医疗臂装置的制作方法

1.本说明书中公开的技术(在下文中，“本公开内容”)涉及例如用于支承医疗器械的医疗臂装置。


背景技术：

2.腹腔镜手术由于其不需要剖腹手术、对患者施加小的负担、并且在手术之后提供快速的恢复而被广泛地执行。在腹腔镜手术中，内窥镜的视野调整影响手术的进展，但是对于每个操作者(外科医生、内窥镜医师(scopist))而言，控制技术不是恒定的。因此，通过引入支承内窥镜的医疗臂装置(例如，参见专利文献1)，实现诸如操作者的劳动力成本的成本降低、内窥镜的控制技术的高准确度和安全性的提高。
3.在腹腔镜手术中，需要利用内窥镜对由外科医生操作的诸如钳子的医疗器械的附近进行成像，并且保持内窥镜和医疗器械的部件分别在附近移动。如果支承内窥镜的医疗臂装置的尖端部较大，则妨碍由外科医生对医疗器械的操作。另一方面，为了以广角对患病区域的周边进行成像，需要尽可能宽地操作内窥镜。因此，优选的是，使多自由度活动关节简缩，所述多自由度活动关节具有高扭矩使得能够在医疗臂装置的尖端尽可能薄且紧凑的同时保持内窥镜。
4.传统上，已经提出了具有其中使用线或齿轮来驱动小直径尖端部的结构的操纵器(例如，参见专利文献2和专利文献3)。如果使用齿轮，则容易实现无限旋转结构，但是在传动部分中容易产生齿隙。在支承诸如内窥镜的长结构的情况下，如果存在齿隙，则结构大幅摆动，使得使用齿轮的驱动机构不合适。
5.引文列表
6.专利文献
7.专利文献1：日本专利申请公开第2018-75121号
8.专利文献2：日本专利申请公开第2006-305717号
9.专利文献3：日本专利申请公开第2008-114339号


技术实现要素：

10.发明要解决的问题
11.本公开内容的目的是提供紧凑的并且包括尖端部的医疗臂装置，多自由度活动关节以高扭矩简缩在该尖端部中以能够保持诸如内窥镜的医疗器械。
12.问题的解决方案
13.本公开内容是鉴于上述问题而作出的，并且是一种医疗臂装置，该医疗臂装置包括：
14.第一臂部，其包括保持医疗器械的尖端部和支承尖端部的连杆；以及
15.第二臂部，其支承第一臂部，
16.其中，尖端部包括：
17.从最尖端部分开始依次按照旋转轴、偏航轴和俯仰轴的顺序设置三个旋转轴的结构，该旋转轴绕医疗器械的纵向轴，偏航轴使医疗器械相对于连杆的尖端左右旋转，俯仰轴使医疗器械相对于连杆的尖端上下旋转，以及
18.用于偏航轴的旋转传递的第一线、用于横滚轴的旋转传递的第二线、在俯仰轴与偏航轴之间对第一线进行路线变更的第一路线变更滑轮、在俯仰轴与偏航轴之间对第二线进行路线变更的第二路线变更滑轮、以及在偏航轴与横滚轴之间对第二线进行路线变更的第三路线变更滑轮被设置在连杆上。
19.第一路线变更滑轮或第二路线变更滑轮中的至少之一包括在绕俯仰轴旋转的结构体的相对侧设置在同一轴上的、具有不同直径的一组路线变更滑轮。
20.在根据本公开内容的医疗臂装置中，构成第一路线变更滑轮或第二路线变更滑轮的同一轴的轴包括与偏航轴滑轮的干扰避免部，第一线绕该偏航轴滑轮缠绕以绕偏航轴旋转。干扰避免部包括在轴的中心部分中的小直径部分或d切割结构部分。
21.此外，根据本公开内容的医疗臂装置包括干扰避免结构，该干扰避免结构避免在绕偏航轴的旋转期间第二路线变更滑轮与第三路线变更滑轮之间的干扰。干扰避免结构包括构成第二路线变更滑轮并且被设置成使得路线变更滑轮的旋转轴彼此交叉的一组路线变更滑轮，以及构成第三路线变更滑轮的多个滑轮以集中的方式设置在预定区域中的结构。
22.发明的效果
23.根据本公开内容，可以提供小且轻的并且包括尖端部的医疗臂装置，该尖端部具有其中以集中的方式设置确定内窥镜的姿势的三个自由度的正交旋转轴的结构。
24.注意，本说明书中描述的效果仅是示例，并且由本公开内容带来的效果不限于此。此外，本公开内容还可以提供除了上述效果之外的附加效果。
25.根据基于如稍后所述的实施方式和附图的更详细描述，本公开内容的其他目的、特征和优点将变得明显。
附图说明
26.图1是示出医疗臂装置100的外观配置示例的图。
27.图2是示出支承内窥镜200的医疗臂装置100的尖端部的结构的放大图。
28.图3是示出将医疗臂装置100用于腹腔镜手术的示例的图。
29.图4是示出医疗臂装置100的尖端部的三个轴的具体结构的图。
30.图5是示出牵引医疗臂装置100的尖端部的三个轴的线501至线503中的每一个的结构的图。
31.图6是示出俯仰轴马达601、偏航轴马达602、横滚轴马达603的布置示例的图。
32.图7是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕俯仰轴114的旋转自由度的提取的结构的图。
33.图8是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕偏航轴115的旋转自由度的结构的图。
34.图9是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕偏航轴115的旋转自由度的结构的图。
35.图10是示出医疗臂装置100的尖端部的截面的图。
36.图11是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕横滚轴116的旋转自由度的结构的图。
37.图12是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕横滚轴116的旋转自由度的结构的图。
38.图13是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕横滚轴116的旋转自由度的结构(第二结构)的图。
39.图14是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕横滚轴116的旋转自由度的结构(第二结构)的图。
40.图15是示出路线变更滑轮彼此干扰的状态的图。
41.图16是从上方观看的内窥镜保持结构(医疗臂装置100的尖端部)的图。
42.图17是从上方观看的第三内窥镜保持结构(医疗臂装置100的尖端部)的图。
43.图18是示出使第三内窥镜保持结构在偏航轴115的正方向上旋转的状态的图。
44.图19是示出使第三内窥镜保持结构在偏航轴115的负方向上旋转的状态的图。
45.图20是示出用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕偏航轴115的旋转自由度的结构的图。
46.图21是示出医疗臂装置100的手术过程的示例的图。
47.图22是示出马达2200的外观配置的图。
48.图23是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(1)的图。
49.图24是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(2)的图。
50.图25是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(2)的图。
51.图26是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(3)的图。
52.图27是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(3)的图。
53.图28是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(4)的图。
54.图29是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(4)的图。
55.图30是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(5)的图。
56.图31是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(5)的图。
57.图32是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(6)的图。
58.图33是示出驱动臂尖端部的每个旋转机构的每个马达的布置示例(6)的图。
59.图34是示出与马达的布置示例(1)对应的线传动机构的配置示例的图。
60.图35是示出与马达的布置示例(1)对应的线传动机构的配置示例的图。
61.图36是示出与马达的布置示例(2)对应的线传动机构的配置示例的图。
62.图37是示出与马达的布置示例(2)对应的线传动机构的配置示例的图。
63.图38是示出与马达的布置示例(3)对应的线传动机构的配置示例的图。
64.图39是示出与马达的布置示例(3)对应的线传动机构的配置示例的图。
具体实施方式
65.在下文中，将参照附图按以下顺序描述根据本公开内容的技术。
66.a.概述
67.b.医疗臂装置的配置
68.c.内窥镜保持结构
69.d.关于尖端部的控制
70.e.尖端部的另一结构(1)
71.f.尖端部的另一结构(2)
72.g.关于扭矩的增加
73.h.关于通过尖端部的重量减轻的致动器的负载减小
74.i.致动器的布置
75.j.关于适应俯仰轴旋转的双槽滑轮
76.k.关于与俯仰轴同轴的双槽滑轮
77.l.关于用于驱动横滚轴的滑轮
78.m.关于偏航轴驱动滑轮的最大化
79.n.效果
80.o.关于致动器布置
81.a.概述
82.本公开内容是能够在具有三个自由度的活动关节的尖端部处支承内窥镜并且通过对每个活动关节进行线驱动来确定内窥镜的姿势的医疗臂装置。本公开内容实现满足以下要求中的每一个的医疗臂装置，抑制装置的尺寸的增加，并且实现臂的更高的自由度和更宽的可移动范围。
83.(1)尖端部具有足以保持内窥镜的高扭矩。
84.(2)通过使尖端部小且轻量，避免了腹腔中的其他医疗器械例如镊子与尖端部之间的干扰以及臂与外科医生的手或手臂之间的碰撞。
85.(3)通过使尖端部小且轻量，减小了驱动尖端部的活动关节的马达的负载，并且减小了装置的总重量、成本和功耗。
86.(4)驱动尖端部的三个自由度的活动关节而没有齿隙。
87.b.医疗臂装置的配置
88.图1示出了应用于腹腔镜手术的医疗臂装置100的外观配置示例。示出的医疗臂装置100具有这样的结构：其中具有多连杆结构的臂在尖端部处支承内窥镜，并且集中地设置用于确定内窥镜的姿势的三个自由度的正交旋转轴。
89.具体地，医疗臂装置100包括：第一连杆101，其基本上垂直地附接至基部；第一关节部111，其在第一连杆101的尖端处具有绕水平旋转轴(替选地，第一连杆101的纵向轴)的自由度；第二连杆102，其经由第一关节部111水平地附接至第一连杆101的尖端；第二关节部112，其在第二连杆102的尖端处具有绕水平旋转轴(或与第二连杆102的纵向轴正交的轴)的自由度；第三连杆103，其经由第二关节部112基本上垂直地附接至第二连杆102的尖端；第三关节部113，其在第三连杆103的尖端处具有绕与水平旋转轴正交的垂直旋转轴(或与第三连杆103的纵向轴正交的轴)的自由度；第四连杆104，其经由第三关节部113附接至第三连杆103的尖端；以及尖端部，其在第四连杆104的尖端处支承内窥镜。注意，基部可以附接至例如手术床的框架，可以安装在手术室的地板表面上，或者可以安装在天花板上。
90.在第四连杆104的远端处支承内窥镜110的尖端部具有其中集中地布置用于确定
