KR101342917B1 - 수술 기구에 관한 힘과 토크를 감지하는 방법 - Google Patents

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Abstract

힘과 토크를 감지하고 원격로봇 수술을 시행하는 외과의사에게 이를 피드백하는 개량된 장치, 시스템, 및 방법이 제공된다. 축방향으로 배향된 스트레인 게이지의 그룹들이 수술 기구의 말단 팁에서의 힘과 토크를 감지하도록 로봇 수술 기구의 운동가능 손목부에 인접한 수술 기구 샤프트의 말단부에 배치되어있다. 바람직하게는, 팁 구성의 변경 및 정상 상태에서의 온도 변화로 인한 에러가 제거된다. 다른 바람직한 구성 및 방법이 개시된다.
Figure 112008048423665-pct00011
로봇 수술 시스템, 수술 조작장치, 스트레인 게이지, 손목부 조인트, 수술 기구

Description

수술 기구에 관한 힘과 토크를 감지하는 방법{FORCE AND TORQUE SENSING FOR SURGICAL INSTRUMENTS}
본 발명은 대체로 수술 로봇 시스템에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 수술 기구에 가해진 힘을 감지하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
로봇 보조식 수술(robotically-assisted surgery)에 있어서, 통상적으로 외과의사는 마스터 컨트롤러(master controller)를 작동시켜 환자로부터 멀리 떨어진 위치(예를 들면, 수술실 건너편이나, 다른 방 또는 완전히 다른 건물)로부터 수술 부위에 있는 수술 기구의 움직임을 제어한다. 상기 마스터 컨트롤러는 대체로 소형 손목 짐벌(handheld wrist gimbal), 조이스틱, 외골격식 글러브(exoskeletal glove), 핸드피스(handpiece) 등과 같은 하나 이상의 수동 입력 장치들을 포함하고 있고, 이 수동 입력 장치는 컨트롤러를 통하여 수술 기구와 수술 부위에서의 수술 기구의 위치 및 방향을 유기적으로 통합하는 서보 모터에 의해 작동가능하게 연결되어있다. 상기 서보 모터는 대체로 개방된 수술 부위로 직접 도입되거나 환자의 복강(abdomen)과 같은 체강 속으로 절개부를 통하여 삽입된 투관침 슬리브(trocar sleeve)를 통해 도입되는 수술 기구를 지지하고 컨트롤하기 위해 서로 연결되어있는 복수의 조인트, 링크 장치 등을 포함하고 있는 전기기계적인 장치 즉 수술 조작 장치 암(종속장치)의 일부분이다. 수술 과정에 따라서, 다양한 기능, 예를 들면, 조직을 수축시키는(retracting tissue) 기능, 바늘을 집어들거나 꽂는 기능, 봉합하는 기능, 혈관을 움켜잡는(grasping) 기능, 또는 조직을 절개하거나(dissecting), 소작하거나(cauterizing) 응고시키는(coagulating) 기능을 수행하기 위해, 티슈 그래스퍼(tissue grasper), 니들 드라이버(needle driver), 전기수술용 소작 프로브 등과 같은 다양한 수술 기구를 이용할 수 있다. 수술 과정 동안 외과의사는 많은 수의 상이한 수술 기구/도구들을 사용할 수 있다.
원격 조작을 통하여 원격로봇 수술을 실행하는 이러한 새로운 방법은 많은 새로운 문제를 발생시켰다. 이러한 문제 중의 하나는 외과의사에게 로봇 조작장치를 통하여 수술 기구에 의해 조작되는 조직을 정확하게 감지하는 능력을 제공하는 것이다. 외과의사는 수술 기구나 봉합사(suture)에 의해 가해진 힘의 시각적인 표시에 의존해야 한다. 시스템 수동 제어장치를 통하거나 시각적인 표시나 청각적인 음조(tone)와 같은 다른 수단에 의해 외과의사 사용자에게 힘과 토크를 피드백하기 위해, 로봇 내시경 수술 기구의 엔드 이펙터(end effector)(예를 들면, 조(jaw), 그래스퍼(grasper), 블레이드(blade) 등)와 같은 수술 기구의 팁에 가해진 힘과 토크를 감지하는 것이 바람직하다. 독일 우주항공 센터(DLR)의 G. Hirzinger의 연구소로에 의해 제공된 이러한 목적의 한 장치가 의료용 로봇 및 컴퓨터 보조 수술의 국제 저널(Int'l Journal of Medica1 Robtics and Computer Assisted Surgery), 제1권, 제1판, 58페이지에 에프 세폴리나(F. Cepolina)와 알 씨 미쎌리니(R. C. Michelini)에 의해 발표된 논문인 "저-침투성 수술을 위한 장치의 연구(Review of Fixtures for Low-Invasiveness Surgery)"에 개시되어있고, 이 내용이 사실상 이하에 참조로서 포함되어있다. 그러나, 상기 모델은 힘 센서를 손목부 조인트에 대해 먼 쪽(또는 손목부 조인트의 외측(outboard)에) 위치시키므로, 와이어 또는 광섬유를 굴성(flexing) 손목부 조인트 전체에 걸쳐서 설치할 필요가 있고 또한 요 축(yaw axis)과 그립 축(grip axis)이 별개의 피벗 축 상에 있을 것을 요한다는 점에서 바람직하지 못하다.
다른 문제점은 통상적으로 수술을 수행하는 데는 비교적 작은 수술 기구가 바람직하기 때문에 엔드 이펙터의 기계적인 작동을 위해 필요한 와이어를 가능한 한 작은 공간에 설치하고 위치결정시키는 것이다.
따라서, 환자의 수술 부위에 있는 수술 기구를 원격 제어하기 위한 개량된 원격로봇 시스템 및 방법이 필요하다. 특히, 이러한 시스템 및 방법은 수술 기구의 사용자 인식도 및 제어성을 개선하기 위해서 외과의사에게 힘과 토크의 정확한 피드백을 제공하도록 구성되어야한다.
본 발명은 로봇 수술을 시행하는 외과의사에게 힘과 토크의 피드백을 제공하여 상기 외과의사가 이를 감지할 수 있게 하는 개량된 장치, 시스템, 및 방법을 제공한다. 수술 기구의 (가동 손목부(moveable wrist)를 갖춘 것과 같은) 팁의 구성의 변경 또는 정상 상태(steady state) 온도 변화로 인한 에러없이 수술 기구의 말단 팁에서의 힘과 토크를 감지하기 위해 축방향으로 배향된 스트레인 게이지의 그룹들이, 로봇 수술 기구의 가동 손목부에(또는 가동 손목부의 내측(inboard)에) 인접한 수술 기구 샤프트의 말단부상에 또는 그 말단부 근처에 위치되어있다.
바람직하게는, 본 발명은 외과의사에 의한 힘 및/또는 토크의 감지 및 외과의사에게로의 힘 및/또는 토크의 피드백을 개선하여, 수술 기구의 구부러지기 쉬운 손목부 조인트로 미세한 와이어들을 통과시키는 문제를 실질적으로 해소시킨다.
본 발명의 기술영역은 청구항에 의해 한정된다. 당업자가 하나 이상의 실시예의 아래의 상세한 설명을 고찰함으로써 본 발명의 여러 실시예를 보다 완전하게 이해할 수 있고 이들 실시예의 부가적인 장점도 알 수 있다. 먼저 첨부된 도면을 간단하게 설명한다.
도 1A는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 수술 시스템 및 방법의 사시도.
도 1B는 본 발명의 실시예에 따른 도 1A의 로봇 수술 시스템의 로봇 수술 암 카트 시스템의 사시도.
