KR101173824B1 - 수술 도구 - Google Patents

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KR101173824B1
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데이비드 더블유. 베일리
스티븐 피. 바쌀로
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임머숀 코퍼레이션
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Abstract

본 발명은 컴퓨터 시뮬레이션 시스템에 사용되는 컴퓨터 인터페이스에 관한 것이다. 인터페이스는 제1 파지부 그리고 제1 파지부에 피봇 가능하게 결합된 제2 파지부를 포함한다(도3 참조). 작동기(135)는 2개의 파지부(165, 170)들 중 적어도 하나에 결합되고 사용자에게 피드백을 제공하도록 구성된다.

Description

수술 도구 {SURGICAL INSTRUMENT}
본원은 모든 목적에 대해 전체 내용이 본원에 완전히 합체된, 발명의 명칭을 "피봇 가능한 컴퓨터 인터페이스"로 하는 2001년 7월 16일자로 출원된 미국 가출원 제60/305,958호의 잇점을 청구한다.
본 발명은 사용자와 컴퓨터를 인터페이스로 연결하는 것에 관한 것이다.
사용자들이 다양한 적용 분야에서 전자 및 기계 장치의 인터페이스로 연결되어, 더욱 자연스럽고 사용이 용이하며 정보를 제공하는 인터페이스에 대한 필요성은 지속적인 관심사이다. 본 발명과 관련하여, 사용자는 다양한 적용 분야에서 컴퓨터 장치와 인터페이스로 연결된다. 하나의 이러한 적용 분야가 외과 수술 시뮬레이션, 게임, 실제의 외과 수술 및 다른 응용 프로그램 형성 환경을 포함하는 가상 현실 환경 등의 컴퓨터 형성 환경과 인터페이스로 연결하는 것이다. 마우스 및 트랙볼 등의 컴퓨터 입력 장치가 그래픽 환경 내에서 커서를 제어하고 이들 적용 분야에서의 입력의 제공하기 위해 종종 사용된다.
일부의 인터페이스 장치에서는, 본원에서 총괄적으로 "촉각형 피드백(haptic feedback)"으로 공지되어 있는 힘 피드백(force feedback) 및/또는 촉각 피드백(tactile feedback)도 사용자에게 제공된다. 예컨대, 조이스틱, 마우스, 게임 패드, 운전대 또는 다른 형태의 장치의 촉각형 버전은 게임 또는 다른 응용 프로그램 등의 그래픽 환경 내에서 발생되는 이벤트 또는 상호 작용(interaction)에 따라 사용자에게 힘을 출력할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션에서, 그래픽 환경에서 사용자 또는 사용자의 일부를 그래픽으로 표시하여 사용자가 그래픽 환경과 실제적으로 상호 작용하게 하는 것이 바람직할 수도 있다.
본원 발명은, 다양한 적용 분야에서 사용자들이 전자 및 기계 장치의 인터페이스 장치에 연결됨에 있어서, 사용자에게 개선된 가상현실 환경의 사실성을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 컴퓨터 시뮬레이션 시스템에 사용되는 컴퓨터 인터페이스를 제공한다. 인터페이스는 제1 파지부와 제1 파지부에 피봇 가능하게 결합된 제2 파지부를 포함한다. 작동기는 2개의 파지부들 중 적어도 하나에 결합되고 사용자에게 피드백을 제공하도록 구성된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 작동기는 제1 및 제2 파지부 모두에 결합된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 작동기는 로터리 모터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 작동기는 제1 파지부에 결합되고, 로터리 모터와, 제2 파지부 내로 연장되는 회전 샤프트와, 회전 샤프트 및 제2 파지부에 결합된 케이블을 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 컴퓨터 인터페이스는 제1 및 제2 파지부 모두에 결합된 스프링을 추가로 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 컴퓨터 인터페이스는 제1 및 제2 파지부를 결합하는 피봇부의 각 회전을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다.
본 발명의 추가 태양에 따르면, 피드백은 파지부를 떨어지도록 가압하는 것, 파지부를 함께 당기는 것, 진동, 토크 및 노이즈를 포함하는 그룹 중 적어도 하나이다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 인터페이스는 긴 부분 및 핸들을 포함하는 실행 도구를 포함한다. 핸들은 제1 및 제2 파지부를 포함하며, 작동기는 2개의 파지부들 중 적어도 하나에 결합된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 긴 부분의 운동 및 위치 중 적어도 하나를 감지하기 위한 센서가 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 컴퓨터 시뮬레이션 중 실행 도구 내에서 피드백을 제공하는 방법은 긴 부분 및 핸들을 포함하는 실행 도구를 제공하는 단계를 포함하며, 핸들은 긴 부분의 선단부의 제1 파지부와, 제1 파지부에 피봇 가능하게 결합되는 긴 부분의 선단부의 제2 파지부와, 제1 및 제2 파지부들 중 적어도 하나에 결합된 작동기를 포함한다. 피드백은 사용자에게 작동기로 제공된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 나타내는 도면을 참조하여 연계되는 후술된 양호한 예시 실시예의 설명을 읽고 이해하면 이해된다.
