KR101727724B1

KR101727724B1 - 사이클로이드 표면을 가진 기구 리스트

Info

Publication number: KR101727724B1
Application number: KR1020127019215A
Authority: KR
Inventors: 매튜 알 윌리암스
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2017-04-18
Also published as: CN102665592A; WO2011078971A1; JP2013514861A; CN102665592B; EP2467083B1; EP2467083A1; KR20120108011A; US20110152879A1; US8887595B2; JP5619914B2

Abstract

기구 리스트는 하중을 지탱할 수 있고, 원들이 서로 맞물려 구르는 것과 동일한 방식으로 기준점들의 간격이 유지되는, 에피사이클로이드 및 하이포사이클로이드 표면을 가진 부재들을 사용한다. 사이클로이드 표면은 균일한 방식, 단차 방식 또는 혼성 방식일 수 있으며, 추가 기어 구조의 추가 없이 부재의 기어 동작을 확보할 수 있도록 배치될 수 있다. 하이포사이클로이드 표면은 하중하의 변형에 대한 저항성을 개선하는 오목한 접촉을 제공한다. 리스트 메커니즘은 부재들을 접촉된 상태로 유지하는 텐던으로 보강되고, 선택적으로 기어 구조는 기어 동작을 확보하고 롤 토크를 지지할 수 있도록 부재에 통합될 수 있다.

Description

사이클로이드 표면을 가진 기구 리스트{INSTRUMENT WRIST WITH CYCLOIDAL SURFACES}

최소 침습 시술을 위한 의료 기구들은 주로 원격 활성화되는 기계적 리스트나 조인트를 이용한다. 일부 구성형태에서, 리스트 메커니즘은 기구의 메인 튜브의 원단부에 있는 겸자, 메스, 가위, 또는 소작 도구와 같은 도구의 일부일 수 있거나, 또는 이러한 도구를 조작할 수 있다. 일반적으로 텐던(tendon)이 리스트 메커니즘의 기계 부재나 디스크에 부착되어 메인 튜브를 통해서 메인 튜브의 근단부에 있는 구동 시스템까지 연장된다. Cooper 등의 미국특허 제6,817,974호, 발명의 명칭 "Surgical tool having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint"는 리스트 조인트에 의해서 제어되는 다수의 디스크와 텐던을 함유하는 일부 공지된 리스트 메커니즘을 설명한다.

리스트 메커니즘에서 기어 동작은 메커니즘에 있는 두 부재가 고정된 관계 또는 기어비에 따라서 변화하는 상대적 각도 배향을 가질 때 조인트에서 일어난다. 예를 들어, 도 1a는 동일한 곡률 반경을 가진 원형의 하중 지탱면(112 및 122)을 지닌 부재(110 및 120)를 가진 리스트 조인트(100)의 측면도를 도시한다. 1:1 기어비의 기어 동작은 원형 표면(112 및 122)이 미끄러짐 없이 서로 맞물려 구를 때 일어난다. 미끄러짐을 방지하기 위해 부재(110) 상의 핀이나 이(114)가 부재(120)에 있는 구멍(124)의 벽과 맞물릴 수 있으며, 이것은 도 1b에 도시된 대로 구동 시스템(미도시)이 텐던(130)을 견인하고 반대쪽 텐던(132)을 풀어낼 때 부재(110 및 110)가 서로 미끄러지는 것을 방지한다. 바람직하게 이(114)는 부재(110 및 120)의 전체 회전 범위에서 이(114)가 구멍(124)에 결합되어 머무를 수 있는 모양, 배치 및 크기를 가진다. 기어 동작은 부재(110 및 120)의 동작이 컴퓨터 또는 다른 프로세싱 시스템에서 모델화되어 예측됨으로써 어떤 식으로 텐던(130 및 132)을 조작해서 원하는 조인트(100) 동작을 달성하는지를 결정할 수 있기 때문에 바람직하다. 원형의 하중 지탱면(112 및 122)은 표면(112 및 122)을 한정하는 원형들의 중심 간 거리가 유지되며, 이것은 결과의 동작이 쉽게 모델화되고, 텐던(130 및 132)의 대칭 부착이 견인되는 텐던(130 또는 132)의 길이와 풀리는 나머지 텐던(132 또는 130)의 길이가 동등하게 되기 때문에 바람직하다. 따라서, 텐던(130 및 132)을 조작하는 구동 시스템의 기계학도 단순화될 수 있다.

일반적으로 기어는 기어의 이가 결합 없이 맞물릴 수 있는 다양한 표면 모양을 사용한다고 알려져 있다. 예를 들어, 사이클로이드 기어는 사이클로이드 커브를 따른 접촉면을 지닌 이를 가진 기어이다. 도 2는 기어(210 및 220)의 이가 정확히 맞물리는데 필요한 간격으로 각 축(212 및 222)에 위치된 한 쌍의 사이클로이드 기어(210 및 220)를 도시한다. 특히, 기어(210)가 구동되어 시계방향으로 회전할 때 기어(210)의 표면(214)이 기어(220)의 표면(224)과 접촉한다. 표면(214 및 224)은 기어(221 및 220)가 회전함에 따라 서로 맞물려 굴러갈 수 있는 모양인데, 예를 들어 표면(214)은 평탄할 수 있고, 표면(224)은 사이클로이드 커브를 따른다. 계속해서 표면(216 및 226)이 접촉하게 되고, 기어(210 및 220)는 기어(210)의 다음번 이(218)가 기어(220)의 다음번 이(228)와 접촉할 때까지 회전한다. 기어(210 및 220)와 같은 사이클로이드 기어의 적절한 맞물림은 축(212 및 222)의 간격에 민감하며, 이것이 바로 현재 기어에 인볼류트 표면이 훨씬 더 흔히 사용되는 주된 이유일 수 있다.

도 2에 예시된 것과 같은 기어는 축(212 및 222)이 기어(210 및 220)의 간격을 고정함으로써 기어의 접촉면이 유의한 압축력을 지니지 않는다는 점에서 도 1a 및 1b에 예시된 것과 같은 기어 리스트 조인트와 상이하다. 반면에, 도 1a 및 1b의 리스트 조인트(100)는 주로 압축력을 지녀야할 필요가 있는 의료 기구에서(예를 들어, 텐던(130 및 132)을 모두 견인할 때) 부재(110 및 120)의 볼록한 하중 지탱면(112 및 122)을 평탄하게 하는 경향이 있다. 리스트 조인트(100)와 같은 리스트 조인트를 함유하는 의료 기구는 주로 비교적 적은 직경을 가지고, 예를 들어 전형적으로 부재(110 또는 120)의 전체 직경이 3 내지 10mm 정도이며, 100 파운드 정도의 압축력을 경험할 수 있기 때문에 하중 지탱면(112 및 122)의 변형이 중요한 걱정이다. 또한, 리스트 조인트의 단면적 대부분은 카메라 케이블이나 기구를 통해서 연장될 수 있는 다른 시스템과 같은 장치를 위한 텐던 가이드 또는 하나 이상의 중심 내강에 소용될 수 있다. 기계 구조에 이용될 수 있는 공간이 작으면 적합한 강도와 정밀성을 가진 리스트 조인트(100)의 제조를 어렵게 할 수 있다. 특히, 비교적 작은 크기의 이(114)는 극한의 리스트 동작에서, 특히 리스트(100)가 접촉면(112 및 122)을 변형시키는 하중을 지지할 때 구멍(124)과 이(114)가 어긋나는 결과를 가져올 수 있다.

본 발명의 양태에 따라서, 리스트 메커니즘은 리스트 메커니즘에 적용되는 하중을 지탱하는 사이클로이드 표면을 가진 부재를 포함한다. 각 부재상의 한 쌍의 접촉하는 사이클로이드 표면이 부재의 기준점 간 간격이 일정하게 유지되도록 배치될 수 있고, 여러 쌍의 접촉하는 사이클로이드 표면은 부재의 기어 동작이 확보되도록 배치될 수 있다. 또는 달리, 기어 동작을 확보하고, 외부 적용되는 롤 토크에 대한 리스트의 저항성을 개선하기 위한 기어 이가 부재상에 포함될 수 있다. 또한, 각 하중 지탱 접촉 면적은 오목한 하이포사이클로이드 표면을 포함할 수 있으며, 오목한 하중 지탱면은 허용되지 않는 변형 없이 압축력을 지탱하는 리스트 조인트의 능력을 증가시키거나, 또는 주어진 크기와 하중 지탱 용량의 리스트에 적합하지 않을 수 있는 재료의 사용을 허용할 수 있다.

