KR20110069114A

KR20110069114A - 수술 장치용 수동 프리로드 및 캡스턴 드라이브

Info

Publication number: KR20110069114A
Application number: KR1020117008998A
Authority: KR
Inventors: 쥬세페 프리스코
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-06-22
Also published as: CN102171006A; US10022194B2; EP3418006A1; JP5951658B2; US11547503B2; CN102171006B; US20160166342A1; KR101654031B1; KR101730455B1; US20100082041A1; CN104970884B; EP2361170A1; KR20170091766A; KR101765094B1; JP2014193417A; US9259274B2; CN104970884A; EP2361170B1; US20200352660A1; US20180311001A1

Abstract

로봇 수술 시스템은, 텐던의 이완 장력을 제어하기 위해 캡스턴 주위를 감싸는 텐던에 부착된 수동 프리로드 시스템을 사용한다. 수동 프리로드 시스템은 텐던에 장력을 인가하기 위해 스프링 또는 다른 구조를 사용할 수 있다. 텐던이 수술 장치의 구조 부재를 당길 필요가 있는 때에는, 캡스턴이 모터에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 클램핑 압력을 인가하거나, 저항체에 대해 구조 부재를 이동시킬 경우에, 캡스턴 마찰이 수동 프리로드 시스템에 의해 인가되는 장력에 수 배에 해당하는 텐던의 장력을 발생시킬 수 있다. 그러나, 텐던이 부재에 힘을 인가할 필요가 없는 때에, 캡스턴은 자유롭게 회전할 수 있는데, 이는 텐던의 탈선 또는 다른 고장을 방지하기 위해 스프링 시스템이 충분한 장력을 제공하기 위해서이다. 이완된 텐던에서의 낮은 장력은, 특히 유연성 있는 샤프트를 가지는 장치에서 텐던 마찰을 감소시킬 수 있다.

Description

수술 장치용 수동 프리로드 및 캡스턴 드라이브{PASSIVE PRELOAD AND CAPSTAN DRIVE FOR SURGICAL INSTRUMENTS}

로봇 제어 장치(여기에서의, "로봇" 또는 "로봇식의" 및 유사한 용어는 원격조정 또는 원격로봇을 포함한다)는 잘 알려져 있으며 극소 침습 의료 과정(minimally invasive medical procedures)에 종종 사용된다.

도 1은 현재의 로봇 제어 의료 장치의 기본 작동 원리를 설명하기 위해 단순화된 구조를 가지는 기구(100)의 예를 나타낸다. 장치(100)는 샤프트(120)의 원위 단부에 도구 또는 엔드 이팩터(110)를 포함한다. 샤프트(120)의 근위 단부는 때때로 백엔드 기계장치(130)에 속하는 전동장치 또는 구동 장치(130)에 부착된다. 의료 과정에서, 엔드 이팩터(110)과 샤프트(120)의 원위 단부는, 환자몸 내부의 작업 장소에 엔드 이팩터(110)을 위치시키기 위해, 작은 절개부 또는 신체의 구멍을 통해 삽입될 수 있다. 도시된 엔드 이팩터(110)는 클램핑, 그립핑, 커팅 또는 다른 목적으로 작업 장소에서 사용될 수 있는 조(jaw)(112, 114)를 포함한다. 다른 타입의 엔드 이팩터로서, 예를 들어, 외과용 메스(scalpels), 와이어 루프 및 소작장치(cauterizing instruments)가 알려져 있고 샤프트(120)의 원위 단부에 선택적으로 장착될 수 있다. 통상적으로 수술 장치는 샤프트(120)의 원위 단부에 관절 장치(미도시)를 더 포함하는데, 이는 엔드 이팩터(110)의 포지셔닝, 배향(orienting) 및 사용을 위한 추가적인 자유도 동작을 제공한다.

가닥 케이블(stranded cables), 막대, 튜브 또는 유사한 구조일 수 있는 텐던(121, 122)은, 백엔드 기계장치(130)로부터 샤트프(120)를 통과해 움직이며 엔드 이팩터(110)에 부착된다. 전형적인 수술 장치는 또한 백엔드 기계장치를 엔드 이팩터(110)의 또는 관절 장치의 다른 구조 부재에 연결하는 추가적인 텐던(미도시)을 포함할 수 있는데, 이는 작업장소에서 목표된 과정을 수행하는 경우, 백엔드 기계장치(130)가 엔드 이팩터(11) 및/또는 관절 장치를 작동시키는 텐던을 조정할 수 있게 한다. 도 1은 핀 조인트 구조에 있는 조(112)에 부착된 2개의 텐던(121,122)을 도시하는데, 조(112)는 피벗 핀(116)에 대해 회전하도록 장착된다. 조(112)가 시계방향 및 반시계방향 양쪽 회전이 가능하도록, 텐던(121)은 피벗 핀(116)에 대한 모우먼트 팔에서 조를 작용하는데, 이는 도 1에서처럼 텐던(121)을 당겨 조(112)를 시계방향으로 회전시키려는 토크를 발생시킨다. 유사하게, 도 1에서처럼, 텐던(122)은 모우먼트 팔에서 작용하여, 텐던(122)을 당겨 조(112)를 반시계방향으로 회전시키는 토크를 발생시킨다. 따라서, 텐던(121 또는 122) 중 하나를 일정 길이로 당기고 동시에 다른 텐던(121 또는 122)을 동일한 길이로 풀어서, 조(112)의 양방향 동작을 가능하게 한다. 핀 조인트 외에 다른 기계장치들이 알려져있고, 또는 텐던(121, 122) 중 하나의 일정한 길이를 당기고 다른 텐던(121, 122)의 동일하고 반대 길이를 풀어서 원위 조인트의 양방향 동작이 가능하도록 하는 것이 고안될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 등록번호 6,817,974(출원일 2002.6.28) "명확한 위치를 갖는 텐던-작동 멀티-디스크 관절 지지부를 갖는 수술 도구"(발명자 쿠퍼 등) 및 미국 특허 등록번호 6,394,998(출원일 1999.9.17) "극소 침습 원격 수술용 수술 도구"(발명자 월리스 등)가 여기에서 참조되며, 이들 발명은, 하나 또는 그 이상의 텐던의 길이를 푸는 동안 다른 하나 또는 그 이상의 텐던을 당기는 동작을 요구하는, 몇몇 알려진 의료 장치 구조를 설명한다.

텐던(121, 122)의 처짐(slack)은, 예를 들어 텐던(121, 122)이 장치(100)를 통과하는 텐던(121, 122)을 안내하는 가이드 또는 풀리(미도시)로부터 이탈되어 고장을 일으킬 수 있다. 처짐은 또한 장치가 흔들리게 하거나 예기치 않은 동작을 유발할 수 있다. 조(112)를 움직이게 할 때 텐던(121 또는 122)의 처짐을 방지하기 위해, 백엔드 기계장치(130)는 텐던(121, 122) 중 하나의 일정한 길이를 품과 동시에 다른 텐던(121, 122)중 다른 텐던의 동일한 길이를 감는다. 텐던(121, 122)은 동일한 캡스턴(132)에 부착될 수 있으나, 구동모터(미도시)가 캡스턴(132)을 회전시킬 때, 텐던(121, 122)은 텐던(121, 122)의 목표된 움직임을 제공하도록 서로 반대방향으로 감길 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 등록 번호 6,394,998 및 6,817,974에서 설명된 것처럼, 엔드 이팩터가 여러 텐던에 의해 제어되는 여러 자유도를 갖는 경우에 있어서, 백엔드 기계장치는, 원위 조인트가 회전될 때 텐던의 처짐을 방지하기 위해서, 텐던의 관련 길이로 감고 푸는 기능을 수행하는 캡스턴 외의 다른 기계장치를 포함할 수 있다. 텐던(121, 122)이 2개의 분리된 구성요소이거나 또는 텐던(121, 122)이 캡스턴 작동기를 가진 폐쇄 루프 구성요소의 부분일 수 있는데, 이는 미국 특허 번호 7,316,681 B2 (출원일 2005.10.4) "민첩성 및 민감도가 향상된 극소 침습 수술용 관절 수술 장치"(발명자 마드하니 등)에 개시되며, 본 명세서에서 참조된다.

