KR20230167011A

KR20230167011A - 이식가능한 수술 로봇 시스템에서의 수술 툴을 교환하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20230167011A
Application number: KR1020237019445A
Authority: KR
Inventors: 엘리자베스 미트만
Original assignee: 비카리우스 써지컬 인크.
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-12-07
Also published as: CA3174190A1; JP2023549623A; US20230200920A1; EP4192659A1; CN116234665A; WO2022103864A1

Abstract

로봇 아암의 엔드 이펙터 영역 장치는, 커넥터에 의해 로봇 아암의 단부에 결합되는 툴 베이스 부분, 및 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합되는 제1 및 제2 풀리 요소를 포함하는 수술 로봇 시스템의 일부를 형성한다. 상기 장치는 함께 결합되고 풀리 요소에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 장착될 수 있는 제1 및 제2 툴 요소를 더 구비한다.

Description

이식가능한 수술 로봇 시스템에서의 수술 툴을 교환하기 위한 시스템 및 방법

본 출원은 이식가능한 수술 로봇 시스템에서의 수술 툴을 교환하기 위한 시스템 및 방법이라는 명칭으로 2010년 11월 10일자로 출원된 미국 가특허 출원 63/111,950호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 본원에 참고로 편입된다.

1990년대 초에 시작된 이후로, 최소 침습 수술의 분야가 급속하게 성장하였다. 최소 침습 수술이 환자 결과를 상당히 개선하지만, 이러한 개선은 정밀하고 용이하게 동작하는 외과의사의 능력에 대한 비용이다. 종래의 복강경 시술 동안, 외과의사는 전형적으로 복강경 기구를 환자의 복벽에 다수의 작은 절개부를 통해 삽입한다. 복벽을 통한 도구 삽입의 성질은 복강경 기구의 움직임을 복부 벽에 상해 없이 좌우로 움직일 수 없기 때문에 복강경 기구의 운동을 제한한다. 또한, 표준 복강경 기구는 모션에서 제한되며, 전형적으로 4개의 운동 축으로 제한된다. 이들 4개의 운동 축은 투관침(축 1) 내외로의 기구의 이동, 투관침(축 2) 내에서의 기구의 회전, 및 투관침의 진입 지점을 복강(축 3 및 4) 내로 유지하는 동안 2개의 평면들에서의 투관침의 각운동(angular movement)이다. 20년이 넘는 동안, 최소 침습 수술의 대부분은 단지 이들 4가지 운동도로 수행되었다. 또한, 수술이 복강 내에서 다수의 상이한 위치를 다루는 것을 필요로 하는 경우, 이전 시스템은 다수의 절개부를 필요로 한다.

기존의 로봇 수술 장치는 많은 이러한 문제를 해결하고자 시도하였다. 일부 기존의 로봇 수술 장치는 기구의 단부에서 추가적인 자유도로 비-로봇 복강경 수술을 복제한다. 그러나, 많은 비용이 많이 드는 수술 절차에 따라, 기존의 로봇 수술 장치는 이들이 사용되는 대부분의 절차로 개선된 환자 결과를 제공하는데 실패하였다. 또한, 기존의 로봇 장치는 외과의사와 수술 단부-이펙터 사이에 증가된 분리를 생성한다. 이러한 증가된 분리는 로봇 장치에 의해 가해지는 힘과 모션에 대한 외과의사의 오해로 인한 부상이 발생한다. 많은 기존의 로봇 장치들의 자유도가 인간 조작자에게 친숙하지 않기 때문에, 외과의사들은 부주의한 부상을 야기할 가능성을 최소화하기 위해 환자에게 작동하기 전에 로봇 시뮬레이터들에 대한 광범위한 훈련을 필요로 한다.

기존의 로봇 장치를 제어하기 위해, 외과의사는 전형적으로 콘솔에 앉아 그 또는 그녀의 손 및/또는 발을 이용하여 조작기를 제어한다. 추가적으로, 로봇 카메라는 반고정 위치에 유지되고, 외과의사로부터 조합된 발 및 손 동작에 의해 이동된다. 이러한 반-고정 카메라들은 제한된 시야들을 제공하며, 종종 동작 필드를 시각화하는 어려움을 초래한다.

다른 로봇 장치는 단일 절개부를 통해 삽입된 2개의 로봇 조작기를 갖는다. 이들 장치는 종종 배꼽 내의 단일 절개부에 필요한 절개부의 수를 감소시킨다. 그러나, 기존의 단일-절개 로봇 장치들은 그들의 액추에이터 설계로부터 중요한 단점들을 갖는다. 기존의 단일-절개 로봇 장치들은 서보모터, 인코더, 기어박스, 및 생체내 로봇 내의 모든 다른 작동 장치들을 포함하고, 이는 환자 내에 삽입되는 비교적 큰 로봇 유닛들을 초래한다. 이러한 크기는 다양한 절차를 수행하는 이동 및 능력의 관점에서 로봇 유닛을 심하게 제한한다. 또한, 이러한 대형 로봇은 통상적으로 큰 절개 부위를 통해 삽입될 필요가 있어, 개방 수술의 크기 근처에서 종종 감염, 통증, 및 일반적인 사망률의 위험을 증가시킨다.

또한, 복강경 및 로봇 수술에서, 수술 절차를 완료하기 위해 다양한 도구 및 파지기가 필요하다. 초기에, 수술 로봇 시스템에 의해 이용될 필요한 도구 모두를 환자 내에 한 번에 삽입하는 것은, 수술 절차 동안 도구들을 안전하게 저장하고 조작하는 고유의 증가된 복잡성 및 과도한 절개 부위의 가능한 사용으로 인해 환자에 대한 증가된 위험을 초래할 수 있다. 따라서, 현재 수술 절차는 전형적으로 수술 전반에 걸쳐 도구를 제거하고 교체하는 것에 의존한다. 이러한 제거 및 교체 공정은 수술 시간을 길게 하고, 도구가 완전히 제거되고 새로운 도구가 환자 내에 삽입될 때 합병증의 가능성을 증가시키고, 그에 따라 수술의 잠재적 비용에 필요한 재료의 양을 증가시키는 역할을 한다.

본 발명은, 본 발명의 로봇 아암의 엔드 이펙터를 형성하는 툴을 용이하고 효율적인 방식으로 교체(swap out)하는 능력에 관한 것이다. 툴을 용이하게 교체하는 능력은, 외과 의사와 같은 사용자가 통상적으로 전용 툴이 부착된 전체 로봇 아암을 교체하기보다는 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분을 단지 제거하고 교체할 수 있게 한다. 툴 요소 제거 및 교체는 환자 내에서 또는 환자 외부에서 행해질 수 있다. 전체 로봇 아암이 교체될 필요가 없기 때문에, 본 발명의 로봇 아암은 사용자가 전체 세트의 로봇 아암을 사용할 필요가 없으므로 비용 및 낭비를 감소시킨다.

본 발명은 한 쌍의 파지기 요소(grasper elements)로 도시된 한 쌍의 대향된 툴 교환 베이스 세그먼트, 풀리 요소, 전기 접촉 요소, 및 툴 요소를 포함하는 엔드 이펙터 부분을 포함한다. 툴 베이스는 풀리 요소를 툴 베이스 세그먼트에 형성된 리세스 내로 삽입함으로써 풀리 요소를 각각의 툴 베이스 세그먼트에 장착함으로써 조립된다. 그 다음, 엔드 이펙터 부분은 한 쌍의 연결 플랜지 및 결합 핀에 의해 로봇 아암 조립체에 결합될 수 있으며, 이들 각각은 그 내에 형성된 개구를 갖는다. 개구는 로봇 아암 조립체의 단부 부분에 형성된 적절한 커넥터에 결합될 수 있다. 풀리 요소는 툴 요소의 본체 내에 또는 본체 상에 형성된 표면 특징부에 대해 상보적인 보스(bosses)와 같은 표면 특징부를 채용할 수 있다. 풀리 요소의 보스 및 툴 요소에 형성된 개구가 선택된 위치(예를 들어, 개방 툴 교환 위치)로 배향될 때, 툴 요소는 그 위에 용이하게 장착되거나 툴 베이스 부분으로부터 제거될 수 있다. 툴 요소는 파지기 부분(예를 들어, 작업 표면)이 예를 들어 약 180도와 같은 사전결정된 설정 각도만큼 서로 분리되는 개방 툴 교환 위치에 배치될 수 있다. 이는 툴 요소가 풀리 요소의 표면 특징부 상에서 용이하게 활주할 수 있게 한다. 일단 장착되면, 풀리 요소는 적절한 케이블에 의해 작동되어 툴 요소를 작업 표면이 서로 180도 미만으로 분리되는 하나 이상의 사용 위치로 이동시킬 수 있다. 사용 위치는 툴 요소를 툴 베이스 부분에 부수적으로 고정하는 동시에 툴 요소를 함께 고정한다. 툴 베이스로부터 툴 요소를 제거하기 위해, 툴 요소는 개방 툴 교환 위치에 다시 한번 배치될 수 있다.

본 발명은 툴 기구를 형성하는 하나 이상의 툴 요소를 수술 로봇 시스템에서 로봇 아암의 리스트 부분(wrist portion)을 제거 및 삽입하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 로봇 아암의 단부에 결합되는 툴 베이스 부분을 제공하는 단계, 제1 및 제2 풀리 요소를 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합시키는 단계, 툴 베이스 부분에 제1 및 제2 풀리 요소를 액슬 요소로 고정하는 단계, 함께 결합되는 제1 및 제2 툴 요소를 제공하는 단계, 및 툴 베이스 부분에 장착되거나 그로부터 제거될 수 있도록 개방 툴 교환 위치에 위치되도록 제1 및 제2 툴 요소를 구성하는 단계를 구비한다. 툴 베이스 부분은 제1 툴 베이스 세그먼트 및 제2 툴 베이스 세그먼트를 포함하도록 구성될 수 있고, 제1 풀리 요소는 제1 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합되고, 제2 풀리 요소는 제2 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합된다. 이와 같이, 제1 및 제2 툴 요소는 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 툴 베이스 부분에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 결합된다.

본 발명의 방법은, 제1 풀리 요소 상에 제1 풀리 표면 특징부를 형성하도록 제1 풀리 요소를 구성하고, 제2 풀리 요소 상에 제2 풀리 표면 특징부를 형성하도록 제2 풀리 요소를 구성하는 단계, 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부와 형상이 상보적으로 형성된 제1 표면 특징부를 갖는 제1 툴 요소를 구성하고, 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부와 형상이 상보적으로 형성된 제2 표면 특징부를 갖는 제2 툴 요소를 구성하는 단계를 더 구비한다. 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부가 정렬되는 경우 그리고 제1 및 제2 툴 요소의 제1 및 제2 표면 특징부가 개방 툴 교환 위치(open tool exchange position)에 배치될 때 정렬되는 경우, 제1 및 제2 툴 요소는 각각 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 상에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 장착될 수 있다.

상기 방법은 또한, 일 실시예에 따르면, 제2 툴 요소와 함께 결합될 수 있는 제1 툴 요소를 제공하는 단계, 제1 툴 요소 상에 제1 연결 표면 특징부를 형성하도록 제1 툴 요소를 구성하는 단계, 및 제1 및 제2 연결 표면 특징부가 정렬될 때 상기 제1 및 제2 툴 요소가 함께 결합될 수 있도록 제1 연결 표면 특징부와 형상이 상보적인 제2 연결 표면 특징부를 형성하도록 제2 툴 요소를 구성하는 단계를 구비한다. 제1 연결 표면 특징부는 홈을 구비할 수 있고, 제2 연결 표면 특징부는 돌출 레일형 요소를 구비할 수 있다. 제1 및 제2 연결 표면 특징부는, 조합하여, 도브-테일 조인트 연결을 형성한다. 또한, 제1 툴 요소 및 제2 툴 요소가 조립될 때, 상기 방법은 제1 및 제2 풀리 요소 중 하나 이상의 회전 운동에 의해 제1 및 제2 툴 요소 중 하나 이상을 개방 툴 교환 위치를 벗어나고 그리고 하나 이상의 사용 위치로 선택적으로 회전시킴으로써 제1 및 제2 툴 요소를 함께 로킹하는 단계를 구비한다. 이는 본 발명의 장치가, 툴 요소를 개방 툴 교환 위치로부터 하나 이상의 상이한 사용 위치로 이동시킴으로써 툴 요소를 함께 그리고 툴 베이스 부분에 로킹하는 동안, 예를 들어 개방 툴 교환 위치와 같은 선택된 위치에 배치될 때 툴 베이스 부분으로부터 상이한 유형의 툴 요소를 용이하게 제거하고 교체할 수 있게 한다. 사용 위치는 툴 요소가 수술 절차의 수행 중에 배치될 위치에 대응한다. 하나의 실시에 따르면, 툴 요소는 사용 중에 180도 접근 또는 초과한 각도 거리만큼 분리될 필요가 없을 것이다.

본 발명의 방법은 또한 제1 풀리 요소에 결합되는 제1 전도성 스프링 요소 및 제2 풀리 요소에 결합되는 제2 전도성 스프링 요소를 제공하는 단계, 및 제1 툴 요소에 결합되는 제1 전도성 접촉 요소 및 제2 툴 요소에 결합되는 제2 전도성 접촉 요소를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 사용 동안, 전도성 스프링 요소의 일부와 전도성 접촉 요소의 일부 사이의 직접적인 접촉을 유지하는 단계를 더 포함하고, 이는 제1 및 제2 풀리 요소의 회전 위치와 독립적이다.