본 발명의 특정 구체예에 따라서, 기구 리스트는 제1 사이클로이드 표면을 가진 제1 부재 및 제1 사이클로이드 표면과 접촉하는 제2 사이클로이드 표면을 포함한다. 제1 및 제2 부재상의 사이클로이드 표면들의 접촉에 의해 부재에 대한 압축력이 생겨난다. 부재들은 부재 중 하나에 이어진 텐던에 의해 적용되는 힘에 반응하여 기어 동작이 가능하도록 배치될 수 있다.

도 1a-1b는 핀과 구멍을 사용하여 접촉 부재를 기어 동작에 구속하는 공지된 리스트 조인트의 측면도를 도시한다.
도 2는 한 쌍의 사이클로이드 기어를 도시한다.
도 3은 기어 동작 동안 각 중심 간 거리가 고정되어 유지되는 에피사이클로이드 및 하이포사이클로이드를 예시한다.
도 4는 하중을 지탱하고, 리스트 조인트의 동작을 구속하기 위해서 단차 사이클로이드 표면을 사용한 본 발명의 구체예에 따른 리스트 조인트를 도시한다.
도 5a 및 5b는 하중을 지탱하고, 동작을 구속하기 위해서 혼성 사이클로이드 표면을 사용한 본 발명의 구체예에 따른 리스트 조인트에서 사용된 각 기계 부재를 도시한다.
도 6a는 교차 경사축과 컴팩트 리스트 구조가 제공되도록 사이클로이드 표면이 배치될 수 있는 안장 모양을 가진 리스트 부재를 도시한다.
도 6b는 도 6a에 예시된 것과 같은 안장 모양 리스트 부재를 사용한 다중-조인트 리스트 메커니즘을 도시한다.
도 7은 컴팩트 구조에서 피치 및 요우 동작을 모두 제공할 수 있는 사이클로이드 표면을 사용한 투피스 리스트 조인트를 도시한다.
도 8은 사이클로이드 하중 지탱면과 기어 동작을 확보할 수 있는 기어 구조를 지닌 다수의 조인트 및 부재를 함유하는 본 발명의 구체예에 따른 리스트 메커니즘의 확대도이다.
도 9a, 9b, 9c 및 9d는 도 8의 리스트 메커니즘에 사용된 단부에 이가 있는 부재의 측면도, 상면도 및 2개의 단면도를 도시한다.
도 10a, 10b, 10c 및 10d는 도 8의 리스트 메커니즘의 슬롯 부재의 측면도, 상면도 및 2개의 단면도를 도시한다.
도 11a, 11b, 11c 및 11d는 도 8의 리스트 메커니즘의 이가 개재된 부재의 측면도, 상면도, 및 2개의 단면도를 도시한다.
도 12는 최소 침습 의료 기구의 리스트 메커니즘을 포함하는 로봇 제어 시스템을 도시한다.
상이한 도면에서 사용된 동일한 부재 기호는 유사하거나 동일한 항목을 나타낸다.

본 발명의 양태에 따라서, 리스트 메커니즘의 기계 부재는 기계 부재의 기어 동작 동안 압축을 지탱할 수 있는 사이클로이드 표면을 사용한다. 특히, 리스트 조인트는 제2 부재상의 하이포사이클로이드 표면과 접촉하는 제1 부재상의 에피사이클로이드 표면을 사용할 수 있다. 부재의 사이클로이드와 기어링을 한정하는 변수를 적절히 선택함으로써 사이클로이드 표면이 부재들의 동작을 구속해서 사이클로이드 커브와 이어서 사이클로이드 표면의 중심에 상응하는 기준점 간 간격을 유지할 수 있다. 또한, 사이클로이드 표면은 오목한 접촉 면적을 제공하며, 이것은 구동 시스템 또는 외부 하중이 부재를 함께 밀 때 변형이 더 적게 일어나도록 한다. 제1 및 제2 부재의 기어 동작은 추가의 하중 지탱 사이클로이드 표면을 사용하여 달성될 수 있다. 특히, 제1 부재상의 하이포사이클로이드 표면과 제2 부재상의 에피사이클로이드 표면은 나머지 접촉 면적에서 힘의 균형이 이루어지도록 작동하는 접촉 면적을 생성할 수 있으며, 이로써 접촉 면적에서의 순 힘이 기어 동작을 야기한다. 또는 달리, 기어 동작을 확보하고, 롤 토크에 대한 저항성을 개선하기 위해서 이와 같은 기어 구조가 부재 상에 사용될 수 있다.

본원에서 사용된 "사이클로이드 표면"은 사이클로이드의 일부가 표면과 평면의 교차점이 되는 표면을 말한다. 사이클로이드는 잘 알려져 있으며, 일반적으로 매개 방정식을 사용하여 정의될 수 있다. 더 시각적으로, 사이클로이드는 선 또는 다른 원 위를 구르는 원 상의 지점의 경로에 해당한다. 예를 들어, 도 3은 반경 R의 원(314)의 바깥쪽 둘레를 구르는 반경 r의 원(312) 상의 지점의 경로에 해당하는 에피사이클로이드(310)를 예시하며, 여기서 R>r이다. 하이포사이클로이드(320)는 반경 R'의 큰 원(324)의 안쪽 둘레를 구르는 반경 r'의 원(322) 상의 지점의 경로에 해당하며, R'>r'이다. 설명한 원들의 반경이 동일한 조건에서, 즉 R'=R이고, r'=r인 조건에서는 에피사이클로이드(310)와 하이포사이클로이드(320)의 중심(315 및 325) 간 거리가 일정하게 유지되며, 이 경우 사이클로이드(310 및 320)가 동일한 각속도로 회전하는데 즉 1:1 기어비로 기어 동작이 진행된다. (또한 에피사이클로이드와 하이포사이클로이드가 짝을 이루어 다른 기어비에서도 일정한 중심-중심 간격을 제공할 수 있다) 기어 동작 동안, 사이클로이드(310 및 320) 상의 접촉 지점이 설명한 원(314 및 324) 위에 있다면 접촉 지점들 사이에 상대 속도는 존재하지 않는다. 그러나, 일반적으로 접촉 표면은 상이한 속도로 이동하므로 표면은 서로 접찰된다(활주). 표면이 접찰되는 경우에도 1:1 기어 동작(R=R'인 경우)은 설명한 두 원(314 및 324)이 서로에 대해 미끄러지지 않도록 보장한다.