内窥镜110的姿势的三个自由度的正交旋转轴的结构。其中集中地设置尖端部的三个自由度的正交旋转轴的结构对应于例如其中三个正交旋转轴连接而不插入连杆的结构，或者对应于其中直接连接与三个旋转轴对应的关节构件中的每一个的结构，并且更具体地，连接三个关节部的构件不是增加臂长度的连杆，而仅是连接关节部的部件。注意，支承内窥镜200的尖端部和具有尖端部的第四连杆104被称为第一臂部。此外，包括两个水平旋转轴(第一关节部111和第二关节部112)的连杆部(第一连杆101和第二连杆)被定义为第二臂部。在图1中示出的医疗臂装置100中，第二臂部通过具有绕垂直旋转轴的自由度的第三关节部113连接。
91.图2示出了支承内窥镜200的医疗臂装置100的尖端部的放大结构。内窥镜200包括在尖端处插入患者的体腔中的透镜镜筒201和连接至透镜镜筒201的近端的摄像装置头部202。透镜镜筒201可以是包括刚性透镜镜筒的刚性镜或者是包括柔性透镜镜筒的柔性镜。在摄像装置头部202中设置有光学系统和成像元件(两者均未示出)。来自诸如手术部位的观察目标的反射光(观察光)通过光学系统在成像元件上成像。当然，医疗臂装置100的尖端部也可以支承除了内窥镜200之外的医疗器械。
92.如图2所示，医疗臂装置100的尖端部包括：垂直旋转轴部114，其具有绕第四连杆104的尖端的垂直旋转轴(或与第四连杆104的纵向轴正交的轴)的自由度并且使内窥镜200在垂直方向上摆动；左右旋转轴部115，其与垂直旋转轴部114相邻、具有绕与垂直旋转轴正交的左右旋转轴的自由度并且使内窥镜200在左右方向上摆动；以及光轴旋转轴部116，其具有绕内窥镜200(或内窥镜200的透镜镜筒201)的光轴的自由度。因此，确定内窥镜200的姿势的三个自由度的正交旋转轴具有这样的结构：从最尖端部分按顺序设置内窥镜200的光轴旋转轴、左右旋转轴和垂直旋转轴。
93.注意，左右旋转轴部115可以被称为改变内窥镜200的观察方向的平移轴，并且垂直旋转轴部114可以被称为倾斜轴。替选地，在光轴旋转轴部116是横滚轴的情况下，左右旋转轴部115可以被称为偏航轴，并且垂直旋转轴部114可以被称为俯仰轴。如果与这三个轴对应的关节部的组合体积小于人手腕和手的组合体积，则存在使用医疗臂装置100而不是内窥镜医师的优点。光轴旋转轴部116期望地使在轴向方向上握持内窥镜200的长度最小化，以不减小内窥镜200的有效长度。此外，垂直旋转轴部114与光轴旋转轴部116之间的距离期望地被设置为避免臂的自身干扰的长度。
94.如图2所示，其中集中地设置具有三个自由度的彼此正交的旋转轴的结构是其中与具有三个自由度的旋转轴对应的关节构件直接连接的结构或者其中对应于绕纵向轴的旋转轴的关节与对应于俯仰轴的关节之间的距离具有绕俯仰轴旋转时不会造成干扰的距离的结构。因此，可以减小受尖端部的移动影响的空间，并且可以抑制与外科医生的工作空间的干扰。顺便提及，在垂直旋转轴部114被设置成更接近根侧的情况下，假设当操作垂直旋转轴部114时，外科医生的手侧的移动变大。
95.图3示出了将医疗臂装置100用于腹腔镜手术的示例。然而，在图3中，医疗臂装置100的基部包括附接结构部301，该附接结构部附接至沿长度方向设置在手术床的侧部上的床轨310。
96.通过沿床轨310移动和固定附接结构部301，可以根据患者的患部位置调整医疗臂装置100的布置位置。当在手术期间调整手术床的倾斜度时，可以保持患者与医疗臂装置
100之间的相对位置关系。在手术期间，手术床可以倾斜例如大约30度(deg)。即使在这样的情况下，也可以使用根据本公开内容的医疗臂装置100。
97.此外，医疗臂装置100可以从外科医生的相对侧跨过患者(或手术床)进入外科医生手边的自由空间。以这种方式，通过从外科医生的面部接近，可以避免外科医生的手或手臂与臂尖端部之间的干扰。
98.c.内窥镜保持结构
99.接下来，将更详细地描述用于将内窥镜200保持在医疗臂装置100的尖端部处的结构。还如图2所示，医疗臂装置100的尖端部包括：垂直旋转轴部114，其具有绕垂直旋转轴的自由度并且使内窥镜200在垂直方向上摆动；左右旋转轴部115，其与垂直旋转轴部114相邻并且具有绕与垂直旋转轴正交的左右旋转轴的自由度，并且使内窥镜200在左右方向上摆动；以及光轴旋转轴部116，其具有绕内窥镜200的光轴的自由度。在下文中，光轴旋转轴部116将被称为横滚轴，左右旋转轴部115将被称为偏航轴，并且垂直旋转轴部114将被称为俯仰轴。
100.图4示出了将横滚轴116、偏航轴115和俯仰轴114的部件设置在第四连杆104的尖端处的示例。这三个轴是活动轴，但是为了减小尖端的尺寸，应用了使用线的驱动系统。即，驱动横滚轴116、偏航轴115和俯仰轴114的轴中的每一个的马达被设置在第四连杆104的根侧(近端侧)，并且每个马达的输出的驱动力使用线和滑轮传递。图5示出了分别牵引俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的部件的俯仰轴线501、偏航轴线502和横滚轴线503的结构。此外，图6示出了分别驱动俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的俯仰轴马达601、偏航轴马达602和横滚轴马达603被设置在第四连杆104的基座处的状态。
101.如图6所示，每个轴的马达601至马达603被设置在第四连杆104的根侧。马达601至马达603中的每一个被固定成使得其旋转轴平行于俯仰轴114。然后，还如图5所示，线501至线503分别从马达601至马达603的输出轴滑轮611至输出轴滑轮613朝向尖端部延伸。将线501至线503中的每一个以直线延长的第四连杆104对应于“臂”，并且第四连杆的尖端部的三个轴对应于“腕”。如果从臂到腕的部位整体上可以被配置为较薄，则可以有效地避免腹腔内的其他医疗器械与尖端部之间的干扰以及臂与外科医生的手或手臂之间的碰撞。因此，如图6所示，每个轴的马达601至马达603优选地沿臂即第四连杆104的纵向方向设置在一条线上。
102.此外，通过将马达601至马达603设置在第四连杆104的根侧，进一步支承第四连杆104的马达组(例如，驱动第三关节部113的马达)的扭矩减小。因此，优选的是将每个轴的马达601至马达603彼此尽可能接近地设置在第四连杆104的根侧。
103.c-1.绕俯仰轴的结构
104.俯仰轴114对应于使内窥镜200的透镜镜筒201垂直地旋转的倾斜轴。在图7中，提取并示出了用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕俯仰轴114的旋转自由度的结构。此外，在图7中，诸如第四连杆104的其他部分的轮廓由虚线指示。
105.在第四连杆104的尖端附近，俯仰轴部件701由与俯仰轴114同轴的轴703支承以能够绕俯仰轴114旋转。此外，如图6所示，由于俯仰轴马达601被设置成使得输出轴与俯仰轴114平行，因此绕俯仰轴马达601的输出轴滑轮611缠绕的俯仰轴线501的另一端绕与俯仰轴部件701成一体的滑轮702缠绕，使得俯仰轴部件701的尖端部和随后的部分能够绕俯仰轴
114被旋转地驱动。在图7中示出的示例中，俯仰轴线501直接绕俯仰轴马达601和滑轮702的输出轴缠绕，而不插入其他滑轮。然而，俯仰轴线501可以在根据需要使用其他滑轮调整路径之后绕滑轮702缠绕。
106.俯仰轴114(替选地，俯仰轴部件701)在结构上可以具有大约
±
120度的旋转可移动范围。然而，俯仰轴114是内窥镜200的倾斜轴，并且如果考虑保持内窥镜200，则大约
±
90度的旋转可移动范围就足够了。而是，如果绕俯仰轴114的旋转可移动范围太大，则内窥镜200可能与诸如第四连杆104的臂碰撞。作为结构设计，在俯仰轴114的旋转可移动范围可能小于
±
90度的情况下，滑轮702仅需要为如图7所示的单槽滑轮。在需要
±
90度以上的俯仰轴114的旋转可移动范围的情况下，俯仰轴线501可以在向前路径和向后路径中绕不同的槽缠绕，其中滑轮702作为双槽滑轮。
107.图7中示出的用于实现绕俯仰轴114的旋转自由度的结构是其中将与俯仰轴114平行设置的俯仰轴马达601的输出扭矩通过俯仰轴线501传递至滑轮702的简单结构。容易将俯仰轴马达601的输出扭矩替换为除了俯仰轴线501之外的诸如连杆机构或齿轮机构的传动机构，以形成用于实现绕俯仰轴114的旋转自由度的结构。此外，俯仰轴114可以不使用传动机构而由俯仰轴马达601直接旋转驱动。
108.c-2.绕偏航轴的结构
109.偏航轴115对应于改变内窥镜200的观察方向的平移轴。在图8和图9中，提取并示出了用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕偏航轴115的旋转自由度的结构。此外，在图8和图9中，诸如第四连杆104的其他部件的轮廓由虚线指示。
110.偏航轴滑轮801被支承在俯仰轴部件701(图8和图9中未示出)的尖端表面上，以能够与偏航轴115同轴地旋转。此外，如图6所示，偏航轴马达602与俯仰轴马达601和横滚轴马达603一起设置在第四连杆104的根侧，使得旋转轴平行于俯仰轴114。然后，通过将绕偏航轴马达602的输出轴滑轮612缠绕的偏航轴线502绕偏航轴滑轮801缠绕，同时经由滑轮901、滑轮902、滑轮903和滑轮904中的每一个调整路径，可以使偏航轴滑轮801的尖端部和随后的部分绕偏航轴115被旋转地驱动。
111.将具体描述其中偏航轴线502绕偏航轴滑轮801缠绕的结构。作为偏航轴线502的缠绕结构，使用能够绕与俯仰轴114平行的旋转轴在俯仰轴114的根侧旋转并且对应于绕俯仰轴114的旋转的双槽滑轮901、能够绕俯仰轴114旋转并且改变沿俯仰轴114的路径的双槽滑轮902、以及改变偏航轴线502在俯仰轴与偏航轴之间的路径的两个路线变更滑轮(rerouting pulley)903和904。
112.双槽滑轮901由俯仰轴114的根侧的轴704绕与俯仰轴114平行的旋转轴可旋转地支承，并且双槽滑轮902由与俯仰轴114同轴的轴703绕俯仰轴114可旋转地支承(参见以上内容和图10)。此外，路线变更滑轮903和904被支承在俯仰轴部件701(图8和图9中未示出)的相对侧的侧表面上，以能够绕与俯仰轴114和偏航轴115正交的轴在同一轴上旋转。
113.在向前路径侧，当偏航轴线502从偏航轴马达602的输出轴滑轮612(图8和图9中未示出)出来时，偏航轴线从第四连杆104的纵向方向(或俯仰轴方向)按顺序绕根侧的双槽滑轮901和与俯仰轴114同轴的双槽滑轮902缠绕以改变沿俯仰轴的路径，然后绕路线变更滑轮903缠绕以将路径从俯仰轴方向改变为偏航轴方向，并且绕偏航轴滑轮801缠绕。
114.此外，在后向路径侧，当偏航轴线502紧接在从偏航轴滑轮801出来之后绕路线变
更滑轮904缠绕并且从偏航轴方向路线变更为俯仰轴方向时，偏航轴线按顺序绕与俯仰轴114同轴的双槽滑轮902和根侧的双槽滑轮901缠绕以沿俯仰轴改变路线，并且然后绕偏航轴马达602的输出轴滑轮612(图8和图9中未示出)缠绕。
115.接下来，将考虑固定偏航轴滑轮801和偏航轴线502的方法。偏航轴滑轮801是双槽滑轮，并且偏航轴线502的向前路径和向后路径被固定至不同的槽，使得偏航轴115可以具有
±
90度或更大的旋转可移动范围。然而，在本实施方式中，作为基本结构，绕偏航轴115的旋转可移动范围为
±
80度。优选的是，偏航轴滑轮801的直径越大，可以处理的传递扭矩越大。用于偏航轴滑轮801的双槽滑轮的每个槽的直径相同对于结构的简化较重要。
