KR101909041B1 - 차별적인 구부림을 나타내는 조인트식 링크 구조체 및 관련 방법 - Google Patents

차별적인 구부림을 나타내는 조인트식 링크 구조체 및 관련 방법 Download PDF

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Abstract

본 교시의 여러 가지 예시적인 실시예에 따르면, 수술 기구는 관절운동가능하게 결합되어 있는 제 1 링크 쌍, 관절운동가능하게 결합되어 있는 제 2 링크 쌍과, 제 1 링크 쌍 및 제 2 링크 쌍에 결합되는 인장 부재를 포함하고, 그 결과 인장 부재에서의 인장력 변경은 제 1 링크 쌍과 제 2 링크 쌍을 구부리기 위하여 제 1 링크 쌍과 제 2 링크 쌍을 관절운동하게 하는 힘을 가한다. 수술 장치는 제 1 링크 쌍이 인장 부재의 인장력 변경시 제 2 링크 쌍보다 구부림에 대해 작은 저항력을 가지도록 구성될 수 있다.

Description

차별적인 구부림을 나타내는 조인트식 링크 구조체 및 관련 방법{JOINTED LINK STRUCTURES EXHIBITING PREFERENTIAL BENDING, AND RELATED METHODS}
본 교시는 인접한 링크들 사이의 조인트에 의하여 서로에 대하여 관절운동하는 일련의 링크들을 포함하는 가요성, 조향가능한 기구에 관한 것이다. 특히, 본 교시는 로봇에 의해 보조되는 것을 포함하는 여러 가지의 최소 침습 수술 과정을 실행하는데 사용되는 이러한 기구에 관한 것이다.
운동학 사슬(kinematic chain)은 기다란 링크 구조체를 제공하기 위해서 여러 가지 응용 분야에서 사용된다. 이러한 운동학 사슬을 이용하는 구조체의 예시는 로봇 제어식 기구 및/또는 최소 침습 수술 기구를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 최소 침습 수술 기구는 수동으로 제어되거나 로봇으로 제어될 수 있다. 운동학 사슬은 전체 사슬 또는 전체 사슬의 하나 이상의 부품으로서 인간의 골격과 유사하고 일련의 상호연결된 링크(척추와 유사한)로 형성되는 구조체를 포함할 수 있다. 링크들은 조인트에 의하여 서로 결합되어, 서로에 대하여 인접한 링크들이 하나 이상의 자유도(DOF)로 관절운동(articulation)을 허용한다. 이 관절운동을 통하여, 이들 조인트식 링크 구조체는 또한 하나 이상의 자유도(예컨대, 피치(pitch) 및/또는 요우(yaw) 구부림을 포함하는)로 구부려져서, 뱀의 움직임과 유사한 여러 가지 곡선 형상으로 배치될 수 있다. 예컨대 인장 부재(예컨대, 케이블, 와이어 및/또는 푸시 로드) 및/또는 압축 부재(예컨대, 푸시 로드, 보우든 케이블(Bowden cable))와 같은 힘 전달 요소는 링크들을 서로에 대하여 관절운동하게 하는 작용력을 가하기 위하여 일련의 링크를 상호연결하여 조인트식 링크 구조체를 전체적으로 바람직한 구부려진 곡선 형태로 제공할 수 있다.
최소 침습 수술 기법은, 수동으로 실행되든지 로봇 보조 시스템에 의하여 실행되든지, 일반적으로 건강한 세포에 대한 손상을 최소화하면서 수술 과정을 실행하려고 시도한다. 이 목적을 달성하기 위한 하나의 특별한 기법은, 예컨대 환자의 소화관, 혈액-운반 내강, 기관지 또는 다른 내강과 같은 자연 내강을 적어도 부분적으로 따라감으로써 환자 내부의 목표 작업 부위에 도달할 수 있는 조인트식 링크 구조체로 형성된 구부림가능하고(bendable) 조향가능한(steerable) 아암, 손목 또는 기타 유사한 것을 가지는 수술 장치를 이용한다. 수술 장치가 내강으로 진입하거나 내강을 벗어나는 위치에서 절개가 필요하지만, 자연 내강을 따라가는 것은, 예를 들어 외과의사가 건강한 세포를 통하여 더 적은 수의 절개 및/또는 더 작은 절개를 하면서 작업 부위에서 조작하는 것을 허용할 수 있다. 따라서, 자연 내강 또는 다른 구불구불한 경로를 따라갈 수 있는 수술 장치는 구부림(예컨대, 만곡시킴)을 허용하도록 가요성이어야만 하고, 또한 이러한 구부림에 대한 제어를 허용하도록 조향가능하여야 한다. 여러 가지 수술 응용 분야들, 특히 작은 내강 및/또는 꽉 끼는 굽음부(tight bend)나 분지(bifurcation)를 가지는 내강과 관련된 분야에서는, 예를 들어 다른 분야 중에서 폐 및/또는 신경 분야에서 발생하는 것과 같이 여러 가지 수술 분야는, 기다란 수술 장치의 일부가 특히 최종 작업 부위에 도달하기 위하여 구부릴 때 비교적 작은 곡률 반경을 나타낼 것을 요구할 수 있다. 일반적으로, 응용 분야에 따라서 여러 가지 곡률과 만곡의 정도는 구부림가능하고 조향가능한 장치의 길이를 따라 소망될 수 있다.
몇몇 경우에서, 조인트식 링크 구조체는, 기다란 수술 기구의 원위 단부(즉, 기구가 사용될 때 작업 부위에 가장 근접한 기구의 단부)에 배치될 수 있으며, 원위 단부에서는 제어되는 조향, 작은 곡률 반경으로 구부리는 것, 및/또는 큰 그리고/또는 다자유도 거동이 유리할 수 있다. 따라서, 조인트식 링크 구조체에 의해 형성되는 손목은 엔드 이펙터(예컨대, 클램프, 칼날, 가위, 소작 부재(cautery member) 등과 이들의 조합과 같은 툴)를 지지하기 위하여 기다란 수술 장치의 원위 단부 쪽에 제공될 수 있다. 수술 기구와 툴의 삽입과 제거를 촉진하고 최소 침습 수술 과정의 목표 작업 부위에 도달하는 것을 촉진하는 입구 가이드(예컨대, 가이드 튜브) 및/또는 기타 유사한 내시경 구조체는 목표 가요성 및 구부림을 제공하는 조인트식 링크 구조체로 형성되어, 이러한 장치들이, 예컨대 신체 내강과 같은 구부구불한 경로를 횡단하고 이 경로를 따라 조향되게 할 수 있다. 입구 가이드는 일반적으로 다른 수술 기구가 삽입되고 제거될 수 있는 하나 이상의 채널을 포함한다. 입구 가이드를 사용하는 것은 또한 상이한 기구가 필요할 때마다 정밀한 조향 과정을 요구하지 않고 기구가 변경되는 것을 허용할 수 있다.
좁고 구불구불한 경로를 횡단하는 성능과 별도로, 최소 침습 수술 기구의 전체 크기는 이러한 기구의 설계상 제약이 될 수 있다. 일반적으로, 외측 측면 치수(예컨대, 직경)를 포함하여 이러한 기구의 전체 크기가 좁은 내강과 다른 통로 내부에서 들어맞도록 비교적 작은 것이 바람직하다. 따라서, 몇몇 경우에는 조인트식 링크 구조체의 전체 크기를 감소시키도록 힘 전달 요소의 개수 및 배치를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 구조체의 구부림을 제어하는 작용력을 제공하기 위하여 관절운동가능하게 결합되어 있는 일련의 링크를 상호연결하는 힘 전달 요소의 개수와 배치는, 하나 이상의 힘 전달 요소가 이러한 링크에 직접 부착되지 않으면서 이러한 링크에서 말단을 이루지 않고 하나 이상의 링크를 통과하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 힘 전달 요소는 일련의 링크들 중의 하나 이상의 근위 링크("중간" 링크)를 통과하여 궁극적으로 말단을 이루고, 일련의 링크들 중 원위 링크("종료" 링크)에 직접 부착될 수 있고, 일련의 링크들 중 중간 링크들은 말단을 이루고 중간 링크에 직접 부착되는 힘 전달 요소를 가지지 않는다. 따라서, 일련의 복수 개의 조인트들(또는 링크 쌍들)을 구부리는 것과 조향하는 것은, 말단 링크를 포함하고 따라서 이러한 링크 쌍에 직접 부착되는 힘 전달 요소의 작동에 의하여 개별적인 직접 구부림이 가능한 각각의 조인트 또는 링크 쌍 없이, 단일의 힘 전달 요소(또는 다중 구부림 방향 및/또는 다자유도의 경우에는 단일 세트의 힘 전달 요소들)를 통하여 작동된다. 이러한 구성은 종종 "제약 상태(underconstrained)"로 지칭된다. 환언하면, 다중 링크 쌍들을 조향하고 구부리는 것은, 이러한 링크 쌍들 중에서 연속된 링크 쌍들 중의 하나의 링크 쌍의 링크에 부착되고 말단을 이루는, 단일의 힘 전달 요소 또는 단일 세트의 힘 전달 요소들에 의해 작동된다. 그러나, 이러한 "제약 상태"의 구조체는 제어가능하게 조향하고 구부리는 것을 시도할 때 문제를 야기하고, 이로써 예측할 수 없는 그리고/또는 제어할 수 없는 링크의 움직임(관절운동)을 야기한다.
제약 상태의 구조체를 포함하여 이러한 조인트식 링크 구조체의 제어는 종종 소위 "등각 가정(equal angle assumption)"에 기초를 두는데, 여기에서는 예컨대 말단 링크들에 의해 구획된 중간 링크들을 포함하는 일련의 링크 쌍이 말단 링크에 직접 부착된 하나 이상의 힘 전달 요소의 작동에 응답하여 각각의 조인트 둘레에서 대략 동일한 각도로 구부려진다는 것이 가정된다. 예컨대, 조인트 마찰력과, 피부 및/또는 구조체의 유효하중(payload)에 기인한 저항력과 같이 링크들에 작용할 수 있는 여러 가지 힘에 따라, 등각 가정은 링크 쌍들의 실제 배향을 정확하게 반영하지 않을 수 있다. 더욱이 몇몇 경우에서, 특히 이러한 구조체가 매우 작은 내강 및 다른 통로에서 사용될 때, 모두 거의 동일한 각도로 구부려지는 일련의 상호연결된 링크 쌍들을 제공하는 것이 바람직하지 않을 수 있는데, 이는 이렇게 하는 것이 일련의 링크 쌍들의 곡률 반경이 전체적으로 더 커지는 것을 야기할 수 있기 때문이다. 등각 가정에 기초한 제어 시스템을 통합하는 조인트식 링크 시스템의 추가 설명을 위해서, 미국 특허 US 6,817,974 B2(2002년 6월 28일 출원; 발명의 명칭은 "확실하게 위치시킬 수 있는 텐던-작동식 다중-디스크 손목 조인트를 가지는 수술 툴(Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint)")가 참고 문헌으로 제시되고, 여기에서 전체로 참조사항으로써 통합되어 있다.