사이클로이드 표면 및 커브는 텐던-보강 로봇 리스트의 경우에서처럼 리스트 조인트의 부재들의 접촉 표면이 부재들이 접촉된 채로 유지되도록 힘을 적용했을 때 작동을 위한 적절한 위치를 자동적으로 유지한다는 점에서 통상의 잇날 기어에 비해 리스트 조인트에서 이점을 가진다. 도 4는 하중 지탱 사이클로이드 표면을 사용한 롤링 부재(410 및 420)를 포함하는 리스트 조인트(400)를 도시한다. 리스트 조인트(400)는 몇 개의 유사한 조인트를 포함하는 기계 리스트에서 사용될 수 있으며, 전형적인 구체예에서는 최소 침습 수술 술식에 사용될 수 있는 의료 기구에 통합된다. 리스트 조인트(400)에서, 각 부재(410 또는 420)는 실질적으로 디스크 모양 본체를 가지며, 기구의 길이를 따라 연장될 수 있는 중심 내강의 일부를 한정하는 중앙 구멍(415 또는 425)이 존재한다. 각 디스크(410 및 420)는 리스트 조인트(400)의 특정 용도에 맞는, 특히 리스트 메커니즘과 예상된 하중의 크기에 맞춰서 충분한 강도와 내구성을 제공하는 어떤 재료로 제조될 수 있다. 리스트 부재(410 및 420)는 고 하중 용도의 경우, 특히 리스트 직경이 약 5mm보다 작을 때는 스테인리스 스틸 같은 금속일 필요가 있을 수 있다. 플라스틱이나 세라믹 같은 재료는 직경이 큰 리스트 메커니즘이나 저 하중 조건에서 사용될 수 있다. 하기 더 설명된 대로, 리스트 메커니즘(400)의 이점은 압축 응력에 대한 저항성이며, 이 저항성은 원형 하중 지탱면을 사용하여 달성될 수 있었던 것에 비해, 작은 직경 및/또는 중심 내강을 가진 전기절연 리스트에서 플라스틱 또는 세라믹과 같은 재료를 사용할 수 있도록 한다. 절연 리스트 메커니즘은 전기적으로 하전되거나 활성화되는 도구나 단부 작동기를 포함하는 의료 기구에서 특히 바람직하다. 일반적으로 리스트는 힘이나 일에 맞게 크기가 조절될 수 있다.

디스크(410)는 사이클로이드 표면을 가진 돌출부(412, 414, 416, 및 418)를 가지며, 이들 표면은 디스크(420) 상의 돌출부(422, 424, 426, 및 428)의 각 사이클로이드 표면과 접촉된다. 돌출부(412, 414, 416, 및 418)는 디스크(410)의 직경을 따라 위치되며, 이때 돌출부(412 및 418)는 디스크(410)의 원주의 대향 가장자리 근처에 있거나 뻗어나가 있고, 돌출부(414 및 416)는 중앙 구멍(415)의 대향 가장자리 근처에 있거나 뻗어나가 있다. 유사하게, 돌출부(422, 424, 426, 및 428)는 디스크(420)의 직경을 따라 위치되며, 이때 돌출부(422 및 428)는 디스크(420)의 원주의 대향 가장자리 근처에 있거나 뻗어나가 있고, 돌출부(424 및 426)는 디스크(420)를 관통하는 중앙 구멍(425)의 대향 가장자리 근처에 있거나 뻗어나가 있다. 예시된 구체예에서, 돌출부(412, 414, 416, 및 418)는 접촉하는 돌출부(422, 424, 426, 및 428) 상의 각 하이포사이클로이드 또는 에피사이클로이드 표면에 상보하는 에피사이클로이드 또는 하이포사이클로이드 표면인 중앙 부분을 포함한다. 돌출부(412, 414, 416, 및 418) 상의 중앙 사이클로이드 부분은 각 사이클로이드의 일부를 따르고, 이들 사이클로이드의 중심은 전부 경사축의 방향을 한정하는 라인을 따라 놓인다. 유사하게, 돌출부(422, 424, 426, 및 428) 상의 중앙 사이클로이드 부분은 각 사이클로이드의 일부를 따르고, 이들 사이클로이드의 중심은 전부 경사축에 평행한 라인을 따라 놓인다. 적절한 기어비에서 기어 동작하는 도중에 디스크(410)가 디스크(420)에 대해 기울어지면, 돌출부(412, 414, 416, 및 418)의 사이클로이드 표면은 돌출부(422, 424, 426, 및 428)의 사이클로이드 표면과 접촉되어 유지되고, 표면-한정 사이클로이드의 중심들에 해당하는 기준점 또는 기준 라인 간 간격이 고정되어 유지된다. 돌출부의 높이는 부재(410 및 420)의 본체 부분이 서로 접촉되어 더 이상의 동작이 방지되기 전에 경사를 위한 여유를 제공한다.

디스크(410 및 420)는 의료 기구의 중심 내강을 위한 중앙 구멍(415 및 425)을 갖는 것에 더해, 조인트(400)를 관절화하는 텐던(451 및 452)과 조인트(400)를 통해서 의료 기구의 다른 부분까지 연장될 수 있는 텐던(미도시)을 위한 가이드 구멍(413 및 423)을 포함한다. 텐던(451 및 452)은 케이블, 필라멘트, 튜브, 또는 기구 안에서 필요한 정도 구부러질 수 있을 만큼 충분히 가요성이고, 조인트(400)를 관절화하여 부재(420)에 대해 부재(410)를 기울어지게 하는 힘을 적용할 수 있을 만큼 충분히 강한 유사한 구조일 수 있다. 도시된 대로, 텐던(451 및 452)은 돌출부(412, 414, 416, 및 418)가 위치된 직경에 반대 모멘트 암에서 부재(410)에 부착된다. 다음에, 구동 시스템(미도시)이 1개 텐던(451 또는 452)을 당겨서(또는 장력을 증가시켜) 부재(410)를 부재(420)에 대해 한 방향으로 기울어지게 하거나, 또는 다른 한 텐던(452 또는 451)을 당겨서(또는 장력을 증가시켜) 부재(410)를 반대 방향으로 기울어지게 한다. 일반적으로, 텐던(451 및 452)은 돌출부(412, 414, 416 및 418)가 각 돌출부(422, 424, 426, 및 428)와 접촉되어 유지되도록 부재(410 및 420)를 함께 강제하는 이미 하중을 가진 장력을 가진다.

기어 동작은 다중 접촉 면적으로 에피사이클로이드와 하이포사이클로이드 표면들을 배치함으로써 리스트 메커니즘(400)에서 유지된다. 특히, 돌출부(412)는 돌출부(422)의 짝을 이루는 하이포사이클로이드 부분과 접촉하는 중앙 에피사이클로이드 부분을 가진다. 텐던(451 또는 452)이 당겨져 부재(410)가 기울어지면, 돌출부(412)의 에피사이클로이드 표면이 돌출부(422)의 하이포사이클로이드 표면과 맞물려 굴러간다. 돌출부(412 및 422)가 분리된 시스템이었다면, 즉 돌출부(414, 416, 418, 424, 426, 및 428)가 존재하지 않았을 경우, 돌출부(412 및 422)는 기어 동작에 대해 미끄러졌을 수 있다. 그러나, 돌출부(414 및 424)의 접촉부에서 에피사이클로이드 표면은 부재(420) 상에 있고, 부재(410) 상의 하이포사이클로이드 표면과 접촉한다. 결과적으로, 기어 동작에 대해 미끄러지는 돌출부(412 및 422)의 접촉부의 경향은 반대 의미로 미끄러지는 돌출부(414 및 424)의 접촉부의 반대 경향에 의해서 대응된다. 리스트 조인트(400)에서, 돌출부의 접촉하는 사이클로이드 표면들은 균형 있는 미끄러짐 경향을 나타내며, 텐던(451 및 452)이 리스트 조인트(400)를 관절화하는 기어 동작시 부재(410 및 420)를 함께 유지한다.

