KR20230037045A - 무제한-롤을 제공하는 핸들 조립체 - Google Patents

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KR20230037045A
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디팍 샤르마
그레고리 브라이언 보울스
제임스 마이클 리히트
재커리 짐머만
쇼랴 아우타
제임스 덩컨 가이거
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Abstract

예시적인 롤 핸들 조립체는 핸들 본체, 롤 본체, 폐쇄 본체 및 셔틀 본체를 포함한다. 상기 롤 본체는 핸들 본체에 결합되고, 상기 핸들 본체에 대하여 롤 축에 대해 회전 자유도를 갖는다. 상기 롤 본체는 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축을 따라 병진 구속된다. 상기 폐쇄 본체는 핸들 본체에 결합되고, 상기 핸들 본체에 대하여 하나 이상의 동작 자유도를 갖는다. 상기 셔틀 본체는 상기 롤 본체 및 상기 폐쇄 본체에 결합되고, 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 따라 병진 자유도를 갖는다. 상기 셔틀 본체는 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축에 대해 회전 구속되며, 폐쇄 본체에 관하여 상기 롤 축에 대해 회전 자유도를 가진다.

Description

무제한-롤을 제공하는 핸들 조립체
본 출원은 “무제한 롤을 제공하는 핸들 메커니즘(ANDLE MECHANISM PROVIDING UNLIMITED ROLL)”이라는 제목으로 2018년 4월 2일에 출원된 미국 특허 출원 제 15/943,689 호의 일부 계속 출원으로, 그 내용은 그 전체가 여기에 참조로서 포함된다. 미국 특허 출원 제 15/943,689 호는, 2016년 10월 3일에 출원된 “무제한 롤을 제공하는 핸들 메커니즘(HANDLE MECHANISM PROVIDING UNLIMITED ROLL)”이라는 제목이며, 현재 미국 특허 제 9,814,451 호인 미국 특허 출원 제 15/284,345 호의 계속 출원이며, 그 내용은 그 전체가 여기에 참조로서 포함된다. 미국 특허 제 9,814,451호는 2015년 10월 2일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제 62/236,835 호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 전체적으로 참조로 여기에 포함된다.
이 출원은 또한 2015년 4월 15일에 출원된 “원격 접근 툴을 위한 팔뚝 부착 장치(FOREARM ATTACHMENT APPARATUS FOR REMOTE ACCESS TOOLS)”라는 제목의 미국 임시 특허 출원 제 62/147,998 호 및 2015년 10월 2일에 출원된 “원격 접근 툴을 위한 팔뚝 부착 장치(FOREARM ATTACHMENT APPARATUS FOR REMOTE ACCESS TOOLS)”라는 제목의 미국 임시 특허 출원 번호 제 62/236,805호에 대한 우선권을 주장한 2016년 4월 15일에 출원된 “원격 접근 툴을 위한 부착 장치(ATTACHMENT APPARATUS FOR REMOTE ACCESS TOOLS)”라는 제목의 미국 특허 출원 제 15/130,915 호와 또한 관련이 있다. 이 출원은 또한, 2008년 4월 11에 출원된 “최소 침습 수술 도구(MINIMALLY INVASIVE SURGICAL TOOL)”라는 제목의 미국 임시 출원 제 61/044,168 호에 대한 우선권을 주장하는, 2009년 4월 13일에 출원된 “최소 접근 툴(MINIMUM ACCESS TOOL)” 이라는 제목이고 현재 미국 특허 출원 제 8,668,702 호인 미국 특허 출원 제 12/937,523호의 계속 출원인, 2014년 1월 28일에 출원된 “최소 접근 툴(MINIMUM ACCESS TOOL)”이라는 제목의 미국 공개 제 2014-0142595 호인 미국 특허 출원 제 14/166,503 호에 일부 계속 출원으로서 우선권을 주장하는, 2016년 2월 25일에 출원된 “분리된 회전 동작을 가지는 병렬 운동학적 메커니즘(PARALLEL KINEMATIC MECHANIMS WITH DECOUPLED ROTATIONAL MOTIONS)”이라는 제목의 미국 특허 출원 제 15/054,068호와 관련이 있다. 이들 각각의 특허 및 특허 출원은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 명세서에 언급된 모든 간행물 및 특허 출원은 각각의 개별 간행물 또는 특허 출원이 구체적이고 개별적으로 참조로 포함되는 것으로 표시된 것과 동일한 정도로 전체가 참조로 본원에 포함된다.
핸들 조립체, 및 장치 및 이를 사용하는 어플리케이션이 여기에서 설명 된다. 예를 들어, 무제한 회전을 가능하게 하는 메커니즘을 갖는 핸들 조립체(“무제한-롤 핸들 조립체(unlimited-roll handle assemblies)”) 및 이를 사용하는 최소 침습(minimally invasive) 수술 도구 및 원격 접근 도구를 위한 장치가 여기에 설명된다.
예를 들어, 국제 특허 출원 공개 WO 2007/146894 A2에 설명된 바와 같이, 무제한(또는 무한) 회전 기능을 갖는 핸들 조립체를 포함하는 다수의 원격 접근 도구 및 최소 침습 수술 도구가 알려져 있다. 이 어플리케이션은 주로 근위 핸들, 툴 프레임/툴 샤프트 및 원위 엔드 이펙터(EE)로 구성된 복강경 도구(laparoscopy tools)를 설명한다. 이러한 복강경 장치 중 일부에서, 툴 샤프트 축에 대하여 엔드 이펙터를 회전하기 위해(즉, 엔드 이펙터의 롤 회전을 제공하기 위해), 사용자는 툴 샤프트 축에 대하여 핸들을 회전해야 할 수 있다. 상기 핸들은 공칭(nominal) 상태(예: 롤 회전 전)에서는 사용자의 손, 손바닥 및/또는 손가락에 맞거나 적합할 수 있지만, 롤 도중 및 이후에는 더 이상 사용자의 손에 맞거나 적합하지 않을 수 있다. 사실로, 이러한 회전 중에, 상기 핸들은 장치를 잡고 있는 손의 영역과 충돌하기 시작할 수 있으며, 일반적으로 롤 회전량을 제한하고 및/또는 엔드 이펙터에서 최대 롤 회전을 달성하기 위해 외과 의사의 손 내에서 핸들의 재배치를 요구한다. 따라서, 이러한 장치들 중 다수는 작동하는 데 한 손 이상을 필요로 할 수 있거나, 제한된 양의 롤링을 넘어 단일 방향으로 계속 롤링하기 위해 사용자의 손 내에서 작동하는 동안 장치의 재배치를 필요로 할 수 있다. 게다가, 롤 회전을 계속하기 위해 재배치된 장치는 일반적으로 인체공학적이지 않으며, 툴 프레임/툴 샤프트 사이의 입력 조인트/메커니즘에 대한 접근(access) 손실로 인해 작동하기가 더 어렵다. 공칭 상태에서 사용자의 손 및 손바닥(및 가능하게는 손가락(들) 및/또는 엄지)에 의해 일반적으로 고정되는 핸들의 고정 부분과 일반적으로 사용자의 손가락(들) 및/또는 엄지에 의하여 그것의 중심축에 대해 고정 부분에 관해 회전되는 롤 부분(예: 다이얼, 핸들 다이얼, 회전 다이얼 등) 사이에서 핸들 조립체에 회전 조인트를 제공함으로써 제한된 회전 및 감소된 인체 공학적 문제를 해결하려는 시도가 있었다. 이러한 시도는 오직 제한된 성공으로만 이 문제에 직면했으며, 부분적으로 이러한 방식으로 장치를 롤링하는 것은 롤 부분(예를 들어, 다이얼, 핸들 다이얼, 회전 다이얼 또는 이와 같은)을 롤링할 때 정지 부분에 관하여 내부 트랜스미션 부재가 감길 수 있기 때문이다. 상기 핸들의 정지 부분은 롤 회전 동작에 관하여 정지(stationary)된 것으로 정의된다. 일반적으로 이 정지 부분은 사용자의 손바닥에 대해 “정지(stationary)”되어 있다. 이 정지 부분은 다른 자유도를 제공하기 위하여 사용자의 손을 따라 움직일 수 있다(예, 관절식 복강경 장치에서 피치 및 요 회전)
핸들 조립체에 정지 부분과 롤 부분을 포함하는 이러한 장치는 관절식(articulating)이거나 비관절식(non-articulating)일 수 있다. 일부 비관절식 장치에서 핸들 조립체와 툴 샤프트는 견고하게 연결될 수 있으며, 전체 핸들 조립체의 회전이 툴 샤프트와 엔드 이펙터의 회전을 구동할 수 있다. 다른 비관절식 장치에서, 핸들 조립체와 툴 샤프트는 견고하게 연결될 수 있고 상기 핸들에는 다이얼이 장착 될 수 있으며, 여기서 다이얼은 엔드 이펙터에 연결되고 툴 샤프트를 통해 라우팅되는 롤 트랜스미션 부재를 통해 엔드 이펙터의 회전을 구동한다. 또한, 복강경 장치는 더욱 복잡해지고 있으며 까다로운 복강경 시술에 제공된다. 복강경 도구는 이제 툴 샤프트와 핸들 조립체 사이에서 입력 관절 조인트에 의해 작동될 수 있는 관절식 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 관절식 엔드 이펙터는 툴 샤프트에 관하여 입력 관절 조인트(여기서는 입력 조인트 또는 관절 입력 조인트라고도 함)에 주위에 핸들 조립체를 관절로 연결함으로써 외과 의사가 엔드 이펙터의 롤 회전 축을 변경할 수 있게 한다. 그러한 장치의 핸들 조립체는 툴 샤프트에 견고하게 연결되지 않고, 대신에 일반적으로 2개의 관절 자유도(예: 요 회전 및 피치 회전)를 허용하고 구속하여 롤 회전을 전달하는 입력 조인트를 통해 연결된다. 일부 관절식 장치에서, 엔드 이펙터의 회전은 핸들 조립체의 다이얼 부분의 회전에 의해 구동될 수 있으며, 이는 추가로 툴 샤프트의 회전을 통해 엔드 이펙터에 롤을 전달한다. 여기에서, 툴 샤프트는 요 및 피치 자유도를 제공하나, 핸들 조립체로부터 툴 샤프트로 롤 회전을 전달하는 입력 관절 조인트를 통해 핸들 조립체에 연결된다. 마찬가지로 툴 샤프트의 롤 회전은 출력 관절 조인트를 통해 엔드 이펙터로 전달된다. 이러한 장치 구성의 예는 Novare™(국제 특허 출원 공개 WO 2007/146894 A2)의 관절식 장치이다. 다른 관절식 장치에서 관절 연결 전달(transmission)과 롤 전달(transmission)은, 핸들 조립체의 다이얼 부분의 회전에서 롤이 입력 관절 조인트, 툴 샤프트 및 출력 관절 조인트(여기서는 출력 조인트 또는 관절 출력 조인트라고도 함)와 관련하여 롤 구속도(DoC)를 통하지 않고, 별도의 롤 트랜스미션 부재를 통해 엔드 이펙터로 직접 전달되도록, 분리된다. 이 롤 트랜스미션 부재는 롤 회전을 전달하기 위해 비틀림에 충분히 단단해야 한다. 이 롤 트랜스미션 부재는 입력 관절 조인트 또는 툴 프레임/툴 샤프트를 통해 라우팅되거나 라우팅되지 않을 수 있다. 이러한 장치 구성의 예는 Covidien™(미국 특허 제 8,603,135 호)에 의해 판매되는 관절 연결 장치이다.
일반적으로, 이러한 관절식 도구가 제공하는 향상된 민첩성(dexterity)은 핸들 조립체의 롤 부분의 롤 회전에 대한 증가된 저항의 절충과 함께 제공된다. 롤 회전에 대한 이 저항은 엔드 이펙터가 관절로 연결될 때 더욱 증가한다. 이 저항은 핸들 입력(예: 핸들 조립체 내의 레버)이 맞물릴 때 더 증가할 수 있으며, 이는 엔드 이펙터 작동(예: 엔드 이펙터의 기준 부분에 관하여 엔드 이펙터의 이동 부분의 열림 및 닫힘)을 초래한다. 롤에 대한 저항은 엔드 이펙터 관절과 엔드 이펙터 작동을 동시에 수행하는 동안 상당할 수 있다. 툴 샤프트의 단부에 턱이 있는 엔드 이펙터의 열림/닫힘을 작동시키기 위한 핸들 입력 (예: 핸들 입력 레버)의 결합은, 일반적으로 사용자에 의해 잡혀진 핸들 조립체의 정지 부분과 회전이 허용되도록 서로 인터페이스하는 핸들 조립체의 회전 부분(예: 다이얼) 사이에 발생되는 높은 부하를 야기한다. 이러한 독립된 본체 사이의 높은 하중의 결과는, 일반적으로 외과 의사가 엔드 이펙터 롤 회전을 정밀하게 제어하기 위해 핸들 조립체에서 미세한 회전 입력부를 사용하는 능력을 제한하는 롤 회전에 대한 마찰 저항의 증가입니다. 높은 턱(열림/닫힘) 작동 부하는 일반적으로 스틸 케이블, 스틸 와이어, 모노필라멘트(monofilament) 스틸, 니티놀(Nitinol) 로드 또는 텅스텐(tungsten) 케이블 등과 같은 트랜스미션 부재에 의해 핸들 입력으로부터 전달된다. 이러한 유형의 트랜스미션 부재는 입력 위치로부터 출력 또는 기기의 원격 부분으로 부하를 전달하는 기능을 잘 수행한다. 이러한 장치의 엔드 이펙터에 롤, 관절 및 관절 기능을 동시에 전달하고 제공하는 복잡성과 함께 이러한 기능을 충족하는 특징을 통합하기 위해 좁은 공간 내에서 작업하는 한계로 인해, 앞서 언급한 기능을 제공할 수 있도록 조립체, 메커니즘, 조인트 및 구조 및 인터페이스 요규사항을 만족하는 본체를 통합하는 것은 어려운 일이다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 제한 없는 롤 메커니즘을 갖춘 핸들 조립체를 포함하는 장치(예를 들어, 메커니즘, 장치, 도구(tool), 기계, 시스템 등)가 여기에 설명되어 있다.
핸들 조립체의 다른 부분에 대한 핸들 조립체의 일부의 무제한(예를 들어, “무한(infinite)”) 롤을 제공하는 핸들 조립체를 포함할 수 있고, 이 롤을 엔드 이펙터에 유리한 방식으로 전달할 수 있는 장치(메커니즘, 기구, 장치, 도구, 시스템 등 포함)가 본 명세서에 기술된다. 본 명세서에 기술된 무제한-롤 메커니즘은 핸들 조립체, 툴 프레임(툴 샤프트일 수 있거나 툴 샤프트를 포함할 수 있음) 및 엔드 이펙터 조립체를 포함하는 장치의 일부일 수 있다. 일부 변형예에서, 상기 장치는, 상기 장치의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터 관절 조인트를 통해 툴 프레임에 대해 관절로 연결될 수 있는 엔드 이펙터 조립체(또는 간단히 엔드 이펙터)를 포함할 수 있고; 상기 엔드 이펙터의 관절은 핸들 조립체와 툴 프레임 사이를 포함하여 장치의 근위 단부에 있는 입력 관절 조인트(입력 조인트)에 의해 제어될 수 있다. 임의의 이들 장치에서, 사용자의 손(손바닥, 손가락, 엄지 등)이 핸들 조립체와 인터페이스 되는 동안, 툴 프레임은 팔 부착물(예를 들어, 팔뚝 부착물)을 통해 사용자의 팔(예를 들어, 손목, 팔뚝 등)과 인터페이스 될 수 있다. 상기 팔 부착물은 사용자의 팔과 툴 프레임 사이에 하나 이상의 자유도(예: 피치, 요, 롤)를 허용하는 조인트(예: 베어링)에 의해 툴 프레임에 연결될 수 있다. 이러한 장치 중 임의의 장치에서, 상기 엔드 이펙터는, 엔드 이펙터 턱 작동 부재를 통해 엔드 이펙터의 출력 작동을 야기시키는 핸들 조립체 상의 입력 제어에 의해 작동(예: 열림/닫힘)될 수 있는 적어도 하나의 이동 부분(예: 동작 턱)을 가질 수 있다. 이들 장치 중 일부에서, 턱 작동 트랜스미션 부재는 엔드 이펙터 작동(즉, 턱 폐쇄 작동)을 유발하기 위해 핸들 조립체의 입력 제어에 의해 당겨질 수 있는 인장/압축 부재일 수 있다. 동일한 또는 다른 턱 작동 트랜스미션 부재, 인장/압축 부재 중 하나를 사용하여 엔드 이펙터 작동(즉, 턱 개방 작동)을 일으켜 이전 작동을 취소할 수 있다. 이는 엔드 이펙터 작동의 일부로서 당기기(1차 작동)- 당기기(2차 작동) 작용이거나, 당기기(1차 작동)-밀기(2차 작동) 작용이거나, 밀기(1차 작동)-당기기(2차작동) 작용을 초래할 수 있다.
일반적으로, 본 명세서에 기술된 무제한-롤 핸들 조립체는, 무제한 회전 핸들 조립체, 또는 무제한 회전 핸들 장치, 또는 무제한-롤 핸들 장치 등으로도 지칭될 수 있다. 일반적으로, 핸들 조립체의 정지 부분은 또한 핸들 쉘, 또는 인체공학적 핸들 쉘 또는 핸들 본체 또는 핸들 조립체의 제1 부분 등으로 지칭될 수 있다. 일반적으로, 핸들 조립체의 회전하는 부분은 또한 회전 부분, 또는 회전 다이얼, 또는 회전식의 부분, 또는 다이얼 또는 핸들 조립체의 제2 부분 등으로 지칭될 수 있다. 일반적으로 핸들 조립체의 입력 제어는 제어, 입력 레버, 엔드 이펙터 제어 또는 입력 레버 제어 등으로도 불릴 수 있다.
이러한 무제한-롤 핸들 조립체는, 엔드 이펙터 작동을 방해하거나 구속하지 않고 핸들 조립체로부터 작동을 전달하도록 케이블(스틸, 텅스텐 등), 스틸 와이어 등 또는 모노필라멘트 강철 또는 니티놀 로드 등을 포함하는 엔드 이펙터 작동 트랜스미션 부재를 사용하여 핸들 조립체의 제1 부분(예를 들어, 핸들 본체) 상의 입력 제어에 의해 원위 엔드 이펙터의 작동(예를 들어, 엔드 이펙터 턱의 열림 및 닫힘)을 허용할 수 있다. 이 작동은 독립적으로 또는 병렬로 또는 엔드 이펙터 관절 및 엔드 이펙터 롤 회전과 같은 다른 동작과 관계없이 발생할 수 있다.
예를 들어, 상기 엔드 이펙터가 턱 조립체인 경우, 베이스 엔드 이펙터 부분(제1 엔드 이펙터 부분)에 대해 이동 가능한 하나 또는 두 개의 동작 턱을 포함할 수 있다. 이러한 하나 이상의 이동 턱은 두번째, 세번째 등 엔드 이펙터 부분을 나타낸다. 일부 변형에서, 턱 조립체의 턱 중 하나는 베이스 엔드 이펙터 부분의 일부(또는 단단히 부착된)일 수 있다. 하나 이상의 동작 가능한 턱은 핸들 조립체의 셔틀 부분에 연결된 턱 작동 트랜스미션 부재에 의해 이동될 수 있다. 엔드 이펙터 조립체에서 턱의 이러한 개폐 동작은 핸들 조립체에서 이동하는 본체(레버, 버튼, 슬라이더 등과 같은)일 수 있는 엔드 이펙터 제어에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 핸들 조립체로부터의 제어 입력부를 엔드 이펙터의 작동(예: 개폐 동작)으로 전달할 수 있는 동시에 엔드 이펙터 조립체의 대응 회전을 포함하는 장치의 일부일 수 있는 무제한-롤 핸들 조립체가 여기에 개시된다.
본 명세서에 기술된 장치는 의료 장치(예를 들어, 복강경, 내시경(endoscopes) 등과 같은 최소 침습 장치를 포함하는 수술 장치) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적용에서 사용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 기술된 바와 같은 관절식 무제한-롤 핸들 조립체는 툴 샤프트 축에 대한 기교(finesse) 회전 및 툴 샤프트 및/또는 엔드 이펙터의 조작 또는 관절을 필요로 하는 원격 액세스 도구의 일부로 사용될 수 있다. 일반적으로, 여기에 설명된 장치는 다양한 목적에 유용할 수 있다.
본 명세서에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 임의의 이들 장치는 손바닥 파지를 잡고 있는 같은 손의 손가락(엄지 포함)으로 작동될 수 있는, 사용자의 손에 쥐고 회전 부분을 제공할 수 있는 부분인(본 명세서에서는 손잡이, 다이얼, 손가락 다이얼, 회전 다이얼로 지칭됨) 기준 또는 접지(본 명세서에서는 손바닥 파지, 손바닥 파지 부분, 핸들 본체, 핸들 쉘 등으로도 지칭됨)를 제공하기 위해 서로에 대해 특정한 회전 및/또는 병진 자유도를 제공하도록 함께 결합되는 다수의 부분 또는 본체 또는 구성요소를 갖는 핸들 조립체를 포함할 수 있다. 일부 변형에서 핸들 조립체는 핸들, 핸들 메커니즘, 무제한-롤 핸들 조립체, 무한 롤 핸들 등이라고 할 수 있다. 일부 변형에서 상기 핸들 조립체는, 엔드 이펙터를 작동(예: 개폐) 시키기 위하여, 4개의 상호 연결된 구성 요소(또는 본체) 및 레버, 버튼, 다이얼 또는 다른 컨트롤과 같은 엔드 이펙터 제어 입력을 포함할 수 있다. 상기 핸들 조립체의 일부인 4개의 상호 연결된 본체는 제1 핸들 부분(예를 들어, 손바닥 파지), 제2 핸들 부분(예를 들어, 손가락 다이얼), 푸시 로드(일반적으로 상기 제1 핸들 부분 내부), 및 셔틀 본체(일반적으로 상기 두 번째 핸들 부분 내부)를 포함할 수 있다. 상기 푸시 로드(push rod)는 일반적으로 강성 부재이며 대안적으로 풀 로드(pull rod)로 지칭될 수 있다. 상기 셔틀 본체는 일반적으로 엔드 이펙터 제어 입력의 작동을 엔드 이펙터로 전달하기 위해, 트랜스미션 케이블과 같은, 엔드 이펙터 작동 전송 부재의 일부에 연결(또는 포함)된다. 여기에서 자유도를 설명하는 데 사용되는 축은 공간의 특정 선을 나타낸다. 본체는 특정 축을 중심으로 다른 본체에 대해 회전할 수 있다. 본체는 특정 방향을 따라 다른 본체로 이동할 수 있다. 방향은 특정 축에 의해 정의되지 않고 대신 일반적으로 여러 평행 축에 의해 정의된다. 따라서 X축은 그림에 정의되어 표시된 특정 축이며, X방향은 이 X축의 방향을 의미한다. 서로 다르지만 평행한 여러 X 축은 동일한 X 방향를 가진다. 방향은 방향만 있고 공간에서의 위치는 없다.
예를 들어, 무제한-롤 핸들 조립체로 구성된 핸들 조립체는 손바닥 파지로 구성된 외부 근위 본체인 제1 핸들 부분을 포함할 수 있다. 일반적으로 이 본체는 “핸들 쉘(handle shell)”이라고도 하는 핸들 본체 A(“H. 본체 A(H.Body A)”)라고 할 수 있다. 핸들 조립체는 또한 일반적으로 핸들 본체 B(“H. 본체 B(H.Body B)”)로 지칭될 수 있는 외부 원위 본체로서 구성된 제2 핸들 부분을 포함할 수 있다. 이 두 본체는 추가 기능이 존재할 수 있는 확립된 조인트가 있는 독립된 본체로 간주될 수 있다. 이 두 본체 사이의 조인트 내에는 리브(ribs), 표면, 가장자리, 와셔, 부싱, 베어링, 윤활제(lubricants) 등과 같은 특정한 기하학적 특징이 존재할 수 있으며, 이는 어느 정도의 자유도를 제공하는 동시에 다른 것을 구속하는 역할을 할 수 있다. 외부 본체 사이의 이 조인트는 이차적인(secondary) 본체 쌍에 의해 내부적으로 횡단될(traversed) 수도 있다. 이러한 이차적인 본체는 H. 본체 A와 H. 본체 B 사이의 조인트에 대해 근위 또는 원위 부분을 가질 수 있다. 이차적인 본체 중 하나는 본 명세서에서 일반적으로 핸들 본체 C(“H. 본체 C(H.Body C)”)로 지칭될 수 있으며, 예를 들어, 일부가 H. 본체 A에 연결되는 부분을 가지는 근위 푸시 로드일 수 있다. 다른 이차적인 본체는 본 명세서에서 일반적으로 핸들 본체 D(“H. 본체 D(H.Body D)”)로 지칭될 수 있으며, 예를 들어, H. 본체 B에 연결되는 일부를 가지는 원위 셔틀일 수 있다. 마찬가지로, 서로에 대해 그리고 외부 2개의 본체에 대해 내부 이차적인 본체 중 하나 사이의 조인트는 다른 요소를 구속하면서 어느 정도의 자유도를 제공하는 기능을 하는 리브, 표면, 가장자리, 와셔, 부싱, 베어링, 윤활제 등을 포함할 수 있다. 구속도와 자유도를 나타내는 이 4개 본체 구조의 일반적인 설명이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 일반적으로 도시된 것과 같은 4개의 본체 무제한-롤 핸들 조립체는 예를 들어, 관절식 복강경 기구의 일부로서 통합될 수 있다. 사용자(내과 의사, 의사, 외과 의사 등)는 핸들 조립체를 잡고 핸들 조립체의 원위 또는 근위 조인트를 통해 관절 입력(피치/요 동작을 야기하는)을 적용할 수 있다. 이 관절 입력 조인트(피치/요)는 핸들 조립체를 툴 프레임/툴 샤프트에 연결할 수 있다. 이 관절 입력은 하나 이상의 관절 트랜스미션 부재를 통해 기구의 원위 단부에 있는 관절 출력 조인트(피치/요)로 전달될 수 있다. 이 관절 출력 조인트는 툴 샤프트/툴 프레임을 엔드 이펙터 조립체에 연결할 수 있다. 이 트랜스미션 부재(들)는 관절 입력 조인트와 관절 출력 조인트(엔드 이펙터 조립체에 근위의)에 연결된다. 그런 다음 외과 의사는 핸들 조립체의 첫 번째 부분 또는 근위 외부 본체(H. 본체 A)에 관하여 중심 축(축 1)에 대한 상기 제2 부분 또는 다이얼 본체(H. 본체 B)의 회전에 의해 엔드 이펙터를 이것의 중심/롤 축(축 2)에 대해 회전시킨다. 그/그녀의 손바닥에 상기 근위 외부 본체((H. 본체 A, 예. 손바닥 파지)를 잡는 동안(접지하는 동안), 사용자는 엄지와 집게손가락 사이의 기교 돌리기 동작으로 회전을 구동하기 위하여 원위 외부 본체(예, H. 본체 B, 예, 회전 다이얼)을 회전시킨다. 도 1에 도시된 H. 본체 A(첫 번째 부분)와 H. 본체 B(두 번째 부분) 사이의 회전 조인트는, 도 1은 사용자가 턱 폐쇄를 활성화하기로 선택할 때, 예를 들어 H. 본체 C에서 H. 본체 D로 이동하며 제1 축 방향(예를 들어, 도 2의 축 1)을 따라 병진 이동을 전달하고, 핸들 조립체의 인장/압축(턱 개폐) 트랜스미션 부재에 힘을 생성함으로써 발생할 수 있는 마찰을 줄이고 사용자의 심한 저항을 완화하는 기능을 할 수 있다. 아래에서 더 자세히 묘사하고 설명하는 바와 같이, 사용자가 핸들 조립체에서 엔드 이펙터 입력 제어를 활성화하면, 이 동작은 핸들 조립체의 전달 메커니즘을 통해, H. 본체 A에 대하여 첫 번째 축 방향을 따라 H. 본체 C의 병진 운동으로 전달된다. H. 본체 C의 병진 운동은 H. 본체 D의 병진 운동으로 더 전달되고, 엔드 이펙터 작동 트랜스미션 부재를 통해 엔드 이펙터로 전달된다. 상기 전달이 발생하는 동안, 외과 의사는 또한, H. 본체 B와 H 본체 D 사이의 키잉 또는 구속된 조인트로 인해, 엔드 이펙터 작동 트랜스미션 부재를 비틀지 않고 핸들 조립체 상의 회전 다이얼(H. 본체 B)을 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 무한히 회전시킬 수도 있다.
핸들 조립체와 툴 샤프트 사이의 조인트와 같은 관절식 조인트와 함께 핸들 조립체가 사용되는 변형에 있어서, 상기 관절 입력 조인트는 병렬 운동학적(P-K, Parallel Kinematic) 조인트(예를 들어, 미국 특허 출원 공개 2013/ 0012958 또는 미국 특허 제 8,668,702 호), 또는 가상 중심(VC) 조인트(예를 들어, 미국 특허 제 5,908,436 호에 따름), 또는 병렬 운동학적 가상 중심 조인트(예를 들어, 미국 특허 제 8,668,702 호에 따름), 또는 직렬 운동학적(S-K, Serial Kinematic) 조인트(예를 들어, US 8,465,475 또는 US 5,713,505에 따름), 또는 직렬 운동학적 조인트와 병렬 운동학적 조인트의 조합일 수 있다. 본 명세서에 기술된 무제한-롤 핸들 조립체는, 예를 들어 핸들 조립체와 툴 프레임(예를 들어, 툴 샤프트) 사이에 관절 입력 조인트를 갖는 관절식 장치와 함께 특히 유용할 수 있다. 여기에서 트랜스미션 케이블(로프, 편조 케이블 등과 같이 압축, 비틀림 및 굽힘에 순응함)은 효과적인 엔드 이펙터 작동 트랜스미션 부재 및 엔드 이펙터 관절 부재 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이러한 고순응(highly compliant) 트랜스미션 부재는 좁은 굽힘 반경을 통해 구부러질 수 있고 효과적인 전달을 제공할 수 있다. 비틀림에 강하지만 굽힘에 순응하는 와이어는 앞서 언급한 두 전달 중 하나 및/또는 엔드 이펙터 회전 전달에 사용할 수도 있다. 관절 트랜스미션 부재, 롤 트랜스미션 부재 및 엔드 이펙터 작동 트랜스미션 부재는 별개의 본체일 수 있거나, 의도된 전달을 수행하기 위해 한 쌍 또는 세 쌍의 하나의 본체로 결합될 수 있다. 상기 트랜스미션 부재는 각각의 조인트를 연결하기 위해 서로 다른 경로를 통해 라우팅될 수 있다. 예를 들어, 관절 트랜스미션 부재는 툴 프레임의 본체(예를 들어, 툴 샤프트)를 통해 라우팅될 수 있거나, 툴 샤프트의 본체 외부로 라우팅될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 명세서에 기술된 임의의 장치는, 장치의 근위 단부 영역이 사용자의 팔/팔뚝에 연결될 수 있도록, 무제한-롤 핸들 조립체 및 팔 부착물(예를 들어, 팔뚝 부착물)을 포함할 수 있다. 이들 장치는 장치가 사용자의 팔에 견고하게 결합될 때(예를 들어, 장치와 사용자의 팔 사이에 자유도가 없는 경우) 장치의 개선된 제어를 허용할 수 있지만, 팔 부착물이 툴 프레임과 사용자 팔 사이에서 롤, 피치 및/또는 요 자유도 중 하나 이상과 같은 하나 이상의 자유도를 허용하는 경우 특히 도움이 될 수 있다.
예를 들어, 본 명세서에 기술된 장치는, 의료 장치를 포함하며, 상기 의료 장치는 근위 단부에 팔뚝 부착 부분을 갖고 툴 축을 갖는 세장형 툴 프레임; 세장형 툴 프레임의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터; 엔드 이펙터에 무제한 롤을 제공하는 핸들 조립체를 포함한다. 여기서 상기 핸들 조립체는 제1 핸들 부분; 상기 제1 핸들 부분에 대해 제1 축에서 하나의 회전 자유도를 갖지만 제1 축 방향을 따라 제1 핸들 부분에 대해 병진 구속을 받도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 제2 핸들 부분; 완전히 또는 부분적으로 제1 핸들 부분 내에 있는 푸시 로드로서, 제1 핸들 부분에 대해 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 갖지만 제1 핸들 부분에 대해 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 푸시 로드; 완전히 또는 부분적으로 제2 손잡이 부분 내에 있는 셔틀 본체로서, 상기 푸시 로드에 대해 상기 제1 축을 중심으로 하나의 회전 자유도를 갖지만, 상기 푸시 로드에 대해 상기 제1 축 방향을 따른 병진이 구속되도록 상기 푸시 로드에 결합되는 셔틀 본체; 추가로 상기 셔틀 본체는 상기 셔틀 본체는 제2 핸들 부분에 대해 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지도록 제2 핸들 부분에 대해 결합되는 셔틀 본체; 메커니즘 또는 다른 전달 시스템을 통해 푸시 로드에 결합되고 제1 축 방향을 따라 푸시 로드를 병진시키도록 구성된 제1 핸들 부분 상의 엔드 이펙터 제어 입력; 여기서 제1 축에 대한 제2 핸들 부분의 회전은 엔드 이펙터가 제2 핸들 부분의 회전의 결과로 그 중심 축에 대해 회전하도록 엔드 이펙터에 전달되고; 및 사용자의 손목 또는 팔뚝을 고정하도록 구성된 통로를 갖는 커프를 포함하며, 여기서 커프는 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분에 결합되도록 구성된다. 어떤 경우에 상기 셔틀 본체는 완전히 제2 핸들 부분 외부에 있을 수 있다.
팔뚝 부착 부분 및/또는 커프는, 커프(일반적으로 사용자의 팔에 견고하게 부착됨)와 팔뚝 부착 부분 사이에 하나 이상의 자유도를 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 장치는 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분과 커프 사이의 조인트를 포함할 수 있으며, 여기서 조인트는 커프와 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분 사이에 하나 이상의 회전 자유도를 제공하도록 구성된다. 상기 조인트는 베어링(예를 들어, 상대 운동을 피치, 롤 또는 요와 같은 하나 이상의 원하는 운동으로 구속하고 움직이는 부품 사이의 마찰을 줄일 수 있는 기계 요소)일 수 있다. 예를 들어, 장치는 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분과 커프 사이에 하나 이상의 조인트를 포함할 수 있으며, 여기서 하나 이상의 조인트는 다음 자유도 중 하나 이상을 제공하도록 구성된다: 툴 축에 대한 롤 자유도, 커프와 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분 사이의 피치 자유도, 또는 커프와 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분 사이의 요 자유도.
일반적으로, 상기 커프는 사용자의 팔(예를 들어, 팔뚝)에 단단히 부착될 수 있도록 스트랩 및/또는 고정 장치(securement)를 포함할 수 있고, 사용자의 팔뚝에 부착될 수 있도록 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분으로부터 제거될 수 있으며, 그런 다음 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분에 스냅(snap)되거나 다른 방식으로 부착된다.
일반적으로 제2 핸들 부분과 제1 핸들 부분 사이의 무제한 롤은 엔드 이펙터로 전달될 수 있다. 언급된 바와 같이, 제2 핸들 부분과 제1 핸들 부분 사이의 롤은, 툴 프레임으로부터 분리된 트랜스미션 부재에 의해 전달될 수 있고, 툴 프레임 주위에 또는 툴 프레임을 통해 라우팅될 수 있다. 예를 들어, 제2 핸들 부분의 회전은 제2 핸들 부분과 엔드 이펙터 사이에서 연장되는 회전 전달을 통해 엔드 이펙터에 전달될 수 있다. 대안적으로, 일부 변형에서, 툴 샤프트는 제2 핸들 부분과 제1 핸들 부분 사이에서 롤(roll)을 전달한다; 예를 들어, 제2 핸들 부분 또는 제1 핸들 부분 중 하나는, 제2 핸들 부분과 제1 핸들 부분 사이의 롤이 툴 프레임에 의해 장치의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터로 전달되도록, 툴 샤프트에 견고하게 연결될 수 있다. 일반적으로, 제2 핸들 부분과 제1 핸들 부분 사이의 무제한 롤은 둘 사이에 상대적이기 때문에, 이 롤에 대한 트랜스미션 부재는 제2 핸들 부분 또는 제1 핸들 부분 중 어느 하나에 연결될 수 있지만, 여기서는 주로 제2 핸들 부분(예를 들어, 핸들의 원위 영역에 있는 손잡이 또는 다이얼)에 결합되는 것으로서 도시되어 있다. 예를 들어, 제2 손잡이 부분(예를 들어, 손잡이 또는 다이얼)의 회전은, 세장형 툴 프레임이 상기 제2 핸들 부분에 대하여 회전이 구속되도록 세장형 툴 프레임이 상기 제2 핸들 부분에 결합되고, 상기 엔드 이펙터가 상기 세장형 툴 프레임에 대한 회전이 구속되도록 상기 세장형 툴 프레임에 결합되기 때문에, 상기 엔드 이펙터로 전달될 수 있다.
언급한 바와 같이, 본 명세서에 기술된 임의의 장치는 핸들 조립체와 툴 프레임 사이에 입력 조인트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 임의의 이러한 장치는 입력 조인트를 포함할 수 있으며, 상기 입력 조인트는 피치 회전축에 대한 핸들 조립체와 툴 사이의 피치 자유도 및 요 회전축에 대한 핸들 조립체와 툴 사이의 요 자유도를 제공한다. 이 입력 조인트는 병렬 운동학적 입력 조인트 또는 직렬 운동학적 입력 조인트이거나 병렬 및 직렬 운동학적 입력 조인트의 조합일 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치 중 임의의 것은 핸들 조립체와 툴 프레임 사이의 입력 조인트와 툴 프레임과 엔드 이펙터 사이의 출력 조인트(즉, 관절 출력 조인트)를 포함할 수 있으며, 여기서 입력 조인트는 피치 동작 경로 및 요 동작 경로를 포함하고, 추가로 여기서 피치 동작 경로 및 요 동작 경로는 독립적이고 핸들과 툴 프레임 사이에서 병렬로 결합하며(병렬 운동학적 입력 조인트를 형성), 상기 피치 동작 경로는 출력 조인트로의 전달을 위한 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 동작을 포착하지만 출력 조인트로의 전달을 위한 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 요 동작은 포착하지 않으며, 상기 요 동작 경로는 출력 조인트로 전달하기 위한 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 요 동작을 포착하지만, 출력 조인트로 전달하기 위한 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 피치 동작은 포착하지 않는다. 그 대신에, 상기 피치 동작 경로 및 요 동작 경로는 직렬로(직렬 운동학적 입력 조인트로) 배열될 수 있다. 그러나, 여기에서 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 회전 자유도 축(예를 들어, 피치 및 요, 피치 및 롤, 요 및 롤 등)을 갖는 입력 조인트를 포함하는 임의의 장치는, 2개 이상의 회전축이 핸들 조립체 뒤에(근접하게) 위치된 회전 중심(예를 들어, 가상 회전 중심)에서 교차하도록 구성되며, 핸들 조립체는 장치가 사용자에 의해 조작될 때, 사용자의 손목 내에 위치할 가상 회전 중심을 포함한다. 예를 들어, 피치 회전축과 요 회전축은 핸들 조립체에 근접한 회전 중심에서 교차할 수 있다.
