KR20220049544A

KR20220049544A - 로봇 의료 시스템을 위한 축방향 운동 구동 장치, 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20220049544A
Application number: KR1020227008418A
Authority: KR
Inventors: 케이시 틸 랜디; 지아이 린; 천시 에프. 그래첼; 알란 라우 유; 제이슨 제이. 허; 재커리 스탈 모리슨
Original assignee: 아우리스 헬스, 인코포레이티드
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2020-08-15
Publication date: 2022-04-21
Also published as: US11272995B2; CN114554996A; US20210045822A1; EP4445858A1; US20210045823A1; EP4013340A1; WO2021028889A1; EP4013340A4; EP4013340B1; KR102648487B1; US11246672B2; US20210045824A1; JP2022544553A

Abstract

소정 태양은 구동 장치를 사용하여 의료 기구의 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위한 시스템 및 기법에 관한 것이다. 축방향 운동은 기구의 삽입 및/또는 후퇴를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로봇 의료 시스템은 기구 기부, 및 환자 내로의 삽입을 위해 구성되는 가요성 샤프트를 포함하는 의료 기구, 및 의료 기구의 기구 기부에 부착가능한 제1 로봇 아암을 포함할 수 있다. 시스템은 또한 가요성 샤프트와 맞물리도록 구성되는 구동 장치, 및 구동 장치에 부착가능한 제2 로봇 아암을 포함한다. 제2 로봇 아암은 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 구동 장치를 작동시키도록 구성되고, 제1 로봇 아암은 구동 장치의 작동과 조화되어 이동하도록 구성된다.

Description

로봇 의료 시스템을 위한 축방향 운동 구동 장치, 시스템 및 방법

우선권 및 관련 출원

본 출원은 본 명세서에 참고로 포함되는, 2019년 8월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/887,518호에 대해 우선권을 주장한다. 본 출원과 함께 제출된 바와 같은 출원 데이터 시트에서 국외 또는 국내 우선권 주장이 확인되는 임의의 그리고 모든 출원이 37 CFR 1.57 하에서 본 명세서에 참고로 포함된다.

기술분야

본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 로봇 의료 시스템(robotic medical system)에 관한 것으로, 더 상세하게는 로봇 의료 시스템에서 의료 기구의 세장형 샤프트(elongated shaft)의 축방향 운동을 구동하기 위한 축방향 운동 구동 장치(axial motion drive device) 및 관련 시스템과 방법에 관한 것이다.

내시경술과 같은 의료 절차는 진단 및/또는 치료 목적을 위해 환자의 해부학적 구조의 내측에 접근하여 시각화하는 것을 수반할 수 있다. 예를 들어, 위장병학, 비뇨기과학, 및 기관지학은 의사가 요관, 위장관, 및 기도(기관지 및 세기관지)와 같은 환자 내강을 검사하는 것을 허용하는 의료 절차를 수반한다. 이들 절차 동안, 내시경으로 알려진 얇은 가요성 튜브형 도구 또는 기구가 (자연 구멍(natural orifice)과 같은) 구멍을 통해 환자 내로 삽입되고 후속 진단 및/또는 치료를 위해 식별되는 조직 부위를 향해 전진된다. 의료 기구는 해부학적 구조를 통한 내비게이션(navigation)을 용이하게 하도록 제어가능하고 관절운동가능할(articulable) 수 있다.

제1 태양에서, 로봇 의료 시스템으로서, 기구 기부(instrument base), 및 환자 내로의 삽입을 위해 구성되는 세장형 샤프트를 포함하는 의료 기구; 제1 로봇 아암(robotic arm)으로서, 의료 기구의 기구 기부는 제1 로봇 아암에 부착되고, 제1 로봇 아암은 기구 기부를 이동시키도록 관절운동가능한, 제1 로봇 아암; 제2 로봇 아암; 제2 로봇 아암에 부착되고 기구 기부에 대해 원위에 있는 구동 장치로서, 의료 기구의 세장형 샤프트와 맞물리고 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는, 구동 장치; 및 축방향 운동의 제1 기간 동안, 제1 로봇 아암의 이동 속도(movement rate)보다 큰 제1 축방향 운동 속도(axial motion rate)로 구동 장치에 의해 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 로봇 의료 시스템이 개시된다.

로봇 의료 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 축방향 운동의 제1 기간 동안, 기구 기부와 구동 장치 사이의 의료 기구의 세장형 샤프트의 일부분이 기구 기부와 구동 장치 사이의 거리보다 큰 길이를 가져서, 세장형 샤프트의 그러한 일부분이 서비스 루프(service loop)를 형성함; (b) 축방향 운동의 제1 기간 동안, 서비스 루프의 길이의 변화율(rate of change)이 기구 기부와 구동 장치 사이의 거리의 변화율보다 큼; (c) 축방향 운동은 세장형 샤프트의 후퇴 또는 삽입 중 적어도 하나를 포함함; (d) 프로세서는 세장형 샤프트의 원위 팁(distal tip)이 접근 시스(access sheath) 내에 위치될 때 제1 축방향 운동 속도로 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성됨; (e) 프로세서는, 축방향 운동의 제2 기간 동안, 제1 로봇 아암의 이동 속도와 동일하거나 그보다 작은 제2 축방향 운동 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성됨; (f) 축방향 운동의 제2 기간 동안, 기구 기부와 구동 장치 사이의 의료 기구의 세장형 샤프트의 일부분이 기구 기부와 구동 장치 사이의 거리와 실질적으로 동일한 길이를 가져서, 세장형 샤프트의 그러한 일부분이 서비스 루프를 형성하지 않음; (g) 축방향 운동의 제2 기간 동안, 기구 기부와 구동 장치 사이의 의료 기구의 세장형 샤프트의 일부분이 기구 기부와 구동 장치 사이의 거리보다 큰 길이를 가져서, 세장형 샤프트의 그러한 일부분이 서비스 루프를 형성함; (h) 축방향 운동의 제2 기간 동안, 길이의 변화율이 기구 기부와 구동 장치 사이의 거리의 변화율과 동일하거나 그보다 작음; (i) 프로세서는 세장형 샤프트의 원위 팁이 접근 시스를 넘어서 위치될 때 제2 축방향 운동 속도로 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성됨; (j) 구동 장치는 환자 내로 삽입되도록 구성되는 접근 시스에 부착되도록 구성되고, 세장형 샤프트는 접근 시스를 통해 환자 내로 삽입되도록 구성됨; (k) 구동 장치는 접근 시스의 근위 단부에 부착되도록 구성되는 클립(clip)을 포함함; (l) 구동 장치는, 세장형 샤프트의 원위 팁을 접근 시스의 근위 단부로부터 인출하고, 세장형 샤프트의 원위 팁을 접근 시스의 근위 단부 내로 재삽입하도록 구성됨; (m) 제2 로봇 아암의 원위 단부에 위치되는 복수의 구동 출력부들(drive outputs)을 포함하는 기구 드라이버(instrument driver), 구동 장치는 기구 드라이버의 복수의 구동 출력부들과 맞물리도록 구성되는 복수의 구동 입력부들(drive inputs)을 포함함; (n) 기구 드라이버와 구동 장치 사이에 위치되는 멸균 어댑터(sterile adapter); (o) 구동 장치는 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는 한 쌍의 대향하는 롤러들(opposing rollers)을 포함함; (p) 구동 장치는, 의료 기구의 세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는 채널(channel)을 포함하는 본체, 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되는 롤러로서, 제2 로봇 아암은 채널 내에 수용되는 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 롤러를 회전시키도록 구성되는, 롤러, 및 롤러를 지지하는 피봇가능 캐리어(pivotable carrier)로서, 제2 로봇 아암은 롤러를 세장형 샤프트와 선택적으로 맞물리게 하거나 맞물림해제시키기 위해 캐리어를 피봇시키도록 구성되는, 피봇가능 캐리어를 포함함; (q) 세장형 샤프트를 롤링하기 위한 롤 명령(roll command)을 수신하는 것에 기초하여, 프로세서는, 제1 로봇 아암이 세장형 샤프트를 세장형 샤프트의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 하고, 제2 로봇 아암이 구동 장치를 세장형 샤프트로부터 맞물림해제되게 하도록 구성됨; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 로봇 의료 시스템으로서, 기구 기부, 및 환자 내로의 삽입을 위해 구성되는 가요성 샤프트(flexible shaft)를 포함하는 의료 기구; 의료 기구의 기구 기부에 부착가능한 제1 로봇 아암; 가요성 샤프트와 맞물리도록 구성되는 구동 장치; 및 구동 장치에 부착가능한 제2 로봇 아암을 포함하고, 제2 로봇 아암은 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 구동 장치를 작동시키도록 구성되고, 제1 로봇 아암은 구동 장치의 작동과 조화되어 이동하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템이 개시된다.

로봇 의료 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 제2 로봇 아암은 가요성 샤프트를 로봇-작동식 커버(robotically-actuated cover)에 의해 구동 장치 내에 유지하면서 구동 장치를 가요성 샤프트로부터 맞물림해제시키도록 구성됨; (b) 제2 로봇 아암은 접근 시스에 대한 가요성 샤프트의 팁의 위치에 기초하여 축방향 운동의 속도를 제어하도록 구성됨; (c) 제2 로봇 아암은 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암 사이의 가요성 샤프트의 일부분에서 서비스 루프를 확장 또는 수축시키도록 구성됨; (d) 의료 기구는 내시경임; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 로봇 의료 시스템으로서, 의료 기구의 기구 기부를 지지하도록 구성되는 제1 로봇 아암으로서, 의료 기구는 기구 기부로부터 연장되는 세장형 샤프트를 포함하는, 제1 로봇 아암; 및 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 세장형 샤프트와 맞물림가능한 하나 이상의 롤러들을 작동시키도록 구성되는 제2 로봇 아암을 포함하는, 로봇 의료 시스템이 개시된다.

로봇 의료 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 하나 이상의 롤러들은, 제2 로봇 아암에 부착되고 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는 구동 장치의 한 쌍의 대향하는 롤러들을 포함함; (b) 제2 로봇 아암은, 구동 장치를 가요성 샤프트로부터 맞물림해제시키고 가요성 샤프트를 로봇-작동식 커버에 의해 구동 장치 내에 유지하도록 구성됨; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 방법으로서, 제1 로봇 아암에 의해, 의료 기구의 기구 기부를 지지하는 단계; 제2 로봇 아암에 의해, 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하는 단계; 및 축방향 운동을 구동하는 단계와 협력하여 제1 로봇 아암을 이동시키는 단계를 포함하는, 방법이 개시된다.

방법은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 축방향 운동을 구동하는 단계는 제2 로봇 아암에 의해 한 쌍의 대향하는 롤러들을 작동시키는 단계를 포함함; (b) 제1 로봇 아암은 세장형 샤프트의 축방향 운동보다 느린 속도로 이동함; (c) 제2 로봇 아암은 세장형 샤프트를 로봇-작동식 커버에 의해 구동 장치 내에 유지하면서 구동 장치를 세장형 샤프트로부터 맞물림해제시키도록 구성됨; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 용이하게 하도록 구성되는 구동 장치로서, 로봇 아암에 장착되도록 구성된 하부 표면 및 내부에 형성된 채널을 갖는 상부 표면을 포함하는 하우징으로서, 채널은 의료 기구의 세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는, 하우징; 채널에 대해 제1 측부 상에서 하우징 내에 위치되는 제1 롤러; 및 채널에 대해 제2 측부 상에서 하우징 내에 위치되는 제2 롤러를 포함하고; 제1 및 제2 롤러들은 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동가능하고; 제1 위치에서, 제1 및 제2 롤러들은 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되어, 제1 방향으로 회전될 때 제1 및 제2 롤러들이 세장형 샤프트의 삽입을 구동하고, 제2 방향으로 회전될 때 제1 및 제2 롤러들이 세장형 샤프트의 후퇴를 구동하고; 제2 위치에서, 제1 및 제2 롤러들은 세장형 샤프트로부터 이격되는, 구동 장치가 개시된다.

구동 장치는 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 채널의 근위 단부에 위치되는 근위 클립; (b) 채널의 원위 단부에 위치되는 원위 클립; (c) 근위 및 원위 클립들은 세장형 샤프트를 채널 내에 유지하도록 구성됨; (d) 커버, 커버는 제1 및 제2 롤러들이 제1 위치에 있을 때 채널을 폐쇄하고 제1 및 제2 롤러들이 제2 위치에 있을 때 채널을 개방하도록 작동가능함; (e) 커버의 이동은 제1 롤러 및 제2 롤러 중 하나의 이동에 기계적으로 연동되어, 제1 및 제2 롤러들이 제2 위치와 제1 위치 사이에서 이동함에 따라 커버가 개방 및 폐쇄됨; (f) 제1 위치와 제2 위치 사이의 중간 위치에서, 커버는 폐쇄되어 유지되고, 제1 및 제2 롤러들은 세장형 샤프트로부터 맞물림해제됨; (g) 의료 기구를 사용하여 환자 내에서 회수되는 물체들을 침적시키기 위해 채널의 원위에 있는 수집기(collector); (h) 접근 시스의 근위 단부를 지지하도록 구성되는 클립; (i) 클립과 채널 사이에, 의료 기구를 사용하여 환자 내에서 회수되는 물체들을 침적시키기 위한 공간; (j) 하우징 내에 위치되고 제1 롤러를 제1 위치를 향해 편향시키도록 구성되는 제1 스프링, 및 하우징 내에 위치되고 제2 롤러를 제1 위치를 향해 편향시키도록 구성되는 제2 스프링; (k) 제1 및 제2 스프링들은 비틀림 스프링들을 포함함; (l) 하우징 내에 위치되고 제1 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제1 캐리어 플레이트(carrier plate)로서, 제1 롤러는 제1 캐리어 플레이트에 장착되고, 제1 캐리어 플레이트의 회전은 제1 롤러를 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동시키는, 제1 캐리어 플레이트, 및 하우징 내에 위치되고 제2 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제2 캐리어 플레이트로서, 제2 롤러는 제2 캐리어 플레이트에 장착되고, 제2 캐리어 플레이트의 회전은 제2 롤러를 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동시키는, 제2 캐리어 플레이트; (m) 하우징의 하부 표면 상에 위치되는 제1 롤러 구동 입력부, 제1 캐리어 플레이트 상에 장착되고 제1 롤러 구동 입력부에 의해 구동되는 제1 기어, 제1 캐리어 플레이트 상에 장착되고 제1 기어에 의해 구동되는 제1 오비탈 기어(orbital gear)로서, 제1 오비탈 기어의 회전은 제1 롤러의 회전을 구동하는, 제1 오비탈 기어, 하우징의 하부 표면 상에 위치되는 제2 롤러 구동 입력부, 제2 캐리어 플레이트 상에 장착되고 제2 롤러 구동 입력부에 의해 구동되는 제2 기어, 및 제2 캐리어 플레이트 상에 장착되고 제2 기어에 의해 구동되는 제2 오비탈 기어로서, 제2 오비탈 기어의 회전은 제2 롤러의 회전을 구동하는, 제2 오비탈 기어; (n) 제1 캐리어 플레이트가 중심으로 회전하는 제1 축은 제1 롤러 입력부의 축과 동축이고, 제2 캐리어 플레이트가 중심으로 회전하는 제2 축은 제2 롤러 입력부의 축과 동축임; (o) 제1 캐리어 플레이트와 제2 캐리어 플레이트는 함께 치합되어, 제1 캐리어 플레이트 및 제2 캐리어 플레이트 중 하나의 회전이 제1 캐리어 플레이트 및 제2 캐리어 플레이트 중 다른 하나의 회전을 유발함; (p) 제1 캐리어 플레이트 또는 제2 캐리어 플레이트 중 하나를 회전시키도록 구성되는 캐리어 플레이트 회전 구동 입력부; (q) 회전 구동 입력부에 결합되고 제1 캐리어 플레이트의 회전을 유발하기 위해 캐리어 플레이트의 포켓(pocket)과 접촉하도록 구성되는 축외 돌출부(off-axis protrusion); 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 용이하게 하도록 구성되는 구동 장치로서, 의료 기구의 세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는 채널을 포함하는 본체; 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되어, 회전될 때, 채널 내에 수용되는 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하는 롤러; 본체에 결합되고 롤러를 회전시키도록 로봇 시스템에 의해 작동가능한 제1 구동 입력부; 채널을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하도록 구성되는 커버; 및 본체에 결합되고 커버를 작동시키도록 작동가능한 제2 구동 입력부를 포함하는, 구동 장치가 개시된다.

구동 장치는 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 제2 구동 입력부는 커버가 세장형 샤프트를 채널 내에 유지하는 제1 위치와, 커버가 채널 내의 세장형 샤프트의 로딩(loading) 또는 언로딩(unloading)을 허용하는 제2 위치 사이에서 커버를 작동시키도록 작동가능함; (b) 롤러를 지지하는 캐리어, 캐리어는 채널 내에 수용되는 세장형 샤프트와 맞물리거나 맞물림해제되도록 본체에 결합되는 구동 입력부에 의해 피봇가능함; (c) 본체는 채널을 접근 시스에 정렬시키기 위해 접근 시스에 부착되도록 구성됨; (d) 제2 구동 입력부는 캠(cam)을 통해 커버에 작동식으로 결합됨; (e) 채널 내의 하나 이상의 클립들; (f) 롤러는 제1 롤러이고, 구동 장치는 제1 롤러에 대향하는 제2 롤러를 추가로 포함함; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 로봇 의료 시스템으로서, 세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는 채널, 채널 내에 수용된 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되는 하나 이상의 롤러들, 및 채널을 선택적으로 폐쇄 또는 개방하도록 구성되는 커버를 포함하는 구동 장치; 및 하나 이상의 롤러들이 세장형 샤프트로부터 맞물림해제되고 커버가 개방되는 제1 상태로 구동 장치를 작동시키고; 하나 이상의 롤러들이 세장형 샤프트로부터 맞물림해제되고 커버가 폐쇄되는 제2 상태로 구동 장치를 작동시키고; 하나 이상의 롤러들이 세장형 샤프트와 맞물리고 커버가 폐쇄되는 제3 상태로 구동 장치를 작동시키도록 구성되는 드라이버를 포함하는, 로봇 의료 시스템이 개시된다.

로봇 의료 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 드라이버는 세장형 샤프트를 로딩 또는 언로딩하라는 명령에 기초하여 구동 장치를 제1 상태로 작동시키도록 구성됨; (b) 드라이버는 세장형 샤프트를 롤링하라는 명령에 기초하여 구동 장치를 제2 상태로 작동시키도록 구성됨; (c) 드라이버는 로봇 아암의 단부에 배열되고, 드라이버는 로봇 아암을 이동시키라는 명령에 기초하여 구동 장치를 제2 상태로 작동시키도록 구성됨; (d) 드라이버는 세장형 샤프트를 삽입 또는 후퇴시키기 위해 구동 장치를 제3 상태에서 작동시키도록 구성됨; (e) 드라이버는 롤러들을 세장형 샤프트에 대해 회전시키기 위해 구동 장치의 제1 구동 입력부를 작동시키고, 롤러들을 세장형 샤프트로부터 맞물림해제시키기 위해 구동 장치의 제2 구동 입력부를 작동시키도록 구성됨; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 로봇 의료 절차를 위한 방법으로서, 가요성 샤프트의 원위 팁이 환자 내로 삽입된 접근 시스 내에 위치되는 제1 삽입 기간 동안 제1 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 가요성 샤프트의 삽입을 구동하는 단계; 및 가요성 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제2 삽입 기간 동안 제1 속도보다 느린 제2 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 가요성 샤프트의 삽입을 구동하는 단계로 전환하는 단계를 포함하는, 방법이 개시된다.