중앙 사이클로이드 표면들이 접촉한 상태에서 디스크(410)의 디스크(420)에 대한 각도 동작 범위는 사이클로이드 표면을 한정하는 변수들에 좌우된다. 특히, 도 3에서 에피사이클로이드(310)는 변수 R과 r을 가지는데, R = 4r이면 4개의 하이포사이클로이드 로브와 연결된 4개의 에피사이클로이드 로브가 생기고, 에피사이클로이드(310)의 1개 로브에 하이포사이클로이드(320)이 접촉된 상태에서 에피사이클로이드(310)가 기어 회전하면 최대 90°, 즉 최대 ±45°의 각도 범위를 제공할 수 있다. 리스트 조인트(400)에서, 더 많은 로브를 가진 사이클로이드에 기초한 사이클로이드 표면이 바람직한데, 돌출부(412, 414, 416, 및 418) 상의 크기 목표 또는 제한과 각 로브가 더 작은 각도 범위를 갖는 경우 기어 동작 동안 접촉 표면에서 접찰의 감소 때문이다. 동작 범위는 전형적으로 리스트 메커니즘의 설계 사항이며, 한정된 사이클로이드에서 로브의 수와 각 로브의 각도 범위의 선택은 특정 용도에 맞춰서 리스트를 최적화하는 문제일 수 있다. 한 구체예에서, 각 로브의 크기, 예를 들어 중앙 사이클로이드 표면은 필요한 동작 범위의 약 1/2이며, 이것은 실용적이며 생산성 있는 구조를 제공하고, 22.5도 사이클로이드(즉, 풀 에피사이클로이드 또는 하이포사이클로이드에 16개 로브)가 ±45°ROM에 아주 잘 적합하며, 이 경우 각 돌출부가 에피사이클로이드 또는 하이포사이클로이드 중앙 표면으로부터 중앙 표면의 어느 한 측면에서 2개의 하이포사이클로이드 또는 에피사이클로이드 표면으로 매끄럽게 이행된다. 돌출부의 에피사이클로이드 및 하이포사이클로이드 표면은 동일한 중점 및 반경 변수 R과 r을 가진 사이클로이드의 일부를 따른다. 상보적인 표면을 제공하기 위해서, 돌출부(422)는 2개의 외부 에피사이클로이드 표면으로 매끄럽게 이행되는 중앙 하이포사이클로이드 표면을 포함하며, 이 경우 이들 표면을 한정하는 사이클로이드는 전부 동일한 중점 및 반경 변수 R과 r을 가진다.

돌출부(412, 414, 416, 418, 422, 424, 426, 및 428)의 사이클로이드 표면은 각각 리스트 조인트(400)의 경사축에 평행한 평면은 직선 라인을 따라 사이클로이드 표면과 교차하고, 경사축에 수직인 평면은 상기 설명된 사이클로이드 커브 또는 연속된 사이클로이드 커브들을 따라 사이클로이드 표면과 교차하게 된다. 이 구성형태에서, 리스트 조인트(400)는 1의 동작 자유도, 예를 들어 디스크(420)에 대해 디스크(410)의 경사 각도를 제공한다. 다중-조인트 리스트 메커니즘의 경우에, 돌출부(412, 414, 416, 및 418)와 유사한 추가 돌출부들(미도시)이 디스크(410)의 뒷면에 추가되어 디스크(420)와 유사하거나 동일한 디스크의 돌출부와 맞물릴 수 있다. 디스크(410)의 뒷면에 추가된 돌출부가 돌출부(412, 414, 416, 및 418)와 동일한 디스크(410)의 직경을 따라 있다면, 추가 리스트 조인트는 단일 리스트 조인트(400)가 할 수 있는 것보다 넓은 경사 범위를 제공할 수 있다. 또는 달리, 디스크(410)의 뒤에 추가된 돌출부가 돌출부(412, 414, 416, 및 418)가 배치된 직경에 수직인 직경을 따라 있다면, 조인트 쌍은 2의 동작 자유도, 예를 들어 피치와 요우를 제공할 수 있다.

리스트 조인트(400)는 에피사이클로이드 표면이 하이포사이클로이드 표면과 접촉한 상태에서 작동하며, 이로써 하중 지탱면 중 적어도 하나(즉, 하이포사이클로이드 표면)는 오목하다. 이것은 상기 표면이 또한 압축력을 지지하기 때문에, 예를 들어 조인트형 텐던(451 및 452)의 장력과 리스트 조인트(400)를 함유하는 기구에 적용되는 외력에 반응하기 때문에 바람직하다. 오목면은 일반적으로 허용되지 않는 변형 전에 볼록면이 견딜 수 있는 것보다 큰 힘을 견딜 수 있다. 예를 들어, 원형 표면을 사용해서 중심점 간 거리를 유지하면서 서로 맞물려 굴러가도록 했다면, 두 접촉 표면은 모두 볼록할 수 있으며, 이것은 하중이 적용될 때 더 쉽게 평탄하게 될 수 있다. 변형은 특히 세라믹과 같은 탄성이 적은 재료가 리스트 조인트에 사용된 경우 하중 지탱 구조를 손상시키거나 으스러트릴 수 있다.

리스트 조인트(400)의 또 다른 바람직한 특징부는 돌출부(412, 414, 416, 및 418 및 422, 424, 426, 및 428)가 중앙 에피사이클로이드 표면과 중앙 하이포사이클로이드 표면 사이에 교대로 존재한다는 것이다. 돌출부(412 및 424 그리고 426 및 428)의 키 큰 부분이 고정되어 디스크(410)가 경사축 방향을 따라 디스크(420)에 대해 옆으로 미끄러지는 것을 방지한다.

도 5a는 혼성 사이클로이드 표면을 가진 돌출부(513 및 517)를 사용한 부재 또는 디스크(510)를 예시한다. 특히, 돌출부(513)는 에피사이클로이드 커브인 바깥쪽 가장자리(512)(디스크(510)의 원주 근처)와 하이포사이클로이드인 안쪽 가장자리(514)(중앙 구멍(515) 근처)를 가진다. 가장자리(512 및 514) 사이의 혼성 표면은 에피사이클로이드 가장자리(512) 상의 지점들을 일치하는 각도 변수 θ 값을 가진 하이포사이클로이드 가장자리(514) 상의 지점들과 연결하는 선을 함유하며, 각도 변수 θ는 사이클로이드 커브(512 또는 514)를 한정하는데 사용된 작은 원의 상대적 회전을 나타낸다. 유사하게, 돌출부(517)는 디스크(510)의 원주에서 에피사이클로이드 커브(518)로부터 중앙 구멍(515)의 가장자리에서 하이포사이클로이드 커브(516)까지 이행하는 혼성 표면을 가진다.

도 5b는 혼성 표면이 디스크(520)의 직경을 따라 배치된 돌출부(523 및 527)를 가진 디스크(520)를 도시하며, 이것은 도 5a의 디스크(510)의 혼성 표면에서의 기어 동작을 위해서 설계된다. 돌출부(523) 상의 혼성 표면은 디스크(522)의 원주에서 하이포사이클로이드 커브(522)로부터 디스크(520)를 관통하는 중앙 구멍(525)의 원주에서 에피사이클로이드 커브(524)까지 매끄럽게 이행한다. 유사하게, 돌출부(527) 상의 혼성 표면도 디스크(522)의 원주에서 하이포사이클로이드 커브(522)로부터 디스크(520)를 관통하는 중앙 구멍(525)의 원주에서 에피사이클로이드 커브(524)까지 매끄럽게 이행한다. 디스크(520)의 바깥쪽 하이포사이클로이드 커브(522 및 528)는 디스크(510)의 바깥쪽 에피사이클로이드 커브(512 및 518)와 상보하고, 디스크(520)의 안쪽 에피사이클로이드 커브(524 및 526)는 디스크(510)의 안쪽 하이포사이클로이드 커브(514 및 516)와 상보한다.

디스크(510)는 돌출부(513 및 517)의 혼성 표면이 디스크(520) 상의 돌출부(523 및 527)와 접촉된 상태로 고정되었을 때 디스크(520) 위를 구르며, 상보하는 사이클로이드 커브는 서로 맞물려 구르는 원형 물체와 동일한 방식으로 디스크(510 및 520)의 동작을 구속하여 디스크(510)가 디스크(520)에 대해 기울어지게 된다. 또한, 혼성 표면의 대향 가장자리에서 접촉 지점이 기어 동작에 대해 미끄러지는 경향이 서로 상쇄되어 함께 기어 동작을 유지한다. 동시에, 돌출부(513 및 517과 523 및 527)의 교대로 있는 높은 부분에 의해서 경사축 방향을 따라 디스크(510 및 520)가 미끄러지는 것이 방지된다. 또한, 혼성 표면은 종래의 원형 표면들의 접촉보다 압축을 지지하는 더 나은 능력을 제공할 수 있다. 특히, 혼성 표면은 변곡점에 의해서 분리된 오목부와 볼록부를 가지며, 두 상보하는 혼성 표면의 접촉은 제1 혼성 표면의 볼록면이 제2 혼성 표면의 오목부 또는 평탄부와 접촉하는 제1 영역, 제1 및 제2 표면의 볼록부가 서로 접촉하는 제2 영역, 및 제1 혼성 표면의 오목면 또는 평탄면이 제2 혼성 표면의 볼록부와 접촉하는 제3 영역을 포함한다. 오목면과의 접촉은 압축력을 지지하는 리스트 조인트의 능력을 개선할 수 있다.