따라서, 작업 부위까지의 작고 구불구불한 경로의 횡단을 요구하는 과정들을 포함하여, 광범위한 최소 침습 수술 과정을 실행하기 위하여 더 제어가능하게 구부려질 수 있는 조인트식 링크 구조체를 제공하는 것은 바람직할 수 있다. 구조체의 전체적인 치수(예컨대, 직경을 포함)가 비교적 작게 유지되면서, 더 제어가능하게 구부려 질 수 있는 조인트식 링크 구조체를 제공하는 것 또한 바람직할 수 있다. 더욱이, 설계상 비교적 튼튼하면서도 제조비가 상대적으로 비싸지 않고, 비교적 간단한 기계 설계를 이용하여 제어되는 구부림을 달성할 수 있는, 조인트식 링크 구조체를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
본 교시는 하나 이상의 상술한 문제점을 해결할 수 있고 그리고/또는 하나 이상의 상술한 바람직한 특징을 설명할 수 있다. 다른 특징 및/또는 이점은 다음의 설명으로부터 명백해질 수 있다.
본 교시의 여러 가지 예시적인 실시예에 따르면, 수술 장치는 관절운동가능하게 결합되어 있는 제 1 링크 쌍, 관절운동가능하게 결합되어 있는 제 2 링크 쌍과, 제 1 링크 쌍 및 제 2 링크 쌍에 결합되는 인장 부재를 포함하고, 여기에서 인장 부재에서의 인장력 변경은, 제 1 링크 쌍과 제 2 링크 쌍을 구부리기 위하여 제 1 링크 쌍과 제 2 링크 쌍을 관절운동하게 하는 힘을 가한다. 수술 장치는 제 1 링크 쌍이 인장 부재의 인장력 변경시 제 2 링크 쌍이 가지는 구부림에 대한 저항력보다 작은 저항력을 가지도록 구성되어 있다.
본 교시의 여러 가지 예시적인 실시예에 따르면, 인장 부재에 의하여 연결되어 있는 관절운동가능하게 결합되어 있는 복수 개의 링크를 포함하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법이 고려되어 있고, 수술 장치는 제 1 단부, 제 2 단부와, 구조체가 직선 배향 상태에 있을 때 제 1 및 제 2 단부 사이에서 길이방향 축을 가지고 있다. 이 방법은 링크를 굽은 배향 상태로 배치시키기 위하여 관절운동가능하게 결합되어 있는 링크를 관절운동하게 하는 힘을 가하는 인장 부재에서의 인장력 변경을 포함할 수 있는데, 제 1 링크 쌍은, 인장 부재에서의 인장력 변경에 응답하여 제 2 링크 쌍보다는 굽은 배향으로의 관절운동에 더 적게 저항한다.
본 교시의 추가적인 목적과 이점은 다음의 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 설명으로부터 부분적으로 명백해지거나 본 발명의 실시에 의하여 알 수 있을 것이다. 본 발명의 적어도 일부 목적과 이점은 첨부의 특허청구범위에서 특히 지적되어 있는 요소와 조합에 의하여 실현되고 달성될 것이다.
전술한 전체적인 설명과 다음의 상세한 설명 모두가 예시적이고 설명적일 뿐이고, 본 교시와 주장된 발명에 대해 제한적이지 않는다는 것은 이해하여야 한다.
본 교시들은 첨부 도면만으로 또는 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로 이해될 수 있다. 도면은 본 교시의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부로 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 현재 교시의 하나 이상의 예시적인 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 특정 원리와 조작을 설명하는데 기여한다.
도 1a는 조향가능한 조인트식 링크 구조체의 예시적인 실시예의 도식적인 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 예시적인 일 실시예에서의 1B-1B로부터 절단된 링크의 단면도이다.
도 2는 조인트식 링크 가이드 튜브의 예시적인 일 실시예의 개략적인 부분 사시도로서, 수술 기구가 가이드 튜브에 수용되어 있는 상태를 도시한다.
도 3a는 본 교시에 따라 차별적인 구부림을 나타내는 직선 배향된 일련의 조인트식 링크 쌍들의 예시적인 일 실시예의 개략적인 부분 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 예시적인 일 실시예의 개략적인 부분 단면도이고, 링크 쌍들이 굽은 배향에 있는 것을 도시한다.
도 4 내지 도 8은 본 교시에 따라 차별적인 구부림을 나타내는 직선 배향된 일련의 조인트식 링크 쌍의 다른 예시적인 실시예의 개략적인 부분 단면도이다.
도 9는 엔드 이펙터를 지지하는 손목(힘 전달 요소 없이 도시됨)을 구비하고, 손목이 본 교시에 따라 차별적으로 구부리도록 구성된 조인트식 링크 구조체로 형성될 수 있는 수술 기구의 예시적인 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 10은 본 교시의 예시적인 일 실시예에 따르는 조인트식 링크 구조체를 이용하는 로봇 수술 시스템의 원격조작부의 블록 다이어그램이다.
예시적인 실시예를 설명하는 첨부 도면 및 본 상세한 설명은 제한하는 것으로 여겨져서는 안되고, 특허청구범위가 본 교시의 범위를 정의한다. 여러 가지 기계적, 구성요소의, 구조적, 전기적 및 조작상 변경은 균등물을 포함하여 본 상세한 설명과 청구된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 일부 예시에서, 공지 구조와 기법은 개시를 불명료하게 하지않게 하기 위하여 상세하게 도시되거나 설명되지 않았다. 2 이상의 도면에서 유사한 도면 번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 더욱이, 일 실시예에 대하여 상세하게 설명되는 요소들과 그 연관 특징은 실시할 때마다 구체적으로 도시되거나 설명되지 않은 다른 실시예에 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나의 요소가 일 실시예에 대하여 상세하게 설명되고 제 2 실시예에 대하여 설명되지 않았지만, 그 요소는 제 2 실시예에 포함된 바와 같이 청구될 수 있다.
본 명세서와 첨부된 특허청구범위의 목적을 위하여, 다르게 지시되지 않는다면, 본 명세서와 특허청구범위에 사용된 수량, 백분율 또는 비율 및 기타 수치를 나타내는 모든 숫자는 이미 수정되어 있지 않는 한 모든 예시에서 수정된 것으로 "약"이라는 용어로 이해하여야 한다. 따라서, 그와 반대로 지시되어 있지 않는다면, 다음의 명세서와 첨부의 특허청구범위에서 설명되어 있는 수에 관한 변수는 본 발명에 의해 얻고자 하는 목표 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 적어도 특허청구범위에 대한 균등론의 적용을 제한하는 시도로서가 아니라, 수에 관한 각각의 변수는 적어도 알려진 유효 자릿수의 숫자의 관점에서 통상의 개수 기법(rounding techniques)을 적용함으로써 해석될 수 있다.
본 발명의 광의의 범위를 설명하는 수치 범위와 변수가 근사치임에도 불구하고, 특정 예에서 설명되는 수치는 가능한 한 정확하게 알려져 있다. 그러나, 어떤 수치라도 각각의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 필연적으로 생기는 특정 오차를 본질적으로 포함한다. 더욱이, 여기에 개시된 모든 범위는 여기에 포함된 임의의 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서와 첨부의 특허청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 및 단어의 단수적 용법이라도 하나의 지시물로 명백하고 명료하게 제한되지 않는다면 복수의 지시물을 포함한다는 것은 유의하여야 한다. 여기에 사용된 바와 같이, "포함하다"라는 용어와 그 문법적 변형예들은 제한되지 않도록 의도되서, 리스트 상의 항목들의 열거는 대체되거나 그 리스트 항목에 추가될 수 있는 다른 유사한 항목을 배제하는 것은 아니다.
여기에 설명되는 예시적인 실시예들은, 예컨대 여러 가지 로봇 수술 시스템과 결합하여 사용될 수 있는 여러 가지 최소 침습 수술 장치를 포함한다. 로봇 수술 시스템은 공지되어 있고, 특정 원격로봇 수술 특징과 구성요소의 예들은 캘리포니아의 써니베일에 위치한 Intuitive Surgical, Inc.에 의해 상품화된 다빈치®수술 시스템(구체적으로, 다빈치® SiTMHDTM수술 시스템으로 시장에 출시된 모델 IS3000)과 같은 시스템에서 발견될 수 있다. 예를 들어, 로봇 수술 시스템의 원격조작부의 블록 다이어그램을 도시하는 도 10을 참조하면, 예시적인 일 실시예에서 본 교시를 따르는 조인트식 링크 구조체는 조인트식 링크 구조체를 로봇 아암(1102)에 전기적이고 기계적으로 결합하는 전기기계적 인터페이스(1101)에 의하여 조작될 수 있다. 로봇 아암(1102)의 움직임은 입력 장치(1104)의 조작자 조종에 응답하여 제어기(1103)에 의해 제어된다. 인터페이스(1101)와 로봇 아암(1102) 중 하나 또는 모두는 조인트식 링크 구조체를 조향하는데 사용되는 케이블을 구동하는 모터를 포함한다. 조인트식 링크 구조체의 구부림을 제어하는 것에 더하여, 로봇 아암(1102)은 또한 조인트식 링크 구조체를 환자의 개구(예를 들어, 자연적인 구멍 또는 최소 침습 절개부)로 삽입되도록/ 개구로부터 제거되고 및/또는 조인트식 링크 구조체를 그 중심 축을 중심으로 회전시키고 그리고/또는 전기기계적 인터페이스(1101)를 절개부에서 피벗 지점을 중심으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 제어기(1103)는 프로세서(미도시)와 함께 하나 이상의 컴퓨터에서의 하드웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어(또는 이들의 조합)로서 구현될 수 있다. 예시적인 대체 실시예에서, 본 교시에 따르는 조인트식 링크 구조체는 조작자에 의해 수동으로 조작될 수 있고, 이러한 경우, 예를 들어, 핸들은 조인트식 링크 구조체를 제어가능하게 배향하고 조향하기 위하여 적합한 레버 또는 다른 제어 메커니즘을 가진 기계적 및/또는 전기적 인터페이스로서 작동한다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자가 잘 아는 바와 같이, 조인트식 링크 구조체의 배향과 조향은 조인트식 링크 구조체와 결합된 힘 전달 요소를 작동시키는(예컨대, 케이블을 당김) 핸들 상의 제어 메커니즘을 조종함으로써 일어날 수 있다. 따라서, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 원격로봇 시스템과 결합하여 사용되든지 수동으로 조작되는 시스템과 결합하여 사용되든지, 조인트식 링크 구조체는 후위 작동 시스템에 기계적으로 및/또는 전기적으로 결합되어서, 구조체를 조향하고 배향하기 위하여 힘 전달 요소를 포함하여 구조체에 힘을 가할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 예컨대 조인트식 링크 구조체와 같은 기계적 구조체와 관련된 "구부림가능한"과 "가요성"이라는 용어와 그 변형예들은 광범위하게 해석될 것이다. 이 용어는 반복하여 구부려질 수 있고(예컨대, 여러 가지 곡선 패턴으로) 구조체에 영구 변형 및/또는 구조체에 다른 손상없이 원래 형상으로 회복될 수 있는 구조체를 설명한다. "강성" 구조체가 여기에서 사용된 용어와 같이 구부림가능하거나 가요성인 것으로 여겨지지 않을지라도, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이 다수의 "강성" 구조체는 재료의 특성 때문에 본질적으로 약간의 탄성 "구부림" 또는 가요성을 가진다.