도 1C는 본 발명의 실시예에 따른 도 1A의 로봇 수술 시스템의 마스터 콘솔의 정면 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원격로봇 수술 시스템에 사용할 손목부, 그립 조, 및 힘 센서를 보여주는 수술 기구 말단부의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 가해진 힘을 보여주는 도 2의 수술 기구의 제1 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 가해진 힘을 보여주는 도 2의 수술 기구의 제1 측면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 가해진 토크를 보여주는 도 2의 수술 기구의 제2 평면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 가해진 토크를 보여주는 도 2의 수술 기구의 제2 측면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 손목부 메커니즘에 의해 가해진 하중 및 모멘트를 받는 수술 기구 샤프트 및 이에 인접한 손목부 U링크(clevis)의 자유물체도(FBD;free body diagram).
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 내장형 스트레인 게이지를 위한 그루브가 있는 수술 기구 샤프트의 도면.
도 9A~9C는 본 발명의 실시예에 따라 스트레인 게이지 와이어 또는 광섬유를 위한 스트레인 릴리프 및 서비스 루프(serivce loop)의 다른 구성배열을 나타낸 도면.
본 발명의 실시예 및 이들 실시예의 장점은 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 잘 이해될 수 있다. 유사한 도면부호가 하나 이상의 도면에서 유사한 요소를 나타내기 위해 사용된다. 또한 도면은 반드시 일정한 축척으로 도시되지 않을 수 있다.
본 발명은, 특히 개복 수술 과정, 정위법(stereotaxy)과 같은 신경외과수술 과정, 및 복강경검사(laparoscopy), 관절경 검사(arthroscopy), 흉강경검사(thoracoscopy) 등과 같은 내시경을 이용한 수술 과정을 포함하는 환자에 대한 수술 과정을 로봇을 이용하여 수행할 때 조직에 가해진 힘을 감지하는 다중 구성요소 시스템, 장치, 및 방법을 제공한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 특히 외과의사가 환자로부터 멀리 떨어진 위치에서 서보기구를 통하여 수술 기구를 조작할 수 있는 원격로봇 수술 시스템의 일부분으로서 사용하기에 유용하다. 이러한 목적을 위하여, 본 발명의 조작장치 즉 종속장치(slave)는 대체로 힘 반향성(force reflection)을 가진 원격현장감(telepresence) 시스템을 형성하도록 6 이상의 자유도(예를 들어, 위치에 대한 3 자유도와 방향에 대한 3 자유도)를 가지는 기구학적으로 동등한 마스터(kinematically-equivalent master)에 의해 구동될 것이다. 적절한 슬레이브-마스터 시스템(slave-master system)의 설명은 1995년 8월 21자로 제출된 미국특허출원 08/517,053호에서 찾을 수 있고, 이의 전체 내용이 사실상 참조로서 여기에 포함되어있다.
유사한 도면부호가 유사한 요소를 나타내는 여러 도면을 상세하게 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 로봇 수술 시스템(10)이 도시되어있다. 도 1A~1C에 도시된 바와 같이, 로봇 수술 시스템(10)은 일반적으로, 수술 테이블이나 수술 테이블의 근처에 장착된 하나 이상의 수술 조작장치 조립체(51), 및 외과의사(S)가 수술 부위를 관찰하고 조작장치 조립체(51)를 컨트롤할 수 있게 하는 마스터 컨트롤 조립체(90)를 포함하고 있다. 로봇 수술 시스템(10)은 또한 하나 이상의 검시경(viewing scope) 조립체와 수술 조작장치 조립체(51)에 탈착가능하게 결합되어있는 복수의 수술 기구 조립체(54)(아래에서 상세하게 설명됨)를 포함할 것이다. 로봇 수술 시스템(10)은 통상적으로 둘 이상의 조작장치 조립체(51), 바람직하게는 3 개의 조작장치 조립체(51)를 포함하고 있다. 수술 조작장치 조립체(51)의 정확한 개수는 다른 요소들 중에서도 수술 과정 및 수술실 내의 공간적인 제한에 좌우될 것이다. 아래에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 수술 조작장치 조립체(51) 중의 하나는 통상적으로 (예를 들어, 내시경검사 과정에서) 수술 부위를 관찰하는 검시경 조립체를 작동시키고, 다른 수술 조작장치 조립체(51)들은 환자(P)에 대하여 다양한 수술 과정을 수행하기 위한 수술 기구(54)를 작동시킬 것이다.
컨트롤 조립체(90)는 외과의사의 콘솔에 배치될 수 있고, 상기 외과의사의 콘솔은 외과의사가 자신의 보조자에게 지시하고 수술 과정을 직접 모니터할 수 있도록 통상적으로 수술 테이블(O)이 있는 방과 같은 방에 배치되어있다. 그러나, 외과의사(S)는 환자(P)가 있는 방과 다른 방 또는 완전히 다른 건물에 있을 수 있다는 것을 알아야 한다. 마스터 컨트롤 조립체(90)는 통상적으로 지지대, 외과의사(S)에게 수술 부위의 이미지를 보여주는 모니터, 그리고 수술 조작장치 조립체(51)를 컨트롤하기 위한 하나 이상의 마스터(s)를 포함하고 있다. 마스터(s)는 소형 손목 짐벌, 조이스틱, 글러브(glove), 트리거-건(trigger-gun), 수동식 컨트롤러(hand-operated controller), 음성 인식 장치 등과 같은 다양한 입력 장치들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 외과의사에게 원격현장감(telepresence) 즉 수술 부위에 바로 근접해 있고 몰두하고 있다는 인식(perception)과, 지각력(intuitiveness) 즉 외과의사가 수술 기구 조립체(54)를 자신의 손의 일부인 것처럼 직접 지각하면서 컨트롤하는 느낌을 강하게 가지도록 마스터(s)가 수술 기구 조립체(54)에 일체로 되어있다는 인식을 외과의사에게 심어주기 위해, 마스터(s)는 대응하는 수술 기구 조립체(54)와 동일한 정도의 자유도를 가질 것이다. 외과의사가 원격로봇 시스템을 작동시킬 때 위치감, 작용하는 힘, 및 촉감을 수술 기구로부터 다시 외과의사의 손으로 전달하기 위해서 위치 피드백 센서, 힘 피드백 센서, 및 촉감 피드백 센서(미도시)가 수술 기구 조립체(54)에 사용될 수도 있다. 오퍼레이터에게 원격현장감을 제공하는 한 적절한 시스템 및 방법이 1995년 8월 21일자로 제출된 미국특허출원 08/517,053호에 개시되어있고, 이는 사전에 참조로서 여기에 포함되어있다.
수술 부위의 이미지가 외과의사 콘솔 상에 있는 외과의사의 손에 인접하게 제공되도록 모니터(94)가 관측 검시경 조립체에 적절하게 연결된다. 바람직하게는, 모니터(94)는 외과의사가 실제로 수술 부위를 내려다보고 있다고 느끼도록 배향되어있는 디스플레이에 이미지를 표시할 것이다. 이러한 목적을 위해, 수술 기구(54)의 이미지는, 관찰 지점(즉, 내시경이나 검시 카메라)이 수술 기구의 이미지가 보이는 지점에 있지 않더라도 오퍼레이터의 손이 위치되어 있는 곳에 실질적으로 위치되어있는 것으로 보인다. 또한, 충분히 생생한 현장감(true presence)으로 워크스페이스(workspace)를 관찰하는 것처럼 오퍼레이터가 엔드 이펙터와 핸드 컨트롤을 조작할 수 있도록, 실시간 이미지는 입체 화상(stereo image)으로 변환되는 것이 바람직하다. 생생한 현장감이란 이미지의 표시가 수술 기구(54)를 실제로 조작하고 있는 오퍼레이터의 관점(viewpoint)을 시뮬레이팅하는 생생한 입체화상(true stereo image)으로 되는 것을 의미한다. 따라서, 컨트롤러(미도시)가 수술 기구(54)의 좌표를, 입체 화상이 카메라 또는 내시경이 수술 기구(54)의 바로 뒤에 위치되어있는 경우에 볼 수 있는 이미지가 되도록 하는 인식 위치(perceived position)로 변환한다. 이 가상 이미지를 제공하는 적절한 좌표 변환 시스템이 1994년 5월 5일에 제출된 미국특허출원 08/239,086호(현재, 미국특허 5,631,973호로 등록됨)에 설명되어있고, 이 전체 내용이 사실상 참조로서 여기에 포함된다.
