KR102473629B1 - 원격 접근 공구용 부착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유저의 팔뚝, 손목, 손 및 손가락들이 최소 진입 공구의 말단 단부에서의 무브먼트들을 제어할 수 있도록 유저의 신체(예컨대, 손목 또는 팔뚝)에 최소 진입 공구를 부착하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 유저의 팔뚝에 고정되도록 구성되는 커프 및 커프가 1개 내지 4개의 자유도로 프레임에 대해 이동할 수 있도록, 프레임에 커프를 연결하도록 구성되는 커플링 조인트를 포함하는 최소 진입 공구(이와 함께 사용되거나 이에 일체형일 수 있는) 팔뚝 부착 디바이스들이 본원에서 설명된다.

Description

원격 접근 공구용 부착 장치

[0001] 본 출원은, 2015년 4월 15일에 출원된(그리고, 명칭이 "FOREARM ATTACHMENT APPARATUS FOR REMOTE ACCESS TOOLS"인) 미국 가특허 출원 번호 제62/147,998호, 및 2015년 10월 2일에 출원된(그리고, 명칭이 "FOREARM ATTACHMENT APPARATUS FOR REMOTE ACCESS TOOLS"인) 미국 가특허 출원 번호 제62/236,805호를 우선권으로 주장한다.

[0002] 본 출원은, 2008년 4월 11일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/044,168호를 우선권으로 주장하는, 2009년 4월 13일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제12/937,523호(현재 특허 번호 제8,668,702호)의 계속 출원인, 2014년 1월 28일에 출원되고 명칭이 "MINIMAL ACCESS TOOL"인 미국 특허 출원 번호 제14/166,503호(공개 번호 제US-2014-0142595-A1호)에 대한 일부 계속 출원으로서 우선권으로 주장하는, 2016년 2월 25일에 출원되고 명칭이 "PARALLEL KINEMATIC MECHANISMS WITH DECOUPLED ROTATIONAL MOTIONS"인 미국 특허 출원 번호 제15/054,068호와 관련될 수 있다. 이들 특허들 및 특허 출원들 각각은 인용에 의해 그 전체가 본원에 포함된다.

[0003] 본 명세서에서 언급되는 모든 공보들 및 특허 출원들은, 각각의 개별 공보 또는 특허 출원이 인용에 의해 포함되는 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 표시되었던 것과 동일한 정도로, 인용에 의해 그 전체가 본원에 포함된다.

[0004] 본 발명은, 공구 샤프트 축선(tool shaft axis)이 유저의 손목의 중심을 통과하고 그리고 유저의 손 및 손가락들의 무브먼트들이 최소 접근 공구(minimal access tool)의 말단 단부(distal end)에서 무브먼트들을 개별적으로 제어할 수 있도록, 최소 접근 공구를 유저의 팔(예컨대, 손목 및/또는 팔뚝)에 부착하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다.

[0005] 유저의 손에 의해 제어될 수 있는 다수의 최소 접근 공구들은 이를테면, 예컨대 미국 특허 번호 제8,668,702호 및 미국 출원 번호 제14/166,503호로부터 공지되어 있다. 이들 디바이스들은 프레임, 핸들과 프레임 간에 2개의 직교 회전들을 제공하는 입력 조인트, 프레임에 연결되는 공구 샤프트, 공구 샤프트와 엔드 이펙터 간에 2개의 직교 회전들을 제공하는 출력 조인트, 및 입력 조인트의 2개의 직교 회전들을 출력 조인트에 전달하기 위한 수단(이를테면, 전달 시스템(transmission system))을 포함할 수 있다. 이들 디바이스들은 매우 유용하며, 세장형 샤프트(elongate shaft)의 단부에서 출력 조인트에 연결된 공구의 매우 교묘한 제어(예컨대, 관절결합(articulation))를 허용할 수 있다. 일반적으로, 디바이스들, 이를테면, 미국 특허 번호 제8,668,702호에서 설명되는 바와 같은 디바이스들은 통상적으로, 프레임을 유저의 팔에 직접적으로 고정시키고, 더 일반적으로 프레임은 통상적으로 유저의 팔뚝에 부착된다. 미국 특허 번호 제8,668,702호에서 교시된 바와 같은 장치의 일 예는 도 1-3에 도시된다.

[0006] 이들 예들에서, 프레임은 하나의 단부 상에서 공구 샤프트에 그리고 다른 단부 상에서 팔뚝 부착 부재에 견고하게 연결되는 연장된 구조일 수 있다. 팔뚝 부착 부재는 벨크로(Velcro), 스트랩들(straps) 등을 비롯한 다양한 수단을 사용하여 팔뚝과 인터페이싱한다(interfaces). 팔뚝 부착은 편안하면서도 확실하게(즉, 구속하도록(constrain)) 연결하고, 그에 따라, 팔뚝과 팔뚝 부착 부재 간에 모든 DoF 또는 모션들을 전달할 수 있다. 일부 상대적인 모션은 여전히 편안함을 보장하도록 허용될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은, "팔뚝"은 도 4에 예시된 바와 같이, 팔의 말단 단부, 예컨대 팔꿈치의 말단과 손목 조인트 직전을 지칭할 수 있다.

[0007] 이러한 종류의 어레인지먼트는, 팔뚝에서 이용 가능한 4개의 DoF, 즉, 3개의 병진운동들 및 1개의 롤 회전으로부터, 손목과 연관된 2개의 회전 DoF(피치(pitch) 및 요(yaw)) 및 엄지/손가락들과 연관된 하나의 개방/폐쇄 DoF를 디커플링할 수 있다. 도 5는 팔뚝에서의 3개의 직교 병진운동들을 예시한다. 도 6a-6c는 팔뚝의 롤 회전(회내(pronation)/회외(supination))을 도시한다. 손목 조인트와 연관된 나머지 2개의 회전들은 또한 아래에 도 7a-7b 및 도 8a-8b에서 도시된다. 도 7a 및 7b는 손목 조인트의 피치 회전(예컨대, 노뼈(radial) 및 자뼈(ulna) 편향)을 예시한다. 도 8a 및 8b는 손목 조인트의 요 회전(굴곡(flexion)/신전(extension))을 예시한다. 도 9는 팔뚝 및 손목 조인트와 연관된 회전 모션들의 추가의 예시들을 도시한다.

[0008] 이들 예들에서, DoF는 누적되는데, 즉, 팔뚝에서 이용 가능한 4개의 DoF가 있고; 손목-조인트는 다른 2개를 제공하며; 따라서, 손(손바닥)에는 6개의 DoF가 있다는 것을 주목한다. 손가락들/엄지와 연관된 추가의 DoF가 있다. 이들은 미국 특허 번호 제8,668,702호에서 논의되었던 개방/폐쇄 모션을 포함한다. 이들은 또한, 다른 모션들, 이를테면, 트월링(twirling) 및 페킹(pecking)을 포함할 수 있으며, 이들은 아래에 추가로 설명될 것이다.

[0009] 미국 특허 번호 제8,668,702호에서 설명된 팔뚝 부착은 팔뚝에서 4개의 DoF(3개의 병진운동들) 및 하나의 롤 회전을, 손목 회전들 및 손가락/엄지 클로저 모션(closure motion)과는 독립적인, 인스트루먼트 샤프트 말단 단부(instrument shaft distal end)에 전달한다. 이는, 팔뚝이 팔뚝 부착 부재를 통해 프레임에 부착되기 때문에 성취될 수 있으며, 그에 따라, 팔뚝에서의 4개의 모션들은 프레임으로 그리고 이어서 샤프트로 그리고 샤프트의 말단 단부로 병진운동된다. 개별적으로, 입력 조인트는, VC(virtual center) 메커니즘으로서 구성될 수 있고, 유저의 손목 조인트의 2개의 회전들을 캡처하는 데 이용될 수 있다. 이어서, 이들 2개의 회전들은, 입력 조인트 및 출력 조인트(엔드 이펙터 관절결합 조인(articulating join))의 공통의 그라운드(common ground)(즉, 프레임 및 공구 샤프트)를 통해 라우팅되는 케이블들을 포함하는 기계적 전달을 통해 전달된다. 미국 특허 번호 제8,668,702호에서 설명된 바와 같이, 전달 시스템은 케이블들에 기반하는 단순한 전달 시스템이 아닌 임의의 일반적인 전달 시스템일 수 있다.

[0010] 이러한 방식들은, 유저의(예컨대, 외과의사의) 모션 입력으로부터 원격 엔드 이펙터의 대응하는 출력 모션들로 일대일(1:1) 모션 맵핑을 허용할 수 있다. 도 10은 이러한 유형의 시스템에서의 디바이스 출력 모션들로의 유저 입력 모션들의 맵핑을 예시한다. 그러나, 프레임을 유저의 팔뚝에 견고하게 부착하고, 프레임을 팔뚝의 견고한 연장체로 만듦으로써, 인스트루먼트의 축선(특히, 샤프트의 축선)은 팔뚝의 축선에 대해 견고하게 고정된다(또는 조정 가능하지 않음). 이는, 공구 샤프트가 소정의 방향을 가리켜야 하는 상황에서 유저에게 불편할 수 있는 것으로 증명될 수 있으며, 사용 동안 팔뚝에 대해 불연속적인 재-조정을 요구할 수 있다. 팔뚝과의 인스트루먼트 축선의 견고한 또는 조정 가능하지 않은 정렬은 인체공학적으로 유저의 팔뚝과 어깨에 좋지 않을 수 있다. (측면도를 도시하는) 도 11의 일 예시적 도면에서, 2개의 거의 수평한 라인들(1101 및 1103)(디바이스의 축선 및 팔뚝의 축선)은, "견고한" 또는 잠금된 팔뚝 커프 부착 때문에 서로 정렬된다. 일부 적용(예컨대, 외과적 수술)에 의해 요구될 수 있는 바와 같이, 인스트루먼트/디바이스(예컨대, 이의 샤프트)가 소정의 방향(라인(1105)에 의해 도시됨)을 가리킬 필요가 있는 경우, 팔뚝은 또한, 동일한 연장된 라인을 따라야 할 것인데, 이는 유저의 상부 팔 및 어깨에 불편할 수 있다. 이를 정정하기 위해, 디바이스는, 유저의 신체에 대해 장치의 각도를 수정하기 위해 (가능한 경우), 수동으로 조정되어야 한다. 필요한 것은, 사용 동안 장치의 정렬을 연속적으로 조정할 수 있는 디바이스이다. 본원에서 설명된 바와 같이, (다른 것들을 구속하는 동안) 미리 결정된 자유도들을 허용하는 하나 또는 그 초과의 커플링 조인트들을 통해 신체 부분을 디바이스의 프레임에 연결하는 것은 연속적인 조정 가능성을 허용할 수 있다.

[0011] 도 12의 평면도에서 확인될 수 있는 바와 같이, 유사한 제한이 다른 평면에서 발생할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 2개의 라인들(1201, 1203)(예컨대, 디바이스의 축선 및 팔뚝의 축선)은, 견고한(또는 잠금된) 팔뚝 커프 부착 때문에 서로 정렬된다. 일부 적용들(예컨대, 외과적 수술들)에 의해 요구되는 바와 같이, 인스트루먼트/디바이스/공구(예컨대, 이의 샤프트)가 라인(1205)에 의해 도시된 방향과 같은 방향을 가리킬 필요가 있는 경우, 팔뚝은 또한, 동일한 연장된 라인을 따라야 할 것인데, 이는 유저에게 불편할 수 있다.

[0012] 추가로, 프레임을 팔뚝에 견고하게 부착하는 것은 유저의 손가락들과 연관된 소정의 모션들 또는 DoF, 특히 도 13a-13c 및 도 14a-14b에 예시된 트월링 모션 및 페킹 모션을 전달하는 능력을 제한할 수 있다. 예컨대, 도 13a-13c는 물체(예컨대, 펜)로 트월링 모션을 행하는 손을 예시한다. 이 예에서, 팔뚝 및 손목 조인트는, 손가락들/엄지가 트월링 모션을 생성하는 동안 이동하지 않는다. 도 14a-14b는 페킹 모션을 예시한다. 페킹 모션을 행할 때, 팔뚝 및 손목 조인트는, 손가락들/엄지가 전방 및 후방 페킹 모션을 생성하는 동안 이동하지 않는다. 손가락들/엄지의 이들 모션들은 손목 조인트 및 팔뚝에 대해 발생할 수 있지만, 프레임(및 그에 따른 공구 샤프트)이 팔뚝에 견고하게 부착될 때, 이들 모션들은 프레임, 예컨대, 공구 샤프트 말단 단부를 포함하는 공구 샤프트에 직접적으로 전달되지 않는다. 이들 모션들은 예컨대, 미국 특허 번호 8,668,702 특허에서 설명된 바와 같이, 공구 프레임 및 샤프트를 통해 라우팅되는 전달 시스템을 사용할 때 간접적인 방식으로 캡처 및 전달될 수 있고, 여기서 2개의 손목 모션들 및 손가락들/엄지 개방/폐쇄 모션이 캡처되고, 공구 샤프트의 말단 단부에 있는 엔드 이펙터의 대응하는 출력 모션에 전달된다. 유사하게, 손가락들/엄지의 페킹 모션은 (유저가 자신의 손, 손가락들 및 엄지에서 핸들을 유지할 때) 핸들과 공구 프레임 간의 유사한 모션으로 병진운동될 수 있고; 핸들과 공구 프레임 간의 이 상대적인 모션은 전달 시스템(예컨대, 프레임과 공구 샤프트의 말단 단부 간의 케이블 또는 다른 전달 시스템)을 통해 캡처될 수 있고, 엔드 이펙터와 공구 샤프트의 말단 단부 간의 대응하는 모션에 전달될 수 있다. 유사한 전달이 트월링 모션에 대해 또한 착안될 수 있다. 그러나, 공구 프레임이 팔뚝 부착 부재를 통해 팔뚝에 고정될 때, 손/손목의 요 및 피치 회전들 또는 손가락들/엄지/손의 트월링 및 페킹 모션은 공구 샤프트 말단 단부에 직접적으로 전달되지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "직접적인" 전달은, 서로에 대해 상대적으로 이동하는 다수의 컴포넌트들을 포함하는 "전달 시스템"을 통하는 것과 반대로 기하학적 연장에 의해 달성될 수 있는 전달을 의미한다.

[0013] 위에서 논의된 문제점들 및 목적들을 해결할 수 있는 방법들 및 장치들이 본원에서 설명된다. 특히, 손목 및/또는 팔뚝 부착 디바이스들 및/또는 장치들, 이를테면, 부가적인 모션들, 이를테면 페킹 및 트월링 모션들의 직접적인 전달을 허용할 수 있는 이들 팔뚝 부착 디바이스들을 포함하는 공구들 및 시스템들이 본원에서 설명된다.

[0014] 본원에서 설명되는 방법들 및 장치들은, 신체 부분이 프레임의 일부에 대해 하나 또는 그 초과의 자유도들을 통해 이동될 수 있도록, 신체 부분, 예컨대, 손목 및/또는 팔뚝과 프레임 간에 커플링을 제공함으로써 이들 장점들을 달성할 수 있다.

[0015] 장치의 부착 구역, 이를테면 신체 부분에 장치를 커플링하는 커프와 프레임(예컨대, 최소 접근 공구의 프레임) 간에 하나 또는 그 초과의 DoF(degrees of freedom)를 제공하는 디바이스들, 시스템들 및 공구들을 포함하는 장치들이 본원에서 설명된다. 특히, 공구들, 이를테면 유저의 손목 및/또는 팔뚝이 공구의 프레임에 대해 하나 또는 그 초과의 자유도들로 이동하도록 허용하기 위해 유저의 손목 및/또는 팔뚝에 커플링되는 최소 접근 공구들이 본원에서 설명된다.

[0016] 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 것은 유저의 신체 및 상세하게는 유저의 팔다리들(appendages), 이를테면 팔 또는 다리에 장착되도록 구성될 수 있다. 특히, 이들 장치들 중 임의의 것은 유저의 팔, 이를테면 유저의 손목 및/또는 팔뚝에 장착되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 본원에서 설명되는 장치들은, 공구가 유저의 손목, 팔뚝 및/또는 상부 팔을 통해 연장되는(예컨대, 교차하는) 롤 축선을 중심으로 롤링할 수 있도록 유저의 신체(예컨대, 손목 또는 팔뚝)에 장착되도록 구성될 수 있다. 공구의 롤 축선은 최소 접근 공구의 축선일 수 있다. 예컨대, 최소 접근 공구는, 프레임의 나머지로부터 연장되는 세장형 부재, 이를테면 공구 샤프트의 장축선에 (예컨대, 말단에서 선단까지) 대응할 수 있는 공구 축선을 포함할 수 있다. 공구 샤프트는 통상적으로 직선일 수 있지만, 곡선형이거나 구부러질 수 있다. 공구 샤프트는 통상적으로 공구 샤프트의 말단 단부로부터 선단 구역까지 연장된다.

[0017] 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 것은, 유저의 신체(예컨대, 팔) 상에 장착될 때 공구 축선을 중심으로 회전하도록 구성되는 최소 접근 공구들일 수 있다. 이러한 장치들은 공구 샤프트의 말단 단부에 있는 말단 엔드 이펙터를 작동시킬 때 공구의 조작을 향상시킬 수 있다. 따라서, 유저들의 팔에서의 회전은 공구 축선을 중심으로 롤로 전달되어, 공구 샤프트를 스위핑함이 없이 말단 엔드 이펙터에서의 롤을 가능하게 할 수 있다. 편의를 위해, 장치라는 용어는 디바이스, 시스템 또는 공구를 지칭할 수 있다. "공구", "인스트루먼트" 및 "디바이스"라는 용어들은 본 출원에서 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.

[0018] 예컨대, 일반적으로, 세장형 공구 샤프트를 갖는 프레임 ― 세장형 공구 샤프트는 공구 축선을 가짐 ―; 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착되도록 구성되는 커프; 및 공구 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 하는 커프와 프레임 간의 커플링 조인트를 포함하고, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 공구 축선은 유저의 손목의 중심 구역을 통과하는 최소 접근 공구들이 본원에서 설명된다.

[0019] 본원에서 설명되는 신체 부착 조립체들 대부분은 공구 축선을 중심으로 커프에 대해 상대적인 프레임의 회전(예컨대, 롤 회전)을 가능하게 할 수 있지만, 일부는 단지 피치, 요 또는 피치 및 요에서 회전할 수 있고, 롤을 가능하게 하지 않을 수 있다.

[0020] 프레임들의 예들이 본원에서 설명된다. 프레임은 일반적으로, 다른 구조들이 부착 및 지지되는 견고한 구조일 수 있다. 다른 구조들은 제어부들(예컨대, 핸들들 등), 전달부들(예컨대, 케이블들, 풀리들, 인코더들, 배선 등), 액추에이터들, 엔드 이펙터들(예컨대, 클램프, 그래스퍼, 스크류드라이버, 봉합 패서(suture passer) 등) 등을 포함할 수 있다. 프레임은 금속, 폴리머 또는 다른 재료로 형성될 수 있고, 비교적 경량일 수 있다. 일반적으로, 본원에서 설명되는 프레임들은 세장형 공구 샤프트를 포함한다. 공구 샤프트 및 실제로 프레임의 임의의 구역은 중공형일 수 있고, 다른 컴포넌트들을 포함, 보호 및/또는 지지할 수 있다. 프레임은, 그 형상 및 기하학적 구조가 유저 선호도 및 요구에 적합하도록 조정 및 잠재적으로 잠금될 수 있다.

[0021] 커프는 일반적으로 유저의 팔다리를 위한 홀더 또는 시트를 지칭할 수 있다. 커프는 팔(예컨대, 손목, 팔뚝, 상부 팔 등) 또는 다리(예컨대, 발목, 하부 다리, 상부 다리 등)를 수용하거나 보유하도록 형상이 정해질 수 있다. 커프는 튜브형 또는 C-형상을 포함하는(예컨대, C-형상 프로파일을 갖는) 반-튜브형일 수 있다. 커프는 부착될 유저의 해부학적 부분을 따르도록 구성될 수 있다. 커프는 신체 부분을 유지하기 위한 내부 착좌 구역을 포함할 수 있다. 커프는, 경질(rigid)이거나, 연질(soft)이거나, 가요성(flexible)이거나 탄성(elastic)일 수 있다. 커프는 프레임에 커플링되는 가요성 밴드(flexible band)를 포함할 수 있다. 커프는 장치의 별개의 또는 분리 가능한(예컨대, 제거 가능한) 부분일 수 있거나, 또는 커플링 조인트를 포함하는, 본원에 설명된 장치들의 다른 부분에 통합되고 그 일부를 형성할 수 있다. 별개의 그리고 일체형 커프들 둘 모두의 예들은 본원에서 더 상세히 설명된다.

