KR102597849B1 - 재구성 가능한 엔드 이펙터 구조 - Google Patents

재구성 가능한 엔드 이펙터 구조 Download PDF

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가브리엘 에프. 브리슨
아미르 차가저디
푸쉬카프 힝웨
주니어 도날드 에프. 윌슨
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Abstract

본 발명의 시스템 및 관련 방법은 엔드 이펙터의 운동을 제어한다. 엔드 이펙터의 운동을 제어하는 방법은 컨트롤러에 의해, 제1 조 부재, 제2 조 부재, 리스트 및 기기 샤프트를 포함하는 엔드 이펙터를 폐쇄 또는 개방하라는 명령을 수신하는 단계를 포함한다. 명령에 응답하여, 컨트롤러는 엔드 이펙터의 기준 요소의 위치 및 방위 중의 적어도 하나가 공간 내에서 실질적으로 유지되도록 제1 조 부재를 제2 조 부재에 대해 운동시키는 동작과, 엔드 이펙터를 방위결정시키도록 리스트를 작동시키는 동작을 동시적으로 행하도록 엔드 이펙터의 운동을 제어한다.

Description

재구성 가능한 엔드 이펙터 구조
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 모든 면에서 그 전체 내용이 여기에 참조되는 2015년 11월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/254,154호의 우선권을 주장한다.
본 출원은 여기에 참조되는 2010년 11월 12일자로 출원된 "2 자유도 리스트를 갖는 수술 툴(Surgical tool with a two degree of freedom wrist)"이라는 명칭의 미국 특허 제8,852,174호 및 2013년 12월 31일자로 출원된 "향상된 나이프 간극을 갖는 수술 스테이플 카트리지(Surgical staple cartridge with enhanced knife clearance)"라는 명칭의 미국 특허공개 제20140183244호와 관련되어 있다.
최소 침습 수술 기법은 진단 또는 수술 절차 중에 손상되는 무관 조직의 양을 감소시키고, 그것에 의해 환자의 회복 시간, 불편 및 유해한 부작용을 감소시키는 데 목적이 있다. 결과적으로, 표준 수술에 대한 평균 병원 체류 기간이 최소 침습 수술 기법을 사용하여 크게 단축될 수 있다. 또한, 환자의 회복 시간, 환자의 불편, 수술 부작용 및 업무 이탈 시간도 최소 침습 수술로 감소될 수 있다.
최소 침습 수술의 하나의 일반적인 형태는 내시경술이며, 내시경술의 하나의 일반적인 형태는 복강 내에서의 최소 침습 검사 및/또는 수술인 복강경술이다. 표준 복강경 수술에 있어서는, 환자의 복부에 가스가 취입되고, 캐뉼라 슬리브가 복강경술 기기의 엔트리 포트를 제공하기 위해 작은(대략 1/2 인치 이하) 절개부를 통과한다.
복강경 수술 기기는 일반적으로 수술 영역을 보기 위한 내시경(예를 들어, 복강경) 및 수술 부위에서 작업하기 위한 워킹 툴을 포함한다. 이 워킹 툴은 일반적으로 각각의 워킹 툴의 워킹 엔드 또는 엔드 이펙터가 연장 튜브(예컨대, 기기 샤프트 또는 메인 샤프트로도 알려짐)에 의해 핸들로부터 이격되어 있다는 점을 제외하고는 통상적인 (개복) 수술에 사용되는 것과 유사하다. 엔드 이펙터는 예를 들어 클램프, 그래스퍼, 시저, 스테이플러, 소작 툴, 리니어 커터 또는 니들 홀더를 포함할 수 있다.
수술 절차를 수행하기 위해, 외과의는 수술 툴을 캐뉼라 슬리브를 통해 수술 부위에 전달하고, 복부 밖에서 조작한다. 외과의는 내시경으로부터 취득되는 수술 부위의 영상을 표시하는 모니터에서 수술 절차를 본다. 유사한 내시경 기법이 예를 들어 관절경술, 후복막강경술, 골반경술, 신장경술, 방광경술, 뇌조경술, 부비강경술, 자궁경술, 요도경술 등에 채용된다.
