KR102443635B1 - 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템 및 방법 - Google Patents

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라이언 찰스 아보트
다니엘 에이치 코메즈
에이미 커독
이안 이 맥도웰
존 라이언 스테거
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인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
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Abstract

최소 침습 컴퓨터 보조 원격 수술을 위한 시스템들 및 방법들이 기술되어 있다. 예를 들어, 본 발명은 수술 기구들 내부에서의 케이블 늘어짐의 효과들을 상쇄하도록 조작되고 구조화되어 있는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술을 위한 수술 기구들 및 기구 구동 시스템들을 제공한다.

Description

컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템 및 방법
본 출원은 미국 가특허 출원 62/379,112(2016년 8월 24일자로 출원됨) 및 62/379,114(2016년 8월 24일자로 출원됨)에 대한 우선권의 이익을 주장하고, 그 양자 모두의 명세서 전체 내용은 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.
본 발명은 최소 침습 컴퓨터 보조 원격 조작 수술을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명은 케이블 늘어짐(cable stretch)의 효과들을 상쇄하도록 구조화되어 있는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술을 위한 수술 기구들에 관한 것이다.
원격조작 수술 시스템(로봇 기술의 사용 때문에 종종 "로봇" 수술 시스템으로 지칭됨) 및 다른 컴퓨터 보조 장치는 종종, 수술 작업 부위에서 과업을 수행하기 위한 기구들, 및 수술 작업 부위의 이미지들을 캡처하는 이미지 캡처 장치를 지원하기 위한 적어도 하나의 매니퓰레이터를 조종하는 하나 이상의 기구 매니퓰레이터들을 포함한다. 매니퓰레이터 아암은 하나 이상의 능동 제어식 조인트들에 의해 함께 결합되는 복수의 링크들을 구비한다. 다수의 실시예들에서, 복수의 능동 제어식 조인트들이 제공될 수 있다. 로봇 아암은, 능동적으로 제어되지는 않지만 능동 제어식 조인트의 움직임과 부합하는 하나 이상의 피동형 조인트들을 포함할 수 있다. 이러한 능동형 조인트와 피동형 조인트는 레벌루트 조인트(revolute joint) 또는 프리즈매틱 조인트(prismatic joint)를 포함하는 여러 가지 타입들일 수 있다. 매니퓰레이터 아암과 그 관련된 기구나 이미지 캡처 장치의 운동형상학적 자세는 조인트들의 포지션들과 그 구조에 관한 지식, 그리고 링크들의 결합 및 알려진 운동형상학적 계산들의 적용에 의해 결정될 수 있다.
수술에서의 사용을 위한 최소 침습 원격수술 시스템은 의사의 숙련도를 향상시키는 것 뿐만 아니라 원격 위치에서 의사가 환자를 수술하는 것을 허용하는 것을 위해서 개발되고 있다. 원격수술(telesurgery)은, 의사가 수술 기구를 손으로 직접 잡고 움직이는 것이 아니라 수술 기구 움직임들을 조종하는 원격 제어의 일부 형태, 예컨대 서보메커니즘 또는 이와 유사한 것을 이용하는 수술 시스템을 위한 일반적인 용어이다. 이러한 원격수술 시스템에서, 의사는 원격 위치에서 수술 부위의 이미지를 제공받는다. 통상적으로 적합한 뷰어 또는 디스플레이 상에서 깊이에 관한 환영을 제공하는 수술 부위의 입체적 이미지를 바라보면서, 의사는 차례로 대응하는 원격조작 기구들의 동작을 제어하는 마스터 제어 입력 장치들을 조종함으로써 환자에 대한 수술 절차들을 수행한다. 원격조작 수술 기구들은 환자 내부의 수술 부위들에서 조직들을 치료하기 위해서 작은 최소 침습 수술 구멍들 또는 자연 개구부(natural orifice)들을 통해 삽입될 수 있고, 개복 수술 기법들에 의한 수술 작업부위에 접근하는 것과 대체로 관련되어 있는 트라우마를 종종 피한다. 이러한 컴퓨터 보조 원격 조작 시스템은 종종 최소 침습 구멍에서의 수술 기구들의 샤프트들의 피벗운동, 구멍을 통한 축방향으로의 샤프트의 슬라이딩운동, 구멍 내부에서의 샤프트의 회전운동 및 이와 유사한 것에 의해 상당히 복잡한 수술 과업들을 수행하기 위해서 충분한 숙련도로 수술 기구들의 작업 단부들(엔드 이펙터들)을 움직일 수 있다.
(특허문헌 1) 미국 특허공보 US 8,968,312호 (2015.03.03.)
(특허문헌 2) 미국 특허공보 US 7,391,173호 (2008.06.24.)
(특허문헌 3) 미국 특허출원공개공보 US 2003-0040758호 (2003.02.27.)
(특허문헌 4) 미국 특허공보 US 8,852,174호 (2014.10.07.)
(특허문헌 5) 국제공개공보 WO 2012/049623호 (2012.04.19.)
본 발명은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 장치를 이용하는 최소 침습 로봇 수술을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명은 케이블 늘어짐의 효과들을 상쇄하도록 구조화되어 있는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술을 위한 수술 기구들에 관한 것이다. 본 명세서에 제공되어 있는 장치들과 방법들은 동작의 하드웨어 제약 원격 중심(hardware-constrained remote centers of motion)이나 동작의 소프트웨어 제약 원격 중심(software-constrained remote centers of motion)을 이용하는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템(본 명세서에서 "로봇 수술 시스템(robotic surgery systems)"으로도 지칭됨)과 결합하여 사용될 수 있다.
일 양태에서, 의료 장치는 수술 기구, 및 수술 기구를 위한 드라이브 유닛을 포함한다. 구동 유닛 안의 제 1 액추에이터는 기구의 제 1 맞물림 부재와 비구속식 맞물림 상태에 있고, 구동 유닛 안의 제 2 액추에이터는 기구의 제 2 맞물림 부재와 비구속식 맞물림 상태에 있다. 기구의 제 1 맞물림 부재와 제 2 맞물림 부재는 기구의 엔드 이펙터에 결합되어 있어서, 제 1 맞물림 부재와 제 2 맞물림 부재가 움직임에 따라 엔드 이펙터는 움직인다. 추가 양태에서, 구동 유닛은 기구 샤프트 액추에이터를 포함하고, 기구는 샤프트 액추에이터 맞물림 부재와 기구 샤프트 액추에이터를 포함하고, 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 비구속식 맞물림(non-detained engagement) 상태에 있거나 구속식 맞물림(detained engagement) 상태에 있을 수 있다.
일 양태에서, 수술 기구는 엔드 이펙터, 엔드 이펙터에 결합되는 제 1 맞물림 부재, 및 엔드 이펙터에 결합되는 제 2 맞물림 부재를 포함한다. 제 1 맞물림 부재와 제 2 맞물림 부재는 수술 기구의 구동 유닛의 대응하는 제 1 액추에이터 및 제 2 액추에이터와 비구속식 맞물림 상태에 있도록 구성되어 있다. 추가 양태에서, 기구는 구동 유닛의 대응하는 기구 샤프트 액추에이터와 비구속식 맞물림 상태나 구속식 맞물림 상태에 있도록 구성되어 있는 샤프트 액추에이터 맞물림 부재를 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템을 위한 수술 기구에 대한 것이다. 수술 기구는: 근위 단부 부분; 근위 단부 부분으로부터 뻗어 있는 기구 샤프트(근위 단부 부분으로부터 반대쪽에 있는 원위 단부 부분을 포함하는 기구 샤프트); 원위 단부 부분에 결합되어 있는 엔드 이펙터(적어도 제 1 자유도를 가지는 엔드 이펙터로서, 엔드 이펙터가 기구 샤프트에 대하여 움직일 수 있는, 엔드 이펙터); 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 1 텐셔닝 부재; 및 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 2 텐셔닝 부재;를 포함한다. 제 2 텐셔닝 부재는 제 2 액추에이터 맞물림 부재에서 종료한다. 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있다. 기구 샤프트는 수술 기구의 길이방향 축을 정의한다. 제 1 텐셔닝 부재는 제 1 액추에이터 맞물림 부재에서 종료한다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재를 근위방향으로 움직이는 것은 제 2 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직이고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 1 방식으로 움직인다. 제 1 방식은 제 1 자유도에 의해 수월하게 되는 움직임을 구비한다. 제 2 액추에이터 맞물림 부재를 근위방향으로 움직이는 것은 제 1 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직이고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 2 방식으로 움직인다. 제 2 방식은 제 1 자유도에 의해 수월하게 되고, 제 1 방식과 반대이다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 수술 기구의 길이방향 축을 따라 동일한 길이방향 위치에서 위치조정가능하다.
이러한 수술 기구는 하나 이상의 다음에 오는 부재들을 선택사항으로 포함할 수 있다. 근위 단부 부분은 수술 기구의 수동 파지와 조종을 수월하게 하도록 구성되어 있는 핸들을 포함할 수 있다. 핸들은 근위 단부 부분의 다른 부분들에 대한 관계에서 길이방향 축으로부터 반경방향으로 뻗어 있을 수 있다. 핸들은 수술 기구에 관한 정보를 저장하기 위한 RFID 칩을 포함할 수 있다. 핸들은 수술 기구의 타입을 식별하는 식별수단(indicium)을 포함할 수 있다. 수술 기구는 또한 근위 단부 부분에 결합되어 있는 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재를 포함할 수 있다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 래치 메커니즘(latch mechanism)을 포함할 수 있다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분에 슬라이딩가능하게 각각 결합될 수 있다. 수술 기구는 또한 제 1 텐셔닝 부재와 제 2 텐셔닝 부재에 텐션을 가하는 하나 이상의 프리-로드 텐셔닝 부재(pre-load tensioning member)들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 프리-로드 텐셔닝 부재들은 각각 스프링을 구비한다. 제 1 텐셔닝 부재와 제 2 텐셔닝 부재는 각각 케이블을 구비한다. 엔드 이펙터는 적어도 제 2 자유도를 가질 수 있다. 수술 기구는 또한: 기구 샤프를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 3 텐셔닝 부재(제 3 텐셔닝 부재는 제 3 액추에이터 맞물림 부재에서 종료할 수 있고, 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합될 수 있음); 및 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 4 텐셔닝 부재(제 4 텐셔닝 부재는 제 4 액추에이터 맞물림 부재에서 종료할 수 있고, 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합될 수 있음);를 포함할 수 있다. 제 3 액추에이터 맞물림 부재를 근위방향으로 움직이는 것은 제 4 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직일 수 있고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 3 방식으로 움직일 수 있다(제 3 방식은 제 2 자유도에 의해 수월하게 되는 움직임을 구비함). 제 4 액추에이터 맞물림 부재를 근위방향으로 움직이는 것은 제 3 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직일 수 있고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 4 방식으로 움직일 수 있다(제 4 방식은 제 3 방식과 반대이며 제 2 자유도에 의해 수월하게 됨). 일부 실시예들에서, 각각의: (ⅰ) 제 1 액추에이터 맞물림 부재; (ⅱ) 제 2 액추에이터 맞물림 부재; (ⅲ) 제 3 액추에이터 맞물림 부재; 및 (ⅳ) 제 4 액추에이터 맞물림 부재;는 수술 기구의 길이방향 축을 따라 동일한 길이방향 위치에서 위치조정가능하다. 제 3 액추에이터 맞물림 부재와 제 4 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분에 각각 슬라이딩가능하게 결합될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템을 위한 수술 기구에 대한 것이다. 수술 기구는: 근위 단부 부분; 근위 단부 부분으로부터 뻗어 있는 기구 샤프트(기구 샤프트는 근위 단부 부분으로부터 반대쪽에 있는 원위 단부 부분을 포함하고, 수술 기구의 길이방향 축을 정의함); 원위 단부 부분에 결합되어 있는 엔드 이펙터(엔드 이펙터는 적어도 제 1 자유도를 가지고, 이로써 엔드 이펙터는 기구 샤프트에 대하여 움직일 수 있음); 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 1 텐셔닝 부재(제 1 텐셔닝 부재는 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있는 제 1 액추에이터 맞물림 부재에서 종료함); 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 2 텐셔닝 부재(제 2 텐셔닝 부재는 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있는 제 2 액추에이터 맞물림 부재에서 종료함); 및 근위 단부 부분에 결합되어 있는 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재;를 포함한다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재를 근위방향으로 움직이는 것은 제 2 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직이고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 1 방식으로 움직인다. 제 1 방식은 제 1 자유도에 의해 수월하게 되는 움직임을 포함한다. 제 2 액추에이터 맞물림 부재를 움직이는 것은 제 1 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직이고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 2 방식으로 움직인다. 제 2 방식은 제 1 자유도에 의해 수월하게 되고, 제 1 방식과 반대이다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 근위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터의 움직임들을 수월하게 하도록 각각 구성되어 있고, 원위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터의 움직임들을 수월하게 하도록 각각 구성되어 있다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 원위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 원위방향으로의 전체 수술 기구의 움직임들을 수월하게 하도록 구성되어 있다.
이러한 수술 기구는 하나 이상의 다음에 오는 부재들을 선택사항으로 포함할 수 있다. 근위 단부 부분은 수술 기구의 수동 파지와 조종을 수월하게 하도록 구성되어 있는 핸들을 포함할 수 있다. 핸들은 근위 단부 부분의 다른 부분들에 대한 관계에서 길이방향 축으로부터 반경방향으로 뻗어 있을 수 있다. 핸들은 수술 기구에 관한 정보를 저장하기 위한 RFID 칩, 및 수술 기구의 타입을 식별하는 식별수단을 포함할 수 있다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 근위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 근위방향으로의 전체 수술 기구의 움직임들을 수월하게 하도록 구성될 수 있다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 래치 메커니즘을 포함할 수 있다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분에 슬라이딩가능하게 각각 결합될 수 있고, 수술 기구의 길이방향 축을 따라 동일한 길이방향 위치에 각각 위치조정가능할 수 있다. 수술 기구는 또한 제 1 텐셔닝 부재와 제 2 텐셔닝 부재에 텐션을 가하는 하나 이상의 프리-로드 텐셔닝 부재들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 프리-로드 텐셔닝 부재들은 각각 스프링을 구비한다. 엔드 이펙터는 적어도 제 2 자유도를 가질 수 있다. 수술 기구는 또한: 기구 샤프를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 3 텐셔닝 부재(제 3 텐셔닝 부재는 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합될 수 있는 제 3 액추에이터 맞물림 부재에서 종료할 수 있음); 및 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 4 텐셔닝 부재(제 4 텐셔닝 부재는 근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합될 수 있는 제 4 액추에이터 맞물림 부재에서 종료할 수 있음);를 포함할 수 있다. 제 3 액추에이터 맞물림 부재를 근위방향으로 움직이는 것은 제 4 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직일 수 있고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 3 방식으로 움직일 수 있다. 제 3 방식은 제 2 자유도에 의해 수월하게 되는 움직임을 포함할 수 있다. 제 4 액추에이터 맞물림 부재를 근위방향으로 움직이는 것은 제 3 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직일 수 있고, 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 4 방식으로 움직일 수 있다. 제 4 방식은 제 2 자유도에 의해 수월하게 될 수 있고, 제 3 방식과 반대일 수 있다. 제 3 액추에이터 맞물림 부재와 제 4 액추에이터 맞물림 부재는 근위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터를 움직이도록 각각 구성될 수 있고, 원위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터를 움직이지 않도록 각각 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의: (ⅰ) 제 1 액추에이터 맞물림 부재; (ⅱ) 제 2 액추에이터 맞물림 부재; (ⅲ) 제 3 액추에이터 맞물림 부재; 및 (ⅳ) 제 4 액추에이터 맞물림 부재;는 수술 기구의 길이방향 축을 따라 동일한 길이방향 위치에서 위치조정가능할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 수술 기구, 및 기구 구동 시스템과 해제가능한 맞물림 상태가 되도록 수술 기구를 길이방향 축을 따라 원위방향으로 움직임으로써 수술 기구와 선별적으로 결합될 수 있도록 구성되어 있는 기구 구동 시스템에 대한 것이다. 수술 기구는: 근위 단부 부분; 근위 단부 부분으로부터 뻗어 있는 기구 샤프트(기구 샤프트는 근위 단부 부분으로부터 반대쪽에 있는 원위 단부 부분을 포함하고, 수술 기구의 길이방향 축을 정의함); 원위 단부 부분에 장착되어 있는 엔드 이펙터(엔드 이펙터는 적어도 제 1 자유도를 가지고, 이로써 엔드 이펙터는 기구 샤프트에 대하여 움직일 수 있음); 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 1 텐셔닝 부재; 및 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 2 텐셔닝 부재;를 포함한다. 기구 구동 시스템은: 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 1 방식으로 움직일 수 있는 제 1 장력으로 제 1 텐셔닝 부재에 텐션을 가하기 위한 제 1 액추에이터(제 1 방식은 제 1 자유도에 의해 수월하게 되는 움직임을 포함함); 엔드 이펙터를 기구 샤프트에 대하여 제 2 방식으로 움직일 수 있는 제 2 장력으로 제 2 텐셔닝 부재에 텐션을 가하기 위한 제 2 액추에이터(제 2 방식은 제 1 방식과 반대이며 제 1 자유도에 의해 수월하게 됨); 및 기구 샤프트에 힘을 가하기 위한 샤프트 액추에이터(기구 샤프트에 대한 힘은 제 1 장력과 제 2 장력에 대해 그 방향이 반대임);를 포함한다.