디스크(520)는 돌출부(523 및 527)와 동일한 직경을 따라 뒷면에 위치된 2개의 돌출부(521)(이 중 하나가 도 5b에서 보인다)를 가진다. 예시된 구체예에서, 돌출부(521)는 돌출부(523 및 527)의 혼성 표면과 동일한 혼성 표면을 가지며, 따라서 도 5a에서 디스크(510) 상의 돌출부(513 및 517)의 혼성 표면과 상보한다. 3개 부재 리스트 조인트는, 돌출부(513 및 517)가 디스크(520) 상의 각 돌출부(523 및 527)와 접촉되는 디스크(510)와, 돌출부(513 및 517)가 디스크(520)의 돌출부(521)와 접촉되는 디스크(510)의 동일한 카피를 사용하여 형성될 수 있다. 이 3개 부재 구조는 2개의 조인트를 제공하며, 이들은 모두 동일한 방향 축에 대해 기울어지고, 3개 부재 리스트 메커니즘은 단일 리스트 조인트보다 더 큰 경사 범위를 제공할 수 있다.

또한, 디스크(510)는 뒷면에 2개의 돌출부(511)(이 중 하나가 도 5a에서 보인다)를 가지며, 돌출부(511)는 돌출부(513 및 517)가 위치된 직경에 수직인 직경을 따라 위치된다. 예시된 구체예에서, 돌출부(511)는 돌출부(513 및 517)의 혼성 표면과 동일하며, 디스크(520) 상의 돌출부(523 및 527)의 혼성 표면에 상보하는 혼성 표면을 가진다. 3개 부재 리스트 조인트는, 돌출부(523 및 527)가 디스크(510) 상의 각 돌출부(513 및 517)와 접촉되는 부재(520)와, 돌출부(523 및 527)가 디스크(510)의 돌출부(511)와 접촉되는 부재(520)의 동일한 카피를 사용하여 형성될 수 있다. 이 3개 부재 리스트 메커니즘은 U자형 조인트로 작용하며, 2의 동작 자유도를 제공하는데, 하나는 돌출부(513 및 517)의 배치에 의해서 한정되는 축에 대한 경사에 해당하고, 다른 하나는 돌출부(511)의 배치에 의해서 한정되는 축에 대한 경사에 해당한다.

도 6a는 디스크(510)와 마찬가지로 제1 경사축에 대해 배치된 제1 쌍의 사이클로이드 표면(612 및 614)과 제1 경사축에 수직인 제2 경사축에 대해 배치된 제2 쌍의 사이클로이드 표면(616 및 618)을 가진 부재(610)를 도시한다. 예시된 구체예에서, 각 표면(612, 614, 616, 및 618)은 바깥쪽 에피사이클로이드 커브로부터 안쪽 하이포사이클로이드 커브로 매끄럽게 이행하는 혼성 표면이다. 다른 구체예에서, 표면(612, 614, 616, 및 618) 중 어느 것이 바깥쪽 하이포사이클로이드 커브로부터 안쪽 에피사이클로이드 커브로 이행하는 혼성 표면, 에피사이클로이드 부분과 하이포사이클로이드 부분을 가진 단차 표면, 에피사이클로이드 표면, 또는 하이포사이클로이드 표면일 수 있다. 부재(610)는 사이클로이드 표면이 돌출부 상에 있지 않고 일반적인 안장 모양으로 통합됨으로써 사이클로이드 표면(612, 614, 616, 및 618)에 의해 한정되는 2개의 수직 경사축이 더욱 컴팩트한 구조나 컴팩트한 만능 조인트(U-조인트)에 제공될 수 있다는 점에서 디스크(510)와 상이하다. 이상적으로는 수직 경사축이 동일한 평면에서 교차된다. 교차 경사축은 컴퓨터 제어 시스템에서 유리할 수 있는데, 컴퓨터 모델은 교차된 축을 가진 복합 조인트의 제어와 동작을 설명하는 정확한 해답을 제공할 수 있기 때문이다.

도 6b는 도 6a에 예시된 타입의 3개 부재(610)를 포함하는 리스트 메커니즘(600)을 도시한다. 부재(610)는 중간 부재(621 및 622) 또는 단부 부재(630 및 633)의 상보하는 사이클로이드 표면과 맞물리는 사이클로이드 표면을 가진다. 부재(621 및 622)는 일반적으로 도 5b의 부재(520)와 유사하지만, 각 부재(621 또는 622) 상의 사이클로이드 표면을 가진 돌출부가 부재의 원주로부터 안쪽으로 분기되며, 이것은 부재(621 및 622)가 돌출부 바깥의 고리 면적에 텐던을 위한 가이드 구멍을 가질 수 있게 한다. 각 단부 부재(630 또는 633)는 한 측면에 부재(621 및 622)의 돌출부와 동일한 돌출부를 갖고, 반대 측면은 기구(미도시)의 메인 튜브 또는 연장된 부재(640)에 연결되도록 적합하게 된다. 부재(610)는 텐던의 고리에 맞게 설치될 수 있는 크기이며, 텐던의 차단 없이 부재(621, 622, 630, 또는 633) 상의 돌출부와 맞물린다. 메인 튜브 또는 연장된 부재(640)는 텐던(651, 652, 및 653)을 제어하는 구동 메커니즘(미도시)에 직접 또는 간접 부착될 수 있다.

메인 튜브(640)와 단부 부재(640)를 통해서 연장되어 부재(621)에 부착된 텐던(651)은 단부 부재(640), 안장 모양 부재(610) 및 중간 부재(621)를 포함하는 3개 부재의 리스트 조인트를 제어한다. 3개 부재 리스트 조인트는 경사 부재(621)에 2의 자유도를 제공하며, 이것은 적어도 3개의 텐던(651)을 사용하여 가동될 수 있다. 메인 튜브(640), 단부 부재(630) 및 부재(621)를 통해 연장되어 부재(622)에 부착된 3개의 텐던(652)을 사용하여 부재(621, 610, 및 622)를 포함하는 3개 부재 U-조인트를 제어할 수 있다. 유사하게, 메인 튜브(640), 단부 부재(630), 부재(621) 및 부재(622)를 통해 연장되어 단부 부재(633)에 부착된 3개의 텐던(653)은 부재(622, 610, 및 633)를 포함하는 3개 부재 U-조인트를 제어할 수 있다. 이처럼 리스트 메커니즘(600)은 9개의 텐던을 사용하여 3개의 U-조인트를 제어하며, 이것은 리스트 메커니즘(600)의 모양 및 단부 부재(633)의 배향의 복잡한 조작을 가능하게 한다. 도 6b는 리스트 메커니즘(600)이 단순히 90°굽힘을 제공하는 구성형태를 도시한다. 한 구체예에서, 상부에 2개 안장(610)을 포함하는 메커니즘(600)의 일부는 2의 자유도, ±90도 리스트를 형성한다. 나머지 안장(610)은 연장된 부재(640)의 한 측면에서 한 쌍의 엘보 조인트에서 상부 엘보 조인트의 일부가 된다. 각 엘보는 ±45도 동작 범위를 갖고, 2개의 엘보는 연장된 부재(640)가 "조글 조인트"의 일부일 때 메인 튜브와 평행 유지되도록 조립되며, 이것은 2007년 6월 13일 제출된 미국 특허출원 공개 US 2008/0065102 A1, 발명의 명칭 "Surgical Instrument with Parallel Motion Mechanism" 등에 설명된다. 사이클로이드를 가진 부재를 메커니즘(600)에 사용해서 전체 6의 자유도를 생성하여 단부(633)에 부착된 도구를 x, y, z 및 롤, 피치, 요우 방향으로 위치시킬 수 있다.