[0022] 커플링 조인트는 일반적으로 예컨대, 2개의 강체들(rigid bodies), 이를테면 프레임과 커프 간에 조인트를 형성하는 기계류의 부품들을 연결하기 위한 엘리먼트를 지칭한다. 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 커플링 조인트는 커플링되는 구조들 간에 하나 또는 그 초과의 무브먼트 자유도를 제공하는 데 사용될 수 있는 커플링 조인트들일 수 있다. 예컨대, 커플링 조인트는 짐벌 부재, 베어링(예컨대, 플레인 베어링, 이를테면 슬레드(sled), 부싱(bushing), 저널(journal) 베어링, 슬리브(sleeve) 베어링, 라이플(rifle) 베어링; 롤링 엘리먼트(rolling-element) 베어링, 이를테면 볼(ball) 베어링들 및 롤러(roller) 베어링들; 주얼(jewel) 베어링들; 유체 베어링들; 자기 베어링들 및 굴곡 베어링들) 등을 포함할 수 있다.

[0023] 일반적으로, 커프와 프레임이 커플링 조인트(예컨대, 베어링, 이를테면 플레인 베어링 또는 롤링 엘리먼트 베어링)에 의해 커플링되는 최소 접근 공구들에서, 커플링 조인트는 공구 축선을 중심으로 한 회전을 가능하게 할 수 있고(이에 따라 공구 축선은 롤 축선임), 장치는 유저의 팔(또는 다른 신체 부분, 이를테면 유저의 손목 또는 팔뚝)이 유지될 커프의 구역을 통해 공구 축선이 항상 연장하도록 구성될 수 있다. 따라서, 유저의 팔이 커프에 유지되고 장치가 공구 샤프트 둘레로 롤링되더라도, 공구 축선(롤 축선)은 커프를 통과하고 유저의 신체의 구역, 이를테면 커프 내에 유지되는 유저의 손목 또는 팔뚝을 통과한다. 따라서 이러한 장치들은 장치, 이를테면 커프에 대한 부착 위치와 프레임 간의 롤 자유도(DoF: degree of freedom)가, 롤 축선 배향이 커프 내에 유지되는 신체의 동일한 부분과 교차하는 특정 경우가 되도록 구성된다.

[0024] 이러한 장치들 중 임의의 장치에서, 커프와 프레임 간의 롤 자유도(DoF) 외에도, 추가적인 회전 DoF, 이를테면 피치 및 요를 포함하는 추가적인 자유도들이 커프와 프레임 간에 포함될 수 있다. 예컨대, 본원에서 설명된 바와 같이, 최소 접근 공구들은, 세장형 공구 샤프트가 연장되는 프레임 ― 세장형 공구 샤프트는 공구 축선을 가짐 ―; 커프 ― 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝과 함께 움직이도록 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착되도록 구성됨 ―; 및 공구 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 커프를 프레임에 커플링하는 커플링 조인트를 포함할 수 있으며, 커프와 프레임은 제2 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 피치 또는 요 회전 자유도가 존재하도록, 제1 커플링 조인트 또는 제2 커플링 조인트를 통해 추가로 회전식으로 커플링되고, 추가로, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 공구 축선이 유저의 손목의 중심 구역을 통과한다. 일반적으로, 본원에서 설명되는 최소 접근 공구들은 또한, 이러한 공구들이 공구 샤프트의 단부에서 유저로부터 원격인 물체에 작용하는 데 사용될 수 있기 때문에 원격 접근 공구로 지칭될 수 있다. 본원에서 설명되는 장치들 대부분은 수술용 공구들이지만, 이러한 장치들은 그렇게 제한되지는 않으며, 세장형 공구 샤프트를 통한 엔드 이펙터의 원격 작동이 요망되는 산업용 적용들, 가정용 등을 비롯한 비-수술용 적용들에 사용될 수 있다.

[0025] 따라서, 이러한 장치들 중 임의의 장치에서, 장치는 추가적인 회전 자유도들 각각에 대한 회전 축선이 또한 커프의 구역 내의 동일 지점을 통과하여, 신체 부분이 커프 내에 유지될 때 동일한 일반적인 위치에서 유저의 신체 부분(예컨대, 손목 및/또는 팔뚝) 내에서 이러한 회전 축선들에 대한 교차 지점이 교차하도록 구성될 수 있다.

[0026] 프레임과 커프 간의 커플링 조인트가 롤을 가능하게 하도록 구성되는 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 장치에서, 장치는 유저의 손목 또는 팔뚝에 대해 프레임의 연속 롤 회전을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예컨대, 커프로부터 연장되는 유저의 손은 롤(예컨대, 공구) 축선을 중심으로 커프에 대해 프레임을 시계 방향 및/또는 반시계 방향으로 연속적으로 롤링하여, 공구 샤프트의 말단 단부를 스위핑하지 않고 공구 샤프트의 말단 단부에서 엔드 이펙터의 연속 회전을 가능하게 하는 데 사용될 수 있다. 이 경우에, 유저의 손은 입력 조인트를 통해 프레임에 연결되는 핸들을 통해 전체 디바이스의 롤 회전을 (예컨대, 엄지/손가락들의 트월링 모션 또는 손바닥의 롤 모션에 의해) 구동한다. 입력 조인트는 (핸들과 프레임 간에) 하나 또는 그 초과의 자유도들을 가질 수 있지만, 핸들에서부터 프레임까지의 롤을 구속한다(그리고 이에 따라 전달한다). 따라서 디바이스(즉, 롤(예컨대, 공구) 축선을 중심으로 한 프레임 및 공구 샤프트)의 롤은, 기계식 전달부 또는 전기기계식 전달부를 통해 간접적으로가 아니라, 직접적으로 성취될 수 있다.

[0027] 이러한 장치들 중 임의의 장치들에서, 커플링 조인트는 롤 회전 자유도를 제공하기 위해 슬라이드 및/또는 롤링하도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 베어링들(예컨대, 슬레드 또는 롤링 엘리먼트 베어링으로서 구성되는 플레인 베어링)을 포함할 수 있다. 커플링 조인트가 베어링, 이를테면 플레인 베어링 또는 롤링 엘리먼트 베어링이라면, 베어링은 트랙에서 슬라이딩하거나 롤링할 수 있다. 트랙은 커프, 프레임 상에 또는 다른 엘리먼트(예컨대, 짐벌) 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 하나 또는 그 초과의 베어링들은 슬레드로서 구성되는 플레인 베어링을 포함할 수 있다.

[0028] 본원에서 설명되는 변경들 중 임의의 변경에서, 공구 그리고 특히 커프(그러나, 이에 한정되지는 않음)는 유저의 신체 부분(예컨대, 유저의 손목, 팔뚝 또는 상부 팔)을 커프 내에 유지하도록 구성되는 고정부(securement)를 포함할 수 있다. 고정부는 커프가 유저의 신체 부분과 함께 움직이도록 커프에 유저의 신체 부분을 고정하는데 도움을 줄 수 있다. 일부 변경들에서는, 추가적인 별개의 고정부가 필요하지 않은데, 예컨대 커프는 커프가 추가적인 구조가 필요 없이 신체 부분 주위에 편안하게 고정되게 하는 재료로 형성될 수 있다. 일부 변경들에서, 고정부는 커프의 부분이거나 커프와 일체형이다. 일부 변경들에서, 고정부는 (예컨대, 신체 부분 둘레에서 커프를 폐쇄하도록) 커프에 부착된다. 예컨대, 커프는 유저의 손목 또는 팔뚝을 커프 내에 유지하도록 구성되는 고정부를 포함할 수 있고, 고정부는 스트랩(strap), 스냅(snap), 벨트(belt), 고무 밴드(elastic), 래치(latch) 및 후크 커넥터(hook connector), 타이(tie), 또는 클램프(clamp) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

[0029] 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 장치는 제어부, 이를테면 커프를 위한 부착 사이트에 대해 말단에서 유저의 신체의 일부분에 의해 조작될 수 있는 핸들을 포함할 수 있다. 예컨대, 장치는 (예컨대, 2개 또는 그 초과의 자유도들을 갖는) 적어도 하나의 자유도를 갖는 입력 조인트를 통해 프레임에 커플링되는 핸들을 포함할 수 있다. 핸들은 적어도 2개의 자유도들을 갖는 병렬 운동학적 입력 조인트(parallel kinematic input joint), 이를테면 적어도 2개의 회전 자유도들을 갖는 병렬 운동학적 입력 조인트를 통해 프레임에 커플링될 수 있으며, 병렬 운동학적 입력 조인트는 롤이 핸들에서 프레임으로 전달되도록 롤을 구속한다. 일반적으로, 모션 입력(예컨대, 입력 조인트) 및 제어부로부터 엔드 이펙터로 모션 입력을 전달하기 위한 전달부(예컨대, 케이블 전달부)와 호환적인 임의의 적합한 입력 메커니즘 또는 제어부, 이를테면 핸들, 페달 등이 사용될 수 있다.

[0030] 예컨대, 2개의 자유도들을 갖는 병렬 운동학적 입력 조인트는, 핸들을 공구 프레임에 커플링하는 모션의 전달부를 위한 적어도 2개의 독립적 경로들 ― 적어도 2개의 독립적 경로들은 제1 경로 및 제2 경로를 포함함 ―; 제1 커넥터에 의해 공구 프레임에 그리고 제3 커넥터에 의해 핸들에 연결되는, 제1 경로의 제1 중간체; 및 제2 커넥터에 의해 프레임에 그리고 제4 커넥터에 의해 핸들에 연결되는, 제2 경로의 제2 중간체를 포함할 수 있으며, 제1 커넥터와 제4 커넥터 둘 모두는 제1 회전 방향으로의 회전을 허용하고 제2 회전 방향으로의 회전을 제한하며, 추가로 제2 커넥터와 제3 커넥터는 제2 회전 방향으로의 회전을 허용하고 제1 회전 방향으로의 회전을 제한한다.

[0031] "PARALLEL KINEMATIC MECHANISMS WITH DECOUPLED ROTATIONAL MOTIONS"라는 명칭으로 2016년 2월 25일에 출원된 미국 특허 출원 제15/054,068 호(사전에 그 전체가 인용에 의해 통합됨)에서 더 상세하게 설명되는 이러한 예에서, 모션 자유도(예컨대, 롤, 피치, 요)를 구속하는 조인트(예컨대, 커플링 조인트, 커넥터, 등)는 그가 결합하는 강체들 간에 그러한 모션을 전달한다. 따라서, 예컨대, 이러한 장치들 중 임의의 장치는, 적어도 하나의 회전 자유도를 갖는 입력 조인트를 통해 프레임에 커플링되는 핸들을 포함할 수 있고, 입력 조인트는 롤이 핸들로부터 프레임으로 전달되도록 롤 회전을 구속한다.

[0032] 이러한 장치들 중 임의의 장치는 출력 조인트를 통해 프레임에 커플링되는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 출력 조인트는 가요성 사형(snake-like) 출력 조인트일 수 있다. 예컨대, 출력부는 각각의 엘리먼트의 굴곡의 방향이 교번하도록 하는 방식으로 부착된 가요성 디스크들을 포함할 수 있다. 이러한 출력 조인트는 디스크들을 밀거나 당겨서 디스크들의 측들의 팽창 및 수축을 야기함으로써 구동될 수 있다. 따라서, 입력 조인트의 모션은 전달부, 예컨대, 기계적 전달부(예컨대, 케이블-구동식 전달부)에 의해 출력 조인트에 전달될 수 있다. 대안적으로, 출력 조인트는 교번적인 회전 축선들과 연속적으로 연결되는 시리즈 링크들 또는 디스크들을 포함할 수 있다.

[0033] 공구 축선을 중심으로 롤 회전을 제공하도록 적응된 롤-회전 커플링 조인트(예컨대, 베어링) 외에도, 커프와 프레임 간의 하나 또는 그 초과의 부가적인 커플링 조인트가, 제2 축선을 중심으로 커프와 프레임 간의 회전 자유도가 존재하도록, 구성될 수 있다. 부가적인 회전 자유도는 피치, 요, 또는 피치 및 요일 수 있다. 예컨대, 커플링 조인트는 또한, 제2 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 피치 또는 요 회전 자유도가 존재하게 하도록 회전식으로 커플링될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 제2(또는 일부 경우들에서, 제3) 회전 축선은 커프 내에 유지되는 유저의 신체 부분의 일부분 내의 공구 축선(롤 축선)과 교차할 수 있다.

[0034] 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 장치에서, 동일한 커플링 조인트는 하나 초과의 회전 및/또는 병진운동 자유도를 제공하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 동일한 커플링 조인트는 롤을 제공하기 위해, 짐벌 조인트(예컨대, 고정 축선을 중심으로 회전함) 및 베어링(예컨대, 플레인 베어링, 이를테면, 슬레드) 둘 모두로서 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 커프와 프레임 간에 부가적인 자유도를 제공하는 제2 또는 제3(또는 그 초과) 커플링 조인트가 포함될 수 있다. 이러한 경우들 중 임의의 경우에, 커플링 조인트들이 순차적으로 배열되거나 안착될 수 있어서, 커플링 조인트가 프레임과 커프 간을 커플링할 때, 이들은 어느 한 쪽에 또는 프레임 및 커프 둘 모두에 간접적으로 커플링된다. 예컨대, 제1 커플링 조인트는 프레임에 직접적으로 커플링되고 제2 커플링 조인트를 통해 커프에 간접적으로 커플링될 수 있는 반면, 제2 커플링 조인트는 제1 커플링 조인트를 통해 프레임에 간접적으로 커플링되고 커프에 직접적으로 커플링될 수 있다. 일부 변경들에서 커프는 커플링 조인트들 중 하나에 일체형이고, 이로써 커프는 커플링 조인트 자체의 부분임을 또한 상기한다.

[0035] 예컨대, 공구 축선을 중심으로 롤 회전을 위해 구성되는 공구는, 제2 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 피치 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간의 제2 커플링 조인트를 포함할 수 있고, 공구는, 제3 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 요 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간의 제3 커플링 조인트를 더 포함할 수 있으며, 커플링 조인트, 제2 커플링 조인트, 및 제3 커플링 조인트는 커프와 프레임 간에 연속적으로 연결된다. 커플링 조인트들은 임의의 순서로 연속적으로 연결될 수 있다.

[0036] 다른 예에서, 공구 축선을 중심으로 롤 회전을 위해 구성되는 공구는, 제2 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 피치 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간의 제2 커플링 조인트를 포함할 수 있고, 그리고 게다가, 커플링 조인트는 또한, 제3 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 요 회전 자유도가 존재하게 하도록 회전식으로 커플링되며, 커플링 조인트 및 제2 커플링 조인트는 커프와 프레임 간에 연속적으로 연결된다.

[0037] 공구 축선을 중심으로 롤 회전을 위해 구성되는 장치의 또 다른 예는, 제2 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 피치 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간의 제2 커플링 조인트를 포함할 수 있고, 공구는, 제3 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 요 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간의 제3 커플링 조인트를 더 포함하며, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때 제2 축선과 제3 축선은 유저의 손목의 중심 구역을 통해 공구 축선과 교차한다.

[0038] 본원에서 설명되는 커플링 조인트들 중 임의의 커플링 조인트는 보다 상세하게는, 짐벌들로서(예컨대, 짐벌의 일 부분으로서) 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 짐벌은 짐벌 조립체를 형성할 수 있는 피봇팅 마운트들 각각을 지칭한다. 짐벌은 중앙 구역을 중심으로 완전히 또는 중앙 구역을 중심으로 부분적으로(예컨대, 절반) 연장되는 짐벌 프레임을 포함할 수 있다. 짐벌 프레임은 링 또는 원호일 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 각각의 짐벌은 짐벌 프레임으로부터 연장되는 하나의 피봇 지점을 포함할 수 있고(또는 프레임은 하나 또는 한 쌍의 피봇 지점들을 수용할 수 있음); 한 쌍의 피봇 지점들(예컨대, 피봇 핀들 또는 피봇 핀들을 수용하기 위한 구멍들)이 포함될 때, 이들은 중앙 구역을 중심으로 180도만큼 분리된다. 짐벌 조립체는 (전형적으로, 그러나 필수적이지는 않고, 짐벌들 개개의 회전 축선들이 서로로부터 90도 오프셋들이도록) 배열된 다수의 짐벌들을 포함할 수 있다.

[0039] 예컨대, 공구 아암의 공구 축선을 중심으로 롤 회전을 위해 구성되는 장치(예컨대, 공구)는, 제2 커플링 조인트가, 제2 축선을 중심으로 피치 또는 요 회전을 제공하기 위해 프레임에 회전식으로 커플링되는 제1 짐벌로서 구성되는 프레임과 커프 간에 제2 커플링 조인트를 더 포함할 수 있고, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때 제2 축선은 유저의 손목의 중심 구역을 통해 공구 축선과 교차한다. 일부 변경들에서, 장치는 커프와 프레임 간의 제2 커플링 조인트(제2 커플링 조인트는, 제2 축선을 중심으로 피치 회전을 제공하기 위해 커프와 프레임 간에 회전식으로 커플링되는 제1 짐벌을 포함함), 및 커프와 프레임 간의 제3 커플링 조인트(제3 커플링 조인트는, 제3 축선을 중심으로 요 회전을 제공하기 위해 커프와 프레임 간에 회전식으로 커플링되는 제2 짐벌을 포함함)를 포함할 수 있고, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때 제2 축선 및 제3 축선은 유저의 손목의 중심 구역을 통해 공구 축선과 교차한다.

[0040] 유저의 손목 또는 팔뚝을 교차하는(예컨대, 유저의 손목 또는 팔뚝을 통해 연장되는) 롤 축선을 중심으로 공구가 롤링할 수 있도록 유저의 손목 또는 팔뚝에 장착되는 최소 접근 공구들이 본원에서 또한 설명된다. 예컨대, 공구는, 공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트를 포함하는 프레임; 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착되도록 구성되는 커프; 제1 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 제1 회전 자유도가 존재하도록, 프레임과 커프 간에 회전식으로 커플링되는 제1 짐벌; 프레임과 커프 간에 있고 그리고 공구 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 프레임 또는 제1 짐벌에 대해 슬라이딩하게 구성되는 베어링을 포함할 수 있으며, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 공구 축선 및 제2 축선은 유저의 손목 또는 팔뚝 내에서 교차한다.

[0041] 유저의 손목 또는 팔뚝에 교차하는 롤 축선을 중심으로 공구가 롤링할 수 있도록 유저의 손목 또는 팔뚝에 장착되는 최소 접근 공구는, 공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트를 포함하는 프레임; 커프 ― 커프는, 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하도록 구성되는, 그 커프를 통과하는 통로를 가짐 ―; 제1 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 제1 회전 자유도가 존재하도록, 프레임과 커프 간에 회전식으로 커플링되는 제1 짐벌; 프레임과 커프 간에 있고 그리고 공구 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 슬라이딩하게 구성되는 베어링 ― 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 공구 축선 및 제1 축선은 커프를 통과하는 통로 내에서 교차함 ―; 및 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝과 함께 움직이도록, 커프에서 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하게 구성되는 고정부를 포함할 수 있다.

[0042] 유저의 손목 또는 팔뚝을 통해 연장되는 롤 축선을 중심으로 공구가 롤링할 수 있도록 유저의 손목 또는 팔뚝에 장착되는 최소 접근 공구로서, 공구는, 공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트를 포함하는 프레임; 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착되도록 구성되는 커프; 제1 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 피치 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간에 회전식으로 커플링되는 제1 짐벌; 제2 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 요 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간에 회전식으로 커플링되는 제2 짐벌; 커프와 프레임 간에 있고 그리고 공구 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 슬라이딩하게 구성되는 베어링 ― 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 공구 축선, 제1 축선, 및 제2 축선은 유저의 손목 또는 팔뚝 내의 지점에서 교차함 ―; 및 제1 짐벌 및 제2 짐벌을 통해 유저의 손이 연장되고 그리고 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝과 함께 이동하도록, 커프에서 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하게 구성되는 고정부를 포함한다.

