KR20210149099A - 처진 케이블 제거 캡스턴 - Google Patents

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KR20210149099A
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에릭 엔. 존슨
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시락 게엠베하 인터내셔날
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Abstract

수술 도구는 구동 하우징; 구동 하우징에 회전가능하게 장착되는 구동 입력부 및 입력 샤프트; 및 입력 샤프트에 장착되고, 제1 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 상부 캡스턴, 및 제2 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 하부 캡스턴을 포함하는 구동 조립체를 포함한다. 제1 및 제2 구동 케이블들은 상부 및 하부 캡스턴들에 결합되고 수술 도구의 엔드 이펙터로 연장된다. 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 하부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상부 캡스턴을 제1 각도 방향으로 구동시키며, 입력 샤프트를 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 상부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 하부 캡스턴을 제2 각도 방향으로 구동시킨다.

Description

처진 케이블 제거 캡스턴
최소 침습 수술(minimally invasive surgical, MIS) 기구는 흔히 감소된 수술후 회복 시간 및 최소한의 흉터로 인해 전통적인 개복 수술 장치에 비해 선호된다. 복강경 수술은 하나 이상의 작은 절개부가 환자의 복부에 형성되고 투관침(trocar)이 절개부를 통해 삽입되어 복강에의 접근을 제공하는 경로를 형성하는 MIS 절차의 하나의 유형이다. 투관침을 통해, 다양한 기구 및 수술 도구가 복강 내로 도입될 수 있다. 투관침을 통해 복강 내로 도입된 기구 및 도구는 진단 또는 치료 효과를 달성하기 위해 다수의 방식으로 조직과 맞물리고/거나 이를 처치하는 데 사용될 수 있다.
MIS 시술을 돕기 위해 그리고 자연스러운 눈-손 축을 유지함으로써 더 직관적인 손 이동을 용이하게 하기 위해 다양한 로봇 시스템이 최근에 개발되었다. 그러한 로봇 시스템은 또한, 더 자연스러운 손-유사 관절운동(articulation)을 생성하는 관절운동가능 "리스트" 조인트("wrist" joint)를 수술 도구에 포함시킴으로써 더 많은 이동 자유도(degree of freedom)를 허용할 수 있다. 그러한 시스템들에서, 수술 도구의 원위(distal) 단부에 위치된 엔드 이펙터(end effector)는 리스트 조인트를 통해 연장되는 하나 이상의 구동 케이블(또는 다른 세장형 부재)을 갖는 케이블 구동식 운동 시스템을 사용하여 관절운동(이동)될 수 있다. 사용자(예컨대, 외과의)는 수술 기구에 결합된 도구 구동기와 통신하는 하나 이상의 제어기를 공중에서 파지하고 조작함으로써 엔드 이펙터를 원격으로 작동시킬 수 있다. 사용자 입력은 로봇 수술 시스템에 통합된 컴퓨터 시스템에 의해 처리되고, 도구 구동기는 케이블 구동식 운동 시스템을 작동시키고 이에 의해 구동 케이블들에서 장력 균형을 능동적으로 제어함으로써 응답한다. 구동 케이블들을 이동시키는 것은 엔드 이펙터를 원하는 각도 위치 및 구성으로 관절운동시킨다.
엔드 이펙터 및 그의 연관된 케이블 구동식 운동 시스템의 일관되고 예측가능한 성능을 가능하게 하기 위해 구성요소 설계 및 조립을 통해 다수의 기계적 및 제조 장애물이 극복되어야 한다.
하기 도면은 본 발명의 소정 태양을 예시하기 위해 포함되며, 배타적인 실시예로 간주되어서는 안된다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 개시된 주제는 형태 및 기능에 있어서 상당한 수정, 변경, 조합, 및 등가물이 가능하다.
도 1은 본 발명의 원리들 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있는 예시적인 로봇 수술 시스템의 블록도.
도 2는 도 1의 마스터 제어 콘솔들 중 하나의 예시적인 실시예의 도면.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른, 도 1의 로봇 조작기의 일례를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 원리들 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있는 예시적인 수술 도구의 등각 측면도.
도 5는 도 4의 리스트가 관절운동(피벗)하는 것이 가능할 수 있는 잠재적 자유도들을 예시하는 도면.
도 6은 도 4의 수술 도구의 원위 단부의 확대 등각도.
도 7은 도 4의 수술 도구의 구동 하우징의 저면도.
도 8은 도 6의 수술 도구의 구동 하우징의 내부의 노출 등각도.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른, 도 8의 구동 조립체의 확대 등각도 및 분해도.
도 10은 하나 이상의 실시예에 따른, 도 8의 구동 조립체의 일부분의 분해 등각도.
본 발명은 로봇 수술 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 최소 케이블 장력이 유지되는 것을 보장함으로써 구동 케이블에서의 처짐(slack)을 제거하도록 설계된 캡스턴(capstan) 구동 조립체에 관한 것이다.
본 명세서에서 논의되는 실시예는 세장형 샤프트가 연장되어 나오는 구동 하우징 및 세장형 샤프트의 원위(distal) 단부에 작동적으로 결합되는 엔드 이펙터를 포함하는 수술 도구를 기술한다. 구동 입력부 및 입력 샤프트가 구동 하우징에 회전가능하게 장착되며, 구동 조립체가 입력 샤프트에 장착되고, 제1 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 상부 캡스턴, 및 제2 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 하부 캡스턴을 포함한다. 제1 구동 케이블이 상부 캡스턴에 결합되고 엔드 이펙터로 연장되며, 제2 구동 케이블이 하부 캡스턴에 결합되고 엔드 이펙터로 연장된다. 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 하부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상부 캡스턴을 제1 각도 방향으로 구동시켜 제1 구동 케이블을 제1 선형 방향으로 당긴다. 입력 샤프트를 제1 각도 방향과 반대인 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 상부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 하부 캡스턴을 제2 각도 방향으로 구동시켜 제2 구동 케이블을 제1 선형 방향과 반대인 제2 선형 방향으로 당긴다.
도 1 내지 도 3은 예시적인 로봇 수술 시스템 및 그의 연관된 구성요소들의 구조 및 작동을 예시한다. 로봇 수술 시스템들에 적용가능하지만, 본 발명의 원리들이 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 비-로봇 수술 시스템들에 동등하게 또는 대안적으로 적용될 수 있다는 것에 유의한다.
도 1은 본 발명의 원리들 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있는 예시적인 로봇 수술 시스템(100)의 블록도이다. 예시된 바와 같이, 시스템(100)은 적어도 하나의 마스터 제어 콘솔(102a) 및 적어도 하나의 로봇 조작기(104)를 포함할 수 있다. 로봇 조작기(104)는 하나 이상의 로봇 아암(106)에 기계적으로 그리고/또는 전기적으로 결합될 수 있거나 다르게는 이를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 조작기(104)는 로봇 조작기(104) 및 연관된 로봇 아암(106)의 이동성을 가능하게 하는 운반 카트(대안적으로, "아암 카트(arm cart)"로 지칭됨)에 장착될 수 있다. 각각의 로봇 아암(106)은 환자(110)에 대해 다양한 수술 작업을 수행하기 위해 하나 이상의 수술 기구 또는 도구(108)가 장착될 수 있는 도구 구동기를 포함할 수 있고 다르게는 이를 제공할 수 있다. 로봇 아암(106)들, 대응하는 도구 구동기들, 및 연관된 도구(108)들의 작동은 임상의(112a)(예컨대, 외과의)에 의해 마스터 제어 콘솔(102a)로부터 지시될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 임상의(112b)에 의해 작동되는 제2 마스터 제어 콘솔(102b)(파선으로 도시됨)이 또한 제1 임상의(112a)와 함께 로봇 아암(106)들 및 도구(108)들의 직접적인 작동을 도울 수 있다. 그러한 실시예에서, 예를 들어, 각각의 임상의(112a, 112b)는 상이한 로봇 아암(106)들을 제어할 수 있거나, 일부 경우에, 로봇 아암(106)들의 완전한 제어가 임상의(102a, 102b)들 사이에서 이동될 수 있다. 일부 실시예에서, 추가의 로봇 아암들을 갖는 추가의 아암 조작기들이 수술 동안 환자(110)에 대해 이용될 수 있고, 이들 추가의 로봇 아암은 마스터 제어 콘솔(102a, 102b)들 중 하나 이상에 의해 제어될 수 있다.
로봇 조작기(104) 및 마스터 제어 콘솔(102a, 102b)들은, 임의의 통신 프로토콜에 따라 적합한 유형의 신호(예컨대, 전기, 광학, 적외선 등)를 전달하도록 구성된 임의의 유형의 유선 또는 무선 통신 링크일 수 있는 통신 링크(114)를 통해 서로 통신할 수 있다. 통신 링크(114)는 실제 물리 링크일 수 있거나, 하나 이상의 실제 물리 링크를 사용하는 논리 링크일 수 있다. 링크가 논리 링크일 때, 물리 링크의 유형은, 예를 들어 네트워크의 노드(node)들을 연결하는 통신 설비를 지칭하기 위해 컴퓨터 네트워킹 기술에서 잘 알려진 바와 같은, 데이터 링크, 업링크, 다운링크, 광섬유 링크, 점대점(point-to-point) 링크일 수 있다. 따라서, 임상의(112a, 112b)들은 통신 링크(114)를 통해 로봇 아암(106)들을 원격으로 제어할 수 있어서, 임상의(112a, 112b)들이 환자(110)에 대해 원격으로 수술하게 할 수 있다.
도 2는 도 1의 로봇 조작기(104)의 작동을 제어하는 데 사용될 수 있는 마스터 제어 콘솔(102a)의 하나의 예시적인 실시예이다. 예시된 바와 같이, 마스터 제어 콘솔(102a)은 임상의(112a, 112b)(도 1)가 하나 이상의 사용자 입력 장치(도시되지 않음)를 파지하면서 그의/그녀의 앞팔(forearm)을 놓을 수 있는 지지부(202)를 포함할 수 있다. 사용자 입력 장치들은, 예를 들어 조이스틱, 외골격식 글러브(exoskeletal glove), 마스터 조작기 등과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 물리적 제어기를 포함할 수 있고, 수술 도구(108)(들)(도 1)의 위치 및 작동을 제어하기 위해 다수의 자유도로 이동가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 마스터 제어 콘솔(102a)은 수술 시스템의 구성을 변경하기 위하여 그리고/또는 수술 도구(108)(들)의 작동을 제어하도록 추가의 제어 신호들을 발생시키기 위하여 임상의(112a, 112b)에 의해 관여될 수 있는 하나 이상의 풋 페달(foot pedal)(204)을 더 포함할 수 있다.
