一惰轮ip11a相邻并且具有与第一轴线平行的旋转轴线。同样，在第二轴线方向上拉动第一后向线缆c1b。然而，线缆c1b的方向通过第一惰轮ip11b被切换到垂直于第一轴线的方向，第一惰轮使用第一轴线作为其旋转轴线，此外，调整布局，使得第一后向线缆c1b通过第一相邻惰轮ip12b穿过轴102插入，第一相邻惰轮与第一惰轮ip11b相邻并且具有平行于第一轴线的旋转轴线。
115.在插通轴102之后，被设置在手术工具单元驱动单元103中的致动器然后拉动第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组。在该实施例中，第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组由单个马达(第一马达m1)通过线缆回路方法驱动，这将在后面详细描述。可替代地，第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b可以被设计成由单独的马达拉动。
116.第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组在线缆连接部分1301处固定到抓握单元403(如上所述)。因此，当拉动第一前向线缆c1a时，抓握单元403沿着俯仰单元401的背面上的轨道(如上所述)在第二轴线方向上上升。此外，当拉动第一后向线缆c1b时，抓握单元403在第二轴线方向上下降。杆404在端部由抓握单元403支撑(如上所述)，并且与抓握单元403一起在第二轴线方向上往复移动。因此，实现了钳口405a和405b的打开和闭合的自由度。
117.滚动单元402包括靠近第二轴线方向中部的滚动绞盘rc。参考图6和图14，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b彼此从相反的方向缠绕在滚动绞盘rc周围，并且每根线缆在端部固定到滚动绞盘402。具体地，参考图14，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b缠绕在滚动绞盘rc周围，从而彼此绕第二轴线重叠几乎180
°
。因此，实现了滚动单元402绕第二轴线的
±
150
°
的移动范围。
118.在此处，如图12所示，在俯仰单元401中，销从第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b穿过的点附近的部分突出。相应销在第二轴线方向上的高度基本相同。第二前向线缆c2a在经过销的上侧之后缠绕在滚动绞盘rc周围，第二后向线缆c2b在经过销的下方之后缠绕在滚动绞盘rc周围。因此，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b缠绕在滚动绞盘rc上，以便在第二轴线的高度方向上彼此分开的同时彼此不接触，而是围绕第二轴线彼此重叠几乎180
°
(见图14)。结果，当滚动单元402绕第二轴线被驱动
±
150
°
时，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b不会缠绕。
119.此外，参考图12，在垂直于第二轴线方向的方向上拉动第二前向线缆c2a。然而，线缆c2a的方向被第二惰轮ip21a切换到垂直于第一轴线的方向，第二惰轮使用第一轴线作为其旋转轴线，此外，调整布局，使得第二前向线缆c2a被第二相邻惰轮ip22a穿过轴102插入，第二相邻惰轮与第二惰轮ip21a相邻并且具有平行于第一轴线的旋转轴线。同样，在垂直于第二轴线方向的方向上拉动第二后向线缆c2b。然而，线缆c2b的方向被第二惰轮ip21b切换到垂直于第一轴线的方向，第二惰轮使用第一轴线作为其旋转轴线，此外，调整布局，使得第二后向线缆c2b被第二相邻惰轮ip22b穿过轴102插入，第二相邻惰轮与第二惰轮ip21b相邻，并且具有平行于第一轴线的旋转轴线。
120.在插通轴102之后，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组然后被设置在手术工具单元驱动单元103中的致动器拉动。在该实施例中，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组由单个马达(第二马达m2)通过线缆回路方法驱动，这将在后面详细描述。可替代地，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b可以被设计成由单独的马达拉动。
121.第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b从彼此相反的方向缠绕在滚动单元402周围(如上所述)。因此，当拉动第二前向线缆c2a时，可以使滚动单元402绕第二轴线向前旋转。此外，当拉动第二后向线缆c2b时，可以使滚动单元402绕第二轴线反向旋转。因此，实现了手术工具单元端部101围绕第二轴线的旋转自由度。