[0043] 위에 언급된 바와 같이, 그리고 특히, 유저의 손목 또는 팔뚝에 교차하는 롤 축선을 중심으로 공구가 롤링할 수 있도록 유저의 손목 또는 팔뚝에 장착되고 그리고 하나 또는 그 초과의 부가적인 자유도들을 포함하는 최소 접근 공구들에 대해, 다수의 커플링 조인트들, 예컨대 베어링들 및/또는 짐벌들이 사용되는 경우, 커플링 조인트들은 임의의 순서로 연속적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 짐벌 및 베어링은 커프와 프레임 간에 연속적으로 연결될 수 있다. 베어링 및 2개의 짐벌들을 갖는 변경들에서, 제1 짐벌, 제2 짐벌, 및 베어링은 임의의 순서로 커프와 프레임 간에 연속적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 짐벌은 프레임에 회전 가능하게(rotatably) 커플링될 수 있고 그리고 베어링은 제1 짐벌에 슬라이딩 가능하게 커플링될 수 있다. 베어링은 프레임에 슬라이딩 가능하게 커플링될 수 있고 그리고 제1 짐벌은 베어링에 회전 가능하게 커플링된다.

[0044] 일부 변경들에서, 공구는, 제2 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 제2 회전 자유도가 존재하도록, 프레임과 커프 간에 회전식으로 커플링되는 제2 짐벌을 더 포함하며, 여기서, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 공구 축선, 제1 축선, 및 제2 축선은 유저의 손목 또는 팔뚝 내의 지점에서 교차한다.

[0045] 이미 언급된 바와 같이, 커프는 제1 짐벌의 부분일 수 있다. 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 장치에서, 커프는, 제1 짐벌 내에 제거 가능하게 부착되도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 제1 짐벌은 공구에 제거 가능하게 부착되도록 구성될 수 있다. 이것은, 아래에 더 상세히 설명될 바와 같이, 커프가 팔에 부착되고 그런 다음 공구에 연결되거나, 또는 커프에 부착된 팔이 팔을 커프로부터 제거하기 전에 공구로부터 제거되는 것을 가능하게 할 수 있다.

[0046] 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 장치에서, 베어링은 제1 짐벌의 부분일 수 있다. 베어링은, 유저의 손목 또는 팔뚝에 대해 프레임의 연속 롤 회전을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 베어링은, 커프를 중심으로 링에서 연장되는 슬레드로서 구성되는 플레인 베어링 또는 커프를 중심으로 링에서 연장되는 롤링 엘리먼트 베어링일 수 있다.

[0047] 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 장치를 사용하는 방법들이 또한 본원에서 설명된다. 예컨대, 최소 접근 공구를 작동시키는 방법들이 본원에서 설명되며, 여기서, 최소 접근 공구는, 공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트를 포함하는 프레임을 포함하고, 방법은, 유저의 손목 또는 팔뚝이 제1 짐벌을 통해 연장되고 그리고 커프에 보유되도록 커프 내에서 유저의 팔뚝 또는 손목을 고정하는 단계 ― 슬라이딩하는 베어링을 통해 커프와 프레임 간에 공구 축선을 중심으로 롤 회전 자유도가 존재하고, 제1 짐벌을 통해 커프와 프레임 간에 제2 회전 자유도가 존재함 ―; 제2 회전 축선을 중심으로 제1 짐벌을 회전시키는 것 및 공구 축선을 중심으로 롤링하도록 베어링을 슬라이딩하게 하는 것 중 하나 또는 둘 모두에 의해, 유저가 유저의 팔을 움직임에 따라 공구 축선에 대해 유저의 손목 또는 팔뚝의 각도 또는 롤 포지션 중 어느 하나 또는 둘 모두를 변경하는 단계를 포함하며, 여기서, 제2 회전 축선 및 공구 축선은, 유저의 손목 또는 팔뚝 내에 있는 교차 지점에서 교차한다.

[0048] 일반적으로, 사용 동안, 커프는 유저 팔뚝에 부착될 수 있는 한편, 프레임은, 최소 또는 원격 접근 디바이스에 대한 연장된 기준 그라운드를 제공한다. 이러한 유형의 어레인지먼트는, 유저의 팔뚝, 손목, 손, 및 손가락들로부터의 모션 입력들을 원격 위치에 있는 엔드 이펙터의 대응하는 모션 출력들로 전달하도록 의도되는 최소/원격 접근 조정 가능 디바이스들에서 유용할 수 있다.

[0049] 유저의 손목 또는 팔뚝을 고정하는 단계는, 스트랩, 스냅, 벨트, 래치 및 후크 커넥터, 타이, 또는 클램프 중 하나 또는 그 초과를 포함하는 고정부로 유저의 팔뚝 또는 손목을 고정하는 단계를 포함할 수 있다.

[0050] 이들 방법들 중 임의의 방법은, 마운트에 세장형 공구 샤프트의 말단 구역을 커플링하는 단계를 포함할 수 있다. 최소 침습 수술(minimally invasive surgery) 적용에서, 마운트는, 트로카(trocar), 캐뉼라(cannula), 또는 받침점(fulcrum)으로서 역할을 하는 다른 지점일 수 있다. 예컨대, 방법은, 마운트에 세장형 공구 샤프트의 말단 구역을 커플링하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 공구 축선에 대해 유저의 손목 또는 팔뚝의 각도 또는 롤 포지션 중 어느 하나 또는 둘 모두를 변경하는 단계는, 유저의 손목 또는 팔뚝의 각도 및 롤 포지션 중 어느 하나 또는 둘 모두가 세장형 공구 샤프트에 대해 변경됨에 따라, 세장형 부재의 구역의 말단 단부가 마운트에 커플링되는 상태로 남겨지는 것을 포함한다.

[0051] 이들 방법들 중 임의의 방법은, 출력 조인트를 통해 공구 프레임의 세장형 부재의 말단 단부에 커플링되는 엔드 이펙터에 관절결합하도록, 입력 조인트를 통해 공구 샤프트에 커플링되는 핸들을 조작하는 단계를 포함할 수 있다.

[0052] 방법은, 피치, 요, 또는 피치 및 요 회전들로 공구 프레임에 커플링되는 핸들을 조작하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 핸들은, 멀티-링크 엔드 이펙터 조인트를 포함하는 출력 조인트의 대응하는 회전들을 통해 피치 및 요 회전을 전달하는 병렬 운동학적 입력 조인트를 통해 공구 프레임에 커플링된다.

[0053] 롤(예컨대, 공구 축선을 중심으로 한 롤)을 선택적으로 포함할 수 있는 피치 및 요에서의 회전을 제공하기 위한 프레임에 대한 팔뚝 부착을 포함하는 최소 접근 공구들이 또한 본원에서 설명된다.

[0054] 예컨대, 최소 접근 공구가 본원에서 설명되고, 그 최소 접근 공구는, 세장형 공구 샤프트를 갖는 프레임 ― 세장형 공구 샤프트는 공구 축선을 가짐 ―; 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착되도록 구성되는 커프; 제1 축선을 중심으로 커프와 프레임 간의 제1 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간에 커플링되는 커플링 조인트 ― 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 제1 축선은 유저의 손목 또는 팔뚝의 중심 구역을 통과하고, 추가로, 공구 축선은 유저의 손목 또는 팔뚝의 중심 구역에서 제1 축선과 교차함 ―; 및 유저의 손이 커프 밖으로 연장되도록 그리고 커프가 유저의 팔뚝과 함께 이동하도록 커프에 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하도록 구성되는 고정부를 포함한다. 일반적으로, 이들 장치들 중 임의의 장치는, 유저의 손목 또는 팔이 커프에 유지될 때, 다수의 회전 축선들(예컨대, 제1 회전 축선 및 제2 회전 축선)이 유저의 손목 또는 팔 안의 지점에서 교차하도록 구성될 수 있다. 이들 변경들 중 임의의 변경에서, 제1, 제2, 또는 제3 축선들은 피치 축선 또는 요 축선일 수 있다.

[0055] 유저의 손목 또는 팔뚝에 장착하기 위한 최소 접근 공구가 포함될 수 있고, 그 공구는, 세장형 공구 샤프트를 갖는 프레임 ― 세장형 공구 샤프트는 공구 축선을 가짐 ―; 유저의 손목 또는 팔뚝을 내부에 유지하도록 구성되는 커프; 커프와 프레임 간의 제1 커플링 조인트 ― 제1 커플링 조인트는 제1 축선을 중심으로 회전하도록 구성됨 ―; 커프와 프레임 간의 제2 커플링 조인트 ― 제2 커플링 조인트는 제2 축선을 중심으로 회전하도록 구성되고, 제1 축선과 제2 축선은 교차 지점에서 교차함 ―; 및 유저의 손이 커프를 통해 연장되고, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝과 함께 이동하도록 커프에 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하도록 구성되는 고정부를 포함하고, 추가로, 여기에서, 교차 지점은 유저의 손목 또는 팔뚝 내에 있다. 장치는 커프와 프레임 간에 커플링되는 제3 커플링 조인트를 포함할 수 있고, 여기에서, 제3 커플링 조인트는 제3 축선을 중심으로 회전하도록 구성된다. 이들 변경들 중 임의의 변경에서, 제1 축선은 공구 축선일 수 있다.

[0056] 유저의 팔에 장착하기 위한 최소 접근 공구는, 세장형 공구 샤프트를 갖는 프레임; 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착되도록 구성되는 커프; 커프와 프레임 간에 적어도 하나의 회전 또는 병진운동 모션을 제공하는, 커프와 프레임 간의 커플링 조인트; 유저의 손을 수용하도록 구성되는 핸들 ― 핸들은 입력 조인트를 통해 프레임에 연결되고, 입력 조인트는 적어도 하나의 자유도를 제공하는 병렬 운동학적 입력 조인트임 ―; 출력 조인트를 통해 공구 샤프트에 연결되는 엔드 이펙터; 및 입력 조인트의 적어도 하나의 자유도를 출력 조인트의 대응하는 적어도 하나의 자유도로 전달하기 위한 전달 시스템을 포함할 수 있다.

[0057] 이들 장치들(예컨대, 공구들) 중 임의의 장치는, 공구 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 슬라이딩하게 구성되는 베어링을 제1 커플링 조인트가 포함하도록 구성될 수 있다. 일부 변경들에서, 제1 커플링 조인트는, 제1 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 제1 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간에 회전식으로 커플링되는 제1 짐벌을 포함한다. 예컨대, 제2 커플링 조인트는, 제2 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 제2 회전 자유도가 존재하도록, 커프와 프레임 간에 회전식으로 커플링되는 제2 짐벌을 포함할 수 있거나; 또는 제2 커플링 조인트는, 공구 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 슬라이딩하게 구성되는 베어링을 포함할 수 있다. 제1 커플링 조인트는 프레임에 회전 가능하게 커플링되는 제1 짐벌일 수 있고, 제2 커플링 조인트는 제1 짐벌에 회전 가능하게 커플링되는 제2 짐벌이다.

[0058] 또한, 프레임 및 그로부터 연장되는 공구 샤프트를 갖는 최소 접근 공구를 작동시키는 방법들이 본원에서 설명된다. 예컨대, 방법은, 유저의 손목 또는 팔뚝이 짐벌 조립체를 통해 연장되고, 유저의 손이 짐벌 조립체를 넘어서 통과하고, 짐벌 조립체와 독립적으로 이동할 수 있도록, 최소 접근 공구의 짐벌 조립체 내에 유저의 손목 또는 팔뚝을 고정시키는 단계 ― 짐벌 조립체는 제1 커플링 조인트 및 제2 커플링 조인트를 포함하고, 제1 커플링 조인트는 제1 축선을 중심으로 회전하도록 프레임에 회전식으로 커플링되고, 제2 커플링 조인트는 제2 축선을 중심으로 회전하도록 제1 커플링 조인트에 회전식으로 커플링됨 ―; 유저가 유저의 손목 또는 팔뚝을 이동시킴에 따라, 제1 축선을 중심으로 하는 제1 커플링 조인트와 제2 축선을 중심으로 하는 제2 커플링 조인트 중 하나 또는 그 초과를 회전시킴으로써, 공구 샤프트에 대해 유저의 손목 또는 팔뚝의 각도를 변화시키는 단계를 포함할 수 있으며, 여기에서, 제1 축선과 제2 축선은 유저의 손목 또는 팔뚝 내에 있는 교차 지점에서 교차한다.

[0059] 유저의 손목 또는 팔뚝을 고정시키는 단계는, 스트랩, 스냅, 벨트, 래치 및 후크 커넥터, 타이, 또는 클램프 중 하나 또는 그 초과를 포함하는 고정부와 유저의 팔뚝 또는 손목을 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.

[0060] 이들 방법들 중 임의의 방법은 세장형 공구 샤프트의 말단 구역을 마운트에 커플링하는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 이들 방법들 중 임의의 방법은 세장형 공구 샤프트의 말단 구역을 마운트에 커플링하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기에서, 공구 축선에 대해 유저의 손목 또는 팔뚝의 각도 또는 롤 포지션 중 어느 하나 또는 둘 모두를 변화시키는 것은, 유저의 손목 또는 팔뚝의 각도 및 롤 포지션 중 어느 하나 또는 둘 모두가 세장형 공구 샤프트에 대해 변화됨에 따라, 세장형 부재의 구역의 말단 단부가 마운트에 커플링되는 상태로 남기는 것을 포함한다.

[0061] 방법은, 공구 프레임의 세장형 부재의 말단 단부에 커플링되는 엔드 이펙터 조인트를 구동시키거나 또는 제어하기 위해, 입력 조인트를 통해 공구 샤프트에 커플링되는 핸들을 조작하는 단계를 포함할 수 있다.

[0062] 방법은, 피치, 요, 또는 피치와 요 회전들로 공구 프레임에 커플링되는 핸들을 조작하는 단계를 포함할 수 있고, 여기에서, 핸들은 엔드 이펙터에서의 출력 조인트로 피치 및 요 회전을 전달하는 병렬 운동학적 입력 조인트를 통해 공구 프레임에 커플링된다. 출력 조인트는 관절결합을 허용하는 멀티-링크 조인트일 수 있다.

[0063] 또한, 최소 접근 공구들이 본원에서 설명되고, 그 최소 접근 공구들은, 위에서 설명된 신체 부착 엘리먼트들 둘 모두, 공구 샤프트를 갖는 프레임, 및 예컨대, 2개 또는 그 초과의 자유도들을 갖는 병렬 운동학적 입력 조인트에 커플링되는 핸들에 의해 작동되는 공구 샤프트의 단부에서의 출력 조인트를 포함한다. 예컨대, 최소 접근 공구들이 본원에서 설명되고, 그 최소 접근 공구들은, 공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트를 포함하는 프레임; 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하도록 구성된, 커프를 통하는 통로를 갖는 커프; 제1 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 피치 회전 자유도가 존재하도록, 하는 커프와 프레임 간의 제1 짐벌; 제2 축선을 중심으로 프레임과 커프 간에 요 회전 자유도가 존재하도록, 하는 커프와 프레임 간의 제2 짐벌; 커프와 프레임 간의 베어링 ― 베어링은, 공구 축선을 중심으로 커프와 프레임 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 슬라이딩하거나 또는 롤링하도록 구성되고, 제1 짐벌, 제2 짐벌, 및 제3 짐벌은 커프와 프레임 간에 연속적으로 연결되고, 추가로, 공구 축선, 제1 축선, 및 제2 축선 모두는 커프를 통하는 통로 내의 지점에서 교차함 ―; 및 유저의 손이 제1 짐벌 및 제2 짐벌을 통해 연장되고, 커프가 유저의 손목 또는 팔뚝과 함께 이동하도록, 커프에 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하도록 구성되는 고정부; 적어도 하나의 자유도를 갖는 입력 조인트를 통해 프레임에 커플링되는 핸들; 및 출력 조인트를 통해 공구 샤프트에 연결되는 엔드 이펙터; 및 입력 조인트의 적어도 하나의 자유도를 출력 조인트의 대응하는 하나 또는 그 초과의 자유도들로 전달하기 위한 전달 시스템을 포함한다.

[0064] 위에서 언급된 바와 같이, 위에서 설명된 공구에 포함되는 이들 장치들 중 임의의 장치에서, 제1 짐벌은 제2 짐벌 내에 안착될 수 있다. 커프는 제1 짐벌과 일체형일 수 있다.

[0065] 이러한 변경들 중 임의의 것에서, 입력 조인트는, 핸들을 공구 프레임에 커플링하는 모션의 전달을 위한 적어도 2개의 독립적 경로들을 갖는 병렬 운동학적 입력 조인트를 포함하여, 병렬 운동학적 입력 조인트를 포함할 수 있고, 여기서 적어도 2개의 독립적 경로들은 제1 경로 및 제2 경로를 포함하고, 제1 경로 내의 제1 중간체는 제1 커넥터에 의해 공구 프레임에 그리고 제3 커넥터에 의해 핸들에 연결되고, 제2 경로 내의 제2 중간체는 제2 커넥터에 의해 프레임에 그리고 제4 커넥터에 의해 핸들에 연결되고, 여기서 제1 커넥터 및 제4 커넥터 둘 모두는 제1 회전 방향의 회전을 허용하고 제2 회전 방향의 회전을 제한하고, 추가로 여기서 제2 및 제3 커넥터들은 제2 회전 방향의 회전을 허용하고, 제1 회전 방향의 회전을 제한한다.

[0066] 커프는 제1 짐벌을 통해 채널 내에 있을 수 있고, 대안적으로 또는 부가적으로, 커프는 제1 짐벌로부터 형성될 수 있다(예컨대, 제1 짐벌에 일체형임). 커프는 제1 짐벌 내에서 제거 가능하게 부착하도록 구성될 수 있다. 제1 항의 공구에서, 베어링은 유저의 손목 또는 팔뚝에 대해 프레임의 연속 롤 회전을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 베어링은 커프 둘레의 트랙 내에서 슬레드 슬라이딩할 수 있다. 제1 짐벌은 공구에 제거 가능하게 부착하도록 구성될 수 있다.

[0067] 일반적으로, 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 것은 유리하게도, 공구 내외로 제거 가능하게 커플링될 수 있는 커프(이는 커플링 조인트, 이를테면 짐벌의 부분일 수 있음)를 포함할 수 있다. 위에서 간략히 언급된 바와 같이, 이는 유저가 커프를 자신들의 신체(예컨대, 손목 및/또는 팔뚝)에 용이하게 부착하고, 이어서 예컨대, 공구 내로 스내핑함으로써 이를 공구에 부착하게 허용할 수 있어서, 커프는 그 결과로 본원에서 설명 및 예시된 바와 같이 작동할 수 있다. 유사하게, 공구를 제거하기 위해(또는 예컨대 상이한 엔드 이펙터들을 갖는 공구들 간에 스위칭하기 위해), 유저는 커프(및/또는 커프를 포함하는 커플링 조인트)를 공구로부터 언커플링할 수 있다. 이러한 실시예들은 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 것에 통합될 수 있지만, 특히 커프가 입력 조인트들(예컨대, 짐벌들) 중 하나로부터 형성되는 경우에, 커플링 조인트들 중 하나 또는 그 초과로서 짐벌들을 포함하는 변경들에서 특히 효과적일 수 있다.

[0068] 예컨대, 최소 접근 공구를 위한 팔뚝 부착 디바이스는, 공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트를 포함하는 프레임, 프레임에 회전식으로 커플링되는 외부 짐벌, 및 외부 짐벌에 회전식으로 커플링되거나 이에 커플링 가능한 내부 짐벌 ― 내부 짐벌은, 외부 짐벌에 커플링될 때, 내부 짐벌을 외부 짐벌에 커플링하는 적어도 하나의 해제 가능한 부착을 포함하는 제1 회전 축선을 중심으로 회전하도록 구성되고, 여기서 외부 짐벌은 제2 회전 축선을 중심으로 회전하도록 구성되고, 여기서 제1 회전 축선 및 제2 회전 축선은 교차 지점에서 교차함 ―, 교차 지점이 유저의 팔 내에 있도록 유저의 팔을 그 안에 유지하도록 구성되는 내부 짐벌 내의 커프는, 커프가 유저의 팔과 함께 움직이도록 유저의 팔을 커프에 고정하도록 구성되는 고정부를 포함할 수 있다.

[0069] 해제 가능한 커플링은 임의의 적합한 해제 가능한 연결일 수 있지만, 특히 커플링/언커플링 시에 촉각 및/또는 가청 피드백을 제공하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 내부 짐벌은 외부 짐벌로 해제 가능하게 스내핑하도록 구성될 수 있다.