마스터의 기계적인 움직임을 조작장치 조립체(51)에 전달하기 위하여 서보 컨트롤이 제공되어있다. 이 서보 컨트롤은 조작장치 조립체(51)와 분리되거나, 조작장치 조립체와 일체로 될 수 있다. 서보 컨트롤은 대체로 수술 기구(51)로부터 수동 마스터에 힘과 토크의 피드백을 제공할 것이다. 또한, 서보 컨트롤은, 인식된 바람직하지못한 상황(예를 들어, 환자에 가해지는 과도한 힘, 잘못된 인코더 판독, 등)에 응답하여 시스템 작동을 안전하게 멈추게 하거나 모든 로봇 동작을 적어도 제지하기 위해 안전 모니터링 컨트롤러(미도시)를 포함할 수 있다. 서보 컨트롤은 시스템이 외과의사의 빠른 손동작에 신속하고 정확하게 응답할 수 있고 바람직하지못한 외과의사의 손떨림을 걸러낼 수 있도록 적어도 10㎐의 3㏈ 차단주파수를 가진 서보 대역폭을 가지고 있는 것이 바람직하다. 이러한 시스템을 효과적으로 작동시키기 위해, 조작장치 조립체(51)는 비교적 낮은 관성을 가지고 있고, 구동 모터는 비교적 낮은 비율의 기어 커플링 또는 풀리 커플링을 가지고 있다. 임의 적절한 종래의 서보 컨트롤 또는 특정의 서보 컨트롤이 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있고, 여기에 힘 및 토크 피드백을 결합시키는 것이 시스템의 원격현장감 작동을 위해 특히 바람직하다.
이제 도 1A~1C에 관련하여 도 2~6을 참조하면, 힘과 토크를 감지하고 이를 외과의사에게 피드백하는 본 발명의 한 실시예에 따른 개량된 장치, 시스템, 및 방법을 설명한다.
도 2는 샤프트(110), 손목부 조인트(112 및 114), 및 수술 도구를 조작하거나 환자와 접촉하도록 사용될 수 있는 단부 부분(end portion)(120)을 포함하고 있는 수술 기구의 일부(100)의 사시도를 도시하고 있다. 수술 기구는 일 실시예에서, 살균 어댑터 인터페이스를 통해 로봇 조작장치 암과 작동가능하게 인터페이스하는 하우징(150)(도 9A~9C 참조)을 또한 포함하고 있다. 적절한 하우징, 살균 어댑터 인터페이스 및 조작장치 암이 모두 2005년 12월 20일자로 각각 출원된 미국특허출원 11/314,040호 및 미국가특허출원 60/752,755호에 개시되어있고, 이들의 (그 안에 참조로서 포함되는 모든 참조문헌들을 포함하는)전체 내용은 사실상 참조로서 여기에 포함된다. 적절한 샤프트, 단부 부분, 하우징, 살균 어댑터, 및 조작장치 암은 캘리포니아주 써니베일의 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드(Intuitive Surgical Inc.)사로부터 입수가능하다.
바람직한 구성으로서, 단부 부분(120)은 피치 동작(pitch motion)과 요 동작(yaw motion), z축을 중심으로 한 회전, 그리고 엔드 이펙터의 작동을 포함하는 운동 범위를 가지고 있고, 이들 동작은 조작장치 암(51)로부터의 동작 및 전기적 신호를 전달하는 샤프트(110)와 하우징(150)을 통과하는 케이블을 통하여 이루어진다. x, y, 및 z축을 따른 단부 부분(120)의 운동은 조작장치 암(51)에 의해 제공될 수 있다. 구동 조립체, 암, 포어암(forearm) 조립체, 어댑터, 및 다른 적절한 부품의 여러 실시형태는, 예를 들면 미국특허 6,331,181호, 6,491,701호 및 6,770,081호에 개시되어있고, 이 (그 안에 참조로서 포함된 설명들을 포함하는)전체 내용은 사실상 참조로서 여기에 포함된다.
본 발명에 따르면, 조, 가위, 그래스퍼, 바늘 홀더, 미세 해부기구(micro-dissector), 스테이플 어플라이어(staple applier), 태커(tacker), 흡입 세척 도구(suction irrigation tool), 클립 어플라이어, 컷팅 블레이드, 관주기(irrigator), 카테터, 및 흡입 오리피스와 같은, 엔드 이펙터를 가졌거나 가지지 않은 도구들을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는 다양한 수술 기구들이 개량될 수 있음을 알아야한다. 다르게는, 상기 수술 기구는 조직을 용해제거하거나(ablating), 절제하거나(resecting), 절개하거나(cutting) 응고시키기(coagulating) 위한 전기수술 프로브를 포함할 수도 있다. 이러한 수술 기구는 캘리포니아주 써니베일의 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드사로부터 구입가능하다.
본 발명의 실시예에 따라서, 수술 기구 부분(100)은 z축이라 하는 샤프트의 축에 평행하게 배향된, 샤프트(110)의 외부 면상에 장착된 센서(예를 들어, 스트레인 게이지)를 포함하고 있다. 샤프트와 직각인 두 개의 축을 x축과 y축이라 칭한다. 센서로부터의 신호들은, 수술 기구의 팁에 가해지는 세 개의 수직 힘(예를 들어, Fx, Fy, Fz)과 샤프트 축에 대해 직각인 두 개의 축(즉, x축과 y축)에 관한 토크(Tx, Ty)의 측정치를 얻기 위해 (이하에 보다 상세하게 설명될 바와 같이)여러 합과 차들로 수학적으로 결합된다. 본 발명에 따라, 힘의 측정은 수술 기구의 말단 부에서의 관절로 연결된 손목부 메커니즘의 배향 및 레버 암 유효 길이와 관계없이 이루어진다. 단부 부분(120)에 가해지는 힘은, 이 힘을 마스터(s)에 전송하기 위한 인터로게이터(질문기, 통신호출기) 또는 프로세서를 통해 서보 제어부에 작동가능하게 결합될 수 있는 힘 감지 요소에 의해 탐지된다.