여기에 사용된 바와 같이, "말단 링크"라는 용어와 그 변형예들은, 하나 이상의 힘 전달 요소가 직접 부착되고 하나 이상의 힘 전달 요소가 말단을 이루는, 링크를 지칭한다. 여기에서의 여러 가지 예시적인 실시예에서, 힘 전달 요소는 근위에 배치되어 있는 후위 메커니즘에 연결되는 근위 단부들을 가지고 있고, 최종적으로 일련 링크들 중의 원위 링크에 부착되고 그 원위 링크에서 말단을 이루도록 일련의 링크를 통하여 후위 메커니즘으로부터 뻗어있으며, 이러한 원위 링크는 말단 링크가 된다. 여러 가지 예시적인 실시예에서, 힘 전달 요소는 힘 전달 요소의 단부(즉, 후위 메커니즘에 부착되는 단부에 마주하는 단부)에서 말단을 이루고 그 단부에 부착될 수 있다. 여러 가지 예시적인 대체 실시예에서, 힘 전달 요소는 힘 전달 요소의 접힘부의 링크에 부착되고 힘 전달 요소의 접힘부의 링크에서 말단을 이루도록 재순환하는 접힌 구성(예컨대, 루프 또는 U자형 구성)으로 경로 안내됨으로써 말단 링크에 부착되고 말단을 이룰 수 있고, 힘 전달 요소의 양단부는 후위 메커니즘과 같이 구조체의 위치에 부착되어 있다. 이 대체 구성은 힘 전달 요소 상의 작용력이 힘 전달 경로 길이에서 보다 큰(예컨대, 2배) 변화를 야기하는 것을 허용한다. 케이블이 말단을 이루는 링크에서 위로 접어지는 케이블을 나타내는 조인트식 링크 구조체의 예시적인 실시예를 위하여, 여기에 참조사항으로서 통합되어 있는 미국 특허 US 6,817,974 B2가 참조 문헌으로 제시된다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 최종적으로 말단 링크에 부착되고 말단을 이루도록 양방향으로 경로 안내되어 있는 힘 전달 요소를 잘 알고 있다. 또한, 힘 전달 요소의 부착이 직접적이고 접촉하는 부착일 필요는 없지만, 예컨대 풀리 또는 당해 기술분야에서의 통상의 기술자가 잘 아는 다른 결합장치에 의하여, 힘 전달 요소를 링크에 고정되게 부착하는 다른 요소를 관통하여 일어날 수 있다는 것은 이해하여야 한다. 아래에 설명되는 바와 같이, 이 예시에서 하나 이상의 힘 전달 요소가 통과하지만 어떤 힘 전달 요소도 직접 고정되게 부착되지 않는 일련의 근위 링크들은 "중간 링크들"로 여겨진다. 이러한 방법으로, 하나 이상의 힘 전달 요소에 의하여 전달되는 작용력은, 예컨대 그 종료 위치에 종료 링크에 직접적으로 힘을 가하여 구조체를 관절운동하게 하고 구부린다. 힘 전달 요소에 의해 전달되는 충분한 작용력은 말단 링크 및/또는 링크 쌍을 말단 링크 및/또는 링크 쌍과 연결된 조인트 둘레에서 직접 움직이고 관절운동을 야기한다.
여기에서 사용된 바와 같이, "중간 링크", "중간 링크 쌍들"이라는 용어 및 그 변형예들은, 하나 이상의 힘 전달 요소가 예컨대 힘 전달 요소 라우팅 채널을 통하여 관통하는 링크나 링크 쌍을 지칭할 수 있고, 이러한 링크나 링크 쌍에 직접 연결되거나 이러한 링크나 링크 쌍에서 말단을 이루지 않는다.
상술한 바와 같이, 여러 가지 로봇 제어식 및/또는 다른 최소 침습 수술 과정은, 수술 기구의 제어되는 조향과 구부림을 제공하기 위해서, 예를 들어 목표 작업 부위에 도달하기 위하여 비교적 작고 구불구불한 통로(예컨대, 내강(lumen))를 통하여 횡단하도록 그리고/또는 수술 과정을 작업 부위에서 실행하는 동안 엔드 이펙터나 다른 툴을 정확하게 위치시키기 위해서, 여러 가지 조인트식 링크 구조체를 이용한다. 본 교시에 따르는 예시적인 조인트식 링크 구조체는 다른 것들 중에서 수술 기구용 아암, 다른 가요성 수술 기구를 도입하는 입구 가이드(예컨대, 내시경 구조체) 및/또는 엔드 이펙터를 수술 기구의 원위 단부에 위치시키고 지지하는 손목을 포함한다. 이러한 장치는, 예컨대 연속적으로 관절운동하는 단일의 조인트식 링크 구조체 또는 삽입된 강성 분절 또는 다른 가요성 구조체에 의하여 서로 분리되어 있는 복수 개의 조인트식 링크 구조체를 포함할 수 있다.
본 교시는, 구조체를 구부리고 조향하는데 사용되는 힘 전달 요소의 작동에 응답하여 구조체의 길이를 따라 미리 정해진 위치(즉, 미리 정해진 조인트들 또는 링크 쌍들)에서 일어나는 차별적인 구부림을 허용하는, 조인트식 링크 구조체를 제공하는 것을 의도하고 있다. 본 교시는, 조인트식 링크 구조체의 차별적인 구부림이 조인트식 링크 구조체를 이루고 있는 일련의 링크들 중의 각각의 링크에 고정되게 부착되고 말단을 이루는 힘 전달 요소들의 세트(예컨대, 인장 부재들) 또는 개별적인 힘 전달 요소에 의하여 구조체 중의 각각의 링크 쌍을 개별적으로 제어하고 작동하는 것에 의존하지 않고 달성될 수 있는, 실시예들을 추가로 의도하고 있다. 본 교시의 예시적인 실시예에 따르는 차별적인 구부림을 나타내는 조인트식 링크 구조체를 제공하는 것은, 광범위한 수술 응용 분야가 축소된 외측 치수(예컨대, 직경)를 가지는 장치를 이용하여 실행되는 것을 허용할 수 있다.
본 교시의 여러 가지 예시적인 실시예는 일렬로 연결되어 있는 복수 개의 링크로 형성되는 조향가능한 기다란 수술 기구들을 제공하고, 여기서 인접한 링크들(링크 쌍들)은 조인트식 링크 구조체를 형성하도록 각각의 조인트에 의해 서로 관절운동가능하게 결합되어 있다. 링크 쌍의 링크들은 기다란 구조체의 전체적인 구부림을 제공하도록 조인트 둘레에서 서로에 대하여 관절운동하도록 구성되어 있다. 여러 가지 예시적인 실시예에 따르면, 조인트식 링크 구조체의 전체적인 구부림과 조향은 구부림에 대해 상이한 저항력을 가지는 구조체의 조인트식 링크 쌍들을 제공함으로써 제어될 수 있다. 이러한 방법으로, 조인트식 링크 구조체는 하나 이상의 힘 전달 요소에 의해 가해지는 작용력에 응답하여 차별적인 그리고 더 제어되는 구부림을 나타낼 수 있다.
여러 가지 예시적인 실시예에서, 조인트식 링크 구조체는 제 1 링크 쌍을 포함하고, 제 1 링크 쌍은 제 1 링크 쌍에 대해 근위에 배치되어 있는 제 2 링크 쌍보다 구부림에 대해 작은 저항력을 가진다. 이러한 장치는, 예컨대 작업 부위까지 비교적 작은 그리고/또는 복잡한 구불구불한 경로를 나아가서 상응하는 큰 병진 운동 및/또는 결과적인 조인트식 링크 구조체의 전체적인 큰 곡률 반경 없이 기구의 더 원위에 있는 단부 부분에서 비교적 많이 구부리는 것을 달성할 때 바람직할 수 있다. 이렇게 나아가는 것은, 예컨대 폐의 기관지와, 기타 작고 복잡한 내강에서 발생할 수 있다. 그러나, 다른 응용 분야에서는, 비교적 큰 각도의 구부림을 구조체의 원위 단부에 대해 근위에 있는 위치에 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 근위방향으로 구부려진 링크 쌍(들)으로부터 뻗어있는 하나 이상의 원위 링크 쌍들의 미세 움직임을 허용하면서, 장치가 곡선 경로 둘레에서 작동되는 것을 가능하게 한다. 또한 근위방향으로 차별적으로 구부릴 수 있는 조인트식 링크 구조체는, 비교적 큰 병진 운동과 원위 단부 부분에서의 배향의 최소 변화가 바람직할 수 있는 응용 분야, 예컨대 큰 평면 표면에서 작동할 때(예컨대, 횡격막 조율(diaphragmatic pacing)을 배치시킬 때 발생하는 것과 같이) 바람직할 수 있다.
따라서, 몇몇 상황에서는 링크 쌍을 조인트식 링크 구조체의 팁이나 원위 단부 부분에서 차별적으로 구부리는 것은, 예컨대 팁이나 원위 단부 부분에 대해 근위에 있는 링크 쌍과 비교할 때, 수술 기구를 다른 방법으로 접근할 수 없는 작업 부위에 도달하게 할 수 있다. 예를 들어, 팁이나 원위 단부 부분의 차별적인 구부림은 구부리는 동안 팁이나 원위 단부 부분을 정의하는 링크를 포함하여 상호연결된 일련의 링크의 전체 곡률 반경을 축소시킬 수 있다. 마찬가지로, 조인트식 링크 구조체 중의 원위 부분과 비교하여 조인트식 링크 구조체 중의 근위 부분의 차별적인 구부림은 배향의 변화를 최소화하면서 작업공간을 확장시킬 수 있다. 따라서, 조인트식 링크 구조체의 차별적인 구부림을 이용하는 현재 개시의 여러 가지 예시적인 실시예는 최소 침습 및/또는 로봇으로 제어되는 수술 기구가 도달할 수 있는 목표 작업 부위의 개수 및/또는 위치를 증가시킬 수 있다.