[0070] 내부 짐벌은, 내부 짐벌로부터 연장되고 외부 짐벌과 해제 가능하게 정합하도록 구성되는 적어도 하나의 돌기(예컨대, 피벗 핀으로 또한 지칭되는 핀)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 내부 짐벌은 외부 짐벌로부터 돌기(예컨대, 핀)를 수용하고 이와 해제 가능하게 정합하도록 구성되는 내부 짐벌의 외부 표면 상의 적어도 하나의 돌기 수용부를 포함할 수 있다. 내부 짐벌은, 외부 짐벌 상의 돌기 또는 돌기 수용부와 정합하도록 구성된, 내부 짐벌의 외부 표면 상의 적어도 하나의 돌기(예컨대, 핀) 또는 돌기 수용부를 포함할 수 있고, 여기서 적어도 하나의 돌기 또는 돌기 수용부는 제1 회전 축선에 있다.

[0071] 커프 및/또는 커프를 유지하는 커플링 조인트(예컨대, 짐벌)는 공구로부터 릴리즈(release)를 포함하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 커프가 외부 짐벌 및/또는 프레임에 해제 가능하게 커플링되는 내부 짐벌의 부분일 때, 내부 짐벌은 외부 짐벌로부터 디커플링하도록 압축되게 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 릴리즈 제어부(버튼, 스위치, 슬라이더 등)가 포함될 수 있다. 짐벌이, 예컨대, 하나 또는 2개의 피벗 핀들에 의해 부착되는 경우에, 피벗 핀들 중 하나 또는 둘 모두는 스프링 탑재식일 수 있다.

[0072] 본원에서 설명되는 장치들 중 임의의 것에서, 장치는 커프 외에도 슬리브를 포함할 수 있다. 슬리브는 커프에 커플링할 수 있고, 편안함 및/또는 피트를 향상시키기 위해 커프로의 커플링 전에 유저에 의해 적용될 수 있다. 예컨대, 장치는 내부 짐벌에 의해 형성된 개구(예컨대, 커프) 내에 견고하게 부착하도록 구성되는 슬리브를 포함할 수 있고, 추가로, 여기서 슬리브는 유저의 손목 또는 팔뚝을 커프에 커플링하도록 구성된다.

[0073] 해제 가능한 커프 부분을 포함하는 공구들 중 임의의 것에서, 장치는 롤 회전을 위해 구성될 수 있고, 공구 샤프트의 장축선을 중심으로 한 프레임과 커프 간의 롤 회전 자유도가 존재하도록, 슬라이딩하게 구성된, 커프와 프레임 간의 베어링을 포함할 수 있다.

[0074] 또한 이러한 해제 가능한 커프 장치들을 사용하는 방법들이 본원에서 설명된다. 예컨대, 최소 접근 공구를 유저의 팔에 부착하는 방법은, 유저의 손이 커프 외부로 연장되면서 유저의 손목 또는 팔뚝이 커프 내에 고정되도록, 최소 접근 공구로부터 언커플링되는 커프 내에 유저의 손목 또는 팔뚝을 고정하는 단계, 커프를 최소 접근 공구의 프레임에 부착하는 단계 ― 커프는 프레임에 대해 제1 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있는 제1 커플링 조인트의 부분이거나 이에 커플링됨 ― , 유저가 유저의 손목 또는 팔뚝을 움직임에 따라 제1 회전 축선을 중심으로 커프에 대해 프레임을 회전시키는 단계, 및 유저가 유저의 손목 또는 팔뚝을 움직임에 따라 제2 회전 축선을 중심으로 커프에 대해 프레임을 회전시키는 단계를 포함할 수 있고, 제1 회전 축선 및 제2 회전 축선은 유저의 손목 또는 팔뚝 내에 있는 교차 지점에서 교차한다.

[0075] 제1 커플링 조인트는, 유저의 팔을 커프에 삽입하기 위해, 위에서 논의된 바와 같이, 제거 가능할 수 있거나, 커프가 제1 커플링 조인트에 견고하게 부착하는 경우에, 커프가 제거 가능하고 제1 커플링 조인트에 삽입될 수 있다. 제1 커플링 조인트는, 본원에서 설명된 바와 같이, 베어링 및/또는 짐벌일 수 있다. 제1 회전 모션은 피치, 요 또는 롤에 있을 수 있고, 제2 회전 모션은 제2 커플링 조인트(예컨대, 베어링 또는 짐벌) 또는 동일한 제1 커플링 조인트에 의해 수행될 수 있다.

[0076] 예를 들어, 최소 접근 공구를 유저의 팔에 부착하는 방법은, 유저의 팔뚝이 내부 짐벌을 통해 연장되도록 내부 짐벌 내에 유저의 팔뚝을 고정시키는 단계 ― 내부 짐벌 부재는 내부 짐벌, 프레임 및 외부 짐벌을 포함하는 짐벌 조립체의 부분을 형성하고, 외부 짐벌은 프레임에 회전식으로 커플링되고 내부 짐벌은 외부 짐벌에 회전식으로 커플링됨 ― ; 유저가 유저의 팔뚝을 움직임에 따라 짐벌 조립체의 제1 회전 축선을 중심으로 내부 짐벌을 회전시키는 단계; 및 유저가 유저의 팔뚝을 움직임에 따라 짐벌 조립체의 제2 회전 축선을 중심으로 외부 짐벌을 회전시키는 단계를 포함할 수 있고, 제1 회전 축선과 제2 회전 축선은 유저의 팔뚝 내에 있는 교차 지점에서 교차한다.

[0077] 방법은 또한 내부 짐벌 내에 유저의 팔뚝을 고정시킨 후에 내부 짐벌이 제1 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 내부 짐벌 부재를 짐벌 조립체에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 방법은 또한 내부 짐벌 내에 유저의 팔뚝을 고정시킨 후에 내부 짐벌이 제1 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 내부 짐벌 부재를 짐벌 조립체에 스내핑하는 단계를 포함할 수 있다.

[0078] 방법은 또한, 유저의 팔뚝을 내부 짐벌 내에 고정시킨 후, 내부 짐벌이 돌기 또는 돌기 수용부를 통해 제1 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 내부 짐벌의 외부 표면 상의 돌기 또는 돌기 수용부를 외부 짐벌의 내부 표면 상의 상보적 돌기 또는 돌기 수용부와 정합시킴으로써 짐벌 조립체에 내부 짐벌 부재를 부착하는 단계를 포함할 수 있다.

[0079] 이들 방법들 중 임의의 것은, 내부 짐벌 내에서 유저의 팔뚝을 고정시킨 후에, 내부 짐벌이 외부 짐벌 부재에 피팅하도록 내부 짐벌을 압축하고 내부 짐벌이 제1 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 내부 짐벌을 외부 짐벌과 정합시키기 위해 압축을 해제함으로써 내부 짐벌 부재를 짐벌 조립체에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 내부 짐벌이 유저의 팔과 함께 움직 이도록 내부 짐벌 내에 유저의 팔뚝을 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.

[0080] 커프는, 커프가 유저의 팔뚝과 함께 움직일 수 있도록 유저의 팔뚝을 중심으로 적어도 부분적으로 고정될 수 있으며, 유저의 팔뚝을 내부 짐벌 내에 배치하는 단계는 내부 짐벌이 유저의 팔뚝과 함께 움직이도록 내부 짐벌 내에 커프를 고정시키는 단계를 포함한다. 예컨대, 내부 짐벌 내에서 유저의 팔뚝을 고정시키는 단계는 유저의 팔뚝을 내부 짐벌 내에서 커프에 배치하고 고정부를 사용하여 커프에 유저의 팔뚝을 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.

[0081] 제1 회전 축선을 중심으로 내부 짐벌을 회전시키는 단계는 요 축선을 중심으로 내부 짐벌을 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 제2 회전 축선을 중심으로 외부 짐벌을 회전시키는 단계는 피치 축선을 중심으로 외부 짐벌을 롤링하게 하는 단계를 포함할 수 있다.

[0082] 예를 들어, 최소 접근 공구를 유저의 팔뚝에 부착하는 방법은, 유저의 팔뚝이 내부 짐벌을 통과하도록 내부 짐벌 부재를 유저의 팔뚝에 커플링하는 단계; 유저의 팔뚝에 커플링되는 내부 짐벌 부재를 프레임 및 외부 짐벌을 포함하는 짐벌 조립체에 부착하는 단계 ― 외부 짐벌은 프레임에 회전식으로 커플링되어 내부 짐벌이 외부 짐벌에 회전식으로 커플링됨 ―; 제1 회전 축선을 중심으로 내부 짐벌을 회전시키는 단계; 및 제2 회전 축선을 중심으로 외부 짐벌을 회전시키는 단계를 포함할 수 있고, 제1 회전 축선과 제2 회전 축선은 유저의 팔뚝 내에 있는 교차 지점에서 교차한다.

[0083] 본 발명의 신규한 특징들은 특히 이어지는 청구항들에서 기술된다. 본 발명의 특징들 및 장점들의 더 나은 이해는 본 발명의 원리들이 활용되는 예시적인 실시예들을 기술하는 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조하여 얻어질 것이다.
[0084] 도 1, 도 2 및 도 3은 종래 기술의 최소 침습/원격 접근 공구들을 예시한다.
[0085] 도 4, 도 5, 도 6a 내지 도 6c, 도 7a, 도 7b, 도 8a, 도 8b 및 도 9는 유저의 팔(손목, 팔뚝 및 손가락들)에 대해 상이한 자유도들을 도시한다.
[0086] 도 10은 최소 접근 공구(예컨대, 원격 접근 공구)를 사용한 팔 무브먼트의 병진운동을 예시한다.
[0087] 도 11 및 도 12는 도 1 내지 도 3에 도시된 것들과 같은 종래 기술의 디바이스들로 달성하기 어려울 수 있는 최소 접근 공구의 배향을 예시한다.
[0088] 도 13a 내지 도 13c 및 도 14a 내지 도 14b는 도 1 내지 도 3에 도시된 것들과 같은 종래 기술의 최소 접근 공구들을 사용하여 달성하기가 어렵거나 불 가능할 수 있는 팔 무브먼트들을 예시한다.
[0089] 도 15, 도 16, 도 17 및 도 18은 팔뚝 부착 부분(예컨대, 커프)과 프레임 간의 1개 초과의 자유도를 허용할 수 있는 팔뚝 부착 조립체를 포함하는 최소 접근 공구들을 개략적으로 예시한다.
[0090] 도 19 및 도 20은 본원에서 설명된 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체들(컴포넌트들)의 제1 실시예를 예시한다. 도 19는 피치, 요 및 롤의 회전을 허용하는 프레임과 (내부 짐벌에 통합된) 커프 간의 커플링을 제공할 수 있는 2개의 짐벌들 및 베어링을 포함하는 커플링 조인트들의 조립체의 일 변형예를 도시하며, 프레임은 (도 21a에 도시된 바와 같이) 공구 축선을 중심으로 롤링하도록 구성될 수 있다. 도 20은 복수의 롤러들을 포함하는 베어링을 도시한다.
[0091] 도 21a는 3개의 회전 축선들(피치, 요, 롤)을 도시하는, 최소 접근 공구에 통합된 팔뚝 부착 조립체의 다른 예를 예시한다.
[0092] 도 21b 내지 도 21g는 일반적인 커프와 프레임 간의 6개의 상이한 자유도들을 개략적으로 예시한다. 도 21b 내지 도 21d는 병진운동 DoF들 : 축방향(도 21b), 수평(도 21c) 및 수직(도 21d)을 도시한다. 도 21e 내지 도 21g는 회전 DoF들 : 롤(도 21e), 피치(도 21f) 및 요(도 21g)를 도시한다.
[0093] 도 22, 도 23, 도 24a 내지 도 24b, 도 25, 도 26, 도 27, 도 28 및 도 29는 모두 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체를 포함하는 최소 접근 공구의 다른 예를 예시한다.
[0094] 도 30은 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 다른 예이다.
[0095] 도 31a-31b는 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 다른 예이다.
[0096] 도 32, 33, 34, 35 및 36은 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체들의 예들을 예시한다.
[0097] 도 37 및 38은 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 다른 예를 도시한다.
[0098] 도 39는 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 예를 개략적으로 예시한다.
[0099] 도 40a-40b는 종래의 부착 장치와 본원에 설명된 하나 또는 그 초과의 자유도를 갖는 팔뚝 부착 조립체들 간의 비교를 예시한다.
[0100] 도 41은 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 다른 예를 개략적으로 예시한다.
[0101] 도 42는 유저의 손목, 팔뚝, 및 손 외에도 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 일 실시예를 개략적으로 예시한다.
[0102] 도 43은 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 일 실시예를 구성하는, 복수의 짐벌들(링들로 도시됨) 및 축선들을 예시한다.
[0103] 도 44는 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 일 실시예를 구성하는 복수의 링들 및 다양한 컴포넌트들에 대한 조립체의 시퀀스를 개략적으로 예시한다.
[0104] 도 45는 최소 접근 공구와 함께 사용될 수 있는 팔뚝 부착 조립체의 일 실시예에서 발견될 수 있는 편향 링 내에서 커프를 보유시키는데 사용되는 하나의 메커니즘에 대한 방법을 개략적으로 예시한다.
[0105] 도 46은 커프, 및 최소 접근 공구와 함께 사용하는 동안 커프를 유저의 팔뚝에 부착시키기 위한 피팅된 스트랩을 포함하는 다양한 컴포넌트들의 일 실시예의 사시도를 예시한다. 이 예에서, 커프는 짐벌의 부분으로서 형성되고, 최소 접근 공구와 함께 사용하는 동안 커프를 유저의 팔뚝에 부착하기 위한 피팅된 스트랩을 포함한다.
[0106] 도 47은 최소 접근 공구로서 사용하기 위해 설치된 팔뚝 부착 장치(분해도)의 특정 실시예에 따른 전체 복강경 인스트루먼트를 예시한다.
[0107] 도 48은 팔뚝 부착 조립체의 하나의 변경의 횡단면도를 예시한다.
[0108] 도 49는 조립체의 롤 링 컴포넌트를 예시한다.
[0109] 도 50은 컴포넌트들 간의 바인딩의 소스를 보여주기 위한 축선(3)에 대한 축선(2)의 병진운동을 예시한다.
[0110] 도 51은 원격 액세스 툴, 예컨대, 수술용 공구에서 원격 엔드 이펙터를 제어하기 위해 유저에 의해 사용될 수 있는 3개의 축선 짐벌 유형 어레인지먼트를 예시한다.
[0111] 도 52a-52g는 본원에서 설명된 바와 같이, 피치, 요 및 롤 회전을 갖는, 본원에서 설명된 바와 같은 신체(예컨대, 팔뚝) 부착 조립체를 포함하는 예시적인 최소 접근 공구를 예시한다. 이 예는 2개의 DoF를 갖는 병렬 운동학적 입력 조인트를 포함한다.
[0112] 도 53a-53d는 공구(예컨대, 최소 접근 공구)로부터 제거 가능하게 부착 가능한/분리 가능한 커플링 조인트(이 예에서는 짐벌로 구성됨)에 통합되는 커프의 다른 변경을 예시한다. 도 53a 및 53b는 각각 커프 개구부를 포함하는 짐벌의 전면 및 측면 프로파일들 및 한 쌍의 스프링 탑재식 핀들을 도시하며, 한 쌍의 스프링 탑재식 핀들은 도 53d에 예시된 바와 같이 짐벌을 다른 짐벌에 고정시켜, 이것이 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있다. 53c는 스프링 탑재식 핀들이 내부로 삽입될 수 있는 제2 짐벌의 단면도를 도시한다.
[0113] 도 54a 및 54b는 팔뚝 부착 조립체의 다른 변경들을 예시한다. 이 예에서, 팔뚝 부착 조립체는 고정된, 그러나 순응 부재에 의해 직렬로 연결되는 한 쌍의 짐벌들을 포함한다; 따라서, 전체 조립체는 (예컨대, 몰딩, 사출 몰딩 등에 의해) 단일 피스로부터 형성될 수 있다. 제1 및 제2 (예컨대, 피치 및 요) 축선들을 중심으로 하는 피벗팅이 연결 구역들(탭들)의 순응에 기반하여 허용될 수 있다.
[0114] 도 55는 고정부를 포함하는 다른 손목 커프를 예시한다.
[0115] 도 56은 팔을 유지하도록 구성되는 커프와 공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트를 포함하는 (또는 거기에 부착된) 프레임 간의 신체(예컨대, 팔뚝) 부착 조립체를 포함하는 최소 접근 디바이스의 하나의 변경을 예시한다. 이 디바이스는 또한 2개의 병렬 운동학적 DoF 입력 조인트를 포함한다. 팔뚝 부착 조립체의 회전축들(커플링 조인트의 요 축선 및 커플링 조인트의 피치 축선뿐만 아니라 공구 샤프트의 롤 축선)은 모두 유저의 손목 또는 팔뚝 내의 교차 지점에서 교차하며; 병렬 운동학적 입력 조인트의 2개의 회전 축선들이 또한 이 동일한 지점에서 교차한다.

[0116] 일반적으로, 신체 부착물, 이를 테면, 팔뚝 부착 조립체의 부분일 수 있는 커프와 툴의 프레임 간에 최대 4개의 자유도, 예컨대, 3개의 회전 및 1개의 병진운동을 제공하기 위해 최소 접근 공구(최소 접근 공구)와 함께 사용될 수 있는 (그리고/또는 최소 접근 공구에 통합될 수 있는) 팔뚝 부착 조립체들을 포함하는 신체 부착 장치들(예컨대, 디바이스들, 시스템들, 조립체들, 공구들 등)이 본원에 설명된다. 이러한 DoF(degrees of freedom)는 커프와 프레임 간의 연결(이는 조인트 및/또는 메커니즘으로 지칭될 수 있음)을 통해 달성될 수 있다. 이 연결은 또한 "커플링 조인트"로 본원에서 지칭될 수 있다. 나머지 2개의 병진운동 모션들이 구속될 수 있으며 따라서 커프와 프레임 간에 직접 전달될 수 있다. 편의상, 본원에 설명된 신체 부착 조립체들은, 이들이 다리들(하부 다리, 발목, 상부 다리), 또는 팔의 다른 부분들(손목, 팔뚝, 상부 팔)을 포함한 다른 신체 영역들에서 사용하기 위해 적응될 수 있지만, "팔 부착 조립체들" 또는 "팔뚝 부착 조립체들"로 지칭될 수 있다. 본원의 보통 사용법에서, 콘텍스트가 명확하게 다르게 구성되지 않은 경우, "팔뚝 부착 조립체"는 손목 또는 팔뚝에 부착될 수 있다.

[0117] 4개의 자유도 변경들이 본원에 설명되었지만, 이들 신체 부착 장치들의 추가 변경들, 및 이에 따른, 이들을 포함하는 최소 접근 공구들의 변경들은 4개 미만의 DoF를 대신 제공할 수 있다. 예컨대, 본원에로 설명된 최소 접근 공구는 3개의 회전 자유도들(요, 피치 및 롤), 또는 2개의 회전 자유도들(예컨대, 요 및 롤, 피치 및 롤 또는 요 및 피치)를 포함할 수 있다. 일부 변경에서, 단지 하나의 회전 자유도(예컨대, 롤)가 제공된다.

[0118] 언급된 바와 같이, 일반적으로 팔뚝 부착 조립체는 장치, 이를 테면, 최소 원격 접근 공구의 일부로서 사용될 수 있다. 일반적으로, 최소 원격 접근 공구는 프레임에 대해 일체형이고 그리고/또는 견고하게 연결될 수 있는 샤프트를 포함할 수 있다. 프레임은 장치 기계식 그라운드로 간주될 수 있다. 대안적으로, 일부 변경들에서, 샤프트는 조인트(예컨대, 범용 조인트)에 의해 프레임에 연결될 수 있다.