임상의(112a, 112b)(도 1)가 시각적 디스플레이(206)를 통해 시술을 보면서 사용자 입력 장치들 및/또는 풋 페달(204)들이 조작될 수 있다. 시각적 디스플레이(206) 상에 표시되는 이미지들은 내시경 카메라 또는 "내시경"으로부터 획득될 수 있다. 일부 실시예에서, 시각적 디스플레이(206)는 수술 도구(즉, 절단 기구 또는 동적 클램핑 부재)에 의해 그리고 어떤 방향으로 취해지는 힘의 크기의 시각적 표시를 임상의(112a, 112b)에게 제공하는 힘 피드백 측정기 또는 "힘 지시기"를 포함하거나 달리 통합할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 스테이플 카트리지(staple cartridge)가 엔드 이펙터 내로 로딩되었는지 여부 또는 앤빌(anvil)이 발사 전에 폐쇄 위치로 이동되었는지 여부와 같은 다른 수술 도구 메트릭스(metrics)의 표시를 마스터 제어 콘솔(102a)에 제공하도록 다른 센서 배열이 채용될 수 있다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른, 복수의 수술 도구(108)를 작동시키는 데 사용될 수 있는 로봇 조작기(104)의 일례를 도시한다. 예시된 바와 같이, 로봇 조작기(104)는 수직 연장 지주(column)(304)를 지지하는 기부(base)(302)를 포함할 수 있다. 복수의 로봇 아암(106)(3개가 도시됨)이 화살표(A)로 나타낸 바와 같이 기부(302)에 대한 로봇 아암(106)들의 높이를 변화시키도록 선택적으로 조절될 수 있는 캐리지(carriage)(306)에서 지주(304)에 작동적으로 결합될 수 있다.
로봇 아암(106)들은, 대안적으로 "셋업 조인트(set-up joint)"로 지칭되는, 수동으로 관절운동가능한 링크장치(linkage)들을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 수술 도구(108)는 각각의 로봇 아암(106) 상에 제공된 대응하는 도구 구동기(308)들에 장착된다. 각각의 도구 구동기(308)는 수술 도구(108)들의 대응하는 하나 이상의 구동 입력부와 상호작용하도록 사용되는 하나 이상의 구동기 또는 모터를 포함할 수 있고, 구동 입력부들의 작동은 연관된 수술 도구(108)가 작동하게 한다.
수술 도구(108)들 중 하나는, 예를 들어 복강경, 관절경, 자궁경을 포함할 수 있는 내시경과 같은 이미지 캡처 장치(310)를 포함할 수 있거나, 대안적으로 초음파, 적외선, 형광 투시, 자기 공명 이미징 등과 같은 일부 다른 이미징 방식(imaging modality)을 포함할 수 있다. 이미지 캡처 장치(310)는 세장형 샤프트의 원위 단부에 위치된 관찰 단부를 가지며, 이는 관찰 단부가 진입 포트를 통해 환자의 신체의 내부 수술 부위 내로 삽입되게 한다. 이미지 캡처 장치(310)는 시각적 디스플레이(206)(도 2)에 통신가능하게 결합될 수 있고, 시각적 디스플레이(206) 상에 표시될 수 있도록 이미지들을 실시간으로 전송할 수 있다.
나머지 수술 도구들은 마스터 제어 콘솔(102a)(도 2)에서 임상의(112a, 112b)(도 1)에 의해 파지되는 사용자 입력 장치들에 통신가능하게 결합될 수 있다. 로봇 아암(106)들 및 연관된 수술 도구(108)들의 이동은 사용자 입력 장치들을 조작하는 임상의(112a, 112b)에 의해 제어될 수 있다. 아래에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 수술 도구(108)들은 연관된 세장형 샤프트의 원위 단부 상에 피벗가능하게 장착된 대응하는 관절운동가능 리스트 상에 장착되는 엔드 이펙터를 포함하거나 달리 통합할 수 있다. 세장형 샤프트는 엔드 이펙터가 진입 포트를 통해 환자의 신체의 내부 수술 부위 내로 삽입되게 하고, 사용자 입력 장치들은 또한 엔드 이펙터의 이동(작동)을 제어한다.
사용 시에, 로봇 조작기(104)는 수술을 필요로 하는 환자에 근접하게 위치되고, 이어서 통상적으로는, 수행될 외과적 시술이 완료될 때까지 정지된 상태로 유지되게 된다. 로봇 조작기(104)는 전형적으로 로봇 조작기를 이동성으로 만들기 위해 휠 또는 캐스터(castor)를 갖는다. 로봇 아암(106)의 측방향 및 수직 위치설정은 이미지 캡처 장치(310) 및 수술 도구(108)의 세장형 샤프트를 진입 포트를 통해 수술 부위에 대한 원하는 위치로 통과시키는 것을 용이하게 하도록 임상의(112a, 112b)(도 1)에 의해 설정될 수 있다. 수술 도구(108) 및 이미지 캡처 장치(310)가 그렇게 위치될 때, 로봇 아암(106) 및 캐리지(306)는 제 위치에 로킹될 수 있다.
도 4는 본 발명의 원리들 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있는 예시적인 수술 도구(400)의 등각 측면도이다. 수술 도구(400)는 도 1 및 도 3의 수술 기구(108)(들)와 동일하거나 유사할 수 있고, 따라서 도 1의 로봇 수술 시스템(100)과 같은 로봇 수술 시스템과 함께 사용될 수 있다. 따라서, 수술 도구(400)는 로봇 수술 시스템(100)에 포함된 도구 구동기에 해제가능하게 결합되도록 설계될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 수술 도구(400)의 태양들이 수동 또는 손-작동식 방식으로 사용하도록 개조될 수 있다.
예시된 바와 같이, 수술 도구(400)는 세장형 샤프트(402), 엔드 이펙터(404), 엔드 이펙터(404)를 샤프트(402)의 원위 단부에 결합하는 리스트(406)(대안적으로 "리스트 조인트" 또는 "관절운동가능 리스트 조인트"로 지칭됨), 및 샤프트(402)의 근위(proximal) 단부에 결합된 구동 하우징(408)을 포함한다. 수술 도구가 로봇 수술 시스템(예컨대, 도 1의 로봇 수술 시스템(100))과 함께 사용되는 응용에서, 구동 하우징(408)은 수술 도구(400)를 로봇 수술 시스템에 해제가능하게 결합하는 결합 특징부를 포함할 수 있다.
용어 "근위" 및 "원위"는 본 명세서에서 수술 도구(400)(예컨대, 하우징(408))를 로봇 조작기에 기계적으로 그리고 전기적으로 결합하도록 구성된 인터페이스를 갖는 로봇 수술 시스템에 대해 정의된다. 용어 "근위"는 로봇 조작기에 더 가까운 요소의 위치를 지칭하고, 용어 "원위"는 엔드 이펙터(404)에 더 가까운, 그리고 이에 따라 로봇 조작기로부터 더 멀리 떨어진 요소의 위치를 지칭한다. 대안적으로, 수동 또는 손-작동식 응용에서, 용어 "근위" 및 "원위"는 본 명세서에서 외과의 또는 임상의와 같은 사용자에 대해 정의된다. 용어 "근위"는 사용자에 더 가까운 요소의 위치를 지칭하고, 용어 "원위"는 엔드 이펙터(404)에 더 가까운 그리고 이에 따라 사용자로부터 더 멀리 떨어진 요소의 위치를 지칭한다. 또한, 위, 아래, 상부, 하부, 상향, 하향, 좌측, 우측 등과 같은 방향 용어들의 사용은 예시적인 실시예들이 도면들에 도시된 바대로 예시적인 실시예들과 관련하여 사용되는데, 상향 또는 상부 방향은 대응하는 도면의 상부를 향하고, 하향 또는 하부 방향은 대응하는 도면의 저부를 향한다.
수술 도구(400)의 사용 동안, 엔드 이펙터(404)는 수술 부위에 대해 원하는 배향들 및 위치들에 엔드 이펙터(404)를 위치시키기 위해 리스트(406)에서 샤프트(402)에 대해 이동(피벗)하도록 구성된다. 이를 달성하기 위해, 하우징(408)은 엔드 이펙터(404)와 연관된 다양한 특징부의 작동(예컨대, 클램핑, 발사, 회전, 관절운동, 절단 등)을 제어하도록 설계된 다양한 구동 입력부 및 메커니즘(예컨대, 기어, 액추에이터 등)을 포함(수용)한다. 적어도 일부 실시예에서, 샤프트(402), 및 이에 따라 그에 결합된 엔드 이펙터(404)는 샤프트(402)의 길이방향 축(A1)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 그러한 실시예에서, 하우징(408) 내에 포함되는 구동 입력부들 중 적어도 하나는 길이방향 축(A1)을 중심으로 하는 샤프트(402)의 회전 이동을 제어하도록 구성된다.
수술 도구(400)는 적어도 하나의 수술 기능을 수행할 수 있는 다양한 구성 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 수술 도구(400)는 겸자(forceps), 파지기(grasper), 니들 구동기(needle driver), 가위, 전기 소작 도구(electro cautery tool), 스테이플러(stapler), 클립 어플라이어(clip applier), 후크(hook), 스패튤라(spatula), 흡입 도구, 세척 도구, 이미징 장치(예컨대, 내시경 또는 초음파 프로브(probe)), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 수술 도구(400)는 고주파(RF) 에너지와 같은 에너지를 조직에 인가하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 엔드 이펙터(404)는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동(관절운동)하도록 구성된 대향하는 조오(jaw)(410, 412)들을 포함하는 조직 파지기 및 혈관 봉합기(vessel sealer)를 포함한다. 그러나, 이해되는 바와 같이, 대향하는 조오(410, 412)들은 대안적으로, 수술 가위, 클립 어플라이어, 니들 구동기, 한 쌍의 대향하는 파지 조오를 포함하는 바브콕(babcock), 양극(bipolar) 조오(예컨대, 양극 메릴랜드(Maryland) 파지기, 겸자, 유공(fenestrated) 파지기 등) 등과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 다른 유형의 엔드 이펙터들의 일부를 형성할 수 있다. 조오(410, 412)들 중 하나 또는 둘 모두는 피벗하여 엔드 이펙터(404)를 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 관절운동시키도록 구성될 수 있다.
샤프트(402)는 하우징(408)으로부터 원위방향으로 연장되는 세장형 부재이며, 그의 축방향 길이를 따라 관통 연장되는 적어도 하나의 루멘(lumen)을 갖는다. 일부 실시예에서, 샤프트(402)는 하우징(408)에 고정될 수 있지만, 대안적으로 샤프트(402)가 길이방향 축(A1)을 중심으로 회전하게 하도록 하우징(408)에 회전가능하게 장착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 샤프트(402)는 하우징(408)에 해제가능하게 결합될 수 있으며, 이는 단일 하우징(408)이 상이한 엔드 이펙터들을 갖는 다양한 샤프트에 적응가능하게 할 수 있다.