116.在图8和图9中示出的配置示例中，两个路线变更滑轮903和904用于在俯仰轴与偏航轴之间对偏航轴线502进行路线变更。如果为了减少部件的数目并且简化结构，通过在同一轴上设置具有不同直径的两个滑轮来配置路线变更滑轮903和904，则能够以与双槽滑轮902良好的兼容性平滑地对偏航轴线502进行路线变更。在图9中示出的示例中，路线变更滑轮904的直径大于路线变更滑轮903的直径。因此，在偏航轴线502的向前路径侧，路径通过路线变更滑轮903从俯仰轴方向改变为偏航轴方向，同时绕双槽滑轮902内部的槽缠绕，并且在偏航轴线502的向后路径侧，路径通过路线变更滑轮904从偏航轴方向改变为俯仰轴方向，并且然后偏航轴线绕双槽滑轮902外侧的槽缠绕。
117.此外，为了改变偏航轴线502沿俯仰轴方向的路径，重要的是，与俯仰轴114同轴的双槽滑轮902的每个槽的直径是相同的，并且在设计方面进一步优选的是，直径与偏航轴滑轮801的直径相同。
118.此外，俯仰轴114的根侧的双槽滑轮901的每个槽的直径不一定相同。从重量减轻的角度看，双槽滑轮901优选地较小。
119.图10是沿与俯仰轴和偏航轴平行的平面(替选地，与横滚轴正交的平面)截取的医疗臂装置100的尖端部的截面图。如图所示，在偏航轴滑轮801的根侧(或近端侧)设置有连接至俯仰轴部件701的第一连接部1001。此外，在偏航轴滑轮801的尖端侧(替选地，远端侧)设置有连接至如稍后所述的横滚轴部件(横滚轴滑轮)的第二连接部1002。偏航轴滑轮801与第一连接部1001和第二连接部1002通过诸如螺钉的固定方法一体地紧固以构成偏航轴部件。因此，当使偏航轴滑轮801绕偏航轴旋转时，第一连接部1001和第二连接部1002也互锁。横滚轴部件也跟随第二连接部1002绕偏航轴115旋转。
120.注意，图10还示出了轴承的布置。在图10中，轴承部填充有点图案。偏航轴部件经由轴承被支承在第一连接部1001处，以能够相对于俯仰轴部件701绕偏航轴115旋转。此外，偏航轴部件经由轴承支承横滚轴部件(稍后描述)(未示出)以能够在第二连接部1002处绕横滚轴116旋转。
121.用于适应绕俯仰轴114的旋转的双槽滑轮901经由轴承由具有与俯仰轴114平行的旋转轴的轴704支承，并且能够与轴704同轴地旋转。用于沿俯仰轴114进行路线变更的双槽滑轮902经由轴承由与俯仰轴114同轴的轴703支承，并且能够与轴703同轴地旋转，即绕俯仰轴114旋转。
122.此外，如稍后将描述的，作为用于实现绕横滚轴的旋转自由度的部件，使用了用于适应绕俯仰轴114的旋转的双槽滑轮1102和用于改变沿俯仰轴114的路径的双槽滑轮1103。双槽滑轮1102经由轴承由具有与俯仰轴114平行的旋转轴的轴704支承，并且能够与轴704
同轴地旋转。双槽滑轮1103经由轴承由与俯仰轴114同轴的轴703支承，并且能够与轴703同轴地旋转，即绕俯仰轴114旋转。
123.c-3.绕横滚轴的结构
124.横滚轴116对应于内窥镜200的透镜镜筒201的光轴。在图11和图12中，提取并示出了用于实现在医疗臂装置100的尖端部中绕横滚轴116的旋转自由度的结构。此外，在图11和图12中，诸如第四连杆104的其他部件的轮廓由虚线指示。
125.横滚轴滑轮1101经由轴承由第二连接部1002的尖端部支承以能够绕横滚轴116旋转(参见图10)。横滚轴滑轮1101是包括中空圆筒的结构体，并且包括用于将横滚轴线503的一组向前路径和向后路径绕圆筒的两端缠绕的滑轮1101a和1101b。一组滑轮1101a和1101b被一体地固定，以绕横滚轴116旋转以构成滑轮1101。尽管图11和图12中未示出，但是内窥镜200附接在横滚轴滑轮1101的圆筒内部。此外，如图6所示，横滚轴马达603与俯仰轴马达601和偏航轴马达602一起设置在第四连杆104的根侧，使得旋转轴平行于俯仰轴114。然后，绕横滚轴马达603的输出轴滑轮613缠绕的横滚轴线503的两端分别经由多个滑轮1102、1103、
……
绕横滚轴滑轮1101的一组滑轮110a1和1101b缠绕，使得附接至横滚轴滑轮1101的内窥镜200(或透镜镜筒201)可以绕横滚轴116被旋转地驱动。
126.将具体描述其中横滚轴线503绕横滚轴滑轮1101缠绕的结构。作为横滚轴线503的缠绕结构，使用了能够绕与俯仰轴114平行的旋转轴在俯仰轴114的根侧旋转并且适应绕俯仰轴114的旋转的双槽滑轮1102、能够绕俯仰轴114旋转并且改变沿俯仰轴114的路径的双槽滑轮1103、改变横滚轴线503在俯仰轴与偏航轴之间的路径的两个路线变更滑轮1104和1105、与偏航轴115同轴并且改变沿偏航轴115的路径的双槽滑轮1106、以及改变横滚轴线503在偏航轴与横滚轴之间的路径的两个路线变更滑轮1107和1108。
127.双槽滑轮1102由俯仰轴114的根侧的轴704绕与俯仰轴114平行的旋转轴可旋转地支承，并且双槽滑轮1103由与俯仰轴114同轴的轴703绕俯仰轴114可旋转地支承(参见以上内容和图10)。路线变更滑轮1104和1105分别被支承在俯仰轴部件701(图8和图9中未示出)的相对侧的侧表面上，以能够绕与俯仰轴114和偏航轴115正交的轴在同一轴上旋转。双槽滑轮1106经由轴承被支承在俯仰轴部件701的尖端表面上以能够绕偏航轴115旋转(参见图10)。路线变更滑轮1107被支承在第二连接部1002(图11和图12中未示出)的侧表面上以能够绕与横滚轴116平行的轴旋转。此外，路线变更1108被支承在第二连接部1002(图11和图12中未示出)的侧表面上以能够绕与横滚轴116正交的轴旋转。
128.在向前路径侧，当横滚轴线503从横滚轴马达603的输出轴滑轮613(图11和图12中未示出)出来时，横滚轴线绕路线变更滑轮缠绕以通过从第四连杆104的纵向方向(或俯仰轴方向)按顺序缠绕根侧的双槽滑轮1102和与俯仰轴114同轴的双槽滑轮1103来沿俯仰轴改变路线，然后绕路线变更滑轮1104缠绕以将路径从俯仰轴方向改变为偏航轴方向，然后绕双槽滑轮1106缠绕以改变沿偏航轴的路径，还绕路线变更滑轮1107缠绕以将路径从偏航轴方向改变为横滚轴方向，并且绕横滚轴滑轮1101的一个滑轮1101a缠绕。
129.此外，在向后路径侧，横滚轴线503紧接在从横滚轴滑轮1101的另一滑轮1101b出来之后绕路线变更滑轮1108缠绕以将路径从横滚轴方向改变为偏航轴方向，然后绕双槽滑轮1106缠绕以改变沿偏航轴的路径，还绕路线变更滑轮1105缠绕以将路径从偏航轴方向改变为俯仰轴方向，然后按顺序绕与俯仰轴114同轴的双槽滑轮1103和根侧的双槽滑轮1102
缠绕以改变沿俯仰轴的路径，并且然后绕横滚轴马达603的输出轴滑轮613(图11和图12中未示出)缠绕。
130.接下来，将考虑固定横滚轴滑轮1101和横滚轴线503的方法。横滚轴滑轮1101包括一组滑轮1101a和1101b，但是可以是类似于偏航轴的双槽滑轮。在本实施方式中，作为基本结构，绕横滚轴116的旋转可移动范围为
±
170度。横滚轴滑轮1101的该组滑轮1101a和1101b的直径需要是相同的。优选的是这些直径较大，因为可以处理较大的传递扭矩。
131.在图11和图12中示出的示例中，使用在偏航轴与横滚轴之间对横滚轴线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1107和1108，但是滑轮中之一干扰在俯仰轴与偏航轴之间对横滚轴线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1104和1105。为了避免滑轮之间的这样的干扰，如上所述，绕偏航轴115的旋转可移动范围为
±
80度。
132.为了改变沿俯仰轴的路径，使用俯仰轴114的根侧的双槽滑轮1102和与俯仰轴114同轴的双槽滑轮1103，但是重要的是这些双槽滑轮1102和1103具有彼此相同的直径。此外，在设计上优选的是，这些双槽滑轮1102和1103具有与横滚轴滑轮1101相同的直径。
133.在图11和图12中示出的示例中，使用在俯仰轴与偏航轴之间对横滚轴线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1104和1105。然而，为了减少部件的数目并且简化结构，当通过将直径不同的两个滑轮设置在同一轴上来配置路线变更滑轮1104和1105时，可以以与双槽滑轮1103良好的兼容性平滑地对横滚轴线503进行路线变更。在图11和图12中示出的示例中，路线变更滑轮1104的直径大于路线变更滑轮1105的直径。因此，在横滚轴线503的向前路径侧，路径通过路线变更滑轮1104从偏航轴方向改变为俯仰轴方向，同时绕双槽滑轮1103内部的槽缠绕，并且在横滚轴线503的向后路径侧，路径通过路线变更滑轮1105从俯仰轴方向改变为偏航方向，并且然后横滚轴线绕双槽滑轮1104外侧缠绕。
134.此外，为了改变横滚轴线503沿俯仰轴方向的路径，重要的是与俯仰轴114同轴的双槽滑轮1103的每个槽的直径是相同的，并且在设计方面进一步优选的是，直径与偏航轴滑轮801的直径相同。
135.此外，俯仰轴114的根侧的双槽滑轮1102的每个槽的直径不一定相同。从重量减轻的角度看，双槽滑轮1102优选地较小。
136.如参照图4至图12所述，基本结构具有其中将用于三轴驱动的马达601至603尽可能彼此接近地设置并且尖端部能够通过线驱动进行驱动的结构。
137.注意，关于俯仰轴114的驱动，仅传递两个平行轴——即俯仰轴114与俯仰轴马达501的输出轴——之间的旋转。因此，可以将传动方法替换为诸如皮带、齿轮或连杆机构的任何传动方法。
138.d.关于尖端部的控制
139.接下来，将描述控制在上述部分c中描述的尖端部的方法。首先，将描述在以下描述中使用的符号。
140.用于驱动俯仰轴114的滑轮702的半径：r
p
141.俯仰轴114的旋转角度：θ
p
142.用于驱动偏航轴115的偏航轴滑轮801的半径：ry143.偏航轴115的旋转角度：θy144.用于驱动横滚轴116的横滚轴滑轮1101的半径：rr145.横滚轴116的旋转角度：θr146.用于驱动偏航轴115的与俯仰轴114同轴的滑轮902的半径：r
py
147.用于驱动横滚轴116的与俯仰轴114同轴的滑轮1103的半径：r
pr
148.用于驱动横滚轴116的与偏航轴115同轴的滑轮1103的半径：r
yr
149.俯仰轴马达601的输出轴的旋转角度：θ
mp
150.俯仰轴马达601的输出轴滑轮611的半径：r
mp
151.偏航轴马达602的输出轴的旋转角度：θ
my
152.偏航轴马达602的输出轴滑轮612的半径：r
my
153.横滚轴马达603的输出轴的旋转角度：θ
mr
154.横滚轴马达603的输出轴滑轮613的半径：r
mr
155.此外，俯仰轴114、偏航轴115、横滚轴116以及每个轴的马达601至603的输出轴的旋转的正负方向的定义如图6所示。
156.基于上述条件获得逆运动学。用于驱动每个轴的马达601至603的输出轴的旋转角度θ
mp
、θ
my
和θ
mr
基于尖端部处的俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的各个旋转角度θ
p
、θy和θr如以下公式(1)至公式(3)得出。
157.[数学公式1]
[0158][0159]
[数学公式2]
[0160][0161]
[数学公式3]
[0162][0163]
这里，马达601至603中的每一个的输出轴的旋转角度θ
mp
、θ
my
或θ
mr
可以通过附接至马达601至603中的每一个的输出轴的编码器来测量。
[0164]
在通过正向运动学获得尖端部的俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的旋转角度θ
p
、θy和θr中的每一个的情况下，仅需要相对于旋转角度θ
p
、θy和θr中的每一个布置上述联立方程(1)至(3)，并且旋转角度θ