122.注意，从图7和图12可以看出，惰轮ip11a、ip11b、ip21a和ip21b都使用第一轴线作为旋转轴线。同时，相邻的惰轮ip12a、ip12b、ip22a和ip22b都具有平行于第一轴线的相同旋转轴线。此外，在轴102中，通过上述相应惰轮来调整布局，使得第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组在上侧通过，并且第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组在下侧通过。
123.此外，参考图4、图7、图12等，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组从与第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组缠绕在惰轮ip11a和ip11b周围的方向相反的方向缠绕在惰轮ip21a和ip21b周围。因此，当拉动第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组(或在轴102的纵向轴线方向上向后移动)时，以及当第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组向后移动时，围绕第一轴线的相反方向上的旋转力被施加到俯仰单元401。
124.因此，通过选择性地拉动第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组中的一组，可以引起俯仰单元401围绕第一轴线的转动移动，并且实现手术工具单元端部101围绕第二轴线的旋转自由度。
125.c.手术工具单元的操作
126.图15示出了手术工具单元驱动单元103中的致动器的示例性布局以及用相应的致动器拉动线缆的方法。
127.如图15所示，提供了第一马达m1、第二马达m2和第三马达m3。此外，作为驱动绞盘的第一至第三马达绞盘mc1、mc2和mc3分别附接到第一至第三马达m1至m3的输出轴。
128.尽管本文假设旋转马达用于第一至第三马达m1至m3中的每一个，但是也可以使用带有减速器的马达。第一至第三马达m1至m3最好使用电磁旋转马达。然而，也可以使用能够旋转驱动绞盘的一些其他类型的致动器。
129.第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组经由惰轮ip13a和ip13b缠绕在第一马达绞盘mc1周围。第一马达m1可以正向旋转第一马达绞盘mc1，以向第一前向线缆组c1a施加牵引力。在这种情况下，抓握单元403相对于俯仰单元401和滚动单元402上升。因此，杆404也可以在第二轴线方向上上升，并且可以引起闭合钳口405a和405b的操作。此外，在第一马达m1在负方向上旋转第一马达绞盘mc1，以向该组第一前向和后向线缆c1b施加牵引力的情况下，抓握单元403相对于俯仰单元401和滚动单元402下降。因此，杆404也在第二轴线方向上下降，并且可以引起打开钳口405a和405b的操作。简而言之，第一马达m1具有打开和闭合钳口405a和405b的作用。
130.图16至图18示出了钳口405a和405b打开和闭合的状态。在图16所示的示例中，第一马达绞盘mc1通过第一马达m1在正方向上最大程度地旋转，并且抓握单元403和杆404通过第一前向线缆c1a的牵引力最大程度地升高，使得钳口405a和405b闭合。此外，在图17所示的示例中，抓握单元403和杆404略微下降，并且钳口405a和405b的打开角度为10
°
。同时，在图18所示的示例中，第一马达绞盘mc1通过第一马达m1在负方向上最大程度地旋转，并且抓握单元403和杆404通过第一后向线缆c1b的牵引力最大程度地降低，使得钳口405a和405b之间的打开角度为20
°
。
131.此外，参考图15，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组通过惰轮ip23a和ip23b缠绕在第二马达绞盘mc2周围。因此，当第二马达m2沿正向旋转第二马达绞盘mc2，以向该组第二前向和后向线缆c2a施加牵引力时，可以使滚动单元402绕第二轴线沿正向旋转。此外，当第二马达m2在负方向上旋转第二马达绞盘mc2，以向第二前向线缆和第二后向线缆c2a组施加牵引力时，可以使滚动单元402绕第二轴线在相反方向上旋转。简而言之，第二马达m2具有围绕与滚动轴线平行的第二轴线旋转滚动单元402的作用。
132.图19至图23示出了滚动单元402绕第二轴线旋转的状态。在图19所示的示例中，第二马达绞盘mc2通过第二马达m2在正方向上最大程度地旋转，并且滚动单元402通过第二前向线缆c2a的牵引力绕第二轴线向前旋转150