리스트 조인트에서 부재를 기울어지게 하는 2의 자유도는 하중 지탱 사이클로이드 표면의 2개 부재 구조를 사용하여 달성될 수 있다. 도 7은 2개 부재 또는 디스크(710 및 720)를 포함하는 리스트 조인트(700)를 도시한다. 디스크(710)는 사이클로이드 표면(714)의 돌출부(712)를 가진다. 사이클로이드 표면(714)은 중심선을 중심으로 에피사이클로이드 커브의 회전에 의해 스윕되는 표면에 해당하는 중앙 부분을 가진다. 디스크(720)는 사이클로이드 표면(714)에 상보하는 사이클로이드 표면(724)을 지닌 돌출부(722)를 가진다. 특히, 사이클로이드 표면(724)의 적어도 중앙 부분은 중심선을 중심으로 회전되었을 때 하이포사이클로이드 커브가 스윕하는 표면에 해당하며, 표면(724)의 적어도 중앙 부분을 한정하는데 사용된 하이포사이클로이드 커브는 표면(714)의 중앙 부분을 한정하는데 사용된 에피사이클로이드 커브에 상보한다. 더 일반적으로, 더 큰 동작 범위를 수용하기 위해서, 공전의 표면(714 및 724)을 한정하는데 사용된 커브가 하이포사이클로이드 또는 에피사이클로이드의 두 부분 사이에 에피사이클로이드 또는 하이포사이클로이드의 일부를 포함할 수 있으며, 이 경우 모든 사이클로이드는 동일한 중심 및 직경 변수 R과 r을 가진다. 상보하는 사이클로이드 표면(714 및 724)은 1 차원을 따라 굴러가는 것에 국한되지 않으며, 대신에 부재(720)에 대해 부재(710)가 기울어지도록 2의 자유도를 제공한다. 이로써 3개 텐던(730)을 사용하여 부재(710)에 대해 부재(710)의 피치 및 요우를 제어할 수 있다.

상기 설명된 리스트 조인트는 하중을 지탱하고, 기준점 간 거리를 유지하고, 기어 동작을 확보할 수 있는 사이클로이드 표면을 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 추가 구체예에 따라서, 하중 지탱 사이클로이드 표면을 가진 리스트 조인트는 기어 동작도 확보하며, 리스트의 롤축 주변의 토크(롤 토크)에 대한 리스트 조인트의 저항성을 개선할 수 있는 기어링을 사용할 수도 있다. 도 8은 하중 지탱 사이클로이드 표면을 사용하여 각 조인트에서 1:1 기어 동작을 확보하기 위한 기어링을 사용한 다중-조인트 리스트 메커니즘(800)을 도시한다. 리스트 메커니즘(800)은 이를 가진 단부 부재(820), 슬롯 부재(830), 이를 가진 중간 부재(840), 및 연장부(850)를 포함한다.

단부 부재(820)의 한 측면은 연장부(850), 메인 튜브(미도시), 또는 도구(미도시; 예를 들어 수술 단부 작동기)와 같은 또 다른 구조와의 고정된 연결에 적합한 모양을 가진다. 도 9a, 9b, 9c 및 9d는 이를 가진 단부 부재(820)의 구체예를 더 상세히 예시한다. 특히, 도 9a는 기어 이(822)의 윤곽을 도시한 이를 가진 단부 부재(820)의 측면도이다. 도 9b의 상면도에 도시된 대로, 단부 부재(820)는 부재(820)의 원주 상의 대향 지점에 위치된 2개의 이(822)를 가진다. 또한, 도 9b는 부재(820)를 관통하는 중앙 구멍(825)에 인접해서 이(822)로부터 안쪽으로 위치된 하중 지탱 사이클로이드 표면을 갖는 돌출부(824)를 도시한다. 부재(820)를 관통하는 구멍(823)은 텐던을 위한 가이드를 제공한다. 구획선 C-C 및 D-D는 도 9c 및 9c에 예시된 부재(820)의 단면도들의 상대적 배향을 도시한다. 도 9c는 이(822)와 돌출부(824)가 직경 또는 부재(820)를 따라 배치된 방식을 예시하는 부재(820)의 단면을 도시한다. 사이클로이드 표면은 중심 지점들이 정렬된 사이클로이드 부분을 따르며, 부재(820)를 포함하는 리스트 조인트의 경사축 방향을 한정한다. 도 9d는 돌출부(824)의 사이클로이드 표면의 단면도를 도시한다. 예시된 구체예에서, 돌출부(824)의 사이클로이드 표면은 중앙 하이포사이클로이드 표면을 포함하지만, 다른 타입의 사이클로이드, 단차 또는 혼성 표면이 대신 사용될 수 있다. 이(822)는 조인트에 대한 압축 하중을 거의 지탱하지 못하며, 인접 디스크의 기어 동작을 확보하고, 롤 토크에 저항하기 위해서 사용된다. 이(822)는 사이클로이드 핀 기어의 일부일 수 있으며, 도 2에 묘사된 것들과 유사한 사이클로이드 기어 이의 모양을 가질 수 있다. 또는 달리, 이(822)는 인볼류트 기어의 이와 동일한 모양일 수 있으며, 다만 이(822)와 맞물리는 노치도 그에 대응하는 모양을 가져야 한다. 예시된 구체예에서는 조인트 동작 범위가 ±45도이므로 단지 1개의 이가 필요하지만, 대신에 기어 부분을 더 크게 해서 부재의 기어 동작을 확보할 수 있다.

도 10a, 10b, 10c 및 10d는 슬롯 부재(830)의 구체예를 상세히 도시하며, 이것은 단부 부재(820)와 맞물려 리스트 조인트를 형성하도록 설계된다. 도 10a는 슬롯 부재(830)의 측면도이다. 부재(830) 하부면은 단부 부재(820)의 돌출부(824)의 사이클로이드 표면에 상보하는 사이클로이드 표면을 지닌 돌출부(832)를 가진다. 도 10d는 하부 돌출부(835)가 예시된 구체예에서 중앙 에피사이클로이드 부분을 갖는 것을 도시한다. 돌출부(834)의 사이클로이드 표면은 중점들이 정렬된 사이클로이드 부분을 따르며, 하부 돌출부(834)와 접촉하는 부재에 의해 생기는 리스트 조인트의 제1 경사축을 한정한다. 또한, 부재(830)는 부재(830)의 하부를 향해서 개방되고, 부재(820) 상의 이(822)와 맞물릴 수 있는 위치 및 모양을 가진 노치 또는 슬롯(842)을 가진다. (또는 달리, 부재(830)는 부재(820)의 노치와 맞물리는 이를 포함할 수 있다) 또한, 도 10b에 도시된 각 부재(830)의 상면도도 슬롯(836)과 돌출부(838)를 포함한다. 도 10a 및 10c에 도시된 돌출부(838)는 예시된 구체예에서 부재(820)의 돌출부(824)와 동일한, 중앙 하이포사이클로이드 부분을 가진 사이클로이드 표면을 가진다. 그러나, 돌출부(838)의 사이클로이드 표면은 중앙들이 정렬된 사이클로이드 부분이며, 하부 돌출부(834)에 의해 한정되는 제1 경사축에 수직인 제2 경사축을 한정한다. 따라서, 부재(830)가 U-조인트에서 중심 부재로서 사용될 수 있다. 또한, 도 10b는 기구의 중심 내강을 위한 중앙 구멍(835)과 텐던을 위한 가이드 구멍(833)을 포함하는 부재(830)를 도시한다.