일 실시예에서, 8개의 스트레인 게이지(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 및 108)가 샤프트의 외면에 또는 이 외면 근처의 얕은 깊이의 리세스 내에 장착되어 스트레인 데이터(ε1, ε2, ε3, ε3, ε4, ε5, ε6, ε7, 및 ε8)들을 각각 제공한다. 게이지의 기본 스트레인 감지 방향이 샤프트 길이방향 축(z축)에 평행하게 배향된다. 게이지들이 4개씩 두 그룹으로 장착되어있고, 이때 한 그룹의 4개 게이지가 축의 한 위치에서 샤프트의 원주 둘레로 90도씩 균등하게 이격되어있다(즉, 스트레인 게이지들의 두 개의 "링"을 형성한다). 4개(예를 들어, 게이지 101, 103, 105, 및 107)의 한 그룹이 가능한 한 샤프트(110)의 말단부에 가깝게, 손목부 메커니즘에 인접하여 장착된다. 4개(예를 들어, 게이지 102, 104, 106, 및 108)의 제2 그룹이 4개의 제1 그룹으로부터 (샤프트(110)의 기단부를 향한) 소정 거리(l)에서 장착되고, 두 그룹의 게이지 쌍들이 서로 정렬되도록(예를 들어, 게이지 101과 102, 103과 104, 105와 106, 및 107과 108이 각각 정렬되도록) 제1 그룹과 정렬된다.
z축 힘(Fz)은 EA/8의 인수를 곱한 8개의 게이지 출력들의 총합으로부터 구해지고, 여기에서 E는 축방향의 샤프트 재료 탄성 계수이고, A는 샤프트의 횡단면적 이다. 팁에서 또는 팁 부근에서 x축 및 y축을 따른 측력(lateral force)(Fx 및 Fy)은 샤프트의 각각 양측부상에 있는 한 쌍의 게이지 간의 게이지 출력 차들을 구한 다음, 샤프트를 따라 쌍을 이룬 상기 게이지 출력 차들 간의 차에 EI/2rl의 인수를 곱하여 구해지고, 여기에서 E는 축방향의 샤프트 재료 탄성 계수, I는 샤프트 부분의 관성 모멘트, r은 샤프트의 축으로부터 게이지 작동 평면까지의 반경이고, l은 4개 게이지의 두 그룹들 간의 거리이다. 이 힘들의 산출은 이하의 식들로부터 유도된다.
도 2에 관하여,
Figure 112008048423665-pct00001
Figure 112008048423665-pct00002
도 3 및 4에 관하여,
Figure 112008048423665-pct00003
Figure 112008048423665-pct00004
따라서,
Figure 112008048423665-pct00005
이와 같이 Fx와 Fy는 L에 대하여 불변하고 정상 상태에서의 온도에 대하여 불변한다.
바람직하게는, 본 발명은 수술 중에 손목부 배향 변경 또는 단부 부분의 파지(gripping) 위치 변경으로 인한 레버 암 유효 길이의 변화와 관계없이 수술 기구 팁에서의 힘을 측정하게 한다. 또한, x축 및 y축을 따라 측정된 힘은, 모든 게이지 상에서 열 평형(thermal equilibrium) 상태일 때의 온도 변화와 관계가 없다. 이는 Fx와 Fy에 관한 식에서 동등한 온도 교란(disturbance) 스트레인을 4개의 게이지 모두에 더하고 그 교란이 무효로 되는 것을 주목함으로써 알 수 있다. 게이지의 온도들이 동등하지 않은 동안의 열적 과도현상(thermal transient)은, 다른 측정법들이 이 열적 과도현상을 보상하도록 이루어질 수 있을지라도, 이 설계에 의해서는 보상되지 않는다.
수술 기구 팁에서 x축 및 y축에 대한 토크(Tx 및 Ty)의 크기는 샤프트 직경에 걸쳐 쌍을 이룬 게이지들 간의 차를 구한 다음, 샤프트 축을 따라 쌍을 이룬 사익 게이지 차들의 합에 EI/4r의 인수를 곱하여 구해지고, 여기에서 다시 한번 E는 축방향의 샤프트 재료 탄성 계수, I는 샤프트 부분의 관성 모멘트, r은 샤프트의 축으로부터 게이지 작동 평면까지의 반경이다. 따라서, 수술 기구 팁에 가해진 힘(Fx, Fy, Fz)과 토크(Tx 및 Ty)는 손목부 배향 또는, 예를 들어, 그래스퍼의 조 즉 조직 홀딩장치 내의 봉합 바늘과 같은 파지되는 도구의 위치로 인한 에러가 없으면서 측정된다. x축 및 y축에 대한 토크도 정상 상태에서의 온도와 관계가 없다. 토크의 산출은 이하의 식들로부터 유도된다.
도 2와 관련하여 도 5 및 6을 참조하면,
Figure 112008048423665-pct00006
Figure 112008048423665-pct00007
따라서,
Figure 112008048423665-pct00008
전술된 본 발명이 여러 구조의 수술 기구에 적용될 수 있지만, 일례에서, 이방성(anisotropic) 선형 섬유 강화 폴리머 튜브에 사용하기 위해 특히 구성될 수 있는데, 그 이유는 모든 게이지가 용이하게 특정되고 일정한 탄성 특성을 가진 상태로 축에 평행하게 배향되어있기 때문이다. 적절하게 특정된 직포 강화 튜브를 사용하여 유사한 이점들을 달성할 수 있고, 그 방법이 균일 탄성 특성의 튜브에 또한 적용될 수 있다.
일례에서, 종래방식의 포일(foil) 타입 저항 게이지, 반도체 게이지, 브래그 격자(Bragg gratting)나 패브리 페로(Fabry-Perot) 기술을 사용하는 광섬유 타입 게이지, 또는 스트레인 감지 표면 탄성파(SAW;surface acoustic wave) 장치와 같은 다른 기술을 이용하는 게이지들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 여러 스트레인 게이지들이 사용될 수 있다. 광섬유 브래그 격자(FBG) 게이지는 2개의 감지 요소가 소정 간격으로 한 파이버(fiber)를 따라 배치될 수 있으므로, 수술 기구 샤프트를 따라서 4개의 파이버만 설치하면 된다는 점에서 유리할 수 있다.
예로서, 본 발명을 제한하려는 의도를 전혀 가지지 않고, 위에서 말한 상업적으로 입수가능한 두 개의 파이버 스트레인 게이지 기술을 보다 상세하게 설명할 것이다.
제1 기술은, 먼저 하프 미러를 접합부(junction)에 형성하도록 두 파이버를 함께 퓨징한 다음 풀 미러를 형성하도록 파이버의 팁을 폴리싱함으로써 형성되는 패브리 페로 공동(cavity)을 채용한다. 하프 미러와 풀 미러 모두에서 반사를 일으키도록 파이버 내에 빛이 보내진다. 두 개의 반사가 두 미러 사이의 거리의 함수인 간섭 패턴을 발생시켜서, 파이버의 스트레인이 감지되게 한다. 이러한 패브리 페로 기술은 캐나다 퀘백의 FISO Technologies Inc.사로부터 상업적으로 입수가 능하고, 그에 관한 자세한 정보는 http://www.fiso.com에서 입수가능하다.
제2 기술은 UV 레이저로 파이버 내에 새겨지는 브래그 격자를 사용한다. 파이버 브래그 격자(FBG) 게이지는 파이버의 축을 따른 굴절률의 공간 주기성(spatial periodicity)을 가지고 있다. FBG로 들어가는 빛은 굴절률 변형 주기의 함수인 특정 파장(브래그 파장)에서 선택적으로 반사된다. 다른 파장들은 변하지않고 FBG를 통과한다. 스트레인을 측정하기 위해, 광대역 스펙트럼 IR광이 파이버에 보내지고, 그 반사 파장이 스트레인을 나타낸다. 이러한 FBG 기술은 영국 브랙넬의 Smart Fibres Ltd.사로부터 상업적으로 입수가능하고, 그 자세한 정보는 http://www.smartfibres.com에서 입수가능하다.
다른 범위의 파장들을 사용하는 전술된 바와 같은 방식으로 다수의 FBG가 형성되는 경우에, 그 다수의 FBG들이 한 파이버 내에 새겨질 수 있고, 이는 각각 두 FBG들이 소정의 거리만큼 이격된 상태로 4개의 파이버만이 수술 기구 샤프트 내에 끼워지는 것을 필요로 할 것인 이중 링의 스트레인 게이지 실시예에 특히 유용한 특성이다. 패브리 페로 기술을 사용하여 이중 링 배열의 스트레인 게이지를 실시하기 위해서는, 8개의 파이버를 필요로 할 것이다.