본 발명은 또한, 커넥터에 의해 로봇 아암의 단부에 결합되는 툴 베이스 부분, 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합되는 제1 풀리 요소, 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합되는 제2 풀리 요소를 구비하며, 제1 및 제2 풀리 요소는 액슬 요소로 툴 베이스 부분에 고정되고, 제1 툴 요소는 제2 툴 요소와 함께 결합되는, 수술 로봇 시스템에서의 로봇 아암의 엔드 영역 장치(end region device)에 관한 것이다. 제1 및 제2 툴 요소는 툴 베이스 부분에 장착되거나 그로부터 제거될 수 있도록 개방 툴 교환 위치로 위치되도록 구성된다. 툴 베이스 부분은 일 실시예에 따라 제1 툴 베이스 세그먼트 및 제2 툴 베이스 세그먼트를 구비할 수 있고, 제1 풀리 요소는 제1 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합되고, 제2 풀리 요소는 제2 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합된다. 제1 및 제2 툴 요소는 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 툴 베이스 부분에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 결합된다.

제1 풀리 요소 상에는 제1 풀리 표면 특징부를 형성하고, 제2 풀리 요소 상에는 제2 풀리 표면 특징부를 형성하고, 제1 툴 요소는 상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부에 상보적인 형상을 형성하는 제1 표면 특징부를 갖고, 제2 툴 요소는 상기 제2 풀리 요소의 상기 제2 풀리 표면 특징부에 상보적인 형상을 형성하는 제2 표면 특징부를 갖는다. 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부가 정렬되는 경우 그리고 제1 및 제2 툴 요소의 제1 및 제2 표면 특징부가 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 정렬되는 경우, 제1 및 제2 툴 요소는 각각 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 상에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 장착될 수 있다.

또한, 제1 툴 요소 상에는 제1 연결 표면 특징부를 형성하고, 상기 제2 툴 요소는 상기 제1 연결 표면 특징부와 상보적인 형상인 제2 연결 표면 특징부를 형성하여, 상기 제1 및 제2 연결 표면 특징부가 정렬될 때 상기 제1 및 제2 툴 요소가 함께 결합될 수 있게 한다. 제1 연결 표면 특징부는 홈을 구비하고, 제2 연결 표면 특징부는 돌출 레일형 요소를 구비한다. 제1 및 제2 연결 표면 특징부는 도브-테일 조인트 연결을 형성하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 툴 요소 및 제2 툴 요소가 조립될 때, 제1 및 제2 툴 요소는 개방 툴 교환 위치로부터 하나 이상의 제1 및 제2 툴 요소의 선택적인 회전에 의해 그리고 제1 및 제2 풀리 요소 중 하나 이상의 회전 운동에 의해 하나 이상의 사용 위치로 함께 로킹된다.

또한, 본 발명의 장치는 제1 풀리 요소에 결합된 제1 전도성 스프링 요소 및 제2 풀리 요소에 결합된 제2 전도성 스프링 요소, 및 제1 툴 요소에 결합된 제1 전도성 접촉 요소 및 제2 툴 요소에 결합된 제2 전도성 접촉 요소를 포함할 수 있다. 함께 조립될 때, 상기 전도성 스프링 요소의 일부는, 사용 중에, 그리고 제1 및 제2 풀리 요소의 회전 위치와 독립적으로, 전도성 접촉 요소의 일부와 연속적으로 그리고 직접 접촉한다.

또한, 본 발명은, 수술 로봇 시스템의 로봇 유닛의 로봇 아암 형성부의 리스트 부분(wrist portion)으로서, 커넥터에 의해 로봇 아암의 단부에 결합되는 툴 베이스 부분, 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합되는 제1 풀리 요소로서, 제1 풀리 요소는 그 위에 형성된 제1 풀리 표면 특징부를 갖는 본체를 갖는, 상기 제1 풀리 요소, 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합된 제2 풀리 요소로서, 제2 풀리 요소는 그 위에 형성된 제2 풀리 표면 특징부를 갖는 본체를 갖는, 상기 제2 풀리 요소, 상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부와 상보적인 형상을 갖는 제1 표면 특징부를 형성하는 본체를 갖는 제1 툴 요소, 및 상기 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부와 상보적인 형상을 갖는 제2 표면 특징부를 형성하는 본체를 갖는 제2 툴 요소를 포함한다. 상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부 및 상기 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부는 제1 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 서로 정렬된다. 이러한 위치에서, 상기 제1 및 제2 툴 요소는 각각 상기 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 상에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 장착될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 툴 베이스 부분은 제1 툴 베이스 세그먼트 및 제2 툴 베이스 세그먼트를 포함하고, 제1 풀리 요소는 제1 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합되고, 제2 풀리 요소는 제2 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합된다. 또한, 제1 및 제2 툴 요소가 제1 및 제2 풀리 요소 상에 제거가능하게 장착될 때, 제1 툴 요소의 제1 표면 특징부는 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부 상에 정합하고 안착하고, 제2 툴 요소의 제2 표면 특징부는 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부 상에 정합되고 안착된다. 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 각각은 보스 요소로서 형성 및 구성되며, 제1 및 제2 표면 특징부 각각은 슬롯을 구비한다.

본 발명의 툴 베이스 세그먼트는 또한 일 단부에서 연장 부분 및 대향 단부에 플랜지 부분을 갖는 본체를 갖는다. 연장 부분은 내부 표면 및 대향하는 외부 표면을 갖고, 상기 연장 부분 내에는 개구를 형성한다. 연장 부분의 내부 표면 내에는 리세스를 형성한다. 제1 및 제2 툴 베이스 세그먼트 각각의 플랜지 부분은 커넥터를 안착시키기 위해 그 내에 형성된 개구를 갖는다. 또한, 제1 및 제2 풀리 요소 각각은 내부 표면 및 대향 외부 표면을 갖는 본체를 가지며, 대향 외부 표면은 그 위에 형성되고 그로부터 외향으로 돌출된다. 풀리 표면 특징부들은 본체의 내부 표면 상에 형성된다. 제1 및 제2 풀리 요소 각각의 본체에는 복수의 구멍을 형성하고, 복수의 구멍 중 적어도 일부는 제어 케이블의 일부를 안착하도록 크기설정 및 구성된다. 또한, 제1 풀리 요소의 연결 요소는 제1 툴 베이스 세그먼트의 내부 표면에 형성된 리세스 내에 안착하여 보유되고, 제2 풀리 요소의 연결 요소는 제2 툴 베이스 세그먼트의 내부 표면에 형성된 리세스 내에 안착하여 보유된다.

또한, 상기 리스트 부분은 제1 풀리 요소에 결합된 제1 전기 전도성 스프링 요소 및 제2 풀리 요소에 결합된 제2 전기 전도성 스프링 요소를 구비한다. 제1 및 제2 전기 전도성 스프링 요소 각각은 중앙 코일 요소를 갖는 본체, 코일 요소의 일 단부에 결합된 상부 탭 부분, 및 코일 요소의 다른 단부에 결합된 하부 탭 부분을 포함한다. 하부 탭 부분은 툴 베이스 부분 내에 수용된 전기 리드 와이어에 결합되고, 코일 요소는 풀리 요소의 외부 표면에 결합되고, 상부 탭 부분의 적어도 일부는 풀리 요소의 내부 표면에 결합된다. 사용 동안, 중앙 코일 요소는 상부 탭 부분의 이동에 기초하여 확장 및 수축하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 상기 리스트 부분은 제1 툴 요소의 작업 표면에 결합된 제1 전도성 접촉 요소, 및 제2 툴 요소의 작업 표면에 결합된 제2 전도성 접촉 요소를 구비할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전도성 접촉 요소의 적어도 일부 각각은 제1 및 제2 툴 요소에 장착될 때 제1 및 제2 전도성 스프링 요소의 상부 탭 부분의 적어도 일부와 접촉하도록 구성된다. 또한, 제1 및 제2 전도성 접촉 요소 각각의 접촉 부분은 사용 중에 제1 및 제2 전도성 스프링 요소의 각각의 부분과 연속적인 전기 접촉으로 유지된다.

본 발명의 이들 및 다른 특징 및 이점은 유사한 도면 부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지칭하는 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 완전하게 이해될 것이다. 도면은 본 발명의 원리를 도시하고, 축척에 따르지 않지만, 상대적인 치수를 도시한다.
도 1은 본 발명의 로봇 엔드 이펙터를 구현하는 예시적인 수술 로봇 시스템의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 교시에 따른 로봇 유닛의 로봇 아암의 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 교시에 따른 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분의 일부의 부분 조립도이다.
도 6은 본 발명의 교시에 따른 로봇 아암의 완전히 조립된 엔드 이펙터 부분의 사시도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 교시들에 따른 선택된 엔드 이펙터 툴 및 엔드 이펙터 부분의 툴 베이스 부분의 사시도들이다.
도 8a는 사용 중에 선택된 위치에 장착된 툴 요소를 도시하는 본 발명의 엔드 이펙터 부분의 사시도이다.
도 8b 및 도 8c는 툴 요소가 툴 베이스 부분 상에 장착되거나 그로부터 제거될 수 있는 개방 툴 교환 위치에 장착된 툴 요소를 도시하는 본 발명의 엔드 이펙터 부분의 사시도이다.
도 8d는 조립될 때 본 발명의 툴 베이스 부분의 사시도이다.
도 9는 툴 요소가 툴 베이스 부분 상에 장착되거나 그로부터 제거될 수 있는 개방 툴 교환 위치에 장착된 툴 요소를 도시하는 본 발명의 엔드 이펙터 부분의 부분 사시도이다.
도 10a 내지 도 10c는 사용 중에 선택된 위치에 장착된 툴 요소를 도시하는 본 발명의 엔드 이펙터 부분의 부분 사시도이다.
도 11은 본 발명의 교시에 따른 툴 베이스 부분의 사시도이다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 풀리 요소를 구동하기 위한 케이블을 도시하는 툴 베이스 부분의 선택된 구성요소의 부분 사시도이다.
도 13a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분의 측면 사시도이다.
도 13b는 본 발명의 교시에 따른 도 13a의 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분의 전방 사시도이다.
도 14a 내지 도 14e는 본 발명의 교시에 따른 엔드 이펙터 부분의 분해도이다.
도 15는 본 발명의 교시에 따른 엔드 이펙터 부분의 분해 사시도이다.
도 16a 내지 도 16c는 각각 본 발명의 교시에 따른 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분의 풀리 요소의 정면도, 측면도 및 배면도이다.
도 17a는 본 발명의 교시에 따른 엔드 이펙터 부분의 전도성 스프링 요소의 정면도이다.
도 17b는 본 발명의 교시에 따른 엔드 이펙터 부분의 전도성 스프링 요소의 측면도이다.
도 17c는 본 발명의 교시에 따른 제1 예시적인 작동 위치에서의 전도성 스프링 요소의 정면도이다.
도 17d는 본 발명의 교시에 따른 제2 예시적인 작동 위치에서의 전도성 스프링 요소의 정면도이다.
도 18a는 본 발명의 교시에 따라 전도성 스프링 요소가 결합된 풀리 요소의 정면도이다.
도 18b는 본 발명의 교시에 따라 전도성 스프링 요소가 결합된 풀리 요소의 배면도이다.
도 19a는 본 발명의 교시에 따른 전도성 스프링 요소와 내부 전기 와이어의 연결을 도시하는 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분의 부분 절개도이다.
도 19b는 본 발명의 교시에 따른 전도성 스프링 요소 및 내부 전기 와이어의 연결을 도시하는 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분의 확대 부분 절개도이다.
도 20a 및 도 20b는 툴 요소를 함께 결합하기 위한 정합 표면 특징부를 도시하는 본 발명의 툴 요소의 전방 측면 사시도이다.
도 21은 본 발명의 교시에 따른 각각의 풀리 요소에 장착된 툴 요소 중 하나의 사시도이다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 교시에 따라 함께 결합될 때 툴 요소의 사시도이다.
도 23a는 본 발명의 교시에 따라 풀리 요소의 보스 요소에 장착될 때의 툴 요소의 전방 사시도이다.
도 23b는 본 발명의 교시에 따라 풀리 요소의 보스 요소에 장착될 때의 툴 요소의 후방 사시도이다.
도 23c는 본 발명의 교시에 따라 풀리 요소의 보스 요소에 장착될 때의 툴 요소의 측면도이다
도 24a는 본 발명의 교시에 따라 풀리 요소에 장착될 때의 툴 요소 및 관련 전도성 접촉 요소의 전방 사시도이다.
도 24b는 본 발명의 교시에 따라 풀리 요소에 장착될 때의 툴 요소 및 관련 전도성 접촉 요소의 후방 사시도이다.
도 25는 본 발명의 풀리 요소에 장착될 때의 툴 요소의 측면 사시도이다.
도 26a는 본 발명의 교시에 따라 풀리 요소에 장착될 때의 툴 요소의 후방 사시도이다.
도 26b는 본 발명의 교시에 따라 대응하는 풀리 요소에 장착될 때의 툴 요소의 전방 사시도이다.

