KR102386692B1 - 하드웨어 제한형 원격 중심 로봇 매니퓰레이터용 여유 축 및 자유도 - Google Patents

Abstract

최소 침습 로봇 수술에 사용되는 원격 중심 매니퓰레이터는 환자에 대해 고정상태로 유지된 베이스 링크, 수술 기구 홀더, 그리고 상기 수술 기구 홀더를 상기 베이스 링크에 결합시키는 링크장치를 포함하고 있다. 상기 링크장치의 제1 링크와 제2 링크는 제2 링크의 운동을 조종의 원격 중심과 교차하는 제1 축에 대한 회전으로 제한하도록 결합되어 있다. 상기 링크장치의 평행사변형 링크장치부는 수술 기구 홀더를 조종의 원격 중심과 교차하는 제2 축 둘레로 피칭운동시킨다. 제2 축은 제1 축과 일치하지 않는다. 상기 링크장치의 제3 링크와 제4 링크는 제4 링크의 운동을 조종의 원격 중심과 교차하는 제3 축에 대한 회전으로 제한하도록 결합되어 있다. 제3 축은 제1 축과 제2 축 중의 어느 것과도 일치하지 않는다. 기계적인 여유 자유도를 가진 하드웨어 제한형 원격 중심 로봇 매니퓰레이터의 다양한 조합형태가 개시되어 있다.

Description

하드웨어 제한형 원격 중심 로봇 매니퓰레이터용 여유 축 및 자유도{REDUNDANT AXIS AND DEGREE OF FREEDOM FOR HARDWARE-CONSTRAINED REMOTE CENTER ROBOTIC MANIPULATOR}

본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된, 2012년 6월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/654,414호에 기초한 출원이다.

최소 침습 의료 기술은 진단 과정이나 수술 과정에서 손상되는 진단이나 수술과 무관한 조직의 양을 감소시켜서, 환자 회복 시간, 불편함, 그리고 유해한 부작용을 감소시키기 위한 것이다. 최소 침습 수술의 한 가지 효과는, 예를 들면, 수술후 병원에서의 회복 시간이 줄어든다는 것이다. 통상적인 개복 수술에 대한 평균적인 병원 체류기간은 통상적으로 유사한 최소 침습 수술에 대한 평균적인 병원 체류기간보다 상당히 길기 때문에, 최소 침습 기법을 많이 이용하면 병원비를 매년 수백만 달러 절감할 수 있다. 미국에서 매년 수행되는 많은 수술이 아마도 최소 침습 방식으로 수행될 수 있지만, 최소 침습 수술 기구의 제한사항 및 최소 침습 수술 기구을 완전히 다루는 것과 관련된 부가적인 수술 교육으로 인해 현재 행해지는 수술의 일부분만 이러한 유리한 기법을 이용하고 있다.

외과의사의 솜씨를 향상시키고 종래의 최소 침습 기술에 대한 제한사항들 중의 일부를 회피하도록 최소 침습 로봇 수술 시스템 또는 원격수술 시스템이 개발되고 있다. 원격수술에서, 외과의사는 손으로 수술 기구를 직접 쥐고 움직이는 것이 아니라, 수술 기구 움직임을 조종하기 위해 원격 제어장치의 몇 가지 형태(예를 들면, 서보기구 또는 이와 유사한 것)를 사용한다. 원격수술 시스템에서, 외과의사는 수술용 워크스테이션(surgical workstation)에서 수술 부위의 영상을 제공받을 수 있다. 외과의사는 디스플레이에 나타난 수술 부위의 2차원 영상 또는 3차원 영상을 관찰하면서, 서보 기계적으로 작동되는 슬레이브 기구(servo-mechanically operated slave instrument)의 운동을 제어하는 마스터 컨트롤 장치를 조작함으로써 환자에 대해 수술을 수행한다.

원격수술에 사용되는 서보기구는(외과의사의 두 손의 각각에 대해서 하나씩 배치된) 두 개의 마스터 컨트롤러로부터 입력을 종종 수용하고 각각에 대해서 수술 기구가 장착되는 두 개 이상의 로봇 암을 포함할 수 있다. 마스터 컨트롤러와 해당 로봇 암 및 수술 기구 조립체 사이의 수술 소통(operative communication)은 통상적으로 컨트롤 시스템을 통해서 이루어진다. 상기 컨트롤 시스템은 통상적으로 적어도 하나의 프로세서를 포함하고 있고, 상기 프로세서는, 예를 들면, 힘 피드백 등의 경우에 있어서 입력 명령을 마스터 컨트롤러로부터 해당 로봇 암 및 수술 기구 조립체로 그리고 다시 로봇 암 및 수술 기구 조립체로부터 해당 마스터 컨트롤러로 전달한다. 로봇 수술 시스템의 한 가지 예는 미국 캘리포니아 써니베일에 있는 인튜어티브 서지컬사(Intuitive Surgical, Inc.)에 의해 상업화된 DA VINCI^® 시스템이다.

로봇 수술 동안 수술 부위에 있는 수술 기구를 지지하기 위해서 다양한 구조적 방식이 이용되고 있다. 피구동 링크장치(driven linkage) 또는 "슬레이브(slave:종속장치)"는 종종 로봇 수술용 매니퓰레이터라고 하며, 최소 침습 로봇 수술 동안 로봇 수술용 매니퓰레이터로서 사용되는 예시적인 링크장치가 미국 특허 제7,594,912호(2004년 9월 30일자로 출원), 제6,758,843호(2002년 4월 26일자로 출원), 제6,246,200호(1999년 8월 3일자로 출원), 그리고 제5,800,423호(1995년 7월 20일자로 출원)에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다. 이들 링크장치는 종종 샤프트를 가진 수술 기구가 장착되어 있는 수술 기구 홀더를 조종한다. 이러한 매니퓰레이터 구조는, 수술 기구 샤프트의 길이를 따라서 배치된 조종의 원격 중심과 교차하는 피치 축(pitch axis)에 대한 회전으로 제한되는 수술 기구 홀더의 운동을 발생시키는 평행사변형 링크장치부를 포함할 수 있다. 이러한 매니퓰레이터 구조는 또한, 상기 피치 축과 수직이며 조종의 원격 중심과도 교차하는 요 축(yaw axis)에 대한 회전으로 제한되는 수술 기구 홀더의 운동을 발생시키는 요 조인트(yaw joint)를 포함할 수 있다. 조종의 원격 중심을 내부 수술 부위에 대한 절개 지점과(예를 들면, 복강경 수술 동안 복벽(abdominal wall)에 있는 투관침(trocar) 또는 캐뉼라(cannula)와) 정렬시킴으로써, 복벽에 대해 잠재적으로 위험한 힘을 가하지 않으면서 매니퓰레이터 링크장치를 이용하여 상기 샤프트의 근위 단부를 이동시키는 것에 의해 수술 기구의 엔드 이펙터가 안전하게 위치될 수 있다. 대체 형태의 매니퓰레이터 구조는, 예를 들면, 미국 특허 제6,702,805호(2000년 11월 9일자로 출원), 제6,676,669호(2002년 1월 16일자로 출원), 제5,855,583호(1996년 11월 22일자로 출원), 제5,808,665호(1996년 9월 9일자로 출원), 제5,445,166호(1994년 4월 6일자로 출원), 그리고 제5,184,601호(1991년 8월 5일자로 출원)에 기술되어 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.

새로운 원격수술 시스템 및 장치는 매우 효과적이고 유익한 것으로 판명되었지만, 여전히 추가적인 개량이 바람직할 것이다. 대체로, 최소 침습 로봇 수술를 수행하는 개량된 구조 및 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 보다 상세하게는, 이러한 시스템의 사용의 효율성과 편의성을 향상시키는 것이 유익할 것이다. 예를 들면, 복벽에 대해 잠재적으로 위험한 힘을 가하지 않으면서 로봇 수술용 매니퓰레이터에 의해 제공된 운동의 범위를 향상시키는 것이 특히 유익할 것이다.

아래의 설명은 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위해서 본 발명의 여러 실시례의 단순화된 개요를 제공한다. 이 개요는 본 발명의 광범위한 개관은 아니다. 아래의 설명은 본 발명의 핵심적인/중요한 요소를 확인하기 위한 것이거나 본 발명의 범위를 기술하기 위한 것은 아니다. 아래의 설명의 유일한 목적은 나중에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 서막으로서 단순화된 형태로 된 본 발명의 여러 실시례를 제공하는 것이다.

최소 침습 로봇 수술 동안 수술 기구를 지지하고 수술 기구의 원하는 위치에, 임의의 베어링 또는 기계적인 지지부로부터 이격되어 있는, 조종의 중심을 제공하는 개량된 원격 중심 매니퓰레이터가 개시되어 있다. 상기 원격 중심 매니퓰레이터는 수술 기구가 바람직하게는 환자의 복벽(abdominal wall)과 같은 환자의 진입 절개부와 일치되어 있는 조종의 원격 중심 둘레로 이동하도록 제한한다. 다수의 실시례에서, 매니퓰레이터 링크장치는 (1)조종의 원격 중심을 통과하는 제1 축 둘레로 수술 기구를 피칭운동시키기 위해 사용되는 평행사변형 운동을 발생시키는 회전가능하게 결합된 조인트, (2)조종의 원격 중심을 통과하는 제2 축 둘레로 수술 기구를 롤링운동시키기 위해 사용되는 운동을 발생시키는 회전가능하게 결합된 링크, 그리고 (3)조종의 원격 중심을 통과하는 추가적인 축에 대해 회전하도록 결합된 적어도 하나의 한 쌍의 추가적인 링크를 포함하고 있다. 조종의 원격 중심을 통과하는 것에 더하여, 상기 추가적인 축은 제1 축과 제2 축의 어느 것과도 일치하지 않고, 이것에 의해 하나 이상의 추가적인 축 둘레로의 회전이 상기 복벽에 잠재적으로 위험한 힘을 가하지 않고서 로봇 수술용 매니퓰레이터에 의해 제공된 운동의 범위를 개선시키기 위해서 사용될 수 있다.

따라서, 한 실시형태에서는, 최소 침습 로봇 수술 동안 수술 기구의 위치를 제한하는 원격 중심 매니퓰레이터가 개시되어 있다. 상기 수술 기구는 기다란 샤프트를 포함하고 있다. 상기 샤프트는 조종의 원격 중심을 통하여 환자의 체강 속으로 삽입 축을 따라서 삽입되도록 구성된 원위 작업 단부 구성을 가지고 있다. 상기 원격 중심 매니퓰레이터는 환자에 대해 고정된 위치에 유지되도록 구성된 베이스 링크, 수술 기구와 결합되도록 구성된 수술 기구 홀더; 그리고 상기 수술 기구 홀더를 상기 베이스 링크에 결합시키는 링크장치를 포함하고 있다. 상기 링크장치의 제1 링크와 제2 링크는, 제1 링크에 대한 제2 링크의 운동을 조종의 원격 중심과 교차하는 제1 축에 대한 회전으로 제한하도록 결합되어 있다. 상기 링크장치는 상기 수술 기구 홀더의 운동을 조종의 원격 중심과 교차하는 제2 축에 대한 회전으로 제한시키는 상기 링크장치의 제한된 평행사변형 운동을 발생시키도록 구성된 세 개의 회전가능하게 결합된 회전 조인트를 더 포함하고 있다. 상기 제2 축은 상기 제1 축과 일치하지 않는다. 상기 링크장치의 제3 링크와 제4 링크는, 제3 링크에 대한 제4 링크의 운동을 조종의 원격 중심과 교차하는 제3 축에 대한 회전으로 제한하도록 결합되어 있다. 상기 제3 축은 상기 제1 축과 상기 제2 축의 어느 것과도 일치하지 않는다.

다수의 실시례에서, 제3 링크와 제4 링크 사이의 결합부는 베이스 링크와 제1 링크와 제2 링크 사이의 결합부 사이에 배치되어 있다. 이러한 실시례에서는, 제4 링크의 운동이 환자에 대해 조종의 원격 중심을 이동시키지 않고서 상기 링크장치의 대부분의 위치를 바꾸는 역할을 한다. 예를 들면, 제3 링크는 베이스 링크로 되거나 적어도 베이스 링크에 대해 고정될 수 있다. 제4 링크는 제1 링크로 되거나 적어도 제1 링크에 대해 고정될 수 있다. 다수의 실시례에서, 제1 축과 제3 축 사이의 각도는 10도 내지 30도이다. 예를 들면, 제1 축과 제3 축 사이의 각도는 대략 15도이다. 다수의 실시례에서, 제1 축과 제3 축은 수직이거나 대체로(다시 말해서, 허용가능한 공차 범위 내에서) 수직이다.

다수의 실시례에서, 제1 축과 제2 축은 수직이거나 대체로 수직이다. 이러한 구성은 수술 기구 홀더의 운동에 대해 잘 조절된 제어(well-conditioned control)를 제공한다.

다수의 실시례에서, 상기 링크장치는 중간 원뿔형 스위프 조인트를 포함하고 있다. 예를 들면, 다수의 실시례에서, 상기 링크장치의 링크들은 연쇄적으로 연결된 링크들의 조립체를 형성한다. 제3 링크는 연쇄적으로 연결된 링크들의 조립체에서 제2 링크와 수술 기구 홀더의 사이에 배치될 수 있다. 그리고 제4 링크는 수술 기구 홀더에 대해 고정된 것 중의 적어도 하나이거나 수술 기구 홀더일 수 있다. 다수의 실시례에서, 상기 링크장치는, 수술 기구의 기다란 샤프트가 제1 축과 제3 축에 의해 형성된 평면에 놓이도록 제4 링크를 제3 링크에 대해 배향시키도록 작동된다.