°
。同时，在图20至图22中，第二马达绞盘mc2通过第二马达m2在负方向上逐渐旋转，并且通过第二后向线缆c2b的牵引力，滚动单元402绕第二轴线的旋转角度逐渐减小到75
°
、0
°
和-75
°
。此外，在图23所示的示例中，第二马达绞盘mc2通过第二马达m2在负方向上最大程度地旋转，并且滚动单元402通过第二前向线缆c2b的牵引力在相反方向上绕第二轴线旋转-140
°
。
133.第三马达m3具有使俯仰单元401绕平行于俯仰轴线的第一轴线旋转的作用，但是这一方面将在后面详细描述。
134.如已经提到的，第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组从与第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组缠绕惰轮ip11a和ip11b的方向相反的方向缠绕在惰轮ip21a和ip21b周围。因此，当拉动第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组(或在轴102的纵向轴线方向上向后移动)时，以及当第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组向后移动时，绕第一轴线的相反方向上的旋转力被施加到俯仰单元401。
135.因此，通过选择性地拉动第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组中的一组，可以引起俯仰单元401绕第一轴线的转动移动，并且实现手术工具单元端部101围绕第二轴线的旋转自由度。
136.参考图15，第一马达m1支撑在沿轴102的纵向轴线方向滑动的第一滑动基座sb1上，第二马达m2支撑在沿轴102的纵向轴线方向滑动的第二滑动基座sb2上。此外，第三前向线缆c3a和第三后向线缆c3b组通过第三惰轮ip3a和ip3b缠绕在第三马达绞盘mc3周围。然后，第三前向线缆c3a的另一端固定到第一滑动基座sb1，第三后向线缆c3b的另一端固定到第二滑动基座sb2。
137.因此，第三马达m3可以在正方向上旋转第三马达绞盘mc3，以向第三前向线缆c3a施加牵引力。在这种情况下，第一滑动基座sb1向后移动到轴102的根部侧(即近端)，第二滑动基座sb2向前移动到轴102的端侧(即远端)。第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组然后向后移动，并且第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组向前移动。结果，俯仰单元401围绕第一轴线在正方向上旋转。
138.相反，第三马达m3可以在负方向上旋转第三马达绞盘mc3，以向第三后向线缆c3b施加牵引力。在这种情况下，第二滑动基座sb2向后移动到轴102的根部侧(即近端)，第一滑动基座sb1向前移动到轴102的端侧(即远端)。第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组然后向前移动，并且第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组向后移动。结果，俯仰单元401围绕第一轴线在负方向上旋转。
139.图24至图28示出了俯仰单元401绕第一轴线转动的状态。在图24所示的示例中，第
三马达m3在正方向上最大限度地旋转，并且第一滑动基座sb1通过第三前向线缆c3a的牵引力而最大限度地向后移动。结果，俯仰单元401绕第一轴线转动80
°
。
140.同时，在图25至图27中，第三马达绞盘mc3通过第三马达m3逐渐沿负方向旋转，并且第二滑动基座sb2通过第三后向线缆c3b的牵引力而逐渐向后移动。结果，俯仰单元401围绕第一轴线在负方向上逐渐转动，并且转动角度逐渐减小到40
°
、0
°
和-40
°
。
141.此外，在图28所示的示例中，第三马达m3在负方向上最大限度地旋转，并且第二滑动基座sb2通过第三后向线缆c3b的牵引力最大限度地向后移动。结果，俯仰单元401绕第一轴线转动-80
°
。
142.此外，在手术工具单元端部101中，俯仰单元401绕第一轴线的转动移动、滚动单元402绕第二轴线的旋转移动以及一对钳口405a和405b的抓握移动(或者抓握单元403在第二轴线方向上的线性移动)不会相互干涉，并且可以同时驱动三个轴线。
143.图29至图31示出了在手术工具单元端部101中同时驱动三个轴的状态。
144.在图29所示的示例中，第三马达绞盘mc3通过第三马达m3沿正向旋转，并且第一滑动基座sb1通过第三前向线缆c3a的牵引力向后移动，使得俯仰单元401绕第一轴线转动40
°
。