본원 발명은 위와 같은 구성을 통하여, 사용자들이 전자 및 기계 장치의 인터페이스 장치에 연결됨에 있어서, 피드백을 통해 가상 현실 환경의 사실성을 더욱 잘 느낄 수 있도록 하는 인터페이스 장치를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 컴퓨터 인터페이스 시스템의 개략도이다.
도2는 피봇 핸들을 구비한 기구를 포함하는 본 발명에 따른 컴퓨터 인터페이스 시스템의 개략도이다.
도3은 본 발명에 따른 촉각형 인터페이스 장치의 일 실시예의 개략도이다.
도4는 본 발명에 따른 촉각형 인터페이스 장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도5는 본 발명에 따른 촉각형 인터페이스 장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도6은 본 발명에 따른 촉각형 인터페이스 장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도7은 본 발명에 따른 촉각형 인터페이스 장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도8은 본 발명에 따른 촉각형 인터페이스 장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도9 내지 도11은 도8의 촉각형 인터페이스 장치의 추가 도면이다.
도12는 센서 및 작동기를 구비한 기구의 개략 측면도이다.
본 발명은 컴퓨터 시뮬레이션 특히 사용자에 의해 조작되는 기구의 그래픽 표시인 그래픽 화상과 같은 그래픽 화상의 제어를 포함하는 컴퓨터 시뮬레이션에 관한 것이다. 프로세스는 적어도 부분적으로는 외과 수술 시뮬레이션 인터페이스와 연계하여 도시되어 있지만, 본 발명은 다른 시뮬레이션 및 컴퓨터 상호 작용 프로세서에서 사용될 수 있으며 또는 다른 그래픽 화상의 제어에 사용될 수 있고 본원에 제공된 예들에 제한되지 않는다.
도1은 본 발명에 따른 컴퓨터 인터페이스 시스템(100)의 개략도이다. 컴퓨터 인터페이스 시스템(100)은 컴퓨터 형성 또는 가상 현실 환경을 발생시킬 수 있다. 표시부(105)는 사용자에게 그래픽 환경(110)을 제공한다. 그래픽 환경(110) 내에는 그래픽 화상(115)이 있다. 그래픽 화상(115)은 예컨대 객체, 위치, 이동 및/또는 형상이 제어 가능한 커서 또는 다른 그래픽 일 수 있다. 예컨대, 그래픽 화상(115)은 포인터 커서, 게임 내의 캐릭터, 외과 수술 기구, 외과 수술 기구의 단부로부터의 관찰부, 사용자의 표시부 등일 수 있다. 또한, 그래픽 환경 내에는 도시된 둥근 객체, 또는 사용자 또는 또 다른 사용자에 의해 제어될 수 있는 또 다른 그래픽 화상을 포함하는 임의의 다른 그래픽 표시 등의 그래픽 객체(120)로 존재한다. 표시부(105)와 통신하는 제어기(125)는 예컨대 시뮬레이션과 관련된 응용 프로그램을 포함하는 프로그램 코드를 실행함으로써 그래픽 환경(110)을 발생 및/또는 제어할 수 있다. 사용자 객체(130)는 사용자에 의해 조작되고, 사용자 객체(130)의 조작은 예컨대 사용자 객체(130)의 위치를 그래픽 화상(115)의 표시된 위치 및/또는 형상과 직접적으로 상호 관련시키거나 또는 사용자 객체(130)의 위치를 그래픽 화상(115)의 이동 속도 및/또는 형상 변화와 상호 관련시킴으로써 그래픽 환경(110) 내에서 그래픽 화상(115)의 위치, 배향, 형상 및/또는 다른 특성을 제어한다. 전체의 사용자 객체(130)가 사용자에 의해 조작될 수 있거나 사용자 객체(130)의 일부가 사용자 객체(130)의 또 다른 부분에 대해 조작될 수 있다. 예컨대, 사용자 객체는 조이스틱, 마우스, 마우스 하우징, 스타일러스, 놉, 긴 강성 또는 가요성 부재, 기계식 글러브 등의 사용자의 하나 이상의 손에 의해 결합되는 표면일 수 있으며 1 내지 6 자유도로 이동 가능할 수 있다.
