KR20210020046A - 고출력 기구를 가진 로봇 의료 시스템 - Google Patents

Abstract

로봇 시스템이 출력 힘이 입력 힘보다 크도록 입력 힘을 증폭시키는 고출력 기구를 포함할 수 있다. 고출력 기구는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 고출력 기구는 풀리 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제1 풀리 및 제1 구동 핀에 의해 제1 풀리에 연결되는 제1 조오 부재를 추가로 포함할 수 있다. 고출력 기구는 또한 풀리 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제2 풀리 및 제2 구동 핀에 의해 제2 풀리에 연결되는 제2 조오 부재를 포함할 수 있다. 링크가 제1 조오 부재가 피봇할 수 있는 제1 피봇 지점 및 제2 조오 부재가 피봇할 수 있는 제2 피봇 지점을 제공할 수 있다.

Description

고출력 기구를 가진 로봇 의료 시스템

우선권 출원

본 출원은 2018년 6월 7일자로 출원된 미국 가출원 제62/682,049호에 대해 우선권을 주장한다.

기술분야

본 출원은 로봇 의료 시스템(robotic medical system)에 관한 것으로, 특히 고출력 기구(high force instrument)를 가진 로봇 의료 시스템에 관한 것이다.

복강경술과 같은 의료 절차는 환자의 내부 영역에 접근하고 시각화하는 것을 수반할 수 있다. 복강경술 절차에서, 의료 기구가 복강경 접근 포트를 통해 내부 영역 내로 삽입될 수 있다.

소정 절차에서, 로봇식(robotically-enabled) 의료 시스템이 기구 및 그의 엔드 이펙터(end effector)의 삽입 및/또는 조작을 제어하는 데 사용될 수 있다. 로봇식 의료 시스템은 로봇 아암(robotic arm), 또는 다른 기구 위치설정 장치(instrument positioning device)를 포함할 수 있다. 로봇식 의료 시스템은 또한 절차 동안 기구를 제어하는 데 사용되는 제어기를 포함할 수 있다.

제1 태양에서, 로봇 시스템이 엔드 이펙터를 갖는 기구를 포함한다. 기구는 풀리 축(pulley axis)을 중심으로 회전하도록 구성되는 제1 풀리, 제1 구동 핀(drive pin)에 의해 제1 풀리에 연결되는 제1 조오 부재(jaw member), 풀리 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제2 풀리, 제2 구동 핀에 의해 제2 풀리에 연결되는 제2 조오 부재, 및 제1 조오 부재가 피봇할 수 있는 제1 피봇 지점(pivot point) 및 제2 조오 부재가 피봇할 수 있는 제2 피봇 지점을 제공하는 링크(link)를 포함한다.

로봇 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다: (a) 기구에 결합되는 로봇 아암; (b) 제1 풀리의 회전은 풀리 축을 중심으로 하는 제1 구동 핀의 회전을 유발하고, 추가로 제1 조오 부재가 제1 피봇 지점을 중심으로 피봇하게 하고, 제2 풀리의 회전은 풀리 축을 중심으로 하는 제2 구동 핀의 회전을 유발하고, 추가로 제2 조오 부재가 제2 피봇 지점을 중심으로 피봇하게 함; (c) 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성되는 기어식 구속부(geared constraint); (d) 기어식 구속부는 사이클로이드 구속부(cycloid constraint)를 포함하고, 사이클로이드 구속부는 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 하나 상에 형성되는 치형부(tooth), 및 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 다른 하나 상에 형성되는 노치(notch)를 포함함; (e) 기어식 구속부는 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재를 통해 축을 따라 연장되는 핀을 포함하고, 핀은 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 적어도 하나 내에 형성되는 슬롯 내에서 지지되도록 구성됨; (f) 제1 구동 핀과 제2 구동 핀이 정렬될 때 제1 구동 핀 및 제2 구동 핀을 중심으로 하는 엔드 이펙터의 회전의 위험을 방지하거나 감소시키도록 구성되는 슬롯 구속부(slot constraint); (g) 슬롯 구속부는 제1 이어부(ear), 제2 이어부로서, 제1 이어부와 제2 이어부 사이에 슬롯을 형성하도록 제1 이어부로부터 이격되는, 제2 이어부, 및 슬롯 내에 위치되는 풀리 축을 따라 연장되는 핀을 포함함; (h) 제1 이어부 및 제2 이어부는 각각 링크에 결합됨; (i) 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성되는 기어식 구속부, 및 제1 구동 핀과 제2 구동 핀이 정렬될 때 제1 구동 핀 및 제2 구동 핀을 중심으로 하는 엔드 이펙터의 회전의 위험을 방지하거나 감소시키도록 구성되는 슬롯 구속부; (j) 제1 풀리 및 제2 풀리는 제1 구동 핀과 제2 구동 핀이 정렬되는 위치로 회전할 수 있음; (k) 제1 풀리 및 제2 풀리의 회전 동안, 제1 구동 핀은 제2 구동 핀을 지나 회전할 수 있음; (l) 링크는 제2 베어링 표면(bearing surface)으로부터 이격되는 제1 베어링 표면을 포함하는 하우징을 포함하고, 제1 조오 부재는 제1 베어링 표면 상에서 피봇하여 제1 피봇 지점을 형성하도록 구성되는 제1 홈을 포함하고, 제2 조오 부재는 제2 베어링 표면 상에서 피봇하여 제2 피봇 지점을 형성하도록 구성되는 제2 홈을 포함함; (m) 엔드 이펙터는 파지기(grasper), 절단기(cutter), 또는 클리퍼(clipper)로서 구성됨; (n) 제1 링크가 풀리 축과 제1 풀리 상에 권취되는 케이블에 의해 입력 힘이 인가되는 지점 사이의 제1 거리를 포함하고, 제2 링크가 풀리 축과 제1 구동 핀의 축 사이의 제2 거리를 포함하고, 제3 링크가 제1 구동 핀의 축과 제1 피봇 지점의 축 사이의 제3 거리를 포함하고, 제4 링크가 제1 피봇 지점의 축과 제1 조오 부재의 원위 단부 사이의 제4 거리를 포함함; (o) 제1 링크의 제1 거리는 3 내지 4 mm이고, 제2 링크의 제2 거리는 2 내지 3 mm이고, 제3 링크의 제3 거리는 7 내지 8 mm이고, 제4 링크의 제4 거리는 17 내지 23 mm임; (p) 제1 링크의 제1 거리는 대략 3.35 mm이고, 제2 링크의 제2 거리는 대략 2.5 mm이고, 제3 링크의 제3 거리는 대략 7.3 mm이고, 제4 링크의 제4 거리는 대략 20 mm임; (q) 제2 링크의 제2 거리와 제1 링크의 제1 거리 사이의 제1 비가 0.5 내지 1.25이고, 제3 링크의 제3 거리와 제1 링크의 제1 거리 사이의 제2 비가 1.5 내지 3.5이고, 제4 링크의 제4 거리와 제1 링크의 제1 거리 사이의 제3 비가 1.5 내지 20임; 및/또는 (r) 제2 링크의 제2 거리와 제1 링크의 제1 거리 사이의 제1 비가 대략 0.75이고, 제3 링크의 제3 거리와 제1 링크의 제1 거리 사이의 제2 비가 대략 2.18이고, 제4 링크의 제4 거리와 제1 링크의 제1 거리 사이의 제3 비가 대략 6임.

다른 태양에서, 로봇 시스템이 의료 절차 동안 환자 내로 삽입되도록 구성되는 엔드 이펙터를 포함하는 의료 기구를 포함한다. 의료 기구는 제1 풀리, 제1 풀리에 연결되는 제1 조오 부재, 제2 풀리, 제2 풀리에 연결되는 제2 조오 부재, 제1 조오 부재가 피봇할 수 있는 제1 피봇 지점 및 제2 조오 부재가 피봇할 수 있는 제2 피봇 지점을 제공하는 링크, 및 기어식 구속부 및 슬롯 구속부 중 적어도 하나를 포함한다.

로봇 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다: (a) 엔드 이펙터는 로봇 아암에 연결되고 시스템의 프로세서에 의해 제어됨; (b) 엔드 이펙터 및 의료 기구의 적어도 일부분은 14 mm 미만인 환자 개구(patient opening)를 통해 끼워지도록 구성됨; (c) 엔드 이펙터 및 의료 기구의 적어도 일부분은 10 mm 미만인 환자 개구를 통해 끼워지도록 구성됨; (d) 엔드 이펙터 및 의료 기구의 적어도 일부분은 10 mm 미만인 환자 개구를 통해 끼워지도록 구성됨; (e) 엔드 이펙터는 적어도 2의 자유도들(degrees of freedom)을 갖는 리스트(wrist)에 의해 의료 기구의 원위 단부에 연결됨; (f) 제1 풀리에 연결되는 하나 이상의 케이블(들)으로서, 제1 풀리에 연결된 케이블들 중 하나 이상을 당기는 것이 제1 풀리의 회전을 유발하고, 제2 풀리에 연결되는 하나 이상의 케이블(들)으로서, 제2 풀리에 연결된 하나 이상의 케이블(들)을 당기는 것이 제2 풀리의 회전을 유발함; (g) 제1 풀리에 연결된 케이블들 중 하나 이상 및 제2 풀리에 연결된 케이블들 중 하나 이상은 의료 기구를 통해 연장되고, 의료 기구는 기구 구동 메커니즘(instrument drive mechanism)에 부착되고, 기구 구동 메커니즘은 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 제1 풀리에 연결된 케이블들 중 하나 이상 및 제2 풀리에 연결된 케이블들 중 하나 이상을 당기도록 구성됨; (h) 엔드 이펙터는 기어식 구속부를 포함하고, 기어식 구속부는 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성되는 사이클로이드 구속부를 포함함; (i) 기어식 구속부는 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 하나 상에 형성되는 치형부, 및 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 다른 하나 상에 형성되는 노치를 포함함; (j) 엔드 이펙터는 슬롯 구속부를 포함하고, 슬롯 구속부는 제1 구동 핀과 제2 구동 핀이 정렬될 때 제1 구동 핀 및 제2 구동 핀을 중심으로 하는 엔드 이펙터의 회전을 방지하도록 구성됨; 및/또는 (k) 엔드 이펙터는 슬롯 구속부 및 기어식 구속부를 포함함.

다른 태양에서, 방법이 로봇-제어식(robotically-controlled) 의료 기구를 환자 내로 삽입하는 단계를 포함한다. 기구는 엔드 이펙터를 포함한다. 엔드 이펙터는 (i) 제1 풀리에 결합되는 제1 조오 부재, (ii) 제2 풀리에 결합되는 제2 조오 부재, (iii) 제1 조오 부재와 제2 부재를 연결하는 링크, 및 (iv) 기어식 구속부 및 슬롯 구속부 중 적어도 하나를 포함하고; 방법은 제1 풀리 또는 제2 풀리의 회전을 유발하도록 제1 풀리 또는 제2 풀리에 연결된 적어도 하나의 케이블을 당기는 것에 기초하여 엔드 이펙터를 작동시키는 단계로서, 제1 풀리 또는 제2 풀리의 회전은 엔드 이펙터의 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재를 개방하거나 폐쇄하는, 엔드 이펙터를 작동시키는 단계를 포함한다.

방법은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다: (a) 엔드 이펙터를 작동시키는 단계는 제1 풀리를 제1 조오 부재에 연결하는 제1 구동 핀이 제2 풀리를 제2 구동부에 연결하는 제2 구동 핀과 중첩되도록 제1 풀리 및 제2 풀리의 회전을 유발하는 단계를 포함함; (b) 제1 구동 핀과 제2 구동 핀의 중첩은 엔드 이펙터에서 힘 증폭(force amplification)을 증가시킴; (c) 엔드 이펙터는 기어식 구속부를 포함하고, 기어식 구속부는 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성됨; (d) 기어식 구속부는, 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 하나 상에 형성되는 치형부, 및 제1 조오 부재 및 제2 조오 부재 중 다른 하나 상에 형성되는 노치를 포함하는 사이클로이드 구속부를 포함함; (e) 엔드 이펙터는 슬롯 구속부를 포함하고, 슬롯 구속부는 제1 구동 핀과 제2 구동 핀이 정렬될 때 제1 구동 핀 및 제2 구동 핀을 중심으로 하는 엔드 이펙터의 회전을 방지하도록 구성됨; 및/또는 (f) 엔드 이펙터는 슬롯 구속부 및 기어식 구속부를 포함함.

개시된 태양은, 개시된 태양을 제한하지 않고 예시하기 위해 제공되는 첨부 도면과 함께 본 명세서에 후술될 것이며, 여기에서 유사한 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술을 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치(pitch) 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼(column) 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 13은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 16a는 고출력 기구의 측면도를 예시한 도면.
도 16b는 고출력 기구의 리스트 및 엔드 이펙터의 추가 상세사항을 도시한, 도 16a의 고출력 기구의 원위 부분의 상세도를 예시한 도면.
도 17a는 개방 위치에 있는 고출력 기구의 일 실시예를 예시한 도면.
도 17b는 폐쇄 위치에 있는 도 17a의 고출력 기구를 예시한 도면.
도 18a는 개방 위치에 있는 고출력 기구의 다른 실시예를 예시한 도면.
도 18b는 폐쇄 위치에 있는 도 18a의 고출력 기구를 예시한 도면.
도 19a는 개방 위치에 있는 고출력 기구의 다른 실시예를 예시한 도면.
도 19b는 폐쇄 위치에 있는 도 19a의 고출력 기구를 예시한 도면.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 고출력 기구의 다양한 실시예의 구성요소의 도면을 예시하고, 고출력 기구의 기계적 확대율(mechanical advantage)을 조절하기 위해 기하학적 구조가 변경될 수 있는 방법을 추가로 예시한 도면.
도 21은 풀 와이어(pull wire)로 감긴 풀리의 일 실시예의 사시도를 예시한 도면.
도 22a, 도 22b, 및 도 22c는 핀 기반 사이클로이드 구속부(pin based cycloid constraint)로서 구성된 기어식 구속부를 포함하는 고출력 기구의 일 실시예의 도면을 예시한 도면.
도 23은 핀 기반 사이클로이드 구속부로서 구성된 기어식 구속부를 포함하는 고출력 기구의 다른 실시예의 도면을 예시한 도면.
도 24a 내지 도 24h는 2개의 구속부를 포함하는 고출력 기구의 일 실시예의 도면을 예시한 도면. 도 24a는 개방 위치에 있는 기구의 정면도이고, 도 24b는 기구의 분해도이고, 도 24c는 기구의 측면도이고, 도 24d는 개방 위치에 있는 기구의 배면도이고, 도 24e는 기구의 저부 단면도. 도 24f, 도 24g, 및 도 24h는 기구가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동함에 따라 교차하는 구동 핀을 예시한 도면.
도 25a 내지 도 25h는 2개의 구속부 및 단일 피스 링크(single piece link)를 포함하는 고출력 기구의 일 실시예의 도면을 예시한 도면. 도 25a 및 도 25b는 각각 개방 및 폐쇄 구성에 있는 기구의 도면을 예시한 도면. 도 25c는 기구를 위한 링크로서의 역할을 하는 하우징의 일 실시예를 예시한 도면. 도 25d는 기구를 위한 제1 또는 제2 조오 부재의 도면을 예시한 도면. 도 25e, 도 25f, 도 25g, 및 도 25h는 기구에 대한 예시적인 조립 공정 동안의 단계를 예시한 도면.
도 26a 및 도 26b는 고출력 기구에 대한 기계적 확대율이 결정될 수 있는 방법을 예시한 도면.
도 27은 고출력 기구의 일 실시예에 대한 힘 프로파일을 도시한 그래프.

1. 개요.

본 개시의 태양은 복강경술과 같은 최소 침습 절차 및 내시경술과 같은 비-침습 절차 둘 모두를 비롯하여 다양한 의료 절차를 수행할 수 있는 로봇식 의료 시스템 내에 통합될 수 있다. 내시경술 절차 중에서, 시스템은 기관지경술, 요관경술, 위내시경술(gastroscopy) 등을 수행하는 것이 가능할 수 있다.

광범위한 절차를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 보조하기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 다루기 어려운 아암 운동 및 위치에 대한 필요 없이 인체공학적 위치로부터 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 더욱이, 시스템은, 시스템의 기구들 중 하나 이상이 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록, 개선된 사용 용이성을 갖고서 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.

다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면과 함께 후술될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예로 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 데 도움을 주기 위해 표제가 본 명세서에 포함된다. 이들 표제는 그와 관련하여 기술되는 개념의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 그러한 개념은 전체 명세서 전반에 걸쳐 적용될 수 있다.

A. 로봇 시스템 - 카트.

로봇식 의료 시스템은 특정 절차에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술을 위해 배열된 카트-기반 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 기관지경술 동안, 시스템(10)은 기관지경술을 위한 절차-특정적 기관지경일 수 있는, 조향가능 내시경(13)과 같은 의료 기구를 진단 및/또는 치료 도구를 전달하기 위한 자연 구멍 접근 지점(즉, 본 예에서 테이블 상에 위치된 환자의 입)으로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근 지점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 상체에 근접하게 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근 지점에 대해 기관지경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배열은 또한, 위장(gastro-intestinal, GI) 절차를 위한 전문화된 내시경인 위내시경으로 GI 절차를 수행할 때 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 더 상세히 도시한다.