이러한 수술 기구 시스템은 하나 이상의 다음에 오는 부재들을 선택사항으로 포함할 수 있다. 근위 단부 부분은 수술 기구의 수동 파지와 조종을 수월하게 하도록 구성되어 있는 핸들을 포함할 수 있다. 핸들은 길이방향 축으로부터 반경방향으로 뻗어 있을 수 있고, 수술 기구가 기구 구동 시스템과 결합되어 있는 동안에는 기구 구동 시스템의 인접한 부분들보다 더욱 반경방향으로 뻗어 있을 수 있다. 수술 기구와 기구 구동 시스템의 선별적인 결합은 길이방향 축을 따라 원위방향으로 움직이게 되는 수술 기구를 슬라이딩가능하게 수용하는 기구 구동 시스템에 의해 수월하게 될 수 있다. 수술 기구는 또한 샤프트 액추에이터가 해제가능하게 결합하는 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재를 포함할 수 있다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 래치 메커니즘을 포함할 수 있다. 래치 메커니즘은 길이방향 축으로부터 반경방향으로 뻗어 있을 수 있고, 수술 기구가 기구 구동 시스템과 결합되어 있는 동안에는 기구 구동 시스템의 인접한 부분들보다 더욱 반경방향으로 뻗어 있을 수 있다. 제 1 텐셔닝 부재는 근위 단부 부분에 슬라이딩가능하게 결합되어 있는 제 1 액추에이터 맞물림 부재에서 종료할 수 있다. 제 2 텐셔닝 부재는 근위 단부 부분에 슬라이딩가능하게 결합되어 있는 제 2 액추에이터 맞물림 부재에서 종료할 수 있다. 제 1 액추에이터는 제 1 액추에이터 맞물림 부재와 선별적으로 결합가능할 수 있다. 제 2 액추에이터는 제 2 액추에이터 맞물림 부재와 선별적으로 결합가능할 수 있다. 제 1 장력과 제 2 장력은 기구 샤프트를 따라 평행하면서 근위 단부를 향하여 안내될 수 있다. 기구 샤프트에 대한 힘은 원위 단부 부분을 향하여 기구 샤프트를 따라 안내될 수 있다. 엔드 이펙터는, 제 1 장력이 제 2 장력보다 큰 경우, 기구 샤프트에 대하여 제 1 방식으로 움직일 수 있다. 엔드 이펙터는, 제 2 장력이 제 1 장력보다 큰 경우, 제 1 방식과 반대일 수 있는 제 2 방식으로 움직일 수 있다. 기구 샤프트는, 기구 샤프트에 대한 힘이 제 1 장력과 제 2 장력을 더한 합보다 더 큰 경우, 기구 구동 시스템에 대한 관계에서 원위방향으로 움직일 수 있다. 기구 샤프트는, 기구 샤프트에 대한 힘이 제 1 장력과 제 2 장력을 더한 합보다 더 작은 경우, 기구 구동 시스템에 대한 관계에서 근위방향으로 움직일 수 있다. 엔드 이펙터는 적어도 제 2 자유도를 가질 수 있다. 수술 기구는 또한: 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 3 텐셔닝 부재; 기구 샤프트에 대하여 제 3 방식으로 엔드 이펙터를 움직일 수 있는 제 3 장력으로 제 3 텐셔닝 부재에 텐션을 가하기 위한 제 3 액추에이터(제 3 방식은 제 2 자유도에 의해 수월하게 되는 움직임을 포함할 수 있음); 기구 샤프트를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 4 텐셔닝 부재; 및 기구 샤프트에 대하여 제 4 방식으로 엔드 이펙터를 움직일 수 있는 제 4 장력으로 제 4 텐셔닝 부재에 텐션을 가하기 위한 제 4 액추에이터(제 4 방식은 제 2 자유도에 의해 수월하게 될 수 있고, 제 3 방식과 반대일 수 있음);를 포함할 수 있다. 엔드 이펙터는, 제 3 장력이 제 4 장력보다 더 큰 경우. 기구 샤프트에 대하여 제 3 방식으로 움직일 수 있다. 엔드 이펙터는, 제 4 장력이 제 3 장력보다 더 큰 경우, 제 3 방식과 반대인 제 4 방식으로 움직일 수 있다. 기구 샤프트는, 기구 샤프트에 대한 힘이 제 1 장력과 제 2 장력과 제 3 장력과 제 4 장력을 더한 합보다 더 큰 경우, 기구 구동 시스템에 대한 관계에서 원위방향으로 움직일 수 있다. 기구 샤프트는, 기구 샤프트에 대한 힘이 제 1 장력과 제 2 장력과 제 3 장력과 제 4 장력을 더한 합보다 더 작은 경우, 기구 구동 시스템에 대한 관계에서 근위방향으로 움직일 수 있다. 수술 기구는 또한, 제 1 액추에이터와 제 2 액추에이터가 제 1 텐셔닝 부재와 제 2 텐셔닝 부재에 각각 텐션을 가하지 않고 있는 동안에는 제 1 텐셔닝 부재와 제 2 텐셔닝 부재에 텐션을 가하는 하나 이상의 프리-로드 텐셔닝 부재들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 프리-로드 텐셔닝 부재들은 각각 스프링을 구비할 수 있다. 수술 기구 시스템은 또한: 제 1 장력을 탐지하기 위한 제 1 힘 센서; 제 2 장력을 탐지하기 위한 제 2 힘 센서; 및 기구 샤프트에 대한 힘을 탐지하기 위한 기구 샤프트 힘 센서;를 포함할 수 있다. 각각의 제 1 액추에이터, 제 2 액추에이터 및 샤프트 액추에이터는 리드 스크루들을 구비하는 선형 액추에이터들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 수술 기구 시스템의 전체는 길이방향 축을 중심으로 롤링운동하도록 구성되어 있다.
본 명세서에 기술되어 있는 실시예들 중 일부나 모두는 하나 이상의 다음에 오는 이점들을 제공할 수 있다. 일부 경우들에서, 본 명세서에 제공되어 있는 원격 조작 수술 기구들은 케이블 늘어짐의 효과들을 상쇄하도록 유리하게 구조화되어 있다. 종래의 원격 조작 수술 기구들 내부의 케이블들은 제조 동안 프리-텐셔닝된 상태일 수 있지만, 텐션들은 시간이 지남에 따라 감소되는 경향이 있을 수 있는데, 이는 기구들이 사용됨에 따라 케이블들이 늘어질 수 있기 때문이다. 이러한 텐션 감소는 일부 경우들에서 원격 조작 수술 기구들의 제어의 정확도를 떨어트리는데 기여할 수 있다. 추가적으로, 열과 습기를 이용하는 원격 조작 수술 기구들의 오토클레이브 살균은 케이블 텐션의 손실과 케이블 늘어짐을 악화시킬 수 있다. 본 명세서에 제공되어 있는 원격 조작 수술 기구들은 유리하게도 기구들의 제어의 정확도에서의 손실없이 케이블 늘어짐을 보상한다. 추가로, 본 명세서에 제공되어 있는 원격 조작 수술 기구들이 사용 중에 있지 않는 동안, 케이블 상의 텐션은 유리하게도 기구의 조작 동안의 텐션보다 더 약하다. 나아가, 본 명세서에 제공되어 있는 원격 조작 수술 기구들은 케이블 텐션에 관한 제조 공차들을 보상한다. 결과적으로, 기구들의 제조 과정들은 원활하면서도 더욱 비용 효과적이게 될 수 있다.
추가로, 본 명세서에 제공되어 있는 원격 조작 수술 기구들은 유리하게도, 비교적 적은 질량과 관성을 가지면서 컴팩트한 기구 구동 시스템과 인터페이스하도록 구조화되어 있다. 추가로, 질량 분포는 관성이 실질적으로 일정해서 예측가능하도록 실질적으로 일정하다.
또한 나아가, 일부 실시예들에서, 본 명세서에 제공되어 있는 원격 조작 수술 기구들은 유리하게도 용이하게 탈착가능한 방식으로 기구 구동 시스템과 인터페이스하도록 구조화되어 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 수술 기구는, 단지 래치 메커니즘을 작동시키면서 구동 시스템과의 맞물림 상태를 벗어나도록 기구를 근위방향으로 꺼냄으로써 기구 구동 시스템으로부터 탈착될 수 있다. 수술 기구와 기구 구동 시스템 사이에서의 이러한 용이하게 탈착가능한 인터페이스는 비상 상황에서의 신속한 기구 제거, 및 하나의 수술 기구와 다른 수술 기구의 일반적인 교환 동안의 사용자 편의와 같은 이점들을 제공할 수 있다.
하나 이상의 실시예들의 세부사항들은 첨부의 도면과 아래에 있는 발명의 설명에 설명되어 있다. 다른 특징들, 목적들 및 이점들은 발명의 설명과 도면 및 청구범위로부터 자명할 것이다.
도 1은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 예시적인 환자 측 유닛의 사시도이다.
도 2는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 예시적인 의사 제어 유닛의 정면도이다.
도 3은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 예시적인 매니퓰레이터 아암 어셈블리의 측면도이다.
도 4는 다른 타입의 환자 측 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 사시도이다.
도 5는 제 1 자세를 취하는 예시적인 수술 기구의 원위 단부 부분의 사시도이다.
도 6은 제 2 자세를 취하는 수술 기구의 원위 단부 부분의 사시도이다.
도 7은 제 3 자세를 취하는 도 5의 수술 기구의 원위 단부 부분의 사시도이다.
도 8은 일부 실시예들에 따르는 예시적인 원격 조작 수술 기구의 단순화된 개략적인 모식도이다.
도 9는 일부 실시예들에 따르는 예시적인 기구 구동 시스템과 결합되어 있는 도 8의 원격 조작 수술 기구의 개략적인 모식도이다.
도 10은 도 9의 구동 시스템과 기구에 관한 힘 모식도이다.
도 11은 도 9의 구동 시스템과 기구의 개략적인 모식도로서, 엔드 이펙터는 예시적인 자세를 취하여 배향되어 있는 상태이다.
도 12는 도 11의 구동 시스템과 기구의 개략적인 모식도로서, 엔드 이펙터가 예시적인 자세를 취하여 배향된 상태로 남아있는 동안, 기구는 구동 시스템에 대한 관계에서 원위방향으로 뻗어 있는 상태이다.
도 13은 도 11의 구동 시스템과 기구의 개략적인 모식도로서, 엔드 이펙터가 예시적인 자세를 취하여 배향된 상태로 남아있는 동안, 기구는 구동 시스템에 대한 관계에서 근위방향으로 꺼내진 상태이다.
도 14는 도 11의 구동 시스템과 기구의 일 부분의 개략적인 모식도로서, 케이블 텐션과 같은 힘들을 탐지하기 위한 힘 센서들의 예시적인 위치들이 나타나 있다.
도 15는 도 9의 개략적인 모식도에 따라 구성되어 있는 예시적인 수술 기구의 사시도이다.
도 16은 도 15의 수술 기구의 근위 단부 부분의 사시도이다.
도 17은 도 15의 수술 기구의 다른 사시도이다.
도 18은 도 15의 수술 기구의 근위 단부에 관한 도면이다.
도 19에는, 도 15의 수술 기구가 일부 실시예들에 따르는 예시적인 기구 구동 시스템과 어떻게 결합될 수 있는지가 도시되어 있다.
여러 가지 도면들에서 유사한 참조 기호들은 유사한 요소들을 지시한다.
본 발명의 양태들, 실시예들, 구현예들 또는 적용예들이 도시되어 있는 첨부의 도면들과 발명의 설명은 제한하는 것으로 여겨져서는 안되며, 청구범위들은 보호되는 본 발명을 정의한다. 여러 가지 기계적인 변화, 구성요소적인 변화, 구조적인 변화, 전기적인 변화 및 조작상의 변화는 청구범위와 발명의 설명의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 행해질 수 있다. 일부 경우들에서, 잘 알려진 회로들, 구조들 또는 기법들은 본 발명을 불명료하게 하지 않기 위하여 상세하게 기술되거나 나타나 있지 않다. 2개 이상의 도면들에서의 유사한 부재번호들은 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.
나아가, 하나 이상의 실시예들과 선택사항인 요소들 또는 부재들을 기술하도록 선택된 특정 단어들은 본 발명을 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다. 예를 들어, "~밑에", "~아래에", "~아래쪽", "~위에", "~위쪽에", "~근위방향의", "~원위방향의" 및 이와 유사한 것과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 도시되어 있는 바와 같이 어느 하나의 요소나 부재에 대한 다른 하나의 요소나 부재의 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이러한 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 나타나 있는 위치과 배향에 추가하여 사용 중이거나 조작 중에 있는 장치의 상이한 위치들(즉 병진운동방향 배치들)과 배향들(즉 회전운동방향 배치들)을 내포하고 있는 것으로 의도되어 있다. 예를 들어, 도면들에 있는 장치가 뒤집히는 경우라면, 다른 요소들이나 부재들의 "아래에" 또는 "밑에" 있는 것으로 기술되어 있는 요소들은 이후 다른 요소들이나 부재들의 "위에" 또는 "위쪽"에 있을 것이다. 그러므로, "~아래에"라는 예시적인 용어는 위와 아래에 있는 위치들과 배향들 양자 모두를 내포하고 있을 수 있다. 장치는 이와 달리 (예컨대 90 도로 회전되어 있거나 다른 배향들로) 배향될 수 있고, 본 명세서에서 사용된 공간적으로 상대적인 서술어들은 적절하게 해석될 수 있다. 마찬가지로, 여러 가지 축들을 따르는 움직임(병진운동)과 그 둘레에서의 움직임(회전운동)에 관한 내용들은 여러 가지 특정 장치 위치들과 배향들을 포함한다. 몸의 위치와 배향의 조합은 몸의 자세를 정의한다.
이와 유사하게, "평행한", "수직하는", "둥근" 또는 "정사각형"과 같은 기하학적 용어들은 맥락상 이와 달리 지시되지 않는 한 절대적인 수학적 정확성을 필요로 하는 것으로 의도된 것은 아니다. 그 대신, 이러한 기하학적 용어들은 제조상 기능이나 균등한 기능에 기인한 변형예들을 감안하고 있다. 예를 들어, 어떤 요소가 "둥근", 또는 "대체로 둥근" 것으로 기술되는 경우라면, 정확히 원형이 아닌 구성요소(예컨대 약간 기다랗거나 다면의 다각형인 것)라도 이러한 내용에 내포되어 있다. "포함하는" 또는 "가지는"이라는 단어들은 포함하는 것을 의미하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 내용이 충분히 분명하고 간명하면서도 정확하게 되어 있더라도 섬세하면서도 포괄적인 언어적 정확성이 언제나 가능성 있거나 바람직한 것은 아니라는 점을 이해할 수 있을 것인데, 이는 이러한 내용이 적당한 길이로 유지되어야할 뿐만 아니라 당업자가 배경 및 관련 기술을 알 수 있을 것이기 때문이다. 예를 들어, 비디오 신호를 생각해보면, 신호를 디스플레이하는 것으로 기술되어 있는 오실로스코프가 신호 그 자체가 아니라 신호의 표현을 디스플레이한다는 점, 및 신호를 디스플레이하는 것으로 기술되어 있는 비디오 모니터가 신호 그 자체가 아니라 신호가 운반하는 비디오 정보를 디스플레이한다는 점을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
추가적으로, "한", "하나의" 및 "그"와 같은 단수 형태들은 맥락상 이와 달리 지시되지 않는 한 복수 형태들도 마찬가지로 포함하도록 의도되어 있다. 그리고, "구비하다", "포함하다", "가진다" 및 이와 유사한 용어들은 언급되는 부재들, 단계들, 조작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 부재들, 단계들, 조작들, 요소들, 구성요소들 및/또는 그룹들의 추가나 존재를 배제하는 것은 아니다. 그리고, 하나 이상의 열거된 개별적인 아이템들이나 그 각각은 이와 달리 언급되지 않는 한 선택사항인 것으로 여겨져야 해서, 아이템들의 여러 가지 조합들은 각각의 가능성 있는 조합들의 포괄적인 열거없이 기술되어 있다. "~일 수 있다"와 같은 조동사도 마찬가지로 부재, 단계, 조작, 요소 또는 구성요소가 선택사항이라는 것을 의미한다.