선택적으로, 촉각형 피드백은 가상 현실 환경의 사실성을 증가시키도록 사용자에게 제공될 수 있다. 예컨대, 그래픽 객체(120)와 그래픽 화상(115)의 상호 작용과 같은 소정의 이벤트가 그래픽 환경(110) 내에서 발생될 때, 제어기(125)는 작동기(135)가 사용자에게 촉감을 출력하게 할 수 있다. 도시된 버전에서, 작동기(135)는 그를 통해 촉감이 사용자에게 제공되는 사용자 객체(130)로 촉감을 출력한다. 작동기(135) 및 사용자 객체(130)는 촉각형 인터페이스 장치(140)의 일부일 수 있다. 작동기(135)는 사용자 객체(130)로 또는 사용자 객체의 일부로 힘을 가하도록 촉각형 인터페이스 장치(140) 내에 위치될 수 있다.
작동기(135)는 능동적으로 또는 수동적으로 촉감을 제공할 수 있다. 예컨대, 작동기(135)는 1 이상의 자유도로 사용자 또는 사용자 객체(130)에 힘을 가하도록 사용자 객체(130)에 결합된 하나 이상의 모터를 포함할 수 있다. 또한, 작동기(135)는 1 이상의 자유도로 사용자 또는 사용자 객체(130)의 이동을 억제하도록 사용자 객체에 결합된 하나 이상의 제동기구를 포함할 수 있다. 촉감은 사용자의 접촉감과 관련되는 사용자에게 제공된 어떤 감각을 의미한다. 예컨대, 촉감은 운동 감각 힘 피드백(kinesthetic force feedback) 및/또는 촉각 피드백을 포함할 수 있다. 운동 감각 힘 피드백은 사용자에게 가해진 접지된 힘 등의 그래픽 환경(110)에서 경험될 수 있는 힘을 시뮬레이션하기 위해 사용자에게 가해지거나, 또는 그래픽 화상(115)의 적어도 일부에 의해 경험되는 힘을 시뮬레이션하기 위해 사용자 객체(130)에 가해진 임의의 능동성 또는 수동성 힘을 의미한다. 예컨대, 그래픽 화상(115)이 표면, 장벽 또는 장애물에 대해 위치되면, 작동기(135)는 사용자 객체(130)에 대해 힘을 출력하여, 장벽 또는 장애물의 방향으로 사용자 또는 사용자 객체(130)의 이동을 방지하거나 후퇴시킬 수 있다. 촉각 피드백은 그래픽 환경(110) 내에서의 소정 발생의 촉각 표시를 사용자에게 제공하도록 사용자에게 가해진 임의의 능동성 또는 수동성 힘을 의미한다. 예컨대, 진동, 클릭, 팝 등은 그래픽 화상(115)이 그래픽 객체(120)와 상호 작용할 때 사용자에게 출력될 수 있다. 또한, 촉각 피드백은 운동 감각 힘의 일루전을 근사화하거나 제공하도록 가해진 촉감을 포함할 수 있다. 예컨대, 가해진 진동의 주파수 및/또는 진폭을 변화시킴으로써, 상이한 그래픽 객체의 표면 조직의 변화가 시뮬레이션 되거나, 그래픽 화상이 객체를 관통할 때 일련의 클릭을 제공함으로써, 관통에 대한 저항이 시뮬레이션될 수 있다. 예컨대, 하나의 버전에서, 스프링력 등의 운동 감각 힘은 그래픽 화상(115)이 선택적으로 변형 가능한 표면을 시뮬레이션하도록 그래픽 객체(120)에 결합될 때마다 사용자에게 가해질 수 있다. 또한, 팝 등의 촉각은 그래픽 화상(115)이 그래픽 객체(120)의 조직을 시뮬레이션하도록 그래픽 객체(120)의 표면을 가로질러 이동될 때 사용자에게 가해질 수 있다.