방법은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 제2 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 가요성 샤프트의 삽입을 구동하는 단계로 전환하는 단계는 가요성 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 자동으로 검출하는 단계를 포함함; (b) 가요성 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치되는 제1 후퇴 기간 동안 제3 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 가요성 샤프트의 후퇴를 구동하는 단계, 및 가요성 샤프트의 원위 팁이 접근 시스 내에 위치될 때의 제2 후퇴 기간 동안 제3 속도보다 빠른 제4 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 가요성 샤프트의 후퇴를 구동하는 단계로 자동으로 전환하는 단계; (c) 제4 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 가요성 샤프트의 후퇴를 구동하는 단계로 자동으로 전환하는 단계는 가요성 샤프트의 원위 팁이 접근 시스 내에 위치될 때를 검출하는 단계를 포함함; (d) 의료 기구의 기구 기부를 제1 로봇 아암 상에 장착하는 단계, 구동 장치를 제2 로봇 아암 상에 장착하는 단계, 및 의료 기구의 가요성 샤프트를 구동 장치와 맞물리게 하는 단계; (e) 의료 기구의 가요성 샤프트를 구동 장치와 맞물리게 하는 단계는 구동 장치의 대향하는 롤러들을 가요성 샤프트와 맞물리게 하는 단계를 포함함; (f) 의료 기구의 가요성 샤프트를 구동 장치와 맞물리게 하는 단계는 가요성 샤프트를 구동 장치의 상부 표면 상의 채널 내로 삽입하는 단계를 추가로 포함함; (g) 삽입 동안 기구 기부를 제1 로봇 아암에 의해 구동 장치를 향해 이동시키는 단계, 및 후퇴 동안 기구 기부를 제1 로봇 아암에 의해 구동 장치로부터 멀어지게 이동시키는 단계; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 로봇 의료 시스템으로서, 의료 기구의 샤프트와 맞물리도록 구성되는 한 쌍의 롤러들을 포함하는 구동 장치; 샤프트의 원위 팁이 환자 내로 삽입된 접근 시스 내에 위치될 때의 제1 삽입 기간 동안 제1 속도로 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 롤러들을 작동시키고; 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제2 삽입 기간 동안 제1 속도보다 느린 제2 속도로 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 전환하도록 롤러들을 작동시키도록 구성되는, 프로세서를 포함하는, 로봇 의료 시스템이 개시된다.

로봇 의료 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 프로세서는 접근 시스 및 샤프트와 연관된 기하학적 정보에 기초하여 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성됨; (b) 프로세서는 의료 기구에 의해 획득된 이미지 정보에 기초하여 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성됨; (c) 프로세서는, 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제1 후퇴 기간 동안 제3 속도로 의료 기구의 샤프트의 후퇴를 구동하기 위해 롤러들을 작동시키고, 샤프트의 원위 팁이 접근 시스 내에 위치될 때의 제2 후퇴 기간 동안 제3 속도보다 빠른 제4 속도로 의료 기구의 샤프트의 후퇴를 구동하기 위해 전환하도록 롤러들을 작동시키도록 추가로 구성됨; (d) 의료 기구를 지지하도록 구성되는 제1 로봇 아암, 및 구동 장치를 지지하도록 구성되는 제2 로봇 아암; (e) 제1 로봇 아암은 삽입 동안 의료 기구의 기구 손잡이를 구동 장치를 향해 이동시키도록 구성되고, 제1 로봇 아암은 후퇴 동안 기구 손잡이를 구동 장치로부터 멀어지게 이동시키도록 구성됨; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

다른 태양에서, 로봇 의료 시스템으로서, 세장형 가요성 접근 시스; 세장형 가요성 샤프트를 포함하는 의료 기구; 및 샤프트의 원위 팁이 접근 시스 내에 위치될 때의 제1 삽입 기간 동안 제1 속도로 샤프트의 삽입을 구동하고; 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제2 삽입 기간 동안 제1 속도보다 느린 제2 속도로 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 전환하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 로봇 의료 시스템이 개시된다.

로봇 의료 시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 프로세서는 접근 시스 및 샤프트와 연관된 기하학적 정보에 기초하여 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성됨; (b) 프로세서는 의료 기구에 의해 획득된 이미지 정보에 기초하여 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성됨; (c) 프로세서는, 샤프트의 원위 팁이 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제1 후퇴 기간 동안 제3 속도로 의료 기구의 샤프트의 후퇴를 구동하고, 샤프트의 원위 팁이 접근 시스 내에 위치될 때의 제2 후퇴 기간 동안 제3 속도보다 빠른 제4 속도로 의료 기구의 샤프트의 후퇴를 구동하기 위해 전환하도록 추가로 구성됨; (d) 프로세서는, 세장형 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 구동 장치를 작동시키고, 삽입 동안 의료 기구의 기구 손잡이를 구동 장치를 향해 이동시키고, 후퇴 동안 기구 손잡이를 구동 장치로부터 멀어지게 이동시키도록 구성됨; 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 다른 특징들.

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 테이블-기반 로봇 시스템의 대안적인 실시예를 예시한 도면.
도 13은 도 12의 테이블-기반 로봇 시스템의 단부도를 예시한 도면.
도 14는 로봇 아암이 그에 부착된 테이블-기반 로봇 시스템의 단부도를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 기구 드라이버를 예시한 도면.
도 16은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 17은 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 18은 기구-기반 삽입 아키텍처(insertion architecture)를 갖는 기구를 예시한 도면.
도 19는 예시적인 제어기를 예시한 도면.
도 20은 예시적인 실시예에 따른, 도 16 내지 도 18의 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 21은 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성된 구동 장치를 포함하는 로봇 의료 시스템의 표현을 예시한 도면.
도 22는 의료 기구의 세장형 샤프트가 서비스 루프를 형성하도록 배열되는 다른 구성에 있는 도 21의 로봇 의료 시스템을 예시한 도면.
도 23은 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성된 구동 장치의 일 실시예를 예시한 등각도.
도 24a는 하우징의 상부 부분이 제거된 상태로 예시된, 도 23의 구동 장치의 등각도.
도 24b는 도 24a의 구동 장치의 평면도.
도 24c는 도 24a의 구동 장치의 저면도.
도 24d는 도 24a의 구동 장치의 정면도.
도 24e는 도 24a의 구동 장치의 배면도.
도 25a는 도 23의 구동 장치의 롤러 조립체의 일 실시예의 등각도.
도 25b는 롤러 조립체의 기어장치(gearing) 배열의 일 실시예를 예시하기 위해 롤러가 제거된, 도 25a의 롤러 조립체의 등각도.
도 25c는 도 25b의 롤러 조립체 및 기어장치 배열의 평면도.
도 25d는 도 25b의 롤러 조립체 및 기어장치 배열의 저면도.
도 26a는 폐쇄 구성에 있는 기구 샤프트 커버의 일 실시예를 예시한, 도 23의 구동 장치의 평면도.
도 26b는 기구 샤프트 커버가 폐쇄 구성에 있는, 도 26a의 구동 장치의 배면도.
도 26c는 개방 구성에 있는 기구 샤프트 커버를 예시한, 도 23의 구동 장치의 평면도.
도 26d는 기구 샤프트 커버가 개방 구성에 있는, 도 26c의 구동 장치의 배면도.
도 27a는 기구 샤프트 커버의 일 실시예를 예시하기 위해 하우징의 상부 부분이 제거된, 도 23a의 구동 장치의 등각도.
도 27b는 일 실시예에 따른 기구 샤프트 커버를 예시한, 도 27a의 구동 장치의 평면도.
도 28은 장치 부착을 검출하도록 포함될 수 있는 센서의 일 실시예를 예시하기 위해 하우징의 상부 부분이 제거된 상태로 예시된, 도 23의 구동 장치의 평면도.
도 29a는 로킹 탭(locking tab)의 일 실시예가 설치된 상태로 예시된, 도 23의 구동 장치의 평면도.
도 29b는 도 29a의 구동 장치 및 로킹 탭의 저면도.
도 29c는 도 29a의 구동 장치 및 로킹 탭의 정면도.
도 30a 및 도 30b는 다양한 작동 상태에서 구동 장치를 제어하는 예시적인 방법을 예시하고, 여기에서 도 30a는 방법을 도시한 흐름도이고, 도 30b는 다양한 상태에서의 구동 장치의 단면을 예시한 도면.
도 31은 빠르거나 느린 구동의 다양한 상태에서의 축방향 구동 시스템의 개략적인 예시.
도 32는 축방향 구동 시스템에서 빠르거나 느린 구동 속도들 사이에서 전환하기 위한 예시적인 프로세스를 예시한 흐름도
도 33은 세장형 샤프트의 삽입 또는 후퇴를 위해 빠르거나 느린 축방향 구동 속도들 사이에서 전환할지 여부를 자동으로 결정하도록 로봇 시스템에 의해 이용될 수 있는 일부 파라미터의 예시.

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(robotically-enabled) 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 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 내비게이션을 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, 추가 도구가 추가 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 수 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 표적 결절의 위치를 "마킹"하기(mark) 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 지원 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 발생하든 또는 카트(11)에서 발생하든 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 표시하기 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(31)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 카트(11)에 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 카트(11)의 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(arm support)")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(slot)(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 상향 및 하향으로 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(end effector)(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 자유도(degree of freedom)를 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 콘솔(16)에 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 시스템(10)의 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 지지부(adjustable arm support)를 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(43) 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 캐리지(43)의 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(master controller) 또는 콘솔을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 타워는 또한 취입을 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(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.

도 12 및 도 13은 테이블-기반 수술 로봇 시스템(100)의 대안적인 실시예의 등각도 및 단부도를 예시한다. 수술 로봇 시스템(100)은 테이블(101)에 대해 하나 이상의 로봇 아암(예를 들어, 도 14 참조)을 지지하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 조절가능 아암 지지부(105)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 단일 조절가능 아암 지지부(105)가 도시되어 있지만, 추가 아암 지지부(105)가 테이블(101)의 반대편 측부 상에 제공될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 그것이 테이블(101)에 대한 조절가능 아암 지지부(105) 및/또는 그에 장착된 임의의 로봇 아암의 위치를 조절 및/또는 변경하기 위해 테이블(101)에 대해 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조절가능 아암 지지부(105)는 1 이상의 자유도로 테이블(101)에 대해 조절될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는, 하나 이상의 조절가능 아암 지지부(105) 및 그에 부착된 임의의 로봇 아암을 테이블(101) 아래에 용이하게 적재하는 능력을 포함하는, 시스템(100)에 대한 높은 다용도성을 제공한다. 조절가능 아암 지지부(105)는 적재된 위치로부터 테이블(101)의 상부 표면 아래의 위치로 상승될 수 있다. 다른 실시예에서, 조절가능 아암 지지부(105)는 적재된 위치로부터 테이블(101)의 상부 표면 위의 위치로 상승될 수 있다.

조절가능 아암 지지부(105)는 리프트(lift), 측방향 병진, 틸트 등을 포함하는 여러 자유도를 제공할 수 있다. 도 12 및 도 13의 예시된 실시예에서, 아암 지지부(105)는 도 12에 화살표로 예시된 4 자유도로 구성된다. 제1 자유도는 z-방향으로의 조절가능 아암 지지부(105)의 조절("Z-리프트")을 허용한다. 예를 들어, 조절가능 아암 지지부(105)는 테이블(101)을 지지하는 칼럼(102)을 따라 또는 그에 대해 상향 또는 하향으로 이동하도록 구성되는 캐리지(109)를 포함할 수 있다. 제2 자유도는 조절가능 아암 지지부(105)가 틸팅하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 조절가능 아암 지지부(105)는 조절가능 아암 지지부(105)가 트렌델렌부르크 자세에서 베드와 정렬되도록 허용할 수 있는 회전 조인트를 포함할 수 있다. 제3 자유도는 조절가능 아암 지지부(105)가 "상향 피봇(pivot up)"하도록 허용할 수 있으며, 이는 테이블(101)의 측부와 조절가능 아암 지지부(105) 사이의 거리를 조절하는 데 사용될 수 있다. 제4 자유도는 테이블의 길이방향 길이를 따른 조절가능 아암 지지부(105)의 병진을 허용할 수 있다.

도 12 및 도 13의 수술 로봇 시스템(100)은 기부(103)에 장착된 칼럼(102)에 의해 지지되는 테이블을 포함할 수 있다. 기부(103) 및 칼럼(102)은 지지 표면에 대해 테이블(101)을 지지한다. 바닥 축(131) 및 지지 축(133)이 도 13에 도시되어 있다.

조절가능 아암 지지부(105)는 칼럼(102)에 장착될 수 있다. 다른 실시예에서, 아암 지지부(105)는 테이블(101) 또는 기부(103)에 장착될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 캐리지(109), 바아 또는 레일 커넥터(111), 및 바아 또는 레일(107)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 레일(107)에 장착된 하나 이상의 로봇 아암은 서로에 대해 병진 및 이동할 수 있다.

캐리지(109)는 제1 조인트(113)에 의해 칼럼(102)에 부착될 수 있으며, 이는 캐리지(109)가 (예컨대, 제1 또는 수직 축(123)의 상향 및 하향으로와 같이) 칼럼(102)에 대해 이동하도록 허용한다. 제1 조인트(113)는 조절가능 아암 지지부(105)에 제1 자유도(Z-리프트)를 제공할 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 조절가능 아암 지지부(105)에 대한 제2 자유도(틸트)를 제공하는 제2 조인트(115)를 포함할 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 조절가능 아암 지지부(105)에 대한 제3 자유도("상향 피봇")를 제공할 수 있는 제3 조인트(117)를 포함할 수 있다. 레일 커넥터(111)가 제3 축(127)을 중심으로 회전됨에 따라 레일(107)의 배향을 유지시키기 위해 제3 조인트(117)를 기계적으로 구속하는 (도 13에 도시된) 추가 조인트(119)가 제공될 수 있다. 조절가능 아암 지지부(105)는 제4 축(129)을 따라 조절가능 아암 지지부(105)에 대한 제4 자유도(병진)를 제공할 수 있는 제4 조인트(121)를 포함할 수 있다.

도 14는 테이블(101)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 장착된 2개의 조절가능 아암 지지부(105A, 105B)를 갖는 수술 로봇 시스템(140A)의 단부도를 예시한다. 제1 로봇 아암(142A)이 제1 조절가능 아암 지지부(105B)의 바아 또는 레일(107A)에 부착된다. 제1 로봇 아암(142A)은 레일(107A)에 부착되는 기부(144A)를 포함한다. 제1 로봇 아암(142A)의 원위 단부는 하나 이상의 로봇 의료 기구 또는 도구에 부착될 수 있는 기구 구동 메커니즘(146A)을 포함한다. 유사하게, 제2 로봇 아암(142B)은 레일(107B)에 부착되는 기부(144B)를 포함한다. 제2 로봇 아암(142B)의 원위 단부는 기구 구동 메커니즘(146B)을 포함한다. 기구 구동 메커니즘(146B)은 하나 이상의 로봇 의료 기구 또는 도구에 부착되도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 로봇 아암들(142A, 142B) 중 하나 이상은 7 이상의 자유도를 갖는 아암을 포함한다. 일부 실시예에서, 로봇 아암들(142A, 142B) 중 하나 이상은, 삽입 축(삽입을 포함하는 1-자유도), 리스트(wrist)(리스트 피치, 요(yaw) 및 롤(roll)을 포함하는 3-자유도), 엘보우(엘보우 피치를 포함하는 1-자유도), 쇼울더(쇼울더 피치 및 요를 포함하는 2-자유도), 및 기부(144A, 144B)(병진을 포함하는 1-자유도)를 포함하는, 8 자유도를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 삽입 자유도는 로봇 아암(142A, 142B)에 의해 제공될 수 있는 한편, 다른 실시예에서는, 기구 자체가 기구-기반 삽입 아키텍처를 통한 삽입을 제공한다.

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 포함할 수 있다. 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 15는 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)을 포함한다. 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(예컨대, 도 15에 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 어댑터와 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 출력부를 포함할 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 16은 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(pulley) 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. 당김 와이어(pull wire)와 같은 이들 개별 텐돈은 기구 손잡이(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 기구 손잡이(72)로부터, 텐돈은 세장형 샤프트(71)를 따른 하나 이상의 당김 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 조오(jaw)에 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 당김 루멘을 나선형화 또는 나선화하여, 당김 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, 당김 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 채널을 포함할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 광학 카메라를 포함할 수 있는, 원위 팁에 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 16의 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 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 당김 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 17은 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 드라이버(80)의 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 16의 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.

도 18은 일부 실시예에 따른, 기구 기반 삽입 아키텍처를 갖는 기구(150)를 예시한다. 기구(150)는 위에서 논의된 기구 드라이버들 중 임의의 것에 결합될 수 있다. 기구(150)는 세장형 샤프트(152), 샤프트(152)에 연결되는 엔드 이펙터(162), 및 샤프트(152)에 결합되는 손잡이(170)를 포함한다. 세장형 샤프트(152)는 근위 부분(154) 및 원위 부분(156)을 갖는 튜브형 부재를 포함한다. 세장형 샤프트(152)는 그의 외부 표면을 따라 하나 이상의 채널 또는 홈(158)을 포함한다. 홈(158)은 그를 통해 하나 이상의 와이어 또는 케이블(180)을 수용하도록 구성된다. 따라서, 하나 이상의 케이블(180)이 세장형 샤프트(152)의 외부 표면을 따라 이어진다. 다른 실시예에서, 케이블(180)은 또한 세장형 샤프트(152)를 통해 이어질 수 있다. (예컨대, 기구 드라이버를 통한) 하나 이상의 케이블(180)의 조작이 엔드 이펙터(162)의 작동을 유발한다.

기구 기부로 또한 지칭될 수 있는 기구 손잡이(170)는 일반적으로, 기구 드라이버의 부착 표면 상의 하나 이상의 토크 커플러(torque coupler)와 상호 정합되도록 설계되는 하나 이상의 기계적 입력부(174), 예컨대 리셉터클, 풀리 또는 스풀을 갖는 부착 인터페이스(172)를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 기구(150)는 세장형 샤프트(152)가 손잡이(170)에 대해 병진하는 것을 가능하게 하는 일련의 풀리 또는 케이블을 포함한다. 다시 말하면, 기구(150) 자체가 기구의 삽입을 수용하는 기구-기반 삽입 아키텍처를 포함하여, 그에 의해 기구(150)의 삽입을 제공하기 위한 로봇 아암에 대한 의존성을 최소화한다. 다른 실시예에서, 로봇 아암이 기구 삽입을 주로 담당할 수 있다.

E. 제어기.

본 명세서에 기술된 로봇 시스템들 중 임의의 것은 로봇 아암에 부착된 기구를 조작하기 위한 입력 장치 또는 제어기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 제어기의 조작이 예컨대 마스터 슬레이브 제어(master slave control)를 통해 기구의 대응하는 조작을 유발하도록 기구와 (예컨대, 통신가능하게, 전자적으로, 전기적으로, 무선으로, 그리고/또는 기계적으로) 결합될 수 있다.

도 19는 제어기(182)의 일 실시예의 사시도이다. 본 실시예에서, 제어기(182)는 임피던스 및 어드미턴스 제어(impedance and admittance control) 둘 모두를 가질 수 있는 하이브리드 제어기를 포함한다. 다른 실시예에서, 제어기(182)는 단지 임피던스 또는 수동 제어(passive control)를 이용할 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(182)는 단지 어드미턴스 제어를 이용할 수 있다. 하이브리드 제어기임으로 인해, 제어기(182)는 유리하게는 사용 중인 동안 더 낮은 인지 관성(perceived inertia)을 가질 수 있다.

예시된 실시예에서, 제어기(182)는 2개의 의료 기구의 조작을 허용하도록 구성되고, 2개의 손잡이(184)를 포함한다. 손잡이들(184) 각각은 짐벌(gimbal)(186)에 연결된다. 각각의 짐벌(186)은 위치설정 플랫폼(188)에 연결된다.