일 실시예, 구현예 또는 적용예를 참조하여 상세하게 기술되어 있는 요소들은 특별히 나타나 있거나 기술되어 있지 않은 다른 실시예들, 구현예들 또는 적용예들에서 실제로 그러한 경우라면 선택사항으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 일 요소가 일 실시예를 참조하여 상세하게 기술되어 있되 제 2 실시예를 참조하여 기술되어 있지 않는 경우라면, 요소는 그럼에도 불구하고 제 2 실시예에 포함되어 있는 것으로 주장될 수 있다. 따라서, 다음에 오는 발명의 설명에서의 불필요한 반복을 피하기 위하여, 일 실시예, 구현예 또는 적용예와 관련하여 기술되어 나타나 있는 하나 이상의 요소들은, 특별히 이와 달리 기술되지 않는 한, 하나 이상의 요소들이 실시예나 구현예를 비기능적인 것으로 만들지 않는 한, 또는 2개 이상의 요소들이 상반되는 기능들을 제공하지 않는 한, 다른 실시예들, 구현예들 또는 양태들에 통합될 수 있다.
결합되어 있는 것으로 기술되어 있는 요소들은 전기적으로 또는 기계적으로 직접 결합되어 있을 수 있고, 또는 하나 이상의 중간 구성요소들을 통해서 간접적으로 결합될 수 있다.
기계적 구조, 구성요소 또는 구성요소 조립체와 같은 일 부분과 관련되어 있는 "가요성(flexible)"이라는 용어는 폭넓게 해석되어야 한다. 본질적으로, 이 용어는 부분이 반복적으로 구부러질 수 있을 뿐만 아니라 부분에 대한 손상없이 원래 형상으로 복원될 수 있다는 것을 의미한다. 많은 "경질(rigid)" 물체들은 재료 특성 때문에 본질적으로 약간 탄력적인 "유연성(bendiness)"을 가지는데, 이는 이러한 물체들이 본 명세서에서 사용되는 용어와 같이 "가요성"으로 여겨지지는 않더라도 그러하다. 가요성 부분은 무한한 자유도(degrees of freedom; DOF's)를 가질 수 있다. 이러한 부분들에 관한 예시들은, 종종 단면 변형이 크게 없이도 간단하거나 복합적인 여러 가지 곡선들로 구부러질 수 있는 (예컨대 니티놀, 폴리머, 연질 고무 및 이와 유사한 것으로 만들어지는) 폐쇄형으로 구부러지는 튜브, 나선형 코일 스프링 등을 포함한다. 다른 가요성 부분들은 연속적인 "척추골(vertebrae)"의 뱀과 같은 배열과 유사한, 일련의 근접 이격 구성요소들을 이용함으로써 이러한 무한 DOF 부분에 가까울 수 있다. 이러한 척추골 배열에서, 각각의 구성요소는 운동형상학적 사슬(kinematic chain)의 짧은 링크이고, 각각의 링크 사이의 가동 기계적 제약들(예컨대 핀 힌지, 컵 앤 볼, 라이브 힌지 및 이와 유사한 것)은 링크들 사이에서의 상대적인 움직임에 관한 1 자유도(예컨대 피치) 또는 2 자유도(예컨대 피치와 요)를 허용할 수 있다. 짧은 가요성 부분은, 그 자체가 몇개의 결합된 링크들로 만들어진 운동형상학적 사슬일지라도, 운동형상학적 사슬의 2개의 링크들 사이에서 하나 이상의 자유도를 제공하는 단일의 기계적 제약(조인트)으로 서비스제공하거나 이와 같이 모형화될 수 있다. 부분의 가요성이 그 강성(stiffness)의 관점에서 표현될 수 있다는 점을 통상의 기술자라면 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 이와 달리 언급되어 있지 않는 한, 기계적 구조, 구성요소 또는 구성요소 조립체와 같은 가요성 부분은 능동적 가요성이거나 피동적 가요성일 수 있다. 능동적 가요성 부분은 부분 그 자체와 본질적으로 관련된 힘들을 이용함으로써 구부러질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 텐던(tendon)들은 부분을 따라 길이방향으로 라우팅되어(routed) 부분의 길이방향 축으로부터 오프셋되어 있을 수 있어서, 하나 이상의 텐던들 상의 텐션은 부분이나 부분의 일부가 구부러지게 한다. 능동적 가요성 부분을 능동적으로 구부리는 다른 방식들은 공압식 또는 유압식 동력, 기어, 전기활성 폴리머(더욱 일반적으로는 "인공 근육") 및 이와 유사한 것의 사용을 제한없이 포함한다. 피동적 가요성 부분은 부분의 외부의 힘(예컨대 가해지는 기계적 또는 전자기적 힘)을 이용하여 구부러진다. 피동적 가요성 부분은 다시 구부러질 때까지 그 구부러진 형상으로 남아있을 수 있고, 또는 부분을 원래 형상으로 복원시키려는 경향이 있는 본질적인 특성을 가질 수 있다. 본질적인 강성을 가지는 피동적 가요성 부분의 예시는 플라스틱 막대 또는 탄력적인 고무 튜브이다. 능동적 가요성 부분은 그 본질적으로 관련된 힘들에 의해 작동되지 않는 경우 피동적으로 가요성일 수 있다. 단일 부분은 일련의 하나 이상의 능동적 가요성 부분과 피동적 가요성 부분으로 만들어질 수 있다.
원격조작 수술 시스템의 일 예시는, 캘리포니아 서니베일 소재의 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드(Intuitive Surgical, Inc.)에 의해 상용화된 다빈치(da Vinci®) 수술 시스템이다. 본 발명의 양태들은 컴퓨터 보조 원격조작 수술 시스템들과 관련되어 있다. 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 양태들이 수동식 내지 컴퓨터 보조식 실시예들과 구현예들의 컴퓨터 보조식 내지 하이브리드 조합들을 포함하는 여러 가지 방식들로 구체화되고 구현될 수 있다는 점을 통상의 기술자라면 알 수 있을 것이다. 적용가능한 바와 같이, 본 발명의 양태들은 상대적으로 더 작은 휴대용 수동 조작식 장치들과, 추가적인 기계적 지원을 받는 상대적으로 더 큰 시스템들에서 뿐만 아니라, 컴퓨터 보조 원격 조작 의료 장치들의 다른 실시예들에서 구체화되고 구현될 수 있다. 추가로, 본 발명의 양태들은 원격조작식 동작보다는 자율 동작을 포함하는 컴퓨터 보조 수술 시스템들에서의 진전과 관련되어 있어서, 원격조작 수술 시스템과 자율 수술 시스템 양자 모두가 포함되어 있는데, 이는 본 명세서가 원격조작 시스템들에 집중하고 있더라고 그러하다.
컴퓨터는 처리되는 출력 정보를 만들어내는 입력 정보에 관한 수학적인 함수나 논리 함수를 수행하는 프로그램된 지시들을 따르는 기계이다. 컴퓨터는 수학적인 함수나 논리 함수를 수행하는 논리 연산장치(logic unit), 및 프로그램된 지시들, 입력 정보 및 출력 정보를 저장하는 메모리를 포함한다. "컴퓨터"라는 용어, 및 "프로세서" 또는 "컨트롤러"와 같은 유사한 용어들은 단일 위치와 분산되어 있는 구현예들 양자 모두를 내포하고 있다.
본 발명은 개선된 수술 장치와 원격수술 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 컨셉은, 복수의 수술 툴들 또는 기구들이 수술 절차 동안 관련된 복수의 원격조작 매니퓰레이터들 상에 장착되어 관련된 복수의 로봇 매니퓰레이터들에 의해 움직이게 되는 원격수술 시스템들과의 이용에 특히 유리하다. 원격조작 수술 시스템들은 종종 마스터-슬레이브 컨트롤러(master-slave controller)로서 구성되어 있는 프로세서를 포함하는 원격로봇 시스템, 원격수술 시스템 및/또는 원격현장감 시스템을 구비할 수 있다. 비교적 많은 수의 자유도를 가지는 관절운동식 링크장치들로 매니퓰레이터 어셈블리를 움직이도록 적절하게 구성되어 있는 프로세서들을 채택하는 원격조작 수술 시스템을 제공함으로써, 링크장치들의 동작은 최소 침습 접근 부위를 통한 작업을 위하여 맞춤제작될 수 있다. 많은 수의 자유도는 또한 이러한 움직이는 구조들 및 이와 유사한 것들 사이에서의 충돌이나 간섭을 방지하기 위하여 프로세서가 매니퓰레이터를 위치조정하는 것을 허용할 수 있다.
"로봇 어셈블리(robotic assembly)"라는 용어가 그 위에 장착되는 툴이 없는 매니퓰레이터를 내포하고 있을 수도 있더라도, 본 명세서에 기술되어 있는 로봇 매니퓰레이터 어셈블리는 원격조작 매니퓰레이터 및 그 위에 장착되는 툴(툴은 종종 수술 버전들에 맞는 수술 기구를 구비함)을 종종 포함할 수 있다. "툴(tool)"이라는 용어는 범용 로봇 툴이나 산업용 로봇 툴과 전문 로봇 수술 기구들 양자 모두를 내포하고 있는데, 이러한 후자의 구조들은 종종 조직의 조종, 조직의 치료, 조직의 촬상 또는 이와 유사한 것에 적합한 엔드 이펙터를 포함한다. 툴/매니퓰레이터 인터페이스는 종종 툴과 대체 툴의 신속한 제거와 교체를 허용하는 쾌속 접속해제 툴 홀더 또는 결합수단일 수 있다. 매니퓰레이터 어셈블리는 종종 원격수술 절차의 적어도 일부 동안 공간 안에 고정되어 있는 베이스를 가질 수 있고, 매니퓰레이터 어셈블리는 툴의 엔드 이펙터와 베이스 사이에서 다자유도를 포함할 수 있다. (전기수술 패들이나 이와 유사한 것을 에너지공급하는 그립 장치(gripping device)의 죠들의 개방과 폐쇄와 같은) 엔드 이펙터의 작동은 종종 이러한 매니퓰레이터 어셈블리 자유도에 추가되거나 이와 별개일 수 있다.
엔드 이펙터는 2자유도 내지 6자유도로 작업공간 안에서 통상적으로 움직일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "포지션(position)"이라는 용어는 위치와 배향 양자 모두를 내포하고 있다. 그러므로, (예컨대) 엔드 이펙터의 포지션에서의 변화는 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 엔드 이펙터의 병진운동, 제 1 배향으로부터 제 2 배향으로의 엔드 이펙터의 회전운동, 또는 이들 양자 모두의 조합을 수반할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "엔드 이펙터(end effector)"라는 용어는, 그 최원위 부분 또는 부분들(예컨대 죠(들) 및 이와 유사한 것)의 포지션이나 배향을 변경시키는 기능(예컨대 "리스트(wrist)" 기능, 평행 동작 기능)을 포함하지만 이 기능으로 제한되는 것은 아니다.
최소 침습 원격조작 수술을 위하여 사용되는 경우, 매니퓰레이터 어셈블리의 움직임은 시스템의 프로세서에 의해 제어될 수 있어서, 기구나 툴의 샤프트 또는 중간 부분은 최소 침습 수술 접근 부위 또는 다른 구멍을 통한 안전 동작으로 제약받는다. 이러한 동작은, 예컨대 구멍 부위를 통한 샤프트의 축방향 삽입, 그 축을 중심으로 하는 샤프트의 회전, 및 접근 부위에 인접한 피벗 포인트를 중심으로 하는 샤프트의 피벗 운동을 포함할 수 있지만, 이와 달리 구멍에 인접한 조직을 파열하거나 접근 부위를 부주의로 확대시킬 수 있는 샤프트의 과도한 측면방향 동작을 종종 배제할 수 있다. 접근 부위에서의 매니퓰레이터 동작에 관한 이러한 제약 중 일부나 전부는 부적절한 동작들을 방지하는 기계식 매니퓰레이터 조인트 링크장치들을 이용하여 부과될 수 있고, 또는 로봇 데이터 처리 및 제어 기법들을 전체적으로 이용하거나 부분적으로 이용하여 부과될 수 있다. 그러므로, 매니퓰레이터 어셈블리의 이러한 최소 침습 구멍 제약 동작은 매니퓰레이터 어셈블리의 0자유도 내지 3자유도를 채택할 수 있다.
본 명세서에 기술되어 있는 예시적인 매니퓰레이터 어셈블리들 중 대부분은 수술 부위 내부에서 엔드 이펙터를 움직이고 위치조정하는데 요구되는 것보다 더 많은 자유도를 가질 수 있다. 예를 들어, 최소 침습 구멍을 통한 체내 수술 부위에서 6자유도로 위치조정될 수 있는 수술용 엔드 이펙터는 일부 실시예들에서 9자유도(엔드 이펙터 6자유도, 즉 위치를 위한 3자유도와 배향을 위한 3자유도, 더하기 접근 부위 제약들과 부합하는 3자유도)를 가지지만, 종종 10 또는 그 이상의 자유도를 가질 수 있다. 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위하여 요구되는 것보다 더 많은 자유도를 가지는 고도로 구성가능한 매니퓰레이터 어셈블리들은 작업공간에서의 엔드 이펙터 포지션을 위하여 일정 범위의 조인트 상태들을 허용하는 충분한 자유도를 가지거나 제공하는 것으로 기술될 수 있다. 예를 들어, 주어진 엔드 이펙터 포지션을 위하여, 매니퓰레이터 어셈블리는 일정 범위의 대체 매니퓰레이터 링크장치 포지션들 중 임의의 것을 차지할 수 있다(그리고 그 사이에서 구동될 수 있음). 이와 유사하게, 주어진 엔드 이펙터 속도 벡터를 위하여, 매니퓰레이터 어셈블리는 매니퓰레이터 어셈블리의 여러 가지 조인트들을 위하여 일정 범위의 상이한 조인트 움직임 스피드들을 가질 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, (본 명세서에서 "최소 침습 로봇 수술(minimally invasive robotic surgery)"로 지칭되는 바와 같이) 최소 침습 컴퓨터 보조 원격수술을 위한 시스템들은 환자 측 유닛(100) 및 의사 제어 유닛(40)을 포함할 수 있다. 원격수술은, 의사가 수술 기구들을 손으로 직접 잡고 움직이는 것이 아니라 로봇 기술을 이용하여 수술 기구 움직임을 조종하는 원격 제어의 일부 형태, 예컨대 서보메커니즘 또는 이와 유사한 것을 이용하는 수술 시스템들을 위한 일반적인 용어이다. 로봇으로 조종가능한 수술 기구들은 환자 내부의 수술 부위들에 있는 조직들을 치료하기 위해서 작은 최소 침습 수술 구멍들을 통해 삽입될 수 있고, 개복 수술을 위한 접근과 관련되어 있는 트라우마를 피할 수 있다. 이러한 로봇 시스템들은, 종종 최소 침습 구멍에서의 수술 기구들의 샤프트들의 피벗운동, 상기 구멍을 통한 샤프트의 축방향 슬라이딩운동, 상기 구멍 내부에서의 샤프트의 회전운동 및/또는 이와 유사한 것에 의해 상당히 복잡한 수술 과업들을 수행하기에 충분한 숙련도로 수술 기구들의 작업 단부들을 움직일 수 있다.