다중 자유도(예를 들어, 피치 및 요)를 갖는 입력 조인트를 포함하는 임의의 변형에서, 동작(예를 들어, 피치 동작, 요 동작)을 출력 조인트 및 따라서 엔드 이펙터로 전달하기 위해 하나 이상의 트랜스미션 부재가 포함될 수 있다. 예를 들어, 장치는 입력 조인트로부터 출력 조인트로 연장되는 피치 트랜스미션 부재 및 요 트랜스미션 부재를 포함할 수 있으며, 여기서 피치 트랜스미션 부재는 피치 회전을 전달하고, 요 트랜스미션 부재는 입력 조인트의 요 회전을 대응하는 출력 조인트의 회전으로 전달할 수 있다.
언급한 바와 같이, 임의의 적절한 엔드 이펙터가 사용될 수 있다. 상기 엔드 이펙터에는 움직이거나 움직이지 않는 잡는(grasping) 턱(또는 단순히 턱)이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 예를 들어, 상기 엔드 이펙터는 연약한 조직(예: 해부기) 또는 카메라 또는 레이저 포인터를 펼치기 위한 부드러운 단부를 가질 수 있다. 따라서, 상기 엔드 이펙터 조립체는 엔드 이펙터 등으로 지칭될 수 있다. 상기 엔드 이펙터는 또한 하나 이상의 동작 턱, 하나 이상의 고정 턱(움직이는 턱에 대해 고정됨) 또는 엔드 이펙터 작동에 필요한 다른 본체를 가질 수 있다. 일부 예에서, 엔드 이펙터는 열리고 닫히는 턱을 포함하는 턱 조립체로 구성될 수 있다. 상기 핸들 조립체 상의 엔드 이펙터 제어 입력은, 예를 들어 사용자의 손가락 또는 핸들 조립체를 잡고 있는 동일한 손의 사용자의 엄지를 포함하는 손가락들에 의해 작동될 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치 중 임의의 장치는 엔드 이펙터 제어 입력의 작동이 턱 조립체를 열거나 닫도록 턱 조립체로 구성되는 엔드 이펙터 조립체를 포함할 수 있다. 상기 엔드 이펙터 제어 입력은 (예를 들어, 엔드 이펙터 제어 입력을 계속 작동시킴으로써) 턱을 열거나 닫은 상태로 유지하도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 상기 엔드 이펙터 제어 입력이 핸들 조립체 상의 트리거 또는 레버인 경우, 트리거 또는 레버를 잡는 것은 턱을 닫힌 상태로 유지시키는 반면, 트리거 또는 레버를 놓는 것은 턱을 해제/개방시킬 수 있다.
상기 엔드 이펙터는 일반적으로 부품(parts) 간의 상대 운동을 허용하기 위해 함께 결합되는 다수의 부분(portions)을 갖는 조립체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 엔드 이펙터는 제1 엔드 이펙터 부분에 이동 가능하게 결합되는 제2 엔드 이펙터 부분을 포함할 수 있고; 장치(예를 들어, 기구)는, 핸들 조립체 상의 엔드 이펙터 제어 입력의 작동이, 제2 핸들 부분이 제1 핸들 부분에 대해 제1 축을 중심으로 임의의 회전 위치에 있을 때, 제1 엔드 이펙터 부분에 대해 제2 엔드 이펙터 부분을 이동시키도록 셔틀 본체를 제2 엔드 이펙터 부분에 연결하는 트랜스미션 케이블을 더 포함할 수 있다. 언급한 바와 같이 상기 트랜스미션 케이블은 압축, 비틀림 및 굽힘에 적합한(compliant) 로프 또는 편조 재료일 수 있다.
상기 엔드 이펙터 제어 입력은 트리거, 레버 또는 버튼을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 제어부일 수 있으며, 이는 일반적으로 제1 핸들 부분에 위치되고 사용자의 손가락 또는 엄지손가락 중 하나 이상에 의해 작동되도록 구성된다. 이 엔드 이펙터 제어 입력은 엔드 이펙터 제어 입력에서 입력을 받아 제1 축 방향을 따라 푸시 로드(H. 본체 C)의 병진 운동을 출력하는 입력 전달 메커니즘을 통해 푸시 로드(H. 본체 C)에 연결될 수 있다.
예를 들어, 무제한-롤 핸들 조립체를 갖는 의료 장치는, 근위 단부에 팔뚝 부착 부분을 갖고 툴 축을 갖는 세장형 툴 프레임; 상기 세장형 툴 프레임의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터; 엔드 이펙터에 무제한 롤을 제공하는 핸들 조립체를 포함할 수 있다. 여기서 상기 핸들 조립체는 제1 핸들 부분, 제1 핸들 부분에 대하여 제1 축을 중심으로 하나의 회전 자유도를 가지나, 제1 방향을 따라 상기 제1 핸들 부분에 대한 병진이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 제2 핸들 부분, 상기 제1 핸들 부분 내에 있고 제1 핸들 부분에 대해 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나, 상기 제1 핸들 부분에 대하여 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 푸시 로드, 상기 제2 핸들 부분 내에 있고, 푸시 로드에 대하여 상기 제1 축을 중심으로 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 푸시 로드에 대하여 상기 제1 방향에 따르는 병진이 구속 되도록 상기 푸시 로드에 결합되는 셔틀 본체, 상기 셔틀 본체는 상기 제2 핸들 부분에 대하여 상기 제1 축을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제2 핸들 부분에 대하여 상기 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제2 핸들 부분에 결합되며, 여기서 상기 제2 핸들 부분의 회전은 상기 엔드 이펙터가 상기 제2 핸들 부분 및 푸시로드에 결합되고 제1 축 방향을 따라 푸시 로드를 병진 운동시키도록 구성된 제1 핸들 부분 상의 엔드 이펙터 제어 입력과 함께 회전하도록 상기 엔드 이펙터로 전달되며, 사용자의 손목 또는 팔뚝을 고정하도록 구성된 통로를 가지는 커프(cuff)를 포함하고, 및 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분 및 상기 커프 사이의 조인트를 포함하며, 상기 조인트는 커프와 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분 사이의 하나 이상의 롤 자유도, 피치 자유도 또는 요 자유도를 제공하며, 여기서 핸들 조립체 상의 엔드 이펙터 제어 입력의 작동은, 제2 핸들 부분이 제1 핸들 부분에 대해 제1 축을 중심으로 임의의 회전 위치에 있을 때 엔드 이펙터를 작동시킨다.
일반적으로, 임의의 이러한 장치는 핸들 조립체의 셔틀 본체 부분이 핸들의 손잡이/다이얼 부분(예를 들어, 제2 핸들 부분)에 키잉되는(keyed) 무제한-롤 핸들 조립체를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 셔틀 본체는 제2 핸들 부분에 대해 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 갖지만 제2 핸들 부분에 대해 제1 축에 대해 회전 구속되도록 제2 핸들 부분에 결합될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 셔틀은 엔드 이펙터 제어 입력 (엔드 이펙터 작동 트랜스미션과 같은)을 엔드 이펙터에 전달하는 트랜스미션 부재에 결합하는 구조(들)를 포함한다.
관절 연결되도록 구성되는, 예를 들어, 핸들 조립체와 툴 샤프트 사이에서 팔 부착물이 있거나 없는, 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 장치가 여기에 설명되어 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 의료 장치는 세장형 툴 프레임의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터; 엔드 이펙터에 무제한 롤을 제공하는 핸들 조립체를 포함한다. 여기서 상기 핸들 조립체는 제1 핸들 부분, 제2 핸들 본체가 제1 핸들 부분에 대하여 제1 축에서 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 제1 축 방향을 따라 상기 제1 핸들 부분에 대하여 병진이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 제2 핸들 부분, 상기 제1 핸들 부분 내에 있고 제1 핸들 부분에 대해 제1 축 방향따라 제1 핸들 부분에 대해 하나의 병진 자유도를 가지나 제1 핸들 부분에 대하여 상기 제1 축을 중심으로 회전 구속되도록 제1 핸들 부분에 결합되는 푸시 로드, 상기 제2 핸들 부분 내에 있고, 상기 푸시 로드에 대해 제1 축을 중심으로 하나의 회전 자유도를 갖지만 상기 푸시 로드에 대해 상기 제1 축 방향을 따라 병진이 구속되도록 결합하는 셔틀 본체를 포함하며, 상기 셔틀 본체는 상기 제2 핸들 부분에 대하여 상기 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제2 핸들 부분에 대하여 상기 제1 축을 중심으로 회전 구속되도록 상기 제2 핸들 부분에 결합하며, 상기 제1 핸들 부분 상의 엔드 이펙터 제어 입력은 상기 푸시 로드에 결합하고 상기 제1 축 방향을 따라 상기 푸시 로드를 병진 운동시키도록 구성되며, 상기 제2 핸들 부분의 회전은 상기 엔드 이펙터가 제2 핸들 부분과 함께 회전하도록 상기 엔드 이펙터에 전달되고, 핸들 조립체 및 툴 프레임 사이에 입력 조인트는 출력 조인트로의 전달을 위하여 상기 툴 프레임에 대해 피치 회전 축에 대한 핸들의 동작을 포착하도록 구성되고, 출력 조인트로의 전달 을 위하여 상기 툴 프레임에 대하여 요 회전축에 대한 핸들의 동작을 포착하도록 더 구성되며, 상기 피치 회전축 및 상기 요 회전축은 회전 중심에서 교차하고, 상기 엔드 이펙터는 상기 출력 조인트에 의하여 상기 툴 프레임에 결합된다. 전형적으로, 핸들 조립체 상의 엔드 이펙터 제어 입력의 작동은 제2 핸들 부분이 제1 핸들 부분에 대해 임의의 회전 위치에 있을 때 엔드 이펙터를 작동시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 회전 중심은 핸들 조립체의 후방(posterior)일 수 있고, 예를 들어 장치가 사용자에 의해 잡혀질 때 사용자의 팔 또는 손목 내에 위치될 수 있는 가상 회전 중심일 수 있다. 이들 장치 중 임의의 것은 또한 팔(예를 들어, 팔뚝) 부착물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임의의 이러한 장치는 툴 프레임의 근위 단부에 있는 팔뚝 부착 부분과 사용자의 손목 또는 팔뚝을 고정하도록 구성되는 통로가 있는 커프를 포함할 수 있으며, 상기 커프는 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분에 결합되도록 구성된다. 상기 팔뚝 부착물은 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분과 커프 사이의 조인트를 포함할 수 있고, 상기 조인트는 커프와 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분 사이에 하나 이상의 회전 자유도를 제공하도록 구성된다.
핸들 조립체와 툴 프레임/툴 샤프트 사이의 입력 조인트는 본 명세서에서 피치 및 요 입력 조인트로 지칭될 수 있고, 전술한 바와 같이 피치 운동 경로 및 요 운동 경로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 피치 운동 경로 및 요 운동 경로는 독립적일 수 있고, 핸들 조립체와 툴 프레임 사이에 병렬로 결합될 수 있으며, 여기서 피치 운동 경로는 출력 조인트로의 전달을 위해 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 피치 동작을 포착하는 반면 출력 조인트로 전달하기 위해 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 요 동작은 포착하지 않으며, 상기 요 동작 경로는 출력 조인트로 전달하기 위해 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 요 동작을 포착하지만, 출력 조인트로 전달하기 위해 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 피치 동작은 포착하지 않는다.
예를 들어, 의료 기기(device)는 세장형 툴 프레임의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터; 상기 엔드 이펙터에 무제한 롤을 제공하는 핸들 조립체를 포함할 수 있다. 여기서 상기 핸들은 제1 핸들 부분, 상기 제2 핸들 본체가 제1 핸들 부분에 대하여 제1 축에서 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 제1 축을 따라 상기 제1 핸들 부분에 대하여 병진이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 제2 핸들 부분, 상기 제1 핸들 부분 내에 있고 상기 제1 핸들 부분에 대하여 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제1 핸들 부분에 대하여 상기 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합하는 푸시 로드, 상기 제2 핸들 부분 내에 있고 상기 푸시 로드에 대하여 상기 제1 축에 대해 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 푸시 로드에 대해 상기 제1 축 방향을 따르는 병진이 구속되도록 상기 푸시 로드에 결합하는 셔틀 본체를 포함하며, 상기 셔틀 본체는 상기 제2 핸들 부분에 대해 상기 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제2 핸들 부분에 대해 상기 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제2 핸들 부분에 결합하며, 상기 제1 핸들 본체 상의 엔드 이펙터 제어 입력은 상기 푸시 로드에 결합되고 상기 제1 축 방향을 따라 상기 푸시 로드를 병진 운동 시키도록 구성되며, 상기 제2 핸들 부분의 회전은 상기 엔드 이펙터가 상기 제2 핸들 부분과 함께 회전하도록 상기 엔드 이펙터에 전달되고, 상기 핸들 및 툴 프레임 사이의 입력 조인트를 포함하며, 상기 입력 조인트는 피치 동작 경로 및 요 동작 경로를 포함하고, 여기서 피치 동작 경로 및 요 동작 경로는 독립적이며, 상기 핸들 조립체 및 툴 프레임 사이에 병렬로 결합된다. 여기서 피치 동작 경로는 출력 조인트에 전달을 위해 피치 회전축에 대한 툴 프레임에 대한 핸들의 피치 동작을 포착하나, 출력 조인트로 전달을 위한 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 요 동작은 포착하지 않고, 여기서 요 동작 경로는 출력 조인트로 전달을 위한 요 회전축에 대한 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 요 동작을 포착하나, 출력 조인트로 전달을 위한 툴 프레임에 대한 핸들 조립체의 피치 동작을 포착하지는 않는다. 여기서 피치 회전축 및 요 회전축은 핸들에 근접한 회전 중심에서 교차하며; 상기 엔드 이펙터는 상기 출력 조인트에 의하여 툴 프레임에 결합한다.
이들 장치 중 임의의 장치는 무제한-롤 핸들 조립체 및 팔(예: 팔뚝) 부착물이 있거나 없는 턱 조립체로 구성된 엔드 이펙터 및/또는 관절 장치(예를 들어, 피치 및 요 입력 조인트와 같은 입력 조인트를 포함하는)로 구성되는 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기에서 설명된 의료 장치는, 세장형 툴 프레임의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터; 엔드 이펙터에 무제한 롤을 제공하는 핸들 조립체를 포함할 수 있다. 여기서 상기 핸들 조립체는 제1 핸들 부분, 상기 제2 핸들 본체가 상기 제1 핸들 부분에 대하여 제1 축을 중심으로 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 제1 축 방향을 따라 상기 제1 핸들 부분에 대한 병진이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 제2 핸들 부분, 상기 제1 핸들 부분 내에 있고, 제1 핸들 부분에 대해 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제1 핸들 부분에 대해 상기 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 푸시 로드, 제2 핸들 부분 내에 있고, 상기 푸시 로드에 대해 상기 제1 축을 중심으로 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 푸시 로드에 대해 상기 제1 축 방향을 따라 병진 구속되도록 상기 푸시 로드에 결합되는 셔틀 본체를 포함하고, 상기 셔틀 본체는, 상기 제2 회전 부분에 대해 상기 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제2 핸들 부분에 대해 상기 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제2 핸들 부분에 결합하며, 상기 푸시 로드에 결합하고 상기 제1 축 방향을 따라 상기 푸시 로드를 병진 운동시키도록 구성되는 제1 핸들 부분 상의 엔드 이펙터 제어 입력을 포함하며, 상기 엔드 이펙터는 제1 엔드 이펙터 부분에 이동 가능하게 결합하는 제2 엔드 이펙터 부분을 포함하고, 상기 엔드 이펙터 제어 입력의 작동이 상기 제2 핸들 부분이 상기 제1 핸들 부분에 대하여 제1 축에 대해 임의의 회전 위치에 있을 때 상기 제1 엔드 이펙터 부분에 대하여 상기 제2 엔드 이펙터 부분을 이동시키도록 상기 셔틀 본체를 상기 제2 엔드 이펙터 부분에 연결하는 트랜스미션 케이블을 포함한다. 언급한 바와 같이, 상기 엔드 이펙터는 엔드 이펙터 제어 입력의 작동이 턱 조립체를 열거나 닫도록 구성되는 턱 조립체일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 엔드 이펙터 부분은 제1 엔드 이펙터 부분에 선회식으로(pivotally) 힌지 결합되는 턱 부재를 포함할 수 있다. 상기 턱 조립체는 제1 엔드 이펙터 부분에 선회식으로 힌지 결합되며 트랜스미션 케이블에 결합되는 제3 엔드 이펙터 부분을 또한 포함할 수 있다. 상기 제2 엔드 이펙터 부분은 상기 핸들 상의 엔드 이펙터 제어 입력의 작동이 제2 및 제3 엔드 이펙터 부분을 상기 제1 엔드 이펙터 부분에 대하여 이동시키도록 상기 제3 엔드 이펙터 부분에 결합될 수 있다.
전술한 바와 같이, 임의의 이들 장치는 툴 프레임의 근위 단부에 있는 팔뚝 부착 부분 및 사용자의 손목 또는 팔뚝을 고정하도록 구성되는 통로를 갖는 커프를 포함할 수 있으며, 여기서 커프는 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분에 결합하도록 구성되고, 상기 장치는 또한 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분과 커프 사이의 조인트를 포함할 수 있고, 상기 조인트는 커프와 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분 사이에 하나 이상의 회전 자유도를 제공하도록 구성된다.
예를 들어, 의료 장치는 세장형 툴 프레임의 원위 단부에 있는 엔드 이펙터; 엔드 이펙터에 무제한 롤을 제공하는 핸들 조립체를 포함할 수 있다. 여기서 상기 핸들 조립체는 제1 핸들 부분, 상기 제2 핸들 본체가 제1 축을 중심으로 제1 핸들 부분에 대해 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 제1 축 방향을 따라 상기 제1 핸들 부분에 대하여 병진이 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 제2 핸들 부분, 상기 제1 핸들 부분 내에 있고, 제1 핸들 부분에 대해 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제1 핸들 부분에 대해 상기 제1 축을 중심으로 회전 구속되도록 상기 제1 핸들 부분에 결합되는 푸시 로드, 상기 제2 핸들 부분 내에 있고, 상기 푸시 로드에 대해 상기 제1 축을 중심으로 하나의 회전 자유도를 가지나 상기 푸시 로드에 대하여 상기 제1 축 방향을 따라 병진 구속되도록 상기 푸시 로드와 결합하는 셔틀 본체, 여기서 상기 셔틀 본체는 제2 핸들 부분에 대해 상기 제1 축 방향을 따라 하나의 병진 자유도를 가지나 상기 제2 핸들 부분에 대해 상기 제1 축을 중심으로 회전이 구속되도록 상기 제2 핸들 부분에 결합되며, 상기 푸시 로드에 결합되고, 상기 제1 축 방향을 따라 상기 푸시 로드를 병진 운동 시키도록 구성된 상기 제1 핸들 부분 상의 엔드 이펙터 제어 입력을 포함하며, 상기 제2 핸들 부분의 회전은 상기 엔드 이펙터가 상기 제2 핸들 부분과 함께 회전하도록 상기 엔드 이펙터에 전달되며, 상기 엔드 이펙터는 제2 엔드 이펙터 부분에 이동 가능하게 결합되는 제1 엔드 이펙터 부분을 포함하고, 상기 제2 엔드 이펙터 부분은, 턱 부재 및 상기 엔드 이펙터 제어 입력의 작동이 상기 제2 핸들 부분이 상기 엔드 이펙터의 턱 조립체를 열고 닫기 위하여, 제1 핸들 부분에 상대적으로 제1 축에 대한 임의의 회전 위치에 있을 때, 상기 제2 엔드 이펙터 부분을 상기 제1 엔드 이펙터 부분에 대하여 이동시키도록 상기 셔틀 본체를 상기 제2 엔드 이펙터 부분에 연결하는 트랜스미션 케이블을 포함한다.
본 명세서에서는 엔드 이펙터 작동뿐만 아니라 관절 연결(피치/요), 롤의 효율적인 전달이 있도록, 핸들 조립체 및/또는 엔드 이펙터 조립체 내의 본체들 사이에 특정 자유도 및 구속도를 통합할 수 있는 무제한-롤 메커니즘을 갖는 핸들 조립체를 포함하는 장치(예를 들어, 메커니즘, 장치, 툴, 기계, 시스템 등)가 설명된다. 이들 장치는 또한 독립적인 트랜스미션 부재를 이용함으로써 핸들 조립체 및/또는 엔드 이펙터 조립체 내의 본체 사이에 특정 자유도 및 구속도를 통합할 수 있다. 이들 트랜스미션 부재는 엔드 이펙터 관절 트랜스미션 부재, 엔드 이펙터 롤 트랜스미션 부재 및/또는 엔드 이펙터 작동 트랜스미션 부재일 수 있다. 이러한 트랜스미션 부재들은 독립적일 수도 있고, 다양한 기능의 효율적인 전달에 도움이 되는 경우, 두 개 이상의 독립적인 트랜스미션 부재들이 결합되어 하나의 트랜스미션 부재처럼 동작할 수도 있다.
핸들 조립체의 다양한 실시예는, 미국 특허 제 9,814,451 호 (본 특허 출원의 도 24a)의 도 1에 제시된 구속 맵에 기초한다. 이들 실시예 중 일부는 구성요소, 즉 핸들 본체, 다이얼, 푸시 로드 및 셔틀로 구성될 수 있다. 이 구속 맵은 핸들 조립체의 구조적 구성을 나타낸다. 상기 구속 맵은 여러 종 또는 실시예가 생성될 수 있는 기반(genus)을 제공한다. 도 24a에 도시된 구속 맵은 도 24b에서 확장된다. 도 24b의 구속 맵에 매핑된 핸들 조립체는 두 개의 추가 구성 요소, 즉 폐쇄 입력부 및 롤 입력부를 포함할 수 있다. 이러한 추가 실시예를 설명하는 목적 중 하나는 핸들 조립체의 대체 형태를 제공하는 것이다.
새로운 구속 맵에 기초한 핸들 조립체의 다양한 실시예가 도 31a 내지 도 31b에 제시되어 있다. 상기 구속 맵은 미국 특허 제 9,814,451호의 도 1과 다르고(본 출원의 도 24a 내지 도 24b의 것뿐만 아니라), 이 구속 맵은 4개의 구성요소/본체, 즉 핸들 본체, 폐쇄 입력부, 롤 입력부 및 셔틀을 포함한다. 이들 실시예는 적어도 하나의 자유도를 제공하는 핸들 본체와 폐쇄 입력부 사이에 존재하는 다양한 조인트/메커니즘을 제시한다.
구속 맵에 기초한 핸들 조립체의 다양한 실시예가 도 39에 제시되어 있다. 도 24a 내지 도 24b의 구속 맵에 더하여, 도 39의 구속 맵은, 핸들 본체와 관절-롤 입력부 사이에 3 자유도(3 DoF)(피치, 요 및 롤) 조인트(들)가 존재하도록 핸들 조립체 내의 관절 입력 조인트의 존재를 도시한다.
일 실시예에서, 롤 핸들 조립체는 핸들 본체, 롤 본체, 폐쇄 본체 및 셔틀 본체를 포함할 수 있다. 롤 본체는 핸들 본체에 결합된다. 롤 본체는 핸들 본체에 대해 롤 축을 중심으로 회전 자유도를 갖는다. 롤 본체는 핸들 본체에 대해 롤 축을 따르는 병진이 구속된다. 폐쇄 본체는 핸들 본체에 결합된다. 폐쇄 본체는 핸들 본체에 대해 하나 이상의 동작 자유도를 갖는다. 셔틀 본체는 롤 본체에 결합되고 폐쇄 본체에 결합된다. 셔틀 본체는 롤 본체에 대해 롤 축을 따라 병진 자유도를 갖는다. 셔틀 본체는 롤 본체에 대해 롤 축을 중심으로 회전 구속된다. 셔틀 본체는 폐쇄 본체에 대해 롤 축을 중심으로 회전 자유도를 갖는다.
일 실시예에서, 롤 핸들 조립체는 핸들 조립체, 프레임 및 입력 조인트를 포함할 수 있다. 핸들 조립체는 핸들 본체, 롤 본체 및 셔틀 본체를 포함할 수 있다. 롤 본체는 핸들 본체에 결합된다. 롤 본체는 핸들 본체에 대해 롤 축에 대한 회전 자유도를 가지며 핸들 본체에 대해 롤 축을 따라 병진이 구속된다. 셔틀 본체는 롤 본체에 결합되고 롤 본체에 대해 롤 축을 따라 병진 자유도를 갖는다. 셔틀 본체는 롤 본체에 대해 롤 축에 대해 회전 구속된다. 입력 조인트는 핸들 조립체와 프레임 사이에 피치 회전 및 요 회전을 제공한다.
도 1은, 결합된 구성요소 사이의 자유도 및 구속도를 도시하는 4개의 부품(part)을 갖는 무제한-롤 핸들 조립체(핸들 조립체)의 구속 맵이다.
도 2는, 상기 핸들 조립체를 형성하는 4개의 본체의 각 인터페이스의 속성을 나타내는 무제한-롤 핸들 조립체의 개념적 모델의 개략도이다.
도 3a는, 정사각형 슬롯 및 정사각형 키 특징으로 도시된 예시적인 무제한-롤 핸들 조립체(예를 들어, H. 본체 A 및 H. 본체 C)의 2개의 본체 사이의 인터페이스의 예를 도시한다.
도 3b는, 회전 구속을 야기하는 본체들 사이의 최소 키잉 표면을 갖는 예시적인 무제한-롤 핸들 조립체(예를 들어, H. 본체 A 및 H. 본체 C)의 두 본체 사이의 인터페이스의 예를 도시한다.
도 3c는, D-샤프트로 도시된 예시적인 무제한-롤 핸들 조립체(예를 들어, H. 본체 A 및 H. 본체 C)의 2개의 본체와 대응하는 슬롯 특징 사이의 인터페이스의 예이다.
도 3d는, 무제한-롤 핸들 조립체의 두 본체(예: H. 본체 A 및 H. 본체 B) 사이의 인터페이스 역할을 하는 스러스트 베어링의 예이다.
도 3e는, H. 본체 A와 H. 본체 B 사이의 인터페이스 역할을 하는 측면 와셔가 있는 스러스트 베어링을 포함하는 무제한-롤 핸들 조립체의 일부 예를 보여준다.
도 3f는, 무제한-롤 핸들 조립체의 일례에서 H. 본체 A와 H. 본체 B 사이의 인터페이스 역할을 하는 와셔의 예를 보여준다.
도 3g는, 무제한-롤 핸들 조립체의 H. 본체 A와 H. 본체 B 사이의 인터페이스 역할을 하는 부싱을 보여준다.
도 3h는, 무제한-롤(예를 들어, 롤) 핸들 조립체의 일부로서 그들 사이의 인터페이스로서 작용하는 스러스트 베어링을 갖는 인장 하중 하의 예시적인 H. 본체 A 및 H. 본체 B를 도시한다.
도 3i.1 내지 도 3i.4는, 각각 니들 스러스트 베어링, 롤러 스러스트 베어링, 롤러 베어링 및 앵귤러 콘택트 롤러 베어링을 도시하며, 이들 각각은 무제한-롤 핸들 조립체의 일부로 사용될 수 있다.
도 3j는, 무제한-롤 핸들 조립체의 일부로서 사용될 수 있는 테이퍼 롤러 베어링의 예를 도시한다.
도 3k는, 무제한-롤 핸들 조립체의 일부로 사용할 수 있는 레이디얼 베어링을 도시한다.
도 3l은, 무제한-롤 핸들 조립체의 다른 본체에 적용된 예시적인 하중 조건을 도시한다.
도 4a는, 본 명세서에 기술된 무제한(“무한(infinity)”) 핸들의 예를 도시하며, 이는 인체공학적 핸들로서, 도 1에 도시된 구속 맵의 하나의 구현이다.
도 4b는, 도 4a의 무제한-롤 핸들 조립체의 분해도이며, 여기서 제1 핸들 부분은 손바닥 파지(H. 본체 A)로 구성되고, 제2 핸들 부분은 다이얼(H. 본체 B)로 구성되며, 손바닥 파지 내부에 푸시 로드(H. 본체 C)가 위치하고, 셔틀(H. 본체 D)은 제2 핸들 부분 내부에 있다. 상기 엔드 이펙터 제어 입력(예: 핸들 레버)은 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 손바닥 파지에 부착될 수 있다.
도 5는, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 것과 같은 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 의료 장치(예를 들어, 복강경 장치(laparoscopic device))의 일례를 도시한다. 이 의료 기기는 베타 구성의 툴 장치의 실시예이다.
도 6은, 무제한-롤(롤) 핸들 조립체를 포함하는 의료 장치의 툴 샤프트의 팔뚝 부착 부분과 결합할 수 있는 커프의 예를 도시한다. 상기 커프는 사용자의 손목 또는 팔뚝을 잡도록 구성된 통로를 포함하고, 상기 커프는 상기 툴 프레임의 팔뚝 부착 부분에 결합되도록 구성된다.
도 7은, 도 5에 도시된 것과 같은, 그러나 닫힌 턱 구성인, 무제한-롤 핸들 조립체 및 턱 조립체 엔드 이펙터를 갖는 의료 장치의 또 다른 예를 도시한다. 이 의료 기기는 베타 구성에서 툴 장치의 실시예이다.
도 8은 무제한-롤 핸들 조립체와 턱 조립체로 구성된 원위 엔드 이펙터를 모두 갖는 의료 장치의 또 다른 도면이며, 여기서 상기 원위 엔드 이펙터는 바늘형 물체 상에 클램핑하는 닫힌 턱와 관절로 연결된 위치에 있는 것으로 보여지며, 상기 무제한-롤 핸들 조립체는 도 4a 내지 도 4b에 도시된 것과 유사하다. 이 의료기기는 베타 구성에서 툴 장치의 실시예이다.
도 9는, 회전 다이얼(H. 본체 B)을 엔드 이펙터에 연결하는 엔드 이펙터 트랜스미션을 도시하는 턱 조립체로서 구성된 원위 엔드 이펙터 및 무제한-롤 핸들 조립체를 모두 갖는 의료 장치의 다른 예를 도시한다. 이 의료 기기는 알파 구성의 툴 장치의 실시예이다. 이 의료기기는 알파 구성에서 툴 장치의 실시예이다.
도 10은, 무제한-롤 핸들 조립체와 턱 조립체로 구성된 원위 엔드 이펙터를 포함하는 또 다른 장치의 예를 보여주며, 여기서 장치는 관절이 없는 “직선 스틱(straight stick)” 복강경 기기이다.
도 11은, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 것과 같은 무제한-롤 핸들 조립체를 사용하는 또 다른 관절식 의료 기기의 예를 도시한다.
도 12는, 손바닥 파지/핸들 쉘(H. 본체 A)이 회전 다이얼(H. 본체 B)의 말단에 있는 대안적인 무제한-롤 핸들 조립체의 예이다.
도 13은, 무제한-롤 핸들 조립체의 관련된 회전 다이얼의 개별 회전 위치를 제공하기 위한 래칫 메커니즘의 사용을 도시한다.
도 14는, 무제한-롤 핸들 조립체를 사용하는 장치의 다른 실시예를 도시한다.
도 15는 턱 조립체로서 구성된 엔드 이펙터에 결합된 무제한-롤 핸들 조립체의 또 다른 예이다.
도 16은, 무제한-롤 핸들 조립체 및 팔(팔뚝) 부착물을 포함하는 예시적인 수술 기기의 전방 사시도이다. 이 수술 장치는 알파 구성에서 툴 장치의 실시예이다.
도 17은, 툴 프레임과 엔드 이펙터(턱 조립체로 구성된 것으로 표시됨) 사이에 위치된 출력 조인트에 피치 및 요 운동을 전달하는 병렬 운동학적 메커니즘에 의해 피치 및 요 관절 연결을 포착하는 입력 조인트와 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 예시적인 수술 장치의 측면 사시도이다. 이 수술 장치는 베타 구성에서 툴 장치의 실시예이다.
도 18a 내지 도 18d는, 무제한-롤 핸들 조립체, 턱 조립체로 구성된 엔드 이펙터 조립체, 툴 샤프트, 툴 프레임, 근위 팔뚝 부착물 및 툴 프레임에 관한 핸들 조립체의 피치 및 요 관절 연결을 제공하는 입력 조인트를 포함하는 의료 장치의 전방 사시도, 좌측 사시도, 후방 사시도 및 우측 사시도를 각각 제공하며, 입력 조인트의 피치 및 요 관절 연결은 상기 엔드 이펙터에 관절 연결하는 출력 조인트에 전달된다. 상기 입력 조인트는 장치가 사용자에게 부착될 때 대략 사용자의 손목 내에 위치하는 가상 회전 중심을 제공하는 회전 중심(피치 및 요 축이 교차하는 곳에 위치)을 가진다. 이 의료 장치는 베타 구성에서 툴 장치의 실시예이다.
도 19a는, 도 18a 내지 도 18d에 도시된 것에 대응하며, 사용자의 손에 고정된 무제한-롤 핸들 조립체와 함께 사용자의 팔뚝에 결합된 의료 장치의 일부의 측면도를 도시한다. 이 의료 기기는 베타 구성에서 툴 장치의 실시예이다.
도 19b는 도 19a의 장치의 약간의 확대도를 도시한다.
도 19c는 사용자가 툴 프레임에 관해 피치 및 요에서 핸들 조립체를 관절화(articulating)하는 도 19a의 장치를 보여주며, 도 19a 내지 도 19b에 도시된 방향에 관해 회전하는 툴 프레임과 함께, 상기 엔드 이펙터 조립체가 핸들의 방향을 추적함을 도시한다.
도 20a는, 무제한-롤 핸들 조립체, 입력 조인트, 출력 조인트 및 턱 조립체로 구성된 엔드 이펙터를 포함하는 도 18a 내지 도 18d에 도시된 장치의 구속 맵이다.
도 20b는, 본 명세서에 기술된 다른 장치에 대한 대안적인 구속 맵을 도시한다.
도 21a 내지 도 21b는, 베타 구성(A)의 툴 장치에 사용되고, 알파 구성(B)의 툴 장치에 사용되는 엔드 이펙터 조립체의 유형을 도시한다.
도 22a 내지 도 22b는, (A) 알파 구성의 툴 장치 및 (B) 베타 구성의 툴 장치를 도시한다.
도 23은, 베타 구성의 툴 장치의 실시예를 도시한다.
도 24a 내지 도 24b는, 핸들 조립체에 대한 구속 맵 A 및 구속 맵 B를 도시한다.
도 25a 내지 도 25c는, 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 툴 장치에 대한 가능한 구성 맵을 도시한다.
도 26은, 폐쇄 입력부 메커니즘으로서 랙 및 피니언 기어세트로 구성된 핸들 조립체를 도시한다.
도 27은, 폐쇄 입력부 메커니즘으로서 나사 메커니즘으로 구성된 핸들 조립체를 도시한다.
도 28a 내지 도 28c는, 폐쇄 입력부 메커니즘으로서 가요성 연결 부재로 구성된 핸들 조립체(A); 피벗 체인의 실시예(B); 및 폐쇄 입력부 메커니즘으로서 피벗 체인으로 구성된 핸들 조립체(C)를 도시한다.
도 29a 내지 도 29b는, 롤 입력부 메커니즘으로서 베벨 기어세트로 구성된 핸들 조립체를 도시하며 (A)는 정면도이고, (B)는 확대도이다.
도 30a 내지 도 30e는, 순응(compliant)(선형 변위) 메커니즘으로 구성된 핸들 조립체(A); 셔틀과 다이얼 사이의 순응 선형 베어링 인터페이스(B); 셔틀과 다이얼 사이의 직교 평면 베어링 인터페이스(C); 2개의 본체 사이의 간단한 순응 메커니즘의 실시예(D); 및 두 본체 사이의 순응 빔 기반 프리즘 조인트(E)를 도시한다.
도 31a 내지 도 31b는, 폐쇄 본체, 핸들 본체, 회전 입력부, 셔틀 및 이들 본체 사이의 조인트/메커니즘을 포함하는 핸들 조립체를 나타내는 구속 맵 C를 도시하고(A), 폐쇄 입력부 및 롤 입력부(B)을 또한 포함하는 확장된 구속 맵 C를 도시한다.
도 32a 내지 도 32b는, 폐쇄 본체와 셔틀 사이의 볼과 갈래(prong) 인터페이스로 구성된 핸들 조립체 - 등각 단면도(A); 및 폐쇄 본체와 셔틀 사이의 볼 및 갈래 인터페이스로 구성된 핸들 조립체 - 단면도(B)를 도시한다.
도 33은, 폐쇄 본체와 셔틀 사이의 나사 메커니즘으로 구성된 핸들 조립체를 도시한다.
도 34a 내지 도 34c는, 다이어프램 스프링의 실시예(A); 다이어프램 스프링인 폐쇄 본체로 구성된 핸들 조립체 ― 등각 단면도(B); 및 다이어프램 스프링인 폐쇄 본체로 구성된 핸들 조립체 - 단면도(C)를 도시한다.
도 35a 내지 도 35c는, 반시계 방향 래칫(A); 시계 방향 래칫(B); 및 섹션 1 및 섹션 2 위치를 보여주는 다이얼-셔틀 개략도(C)를 도시한다.
도 36a 내지 도 36d는, 개별 다이얼 회전을 위한 잠금 레버를 보여주는 핸들 조립체 - 정면도(A); 개별 다이얼 회전을 위한 잠금 레버를 보여주는 핸들 조립체 ― 등각도(B); 개별 다이얼 회전을 위한 잠금 레버를 보여주는 핸들 조립체 ― 투명(transparent) 레버가 있는 등각도(C); 및 잠금 레버의 격리된 단면과 핸들 본체의 짝을 이루는 슬롯 특징(D)을 도시한다.
도 37a 내지 도 37b는, 다이얼과 핸들 본체로 구성된 개별 바이너리(binary) 또는 쌍안정(bistable) 회전 메커니즘(핸들 조립체의 일부일 수 있는) (A); 및 예시적인 쌍안정 순응 메커니즘(B)를 도시한다.
도 38a 내지 도 38b는, 핸들 본체, 다이얼 및 연속/불연속 다이얼 회전 상태 스위치를 포함하는 개략도(A)와 핸들 본체, 다이얼 및 연속/불연속 다이얼 회전 상태 스위치를 포함하는 장치의 예(B)를 도시한다.
도 39는, 아트롤(art-roll) 입력과 핸들 본체 사이의 관절 연결 자유도를 포함하는 구속 맵 D를 도시한다.
도 40은, 본체 “아트 롤 입력부(art-roll input)”과 “핸들 본체(handle body)” 사이의 직렬 입력 조인트를 보여주는 실시예를 도시한다.
도 41은, 관절 입력을 수신하는 인코더와 함께 볼 기반 아트 롤 입력부를 보여주는 실시예를 도시한다.
도 42는, 아트 롤 입력부와 핸들 본체 사이의 변환기 기반 관절 입력 조인트를 보여주는 실시예를 도시한다.
