KR20130091334A - 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 기기 장치 - Google Patents

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KR20130091334A
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continuum
flexible
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robot
positioning shaft
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KR1020137004383A
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English (en)
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로저 골드만
나빌 심안
라라 케이 슈
미첼 씨 벤손
Original Assignee
더 트러스티이스 오브 콜롬비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕
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Abstract

로봇 시스템 및 방법이 제공된다. 로봇 시스템은 연속체 로봇, 작동 유닛, 및 유연한 위치잡이 샤프트를 포함한다. 연속체 로봇은 최소 침습 진단, 수술 또는 치료법들을 수행하도록 구성되고, 복수의 백본들을 포함하는 적어도 하나의 연속체 세그먼트를 포함한다. 연속체 세그먼트는 복수의 기기 장치 경로들을 갖는 유연한 기기 장치 하우징에서 적어도 하나의 진단, 수술 또는 치료 기구를 실어 나른다. 작동 유닛은 선형 작동을 복수의 백본들에 제공함으로써 연속체 로봇을 작동시키도록 구성되고, 작동력들을 측정하기 위한 힘 센서들을 포함한다. 유연한 위치잡이 샤프트는 연속체 로봇의 위치 및 방향을 잡게 하고, 작동 유닛을 연속체 로봇에 결합시키도록 구성된다.

Description

빠르게 전개가능한 유연한 로봇 기기 장치 {RAPIDLY DEPLOYABLE FLEXIBLE ROBOTIC INSTRUMENTATION}
본 출원은 2010년 7월 27일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/368,193 및 2011년 4월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/470,730의 35 U.S.C.§ 119(e)에 의거하여 이익을 주장하고, 이들 출원 각각은 참조함으로써 그 전문이 본 명세서에 포함된다.
종래의 수술에서, 외과 의사는 수술 부위를 눈에 보이게 하고 손의 접근이 가능할 정도로 충분히 크게 환자의 개구부를 절단해야 한다. 하지만, 과거 20년간, 의료 수술은 최소 침습 수술(MIS: Minimally Invasive Surgery)을 포함하도록 꾸준히 발전하여 왔으며, 이러한 최소 침습 수술은 종래의 수술보다 덜 침습적인 수술 기법을 포함한다.
최소 침습 진단 및/또는 수술 시술은 환자의 신체에서 한정된 수의 작은 절개들을 통해 내부 장기들로의 접근을 의사들 및 외과 의사들에게 제공함으로써 감소된 트라우마 및 더 빠른 치유 시간으로 환자들에게 유익하다. 통상적으로, 삽입관들(cannulas) 또는 슬리브들(sleeves)은 침입구들을 제공하기 위해 작은 절개들을 통해 삽입되고, 수술 기구들은 이들 침입구들을 통해 통과된다. 하지만, 이들 접근 포트들은 시술용 기구들을 단지 4개 자유도(DoFs: degrees-of-freedom)에 한하도록 제약하고, 그 기구들의 말단 민첩성(distal dexterity)을 제한한다. 의사들 및 외과 의사들이 이러한 어려움들을 극복하도록 도움을 주기 위해, 다수의 로봇 장치들 및 시스템들이 많은 최소 침습 시술을 위해 고안되었다.
하지만, 다수의 이전 작업들에도 불구하고, 현재의 로봇 기구들은 여전히 너무 크고/크거나 몇몇 임상 용도로는 충분하지 않은 민첩성을 갖는다. 예를 들어, 신경 수술, 태아 수술 및 방광 종양들의 경외도 절제술과 같은 깊고 좁은 진단/수술 분야들을 특징으로 하는 임상 용도들은 크기 및 민첩성 제한들로 인해 기존의 상업적 진단/수술 시스템들의 능력 밖에 있다.
또한, 현재의 로봇 기구들은 전개를 위해 수술 전에 그리고 수술 중에 준비를 오랫동안 하여야 한다. 예를 들어, 수술용 로봇 기구들을 전개하려면, 환자를 수술실로 데려오기 전에 기구들을 수술실에 정확하게 위치시켜야 하고, 그런 다음 환자를 수술실로 데려온 후에 기구들을 수술 부위 쪽으로 향하게 하도록 기구들을 아직 더 조정하여야 한다. 이러한 수술 전 준비는 사전에 예정된(pre-scheduled) 수술들의 경우에는 성가실 수 있고, 응급 수술들과 같이 사전에 예정될 수 없는 수술들의 경우에는 중요한 장애가 된다. 사실, 응급 수술들을 하는 외과 의사들은 로봇 기구들을 전개하는 데 데 수반되는 용인할 수 없는 지연들 때문에 흔히 선택의 여지가 없이 종래의 개구 수술로 되돌아가게 된다.
빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템들 및 방법들이 제공된다. 개시된 주제는 최소 침습 진단 및 중재를 위해 유연한 로봇 기기 장치의 빠른 전개를 고려한다. 개시된 주제는 또한, 경직한 내시경 검사 및 복강경 검사 기기와 같은 경직한 수동 기구들이 성가실 수 있거나, 표적 조직들 또는 장기들을 탐색 및 접근할 수 없는 깊은 수술 부위들에서 최소 침습 수술을 용이하게 한다.