도시된 실시예에서, 환자 측 유닛(100)은 베이스(110), 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120), 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(130), 제 3 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(140) 및 제 4 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(150)를 포함한다. 나타나 있는 바와 같이, 베이스(110)는 바닥 상에 안착하는 부분, 수직방향 칼럼 및 수평방향 붐을 포함하고, 환자 측 유닛을 기계적으로 접지하는 다른 베이스 구성들은 선택사항으로 사용될 수 있다. 각각의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120, 130, 140, 150)는 베이스(110)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 일부 실시예들에서, 4개 미만의 또는 4개 이상의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 환자 측 유닛(100)의 일부로서 포함될 수 있다. 도시된 실시예에서 베이스(110)는 용이한 가동성을 허용하는 캐스터(caster)들을 포함하는 한편, 일부 실시예들에서 환자 측 유닛(100)은 바닥, 천정, 수술대, 구조적 프레임워크(structual framework) 또는 이와 유사한 것에 고정되게 장착된다.
통상적인 적용처에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150) 중 2개는 수술 기구들을 잡고, 세번째는 입체 내시경을 잡는다. 남아있는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 이용가능해서, 다른 기구가 작업 부위에서 도입될 수 있다. 이를 대신하여, 남아있는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리는 제 2 내시경, 또는 초음파 변환기(ultrasound tranducer)와 같은 다른 이미지 캡처 장치를 작업 부위로 도입하기 위하여 사용될 수 있다.
각각의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은, 종래에는 함께 결합되어 작동가능한 조인트들을 통해 조종되는 링크들로 형성되었다. 각각의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 셋업 아암과 디바이스 매니퓰레이터를 포함한다. 셋업 아암은 그 잡혀 있는 장치를 위치조정해서, 피벗 포인트는 환자 속으로의 그 진입 구멍에서 생긴다. 디바이스 매니퓰레이터는 이때 그 잡혀 있는 장치(툴; 수술 기구)를 조종할 수 있어서, 피벗 포인트를 중심으로 피벗운동될 수 있고, 진입 구멍 속으로 삽입되거나 진입 구멍 밖으로 꺼내질 수 있고, 그리고 그 샤프트 축을 중심으로 회전운동될 수 있다.
도시된 실시예들에서, 의사 콘솔(40)은 입체 시각 디스플레이(45)를 포함해서, 사용자는 환자 측 카트(100)의 입체 카메라에 의해 캡처되는 이미지들로부터의 입체 시각으로 수술 작업 부위를 관찰할 수 있다. 좌측 접안렌즈(46)와 우측 접안렌즈(47)는 입체 시각 디스플레이(45)에 제공되어 있어서, 사용자는 사용자의 좌안과 우안으로 각각 디스플레이(45) 안쪽의 좌측 디스플레이 스크린과 우측 디스플레이 스크린을 관찰할 수 있다. 통상적으로 적합한 뷰어 또는 디스플레이 상에서 수술 부위의 이미지를 관찰하는 동안, 의사는 차례로 로봇 기구들의 동작을 제어하는 마스터 제어 입력 장치들을 조종함으로써 환자에 대한 수술 절차들을 수행한다.
의사 콘솔(40)은 또한, 바람직하게는 6자유도("DOF")로 환자 측 카트(100)의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)에 의해 잡혀 있는 장치들(예컨대 수술 기구들)을 조종하기 위해서 사용자가 그의/그녀의 왼쪽 손과 오른쪽 손으로 각각 파지할 수 있는 좌측 입력 장치(41)와 우측 입력 장치(42)를 포함한다. 토 앤드 힐(toe and heel) 제어수단들이 있는 풋 페달(44)들은 의사 콘솔(40) 상에 제공되어 있어서, 사용자는 풋 페달들과 관련된 장치들의 움직임 및/또는 작동을 제어할 수 있다. 시스템에 대한 추가적인 입력은 입력수단(49)으로 도시되어 있는 바와 같이 버튼, 터치 패드, 음성 및 이와 유사한 것과 같은 하나 이상의 다른 입력수단들을 통해서 행해질 수 있다.
프로세서(43)는 제어 및 다른 목적을 위하여 수술 콘솔(40)에 제공되어 있다. 프로세서(43)는 의료용 로봇 시스템에서 여러 가지 기능들을 수행한다. 프로세서(43)에 의해 수행되는 한가지 기능은 그 관련된 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)에서 그 각각의 조인트들을 작동시키기 위해서 입력 장치들(41, 42)을 병진운동시키고 입력 장치들(41, 42)의 기계적 동작을 전달하는 것이어서, 의사는 수술 기구들과 같은 장치들을 효과적으로 조종할 수 있다. 프로세서(43)의 다른 기능은 방법들, 교차 결합(cross-coupling) 제어 논리, 및 본 명세서에 기술되어 있는 컨트롤러들을 구현하는 것이다.
프로세서로서 기술되어 있더라도, 프로세서(43)가 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다는 점을 알 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같은 그 기능들은 하나의 유닛에 의해 수행되거나 다수의 서브유닛들 중에서 분할될 수 있는데, 각각의 서브유닛들은 차례로 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 나아가, 의사 제어 유닛(40)에 대해 물리적으로 인접해 있거나 그 부분으로서 나타나 있더라도, 프로세서(43)는 원격수술 시스템 전체에 걸쳐 서브유닛들로서 분산될 수도 있다. 따라서, 본 명세서에서 지칭되는 제어 양태들은 집중된 형태나 분산된 형태로 프로세서(43)를 통해서 구현되어 있다.
또한 도 3을 참조하면, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 최소 침습 수술을 수행하기 위해서 수술 기구들과 같은 장치들을 조종할 수 있다. 예를 들어, 도시된 배열에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120)는 기구 홀더(122)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 캐뉼라(180)와 수술 기구(200)는 차례로 기구 홀더(122)에 해제가능하게 결합되어 있다. 캐뉼라(180)는 수술 동안 환자 인터페이스 부위에 위치되어 있는 튜브형 부재이다. 캐뉼라(180)는 수술 기구(200)의 기다란 샤프트(220)가 그 안에서 슬라이딩가능하게 배치되어 있는 루멘을 정의한다. 아래에 더욱 기술되어 있는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 캐뉼라(180)는 체벽 리트랙터 부재(body wall retractor member)가 있는 원위 단부 부분을 포함한다.
기구 홀더(122)는 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120)의 원위 단부에 피벗운동가능하게 결합되어 있다. 일부 실시예들에서, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(120)의 원위 단부와 기구 홀더(122) 사이의 피벗운동가능한 결합수단은 프로세서(43)와 의사 콘솔(40)로부터 작동가능한 모터구동식 조인트(motorized joint)이다.
기구 홀더(122)는 기구 홀더 프레임(124), 캐뉼라 클램프(126) 및 기구 홀더 캐리지(128)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 캐뉼라 클램프(126)는 기구 홀더 프레임(124)의 원위 단부에 고정되어 있다. 캐뉼라 클램프(126)는 캐뉼라(180)와 결합하거나 캐뉼라(180)로부터 결합해제하도록 작동될 수 있다. 기구 홀더 캐리지(128)는 기구 홀더 프레임(124)에 움직일 수 있게 결합되어 있다. 보다 상세하게, 기구 홀더 캐리지(128)는 기구 홀더 프레임(124)을 따라 직선방향으로 병진운동가능하다. 일부 실시예들에서, 기구 홀더 프레임(124)을 따르는 기구 홀더 캐리지(128)의 움직임은 프로세서(43)에 의해 작동가능한/제어가능한 모터구동식 병진 운동이다.
수술 기구(200)는 트랜스미션 어셈블리(210), 기다란 샤프트(220) 및 엔드 이펙터(230)를 포함한다. 트랜스미션 어셈블리(210)는 기구 홀더 캐리지(128)와 해제가능하게 결합가능하다. 샤프트(220)는 트랜스미션 어셈블리(210)로부터 원위방향으로 뻗어 있다. 엔드 이펙터(230)는 샤프트(220)의 원위 단부에 배치되어 있다.
샤프트(220)는, 캐뉼라(180)의 길이방향 축과 일치하는 길이방향 축(222)을 정의한다. 기구 홀더 캐리지(128)가 기구 홀더 프레임(124)을 따라 병진운동함에 따라, 수술 기구(200)의 기다란 샤프트(220)는 길이방향 축(222)을 따라 움직이게 된다. 이러한 방식으로, 엔드 이펙터(230)는 환자의 몸 내부의 수술 작업공간으로 삽입될 수 있고 그리고/또는 그 수술 작업공간으로부터 꺼내질 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 최소 침습 컴퓨터 보조 원격 조작 수술을 위한 다른 예시적인 환자 측 시스템(160)은 수술대(10)에 각각 장착되어 있는 제 1 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(162)와 제 2 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(164)를 포함한다. 일부 경우들에서, 환자 측 시스템(160)의 이러한 구성은 도 1의 환자 측 유닛(100)의 대체예로서 이용될 수 있다. 단 2개의 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리(162, 164)가 도시되어 있지만, 2개 이상(예컨대 3개, 4개, 5개, 6개 그리고 6개 이상)이 일부 구성들에 포함될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다.
일부 경우들에서, 수술대(10)는 수술 동안 움직이게 되거나 재구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우들에서, 수술대(10)는 여러 가지 축들에 대하여 기울어져 있거나 상승되어 있거나 하강되어 있거나 피벗운동되어 있거나, 회전되어 있거나 이와 유사하게 되어 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 수술대(10)의 배향을 조종함으로써, 임상의는 강화된 수술 접근을 수월하게 하는 포지션들로 환자의 체내 기관들을 위치조정하기 위해서 중력의 효과를 활용할 수 있다. 일부 경우들에서, 수술대(10)의 이러한 움직임들은 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 일부로서 통합될 수 있고, 이러한 시스템에 의해 제어될 수 있다.
또한 도 5 내지 도 7을 참조하면, 다른 타입들의 다양한 대체 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 기구들과, 상이한 엔드 이펙터(230)들이 사용될 수 있는데, 매니퓰레이터들 중 적어도 일부의 기구들은 수술 절차 동안 제거되거나 교체된다. 예컨대 드베키 포셉(DeBakey Forcep)(56ｉ), 마이크로포셉(microforcep)(56ⅱ) 및 포츠 시저(Potts scissor)(56ⅲ)를 포함하는 이들 엔드 이펙터들 중 몇몇은 한 쌍의 엔드 이펙터 죠들을 정의하도록 서로에 대하여 피벗운동하는 제 1 엔드 이펙터 요소(56a)와 제 2 엔드 이펙터 요소(56b)를 포함한다. 외과도(scalpel)와 전기소작 프로브(electrocautery probe)를 포함하는 다른 엔드 이펙터들은 단일의 엔드 이펙터 요소를 가진다. 엔드 이펙터 죠들을 가지는 기구들에 있어서, 죠(jaw)들은 종종 입력 장치들(41, 42)의 그립 부재들을 압착함으로써 작동될 수 있다.
일부 경우들에서, 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 기구들은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw), 삽입 깊이(insertion depth), 죠들의 개방/폐쇄, 스테이플 전달의 작동, 전기 소작기의 작동 및 이와 유사한 것과 같은 다자유도를 포함한다. 이러한 자유도 중 적어도 일부는 수술 기구가 선별적으로 결합될 수 있는 기구 구동 시스템에 의해 작동될 수 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 기구들은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 파지동작하거나 전단동작하도록 설계된 마주하는 죠들과 같은 개별적으로 움직일 수 있는 2개의 구성요소들이 있는 엔드 이펙터들을 포함한다. 개별적으로 움직일 수 있는 구성요소들 중 두번째 것이 대체로 고정상태로 남아있거나 반대 방식으로 움직이게 됨에 따라 개별적으로 움직일 수 있는 구성요소들 중 첫번째 것이 움직이게 되는 경우, 엔드 이펙터는 파지동작, 전단동작, 해제동작 및 이와 유사한 것을 위하여 개방되거나 폐쇄되는 것과 같은 유용한 동작들을 수행할 수 있다. 2개의 구성요소들이 동일한 방향, 스피드 및 거리로 동시에 움직이게 되는 경우, 그 결과 생기는 동작은 엔드 이펙터에 관한 일정한 타입의 피치 또는 요 움직임이다. 그러므로, 죠들과 같이 개별적으로 움직일 수 있는 2개의 구성요소들이 있는 엔드 이펙터들을 가지는 일부 수술 기구 실시예들에서, 이러한 배열은 2자유도(예컨대 피치 움직임/요 움직임 및 개방 움직임/폐쇄 움직임)를 제공할 수 있다.
기다란 샤프트(220)는 샤프트(220)의 원위 단부와 엔드 이펙터(230)가 (캐뉼라(180)를 지나서) 최소 침습 구멍을 통해, 종종 체벽(예컨대 복벽) 또는 이와 유사한 것을 통해 수술 작업부위 속으로 원위방향으로 삽입되는 것을 허용한다. 일부 경우들에서, 캐뉼라(180)의 원위 단부 상의 체벽 리트랙터 부재는 체벽을 텐트형상화하는데 사용될 수 있고, 이로써 수술 작업공간 크기를 증가시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 수술 작업부위는 가스주입될 수 있고, 환자 내부에서의 엔드 이펙터(230)들의 움직임은 종종 샤프트(220)가 최소 침습 구멍을 통과하는 위치를 중심으로 하는 기구(200)의 피벗운동에 의해 적어도 부분적으로 효과발휘될 수 있다. 환언하자면, 샤프트(220)가 엔드 이펙터(50)의 원하는 움직임을 제공하는데 도움이 되기 위하여 최소 침습 구멍 위치를 통해 뻗어 있도록, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 트랜스미션 어셈블리(210)를 환자의 체외쪽으로 움직일 수 있다. 그러므로, 로봇 매니퓰레이터 아암 어셈블리들(120, 130, 140, 150)은 수술 절차 동안 환자의 체외쪽으로 상당한 움직임을 종종 겪을 수 있다.
도 8을 참조하면, 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 일부로서 사용될 수 있는 예시적인 수술 기구(300)는 개략적으로 도시되어 있다. 수술 기구(300)는 근위(수술 부위로부터 멀어지는 방향) 단부 부분(310), 및 근위 단부 부분(310)으로부터 반대쪽에 있는 원위(수술 부위를 향하는 방향) 단부 부분(320)을 가지는 (샤프트들(220, 640)과 유사한) 기구 샤프트(302)를 포함한다. 수술 기구(300)는 또한 (엔드 이펙터들(230, 650)과 유사한) 엔드 이펙터(330)를 포함한다. 이 개략적인 모식도에서, 엔드 이펙터(330)는 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서 단일의 자유도(즉 엔드 이펙터(330)를 회전식이나 피벗운동식으로 요잉운동(yaw)시키는 자유도)를 가지는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 본 명세서에 기술되어 있는 수술 기구들의 엔드 이펙터(330)가 1자유도 이상의 자유도(예컨대 2자유도, 3자유도, 4자유도, 5자유도, 6자유도 또는 6 이상의 자유도)를 가질 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다. 게다가, 엔드 이펙터(330)의 단일의 자유도의 맥락에서 기술되어 있는 컨셉들이 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템들을 위한 수술 기구(300)나 다른 타입들의 수술 기구들의 다자유도 중 각각의 자유도까지 확장될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다.
예시적인 수술 기구(300)는 또한 제 1 텐셔닝 부재(340), 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350), 제 2 텐셔닝 부재(360) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)를 포함한다. 제 1 텐셔닝 부재(340)는 엔드 이펙터(330)에 결합되어 있고, 기구 샤프트(302)를 따라 뻗어 있으며, 이 경우 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)에서 종료한다. 이와 유사하게, 제 2 텐셔닝 부재(360)는 엔드 이펙터(330)에 결합되어 있고, 기구 샤프트(302)를 따라 뻗어 있으며, 이 경우 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)에서 종료한다. 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)와 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)는 수술 기구의 근위 단부 부분(310)에 움직일 수 있게 결합되어 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)와 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)는 수술 기구의 근위 단부 부분(310)에 슬라이딩가능하게 결합되어 있다.