도 5는 리스트(406)가 관절운동(피벗)하는 것이 가능할 수 있는 잠재적 자유도들을 예시한다. 리스트(406)는 다양한 구성 중 임의의 것을 가질 수 있다. 일반적으로, 리스트(406)는 샤프트(402)에 대한 엔드 이펙터(404)의 피벗 이동을 허용하도록 구성된 조인트를 포함한다. 리스트(406)의 자유도들은 3개의 병진 변수(즉, 서지(surge), 히브(heave), 및 스웨이(sway))에 의해, 그리고 3개의 회전 변수(즉, 오일러 각(Euler angle) 또는 롤(roll), 피치(pitch), 및 요(yaw))에 의해 표현된다. 병진 및 회전 변수들은 주어진 기준 직교 프레임(reference Cartesian frame)에 대한 수술 시스템(예컨대, 엔드 이펙터(404))의 구성요소의 위치 및 배향을 기술한다. 도 5에 도시된 바와 같이, "서지"는 전후 병진 이동을 지칭하고, "히브"는 상하 병진 이동을 지칭하고, "스웨이"는 좌우 병진 이동을 지칭한다. 회전 용어들에 관하여, "롤"은 옆으로 기울어지는 것을 지칭하고, "피치"는 전후로 기울어지는 것을 지칭하고, "요"는 좌우로 도는 것을 지칭한다.
피벗 운동은 리스트(406)의 제1 축(예컨대, X 축)을 중심으로 한 피치 이동, 리스트(406)의 제2 축(예컨대, Y 축)을 중심으로 한 요 이동, 및 리스트(406)를 중심으로 한 엔드 이펙터(404)의 360° 회전 이동을 허용하기 위한 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 응용에서, 피벗 운동은 엔드 이펙터(404)가 단일 평면 내에서만 이동하도록 단일 평면 내에서의 이동, 예컨대 단지 리스트(406)의 제1 축을 중심으로 한 피치 이동 또는 단지 리스트(406)의 제2 축을 중심으로 한 요 이동으로 제한될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 수술 도구(400)는 또한 샤프트(402)에 대한 엔드 이펙터(404)의 이동 및 관절운동을 용이하게 하도록 구성된 케이블 구동식 운동 시스템의 일부를 형성하는 복수의 구동 케이블(도 4에서는 가려져 있음)을 포함할 수 있다. 구동 케이블들 중 적어도 일부를 이동(작동)시키는 것은 엔드 이펙터(404)를 관절운동되지 않은 위치(unarticulated position)와 관절운동된 위치(articulated position) 사이에서 이동시킨다. 엔드 이펙터(404)는, 도 4에서, 엔드 이펙터(404)의 길이방향 축(A2)이 샤프트(402)의 길이방향 축(A1)과 실질적으로 정렬되어, 엔드 이펙터(404)가 샤프트(402)에 대해 실질적으로 0의 각도에 있는 관절운동되지 않은 위치에 도시되어 있다. 관절운동된 위치에서, 길이방향 축(A1, A2)들은 엔드 이펙터(404)가 샤프트(402)에 대해 0이 아닌 각도에 있도록 서로로부터 각도 오프셋될 것이다.
일부 실시예에서, 수술 도구(400)에는 하우징(408)에 결합된 전력 케이블(414)을 통해 전력(전류)이 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 케이블(414)은 생략될 수 있고, 전력은 하나 이상의 배터리 또는 연료 전지와 같은 내부 전력 소스를 통해 수술 도구(400)에 공급될 수 있다. 그러한 실시예에서, 수술 도구(400)는 대안적으로 엔드 이펙터(404)에 전기 에너지를 제공할 수 있는 "전기수술 기구"로서 특징지어지고 달리 본 명세서에서 그로 지칭될 수 있다.
전력 케이블(414)은 조직을 소작하고/하거나 응고시키기 위해 수술 도구(400)를 전기 에너지(예컨대, 고주파 에너지), 초음파 에너지, 마이크로파 에너지, 열 에너지, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 에너지를 수술 도구(400)에 그리고 보다 상세하게는 엔드 이펙터(404)에 공급하는 발생기(416)와 연통하는 상태에 둘 수 있다. 따라서, 발생기(416)는 독립적으로 또는 동시에 활성화될 수 있는 고주파(RF) 소스, 초음파 소스, 직류 소스, 및/또는 임의의 다른 적합한 유형의 전기 에너지 소스를 포함할 수 있다.
도 6은 도 4의 수술 도구(400)의 원위 단부의 확대 등각도이다. 보다 구체적으로, 도 6은 엔드 이펙터(404) 및 리스트(406)의 확대도를 도시하며, 이때 엔드 이펙터(404)의 조오(410, 412)들은 개방 위치에 있다. 리스트(406)는 엔드 이펙터(404)를 샤프트(402)에 작동적으로 결합한다. 그러나, 일부 실시예에서, 샤프트 어댑터가 리스트(406)에 직접 결합될 수 있고 달리 샤프트(402)와 리스트(406) 사이에 개재될 수 있다. 따라서, 리스트(406)는 리스트(406)가 샤프트(402)의 원위 단부에 직접 결합되는 직접 결합 맞물림, 또는 샤프트 어댑터가 리스트(406)와 샤프트(402)의 원위 단부 사이에 개재되는 간접 결합 맞물림을 통해 샤프트(402)에 작동적으로 결합될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "작동적으로 결합"은 직접 또는 간접 결합 맞물림을 지칭한다.
엔드 이펙터(404)를 샤프트(402)에 작동적으로 결합하기 위해, 리스트(406)는 제1 또는 "원위" 링크장치(602a), 제2 또는 "중간" 링크장치(602b), 및 제3 또는 "근위" 링크장치(602c)를 포함한다. 링크장치(602a 내지 602c)들은 샤프트(402)에 대한 엔드 이펙터(404)의 관절운동을 용이하게 하도록, 예컨대 엔드 이펙터(404)를 샤프트(402)의 길이방향 축(A1)(도 4)에 대해 비스듬히 놓이게 하도록 구성된다. 예시된 실시예에서, 링크장치(602a 내지 602c)들을 통한 관절운동은 피치 단독, 요 단독, 또는 이들의 조합으로 제한될 수 있다. 예시된 바와 같이, 원위 링크장치(602a)는 엔드 이펙터(404)에 그리고 보다 상세하게는 하부 조오(412)(또는 하부 조오(412)의 연장부)에 결합될 수 있다. 원위 링크장치(602a)는 또한 제1 액슬(604a)에서 중간 링크장치(602b)에 회전가능하게 결합될 수 있고, 중간 링크장치(602b)는 제2 액슬(604b)에서 근위 링크장치(602c)에 회전가능하게 결합될 수 있다. 근위 링크 장치(602c)는 이어서 샤프트(402)의 원위 단부(606)(또는 대안적으로 샤프트 어댑터)에 결합될 수 있다.
리스트(406)는 제1 액슬(604a)을 통해 연장되는 제1 피벗 축(P1) 및 제2 액슬(604b)을 통해 연장되는 제2 피벗 축(P2)을 제공한다. 제1 피벗 축(P1)은 엔드 이펙터(404)의 길이방향 축(A2)(도 4)에 실질적으로 직각(직교)이고, 제2 피벗 축(P2)은 길이방향 축(A2) 및 제1 피벗 축(P1) 둘 모두에 실질적으로 직각(직교)이다. 제1 피벗 축(P1)을 중심으로 한 이동은 엔드 이펙터(404)의 "요" 관절운동을 제공하고, 제2 피벗 축(P2)을 중심으로 한 이동은 엔드 이펙터(404)의 "피치" 관절운동을 제공한다. 대안적으로, 제1 피벗 축(P1)은 "피치" 관절운동을 제공하도록 구성될 수 있고, 제2 피벗 축(P2)은 "요" 관절운동을 제공하도록 구성될 수 있다.
구동 케이블(608a, 608b, 608c, 608d)들로서 도시된 복수의 구동 케이블이 샤프트(402)(및/또는 샤프트 어댑터)에 의해 한정된 루멘(610) 내에서 길이방향으로 연장되고 리스트(406)를 통과하여 엔드 이펙터(404)에 작동적으로 결합된다. 루멘(610)은 예시된 바와 같이 단일 루멘일 수 있거나, 대안적으로 구동 케이블(608a 내지 608d)들 중 하나 이상을 각각 수용하는 복수의 독립적인 루멘을 포함할 수 있다.
구동 케이블(608a 내지 608d)들은 간략하게 전술된 케이블 구동식 운동 시스템의 일부를 형성하고, 케이블, 밴드, 라인, 코드(cord), 와이어, 로프(rope), 스트링(string), 꼬인 스트링, 세장형 부재 등으로 지칭되고 달리 이로서 특징지어질 수 있다. 구동 케이블(608a 내지 608d)들은 금속(예컨대, 텅스텐, 스테인리스강 등) 또는 중합체(예컨대, 초고분자량 폴리에틸렌), 합성 섬유(예컨대, 케블라(KEVLAR)(등록상표), 벡트란(VECTRAN)(등록상표) 등), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 4개의 구동 케이블(608a 내지 608d)이 도 6에 도시되어 있지만, 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 4개 초과 또는 4개 미만의 구동 케이블(608a 내지 608d)이 포함될 수 있다.
구동 케이블(608a 내지 608d)들은 엔드 이펙터(404)로부터 구동 하우징(408)(도 4)으로 근위방향으로 연장되는데, 구동 하우징에서 이들은 루멘(610) 내에서의 구동 케이블(608a 내지 608d)들의 길이방향 이동(병진)을 용이하게 하기 위해 내부에 내장된 다양한 작동 메커니즘(예컨대, 캡스턴) 또는 장치에 작동적으로 결합된다. 구동 케이블(608a 내지 608d) 중 일부 또는 전부의 선택적 작동은 엔드 이펙터(404)가 샤프트(402)에 대해 관절운동(피벗)하게 한다. 보다 구체적으로, 선택적 작동은 대응하는 구동 케이블(608a 내지 608d)이 루멘(610) 내에서 길이방향으로 병진하게 하고 이에 의해 리스트(406)에서의 엔드 이펙터(404)의 피벗 이동을 유발한다. 구동 케이블(608a 내지 608d)들을 이동시키는 것은 다양한 방식으로, 예를 들어 구동 하우징(408)(도 4)에 작동적으로 결합되거나 그 내부에 내장된 연관된 액추에이터 또는 메커니즘(예컨대, 캡스턴)을 트리거링(triggering)함으로써 달성될 수 있다. 주어진 구동 케이블(608a 내지 608d)을 이동시키는 것은 주어진 구동 케이블(608a 내지 608d)에 근위 방향으로 장력(즉, 당김력)을 가하는 것을 구성하며, 이는 주어진 구동 케이블(608a 내지 608d)이 병진하게 하고 이에 의해 엔드 이펙터(404)가 샤프트(402)에 대해 이동(관절운동)하게 한다. 이해되는 바와 같이, 하나의 구동 케이블(608a 내지 608d)에 장력을 인가하고 이를 이동시키는 것은 이동하는 구동 케이블(608a 내지 608d)에 대해 각도 방향으로(또는 대각선으로) 반대편에 있는 구동 케이블(608a 내지 608d)의 처짐을 초래할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 이러한 발생을 완화시키도록 구성될 수 있다.