여러 가지 예시적인 실시예에 따르면, 차별적인 구부림은 구조체에 조향 작용력을 가하기 위하여 힘 전달 요소(예컨대, 케이블 및/또는 다른 인장 부재)를 사용하는 조인트식 링크 구조체에서 달성될 수 있다. 특히, 본 교시에서의 예시적인 실시예는, 구조체 중의 각각의 조인트(즉, 링크 쌍)가 힘 전달 요소에 의해 개별적으로 작동가능하지 않고 원활하게 관절운동되지 않는다는 점에서, "제약 상태"에 있는 조인트식 링크 구조체를 제공하지만, 그럼에도 불구하고 조인트에 의하여 관절운동가능하게 결합되어 있는 링크 쌍의 구부림에 대해 상대적인 저항력(또는 상대적인 선호)을 나타내도록 조인트를 구성함으로써 더 제어가능하게 조향되고 차별적으로 구부려질 수 있다.
도면에 도시되고 아래에서 설명되는 예시적인 실시예가, 최소 침습 수술 과정을 실행하도록 목표 작업 부위에 도달하기 위하여 가요성 수술 기구로서 구성되어 있는 조인트식 링크 구조체의 맥락에서 설명되어 있지만, 본 교시에서의 원리가 수술 기구 및/또는 비수술 기구의 전부 또는 일부를 형성하는 여러 가지 다른 유형의 조인트식 링크 구조체에 적용될 수 있다는 점은 이해하여야 한다.
도 1a를 참조하면, 기다란 구성을 가지는 조인트식 링크 구조체(100)의 예시적인 일 실시예가 도시되어 있다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 도시된 구조체(100)가 도면에 도시된 것보다 많은 링크나 적은 링크를 포함할 수 있다는 것 또는 구조체 사이에 있는 강성 분절이나 비강성 분절에 의하여 서로 연결되어 있는 다중 조인트식 링크 구조체(100)를 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 도 1a는 조인트식 링크 구조체의 단순화된 도식적인 설명을 제공하도록 의도되어 있다. 여러 가지 제한하지 않는 예시적인 실시예에서, 조인트식 링크 구조체(100)는 가요성, 조향가능한 아암일 수 있고, 이 아암은 예시적인 실시예에서 각각의 자유도를 위한 2개 내지 5개 조인트(링크 쌍)를 포함할 수 있고, 예를 들어 조인트식 링크 구조체는 피치 및 요우 움직임 모두를 발생시키도록 구성되어 있는 구조체를 위해 4개 내지 10개의 조인트(링크 쌍)를 포함할 수 있다. 따라서, 조인트식 링크 구조체(100)는 좁고 구불구불한 경로를 따라가기 위하여 여러 가지 곡선 패턴으로 목표하는 바와 같이 구부려질 수 있는 가요성, 조향가능한 장치로서 기능할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구조체(100)는 여러 가지 다른 수술 기구가 최소 침습 수술 과정 동안 도입되어 작업 부위로 전진될 수 있는 입구 가이드(또는 가이드 튜브)로서 기능하도록 대체로 관형 구성을 가질 수 있다. 그러나, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 입구 가이드로서의 구조체의 용도는 제한되지 않고, 예컨대 여러 가지 가요성, 조향가능한 아암과 손목으로서의 이러한 구조체의 여러 가지 용도 또한 고려된다. 여러 가지 예시적인 실시예에서, 구조체(100)의 외경은 약 3mm 부터 약 25mm 까지의 범위이고, 예를 들어 직경은 특히 가이드 튜브로서 사용되는 경우에는 약 18mm 내지 약 22mm 일 수 있다. 구조체(100)의 전체 길이는 실행되는 과정의 유형에 따라 선택될 수 있지만, 여러 가지 예시적인 실시예에서 길이는 적어도 약 60cm 이상일 수 있고, 예컨대 100cm 이상일 수 있다.
구조체(100)는 도 1a에 표시된 사시도로부터 근위 단부에서 원위 단부까지 일렬로 배열되어 있는 복수 개의 상호연결된 강성 링크(110)(단지 일부만 도 1a에 표시됨)를 포함한다. 연속 링크들(110)은 그 사이에 배치되어 있는 조인트(130)에 의해 서로에 대하여 관절운동하고, 각각의 링크-조인트-링크 조합은 링크 쌍(120)(일부가 도 1a에 표시됨)을 정의한다. 도 1a의 예시적인 실시예에서와 같이, 일련의 링크들 중의 각각의 연속 링크가 조인트에 의해 분리된다면, 연속 링크 쌍들은 공통 링크를 공유할 수 있다. 도 1a의 예시적인 실시예에서, 연속 조인트들(130)은 직각으로 배치된 축 둘레에 연속 링크 쌍(120)의 관절운동을 제공하도록 제공된다. 도 1a에서 보여질 수 있는 조인트들(130)은 이 조인트들(130)을 도면 시트의 평면으로 축 "P" 둘레에서 통합하는 각각의 링크 쌍들(120)의 관절운동을 허용하도록 구성되어 있는 반면, 도면에서 볼 수 없는 조인트들(130)은 도시된 축 "Y" 둘레에서 각각의 조인트 쌍(120)이 관절운동을 허용하도록 구성되어 있다. 이러한 방식으로, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자가 잘 아는 바와 같이, "피치" 및 "요우" 조인트 모두가 제공되어 있고, 구조체(100)의 상응하는 피치 및 요우 움직임이 구현될 수 있다. 그러나, 본 교시 또한 단일 자유도 거동을 허용하는 구조체를 포함한다는 것과, 모든 조인트가 인접한 링크들이 평행 축 둘레에서 피벗하는 것을 제공하도록 구성될 수 있다는 것은 이해하여야 한다.
도 1a의 예시적인 실시예에서, 대체로 직경방향으로 서로 마주하게 배치된 전체적으로 볼록한 2개의 돌출부(115)는 각 링크(110)의 마주하는 축방향 면 상에 제공되어 있다. 인접한 링크들(110) 상의 돌출부들(115)의 표면은 조인트(130)를 생성하도록 서로 구름 접촉하게 배치되어 있고, 이 조인트 둘레에서는 링크 쌍들(120)이 서로를 따라 돌출부들(115)의 접촉 표면을 구름으로써 피벗한다. 조인트들(130)을 형성하는데 사용될 수 있는 구름 조인트 구성의 다른 예시적인 실시예는, 여기에서 참조용으로 통합되어 있는 미국 특허 US 6,817,974 B2(2002년 6월 28일 출원; 발명의 명칭은 "확실하게 위치시킬 수 있는 텐던-작동식 다중-디스크 손목 조인트를 가지는 수술 툴(Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint)")와, 여기에서 전체로 참조용으로 통합되어 있는 미국 출원 공보 US 2005/0273084 A1(2004년 8월 26일 출원; 발명의 명칭은 "수술 툴 또는 진단 툴의 원격 조종용 링크 시스템과 관절운동 메커니즘(Link Systems and Articulation Mechanisms for Remote Manipulation of Surgical or Diagnostic Tools)")에 개시되어 있다.
도 1b의 단면도에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에서 링크들(110)은 전체적으로 원형 단면이나 둥근 단면을 가지는 대체로 강성 구조체일 수 있다. 여러 가지 예시적인 실시예에서, 링크들(110)은 금속 또는 합금, 예컨대 스테인리스 스틸이나 알루미늄 또는 폴리머, 예컨대 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) 또는 수술 장치에 대체로 사용되는 다른 생체적합성 재료 및 이들의 조합으로 제조될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 예시적인 일 실시예에서, 구조체(100)가 가이드 튜브인 경우와 같이, 링크들(110)은, 예컨대 수술 과정 동안 사용하기 위한 가요성 수술 기구를 안내 및/또는 수용하기 위하여, 상대적으로 더 큰 하나 이상의 기구 채널(140)(도 1b의 예시적인 실시예에서는 2 개가 도시됨)을 정의할 수 있다. 채널(140)은 조인트식 링크 구조체(100)의 길이 대부분을 뻗을 수 있어서, 필요한 경우 수술 기구는 구조체(100)의 근위 단부에서 각각의 채널(140)의 개구부 속으로 삽입되고 채널(140)을 통하여 전진되어 결국에는 구조체(100)의 원위 단부의 개구부에서 드러날 수 있다. 이 방법으로, 예컨대 가위, 소작 요소(cauterizing element), 클램프, 파지기(grasper), 외과용 메스(scalpel), 바늘, 핀셋(forcep), 센서, 카메라 등 및/또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 수술 기구는 삽입된 각각의 기구의 정밀한 조향 조작을 실행할 필요가 없이 하나 이상의 채널(140)을 지나서 목표 작업 부위로 전달될 수 있다. 여러 가지 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 기구 채널은 약 1mm 부터 약 8mm 까지의 범위의 내경을 가진다. 도 2에는 채널을 통하여 삽입된 엔드 이펙터(250)를 가지는 수술 기구를 안내하기 위한 용도로 조인트식 링크 구조체로 형성된 가이드 튜브(200)의 예시적인 실시예의 부분적인 개략도가 도시되어 있다. 도 2에서의 가이드 튜브(200)의 링크들(210)은 단순화하기 위하여 일련의 디스크 유사 분절들로서 개략적으로 도시되어 있다.
조인트식 링크 구조체가 가이드 튜브 대신에 손목이나 아암으로서 사용되는 경우에, 링크는 도 1b에 도시된 기구 채널 유사한 것(140)을 포함하지 않을 수 있고, 그리고/또는 구조체의 중앙부를 따라 뻗는 채널들은 더 작을 수 있고 다른 기구를 수용하도록 구성될 필요가 없다.
링크들(110)를 통과해서 링크(110)를 상호연결하는 힘 전달 요소를 수용하도록 구성되어 있는 복수 개의 힘 전달 요소 라우팅 채널(150) 또한 도 1b의 단면도에 도시되어 있다. 아래에서 더 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 도 1b에 도시된 라우팅 채널의 개수는 단지 예시적인 것이고 시스템의 조향을 제어하는데 사용되는 힘 전달 요소의 개수에 따라 달라질 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 힘 전달 요소는 링크(110)의 내측 표면에 의하여 둘러싸인 외측 외주 구역을 향하여 전체적으로 배치되어 있는 라우팅 채널(150)을 통하여 뻗을 수 있다. 힘 전달 요소 라우팅 채널(150)은 링크들(110)의 각각의 면 상에 있는 개구부들(도 1a에서 대체로 151로 표시됨)를 정의하고, 이 개구부는 힘 전달 요소의 출현 위치를 정의하는 한다.