일 실시예에서, 로봇 시스템이 제공된다. 상기 로봇 시스템은 연속체 로봇(continuum robot), 작동 유닛(actuation unit), 및 유연한 위치잡이 샤프트(positioning shaft)를 포함한다. 상기 연속체 로봇은 최소 침습 진단, 수술 또는 치료 기법들을 수행하도록 구성되고, 복수의 백본들(backbones)을 포함하는 적어도 하나의 연속체 세그먼트(segment)를 포함한다. 상기 연속체 세그먼트는 복수의 기기 장치 경로들(instrumentation channels)을 갖춘 유연한 기기 장치 하우징 내에 적어도 하나의 진단, 수술 또는 치료 기구를 실어 나른다. 상기 작동 유닛은 선형 작동을 복수의 백본들 각각에 제공함으로써 연속체 로봇을 작동시키도록 구성되고, 작동력들(actuation forces)을 측정하기 위한 힘 센서들(force sensors)을 포함한다. 상기 유연한 위치잡이 샤프트는 연속체 로봇의 위치 및 방향(orientation)을 잡도록 하고, 작동 유닛을 연속체 로봇에 결합시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 로봇 장치를 전개하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 작동 유닛, 유연한 위치잡이 샤프트 및 최소 침습 시술들을 수행하기 위해 작동 유닛에 의해 작동되는 연속체 로봇을 포함하는 로봇 장치를 제공하는 단계로서, 상기 로봇 장치는 선형 스테이지에 장착되고, 상기 유연한 위치잡이 샤프트는 작동 유닛을 연속체 로봇에 결합시키도록 구성되는, 로봇 장치를 제공하는 단계; 수술대에 대해 로봇 장치를 위치 잡게 하는 단계; 로봇 장치를 표적 수술 부위의 진입구 쪽으로 향하게 하기 위해 유연한 위치잡이 샤프트를 조정하는 단계; 및 선형 스테이지를 전진시킴으로써 로봇 장치를 진입구로 삽입하는 단계; 를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 최소 침습 비뇨기과 시술들을 위한 로봇 시스템이 제공된다. 상기 로봇 시스템은 연속체 로봇, 작동 유닛, 및 유연한 샤프트 섹션을 포함한다. 상기 연속체 로봇은 최소 침습 비뇨기과 시술들을 수행하기 위해 구성되고, 말단 연속체 세그먼트에 일렬로 결합되는 근접(proximal) 연속체 세그먼트를 포함한다. 일렬로 결합된 세그먼트들은 복수의 백본들을 포함하고, 적어도 하나의 진단, 수술 또는 치료 기구를 실어 나른다. 작동 유닛은 선형 작동을 복수의 백본들 각각에 제공함으로써 연속체 로봇을 작동시키도록 구성되고, 작동력들을 측정하기 위한 힘 센서들을 포함한다. 유연한 샤프트 섹션은 연속체 로봇의 위치 및 방향을 잡게 하고 작동 유닛을 경요도 절제경(transurethral resectoscope)에 결합하도록 구성된다. 경요도 절제경은 유연한 기구 하우징 및 적어도 하나의 기구를 작동 유닛에서 연속체 로봇까지 안내한다. 조정 아암(adjustment arm)은 유연한 샤프트 섹션을 원하는 위치 및 방향으로 조정하기 위해 유연한 샤프트의 근접 단부 및 말단 단부를 단단히 고정시킨다.
본 발명은 경직한 내시경 검사 및 복강경 검사 기기와 같은 경직한 수동 기구들이 성가실 수 있거나, 표적 조직들 또는 장기들을 탐색 및 접근할 수 없는 깊은 수술 부위들에서 최소 침습 수술을 용이하게 하는 효과를 갖는다.
도 1은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템을 도시한 도면.
도 2는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템에 의해 전개될 수 있는 유연한 기기 장치 하우징을 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템을 도시한 도면.
도 4는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템에 포함된 작동 유닛의 개별 구성품들 및 하위부품 조립체들을 도시한 도면.
도 5는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 동심의 백본 작동 조립체의 단면을 도시한 도면.
도 6a는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 2개의 일렬로 적층된 연속체 세그먼트들을 갖는 연속체 로봇을 도시한 도면.
도 6b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 연속체 세그먼트의 단면을 도시한 도면.
도 7은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 연속체 세그먼트에 대한 구조 및 운동학적 명칭(kinematics nomenclature)을 도시한 도면.
도 8a는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템을 도시한 도면.
도 8b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템의 조정 샤프트의 단면을 도시한 도면.
도 9a는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 비뇨기과 시술들용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템을 도시한 도면.
도 9b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 비뇨기과 시술들용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템의 유연한 위치잡이 샤프트의 단면을 도시한 도면.
도 10은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 방광 종양 경요도 절제(TURBT: transurethral resection of bladder tumors)를 수행하도록 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템의 전개를 도시한 도면.
도 11은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 비뇨기과 시술들용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템의 연속체 로봇에 의해 도달가능한 작업 공간의 단면을 도시한 도면.
도 12는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술용 로봇 장치를 전개하기 위한 방법의 흐름도.
빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템들 및 방법들이 제공된다. 개시된 주제의 몇몇 실시예들에서, 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템들이, 경직한 수동 기기 장치가 표적 조직들 또는 장기들을 탐색하거나 접근할 수 없는 깊은 수술 부위들에서 최소 침습 진단 및 수술용으로 제공된다.
도 1은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(100)의 도면이다. 도 1을 참조하면, 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(100)은 작동 유닛(101), 유연하고 잠글 수 있고 수동-조정 가능한 위치잡이 샤프트(103), 및 삽입가능한 연속체 로봇(105)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 작동 유닛(101)은 반자동 삽입을 위해 전진-후퇴 스테이지를 가지고 2개의 일렬로 결합된(예를 들어, 근접 세그먼트, 말단 세그먼트) 여분의 3개-백본 연속체 세그먼트들을 제어할 수 있는 성능을 갖는 7개 자유도(DoF)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 연속체 세그먼트들의 각 독립적인 백본의 힘 센서들은 백본 작동력들을 측정할 수 있다. 감지된 작동력들은 또한 말단 환경 상호작용력들(distal environment interaction forces) 및 순응 모션 알고리즘들의 추정을 허용할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 조정가능 위치잡이 샤프트(103)는, 수술 및/또는 진단 기구들이 수술 작업 흐름에 빠르게 들어가고 나갈 수 있는 방식으로 연속체 로봇(105)의 위치잡이를 빠르게 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 조정가능 위치잡이 샤프트(103)는 수동으로 또는 컴퓨터에 의해 제어되는 내부 케이블 장력(tension)을 이용할 수 있어서, 조정가능 위치잡이 샤프트(103)를 수동으로 다시 위치를 잡으려고 할 때 케이블을 느슨하게 할 수 있고, 다시 위치를 잡는 것이 완료되어 새롭게 위치된 구성으로 잠금이 될 때 케이블을 조일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 연속체 로봇(105)의 구부러지는 섹션(bending section)은 조정가능 위치잡이 샤프트(103)의 말단 단부에서 연장될 수 있거나 수축될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 연속체 로봇(105)은, 디스플레이 및 연속체 로봇(105) 및 삽입된 기기 장치를 제어하기 위한 인터페이스를 포함하는 마스터 콘솔에 결합된 마스터 인터페이스를 통해 전개될 수 있다.
도 2는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 연속체 로봇(105)에 의해 전개될 수 있는 유연한 기기 장치 하우징(200)의 도면이다. 도 2를 참조하면, 유연한 기기 장치 하우징(200)은 복수의 독립적인 관내강들(lumens)(201, 203, 및 205)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 유연한 기기 장치 하우징(200)은 예를 들어, 백색광-기반의 내시경 검사용 조명 및/또는 영상화(imaging) 기구들을 실어 나르기 위한 관내강들(201 및 205)과 같은 적어도 하나의 관내강을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 관내강들(201 및 205)은 직경이 0.55㎜로 측정된다. 몇몇 실시예들에서, 유연한 기기 장치 하우징(200)은 저온 생검 겸자들(cold biopsy forceps) 및 절제 루프와 같은 미세 수술 기구들을 실어 나르기 위한 관내강들(203)과 같은 적어도 하나의 관내강을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 관내강들(203)은 직경이 1.2㎜로 측정된다. 몇몇 실시예들에서, 독립적인 관내강들(201, 203, 및 205)은 매끄러운 폴리-테트라플루오로에틸렌(PTFE) 구조물에 의해 지지된다.
도 3a 내지 도 3b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(300)의 도면이다. 도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(300)은 작동 유닛(301)과, 잠글 수 있는 수동-조정가능 위치잡이 샤프트(303)와, 전진-후퇴 스테이지를 갖는 2개의 일렬로 결합된 연속체 세그먼트들을 갖는 3개-백본 연속체 로봇(305)과, 원뿔형 조립체(307)와, 선형 삽입 스테이지(309)와, 유연한 기기 장치 하우징(313)과, 기기 장치 경로(311)의 근접 단부를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 작동 유닛(301)은 선형 삽입 스테이지(309)에 장착된다.
몇몇 실시예들에서, 작동 유닛(301)은 일체형 힘 센서들을 갖는 6개 DoF 번들형(bundled) 작동 유닛일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 작동 유닛(301)은 3개의 동심 백본 작동 조립체들을 포함하고, 이들 3개의 동심 백본 작동 조립체들 각각은 결합된 작동 실린더들을 포함한다. 이들 실린더 각각은 연속체 로봇(305)의 총 6개 작동 라인들 중 하나를 작동시킨다. 몇몇 실시예들에서, 예를 들어, 각 결합된 스테이지는 1차 및 2차 실린더를 포함하고, 연속체 로봇(305)에서 각 백본의 근접 및 말단 단부들을 작동시킨다.
몇몇 실시예들에서, 원뿔형 조립체(307)는 연속체 로봇(305)의 작동 라인들을 작동 유닛(301)에서 유연한 기기 장치 하우징(313)으로 이르게 하고, 이러한 기기 장치 하우징(313)은 작동 라인들 및 기기 장치를 연속체 로봇(305)으로 안내한다. 몇몇 실시예들에서, 기기 장치는 기기 장치 경로(311)의 근접 단부를 통해 유연한 하우징에 삽입된다.