이하의 설명에서, 개시된 요지의 철저한 이해를 제공하기 위해, 본 발명의 시스템 및 방법 및 시스템 및 방법이 작동할 수 있는 환경에 관한 다수의 구체적인 상세가 설명된다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 개시된 요지는 그러한 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있고, 본 기술분야에서 잘 알려져 있는 특정 특징들은 개시된 주제의 복잡화를 피하고 명료함을 향상시키기 위해 상세히 기술되지 않는다는 것이 명백할 것이다. 또한, 아래에 제공된 임의의 예는 단지 예시적인 것이며 제한적인 방식으로 해석되어서는 안되며, 본 발명자에 의해 다른 시스템, 장치 및/또는 방법이 본 발명의 교시를 구현 또는 보완하기 위해 사용될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 시스템 및 방법은 가상 현실 수술 시스템의 일부로서 사용되는 하나 이상의 수술 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계될 수 있지만, 본 발명의 로봇 시스템은 예를 들어 로봇 수술 시스템, 직선형 스틱형 수술 시스템 및 복강경 시스템을 포함하는 임의의 유형의 수술 시스템과 관련하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템은 다른 비-수술 시스템에서 사용될 수 있으며, 여기서 사용자는 장치 또는 장치를 제어하면서 무수히 많은 정보에 대한 액세스를 필요로 한다.

본 발명은 단일 절개점 또는 부위를 통해 투관침을 통해 환자에게 삽입될 수 있는 수술 로봇 유닛을 포함하는 로봇 서브시스템을 이용한다. 로봇 유닛은 수술 부위에서 생체 내에서 전개될 정도로 충분히 작고, 다수의 상이한 지점 또는 부위에서 다양한 수술 절차를 수행하기 위해 본체 내에서 이동할 수 있도록 삽입될 때 충분히 기동될 수 있다. 수술 로봇 유닛은 상이한 또는 별개의 축들을 따라 환자 내에 배치가능한 다수의 별개의 로봇 아암들을 포함한다. 또한, 수술용 카메라 조립체는 또한 별개의 축을 따라 전개될 수 있다. 따라서, 수술 로봇 유닛은 한 쌍의 로봇 아암 및 수술 또는 로봇 카메라 조립체와 같은 다수의 상이한 구성요소를 채용하며, 이들 각각은 상이한 축을 따라 전개가능하고 개별적으로 조작 가능하고, 조작가능하고, 이동가능하다. 별개의 조작가능한 축을 따라 일회용인 로봇 아암 및 카메라 조립체는 본원에서 스플릿 아암(Split Arm: SA) 아키텍처로 지칭된다. SA 아키텍처는 단일 삽입 부위에서 단일 투관침을 통한 로봇 수술 기구의 삽입의 효율을 단순화하고 증가시키도록 설계되는 한편, 수술 준비 상태뿐만 아니라 투관침을 통한 수술 기구의 후속 제거 내로의 수술 기구의 전개를 수반하면서 동시에 보조한다. 예로서, 수술 기구는 투관침을 통해 삽입되어 환자의 복강 내에서 생체 내 동작을 접근 및 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 수술 기구뿐만 아니라 당업계에 공지된 다른 수술 기구를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 수술 기구가 이용될 수 있다.

본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 예를 들어 미국 특허 10,285,765호 및 국제특허출원 PCT/US20/39203호에 개시된 로봇 수술 장치 및 관련 시스템, 및/또는 미국특허공개 2019/0076199호에 개시된 카메라 조립체 및 시스템과 통합되어 이용될 수 있으며, 전술한 특허, 특허출원 및 공개 모무의 내용 및 교시가 본원에 참고로 편입된다. 본 발명의 일부를 형성하는 수술 로봇 유닛은 적절한 센서 및 디스플레이, 사용자 워크스테이션, 및 본 발명의 로봇 서브시스템과 상호작용하고 이를 지원하는 로봇 지원 시스템(RSS)을 포함하는 의사 워크스테이션을 포함하는 수술 로봇 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 로봇 서브시스템은 모터 유닛 및 하나 이상의 로봇과 하나 이상의 카메라 조립체를 구비는 수술 로봇 유닛을 포함한다. 로봇 아암 및 카메라 조립체는 단일 지지축 로봇 시스템의 일부를 형성할 수 있거나, 또는 스플릿 암(SA) 아키텍처 로봇 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 로봇 지지 시스템은 로봇 유닛이 환자 내에서 단일 위치 또는 다수의 상이한 위치로 조종될 수 있도록 다수의 자유도를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 로봇 지지 시스템은 수술실 내의 바닥 또는 천장에 또는 수술 테이블에 직접 장착될 수 있다. 다른 실시예에서, 그 장착은 클램프, 나사, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 고정 수단에 의해 달성된다. 다른 실시예들에서, 그 구조는 프리 스탠딩(free standing)될 수 있다. 로봇 지지 시스템은 로봇 아암 및 카메라 조립체를 포함하는 수술 로봇 유닛에 결합된 모터 조립체를 장착할 수 있다. 모터 조립체는 수술 로봇 유닛의 구성요소에 동력을 공급하기 위한 기어, 모터, 드라이브트레인, 전자장치 등을 구비할 수 있다.

로봇 아암 및 카메라 조립체는 다수의 운동 자유도가 가능하다. 하나의 실시에 따르면, 로봇 아암 및 카메라 조립체가 투관침을 통해 환자 내로 삽입될 때, 이들은 적어도 축방향(axial), 요(yaw), 피치(pitch) 및 롤(roll) 방향으로 이동할 수 있다. 로봇 아암 조립체들은 사용자의 손목 영역 또는 조인트에 대응하는 엔드 이펙터가 그 원위 단부에 장착된 이동 로봇 아암의 다자유도(multidegree of freedom)를 통합하고 활용하도록 설계된다. 다른 실시예에서, 로봇 아암의 작업 단부(예를 들어, 엔드 이펙터 단부)는 예를 들어 미국특허공개 2018/0221102호에 제시된 수술 기구와 같은 다른 로봇 수술 기구를 통합하고 이용하도록 설계되며, 그 내용은 본원에 참고로 편입된다.

도 1은 본 발명의 교시에 따른 수술 로봇 시스템(10)의 개략적인 블록도이다. 시스템(10)은 디스플레이 장치 또는 유닛(12), 가상 현실(VR) 컴퓨팅 유닛(14), 감지 및 추적 유닛(16), 컴퓨팅 유닛(18), 및 로봇 서브시스템(20)을 구비한다. 디스플레이 유닛(12)은 VR 컴퓨팅 유닛(14), 컴퓨팅 유닛(18), 및/또는 로봇 서브시스템(20)에 의해 생성된 정보, 이미지 또는 비디오를 디스플레이하기 위한 임의의 선택된 유형의 디스플레이일 수 있다. 디스플레이 유닛(12)은 예를 들어 헤드 장착 디스플레이(HMD), 스크린 또는 디스플레이, 3차원(3D) 스크린 등을 구비하거나 형성할 수 있다. 디스플레이 유닛은 또한, 상업적으로 이용가능한 헤드 장착 디스플레이들에서 발견될 수 있는 것과 같은, 선택적인 센서 및 추적 유닛(16a)을 포함할 수 있다. 감지 및 추적 유닛(16, 16A)은, 예를 들어 간호사 또는 외과의사와 같은 시스템의 사용자에 결합되는 하나 이상의 센서 또는 검출기를 구비할 수 있다. 센서들은 사용자의 팔에 결합될 수 있고, 헤드마운트 디스플레이가 사용되지 않는 경우, 추가 센서들은 또한 사용자의 머리 및/또는 목 영역에 결합될 수 있다. 이러한 배열에서의 센서들은 센서 및 추적 유닛(16)에 의해 표현된다. 사용자가 헤드 장착형 디스플레이를 채용하는 경우, 눈, 머리 및/또는 목 센서 및 관련 추적 기술은 그 장치 내에 내장되거나 이용될 수 있고, 따라서 선택적인 센서 및 추적 유닛(16a)의 일부를 형성한다. 외과의사의 팔에 결합되는 센서 및 추적 유닛(16)의 센서는 바람직하게는 예를 들어 어깨 영역, 엘보우 영역, 손목 또는 손 영역과 같은 팔의 선택된 영역, 및 원하는 경우 손가락에 결합될 수 있다. 일 실시에 따르면, 센서는 외과의사에 의해 조작되는 한 쌍의 핸드 제어기에 결합된다. 센서들은 사용자의 선택된 부분의 위치를 나타내는 위치 데이터를 생성한다. 감지 및 추적 유닛들(16 및/또는 16A)은 로봇 서브시스템(20)의 로봇 아암들(42) 및 카메라 조립체(44)의 이동을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 센서 및 추적 유닛(16)의 센서에 의해 생성된 위치 데이터(34)는 프로세서(22)에 의한 처리를 위해 컴퓨팅 유닛(18)으로 전달될 수 있다. 컴퓨팅 유닛(20)은 위치 데이터(34)로부터 의사의 팔의 각 부분의 위치 및/또는 배향을 결정하거나 계산할 수 있고 이러한 데이터를 로봇 서브시스템(20)으로 전달할 수 있다. 대안적인 실시예에 따르면, 감지 및 추적 유닛(16)은 외과의사의 몸통 또는 임의의 다른 몸체에 결합되는 센서들을 채용할 수 있다. 또한, 감지 및 추적 유닛(16)은 예를 들어 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 및 모션 프로세서를 갖는 관성 모멘텀 유닛(IMU)을 센서에 부가하여 이용할 수 있다. 자기계(magnetometer)의 추가는 수직 축에 대한 센서 드리프트의 감소를 허용하는 자기 헤딩(magnetic heading)과 같은 분야에서 표준적인 실시이다. 대안적인 실시예는 또한, 글러브, 수술 스크럽, 또는 수술가운과 같은 수술 재료 내에 배치된 센서들을 구비한다. 센서들은 재사용 또는 일회용일 수 있다. 또한, 센서들은 수술실과 같은 방 내의 고정된 위치들과 같이, 사용자의 외부에 배치될 수 있다. 외부 센서들은 컴퓨팅 유닛에 의해 프로세싱될 수 있고 그에 따라 시스템(10)에 의해 이용될 수 있는 외부 데이터(36)를 생성할 수 있다. 다른 실시예들에서, 사용자가 조작하는 기계적 링크 상에 위치된 센서들이 존재한다. 센서들은 컴퓨팅 유닛에 의해 프로세싱될 입력들로서 역할을 하는 신호들을 생성한다. 다른 실시예에 따르면, 디스플레이 유닛(12)이 연관된 센서 및 추적 유닛(16a)을 채용하는 헤드 장착 장치일 때, 장치는 VR 컴퓨팅 유닛(14)에 의해 수신되고 프로세싱된 추적 및 위치 데이터(34A)를 생성한다. 또한, 센서 및 추적 유닛(16)은 원하는 경우 핸드 제어기를 포함할 수 있다. 디스플레이, 감지 및 추적 유닛, VR 컴퓨팅 유닛 등은 의사 또는 원격 작업 스테이션의 일부를 형성할 수 있다.

디스플레이가 HMD인 실시예에서, 디스플레이 유닛(12)은 예를 들어 Oculus Rift, Varjo VR-1 또는 HTC Vvive Pro Eye와 같은 가상 현실 헤드 장착형 디스플레이일 수 있다. HMD는 사용자의 머리에 결합 또는 장착된 디스플레이, 디스플레이의 포커싱된 뷰를 허용하기 위한 렌즈들, 및 디스플레이의 위치 및 배향 추적을 제공하기 위한 센서 및/또는 추적 시스템(16A)을 사용자에게 제공할 수 있다. 위치 및 배향 센서 시스템은 예를 들어 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 모션 프로세서, 적외선 추적, 눈 추적, 컴퓨터 비전, 교번 자기장의 방출 및 감지, 및 위치 및 배향 중 적어도 하나를 추적하는 임의의 다른 방법, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 알려진 바와 같이, HMD는 카메라 조립체(44)로부터의 이미지 데이터를 외과의사의 오른쪽 및 왼쪽 눈에 제공할 수 있다. 외과의사에 대한 가상 현실 경험을 유지하기 위해, 센서 시스템은 외과의사의 머리의 위치 및 배향을 추적할 수 있고, 이어서 데이터를 VR 컴퓨팅 유닛(14)에 중계할 수 있고, 원한다면 컴퓨팅 유닛(18)에 데이터를 중계할 수 있다. 컴퓨팅 유닛(18)은 사용자의 머리의 움직임을 따르도록 로봇의 카메라 조립체(44)의 팬(pan) 및 틸트(tilt)를 추가로 조정할 수 있다.

예를 들어, 디스플레이 유닛(12) 및/또는 추적 유닛(16A)과 연관된 것과 같이 HMD와 연관된 경우 센서에 의해 생성된 센서 또는 위치 데이터(34A)는 직접 또는 VR 컴퓨팅 유닛(14)을 통해 컴퓨팅 유닛(18)으로 전달될 수 있다. 마찬가지로, 예컨대 사용자의 팔 및 손과 연관될 수 있는 감지 및 추적 유닛(16)으로부터 시스템의 다른 센서에 의해 생성된 추적 및 위치 데이터(34)는 컴퓨팅 유닛(18)으로 전달될 수 있다. 추적 및 위치 데이터(34, 34A)는 프로세서(22)에 의해 처리될 수 있고, 예를 들어 저장 유닛(24)에 저장될 수 있다. 추적 및 위치 데이터(34, 34A)는 또한 제어 유닛(26)에 의해 사용될 수 있으며, 이에 응답하여 로봇 서브시스템(20)의 하나 이상의 부분의 운동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 로봇 서브시스템(20)은 사용자 워크스테이션, 로봇 지원 시스템(RSS), 모터 유닛(40), 및 하나 이상의 로봇 아암(42) 및 하나 이상의 카메라 조립체(44)를 구비하는 이식가능한 수술 로봇 유닛(50)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 모터 유닛(40)은 로봇 지원 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 이식가능한 로봇 아암(42) 및 카메라 조립체(44)는 미국 특허 10,285,765호에 개시되고 설명된 것과 같은 단일 지지축 로봇 유닛의 일부를 형성할 수 있거나, 또는 PCT 특허출원 PCT/US20/39203호에 개시되고 설명된 것과 같은 스플릿 아암(SA) 아키텍처 로봇 시스템의 일부를 형성할 수 있다.