145.同时，在图30所示的示例中，在俯仰单元401已经绕第一轴线转动40
°
的状态下，钳口405a和405b进一步打开至20
°
的打开角度。在这种情况下，第一马达m1使第一马达绞盘mc1沿负方向旋转，以向后拉动第一后向线缆组c1b。结果，杆404在第二轴线方向上下降，因此，引起钳口405a和405b的打开移动。
146.此外，在图31所示的示例中，在俯仰单元401已经绕第一轴线转动40
°
，并且钳口405a和405b打开到20
°
的打开角度的状态下，进一步使滚动单元402绕第二轴线在正方向转动45
°
。在这种情况下，第二马达绞盘mc2通过第二马达m2沿正向旋转，并且滚动单元402绕第二轴线向前旋转45
°
的操作是由第二前向线缆c2a的牵引力引起的。
147.手术工具单元端部101中的操作方法总结如下。
148.第一轴线上的操作：
149.当第三马达绞盘mc3被第三马达m3旋转时，在第三前向线缆c3a和第三后向线缆c3b组中的一个线缆中产生牵引力，并且第一滑动基座sb1和第二滑动基座sb2可以在轴102的纵向轴线方向上向前和向后移动。结果，第一前向线缆c1a和c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组中的一个向前移动，而另一个向后移动。因此，如图24至图28所示，可以使俯仰单元401绕第一轴线正向或反向转动。
150.第二轴线上的操作：
151.当第二马达绞盘mc2被第二马达m2旋转时，在第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组中的一个线缆中产生牵引力，并且可以使滚动单元402围绕第二轴线沿正向和反向旋转。结果，导致抓握单元403围绕第二轴线的旋转操作。
152.抓握操作：
153.钳口405a和405b能够围绕形成在滚动单元402端部的开闭轴1101转动，并且根据杆404在第二轴线方向上的线性移动，围绕开闭轴1101在彼此相反的方向上转动。当第一马达绞盘mc1被第一马达m1旋转时，在第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组的一个线缆中产生牵引力，以在第二轴线方向上升高或降低杆404。因此，引起钳口405a和405b的打开和
闭合操作。
154.接下来，描述第一至第三马达m1至m3的操作与手术工具单元端部101的操作之间的关系。
155.图32示出了俯仰单元401绕第一轴线转动的示例操作。在此处，该图是从平行于第一轴线的方向观察的手术工具单元端部101的视图。如所示出的，使用第一轴线作为旋转轴线的惰轮p11a、p11b、p21a和p21b中的每一个的半径由r
pitch
表示，并且俯仰单元401围绕第一轴线的转角是θ
pitch
。此外，线缆在轴102的纵向轴线方向上从预定参考位置的位移量由x表示。
156.此外，图33示出了滚动单元402(或钳口405a和405b)围绕第二轴线旋转的示例操作。在此处，该图是从平行于第二轴线的方向观察的手术工具单元端部101的视图。如图所示，滚动绞盘rc的滑轮半径由r
roll
表示，滚动绞盘402绕第二轴线的旋转角度为θ
roll
。
157.此外，图34示出了示例性抓握操作，其中，钳口405a和405b围绕开闭轴转动，以打开和闭合。在此处，该图是从平行于第一轴线的方向观察的手术工具单元端部101的视图。如已经参考图11描述的，钳口405a和405b根据杆404在第二轴线方向上的线性移动而打开和闭合。钳口405a和405b的张开角度由θ
grip
表示。
158.图35示出了钳口的开闭轴和设置在杆404端部并在钳口中形成的细长槽孔中滑动的销之间的位置关系。在图35中，左侧以放大的方式示出了整个钳口，右侧示出了开闭轴附近的部分。注意，尽管图中示出了钳口405a的示例，但是这同样适用于钳口405b。该图示出了钳口405a和405b闭合的状态。在钳口405a和405b闭合的情况下，从开闭轴的中心到杆404端部的销(图35中未示出)的距离由x0表示，并且细长槽孔的长轴相对于第二轴线的倾斜角为α0。此外，l表示直角三角形的高度，该直角三角形的斜边是连接开闭轴的中心和杆404端部的销的距离x0的线段。
159.形成在钳口中的长槽孔的壁面形成凸轮面，并且在杆404端部处的销沿着细长槽孔的壁面滑动。如上所述，当抓握单元403上升，并且杆404也在第二轴线方向上上升时，执行闭合钳口405a和405b的操作。相反，当抓握单元403下降，并且杆404也在第二轴线方向下降时，执行打开钳口405a和405b的操作。图36示出了杆404(图36中未示出)沿第二轴线方向下降并且从开闭轴的中心到杆404端部的销的距离从x0变化到x的状态。在图36中，左侧以放大的方式示出了整个钳口，右侧示出了开闭轴附近的部分。此时钳口的张开角度用θ
grip