제어기(125)는 도2에 도시된 컴퓨터 등의 컴퓨터(150) 등일 수 있다. 하나의 버전에서, 컴퓨터(150)는 프로세서를 포함할 수 있고 프로그램 코드를 실행할 수 있다. 예컨대, 컴퓨터는 PC 호환 컴퓨터 또는 맥킨토시 퍼스널 컴퓨터, 또는 선 또는 실리콘 그래픽 워크스테이션 등의 퍼스널 컴퓨터 또는 워크스테이션일 수 있다. 컴퓨터(150)는 상표명 윈도우즈, MacOS, 유닉스 또는 MS-DOS 작동 시스템 등 하에서 작동 가능할 수 있다. 또한, 컴퓨터(150)는 닌텐도, 세가 또는 소니로부터 구매 가능한 시스템 등의 텔레비전 셋 또는 다른 표시 장치에 흔히 연결된 다양한 홈 비디오게임 콘솔 시스템들 중 하나일 수 있다. 다른 실시예에서, 컴퓨터(150)는 예컨대 사용자에게 상호 작용 텔레비전 기능을 제공하는 데 사용되는 "셋 톱 박스" 또는 인터넷 및 월드 와이드 웹에 사용되는 표준 접속 부호 및 프로토콜을 사용하여 사용자가 로컬 또는 글로벌 네트웍으로 상호 작용하게 하는 "네트웍-" 또는 "인터넷-컴퓨터"일 수 있다. 컴퓨터(150)는 호스트 마이크로프로세서, RAM(random access memory), ROM(read only memory), 입/출력(I/O) 회로 및/또는 당업자에게 주지된 컴퓨터의 다른 구성 요소를 포함할 수 있다. 컴퓨터(150)는 사용자가 촉각형 인터페이스 장치(140) 및/또는 사용자 객체(130) 등의 주변 장치를 통해 상호 작용하는 응용 프로그램을 이용할 수 있다. 예컨대, 응용 프로그램은 의료 시술 시뮬레이션 프로그램, 게임, CAD(computer aided design) 또는 다른 그래픽 설계 프로그램, OS, 워드 프로세서 또는 스프레드시트, 예컨대 HTML 또는 VRML 명령어를 이용하는 웹 페이지 또는 브라우저, 과학 분석 프로그램, 또는 촉각 피드백을 이용하거나 이용하지 않는 다른 응용 프로그램 등의 시뮬레이션 프로그램일 수 있다. 여기에서, 단순화를 위해, 상표명 윈도우즈, MS-DOS, MacOS, 리눅스, Be 등의 OS도 "응용 프로그램"이라고 말한다. 응용 프로그램은 사용자가 프로그램에 정보를 입력하게 하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI: graphic user interface) 등의 상호 작용 그래픽 환경을 포함할 수 있다. 일반적으로, 응용 프로그램은 표시 스크린(155) 상에 표시될 화상을 제공하고/제공하거나 청각 신호등의 다른 피드백을 출력한다. 컴퓨터(150)는 그래픽 사용자 인터페이스, 게임, 전술된 바와 같은 시뮬레이션 또는 다른 시각 환경일 수 있는 그래픽 환경(110)을 발생시킬 수 있다. 컴퓨터(150)는 물리적 객체가 아니라 당업자에게 주지된 바와 같이 표시 스크린(155) 상에 컴퓨터에 의해 화상으로서 표시될 수 있는 데이터 및/또는 순서의 논리적 소프트웨어 유닛 집합체인 그래픽 표시 및 그래픽 화상 또는 "컴퓨터 객체" 등의 그래픽 객체(120)를 표시한다. 응용 프로그램은 사용자 객체(130)의 전자 장치 및 센서로부터 수용된 입력 신호를 검사하며, 작동기(135)를 위해 촉각형 출력으로 변환되도록 힘 수치 및/또는 명령을 출력한다. 이러한 시뮬레이션 소프트웨어와 컴퓨터 입/출력(I/O) 장치를 인터페이스로 연결하는 적절한 소프트웨어 드라이버가 미국 캘리포니아주 산호세에 소재한 임머숀 코퍼레이션(Immersion Corporation)으로부터 구매 가능하다. 표시 스크린(155)은 컴퓨터 내에 포함될 수 있고 표준 표시 스크린(LCD, CRT, 평탄 패널 등), 3D 고글 또는 임의의 다른 시각 출력 장치일 수 있다.
컴퓨터 인터페이스 시스템(100)의 하나의 버전에서, 사용자 객체(130)는 복강경 외과 수술(laparoscopic surgery)에 사용된 외과 수술 기구 등의 실제 또는 모조 기구(160)의 적어도 일부의 핸들을 포함한다. 도2에 도시된 버전에서 기구(160)는 제1 파지부(165) 및 제2 파지부(170)를 갖는 핸들을 포함한다. 제1 파지부(165) 및 제2 파지부(170)는 피봇부(175)에 대해 상대적으로 피봇 가능하다. 핸들의 조작은 사용자 객체(130)에서, 그 상에서 또는 그와 통신하여 하나 이상의 센서에 의해 검출될 수 있다. 검출된 조작을 표시하는 신호가 그래픽 화상(115)의 위치, 배향 및/또는 형상을 제어하도록 선택적으로 센서 인터페이스(180)를 통해 컴퓨터(150)로 제공된다. 예컨대, 센서는 미국 특허 제5,623,582호, 미국 특허 제5,821,920호, 미국 특허 제5,731,804호, 및 미국 특허 제5,828,197호에 개시된 바와 같이 그래픽 화상(115)의 표시된 위치를 제어하도록 1 내지 6 이상의 자유도로 기구(160)의 긴 부분(185)의 운동 또는 위치를 검출할 수 있으며, 그 각각은 전체적으로 참조로 여기에 포함되어 있다. 또한, 하나 이상의 센서가 예컨대 피봇부(175)에 대한 회전량을 감지함으로써 제2 파지부(170)에 대한 제1 파지부(165)의 조작을 검출하도록 위치될 수 있다. 다음에, 감지된 피봇 작용은 표시된 그래픽 화상(115)의 형상을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 도시된 버전에서, 제2 파지부(170)에 대해 제1 파지부(165)를 피봇하는 것은 그래픽 화상(115)의 말단부 상에서의 죠오(jaw)(190)의 개폐를 가져온다. 이러한 방식으로, 사용자는 그래픽 화상(115)이 그래픽 객체(120)를 파지하게 하거나 그렇지 않으면 그에 결합되게 하도록 기구(160)를 조작할 수 있다.