도 11a, 11b, 11c 및 11d는 이를 가진 중간 부재(840)의 구체예를 상세히 도시한다. 이를 가진 각 중간 부재(840)는 상부측과 하부측을 가지며, 이들은 모두 실질적으로 단부 부재(820)의 상부측과 동일하다. 도 11a는 부재의 측면도를 도시하며, 상부 이(842)와 하부 이(846)의 윤곽을 예시하는데, 이들은 이(822)와 마찬가지로 슬롯 부재(830)의 슬롯(832 또는 834)과 맞물릴 수 있는 모양 및 위치를 가진다. (또는 달리, 부재(830)는 부재(840)의 노치와 맞물리는 이를 포함할 수 있다) 도 11b는 이(842), 가이드 구멍(843), 돌출부(844) 및 중앙 구멍(845)의 상대적 위치를 도시한 부재(840)의 상면도이다. 부재(840)의 하부측에서 이(846)와 돌출부(848)는 가이드 구멍(843) 및 중앙 구멍(845)에 대해 유사하게 배치된다. 도 11c에 도시된 대로, 돌출부(844)와 이(842)는 돌출부 이(846)와 돌출부(848)가 그런 것처럼 부재(840)의 동일한 직경 상에 정렬된다. 돌출부(844 및 848)는 경사축에 대해 동일한 방향을 한정하도록 정렬된 사이클로이드 표면을 가진다. 그러나, 도 11d에서 볼 수 있는 대로, 돌출부(844)의 사이클로이드 표면은 하이포사이클로이드 중앙 부분을 갖고, 돌출부(848)는 예시된 구체예에서 상보하는 에피사이클로이드 중앙 부분을 가진다.

도 8의 다중-조인트 리스트 메커니즘(800)은 텐던-보강 리스트 메커니즘에서 부재들(820, 830 및 840)의 사용에 대한 한 구성형태를 예시한다. 리스트 메커니즘(800)의 좌측에서 시작하여 단부 부재(820)가 의료 기구에서 도구의 부착을 위한 베이스로 사용될 수 있다. 단부 부재(820)는 슬롯 부재(830)의 하부 슬롯(832) 및 하부 돌출부(834)와 맞물리는 이(822) 및 돌출부(824)를 가진다. 슬롯 부재(830)는 이를 가진 중간 부재(840)의 하부 이(846) 및 하부 돌출부와 맞물리는 상부 슬롯(836) 및 돌출부(838)를 가진다. 하부 슬롯(832)과 돌출부(834)에 대해 상부 슬롯(836)과 돌출부(838)가 부재(830)에서 90도 회전하기 때문에 처음 3개 부재(820, 830, 및 840)가 U-조인트를 형성한다. 슬롯(832 및 836)에서 맞물린 이(822 k및 846)가 U-조인트를 비트는 경향이 있는 토크에 저항한다. 부재(820 및 830)를 통과한 3개 텐던(미도시)이 부재(840)에 부착되어 부재(820)에 대한 부재(840)가 기울어질 때 양 자유도를 모두 제어할 수 있다. 특히, 텐던이 슬롯 부재(830)의 상부 돌출부(838)에 의해 한정된 경사축에 대한 순 토크로서 부재(840)를 당길 때는 부재(840)의 하부 이(846)가 부재(838)의 상부 슬롯(836)과 맞물려 1:1 기어비로 부재(840 및 830)의 기어 동작을 일으켜서 상기 경사축을 중심으로 회전한다. 텐던이 슬롯 부재(830)의 하부 돌출부(834)에 의해 한정된 경사축에 대한 순 토크로서 부재(840)를 당길 때는 이(846) 및 돌출부(848)와 슬롯(836) 및 돌출부(838)의 맞물림 고정이 순 토크에 반응하는 상대적 동작을 방지함으로써 부재(840 및 830)가 적용된 토크에 반응하는 유닛으로서 움직인다.

3개의 U-조인트가 리스트 메커니즘(800)에서 연장부(850)의 좌측에 유사하게 제공된다. 이들 U-조인트는 각각 부재(820 또는 840) 사이에 끼워진 부재(830)에 해당한다. 연장부(850)는 단부 부재(820)에 연결되고, 이로써 단부 부재(820)의 각도 동작 범위에 반응하여 비교적 큰 공간 동작 범위를 제공할 수 있다. 두 단부 부재(820) 사이에 슬롯 부재(830)가 위치됨으로써 제조된 최종 U-조인트는 연장부(850)를 사용하여 달성된 큰 동작 범위의 끝에서 추가의 각도 및 위치 제어를 제공할 수 있다. 또한, 도 8은 가이드(855)를 도시하며, 이것은 연장부(850)를 통해서 텐던을 가이드하여 최종 U-조인트 또는 최종 단부 부재(820)에 부착된 도구를 제어할 수 있게 한다.

비교적 큰 이(822)를 포함하는 메커니즘(800)과 같은 구조의 이점은 비교적 큰 롤 토크를 지지할 수 있는 능력이다. 도 6의 메커니즘(600)에 사용된 것과 같은 혼성 사이클로이드 표면은 약 5mm의 직경을 가진 기구를 사용하여 가벼운 수술 작업(레이저 절제 또는 흡입 관주와 같은)을 수행하는 동안 경험하는 토크를 견딜 수 있다. 그러나, 큰 파지력이 적용되는 도구를 사용한 수술 작업은 더 높은 토크를 생성하는 경향이 있는데, 이것은 특히 약 5mm 이하의 작은 기구 직경에서, 메커니즘(800)의 이(822)에 의해서 더 잘 지지될 수 있다. 도 8과 같은 기어 구조 없이 도 6에서와 같은 하중 지탱 사이클로이드 표면을 사용하는 것의 상대적 이점은 이가 제거됨으로써 하중 지탱면의 면적이 커지고, 이로써 컴팩트 조인트가 더 큰 하중을 지지할 수 있게 된다는 것이다.

상기 설명된 본 발명의 구체예는 많은 이전의 리스트 메커니즘을 능가하는 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 오목면은 적은 접촉 스트레스를 제공할 수 있으며, 이것은 역학적 사슬에 더 많은 조인트를 허용하거나, 또는 강성 조인트에 더 높은 하중을 허용한다. 추가로, 개시된 구체예는 구조에서 간격을 유지한 채로 기어 동작을 달성할 수 있으며, 이것은 핀 타입 조인트에서 가능한 것보다 더 컴팩트하게 될 수 있어서 리스트의 내강을 위한 공간이 더 많아지게 된다. 조인트의 컴팩트한 성질은 수술 로봇이 실제 사용되는 공간에서 교차 축(U-조인트) 타입 설계를 가능하게 한다. 이것은 또한 도구의 전체 길이를 감소시킬 수 있고/있거나 기구의 동작 범위를 증가시킬 수 있다. 또한, U-조인트 배치는 대칭 작업공간을 생성하며, 이것은 제어 시스템 및 의사 훈련에 유리할 수 있다. 커브를 함께 혼성화하면(ID에서 OD까지) 각도 접촉 때문에 미끄러짐 및 병진에 저항하는 조인트가 만들어진다. 또한, 특징부들의 컴팩트한 크기는 조인트 세트들을 연이어 사용할 수 있게 해서 미끄러짐 및 병진에 저항할 수 있도록 한다. 혼성 또는 비-혼성 사이클로이드 표면을 사용하여 제조된 U-조인트는 컴팩트 구조를 위한 교차 경사축로서, 또는 더 넓은 중심 내강을 위한 더 큰 면적을 제공하는 적층 구조로서 제조될 수 있다.

도 12는 상기 설명된 것과 같은 리스트 메커니즘을 함유하는 의료 기구를 사용할 수 있는 로봇 제어 시스템(1200)의 예를 도시한다. 시스템(1200)은, 예를 들어 Intuitive Surgical, Inc.로부터 입수가능한 da Vinci® 수술 시스템일 수 있으며, 로봇 조작기 암(1230)의 도킹 포트(1220)에 각각 장착된 복수 의료 기구(1210)를 포함한다. 기구(1210)는 서로 교환될 수 있으며, 이로써 도킹 포트(1220)에 장착되는 기구(1210)는 특정 의료 술식에 맞게 선택되거나, 또는 의료 술식 동안 필요한 임상 기능을 제공하도록 변경될 수 있다. 각 기구(1210)는 통상 단부 작동기(1212), 메인 튜브(1214) 및 백엔드 메커니즘(1216)을 포함한다. 기구(1210)의 단부 작동기(1212)는 겸자 또는 집게, 니들 드라이버, 메스, 소작기, 또는 가위와 같은 도구를 포함하고, 기계적 리스트 메커니즘이 단부 작동기(1212)에 통합되어 이들 도구를 조작할 수 있다. 또는 달리, 상기 설명된 리스트 메커니즘은 메인 튜브(1214)에서 사용될 수 있다. 사용시, 메인 튜브(1214)의 원단부와 하나 이상의 단부 작동기(1212)가 하나 이상의 작은 절개부 또는 자연 개구를 통해 삽입되어 환자 몸안의 수술 부위에 단부 작동기(1212)를 위치시킬 수 있다. 도킹 포트(1220)는 일반적으로 메인 튜브(1214)를 통해서 백엔드 메커니즘(1216)으로부터 연장되어 기구(1210)의 리스트 메커니즘과 도구에 연결되는 텐던을 조작하기 위한 기계적 힘을 제공하는 구동 모터를 포함한다. 컴퓨터 시스템(1250)이 필요에 따라 구동 모터를 제어하는 소프트웨어를 실행하며, 이로써 시스템(1200)을 사용해서 의사나 다른 의료 요원이 지시한 대로 기구(1210)를 조작하여 의료 술식을 수행한다.