다수의 실시례에서, 상기 원격 중심 매니퓰레이터는 상기 링크장치의 제한된 평행사변형 운동을 발생시키도록 구성되어 있는 세 개의 회전가능하게 결합된 회전 조인트 중의 적어도 한 쌍을 구동가능하게 결합시키는 사인/코사인 링크를 포함하고 있다. 그리고 다수의 실시례에서, 배향된 굴곡부를 가진 사인/코사인 링크가 상기 링크장치의 제한된 평행사변형 운동을 발생시키도록 구성되어 있는 세 개의 회전가능하게 결합된 회전 조인트 중의 적어도 한 쌍을 구동가능하게 결합시킨다.

다른 실시형태에서는, 최소 침습 로봇 수술 동안 수술 기구의 위치를 제한하는 원격 중심 매니퓰레이터가 개시되어 있다. 상기 수술 기구는 기다란 샤프트를 포함하고 있다. 상기 샤프트는 조종의 원격 중심을 통하여 환자의 체강 속으로 삽입되도록 구성된 원위 작업 단부를 가지고 있다. 상기 원격 중심 매니퓰레이터는 장착 베이스, 원뿔형 스위프 링크, 그리고 제1 링크 내지 제4 링크를 포함하고 있다. 상기 원뿔형 스위프 링크는 원뿔형 스위프 링크 근위 단부와 원뿔형 스위프 링크 원위 단부를 가지고 있다. 상기 원뿔형 스위프 링크 근위 단부는 조종의 원격 중심과 교차하는 제1 축에 대한 회전을 위해서 상기 장착 베이스에 결합되어 있다. 상기 제1 링크는 제1 링크 근위 단부와 제1 링크 원위 단부를 가지고 있다. 상기 제1 링크 근위 단부는 조종의 원격 중심과 교차하는 제2 축에 대한 회전을 위해서 상기 원뿔형 스위프 링크 원위 단부와 결합되어 있다. 상기 제2 축은 상기 제1 축과 일치하지 않는다. 상기 제2 링크는 제2 링크 근위 단부와 제2 링크 원위 단부를 가지고 있다. 상기 제2 링크 근위 단부는 제1 평행사변형 링크장치 조인트에서 상기 제1 링크 원위 단부에 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제3 링크는 제3 링크 근위 단부와 제3 링크 원위 단부를 가지고 있다. 상기 제3 링크 근위 단부는 제2 평행사변형 링크장치 조인트에서 상기 제2 링크 원위 단부에 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제4 링크는 수술 기구를 지지하도록 구성되어 있다. 상기 제4 링크는 제3 평행사변형 링크장치 조인트에 의해 상기 제3 링크 원위 단부에 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제1 평행사변형 링크장치 조인트, 상기 제2 평행사변형 링크장치 조인트 및 상기 제3 평행사변형 링크장치 조인트는 상기 제1 평행사변형 링크장치 조인트의 회전이 조종의 원격 중심과 교차하는 제3 축에 대한 회전으로 제한되어 있는 제4 링크의 운동을 발생시키도록 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제3 축은 상기 제1 축과 상기 제2 축의 어느 것과도 일치하지 않는다.

다수의 실시례에서, 제1 축과 제2 축 사이의 각도는 10도 내지 30도이다. 예를 들면, 제1 축과 제2 축 사이의 각도는 대략 15도로 될 수 있다.

다수의 실시례에서, 원뿔형 스위프 링크는 과도한 무게(excessive weight)없이 비틀림 및 굽힘 하중(torsion and bending loading)에 대해 견고하게 구성되어 있다. 예를 들면, 다수의 실시례에서, 상기 원뿔형 스위프 링크는 원뿔형 스위프 링크 제1 단부를 원뿔형 스위프 링크 제2 단부에 연결시키는 원뿔형 스위프 링크 몸체 부분을 가지고 있다. 다수의 실시례에서, 상기 원뿔형 스위프 링크 몸체 부분은 박스 단면 형태(box cross-sectional configuration) 또는 튜브같은 형태(tube-like configuration)를 가지고 있다.

다수의 실시례에서, 상기 매니퓰레이터는 조종의 원격 중심과 교차하는 제4 축에 대한 회전을 위해 제4 링크를 제3 링크 원위 단부에 회전가능하게 결합시키는 원뿔형 스위프 조인트를 더 포함하고 있다. 상기 제4 축은 상기 제1 축, 상기 제2 축, 또는 상기 제3 축 중의 어느 것과도 일치하지 않는다. 다수의 실시례에서, 상기 원뿔형 스위프 조인트는, 수술 기구의 기다란 샤프트가 제2 축과 제4 축에 의해 형성된 평면에 놓이도록 제4 링크를 제3 링크에 대해 배향시키도록 작동된다.

다수의 실시례에서, 상기 매니퓰레이터는 제1 평행사변형 링크장치 조인트, 제2 평행사변형 링크장치 조인트 및 제3 평행사변형 링크장치 조인트 중의 적어도 한 쌍을 구동가능하게 결합시키는 사인/코사인 링크를 포함하고 있다. 그리고 다수의 실시례에서, 배향된 굴곡부를 가진 사인/코사인 링크가 제1 평행사변형 링크장치 조인트, 제2 평행사변형 링크장치 조인트 및 제3 평행사변형 링크장치 조인트 중의 적어도 한 쌍을 구동가능하게 결합시킨다.

다른 실시형태에서는, 최소 침습 로봇 수술 동안 수술 기구의 위치를 제한하는 원격 중심 매니퓰레이터가 개시되어 있다. 상기 수술 기구는 기다란 샤프트를 포함하고 있다. 상기 샤프트는 조종의 원격 중심을 통하여 환자의 체강 속으로 삽입되도록 구성된 원위 작업 단부를 가지고 있다. 상기 원격 중심 매니퓰레이터는 장착 베이스와 제1 링크 내지 제5 링크를 포함하고 있다.

상기 제1 링크는 상기 장착 베이스에 대해 선택적으로 위치를 바꿀 수 있도록 상기 장착 베이스와 결합되어 있다. 상기 제1 링크의 상기 제2 링크에 대한 운동은 조종의 원격 중심과 교차하는 제1 축에 대한 회전으로 제한되어 있ㄷ다. 상기 제2 링크는 제2 링크 근위 단부와 제2 링크 원위 단부를 가지고 있다. 상기 제2 링크 근위 단부는 조종의 원격 중심과 교차하는 제2 축에 대한 회전을 위해서 상기 제1 링크에 결합되어 있다. 상기 제2 축은 상기 제1 축과 일치하지 않는다. 상기 제3 링크는 제3 링크 근위 단부와 제3 링크 원위 단부를 가지고 있다. 상기 제3 링크 근위 단부는 제1 평행사변형 링크장치 조인트에서 상기 제2 링크 원위 단부에 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제4 링크는 제4 링크 근위 단부와 제4 링크 원위 단부를 가지고 있다. 상기 제4 링크 근위 단부는 제2 평행사변형 링크장치 조인트에서 상기 제2 링크 원위 단부에 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제5 링크는 수술 기구를 지지하도록 구성되어 있다. 상기 제5 링크는 제3 평행사변형 링크장치 조인트에서 상기 제4 링크 원위 단부에 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제1 평행사변형 링크장치 조인트, 상기 제2 평행사변형 링크장치 조인트 및 상기 제3 평행사변형 링크장치 조인트는 상기 제1 평행사변형 링크장치 조인트의 회전이 조종의 원격 중심과 교차하는 제3 축에 대한 회전으로 제한되어 있는 제5 링크의 운동을 발생시키도록 회전가능하게 결합되어 있다. 상기 제3 축은 상기 제1 축과 상기 제2 축의 어느 것과도 일치하지 않는다.

다수의 실시례에서, 상기 장착 베이스는 만곡부를 포함하고 있고, 제1 링크가 상기 만곡부를 따라 이동하게 제한되도록 제1 링크가 상기 만곡부에 접속되어 있다. 상기 만곡부는 조종의 원격 중심에 대해 일정한 곡률 반경을 가지고 있다.

다수의 실시례에서, 상기 장착 베이스는 제1 링크가 접속되어 있는 폐 루프형 만곡부를 포함하고 있다. 상기 제1 링크는 상기 폐 루프형 만곡부를 따라 이동하도록 제한되어 있다.

다수의 실시례에서, 상기 매니퓰레이터는 제1 평행사변형 링크장치 조인트, 제2 평행사변형 링크장치 조인트 및 제3 평행사변형 링크장치 조인트 중의 적어도 한 쌍을 구동가능하게 결합시키는 사인/코사인 링크를 포함하고 있다. 그리고 다수의 실시례에서, 배향된 굴곡부를 가진 사인/코사인 링크가 제1 평행사변형 링크장치 조인트, 제2 평행사변형 링크장치 조인트 및 제3 평행사변형 링크장치 조인트 중의 적어도 한 쌍을 구동가능하게 결합시킨다.

본 발명의 본질과 장점을 보다 잘 이해하기 위해서는, 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참고하여야 한다. 본 발명의 다른 실시형태, 목적 그리고 장점은 아래의 상세한 설명과 도면에 의해 명확하게 될 것이다.

도 1은 다수의 실시례에 따른 수술을 수행하는데 사용되는 최소 침습 로봇 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템용 외과의사의 컨트롤 콘솔의 사시도이다.
도 3은 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템을 개략적으로 나타내고 있다.
도 5a는 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 시스템의 환자측 카트(수술용 로봇)의 정면도이다.
도 5b는 다수의 실시례에 따른 로봇 수술 공구의 정면도이다.
도 6은 조종의 원격 중심을 이동시키지 않고서 수술 기구 홀더를 방향변화시키도록 작동할 수 있는 원뿔형 스위프 조인트(conical sweep joint)를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 7은 조종의 원격 중심을 이동시키지 않고서 매니퓰레이터의 아웃보드 부분(outboard portion)을 방향변화시키도록 작동할 수 있는 원뿔형 스위프 링크(conical sweep link)를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 8은 도 6의 원뿔형 스위프 조인트와 도 7의 원뿔형 스위프 링크를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 9는 조종의 원격 중심을 이동시키지 않고서 매니퓰레이터의 아웃보드 부분을 방향변화시키도록 작동할 수 있는 피치 링크장치(pitch linkage)를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 10은 도 6의 원뿔형 스위프 조인트, 도 7의 원뿔형 스위프 링크, 그리고 도 9의 피치 링크장치를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 11은 조종의 원격 중심을 이동시키지 않고서 매니퓰레이터의 링크장치 조립체를 방향변화시키도록 작동할 수 있는 원뿔형 스위프 링크를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터를 나타내고 있다.
도 12는 조종의 원격 중심을 이동시키지 않고서 수술 기구 홀더를 방향변화시키도록 작동할 수 있는 원뿔형 스위프 조인트를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터를 나타내고 있다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는 상이한 방향으로 수술 기구 홀더를 가진 상태의 도 8의 원격 중심 매니퓰레이터를 나타내고 있다.
도 14a는 다수의 실시례에 따른 도 8의 원격 중심 매니퓰레이터에서 두 개의 평행사변형 조인트를 회전가능하게 결합시기 위해 사용될 수 있는 사인/코사인 링크를 나타내고 있다.
도 14b는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터에서 두 개의 평행사변형 조인트를 회전가능하게 결합시기 위해 사용된 링크에서 포스-파이트 유발 부하(force-fight induced load)를 경감시키는 역할을 하는 배향된 굴곡부(flexure)를 나타내고 있다.
도 15는 조종의 원격 중심에 대해 일정한 곡률 반경을 가지는 만곡부를 포함하며 상기 만곡부를 따라서 아웃보드 링크장치의 베이스 링크가 방향변화될 수 있는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터를 나타내고 있다.
도 16은 폐 루프형 만곡부를 포함하며, 아웃보드 링크장치의 베이스 링크가 상기 폐 루프형 만곡부를 따라서 이동하게 제한되도록 아웃보드 링크장치의 베이스 링크가 상기 폐 루프형 만곡부에 접속되어 있는, 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터를 나타내고 있다.
도 17은 피치 축(pitch axis)이 요 축(yaw axis)에 대해 수직이 아닌 조건하에서, 수술 기구 홀더가 원격 중심을 통하여 상기 피치 축 둘레로 회전하고 원격 중심을 통하여 상기 요 축 둘레로 회전하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 18은 도 17의 원격 중심 매니퓰레이터가 도 9의 피치 링크장치를 더 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 19는 도 18의 원격 중심 매니퓰레이터가 도 6의 원뿔형 스위프 조인트를 더 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 개략적인 사시도이다.
도 20은 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터의 측면도이다.
도 21은 도 20의 원격 중심 매니퓰레이터의 평면도이다.
도 22는 도 20의 원격 중심 매니퓰레이터의 피치 축을 비스듬하게 함으로써 이루어진 작동 공간 포락(operating space envelope)의 축소를 나타내고 있다.
도 23은 다수의 실시례에 따른 조종의 원격 중심에 대한 수술 기구 홀더의 최대 피치 백(maximum pitch back)의 형태에서의 도 20의 원격 중심 매니퓰레이터의 측면도이다.

아래의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예를 기술한다. 설명을 위해서, 상기 실시예의 충분한 이해를 제공하기 위해 특정 구성 및 세부사항이 개시되어 있다. 그러나, 당해 기술 분야의 전문가에게는 특정의 세부사항 없이도 본 발명이 실시될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 또한, 설명하는 실시예를 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 특징은 생략되거나 단순화될 수 있다.