무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 장치가 여기에서 설명된다. 본 명세서에 설명된 무제한-롤 핸들 조립체는 임의의 장치(예를 들어, 장치, 도구, 시스템, 기계 등)에 통합될 수 있지만, 특히 본 명세서에서는 툴 프레임의 원위 단부에 엔드 이펙터를 갖는 프레임을 가지는 세장형 툴 프레임(예를 들어, 툴 샤프트 또는 툴 샤프트를 포함하는)의 근위 영역에 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 장치가 설명된다. 상기 장치는 근위 단부에 팔뚝 부착물을 포함할 수 있다: 팔뚝 부착물은 사용자의 손이 무제한-롤 핸들 조립체를 잡는 동안, 사용자의 팔뚝과 툴 프레임 사이에 하나 이상의 자유도를 허용할 수 있다. 장치는 관절식(articulating)일 수 있다. 예를 들어, 툴 프레임은, 핸들 조립체가 이동함에 따라 엔드 이펙터가 이동할 수 있도록, 핸들 조립체와 엔드 이펙터 사이의 출력 조인트로의 전달을 위해 핸들 조립체와 툴 프레임 사이의 움직임(예를 들어, 피치 및 요 움직임)을 포착할 수 있는 입력 조인트를 상기 무제한-롤 핸들 조립체와 툴 프레임 사이에서 포함할 수 있다. 임의의 적절한 엔드 이펙터가 사용될 수 있지만, 일부 변형에서 엔드 이펙터는 적어도 한 쌍의 턱(엔드 이펙터 부분)를 포함하는 턱 조립체이며, 이는 장치의 핸들 조립체에 있는 엔드 이펙터 제어 입력에 의해 작동될 때 턱을 개방 및/또는 폐쇄하도록 이동한다.
일반적으로, 본 명세서에 기술된 무제한-롤 핸들 조립체는, 손바닥 파지에 대한 다이얼 부분의 임의의 회전 위치로부터 엔드 이펙터를 작동시키기 위하여 엔드 이펙터 제어 입력의 작동을 여전히 허용하는 동안, 핸들 조립체의 손바닥 파지 부분과 관련된 중심축에 대한 핸들 조립체의 손잡이 또는 다이얼 부분의 무제한 회전을 제공하기 위하여 함께 상호 작용하는 4개 이상(어떤 경우에는 오직 3개인) 부분을 가지도록 구성될 수 있다. 장치의 손잡이 또는 다이얼 부분의 회전은 엔드 이펙터의 회전을 유발하고 경우에 따라 툴 프레임의 회전을 유발하기도 한다.
다양한 본체 사이의 상대적인 자유도(DoF, Degrees of Freedom)와 구속도(DoC, Degrees of constraint)의 개념적 모델을 보여주는 무제한-롤 핸들 조립체 또는 핸들 조립체의 구속 맵이 도 1에 도시되어 있다. 일반적으로, 두 본체 사이의 자유도(DoF)는 두 본체 사이에 특정한 방향으로 특정한 상대 운동이 허용된다는 것을 의미한다. 두 본체 사이의 구속도(DoC)는 두 본체 사이의 특정 방향으로의 특정 동작이 구속되어 전달됨을 의미한다. 상기 핸들 조립체는 일반적으로 H. 본체 A(101), H. 본체 B(102), H. 본체 C(103) 및 H. 본체 D(104)로 총칭되는 강성 본체를 포함한다. H. 본체 A(101)는 다른 모든 본체의 움직임은 H. 본체 A(101)에 대하여 기술될 수 있다는 점에서 기준 접지이다. 예를 들어, H. 본체 A(101)는 손바닥 파지(palm grip)일 수 있다. 일반적으로 이러한 본체 중 다른 본체는 나머지 본체의 동작을 설명하기 위한 접지 기준으로 사용할 수 있다. 높은 수준에서 핸들 조립체의 기능은 기준 접지로 간주되는 본체와 독립적이다.
H. 본체 A(101)를 접지 기준으로 사용하면, H. 본체 C(103)는 H. 본체 A(101)에 대해 제1 축 방향(예를 들어, 축 1)을 따라 단일 병진 자유도(DoF)(105’)를 가지며, 축 1에 대해 H. 본체 A(101)에 대한 회전 구속(DoC)(105”)을 가진다. 이는 H. 본체 C(103)과 H. 본체 A(101) 사이에 축 1 방향을 따른 상대 병진 운동이 허용됨을 의미한다. 그러나, 축 1에 대한 상대 회전은 둘 사이에 허용되지 않으므로, 따라서 한 쪽에서 다른 쪽으로 또는 그 반대로 전달된다. H. 본체 B(102)는 축 1을 중심으로 H. 본체 A(101)에 대해 회전 DoF (106’)를 갖고, 축 1 방향을 따라 H. 본체 A(101)에 대해 병진 구속(DoC) (106”)을 갖는다. H. 본체 D(104)는 축 1 방향을 따라 H. 본체 B(102)에 대해 단일 병진 운동 DoF(107’)을 가지고 축 1에 대해 H. 본체 B(102)에 대한 회전 DoC 구속(107”)을 갖는다. H. 본체 D(104)는 축 1에 대해 H. 본체 C(103)에 대한 회전 DoF (108’) 및 축 1 방향을 따른 H. 본체 C(103)에 대한 병진 구속(DoC) (108”)을 가진다.
도 2는 도 1에 도시된 구속 맵에 맞는 무제한-롤 핸들 조립체의 일 실시예를 도시한다. 비록 도 2는 원통형인 H. 본체 A(101) 및 H. 본체 B(102)를 도시한 것이나, 도 2의 개략도는 각 본체의 실제 기하학적 특징을 묘사하지 않으며, 이러한 본체는 위에서 언급한 다양한 본체 간의 조인트 조건/구속을 만족하는 한 일반적인 형상이 될 수 있다.
도 1의 구속 맵은 핸들 조립체의 다음 기능을 초래한다: H. 본체 A(101)를 기준으로 사용(즉, 정지된 것으로 가정)하며, 이 메커니즘은 축 1(111)을 중심으로 H. 본체 A(101)에 관하여 H. 본체 B(102)의 독립적인 회전을 허용한다. 이 동안, H. 본체 D(104)는 H. 본체 B(102)을 따라 역시 축 1(111)을 중심으로 회전하며, H. 본체 C(103)의 회전은 H. 본체 A(101)의 회전과 연동되므로, H. 본체 C(103)는 회전하지 않는다. 동시에, 축 1(111) 방향을 따라 정지된 H. 본체 A(101)에 대한 비회전 H. 본체 C(103)의 임의의 축 방향 병진 이동은, H. 본체 D(104)에 전달되며, 그 순간 H. 본체 B(102) 및 H. 본체 D(104)는 축 1(111)에 대하여 회전한다.
무제한-롤 핸들 조립체 내의 본체 사이의 조인트는 일반적으로 서로에 대해 회전을 허용하거나 방지하는 인터페이스 기하학적 구조를 포함한다. 또한, 이러한 조인트는 일반적으로 서로에 대해 병진 운동을 허용하거나 방지하는 인터페이스 기하학적 구조를 포함한다. 한 본체가 다른 본체에 대해 회전할 수 있는 조인트의 경우, 이 조인트는 하나 이상의 원통형 표면을 포함할 수 있으며 이러한 표면은 베어링, 부싱 또는 마찰 저항을 최소화하는 윤활성 표면 처리로 가능할 수 있다. 조인트 병진 운동을 위하여, 이러한 표면은 선형 베어링 또는 윤활성 표면 처리를 포함할 수도 있다. 전체 메커니즘으로서 병진 운동과 회전 모두에 대한 마찰 저항이 감소한다는 것은, H. 본체 D(104)의 동시 동작이 회전과 병진 운동 모두에서 일어나는 반면, H. 본체 C(103)는 오직 병진 운동만 하고, H. 본체 B(102)는 오직 회전만 한다는 것을 의미하고, 모두 H. 본체 A(101)에 대해 이루어진다. 따라서 이 구속 맵의 기능을 설명하는 또 다른 방법은, H. 본체 B(102)의 회전과 H. 본체 C(103)의 병진 운동이 H. 본체 D(104)로 전달된다는 것이다. 이를 역으로 고려하면, H. 본체 D(104)는 H. 본체 A(101)에 대해 두 개의 DoF를 가지며, 축 1(111) 방향을 따라 병진 운동하고, 축 1(111)에 대해 회전한다. 이 두 동작의 임의 조합은 오직 H. 본체 C(103)에서 병진 운동하고, 오직 H. 본체 B(102)에서 회전으로 분리될 수 있다.
여기에 설명된 조인트 중 어떤 것이라도 출력(예를 들어, 출력 조인트)으로의 전달을 위해 포착될 수 있다. 상기 전달은 기계적, 전기적 또는 기타 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어 센서는, H. 본체 D(104)에 적용되는 회전 및 변환의 임의 조합에 대해 이산/개별 값을 제공할 수 있는 H. 본체 C(103) 상의 선형 변위 센서와 H. 본체 B(102)의 회전 센서와 같이, 이 두 본체 사이에 위치할 수 있다. 이러한 전기 신호는 유선 또는 무선 수단을 통해 메카트로닉스, 로봇, 전자 또는 컴퓨터 제어 시스템으로 전송될 수 있다. 이러한 센서는 다양한 유형의 인코딩 기술(예: 전기, 광학 등)을 사용할 수 있다. 대안적으로, 센서 대신 액추에이터를 이러한 위치에 배치할 수 있으며, 예를 들어 H. 본체 A(101)과 H. 본체 C(103) 사이에 선형 병진 운동 액추에이터를 배치하고, H. 본체 A(101)과 H. 본체 B(102) 사이에 회전 액추에이터를 배치할 수 있다. H. 본체 A(101)에 대해 H. 본체 D(104)에서 결합된 동작에 이 두 본체에서 임의의 이산/개별 동작 입력이 추가된다.
일반적으로 자유도(DoF)는 특정 방향으로 두 물체 사이의 특정 상대 운동이 허용됨을 의미하고, 구속도(DoC)는 특정 방향으로 두 물체 사이의 특정 상대 운동이 제한되고, 따라서 전달되는 것을 의미한다. 도 1의 모든 동작은 핸들 쉘(H. 본체 A(101)에 해당)에 대한 핸들 다이얼(H. 본체 B(102)에 해당)의 회전축인 축 1(111)(미도시)에 대해 정의된다. 명시적으로 언급되지 않은 동작 방향은 DoF 또는 DoC일 수 있다.
여기에서 자유도를 설명하는 데 사용되는 축은 공간의 특정 선을 나타낸다. 본체는 특정 축을 중심으로 다른 본체에 대해 회전할 수 있다. 본체는 특정 방향을 따라 다른 본체에 대하여 병진 운동할 수 있다. 방향은 특정 축에 의해 정의되지 않고 대신 일반적으로 여러 평행 축에 의해 정의된다. 따라서, X축은 도면에 정의되어 표시된 특정 축이며, X방향은 이 X축의 방향을 의미한다. 서로 다르지만 평행한 여러 X 축은 동일한 X 방향을 가질 수 있다. 방향은 방향(orientation)만 있고 공간에서의 위치는 없다.
도 1에서, H. 본체 C(103)는 H. 본체 A(101)에 대해 축 1(111)(미도시) 방향을 따라 단일 병진 DoF(105’)를 갖는 것으로 도시되며 그 반대도 마찬가지이다. H. 본체 C(103)는 또한 H. 본체 A(101)에 대해 축 1(111)에 대한 회전 구속(DoC)(105”)를 가지며 그 반대도 마찬가지이다. 이러한 형태의 H. 본체 A(101)와 H. 본체 C(103)의 조인트는, 다양한 실시예를 통해 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 인터페이싱 본체는, 축 1(111)에 대한 상대 회전을 제한하고 동시에 축 1(111) 방향을 따라 상대 병진 운동을 허용하는, 그들 사이의 키잉(keying) 특징을 갖는다. 도 3a는, H. 본체 A(101)와 H. 본체 C(103) 사이에 존재할 수 있는 조인트를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3a에서 정사각형 길이 방향 슬롯을 갖는 외부 본체는 H. 본체 A(101, 301)에 해당하고, 내부 정사각형 키(key)는 H. 본체 C(103, 303)에 해당할 수 있다. H. 본체 A(101, 301)가 기준 접지에 고정되어 있음을 고려하면, H. 본체 C(103, 303)는 축 1(111, 311) 방향을 따라 이동할 수 있지만, 정사각형 단면 조인트에 의해 발생하는 간섭으로 인해 축 1(111, 311)에 대해 회전할 수 없다. 이 조인트는 동일한 단일 축(축 1 (111, 311)) 회전 구속 및 단일 축(축 1 (111, 311)) 병진 DoF를 제공할 수 있는 직사각형 단면을 가질 수 있다고 고려될 수도 있다.
이 조인트의 기능적 측면은 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 C(103, 303) 사이에서 축 1(111, 311) 방향을 따른 저마찰 상대 슬라이딩 동작이다. 이를 달성하기 위해, 두 본체(H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 C(103, 303)) 사이의 표면 접촉은, H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 C(103, 303)의 표면 사이에 큰 마찰 접촉을 피하기 위해 최소화 될 필요가 있다. 따라서, 마찰 접촉이 적은 H. 본체 A(101, 301)과 H. 본체 C(103, 303) 사이의 동일한 조인트를 달성하는 한 가지 방법은, 두 본체 사이의 접촉 표면적을 최소화하는 것이다. 도 3b는 H. 본체 C(103, 303)의 바퀴살(spoke)을 H. 본체 A(101, 301)의 대응 슬롯과 인터페이싱함으로써, H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 C(103, 303) 사이의 표면 접촉을 감소시키는 한 가지 방법을 보여준다.
도 3a 및 도 3b는 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 C(103, 303) 사이에 구속 및 DoF를 달성한 예를 보여주나, 상기 구속 및 DoF들이 충족된다면 서로 다른 기하학적 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3c는 H. 본체 A(101, 301)에 존재하는 대응 슬롯과 맞물리는 D-샤프트(303)(H. 본체 C(103, 303))의 편평한 단부를 통해 본질적으로 키잉 인터페이스(320)을 제공함으로써 이 조인트가 달성될 수 있는 한 가지 방법을 보여준다.
H. 본체 B(102, 302) 및 H. 본체 D(104, 304)는 축 1(111, 311)에 대한 회전 DoC(107”) 및 축 1(111, 311) 방향에 따른 단일 병진 DoF(107’)를 갖는다. 이것은 H. 본체 A(101, 301)과 H. 본체 C(103, 303) 사이에 존재하는 회전 DoC (105”) 및 병진 DoF (105’)와 동일한 유형이다. 따라서, H. 본체 A(101, 301) 와 H. 본체 B(102, 302) 사이의 조인트를 얻기 위한 방법의 각각은, 또한 H. 본체 B(102, 302)와 H. 본체 D(104, 304) 사이의 조인트에도 적용 가능하고, 주어진 구속 및 DoF 요구 사항이 충족된다.
H. 본체 B(102, 302)와 H. 본체 D(104, 304) 사이, 뿐만 아니라 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 C(103, 303) 사이의 모든 조인트는, 본체들 사이의 저 마찰 표면 접촉을 포함하거나 요구할 수 있다. 이는, 축 1(111, 311)에 대한 단일 회전 구속(DoC)(105”, 107”) 및 축 1(111, 311) 방향을 따른 단일 병진 DoF(105’, 107’)와 함께 이들 본체 사이의 조인트를 완전히 정의할 수 있다. 유사하게, 단일 DoC, 단일 DoF 및 기능적 요구사항은 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이의 조인트뿐만 아니라, H. 본체 C(103, 303)와 H. 본체 D(104, 304) 사이의 조인트를 정의한다. H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302)는 서로에 대한 축 1(111, 311)에 대해 단일 회전 DoF(106’) 및 축 1(111, 311) 방향에 따른 단일 병진 구속(DoC)(106’)을 가질 수 있다. H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302)는 축 1(111, 311)을 중심으로 서로에 대해 회전하는 동안 그들 사이에 낮은 마찰 조인트를 제공하는 기능적 요구사항을 가질 수 있다. 이 기능적 요구사항은, H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302) 또는 H. 본체 C(103, 303) 및 H. 본체 D(104, 304) 듀오(duos) 중 어느 하나가 축 1(111, 311)에 대한 회전 DoF(106’, 108’) 및 축 1(111, 311) 방향에 따른 병진 구속(DoC)(106”, 108”)을 충족하는 동안, 압축 또는 인장 하중을 받을 수 있는 것으로부터 생겨난다.
예를 들어, H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302)가 축 1(111, 311)에 수직인 표면이 압축되도록 배치된 경우, 그들은 축 1(111, 311)에 대한 회전 DoF(106’ )를 제공하기 위하여 각 본체의 표면에 작용하는 수직력을 극복할 필요가 있다. 따라서, 축 1(111, 311)에 대한 회전 DoF(106’) 및 축 1(111, 311) 방향에 따른 병진 구속(106”)을 제공하기 위하여, H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302)의 표면은, 본체가 축 1(111, 311)을 중심으로 서로에 대해 회전할 수 있도록 낮은 마찰 접촉을 제공할 필요가 있을 수 있다. 도 3d는 저마찰 표면 접촉을 제공함으로써 원하는 회전 DoF(106’) 및 병진 구속(DoC)(106”)을 얻는 한 가지 방법을 보여준다. 이 예에서, 스러스트 베어링(330, thrust bearing)은 두 본체 사이에 스러스트 하중을 유지함으로써 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302)의 표면 사이에 낮은 마찰 접촉을 유지하면서 회전 DoF(106’)를 제공하는 데 사용된다. 마찬가지로, 이 기능은 회전 DoF(106’) 및 병진 구속(106”) 요구 사항을 충족하는 다른 많은 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 각각 레이디얼(radial) 및 스러스트 하중을 유지할 수 있는 앵귤러 콘택트 볼 베어링(angular contact ball bearing) 및 롤러 볼 베어링(roller ball bearing) 중 하나는, H. 본체 A(101, 301)과 H. 본체 B(102, 302) 사이에 사용될 수 있다. 대안적으로, 두 본체 사이의 부싱(Bushing)이 사용되어 스러스트 하중을 견딜 수 있는 용량을 제공하면서도 레이디얼 지지를 제공할 수 있다. 도 3e는 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이에서 각 측면에 와셔(334, 335)가 있는 스러스트 베어링(333)을 가짐으로써 스러스트 하중이 지지될 수 있는 한 가지 방식을 보여준다. 도 3f는 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이에 마찰 계수가 낮은, 테프론(Teflon)(PTFE), 나일론 등의 재료로 된 단일 와셔(340)를 사용하여, 축 1(111, 311)에 대한 회전 DoF(106’)를 제공하면서 스러스트 하중을 지지하는 또 다른 방법을 보여준다. 또 다른 대안적인 실시 예에서, 도 3g는 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302)의 인터페이스 표면 사이에 배치된 부싱(345)을 보여주며, 이는 스러스트 하중을 유지할 수 있어 축 1(111, 311) 방향을 따라 병진 구속(DoC)(106”)을 제공할 수 있다.
스러스트 하중을 전달하고, 축 1(111, 311)에 대해 회전 DoF(106’)를 제공하고, 축 1(111, 311) 방향을 따라 병진 구속(DoC)(106”)을 제공하는 중간 부재를 갖는 2개의 본체의 동일한 시스템은, 도 3d, 도 3e 및 도 3f에 도시된 바와 같이, H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이에 인장 하중- 압축 하중과 반대되는-이 있을 때도 잘 작동한다. 도 3d에 도시된 실시예와 유사한 실시예가 도 3h에 도시되어 있으며, 여기서 스러스트 베어링(347)은 축 1(111, 311)에 수직으로 마주하면서, H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이에 위치한다. H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이의 스러스트 베어링(347)은, 스러스트 니들 베어링, 스러스트 롤러 베어링, 롤러 베어링, 테이퍼 롤러 베어링, 앵귤러 콘택트 베어링 등과 같은 다양한 유형일 수 있으며, 이들 중 일부는 도 3i.1부터 도 3i.4에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3h는, H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이의 조인트 역할을 하는 스러스트 롤러 베어링(347)을 도시한다. 또한, H. 본체 C(103, 303) 및 H. 본체 D(104, 304)는 H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302)와 동일한 형태의 조인트를 가질 수 있으며, 이 섹션에서 언급된 전술한 모든 조인트 유형을 준수할 수 있다.
도 3 i.1 내지 도 3i.4 및 도 3j 및 도 3k 에 예시된 바와 같이, 예를 들어 테이퍼 롤러 베어링(349), 레이디얼 볼 베어링(394) 등과 같은 다른 유형의 베어링이 전술한 스러스트 베어링(330, 333, 347)에 대한 대안으로서 또는 조합하여 사용될 수 있다.
따라서, H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302)는 축 1(111, 311)을 따라 압축 또는 인장 하중을 받을 수 있다. 또한, H. 본체 C(103, 303) 및 H. 본체 D(104, 304) 역시 축 1(111, 311) 방향을 따라 압축 또는 인장 하중을 받을 수 있다. 이는 도 1의 개략도에 제시된 전체 시스템에 대해 두 가지 가능한 조합을 제공한다(인장 하중 또는 압축 하중을 받는 상태). H. 본체 A(101, 301) 및 H. 본체 B(102, 302) 또는 H. 본체 C(103, 303) 및 H. 본체 D(104, 304)의 두 본체 시스템 중 어느 하나는, 인장 또는 압축 하중을 받을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, H. 본체 A(101, 301)를 기준 접지로 하여 H. 본체 B(102, 302)는 H. 본체 A(101, 301)에 대하여 인장 또는 압축을 받을 수 있다. 그러나 H. 본체 C(103, 303)는 H. 본체 A(101, 301)에 대해 축 1(111, 311) 방향을 따라 자유롭게 이동하고, H. 본체 A(101, 301)에 대해 축 1(111, 311)을 중심으로 회전이 구속된다. H. 본체 C(103, 303)는 H. 본체 D(104, 304)에 대해 압축 또는 인장을 받고, H. 본체 D(104, 304)는 H. 본체 B(102, 302)에 대해 축 1(111, 311) 방향을 따라 자유롭게 병진 운동하고, H. 본체 B(102, 302)에 대하여 축 1(111, 311)을 중심으로 회전이 구속된다. 도 3l은, H. 본체 B(102, 302)가 H. 본체 A(101, 301)에 대해 압축 하중을 받고 H. 본체 C(103, 303)가 H. 본체 D(104, 304)에 대해 인장 하중을 받는 구성을 나타낸다. 이 예에서는 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이에 앵귤러 콘택트 베어링(351)이 사용된다. 이는 서로 접촉하는 표면들 사이에 낮은 마찰을 제공하는 기능적 요구사항과 함께, 위에서 언급한 관련 병진 구속(DoC)(106”) 및 회전 DoF(106’) 요구사항을 제공하는 H. 본체 A(101, 301)와 H. 본체 B(102, 302) 사이의 조인트를 설명한다. 유사하게 H. 본체 C(103, 303)와 H. 본체 D(104, 304) 사이에는 스러스트 베어링(330, 333, 347, 349, 394, 351)이 사용될 수 있다. 이는 저 마찰 표면 접촉을 제공하는 기능적 요구사항과 함께, 위에서 언급한 관련 병진 구속(DoC)(108”) 및 회전 DoF(108’)을 제공하는 H. 본체 C(103, 303)와 H. 본체 D(104, 304) 사이의 조인트를 설명한다.
이러한 예 중 일부에서, 상기 본체의 형상은 원통형으로 도시되었으나, 구속 맵(도 1)은, 상기 기능성, DoF들, 구속을 만족하는 이러한 본체들의 기하학적 형상에 대한 어떠한 제한도 의미하지 않는다.
도 4a 및 도 4b는, 압축 및 인장 하중 조건을 모두 포함하는 도 3l에 도시된 메커니즘을 이용하는 인체공학적 핸들 조립체(400)(무제한 회전 핸들 조립체)의 예를 도시한다. 이 핸들 조립체(400)는 도 1에 도시된 구속 맵의 실시예이다. 조인트(491)를 통해, 회전 다이얼(402)(H. 본체 B(102, 402))은 축 1(111, 411)에 대한 회전 자유도(DoF)(106’) 및 핸들 쉘(401)(H. 본체 A (101, 401))에 대하여 축 1(111, 411) 방향을 따른 병진 구속(DoC)(106”) 하에 있다. 회전 다이얼(402)은 축 1(111, 411)에 대한 이 회전을 셔틀(404)이라고도 하는 H. 본체 D(104, 404)로 전달한다. 이것은 셔틀(404)(H. 본체 D (104, 404))이 회전 다이얼(402)(H. 본체 B (102, 402))에 대해 축 1(111, 411)을 중심으로 회전 구속(DoC) (107”) 하에 있으므로, 축 1(111, 411)에 대해 상대적인 회전이 없다. 셔틀(404)(H. 본체 D(104), 404 )은, 축 1(111, 411)에 대한 회전 DoF(108’) 및 축 1(111, 411) 방향에 따른 병진 구속(DoC)(108”)을 허용하는 조인트(455)를 통해, H. 본체 C(103, 403)(푸시 로드 또는 풀 로드, 즉 푸시/풀 로드(403)로 지칭됨)와 추가로 인터페이스 된다. 축 1(111, 411) 방향을 따른 셔틀(404)(H. 본체 D (104, 404))의 병진 운동은 엔드 이펙터 트랜스미션(471)을 통해 엔드 이펙터의 동작 턱으로 추가로 전달된다. 상기 엔드 이펙터가 턱 조립체로 구성될 때, 상기 턱 조립체는, 대안적으로 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(471) 또는 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(471)로 언급될 수 있다. 일부 변형에서, 이는 단순히 트랜스미션 케이블(예를 들어, 적합 케이블(compliant cable)일 때)로 언급될 수 있다. 이 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(471)는 강성 본체, 비강성 본체, 또는 강성 본체 및 비강성 본체 부재의 조합일 수 있다. 예를 들어, 트랜스미션 부재는 (예를 들어, 복강경(laparoscopic) 기구의) 장치의 샤프트, 또는 샤프트를 내부적으로 통과하는 로드, 또는 상기 복강경 기구의 원위 단부에서 엔드 이펙터에 연결되는 장력 하의 케이블, 또는 비강성 본체와 강성 본체의 조합(예: 장력을 받는 케이블을 따르는 로드) 중 하나일 수 있다. 푸쉬/풀 로드(403)(H. 본체 C (103, 403))와 셔틀(404)(H. 본체 D (104, 404))은 인장 하중을 받고 회전 다이얼(402)(H. 본체 B (102, 402))은 압축 하중을 받으며, 핸들 쉘(401)(H. 본체 A (101, 401))에 대해 축 1(111, 411) 방향을 따라 병진 운동하지 않는다. 푸시/풀 로드(403)(H. 본체 C (103, 403))는 핸들 레버(413)를 활성화함으로써 사용자에 의해 작동되며, 이는 링키지(linkage), 캠(cam), 스프링 등을 포함할 수 있는 트랜스미션 메커니즘을 통해 푸시/풀 로드(403)(H. 본체 C 103, 403)의 기계적 연장부이다.
도 4a 및 4b 에 도시된 인체공학적 핸들 조립체(400)의 또 다른 변형예는, 필요한 구속 조건을 달성하기 위하여 H. 본체 A(101), H. 본체 B(102), H. 본체 C(103) 및 H. 본체 D(104) 사이에 적합(compliant) 또는 변형 조인트(flexure joint)를 사용함으로써 도 1의 구속 맵을 실현하는 적합 메커니즘으로도 알려진 변형 기반 설계(flexure-based design)를 통해 구성될 수 있다.
도 4a 및 4b에 도시된 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 장치는, 도 5, 도 7 및 도 8에 의료 기기(특히 복강경 기기)의 일부로서 보여진다. 이들 실시예는 베타 구성(나중에 정의됨)의 장치를 묘사한다. 보다 구체적으로, 도 5, 도 7 및 도 8은 턱 조립체로서 구성된 엔드 이펙터를 갖는 복강경 수술 기구를 도시하며, 도 5에서 턱은 개방되어 있고, 도 7에서 턱은 닫힌 상태로 도시되어 있고, 도 8에서 턱은 바늘형 물체 상에 닫혀 있고 엔드 이펙터 조립체가 관절로 연결되어 있다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 베타 구성(나중에 정의됨)의 예시적인 장치(500)는 툴 프레임(525)을 포함하고, 툴 프레임은 툴 프레임(525)의 근위 단부(528)에서 툴 샤프트(526) 및 팔뚝 부착 부분(527)을 포함한다. 도 6은 사용자의 손목(607) 또는 팔뚝(608)을 유지하도록 구성되고 팔뚝 부착 부분(520, 527)에 결합될 수 있는 손목 커프(605) - 통과하는 통로를 갖는 - 의 예를 도시한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 손목 커프(605)는 툴 축(515)(축 3(515))에 대하여 툴 프레임(525)과 손목 커프(605) 사이에 롤 회전 자유도가 있도록, 손목 커프(605)가 미끄러지거나 굴러가도록 허용하는 그들 사이의 베어링을 통해 툴 프레임(525)의 팔뚝 부착 부분(520, 527)에 작동 가능하게 결합된다. 근위 무제한-롤 핸들 조립체(400) - 예를 들어, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 - 입력 조인트(529)에 의해 툴 프레임(525)에 연결될 수 있으며, 후자는(입력 조인트는), 도 5, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 툴 프레임(525)과 무제한-롤 핸들 조립체(400) 사이의 동작을 포착하도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 상기 입력 조인트(529)는, 대응하는 관련 힌지 조인트(530)에 의해 무제한-롤 핸들 조립체(400)와 팔뚝 부착 부분(527) 사이에 연결되는 한 쌍의 트랜스미션 스트립(533, 534)을 포함하고, 툴 프레임(525)에 대한 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 피치 및 요 회전을 개별적으로 수용하기 위해 각각의 피벗 조인트(미도시)에 병렬로 연결된다. 엔드 이펙터(565)와 툴 샤프트(526) 사이의 출력 조인트(583)(엔드 이펙터 관절 출력 조인트로 도시됨)는 엔드 이펙터(565)를 연결하기 위해 입력 조인트(529)로부터 전달 입력(피치 및 요 동작)을 수신한다.
이 예에서, 무제한-롤 핸들 조립체(400)는 내부 푸시 로드 및 셔틀(보이지 않음)을 둘러싸는 회전 다이얼(102, 502)에 연결되는 인체 공학적 손바닥 파지 부분(101, 501)(핸들 쉘(501))을 포함하며, 여기서 이들은 4개의 요소는 도 1에 도시된 구속 맵에 따라 구속된다. 상기 무제한-롤 핸들 조립체(400)는 또한 핸들 레버(549) 및 연관된 폐쇄 작동(549’)과 같은 엔드 이펙터 제어 입력을 포함한다(도 5 참조). 이 제어 입력부(즉, 핸들 레버(549))는 내부 푸시 로드의 기계적 확장(예를 들어, 메커니즘을 통해)이다. 대안적인 구성에서, 핸들 레버(549)는 링키지(linkage), 캠(cam), 스프링 등을 포함할 수 있는 전달 메커니즘을 통해 푸시 로드에 연결된다. 트랜스미션 케이블(566)은 셔틀에 연결되고 셔틀로부터 및 툴 샤프트(526)를 통해 엔드 이펙터(565)까지 연장되는 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(471)와 같이 작용한다. 이 트랜스미션 케이블(566)은 그 길이의 일부 또는 전체 부분에 대해 보호 및/또는 지지 외피 또는 커버 또는 도관(conduit)에 의해 둘러싸일 수 있다. 상기 엔드 이펙터(565) 자체는 제1 엔드 이펙터 부분(569)(접지)을 포함하는 턱 조립체이며, 이 예에서는, 선회하는(pivoting) 제2 엔드 이펙터 부분(동작 턱(568))이 부착되는 고정 턱(569)을 포함한다. 상기 트랜스미션 케이블(566)은 엔드 이펙터 폐쇄 출력(577)에서 동작 턱(568)에 결합될 수 있다.
도 5에서, 사용자의 팔뚝(608)이 툴 프레임(525)의 근위 단부(528)에 장착되고 사용자가 회전 다이얼(102, 502)을 엄지와 손가락 사이에서 회전시킬 수 있도록 손바닥 파지 부분(101, 501)이 사용자의 손(609)에 고정되고, 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 다이얼 부분(102, 502)의 회전은 전체 툴 프레임(525)을 회전시키고, 이에 따라서 엔드 이펙터 출력 관절 조인트(583)를 통해 툴 프레임(525)의 원위 단부(578)에 부착된 엔드 이펙터(565)를 회전시킨다. 따라서, 핸들 쉘(101, 501)은 핸들 관절식 롤 축(511)(축 1)이라고 하는 제1 축(111, 511)을 중심으로 회전할 수 있어, 툴 샤프트(526)가 툴 샤프트 롤 축(515)(축 3)으로 지칭되는 제3 축(515)을 중심으로 회전하게 하고, 엔드 이펙터(565)가 엔드 이펙터 관절식 롤 축(513)(축 2)으로 지칭되는 제2 축(513) 주위를 롤링하게 한다.
도 5에 도시된 바와 같은 회전 다이얼(102, 502(H. 본체 B))은 축 1(111, 511)에 대하여 회전한다. 상기H. 본체 B(102, 502)의 회전은 트랜스미션 스트립(533, 534)을 통해 툴 프레임(525)의 회전으로 이어지고(이들이 H. 본체 B(102, 502)와 툴 프레임(525) 사이의 회전 DoF를 제한하기 때문이다), 이는 차례로 툴 프레임(525)에 작동적으로 결합된 툴 샤프트(526)(축 3(515)에 대해)의 회전을 야기하고, 툴 샤프트(526)에 작동적으로 결합된 엔드 이펙터(565)(축 2(513)에 대해)의 회전을 야기한다. 상기 핸들 쉘(101, 501)이 입력 관절 조인트(529)를 사용하여 관절로 연결될 때, 엔드 이펙터(565)는 엔드 이펙터 출력 관절 조인트(583)를 통해 관절로 연결되며, 엔드 이펙터 관절식 롤 축(513)(축 2)은 툴 샤프트 롤 축(515)(축 3)과 구별된다.
위의 설명은, 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 다이얼 부분(102, 502)의 회전은, 툴 프레임(525), 툴 샤프트(526), 및 결국 엔드 이펙터(565)의 회전을 초래하는 트랜스미션 스트립(533, 534)을 통한 손목(607) 주위의 팔뚝 부착 장치(600)의 롤 회전(그들이 롤 회전을 제한함에 따라)을 초래하도록 팔뚝(608)에 부착되지 않거나 롤 조인트를 통해 팔뚝(608)에 부착되는 장치를 설명할 때, 또한 관련이 있다. 도 6은 사용자의 손목(607)/팔뚝(608)에 단단히 부착되는 손목 커프(605)를 포함하며, 사용자의 손(609)을 자유롭게 움직이게 하는(예를 들어, 핸들 쉘(101,501)을 잡고, 회전 다이얼(102,502)을 조작하고, 엔드 이펙터 제어 입력(549)를 작동시키기 위한) 3축 짐벌(gimbal) 조립체를 포함하는 팔뚝 부착 장치(600)의 실시예의 예를 도시한다. 핸들 쉘(101, 501) 및 회전 다이얼(102, 502)을 조작하고 엔드 이펙터 제어 입력(549)을 작동시킨다. 이 실시예에서, 팔뚝 부착 장치(600)는 피치, 요 및 롤 자유도를 허용하고; 손목 커프(605)는 회전축(516)의 변형(flexion)/연장(extension)에 대한 회전을 제공하는 제1 핀 쌍(610)을 갖는 편차 링(514)에 선회 가능하게(pivotally) 부착된다. 편차 링(514)은 차례로 편향 회전축(521)을 중심으로 회전을 제공하는 제2 핀 쌍(611)을 갖는 슬레드(518, sled)에 피벗 가능하게 부착되고, 여기서 상기 슬레드(518)는 대응하는 롤 회전축(531)을 중심으로 외부 가이드 링(520)의 상승된 내부 트랙(519) 내에서 롤링하도록 구성된다. 따라서, 상기 팔뚝 부착 장치(600)는 장치(500)의 툴 프레임(525)에 결합될 때. 손목 커프(605) 및 툴 프레임(525) 사이의 피치, 요 및 롤 자유도를 제공한다. 예를 들어, 한 세트의 실시예에서, 외부 가이드 링은 장치(500)의 팔뚝 부착 부분(527)의 일부로 형성되거나, 또는 그것에 부착될 수 있다. 상기 손목 커프(605)는 스냅-핏(snap-fit) 커플링(540) 또는 일부 다른 유형의 커플링을 통해 편차 링(514)에 해제 가능하게 결합될 수 있다.
도 8은 단부 이펙터(565)가 관절 연결 위치에 있고 조직을 봉합하는 데 사용될 수 있는 바늘을 잡고 있는 도 5 내지 7의 베타 구성(나중에 정의됨) 복강경 기구의 다른 도면을 도시한다. 상기 엔드 이펙터 고정 턱(569)(접지) 및 엔드 이펙터 동작 턱(568)은, 툴 샤프트(526)/툴 프레임(525)이 툴 샤프트 롤 축(515)(축 3)에 대해 회전하도록, 핸들 조립체가 핸들 관절식 롤 축(511)(축 1)을 중심으로 회전하는 동안, 엔드 이펙터 관절식 롤 축(513)(축 2)에 대해 회전될 수 있다. 동시에 무제한-롤 핸들 조립체(400) 내에서 H. 본체 D(104, 404)에 연결된 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(471)를 통해 엔드 이펙터 동작 턱(568)을 엔드 이펙터 고정 턱(접지)(569) 쪽으로 강제하여 동시에 바늘을 안전하게 고정한다. 도 5 내지 도 8에 도시된 장치(500)는 도 20a에 도시된 것과 같은 구속 맵에 적합할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 예시되며, 도 1에 도시된 구속 맵에 따르는 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 장치의 또 다른 변형은 도 9에 도시된다. 도 9는 알파 구성의 툴 장치를 도시한다. 이 예에서, 축 1(111, 911)에 대한 회전 다이얼(102, 902(H. 본체 B))의 회전은 관련 엔드 이펙터 조립체(965)(여기서 동작 턱(968) 및 고정 턱(969)를 포함하는 턱 조립체를 보여주는)의 축 2(913)에 대한 회전을 초래한다. 여기서 툴 샤프트(926)를 포함하는 툴 프레임(925)은 회전 다이얼(H. 본체 B)이 핸들 쉘(H. 본체 A)에 대해 축 1을 중심으로 회전할 때, 관련 축(축 3(915))을 중심으로 회전하지 않는다. 상기 툴 프레임(925)은 위에서 설명한 피치 및 요 회전 DoF 중 적어도 하나를 제공할 수 있는 팔뚝 부착 장치(600)를 통해 사용자의 팔뚝(608)에 장착된 손목 커프(605)에 여전히 연결될 수 있다. 상기 엔드 이펙터 조립체(965)는 축 2(913)에 대한 연관된 엔드 이펙터 관절 출력 조인트(928)의 원위 단부(927)에 대한 회전 DoF를 가지며(축 1(111, 911)에 대한 H. 본체 A(101, 901)와 H. 본체 B(102, 902) 사이의 회전 DoF, 상기 엔드 이펙터 회전 트랜스미션 부재(950)는 H. 본체 B(102, 902)를 비틀림 강성(torsionally stiff) 엔드 이펙터 회전 트랜스미션 부재(950)를 통해 엔드 이펙터 조립체(965)에 직접 연결한다. 이것은 또한 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(471)이거나, 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(471)를 수용하고, 따라서 라우팅(route)할 수 있거나, 예를 들어 한쪽 단부에서 다른 단부로 회전을 전달할 수 있는 비틀림 강성이 있고, 내부에서 구부러질 때 유연한 케이블(턱 폐쇄 작동 전송 부재(471))을 수용하는 중공 가요성 샤프트(엔드 이펙터 회전 트랜스미션 부재(950)일 수 있다.