p
、θy和θr如以下公式(4)至公式(6)获得。
[0165]
[数学公式4]
[0166][0167]
[数学公式5]
[0168][0169]
[数学公式6]
[0170][0171]
通过使用以上公式(1)至公式(6)，可以得出需要适于每个马达和每个滑轮的旋转可移动范围。
[0172]
首先，如上所述，俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的关节角度θ
p
、θy和θr中的每一个的旋转可移动范围被设置在由以下公式(7)、(8)或(9)表示的范围内。
[0173]
[数学公式7]
[0174]-90度≤θ
p
≤90度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0175]
[数学公式8]
[0176]-80度≤θy≤80度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0177]
[数学公式9]
[0178]-170度≤θr≤170度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0179]
通过在机械设计方面设置ry＝r
py
和rr＝r
pr
＝r
yr
，可以简单、低成本且平滑地产生线501至503的路径。通过考虑到这点而代入上述值，用于实现以上公式(7)、(8)或(9)中示出的每个关节的旋转可移动范围所需的每个马达601、602或603的输出轴的旋转角度θ
mp
、θ
my
或θ
mr
可以如以下公式(10)、(11)或(12)简单地计算。
[0180]
[数学公式10]
[0181][0182]
[数学公式11]
[0183][0184]
[数学公式12]
[0185][0186]
严格地说，尽管取决于设计，但是需要这样的旋转可移动范围：其中俯仰轴马达601的输出轴的旋转角度θ
mp
约为半圈旋转，偏航轴马达602的输出轴的旋转角度θ
my
约为一圈旋转，横滚轴马达603的输出轴的旋转角度θ
mr
约为两圈旋转。因此，线503绕横滚轴马达603的输出轴滑轮613螺旋缠绕，以能够旋转两圈或更多圈旋转。
[0187]
顺便提及，对于安装在需要超过一圈旋转的旋转可移动范围的马达的输出轴上的绝对编码器来说，一圈旋转是不够的。因此，需要安装多旋转绝对编码器或在关节部(例如，横滚轴滑轮1101)中安装绝对编码器。
[0188]
多旋转绝对编码器通常需要保持其旋转，并且其示例包括安装电池并电气地保持绝对编码器的方法或者使用诸如螺钉的结构机械地保持绝对编码器的方法，但是在任何方法中均存在部件的数目和重量增加的问题。另一方面，在将绝对编码器安装在关节部中的
情况下，存在以下问题：到臂的尖端部的线的数目增加，并且需要设计布线，并且尖端部的重量增加，使得马达601至603中的每一个的负载也增加。
[0189]
因此，在本公开内容中，针对横滚轴马达603的输出轴使用从一圈旋转绝对编码器的测量值得出转数的方法。
[0190]
使用以上公式(1)至公式(3)中示出的逆运动学得出与俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的目标角度θ
p
、θy和θr中的每一个对应的每个轴的马达601、602或603的输出轴的旋转角度θ
mp
、θ
my
或θ
mr
，以覆盖尖端部的所有姿势。因此，已经发现，每个轴的马达601至马达603的输出轴的旋转角度θ
mp
、θ
my
和θ
mr
分别在以下公式(13)至公式(15)的范围内变化，这与以上公式(10)至公式(12)中示出的简单计算的结果一致。
[0191]
[数学公式13]
[0192]-90度≤θ
mp
≤90度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0193]
[数学公式14]
[0194]-180度≤θ
my
≤180度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0195]
[数学公式15]
[0196]-360度≤θ
mr
≤360度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0197]
这里，假设一圈旋转绝对编码器安装在横滚轴116上，并且横滚轴116的旋转角度θr可以在0度至360度的范围内测量。然后，将通过转换横滚轴马达603的输出轴的旋转角度θ
mr
以使其落入该角度范围内而获得的值设置为伪横滚轴马达输出旋转角度θ
mr_1
。
[0198]
因此，使用该值θ
mr_1
而不是马达输出轴的原始旋转角度θ
mr
来执行以上公式(4)至公式(6)中示出的正向运动学计算就足够了，并且可以类似地得出尖端部的姿势。
[0199]
当通过使用值θ
mr_1
的正向运动学计算来计算俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的目标角度θ
p
、θy和θr中的每一个以覆盖尖端部的所有姿势时，可以确认，可以针对俯仰轴114和偏航轴115的目标角度θ
p
和θy中的每一个得出匹配原始目标值(即，当使用原始值θ
mr
计算时)的值。另一方面，关于使用替选值θ
mr_1r
得出的横滚轴116的目标角度θ
r_1r
，已经确认，该值被划分成两组，并且一组低于作为横滚轴116的旋转可移动范围限制的-170度。这是因为，通过针对横滚轴马达603的输出轴使用一圈旋转绝对编码器，诸如-10度的数值原始地被测量为350度。因此，在本公开内容中，将以上公式(4)至公式(6)中描述的正向运动学校正为以下公式(16)至公式(19)。
[0200]
[数学公式16]
[0201][0202]
[数学公式17]
[0203][0204]
[数学公式18]
[0205][0206]
[数学公式19]
[0207]
θr＝θ
r_1r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0208]
(然而，当θ
r_1r
＞180度时)
[0209]
[数学公式20]
[0210][0211][0212]
(然而，当θ
r_1r
≤180度时)
[0213]
可以确认，可以使用由以上公式(16)至公式(20)表示的正向运动学得出尖端部的原始姿势。因此，通过导入使用以上公式(19)和(20)的校正计算，可以看到，仅通过在每个轴的马达601至马达603的输出轴上安装一圈旋转绝对编码器，就能够使用由以上公式(16)至公式(20)表示的正向运动学容易地得出尖端部的姿势。
[0214]
然而，为了使用以上公式(19)和(20)建立校正计算，需要横滚轴马达603的输出轴滑轮611的半径r
mr
大于横滚轴滑轮1101的半径rr，即满足以下公式(21)。因此，能够将横滚轴马达603的输出轴的旋转角度θ
mr
的旋转可移动范围抑制在两圈旋转内。
[0215]
[数学公式21]
[0216]rr
≤r
mr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0217]
注意，在安全地传递大扭矩方面，用于驱动俯仰轴114的滑轮702的半径r
p
、偏航轴滑轮801的半径ry和横滚轴滑轮1101的半径各自可以尽可能大。优选的是，在能够使医疗臂装置100的臂和腕充分减小尺寸的范围内选择较大的滑轮直径。
[0218]
e.尖端部的另一结构(1)
[0219]
在上述部分c中描述的内窥镜保持结构中，使用在偏航轴与横滚轴之间对横滚轴线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1107和1108(参见图11和图12)。其中，路线变更滑轮1107被支承在第二连接部1002的侧表面上以能够绕与横滚轴116平行的轴旋转，并且路线变更1108被支承在第二连接部1002的侧表面上以能够绕与横滚轴116正交的轴旋转。另一方面，在第二内窥镜保持结构中，减少路线变更滑轮1107以减少部件的数目和线503的总长度。在图13和图14中，提取并示出了用于实现第二内窥镜保持结构中绕横滚轴116的旋转自由度的结构。
[0220]
如上所述，路线变更滑轮1107起到将向前路径侧的横滚轴线503从偏航轴方向路线变更为横滚轴方向的作用。另一方面，在第二内窥镜保持结构中，如图13和图14所示，通过将横滚轴线503从双槽滑轮1106直接缠绕到滑轮1101a，横滚轴线503的路径从偏航轴方向改变为横滚轴方向，而不使用路线变更滑轮1107。在图13和图14中，使横滚轴线503从双
槽滑轮1106通到滑轮1101a的位置分别由附图标记1301和1401指示。通过缩短偏航轴滑轮801与横滚轴116之间的距离，可以使线503从双槽滑轮1106直接通到横滚轴滑轮1101a，并且可以减少路线变更滑轮1107。
[0221]
在第二内窥镜保持结构中，存在通过滑轮1107的减少来减少部件的数目和线503的总长度的优点。然而，由于通过使线503从双槽滑轮1106直接通到横滚轴滑轮1101a将路径从偏航轴方向改变为横滚轴方向，因此应当注意线503的磨损、旋转期间增大的阻力以及线503的脱轨。
[0222]
注意，在图13和图14中示出的第二内窥镜保持结构中，可以应用与上述部分c中描述的内窥镜保持结构的运动学相同的运动学(参见上述部分d)。
[0223]
f.尖端部的另一结构(2)
[0224]
在上述部分c中描述的内窥镜保持结构中，当内窥镜保持结构绕偏航轴115旋转时，在从偏航轴方向路线变更为横滚轴方向的路线变更滑轮1107和从俯仰轴方向路线变更为偏航轴方向的路线变更滑轮1104之间出现干扰(参见图15)。因此，绕偏航轴115的一侧上的旋转可移动范围被限制为大约80度。
[0225]
将详细描述路线变更滑轮之间的干扰。图16示出了从上方观看的上述部分c中描述的内窥镜保持结构(医疗臂装置100的尖端部)。从图16可以看到，在第二连接部1002的面对横滚方向的侧表面以及与其正交的侧表面上，分散地设置有从偏航轴方向路线变更为横滚轴方向的路线变更滑轮1107和从横滚轴方向路线变更为偏航轴方向的路线变更滑轮1108。此外，根据图16，从俯仰轴方向路线变更为偏航轴方向的路线变更滑轮1104和从偏航轴方向路线变更为俯仰轴方向的路线变更滑轮1105被支承在俯仰轴部件701的侧表面上，以能够绕与俯仰轴114正交的公共(或彼此平行)轴旋转。在路线变更滑轮1104至路线变更滑轮1108中的每一个的这样的布置中，如参照图15所述，当绕偏航轴115的旋转可移动范围增大时，存在路线变更滑轮在偏航轴滑轮801附近彼此干扰的风险。
[0226]
另一方面，在第三内窥镜保持结构中，用于在俯仰轴与偏航轴之间对线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1104和1105以及用于在偏航轴与横滚轴之间对线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1107和1108在尽可能窄的范围内收集和设置，从而尽可能降低路线变更滑轮之间的干扰的风险。图17示出了从上方观看的上述部分c中描述的内窥镜保持结构(医疗臂装置100的尖端部)。
[0227]
具体地，在第三内窥镜保持结构中，在俯仰轴与偏航轴之间对线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1104和1105被设置成使得其旋转轴彼此交叉，从而使路线变更滑轮1104和1105中的每一个与偏航轴滑轮801接触的区域最小化。