도시된 실시예는 슬라이딩 액추에이터 맞물림 부재들(350, 370)을 포함하고 있지만, 일부 실시예들에서는 하나 이상의 다른 타입들의 액추에이터 맞물림 부재들이 수술 기구(300)에 포함되어 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 회전가능한 액추에이터 맞물림 부재들이 포함되어 있다. 이러한 회전가능한 액추에이터 맞물림 부재들은 텐셔닝 부재들(340, 360)과 맞물려 있는 캡스턴들이나 풀리들에 결합될 수 있다. 회전가능한 액추에이터 맞물림 부재들의 회전은 대응하는 텐셔닝 부재(340, 360) 상의 텐션을 적용하거나 완화할 수 있다. 따라서, 엔드 이펙터(330)의 움직임들 및 텐셔닝 부재(340, 360)의 텐셔닝은 회전가능한 액추에이터 맞물림 부재들을 통해서 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360) 중 일부나 모든 부분들은 가요성 케이블들(예컨대 제한없이 스트랜드 텅스텐 케이블(stranded tungsten cable)들, 스테인리스 스틸 케이블(stainless steel cable)들 등)을 구비한다. 일부 실시예들에서, 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)는 단일의 연속 케이블 중 상이한 부분들이다. 일부 실시예들에서, 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)는 별개의 케이블들이다. 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)는 추가적으로 또는 이를 대신하여, 이에 제한되는 것은 아니지만, 하이포 튜브(hypo-tube)들과 같은 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.
제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)는 엔드 이펙터(330)에 각각 결합되어 있다. 도시된 실시예에서, 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)는 풀리(332)(캡스턴, 크랭크 아암, 회전식 구동 부재 등일 수 있음)를 통해서 엔드 이펙터(330)에 각각 결합되어 있다. 그러므로, 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)의 근위방향 움직임은 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)를 원위방향으로 움직이고, 엔드 이펙터(330)를 기구 샤프트(302)에 대하여 제 1 방식으로 움직인다. 이와 반대로, 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)의 근위방향 움직임은 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)를 원위방향으로 움직이고, 엔드 이펙터(330)를 기구 샤프트(302)에 대하여 제 2 방식으로 움직인다. 이러한 방식으로, 엔드 이펙터(330)의 원하는 움직임들은 제어되는 방식으로 수월하게 될 수 있다. 게다가, 아래에서 더욱 기술되어 있는 바와 같이, 엔드 이펙터(330)의 움직임들 및/또는 자세는 액추에이터 맞물림 부재들(350, 370)을 이용하여 제어되고 있지만, 텐셔닝 부재들(340, 360)에서의 텐션들은 동시다발적으로 제어될 수 있다. 그 효과로, 수술 기구(300)의 2자유도(예컨대 엔드 이펙터(330) 포지션 및 텐셔닝 부재들(340, 360) 텐션)는 본 명세서에 기술되어 있는 장치들과 방법들에 따라 동시다발적으로 제어될 수 있다.
수술 기구(300)는 여기에서 기구 구동 시스템으로부터 떨어져 있는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션은 수술 기구(300)의 조작 동안 사용되는 텐션보다 더 약할 수 있다. 일부 경우들에서, 수술 기구(300)가 사용 중이 아닌 동안 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 비교적 약한 텐션을 가지는 것이 유리할 수 있다(예컨대 케이블 늘어짐의 가능성을 줄임). 일부 실시예들에서, 수술 기구(300)가 기구 구동 시스템으로부터 떨어져 있는 동안, 프리-로드 텐셔닝 부재들(예컨대 미도시된 스프링)은 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)에 최소한의 텐션을 유지하도록 수술 기구(300) 안에 포함되어 있을 수 있다. 이러한 최소한의 프리-텐셔닝은, 제 1 텐셔닝 부재(340)와 제 2 텐셔닝 부재(360)가 원하는 바와 같이 수술 기구(300) 내부에 배향되어 있는 상태로 남아있는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다.
수술 기구(300)가 단일의 자유도를 가지는 것으로 도시되어 있지만, 이는 단순화된 개략적인 모식도라는 점, 및 수술 기구(300)가 2자유도 이상의 자유도를 가질 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다. (도시된 바와 같이) 수술 기구(300)의 단일의 자유도에 대한 참조사항으로 본 명세서에 기술되어 있는 컨셉들은 본 명세서에 제공되어 있는 수술 기구들의 2자유도 이상의 자유도로 추정될 수 있다. 예를 들어, 엔드 이펙터(330)가 상술된 바와 같이 파지동작하거나 전단동작하도록 설계된 마주하는 죠들과 같은 개별적으로 움직일 수 있는 2개의 구성요소들을 포함하는 경우, 이러한 배열은 2자유도(예컨대 구성요소들이 동시에 움직이게 되는 경우에는 피치 움직임/요 움직임, 그리고 구성요소들이 비동시에 또는 반대 방식으로 움직이게 되는 경우에는 개방 움직임/폐쇄 움직임)를 제공한다. 수술 기구(300)를 참조하여 기술되어 있는 컨셉들을 이러한 엔드 이펙터까지 확장하는 것은, 4개의 액추에이터 맞물림 부재들과 4개의 텐셔닝 부재들이 2자유도를 작동시키게 하는 기구를 초래할 수 있다.
도 9를 참조하면, 수술 기구(300)는 기구 구동 시스템(400)과 선별적으로 결합될 수 있다. 즉, 수술 기구(300)는 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 일부로서의 조작을 위하여 기구 구동 시스템(400)과 결합될 수 있다. 추가적으로, 수술 기구(300)는 (예컨대 다른 타입의 수술 기구에 의한 교체, 수술 기구(300)의 살균 등을 위하여) 기구 구동 시스템(400)으로부터 결합해제될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기구 구동 시스템(400)은 차례로 다른 구조나 베이스에 장착될 수 있는 매니퓰레이터 어셈블리에 장착될 수 있다. 기구 구동 시스템(400)은 일부 경우들에서 매니퓰레이터 어셈블리에 상호교환가능하게 장착될 수 있다. 즉, 일부 실시예들에서, 기구 구동 시스템(400)은 매니퓰레이터 어셈블리로부터 편리한 탈착을 위하여 설계되어 있어서, 다른 기구 구동 시스템과 용이하게 상호교환가능하다. 그러므로, 기구 구동 시스템(400)은 팟(400)으로도 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "팟(pod)"이라는 용어는 매니퓰레이터 어셈블리에 대한 관계에서 일부 기구 구동 시스템들의 상호교환가능한 양태들을 지시하는데, 즉 하나의 팟은 매니퓰레이터 어셈블리로부터 제거될 수 있고, 동일하거나 유사하거나 상이한 구성으로 된 두번째 팟과 교체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기구 구동 시스템(400)은, 기구 구동 시스템(400)이 용이하게 탈착가능하거나 상호교환가능하지 않는 방식으로 매니퓰레이터 어셈블리에 붙어 있다.
일부 실시예들에서, 수술 기구(300)는 기구 구동 시스템(400)과 슬라이딩가능하게 결합가능하다. 즉, 수술 기구(300)는 기구 구동 시스템(400)에 대한 관계에서 원위방향으로 슬라이딩가능하게 뻗게 되거나 근위방향으로 꺼내질 수 있다.
도시된 실시예에서, 기구 구동 시스템(400)은 제 1 액추에이터(410), 제 2 액추에이터(420) 및 샤프트 액추에이터(430)를 포함한다. 제 1 액추에이터(410)는 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)와 해제가능하게 결합가능하다. 그러므로, 제 1 액추에이터(410)는 제 1 텐셔닝 부재(340)에 장력을 유도할 수 있다. 제 2 액추에이터(420)는 제 2 액추에?? 맞물림 부재(370)와 해제가능하게 결합가능하다. 그러므로, 제 2 액추에이터(420)는 제 2 텐셔닝 부재(360)에 장력을 유도할 수 있다. 액추에이터들(410, 420)은 대응하는 액추에이터 맞물림 부재들(350, 370)과 비구속식 맞물림 상태로 나타나 있다. 선택사항으로, 액추에이터들(410, 420)은 래치와 같은 대응하는 액추에이터 맞물림 부재들(350, 370)과 구속식 맞물림 상태에 있다. 구속식 맞물림 상태에서, 2개의 물체들은 (해제가능하게 또는 이와 다른 방법으로) 함께 고정되어 있어서, 하나의 물체가 움직임에 따라, 다른 물체는 대응하여 움직인다. 비구속식 맞물림 상태에서, 2개의 물체들은 함께 고정되어 있지 않아서, 하나의 물체가 다른 것을 향하여 움직이는 경우라면, 다른 물체는 움직이지만, 하나의 물체가 다른 것으로부터 멀어지는 방향으로 움직이는 경우라면, 다른 물체는 움직이지 않을 것이다.
상술되어 있는 바와 같이 수술 기구(300)와, 기구 구동 시스템(400)의 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420) 사이의 배열의 관점에서, 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘의 적절한 조율(concerted modulation)이 그 자유도에서 엔드 이펙터의 제어된 동작을 각각 초래할 수 있다는 점을 생각해 볼 수 있다. 게다가, (아래에 더욱 기술되어 있는 바와 같이) 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션 또한 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘의 적절한 조율에 의해 각각 제어될 수 있다는 점도 생각해 볼 수 있다. 더욱 나아가, 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 가해지는 힘들의 적절한 조율이 엔드 이펙터(330)의 원하는 움직임들도 동시다발적으로 유발하는 동안, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션이 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘의 적절한 조율에 의해 각각 제어될 수 있다는 점도 생각해 볼 수 있다. 더욱 간단히 말하자면, 엔드 이펙터(330)의 움직임들이 원하는 바와 같이 행해지고 있는 동안, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션은 원하는 양의 장력으로 제어될 수 있다. 이러한 개념은 본 명세서에서 "다이내믹 텐션 제어(dynamic tension control)" 또는 "다이내믹 텐션 및 포지션 제어(dynamic tension and position control)"로 지칭될 수 있다.
도 9를 더 참조하면, 기구 구동 시스템(400)은 또한, 비구속식 또는 구속식 맞물림 상태에서 수술 기구 상의 대응하는 샤프트 액추에이터 맞물림 부재와 맞물리는 샤프트 액추에이터(430)를 포함한다. 비구속식 맞물림의 예시는 나타나 있는 바와 같이 샤프트 액추에이터 맞물림 부재로서 작용하는 원위 단부 부분(310)의 일부와의 맞물림이다. 구속식 맞물림의 예시는 아래에 기술되어 있는 바와 같이 래치와의 맞물림이다. 샤프트 액추에이터(430)는 구속식 맞물림과 비구속식 맞물림 양자 모두를 위하여 기구 샤프트(302)와 해제가능하게 결합한다.
일부 실시예들에서, 샤프트 액추에이터(430)는 래치 메커니즘을 이용하여 기구 샤프트(302)와(또는 기구 샤프트(302)에 결합되어 있는 구조에) 해제가능하게 결합한다. 따라서, 이러한 일부 실시예들에서, 샤프트 액추에이터(430)가 기구(300)에 래치고정되어 있는 동안, 샤프트 액추에이터(430)는 기구 구동 시스템(400)에 대한 관계에서 원하는 바와 같이 기구(300)를 원위방향으로 뻗게 하거나 근위방향으로 꺼내기 위해서 원위방향으로 안내되는 힘이나 근위방향으로 안내되는 힘을 가할 수 있다. 샤프트 액추에이터(430)를 기구 샤프트(302)에 결합하기 위한 이러한 래치 메커니즘이 모든 실시예들에서 필요한 것은 아니라는 점을 알 수 있을 것이다. 나아가, 일부 실시예들에서, 샤프트 액추에이터(430)는 원위방향으로 안내되는 힘(즉 근위방향으로 안내되는 힘이 아님)만을 기구(300)에 가하도록 구성되어 있다. 본 명세서에 기술되어 있는 다이내믹 텐션 및 포지션 제어 컨셉들 역시 수행될 수 있지만, 샤프트 액추에이터(430)는 원위방향으로 안내되는 힘만을 기구(300)에 가하도록 구성되어 있다.
액추에이터들(410, 420, 430)은 여러 가지 타입들의 액추에이터들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 액추에이터(410), 제 2 액추에이터(420) 및 샤프트 액추에이터(430)는, 리드 스크루의 나사산에서 너트 부재들을 직선방향으로 구동시키도록 리드 스크루들에 결합되어 있는 전기 모터들을 각각 구비한다. 일부 실시예들에서, 기구 구동 시스템(400)과 조합되어 있는 수술 기구(300)의 전체 어셈블리는 수술 기구(300)의 길이방향 축을 중심으로 하는 롤링 동작과 같은 엔드 이펙터의 원하는 동작을 초래하도록 함께 구동될 수 있다.
또한 도 10을 참조하면, 힘 모식도(500)는 기구 구동 시스템(400)과 조합되어 있는 수술 기구(300)의 조작들과 구조를 추가로 기술하는데 이용될 수 있다. 바디(301)는 수술 기구(300)를 표현한 것이다. 힘(f 1)은 제 1 액추에이터(410)에 의해 제 1 맞물림 부재(350)에 가해지는 힘을 표현한 것이다. 힘(f 2)은 제 2 액추에이터(420)에 의해 제 2 맞물림 부재(370)에 가해지는 힘을 표현한 것이다. 힘(f s)은 샤프트 액추에이터(430)에 의해 기구 샤프트(302)에 가해지는 힘을 표현한 것이다.
힘(f s)은 힘(f 1)과 힘(f 2)에 대해 그 방향이 반대이다. 그러므로, 정력학적 맥락에서, 힘(f s)은 힘(f 1)과 힘(f 2)의 합과 같다. 동역학적(또는 다이내믹(dynamic)) 맥락에서, 힘(f s)이 힘(f 1)과 힘(f 2)의 합보다 더 큰 경우라면, 이후 바디(301)는 힘(f s)의 방향으로 움직일 것이다. 이와 반대로, 힘(f s)이 힘(f 1)과 힘(f 2)의 합보다 더 작은 경우라면, 이후 바디(301)는 힘(f 1)과 힘(f 2)의 방향으로 움직일 것이다.
기구 구동 시스템(400)과 조합되어 있는 수술 기구(300)의 유사한 배열에 대한 힘 모식도(500)에 관하여 상술되어 있는 원리들을 적용하면, 다음에 오는 컨셉들을 생각해 볼 수 있다. 수술 기구(300)가 기구 구동 시스템(400)과 일정한 공간상 관계에 있는 동안(즉 정역학적(또는 스태틱(static)) 맥락에서), 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘들의 합은 샤프트 액추에이터(430)로부터 기구 샤프트(302) 쪽으로 가해지는 힘과 같다. 추가로, 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘들의 합이 샤프트 액추에이터(430)로부터 기구 샤프트(302) 쪽으로 가해지는 힘 보다 더 큰 동안, 수술 기구(300)는 기구 구동 시스템(400)에 대한 관계에서 근위방향으로 움직일 것이다. 더욱 나아가, 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘들의 합이 샤프트 액추에이터(430)로부터 기구 샤프트(302) 쪽으로 가해지는 힘 보다 더 작은 동안, 수술 기구(300)는 기구 구동 시스템(400)에 대한 관계에서 원위방향으로 움직일 것이다.
명확하게도, 기구 구동 시스템(400)에 대한 관계에서 수술 기구(300)의 근위방향 움직임과 원위방향 움직임을 유발하는 액추에이터들(410, 420)로부터의 힘들의 조합들은 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘들의 합을 수반한다. 그러므로, 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘들이 서로 같을 수 있다는 점, 또는 그 합이 수술 기구(300)와 기구 구동 시스템(4700) 사이에서의 원하는 원위방향/근위방향 움직임 및/또는 배향을 초래하기에 적합한 총 양에 해당하는 동안에는 서로 상이할 수 있다는 점을 생각해 볼 수 있다. 예를 들어, 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘들이 서로 상이한 경우에 있어서는, 엔드 이펙터(330)의 움직임이 생길 수 있고, 제 1 액추에이터(410) 및 제 2 액추에이터(420)로부터 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 및 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370) 쪽으로 가해지는 힘들이 서로 같은 경우에 있어서는, 엔드 이펙터(330)가 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서 정지상태에 있을 것이다. 본 명세서에 제공되어 있는 구조 및 조작상 컨셉들을 이용하여, 기구 구동 시스템(400)에 대한 관계에서의 수술 기구(300)의 원위방향 움직임/근위방향 움직임이 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서의 엔드 이펙터(300)의 움직임들과 동시다발적으로 행해질 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다. 게다가, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션이 (예컨대 원하는 장력의 목표 범위 내에 있는) 원하는 수준의 장력으로 유지되고 있는 동안, 이러한 움직임들이 동시다발적으로 행해질 수 있다.