[0119] 특히 유용할 수 있는 본원에 설명된 장치들의 일부 변경들은, 공구 샤프트가 프레임과 일체형이거나 프레임에 대해 견고하게 연결되고 세장형 (긴) 공구 축선을 갖도록 구성된다. 이러한 변경들은 커프와 공구 샤프트 간에 롤을 허용하도록 구성되는 신체(예컨대, 팔뚝) 부착 조립체를 포함할 수 있으므로, 롤 축선이 공구 축선과 동일하고, 이 축선은 커프(예컨대, 장치를 작동시킬 경우 유저의 손목 및/또는 팔뚝의 중심 영역)를 통해 통과한다. 일부 변경들에서, 팔뚝 부착 조립체는 또한, 하나 또는 그 초과의 추가 축선들, 이를 테면, 피치 또는 요를 중심으로 한 회전을 허용한다. 이러한 추가 축선들은 또한 유저의 손목 및/또는 팔뚝 안의 지점에서 롤 축선과 교차할 수 있다. 대안적으로, 일부 변경들에서, 롤 축선이 유저의 손목 및/또는 팔뚝과 교차하지만, 추가 피치 및/또는 요 축선들은 교차하지 않는다. 따라서, 프레임과 커프 간의 피치 및 요 회전 DoF가 유저의 손목에서 롤 축선과 교차하도록 설명되었지만, 대안적인 실시예에서 이러한 2개의 회전 축선들은 유저의 손목으로부터 떨어진 위치에 있을 수있다. 예컨대, 최소 접근 공구는, 롤 회전이 유저의 손목 구역을 통해 통과하는 공구 축선을 중심으로 하지만, 피치 및 요 자유도들이 공구 프레임 및 공구 샤프트 간에 있거나, 또는 공구 프레임 또는 공구 샤프트의 범위를 따라 임의의 다른 위치를 따르도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 롤, 피치 및 요 축선들은 유저의 손목 구역에 있는 하나의 지점에서 더 이상 교차하지 않을 것이다.

[0120] 커프는 신체 부착 조립체의 부분일 수 있거나 또는 이것이 분리되어 신체 부착 조립체에 부착될 수 있다. 예컨대, 커프가 최소 접근 공구에 링크되는 팔뚝 부착 조립체의 부분인 경우, 커프가 유저의 팔뚝에 견고하게 부착될 수 있음으로써, 유저의 팔뚝과 최소 접근 공구의 프레임 간에 최대 4개의 DoF를 허용한다. 공구의 팔뚝 부착 조립체 부분을 형성하는 커플링 조인트(들)는 2개의 회전 DoF (피치 및 요)가 유저의 손목 조인트에 중심이 놓이고, 제 3 회전 DoF(롤)은 프레임의 일부 원하는 축선(예컨대, 프레임에 부착된 공구 샤프트)을 중심으로 중심이 놓이며, 병진운동 DoF가 프레임의 일부 원하는 축선(예컨대, 프레임에 부착된 공구 샤프트)을 따르도록, 구성될 수 있다. 2개의 병진운동 DoF는 팔뚝에서의 상방/하방 모션 및 팔뚝에서의 측면/측면 모션을 구속했다.

[0121] 도 4-9를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 팔뚝은, 이것이 본원에서 장치들에 관한 것이지만, 팔 축선을 따라 손목 조인트(그러나 포괄적이지 않음)까지 이어지는 유저의 팔의 말단 구역으로서 규정될 수 있다. 팔뚝은 공간에서 구속되지 않을 수 있으며, 회전 회내 및 회외뿐만 아니라 전방/후방 병진운동, 상방/하방 병진운동, 및 측면/측면 병진운동(상기 도면들에서 도시된 바와 같음) 통해 달성된 팔 축선을 중심으로 4개의 DoF의 회전을 제공한다. 팔 축선이 유저의 손목 조인트에서 손 축선과 교차한다. 손목 조인트가 유저의 팔뚝과 손 간의 관절결합 조인트로서 규정되며 굴곡/신전 및 편향을 통해 성취되는 팔뚝에 대하여 유저 2개의 회전 DoF를 부여한다. 손은, 손목 조인트의 바로 말단에 있는(그러나 포괄적이지 않음) 유저의 팔의 부재로서 규정된다. 손 축선은, 팔 축선을 교차하는 동안 손목 조인트에서 관절결합에 의해 제어된다.

[0122] 일반적으로, 최소 접근 공구를 포함하는 장치들의 프레임은, 유저의 팔뚝으로부터 외팔보로 되고(cantilever)(즉, 연장되고) 신체 부착 장치의 커플링 조인트(들)를 통해 팔뚝과 인터페이싱하는 강체 세장형 연장일 수 있고, 원격으로 조종 가능한 공구의 다양한 다른 컴포넌트들, 예컨대, 서브-시스템들, 조인트들 등에 대한 그라운드 기준의 역할을 할 수 있다. 프레임은 팔뚝과 손에서의 유저 입력으로부터 소정의 DoF를 직접 전달하도록 돕는다. 예를 들어, 유저의 팔뚝에 의해 구동되는 2개의 병진운동 모션들(도 5에서 2 및 3으로 번호가 매겨짐)은 프레임에 의해 원격 위치로 직접 전달될 수 있다.

[0123] 커플링 조인트는 프레임과 커프 간의 인터페이스로서의 역할을 한다. 이 커플링 조인트는 최대 3개의 회전 DoF 및 하나의 축방향 병진운동 DoF를 제공할 수 있으며, 나머지 병진운동 모션들을 구속한다. 병진운동 모션들을 구속하는 능력은, 팔뚝으로부터 직접적으로 커프를 통해 프레임으로 이들 특정 모션들의 전달을 가능하게 한다.

[0124] 일반적으로, 커프는 연결 메커니즘과 유저의 팔뚝 간의 인터페이스이다. 커프는, 유저의 팔뚝에 대한 확실하고 편리한 피트를 제공하며, 팔뚝의 모션들 전부를 캡처하는 반-강체이다. 커프가 팔뚝에 매여서, 이 커프는 커플링 조인트의 회전 DoF 전부의 회전 축선들이 유저의 손목 조인트를 통과한다는 것을 보장하면서, 유저의 손목 조인트에서 발생하는 관절결합을 저해하지 않는다.

[0125] 사전에 설명된 부착 메커니즘들(예컨대, 미국 특허 번호 제8,668,702호)과 대조적으로, 본원에서 설명된 팔뚝 부착들, 본원에서 설명된 팔뚝 부착들은 통상적으로, 본원에서 설명된 바와 같이, 팔뚝에 부착되도록, 그리고 프레임과 팔뚝 간에 하나 또는 그 초과의 자유도들을 제공하여서, 팔뚝의 가능한 모션들(DoF) 중 단지 일부만이 프레임에 전달되고 그 반대로도 마찬가지가 되도록 구성되는 커프 조립체(커플링 조인트)를 포함한다.

[0126] 예컨대, 도 16(본원에서 설명된 바와 같은 부착 메커니즘을 일반적으로 설명함)을 위의 도 1과 비교한다. 도 1에서, 프레임은 팔뚝 커프에 의해 팔뚝에 확실하게 그리고 강성으로 부착된다. 대조적으로, 도 16에서, 프레임은 커플링 조인트를 통해 팔뚝에 연결된다. 커플링 조인트는 커프(팔뚝에 확실하지만 편리하게 부착됨)와 프레임 간의 조인트이다. 도 16의 커프는 도 1의 팔뚝 커프/부착 부재와 유사하다. 종래의 특허에서 그리고 위의 백그라운드에서 설명된 바와 같이, 전체 원격/최소 접근 공구의 모든 다른 구조 및 연관된 기능성 그리고 근본적인 이유는 도 1과 도 16 간에 동일하게 유지된다.

[0127] 따라서, 일반적으로, 본원에서 설명된 장치들은 커프 및 하나 또는 그 초과의 커플링 조인트(들)(1601)를 포함하며, 이 커플링 조인트(들)(1601)는 하나 또는 그 초과(예컨대, 1개 내지 4개)의 자유도들을 가져서, 커프(또는, 커프가 유저의 팔뚝에 부착될 때, 커프에 연결된 팔뚝)는 프레임에 대해 적어도 하나의 자유도로 이동할 수 있다. 상세하게는, 일부 변경들에서, 커플링 조인트는, 커프(및/또는 커프의 팔뚝)로 하여금 트랙에 대해 하나 또는 그 초과의 방향들(예컨대, 축선)로 이동하도록 허용하기 위해, 짐벌, 피봇, 베어링(예컨대, 슬라이더, 레일, 트랙), 또는 임의의 다른 이동 가능 엘리먼트를 포함할 수 있다. 커플링 조인트는 하나 또는 그 초과의 방향들로 무브먼트의 전달을 방지하며, 이로써 이들 무브먼트들을 전달할 수 있다. 일부 변경들에서, 커플링 조인트는 프레임에 대해 커프(및/또는 팔뚝)의 제한된 무브먼트를 허용하는 탄성 재료를 포함할 수 있다. 아래에 제공되는 예들은, 최소 접근 공구와 함께 사용되거나 또는 최소 접근 공구에 통합될 수 있는 커프 장치들(하나 또는 그 초과의 자유도들을 가질 수 있음)의 다양한 실시예들을 예시한다.

[0128] 일반적으로, 본원에서 설명된 커프 장치들은 프레임이 팔뚝에 부착되는 방법을 수정하며, 위에서 설명된 제한들을 극복할 수 있다. 예컨대, 본원에서 설명된 커플링 조인트들은 관절결합과 연관된 최대 2개의 회전 자유도들(피치 및 요)을 가질 수 있다. 커플링 조인트는, 이들 2개의 회전들이 유저의 손목 조인트의 관절결합과 일치하는 것을 보장할 수 있다. 다시 말해서, 이들 2개의 관절결합 DoF의 회전 축선들은 유저의 손목 조인트를 통과할 수 있다. 아래에 도 17에서(측면도에서) 도시된 바와 같이, 커플링 조인트(1601)에서의 피치 회전 DoF는 프레임이 팔뚝에 대해 피치 회전하도록 허용할 수 있다. 이는 결국, 공구 샤프트 축선(1703)(옐로우)이 팔뚝 축선(1709)(레드)에 대해 비스듬히 유지되도록 허용한다. 따라서, 유저는 자신의 팔뚝을 편리한 배향으로 유지하면서, 적용(예컨대, 외과 수술)에 의해 요구되는 방향으로 공구 샤프트를 배향시킬 수 있다.

[0129] 도 18에서, 평면도에서, 커플링 조인트에서의 요 회전 DoF는 프레임이 팔뚝에 대해 요 회전하도록 허용한다. 이는 결국, 공구 샤프트 축선(1805)(옐로우)이 팔뚝 축선(1803)(레드)에 대해 비스듬히 유지되도록 허용한다. 따라서, 유저는 자신의 팔뚝을 편리한 배향으로 유지하면서, 적용(예컨대, 외과 수술)에 의해 요구되는 방향으로 공구 샤프트를 배향시킬 수 있다.

[0130] 또한, 커플링 조인트는 부가적으로, 프레임의 축선(또는 공구 축선 또는 디바이스 축선)을 중심으로 한 회전 DoF를 가질 수 있다. 핸들과 프레임 간에 유사한 롤 회전 DoF를 갖지 않는 공구 입력 조인트(가상 중심(virtual center), 또는 VC, 메커니즘)와 함께, 그러한 커플링 조인트를 고려한다. 다시 말해서, 입력 조인트는 핸들로부터 프레임으로 롤 회전 DoF를 전달한다. 그러한 디바이스가 유저와 인터페이싱될 때, 즉, 디바이스의 프레임이 커플링 조인트를 통해 팔뚝에 연결되고, 유저의 손이 핸들을 쥐거나 또는 핸들과 인터페이싱할 때, 유저의 손목의 임의의 주어진 배향(공칭적 또는 관절결합됨) 그리고 팔뚝의 포지션 및 배향(공칭적 또는 변위됨)에 대해, 어떤 다른 모션도 생성하지 않고, 유저가 자신의 손가락들을 트월링하면, 이러한 트월링은 핸들로부터 입력 조인트를 통해 프레임으로 전달된다. 프레임이 커프에 대해 롤 DoF를 갖고, 이 커프가 결국 팔뚝에 부착되기 때문에, 프레임은 팔뚝에 대해 프레임 축선을 중심으로 한 롤 회전을 나타낸다.

[0131] 이 어레인지먼트는 공구 축선을 중심으로 상당한 양의 롤 회전(최대 360 도, 즉 전체 회전)을 제공할 수 있다. 이 롤 회전은 2개의 소스들로부터 나오거나 또는 2개의 컴포넌트들을 갖는다. 첫째, 커프가 팔뚝에 부착되기 때문에, 팔뚝의 임의의 회내 및 회외는 커프에서 롤 회전을 생성한다. 프레임이 커프에 대해 롤 회전 DoF를 갖더라도, 프레임은 커플링 조인트에서의 마찰에 기인하여 커프와 함께 이동한다. 둘째, 유저가 자신의 회내/회외의 제한치에 도달할 때, 이 유저는 간단히 자신의 손가락들을 트월링하는 것을 통해 공구 축선을 중심으로 프레임을 계속해서 롤링시킬 수 있다. 이제, 프레임은 커프에 대한 공구/디바이스/프레임 축선을 중심으로 롤링한다.

[0132] 사용 동안, 유저는 (예컨대, 외과 수술에서) 원하는 적용 목적을 달성하기 위해 롤의 하나의 컴포넌트 또는 컴포넌트들 둘 모두(임의의 바람직한 조합으로)를 사용하기로 선택할 수 있다. 롤의 컴포넌트들 둘 모두가 공구 프레임에서 일어나기 때문에, 이들은, 공구 샤프트 말단 단부에서의 엔드 이펙터에서 공구 축선을 중심으로 한 롤 회전으로서 직접적으로 전달되어 나타난다.

[0133] 이러한 원하는 향상된 롤 기능성이 프레임과 커프 간의 롤 DoF 및 핸들과 프레임 간의 롤 구속(즉, 전달할 능력)의 특정 조합을 통해 생성된다는 점에 주목하는 것이 중요하다.

[0134] 유사하게, 커플링 조인트는 부가적으로, 프레임의 축선(또는 공구 축선 또는 디바이스 축선)을 따르는 병진운동 DoF를 가질 수 있다. 핸들과 프레임 간의 유사한 병진운동 DoF를 갖지 않는 공구 입력 조인트(VC 메커니즘)와 함께 그러한 커플링 조인트를 고려한다. 다시 말해서, 입력 조인트는 핸들로부터 프레임으로의 공구 축선을 따르는 병진운동 DoF를 전달한다. 그러한 디바이스가 유저와 인터페이싱될 때, 즉, 디바이스의 프레임이 커플링 조인트를 통해 팔뚝에 연결되고, 유저의 손이 핸들을 잡거나 또는 핸들과 인터페이싱할 때, 유저의 손목의 임의의 주어진 배향(공칭적 또는 관절결합됨) 및 팔뚝의 포지션 및 배향(공칭적 또는 변위됨)에 대해, 유저가 임의의 다른 모션을 생성하지 않고 자신의 손가락들로 페킹하면, 이 페킹 모션은 핸들로부터 입력 조인트를 통해 프레임으로 전달된다. 프레임이 팔뚝에 차례로 부착된 커프에 대해 병진운동 DoF를 가지기 때문에, 프레임은 팔뚝에 대해 프레임 축선을 따라 병진운동 모션을 나타낸다.

[0135] 이 어레인지먼트는 공구 축선을 따라 축방향 병진운동의 추가적 양을 제공한다. 이 축방향 병진운동은 2개의 소스들로부터 나오거나, 또는 2개의 컴포넌트들을 갖는다. 첫째, 커프가 팔뚝에 부착되기 때문에, 팔뚝의 임의의 인 앤 아웃 모션(in and out motion)(도 5의 방향 1)은 커프에서 축방향 병진운동을 생성한다(커프가 팔뚝에 고정되기 때문에). 프레임이 커프에 대해 병진운동 DoF를 가짐에도 불구하고, 프레임은 커플링 조인트에서의 마찰로 인해 커프와 함께 이동한다. 둘째, 자신의 팔뚝을 안과 밖으로 움직이는 것 외에도, 유저는 핸들을 잡고 있는 동안 간단히 자신의 손가락들로 페킹하는 것을 통해, 공구 축선을 따라 프레임을 축방향으로 계속 병진운동할 수 있다. 이제, 프레임은 커프에 대해 공구/디바이스/프레임 축선을 따라 축방향으로 병진운동한다.

[0136] 사용 동안, 유저는 (예컨대, 외과 수술에서) 원하는 적용 목적을 달성하기 위해 축방향 병진운동의 하나의 컴포넌트 또는 둘 모두의 컴포넌트들(임의의 바람직한 조합)을 사용하는 것으로 선택할 수 있다. 축방향 병진운동의 둘 모두의 컴포넌트들이 공구 프레임에서 발생하기 때문에, 이들은 직접 전달되어, 공구 샤프트 말단 단부의 엔드 이펙터에서 공구 축선을 따라 축방향 병진운동으로서 나타난다.

[0137] 이러한 원하는 향상된 축방향 병진운동 기능성이 프레임과 커프 간의 병진운동 DoF 및 핸들과 프레임 간의 축방향 병진운동 구속(즉, 전달할 능력)의 특정 조합을 통해 생성된다는 점에 주목하는 것이 중요하다.

[0138] 입력 조인트(즉, 가상 중심 메커니즘일 수 있음)와 본원에서 설명된 팔뚝 부착 조립체들의 커플링 조인트(들) 간의 별개의 차이가 존재하는 것을 관측하는 것이 필요하지만, 2개는 바람직하게 함께 사용될 수 있다. 입력 조인트에 의해 제공된 피치의 축선들 및 요 회전들이 가상 중심 메커니즘을 통해 유저의 손목 조인트와 일치하게 된다. 팔뚝 부착 조립체, 즉, 커플링 조인트에 의해 가능한 2개의 회전들의 축선들(피치 및 요)은 또한, 유저의 손목 조인트와 일치할 수 있다. 이것은, 예컨대, 도 56에서 예시된다. 이 예에서, 유저의 손이 피치 및 요 방향들에서 입력 관절결합을 제공하기 위해 유저의 팔뚝에 대해 유저의 손목 조인트를 중심으로 회전하므로, 도시된 병렬 운동학적 장치의 가상 중심 메커니즘은 출력 조인트(즉, 공구 샤프트에 대해 피치 및 요 회전 방향들에서 관절결합 엔드 이펙터)를 구동시키는 것이 필요하다. 입력 조인트는 핸들과 프레임 간의 연결인 반면, 커플링 조인트는 커프와 프레임 간의 연결이다. 둘 모두의 조인트들은 공통 레퍼런스 그라운드로서 프레임을 공유한다.

[0139] 이 예에서, 병렬 운동학적 입력 조인트는 핸들(5603)을 공구 프레임(5601)에 커플링시키는 모션의 전달을 위한 2개의 독립적 경로들을 포함하는 2개의 자유도들(피치 및 요)을 가지며, 적어도 2개의 독립적 경로들(5605, 5605')은 제1 경로 및 제2 경로를 포함한다. 제1 중간체는 제1 커넥터에 의해 공구 프레임에 연결되고 제3 커넥터에 의해 핸들에 연결되는 제1 경로에 존재할 수 있고; 제2 중간체는 제2 커넥터에 의해 프레임에 연결되고 제4 커넥터에 의해 핸들에 연결되는 제2 경로에 있으며; 제1 커넥터 및 제4 커넥터 둘 모두는 제1 회전 방향으로의 회전을 허용하고 제2 회전 방향으로의 회전을 제한한다. 추가로, 제2 및 제3 커넥터들은 제2 회전 방향으로의 회전을 허용하고 제1 회전 방향으로의 회전을 제한한다.

[0140] 이 예에서, VC 메커니즘이 입력된 2개의 직교 축선들을 중심으로 한 2개의 DoF를 허용하기 때문에, 제3 회전 축선(즉, 롤)은 공구 샤프트 축선을 중심으로 엔드 이펙터의 회전을 구동시키도록 구속 및 허용된다. 공구 샤프트의 회전은 동일한 축선을 중심으로 공구 프레임을 회전시키기 위한 VC 메커니즘의 능력의 직접적인 결과이다. 팔뚝 장치의 커플링 조인트는, 공구 프레임 축선으로부터 팔뚝 축선을 커플링해제하고 손이 알려진 공구/프레임 축선을 중심으로 공구 샤프트 및 프레임을 구동시키는 공구 핸들을 회전시키게 허용함으로써 이런 속성을 가능하게 한다. 이러한 이유로, 입력 조인트 및 커플링 조인트는 동일한 공통의 그라운드, 즉, 공구 프레임을 공유하며, 전체 디바이스 기능을 고려할 때 공생(symbiotic)일지라도 별개의 엔티티들이다. 커플링 조인트와 관련된 다른 중요한 설계 양상은, 유저의 손목 조인트에 대해 그리고 서로에 대해 입력 조인트와 커플링 조인트의 피치 및 요 축선들의 일치뿐만 아니라, 디바이스의 프레임/공구 축선에 대해 커플링 조인트의 롤 DoF의 축선의 동심도이다. 이 특정 특징은 엔드 이펙터가 외과의사에 의해 원하는대로 조작될 수 있도록 이런 축선을 중심으로 일관적인 예측 가능한 회전을 가능하게 하는데 중요하다. 이 축선들이 동심이 아니라 편심인 경우, 하나의 축선이 다른 축선을 중심으로 회전하며, 공구 샤프트 및 엔드 이펙터의 예측 가능하지 않은 "러칭(lurching)"을 초래한다.