몇몇 실시예들에서, 조정가능 위치잡이 샤프트(303)는 연속체 로봇(305)의 위치 및 방향을 잡게 하는 수동으로 조정가능한 유연한 섹션을 제공한다. 조정가능 위치잡이 샤프트(303)는 로봇 시스템(300)의 위치 및 방향을 변경시킬 수 있는 능력을 제공함으로써 수술실에서 로봇 시스템(300)의 빠른 전개를 가능하게 하여, 이를 통해 예를 들어 수술용 시스템을 준비하는데 필요한 시간의 양을 감소시킨다.
도 4는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템에 포함된 작동 유닛(400)의 분해도를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 작동 유닛(400)은 동심의 백본 작동 조립체들(401, 403, 및 405)과, 원뿔형 조립체(407)와, 기부 및 상부 플레이트들(409 및 411)의 세트를 포함한다. 각 백본 작동 조립체는 1차 실린더(413) 및 2차 실린더(415)를 포함하고, 이들 1차 및 2차 실린더들은 기부 및 상부 플레이트들(409 및 411)에 연결된다.
몇몇 실시예들에서, 작동 유닛(400)은 연결 플레이트(419)를 통해 삽입 스테이지(417)에 장착된다. 몇몇 실시예들에서, 작동 유닛(400)에 결합된 연속체 로봇의 백본들은 백본 이격(spacing) 원뿔형 조립체(407)를 통해 동심의 작동 조립체들(401, 403 및 405)에서 연속체 로봇까지 이르게 된다.
도 5는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 동심의 백본 작동 조립체(500)의 단면을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 동심의 백본 작동 조립체(500)는 1차 실린더(501) 및 2차 실린더(503)를 포함한다. 각 실린더, 1차 및 2차 둘 모두는 내부 리드 나사(513 또는 515)에 의해 피스톤(509 또는 511)을 구동하는 모터(505 또는 507)를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 각 피스톤들(509 및 511) 내부의 각 리드 나사 너트들(517 및 519)은 피스톤(509 또는 511)과 리드 나사(513 또는 515) 사이에서 백래시(backlash)를 제거하기 위해 서로에 대해 리드 나사(513 또는 515)로 조여질 수 있는 2개의 요소들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 피스톤들(509 및 511)의 선형 운동은 모터 인코더들에 의해 이중으로 측정될 수 있으며, 이들 모터 인코더들은 모터들(505 및 507) 및 선형 전위차계들(521 및 523)에 일체화된다. 몇몇 실시예들에서, 1차 실린더 피스톤(511)은 2차 실린더(503)의 외부 직경에 클램핑(clamped)되는 연결 아암(525)에 전단 핀들에 의해 단단히 연결된다.
몇몇 실시예들에서, 연속체 로봇의 근접 세그먼트의 2차 백본들은 2차 실린더(503)의 기부(base)(527)에 연결되어, 이를 통해 1차 실린더 피스톤(511)의 운동은 1차 실린더(501)에 대해 근접 2차 백본을 구동한다. 몇몇 실시예들에서, 2차 실린더 피스톤(509)은 2차 실린더 로드 셀(531)을 통해 연속체 로봇의 말단 세그먼트의 2차 백본 와이어(529)의 연결부에 부착된다. 2차 실린더 로드 셀(531)은 연속체 로봇의 말단 2차 백본들에서 작동력들을 직접 측정할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 동심의 백본 작동 조립체(500)는 1차 실린더 로드 셀(533)을 통해 작동 유닛의 기부 플레이트에 연결된다. 1차 실린더 로드 셀(533)은 조립체에 부착된 동샤프트의 2차 백본들의 세트에서 작동력들의 합을 측정할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 동심의 백본 작동 조립체(500)는 1차 실린더 로드 셀(533) 상의 모멘트들(moments)을 방지하기 위해 1차 및 2차 실린더들(501 및 503)의 근접 단부에서 나일론 부싱들(nylon bushings)로 지지된다.
도 6a는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 2개의 일렬로 적층된 연속체 세그먼트들을 갖는 연속체 로봇(600)의 도면이다. 도 6a를 참조하면, 연속체 로봇(600)은 근접 연속체 세그먼트(601) 및 말단 연속체 세그먼트(603)를 포함한다.
각 세그먼트들(601 및 603)은 하나의 중심에 위치된 수동 1차 백본(617) 및 3개의 방사상 대칭적으로 작동된 2차 백본들(619 및 621)로 구성되고, 이들 2차 백본들(619 및 621)은, 세그먼트가 작업 공간을 통해 이동할 때 적절한 방사상 대칭을 유지하는 단부 디스크들{605(근접 세그먼트 단부 디스크) 또는 607(말단 세그먼트 단부 디스크)} 및 다수의 스페이서 디스크들(609)에 의해 경계가 지어진다. 도 6b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 연속체 세그먼트들(601 및 603)의 단면도를 도시한다.