힘 전달 요소들(135)은 링크들(110)을 통과하고(라우팅 채널(150)을 지나서) 링크들(110)을 연결한다. 용이하게 설명하기 위하여, 2개의 힘 전달 요소(135)만이 도 1a에 도시되어 있는데, 그 중 하나는 T1에서 말단을 이루고 링크(110)에 부착되는 것으로 도시되어 있고, 그 중 다른 하나는 T2에서 말단을 이루고 링크(110)에 부착되는 것으로 도시되어 있다. 힘 전달 요소들이 말단을 이룰 루는 곳에서, 힘 전달 요소(135)는 당해 기술분야에서의 통상의 기술자가 잘 아는 여러 가지 부착 메커니즘에 의하여 링크(110)에 부착될 수 있는데, 이 부착 메커니즘은 통로(150), 매듭, 용접, 풀리 등을 통과하는 것을 방지하는 힘 전달 요소의 단부에서의 확대된 비드를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 도 1a의 예시적인 실시예에서, 힘 전달 요소(135)는, 예컨대 편물(stranded) 또는 직물(woven) 케이블, 단섬유(monofilament), 튜브 및/또는 조인트식 링크 구조체(100)에 조향력을 가하기에 충분한 강도와 가요성을 가진 다른 비슷한 텐던-유사 구조체와 같은 인장 부재이다. 힘 전달 요소들(135)은 도면번호 190으로 개략적으로 도시되어 있는 후위 작동 (구동) 메커니즘에 연결되어 있는 근위 단부들을 가질 수 있다. 작동 메커니즘(190)은 링크 구조체(100)를 조향하기 위하여 인장력을 힘 전달 요소(135)에 가하는 컴퓨터 제어식 모터 팩(미도시) 또는 이에 유사한 것에 차례로 연결될 수 있다. 예를 들어 로봇 제어식 응용 분야에서, 제어 시스템은 외과의사에 의해 조작되는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있고, 컴퓨터 실행 소프트웨어는 모터 팩을 제어할 수 있다. 구조체(100)의 조향 및 관절운동 제어를 제공하는 힘 전달 요소(135)를 작동시키는데 사용될 수 있는 예시적인 후위 작동 메커니즘 및 제어 시스템에 대하여, 미국 특허 출원 공보 US 2010/0331820 A1(2009년 6월 30일 출원; 발명의 명칭은 "유연한 수술 장치(Compliant Surgical Device)"), 미국 특허 출원 제12/780,417호(2010년 5월 14일 출원; 발명의 명칭은 "위치 측정을 제공하는 의료 기구에서의 구동력 제어(Drive Force Control in Medical Instrument Providing Position Measurement)"), 미국 특허 출원 제12/945,734호(2010년 11월 12일 출원; "다중조인트 의료 기구의 작동에서의 인장력 제어(Tension Control in Actuation of Multijoint Medical Instrument)"), 미국 출원 공보 US 2006/0052664 A1(2006년 3월 9일 출원; 발명의 명칭은 "제어가능한 기구를 위한 연결 장치(Connector Device for a Controllable Instrument)"), 및 미국 특허 출원 공보 US 2010/0082041호(2001년 9월 30일 출원; 발명의 명칭은 "수술 기구용 패시브 프리로드 캡스턴 구동(Passive Preload Capstan Drive For Surgical Instruments)")이 참조 문헌으로 제시되고, 각각 여기에서 참조사항으로 통합되어 있다. 그러나, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 알려진 여러 가지 작동 방식과 기법이 본 교시의 여러 가지 예시적인 실시예에서 힘 전달 요소(예컨대, 인장 부재)에 의하여 작용력을 제공하도록 구현되어 조인트식 링크 구조체의 관절운동과 조향을 야기할 수 있다는 것이 고려된다.
당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 후위 인터페이스 및 이와 유사한 것(미도시) 역시 도 1a에 도시된 바와 같이 구조체(100) 또는 구조체에 결합되어 있는 시스템과 기계적 및/또는 전기적으로 연결되어 여러 가지 수술 과정 동안 동일한 원격 조작을 제공할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
상술한 바와 같이 여러 가지 예시적인 실시예에서, 전체 구조체(100)의 크기를 줄이기 위하여, 구조체(100)를 관절운동하고 조향하는데 사용되는 힘 전달 요소의 개수를 줄이는 것이 바람직할 수 있다. 환언하면, 각각의 조인트(130)를 개별적으로 작동시키기 위하여(즉, 각각의 링크 쌍(120)을 개별적으로 관절운동하게 하는) 힘 전달 요소 또는 힘 전달 요소들(135)의 세트를 링크 쌍(120)의 각각의 원위 링크(100)에 부착하기보다는, 적은 수의 힘 전달 요소(135)가 사용되고, 조인트식 링크 구조체(100)는, 일부 링크 쌍(120)이 하나 이상의 힘 전달 요소(135)에 직접 부착되고 이에 의해 작동되는 말단 링크(110)를 포함하지 않을 수 있다는 점에서, 제약 상태일 수 있다. 오히려, 이러한 "중간" 링크 쌍(120)의 움직임(통합된 조인트(130) 둘레에서의 관절운동)은 힘 전달 요소(135)가 직접 고정되게 부착되고 말단을 이루게 되되, 더 원위에 있는 말단 링크 쌍(120)의 움직임에 대체로 응답하여, 중간 링크 쌍들의 움직임을 직접적으로 구동한다. 상술한 바와 같이 도 1a의 예시적인 실시예에서, 2개의 링크(110)는 말단 링크(T1과 T2에서 말단을 이루는 힘 전달 요소(135)와 각각 연결됨)이고, 구조체(100)는 제약 상태에 있다.
도 3a는 아래에서 설명될 바와 같이 도 1a에서의 전체 구조체(100)의 일부로서 활용될 수 있는 구조체(300)를 따라 미리 정해진 위치들에서 링크 쌍들의 차별적인 구부림을 가능하게 하는 조인트식 링크 구조체(300)의 예시적인 일 실시예의 개략적인 부분 단면도이다. 도 3a의 예시적인 실시예는 조인트(330)에 의하여 관절운동가능하게 결합되어 있는 일련의 상호연결된 링크(310a 내지 310d)를 포함한다. 조인트(330)는 도 1a에 대하여 상술된 것과 유사한 방식으로 링크 쌍들(301 내지 303) 중의 링크들(310a 내지 310d) 상의 마주하는 볼록한 돌출부(315)의 표면 사이에서의 구름 접촉에 의하여 형성되고, 차이점은 아래에서 더 상세하게 설명되어 있다. 도 3a에는, 각각의 조인트(330)를 형성하는 단지 한 쌍의 구름 접촉 돌출부(315)(예컨대, 도 1a를 참조하면, 도시된 도면에서 보이는 돌출부(130) 뒤에 있는 구조체 블록 유사 돌출부의 측면도에서 볼 수 있는 돌출부(130))만이 도시되어 있는데, 다른 쌍은 직경방향으로 마주하여 위치되어서 도 3a에는 도시되지 않기 때문이다.
인장 부재들(335)과 인장 부재 라우팅 채널(350) 또한 도시되어 있다. 그러나, 단순화를 위하여 2개의 인장 부재(335)로 구성된 한 세트만이 도시되지만, 다른 인장 구조체는 관절운동 및 조향을 위한 작용력을 제공하기 위하여 구조체(300)와 연결될 수 있고, 인장 부재(335)의 개수는, 예컨대 일련의 링크에서의 관절운동 자유도에 따라 선택되고 배열된다. 예를 들어 도 1a를 참조하면서 상술한 바와 같이, 인장 부재(335)는 작용력(예컨대, 제어 인장력)을 인장 부재(335)에 가하기 위하여 그 근위 단부에서 후위 작동 제어 시스템(미도시)에 부착될 수 있다.
도 3a에 도시된 링크 및 조인트의 예시적인 구성은 도 3a에 도시된 각각의 링크 쌍(301, 302, 303)을 힘 전달 요소(335)에 의하여 직접 개별적으로 작동시키지 않고 구조체(300)를 차별적으로 구부릴 수 있게 한다. 환언하면, 도 3a의 예시적인 실시예에서, 링크 쌍(301)은 구조체(300)의 원위 단부에 더 가까이 있고, 힘 전달 요소(335)는 종료 위치(T)에서의 링크(310a)에 직접 부착되고 링크(310a)에서 말단을 이루어서, 링크(310a)는 말단 링크가 된다. 링크 쌍(301)에 대해 근위에 있는 링크 쌍(302, 303)의 링크(310b 내지 310d)는, 인장 부재(335)가 링크(310b, 310c, 310d)에 고정되게 부착되지 않고 링크(310b, 310c, 310d)에서 말단을 이루지 않으면서 링크 쌍(302, 303)을 통과한다는 점에서, 중간 링크 쌍이 된다. 따라서, 링크 쌍(302, 303)의 움직임(관절운동)은 링크 쌍(301) 중의 링크(310a)의 직접 작동 및 움직임(관절운동)에 전체적으로 응답한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 각각의 링크 쌍(301, 302, 303)과 연결된 각각의 조인트들(330)의 돌출부들(315)은 상이한 구성을 가진다. 더 구체적으로, 링크 쌍(301)의 돌출부(315)는 전체적으로 반구 프로파일을 가지고, 링크 쌍(302)의 돌출부(315)는 링크 쌍(301)의 돌출부(315)보다 평평한 프로파일을 가진다. 링크 쌍(303)의 돌출부(315)는 링크 쌍(302)의 돌출부보다 더 평평한 프로파일을 가진다. 각각의 링크 쌍(301, 302, 303)의 조인트(330)를 형성하는 돌출부(315)의 상이한 프로파일은 각각의 링크 쌍의 돌출부들(315) 사이의 상이한 구름 접촉 표면적을 제공한다. 더 구체적으로 도시된 실시예에서, 링크 쌍(301)의 돌출부들(315)은 가장 작은 구름 접촉 표면적을 제공하고, 링크 쌍(303)의 돌출부들(315)은 가장 큰 구름 접촉 표면적을 제공한다. 도 3a에 도시된 프로파일은 예시적이고 제한되지 않으며, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 아래에서 더 상세하게 설명되는 원리에 기초하여 링크 쌍(301, 302, 303)의 차별적인 구부림을 달성하는데 다른 프로파일이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
링크 쌍(301, 302, 303)이 도 3a에 도시되어 있는 직선 배향 상태에 있을 때, 링크(310a 내지 310d)는 대체로 동일한 전체 구성(예컨대, 외경)을 가지고, 인장 부재 라우팅 채널(350)은 대체로 서로 정렬한다. 도시되어 있는 상이한 프로파일을 가진 각각의 링크 쌍(301 내지 303)의 돌출부들(315)을 제공함으로써, 인장 부재(335) 중 하나에 인장력을 가하는 것은, 링크 쌍(301 내지 303)을 관절운동하게 하고 도 3a의 직선 배향으로부터 굽은 배향으로 움직이는데 도움이 되는 모멘트를 링크 쌍에 발생시킨다. 가해진 모멘트는 모멘트 팔에 대략 비례한다. 모멘트 팔은 돌출부(315)의 접촉 지점과 인장 부재(335)의 지지되지 않은 간격 사이의 거리 R에 의해 정의된다. 접촉 지점은 링크 쌍이 관절운동 할 때 각각의 링크 쌍이 피벗할 돌출부(315) 둘레에 있고, 인장 부재(335)의 지지되지 않은 간격은 링크 쌍에 인접한 링크들의 마주하는 면들 사이에 뻗어있다. 따라서, 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이 각각의 링크 쌍(301, 302, 303)에 작용하는 모멘트는 도 3a의 직선 배향에서 대체로 동일한 각각의 거리 R1A, R2A, R3A에 각각 비례한다.