사용 중, 사용자는 그래픽 환경(110)과 상호 작용하도록 기구(160)에 접촉된다. 도2에 도시된 버전에서, 사용자는 제1 파지부(165) 및 제2 파지부(170)를 포함하는 핸들을 파지하고 파지부의 회전을 일으킴으로써 그리고 선택적으로 추가 자유도로 기구(160)를 조작함으로써 기구(160)를 조작한다. 예컨대, 사용자는 그래픽 화상(115)이 그래픽 객체(120)에 접촉되는 것처럼 보이게 하도록 기구(160)가 그 좌측으로 그리고 하향으로 이동되게 할 수 있다. 추가로, 사용자는 그래픽 죠오(190)가 그래픽 객체(120)를 파지하는 것으로 보이게 하도록 파지부를 회전시킬 수 있다.
그래픽 환경 대화의 사실성은 사용자와 그래픽 환경(110)의 상호 작용 중 사용자에게 하나 이상의 촉감을 제공하도록 된 작동기(135)를 제공함으로써 증가될 수 있다. 작동기는 사용자에게 직접적으로 촉감을 제공할 수 있거나 예컨대 기구(160)를 통해 사용자에게 힘을 가함으로써 사용자 객체를 통해 사용자에게 촉감을 가할 수 있다. 이는 사용자가 그래픽 객체(120)에 접촉되는 그래픽 화상(115)을 가시화하게 할뿐만 아니라 객체가 접촉된 사용자의 접촉감을 통한 지시를 수용하게 하여, 더욱 몰입성 경험을 제공한다. 하나의 버전에서, 작동기(135)는 제1 파지부(165) 및/또는 제2 파지부(170)로 촉감을 제공하여 파지부의 상대 회전과 관련된 파지력을 시뮬레이션하도록 위치될 수 있다. 파지력을 시뮬레이션하는 사용자에게 촉감을 제공함으로써, 그래픽 객체(120)와의 실제 상호 작용의 사용자의 수용은 향상되는 것으로 밝혀졌다. 예컨대, 촉감은 객체의 실제 파지를 시뮬레이션하도록 그래픽 객체(120)를 파지하는 그래픽 죠오(190)와 대등하게 파지부에 제공될 수 있다. 따라서, 도2의 버전에서, 컴퓨터(150)는 손바닥 가압 기구가 작동되게 하도록 선택적으로 작동기 인터페이스(195)를 통해 신호를 제공함으로써 기구(16)로의 촉감의 출력을 제어한다.
촉각형 인터페이스(140)의 하나의 버전이 도3에 도시되어 있다. 하나 이상의 각도 센서(200)는 피봇부(175)에 대한 각 회전을 검출하도록 위치될 수 있다. 비교적 간단한 버전에서, 단일의 디지털 또는 아날로그 센서가 파지부의 개방 상태 또는 폐쇄 상태를 검출하며, 그에 따라 컴퓨터(150)는 개방된 것으로 또는 폐쇄된 것으로 또는 그래픽 환경(110) 내에서 객체를 파지하는 것으로 그래픽 죠오(190)를 표시한다. 또 다른 버전에서, 각도 센서(200)는 그래픽 죠오(190)의 표시가 제어될 수 있는 가변 신호를 제공하는 센서를 포함할 수 있다. 조인트 각도 센서는 하나 이상의 광학, 전기 또는 자성 엔코더, 스테인 게이지, 광섬유 센서, 전위차계 등을 포함할 수 있다. 작동기(135)는 제1 파지부(165) 및 제2 파지부(17)를 떨어지도록 가압하고/가압하거나 함께 당기도록 위치될 수 있다.