도 19에 도시된 바와 같이, 각각의 위치설정 플랫폼(188)은 직선형 조인트(prismatic joint)(196)에 의해 칼럼(194)에 결합되는 선택적 순응형 조립 로봇 아암(selective compliance assembly robot arm, SCARA)(198)을 포함한다. 직선형 조인트(196)는 손잡이들(184) 각각이 z-방향으로 병진되는 것을 허용하여 제1 자유도를 제공하기 위해 칼럼(194)을 따라(예컨대, 레일(197)을 따라) 병진하도록 구성된다. SCARA(198)는 x-y 평면 내에서의 손잡이(184)의 운동을 허용하여, 2의 추가 자유도를 제공하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 하나 이상의 로드 셀(load cell)이 제어기 내에 위치된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 로드 셀(도시되지 않음)이 짐벌들(186) 각각의 본체에 위치된다. 로드 셀을 제공함으로써, 제어기(182)의 부분들은 어드미턴스 제어 하에서 작동할 수 있어서, 그에 의해 유리하게는 사용 중인 동안 제어기의 인지 관성을 감소시킨다. 일부 실시예에서, 위치설정 플랫폼(188)은 어드미턴스 제어를 위해 구성되는 한편, 짐벌(186)은 임피던스 제어를 위해 구성된다. 다른 실시예에서, 짐벌(186)은 어드미턴스 제어를 위해 구성되는 한편, 위치설정 플랫폼(188)은 임피던스 제어를 위해 구성된다. 따라서, 일부 실시예의 경우, 위치설정 플랫폼(188)의 병진 또는 위치 자유도는 어드미턴스 제어에 의존할 수 있는 한편, 짐벌(186)의 회전 자유도는 임피던스 제어에 의존할 수 있다.

F. 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 20은 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(11), 도 5 내지 도 14에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.

도 20에 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 모델 데이터(91)를 생성하기 위해 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 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 위치결정 모듈(95)에 비전 데이터(또는 이미지 데이터)(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 데이터(92)를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)는 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 시퀀스(video sequence)에서 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 추적 및 EM 데이터(93)를 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예컨대, 내시경 도구) 내에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일을 포함하는 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 표시(real-time indication)를 제공할 수 있다.

로봇 명령 및 운동학(kinematics) 데이터(94)가 또한 위치결정 모듈(95)에 의해 사용되어, 로봇 시스템에 대한 위치 데이터(96)를 제공할 수 있다. 관절운동 명령으로부터 발생하는 장치 피치 및 요는 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 20이 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 20에 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 표시하게 한다.

2. 로봇 의료 시스템을 위한 축방향 운동 구동 장치

이 섹션은 의료 기구의 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성된 구동 장치에 관한 것이다. 구동 장치는 예를 들어 의료 절차 동안 환자 내로의 의료 기구의 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 사용될 수 있다. 의료 기구는 예를 들어 요관경, 위내시경, 기관지경뿐만 아니라, 다른 유형의 내시경 및 복강경일 수 있다. 의료 기구의 샤프트는 환자 내로의 삽입을 위해 구성될 수 있다. 샤프트는 예를 들어 세장형 샤프트, 가요성 샤프트 및/또는 관절운동가능 샤프트일 수 있다. 축방향 운동은 샤프트의 길이방향 축을 따른 방향으로의 의료 기구의 샤프트의 이동을 포함할 수 있다. 예를 들어, 축방향 운동은 환자 내로의 그리고/또는 환자 외부로의 그리고/또는 구동 장치에 대한 샤프트의 삽입 및/또는 후퇴를 포함할 수 있다.

구동 장치는 도 1 내지 도 20을 참조하여 전술된 것, 후술되는 것 등을 포함하는 로봇 의료 시스템과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치는 예를 들어 요관경술, 위내시경술, 기관지경술 등과 같은 다양한 의료 절차를 수행하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치는 전술된 바와 같은 로봇 아암, 기구 구동 메커니즘, 및/또는 어댑터에 결합되도록 구성된 재사용가능, 재위치설정가능, 또는 일회용 도구일 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치는 다른 의료 기구 또는 도구의 샤프트를 로딩하고 그의 축방향 운동을 구동하는 것과 연관된 다양한 특징을 용이하게 하기 위한 기어장치 또는 메커니즘 조립체를 포함할 수 있다.

더 상세히 후술될 바와 같이, 구동 장치(구동 조립체로 또한 지칭됨)는 구동 장치를 통해 의료 기구의 샤프트를 당기거나 밀도록 구성될 수 있다. 구동 장치는 샤프트의 길이를 따른 위치에서 샤프트와 맞물릴 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치는 롤러가 회전함에 따라 샤프트와 맞물리고 축방향 운동(예컨대, 삽입 및/또는 후퇴)을 구동하는 대향하는 롤러들("공급 롤러들"로 또한 지칭됨)의 세트를 포함한다. 일부 실시예에서, 구동 장치는 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위한 트레드 시스템(tread system), 랙 및 피니언 시스템(rack and pinon system), 또는 다른 메커니즘(예컨대, 선형 메커니즘)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치는 샤프트의 삽입 및 후퇴 동안 서비스 루프(또는 서비스 루프들)를 생성하고 이용하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 서비스 루프는 기구 기부와 구동 장치 사이의 거리보다 긴, (샤프트가 그로부터 연장되는) 기구 기부와 구동 장치 사이의 기구의 샤프트의 길이를 지칭할 수 있다. 따라서, 서비스 루프는 기구 기부와 구동 장치 사이의 슬랙(slack)을 제공할 수 있다. 서비스 루프(226)의 예가, 더 완전히 후술되는 도 22에 도시되어 있다.

일반적으로, 본 명세서에 기술된 구동 장치 및 관련 로봇 시스템과 방법은 다른 장치 및 시스템에 비해 하나 이상의 이점을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 본 명세서에 설명된 구동 장치는 다른 로봇 시스템에 비해 증가된 또는 더 높은 속도로 의료 기구의 샤프트의 삽입 및/또는 후퇴를 허용할 수 있다. 예를 들어, 일부 로봇 시스템에서, 로봇-제어식 요관경이 (예컨대, 신우로의 요도 개구를 통해) 환자 내로 삽입되고/되거나 환자로부터 후퇴될 수 있는 속도는 로봇 아암의 선형 속도에 의해 제한된다. 그러한 시스템에서, 삽입 및 후퇴 속도는 로봇 아암이 얼마나 빠르게 이동할 수 있는지에 의해 제한된다. 이 섹션에 기술되는 구동 장치 및 관련 로봇 시스템은, 일부 실시예에서, 증가된 삽입 및/또는 후퇴 속도를 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치는 시스템 내의 로봇 아암의 선형 속도보다 큰 삽입 및/또는 후퇴 속도를 허용할 수 있다. 삽입 및/또는 후퇴 속도를 증가시키는 것은 일부 의료 절차를 수행하는 데 필요한 전체 시간을 크게 감소시킬 수 있고, 이는 예를 들어 환자 결과를 개선할 수 있다. 예를 들어, 요관경술의 경우에, 요관경은 모든 신장 결석 및 신장 결석 파편을 포획하고 제거하기 위해 여러 번 신장 내로 삽입되고 신장으로부터 후퇴될 수 있다. 따라서, 증가된 삽입 및/또는 후퇴 속도는 절차에 필요한 총 시간을 점증적으로 감소시켜, 비용을 감소시키고 환자 결과를 개선한다.

유사하게, 일부 경우에, 본 명세서에 기술된 구동 장치 및 관련 로봇 시스템은 일부 다른 로봇 시스템에 비해 개선된 삽입 깊이(또는 스트로크 길이(stroke length))를 제공할 수 있다. 일부 로봇-아암 기반 시스템에서, 삽입 깊이(스트로크 길이)는 로봇 아암의 스트로크 길이로 제한될 수 있다. 이는 큰 삽입 깊이 또는 범위를 필요로 할 수 있는, 위내시경술과 같은 일부 절차에 불충분할 수 있다. 또한, 절차 동안 그의 전체 가능한 스트로크 길이를 통해 로봇 아암을 이동시키는 것은 운동학적 문제를 제기할 수 있고 아암이 다른 물체와 충돌할 위험이 있을 수 있는데, 이는 바람직하지 않고 위험할 수 있다. 후술될 바와 같이, 본 출원의 구동 장치는, 일부 실시예에서, 삽입 깊이를 로봇 아암의 스트로크 길이를 넘어 증가시킬 수 있다.

다른 예로서, 본 명세서에 기술된 구동 장치 및 관련 로봇 시스템은 삽입 동안 샤프트 좌굴을 감소시키거나 방지할 수 있다. 샤프트가 전형적으로 가요성이기 때문에, 의료 기구의 후방으로부터(예컨대, 기구 손잡이 또는 기구 기부로부터) 삽입을 구동할 때 좌굴이 발생할 수 있다. 그러한 좌굴은 로봇 아암이 비교적 길고, 가요성이고 지지되지 않은 샤프트 길이의 단부에 힘을 인가하기 때문에 발생할 수 있다. 구동 장치는 좌굴을 감소시키거나 제거할 수 있는데, 이는 일부 실시예에서 구동 장치가, 접근 지점으로 또한 지칭되는, 샤프트가 환자 내로 삽입되는 지점에 근접하게 위치된 지점에서 샤프트의 삽입을 구동하기 때문이다. 구동 장치는 접근 지점으로부터 비교적 멀리 위치될 수 있는 샤프트의 근위 단부에서보다는, 접근 지점에 가까운 위치에서 의료 기구의 샤프트에 작용하는 삽입력을 제공할 수 있다. 샤프트의 길이를 따라 그리고 삽입 지점에 근접한 위치에서 구동 장치에 의해 힘을 인가함으로써, 본 명세서에 기술된 구동 장치는 샤프트 좌굴을 감소시키거나 제거할 수 있다.

추가적으로, 구동 장치는 의료 기구의 샤프트가 삽입 또는 후퇴 동안 환자의 조직에 부여할 수 있는 힘의 양을 제한하도록 구성될 수 있다. 이는, 더 완전히 후술될 바와 같이, 구동 메커니즘(예컨대, 샤프트와 맞물리는 롤러)이 규정된 힘에서 샤프트에 대해 미끄러지도록 구동 장치를 구성함으로써 달성될 수 있다. 이는 샤프트가 환자에게 규정된 힘보다 높은 힘을 가할 수 있는 가능성을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 이러한 구동력을 조정함으로써, 시스템은 환자에게 허용가능하거나 안전한 것으로 간주되는 인가된 힘의 수준이 유지되는 것을 보장할 수 있다.

구동 장치 및 관련 로봇 시스템의 특징 및 이점이 이제 도 21 내지 도 33을 참조하여 더 완전히 기술될 것이다. 이들 도면은 본 출원의 범주를 제한하는 것이 아니라 예시하도록 의도되는 여러 예시적인 실시예를 도시한다.

A. 다수의 로봇 아암을 갖는 축방향 운동 구동 시스템

도 21은 의료 기구(210)의 세장형 샤프트(220)의 축방향 운동을 구동하도록 구성된 구동 장치(300)를 포함하는 로봇 의료 시스템(200)의 표현을 예시한다. 예시된 실시예에서, 시스템(200)은 의료 기구(210), 구동 장치(300), 제1 로봇 아암(202), 및 제2 로봇 아암(204)을 포함한다. 예시된 바와 같이, 시스템(200)은 또한, 환자 내로 삽입된 그리고 의료 기구(210)의 샤프트(220)가 그것을 통해 삽입될 수 있는 도관을 제공하는 접근 시스(250)를 포함한다.

예시된 실시예에서, 의료 기구(210)는 기구 기부(212)(기구 손잡이로 또한 지칭됨) 및 샤프트(220)를 포함한다. 샤프트(220)는 기부(212)로부터 또는 기부를 통해 연장될 수 있다. 의료 기구(210)는 예를 들어 도 1의 기구(13), 도 3의 기구(32), 도 4의 기구(34), 도 5의 기구(40), 도 8의 기구(56), 도 9의 기구(59), 도 16의 기구(70), 도 17의 기구(86), 도 18의 기구(150) 등과 같은, 전술된 의료 기구들 중 하나일 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 의료 기구(210)는 내시경, 카테터, 또는 복강경일 수 있다. 예시된 실시예에서, 의료 기구(210)는 요관경이지만, 이러한 예는 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 일부 실시예에 따르면, 제1 로봇 아암(202)은 다수의 의료 기구를 지지할 수 있고, 구동 장치(300)는 다수의 의료 기구들 중 임의의 하나 이상의 운동을 구동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 로봇 아암(202)은 내시경 또는 카테터와 같은, 작업 채널을 갖는 제1 의료 기구, 및 생검 도구, 바스켓팅 도구(basketing tool), 레이저 섬유 도구, 절제 도구, 또는 환자의 해부학적 구조 내의 표적을 조작하거나 표적과 상호작용하도록 구성된 다른 도구와 같은, 작업 채널 내에서 연장되는 작업 채널 기구일 수 있는 제2 의료 기구를 지지할 수 있다.

기구 기부(212)는 제1 로봇 아암(202)에 부착, 장착, 또는 달리 연결되거나 결합되도록 구성될 수 있다. 제1 로봇 아암(202)은 예를 들어 도 16 및 도 17을 참조하여 전술된 바와 같은 기구 구동 메커니즘을 포함할 수 있고, 기구 기부(212)는 기구 구동 메커니즘에 부착될 수 있다. 기구 구동 메커니즘은 의료 기구(210)를 조작하기 위해 기구 기부(212) 상의 대응하는 구동 입력부와 맞물리고 그것을 작동시키도록 구성된 구동 출력부를 포함할 수 있다. 로봇 아암(202)은 또한 공간 내에서의 기구 기부(212)의 위치를 조작하기 위해 이동하도록 구성될 수 있다.

샤프트(220)는 환자 내로의 삽입을 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트(220)는 세장형 샤프트, 가요성 샤프트, 및/또는 관절운동 샤프트를 포함한다. 샤프트(220)는 근위 단부에서 기구 기부(212)에 연결될 수 있고, 환자 내로 삽입되도록 구성된 원위 단부로 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트(220)는, 예를 들어 도 18에 도시된 바와 같이, 기부(212)를 통해 연장된다.

도 21에 도시된 바와 같이, 샤프트(220)는 구동 장치(300)와 맞물릴 수 있다. 예시된 실시예에서, 구동 장치(300)는 샤프트(220)와 맞물리거나 접촉할 수 있는 롤러(312)를 포함한다. 일부 실시예에서, 롤러(312)는 롤러(312)와 샤프트(220) 사이의 파지, 마찰, 견인 또는 압력을 제공하는 변형가능 재료를 포함하거나 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 변형가능 재료는 실리콘 고무를 포함한다. 예시된 실시예에서, 롤러(312)가 회전함에 따라, 샤프트(310)는 구동 장치(300)를 통해 축방향으로 당겨지거나, 밀리거나, 달리 구동될 수 있다. 롤러(312)를 제1 방향으로 회전시키는 것은 (예컨대, 환자를 향한 원위 방향으로의) 샤프트(220)의 삽입을 유발할 수 있고, 롤러(312)를 제2 반대 방향으로 회전시키는 것은 (예컨대, 환자로부터 멀어지는 근위 방향으로의) 샤프트(220)의 후퇴를 유발할 수 있다. 여기서, 롤러(312)의 방향은 샤프트(220)와 맞물리는 롤러(312)의 부분의 방향을 지칭한다. 예를 들어, 샤프트(220)의 삽입을 위한 제1 방향으로의 회전은 원위 방향으로의 롤러(312)의 맞물림 부분의 회전을 지칭하고, 후퇴를 위한 회전은 근위 방향으로의 롤러(312)의 맞물림 부분의 회전을 지칭한다. 도 21에서 보이는 바와 같은 롤러(312)의 도면과 관련하여, 이는 롤러(312)를 원위 방향으로 회전시키기 위해 좌측 롤러(312)가 반시계 방향으로 회전하는 반면 우측 롤러(312)가 시계 방향으로 회전하는 것, 및 롤러(312)를 근위 방향으로 회전시키기 위해 그 반대로 회전하는 것을 의미한다. 위에서 언급된 바와 같이, 롤러(312) 대신에 또는 그에 더하여, 다른 구동 메커니즘 또는 조립체가 사용될 수 있다.

도 21에 도시된 바와 같이, 샤프트(220)는 구동 장치(300)의 채널(310)을 통과할 수 있다. 도 21의 예시된 실시예에서, 채널(310)은 폐쇄 채널을 포함한다. 도 23에 예시된 실시예와 같은 다른 실시예에서, 채널(310)은 개방 채널(310)을 포함할 수 있다. 개방 채널(310)의 사용은 의료 기구(210)의 샤프트(220)를 구동 장치(300) 내로 로딩하는 것을 용이하게 할 수 있는데, 이는 장치의 사용을 단순화하고 수술 시간을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 개방 채널은 의료 기구(210)를 환자 내에서 완전히 후퇴시킬 필요 없이 의사와 같은 사용자가 의료 기구(210)를 수동으로 조절하도록 허용하기 위해, 수술중에 또는 의료 절차 동안 의료 기구(210)의 로딩 및/또는 언로딩을 용이하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 그리고 추가로 후술되는 바와 같이, 구동 장치(300)는 요구되는 대로 구동 장치에 대한 샤프트의 로딩 또는 구동 장치 상에서의 샤프트의 유지를 용이하게 하기 위해 채널(310)이 선택적으로 개방되거나 폐쇄되도록 허용하는 로봇-작동식 커버를 포함할 수 있다.

구동 장치(300)는 예를 들어 도 21에 도시된 바와 같이, 제2 로봇 아암(204)에 부착, 장착 또는 달리 연결되거나 결합될 수 있다. 제2 로봇 아암(204)은 기구 구동 메커니즘을 포함할 수 있고, 구동 장치(300)는 기구 구동 메커니즘에 부착될 수 있다. 기구 구동 메커니즘은 구동 장치(300)를 작동시키거나 가동시키기 위해 구동 장치(300) 상의 대응하는 구동 입력부(예를 들어, 도 24c의 구동 입력부(334, 338) 참조)와 맞물리고 그것을 작동시키도록 구성된 구동 출력부를 포함할 수 있다. 로봇 아암(204)은 또한 공간 내에서의 구동 장치(300)의 위치를 조작하기 위해 이동하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 도 21에 예시된 바와 같이, 구동 장치(300)는 접근 시스(250)에 근접하게, 예를 들어 접근 시스(250)의 1 인치 내에, 1.5 인치 내에, 2 인치 내에, 3 인치 내에, 4 인치 내에, 5 인치 내에, 6 인치 내에, 또는 12 인치 내에 위치될 수 있다. 샤프트(220)가 삽입될 지점에 근접하게 구동 장치(300)를 위치시키는 것은 위에서 언급된 바와 같이 좌굴을 감소시킬 수 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 구동 장치(300)는 (예컨대, 클립(322)을 사용하여) 접근 시스(250)에 부착되도록 구성될 수 있지만, 이는 모든 실시예에서는 그러할 필요는 없다. 일부 실시예에서, 그리고 본 명세서에 추가로 기술되는 바와 같이, 구동 장치(300)를 접근 시스(250)에 부착하는 것은 접근 시스(250)와 결합되는 구동 장치(300) 또는 로봇 아암(204)의 이동 또는 재위치설정을 통해, 요구되는 대로, 접근 시스(250)의 이동 또는 재위치설정을 용이하게 할 수 있다.

요관경술의 경우, 접근 시스(250)는 요관 접근 시스를 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 접근 시스(250)는 샤프트(220)가 그것을 통해 삽입될 수 있는 튜브 또는 다른 구조물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 접근 시스(250)는 해부학적 내강 내로 삽입되도록 구성된 세장형 및 가요성 접근 시스를 포함할 수 있다. 다른 절차에서, 다른 유형의 접근 시스가 또한 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 접근 시스(250)가 사용되지 않고, 의료 기구(210)의 세장형 샤프트(220)는 (예를 들어, 자연 환자 구멍 또는 다른 수술 접근 포트 또는 절개부를 통해) 환자 내로 직접 삽입될 수 있다.

도 21은 또한 구동 장치가 수집기(222)를 포함할 수 있다는 것을 예시한다. 일부 실시예에서, 의료 기구(210)를 사용하여 환자로부터 제거된 물체는 수집기(222) 내로 침적될 수 있다. 예를 들어, 요관경술의 경우, 의료 기구(210)는 환자 내에서 결석 또는 결석 파편을 포획하고 회수하도록 구성된 바스켓팅 장치를 포함할 수 있다. 일단 결석이 포획되면, 샤프트(220)는 원위 단부가 수집기(222) 위에 위치될 때까지 후퇴될 수 있다. 바스켓이 이어서 개방되어 결석을 수집기(222) 내로 떨어뜨릴 수 있다. 일부 실시예에서, 수집기(222)는 예를 들어 도 23에 도시된 바와 같이 구동 장치 상에 위치될 필요가 없다.