특히 엔드 이팩터(110)가 푸싱 및 풀링, 클램핑, 그립핑 또는 저항체를 만나게 되는 다른 동작으로 사용되는 경우에, 또한 처짐 방지를 위해 텐던(121, 122)이 미리 장력이 가해지도록 요구된다. 특히, 백엔드 기계장치(130)는 텐던(122)에 장력을 인가하여 조(112)가 조(112, 114) 사이에 물체를 죄도록 할 수 있다. 텐던(122)의 장력이 증가하면 더 높은 클램핑 힘을 발생시키나 또한 텐던(122)이 팽팽해진다. 텐던(122)의 팽팽해짐에 의해 상응하는 양의 처짐이 텐던(121)에서 발생하는 것을 방지하기 위해, 텐던(121)을 팽팽하도록 하는 장력을 텐던(121)에 미리 가할 수 있다. 예를 들어, 텐던(121, 122)이 동일하다고 가정하에, 텐던(122)에 사용된 최대 클램핑 장력 이상 또는 동일한 장력을 텐던(121)에 인가할 수 있다. 따라서, 텐던(121)은 사전 인가된 장력에 의해 팽팽해지고, 클램핑 포스가 인가될 때, 텐던(121)이 처짐없이 수축되면서 텐던(122)의 팽팽해짐은 텐던(121)의 장력을 감소시킨다.

텐던에 사전 인가된 장력은 백엔드 기계장치가 장치를 작동시키기 위해 인가해야 하는 힘을 증기시킬 수 있다. 특히, 장력은 텐던이 가이드 또는 고체면을 움직이는 곳에서의 마찰을 증기시킨다. 또한, 샤프트(120)가 환자의 몸속의 루멘(lumen)을 따라가도록 채택된 유연성 있는 튜브라면, 사전 인가된 장력은 텐던(121, 122)이 샤프트(120)의 구부러진 표면과 접촉하는 곳에서 마찰을 발생시킨다. 상기 모든 경우에서, 증가된 마찰은 엔드 이팩터(110)의 움직임을 정확하게 제어하는 것을 어렵게 하며, 수술 과정 동안 예를 들어 티슈, 봉합사(sutures) 및 바늘의 부정확한 조정을 야기시킬 수 있다. 게다가, 수술 장치의 텐던에 정확한 장력을 사전 인가하는 것은 또한 의료 장치의 제조 과정을 복잡하게 할 수 있다. 따라서, 높은 사전 인가 장력이 요구되지 않으며, 구동 텐던의 처짐을 피할 수 있는 의료 장치가 요구된다.

본 발명에 따라, 스프링 방식 기구(spring based mechanism)와 같은 수동 프리로드 시스템이 캡스턴 주위를 감싼 텐던에 부착되는데, 이는 수동 프리로드 시스템이 텐던의 이완 장력(the realxed tension)을 제어하게 위해서이다. 텐던이 장치의 구조 부재를 당길 필요가 있는 때에, 캡스턴은 모터에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 클램핑 압력을 인가하거나, 저항체에 대해 구조 부재를 이동시킬 경우에, 캡스턴 마찰이 수동 프리로드 장력의 수 배에 해당하는 텐던의 장력을 발생시킬 수 있다. 그러나, 텐던이 부재에 힘을 인가할 필요가 없는 때에, 구동모터에 의해 캡스턴에 인가되는 토크를 해제하거나 O으로 하여, 캡스턴이 효과적이고 신속하게 회전되도록 만들어질 수 있는데, 이는 수동 프리로드 시스템이 텐던 장력을 제어하고, 텐던의 탈선이나 기타 고장을 방지하도록 충분한 장력을 제공하기 위해서이다. 캡스턴이 겉돌게 되는 경우, 텐던이 영구적으로 캡스턴에 부착되는 것이 아니기 때문에, 텐던이 캡스턴에서 쉽게 미끄러질 수 있다는 것을 주의해야 한다. 바꾸어 말해, 단지 마찰에 의해 캡스턴과 텐던 사이에서 힘이 교환된다. 이완 텐던에서의 감소된 장력(reduced tension)은 특히 구부러진 또는 유연성있는 샤프트를 가지는 장치에서 텐던 마찰을 감소시킬 수 있다. 수동 프리로드 시스템에 부착된 텐던을 사용하는 장치의 동작에는 두 가지 모드를 포함하는데, 모터가, 텐던에 의해 감싸지며 텐던을 당기는 캡스턴을 회전시키는 모드, 캡스턴이 겉돌며 텐던 장력이 수동 프리로드 시스템의 장력에 매치되는 모드가 있다. 시스템은 구동모터에 의해 토크 출력을 제어함으로써 이들 두 가지 동작 모드 사이를 신속하게 전환시킬 수 있으며, 따라서 큰 제어 토크 대역폭(bandwidth torque control)을 가진다.

본 발명의 구체적인 실시예는 수술 장치이다. 수술 장치는 샤프트, 샤프트의 원위 단부에 장착된 부재, 샤프트의 근위 단부에 부착되는 기구 및 텐던을 포함한다. 부재는 하나의 링크, 엔드 이팩터의 조, 또는 서로 연결된 링크 그룹일 수 있으며, 부재는 샤프트에 대해 상대적으로 부재가 움직일 수 있도록 장착된다. 기구는 캡스턴 및 스프링 시스템과 같은 수동 프리로드 시스템을 포함한다. 캡스턴은 통상 회전이 자유로울 수 있으며, 모터가 부착되고 캡스턴을 회전시킬 수 있는 커플링을 가진다. 텐던은, 부재에 부착되는 제 1 단부를 가지며, 샤프트를 따라 움직이며, 캡스턴을 감싸며, 그리고 텐던에서의 이완 장력을 제어하는 수동 프리로드 시스템에 부착되는 제2 단부를 가진다.

본 발명의 또 다른 구체적인 실시예는 로봇 수술 시스템이다. 로봇 수술 시스템은 모터 및 도킹 포트에 의해 모터에 연결되는 장치를 포함한다. 로봇 수술 시스템은 또한 모터 팩 및 도킹 포트를 가지는 관절 암(articulated arm)을 포함할 수 있다. 장치는 샤프트, 샤프트의 원위 단부에 장착되는 부재, 샤프트의 근위 단부에 부착되는 백엔드 기계장치 및 텐던을 통상 포함한다. 부재는 샤프트에 대하여 상대적으로 부재가 움직일 수 있도록 장착된다. 백엔드 기계장치는 캡스턴 및 수동 프리로드 시스템을 포함한다. 캡스턴은 도킹 포트에서 구동모터에 연결되는데, 이는 구동모터가 캡스턴을 회전시킬 수 있도록 하기 위해서이다. 텐던은, 부재에 부착되는 제 1 단부를 가지며, 샤프트를 따라 움직이며, 캡스턴을 감싸며, 그리고 수동 프리로드 시스템에 부착되는 제2 단부를 가진다.

본 발명의 다른 실시예는 움직일 수 있는 부재, 한 방향으로 부재를 움직이도록 부착된 제1 텐던 및 다른 방향으로 부재를 움직이도록 부착된 제2 텐던을 포함하는 수술 장치에 대한 작동 방법이다. 작동 방법은, 제1 텐던이 감싸는 제1 캡스턴에 토크를 인가하는 단계; 및 동시에 제2 캡스턴으로부터 연장되는 제2 텐던의 단부에 부착되는 수동 프리로드 시스템이 제2 텐던의 장력을 제어하도록, 제2 텐던이 감싸는 제2 캡스턴을 모터 토크로부터 해제시키는 단계를 포함한다.