/2表示，细长槽孔的长轴相对于第二轴线的倾斜角为α。此外，l表示直角三角形的高度，该直角三角形具有开闭轴的中心和杆404端部的销之间的距离x的斜边。此时，杆404在第二轴线方向上的位移(x
0-x)表示为下面所示的等式(1)。
160.[数学公式1]
[0161][0162]
返回参考图32至图34，继续说明。通过第一至第三马达m1至m3的驱动，第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组中的每一组在轴102的纵向轴线方向上向前和向后移动。在下面的描述中，相应线缆在轴102的纵向轴线方向上从预定参考位置的位移量由x
c1a
、x
c1b
、x
c2a
和x
c2b
表示。
[0163]
相应线缆的位移量x
c1a
、x
c1b
、x
c2a
和x
c2b
与俯仰单元401绕第一轴线的转角θ
pitch
、滚
动单元402绕第二轴线的旋转角θ
roll
以及钳口405a和405b的张开角度θ
grip
之间的关系如以下等式(2)至(5)所示。
[0164]
[数学公式2]
[0165][0166]
[数学公式3]
[0167][0168]
[数学公式4]
[0169][0170]
[数学公式5]
[0171][0172]
上面所示的等式(2)和(3)的右侧的第二项和第三项对应于上面等式(1)中所示的杆404在第二轴线方向上的位移量。
[0173]
此外，俯仰单元401绕第一轴线的转角θ
pitc
、钳口405a和405b的张开角度θ
grip
以及滚动单元402绕第二轴线的旋转角度θ
roll
分别如以下等式(6)至(8)所示。
[0174]
[数学公式6]
[0175][0176]
[数学公式7]
[0177][0178]
[数学公式8]
[0179][0180]
因此，通过基于上述等式(6)至(8)将第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组以及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组移位预定量，可以在每个轴线上实现期望的角度。
[0181]
从等式(7)可以看出，在钳口405a和405b的张开角度θ
grip
中仅涉及第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组的位移量x
c1a
和x
c1b
。类似地，从等式(8)可以看出，在滚动单元402绕第二轴线的旋转角度θ
roll
中仅涉及第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组的位移量x
c2a
和x
c2b
。
[0182]
此外，从等式(6)可以看出，俯仰单元401围绕第一轴线的转角θ
pitch
由第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组的位移量x
c1a
和x
c1b
与第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组的位移量x
c2a
和x
c2b
之间的差确定。
[0183]
d.滚动单元的修改
[0184]
图37示出了根据修改的滚动单元3700的截面。图中所示的滚动单元3700在上述“滚动单元402”中被分成内部手术工具轴部分3701和外部手术工具盖部分3702。手术工具
轴部分3701具有中空圆柱形状，并且杆404插入其中。同时，手术工具盖部分3702具有中空圆柱形状，其内径等于或大于手术工具轴部分3701的内径，并且手术工具轴部分3701插入其中。此外，滚动绞盘rc形成在手术工具盖部分3702的外周上，并且第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组(图37中未示出)缠绕在滚动绞盘rc周围。此外，在图37中，手术工具轴部3701的外周和手术工具盖部3702的内壁表面在由虚线圆包围的部分处接合。通过该接合部分，绕第二轴线的旋转力从手术工具盖部分3702传递到手术工具轴部分3701。
[0185]
在由虚线圆包围的接合部分的端侧(远端侧)，手术工具轴部3701的外周和手术工具盖部3702的内壁表面彼此稍微分开，并且在它们之间存在空间。利用该空间，应变检测元件3703附接到手术工具轴部分3701的外周上的几个部分。然后，对相应的应变检测元件3703的检测信号执行算术处理，从而可以计算在手术工具末端施加到钳口405a和405b的外力。由于手术工具轴部3701的外周和手术工具盖部3702的内壁表面在到达由虚线圆包围的接合部分之前不相互接触，所以除了手术工具端部的钳口405a和405b之外，没有任何外力施加到应变检测元件3703的附接位置。
[0186]