도 3에는 구조체(300)에서의 차별적인 구부림 및 이를 달성하기 위한 구조체(300)의 조작을 나타내는 개략적인 실례가 도시되어 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 여러 가지 예시적인 실시예에서 상술한 바와 같이 후위 작동 시스템(미도시)에 의하여 발생할 수 있는 당기는 힘(FA)에 의하여 도 3b의 우측에 있는 인장 부재(335)를 작동하는 것은, 인장력을 도면의 우측에 있는 인장 부재(335)에 발생시킨다. 인장 부재(335)를 종료 위치(T)에서 링크(310a)에 고정되게 부착하는 것은, 각각의 조인트(330) 둘레에서 링크 쌍(301, 302, 303)을 관절운동하게(도 3b에 도시된 바와 같이 시계방향으로) 하는 전체 모멘트(M)를 구조체(300)에 가한다. 그러나, 링크 쌍(301, 302, 303)이 각각의 조인트(330) 둘레에서 관절운동하기 시작할 때, 모멘트 팔(R1B, R2B, R3B)은 각각의 조인트(330)를 형성하는 돌출부(315)의 상이한 프로파일의 결과로서 서로 상이하다. 더 구체적으로 도 3b에 도시된 바와 같이, R1B는 R2B와 R3B보다 크다. 마찬가지로, R2B는 R3B 보다 크다. 각각의 링크 쌍(301, 302, 303)에 상응하는 상이한 모멘트 팔(R1B, R2B, R3B)은 각각의 링크 쌍(301, 302, 303)에 작용하는 상이한 개별적인 모멘트를 발생시켜, 링크 쌍(301)에 작용하는 모멘트는 가장 크고 링크 쌍(303)에 작용하는 모멘트는 가장 작다.
링크 쌍에 작용하는 상이한 모멘트는 링크 쌍(301)을 링크 쌍(302, 303) 보다 큰 각도로 가해지는 모멘트의 방향으로 관절운동하게 하고 구부린다. 환언하면, 링크 쌍(301)은 링크 쌍(302, 303)보다 작은 곡률 반경을 내측 굽힘 반경(도 3b에 표시됨)에 제공하도록 구부러진다. 이러한 방식으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 인장 부재(335)의 작용 및 인장력(FA 때문에)이 지속됨에 따라, 링크 쌍(301)은, 예컨대 조인트 한계에 도달하거나 대체로 도달할 때까지 구부려질 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 조인트 한계는 링크 쌍(301)의 내측 굽힘 반경 상의 인접한 링크들(310a, 310b)의 마주하는 축방향 면이 도 3b에 도시된 바와 같이 서로 접촉하거나 서로 접촉하도록 근접하는 경우일 수 있다. 이 위치에서, 링크 쌍(301)에 대해 바로 근위에 배치된 링크 쌍(302)은 링크 쌍(302)에 작용하는 더 작은 모멘트를 가지고, 그 결과 링크 쌍(301)보다 구부림에 대해 더 큰 저항력을 가지며, 링크 쌍(301)이 각도보다 작은 각도로 상응하는 조인트(330) 둘레에서 관절운동할 것이다. 그리고 링크 쌍(303)은 심지어 더 작은 각도로 관절운동하고 구부려질 것이고, 또는 예컨대 적어도 초기에는 대체로 전혀 관절운동하고 구부려지지 않을 것이다. 완전 굽은 배향 상태에서는(즉, 각각의 링크 쌍(301, 302, 303)이 도 3b에서의 링크 쌍(301)과 같이 각각의 조인트 한계까지 구부려짐), R1B > R2B > R3B이다. 이 상황은 일반적으로 구조체(300)를 구부리기 위하여 전체에 걸쳐 작용력이 가해지는 경우일 것이다. 따라서, 상이한 링크 쌍(301, 302, 303)은 구부림에 대해 상이한 저항력을 가지고, 구조체(300)를 미리 정해진 위치에서(예컨대, 미리 정해진 링크 쌍들에서) 차별적으로 구부리는 것이 달성될 수 있다.
도 3a와 도 3b의 예시적인 실시예에서 각각의 링크 쌍(301 내지 303)의 상이한 돌출부 프로파일은 도 3b에 도시된 바와 같이 구부려지는 동안 각각의 링크 쌍(301 내지 303)의 각각의 조인트(330)를 가로질러 일어나는 인장 부재 경로 길이에 상이한 변화를 초래한다. 즉, 도 3a와 도 3b에서 링크 쌍(302, 303)과 비교하여, 힘(FA)이 작용하는 인장 부재(335)의 길이는 링크 쌍(301)의 조인트(330)를 가로질러 측정되는 것과 같이(예컨대, 링크(310a, 310b)의 마주하는 면들 상에서 인장 부재의 출현 위치 사이의 거리) 링크 쌍(301)이 구부려질 때 더 크게 변하고(즉, 감소하고), 링크 쌍(303)과 비교하여 링크 쌍(302)에 대해서도 마찬가지이다. 이로써 각각의 조인트를 가로지르는 인장 부재 경로 길이를 동일 량만큼 변경(감소)시키기 위하여, 더 원위의 조인트(330)와 비교하여 더 근위의 조인트(330)에 대하여 더 큰 굽힘력이 가해지는 것이 요구된다. 도 3a와 도 3b의 예시적인 실시예에서, 링크 쌍(302, 303)에 상응하는 조인트(330)에서의 모멘트 팔(R2B, R3B)보다 링크 쌍(301)에 상응하는 모멘트 팔(R1B)을 조인트(330)에서 더 신속하게 단축시키는 것은, 링크 쌍(301)이 더 신속하게 구부려지게 하고 내측 굽힘 반경(I) 상의 곡률 반경이 링크 쌍(302, 303)에서의 곡률 반경보다 크게 되는 것을 촉진한다.
예시적인 실시예에서, 링크 쌍(302)이 굽은 배향으로 관절운동하기 시작하기 전에 링크 쌍(301)이 그 완전 굽은 배향에 도달하도록(예컨대, 그 조인트 한계에 도달하도록) 링크 쌍(301 내지 303)을 구성하는 것이 바람직할 수 있고, 링크 쌍(302, 303)에 대해서도 마찬가지다. 그러나, 실제로 이는 달성하기가 가능하지 않을 수 있고, 링크 쌍(301, 302)이 각각 그 완전 굽은 배향에 도달하기 전에 링크 쌍(302, 303)이 약간 구부려지기 시작할 수 있다.
따라서, 도 3b는 도 3b의 조인트식 링크 구조체(300)가 링크 쌍(301)을 링크 쌍(302, 303)에 대해 차별적으로 구부리고 링크 쌍(302)을 링크 쌍(303)에 대해 차별적으로 구부리는데 사용될 수 있는 방법을 설명한다. 이로써 구조체(300)가 상대적으로 작은 곡률 반경을 링크 쌍(301)에 더 근위, 예컨대 중간 링크들(310b, 310c)을 포함하는 링크 쌍(302, 303)에서 일어나는 것보다 링크 쌍(301)에 상응하는 조인트(330)를 포함하여 원위 단부 부분에 제공하는 것이 가능하다.
도 3a와 도 3b의 예시적인 실시예에서, 링크(310a 내지 310d)를 통하는 케이블 라우팅 채널이 대체로 직선 배향으로 정렬되어 있지만, 모멘트 팔(R1B, R2B, R3B)은 상이한 돌출부(315) 프로파일에 따라 다르고, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는, 조인트 및/또는 케이블 라우팅 채널의 구성 및 배열에 대한 수정이, 각각의 조인트에서의 모멘트 팔을 상이하게 하여 그 결과 조인트식 링크 구조체의 차별적인 구부림이 여전히 달성하면서 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이고, 이러한 수정은 본 교시의 범위 내에 있는 것으로 여겨진다.
본 교시에 따라 차별적으로 구부리도록 구성된 조인트식 링크 구조체의 다른 예시적인 실시예는 도 4에 도시되어 있다. 도 3a와 도 3b에서와 마찬가지로, 도 4에서의 조인트식 링크 구조체의 도면은 구조체(400)의 3개의 링크(410)를 도시하는 부분 단면도이다. 도 3a와 도 3b의 예시적인 실시예에 공통된 유사한 구성은 여기에 다시 도시되지 않는다. 도 4의 예시적인 실시예에서, 도 3a와 도 3b의 실시예에서와 같이 돌출부 표면에서의 구름 접촉에 의하여 제공되는 링크 쌍의 조인트를 대신하여 조인트(430)는 핀 조인트이다. 차별적인 구부림을 제공하기 위하여, 스프링(470a, 470b)은 각각의 링크 쌍들(401, 402) 중의 각각의 링크(410)를 연결하도록 위치되어 있다. 도 4의 예시적인 실시예에서, 스프링(470a, 470b)은 토션 스프링이다. 도시된 바와 같이, 스프링(470a, 470b)의 나선형 부분(473)은 각각의 핀 조인트(430)의 핀(431) 둘레에서 대체로 중앙에 있을 수 있고, 스프링의 각각의 아암(471, 472)은 링크 쌍(401, 402)의 각각의 링크(410)에 연결되어 있다. 링크 쌍(401, 402)의 차별적인 구부림을 제공하기 위하여, 스프링(470a, 470b)은 상이한 스프링 상수를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4의 예시적인 실시예에서의 링크 쌍(402)에 상응하는 스프링(470b)은 링크 쌍(401)에 상응하는 스프링(470a)보다 큰 스프링 상수를 가질 수 있다. 이 방식으로, 작용력이 힘 전달 요소에 가해질 때, 예를 들어 인장력이 인장 부재(435) 중 하나에 가해질 때 더 큰 스프링 상수 때문에, 링크 쌍(402)에 상응하는 스프링(470b)은 링크 쌍(401)에 상응하는 스프링(470a)보다도 링크 쌍(402)의 구부림에 더 저항할 것이다. 따라서, 위에서의 도 3a와 도 3b의 예시적인 실시예에서와 마찬가지로, 도 4의 실시예는 또한 여기에서 설명된 바와 같이 제약 상태에 있는 일련의 링크 쌍을 차별적으로 구부리는 것을 허용한다. 상이한 스프링 상수를 가지는 2개의 스프링(470a, 470b)이 도 4에 도시되어 있지만, 다른 링크 쌍에 대해 차별적으로 구부리는 것이 바람직한 링크 쌍은 스프링 없이 제공될 수 있는 반면, 구부리는 것에 대해 크게 저항하는 것이 바람직한 다른 링크 쌍은 스프링과 함께 제공될 수 있다는 것이 의도되어 있다.