도 21에서, 의료 기구(210)의 샤프트(220)는 기구 기부(212)와 구동 장치(300) 사이에서 직접 연장된다. 이러한 구성에서, 구동 장치(300)가 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동함에 따라, 제1 로봇 아암(202)은 구동 장치(300)에 의해 제공되는 축방향 운동의 속도에 대응하는 속도 및 방향으로 기구 기부(212)를 이동시킬 수 있다. 이러한 경우, 샤프트(220)의 삽입 속도는 제1 로봇 아암(202)이 기구 기부(212)를 이동시킬 수 있는 속도로 제한될 수 있다. 이는 느린 속도에 적합할 수 있다. 느린 속도는 예를 들어 샤프트(220)의 원위 팁이 접근 시스(250)의 외측에 위치되어 환자의 조직에 노출될 때(예컨대, 환자 내로의 시스(250)의 원위 팁의 삽입 시에) 바람직할 수 있다.

도 22는 의료 기구(210)의 세장형 샤프트(220)가 제1 및 제2 로봇 아암들(202, 204) 사이의 또는 기구 기부(212)와 구동 장치(300) 사이의 서비스 루프(226)를 형성하도록 배열되는 다른 구성에 있는 로봇 의료 시스템(200)을 예시한다. 서비스 루프(226)는 기구 기부(212)와 구동 장치(300) 사이의 샤프트(220)의 길이를 포함할 수 있다. 샤프트(220)의 길이가 기구 기부(212)와 구동 장치(300) 사이의 거리를 초과할 때, 샤프트(220)는 하향으로 매달려, 기구 기부(212)와 구동 장치(300) 사이의 서비스 루프(226)를 형성할 수 있다. 서비스 루프(226)는 더 빠른 삽입 및/또는 후퇴를 허용하기 위해 사용될 수 있는 샤프트(220) 내의 슬랙을 제공할 수 있다. 예를 들어, 삽입 동안, 서비스 루프(226) 내의 슬랙은 줄어들 수 있다(서비스 루프(226)를 단축시키거나 수축시킴). 후퇴 동안, 서비스 루프(226)가 생성될 수 있다(길이를 증가시키거나 확장시킴). 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 서비스 루프(226)를 확장시키거나 수축시키는 것은 가요성 샤프트에 대한 축방향 자유도를 제공하기 위해 서비스 루프(226)에서 이용가능한 추가 길이의 양을 증가시키거나 감소시키는 것을 수반할 수 있다.

예로서, 서비스 루프(226)에 의해, 구동 장치(300)는 제1 로봇 아암(202)이 기구 기부(212)를 이동시킬 수 있는 속도보다 빠른 속도로 삽입을 구동할 수 있다. 이것이 발생함에 따라, 서비스 루프(226)는 줄어들 것이다(예컨대, 감소되거나 단축됨). 일부 실시예에서, 이는 제1 로봇 아암(202)에 의한 기구 기부(212)의 이동을 요구하지 않고서도 샤프트(220)의 삽입을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 시스템(200)이 초당 100 내지 300 mm의 속도로의, 또는 더 특정하게는 초당 130 내지 190 mm의 속도로의 삽입을 위해 구성되도록 허용할 수 있다. 이들 범위 밖의 빠른 삽입 또는 후퇴를 위한 다른 속도가 또한 가능하다. 이러한 유형의 빠른 삽입은 예를 들어 접근 시스(250)가 환자의 조직을 보호할 수 있기 때문에 샤프트(220)의 원위 팁이 접근 시스(250) 내에 위치될 때 적합할 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트(220)의 원위 팁이 접근 시스(250)를 넘어 연장될 때(그것을 환자의 조직에 노출시킴), 시스템은 더 느린 삽입 속도, 예를 들어, 초당 약 5 내지 80 mm의 속도, 또는 더 특정하게는 초당 20 내지 50 mm의 속도로 전환할 수 있다. 이들 범위 밖의 느린 삽입 또는 후퇴를 위한 다른 속도가 또한 가능하며, 여기에서 느린 삽입 속도는 빠른 삽입 속도보다 느리다. 더 느린 삽입 속도는 예를 들어 도 21을 참조하여 전술된 바와 같이 작동할 수 있으며, 여기에서 구동 장치(300)의 삽입 속도는 제1 로봇 아암(202)의 이동 속도와 일치한다.

다른 예로서, 후퇴 동안, 구동 장치(300)는 샤프트(220)의 원위 팁이 접근 시스를 넘어서 위치될 때 더 느린 속도로 후퇴를 구동할 수 있다. 더 느린 속도에서, 시스템(200)은 도 21을 참조하여 전술된 바와 같이 작동할 수 있으며, 여기에서 구동 장치(300)의 후퇴 속도는 제1 로봇 아암(202)의 이동 속도와 일치한다. 샤프트(220)의 팁이 접근 시스(250) 내에 위치될 때, 시스템(200)은 이어서 서비스 루프(226)를 생성할 수 있는(길이를 증가시키거나 확장시킴) 더 빠른 속도로 후퇴될 수 있다. 느린 속도에서 조화된 구동 장치(300)의 작동과 제1 로봇 아암(202)의 이동은 비교적 얇고 가요성인 샤프트(220)의 축방향 운동이 로봇 아암 운동만에 의해 수행되었다면 부정확한 구동 응답으로 이어질 수 있는 샤프트 좌굴을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있지만, 일부 실시예에서 샤프트(220)의 느린 삽입 또는 후퇴는 구동 장치(300)가 샤프트(220)로부터 맞물림해제된 상태에서 아암 운동(202)만을 사용하여 달성될 수 있다.

B. 구동 장치 아키텍처

도 23 내지 도 29는 로봇 제어를 용이하게 할 수 있는 구동 장치(300) 및 기계적 아키텍처의 일 실시예를 예시한다. 구동 장치(300)는 샤프트를 전진시키거나 후퇴시키기 위한 롤러의 제어, 샤프트의 로딩을 용이하게 하기 위한 롤러의 개방 또는 폐쇄, 및/또는 장치 상에 의료 기구 샤프트를 유지시키는 채널을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하기 위한 로봇 작동식 커버의 제어와 같은, 장치의 기능을 제어하도록 작동가능한 구동 입력부에 결합된 메커니즘을 포함한다. 도 23은 구동 장치(300)의 일 실시예를 예시한 등각도이다. 도 23에 예시된 구동 장치(300)는 예를 들어 도 21 및 도 22를 참조하여 전술된 구동 장치(300)의 일 실시예일 수 있다. 구동 장치(300)는 도 1 내지 도 22 등을 참조하여 전술된 로봇 의료 시스템과 같은 로봇 의료 시스템과 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 구동 장치(300)는 샤프트(예컨대, 세장형 및/또는 가요성 샤프트) 또는 의료 기구(예컨대, 내시경)와 맞물리고 그것의 축방향 운동(예컨대, 삽입 및/또는 후퇴)을 구동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 구동 장치(300)는 의료 절차 동안 환자 내로의 그리고/또는 환자 외부로의 의료 기구의 세장형 샤프트의 삽입 및/또는 후퇴를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 더 특정한(그러나 비제한적인) 예에서, 구동 장치(300)는 요관경술 동안 환자 내로의 그리고/또는 환자 외부로의 요관경의 가요성, 세장형 샤프트의 삽입 및/또는 후퇴를 구동하도록 구성될 수 있다. 구동 장치(300)는 다양한 다른 절차뿐만 아니라, 특히 기관지경술, 내시경술, 관내 절차, 또는 카테터경유 절차에 사용될 수 있다.

구동 장치(300)는 로봇 의료 시스템의 로봇 아암에 부착되도록(예컨대, 연결, 장착, 맞물림, 또는 달리 결합됨 등) 구성될 수 있다. 예로서, 구동 장치(300)는 도 1 내지 도 4에 도시된 카트(11)의 로봇 아암(12), 도 6 내지 도 10에 도시된 플랫폼(38)의 로봇 아암(39), 또는 도 14에 도시된 시스템(140A)의 로봇 아암(142A, 142B) 중 임의의 것에 부착되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치(300)의 탈착은 구동 장치가 자본 장비의 일부일 수 있는 로봇 아암 또는 기구 구동 메커니즘과 상이한 유효 수명을 가질 수 있는 재사용가능, 재위치설정가능, 또는 일회용 도구이도록 허용한다. 일부 실시예에서, 구동 장치(300)는 로봇 아암의 원위 단부에 부착되도록 구성된다. 로봇 아암은 공간 내에서 구동 장치(300)를 위치시키기 위해 이동되거나 관절운동될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 로봇 아암은 로봇 의료 절차를 용이하게 하기 위해 구동 장치(300)를 환자에 근접하게 제위치로 위치시키는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 아암은 절차 동안 구동 장치(300)를 고정 또는 정지 위치로 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 아암은 절차 동안 구동 장치(300)를 이동시킬 수 있다.

구동 장치(300)는 로봇 아암의 기구 구동 메커니즘(또는 기구 드라이버 또는 구동 유닛)에 부착될 수 있다. 예로서, 구동 장치(300)는 도 14의 기구 구동 메커니즘(146A, 146B), 도 15의 구동 유닛(63), 도 16의 기구 드라이버(74), 또는 도 17의 기구 드라이버(80)에 부착되도록 구성될 수 있다. 기구 구동 메커니즘은 구동 장치(300) 상의 대응하는 구동 입력부와 맞물리고 그것을 작동시키도록 구성된 구동 출력부를 포함할 수 있다. 구동 장치(300)의 예시적인 구동 입력부(334, 338)는 예를 들어 추가로 후술되는 도 24c의 저면도에 도시되어 있다.

도 23에 도시된 바와 같이, 구동 장치(300)는 하우징(302)을 포함할 수 있다. 하우징(302)은 구동 장치(300)의 기능을 용이하게 하는 구동 장치(300)의 다양한 내부 구성요소를 (부분적으로 또는 완전히) 둘러싸거나 에워싸도록 구성될 수 있다. 구동 장치(300)의 다양한 내부 구성요소는 더 상세히 후술될 것이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 하우징(302)은 상부 부분(304) 및 하부 부분(306)을 포함할 수 있다. 하부 부분(306)은 위에서 언급된 바와 같이 로봇 아암 및/또는 기구 구동 메커니즘에 부착되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 멸균 어댑터가 의료 절차 동안 멸균 영역의 유지를 용이하게 하기 위해 구동 장치(300)와 로봇 아암 및/또는 기구 구동 메커니즘 사이에 위치될 수 있다. 예시된 실시예에서, 하우징(302)의 상부 부분(304)은 상부 표면(308)을 포함한다. 상부 표면(308)은 그 내부에 형성된 채널(310)을 포함할 수 있다.

채널(310)은 의료 기구의 샤프트의 일부분을 수용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치(300)의 상부 표면(308) 상의 채널(310)의 포함은 그것이 의료 기구의 샤프트가 구동 장치(300) 내로 상부에서 로딩되거나, 샤프트(220)에 대해 측방향으로 로딩되도록 허용할 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 즉, 채널(310)이 위로부터 개방되기 때문에, 의료 기구의 샤프트는 간단한 방식으로 위로부터 또는 측방향으로 채널 내로 삽입될 수 있다. 예를 들어, 상부 표면(308) 내에 형성된 채널(310)을 포함하는 일부 실시예에서, 샤프트를 구동 장치(300)와 맞물리게 하기 위해 봉입형 가이드(enclosed guide)를 통해 의료 기구의 샤프트를 끼워넣을 필요가 없을 수 있고; 오히려, 샤프트는 구동 장치(300)의 상부 표면(308) 상의 개방 채널(310) 내로 간단히 삽입될 수 있다. 이는 구동 장치(300)의 사용을 단순화하고, 유리하게는 구동 장치(300)를 사용하는 데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다. 또한, 사용 시간의 감소는 유리하게는 의료 절차를 수행하는 데 필요한 총 시간을 감소시켜, 환자 결과를 개선하고 건강관리 비용을 감소시킬 수 있다.

채널(310) 내로 삽입되거나 채널 내에 위치될 때, 의료 기구의 샤프트는 구동 장치의 하우징(302) 내에 위치된 롤러(312)와 맞물릴 수 있다. 롤러(312)는 예를 들어, 하우징(302)의 상부 부분(304)이 제거된 상태로 구동 장치(300)를 예시하는 도 24a 및 도 24b에 도시되어 있다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 롤러(312)는 채널(310) 내에서 의료 기구의 샤프트와 접촉하도록(예컨대, 그에 대해 압축하거나 달리 맞물리도록) 구성될 수 있다. 롤러(312)는 샤프트 의료 기구의 축방향 운동(예컨대, 샤프트의 길이방향 축을 따른 방향으로의 운동)을 구동하기 위해 회전하도록 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 롤러(312)는 의료 기구의 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 제1 방향으로 그리고 의료 기구의 샤프트의 후퇴를 구동하기 위해 제2 방향으로 회전할 수 있다.

채널(310) 내에서, 구동 장치(300)는 또한 채널(310) 내에 의료 기구의 샤프트를 고정하도록 구성된 하나 이상의 클립(314, 316)("스냅(snap)"으로 또한 지칭됨)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 구동 장치(300)는 채널(310)의 근위 단부에 위치된 근위 클립(314) 및 채널(310)의 원위 단부에 위치된 원위 클립(316)을 포함한다. 근위 및 원위 클립(314, 316)의 일부분만이 도 23에 도시되어 있다. 근위 및 원위 클립(314, 316)은 예를 들어, 하우징(302)의 상부 부분(304)이 제거된 상태로 구동 장치(300)를 예시하는 도 24a 및 도 24b에서 더 잘 보인다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 채널을 통한 샤프트의 축방향 운동을 제한하지 않고서(또는 실질적으로 제한하지 않고서) 채널(310) 내에 의료 기구의 샤프트를 고정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 샤프트가 채널 외부로 들어올려지는 것을 방지하면서, 여전히 샤프트가 채널(310)을 통해 축방향으로 자유롭게 활주하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 그의 길이방향 축을 중심으로 롤링하는 샤프트의 능력을 제한하지 않고서(또는 상당하게 제한하지 않고서) 채널(310) 내에 샤프트를 고정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 샤프트가 채널 외부로 들어올려지는 것을 방지하면서, 여전히 샤프트가 채널(310) 내에서 그의 길이방향 축을 중심으로 자유롭게 롤링하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 근위 및 원위 클립(314, 316)의 유지 부분의 내경이 의료 기구의 샤프트의 외경보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 장치(300)는, 역시 채널(310) 내에 의료 기구의 샤프트를 고정하도록 구성될 수 있는, 예를 들어 (후술되는) 도 26a, 도 26b, 도 27a, 및 도 27b에 도시된 바와 같은 커버(318)를 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 의료 기구의 샤프트가 채널(310) 내로 적절하게 로딩되었음을 사용자에게 표시하는 촉각 피드백을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 의료 기구의 샤프트가 (촉각 피드백을 제공하고 채널 내에서 샤프트를 유지하는 역할을 하는) 클립의 진입 부분을 통해 스냅체결되도록 구성될 수 있다. 동시에, 샤프트가 클립(314, 316)의 진입 부분을 통해 스냅체결된 후에, 샤프트는 기구 샤프트가 전술된 바와 같이 그것을 통해 축방향으로 자유롭게 활주하도록 허용하기 위해(예컨대, 샤프트의 축방향 운동 및/또는 롤을 허용함) 샤프트의 직경보다 큰 직경을 포함하는 유지 부분 내에 유지될 수 있다.

일부 실시예에서, 채널(310)은 구동 장치(300)의 기능을 용이하게 하는 길이를 포함할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 구동 장치(300)는 구동 장치(300) 내에 위치된 롤러(312)와의 접촉을 통해 의료 장치의 샤프트의 축방향 운동(삽입 및/또는 후퇴)을 구동하도록 구성될 수 있다. (예를 들어, 도 24a 및 도 24b에 도시된 바와 같은) 예시된 실시예에서, 롤러(312)는 채널(310)의 대향하는 측부들 상에 위치된 좌측 및 우측 롤러(312)를 포함한다. 롤러(312)와 의료 기구의 샤프트 사이의 접촉은 대향하는 롤러들(312) 사이에서 바로 옆의 작은 접촉 면적으로 제한될 수 있다. 접촉 면적이 비교적 작기 때문에(예컨대, 샤프트의 총 길이와 비교할 때), 샤프트는 그것이 롤러(312)와 접촉하는 지점을 중심으로 피봇하거나 틸팅하는 경향이 있을 수 있다. 이는 의료 기구의 샤프트의 정렬을 유지하는 데 어려움을 야기할 수 있다. 예를 들어, 샤프트는 샤프트가 그 내부로 삽입될 접근 시스 또는 환자 구멍과 오정렬될 수 있다. 채널(310)의 길이는 이러한 오정렬을 제한하거나 방지하기에 충분할 수 있다. 채널(310)의 길이를 증가시키는 것은 의료 기구의 샤프트가 롤러(312)와의 그의 접촉 지점을 중심으로 틸팅하거나 피봇하는 경향 또는 능력을 제한할 수 있다. 따라서, 원위 구동 장치(300)에는 의료 기구의 샤프트의 오정렬을 제한하거나 방지하기에 충분한 길이를 갖는 채널(310)이 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 채널(310)의 길이는 채널(310)의 근위 단부와 원위 단부 사이에서 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 채널(310)의 길이는 근위 클립(314)과 원위 클립(316) 사이에서 결정될 수 있다. 채널(310)은 적어도 25 mm, 적어도 30 mm, 적어도 35 mm, 적어도 40 mm, 적어도 45 mm, 적어도 50 mm, 적어도 55 mm, 적어도 60 mm, 적어도 65 mm, 적어도 70 mm, 적어도 75 mm, 적어도 80 mm, 적어도 85 mm, 적어도 90 mm, 적어도 95 mm, 적어도 100 mm 또는 그보다 긴 길이를 포함할 수 있다. 시험된 일례에서, 약 68 mm의 길이를 갖는 채널(310)을 가진 구동 장치(300)가 요관경술 절차를 용이하게 하기 위해 의료 기구의 샤프트의 정렬을 충분하게 유지한 것으로 밝혀졌다. 일부 실시예에서, 롤러(312)는 채널(310)의 근위 단부와 원위 단부 사이의 지점에서 또는 근위 클립(314)과 원위 클립(316) 사이의 지점에서 샤프트와 접촉하고 맞물리도록 위치된다.

예시된 실시예에서, 채널(310)은 벌어진 또는 테이퍼진 부분(320)을 포함한다. 테이퍼진 부분(320)은 채널(310)의 근위 단부에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, (전술된) 채널(310)의 길이는 테이퍼진 부분(320)의 길이를 포함한다. 일부 실시예에서, (전술된) 채널(310)의 길이는 테이퍼진 부분(320)의 길이를 포함하지 않는다. 도 21 및 도 22를 참조하여 전술된 바와 같이, 의료 기구의 샤프트는 구동 장치(300)와, 구동 장치(300)의 근위에 위치된(예를 들어, 추가 로봇 아암에 연결된) 의료 기구의 기부 사이에 서비스 루프를 형성할 수 있다. 테이퍼진 부분(320)은 가요성 샤프트에서의 급격한 굽힘을 회피하면서, 비스듬히 그리고/또는 서비스 루프를 갖고서 샤프트를 구동 장치(300) 내로 공급하는 것을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 테이퍼진 부분(320)은 가요성 샤프트가 다양한 각도에서 채널(310)의 근위 단부 내로 공급되는 공간을 제공할 수 있는 한편, 테이퍼진 부분의 측벽은 샤프트가 구동 장치에 진입하는 영역에서 샤프트를 위한 확대된 굽힘 반경 또는 매끄럽게 된 진입 지점을 제공할 수 있다. 테이퍼진 부분(320)은 또한 구동 장치(300)와 기구 기부 사이에서 일정 정도의 오정렬을 수용할 수 있다. 또한, 테이퍼진 부분(320)은 구동 장치(300)가 의료 기구의 샤프트의 축방향 운동을 구동함에 따라 구동 장치(300)를 통해 샤프트를 공급하는 것을 용이하게 할 수 있다.