계속해서 도 1을 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 위치되면, 로봇 아암(12)은 조향가능 내시경(13)을 로봇으로, 수동으로, 또는 이들의 조합으로 환자 내로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조향가능 내시경(13)은 적어도 2개의 삽통 부품(telescoping part), 예컨대 내부 리더(leader) 부분 및 외부 시스(sheath) 부분을 포함할 수 있으며, 각각의 부분은 기구 드라이버들(28)의 세트로부터의 별개의 기구 드라이버에 결합되고, 각각의 기구 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 시스 부분과 동축으로 정렬시키는 것을 용이하게 하는, 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재위치될 수 있는 "가상 레일(virtual rail)"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기술되는 가상 레일은 파선을 사용하여 도면에 도시되어 있으며, 따라서 파선은 시스템의 임의의 물리적 구조를 도시하지 않는다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진은 외부 시스 부분에 대해 내부 리더 부분을 삽통식으로 이동시키거나, 환자로부터 내시경(13)을 전진 또는 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조절, 병진, 및 피봇될 수 있다. 예를 들어, 기관지경술에서, 도시된 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로써 발생하는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사 접근을 제공하는 것 사이의 절충을 나타낸다.

내시경(13)은 표적 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 삽입 후 환자의 기관 및 폐를 따라 지향될 수 있다. 환자의 폐 네트워크(lung network)를 통한 내비게이션(navigation)을 향상시키고/시키거나 원하는 표적에 도달하기 위해, 내시경(13)은 향상된 관절운동 및 더 큰 굽힘 반경을 얻기 위해 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 삽통식으로 연장시키도록 조작될 수 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한 리더 부분과 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되도록 허용한다.

예를 들어, 내시경(13)은, 예를 들어 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 표적에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 얻기 위해 내시경의 길이를 따라 연장되는 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가의 도구가 추가의 생검을 위해 내시경의 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 결절을 악성으로 확인한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경으로 전달할 수 있다. 일부 경우에, 진단 및 치료 처치제(treatment)가 별개의 절차로 전달될 필요가 있을 수 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 표적 결절의 위치를 "표시"하기 위한 기준점을 전달하는 데에도 사용될 수 있다. 다른 경우에서, 진단 및 치료 처치제는 동일한 절차 동안 전달될 수 있다.

시스템(10)은 또한 이동가능 타워(tower)(30)를 포함할 수 있으며, 이는 카트(11)에 지지 케이블을 통해 연결되어 카트(11)에 제어부, 전자장치, 유체장치, 광학계, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 제공할 수 있다. 그러한 기능을 타워(30) 내에 두는 것은 수술 의사 및 그/그녀의 스태프에 의해 더 용이하게 조절 및/또는 재위치될 수 있는 더 작은 형태 인자(form factor)의 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실의 어수선함을 감소시키고, 임상 작업흐름의 개선을 용이하게 한다. 카트(11)는 환자 가까이에 위치될 수 있지만, 타워(30)는 절차 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 적재될 수 있다.

전술된 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는, 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브(persistent magnetic storage drive), 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive) 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터-기반 제어 시스템의 구성요소(들)를 포함할 수 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 이루어지든 또는 카트(11)에서 이루어지든 간에, 전체 시스템 또는 그의 서브-시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 구성요소로 하여금 관련 캐리지(carriage) 및 아암 마운트(arm mount)를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키고, 의료 기구를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트(joint) 내의 모터는 아암을 소정 자세로 위치시킬 수 있다.

타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어부, 및/또는 유체 접근부(fluid access)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.

타워(30)는 카트(11)에 필터링되고 보호된 전력을 제공하도록 설계되는 전압 및 서지(surge) 보호기를 포함하여, 그에 의해 카트(11) 내에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 구성요소를 배치하는 것을 회피하여, 더 작고 더 이동가능한 카트(11)를 생성할 수 있다.

타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서에 대한 지원 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서 또는 카메라로부터 수신된 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 조합하여, 그러한 광전자 장비는 타워(30) 내를 비롯하여, 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 수의 콘솔(console)에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 전개된 전자기(electromagnetic, EM) 센서로부터 수신되는 신호를 수신하고 처리하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수 있다. 타워(30)는 또한 의료 기구 내의 또는 그 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 발생기(field generator)를 수용하고 위치시키는 데 사용될 수 있다.

타워(30)는 또한 시스템의 나머지 부분에서 이용가능한 다른 콘솔, 예컨대 카트의 상부에 장착된 콘솔에 더하여 콘솔(31)을 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로 로봇 제어뿐만 아니라 절차의 수술전 및 실시간 정보, 예컨대 내시경(13)의 내비게이션 및 위치결정 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용가능한 유일한 콘솔이 아닐 때, 그것은 간호사와 같은 제2 조작자에 의해, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템(10)의 작동을 모니터링할 뿐만 아니라, 내비게이션 및 위치결정 정보와 같은 절차-특정적 데이터를 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 콘솔(30)은 타워(30)와 별개인 본체 내에 수용된다.

타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공되어, 수술실을 간소화하고 정리할 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부로 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트에 제공될 수 있지만, 제어부, 광학계, 유체장치, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 카트-기반 로봇식 시스템으로부터의 카트의 일 실시예의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조물(14)(흔히 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 기부(15), 및 칼럼(14)의 상부에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(3개가 도 2에 도시됨)의 전개를 지원하기 위한 캐리지(17)(대안적으로 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 양호한 위치설정을 위해 로봇 아암(12)의 기부를 조절하도록 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 또한 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하도록 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.

캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치되는, 슬롯(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 캐리지(17)를 카트 기부(15)에 대해 다양한 수직 높이에 위치시키고 유지시키기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 로봇 아암(12)의 도달범위를 조절하여 다양한 테이블 높이, 환자 크기, 및 의사 선호도를 충족시키도록 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 기부(21)가 다양한 구성으로 경사지도록 허용한다.

일부 실시예에서, 슬롯(20)은 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 수직 병진 인터페이스 및 칼럼(14)의 내부 챔버 내로 먼지 및 유체가 유입되는 것을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일 평면상에 있고 그에 평행한 슬롯 커버로 보완될 수 있다. 슬롯 커버는 슬롯(20)의 수직 상부 및 저부 부근에 위치된 스프링 스풀(spring spool)들의 쌍을 통해 전개될 수 있다. 커버는 캐리지(17)가 상하로 수직으로 병진함에 따라 그들의 코일링된(coiled) 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 코일링된다. 스풀의 스프링-로딩(spring-loading)은 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공함과 동시에, 또한 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 밀폐 시일(tight seal)을 유지시킨다. 커버는 캐리지(17)가 병진함에 따라 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들어 캐리지 인터페이스(19) 내의 브래킷(bracket)을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.

칼럼(14)은 내부적으로, 사용자 입력, 예컨대 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호에 응답하여 기계화된 방식으로 캐리지(17)를 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류(lead screw)를 사용하도록 설계되는, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 포함할 수 있다.

로봇 아암(12)은 일반적으로, 일련의 조인트(24)에 의해 연결되는 일련의 링크장치(linkage)(23)에 의해 분리되는 로봇 아암 기부(21) 및 엔드 이펙터(22)를 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터(actuator)를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어가능한 조인트는 로봇 아암(12)이 이용가능한 독립적인 자유도를 나타낸다. 로봇 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가질 수 있고, 따라서 7 자유도를 제공할 수 있다. 다수의 조인트는 다수의 자유도를 생성하여, "여분의(redundant)" 자유도를 허용한다. 여분의 자유도를 갖는 것은 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤적으로 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시키도록 허용한다. 이는 시스템이 의료 기구를 공간에서 원하는 지점으로부터 위치시키고 지향시키도록 허용함과 동시에, 의사가 아암 충돌을 회피하면서 더 우수한 접근을 생성하기 위해 아암 조인트를 환자로부터 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동시키도록 허용한다.

카트 기부(15)는 바닥 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 로봇 아암(12)의 중량의 균형을 잡는다. 따라서, 카트 기부(15)는 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 구성요소뿐만 아니라, 이동을 가능하게 하고/하거나 카트(11)를 움직이지 못하게 하는 구성요소를 수용한다. 예를 들어, 카트 기부(15)는 절차 전에 카트(11)가 수술실을 용이하게 돌아다니도록 허용하는 롤링가능 휠(rollable wheel)-형상의 캐스터(caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 캐스터(25)는 절차 동안 카트(11)를 제위치로 유지시키기 위해 휠 로크(wheel lock)를 사용하여 움직이지 못하게 될 수 있다.

칼럼(14)의 수직 단부에 위치되어, 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스, 및 수술전 데이터 및 수술중 데이터 둘 모두를 의사 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이 스크린 둘 모두(또는 예를 들어 터치스크린(26)과 같은 이중-목적 장치)를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술전 데이터는 수술전 계획, 수술전 컴퓨터 단층촬영(computerized tomography, CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터(mapping data), 및/또는 수술전 환자 인터뷰로부터의 기록을 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술중 데이터는 도구로부터 제공되는 광학 정보, 센서로부터의 센서 및 좌표 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 바이탈 환자 통계치를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편에 있는 칼럼(14)의 측부로부터 콘솔에 접근하게 허용하도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이러한 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤로부터 콘솔(16)을 작동시키면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 관찰할 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)를 조작하고 안정시키는 것을 보조하기 위한 손잡이(27)를 포함한다.

도 3은 요관경술을 위해 배열된 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 요관경술 절차에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 가로지르도록 설계된 절차-특정적 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경술에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되어 그러한 영역 내의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰과 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 요관경(32)을 위치시키게 허용하도록 테이블의 풋(foot)에 정렬될 수 있다. 테이블의 풋으로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부 내로 직접 삽입할 수 있다.

요도 내로의 삽입 후에, 기관지경술에서와 유사한 제어 기법을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 응용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 내로 내비게이션될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널을 따라 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석술 장치를 사용하여 신장 결석 축적물을 부수기 위해 요관 및 신장 내로 지향될 수 있다. 쇄석술이 완료된 후에, 생성된 결석 파편은 요관경(32)을 따라 전개된 바스켓(basket)을 사용하여 제거될 수 있다.

도 4는 혈관 절차를 위해 유사하게 배열된 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 혈관 절차에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조향가능 카테터(steerable catheter)와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리 내의 대퇴 동맥 내의 접근 지점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 상대적으로 덜 우회하고 사행형인 경로 둘 모두를 나타내며, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경술 절차에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 대퇴부/둔부 영역 내의 대퇴 동맥 접근 지점에 대한 직접적인 선형 접근을 갖는 가상 레일(35)을 제공하게 허용하도록 환자의 다리 및 하복부를 향해 위치될 수 있다. 동맥 내로의 삽입 후에, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시킴으로써 지향되고 삽입될 수 있다. 대안적으로, 카트는, 예를 들어 어깨 및 손목 부근의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 혈관 접근 지점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수 있다.

B. 로봇 시스템 - 테이블.

로봇식 의료 시스템의 실시예는 또한 환자의 테이블을 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내의 자본 장비의 양을 감소시키며, 이는 환자에 대한 더 우수한 접근을 허용한다. 도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 그러한 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 시스템(36)은 바닥 위에서 플랫폼(platform)(38)("테이블" 또는 "베드(bed)"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조물 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트-기반 시스템에서와 매우 유사하게, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터는 기구 드라이버(42)를 포함하며, 이는 도 5의 기관지경(40)과 같은 세장형 의료 기구를 기구 드라이버(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 그를 따라 조작하도록 설계된다. 실제로, 형광투시 이미징(fluoroscopic imaging)을 제공하기 위한 C-아암이 방출기(emitter) 및 검출기(detector)를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.

도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36) 내에 링(ring)-형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 로봇 아암(39)이 그로부터 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 그로부터 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 연장되는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 아암(39)이 예를 들어 환자의 양쪽 측부와 같은 테이블(38)의 다수의 측부에 접근할 수 있도록 허용하기 위해, 칼럼(37) 내에 위치된 기계식 모터를 사용하여 칼럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고, 다른 캐리지와 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러싸거나 심지어 원형일 필요는 없지만, 도시된 바와 같은 링-형상은 구조적 균형을 유지시키면서 칼럼(37)을 중심으로 하는 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은 시스템(36)이 내시경 및 복강경과 같은 의료 기구를 환자 상의 상이한 접근 지점으로 정렬시키도록 허용한다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 시스템(36)은 그 옆으로 연장되는 바아(bar) 또는 레일 형태의 조절가능 아암 지지부를 갖는 환자 테이블 또는 베드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 로봇 아암(39)은 (예컨대, 엘보우 조인트(elbow joint)를 갖는 쇼울더(shoulder)를 통해) 조절가능 아암 지지부에 부착될 수 있고, 이는 수직으로 조절될 수 있다. 수직 조절을 제공함으로써, 로봇 아암(39)은 유리하게는 환자 테이블 또는 베드 아래에 콤팩트하게 적재되고, 후속하여 절차 동안 상승될 수 있다.

로봇 아암(39)은 로봇 아암(39)에 추가의 구성가능성(configurability)을 제공하기 위해 개별적으로 회전하고/하거나 삽통식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트들(45)의 세트를 통해 캐리지 상에 장착될 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 아암 마운트(45)가 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측부 상에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에, 또는 테이블(38)의 인접한 측부들 상에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록 캐리지(43) 상에 위치될 수 있다.

칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지(43)의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 캐리지의 병진을 기계화하기 위한 모터를 구비할 수 있다. 칼럼(37)은 또한 캐리지(43) 및 그 상에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호를 전달할 수 있다.

테이블 기부(46)는 도 2에 도시된 카트(11) 내의 카트 기부(15)와 유사한 기능을 하여, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 더 무거운 구성요소를 수용한다. 테이블 기부(46)는 또한 절차 동안 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터를 통합할 수 있다. 테이블 기부(46)의 저부로부터 전개되어, 캐스터는 기부(46)의 양쪽 측부 상에서 반대 방향들로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때 후퇴될 수 있다.

계속해서 도 6을 참조하면, 시스템(36)은 또한 타워(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이는 테이블의 형태 인자 및 부피(bulk)를 감소시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이에서 분할한다. 이전에 개시된 실시예에서와 같이, 타워는 처리, 컴퓨팅, 및 제어 능력, 전력, 유체장치, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한, 의사 접근을 개선하고 수술실을 정리하기 위해 환자로부터 멀리 위치되도록 이동가능할 수 있다. 추가적으로, 타워 내에 구성요소를 배치하는 것은 로봇 아암(39)의 잠재적인 적재를 위한, 테이블 기부(46) 내의 더 많은 보관 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트(pendant)와 같은, 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술전 및 수술중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 마스터 제어기 또는 콘솔을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 타워는 또한 흡입법(insufflation)을 위해 사용될 가스 탱크를 위한 홀더를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 테이블 기부는 사용하지 않을 때 로봇 아암을 적재 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블-기반 시스템의 일 실시예에서 로봇 아암을 적재하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 아암(50), 아암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 기부(49) 내에 적재하기 위해 기부(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 기부 커버(52)는 병진 및 후퇴되어 개방되어 캐리지(48), 아암 마운트(51), 및 로봇 아암(50)을 칼럼(53) 주위로 전개시킬 수 있고, 사용하지 않을 때 그들을 적재하여 보호하기 위해 폐쇄될 수 있다. 기부 커버(52)는 그의 개구의 에지를 따라 멤브레인(membrane)(54)으로 밀봉되어, 폐쇄될 때 먼지 및 유체 유입을 방지할 수 있다.

도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 요관경술에서, 테이블(38)은 환자를 칼럼(37) 및 테이블 기부(46)로부터 벗어난 각도로 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 피봇 지점(예컨대, 환자의 머리 아래에 위치됨)을 중심으로 회전 또는 피봇할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 피봇팅(pivoting)은 C-아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경합함이 없이 환자의 하복부 위에 위치되도록 허용한다. 캐리지(35)(도시되지 않음)를 칼럼(37)을 중심으로 회전시킴으로써, 로봇 아암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 환자의 서혜부 영역 내로 직접 삽입하여 요도에 도달하게 할 수 있다. 요관경술에서, 스터럽(stirrup)(58)이 또한 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정되어, 절차 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 서혜부 영역에 대한 명확한 접근을 허용할 수 있다.

복강경술 절차에서, 환자의 복벽 내의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구가 환자의 해부학적 구조 내로 삽입될 수 있다. 일부 실시예에서, 최소 침습 기구는 환자 내의 해부학적 구조에 접근하는 데 사용되는, 샤프트와 같은 세장형 강성 부재를 포함한다. 환자의 복강의 팽창 후에, 기구는 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 수술 또는 의료 작업을 수행하도록 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 기구는 복강경과 같은 스코프(scope)를 포함할 수 있다. 도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 아암들(39)의 쌍을 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치시키도록 회전되고 수직으로 조절될 수 있어서, 기구(59)가 환자의 양쪽 측부 상의 최소 절개부로 통과되어 그/그녀의 복강에 도달하도록 아암 마운트(45)를 사용하여 위치될 수 있게 한다.

복강경술 절차를 수용하기 위해, 로봇식 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 원하는 각도로 틸팅되게 할 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조절을 갖는 로봇식 의료 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블(38)의 틸트를 수용하여, 테이블의 하나의 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 큰 거리를 두고 위치시킬 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는 틸트와 일치하도록 회전할 수 있어서, 로봇 아암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지시키게 한다. 더 급격한 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 칼럼(37)의 수직 연장이 테이블(38)이 바닥에 닿거나 테이블 기부(46)와 충돌하지 않게 하도록 허용하는 삽통 부분(60)을 포함할 수 있다.

도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축(1, 2)의 위치설정에 의해 가능해질 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 별개의 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서의 틸트 조절을 가능하게 할 것인 한편, 다른 하나의 스크류(6)를 따른 회전은 다른 하나의 축(2)을 따른 틸트 조절을 가능하게 할 것이다. 일부 실시예에서, 볼 조인트(ball joint)가 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 사용될 수 있다.