최소 침습 로봇 수술

도면을 참고하면, 여러 도면에 걸쳐서 유사한 참고 번호가 유사한 부분을 나타내며, 도 1은 수술대(14)에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술을 수행하는데 통상적으로 사용되는 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)을 나타내는 평면도이다. 상기 최소 침습 로봇 수술 시스템은 수술을 하는 동안 외과의사(18)가 사용하는 외과의사의 콘솔(16)을 포함할 수 있다. 한 명 이상의 보조자(20)가 수술에 참여할 수도 있다. 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)은 환자측 카트(22)(수술용 로봇)와 전자장치 카트(24)를 더 포함할 수 있다. 환자측 카트(22)는 외과의사(18)가 콘솔(16)을 통하여 수술 부위의 영상을 관찰하면서 환자(12)의 신체의 최소 침습 절개부를 통하여 적어도 하나의 탈착가능하게 결합된 공구 조립체(26)(이하에서는, 단지 "공구" 라고도 한다)를 조작할 수 있다. 수술 부위의 영상은, 입체 내시경과 같은, 내시경(28)에 의해 얻을 수 있고, 내시경(28)은 내시경(28)을 위치시키고 특정 방향으로 향하게 하기 위해 환자측 카트(22)에 의해 조작될 수 있다. 외과의사의 콘솔(16)을 통하여 외과의사(18)에 대한 차후의 디스플레이를 위해 수술 부위의 영상을 처리하기 위해 전자장치 카트(24)가 사용될 수 있다. 한 번에 사용되는 수술 공구(26)의 갯수는 대체로 진단이나 수술 그리고 다른 요인들 중에서 수술실 내의 공간적인 제한사항에 따라 좌우된다. 수술 도중에 사용하고 있는 수술 공구(26) 중의 하나 이상을 교체할 필요가 있는 경우, 보조자(20)가 환자측 카트(22)로부터 수술 공구(26)를 제거하고, 이 수술 공구를 수술실의 트레이(30)에 있는 다른 수술 공구(26)와 교체할 수 있다.

도 2는 외과의사의 콘솔(16)의 사시도이다. 외과의사의 콘솔(16)은 깊이 인식을 가능하게 하는 수술 부위의 조정된 입체 화면을 외과의사(18)에게 제공하는 왼쪽 눈 디스플레이(32) 및 오른쪽 눈 디스플레이(34)를 포함하고 있다. 외과의사의 콘솔(16)은 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 더 포함하고 있고, 이 입력 제어 장치는 환자측 카트(22)(도 1에 도시되어 있음)로 하여 하나 이상의 공구를 조작하게 한다. 입력 제어 장치(36)는 외과의사에게 원격현장감, 또는 외과의사가 상기 공구(26)를 직접 제어하고 있다는 강한 느낌을 가지도록 입력 제어 장치(36)가 상기 공구(26)와 일체로 되어 있다는 인식을 제공하기 위해서 대응하는 공구(26)(도 1에 도시되어 있음)와 동일한 자유도를 제공할 수 있다. 이를 위해서, 입력 제어 장치(36)를 통하여 상기 공구(26)로부터의 위치, 힘, 그리고 촉각적인 느낌을 외과의사의 손으로 전달하기 위해서 위치 센서, 힘 센서, 그리고 촉각 피드백 센서(도시되어 있지 않음)가 사용될 수 있다. 원격조종을 할 수 있도록 하기 위해 각각의 개별 입력 제어 장치(36)는 사람-제어식 마스터(human-controlled master)로서 작용하여 상응하는 슬레이브 수술 공구(slave surgical tool)를 제어한다. 이러한 원격조종이 3차원으로 인식된 수술 부위와 수술 부위에서 관찰된 공구 영상과 상응하는 위치에 있는 마스터에 위치한 외과의사의 손의 디스플레이와 결합되면 원격현장감을 느낄 수 있다.

외과의사가 직접 수술을 감시하고, 필요에 따라 직접 참석하고, 전화나 다른 통신 매체를 통하기보다 직접 보조자에게 말을 할 수 있도록 외과의사의 콘솔(16)은 통상적으로 환자가 있는 방과 같은 방에 배치되어 있다. 그러나, 외과의사가, 원격 수술을 가능하게 하는 다른 방, 완전히 다른 건물, 또는 환자로부터 떨어져 있는 다른 장소에 배치될 수 있다.

도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 내시경(28)과 결합될 수 있으며, 예를 들면, 외과의사의 콘솔, 또는 근처에 및/또는 이격되어 배치된 다른 적절한 디스플레이에서 외과의사에 대한 차후의 디스플레이를 위해 촬영된 영상을 처리하기 위해 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 입체 내시경이 사용되는 곳에서, 전자장치 카트(24)는 수술 부위의 조정된 입체 화면을 외과의사에게 제공하기 위해 촬영된 영상을 처리할 수 있다. 상기 조정은 대립되는 영상들 사이의 얼라인먼트를 포함할 수 있고 입체 내시경의 입체 작동 거리(stereo working distance)를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 영상 처리는 광학적 수차(optical aberration)와 같은, 촬영 장치의 촬영 에러를 보상하기 위해 사전에 결정된 카메라 보정 파라미터의 사용을 포함할 수 있다.

도 4는 로봇 수술 시스템(50)(도 1의 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)과 같은 것)을 개략적으로 나타내고 있다. 상기한 바와 같이, 외과의사의 콘솔(52)(도 1의 외과의사의 콘솔(16)과 같은 것)은 최소 침습 수술을 하는 동안 환자측 카트(수술용 로봇)(54)(도 1의 환자측 카트(22)와 같은 것)를 제어하기 위해 외과의사에 의해 사용될 수 있다. 상기 환자측 카트(54)는 수술 부위의 영상을 포착하고 포착된 영상을 전자장치 카트(56)(도 1의 전자장치 카트(24)와 같은 것)에 출력하기 위해서, 입체 내시경과 같은, 촬영 장치를 사용할 수 있다. 상기한 바와 같이, 전자장치 카트(56)는 임의의 차후의 표시를 하기 전에 상기 포착된 영상을 다양한 방식으로 처리할 수 있다. 예를 들면, 전자장치 카트(56)는 외과의사의 콘솔(52)을 통하여 외과의사에게 합성된 영상을 나타내기 전에 상기 포착된 영상을 가상 제어 인터페이스(virtual control interface)와 오버레이(overlay)할 수 있다. 환자측 카트(54)는 전자장치 카트(56)의 외부에서 처리하기 위해 상기 포착된 영상을 출력할 수 있다. 예를 들면, 환자측 카트(54)는 상기 포착된 영상을, 포착된 영상을 처리하는데 사용될 수 있는 프로세서(58)에 출력할 수 있다. 상기 포착된 영상은, 포착된 영상을 공동으로, 순차적으로, 및/또는 이들의 결합 방식으로 처리하기 위해 함께 결합될 수 있는 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 결합체에 의해 처리될 수도 있다. 수술 부위의 영상, 또는 다른 관련 영상과 같은, 영상의 현지 표시 및/또는 원격 표시를 위해 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)가 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 결합될 수도 있다.

도 5a 및 도 5b는 환자측 카트(22) 및 수술 공구(62)를 각각 나타내고 있다. 수술 공구(62)는 수술 공구(26)의 한 예이다. 도시된 환자측 카트(22)는 세 개의 수술 공구(26)와 수술 부위의 영상을 촬영하는데 사용되는 입체 내시경과 같은 촬영 장치(28)의 조작을 제공한다. 조작은 다수의 로봇 관절을 가지는 로봇 기구에 의해 행해진다. 촬영 장치(28)와 수술 공구(26)는, 절개부의 사이즈를 최소화하기 위해서 운동의 운동학적인 원격 중심(kinematic remote center)이 절개부에 유지되도록 환자의 절개부를 통하여 배치되고 조작될 수 있다. 수술 부위의 영상은, 수술 공구(26)의 원위 단부가 촬영 장치(28)의 시야 내에 위치되어 있을 때 수술 공구(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다. 진단용 또는 치료용 엔드 이펙터(63)는 통상적으로 수술 기구의 긴 샤프트의 원위 단부에 있다.

하드웨어 제한형 원격 중심 매니퓰레이터(Hardware-Constrained Remote Center Manipulators)

도 6은 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(70)의 개략적인 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(70)는 장착 베이스(72)로부터 지지되어 있다. 원격 중심 매니퓰레이터(70)는 장착 베이스(72)에 의해 지지되어 있는 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 연장 링크(78), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제1 평행사변형 링크(82), 제1 평행사변형 조인트(84), 제2 평행사변형 링크(86), 제2 평행사변형 조인트(88), 원뿔형 스위프 메카니즘(conical sweep mechanism)(90), 그리고 수술 기구 홀더(92)를 포함하고 있다. 수술 기구 홀더(92)는 수술 기구(94)를 삽입 축(96)을 따라서 지지하고 이동시키도록 구성되어 있다(다시 말해서, 수술 기구 홀더(92)는 수술 기구(94)를 삽입 축(96)을 따라서 환자의 신체벽(body wall) 또는 환자의 자연 체공(natural body orifice)의 절개부로 삽입하고 빼내도록 이동시키는 적어도 하나의 프리즈메틱 조인트(prismatic joint)를 포함하고 있다). 수술용 엔드 이펙터(95)는 수술 기구(94)의 원위 단부에 있다. 상기 엔드 이펙터는 임의의 외과적 기능을 위해서 치료 장치, 진단 장치, 또는 외과용 영상 장치(imaging surgical device)를 포함하는 것으로 될 수 있다. 상기 엔드 이펙터 롤운동(roll)은 다양한 알려진 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 수술 기구 홀더(92) 또는 수술 기구(94) 자체가 수술 기구 샤프트를 삽입 축(96) 둘레로 롤운동하게 하는 수술 기구 샤프트 롤운동 능력을 포함할 수 있다. 대체 형태의 예로서, 수술 기구 샤프트는 롤링운동에 있어서 고정상태로 있을 수 있고, 엔드 이펙터가 수술 기구 샤프트의 단부에서 롤운동한다.

장착 베이스(72)는 장착 베이스가(지면 기호(ground symbol)로 표시된) 지면 기준 프레임(ground reference frame)에 효과적으로 고정되게 유지되도록 원격 중심 매니퓰레이터(70)를 카트 장착부(cart mount), 천장 장착부(ceiling mount), 바닥/받침대 장착부(pedestal mount), 또는 다른 장착면의 셋업 암(set-up arm)/조인트에 의해 장착되고 지지되게 할 수 있다. 원격 중심 매니퓰레이터(70)는 수술 기구(94)가 조종될 때 조종의 원격 중심(RC)이 장착 베이스(72)에 대해 이동하지 않도록 구성되어 있다. 장착 베이스(72)를 환자에 대해 고정된 위치와 방향으로 지지함으로써, 조종의 원격 중심(RC)이 환자에 대해 고정상태로 유지되고, 이것에 의해 수술 기구(94)의 진입 지점을 제공한다. 조종의 원격 중심(RC)이 환자에 대해 고정되어 있는 상태에서는, 수술 기구(94)의 진입 위치에서 환자 조직에 잠재적으로 위험한 힘을 가할 위험이 없이 수술 기구(94)의 조종이 수행될 수 있다. 비록 일부 실시례에서는 캐뉼라가 선택적일 수 있지만, 수술 기구 샤프트가 캐뉼라를 통과하는 실시례에서는, 조종의 원격 중심이 통상적으로 캐뉼라의 중심선을 따라서 놓인 지점으로 정해진다.

요 조인트(76)는 연장 링크(78)의 근위 단부를 베이스 링크(74)의 원위 단부에 회전가능하게 결합시킨다. 요 조인트(76)는 조종의 원격 중심(RC)을 지나서 뻗어 있는 요 축(98)에 대해 연장 링크(78)의 제어된 회전(roll)을 만들도록 작동된다. 수술 기구 홀더(92)는 원격 중심 매니퓰레이터(70)의 중간개재 링크장치 구성요소를 통하여 연장 링크(78)에 결합되어 있기 때문에, 요 축(98)에 대한 연장 링크(78)의 회전(roll)은 요 축(98)에 대한 수술 기구 홀더(92)의 상응하는 회전을 발생시키고, 이로 인해 요 조인트(76)의 모든 각도 방향(angular orientation)에 대해서 장착 베이스(72)에 대한 조종의 원격 중심(RC)의 위치 및 방향을 유지시킨다. "요(yaw)" 라는 용어는 임의적이며, 이 용어가 사용되어 있으면, 조종의 원격 중심(RC)이 고정된 상태에서, 요 축(98) 둘레로의 회전은 수술 기구(94)의 원위 끝부분(tip)을 요(yaw)로 정의된 방식으로 움직이게 할 것이라고 볼 수 있다.

원격 중심 매니퓰레이터(70)의 평행사변형 링크장치부(100)는 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 피치 축(102)에 대한 회전으로 제한되는 수술 기구 홀더(92)의 운동을 만들도록 구성되어 있다. 수술 기구 홀더(92)의 상응하는 운동을 피치 축(102)에 대한 회전(pitch)으로 제한함으로써, 삽입 축(96)은 계속해서 조종의 원격 중심(RC)과 교차하고 수술 기구 홀더(92)와 조종의 원격 중심(RC) 사이의 거리는 유지된다. "피치(pitch)" 라는 용어는 임의적이며, 이 용어가 사용되어 있으면, 조종의 원격 중심(RC)이 고정된 상태에서, 피치 축(102) 둘레로의 회전은 수술 기구(94)의 원위 끝부분을 피치(pitch)로 정의된 방식으로 움직이게 할 것이라고 볼 수 있다.