도 4a 및 도 4b의 전술한 무제한-롤 핸들 조립체(400)를 포함하는 장치(1000)의 다른 예가 도 10에 도시되어 있다. 이 장치(1000)는 비관절식 (non-articulating) 엔드 이펙터(1065)가 있는 직선 스틱 장치로 구성된다. 다른 직선 스틱 장치는 -예를 들어, 미국 특허 제 4,712,545 호, 미국 특허 제 5,626,608 호 및 미국 특허 제 5,735,874호에 도시된- 예를 들어 도 4a 및 도 4b에 도시된 무제한-롤 핸들 조립체인 무제한 롤 핸들 장치의 통합으로부터 이익을 얻을 수 있다. 도 10에는 무제한-롤 핸들 조립체(400)(손바닥 파지 부분(101, 1001) 및 다이얼 부분(102, 1002) 포함), 툴 샤프트(1026), 및 턱 조립체로 구성된 비관절식 엔드 이펙터(1065)를 포함하는 수술 기구의 일례가 도시되어 있으며, 여기서 비관절식 엔드 이펙터(1065)의 동작 턱(1068)와 고정 턱(1069) 사이에는 회전 조인트(1067)가 있다. 비관절식 엔드 이펙터(1065)는 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(도 10에는 보이지 않음)를 통해 회전 다이얼(102, 1002) (H. 본체 D)에 연결된다. 상기 장치(1000)는 동작 턱(1068)을 고정 턱(1069)에 대해 이동시킴으로써 비관절식 엔드 이펙터(1065)를 닫고 여는 기능을 제공한다. 상기 장치(1000)는 또한 핸들 축(1011)(축 1 (111))에 대해 비관절식 엔드 이펙터(1065)의 회전을 제공하며, 여기서 샤프트 축 (1015)(축 3)은, H. 본체 B(102, 1002), 툴 샤프트(1026) 및 여기에 부착된 비관절식 엔드 이펙터(1065)의 회전 하에서, 상기 핸들 축(1011)(축 1 (111))에 평행하게 유지된다.
도 11을 참조하면, 도 4a 및 4b에 도시된 무제한-롤 핸들 조립체(400)를 포함하는 다른 실시예 세트에 따라, 입력 조인트(529)에서의 관절 연결은, 직렬 운동학적(serial kinematic) 입력 관절 조인트 또는 병렬 운동학적(parallel kinematic) 입력 관절 조인트 중 하나를 통해 포착된다. 예를 들어, 도 11은 관절식 복강경 장치(1100)를 도시한다. 이러한 장치는 핸들 쉘(101, 1101), 핸들 레버(1153), 핸들 다이얼(102, 1102), 셔틀(104, 1104), 풀/푸시 로드(103, 1103), 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(1139), 툴 샤프트 및 관절식 엔드 이펙터(1165)를 포함한다. 전술한 비관절식 복강경 장치(1000)와 유사하게, 상기 관절식 복강경 장치(1100)는 또한 동작 턱(1168)과 고정 턱(1169) 사이에서 작동하는 엔드 이펙터 회전 조인트(1067)(열림/닫힘 기능)를 또한 통합하고, 게다가 상기 이 열림/닫힘 엔드 이펙터 회전 조인트(1067)은, 또한 엔드 이펙터 관절 연결을 위한 출력 관절 조인트(1143)와 대응하여 연관된 입력 관절 조인트(1142)를 포함한다. 입력 관절 조인트(1142)은 직렬 운동학적(S-K, Serial Kinematic) 입력 조인트 또는 병렬 운동학적(P-K, Parallel Kinematic) 입력 조인트 중 하나로 구현될 수 있다. 직렬 운동학적 입력 조인트로 구성된 일부 관절 기구는(도 11에 도시된 것과 같은), 예를 들어 미국 특허 제 8,465,475호; 미국 특허 제 5,713,505 호, 미국 특허 제 5,908,436 호, 미국 출원 제 11/787,607 호 및 미국 특허 제 8,029,531 호에서 찾아질 수 있다. 병렬 운동학적 입력 조인트를 포함하는 관절 기구의 예는, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제 2013/0012958 호에서 찾을 수 있다. 이러한 장치에서 엔드 이펙터는 턱 조립체일 수 있으며 개방 턱 상태로 표시될 수 있지만, 관련 관절 기구는 닫힌 턱 상태에서 엔드 이펙터 회전 조인트 또는 관절 연결 조건(articulated condition)에서 출력 관절 조인트로 회전을 수행할 수도 있다.
도 12 및 도 13은, 도 1에 도시된 구속 맵을 따르는 다른 무제한-롤 핸들 조립체 변형을 도시한다. 이러한 핸들 조립체 변형은 본 명세서에 기술된 임의의 다른 장치 구성요소(다른 장치 구조 및/또는 구속 맵 포함)와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 12에서, 회전 다이얼(102, 1202)은 손바닥 파지/핸들 쉘 부분(101, 1201)에 근접한다. 이 장치는 샤프트(1226) 및 엔드 이펙터(1265)를 포함할 수 있고 전술한 바와 같은 동일한 축(제1 축(111, 1211), 제2축(1213), 제3축(1215))을 포함할 수 있다. 도 1의 구속 맵에 표시된 바와 같이, H. 본체 A(101, 1201)와 H. 본체 C(103)(핸들 레버(1203)는 H. 본체 C(103)의 기계적 연장부) 사이의 조인트 특성(DoFs 및 DoCs)은 H. 본체 B (102, 1202) 및 H. 본체 D(104)(도 12에 미도시) 사이의 것과 동일하다. 또한, H. 본체 A (101, 1201)와 H. 본체 B(102, 1202) 사이의 조인트 특성(DoFs 및 DoCs)은, H. 본체 C(103)와 H. 본체 D 사이의 조인트 특성(DoFs 및 DoCs)과 동일하다. 4개의 본체 중 임의의 것을 접지 기준(ground reference)으로 지칭할 수 있다. 도 12에서 도 1의 구속 맵에 매핑될 때, H. 본체 B(102, 1202)는 툴 샤프트(1226)로부터 떨어져서 손(609)의 근위 단부 쪽으로 위치된다. H. 본체 A(101, 1201)는 툴 샤프트(1226)의 근위 단부 쪽으로 위치된다. H. 본체 B(102, 1202)는 축 1(1211, 111)을 중심으로 H. 본체 A(101, 1201)에 대해서 회전한다. 여기서, H. 본체 C(103)는 H. 본체 D(104)에 대해 회전한다. 이 실시예(도 12에 도시됨)를 설명하는 또 다른 방법은, 핸들 조립체의 회전 다이얼이 이제 핸들 조립체의 근위 단부에 배치된다는 것이다.
본 명세서에 기술된 임의의 장치는 도 13에 도시된 바와 같이 회전 잠금/래칫(ratcheting) 메커니즘을 포함할 수 있다. 여기에 도시된 핸들 조립체는 도 1의 구속 맵을 따르고, 상기 핸들 조립체는 축 1(111)에 대해 회전 DoF를 제공하는 H. 본체 A(101, 1301)와 H. 본체 B(102, 1302) 사이의 조인트(1317)로 구성된다. 이 회전은 H. 본체 A (101, 1301)와 H. 본체 B (102, 1302)사이에 래칫 기능을 적용함으로써 더 촉각적(tactile)으로 만들 수 있다. 상기 H. 본체 A (101, 1301)와 H. 본체 B(102, 1302) 사이의 래칫은 축 1을 중심으로 회전하면서 불연속적인 회전 단계의 감각을 제공할 수 있다. 도 13은 손바닥 파지/핸들 쉘(101, 1301)과 회전 다이얼(102, 1302) 사이에 위치된 스러스트 베어링(1317)(회전 DoF(106’) 및 병진 DoC(106”) 을 제공함)과 함께 래칫 메커니즘(1319)을 도시한다. 셔틀(104, 1304) 및 푸시 로드(103, 1303)는 도 1의 구속 다이어그램 및 도 4의 핸들 조립체(400)에 따라 달리 작동한다.
본 명세서에 기술된 무제한-롤 핸들 조립체는 엔드 이펙터에서 페킹(peking) 동작을 제공하도록 구성된 장치와 함께 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도 14을 참조하면, 도 4의 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 다른 실시예(도 1의 구속 맵에 맞음)는 회전 다이얼(102, 1402)(H. 본체 B)을 방사상으로 누름으로써 직접 트리거되는 엔드 이펙터 턱의 개방 및 폐쇄를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 실시예는 사용자의 손(609)에서 잡히는 핸들 쉘(101, 1401(H. 본체 A))을 포함하고, 축 1(111, 1411)을 중심으로 핸들 쉘(101, 1401) (H. 본체 A)에 대해 회전할 수 있는 회전 다이얼(102, 1402)(H. 본체 B) 을 포함할 수 있다. 회전 다이얼(104, 1404)(H. 본체 B)이 방사상으로 가압되면, 그에 따라 축 1(111, 1411)을 따라 회전 다이얼(104, 1404)(H. 본체 B)에 대한 셔틀(104, 1404)(H. 본체 D)의 병진 DoF를 따라서 축 1(111, 1411) 방향을 따라 셔틀(104, 1404)(H. 본체 D)을 민다. 도 14에 도시된 바와 같이, 회전 다이얼(102, 1402)(H. 본체 B)에 견고하게 연결될 수 있는 엔드 이펙터(1432) 및 샤프트의 결합을 폐쇄한다. 결합된 샤프트 및 엔드 이펙터(1432)를 나타내는 본체의 유연한 특성은 결합된 샤프트 및 엔드 이펙터(1432) 위로 셔틀(104, 1404)(H. 본체 D)의 움직임을-슬리브(1404’)로서- 지시한다. 이 슬리브(1404’)/셔틀(104, 1404)(H. 본체 D)는, 관련 엔드 이펙터(1432’)의 개폐를 제어하며, 후자(관련 엔드 이펙터)는 예를 들어 눈 수술, 또는 최소 침습 수술의 개복 수술에서 다양한 적용을 가질 수 있는 이중 작동 턱으로서 작용한다. 푸시/풀 로드(H. 본체 C, 도 14에서는 볼 수 없음)는 핸들 쉘(101, 1401)(H. 본체 A)의 내부에 체결되고 스프링을 통해 부착될 수 있으며, 이에 푸시/풀 로드(H. 본체 C)는 핸들 쉘(101, 1401)(H. 본체 A)에 대해 이동되고, 스프링의 도움으로 원래 위치로 되돌아간다. 따라서, 이것은 회전 다이얼(104,1404) (H. 본체 B)을 방사상으로 가압함으로써 셔틀(104, 1404)(H. 본체 D)이 축 1 방향을 따라 밀려질 때, 축 1(111, 1411) 방향을 따라 푸시/풀 로드(H. 본체 C) 및 셔틀(104, 1404)(H. 본체 D)의 동작을 제공하고, 그 후, 셔틀 (104, 1404)(H. 본체 D)과 푸시/풀 로드(H. 본체 C)를 모두를 원래 위치로 후퇴시키기 위해 제공된다. 따라서, 이 실시예에서 결합된 엔드 이펙터(1432)는 축 1(111, 1411)을 중심으로 회전될 수 있고, 관련된 엔드 이펙터(1432’)는 셔틀(104, 1404) (H. 본체 D)을 페킹(pecking)함으로써 외부 본체를 잡거나 고정하는데 사용될 수 있으며, 이는 엔드 이펙터(1432’)를 닫고, 이후 엔드 이펙터(1432’)를 여는 셔틀(104, 1404)(H. 본체 D)을 해제하여 외부 본체를 해제하는 데 사용될 수 있다.
도 15를 참조하여 또 다른 실시예에 따르면, 턱 폐쇄 전달을 위한 풀(pull)-풀(pull) 구성을 이용하는 장치(1500)는, 도 4a에 도시된 바와 같이 H. 본체 B(102, 402)에 고정된 셔틀(104, 404)(H. 본체 D)을 포함하는 무제한-롤 핸들 조립체(400)를 포함한다. 관련 턱 폐쇄(열림/닫힘) 작동 트랜스미션 부재(1530)는 먼저 상응하는 엔드 이펙터 고정 턱(1568)에 대하여 엔드 이펙터 동작 턱(1567)를 폐쇄하기 위해 당겨지고, 그 후 제2 턱 폐쇄(열림/닫힘) 작동 트랜스미션 부재(1532)가 엔드 이펙터 동작 턱(1567)를 개방하도록 당겨진다. 턱 폐쇄(열림/닫힘) 작동 트랜스미션 부재(1530)는 H. 본체 D(104, 404)에 부착되며 여기서 H. 본체 D는 축 1(111, 411) 방향을 따른 병진 DoF(107’)의 결과로서 H. 본체 B(102, 402)에 대해 병진 운동할 수 있지만, H. 본체 C(103, 403)에 대해서는 병진 구속(DoC)(108”)을 가진다. H. 본체 D(104, 404)는 턱(1567, 1568)을 닫기 위하여(즉, 엔드 이펙터 동작 턱(1567) 및 엔드 이펙터 고정 턱(1568)을 함께 가져옴) 턱 폐쇄(열림/닫힘) 작동 트랜스미션 부재(1530)를 당기기 위하여 축 1(111, 411) 방향을 따라 이동하고, 제2 턱 폐쇄(열림/닫힘) 작동 트랜스미션 부재(1532)는 엔드 이펙터 동작 턱(1567)을 개방하기 위하여 당겨진다. 상기 턱(1567, 1568)을 개방하기 위하여 제2 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(1532)는 당겨질 수 있다. 일 실시예에서 상기 제2 턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(1532)는 “스프링 기준 접지(1512, Spring Reference Ground)”로 불리는 기준 프레임에 접지된 풀 스프링(1513)을 사용하여 당겨질 수 있다. 전체 조립체에서 롤 트랜스미션 부재가 어떻게 라우팅 되는지에 따라 "스프링 기준 접지 (1512, Spring Reference Ground)"는 다음과 같이 조립체의 여러 위치에서 발생할 수 있다. (1) 만약 롤 전달이 입력 관절 조인트(529), 툴 프레임/툴 샤프트 및 출력 관절 조인트(583)에 의해 이루어지는 경우, "스프링 기준 접지(1512, Spring Reference Ground)"는 H. 본체 B (102, 402) 또는 툴 프레임/툴 샤프트(1526), 또는 엔드 이펙터 고정 턱(1568)에서 발생할 수 있다, (2) 만약 롤 전달이 툴 프레임/툴 샤프트(1526)를 통해, 그리고 출력 관절 연결부(583)(출력 조인트 원위 단부와 엔드 이펙터 베이스 사이의 추가 롤 DoF가 주어진)를 통해 입력 관절 조인트(529)를 가로질러 라우팅된 독립적인 롤 트랜스미션 부재에 의한 경우, "스프링 기준 접지 (1512, Spring Reference Ground)"는 H. 본체 B(102, 402) 또는 엔드 이펙터 고정 턱(1568)에서 발생할 수 있다.
일부 변형에서, 무제한-롤 핸들 조립체는 일반적으로 팔뚝 부착 장치(600)를 포함하도록 구성된다. 무제한-롤 핸들 장치(1600)는 H 본체 A(101)에 대해 H. 본체 D(104)에 롤링 및 폐쇄 작용을 동시에 전달하는 능력을 제공할 수 있다. 추가 자유도(DoF)를 제공하는 팔뚝 부착 장치(600)를 포함하는 이러한 변형예는 도 5 내지 도 8에서 상술되었고, 또 다른 예는 도 16에 도시되어 있다. 도 16은 알파 구성(나중에 정의됨)의 툴 장치 실시예를 도시한다. 이 예에서, (하나의) 조인트는- 팔뚝 부착 장치(1611)라고 하는-손목 부착물/손목 커프 (1609)와 툴 프레임(1625) 사이에 존재한다. 팔뚝 부착 장치(1611)(도 6에 도시된 600과 유사)는 손목 부착물/손목 커프(1609)를 툴 프레임(1625)에 결합하는 데 사용될 수 있으며, 팔뚝 부착 장치(1611)의 특성에 따라, 사용자의 팔뚝 및 무제한-롤 핸들 장치(1600) 사이의 자유도를 0 또는 1 또는 그 이상이 되도록 허용한다. 팔뚝 부착 장치(600)는 관절식 장치 또는 비관절식 장치와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예는 손목 부착물/손목 커프(1609)와 툴 프레임(1625) 사이에 롤 회전 조인트(1611’)를 제공함으로써 롤 DoF를 포함할 수 있다. 이 조인트는 “슬레드(518, sled)”를 사용할 수 있고, - 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이- 이는 롤 축(111, 531) 또는 암 축(612, arm axis)에 대한 롤 회전 DoF를 제공할 수 있다. 또 다른 실시예는 변형(flexion)/연장(extension) 회전축(516)에 대하여 회전을 허용하는 회전 조인트를 제공함으로써 피치 DoF를 제공할 수 있다. 또 다른 실시예는 편차 회전축(521)에 대한 회전을 허용하는 회전 조인트를 제공함으로써 요 DoF를 제공할 수 있다. 또 다른 실시예는, 굽힘(flexion)/연장(extension) 회전축(516)에 대한 회전 및 편차 회전축(521)에 대한 회전을 각각 허용하는 하나 이상의 회전 조인트를 제공함으로써 피치 및 요 DoF 둘 다 제공할 수 있으며, 예를 들어, 편차 링(514)으로 지칭되는 중간 본체를 통합함으로써 이루어질 수 있고, 예를 들어 도 6에 도시된 것과 같을 수 있다. 또 다른 실시예는 롤(암 축(612)에 대하여), 피치(굽힘/연장 회전축(516)에대하여) 및 요(편차 회전축(521)에 대하여) 자유도(DoF)를 제공할 수 있다. 또한 도 16에 도시된 바와 같이, 샤프트-프레임 조인트(1685)라고 불리는 툴 프레임(1625)과 툴 샤프트(1626) 사이에 조인트가 존재하며, 이는 제로(zero) DoF 조인트(즉, 툴 샤프트(1626)와 툴 프레임(1625) 사이의 견고한 연결)를 가질 수 있으며, 이는 본 명세서에 개시된 실시예에서, 기본 구성이다. 도 16에 도시된 장치(1600)는, 핸들 손바닥 파지(101, 1601)(H. 본체 A), 회전 다이얼(102, 1602)(H. 본체 B), 엔드 이펙터 입력(1612)(예: 핸들 레버(549)), 샤프트-프레임 조인트(1685)를 포함하고, 관련 핸들 축(111)(축 1), 관련 툴 샤프트 축(1615)(축 3) 및 관련 엔드 이펙터 축(1613)(축 2)에 의해 정의되는 툴 샤프트(1626)의 원위 단부(1627)에서의 엔드 이펙터(1668)를 포함한다.
팔뚝이 장착되고 도 4a 및 도 4b의 무제한-롤 핸들 조립체(400)를 포함하는 비관절식 기구(1600)의 일부 변형은 별도의 툴 프레임(1625) 및 별도의 툴 샤프트(1626)를 포함할 수 있다. 하나의 그러한 구성에서, 툴 프레임(1625) 및 손목 부착/손목 커프(1609)는 견고하게 부착될 수 있다(즉, 0 DoF). 이 경우, 툴 샤프트(1626)가 회전 다이얼(102, 1602)(H. 본체 B) 에 견고하게 연결되면, 장치(1600)는 툴 샤프트(1626)와 툴 프레임(1626) 사이에 적어도 하나의 롤 회전 DoF가 있도록 구성될 수 있다. 또한, 샤프트-프레임 조인트(1685)는 롤 DoF, 피치 DoF 및 요 DoF 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
본 명세서에 기술된 무제한-롤 핸들 조립체를 포함하는 임의의 장치는, 예를 들어 도 17에 도시된 바와 같이, 입력 관절 조인트와 연관된 가상 중심(VC)(1721)을 포함할 수 있다. 이 장치(1700)는 가상 중심(VC)(1721)에서 교차하는 연관된 조인트 축(axes)과 함께 직렬 또는 병렬 운동학적 입력 조인트 중 어느 하나를 가질 수 있다. 상기 장치(1700)는 도 5, 7 및 8에 도시된 것과 유사하나, 가상 중심(VC)(1721)을 명시적으로 보여준다. 상기 장치(1700)는 또한 턱 조립체로서 구성되는 엔드 이펙터 조립체(1765)를 포함한다.
예: 의료 장치
도 18a 내지 도 18d는 무제한-롤 핸들 조립체(400)(도 4a 및 4b에 도시된 것과 유사한), 세장형 툴 프레임(525), 사용자의 팔과 툴 프레임(525) 사이에 다중 자유도를 갖는 팔뚝 부착 장치(600)(도 6에 도시된 것과 유사한), 턱 조립체로 구성된 엔드 이펙터 조립체(1765) 및 출력 조인트(583, 예를 들어 출력 관절 조인트 (583’))으로 전달을 위한 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 피치 및 요(yaw) 회전을 포착하는 입력 조인트(1801)를 포함하는 복강경 장치로 구성된 의료 장치(1800)의 일 실시예를 도시하고, 따라서 상기 엔드 이펙터 조립체(1756)는, 도 19a 내지 도 19c에 예시된 바와 같이, 상기 무제한-롤 핸들 조립체(400)와 동일한 방향으로 관절 연결할 수 있도록 한다. 도 18a 내지 도 18d에 도시된 의료 장치(1800)에 대한 개략적인 구속 다이어그램은 베타 구성(나중에 정의됨)에 해당하는 도 20a에 도시되어 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 의료 장치(1800)에 대한 대안적인 구속 다이어그램은 도 20b에 도시되어 있으며, 이는 알파 구성(나중에 정의됨)에 해당한다.
다시 도 18a 내지 18d을 참고하면, 전반적인 의료 장치(1800)는 풀리 블록(1805), 툴 샤프트(526)를 포함하는 툴 프레임(525)(툴 샤프트(526)는 툴 프레임(525)의 일부로 간주될 수 있음)을 포함하며, 모두 서로 견고하게 상호 연결되어 있다. 상기 풀리 블록(1805)은 전술한 바와 같이 손목 커프(1803)를 통해 사용자의 원위 팔뚝(608’)과 인터페이스하는 팔뚝 부착 조인트(1807)의 외부 링(1805) 역할을 한다.
이 예에서, 손목 커프(1803) 및 외부 링(1805)은 모두 팔뚝 부착 조인트(1807) (도 6의 팔뚝 부착 장치(600)에 대응하는)의 일부이다. 상기 팔뚝 부착 조인트(1807)는 도 6에 도시되며 전술한 바와 같이, 외부 링(1805), 슬레드(518), 편차 링(514) 및 손목 커프(1803)(모두 직렬로 연결됨)를 포함하며, 손목 커프(1803)와 외부 링(1805) 사이에 3개의 회전 자유도(DoF), 즉 롤, 피치 및 요를 제공한다. 롤은 툴 샤프트(526)의 축과 동일한 외부 링(1805)의 축에 대한 회전 방향이다. 피치 및 요는 도 18c에 도시된 바와 같이 각각 피치 축(1833) 및 요 축(1831)에 대한 직교 회전(orthogonal rotations)이다. 이러한 축은 임의의 방향을 가정할 수 있으며, 이러한 방향 중 하나는 트랜스미션 풀리 축과 정렬될 수 있다. 이러한 특정 배향에서, 피치 회전축(1833)은 트랜스미션 풀리(1813.1)의 회전축과 정렬되고, 요 회전축은 트랜스미션 풀리(1813.2)의 회전축과 정렬된다. 이들 축, 즉 트랜스미션 풀리 회전축(1833.2) 및 트랜스미션 풀리 회전축(1831.2)은 도 18c에 도시되어 있다. 상기 의료 장치(1800)가 팔뚝(608)상에 장착될 때(즉, 손목 커프(1803)가 사용자의 팔뚝(608)/손목(607)에 부착됨), 팔뚝 부착 조인트(1807)는 툴 프레임(525)과 사용자의/외과 의사의 팔뚝(608) 사이에 위의 3개의 회전 자유도를 제공한다.
상기 툴 프레임(525)은 외부 링(1805)/풀리 블록(1805)으로부터 연장되고, 무제한-롤 핸들 조립체(400)를 지지하면서 사용자의 손(609)을 수용하기 위해(이것의 전체 관절 연결 범위에 걸쳐) 무제한-롤 핸들 조립체(400) 주위에 형성된다. 상기 툴 프레임(525)은 원위 방향(즉, 팔뚝 부착 조인트(1807) 및 사용자로부터 멀어지는 방향)으로 더 연장되는 툴 샤프트(526)에 견고하게 연결된다. 2 DoF 관절 조인트(출력 조인트(583)/엔드 이펙터 관절 조인트(583’)이라고도 함)은 툴 샤프트(526)의 단부(의료 장치(1800)의 출력이라고도 함)에 위치한다. 상기 2 자유도는, 무제한-롤 핸들 조립체(400)와 풀리 블록(1805) 사이의 입력 조인트(1801)(아래에서 논의됨)를 연결함으로써 제어/작동되는, 피치 회전 및 요 회전이다. 추가로, 엔드 이펙터 조립체(1765)는 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 핸들 레버(549)에 응답하여 열리고 닫힐 수 있는 한 쌍의 턱(1756)을 갖추고 있다.
상기 입력 조인트(1801)는 무제한-롤 핸들 조립체(400)와 의료 장치(1800)의 근위 단부(528)에 있는 풀리 블록(1805) 사이에 위치되고, 그 사이에 2개의 회전 자유도(DoF)(피치 회전 및 요 회전)를 제공한다. 상기 입력 조인트(1801)는 2개의 변형 트랜스미션 스트립(533, 534) 및 2개의 트랜스미션 풀리(1813.1, 1813.2)(도 18c에 도시된 피치 풀리(1813.1) 및 요 풀리(1813.2))를 포함하는 병렬 운동학적 메커니즘이다. 풀리(1813.1, 1813.2)의 축은 외삽될(extrapolated) 때 공간의 가상 중심(VC)(1821)에서 교차한다. 이러한 이유로, 의료 장치(1800)의 병렬 운동학적 입력 조인트(1801’)는 가상 중심 메커니즘(1801’) 또는 가상 중심 입력 조인트(1801’)이라고도 한다. 의료 장치(1800)가 팔뚝 부착 조인트(1807)를 통해 사용자의 팔뚝(608)에 장착되고, 사용자의 손(609)이 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 핸들 쉘(101, 501)을 잡을 때, 의료 장치(1800)의 전체 기하학적 구조는 병렬 운동학적 입력 조인트(1801’)에 의해 생성된 가상 중심(VC)(1821)이 사용자의 손목 조인트(607)의 회전 중심과 대략 일치하도록 한다. 이는 의료 장치(1800)를 사용하는 동안, 외과 의사의 손목(607)의 자연스럽고 편안하며 제한 없는 관절 연결(articulation)을 보장한다.
의료 장치(1800)의 위의 구성이 주어지면, 그/그녀의 팔뚝(608)에 대한 사용자 손목(607)의 요 및 피치 회전은, 풀리 블록(1805)/ 툴 프레임(525)에 대한 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 대응하는 회전으로 변환된다. 가상 중심 메커니즘(1801’)의 병렬 운동학적 설계는 풀리 블록(1805)에 대한 핸들 쉘(101, 501)의 두 회전 구성요소(피치 및 요)가 피치 풀리(1813.1)에서의 유일한 피치 회전 및 요 풀리(1813.2)에서의 유일한 요 회전으로 기계적으로 분리/여과되도록 한다. 상기 피치 풀리(1813.1) 및 상기 요 풀리(1813.2)는 각각 대응하는 관련 피치 회전축(1833) 및 요 회전축(1831)을 중심으로 풀리 블록(1805)에 대해 각각 피벗(및 장착)된다. 따라서 피치(1813.1) 및 요(1813.2) 트랜스미션 풀리에서 포착되는 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 피치 및 요 회전은 (따라서 외과 의사의 손목(607)의), 트랜스미션 풀리(1813.1, 1813.2)에서 시작되고 풀리 블록(1805), 툴 프레임(525) 및 툴 샤프트(526)를 통해 엔드 이펙터 조립체(1765)까지 줄곧 이어지는 케이블을 통해 엔드 이펙터 관절 조인트(583)의 대응하는 회전으로서 전달된다. 이러한 케이블은 연속적일 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
상기 입력 조인트(1801)에 의해 제공되는 요 및 피치 회전 자유도(DoF)에 더하여, 상기 입력 조인트는 또한 롤 축(111, 1835)을 따라 축방향 병진 자유도를 제공/허용하며, 이는 사용자 손(609) 크기의 범위가 의료 장치(1800)에 의해 수용될 수 있도록 제공/허용하고, 자유롭고 제한되지 않은 손(609)/손목(607) 관절 연결을 보장한다.
게다가, 변형(flexure) 트랜스미션 스트립(533, 534)은 롤 축(111, 1835)에 대한 비틀림에서 강성(stiff)이며, 이는 입력 조인트(1801)가 변형 트랜스미션 스트립(533, 534)을 통해 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 원위 단부로부터(즉, 다이얼) 풀리 블록(1805)으로 롤 회전을 구속(따라서 전달)하는 것을 보장한다. 풀리 블록(1805)이 팔뚝 부착 조인트(1807)의 외부 링(1805) 역할을 하며, 이는 도 18c에 도시된 손목 커프(1803)에 대하여, 롤 축(111,1835)을 중심으로 잘 정의된 낮은 저항 회전을 제공한다는 점에 유의한다. 이는 사용자가 그의/그녀의 손바닥에 핸들 쉘(101, 501)을 보유할 때, 임의의 원하는 요 및 피치 방향으로 핸들 쉘(101, 501)을 관절 연결하여 엔드 이펙터 조립체(1765)의 대응하는 관절 연결 야기할 수 있음을 의미한다. 그런 다음 사용자(그/그녀)는 무제한-롤 조립체(400)의 관절 연결을 고정되게 유지하면서, 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 다이얼 부분(102, 502), 즉 회전 다이얼(102, 502)을 사용자(그/그녀)의 엄지와 손가락(일반적으로 검지)으로 돌릴 수 있다. 회전 다이얼(102, 502)의 돌리기(즉, 롤 회전)는 병렬 운동학적 입력 조인트(1801’)를 통해(즉, 가상 중심 메커니즘(1801’)의 변형 트랜스미션 스트립(533, 534)을 통해) 풀리 블록(1805)/외부 링(1805)으로 전달된다. 상기 풀리 블록(1805 )은 사용자의 팔뚝(608)에 부착된 손목 커프(1803)에 대해 롤 축(111, 1835)을 중심으로 회전한다. 그 결과, 전체 툴 프레임(525)이 사용자의 팔뚝(608)에 대하여 롤 축(111, 1835)을 중심으로 회전한다. 상기 툴 샤프트(526)가 툴 프레임(525)에 견고하게 연결되어 있기 때문에, 상기 툴 샤프트(526) 역시 롤 축(111, 1835)을 중심으로 회전한다. 툴 샤프트(526)의 롤 회전은 출력 조인트(583)를 통해(즉, 엔드 이펙터 관절 조인트(583’)를 통해) 상기 엔드 이펙터 조립체(1765)로 전달된다. 엔드 이펙터 조립체(1765)의 관절은(출력 조인트(583)에서) 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 대응하는 관절(입력 조인트(1801)에 대해)에 의해 제어되기 때문에, 후자(무제한-롤 핸들 조립체(400)의 대응하는 관절)가 고정된 상태로 유지된다면, 전자(엔드 이펙터 조립체(1765)의 관절)도 마찬가지이며, 그동안 롤 회전은 상기 외과 의사의 손가락의 돌리기 동작으로부터 엔드 이펙터 어셈블리(1765)까지 모든 방법으로 전달된다. 상기 의료 장치(1800)를 작동하는 이러한 특정 모드는 관절식 롤(articulated roll)로 지칭된다.
외과 의사의 엄지와 손가락의 빙빙 돌림을 통해 엔드 이펙터 롤을 생성하는 것(핸들 쉘(101, 501)에 대한 회전 다이얼(102, 502)의 회전을 초래하는) 외에, 이 롤을 생성하는 또 다른 방법은 외과 의사가 그/그녀의 손(609)과 팔뚝(608)을 회내(pronating) 및 회외(supinating)시킴으로써 전체 무제한-롤 핸들 조립체(400)을 (롤 축(111, 1835)에 대해) 회전 시킬 때이다. 이 롤 동작은 가상 중심 메커니즘(1801’)의 변형 트랜스미션 스트립(533,534)을 통해 또한 전달되고, 그리고 이어서 툴 샤프트(526)를 통해 엔드 이펙터 조립체(1765)로 전달된다. 그러나, 이러한 방식으로 달성된 롤 동작의 양은 사용자(즉, 외과 의사)의 손(609)/팔뚝(608)에 의해 제한되는 회내(pronation)/회외(supination)의 범위에 의해 제한된다.
한편, 무제한-롤 핸들 조립체(400)에 2개의 별개의 구성요소-핸들 쉘(101, 501) 및 회전 다이얼(102, 502)-를 가짐으로써 이러한 제한이 극복된다. 사용자의 손(609)에 고정되어 있는 핸들 쉘(101, 501)은 실제로 사용자의 손(609)/팔뚝(608)의 회내/회외 제한에 의해 롤 각도가 제한된다. 그러나 사용자는 -그/그녀의 손가락을 통해-끝없이, 또는 무한한 롤- 회전 다이얼(102, 502)을 핸들 쉘(101, 501)에 대해 롤 회전시킬 수 있다. 그런 다음 이 무한 롤 회전은 전술한 바와 같이 엔드 이펙터 조립체(1765)로 전달된다. 이 무한 롤 기능은 재봉(sewing), 매듭 묶기(knot-tying) 등과 같은 복잡한 수술 절차에서 의사에게 중요하고 고유한 기능을 제공한다.
이미 언급한 바와 같이, 무제한-롤 핸들 조립체(400)는 회전 다이얼(102, 502) 및 핸들 쉘(101, 501)을 포함하며, 이들은 롤 축(111, 1835)에 대해 단일 회전 DoF를 갖는 그들 사이의 회전 조인트에 의해 연결된다. 추가로, 무제한-롤 핸들 조립체(400)는 또한 핸들 레버(549)에 의해 작동되는 엔드 이펙터 작동 메커니즘을 수용하고, 여기서 핸들 레버(549)는 핸들 쉘(101, 501)에 대하여 (사용자의 손가락, 일반적으로 중지, 약지 및 새끼손가락에 의해) 눌려지고, 상기 엔드 이펙터 작동 메커니즘은 이 동작을 엔드 이펙터 트랜스미션(471)의 트랜스미션 케이블(566)의 당기는 동작으로 변환한다. 이 당기는 동작은 핸들 쉘(101)과 회전 다이얼(102, 502) 사이의 회전 인터페이스/조인트를 거쳐 엔드 이펙터 조립체(1765)까지 회전 다이얼(102, 502)과 툴 프레임(525) 사이의 가요성 도관 내의 트랜스미션 케이블(566)을 통해 전달되고, 그 다음 툴 샤프트(526)를 거쳐, 그리고 마지막으로 엔드 이펙터 관절 조인트(583)를 통해 엔드 이펙터 조립체(1765)의 엔드 이펙터 턱(1756)에 도달한다. 엔드 이펙터 조립체(1765) 내의 턱 폐쇄 메커니즘은 가위, 집게, 바늘 홀더 등을 작동하는 데 필요한 트랜스미션 케이블 (566)의 당김 작용에 응답하여 엔드 이펙터 턱(1756)을 폐쇄한다.
입력 조인트(1801)에 의해 제공되는 가상 중심(VC)(1721)은 의료 기기(1800)를 조작하는 사용자의 손목 조인트(607)의 회전 중심과 일치한다. 또한, 팔뚝 부착 조인트(1807)에 의해 제공되는 3개의 회전 자유도(요 축(1831), 피치 축(1833) 및 롤 축(1835))에 대응하는 3개의 회전 축은, 모두 팔뚝 부착 조인트(1807)의 회전 중심이라고 하는 한 지점에서 교차할 수 있다. 상기 팔뚝 부착 조인트(1807)의 회전 중심은 입력 조인트(1801)의 회전 중심(즉, 풀리 블록(1805)에 대한 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 가상 회전 중심(VC)(1721))과 일치한다.
따라서, 팔뚝 부착 조인트(1807)의 회전 중심도 의료 장치(1800)가 사용자의 팔뚝(608)에 장착되었을 때 사용자의 손목 조인트(607)의 회전 중심과 일치할 수 있다.
특히, 사용자의 손목(607)이 관절 연결되지 않을 때(즉, 공칭(nominal) 위치에 있을 때) 팔뚝 축은 외부 링(1805)의 축과 일치해야 하고, 이는 툴 샤프트(526)의 축과 일치해야 하며, 엔드 이펙터 조립체(1765)의 축과 일치해야 한다. 이는 무제한-롤 핸들 조립체(400)가 풀리 블록(1805)에 대해 관절 연결되지 않으며(즉, 공칭((nominal)인 경우), 이에 엔드 이펙터 조립체(1765)가 툴 샤프트(526)에 대해 관절 연결되지 않는 경우이다.
의료 장치(1800)의 무한 롤 수행을 용이하게 하기 위해, 의료 장치(1800)의 전체 중량은 의료 장치(1800)의 무게 중심이 의료 장치(1800)의 롤 축(111, 1835)에 가깝게 놓이도록 분산될 수 있으며, 이는 사용자가 의료 장치(1800)를 롤링할 때(전술한 바와 같이), 사용자(그/그녀)는 중력과 함께 또는 중력에 대항하여 작업하지 않음을 보장한다. 사용자의 팔뚝(608)에서 지지되는 의료 장치(1800)의 무게와 환자의 몸체 상에 있는 투관침(trocar)와 함께, 의료 장치(1800)의 무게 중심을 롤 축(111, 1835)상에 위치시키면, 중력이 더 이상 롤 회전에 영향을 미치지 않으므로 롤 회전을 비교적 쉽게 구동할 수 있다.
위에서 언급한 모든 기능에 더하여, 상기 의료 장치(1800)의 전체 설계 및 구성은 또한 손 떨림(hand tremors)을 필터링하고, 엔드 이펙터 조립체(1765)에 도달하는 것을 방지하는 데 도움이 된다. 의료 장치(1800)에서 핸들 조립체(400)는 -즉, 외과 의사의 손(609)- 변형 트랜스미션 스트립(533, 534)에 의해 풀리 블록(1805)/툴 프레임(525)/툴 샤프트(526)로부터 격리되며, 이는 재료 및/또는 구성으로 인해 손 떨림이 툴 샤프트(526) 및 엔드 이펙터 조립체(1765)에 도달하는 것을 방지한다. 툴 프레임(525)은 팔뚝 부착 조인트(1807)를 통해 팔뚝(608)에 장착된다. 따라서, 툴 프레임(525)에 연결된 툴 샤프트(526)는 외과 의사의 팔뚝(608)에 의해 제어된다. 이것은 동력 동작을 구동(샤프트의 끝을 세 방향으로 병진)하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 팔뚝(608)은 손(609)에 비해 훨씬 더 적은 떨림을 가지므로 샤프트도 더 적게 떨리게 할 수 있다.