제어 유닛(26)에 의해 생성된 제어 신호는 로봇 서브시스템(20)의 모터 유닛(40)에 의해 수신될 수 있다. 모터 유닛(40)은 로봇 유닛(50)의 로봇 아암(42) 및 카메라 조립체(44)를 개별적으로 구동하도록 구성된 일련의 서보모터 및 기어를 구비할 수 있다. 로봇 아암(42)은 연관된 센서에 의해 감지된 바와 같이 의사의 팔의 스케일드-다운(scaled-down) 운동 또는 모션을 따르도록 제어될 수 있다. 로봇 아암(42)은 사용자의 손가락뿐만 아니라 어깨, 팔꿈치, 및 손목 관절들과 연관된 운동과 연관될 수 있는 부분들 또는 영역들을 가질 수 있다. 예를 들어, 로봇 엘보우 조인트는 인간 팔꿈치의 위치 및 배향을 따를 수 있고, 로봇 손목 관절은 인간 손목의 위치 및 배향을 따를 수 있다. 로봇 아암(42)은 또한, 예를 들어, 사용자가 검지 손가락과 엄지를 함께 핀치함에 따라 검지 손가락과 같은, 사용자의 하나 이상의 손가락의 움직임을 따르는 엔드 이펙터 또는 파지기에서 종결될 수 있는 엔드 영역과 연관될 수 있다. 로봇의 아암들은 사용자의 팔들의 운동을 따르지만, 로봇 숄더들은 제자리에 고정된다. 일 실시예에서, 사용자의 몸통의 위치 및 배향은 사용자 아암의 위치 및 배향으로부터 감산된다. 이러한 감산은 사용자가 로봇 아암들이 이동하지 않고서 자신의 몸통을 이동시킬 수 있게 한다.

로봇 카메라 조립체(44)는 외과의사가 카메라 조립체(44)의 일부를 형성하는 카메라를 작동 및 제어할 수 있게 할 뿐만 아니라, 예를 들어 수술 또는 수술 부위의 라이브 비디오 피드와 같은 이미지 데이터(48)를 외과의사에 제공하도록 구성된다. 카메라 조립체(44)는 바람직하게는 수술 부위의 입체 뷰 또는 이미지를 제공하기 위해 카메라-간 거리로서 알려진 선택된 거리만큼 축 방향으로 이격되는 한 쌍의 카메라를 포함한다. 외과의사는 헤드-장착 디스플레이의 움직임을 통해 또는 외과의의 머리에 결합된 센서를 통해, 또는 사용자의 머리 또는 팔 동작을 추적하는 핸드 제어기 또는 센서들을 사용함으로써 카메라들의 이동을 제어할 수 있어, 직감적이고 자연스러운 방식으로 외과의사가 작동 부위의 원하는 뷰를 얻을 수 있게 한다. 카메라는 일려진 바와 같이 예를 들어 요, 피치 및 롤 방향을 포함하는 다수의 방향으로 이동가능하다. 입체 카메라들의 구성요소는 자연스럽고 편안함을 느끼는 사용자 경험을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라들 사이의 축간 거리는 사용자에 의해 인지되는 동작 사이트의 깊이를 조정하도록 수정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 카메라 조립체(44)는 의사의 머리의 움직임에 의해 작동될 수 있다. 예를 들어, 작동 동안, 외과의사가 현재 시야(FOV) 위에 위치된 물체를 보기를 원하는 경우, 외과의사는 위쪽 방향을 보고, 이는 입체 카메라가 사용자의 관점에서 피치 축을 중심으로 상향으로 회전되게 한다. 카메라 조립체(44)에 의해 생성된 이미지 또는 비디오 데이터(48)는 디스플레이 유닛(12) 상에 디스플레이될 수 있다. 디스플레이 유닛(12)이 헤드 장착형 디스플레이이면, 디스플레이는 HMD의 요, 피치 및 롤 방향에 대한 원시 배향 데이터뿐만 아니라 HMD의 데카르트 공간(x, y, z)의 위치 데이터를 획득하는 내장형 추적 및 센서 시스템(16A)을 구비할 수 있다. 그러나, 대안적인 추적 시스템들은 HMD의 빌트인 추적 시스템 대신에 또는 그에 부가하여 디스플레이의 보충 위치 및 배향 추적 데이터를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

카메라 조립체(44)에 의해 생성된 이미지 데이터(48)는 가상 현실(VR) 컴퓨팅 유닛(14)으로 전달될 수 있고 VR 또는 이미지 렌더링 유닛(30)에 의해 프로세싱될 수 있다. 이미지 데이터(48)는 스틸 사진 또는 이미지 데이터뿐만 아니라 비디오 데이터를 포함할 수 있다. VR 렌더링 유닛(30)은 당업계에 공지된 바와 같이, 이미지 데이터를 처리하고, 그 다음 디스플레이 유닛(12)에 의한 디스플레이를 위해 이미지 데이터를 렌더링하는 적합한 하드웨어 및 소프트웨어를 구비할 수 있다. 또한, VR 렌더링 유닛(30)은 카메라 조립체(44)로부터 수신된 이미지 데이터를 카메라 조립체 내의 카메라들의 위치 및 배향과 연관된 정보뿐만 아니라, 외과의사의 머리의 위치 및 배향과 연관된 정보와 결합할 수 있다. 이러한 정보를 이용하여, VR 렌더링 유닛(30)은 출력 비디오 또는 이미지 렌더링 신호를 생성하고 이 신호를 디스플레이 유닛(12)으로 전송할 수 있다. 즉, VR 렌더링 유닛(30)은, 예를 들어 의사에 의해 착용된 HMD에서, 디스플레이 유닛 내의 디스플레이를 위해 외과의사의 머리 위치 및 핸드 제어기의 위치 및 배향 판독치를 렌더링한다.

VR 컴퓨팅 유닛(14)은 또한 디스플레이 유닛(12)에 디스플레이되는 VR 세계에서 사용하기 위한 하나 이상의 가상 현실(VR) 카메라들을 생성하기 위한 가상 현실(VR) 카메라 유닛(38)을 포함할 수 있고, VR 카메라 유닛(38)은 가상 세계에서 하나 이상의 가상 카메라들을 생성할 수 있고, 이는 헤드 장착 디스플레이에 대한 이미지들을 렌더링하기 위해 시스템(10)에 의해 이용될 수 있다. 이는 VR 카메라가 항상 헤드 마운트 디스플레이를 착용한 사용자가 큐브 맵에 보는 것과 동일한 뷰를 렌더링하는 것을 보장한다. 일 실시예에서, 단일 VR 카메라가 사용될 수 있고, 다른 실시예에서 별개의 좌측 및 우측 눈 VR 카메라들이 스테레오 뷰를 제공하기 위해 디스플레이 내의 별개의 좌측 및 우측 눈 큐브 맵들 상에 렌더링하기 위해 이용될 수 있다. VR 카메라의 FOV 설정은 카메라 조립체(44)에 의해 발행된 FOV에 자신을 자체 구성할 수 있다. 라이브 카메라 뷰 또는 이미지 데이터에 대한 정황 배경을 제공하는 것에 더하여, 큐브 맵은 가상 객체에 대한 동적 반사를 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 효과는 가상 객체 상의 반사 표면이 큐브 맵으로부터의 반사를 픽업(pick up)하게 하여, 이들 객체가 실제 세계 환경을 실제로 반사하는 것처럼 사용자에게 나타나게 한다.

로봇 서브시스템(20)은 상이한 또는 별개의 축을 따라 전개될 수 있는 다수의 상이한 로봇 아암(42)을 채용할 수 있다. 또한, 다수의 상이한 카메라 요소를 채용할 수 있는 카메라 조립체(44)는 또한 공통의 별개의 축을 따라 전개될 수 있다. 따라서, 수술 로봇 유닛은 상이한 축을 따라 전개가능한 한 쌍의 별개의 로봇 아암 및 카메라 조립체(44)와 같은 다수의 상이한 부품을 사용한다. 또한, 로봇 아암(42)및 카메라 조립체(44)는 개별적으로 조작가능하고, 조종가능하고, 이동할 수 있다. 로봇 아암 및 카메라 조립체를 포함하는 로봇 서브시스템(20)은 SA 아키텍처를 형성하기 위해 별개의 조작 가능한 축을 따라 일회용이다. SA 아키텍처는 단일 삽입 지점 또는 부위에서 단일 투관침을 통한 로봇 수술 기구의 삽입 효율을 단순화하고 증가시키고, 수술 준비 상태로의 수술 기구의 전개를 수반하며, 또한 투관침을 통한 수술 기구의 후속 제거를 보조하도록 설계된다. 예로서, 수술 기구는 투관침을 통해 삽입되어 환자의 체강 내에서 생체 내 동작을 접근 및 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇 수술 기구뿐만 아니라 당업계에 공지된 다른 수술 기구를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 수술 기구가 이용될 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명의 로봇 서브시스템(20)은 로봇 아암(42) 및 카메라 조립체(44)(예를 들어, 로봇 유닛(50))가 환자 내에서 단일 위치 또는 다수의 상이한 위치로 조종될 수 있도록 다수의 자유도를 갖는 구조체에 의해 지지된다. 일부 실시예에서, 로봇 서브시스템(20)은 수술 테이블에 또는 수술실 내의 바닥 또는 천장에, 또는 임의의 다른 유형의 지지 구조체에 직접 장착될 수 있다. 다른 실시예에서, 장착부는 클램프, 나사, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 고정 수단에 의해 달성된다. 또 다른 실시예에서, 지지 구조체는 프리 스탠딩(free standing)될 수 있다. 지지 구조체는 본 명세서에서 로봇 지지 시스템(rss)으로 지칭된다. RSS는 외과의사가 환자 내에서 가상 수술을 수행할 수 있게 하는 가상 스테이션을 포함할 수 있는 전체 수술 로봇 시스템(10)의 일부를 형성할 수 있다.

일부 실시예에서, 수술 로봇 시스템(10)의 RSS는 일 단부에서 로봇 유닛(50)에 그리고 대향 단부에서 조정가능한 지지 부재 또는 요소에 결합되는 모터 유닛(40)을 선택적으로 구비할 수 있다. 대안적으로, 본원에 도시된 바와 같이, 모터 유닛(40)은 로봇 서브시스템(20)의 일부를 형성할 수 있다. 모터 유닛(40)은 로봇 아암 및 카메라 조립체(예를 들어, 로봇 유닛(50))의 하나 이상의 구성요소에 전력을 공급하고 구동하기 위한 기어, 하나 이상의 모터, 드라이브트레인, 전자장치 등을 구비할 수 있다. 로봇 유닛(50)은 모터 유닛(40)에 선택적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에 따르면, RSS는 그 원위 단부에 결합된 모터 유닛(40)을 갖는 지지 부재를 구비할 수 있다. 결국, 모터 유닛(40)은 카메라 조립체(44)에 그리고 로봇 아암들(42) 각각에 결합될 수 있다. 지지 부재는 선형적으로, 또는 임의의 다른 선택된 방향 또는 배향으로, 로봇 유닛(50)의 하나 이상의 구성요소를 이동시키도록 구성 및 제어될 수 있다.