[0228]
另外，在第三内窥镜保持结构中，在第二连接部1002的面对与横滚轴116正交的方向的侧表面上，集中地设置有在偏航轴与横滚轴之间对线503进行路线变更的两个路线变更滑轮1107和1108，使得路线变更滑轮1107和1108中的每一个与偏航轴滑轮801接触的区域被最小化。通过将图17与图16进行比较可以看到，路线变更滑轮1107被设置成从第二连接部1002的面对横滚轴116的侧表面移动至第二连接部1002的面对与横滚轴116正交的方向的侧表面。
[0229]
如上所述，通过使路线变更滑轮1104和1105以及路线变更滑轮1107和1108中的每一个与偏航轴滑轮801接触的区域最小化，可以抑制当横滚轴部件绕偏航轴115大幅旋转时
路线变更滑轮之间的干扰的风险。
[0230]
图18示出了使第三内窥镜保持结构在偏航轴115的正方向上旋转的状态。此外，图19示出了使第三内窥镜保持结构在偏航轴115的负方向上旋转的状态。根据图18和图19可以理解，当绕偏航轴115执行旋转时，可以避免路线变更滑轮之间的干扰。根据第三内窥镜保持结构，可以实现绕偏航轴115的大约
±
120度的旋转可移动范围。
[0231]
注意，参照图18，在向前路径侧，横滚轴线503沿偏航轴绕双槽滑轮1106缠绕，然后绕路线变更滑轮1107缠绕以将路径从偏航轴方向改变为与横滚轴正交的方向，还绕路线变更滑轮1801缠绕以将路径从与横滚轴正交的方向改变为横滚轴方向，并且然后绕横滚轴滑轮1101的一个滑轮1101a缠绕。由于路线变更滑轮1107通过移动至第二连接部1002的面对与横滚轴116正交的方向的侧表面来设置(如上所述)，因此需要用于将线503从与横滚轴正交的方向路线变更为横滚轴方向的路线变更滑轮1801。路线变更滑轮1801被设置在第二连接部1002的侧表面的高位置处，以避免在绕偏航轴115旋转期间与其他路线变更滑轮1104和1105干扰。
[0232]
此外，在允许横滚轴部(横滚轴滑轮1101)变得稍大的情况下，或者在期望将横滚轴线503绕一组滑轮1101a和1101b中之一缠绕的情况下，用于改变线503在偏航轴与横滚轴之间的路径的两个路线变更滑轮1107和1108也可以被设置成使得其旋转轴彼此交叉(未示出)。
[0233]
g.关于扭矩的增加
[0234]
在上述内窥镜保持结构中，在使用不锈钢线绳等作为用于驱动每个轴的线501至线503的情况下，可以在医疗臂装置100的尖端部处产生足以支承内窥镜200的扭矩。
[0235]
h.关于通过尖端部的重量减轻的致动器的负载减小
[0236]
图6示出了每个轴的马达601至马达603尽可能彼此接近地设置在第四连杆104的根侧。在计算上已知，与将这些致动器设置在臂的远端例如第四连杆104的尖端侧处的情况相比，可以将力矩抑制为大约2/3。因此，图6中示出的每个轴的马达601至马达603的布置可以减轻尖端部的重量，并且减小每个轴的马达601至马达603的负载。
[0237]
i.致动器的布置
[0238]
图6示出了从尖端侧按顺序设置俯仰轴马达601、偏航轴马达602和横滚轴马达603的示例，但是可以改变设置这些马达的顺序。然而，优选的是从根侧(或近端侧)按顺序设置重马达，因为可以减小驱动尖端部的三个自由度所需的输出。
[0239]
另一方面，由于绕俯仰轴114驱动需要高扭矩，因此如图5所示，将每个部件设置成使得俯仰轴线501的滑轮组(例如，参见图5和图7)位于用于绕偏航轴115驱动的滑轮组(例如，参见图8和图9)以及用于绕横滚轴116驱动的滑轮组(例如，参见图10和图11)内部可以对减小尺寸和高扭矩有贡献。
[0240]
此外，由于针对内窥镜200的光轴旋转使用横滚轴116(参见图2)，因此小的转矩就足够了，并且即使用于绕横滚轴116驱动的滑轮组被设置在最外侧，在设计上也不存在问题。
[0241]
综上，如图6所示，可以说理想的是，从尖端侧按顺序设置俯仰轴马达601、偏航轴马达602和横滚轴马达603。
[0242]
j.关于适应俯仰轴旋转的双槽滑轮
[0243]
如上述部分c-2所述，为了使偏航轴线502适应绕俯仰轴114的旋转，在俯仰轴114的前侧(近端侧)使用双槽滑轮901。此外，如上述部分c-3所述，为了使横滚轴线503适应绕俯仰轴114的旋转，在俯仰轴114的前侧(近端侧)使用双槽滑轮1102。
[0244]
这两个双槽滑轮901和1102两者均由与俯仰轴114平行的轴704支承。适应俯仰轴旋转的双槽滑轮901和1102优选地分别接近与俯仰轴同轴的双槽滑轮902和1103，但是可以彼此稍微分开。在图7、图9和图11中示出的示例中，适应俯仰轴旋转的双槽滑轮901和1102分别设置成接近与俯仰轴同轴的双槽滑轮902和1103。
[0245]
用于适应俯仰轴旋转的这些双槽滑轮901和1102可以不具有相同的直径。
[0246]
在图4至图12中示出的实施方式中，用于适应俯仰轴旋转的双槽滑轮901和1102两者均由与俯仰轴114同轴的轴702可旋转地支承，但是也可以由彼此不同的轴支承。此外，支承双槽滑轮901的轴和支承双槽滑轮1102的轴可以不具有同一轴。在支承双槽滑轮901的轴和支承双槽滑轮1102的轴分开的情况下，存在容易设计布线到尖端的布局的优点。
[0247]
k.关于与俯仰轴同轴的双槽滑轮
[0248]
如上述部分c-2所述，使用双槽滑轮902来改变偏航轴线502沿俯仰轴114的路径。此外，如上述部分c-3所述，使用双槽滑轮1103来改变横滚轴线503沿俯仰轴114的路径。这两个双槽滑轮902和1103两者均由与俯仰轴114同轴的轴703支承。
[0249]
用于适应俯仰轴旋转的这些双槽滑轮902和1103可以不具有相同的直径。此外，用于适应俯仰轴旋转的这些双槽滑轮902和1103中的任一个均可以不具有与用于驱动俯仰轴的滑轮702相同的直径。
[0250]
注意，滑轮通常是具有两个凸缘和沿盘的外周在两个凸缘之间钻出的槽的部件，并且滑轮用于通过线传递张力，并且通过钩在盘的外周的槽上以不偏离像线那样的柔性绳来改变线的路径(力的方向)。此外，双槽滑轮是在盘的外周上设置有两个槽的滑轮，但是可以通过同轴地集成一个槽的滑轮来配置。
[0251]
l.关于用于驱动横滚轴的滑轮
[0252]
参照图5等，在包括中空圆筒的结构体1101的两端，横滚轴线503的向前路径和向后路径分别绕可旋转地绕横滚轴116附接的一组滑轮1101a和1101b缠绕。作为其修改示例，双槽滑轮可以附接至中空圆筒形结构体1101的一侧，并且横滚轴线503的向前路径和向后路径可以绕双槽滑轮的每个槽缠绕。
[0253]
m.关于偏航轴驱动滑轮的最大化
[0254]
偏航轴115对应于改变内窥镜200的观察方向的平移轴(如上所述)。为了提高绕偏航轴115的驱动扭矩(增加扭矩)，优选的是使偏航轴滑轮801的直径最大化，同时保持从臂到腕的整个结构较薄(具体地，不增加第四连杆104的尺寸)。
[0255]
图20示出了用于实现医疗臂装置100的尖端部中绕偏航轴115的旋转自由度的放大结构。偏航轴滑轮801被支承在俯仰轴部件701的尖端表面上以能够与偏航轴115同轴地旋转。此外，双槽滑轮1106和偏航轴滑轮801被支承在俯仰轴部件701的尖端表面上以能够与偏航轴115同轴地旋转。
[0256]
另一方面，用于在偏航轴与俯仰轴之间对俯仰轴线501进行路线变更的一对路线变更滑轮903和904被支承在俯仰轴部件701的侧表面上。具有不同直径的两个路线变更滑轮903和904被设置在同一轴线上，以平滑地对偏航轴线502进行路线变更并且将偏航轴线
绕与绕俯仰轴114旋转的双槽滑轮902兼容的偏航轴滑轮801缠绕。如图20所示，两个路线变更滑轮903和904由构成同一轴的轴2001可旋转地支承。
[0257]
此外，用于在偏航轴与俯仰轴之间对横滚轴线503进行路线变更的一对路线变更滑轮1104和1105被支承在俯仰轴部件701的相对侧的侧表面上。类似地，具有不同直径的两个路线变更滑轮1104和1105被设置在同一轴上，以平滑地对横滚轴线503进行路线变更并且将线绕与绕俯仰轴114旋转的双槽滑轮1103兼容的双槽滑轮1106缠绕。如图20所示，两个路线变更滑轮1104和1105由构成同一轴的轴2002可旋转地支承。
[0258]
在偏航轴滑轮801的直径增大，同时从臂到腕的整个结构保持较小的情况下，轴2001或轴2002可能在中心附近与偏航轴滑轮801干扰。因此，如图20所示，偏航轴滑轮801的直径可以通过将轴2001和轴2002的中心部分形成为较薄或者将中心部分形成为具有d切割结构来最大化。
[0259]
n.内窥镜保持结构的效果
[0260]
在本部分n中，将总结由根据本公开内容的内窥镜保持结构和线驱动方法带来的效果。
[0261]
(1)根据本公开内容的医疗臂装置包括具有足以保持内窥镜的高扭矩的可主动驱动三自由度腕关节。
[0262]
(2)根据本公开内容，具有三个自由度的活动关节的尖端部可以具有小且轻量的结构。因此，在尖端部支承内窥镜的医疗臂装置可以从外科医生的相对侧跨过患者(或手术床)进入外科医生手边的自由空间，同时避免与外科医生的手和手臂干扰。
[0263]
(3)根据本公开内容，具有三个自由度的活动关节的尖端部可以具有小且轻量的结构。因此，可以减小驱动每个活动关节的致动器的负载，并且可以减小整个装置的重量、成本和功耗。
[0264]
(4)根据本公开内容，由于可以通过线驱动方法驱动具有三个自由度的尖端部的每个活动关节，因此不会出现齿隙等。因此，在尖端部处支承内窥镜的医疗臂装置可以以高准确度确定内窥镜的位置和姿势以及光轴旋转。
[0265]
(5)根据本公开内容，可以具有绕具有三个自由度的尖端部的每个旋转轴的宽的旋转可移动范围。特别地，如上述部分f所述(参见图18和图19)，通过路线变更滑轮的布置避免路线变更滑轮之间的干扰，使得可以扩大绕偏航轴的旋转可移动范围。
[0266]
(6)根据本公开内容，由于驱动具有三个自由度的尖端部的活动关节的致动器可以以集中的方式例如设置在第四连杆104的根侧(或近端侧)，因此也可以容易地设置致动器的制动器。此外，用于致动器、编码器和制动器的布线可以达到第四连杆104的根侧。因此，可以减少到尖端部的布线，并且可以减少控制干扰。
[0267]
o.关于致动器布置
[0268]
图21示出了图1中示出的医疗臂装置100如何对应于手术过程的示例。在图21中示出的示例中，医疗臂装置100跨过手术床安装在外科医生的相对侧。然后，外科医生对手术床上的患者执行腹腔镜手术，同时观察使用保持在医疗臂装置100的尖端处的内窥镜(未示出)观察到的腹腔中的手术部位的状态。
[0269]
如上所述，在应用本公开内容的医疗臂装置100中，尖端部通过集中地设置确定内窥镜的姿势的三个自由度的正交旋转轴，能够实现小且轻量的结构，并且能够避免与外科
医生的手或手臂的干扰。然而，参照图21，不仅具有三个自由度的尖端部，而且支承尖端部的第四连杆104均在与外科医生的手或手臂的干扰区域中。因此，可以说为了避免与外科医生的手或手臂的碰撞，期望将第四连杆104设计为具有减小的直径。
[0270]
图4示出了将横滚轴116、偏航轴115和俯仰轴114的部件设置在第四连杆104的尖端处的示例。此外，图5示出了分别牵引俯仰轴114、偏航轴115和横滚轴116的部件的俯仰轴线501、偏航轴线502和横滚轴线503的结构。图6示出了将俯仰轴马达601、偏航轴马达602和横滚轴马达603设置在第四连杆104的根部处的示例。
[0271]