따라서, 변형 트랜스미션 스트립(533, 534)은 풀리 블록(1805)에 대한 핸들 쉘(101, 501)(및 핸들 조립체(400))의 회전의 요 및 피치 회전 성분을 분리하는 것을 도울 수 있고(동등하게는, 팔뚝(608)에 대한 손(609)의 요 및 피치 회전), 이들 회전 구성요소를 상응하는 피치 트랜스미션 풀리(1813.1) 및 요 트랜스미션 풀리(1813.2)로 별도로 전달하고, 후자는(피치 트랜스미션 풀리(1813.1) 및 요 트랜스미션 풀리(1813.2)) 풀리 블록(1805) 상에 장착된다. 상기 변형 트랜스미션 스트립(533, 534)은 또한 무제한-롤 핸들 조립체(400)로부터 풀리 블록(1805), 툴 프레임(525), 툴 샤프트(526), 엔드 이펙터 조립체(1765) 끝까지 전달하는 것을 돕고, 또한 손 떨림이 풀리 블록(1805)에 도달하는 것, 그리고 이에 툴 프레임(525)에 도달하는 것, 그리고 이에 툴 샤프트(526)에 도달하는 것 그리고 최종적으로 엔드 이펙터 조립체(1765)에 도달하는 것을 걸러내거나 차단하는 것을 돕는다.
무제한-롤 핸들 조립체(400)의 사용은 외과 의사의 손(609) /손목(607)/ 팔뚝(608)으로부터 엔드 이펙터 조립체(1765)까지 자연스럽고 인체공학적이고 직관적인 움직임을 전달할 수 있기 때문에, 외과 의사가 수술을 진행하는 동안, 수술 기구를 더 잘 제어할 수 있게 한다. 가상 중심 메커니즘(1801’)(즉, 입력 조인트)은 외과 의사의 손목(607)의 피치 및 요 회전이 엔드 이펙터 관절 조인트(583)의 대응하는 회전으로 직관적이고 유동적으로 매핑되고 전달되도록 한다. 무제한-롤 핸들 조립체(400)가 엔드 이펙터 조립체(1765)의 롤을 수행하는 이점 없다면, 외과 의사는 외과 의사(그/그녀)의 팔뚝(608)의 회내(pronation) 및 회외(supination)로 제한될 것이며, 이는 본질적으로 롤 회전 범위에서 생체역학적으로 제한된다.
그러나 무제한-롤 핸들 조립체(400)의 추가로, 본 명세서에 기술된 수술 기구는 엔드 이펙터 조립체(1765)를 의료 장치(1800)의 입력의 요, 피치 및 롤을 직접 받거나(inherit) 수신하도록 직관적이고 인체공학적으로 제공할 수 있다. 외과 의사의 팔뚝(608)/손목(607)의 회내 및 회외로 인한 롤에 더하여, 상기 롤은 또한 외과 의사의 엄지/손가락에 의한 회전 다이얼(102, 502)의 롤링에 의해 달성된다. 이들 두 공급원으로부터 생성된 롤은 엔드 이펙터 조립체(1765)로 전환 또는 전달된다. 의사가 그의 손목(607)을 관절 연결할 때, 즉 그의 손(609)이 그/그녀의 팔뚝(608)에 대해 관절로 연결된 위치에 있을 때, 외과 의사의 손에 의해 잡혀지는 핸들 쉘(101, 501)은 툴 프레임에 대해 관절 위치에 있다(입력 관절 조인트에 의해 제공되는 관절 연결). 이 입력 조인트의 관절 연결은 출력 조인트의 관절 연결을 야기한다. 이는 엔드 이펙터 조립체(1765)의 축(즉, 축 2)이 더 이상 툴 샤프트(526)의 축(즉, 축 3)과 정렬되지 않는다는 것을 의미한다. 상기 엔드 이펙터 조립체(1765)의 이러한 관절식 구성(예를 들어, 도 18b에 도시됨)에서, 외과 의사는 그의 손목(607)을 고정된 관절식 배향으로 유지하고, 그의/그녀의 엄지/손가락으로 회전 다이얼(102, 502)을 무제한으로 굴림으로써 인체공학적으로 관절식 롤을 수행할 수 있다. 이는 손목(607)의 모든 방향에서 관절식 롤을 가능하게 한다. 엔드 이펙터 조립체(1765)의 롤은 그의 팔뚝(608)/손목(607)의 회내 및 회외에서 외과 의사의 생체역학적 제한에 의해 더 이상 제한되지 않는다. 그의 엄지/손가락에 의해 회전 다이얼(102, 502)로부터 기구의 엔드 이펙터 조립체(1765)의 롤을 제어함으로써, 외과 의사는 그의 손목(607)의 임의의 관절 방향으로 엔드 이펙터 조립체(1765)의 열림/닫힘 작동을 제어하기 위해 엔드 이펙터 작동 메커니즘의 핸들 레버(549) 작동을 여전히 사용할 수 있는 동안 무한한 양의 롤링을 수행할 수 있다.
또한, 여기에 설명된 무제한-롤 핸들 조립체는 인체공학적 인터페이스로 모든 최소 액세스 툴의 고급 기능을, 동시에 그리고 예측 가능하게 제어할 수 있다. 이 핸들은 파워 동작, 기교(finesse) 동작 및 직관적인 관절 연결 제어를 특징으로 한다. 이 세 가지 동작은 사용자 손(609)의 최적 영역에 개별적으로 정렬된다. 엔드 이펙터 턱 조립체를 폐쇄하기 위해 핸들 본체 및 레버를 잡는 것과 같은 파워 동작은, 손바닥과 손가락(특히 가운데 손가락, 약지 및 새끼 손가락)에 의해 제공된다. 회전 다이얼(102, 502)을 회전시키는 것과 같은 기교 동작은 엄지와 검지로 제공된다(가운데 손가락도 이 동작에 기여할 수 있음). 손(609)의 이들 영역에 대한 파워 동작 및 기교 동작의 분리는 사용자 피로를 최소화한다. 이것은 또한 사용자의 인지 부하를 줄여 정신적 피로를 줄여줍니다. 컴퓨터 조이스틱을 사용하는 것과 유사하게, 관절 연결은 사용자 손목(607)을 관절 연결함으로써 원하는 각도로 사용자 손(609)에 고정된 핸들 조립체를 지시함으로써 제어된다.
또한, 본 명세서에 기술된 무제한-롤 핸들 조립체는 열림/닫힘, 롤 회전 및 관절 연결(또는 임의의 조합)의 동시 동작을 가능하게 한다. 마치 자신의 손(609)처럼, 동작은 유동적이고 자연스럽다. 풀림(unwinding), 잠금 해제(unlocking) 또는 다른 중간 단계 없이 연속적인 방향으로 상기 회전 다이얼(102,502)를 회전시켜 “런닝 스티치(running stitch)”를 수행하는 것은 다른 봉합(suturing) 기구에 비해 신규하다. 이것은 툴 샤프트 축(예를 들어, 축 3)에 대해 기구의 무게 균형을 잡고, 여기에 설명된 기구 회전의 역학을 단순화함으로써 가능하다. 무제한-롤 핸들 조립체(400) 상의 상기 회전 다이얼(102, 502)이 회전될 때, 전체 기구는 사용자의 손목(607) 주위에서 동일한 방향으로 회전하거나 공전한다. 이 과정 동안, 프레임도 회전하지만, 입력 조인트와 관련된 가상 중심이 사용자의 손목(607)의 중앙에 위치한다. 결과적으로 관절식 롤 회전과 같은 복잡한 동작 중에도, 성능이 일관되고 예측 가능하게 된다.
사용자가 인지하는 바와 같이, 본 명세서에 기술된 무제한-롤 핸들 조립 장치는 엔드 이펙터 폐쇄 메커니즘 및 엔드 이펙터 관절 연결을 맞물리면서(engaging), 관련 롤 무제한 핸들 조립체의 기교(finesse) 롤을 가능하게 한다. 처음에 앞서 설명한 무제한-롤 핸들 조립체는 메커니즘 내의 다양한 본체 사이에 최적화된 베어링을 포함한다. 턱 폐쇄 레버가 맞물리거나 풀릴 때 외과 의사가 회전 저항의 차이를 최소로 또는 매우 적게 인지하는 것은, 핸들 조립체의 다양한 본체 사이의 베어링을 통해서이다. 무제한-롤 핸들 조립체의 무한 회전은 스위블(swivel) 조인트와 회전 중에 턱 폐쇄 케이블이 스스로 비틀리는 것을 방지하는 핸들 조립체 내의 여러 키 기능에 의해 가능하다.
사용 중에, 이러한 무제한-롤 핸들 기반 조립체는, 외과 의사가 핸들 쉘(101, 501) 및 핸들 레버(549)를 편안하게 잡고 있는 동안, 그들 자신의 손목(607)을 관절 연결함으로써 전체 의료 장치(1800)의 엔드 이펙터 조립체(1765)의 관절 연결을 수행하도록 허용할 수 있다. 무제한-롤 핸들 조립체의 관절 연결은 회전 다이얼(102, 502)의 원위 단부를 레버리지(leverage)하여 변형 트랜스미션 스트립(533, 534)을 관련 트랜스미션 풀리(1813.1, 1813.2)와 함께 구동(즉, 회전)시키며, 그 축은 가상 중심 메커니즘(1801’)이라고도 하는 것에 따라 의사의 손목(607)에서 중심에 위치한다. 2개의 트랜스미션 풀리(1813.1, 1813.2)의 회전은, 엔드 이펙터 출력 조인트(583’)에 대하여 엔드 이펙터 조립체(1765)의 대응하는 관절 연결의 제어를 제공하기 위해 프레임 내에서 관련된 관절 연결 케이블을 구동한다. 일단 관절 위치가 설정되면, 외과 의사는 핸들 조립체(400) 상의 핸들 레버(549)를 작동시킴으로써 턱을 폐쇄하도록 선택할 수 있다. 바늘로 봉합(suturing)하는 과정은, 외과 의사가 엔드 이펙터 조립체(1765)를 그것의 관절식 축에 대하여 롤-회전시켜, 그에 따라 다양한 조직 평면을 통해 곡률 축에 대하여 바늘을 구동할 것을 요구한다. 이러한 무제한-롤 핸들 기반 조립체는 (여기에 설명된 다른 특징과 함께), 연관된 3축 손목 짐벌(즉, 팔뚝 부착 조인트(1807))에 의해 가능하게 되는 바와 같이, 관련 변형 트랜스미션 스트립(533, 534) 및 관련 트랜스미션 풀리 모두를 외과 의사의 손목(607)에 대하여 회전시키기 위해 제공되는 회전 다이얼(102, 502)에 대한 용이한 접근을 의사에게 제공할 수 있다. 상기 3축 손목 짐벌은 회전 다이얼(102, 502) 및 가상 중심 메커니즘(1801’)의 회전이 상기 외과 의사의 손목(607)에 대하여 풀리 블록(1805), 툴 프레임(525), 툴 샤프트(526) 및 엔드 이펙터 조립체(1765)의 예측 가능한 동심원 회전을 구동하도록 외과 의사의 손목(607)에 대하여 의료 장치(1800)를 구속하고, 중심을 맞춘다.
이러한 장치는 무제한-롤 핸들 조립체(베어링을 통해 처리됨) 내부와 손목 짐벌(최소 접촉 표면 및 저마찰 플라스틱 재료를 통해 처리됨)에서 모두 상대적으로 낮은 회전 저항으로, 장치의 전반적인 균형을 유지하면서(회전축에 무게 중심을 설정하고, 장치 전체에 무게를 재분배함으로써 해결됨), 롤 축(111, 1835)에 대한 비틀림(torsion)/트위스팅(twisting)에 거의 순응하지 않는 변형 트랜스미션 스트립(533, 534)을 사용하여 기교(finesse) 회전 제어를 제공한다.
또한, 이제 여기에서 사용되는 특정 용어에 대한 기본 정의가 제공된다.
메커니즘과 조인트 ― “메커니즘(mechanism)”과 “관절(joint)”이라는 용어 사이에는 일정한 등가가 있다. “조인트(joint)”는 “커넥터(connector)” 또는 “구속(comstraint)”이라고도 한다. 이 모든 것은 두 본체 간에 특정 자유도(DoF)를 따라 특정 동작을 허용하고 나머지 동작을 제한하는 것으로 보여질 수 있다. 메커니즘은 일반적으로 여러 조인트와 강성 본체로 구성된다. 일반적으로 조인트는 구성이 더 간단한 반면, 메커니즘은 여러 조인트를 포함할 수 있으므로 더 복잡하다. 그러나 무엇이 단순하고, 무엇이 복잡한지는 문맥에 따라 다르다. 고려 중인 메커니즘은 훨씬 더 큰 메커니즘이나 기계의 맥락에서 단순하거나 작게 보일 수 있으며, 이 경우 고려 중인 특정 메커니즘을 조인트라고 부를 수 있다. 따라서 메커니즘으로 간주되었던 것이 조인트로 간주될 수도 있다. 또한 여기에서 “조인트(joint)”는 고정된 조인트(예: 용접, 볼트, 나사 또는 접착 조인트)와 반대로 동작을 허용하는 기계적 연결을 의미함에 유의한다. 후자(고정된 조인트)의 경우 두 강성 본체는 서로 융합되고 운동학적 의미에서 하나이자 동일한 것으로 간주된다(상대적 움직임이 허용되지 않거나 자유도가 없기 때문). 여기서 “고정 조인트(fixed joint)”라는 용어는 두 본체 사이의 이러한 종류의 조인트를 지칭하기 위해 사용된다. “조인트(joint)"라는 용어를 언급할 때, 이는 핀 조인트, 피벗 조인트, 유니버셜 조인트, 볼, 소켓 조인트 등 일정한 운동을 가능하게 하는 연결을 의미한다. 따라서, 여기서 언급하는 조인트는 운동학적 의미에서 한 본체를 다른 본체와 연결한다.
축 및 방향 ― 축은 공간의 특정 선을 나타낸다. 본체는 특정 축을 중심으로 다른 본체에 대해 회전할 수 있다. 또는 본체가 특정 방향으로 다른 본체에 대하여 병진 운동할 수 있다. 방향은 특정 축에 의해 정의되지 않고 대신 일반적으로 여러 평행 축에 의해 정의된다. 따라서 X축은 도면에 보여지고 정의되는 특정 축이며, X 방향은 이 X축의 방향을 의미한다. 서로 다르지만 평행한 여러 X 축은, 동일한 X 방향을 가질 수 있다. 방향은 방향만 있고 공간에서의 위치는 없다. 이런 의미에서 “축”은 더 정확하고 “방향”은 더 일반적이다. 축을 지정하면, 축에 방향이 있으므로 방향이 정의된다. 방향을 지정하면 축을 정의할 필요가 없다. 여기에서 축 1과 방향 1이 추가로 정의되며 이는 설명된 시스템의 동작 및 구속을 정의하는 데 사용된다.
자유도(DoF) ― 이미 언급한 바와 같이 조인트 또는 메커니즘은 두 본체 사이의 특정 동작을 허용하고 나머지는 구속한다. “자유도(Degrees of freedom)”는 이러한 “동작(motion)”을 포착하거나 전달하기 위한 기술 용어이다. 전체적으로, 두 강성 본체 사이에 조인트가 없을 때, 두 강성 본체 사이에 가능한 6개의 독립적인 자유도(3개의 병진 이동 및 3개의 회전)가 있다. 조인트는 두 본체 사이에서 0에서 6개의 DoF 사이의 모든 위치를 허용한다. 상기 조인트가 0 DoF를 허용하는 경우, 이것은 실질적으로 두 본체가 서로 견고하게 융합되거나 연결되는, 위에서 설명한 “고정 조인트(fixed joint)”가 된다. 운동학적 의미에서 두 본체는 하나이며 동일하다. 상기 조인트가 6 DoF를 허용하는 경우, 이는 사실상 조인트가 없거나, 두 본체가 스프링 또는 모든 방향에서 유연한(compliant) 부재를 통해 연결된 경우와 같이, 상기 조인트가 실제로 두 본체 사이의 어떠한 동작도 제한하지 않는다는 것을 의미한다. 모든 실용적인 조인트는 두 강성 본체 사이에 1, 2, 3, 4 또는 5 DoF를 허용한다. 하나의 DoF를 허용하는 경우 나머지 5개의 가능한 동작은 조인트에 의해 제한된다. 2 DoF를 허용하는 경우 나머지 4개의 가능한 동작은 조인트 등에 의해 제한된다.
구속도(DoC, Degree of constraint) ― 구속도는 두 본체 간에 상대 동작이 구속되는 방향을 나타낸다. 상대 운동이 제한되어 있기 때문에 한 물체에서 다른 물체로 전달될 수 있는 동작에 따른 방향이다. 상기 조인트는 DoC 방향에서 두 강성 본체 사이의 상대적 움직임을 허용하지 않기 때문에, 한 강성 본체가 DoC 방향으로 이동하면 다른 강성 본체도 그 방향을 따라 함께 이동한다. 다시 말하면, 하중(예: 힘 또는 토크) 및 동작은 DoC 방향으로 하나의 강성 본체에서 다른 강성 본체로 전달된다.
로컬 접지 ― 다중 본체 및 조인트를 포함하는 본체의 조립체(또는 다중 본체 시스템 또는 메커니즘)의 맥락에서 하나 이상의 본체는 “기준(reference)” 또는 “접지(ground)” 또는 “로컬 접지(local ground)” 또는 “기준 접지(reference ground)”라고 지칭될 수 있다. 로컬 접지라고 하는 본체는 반드시 절대 접지(absolute ground, 즉, 실제 접지에 부착되거나 볼트로 고정됨)일 필요는 없다. 오히려 로컬 접지로 선택된 본체는 단순히 다른 모든 본체의 동작을 설명하거나 연구하는 것에 대하여 기계적 참조 역할을 한다. 또한 조립체/다중 본체 시스템/메커니즘에서 본체를 로컬 접지로 선택해도 조립체/다중 본체 시스템/메커니즘의 기능을 제한하지 않는다. 예를 들어, 여기에 설명된 핸들 조립체의 경우, 핸들 본체는 로컬 접지로 선택될 수 있고, 다른 본체의 움직임은 상기 핸들 본체에 대해 정의될 수 있다 (즉, 핸들 본체가 정지 상태로 유지된다고 가정). 그러나 이것은 핸들 본체가 고정되어 있을 때만 핸들 조립체가 기능한다는 것을 의미하지는 않는다. 오히려, 높은 수준에서, 상기 핸들 조립체의 기능은 어떤 본체가 로컬 접지로 간주되는지와 무관하다.
본체 ― 본체는 조립품의 일부인 개별 구성요소로, 조인트이나 메커니즘에 의하여 상호 연결될 수 있다. 이 개별 구성 요소는 강성이므로, 강성 본체 운동 전달을 용이하게 한다. 이것은 힘이 DoC를 따라 본체를 통해 이동할 때, 전달 손실이 없음을 의미한다. 특정 시나리오에서 본체는 유연할 수 있다(단단하지 않음). 이러한 경우, 기본 정의에 대한 예외가 여기에서 구체적으로 언급된다. 특정 시나리오에서 본체라는 용어는 본체 조립체에 사용될 수 있다. 본체를 설명하는 동안, 논의과 관련된 본문의 특정 기능은 특정된다. 또한 본체는 조립체 또는 메커니즘의 일부인 개별 구성 요소를 설명하는 일반적인 용어로 사용된다. 추가로 설명되는 바와 같이, 조립체 또는 서브 조립체를 형성하는 데 사용되는 구조적 구성 요소는 “본체(bodies)”라는 용어이다. “본체(body)” 및 “구성요소(component)”라는 용어는 명세서 전반에 걸쳐 상호교환적으로 사용될 수 있으며 동일한 의미를 갖는다.
트랜스미션 부재 ― 트랜스미션 부재는 한 본체에서 다른 본체로 동작을 전달하는 강성/유연성 본체이다. 상기 트랜스미션 부재는 유연한 와이어/케이블/케이블 조립체, 유연한 샤프트 등일 수 있다.
사용자 인터페이스 ― 사용자 인터페이스는 사용자가 기계나 기기 또는 메커니즘의 다른 쪽 끝에서 특정 출력을 생성하기 위해 상호 작용하는 입력 인터페이스 역할을 한다. 사용자 인터페이스는 일반적으로 사용자가 트리거하는 기기의 일부인 본체(body)의 인체 공학적 기능이다. 예를 들어, 자동차 대시보드의 손잡이는 스피커의 볼륨을 높이거나 낮추기 위하여 사용자에 의해 회전될 수 있다. 이 예에서 손잡이, 특히 손잡이의 널링된(knurled) 외부 원주(특징)가 사용자 인터페이스이다.
핸들 조립체 전문용어(terminologies) ―미국 특허 제9,814,451 B2 호(출원 의 도 1)에서 명명된 구성요소는 명확성을 위해 본 출원에서 대안적인 등가 명칭이 부여된다. “H. 본체 A(H.Body A)”는 “핸들 본체(Handle Body)”, “H. 본체 B(H.Body B)”는 “다이얼(Dial)”, “H. 본체 C(H.Body C)”는 “푸시 로드(Push rod)”, “H. 본체 D(H.Body D)”는 “셔틀(Suttle)”이라고 한다.
축 1 ― 축 1은, 다이얼이 핸들 본체에 대하여 회전하는 축을 나타낸다. 이 축은 또한, 푸시 로드가 셔틀에 대한 회전 DoF를 갖는 축으로도 정의된다.
방향 1 ― 이것은 셔틀이 다이얼에 대하여 병진 운동하는 방향이다. 이것은 또한, 푸시 로드가 핸들 본체에 대하여 병진 운동하는 방향이기도 한다.
핸들 본체 ― 핸들 본체는 핸들 조립체 및 관련 메커니즘을 설명하는 동안 로컬 접지로 간주되는 핸들 조립체의 본체를 지칭한다. 상기 핸들 본체는, 핸들 조립체 내의 다른 본체가 핸들 본체에 대해 움직여지는 동안, 사용자에 의하여 잡혀진다. 본 명세서에 기술된 핸들 본체는 “손바닥 파지(palm grip)”, “손바닥 파지 부분(palm grip portion)” 또는 “핸들 쉘(Handle shell)”로도 지칭될 수 있다.
폐쇄 본체 ― 폐쇄 본체는 핸들 본체에 대해 적어도 1 자유도 동작을 가지고, 특정 실시예에서는 축 1을 중심으로 핸들 본체에 대해 회전 제한(DoC)될 수 있는 핸들 조립체의 본체를 말한다. 폐쇄 본체는 또한 폐쇄 입력부라고 하는 다른 본체와 인터페이스할 수 있다. 폐쇄 입력부가 핸들 본체에 대해 작동되면, 방향 1을 따라 핸들 본체에 대하여 폐쇄 본체의 병진 운동을 초래할 수 있다. 폐쇄 본체가 축 1을 따라 핸들 본체에 대해 상대적인 병진 자유도를 가질 때, 상기 폐쇄 본체는 푸시 로드라고 한다. 푸시 로드는 특허 제 9,814,451B2호에 또한 설명된다.
셔틀 ― 셔틀은 축 1을 중심으로 푸시 로드에 대해서 회전하고, 방향 1을 따라 다이얼에 대해서 병진 운동하는 핸들 조립체의 본체를 말한다. 셔틀은 또한 축 1을 기준으로 다이얼에 대해 회전이 제한된다.
롤 본체 ― 롤 본체는 핸들 본체에 대한 회전 DoF를 가지는 핸들 조립체의 본체를 나타낸다. 특정 핸들 조립체 실시예에서, 롤 본체는 핸들 조립체의 가시적(사용자에 의해 접근 가능한 외부 구성요소) 구성요소일 수 있다. 특허 제 9,814,451B2 호에 설명된 다이얼의 기능 및 구조 외에도, 롤 본체는 롤 입력부이라고 불리는 또 다른 본체와 인터페이스할 수도 있다. 롤 입력부가 롤 축을 중심으로 핸들 본체에 대해 회전하면, 축 1을 중심으로 핸들 본체에 대해 롤 본체의 회전이 초래될 수 있다. “다이얼(dial)” 또는 “손잡이(knob)”라는 용어는 롤 본체라는 용어와 상호교환적으로 사용된다.
툴 프레임 ― 툴 프레임은 툴 장치의 일부인 구조적 본체를 말한다. 특정 툴 장치에서, 상기 툴 프레임은 핸들 조립체 및 길쭉한 툴 샤프트 중 적어도 어느 하나에 연결될 수 있다. “툴 프레임(tool frame)”과 “프레임(frame)”이라는 용어는 문서 전체에서 상호교환적으로 사용될 수 있다.
EE(엔드 이펙터) 조립체 ― 도 21a 및 도 21b을 일반적으로 참고하면, EE 조립체(2010) 또는 엔드 이펙터 조립체 또는 턱 조립체는 세장형 툴 샤프트(2011)의 원위 단부에 존재한다. EE 조립체는 하나 이상의 턱(또는 EE 턱)을 포함할 수 있다. EE 조립체 (2010)에는 두 가지 유형이 있다. EE 조립체(2010)의 첫 번째 유형은 두 개의 EE 턱, 즉 “동작 턱(Moving Jaw)”(2012) 및 “고정 턱(Fixed Jaw)”(2014)으로 불리는 두개의 EE 턱으로 구성된다. 또한 동작 턱(2012) 및 EE 조립체(2010) 내의 임의의 다른 움직이는 본체를 위한 로컬 기준 접지 역할을 하는 “EE 프레임(EE Frame)”(2016)도 있다. 이 조립체에서, 동작 턱(2012)은 도 21a에 도시된 피벗 핀(2018)을 중심으로 회전함으로써 EE 프레임(2016)에 대해 이동한다. 이 EE 프레임(2016)에 대한 동작 턱(2012)의 이 동작을 “턱 폐쇄 동작(jaw closure motion)”이라고 한다. 턱 폐쇄 동작 및 “턱 개폐 동작(jaw open/close motion)”은 본 명세서 전체에서 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 도 21a에서, 고정 턱(2014)은 또한 EE 프레임(2016)의 강성 연장부가 되도록 EE 프레임(2016)에 결합된다. 도 21a에 도시된 EE 조립체(2010)를 설명하면서, 고정 턱(2014)은 EE 프레임(2016)과 같은 로컬 기준으로서 취급된다. 이는 고정 턱(2014)이 EE 조립체(2010)에서 EE 프레임(2016)의 강성 연장부이기 때문이다. 다른 EE 조립체에서, 고정 턱(2014)은 EE 프레임(2016)에 대하여 하나 이상의 DoF 조인트를 가질 수 있다. 상기 EE 프레임(2016)은 EE 조립체(2010)가 관절 연결 기능을 제공하는 툴 장치의 일부인 경우 출력 관절 조인트(2020)을 통해 툴 샤프트(2011)에 추가로 결합된다.
“EE 롤 동작(EE rolll motion)”은 EE 조립체(2010)에서의 두 번째 출력 동작이다. EE 롤 동작은 서로 다른 축에 대한 EE 조립체(2010)의 두 개의 별개의 회전을 의미할 수 있다. 축 2에 대한 회전은 EE 조립체의 롤 축에 대한 EE 조립체(2010)의 회전을 나타낸다. 축 3에 대한 회전은 툴 샤프트(2011) 롤 축에 대한 EE 조립체(2010)의 회전을 말한다. 도 21a에 도시된 EE 조립체(2010)의 경우, 축 3에 대해 핸들 조립체(2022) 및 툴 샤프트(2011)를 포함하는 전체 툴 장치의 회전 시, EE 조립체(2010)도 축 3에 대해 회전한다. 반면에 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전에 의해 발생하는 롤 동작은 축 3에 대한 툴 샤프트(2011)의 회전 및 축 2에 대한 EE 조립체(2010)의 회전을 초래한다. 이는 설명에서 다양한 툴 장치 구성을 제시하면서 더 설명된다.
EE 조립체(2010)의 두 번째 유형은 “동작 턱(Moving Jaw)”(2012) 및 “고정 턱(Fixed Jaw)”(2014)이라고 불리는 두 개의 EE 턱으로 구성된다. 상기 조립체에는 EE 프레임(2016)도 포함되어 있다. 상기 조립체에는, 동작 턱(2012)이 도 21b에 도시된 피벗 핀(2018)을 중심으로 회전함으로써 EE 프레임(2016)에 대하여 이동한다. 고정 턱(2014)은 또한 EE 프레임(2016)의 강성 연장부가 되도록 EE 프레임(2016)에 결합된다. 도 21b에 도시된 EE 조립체(2010)를 설명하는 동안, 고정 턱(2014)은 EE 프레임(2016)과 같은 로컬 기준으로서 처리된다. 이는 고정 턱(2014)은 이 EE 조립체(2010)에서 EE 프레임(2016)의 강성 연장부이기 때문이다. 이 조립체는 또한 EE 조립체에 근접하며, “EE 베이스(EE base)”(2028)라고 불리는 본체/구성요소로 구성된다. 상기 EE 베이스(2028)는 EE 프레임(2016)에 대한 1 DoF 회전 조인트를 가진다. 이 회전 조인트는 축 2에 대한 롤 DoF를 제공한다. 이 조인트는 스러스트 베어링, 롤 베어링, 플레인 베어링 등에 의해 형성될 수 있다. 도 21b는 EE 프레임(2016)과 EE 베이스(2028) 사이의 스러스트 베어링(2030)을 도시한다. EE 베이스(2028)는 관절 출력 조인트(2020)를 통해 툴 샤프트(2011)에 결합된다. 두 번째 유형의 EE 조립체(2010)의 경우, EE 베이스(2028)에 대한 고정 턱(2014)/EE 프레임(2016)의 회전은 출력 관절 조인트(2020)의 회전을 유발하지 않으므로, 이에 축3에 대한 툴 샤프트(2011)의 회전을 유발하지 않는다. 반면에 첫번째 유형의 EE 조립체(2010)에서, 고정 턱(2014)/EE 프레임(2016)의 회전은 출력 관절 조인트(2020)의 회전을 포함한다. 첫번째 유형의 EE 조립체(2010)에서, 상기 출력 관절 조인트(2020)는 롤 동작을 전달하기 위해 고정 턱(2014)/EE 프레임(2016)과 툴 샤프트(2011) 축 2 사이에 롤 회전 DoC를 제공한다.
도 21b에 도시된 EE 조립체(2010)의 경우, 축 3에 대한 핸들 조립체(2022) 및 툴 샤프트(2011)를 포함하는 전체 툴 장치의 회전 시, EE 조립체(2010)도 축 3에 대해 회전한다. 반면에, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대하여 다이얼(2024)의 회전으로 발생하는 롤 동작은 EE 프레임(2016)/고정 턱(2014) 및 동작 턱(2012)의 회전으로 이어진다. 이는 축 3에 대한 툴 샤프트(2011)의 회전으로는 이어지지 않는다. 이는 본 명세서에서 다양한 툴 장치 구성을 제시하면서 추가로 설명되는 알파 구성에 대응된다.
또한, 전체 EE 조립체(2010)는 EE 베이스(2028)에 대해 “EE 롤 축(EE roll axis)” 또는 “축 2(axis 2)”라고 하는 이것의 롤 축에 대하여 회전할 수 있다. EE 조립체(2010)는 본 명세서에서 “턱 조립체(jaw assembly)” 또는 “엔드 이펙트 조립체(end-effector assembly)”와 상호 교환적으로 지칭될 수 있다.
롤 입력부 ― “롤 입력부(Roll Input)” 또는 “회전 입력부(Ratation input)”은 축 2(EE 롤 축)에 대한 EE 조립체(2010)의 회전을 생성하기 위해, 회전되거나 활성화되는 핸들 조립체(2022)의 일부인 본체를 나타낸다. 여기서, 핸들 조립체(2022) 및 EE 조립체(2010) 둘 모두는 핸들 조립체(2022)가 사용자에 대해 근위이고 EE 조립체(2010)가 사용자에 대해 원위인 툴 장치의 일부이다. 가장 간단한 형태의 롤 입력부는 핸들 조립체(2022)의 일부인 다이얼(2024)이다. 또 다른 시나리오에서 롤 입력부는 사용자가 볼 수 있거나 외부에서 접근할 수 있는 외부 롤 입력부 본체로 구성될 수 있는 조립체일 수 있다. 이 시나리오에서 롤 입력부는 사용자 인터페이스 역할을 한다. 이 조립체는 또한 셔틀이 축 1을 중심으로 다이얼(2024)에 대해서 회전 DoC를 가지고, 방향 1을 따라 다이얼(2024)에 대해서 병진 DoF를 갖도록 셔틀과 정합(mate)하는 다이얼(2024)로 구성될 수 있다. 상기 다이얼(2024)은 또한 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대해서 회전 DoF를 가질 수 있다. 롤 입력부가 조립체인 경우, 외부 롤 입력부의 회전은 롤 전달 메커니즘를 통해 다이얼(2024)로 전달될 수 있다. 이 메커니즘에는 링키지, 풀리, 유연한 메커니즘/부재, 케이블, 나사산, 나사, 공압(pneumatic) 및 기어 중 적어도 어느 하나를 포함하되 이에 국한되지 않는 기계적 전달 구성 요소가 포함될 수 있다. 이 메커니즘은 센서(회전/위치/힘), 액추에이터(회전 모터, 선형 모터, 솔레노이드) 및 변환기(transducers) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있는 전기기계적 전달 메커니즘일 수 있다.
폐쇄 입력부 ― 이것은 EE 조립체(2010)의 부재의 작동을 야기시키기 위해 트리거되거나 활성화되는 핸들 조립체(2022)의 일부인 본체를 나타낸다. 가장 간단한 형태의 폐쇄 입력부는, 푸시 로드이다. 이것은 폐쇄 입력부가 푸시 로드 자체인 첫 번째 시나리오이다. 두 번째 시나리오에서 폐쇄 입력부는 사용자가 볼 수 있거나 외부에서 접근할 수 있는 외부 폐쇄 입력부를 포함하는 조립체일 수 있다. 이 시나리오에서 폐쇄 입력부는 사용자 인터페이스로서 작동 한다. 이 조립체는 또한 셔틀이 축 1을 중심으로 푸시 로드에 대하여 회전 DoF를 가지고, 방향 1을 따라 푸시 로드에 대하여 병진 DoC 를 갖도록 셔틀과 정합(mate)하는 푸시 로드로 구성될 수 있다. 따라서 푸시 로드의 병진 운동은 셔틀의 병진 운동으로 이어진다. 폐쇄 입력부가 조립체인 경우, 핸들 본체(2026)에 대하여 외부 폐쇄 입력부의 1DoF 동작은 폐쇄 전달 메커니즘을 통해 푸시 로드로 전달된다. 이 메커니즘은 링키지, 풀리, 유연한 메커니즘/부재, 케이블, 나사산이 형성된 나사, 공압 및 기어 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있는 기계식 전달 메커니즘일 수 있다. 이 메커니즘은 센서(회전/위치/힘), 액추에이터(회전 모터, 선형 모터, 솔레노이드) 및 변환기 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있는 전기기계적 전달 메커니즘일 수 있다. 이 두 번째 시나리오는 도 31b에 도시된 구속 맵을 따르는 다양한 실시예를 통해 도시된다.
세 번째 시나리오에서 폐쇄 입력부는 외부 폐쇄 입력부 구성요소일 수 있다. 이 시나리오에서 폐쇄 입력부는, 셔틀이 방향 1을 따라 다이얼에 대하여 병진 DoF 갖고 축 1을 중심으로 다이얼에 대하여 회전 DoC를 갖게 하기 위하여, 핸들 본체(2026)에 대하여 적어도 1개의 DoF 갖고 셔틀과 인터페이스한다. 외부 폐쇄 입력부의 동작은 폐쇄 메커니즘을 통해 다음으로 전달될 수 있다. 이 메커니즘은 링키지, 풀리, 유연한 메커니즘/부재, 케이블, 나사산이 형성된 나사, 공압 및 기어 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있는 기계식 전달 메커니즘일 수 있다. 이 메커니즘은 센서(회전/위치/힘), 액추에이터(회전 모터, 선형 모터, 솔레노이드) 및 변환기 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있는 전기기계적 전달 메커니즘일 수 있다. 이 세 번째 시나리오는 도 31에 도시된 구속 맵을 따르는 다양한 실시예를 통해 도시된다.
턱 폐쇄 트랜스미션 부재(TM) - 이 트랜스미션 부재/본체는 방향 1을 따라 다이얼(2024)에 대한 셔틀 의 병진 운동을 EE 조립체(2010) 내의 턱 폐쇄 동작으로 전달하는 데 도움을 준다. 이 트랜스미션 부재는, 예를 들어 솔리드 와이어(때때로 피아노 와이어라고도 불림) 또는 유연한 편조(braided) 케이블과 같은 기계적 구성요소일 수 있다. 이 부재는 중심축을 따라 비틀림에 강할 수 있다. 예를 들어, 비틀림 하중에는 강하지만 굽힘 하중에는 유연한 니티놀 와이어. 반면에 개별 강철 필라멘트로 만든 편조(braided) 강철 케이블은 구부릴 때 유연하고, 비틀림에 강하지 않으며, 중심축을 중심으로 회전할 때 자체적으로 감길 수 있다. “턱 폐쇄 트랜스미션 부재(jaw closure transmission member)” 및 “턱 폐쇄 작동 트랜스미션 부재(jaw closure actuation transmission member)”는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
롤 트랜스미션 부재(TM) - 이 트랜스미션 부재는 EE 롤 동작을 생성하기 위해, 회전 입력부의 회전 또는 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전을 전달하는 데 도움을 준다.
관절 트랜스미션 부재 - 이 트랜스미션 부재는, 핸들 조립체(2022)와 툴 샤프트(2011) 사이에 존재할 수 있는 관절 입력 조인트로부터 관절 출력 조인트(2020)(툴 샤프트(2011) 및 EE 조립체(2010) 사이에 개시)까지 관절 연결(피치 및 요 동작)을 전달하는 것을 돕는다. 일반적으로 이러한 관절 트랜스미션 부재는 케이블, 크림프(crimps), 풀리 등을 포함할 수 있다.
턱 폐쇄 트랜스미션 조립체 - 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체는 핸들 조립체(2022)와 EE 조립체(2010) 사이에 존재하고 턱 폐쇄 동작을 용이하게 하는 본체, 조인트, 메커니즘 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재 중 적어도 어느 하나를 말한다. 구체적으로, 출력 동작(예를 들어, 셔틀)을 생성하는 핸들 조립체(2022) 내의 본체는, 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체의 일부인 근위 본체에 결합된다. 유사하게, EE 조립체(2010) 내의 동작 턱은 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체의 일부인 최원위(distal most) 본체에 결합된다. “턱 폐쇄 트랜스미션 조립체(jaw closure transmission assembly)” 및 “턱 작동 트랜스미션 조립체(jaw actuation transmission assembly)”의 용어는 명세서 전체에서 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
EE 롤 트랜스미션 조립체 ― EE 롤 트랜스미션 조립체는 핸들 조립체(2022)와 EE 조립체(2010) 사이에 존재하고, EE 롤 동작을 용이하게하는 본체, 조인트, 메커니즘 및 롤 트랜스미션 부재 중 적어도 어느 하나를 나타낸다.