또한, 모터 유닛(40)은 로봇 유닛(50)에 기계적 동력, 전력, 기계적 통신, 및 전기 통신을 제공할 수 있고, 시스템 구성요소(예를 들어, 디스플레이(12), 감지 및 추적 유닛(16), 로봇 아암들(42), 카메라 조립체(44) 등) 중 하나 이상으로부터 입력 데이터를 프로세싱하고 그에 응답하여 제어 신호들을 생성하기 위한 선택적인 제어기를 더 포함할 수 있다. 모터 유닛(40)은 또한 데이터를 저장하기 위한 저장 요소를 구비할 수 있다. 대안적으로, 모터 유닛(40)은 컴퓨팅 유닛(18)에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 모터 유닛(40)은, 예를 들어 각각의 아암의 각각의 관절형 조인트의 위치 및 배향뿐만 아니라 카메라 조립체(44)를 포함하여, 로봇 아암들(42)을 제어 및 구동할 수 있는 하나 이상의 모터들을 제어하기 위한 신호들을 생성할 수 있다. 모터 유닛(40)은 투관침(108)과 같은 적절한 의료 장치를 통해 로봇 유닛(50)의 각각의 구성요소를 삽입 및 제거하기 위해 먼저 이용되는 병진 또는 선형 자유도를 추가로 제공할 수 있다. 모터 유닛(40)은 또한 투관침(108)을 통해 환자(100) 내로 삽입될 때 각각의 로봇 아암(42)의 삽입된 깊이를 조정하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은, 본 발명의 로봇 아암들의 엔드 이펙터들을 형성하는 툴을 용이하고 효율적인 방식으로 교체(swap out)하는 능력에 관한 것이다. 툴들을 용이하게 바꿀 수 있는 능력은, 외과 의사와 같은 사용자가, 통상적으로 전용 툴이 부착된 전체 로봇 아암을 교체하기보다는 로봇 아암의 엔드 이펙터 부분을 단지 제거하고 교체할 수 있게 한다. 툴 요소 제거 및 교체는 환자 내에서 또는 환자 외부에서 행해질 수 있다. 전체 로봇 아암이 교체될 필요가 없기 때문에, 본 발명의 로봇 아암은 사용자가 전체 세트의 로봇 아암 및 관련 툴을 사용할 필요가 없기 때문에 비용 및 낭비를 감소시킨다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수술 로봇 유닛(50)의 로봇 아암(42)의 선택된 구성요소들의 일반적인 설계를 도시하며, 이는 사용자가 전체 로봇 아암의 교체를 요구하지 않고서 로봇 아암의 엔드 이펙터들을 교체할 수 있게 한다. 이와 같이, 본 발명의 로봇 아암의 엔드 이펙터 영역은 툴의 용이한 제거 및 교체를 허용하는 매우 기능적인, 사용하기 쉬운, 기계적 연결을 제공한다. 단순화를 위해, 제2 로봇 아암 또는 후속 로봇 아암은 형태 및 기능이 유사하거나 동일할 수 있지만, 단지 단일 로봇 아암만이 도시되어 있다. 도시된 로봇 아암(42)은 시람 팔의 관절에 대응하는 조인트 섹션을 형성하는 일련의 관절운동 세그먼트(52)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 관절운동 세그먼트(52)는 예를 들어 어깨 관절 또는 영역, 팔꿈치 관절 또는 영역, 및 손목 관절 또는 영역(58)과 같은 사람 팔의 상이한 부분을 모방하기 위해 회전 및/또는 힌지 운동을 제공하도록 구성되고 결합될 수 있다. 로봇 아암(42)의 관절운동 세그먼트(52)는 케이블-구동식의 회전 운동을 제공하도록 구성되지만, 예컨대 합리적인 회전 제한의 범위 내에서이다. 관절운동 세그먼트(52)는 최소 크기로 최대 토크 및 속도를 제공하도록 구성된다. 관절운동 세그먼트(52)는 엔드 이펙터 부분 또는 세그먼트(54)에서 함께 기계적으로 결합되고 종료된다. 엔드 이펙터 부분(54)은 원하는 또는 선택된 수술을 수행하도록 채용될 임의의 선택된 수술 도구를 내부에 포함할 수 있는 도구 베이스 부분(56)을 포함한다. 예를 들어, 툴 베이스 부분(56)은 한 쌍의 툴 요소(80, 82)를 장착한다. 현재의 예에서, 툴 요소는 그립퍼들이지만, 당업자는 임의의 선택된 유형의 수술 도구가 채용될 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터 부분(54) 및 인접한 아암 세그먼트(52)는 로봇 아암의 리스트 부분 또는 조인트(58)를 형성한다. 엔드 이펙터 부분(54)은 예를 들어 도 3 내지 도 12c에 상세하게 도시된다.

도 2a 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터 부분(54)은 한 쌍의 그리퍼 또는 파지기 요소로 도시된, 대향 툴 베이스 세그먼트(60, 62), 풀리 요소(70, 72), 및 툴 요소(80, 82)를 구비한다. 툴 베이스 부분(56)은 포스트(post)와 같은 돌출부를 통해 풀리 요소(70)를 툴 베이스 세그먼트(60)에 장착함으로써 조립된다. 마찬가지로, 풀리 요소(72)는 유사한 포스트를 통해 툴 베이스 세그먼트(62)에 장착된다. 일부 실시예에서, 툴 요소(80)는 백래시를 최소화하고 예를 들어 도 5, 도 7a 내지 도 7d, 도 9, 및 도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같은 연동 장치에 의해 더 엄격한 연결을 형성하기 위해 기계적 간섭 연결을 통해 풀리 요소(70)에 장착되거나 결합된다. 유사하게, 툴 요소(82)는 유사한 배열을 통해 풀리 요소(72)에 장착된다. 툴 요소(80, 82)를 갖는 조립된 툴 베이스가 도 6에 도시되어 있다. 각각의 툴 베이스 세그먼트(10, 62)는 각각 그 내부에 형성된 개구를 갖는 연결 플랜지(64, 66)를 구비할 수 있다. 개구는 로봇 아암(42)의 단부에 형성된 적절한 커넥터에 결합될 수 있다.

도시된 바와 같이, 툴 베이스 부분(56)은 2개의 독립적으로 구동되는 회전 풀리 요소(70, 72)를 구비할 수 있다. 풀리 요소가 수술 중에 필요한 것보다 더 넓은 각도로 개방되도록 배치될 때(예를 들어, 개방 툴 교환 위치), 풀리 요소 상의 기계적 특징부가 정렬되어 툴 요소가 예를 들어 슬라이딩 오프에 의해서와 같이 그로부터 용이하게 제거될 수 있게 하거나, 또는 선택된 개방 형상에 따라 툴 베이스로부터 툴을 부드럽게 밀어 넣는 것을 허용한다. 구체적으로, 회전가능한 풀리 요소(70, 72) 각각은 대응하는 툴 요소(80, 82)에 형성된 상보성 형상의 홈 또는 절개부와 결합하도록 구성된 보스 요소를 그 위에 형성한다. 툴 요소가 비어 있는 툴 교환 베이스(empty tool exchange base: FIF)(11) 상에 배치될 때. 풀리 요소의 보스 요소에 의해 형성된 기계적 인터페이스 및 툴 요소의 절결부는 깔때기형 슬로프(도 4 및 도 10)와 자체-정렬되어 핀형의 정렬로 베이스 내에 정확하게 위치될 수 있도록 한다. 이러한 깔때기 및 핀 조합 형상은, 개방 툴 교환 위치로부터 떨어진 임의의 작은 구동 이동 후에 툴 베이스 내에 자체-고정 또는 장착되는 툴 요소를 항상 초래하도록 덜 정확한 배치를 허용한다. 이러한 정확한 기계적 정렬은 또한 임의의 추가적인 작업 또는 복잡성 없이 임의의 필요한 전기 접촉부를 정렬시킬 수 있고, 따라서 툴 요소가 즉시 작동되어 사용될 수 있게 한다.

툴 요소(예를 들어, 파지기)가 개방 툴 교환 위치로 하이퍼-연장될 때 툴을 또한 해제하기 위해 정상 툴 운동 동안 사용되는 동일한 작동 모션을 사용함으로써, 툴 요소 인터로크 특징부는 임의의 추가의 작동 케이블 또는 모터를 요구하지 않고 추가된다. 각각의 툴 요소가 기계적 방식으로 인터로크함으로써, 툴의 양측은 툴을 해제하도록 특정 위치로 배향될 수 있다. 따라서, 현재 툴 장착 설계는 도구 요소가 여전히 폐쇄 또는 부분 폐쇄 위치에서 전체 운동 범위에 걸쳐 이동할 수 있게 하며, 이는 외과의사가 수술 동안 툴을 사용할 필요가 있는 위치이다.

종래의 수술 로봇 시스템은 수술 동안 다른 툴과 교체(swap out)되도록 관련 아암 또는 복강경 도구가 환자로부터 완전히 제거될 것을 요구한다. 본 발명은, 아암 내에 추가적인 자유도를 요구하거나 툴의 사용가능한 범위를 제한함이 없이, 환자 내에서 원하는 경우 교체(swap)가 발생하는 것을 허용한다. 툴 스왑(tool swap)은 적절한 툴 교환 기구를 전개하기 위해 환자에게 도구 삽입기를 삽입함으로써 발생할 수 있다. 다른 실시에 따르면, 툴 요소는 대향하는 로봇 아암을 사용함으로써 또는 툴 제거 동안 툴 요소가 활주되게 함으로써 제거될 수 있다. 환자 내부에서 툴 스왑을 이동시킴으로써, 수술 절차는 더 빠르고 더 자동화될 수 있고, 더 적은 재료 집약적이 될 수 있다. 대안적으로, 툴 교환 또는 스왑 아웃은 또한 환자의 외부에서 발생할 수 있다.

도 7a 내지 도 7d는 서로에 대해 다양한 위치에 배치된 툴 요소(80, 82)를 도시한다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, 툴 요소(80, 82)는 툴 요소의 기계적 특징부(예컨대, 슬롯 또는 웨지 요소)가 각각의 풀리 요소(70, 72)의 대응하는 표면 특징부(예컨대, 보스)와 정렬되도록 개방 툴 교환 위치로 서로에 대해 위치될 수 있다. 개방 툴 교환 위치에 배치될 때, 툴 요소는 사전결정된 각도 거리만큼 분리될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각도 거리는 약 180°이지만, 다른 또는 상이한 각도 거리들이 또한 사용될 수 있다. 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 툴 요소 사이의 각도 거리는 바람직하게는 수술 사용 동안 툴 요소 사이의 정상 또는 전형적인 각도 분리를 모방하거나 유사하지 않는다. 따라서 툴 요소(80, 82)는 적절한 장착 위치로 쉽게 미끄러질 수 있다. 도 7b 및 도 7c는 장착 동안 툴 요소 및 풀리 요소의 정합 특징부를 도시한다. 툴 요소(80, 82)가 대응하는 풀리 요소(70, 72)상으로 하방으로 슬라이딩되거나 밀림에 따라, 슬롯 및 보스의 깔때기형 정합은 도시된 바와 같이 툴 요소를 초기 개방 툴 교환 위치로 자동으로 맞물리고 정렬시킨다. 도 7d는 툴 요소(80, 82)가 풀리 요소에 의해 서로를 향해 이동하기 시작할 때, 툴 요소가 핀 유사 상부 정렬 특징부 및 툴 요소의 공유 축(예를 들어, 포스트 또는 핀)으로 인해 제자리에 고정되는 것을 도시한다.

도 8a 내지 도 8d, 도 9, 도 10a 내지 도 10c, 및 도 11은 본 발명의 로봇 아암(42)의 일부로서 엔드 이펙터 세그먼트의 사용 중에 툴 요소(80, 82)의 이동 및 작동을 도시한다. 구체적으로, 도 8a 및 도 10a 내지 도 10c는 많은 다양한 작동 위치 중 하나에 있는 툴 요소(80, 82)를 도시하고, 여기서 파지기로서 도시된 툴 요소(80, 82)는 툴 베이스 부분(56) 내로 로킹되어, 로봇 아암의 일부로서 수술 동안 환자 내의 임의의 선택된 장치 또는 조직을 파지하거나, 당기거나 밀어내는데 이용될 수 있다. 도 8b, 도 8c 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상이한 툴 요소가 툴 베이스에 부착될 필요가 있을 때, 풀리 요소는 툴 요소가 베이스로부터 제거되는 것을 허용하거나 가능하게 하도록 툴 요소를 완전 개방 툴 교환 위치(도 7A)로 구동할 수 있다. 전술된 바와 같이, 툴 교환은 도구 도입기에 의해 또는 대향하는 로봇 아암을 사용함으로써 환자 내에 위치된 별개의 도구 기구를 사용함으로써 환자 내에서 발생할 수 있다. 도 7b 및 도 8b에 도시된 바와 같이 적절하게 구성될 때, 툴 요소(80, 82)는 베이스에 대해 요소를 간단히 들어올림으로써 제거될 수 있고, 툴 요소는 수술 부위에 저장되거나 원하는 대로 환자로부터 제거될 수 있다. 도 8d 및 도 11은 툴 요소가 제거될 때 또는 툴 요소의 설치 전에 툴 베이스를 도시한다. 이와 같이, 툴 베이스 부분(56)은 그 내에 툴 요소를 수용할 준비가 되어 있다.

도 12a 내지 도 12c는 툴 요소(80, 82)를 이동시키기 위한 툴 베이스 부분(56)의 풀리 요소(70, 72)와 관련된 작동 메커니즘을 도시한다. 도시된 바와 같이, 한 쌍의 케이블(90, 92)을 구비할 수 있는 작동 메커니즘에 의해 단일 풀리 요소가 구동된다. 케이블(90, 92)은 하부로부터 풀리에 진입하고, 풀리의 선택된 부분 주위를 감싸서 이를 작동시키며, 이어서 풀리의 내부를 계속 감싸서 더 많은 마찰을 생성한다. 마지막으로, 케이블들은 각각 매듭에서 또는(증가된 직경 영역에 의해 도시된 바와 같이) 일부 다른 방식으로 종료되고, 임의의 나머지 테일은 포켓 내로 밀어넣어진다. 도 12b는 도 12a의 풀리의 다른 측면을 도시한다. 도 12c는 4개의 모든 구동 케이블에서 대향하는 쌍을 각각의 측면에 갖고 각각의 풀리 요소에 결합된 툴 베이스 부분(56)을 도시한다.

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수술 로봇 유닛(50)의 로봇 아암(42)의 선택된 구성요소의 일반적인 설계를 도시한다. 동일한 참조부호는 다양한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다. 단순화를 위해, 제2 로봇 아암 또는 후속 로봇 아암은 형태 및 기능이 유사하거나 동일할 수 있지만, 단지 단일 로봇 아암만이 도시되어 있다. 전술한 실시예와 유사하게, 로봇 아암(42)은 사람 팔의 관절에 대응하는 조인트 섹션을 형성하는 일련의 관절운동 세그먼트(52)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 관절운동 세그먼트(52)는 예를 들어 어깨 관절 또는 영역, 팔꿈치 관절 또는 영역, 및 손목 관절 또는 영역(58)과 같은 사람 팔의 상이한 부분을 모방하기 위해 회전 및/또는 힌지 운동을 제공하도록 구성되고 결합될 수 있다. 로봇 아암(42)의 관절운동 세그먼트들은 케이블-구동식 회전 운동을 제공하도록 구성되지만, 예를 들어 합리적인 회전 제한 범위 내에서이다. 관절운동 세그먼트들은 최소 크기를 갖는 최대 토크 및 속도를 제공하도록 구성된다. 관절운동 세그먼트들은 엔드 이펙터 부분 또는 세그먼트(54)에서 함께 기계적으로 결합될 수 있고 종료될 수 있다. 엔드 이펙터 부분(54)은 원하는 또는 선택된 수술을 수행하도록 채용될 임의의 선택된 수술 도구를 내부에 포함할 수 있는 툴 베이스 부분(56)을 구비한다. 예를 들어, 툴 베이스 부분(56)은 한 쌍의 툴 요소(102, 104)를 장착한다. 현재의 예에서, 툴 요소는 그립퍼 또는 파지기이다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터 부분(54) 및 인접한 아암 세그먼트(52)는 로봇 아암의 리스트 부분 또는 조인트(58)를 형성한다. 엔드 이펙터 부분(54)은 예를 들어 도 14a 내지 도 26b에 상세하게 도시된다.