도 4에 도시된 토션 스프링과 별도로, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는, 링크 쌍의 구부림에 대해 저항력을 제공하기 위하여 여러 가지 다른 스프링 메커니즘이 사용되어 링크 쌍의 링크들 사이의 조인트에 배치될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 5에는 링크들(510) 사이의 조인트들(530)에 배치되고 상이한 스프링 상수를 가지는 디스크 스프링들(예컨대, 벨레빌레 와셔)을 이용하는 다른 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 위에서와 같이, 링크 쌍(502)에 대해 링크 쌍(501)의 차별적인 구부림을 야기하기 위하여, 링크 쌍(501)과 연결된 디스크 스프링(570a)은 더 큰 스프링 상수 때문에 링크 쌍(502)과 연결된 디스크 스프링(570b)보다 구부림에 대해 더 큰 저항력을 제공할 것이다.
도 6은 디스크 스프링을 대신하여 웨이브 스프링(wave spring)(670a, 670b)을 사용하는 점을 제외하고는 도 5와 유사하다. 다른 예시적인 실시예와 마찬가지로, 웨이브 스프링(670a, 670b)은 링크 쌍(601, 602)의 차별적인 구부림을 달성하기 위하여 상이한 스프링 상수를 가질 수 있다. 예를 들어, 웨이브 스프링(670b)은 링크 쌍(602)이 링크 쌍(601)보다 구부림에 더욱 저항하도록 웨이브 스프링(670a)보다 큰 스프링 상수를 가질 수 있다. 더욱이, 웨이브 스프링(670a, 670b)의 전체적으로 비대칭적인 구성에 기초하여, 일련의 링크(610)의 길이방향 축 둘레에서 나타난 구부림(즉, 시계방향 및 반시계방향)은 서로 상이할 수 있다. 이 방식으로, 구조체의 구부림은 길이방향 축을 중심으로 비대칭적이고, 더 크거나 작은 각도의 링크 쌍의 구부림은 웨이브 스프링의 선택된 구성과 배열에 따라 다른 링크 쌍에 대해 한 방향으로 달성될 수 있다.
도 7에는, 링크 쌍들(701, 702) 중의 링(710)의 마주하는 면들 사이에 연결되어 있고 링크 쌍(701, 702)의 조인트(730) 둘레에 위치되어 있는 선형 스프링(770a, 770b)을 사용하는 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 예시적인 실시예에서 인장 부재(735)는 스프링(770a, 770b)을 통하여 경로 안내될 수 있다. 링크(710)의 마주하는 면들은, 예컨대 스프링(770a, 770b)을 수용하여 링크(710)에 대하여 스프링들을 보유하도록 구성된 리세스(712)를 포함할 수 있다. 다른 메커니즘은 또한 예컨대 스프링을 링크에 용접하는 것과 같이 스프링(770a, 770b)을 링크(710)에 고정하는데 사용될 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 선형 스프링(770a)과 선형 스프링(770b)은 상이한 스프링 상수를 가질 수 있다. 예를 들어, 스프링(770b)은 링크 쌍(702)이 링크 쌍(701)보다 구부림에 대해 더 큰 저항력을 가지도록 스프링(770a)보다 큰 스프링 상수를 가질 수 있다. 따라서, 링크 쌍(701)은 일련의 링크(710)를 구부리기 위하여 인장 부재(735)의 작동시 링크 쌍(702)에 비해 차별적으로 구부릴 수 있다.
상술된 도 7의 예시적인 실시예에서, 조인트(730) 둘레에서 스프링(770a, 770b)으로부터 생기는 구부림에 대한 저항력이 실시예에 도시되어 있는 2개의 구부림 방향(즉, 사시도에서의 시계방향과 반시계방향)을 중심으로 대체로 대칭적이라는 것은 의도되어 있다. 그러나, 본 교시는 또한 비대칭적인 저항력을 제공하는 예시적인 실시예를 의도하고 있다. 도 8의 개략적인 예시적 실시예는 선형 스프링(870a 내지 870d)을 사용한 것을 도시하고(도 7을 참조하면서 상술한 바와 같이), 여기서 도시된 4개의 스프링(870a 내지 870d) 각각은 상이한 스프링 상수를 가진다. 이 방식으로 다른 조인트에 비해 하나의 조인트의 차별적인 구부림은 여기에서 도시된 바와 같이 일어날 수 있고, 또한 각각의 링크 쌍들(801, 802) 중의 비대칭적인 구부림은 구부림의 방향에 따라 일어날 수 있다. 예를 들어, 스프링(870d)의 스프링 상수는 스프링(870c)보다 클 수 있고, 스프링(870b)의 스프링 상수는 스프링(870a)보다 클 수 있다. 이러한 구성에서, 링크 쌍(801, 802)은 도 8에서의 반시계방향으로보다 도 8에서의 시계방향으로 구부림에 대해 더 큰 저항력을 가진다. 더욱이, 다른 예시적인 실시예와 마찬가지로, 스프링(870c, 870d)의 스프링 상수는 스프링(870a, 870b)의 스프링 상수보다 클 수 있어서, 링크 쌍(801, 802)이 시계방향이나 반시계방향으로 구부려지는지 여부와 무관하게 링크 쌍(802)에 비해 링크 쌍(801)의 차별적인 구부림이 야기된다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 링크 쌍의 조인트 둘레에서 비대칭적인 유사 구부림을 달성하기 위해서 여기에서 도시되고 설명되는 여러 가지 실시예를 변형하는 방법을 이해할 수 있을 것이다.
도 3a와 도 3b의 예시적인 실시예를 참조하면서 상술한 바와 같이, 도 4 내지 도 8의 예시적인 실시예에서, 도시된 일련의 링크들 중의 상이한 링크 쌍들은 링크 쌍들의 조인트들을 가로질러 케이블 경로 길이의 동일한 변화를 위하여 큰 각도의 구부림을 야기한다. 즉, 더 원위의 조인트와 비교하여 더 근위의 조인트에서 더 큰 스프링 상수를 가지는 스프링을 사용하는 도 4 내지 도 8에 도시된 실시예에서, 원위의 링크 쌍은 케이블 경로 길이의 동일한 변화를 위하여 더 큰 각도로 구부러지고, 더 큰 굽힘력은 더 원위의 조인트와 비교하여 더 근위의 조인트를 가로질러 동일 량만큼 인장 부재 경로 길이를 변경(감소)시키는 데 요구된다.
도 3 내지 도 8의 예시적인 실시예에는 동일한 축 둘레에서 각각 관절운동하는 조인트식 링크 구조체 중의 일련의 링크 쌍이 도시되어 있고, 따라서 도시되어 있는 구조체의 일부는 단일 자유도 관절운동 움직임을 나타낼 것이다. 그러나, 본 교시가 단일 자유도 관절운동을 가지는 조인트식 링크 구조체로 제한되는 것이 아니라, 예컨대 도 1a의 조인트식 링크 구조체(100)를 포함하여 다자유도 관절운동을 가지는 구조체에서 구현될 수 있다는 것은 이해하여야 한다. 이러한 경우, 동일한 축 둘레에서 관절운동하는 링크 쌍들은 상이한 축 둘레에서 관절운동하는 중간 링크 쌍들에 의하여 서로 분리될 수 있다. 동일한 축 둘레에서 관절운동하는 분리된 링크 쌍은 도 3 내지 도 8에서의 실시예의 설명에서 예시된 바와 같이 본 교시에 따라 하나의 링크 쌍의 다른 링크 쌍에 대한 차별적인 구부림을 제공하도록 여전히 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 1 내지 도 8을 참조하여 도시되고 설명되는 여러 가지 예시적인 실시예는 차별적인 구부림을 나타내는 하나 이상의 조인트식 링크 구조체로 형성되는 가이드 튜브에서 사용될 수 있다. 그러나, 본 교시는 이러한 실시예로 제한되는 것으로 여겨져서는 안되고, 조인트식 링크 구조체를 이용하는 다른 장치가 본 교시에 따르는 차별적인 구부림을 제공하도록 변형될 수 있다. 수술 기구의 맥락에서, 예컨대 본 교시는 조인트식 링크 구조체로서 제공되는 손목 및 다른 아암에 적용될 수 있고, 손목의 예시적인 실시예는 도 9에 도시되어 있고, 여기서 조인트식 링크 구조체로 형성된 손목(900)은 기다란 수술 기구(1000)(단지 일부만이 도 9에 도시되어 있고, 힘 전달 요소는 미도시됨)의 원위 단부에 제공되어 엔드 이펙터(950)의 위치결정을 보조하고 제어한다. 손목(900)은 개략적으로 도시되어 있고, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 손목(900)에 차별적인 구부림을 제공하기 위하여 손목(900)의 조인트식 링크 구조체를 구성하는 방법을 여기에서의 교시에 기초하여 이해할 수 있을 것이다. 본 교시는 도시된 것 이외의 구성을 가지는 다른 손목형 수술 기구에 적용될 수 있기 때문에, 도 9에 도시된 기구는 예시적일 뿐이고 본 교시를 제한하는 것으로 의도되지는 않는다는 것은 이해되어야 한다.
여기에 도시되고 설명되는 여러 가지 예시적인 실시예가 근위의 링크 쌍과 비교하여 구부림(차별적인 구부림)에 대해 작은 저항력을 나타내는 원위의 링크 쌍을 포함하는 조인트식 링크 구조체를 제공하지만, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 구조체에 대한 변형이, 목표하는 바와 같이 미리 정해진 링크 쌍의 다른 위치들에서 구조체를 따라 차별적인 구부림을 달성하도록 행하여질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 다른 링크 쌍과 비교하여 구부림에 저항(또는 선호하는)하는 성질이 있는 링크 쌍은 어떤 목표 순서로 그리고/또는 어떤 목표 위치에서 구조체를 따라 배치될 수 있다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는, 예컨대 조인트식 링크 구조체가 사용되고 있는 응용 분야에 따라, 구조체를 따라 목표하는 각도 및 위치로의 차별적인 구부림을 달성하기 위해서 여러 가지 조인트식 링크 구조체를 변형하는 방법을 본 교시에 기초하여 이해할 것이다. 단지 예시로써, 도 3 내지 도 8의 예시적인 실시예에서, 여러 가지 돌출부 또는 스프링의 배치는 도시된 근위의 링크 쌍에서의 원위의 링크 쌍에 대한 차별적인 구부림을 달성하도록 뒤바뀔 수 있다.