这里，图22示意性地示出了用于俯仰轴马达601、偏航轴马达602和横滚轴马达603的马达2200的外观配置。然而，马达601至马达603均假设为圆筒形电磁致动器。通常，在旋转马达主体2201的输出轴上，设置有制动器2202、减速器2203、用于检测旋转位置的编码器2204、用于检测作用在输出轴上的外力的扭矩传感器2205、以及电路单元2206。制动器2202、减速器2203、编码器2204和扭矩传感器2205基本上需要附接在马达主体2201的输出轴方向上，并且扩大整个马达2200的输出轴方向上的尺寸。因此，旋转马达2200具有有着小直径且在输出轴方向上较长的圆筒形状。注意，电路单元2206包括印刷线路板(pwb)，在该印刷线路板上安装有执行传感器信号和驱动信号等的信号处理的电路芯片，但是布置位置没有特别限制。如图22所示，在电路单元2206也设置在马达主体2201的输出轴方向上的情况下，马达2200的外部形状在输出轴方向上进一步扩大，同时保持小直径。
[0272]
图6示出了将驱动尖端部的俯仰轴马达601、偏航轴马达和横滚轴马达603设置在第四连杆104的根侧，使得输出轴均与俯仰轴114平行——换言之在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上对准——的示例。在马达601至马达603的这样的布置中，由于第四连杆104的厚度大于或等于马达601至马达603的输出轴方向上的尺寸，因此难以实现第四连杆的直径的减小。
[0273]
因此，在本部分o中，提出了致动器布置方法，其中驱动尖端部的俯仰轴马达601、偏航轴马达或横滚轴马达603中的至少之一被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，从而实现第四连杆104的直径的减小。
[0274]
注意，用于马达2200的编码器2204假设为绝对编码器。此外，在将马达2200用于横滚轴的情况下，采用从输出轴的一圈旋转绝对编码器的测量值得出转数的方法(参见上述部分d)。
[0275]
o-1.致动器的布置示例(1)
[0276]
图23示出了驱动具有三个旋转机构的尖端部的各个旋转机构的所有三个马达2301至2303均被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准的示例。如图23所示，第四连杆104具有中空圆筒形状。然后，第一马达2301、第二马达2302和第三马达2303从尖端部侧朝向根侧按此顺序设置在第四连杆104的中空圆筒中。然而，假设三个马达2301至2303均是电磁致动器，其被配置为在输出轴方向上伸长的圆筒形状，如图22所示。
[0277]
如已经参照图4所述，尖端部包括：垂直旋转轴(俯仰轴)部114，其使内窥镜200在垂直方向上摆动；左右旋转轴(偏航轴)部115，其与垂直旋转轴部114相邻、具有绕与垂直旋转轴正交的左右旋转轴的自由度、并且使内窥镜200在左右方向上摆动；以及光轴旋转轴(横滚轴)部116，其具有绕内窥镜200的光轴的自由度。使用哪个轴向旋转驱动第一马达2301、第二马达2302和第三马达2303是任意的。然而，为了减小第四连杆104的第三关节部
113的绕关节轴的惯性矩，并且减少用于驱动第三关节部113的致动器的输出，优选的是从尖端部侧朝向根侧按重量顺序设置马达。
[0278]
尽管可以仅通过光轴的旋转以低扭矩绕横滚轴驱动内窥镜200，但是为了驱动整个尖端部，绕俯仰轴需要高扭矩。然后，假设马达的输出与马达的重量基本成比例的关系(即，马达的重量随着马达的输出增大而增大)成立，则认为优选的是如下分配马达，其中第一马达2301执行绕透镜镜筒201的横滚轴116的旋转驱动，第二马达2302执行绕内窥镜200的偏航轴115的旋转驱动，并且第三马达2303执行绕整个尖端部的俯仰轴114的旋转驱动。
[0279]
注意，由于尖端部的结构如上述部分c所述，因此在图23中未示出尖端部。此外，在图23中，为了简化附图，还省略了包括用于将马达2301至马达2303中的每一个的旋转传递至尖端部侧的线和用于改变线的路径的滑轮等的线传动机构的图示。通过使用用于传递旋转力的线传动机构，存在能够在抑制齿隙的出现的同时以高效率和高准确度传递致动器的驱动力的优点。由于尖端部的三自由度的每个旋转机构的负载扭矩相对较小，因此可以弥补作为线传动机构的缺点的低强度。此外，可以最大限度地利用作为线传动机构的优点的小且轻量的驱动传动。由于马达2301至马达2303中的每一个在与尖端部的实际关节位置分开的同时设置在第四连杆104的根侧，因此在重量上减少了尖端部，并且可以降低驱动每个关节所需的扭矩，这对整个医疗臂装置100的减小尺寸有贡献。
[0280]
o-2.致动器的布置示例(2)
[0281]
图24和图25示出了这样的示例，其中在驱动具有三个旋转机构的尖端部的各个旋转机构的三个马达2401至2403中，第一马达2401和第二马达2402被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，并且根侧的第三马达2403被设置成输出轴方向定向在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上。图24示出了从第三马达2403的侧表面的方向观看的状态，并且图25示出了从第三马达2403的旋转轴的方向观看的状态。然而，三个马达2401至2403均是在输出轴方向上伸长的圆筒形电磁致动器，如图22所示。
[0282]
根据图24和图25中示出的致动器布置示例，设置有第三马达2403的部分的长度被缩短成绕马达2403的直径。即，能够缩短第四连杆104的连杆长度。然而，在图24中示出的致动器的布置示例中，第四连杆104中设置有第一马达2401和第二马达2402的部分的直径可以减小，但是设置有第三马达2403的部分的直径需要增大。在允许第四连杆104的直径的增大的情况下，这是有效的设计。另一方面，在图23中示出的致动器布置示例的情况下，第四连杆104的连杆长度长于马达2301至马达2303在输出轴方向上的尺寸之和最短的长度。简言之，根据图24和图25中示出的致动器的布置示例，可以平衡第四连杆104的直径的减小和连杆长度的减小。
[0283]
此外，在图24和图25中示出的致动器的布置示例中，为了减小绕第四连杆104的第三关节部113的关节轴的惯性矩，并且减少用于驱动第三关节部113的致动器的输出，优选的是从尖端部侧朝向根侧按照重量的升序设置马达。具体地，考虑优选的是如下分配马达，其中第一马达2401执行绕透镜镜筒201的横滚轴116的旋转驱动，第二马达2402执行绕内窥镜200的偏航轴115的旋转驱动，并且第三马达2403执行绕整个尖端部的俯仰轴114的旋转驱动。
[0284]
注意，由于尖端部的结构如上述部分c所述，因此在图24和图25中省略了尖端部的图示。此外，尽管使用线传动机构将马达2401至马达2403中的每一个的旋转传递至尖端部
侧，但是为了简化附图，在图24和图25中未示出线传动机构。通过使用线传动机构，可以通过以致动器的驱动力的高效率抑制齿隙的出现来以高准确度传递马达2401至马达2403中的每一个的旋转。由于尖端部的三自由度的每个旋转机构的负载扭矩相对较小，因此可以弥补作为线传动机构的缺点的低强度。此外，可以最大限度地利用作为线传动机构的优点的小且轻量的驱动传动。由于马达2401至马达2403中的每一个在与尖端部的实际关节位置分开的同时设置在第四连杆104的根侧，因此在重量上减少了尖端部，并且可以降低第四连杆104的旋转驱动所需的扭矩，这对整个医疗臂装置100的减小尺寸有贡献。
[0285]
o-3.致动器的布置示例(3)
[0286]
图26和图27示出了这样的示例，其中在驱动具有三个旋转机构的尖端部处的各个旋转机构的三个马达2601至2603中，马达2601被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，而第二马达2602和第三马达2603被设置成输出轴方向定向在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上。图26示出了从第二马达2602和第三马达2603的侧表面的方向观看的状态，并且图27示出了从第二马达2602和第三马达2603的旋转轴的方向观看的状态。然而，三个马达2601至2603均是在输出轴方向上伸长的圆筒形电磁致动器，如图22所示。
[0287]
根据图26和图27中示出的致动器的布置示例，由于设置有第二马达2602和第三马达2603的部分的长度缩短到大约马达2602和马达2603中的每一个的直径，因此与图24和图25中示出的致动器的布置示例相比，可以进一步缩短第四连杆104的连杆长度，同时形成第四连杆104的减小的直径部分。在允许第四连杆104的直径的增大的情况下，这是有效的设计。简言之，根据图26和图27中示出的致动器的布置示例，可以平衡第四连杆104的直径的减小和连杆长度的减小。
[0288]
注意，此外，在图26和图27中示出的致动器的布置示例中，为了减小绕第四连杆104的第三关节部113的关节轴的惯性矩，并且减少用于驱动第三关节部113的致动器的输出，优选的是从尖端部侧朝向根侧按照重量的升序设置马达。具体地，考虑优选的是如下分配马达，其中第一马达2601执行绕透镜镜筒201的横滚轴116的旋转驱动，第二马达2602执行绕内窥镜200的偏航轴115的旋转驱动，并且第三马达2603执行绕整个尖端部的俯仰轴114的旋转驱动。
[0289]
注意，由于尖端部的结构如上述部分c所述，因此在图26和图27中省略了尖端部的图示。此外，尽管使用线传动机构将马达2601至马达2603中的每一个的旋转传递至尖端部侧，但是为了简化附图，在图26和图27中未示出线传动机构。通过使用线传动机构，可以通过以致动器的驱动力的高效率抑制齿隙的出现来以高准确度传递马达2601至马达2603中的每一个的旋转。由于尖端部的三自由度的每个旋转机构的负载扭矩相对较小，因此可以弥补作为线传动机构的缺点的低强度。此外，可以最大限度地利用作为线传动机构的优点的小且轻量的驱动传动。由于马达2601至马达2603中的每一个在与尖端部的实际关节位置分开的同时设置在第四连杆104的根侧，因此在重量上减少了尖端部，并且可以降低第四连杆104的旋转驱动所需的扭矩，这对整个医疗臂装置100的减小尺寸有贡献。
[0290]
o-4.致动器的布置示例(4)
[0291]
图28和图29示出了驱动具有三个旋转机构的尖端部处的各个旋转机构的所有三个马达2801至2803均被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准的示例。图28示出了从马达2801至马达2803的侧表面的方向观看的状态，并且图29示出了从马达2801至马
达2803的旋转轴的方向观看的状态。然而，三个马达2801至2803均是在输出轴方向上伸长的圆筒形电磁致动器，如图22所示。
[0292]
图28和图29中示出的致动器的布置示例与图6中示出的致动器的布置示例之间的不同在于，第四连杆104中的尖端部侧的区间的未设置三个马达2801至2803的一部分在直径上减小。
[0293]
注意，由于尖端部的结构如上述部分c所述，因此在图28和图29中省略了尖端部的图示。此外，尽管使用线传动机构将马达2801至马达2803中的每一个的旋转传递至尖端部侧，但是为了简化附图，在图28和图29中未示出线传动机构。
[0294]
o-5.致动器的布置示例(5)
[0295]