도 23에 도시된 바와 같이, 구동 장치(300)는 또한 클립(322)으로서 도 23에 예시된 결합 부재, 맞물림 장치, 또는 홀더를 포함할 수 있다. 클립(322)은 구동 장치(300)의 원위 단부 상에 위치될 수 있다. 클립(322)은 접근 시스와 맞물리도록 구성될 수 있다. 접근 시스는 예를 들어 환자 내로 삽입되고, 의료 기구의 샤프트가 그 내부로 삽입될 수 있는 도관을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 클립(322)은 접근 시스의 근위 단부와 맞물리도록 구성된다. 일부 실시예에서, 클립(322)은 접근 시스를 지지하도록 구성된다. 예를 들어, 클립(322)은 접근 시스의 근위 단부를 지지할 수 있다. 일부 실시예에서, 접근 시스는 주로 환자에 의해(예컨대, 환자 내로의 삽입에 의해) 또는 일부 다른 구조물에 의해 지지되고, 클립(322)은 구동 장치(300)를 접근 시스에 대해 배향시키기 위해 접근 시스와 맞물린다. 구동 장치(300)를 클립(322)으로 접근 시스에 맞물리게 하는 것은 구동 장치(300)와 접근 시스 사이의 정렬을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 클립(322)을 접근 시스와 맞물리게 하는 것은 구동 장치(300)의 채널(310)을 접근 시스와 정렬시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 클립(322)은 스프링-기반 클립일 수 있다. 예를 들어, 클립(322)은 클립(322)을 폐쇄 위치로 편향시키는 비틀림 스프링 또는 다른 유형의 스프링과 같은 스프링을 포함할 수 있다. 스프링력은 클립(322)을 개방하기 위해 극복될 수 있고, 이어서 스프링력은 클립(322)을 접근 시스(250) 상으로 클램핑할(clamp) 수 있다. 일부 실시예에서, 클립(322)은 수동으로 작동될 수 있다. 다른 실시예에서, 클립(322)은 로봇으로 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 클립(322)은 자동-중심설정 클립일 수 있다. 자동-중심설정 특징은 클립(322)의 대향하는 측부들이 개방될 때(예컨대, 사용자에 의해 수동으로 개방되거나 작동될 때) 반대 방향들로 분기하도록 허용함으로써 사용성을 용이하게 할 수 있고, 이어서 스프링이 해제될 때, 클립(322)은 클립의 중심(및 그에 따라 접근 시스의 진입부)과 채널(310)의 출구 사이의 정렬을 유지하면서 접근 시스 상으로 폐쇄될 수 있다.

도 23의 예시된 실시예에서, 구동 장치(300)의 하우징(302)은 클립(322)과 채널(310)의 원위 단부 또는 출구(326) 사이에 공간 또는 간극(324)을 포함하도록 구성된다. 간극(324)을 달성하기 위해, 클립(322)은 구동 장치(300)의 주 본체로부터 연장되는 아암(328) 상에 위치될 수 있다. 아암(328)은, 예시된 바와 같이, 간극(324)이 구동 장치(300)의 주 본체 상의 채널(310)의 출구(326)와 클립(322) 사이에 형성되도록 C-형상일 수 있다. 일부 실시예에서, 아암(328)은 하우징(302)의 상부 부분(304) 상에 형성되거나 그로부터 연장된다. 간극(324)은 샤프트의 원위 단부가 클립(322)과 맞물린 접근 시스로부터 인출될 때 의료 기구의 샤프트의 원위 단부에 대한 접근을 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 위에서 언급된 바와 같이, 구동 장치(300)는 의료 기구의 샤프트를 접근 시스를 통해 환자 내로 삽입하는 데 사용될 수 있다. 접근 시스의 근위 단부는 클립(322)과 맞물릴 수 있다. 구동 장치(300)는 또한, 샤프트의 원위 단부가 간극(324) 내에 위치될 때까지, 예를 들어 샤프트의 원위 단부가 채널(310)의 출구(326)와 클립(322) 사이에 위치될 때까지, 의료 기구의 샤프트를 접근 시스의 근위 단부로부터 인출하는 데 사용될 수 있다. 이는 샤프트의 원위 단부에 대한 접근을 허용할 수 있다.

일부 실시예에서, 간극(324) 및 의료 기구의 샤프트의 원위 팁에 대한 접근은 바스켓팅 절차, 생검 절차, 또는 환자 조직, 이물질, 또는 샘플과 같은 물체가 환자의 해부학적 구조 내에서 추출되는 다른 절차를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 요관경술에서, 의료 기구는 바스켓팅 장치가 그것을 통해 삽입될 수 있는 작업 채널을 포함할 수 있는 요관경을 포함할 수 있다. 환자로부터 신장 결석을 추출하기 위해 바스켓팅 장치 및 요관경이 조작될 수 있다. 신장 결석은 바스켓팅 장치 내에 포획될 수 있다. 신장 결석을 포획하면, 요관경은 요관경의 원위 단부가 간극(324) 내에 위치될 때까지 (구동 장치(300)를 사용하여) 후퇴될 수 있다. 바스켓 장치는 이어서 개방되어, 신장 결석이 제거되도록 허용할 수 있다. 요관경은 이어서 접근 시스를 통해 (구동 장치(300)를 사용하여) 환자 내로 재삽입될 수 있고, 과정은 추가 결석을 포획하기 위해 반복될 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트의 원위 팁이 간극(324) 내에 위치될 때, 제거된 신장 결석은 수집기 내로 떨어지거나 달리 침적될 수 있다. 수집기는 (예를 들어, 도 21 또는 도 22에 도시된 바와 같이) 구동 장치(300) 상에 위치되거나 달리 간극(324) 아래에 위치될 수 있다. 환자 내에서 물체를 조작하고/하거나 그로부터 물체를 방출시킬 수 있는 엔드 이펙터 또는 도구를 그의 원위 단부에 갖는 임의의 다른 작업 채널 기구 또는 임의의 다른 추출된 물체에 대해 유사한 과정이 사용될 수 있다.

도 24a 및 도 24b는 하우징(302)의 상부 부분(304)이 제거된 상태로 예시된 도 23의 구동 장치(300)의 등각도 및 평면도이다. 이들 도면에서, 예를 들어 전술된 롤러(312)와 근위 및 원위 클립(314, 316)을 포함하는, 구동 장치(300)의 다양한 내부 구성요소가 도시된다.

도 24a 및 도 24b에 도시된 바와 같이, 구동 장치(300)는 의료 기구의 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성된 롤러(312)를 포함할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 롤러(312)는 샤프트가 구동 장치(300) 내로 로딩될 때 의료 기구의 샤프트의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치되도록 채널(310)의 대향하는 측부들 상에 위치될 수 있다. 따라서, 롤러(312)는 대향하는 롤러들로 고려될 수 있다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 롤러(312)는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동(예컨대, 병진)하도록 구성될 수 있다. 제1 위치에서, 롤러(312)는 의료 기구의 샤프트와 맞물리도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 위치에서, 롤러(312)는 의료 기구의 샤프트의 대향하는 또는 서로 반대편에 있는 측부들 상으로 가압하거나 달리 측부들과 맞물릴 수 있다. 일부 실시예에서, 롤러(312)가 제1 위치에 있을 때, 그들은 의료 기구의 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 제1 방향으로 회전될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 방향으로 회전될 때, 롤러(312)는 의료 기구의 샤프트의 후퇴를 구동할 수 있다. 롤러(312)가 제2 위치로 이동될 때, 롤러(312)는 롤러(312)가 의료 기구의 샤프트로부터 이격되어 그들이 샤프트와 맞물리지 않도록 이격될 수 있다. 따라서, 제2 위치는 롤러(312)에 대한 로딩 위치일 수 있다. 예를 들어, 롤러(312)는 제2 위치로 떨어져 이동될 수 있고, 의료 기구의 샤프트는 채널(310) 내로 로딩될 수 있고, 롤러(312)는 의료 기구의 샤프트와 맞물리도록 제1 위치로 이동될 수 있다.

도 24a 및 도 24b의 예시된 실시예에서, 구동 장치(300)는 스프링(330)을 포함한다. 스프링(330)은 롤러(312)를 제1 위치(예컨대, 롤러(312)가 세장형 샤프트와 맞물리는 폐쇄 위치)를 향해 편향시키도록 구성될 수 있다. 롤러(312)를 제2 위치(예컨대, 개방 위치 또는 로딩 위치)로 이동시키기 위해, 로봇은 스프링(330)의 스프링력을 극복하도록 출력부를 구동한다. 롤러(312)를 제1 위치를 향해 편향시키는 것에 더하여, 스프링(330)은 또한 롤러(312)가 의료 기구의 샤프트와 맞물리게 하는 데 필요한 압력 또는 마찰력을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 스프링(330)은 롤러(312)가 의료 기구의 샤프트 내로 얼마나 강하게 가압할지를 결정한다. 스프링(330)의 힘은 의료 기구의 샤프트에 대해 원하는 압력 또는 마찰을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 스프링(330)의 스프링력은 의료 기구의 샤프트가 삽입 및 후퇴 동안 환자의 해부학적 구조에 부여할 수 있는 압력 또는 힘을 제어하거나 제한하기 위해 사용될 수 있다. 이는 롤러(312)의 마찰 구동력에 대응하는 스프링력을 선택하거나 설정함으로써 달성될 수 있고, 따라서 롤러(312)는 규정된 하중에서 의료 기구의 샤프트 상에서 미끄러지기 시작할 것이다. 이러한 구동력을 조정함으로써, 시스템은 환자에게 허용가능하거나 안전한 것으로 간주되거나 정의되는 인가된 힘의 수준을 유지할 수 있다.

예시된 실시예에서, 스프링(330)은 비틀림 스프링과 같은 기계적 스프링을 포함한다. 코일 스프링 등과 같은 다른 유형의 스프링이 또한 사용될 수 있다. 기계적 스프링의 경우, 스프링(330)의 힘은 스프링(330)의 크기 및/또는 스프링(330)이 제조되는 재료를 조절함으로써 (전술된 안전성 특징을 제공하도록) 조절될 수 있다. 추가적으로, 구동 장치(300)의 다양한 다른 파라미터가 또한 고려될 수 있다. 예를 들어, 롤러(312)의 접촉 면적의 재료는 의료 기구의 샤프트와 롤러(312) 사이에 상이한 마찰 계수를 제공하도록 조절될 수 있다. 유사하게, 의료 기구의 샤프트의 마찰 계수가 또한 조절될 수 있다. 이러한 파라미터들 중 하나 이상은 롤러(312)가 세장형 샤프트의 샤프트에 대해 미끄러져 샤프트가 환자의 해부학적 구조에 너무 많은 힘을 부여하는 것을 감소시키거나 방지하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 스프링들(330)은 생략될 수 있고, 구동 장치(300)는 샤프트에 대해 힘을 인가하기 위해 구동 샤프트 또는 구동 입력부의 작동을 통한 제어된 가상 스프링을 포함할 수 있다. 예를 들어, 후술될 바와 같이, 구동 장치(300)는 롤러(312)의 회전을 제어할뿐만 아니라 제1 위치와 제2 위치 사이에서 롤러(312)를 이동시키도록(예컨대, 롤러(312)를 개방 및 폐쇄함) 구성될 수 있는 다양한 구동 입력부(334, 338)를 포함할 수 있다. 스프링(330)을 포함하는 대신에 또는 그에 더하여, 시스템은 기계적 스프링의 기능과 유사한 기능을 제공하여, 샤프트에 대해 파지할 수 있는 가상 스프링을 제공하는 방식으로 이들 구동 입력부(334, 338)를 작동시킬 수 있다.

도 24b는 또한 롤러 구동 샤프트(332)를 도시한다. 구동 샤프트(332)는 추가로 후술되는 바와 같이 구동 장치(300) 상의 대응하는 그리고 상보적인 구동 입력부에 결합되는, 기구 구동 메커니즘, 어댑터, 또는 로봇 아암 상의 구동 출력부를 제공할 수 있다. 예시된 실시예에서, 롤러 구동 샤프트(332)는 롤러(312)의 회전을 구동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 구동 샤프트(332)는 롤러(312)에서 대응하는 회전을 제공하도록 회전될 수 있다. 예시된 바와 같이, 구동 장치(300)는 롤러들(312) 중 하나와 각각 연관된 2개의 롤러 구동 샤프트(332)를 포함할 수 있다. 따라서, 예시된 예에서, 롤러들(312) 각각은 독립적으로 구동될 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 롤러 구동 샤프트(332)만이 포함되고, 단일 롤러 구동 샤프트(332)는 둘 모두의 롤러(312)의 회전을 구동하도록 구성될 수 있다. 후술될 바와 같이, 롤러 구동 샤프트(332)는 (후술되는 도 24c에 도시된 바와 같이) 롤러 구동 입력부(334)에 연결될 수 있다. 롤러 구동 샤프트(332)는 또한 롤러(312)에 연결될 수 있다. 예시된 실시예에서, 롤러 구동 샤프트(332)는 (후술되는 도 25b 및 도 25c에 도시된 바와 같이) 기어 조립체(335)를 통해 롤러(312)에 연결된다. 다른 실시예에서, 롤러 구동 샤프트(332)는 다른 방식으로 롤러(312)에 연결될 수 있다. 예로서, 롤러 구동 샤프트(332)는 롤러(312)에 직접 연결될 수 있거나, 롤러 구동 샤프트(332)는 벨트 구동 시스템에 의해 롤러(312)에 연결될 수 있다.

도 24c는 구동 장치(300)의 저면도이다. 도 24c에 도시된 바와 같이, 구동 장치(300)는 하우징(302)의 하부 표면(336) 상에 복수의 구동 입력부(334, 338)를 포함할 수 있다. 하부 표면(336)은 하우징(302)의 하부 부분(306)의 일부일 수 있다. 예시된 실시예에서, 구동 장치(300)는 3개의 구동 입력부(334, 338)를 포함하지만, 다른 실시예에서 다른 수의 구동 입력부가 포함될 수 있다. 구동 입력부는 구동 장치(300)의 하부 정합 표면(336)을 따라 이격된 고정 위치에 있을 수 있고, 이는 다양한 다른 기구에 대한 부착 및 모듈식 사용을 위해 설계된 대응하는 정합 표면을 따라 이격된 고정 위치에 있을 수 있는 로봇 시스템의 대응하는 구동 입력부에 구동 입력부(334, 338)를 결합시키는 것을 용이하게 한다. 추가로 후술되는 바와 같이, 구동 장치(300) 내에서의 기계적 조립은 구동 입력부(334, 338)가 샤프트의 로딩을 허용하거나 다른 사용 사례를 허용하기 위해 대향하는 롤러들(312)의 위치의 변화뿐만 아니라, 의료 기구 샤프트의 축방향 운동을 위한 대향하는 롤러들의 회전을 구동하는 데 사용되도록 허용할 수 있다. 예시된 실시예에서, 3개의 구동 입력부는 2개의 롤러 구동 입력부(334) 및 개방/폐쇄 구동 입력부(338)를 포함한다. 구동 입력부들(334, 338) 각각은 예를 들어 도 16 및 도 17을 참조하여 전술된 바와 같이, 로봇 아암 상의 또는 기구 구동 메커니즘 상의 대응하는 구동 출력부와 맞물리도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 구동 입력부는 스플라인으로서 구성된 구동 출력부와 정합하도록 구성된 리셉터클을 포함할 수 있다. 구동 입력부와 구동 출력부는 그들 사이에서 운동을 전달하기 위해 맞물리도록 구성될 수 있다. 따라서, 구동 출력부는 구동 장치(300)의 다양한 기능을 제어하기 위해 구동 입력부(334, 338)의 대응하는 회전을 유발하도록 회전될 수 있다. 예시된 실시예에서, 롤러 구동 입력부(334)는 롤러(312)의 회전을 유발하도록 회전될 수 있다. 예시된 실시예에서, 개방/폐쇄 구동 입력부(338)는 전술된 제1 위치와 제2 위치(예컨대, 폐쇄 위치와 개방 위치) 사이에서 롤러(312)를 이동시키도록 회전될 수 있다. 일부 실시예에서, 개방/폐쇄 구동 입력부(338)는 또한 공급 롤러의 맞물림 또는 맞물림해제와 조화되어 채널을 개방 또는 폐쇄하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 커버를 작동시키도록 작동될 수 있다.

도 24d 및 도 24e는 구동 장치(300)의 정면도(원위) 및 배면도(근위)이다. 이들 도면에서, 의료 기구의 샤프트(220)는 롤러(312)와 샤프트(220) 사이의 맞물림을 도시하도록 예시되었다. 도시된 바와 같이, 롤러(312)는 샤프트(220)의 서로 반대편에 있는 또는 대향하는 측부들과 맞물린다. 샤프트(220)는 롤러들(312) 사이에 위치된다. 예시된 실시예에서, 롤러(312)는 제1 위치로 도시되어 있고, 여기에서 롤러(312)는 샤프트(220) 내로 가압하거나 달리 그것과 맞물린다. 이러한 위치에서, 롤러(312)는 축방향 운동(예컨대, (도 24d 및 도 24e에 도시된 배향에 대해 페이지 내외로의) 삽입 또는 후퇴)을 구동하도록 회전할 수 있다.

도 24d 및 도 24e는 또한 샤프트(220)가 구동 장치(300) 내로 로딩된 때 샤프트(220)와의 근위 및 원위 클립(314, 316)의 예시적인 관계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 샤프트의 직경보다 큰 직경을 갖는 클립(314, 316)의 일부분 내에 샤프트(220)를 유지시킬 수 있다. 이러한 구성은 전술된 바와 같이 샤프트(220)가 축방향으로(도 24d 및 도 24e에 도시된 배향에 대해 페이지 내외로) 자유롭게 이동하도록 그리고 샤프트(220)의 길이방향 축을 중심으로 자유롭게 롤링하도록 허용할 수 있다. 더 큰 직경을 포함하는 클립(314, 316)의 부분 위에서, 근위 및 원위 클립(314, 316)은 샤프트(220)의 직경보다 작은 거리만큼 분리되는 디텐트(detent)를 포함할 수 있다. 샤프트(220)는, 전술된 바와 같이 촉각 피드백을 제공하고 근위 및 원위 클립(314, 316) 내에 샤프트(220)를 유지시키기 위해 디텐트를 통해 밀릴 수 있다.

도 25a는 구동 장치(300)의 롤러 조립체(340)의 일 실시예의 등각도이다. 후술될 바와 같이, 예시된 실시예에서, 롤러 조립체(340)는 (롤러(312)를 회전시킴으로써) 의료 기구의 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 그리고 또한 위에서 논의된 제1 위치와 제2 위치(예컨대, 폐쇄 위치와 개방 위치) 사이에서 롤러(312)를 이동시키도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 롤러 조립체(340)는 우측 및 좌측 조립체를 포함한다. 우측 및 좌측 조립체들 각각은 캐리어 플레이트(342)를 포함할 수 있다. 지지 구조물을 지칭하도록 폭넓게 사용되는 용어 플레이트, 및 캐리어 플레이트(342)는 반드시 평평하거나 평면형인 것으로 고려될 필요가 없다. 오히려, 캐리어 플레이트(342)는 후술되는 바와 같이 롤러 조립체(340)의 다양한 구성요소를 지지하도록 구성된 복잡한 형상 또는 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 캐리어 플레이트(342)는 또한 링크장치 또는 다른 지지 구조물로 지칭될 수 있다.

일반적으로, 캐리어 플레이트(342)는 롤러 조립체(340)의 다양한 다른 특징부 또는 구조물을 지지하거나 그에 연결된다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 각각의 캐리어 플레이트(342)는 롤러들(312) 중 하나 및 롤러 구동 샤프트들(332) 중 하나를 지지하거나 그에 연결된다. 도 25a에 도시된 바와 같이, 롤러(312)는 롤러 축(344)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 롤러 구동 샤프트(332)는 구동 입력부 축(346)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 예시된 바와 같이, 롤러 축(344)과 구동 입력부 축(346)이 동축일 필요가 없다. 일부 실시예에서, 롤러 축(344)과 구동 입력부 축(346)은 (예를 들어, 예시된 바와 같이) 평행하다. 캐리어 플레이트(342)는 또한 롤러 구동 입력부(334)의 회전이 롤러(312)의 회전을 유발할 수 있도록 롤러 구동 샤프트(332)를 롤러(312)에 연결하는, 도 25b 및 도 25c를 참조하여 후술될 바와 같은 기어 조립체(335)를 지지하거나 그에 연결될 수 있다.