구동 케이블(608a 내지 608d)들 각각은 제1, 제2 및 제3 링크장치(602a 내지 602c)들을 통해 길이방향으로 연장되고 제1 링크장치(602a)에서 종료되어서, 각각의 구동 케이블(608a 내지 608d)을 엔드 이펙터(404)에 그리고 보다 상세하게는 하부 조오(412)에 작동적으로 결합한다. 일부 실시예에서, 예시된 바와 같이, 각각의 구동 케이블(608a 내지 608d)의 원위 단부는 볼 크림프(ball crimp)(612)(하나만이 도시됨)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 구동 케이블(608a 내지 608d)의 원위 단부는 용접부, 접착제 부착부, 억지 끼워맞춤부, 또는 전술한 것들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 도체(614)는 엔드 이펙터(404)에 그리고 보다 상세하게는 엔드 이펙터(404)에 포함된 전극(616)에 전기 에너지를 공급할 수 있다. 전기 도체(614)는 리스트(406)를 통해 루멘(610) 내에서 길이방향으로 연장되고, 전극(616)에서 종료된다. 엔드 이펙터(404)는 단극성(monopolar) 또는 양극성(bipolar) 작동을 위해 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 전극(616)은 하부 조오(412)에 장착되거나 그렇지 않으면 그의 일부를 형성한다. 그러나, 다른 실시예에서, 전극(616)은 상부 조오(410)의 일부를 형성할 수 있거나, 대안적으로 둘 모두의 조오(410, 412)들에 결합되거나 그의 일부를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 도체(614)와 전력 케이블(414)(도 4)은 동일한 구조를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 전기 도체(614)는 전력 케이블(414)에 전기적으로 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전기 도체(614)는 구동 하우징(408)까지 연장될 수 있는데, 구동 하우징에서 전기 도체는 배터리 또는 연료 전지와 같은 내부 전력 소스에 전기적으로 결합된다.
예시된 실시예에서, 엔드 이펙터(404)는 상부 조오(410) 및 하부 조오(412) 중 하나 또는 둘 모두에서 길이방향으로 한정된 홈 또는 슬롯(620) 내에서 전진 및 후퇴하도록 구성된 나이프 또는 "절단 요소"(618)(대개는 가려짐)를 포함하는 혈관 봉합기를 포함한다. 예시적인 작동에서, 조오(410, 412)들은 조직 상으로 폐쇄 및 파지하도록 작동될 수 있으며, 그 후에 절단 요소(618)는 파지된 조직을 절단하기 위해 슬롯(620)(들)을 따라 원위방향으로 전진될 수 있다. 대안적으로, 절단 요소(618)는 응고된 조직을 절단하기 위해 전기 에너지의 인가 후에 전개될 수 있다.
조오(410, 412)들은 상부 조오(410)를 하부 조오(412)에 대해 피벗시킴으로써 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동될 수 있다. 예시된 실시예에서, 상부 조오(410)는 조오 액슬(622)에서 하부 조오(412)에 회전가능하게 결합(장착)될 수 있다. 제3 피벗 축(P3)이 조오 액슬(622)을 통해 연장되고, 제1 피벗 축(P1)에 대해 대체로 직각(직교)이고 제2 피벗 축(P2)에 평행하다. 중앙 풀리(624)(부분적으로 볼 수 있음)가 조오 액슬(622)에 장착될 수 있으며, 조오(410, 412)들을 선택적으로 개방 및 폐쇄하도록 작동될 수 있는 조오 케이블(626)을 수용할 수 있다.
구동 케이블(608a 내지 608d)들과 유사하게, 조오 케이블(626)은 루멘(610) 내에서 길이방향으로 연장되고, 리스트(406)를 통과한다. 또한, 조오 케이블(626)은 본 명세서에 기술된 케이블 구동식 운동 시스템의 일부를 형성할 수 있고, 따라서 엔드 이펙터(404)로부터 구동 하우징(408)(도 4)까지 근위방향으로 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 조오 케이블(626)은 중앙 풀리(624)에서 또는 그 부근에서 연결되고 구동 하우징(408)으로 근위방향으로 연장되는 2개의 라인 또는 와이어를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 조오 케이블(626)은 중앙 풀리(624) 둘레에서 루프화된 단일 라인 또는 와이어를 포함할 수 있고, 조오 케이블(626)의 반대편의 제1 및 제2 단부(628a, 628b)들은 구동 하우징(408)으로 근위방향으로 연장된다.
도 7은 하나 이상의 실시예에 따른 구동 하우징(408)의 저면도이다. 예시된 바와 같이, 구동 하우징(408)은 구동 하우징(408)을 로봇 조작기(예컨대, 각각 도 3 및 도 5의 로봇 조작기(306, 502))의 도구 구동기에 작동적으로 결합하는 데 사용되는 도구 장착 인터페이스(702)를 포함할 수 있다. 도구 장착 인터페이스(702)는 구동 하우징(408)을 도구 구동기에 다양한 방식으로, 예를 들어 그에 클램핑하거나, 그에 클립핑(clipping)하거나, 그와 활주가능하게 정합함으로써 해제가능하게 결합시킬 수 있다. 도구 장착 인터페이스(702)는 도구 구동기의 장착 표면 상의 전기 접속부에 결합될 수 있는 전기 접속 핀들의 어레이를 포함할 수 있다. 따라서, 도구 장착 인터페이스(702)는 구동 하우징(408)을 도구 구동기에 기계적으로, 자기적으로, 그리고/또는 전기적으로 결합시킬 수 있다.
예시된 바와 같이, 인터페이스(702)는 구동 입력부(704a, 704b, 704c, 704d, 704e, 704f)들로서 도시된 복수의 입력부를 포함하고 지원한다. 각각의 구동 입력부(704a 내지 704f)는 주어진 도구 구동기의 대응하는 액추에이터와 정렬되고 그에 결합되도록 구성된 회전가능 디스크를 포함할 수 있다. 각각의 구동 입력부(704a 내지 704f)는 주어진 액추에이터 상에 제공된 대응하는 특징부와 정렬되고 이와 정합하도록 구성된 하나 이상의 표면 특징부(706)를 제공하거나 한정할 수 있다. 표면 특징부(706)는, 예를 들어, 정합 맞물림을 용이하게 하는 다양한 돌출부 및/또는 만입부를 포함할 수 있다. 구동 입력부(704a 내지 704f)들 각각은 인터페이스(702)에 결합된 도구 구동기에 전달되는 사용자 입력에 기초하여 작동될 수 있고, 사용자 입력은 로봇 수술 시스템에 통합된 컴퓨터 시스템을 통해 수신될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 구동 입력부(704a)의 작동은 그의 길이방향 축(A1)을 중심으로 하는 샤프트(402)의 회전을 제어하도록 구성될 수 있다. 샤프트(402)는 제1 구동 입력부(704a)의 회전 방향에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 구동 입력(704b)의 작동은 절단 요소(618)(도 6)를 전진 또는 후퇴시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 및 제4 구동 입력부(704c, 704d)들의 작동은 조오(410, 412)(도 4 및 도 6)들을 개방 및 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 조오 케이블(626)(도 6)의 제1 및 제2 단부(628a, 628b)(도 6)들은 제3 및 제4 구동 입력부(704c, 704d)들 중 대응하는 하나로 연장되고 그에 작동적으로 결합될 수 있어, 제3 및 제4 구동 입력부(704c, 704d)들의 협력적 작동은 조오 케이블(626)이 조오(410, 412)들을 개방/폐쇄하게 한다.
일부 실시예에서, 제5 및 제6 구동 입력부(704e, 704f)들의 작동은 구동 케이블(608a 내지 608d)(도 6)을 축방향으로 병진시키고 이에 의해 엔드 이펙터(404)(도 4 및 도 6)를 관절운동시키도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 2개의 구동 케이블(608a 내지 608d)은 각각의 구동 입력부(704e, 704f)에 작동적으로 결합될 수 있어, 제5 구동 입력부(704e)의 작동은 2개의 구동 케이블(608a 내지 608d)이 축방향으로 병진하게 하고, 제6 구동 입력부(704f)의 작동은 다른 2개의 구동 케이블(608a 내지 608d)이 축방향으로 병진하게 한다. 일 실시예에서, 예를 들어 제2 및 제3 구동 케이블(608b, 608c)들은 제5 구동 입력부(704e)의 작동에 의해 구동될 수 있고, 제1 및 제4 구동 케이블(608a, 608d)들은 제6 구동 입력부(704e)의 작동에 의해 구동될 수 있다.
도 8은 하나 이상의 실시예에 따른 구동 하우징(408)의 내부의 노출 등각도이다. 도시된 구성 부품들의 논의를 가능하게 하기 위해, 구동 하우징(408) 내에 달리 수용될 몇몇 구성 부품들이 도 8에 도시되어 있지 않다. 보다 상세하게는, 도 8은 제6 구동 입력부(704f)(도 7)와 연관된 구동 조립체(800)를 도시하며, 구동 하우징(408)에 몇몇 구멍(802)이 한정되는데, 여기서 다르게는 추가의 구동 조립체(도시되지 않음)들이 구동 하우징(408)에 장착되고 제1 내지 제5 구동 입력부(704a 내지 704e)들과 각각 연관될 것이다.
구동 조립체(800)는 입력 샤프트(804)를 포함하거나 달리 그에 장착될 수 있다. 입력 샤프트(804)는 제6 구동 입력부(704f)(도 7)에 작동적으로 결합되거나 달리 이로부터 연장되어, 제6 구동 입력부(704f)의 작동은 입력 샤프트(804)를 대응하게 회전시킨다.