본 발명은 특정 구체예를 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 단지 본 발명을 적용한 예일 뿐이며, 제한으로서 해석되면 안 된다. 개시된 구체예의 특징들의 다양한 개조 및 조합은 다음의 청구항들에 의해서 한정되는 본 발명의 범위 내에 들어간다.

Claims

제1 사이클로이드 표면을 가진 제1 부재; 제1 사이클로이드 표면과 접촉하는 제2 사이클로이드 표면을 가진 제2 부재; 및 제1 및 제2 부재 중 하나에 힘을 적용하기 위해 연결된 텐던을 포함하며, 제1 및 제2 사이클로이드 표면의 접촉에 의해서 제1 및 제2 부재에 대한 압축력이 생기고, 제1 및 제2 부재가 텐던을 통해서 적용되는 힘에 반응하여 기어 동작이 이루어지도록 배열된 기구 리스트.
제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 사이클로이드 표면 중 하나는 오목하고, 여기서 제1 및 제2 표면이 접촉하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서, 제1 사이클로이드 표면은, 하이포사이클로이드 커브를 따르는 제2 사이클로이드 표면의 부분과 접촉하는, 에피사이클로이드 커브를 따르는 부분을 가진 것을 특징으로 하는 리스트.
제 3 항에 있어서, 제1 부재는 하이포사이클로이드 커브를 따르는 부분을 가진 제3 사이클로이드 표면을 더 포함하고, 제2 부재는 에피사이클로이드 커브를 따르면서 제3 사이클로이드 표면과 접촉하는 제4 사이클로이드 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 4 항에 있어서, 제1, 제2, 제3, 및 제4 사이클로이드 표면은, 제1 및 제2 부재 중 하나에 적용되는 힘에 반응한 기어 동작에 대해 미끄러지는 제1 및 제2 사이클로이드 표면의 경향이 상기 힘에 반응한 기어 동작에 대해 미끄러지는 제3 및 제4 사이클로이드 표면의 반대 경향과 균형이 이루어지도록 배치된 것을 특징으로 하는 리스트.
제 4 항에 있어서, 제1 및 제3 사이클로이드 표면은 제1 부재의 직경을 따라 위치되고, 직경의 중심에서 같은 쪽에 있는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 4 항에 있어서, 제1 및 제3 사이클로이드 표면은 제1 부재의 직경을 따라 위치되고, 직경의 중심에서 반대 쪽에 있는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서, 제1 사이클로이드 표면이 제1 에피사이클로이드의 부분으로부터 제1 하이포사이클로이드의 부분으로 매끄럽게 이행하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 8 항에 있어서, 제2 사이클로이드 표면이 제2 하이포사이클로이드의 부분으로부터 제2 에피사이클로이드의 부분으로 매끄럽게 이행하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 9 항에 있어서, 제1 에피사이클로이드가 제2 하이포사이클로이드와 접촉하는 위치에서 제1 및 제2 부재는 제1 및 제2 부재 중 하나에 적용되는 힘에 반응한 기어 동작에 대해 미끄러지는 제1 경향을 가지고, 제1 하이포하이클로이드가 제2 에피사이클로이드와 접촉하는 위치에서 제1 및 제2 부재는 상기 힘에 반응한 기어 동작에 대해 미끄러지는 제2 경향을 가지며, 제2 경향은 제1 경향과 반대인 것을 특징으로 하는 리스트.
제 8 항에 있어서, 제1 부재는 에피사이클로이드의 부분으로부터 하이포사이클로이드의 부분으로 매끄럽게 이행하는 제3 사이클로이드 표면을 더 포함하며, 제1 및 제3 표면은 제1 부재의 직경을 따라 위치되고, 직경의 중심에서 반대 쪽에 있는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서,
제1 부재는 제1 기어 구조를 더 포함하고;
제2 부재는 제2 기어 구조를 더 포함하고; 그리고
제1 표면이 제2 표면과 접촉할 때, 제1 기어 구조가 제2 기어 구조와 맞물려 제1 및 제2 부재의 회전을 위한 1:1 비를 제공하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 12 항에 있어서, 제1 기어 구조는 이를 포함하고, 제2 기어 구조는 제2 부재에 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서, 제1 사이클로이드 표면은 에피사이클로이드 표면을 따르는 제1 부분 및 하이포사이클로이드를 따르는 제2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서, 제1 사이클로이드 표면은 에피사이클로이드와 하이포사이클로이드 중 하나를 따르는 중앙 부분 및 하이포사이클로이드와 에피사이클로이드 중 나머지 하나를 따르는 두 바깥쪽 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서, 제1 사이클로이드는 리스트의 중심축을 중심으로 에피사이클로이드가 공전되는 모양의 중앙 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 16 항에 있어서, 제2 사이클로이드 표면은 리스트의 중심축을 중심으로 하이포사이클로이드가 공전되는 모양의 중앙 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서, 제1 사이클로이드 표면은 제1 부재의 본체로부터 연장된 돌출부의 표면이고, 제2 사이클로이드 표면은 제2 부재의 본체로부터 연장된 돌출부의 표면인 것을 특징으로 하는 리스트.
제 1 항에 있어서, 제2 부재가 제2 부재에서 제2 사이클로이드 표면에 반대쪽에 제3 사이클로이드 표면을 포함하고, 리스트는 제3 사이클로이드 표면과 접촉하는 제4 사이클로이드 표면을 가진 제3 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 19 항에 있어서, 제1 및 제2 사이클로이드 표면의 접촉은 제2 부재에 대한 제1 부재의 동작을 제1 경사축을 중심으로 한 회전에만 제한하고, 제3 및 제4 사이클로이드 표면의 접촉은 제2 부재에 대한 제3 부재의 동작을 제1 경사축을 중심으로 한 회전에만 제한하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 19 항에 있어서, 제1 및 제2 사이클로이드 표면의 접촉은 제2 부재에 대한 제1 부재의 동작을 제1 경사축을 중심으로 한 회전에만 제한하고, 제3 및 제4 사이클로이드 표면의 접촉은 제2 부재에 대한 제3 부재의 동작을 제1 경사축에 수직인 제2 경사축을 중심으로 한 회전에만 제한하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 19 항에 있어서, 제2 부재는 안장 모양인 것을 특징으로 하는 리스트.
제 22 항에 있어서, 동일한 평면에서 리스트의 동작축이 교차하도록 제2 및 제3 사이클로이드 표면이 제2 부재에 위치된 것을 특징으로 하는 리스트.
제 19 항에 있어서, 제1, 제2, 제3, 및 제4 사이클로이드 표면은 각각 혼성 사이클로이드 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 19 항에 있어서, 제1, 제2, 제3, 및 제4 사이클로이드 표면은 각각 단차 사이클로이드 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 리스트.
제 19 항에 있어서, 제1, 제2, 제3, 및 제4 사이클로이드 표면은 각각 리스트의 경사축에 평행한 평면이 직선 라인을 따른 사이클로이드 표면과 교차하도록 된 것을 특징으로 하는 리스트.