도 1은 전형적인 로봇 제어 의료 장치를 간략하게 나타냄.
도 2a 및 2b는 수술 장치에서 최소 텐던 장력을 유지하도록 스프링 및 캡스턴을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 장치를 나타냄.
도 3a는 캡스턴에 구동모터가 연결된 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 나타냄.
도 3b는 복수의 텐던을 위한 캡스턴이 모터 팩(motor pack)과 맞물리는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 나타냄.
도 4는 두 개의 수직축에 대한 회전에 대응하는 두 개의 자유도를 가지는 관절 또는 조인트 장치를 제어하기 위한 세 개의 캡스턴을 사용하는 본 발명의 실시예를 설명하는 확장된 개략도임.
도 5a 및 5b는 이완된 텐던에 일정한 텐던 장력을 유지하는 콘스탄트-포스 스프링 시스템(constant- force spring systems)을 사용하는 본 발명의 실시예를 나타냄.
도 6은 유연성 있는 샤프트의 원위 단부에 이팩터를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 장치를 나타냄.
도 7a 및 7b는 장치의 샤프트에 평행한 샤프트를 가지는 구동모터를 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 장치의 측면도 및 사시도를 나타냄.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 의료 장치가 의료 과정을 수행하도록 장착될 수 있는 로봇 제어 시스템을 나타냄.
다른 도면에서 동일 참조 심벌의 사용은 동일 또는 유사한 항목을 나타냄

본 발명의 한 형태에 따라, 자유롭게 회전할 수 있는 캡스턴 주위를 텐던으로 감싸며 스프링 시스템과 같은 수동 프리로드 시스템에 텐던의 단부를 부착함으로써, 수술 장치는 텐던의 처짐을 방지할 수 있으며 이완된 구동 텐던에서 비교적 낮은 장력을 유지할 수 있다. 수술 장치를 작동시키는 경우, 텐던과 캡스턴 사이의 마찰에 의해 캡스턴을 회전시키는 구동 모터가 텐던의 일정 길이를 감게 하며, 캡스턴 마찰은, 텐던이 캡스턴 주위를 감싸는 전체 각도에 전형적으로 의존하는 텐던에 최대 장력을 인가할 수 있다. 따라서, 클램핑 또는 저항체를 마주치는 장치의 다른 움직임에 필요한 높은 장력을 여전히 제공할 수 있는 동시에, 수동 프리로드 시스템에서 나온는 힘, 예를 들어 스프링에 나오는 스프링 힘 및 이완 텐던의 장력은 비교적 낮게 유지될 수 있다. 캡스턴에 작용되는 모터 토크가 0이 되는 경우, 캡스턴은 자유롭게 회전할 수 있으며, 수동 프리로드 시스템은 텐던을 당길 수 있으며 또한 텐던이 처지는 것을 방지할 수 있다. 낮은 이완 장력은 장치의 조작에 필요한 힘을 감소시킬 수 있으며, 구부러진 또는 유연성있는 샤프트를 가지는 의료 장치에서 특히 문제될 수 있는 텐던 마찰이 감소될 수 있다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 장치(200)의 평면도 및 측면도를 나타낸다. 장치(200)는 백엔드 기계장치에 연결된 샤프트(220)의 원위 단부에 있는 엔드 이팩터를 포함한다. 실시예에 나타난 엔드 이팩터(210)는 조(212, 214)를 포함하는데, 조(212, 214) 둘 다 상대적 움직임이 가능하도록 장착된다. 조(212, 214)는, 이팩터(210)가 요구되는 특정한 과정에 따라 선택되는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 조는 임의의 목표된 형태의 집게로서 작용하는 형상일 수 있으며, 또는 이팩터(210)가 가위로 작용하도록 하는 블레이드를 포함할 수 있다. 조(212, 214)의 재료 및 구조는 일반적으로 장치(200)의 특정 용도에 따라 선택될 수 있으며, 많은 적절한 이팩터 아키텍쳐가 알려져 있거나 개발될 수 있다.

조(212)는 제1 텐던 쌍(221, 222)에 연결되고, 조(214)는 제2 텐던 쌍(223,224)에 연결된다. 각 텐던 쌍(221,222 또는 223,224)은 예를 들어 접착제 또는 조(212 또는 214)의 노치에 있는 클림프(crimp)에 의해 조에 부착된 포인트를 가지는 연속 텐던의 일부일 수 있다. 전형적인 실시예에서, 추가적인 텐던(미도시)이 장치(200) 내에서 관절 장치 또는 조인트(미도시)에 연결될 수 있는데, 이러한 관절 장치 또는 조인트는 엔드 이팩터(210)의 포지셔닝, 배향을 위한 동작에 대해 추가적인 자유도를 제공한다.

텐던(221, 222, 223, 224)은 백엔드 기계장치(230)에 의해 당겨질 때 조(212, 214)에 힘 및 토크를 인가하며, 작업에 적절한 임의의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 텐던은 금속, 폴리머 또는 다른 물질로 만든 가닥 케이블, 와이어, 막대 또는 튜브일 수 있다. 하나의 실시예에서, 텐던(221, 222, 223, 224)은 튜브에 용해된 가닥 케이블의 일부를 포함하는데, 가닥 케이블은 텐던의 상당한 굽힘 또는 유연성이 요구되는 곳에 사용되고, 튜브는 텐던의 늘어짐을 감소시키려는 곳에 사용된다. 다른 실시예에서, 샤프트(220)가 유연성 있는 경우에 특히 유용한데, 텐던(221,222,223,224)은 직조 폴리머 재료(woven polymer material)로 만들 수 있으며 개별 시이드(미도시) 내부에서 움직일 수 있다.

도 2a 및 2b는 텐던(221, 222, 223, 224)이, 조(212, 214)의 상대적 움직임이 피벗 핀(216)에 대한 조(212, 214)의 독립적인 회전에 대응되는 피벗 조인트 구조에 부착되는 실시예를 나타낸다. 이러한 조인트 구조는 단지 하나의 예에 불과하며, 텐던(221, 222, 223, 224)에 인가되는 장력에 응답하여 수술 장치의 부재를 움직이게 하는 다른 기구가 알려져 있고, 본 발명의 대안의 실시예로 사용될 수 있다. 예를 들어, 평면, 원통 또는 구형 롤링 조인트가 엔트 이팩터(210)에 있는 조(212, 214)에 유사한 자유도를 제공할 수 있으며, 또는 선형의 양방향 자유도를 제공하도록 엔드 이팩터에 각기둥 선형 조인트(prismatic linear joint) 또는 슬라이드가 사용될 수 있다.

샤프트(220)는 텐던(221, 222, 223, 224)이 움직일 수 있는 중공 튜브(hollow tube)이다. 샤프트(220)는 단단하거나 유연성이 있는 것일 수 있다. 예를 들어, 장치(200)가 의료과정에서 곧은 캐뉼러(straight cannula)를 통과해 삽입되는 경우, 샤프트(220)는 단단한 스테인리스 스틸 튜브일 수 있으며, 장치(200)가 천연의 루멘의 다양한 경로를 따라가는 경우, 샤프트(220)는 유연성이 있는 것일 필요가 있다. 전형적인 구성으로, 샤프트(220)는 기존의 몇몇 캐뉼러에 사용하기 위해 약 5 mm 또는 8 mm의 직경을 가질 수 있으며, 수십 센치미터의 길이를 가질 수 있다. 샤프트(220)가 유연성이 있는 경우, 텐던은 보우덴형 케이블(Bowden cable)(즉 자전거 케이블과 같은)의 시이드 내부에서 움직일 수 있다. 여기에서 사용되는 것처럼, "유연성 있는(flexible)"의 용어는, 연속적인 유연성 있는 구성성분(길이방향에 따라 각 포인트에서 굽혀지는 고무 튜브와 같은) 및 연속적인 유연성 있는 유니트의 움직임에 가까운 제한된 일련의 짧고 구별된 링크(short, discrete links)(일련의, 뱀과 유사한 척추와 같은)를 포함한다.