图30和图31示出了这样的示例，其中在驱动具有三个旋转机构的尖端部处的各个旋转机构的三个马达3001至3003中，第一马达3001和第二马达3002被设置在第四连杆104上，且输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，而第三马达3003被设置在第四连杆104外部(在根侧)，且输出轴方向定向在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上。图30示出了从第三马达3003的侧表面的方向观看的状态，并且图31示出了从第三马达3003的旋转轴的方向观看的状态。然而，三个马达3001至3003均是在输出轴方向上伸长的圆筒形电磁致动器，如图22所示。
[0296]
注意，由于尖端部的结构如上述部分c所述，因此在图30和图31中省略了尖端部的图示。此外，尽管使用线传动机构将马达3001至马达3003中的每一个的旋转传递至尖端部侧，但是为了简化附图，在图30和图31中未示出线传动机构。
[0297]
图30和图31中示出的致动器的布置示例与图24和图25中示出的致动器的布置示例的共同之处在于，第一马达3001和第二马达3002被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，而根侧的第三马达3003被设置成输出轴方向定向在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上。然而，图30和图31中示出的致动器布置示例与图24和图25中示出的示例的不同之处在于，第三马达3003被设置在第四连杆104外部。在图24和图25中示出的致动器的布置示例中，第三马达2403被设置在第四连杆104中。通过将第三马达3003设置在第四连杆104外部，能够实现第四连杆104的紧凑化。
[0298]
具体地，第三马达3003被设置在第四连杆104的根侧的旋转机构单元中。这里，第四连杆104的根侧的旋转机构单元对应于图1中的第三关节部113。第三关节部113是使第四连杆104绕根侧的垂直旋转轴(替选地，俯仰轴)旋转的旋转机构。通过从第四连杆104的根侧向外设置第三马达3003，进一步降低第四连杆104的旋转驱动所需的扭矩，这对整个医疗臂装置100的进一步减小尺寸有贡献。
[0299]
在第三马达3003设置在第三关节部113中的情况下，不能在第三关节部113中设置用于使第四连杆104绕俯仰轴旋转的马达3004。因此，在图30和图31中示出的致动器的布置示例中，用于驱动第三关节部113的马达3004被设置在第三关节部113外部(在第四连杆104的相对侧)。然后，使用钢带3005将马达3004的旋转力传递至容纳第三马达3003的第三关节部113，以实现第四连杆104绕俯仰轴的旋转。
[0300]
参照图30和图31，第三关节部113具有在俯仰轴方向上具有中心轴的中空圆筒结构，并且与第四连杆104的内壁接合并成一体。另一方面，第三马达3003和马达3004固定至第三连杆103的框架。第三马达3003被设置在第三关节部113的中空圆筒中使得旋转轴与第
三关节部113的关节轴一致，并且经由轴承绕关节轴可旋转地被支承。
[0301]
马达3004的输出轴滑轮3006包括覆盖马达3004的外周的中空圆筒。然后，钢带3005绕第三关节部113和输出轴滑轮3006缠绕。因此，马达3004的旋转经由钢带3005传递至第三关节轴113，并且第四连杆104能够绕第三关节部113的关节轴(绕俯仰轴或绕垂直旋转轴)旋转。此时，由于第三马达3003经由轴承可旋转地支承在第三关节部113的中空圆筒中，因此马达3004的旋转操作不传递至第三马达3003。此外，通过将包括诸如不锈钢的金属板的钢带3005用于马达3004的旋转的传动机构，可以执行具有高强度、宽的可移动范围、高效率和高准确度的驱动传动而不会嘎嘎作响。
[0302]
o-6.致动器的布置示例(6)
[0303]
图32和图33示出了这样的示例，其中驱动具有三个旋转机构的尖端部的各个旋转机构的所有三个马达3201至3203均被设置在第四连杆104上，且输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，并且用于驱动第三关节部113的马达3204被设置在第三关节部113外部(在第四连杆104的相对侧)。图32示出了从马达3204的侧表面的方向观看的状态，并且图33示出了从马达3204的旋转轴的方向观看的状态。然而，三个马达3201至3203均是在输出轴方向上伸长的圆筒形电磁致动器，如图22所示。
[0304]
注意，由于尖端部的结构如上述部分c所述，因此在图32和图33中省略了尖端部的图示。此外，尽管使用线传动机构将马达3201至马达3203中的每一个的旋转传递至尖端部侧，但是为了简化附图，在图32和图33中未示出线传动机构。
[0305]
图32和图33中示出的致动器的布置示例与图30和图31中示出的致动器的布置示例的共同之处在于，用于驱动第三关节部113的马达3204被设置在第三关节部113外部(在第四连杆104的相对侧)。然而，图32和图33中示出的致动器的布置示例与图30和图31中示出的示例的不同之处在于，第一马达3201至第三马达3201被设置在第四连杆104中，并且致动器中的任一个均不设置在第三关节部113中。在图32和图33中示出的致动器布置示例中，通过将所有马达3201至3203设置在第四连杆104上，且输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，可以在直径上减小整个第四连杆104。此外，通过在第三关节部113中不设置任何马达，第三关节部113被减小尺寸，使得能够在长区间中确保第四连杆104的小直径部分。
[0306]
第三关节部113是使第四连杆104绕根侧的垂直旋转轴(替选地，俯仰轴)旋转的旋转机构(如上所述)。参照图32和图33，第三关节部113具有在俯仰轴方向上具有中心轴的中空圆筒结构，并且与第四连杆104的内壁接合并成一体。此外，第三关节部113经由设置在中空圆筒中的轴承由第三连杆103支承以能够绕关节轴旋转。
[0307]
马达3204的输出轴滑轮3206包括覆盖马达3204的外周的中空圆筒。然后，钢带3205绕第三关节部113和输出轴滑轮3206缠绕。因此，马达3204的旋转经由钢带3205传递至第三关节轴113，并且第四连杆104能够绕第三关节部113的关节轴(绕俯仰轴或绕垂直旋转轴)旋转。此外，通过将包括诸如不锈钢的金属板的钢带3205用于马达3204的旋转的传动机构，可以执行具有高强度、宽的可移动范围、高效率和高准确度的驱动传动而不会嘎嘎作响。
[0308]
o-7.线传动机构的布置
[0309]
如上述部分o-1至o-6所述，在每个轴的马达设置在第四连杆104的根侧远离尖端部的横滚轴、偏航轴和俯仰轴的情况下，需要用于将马达中的每一个的旋转力传递至尖端
部的传动机构。在本公开内容中，通过使用用于传递旋转力的线传动机构，在抑制齿隙的出现的同时，以高效率和高准确度传递致动器的驱动力。由于尖端部的三自由度的每个旋转机构的负载扭矩相对较小，因此可以弥补作为线传动机构的缺点的低强度。此外，可以最大限度地利用作为线传动机构的优点的小且轻量的驱动传动。
[0310]
在本部分o-7中，将描述在上述部分o-1至部分o-6中描述的马达中的每一个的布置中将马达中的每一个的旋转力传递至第四连杆104中的尖端部的线驱动机构的布置示例。基本上，使用绕附接至马达的输出轴的输出轴滑轮缠绕的线来提取马达的旋转力。然后，使用路线变更滑轮适当地改变线的俯仰轴或横滚轴的位置和方向，以避免与存在于输出轴滑轮与尖端部之间的其他马达和其他部件的干扰，并且马达和目标部件通过线连接。
[0311]
图34和图35示出了在上述部分o-1中描述的所有三个马达3401至3403被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准的情况下的线传动机构的配置示例。然而，在图34和图35中，绕纵向轴的第四连杆104的旋转位置改变了90度。
[0312]
在第四连杆104中，绕第一马达3401的输出轴滑轮3411缠绕的线3410的位置经由向前路径侧的路线变更滑轮3412和向后路径侧的路线变更滑轮3413进行调整，并且被朝向尖端部侧引导。此外，在第四连杆104中，绕第二马达3402的输出轴滑轮3421缠绕的线3420的位置经由向前路径侧的路线变更滑轮3422和向后路径侧的路线变更滑轮3423进行调整。这里，通过使路线变更滑轮3422和3423绕纵向轴的旋转位置相对于路线变更滑轮3412和3413仅改变180度，线3420被设置成不与线3410干扰。此外，在第四连杆104中，绕第三马达3403的输出轴滑轮3431缠绕的线3430的位置经由向前路径侧的路线变更滑轮3432和向后路径侧的路线变更滑轮3433进行调整。这里，路线变更滑轮3432和3433被设置在与路线变更滑轮3412和3413相同的绕纵向轴的旋转位置处，并且在径向(或宽度方向)上的不同位置处，线3430被设置成不与线3410干扰。
[0313]
注意，尽管没有示出线3410、3420和3430中的每一个的尖端部侧的配置，但是假设例如路线变更滑轮等被适当地用于与图7至图12中示出的线的布置匹配。
[0314]
图36和图37示出了在如下情况下的线传动机构的配置示例，其中在上述部分o-2中描述的三个马达3601至马达3603中，第一马达3601和第二马达3602被设置成输出轴方向与第四连杆04的纵向方向对准，并且根侧的第三马达3603被设置成输出轴方向定向在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上。然而，在图36和图37中，绕纵向轴的第四连杆104的旋转位置改变了90度。
[0315]
在第四连杆104中，绕第一马达3601的输出轴滑轮3611缠绕的线3610的位置经由向前路径侧的路线变更滑轮3612和向后路径侧的路线变更滑轮3613进行调整，并且被朝向尖端部侧引导。此外，在第四连杆104中，绕第二马达3602的输出轴滑轮3621缠绕的线3620的位置经由向前路径侧的路线变更滑轮3622和向后路径侧的路线变更滑轮3623进行调整。与图34和图35中示出的示例类似，通过使路线变更滑轮3622和3623绕纵向轴的旋转位置相对于路线变更滑轮3612和3613仅改变180度，线3620被设置成不与线3610干扰。此外，绕第三马达3603的输出轴滑轮3631缠绕的线3630可以在第四连杆104中布线，以避免与设置在尖端侧的第一马达3601、第二马达3602、线3610和3620中的每一个等干扰。当然，用于改变路径或调整位置的滑轮(未示出)还可以设置在线3630的向前路径侧或向后路径侧中的至少之一。
[0316]
注意，尽管没有示出线3610、3620和3630中的每一个的尖端部侧的配置，但是假设例如路线变更滑轮等被适当地用于与图7至图12中示出的线的布置匹配。
[0317]
图38和图39示出了在如下情况下的线传动机构的配置示例，其中在上述部分o-3中描述的三个马达3801至3803中，第一马达3801被设置成输出轴方向与第四连杆104的纵向方向对准，并且第二马达3802和第三马达3803被设置成输出轴方向定向在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上。然而，在图38和图39中，绕纵向轴的第四连杆104的旋转位置改变了90度。
[0318]