예시된 실시예에서, 캐리어 플레이트(342)는 구동 입력부 축(346)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 구동 입력부 축(346)을 중심으로 한 캐리어 플레이트(342)의 회전은 제1 위치와 제2 위치(폐쇄 위치와 개방 위치) 사이에서 롤러(312)를 이동시킬 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 구동 장치(300)는 롤러(312)가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동하게 하도록 구성된 개방/폐쇄 구동 입력부(338)를 포함할 수 있다. 개방/폐쇄 구동 입력부(338)는 도 25a에 도시된 개방/폐쇄 구동 샤프트(348)에 연결될 수 있다. 개방/폐쇄 구동 입력부(338)의 회전은 개방/폐쇄 구동 샤프트(348)의 회전을 유발할 수 있다. 개방/폐쇄 구동 입력부(338)와 개방/폐쇄 구동 샤프트(348)는 개방/폐쇄 구동 축(350)을 중심으로 회전할 수 있다. 개방/폐쇄 구동 샤프트(348)는 축외 돌출부(352)에 추가로 연결될 수 있다. 따라서, 개방/폐쇄 구동 샤프트(348)가 회전함에 따라, 축외 돌출부(352)는 또한 개방/폐쇄 구동 축(350)을 중심으로 회전한다. 그러나 축외 돌출부(352)는 개방/폐쇄 축(350)에 대해 대칭이 아니다. 따라서, 축외 돌출부(352)는 개방/폐쇄 축(350)을 중심으로 호형(arc)으로 이동할 수 있는 편심 부재를 제공한다.

도 25a에 도시된 바와 같이, 캐리어 플레이트(342)는 포켓(354)을 각각 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 축외 돌출부(352)는 캐리어 플레이트들(342) 중 하나의 포켓(354) 내에 적어도 부분적으로 위치된다. 축외 돌출부(352)가 개방/폐쇄 축(350)을 중심으로 회전함에 따라, 그것은 포켓(354)의 벽과 접촉할 수 있고, 이는 캐리어 플레이트(342)가 구동 입력부 축(346)을 중심으로 회전하게 할 수 있다. 축외 돌출부(352)는 또한 그것이 포켓(354)의 벽과 접촉하지 않는 위치로 회전될 수 있다. 이러한 위치에서, 축외 돌출부(352)가 포켓(354)과 접촉하지 않으면, 의료 기구의 샤프트 상에 롤러(312)에 의해 인가되는 힘은, 전술된 바와 같이 원하는 힘을 제공하도록 조정될 수 있는 스프링(330)에 의해 전체적으로 결정된다. 이러한 위치에서, 캐리어 플레이트(342)는 롤러(312)가 제1 또는 폐쇄 위치에 있는 위치로 회전하도록 스프링(330)에 의해 편향될 수 있다. 축외 돌출부(352)를, 그것이 포켓(354)의 측벽과 접촉하고 그에 대해 가압하도록 회전시키는 것은 캐리어 플레이트(342)가 회전하여, 스프링(330)의 스프링력을 극복하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 축외 돌출부(352)는 개방/폐쇄 구동 축(350)과 동축이 아닌 축을 중심으로 회전하도록 구성된 롤러를 포함한다. 그러한 롤러는 축외 돌출부(352)와 포켓(354) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다.

도 25a의 예시된 실시예에서, 롤러 조립체(340)는 단지 하나의 개방/폐쇄 구동 샤프트(348) 및 하나의 축외 돌출부(352)를 포함한다. 이는, 도 25b 내지 도 25d에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 2개의 캐리어 플레이트(342)가 함께 치합되었고, 따라서 하나의 캐리어 플레이트(342)의 회전이 다른 캐리어 플레이트(342)의 반대 및 대응하는 회전을 유발하기 때문이다. 이러한 방식으로, 둘 모두의 캐리어 플레이트(342)의 회전은 도 24c에서 보이는 바와 같이 단일 개방/폐쇄 구동 입력부(338)에 의해 구동될 수 있다. 이는 또한 롤러(312)가 구동 장치(300)의 채널(310)에 대해 대칭으로 위치되는 것을 용이하게 할 수 있다. 예시된 실시예에서, 단지 하나의 축외 돌출부(352)가 포함되지만, 둘 모두의 캐리어 플레이트(342)는 포켓(354)을 포함하고, 포켓들(354) 중 하나는 비어 있다. 빈 포켓의 포함은 동일하거나 유사한 주형이 각각의 캐리어 플레이트(342)를 위해 사용될 수 있으므로 제조를 용이하게 할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 개방 폐쇄 축외 돌출부 또는 다른 구동 부재가 다른 캐리어 플레이트를 독립적으로 회전시키는 데 사용될 수 있으며, 이 경우 2개의 캐리어 플레이트는 함께 치합될 필요가 없다.

도 25b 및 도 25c는, 그의 기어 조립체(335)의 일 실시예를 예시하기 위해 롤러(312) 및 캐리어 플레이트(342)의 일부분이 제거된, 도 25a의 롤러 조립체(340)의 등각도 및 평면도이다. 위에서 언급된 바와 같이, 기어 조립체(335)는 롤러 구동 입력부(334)(도 24c 및 도 25c)와 롤러(312)(도 24a, 도 24b, 및 도 25a) 사이에서 회전 운동을 전달할 수 있다. 도시된 바와 같이, 기어 조립체(335)는 (각각의 캐리어 플레이트(342)에 대해) 제1 기어(356)(예컨대, 선 기어(sun gear)) 및 제2 기어(358)(예컨대, 오비탈 기어)를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 제1 기어(356)는 롤러 구동 입력부(332)의 회전이 제1 기어(356)의 회전을 유발하도록 롤러 구동 입력부(332)에 연결된다. 제1 기어(356)는 제1 기어(356)가 캐리어 플레이트(342)에 대해 회전할 수 있도록 캐리어 플레이트(342) 상에 장착된다. 제1 기어(356)는 구동 입력부 축(346)(도 25a)을 중심으로 회전할 수 있다.

예시된 실시예에서, 제1 기어(356)는 제1 기어(356)의 회전이 제2 기어(358)의 회전을 유발하도록 제2 기어(358)와 맞물린다. 제2 기어(358)는 제2 기어(358)가 캐리어 플레이트(342)에 대해 회전할 수 있도록 캐리어 플레이트(342) 상에 장착된다. 제2 기어(358)는 롤러 축(344)(도 25a)을 중심으로 회전할 수 있다. 제2 기어(358)는 또한 제2 기어의 회전이 롤러(312)의 회전을 유발하도록 롤러(312)에 부착된다(또는 달리 그것과 맞물림). 따라서, 롤러 구동 입력부(332)의 회전은 제1 기어(356)와 제2 기어(358)에 의한 전달을 통해 롤러(312)의 회전을 유발할 수 있다.

전술된 바와 같이, 캐리어 플레이트(342)는 제1 위치와 제2 위치(폐쇄 위치와 개방 위치) 사이에서 롤러(312)를 이동시키기 위해 구동 입력부 축(346)을 중심으로 회전할 수 있다. 예시된 실시예에서, 제2 기어(358)가 구동 입력부 축(346)으로부터 이격된 위치에서 캐리어 플레이트(342) 상에 장착되기 때문에, 그에 따라 제2/오비탈 기어(358)는 또한 구동 입력부 축(346)을 중심으로 (캐리어 플레이트(342)와 함께) 회전한다. 제2/오비탈 기어(358)가 구동 입력부 축(346)을 중심으로 캐리어 플레이트(342)와 함께 회전함에 따라, 그것은 또한 제1/선 기어(356)를 중심으로 회전한다.

제1/선 기어(356)를 중심으로 회전하는 제2/오비탈 기어(358)의 이러한 배열은 도 25c의 평면도에서 보일 수 있다. 도 25c에 도시된 바와 같이, 축외 돌출부(352)는 그것이 캐리어 플레이트(342)의 포켓(354)과 접촉하여 도 25c에서 화살표에 의해 표시된 방향으로 캐리어 플레이트(342)의 회전을 구동하도록 회전될 수 있다. 특히, 도면에 도시된 배향에 대해, 캐리어 플레이트(342)의 저부는 내향으로, 페이지의 중심을 향해 회전될 수 있고, 캐리어 플레이트(342)의 상부는 외향으로, 페이지의 외부 에지를 향해 회전될 수 있다. 기어장치(360)는 다른 캐리어 플레이트(342)의 대응하는 및 반대 회전을 유발한다. 캐리어 플레이트들(342) 각각은 대응하는 구동 입력부 축(346)을 중심으로 회전할 수 있다. 캐리어 플레이트(342)가 회전됨에 따라, 제2/오비탈 기어(358)는 외향으로 구동되어, 선 기어(356)를 중심으로 회전한다. 이러한 배열은 그것이 롤러(312)(도 25c에 도시되지 않지만, 제2/오비탈 기어(358)에 연결됨)가 캐리어 플레이트(342)의 회전 위치에 관계없이 구동되도록 허용하기 때문에 유리할 수 있다. 이는 예를 들어 상이한 직경을 갖는 기구의 샤프트를 수용할 수 있다.

도 25d는 일 실시예에 따른, 롤러 조립체(340)의 롤러 구동 입력부(334)와 개방/폐쇄 구동 입력부(338)의 관계를 예시한 롤러 조립체(340)의 저면도이다.

도 26a 내지 도 27b는 구동 장치(300)의 채널(310) 내에 의료 기구의 샤프트를 유지시키거나 고정하도록 구성된 커버(318)에 관련된 구동 장치(300)의 다양한 특징부를 예시한다. 도 26a 및 도 26b는 폐쇄 위치에 있는 커버(318)를 예시한 평면도 및 측면도이다. 도 26c 및 도 26d는 개방 위치에 있는 커버(318)를 예시한 평면도 및 측면도이다. 도 27a 및 도 27b는 커버(318)의 특징부를 추가로 예시하기 위해 하우징(302)의 상부 부분이 제거된, 구동 장치(300)의 평면도 및 측면도이다.

도 26a 및 도 26b에 예시된 바와 같이, 구동 장치(300)는 예시된 바와 같은 폐쇄 구성에서 채널(310)의 일부분을 폐쇄하도록 구성될 수 있는 커버(318)를 포함할 수 있다. 폐쇄될 때, 커버(318)는 의료 기구의 샤프트가 채널(310) 외부로 들어올려지는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 전술된 근위 및 원위 클립(314, 316)과 유사하게, 폐쇄될 때, 커버(318)는 채널(310)을 통한 기구의 샤프트의 축방향 운동을 제한하지 않거나 실질적으로 제한하지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 커버(318)는 샤프트와 커버(318) 사이의 접촉이 제한되도록 샤프트 위에 위치될 수 있다. 유사하게, 커버(318)는 채널(310) 내에서 그의 길이방향 축을 중심으로 샤프트를 롤링하는 능력을 제한하지 않거나 실질적으로 제한하지 않도록 구성될 수 있다.

도 26b는 커버(318)가 커버(318)를 개방하기 위해 이동될 수 있는 예시적인 방향을 예시한 화살표를 포함한다. 도 26c 및 도 26d는 커버가 개방 위치에 있는 구동 장치(300)를 도시한다. 예시된 실시예에서, 커버(318)는 구동 장치(300)를 위한 콤팩트한 구성을 용이하게 하는 활주 또는 병진 커버이다.

도 27a 및 도 27b는 캐리어 플레이트(342)와 롤러(312)가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동됨에 따라 커버(318)가 자동으로 개방 및 폐쇄되도록 커버(318)가 캐리어 플레이트들(342) 중 하나 및 롤러들(312) 중 하나에 기계적으로 연동되는 일 실시예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 커버(318)는 롤러들(313) 중 하나 위에 위치된 플레이트를 포함할 수 있다. 커버(318)는 그 내부에 형성된 슬롯(362)을 포함할 수 있다. 슬롯(362)은 롤러들(312) 중 하나로부터 연장되는 캠(364)과 맞물릴 수 있다. 이러한 예에서, 롤러(312)가 이동함에 따라(예를 들어, 캐리어 플레이트(342)가 회전함에 따라), 캠(364)은 슬롯(362)과 맞물려 커버(318)의 대응하는 이동을 유발하여, 롤러(312)의 이동과 함께 커버(318)를 개방 및 폐쇄한다.

일부 실시예에서, 커버(318)는 그의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 중간 위치로 이동하도록 구성될 수 있다. 중간 위치에서, 커버(318)는 의료 기구의 샤프트가 유지되도록 채널(310)을 여전히 폐쇄할 수 있다. 그러나, 중간 위치에서, 롤러(312)는 의료 기구의 샤프트로부터 맞물림해제되어, 샤프트가 채널(310)을 통해 자유롭게 활주하거나 롤링하도록 허용한다. 일부 실시예에서, 커버(312)의 이러한 중간 위치는, 샤프트의 유지가 요구되지만 구동 장치에 대한 샤프트의 더 많은 이동 자유도가 요구되는 절차 동안 다양한 사용 사례를 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 커버(318)의 위치가 (예를 들어, 예시된 바와 같이) 롤러(312)의 위치에 기계적으로 연동되는 경우, 커버는 롤러(312)가 먼저 샤프트로부터 맞물림해제될 때에도 그것이 채널(310)을 계속 폐쇄하기에 충분히 길 수 있다. 이어서, 롤러(312)가 계속 샤프트로부터 멀어지게 이동함에 따라, 커버(318)는 계속 이동하여, 채널(310)을 노출시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 커버(318)의 위치는 상이한 방법에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 그것은 롤러(312)에 기계적으로 결합될 필요가 없다. 일부 실시예에서, 커버(318)는 독립적으로 제어되거나 롤러(312)에 기계적으로 연동되지 않고, 이 경우 커버의 완전 개방, 완전 폐쇄, 또는 임의의 다른 중간 위치는 다른 구동 입력부에 의해 제어될 수 있다. 또한, 예시된 실시예가 활주 또는 병진 커버를 개방 및 폐쇄하기 위해 캠 메커니즘을 이용하지만, 다른 메커니즘이 구동 입력부와 커버 사이의 작동 결합을 형성하는 데 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 커버는 피봇팅 커버이거나, 다른 이동에 의해 개방 또는 폐쇄되도록 작동될 수 있다.

도 28은 장치 부착을 검출하도록 포함될 수 있는 센서(366)의 일 실시예를 예시하기 위해 하우징(302)의 상부 부분이 제거된 상태로 예시된 구동 장치(300)의 평면도이다. 일부 실시예에서, 센서(366)는 자석을 포함할 수 있다. 자석은 구동 장치(300)가 부착되는 기구 장치 메커니즘 내의 대응하는 센서(예컨대, 홀 효과(hall effect) 센서)에 의해 검출가능하도록 위치될 수 있다. 센서(366)는 구동 장치(300)가 기구 구동 메커니즘과 맞물렸을 때를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 센서는 구동 장치(300)가 기구 구동 메커니즘에 부착될 때 커버(318) 및/또는 롤러(312)의 위치를 설정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 구동 장치(300)가 기구 구동 메커니즘에 연결될 때, 센서는 장치가 부착되었음을 나타내는 신호를 제공할 수 있다. 이는 의료 기구의 샤프트가 장치 내로 로딩될 수 있도록 커버(318) 및/또는 롤러(312)를 개방하기 위해 시스템을 트리거할(trigger) 수 있다. 자석이 센서(366)로서 기술되지만, 임의의 근접 검출 기술과 같은 다른 유형의 센서가 또한 사용될 수 있다. 센서(366)의 수 및 위치는 또한 도 28에 예시된 것과 상이할 수 있다.

도 29a 내지 도 29c는 로킹 메커니즘 또는 탭(368)의 일 실시예가 설치된 상태로 예시된 구동 장치(300)의 평면도, 저면도, 및 정면도이다. 일부 실시예에서, 로킹 탭(368)은 구동 장치(300)의 운송 및/또는 보관 동안 사용하도록 구성될 수 있다. 로킹 탭(368)은 롤러가 서로 접촉하지 않도록 롤러(312)를 분리하게 구성될 수 있는데, 이러한 접촉은 시간 경과에 따른 롤러(312)의 변형을 야기할 수 있다. 로킹 탭(368)은 롤러(312)를 제2 위치(또는 개방 위치)로 유지하기 위해 스프링(330)의 편향을 극복하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 로킹 탭은 롤러(312)를 떨어져 있게 유지하기 위해 캐리어 플레이트(342)와 인터페이스한다. 도 29c에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 로킹 탭(368)은 장치의 전방 상의 로킹 탭 슬롯(370) 내로 삽입될 수 있다. 로킹 탭(368)은 구동 장치의 사용 동안 제거된다.

C. 축방향 구동 장치 및 시스템 작동.

도 30a 내지 도 33은 축방향 구동 시스템을 제어하는 데 사용될 수 있는 예시적인 제어 방법과 관련 파라미터 및 구동 장치 상태를 예시한다.

도 30a 및 도 30b는 다양한 작동 상태에서 구동 장치(300)를 제어하는 방법(900)을 예시한다. 도 30a는 방법(900)을 도시한 흐름도이고, 도 30b는 다양한 상태에서의 구동 장치(300)의 단면을 예시한다. 방법(900)은 시스템(200)(도 21 및 도 22)과 관련하여 기술되며, 여기에서 의료 기구(210)는 제1 로봇 아암(202)에 의해 지지되고 제어되고, 구동 장치(300)는 제2 로봇 아암(204)에 의해 지지되고 제어되지만, 구동 장치(300)가 다른 아키텍처를 사용하여 로봇으로 또는 전기적으로 제어될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

블록(905)에서, 구동 장치(300)는 완전 폐쇄 상태로 작동되며, 여기에서 커버(318)는 폐쇄되고 롤러(312)는 기구 샤프트(220)와 맞물린다. 이러한 상태에서, 구동 장치(300)를 제어하는 로봇 아암 또는 기구 드라이버는 롤러(312)를 작동시킴으로써 샤프트(220)의 축방향 운동을 구동하도록 구성될 수 있다. 구동 장치(300)는 샤프트(220)를 삽입 또는 후퇴시키기 위해 프로세서로부터 수신된 명령 또는 제어 신호에 기초하여 롤러(312)를 샤프트(220)에 대해 각각의 방향으로 작동시킬 수 있다. 커버(318)는 예를 들어 롤러가 샤프트를 채널 외부로 상향으로 그리고 측방향으로 방출하는 것을 방지하기 위해 채널 내에 샤프트(220)를 유지하는 데 도움을 주도록 이러한 상태에서 폐쇄되어 유지된다.

블록(910)에서, 구동 장치(300)는 중간 또는 부분 폐쇄 상태로 작동되며, 여기에서 커버(318)는 폐쇄되지만 롤러(312)는 기구 샤프트(220)로부터 맞물림해제된다. 이러한 상태는 샤프트(220)를 구동 장치(300)에 의해 로딩된 구성으로 여전히 유지하면서, 롤러(312)와 독립적인 세장형 샤프트(220)의 이동 자유도를 제공할 수 있다.

구동 장치(300)를 제어하는 로봇 아암 또는 기구 드라이버는 기구 샤프트(220)를 롤링하기 위해 프로세서로부터 수신된 명령 또는 제어 신호에 기초하여 구동 장치(300)를 중간 상태로 작동시키도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 로봇 아암의 조화된 작동은 또한 그러한 작동을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 롤 명령에 응답하여, 제2 로봇 아암은 구동 장치(300)를 중간 상태로 작동시킬 수 있고, 제1 로봇 아암은 세장형 샤프트(220)를 그의 길이방향 축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 제1 로봇 아암은 의료 기구에 의한 롤 메커니즘의 작동, 제1 로봇 아암의 회전, 또는 로봇 아암의 단부에서의 기구 드라이버의 회전과 같은 임의의 적합한 기법을 사용하여 세장형 샤프트(220)를 그의 길이방향 축을 중심으로 회전시킬 수 있다.