백엔드 기계장치(230)는 샤프트(220)의 근위 단부에 부착되며, 구동모터(예를 들어, 도 2b의 구동모터(242, 244))의 회전을 엔드 이팩터(210)의 움직임으로 변환하는 트랜스미션으로서 작동한다. 백엔드 기계장치(230)는, 특히 엔드 이팩터(210)를 움직이도록 텐던(221,222,223,224)을 조작하며, 추가적으로 엔드 이팩터(210)의 방향과 위치를 변화시키기 위해 샤프트(220)를 회전시키거나 움직일 수 있다. 설명된 실시예에서, 백엔드 기계장치(230)는 텐던(221, 222, 223, 224) 마다 하나의 캡스턴(231, 232, 233, 234)을 포함한다. 본 발명에 따라, 각 텐던(221,222,223,224)은, 대응되는 캡스턴(231,232,233,234) 주위를 감음각(a set wrapping angle)으로 감으며, 캡스턴(231,232,233,234)으로부터 연장되는 단부를 가진다. 텐던(221, 222, 223, 224)은 캡스턴(231, 232, 233, 234)에 영구적으로 부착되어 있는 것은 아니며, 캡스턴(231, 232, 233, 234)에 대해 미끄러질 수 있다.

텐던(221, 222, 223, 224)은 수동 프리로드 시스템에 부착되며, 수동 프리로드 시스템은 백엔드 기계장치의 케이스 또는 섀시에 고정될 수 있는 선형 코일 스프링(235,236,237,238)로 구현될 수 있다. 스프링(235,236,237,238)은 바이어스된, 즉 늘어난 것이어서, 스프링(235,236,237,238)은 수술 장치(200)의 운동 범위 내에서 각각 부착된 텐던(221,222, 223, 224)에 영이 아닌 힘을 인가한다. 이러한 구성으로, 캡스턴(231, 232, 233, 234)이 자유 회전하는 경우, 대응하는 스프링(235,236,237,238)은, 결합된 텐던(221,222, 223, 224)의 장력을 제어하며, 텐던(221,222, 223, 224)의 목표된 길이로 당김으로써 처짐을 방지할 수 있다. 텐던(221,222, 223, 224)은 수술 장치(200)의 동작에 사용되는 최대 장력보다 더 큰 사전 인가 장력(preloaded tension)을 요구하지는 않는다.

대개 각 수동 프리로드 시스템은, 텐던 단부가 옮겨지게 하면서, 텐던의 자유 단부에 힘을 인가할 수 있는 임의의 구조 또는 시스템일 수 있다. 프리로드 시스템은 시스템이 제어 시스템 또는 피드백 시스템에 반응할 필요가 없는 수동 시스템이다. 이러한 시스템은, 도 2a 및 2b에 나타난 것처럼 선형 코일 스프링을 사용하거나, 또는 회전식 코일 스프링(rotary coil spring), 판 스프링, 또는 순응 부재(compliant member)(벤딩 빔, 캔틸레버 빔(cantilever beam), 또는 고무밴드와 같은 순응 부재)와 같은 다른 스프링 요소를 사용할 수 있다. 게다가, 스프링 요소 또는 순응 부재는 부착된 텐던의 단부에 직접 또는 간접으로 힘을 인가하기 위해 압축 또는 신장하면서 작동할 수 있다. 중량 또는 자석을 사용하는 시스템과 같이, 목표된 힘을 인가하기 위한 다른 방법들이 대안으로 사용될 수 있다. 이러한 힘의 공급원(the source of force) 외에, 수동 프리로드 시스템은 부착된 텐던에 인가되는 힘의 크기를 제어하는 기계 요소를 포함할 수 있다.

엔드 이팩터(210)는, 휴먼 입력의 능동 제어(예를 들어, 마스터-슬래이브 서보 제어 시스템의 마스터 제어 입력) 및 로봇 제어 시스템에서 수행되는 소프트웨어에 의해 제어되는 구동모터를 사용하여 동작될 수 있다. 특히, 제어 시스템(미도시)의 도킹 포트에 제공되는 4개의 구동모터는 도 2a의 캡스턴(231, 232, 233, 234)에 각각 연결될 수 있다. 도 2b는 캡스턴(232, 234)에 연결된 2개의 구동 모터(242, 244)를 나타낸다. 백엔드 기계장치에 있는 캡스턴(231, 232, 233, 234)의 방향은 장치(200)의 구조나 위치에 대해 특별히 고정된 관계를 요구되지 않는다. 따라서, 캡스턴에 토크를 인가하거나 모터를 회전하게 하는 임의의 기계적 커플링이 백엔드 기계장치(230)에 있는 캡스턴(232, 234)에 연결된 모터(242, 244)의 커플링으로 사용될 수 있다.

백엔드 기계장치(230)는, 무균 플라스틱 시트(sterile sheet of plastic)와 같은 무균 방벽(sterile barrier)을 통과하는 모터(242, 244)를 포함하는 모터 팩에 제거 가능하게 부착될 수 있으며, 장치(200)는 1회용 또는 재활용 및 살균 가능하도록 설계될 수 있다. 장치가 모터 팩으로부터 분리되는 경우, 수동 프리로드 시스템(예를 들어, 도 2a의 스프링(235, 236, 237, 238))은, 텐던(221, 222, 223, 234)이 처지지 않도록 유지하며, 백엔드 기계장치(230)에 손상을 입히거나 임의의 텐던(221, 222, 223, 224)에 처짐이 발생되지 않도록 엔드 이팩터(210) 및 샤프트(220)(유연성있는 경우)가 임의의 구성으로 수동으로 배열(또는 배치)되도록 한다. 이러한 "백드라이빙(backdriving)" 성능은 대개 수술 장치, 특히 장치가 능동 제어가 아닌 상태에서, 장치가 삽입되는 동안 구부러지거나 조작되는 유연성 있는 샤프트를 가지는 장치에서 바라는 특성이다. 예를 들어, 유연성 있는 샤프트는 수동으로 배치될 수 있으며, 샤프트 내에 있는 텐던은 과도한 장력 또는 처짐을 겪지 않는다.

캡스턴에 모터를 기계적으로 연결하는 시스템은, 모터의 피니언이 캡스턴의 보어 내에 꽉 맞게되는 마찰 접속(friction connection)을 사용하며, 피니언과 보어 사이의 마찰에 의존한다. 대개, 모터가 캡스턴을 회전시킬 경우, 캡스턴 주위를 감싸는 텐던은 팽팽해지고, 캡스턴이 텐던에서의 악력(squeezing force)에 따라 반경방향으로 충분히 수축될 정도로 탄력이 있는 경우에, 마찰 접속은 증가할 수 있다. 도 3a는 캡스턴(320)에 구동모터(310)를 기계적으로 연결하는 대안 기술을 나타낸다. 이 특정한 기술에 의해, 구동모터(310)의 샤프트(312)는 캡스턴(320)의 보어(322)에 꼭 들어맞는다. 샤프트(312)는 슬롯(314)를 가지며, 캡스턴(320)은 보어 내부로 연장되는 스프링 부착 레버 또는 다른 돌출부(324)를 가진다. 샤프트(312)가 보어(322)에 삽입될 때 돌출부(324)는 압축될 수 있으나, 슬롯(314)이 돌출부(324)와 정렬되도록 회전될 때, 돌출부(324)는 반대로 튀어오르며 슬롯(314)과 맞물리게 된다. 따라서, 모터(310)는 캡스턴(320)에 토크를 인가할 수 있다. 다른 실시방안으로서, 기계적 암수 관계 및 여러 변경이 반대로 될 수 있음을 이해해야 한다(예를 들어, 돌출부가 모터 샤프트로부터 연장되고 캡스턴의 슬롯에 맞물리게 된다).