액추에이터(430)에 의해 가해지는 힘이 주요한 가동력일 수 있어서, 기구(330) 삽입 및 인출이 액추에이터(430)에 의해 직접 제어된다는 점, 및 액추에이터(430)가 기구를 삽입하거나 인출할 때 액추에이터들(410, 420)이 텐션 요소들(340, 360)에서의 텐션을 유지하면서 엔드 이펙터(330)의 배향을 유지하거나 변경하기에 충분한 힘을 가한다는 점을 알 수 있을 것이다. 그래서, 일 양태에서, 액추에이터들(410, 420)이 위치가 변함에 따라 텐션 요소들(340, 360) 상의 텐션을 제어하도록 반응하는 동안, 액추에이터(430)는 기구(300)의 삽입 및 인출 위치를 제어한다. 예를 들어, 액추에이터(430)가 기구 샤프트를 삽입하는 힘을 약간 증가시키는 경우, 텐션 요소들(340, 360)에서의 약간의 텐션 증가가 감지되어서, 액추에이터들(410, 420)은 텐션 요소들(340, 360)을 원하는 값으로 되돌리도록 힘을 감소시킨다. 이를 대신하여, 기구(330) 삽입 및 인출은 텐션 요소들(340, 360) 상의 텐션을 제어하도록 적절하게 작업하는 액추에이터들(410, 420, 430)에 의해 제어되고, 이는 차례로 기구(300)의 삽입 및 인출 위치를 제어하고, 이와 동시에 엔드 이펙터(330)의 배향은 텐션 요소들(340, 360) 사이의 상대적인 텐션을 제어하도록 함께 작업하는 액추에이터들(410, 420)에 의해 유지되거나 변경된다. 예를 들어, 액추에이터(430)가 기구 샤프트를 삽입하기 위해서 힘을 약간 증가시키는 경우, 액추에이터들(410, 420)은 이와 동시에 텐션 요소들(340, 360)에서의 텐션을 원하는 값으로 유지하기 위해서 힘을 감소시킨다. 이러한 2개의 텐션 제어 양태들이 반대되는 상황에 적용된다는 점을 알 수 있는데, 반대되는 상황에서는 액추에이터(430)가 텐션 부재들에서의 텐션을 제어하는 상태에서 액추에이터들(410, 420)이 삽입/인출을 위하여 주요한 가동력을 가하도록 함께 동작한다. 그리고, 기구 샤프트가 삽입상태/인출상태에서 움직이게 되는 더욱 복잡한 움직임들에 대해 이러한 텐션 제어 양태들이 적용된다는 점, 및 엔드 이펙터가 1자유도 이상의 자유도로 움직이게 된다는 점을 알 수 있다.
또한 도 11 내지 도 13을 참조하면, 상술되어 있는 컨셉들은 기구 구동 시스템(400)에 대한 관계에서 여러 가지 포지션들에 있는 수술 기구(300)의 도면들을 이용하는 예시들에 의해 더욱 기술될 수 있다.
제 1 예시에서, 제 2 액추에이터(420)에 의해 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)에 가해지는 힘과 비교하여 제 1 액추에이터(410)에 의해 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)에 가해지는 힘을 일시적으로 증가시킴으로써 도 9의 배열은 도 11의 배열로 전이될 수 있는데, 이는 이러한 2개의 힘들의 합이 샤프트 액추에이터(430)에 의해 기구 샤프트(302)에 가해지는 힘과 같게 유지되는 동안 그러하다. 결과적으로, 수술 기구(300)가 기구 구동수단(400)에 대한 관계에서 일정한 공간상 관계에 있도록 유지되는 동안(즉 원위방향 움직임과 근위방향 움직임이 없음), 엔드 이펙터(330)는 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서 움직일 것이다. 이러한 움직임은, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션이 (예컨대 원하는 장력의 목표 범위 내에서) 원하는 수준의 장력으로 유지되고 있는 동안 행해질 수 있다.
제 2 예시에서, 제 2 액추에이터(420)에 의해 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)에 가해지는 힘과 비교하여 제 1 액추에이터(410)에 의해 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)에 가해지는 힘을 일시적으로 증가시킴으로써 도 9의 배열은 도 12의 배열로 전이될 수 있는데, 이는 이러한 2개의 힘들의 합이 샤프트 액추에이터(430)에 의해 기구 샤프트(302)에 가해지는 힘보다 일시적으로 더 작은 동안 그러하다. 결과적으로, 엔드 이펙터(330)는 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서 움직일 것이고, 수술 기구(300)는 기구 구동수단(400)에 대한 관계에서 원위방향으로 뻗어 있을 것이다. 이러한 움직임들은, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션이 (예컨대 원하는 장력의 목표 범위 내에서) 원하는 수준의 장력으로 유지되고 있는 동안 행해질 수 있다.
제 3 예시에서, 제 2 액추에이터(420)에 의해 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)에 가해지는 힘과 비교하여 제 1 액추에이터(410)에 의해 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)에 가해지는 힘을 일시적으로 증가시킴으로써 도 9의 배열은 도 13의 배열로 전이될 수 있는데, 이는 이러한 2개의 힘들의 합이 샤프트 액추에이터(430)에 의해 기구 샤프트(302)에 가해지는 힘보다 일시적으로 더 큰 동안 그러하다. 결과적으로, 엔드 이펙터(330)는 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서 움직일 것이고, 수술 기구(300)는 기구 구동수단(400)에 대한 관계에서 근위방향으로 꺼내질 것이다. 이러한 움직임들은, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션이 (예컨대 원하는 장력의 목표 범위 내에서) 원하는 수준의 장력으로 유지되고 있는 동안 행해질 수 있다.
제 4 예시에서, 제 1 액추에이터(410)에 의해 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)에 가해지는 힘을, 제 2 액추에이터(420)에 의해 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)에 가해지는 힘과 같게 유지시킴으로써 도 9의 배열은 도 13의 배열로 전이될 수 있는데, 이는 이러한 2개의 힘들의 합이 샤프트 액추에이터(430)에 의해 기구 샤프트(302)에 가해지는 힘보다 일시적으로 더 큰 동안 그러하다. 결과적으로, 엔드 이펙터(330)는 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서 움직이지 않을 것이고, 수술 기구(300)는 기구 구동수단(400)에 대한 관계에서 근위방향으로 꺼내질 것이다. 이러한 움직임들은, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션이 (예컨대 원하는 장력의 목표 범위 내에서) 원하는 수준의 장력으로 유지되고 있는 동안 행해질 수 있다.
제 5 예시에서, 제 1 액추에이터(410)에 의해 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350)에 가해지는 힘을, 제 2 액추에이터(420)에 의해 제 2 액추에이터 맞물림 부재(370)에 가해지는 힘과 같게 유지시킴으로써 도 9의 배열은 도 12의 배열로 전이될 수 있는데, 이는 이러한 2개의 힘들의 합이 샤프트 액추에이터(430)에 의해 기구 샤프트(302)에 가해지는 힘보다 일시적으로 더 작은 동안 그러하다. 결과적으로, 엔드 이펙터(330)는 기구 샤프트(302)에 대한 관계에서 움직일 것이고, 수술 기구(300)는 기구 구동수단(400)에 대한 관계에서 원위방향으로 뻗어있을 것이다. 이러한 움직임들은, 제 1 텐셔닝 부재(340)에서의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)에서의 텐션이 (예컨대 원하는 장력의 목표 범위 내에서) 원하는 수준의 장력으로 유지되고 있는 동안 행해질 수 있다.
지금까지는 예시들이, 근위방향 압축력을 대응하는 제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재에 대항하여 가하는 구동 유닛의 제 1 액추에이터와 제 2 액추에이터, 및 원위방향 압축력을 기구 샤프트에 대항하여 가하는 구동 유닛의 샤프트 액추에이터를 도시하고 있다. 그러나, 다른 양태에서, 이러한 힘들의 배향들이 반전되어서, 구동 유닛의 제 1 액추에이터와 제 2 액추에이터는 원위방향 압축력을 그 대응하는 제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재에 대항하여 가하고, 구동 유닛의 샤프트 액추에이터는 근위방향 압축력을 기구 샤프트에 대항하여 가한다. 이 양태에서, 텐셔닝 부재들은 풀리들 위에 라우팅될 수 있어서, 액추에이터 맞물림 부재의 원위방향 움직임은 그 대응하는 텐션 부재에서의 텐션 및 관련된 엔드 이펙터 움직임을 유발한다. 또는, 텐셔닝 부재들은 엔드 이펙터에 결합된 푸시 로드(push rod)들과 같은 압축 부재들과 교체될 수 있어서, 액추에이터 맞물림 부재의 원위방향 움직임은 그 대응하는 압축 부재에서의 압축 및 관련된 엔드 이펙터 움직임을 유발한다.
도 14를 참조하면, 일부 실시예들에서, 액추에이터들(410, 420 및/또는 430)에 의해 수술 기구(300)에 가해지는 힘들은 하나 이상의 힘 탐지 장치들의 사용에 의해 탐지될 수 있다. 이러한 힘 탐지 장치들의 출력(들)은 액추에이터들(410, 420 및/또는 430)을 제어하기 위하여(즉 수술 기구(300)의 움직임들을 제어하도록 그리고/또는 제 1 텐셔닝 부재(340)의 텐션과 제 2 텐셔닝 부재(360)의 텐션을 제어하도록) 사용될 수 있다.
제한없는 제 1 예시에서, 도시된 배열은 제 1 액추에이터(410)와 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 사이의 접점(juncture)이나 그 근처에 배치되어 있는 로드 셀(load cell)(510) 타입의 힘 센서를 포함한다. 다른 예시에서, 도시된 배열은 기구 구동 시스템(400)의 구조적 부재(401)와 제 1 액추에이터(410) 사이의 접속지점 근처에 배치되어 있는 로드 셀(520) 타입의 힘 센서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 기구 구동 시스템(400)은 (즉 매니퓰레이터 어셈블리 상의 장착수단에 대한 관계에서 용이하게 상호교환가능한) 팟일 수 있다.
일부 실시예들에서, 다른 센서들 및/또는 다른 장치들은 액추에이터들(410, 420 및/또는 430)에 의해 수술 기구(300)에 가해지는 힘들을 탐지하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 스트레인 게이지들은 액추에이터 맞물림 부재들, 예컨대 제 1 액추에이터 맞물림 부재(350) 상에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 액추에이터들(410, 420 및/또는 430)의 전기 모터들에 의해 나오는 전류가 측정되어서, 액추에이터들(410, 420 및/또는 430)에 의해 수술 기구(300)에 가해지는 힘들의 표시로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 힘 탐지 장치들과 기법들의 조합이 이용될 수 있다.
도 15 내지 도 18을 참조하여, 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템의 일부로서 사용될 수 있는 예시적인 수술 기구(600)는 근위 단부 부분(610), 기구 샤프트(640) 및 엔드 이펙터(650)를 포함한다. 수술 기구(600)는 상술된 개략적인 모식도들(예컨대 도 8, 도 9 및 도 11 내지 도 14)에 따라 구성되어 있는 수술 기구의 예시이다. 그러므로, 수술 기구(600)는 상술된 개략적인 모식도들에 따라 기능할 수 있다.
기구 샤프트(640)는 근위 단부 부분(610)으로부터 원위방향으로 뻗어 있다. 기구 샤프트(640)는 엔드 이펙터(650)가 결합되는 원위 단부 부분을 포함한다. 기구 샤프트(640)는 수술 기구(600)의 길이방향 축(602)을 정의하는데, 이 축을 따라 기구가 환자 속으로 삽입되거나 환자로부터 인출된다.
본 명세서에 기술되어 있는 수술 기구들의 엔드 이펙터(예컨대 엔드 이펙터(650))들은 임의의 타입의 수술용 엔드 이펙터(예컨대 파지기, 커터, 소작 기구, 스테이플러, 포셉, 카메라 등)일 수 있다. 본 명세서에 기술되어 있는 수술 기구들의 엔드 이펙터(예컨대 엔드 이펙터(650))들은 1자유도 또는 다자유도(예컨대 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 또는 8이상의 자유도)를 가질 수 있다. 게다가, 엔드 이펙터들의 단일의 자유도의 맥락에서 본 명세서에 기술되어 있는 컨셉들이 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템들을 위한 수술 기구(600)나 다른 타입들의 수술 기구들의 다자유도 중 각각의 자유도까지 확장될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다.
도시된 실시예에서, 근위 단부 부분(610)은 핸들(612), (길이방향 축(602)을 따라 동일한 길이방향 위치에서 그룹(630)으로 배치되어 여기에 도시된) 복수의 액추에이터 맞물림 부재들 및 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)를 포함한다. 복수의 액추에이터 맞물림 부재(630)들은 근위 단부 부분(610)에 움직일 수 있게 결합되어 있다. 도시된 실시예에서, 복수의 액추에이터 맞물림 부재(630)들이 길이방향 축(602)에 대해 평행하게 병진운동할 수 있도록, 복수의 액추에이터 맞물림 부재(630)들은 근위 단부 부분(610)에 슬라이딩가능하게 결합되어 있다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 근위 단부 부분(610)에 결합되어 있다. 도시된 실시예에서, 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 근위 단부 부분(610)에 피벗운동가능하게 결합되어 있다.
핸들(612)은 길이방향 축(602)으로부터 반경방향으로 뻗어 있다. 도시된 실시예에서, 핸들(612)은 반경방향으로 가장 멀리 뻗어 있는 전체 수술 기구(600)나 근위 단부 부분(610)의 일부이다. 핸들(612)은 수술 기구(600)의 수동 파지와 조종을 수월하게 하도록 구성되어 있다.
일부 실시예들에서, 핸들(612)은 수술 기구(600)의 타입을 식별하는 식별수단을 포함한다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 핸들(612)은, 수술 기구(600)가 파지 장치인 것으로 도시하는 아이콘(614)에 해당하는 시각적 식별수단을 포함한다. 일부 실시예들에서, 핸들(612)은 수술 기구(600)에 관한 정보를 저장하고 통신하는데 사용될 수 있는 NFC 태그나 RFID 칩과 같은 기계 판독가능 매체를 포함한다. 예를 들어, 수술 기구(600)에 관한 이러한 정보는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 독특한 식별 번호 또는 일련 번호, 기구의 타입, 하나 이상의 수술 절차들을 위하여 기구가 사용되었던 횟수 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 핸들(612)은, 기구 구동 시스템이 기구 구동 시스템에 장착되는 수술 기구(600)의 존재를 감지하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 자석들을 선택사항으로 포함한다.
근위 단부 부분(610)은 복수의 액추에이터 맞물림 부재를 포함한다. 도시된 바와 같이, 액추에이터 맞물림 부재들은 길이방향 축(602)을 따라 공통 길이방향 위치에 그룹(630)으로 배치되어 있다. 선택사항으로, 이러한 부재들은 길이방향 축(602)을 따라 2개 이상의 길이방향 위치들에 있을 수 있어서, 결합된 한 쌍의 제 1 액추에이터 맞물림 부재들은 제 1 길이방향 위치에 있고, 결합된 한 쌍의 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 제 2 길이방향 위치에 있고, 또는 결합된 한 쌍의 각각의 액추에이터 맞물림 부재는 상이한 길이방향 위치에 있다. 액추에이터 맞물림 부재들은 도 8 내지 도 14를 참조하여 상술되어 있는 바와 같이 엔드 이펙터(650)의 대응하는 움직임들과 액추에이터 맞물림 부재들을 구동시키는 액추에이터들과 해제가능하게 맞물리도록 구성되어 있다. 나타나 있는 바와 같이, 각각의 개별적인 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분(610) 안에 있는 대응하는 개별적인 길이방향 슬롯 안에서 길이방향으로 슬라이딩운동한다. 그러나, 다른 선택사항인 양태들에서, 개별적인 액추에이터 맞물림 부재는 상이한 구성(예컨대 레버, 디스크나 기어와 같은 회전 부재, 캠 표면 및 이와 유사한 것)을 가질 수 있다. 나타나 있는 바와 같이, 개별적인 액추에이터 맞물림 부재들은 근위 단부 부분(610)의 외주를 넘어 반경방향으로 약간 바깥쪽을 향하여 뻗어 있어서, 관련된 액추에이터들은 근위 단부 부분(610) 속으로 뻗어 있지 않다. 이를 대신하여, 하나 이상의 개별적인 액추에이터 맞물림 부재들은 근위 단부 부분의 외주까지 뻗어 있지 않거나 이를 넘어 뻗어 있지 않을 수 있어서(예컨대 근위 단부 부분(610)의 약간 안쪽으로 위치조정되어 있음), 손상이 덜하거나 물체에 부딪치지 않는다. 이러한 대체 구성에서, 관련된 액추에이터들은 기구의 액추에이터 맞물림 부재들에 맞물리도록 근위 단부 부분(610) 속으로 약간 뻗어 있다. 액추에이터 맞물림 부재들이 도 8 내지 도 14를 참조하여 기술되어 있는 조작의 원리들과 부합하는 한, 모든 액추에이터 맞물림 부재들은 동일한 구성을 가질 수 있고, 또는 2개 이상의 액추에이터 맞물림 부재 구성들은 단일의 기구에서 사용될 수 있다. 도시된 실시예에는 다음에 오는 예시적인 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)이 포함되어 있다. 더 많거나 더 적은 액추에이터 맞물림 부재들이 일부 실시예들에 포함될 수 있다.