在图37所示的示例中，一对应变检测元件3703a和3703b在手术工具轴部3701的表面上沿垂直于滚动轴线的方向(“y方向”)附接到相对侧。在这种情况下，对一对应变检测元件3703a和3703b的每个检测信号执行算术处理，从而可以计算手术工具轴部3701在y方向上的应变量。该应变量可以转换成沿y方向施加到钳口405a和405b的外力。此外，在要计算沿x方向施加到钳口405a和405b的外力的情况下，一对应变检测元件(图37中未示出)也附接到手术工具轴部3701的表面上沿x方向的相对侧，以执行测量。注意，应变生成结构可以形成在手术工具轴部3701中的相应应变检测元件3703a和3703b的位置处。
[0187]
在此处，应变检测元件3703a和3703b可以是本领域公知的检测元件，例如，电容传感器、半导体应变仪或箔应变仪。
[0188]
可替代地，用光纤制造的光纤布拉格光栅(fbg)传感器可以用于应变检测元件3703a和3703b。在此处，fbg传感器是通过沿着光纤的长轴切割衍射光栅(光栅)而形成的传感器，并且能够检测衍射光栅之间的间隔的变化，该变化是由于伴随由作用力引起的应变或温度变化的膨胀或收缩引起的，并且将间隔的变化视为预定波长带(布拉格波长)的入射光的反射光的波长的变化。从fbg传感器检测到的波长变化可以转换成应变、应力或温度变化，这就是原因。使用光纤的fbg传感器具有小的传输损耗(或者不容易受到来自外部的噪声的影响)，因此，可以在任何可想象的环境下保持高检测精度。此外，fbg传感器还具有能够应对医疗所需的杀菌和高磁场环境的优点(例如，参见专利文献5)。
[0189]
图38示出了在fbg传感器用于应变检测元件的情况下的滚动单元3700的示例性截面配置。在图中所示的示例中，利用手术工具轴部3701的外周和手术工具盖部3702的内壁表面之间的空间，两根光纤3801和3802从滚动单元3700的上端表面沿滚动轴线方向插入。然后，两根光纤3801和3802被设置在y方向上的相对侧。此外，在相应的光纤3801和3802中，光栅分别形成在由附图标记3803和3804表示的部分中，并且可以用作应变检测元件。注意，应变生成结构可以形成在手术工具轴3701上的光栅3803和3804的附近。
[0190]
e.手术工具单元的修改
[0191]
e-1.驱动线缆方法的修改
[0192]
最好使用电磁旋转马达作为第一至第三马达m1至m3。然而，也可以使用能够旋转
驱动绞盘的一些其他类型的致动器。拉动线缆的致动器的其他修改的示例可以包括以下内容。
[0193]-压电直线移动超声波马达
[0194]-压电旋转超声波马达
[0195]-液压线性马达
[0196]-液压旋转马达
[0197]-聚合物线性致动器
[0198]-电磁线性马达
[0199]-形状记忆合金
[0200]
此外，无论采用哪种致动器，致动器都可以配备有减速器、位置检测器和紧急制动机构。在此处，减速器的示例包括齿轮减速器、波浪齿轮减速器、行星齿轮减速器、悖论行星齿轮减速器、线缆减速器、牵引减速器、滚珠丝杠、滑动丝杠和蜗轮。此外，位置检测器的示例包括磁性编码器、光学编码器和电位计。
[0201]
e-2.钳口形状的修改
[0202]
在每个附图中，为了方便起见，钳口被绘制成相对简单的形状。实际上，钳口的形状可以根据手术工具单元的使用目的而改变。例如，可以采用以下形式。
[0203]-镊子
[0204]-双极镊子
[0205]-剪刀
[0206]-订书机
[0207]
e-3.轴的修改
[0208]
轴102理想地是刚性构件，但是可以是弹性构件，例如，柔性内窥镜。此外，在每个附图中，为了简化起见，示出了具有简单中空圆柱形状的轴102。然而，轴不一定是圆柱形的。例如，轴102的截面可以具有多边形形状或椭圆形形状，或者其截面形状可以在纵向轴线方向的中途改变。
[0209]
e-4.线缆的修改
[0210]
线缆可以是一束金属线、一束树脂或多种材料(例如，金属线和树脂)的混合物。此外，由具有高刚性的金属形成的轴102可以用于设置在轴102等内部并且不需要弯曲的线缆部分，并且连接到在具有弯曲的部分使用的柔性线缆。以这种方式，可以形成一根线缆。线缆替代物的示例如下。
[0211]-金属线或树脂线
[0212]-通过编织小直径的金属或树脂细线获得的线
[0213]
e-5.惰轮的修改
[0214]
在上述示例中，惰轮用于调整线缆的布局。通过使用惰轮，可以减少拉动线缆时的滑动摩擦，并且可以进行平稳的操作。在滑动摩擦减小的情况下，可以使用均具有旋转轴承的惰轮。
[0215]
然而，惰轮的使用增加了机构的尺寸，并且部件的数量变得更大。因此，为了进一步减小手术工具单元端部101的尺寸，线缆可以沿着形成在机构中的导向槽布置，而没有任何惰轮。
[0216]
f.手术工具单元的应用示例
[0217]
f-1.手术机器人(计算机辅助手术系统)的示例应用
[0218]