평행사변형 링크장치부(100)는 평행사변형 베이스 조인트(80), 제1 평행사변형 링크(82), 제1 평행사변형 조인트(84), 제2 평행사변형 링크(86), 제2 평행사변형 조인트(88), 원뿔형 스위프 메카니즘(90), 그리고 수술 기구 홀더(92)를 포함하고 있다. 베이스 평행사변형 조인트(80)는 제1 평행사변형 링크(82)의 근위 단부를 연장 링크(78)의 원위 단부에 회전가능하게 결합시킨다. 베이스 평행사변형 조인트(80)는 피치 축(102)과 평행한 베이스 조인트 축(104)에 대하여 제1 평행사변형 링크(82)의 제어된 회전을 만들도록 작동된다. 베이스 조인트 축(104)의 위치 및 방향은 연장 링크(78)에 대해 고정되어 있다. 피치 축(102)과 평행한 제1 조인트 축(106)에 대한 제2 평행사변형 링크(86)의 회전을 위하여 제1 평행사변형 조인트(84)는 제2 평행사변형 링크(86)의 근위 단부를 제1 평행사변형 링크(82)의 원위 단부에 회전가능하게 결합시킨다. 제1 조인트 축(106)의 위치 및 방향은 제1 평행사변형 링크(82)에 대해 고정되어 있다. 피치 축(102)과 평행한 제2 조인트 축(108)에 대한 원뿔형 스위프 메카니즘(90)의 회전을 위하여 제2 평행사변형 조인트(88)는 원뿔형 스위프 메카니즘(90)의 근위 단부를 제2 평행사변형 링크(86)의 원위 단부에 회전가능하게 결합시킨다. 제2 조인트 축(108)의 위치 및 방향은 제2 평행사변형 링크(86)에 대해 고정되어 있다. 수술 기구 홀더(92)가 원뿔형 스위프 메카니즘(90)의 원위 단부에 결합되어 있기 때문에, 수술 기구 홀더(92)는 제2 조인트 축(108)에 대해 회전하도록 제한된다.

베이스 평행사변형 조인트(80)의 작동이 평행사변형 링크장치부(100)를 작동시키고, 이로 인해 피치 축(102)에 대한 회전으로 제한되는 수술 기구 홀더(92)의 상응하는 운동을 발생시키도록 제1 평행사변형 조인트(84)와 제2 평행사변형 조인트(88)는 베이스 평행사변형 조인트(80)에 회전가능하게 결합되어 있다. 베이스 평행사변형 조인트(80), 제1 평행사변형 조인트(84), 그리고 제2 평행사변형 조인트(88)를 회전가능하게 결합시키기 위해서 임의의 적절한 방식이 사용될 수 있다. 예를 들면, 베이스 평행사변형 조인트(80)는, 연장 링크(78)에 회전가능하게 설치되어 있으며 제1 평행사변형 링크(82)에 대해 베이스 조인트 축(104) 둘레로 회전하도록 장착되어 있는 베이스 풀리를 포함할 수 있다. 제1 평행사변형 조인트(84)는, 제2 평행사변형 링크(86)에 회전가능하게 설치되어 있으며 제1 평행사변형 링크(82)에 대해 제1 조인트 축(106) 둘레로 회전하도록 장착되어 있는 제1 풀리를 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 구동 벨트 또는 하나 이상의 링크에 의해, 제1 풀리의 회전을 제2 풀리의 회전에 구속시킴으로써, 연장 링크(78)에 대한 제1 평행사변형 링크(82)의 모든 각도 방향에 대해서 제2 평행사변형 링크(86)와 연장 링크(78) 사이의 동일한 상대 방향(relative orientation)이 유지되도록 제1 평행사변형 링크(82)에 대한 제2 평행사변형 링크(86)의 회전이 연장 링크(78)에 대한 제1 평행사변형 링크(82)의 회전에 의해 구동될 수 있다. 유사한 방식으로, 제1 평행사변형 조인트(84)는, 제1 평행사변형 링크(82)에 회전가능하게 설치되어 있으며 제2 평행사변형 링크(86)에 대해 제1 조인트 축(106) 둘레로 회전하도록 장착되어 있는 제3 풀리를 포함할 수 있다. 제2 평행사변형 조인트(88)는, 원뿔형 스위프 메카니즘(90)의 근위 단부에 회전가능하게 설치되어 있으며 제2 평행사변형 링크(86)에 대해 제2 조인트 축(108) 둘레로 회전하도록 장착되어 있는 제4 풀리를 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 구동 벨트 또는 하나 이상의 링크에 의해, 제3 풀리의 회전을 제4 풀리의 회전에 구속시킴으로써, 제1 평행사변형 링크(82)에 대한 제2 평행사변형 링크(86)의 모든 각도 방향에 대해서 삽입 축(96)과 제1 평행사변형 링크(82) 사이의 동일한 상대 방향이 유지되도록 제2 평행사변형 링크(86)에 대한 원뿔형 스위프 메카니즘(90)의 회전이 제1 평행사변형 링크(82)에 대한 제2 평행사변형 링크(86)의 회전에 의해서 구동될 수 있다.

원뿔형 스위프 메카니즘(90)은 근위 원뿔형 스위프 링크(110)와 원뿔형 스위프 조인트(112)를 포함하고 있다. 원뿔형 스위프 조인트(112)의 작동이 수술 기구 홀더(92)를 근위 원뿔형 스위프 링크(110)에 대해 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 원뿔형 스위프 축(114)의 둘레로 방향변화시키도록 원뿔형 스위프 조인트(112)는 수술 기구 홀더(92)를 근위 원뿔형 스위프 링크(110)에 회전가능하게 결합시킨다. 원뿔형 스위프 조인트(112)의 회전에 의해 수술 기구(94)의 샤프트가 원뿔형 스위프 축(114)에 중심을 두고 있으며 조종의 원격 중심(RC)에 꼭지점을 가지는 원뿔의 표면을 따라서 지나가게(sweep) 된다. 원뿔형 스위프 축(114)에 대한 수술 기구 홀더(92)의 방향변화(reorientation)는, 인접한 수술용 매니퓰레이터 및/또는 환자와의 충돌을 피하기 위한 목적, 또는 수술 기구가 몸속으로 들어가는 살균 수술 구역에 수술 의료진이 접근할 수 있도록 하기 위해서 신체 벽의 공간을 증가시키기 위한 목적과 같은, 임의의 적절한 목적을 위해서 이용될 수 있다. 환자에 대한 수술 기구 홀더(92)의 유효 운동 범위를 확장하기 위해서 원뿔형 스위프 축(114)에 대한 수술 기구 홀더(92)의 방향변화도 이용될 수 있다. 원뿔형 스위프 축(114)은 한 개의 여유 축(redundant axis)을 제공하고, 이 여유 축을 중심으로 수술 기구 홀더(92)가 조종의 원격 중심(RC) 주위를 회전할 수 있다. 원뿔형 스위프 축(114)은 요 축(98), 피치 축(102), 또는 삽입 축(96)의 어느 것과도 정렬되어 있지 않다. 그러나, 작동시에는, 원격 중심 매니퓰레이터(70)가 관절식으로 연계됨에 따라 원뿔형 스위프 축(114)과 요 축(98) 사이의 각도가 변할 수 있다. 원뿔형 스위프 메카니즘(90)은 선택적이며 본 명세서에 기술된 다양한 매니퓰레이터 실시례에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. 이를 설명하기 위해서, 원뿔형 스위프 메카니즘(90)은, 매니퓰레이터에 있어서 더욱 근위부에 위치된 다른 원뿔형 스위프 메카니즘(예를 들면, 도 8을 참고, 도 8에는 다른 "근위" 원뿔형 스위프 메카니즘이 도시되어 있음)와 구별하기 위해서 원위 원뿔형 스위프 메카니즘으로 간주될 수 있다.

도 7은 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 개략적인 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(120)는 도 6의 원격 중심 매니퓰레이터(70)의 구성요소와 동일한 구성요소를 일부 포함하고 있다. 공통된 구성요소는 장착 베이스(72), 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 연장 링크(78), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제1 평행사변형 링크(82), 제1 평행사변형 조인트(84), 제2 평행사변형 링크(86), 제2 평행사변형 조인트(88), 그리고 수술 기구 홀더(92)를 포함한다. 원격 중심 매니퓰레이터(120)는 원뿔형 스위프 메카니즘(90)를 포함하고 있지 않다. 대신에, 제2 평행사변형 조인트(88)가 제2 조인트 축(108)을 중심으로 한 제2 평행사변형 링크(86)에 대한 수술 기구 홀더(92)의 회전을 위해서 수술 기구 홀더(92)를 제2 평행사변형 링크(86)에 회전가능하게 결합시킨다.

원격 중심 매니퓰레이터(120)는 원뿔형 스위프 메카니즘(122)을 더 포함하고 있다. 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 원뿔형 스위프 조인트(124)와 이 원뿔형 스위프 조인트(124)에 의해 베이스 링크(74)에 회전가능하게 결합되어 있는 원뿔형 스위프 링크(126)를 포함하고 있다. 원뿔형 스위프 조인트(124)는 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 원뿔형 스위프 축(128) 둘레로 원뿔형 스위프 링크(126)를 선택적으로 회전시키도록 작동된다. 원뿔형 스위프 링크(126)의 원위 단부는 요 조인트(76)를 지지한다. 원뿔형 스위프 링크(126)는 원뿔형 스위프 축(128) 둘레로의 원뿔형 스위프 링크(126)의 모든 방향에 대해서 요 축(98)이 조종의 원격 중심(RC)과 교차하도록 요 조인트(76)를 위치시키고 배향시키도록 구성되어 있다. 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 장착 베이스(72)에 대해 조종의 원격 중심(RC)의 위치를 유지시키면서 장착 베이스(72)에 대해서 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 아웃보드 링크장치를 방향변화시키도록 작동된다. 원뿔형 스위프 조인트(124)의 회전에 의해 수술 기구(94)의 샤프트가 원뿔형 스위프 축(128)에 중심을 두고 있으며 조종의 원격 중심(RC)에 꼭지점을 가지는 원뿔의 표면을 따라서 지나가게(sweep) 된다. 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 임의의 적절한 방식으로 사용될 수 있는데, 예를 들면, 수술 전에 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 아웃보드 부분을 위치시키는 것/배향시키는 것을 위한 목적 및/또는 수술하는 동안 적극적으로 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 아웃보드 부분을 위치시키는 것/배향시키는 것을 위한 목적으로 사용되는 셋업 조인트(set-up joint)로서 사용될 수 있다. 원뿔형 스위프 축(128)은 여유 자유도 축(redundant degree of freedom axis)을 제공하고, 이 여유 자유도 축을 중심으로 수술 기구 홀더(92)가 조종의 원격 중심(RC) 주위를 회전할 수 있다. 원뿔형 스위프 축(128)은 요 축(92), 피치 축(102), 또는 삽입 축(96)의 어느 것과도 정렬되어 있지 않다. 원뿔형 스위프 축(128)은 요 축(98)으로부터 임의의 적절한 각도(예를 들면, 한 실시례에서는 15도)만큼 오프셋될 수 있다. 도 6을 다시 참고하면, 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 선택적이며 본 명세서에 기술된 다양한 매니퓰레이터 실시례에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. 이를 설명하기 위해서, 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은, 매니퓰레이터에 있어서 더욱 원위부에 위치된 다른 원뿔형 스위프 메카니즘(예를 들면, 도 8을 참고, 도 8에는 다른 "원위" 원뿔형 스위프 메카니즘이 도시되어 있음)와 구별하기 위해서 근위 원뿔형 스위프 메카니즘으로 간주될 수 있다.

원뿔형 스위프 메카니즘(122)과 결합된 조인트는 동력식(powered) 또는 무동력식(unpowered)으로 될 수 있고, 동력식이라면 원격조종 기능의 일부로서 외과의사의 적극적인 제어하에 있거나 수술실의 다른 사람에 의해 소극적으로 제어될 수 있다. 외과의사가 아닌 다른 사람에 의해 소극적으로 제어되는 경우에는, 원뿔형 스위프 메카니즘이 수술하기 전 및/또는 수술하는 동안 수술용 원격 중심 매니퓰레이터를 적절하게 위치시키기 위해 셋업 구조의 일부로서 사용될 수 있다. 일부 실시례에서는, 스위치(푸시버튼, 로커(rocker) 등)가 원뿔형 스위프 메카니즘(122)의 운동을 제어하여 매니퓰레이터의 더 원위부에 있는 부분을 원하는 위치로 이동시킨다. 그리고, 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 완전히 360도로 또는 그 이상으로 회전할 수 있거나, 원뿔형 스위프 메카니즘(122)의 회전이 360도보다 작은 각도로 제한될 수 있다. 예를 들면, 한 실시례에서는 회전이 상행 직립(12시) 위치와 하향 직립(6시) 위치 사이의 대략 180도의 범위 내로 제한된다. 두 개 이상의 유사하게 구성된 원격 중심 매니퓰레이터가 서로 옆에 배치되어 있으면, 각각의 원격 중심 매니퓰레이터의 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 충돌을 피하는데 도움이 되도록 유사한 원호로 회전하도록 제한될 수 있다. 예를 들면, 각각의 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 12시로부터 3시 내지 6시에 이르는 원호상의 임의의 위치까지 회전하도록 제한될 수 있다. 다른 실시례에서는, 원뿔형 스위프 메카니즘(122)이 (예를 들면, 기계적인 부하 위치(mechanical load position)의 함수로서 모터 토크를 제어하기 위해 전류를 사용함으로써, 기계적인 부하의 균형을 잡기 위해 스프링을 이용함으로써) 중력 보상 균형 기능(gravity compensation balance feature)을 구비하고 있고, 이로 인해 간편한 손 위치결정(hand positioning)에 대해서 기계적인 부하가 효과적으로 무부하상태(weightless)로 되거나 저부하상태(low weight)로 된다. 중력 보상 균형 실시례에서는, 브레이크가 해제될 때까지 브레이크가 통상적으로 매니퓰레이터를 제위치에 유지시키고, 브레이크가 해제될 때 사람이 매니퓰레이터를 원하는 위치로 이동시킨 다음, 매니퓰레이터를 새로운 위치에 유지시키기 위해서 브레이크를 다시 작동시킨다.

셋업 작업을 위한 사용에 부가하여, 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 수술 기구(94)의 외과의사의 적극적인 원격조종 제어와 관련될 수 있다. 따라서, 원뿔형 스위프 메카니즘의 운동은 외과의사의 제어 입력의 결과로서 또는, 예를 들면, 제2 매니퓰레이터, 환자, 또는 다른 수술실 장비와 같은, 근처의 물건과의 충돌 회피의 결과로서 자동적으로 일어날 수 있다.