몇몇 실시예들에서, 2차 백본들{619(근접 2차 백본들) 및 621(말단 2차 백본들)}은 1차 백본(617)으로부터 분리각(β)(도 7에 도시됨) 및 피치 원 반경(r)으로 동일하게 이격된다. 몇몇 실시예들에서, 근접 2차 백본들(619)은 초탄성 니티놀 튜브들(superelastic nitinol tubes)이다. 몇몇 실시예들에서, 말단 2차 백본들(621)은 니티놀 와이어들이고, 근접 2차 백본들(619) 내부로 이어진다. 몇몇 실시예들에서, 1차 백본(617)은 니티놀 와이어이다.
연속체 로봇(600)은 생검 겸자들(611)과 같은 수술 기구들 및 굴곡내시경(613)과 같은 가시화 기구들을 실어 나르기 위한 기기 장치 경로들(615)의 세트를 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 굴곡내시경(613)은 10k 픽셀 용융된 이미지 가이드를 갖는 유연한 1㎜ 직경의 굴곡내시경이다. 몇몇 실시예들에서, 굴곡내시경(613)은 카메라 시스템에 결합된다.
도 6b를 참조하면, 연속체 세그먼트들(601 및 603)의 단면은 3개의 동일하게 이격된 기구 경로들(또한 기구 관내강들로 지칭됨)(615), 1차 백본 관내강(623) 및 2차 백본 관내강들(625)을 포함한다.
도 7은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 연속체 세그먼트(700)에 대한 구조 및 운동학적 명칭을 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, k번째 세그먼트 다중-백본 연속체 로봇의 자세는 수학식 1로서 정의된 구성 공간 벡터에 의해 일반화된 좌표들의 세트로 기재될 수 있으며,
Figure pct00001
여기서 k=1,2,...에 대해 (ㆍ)(k)는 k번째 세그먼트와 연관된 변수를 나타내고, θ(k) 및 δ(k)는 각각 세그먼트의 구부러지는 각 및 구부러지는 평면의 방향을 나타낸다.
구성 공간(Ψ(k))을 조인트 공간(
Figure pct00002
)에 관련시키는 역운동학은 수학식 2로 주어지며,
Figure pct00003
여기서 Lj ,(k)은 k번째 세그먼트의 j번째 2차 백본(703)의 길이이고, L(k)은 k번째 세그먼트의 1차 백본(701)의 길이이고,
Figure pct00004
및
Figure pct00005
이다.
순간 역운동학은 수학식 3을 산출하도록 수학식 2를 미분함으로써 기재될 수 있으며,
Figure pct00006
여기서 자코비안(jacobian)(
Figure pct00007
)은 수학식 4에 의해 주어지며,
Figure pct00008
여기서
Figure pct00009
및
Figure pct00010
이다.
k번째 세그먼트의 정운동학은 기저 디스크에 대해 세그먼트 단부 디스크의 위치(
Figure pct00011
) 및 방향(
Figure pct00012
)에 의해 주어진다.
Figure pct00013
에 대해, 운동학들은 수학식 5 및 수학식 6의 형태를 취하며,
Figure pct00014
Figure pct00015
여기서,
Figure pct00016
및 프레임들{{g(k)} 및 {b(k)}}은 도 7에 도시된 것과 같다.
Figure pct00017
에 대해, 공식의 특이점(formulation singularity)(
Figure pct00018
)은 수학식 7 및 수학식 8로 해결된다.
Figure pct00019
Figure pct00020
수학식 5 및 수학식 6을 미분함으로써, 순간 정운동학은
Figure pct00021
의 형태를 취하고, 여기서,
Figure pct00022
에 대해, 자코비안(
Figure pct00023
)은 수학식 9에 의해 주어지며,
Figure pct00024
Figure pct00025
에 대해, 공식의 특이점(
Figure pct00026
)은 수학식 10을 산출하기 위해 로피탈의 규칙(l'Hopital's rule)을 적용함으로써 해결된다.
Figure pct00027
도 8a는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(800)의 도면이다. 도 8a를 참조하면, 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(800)은 작동 유닛(801)과, 동심의 수동 조정 샤프트(803)와, 연속체 로봇(805)과, 선형 삽입 스테이지(807)와, 조정 샤프트(803)를 위한 잠금 핸들(809)을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 조정 샤프트(803)는, 수술 및/또는 진단 기구들이 수술 작업 흐름에 빠르게 들어가고 나오는 방식으로 연속체 로봇(805)의 위치잡이를 빠르게 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 조정 샤프트(803)는 수동으로 제어된 내부 케이블 장력을 이용할 수 있어서, 조정 샤프트(803)의 수동 조정을 원할 때 케이블을 느슨하게 할 수 있고, 조정이 완료될 때 케이블을 조일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 조정 샤프트(803)는 복수의 세그먼트들(811) 및 잠금 케이블들(813)의 세트를 이용하여 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 잠금 케이블들(813)은, 잠금 핸들(809)에 의해 제어된 캠 잠금 메커니즘을 통해 조여질 때 조정 샤프트(803)를 잠근다. 몇몇 실시예들에서, 잠금 핸들(809)은 캡스턴(capstan)을 통해 잠금 케이블들(813)을 직접 조일 수 있다.