图39示出了使用根据该实施例的手术工具单元的手术机器人3900的示例外部配置。图中所示的手术机器人3900包括具有多连杆结构的臂3901，并且手术工具单元3902附接到臂3901的端部。手术工具单元3902是可更换的。手术机器人3900用于例如腹腔镜手术，并且手术工具单元端部101通过套管针(未示出)插入到腹腔中，以执行诸如抓握和切割患部等操作。
[0219]
例如，图中所示的手术机器人3900用作主从系统中的从装置，并且根据来自主装置(未示出)的指令来驱动臂3901和手术工具单元3902。此外，例如，双边控制方法被应用于这种类型的主从系统。
[0220]
注意，臂3901可以是任何机构类型的机器人，例如，极坐标机器人、圆柱坐标机器人、笛卡尔坐标机器人、垂直铰接机器人、水平铰接机器人、平行连杆机器人或远程移动中心(rcm)机器人。
[0221]
此外，在手术支持系统3900是支持腹腔镜手术的手术机器人的情况下，臂3901优选地是垂直铰接臂或远程移动中心(rcm)臂，其远程旋转中心位于远离驱动旋转中心的位置并执行枢转(定点)移动，从而实现机构的紧凑性、在套管针位置产生枢转移动的容易性等。
[0222]
此外，尽管图39示出了仅一个手术工具单元可以附接到其上的手术机器人的示例配置，但是本技术也可以应用于多个手术工具单元可以同时附接到其上以执行腹腔镜手术的类型的手术机器人。
[0223]
f-2.对操作单元的适用性
[0224]
图40示出了使用根据该实施例的手术工具单元的操作单元4000的示例外部配置。操作单元4000包括由用户用手直接抓握和操作的手柄单元4001，并且手术工具单元4002附接到手柄单元4001的端部。手术工具单元4002可以是可更换的。
[0225]
手柄单元4001可以包括操纵杆4003，该操纵杆4003可以用拇指操纵，以指定手术工具单元4002的手术工具单元端部的姿态的期望取向。手柄单元4001还可以包括按钮4004，该按钮可以用食指按压，以发出钳口打开和闭合操作的指令。
[0226]
控制器(未示出)可以安装在手柄单元4001中。该控制器根据操纵杆4003或按钮4004的操作量，计算俯仰单元401绕第一轴线的转角θ
pitch
、滚转单元402绕第二轴线的旋转角θ
roll
以及钳口405a和405b的张开角度θ
grip
。这些角度被转换成相应马达的旋转量，并且控制信号被输出到手术工具单元驱动单元103。
[0227]
g.效果
[0228]
在根据本公开的手术工具单元100中，围绕平行于滚动单元402的滚动轴线的第二轴线的旋转是远端的自由度(但是不包括钳口的抓握自由度)。因此，可以实现更大范围的移动。具体而言，俯仰单元401具有绕平行于俯仰轴线的第一轴线转动大约
±
80
°
的旋转自由度，而滚动单元402具有绕第二轴线转动大约
±
150
°
的旋转自由度。
[0229]
此外，在根据本公开的手术工具单元200中，一对钳口405a和405b的张开角度θ
grip
由第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b之间在轴102的纵向轴线方向上的位移差确定(例如，参见上述等式(7))。此外，滚动单元402围绕第二轴线的旋转角度θ
roll
由第二前向线缆
c2a和第二后向线缆c2b之间在轴102的纵向轴线方向上的位移差确定(例如，参见上述等式(8))。此外，俯仰单元401围绕第一轴线的转角θ
pitch
由第一前向线缆c1a和第一后向线缆c1b组与第二前向线缆c2a和第二后向线缆c2b组之间在轴102的纵向轴线方向上的位移平均值的差来确定(例如，参见上述等式(6))。
[0230]
简而言之，根据本公开的手术工具单元100的控制模型简单。因此，当手术工具单元100用于手术机器人时(见图39)，控制很容易。当手术工具单元100用于操作单元时(见图40)，操作者容易操作。
[0231]
此外，根据本公开的手术工具单元100配备有设置在滚动单元402上的应变检测元件(见图37和图38)，因此能够检测施加到端部的钳口的外力。在这种情况下，从第一轴线到末端钳口的距离也可以很短。
[0232]
工业适用性
[0233]
到目前为止，已经参考具体实施例详细描述了根据本公开的技术。然而，显而易见的是，本领域技术人员可以在不脱离根据本公开的技术范围的情况下对实施例进行修改和替换。
[0234]
在本说明书中，已经主要描述了根据本公开的技术应用于在手术机器人中使用的手术工具的实施例。然而，根据本公开的技术的主题不限于这些实施例。根据本公开的技术可以应用于除医疗保健之外的各种领域中的机器人，例如，精密工作机器人。根据本公开的技术还可以应用于抓握型操作单元和用户可以在用手抓握时操作的精密工作装置。
[0235]
简而言之，根据本公开的技术已经通过示例进行了描述，并且本说明书中的描述不应以限制性方式进行解释。在理解根据本公开的技术的主题时，应该考虑权利要求。