본 명세서에 개시된 원격 중심 매니퓰레이터의 다양한 실시형태는 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 도 8은 도 6의 원격 중심 매니퓰레이터(70) 및 도 7의 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 양 실시형태를 포함하는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(130)의 개략적인 사시도이다. 구체적으로는, 원격 중심 매니퓰레이터(130)는 원뿔형 스위프 메카니즘(122), 원뿔형 스위프 메카니즘(90), 그리고 평행사변형 링크장치부(100)를 포함하고 있다. 결과적으로, 원격 중심 매니퓰레이터(130)는 두 개의 여유 자유도 축, 구체적으로는, 원뿔형 스위프 축(114) 및 원뿔형 스위프 축(128)을 가지고 있고, 이 두 개의 여유 자유도 축을 중심으로 수술 기구 홀더(92)가 조종의 원격 중심(RC) 주위를 회전할 수 있다. 원뿔형 스위프 축(114)과 원뿔형 스위프 축(128)은 각각 요 축(98), 피치 축(102), 또는 삽입 축(96)의 어느 것과도 정렬되어 있지 않다.

도 6 내지 도 8에 도시된 원격 중심 매니퓰레이터 실시례들은 요 축 및 대응하는 원뿔형 스위프 축을 각각 가진 하나 이상의 원뿔형 스위프 메카니즘을 포함하고 있고, 이들 회전축은 모두 조종의 원격 중심과 정렬되어 있으므로, 결과적으로 발생된 여유 자유도는 원격 중심 매니퓰레이터가 다양한 상이한 구성으로 배치되어 있을 때 수술 기구 샤프트가 공간상에서(다시 말해서, 베이스(72)와 결합된 지면 기준 프레임에서) 고정된 상태를 유지되게 한다. 또한, 수술 기구 엔드 이펙터 롤 운동과 함께 상기한 바와 같이, 상기 엔드 이펙터 방향이 삽입 축(96)과 정렬되어 있지 않으면, 원격 중심 매니퓰레이터가 다양한 구성으로 배치되어 있을 때 엔드 이펙터 방향도 공간상에서 고정된 상태로 유지될 수 있다. 이러한 원격 중심 매니퓰레이터는 하드웨어 구성이 조종의 원격 중심을 환자에 대해서 이동하지 못하게 하는 하드웨어 제한형 로봇 수술용 매니퓰레이터(hardware-constrained robotic surgical manipulator)의 환자 안전 편익을 유지시키고, 또한 이러한 매니퓰레이터는 개별적인 수술 기구 위치에 대해 다양한 배치형태를 허용하는 편익, 인접한 매니퓰레이터, 환자, 다른 장비, 그리고 수술 의료진과의 충돌을 회피하는데 유용한 기능을 제공하는 편익, 매니퓰레이터와 환자 사이의 증가된 간격을 제공하는 편익, 수술 기구가 환자 내부로 진입하는 수술 구역에 대한 증가된 접근성을 제공하는 편익을 추가로 제공한다.

평행사변형 링크장치부(100)가 삽입 축(96)을 요 축(98)과 수직이 되지 않게 위치시키면, 상기한 바와 같이 원뿔형 스위프 메카니즘이 회전할 때 수술 기구(94)가 운동하는 것과 유사한 방식으로, 요 조인트(76)가 회전할 때, 수술 기구(94)도 삽입 축(96)에 중심을 두고 있으며 조종의 원격 중심에 꼭지점을 가지는 원뿔의 표면을 따라서 지나가게 된다는 사실을 쉽게 인식해야 한다. 따라서 이러한 특징은 "요-타입(yaw-type)" 여유 자유도를 제공한다- 회전축이 조종의 원격 중심과 교차하기 때문에 임의로 이와같이 칭한다. 그러나, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 하드웨어 제한형 원격 중심 매니퓰레이터는 요-타입 여유 자유도로 제한되지 않는다.

도 9는 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(140)의 개략적인 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(140)는 도 6의 원격 중심 매니퓰레이터(70)의 구성요소와 동일한 구성요소를 일부 포함하고 있다. 공통된 구성요소는 장착 베이스(72), 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 연장 링크(78), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제1 평행사변형 링크(82), 제1 평행사변형 조인트(84), 제2 평행사변형 링크, 제2 평행사변형 조인트(88), 그리고 수술 기구 홀더(92)를 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이 원격 중심 매니퓰레이터(140)는 원뿔형 스위프 메카니즘(90)를 포함하고 있지 않다. 대신에, 제2 조인트 축(108)을 중심으로 한 제2 평행사변형 링크(86)에 대한 수술 기구 홀더(92)의 회전을 위해서 제2 평행사변형 조인트(88)가 수술 기구 홀더(92)를 제2 평행사변형 링크(86)에 회전가능하게 결합시킨다. 원격 중심 매니퓰레이터(140)는 원격 중심 매니퓰레이터(140)의 아웃보드 부분을 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 축(144)에 대해서 방향변화시키도록 작동되는 방향변화 메카니즘(142)을 더 포함하고 있다. 방향변화 메카니즘(142)는 베이스(146)와 이동가능한 링크(148)를 포함하고 있고, 상기 이동가능한 링크는 조종의 원격 중심(RC)에 대해 일정한 반경을 가진 곡선 경로를 따라서 베이스(146)에 대해 위치를 바꿀 수 있으며 베이스(146)와 결합되어 있어서, 수술 기구 홀더(92)의 상응하는 운동을 조종의 원격 중심(RC)에 대한 회전으로 제한한다. 도시된 실시례에서는, 상기 축(144)이 피치 축(102)과 일치한다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 평행사변형 링크장치부와 방향변화 메카니즘(142)은 각각 독립적으로 수술 기구(94)를 조종의 원격 중심(RC)에서 일치하는 축(102, 144) 둘레로 회전시켜서 여유 자유도를 제공한다. 그리고, 원격 중심 매니퓰레이터(140)의 하드웨어 설계는 수술 기구(94)를 조종의 원격 중심(RC)에서 회전하도록 물리적으로 제한한다. 방향변화 메카니즘(142)에 대해서 개략적으로 도시되어 있으면 기술되어 있는 기능을 제공하기 위해서 다른 기계적인 구조가 사용될 수 있다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다. 또한, 원격 중심 매니퓰레이터(140)가 추가적인 여유 자유도를 가지도록 방향변화 메카니즘(142)과 유사한 기능을 가진 하나 이상의 추가적인 방향변화 메카니즘이 베이스(72)와 수술 기구 홀더(92) 사이의 연쇄구조(chain)에 삽입될 수 있다.

방향변화 메카니즘(142)은 상기 축(144)이 피치 축(102)과 정렬되지 않도록(일치하지 않도록) 구성될 수도 있다. 예를 들면, 방향변화 메카니즘(142)은 상기 축(144)이 삽입 축(96)과 정렬되도록 구성될 수 있으며 상기 축(144)이 피치 축(102) 및/또는 삽입 축(96) 중의 어느 한 쪽에 대해 임의의 적절한 각도를 이루도록 구성될 수 있다.

방향변화 메카니즘(142)과 결합된 조인트는 동력식(powered) 또는 무동력식(unpowered)으로 될 수 있고, 동력식이라면 외과의사의 적극적인 제어하에 있거나 수술실의 다른 사람에 의해 소극적인 제어하에 있을 수 있다. 소극적인 제어하에 있는 경우에는, 방향변화 메카니즘(142)이 수술하기 전에 수술용 원격 중심 매니퓰레이터(140)를 적절하게 위치시키기 위해서 셋업 조인트로서 사용되는 것, 및/또는 수술하는 동안 조종의 원격 중심(RC)의 위치를 장착 베이스(72)에 대해, 결과적으로 환자 및 수술 기구(94)가 환자 내부로 진입하는 절개부에 대해 유지시키면서 아웃보드 링크장치를 적극적으로 방향변화시키기 위해 사용되는 것으로 될 수 있다. 소극적인 제어의 일부 실시례에서는, 스위치(온/오프 푸시버튼, 스프링 로커(spring rocker) 등)가 방향변화 메카니즘(142)의 운동을 제어하기 때문에, 사람이 상기 제어를 작동시켜서 원격 중심 매니퓰레이터를 원하는 위치로 이동시킨다. 다른 소극적 제어의 실시례에서는, 매니퓰레이터가 무부하상태(weightless)를 효과적으로 느끼고 손에 의해 쉽게 이동될 수 있도록 방향변화 메카니즘이 중력 보상 균형 기능(예를 들면, 기계적인 부하 위치(mechanical load position)에 따라 모터 토크를 제어하는 것에 의한 보상)을 구비하고 있다. 예를 들면, 브레이크가 해제될 때까지 브레이크가 방향변화 메카니즘(142)을 제위치에 유지시킬 수 있고, 브레이크가 해제되는 시점에 사람이 방향변화 메카니즘의 위치를 쉽게 바꾼 다음 매니퓰레이터를 제위치에 유지시키기 위해서 브레이크를 다시 작동시킬 수 있다.

도 10은 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(150)의 개략적인 사시도이다. 이 원격 중심 매니퓰레이터(150)는 도 8의 원격 중심 매니퓰레이터(130)와 도 9의 원격 중심 매니퓰레이터(140)의 양 실시형태를 포함하고 있다. 구체적으로는, 원격 중심 매니퓰레이터(150)는 방향변화 메카니즘(142), 원뿔형 스위프 메카니즘(122)(이것은 선택적으로 포함되지 않을 수 있음), 원뿔형 스위프 메카니즘(90)(이것은 선택적으로 포함되지 않을 수 있음), 그리고 평행사변형 링크장치부(100)를 포함하고 있다. 결과적으로, 원격 중심 매니퓰레이터(150)는 세 개의 여유 자유도(원뿔형 스위프 메카니즘들 중의 하나가 제거되면 더 작아지고; 추가적인 원뿔형 스위프 메카니즘 또는 방향변화 메카니즘이 추가되면 더 많아짐)를 가지고 있고, 이들 자유도는 축(144)(방향변화 메카니즘(142)에 의해 구동됨), 원뿔형 스위프 축(114)(원뿔형 스위프 메카니즘(90)에 의해 구동됨), 그리고 원뿔형 스위프 축(128)(원뿔형 스위프 메카니즘(122)에 의해 구동됨) 둘레로 회전하는 능력으로부터 나온다. 상기 축(144)이 원격 중심 매니퓰레이터(150)의 피치 축(102)과 일치하지 않지만, 대체 실시예에서는 상기 축(144)이 피치 축(102)과 일치할 수 있다.

방향변화 메카니즘(142)과 원뿔형 스위프 메카니즘(122)의 각각은 수술 전에 셋업 조인트로서 사용되는 것, 및/또는 수술하는 동안 조종의 원격 중심(RC)의 위치를 장착 베이스(72)에 대해서 물리적으로 제한하고, 결과적으로 조종의 원격 중심(RC)의 위치를 환자에 대해서 유지시키면서 아웃보드 링크장치를 적극적으로 방향변화시키기 위해서 사용되는 것으로 될 수 있다. 셋업 구조의 일부로서의 방향변화 메카니즘(142)의 사용은 위에 기술되어 있고, 원뿔형 스위프 메카니즘(122)도 유사하게 사용될 수 있다.

원격 중심 매니퓰레이터의 다양한 실시례의 각각은, 상기 매니퓰레이터의 두 개 이상이 수술용 로봇에서 서로 옆에 배치될 수 있고 효과적인 수술 기구 배치를 위해 각각의 매니퓰레이터가 한 수술 기구를 다른 수술 기구 근처에서 제어할 수 있게 인접한 매니퓰레이터들 사이의 간격이 줄어들 수 있도록 약간 폭이 좁다는 것을 유의해야 한다.

도 11은 다수의 실시례에 따른 하드웨어 제한형 원격 중심 매니퓰레이터(160)를 나타내고 있다. 이 매니퓰레이터(160)는 베이스 링크(162), 원뿔형 스위프 링크(164), 평행사변형 베이스 링크(166), 평행사변형 제1 링크(168), 평행사변형 제2 링크(170), 탈착가능한 수술 기구(도시되어 있지 않음; 수술 기구 샤프트가 도시된 캐뉼라(173)를 통과하여 수술 기구 홀더(172)의 원위 단부에 결합됨)를 지지하도록 구성된 수술 기구 홀더(172), 그리고 원뿔형 스위프 조인트(174)를 포함하고 있다. 다수의 실시례에서, 베이스 링크(162)는 원격 중심 매니퓰레이터(160)를 통하여 수술중인 환자에 대해 고정된 위치에 유지되어 있다. 원뿔형 스위프 링크(164)는 원뿔형 스위프 링크 근위 단부(176)를 가지고 있고, 이 원뿔형 스위프 링크 근위 단부(176)는 수술 기구 샤프트가 통과하는 캐뉼라의 중심선을 따라서 한정된 운동의 원격 중심(RC)과 교차하는 제1 축(178)을 중심으로 한 베이스 링크(162)에 대한 원뿔형 스위프 링크(164)의 회전을 위해서 베이스 링크(162)에 장착되어 있다. 원뿔형 스위프 링크(164)는 제1 축(178)으로부터 오프셋되어 있는 원뿔형 스위프 링크 원위 단부(180) 그리고 원뿔형 스위프 링크 근위 단부(176)를 원뿔형 스위프 링크 원위 단부(180)에 연결시키는 원뿔형 스위프 링크 몸체 부분(182)을 가지고 있다.