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 교시에 따른 로봇 아암(42)의 엔드 이펙터 부분(54)의 분해도이다. 예시된 엔드 이펙터 부분(54)은 샤프트 또는 액슬 요소(110)를 통해 함께 연결될 수 있는 한 쌍의 툴 베이스 세그먼트(106, 108)를 구비하는 툴 베이스 부분(54)을 포함한다. 액슬 요소는 임의의 선택된 재료로 형성될 수 있고, 바람직하게는 세라믹과 같은 비전도성 재료로 형성된다. 엔드 이펙터 부분(54)은 또한 각각 툴 베이스 세그먼트(106, 108)에 결합되는 한 쌍의 풀리 요소(120, 122)를 구비한다. 엔드 이펙터 부분(54)은 한 쌍의 전도성 접촉 요소(160, 162)를 통해 툴 요소(102, 104)에 전기수술 에너지를 결합하기 위한 한 쌍의 전도성 스프링 요소를 더 구비한다. 전도성 접촉 요소(160, 162)는 각각 툴 요소(102, 104)에 결합된다.

도 15에 도시된 바와 같이, 도시된 툴 베이스 부분(56)은 대향된 쌍의 툴 베이스 세그먼트(106, 108)를 구비한다. 툴 베이스 세그먼트 각각은 로봇 아암(42)의 인접한 아암 세그먼트(52)에 결합되도록 구성될 수 있는 플랜지 부분(114a, 114b)을 구비하는 본체(112a, 112b)를 포함한다. 본체는 각각의 플랜지 부분(114a, 114b)으로부터 상향으로 연장되는 연장 부분(118a, 118b)을 구비한다. 각각의 플랜지 부분은 풀리 요소(120, 122)의 대응하는 부분을 수용하기 위해 그 내부에 형성된 리세스(204)를 갖는다. 구체적으로, 연장 부분(118a, 118b)은 또한 액슬 요소(110)를 수용 및 안착시키기 위한 개구(202a, 206b)를 각각 구비한다. 또한, 플랜지 부분(114a, 114b)은 로봇 아암의 말단 부분으로의 연결을 위해 그 내부에 형성된 개구(208)를 갖는다.

도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 엔드 이펙터 부분(54)의 풀리 요소(120)를 도시한다. 단순화를 위해, 본원에서는 풀리 요소(122)가 동일한 특징부를 갖기 때문에 풀리 요소(120)만을 설명한다. 풀리 요소(120)는 내부 표면(126A) 및 대향하는 외부 표면(126B)을 갖는 본체(124)를 갖는다. 본체(124)는 액슬 요소(110)를 안착시키기 위한 중앙 개구(128)뿐만 아니라 풀리 요소의 원형 또는 회전 운동을 제어하기 위한 각각의 케이블(90, 92)의 일부를 안착시키기 위한 복수의 구멍(136)을 갖는다. 구멍(136)은 동일하거나 상이한 형상을 가질 수 있고 상이한 크기를 가질 수 있다. 내부 표면(126A)은 그 위에 형성된 표면 특징부를 가지며, 바람직하게는 융기 또는 돌출 보스 요소(130)이고, 보스 요소(130)는 임의의 선택된 형상 또는 구성을 가질 수 있고 임의의 선택된 크기를 가질 수 있다. 보스 요소(130)는 바람직하게 본원에 기술된 바와 같이 툴 요소 중 하나의 수용 부분에 상보적인 방식으로 성형된다. 풀리 요소의 외부 표면(126B)은 또한 그 위에 형성된 표면 특징부를 가지며, 바람직하게는 융기된 또는 돌출 연결 요소(132)로서 형성된다. 연결 요소(132)는 임의의 선택된 형상 또는 크기를 가질 수 있고, 바람직하게는 원형 또는 원형 형상을 가질 수 있다. 연결 요소(132)는 홈(134)을 형성하도록 외부 표면(126b)에 결합되는 더 좁은 베이스 부분을 구비할 수 있다. 홈(134)은 사용 중에 케이블의 원위 단부 부분을 저장하도록 케이블(90, 92)의 원위 단부의 일부를 수용하도록 구성된다. 연결 요소(132)는 본체(202) 내에 안착되도록 구성된다. 본체(124)는 또한 스프링 요소를 그에 고정하도록 전도성 스프링 요소(140)의 일부를 안착시키도록 구성된 슬롯(138)을 구비한다. 풀리 요소(120, 122)는 케이블 위치에 기초하여 툴 요소(102, 104)의 배향 또는 회전 위치를 제어할 수 있는 케이블 구동 구성요소이다.

전도성 스프링 요소(140)는 예를 들어 도 17a 내지 도 19b에 도시되어 있다. 간략화를 위해, 전도성 스프링 요소(142)가 동일한 특징부를 갖기 때문에 전도성 스프링 요소(140)만을 설명한다. 예시된 전도성 스프링 요소(140)는 상부 탭 부분(150)에 결합된 하나의 코일 단부(148a) 및 대향 또는 하부 탭 부분(152)에 결합된 대향 코일 단부(148b)를 갖는 중앙 코일 요소(146)를 갖는 본체(144)를 갖는다. 중앙 코일 요소(146)는 탭 부분의 하나 이상의 위치에 기초하여 확장가능하고 후퇴가능하다. 하부 탭 부분(152)은 구부러진 단부 부분(154)(도 17b)을 갖는다. 상부 탭 부분(150)은 풀리 요소(120)에 결합하기 위한 연결 요소(156)를 구비한다. 중앙 코일 요소(146)는 풀리 요소(120)의 외부 표면(126b)의 중앙 부분 내에 안착되고(도 18b), 상부 탭 부분(150)은 풀리 요소(120)의 본체(124)에 형성된 중앙 슬롯(158)을 통해 풀리 요소의 내부 표면(126a)으로 통과한다. 그 다음, 탭 부분(150)은 연결 요소(156)가 슬롯(138)내에 안착될 때까지 내부 표면(126a)을 따라 통과한다. 하부 탭 부분(152)의 구부러진 부분(154)은 툴 베이스 세그먼트(106)의 일부에 접촉하여 연결된다. 하부 탭 부분(152)은 또한 로봇 아암(42)을 통해 리스트 부분(58)으로 통과하는 전력 공급 와이어(170)의 단자 단부에 연결된다. 탭 부분(152)은 예를 들어 납땜에 의해 또는 공지된 와이어 커넥터에 의해 와이어(170)에 임의의 공지된 수단에 의해 고정될 수 있다. 따라서, 하부 탭 부분(152)은 본체(2041)에 대해 고정된 위치에 배치되고, 탭 부분(150)은 풀리 요소(120)와 함께 회전한다. 또한, 보스 요소(130)가 예를 들어 도 16a 및 도 18a에 도시된 바와 같이 개방 툴 교환 위치에 배치될 때, 툴 요소(102)는 보스 요소(130) 상에서 그리고 그로부터 슬라이딩될 수 있다. 이러한 위치에서, 상부 탭 부분 및 하부 탭 부분(152)은 반대 방향으로 배향되고, 도 17c에 도시된 바와 같이 약 180도 떨어져 배치된다. 풀리 요소(120)가 개방 툴 교환 위치로부터 멀리 케이블(90, 92)에 의해 회전될 때, 상부 탭 부분(150)은 고정 하부 탭 부분(152)에 대해 이동한다. 따라서, 풀리 요소(120) 및 그에 따른 보스 요소(130)가 개방 툴 교환 위치로부터 약 90도 회전될 때, 상부 탭 부분(152)은 도 17d에 도시된 바와 같이, 추가로 90도 회전되어 하부 탭 부분(152)에 대해 직각으로 배치된다. 전도성 스프링 요소(140)는 예를 들어 금속과 같은 임의의 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 전도성 스프링 요소(140)는 전기 수술 및 전기소작 유형 과정 동안과 같은 툴 요소에 대한 상이한 유형의 전기 에너지(예를 들어, 단극성 및 양극성 전기 에너지)의 전기적 연결 또는 통신을 허용한다.

예시된 툴 요소(102, 104)는 도 20a 내지 도 25에 더 상세히 도시되어 있다. 예시된 툴 요소는 임의의 선택된 형상 및 크기를 가질 수 있고, 예를 들어 그립퍼 또는 파지기, 슈쳐 장치, 시져 등을 구비할 수 있다. 도시된 툴 요소(102, 104)는 결합된 수술 도구를 형성하도록 연결되도록 구성된다. 예를 들어, 툴 요소(102)는 다른 장치 또는 조직과 맞물리는 맞물림 단부(182)를 갖는 본체(180), 및 툴 요소(102)를 예를 들어 풀리 요소(120)와 같은 대응하는 풀리 요소에 고정하기 위한 고정 단부(184)를 구비한다. 맞물림 단부(182)는 임의의 선택된 유형의 표면을 포함할 수 있고, 도구의 의도된 사용 및 목적에 기초하여 임의의 선택된 유형의 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 현재의 예에서, 파지기는 툴의 파지 능력을 향상시키기 위해 널링(knurled) 또는 톱니형 작업 표면(116A)을 구비할 수 있다. 또한, 맞물림 단부(182)는 원하는 경우 수술 부위에 수술 에너지를 제공하기 위해 전도성 접촉 요소(160)를 선택적으로 장착할 수 있다. 고정 단부(184)는 예를 들어 풀리 요소(120)의 내부 표면(126A) 상에 형성된 보스 요소(130)와 형상이 상보적인 슬롯(186)과 같은 내부에 형성된 표면 특징부를 포함하고, 슬롯(186)과 보스 요소(130)의 연결 및 정합 맞물림은 툴 요소(102)를 풀리 요소(120)에 회전식으로 고정시킨다. 툴 요소(102, 104)는 임의의 선택된 연결 기술에 의해 함께 고정되거나 결합될 수 있고, 바람직하게는 도브테일 조인트 구성을 사용하여 함께 결합된다. 도브테일 조인트는, 조인트가 비교적 높은 인장 강도를 갖기 때문에, 툴 요소를 이격시키기 어렵도록 툴 요소(102, 104)를 함께 고정한다. 예를 들어, 툴 요소(102)는 고정 단부(184)의 제1 내부 대향 표면(188A) 상에 형성된 표면 특징부를 갖는다. 고정 단부(184)는 또한 대향하는 외부 대면 표면(188B)을 구비한다. 표면 특징부는 예를 들어 레일 또는 테일 부분을 수용하도록 크기가 정해지고 구성되는 홈 또는 소켓(190)을 구비할 수 있다. 홈(190)은 대응하는 레일 부분을 적절히 안착시키기 위해 언더컷 구성을 갖는다. 홈(190)은 또한 레일 부분의 대응하는 부분을 안착시키는 하나 이상의 넓은 섹션(192)을 구비한다.

유사하게, 툴 요소(104)는 수술 부위에서 다른 장치 또는 조직과 맞물리기 위한 맞물림 단부(182)를 갖는 본체(180), 및 예를 들어 풀리 요소(122)와 같은 대응하는 풀리 요소에 툴 요소(104)를 고정하기 위한 대향 고정 단부(184)를 구비한다. 고정 단부(184)는 또한 예를 들어 풀리 요소(122)의 내부 표면(126A) 상에 형성된 보스 요소(130)에 대해 상보적인 슬롯(186)과 같은 내부에 형성된 표면 특징부를 갖는다. 슬롯(186)과 보스 요소(130)의 연결 및 정합 맞물림은 툴 요소(104)를 풀리 요소(122)에 회전식으로 고정한다. 도시된 툴 요소(104)는 또한 고정 단부(184)의 제1 내부 대향 표면(188A) 상에 형성된 표면 특징부를 갖는다. 표면 특징부는 예를 들어 홈(190)에 안착되도록 크기설정 및 구성되는 레일 또는 테일 부분(196)을 구비할 수 있다. 레일 부분(196)은 또한 홈(190)의 넓은 섹션들(192)에 상보적인 형상 및 크기로 상보적인 하나 이상의 넓은 부분들 또는 섹션들(198)을 구비한다. 도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같이, 툴 요소(102, 104)은 홈(190)의 넓은 섹션(192)을 레일(196)의 넓은 섹션(198)과 정렬시킴으로써 함께 고정될 수 있다. 이러한 초기 구성에서, 맞물림 단부(182, 182)는 도시된 바와 같이 180도보다 큰 각도를 형성하도록 서로에 대해 배치된다. 맞물림 단부의 이러한 초기 위치는 그들을 180도의 개방 툴 교환 위치를 지나 배치하여, 툴 요소(102, 104)가 서로 고정된다. 정렬될 때, 레일(196)은 홈(190) 내로 삽입될 수 있고, 그 다음 넓은 섹션(198)을 홈(190) 내로 이동시키도록 회전될 수 있다. 예를 들어, 툴 맞물림 단부(182, 182)는 도 22b에 도시된 바와 같이 정상 폐쇄 위치로 이동될 수 있다.