장치의 백드라이빙 성능은 또한 샤프트(312)가 보어(322)에 삽입될 때, 샤프트(312)에 관한 캡스턴(320)의 위치를 알 수 없는 상황을 발생시킬 수 있다. 도 3a의 기계적 커플링과 관련되어 상대적인 위치에 상관없이, 돌출부(324)가 슬롯(314)에 맞물리게 될 때까지, 모터(310)는 샤프트(312)를 간단하게 회전시킬 수 있다. 이러한 능력은, 도 3b에 나타난 것처럼 백엔드 기계장치(330)가 모터 팩(340)에 있는 모터의 샤프트(312)에 맞물리는 복수의 배열된 캡스턴을 포함하는 경우에 특히 중요한데, 이는 모든 모터 샤프트(312)가, 결합되는 캡스턴의 보어(322)에 대해 서로 다르며 미지의 방향을 가질 수 있기 때문이다.

도 2a 및 2b의 백엔드 기계장치(230)에 연결된 구동모터는, 대개 결합되는 캡스턴에 토크를 인가하거나, 결합되는 캡스턴을 자유롭게 회전할 수 있도록 작동된다. 장치(200)의 구조 부재의 회전을 위해 연결된 한 쌍의 텐던을 제어하는 과정에서, 하나의 구동 모터는 하나의 텐던이 감싸는 캡스턴에 토크를 인가하고 다른 텐던이 감싸진 캡스턴은 자유롭게 회전하도록 한다. 예를 들어, 도 2a에서 조(212)를 반시계방향으로 회전시키기 위해, 캡스턴(232)과 맞물려 있는 모터(242)가 활성화되며, 텐던(222)을 당기는 방향으로 캡스턴(232)을 회전시킨다. 텐던(222)이 조(212)에 인가하는 결과적인 토크는 조(214)를 향해 조(212)를 반시계방향으로 회전시키려는 경향이 있다. 텐던(222)이 캡스턴(232) 위에서 미끄러짐 없이 캡스턴(232)이 텐던(222)에 인가할 수 있는 최대 장력은, 스프링(236) 힘에 비례하며, 캡스턴(232) 주위의 텐던의 감음각(wrap angle)에 따라 전형적으로 증가한다. 따라서, 캡스턴(232) 주위의 텐던(222)의 적절한 감음각을 가지는 때에는, 조(212)를 저항체에 대항하여 회전시키는 경우, 스프링 힘(236)은 텐던(222)에 적용될 필요가 있는 최대 장력보다 훨씬 작을 수 있다. 캡스턴(232)이 텐던(222)를 당기는 동안, 캡스턴(231)은 자유롭게 회전할 수 있으며 조(212)의 회전에 대응하는 텐던(221)의 길이 만큼 푼다. 자유롭게 회전하는 캡스턴(231)은, 캡스턴(231)과 스프링(235) 사이의 텐던(221)의 일부의 장력과 동일하게 하기 위해, 캡스턴(231)과 조(212) 사이의 텐던(221)의 일부에 장력을 인가한다. 텐던(221)은 처지지 않으며, 스프링(235)에 의해 제어되는 텐던(221)의 장력은 텐던(222)에 인가되는 최대 예상 장력보다 훨씬 작을 수 있다. 조(212)가 목표된 위치에 도달하고 클램핑 장력이 텐던(222)에 필요하지 않은 때에, 양 캡스턴(231, 232)은 자유롭게 회전되도록 풀어진다. 조(212)를 시계방향으로 회전시키는 것은, 캡스턴(232)을 자유롭게 회전하도록 하는 동안, 텐던(221)을 당기도록 캡스턴(231)에 연결된 구동모터의 작동시킴으로써 가능하다. 조(214)의 회전 또는 장치(200)의 다른 요소의 동작은 또한 유사한 과정에 의해 수행될 수 있다.

조(212, 214) 및 엔드 이팩터(210) 또는 샤프트(220)의 임의의 조인트의 제어는, 조인트에 대한 모터 제어 토크를 조인트의 현재 위치 측정에 기초함으로써 폐루프(closed loop)로 달성할 수 있다. 미국 특허 출원번호 2007/0156019 A1 (출원일 2006.7.20) "FBG(Fiber Bragg Gratings)을 이용한 위치 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템" (발명자 라킨 등) 및 미국 특허 출원번호 12/164,829 (출원일 2008 6.30) "광섬유 형상 센서" (발명자 프리스코)에 기술된 것과 같은 센싱 기술을 사용함으로써 이러한 측정이 가능하다. 도 2a 및 2b는 조(212)의 위치를 센싱하기 위해 조(212)에 연장된 예시 형태의 센싱 섬유(250)를 나타낸다. 제어 루프를 달성하기 위해, 제어 시스템은 목표된 조인트의 위치와 측정된 조인트 위치를 비교하여 조인트 위치 에러를 산정한다. 제어 토크 또는 보정 토크는, 예를 들어 PDI 제어법칙(Proportional Derivative Integral control law)을 사용하여 현재의 조인트 위치 에러 값에 기초하여 산정된다. 시계방향 또는 반시계방향 보정을 표시하는 제어 토크 표시에 따라, 조인트에 결합된 모터 중 하나는, 결합된 캡스턴에 토크를 인가하도록 지시되며, 반면에 조인트에 결합된 다른 모터는 모터 토크를 0이 되도록 지시되는데 그것에 의하여 결합된 캡스턴을 놓아주게 된다. 이러한 방식으로, 조인트는 목표된 위치에 놓이게 된다.

도 4는, 피벗(412, 214)에 의해 규정되는 두 개의 수직 축에 대한 구조 부재(410)의 회전을 제어하기 위해, 세 개의 텐던(421, 422, 423)을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 장치(400)의 일부를 나타낸다. 부재(420)는 장치 샤프트 또는 엔드 이팩터에 있는 관절 장치 또는 조인트 장치의 링크일 수 있다. 조인트 및 피벗(412, 414)에 결합된 대부분의 기계적 구조는 텐던(421, 422, 423)의 동작을 잘 설명하기 위해 생략되나, 이러한 조인트는 알려진 기계적 구조를 사용하여 실시될 수 있다. 도 2a 및 2b에 관하여 위에서 설명된 것처럼, 대개 동일한 타입 및 구성일 수 있는 텐던(421, 422, 423)은 부재(410)에 부착되고 샤프트(420)를 통과해 백엔드 기계장치에 연장되는데, 이러한 백엔드 기계장치는 캡스턴(431, 432, 433) 및 수동 프리로드 시스템(435, 436, 437)를 포함한다. 샤프트(420)는 대개 상기 설명된 샤프트(220)와 동일할 것이다. 또한 상기 설명된 것과 유사한 방식으로, 각 텐던(421, 422, 423)은 대응하는 캡스턴(431, 432, 433) 주위를 감싸고, 대응하는 수동 프리로드 시스템(435, 436, 437)에 부착된 단부를 가진다. 수동 프리로드 시스템(435, 436, 437)은 백엔드 기계장치의 케이스 또는 섀시에 고정될 수 있다.