원뿔형 스위프 링크(164)의 아웃보드(원위)의 매니퓰레이터(160)의 링크장치는 원격 중심(RC)에 대해 수술 기구 홀더(172)의 2차원 회전으로 제한되는 수술 기구 홀더(172)의 선택적인 운동을 제공하도록 구성되어 있다(수술 기구는 도시되어 있지 않음). 본 명세서에서 요(yaw)로 지칭되는, 원격 중심(RC)에 대한 수술 기구 홀더(172)의 제1 회전 방향에 대하여, 평행사변형 베이스 링크(166)는 원격 중심(RC)과 교차하는 제2 축(186)을 중심으로 하는 원뿔형 스위프 링크 원위 단부에 대한 회전을 위해 원뿔형 스위프 링크 원위 단부(180)에 장착되어 있는 근위 단부(184)를 가지고 있다. 평행사변형 베이스 링크(166)를 원뿔형 스위프 링크 원위 단부(180)에 대해서 선택적으로 회전시킴으로써, 평행사변형 베이스 링크(166)의 아웃보드의 매니퓰레이터(160)의 링크장치가 제2 축(186) 둘레로 선택적으로 회전하게 되고, 이것에 의해 수술 기구 홀더(172)를 제2 축(186) 둘레로 선택적으로 회전시킨다.

본 명세서에서 피치(pitch)로 지칭되는, 원격 중심(RC)에 대한 수술 기구 홀더(172)의 제2 회전 방향에 대하여, 수술 기구 홀더(172)와 평행사변형 제1 링크(168) 및 평행사변형 제2 링크(170)는 평행사변형 링크장치를 형성하도록 결합되어 있고, 이 평행사변형 링크장치는 제2 축(186)과 평행사변형 링크장치의 운동의 평면에 대해 대체로 수직인 축 둘레로의 원격 중심(RC)에 대한 회전으로 제한되는 수술 기구 홀더(172)의 운동을 제공한다. 평행사변형 제1 링크(168)는 제1 평행사변형 조인트(192)를 통하여 평행사변형 베이스 링크(166)의 원위 단부(190)와 회전가능하게 결합되어 있는 근위 단부(188)를 가지고 있다. 평행사변형 제2 링크(170)는 제2 평행사변형 조인트(198)를 통하여 평행사변형 제1 링크(168)의 원위 단부(196)와 회전가능하게 결합되어 있는 근위 단부(194)를 가지고 있다. 수술 기구 홀더(172)는 제3 평행사변형 조인트(202)를 통하여 평행사변형 제2 링크(170)의 원위 단부(200)와 결합되어 있다. 제1 평행사변형 링크(168), 제2 평행사변형 링크(170), 그리고 수술 기구 홀더(172)가 평행사변형 링크장치를 형성하도록 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(202)는 제1 평행사변형 조인트(192)의 회전에 의해 회전식으로 구동된다. 도시된 상태에서는, 제1 평행사변형 링크(168)가 제1 평행사변형 조인트(192)와 제2 평행사변형 조인트(198)의 사이에 뻗어 있는 제1 평행사변형 측면(204)을 형성하고; 제2 평행사변형 링크(170)가 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(202)의 사이에 뻗어 있는 제2 평행사변형 측면(206)을 형성하고; 그리고 수술 기구 홀더(172)가 제3 평행사변형 조인트(202)와 원격 중심(RC)의 사이에 뻗어 있는 제3 평행사변형 측면(208)을 형성한다. 평행사변형 링크장치의 운동을 설명하기 위해서, 평행사변형 베이스 링크(166)에 대한 제1 평행사변형 링크(168)의 상응하는 회전된 위치를 나타내는 회전된 제1 평행사변형 측면(204R)이 도시되어 있고, 그리고 각각 제1 평행사변형 링크(168)의 회전된 위치에 해당하는, 제2 평행사변형 링크(170)와 수술 기구 홀더(172)의 위치를 나타내는 위치가 바뀐 제2 평행사변형 측면(206R) 및 제3 평행사변형 측면(208R)이 도시되어 있다. 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 평행사변형 베이스 링크(166)에 대한 제1 평행사변형 링크(168)의 회전은, 제3 평행사변형 측면(208)의 원위 단부가 조종의 원격 중심(RC)과 일치된 상태를 유지하도록 수술 기구 홀더(172)를 이동시키는 역할을 하고, 이로 인해 제2 축(186)과 대체로 수직인 축에 대해 수술 기구 홀더(172)를 피칭운동시킨다.

조종된 수술 기구의 샤프트가 제2 축(186)(요 축)과 정렬될 때 원뿔형 스위프 링크(164)의 아웃보드의 매니퓰레이터(160)의 링크장치는 고유한 특이성을 가지고 있다. 수술 기구 샤프트가 제2 축(186)과 정렬되지 않을 때에도, 수술 기구 샤프트와 제2 축(186) 사이의 각도가 작으면(예를 들면, 15도 이하) 운동학적인 조건(kinematic conditioning)은 열악하다. 평행사변형 링크장치를 수술 기구 샤프트와 제2 축(186)을 정렬시키기에 충분한 크기로 확장시키는 것에 대한 다른 실제적인 한계는 이로 인한 매니퓰레이터(160)의 길이가 수술실 환경에서 사용되기에 바람직하지 않게 길게 될 수 있다는 것이다.

상기 문제를 처리하기 위해서, 예를 들면, 수술 기구 샤프트의 제2 축(186)에 대한 각도가 적절한 각도(예를 들면, 대략 15도)와 적어도 동일하게 되도록 제한되게 평행사변형 링크장치의 운동이 제한될 수 있다. 그러나, 이러한 각도 제한의 경우에는, 제2 축(186)의 임의의 특정 위치 및 방향에 대해서 수술 기구 끝부분이 도달할 수 없는 원뿔 체적이 존재한다. 따라서, 접근할 수 없는 원뿔 체적을 외과의사가 노력을 들이는데 관심이 없는 환자 내의 장소에 배치시키기 위해서 원뿔형 스위프 메카니즘(122)은 제2 축(186)의 위치를 바꾸고 방향을 변화시키는 방법을 제공한다. 수술 기구 홀더(172)를 제2 축(186)의 둘레로 회전시키는 것에 대한 대체 형태로서 수술 기구 홀더(172)를 제1 축(178)의 둘레로 회전시키기 위해서 원뿔형 스위프 메카니즘(122)이 사용될 수도 있다.

하드웨어 제한형 원격 중심 매니퓰레이터에 대한 여유 축 및 이와 관련된 여유 자유도는 상기 매니퓰레이터가 조인트 각도의 많은 가능한 조합 중에서 임의의 하나를 이용하는 각각의 위치에 수술 기구를 위치시킬 수 있게 한다. 따라서 여유 축(여유 자유도를 제공하는 조인트의 축)은 인접한 매니퓰레이터, 환자의 몸, 또는 장비(예를 들면, 수술대)와의 충돌을 피하는데 이용될 수 있다. 여유 축이 조종의 원격 중심(RC)을 통과하도록 기계적으로 제한되면, 이 여유 축은 수술하는 동안 환자에 대해 조종의 원격 중심(RC)을 이동시키는 위험없이 방향변화될 수 있다.

원뿔형 스위프 조인트(174)는 제2 평행사변형 링크(170)의 원위 단부(200)를 수술 기구 홀더(172)에 결합시킨다. 원뿔형 스위프 조인트(174)는 원격 중심(RC)과 교차하는 제3 축(210)을 중심으로 제2 평행사변형 링크(170)에 대해 수술 기구 홀더(172)의 방향을 선택적으로 변화시키도록 작동된다. 제2 평행사변형 링크(170)에 대해 수술 기구 홀더(172)의 방향을 변화시키는 능력은 수술 기구 홀더(172)와 인접한 매니퓰레이터 사이의 간섭을 피하기 위해서, 수술 기구 홀더(172)와 환자 사이의 간섭을 피하기 위해서, 그리고 수술 기구 홀더(172)의 운동의 범위를 증가시키기 위해서 이용될 수 있다. 도시된 실시례에서는, 제3 축(210)이 제3 평행사변형 측면(208)과 일치하고, 이로 인해 제3 축(210) 둘레로의 수술 기구 홀더(172)의 회전에 대응하여 제3 평행사변형 측면(208)의 길이가 변하지 않게 된다.

도 12는 원뿔형 스위프 조인트(174)를 나타내고 있다. 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 제3 축(210)은 수술 기구 홀더(172)에 의해 지지된 수술 기구(도시되어 있지 않음)의 중심선(228)과 정렬되어 있지 않은데, 상기 중심선을 따라서 수술 기구가 삽입되고 철수되며, 상기 중심선 둘레로 수술 기구 샤프트가 롤운동한다. 제3 축(210)과 상기 중심선(228) 사이의 벌어진 각도는 원뿔형 스위프 조인트(174)의 회전이 수술 기구를 원격 중심(RC)에 대해서 방향변화시키킬 수 있게 하고, 이것에 의해 수술 기구가 환자 내부의 상이한 구역에 도달할 수 있게 된다. 그리고 상기한 바와 같이, 평행사변형 메카니즘의 피치(pitch) 운동 기능과 조합하면, 원뿔형 스위프 조인트(174)의 회전은 수술 기구의 위치 및 방향을 운동의 원격 중심(RC)에 대해 유지시킬 수 있고, 수술 기구 홀더(172)의 위치를 바꾸는 것에 의해 인접한 수술 기구 홀더/수술 기구와의 간섭을 피할 수 있다.

도 13a, 도 13b 및 도 13c는 원뿔형 스위프 조인트(174)가 제공하는 운동의 범위를 나타내고 있다. 도 13a에서, 원뿔형 스위프 조인트(174)는, 수술 기구 홀더(172)가 제2 평행사변형 링크(170)와 정렬되어 있는 중심 배치 형태에 있다. 도 13b에서는, 원뿔형 스위프 조인트(174)가 한 방향으로 완전히 회전되어서, 수술 기구 홀더(172)를 도시된 방향으로 배향시키는 것으로 도시되어 있다. 그리고 도 13c에서는, 원뿔형 스위프 조인트(174)가 반대 방향으로 완전히 회전되어서, 수술 기구 홀더(172)를 도시된 반대 방향으로 배향시키는 것으로 도시되어 있다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 원뿔형 스위프 조인트(174)에 의해 제공된 수술 기구 홀더(172)의 상이한 가능한 배치방향은 수술 기구 홀더(172)에 의해 지지된 수술 기구(도시되어 있지 않음)에 대한 상응하는 상이한 삽입 방향을 제공하는데 기여한다. 마찬가지로, 원뿔형 스위프 조인트(174)가 제공하는 여유 자유도는 각각의 개별 수술 기구 위치에 대하여 매니퓰레이터에 대한 다양한 조인트 위치를 허용한다. 비록 도시되어 있지는 않지만, 도 11에 도시된 근위 원뿔형 스위프 조인트가 유사한 기능를 제공한다는 것을 알 수 있다. 그리고 추가적으로, 함께 작용하는 두 개의 원뿔형 스위프 조인트는 수술 기구가 정지되어 있는 동안 요 조인트와 평행사변형 메카니즘을 한 쪽으로 또는 다른 쪽으로 오프셋시킬 수 있다. 상기한 바와 같이, 엔드 이펙터를 수술 기구 몸체에 대해 롤링운동시키는 것(예를 들면, 엔드 이펙터를 샤프트에서 롤링운동시키는 것, 또는 엔드 이펙터가 부착되어 있는 전체 샤프트를 롤링운동시키는 것)에 의해 엔드 이펙터는 매니퓰레이터가 이동할 때 공간상에서 정지상태를 유지할 수 있게 된다. 따라서, 원격수술 동안 여유 자유도의 장점을 활용하는 매니퓰레이터 운동은 어떠한 상응하는 수술용 엔드 이펙터 운동도 인지하지 않는 외과의사에게도 쉽게 보인다.

도 14a는 여러 실시례의 매니퓰레이터(160)의 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(200)를 회전가능하게 결합시키는 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)를 나타내고 있다. 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)라는 명칭은 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)가 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(200)에 결합되어 있는 방식을 반영하기 위해 그렇게 호칭된다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이 제2 평행사변형 조인트(198)에서, 제1 사인/코사인 링크(228) 및 제2 사인/코사인 링크(230)와 제2 평행사변형 조인트(198) 사이의 연결부가 90도만큼 오프셋되어 있고, 제1 사인/코사인 링크(228) 및 제2 사인/코사인 링크(230)와 제3 평행사변형 조인트(200) 사이의 연결부도 유사하게 구성되어 있다. 90도 연결 오프셋이 바람직하지만, 다른 오프셋 각도도 사용될 수 있다. 이 연결 오프셋(connection offset)은, 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(200) 사이에서 토크를 전달하기에 충분한 오프셋을 항상 가지기 위해서, 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230) 중의 적어도 하나가 제2 평행사변형 조인트(198) 및 제3 평행사변형 조인트(200)를 통과하는 중심선(232)로부터 항상 오프셋되어 있게 한다. 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230) 각각의 각 단부를 동일한 각도 방향과 반경방향의 거리에서 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(200)에 연결시킴으로써, 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(200) 사이의 이송 또는 회전 운동이 적극적이고(positive) 원활한 방식으로 수행될 수 있다.

다수의 실시례에서, 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)의 길이는, 제2 평행사변형 조인트(198) 및 제3 평행사변형 조인트(200)와의 결합 지점들 사이의 길이를 보다 잘 맞추기 위해서 조정될 수 있다. 상기 링크장치는 운동학적으로 과도하게 제한되어(over-constrained) 있기 때문에, 길이, 각도, 작동 반경과 같은 기계적인 구성요소에 있어서의 기하학적 편차(deviation)는 일부 구성요소 또는 모든 구성요소에 있어서 하이 포스(high force) 및/또는 포스 파이트(force fight)의 발생을 초래할 수 있다. 제1 사인/코사인 링크(228)는 제1 링크 조인트(238)에서 함께 고정되어 있는 제1 링크 근위 부분(234)과 제1 링크 원위 부분(236)을 포함하고 있다. 마찬가지로, 제2 사인/코사인 링크(230)는 제2 링크 조인트(244)에서 함께 고정되어 있는 제2 링크 근위 부분(240)과 제2 링크 원위 부분(242)을 포함하고 있다. 제1 링크 조인트(238)와 제2 링크 조인트(244)는, 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)의 각각의 길이가 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)가 설치되는 제2 평행사변형 링크(170)의 특정 길이에 맞추기 위해서 변경될 수 있도록 구성되어 있다. 예를 들면, 제1 링크 근위 부분(234)과 제1 링크 원위 부분(236)는 먼저 제2 평행사변형 조인트(198)와 제3 평행사변형 조인트(200)에 각각 연결된 다음, 제1 링크 근위 부분(234)과 제1 링크 원위 부분(236)이 설치되는 제2 평행사변형 링크(170)의 특정 길이에 맞추기 위해서 제1 링크 조인트(238)를 통하여 서로 결합될 수 있다.