액추에이터 맞물림 부재들, 예컨대 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)은, 기구 샤프트(640)를 따라 뻗어 있으면서 엔드 이펙터(650)에 움직일 수 있게 결합되어 있는 (예컨대 작은 반경 풀리들(예컨대 2-10 mm 스케일) 위에 라우팅될 수 있는 가요성 케이블들, 작은 반경 풀리들 위에 라우팅될 수 없는 반가요성 케이블들, 강성 하이포-튜브들, 풀 로드(pull rod)들 등을 구비하는) 텐셔닝 부재들에 결합되어 있다. 그러므로, 액추에이터 맞물림 부재들의 움직임들은 엔드 이펙터(650)의 움직임들을 초래한다.
일부 경우들에서, 액추에이터 맞물림 부재들은 쌍으로 되어 있으므로(예컨대 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b), 액추에이터 맞물림 부재들(634a, 634b) 및 액추에이터 맞물림 부재들(636a, 636b)), 쌍 중 어느 하나의 액추에이터 맞물림 부재를 움직이는 것은 쌍 중 다른 액추에이터 맞물림 부재의 대응하는 원위방향 움직임을 초래한다. 예를 들어, 액추에이터 맞물림 부재(632a)를 근위방향으로 움직이는 것은 액추에이터 맞물림 부재(632b)의 대응하는 원위방향 움직임을 초래하고, 액추에이터 맞물림 부재(632b)를 근위방향으로 움직이는 것은 액추에이터 맞물림 부재(632a)의 대응하는 원위방향 움직임을 초래한다. 환언하자면, 액추에이터 맞물림 부재 쌍들은 서로에 대해 반대방향으로 움직인다.
수술 기구(600)의 구조가, 가요성 텐셔닝 케이블들에 결합되어 있는 액추에이터 맞물림 부재들(예컨대 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638))을 포함하는 경우, 액추에이터 맞물림 부재들의 원위방향 움직임들이 쌍을 이루는 액추에이터 맞물림 부재의 대응하는 근위방향 움직임 없이도 엔드 이펙터(650)를 움직이지 않을 것이라는 점을 생각해 볼 수 있다. 오히려, 원위방향으로 움직이게 되는 액추에이터 맞물림 부재에 부착되어 있는 가요성 텐셔닝 케이블은 (가요성 텐셔닝 케이블의 제한된 칼럼 강도/강성 때문에) 단순히 늘어진 상태가 될 수도 있을 것이다. 그러므로, 일부 실시예들에서, 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)이 근위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터(650)를 움직이도록 구성되어 있다는 점, 및 원위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터(650)를 움직이지 않도록 구성되어 있다는 점을 말할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 액추에이터 맞물림 부재들(예컨대 다른 액추에이터 맞물림 부재와 쌍으로 되어 있지 않은 액추에이터 맞물림 부재(638))은 엔드 이펙터(650)를 양쪽으로(근위방향으로 그리고 원위방향으로) 움직이도록 구성되어 있다. 즉, 이러한 액추에이터 맞물림 부재들은 선택사항으로, 보우딘 케이블 조작(Bowdin cable operation)과 유사한 방식으로 가요성 또는 반가요성 부재를 구동시키거나, 푸시/풀 로드 조작(push/pull rod operation)과 유사한 방식으로 강성 부재를 구동시킨다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 액추에이터 맞물림 부재(638)는 엔드 이펙터(650)의 블레이드를 조작하도록 구성될 수 있고, 또는 엔드 이펙터(650)가 스테이플러를 포함하는 경우에는 클램프를 조작하도록 구성될 수 있다. 블레이드의 예시에서, 액추에이터 맞물림 부재(638)는 스프링(컷 언더 드라이브(cut under drive), 스프링 백(spring back))에 대해 반대방향으로 작업한다. 스테이플러의 예시에서, 액추에이터 맞물림 부재(638)는, 그립-오픈 액추에이션(grip-open actuation)이 액추에이터 맞물림 부재(638)를 근위방향으로 회전시키는 동안 파이어링 시퀀스(firing sequence)를 구동시키도록 원위방향으로 움직인다.
도 15 내지 도 18을 더욱 참조하면, 수술 기구(600)의 도시된 배열에서, 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)은 수술 기구의 길이방향 축(602)을 따라 동일한 길이방향 위치에서 모두 위치조정되어 있다. 그러나, 수술 기구(600)의 사용 동안, 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)은 수술 기구의 길이방향 축(602)을 따라 여러 가지 길이방향 위치들로 움직이게 된다. 이는 다음에 오는 예시에 의해 추가로 기술되어 있다.
수술 기구(600)가 기구 구동 시스템에 결합되어 있는 경우, 기구 구동 시스템의 액추에이터들은 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)과 해제가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터들은 맞물림을 지시하는 반력이 감지될 때까지 근위방향으로 움직임으로써 액추에이터 맞물림 부재들에 맞물릴 것이다. 쌍을 이루는 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b)을 위하여, 제 1 액추에이터는 액추에이터 맞물림 부재(632a)가 맞물리게 될때 까지 근위방향으로 움직이고, 제 2 액추에이터는 액추에이터 맞물림 부재(632b)가 맞물리게 될때 까지 근위방향으로 움직인다. 제 1 액추에이터와 제 2 액추에이터는 이때 원위 단부 구성요소에 결합되어 있는 대응하는 쌍을 이루는 텐션 부재들에서의 원하는 텐션을 세팅하기 위해서 대응하는 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b)의 길이방향 포지션을 조정할 수 있어서, 모든 슬랙(slack) 또는 백래시(backlash)는 액추에이터 맞물림 부재들과 대응하는 원위 단부 구성요소 사이에 있는 구동 트레인(drive train)으로부터 제거되고, 그리고 액추에이터 맞물림 부재들의 움직임은 대응하는 원위 단부 구성요소의 즉각적인 움직임을 초래한다. 즉, 하나 이상의 기구 구동 시스템 액추에이터들은 대응하는 하나 이상의 기구 액추에이터 맞물림 부재들에 맞물리고, 하나 이상의 액추에이터 맞물림 부재들과 대응하는 기구 원위 단부 구성요소(예컨대 리스트 또는 엔드 이펙터 구성요소) 사이에 있는 하나 이상의 기구 텐션 부재들에서의 (아래에 기술되어 있는 스태틱 프리로드 텐션(static preload tension)에 추가하여 있을 수 있는) 다이내믹 프리로드 텐션(dynamic preload tension)을 세팅한다.
이후, (예컨대 도 2의 의사 콘솔(40)로부터의) 입력에 응답하여, 기구 구동 시스템의 액추에이터들은 엔드 이펙터(650)나 다른 원위 단부 구성요소의 원하는 움직임들을 개시하기 위해서 액추에이터 맞물림 부재들(예컨대 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a 및/또는 636b)) 중 일부나 전부를 근위방향으로 대응하여 움직인다. 예를 들어, 쌍을 이루는 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b)을 위하여, 기구 구동 시스템의 제 1 액추에이터는 액추에이터 맞물림 부재(632a)를 근위방향으로 움직일 수 있다. 액추에이터 맞물림 부재(632a)의 근위방향 움직임과 적절하게, 기구 구동 시스템의 제 2 액추에이터는 액추에이터 맞물림 부재의 원위방향 움직임을 저지할 수 있으므로, 액추에이터 맞물림 부재(632b)의 대응하는 텐션 부재 상에 텐션을 유지하지만, 여전히 액추에이터 맞물림 부재(632b)가 원위방향으로 움직이는 것을 허용한다. 액추에이터 맞물림 부재(632b)의 원위방향 움직임에 대한 제 2 액추에이터의 저항력은 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b)에 대응하는 텐셔닝 부재들에서의 원하는 텐션들을 유지하도록 조율된다. 이러한 조작은 도 8 내지 도 14를 참조하여 상술되어 있는 다이내믹 텐셔닝 컨셉들에 따라 수행된다.
일 양태에서, 제어 시스템은, 텐션 부재들이 대응하는 엔드 이펙터들을 움직임에 따라 각각의 쌍을 이루는 텐션 부재들에서의 텐션을 같게 되도록 제어한다. 그러나, 다른 양태에서, 제어 시스템은, 로딩된(loaded) 텐션 부재에 필요한 로드 힘(load force)을 유발하도록 그리고 로딩되지 않은(non-loaded) 텐션 부재에 최소 텐션을 유지하도록 텐션 부재들에서의 텐션을 제어한다.
예시에 의해 이러한 차등적인 힘 양태를 설명하기 위하여, 쌍을 이루는 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b)을 생각해 볼 수 있다. 그 관련된 엔드 이펙터가, 움직이지 않으면서 로드를 겪지 않는 중립 포지션(예컨대 기구의 길이방향 축 상에 집중되어 있되 다른 물체와는 맞물려 있지 않음)에 있는 경우, 제어 시스템은 같은 힘이 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b)에 가해지게 할 수 있다. 이러한 같은 힘은 효과적인 제어를 위하여 액추에이터 맞물림 부재들과 엔드 이펙터 사이의 텐션 부재 접속지점들로부터 백래시를 제거하는데 필요한 최소 힘이거나 그 힘 이상이다. 그러나, 이러한 같은 힘은 기계적 마모를 초래하는 텐션 로드들과 마찰을 줄이도록 낮은 상태로 유지된다.
관련된 엔드 이펙터를 움직이기 위하여, 제어 시스템은 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b)을 반대 방향으로 움직인다. 액추에이터 맞물림 부재(632a)의 근위방향 동작에 의해 유발되는 엔드 이펙터 움직임은 저지되지 않을 수 있고(예컨대 엔드 이펙터가 자유롭게 움직임), 또는 저지될 수 있다(예컨대 엔드 이펙터가, 파지 중인 다른 죠에 대항하여 움직이는 죠와 같이 엔드 이펙터의 다른 부분이나 조직에 대항하여 움직임). 구동 트레인에서의 마찰은, 효과적인 제어 하에 있는 엔드 이펙터를 중립 포지션에 유지하는데 필요한 것보다 더 큰 힘이 액추에이터 맞물림 부재(632a)에 가해질 것을 필요로 하는 로드(load)를 유발할 수도 있다. 따라서, 액추에이터 맞물림 부재(632a)와 관련된 액추에이터는, 대응하는 엔드 이펙터를 계속해서 움직이거나 대응하는 엔드 이펙터의 힘을 저항력에 대항하게 유지하기 위해서 액추에이터 맞물림 부재(632)에 대항하는 그 힘을 증가시켜야만 한다. 그러나, 이러한 상황에서, 쌍을 이루는 액추에이터 맞물림 부재(632b)와 관련된 액추에이터가 액추에이터 맞물림 부재(632a) 상에 가해지는 힘과 동일한 힘을 액추에이터 맞물림 부재(632b) 상에 가할 필요가 없다. 이때 요구되는 것은, 액추에이터 맞물림 부재(632b) 상에 가해지는 힘이 풀리를 남겨두는 것에 의한 것과 같이 관련된 텐션 부재를 슬랙이 진행하지 못하게 하거나 그 경로로부터 이탈하지 못하게 하는데 필요한 최소 문턱값이거나 그 이상이어야 한다는 점이다.
추가 도시에서와 같이, 제어 시스템이 대응하는 엔드 이펙터에서 최대 힘을 만들어내기 위하여(예컨대 가능성있는 최대 엔드 이펙터 파지력을 만들어내기 위하여) 액추에이터 맞물림 부재(632a)가 그 관련된 구동 유닛 액추에이터로부터 허용가능한 최대 힘을 수용하게 하는 경우라면, 이때 제어 시스템은 액추에이터 맞물림 부재(632b)가 그 관련된 텐션 부재가 슬랙이 진행되지 않으면서 그 적합한 라우팅으로부터 맞물림해제되지 않는 것을 보장하는데 필요한 최소 힘만을 수용하게 하거나 액추에이터 맞물림 부재(632a)에 가해지는 힘과 최소 힘 사이의 힘을 수용하게 할 수 있다. 그리고, 이러한 양태가 액추에이터 맞물림 부재(632a)에 가해지는 최대 힘을 적용하더라도, 액추에이터 맞물림 부재(632b)에 대항하는 힘에 의해 유발되는 상반되는 텐션이 다시 최소화되도록 작은 힘들이 가해지는 경우도 제공한다. 엔드 이펙터가 반대 방향으로 움직이게 될 경우라면, 필요한 로드 힘이 액추에이터 맞물림 부재(632b)에 대항하여 가해진다는 점, 및 필요한 텐션 유지력이 액추에이터 맞물림 부재(632a)에 대항하여 가해진다는 점을 알 수 있을 것이다. 임의의 불필요한 압축력이 줄어들거나 최소화되도록 텐션을 대신하여 엔드 이펙터를 움직이는데 압축이 사용되는 경우라면, 이러한 차등적인 힘 양태가 적용된다는 점도 알 수 있을 것이다.
수술 기구(600)의 일부 실시예들에서, 수술 기구(600)가 기구 구동 시스템-스태틱 프리로드 텐션으로부터 떨어져 있는 동안, 프리-로드 텐셔닝 부재들(예컨대 스프링(633)들)은 텐셔닝 부재들에서의 최소한의 텐션을 유지하도록 포함되어 있을 수 있다. 이러한 최소한의 프리-텐셔닝은, 텐셔닝 부재들이 원하는 바와 같이 수술 기구 내부에서 배향되어 있으면서 라우팅되어 있는 상태로 남아있는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다. 도시된 실시예에서, 압축 스프링(633)들은, 수술 기구(600)가 기구 구동 시스템으로부터 떨어져 있는 동안 텐셔닝 부재에서의 텐션을 유지하기 위해서 근위방향으로 안내되는 힘을 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)에 가한다. 일부 실시예들에서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 근위 단부 부분(610)이나 샤프트(640)의 일부로서 생성되는 휨부재(flexure), 텐션 스프링, 토션 스프링, 리프 스프링 및 이와 유사한 것과 같은 다른 타입의 프리-로드 텐셔닝 부재들이 사용될 수 있다. 나아가, 텐셔닝 부재들 대신 압축 부재들을 통합하고 있는 실시예들에서, 이러한 프리-로드 텐셔닝 부재들과 유사한 프리-로드 압축 부재들은 액추에이터 맞물림 부재들과 엔드 이펙터 사이에 있는 구동 트레인들 안에 기계적 백래시를 없애는데 사용될 수 있다.
또한 도 15 내지 도 18을 참조하면, 근위 단부 부분(610)은 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)를 포함한다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 근위 단부 부분(610)을 기구 구동 시스템의 액추에이터에 해제가능하게 결합하기 위하여 사용된다. 기구 샤프트(640)가 근위 단부 부분(610)에 단단하게 결합되어 있기 때문에, 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620) 또한 기구 샤프트(640)를 기구 구동 시스템의 액추에이터에 해제가능하게 결합한다. 액추에이터를 근위 단부 부분(610)과 기구 샤프트(640)에 결합하기 위해서 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)를 사용하는 컨셉은 개략적인 모식도와 그 설명에 의해(예컨대 기구 샤프트(302)와 해제가능하게 결합할 수 있는 샤프트 액추에이터(430)를 포함하는 도 9에 의해) 위에 소개되어 있다. 그러므로, 기구 구동 시스템의 액추에이터와 결합되는 경우의 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 전체적인 수술 기구(600)를 기구 구동 시스템에 대한 관계에서 근위방향으로 그리고/또는 원위방향으로 움직이기 위하여 사용된다. 추가로(도 10의 힘 모식도를 참조하여 기술되어 있는 바와 같이), 기구 구동 시스템의 액추에이터와 결합되어 있는 경우의 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 액추에이터들에 의해 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)에 가해지는 근위방향으로 안내되는 힘들을 밸런스조정하기 위하여 사용된다.