도 23a 내지 도 25는 풀리 요소 상의, 예를 들어 풀리 요소(120) 상의 툴 요소(102, 104)의 장착을 도시한다. 도 23a 내지 도 23c는 슬롯(186)이 보스 요소(130)와 정렬된 다음, 툴 요소(102, 104)가 장착 또는 결합 위치로 슬라이딩되도록 풀리 요소(120)의 보스 요소(130)에 대한 툴 요소(102, 104)의 위치를 도시한다. 유사하게, 도 24a 및 도 24b는 공지된 기술에 의해 툴 요소(102)에 고정된 전도성 접촉 요소(160)를 도시한다. 예를 들어, 전도성 접촉 요소(160)는 솔더, 접착제, 또는 크림핑과 같은 기계적 체결 기술에 의해 툴 요소에 고정될 수 있다. 고정 단부(184)에 형성된 슬롯(186)은 보스 요소(130)와 정렬되고, 그 다음 툴 요소(102)는 장착 또는 맞물림 위치로 슬라이딩 또는 가압된다. 맞물림 위치에서, 전도성 접촉 요소(160)의 접촉 부분(164)은 전도성 스프링 요소(140)의 상부 탭 부분(150)과 전기적으로 접촉하여 배치된다. 또한, 액슬 요소(110)는 엔드 이펙터 부분(56)의 다양한 구성요소를 함께 로킹하거나 고정한다. 툴 요소가 보스 요소로부터 제거될 때, 탭 부분(150) 및 접촉 부분(164)은 마찰 결합되고 각각의 접촉 표면을 세정하도록 기능한다.

조립 시에, 케이블(90, 92)은 각각의 풀리 요소(120, 122)에 연결된다. 케이블 요소(90, 92)는 임의의 선택된 회전 방향으로 풀리 요소 각각을 이동시키는 것을 돕는다. 이와 같이, 풀리 요소의 내부 표면(126A) 상에 형성된 보스 요소(130)는 차례로 반대 회전방향으로 회전된다. 엔드 이펙터 부분(54)의 툴 베이스 부분(56)은 풀리 요소(120)의 연결 요소(132)를 툴 베이스 세그먼트(106)의 내부 표면을 따라 형성된 대응 리세스 내로 가압함으로써 조립될 수 있다. 마찬가지로, 풀리 요소(122)의 연결 요소(132)는 툴 베이스 세그먼트(108)의 내부 표면을 따라 형성된 대응 리세스 내로 가압될 수 있다. 툴 요소(102, 104)는 도브테일 조인트를 형성하도록 툴 요소의 홈(190) 내로 레일(196)을 배치함으로써 함께 결합될 수 있다. 툴 요소는 서로에 대한 툴 요소의 이동에 대한 축방향 및 반경방향 기계적 제약 모두를 제공하는 다른 공지된 연결 방법을 사용하여 함께 결합될 수 있다. 툴 요소(102, 104)의 맞물림 단부(182, 182)는 개방 툴 교환 위치로 약 180도 이격되도록 위치될 수 있다. 이러한 위치에서, 슬롯(186, 186)은 정렬된다. 풀리 요소(120, 122)의 보스 요소(130)는 또한 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 툴 요소의 슬롯(186, 186)에 안착되도록 정렬되고 위치될 수 있다. 이러한 위치는 사용 중에 허용되는 툴 요소의 맞물림 단부(182, 182) 사이의 최대 각도 거리 또는 분리이다. 케이블(90, 92)은 각각의 풀리 요소(120, 122)를 독립적으로 회전시키도록 작동될 수 있다. 툴 요소의 맞물림 단부(182, 182)는, 맞물림 단부가 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 툴 요소의 180도 위치보다 작은 각도만큼 분리되도록, 개별적으로 또는 별개로 후속 회전 위치로 이동될 수 있다. 이와 같이, 각각의 풀리 요소는 그 위에 장착된 각각의 툴 요소를 이동시킨다. 예를 들어, 풀리 요소(120)는 툴 요소(102)를 회전 또는 이동시키고 풀리 요소(122)는 툴 요소(104)를 회전 또는 이동시키고, 따라서 풀리 요소는 툴 요소의 회전 위치 또는 배향을 제어하는 케이블 구동 구성요소이다. 툴 베이스 부분(56)은 단지 보스 요소(130, 130)가 개방 교환 툴 위치에 배치될 때와 같이 유사하게 정렬될 때에만 툴 요소(102, 104)를 수용 또는 해제할 수 있다. 보스 요소(130, 130)가 서로 정렬되지 않게 이동될 때, 툴 요소에 가해지는 수직 외향으로 배치된 이동력은 툴 베이스 부분(56)으로부터, 따라서 풀리 요소(120, 122)로부터 툴 요소를 제거하거나 제거하지 않는다.

작동 시에, 로봇 아암(42)에는 환자 내의 또는 환자 외부에 있는 파지기, 후크, 시져 등과 같은 수술 도구가 장착될 수 있다. 툴 교환 위치에 관계없이, 툴 요소(102, 104)는 정렬된 로딩 위치에서 풀리 요소(120, 122)의 보스 요소(130, 130)를 정렬한 다음 툴 요소의 슬롯(186, 186)을 정렬함으로써 툴 베이스(56)에 장착되거나 결합될 수 있다. 툴 요소의 슬롯이 정렬될 때, 일부 실시예에서 툴 요소의 맞물림 단부(182, 182)는 예를 들어 약 180도와 같은 선택된 각도 거리만큼 분리되어, 단부 및 그에 따른 툴 요소를 개방 툴 교환 위치에 위치시킨다. 각도 거리는 그것이 외과적 또는 규칙적인 사용 동안 일반적으로 사용되거나 달성되지 않도록 제공된 임의의 선택된 각도량일 수 있다. 이어서, 툴 요소의 슬롯(186, 186)은 도 21, 도 23a 및 도 24a에 도시된 바와 같이 풀리 요소(120, 122)의 보스(130, 130)상으로 슬라이딩 또는 가압된다. 그 다음, 풀리 요소(120, 122)는 케이블 구동되어 툴 요소(102, 104)를 하나 이상의 수술 사용 위치로 이동시킬 수 있으며, 툴 요소는 180도보다 작은 각도로 분리된다. 많은 수술 사용 위치 중 하나의 예가 예를 들어 도 26a 및 도 26b에 도시되며, 여기서 툴 요소(102, 104)는 180도 미만의 각도 또는 거리만큼 분리된다. 또한, 도시된 바와 같이, 하나 이상의 풀리 요소(120, 122)가 그 대응하는 보스 요소(130)를 수직 로딩 위치로부터 멀어지게 회전하면, 툴 요소(102, 104)는 보스 요소로부터 미끄러지거나 제거될 수 없고, 따라서 툴 베이스(56)로부터 제거된다.

또한, 전도성 접촉 요소(160, 162)는 각각 툴 요소(102, 104)에 연결된다. 전도성 접촉 요소는 전기와 같은 전도성 에너너지를, 예를 들어 조직, 또는 전도성 접촉 요소의 임의의 노출된 부분과 접촉하는 장치와 같은 임의의 재료로 전도할 수 있다. 전도성 접촉 요소는 바람직하게는 툴 요소(102, 104)의 작업 표면(116A, 116B)의 선택된 부분을 덮는다. 예를 들어, 툴 요소의 작업 표면(116A, 116B)은 전도성 접촉 요소를 장착할 수 있다. 전도성 접촉 요소는 전도성 스프링 요소(140, 142)의 상부 탭 부분(150)과 전도성 접촉 요소의 접촉 부분(164, 164) 사이의 지속적인 그리고 지속적인 접촉을 통해 전도성 스프링 요소에 전기적으로 결합된다. 그 다음, 전도성 스프링 요소(140, 142)의 하부 탭 부분(152)은 전원 와이어(170)와 접촉하여 배치되고, 컴퓨팅 유닛(18)은 전원 와이어(170)를 비교적 고전압 단극 전기소작 에너지 또는 전력을 전도성 접촉 요소에 공급하는 단극 전원에 결합할 수 있다. 대안적으로, 컴퓨팅 유닛(18)은 전력 공급 와이어(170)를 전도성 접촉 요소들에 비교적 높은 전류량 양극성 전기소작 에너지 또는 전력을 공급하는 양극성 에너지 소스에 결합할 수 있다.

풀리 요소(120, 122)는 케이블(90, 92)에 의해 독립적으로 구동 및 회전될 수 있다. 풀리 요소(120, 122)의 보스 요소가 도 22b에 도시된 바와 같이 로딩된 위치로부터 이동할 때, 전도성 스프링 요소(140)의 상부 탭 부분(150)은 고정 하부 탭 부분(152)에 대해 이동한다. 중앙 코일 요소(146)는 전도성 스프링 요소를 손상하거나 파괴하지 않고서 탭 부분(150, 152)들 사이의 상대 이동을 허용하거나 가능하게 하도록 확장 및 수축될 수 있다. 또한, 탭 요소의 장착 배열은 툴 요소들이 다양한 회전 위치들 사이에서 회전될 때에도, 상부 탭 부분(150)과 전도성 접촉 요소 사이뿐만 아니라 하부 탭 부분(152)과 전력 와이어(170) 사이에 정적 전기수술 연결을 형성한다. 이러한 정적 장착 구성은 접촉부들 사이의 아킹의 위험을 감소시킨다.

서로 독립적으로 구동되는 풀리 요소의 능력은 현재 로봇 아암에서 추가적인 자유도를 제공한다. 구체적으로, 각각의 풀리 요소는 개별적으로 그리고 독립적으로 케이블에 의해 구동될 수 있기 때문에, 풀리는 추가적인 2가지의 자유도를 제공한다.

당업자는 로봇 아암의 리스트 부분 또는 관절이 상이한 방식으로 형성될 수 있고, 따라서 상이한 기계적 구성을 가질 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 구체적으로, 로봇 아암들의 툴 베이스 부분은 임의의 선택된 구성을 가질 수 있다. 하나의 대안적인 실시예에 따르면, 로봇 아암의 툴 베이스 부분은 볼 조인트를 형성하도록 구성될 수 있다.