피벗(412)에 대한 부재(410)의 회전 제어는 모우먼트 팔에서 부재(410)에 부착되어있는 텐던(421, 422)에 의존하는데, 텐던(421, 422)을 당김으로써 텐던(423)을 당겨 발생하는 회전의 반대방향으로 부재(410)가 피벗(412) 주위를 회전하게 할 수 있다. 유사하게, 피벗(414)에 대한 부재(410)의 회전은 모우먼트 팔에서 부재(410)에 부착되어있는 텐던(422, 423)에 의존하는데, 텐던(422, 423)을 당김으로써 텐던(421)을 당겨 발생하는 회전의 반대방향으로 부재(410)가 피벗(414) 주위를 회전하게 할 수 있다. 텐던(421, 422, 423)의 목표하는 상대적 고정은, 예를 들어 부재(410)의 중앙 세로 축으로부터 상대적으로 각도 120°에 연장되는 반지름에 텐던(421, 422, 423)의 끝을 이루게 함으로써 달성할 수 있다. 장치(400)의 작동에 있어서, 수동 프리로드 시스템(435, 436, 437) 및 구동모터(441, 442, 443)는 텐던(421, 422, 423)에 장력을 인가할 수 있으며, 피벗(412, 414)에 대한 토크의 균형을 잡도록 제어 시스템(미도시)은 구동모터(441, 442, 443)를 제어할 수 있는데, 이는 부재(410)의 목표한 상대적 위치를 얻거나, 동작에 대한 저항 또는 부재의 정지된 위치를 극복할 필요가 있기 때문이다. 모터(441, 442, 443)를 동작하는 제어 시스템에 피드백을 제공하기 위해, 센서(미도시 : 예를 들어 도 2a 및 2b의 구성요소(250) 참조)는 구조 부재(410)에 꽂아 넣을 수 있다. 구조 부재(410)의 하나의 예는 미국 특허 공개번호 US 2008/0065102 Al (출원일 2007.6.13) "평행 운동 기구" (발명자 쿠퍼)에 개시된 평행 운동 기구의 일부분이다.

상기 설명된 장치는 구동 텐던에 최소 이완 장력을 유지하기 위해 수동 프리로드 시스템을 사용한다. 상기 설명된 수동 프리로드 시스템은 유연성 있는 부재 또는 선형 또는 회전 코일 스피링과 같은 스프링을 사용하여 즉시 실행될 수 있다. 대부분의 일반적인 스프링은, 힘과 변위(deflection)의 범위에 따르는 후크의 법칙에 의해 적어도 대략 설명되는 힘을 발생한다. 특히, 대부분의 스프링은 평행상태의 길이로부터 스프링의 변위에 비례하여 힘을 인가한다. 스프링의 후크 법칙에 따라, 상기 설명된 타입의 장치에서의 이완 텐던의 장력은 스프링의 늘어난 양에 의존하는데, 이는 장치에 있는 조인트 및 이팩터의 위치 및 방향을 포함한 장치의 일반적인 구성에 차례로 의존한다. 텐던의 움직임의 범위가 바이어싱하는 스프링에서 이미 신장된 길이에 비해서 작다면, 이러한 변형은 중요하지 않을 것이다. 그러나, 단순한 후크 법칙을 따르는 스프링은 장치에 대해 최소한의 에너지 구성을 야기시키려는 경향이 있을 것이며, 모든 캡스턴이 자유롭게 회전하는 경우에 장치는 이러한 구성에 도달하려는 경향이 있을 것이다. 실제로, 상기 설명한 것처럼, 스프링의 길이 변화는 스프링의 바이어싱과 비교하여 작도록 설계될 수 있기에 이러한 영향은 작다. 게다가, 콘스탄트 포스(constant force)를 인가하는 스프링 시스템은 이완된 텐던에서의 장력의 변화를 피하거나 줄이도록 사용될 수 있다.

도 5a는 콘스탄트-포스 스프링(535A)을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술 장치(500A)를 나타낸다. 장치(500A)는 엔드 이팩터(510), 샤프트(520) 및 백엔드 기계장치(530)를 포함하는데, 이들은 상기에서 유사한 구성요소로 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다. 텐던(521)은 엔드 이팩터(510)에 부착되며, 샤프트(520)를 통과해 백엔드 기계장치(530)에 연장되며, 캡스턴(531) 주위를 감싸며, 그리고 콘스탄트 포스 스프링(535A)에 부착된다. 콘스탄트 포스 스프링은 스프링의 동작 전범위에서 콘스탄트 포스를 가하는 스프링이다. 도 5a의 실시예에서, 콘스탄트-포스 스프링은, 태엽이 완전히 감긴 때에 이완되는 스프링 재료로 된 롤 태엽형이다. 태엽이 펴져있는 때에는, 롤 근방의 태엽의 부분은 스프링 힘을 발생시킨다. 이 스프링 힘은 태엽이 펴져 있는 때에는 거의 일정하게 유지되는데, 이는 스프링 힘을 발생하는 태엽의 부분, 즉 롤 근방의 부분은 스프링이 펴져 있는 때와 거의 동일한 형상을 갖기 때문이다.

또한, 콘스탄트-포스 스프링 시스템은, 후크의 법칙을 따르는 스프링 및 하나 또는 그 이상의 캠 또는 가변 반경 풀리를 사용하여 만들어지거나 또는 비슷하게 될 수 있다. 도 5b는 수술 장치(500A)에서의 구성요소와 동일한 것을 포함하는 수술 장치(500B)를 나타내는데, 다만 콘스탄트 포스 스프링(535A)은 후크의 법칙을 따르는 콘스탄트 포스 스프링 및 가변 반경 캠(539)을 포함하는 콘스탄트-포스 시스템(535B)으로 대체된다. 특히, 캠(539)은 출력 반경과 다른 입력 반경을 가지는데, 여기에서 입력 반경과 출력 반경의 비는 캠(539)의 특정 각 위치(angular position)에서 캠 포스 전달 비(cam force transmission ratio)이다. 스프링 요소(538)가 늘어나는 때에, 캠(539)으로의 입력 힘은 비례하여 연장되며, 캠(539)이 회전한다. 캠 프로파일은, 입력 스프링 힘의 증가를 상쇄하는 양만큼 캠(539)을 회전시킴으로써 캠 포스 전달 비를 감소시키도록 설계된다. 스프링 요소(538)는 또한 예를 들어, 선형 스프링, 회전 스프링, 판 스프링 또는 순응 부재(compliant member)(캔틸레버 빔 또는 고무 밴드와 같은)로서 실행될 수 있다. 특정한 일 실시예로서, 스프링 요소(538)는 동일한 캠 축상에서 캠(539)과 일체되는 회전 스프링이다. 콘스탄트 스프링 포스에 대한 더욱 상세한 내용은 미국 특허 공개 번호 US 2004/0035243 Al (출원일 2003.5.22) "하나 이상의 기계적 암을 갖는 평형 시스템 및 방법" (발명자 듀발)에 설명된다.