도 14b는 매니퓰레이터(160)의 제1 평행사변형 조인트(192)와 제2 평행사변형 조인트(198)를 회전가능하게 결합시키는 제3 사인/코사인 링크(246)와 제4 사인/코사인 링크(248)를 나타내고 있다. 제3 사인/코사인 링크(246)와 제4 사인/코사인 링크(248)는 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)와 유사하게 구성되어 있으며 제1 평행사변형 조인트(192)와 제2 평행사변형 조인트(198)에 연결되어 있고, 따라서 동일한 설명이 적용되므로 여기서 반복하여 설명하지 않는다. 도 14b는 배향된 굴곡부(250, 252)를 나타내고 있고, 이 배향된 굴곡부(250, 252)는 제3 사인/코사인 링크(246)와 제4 사인/코사인 링크(248)에서의 작동 포스 파이트 수준(operational force-fight level)을 감소시키도록 구성되어 있다(그리고 제1 사인/코사인 링크(228)와 제2 사인/코사인 링크(230)에서의 작동 포스 파이트 수준을 감소시키기 위해서 사용될 수도 있다). 배향된 굴곡부(250, 252)의 각각은 캔틸레버식 빔(cantilevered beam)으로 구성되어 있고, 상기 캔틸레버식 빔은 (제4 사인/코사인 링크(248)의 제2 평행사변형 조인트(198)로의 연결부에 도시되어 있는 것과 같이) 배향된 굴곡부가 부착된 사인/코사인 링크와 정렬되어 있는 뻣뻣한 방향(stiff orientation)과 (제3 사인/코사인 링크(246)의 제1 평행사변형 조인트(192)로의 연결부에 도시되어 있는 것과 같이) 배향된 굴곡부가 부착된 사인/코사인 링크와 수직으로 배향되어 있는 유연한 방향(compliant orientation)을 가지고 있다. 배향된 굴곡부(250, 252)는, 부착된 사인/코사인 링크가 토크의 전달을 위해 최대의 기계적인 장점을 제공할 때 제공된 부하 경로의 견고성(stiffness)이 최대로 되고 부착된 사인/코사인 링크가 토크의 전달을 위해 최소의 기계적인 장점을 제공할 때 제공된 부하 경로의 견고성이 최소로 되도록 구성되어 있다.

도 14a 및 도 14b에 도시되어 있는 바와 같이 사인/코사인 링크의 사용은 선택적이며, 상기한 바와 같이 평행사변형 메카니즘이 제대로 기능하도록 평행사변형 링크를 결합시키는 다른 잘 알려진 방식(예를 들면, 기어, 벨트 등)이 있다.

도 15는 조종의 원격 중심(RC)을 통과하는 여유 축 및 이와 관련된 기계적 여유 자유도(redundant mechanical degree of freedom)의 구현을 위한 다른 방법을 나타내고 있다. 도 15는 조종의 원격 중심(RC)에 대해 일정한 곡률 반경을 가지는 만곡부(264)를 포함하고 있는 장착 베이스(262)를 포함하고 있고, 상기 만곡부를 따라서 매니퓰레이터(260)의 아웃보드(근위) 링크장치의 베이스 링크(266)의 위치가 바뀔 수 있는, 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(260)를 나타내고 있다. 상기 아웃보드 링크장치는 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 제1 축(268)에 대한 회전을 위해서 "요(yaw)" 조인트 부분을 포함하는 베이스 링크(266)에 장착되어 있다. 베이스 링크(266)는, 베이스 링크(266)가 만곡부(264)를 따라서 선택적으로 위치가 바뀌게 제한되도록 만곡부(264)와 접속되어 있고, 이것에 의해 조종의 원격 중심(RC)의 위치를 환자에 대해 고정된 위치에 유지되어 있는 장착 베이스(262)에 대해 유지시킨다. 만곡부(264)는 베이스 링크(266)의 운동이 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 제2 축(270)에 대한 회전으로 제한되도록 구성되어 있다. 베이스 링크(266)의 위치를 만곡부(264)를 따라서 변경시킴으로써, 환자에 대해 매니퓰레이터(260)의 아웃보드 링크장치의 방향이 바뀔 수 있고, 이것에 의해 원격 중심 매니퓰레이터(260)에 의해 조종되는 수술 기구의 운동의 범위를 증가시킨다. 평행사변형 메카니즘(272)은 축(274) 둘레로의 회전을 제공한다. 전체 평행사변형 메카니즘이 축(268) 둘레로 회전할 때, 축(270)과 축(274)이 일치될 수 있다는 것을 알 수 있다. 평행사변형 메카니즘(140)과 평행사변형 메카니즘(272)이 유사하고, 요 조인트(76)와 베이스 링크(266)가 유사하다면, 도 15에 도시된 실시례의 구성은 도 9에 도시된 실시례의 구성과 유사하는 것도 알 수 있다.

도 16은 관련된 여유 자유도를 제공하는, 조종의 원격 중심(RC)을 통과하는 여유 축의 구현을 위한 다른 방법을 나타내고 있다. 도 16은 폐 루프형 만곡부(284)를 포함하는 장착 베이스(282)를 포함하고 있고, 상기 폐 루프형 만곡부(284)의 내측에서 매니퓰레이터(280)의 아웃보드(원위) 링크장치의 베이스 링크(286)의 위치가 바뀔 수 있는, 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(280)를 나타내고 있다. 도 16에 도시되어 있는 바와 같이, 중심 장착 요소(285)가 폐 루프형 만곡부(284) 내측에서 회전한다. 베이스 링크(286)는 조종의 원격 중심쪽으로 약간 안쪽으로 향하도록 중심 장착 요소(285)에 장착되어 있다. 상기 아웃보드 링크장치는 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 제1 축(288)에 대한 회전을 위해서 베이스 링크(286)에 장착되어 있다. 폐 루프형 만곡부(284)는, 상기 폐 루프형 만곡부(284) 둘레의 베이스 링크(286)의 모든 위치에 대해서, 조종의 원격 중심(RC)의 위치가 환자에 대해 고정된 상태로 유지되어 있는 장착 베이스(282)에 대해 고정되게 유지되도록 구성되어 있다. 폐 루프형 만곡부(284)는 원형이며 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 제2 축(290)에 대해서 축방향으로 대칭이다. 폐 루프형 만곡부(284)의 둘레로 베이스 링크(286)의 위치를 변경시킴으로써, 환자에 대해 매니퓰레이터(280)의 아웃보드 링크장치의 방향이 바뀔 수 있고, 이것에 의해 운동의 범위를 증가시키고, 암 대 암(arm-to-arm) 또는 암 대 주위 환경(arm-to-environment)의 충돌 방지, 및/또는 원격 중심 매니퓰레이터(280)에 대한 운동학적인 특이성 방지를 제공한다. 장착 베이스가 원의 일부분을 가로지르기만 하는 "부분 원" 구조 또는 전체 원 구조가 사용될 수도 있다. 상기 폐 루프형 만곡부(284) 및 이와 결합된 중심 장착 요소(285)가 원뿔형 스위프 조인트로서 작용한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 원뿔형 스위프 조인트(122)와 폐 루프형 만곡부(284)가 유사하고, 요 조인트(76)와 베이스 링크(286)가 유사하다면, 도 16에 도시된 실시례는 도 7에 도시된 실시례와 유사하다.

도 17은 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(300)의 개략적인 사시도이다. 이 원격 중심 매니퓰레이터(300)는 도 6의 원격 중심 매니퓰레이터(70)의 구성요소와 동일한 구성요소를 일부 포함하고 있다. 공통된 구성요소는 장착 베이스(72), 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제1 평행사변형 링크(82), 제1 평행사변형 조인트(84), 제2 평행사변형 링크(86), 제2 평행사변형 조인트(88), 그리고 수술 기구 홀더(92)를 포함한다. 원격 중심 매니퓰레이터(300)는 원뿔형 스위프 조립체(90)(도시되어 있지 않음)를 포함할 수도 있다. 원격 중심 매니퓰레이터(300)는 오프셋 연장 링크(302)를 포함하고 있고, 이 오프셋 연장 링크(302)는 평행사변형 링크장치부(100)를 요 축(98)으로부터 오프셋시켜서, 피치 축(102)을 요 축(98)에 대해 수직이 아니게 배향시킨다. 평행사변형 링크장치부(100)를 요 축(98)으로부터 오프셋시키는 것은 요 조인트(76)의 작동에 의해 원격 중심 매니퓰레이터(300)가 요 축(98) 둘레로 회전하게 될 때 원격 중심 매니퓰레이터(300)가 휩쓸고 지나가는 체적을 감소시키고, 이로 인해 환자와의 간격을 증가시키는 것 및/또는 인접한 원격 중심 매니퓰레이터와의 간격을 증가시키는 것을 위해서 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 일부 실시례에서 오프셋 각도는 2.7도이다. 비록 상기 오프셋에 의해 제공된 추가적인 간격은 작은 것 같지만, 수 개의 이러한 매니퓰레이터가 환자 내부로 삽입된 수술 기구들을 제어하기 위해서 통상적으로 근접하여 위치되어 있기 때문에, 수술 동안에 중요한 것이 될 수 있다. 더욱 더 중요한 것은, 환자로부터의 간격이 증가된 것으로 인해 환자 내부에서의 수술 기구 엔드 이펙터에 대한 운동 범위가 증가될 수 있고, 이로 인해 외과의사는 치료 목적으로 조직에 도달할 필요가 있을 때 약간 더 멀리 도달할 수 있게 된다.

도 18은 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(310)의 개략적인 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(310)는 도 17의 원격 중심 매니퓰레이터(300)와 도 9의 원격 중심 매니퓰레이터(140)의 양 실시형태를 포함하고 있다. 구체적으로는, 원격 중심 매니퓰레이터(310)가 방향변화 메카니즘(142), 오프셋 연장 링크(302), 그리고 평행사변형 링크장치부(100)를 포함하고 있다. 결과적으로, 원격 중심 매니퓰레이터(310)는 한 개의 여유 축, 구체적으로는 축(144)(도시된 실시례에서는 피치 축(102)과 정렬되어 있지 않음) 및 이와 관련된 자유도를 가지고 있고, 상기 축(144)을 중심으로 수술 기구 홀더(92)가 조종의 원격 중심(RC) 둘레로 회전할 수 있다. 방향변화 메카니즘(142)은 수술 전에는 셋업 조인트로서 사용될 수 있고, 및/또는 수술하는 동안에는 조종의 원격 중심(RC)의 위치를 장착 베이스(72)에 대해 유지시키면서 결과적으로 조종의 원격 중심(RC)의 위치를 환자에 대해 유지시키면서 아웃보드(원위) 링크장치를 적극적으로 방향변화시키기 위해서 사용될 수 있다.

본 명세서에 개시된 원격 중심 매니퓰레이터 실시형태들의 임의의 적절한 조합이 이용될 수 있다. 예를 들면, 원격 중심 매니퓰레이터는 방향변화 메카니즘(142), 원뿔형 스위프 메카니즘(122), 오프셋 연장 링크(302), 그리고 원뿔형 스위프 메카니즘(90)의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 도 19는 방향변화 메카니즘(142), 오프셋 연장 링크(302), 평행 링크장치 부분(100), 그리고 원뿔형 스위프 메카니즘(90)을 포함하고 있는 원격 중심 매니퓰레이터(312)를 나타내고 있다.

도 20은 다수의 실시례에 따른 원격 중심 매니퓰레이터(320)를 나타내고 있다. 이 매니퓰레이터(320)는 현장에서 교체가능하도록 구성되어 있는 다섯 개의 장치를 포함하고 있다. 다섯 개의 현장 교체 장치(FRUs:field replaceable units)는 요/피치 구동 조립체(322), 연장부 근위 단부(326) 및 연장부 원위 단부(328)를 가지고 있는 연장부(324), 제1 링크 근위 단부(332) 및 제1 링크 원위 단부(334)를 가지고 있는 제1 평행사변형 링크(330), 제2 링크 근위 단부(338) 및 제2 링크 원위 단부(340)를 가지고 있는 제2 평행사변형 링크(336), 그리고 수술 기구 홀더(342)를 포함한다.

요/피치 구동 조립체(322)는 장착 베이스(344)와 요/피치 하우징(346)을 포함하고 있고, 상기 요/피치 하우징(346)은 장착 베이스(344)에 대해 고정된 위치를 가진 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 요 축(348) 둘레로 회전하도록 장착 베이스(344)와 결합되어 있다. 장착 베이스(344)는 원격 중심 매니퓰레이터(320)를 카트 장착부, 천장 장착부, 바닥/받침대 장착부, 또는 다른 장착면의 셋업 암/조인트에 의해 장착되고 지지되게 할 수 있다. 장착 베이스(344)를 환자에 대해 고정된 위치와 방향으로 지지함으로써, 조종의 원격 중심(RC)이 환자에 대해 고정상태로 유지되고, 이것에 의해 수술 기구의 진입 위치에서 환자 조직에 잠재적으로 위험한 힘을 가할 위험이 없이 조종되도록 수술 기구 홀더(342)에 의해 유지된 수술 기구의 진입 지점을 제공한다. 요/피치 구동 조립체(322)는 요/피치 하우징(346)을 장착 베이스(344)에 대해 선택적으로 회전시키고, 이것에 의해 조종의 원격 중심(RC)이 장착 베이스(344)에 대해 이동하지 않고서 수술 기구 홀더(342)가 요 축(348) 둘레로 회전(요잉운동)하도록 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 아웃보드 부분을 회전시키도록 작동된다.