在第四连杆104中，绕第一马达3801的输出轴滑轮3811缠绕的线3810的位置经由向前路径侧的路线变更滑轮3812和向后路径侧的路线变更滑轮3813进行调整，并且被朝向尖端部侧引导。此外，第二马达3802的输出轴与第四连杆104的纵向方向正交，并且第二马达3802的输出轴滑轮3821被设置在与线3810相反的方向上。因此，绕输出轴滑轮3821缠绕的线3820可以在第四连杆104中布线，以避免与设置在尖端侧的第一马达3801、线3810等干扰。当然，用于改变路径或调整位置的滑轮(未示出)还可以设置在线3820的向前路径侧或向后路径侧中的至少之一。此外，与第二马达3802类似，第三马达3803的输出轴与第四连杆104的纵向方向正交，并且第三马达3803的输出轴滑轮3831被设置在与第二马达3802的输出轴滑轮3821相同的方向上。如从图38可以看出，输出轴滑轮3831的位置在与第四连杆104的纵向方向正交的方向上偏移，以不与输出轴滑轮3821重叠。因此，绕输出轴滑轮3831缠绕的线3830可以在第四连杆104中布线，以避免与设置在尖端侧的第一马达3801、第二马达3802、线3810和3820中的每一个等干扰。当然，用于改变路径或调整位置的滑轮(未示出)还可以设置在线3830的向前路径侧或向后路径侧中的至少之一。
[0319]
注意，尽管没有示出线3810、3820和3830中的每一个的尖端部侧的配置，但是假设例如路线变更滑轮等被适当地用于与图7至图12中示出的线的布置匹配。
[0320]
工业适用性
[0321]
上面已经参照具体实施方式详细描述了本公开内容。然而，明显的是，本领域技术人员可以在不脱离本公开内容的要旨的情况下对实施方式进行修改和替换。
[0322]
在本说明书中，已经主要描述了本公开内容应用于支承内窥镜的医疗臂装置的实施方式，但是本公开内容的要旨不限于此。本公开内容能够同样应用于在尖端处支承除了内窥镜之外的医疗器械例如钳子、气腹管、能量处理工具、镊子、牵开器等的医疗臂装置，并且能够在三个正交自由度上无齿隙地确定要被支承的医疗器械的姿势。
[0323]
简言之，已经以例示的形式描述了本公开内容，并且本说明书中描述的内容不应当以限制性方式来解释。为了确定本公开内容的要旨，应当考虑权利要求。
[0324]
注意，本公开内容可以具有以下配置。
[0325]
(1)一种医疗臂装置，包括：
[0326]
第一臂部，所述第一臂部包括保持医疗器械的尖端部和支承所述尖端部的连杆；以及
[0327]
第二臂部，所述第二臂部支承所述第一臂部，其中，
[0328]
所述尖端部包括：
[0329]
从最尖端部分开始依次按照旋转轴、偏航轴和俯仰轴的顺序设置三个旋转轴的结构，所述旋转轴绕所述医疗器械的纵向轴，所述偏航轴使所述医疗器械相对于所述连杆的
尖端左右旋转，所述俯仰轴使所述医疗器械相对于所述连杆的尖端上下旋转，以及
[0330]
用于所述偏航轴的旋转传递的第一线、用于横滚轴的旋转传递的第二线、在所述俯仰轴与所述偏航轴之间对所述第一线进行路线变更的第一路线变更滑轮、在所述俯仰轴与所述偏航轴之间对所述第二线进行路线变更的第二路线变更滑轮、以及在所述偏航轴与所述横滚轴之间对所述第二线进行路线变更的第三路线变更滑轮被设置在所述连杆上。
[0331]
(2)根据上述(1)所述的医疗臂装置，其中，
[0332]
所述尖端部包括与所述三个旋转轴对应的关节构件中的每一个直接连接的结构。
[0333]
(3)根据上述(2)所述的医疗臂装置，其中，
[0334]
所述尖端部包括以下结构，其中，对应于所述横滚轴的关节与对应于所述俯仰轴的关节之间的距离具有当所述尖端部绕所述俯仰轴旋转时不引起干扰的距离。
[0335]
(4)根据上述(1)至(3)中任一项所述的医疗臂装置，其中，
[0336]
所述第一路线变更滑轮或所述第二路线变更滑轮中的至少之一包括在绕所述俯仰轴旋转的结构体的相对侧设置在同一轴上的、具有不同直径的一组路线变更滑轮。
[0337]
(5)根据上述(4)所述的医疗臂装置，其中，
[0338]
构成所述第一路线变更滑轮或所述第二路线变更滑轮的同一轴的轴包括与偏航轴滑轮的干扰避免部，所述第一线绕所述偏航轴滑轮缠绕以绕所述偏航轴旋转。
[0339]
(6)根据上述(5)所述的医疗臂装置，其中，
[0340]
所述干扰避免部包括在所述轴的中心部分中的小直径部分或d切割结构部分。
[0341]
(7)根据上述(1)至(6)中任一项所述的医疗臂装置，还包括：
[0342]
干扰避免结构，所述干扰避免结构避免在绕所述偏航轴的旋转期间所述第二路线变更滑轮与所述第三路线变更滑轮之间的干扰。
[0343]
(8)根据上述(7)所述的医疗臂装置，其中，
[0344]
所述干扰避免结构包括一组路线变更滑轮，所述一组路线变更滑轮构成所述第二路线变更滑轮并且被设置成使得所述一组路线变更滑轮的旋转轴彼此交叉。
[0345]
(9)根据上述(7)或(8)所述的医疗臂装置，其中，
[0346]
所述干扰避免结构包括以下结构，其中，构成所述第三路线变更滑轮的多个滑轮以集中的方式设置在预定区域中。
[0347]
(10)根据上述(1)至(9)中任一项所述的医疗臂装置，还包括：
[0348]
用于所述俯仰轴的旋转传递的第三线、连杆机构、齿轮机构或直接旋转所述俯仰轴的马达中的至少之一。
[0349]
(11)根据上述(1)至(10)中任一项所述的医疗臂装置，还包括：
[0350]
提供绕所述俯仰轴的驱动力的俯仰轴致动器、提供绕所述偏航轴的驱动力的偏航轴致动器、以及提供绕所述横滚轴的驱动力的横滚轴致动器。
[0351]
(12)根据上述(11)所述的医疗臂装置，其中，
[0352]
从所述尖端部开始按顺序设置所述俯仰轴致动器、所述偏航轴致动器和所述横滚轴致动器。
[0353]
(13)根据上述(11)或(12)所述的医疗臂装置，还包括：
[0354]
用于所述俯仰轴致动器、所述偏航轴致动器和所述横滚轴致动器中的每一个的一圈旋转绝对编码器。
[0355]
(14)根据上述(13)所述的医疗臂装置，其中，
[0356]
所述横滚轴具有大于一圈旋转的旋转可移动范围，并且
[0357]
使用基于正向运动学的校正公式，从所述绝对编码器的测量值唯一地得出所述尖端部的姿势。
[0358]
(15)根据上述(14)所述的医疗臂装置，其中，
[0359]
所述横滚轴致动器的输出轴滑轮的直径大于或等于横滚轴滑轮的直径，用于所述横滚轴的旋转传递的所述第二线绕所述横滚轴滑轮缠绕以绕所述横滚轴旋转。
[0360]
(16)根据上述(1)至(15)中任一项所述的医疗臂装置，还包括：
[0361]
第一双槽滑轮，所述第一双槽滑轮改变所述第一线沿所述俯仰轴的路径；以及第二双槽滑轮，所述第二双槽滑轮改变所述第二线沿所述俯仰轴的路径。
[0362]
(17)根据上述(16)所述的医疗臂装置，其中，
[0363]
所述第一双槽轮和所述第二双槽轮由同一轴支承。
[0364]
(18)根据上述(16)所述的医疗臂装置，其中，
[0365]
所述第一双槽滑轮和所述第二双槽滑轮由彼此不同的轴支承。
[0366]
(19)根据上述(18)所述的医疗臂装置，其中，
[0367]
所述第一双槽轮和所述第二双槽轮不同轴。
[0368]
(20)根据上述(1)至(19)中任一项所述的医疗臂装置，其中，
[0369]
所述医疗器械是医疗观察装置，并且
[0370]
所述尖端部包括从最尖端部分开始按顺序布置所述医疗观察装置的光轴旋转轴(横滚轴)、用于改变所述医疗观察装置的观察方向的平移轴(偏航轴)、以及倾斜轴(俯仰轴)的结构。
[0371]
(21)根据上述(1)所述的医疗臂装置，其中，
[0372]
驱动具有多个自由度的所述尖端部的多个致动器中的至少一个致动器的输出轴方向被设置在所述连杆的根侧，以与所述连杆的纵向方向对准。
[0373]
(21-1)根据上述(21)所述的医疗臂装置，其中，
[0374]
所述多个致动器的所有输出轴方向均被设置在所述连杆的根侧，以与所述连杆的纵向方向对准。
[0375]
(21-2)根据上述(21)所述的医疗臂装置，其中，
[0376]
所述多个致动器中的一些致动器的输出轴方向被设置在所述连杆的根侧以与所述连杆的纵向方向不同，并且其他致动器的输出轴方向被设置成与所述连杆的纵向方向对准。
[0377]
(22)根据上述(21)所述的医疗臂装置，其中，
[0378]
所述连杆包括减小的直径部分，所述减小的直径部分包括所述至少一个致动器的输出轴方向与所述连杆的纵向方向对准的区间。
[0379]
(23)根据上述(21)或(22)所述的医疗臂装置，其中，
[0380]
使所述连杆相对于另一连杆旋转的连杆旋转致动器被设置成使得将所述连杆的根侧与另一连杆可旋转地联接的旋转机构单元的旋转轴与所述连杆旋转致动器的输出轴不一致。
[0381]
(24)根据上述(23)所述的医疗臂装置，其中，
[0382]
所述多个致动器中的任一个被设置在所述旋转机构单元中。
[0383]
(24-1)根据上述(24)所述的医疗臂装置，其中，
[0384]
所述旋转机构单元是将所述连杆联接至所述另一连杆以使所述连杆绕所述俯仰轴旋转的关节部。
[0385]
(25)根据上述(23)或(24)所述的医疗臂装置，还包括：
[0386]
将所述连杆旋转致动器的旋转力传递至所述旋转机构单元的钢带机构。
[0387]
附图标记列表
[0388]
100 医疗臂装置
[0389]
101 第一连杆
[0390]
102 第二连杆
[0391]
103 第三连杆
[0392]
104 第四连杆
[0393]
111 第一关节部
[0394]
112 第二关节部
[0395]
113 第三关节部
[0396]
114 垂直旋转轴部(倾斜轴，俯仰轴)
[0397]
115 左右旋转轴部(平移轴，偏航轴)
[0398]
116 光轴旋转轴部(横滚轴)
[0399]
200 内窥镜
[0400]
201 透镜镜筒
[0401]
202 摄像装置头部
[0402]
501 俯仰轴线
[0403]
502 偏航轴线
[0404]
503 横滚轴线
[0405]
601 俯仰轴马达
[0406]
602 偏航轴马达
[0407]
603 横滚轴马达
[0408]
701 俯仰轴部件
[0409]
702 俯仰轴驱动滑轮
[0410]
703 轴
[0411]
704 轴
[0412]
801 偏航轴滑轮
[0413]
901 双槽滑轮
[0414]
902 双槽滑轮
[0415]
903 路线变更滑轮
[0416]
904 路线变更滑轮
[0417]
1001 第一连接部
[0418]
1002 第二连接部
[0419]
1101 横滚轴滑轮
[0420]
1102 双槽滑轮
[0421]
1103 双槽滑轮
[0422]
1104 路线变更滑轮
[0423]
1105 路线变更滑轮
[0424]
1106 双槽滑轮
[0425]
1107 路线变更滑轮
[0426]
1108 路线变更滑轮
[0427]
1801 路线变更滑轮
[0428]
2001 轴
[0429]
2200 马达
[0430]
2201 马达主体
[0431]
2202 制动器
[0432]
2203 减速器
[0433]
2204 编码器
[0434]
2205 扭矩传感器
[0435]
2206 电路单元
[0436]
2301 第一马达
[0437]
2302 第二马达
[0438]
2303 第三马达
[0439]
2401 第一马达
[0440]
2402 第二马达
[0441]
2403 第三马达
[0442]
2601 第一马达
[0443]
2602 第二马达
[0444]
2603 第三马达
[0445]
2801 第一马达
[0446]
2802 第二马达
[0447]
2803 第三马达
[0448]
3001 第一马达
[0449]
3002 第二马达
[0450]
3003 第三马达
[0451]
3004 马达
[0452]
3005 钢带
[0453]
3006 滑轮(马达3004的输出轴滑轮)