[0141] 위의 2개의 포인트들을 요약하면, 일반적으로, 디바이스는 유저의 손목 조인트를 중심으로 하는 이 4개의 DoF(2개의 관절결합 회전 DoF(피치 및 요)), 공구/디바이스 축선을 중심으로 하는 회전 롤 DoF, 및 디바이스/공구 축선을 따르는 축방향 병진운동 DoF의 임의의 조합을 제공하는 커플링 조인트를 가질 수 있다. DoF로서 제공되지 않은 임의의 모션들이 구속된다. 예컨대, 이 4개의 DoF가 모두 제공되면, 팔뚝에서의 2개의 병진운동 DoF(도 5의 방향 2 및 방향 3으로 표시됨)는 구속되며, 그에 따라서, 팔뚝으로부터 커플링 조인트를 통해 프레임으로 전달된다. 디바이스 엔드 이펙터(공구 출력)에서의 대응하는 출력 모션들로의 유저의 입력 모션들의 일 대 일(one to one) 맵핑의 전체 근거가 더 효과적으로 유지 및 달성된다.

[0142] 손목 조인트에서 제공된 임의의 DoF 또는 모션은 매우 잘 규정된 조인트들(예컨대, 피벗들, 핀들, 슬라이드들, 슬롯들 등)을 통해 달성될 수 있거나, 또는 일부 연질(soft)/탄성(elastic) 부착부(예컨대, 밴드들, 신축성 벨크로(stretchy Velcro) 등)를 사용하여 구속의 결핍을 통해 간단히 제공될 수 있다.

[0143] 도시된 DoF들의 상이한 조합들 및 이 DOF를 달성하는 다양한 방식들로, 커플링 조인트의 다양한 실시예들이 아래에서 설명된다.

실시예 1

[0144] 도 19는 3개의 축선 짐벌(3개의 DoF)을 도시하고, 도 20은 이러한 변형에 사용될 수 있는 구면 롤러 베어링(3개의 DoF)을 도시한다.

[0145] 사전에 설명된 바와 같은 팔뚝 부착 조립체는 프레임, 연결 메커니즘 및 커프를 포함한다. 3개의 DoF를 제공하는 일 실시예가 위에서 도시된다. 장치는 인스트루먼트 인터페이스(10)에서 프레임을 인터페이싱하며, 프레임에 대해 확실하게 강성으로 부착하게 된다. 장치 내에서 팔 축선을 중심으로 한 팔뚝의 회전 및 손 축선을 중심으로 한 회전이 회전 축선(12)에 의해 가능하다. 이것은 일 실시예에서 성취되지만, 하나의 표면이 최소 저항으로 다른 표면에 걸쳐 슬라이딩하는 키잉 트랙 시스템으로 제한되는 것은 아니며, 키잉 시스템, 이 경우, T- 슬롯에 의해 이러한 하나의 회전 축선으로 한정된다. 장치 내에서, (14) 및 (16)에 의해 식별되는 축선들은 손목 그 자체의 2개의 축선들과 유사하다. 이 축선들은 손목 굴곡/신전(14)뿐만 아니라 손목 편향(16) 동안 방해받지 않는 회전을 제공한다. 이것은 일 실시예에서 성취되지만, 그들이 회전을 가능하게 하는 축선을 따라 피닝되는 동심 링들로 제한되는 것은 아니다. 가장 안쪽의 링은 유저의 팔뚝과 연결 메커니즘 간의 반-강성 인터페이스로서 역할을 하는 커프로서 식별된다. 커프는 다양한 손목 크기들에 대한 확실한 피트를 제공 및 착용하는데 편리하도록 의도된다. 압축 또는 테더링 시스템을 통해, 유저가 조종 가능한 디바이스를 제어하고 연결 메커니즘 및 가상 중심 메커니즘을 통해 입력을 전달하기를 원할 때, 커프는 유저의 팔뚝을 일시적으로 보유하도록 의도된다.

[0146] 이는 최소 접근 공구들과 관련하기 때문에, 3개의 DoF를 갖는 장치는 유저가 손목 조인트에서 확립되는 그라운드 기준에서 공통의 그라운드에 병진운동식으로 구속되는 것을 그리고 모든 회전의 정도들에서 구속되지 않은 것을 가능하게 한다. 손목 조인트에서의 이러한 새롭게 확립되는 그라운드 기준은, 유저가 공구 핸들에 포스들을 적용하고 그리고 프레임과 관계없이 엔드 이펙터(end-effector)의 무브먼트들을 제어하는 것을 허용한다. 손목 조인트의 그라운드 기준은 유저가 입력을 위해 모션 포스들을 적용할 때 팔뚝에 의해 일정하게 유지되는 그라운드에 대해 핸들을 레버리징하는(leverage) 것을 허용한다. 내부 포스 피드백 루프는 핸들 간에 생성되며, 그리고 팔뚝은 최소 접근 공구 디바이스들 중 임의의 디바이스에 대해 유리한데, 왜냐햐면 이는 프레임으로부터 외부 그라운드, 이를테면 트로카 캐뉼라 그리고 궁극적으로 환자에게로 이미 전달되었을 수 있는 포스들을 감소시키거나 제거시키기 때문이다. 이러한 포스들을 감소함으로써, 디바이스는 특히 봉합-집중(suture-intensive) MIS 절차들 동안 환자에게 보다 적은 트로카를 제공할 수 있다.

실시예 2

[0147] 도 21a는 공구 축선(2102)을 갖는 세장형 공구 샤프트(2100)를 포함하는 프레임(2101)을 가지는 포괄적인 최소 접근 공구를 도시한다. 커프(2108)는 내부 짐벌(2106)의 부분으로 형성된다. 내부 짐볼(2106) 및 외부 짐볼(2104) 및 베어링(슬라이드(2112)로서 구성되는 플레인 베어링으로서 도시됨)은 프레임(2101)과 커프(2106) 간에 연결된다. 이러한 예에서, 내부 짐볼은 커프의 시트를 형성하고 그리고 외부 짐볼에 한 쌍의 핀들을 통해 피봇 가능하게 연결된다. 외부 짐볼은 베어링(슬라이드(2112))에 한쌍의 핀들을 통해 피봇 가능하게 연결되며, 그리고 베어링은 롤 회전을 허용하기 위해 프레임에 의해 형성되는 트랙에서 슬라이딩한다. 대안적으로, 상이한 유형의 베어링, 예컨대 도 20의 롤 베어링이 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 예에서의 신체(예컨대, 팔뚝) 부착은 피치, 요, 및 롤 DoF를 위해 구성되고, 그리고 롤 축선이 공구 축선과 동일하도록 배열된다. 공구 축선(롤 축선), 회전의 피치 축선 및 회전의 요 축선 모두는 유저의 손목 또는 팔뚝을 유지하기 위해 커프에 형성되는 개구 내의 하나의 지점에서 교차한다.

[0148] 도 21b 내지 도 21g는 커프(2156)와 프레임(2151) 간에 자유도들을 일반적으로 예시한다. 이러한 예에서, 총 6개의 자유도들, 즉, 3개의 병진운동 자유도들 및 3개의 회전 자유도들이 존재한다. 도 21b는 커프(2156)와 프레임(2151) 간에 축방향 병진운동(2180)을 도시한다. 도 21c는 커프(2156)와 프레임(2151) 간에 수평방향 병진운동(2182)을 도시한다. 도 21d는 커프(2156)와 프레임(2151) 간에 축방향 병진운동(2184)을 도시한다. 도 21e는 커프(2156)와 프레임(2151) 간에 롤 회전(2186)을 도시한다. 도 21f는 커프(2156)와 프레임(2151) 간에 피치 롤 회전(2188)을 도시한다. 도 21g는 커프(2156)와 프레임(2151) 간에 요 회전(2190)을 도시한다.

실시예 3

[0149] 도 22 및 도 23에서 도시되는 팔뚝 부착 조립체는 2개의 DoF를 제공하고 그리고 실시예 2에서 사전에 설명된 디바이스와 유사하지만, 이는 손목(16)의 편향 회전을 가능하게 하지 않는다. 이러한 실시예에서, 키잉된(keyed) 트랙 시스템이 또한 존재하지만, 이는 이전 예에서의 동심 링들의 스택킹(stacking)이 아니라, 동일한 순간에 2개의 DoF가 발생하는 볼-인-트랙 시스템(ball-in-track system)을 활용한다. 하나의 DoF의 이러한 손실은 디바이스에 대해 반드시 결함은 아니지만, 이는 유저가 요구할 수 있는 일부 모션을 제한한다. 하나의 DoF를 제한하는 것은, 이러한 축선, 편향 회전이 구속될 유일한 축선일 수 있다는 것을 의미하는 것이 아니다. 이것이 본원에서 설명되는 최소 접근 공구 디바이스에 적용됨에 따라, 편향 축선을 중심으로 통상적으로 발생하는 회전은 최소이며, 대략적으로 5 내지 10 도이다. 이러한 축선이 구속될 때, 디바이스는 공간에서 조작될 수 있고 그리고 한손으로 완전히 지지될 수 있다. 이는, 외과의사들이 이들의 다른 손으로부터의 지지(그라운딩) 없이 공구 샤프트를 트로카 캐뉼라로부터 도입하고 그리고 이를 제거하기로 선택할 수 있기 때문에 유리하다. 이는, 공구 프레임이 트로카 캐뉼라 또는 외과의사의 반대편 손에 의해 공구 샤프트를 따라 제2 지점에서 그라운딩될 때까지, 공구 프레임이 이러한 축선을 중심으로 떨어질 수 있기 때문에, 사전에 설명된 디바이스(3개의 DoF 장치)에 의해 용이하게 성취되지 않는다.

[0150] 이러한 실시예에서, 커프는, 테더링 시스템, 이를테면 벨로크 스트랩들 또는 손목 워치밴드 스타일(watchband style) 클로저(closure)를 통해, 손목에 편안하게 그리고 고착되게 장착하는 반-강체(semi-rigid body)이다. 커프는 팔뚝, 손목 조인트, 및 손에 대한 회전 축선들 및 손목 중심의 위치를 유지시킨다. 커프는, 커프가 손목을 통해 이어질 때, 축선의 반대편의 단부들에 위치되는 2개의 볼들이 트랙에 유저의 손목을 키잉하기 위한 핀들(pins)로서 작용하고 그리고 또한 회전의 관절결합 표면이 되는 링 또는 트랙 시스템 내로 유저가 스내핑(snap)하는 것을 가능하게 한다. 커프를 분리하기 위해, 유저는 링을 밖으로 스내핑하기 위해 반-강성 커프의 바깥쪽으로의 스프링 포스를 간단히 극복한다. 커프의 바깥쪽으로의 스프링 포스는 커프를 보유하며, 그리고 유저의 손목은 사전에 설명된 속성들을 적소에서 연결 메커니즘에 제공한다.

[0151] 도 24a 및 도 24b는 벨크로 스트랩을 사용하여 팔뚝 상에 설치되는 손목 커프를 도시한다. 도 25는 (전술된 바와 같은 커프 및 커플링 조인트를 포함하는) 장치를 예시하며, 커프는 프레임 (및 부착된 링)으로부터 분리된다. 도 26은 유저와 인터페이싱되기(즉, 장착되기/유지되기) 전의 디바이스를 도시한다. 최종적으로, 도 27은 설치되어 유저와 인터페이싱된 커프를 갖는 디바이스를 도시한다. 도 28은, 공구 축선이 팔뚝 축선과 비교하여 상이한 배향에 있는 것을 커플링 조인트가 어떻게 가능하게 하는지를 도시한다. 도 29는, 공구 축선이 팔뚝 축선과 비교하여 상이한 배향에 있는 것을 커플링 조인트가 어떻게 가능하게 하는지를 도시한다. 커플링 조인트는 공구 축선이 팔뚝 축선과 비교하여 상이한 배향에 있는 것을 가능하게 한다.

실시예 4

[0152] 도 30은 위의 실시예 3과 유사한 변형을 도시하지만, 부가의 축방향 병진운동 DoF가 도 30에서 도시되는 바와 같은 커플링 조인트에 의해 제공된다. 선형 가이드, 슬롯, 또는 베어링(아래 도면에서, 18)은 축방향 병진운동 DoF을 제공한다. 이러한 변경에서, 커플링 조인트(301)는 180도만큼 분리되는 핀들의 쌍(도 30에서 보이지 않음)으로 인해 제1 축선(14)에서의 회전을 허용하는 짐볼이다. 이러한 핀들은 하이브리드 커플링 조인트의 롤 회전(12)을 제공하기 위해 프레임 상의 트랙 내에서 슬라이딩하거나 롤링할 수 있는 베어링들로서 또한 구성된다. 커프(미도시)는 짐볼 내에 형성될 수 있거나, 커프는 짐볼에 견고하게 부착될 수 있다.

실시예 5

[0153] 도 31a 및 도 31b에서 도시되는 변형에서, 팔뚝 부착 조립체는 하나의 DoF를 제공하고 그리고 사전에 설명된 2개의 디바이스들과 유사하지만, 이 팔뚝 부착 조립체는 손목의 굴곡/신전(14) 또는 편향(16)을 가능하게하지 않는다. 2 DoF에 제한하는 것은 구속될 단지 2개의 축선들이 존재하는 것을 의미하지 않는다. 이러한 실시예는, 내부 링이 외부 링에 걸쳐 슬라이딩하고 그리고 하나의 축선을 중심으로한 회전을 구속하는, 키잉된 T-슬롯 시스템을 활용한다. 이러한 옵션은 유저가 요구할 수 있는 일부 모션을 제한한다.

실시예 6

[0154] 팔뚝 부착 조립체(예컨대, 팔뚝 부착 조립체)의 다른 예는 도 54a 내지 도 54b에서 도시되며, 팔뚝 부착 조립체는 커프(이러한 예에서 내부 짐볼(5401)의 부분)과 프레임(5405) 간에 피치 및 요 회전 무브먼트를 허용하도록 구성되며; 베어링은 (커프와 내부 짐볼(5407) 간에 또는 프레임(5405)과 외부 짐볼(5409) 간에) 또한 포함될 수 있다. 이러한 예에서, 피치 및 요 회전들은 연결들의 준수로 인해 커플링 조인트, 커프와 짐볼 프레임 간의 탭들(5411, 5413)을 위해 가능하게된다. 이러한 2 회전들이 연속적으로 필요하지 않기 때문에, 핀 조인트들 대신에 순응/굴곡 조인트들이 도시되는 바와 같이 사용될 수 있다.

[0155] 도 54b에서, 피치(5422) 및 요(5421)에서의 병진운동이 도시된다. 2-축선(피치 및 요) 짐볼 조립체의 이러한 변형은 피치 및 요 양자 모두의 회전 자유도를 제공하기 위해 순응하는 순응 부재들을 포함한다. 순응 부재는 커프/내부 짐볼의 각각과 외부 짐볼 간에 있으며, 외부 짐볼 및 짐볼 프레임은 회전 축선을 제공하고, 그리고 최소 컴포넌트들을 갖는 디자인을 실현한다. 일체형 커프/내부 짐볼(5401) 및 외부 짐볼(5409)은 한 쌍의 순응 부재들(5411)에 의해 (내부 짐볼과 외부 짐볼 간의 요 축선을 따라) 연결되어, 요 회전을 제공한다. 유사하게, 외부 짐볼과 짐볼 프레임 간의 (피치 축선을 따른) 순응 부재들(5413)의 쌍은 피치 회전을 제공한다. 이러한 순응 부재들은, 각각의 배향들에서 트위스팅하고 순응할 수 있는, 탄성 또는 가소성 또는 고무 재료로 제조될 수 있다. 순응 부재들의 상이한 디자인에 기초하여, 피치 회전 축선은 내부 짐볼과 외부 짐볼 간에 순응 부재들에 의해 형성될 수 있으며, 그리고 요 회전 축선은 외부 짐볼과 짐볼 프레임 간에서 순응 부재들에 의해 형성될 수 있다.

[0156] 도 32 및 도 33은 단일 지점 탄성 테터(tether)로 고려될 수 있는 커프들의 변형들을 예시한다. 이러한 예에서, 부착은 실리콘 밴드를 사용하고 그리고 전술된 단일 지점 탄성 테더로서 유사한 구속들(constraints)을 제공한다.

[0157] 도 34 및 도 35는 단일 지점 테더의 다른 예를 도시한다. 이러한 예에서, 부착은, 전술된 단일 지점 테더들로서 유사한 구속들을 적용하는 벨크로 워치밴드 스타일 커프이다.

[0158] 도 36은, 공구 축선이 팔뚝 축선과 비교하여 상이한 배향인 것을 커플링 조인트에 기초되는 단일 지점 테더가 어떻게 가능한지를 예시한다.

실시예 7

[0159] 도 37-38은 다른 변형예들을 예시한다. 이러한 실시예에서, 프레임에는, 팔뚝 주변을 지나지만(go around) 커프를 통해 팔뚝과 인터페이싱하지 않는 링이 장착된다. 이것은, 프레임과 팔뚝 간에 어떠한 조인트 또는 연결도 갖지 않는 것으로 나타난다. 그러나, 링의 내경은, 사용 동안 팔뚝의 둘레를 터치하고 그 둘레에 올라타며, 팔뚝과 프레임 간에 상방/하방 병진운동 및 측면/측면 병진운동의 필요한 전달을 제공할 수 있다. 유사하게, 팔뚝과 프레임 간의 공기 갭 및 우발적인 접촉들은, 프레임이 팔뚝에 대하여 프레임/디바이스 축선에 대해 롤 회전되도록 허용한다. 링의 내경은, (팔뚝과의 인터페이스가 발생할 경우) 팔뚝과의 인터페이스를 편리하게 하고 프레임 링과 팔뚝 간의 상대적인 슬라이딩 동안 임의의 마찰을 최소화하기 위해 적합한 재료로 패딩될 수 있다.

실시예 8

[0160] 다른 변형예는 위의 실시예 1(도 19 및 20)과 유사할 수 있으며, 여기서, 실시예 1에 도시된 3개의 독립적인 회전 조인트들 대신 볼 및 소켓 조인트에 의해 3개의 회전들이 생성된다. 커플링 조인트는 간단히 볼 및 소켓 조인트일 수 있다. 이러한 설계의 제한은, 볼 및 소켓 조인트와 연관된 모든 3개의 회전 축선들을 유저의 손목 조인트의 중심에 두게 하는 것이 곤란하다는 것일 것이다.

실시예 9

[0161] 도 39는, 팔뚝 부착 조립체가 다른 종류들의 최소 액세스(외과용 또는 다른) 디바이스들에 관련될 수 있는 다른 설계를 예시한다. 도 15의 기본 개념 및 프레임, 커프, 및 커플링 조인트의 모든 연관된 속성들을 고려한다. 프레임은, 미국 특허 번호 제 8,668,702호의 관절결합 최소 액세스 디바이스에 대해 설명된 것 이외의 목적들을 위한 그라운드 기준의 역할을 할 수 있다.

[0162] 도 39에서, 장치는 엔드 이펙터를 작동시키기 위한 제어부, 이를테면 스위치, 버튼 등을 갖는 핸들을 포함한다. 이러한 예에서, 입력 조인트에서 임의의 관절결합(피치 및 요 회전)을 갖지 않고, 유저의 손가락들/엄지로부터 공구 엔드 이펙터 개방/폐쇄 모션으로 전달되어야 하는 개방/폐쇄 모션만을 갖는 디바이스를 다소 고려한다.