더욱이, 조인트식 링크 구조체의 예시적인 실시예와 특히 조인트와 링크의 구성은 예시적일 뿐이고, 본 교시와 특허청구범위를 제한하는 것으로 여겨져서는 안된다. 이러한 구조체 중의 조인트 및 링크를 위하여 여러 가지 구성을 활용하는 다수의 현존 조인트식 링크 구조체가 존재한다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 여기에서의 본 교시에 기초하여 차별적인 구부림을 달성하기 위하여 현존 조인트식 링크 구조체를 변형하는 방법을 인식할 것이다. 조인트식 링크 구조체를 형성하는 조인트 및 링크의 적합한 구성의 제한없는 예시는, 예컨대 미국 특허 제6,817,974 B2호(2002년 6월 28일 출원; 발명의 명칭은 "확실하게 위치시킬 수 있는 텐던-작동식 다중-디스크 손목 조인트를 가지는 수술 기구(Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint)")에서 발견될 수 있고, 여기에 참조용으로 통합되어 있다.
또한, 조인트식 링크 구조체 또는 구부림에 대한 상이한 저항력을 가지는 링크 쌍의 차별적인 구부림을 달성하기 위한 예시적인 실시예를 참조하여 설명되는 특정 메커니즘은 제한이 없고 예시일 뿐이다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자는 스프링 이외의 메커니즘과, 구름형 돌출부의 접촉 표면적이 링크 쌍의 구부려 지려는 성질의 상대적인 증감을 제공하는데 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
더욱이, 상술한 바와 같이 조인트식 링크 구조체를 활용하는 수술 과정 이외의 응용 분야는, 예컨대 작은 그리고/또는 구불구불한 경로를 따라 조향되도록 차별적으로 구부러지는 기다란 구조체 또는 그 일부의 성능으로부터 이익을 얻을 수 있다. 이러한 응용 분야는, 예컨대 배선, 배관, 절연 등을 검사하기 위하여 벽 사이를 탐색하기 위한 여러 가지 유형의 제약 상태에 있는 로봇 아암 및 다른 유사 응용 분야를 포함하지만 이에 제한되지 않고, 이 로봇 아암은 자연 재해 이후의 파편을 두루 수색하여 구조하는 작업에 사용된다.
추가적인 변형과 대체 실시예는 여기에서의 개시의 관점에서 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 시스템과 방법은 조작을 분명히 하기 위하여 다이어그램과 설명에서 생략되어 있는 추가 구성요소나 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 본 상세한 설명은 오직 예시로서 해석되어야 하고, 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 본 교시를 실행하는 일반적인 방식을 교시하기 위한 것이다. 여기에 도시되고 설명되는 여러 가지 실시예는 예시적인 것으로 여겨져야 한다. 요소와 재료 및 그 요소와 재료의 배열은 여기에 도시되고 설명되는 것으로 대체될 수 있고, 부품과 과정은 뒤바뀔 수 있으며, 본 교시의 어떤 특징은 여기에서의 상세한 설명에 도움을 얻은 이 후에는 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이므로 독립적으로 활용될 수 있다. 변경은 본 교시 및 다음의 특허청구범위의 사상과 범위를 벗어나지 않고 여기에서 설명되는 요소에서 이루어질 수 있다.
여기에서 개시된 특정 예시와 실시예가 제한되지 않는다는 것과, 구성, 치수, 재료 및 방법론에 대한 변형이 본 교시의 범위를 벗어나지 않고 이루어 질 수 있다는 것은 이해하여야 한다.
본 발명의 다른 실시예는 여기에 개시되는 본 발명의 명세서 및 실시를 고려하여 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 본 발명의 진정한 범위와 사상이 다음의 특허청구범위에 의하여 지시되고 있으며, 명세서와 실시예가 예시적일 뿐이라는 것이 의도되어 있다.

Claims (23)

  1. 관절운동가능하게 결합되어 있는 제 1 링크 쌍;
    관절운동가능하게 결합되어 있는 제 2 링크 쌍; 및
    상기 제 1 링크 쌍과 상기 제 2 링크 쌍에 결합되는 인장 부재를 구비하고,
    상기 인장 부재에서의 인장력 변경은, 상기 제 1 링크 쌍과 상기 제 2 링크 쌍을 구부리기 위하여 상기 제 1 링크 쌍과 상기 제 2 링크 쌍을 관절운동하게 하는 힘을 가하고,
    상기 제 1 링크 쌍은 서로 구름 첩촉하는 제 1 돌출부들을 가지되 서로 마주하는 링크 면들을 구비하고, 상기 제 1 링크 쌍의 굽은 배향에서 상기 인장 부재는 상기 제 1 링크 쌍의 마주하는 링크 면들 상의 제 1 돌출부들 사이의 접촉 지점으로부터 제 1 반경방향 거리만큼 떨어져 있고,
    상기 제 2 링크 쌍은 서로 구름 접촉하는 제 2 돌출부들을 가지되 서로 마주하는 링크 면들을 구비하고, 상기 제 2 링크 쌍의 굽은 배향에서 상기 인장 부재는 상기 제 2 링크 쌍의 마주하는 링크 면들의 제 2 돌출부들 사이의 접촉 지점으로부터 제 2 반경방향 거리만큼 떨어져 있고,
    상기 제 1 반경방향 거리는 상기 제 2 반경방향 거리와 상이한 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍은 상기 제 2 링크 쌍에 대해 원위에 있는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍과 상기 제 2 링크 쌍은 공통 링크를 공유하는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인장 부재는 상기 제 1 링크 쌍의 원위 링크에서 말단을 이루는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 링크 쌍은 인장 부재가 말단을 이루는 링크를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍의 마주하는 링크 면들 상의 돌출부들은 상기 제 2 링크 쌍의 마주하는 링크 면들 상의 돌출부들의 프로파일과 상이한 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍은 상기 제 2 링크 쌍에 대해 원위에 있고,
    상기 제 1 반경방향 거리는 상기 제 2 반경방향 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    각각의 링크 쌍은 상기 링크들을 관절운동가능하게 결합하는 조인트를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍과 연결된 제 1 스프링과, 상기 제 2 링크 쌍과 연결된 제 2 스프링을 더 구비하고,
    상기 제 1 및 제 2 스프링은 상기 제 1 및 제 2 링크 쌍의 구부림에 저항하도록 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스프링은 상이한 스프링 상수를 가지는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍은 상기 제 2 링크 쌍에 대해 원위에 있고,
    상기 제 1 스프링은 상기 제 2 스프링보다 작은 스프링 상수를 가지는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링과 상기 제 2 스프링은 토션 스프링, 선형 스프링, 디스크 스프링 및 웨이브 스프링 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍은, 상기 제 1 링크 쌍과 상기 제 2 링크 쌍 각각의 개별적인 링크들의 마주하는 면들 사이에 걸쳐있는 인장 부재 길이의 동일한 변화를 위하여, 상기 제 2 링크 쌍보다 큰 각도로 구부려지는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
  16. 인장 부재에 의하여 연결되고 관절운동가능하게 결합되어 있는 복수 개의 링크를 구비하고, 제 1 단부, 제 2 단부 및 구조체가 직선 배향 상태에 있을 때 상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 길이방향 축을 가지는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 방법은 :
    관절운동가능하게 결합되어 있는 링크들을 관절운동하게 하는 힘을 가하도록 인장 부재에서의 인장력을 변경하여, 상기 링크들을 굽은 배향 상태로 배치시키는 단계를 구비하고,
    제 1 링크 쌍은 서로 구름 첩촉하는 제 1 돌출부들을 가지되 서로 마주하는 링크 면들을 구비하고, 상기 제 1 링크 쌍의 굽은 배향에서 상기 인장 부재는 상기 제 1 링크 쌍의 마주하는 링크 면들 상의 제 1 돌출부들 사이의 접촉 지점으로부터 제 1 반경방향 거리만큼 떨어져 있고,
    제 2 링크 쌍은 서로 구름 접촉하는 제 2 돌출부들을 가지되 서로 마주하는 링크 면들을 구비하고, 상기 제 2 링크 쌍의 굽은 배향에서 상기 인장 부재는 상기 제 2 링크 쌍의 마주하는 링크 면들의 제 2 돌출부들 사이의 접촉 지점으로부터 제 2 반경방향 거리만큼 떨어져 있고,
    상기 제 1 및 2 반경방향 거리는 상이한 것을 특징으로 하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍은 상기 제 2 링크 쌍에 대해 원위에 있는데,
    상기 방법은,
    상기 인장 부재에서의 인장력 변경에 응답하여 상기 제 1 링크 쌍을 상기 제 2 링크 쌍보다 더 많이 구부리도록 상기 제 1 링크 쌍을 관절운동하게 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법.
  18. 삭제
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 관절운동하게 하는 동안 상기 제 1 링크 쌍과 상기 제 2 링크 쌍에 각각의 스프링 힘을 가하는 단계를 더 구비하고,
    상기 각각의 스프링 힘은 구부림에 저항하는 것을 특징으로 하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    각각의 스프링 힘을 가하는 단계는 상이한 각각의 스프링 힘을 상기 제 1 링크 쌍과 상기 제 2 링크 쌍에 가하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 링크 쌍은 상기 제 2 링크 쌍에 대해 원위에 있는데,
    상이한 각각의 스프링 힘을 가하는 단계는 상기 제 2 링크 쌍에 가해지는 스프링 힘보다 작은 스프링 힘을 상기 제 1 링크 쌍에 가하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    인장 부재에서의 인장력을 변경하는 단계는, 관절운동가능하게 결합되어 있는 복수 개의 링크 중에서 적어도 하나의 링크를 통과하여 말단을 이루고 상기 적어도 하나의 링크에 대해 원위에 있는 다른 링크에 직접 부착되는 인장 부재에서의 인장력을 변경하는 단계를 구비하고,
    상기 적어도 하나의 링크의 움직임은 개별적으로 작동가능하지 않은 것을 특징으로 하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 인장 부재에서의 상기 인장력을 변경하는 단계는 상기 제 1 및 제 2 링크 쌍의 각각의 링크들 사이에 걸쳐있는 상기 인장 부재의 길이를 변경시키고,
    상기 제 1 링크 쌍은, 상기 각각의 링크들 사이의 상기 인장 부재의 길이를 동일 량만큼 변경하는 것에 응답하여 상기 제 2 링크 쌍보다 많이 구부리는 것을 특징으로 하는 수술 장치의 움직임을 제어하는 방법.
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