예를 들어, 피치 조절은, 하복부 수술을 위해, 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg position)로 위치시키려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 상복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 위치시키려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내부 장기가 중력을 통해 그/그녀의 상복부를 향해 미끄러지게 하여, 최소 침습 도구가 들어가서 복강경 전립선절제술과 같은 하복부 수술 또는 의료 절차를 수행할 복강을 비운다.

C. 기구 드라이버 및 인터페이스.

시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터는 (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 장치 조작기"로 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 임의의 전기-기계 구성요소가 없을 수 있는 제거가능 또는 탈착가능 의료 기구를 포함한다. 이러한 이분법은 의료 절차에 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 그들의 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절하게 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수 있다. 따라서, 의료 기구는 의사 또는 의사의 스태프에 의한 개별적인 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 탈착, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없고, 보호를 위해 드레이핑될(draped) 수 있다.

도 12는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 위치되어, 기구 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축으로 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)으로 구성된다. 각각의 구동 유닛(63)은 기구와 상호작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 원하는 토크로 변환시키기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로부에 피드백을 제공하기 위한 인코더(encoder)(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)이 독립적으로 제어되고 동력화되기 때문에, 기구 드라이버(62)는 의료 기구에 다수의(도 12에 도시된 바와 같이 4개의) 독립적인 구동 출력부를 제공할 수 있다. 작동 시에, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신할 것이고, 모터(66)에 모터 신호를 전송할 것이며, 인코더(67)에 의해 측정된 바와 같은 생성된 모터 속도를 원하는 속도와 비교할 것이고, 모터 신호를 변조하여 원하는 토크를 생성할 것이다.

멸균 환경을 필요로 하는 절차의 경우, 로봇 시스템은 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 있는, 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결된 멸균 어댑터(sterile adapter)와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 멸균 어댑터의 주된 목적은 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각도 운동을, 구동 샤프트와 구동 입력부 사이의 물리적 분리, 및 그에 따라 멸균을 유지시키면서, 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구 상의 구동 입력부와 정합되도록 의도되는 일련의 회전 입력부 및 출력부로 구성될 수 있다. 멸균 어댑터에 연결되어, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같은 얇은 가요성 재료로 구성된 멸균 드레이프는 기구 드라이버, 로봇 아암, (카트-기반 시스템 내의) 카트 또는 (테이블-기반 시스템 내의) 테이블과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비-멸균 영역) 내에 여전히 위치되면서 환자에게 근접하게 위치되도록 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 하나의 측부 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 영역)에서 환자와 인터페이스할 수 있다.

D. 의료 기구.

도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 본체) 및 기구 기부(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호작용을 위한 그의 의도된 설계로 인해 "기구 손잡이"로 또한 지칭되는 기구 기부(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 정합되도록 설계되는 회전가능 구동 입력부(73), 예컨대 리셉터클(receptacle), 풀리 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래칭(latched), 및/또는 결합될 때, 기구 기부(72)의 정합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75) 내의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여, 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로의 토크의 전달을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 정합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수 있다.

세장형 샤프트(71)는, 예컨대 내시경술에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강, 또는 예컨대 복강경술에서와 같이, 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(71)는 가요성(예컨대, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강성(예컨대, 복강경과 유사한 특성을 가짐)이거나 가요성 부분 및 강성 부분 둘 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경술을 위해 설계될 때, 강성의 세장형 샤프트의 원위 단부는, 적어도 1의 자유도를 갖는 클레비스(clevis)로부터 형성되는 조인트식 리스트(jointed wrist)로부터 연장되는 엔드 이펙터, 및 구동 입력부가 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 응답하여 회전함에 따라 텐돈(tendon)으로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는, 예를 들어 파지기 또는 가위와 같은 수술 도구 또는 의료 기구에 연결될 수 있다. 내시경술을 위해 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 기초하여 관절운동되고 구부러질 수 있는 조향가능 또는 제어가능 굽힘 섹션을 포함할 수 있다.

기구 드라이버(75)로부터의 토크는 세장형 샤프트(71)를 따른 텐돈을 사용하여 세장형 샤프트(71)를 따라 전달된다. 풀 와이어와 같은 이들 개별 텐돈은 기구 손잡이(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 손잡이(72)로부터, 텐돈은 세장형 샤프트(71)를 따른 하나 이상의 풀 루멘(pull lumen)을 따라 지향되고, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에, 또는 세장형 샤프트의 원위 부분에 있는 리스트 내에 고정된다. 복강경술, 내시경술 또는 하이브리드 절차와 같은 수술 절차 동안, 이들 텐돈은 리스트, 파지기, 또는 가위와 같은 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈에 장력을 전달하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 일정 방식으로 작동하게 할 것이다. 일부 실시예에서, 수술 절차 동안, 텐돈은 조인트가 축을 중심으로 회전하게 하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 하나의 방향 또는 다른 방향으로 이동하게 할 수 있다. 대안적으로, 텐돈은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 파지기의 하나 이상의 조오에 연결될 수 있으며, 여기에서 텐돈으로부터의 장력은 파지기가 폐쇄되게 한다.

내시경술에서, 텐돈은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 (예컨대, 원위 단부에서) 세장형 샤프트(71)를 따라 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정식으로 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈을 따라 전달되어, 더 연질인 굽힘 섹션(때때로 관절운동가능 섹션 또는 영역으로 지칭됨)이 구부러지거나 관절운동하게 할 것이다. 비-굽힘 섹션을 따라, 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 그 내측에서) 개별 텐돈을 지향시키는 개별 풀 루멘을 나선형화 또는 나선화하여, 풀 와이어의 장력으로부터 발생하는 반경방향 힘의 균형을 잡는 것이 유리할 수 있다. 나선(spiraling)의 각도 및/또는 그들 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경 또는 조작될 수 있으며, 여기에서 더 조밀한 나선은 하중 힘 하에서의 더 작은 샤프트 압축을 나타내는 한편, 더 적은 양의 나선은 하중 힘 하에서의 더 큰 샤프트 압축을 가져오지만, 굽힘을 제한한다. 스펙트럼의 다른 단부 상에서, 풀 루멘은 원하는 굽힘 또는 관절운동가능 섹션에서의 제어된 관절운동을 허용하기 위해 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.

내시경술에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 절차를 보조하기 위한 다수의 구성요소를 수용한다. 샤프트(71)는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구(또는 의료 기구), 관주, 및/또는 흡인을 전개시키기 위한 작업 채널로 구성될 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 광학 카메라를 포함할 수 있는, 원위 팁(distal tip)에 있는 광학 조립체로/그로부터 신호를 전달하기 위한 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근위에 위치된 광원으로부터 샤프트(71)의 원위 단부로 광을 전달하기 위한 광섬유를 수용할 수 있다.

기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한, 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수 있다. 원위 팁은 또한, 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위한, 섬유경 또는 디지털 카메라와 같은 카메라를 위한 포트를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 원위 팁은 또한, 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트를 포함할 수 있다.

도 13의 예에서, 구동 샤프트 축, 및 그에 따라 구동 입력부 축은 세장형 샤프트(71)의 축에 직교한다. 그러나, 이러한 배열은 세장형 샤프트(71)에 대한 롤(roll) 능력을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지시키면서 세장형 샤프트(71)를 그의 축을 따라 롤링시키는 것은 텐돈이 구동 입력부(73)로부터 연장되고 세장형 샤프트(71) 내의 풀 루멘에 들어감에 따라 텐돈의 바람직하지 않은 엉킴을 야기한다. 그러한 텐돈의 결과적인 엉킴은 내시경술 절차 동안 가요성의 세장형 샤프트(71)의 이동을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수 있다.

도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 원형 기구 드라이버(80)는 그들의 구동 출력부(81)가 로봇 아암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)는 기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83) 내에 수용되며, 이는 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기구 드라이버의 비-회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호가 기구 드라이버(80)의 비-회전 부분(84)으로부터, 브러시형 슬립 링 연결부(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접촉부를 통해 회전 조립체(83)로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 비-회전가능 부분(84) 내에 통합되어, 그에 따라 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기구 드라이버(80)가 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키도록 허용한다.

이전에 개시된 실시예와 마찬가지로, 기구(86)는 세장형 샤프트 부분(88), 및 기구 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 기구 기부(87)(논의 목적을 위해 투명 외부 스킨으로 도시됨)를 포함할 수 있다. 이전에 개시된 실시예와 달리, 기구 샤프트(88)는 축이 도 13의 설계에서와 같이 직교하기보다는 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 상태로 기구 기부(87)의 중심으로부터 연장된다.

기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기구 기부(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 회전 조립체(83)와 조합하여 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 기부(87)의 중심에 위치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착될 때 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 조립체(83)의 회전은 기구 샤프트(88)가 그 자체의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 더욱이, 기구 기부(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 기부(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결된 임의의 텐돈은 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은 임의의 제어 텐돈을 엉키게 하지 않고서 샤프트 회전을 허용한다.

E. 내비게이션 및 제어.

전통적인 내시경술은 (예컨대, C-아암을 통해 전달될 수 있는 바와 같은) 형광투시법 및 다른 형태의 방사선-기반 이미징 기법의 사용을 수반하여, 조작자 의사에게 관내 안내를 제공할 수 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은 비-방사선-기반 내비게이션 및 위치결정 수단을 제공하여, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 장비의 양을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "위치결정"은 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 수술전 매핑, 컴퓨터 비전(computer vision), 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기법은 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 방사선-기반 이미징 기법이 여전히 사용되는 다른 경우에, 수술전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터는 방사선-기반 이미징 기법만을 통해 획득된 정보를 개선하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.

도 15는 예시적인 실시예에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(90)을 예시한 블록도이다. 위치결정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 장치들의 세트일 수 있다. 컴퓨터 장치는 위에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 위치결정 시스템(90)은 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하도록 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치결정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임(frame of reference)에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 논리일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 알려진 물체, 예컨대 EM 필드 발생기(EM 필드 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)에 대한 기준 프레임일 수 있다.

이제, 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 더 상세히 기술된다. 수술전 매핑은 저 선량 CT 스캔의 집합의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되며, 이는, 예컨대 환자의 내부 해부학적 구조의 절결도의 "슬라이스(slice)"로서 시각화된다. 전체적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 공동, 공간 및 구조에 대한 이미지-기반 모델이 생성될 수 있다. 중심선 기하학(center-line geometry)과 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정되고 근사화되어, 모델 데이터(91)로 지칭되는(수술전 CT 스캔만을 사용하여 생성될 때 "수술전 모델 데이터"로 또한 지칭됨), 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨(three-dimensional volume)을 개발할 수 있다. 중심선 기하학의 사용은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의된다. 네트워크 위상 모델(network topological model)이 또한 CT-이미지로부터 도출될 수 있으며, 기관지경술에 특히 적절하다.

일부 실시예에서, 기구는 비전 데이터(또는 이미지)(92)를 제공하기 위한 카메라를 구비할 수 있다. 위치결정 모듈(95)은 하나 이상의 비전-기반(또는 이미지-기반) 위치 추적 모듈 또는 특징부를 가능하게 하도록 비전 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터는 비전 데이터(92)와 함께 사용되어 의료 기구의 컴퓨터 비전-기반 추적을 가능하게 할 수 있다(예컨대, 내시경 전진 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진). 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상 이동 경로에 기초하여 모델로부터 예상 내시경 이미지의 라이브러리(library)를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 일정 위치에 링크된다. 수술중에, 이러한 라이브러리는, 카메라(예컨대, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하여 위치결정을 보조하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.

다른 컴퓨터 비전-기반 추적 기법은 특징부 추적(feature tracking)을 사용하여 카메라, 및 그에 따라 내시경의 운동을 결정한다. 위치결정 모듈(95)의 일부 특징부는 해부학적 내강에 대응하는 수술전 모델 데이터(91) 내의 원형 기하학적 구조를 식별하고 그들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 내강이 선택되었는지뿐만 아니라 카메라의 상대 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 위상 맵(topological map)의 사용은 비전-기반 알고리즘 또는 기법을 추가로 향상시킬 수 있다.

다른 컴퓨터 비전-기반 기법인 광학 흐름(optical flow)은 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석하여 카메라 이동을 추론할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출(motion detection), 객체 분할 계산(object segmentation calculation), 휘도(luminance), 모션 보상 인코딩(motion compensated encoding), 스테레오 디스패리티 측정(stereo disparity measurement) 등을 포함할 수 있다. 다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 이동 및 위치가 결정될 수 있다.

위치결정 모듈(95)은 수술전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 정합될 수 있는 전역 좌표계에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예컨대, 내시경 도구) 내에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일로 구성되는 EM 센서(또는 추적기)가 알려진 위치에 위치된 하나 이상의 정적 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드의 변화를 측정한다. EM 센서에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 발생기(또는 전송기)는 내장된 센서가 검출할 수 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에 소전류(small current)를 유도하며, 이는 EM 센서와 EM 필드 발생기 사이의 거리 및 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델 내의 위치와 정렬시키는 기하학적 변환을 결정하기 위해 수술중에 환자 해부학적 구조(예컨대, 수술전 모델)에 "정합될" 수 있다. 일단 정합되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예컨대, 내시경의 원위 팁)에 있는 내장된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시를 제공할 수 있다.

로봇 명령 및 운동학(kinematics) 데이터(94)가 또한 위치결정 모듈(95)에 의해 사용되어, 로봇 시스템에 대한 위치결정 데이터(96)를 제공할 수 있다. 관절운동 명령으로부터 발생하는 장치 피치 및 요(yaw)는 수술전 보정 동안 결정될 수 있다. 수술중에, 이들 보정 측정치는 알려진 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용되어 기구의 위치를 추정할 수 있다. 대안적으로, 이들 계산치는 EM, 비전, 및/또는 위상 모델링과 조합하여 분석되어 네트워크 내의 의료 기구의 위치를 추정할 수 있다.

도 15가 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시되어 있지 않지만, 형상-감지 섬유를 이용하는 기구가, 위치결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하는 데 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.

위치결정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합(들)으로 사용할 수 있다. 일부 경우에, 그러한 조합은 위치결정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰 가중치(confidence weight)를 할당하는 확률적 접근법(probabilistic approach)을 사용할 수 있다. 따라서, (EM 간섭이 있는 경우 그러할 수 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰가능하지 않을 수 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도가 감소될 수 있고, 위치결정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 더 많이 의존할 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 위의 기법들 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 베드 및/또는 카트에 기반한 로봇 시스템의 컴퓨터-기반 제어 시스템은 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수 있으며, 이는, 실행 시에, 시스템으로 하여금 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하고, 전역 좌표계, 해부학적 맵 등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치결정 데이터를 디스플레이하게 한다.

2. 고출력 기구를 가진 로봇식 의료 시스템

전술된 시스템과 같은 로봇식 의료 시스템은 이 섹션에 기술된 바와 같은 고출력 기구를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 고출력 기구는 기구의 구조에 의해 입력이 증폭되어 증폭된 출력을 생성하는 기계적 확대율을 생성하도록 구성되는 엔드 이펙터(예컨대, 파지기, 그리퍼(gripper), 절단기 등)를 포함하는 기구를 지칭할 수 있다. 일부 실시예에서, 힘 입력은 증폭되어 힘 입력보다 큰 힘 출력을 생성한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 고출력 기구가 파지기로서 구성되는 엔드 이펙터를 포함하고, 고출력 기구는 입력 힘(예컨대, 기구의 풀 와이어에 인가되는 힘)이 증폭되어 파지기의 조오에서의 출력 힘이 입력 힘보다 크도록 구성된다. 일부 실시예에서, 고출력 기구는 기계적 확대율이 없는 경우보다 훨씬 더 큰 출력을 달성할 수 있는 기계적 확대율을 제공하는 신규한 구조를 포함한다. 일부 실시예에서, 고출력 기구는 전술된 바와 같은 로봇 제어식 기구이다.

본 명세서에 기술된 예들 중 많은 것에서, 고출력 기구의 엔드 이펙터는 풀 와이어로 작동된다. 풀 와이어는 기구 내에서 풀리 둘레에 감길 수 있다. 일부 실시예에서, 고출력 기구는 리스트 구성에서 단순한 풀리 구동보다 높은 힘을 출력할 수 있다. 예를 들어, 고출력 기구는 2 대 1, 3 대 1, 4 대 1, 5 대 1, 또는 10 대 1의 기계적 확대율을 제공할 수 있다. 다른 기계적 확대율이 또한 가능하다.

도면에 예시되고 후술되는 실시예들 중 많은 것에서, 고출력 기구는 고출력 파지기(high force grasper)이다. 그러나, 높은 힘을 얻도록 구성되는 본 명세서에 기술된 메커니즘은 특히 클리핑(clipping) 및 절단 기구를 포함하는 다른 유형의 기구에 또한 적용될 수 있다.

A. 고출력 엔드 이펙터(High Force End Effector)를 가진 예시적인 기구

도 16a는 고출력 기구(100)의 일 실시예의 측면도를 예시한다. 아래에서 논의될 바와 같이, 기구(100)는 예를 들어 입력 힘을 증폭시켜 증가된 출력 힘을 생성할 수 있는 기계적 확대율을 제공하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 기구(100)는 세장형 샤프트(102) 및 손잡이(104)를 포함한다. 세장형 샤프트(102)는 원위 단부와 근위 단부 사이에서 연장된다. 예시된 실시예에서 파지기로서 구성되는 엔드 이펙터(108)가 세장형 샤프트(102)의 원위 단부에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 예시된 바와 같이, 엔드 이펙터(108)는 리스트(106)에 의해 세장형 샤프트(102)의 원위 단부에 연결된다. 리스트(106)는 기구(100)에 대한 1 이상의 자유도를 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 리스트(106)는 2 자유도 리스트일 수 있다. 예로서, 2 자유도 리스트는 엔드 이펙터(108)가 피치 축 및 요 축을 중심으로 피봇 또는 회전하도록 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 리스트(106)는 0 자유도를 제공하도록 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 리스트(106)는 1, 2, 3, 또는 그보다 많은 자유도를 허용할 수 있다. 리스트(106) 및 엔드 이펙터(108)의 예시적인 실시예가 추가로 후술되는 도 16b에 더 상세히 도시되어 있다.