[0236]
注意，根据本公开的技术也可以体现在下面描述的配置中。
[0237]
(1)一种手术工具，包括：
[0238]
轴；
[0239]
俯仰单元，以能够绕第一轴线转动的方式连接到轴的末端；
[0240]
滚动单元，由俯仰单元以能够绕第二轴线旋转的方式支撑；以及
[0241]
抓握单元，由滚动单元以能够在第二轴线的方向上线性移动的方式支撑。
[0242]
(2)根据(1)的手术工具，其中，
[0243]
第二轴线位于偏离第一轴线的位置处。
[0244]
(3)根据(1)和(2)中任一项的手术工具，还包括
[0245]
一对钳口，附接到滚动单元在第二轴线方向上的下端，并且与抓握单元在第二轴线方向上的线性移动相结合地打开和闭合。
[0246]
(4)根据(3)的手术工具，其中，
[0247]
抓握单元支撑一杆，杆在第二轴线方向上插通滚动单元，并且
[0248]
该对钳口由滚动单元的下端附近的开闭轴支撑并且包括凸轮，凸轮将杆在第二轴线方向上的线性移动转换成在打开方向和闭合方向上的移动。
[0249]
(5)根据(4)的手术工具，还包括：
[0250]
第一前向和后向线缆组，在第二轴线方向上拉动抓握单元；以及
[0251]
第二前向和后向线缆组，绕第二轴线拉动滚动单元。
[0252]
(6)根据(5)的手术工具，其中，
[0253]
第一前向和后向线缆组的一部分固定到抓握单元，并且被布置成经由设置在滚动单元上的抓握滑轮沿第二轴线方向折回。
[0254]
(7)根据(5)或(6)的手术工具，其中，
[0255]
第二前向和后向线缆组缠绕设置在滚动单元上的滚动绞盘。
[0256]
(8)根据(7)的手术工具，其中，
[0257]
第二前向和后向线缆组中的前向线缆和后向线缆缠绕滚动绞盘，从而彼此从相反方向绕第二轴线重叠180
°
，并且在第二轴线的高度方向上分开的同时彼此不接触。
[0258]
(9)根据(5)至(8)中任一项的手术工具，还包括：
[0259]
第一惰轮单元，将第一前向和后向线缆组切换到轴的纵向轴线方向；以及
[0260]
第二惰轮单元，将第二前向和后向线缆组切换到轴的纵向轴线方向。
[0261]
(10)根据(9)的手术工具，其中，
[0262]
第一惰轮单元包括绕第一轴线旋转的第一惰轮、以及与第一惰轮相邻并具有与第一轴线平行的旋转轴线的第一相邻惰轮，并且
[0263]
第二惰轮单元包括绕第一轴线旋转的第二惰轮、以及与第二惰轮相邻并具有与第一轴线平行的旋转轴线的第二相邻惰轮。
[0264]
(11)根据(10)的手术工具，其中，
[0265]
第二前向和后向线缆组从与第一前向和后向线缆组缠绕第一惰轮的方向相反的方向缠绕第二惰轮。
[0266]
(12)根据(11)的手术工具，还包括：
[0267]
第一致动器，旋转第一驱动绞盘，并且在轴的纵向轴线方向上拉动第一前向和后向线缆组；以及
[0268]
第二致动器，旋转第二驱动绞盘，并且在轴的纵向轴线方向上拉动第二前向和后向线缆组。
[0269]
(13)根据(12)的手术工具，还包括：
[0270]
第一滑动基座，固定第一致动器和第一驱动绞盘，并且在轴的纵向轴线方向上滑动；
[0271]
第二滑动基座，固定第二致动器和第二驱动绞盘，并且在轴的纵向轴线方向上滑动；
[0272]
第三致动器，旋转第三驱动绞盘；以及
[0273]
第三前向和后向线缆组，缠绕第三驱动绞盘，第三前向线缆的端部固定到第一滑动基座并且第三后向线缆的端部固定到第二滑动基座，其中，
[0274]
第一滑动基座和第二滑动基座的向前移动和向后移动由第三驱动绞盘的旋转引起。
[0275]
(14)一种手术支持系统，包括手术工具和连接手术工具的臂，
[0276]
手术工具包括：
[0277]
轴；
[0278]
俯仰单元，以能够绕第一轴线转动的方式连接到轴的末端；
[0279]
滚动单元，由俯仰单元以能够绕第二轴线旋转的方式支撑；以及
[0280]
抓握单元，由滚动单元以能够在第二轴线的方向上线性移动的方式支撑。
[0281]
(15)一种手术操作单元，包括手术工具和连接手术工具的手柄单元，
[0282]
轴；
[0283]
俯仰单元，以能够绕第一轴线转动的方式连接到轴的末端；
[0284]
滚动单元，由俯仰单元以能够绕第二轴线旋转的方式支撑；以及
[0285]
抓握单元，由滚动单元以能够在第二轴线的方向上线性移动的方式支撑。
[0286]
附图标记列表
[0287]
100 手术工具单元
[0288]
101 手术工具单元端部
[0289]
102 轴
[0290]
103 手术工具单元驱动单元
[0291]
3900 手术机器人
[0292]
3901 臂
[0293]
3902 手术工具单元
[0294]
4000 操作单元
[0295]
4001 手柄单元
[0296]
4002 手术工具单元
[0297]
4003 操纵杆
[0298]
4004 按钮。