관절 전달 조립체 ― 관절 전달 조립체는 입력 관절 조인트를 통해 사용자가 생성한 입력 동작(피치 및 요 회전 동작)을 출력 관절 조인트(2020)로 전달하는 데 도움이 되는 본체, 조인트, 메커니즘 및 관절 트랜스미션 부재 중 적어도 어느 하나를 말한다. 구체적으로, 사용자로부터 입력을 수신하는 툴 장치 내의 본체와 결합하는 본체는 관절 전달 조립체의 근위 본체이다. 유사하게, 고려 중인 EE 조립체(2010)의 유형에 따라 EE 프레임(2016) 또는 EE 베이스(2028) 중 하나와 결합하는 본체는 관절 전달 조립체 내의 최원위(distal-most) 본체이다.
툴 장치, 툴 장치의 기능 및 구성(도 22a 및 도 22b)
본 명세서에 기술된 핸들 조립체(2022)는 핸들 조립체(2022), 툴 프레임(2032), 툴 프레임(2032)의 강성 연장부인 세장형 툴 샤프트(2011) 및 툴 샤프트(2011)의 원위 단부에 위치하는 EE 조립체(2010)를 포함할 수 있는 툴 장치의 일부일 수 있다. 툴 장치는 다음의 출력 동작에 대응하는 다양한 기능을 제공할 수 있다. i) EE 조립체(2010)에서의 턱 폐쇄 동작, ii) EE 조립체(2010)의 관절 연결 동작(피치 및 요 회전), iii) 툴 샤프트(2011) 및 EE 조립체(2010)의 강성 본체 동작, 및 iv) EE 조립체(2010)(또는 그 일부)의 관절식 롤 동작.
이 장치는 다른 구성을 가질 수 있다. 툴 장치 기능을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용되는 2개의 구성이 도 22a 내지 도 22b에 도시되어 있다. 이들 구성 모두에서, 핸들 조립체(2022)는 적어도 폐쇄 입력부(2048), 핸들 본체(2026) 및 다이얼(2024)로 구성된다. 다이얼(2024)과 프레임(2032) 사이에 폐쇄 작동 트랜스미션 인터페이스(2036)가 존재한다. 이 폐쇄 작동 트랜스미션 인터페이스(2036)는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)를 가이드하는 프레임과 다이얼 사이에 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038) 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재 도관(2039)(예를 들어, 가요성(flexible) 외피 또는 도관, 또한 도 23에 도시됨)을 포함한다. 턱 폐쇄 트랜스미션 부재 도관(2039)은 원위 단부에서 프레임(2032)에 결합될 수 있고(예를 들어 견고하게 연결되거나 그에 대해 안착됨), 그의 근위 단부에서 핸들 본체(2026)에 결합될 수 있다(예를 들어 견고하게 연결되거나 그에 대해 안착됨). 대안적으로, 그 근위 단부에서, 턱 폐쇄 트랜스미션 부재 도관(2039)은 도관의 근위 단부를 다이얼(2024)에 대해 축방향으로 안착시키는 인터페이스를 통해 다이얼(2024)에 결합될 수 있지만, 둘 사이의 상대적인 롤 회전을 허용한다. 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)는 핸들 본체(2026)에 대한 폐쇄 입력부(2048)의 상대 운동을 EE 조립체(2010)로 전달하는 것을 용이하게 한다. 이러한 상대적인 운동은 턱 폐쇄 동작을 생성하기 위하여 피벗 핀(2018)에 대한 고정 턱(2014)에 대한 동작 턱(2012)의 동작을 유도한다(축 4과 함께). 특정 툴 장치 구성에서, 툴 장치의 원위 단부에서 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 병진 운동은 축 4을 중심으로 고정 턱(2014)에 대한 동작 턱(2012)의 회전으로 변환됨을 요구한다. 따라서, 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 병진 운동을 고정 턱(2014)에 대한 동작 턱(2012)의 회전 동작으로 변환시키기 위하여 예를 들어 랙-피니언 전달 조립체, 풀리, 기어, 링키지, 캠, 핀 등의 본체가 존재할 수 있다.
상기 툴 장치의 관절 연결 기능은 툴 장치의 원위 단부에 있는 EE 조립체(2010)에서 생성되는 피치 및 요 회전(즉, 출력 동작) 기능이다. 이러한 출력 동작은 핸들 조립체(2022)의 피치 및 요 회전 입력부 동작에 의해 생성된다. 샤프트(2011)(툴 샤프트라고도 함)와 EE 조립체(2010) 사이에 존재하는 2-DoF 출력 관절 조인트(2020)가 존재한다. 또한 핸들 조립체(2022)와 프레임(2032) 사이에 존재하는 2-DoF 입력 관절 조인트(2040)가 존재한다. 프레임(2032)에 대한 핸들 조립체(2022)의 관절 연결 동작은 다양한 중간 조인트, 메커니즘 및 트랜스미션 부재(즉, 관절 트랜스미션 부재) 중 적어도 하나를 통해 툴 샤프트(2011)에 대한 EE 조립체(2010)의 관절 연결 동작으로 전달된다. 도 22a 내지 도 22b에 도시된 툴 장치에 대해 2개의 상이한 구성이 존재할 수 있다.
도 22a는 핸들 본체(2026)와 프레임(2032) 사이에 입력 관절 조인트(2040)가 존재하는 툴 장치 구성 및 실시예를 도시한다. 또한, EE 조립체(2010)는 도 21b에 도시된 것과 유사하다. 이 경우에 EE 조립체(2010)는 본체, 즉 EE 베이스(2028), 동작 턱(2012) 및 고정 턱(2014)로 구성된다. 도 21a 내지 도 21b 및 도 22a 내지 도 22b 에서, 고정 턱(2014)은 EE 프레임(2016)의 강성 연장부로서 도시되어 있다. 다른 경우에, 고정 턱(204)은 EE 프레임(2016)에 결합된 별개의 본체일 수 있다. EE 조립체(2010)의 근위부(이 실시예에서는 EE 베이스(2028)) 및 샤프트(2011)의 원위 단부 사이에 출력 관절 조인트(2020)가 존재한다. EE 베이스(2028) 및 EE 베이스(2028)과 EE 프레임(2016) 사이의 1-DoF 롤 회전 조인트에 대한 필요성은 다음 단락에서 EE 롤 동작을 설명하면서 논의된다. 이 구성을 “알파 구성(alpha configuration)”이라고 한다. 또한 도 22a에 도시된 실시예에서 2개의 전달 인터페이스가 설명된다 - 롤 트랜스미션 인터페이스(2037) 및 폐쇄 작동 트랜스미션 인터페이스(2036). 이들 두 개의 트랜스미션 부재와 관련된 것은, 두 개의 각각의 트랜스미션 부재, 즉, 롤 트랜스미션 부재(2042) 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)이다. 두 개의 개별적인 전달 인터페이스와 따라서 두 개의 개별적인 트랜스미션 부재가 예시되나, 일부 시나리오에서, 단일 전달 인터페이스 및 단일 관련 트랜스미션 부재가 사용될 수 있다. 이러한 시나리오에서, 단일 트랜스미션 부재는 적절한 축방향(axial) 및 비틀림 강성을 사용하여 핸들 조립체에서 엔드 이펙터 조립체로 턱 폐쇄 작동뿐만 아니라 롤 회전을 모두 전달할 수 있다.
도 22b는 입력 관절 조인트(2040)가 다이얼(2024)과 프레임(2032) 사이에 존재하는 대체 툴 장치 구성 및 실시예를 도시한다. 또한, EE 조립체(2010)는 도 21a에 도시된 것과 유사하다. 이 구성에서 EE 조립체(2010)는 본체, 즉 동작 턱(2012) 및 고정 턱(2014)으로 구성된다. 다시 한 번, 여기서 고정 턱(2014)은 EE 프레임(2016)의 견고한 연장부이나, 다른 예에서, 이 두 개는 서로 결합된 별개의 본체들일 수 있다. EE 조립체(2010)의 근위 부분과 샤프트(2011)의 원위 부분 사이에 출력 관절 조인트(2020)가 존재한다. 이 실시예에서, EE 조립체(2010)의 근위 부분은 EE 프레임(2016)이다. 이 구성은 “베타 구성(beta configuration)”으로 불린다.
각각 2-DoF 입력 및 출력 관절 조인트(들)(각각 2040 및 2020)는 병렬 운동학적 입력 조인트 또는 직렬 운동학적 입력 조인트일 수 있다. 병렬 운동학적 입력 조인트가 있는 툴 장치의 예는 미국 특허 제 8,668,702 호, 미국 특허 출원 공개 제 2013/0012958 호 및 미국 특허 제 10,405,936호가 개시되어 있다. 직렬 운동학적 입력 조인트가 있는 툴 장치의 예는 미국 특허 제5,908,436호, 미국 특허제 6,994,716 호, 및 미국 출원 제 11/787,607호에 개시되어 있다. 입력 관절 조인트(2040)의 회전 중심은 상기 핸들 조립체(2022)에 대해 근위 또는 원위에 놓일 수 있다. 여기서 “원위(distal)”는 엔드 이펙터 조립체가 툴 샤프트/툴 프레임에 대해 놓이는 방향을 나타내고, “근위(proximal)”는 핸들 조립체가 툴 샤프트/툴 프레임에 대해 놓이는 방향을 나타낸다.
도시된 구성 및 실시예 둘 모두에서, 환자의 침상 또는 신체와 같은 외부 기준 접지에 대한 프레임(2032)의 동작이 툴 샤프트(2011) 및 EE 조립체(2010)로 전달된다. 따라서, 샤프트(2011)는 기준 접지에 대하여 3개의 병진 운동 DoF(X, Y 및 Z축 방향에 따른) 및 3개의 회전 DoF(피치, 요 및 롤 회전)를 가진다. 기구 샤프트(2011)와 환자의 신체 사이의 인터페이스 (예를 들어 투관침(trocar) 또는 캐뉼라(cannula)를 통해)는 이러한 6 DoF 중 일부를 제거한다. EE 조립체(2010)가 관절 연결되지 않은 경우, EE 조립체(2010) 및 툴 샤프트(2011)의 롤 회전이 축 3을 중심으로 발생한다. 이 시나리오에서, 축 1, 축 2 및 축 3은 모두 동일선상(colinear)에 있다. EE 조립체(2010)가 관절 연결되는 또 다른 시나리오에서, EE 조립체(2010)의 롤 회전은 축 2에 대해 발생하는 반면, 샤프트(2011)의 롤 회전은 축 3에 대해 발생하고, 다이얼(2024)의 롤 회전은 축 1에 대해 발생한다. 툴 장치의 이러한 관절 연결 조건 또는 시나리오에서, 축 1, 축 2 및 축 3은 더 이상 동일 선상에 있지 않다. 상기 엔드 이펙터가 관절 연결되었을 때, 상기 엔드 이펙터의 롤 회전 기능은 “관절식 롤(articulated roll)”이라고 한다.
도 22a 및 도 22b에 도시된 두 툴 장치 구성에서, 도면의 오른쪽 하단에 있는 범례는 “크로스해치 패턴 채우기(cross-hatch pattern fill)” 로 표시된 임의의 본체 또는 구성 요소가 다이얼(2024)의 롤 회전에 대응하여 각 축(축 1, 축 2 또는 축 3)에서 회전함을 나타내는 반면에, “크로스해치 패턴 채우기(cross-hatch pattern fill)” 없이 보여지는 임의의 본체 또는 구성요소는 다이얼(2024)과 함께 회전하지 않는다. 알파 구성의 경우, 축 1을 중심으로 외부 기준 접지에 대한 핸들 본체(2026)의 롤 회전은, 축 3에 대한 프레임(2032) 및 툴 샤프트(2011) 및 축 2에 대한 EE 조립체(2010)의 강성 본체 롤 운동을 초래한다. 이 구성에서, 상기 출력 관절 조인트(2020)뿐만 아니라 상기 입력 관절 조인트(2040) 둘다 롤을 전달한다. 즉, 롤 회전은 이 두 조인트 모두에 대한 구속도(DoC)이다. 별도로, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 롤 회전은, 축 2를 중심으로 EE 베이스(2028)에 대한 EE 프레임(2016)(및 이것의 연장 고정 턱(2014))의 회전으로 이어지고, 프레임(2032)의 나머지 및 샤프트(2011)는 핸들 본체(2026)에 대하여 롤하지 않는다. EE 프레임(2016)의 회전(및 따라서 고정 턱(2014)의 EE 베이스(2028)에 대한 이 회전은, 축 2를 중심으로 EE 프레임(2016)의 롤 동작을 제공하는(EE 조립체(2010)의 근위 부분의 나머지 부분과 함께) EE 베이스(2028) 및 EE 프레임(2016) 사이에 1 롤 DoF를 조인트가 존재하기 때문에 가능하다. EE 프레임(2016)의 회전을 초래하는 다이얼(2024)의 이러한 회전은, 롤 트랜스미션 부재(2042)를 포함하는 롤 트랜스미션 인터페이스(2037)를 통해 전달된다. EE 조립체(2010)가 관절 연결되지 않을 때, 축 2는 축 3과 동일 선상에 있다. 핸들 본체(2026)가 프레임(2032)에 관절 연결되고, 그 결과 EE 조립체(2010)가 샤프트(20111)에 관절 연결되고, 따라서 축 2는 더 이상 축 3과 동일 선상에 존재하지 않는다. 이 관절 연결 상태에서, 다이얼(2024)이 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대해 회전하면, 이는 더 이상 축 3과 동일 선상에 있지 않은 축 2를 중심으로 EE 베이스(2028)에 대한 EE 프레임(2016)의 회전을 초래한다. 이 동작은 “관절식 롤(articulated roll)”이라고한다.
따라서 알파 구성의 경우, 두 개의 롤 트랜스미션 조립체가 있다. 프레임(2032), 툴 샤프트(2011) 및 EE 베이스(2028)의 회전을 생성하기 위해, 전체 핸들 조립체(2022)(핸들 본체(2026) 포함하는)는 외부 기준 접지에 대해 축 1을 중심으로 회전된다. 이 롤 회전은 입력 관절 조인트(2040)를 통해 강성 본체(즉, 프레임(2032) 및 툴 샤프트(2011))로 전달되고, 나아가 출력 관절 조인트(2020)를 통해 EE 베이스(2028)까지 모든 방법으로 전달된다. 입력 관절 조인트(2040) 및 출력 관절 조인트(2020)는 롤 동작을 EE 조립체(2010)으로 전달하기 위하여 롤 회전 방향으로 DoC를 제공한다. 이러한 모든 입력 및 출력 관절 조인트와 툴 프레임 및 샤프트 강성 본체는 첫 번째 롤 트랜스미션 조립체의 일부이다. 여기서, EE 조립체(2010)는 툴 샤프트(2011)와 관절식으로 연결되든 그렇지 않든, 툴 샤프트 롤 축 또는 축 3을 중심으로 회전하고 그 자신의 롤 축(축 2)을 중심으로 회전하지 않는다.
알파 구성에서, 축 2에 대한 EE 프레임(2016) 및 EE 베이스(2028)의 상대적인 롤 동작을 생성하기 위해 다이얼(2024)은 축 1에 대한 핸들 본체(2026)에 의해 회전될 수 있다. 이는 핸들 조립체(2022)의 일부인 다이얼(2024)(또는 롤 본체)과 결합하는 근위 본체(예를 들어, 도 25c에 도시됨)로 구성되는 제2 롤 트랜스미션 조립체를 통해 달성된다. 이 근위 본체는 롤 트랜스미션 부재(2042)의 근위 단부에 통합되거나 결합되며, 롤 트랜스미션 인터페이스(2037)의 일부인 롤 트랜스미션 부재 도관(2035)을 통해 안내될 수 있다(도 22a 참조). 롤 트랜스미션 부재 도관이 사용될 때, 상기 롤 트랜스미션 부재 도관(2035)은 그 원위 단부에서 프레임(2032)에 결합되고, 그 근위 단부에서 핸들 본체(2026)에 결합될 수 있다. 대안적으로, 그 근위 단부에서, 롤 폐쇄 트랜스미션 부재 도관(2035)은 둘 사이의 상대적인 롤 회전을 허용하는 인터페이스를 통해 다이얼(2024)에 결합될 수 있다. 어떤 경우에는 롤 트랜스미션 부재 도관이 전혀 사용되지 않을 수 있다. 상기 롤 트랜스미션 부재(2042)는 추가로 툴 프레임(2032)의 일부, 툴 샤프트(2011)를 통과하고, 출력 관절 조인트(2020)를 통과하고, EE 베이스(2028)를 통과할 수 있다. 이 롤 트랜스미션 부재(2042)의 원위 부분은 EE 프레임(2016)에서 종료되고 결합된다. 상기 다이얼(2024)이 축 1을 중심으로 핸들 본체(26)에 대하여 회전될 때(프레임(2032)에 대하여 핸들 조립체(2022)의 관절식 배향으로), 다이얼의 이러한 롤 회전은, EE 프레임(2016)이 축 2를 중심으로 EE 베이스(2028)에 대해 회전하도록, 제2 롤 트랜스미션 조립체를 통해 엔드 이펙터 조립체(2010)로 전달된다. 따라서, 알파 구성에는 2개의 별개의 롤 트랜스미션 조립체가 있다. 예로서, 두 번째 롤 트랜스미션 조립체와 같이 하나의 롤 트랜스미션 조립체만 있는 알파 구성 버전이 있을 수 있다. 알파 구성의 이 버전에서, 입력 관절 조인트(2040)가 롤 회전에 대한 DoC를 제공하지 않거나, 출력 관절 조인트(2020)가 롤 회전에 대한 DoC를 제공하지 않거나, 둘 다 롤 회전에 대한 DoC를 제공하지 않는다. 그 결과, 롤 회전의 전달은 더 이상 제1 롤 트랜스미션 조립체를 통해 가능하지 않으며, 오직 기능적 롤 트랜스미션 조립체만이 전술한 제2 롤 트랜스미션 조립체이다.
베타 구성(도 22b)의 경우에, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은, 전체 프레임(2032), 툴 샤프트(2011) 및 EE 프레임(2016)의 강성 본체 롤 회전을 초래한다. 상기 EE 프레임(2016)은 항상 축 2에 대해 회전한다. EE 조립체(2010)가 샤프트(2011)와 관절 연결되지 않은 경우, 축 2는 축 3과 동일 선상에 있다. EE 조립체(2010)가 관절 위치에 있을 때 축 2는 축 3에 대하여 관절 연결 각도(articulation angle)에 있다. 이 롤 회전은 입력 관절 조인트(2040), 강성 본체(즉, 프레임(2032) 및 툴 샤프트(2011)) 및 출력 관절 조인트(2020)를 통해 다이얼(2024)로부터 전달된다. 이 경우에 입력 관절 조인트(2040) 및 출력 관절 조인트(2020) 각각은, 다이얼(2024)로부터 EE 프레임(2016)까지 롤 동작을 전달하기 위하여 롤 회전 방향으로 DoC를 제공한다. 핸들 조립체(2022)가 프레임(2032)에 관절 연결되고, 이에 따라 EE 조립체(2010)가 샤프트(2011)에 대하여 관절 연결될 때, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 롤 회전은 축 2를 중심으로 EE 프레임(2016)의 롤 회전을 초래한다. EE 프레임(2016)의 롤 회전은 축 2에 대한 전체 EE 조립체(2010)(동작 턱(2012) 및 고정 턱(2014)를 포함함)의 롤 회전을 야기한다. 이 관절식 연결 구성에서 축 2와 축 3은 더 이상 동일 선 상에 있지 않는다.
상기 베타 구성에서 EE 롤 동작은, 프레임과 샤프트의 강성 본체 롤 회전을 통한 롤 동작 전달과 입력 및 출력 관절 조인트를 통해 구성된 단일 롤 트랜스미션 조립체를 통해 전송된다. 반면, 알파 구성에서 EE 롤 동작 전달은, 위에서 설명한, 두 개의 롤 트랜스미션 조립체를 통해 발생할 수 있다.
도 23은 핸들 조립체(2022)에 근접한 회전 중심(가상 중심)을 갖는 병렬 운동학적 입력 관절 조인트를 포함하는 툴 장치의 실시예를 도시한다. 이 툴 장치 실시예는 위에서 논의된 베타 구성에 기초한다. 프레임(2032), 툴 샤프트(2011) 및 EE 조립체(2010)와 함께 이 툴 장치 내에 핸들 조립체(2022)가 존재한다. 이 툴 장치의 일부인 핸들 조립체(2022)는 아래 섹션에서 상세히 논의된다.
핸들 구속 맵 A 및 B
도 24a는 핸들 조립체(2022)를 구성하는 다양한 본체 사이의 관계를 설명하는 데 사용되는 “구속 맵 A(constraint map A)”로 명명된 구속 맵을 나타낸다. 핸들 조립체(2022)는 4개의 본체, 즉 핸들 본체(2026), 다이얼(2024), 푸시 로드(2044) 및 셔틀(2046)으로 구성될 수 있다. 도 24a에 도시된 구속 맵에 매핑되는 핸들 조립체의 실시예에서, 핸들 본체(2026)는 로컬 접지로 간주될 수 있다.
폐쇄 본체(즉, 푸시 로드)(2044)는 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대하여 1-DoF 병진 조인트를 갖는다. 푸시 로드(2044)는 또한 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대하여 회전 DoC를 갖는다. 다시 말해서, 상기 푸시 로드(2044)가 핸들 본체(2026)에 대해 회전 구속 (예를 들어, 키가 있는)되고, 만약 핸들 본체(2026)가 축 1을 중심으로 회전하면, 이는 푸시 로드(2044)를 그 자체를 함께 회전시킨다. 상기 롤 본체(즉, 다이얼)(2024)는 핸들 본체(2026)에 대한 1 DoF 회전 조인트를 갖는다. 다이얼(2024)은 핸들 본체(2026)에 대해 축 1을 중심으로 회전한다. 다이얼(2024)은 또한 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대하여 1 병진 DoC 를 갖는다. 따라서, 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)의 병진 운동은, 다이얼(2024)의 병진 운동을 또한 초래한다. 상기 셔틀(2046)은 푸시 로드(2044)에 대해 1 DoF 회전 조인트를 가지며, 즉, 셔틀(2046)은 푸시 로드(2044)에 대하여 축 1을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 셔틀(2046)은 또한 방향 1을 따라 푸시 로드(2044)에 대해 병진 DoC를 갖는다. 따라서 방향 1을 따라, 푸시 로드(2044)의 병진 운동은 셔틀(2046)에 전달된다. 셔틀(2046)은 방향 1을 따라 다이얼(2024)에 대해 1 DoF 병진 조인트를 갖는다. 상기 셔틀(2046)은 또한 축 1을 중심으로 다이얼(2024)에 대해 1 회전 DoC 을 갖는다. 따라서 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 셔틀(2046)과 다이얼(2024) 사이의 회전 DoC의 존재로 인해 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전을 이끈다.
“구속 맵 B(constraint map B)”을 보여주는 도 24b에 도시된 바와 같이, 핸들 조립체(2022)는 또한 폐쇄 입력부(2048) 및 롤 입력부(2050)과 같은 추가 본체를 포함할 수 있다. 폐쇄 입력부(2048)은 직접적인 구조적 연결을 통해, 또는 핸들 본체(2026)에 대한 폐쇄 입력부(2048)의 입력 동작을 핸들 본체(2026)에 대한 푸시 로드(2044)의 방향 1을 따른 병진 운동으로 전달하는 폐쇄 입력부 메커니즘을 통해, 푸시 로드(2044)에 결합될 수 있다. 폐쇄 입력부(2048)이 푸시 로드(2044)에 직접적인 구조적 연결을 가지는 이전 시나리오에서, 푸시 로드(2044) 자체는 폐쇄 입력부(2048)의 역할을 한다. 여기서 폐쇄 입력부(2048)은 푸시 로드(2044)에 통합되거나 푸시 로드(2044)의 연장이다. 그러나 다른 시나리오에서 폐쇄 입력부(2048)은 폐쇄 입력부 메커니즘(다음 섹션에서 다양한 실시예를 통해 도시됨)을 통한 푸시 로드(2044)에 결합될 수 있다. 폐쇄 입력부(2048)의 작동은 사용자에 의해 수동으로, 또는 전기-기계식 액추에이터, 공압식 액추에이터, 유압식 액추에이터, 또는 다른 액추에이터를 사용하여 행해질 수 있다. 부가적인 기계적 전달 구성요소(기어, 도르래, 레버, 인장 케이블 등과 같은)는 액추에이터와 폐쇄 입력부(2048) 사이에 사용될 수 있다. 이러한 기계적 전달 구성요소는 또한 폐쇄 입력부 메커니즘에 포함될 수 있다.
롤 입력부(2050)는 직접적인 구조적 연결을 통해, 또는 핸들 본체(2026)에 대한 롤 입력부(2050)의 입력 동작을 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 축 1에 대한 회전으로 전달하는 롤 입력부 메커니즘을 통해 다이얼(2024)에 결합될 수 있다. 롤 입력부(2050)이 다이얼(2024)에 대한 직접적인 구조적 연결을 갖는 이전의 제한적인 경우에서, 다이얼(2024) 자체는 롤 입력부(2050)의 역할을 한다. 롤 입력부(2050)은 다이얼(2024)에 통합되거나 다이얼(2024)의 연장이다. 그러나, 보다 일반적인 경우에, 롤 입력부(2050)은 롤 입력부 메커니즘(나중에 상세히 설명될 것임)을 통해 다이얼(2024)에 결합된다. 롤 입력부(2050)의 작동은 사용자에 의해 수동으로, 또는 전기-기계적 액추에이터, 공압식 액추에이터, 유압식 액추에이터 또는 다른 액추에이터를 사용하여 수행될 수 있다. 기계식 전달 구성요소및 시스템(즉, 기어, 풀리, 레버, 인장 케이블 등)은 그러한 액추에이터와 롤 입력부 장치(2050) 사이 및 롤 입력부 장치 내 중 적어도 어느 하나에서 사용될 수 있다.
폐쇄 입력부(2048)에서 수신된 입력은 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대하여 셔틀(2046)의 병진 운동을 초래한다. 롤 입력부(2050)에서 수신된 입력은 핸들 본체(2026)에 대하여 축 1을 중심으로 하는 셔틀(2046)의 회전을 이끈다. 이들 입력은 셔틀(2046)의 결합 또는 동시 병진운동 및 회전을 생성하기 위하여, 도 24a 내지 24b에 도시된 핸들 시스템에 의해 동시에 수신될 수 있다.
툴 장치 구성 맵
도 24b의 핸들 조립체가 툴 장치에 사용될 때, 폐쇄 입력부(2048) 및 롤 입력부(2050)에서 수신된 입력은 각각 EE 조립체(2010)에서 턱 폐쇄 운동 및 EE 롤 동작을 초래한다. 폐쇄 입력부(2048)에서, 사용자에 의해 핸들 조립체(2022)에 제공되는 입력에 기초하여, 핸들 조립체(2022)의 출력 동작은, 핸들 본체(2026)에 대한 것뿐만 아니라 다이얼(2024)에 대하여 방향 1을 따르는 셔틀(2046)의 병진 운동이다. 사용자가 롤 입력부(2050)에서 핸들 조립체(2022)에 제공한 입력에 기초한다. 상기 롤 입력부(2050)에서 사용자에 의해 핸들 조립체(2022)에 제공되는 입력에 기초하여, 핸들 조립체(2022)의 출력 동작은, 핸들 본체(2026)에 대한 축 1을 중심으로 하는 셔틀(2046)의 회전이다. 따라서 핸들 조립체(2022)는 2개의 개별적이고 독립적인 입력이 단일 본체, 즉 셔틀(2046)에서 결합된 병진 및 회전 출력부 동작을 유도하도록 한다. 상기 핸들 조립체(2022)에 독립적인 입력을 제공하는 주요 이점은 롤 트랜스미션 조립체 및 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체의 일부인 본체, 조인트, 메커니즘 및 트랜스미션 부재를 개별적으로 최적화하는 능력이다.
도 23에 도시된 베타 구성의 툴 장치는, 도 24b에 도시된 구속 맵을 따르는 핸들 조립체(2022)를 포함하며, 핸들 조립체(2022)에 대해 원위에 있는 세장형 툴 샤프트(2011), 및 툴 샤프트(2011)의 원위 단부에 존재하는 EE 조립체(2010)를 포함한다. 방향 1을 따른 다이얼(2024)(예를 들어, 도 4a 및 도4b에서 회전 다이얼(102, 402)로 도시됨)에 대한 셔틀(2046)(예를 들어, 도 4a 및 도4b에서 셔틀(104,404)로 도시됨)의 병진 운동은, 동작 턱(2012) 및 고정 턱(2014)의 열림/닫힘 작동을 이끈다(예를 들어, 도 21a에 도시됨). 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체의 일부로서, 엔드 이펙터 조립체(2010)에서 턱 폐쇄 동작을 생성하기 위해 셔틀(2046)의 병진 운동을 전달하는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)(턱 폐쇄 트랜스미션 부재 도관(2039)를 통해 라우팅됨)가 존재한다. 이 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)는 셔틀과 결합되는 위치에서 방향 1을 따라 적절한 강성을 가져야 하며, 더 일반적으로 셔틀(2046)의 병진 운동을 포착하고 전달하기 위해 전체 길이를 따라 강성을 가져야 한다. 상기 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)은 중심 축에 대해 회전할 때 비틀림에 강하거나 강하지 않을 수 있는 유연한(구부러지는) 솔리드 와이어(예: 피아노 와이어, 니티놀(Nitinol) 와이어)일 수 있고; 굽힘 및/또는 비틀림에 유연한 편조(braided) 케이블 조립체일 수도 있고, 이러한 속성이 조합된 부재일 수도 있다. 이러한 모든 트랜스미션 부재는 각각의 길이를 따라 상대적으로 높은 축 방향 강성을 제공한다.
또한, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은, 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전을 초래한다. 이 경우에(도 22b의 베타 구성과 유사한), 롤 트랜스미션 조립체는 강성 본체(프레임(2032), 툴 샤프트(2011)) 및 입력 관절 조인트(2040) 및 출력 관절 조인트(2020)로 구성된다.
이 경우, 턱 폐쇄 및 롤 트랜스미션 조립체는 독립적이므로, 독립적으로 분석, 설계 및 최적화할 수 있다. 예를 들어, 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체에 속하는 본체, 조인트 및 메커니즘은 롤 회전 전달에 영향을 주지 않고 기계적 이점, 힘, 사용된 재료, 효율성 등에 대해 독립적으로 최적화될 수 있다. 마찬가지로, 롤 트랜스미션 조립체에 속하는 본체, 조인트 및 메커니즘은 턱 폐쇄 전달에 영향을 주지 않고 롤을 효율적으로 전달하도록 독립적으로 최적화할 수 있다.
구속 맵 A 및 B에 매핑되는 핸들 조립체의 일부로서, 셔틀(2046)은 핸들 조립체(2022) (또한 도 4a 및 4b에서 400으로 도시됨)의 근위 단부를 향해 푸시 로드(또는 폐쇄 본체)(2044)에 의해 당겨진다. 폐쇄 입력부(2048)은 푸시 로드(2044)의 강성 연장부일 수 있으며, 이 경우 폐쇄 입력부(2048)은 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 다른 경우에, 폐쇄 입력부(2058)은 폐쇄 입력부 메커니즘을 통해 푸시 로드(2044)에 결합될 수 있다. 이러한 경우에 핸들 본체(2026)에 대한 폐쇄 입력부(2048)의 동작은 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대한 푸시 로드(2044)의 병진 운동을 초래할 수 있다. 이는 EE 조립체(2010)에서 동작 턱(2012) 및 고정 턱(2014)의 작동으로 이어진다.
일부 툴 장치의 경우, 고정 턱(2014)에 대해 동작 턱(2012)을 작동시키는 것은 두 턱 사이의 높은 클램핑(clamping) 부하 요구 또는 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체 내 본체 사이의 높은 손실 및/또는 저항으로 인해 많은 양의 힘을 필요로 할 수 있다. 이것은 푸시 로드(2044)가 방향 1을 따라 높은 힘으로 셔틀(2046)을 당길 필요가 있음을 의미한다. 푸시 로드(2044)와 셔틀(2046) 사이의 인터페이스가 높은 부하를 받는 동안(위에서 언급된 여러 가지 이유로 인해) 푸시 로드(2044)에 대해 동시에 회전하는 셔틀(2046)은 셔틀(2046)과 푸시 로드(2044) 사이에 잘 정의되고 의도적인 부하 지지 인터페이스가 없다면, 높은 저항으로 인해 수행하기 어렵고 비효율적인 것으로 판명될 수 있다.
도 24a 내지 도 24b에 도시된 구속 맵을 따르는 핸들 조립체(2022)의 경우, 셔틀(2046)과 푸시 로드(2044) 사이에 잘 정의된 베어링 인터페이스가 존재하여 높은 축방향 하중이 있는 상태에서 두 본체가 상대 회전을 갖도록 한다. 이 잘 정의된 부하 베어링 인터페이스는 푸시 로드(2044)에 대한 셔틀(2046)의 회전 및, 마침내 동작 턱(2012)이 고정 턱(2014)에 대해 작동될 때 EE 조립체(2010)의 롤 회전에 높은 축 방향 하중의 영향을 완화하는데 도움을 주는 스러스트 베어링, 롤러 베어링 또는 윤활성(lubricious) 플레인 베어링(예: 도 3d, 3e, 3f)으로 구성될 수 있다. 따라서, 턱 폐쇄 전달에 영향을 주지 않으면서 롤 전달을 효율적으로 만드는 핸들 조립체(2022) 내의 잘 정의된 베어링 인터페이스의 존재는 효율적인 기기/장치의 기능적 요구 사항이다.
도 25a는, 도 24b의 구속 맵 B에 기초한 핸들 조립체(2022)를 포함하는 툴 장치 구성 맵(즉, 개략도)을 도시한다. 이 툴 장치 구성 맵은 도 22b에 제시된 툴 장치의 베타 구성과 상관 관계가 있다. 이 구성에는 두 개의 독립적인 전달 조립체, 즉 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체와 롤 트랜스미션 조립체가 있다. 핸들 본체(2026)에 대한 폐쇄 입력부(2048)의 작동은, 방향 1에 따른 폐쇄 본체 또는 푸시 로드(2044)의 병진운동을 초래한다. 셔틀(2046) 방향 1에 따른 푸시 로드(2044)에 대한 병진 DoC를 가지기 때문에, 핸들 본체에 대한 푸시 로드의 병진 운동은 방향 1에 따른 핸들에 대한 셔틀(2046)의 병진 운동을 초래한다. 도 25a 내지 도 25c의 우측 하단의 범례는 다음을 나타낸다: 단일 라인은 본체, 구성 요소 또는 서브 조립체 사이에 적어도 1 DoF(예를 들어, 입력 관절 조인트, 출력 관절 조인트 등)를 제공하는 조인트 또는 메커니즘을 나타낸다; 이중선은 하나의 본체/구성요소/서브 조립체에서 다른 본체/구성요소/서브 조립체로 동작을 전송하는 트랜스미션 부재(예: 케이블)를 나타낸다; 3중선은 두 본체/구성요소/서브 조립체 사이의 강성/직접 결합하거나 또는 두 본체/구성품/서브 조립체 사이에 적어도 1 DoF를 제공하는 조인트/메커니즘일 수 있는 인터페이스를 나타낸다. 점선 단일 선은 서브 조립체를 나타낸다.
도 25a를 참조하면, 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체의 일부인 근위 본체는, 셔틀(2046)에 결합되어 그에 따라 이동하며, 그에 따라 근위 본체에 부착되거나 결합된 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)에 동작을 전달한다. 그의 원위 단부에서, 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)는 원위 본체에 결합되며, 이는 차례로 엔드 이펙터 조립체(2010)의 동작 턱(2012)에 직접 결합되거나, 피벗 축 4를 중심으로 EE 프레임(2016)(및 고정 턱(2014))에 대하여 동작 턱(2012)의 회전으로 원위 본체의 병진 운동을 변환하는 메커니즘을 통해 결합되어 턱 폐쇄 동작을 생성한다. 근위 본체, 턱 폐쇄 트랜스미션 부재 및 다양한 중간 본체(예: 중간 본체 1 및 중간 본체 2)는 모두 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체의 일부이다. 근위 본체는, 삼중선으로 표시된 바와 같이, 강성/직접 결합 또는 조인트/메커니즘을 통해 셔틀에 결합될 수 있다. 유사하게, 원위 본체는 직접/강성 결합 또는 조인트/메커니즘을 통해 동작 턱에 결합될 수 있다. 도 25a는 “중간 본체 1(Intermediate Body 1)” 및 “중간 본체 2(Intermediate Body 2)” 및 이들 사이의 조인트/메커니즘을 보여 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체 내에 존재할 수 있는 다양한 유형의 구성요소를 묘사한다. 하나의 전달 조립체 내에 2개 이상의 중간 본체, 조인트/메커니즘 및 트랜스미션 부재가 존재할 수 있다.
도 25a에 도시된 구성 맵에 매핑되는 툴 장치에서. 도 25a에서, EE 롤 동작은 핸들 본체(2026)에 대한 롤 입력부(2050)의 회전에 의해 생성된다. 이 구성 맵은 도 22b에 제시된 툴 장치의 베타 구성과 상관관계가 있다. 이 베타 구성에 대한 핸들 조립체(2022)로부터 EE 조립체(2010)로의 EE 롤 동작의 전달이 위에서 설명되었다. 입력 단부에서, 셔틀(2046)은 다이얼(2024)에 대하여 축 1을 중심으로 롤 DoC를 갖는다. 따라서 사용자가 다이얼(2024)을 회전시킬 때, 셔틀(2046)도 또한 회전한다. 푸시 로드(2044)와 셔틀(2046) 사이에 축 1에 대한 롤 DoF가 또한 존재하여, 셔틀(2046)이 핸들 조립체(2022) 내에서(폐쇄 입력부(2048)에서) 발생하는 턱 폐쇄 전달에 의해 영향을 받지 않고 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다. 핸들 조립체(2022) 내의 별개의 본체인 셔틀(2046)의 존재는, 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체와 롤 트랜스미션 조립체 사이의 독립성을 유지한다.