도 16a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 기구(100)는 손잡이(104)를 포함한다. 손잡이(104)는 전술된, 예를 들어 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같은 기구 구동 메커니즘에 연결하도록 구성될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 기구(100)는 엔드 이펙터(108)와 손잡이(104) 사이에서 세장형 샤프트(102)를 따라(예컨대, 그를 통해 또는 그 상에서) 연장되는 하나 이상의 텐돈, 케이블, 또는 풀 와이어를 포함할 수 있다. 손잡이(104)는 기구 구동 메커니즘이 풀 와이어를 작동시키도록(예컨대, 인장시키거나 당기도록) 허용하는 기구 구동 메커니즘 상의 하나 이상의 구동 출력부(도 14 참조)와 맞물리도록 구성되는 하나 이상의 구동 입력부를 포함할 수 있다. 풀 와이어를 작동시키는 것은 엔드 이펙터(108)의 운동을 유발하여 엔드 이펙터(108)의 원격 조작 및 제어를 허용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 풀 와이어의 작동은 엔드 이펙터(108)의 조오가 개방 및 폐쇄되게 하고/하거나 엔드 이펙터(108)가 피치 또는 요 축을 중심으로 회전하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 기구 구동 메커니즘은 로봇 아암 상에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 아암은 기구(100)를 위치, 롤링, 전진, 및/또는 후퇴시키도록 제어될 수 있다.

도 16a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(102)는 손잡이(104)를 통해 연장된다. 그러한 실시예에서, 세장형 샤프트(102)는 손잡이(104)에 대해 전진 또는 후퇴하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 기구 구동 메커니즘은 세장형 샤프트(102)가 손잡이(104)에 대해 전진 또는 후퇴하게 하도록 구성된다. 이는 예를 들어 세장형 샤프트(102) 및 엔드 이펙터(108)가 절차 동안 환자 내로 전진되는 상태에서 손잡이(104)가 고정되어 유지되도록 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(102)의 근위 단부는 세장형 샤프트(102)가 엔드 이펙터(108)와 손잡이(104) 사이에서만 연장되도록 손잡이(104)에 부착된다.

도 16b는 기구(100)의 원위 단부의 상세도를 예시하고, 리스트(106) 및 엔드 이펙터(108)의 일 실시예를 도시한다. 예시된 실시예에서, 엔드 이펙터(108)는 파지기 또는 그리퍼로서 구성되지만, 다른 유형의 엔드 이펙터(예컨대, 절단기 또는 스니퍼(snipper))가 가능하다. 엔드 이펙터(108)는 제1 그립(grip) 또는 조오 부재(118) 및 제2 그립 또는 조오 부재(120)를 포함한다. 조오 부재들(118, 120) 사이의 각도는 엔드 이펙터(108)를 작동시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 조오 부재(118, 120)는 개방 및 폐쇄될 수 있다.

예시된 실시예에서, 리스트(106)는 2 자유도 리스트이지만, 위에서 언급된 바와 같이, 리스트(106)는 다른 실시예에서 다른 수의 자유도를 제공할 수 있다. 예시된 2 자유도 리스트(106)는 엔드 이펙터(108)가 제1 축(110) 및 제2 축(112)을 중심으로 피봇하는 것을 허용하도록 구성된다. 예시된 구성에서, 제2 축(112)은 페이지의 평면 내외로 연장된다. 제1 축(110) 및 제2 축(112)은 직교할 수 있다. 일부 실시예에서, 기구(100)에 대해, 제1 축(110)은 피치 축일 수 있고, 제2 축(112)은 요 축일 수 있다.

일부 실시예에서, 기구(100)는 풀리(114) 및 풀리(116)를 포함한다. 일부 실시예에서, 풀리(114) 및/또는 풀리(116)는 기구(100)의 일부, 리스트(106)의 일부, 및/또는 엔드 이펙터(108)의 일부로 고려될 수 있다. 예시된 바와 같이, 풀리(114)는 제1 축(110)을 중심으로 회전하도록 구성되고, 풀리(116)는 제2 축(112)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 예시되어 있지 않지만, 세장형 샤프트(102)를 따라 연장되는 풀 와이어는 풀리(114) 및 풀리(116)와 맞물리도록 위치될 수 있다. 엔드 이펙터(108)는 어느 풀 와이어가 작동되는지에 따라 제어(예컨대, 개방, 폐쇄, 제1 축(110)을 중심으로 회전, 및/또는 제2 축(112)을 중심으로 회전)될 수 있다.

일부 실시예에서, 세장형 샤프트(102), 리스트(106), 및 엔드 이펙터(108)는 복강경술 또는 내시경술 절차와 같은 최소 침습 절차 동안 환자 내로 삽입되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(102), 리스트(106), 및 엔드 이펙터(108)는 약 14 mm 이하, 약 12 mm 이하, 또는 약 10 mm 이하의 직경 또는 길이를 갖는 작은 절개부 또는 다른 수술 포트를 통해 삽입되도록 구성된다. 따라서, 일부 실시예에서, 세장형 샤프트(102), 리스트(106), 및 엔드 이펙터(108)의 최대 직경 또는 두께는 약 14 mm, 12 mm, 또는 10 mm이거나 그 미만일 수 있다. 다른 크기가 또한 가능하다. 본 명세서에 기술된 고출력 기구는 또한 개복 수술과 같은 비-최소 침습 절차를 위해 사용될 수 있다.

(예를 들어, 최소 침습 절차에 사용가능하게 하기 위한) 세장형 샤프트(102), 리스트(106), 및 엔드 이펙터(108)의 협소함(narrowness)으로 인해, 기계적 확대율을 제공하도록 기구(100)를 구성하는 구조를 제공하는 것이 어려울 수 있다. 예를 들어, 작은 직경 또는 두께는 힘이 원위 그리핑(gripping), 클리핑 및 절단 장치로 그것을 통해 전달될 수 있는 모멘트 아암(moment arm)을 제한할 수 있다. 제한된 모멘트 아암에 의해, 증폭된 출력 및 기계적 확대율을 얻는 것이 어려울 수 있다. 그러나, (예를 들어, 도 17a 내지 도 20d를 참조하여) 더 상세히 후술될 바와 같이, 본 명세서에 기술된 기구(100)는 유리하게는 최소 침습 절차에 적합하게 유지되면서 기계적 확대율을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 기구(100)는 기구(100)에 대한 작은 전체 직경을 유지하면서 더 낮은 작동력에서 더 높은 그리핑력 및 절단력을 허용할 수 있는 원위 힘 증폭 메커니즘을 포함할 수 있다. 기계적 확대율을 제공하도록 기구(100)를 구성하는 기구(100)의 다양한 특징부가 이제 도 17a 내지 도 20d를 참조하여 기술될 것이다.

도 17a 및 도 17b는 기계적 확대율을 제공하도록 구성되는 고출력 기구(100)의 일 실시예의 구성요소를 예시한다. 도 17a는 개방 위치에 있는 기구(100)를 예시하고, 도 17b는 폐쇄 위치에 있는 기구(100)를 예시한다. 이러한 실시예에서, 기구(100)는 기계적 확대율을 제공하도록 배열되는 제1 조오 부재(118), 제2 조오 부재(120), 제1 풀리(122), (제1 풀리(122) 후방의) 제2 풀리(124), 및 링크(126)를 포함한다. 제1 풀리(122) 및 제2 풀리(124)는 위에서 언급된 풀리(116)일 수 있다.

예시된 바와 같이, 제1 조오 부재(118)의 근위 단부가 제1 풀리(122)에 연결된다. 제1 조오 부재(118)의 근위 단부는 제1 구동 핀(128)에 의해 제1 풀리(122)에 연결될 수 있다. 제1 구동 핀(128)은 제1 조오 부재(118) 또는 제1 풀리(122)와 일체로 형성될 수 있거나, 별개의 구성요소(예컨대, 제1 조오 부재(118) 및 제1 풀리(122) 둘 모두에서 개구를 통해 연장되는 로드(rod))일 수 있다. 도 17a 및 도 17b에서 보이지 않지만, 제2 조오 부재(120)의 근위 단부가 제2 풀리(124)에 연결된다. 제2 조오 부재(120)의 근위 단부는 제2 구동 핀(130)에 의해 제2 풀리(124)에 연결될 수 있다(도 17a 및 도 17b에서 보이지 않지만, 예를 들어 도 24f 내지 도 24h 참조). 제1 구동 핀(128)과 유사하게, 제2 구동 핀(130)은 제2 조오 부재(120) 또는 제2 풀리(124)와 일체로 형성될 수 있거나, 별개의 구성요소(예컨대, 제2 조오 부재(120) 및 제2 풀리(124) 둘 모두에서 개구를 통해 연장되는 로드)일 수 있다. 제1 및 제2 구동 핀(128, 130)은 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)가 각각 제1 및 제2 풀리(122, 124)에 대해 회전하도록 허용할 수 있다.

근위 단부 반대편에서, 제1 조오 부재(118) 및 제2 조오 부재(120)의 원위 단부는 각각 엔드 이펙터(108)의 구성요소로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 조오 부재(118) 및 제2 조오 부재(120)의 원위 단부는 각각 그리핑 조오 부재, 파지 조오 부재, 절단 조오 부재, 클리핑 조오 부재 등으로서 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 엔드 이펙터(108)는 그리핑 및 절단과 같은 다수의 기능을 제공하는 조합형 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 기구(100)의 엔드 이펙터(108)가 작동될 때, 제1 조오 부재(118) 및 제2 조오 부재(120)의 원위 단부는 엔드 이펙터(108)가 폐쇄될 때 서로 상호작용(예컨대, 접촉)하여 엔드 이펙터 기능(예컨대, 그리핑 또는 절단)을 제공할 수 있다.

기구(100)는 링크(126)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 링크(126)는 구속부(예컨대, 링크 구속부 또는 바아 구속부)로 고려될 수 있다. 링크(126)는 제1 조오 부재(118)가 그것을 중심으로 피봇할 수 있는 (예컨대, 제1 링크 핀(132)에서의) 제1 피봇 지점 및 제2 조오 부재(120)가 그것을 중심으로 피봇할 수 있는 (예컨대, 제2 링크 핀(134)에서의) 제2 피봇 지점을 제공하여 엔드 이펙터(108)가 개방 및 폐쇄되는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 제1 및 제2 피봇 지점은 이중 피봇부 또는 이중 피봇 지점으로 지칭될 수 있다. 예시된 실시예에서, 링크(126)는 제1 조오 부재(118)와 제2 조오 부재(120) 사이에서 연장되는 바아를 포함하지만, 다른 실시예에서, 링크(126)는 상이한 구성을 가질 수 있다(예를 들어, 도 25a 내지 도 25h에 도시된 실시예에서, 링크(126)는 피봇 지점을 제공하는 베어링 표면(192, 194)을 포함하는 하우징(190)을 포함함).

예시된 실시예에서, 링크(126)는 제1 단부 상에서 제1 링크 핀(132)에 의해 제1 조오 부재(118)에 연결된다. 제1 링크 핀(132)은 제1 조오 부재(118) 또는 링크(126)와 일체로 형성될 수 있거나, 별개의 구성요소(예컨대, 제1 조오 부재(118) 및 링크(126) 둘 모두에서 개구를 통해 연장되는 로드)일 수 있다. 제1 링크 핀(132)은 제1 조오 부재(126)가 링크(126)에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 링크(126)는 제2 단부 상에서 제2 링크 핀(134)에 의해 제2 조오 부재(120)에 연결된다. 제2 링크 핀(134)은 제2 조오 부재(120) 또는 링크(126)와 일체로 형성될 수 있거나, 별개의 구성요소(예컨대, 제2 조오 부재(120) 및 링크(126) 둘 모두에서 개구를 통해 연장되는 로드)일 수 있다. 제2 링크 핀(134)은 제2 조오 부재(126)가 링크(126)에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예시된 실시예에서, 링크(126)는 제1 링크 핀(132)에서의 제1 피봇 지점 및 제2 링크 핀(134)에서의 제2 피봇 지점을 제공한다.

링크(126)는 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)의 근위 단부와 원위 단부 사이에서 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)에 (예를 들어, 제1 및 제2 링크 핀(132, 134)에 의해) 연결될 수 있다. 아래에서 논의될 바와 같이, 링크(126)의 위치뿐만 아니라, 제1 및 제2 피봇 지점들 사이의 거리는 기구(100)에 의해 제공되는 기계적 확대율을 변화시키도록 조절될 수 있다(예를 들어, 후술되는 도 20a 내지 도 20d 참조).

도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에 대해, 제1 풀리(122)는 풀리 축(112)(이는 도 16b의 제2 축(112)일 수 있음)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 풀리 축(112)은 중심 축이다. 예시된 실시예에서, 풀리 축(112)은 페이지의 평면 내외로 연장된다. 유사하게, 제2 풀리(124)는 풀리 축(112)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제1 풀리(122) 및 제2 풀리(124)의 축들은 실질적으로 정렬될 수 있다. 제1 풀리(122) 및 제2 풀리(124)는 각각이 자유롭게 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 풀리(122)의 회전은 제2 풀리(124)의 회전과 독립적일 수 있다. 예를 들어, 제1 풀리(122)는 (예컨대, 시계 방향 또는 반시계 방향으로) 회전할 수 있는 한편, 제2 풀리(124)는 고정되어 유지되고(또는 그 반대로도 가능함), 또는 제1 풀리(122)는 제1 방향(예컨대, 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 하나)으로 회전할 수 있는 한편, 제2 풀리(124)는 제2 방향(예컨대, 시계 방향 또는 반시계 방향 중 다른 하나)으로 회전한다.

제1 구동 핀(128)은 풀리 축(112)으로부터의 (도 17a에 파선으로 예시된) 반경 또는 거리(136)에서 제1 풀리(122)에 연결되거나 그 상에 위치될 수 있다. 도 17a 및 도 17b에서 보이지 않지만, 제2 구동 핀(130)은 풀리 축(112)으로부터의 반경 또는 거리(136)에서 제2 풀리(124)에 연결되거나 그 상에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 풀리(122)에 대한 거리(136)는 제2 풀리(124)에 대한 거리(136)와 동일할 수 있지만, 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다. 아래에서 논의될 바와 같이, 거리(136)는 기구(100)에 의해 제공되는 기계적 확대율을 변화시키도록 조절될 수 있다(예를 들어, 후술되는 도 20a 내지 도 20d 참조).

풀리 축(112)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 제1 풀리(122)의 회전을 유발하도록 작동될(예컨대, 당겨질) 수 있는 하나 이상의 풀 와이어가 제1 풀리(122)와 맞물릴 수 있다. 유사하게, 풀리 축(112)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 제2 풀리(124)의 회전을 유발하도록 작동될(예컨대, 당겨질) 수 있는 하나 이상의 풀 와이어가 제2 풀리(124)와 맞물릴 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 풀리(122, 124)는 예를 들어 (후술되는) 도 21에 도시된 바와 같이, α-감김(wrap) 구성으로 풀 와이어로 감긴다.

위에서 언급된 바와 같이, 풀 와이어는 기구(100)의 엔드 이펙터(108)를 작동시키도록 당겨지거나 인장될 수 있다. 예를 들어, 제1 풀리(122) 및 제1 조오 부재(118)를 먼저 고려하면, 제1 풀리(122)와 맞물린 풀 와이어가 제1 풀리(122)가 풀리 축(112)을 중심으로 회전하게 하도록 작동될 수 있다. 제1 풀리(122)의 회전은 제1 구동 핀(128)을 통해 제1 조오 부재(118)로 전달된다. 예를 들어, 도 17a를 고려하면, 제1 풀리(122)가 시계 방향으로 회전될 때, 제1 구동 핀(128)은 제1 조오 부재(118)의 근위 단부가 좌측으로(예를 들어, 도 17b에 도시된 위치를 향해) 이동하게 한다. 제1 조오 부재(118)의 근위 단부가 제1 풀리(122)의 회전에 의해 이동됨에 따라, 제1 조오 부재(118)는, 예시된 실시예에서 제1 링크 핀(132)인 링크(126)에 의해 제공되는 제1 피봇 지점을 중심으로 피봇한다. 제1 풀리(122)가 시계 방향으로 회전되는 예를 계속 참조하면, 제1 조오 부재(118)의 이러한 운동은 제1 조오 부재(118)의 원위 단부가 제2 조오 부재의 원위 단부를 향해 이동하게 한다(예컨대, 기구(100)의 엔드 이펙터(108)를, 예를 들어 도 17b에 도시된 위치로 폐쇄시킴). 반대로, 반시계 방향으로의 제1 풀리(122)의 회전은 제1 조오 부재(118)의 근위 단부가 우측으로 이동하게 하고, 이는 제1 조오 부재(118)를 제1 피봇 지점을 중심으로 반대 방향으로 회전시켜, 제1 조오 부재(118)의 원위 단부가 제2 조오 부재(120)의 원위 단부로부터 멀어지게 이동하게 한다(기구(100)의 엔드 이펙터(108)를 개방시킴).