도 8b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 조정 샤프트(803)의 단면도를 도시한다. 도 8b를 참조하면, 조정 샤프트(803)는 잠금 케이블들(813)과, 기기 경로들{815a(기기 장치를 실어 나름), 815b(비어있음)}과, 연속체 로봇(805)을 위한 2차 백본 관내강들(817)과, 조정 샤프트(803)를 위한 유연한 플라스틱 커버(819)(도 8a에 미도시)와, 유연한 기구 하우징(821)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 유연한 기구 하우징(821)은 PTFE 압출로 만들어질 수 있다.
도 9a는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 방광 종양 경요도 절제술(TURBT)과 같은 최소 침습 비뇨기과 시술들용으로 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(900)의 도면이다. 도 9a를 참조하면, 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(900)은 작동 유닛(901)과, 유연한 샤프트 섹션(903)과, 비뇨기계 절제경(urologic resectoscope)(905)과, 연속체 로봇(907)과, 조정 아암(909)을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 작동 유닛(901)은 힘 감지 능력을 갖춘다. 몇몇 실시예들에서, 유연한 샤프트 섹션(903)은 유연한 샤프트 섹션(903)으로부터 독립적이고 분리되는 조정 아암(909)에 의해 지지된다. 몇몇 실시예들에서, 조정 아암(909)은 수동으로 조정가능하고 잠금 가능하다. 몇몇 실시예들에서, 조정 아암(909)은 샤프트 섹션(903)을 지지하기 위해 유연한 샤프트 섹션(903)의 근접 및 말단 단부들에서 단단히 고정된다. 몇몇 실시예들에서, 조정 아암(909)은 비뇨기계 절제경(905)에 결합하도록 구성된다.
도 9b는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 유연한 샤프트 섹션(903)의 단면을 도시한다. 도 9b를 참조하여, 유연한 샤프트 섹션은 PTFE 압출(913)을 포함하는 내부의 매끄러운 구조와, 유연한 지지 조립체(911)를 포함하는 외부의 지지 구조물로 구성된다. PTFE 압출(913)은 다시 기구 경로들/관내강들(915) 및 2차 연속체 백본들(919)을 위한 2차 백본 관강들(917)을 포함하고, 유연한 지지 조립체(911)는 지지 스트러트들(921)을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 지지 스트럿들(921)은 스테인리스 강 또는 다른 적합한 유연한 합금으로 만들어질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 조정 아암(909)은 외부의 지지 구조에만 단단히 고정되어서, PTFE 압출(913)이 외부의 지지 구조물에 의해 경계가 정해진 궤적으로 활주할 수 있다.
조정 아암(909)과 유연한 샤프트 섹션(903)은 함께 로봇 기구들을 수술 환경으로 빠르게 전개한다. 유연한 샤프트 섹션(903)은 로봇 시스템(900)의 삽입된 섹션을 환자의 요도에 정렬하는데 시간을 소비할 필요 없이 로봇 기구들을 삽입할 수 있으며, 이에 의하여 로봇 기구들을 전개 및 제거를 하는 동안 임상 작업 흐름의 단절을 최소화한다.
도 10은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 남성 환자에서 방광 종양 경요도 절제술(TURBT)을 수행하도록 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템(1000)의 전개를 도시한 도면이다. 도 10을 참조하면, 로봇 시스템(1000)은 작동 유닛(1001)과, 선형 스테이지(1003)와, 유연한 샤프트 섹션(1005)과, 조정 아암(1007)과, 비뇨기계 절제경(1009)과, 연속체 로봇(1011)을 포함한다. 연속체 로봇(1011)은 근접 연속체 세그먼트(1013)를 포함하고, 이러한 근접 연속체 세그먼트(1013)는 말단 연속체 세그먼트(1015)에 일렬로 결합되고, 다른 기구들 중에, 전기 소작 루프들(electrocautery loops)(1017)과, 굴곡내시경(미도시)을 포함한다.
경요도 절제를 수행하기 위해, 몇몇 실시예들에서, 로봇 시스템(1000)은 선형 스테이지(1003)를 이용하여 로봇 시스템(1000)을 환자의 요도쪽으로 전진시킴으로써 수술대에 고정되고 방광 종양을 가진 환자에 대해 위치를 잡는다. 로봇 시스템(1000)이 요도 근처에 위치한 후에, 유연한 샤프트 섹션(1005)은 빠른 경요도 전개를 위해 조정 아암(1007)을 이용하여 추가로 조정된다.
일단 절제경(1009)이 경요도로 전개되면, 전기 소작 루프들(1017)을 이용하여 절제하기 위한 의심스러운 조직 및 눈에 보이는 병변들(1019)이 소재한 방광의 부분들을 검색하고 이에 도달하도록 근접 및 말단 연속체 세그먼트들(1013 및 1015)을 조작함으로써 연속체 로봇(1011)을 작동시키는데 작동 유닛(1001)이 사용된다.
도 11은 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 도 10에 도시된 바와 같이 로봇 시스템(1000)과 같은 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템의 연속체 로봇(1101)에 의해 도달가능한 작업공간(1103)의 단면을 도시한 도면이다.