종래 기술에는 도 25b에 도시된, 핸들 조립체(2022) 내에 셔틀(2046)이 없는, 다른 툴 장치 구성 맵을 따르는 툴 장치가 존재한다. 이 구성 맵은 도 24a 또는 도 24b의 구속 맵에 기초한 핸들 조립체를 포함하지 않는다. 셔틀을 제외하고, 도 25b에 도시된 핸들 조립체(2022) 내의 모든 다른 본체 및 관련 조인트는 도 24b에 도시된 핸들 조립체 구속 맵에 대응한다. 턱 폐쇄 동작은 방향 1에 따른 핸들 본체(2026)에 대한 푸시 로드(2044)의 병진운동을 초래하는 폐쇄 입력부(2048)의 작동에 의해 툴 장치의 근위 단부로부터 EE 조립체(2010)로 전달된다. 폐쇄 본체 또는 푸시 로드(2044)는 근위 본체를 갖는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)에 추가로 연결된다. 이 근위 본체 또는 트랜스미션 부재의 근위 단부는 방향 1을 따라 푸시 로드(2044)에 대한 병진 DoC 를 갖는다. 따라서, 푸시 로드(2044)의 병진 운동은 근위 본체 및 트랜스미션 부재의 근위 단부 중 적어도 어느 하나로 전달되며, 둘 다 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체 내에 존재한다. 근위 본체는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 근위 단부에 견고하게 연결되거나 결합된다. 대안적으로, 근위 본체는 단순히 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 상대적으로 강성 단부 근위 단부일 수 있다. 상기 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038) 내에서, 원위 단부에 견고하게 결합된 원위 본체, 또는 그 자체가 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 원위 단부인 원위 본체가 있을 수 있다. 추가로, 도 25a의 경우에서와 같이, 이 원위 본체는 EE 조립체(2010)의 동작 턱(2012)에 직접 결합되거나, EE 프레임/고정에 대한 동작 턱(2012)의 회전으로 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)(및 따라서 원위 본체)의 병진운동을 변환하는 메커니즘을 통해 EE 조립체(2010)의 동작 턱(2012)에 결합될 수 있다. 이 메커니즘에는 링키지, 랙 및 피니언 조립체, 풀리, 캠, 핀 등이 포함될 수 있다.
도 25b의 특정 시나리오에서, 원위 본체 또는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 원위 단부는, 동작 턱(2012)의 회전이 상기 원위 본체 또는 상기 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 원위 단부의 회전을 초래하도록, 축 2를 중심으로 동작 턱(2012)에 대한 롤 DoC(예를 들어, 키잉 특징부 또는 핀을 통해)를 가질 수 있다. EE 롤 동작은 핸들 본체(2026)에 대한 롤 입력부(2050)의 회전(또는 다이얼(2024)의 직접)에 의해 생성된다. 이 구성 맵(도 25b)은 또한 도 22b에 제시된 툴 장치의 베타 구성에 맞춰진다. 핸들 본체(2016)(핸들 조립체(2022)의 모든 부분)에 대한 롤 입력부(2050)(다이얼 2024)의 EE 롤 회전이 입력 관절 조인트(2040)를 통해 툴 프레임(2032) 및 샤프트(2011)로 전달되는 것, 그리고 추가로 출력 관절 조인트(2020)를 통해 EE 조립체(2010)로 전달되는 것, 이 베타 구성에 대해서는 위에 설명되어 있다. 마침내, EE 조립체(2010)의 롤 회전으로 인해 EE 프레임(2016), 고정 턱(2014) 및 동작 턱(2012)도 축 2에 대해 롤 회전하게 된다.
전술한 바와 같이, 축 2에 대한 동작 턱(2012)의 회전은 또한 축 2에 대한 롤(DoC)의 존재로 인해, 원위 본체 또는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 원위 단부의 회전을 초래할 수 있다. 비록 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)이 이 구성에서 롤 회전을 전달하지 않지만, 그럼에도 불구하고, 이것은 중심축에 대한 EE 롤 동작으로 인해 회전한다. 기구의 원위 단부에서 시작되는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 회전은 이상적으로는 그것이 근위 본체와 접하는 근위 단부에서 대응하는 정합(matching) 회전을 가져야 한다. 원위 단부의 회전이 근위 단부에서 일치하는 회전을 가지지 않는 경우, 이는 불필요한 저장 및 에너지 낭비뿐만 아니라 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 비틀림으로 인한 걸림(jamming)과 같은 다른 기능 문제를 초래할 수 있고, 결과적으로 EE 롤 동작 및 턱 폐쇄 동작에 영향을 미칠 수 있다. 이는 도 25a에는 있지만, 도 25b에는 없는, 구성 맵에 존재하는 별개의 셔틀 구성의 중요성을 강조한다.
도 25b의 툴 장치 구성 맵에 대해, 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)(및 보다 일반적으로 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체)는 특정 설계 특성을 가져야 한다. 비록 이것이 롤 회전을 전달하지 않더라도, 이것은 축방향 강성과 함께 중심축에 대한 비틀림 강성이 있어야 한다. 이것은 또한 폐쇄 본체 또는 푸시 로드(2044)와 인터페이스하기 전에 샤프트를 따라 이것의 길이 전체에 걸쳐 마찰이 적거나 마찰이 없는 인터페이스를 가져야 한다. 이것은 또한 축 1을 중심으로 푸시 로드(2044)에 대하여 이것의 근위 단부에서 롤 DoF를 가져야 한다. 이 롤 DoF 조인트는 원위 본체(또는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 원위 단부)와 동일한 근위 본체(또는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 근위 단부)의 회전을 허용하는 것을 돕는다.
따라서, 셔틀(2046)의 결여(lack)는 (종래 기술의 경우에서와 같이), 푸시 로드(2044)에 대하여 근위 본체(또는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)의 근위 단부) 사이에 효율적인 롤 DoF 조인트가 있는 경우에만 수용 가능하고, 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)(및 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체)는 비틀림(즉, 그 중심축 또는 롤 회전축에 대해)에서 적절하게 강성(stiffness)이다. 이는 턱 폐쇄 트랜스미션 부재가 중심축에 대해 비틀림 없이, 그리고 EE 롤 동작 또는 턱 작동에 영향을 주지 않고 자유롭게 회전할 수 있도록 보장하는 데 필요하다. 축 1에 대한 셔틀(2046) 및 다이얼(2024) 사이의 롤 DoC 및 셔틀(2046)의 존재는, 효율적인 솔루션을 제공하고 위의 설계 특성, 즉 턱 폐쇄 트랜스미션 부재(2038)에 대한 높은 비틀림 강성과 축 방향 강성에 대한 필요성을 완화시킨다. 이는 축 방향으로는 강하지만, 비틀림에는 강하지 않은, 케이블이, 베타 구성의 툴 장치에서 턱 폐쇄 트랜스미션 부재로 사용될 수 있음을 의미한다. 이러한 턱 폐쇄 트랜스미션 부재를 사용하는 이점은, 굽힘 시에도 유연하여 출력 관절 조인트(2020)에서 좁은 굽힘 반경과 넓은 관절 연결 범위를 허용한다는 것이다.
도 25a에 도시된 툴 장치 구성 맵과 대조적으로, 핸들 조립체(2022)가 셔틀(2046)을 포함하지 않는 다른 구성 맵(도 25c)에 기초하는 툴 장치가 존재한다. 도 25c에서, 셔틀을 제외하고, 핸들 조립체(2022) 내의 모든 다른 본체 및 관련 조인트는 도 24b에 도시된 구속 맵에 매핑된다. 도 25c의 이 툴 장치 구성은, 도 22a에 도시된 툴 장치의 알파 구성과 정렬된다. 알파 구성에 대한 설명에서 언급한 바와 같이, 두 개의 전달 인터페이스, 관련 전달 조립체 및 트랜스미션 부재가 있을 수 있다 - 하나는 턱 폐쇄 전달용이고 다른 하나는 롤 회전 전달용이다. 이 두 전달 인터페이스와 관련 트랜스미션 부재는 별개이거나 결합될 수 있다. 즉, 동일한 트랜스미션 부재가 롤 회전 트랜스미션 부재뿐만 아니라 턱 폐쇄 트랜스미션 부재의 역할을 할 수 있다. 이 후자의 경우는 도 25c의 툴 장치 구성 맵에 예시되어 있다. “결합된 롤 회전 및 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체(combined roll rotation and jaw closure transmission assembly)”의 일부인 근위 본체는 “결합된 롤 회전 및 턱 폐쇄 전달(combined roll rotation and jaw closure transmission)” 부재의 원위 단부에 견고하게 연결/결합된다. 롤 입력부(2050)의 롤 회전은 다이얼(2024)로부터 롤, 및 근위 본체(또는 결합된 롤 회전 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재의 근위 단부)로 축 1을 중심으로 다이얼(2024)에 대한 롤 DoC를 제공하고 방향 1을 따라 병진 DoF를 제공하는 조인트를 통해 전달된다. 또한, 이 근위 본체(또는 결합된 롤 회전 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재의 근위 단부)는 축 1을 따라 병진 DoC 를 제공하고, 축 1을 중심으로 회전 DoF를 제공하는 조인트를 통해 폐쇄 본체 또는 푸시 로드(2044)에 연결된다. 결합된 롤 회전 및 턱 폐쇄 조립체의 일부인 원위 본체(또는 결합된 롤 회전 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재의 원위 단부)는 조인트/메커니즘을 통해 EE 조립체(2010)(특히 EE 프레임(2016) 및 동작 턱 2012)에 결합된다. 이 메커니즘은 EE 프레임(2016)에 대한 원위 본체의 상대적 병진 운동(즉, 축 2를 따른 DoF)을 허용하지만, 제한하고, 그에 따라 둘 사이의 롤을 전달한다(즉, 축 2에 대한 DoC, 예를 들어 키잉 특징을 통해). 이 메커니즘은 또한, 턱 폐쇄 동작을 생성하기 위하여, 전자(원위 단부)의 병진 운동을 피벗 축 4에 대한 EE 프레임/고정 턱에 상대적인 후자(즉, 동작 턱(2012))의 회전으로 변환하기 위해 원위 본체(또는 결합된 롤 회전 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재의 원위 단부)를 동작 턱(2012)에 결합시킨다. 이 메커니즘에는 링키지, 랙 및 피니언 조립체, 풀리, 캠, 핀, 기어, 케이블 등이 포함될 수 있다.
이 기능은 결합된 롤 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재가 특정 설계 특성을 갖도록 요구할 수 있다. 이 근위 본체 또는 이 트랜스미션 부재의 근위 단부는 폐쇄 본체 또는 푸시 로드(2044)에 대한 적어도 1 DoF(롤 회전)의 조인트를 가져야 한다. 이 조인트는, 스러스트 베어링, 윤활성 플레인 베어링 등을 사용하여, 근위 본체(또는 트랜스미션 부재의 근위 단부) 및 푸시 로드(2044) 사이의 베어링 인터페이스를 통해 달성될 수 있다. 이 트랜스미션 부재는, 롤 회전과 턱 폐쇄 작동을 모두 각각 전달하기 위해, 축 방향으로 강성(인장 및 압축 모두)뿐만 아니라 중심 축에 대해 비틀림 강성이 있어야 한다. 상기 비틀림 강성이 높아야, 롤을 전달할 뿐만 아니라 푸시 로드/폐쇄 본체(2024) 및 축 1에 대한 회전 DoF를 제공해야 하고, 축 1을 따라 병진 DoC를 제공해야 하는 근위 본체(또는 트랜스미션 부재의 근위 단부) 사이의 조인트에서 마찰이 발생하지 않을 수 있고, 특히 턱 폐쇄 작동력이 트랜스미션 부재를 통해 적용될 때 트랜스미션 부재가 꼬이는(즉, 비틀림 감김) 원인이 되지 않는다. 축방향 강성 및 비틀림 강성을 크게 한, 이러한 설계 특성은 또한 트랜스미션 부재의 굽힘 능력에 영향을 미치며, 이는 출력 관절 조인트(2020)에서 큰 범위의 관절 연결 및 좁은 굽힘 반경을 제공하는 툴 장치의 능력을 제한한다. 예를 들어, 직경이 작은 편조 케이블(braided cable)(굽힘 능력의 측면에서 이상적이지만)은, 중심 축에 대해 비틀림 강성도 없으며, 압축 상태에서 축 방향 강성도 없기 때문에, 이러한 트랜스미션 부재에 이상적이지 않다. 더 강성 있는 트랜스미션 부재(예: 단선(solid wire), 모노필라멘트(monofilament) 또는 큰 직경의 두꺼운 편조 케이블은 바람직한 높은 축방향 강성(인장 및 압축)과 비틀림 강성을 제공하며, 굽힘 시에도 끝이 너무 뻣뻣하여, 이에 따라 출력 관절 조인트에서 좁은 굽힘 반경을 달성하기 어렵다. 이것은 별개의 셔틀 본체/구성요소가 없는 도 25c의 툴 장치 구성 맵에 기초한 종래 기술의 툴 장치의 한계를 보여준다. 셔틀 및 롤 본체와 폐쇄 본체에 대한 잘 정의되고 적절하게 설계된 각 조인트가 없는 경우, 결합된 턱 폐쇄 트랜스미션 부재는 위의 높은 축 방향 강성 및 비틀림 강성 요구 사항을 충족해야 한다. 이러한 요구 사항은 이 트랜스미션 부재의 굽힘 능력에 악영향을 미쳐 출력 관절 조인트의 관절 연결 범위 및 좁은 굽힘 반경을 제한한다.
이 구성(도 25c)에서, 푸시 로드/폐쇄 본체(2044)와 근위 본체(또는 트랜스미션 부재의 근위 단부) 사이의 축 1에 대한 롤 DoF를 제공하는 잘 정의된 베어링 인터페이스가 없다. 이러한 잘 정의되고 적절하게 설계된 베어링 인터페이스는, 높은 턱 폐쇄 전달 부하(예: 축 방향 인장 또는 힘)가 트랜스미션 부재에 미치는 영향을 격리한다. 그러나, 이 구성에서 핸들 조립체(2022) 내의 셔틀 본체의 결여로 인해, 결합된 롤 및 턱 폐쇄 트랜스미션 부재는 관절 연결 성능을 제한하는, 전술한 설계 특성(예를 들어, 충분히 높은 비틀림 강성)을 필요로 한다.
핸들 조립체 실시예 - 구속 맵 A 및 B로의 매핑
도 26은 핸들 본체(2026), 폐쇄 입력부 (2048), 푸시 로드(2044), 다이얼(2024) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)의 실시예를 나타낸다. 이 핸들 조립체(2022)는 도 24a 내지 도 24b에 도시된 구속 맵을 따르는 실시예이다. 롤 입력부(2050)은 가장 단순한 형태인 다이얼(2024) 자체로 표현된다. 여기에서, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전을 이끈다. 다이얼(2024)과 핸들 본체(2026) 사이에 윤활성 재료(예를 들어, 델린(Delrin), 테프론(Teflon), PEEK, PTFE 코팅 알루미늄)로 만들어진 플레인 베어링(2052)이 존재한다. 셔틀(2046)과 푸시 로드(2044) 사이에는 스러스트 베어링(2054)이 존재한다. 방향 1에 대해 다이얼(2024)과 셔틀(2046)사이에 롤 DoC 조인트가 존재한다. 폐쇄 입력부(2048)와 푸시 로드(2044) 사이에 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)이 존재하여, 폐쇄 입력부(2048)의 작동이, 푸시 로드(2044)가 방향 1에 대해 핸들 본체(2026)에 대한 롤 DoC 조인트를 가지는 동안, 방향 1에 따른 푸시 로드(2044)의 병진 운동을 일으킬 수 있다. 따라서, 푸시 로드(2044)와 핸들 본체(2026) 사이에 프리즘형(prismatic) 조인트(2058)가 존재한다. 만약 이 롤 DoC 조인트가 존재하지 않는 경우, 푸시 로드(2044)와 셔틀(2046) 사이의 롤 마찰은 푸시 로드(2044)가 마찰 롤 토크를 폐쇄 입력부(2048)으로 전달함을 야기할 수 있다. 이는 폐쇄 입력부(2048)와 핸들 본체(2026) 사이의 피벗 조인트에서 반작용 부하의 도입으로 인해 폐쇄 입력부(2048)을 작동시키기 위한 높은 힘 요구 사항을 초래할 수 있다. 푸시 로드(2044)와 셔틀(2046) 사이의 낮은 롤 마찰의 경우, 이 롤 DoC가 필요하지 않을 수 있다.
도 26에 도시된 실시예에서, 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)은 랙 및 피니언 기어세트(2060) 전달 조립체로 표현된다. 여기서 폐쇄 입력부(2048)은 피니언 기어가 통합된 핸들 레버인 반면, 푸시 로드(2044)에는 랙 기어가 통합되어 있다. 핸들 본체(2026)에 대한 피벗 축을 중심으로 폐쇄 입력부(2048)의 회전 시, 랙은 방향 1을 따라 앞뒤로 이동할 수 있다. 또한, 프리즘형 조인트(2062)의 존재는 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대하여 병진 DoF를 제공한다.
도 27은 핸들 본체(2026), 다이얼(2024), 푸시 로드(2044), 폐쇄 입력부(2048) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)의 다른 실시예를 나타낸다. 이 핸들 조립체(2022)는 도24a 내지 도 24b에 도시된 구속 맵을 따르는 실시예이다. 롤 입력부(2050)은 가장 단순한 형태인 다이얼(2024) 자체로 표현된다. 여기에서, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전을 초래한다. 다이얼(2024)과 핸들 본체(2026) 사이에 윤활성 재료(예를 들어, 델린(Delrin), 테프론(Teflon), PEEK, PTFE 코팅 알루미늄)로 만들어진 플레인 베어링(2064)이 존재한다. 셔틀(2046)과 푸시 로드(2044) 사이에는 스러스트 베어링(2066)이 존재한다. 다이얼(2024)이 롤 입력부(2050)로서 작용할 때, 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이의 축 1을 중심으로 롤 DoC 조인트가 존재한다. 폐쇄 입력부(2048)와 푸시 로드(2044) 사이에 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)이 존재하며, 이는 푸시 로드(2044)가 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 롤 DoC 조인트를 갖는 동안 방향 1에 따른 푸시 로드(2044)의 병진 운동을 초래할 수 있다. 따라서, 푸시 로드(2044) 및 핸들 본체(2026) 사이에는 프리즘형 조인트(2068)이 존재한다. 상기 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)은 폐쇄 입력부(2048)와 푸시 로드(2044) 사이에 존재하는 나사 메커니즘(2070)으로 구성된다.
도 27에 도시된 실시예에서, 폐쇄 입력부(2048)은 나사로서 작용하는 반면, 푸시 로드(2044)는 이 나사 메커니즘(2070)의 일부로서 너트로서 작용한다. 폐쇄 입력부(2048)는 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대한 병진 DoC 조인트 및 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 회전 DoF를 갖는다. 나사산(여기서는 폐쇄 입력부(2048))이 너트(푸시 로드(2044))와 짝을 이룬다. 푸시 로드(2044)는 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대하여 병진 DoF를 갖고, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대하여 회전 DoC를 갖는다. 따라서, 나사의 회전은 푸시 로드(2044)의 병진 운동을 초래한다. 이 폐쇄 입력부(나사)는 나사의 근위 단부를 돌리거나 액추에이터(예: 스테퍼 또는 서보 모터)를 통해 사용자에 의해 작동될 수 있다. 또한, 여기에 도시된 나사는 이 핸들 조립체(2022)가 통합되는 어플리케이션의 다른 요건에 따라 리드 나사(lead screw) 또는 볼 나사(ball screw)일 수 있다. 비록 도 27은 폐쇄 입력부(2048)와 원위 측의 핸들 본체(2026) 사이의 베어링을 도시하지만, 폐쇄 입력부(2048)와 핸들 본체(2026) 사이의 베어링 인터페이스가 근위 측에서 요구될 수 있는 적용이 존재할 수 있다. 마찬가지로, 셔틀(2046)과 푸시 로드(2044) 사이의 베어링이 근위 측에 도시되어 있지만, 폐쇄 입력부(2048)와 핸들 본체(2026) 사이의 베어링 인터페이스가 원위측에서 요구될 수 있는 적용이 존재할 수 있다.
도 28a는 핸들 본체(2026), 푸시 로드(2044), 폐쇄 입력부(2048), 다이얼(2024) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 이 핸들 조립체(2022)는 도 24a 내지 도 25b에 도시된 구속 맵을 따르는 실시예이다. 롤 입력부(2050)은 가장 단순한 형태인 다이얼(2024) 자체로 표현된다. 여기에서, 축 1’을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 축 1’에 대한 셔틀(2046)의 회전을 이끈다. 다이얼(2024)과 핸들 본체(2026) 사이에는 윤활성 재료(예: 델린(Delrin), 테프론(Teflon), PEEK, PTFE 코팅 알루미늄)로 만든 플레인 베어링(예: 부싱) 또는 볼 베어링이 있다. 셔틀(2046)과 푸시 로드(2044) 사이에는 스러스트 베어링(2072)이 있다. 상기 셔틀(2046)은 또한 방향 1’을 따라 다이얼(2024)에 대하여 병진운동 하고, 이에 따라 다이얼(2024)에 대하여 프리즘형 조인트(2074)를 갖는다. 다이얼(2024)이 롤 입력부(2050)로 작용할 때, 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이에 롤 DoC 조인트가 존재한다. 폐쇄 입력부(2048)와 푸시 로드(2044) 사이의 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)이 존재하며, 이는 방향 1과 동일하지 않은 경로에 따른 푸시 로드(2044)의 병진 운동을 초래한다. 또한, 상기 푸시 로드(2044)는 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대하여 롤 DoC를 가진다.
도 28a에 도시된 실시예에서. 이 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)은 특정 각도 θ(여기서는 90도)를 따라 구부러질 수 있고, 그 중심축 방향을 따라 병진 운동할 수 있는 가요성(flexible) 부재(2076)(예를 들어, 가요성 와이어)를 포함한다. 이 축은 축 1’으로 정의된다. 따라서 이 가요성 와이어는 축 1’ 방향을 따라 핸들 본체(2026)에 대하여 병진 DoF 를 갖고, 와이어 주위에 존재하는 핸들 본체(2026)의 특징을 가이드함으로써 이 축을 따라 이동하도록 제한된다. 상기 와이어의 유연성은 구부릴 수 있는 능력을 제공하지만, 상기 와이어는 폐쇄 입력부(2048)로부터 푸시 로드(2044)로 동작을 전달할 수 있도록, 중심 축을 따라 강성을 가져야 한다. 이 와이어는 스프링 강과 엘라스토머 수지(elastomeric resins) 등과 같은 강성 부재를 포함하는 폴리머 합성물인 니티놀(Nitinol)와이어일 수 있다.
이 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)은 구부릴 수 있지만 중심축을 따라 강성인 유연한 와이어를 포함할 수 있거나, 도 28b에 도시된 바와 같이 축 1’’에 대한 단일 DoF 피벗 조인트의 직렬 체인일 수 있으며, 여기서 축 1’’은 축 1과 축 1’ 모두에 수직이다. 그러한 피벗 조인트를 갖는 피벗 체인(2078)을 보여주는 실시예가 도 28b에 도시되어 있다. 도 28c는 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)이 핸들 본체(2026) 내에 존재하는 슬롯 특징에 의해 안내되는 피벗 조인트의 직렬 체인(2078)으로 구성되는 피벗 체인(2078)의 사용을 보여준다. 그들의 두 단부에서, 가요성 와이어 또는 조인트의 직렬 체인은 각각 폐쇄 입력부(2048) 및 푸시 로드(2044)에 견고하게 연결될 수 있다.
도 29a 내지 도 29b는 핸들 본체(2026), 푸시 로드(2044), 다이얼(2024), 롤 입력부(2050) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 상기 핸들 조립체(2022)는 도 24a 내지 도 24b에 도시된 구속 맵을 따르는 실시예이다. 다이얼(2024)과 핸들 본체(2026) 사이에 볼 베어링(2080)이 존재한다. 셔틀(2046)과 푸시 로드(2044) 사이에 스러스트 베어링(2082)이 존재한다. 롤 입력부 전달을 통해 다이얼(2024)과 인터페이스하는 별개의 구성요소인 롤 입력부(2050)가 존재한다. 핸들 본체(2026)에 대하여 축 1에 수직인 축 1’을 중심으로 하는 롤 입력부(2050)의 회전은 베벨(bevel) 기어 조립체(2084)를 통해 다이얼(2024)로 전달된다. 롤 입력부(2050) 및 다이얼(2024)은, 축 1’에 대한 롤 입력부(2050)의 회전이 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전으로 변환될 수 있도록, 베벨 기어 세트와 같이 작동한다. 여기서, 이들 기어는 롤 입력부(2050)와 다이얼(2024)의 각 축(축 1) 사이에서 90° 각도로 롤 입력부(2050)의 회전을 다이얼(2024)로 전달한다. 이러한 기어는 축 1과 축 1’ 사이의 다른 각도에서 인터페이스하도록 설계될 수 있다. 다이얼(2024)의 이러한 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전을 초래한다. 상기 셔틀(2046)은 또한 방향 1을 따라 다이얼(2024)에 대해 병진 운동한다. 폐쇄 입력부(2048)는 가장 단순한 형태인 푸시 로드(2044)의 형태로 존재한다. 방향 1을 따라 푸시 로드(2044)와 핸들 본체(2026) 사이에 병진 DoF가 존재한다. 도 29는 원위 측에서 푸시 로드(2044)와 핸들 본체(2026) 사이의 베어링을 도시하지만, 폐쇄 입력부(2048)와 핸들 본체(2026) 사이의 베어링 인터페이스가 원위 측에서 요구될 수 있는 어플리케이션이 존재할 수 있다.
도 30a 내지 도30b(각각 정면도 및 등축도)는 핸들 본체(2026), 푸시 로드(2044), 다이얼(2024) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 이 핸들 조립체(2022)는 도 24a에 도시된 구속 맵을 따르는 실시예이다. 여기서, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전을 초래한다. 롤 입력부(2050)은 다이얼(2024)자체로서 가장 단순한 형태로 표현된다. 다이얼(2024)이 롤 입력부(2050)로 작용할 때, 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이에는 롤 DoC 조인트가 존재한다. 도면은 폐쇄 입력부(2048) 및 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)을 도시하지 않는다. 이 실시예는 방향 1을 따라 셔틀(2046)의 병진 운동을 허용하는 순응(compliant) 메커니즘(2086)이 되는 다이얼-셔틀 인터페이스를 나타낸다. 또한, 핸들 본체-푸시 로드 인터페이스는, 푸시 로드(2044)가 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대하여 롤 DoC 조인트를 갖는 반면, 방향 1을 따라 푸시 로드(2044)의 병진 운동을 허용하는 순응 메커니즘(2088)으로 구성된다. 이 순응 메커니즘(2086, 2088)은, 다이얼-셔틀 사이의 방사상뿐만 아니라 핸들 본체(2026)와 푸시 로드(2044) 사이를 방사상으로 연결하는 2개의 평행 빔으로 구성될 수 있다. 또한 푸시 로드(2044)와 셔틀(2046) 사이에는 축 1에 대한 롤 DoF와 방향 1을 따른 병진 DoC가 있다.
도 30c, 도 30d 및 도 30e는 방향 1을 따라 1 DoF 병진을 제공하는 변형(flexure) 또는 순응(compliant) 베어링의 실시예를 보여준다. 이러한 변형 베어링은 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이, 및/또는 핸들 본체(2026)와 푸시 로드(2044) 사이의 인터페이스로서 사용될 수 있다. 도 30c는 선형 1-DoF 선형 변형 베어링(2090)을 도시한다. 도 30d는 직교 평면(ortho-planar) 스프링(2092)을 도시한다. 내부 링이 축 1을 따라 밀릴 때, 직교 평면 스프링(2092)은 외부 링에 대한 내부 링의 선형 동작을 돕는다. 여기에서 외부 링은 다이얼(2024)과 통합될 수 있는 반면, 내부 링은 셔틀(2046)에 연결될 수 있다. 마찬가지로 외부 링은 핸들 본체(2026)에 통합될 수 있는 반면, 내부 링은 푸시 로드(2044)에 구조적으로 연결될 수 있다.
핸들 조립체 구속 맵 C
도 31a는 폐쇄 본체(2044), 핸들 본체(2026), 롤 입력부(2050) 및 셔틀(2046)을 포함하는 4-본체 시스템을 보여주는 구속 맵을 나타낸다. 폐쇄 본체(2044)와 핸들 본체(2026) 사이에 적어도 1-자유도 조인트 또는 메커니즘이 존재한다. 롤 입력부(2050)와 핸들 본체(2026) 사이에 방향 1을 따라 축 1에 대한 회전 및 방향 1을 따른 1 병진 DoC를 제공하는 1-DoF 회전 조인트가 존재한다. 셔틀(2046)과 롤 입력부(2050) 사이에 방향 1을 따른 1-DoF 병진 조인트 및 축 1에 대한 회전을 제한하는 1 회전 DoC 조인트도 존재한다. 따라서, 폐쇄 본체(2044)와 핸들 본체(2026) 사이에 존재하는 1-DoF 조인트/메커니즘의 출력은 롤 입력부(2050)에 대한 셔틀(2046)의 1 DoF 병진으로 전달된다. 이 전달은 트랜스미션 부재를 통해 또는 셔틀(2046) 및 폐쇄 본체(2044) 사이에 존재할 수 있는 하나 이상의 DoF 조인트를 통해 발생할 수 있다. 이 핸들 조립체(2022)는 원위 단부에 EE 조립체(2010)를 갖는 세장형 툴 샤프트(2011)로 구성된 장치/기구의 일부일 수 있다(도 23에 도시된 바와 같음). 세장형 툴 샤프트(2011)는 핸들 조립체(2022)의 원위에 놓일 수 있다. 전술한 바와 같이, EE 조립체(2010)는 동작 턱(2012) 및 고정 턱(2014)으로 구성될 수 있다. 방향 1에 따라 롤 입력부(2050)에 대한 셔틀(2046)의 병진 운동은 고정 턱(2014)에 대한 동작 턱(2012)의 상대 동작을 이끌어낼 수 있다. 또한, 롤 입력부(2050)의 회전은 그 롤 축에 대한 EE 조립체(2010)의 회전으로 이어질 수 있다.
도 31b는 폐쇄 본체(2044), 핸들 본체(2026), 롤 본체(2024), 셔틀(2046), 폐쇄 입력부(2048) 및 롤 입력부(2050)을 포함하는 6-본체 시스템을 보여주는 확장된 구속 맵을 나타낸다. 폐쇄 본체(2044) 및 핸들 본체(2026) 사이에 적어도 1-DoF 조인트 또는 메커니즘이 존재한다. 이 구속 맵 C’는 도 31a에 도시된 구속 맵 C의 확장이다. 폐쇄 입력부(2048)와 폐쇄 본체(2044) 사이에 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)이 존재하며, 이는 병진 운동 입력이 폐쇄 입력부(2048)를 통해 전달될 수 있게 한다. 또한 롤 입력부(2050)와 롤 본체(2024) 사이에 롤 입력부 메커니즘이 존재하며, 이는 롤 입력부(2050)를 통해 회전 입력이 전달될 수 있게 한다. 이 두 메커니즘 각각은 폐쇄 입력부(2048)와 폐쇄 본체(2044) 사이 및 롤 입력부(2050)와 롤 본체(2024) 사이에 DoC를 제공함으로써 동작 전달을 돕는다. 다음 섹션에 도시된 실시예는 구속 맵 C에 매핑된다. 구속 맵 B는 구속 맵 A의 확장이며, 유사하게 구속 맵 C’는 구속 맵 C의 확장이다.
핸들 조립체 실시예 - 구속 맵 C에 매핑
도 32a 내지 도 32b는 핸들 본체(2026), 폐쇄 본체(2044), 롤 입력부(2050) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 이 실시예는 도 31에 도시된 구속 맵에 매핑된다. 여기서 롤 입력부(2050)은 가장 단순한 형태로 존재하며 롤 입력부(2050)라고 부를 수 있다. 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 롤 입력부(2050)의 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전으로 이어진다. 또한, 셔틀(2046)은 방향 1을 따라 롤 입력부(2050)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 따라서, 셔틀(2046)은 롤 입력부(2050)에 대하여 프리즘형 조인트(2096)를 가진다. 상기 셔틀(2046)은 폐쇄 본체(2044)와 인터페이스하는 볼/타원형 단부를 갖도록 근위 단부를 향해 연장되는 세장형 부재이다. 폐쇄 본체(2044)는 핸들 본체(2026)에 대해 1-DoF 회전 조인트를 갖는 레벨로서 도시된다. 사용자는 피벗 축에 대한 다른 단부의 회전을 유도하는 피벗의 한 단부에서 이 입력을 트리거한다. 이 다른 단부는 셔틀(2046)과 인터페이스한다. 따라서, 셔틀(2046)의 볼 단부는 폐쇄 본체(2044)와 인터페이스한다. 폐쇄 본체(2044)는 셔틀(2046)의 볼 단부를 당겨 셔틀(2046)을 당길 수 있는 2개의 갈래(two prongs) 또는 위시본형(wishbone-like) 또는 슬롯 특징을 갖는다. 폐쇄 본체(2044)의 이 특징은 셔틀의 근위 단부를 당기거나 및/또는 셔틀(2046)의 근위 단부를 미는 특징을 가질 수 있다.
폐쇄 본체(2044)가 피벗을 중심으로 회전할 때, 그것의 두 갈래 단부는 피벗 조인트 축을 중심으로 회전한다. 이 단부는 방향 1을 따라 셔틀의 근위 단부의 병진운동을 생성한다. 셔틀(2046)의 근위 단부의 병진운동은, 롤 입력부(2050)와 인터페이스하는 셔틀(2046)의 원위 단부의 병진운동으로 이어진다. 따라서, 셔틀(2046)과 폐쇄 본체(2044) 사이의 인터페이스는, 폐쇄 본체(2044)(레버)가 방향 1을 따라 롤 입력부(2050)에 대하여 병진 운동을 생성하기 위해 그 피벗 축을 중심으로 회전할 때, 셔틀(2046)의 근위 단부가 폐쇄 본체(2044)에 대하여 병진 운동하도록 한다. 도 32a 및 도 32b는 셔틀(2046)의 볼/타원형 단부를 나타낸다. 이 단부는 방향 1을 따라 셔틀(2046)의 병진 운동을 생성하기 위해 폐쇄 본체(2044)와 인터페이스할 수 있는 원추형(conical) 또는 앵커형(anchor-like) 또는 임의의 다른 특징일 수 있다. 또한 이 병진 운동은 근위 단부 및 원위 단부 중 적어도 어느 하나를 향할 수 있다.
도 33은, 핸들 본체(2026), 롤 입력부(2050), 폐쇄 본체(2044) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 이 실시예는 도 31에 도시된 구속 맵에 매핑된다. 여기서 롤 입력부(2050)는 가장 단순한 형태로 존재하여 롤 입력부(2050)라고 부를 수 있다. 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 롤 입력부(2050)의 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전으로 이어진다. 또한, 셔틀(2046)은 방향 1을 따라 롤 입력부(2050)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 따라서 셔틀(2046)은 롤 입력부(2050)에 대하여 프리즘 조인트(2098)를 가진다. 폐쇄 본체(2044)와 핸들 본체(2026) 사이에 나사 메커니즘(3010)이 존재한다. 폐쇄 본체(2044)는 나사와 같이 작동하고, 핸들 본체(2026)는 너트와 같이 작동한다. 폐쇄 본체(2044)(나사)가 사용자에 의해 작동되는 동안, 핸들 본체(2026)는 사용자에 의해 정지된 상태로 유지된다. 따라서, 폐쇄 본체(2044)는 핸들 본체(2026)에 대하여 축 1을 중심으로 회전하고 방향 1을 따라 병진 이동함으로써 움직인다. 여기서 핸들 본체(2026)는 로컬 접지와 같이 작동한다. 폐쇄 본체(2044)의 원위 단부에서, 셔틀(2046)이 축 1을 중심으로 폐쇄 본체(2044)에 대해 회전할 수 있도록, 폐쇄 본체(2044)와 셔틀(2046) 사이에 볼 조인트가 존재한다. 또한, 볼 조인트의 존재로 인하여, 핸들 본체(2026)에 대한 폐쇄 본체(2044)의 원위 단부(나사)의 회전은 셔틀(2046)에 회전 전달을 유도하지 않는다. 폐쇄 본체(2044)의 원위 단부의 병진 운동은 셔틀(2046)로 병진 운동의 전달을 초래한다. 따라서 셔틀(2046)은 롤 입력부(2050)에 대하여 방향 1을 따라 병진 운동한다. 여기에서, 나사의 작동은 사용자가 수동으로 또는 기계식 액추에이터를 사용하거나 전기 기계식 액추에이터(예: 선형 모터)를 통해 폐쇄 본체(2044)의 근위 단부의 회전에 의해 발생할 수 있다.
도 34a는 클러치(clutch) 조립체의 일부로서 자동차 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 다이어프램 스프링(3012)을 나타낸다. 다이어프램 스프링(3012)은 미리 구부러져 있고 한 방향으로 편향되어 있다. 스프링(3012)이 반대 방향으로 편향될 때, 이것은 스프링은 이전에 구부려진 구성으로 되돌아가려는 경향이 있다.
도 34b 및 도 34c(동일한 조립체의 다른 도면)는 핸들 본체(2026), 폐쇄 본체(2044), 롤 본체(2024) 및 셔틀(2046)을 포함하는 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 이 실시예는 도 31에 도시된 구속 맵에 매핑된다. 여기서 롤 본체(2024)는 가장 단순한 형태로 존재하여 롤 입력부(2050)이라고 할 수 있다. 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 롤 입력부(2050)의 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전으로 이어진다. 또한, 셔틀(2046)은 방향 1을 따라 롤 입력부(2050)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 따라서, 셔틀(2046)은 롤 입력부(3050)에 대하여 프리즘형 조인트(3014)를 가진다. 다이어프램 스프링(3012)과 인터페이스하는 폐쇄 본체(2044)가 존재한다. 도 34a에 도시된 바와 같이, 상기 스프링(3012)은 방향 1을 따라 롤 입력부(2050)에 대한 셔틀(2046)의 병진 운동을 생성하도록 셔틀(2046)과 인터페이스하기 위한 수단이다. 따라서, 폐쇄 본체(2044)는 핸들 본체(2026)에 대하여 1 DoF를 생산한다(도 31에 도시된 구속 맵 C에서 언급된 바와 같음). 상기 스프링(3012)은 핸들 본체(2026)에 대하여 구속되고, 내부 오리피스를(orifice) 갖는 외부 링으로 구성된다. 상기 외부 링과 내부 오리피스 사이에는 내부 오리피스의 변위(displacement)를 생성하기 위해 편향될 수 있는 순응형 방사형 빔이 있다. 상기 폐쇄 본체(2044)는 사용자가 위에서 언급한 방사형 빔을 작동시키고 편향시킬 수 있는 세장형 부재(도 34b 내지 도 34c에 도시된 폐쇄 입력부(2048))를 가질 수 있다.
상기 셔틀(2046)은 프리즘형 조인트(3014)를 통해 롤 입력부(2050)과 정합하는 특징에 근접하게 연장되는 세장형 부재이다. 셔틀(2046)의 근위 단부는, 볼 단부 또는 타원형 단부 또는 다이어프램 스프링(3012)의 내부 오리피스에 구속될 수 있는 유사한 특징부일 수 있다. 일단 셔틀(2046)이 이 오리피스에 정합되면, 핸들 본체(2026)에 대한 다이어프램 스프링(3012)의 편향은 셔틀(2046)의 근위 단부의 당김을 통해 셔틀(2046)의 병진운동을 이끈다. 상기 스프링(3012)의 이러한 편향은, 내부 오리피스 주위를 당기는 케이블을 통해 또는 도 34a 및 도 34b에 도시된 바와 같이 핸들 조립체(2022) 외부로 연장되는 세장형 강성 부재를 통해 발생할 수 있다.