구동 조립체(800)는 또한 제1 또는 "상부" 캡스턴 조립체(806a) 및 제2 또는 "하부" 캡스턴 조립체(806b)를 포함할 수 있고, 각각의 캡스턴 조립체(806a, 806b)는 입력 샤프트(804)에 회전가능하게 장착될 수 있다. 상부 캡스턴 조립체(806a)는 제1 또는 "상부" 캡스턴(808a)을 포함하고, 하부 캡스턴 조립체(806b)는 제2 또는 "하부" 캡스턴(808b)을 포함한다. 캡스턴(808a, 808b)들의 각각은 그에 결합되고(즉, 그 주위에 감기고) 그로부터 연장되는 구동 케이블을 가질 수 있다. 예시된 실시예에서, 제1 구동 케이블(608a)(파선으로 도시됨)은 상부 캡스턴(808a)에 결합되고, 제4 구동 케이블(608d)(파선으로 도시됨)이 하부 캡스턴(808a)에 결합된다. 각각의 구동 케이블(608a, 608d)은 대응하는 캡스턴(808a, 808b)으로부터 구동 하우징(408) 밖으로 연장된다. 이해되는 바와 같이, 제1 및 제4 구동 케이블(608a, 608d)들은 대안적으로, 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 반대편의 캡스턴(808a, 808b)에 결합될 수 있다. 또한, 도 6의 구동 케이블(608a 내지 608d)들 중 2개의 임의의 조합이 본 발명에 따라 캡스턴(808a, 808b)들에 결합될 수 있다.
상부 캡스턴(808a)은 입력 샤프트(804)에 작동적으로 결합될 수 있어, 입력 샤프트(804)를 제1 각도 방향(810a)(예컨대, 시계방향)으로 회전시키는 것이 그에 대응하여 상부 캡스턴(808a)을 제1 각도 방향(810a)으로 구동시키도록 하며, 이는 제1 구동 케이블(608a)이 제1 선형 방향(812a)으로(예컨대, 근위방향으로) 당겨지게 하고 그에 대응하여 상부 캡스턴(808a) 주위에 감기게 한다. 또한, 입력 샤프트(804)를 제1 각도 방향(810a)으로 회전시키는 것은 하부 캡스턴(808b)을 입력 샤프트(804)로부터 회전적으로 맞물림 해제시킬 것이고 입력 샤프트(804)가 하부 캡스턴(808b)에 대해 회전하게 할 것이다. 결과적으로, 입력 샤프트(804)가 제1 각도 방향(810a)으로 회전될 때, 제4 구동 케이블(608d)은 필요하다면 제1 선형 방향(812a)에 반대인 제2 선형 방향(812b)으로(예컨대, 원위방향으로) 이동하게 될 수 있고, 그렇지 않으면 적절한 인장 하중을 유지하는 것을 돕기 위해 하부 캡스턴(808b)으로부터 풀릴 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 입력 샤프트(804)가 제1 각도 방향(810a)으로 회전할 때 상부 캡스턴(808a) 상으로 감긴 제1 구동 케이블(608a)의 길이(선형 거리)는 하부 캡스턴(808b)으로부터 풀리는 제4 구동 케이블(608d)의 실질적으로 동일한 길이(선형 거리)일 수 있다.
반대로, 하부 캡스턴(808b)은 입력 샤프트(804)에 작동적으로 결합될 수 있어, 입력 샤프트(804)를 제1 각도 방향(810a)에 반대인 제2 각도 방향(810b)(예컨대, 반시계방향)으로 회전시키는 것이 그에 대응하여 하부 캡스턴(808b)을 제2 각도 방향(810a)으로 구동시키도록 하며, 이는 제4 구동 케이블(608d)이 제2 선형 방향(812b)으로 당겨지게 하고 그에 대응하여 하부 캡스턴(808b) 주위에 감기게 한다. 또한, 입력 샤프트(804)를 제2 각도 방향(810b)으로 회전시키는 것은 상부 캡스턴(808a)을 입력 샤프트(804)로부터 회전적으로 맞물림 해제시켜서, 입력 샤프트(804)가 상부 캡스턴(808a)에 대해 회전하게 할 것이다. 결과적으로, 입력 샤프트(804)가 제2 각도 방향(810b)으로 회전될 때, 제1 구동 케이블(608a)은 필요하다면 제2 선형 방향(812b)으로 이동하게 될 수 있고, 그렇지 않으면 적절한 인장 하중을 유지하는 것을 돕기 위해 상부 캡스턴(808a)으로부터 풀릴 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 입력 샤프트(804)가 제2 각도 방향(810b)으로 회전할 때 하부 캡스턴(808b) 상으로 감긴 제4 구동 케이블(608b)의 길이(선형 거리)는 상부 캡스턴(808a)으로부터 풀리는 제1 구동 케이블(608a)의 실질적으로 동일한 길이(선형 거리)일 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른, 구동 조립체(800)의 확대 등각도 및 분해도이다. 예시된 바와 같이, 입력 샤프트(804)는 제1 또는 상부 단부(902a) 및 상부 단부(902a)의 반대편의 제2 또는 하부 단부(902b)를 갖는 대체로 세장형인 몸체를 포함한다. 제6 구동 입력부(704f)는 하부 단부(902b)에 작동적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어 제6 구동 입력부(704f)는 예를 들어 스크루 등을 이용하여 하부 단부(902b)에 기계적으로 체결될 수 있다. 대안적으로, 입력 샤프트(804)는 제6 구동 입력부(704f)의 일체형 연장부를 형성할 수 있다. 구동 조립체(800)는 또한 제6 구동 입력부(704f)를 구동 하우징(408)(도 4, 도 7, 도 8)에 회전가능하게 장착하는 것을 돕도록 구성된 플랜지-형성된 부싱(flanged bushing)(904a)을 포함할 수 있다. 그러나, 플랜지-형성된 부싱(904a)은 선택적일 수 있다.
예시된 실시예에서, 상부 캡스턴 조립체(806a)는 상부 캡스턴(808a), 어댑터 또는 하우징(906), 및 제1 일방향 베어링(908a)(도 9b에서 가장 잘 보여짐)을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 상부 캡스턴(808a)은 상부 캡스턴(808a)의 적어도 일부분의 외측 원주 주위에서 연장되는 제1 나선형 홈(910a)을 포함한다. 제1 나선형 홈(910a)은 전술된 바와 같이 제1 구동 케이블(608a)(도 6, 도 8)과 같은 구동 케이블을 수용하도록 구성될 수 있다. 제1 구동 케이블(608a)의 단부는 상부 캡스턴(808a)에 고정식으로 부착될 수 있고, 상부 캡스턴(808a)이 회전함에 따라, 제1 구동 케이블(608a)이 회전 방향에 따라 풀리거나(즉, 권취해제되거나) 끌어들여질 수 있다.
상부 캡스턴(808a)은 어댑터(906)와 정합가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 도 9b에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 상부 캡스턴(808a)은 제1 정합 구조체(912a)를 제공하거나 달리 한정할 수 있고, 어댑터(906)는 제1 정합 구조체(912a)와 정합가능한 제2 정합 구조체(912b)(도 9b에서 부분적으로 볼 수 있음)를 제공하거나 달리 한정할 수 있다. 제1 및 제2 정합 구조체(912a, 912b)들을 적절히 정합시킬 때, 상부 캡스턴(808a) 및 어댑터(906)는 단일의 모놀리식(monolithic) 몸체로서 회전할 것이다. 제1 및 제2 정합 구조체(912a, 912b)들은 상부 캡스턴(808a)을 어댑터(906)에 회전적으로 고정시키는 그리고 그 반대도 같은 임의의 정합가능 맞물림부를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 제1 및 제2 정합 구조체(912a, 912b)들은 각각의 구성요소 부품 상에 한정된 정합가능 성곽부(castellation)들 또는 성곽형 (상호맞물림) 특징부들이다. 그러나, 다른 실시예에서, 제1 및 제2 정합 구조체(912a, 912b)들은 대안적으로 도브테일(dovetail) 맞물림부, 설부(tongue) 및 홈 맞물림부, 정합 구멍들과 맞물리는 핀(pin) 또는 클립, 스플라인형 맞물림부, 간섭 또는 수축 끼워맞춤 맞물림부, 용접, 접착제 접합, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 상부 캡스턴 조립체(806a)는 상부 캡스턴(808a)이 어댑터(906)와 정합하는 것을 도울 수 있는 플랜지-형성된 부싱(904b)을 더 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 플랜지-형성된 부싱(904b)은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 생략될 수 있다. 플랜지-형성된 부싱(904b)은 상부 캡스턴(808a)을 지지하도록 구동 하우징(408)(도 4) 내에 배열된 프레임 구조체(예시되지 않음)와 상부 캡스턴(808a) 사이의 마찰을 완화시키기 위해 플랜지-형성된 플레인 베어링(plane bearing)으로서 작용한다.
어댑터(906)는 제1 일방향 베어링(908a)을 수용하는 크기로 된 공동(cavity)(914)을 한정할 수 있다. 제1 일방향 베어링(908a)은 하나의 각도 방향으로의 회전을 허용하지만 반대 방향으로의 회전을 방지하는 임의의 유형의 베어링을 포함할 수 있다. 제1 일방향 베어링(908a)은 예를 들어 일방향 클러치 베어링, 스프래그-스타일(sprag-style) 베어링, 역전-방지(anti-reverse) 베어링, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 제1 일방향 베어링(908a)은 제1 방향으로의 회전을 허용하지만 제2 방향으로의 회전을 방지하는 래칫 메커니즘(ratchet mechanism)을 포함할 수 있다. 제1 일방향 베어링(908a)은 간섭 끼워맞춤, 기계적 부착, 용접, 접착제, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 부착 수단을 통해 공동(914) 내에 고정될 수 있다. 상부 캡스턴 조립체(806a)가 입력 샤프트(704) 상에 조립될 때, 제1 일방향 베어링(908a)의 내측 반경방향 표면(916)은 상부 단부(902a)에서 또는 그 부근에서 입력 샤프트(704)의 외측 반경방향 표면과 맞물리도록 위치될 수 있다.
따라서, 적어도 하나의 실시예에서, 상부 캡스턴(808a)은 어댑터(906) 및 제1 일방향 베어링(908a)을 통해 입력 샤프트(804)에 회전가능하게 장착될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 어댑터(906)는 상부 캡스턴 조립체(806a)로부터 생략될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 제1 일방향 베어링(908a)은 대안적으로 상부 캡스턴(808a)에 고정될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 일방향 베어링(908a)은 제1 각도 방향(810a)으로 회전가능하지 않을 수 있지만, 제2 각도 방향(810b)으로의 회전을 허용할 수 있다. 결과적으로, 입력 샤프트(804)가 제1 각도 방향(810a)으로 회전될 때, 제1 일방향 베어링(908a)은 입력 샤프트(804)에 대해 결속되고 입력 샤프트(804)로부터 상부 캡스턴(808a)으로 토크를 전달하며 이에 의해 상부 캡스턴(808a)을 제1 각도 방향(810a)으로 구동시킬 수 있다. 전술된 바와 같이, 상부 캡스턴(808a)을 제1 각도 방향(810a)으로 회전시키는 것은 제1 구동 케이블(608a)(도 6 및 도 8)이 상부 캡스턴(808a) 주위에 감기게 할 수 있다. 그러나, 입력 샤프트(804)가 제2 각도 방향(810b)으로 회전될 때, 제1 일방향 베어링(908a)은 상부 캡스턴(808a)을 입력 샤프트(804)로부터 회전적으로 맞물림 해제시키고 입력 샤프트(804)가 상부 캡스턴(808a)에 대해 회전하게 하는 자유 운동을 허용할 수 있다.