방광 전체에 종기들의 절제에 관련된 작업공간(1103)을 평가하기 위해 MATLAB 계산 환경에서 운동학적 분석이 수행되었다. 이 분석은, 로봇 시스템(1000)과 같은 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템이 도 11에 도시된 바와 같이, 전술한 양상들을 포함하는, 방광 전체를 가시화하고 방광 전체에 도달할 수 있다는 것을 보여준다.
도 12는 개시된 주제의 몇몇 실시예들에 따라 최소 침습 진단 및 수술을 위한 로봇 장치를 전개하기 위한 방법(1200)을 위한 흐름도이다. 도 12를 참조하여, 로봇 장치가 1201에서 제공된다. 몇몇 실시예들에서, 로봇 장치는 각각 도 3, 도 8, 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(300, 800 또는 900)과 같은 빠르게 전개가능한 유연한 로봇 시스템일 수 있다. 1203에서, 로봇 장치는 환자 또는 수술대에 대하여 위치를 잡는다. 몇몇 실시예들에서, 로봇 장치는 스트랩들로 환자 또는 수술대에 고정된다.
1205에서, 로봇 장치는 요도, 구강 개구(oral opening), 또는 표적 수술 부위 근처에 만들어진 절개와 같은 표적 수술 부위의 진입구쪽으로 향하게 된다. 몇몇 실시예들에서, 로봇 장치의 연속체 로봇과 로봇을 위한 작동 유닛을 결합시키는 유연한 샤프트는 로봇의 빠른 전개를 위해 조정된다. 몇몇 실시예들에서, 유연한 샤프트 섹션의 근접 및 말단 단부들에 고정된 조정 아암은 제약된 해부학적 구조 또는 개구부로의 장치의 빠른 전개를 용이하게 하기 위해 로봇 장치를 향하도록 조정된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 조정 아암(1007)은 절제경(1009)의 위치 및 방향을 조정하기 위해 유연한 샤프트 섹션(1005)을 수동으로 조정하는데 사용될 수 있다.
1207에서, 로봇 장치는 표적 수술 부위의 진입구로 삽입된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 방광 종양의 경요도 절제를 위하여, 요도 절제경(1009)과 결합된 연속체 로봇(1011)은 환자의 요도를 통하여 환자의 방광으로 삽입된다.
1209에서, 로봇 장치는 최소 칩습 시술을 수행하도록 작동된다. 방광 종양의 경요도 절제를 위하여, 예를 들어, 의심스러운 조직 및 눈에 보이는 병변들(1019)은 전기 소작 루프(1017)를 이용하여 절제되고, 방광으로부터 제거된다.
본 발명이 이전의 예시적인 실시예들에 설명되고 예시되었지만, 본 개시가 단지 예로서 이루어졌고, 본 발명의 구현에 대한 세부 사항에서의 다수의 변화들이 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어나지 않고도 이루어질 수 있다는 것이 이해된다. 개시된 실시예들의 특징들은 다양한 방식들로 조합되고 재배열될 수 있다.

Claims (20)

  1. 로봇 시스템으로서,
    최소 침습 진단, 수술 또는 치료법들을 수행하기 위한 연속체 로봇으로서, 상기 연속체 로봇은 복수의 백본들을 포함하는 적어도 하나의 연속체 세그먼트를 포함하고, 상기 연속체 세그먼트는 복수의 기기 장치(instrumentation) 경로들을 갖는 유연한 기기 장치 하우징에서 적어도 하나의 진단, 수술 또는 치료 기구를 실어 나르는, 연속체 로봇;
    선형 작동을 복수의 백본들 각각에 제공함으로써 상기 연속체 로봇을 작동시키기 위한 작동 유닛으로서, 상기 작동 유닛은 작동력들(actuation forces)을 측정하기 위한 힘 센서들을 포함하는, 작동 유닛; 및
    상기 연속체 로봇의 위치 및 방향(orientation)을 잡게 하기 위한 유연한 위치잡이 샤프트로서, 상기 유연한 위치잡이 샤프트는 상기 작동 유닛을 상기 연속체 로봇에 결합시키도록 구성되는, 유연한 위치잡이 샤프트;
    를 포함하는, 로봇 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 기구는 수술 기구 및 가시화 기구 중 적어도 하나를 포함하는, 로봇 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유연한 위치잡이 샤프트는 잠글 수 있고(lockable), 동축으로 배치되는 외부 지지 구조물 및 내부 구조물을 포함하고, 상기 유연한 위치잡이 샤프트는 상기 외부 지지 구조물로부터 분리되고 독립적인, 로봇 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 유연한 위치잡이 샤프트의 상기 내부 구조물은 복수의 기구 경로들 및 백본 관내강들(lumens)을 갖는 매끄러운 폴리-테트라플루오로에틸렌(PTFE) 구조물을 포함하는, 로봇 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 유연한 위치잡이 샤프트의 상기 외부 구조물들은 잠금 케이블들의 세트에 의해 연결된 복수의 세그먼트들을 포함하고, 상기 잠금 케이블들은, 상기 잠금 케이블들이 조여질 때 상기 유연한 위치잡이 샤프트를 잠그는, 로봇 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 선형 삽입 스테이지를 추가로 포함하고,
    상기 작동 유닛은 상기 선형 삽입 스테이지에 장착되는, 로봇 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 유연한 위치잡이 샤프트의 적어도 일부분은 상기 선형 삽입 스테이지에 의해 지지되는, 로봇 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 연속체 세그먼트는 말단 연속체 세그먼트에 일렬로 결합되는 근접 연속체 세그먼트를 포함하는, 로봇 시스템.