대안적으로 또는 조합되어, 구동 장치(300)를 제어하는 로봇 아암 또는 기구 드라이버는 구동 장치(300)를 유지하는 로봇 아암을 이동시키기 위해 프로세서로부터 수신된 명령 또는 제어 신호에 기초하여 구동 장치(300)를 중간 상태로 작동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 로봇 아암(204)은 아암이 재위치되도록 허용하는 어드미턴스 또는 수동 아암 조작 모드를 가질 수 있다. 로봇 아암이 접근 시스와 도킹되는 경우, 이는 롤러(312)를 분리하고 샤프트(220)가 롤러(312)와 독립적으로 자유롭게 활주하도록 허용함으로써, 환자 내에서 접근 시스를 재위치시키거나, 기구 샤프트에 대해 접근 시스를 이동시키는 데 사용될 수 있다.

구동 장치(300)를 중간 상태로 작동시키기 위해, 구동 장치(300)를 제어하는 로봇 아암은 커버(318)가 채널을 폐쇄된 상태로 유지하도록, 캐리어 플레이트를 완전히 이동시키지 않고서, 캐리어 플레이트를 피봇시키고 롤러(312)를 샤프트(220)로부터 분리하기 위해 개방/폐쇄 구동 입력부를 부분적으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 커버(318)는 전술된 바와 같이 독립적으로 제어될 수 있다.

블록(915)에서, 구동 장치(300)는 완전 개방 상태로 작동되며, 여기에서 커버(318)는 개방되고 롤러(312)는 기구 샤프트(220)로부터 맞물림해제된다. 이러한 상태는 기구 샤프트(220)가 측방향으로 채널 내외로 쉽게 로딩되도록 허용할 수 있다. 구동 장치(300)를 제어하는 로봇 아암 또는 기구 드라이버는 기구 샤프트(220)를 로딩 또는 언로딩하기 위해 프로세서로부터 수신된 명령 또는 제어 신호에 기초하여 구동 장치(300)를 완전 개방 상태로 작동시키도록 구성될 수 있다. 이는 예를 들어 이러한 명령에 대한 사용자 입력, 또는 (예컨대, 구동 장치 내의 자석을 사용하는) 구동 장치(300)의 부착을 검출하는 것에 기초한 명령에 기초할 수 있다.

도 31은 빠르거나 느린 구동의 다양한 상태에서의 축방향 구동 시스템의 개략적인 예시이다. 도 32는 축방향 구동 시스템에서 빠르거나 느린 구동 속도들 사이에서 전환하기 위한 예시적인 프로세스를 예시한 흐름도이고, 도 33은 세장형 샤프트의 삽입 또는 후퇴를 위해 빠르거나 느린 축방향 구동 속도들 사이에서 전환할지 여부를 자동으로 결정하도록 로봇 시스템에 의해 이용될 수 있는 일부 파라미터의 예시이다.

도 31을 참조하면, 구동 장치(300) 및 의료 기구(210)를 위한 예시적인 작동 시퀀스가 도시되고, 이는 제1 및 제2 로봇 아암(202, 204)(도 21 및 도 22)을 사용하는 조화된 구동 장치(300)의 작동과 기구 기부(212)의 이동을 수반할 수 있다.

스테이지 (a)로부터 스테이지 (b)까지, 구동 장치(300)는 t ₁ 의 기간에 걸쳐 d ₁ 의 거리 또는 경로 길이만큼 느린 비율 또는 속도로 기구 샤프트(220)를 후퇴시키도록 기구 기부(212)의 이동과 조화되어 작동된다. 여기서, 제1 로봇 아암(202)(도 21 및 도 22)은 동일한 기간에 걸쳐 d ₁ 의 샤프트 후퇴 거리와 실질적으로 동일한 거리 d ₂ 만큼 기구 기부(212)를 이동시키도록 근위로 또는 구동 장치(300)로부터 멀어지게 후퇴될 수 있다. 따라서, 이러한 기간 동안 구동 장치(300)와 기구 기부(212) 사이의 샤프트(220)의 부분 내에 서비스 루프가 생성되거나 확장되지 않고, 샤프트(220)는 시간 경과에 따른 샤프트의 원위 팁의 거리의 변화 d ₁ / t ₁ 에 의해 정의될 수 있는 느린 축방향 운동 속도로 구동(후퇴)된다. 구동 장치(300)가 선택적으로 샤프트(220)로부터 맞물림해제될 수 있고, 샤프트(220)의 축방향 운동이 느린 이동 기간 동안 기구 기부(212) 또는 제1 로봇 아암 단독의 이동을 통해 달성될 수 있지만, 기구 기부(212) 및 제1 로봇 아암(202)의 이동을 구동 장치(300)의 작동과 조화시키는 것은 구동 장치(300)와 기구 기부(212) 사이에서 기구 샤프트(220)의 대체로 팽팽한 부분을 유지함으로써 샤프트 좌굴을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있다.

스테이지 (b)로부터 스테이지 (c)까지, 구동 장치(300)는 t ₂ 의 기간에 걸쳐 d ₃ 의 거리 또는 경로 길이만큼 빠른 비율 또는 속도로 기구 샤프트(220)를 후퇴시키도록 기구 기부(212)의 이동과 조화되어 작동된다. 여기서, 제1 로봇 아암(202)(도 21 및 도 22)은 동일한 기간에 걸쳐 d ₃ 의 샤프트 후퇴 거리보다 작은 거리 d ₄ 만큼 기구 기부(212)를 이동시키도록 근위로 또는 구동 장치(300)로부터 멀어지게 후퇴될 수 있고, 따라서 기구 샤프트(220)는 기구 기부(210) 또는 제1 로봇 아암의 이동 속도보다 빠른 속도로 후퇴된다. 이러한 빠른 후퇴 속도로 기구 샤프트를 후퇴시키도록 구동 장치(300)를 작동시키는 것은 서비스 루프(226)가 생성되거나 확장되게 하여, 제1 로봇 아암 또는 기구 기부(212)를 위한 다른 이동가능한 지지부의 이동 또는 관절운동 능력에 의해 구속되지 않는 축방향으로의 더 큰 이동 자유도를 제공한다. 따라서, 이러한 기간 동안 구동 장치(300)와 기구 기부(212) 사이의 샤프트(220)의 부분 내에 서비스 루프가 생성되거나 확장되고, 샤프트(220)는 시간 경과에 따른 샤프트의 원위 팁의 거리의 변화 d ₃ / t ₂ 에 의해 정의될 수 있는 빠른 축방향 운동 속도로 구동(후퇴)된다. 기구 기부(212)가 선택적으로 더 빠른 이동 속도 동안 정지되어 유지될 수 있지만, 기구 기부(212) 및 제1 로봇 아암(202)의 이동을 구동 장치(300)의 작동과 조화시키는 것은 또한 기구 기부(212)와 구동 장치(300) 사이의 거리를 증가시키지 않고서 높은 비율로의 서비스 루프(226)의 생성 또는 확장에 의해 형성될 수 있는 기구 샤프트(220)에서의 급격한 굽힘을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있다.

도 31에 도시된 시퀀스 (a) 내지 (c)는 샤프트(220)의 후퇴 동안 느린 축방향 운동으로부터 빠른 축방향 운동으로의 전환을 도시하며, 여기에서 서비스 루프(226)는 샤프트(220) 내에 슬랙을 야기하도록 생성되거나 확장된다. 시퀀스는 일반적으로 빠른 삽입 축방향 운동으로부터 느린 삽입 축방향 운동으로 전환하도록 샤프트(220)의 삽입에 대해 반전될 수 있다. 예를 들어, 삽입 동안, 빠른 삽입 기간 동안 구동 장치(300)에 의해 서비스 루프(226)가 수축될 수 있거나 슬랙이 줄어들 수 있다. 기구 기부(212) 또는 제1 로봇 아암(202)은 구동 장치의 작동과 조화되어 원위로 또는 구동 장치를 향해 이동될 수 있다. 시스템은 이어서 느린 삽입 속도로 전환할 수 있고, 여기에서 서비스 루프가 제거되거나 슬랙이 완전히 줄어들고, 또는 샤프트(220)는 기구 기부(212) 또는 제1 로봇 아암(202)의 이동 속도와 동일하거나 그보다 느린 속도로 삽입된다.

샤프트(220)는 환자 내강 또는 해부학적 구조 내에서 사행형 경로를 따를 수 있고, 따라서 이들 예에서의 거리는 샤프트의 만곡된 길이 또는 사행형 경로를 따른 변화에 의해 정의되고, 반드시 2개의 위치들 사이에서 원위 팁을 연결하는 직선의 거리가 아니라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 거리는 샤프트가 이동하는 경로 길이에 의해 정의될 수 있다. 마찬가지로, 로봇 아암 또는 기구 기부(212)의 거리는 로봇 아암 또는 기구 기부에 대한 이동의 경로 길이를 지칭할 수 있다.

도 32 및 도 33은 로봇 축방향 구동 시스템을 사용하여 샤프트의 축방향 운동을 제어하기 위한 방법(1000)의 일 실시예 및 그러한 방법과 연관된 관련 파라미터를 도시한다. 본 명세서에 기술된 방법(1000) 및 임의의 다른 방법은, 실행될 때, 프로세서가 아암, 기구 드라이버, 및/또는 스코프와 같은 로봇 시스템의 구성요소를 제어하여 방법을 구현하도록 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 명령어를 실행하는 로봇 시스템의 프로세서에 의해 구현될 수 있다.

도 32를 참조하면, 블록(1005)에서, 방법(1000)은 샤프트(220)의 원위 팁이 접근 시스(250) 내에 위치되는지 여부를 검출하는 단계를 포함한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 접근 시스(250)는 샤프트(220)가 그것을 통해 삽입될 수 있는 도관을 제공할 수 있고, 접근 시스(250)는 샤프트(220)가 빠른 삽입 속도로 안전하게 삽입될 수 있도록 환자 조직을 보호할 수 있다. 따라서, 블록(1010)에서, 원위 팁이 접근 시스(250)의 안전 구역 내에 있음을 검출하는 것에 기초하여, 시스템은 빠른 축방향 운동 속도로 샤프트를 축방향으로 구동한다(예컨대, 샤프트를 삽입하거나 후퇴시킴). 블록(1015)에서, 원위 팁이 접근 시스(250)의 안전 구역 외측에, 예를 들어 접근 시스의 원위 단부를 넘어서 있음을 검출하는 것에 기초하여, 시스템은 느린 축방향 운동 속도로 샤프트를 축방향으로 구동한다(예컨대, 샤프트를 삽입하거나 후퇴시킴).

도 33은 접근 시스(250) 내의 안전 구역을 정의하고 샤프트의 원위 팁의 현재 위치가 접근 시스 내에 또는 그 외측에 있는지 여부를 자동으로 검출하기 위해 시스템에 의해 사용될 수 있는 정보의 예를 도시한다. 도 33에서 보이는 바와 같이, 시스템의 구성요소와 연관된 다양한 기하학적 정보가 접근 시스(250)에 대한 샤프트(220)의 현재 위치를 검출하기 위해, 그리고 샤프트(220)에 대한 축방향 운동 구동 속도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 기하학적 정보는 예를 들어 기구(210)의 샤프트(220)의 길이 l _샤프트 , 접근 시스(250)의 길이 l _시스 , 및/또는 로봇 위치 정보 d _아암 을 포함한다. 여기서, 위치 정보 d _아암 은 제1 및 제2 로봇 아암(202, 204)의 원위 단부들 사이의 거리를 포함하고, 이는 원위 구동 장치(300)와 기구 기부(210) 사이의 거리에 대응한다. 로봇 아암(202, 204)의 위치 정보는 예를 들어 아암의 일련의 조인트에서 캡처된 인코더 정보와 같은, 각각의 아암과 연관된 운동학 정보에 기초하여 결정될 수 있다. 샤프트(220) 및 시스(250)의 길이는 예를 들어 사용자 입력 정보(예컨대, 사용자가 입력한 길이 또는 도구 유형), 도구의 길이를 정의하는 알려진 또는 저장된 정보, 및/또는 그러한 도구가 로봇 시스템에 부착될 때 검출되고 도구와 연관될 수 있는 도구 또는 도구 길이의 자동 식별에 기초하여 각각 결정될 수 있다. 구동 장치(300)를 유지하는 제2 로봇 아암(204)과 연관된 구동 출력부의 인코더 데이터와 같은 로봇 드라이버 정보가 추가적으로 또는 대안적으로 샤프트 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다.

샤프트(220)가 구동 장치(300)와 맞물리고, 기구 기부(210)가 제1 로봇 아암(202)에 장착되고, 구동 장치(300)가 제2 로봇 아암(204)에 장착되고, 샤프트(220)가 아암들 사이의 부분 내의 서비스 루프 없이 아암들 사이에 유지되는 예에서, 샤프트(220)의 원위 팁의 위치는 샤프트(220)의 길이 l _샤프트 로부터 위치 정보 d _아암 을 뺌으로써 결정될 수 있다. 결과가 접근 시스(250)의 길이 l _시스 를 초과하는 경우, 시스템은 원위 팁이 접근 시스(250)를 넘은 것으로 그리고 샤프트(220)가 느린 축방향 운동을 사용하여 구동되어야 하는 것으로 검출할 수 있다. 결과가 (선택적으로 충분한 사전-정의된 공차만큼) 접근 시스(250)의 길이 l _시스 보다 작은 경우, 시스템은 원위 팁이 접근 시스(250) 내에 있는 것으로 그리고 샤프트(220)가 빠른 축방향 운동을 사용하여 구동되어야 하거나 구동될 수 있는 것으로 검출할 수 있다.

이는 예시적인 예이고, 다른 유형의 기하학적 정보 또는 로봇 정보가 샤프트의 위치를 자동으로 검출하는 데 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 의료 기구(210)에 의해 캡처된 이미지 정보(예컨대, 내시경의 팁으로부터의 비전 데이터)는 캡처된 이미지 데이터가 시스 내에 또는 외측에 대응하는지 여부를 결정하기 위해 처리되고 분석될 수 있다. 그러한 이미지 정보는 단독으로 또는 전술된 기하학적 정보와 조합되어 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시스템은 다른 유형의 센서로부터 캡처된 데이터를 사용할 수 있다.

접근 시스에 대한 샤프트의 위치의 검출은 구동 속도에 대한 기준을 형성하는 조건으로서 사용될 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, 접근 시스에 대한 샤프트의 위치가 반드시 구동 속도를 결정하기 위한 유일한 조건인 것은 아니며, 반드시 빠르거나 느린 구동 속도로 전환할지 여부를 결정하기에 충분한 조건인 것은 아니다. 예를 들어, 시스템은 안전성을 제공하거나 축방향 구동 속도의 최적 사용성 및 제어를 제공하기 위해 다른 조건을 이용할 수 있다.

본 명세서에 기술된 빠르거나 느린 축방향 운동 속도는 속도의 범위를 포함할 수 있고, 축방향 운동의 속도는 빠른 축방향 운동 또는 느린 축방향 운동 내에서 변할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 따라서, 빠른 축방향 운동이 반드시 단일 속도를 지칭하는 것이 아니라, 빠른 축방향 운동 속도가 느린 축방향 운동 속도보다 빠른, 그리고 빠른 축방향 운동이 샤프트 내의 서비스 루프가 구동 시스템에 의해 확장되거나 수축되도록 허용하는, 변하는 속도의 범위를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 느린 축방향 운동이 반드시 단일 속도를 지칭하는 것이 아니라, 느린 축방향 운동 속도가 빠른 축방향 운동 속도보다 느린, 변하는 속도의 범위를 포함할 수 있다.

3. 구현 시스템 및 용어.

본 명세서에 개시된 구현예는 의료 기구의 세장형 또는 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다.

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.

어구가 참조하는 본 명세서에 기술된 특정 컴퓨터-구현 프로세스/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.