두 파이버 기술은 광학적으로 인코딩된 스트레인 정보를 로봇 수술 시스템의 컴퓨터 제어 하드웨어와 호환될 수 있는 전기 신호로 디코딩하는 인터로게이터 유닛을 필요로 한다. 그러면 스트레인 게이지/센서로부터의 신호에 관련하여 상기 네모 칸 안의 식들에 따라 힘을 산출하도록 프로세서가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 인터로게이터 유닛(170)(도 9A 참조)이 조작장치 상에, 또는 광섬유가 무 균 경계(sterile boundary)를 넘어 경로설정(routing)되는 것이 필요로 할 수 있는 수술 시스템의 다른 장소에 장착될 수 있다. 한 경우에, 수술 기구를 조작장치 상에 설치함으로써 자동으로 수술 기구와의 광 링크(optical link)를 형성하도록 조작장치를 갖춘 표준 수술 기구 인터페이스 내에 광 커플링이 결합될 수 있다. 바람직하게는, 이는 외부 케이블을 수술 기구에 달 필요를 없게 할 것이다. 제 2의 경우에, 파이버 피그테일이, 수술 기구 인터페이스의 부품이 아닌 조작장치상에 존재하는 커넥터와 접촉하기 위한 수술 기구의 최상부에서 종료할 수 있다. 이 두 경우에서, 인터로게이터가 조작장치 내에 설치될 수 있거나, 파이버 케이블이 조작장치를 통하여, 수술 시스템상에 장착된 또는 조작장치로부터 떨어진 수술실에서 장착된 인터로게이터에 이어질 수 있다. 제 3의 경우에, 파이버 피그테일은 조작장치로부터 떨어진 수술실에서 장착된 인터로게이터 유닛과 접촉하기위한 조작장치를 통과하지않으면서, 수술 기구의 최상부에서 종료할 수 있고, 수술 기구가 조작장치에 부착되거나 탈거될 때, 광 케이블의 접속이 필요하지않는 이점을 가지고 있다.
게이지 배향, 게이지의 수, 및 출력들의 다른 조합이 또한 본 발명의 기술범위 내에 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 두 링의 8개 게이지 배열구성을 유용하게 간이화하는 것은 게이지들의 한 링을 제거하는 것이다. 이러한 간이화는 소정의 축(예를 들어, x 또는 y) 상의 힘들과 모멘트들의 차이를 판별하는 능력을 없애나, 수술 환경의 여러 아이템들(예를 들어, 사람 조직, 봉합사)이 모멘트를 잘 지지하지 않아서, 모든 스트레인 정보가 x-축력 및 y-축력으로부터 유래한다 고 가정할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 90도씩 이격된 4개의 게이지 대신에 120도씩 이격된 3개의 게이지가 한 세트를 형성하도록 사용될 수도 있다. 따라서, 게이지들의 조합은 120도씩 이격된 3개 게이지의 단일 링, 각각 120도씩 이격된 3개 게이지들의 2개 링(즉, 총 6개의 게이지), 90도씩 이격된 4개 게이지의 단일 링, 및 각각 90도씩 이격된 4개 게이지들의 2개 링(즉, 총 8개의 게이지)을 포함할 수 있다. 단일 링 게이지 실시예는 프로브와 같은 손목부가 없는 도구에 유용할 수 있다. 게이지들은 또한 샤프트 축에 대한 부가의 토크 신호(Tz)의 회수를 허용하는 각도로 샤프트(110)의 표면상에서 배향될 수도 있다. 하지만, 비축(off-axis) 탄성 특성이 고려되어야만 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, x-축력 및 y-축력이 전술된 바와 같은 수술 기구 샤프트의 말단부에서의 센서(들)로 탐지될 수 있고, z-축력이 수술 기구의 기단부 근처에서의 보디의 외면에 위치된 센서(들)로 탐지될 수 있다. 스트레인 게이지 및/또는 파이버 기술을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 다양한 센서들이 z-축력을 탐지하기 위해 보디의 외면에서 사용될 수 있다.
전형적으로, 수술 기구 샤프트가, 토크를 수술 기구 피치 축 및 요 축으로 전달하는 데에 필요한 내부 케이블로부터 z방향으로 상당한 내력을 받기 때문에, z-축력이 수술 기구 팁에서 쉽게 감지될 수 없다. 이 케이블은 수술 기구 샤프트의 내부에 뻗어있고, 수술 기구가 작동됨에 따라 샤프트 상의 압축 하중이 심하게 변한다는 것이 실험을 통해 판명되었다. 수술 기구 샤프트 상의 게이지들을 사용 한 z방향 스트레인 감지를 시도하면, 가해진 중요 z-축력에 더하여 상당한 케이블 "노이즈"가 포함될 것이다. 따라서, 실질적으로 케이블 내력을 받지 않는 위치에서 z-축력이 감지되는 것이 바람직하다. 케이블들이 완전히 중심에 있지 않기 때문에 그리고 손목부가 작동됨에 따라 손목부 풀리 양측의 케이블 장력이 바뀔 것이기 때문에 케이블은 또한 약간의 x-모멘트 및 y-모멘트를 샤프트의 기저(base)에 준다는 것을 알아야 한다. 하지만, 이러한 편차는 z방향 케이블 힘과 달리, 외부에서 가해지는 예상된 힘에 비하여 비교적 작다는 것이 실험을 통해 판명되었다.
하지만, z-축력이, 중요 신호에 "노이즈"를 더하는 주로 캐뉼러 시일 마찰 및 캐뉼러 내 샤프트의 슬라이딩 마찰을 이용하여 비교적 정확하게 보디의 외측에서 감지될 수 있다. 한 실시예에서, 캐뉼러 시일은 일회용일 수 있고, 미끄럽게 포장될 수도 있고, 다른 실시예에서는, 수술 기구 샤프트 표면은 바람직하지못한 마찰 노이즈를 감소시키도록 마찰 감소 코팅(예를 들어, PTFE)이 처리될 수 있다. 두 방법이 동시에 사용될 수도 있다. 한 센서가 본 발명에 따라 수술 기구의 기단부에 근접한 보디의 외측의 여러 위치에 놓일 수 있다. 센서는 일회용일 수 있는 수술 기구보다는 조작장치 내에 설치되는 것이 바람직하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 한 실시예에서, 센서(들)(160)(도 9A 참조)가(이) 조작장치 암 삽입(z축) 캐리지 상의 수술 기구 살균 어댑터를 위한 장착 지점에서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 수술 기구 하우징/캐리지 내의 입력/출력 축 풀리가 센서에 장착되어, I/O 모터에 의해 I/O 축에 가해진 힘의 탐지가 고려될 수 있다. 하지만, 이러한 배치는 I/O 축 자체에 관련된 부가적인 마찰 노이즈를 또한 도입할 것이다. 또 다 른 실시예에서, 센서가 수술 기구 뒤판에 놓일 수 있다. 이는 센서를 살균 어댑터 장착 지점에 배치하는 것에 실질적으로 상당할 것이지만, 모든 수술 기구 내에 설치되는 부가의 센서를 필요로 할 것이다.