연장부(324)는 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 평행사변형 링크장치부의 베이스 조인트(350)에 대한 지지부를 제공한다. 연장부 근위 단부(326)는 요/피치 하우징(346)에 고정되게 장착되어 있다. 제1 평행사변형 링크(330)가 연장부(324)에 대해 제1 오프셋 피치 축(352) 둘레로 회전하도록 제1 링크 근위 단부(332)는 베이스 조인트(350)를 통하여 연장부 원위 단부(328)와 결합되어 있다. 제1 평행사변형 링크(330)는 제1 평행사변형 링크(330)가 연장부(324)로부터 오프셋된 운동면에서 움직이도록 연장부(324)의 한 측면으로 오프셋되어 있고 따라서 연장부(324)와 간섭하지 않고서 연장부(324)와 정렬되고 연장부(324)를 지나도록 회전할 수 있다.

원격 중심 매니퓰레이터(320)의 평행사변형 링크장치부는 제1 평행사변형 링크(330), 제2 평행사변형 링크(336), 그리고 수술 기구 홀더(342)를 포함하고 있다. 제2 평행사변형 링크(336)가 제1 오프셋 피치 축(352)과 평행하고 제1 링크 원위 단부(334)에 대해 고정된 제2 오프셋 피치 축(356) 둘레로 제1 평행사변형 링크(330)에 대해 회전하도록 제2 링크 근위 단부(338)는 제1 중간 조인트(354)를 통하여 제1 링크 원위 단부(334)와 결합되어 있다. 제2 평행사변형 링크(336)는 제2 평행사변형 링크(336)가 제1 평행사변형 링크(330)로부터 오프셋된 운동면에서 움직이도록 제1 평행사변형 링크(330)의 한 측면으로 오프셋되어 있고 따라서 제1 평행사변형 링크(330)와 간섭하지 않고서 제1 평행사변형 링크(330)와 정렬되고 제1 평행사변형 링크(330)를 지나도록 회전할 수 있다. 제2 평행사변형 링크(336)가 제1 오프셋 피치 축(352)과 평행하고 제2 링크 원위 단부(340)에 대해 고정된 제3 오프셋 피치 축(360) 둘레로 제2 평행사변형 링크(336)에 대해 회전하도록 수술 기구 홀더(342)는 제2 중간 조인트(358)를 통하여 제2 링크 원위 단부(340)와 결합되어 있다. 제1 중간 조인트(354)와 제2 중간 조인트(358)의 각각의 회전은, 제1 평행사변형 링크(330), 제2 평행사변형 링크(336), 그리고 수술 기구 홀더(342)가 평행사변형 링크장치로서 움직이게 제한되도록 베이스 조인트(350)의 회전에 연관되어 있고, 이것에 의해 수술 기구 홀더를 조종의 원격 중심(RC)과 교차하는 피치 축(362) 둘레로 회전(피칭운동)시킨다.

수술 기구 홀더(342)는 수술 기구가 장착되어 있는 운반 조립체(364)를 포함하고 있다. 수술 기구 홀더(342)는, 운반 조립체(364)를 삽입 축(366)을 따라 병진이동시켜서, 조종의 원격 중심(RC)을 통하여 수술 기구의 삽입을 제어하도록 작동되는 삽입 구동 메카니즘을 포함하고 있다. 통상적으로 수술 기구는, 수술 기구 홀더(342)의 원위 단부에 장착되어 있으며, 조종의 원격 중심(RC)이 삽입 축(366)과 일치하는 중심선을 따라 한정되어 있는, 캐뉼라(368)를 통과한다.

도 21은 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 평면도를 나타내고 있다. 도 21에 도시되어 있는 바와 같이, 요 축(348)과 피치 축(366)은 90도가 아닌 각도로 각도상으로 오프셋되어 있다. 도시된 실시례에서는, 요 축(348)과 피치 축(366)이 87.3도로 각도상으로 오프셋되어 있다. 요 축(348)과 피치 축(366)을 90도가 아닌 각도로 오프셋시킴으로써, 요 축(348) 둘레로의 회전을 위한 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 작동 공간 포락(이동 체적(swept volume))이 요 축(348)과 피치 축(366) 사이의 90도 각도의 오프셋의 사용시에 비하여 감소된다. 요 축(348) 둘레로의 회전을 위한 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 이동 체적의 이러한 감소는 도 22에 도시되어 있다. 도시된 실시례에서는, 87.3도의 각도 오프셋이 베이스 조인트(350)에서 7.95 인치의 직경을 가지는 상대적으로 더 작은 이동 체적(368)을 만든다. 이와 대비하여, 피치 축(366)으로부터 90도의 각도 오프셋을 가지는 요 축(370)이 사용되는 경우에는, 베이스 조인트(350)에서 8.98 인치의 직경을 가지는 상대적으로 더 큰 이동 체적(372)을 만든다. 따라서, 87.3도의 각도 오프셋의 사용은, 상기한 바와 같이, 수술 성능에 중요할 수 있는, 약 0.5인치의 추가적인 환자 간격을 만든다.

도 23은 수술 기구 홀더(342)가 최대량으로 피치 백(pitch back)되는 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 측면도이다. 도시된 형태에서는, 제1 평행사변형 링크(330)가 연장 링크(324)와 정렬된 상태를 조금 지나간 위치로 선회하였고 제2 평행사변형 링크(336)는 제1 평행사변형 링크(330)와 정렬된 상태를 조금 지나간 위치로 선회하였으며, 이것에 의해 삽입 축(366)을 수직선(374)으로부터 75도의 각도 오프셋으로 요 축(348)쪽으로 배향시킨다. 원격 중심 매니퓰레이터(320)는, 예를 들면, 수술 기구 홀더(342)가 요/피치 하우징(346)과 접촉하지 않도록 연장 링크(324)의 길이를 증가시키는 것에 의해서, 훨씬 더 큰 최대 피치 백 각도(maximum pitch back angle)를 얻도록 구성될 수 있지만, 삽입 축(366)과 요 축(348) 사이의 각도가 15도보다 작게 되면 조종의 원격 중심(RC)에 대한 수술 기구 홀더(342)의 요잉운동(yawing)에 관한 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 운동상태(kinematics)가 점점 열악한 상태로 되는 것을 고려하면, 얻은 추가적인 피치 백 각도는 실용성이 없을 수 있다.

다른 다양한 변형이 본 발명의 기술사상 내에 있다. 따라서, 본 발명은 다양한 수정형태와 대체 실시형태의 구조로 될 수 있으며, 이들의 예시된 특정 실시예가 도면에 도시되어 있으며 위에 상세하게 설명되어 있다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한할 의도는 없으며, 오히려, 첨부된 청구범위에 한정되어 있는 것과 같이, 본 발명의 기술사상 및 기술영역 내에 있는 모든 수정형태, 대체 실시형태의 구조 및 균등물을 포함하고자 한다는 점을 이해하여야 한다.

본 발명을 기술하는 내용에서(특히 아래의 청구범위의 내용에서), "하나의", "한 개의", "상기 하나의" 및 이와 유사한 용어의 사용은, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 단수 형태와 복수 형태 양자를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "...으로 이루어지는", "...을 가지고 있는", "...을 포함하고 있는", 그리고 "...을 포함하는" 이라는 표현은, 달리 표시되어 있지 않다면, 개방형 표현(다시 말해서, 비제한적인 예로서 포함하는 것을 의미한다)으로 해석되어야 한다. "...에 연결된" 이라는 표현은, 무언가가 사이에 개재되어 있더라도, 부분적으로 또는 전체적으로 어떤 대상 내에 포함되어 있거나, 어떤 대상에 부착되어 있거나, 어떤 대상과 함께 연결되어 있는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에 달리 표시되어 있지 않다면, 본 명세서에 열거된 수치의 범위는 단지 상기 범위 내에 해당하는 각각의 개별 수치를 각각 언급하는 것의 약칭 방법으로서의 역할을 하는 것이며, 본 명세서에서 수치가 개별적으로 열거되어 있다면 각각의 개별 수치가 본 명세서에 포함되는 것이다. 본 명세서에 기술된 모든 방법은, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 임의의 적절한 순서로 실행될 수 있다. 달리 표시되어 있지 않으면, 본 명세서에 기재된 임의의 예와 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들면, "...와 같은")의 사용은 단지 본 발명의 실시예를 보다 이해하기 쉽게 하기 위한 것이며 본 발명의 영역에 제한을 두기 위한 것은 아니다. 본 명세서의 어떠한 언어도 본 발명의 실시에 본질적인 것으로서 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명을 실행하는 데 있어서 발명자들에게 알려진 최선의 유형을 포함하여, 본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 기술되어 있다. 상기 설명을 이해하면, 바람직한 실시예의 변형사항은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이 될 수 있다. 본 발명의 발명자들은 숙련된 기술자가 상기 변형사항을 적절하게 이용하기를 기대하며, 또한 본 발명의 발명자들은 본 발명이 본 명세서에 특정적으로 기술된 것과 다르게 실시되기를 원한다. 따라서, 본 발명은 해당 법률에 의해 허용되는 것과 같이 본 명세서에 첨부된 청구범위에 열거된 대상의 모든 수정사항 및 균등물을 포함한다. 게다가, 본 명세서에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는다면, 본 발명의 모든 가능한 변형에 있어서의 상기한 요소들의 임의의 조합도 본 발명에 포함된다.

본 명세서에 언급된 공개공보, 특허 출원 및 특허를 포함하는 모든 참고문헌은, 각각의 참고문헌이 개별적으로 그리고 특정적으로 참고문헌으로 포함되는 것으로 표시되어 있거나 그 전체 내용이 본 명세서에 개시되어 있는 것과 같은 정도로 참고문헌으로 포함된다.

Claims (18)

1. 수술 시스템으로서,
   매니퓰레이터 장착 베이스, 피치 메카니즘, 롤 메카니즘 및 여유 회전 메카니즘을 포함하는 매니퓰레이터;
   매니퓰레이터에 의해 지지되고 공구 샤프트 축을 포함하는 수술 공구로서, 상기 피치 메카니즘은 피치 축 둘레로 수술 공구를 회전시키고, 상기 롤 메카니즘은 상기 피치 축을 가로지르는 롤 축 둘레로 수술 공구를 회전시키고, 상기 여유 회전 메카니즘은 여유 회전 축 둘레로 수술 공구를 회전시키고, 공구 샤프트 축, 피치 축 및 롤 축 각각은 원격 중심에서 교차하는, 수술 공구; 및
   수술 동안 수술 공구를 관절식으로 연계하기 위해 매니퓰레이터와 전자적으로 통신하도록 구성되고 매니퓰레이터의 작동을 제어하는 컨트롤 시스템을 포함하는, 수술 시스템
2. 제1항에 있어서,
   장착 베이스; 및
   상기 장착 베이스와 결합되고 상기 매니퓰레이터 장착 베이스를 환자에 대해 고정된 위치 및 방향으로 지지하도록 구성 가능한 셋업 구조를 더 포함하는, 수술 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 셋업 구조는 상기 환자에 대해 선택된 수직 위치에 상기 매니퓰레이터 장착 베이스를 위치시키도록 구성 가능한, 수술 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 셋업 구조는 상기 환자에 대해 선택된 수평 위치에 상기 매니퓰레이터 장착 베이스를 위치시키도록 구성 가능한, 수술 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 셋업 구조는 상기 환자에 대해 3개의 직교 방향으로 상기 매니퓰레이터 장착 베이스를 재배치하고 상기 환자에 대해 3개의 상이한 축 각각의 둘레로 상기 매니퓰레이터 장착 베이스를 재배향하도록 작동 가능한, 수술 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   환자에 대해 고정된 위치 및 방향에서 상기 매니퓰레이터 장착 베이스를 지지하기 위해, 상기 매니퓰레이터 장착 베이스는 기준 평면에 고정된 장착 표면에 장착 가능한, 수술 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 여유 회전 메카니즘은 상기 원격 중심 아래에 상기 롤 메카니즘을 위치시키도록 작동 가능한, 수술 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 매니퓰레이터 장착 베이스는 카트 장착부, 천장 장착부, 바닥 장착부 또는 받침대 장착부의 셋업 링크장치에 장착되고 상기 셋업 링크장치에 의해 지지되도록 구성되는, 수술 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 여유 회전 메카니즘에 연결된 원위 단부 및 상기 매니퓰레이터 장착 베이스에 연결된 근위 단부를 가지는 베이스 링크를 더 포함하는, 수술 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤 시스템은 상기 피치 메카니즘 및 상기 롤 메카니즘 각각의 작동을 제어하도록 구성되는, 수술 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤 시스템은 상기 여유 회전 메카니즘의 작동을 제어하도록 구성되는, 수술 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 여유 회전 축은 상기 원격 중심과 교차하는, 수술 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    상기 여유 회전 축의 적어도 일부분은 상기 원격 중심 아래에 위치 가능한, 수술 시스템.
14. 제1항에 있어서,
    상기 여유 회전 메카니즘의 원위 단부는 상기 롤 메카니즘의 근위 단부에 연결되는, 수술 시스템.
15. 제1항에 있어서,
    상기 롤 메카니즘은 상기 피치 메카니즘과 상기 여유 회전 메카니즘 사이에 위치되는, 수술 시스템.
16. 제1항에 있어서,
    상기 매니퓰레이터는 제2 여유 회전 메카니즘을 포함하고;
    상기 제2 여유 회전 메카니즘은 제2 여유 회전 축 둘레로 상기 수술 공구를 회전시키는, 수술 시스템.
17. 제1항에 있어서,
    상기 여유 회전 메카니즘은 동력식인, 수술 시스템.
18. 제1항에 있어서,
    상기 여유 회전 메카니즘은 무동력식인, 수술 시스템.

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