하부 캡스턴 조립체(806b)는 하부 캡스턴(808b) 및 제2 일방향 베어링(908b)(도 9b에서 가장 잘 보임)을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 하부 캡스턴(808b)은 하부 캡스턴(808b)의 적어도 일부분의 외측 원주 주위에서 연장되는 제2 나선형 홈(910b)을 포함한다. 제2 나선형 홈(910b)은 전술된 바와 같이 제4 구동 케이블(608d)(도 6, 도 8)과 같은 구동 케이블을 수용하도록 구성될 수 있다. 제4 구동 케이블(608d)의 단부는 하부 캡스턴(808b)에 고정식으로 부착될 수 있고, 하부 캡스턴(808b)이 회전함에 따라, 제4 구동 케이블(608d)이 회전 방향에 따라 풀리거나(즉, 권취해제되거나) 끌어들여질 수 있다.
제2 일방향 베어링(908b)은 하부 캡스턴(808b)에 작동적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 제2 일방향 베어링(908b)은 하부 캡스턴(808b)에 의해 한정되는 공동(도시되지 않음) 내에 수용될 수 있고, 간섭 끼워맞춤, 기계적 부착, 용접, 접착제, 또는 이들의 임의의 조합을 통해 공동 내에 고정될 수 있다. 하부 캡스턴 조립체(806b)가 입력 샤프트(704) 상에 조립될 때, 제2 일방향 베어링(908b)의 내측 반경방향 표면(918)은 상부 단부(902a)에서 또는 그 부근에서 입력 샤프트(704)의 외측 반경방향 표면과 맞물리도록 위치될 수 있다.
제1 일방향 베어링(908a)과 유사하게, 제2 일방향 베어링(908b)은 하나의 각도 방향으로의 회전을 허용하지만 반대 방향으로의 회전을 방지하는 임의의 유형의 베어링을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 일방향 베어링(908a, 908b)은 동일한 유형의 베어링일 수 있지만, 제1 및 제2 캡스턴(808a, 808b)들이 입력 샤프트(804)의 반대 각도 회전에 의해 회전 구동되도록 반대로 장착될 수 있다.
따라서, 하부 캡스턴(808b)은 제2 일방향 베어링(908b)을 통해 입력 샤프트(804)에 회전가능하게 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 일방향 베어링(908b)은 제2 각도 방향(810b)으로 회전가능하지 않을 수 있지만, 제1 각도 방향(810a)으로의 회전을 허용할 수 있다. 결과적으로, 입력 샤프트(804)가 제2 각도 방향(810b)으로 회전될 때, 제2 일방향 베어링(908b)은 입력 샤프트(804)에 대해 결속되고 입력 샤프트(804)로부터 하부 캡스턴(808b)으로 토크를 전달하며 이에 의해 하부 캡스턴(808b)을 제2 각도 방향(810b)으로 구동시킬 수 있다. 전술된 바와 같이, 하부 캡스턴(808b)을 제2 각도 방향(810b)으로 회전시키는 것은 제4 구동 케이블(608d)(도 6 및 도 8)이 하부 캡스턴(808b) 주위에 감기게 할 수 있다. 그러나, 입력 샤프트(804)가 제1 각도 방향(810a)으로 회전될 때, 제2 일방향 베어링(908b)은 하부 캡스턴(808b)을 입력 샤프트(804)로부터 회전적으로 맞물림 해제시키고 입력 샤프트(804)가 하부 캡스턴(808b)에 대해 회전하게 하는 자유 운동을 허용할 수 있다.
구동 조립체(800)는 상부 캡스턴 조립체(806a)와 하부 캡스턴 조립체(806b)에 작동적으로 결합되고 이들 사이에서 연장되는 순응성 부재(compliant member)(920)를 더 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 순응성 부재(920)는 코일 스프링을 포함하지만, 대안적으로 토크를 전달할 수 있는 임의의 다른 유형의 편의(biasing) 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 순응성 부재(920)는 대안적으로, 케이블에 의해 각각의 캡스턴 조립체(806a, 806b)에 부착된 압축 스프링을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 순응성 부재(920)는 상부 캡스턴 조립체(806a)와 맞물림가능한 제1 또는 상부 단부(922a), 및 하부 캡스턴 조립체(806b)와 맞물림가능한 제2 또는 하부 단부(922b)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상부 단부(922a)는 어댑터(906) 상에 한정된 수용 특징부(도 10 참조)와 정합하도록 구성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 수용 특징부는 대안적으로 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 상부 캡스턴(808a)의 일부를 형성할 수 있다. 상부 단부(922a)를 수용 특징부 내에 수용하는 것은 순응성 부재(920)가 토크를 상부 캡스턴 조립체(806a)로, 보다 상세하게는 상부 캡스턴(808a)으로 전달하게 할 수 있다.
순응성 부재(920)의 하부 단부(922b)는 하부 캡스턴(808b)에 결합될 수 있다. 보다 상세하게는, 하부 단부(922b)는 측방향으로 연장될 수 있고, 하부 캡스턴(808b)에 한정된 슬롯(924) 내에 수용될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상부 캡스턴(808a)의 저부 단부는 구동 조립체(800)가 조립될 때 하부 단부(922b)를 슬롯(924) 내에 유지하는 것을 도울 수 있다. 하부 단부(922b)를 슬롯(924) 내에 수용하는 것은, 순응성 부재(920)가 토크를 하부 캡스턴 조립체(806b)로, 보다 상세하게는 하부 캡스턴(808b)으로 전달하게 할 수 있다.
도 10은 하나 이상의 실시예에 따른, 구동 조립체(800)의 일부분의 분해 등각도이다. 보다 구체적으로, 도 10은 어댑터(906)의 저부 부분을 도시한다. 전술된 바와 같이, 어댑터(906)는 상부 캡스턴(808a)의 제1 정합 구조체(912a)와 정합가능한 제2 정합 구조체(912b)를 한정할 수 있다. 또한, 어댑터(906)는 순응성 부재(920)의 상부 단부(922a)를 수용하도록 그리고 달리 이와 정합하도록 구성된 수용기 특징부(1002)를 제공하거나 한정할 수 있다. 예시된 바와 같이, 수용기 특징부(1002)는 상부 단부(922a)를 수용하는 크기로 된 구멍 또는 공동을 포함할 수 있지만, 대안적으로 슬롯 등을 포함할 수 있을 것이다. 그러나, 어댑터(906)가 생략되는 실시예에서, 수용기 특징부(1002)는 대안적으로 상부 캡스턴(808a) 상에 제공될 수 있거나, 순응성 부재(920)의 상부 단부(922a)는 그렇지 않으면 상부 캡스턴(808a)에 직접 결합될 수 있고 비틀림을 상부 캡스턴 조립체(806a)로 전달할 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 다시 참조하면, 순응성 부재(920)는 상부 및 하부 캡스턴 조립체(806a, 806b)들 상에 일정한 양의 반대의 비틀림 하중을 제공하여, 이들에 결합된 구동 케이블들에서 발생할 수 있는 케이블 처짐의 양을 감소시키는 것을 돕도록 구성될 수 있다. 순응성 부재(920)는 구동 조립체(800)의 조립 동안 사전-인장될 수 있으며, 이는 순응성 부재(920)가 반대 각도 방향들로 상부 및 하부 캡스턴 조립체(806a, 806b) 둘 모두에 작용하게 하고 이에 의해 대응하는 상부 및 하부 캡스턴(808a, 808b)들이 반대 회전으로 압박하게 한다. 일부 실시예에서, 순응성 부재(920)에 의해 제공되는 토크는 상부 및 하부 캡스턴(808a, 808b)들에 부착된 케이블들의 사전-인장 한계 이하에서 설정될 수 있다. 결과적으로, 주어진 케이블 내의 장력이 사전-인장 값 아래로 떨어지면, 순응성 부재(920)는 대응하는 캡스턴(808a, 808b)에 작용할 것이고 캡스턴(808a, 808b)이 반대로 회전하게 하여 처짐을 제거하게 할 것이다.
예시적인 작동 동안, 상부 캡스턴(808a)이 전술된 바와 같이 제1 구동 케이블(608a)(도 6, 도 8)을 당기도록 회전될 때, 제4 구동 케이블(608d)(도 6, 도 8) 상의 장력이 느슨해질 수 있다. 그러나, 하부 캡스턴(808b) 상에 순응성 부재(920)에 의해 제공되는 비틀림 하중은 하부 캡스턴(808b)을 반대로 회전시킬 수 있고 이에 의해 제4 구동 케이블(608d)에서 이러한 처짐을 제거하는 것을 도울 수 있다. 역으로, 하부 캡스턴(808b)이 전술된 바와 같이 제4 구동 케이블(608d)을 당기도록 회전될 때, 제1 구동 케이블(608a) 상의 장력은 느슨해질 수 있지만, 상부 캡스턴(808a) 상에 순응성 부재(920)에 의해 제공되는 비틀림 하중은 상부 캡스턴(808a)을 반대로 회전시킬 수 있고 이에 의해 제1 구동 케이블(608a)에서 발생하는 임의의 처짐을 제거하는 것을 도울 수 있다. 따라서, 이는 케이블들에 장력을 인가할 때 매우 강성인 시스템을 생성하고, 따라서 시스템은 외과 시술 동안 인가되는 외부 하중들을 견딜 수 있다.
여전히 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 입력 샤프트(804) 상에 상부 및 하부 캡스턴 조립체(806a, 806b)들을 조립된 후에, 캡스턴 조립체(806a, 806b)들을 입력 샤프트(804)에 고정시키기 위해 상부 단부(902a)에서 또는 그 부근에서 로크 링(lock ring)(926)이 입력 샤프트(804)에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 로크 링(926)은 입력 샤프트(804)의 외측 표면 상에 한정된 환상 홈(928)(도 9b) 내에 끼워맞춤되는 크기로 될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 로크 링(926)은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 입력 샤프트(804)에 장착된 상부 및 하부 캡스턴 조립체(806a, 806b)들을 적합하게 유지할 수 있는 임의의 장치 또는 메커니즘으로 대체될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 하기를 포함한다:
A. 수술 도구로서, 세장형 샤프트가 연장되어 나오는 구동 하우징; 세장형 샤프트의 원위 단부에 작동적으로 결합되는 엔드 이펙터; 구동 하우징에 회전가능하게 장착되는 구동 입력부 및 입력 샤프트; 입력 샤프트에 장착되고, 제1 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 상부 캡스턴 및 제2 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 하부 캡스턴을 포함하는 구동 조립체; 및 상부 캡스턴에 결합되고 엔드 이펙터로 연장되는 제1 구동 케이블, 및 하부 캡스턴에 결합되고 엔드 이펙터로 연장되는 제2 구동 케이블을 포함하고, 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 하부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상부 캡스턴을 제1 각도 방향으로 구동시켜 제1 구동 케이블을 제1 선형 방향으로 당기며, 입력 샤프트를 제1 각도 방향과 반대인 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 상부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 하부 캡스턴을 제2 각도 방향으로 구동시켜 제2 구동 케이블을 제1 선형 방향과 반대인 제2 선형 방향으로 당기는, 수술 도구.