z-축력에 대조적으로, 비교적으로 작은 조직 접촉 x-축력 및 y-축력의 영향을 없애버리는, 원격 중심에서 수술 기구에 주어진 큰 보디-벽 힘과 토크 때문에 x-축력 및 y-축력은 보디의 외측에서 쉽게 감지될 수 없다. 따라서, x-축력 및 y-축력은, 전술된 바와 같은 수술 기구 손목부 조인트에 인접한 수술 기구 샤프트의 말단부와 같은, 보디-벽 힘 또는 토크를 실질적으로 받지 않는 위치에서 감지되는 것이 바람직하다. 상기의 설명에서, 내시경 수술 기구 샤프트의 관형 말단부와 일체로 된 힘-토크 센서가 설명되어있다. 한 실시예에서, 센서는, 4개 스트레인 게이지의 한 그룹의 부재가 샤프트 둘레로 90도씩 이격되고 각각 4개 스트레인 게이지로 된 두 그룹들이 샤프트를 따라 거리(l)만큼 이격되도록, 샤프트의 주위에 위치된 4개 스트레인 게이지씩 두 세트로 구성되어있다. 하나의 양태에서, 수술 기구 팁 또는 조 상의 측하중(예를 들어, Fy)을 정하는 것이 바람직하다. 이는 측하중으로 인한 각 센서 그룹에서의 굽힘 모멘트를 산정한 다음 두 값들의 차를 구함으로써, 손목부 배향 및 이에 따른 레버 암 유효 길이에 관계없이 측하중의 크기가 구해질 수 있다는 것을 설명한다. 수술 기구 손목부 축의 구동에 의해 샤프트의 말단부에 가해지고 손목부 피벗운동의 마찰에 의해 샤프트에 전달된 모멘트가 의도되는 측하중의 측정치를 간섭할 것이 우려된다. 하지만, 측정된 스트레인들을 나타내는 셈을 통해 이러한 모멘트들에 기인하는 항을 올림 처리함으로써, 측하중 힘이 산출될 때 이러한 모멘트들에 기인하는 항이 탈락될 수 있을 것으로 생각된다.
이제 도 7과 이하의 식을 참조하면, 8개의 스트레인 게이지에 의해 감지된 스트레인들의 적절한 산술 조합에 의해, 원하는 측하중 힘을 보존하면서, 불필요한 축방향 손목부 케이블 힘 및 손목부 구동 토크를 없앨 수 있다. 도 7은 손목부 메커니즘에 의해 가해진 하중 및 모멘트를 받는 샤프트의 자유물체도를 예시하고 있다. 힘 및 모멘트의 여러 조합이 팁 하중, 케이블 하중, 및 손목부의 운동 및 가속에 좌우하여 손목부 자체의 외측 자유 보디에 가해질 수 있는 한편, Y-Z 평면상에 보이는 샤프트의 단부 및 샤프트의 기준 프레임에 가해진 힘 및 모멘트는 항상 Fy(측 하중), Fz(축방향 하중), 및 Mx(손목부 피벗 마찰 모멘트 하중)으로 정리된다.
그러므로, 이 평면의 4개 게이지의 스트레인(ε5, ε6, ε7, ε8)을 이 세 개 하중으로 환산하여 나타낼 수 있고, 소정의 측 하중(Fy)에 관한 식을 다음과 같이 구할 수 있다.
인장 스트레인 > 0
압축 스트레인 < 0
Figure 112008048423665-pct00009
따라서,
Figure 112008048423665-pct00010
Mx와 Fz은 보이지 않는다.
볼 수 있는 바와 같이, 게이지의 양 세트 상에서 동일하게 감지되는 모멘트 하중(Mx)에 기인하는 스트레인은 가해지는 측하중(Fy)에 기인하는 모멘트 하중을 남기고 탈락된다. 또한 게이지의 양 세트 상에서 동일하게 감지되는 축력(Fz)에 기인하는 스트레인 구성요소 또한 탈락된다. 그러므로, 손목부 조인트의 마찰에 의해 스트레인 센서를 수반하는 샤프트에 손목부 구동 토크가 전해지므로, 두 세트 센서들로부터의 신호들의 차가 구해질 때 모멘트 하중들이 약분되어, 원하는 대로 측력 하중 만에 기인하는 비교적 클린 신호(clean signal)를 남긴다. x 와 y가 교체된 X-Z 평면의 ε1-4에 상기의 설명이 유사하게 적용된다.
실질적으로 측력 하중 만에 기인하는 클린 신호를 산출함으로써 바람직하게는, 손목부 마찰 모멘트를 제거하기 위해 이전에 행한 바와 같은 센서를 손목부 조인트의 외측에(손목부 조인트로부터 먼 측에) 놓을 필요를 없앤다. 본 발명은 따라서 스트레인 게이지와 관련된 와이어 또는 광섬유를 굴성 손목부 조인트 전체에 걸쳐서 설치할 필요를 막는다. 또한, 요 축과 그립 축은 이전에 행해진 바와 같이 그것들을 분리시키기보다는 동일한 피벗 축 상에서 이루어질 수 있다.
전술된 모든 방법 및 장치에 관하여, 힘과 토크의 조합이 수술 기구 팁에 순차적으로, 동시에, 또는 이들의 결합형태로 가해지고, Fx, Fy, Fz, Tx, 및 Ty을 얻기 위해 게이지 출력들을 조합하는 이론 방정식들에 적용하기 위해 보정 인자(correction factor) 및 상쇄요소(offset)가 결정되는 조정 프로세스(calibration process)를 활용하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 조정은 보정 인자 및 상쇄요소를 직접 산출하는 것에 이루어지거나 조정 장치 혹은 수술 기구 자체에 내장된 신경망(neural network)과 같은 학습 시스템(learning systerm)에 의해 행해질 수 있다. 임의의 조정 방법에서, 조정 데이터는, 개별적인 수술 기구를 사용하는 수술 시스템이 수술 기구가 사용되고 있는 동안 보정 인자 및 상쇄요소를 정확하게 파악하여 적용할 수 있도록 수술 기구에 내장된 집적 회로에 프로그램화될 수 있다.
수술 기구 샤프트 내에 매설된 광섬유는 바람직하게는 광섬유의 물리적 완전상태(physical integrity)를 보존하면서 수술 기구 하우징/캐리지에 대한 샤프트의 회전을 방해하지않는 방식으로 수술 기구의 기단부 근처의 샤프트에서 종료해야한다. 도 8 및 9A~9C를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 패브리-페로 또는 FBG 감지 요소가 손목부 U링크의 바로 뒤에 수술 기구 말단 팁 근처의 샤프트(110) 표면의 바로 아래 얕은 깊이의 그루브(130) 내에 매설된 다음, 그 위치에 에폭시 수지로 접착되거나 다르게는 포팅(potting)될 수 있다. 그루브(130)는 운동 입력부 및 손목부 케이블 액추에이터 메커니즘(하우징)(150)을 포함하고 있는 수술 기구의 기단부 편에 이를 수 있다. 그루브(130)는 최초 인발성형(pultrusion) 처리 중에 샤프트에 형성될 수 있거나, 샤프트 제조 후에 기계가공될 수 있다. 인접한 메커니즘 또는 하우징 근처의 지점에서, 광섬유들이 적당한 각도로 그루브의 밖으로 경로설정되어 스트레인 릴리프(140)를 통해 가요성 보호 외장(141) 내에 일괄삽입될 수 있고, 이 보호 외장은 광섬유를 메커니즘 하우징(150)의 상부 커버 상의 스트레인 경감 앵커 포인트(strain relieved anchor point)(142)로 보낼 것이다. 가요성 외장(141), 스트레인 릴리프(140), 및 앵커 포인트(142)는, 도 9A-9C에 도시된 바와 같이 수술 기구 샤프트(110)가 (+/-)3/4 롤 축 회전 운동 범위를 통해 회전되므로, 안전한 반복 굽힘 및 비틀림을 허용하는 충분한 길이 및 가요성을 가져야한다.