[0163] 이러한 예에서, 공구는 입력 조인트를 포함하지 않을 수 있다. 대신, 핸들에는 개방/폐쇄 모션, 예컨대, 시저 그립을 생성하거나, 또는 엄지 레버를 누르거나, 또는 손가락 레버 등을 누르기 위한 수단이 장착된다. 이러한 클로저 작용은, 핸들로부터 공구 프레임 또는 샤프트 상의 일부 지점으로 진행하고, 이어서 프레임 및 샤프트를 통해 엔드 이펙터로 라우팅되는 가요성 케이블 도관 시스템을 통해 엔드 이펙터의 대응하는 클로저 모션으로 전달될 수 있다. 도 39를 다시 참조한다.

[0164] 통상적인 비-관절결합 최소 액세스 디바이스(예컨대, 복강경 수술 인스트루먼트)에서, 손과 연관된 떨림들은 엔드 이펙터에서 증폭되어, 차선의 수술 결과를 생성한다. 일반적으로, 자연적인 떨림들은 팔뚝과 비교하여 손들/손가락들/엄지에서 더 크다. 그러나, 제안된 어레인지먼트를 이용하면, 공구 프레임은, 임의의 다른 독립적인 작용에 대해 손들/손가락들/엄지를 자유롭게 유지하면서, 팔뚝 부착 조립체를 통해 팔뚝 상에서 안정화된다. 이것은, 하위 떨림들이 공구 샤프트의 말단 단부에서 엔드 이펙터로 전달되는 것을 보장한다. 이러한 경우, 손들/손가락들/엄지의 하나의 가능한 독립적인 작용은 엄지/손가락들을 통해 핸들에서 레버를 폐쇄하는 작용일 수 있다. 손들/손가락들/엄지가 가요성 케이블 도관을 통해서만 프레임에 연결된다는 사실은, 손들/손가락들/엄지와 연관된 떨림들이 프레임 및 그에 따라서 엔드 이펙터로 전달되지 않는다는 사실을 초래하며, 예컨대, 도 40a-40b를 참조한다.

[0165] 도 40a는 종래의 복강경 인스트루먼트에서의 팔뚝 및 손 떨림 전달을 도시한다(위글들(wiggles)/작은 라인들의 수는 떨림들(tremors)의 정성적인 크기를 표시함). 도 40b는 제안된 어레인지먼트에서의 팔뚝 및 손 떨림 전달을 예시한다(위글들/작은 라인들의 수는 떨림들의 정성적인 크기를 표시함). 손 떨림들의 전달을 최소화하는 것 외에도, 이러한 어레인지먼트는 프레임으로부터 유저의 손 무브먼트를 격리시키는 것을 추가로 도우므로, 그들은 공구 샤프트 또는 프레임에 포스들을 가하지 않는다. 많은 조종 가능 및 비-조종 가능 인스트루먼트들은, 핸들 상에 공통적으로 위치되는 버튼들, 레버들, 트리거들 또는 다른 활성화 스위치들을 갖는다. 유저는 핸들을 그립하고 그리고/또는 이 스위치들을 활성화하기 위해 포스들을 가할 것이다. 통상적인 인스트루먼트에서, 이 포스들은, 전체 공구 바디(샤프트 및 엔드 이펙터)로 전달되며, 엔드 이펙터의 포지션 및 무브먼트들에 영향을 주어, 그에 의해, 수술의 정밀도를 떨어뜨린다. 제안된 어레인지먼트는, 공구 프레임/샤프트의 모션으로부터 유저의 손의 모션들을 격리 또는 디커플링시킴으로써 이러한 난제를 해결하는 것을 돕는다.

[0166] 프레임/공구 축선 및 팔뚝 축선이 위의 도면에서 정렬되는 것으로 도시되더라도, 사전에 설명된 바와 같이, 유저가 팔뚝 축선과는 상이한 방향으로 프레임/공구 축선을 배향시키도록 허용할 2개의 회전 DoF(피치 및 요)를 커플링 조인트가 가질 수 있다는 것을 유의한다. 이러한 경우에서, (입력 조인트의 부재를 가정하면) 롤 회전이 핸들로부터 프레임으로 전달되지 않으므로, 손가락들의 트월링은 프레임 및 그에 따라서 엔드 이펙터로 전달되지 않을 것이다.

실시예 10

[0167] 도 41은, 팔뚝 부착 조립체가 다른 종류들의 최소 액세스(외과용 또는 다른) 디바이스들에 관련될 수 있는 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 예컨대, 이 디바이스들은 공구 축선을 포함할 수 있는 것이 아니라, 대신, 공구 축선을 갖는 공구를 유지 또는 지지할 수 있다. 예컨대, 프레임은, 장착부 내에 고정될 수 있는 공구가 피트될 수 있는 장착부(예컨대, 구멍, 개구 등)를 포함할 수 있다. 도 15의 기본 개념 및 프레임, 커프, 및 커플링 조인트의 모든 연관된 속성들을 고려한다. 프레임은, 미국 특허 번호 제 8,668,702호의 관절결합 최소 액세스 디바이스에 대해 설명된 것 이외의 목적들을 위한 그라운드 기준의 역할을 할 수 있다.

[0168] 입력 조인트에서 임의의 관절결합(피치 및 요 회전)을 갖지 않고, 유저의 손가락들/엄지로부터 공구 엔드 이펙터 개방/폐쇄 모션으로 전달되어야 하는 개방/폐쇄 모션만을 갖는 디바이스를 다소 고려한다. 공구는, 축선을 갖는 샤프트 및 그 샤프트에 단단하게 연결된 핸들을 갖는다.

[0169] (사전에 설명된 커플링 조인트를 통해 팔뚝에 연결된) 도 15의 프레임은 이제, 공구 샤프트를 안정화시키는 것을 돕기 위해 공구 샤프트에 대한 연장된 그라운드 지지부로서 역할을 한다. 프레임과 공구 샤프트 간에, 축방향 슬라이딩 조인트가 존재한다. 이러한 축방향 슬라이딩 조인트는, 공구 축선 및 프레임 축선이 서로 정렬되고 공구가 프레임에 대해 축방향으로 병진운동할 수 있다는 것을 보장한다. 이러한 어레인지먼트는, 공구 샤프트가 프레임이 아니라 핸들에 직접 부착된다는 점에서 이전의 어레인지먼트들(예컨대, 도 16)과는 상이하다.

[0170] 부가적으로, 핸들에는 개방/폐쇄 모션, 예컨대, 시저 그립을 생성하거나, 또는 엄지 레버를 누르거나, 또는 손가락 레버 등을 누르기 위한 수단이 장착될 수 있다. 이러한 클로저 작용은, 핸들로부터 엔드 이펙터로 공구 샤프트를 통해 진행하는 전달 시스템을 통해 엔드 이펙터의 대응하는 클로저 모션으로 전달될 수 있다. 예컨대, 도 41을 참조한다.

[0171] 프레임/공구 축선 및 팔뚝 축선이 도 41에서 정렬되는 것으로 도시되더라도, 사전에 설명된 바와 같이, 유저가 팔뚝 축선과는 상이한 방향으로 프레임/공구 축선을 배향시키도록 허용할 2개의 회전 DoF(피치 및 요)를 커플링 조인트가 가질 수 있음을 유의한다. 이러한 경우에서, 공구 샤프트가 핸들에 직접 연결되므로, 손가락들/엄지의 임의의 트월링 또는 페킹 모션은 공구 샤프트의 말단 단부에서 공구 샤프트 및 엔드 이펙터로 직접 전달된다. 커플링 조인트는 피치 및 롤 회전들을 넘는 임의의 부가적인 DoF를 가질 필요는 없다.

[0172] 도 42 및 도 43을 참조하면, 팔뚝 부착 조립체의 다른 실시예, 즉 실시예 1의 변형이 도시된다. 사전에 설명된 장치와 매우 유사하게, 이는, 공통의 그라운드(즉, 공구 프레임)에 대해 손목 커프에서 3개의 자유도(DoF)를 제공한다. 장치는, 공구 프레임에 단단하게 부착된 것으로 이해되는 외부 가이드 링을 포함할 수 있다. 외부 가이드 링은, 후속적인 링들 간의 베어링 표면으로서 작용하는 상승된 내부 트랙을 갖는 강체이다. 외부 링의 상승된 트랙은, 롤 링(roll ring)인 후속 링을 안내 및 구속(키잉(key))한다. 외부 링의 상승된 트랙은, 외부 링에 의해 규정된 축선(도 44의 축선(3))에 대한 억제되지 않은 회전(uninhibited rotation)을 위해 낮은 마찰 또는 윤활 베어링 표면을 추가로 제공한다. 이러한 팔뚝 부착 조립체가 유저의 팔뚝에 부착되는 경우, 사전에 설명된 바와 같이, 외부 링 축선은, 유저가 회내, 회외, 또는 손가락들의 끝(fingertips)에서 발생하는 임의의 비틀림을 통해 프레임의 롤 회전을 구동할 동일한 축선인 (도 17에 도시된 바와 같은) 공구 축선과 동일하다.

[0173] 베어링의 일 구현에서, 베어링은 롤 링이다(도 49 참조). 이러한 예에서, 롤 링 상의 슬레드의 외부 슬롯과 (도 44에 도시된 바와 같은) 외부 링의 상승된 내부 트랙 간에 약간 외향의 압축 피트(compressive fit)가 존재할 수 있다. 이 2개의 링들 간의 인터페이스는, 임의의 DoF들이 각각의 링에 대해 구속되어, 그에 따라서 링들 간의 마찰 저항들을 감소시키는 라인 접촉들 상의 라인(도 48 참조)만이 제조되도록 이루어진다. 이 접촉들은 또한, 마찰 저항들이 컴포넌트들 간에 최소화되도록 하는 표면 접촉들 또는 다수의 지점 접촉들일 수 있다는 것이 이해 가능하다. 롤 링(도 49 및 도 44 참조)은, 외부 가이드 링 상의 상승된 내부 트랙의 대향 벽들에 올라타는 하나 또는 그 초과의 1차 부재들(또한, 슬레드들로 지칭됨)을 포함할 수 있다. 이 부재들은, 외부 가이드 링의 상승된 내부 트랙과 그에 따라서 정합되는 외부 슬롯을 포함한다. 각각의 슬레드 부재는 슬레드 핀들(도 48, 도 50, 도 43)을 지지할 수 있으며, 여기서, 직경방향으로 대향하는 슬레드 핀들의 임의의 주어진 쌍은, 외부 가이드 링에 대한 롤 링 회전에 의해 규정된 회전 축선(축선(3))을 교차하는 축선(축선(2))을 규정한다. 도 43에 도시된 바와 같이, 롤 링은, 1차 슬레드 부재들을 연결하는 하나 또는 그 초과의 연속 링들로 구성되는 2차 부재를 더 포함할 수 있다. 도 44는 단지 하나의 그러한 링을 도시한다. 슬레드들을 지지하는 연속 링 또는 링들은, 동일한 방향(CW 또는 CCW)에서 축선(3)에 대한 동일한 회전 레이트들로 슬레드 부재들을 구속하는 것을 보조하며, 축선(2)이 축선(3)을 더 이상 교차하지 않도록 축선(2)의 임의의 바람직하지 않은 병진운동을 방지한다(도 50 참조). 슬레드 부재들이 연속 링에 의해 연결되지 않는 경우, 상이한 레이트들로 축선(3)에 대해 회전 및/또는 병진운동하려는 가능한 경향이 존재하며, 이는, 외부 링과 슬레드 링 간에 바인딩을 야기할 수 있다. 슬레드들의 병진운동 및 동일하지 않은 회전 레이트는, 연속 링이 외부 가이드 링에 의해 방사상으로 구속되므로, 그 연속 링에 의해 방지된다.

[0174] 롤 링 내에서 지지되는 2개의 핀들(도 43에서 슬레드 핀들로 지칭됨)에 의해 규정되는 축선(2)은 편향 링으로서 알려진 후속 링에 대한 회전 축선이다. 사용시에, 팔뚝 부착 조립체가 유저 팔뚝에 부착될 때, 축선(2)은 유저의 손목 조인트에서 유저의 편향 축선과 거의 일치할 것이다(도 42 및 도 43에 도시됨). 편향 링은 슬레드 핀들에 의해 규정되는 축선(2)을 중심으로 회전이 자유로운 강체이다. 적합한 피트들이 편향 링 내의 슬레드 핀들과 수용 구멍들 간 뿐만 아니라 슬레드 핀들과 롤 링 간에도 존재하여, 편향 링이 슬레드 핀들에 의해 확립된 축선(2)을 중심으로, 롤 링에 대해, 회전이 자유롭게 된다. 도 44는 슬레드 핀들이 구속되어 그에 의해 회전 축선(축선(2))을 확립하는 각각의 링들 내의 위치들을 보여준다. 도 45에 도시된 바와 같이, 편향 링은 슬레드 핀들에 의해 규정되는 축선에 직교하는 축선을 규정하는 반-원형 절단부들(semi-circular cutouts)(5404) 보다 약간 더 큰 2개를 포함한다. 편향 링 상의 절단부들(5404)은 편향 링으로부터의 후속적인 커프의 빠른 설치 및 제거를 위한 하나의 방법을 보여준다. 편향 링은 다양한 플라스틱 재료들로 제조될 수 있다. 약간 더 큰 반-원형 기하학적 구조(5404) 및 다양한 플라스틱 재료들의 탄성 특성들은, 커프의 스냅-핏 핀들(도 45, 도 46에서 스냅-핏 핀들로 지칭됨)과 편향 링 상의 수용 구멍들 간의 스냅-핏 메커니즘(snap-fit mechanism)을 가능하게 하여, 회전에 대한 낮은 마찰 저항으로 적절한 리텐션을 제공한다. 커프의 스냅-핏 핀 설계는 축선(1)을 규정하기 위해 커프로부터 연장하는 통합된 원통형 바디들 또는 압착 핀들을 포함할 수 있다. 스냅-핏 핀들이 편향 링 상의 수용 특징들로 스내핑된 이후에, 인터페이스는 축선(1)에 대한 회전 조인트로서의 역할을 한다(도 44 및 도 46 참조). 이러한 메커니즘 내에서 대응하는 핀들의 적절한 리텐션은 필수적인데, 이는, 이 팔뚝 부착 조립체가 공통의 그라운드/공구 프레임/외부 링에 부착된 임의의 디바이스 또는 인스트루먼트의 전체 중량을 지지하고 그리고 유저 팔뚝에 부착된 공구 프레임/외부 링 및 손목 커프 간의 저항들을 극복하기 때문이다. 각각의 반-원형 절단부(5404)는, 유저가 핀들을 정렬시켜 후속적인 커프를 편향 링으로 고정시키기 때문에, 대응하는 스냅-핏 핀들에 대한 가이드 램프로서 작용하는 V-형상 절단부에 의해 선행될 수 있다. 본원에서 설명된 리텐션 구조는 리텐션에 대한 단지 일 예이다. 리텐션 구조는, 볼-인-트랙(ball-in-track), 스프링-핀/스루 홀, 클래스프 스타일, 스냅-핏 스타일, 축방향 정렬된 자석들의 쌍들, 또는 자석들의 다른 어레인지먼트들, 또는 모든 다른 DoF를 구속하면서 회전 축선을 따라 오직 1개의 회전 DoF 및 잠재적으로 1개의 병진운동 DoF를 제안할 수 있는 임의의 다른 구조를 포함한다(그러나, 이에 제한되지 않는다). 리텐션 구조는 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않고 수많은 다른 형태들을 취할 수 있다.

[0175] 편향 링으로 스내핑하는 2개의 스냅-핏 핀들에 의해 규정되는 축선(1)은 손목 커프로서 알려진 후속적인 링에 대한 회전 축선이다. 사용시에, 팔뚝 부착 조립체가 유저 팔뚝에 부착될 때, 축선(1)은 (도 42 및 도 43에 도시된 바와 같이) 유저의 손목 조인트에서 유저의 굴곡/신전 축선과 거의 일치할 것이다. 손목 커프는, 편향 링에 대해, 2개의 핀들이 편향 링 상의 그들의 대응하는 절단부들에 구속될 때 자신의 만곡부의 대향 단부들로부터 돌출하는 2개의 핀들에 의해 규정되는 축선(1)을 중심으로 회전이 자유로운 강체이다. 손목 커프 및 편향 링 둘 모두의 특정 기하학적 구조는, 유저가 편향 링을 통해 그들의 손을 삽입하고 그리고 손목 커프를 리텐션 메커니즘 내로 설치하도록 허용하여, 이에 의해 유저의 손목을 팔뚝 부착 조립체의 3개의 축선들의 교차 지점으로 구속한다. 손목 커프의 의도는, 가능한 한 편안하고 확실하게 유저의 손목과 인터페이싱하는 것이다. 이러한 요건들은, 커프의 외부 표면에 접착되고 2개의 채널들을 통해 손목 커프의 내부로 계속되는 직조 스트랩(woven strap)에 의해 충족될 수 있다(도 46 참조). 직조 스트랩은, 후크-앤-루프(hook-and-loop)의 수형(male) 및 암형(female) 부분을 각각 중첩시킴으로써 후크-앤-루프(벨크로(Velcro)) 클로저 메커니즘에 의해 임의의 손목 크기에 대해 초과하지 않고 고정될 수 있는 각각의 단부 상의 특정 길이에서 종결된다. 직조 스트랩은, 확실한 피트를 제공하기 위해 약간의 장력 하에서 사전에 규정되는 바와 같이 유저의 팔뚝을 중심으로 감싸진다. 각각의 유저에 대한 확실한 피트는 패딩(padding)을 포함하는 적합한 크기가 정해진 스트랩을 선택함으로써 결정될 수 있다. 패딩은, 손목 폭들 및 너비를 측정했던 인체측정학적 데이터에 기반하여 3개의 크기들, 즉, 소형, 중형, 및 대형을 포함한다(그러나, 이에 제한되지 않는다). 패딩은 유저의 손목에 대해 쿠션으로서 역할을 할 뿐만 아니라, 그 1차 기능은 끼움쇠(shim)로서 역할을 하고 커프의 중심에 다양한 손목 크기들을 정렬시키며, 궁극적으로는 손목 부착 장치의 축선들의 교차점과 일치시켜 유저의 손목, 팔뚝, 및 손의 중심 축선들을 유지시키는 역할을 한다. 본원에서 설명된 후크-앤-루프 클로저 및 패딩을 갖는 직조 스트랩은 유저의 팔뚝을 커프에 부착하기 위한 단지 일 예이다. 유저의 팔뚝을 커프에 부착하기 위한 많은 부착 옵션들이 존재하는데, 이 옵션들은 직조 스트랩, 몰딩된 실리콘 밴드, 금속 링크 밴드, 또는 손목에 적절한 테더링을 제공하면서 다양한 손목 크기들을 수용할 수 있는 임의의 클래스프(clasp), 프롱(prong), 압입(press-fit), 또는 스냅-핏 유형 메커니즘, 라체팅(ratcheting) 메커니즘 등을 갖는 탄성 스트랩을 포함한다(그러나, 이에 제한되지 않는다). 통합된 고정부(스냅들)을 포함하는 커프를 도시하는 도 46을 참조한다.

[0176] 위에서 언급된 바와 같이, 위에서 설명된 짐벌들을 프레임 및/또는 다른 커플링 조인트들(예컨대, 다른 짐벌들)에 커플링하는 핀들은 공구로부터 커플링 조인트(들), 예컨대, 짐벌들의 제거를 가능하게 할 수 있어서, 예컨대, 유저가 손 위에 그리고 손목 또는 팔뚝 상에 커프를 놓아 커프가 이들에 부착될 수 있다. 일단 부착되면, 커프는 공구 내부에 삽입될 수 있는데, 예컨대, 프레임 또는 다른 커플링 조인트(들) 내부로 스내핑될 수 있다. 도 53a-53d는 공구로부터(예컨대, 외부 짐벌로부터) 해제 가능하게 부착/분리될 수 있는 커프(예컨대, 일체형 커프를 갖는 짐벌)를 형성하는 커플링 조인트의 다른 예를 예시한다. 이 예에서, 강성 커프는 회전 축선을 따라 한 쌍의 스프링 탑재식 핀들(5302, 5302')을 갖는 C-형상의 짐벌 바디 상에 형성된다. 커프를 갖는 이 짐벌은, 유저의 팔뚝에 단단하게 배치될 수 있다. 이는, 둘 모두의 스프링 탑재식 핀들이 램프 피처 상에서 작동함으로써 가압되도록, 팔뚝 축선을 따라 커프(현재, 팔뚝에 착좌됨)를 외부 짐벌 상의 램프 피처(5306) 내부로 삽입하는 것이 후속될 수 있다. 커프가 팔뚝 축선을 따라 더 병진하기 때문에, 커프와 외부 짐벌 간의 공통 회전 축선을 형성하기 위해 둘 모두의 핀들의 중심을 통과하는 축선(커프 상의 회전 축선)이 외부 짐벌 상의 슬롯/구멍들 둘 모두의 중심을 통과하는 축선(내부 짐벌 상의 회전 축선)과 일치하도록, 공칭적인 포지션으로 다시 돌아온, 내부 짐벌로부터의 반작용력(reaction force)에 의해 압축되었던 핀들이 커프를 고정시킨다. 이는, 외부 짐벌과 함께 커프의 적절한 고정부를 제공했으며 회전 DOF를 제1 회전 축선에 대하여 여전히 유지시킨다. 외부 짐벌로부터의 커프를 분리하기 위해(disengage), 유저는 핀에 스프링을 압축한 후, 동일한 팔뚝 축선을 따라 커프를 다시 병진운동시킴으로서 핀을 가압한다.