촉각형 인터페이스(140)의 접지되지 않은 버전이 도4에 도시되어 있다. 이러한 버전에서, 작동기(135)는 제2 파지부(170) 내에 또는 그 상에 수납된다. 작동기는 제2 파지부(170)를 향해 또는 그로부터 떨어지게 제1 파지부(165)를 작동시킬 수 있다. 이러한 버전으로, 기구(160)는 파지부의 회전과 관련된 촉감을 제공하기 위해 접지될 필요가 없다.
작동기(135)는 예컨대 도5의 버전에 도시된 바와 같이 로터리 모터(135a)를 포함할 수 있다. 이러한 버전에서, 제1 파지부(165)는 연장부(205)를 포함하며, 제2 파지부(170)는 연장부(215)를 포함한다. 연장부(205, 215)는 도5에 도시된 바와 같이 서로 중첩된다. 제2 파지부(170)의 연장부(215)는 로터리 모터 작동기(135a)를 수용하고 제2 파지부(170)로 모터(135a)를 접지하는 리세스 형성부(220)를 포함한다. 모터(135a)는 그로부터 연장된 샤프트(225)를 회전시킬 수 있다. 샤프트(225)는 제1 파지부 연장부(205) 내의 리세스 형성부(210) 내로 연장된다. 케이블(230)은 예컨대 연장부(205)의 리세스 형성부(210)의 벽에 고정됨으로써 제1 파지부(165)에 고정된다. 케이블(230)의 타단부는 예컨대 샤프트(225) 내의 관통 보어(235) 내에서 고정됨으로써 회전 가능한 샤프트(225)에 고정된다. 화살표 방향으로의 샤프트(225)의 회전은 케이블(230)이 샤프트(225)를 둘러싸게 하고 제2 파지부(170)를 향해 제1 파지부(165)를 당긴다. 따라서, 모터(135a)의 작동은 파지력이 기구(160)에 가해지게 할 수 있다. 이러한 파지력은 그래픽 환경 내의 상호 작용과 관련된 촉감일 수 있다. 추가예 또는 대체예에서, 파지력은 사용자가 인터페이스 장치(165)로 가하는 힘을 증가, 증폭 또는 감소시키는 데 사용될 수 있다. 선택적으로, 개방 위치를 향해 파지부를 편의시키는 스프링(240)이 작동기(135a)에 의해 발생된 파지력에 대해 작용하는 데 사용될 수 있다.
대체예에서, 로터리 모터 작동기(135a)는 도6에 도시된 바와 같이 파지부의 폐쇄에 대항하는 힘을 발생시키는 데 사용된다. 도6의 버전에서, 케이블(230)은 제1 파지부(165)의 연장부(205)에서 리세스(210)의 대향측에 고정된다. 이와 같이, 샤프트(225)가 도6의 화살표 방향으로 회전됨에 따라, 제1 파지부(165) 및 제2 파지부(170)는 떨어지도록 가압된다. 이렇게 발생된 힘은 촉감에 사용될 수도 있다. 예컨대, 그래픽 죠오(190)가 그래픽 객체(120)에 접촉될 때, 힘이 사용자에게 출력되어, 표시 활동과 관련하여 파지부의 폐쇄를 방지 또는 저지할 수 있다. 또한, 가해진 힘은 전술된 바와 같이 사용자에 의해 가해진 힘을 증가, 증폭 또는 감소시키는 데 사용될 수 있다. 도6의 버전에서, 스프링(240)은 서로를 향해 파지부를 편의시키도록 선택적으로 제공된다.
촉각형 인터페이스(140)의 또 다른 버전이 도7에 도시되어 있다. 이러한 버전에서, 로터리 모터 작동기(135a) 및 회전 가능한 샤프트(225)는 파지부로 폐쇄력 또는 개방력을 능동적으로 가할 수 있다. 도7의 버전에서, 회전 가능한 샤프트(225)는 캡스턴 형태의 장치로서 사용된다. 케이블(230)의 일단부는 리세스(210)의 일측에 고정되며, 케이블(230)의 타단부는 리세스(210)의 타측에 고정된다. 케이블은 회전 가능한 샤프트(225) 주위에 둘러싸이고 관통 보어(235)를 통해 연장된다. 이와 같이, 일방향으로의 회전 가능한 샤프트(225)의 회전은 개방력이 파지부로 가해지게 하며, 타방향으로의 회전은 폐쇄력이 파지부로 가해지게 한다.