도시된 실시예에서, 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)은 기구 구동 시스템의 액추에이터들로부터 근위방향으로 안내되는 힘들을 수용하도록 구성되어 있지만, 기구 구동 시스템의 액추에이터들로부터 원위방향으로 안내되는 힘들을 수용하도록 구성되어 있지 않다. 환언하자면, 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)은 기구 구동 시스템의 액추에이터들에 대해 구속되지 않는다(이러한 액추에이터들과 움직일 수 없게 결합되지 않음; 비구속식 맞물림). 달리 말하자면, 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)은 대응하는 액추에이터로부터 근위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터(650)의 움직임을 직접 수월하게 하도록(유발하도록) 각각 구성되어 있고, 대응하는 액추에이터로부터 원위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 엔드 이펙터(650)의 움직임을 직접 수월하게 하도록 각각 구성되어 있지 않다. 대조적으로, 도시된 실시예에서, 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 근위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 전체적인 수술 기구(600)의 움직임을 근위방향으로 직접 수월하게 하도록 구성되어 있고, 원위방향으로 안내되는 힘을 수용하는 것에 응답하여 전체적인 수술 기구(600)의 움직임을 원위방향으로 직접 수월하게 하도록 구성되어 있다. 이러한 경우는, 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)가 기구 구동 시스템의 액추에이터에 대해 해제가능하게 구속되도록 구성되어 있기 때문이다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 근위 단부 부분(610)과 기구 샤프트(640)를 기구 구동 시스템의 액추에이터에 대해 해제가능하게 구속하는데 사용될 수 있는 래치 메커니즘이다. 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)를 위한 래치 메커니즘의 사용이 모든 실시예들에서 요구되는 것은 아니라는 점, 및 여러 가지 위치들에서의 다른 적합한 결합 메커니즘들이 이용될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다.
나아가, 일부 실시예들에서, 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)는 기구 구동 시스템이 원위방향으로 안내되는 힘들(즉 근위방향으로 안내되는 힘들이 아님)을 수술 기구(600)에만 가하도록 구성되어 있다. 본 명세서에 기술되어 있는 다이내믹 텐션 및 포지션 제어 컨셉들은, 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재(620)가 원위방향으로 안내되는 힘만을 수용하도록 구성되어 있는 이러한 경우에도 수행될 수 있다. 이 양태에서, 기구의 샤프트 액추에이터 맞물림 부재 상에서 원위방향으로 안내되는 힘은 기구의 액추에이터 맞물림 부재들 상에서 근위방향으로 안내되는 힘들과 밸런스조정된다.
특히 도 18을 참조하면, 일부 실시예들에서, 수술 기구(600)는 하나 이상의 커넥터들 또는 접촉수단들로 에너지(예컨대 소작을 위한 에너지)를 엔드 이펙터(650)에 입력하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 수술 기구는 단극(monopolar) RF, 쌍극(bi-polar) RF 또는 다른 에너지 형태를 이용하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 커넥터들은 핸들(612)의 근위 영역(613) 상에 위치되어 있다. 이러한 위치는 하나 이상의 커넥터들이 에너지를 공급하는 하나 이상의 케이블들과의 접속을 위하여 용이하게 접근가능한 것을 허용할 수 있다. 이러한 위치는 또한, 수술 기구(600)가 기구 구동 시스템과 결합되어 있는 동안, 접속지점들이 만들어지는 것 및/또는 접속해제되는 것을 허용할 수 있다.
도 19를 참조하면, 수술 기구(600)는 수술 기구(600)를 수용하도록 구성되어 있는 공간의 길이방향 축(702)을 정의하는 호환가능한 기구 구동 시스템(700)(팟(700)으로도 지칭됨)과 선별적으로 결합될 수 있다. 컴퓨터 보조 원격 조작 수술을 위한 통상적인 구현예에 따르면, 기구 구동 시스템(700)은 다자유도로 매니퓰레이터 어셈블리(800)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 팟(700)이 다른 팟과 편리하게 상호교환될 수 있도록, 팟(700)은 매니퓰레이터 어셈블리(800)로부터 용이하게 탈착가능하다. 매니퓰레이터 어셈블리(800)는 여러 가지 타입들의 지지용 구조에 부착될 수 있다(예컨대 도 3과 도 4 참조). 기구 샤프트(640)는 매니퓰레이터 어셈블리(800)나 기구 구동 시스템(700)에 해제가능하게 선택사항으로 장착되는 캐뉼라(740)를 통해 슬라이딩가능하게 뻗을 수 있다.
도시된 실시예에서, 수술 기구(600)는 수술 기구(600)를 기구 구동 시스템(700)의 근위 단부(704)에 있는 개구 속으로 원위방향으로 움직임으로써 기구 구동 시스템(700)과 해제가능하게 결합될 수 있다. 특히, 수술 기구(600)의 길이방향 축(602)은 기구 구동 시스템(700)의 길이방향 축(702)과 우선 정렬될 수 있다. 이때, 수술 기구(600)는, 기구 샤프트 맞물림 부재(620)가 기구 구동 시스템(700)과 결합할 때까지 기구 구동 시스템(700)에 대한 관계에서 원위방향으로 슬라이딩운동될 수 있다.
수술 기구가 기구 구동 시스템과 결합되어 있는 동안, 핸들(612)의 적어도 일 부분과 기구 샤프트 맞물림 부재(620)의 적어도 일 부분은 기구 구동 시스템(700)의 인접한 부분들보다 더 멀리 반경방향으로 뻗어 있어서, 핸들(612)은 팟(700) 밖으로 돌출되어 있다. 따라서, 핸들(612)과 기구 샤프트 맞물림 부재(620)는 사용자의 양손에 대해 접근가능하다. 이러한 접근가능성은 유리하게도 기구 구동 시스템(700)으로부터의 수술 기구(600)의 즉시 결합해제를 수월하게 할 수 있다.
보이지는 않지만, 기구 구동 시스템(700)은, 수술기구(600)가 기구 구동 시스템(700)과 결합되어 있는 동안 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 638)과 해제가능하게 결합할 수 있는 (도 9 및 도 11 내지 도 14에 개략적으로 도시되어 있는) 다중 액추에이터들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 액추에이터들은 리드 스크루와 리드 스크루 너트 부재들을 포함하는 선형 액추에이터들이고, 다른 적합한 선형 액추에이터들(예컨대 체인, 벨트, 유압수단, 공압수단, 전자기수단 및 이와 유사한 것)이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 회전식 액추에이터들과 같은 비선형 액추에이터들, 또는 선형 액추에이터와 비선형 액추에이터의 조합들은 기술되어 있는 바와 같이 상반된 힘 양태들을 만들어내도록 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 힘 센서들은 기구 구동 시스템(700) 안에 포함되어 있고, 이를 이용하여 액추에이터 맞물림 부재들(632a, 632b, 634a, 634b, 636a, 636b, 및/또는 638)에 가해지는 힘들이 결정되고 나서 프로세서(43)(도 2)로 피드백될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기구 구동 시스템(700)에 결합되어 있는 수술 기구(600)의 전체는 단일의 유닛과 같이 길이방향 축들(602, 702)을 중심으로 회전운동되거나 롤링운동될 수 있다. 기구 샤프트 삽입/인출 액추에이터를 통해서 팟(700)에 결합되거나 팟(700)에 직접 결합되는 경우의 기구 액추에이터 맞물림 부재(620)는, 팟(700)이 그 길이방향 축(702) 둘레에서 회전운동함에 따라, 길이방향 축(602) 둘레에서의 롤링운동 동안 기구 샤프트를 고정시키는데 사용된다. 추가로, 핸들(612)은 롤링운동을 위하여 팟(700)에 대한 여유 지지를 제공할 수 있다. 팟(700)의 안쪽이나 매니퓰레이터(800)의 일부 안쪽에서 팟(700)의 원위 단부에 있는 모터는 기구(600)와 팟(700)의 어셈블리를 회전시킨다. 따라서, 기구 샤프트와 원위 엔드 이펙터는 동시에 삽입/인출되면서 롤링운동될 수 있다.
본 명세서는 많은 특정 구현예의 세부사항들을 포함하고 있지만, 이러한 것들은 본 발명의 범위 또는 권리주장될 수 있는 것의 범위에 관한 제한들로 해석되어서는 안되고, 오히려 특정 발명들의 특정 실시예들에 대해 특정적일 수 있는 특징들에 관한 기술사항들로 해석되어야 한다. 별개의 실시예들의 맥락에서 본 명세서에 기술되어 있는 일정한 특징들은 단일의 실시예에서 조합되어 구현될 수도 있다. 이와 반대로, 단일의 실시예의 맥락에서 기술되어 있는 여러 가지 특징들은 다수의 실시예들에서 별개로 구현되거나 임의의 적합한 하위조합(subcombination)으로 구현될 수도 있다. 더욱이, 특징들이 일정한 조합들에서 작용하는 것으로 본 명세서에 기술되어 있을 수 있고, 심지어 그와 같이 처음으로 권리주장되는 것으로 본 명세서에 기술되어 있을 수 있지만, 권리주장되는 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우들에서 그 조합으로부터 실시될 수 있고, 그리고 권리주장되는 조합은 하위조합 또는 하위조합의 변형예로 안내되어 있을 수 있다.
이와 유사하게, 조작들이 특정 순서로 도면에 도시되어 있지만, 이는 원하는 결과들을 달성하기 위해서 이러한 조작들이 순차적인 순서나 나타나 있는 특정 순서로 수행되는 것, 또는 도시된 모든 조작들이 수행되는 것을 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안된다. 일정한 상황들에서, 멀티태스킹(multitasking)과 병렬 처리(parallel processing)가 유리할 수 있다. 더욱이, 본 명세서에 기술되어 있는 실시예들에서의 여러 가지 시스템 모듈들과 구성요소들의 분리는 모든 실시예들에서 이러한 분리를 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안되고, 기술되어 있는 프로그램 구성요소들과 시스템들이 대체로 단일의 제품 안에 함께 통합될 수도, 또는 다수의 제품들 속에 패키지화될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 실시예들이 기술되어 있다. 다른 실시예들은 다음에 오는 청구범위의 사상의 범위내에 있다. 예를 들어, 청구범위에 인용되어 있는 거동들은 다른 순서로 수행될 수 있고, 나아가 원하는 결과들을 달성할 수 있다. 일 예시로서, 첨부의 도면들에 도시되어 있는 과정들은 원하는 결과들을 달성하기 위해서 순차적인 순서나 나타나 있는 특정 순서를 반드시 필요로 하는 것은 아니다. 어떤 구현예들에서, 멀티태스킹과 병렬 처리가 유리할 수 있다.

Claims (35)

  1. 컴퓨터 보조 원격 조작 수술 시스템을 위한 수술 기구로서, 상기 수술 기구는:
    근위 단부 부분;
    근위 단부 부분으로부터 뻗어 있는 기구 샤프트로서, 근위 단부 부분으로부터 반대쪽에 있는 원위 단부 부분을 포함하는, 기구 샤프트;
    원위 단부 부분에 결합되어 있는 엔드 이펙터로서, 엔드 이펙터가 기구 샤프트에 대하여 움직일 수 있는 1자유도 이상의 자유도 중 제 1 자유도를 가지는, 엔드 이펙터;
    근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있는 제 1 액추에이터 맞물림 부재; 및
    근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있는 제 2 액추에이터 맞물림 부재;
    를 구비하고,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재의 근위방향 움직임이 엔드 이펙터를 제 1 자유도로 움직이고 제 2 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직이도록, 제 1 액추에이터 맞물림 부재는 엔드 이펙터에 움직일 수 있게 결합되어 있는 텐셔닝 부재들을 통해서 제 2 액추에이터 맞물림 부재에 결합되어 있고,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재는 제 1 비구속식 맞물림으로 제 1 기구 구동 유닛 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있고,
    제 2 액추에이터 맞물림 부재는 제 2 비구속식 맞물림으로 제 2 기구 구동 유닛 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    비구속식 맞물림으로 제 1 기구 구동 유닛 샤프트 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있으면서 근위 단부 부분에 결합되어 있는 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    구속식 맞물림으로 제 1 기구 구동 유닛 샤프트 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있으면서 근위 단부 부분에 결합되어 있는 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  4. 제 3 항에 있어서,
    기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 수동 조작식 래치를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 수술 기구의 근위 단부 부분 상에서 공통 길이방향 위치에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수술 기구의 길이방향 축은 근위 단부 부분과 원위 단부 부분을 통해 뻗어 있도록 정의되어 있고,
    근위 단부 부분은 길이방향 축으로부터 반경방향으로 바깥쪽을 향하여 뻗어 있는 핸들을 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  7. 제 6 항에 있어서,
    핸들은 비구속식 맞물림으로 제 1 기구 구동 유닛 샤프트 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있는 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  8. 제 6 항에 있어서,
    핸들은 구속식 맞물림으로 제 1 기구 구동 유닛 샤프트 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있는 기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  9. 제 8 항에 있어서,
    기구 샤프트 액추에이터 맞물림 부재는 수동 조작식 래치를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분 상에서 길이방향으로 각각 슬라이딩운동하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    텐셔닝 부재들은,
    엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 1 텐셔닝 부재로서, 기구 샤프트를 따라 뻗어 있고 제 1 액추에이터 맞물림 부재에서 종료하는, 제 1 텐셔닝 부재; 및
    엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 2 텐셔닝 부재로서, 기구 샤프트를 따라 뻗어 있고 제 2 액추에이터 맞물림 부재에서 종료하는, 제 2 텐셔닝 부재를 포함하고,
    수술 기구는,
    제 1 텐셔닝 부재에 텐션을 가하도록 위치조정되어 있는 제 1 프리-로드 텐셔닝 부재; 및
    제 2 텐셔닝 부재에 텐션을 가하도록 위치조정되어 있는 제 2 프리-로드 텐셔닝 부재;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 1 압축 부재로서, 기구 샤프트를 따라 뻗어 있고 제 1 액추에이터 맞물림 부재에서 종료하는, 제 1 압축 부재; 및
    엔드 이펙터에 결합되어 있는 제 2 압축 부재로서, 기구 샤프트를 따라 뻗어 있고 제 2 액추에이터 맞물림 부재에서 종료하는, 제 2 압축 부재;
    제 1 텐셔닝 부재에 텐션을 가하도록 위치조정되어 있는 제 1 프리-로드 압축 부재; 및
    제 2 텐셔닝 부재에 텐션을 가하도록 위치조정되어 있는 제 2 프리-로드 압축 부재;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있는 제 3 액추에이터 맞물림 부재; 및
    근위 단부 부분에 움직일 수 있게 결합되어 있는 제 4 액추에이터 맞물림 부재;
    를 더 구비하고
    엔드 이펙터는 1자유도 이상의 자유도 중 제 2 자유도를 가지고,
    제 3 액추에이터 맞물림 부재의 근위방향 움직임이 엔드 이펙터를 제 2 자유도로 움직이고 제 4 액추에이터 맞물림 부재를 원위방향으로 움직이도록, 제 3 액추에이터 맞물림 부재는 엔드 이펙터를 통해서 제 4 액추에이터 맞물림 부재에 결합되어 있고,
    제 3 액추에이터 맞물림 부재는 제 3 비구속식 맞물림으로 제 3 기구 구동 유닛 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있고,
    제 4 액추에이터 맞물림 부재는 제 4 비구속식 맞물림으로 제 4 기구 구동 유닛 액추에이터와 맞물리도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재와 제 2 액추에이터 맞물림 부재는 수술 기구의 근위 단부 부분 상에서 제 1 공통 길이방향 위치에 위치되어 있고,
    제 3 액추에이터 맞물림 부재와 제 4 액추에이터 맞물림 부재는 수술 기구의 근위 단부 부분 상에서 제 2 공통 길이방향 위치에 위치되어 있고,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재, 제 2 액추에이터 맞물림 부재, 제 3 액추에이터 맞물림 부재 및 제 4 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분 상에서 길이방향으로 각각 슬라이딩운동하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  15. 제 13 항에 있어서,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재, 제 2 액추에이터 맞물림 부재, 제 3 액추에이터 맞물림 부재 및 제 4 액추에이터 맞물림 부재는 수술 기구의 근위 단부 부분 상에서 공통 길이방향 위치에 위치되어 있고,
    제 1 액추에이터 맞물림 부재, 제 2 액추에이터 맞물림 부재, 제 3 액추에이터 맞물림 부재 및 제 4 액추에이터 맞물림 부재는 근위 단부 부분 상에서 길이방향으로 각각 슬라이딩운동하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
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