제2 풀리(124) 및 제2 조오 부재(120)는 제2 풀리(124)의 회전 시에 유사한 운동을 제공할 수 있다. 많은 경우에, 제2 풀리(124)는 제1 풀리(122)와 반대 방향으로 회전되지만, 이는 항상 그러할 필요는 없다. 예를 들어, 제2 풀리(124)와 맞물린 풀 와이어가 제2 풀리(124)가 풀리 축(112)을 중심으로 회전하게 하도록 작동될 수 있다. 제2 풀리(124)의 회전은 제2 구동 핀(130)을 통해 제2 조오 부재(120)로 전달된다. 예를 들어, 제2 풀리(124)가 반시계 방향으로 회전될 때, 제2 구동 핀(130)은 제2 조오 부재(120)의 근위 단부가 우측으로 이동하게 한다. 제2 조오 부재(120)의 근위 단부가 제2 풀리(124)의 회전에 의해 이동됨에 따라, 제2 조오 부재(120)는, 예시된 실시예에서 제2 링크 핀(134)인 링크(126)에 의해 제공되는 제2 피봇 지점을 중심으로 피봇한다. 제2 풀리(124)가 반시계 방향으로 회전되는 예를 계속 참조하면, 제2 조오 부재(120)의 이러한 운동은 제2 조오 부재(120)의 원위 단부가 제1 조오 부재(118)의 원위 단부를 향해 이동하게 한다(예컨대, 기구(100)의 엔드 이펙터(108)를, 예를 들어 도 17b에 도시된 위치로 폐쇄시킴). 반대로, 시계 방향으로의 제2 풀리(124)의 회전은 제2 조오 부재(120)의 근위 단부가 우측으로 이동하게 하고, 이는 제2 조오 부재(120)를 제2 피봇 지점을 중심으로 반대 방향으로 회전시켜, 제2 조오 부재(120)의 원위 단부가 제1 조오 부재(118)의 원위 단부로부터 멀어지게 이동하게 한다(기구(100)의 엔드 이펙터(108)를 개방시킴).

제1 조오 부재(118), 제2 조오 부재(120), 제1 풀리(122), 제2 풀리(124), 및 링크(126)의 배열은 기구(100)에 대한 기계적 확대율을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 조오 부재(118) 및 제1 풀리(122)를 고려하면, 입력 힘(F_in)이 제1 풀리(122)와 맞물린 풀 와이어를 당김으로써 도 17a에 도시된 바와 같이 인가될 수 있다. 제1 풀리(122) 및 제1 조오 부재(118)의 배열은 힘을 증폭시켜 예시된 바와 같은 출력 힘(F_out)을 생성할 수 있다. 출력 힘(F_out)은 출력 힘(F_out)이 입력 힘(F_in)보다 크도록 증폭될 수 있다. 유리하게는, 본 명세서의 시스템은 단순한 풀리-구동식 그립에 의해 달성될 수 있는 것보다 큰 기계적 확대율을 제공한다.

모멘트 아암(L1, L2, L3, L4)이 도 17a에 예시되어 있다. 모멘트 아암(L1)은 힘(F_in)이 케이블 장력으로부터 인가되는 지점과 풀리 축(112) 사이의 거리와 같을 수 있다. 일부 실시예에서, 모멘트 아암(L1)은 제1 풀리(122)의 반경과 같거나, 제1 풀리(122)의 반경보다 약간 작다. 모멘트 아암(L2)은, 위에서 언급된 바와 같이 풀리 축(112)과 제1 구동 핀(128) 사이의 거리인 거리(136)와 같을 수 있다. 일반적으로, 모멘트 아암(L2)은 모멘트 아암(L1)보다 작다. 모멘트 아암(L3)은 제1 구동 핀(128)과 제1 링크 핀(132) 사이의 거리와 같다. 일반적으로, L3는 L2보다 길다. 모멘트 아암(L4)은 제1 링크 핀(132)과 제1 조오 부재(118)의 원위 단부 사이의 거리와 같다. 기계적 확대율은, 입력 힘(F_in)이 제1 풀리(122) 상의 풀 와이어에 모멘트 아암(L1)에서 인가되어 제1 풀리(122)를 풀리 축(112)을 중심으로 회전시킬 때, 이것이 더 짧은 모멘트 아암(L2)을 이동시키고, 이는 더 긴 모멘트 아암(L3)을 제1 피봇부(예컨대, 제1 링크 핀(132))를 중심으로 구동시키기 때문에 달성될 수 있다. 모멘트 아암 길이를 변경하는 것(특히, 모멘트 아암(L2)에 비해 모멘트 아암(L1)을 증가시키는 것 및/또는 모멘트(L4)에 비해 모멘트 아암(L3)을 증가시키는 것)은 기계적 확대율을 증가시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 그립 강도(예컨대, 출력 힘(F_out))를 증가시키기 위해, 하기 변수가 하기 방향으로 변경될 수 있다: 모멘트 아암(L1)을 증가시키고, 모멘트 아암(L2)을 감소시키고, 모멘트 아암(L3)을 증가시키고, 모멘트 아암(L4)을 감소시키고, 그리고/또는 피봇 지점들 사이의 거리(예컨대, 링크(126)의 길이)를 증가시킴. 일부 실시예에서, 그립 강도는 전술된 변수를 2차 기하학적 구조 변경과 조합하여 변경함으로써 증가될 수 있다. 당업자는 모멘트 아암(L1, L2, L3, L4)에 대한 매우 다양한 배열이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 기계적 확대율을 결정하는 것에 관한 추가 상세사항이 도 26a 내지 도 27을 참조하여 후술된다. 유리하게는, (예컨대, 본 명세서에 기술된 바와 같은) 이러한 배열은 전술된 바와 같은 최소 침습 수술에 적합한 형태 인자를 유지하면서 기계적 확대율을 제공할 수 있다.

도 17a 및 도 17b에 예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 풀리(122, 124)는 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)의 근위 단부들 사이에 위치될 수 있다. 그러나, 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다. 예를 들어, 도 18a 및 도 18b는 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)가 제1 및 제2 풀리들(122, 124) 사이에 위치되는 실시예를 예시한다. 도 18a는 개방 위치에 있는 기구(100)의 이러한 실시예를 예시하고, 도 18b는 폐쇄 위치에 있는 기구(100)의 이러한 실시예를 예시한다.

일부 실시예에서, (예를 들어, 도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이) 제1 및 제2 풀리(122, 124)를 제1 및 제2 조오 부재들(118, 120) 사이에 배치함으로써, 제1 및 제2 풀리(122, 124)는 더 큰 직경으로 제조될 수 있고, 이는 일부 경우에 더 큰 기계적 확대율을 생성할 수 있다. 이는 적어도 부분적으로, 풀리 직경이 풀리의 평면을 따른 원의 현 길이(chord length)에 의해 한정될 수 있기 때문일 수 있다. 풀리를 원의 중심에 더 가깝게 이동시킴에 따라, 현 길이는 원의 직경까지 증가한다.

도 17a 및 도 17b와 도 18a 및 도 18b에 도시된 기구(100)의 실시예에서, 링크(126)는 (예시된 배향에 대해) 제1 및 제2 풀리(122, 124) 위에 위치된다. 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다. 예를 들어, 도 19a 및 도 19b는 제1 및 제2 풀리(122, 124) 아래에 위치되는 링크(126)를 포함하는 기구(100)의 일 실시예를 예시한다. 도 19a는 개방 위치에 있는 기구(100)의 이러한 실시예를 예시하고, 도 19b는 거의 폐쇄 위치에 있는 기구(100)의 이러한 실시예를 예시한다. 그러한 배열은 제1 및 제2 풀리(122, 124) 위보다는 제1 및 제2 풀리(122, 124) 아래에 메커니즘을 위한 더 많은 공간이 있는 경우에 유리할 수 있다. 일부 실시예에서, 기구(100)는 링크(126)와 같은 구성요소를 끼우기 위한 공간을 제공하기에 충분히 큰 직경을 갖는 리스트 및 샤프트를 포함한다. 도 19a 및 도 19b의 실시예의 이점은 그립 또는 조오 부재(118, 120)가 팁에서 동일한 개방 거리에 대해 더 작은 각도를 통해 개방되는 것이 가능하여, 그에 의해 더 평행한 폐쇄를 생성하고, 이는 혈관 밀봉기(vessel sealer)와 같은 일부 기구에 유리할 수 있다는 것임에 유의한다.

도 19a 및 도 19b에 예시된 기구(100)의 실시예에서, 기구(100)는 도시된 바와 같이 배열된 제1 조오 부재(118), 제2 조오 부재(120), 제1 풀리(122), (제1 풀리(122) 후방의) 제2 풀리(124), 및 링크(126)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 조오 부재(118)는 제1 조오 부재(118)의 근위 단부와 제1 조오 부재(118)의 원위 단부 사이에 위치되는 위치에서 제1 구동 핀(128)에 의해 제1 풀리(122)에 연결된다. 제1 조오 부재(118)의 근위 단부는 링크(126)가 (예컨대, 제1 조오 부재(118)의 원위 단부 반대편의 제1 풀리(122)의 측부 상에서) 제1 풀리(122) 아래에 위치되도록 제1 링크 핀(132)에 의해 링크(126)에 연결된다. 유사하게, 제2 조오 부재(120)는 제2 조오 부재(120)의 근위 단부와 제2 조오 부재(120)의 원위 단부 사이에 위치되는 위치에서 제2 구동 핀(130)(보이지 않음)에 의해 제2 풀리(124)에 연결된다. 제2 조오 부재(120)의 근위 단부는 링크(126)가 (예컨대, 제2 조오 부재(120)의 원위 단부 반대편의 제2 풀리(124)의 측부 상에서) 제2 풀리(124) 아래에 위치되도록 제2 링크 핀(134)에 의해 링크(126)에 연결된다. 도 17a 내지 도 18b에 도시된 기구(100)와 유사하게, 도 19a 및 도 19b의 기구(100)는 또한 기계적 확대율을 제공할 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 고출력 기구(100)의 다양한 구성요소의 치수는 상이한 기계적 확대율을 제공하도록 변경될 수 있다. 추가적으로, L2/L3의 피봇에 대한 시작 지점은, 도 20a 내지 도 20d에 도시된 바와 같이, 그립이 개방 및 폐쇄됨에 따라 그립의 선형 운동을 증가 또는 감소시키도록 조절될 수 있다. 도 20a 및 도 20b는 높은 선형 운동 및 낮은 역구동(back drive)을 위해 구성된 기구(100)의 일 실시예를 예시하는 한편, 도 20c 및 도 20d는 낮은 선형 운동을 위해 구성된 기구(100)의 일 실시예를 예시한다. L2/L3 피봇 지점이 단부에서 증가될 때, 원형 운동으로 구동됨으로 인한 기계적 레버리지(mechanical leverage)를 얻는다. 도 20a 및 도 20b는 이를 극단적으로 도시하며, 여기에서 2개의 L2/L3 피봇 지점은 직경을 바로 가로질러 있다. 이러한 경우에, 그립을 역구동시키려는 임의의 힘은 풀리의 반경을 통해 해소되며, 이러한 지점을 유지하기 위해 케이블로부터의 장력을 필요로 하지 않는다. 유사하게, 기계적 레버리지는 폐쇄 동안 이러한 지점에 접근함에 따라 무한대로 증가한다. 따라서, 기구(100)의 구성요소의 치수는 낮은 선형 운동 및 높은 기계적 확대율의 최적의 균형(trade-off)을 제공하도록 설계될 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 링크(L1)는 3 내지 4 mm일 수 있고, 제2 링크(L2)의 제2 거리는 2 내지 3 mm일 수 있고, 제3 링크(L3)의 제3 거리는 7 내지 8 mm일 수 있고, 제4 링크(L4)의 제4 거리는 17 내지 23 mm일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 링크(L1)의 제1 거리는 대략 3.35 mm이고, 제2 링크(L2)의 제2 거리는 대략 2.5 mm이고, 제3 링크(L3)의 제3 거리는 대략 7.3 mm이고, 제4 링크(L4)의 제4 거리는 대략 20 mm이다. 일부 실시예에서, 제2 링크(L2)의 제2 거리와 제1 링크(L1)의 제1 거리 사이의 제1 비는 0.5 내지 1.25이고, 제3 링크(L3)의 제3 거리와 제1 링크(L1)의 제1 거리 사이의 제2 비는 1.5 내지 3.5이고, 제4 링크(L4)의 제4 거리와 제1 링크(L1)의 제1 거리 사이의 제3 비는 1.5 내지 20이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제2 링크(L2)의 제2 거리와 제1 링크(L1)의 제1 거리 사이의 제1 비는 대략 0.75이고, 제3 링크(L3)의 제3 거리와 제1 링크(L1)의 제1 거리 사이의 제2 비는 대략 2.18이고, 제4 링크(L4)의 제4 거리와 제1 링크(L1)의 제1 거리 사이의 제3 비는 대략 6이다. 링크(L1, L2, L3, L4)에 대한 다른 크기뿐만 아니라, 링크들 사이의 다른 비가 또한 가능하다.

도 21은 α-감김 구성으로 풀리와 맞물리는 2개의 케이블 또는 풀 와이어(138, 140)와 맞물린 풀리(예컨대, 제1 풀리(122) 또는 제2 풀리(124))의 예를 예시한다. 일부 실시예에서, 풀 와이어(138, 140)는 실제로 내측 크림프(medial crimp)에 의해 분리된 단일 케이블 또는 와이어의 일부인 케이블 또는 풀 와이어 세그먼트(segment)(138, 140)이다. 예시된 바와 같이, α-감김 구성에서, 제1 풀 와이어(138)는 크림프 포켓(crimp pocket)(146)에서 종단되기 전에, 풀리의 제1 측부(예컨대, 도면의 우측 측부) 위로, 풀리의 상부 위로, 그리고 풀리의 제2 측부(예컨대, 도면의 좌측 측부) 아래로 연장된다. 크림프 포켓(146) 내에서, 제1 풀 와이어(138)의 단부는 내측 크림프를 통해 풀리에 연결되거나 달리 고정된다. 제1 풀 와이어(138)가 크림프 포켓(146)에서 종단되기 전에 풀리 둘레로 거의 완전히 감기기 때문에, 이는 풀 와이어(138)를 당김으로써 다량의 회전이 달성될 수 있는 것을 제공한다. 예를 들어, 풀 와이어(138)는 크림프 포켓(146)이 풀리의 제1 측부에 위치될 때까지 풀리가 예시된 위치로부터 시계 방향으로 완전히 회전하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 예를 들어 약 270도 또는 그 초과의 회전을 허용할 수 있다.

제2 풀 와이어(140)는 유사하게, 그러나 반대 방향으로 풀리 둘레에 감긴다. 예시된 바와 같이, 제2 풀 와이어(140)는 크림프 포켓(146)에서 종단되기 전에, 풀리의 제2 측부(예컨대, 도면의 좌측 측부) 위로, 풀리의 상부 위로, 그리고 풀리의 제1 측부(예컨대, 도면의 우측 측부) 아래로 연장된다. 따라서, 제2 풀 와이어(140)는 유사하게 반시계 방향으로의 풀리의 큰 회전(예컨대, 약 270도 또는 그 초과)을 허용할 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 풀 와이어(138) 및 제2 풀 와이어(140)는, 풀리 둘레에 연속적으로 감기고 크림프 포켓(146) 내에서 풀리에 고정되는 단일 풀 와이어이다.

도 21에 도시된 바와 같은 α-감김 구성이 본 명세서에 기술된 고출력 기구(100)에서 유리할 수 있는데, 그 이유는 이들 기구(100)의 기계적 확대율이 더 큰 풀리 회전을 더 높은 힘으로 변환하기 때문이다. 따라서, 풀리는 더 큰 회전을 허용하도록 구성될 수 있으며, 이는 일부 경우에 기구의 더 큰 운동 범위를 수용할 수 있다.

도 21은 또한 풀리(122, 124)가, 풀리가 그것을 중심으로 회전하는 핀을 수용하도록 구성된 보어(bore)(142), 및 구동 핀(128, 130)을 수용하도록 구성된 구동 핀 보어(144)를 포함할 수 있는 것을 예시한다.

일부 실시예에서, 고출력 기구(100)는 하나 이상의 구속부를 포함할 수 있다. 후술될 바와 같이, 구속부는 고출력 기구(100)의 운동(예컨대, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)를 개방 및 폐쇄함)이 일관되고 정확한 것을 보장하는 데 그리고/또는 기구(100)를 안정시키는 데 도움을 줄 수 있다. 소정 경우에, 고출력 기구(100)의 일부 실시예는, 추가 구속부가 설계에 통합되지 않는 한, 원하지 않는 평행사변형 운동을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 구속부 없이, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)는, 원하는 대로 개방 및 폐쇄되기보다는, 서로에 대해 이동할 수 있다(예컨대, 제1 조오 부재(118)는 상향 방향으로 이동할 수 있고, 제2 조오 부재(120)는 하향 방향으로 이동할 수 있음). 일부 실시예에서, 이러한 바람직하지 않은 운동은 2개의 피봇 지점을 갖는 다중-링크 시스템(예컨대, 4개의 링크)을 가짐으로써 유발된다. 하나 이상의 구속부의 포함은 이러한 바람직하지 않은 운동을 제거하거나, 방지하는 데 도움을 주거나, 감소시켜, 그에 의해 고출력 기구(100)를 안정시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)를 서로에 대해 활주하지 않게 하는 추가 구속부가 통합될 수 있다. 다양한 유형의 구속부가 가능하고, 더 상세히 후술된다.