B. 수술 도구를 작동시키는 방법은 수술을 위해 환자에 인접하게 수술 도구를 위치시키는 단계를 포함하고, 수술 도구는 세장형 샤프트가 연장되어 나오는 구동 하우징 및 세장형 샤프트의 원위 단부에 작동적으로 결합되는 엔드 이펙터; 구동 하우징에 회전가능하게 장착되는 구동 입력부 및 입력 샤프트; 입력 샤프트에 장착되고, 제1 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 상부 캡스턴 및 제2 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 하부 캡스턴을 포함하는 구동 조립체; 및 상부 캡스턴에 결합되고 엔드 이펙터로 연장되는 제1 구동 케이블, 및 하부 캡스턴에 결합되고 엔드 이펙터로 연장되는 제2 구동 케이블을 포함한다. 본 방법은 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키도록 구동 입력부를 작동시키고, 이에 의해 제1 구동 케이블을 제1 선형 방향으로 당기도록 상부 캡스턴을 제1 각도 방향으로 구동시키는 단계; 입력 샤프트가 제1 각도 방향으로 회전할 때 하부 캡스턴을 입력 샤프트로부터 회전적으로 맞물림 해제시키는 단계; 입력 샤프트를 제1 각도 방향과 반대인 제2 각도 방향으로 회전시키도록 구동 입력부를 작동시키고, 이에 의해 제2 구동 케이블을 제1 선형 방향과 반대인 제2 선형 방향으로 당기도록 하부 캡스턴을 제2 각도 방향으로 구동시키는 단계; 및 입력 샤프트가 제2 각도 방향으로 회전할 때 상부 캡스턴을 입력 샤프트로부터 회전적으로 맞물림 해제시키는 단계를 더 포함한다.
C. 수술 도구를 위한 구동 조립체로서, 제1 일방향 베어링에 의해 수술 도구의 입력 샤프트에 회전가능하게 장착가능한 상부 캡스턴을 포함하는 제1 캡스턴 조립체; 제2 일방향 베어링에 의해 입력 샤프트에 회전가능하게 장착가능한 하부 캡스턴을 포함하는 하부 캡스턴 조립체; 상부 및 하부 캡스턴 조립체들에 작동적으로 결합되고 이들 사이에서 연장되는 순응성 부재로서, 상부 및 하부 캡스턴들을 반대 회전으로 압박하는 일정한 반대의 비틀림 하중들을 상부 및 하부 캡스턴 조립체들 상에 제공하는, 상기 순응성 부재; 및 상부 캡스턴에 고정가능하고 수술 도구의 엔드 이펙터로 연장가능한 제1 구동 케이블, 및 하부 캡스턴에 고정가능하고 엔드 이펙터로 연장가능한 제2 구동 케이블을 포함하고, 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 하부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상부 캡스턴을 제1 각도 방향으로 구동시켜 제1 구동 케이블을 제1 선형 방향으로 당기며, 입력 샤프트를 제1 각도 방향과 반대인 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 입력 샤프트로부터 상부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 하부 캡스턴을 제2 각도 방향으로 구동시켜 제2 구동 케이블을 제1 선형 방향과 반대인 제2 선형 방향으로 당기는, 구동 조립체.
실시예 A, 실시예 B, 및 실시예 C의 각각은 하기의 추가의 요소들 중 하나 이상을 임의의 조합으로 가질 수 있다:
요소 1: 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 제2 구동 케이블이 하부 캡스턴으로부터 풀려 제2 선형 방향으로 이동하게 하며, 입력 샤프트를 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 제1 구동 케이블이 상부 캡스턴으로부터 풀려 제1 선형 방향으로 이동하게 한다. 요소 2: 상부 및 하부 캡스턴들에 작동적으로 결합되고 이들 사이에서 연장되는 순응성 부재를 더 포함하고, 순응성 부재는 상부 및 하부 캡스턴들을 반대 회전으로 압박하는 일정한 반대의 비틀림 하중들을 상부 및 하부 캡스턴들 상에 제공한다. 요소 3: 순응성 부재는 제1 및 제2 구동 케이블들의 사전-인장 한계 이하의 토크를 제공하도록 조립 동안에 사전-인장된다. 요소 4: 제1 일방향 베어링은 어댑터에 고정되고, 어댑터는 어댑터의 회전이 그에 대응하여 상부 캡스턴을 회전시키도록 상부 캡스턴과 정합가능하다. 요소 5: 어댑터 및 상부 캡스턴 각각은 정합가능한 상호맞물림 특징부들을 제공한다. 요소 6: 어댑터는 제1 일방향 베어링을 수용하는 크기로 된 공동을 한정한다. 요소 7: 제1 일방향 베어링은 상부 캡스턴에 고정된다. 요소 8: 제1 및 제2 일방향 베어링들은 일방향 클러치 베어링, 스프래그-스타일 베어링, 역전-방지 베어링, 래칫 메커니즘, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
요소 9: 입력 샤프트가 제1 각도 방향으로 회전될 때 제2 구동 케이블이 하부 캡스턴으로부터 풀려 제2 선형 방향으로 이동하게 하는 단계; 및 입력 샤프트가 제2 각도 방향으로 회전될 때 제1 구동 케이블이 상부 캡스턴으로부터 풀려 제1 선형 방향으로 이동하게 하는 단계를 더 포함한다. 요소 10: 입력 샤프트가 제1 각도 방향으로 회전할 때 제1 구동 케이블의 제1 길이를 상부 캡스턴 상으로 감는 것과 동시에 제2 구동 케이블의 제2 길이를 하부 캡스턴으로부터 푸는 단계를 더 포함하고, 제1 및 제2 길이들은 동일하다. 요소 11: 상부 및 하부 캡스턴들에 작동적으로 결합되고 이들 사이에서 연장되는 순응성 부재에 의해, 상부 및 하부 캡스턴들 상에 일정한 반대의 비틀림 하중들을 제공하는 단계를 더 포함한다. 요소 12: 순응성 부재에 의해 반대 회전으로 상부 및 하부 캡스턴들을 압박하는 단계를 더 포함한다. 요소 13: 조립 동안에 순응성 부재를 사전-인장시키고, 이에 의해 제1 및 제2 구동 케이블들의 사전-인장 한계 이하의 토크를 제공하는 단계를 더 포함한다. 요소 14: 상부 캡스턴을 제1 각도 방향으로 구동시키는 단계는 하부 캡스턴에 작용하는 순응성 부재에 의해 제2 구동 케이블에서 처짐을 제거하는 단계를 더 포함하고, 하부 캡스턴을 제2 각도 방향으로 구동시키는 단계는 상부 캡스턴에 작용하는 순응성 부재에 의해 제1 구동 케이블에서 처짐을 제거하는 단계를 더 포함한다.
요소 15: 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 제2 구동 케이블이 하부 캡스턴으로부터 풀려 제2 선형 방향으로 이동하게 하며, 입력 샤프트를 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 제1 구동 케이블이 상부 캡스턴으로부터풀려 제1 선형 방향으로 이동하게 한다. 요소 16: 제1 캡스턴 조립체는 상부 캡스턴과 정합가능한 어댑터를 더 포함하여 어댑터의 회전이 그에 대응하여 상부 캡스턴을 회전시키도록 하며, 제1 일방향 베어링은 어댑터에 고정된다. 요소 17: 제1 및 제2 일방향 베어링들은 일방향 클러치 베어링, 스프래그-스타일 베어링, 역전-방지 베어링, 래칫 메커니즘, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
비제한적 예로서, A, B, 및 C에 적용가능한 예시적인 조합들은 하기를 포함한다: 요소 3을 갖는 요소 2; 요소 5를 갖는 요소 4; 요소 6을 갖는 요소 4; 요소 10을 갖는 요소 9; 요소 12를 갖는 요소 11; 요소 13을 갖는 요소 11; 및 요소 14를 갖는 요소 11.
따라서, 개시된 시스템 및 방법은 언급된 목적 및 이점뿐만 아니라 그 안에 내재하는 것들을 달성하도록 잘 개조된다. 상기에 개시된 특정 실시예들은 단지 예시적인 것일 뿐인데, 그 이유는 본 발명의 교시 내용이 본 명세서에서의 교시 내용의 이익을 얻는 당업자에게 명백한, 상이하지만 동등한 방식들로 수정되고 실시될 수 있기 때문이다. 또한, 하기의 청구범위에 기술된 바 이외에, 본 명세서에 도시된 구성 또는 설계의 상세 사항에 대해 제한이 의도되지 않는다. 따라서, 상기에 개시된 특정한 예시적인 실시예들이 변경되거나, 조합되거나, 수정될 수 있고 모든 그러한 변형이 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려됨이 명백하다. 본 명세서에 예시적으로 개시된 시스템 및 방법은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 및/또는 본 명세서에 개시된 임의의 선택적인 요소의 부재 하에 적합하게 실시될 수 있다. 구성 및 방법이 다양한 구성요소 또는 단계를 "포함하는", "함유하는", 또는 "구비하는"의 용어로 기술되지만, 구성 및 방법은 또한 다양한 구성요소 및 단계로 "본질적으로 이루어질" 수 있거나 "이루어질" 수 있다. 상기에 개시된 모든 수치 및 범위는 어떤 양만큼 달라질 수 있다. 하한 및 상한을 갖는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 수치 및 임의의 포함된 범위가 구체적으로 개시된다. 특히, 본 명세서에 개시된 (형태, "약 a 내지 약 b", 또는 동등하게 "대략 a 내지 b", 또는 동등하게 "대략 a-b"의) 모든 값 범위는 더 넓은 값 범위 내에 포함되는 모든 수치 및 범위를 기술하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 청구범위 내의 용어들은 특허권자에 의해 달리 명시적으로 그리고 명확하게 정의되지 않는 한 그들의 보통의 통상적인 의미를 갖는다. 게다가, 청구범위에 사용되는 바와 같은 부정 관사("a" 또는 "an")는 그것이 도입하는 요소들 중 하나 또는 하나 초과를 의미하는 것으로 본 명세서에서 정의된다. 본 명세서 및 본 명세서에 참고로 포함될 수 있는 하나 이상의 특허 또는 다른 문헌에서의 단어 또는 용어의 사용에 있어서 임의의 상충이 있는 경우, 본 명세서와 일치하는 정의가 채택되어야 한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 일련의 아이템들 중 임의의 것을 분리하기 위한 용어 "및" 또는 "또는"을 가진, 그 아이템들에 후행하는 문구 "~ 중 적어도 하나"는, 목록의 각각의 구성원(즉, 각각의 아이템)보다는, 전체로서 목록에 걸린다. 문구 "~ 중 적어도 하나"는 아이템들의 임의의 것 중 적어도 하나, 및/또는 아이템들의 임의의 조합 중 적어도 하나, 및/또는 아이템들 각각 중 적어도 하나를 포함하는 의미를 허용한다. 예로서, 문구 "A, B, 및 C 중 적어도 하나" 또는 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"는 각각 단지 A, 단지 B, 또는 단지 C; A, B, 및 C의 임의의 조합; 및/또는 A, B, 및 C 각각 중 적어도 하나를 지칭한다.