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

로봇 의료 시스템(robotic medical system)으로서,
기구 기부(instrument base), 및 환자 내로의 삽입을 위해 구성되는 세장형 샤프트(elongated shaft)를 포함하는 의료 기구;
제1 로봇 아암(robotic arm)으로서, 상기 의료 기구의 상기 기구 기부는 상기 제1 로봇 아암에 부착되고, 상기 제1 로봇 아암은 상기 기구 기부를 이동시키도록 관절운동가능한(articulable), 상기 제1 로봇 아암;
제2 로봇 아암;
상기 제2 로봇 아암에 부착되고 상기 기구 기부에 대해 원위에 있는 구동 장치(drive device)로서, 상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트와 맞물리고 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는, 상기 구동 장치; 및
축방향 운동의 제1 기간 동안, 상기 제1 로봇 아암의 이동 속도(movement rate)보다 큰 제1 축방향 운동 속도(axial motion rate)로 상기 구동 장치에 의해 상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 축방향 운동의 제1 기간 동안, 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트의 일부분이 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 거리보다 큰 길이를 가져서, 상기 세장형 샤프트의 상기 일부분이 서비스 루프(service loop)를 형성하는, 로봇 의료 시스템.
제2항에 있어서, 상기 축방향 운동의 제1 기간 동안, 상기 서비스 루프의 길이의 변화율(rate of change)이 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 상기 거리의 변화율보다 큰, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 축방향 운동은 상기 세장형 샤프트의 후퇴 또는 삽입 중 적어도 하나를 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 세장형 샤프트의 원위 팁(distal tip)이 접근 시스(access sheath) 내에 위치될 때 상기 제1 축방향 운동 속도로 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 프로세서는, 축방향 운동의 제2 기간 동안,
상기 제1 로봇 아암의 상기 이동 속도와 동일하거나 그보다 작은 제2 축방향 운동 속도로 상기 구동 장치에 의해 상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제6항에 있어서, 상기 축방향 운동의 제2 기간 동안, 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트의 일부분이 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 거리와 실질적으로 동일한 길이를 가져서, 상기 세장형 샤프트의 상기 일부분이 서비스 루프를 형성하지 않는, 로봇 의료 시스템.
제6항에 있어서, 상기 축방향 운동의 제2 기간 동안, 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트의 일부분이 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 거리보다 큰 길이를 가져서, 상기 세장형 샤프트의 상기 일부분이 서비스 루프를 형성하는, 로봇 의료 시스템.
제6항에 있어서, 상기 축방향 운동의 제2 기간 동안, 상기 길이의 변화율이 상기 기구 기부와 상기 구동 장치 사이의 상기 거리의 변화율과 동일하거나 그보다 작은, 로봇 의료 시스템.
제6항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 세장형 샤프트의 원위 팁이 접근 시스를 넘어서 위치될 때 상기 제2 축방향 운동 속도로 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 구동 장치는 상기 환자 내로 삽입되도록 구성되는 접근 시스에 부착되도록 구성되고;
상기 세장형 샤프트는 상기 접근 시스를 통해 상기 환자 내로 삽입되도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제11항에 있어서, 상기 구동 장치는 상기 접근 시스의 근위 단부에 부착되도록 구성되는 클립(clip)을 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제11항에 있어서, 상기 구동 장치는,
상기 세장형 샤프트의 원위 팁을 상기 접근 시스의 근위 단부로부터 인출하고;
상기 세장형 샤프트의 상기 원위 팁을 상기 접근 시스의 상기 근위 단부 내로 재삽입하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 로봇 의료 시스템은 상기 제2 로봇 아암의 원위 단부에 위치되는 복수의 구동 출력부들(drive outputs)을 포함하는 기구 드라이버(instrument driver)를 추가로 포함하고, 상기 구동 장치는 상기 기구 드라이버의 상기 복수의 구동 출력부들과 맞물리도록 구성되는 복수의 구동 입력부들(drive inputs)을 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제14항에 있어서, 상기 기구 드라이버와 상기 구동 장치 사이에 위치되는 멸균 어댑터(sterile adapter)를 추가로 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 구동 장치는 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는 한 쌍의 대향하는 롤러들(opposing rollers)을 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 구동 장치는,
상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는 채널(channel)을 포함하는 본체;
상기 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되는 롤러로서, 상기 제2 로봇 아암은 상기 채널 내에 수용되는 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 상기 롤러를 회전시키도록 구성되는, 상기 롤러; 및
상기 롤러를 지지하는 피봇가능 캐리어(pivotable carrier)로서, 상기 제2 로봇 아암은 상기 롤러를 상기 세장형 샤프트와 선택적으로 맞물리게 하거나 맞물림해제시키기 위해 상기 캐리어를 피봇시키도록 구성되는, 상기 피봇가능 캐리어를 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제1항에 있어서, 상기 세장형 샤프트를 롤링하기 위한 롤 명령(roll command)을 수신하는 것에 기초하여, 상기 프로세서는,
상기 제1 로봇 아암이 상기 세장형 샤프트를 상기 세장형 샤프트의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 하고;
상기 제2 로봇 아암이 상기 구동 장치를 상기 세장형 샤프트로부터 맞물림해제되게 하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
로봇 의료 시스템으로서,
기구 기부, 및 환자 내로의 삽입을 위해 구성되는 가요성 샤프트(flexible shaft)를 포함하는 의료 기구;
상기 의료 기구의 상기 기구 기부에 부착가능한 제1 로봇 아암;
상기 가요성 샤프트와 맞물리도록 구성되는 구동 장치; 및
상기 구동 장치에 부착가능한 제2 로봇 아암을 포함하고,
상기 제2 로봇 아암은 상기 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 상기 구동 장치를 작동시키도록 구성되고,
상기 제1 로봇 아암은 상기 구동 장치의 작동과 조화되어 이동하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제19항에 있어서, 상기 제2 로봇 아암은 상기 가요성 샤프트를 로봇-작동식 커버(robotically-actuated cover)에 의해 상기 구동 장치 내에 유지하면서 상기 구동 장치를 상기 가요성 샤프트로부터 맞물림해제시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제19항에 있어서, 상기 제2 로봇 아암은 접근 시스에 대한 상기 가요성 샤프트의 팁의 위치에 기초하여 상기 축방향 운동의 속도를 제어하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제19항에 있어서, 상기 제2 로봇 아암은 상기 제1 로봇 아암과 제2 로봇 아암 사이의 상기 가요성 샤프트의 일부분에서 서비스 루프를 확장 또는 수축시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제19항에 있어서, 상기 의료 기구는 내시경인, 로봇 의료 시스템.
로봇 의료 시스템으로서,
의료 기구의 기구 기부를 지지하도록 구성되는 제1 로봇 아암으로서, 상기 의료 기구는 상기 기구 기부로부터 연장되는 세장형 샤프트를 포함하는, 상기 제1 로봇 아암; 및
상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 상기 세장형 샤프트와 맞물림가능한 하나 이상의 롤러들을 작동시키도록 구성되는 제2 로봇 아암을 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제24항에 있어서, 상기 하나 이상의 롤러들은, 상기 제2 로봇 아암에 부착되고 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하도록 구성되는 구동 장치의 한 쌍의 대향하는 롤러들을 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제25항에 있어서, 상기 제2 로봇 아암은, 상기 구동 장치를 상기 가요성 샤프트로부터 맞물림해제시키고 상기 가요성 샤프트를 로봇-작동식 커버에 의해 상기 구동 장치 내에 유지하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
방법으로서,
제1 로봇 아암에 의해, 의료 기구의 기구 기부를 지지하는 단계;
제2 로봇 아암에 의해, 상기 의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하는 단계; 및
상기 축방향 운동을 구동하는 단계와 협력하여 상기 제1 로봇 아암을 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
제27항에 있어서, 상기 축방향 운동을 구동하는 단계는 상기 제2 로봇 아암에 의해 한 쌍의 대향하는 롤러들을 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
제27항에 있어서, 상기 제1 로봇 아암은 상기 세장형 샤프트의 상기 축방향 운동보다 느린 속도로 이동하는, 방법.
제27항에 있어서, 상기 제2 로봇 아암은 상기 세장형 샤프트를 로봇-작동식 커버에 의해 구동 장치 내에 유지하면서 상기 구동 장치를 상기 세장형 샤프트로부터 맞물림해제시키도록 구성되는, 방법.
의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 용이하게 하도록 구성되는 구동 장치로서,
로봇 아암에 장착되도록 구성된 하부 표면 및 내부에 형성된 채널을 갖는 상부 표면을 포함하는 하우징으로서, 상기 채널은 상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는, 상기 하우징;
상기 채널에 대해 제1 측부 상에서 상기 하우징 내에 위치되는 제1 롤러; 및
상기 채널에 대해 제2 측부 상에서 상기 하우징 내에 위치되는 제2 롤러를 포함하고;
상기 제1 및 제2 롤러들은 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동가능하고;
상기 제1 위치에서, 상기 제1 및 제2 롤러들은 상기 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되어, 제1 방향으로 회전될 때 상기 제1 및 제2 롤러들이 상기 세장형 샤프트의 삽입을 구동하고, 제2 방향으로 회전될 때 상기 제1 및 제2 롤러들이 상기 세장형 샤프트의 후퇴를 구동하고;
상기 제2 위치에서, 상기 제1 및 제2 롤러들은 상기 세장형 샤프트로부터 이격되는, 구동 장치.
제31항에 있어서, 상기 구동 장치는,
상기 채널의 근위 단부에 위치되는 근위 클립; 및
상기 채널의 원위 단부에 위치되는 원위 클립을 추가로 포함하고;
상기 근위 및 원위 클립들은 상기 세장형 샤프트를 상기 채널 내에 유지하도록 구성되는, 구동 장치.
제31항에 있어서, 커버를 추가로 포함하고, 상기 커버는, 상기 제1 및 제2 롤러들이 상기 제1 위치에 있을 때 상기 채널을 폐쇄하고 상기 제1 및 제2 롤러들이 상기 제2 위치에 있을 때 상기 채널을 개방하도록 작동가능한, 구동 장치.
제33항에 있어서, 상기 커버의 이동은 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러 중 하나의 이동에 기계적으로 연동되어, 상기 제1 및 제2 롤러들이 상기 제2 위치와 제1 위치 사이에서 이동함에 따라 상기 커버가 개방 및 폐쇄되는, 구동 장치.
제33항에 있어서, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이의 중간 위치에서, 상기 커버는 폐쇄되어 유지되고, 상기 제1 및 제2 롤러들은 상기 세장형 샤프트로부터 맞물림해제되는, 구동 장치.
제31항에 있어서, 상기 의료 기구를 사용하여 환자 내에서 회수되는 물체들을 침적시키기 위해 상기 채널의 원위에 있는 수집기(collector)를 추가로 포함하는, 구동 장치.
제31항에 있어서, 접근 시스의 근위 단부를 지지하도록 구성되는 클립을 추가로 포함하는, 구동 장치.
제37항에 있어서, 상기 클립과 상기 채널 사이에, 상기 의료 기구를 사용하여 환자 내에서 회수되는 물체들을 침적시키기 위한 공간을 추가로 포함하는, 구동 장치.
제31항에 있어서,
상기 하우징 내에 위치되고 상기 제1 롤러를 상기 제1 위치를 향해 편향시키도록 구성되는 제1 스프링; 및
상기 하우징 내에 위치되고 상기 제2 롤러를 상기 제1 위치를 향해 편향시키도록 구성되는 제2 스프링을 추가로 포함하는, 구동 장치.
제39항에 있어서, 상기 제1 및 제2 스프링들은 비틀림 스프링들을 포함하는, 구동 장치.
제31항에 있어서,
상기 하우징 내에 위치되고 제1 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제1 캐리어 플레이트(carrier plate)로서, 상기 제1 롤러는 상기 제1 캐리어 플레이트에 장착되고, 상기 제1 캐리어 플레이트의 회전은 상기 제1 롤러를 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 이동시키는, 상기 제1 캐리어 플레이트; 및
상기 하우징 내에 위치되고 제2 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 제2 캐리어 플레이트로서, 상기 제2 롤러는 상기 제2 캐리어 플레이트에 장착되고, 상기 제2 캐리어 플레이트의 회전은 상기 제2 롤러를 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 이동시키는, 상기 제2 캐리어 플레이트를 추가로 포함하는, 구동 장치.
제41항에 있어서,
상기 하우징의 상기 하부 표면 상에 위치되는 제1 롤러 구동 입력부;
상기 제1 캐리어 플레이트 상에 장착되고 상기 제1 롤러 구동 입력부에 의해 구동되는 제1 기어;
상기 제1 캐리어 플레이트 상에 장착되고 상기 제1 기어에 의해 구동되는 제1 오비탈 기어(orbital gear)로서, 상기 제1 오비탈 기어의 회전은 상기 제1 롤러의 회전을 구동하는, 상기 제1 오비탈 기어;
상기 하우징의 상기 하부 표면 상에 위치되는 제2 롤러 구동 입력부;
상기 제2 캐리어 플레이트 상에 장착되고 상기 제2 롤러 구동 입력부에 의해 구동되는 제2 기어; 및
상기 제2 캐리어 플레이트 상에 장착되고 상기 제2 기어에 의해 구동되는 제2 오비탈 기어로서, 상기 제2 오비탈 기어의 회전은 상기 제2 롤러의 회전을 구동하는, 상기 제2 오비탈 기어를 추가로 포함하는, 구동 장치.
제42항에 있어서,
상기 제1 캐리어 플레이트가 중심으로 회전하는 상기 제1 축은 상기 제1 롤러 입력부의 축과 동축이고;
상기 제2 캐리어 플레이트가 중심으로 회전하는 상기 제2 축은 상기 제2 롤러 입력부의 축과 동축인, 구동 장치.
제43항에 있어서, 상기 제1 캐리어 플레이트와 상기 제2 캐리어 플레이트는 함께 치합되어, 상기 제1 캐리어 플레이트 및 상기 제2 캐리어 플레이트 중 하나의 회전이 상기 제1 캐리어 플레이트 및 상기 제2 캐리어 플레이트 중 다른 하나의 회전을 유발하는, 구동 장치.
제44항에 있어서, 상기 제1 캐리어 플레이트 또는 상기 제2 캐리어 플레이트 중 하나를 회전시키도록 구성되는 캐리어 플레이트 회전 구동 입력부를 추가로 포함하는, 구동 장치.
제45항에 있어서, 상기 회전 구동 입력부에 결합되고 상기 제1 캐리어 플레이트의 회전을 유발하기 위해 상기 캐리어 플레이트의 포켓(pocket)과 접촉하도록 구성되는 축외 돌출부(off-axis protrusion)를 추가로 포함하는, 구동 장치.
의료 기구의 세장형 샤프트의 축방향 운동을 용이하게 하도록 구성되는 구동 장치로서,
상기 의료 기구의 상기 세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는 채널을 포함하는 본체;
상기 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되어, 회전될 때, 상기 채널 내에 수용되는 상기 세장형 샤프트의 축방향 운동을 구동하는 롤러;
상기 본체에 결합되고 상기 롤러를 회전시키도록 로봇 시스템에 의해 작동가능한 제1 구동 입력부;
상기 채널을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하도록 구성되는 커버; 및
상기 본체에 결합되고 상기 커버를 작동시키도록 작동가능한 제2 구동 입력부를 포함하는, 구동 장치.
제47항에 있어서, 상기 제2 구동 입력부는 상기 커버가 상기 세장형 샤프트를 상기 채널 내에 유지하는 제1 위치와, 상기 커버가 상기 채널 내의 상기 세장형 샤프트의 로딩(loading) 또는 언로딩(unloading)을 허용하는 제2 위치 사이에서 상기 커버를 작동시키도록 작동가능한, 구동 장치.
제47항에 있어서, 상기 롤러를 지지하는 캐리어를 추가로 포함하고, 상기 캐리어는 상기 채널 내에 수용되는 상기 세장형 샤프트와 맞물리거나 맞물림해제되도록 상기 본체에 결합되는 구동 입력부에 의해 피봇가능한, 구동 장치.
제47항에 있어서, 상기 본체는 상기 채널을 접근 시스에 정렬시키기 위해 상기 접근 시스에 부착되도록 구성되는, 구동 장치.
제47항에 있어서, 상기 제2 구동 입력부는 캠(cam)을 통해 상기 커버에 작동식으로 결합되는, 구동 장치.
제47항에 있어서, 상기 채널 내의 하나 이상의 클립들을 추가로 포함하는, 구동 장치.
제47항에 있어서, 상기 롤러는 제1 롤러이고, 상기 구동 장치는 상기 제1 롤러에 대향하는 제2 롤러를 추가로 포함하는, 구동 장치.
로봇 의료 시스템으로서,
세장형 샤프트를 수용하도록 구성되는 채널, 상기 채널 내에 수용된 상기 세장형 샤프트와 맞물리도록 구성되는 하나 이상의 롤러들, 및 상기 채널을 선택적으로 폐쇄 또는 개방하도록 구성되는 커버를 포함하는 구동 장치; 및
상기 하나 이상의 롤러들이 상기 세장형 샤프트로부터 맞물림해제되고 상기 커버가 개방되는 제1 상태로 상기 구동 장치를 작동시키고;
상기 하나 이상의 롤러들이 상기 세장형 샤프트로부터 맞물림해제되고 상기 커버가 폐쇄되는 제2 상태로 상기 구동 장치를 작동시키고;
상기 하나 이상의 롤러들이 상기 세장형 샤프트와 맞물리고 상기 커버가 폐쇄되는 제3 상태로 상기 구동 장치를 작동시키도록 구성되는 드라이버를 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제54항에 있어서, 상기 드라이버는 상기 세장형 샤프트를 로딩 또는 언로딩하라는 명령에 기초하여 상기 구동 장치를 상기 제1 상태로 작동시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제54항에 있어서, 상기 드라이버는 상기 세장형 샤프트를 롤링하라는 명령에 기초하여 상기 구동 장치를 상기 제2 상태로 작동시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제54항에 있어서, 상기 드라이버는 로봇 아암의 단부에 배열되고, 상기 드라이버는 상기 로봇 아암을 이동시키라는 명령에 기초하여 상기 구동 장치를 상기 제2 상태로 작동시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제54항에 있어서, 상기 드라이버는 상기 세장형 샤프트를 삽입 또는 후퇴시키기 위해 상기 구동 장치를 상기 제3 상태에서 작동시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제54항에 있어서, 상기 드라이버는 상기 롤러들을 상기 세장형 샤프트에 대해 회전시키기 위해 상기 구동 장치의 제1 구동 입력부를 작동시키고, 상기 롤러들을 상기 세장형 샤프트로부터 맞물림해제시키기 위해 상기 구동 장치의 제2 구동 입력부를 작동시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
로봇 의료 절차를 위한 방법으로서,
가요성 샤프트의 원위 팁이 환자 내로 삽입된 접근 시스 내에 위치되는 제1 삽입 기간 동안 제1 속도로 구동 장치에 의해 의료 기구의 상기 가요성 샤프트의 삽입을 구동하는 단계; 및
상기 가요성 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제2 삽입 기간 동안 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 상기 구동 장치에 의해 상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트의 삽입을 구동하는 단계로 전환하는 단계를 포함하는, 방법.
제60항에 있어서, 상기 제2 속도로 상기 구동 장치에 의해 상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트의 삽입을 구동하는 단계로 전환하는 단계는 상기 가요성 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 자동으로 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
제60항에 있어서,
상기 가요성 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 상기 원위 팁을 넘어 위치되는 제1 후퇴 기간 동안 제3 속도로 상기 구동 장치에 의해 상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트의 후퇴를 구동하는 단계; 및
상기 가요성 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스 내에 위치될 때의 제2 후퇴 기간 동안 상기 제3 속도보다 빠른 제4 속도로 상기 구동 장치에 의해 상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트의 후퇴를 구동하는 단계로 자동으로 전환하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제62항에 있어서, 상기 제4 속도로 상기 구동 장치에 의해 상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트의 후퇴를 구동하는 단계로 자동으로 전환하는 단계는 상기 가요성 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스 내에 위치될 때를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
제60항에 있어서,
상기 의료 기구의 기구 기부를 제1 로봇 아암 상에 장착하는 단계;
상기 구동 장치를 제2 로봇 아암 상에 장착하는 단계; 및
상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트를 상기 구동 장치와 맞물리게 하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제64항에 있어서, 상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트를 상기 구동 장치와 맞물리게 하는 단계는 상기 구동 장치의 대향하는 롤러들을 상기 가요성 샤프트와 맞물리게 하는 단계를 포함하는, 방법.
제65항에 있어서, 상기 의료 기구의 상기 가요성 샤프트를 상기 구동 장치와 맞물리게 하는 단계는 상기 가요성 샤프트를 상기 구동 장치의 상부 표면 상의 채널 내로 삽입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제64항에 있어서,
삽입 동안 상기 기구 기부를 상기 제1 로봇 아암에 의해 상기 구동 장치를 향해 이동시키는 단계; 및
후퇴 동안 상기 기구 기부를 상기 제1 로봇 아암에 의해 상기 구동 장치로부터 멀어지게 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
로봇 의료 시스템으로서,
의료 기구의 샤프트와 맞물리도록 구성되는 한 쌍의 롤러들을 포함하는 구동 장치; 및
상기 샤프트의 원위 팁이 환자 내로 삽입된 접근 시스 내에 위치될 때의 제1 삽입 기간 동안 제1 속도로 상기 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 상기 롤러들을 작동시키고;
상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제2 삽입 기간 동안 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 상기 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 상기 롤러들을 작동시키도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제68항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 접근 시스 및 상기 샤프트와 연관된 기하학적 정보에 기초하여 상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제68항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 의료 기구에 의해 획득된 이미지 정보에 기초하여 상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제68항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 상기 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제1 후퇴 기간 동안 제3 속도로 상기 의료 기구의 상기 샤프트의 후퇴를 구동하기 위해 상기 롤러들을 작동시키고;
상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스 내에 위치될 때의 제2 후퇴 기간 동안 상기 제3 속도보다 빠른 제4 속도로 상기 의료 기구의 상기 샤프트의 후퇴를 구동하기 위해 상기 롤러들을 작동시키도록 추가로 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제68항에 있어서,
상기 의료 기구를 지지하도록 구성되는 제1 로봇 아암; 및
상기 구동 장치를 지지하도록 구성되는 제2 로봇 아암을 추가로 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제72항에 있어서,
상기 제1 로봇 아암은 삽입 동안 상기 의료 기구의 기구 손잡이를 상기 구동 장치를 향해 이동시키도록 구성되고;
상기 제1 로봇 아암은 후퇴 동안 상기 기구 손잡이를 상기 구동 장치로부터 멀어지게 이동시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
로봇 의료 시스템으로서,
세장형 가요성 접근 시스;
세장형 가요성 샤프트를 포함하는 의료 기구; 및
상기 샤프트의 원위 팁이 상기 접근 시스 내에 위치될 때의 제1 삽입 기간 동안 제1 속도로 상기 샤프트의 삽입을 구동하고;
상기 접근 시스에 대한 상기 샤프트의 상기 원위 팁의 위치에 기초하여 제2 삽입 기간 동안 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 상기 샤프트의 삽입을 구동하기 위해 전환하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 로봇 의료 시스템.
제74항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 접근 시스 및 상기 샤프트와 연관된 기하학적 정보에 기초하여 상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제74항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 의료 기구에 의해 획득된 이미지 정보에 기초하여 상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때를 검출하도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제74항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스의 원위 팁을 넘어 위치될 때의 제1 후퇴 기간 동안 제3 속도로 상기 의료 기구의 상기 샤프트의 후퇴를 구동하고;
상기 샤프트의 상기 원위 팁이 상기 접근 시스 내에 위치될 때의 제2 후퇴 기간 동안 상기 제3 속도보다 빠른 제4 속도로 상기 의료 기구의 상기 샤프트의 후퇴를 구동하기 위해 전환하도록 추가로 구성되는, 로봇 의료 시스템.
제74항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 세장형 가요성 샤프트의 축방향 운동을 구동하기 위해 구동 장치를 작동시키고;
삽입 동안 상기 의료 기구의 기구 손잡이를 상기 구동 장치를 향해 이동시키고;
후퇴 동안 상기 기구 손잡이를 상기 구동 장치로부터 멀어지게 이동시키도록 구성되는, 로봇 의료 시스템.