Claims

수술 로봇 시스템(surgical robotic system) 내의 로봇 아암의 리스트 부분(wrist portion) 상에 하나 이상의 툴 요소를 제거 및 삽입하는 방법에 있어서,
상기 로봇 아암의 단부에 결합된 툴 베이스 부분을 제공하는 단계;
상기 툴 베이스 부분에 제1 풀리 요소를 회전가능하게 결합시키는 단계;
상기 툴 베이스 부분에 제2 풀리 요소를 회전가능하게 결합시키는 단계,
상기 제1 풀리 요소 및 상기 제2 풀리 요소를 액슬 요소(axle element)로 상기 툴 베이스 부분에 고정하는 단계;
제2 툴 요소와 함께 결합될 수 있는 제1 툴 요소를 제공하는 단계; 및
상기 툴 베이스 부분에 장착되거나 그로부터 제거될 수 있기 위해 개방 툴 교환 위치(open tool exchange position)로 위치되도록 제1 및 제2 툴 요소를 구성하는 단계
를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
제1 툴 베이스 세그먼트 및 제2 툴 베이스 세그먼트를 포함하도록 상기 툴 베이스 부분을 구성하는 단계,
상기 제1 풀리 요소를 상기 제1 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합시키는 단계, 및
상기 제2 풀리 요소를 상기 제2 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합시키는 단계
를 더 포함하는,
방법.
제2항에 있어서,
상기 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 상기 툴 베이스 부분에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 결합되는 상기 제1 및 제2 툴 요소를 구성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제2항에 있어서,
상기 제1 풀리 요소 상에 제1 풀리 표면 특징부를 형성하도록 상기 제1 풀리 요소를 구성하고, 상기 제2 풀리 요소 상에 제2 풀리 표면 특징부를 형성하도록 상기 제2 풀리 요소를 구성하는 단계, 및
상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부와 형상이 상보적으로 형성된 제1 표면 특징부를 갖는 상기 제1 툴 요소를 구성하고, 상기 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부와 형상이 상보적으로 형성된 제2 표면 특징부를 갖는 상기 제2 툴 요소를 구성하는 단계
를 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부가 정렬되는 경우 그리고 상기 제1 및 제2 툴 요소의 제1 및 제2 표면 특징부가 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 정렬되는 경우, 상기 제1 및 제2 툴 요소는 각각 상기 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 상에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 장착될 수 있는,
방법.
제4항에 있어서,
제2 툴 요소와 함께 결합될 수 있는 제1 툴 요소를 제공하는 단계는,
상기 제1 툴 요소 위에 제1 연결 표면 특징부를 형성하도록 구성하는 단계, 및
상기 제1 및 제2 연결 표면 특징부가 정렬될 때 상기 제1 및 제2 툴 요소가 함께 결합될 수 있도록, 상기 제1 연결 표면 특징부와 형상이 상보적인 제2 연결 표면 특징부를 형성하도록 제2 툴 요소를 구성하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
제5항에 있어서,
홈을 구비하도록 상기 제1 연결 표면 특징부를 구성하는 단계와, 돌출 레일형 요소를 구비하도록 상기 제2 연결 표면 특징부를 구성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제5항에 있어서,
도브-테일 조인트 연결을 형성하도록 상기 제1 및 제2 연결 표면 특징부를 구성하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 툴 요소 및 상기 제2 툴 요소가 조립될 때, 상기 제1 및 제2 풀리 요소 중 하나 이상의 회전 운동에 의해 상기 제1 및 제2 툴 요소 중 하나 이상을 상기 개방 툴 교환 위치를 벗어나고 그리고 하나 이상의 사용 위치로 선택적으로 회전시킴으로써 상기 제1 및 제2 툴 요소를 함께 로킹하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 풀리 요소에 결합되는 제1 전도성 스프링 요소 및 상기 제2 풀리 요소에 결합되는 제2 전도성 스프링 요소를 제공하는 단계, 및
상기 제1 툴 요소에 결합되는 제1 전도성 접촉 요소 및 상기 제2 툴 요소에 결합되는 제2 전도성 접촉 요소를 제공하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
제9항에 있어서,
사용 동안, 그리고 상기 제1 및 제2 풀리 요소의 회전 위치에 독립적으로, 상기 전도성 스프링 요소의 일부와 상기 전도성 접촉 요소의 일부 사이에 직접적인 접촉을 유지하는 단계를 더 포함하는,
방법.
수술 로봇 시스템 내의 로봇 아암의 엔드 영역 장치(end region device)에 있어서,
커넥터에 의해 상기 로봇 아암의 단부에 결합되는 툴 베이스 부분;
상기 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합되는 제1 풀리 요소,
상기 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합되는 제2 풀리 요소로서, 상기 제1 및 제2 풀리 요소는 액슬 요소로 툴 베이스 부분에 고정되는, 상기 제2 풀리 요소;
제2 툴 요소와 함께 결합되는 제1 툴 요소
를 포함하고,
상기 제1 및 제2 툴 요소는 상기 툴 베이스 부분에 장착되거나 그로부터 제거될 수 있도록 개방 툴 교환 위치로 위치되도록 구성되는,
엔드 영역 장치.
제11항에 있어서,
상기 툴 베이스 부분은 제1 툴 베이스 세그먼트 및 제2 툴 베이스 세그먼트를 포함하고, 상기 제1 풀리 요소는 상기 제1 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합되고, 상기 제2 풀리 요소는 상기 제2 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합되는,
엔드 영역 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 툴 요소는 상기 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 상기 툴 베이스 부분에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 결합되는,
엔드 영역 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 풀리 요소 상에는 제1 풀리 표면 특징부를 형성하고, 상기 제2 풀리 요소 상에는 제2 풀리 표면 특징부를 형성하고, 상기 제1 툴 요소는 상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부에 상보적인 형상을 형성하는 제1 표면 특징부를 갖고, 상기 제2 툴 요소는 상기 제2 풀리 요소의 상기 제2 풀리 표면 특징부에 상보적인 형상을 형성하는 제2 표면 특징부를 갖고,
상기 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부가 정렬되는 경우 그리고 상기 제1 및 제2 툴 요소의 제1 및 제2 표면 특징부가 상기 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 정렬되는 경우, 상기 제1 및 제2 툴 요소는 각각 상기 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 상에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 장착될 수 있는,
엔드 영역 장치.
제14항에 있어서,
상기 제1 툴 요소 상에는 제1 연결 표면 특징부를 형성하고, 상기 제2 툴 요소는 상기 제1 연결 표면 특징부와 상보적인 형상인 제2 연결 표면 특징부를 형성하여, 상기 제1 및 제2 연결 표면 특징부가 정렬될 때 상기 제1 및 제2 툴 요소가 함께 결합될 수 있게 하는,
엔드 영역 장치.
제15항에 있어서,
상기 제1 연결 표면 특징부는 홈을 구비하고, 상기 제2 연결 표면 특징부는 돌출 레일형 요소를 구비하는,
엔드 영역 장치.
제15항에 있어서,
상기 제1 및 제2 연결 표면 특징부는 도브-테일 조인트 연결을 형성하도록 구성되는,
엔드 영역 장치.
제15항에 있어서,
상기 제1 툴 요소 및 상기 제2 툴 요소가 조립될 때, 상기 제1 및 제2 풀리 요소 중 하나 이상의 회전 운동에 의해 상기 제1 및 제2 툴 요소 중 하나 이상을 상기 개방 툴 교환 위치를 벗어나고 그리고 하나 이상의 사용 위치로 선택적으로 회전시킴으로써 상기 제1 툴 요소 및 상기 제2 툴 요소가 함께 로킹되는,
엔드 영역 장치.
제14항에 있어서,
상기 제1 풀리 요소에 결합되는 제1 전도성 스프링 요소 및 상기 제2 풀리 요소에 결합되는 제2 전도성 스프링 요소, 및
상기 제1 툴 요소에 결합되는 제1 전도성 접촉 요소 및 상기 제2 툴 요소에 결합되는 제2 전도성 접촉 요소
를 더 포함하는,
엔드 영역 장치.
제19항에 있어서,
상기 전도성 스프링 요소의 일부는, 사용 중에 그리고 상기 제1 및 제2 풀리 요소의 회전 위치와 독립적으로, 상기 전도성 접촉 요소의 일부와 연속적으로 그리고 직접 접촉하는,
엔드 영역 장치.
수술 로봇 시스템의 로봇 유닛의 로봇 아암 형성부(robot arm forming part)의 리스트 부분(wrist portion)에 있어서,
커넥터에 의해 상기 로봇 아암의 단부에 결합되는 툴 베이스 부분;
상기 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합되는 제1 풀리 요소로서, 상기 제1 풀리 요소는 그 위에 형성된 제1 풀리 표면 특징부를 갖는 본체를 갖는, 상기 제1 풀리 요소;
상기 툴 베이스 부분에 회전가능하게 결합된 제2 풀리 요소로서, 상기 제2 풀리 요소는 그 위에 형성된 제2 풀리 표면 특징부를 갖는 본체를 갖는, 상기 제2 풀리 요소;
상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부와 상보적인 형상을 갖는 제1 표면 특징부를 형성하는 본체를 갖는 제1 툴 요소; 및
상기 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부와 상보적인 형상을 갖는 제2 표면 특징부를 형성하는 본체를 갖는 제2 툴 요소
를 포함하고,
상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부 및 상기 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부가 제1 개방 툴 교환 위치에 배치될 때 서로 정렬되는 경우, 상기 제1 및 제2 툴 요소는 각각 상기 제1 및 제2 풀리 요소의 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 상에 제거가능하게 그리고 교체가능하게 장착될 수 있는,
리스트 부분.
제21항에 있어서,
상기 툴 베이스 부분은 제1 툴 베이스 세그먼트 및 제2 툴 베이스 세그먼트를 포함하고, 상기 제1 풀리 요소는 상기 제1 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합되고, 상기 제2 풀리 요소는 상기 제2 툴 베이스 세그먼트에 회전가능하게 결합되는,
리스트 부분.
제22항에 있어서,
상기 제1 및 제2 툴 요소가 상기 제1 및 제2 풀리 요소 상에 제거가능하게 장착될 때, 상기 제1 툴 요소의 제1 표면 특징부는 상기 제1 풀리 요소의 제1 풀리 표면 특징부 상에 정합하여 안착하고, 상기 제2 툴 요소의 제2 표면 특징부는 상기 제2 풀리 요소의 제2 풀리 표면 특징부 상에 정합하여 안착하는,
리스트 부분.
제23항에 있어서,
상기 제1 및 제2 풀리 표면 특징부 각각은 보스 요소로서 형성 및 구성되고, 상기 제1 및 제2 표면 특징부 각각은 슬롯을 구비하는,
리스트 부분.
제23항에 있어서,
상기 제1 및 제2 툴 베이스 세그먼트 각각은 일 단부에 연장 부분과, 대향 단부에 플랜지 부분을 갖는 본체를 갖고, 상기 연장 부분은 내부 표면 및 대향된 외부 표면을 갖고, 상기 연장 부분 내에는 개구를 형성하고, 상기 연장 부분의 내부 표면 내에는 리세스를 형성하는,
리스트 부분.
제25항에 있어서,
상기 제1 및 제2 툴 베이스 세그먼트 각각의 상기 플랜지 부분 내에는 상기 커넥터를 안착시키기 위해 개구를 형성하는,
리스트 부분.
제25항에 있어서,
상기 제1 및 제2 풀리 요소 각각은 내부 표면 및 대향 외부 표면을 갖는 본체를 가지며, 상기 본체 상에는 연결 요소가 형성되고 그로부터 외측으로 돌출되며, 상기 풀리 표면 특징부들은 상기 본체의 내부 표면 상에 형성되는,
리스트 부분.
제27항에 있어서,
상기 제1 및 제2 풀리 요소 각각의 본체 내에는 복수의 구멍을 형성하고, 상기 복수의 구멍 중 적어도 일부는 제어 케이블의 일부를 안착하도록 크기설정 및 구성되는,
리스트 부분.
제27항에 있어서,
상기 제1 풀리 요소의 연결 요소는 상기 제1 툴 베이스 세그먼트의 내부 표면에 형성된 리세스에 안착하여 보유되고, 상기 제2 풀리 요소의 연결 요소는 상기 제2 툴 베이스 세그먼트의 내부 표면에 형성된 리세스에 안착하여 보유되는,
리스트 부분.
제29항에 있어서,
상기 제1 풀리 요소에 결합된 제1 전기 전도성 스프링 요소 및 상기 제2 풀리 요소에 결합된 제2 전기 전도성 스프링 요소를 더 포함하는,
리스트 부분.
제30항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전기 전도성 스프링 요소 각각은 중앙 코일 요소를 갖는 본체, 상기 코일 요소의 일 단부에 결합된 상부 탭 부분, 및 상기 코일 요소의 다른 단부에 결합된 하부 탭 부분을 포함하는,
리스트 부분.
제31항에 있어서,
상기 하부 탭 부분은 상기 툴 베이스 부분 내에 수용된 전기 리드 와이어에 결합되고, 상기 코일 요소는 상기 풀리 요소의 외부 표면에 결합되고, 상기 상부 탭 부분의 적어도 일부는 상기 풀리 요소의 내부 표면에 결합되는,
리스트 부분.
제32항에 있어서,
사용 동안, 상기 중앙 코일 요소는 상기 상부 탭 부분의 운동에 기초하여 확장 및 수축하도록 구성되는,
리스트 부분.
제32항에 있어서,
상기 제1 및 제2 툴 요소 각각은 워크피스와 접촉하기 위한 작업 표면을 가지며,
상기 제1 툴 요소의 작업 표면에 결합된 제1 전도성 접촉 요소, 및
상기 제2 툴 요소의 작업 표면에 결합된 제2 전도성 접촉 요소
를 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 전도성 접촉 요소 중 적어도 일부는, 상기 제1 및 제2 툴 요소에 각각 장착될 때, 상기 제1 및 제2 전도성 스프링 요소의 상부 탭 부분의 적어도 일부와 각각 접촉하도록 구성되는,
리스트 부분.
제34항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전도성 접촉 요소 각각의 일부는, 사용 동안 상기 제1 및 제2 전도성 스프링 요소의 각각의 부분과 계속해서 전기적으로 접촉하는 상태로 유지되는,
리스트 부분.
제34항에 있어서,
상기 제1 툴 요소는 외부 표면 및 그와 연관된 제1 툴 표면 특징부를 갖는 대향된 내부 표면을 갖는 본체를 갖고, 상기 제2 툴 요소는 외부 표면 및 그와 연관된 제2 툴 표면 특징부를 갖는 대향 내부 표면을 갖는 본체를 갖고, 상기 제2 툴 표면 특징부는 상기 제1 툴 표면 특징부와 형상이 상보적인,
리스트 부분.
제36항에 있어서,
상기 제1 툴 요소의 제1 툴 표면 특징부는 홈이고, 상기 제2 툴 요소의 제2 툴 표면 특징부는 돌출부인,
리스트 부분.
제37항에 있어서,
상기 홈 및 상기 돌출부는 도브 테일 조인트를 형성하도록 구성되는,
리스트 부분.
제37항에 있어서,
상기 홈 및 상기 돌출부 각각은 선택된 폭을 갖고, 상기 홈 및 상기 돌출부 각각은 하나 이상의 좁은 폭 섹션 및 하나 이상의 넓은 폭 섹션을 갖는,
리스트 부분.
제39항에 있어서,
상기 제1 및 제2 툴 요소는 상기 제1 및 제2 툴 요소의 작업 표면이 약 180 도보다 큰 각도 거리만큼 분리되어 상기 돌출부의 넓은 폭 섹션이 상기 홈의 넓은 폭 섹션과 정렬되도록 상기 제1 및 제2 툴 요소를 서로에 대해 배열함으로써 함께 조립되고, 상기 돌출부가 상기 홈 내에 삽입되고 상기 제1 및 제2 툴 요소가 서로에 대해 회전될 때, 상기 제1 및 제2 툴 요소는 서로 연결되는,
리스트 부분.
제21항에 있어서,
상기 제1 풀리 요소에 결합된 제1 전기 전도성 스프링 요소,
상기 제2 풀리 요소에 결합된 제2 전기 전도성 스프링 요소,
상기 제1 툴 요소에 결합된 제1 전도성 접촉 요소, 및
상기 제2 툴 요소에 결합된 제2 전도성 접촉 요소
를 더 포함하는,
리스트 부분.
제41항에 있어서,
상기 제1 및 제2 툴 베이스 세그먼트, 상기 제1 및 제2 풀리 요소, 및 상기 제1 및 제2 툴 요소 각각의 내부에는, 함께 정렬될 때, 상기 제1 및 제2 툴 베이스 세그먼트, 상기 제1 및 제2 풀리 요소, 및 상기 제1 및 제2 툴 요소를 함께 고정하기 위한 액슬 요소를 안착시키기 위해 개구를 형성하는,
리스트 부분.