Claims (20)

  1. 수술 도구로서,
    세장형 샤프트가 연장되어 나오는 구동 하우징;
    상기 세장형 샤프트의 원위(distal) 단부에 작동적으로 결합되는 엔드 이펙터(end effector);
    상기 구동 하우징에 회전가능하게 장착되는 구동 입력부 및 입력 샤프트;
    상기 입력 샤프트에 장착되고, 제1 일방향 베어링에 의해 상기 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 상부 캡스턴(capstan) 및 제2 일방향 베어링에 의해 상기 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 하부 캡스턴을 포함하는 구동 조립체; 및
    상기 상부 캡스턴에 결합되고 상기 엔드 이펙터로 연장되는 제1 구동 케이블, 및 상기 하부 캡스턴에 결합되고 상기 엔드 이펙터로 연장되는 제2 구동 케이블을 포함하고,
    상기 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 입력 샤프트로부터 상기 하부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상기 상부 캡스턴을 상기 제1 각도 방향으로 구동시켜 상기 제1 구동 케이블을 제1 선형 방향으로 당기며,
    상기 입력 샤프트를 상기 제1 각도 방향과 반대인 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 입력 샤프트로부터 상기 상부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상기 하부 캡스턴을 상기 제2 각도 방향으로 구동시켜 상기 제2 구동 케이블을 상기 제1 선형 방향과 반대인 제2 선형 방향으로 당기는, 수술 도구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 샤프트를 상기 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 제2 구동 케이블이 상기 하부 캡스턴으로부터 풀려 상기 제2 선형 방향으로 이동하게 하며, 상기 입력 샤프트를 상기 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 제1 구동 케이블이 상기 상부 캡스턴으로부터 풀려 상기 제1 선형 방향으로 이동하게 하는, 수술 도구.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 캡스턴들에 작동적으로 결합되고 이들 사이에서 연장되는 순응성 부재(compliant member)를 더 포함하고, 상기 순응성 부재는 상기 상부 및 하부 캡스턴들을 반대 회전으로 압박하는 일정한 반대의 비틀림 하중들을 상기 상부 및 하부 캡스턴들 상에 제공하는, 수술 도구.
  4. 제3항에 있어서, 상기 순응성 부재는 상기 제1 및 제2 구동 케이블들의 사전-인장(pre-tension) 한계 이하의 토크를 제공하도록 조립 동안에 사전-인장되는, 수술 도구.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 일방향 베어링은 어댑터에 고정되고, 상기 어댑터는 상기 어댑터의 회전이 그에 대응하여 상기 상부 캡스턴을 회전시키도록 상기 상부 캡스턴과 정합가능한, 수술 도구.
  6. 제5항에 있어서, 상기 어댑터 및 상기 상부 캡스턴 각각은 정합가능한 상호맞물림 특징부(interlocking feature)들을 제공하는, 수술 도구.
  7. 제5항에 있어서, 상기 어댑터는 상기 제1 일방향 베어링을 수용하는 크기로 된 공동(cavity)을 한정하는, 수술 도구.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 일방향 베어링은 상기 상부 캡스턴에 고정되는, 수술 도구.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 일방향 베어링들은 일방향 클러치 베어링, 스프래그-스타일(sprag-style) 베어링, 역전-방지(anti-reverse) 베어링, 래칫 메커니즘(ratchet mechanism), 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 수술 도구.
  10. 수술 도구를 작동시키는 방법으로서,
    수술을 위해 환자에 인접하게 상기 수술 도구를 위치시키는 단계로서, 상기 수술 도구는,
    세장형 샤프트가 연장되어 나오는 구동 하우징, 및 상기 세장형 샤프트의 원위 단부에 작동적으로 결합되는 엔드 이펙터,
    상기 구동 하우징에 회전가능하게 장착되는 구동 입력부 및 입력 샤프트,
    상기 입력 샤프트에 장착되고, 제1 일방향 베어링에 의해 상기 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 상부 캡스턴 및 제2 일방향 베어링에 의해 상기 입력 샤프트에 회전가능하게 장착된 하부 캡스턴을 포함하는 구동 조립체, 및
    상기 상부 캡스턴에 결합되고 상기 엔드 이펙터로 연장되는 제1 구동 케이블, 및 상기 하부 캡스턴에 결합되고 상기 엔드 이펙터로 연장되는 제2 구동 케이블을 포함하는, 상기 위치시키는 단계;
    상기 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키도록 상기 구동 입력부를 작동시키고, 이에 의해 상기 제1 구동 케이블을 제1 선형 방향으로 당기도록 상기 상부 캡스턴을 상기 제1 각도 방향으로 구동시키는 단계;
    상기 입력 샤프트가 상기 제1 각도 방향으로 회전할 때 상기 하부 캡스턴을 상기 입력 샤프트로부터 회전적으로 맞물림 해제시키는 단계;
    상기 입력 샤프트를 상기 제1 각도 방향과 반대인 제2 각도 방향으로 회전시키도록 상기 구동 입력부를 작동시키고, 이에 의해 상기 제2 구동 케이블을 상기 제1 선형 방향과 반대인 제2 선형 방향으로 당기도록 상기 하부 캡스턴을 상기 제2 각도 방향으로 구동시키는 단계; 및
    상기 입력 샤프트가 상기 제2 각도 방향으로 회전할 때 상기 상부 캡스턴을 상기 입력 샤프트로부터 회전적으로 맞물림 해제시키는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 입력 샤프트가 상기 제1 각도 방향으로 회전될 때 상기 제2 구동 케이블이 상기 하부 캡스턴으로부터 풀려 상기 제2 선형 방향으로 이동하게 하는 단계; 및
    상기 입력 샤프트가 상기 제2 각도 방향으로 회전될 때 상기 제1 구동 케이블이 상기 상부 캡스턴으로부터 풀려 상기 제1 선형 방향으로 이동하게 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 입력 샤프트가 상기 제1 각도 방향으로 회전할 때 상기 제1 구동 케이블의 제1 길이를 상기 상부 캡스턴 상으로 감는 것과 동시에 상기 제2 구동 케이블의 제2 길이를 상기 하부 캡스턴으로부터 푸는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 길이들은 동일한, 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 상부 및 하부 캡스턴들에 작동적으로 결합되고 이들 사이에서 연장되는 순응성 부재에 의해, 상기 상부 및 하부 캡스턴들 상에 일정한 반대의 비틀림 하중들을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 순응성 부재에 의해 반대 회전으로 상기 상부 및 하부 캡스턴들을 압박하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 조립 동안에 상기 순응성 부재를 사전-인장시키고, 이에 의해 상기 제1 및 제2 구동 케이블들의 사전-인장 한계 이하의 토크를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 상부 캡스턴을 상기 제1 각도 방향으로 구동시키는 단계는 상기 하부 캡스턴에 작용하는 상기 순응성 부재에 의해 상기 제2 구동 케이블에서 처짐을 제거하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하부 캡스턴을 상기 제2 각도 방향으로 구동시키는 단계는 상기 상부 캡스턴에 작용하는 상기 순응성 부재에 의해 상기 제1 구동 케이블에서 처짐을 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 수술 도구를 위한 구동 조립체로서,
    제1 일방향 베어링에 의해 상기 수술 도구의 입력 샤프트에 회전가능하게 장착가능한 상부 캡스턴을 포함하는 제1 캡스턴 조립체;
    제2 일방향 베어링에 의해 상기 입력 샤프트에 회전가능하게 장착가능한 하부 캡스턴을 포함하는 하부 캡스턴 조립체;
    상기 상부 및 하부 캡스턴 조립체들에 작동적으로 결합되고 이들 사이에서 연장되는 순응성 부재로서, 상기 상부 및 하부 캡스턴들을 반대 회전으로 압박하는 일정한 반대의 비틀림 하중들을 상기 상부 및 하부 캡스턴 조립체들 상에 제공하는, 상기 순응성 부재; 및
    상기 상부 캡스턴에 고정가능하고 상기 수술 도구의 엔드 이펙터로 연장가능한 제1 구동 케이블, 및 상기 하부 캡스턴에 고정가능하고 상기 엔드 이펙터로 연장가능한 제2 구동 케이블을 포함하고,
    상기 입력 샤프트를 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 입력 샤프트로부터 상기 하부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상기 상부 캡스턴을 상기 제1 각도 방향으로 구동시켜 상기 제1 구동 케이블을 제1 선형 방향으로 당기며,
    상기 입력 샤프트를 상기 제1 각도 방향과 반대인 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 입력 샤프트로부터 상기 상부 캡스턴을 회전적으로 맞물림 해제시키고 상기 하부 캡스턴을 상기 제2 각도 방향으로 구동시켜 상기 제2 구동 케이블을 상기 제1 선형 방향과 반대인 제2 선형 방향으로 당기는, 구동 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 입력 샤프트를 상기 제1 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 제2 구동 케이블이 상기 하부 캡스턴으로부터 풀려 상기 제2 선형 방향으로 이동하게 하며, 상기 입력 샤프트를 상기 제2 각도 방향으로 회전시키는 것은 상기 제1 구동 케이블이 상기 상부 캡스턴으로부터 풀려 상기 제1 선형 방향으로 이동하게 하는, 구동 조립체.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1 캡스턴 조립체는 상기 상부 캡스턴과 정합가능한 어댑터를 더 포함하여 상기 어댑터의 회전이 그에 대응하여 상기 상부 캡스턴을 회전시키도록 하며, 상기 제1 일방향 베어링은 상기 어댑터에 고정되는, 수술 도구.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 일방향 베어링들은 일방향 클러치 베어링, 스프래그-스타일 베어링, 역전-방지 베어링, 래칫 메커니즘, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 구동 조립체.
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