[0177] 외부 짐벌 설계의 다른 대안적인 실시예는, 위에서 설명된 축선에 대해 오직 1의 회전 각도로 롤 링이 구속되는 오목한 내부 트랙을 포함할 수 있다. 또한 도 44를 참조하면, 축선(3), 축선(2), 및 축선(1)을 순차적으로 생성하는, 외부 가이드 링으로부터 손목 커프로의 컴포넌트들의 순차적인 어레인지먼트를 참조한다. 그러나, 당업자는 외부 링 및 손목 커프 간의 이러한 3개의 축선들의 상이한 시퀀스를 결과로 초래하는 상이한 시퀀스의 컴포넌트들을 상상할 수 있다. 예컨대, 축선 시퀀스는 축선(3), 축선(1), 축선(2)일 수 있거나 또는 축선(2), 축선(1), 축선(3) 등일 수 있는 식이다.

[0178] 이제 도 47을 참조하면, 이러한 도면들은 수술용 공구/인스트루먼트와 결합된 팔뚝 부착 조립체를 도시한다. 사용시에, 외과의사는 그의 팔뚝에 손목 커프를 고정시킬 것이다. 그런다음, 그는 (롤 링과 이미 어셈블링되고, 외부 링과 이미 어셈블링된) 편향 링을 통해 그의 손을 삽입할 것이고, 편향 링 내의 대응하는 수용 피처들 내부로 손목 커프의 스냅-핏 핀들을 스내핑할 것이다. 외부 링은 공구 프레임에 단단하게 커플링되고/부착되고, 공구 프레임은 차례로 공구 샤프트에 커플링되고/부착된다. 외과의사의 손/손바닥은 공구 핸들을 유지한다. 공구가 이러한 방식으로 유저와 인터페이싱될 때, 공구 샤프트 축선은 유저의 팔뚝 축선에 대해 임의의 방향으로 배향될 수 있다(도 17 및 도 18 참조). 게다가, 외과의사가 핸들을 유지하여, 그의 팔뚝의 회내/회외 작용 또는 그의 손가락들의 트월(twirl) 작용을 사용하여 그의 팔뚝 축선(도 17에서 1709) 또는 손 축선(도 17에서 1707)을 중심으로 핸들을 회전시키기 때문에, 이러한 회전은 핸들로부터 입력 조인트(이 경우에서는 VC 메커니즘)를 통해 공구 프레임/외부 링으로 전달된다. 공구 축선을 중심으로 하는 공구 프레임의 이러한 회전은, 외부 링과 롤 링 간의 (축선(3)을 중심으로) 회전 슬라이딩 조인트에 의해 안내된다. 따라서, 공구 축선 및 축선(3)은 일치하게 된다. 팔뚝 부착 조립체에 의해 제공되는 축선(3) 조인트는, 유저의 손 및 팔뚝을 중심으로 전체 공구 프레임의 부드러운, 규정된, 낮은-마찰/저항 롤 회전을 허용한다. 도 52a-52g는 추가로, 수술용 공구/인스트루먼트, 예컨대, 단부 이펙터, 구불구불한(serpentine) 출력 조인트, 및 평행 운동학적, 2개의 DOF 입력 조인트인 입력 조인트를 포함하는 수술용 공구를 갖는 팔뚝 부착 조립체의 많은 변경들을 예시한다.

[0179] 본 발명의 부가적인 양상은 전체 공구 및 특히 프레임 및 외부 링의 적합한 무게 분배를 포함하여, 중력(CG)의 중심은 공구 축선(즉, 축선(3)) 상에 놓이거나 이에 가까이 놓인다. 이것은, 외과의사가 자신의 손에 의해 이 롤(roll)을 구동하는 축선(3)을 중심으로 전체 공구를 롤링할 때, 그가 가능한 한 중력으로 인해 롤에 대한 저항을 거의 느끼지 않음을 보장한다. 실제로 CG가 롤의 축선을 벗어난 경우, 롤의 소정 스트레치(stretch)들/부분들 동안, 외과의사는 중력에 대하여 전체 공구의 중량을 리프팅하려고 할 것이지만, 다른 스트레치들/부분들 동안 공구는 롤링할 때 그 자신의 중량하에 놓일 것이다. 또한, CG가 수직 상태로 횡단할 때, 오버-더-탑 하강(over the top falling) 느낌(외과의사의 주의를 딴 데로 돌릴 수 있음)이 있을 것이다. 그러므로, 전체 공구에 대한 중요한 설계 목표 및 성능 메트릭은, 중량이 밸런싱되도록, 즉 CG가 공구 축선, 즉 축선(3)에 있거나 가까이 있도록 전체 공구를 설계하는 것이다. 이것은 외부 링 및 공구 프레임의 설계/크기/형상/기하구조를 결정할 수 있다.

[0180] 팔뚝 장착 장치에 의해 가능하게되는 디바이스 레벨 기능성의 다른 양상은, 팔뚝 모션들(3개의 병진운동들, 더하기 팔뚝 회내/회외, 즉 롤 회전)로부터 외과의사의 손목 관절 모션(2개의 회전들) 및 트월링 모션을 분리하는 것을 돕는 것이다. 전자는 더 미세하고 더 섬세한 모션에 대응하는 반면, 후자는 전력 이동들에 대응한다. 미세(fine)/섬세(delicate) 모션들과 대강(coarse)/전력(power) 모션들의 그런 분리는 복잡한 절차들을 수행하면서 외과의사에게 큰 도움을 준다.

[0181] 도 42 및 43의 팔뚝 부착 장치 실시예의 또 다른 적용/사용(도 47과 상이함)에서, 3개의 축선 짐벌 유형 어레인지먼트는 원격 접근 공구, 예컨대 수술용 공구의 원격 엔드 이펙터를 제어하기 위하여 유저에 의해 사용될 수 있다(도 51 참조).

[0182] 손목 커프는 유저의 팔뚝에 부착될 수 있고, 그러므로 프레임은 유저의 손목 및 팔뚝에 대해 3개의 회전 DoF를 가진다. 유저는 팔뚝 부착 조인트의 개개의 축선들을 중심으로 3 회전들을 생성하기 위하여 프레임에 대해 자신의 팔뚝을 연계하여 회전시킬 수 있다. 장치의 3개의 회전들/DoF(축선(1), 축선(2) 및 축선(3)을 중심으로) 중 일부 또는 모두 3개는 기계적 및 전자적으로 캡처되고 원격 엔드 이펙터에서 대응하는 회전들/DoF에 전달될 수 있다. 도 51을 참조한다.

[0183] 이 경우에, 팔뚝 부착 조인트가 원격 접근 툴의 입력 조인트로서 역할을 하고 손에 유지된 공구 핸들과 공구 프레임 간에 부가적인 입력 조인트가 없다(도 47의 경우와 같음)는 것을 주목한다. 또한, 이것이 S-K(serial kinematic) 입력 조인트의 예인 것을 주목한다.

[0184] 그러나, S-K 입력 조인트의 이런 어레인지먼트의 핵심 고유 기능성은, 임의의 다른 디바이스를 유지하는데 손이 자유로운 반면, 모든 회전들/DoF가 팔뚝의 작용에 의해 생성된다는 것이다. 또한, 팔뚝은 손에 비교할 때 더 낮은 떨림을 가지며 더 높은 구동력들을 생성할 수 있다.

[0185] 여기에 설명된 모든 실시예들에서, 커프가 팔뚝에 부착되고 따라서, 커프, 커플링 조인트 및 프레임이 팔뚝에 의해 지탱되더라도, 커프가 손(즉, 손목 조인트에 대해 먼 위치)에 부착되거나 유저의 손목 조인트에 부착되는 다른 실시예들이 또한 사용될 수 있다.

[0186] 본원에서 피처 또는 엘리먼트가 다른 피처 또는 엘리먼트 상에 있는 것으로 참조되었을 때, 직접 다른 피처 또는 엘리먼트 상에 있거나 또는 개재 피처들 및/또는 엘리먼트들이 또한 존재할 수 있다. 대조적으로, 피처 또는 엘리먼트가 다른 피처 또는 엘리먼트 "상에 직접" 있는 것으로 참조될 때, 개재 피처들 또는 엘리먼트들은 존재하지 않는다. 또한, 피처 또는 엘리먼트가 다른 피처 또는 엘리먼트에 "연결된", "부착된" 또는 "커플링된" 것으로 참조될 때, 다른 피처 또는 엘리먼트에 직접 연결되거나, 부착되거나 커플링될 수 있거나 또는 개재 피처들 또는 엘리먼트들이 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대조적으로, 피처 또는 엘리먼트가 다른 피처 또는 엘리먼트에 "직접 연결되거나", "직접 부착되거나" 또는 "직접 커플링되는" 것으로 참조될 때, 개재 피처들 또는 엘리먼트들은 존재하지 않는다. 일 실시예에 대해 설명되거나 도시되지만, 그렇게 설명되거나 도시된 피처들 및 엘리먼트들은 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 다른 피처에 "인접하게" 배치된 구조 또는 피처에 대한 참조들이 인접한 피처에 겹치거나 아래 놓이는 부분들을 가질 수 있다는 것은 당업자들에 의해 또한 인식될 것이다.

[0187] 본원에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예컨대, 본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태는, 문맥이 명확하게 다르게 지시하지 않으면, 또한 복수의 형태를 포함하도록 의도된다. 이 명세서에 사용될 때 용어들 "포함하다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 피처들, 단계들, 작동들, 엘리먼트들, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 하나 또는 그 초과의 다른 피처들, 단계들, 작동들, 엘리먼트들, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것이 추가로 이해될 것이다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관되어 기재된 아이템들 중 하나 또는 그 초과 중 임의의 것 및 모든 조합들을 포함하고 "/"으로서 단축될 수 있다.

[0188] 공간적으로 상대적인 용어들, 이를테면 "하", "아래", "하부", "위", "상부" 등은 도면들에 예시된 바와 같이 다른 엘리먼트(들) 또는 피처(들)에 대한 하나의 엘리먼트 또는 피처의 관계를 설명하기 위하여 본원에서 설명을 용이하게 하기 위해서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들이 도면들에 묘사된 배향 외에도 사용 또는 작동 중인 디바이스의 상이한 배향들을 포함하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 도면들의 디바이스가 뒤집어지면, 다른 엘리먼트들 또는 피처들 "하" 또는 "아래"로서 설명된 엘리먼트들은, 다른 엘리먼트들 또는 피처들 "위에" 배향될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "하"는 위 및 하의 배향 둘 모두를 포함할 수 있다. 디바이스는 (90도 회전되거나 다른 배향들로) 다르게 배향될 수 있고 본원에 사용되는 공간적으로 상대적인 설명자들은 그에 따라서 해석된다. 유사하게, 용어들 "상방으로", "하향으로", "수직", "수평" 등은 특정하게 다르게 표시되지 않으면 단지 설명의 목적을 위해서 본원에 사용된다.

[0189] 비록 용어들 "제1" 및 "제2"가 다양한 피처들/엘리먼트들(단계들을 포함함)을 설명하기 위하여 본원에서 사용될 수 있지만, 이들 피처들/엘리먼트들은, 문맥이 다르게 표시하지 않으면, 이들 용어들에 의해서 제한되지 않아야 한다. 이들 용어들은 다른 피처/엘리먼트로부터 하나의 피처/엘리먼트를 구별하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 교시들로부터 벗어남이 없이 아래에 논의된 제1 피처/엘리먼트는 제2 피처/엘리먼트라 칭해질 수 있고, 유사하게 아래에 논의된 제2 피처/엘리먼트는 제1 피처/엘리먼트로 칭해질 수 있다.

[0190] 이 명세서 및 후속 청구항들 전체에 걸쳐, 문맥이 다르게 요구하지 않으면, 단어 "포함하다" 및 변형들, 이를테면 "포함하다" 및 "포함하는"은 다양한 컴포넌트들이 방법들 및 물품들(예컨대, 디바이스 및 방법들을 포함하는 조성물들 및 장치들)에 공동으로 이용될 수 있음을 의미한다. 예컨대, 용어 "포함하는"은 임의의 언급된 엘리먼트들 또는 단계들의 포함을 의미하는 것으로 이해될 것이지만 임의의 다른 엘리먼트들 또는 단계들의 배제를 의미하는 것으로 이해되지 않을 것이다.

[0191] 예들에서 사용되는 것으로 포함되고 명확하게 다르게 특정되지 않으면 본원에서 명세서 및 청구항들에 사용된 바와 같이, 용어가 명시적으로 나타나지 않더라도, 모든 숫자들은 단어 "대략" 또는 "거의"가 앞에 있는 것처럼 읽혀질 수 있다. 어구 "대략" 또는 "거의"는, 설명된 값 및/또는 포지션이 합리적인 예상되는 값들 및/또는 포지션들의 범위 내에 있는 것을 표시하기 위하여 크기 및/또는 포지션을 설명할 때 사용될 수 있다. 예컨대, 수치 값은 언급된 값의 +/- 0.1%(또는 값들의 범위), 언급된 값의 +/- 1%(또는 값들의 범위), 언급된 값의 +/- 2%(또는 값들의 범위), 언급된 값의 +/- 5%(또는 값들의 범위), 언급된 값의 +/- 10%(또는 값들의 범위) 등인 값을 가질 수 있다. 본원에 열거된 임의의 수치 범위는 그 내부에 포함된 모든 서브-범위들을 포함하도록 의도된다.

[0192] 비록 다양한 예시적인 실시예들이 위에서 설명되었지만, 다수의 변화들 중 임의의 변화가 청구항들에 의해 설명된 바와 같이 본 발명의 범주에서 벗어남이 없이 다양한 실시예들에 대해 이루어질 수 있다. 예컨대, 설명된 다양한 방법 단계들이 수행되는 순서는 종종 대안적인 실시예들에서 변경될 수 있고, 다른 대안적인 실시예들에서 하나 또는 그 초과의 방법 단계들은 완전히 스킵될 수 있다. 다양한 디바이스 및 시스템 실시예들의 선택적인 특징들은 일부 실시예들에 포함되고 다른 실시예들에 포함되지 않을 수 있다. 그러므로, 전술한 설명은 주로 예시적인 목적들을 위해 제공되고 청구항들에서 설명된 바와 같이 본 발명의 범주를 제한하도록 해석되지 않아야 한다.

[0193] 본원에 포함된 예들 및 예시들은, 제한이 아닌 예시로서, 청구 대상이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 도시한다. 언급된 바와 같이, 다른 실시예들이 활용되고 이들로부터 유도될 수 있어서, 구조적 및 로지컬 대체들 및 변화들은 본 개시내용의 범주에서 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 본 청구 대상의 그런 실시예들은 본원에서, 하나보다 많은 것이 실제로 개시되는 경우, 본 적용 범주를 자발적으로 임의의 단일 발명이거나 발명의 개념으로 제한하도록 의도함이 없이 그리고 단지 편의를 위하여 용어 "발명"에 의해 개별적으로 또는 집합적으로 지칭될 수 있다. 따라서, 특정 실시예들이 본원에 예시되고 설명되었지만, 동일한 목적을 달성하기 위하여 계산된 임의의 어레인지먼트는 도시된 특정 실시예들을 대신하게 될 수 있다. 본 개시내용은 다양한 실시예들 중 임의의 및 모든 적응들 또는 변경들을 커버하도록 의도된다. 위의 실시예들의 조합들, 및 본원에 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시예들은 위의 설명을 리뷰할 때 당업자들에게 자명할 것이다.

Claims (114)

1. 유저의 팔뚝을 중심으로 공구가 롤링할 수 있도록 유저에게 장착되는 최소 접근 공구로서,
   공구 축선을 갖는 세장형 공구 샤프트(2100)를 포함하는 프레임(2101, 2151, 5405);
   상기 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착되도록 구성되는 커프(cuff)(2108, 5401);
   제1 축선을 중심으로 상기 프레임과 상기 커프 간에 제1 회전 자유도가 존재하도록, 상기 프레임과 상기 커프 간에 회전식으로 커플링되는 제1 짐벌(gimbal)(2106, 5401); 및
   상기 프레임과 상기 커프 간에 있고, 그리고 상기 공구 축선을 중심으로 상기 프레임과 상기 커프 간에 롤 회전 자유도가 존재하도록, 상기 프레임 또는 상기 제1 짐벌에 대해 슬라이딩 또는 롤링하도록 구성되는 베어링(2112)을 포함하고,
   상기 커프가 상기 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 상기 공구 축선 및 상기 제1 축선은 상기 유저의 손목 또는 팔뚝 내에서 교차하는,
   최소 접근 공구.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 짐벌 및 상기 베어링은 상기 커프와 상기 프레임 간에 임의의 순서로 연속적으로 연결되는,
   최소 접근 공구.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 짐벌은 상기 프레임에 회전 가능하게 커플링되고, 그리고 상기 베어링은 상기 제1 짐벌에 슬라이딩 가능하게 커플링되는,
   최소 접근 공구.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 베어링은 상기 프레임에 슬라이딩 가능하게 커플링되고, 그리고 상기 제1 짐벌은 상기 베어링에 회전 가능하게 커플링되는,
   최소 접근 공구.
5. 제1 항에 있어서,
   제2 축선을 중심으로 상기 프레임과 상기 커프 간에 제2 회전 자유도가 존재하도록, 상기 프레임과 상기 커프 간에 회전식으로 커플링되는 제2 짐벌(2104, 5409)을 더 포함하며, 상기 커프가 상기 유저의 손목 또는 팔뚝에 부착될 때, 상기 공구 축선, 상기 제1 축선, 및 상기 제2 축선은 상기 유저의 손목 또는 팔뚝 내의 하나의 지점에서 교차되는,
   최소 접근 공구.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 커프는 제1 짐벌의 일부인,
   최소 접근 공구.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 커프는 상기 제1 짐벌 내에 제거 가능하게 부착되도록 구성되는,
   최소 접근 공구.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 베어링은 상기 제1 짐벌의 일부인,
   최소 접근 공구.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 베어링은 상기 유저의 손목 또는 팔뚝에 대해 상기 프레임의 연속 롤 회전을 허용하도록 구성되는,
   최소 접근 공구.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 베어링은 상기 커프를 중심으로 링에서 연장되는 슬레드로서 구성되는 플레인 베어링을 포함하는,
    최소 접근 공구.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 커프는 C-형상 부재를 포함하는,
    최소 접근 공구.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 커프가 상기 유저의 손목 또는 팔뚝과 함께 이동하도록 상기 유저의 손목 또는 팔뚝을 상기 커프 내에 유지하게 구성되는 고정부를 더 포함하는,
    최소 접근 공구.
13. 제1 항에 있어서,
    상기 커프가 상기 유저의 손목 또는 팔뚝과 함께 이동하도록, 상기 유저의 손목 또는 팔뚝을 상기 커프 내에 유지하게 구성되는 고정부를 더 포함하고, 그리고 추가로 상기 고정부는, 스트랩(strap), 스냅(snap), 벨트(belt), 래치(latch) 및 후크 커넥터(hook connector), 타이(tie) 또는 클램프(clamp) 중 적어도 하나를 포함하는,
    최소 접근 공구.
14. 제1 항에 있어서,
    적어도 하나의 자유도를 갖는 입력 조인트(joint); 또는
    적어도 2개의 자유도들을 갖는 입력 조인트, 중 하나를 통해,
    상기 프레임에 커플링되는 핸들을 더 포함하는,
    최소 접근 공구.
15. 제1 항에 있어서,
    출력 조인트를 통해 상기 프레임에 커플링되는 엔드 이펙터(end effector)를 더 포함하는,
    최소 접근 공구.
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