  9. 로봇 장치를 전개하기 위한 방법으로서,
    작동 유닛, 유연한 위치잡이 샤프트, 및 최소 침습 시술들을 수행하기 위해 작동 유닛에 의해 작동되는 연속체 로봇을 포함하는 로봇 장치를 제공하는 단계로서, 상기 로봇 장치는 선형 스테이지에 장착되고, 상기 유연한 위치잡이 샤프트는 상기 작동 유닛을 상기 연속체 로봇에 결합시키도록 구성되는, 로봇 장치 제공 단계;
    상기 로봇 장치를 수술대에 대해 위치시키는 단계;
    상기 로봇 장치를 표적(targeted) 수술 부위로의 진입구쪽으로 향하게 하기 위해 상기 유연한 위치잡이 샤프트를 조정하는 단계; 및
    상기 선형 스테이지를 상기 진입구쪽으로 전진시킴으로써 상기 로봇 장치를 상기 진입구에 삽입하는 단계;
    를 포함하는, 로봇 장치를 전개하기 위한 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 연속체 로봇은 말단 연속체 세그먼트에 일렬로 결합되는 근접 연속체 세그먼트를 포함하고, 일렬로 결합된 상기 세그먼트들은 복수의 기기 장치 경로들을 갖는 유연한 기기 장치 하우징에서 적어도 하나의 진단, 수술 또는 치료 기구를 실어 나르는, 로봇 장치를 전개하기 위한 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 기구 경로들은 수술 기구 및 가시화 기구 중 적어도 하나를 포함하는, 로봇 장치를 전개하기 위한 방법.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 로봇 장치를 위치시키는 단계는 상기 로봇 장치를 수술대에 고정시키는 단계를 포함하는, 로봇 장치를 전개하기 위한 방법.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 유연한 위치잡이 샤프트는 잠금 가능하고, 동축으로 배치되는 외부 지지 구조물 및 내부 구조물을 포함하는, 로봇 장치를 전개하기 위한 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 유연한 위치잡이 샤프트의 상기 내부 구조물은 복수의 기구 경로들 및 백본 관내강들을 갖는 매끄러운 폴리-테트라플루오로에틸렌(PTFE) 구조물을 포함하고, 상기 유연한 위치잡이 샤프트의 상기 외부 구조물들은 잠금 케이블들의 세트에 의해 연결된 복수의 세그먼트들을 포함하고, 상기 잠금 케이블들은, 상기 잠금 케이블들이 조여질 때 상기 유연한 위치잡이 샤프트를 잠그는, 로봇 장치를 전개하기 위한 방법.
  15. 로봇 시스템으로서,
    최소 침습 비뇨기계 시술들을 수행하기 위한 연속체 로봇으로서, 상기 연속체 로봇은 말단 연속체 세그먼트에 일렬로 결합되는 근접 연속체 세그먼트를 포함하고, 일렬로 연결된 상기 세그먼트들은 복수의 백본들을 포함하고, 적어도 하나의 진단, 수술 또는 치료 기구를 실어 나르는, 연속체 로봇;
    선형 작동을 복수의 백본들 각각에 제공함으로써 상기 연속체 로봇을 작동시키기 위한 작동 유닛으로서, 상기 작동 유닛은 작동력들을 측정하기 위한 힘 센서들을 포함하는, 작동 유닛; 및
    상기 연속체 로봇의 위치 및 방향을 잡게 하기 위한 유연한 샤프트 섹션으로서, 상기 유연한 샤프트 섹션은 작동 유닛을 경요도 절제경에 결합하도록 구성되고, 상기 경요도 절제경은 유연한 기구 하우징 및 적어도 하나의 기구를 상기 작동 유닛으로부터 상기 연속체 로봇으로 안내하고, 조정 아암은 상기 유연한 샤프트 섹션을 원하는 위치 및 방향으로 조정하기 위해 상기 유연한 샤프트의 근접 단부 및 말단 단부를 단단히 고정하는, 유연한 샤프트 섹션;
    을 포함하는, 로봇 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 적어도 하나의 기구는 수술 기구 및 가시화 기구 중 적어도 하나를 포함하는, 로봇 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 수술 기구는 생검 겸자들(biopsy forceps)을 포함하고, 가시화 기구는 굴곡내시경을 포함하는, 로봇 시스템.
  18. 청구항 15에 있어서, 비뇨기계 시술들은 방광 종양의 경요도 절제술을 포함하는, 로봇 시스템.
  19. 청구항 15에 있어서, 상기 조정 아암은 잠금 가능하고, 상기 유연한 샤프트 섹션은 동축으로 배치되는 외부 지지 구조물 및 내부 구조물을 포함하는, 로봇 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 유연한 샤프트 섹션의 상기 내부 구조물은 복수의 기구 경로들 및 백본 관내강들을 갖는 매끄러운 폴리-테트라플루오로에틸렌(PTFE) 구조를 포함하는, 로봇 시스템.
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