다른 실시예에서, 수술 기구 샤프트가 합성수지 및 섬유(예를 들어, 섬유유리 또는 탄소 섬유)로 만들어지는 경우에, 합성수지를 입히기 전에 광섬유가 선형 축방향 강화 섬유를 사용하여 소정 각도(90도 또는 120도)로 그리고 소정 (표면 근 처의)반경방향 위치에서 수술 기구 샤프트 섬유 배열조직(matrix) 내에 만들어지거나 매설될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명은 스트레인 측정치들을 결합하고 센서들을 손목부 피치 축 및 요 축의 내측에 위치시킴으로써, 바람직한 팁 측하중(Fy)의 감지에 대한 손목부 액추에이터 케이블 장력(Fz)과 손목부 구동 모멘트(Mx)로부터의 바람직하지못한 간섭을 제거한다. 따라서, 와이어 또는 광섬유가 손목부 조인트를 통과할 필요가 없어서, 그에 의해 우수한 신뢰도 및 단순하고 저렴한 구조를 보증하면서 신호 유실, 와이어 또는 광섬유의 파손, 간섭 노이즈, 및/또는 누설 전류(광섬유는 전류를 필요로 하지않고 어떠한 누설 경로도 제공하지 않음)의 가능성을 막는다. 광섬유 스트레인 게이지의 사용은 바람직하게는 생체 적합성, 오토클레이빙(autoclaving)과 관련된 온도 및 압력 저항 내구성, 및 사이즈 이점들을 제공하는 동시에, 큰 전류 및 전압을 발생시키는 소작 도구와 문제가 되는 전기장 및 자기장을 무시할 수 있게 해준다. 또한, 손목부 요 축 및 그립 축은 요잉에 관하여 그리고 일반 모드에서 그립에 관하여 별도로 작동되던 동일한 액추에이터 케이블들 및 피벗 샤프트를 공유할 수 있어서, 신뢰도를 향상시키면서 조립을 단순화하고 조립 비용을 감소시킨다. 또한, 손목부과 엔드 이펙터의 결합한 전체 길이는 손목부가 굽혀질 때 측면 오프셋 간격을 최소한 감소시키도록 유지될 수 있다.
상기 설명된 실시예들은 예시적일 뿐 본 발명을 한정하지 않는다. 본 발명의 기술사상에 따라 다양한 수정과 변경이 가능함을 이해해야한다. 예를 들면, 스 트레인 게이지의 수 및 그 구성이 변할 수 있지만, 적절한 힘 및 토크 측정이 고려되어야만 한다. 또 다른 예에서, 스트레인 게이지들은 한 링에서 60도 및 120도씩과 같이, 불균일하게 오프셋될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술영역은 첨부된 청구항들에 의해서만 한정된다.

Claims (56)

  1. 로봇 수술 시스템의 조작장치 암에 작동가능하게 인터페이스하도록 구성된 하우징부;
    상기 하우징부에 결합된 기단부, 말단부, 상기 말단부로부터 근위로 연장되는 말단부 부분 및 상기 기단부로부터 상기 말단부까지 연장되는 길이방향 축을 포함하는 샤프트;
    샤프트의 말단부에 인접하게 샤프트의 말단부 부분 상에 장착된 다수의 스트레인 게이지;
    샤프트의 말단부에 작동가능하게 결합된 손목부 조인트; 및
    손목부 조인트에 작동가능하게 결합된 수술 기구 팁을 포함하는 수술 기구.
  2. 제 1 항에 있어서, 샤프트는 다수의 그루브를 샤프트의 외면에 포함하고,
    상기 그루브는 샤프트의 길이방향 축을 따라 연장되며, 그리고
    상기 다수의 스트레인 게이지는 상기 그루브에 장착된 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  3. 제 1 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는, 한 그룹의 스트레인 게이지들의 각각이 샤프트 둘레로 90도씩 이격되어있는 상태로, 4개씩 두 그룹인 8개의 스트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  4. 제 1 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는, 한 그룹의 스트레인 게이지들의 각각이 샤프트 둘레로 120도씩 이격되어있는 상태로, 3개씩 두 그룹인 6개의 스 트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  5. 제 1 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 샤프트 둘레로 90도씩 이격된 4개의 스트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  6. 제 1 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 샤프트 둘레로 120도씩 이격된 3개의 스트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  7. 제 1 항에 있어서, 각각의 스트레인 게이지는 샤프트 길이방향 축에 평행한 축을 따른 다른 하나의 스트레인 게이지와 정렬되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  8. 제 1 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 상기 손목부 조인트의 피치 축 및 요 축에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  9. 제 1 항에 있어서, 스트레인 게이지들의 각각의 기본 스트레인 감지 방향은 샤프트 길이방향 축에 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  10. 제 1 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 광섬유, 포일, 표면 음파, 및 반도체 타입 스트레인 게이지들로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  11. 제 1 항에 있어서, 스트레인 게이지는 패브리 페로 스트레인 게이지 및 파이버 브래그 격자 스트레인 게이지로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  12. 제 1 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 한 파이버를 따라 둘 이상의 파이버 브래그 격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  13. 제 1 항에 있어서, 말단부 부분의 그립 축이 손목부 조인트의 요 축과 동일한 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 수술 기구의 수술 기구 팁은 조, 가위, 그래스퍼, 바늘 홀더, 미세 해부기구, 스테이플 어플라이어, 태커, 흡입 세척 공구, 클립 어플라이어, 컷팅 블레이드, 소작 프로브, 관주기, 카테터, 및 흡입 오리피스로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  15. 제 1 항에 있어서, 하우징부는 조작장치 암을 덮은 살균 드레이프(drape)의 살균 어댑터와 인터페이스하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  16. 제 1 항에 있어서, 하우징부는 조작장치 암과 광 링크를 이루는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  17. 제 1 항에 있어서, 샤프트의 길이방향 축을 따른 축력을 감지하기 위한, 하우징부에 인접한 힘 센서를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  18. 제 1 항에 있어서, 수술 기구 힘 센서를 위한 조정 데이터를 저장하는 집적 회로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  19. 제 1 항에 있어서, 다수의 파이버를 샤프트의 길이방향 축으로부터 비스듬히 샤프트를 벗어나게 경로설정하기 위한, 샤프트의 기단부에 작동가능하게 결합된 회전가능한 스트레인 릴리프를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  20. 로봇 수술 시스템으로서,
    조작장치 암을 포함하는 조작장치 조립체; 및
    조작장치 암에 작동가능하게 결합된 수술 기구를 포함하고 있고,
    상기 수술 기구가:
    조작장치 암과 작동가능하게 인터페이스하기 위한 하우징부;
    상기 하우징부에 결합된 기단부, 말단부, 상기 말단부로부터 근위로 연장되는 말단부 부분 및 상기 기단부로부터 상기 말단부까지 연장되는 길이방향 축을 포함하는 샤프트;
    샤프트의 말단부에 인접하게 샤프트의 말단부 부분 상에 장착된 다수의 스트레인 게이지;
    샤프트의 말단부에 작동가능하게 결합된 손목부 조인트; 및
    손목부 조인트에 작동가능하게 결합된 수술 기구 팁을 포함하는 로봇 수술 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 조작장치 암은 환자 측 조작장치 암 또는 내시경 카메라 조작장치 암인 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서, 샤프트는 다수의 그루브를 샤프트의 외면에 포함하고,
    상기 그루브는 샤프트의 길이방향 축을 따라 연장되며, 그리고