도 22a 내지 도 22c는 구속 핀(constraint pin)(148) 및 구속 슬롯(constraint slot)(150)에 의해 형성되는 구속부를 포함하는 고출력 기구(100)의 일 실시예의 도면을 예시한다. 도 22a는 고출력 기구(100)의 이러한 실시예의 정면도를 예시하고, 도 22b는 고출력 기구(100)의 이러한 실시예의 배면도를 예시하고, 도 22c는 고출력 기구(100)의 이러한 실시예의 측면 사시도를 예시한다. 도 22a에서, 풀리(124) 및 구속 바아 또는 링크(126)의 일부가 가려져 보이지 않는 것에 유의한다. 도 22a 내지 도 22c의 기구(100)는 도시된 바와 같이 배열된 제1 조오 부재(118), 제2 조오 부재(120), 제1 풀리(122), 제2 풀리(124), 및 링크(126)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 링크(126)는 제1 및 제2 풀리(122, 124) 아래에 위치된다. 제1 조오 부재(118)는 제1 구동 핀(128)에 의해 제1 풀리(122)에 연결된다. 제2 조오 부재(120)는 제2 구동 핀(130)에 의해 제2 풀리(124)에 연결된다. 제1 및 제2 풀리(122, 124)는 풀리 축(112)을 중심으로 회전한다.

예시된 바와 같이, 기구(100)는 구속 핀(148) 및 구속 슬롯(150)을 추가로 포함한다. 구속 핀(148)은 그립 또는 조오 부재들 중 하나(예컨대, 120) 상에 형성(또는 그에 연결)되고 다른 그립 또는 조오 부재(예컨대, 118) 내에 형성된 구속 슬롯(150)을 통해 연장되어, 그에 의해 조오 부재들(118, 120) 사이의 기어식 운동(geared motion)을 제공한다. 도시된 바와 같이, 제1 조오 부재(118)는 제1 링크 핀(132)에 의해 링크(126)에 연결된다. 구속 슬롯(150)은 곡선 또는 사이클로이드(예컨대, 일정한 반경으로 형성됨)로서 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 사이클로이드 곡선은 조오 부재(118, 120)가 일정 범위의 운동을 통해 개방 또는 폐쇄됨에 따라 그립 또는 조오 부재(118) 내의 구속 핀(148)이 그리는 경로에 의해 형성되어, 그에 의해 조오 부재와 중간평면 사이의 대칭 각도를 유지한다. 그러한 사이클로이드 곡선이 형성될 때, 유리하게는 조오 부재(118, 120)의 운동을 구속한다. 다시 말하면, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)가 개방 및 폐쇄되도록 대칭으로 이동될 때, 사이클로이드 곡선은 구속 핀(148)의 경로와 일치할 수 있다. 구속 핀(148) 및 구속 슬롯(150)은 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)를 평행 운동으로 이동하지 않게 하여, 그에 의해 중간평면에 대해 대칭 각도를 유지할 수 있다. 예를 들어, 이는 제1 조오 부재(118)가 제1 링크 핀(132)을 중심으로 피봇함에 따라 구속 핀(148)이 구속 슬롯(150)을 통해 이동하도록 허용할 수 있다. 즉, 구속 슬롯(150)은 제1 조오 부재(118)와 제2 조오 부재(120) 사이의 추가의 연결을 제공하면서, 여전히 제1 조오 부재(118)가 제1 링크 핀(132)을 중심으로 링크(126)에 대해 피봇하도록 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 전술된 바람직하지 않은 이동을 방지하는 데 도움을 줄 수 있고, 기구(100)의 운동을 안정시킬 수 있다.

본 실시예에서, 구속 핀(148)은 조오 부재(120)로부터 조오 부재(118) 내에 형성된 구속 슬롯(150) 내로 연장되지만, 다른 실시예에서, 구속 핀(148)은 조오 부재(118)로부터 조오 부재(120) 내에 형성된 구속 슬롯(150) 내로 연장된다.

추가적으로, 일부 실시예에 대해, 구속 핀(148) 및 구속 슬롯(150)은 제1 조오 부재(118)의 운동을 제2 조오 부재(120)의 운동으로 구속할 수 있다. 즉, 이들 구속부는 제1 조오 부재(118)의 운동이 제2 조오 부재(120)의 대응하는 운동을 유발하게 할 수 있다(또는 그 반대로도 가능함). 예를 들어, 제1 조오 부재(118)가 5도로 개방되는 경우, 이들 구속부는 제2 조오 부재(120)가 5도로 개방되게 한다. 일부 실시예에서, 제2 조오 부재(120)의 대응하는 운동은 불완전하여, 그것이 제1 조오 부재(118)의 운동에 정확하게 대응하지 않을 것이다(예컨대, 제1 조오 부재(118)가 5도로 개방되는 경우, 이들 구속부는 제2 조오 부재(120)가 5.5도로 개방되게 할 수 있음).

일부 실시예에서, 이들 구속부(예컨대, 구속 핀(148) 및 구속 슬롯(150))는 핀 기반 사이클로이드 구속부로 고려될 수 있다. 일부 실시예에서, 이들 구속부는 그들이 제1 조오 부재(118)의 운동을 제2 조오 부재(120)의 운동으로 기어식으로 전달하기 때문에 기어식 구속부로 고려될 수 있다.

도 22a는 또한, 일부 실시예에서, 기구(100)가 풀리 액슬 간극 슬롯(pulley axle clearance slot)(152)을 포함할 수 있는 것을 예시한다. 풀리 액슬 간극 슬롯(152)은 풀리 구동 핀에 걸친 제1 조오 부재(118)의 운동에 대한 간극을 제공하는 데 도움을 줄 수 있어서, 제1 조오 부재(118)는 그의 운동 범위가 제한되지 않고 개방될 것이다. 보이지 않지만, 제2 조오 부재(120)는 또한 유사한 풀리 액슬 간극 슬롯을 포함할 수 있다.

도 23은 구속 핀(148) 및 구속 슬롯(150)(전술된 것과 유사함)을 포함하는 고출력 기구(100)의 다른 실시예의 정면도를 예시하며, 이는 구동 핀(128, 130)이 그들이 중첩되는 위치로 결코 이동하지 않게 위치되도록 추가로 구성된다. 일부 실시예에서, 구동 핀(128, 130)이 그들이 중첩되는 위치로 이동하는 경우, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)는 정렬된 구동 핀(128, 130)을 중심으로 함께 회전 또는 피봇할 수 있는 것으로 관찰되었다. 구동 핀(128, 130)을 반경방향 거리, 각도 거리, 또는 둘 모두에서 이격되게 유지하는 것은 이러한 운동을 방지하는 데 도움을 줄 수 있다.

도 23의 기구(100)는 도시된 바와 같이 배열된 제1 조오 부재(118), 제2 조오 부재(120), 제1 풀리(122), 제2 풀리(124), 및 링크(126)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 링크(126)는 제1 및 제2 풀리(122, 124) 위에 위치된다. 제1 조오 부재(118)는 제1 구동 핀(128)에 의해 제1 풀리(122)에 연결되고, 제2 조오 부재(120)는 제2 구동 핀(130)에 의해 제2 풀리(124)에 연결된다. 제1 및 제2 풀리(122, 124)는 전술된 바와 같이 풀리 축(112)을 중심으로 회전한다. 추가적으로, 기구(100)는 전술된 바와 같은 구속 핀(148) 및 구속 슬롯(150)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 링크(126)는 풀리(122, 124) 위에 위치된다.

또한, 이러한 실시예에서, 구동 핀들(128, 130) 각각은 그들이 중첩 위치로 결코 이동하지 않도록 위치된다. 예를 들어, 기구(100)는 (제1 조오 부재(118)가 제2 조오 부재(120)와 접촉하는) 폐쇄 위치로 예시되고, 이러한 위치에서, 구동 핀(128, 130)은 도시된 바와 같이 위치된다. 제1 조오 부재(118)가 제2 조오 부재(120)와 접촉하기 때문에, 제1 구동 핀(128)은 시계 방향으로의 추가의 회전이 방지되고, 제2 구동 핀(130)은 반시계 방향으로의 추가의 회전이 방지된다. 이러한 위치로부터, 제1 및 제2 구동 핀(128, 130)은 도면에서 화살표로 표시된 방향으로만 회전할 수 있다. 즉, 기구(100)가 개방됨에 따라, 제1 구동 핀(128)은 반시계 방향으로만 회전할 수 있고, 제2 구동 핀(130)은 시계 방향으로만 회전할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 구동 핀(128, 130)은 운동의 임의의 부분 동안 중첩되지 않도록 위치되고, 이는 기구(100)의 안정성을 개선할 수 있다.

일부 실시예에서, 구동 핀(128, 130)을 이격되게 유지함으로써(예컨대, 중첩되는 것을 방지함), 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)의 운동 범위가 제한될 수 있다. 이는 구동 핀(128, 130)이 중첩되는 것을 방지하는 것이 제1 및 제2 풀리들(122, 124) 각각에 대해 이용가능한 회전의 총량을 감소시키기 때문이다. 이는 입력으로부터 출력으로 전달될 수 있는 작용(및 그에 따른 힘)의 총량을 감소시킬 수 있다. 따라서, (도 23의 기구(100)와 유사한) 비-중첩 구동 핀(128, 130)을 포함하는 일부 실시예는 안정성을 위해 조오 운동 또는 힘 증폭의 균형을 맞춘다. 당업자는, 본 개시를 고려할 때, 이러한 균형이 주어진 상황에 대한 기구(100)의 성능을 최대화하도록 선택될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

일부 실시예에서, 핀 기반 사이클로이드 구속부(예컨대, 도 22a 및 도 23의 구속 핀(148) 및 구속 슬롯(150)에 의해 형성된 구속부)에 의해서도, 기구(100)는 제조 공차 누적으로 인한 바람직하지 않은 불안정성을 여전히 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 불안정성은 핀 기반 사이클로이드 구속부를 치형부 기반 사이클로이드 구속부(tooth based cycloid constraint)로 대체함으로써 제거되거나 감소될 수 있다. 핀 기반 사이클로이드 구속부와 유사하게, 치형부 기반 사이클로이드 구속부는 기어식 구속부의 유형으로 고려될 수 있다. 치형부 기반 사이클로이드 구속부에 의해, 하나의 조오 부재에 다른 조오 부재의 노치 내로 연장되는 치형부가 형성되어, 그에 의해 사용 동안 조오 부재의 바람직하지 않은 이동을 방지하는 데 도움을 준다. 후술되는 도 24a 내지 도 24h 및 도 25a 내지 도 25h에 도시된 기구(100)의 실시예는 치형부 기반 사이클로이드 구속부의 예를 포함한다.

일부 실시예에서, 구동 핀(128, 130)이 중첩되는 것을 방지하는 것과 연관된 단점을 해결하기 위해, 구동 핀(128, 130)이 중첩되고 교차하는 능력을 제한하기보다는, 기구(100)는 슬롯 구속부를 포함할 수 있다. 슬롯 구속부는 구동 핀(128, 130)이 중첩되는 동안에도 기구(100)의 불안정성을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 슬롯 구속부는 2개의 이어부들 사이의 트로프(trough) 또는 슬롯으로서 형성될 수 있다. 구동 핀(128, 130)이 정렬 상태로 중첩되고 교차함에 따라, 슬롯 구속부의 이어부는 풀리(122, 124)의 중심 핀에 맞닿아 접촉하여, 그에 의해 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)의 바람직하지 않은 회전을 방지할 수 있다. 구동 핀이 교차할 수 있기 때문에, 이들 설계는 그들이 구동 핀(128, 130)의 교차를 제한하거나 방지하는 설계보다 더 큰 힘 확대율(force advantage)을 얻을 수 있다는 점에서 특유의 특징을 포함할 수 있다. 또한, 이들 설계는 그립이 폐쇄될 때 그리핑력이 가장 높은 특유의 힘 프로파일을 제공할 수 있다(아래의 도 27 및 대응하는 설명 참조). 도 24a 내지 도 24h는 슬롯 구속부를 포함하는 일 실시예를 예시한다.

도 24a 내지 도 24h는 기어식 구속부(치형부 기반 사이클로이드 구속부로서 구성됨) 및 슬롯 구속부를 포함하는 고출력 기구(100)의 일 실시예의 도면을 예시한다. 도 24a는 개방 위치에 있는 기구(100)의 정면도이고, 도 24b는 기구(100)의 분해도이고, 도 24c는 기구(100)의 측면도이고, 도 24d는 개방 위치에 있는 기구(100)의 배면도이고, 도 24e는 중심 핀을 통한 기구(100)의 저부 단면도이다. 도 24f 내지 도 24h는 기구(100)가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동함에 따라 교차하는 구동 핀(128, 130)을 예시한다.

도 24b의 분해도에 가장 잘 도시된 바와 같이, 기구(100)는 도시된 바와 같이 구성될 수 있는 제1 조오 부재(118)를 포함한다. 예를 들어, 제1 조오 부재(118)는 제1 조오 부재(118)의 근위 단부에 위치된 제1 구동 핀(128)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제1 구동 핀(128)은 위에서 언급된 바와 같이 제1 풀리(122)의 일부로서 또는 별개의 피스로서 형성될 수 있다. 제1 조오 부재(118)는 또한 구멍 또는 개구(166)를 포함할 수 있고, 이는 제1 링크 핀(132)과 개구(162)(아래에서 논의됨)의 접합부에 대한 현장 접근선(line of site access)을 제공하여, 조립체가 요구되는 경우 함께 레이저 용접될 수 있다. 핀(132)과 맞물리도록 제1 조오 부재(118)의 내부 표면 상에 추가 구멍, 개구, 리세스(recess) 또는 디보트(divot)(도시되지 않음)가 형성될 수 있다. 제1 조오 부재(118)는 또한 상부 표면(172) 및 하부 표면(170)에 의해 형성된 노치(171)를 포함할 수 있다. 후술될 바와 같이, 제1 노치를 형성하는 상부 및 하부 표면(172, 170)은 기어식 구속부 또는 치형부 기반 사이클로이드 구속부를 형성하도록 제2 조오 부재(120) 상의 대응하는 특징부와 맞물릴 것이다(예를 들어, 도 24a 참조). 제1 조오 부재(118)는 또한 슬롯(186)을 포함할 수 있다. 슬롯(186)은 링크(126)의 제1 피스(153)의 단부를 수용하도록 구성될 수 있다.

제2 조오 부재(120)는 제2 조오 부재(120)의 근위 단부에 위치된 제2 구동 핀(130)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제2 구동 핀(130)은 위에서 언급된 바와 같이 제2 풀리(124)의 일부로서 또는 별개의 피스로서 형성될 수 있다. 제2 조오 부재(120)는 또한 제2 링크 핀(134)을 수용하도록 구성된 개구(168)를 포함할 수 있다. 제2 조오 부재(120)는 또한 상부 표면(174) 및 하부 표면(176)을 갖는 치형부(175)를 포함할 수 있다. 후술될 바와 같이, 치형부(174)의 상부 및 하부 표면(174, 176)은 기어식 구속부 또는 치형부 기반 사이클로이드 구속부를 형성하도록 제1 조오 부재(118) 상의 대응하는 특징부와 맞물릴 것이다(예를 들어, 도 24a 참조). 제2 조오 부재(120)는 또한 슬롯(188)을 포함할 수 있다. 슬롯(188)은 링크(126)의 제2 피스(154)의 단부를 수용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 치형부(175)는 삼각형 휜(triangular fin)으로서 보일 수 있는 연장부 또는 돌출부를 포함한다. 다른 실시예에서, 치형부(175)는 페그(peg)-형상과 같은 다른 형상의 연장부 또는 돌출부를 포함한다. 치형부(175)를 수용하는 리세스 또는 노치(171)는 조오 부재(118, 120)가 개방 및 폐쇄됨에 따라 치형부(175)에 대한 간극을 제공하기에 충분히 크다. 일부 실시예에서, 조오 부재의 개방 및 폐쇄 동안, 노치(171)의 하부 표면(170)이 치형부(175)의 하부 표면(174)과 접촉하여 유지되는 한편, 노치(172)의 상부 표면은 치형부(175)의 상부 표면(176)과 접촉하여 유지되도록 사이클로이드 구속부가 형성된다.

제1 풀리(122)는 풀리 축 개구(178)를 포함할 수 있다. 풀리 축 개구는 풀리 핀(160) 상에 장착되도록 구성된다. 풀리 핀(160)은 (전술된) 풀리 축(112)과 정렬될 수 있다. 제1 풀리(122)는 풀리 핀(160)을 중심으로 회전한다. 제1 풀리(122)는 또한 제1 구동 핀(128)을 수용하기 위한 구멍(180)을 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 풀리(124)는 제2 풀리(124)가 풀리 핀(160)을 중심으로 회전하도록 허용하기 위해 풀리 핀(160) 상에 장착되도록 구성된 풀리 축 개구(182)를 포함할 수 있다. 제2 풀리(124)는 또한 제2 구동 핀(130)을 수용하기 위한 구멍(184)을 포함할 수 있다.