도8은 도7의 버전과 유사한 버전이지만 테이퍼가 형성된 회전 가능한 샤프트를 구비하고 있다. 테이퍼가 형성된 회전 가능한 샤프트(225)는 파지부들 사이의 상당한 범위의 운동을 가능하게 한다. 테이퍼는 리세스(210) 내에서의 샤프트의 이동 범위에 걸쳐 샤프트 상의 케이블의 권취량이 샤프트로부터 배출된 케이블의 크기와 실질적으로 동일하게 한다. 이러한 방식으로, 백래쉬를 감소시키고 샤프트 상에서의 케이블의 밀착을 유지하는 케이블 내의 느슨한 정도가 감소된다. 하나의 버전에서, 테이퍼가 형성된 샤프트(225)는 원추형으로 성형된다. 특히, 유용한 버전에서, 원추형 샤프트(225)의 양측면은 그 연장부가 실질적으로 피봇부(175)에서 교차하는 양측면을 가져오도록 성형된다. 또 다른 버전에서, 샤프트는 계단형일 수 있다.
도9 및 도10은 도8의 촉각형 인터페이스 장치(140)의 상부 및 측면 사시도이다. 도11은 모터(135a)를 덮는 커버(250)를 구비한 도8의 촉각형 인터페이스 장치(140)를 도시하고 있다.
도12는 실제의 외과 수술 기구가 인터페이스 장치(140)인 버전이다. 도시된 버전의 복강경 수술 기구인 외과 수술 기구는 핸들의 조작에 의해 제어 가능한 말단부를 포함할 수 있다. 예컨대, 말단부는 핸들의 파지부(165, 170)를 개폐함으로써 개폐될 수 있는 죠오(190a)를 포함할 수 있다. 외과 수술 기구 핸들은 개폐되도록 파지부를 가압하는 전술된 작동 기구들 중 하나 등의 작동기(135)도 포함할 수 있다. 작동기(135)는 힘을 가할 때 사용자를 돕는 데 사용될 수 있거나, 사용자가 파지부에 가하는 힘을 감소시키는 데 사용될 수 있거나, 사용자에게 촉감을 가하는 데 사용될 수 있다. 하나의 버전에서, 센서(260)는 외과 수술 기구의 말단부에서 소정 상태를 검출하도록 제공된다. 예컨대, 압력 또는 힘 센서는 하나 이상의 죠오(190a)로 가해진 압력 또는 힘을 검출하도록 위치될 수 있다. 검출된 상태는 별도의 제어기일 수 있거나 외과 수술 기구 상의 제어기 또는 논리부일 수 있는 제어기로 제공될 수 있다. 다음에, 제어기는 감지된 상태와 관련하여 작동기(135)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 기계적 연결 장치는 죠오가 객체와 상호 작용하도록 사용자와 통신할 정도로 충분하지 않다. 이와 같이, 센서는 소정 상호 작용을 검출할 정도로 충분히 민감할 수도 있고, 제어기는 상호 작용을 지시하도록 촉각형 응답이 사용자에게 가해지게 할 수 있다. 추가의 상호 작용이 전체가 참조로서 본원에 합체된 2001년 3월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/811,358호에서 논의되었다.
본 발명은 여러 개의 양호한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 그 변경, 치환 및 등가물이 명세서를 읽고 도면을 조사하면 당업자에게 명백해질 것이다. 예컨대, 시뮬레이션 시스템에 사용될 때, 전술된 것 이외의 복강경 수술 기술이 시뮬레이션될 수 있다. 예컨대, 다른 기술은 모두가 전체적으로 참조로서 본원에 포함되어 있는 이하의 미국 특허 즉 미국 특허 제5,735,874호, 제5,514,156호, 제5,163,945호, 제5,980,510호, 제5,632,432호, 제6,168,605호, 제5,258,004호, 제5,307,976호, 제5447,513호, 제5,681,324호, 제6,090,120호 및 제5,864,254호에 개시되어 있다. 또한, 시뮬레이션은 복강경 시술 이외의 외과 수술 분야를 포함할 수 있다. 또한, 인터페이스 장치는 비외과 수술 시뮬레이션에 사용될 수 있다. 예컨대, 응용 프로그램은 시어 인터페이스(shear interface)에 민감할 수 있고 로즈 부시(rose bush)를 정확하게 절단하는 방법에 대한 지령 프로그램 코드를 포함할 수 있거나 또는 게임 환경이 피봇식 파지 촉각형 피드백을 사용할 수 있다. 또한, 개시된 가압 기구는 임의의 환경에서 상대 피봇부에 힘을 인가하도록 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 파지부와, 피봇 지점에서 제1 파지부에 피봇 가능하게 결합되는 제2 파지부를 갖는 핸들과,
    긴 기계적 링크 장치를 통해 상기 핸들에 연결되며, 상기 핸들의 조작에 의해 제어 가능한 말단부와,
    상기 제1 파지부 및 제2 파지부 중 적어도 하나에 결합되고, 사용자에게 촉각 효과를 제공하도록 구성된 작동기를 포함하며,
    상기 촉각 효과는 제1 파지부 및 제2 파지부 중 적어도 하나에 인가되는 피봇 지점에 대한 힘을 포함하는, 수술 도구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 말단부에 결합되고, 상기 말단부에서의 상황을 감지하는 적어도 하나의 센서와,
    상기 센서에 전기적으로 결합되고, 상기 작동기에 전기적으로 결합되는 제어기를 더 포함하고,
    상기 촉각 효과가 감지된 상황에 대한 피드백이 되도록 상기 제어기는 작동기의 동작을 제어하는, 수술 도구.