상기에서 설명된 기술을 사용하여 유지되는 낮은 장력은 특히 유연성 있는 샤프트를 가지는 수술 장치에 유리하다. 도 6은 예를 들어, 샤프트(620)의 원위 단부에 엔드 이팩터(610)를 가지는 의료 장치를 나타내는데, 이 샤프트(620)는 유연성이 있으며 커브진, 꾸불꾸불한 형상으로 굽혀 진다. 극소 침습 의료 과정 동안, 엔드 이팩터(610) 및 샤프트(620)가 환자의 소화관의 일부와 같은 천연의 루멘을 통과하며 안내되어 지는 때에, 이러한 굽힘이 발생할 수 있다. 샤프트(620)의 형상은 다른 과정마다 대개 다를 것이다. 엔드 이팩터(610)를 작동시키는데 사용되는 텐던(621)은 유연성 있는 샤프트(620)를 통과해 움직이며, 따라서 샤프트(620)와 거의 동일한 경로를 따른다. 텐던(621)은 텐던(621)보다 더 딱딱한 한 주변 시이드(surrounding sheath)를 가지는데, 이는 샤프트(620)를 통과하는 텐던(621)을 안내하는 것을 돕고, 이팩터(610)가 작동하는 동안 텐던(621)의 측방 운동(lateral movement)을 방지하기 위함이다. 샤프트(620)에서 굽힘에 의해 텐던(621)이 시이드(626)의 단단한 면에 떠받쳐 움직일 수 있으며, 이 굽힘이 있는 곳에서의 마찰력은 텐던(621)의 장력에 따라 증가된다. 따라서, 샤프트(620)가 굽혀지는 때의 텐던(621)에서의 이완 장력의 감소에 의해, 백엔드 기계장치(630)가 이팩터(610)를 작동하도록 가하는 힘을 감소시킬 수 있다. 따라서, 백엔드 기계장치(630)는 더 높은 텐던 장력에서 발생하는 더 높은 텐던 마찰을 극복할 만큼 강건(robust)하지 않는 작은 구성성분을 사용할 수 있을 것이다.

상기 설명된 실시예는 백엔드 기계장치를 가지는 수술 장치의 실시예를 나타내는데, 여기에서 캡스턴은 장치의 샤프트와 대개 수직한 회전 축을 가진다. 그러나, 텐던을 라우팅 및 디렉팅하는 많은 기계적 시스템이 알려져 있으며, 이러한 시스템이 캡스턴의 구성을 변경하도록 백엔드 기계장치에서 사용될 수 있다. 도 7a는 예를 들어, 백엔드 기계장치(730)를 가지는 의료 장치(700)의 일 실시예를 나타내는데, 백엔드 기계장치(730)는 엔드 이팩터(710)가 장착되는 샤프트(720)에 평행한 회전 축을 가지는 캡스턴(732)을 포함한다. 이 실시예에서, 엔드 이팩터(710)에 부착된 텐던(721)은 샤프트(720)의 길이를 지나 백엔드 기계장치(730)에 이른다. 텐던(721)은 그리고 나서 제1 캠 또는 풀리(731) 주위를 감고, 캡스턴(732) 주위를 감싸며, 제2 캠 또는 풀리(733)를 감고, 그리고 백엔드 기계장치(730)에 고정되는 스프링(735)에 부착된다. 스프링(735)이 후크의 법칙을 따를지라도, 텐던(721)이 이완될 때 캠 또는 풀리(731, 733)는 텐던(721)에 일정한 장력을 제공하도록 형성될 수 있다.

도 7b는, 의료 장치(700)에서 복수의 텐던에 대한 캡스턴의 보어가 백엔드 기계장치(730)의 뒷면(거의 근위 면)에 배열될 수 있는 것을 나타낸다. 장치(700)가 제어 시스템에 연결될 때, 장치(700)에 대한 도킹 포트는, 장치(700)의 사용을 위해 캡스턴(732)의 보어에 맞는 모터 샤프트의 매칭하는 배열을 제공할 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 많은 기계적 암수의 매이팅 구성뿐 아니라, 캡스턴과 모터 샤프트를 회전가능하게 정렬하는 여러 방법들이 사용될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 의료 장치를 사용할 수 있는 로봇 제어 시스템(800)를 나타낸다. 예를 들어, Intuitive Surgical Inc.의 da Vinci® 수술 시스템일 수 있는 시스템(800)은 로봇 조작 암(830)의 도킹 포트(820)에 각각 장착되는 복수의 수술 장치(810)을 포함한다. 각 장치(810)는 대개 엔드 이팩터(812), 샤프트(814) 및 백엔드 기계장치(816)를 포함하는데, 이는 상기 설명된 임의의 타입일 수 있다. 특히, 장치(810)는 단단하거나 유연한 샤프트(816)를 가질 수 있다. 샤프트(816)가 천연의 루멘에 삽입되고 따라가도록 유연성이 있는 경우, 로봇 제어 및 조인트 암(830)은 필요하지 않을 수 있으며, 장치(810)는 카트 또는 다른 고정 구조물에 있는 마운팅 포트(820)에 장착될 수 있다. 도킹 포트(820)에 장착되는 장치(810)가 특정한 의료 과정을 위해 선택되거나, 필요한 임상 기능을 제공하도록 의료 과정 동안 변경될 수 있도록, 장치(810)는 호화성 있게 만들 수 있다. 장치(810)는, 집게(forceps) 또는 그라스퍼(graspers)에 한정되지 않고, 여러 다른 형태 및 크기의니들 드라이버(needle drivers) 및 가위를 포함하는 여러 기능을 수행할 수 있다. 내시경 카메라(endoscopic camera), 예를 들어 입체 카메라(stereoscopic camera)가 암(840)에 또한 장착될 수 있는데, 이는 장치(810)가 작동하는 작업 장소의 시각 정보, 특별히 이미지를 제공하기 위함이다.

도킹 포트(820)는, 대개 장치(810)의 작동을 위한 기계적 동력을 제공하는 구동모터, 및 장치(810)와 로봇 제어 시스템(800)의 나머지 사이에 무균 방벽을 제공하는 시스템을 포함한다. 몇몇 적절한 무균 방벽이 미국 특허번호 6,132,368(출원일 1997.11.21) "멀티-성분 텔레프레전스 시스템 및 방법" (발명자 쿠퍼)에 설명되어 있다. 도킹 포트(820)는 장치(810)와 통신하는 전기 인터페이스를 구비하는데, 이는 예를 들어, 도킹 포트에 있는 장치의 타입을 확인하고 장치의 파라미터를 엑세스하기 위함이다. 전기 인터페이스는 이팩터(812) 또는 샤프트(814)의 위치 및 방향의 측정값과 같은 측정값을 또한 전달할 수 있다. 컴퓨터 시스템(850)은 측정값을 수신하고 도킹 포트에 있는 구동모터를 제어하는 소프트웨어를 실행할 수 있는데, 이는 수술 과정을 수행하기 위해 시스템(800)을 사용하는 외과 의사 또는 다른 의료 종사자에 의해 조작되어 장치(810)를 조정할 필요가 있는 경우이다.

본 발명이 특정 실시예에 관하여 설명되어 있지만, 본 상세한 설명은 단지 발명의 응용의 한 예에 불과하며, 발명의 범위가 제한되지 않아야 한다. 개시된 본 실시예의 특징의 다양한 다른 적용 및 조합은 아래의 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims

샤프트;
상기 샤프트의 원위 단부에 장착되며, 상기 샤프트에 대해 상대적으로 움직일수 있도록 장착된 부재;
상기 샤프트의 근위 단부에 부착되며, 제1 캡스턴 및 제1 수동 프리로드 시스템을 포함하는 기구로서, 상기 제1 캡스턴은 자유롭게 회전하며, 모터가 부착되고 상기 제1 캡스턴을 회전시킬 수 있는 커플링을 가지는, 상기 기구; 및
상기 샤프트를 따라 움직이며 상기 제1 캡스턴을 감싸는 제1 텐던으로서, 상기 부재에 부착되는 제1 단부 및 상기 제1 수동 프리로드에 부착되는 제2 단부를 가지는 상기 제1 텐던;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 수동 프리로드 시스템은 상기 텐던에 힘을 가하도록 압축 또는 신장하는 스프링 요소로 구성되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제2항에 있어서, 상기 스프링 요소는 선 스프링, 코일 스프링 및 판 스프링으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 수동 프리로드 시스템은 콘스탄트 포스 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 수동 프리로드 시스템은 가변 반경 풀리 및 스프링 요소로 구성되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 수동 프리로드 시스템은 상기 텐던에 힘을 가하도록 압축 또는 신장하는 순응 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제6항에 있어서, 상기 순응 부재는 캔틸레버 빔 및 고무 밴드로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 부재에 대해 1 자유도 동작으로 기계적으로 제한되는 제1 조인트 부재;
상기 기구에 있는 제2 수동 프리로드 시스템;
상기 기구에 있는 제2 캡스턴으로서, 상기 제2 캡스턴은 자유롭게 회전하고, 모터가 부착되고 상기 제2 캡스턴을 회전시키는 커플링을 가지는 제2 캡스턴; 및
상기 샤프트를 따라 움직이며 상기 제2 캡스턴을 감싸는 제2 텐던으로서, 상기 부재에 부착되는 제1 단부 및 상기 제2 수동 프리로드에 부착되는 제2 단부를 가지는 상기 제2 텐던;을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 텐던은 상기 부재에 작용하여 상호 반대방향으로 움직이게 하는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 부재는 상기 부재에 대해 2-자유도 동작으로 기계적으로 제한되며, 상기 수술 장치는
제2 캡스턴;
제2 수동 프리로드 시스템;
상기 샤프트를 따라 움직이며 상기 제2 캡스턴을 감싸는 제2 텐던으로서, 상기 부재에 부착되는 제1 단부 및 상기 제2 수동 프리로드에 부착되는 제2 단부를 가지는 상기 제2 텐던;
제3 캡스턴;
제3 수동 프리로드 시스템; 및
상기 샤프트를 따라 움직이며 상기 제3 캡스턴을 감싸는 제3 텐던으로서, 상기 부재에 부착되는 제1 단부 및 상기 제3 수동 프리로드에 부착되는 제3 단부를 가지는 상기 제3 텐던;을 더 포함하며,
상기 제1 및 제2 텐던은 상기 부재를 작동하여 상기 부재의 제1 자유도에서 양방향으로 움직이게 하며, 상기 제1 및 제3 텐던은 상기 부재를 작동하여 상기 부재의 제2 자유도에서 양방향으로 움직이게 하는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 샤프트는 유연성있는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 기구에 부착되며 상기 샤프트를 지나 연장되는 시이드를 더 포함하며, 상기 제1 텐던은 상기 시이드 내부에서 상기 샤프트를 가로지르는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 캡스턴의 회전축은 상기 샤프트에 수직되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 캡스턴의 회전축은 상기 샤프트에 평행한 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 캡스턴의 커플링은, 모터 피니언의 슬롯에 맞도록 형상되어있는 스프링 부착 돌출부를 포함하는 착탈식 연결장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 캡스턴의 상기 커플링은 보어 내에 삽입되는 모터 피니언과 마찰 접속되는 크기의 상기 보어를 구비하며, 상기 제1 캡스턴은 충분하게 유연하여 상기 캡스턴에 대한 상기 제1 텐던의 조임에 의해 상기 캡스턴과 상기 피니언 사이의 마찰이 증가되는 것을 특징으로 하는 수술 장치.
제1 구동모터를 포함하는 도킹 포트 및 제1 수술 장치로 구성되는 로봇 수술 시스템으로서, 상기 제1 수술 장치는
샤프트;
상기 샤프트의 원위 단부에 장착되는 부재로서, 상기 샤프트에 대해 상대적으로 상기 부재가 움직이도록 장착된 상기 부재;
상기 샤프트의 근위 단부에 부착되는 기구로서, 상기 기구는 제1 캡스턴 및 제1 수동 프리로드 시스템을 포함하며, 상기 제1 캡스턴은 상기 제1 구동 모터가 부착되고 상기 제1 캡스턴을 회전시킬 수 있는 커플링을 가지는, 상기 기구; 및
상기 샤프트를 따라 움직이며 상기 제1 캡스턴을 감싸는 제1 텐던으로서, 상기 부재에 부착되는 제1 단부 및 상기 제1 수동 프리로드 시스템에 부착되는 제2 단부를 가지는 상기 제1 텐던;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
제16항에 있어서, 상기 도킹 포트는 제2 구동모터를 더 포함하며, 및 상기 제1 수술 장치는
상기 부재의 제1 자유도 동작을 가능하게 하는 조인트;
상기 기구에 있는 제2 수동 프리로드 시스템;
상기 기구에 있는 제2 캡스턴으로서, 상기 제2 구동모터가 부착되고 상기 제2 캡스턴을 회전시킬 수 있는 커플링을 가지는 상기 제2 캡스턴; 및
상기 샤프트를 따라 움직이며 상기 제2 캡스턴을 감싸는 제2 텐던으로서, 상기 부재에 부착되는 제1 단부 및 상기 제2 수동 프리로드 시스템에 부착되는 제2 단부를 가지는 상기 제2 텐던;을 더 포함하며,
상기 제1 및 제2 텐던은, 상기 부재의 상기 제1 자유도 동작에서 상호 반대방향으로 상기 부재를 움직이도록 작동하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
제17항에 있어서, 상기 제1 수술 장치의 작동을 위한 프로세스를 구현하는 프로그램을 실행하는 컴퓨터 시스템을 더 포함하며, 상기 프로세스는, 상기 제1 텐던을 끌어당기기 위해 상기 제1 캡스턴에 토크를 인가하는 상기 제1 구동모터를 작동시키며, 동시에 상기 제2 캡스턴이 자유롭게 회전하도록 하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
제18항에 있어서, 상기 제1 수술 장치는 상기 부재의 위치를 측정하는 센서를 더 포함하며, 상기 컴퓨터 시스템은, 상기 부재를 움직이는 경우 상기 제1 및 제2 구동모터의 제어를 위한 피드백으로서 상기 센서의 정보를 사용하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
제19항에 있어서, 상기 컴퓨터 시스템은, 상기 제1 구동모터가, 상기 제1 캡스턴에 인가하는 토크를 선택하기 위해 센서에서 오는 상기 정보를 사용하는 것을 특징으로 하는 로봇 수술 시스템.
조인트 부재; 상기 조인트 부재의 자유도 동작에 따라 하나의 방향으로 상기 조인트 부재를 움직이도록 부착된 제1 텐던; 및 상기 조인트 부재의 자유도에 따라 반대방향으로 상기 조인트 부재를 움직이도록 부착된 제2 텐던;을 포함하는 의료 장치의 작동 방법에 있어서,
상기 제1 텐던이 감싸진 제1 캡스턴에 제1 토크를 인가하는 단계; 및
동시에, 상기 제2 캡스턴으로부터 뻗어있는 상기 제2 텐던의 단부에 부착된 수동 프리로드 시스템이 상기 제2 텐던의 장력을 제어하도록 하기 위해, 상기 제2 텐던이 감싸진 제2 캡스턴을 자유롭게 회전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 장치의 작동 방법.
제21항에 있어서, 상기 제2 캡스턴에 제2 토크를 인가하는 단계; 및
상기 제2 토크를 인가하는 동시에, 상기 제1 캡스턴으로부터 뻗어있는 상기 제1 텐던의 단부에 부착된 수동 프리로드 시스템이 상기 제1 텐던의 장력을 제어하도록 하기 위해, 상기 제1 캡스턴을 자유롭게 회전시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 장치의 작동 방법.
제21항에 있어서, 상기 제1 캡스턴에 상기 제1 토크를 인가하는 단계는, 상기 제1 캡스턴을 회전시키도록 기계적으로 연결된 모터를 작동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 장치의 작동 방법.
제21항에 있어서, 상기 조인트 부재의 위치를 감지하는 단계; 및 상기 조인트 부재의 감지된 위치와 상기 조인트 부재의 목표 위치 사이의 차이에 따라 상기 제1 토크를 선택하는 단계:를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 장치의 작동 방법.