도 24a 내지 도 24h의 실시예에서, 링크(126)는 제1 피스(153) 및 제2 피스(154)에 의해 형성된다. 제1 피스(153)는 제1 링크 핀(132)을 그것을 통해 수용하기 위한 개구(162)를 포함한다. 개구(162)를 포함하는 제1 피스(153)의 부분은 제1 조오 부재(118)의 슬롯(186) 내에 수용되도록 구성될 수 있어서, 제1 링크 핀(132)이 제1 피스 내의 개구(162)를 통해 그리고 제1 조오 부재(118) 내의 개구(166) 내로 또는 그것을 통해 연장될 수 있게 한다. 도 24b에 도시된 바와 같이, 링크(126)의 제1 피스(153)는 또한 제2 링크 핀(134)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 링크 핀(134)은 제1 피스(153)와 일체로 형성된다. 다른 실시예에서, 제2 링크 핀(134)은 별개의 피스이거나 제2 조오 부재(120)와 일체로 형성될 수 있다. 링크(126)의 제1 피스(153)는 또한 도시된 바와 같은 이어부(156)를 포함한다. 이어부(156)는 하향 돌기 또는 돌출부로서 형성될 수 있다. 아래에서 논의될 바와 같이, 이어부(156)의 내부 표면은 구동 핀(128, 130)이 정렬될 때 기구(100)의 불안정성을 방지하거나 감소시키기 위해 조립될 때 풀리 핀(160)과 접촉할 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 링크(126)는 제1 피스(153) 및 제2 피스(154)에 의해 형성될 수 있다. 제2 피스(154)는 제2 링크 핀(134)을 그것을 통해 수용하기 위한 개구(164)를 포함할 수 있다. 개구(164)를 포함하는 제2 피스(154)의 부분은 제2 조오 부재(120)의 슬롯(188) 내에 수용되도록 구성될 수 있어서, 제2 링크 핀(134)이 제2 피스(154) 내의 개구(164)를 통해 그리고 제2 조오 부재(120) 내의 개구(168) 내로 또는 그것을 통해 연장될 수 있게 한다. 도 24b에 도시된 바와 같이, 링크(126)의 제2 피스(154)는 또한 제1 링크 핀(132)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 링크 핀(132)은 제2 피스(154)와 일체로 형성된다. 다른 실시예에서, 제1 링크 핀(132)은 별개의 피스이거나 제1 조오 부재(118)와 일체로 형성될 수 있다. 링크(126)의 제2 피스(154)는 또한 도시된 바와 같은 이어부(158)를 포함한다. 이어부(158)는 하향 돌기 또는 돌출부로서 형성될 수 있다. 아래에서 논의될 바와 같이, 이어부(158)의 내부 표면은 구동 핀(128, 130)이 정렬될 때 기구(100)의 불안정성을 방지하거나 감소시키기 위해 조립될 때 풀리 핀(160)과 접촉할 수 있다.

예를 들어 도 24a에 도시된 바와 같이, 조립될 때, 제2 조오 부재(120)의 치형부(175)는 제1 조오 부재(118)의 홈 또는 노치(171) 내에 수용된다. 제1 및 제2 조오 부재들(118, 120) 사이의 이러한 상호작용은 기구(100)를 위한 기어식 구속부 또는 치형부 기반 사이클로이드 구속부를 제공한다. 이러한 구속부는 도 22a 및 도 23을 참조하여 전술된 핀 기반 사이클로이드 구속부와 유사하게 제1 조오 부재(118)의 운동을 제2 조오(120)로 구속할 수 있다. 이러한 구속부는 또한 예를 들어 제1 및 제2 조오 부재들(118, 120) 사이의 평행 운동을 방지하거나 감소시킴으로써 기구(100)의 안정성을 개선할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 구속부의 이점은 그것이 핀 기반 사이클로이드 구속부와 같은 다른 유형의 구속부보다 제조 공차 오차에 덜 민감할 수 있다는 것이다. 다른 실시예에서, 하나 초과의 치형부(예컨대, 제1 및 제2 치형부)가 치형부-기반 기어식 구속부를 제공하도록 제1 및 제2 조오 부재들 사이에 제공될 수 있다.

추가적으로, 조립될 때, 기구(100)는 구동 핀(128, 130)이 정렬될 때 불안정성을 방지하도록 구성되는 슬롯 구속부를 포함할 수 있다. 이는 도 24a 내지 도 24h의 실시예가 유리하게는 구동 핀(128, 130)이 중첩되거나 교차하도록 허용하는 설계에서 사용될 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 구동 핀(128, 130)이 중첩되거나 교차하게 함으로써, 더 많은 작용이 풀리에 의해 수행되어, 그에 의해 바람직한 더 큰 힘 출력을 생성할 수 있다. 도 24a, 도 24d, 및 도 24e에 도시된 바와 같이, 풀리 핀(160)은 제1 조오 부재(118)와 링크(126)의 제1 피스(153)의 이어부(156) 사이에 수용된다. 유사하게, 풀리 핀(160)은 또한 제2 조오 부재(120)와 링크(126)의 제2 피스(154)의 이어부(158) 사이에 수용된다. 일부 실시예에서, 링크(126)의 제1 및 제2 피스(153, 154)의 이어부(156, 158)는 슬롯 또는 채널을 형성한다. 풀리 핀(160)은 기구(100)의 운동 동안 이러한 채널 내에서 지지되고 그것과 접촉한다. 이러한 접촉은 구동 핀(128, 130)이 중첩되는 상태에서 기구(100)를 안정시킬 수 있는 추가된 안정성 지점을 제공한다.

도 24f 내지 도 24h는 기구(100)의 운동 동안 구동 핀(128, 130)이 중첩되고 교차하는 상태에서 기구(100)를 안정시키기 위한 슬롯 구속부(이어부(156, 158) 및 풀리 핀(160)에 의해 형성됨)의 기능을 예시한다. 도 24f 내지 도 24h는 기구(100)의 폐쇄 운동 동안의 다양한 단계를 예시한다. 도 24f에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)는 개방 위치에 있고, 제1 구동 핀(128)은 제2 구동 핀(130)의 (도면에 도시된 배향에 대해) 우측에 위치된다. 기구(100)는 구동 핀(128, 130)이 이격되어 있기 때문에 비교적 안정된 위치에 있다. 이러한 위치는 이어부들(156, 158) 사이에 형성된 슬롯과의 풀리 핀(160)의 추가적인 접촉에 의해 추가로 안정된다.

기구(100)가 도 24g에 예시된 위치로 추가로 폐쇄됨에 따라, 구동 핀(128, 130)은 중첩되고 교차하기 시작한다. 구체적으로, 제1 구동 핀(128)은 도 24f의 위치로부터 도 24g에 도시된 위치로 시계 방향으로 회전하였고, 제2 구동 핀(130)은 도 24f의 위치로부터 도 24g에 도시된 위치로 반시계 방향으로 회전하였다. 이러한 위치(도 24g)에서, 구동 핀(128, 130)이 도시된 바와 같이 중첩되면, 기구(100)는 풀리 핀(160) 및 이어부(158, 156)에 의해 형성된 슬롯 구속부 없이 비교적 불안정한 위치에 있을 것이다. 즉, 슬롯 구속부 없이, 기구(100)는 정렬된 구동 핀(128, 130)의 축을 중심으로 회전하는 경향이 있을 수 있다. 그러나, 슬롯 구속부는 유리하게는 이러한 운동에 대해 기구(100)를 안정시킨다. 예를 들어, 풀리 핀(160)과 이어부(156) 사이의 접촉은 기구가 시계 방향으로 회전하는 것을 방지하고, 풀리 핀(160)과 이어부(158) 사이의 접촉은 기구가 반시계 방향으로 회전하는 것을 방지한다.

도 24h에 도시된 바와 같이, 기구(100)가 추가로 폐쇄됨에 따라, 구동 핀(128, 130)은 서로를 지나 회전한다. 예를 들어, 제1 구동 핀(128)은 이제 제2 구동 핀(130)의 좌측에 위치된다. 역시, 이러한 위치는 구동 핀(128, 130)이 분리되고 슬롯 구속부가 추가적인 안정성을 제공하기 때문에 비교적 안정하다.

도 24f 내지 도 24h의 이어부들(156, 158) 사이에 형성된 슬롯과의 풀리 핀(160)의 위치를 고려하면, 일부 실시예에서, 풀리 핀(160)이 기구(100)의 운동 동안 슬롯을 따라 이동하는 것을 볼 수 있다.

도 24a 내지 도 24h에 도시된 기구(100)의 실시예는 기어식 구속부(예컨대, 치형부 기반 사이클로이드 구속부) 및 슬롯 구속부 둘 모두를 포함함으로써 이전 실시예를 참조하여 전술된 힘 증폭 및 구속부 개념을 확장시킨다. 일부 상황에서, 둘 모두의 구속부는 그들의 풀리 운동 범위에 대한 제한을 가질 수 있지만, 유리하게는, 그러한 제한은 상이한 각도로 발생할 수 있다. 2개의 구속부는 함께 구현될 수 있고, 따라서 (도 24a 내지 도 24h에 도시된 바와 같이) 둘 모두의 구속부를 포함하는 기구를 갖는 것이 가능하다. 둘 모두의 구속부를 사용함으로써, 풀리(122, 124)의 운동 범위를 구동 핀의 교차를 제한하는 실시예의 그것의 거의 2배로 확장하는 것이 가능하다. 이는 이어서 주어진 운동 범위에 대해 전달될 수 있는 힘의 양을 증가시킨다. 둘 모두의 구속부를 갖는 것은 불안정성을 각각의 각도에서 각각의 구속부의 대략 최소이도록 감소시킬 수 있다.

도 25a 내지 도 25h는 전술된 바와 같은 2개의 구속부를 포함하지만, 기구(100) 내의 구성요소의 전체 수를 감소시키는 기구(100)의 일 실시예를 예시한다. 그러한 실시예는 유리하게는 기구(100)의 제조 및 조립을 단순화할 수 있다. 도 25a 및 도 25b는 각각 개방 및 폐쇄 구성에 있는 기구(100)의 도면을 예시한다. 도 25c는 기구(100)를 위한 링크(126)로서의 역할을 하는 하우징(190)의 일 실시예를 예시한다. 도 25d는 제1 또는 제2 조오 부재(118, 120)의 도면을 예시한다. 도 25e 내지 도 25h는 기구(100)에 대한 예시적인 조립 공정 동안의 단계를 예시한다.

도 25a 및 도 25b에 도시된 바와 같이, 그리고 도 25c에 단독으로 도시된 바와 같이, 기구(100)는 단일 하우징(190)으로서 형성되는 링크(126)를 포함한다. 도 25c에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 하우징(190)은 제1 베어링 표면(192) 및 제2 베어링 표면(194)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 베어링 표면들(192, 194) 각각은 하우징(190)을 가로질러 연장되는 로드 또는 실린더(cylinder)로서 형성될 수 있다. 후술될 바와 같이, 베어링 표면(192, 194)은 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)가 피봇할 수 있는 피봇 지점을 제공한다. 일부 측면에서, 제1 및 제2 베어링 표면은 전술된 실시예의 제1 및 제2 링크 핀(132, 134)을 대체한다.

하우징(190)은 또한 도시된 바와 같은 슬롯(195)을 포함할 수 있다. 슬롯(195)은 전술된 슬롯 구속부를 형성하기 위해 풀리 핀(160)과 맞물리도록 구성될 수 있다. 슬롯 구속부는 구동 핀(128, 130)이 정렬될 때 기구(100)에 대한 안정성을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 하우징(190)은 유리하게는 도 24a 내지 도 24h의 실시예의 링크(126)의 제1 및 제2 피스(153, 154)와 동일한 기능을 단지 단일 피스로 제공한다. 이는 유리하게는 설계의 복잡성을 감소시킬 수 있다.

도 25d는 조오 부재(제1 조오 부재(118) 또는 제2 조오 부재(120) 중 어느 하나)의 일 실시예를 예시한다. 도 25d에서, 기술된 특징부는 제1 조오 부재(118) 및 제2 조오 부재(120) 둘 모두를 기술하기 위해 2회 번호가 부여되었다. 예시된 바와 같이, 조오 부재(118, 120)는 대향하는 조오 부재 상의 대응하는 리세스(171)와 맞물리도록 구성되는 치형부(175)를 포함한다. 치형부(175)와 리세스(171) 사이의 상호작용은 전술된 바와 같이 기어식 구속부(또는 치형부 기반 사이클로이드 구속부)를 제공한다.

조오 부재(118, 120)는 또한 홈(196, 198)을 포함한다. 홈(196, 198)은 하우징(190)의 베어링 표면(192, 194)을 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 조립될 때(도 25a 및 도 25b), 제1 조오 부재(118)의 홈(196)은 제1 조오 부재(118)가 제1 베어링 표면(192)을 중심으로 피봇하도록 허용하기 위해 제1 베어링 표면(192)을 수용한다. 유사하게, 제2 조오 부재(120)의 홈(198)은 제2 조오 부재(120)가 제2 베어링 표면(194)을 중심으로 피봇하도록 허용하기 위해 제2 베어링 표면(194)을 수용한다.

도 25a 및 도 25b에 도시된 바와 같이, 치형부(175) 및 리세스(171)는 기어식 구속부(또는 치형부 기반 사이클로이드 구속부)를 제공하고, 슬롯(195) 및 풀리 핀(160)은 슬롯 구속부를 제공한다. 따라서, 도 25a 내지 도 25h의 기구(100)의 실시예는 전술된 도 24a 내지 도 24h의 기구(100)의 실시예와 동일한 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 도 25a 내지 도 25h의 기구(100)의 실시예의 총 부품 수는 감소된다.

도 25e 및 도 25f는 기구(100)에 대한 예시적인 조립 공정을 예시한다. 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)는 하우징(190) 위에 위치될 수 있다(도 24e). 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)는 하우징(190) 내로 하강되고 도 25f에 도시된 바와 같이 회전될 수 있다. 도 25g에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)는 이어서 아래로 추가로 하강할 수 있고, 따라서 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)의 후방에 형성된 홈(196, 198)이 하우징의 베어링 표면(192, 194)과 동심이 된다. 이러한 위치로부터, 제1 및 제2 조오 부재(118, 120)는 도 25h의 위치로 추가로 회전되고, 따라서 그들은 하우징(190)에 의해 제위치로 유지된다. 예시되어 있지 않지만, 조립은 특히 풀리(122, 124)를 부착하는 단계 및 리스트(106)에 부착하는 단계와 같은 추가 단계를 추가로 포함할 수 있다.

다시 도 25a 및 도 25b를 참조하면, 일부 실시예에서, 제1 조오 부재(118)는 전체 운동 범위 동안 하우징(190)의 베어링 표면(192, 194) 및 제2 조오 부재(120)에 의해 구속된다. 조립체가 리스트(106)의 원위 클레비스 내에 설치되면, 운동 범위는 작용 운동 범위로 제한될 수 있고, 이는 분해에 필요한 각도보다 작을 수 있다.

도 25a 및 도 25b에 예시된 기구(100)는 더 적은 부품 및 다른 실시예보다 작게 제조될 가능성의 이점을 갖는다. 일부 경우에, 본 실시예의 다른 이점은 슬롯(195)이 조오의 각각의 측부에서 핀(160)의 각각의 측부와 맞물리기 때문에 슬롯(195)이 공차 문제에도 불구하고 더 큰 안정성을 제공할 수 있고, 이는 리스트가 비틀림 슬롭(torsional slop)을 갖는 것을 방지한다는 것이다. 일반적으로, 다른 조립 방법은 그립이 그들의 정확한 피봇으로 유지되는 것을 보장하기 위해 추가의 부품 또는 추가의 기계가공 작업을 필요로 하고, 이어서 그들을 함께 결합시키기 위해 스웨이징(swaging) 또는 레이저 용접 공정을 필요로 한다. 이러한 기구(100)는 조오 부재를 메커니즘에 의해 사용되는 운동 범위 내의 정확한 위치로 구속하지만, 조오 부재가 과회전될 때 부품이 조립되도록 허용한다. 이는, 링크(126)가 단일 피스 하우징(190)이기 때문에, 그것이 다른 실시예보다 작게 제조될 수 있음으로 인한 수술 기구 팁에서의 이점을 갖는다. 따라서, 일부 실시예에서, 링크(126)는 더 강하고, 그것이 단일 구조이기 때문에 더 높은 공차를 가질 수 있다. 감소된 부품 총수 및 감소된 조립 시간은 비용을 감소시킬 수 있다. 이러한 이점들 중 일부는 링크(126)가 다수의 피스로 제조되더라도 여전히 실현될 수 있다.

전술된 실시예들 중 임의의 것의 치형부는 사이클로이드일 필요는 없다. 일부 실시예에서, 치형부는 인벌류트(involute)를 포함하는 일부 다른 프로파일을 포함할 수 있다.

B. 고출력 기구의 기계적 확대율/증폭의 결정

이 섹션은 전술된 고출력 기구(100)의 기계적 확대율을 결정할 수 있는 방법을 논의한다. 상위 수준에서, 증폭 비는 운동의 입력 범위와 운동의 출력 범위 사이의 비이다. 전술된 기구(100)의 경우, 운동의 입력 범위는 풀리의 기하학적 구조 및 치수와 관련될 수 있고, 운동의 출력 범위는 조오 부재의 기하학적 구조 및 치수와 관련될 수 있다.

이들 로봇-제어식 고출력 기구(100)의 기계적 확대율 및 증폭을 결정할 때, 고려되는 하나의 측정 기준은 유효 풀리 직경이다. 고출력 기구(100)는 풀 와이어 또는 케이블을 통해 인가되는 장력으로부터 한 쌍의 조오 부재 상에 출력 토크를 생성하는 메커니즘으로서 요약될 수 있다. 한 쌍의 조오 부재 상에 출력 토크를 생성하는 가장 간단한 방식은 조오 부재를 풀리에 직접 그리고 견고하게 부착하는 것이다. 그러나, 이러한 아키텍처(architecture)는 그것이 제공할 수 있는 토크의 양에 있어서, 통과하는 샤프트/튜브의 직경에 맞춰질 수 있는 풀리의 직경에 의해 제한된다. 따라서, 단순한 풀리를 통해 기계적 확대율을 제공할 수 있는 메커니즘을 갖는 것이 바람직하다.