언급한 바와 같이, 스프링(3012)의 편향은 케이블을 당기거나 다이어프램 스프링(3012)의 강성 연장을 통해 수행될 수 있다. 케이블이 사용되는 경우, 케이블은 핸들 조립체(2022)에 대하여 방향 1을 따라 구속될 수 있다. 여기에 언급된 케이블(들)은 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)을 구성한다. 이 폐쇄 입력부 메커니즘(2056)은 또한 편조 케이블(들) 또는 니티놀 와이어(들) 또는 링키지 메커니즘 또는 다른 유사한 전달 수단으로 구성될 수 있다. 롤 입력부(2050)의 회전 시, 셔틀(2046)의 볼 단부는 축 1을 중심으로 다이어프램 스프링(3012)에 대해 회전할 것이다. 볼의 이러한 슬라이딩은 폐쇄 본체(2044)에 대하여 스러스트 베어링 또는 볼 베어링 인터페이스의 존재를 요구할 수 있다. 또는 상기 볼은 폐쇄 본체(2044)와의 이 인터페이스에서 마찰로 인한 롤 상의 충격을 방지하기 위해 윤활성 재료(예: POM/아세탈(Acetal), PEEK, PTFE 등)로 만들어질 수 있다.
핸들 조립체 실시예 - 별개의 다이얼 회전(회전 저항력 부재)
도 35a 내지 도 35c는, 도 24a, 도 24b 또는 도 31에 도시된 구속 맵 중 임의의 것에 매핑되는 핸들 조립체(2022)의 일부일 수 있는 롤 입력부(2050) 및 셔틀(2046)의 구성을 나타낸다. 여기서 롤 입력부(2050)는 가장 단순한 형태로 존재하여, 다이얼(2024)이라고 할 수 있다. 축 1를 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 축 1에 대한 셔틀(2046)의 회전을 이끈다. 또한, 셔틀(2046)은 방향 1을 따라 다이얼(2024)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 따라서, 셔틀(2046)은 다이얼(2024)에 대한 프리즘형 조인트를 갖는다.
이 실시예에서, 다이얼(2024) 및 셔틀(2046) 인터페이스는 2개의 단방향 래칫(ratchets)을 형성한다. 래칫의 존재의 한 가지 이점은, 다이얼(2024)이 축 1에 대해 시계 방향(CW) 또는 반시계 방향(CCW)으로 회전하는 동안, 별개의 동작 피드백을 제공하는 것이다. 도 35a는 축 1에 대한 다이얼(2024)의 반시계 방향(CCW) 회전이 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이의 상대 동작을 생성하는 구성을 도시한다. 다이얼(2024)이 반시계 방향(CCW)으로 회전할 때, 멈춤쇠(pawl) 역할을 하는 다이얼(2024)의 순응 부분이 편향되고, 셔틀(2046)에 존재하는 각진 톱니 프로파일 위로 건너 뛰도록 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이에 순응 클러치 메커니즘(compliant clutch mechanism)이 존재한다. 반면, 다이얼(2024)이 시계 방향(CW)로 회전될 때, 이는 축 1에 대한 자체 회전과 함께 셔틀(2046)의 회전을 유도한다. 도 35a에 도시된 실시예는 시계 반대 방향 래칫이라고 한다.
도 35b는 축 1에 대한 다이얼(2024)의 시계 방향(CW) 회전이 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이의 상대 동작을 생성하는 구성을 도시한다. 다이얼(2024)이 시계 방향(CW)으로 회전할 때, 멈춤쇠(pawl) 역할을 하는 다이얼(2024)의 순응 부분이 편향되고, 셔틀(2046)에 존재하는 각진 톱니 프로파일 위로 건너 뛰도록 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이에 순응 클러치 메커니즘(compliant clutch mechanism)이 존재한다. 반면에 다이얼(2024)이 반시계 방향(CCW)으로 회전될 때, 이는 축 1에 대한 자체 회전과 함께 셔틀(2046)의 회전을 유도한다. 도 35b에 도시된 이 실시예는 시계 방향 래칫이라고 한다.
도 35c는 공통 샤프트 및 공통 축(축 1)을 사용하여 도 35a의 셔틀(2046) 도 35b의 셔틀(2046)과 결합하는 단일 조립체의 일부로서 도 35a 및 도 35b에 도시된 클러치 메커니즘을 보여주는 실시예를 도시한다. 또한, 도 35a의 다이얼(2024)은 축 1을 따라 축 방향으로 이격되면서 도 35b의 다이얼(2024)과 결합한다. 도 35c는 축 1에 대한 다이얼(2024)의 반시계 방향(CCW) 회전이 섹션 1에서 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이의 상대 운동을 생성하고, 축 1에 대한 다이얼(2024)의 시계 방향(CW) 회전이 다이얼(2024)과 셔틀(2046) 사이의 상대 운동을 생성하는 다이얼-셔틀 인터페이스의 구성을 도시한다. 따라서, 축 1에 대해 다이얼(2024)이 반시계 방향(CCW)으로 회전하는 동안, 섹션 1에 있는 래칫 시스템을 통해 별개 회전 피드백이 달성될 것이고, 축 1에 대해 다이얼(2024)이 시계 방향(CW)으로 회전하는 동안, 섹션 2에 있는 래칫 시스템을 통해 별개 회전 피드백이 달성될 것이다. 이러한 방식으로 사용자는 다이얼(2024)이 회전하는 동안 햅틱, 오디오 및 시각적 피드백 중 적어도 어느 하나를 받을 수 있다. 또한 다이얼(2024)이 높은 분당 회전수(revolution per minute, rpm) 로 회전할 때, 래칫이 없는 다이얼-셔틀 구성과 비교할 때 상대적으로 빠르게 중단될 것이다.
도 36a 내지 도 36c는, 도 24a 내지 도24b에 도시된 구속 맵에 매핑될 수 있는 핸들 조립체(2022)의 일부일 수 있는 핸들 본체(2026) 및 다이얼(2024)을 도시한다. 여기서 롤 입력부(2050)는 가장 단순한 형태로 존재하여, 다이얼(2024)이라고 할 수 있다. 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 잠금 레버(3016)를 통해 다이얼(2024)의 각도 배향이 핸들 본체(2026)에 고정될 수 있도록 제어될 수 있다.
이 실시예에서, 위치 잠금 레버(3016)는 다이얼(2024) 상에서 피벗되는 클래스 I 레버이다. 이들 레버(들)(3016)는 단일 또는 다중일 수 있다(예를 들어, 사용자의 검지, 중지 및 엄지 중 적어도 어느 하나에 의해 조작될 수 있는120도(120°)의 오프셋에 위치된 3개의 잠금 레버). 이러한 레버(3016)는 또한 항상 잠금 상태 쪽으로 편향되도록 스프링 부하를 받을 수 있다(예를 들어, 각각의 잠금 레버에 대한 회전 피벗에서 비틀림 스프링을 통해). 각각의 레버(3016)는 핸들 본체(2026)에 존재하는 많은 슬롯 중 하나에 안착되는 못(peg)을 가질 수 있다.
도 36d는, 잠금 레버(들)와 인터페이스하는 잠금 레버(3016) 및 핸들 본체(2026) 특징의 분리된 단면을 도시한다. 이들 레버가 눌러지면, 이들 레버는 다이얼(2024)이 축 1을 중심으로 회전할 때 잠금 레버(들)가 회전할 수 있도록 핸들 본체(2026) 위로 올라간다. 사용자가 이들 레버를 놓으면, 상기 레버는 상기 핸들 본체(2026) 상의 각각의 슬롯에 안착하고, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전을 잠근다. 이 메커니즘은 잠금 레버(들)와 인터페이스하는 핸들 본체(2026) 상의 슬롯의 피치에 의존하는 피치와 함께 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 개별(discrete) 회전을 제공한다.
도 37a는 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전이 본질적으로 두부분으로(binary) 이루어지도록 핸들 본체(2026)와 다이얼(2024) 사이의 인터페이스를 도시하는 쌍안정(bistable) 회전 메커니즘 실시예(핸들 조립체의 일부일 수 있음)를 나타낸다. 이들 본체는 도 24a내지 도 24b 또는 도 31에 도시된 구속 맵에 매핑될 수 있는 핸들 조립체(2202)의 일부일 수 있다. 상기 다이얼(2024)은 하나의 별개의 각도만큼 시계 방향(CW)으로 회전될 수 있고, 다이얼(2024)은 하나의 별개의 각도만큼 반시계 방향(CCW)으로 회전될 수 있다. 이것은 도 37b에 다이얼(2024)과 핸들 본체(2026) 사이에 존재하는 고립되어 도시된 쌍안정 순응 메커니즘(3018)의 존재로 인해 가능하다. 쌍안정(bi-stable) 순응 메커니즘(3018)은 한쪽 단부가 핸들 본체에 연결되고 다른 쪽 단부가 다이얼에 연결되는 평행 빔의 다중 예를 포함하고, 이어서 한쪽 단부는 다이얼에, 다른 쪽 단부는 핸들 본체에 부착되는 평행 빔의 추가적인 다중 예를 포함한다. 이렇게 하면 핸들 본체와 다이얼 사이에 서로 반대되는 평행 빔 세트의 여러 예가 형성된다.
도 37a에서, 주어진 구성(쌍안정 순응 메커니즘(3018)에 대해 도 37b에 도시된 안정 상태 1)으로부터의 다이얼(2024)의 반시계 방향(CCW) 회전은 어느 정도 다이얼(2024)의 회전을 야기할 것이다. 만약 쌍안정 순응 메커니즘(3018)이 그의 다른 고유한 안정 상태를 발견하면, 다이얼(2024)의 회전을 정지시킬 것이다. 이는 쌍안정 순응 메커니즘(3018)의 각각을 도 37b에도 도시된 바와 같이 안정 상태 2로 가져온다. 유사하게, 새로운 구성으로부터 다이얼(2024) 시계 방향(CW) 회전은 쌍안정 순응 메커니즘(3018)을 원래의 안정한 구성, 즉 안정 상태 1로 되돌릴 것이다. 다이얼(2024) 및 핸들 본체(2026) 사이에 이러한 쌍안정 순응 메커니즘(3018)이 하나 이상 존재할 수 있다. 또한, 양측의 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전량은 쌍안정 순응 메커니즘(3018)의 일부인 평행 빔의 길이에 의존할 수 있다.
도 38a는 핸들 본체(2026) 및 다이얼(2024)로 구성된 실시예를 도시한다. 이 실시예는 도24a 내지 도 25b 또는 도 31에 도시된 구속 맵에 매핑되는 핸들 조립체(2202)에 통합될 수 있다. 이 실시예에서 프레임(3022)에 수용되는 멈춤쇠(detent) 스프링(3020)이 존재한다. 이 멈춤쇠 스프링(3020)은 특정 피치에서 다이얼(2024)의 원주 주위에 위치되는 다이얼(2024) 상의 멈춤쇠 특징에 안착된다. 멈춤쇠 스프링(3020)을 위한 프레임(3022)은 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대해 병진 운동할 수 있도록 레일 상에 배치될 수 있다. 상기 프레임(3022)은 불연속 상태 또는 연속 상태 사이에서 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전을 전환하기 위해 핸들 본체에 대하여 이동될 수 있다.
불연속 상태에서, 다이얼(2024)은 다이얼(2024) 상의 멈춤쇠 특징의 피치에 기초하여 불연속적으로 회전하도록 핸들 본체(2026)에 대하여 회전할 수 있다. 연속 상태에서, 다이얼(2024)은 핸들 본체(2026)에 대해 자유롭게 회전할 수 있다. 상기 프레임(3022)은 푸시-푸시 버튼(3024)을 사용하여 불연속 또는 연속 상태에서 핸들 조립체(2022)에 대해 잠겨질 수도 있다. 상기 푸시-푸시 버튼(3024)은, 프레임(3022)을 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대해 이동시켜 버튼을 눌러 프레임을 연속적인 다이얼(2024)의 회전 상태로 잠근다. 이를 불연속 회전 상태로 다시 재설정하기 위해 방향 1을 따라 핸들 본체(2026)에 대한 또 다른 푸시가 필요할 수 있다. 푸시-푸시 버튼(3024) 대신에, 두 가지 상태를 생성하는 쌍안정 스프링 또는 많은 볼펜 등에 사용되는 회전 푸시-푸시 버튼 메커니즘과 같은 다른 메커니즘이 있을 수 있다.
도 38b는, 도 38a에 도시된 것과 유사한 실시예의 예를 도시한다. 여기에서 컴퓨터 마우스의 구성 요소는 핸들 본체(2026), 다이얼(2024) 및 불연속 및 연속 다이얼(2024) 회전 상태 사이를 전환(toggle)하는 데 도움이 되는 스위치로 간주할 수 있다. 버튼을 누르면 멈춤쇠 또는 기어가 다이얼(2024)의 외부 표면에 연결(interface)된다. 다이얼(2024)의 외부 표면에는 슬롯, 톱니 모양(serrations) 또는 기어 톱니 특징이 있다. 이러한 방식으로, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 다이얼(2024)의 회전은 각각의 특정 각도 회전에 대한 햅틱 피드백을 제공한다(다이얼(2024) 상의 톱니/슬롯의 피치에 따라).
핸들 조립체 구속 맵 D
도 39는 핸들 본체(2026)와 “3 DoF 조인트(3 DoF joint)” 사이의 DoFs 및 DoCs를 나타내는 구속 맵을 보여준다. 이 “아트-롤 입력부(Art-roll input)”은 도 24a 내지 도25b 또는 도 31에 도시된 구속 맵에서, 기존 기능, 즉 엔드 이펙터의 회전을 초래하는 롤 입력부(2050)의 회전 및 고정 턱(2014)에 대한 동작 턱(2012)의 닫힘을 초래하는 폐쇄 입력부(2048)의 작동 기능과 함께 관절 입력 조인트를 포함하는 핸들 조립체(2022)를 생산하기 위하여 롤 입력부(2050) 및/또는 다이얼(2024)을 대체할 수 있다. 여기서 “아트 롤 입력부(Art-roll input)”은 위에서 설명한 “롤 입력부(Roll input)”과 “관절 다이얼(Articulation Dial)”이라는 두 가지 구성요소를 포함하는 조립체로 설명할 수 있다. 관절 다이얼에는 각각 피치 및 요 축에 대한 회전으로 피치 및 요 동작을 생성하는 롤 입력부(2050) 또는 핸들 본체(2026) 중 어느 하나에 대한 2-DoF 조인트가 있다. 이 2-DoF 조인트/메커니즘을 관절 입력 메커니즘이라고 한다.
이 핸들 조립체(2022)는 세장형 툴 샤프트(2011) 및 툴 샤프트(2011)의 원위 단부에 있는 EE 조립체(2010)를 포함하는 장치의 일부일 수 있다. 또한 툴 샤프트(2011)와 EE 조립체(2010) 사이에 관절 출력 조인트(2020)가 존재할 수 있다. 관절 입력 메커니즘은 피치 및 요 회전을 입력으로 취하고, 각각 엔드 이펙터의 피치 및 요 동작 출력 운동을 생성할 수 있는 툴 샤프트(2011)와 EE 조립체(2010) 사이에 존재하는 출력 관절 조인트(2020)로 전달할 수 있는 직렬 또는 병렬 운동학적 메커니즘일 수 있다.
핸들 조립체 실시예 - 구속 맵 D에 매핑
도 40 내지 도 42는 핸들 조립체(2022), 특히 핸들 본체(2026) 및 아트-롤 입력부이라는 구성요소만을 도시한다. 이러한 도면 중 일부는 또한 회전을 생성하기 위해 롤 입력부(2050)과 EE 조립체(2010) 사이에서 롤 동작을 전달하는 롤 트랜스미션 부재(3026)를 포함할 수 있다. 이러한 도면 중 일부는 관절 입력 메커니즘으로부터 관절 출력 메커니즘으로 관절 연결 동작(피치 및 요 동작)을 전달하는 관절 트랜스미션 부재를 포함할 수도 있다. 또한, “롤 입력부(Roll input)”는, 이들 실시예에서 다이얼(2024)와 같은 가장 단순한 형태로 존재한다. 용어, 즉 “롤 입력부(Roll input)”, “다이얼(Dial)” 및 “롤 다이얼(Roll Dial)”은 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
도 40에 도시된 바와 같이, 관절 다이얼(3028)과 핸들 본체(2026) 사이에 2-DoF 피치 및 요 회전 조인트가 존재한다. 또한, 롤 다이얼(2024)과 관절 다이얼(3028) 사이에는 1-DoF 회전 조인트(3030)가 존재한다. 피치 및 요 동작을 각각 포착하도록 관절 다이얼(3028)에 견고하게 장착된 피치 및 요 동작 트랜스미션 부재가 존재한다. 이들 부재는 도 40에서 케이블로 참조된다. 이러한 케이블은 니티놀, 케블러(Kevlar), 편조 스테인리스 스틸/텅스텐 조립체 또는 가요성 폴리머 또는 이러한 재료의 조합으로 만든 유연한 와이어일 수 있다. 각각의 케이블 또는 한 쌍의 케이블은 핸들 본체(2026)에 대한 관절 다이얼(3028)의 각각의 피치 동작(또는 요 동작)으로 인해 피치 운동(또는 요 운동)을 전달할 수 있다. 피치 동작을 생성하기 위해 관절 다이얼(3028)을 움직이는 것은 피치 케이블 상에 당기는 힘이 생긴다. 유사하게 요 동작을 생성하기 위해 관절 다이얼(3028)을 움직이는 것은 요 케이블 상에 당기는 힘을 생성한다. 관절 다이얼(3028)의 피치 및 요 동작으로 구성된 복합 동작을 생성하기 위해 이러한 동작을 결합하면 피치 및 요 케이블 모두에 당김이 생성된다.
툴 프레임, 툴 프레임에 견고하게 부착된 세장형 툴 샤프트 및 툴 샤프트의 원위 단부에 있는 EE 조립체로 구성된 장치가 존재할 수 있다. 툴 샤프트와 EE 조립체 사이에 2-DoF 출력 관절 조인트가 있을 수 있다. 상기 2-DoF 관절 출력 조인트는 피치 및 요 트랜스미션 부재를 통해 2-DoF 관절 입력 조인트에 연결된다. 이 배열에서, 피치 및 요 케이블은 출력 관절 조인트에 연결되며, 툴 프레임 및/또는 툴 샤프트를 통해 라우팅될 수 있다. 또한 EE 조립체는 기준 접지 또는 툴 샤프트에 대해 회전할 수도 있다. 이 배열에서, 롤 다이얼은 롤 다이얼의 회전이 롤 트랜스미션 부재를 통해 툴 축에 대한 EE 조립체의 회전을 유도할 수 있도록, 롤 트랜스미션 부재에 견고하게 부착된다. 상기 2-DoF 스프링 조인트는 나선형(helical) 스프링, 가요성의 코일 스프링, 또는 가요성의 폴리머 조립체를 사용하여 구성할 수 있다. 이것은 이들 재료의 조합에 의해서 형성될 수도 있다.
도 41은 핸들 본체(2026), 롤 다이얼(2024) 및 관절 다이얼(3028)로 구성된 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 여기서, 핸들 본체(2026)는 기준 접지 역할을 하고, 롤 다이얼(2024)은 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대하여 1개의 회전 DoF를 갖는다. 롤 다이얼(2024)에 대한 관절 다이얼(3028)의 피치 및 요 동작이 피치 및 요 인코더(3032,3034)에 의하여 각각 인코딩되도록, 관절 다이얼(3028)과 롤 다이얼(2024) 사이에 2 DoF 관절 조인트가 존재한다. 피치 및 요 인코더(3032, 3034)는 각각 피치 및 요 축을 중심으로 회전한다. 관절 다이얼(3028)은 궁극적으로 2개의 롤러, 즉 피치 및 요 롤러를 회전시키는 구형 볼로 표현된다. 여기서는 이러한 롤러를 “인코더(encoders)”라고 한다. 각각의 인코더(3032, 3034)에 의해 인코딩된 피치 및 요 회전 데이터는 툴 샤프트(2011)와 엔드 이펙터 사이의 2-DoF 출력 관절 조인트로 전달될 수 있다. 또한, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 롤 다이얼(2024)의 회전은 엔드 이펙터의 회전을 야기하면서 인코딩되거나 기계적으로 전달될 수 있다. 롤 다이얼(2024)의 회전의 기계적 전달은 롤 다이얼(2024)에 견고하게 장착된 롤 트랜스미션 부재를 통해 발생할 수 있다.
도 42는 핸들 본체(2026), 롤 다이얼(2024) 및 관절 다이얼(3028)로 구성된 핸들 조립체(2022)를 나타낸다. 여기서, 핸들 본체(2026)는 기준 접지 역할을 하고 롤 다이얼(2024)은 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대하여1개의 회전 DoF 를 갖는다. 롤 다이얼(2024)에 대한 관절 다이얼(3028)의 피치 및 요 동작이 각각 피치 및 요 변환기(transducer)(3036,3038)에서 생성된 변형율(strain)을 포착함으로써 포착되도록 관절 다이얼(3028)과 롤 다이얼(2024) 사이에 2 DoF 관절 조인트가 존재한다. 이들 변환기(3036, 3038)는 압전(piezoelectric) 스트립/플레이트 또는 스마트 메모리 합금 또는 다른 스트레인 변환기일 수 있다. 이 변환기(3036, 3038)에 의해 포착된 이 변형율은 툴 샤프트(2011)와 EE 조립체(2010) 사이의 2-DoF 출력 관절 조인트로 전달될 수 있는 전기적 신호로 변환된다. 또한, 축 1을 중심으로 핸들 본체(2026)에 대한 롤 다이얼(2024)의 회전은 엔드 이펙터의 회전을 야기하면서 인코딩되거나 기계적으로 전달될 수 있다. 롤 다이얼(2024)의 회전의 기계적 전달은 롤 다이얼(2024)에 견고하게 장착된 롤 트랜스미션 부재를 통해 발생할 수 있다.
본 명세서에서 특징 또는 요소가 본 명세서에서 다른 특징 또는 요소 "상에" 있는 것으로 언급될 때, 그것은 다른 특징 또는 요소 위에 직접 있을 수도 있고, 이에 개입하는 특징 및/또는 요소가 또한 존재할 수 있다. 이와 대조적으로, 특징이나 요소가 다른 특징이나 요소에 "직접적으로 상에" 있는 것으로 언급되는 경우, 이에 개입하는 존재하는 특징이나 요소가 없다. 또한 특징 또는 요소가 다른 특징 또는 요소에 "연결된(connected)", "부착된(attached)" 또는 "결합된(coupled)" 것으로 언급될 때, 다른 특징 또는 요소에 직접 연결, 부착 또는 결합될 수도 있고, 개입하는 특징이나 요소가 있을 수 있다는 것을 또한 이해할 수 있다. 대조적으로 특징이나 요소가 다른 특징이나 요소에 “직접 연결된(directly connected)”, “직접 부착된(directly attached)” 또는 “직접 결합된(directly coupled)” 것으로 언급될 때, 이에 개입하는 특징이나 요소가 없다. 비록 하나의 실시예에 대해 기술되거나 도시되었더라도, 그렇게 기술되거나 도시된 특징 및 요소는 다른 실시예에 적용될 수 있다. 또한, 다른 특징에 "인접(adjacent)" 배치된 구조 또는 특징을 참조하는 통상의 기술자들은, 또다른 특징이 인접한 특징과 겹치거나 아래에 위치하는 있는 부분을 가질 수 있음을 이해할 것이다
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용되는 단수형 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 다르게 나타내지 않는 한 복수형도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용된 "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 명시된 특징, 단계, 동작, 구성요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 동작, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 더 이해될 것이다. 본 명세서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련된 하나 이상의 나열된 항목들의 임의의 및 모든 조합을 포함하며 "/"로 약칭될 수 있다.
“아래(under)", "아래(below)", "하부(lower)", "위(over)", "상부(upper)" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어는 하나의 요소, 다른 요소(들)에 대한 특징의 관계 또는 그림에 설명된 기능(들)을 설명하기 위해 설명을 용이하게 하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 묘사된 방향에 더하여 사용 또는 작동 중인 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도된 것임을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌 경우, 다른 요소 또는 특징 "아래(under)" 또는 "아래(beneath)"로 설명된 요소는 다른 요소 또는 특징 "위에(over)" 배향될 것이다. 따라서, "아래(under)"라는 예시적인 용어는 위 및 아래의 배향 모두를 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향으로 향할 수 있으며(90도 회전 또는 다른 방향으로) 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 설명자는 이에 따라 해석된다. 유사하게, "위로(upwardly)", "아래로(downwardly)", "수직(vertical)", "수평(horizontal)" 등의 용어는 달리 구체적으로 나타내지 않는 한 설명의 목적으로만 본원에서 사용된다.
본 명세서에서 "제1" 및 "제2"라는 용어가 다양한 특징/요소(단계 포함)를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 특징/요소는 문맥상 달리 나타내지 않는 한 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다. 이러한 용어는 하나의 특징/요소를 다른 특징/요소와 구별하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 아래에서 논의되는 제1 특징/요소는 제2 특징/요소로 지칭될 수 있고, 유사하게 아래에서 논의되는 제2 특징/요소는 본 발명의 교시로부터 벗어나지 않으면서 제1 특징/요소로 지칭될 수 있다.
본 명세서 및 이어지는 청구범위 전체에서, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, “포함하다(comprise)", "포함하다(comprises)" 및 "포함하는(comprising)"과 같은 변형은 다양한 구성요소가 방법 및 물품(예: 및 장치 및 방법을 포함하는 구성요소 및 장치)에 공동으로 사용될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, "포함하는"이라는 용어는 임의의 언급된 요소 또는 단계의 포함을 의미하지만 임의의 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않음을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
일반적으로, 본 명세서에 기술된 임의의 장치 및 방법은 포괄적인 것으로 이해되어야 하지만, 구성요소 및/또는 단계의 모든 또는 하위 세트는 대안적으로 배타적일 수 있고, 다양한 구성 요소, 단계, 하위 구성 요소 또는 하위 단계로 "구성되는" 또는 대안적으로 "기본적으로 구성되는"으로 표현될 수 있다.
위에서 다양한 예시적인 실시예가 설명되었지만, 청구범위에 의해 설명된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 실시예에 대한 몇 가지 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 설명된 다양한 방법 단계들이 수행되는 순서는 대안적인 실시예에서 종종 변경될 수 있으며, 다른 대안적인 실시예에서는 하나 이상의 방법 단계가 모두 생략될 수 있다. 다양한 장치 및 시스템 실시예의 선택적 특징은 일부 실시예에 포함될 수 있고 다른 실시예에는 포함되지 않을 수 있다. 따라서, 전술한 설명은 주로 예시적인 목적으로 제공된 것으로서, 청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예에 사용된 것을 포함하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 모든 숫자는 용어가 명시적으로 나타나지 않더라도 “약(about)” 또는 “대략(approximately)”이라는 단어가 앞에 붙은 것처럼 읽을 수 있다. 문구 “약(about)” 또는 “대략(approximately)”은 크기 및/또는 위치를 설명할 때, 설명된 값 및/또는 위치가 값 및/또는 위치의 합리적인 예상 범위 내에 있음을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 숫자 값은 명시된 값(또는 값 범위)의+/- 0.1%, 명시된 값(또는 값 범위)의 +/- 1 %, 명시된 값(또는 값 범위)의 +/- 2 %, 명시된 값(또는 값의 범위)의+/- 5 %, 명시된 값(또는 값의 범위)의 +/- 10 % 등의 값을 가질 수 있다. 여기에 제공된 모든 수치는 문맥에서 달리 나타내지 않는 한 약 또는 대략의 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어 값 “ 10” 이 공개되면 “약 10”도 공개된다. 여기에 인용된 임의의 수치 범위는 그 안에 포함된 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된다. 또한, 통상의 기술자가 적절하게 이해하는 바와 같이, 값이 그 값 “보다 작거나 같음(less than or equal)”, “그 값보다 크거나 같음(greater than or equal)”, 및 값들 사이의 가능한 범위가 개시되는 것으로 이해된다. 예를 들어, 값 “X”가 공개되면 “X보다 작거나 같음”뿐만 아니라 “X보다 크거나 같음”(예: 여기서 X는 숫자 값)도 공개된다. 또한 출원 명세서 전반에 걸쳐 데이터가 많은 다양한 형식으로 제공되며, 이 데이터는 끝점과 시작점 및 데이터 포인트 조합의 범위를 나타낸다. 예를 들어, 특정 데이터 포인트 “10” 및 특정 데이터 포인트 “15”가 공개되는 경우, 10보다 크거나, 크거나 같거나, 작거나, 작거나 같거나, 10 및 15 인 것으로 이해되며, 10 내지 15 사이뿐만 아니라 개시된 것으로 간주된다. 또한 2개의 특정 단위 사이의 각 단위가 개시되는 것으로 이해된다. 예를 들어, 만약 10 및15 가 공개되고 나면, 11, 12 , 13 및 14 역시 공개된다.
본 명세서에 포함된 예시들 및 예시는 주제가 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시적으로 보여주는 것이지, 제한적인 것이 아니다. 전술한 바와 같이, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 구조적 및 논리적 치환 및 변경이 이루어질 수 있도록, 다른 실시예가 활용되고 그로부터 도출될 수 있다. 본 명세서의 주제의 이러한 실시예는 본 명세서에서 단지 편의를 위해, 그리고 임의의 단일 발명 또는 발명 개념에 대한 본 출원의 범위를 자발적으로 제한하려는 의도 없이, 실제로 둘 이상이 공개된 경우, "발명"이라는 용어에 의해 개별적으로 또는 집합적으로 언급될 수 있다. 따라서, 특정 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 설명되었지만, 동일한 목적을 달성하기 위하여, 계산된 임의의 배열은 도시된 특정 실시예를 대체할 수 있다. 본 개시는 다양한 실시예의 임의의 조정, 모든 조정 또는 변형을 다루도록 의도된다. 상기 실시예들 및 본 명세서에 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시예의 조합은, 위의 설명을 검토하면 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
본 발명의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 이들 실시예들이 본 발명의 모든 가능한 형태들을 예시하고 설명하려고 의도되는 것은 아니다. 다양한 구현 실시예의 특징이 결합되어 본 발명의 추가 실시예를 형성할 수 있음을 이해해야 한다. 본 명세서에 사용된 용어는 제한적이라기보다는 설명을 위한 용어이며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능함을 이해하여야 한다.
본 명세서에 포함된 예시 및 도면들은 주제가 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 보여주는 것이지 제한적인 것이 아니다. 이러한 실시예는 다양한 유형의 조인트 및/또는 메커니즘, 즉 이들 사이의 프리즘형, 회전형, 원통형 등을 갖는 본체로 구성된다. 이러한 조인트 및/또는 메커니즘은 개별 요소/본체/구성 요소로 구성되거나, 이러한 조인트/메커니즘은 다른 본체 및/또는 조립품의 호환 확장에 의해 생성될 수 있다.

Claims (28)

  1. 핸들 본체;
    상기 핸들 본체에 결합되며, 상기 핸들 본체에 대하여 롤 축을 중심으로 한 회전 자유도를 갖고, 상기 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축을 따르는 병진이 구속되는 롤 본체;
    상기 핸들 본체에 결합되며, 상기 핸들 본체에 대하여 적어도 하나의 동작 자유도를 갖는 폐쇄 본체; 및
    상기 롤 본체와 상기 폐쇄 본체에 결합되며, 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 따라 병진 자유도를 갖고, 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 중심으로 한 회전이 구속되며, 상기 폐쇄 본체에 대하여 상기 롤 축을 중심으로 한 회전 자유도를 갖는 셔틀 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 핸들 본체에 대하여 상기 적어도 하나의 동작 자유도에 대한 상기 폐쇄 본체의 움직임은 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 따른 상기 병진 자유도에 대한 상기 셔틀 본체의 움직임에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐쇄 본체의 상기 적어도 하나의 동작 자유도는 상기 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축을 따른 병진 자유도이며, 상기 폐쇄 본체는 상기 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축을 중심으로 한 회전이 구속되는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    폐쇄 입력부 및 폐쇄 입력부 메커니즘을 더 포함하고, 상기 폐쇄 입력부는 상기 핸들 본체에 대하여 적어도 하나의 동작 자유도를 가지며, 상기 적어도 하나의 동작 자유도에 대한 상기 폐쇄 입력부의 움직임은 상기 핸들 본체에 대하여 상기 적어도 하나의 동작 자유도에 대한 상기 폐쇄 본체의 움직임에 영향을 미치며, 상기 폐쇄 입력부 메커니즘은 상기 폐쇄 본체와 상기 폐쇄 입력부 사이에 걸쳐 있고, 상기 폐쇄 입력부 메커니즘은 상기 핸들 본체에 대하여 상기 적어도 하나의 동작 자유도에 대한 상기 폐쇄 입력부의 움직임을 상기 핸들 본체에 대하여 상기 적어도 하나의 동작 자유도에 대한 상기 폐쇄 본체의 움직임으로 전달하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    롤 입력부 및 롤 입력부 메커니즘을 더 포함하고, 상기 롤 입력부의 움직임은 상기 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축에 대한 상기 회전 자유도에 대한 상기 롤 본체의 움직임에 영향을 미치고, 상기 롤 입력부 메커니즘은 상기 롤 본체 및 상기 롤 입력부 사이에 걸쳐있고,
    상기 롤 입력부 메커니즘은 상기 롤 입력부의 움직임을 상기 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축에 대한 상기 회전 자유도에 대한 상기 롤 본체의 움직임으로 전달하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤 본체와 상호작용하고 상기 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축을 중심으로 한 선택 가능한 회전 위치들에서 상기 롤 본체를 홀딩하는 회전 저항력 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 회전 저항력 부재는 마찰 부재, 래칫, 멈춤쇠 또는 쌍안정 부재 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤 본체에 인접하여 위치하는 관절 입력 조인트를 더 포함하고, 상기 관절 입력 조인트는 상기 핸들 본체에 대하여 상기 관절 입력 조인트에서 피치 및 요 동작을 실행하기 위해 상기 핸들 본체에 대하여 2 개의 관절 자유도를 갖는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 관절 입력 조인트는 상기 롤 본체에 결합된 관절 다이얼을 포함하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤 핸들 조립체로부터 원위로 연장되는 샤프트 및 상기 샤프트의 원위 단부에 엔드 이펙터를 더 포함하여, 상기 핸들 본체에 대한 상기 롤 축을 중심으로 하는 상기 롤 본체의 회전이 상기 핸들 본체에 대한 상기 엔드 이펙터의 회전에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는 턱 조립체를 포함하고, 상기 턱 조립체의 열림 및 닫힘 운동은 상기 핸들 본체에 대하여 상기 적어도 하나의 동작 자유도에 대한 상기 폐쇄 본체의 움직임에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는 턱 조립체를 포함하고, 상기 턱 조립체는 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체를 통해 상기 셔틀 본체에 결합되고, 상기 턱 조립체의 열림 및 닫힘 운동은 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 따르는 상기 병진 자유도에 대한 상기 셔틀 본체의 움직임에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐쇄 본체는, 트리거, 레버, 버튼, 푸시 로드 또는 레버를 푸시 로드에 결합하는 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  14. 청구항 1에 기재된 롤 핸들 조립체를 포함하는 수술 도구.
  15. 핸들 조립체;
    프레임; 및
    상기 핸들 조립체 및 상기 프레임 사이에 피치 회전 및 요 회전을 제공하는 입력 조인트를 포함하는 롤 핸들 조립체로서,
    상기 핸들 조립체는,
    핸들 본체;
    상기 핸들 본체에 결합되며, 상기 핸들 본체에 대하여 롤 축을 중심으로 한 회전 자유도를 갖고, 상기 핸들 본체에 대하여 상기 롤 축에 따르는 병진이 구속되는 롤 본체; 및
    상기 롤 본체에 결합되며, 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 따라 병진 자유도를 갖고, 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 중심으로 하는 회전이 구속되는 셔틀 본체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 입력 조인트는 피치 동작 경로 및 요 동작 경로를 가지고, 상기 피치 동작 경로는 피치 회전축을 중심으로 하는 상기 프레임에 대한 상기 핸들 조립체의 피치 동작을 전달하며, 상기 요 동작 경로는 요 회전축을 중심으로 하는 상기 프레임에 대한 상기 핸들 조립체의 요 동작을 전달하고, 상기 입력 조인트는 서로 평행하게 배열된 상기 피치 동작 경로 및 상기 요 동작 경로를 가지는 병렬 운동학적 입력 조인트인 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 피치 회전축 및 상기 요 회전축은 상기 핸들 조립체에 근접하게 위치되는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 핸들 본체와 상기 프레임은 상기 입력 조인트를 통해 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 롤 본체 및 상기 프레임은 상기 입력 조인트를 통해 함께 연결되며, 상기 입력 조인트는 상기 롤 본체 및 상기 프레임 사이의 회전을 구속하고, 상기 핸들 본체에 대한 상기 롤 축을 중심으로 하는 상기 롤 본체의 회전은 상기 핸들 본체에 대한 상기 프레임의 회전에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 핸들 본체는, 상기 핸들 본체에 결합되며 상기 핸들 본체에 대하여 적어도 하나의 동작 자유도를 가지는 폐쇄 본체를 더 포함하고, 상기 셔틀 본체는 상기 폐쇄 본체에 결합되고, 상기 폐쇄 본체에 대하여 상기 롤 축을 중심으로 한 회전 자유도를 가지는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 프레임으로부터 연장되는 샤프트 및 상기 샤프트의 원위 단부에 엔드 이펙터를 더 포함하여, 상기 핸들 본체에 대한 상기 롤 축을 중심으로 하는 상기 롤 본체의 회전이 상기 핸들 본체에 대한 상기 엔드 이펙터의 회전에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는 턱 조립체를 포함하고, 상기 턱 조립체의 열림 및 닫힘 운동은 상기 핸들 본체에 대하여 적어도 하나의 동작 자유도에 대한 상기 폐쇄 본체의 움직임에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 턱 조립체는 턱 폐쇄 트랜스미션 조립체를 통해 상기 셔틀 본체에 결합되고, 상기 턱 조립체의 열림 및 닫힘 움직임은 상기 롤 본체에 대하여 상기 롤 축을 따르는 상기 병진 자유도에 대한 상기 셔틀 본체의 움직임에 영향을 받는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  24. 청구항 21에 있어서,
    상기 샤프트 및 상기 엔드 이펙터 사이에 위치하는 출력 조인트를 더 포함하고, 상기 피치 동작 경로는 상기 프레임에 대한 상기 핸들 조립체의 피치 동작을 상기 출력 조인트에 전달하고, 상기 요 동작 경로는 상기 프레임에 대한 상기 핸들 조립체의 요 동작을 상기 출력 조인트에 전달하는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 롤 본체와 상기 프레임은 상기 입력 조인트를 통해 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 입력 조인트는 상기 롤 본체와 상기 프레임 사이의 회전을 구속하고, 상기 핸들 본체에 대한 상기 롤 축을 중심으로 하는 상기 롤 본체의 회전은, 상기 입력 조인트의 임의의 피치 회전 및 요 회전을 위한, 상기 핸들 본체에 대한 상기 프레임, 상기 샤프트, 및 상기 엔드 이펙터의 회전에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  27. 청구항 24에 있어서,
    상기 핸들 본체와 상기 프레임은 상기 입력 조인트를 통해 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 입력 조인트는 상기 핸들 본체 및 상기 프레임 사이의 회전을 구속하고, 상기 핸들 본체에 대한 상기 롤 축을 중심으로 한 상기 롤 본체의 회전은, 상기 입력 조인트의 임의의 피치 회전 및 요 회전을 위한, 상기 핸들 본체에 대한 제2 롤 축을 중심으로 하는 상기 엔드 이펙터의 회전에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 롤 핸들 조립체.
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