  3. 제2항에 있어서, 상기 센서는 대응 죠오에 부착되어 이에 인가되는 힘 또는 압력을 감지하는 힘 센서 및 압력 센서 중 하나인, 수술 도구.
  4. 제2항에 있어서, 상기 촉각 효과는 운동 감각 피드백 또는 진동 촉각 피드백 중 적어도 하나를 포함하는, 수술 도구.
  5. 제1항에 있어서, 상기 말단부는 상기 핸들의 조작에 의해 개방되거나 폐쇄될 수 있는 대응 죠오를 포함하는, 수술 도구.
  6. 제1항에 있어서, 피봇 지점에 대한 힘은 개방 위치로 제1 파지부 및 제2 파지부를 떨어져 이동시켜 사용자가 제1 파지부 및 제2 파지부에 인가하는 힘을 감소시키는, 수술 도구.
  7. 제1항에 있어서, 피봇 지점에 대한 힘은 폐쇄 위치로 제1 파지부 및 제2 파지부를 함께 이동시켜 제1 파지부 및 제2 파지부로 힘을 인가함에 있어 사용자를 돕는, 수술 도구.
  8. 제1항에 있어서, 상기 작동기는 제1 파지부 및 제2 파지부 모두에 결합되는, 수술 도구.
  9. 제8항에 있어서, 상기 작동기는 로터리 모터를 포함하는, 수술 도구.
  10. 제1항에 있어서, 상기 작동기는 제동 기구를 포함하는, 수술 도구.
  11. 수술 도구이며,
    긴 기계적 링크 장치를 통해 핸들에 연결되고 상기 핸들의 조작에 의해 제어 가능하며, 상기 핸들은 제1 파지부와, 피봇 지점에서 제1 파지부에 피봇 가능하게 결합되는 제2 파지부를 갖는, 말단부와,
    상기 말단부에 결합되고, 상기 말단부에서의 상황을 감지하는 적어도 하나의 센서와,
    상기 제1 파지부 및 제2 파지부 중 적어도 하나에 결합되고, 상기 제1 파지부 및 제2 파지부 중 적어도 하나에 촉각 효과를 제공하도록 구성된 작동기와,
    상기 센서에 전기적으로 결합되고, 상기 작동기에 전기적으로 결합되는 제어기를 포함하고,
    상기 촉각 효과가 감지된 상황에 대한 피드백이 되도록 상기 제어기는 작동기의 동작을 제어하는, 수술 도구.
  12. 제11항에 있어서, 상기 센서는 대응 죠오에 부착되어 이에 인가되는 힘 또는 압력을 감지하는 힘 센서 및 압력 센서 중 하나인, 수술 도구.
  13. 제11항에 있어서, 상기 촉각 효과는 운동 감각 피드백 또는 진동 촉각 피드백 중 적어도 하나를 포함하는, 수술 도구.
  14. 제11항에 있어서, 상기 말단부는 상기 핸들의 조작에 의해 개방되거나 폐쇄될 수 있는 대응 죠오를 포함하는, 수술 도구.
  15. 제11항에 있어서, 상기 작동기는 제1 파지부 및 제2 파지부 모두에 결합되는, 수술 도구.
  16. 제11항에 있어서, 상기 작동기는 로터리 모터를 포함하는, 수술 도구.
  17. 제11항에 있어서, 상기 작동기는 제동 기구를 포함하는, 수술 도구.
  18. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 상기 수술 도구에 위치되는, 수술 도구.
  19. 제11항에 있어서, 상기 작동기는 개방 위치로 제1 파지부 및 제2 파지부를 떨어져 이동시키는 피봇 지점에 대한 힘을 인가하도록 구성되는, 수술 도구.
  20. 제11항에 있어서, 상기 작동기는 폐쇄 위치로 제1 파지부 및 제2 파지부를 함께 이동시키는 피봇 지점에 대한 힘을 인가하도록 구성되는, 수술 도구.
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