    상기 다수의 스트레인 게이지는 상기 그루브에 장착된 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  23. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는, 한 그룹의 스트레인 게이지들의 각각이 샤프트 둘레로 90도씩 이격되어있는 상태로, 4개씩 두 그룹인 8개의 스트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  24. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는, 한 그룹의 스트레인 게이지들의 각각이 샤프트 둘레로 120도씩 이격되어있는 상태로, 3개씩 두 그룹인 6개의 스트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  25. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 샤프트 둘레로 90도씩 이격된 4개의 스트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  26. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 샤프트 둘레로 120도씩 이격된 3개의 스트레인 게이지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  27. 제 20 항에 있어서, 각각의 스트레인 게이지는 샤프트 길이방향 축에 평행한 축을 따라 다른 하나의 스트레인 게이지와 정렬되는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  28. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 손목부 조인트의 피치 축 및 요 축에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  29. 제 20 항에 있어서, 스트레인 게이지들의 각각의 기본 스트레인 감지 방향은 샤프트 길이방향 축에 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  30. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 광섬유, 포일, 표면 탄성파, 및 반도체 타입 스트레인 게이지들로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  31. 제 20 항에 있어서, 스트레인 게이지는 패브리 페로 스트레인 게이지 및 파 이버 브래그 격자 스트레인 게이지로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  32. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지는 한 파이버를 따른 둘 이상의 파이버 브래그 격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  33. 제 20 항에 있어서, 말단부 부분의 그립 축이 손목부 조인트의 요 축과 동일 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  34. 제 20 항에 있어서, 상기 수술 기구의 수술 기구 팁은 조, 가위, 그래스퍼, 바늘 홀더, 미세 해부기구, 스테이플 어플라이어, 태커, 흡입 세척 공구, 클립 어플라이어, 커팅 블레이드, 소작 프로브, 관주기, 카테터, 및 흡입 오리피스로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  35. 제 20 항에 있어서, 하우징부는 조작장치 암을 덮은 살균 드레이프의 살균 어댑터와 인터페이스하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  36. 제 20 항에 있어서, 하우징부는 조작장치 암과 광 링크를 이루는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  37. 제 20 항에 있어서, 샤프트의 길이방향 축을 따른 축력을 감지하기 위한, 하우징부에 인접한 힘 센서를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  38. 제 20 항에 있어서, 샤프트의 길이방향 축을 따른 축력을 감지하기 위한, 조작장치 상의 힘 센서를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  39. 제 20 항에 있어서, 다수의 스트레인 게이지에서의 스트레인 게이지로부터의 신호들 간의 적어도 합 및 차에 근거하여 힘을 산출하도록 구성된 프로세서를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  40. 제 20 항에 있어서, 수술 기구는 수술 기구 힘 센서를 위한 조정 데이터를 저장하는 집적 회로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  41. 제 20 항에 있어서, 수술 기구는 다수의 파이버를 샤프트의 길이방향 축으로부터 비스듬히 샤프트를 벗어나게 경로설정하기 위한, 샤프트의 기단부에 작동가능하게 결합된 회전가능한 스트레인 릴리프를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  42. 로봇 수술 기구의 수술 기구 팁의 조작에 대응하는 다수의 스트레인 게이지로부터의 스트레인 데이터 세트를 수집하는 단계로서, 여기서 상기 수술 기구 팁은 수술 기구의 손목부 조인트에 작동가능하게 결합되고, 여기서 상기 손목부 조인트는 수술 기구의 샤프트의 말단부에 작동가능하게 결합되며, 상기 샤프트는 하우징부에 결합된 기단부, 말단부, 상기 말단부로부터 근위로 연장되는 말단부 부분 및 상기 기단부로부터 상기 말단부까지 연장되는 길이방향 축을 포함하며, 그리고 여기서 다수의 스트레인 게이지가 샤프트의 말단부에 인접하게 샤프트의 말단부 부분 상에 장착된 것인 단계;
    스트레인 데이터 세트 중의 선택 데이터를 결합하여 선택 데이터 간의 적어도 합 및 차를 형성하도록 하는 단계로서, 여기서 결합된 선택 데이터는 말단부 부분에 가해지는 힘을 나타내는 힘 데이터를 생성하는 것인 단계; 및
    상기 힘 데이터에 기초하여 로봇식 수술 시스템의 사용자에게 피드백을 전달하는 단계를 포함하는 힘을 감지하는 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 힘은 측력, 축력, 및 토크로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  44. 제 42 항에 있어서, 힘 데이터는 정상 상태의 균일 온도 변화와 관계없는 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  45. 제 42 항에 있어서, 힘 데이터는 상기 단부 부분의 말단부에 대한 거리의 변화량과 관계없는 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  46. 제 42 항에 있어서, 힘은 측력(Fx)으로서, (ε1 - ε2 - ε3 + ε4)EI/2lr 로 정의되고, 여기에서 ε1, ε2, ε3, 및 ε4는 스트레인 데이터 세트로부터의 선택 데이터이고, E는 샤프트 재료의 축방향 탄성 계수이고, I는 샤프트 부분의 관성 모멘트이고, l은 일렬로 된 두 스트레인 게이지 사이의 간격이고, 및 r은 샤프트 축으로부터 게이지의 작동 평면까지의 반경인 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  47. 제 42 항에 있어서, 힘은 측력(Fy)으로서, (ε5 - ε6 - ε7 + ε8)EI/2lr 로 정의되고, 여기에서 ε5, ε6, ε7, 및 ε8는 스트레인 데이터 세트로부터의 선택 데이터이고, E는 샤프트 재료의 축방향 탄성 계수이고, I는 샤프트 부분의 관성 모멘트이고, l은 일렬로 된 두 스트레인 게이지 사이의 간격이고, 및 r은 샤프트 축으로부터 게이지의 작동 평면까지의 반경인 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  48. 제 42 항에 있어서, 힘은 축력(Fz)으로서, (ε1 + ε2 + ε3 + ε4 + ε5 + ε6 + ε7 + ε8)EA/8 로 정의되고, 여기에서 ε1, ε2, ε3, ε4, ε5, ε6, ε7, 및 ε8는 스트레인 데이터 세트로부터의 선택 데이터이고, E는 샤프트 재료의 축방향 탄성 계수이고, 및 A는 샤프트의 횡단면적인 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  49. 제 42 항에 있어서, 스트레인 데이터 셋트의 선택 데이터를 결합하여 토크(Ty)를 형성하는 단계를 더 포함하고, 여기서 토크(Ty)는 (ε1 + ε2 - ε3 - ε4)EI/4r 로 정의되고, 여기에서 ε1, ε2, ε3, 및 ε4는 스트레인 데이터 세트로부터의 선택 데이터이고, E는 샤프트 재료의 축방향 탄성 계수이고, I는 샤프트 부분의 관성 모멘트이고, 및 r은 샤프트 축으로부터 게이지의 작동 평면까지의 반경인 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  50. 제 42 항에 있어서, 스트레인 데이터 셋트의 선택 데이터를 결합하여 토크(Ty)를 형성하는 단계를 더 포함하고, 여기서 토크(Ty)는 (-ε5 - ε6 + ε7 + ε8)EI/4r에 의해 산출되고, 여기에서 ε5, ε6, ε7, 및 ε8는 스트레인 데이터 세트로부터의 선택 데이터이고, E는 샤프트 재료의 축방향 탄성 계수이고, I는 샤프트 부분의 관성 모멘트이고, 및 r은 샤프트 축으로부터 게이지의 작동 평면까지의 반경인 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  51. 제 42 항에 있어서, 힘과 토크의 조합이 수술 기구 팁에 순차적으로, 동시에, 또는 이들의 결합형태로 가해지고 보정 인자 및 상쇄요소가 결정됨으로써 수술 기구를 조정하는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  52. 제 42 항에 있어서, 보정 인자 및 상쇄요소는 직접적으로 또는 신경망을 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  53. 제 42 항에 있어서, 하우징부에 인접한 힘 센서를 사용하여 샤프트의 길이방향 축을 따른 축력을 감지하는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
  54. 제 1 항에 있어서, 샤프트의 외면은 안티-마찰 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  55. 제 20 항에 있어서, 샤프트의 외면은 안티-마찰 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
  56. 제 42 항에 있어서, 샤프트의 외면은 안티-마찰 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘을 감지하는 방법.
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