기계적 확대율은 등가의 그리핑 (출력) 토크를 산출하는 데 사용되어야 할 풀리 직경을 계산함으로써 결정될 수 있다. 이는 유효 직경(d_eff)으로 지칭되며, 수학식 1에 의해 결정될 수 있다:

[수학식 1]

여기서 d _eff 는 유효 직경이고, τ_grip은 그리핑 (출력) 토크이고, F는 입력 토크이다. 도 26a를 참조하면, 그리핑 토크는 수학식 2에 의해 조오 부재의 기하학적 구조와 관련된다:

[수학식 2]

따라서, 유효 직경은 수학식 3에 의해 결정될 수 있다:

[수학식 3]

여기서 F _cable 은 도 26b에 도시된 바와 같이 풀리의 케이블 상에 작용하는 인장력이다.

도 27은 (예를 들어, 도 24a 내지 도 24h 및 도 25a 내지 도 25h의 실시예와 유사한) 교차하는 구동 핀을 가질 수 있는 고출력 기구(100)의 일 실시예에 대한 대표적인 힘 프로파일을 예시한다. 예시된 힘 프로파일은 8 mm 리스트 및 6.7 mm 구동 풀리를 갖는 기구(100)에 대한 것이다.

힘 프로파일은 그립 개방 각도의 함수로서 기구(100)의 유효 풀리 직경을 보여준다. 예시된 바와 같이, 그립(조오 부재)이 거의 폐쇄될 때(0도 개방 각도), 유효 풀리 직경은 약 26 mm이다. 구동 풀리의 직경이 6.7 mm이기 때문에, 단순한 레버 및 풀리 시스템에 의해 달성될 수 있는 힘의 3.88배(26 mm / 6.7 mm)의 기계적 확대율을 달성할 수 있다. 그립 각도가 (예컨대, 40도로) 증가함에 따라, 유효 풀리 직경은 감소하여, 40도에서, 기계적 확대율은 단순한 레버 및 풀리 시스템에 의해 달성될 수 있는 힘의 약 3.28배(22 mm / 6.7 mm)가 된다. 따라서, 단순한 풀리 및 레버 시스템에 의해 달성될 수 있는 힘의 적어도 3배 또는 그보다 큰 기계적 확대율을 달성할 수 있다. 또한, 힘 프로파일은 본 이중 구동 핀 설계가, 그것이 구동 핀이 교차하도록 허용하여 그립이 근접한 각도(0도의 그립 개방 각도)에서 가장 강하게 그리핑할 수 있게 된다는 점에서 특유하다는 것을 보여준다.

3. 구현 시스템 및 용어.

본 명세서에 개시된 구현예는 로봇식 의료 시스템을 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다. 본 명세서에 기술된 다양한 구현예는 고출력 기구를 가진 로봇식 의료 시스템을 포함한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 단어 결합하다의 다른 변형은 간접적인 연결 또는 직접적인 연결을 나타낼 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 "결합된" 경우, 제1 구성요소는 다른 구성요소를 통해 제2 구성요소에 간접적으로 연결되거나 제2 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있다.

본 명세서에 기술된 위치 추정 및 로봇 운동 작동 기능은 프로세서-판독가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령어로서 저장될 수 있다. 용어 "컴퓨터-판독가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 전기적 소거가능 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 콤팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체는 유형적이고 비-일시적일 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "코드"는 컴퓨팅 장치 또는 프로세서에 의해 실행가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수 있다.

본 명세서에 개시된 방법은 기술된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함한다. 방법 단계 및/또는 동작은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 기술되는 방법의 적절한 작동을 위해 특정 순서의 단계 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 단계 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 수정될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "복수"는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 구성요소는 2개 이상의 구성요소를 나타낸다. 용어 "결정하는"은 매우 다양한 동작을 포함하며, 따라서 "결정하는"은 계산, 컴퓨팅, 처리, 도출, 조사, 검색(예컨대, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 검색), 확인 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신(예컨대, 정보를 수신함), 액세스(예컨대, 메모리의 데이터에 액세스함) 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해석, 선택, 선정, 설정 등을 포함할 수 있다.

어구 "~에 기초한"은, 달리 명백히 명시되지 않는 한, "단지 ~에 기초한"을 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초한"은 "단지 ~에 기초한" 및 "적어도 ~에 기초한" 둘 모두를 기술한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "대략" 또는 "약"은 길이, 두께, 양, 기간, 또는 다른 측정가능 값의 측정 범위를 지칭한다. 그러한 측정 범위는 특정된 값의 그리고 특정된 값으로부터의 +/-10% 이하, 바람직하게는 +/-5% 이하, 더욱 바람직하게는 +/-1% 이하, 더욱 더 바람직하게는 +/-0.1% 이하의 변동을, 그러한 변동이 개시된 장치, 시스템, 및 기법에서 기능하기 위해 적절한 한에 있어서 포함한다.

개시된 구현예의 이전의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 용이하게 명백해질 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 예를 들어, 당업자가 다수의 대응하는 대안적인 그리고 동등한 구조적 상세사항, 예컨대 도구 구성요소를 체결, 장착, 결합, 또는 맞물리게 하는 동등한 방식, 특정 작동 운동을 생성하기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘을 채용할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범주에 따른다.

Claims (38)

1. 로봇 시스템(robotic system)으로서,
   엔드 이펙터(end effector)를 갖는 기구를 포함하고, 상기 기구는,
   풀리 축(pulley axis)을 중심으로 회전하도록 구성되는 제1 풀리;
   제1 구동 핀(drive pin)에 의해 상기 제1 풀리에 연결되는 제1 조오 부재(jaw member);
   상기 풀리 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제2 풀리;
   제2 구동 핀에 의해 상기 제2 풀리에 연결되는 제2 조오 부재; 및
   상기 제1 조오 부재가 피봇할 수 있는 제1 피봇 지점(pivot point) 및 상기 제2 조오 부재가 피봇할 수 있는 제2 피봇 지점을 제공하는 링크(link)
   를 포함하는, 로봇 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 기구에 결합되는 로봇 아암(robotic arm)을 추가로 포함하는, 로봇 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 풀리의 회전은 상기 풀리 축을 중심으로 하는 상기 제1 구동 핀의 회전을 유발하고, 추가로 상기 제1 조오 부재가 상기 제1 피봇 지점을 중심으로 피봇하게 하고,
   상기 제2 풀리의 회전은 상기 풀리 축을 중심으로 하는 상기 제2 구동 핀의 회전을 유발하고, 추가로 상기 제2 조오 부재가 상기 제2 피봇 지점을 중심으로 피봇하게 하는, 로봇 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성되는 기어식 구속부(geared constraint)를 추가로 포함하는, 로봇 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 기어식 구속부는 사이클로이드 구속부(cycloid constraint)를 포함하고, 상기 사이클로이드 구속부는,
   상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 하나 상에 형성되는 치형부(tooth); 및
   상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 다른 하나 상에 형성되는 노치(notch)
   를 포함하는, 로봇 시스템.
6. 제4항에 있어서, 상기 기어식 구속부는 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재를 통해 축을 따라 연장되는 핀을 포함하고, 상기 핀은 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 적어도 하나 내에 형성되는 슬롯 내에서 지지되도록 구성되는, 로봇 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 구동 핀과 상기 제2 구동 핀이 정렬될 때 상기 제1 구동 핀 및 상기 제2 구동 핀을 중심으로 하는 상기 엔드 이펙터의 회전의 위험을 방지하거나 감소시키도록 구성되는 슬롯 구속부(slot constraint)를 추가로 포함하는, 로봇 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 슬롯 구속부는,
   제1 이어부(ear);
   제2 이어부로서, 상기 제1 이어부와 상기 제2 이어부 사이에 슬롯을 형성하도록 상기 제1 이어부로부터 이격되는, 상기 제2 이어부; 및
   상기 슬롯 내에 위치되는 상기 풀리 축을 따라 연장되는 핀
   을 포함하는, 로봇 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 이어부 및 상기 제2 이어부는 각각 상기 링크에 결합되는, 로봇 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성되는 기어식 구속부; 및
    상기 제1 구동 핀과 상기 제2 구동 핀이 정렬될 때 상기 제1 구동 핀 및 상기 제2 구동 핀을 중심으로 하는 상기 엔드 이펙터의 회전의 위험을 방지하거나 감소시키도록 구성되는 슬롯 구속부
    를 추가로 포함하는, 로봇 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 풀리 및 상기 제2 풀리는 상기 제1 구동 핀과 상기 제2 구동 핀이 정렬되는 위치로 회전할 수 있는, 로봇 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 풀리 및 상기 제2 풀리의 회전 동안, 상기 제1 구동 핀은 상기 제2 구동 핀을 지나 회전할 수 있는, 로봇 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    상기 링크는 제2 베어링 표면(bearing surface)으로부터 이격되는 제1 베어링 표면을 포함하는 하우징을 포함하고,
    상기 제1 조오 부재는 상기 제1 베어링 표면 상에서 피봇하여 상기 제1 피봇 지점을 형성하도록 구성되는 제1 홈을 포함하고,
    상기 제2 조오 부재는 상기 제2 베어링 표면 상에서 피봇하여 상기 제2 피봇 지점을 형성하도록 구성되는 제2 홈을 포함하는, 로봇 시스템.
14. 제1항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 파지기(grasper), 절단기(cutter), 또는 클리퍼(clipper)로서 구성되는, 로봇 시스템.
15. 제1항에 있어서,
    제1 링크가 상기 풀리 축과 상기 제1 풀리 상에 권취되는 케이블에 의해 입력 힘이 인가되는 지점 사이의 제1 거리를 포함하고,
    제2 링크가 상기 풀리 축과 상기 제1 구동 핀의 축 사이의 제2 거리를 포함하고,
    제3 링크가 상기 제1 구동 핀의 상기 축과 상기 제1 피봇 지점의 축 사이의 제3 거리를 포함하고,
    제4 링크가 상기 제1 피봇 지점의 상기 축과 상기 제1 조오 부재의 원위 단부 사이의 제4 거리를 포함하는, 로봇 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 링크의 상기 제1 거리는 3 내지 4 mm이고,
    상기 제2 링크의 상기 제2 거리는 2 내지 3 mm이고,
    상기 제3 링크의 상기 제3 거리는 7 내지 8 mm이고,
    상기 제4 링크의 상기 제4 거리는 17 내지 23 mm인, 로봇 시스템.
17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 링크의 상기 제1 거리는 대략 3.35 mm이고,
    상기 제2 링크의 상기 제2 거리는 대략 2.5 mm이고,
    상기 제3 링크의 상기 제3 거리는 대략 7.3 mm이고,
    상기 제4 링크의 상기 제4 거리는 대략 20 mm인, 로봇 시스템.
18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 링크의 상기 제2 거리와 상기 제1 링크의 상기 제1 거리 사이의 제1 비가 0.5 내지 1.25이고,
    상기 제3 링크의 상기 제3 거리와 상기 제1 링크의 상기 제1 거리 사이의 제2 비가 1.5 내지 3.5이고,
    상기 제4 링크의 상기 제4 거리와 상기 제1 링크의 상기 제1 거리 사이의 제3 비가 1.5 내지 20인, 로봇 시스템.
19. 제15항에 있어서,
    상기 제2 링크의 상기 제2 거리와 상기 제1 링크의 상기 제1 거리 사이의 제1 비가 대략 0.75이고,
    상기 제3 링크의 상기 제3 거리와 상기 제1 링크의 상기 제1 거리 사이의 제2 비가 대략 2.18이고,
    상기 제4 링크의 상기 제4 거리와 상기 제1 링크의 상기 제1 거리 사이의 제3 비가 대략 6인, 로봇 시스템.
20. 로봇 시스템으로서,
    의료 절차 동안 환자 내로 삽입되도록 구성되는 엔드 이펙터를 포함하는 의료 기구를 포함하고, 상기 의료 기구는,
    제1 풀리;
    상기 제1 풀리에 연결되는 제1 조오 부재;
    제2 풀리;
    상기 제2 풀리에 연결되는 제2 조오 부재;
    상기 제1 조오 부재가 피봇할 수 있는 제1 피봇 지점 및 상기 제2 조오 부재가 피봇할 수 있는 제2 피봇 지점을 제공하는 링크; 및
    기어식 구속부 및 슬롯 구속부 중 적어도 하나
    를 포함하는, 로봇 시스템.
21. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 로봇 아암에 연결되고 상기 시스템의 프로세서에 의해 제어되는, 로봇 시스템.
22. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터 및 상기 의료 기구의 적어도 일부분은 14 mm 미만인 환자 개구(patient opening)를 통해 끼워지도록 구성되는, 로봇 시스템.
23. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터 및 상기 의료 기구의 적어도 일부분은 10 mm 미만인 환자 개구를 통해 끼워지도록 구성되는, 로봇 시스템.
24. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터 및 상기 의료 기구의 적어도 일부분은 10 mm 미만인 환자 개구를 통해 끼워지도록 구성되는, 로봇 시스템.
25. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 적어도 2의 자유도들(degrees of freedom)을 갖는 리스트(wrist)에 의해 상기 의료 기구의 원위 단부에 연결되는, 로봇 시스템.
26. 제20항에 있어서,
    상기 제1 풀리에 연결되는 하나 이상의 케이블(들)으로서, 상기 제1 풀리에 연결된 상기 케이블들 중 하나 이상을 당기는 것이 상기 제1 풀리의 회전을 유발하는, 상기 제1 풀리에 연결되는 상기 하나 이상의 케이블(들); 및
    상기 제2 풀리에 연결되는 하나 이상의 케이블(들)으로서, 상기 제2 풀리에 연결된 하나 이상의 케이블들을 당기는 것이 상기 제2 풀리의 회전을 유발하는, 상기 제2 풀리에 연결되는 상기 하나 이상의 케이블(들)
    을 추가로 포함하는, 로봇 시스템.
27. 제26항에 있어서,
    (i) 상기 제1 풀리에 연결된 상기 케이블들 중 상기 하나 이상 및 (ii) 상기 제2 풀리에 연결된 상기 케이블들 중 상기 하나 이상은 상기 의료 기구를 통해 연장되고,
    상기 의료 기구는 기구 구동 메커니즘(instrument drive mechanism)에 부착되고,
    상기 기구 구동 메커니즘은 상기 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 (i) 상기 제1 풀리에 연결된 상기 케이블들 중 상기 하나 이상 및 (ii) 상기 제2 풀리에 연결된 상기 케이블들 중 상기 하나 이상을 당기도록 구성되는, 로봇 시스템.
28. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 상기 기어식 구속부를 포함하고, 상기 기어식 구속부는 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성되는 사이클로이드 구속부를 포함하는, 로봇 시스템.
29. 제28항에 있어서, 상기 기어식 구속부는 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 하나 상에 형성되는 치형부, 및 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 다른 하나 상에 형성되는 노치를 포함하는, 로봇 시스템.
30. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 상기 슬롯 구속부를 포함하고, 상기 슬롯 구속부는 제1 구동 핀과 제2 구동 핀이 정렬될 때 상기 제1 구동 핀 및 상기 제2 구동 핀을 중심으로 하는 상기 엔드 이펙터의 회전을 방지하도록 구성되는, 로봇 시스템.
31. 제20항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 상기 슬롯 구속부 및 상기 기어식 구속부를 포함하는, 로봇 시스템.
32. 방법으로서,
    로봇-제어식 의료 기구를 환자 내로 삽입하는 단계로서, 상기 기구는 엔드 이펙터를 포함하고, 상기 엔드 이펙터는 (i) 제1 풀리에 결합되는 제1 조오 부재, (ii) 제2 풀리에 결합되는 제2 조오 부재, (iii) 상기 제1 조오 부재와 상기 제2 부재를 연결하는 링크, 및 (iv) 기어식 구속부 및 슬롯 구속부 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 로봇-제어식 의료 기구를 환자 내로 삽입하는 단계; 및
    상기 제1 풀리 또는 상기 제2 풀리의 회전을 유발하도록 상기 제1 풀리 또는 상기 제2 풀리에 연결된 적어도 하나의 케이블을 당기는 것에 기초하여 상기 엔드 이펙터를 작동시키는 단계로서, 상기 제1 풀리 또는 상기 제2 풀리의 회전은 상기 엔드 이펙터의 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재를 개방하거나 폐쇄하는, 상기 엔드 이펙터를 작동시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
33. 제32항에 있어서, 상기 엔드 이펙터를 작동시키는 단계는 상기 제1 풀리를 상기 제1 조오 부재에 연결하는 제1 구동 핀이 상기 제2 풀리를 상기 제2 구동 부재에 연결하는 제2 구동 핀과 중첩되도록 상기 제1 풀리 및 상기 제2 풀리의 회전을 유발하는 단계를 포함하는, 방법.
34. 제33항에 있어서, 상기 제1 구동 핀과 상기 제2 구동 핀의 상기 중첩은 상기 엔드 이펙터에서 힘 증폭(force amplification)을 증가시키는, 방법.
35. 제32항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 상기 기어식 구속부를 포함하고, 상기 기어식 구속부는 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 하나의 운동이 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 다른 하나의 실질적으로 대응하는 운동을 유발하도록 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재의 운동을 구속하도록 구성되는, 방법.
36. 제35항에 있어서, 상기 기어식 구속부는, 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 하나 상에 형성되는 치형부, 및 상기 제1 조오 부재 및 상기 제2 조오 부재 중 다른 하나 상에 형성되는 노치를 포함하는 사이클로이드 구속부를 포함하는, 방법.
37. 제32항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 상기 슬롯 구속부를 포함하고, 상기 슬롯 구속부는 제1 구동 핀과 제2 구동 핀이 정렬될 때 상기 제1 구동 핀 및 상기 제2 구동 핀을 중심으로 하는 상기 엔드 이펙터의 회전을 방지하도록 구성되는, 방법.
38. 제32항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 상기 슬롯 구속부 및 상기 기어식 구속부를 포함하는, 방법.

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