최소 침습 원격조작 수술 시스템이 외과의가 원격 위치(무균 영역 외부)에서 환자를 수술하는 것을 가능하게 해줄뿐만 아니라 내부 수술 부위에 작업할 때의 외과의의 조작성을 증가시키도록 개발되고 있다. 원격 수술 시스템에서, 외과의는 흔히 제어 콘솔에서 수술 부위의 영상을 제공받는다. 적합한 뷰어 또는 디스플레이 상의 수술 부위의 3차원 영상을 보면서, 외과의는 제어 콘솔의 마스터 입력 또는 제어 장치를 조작하는 것에 의해 환자에 대한 수술 절차를 수행한다. 각각의 마스터 입력 장치는 서보 기구적으로(servo-mechanically) 작동되는/관절운동되는 수술 기기의 모션을 제어한다. 수술 절차 중에, 원격조작 수술 시스템은 다양한 수술 기기 또는 툴의 기계적 작동 및 제어를 제공할 수 있다. 다수의 수술 툴은 외과의를 대신해 마스터 입력 장치의 조작에 응답하여 예를 들어 니들을 홀드하거나 구동시키는 기능, 혈관을 파지하는 기능, 조직을 절개하는 기능 등의 다양한 기능을 수행하는 조(jaw) 또는 다른 관절운동 가능한 엔드 이펙터를 갖는다. 원위 리스트 조인트(distal wrist joint)를 가진 툴은 외과의가 내부 수술 부위 내에서 툴을 방위결정(orienting)시키는 것을 가능하게 해주어, 외과의가 실시간으로 조직에 대해 상호작용(및 치료)할 수 있는 자유성을 크게 향상시킨다.
흔히, 내부 수술 부위를 둘러싼 그다지 크지 않은 크기의 공간만이 존재하고, 그 때문에 환자의 주변 조직과의 원치 않는 접촉이 없는 수술 툴의 운동의 범위에 제한을 둔다. 이러한 운동 제한은 원하는 수술 작업을 수행하는 외과의의 능력을 저해할 수 있다. 따라서, 공간 제약 환경에서 수술 작업을 수행하기 위한 향상된 특성을 갖는 방법 및 시스템이 바람직하다.
엔드 이펙터의 운동을 제어하기 위한 본 발명의 시스템 및 방법은 작동 입력값들이 개별적으로 사용되는 경우보다 한정된 공간에 대해 더 적합한 엔드 이펙터의 결과적인 운동을 생성하기 위해 다수의 작동 입력값들의 자동화된 조합을 제공한다. 예를 들어, 조 부재(jaw member)들을 포함하고 리스트를 통해 기기 샤프트에 장착되는 엔드 이펙터를 포함하고 있는 수술기구의 경우, 리스트(wrist) 및 조 부재들 중의 하나 이상이 공간 내에서의 엔드 이펙터의 기준 요소(reference aspect)(예컨대, 지정된 조 부재)의 운동을 감소시킴으로써 주변 환자 조직과의 원치 않는 접촉을 방지하도록 동시적으로 작동될 수 있다. 따라서, 외과의는 한정된 작업 공간과 양립가능한 방식으로 엔드 이펙터를 관절운동시키기 위한 자동화된 접근법을 제공 받는다.
그에 따라, 하나의 양태에 있어서, 엔드 이펙터의 운동을 제어하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 컨트롤러에 의해, 상기 엔드 이펙터를 폐쇄 또는 개방하라는 명령을 수신하는 단계를 포함한다. 상기 엔드 이펙터는 힌지에 의해 제2 조 부재에 연결된 제1 조 부재를 포함한다. 상기 엔드 이펙터는 리스트에 의해 기기 샤프트에 연결되며, 상기 리스트는 상기 엔드 이펙터를 상기 기기 샤프트에 대해 방위결정시킬 수 있다. 상기 방법은 상기 명령에 응답하여 상기 컨트롤러에 의해, (a) 상기 제1 조 부재를 상기 제2 조 부재에 대해 운동시키는 동작과, (b) 상기 엔드 이펙터를 상기 기기 샤프트에 대해 방위결정시키도록 상기 리스트를 작동시키는 동작을 동시적으로 행하여, 상기 엔드 이펙터의 기준 요소의 위치(position) 및 방위(orientation) 중의 적어도 하나가 공간 내에서 실질적으로 유지되도록 상기 엔드 이펙터의 운동을 제어하는 단계를 포함한다.
다수의 실시예에서, 상기 리스트가 상기 엔드 이펙터를 상기 기기 샤프트에 대해 필요한 양만큼 관절운동시키기에 충분하게 재구성(reconfiguration)될 수 있는 경우, 상기 제1 조 부재는 상기 엔드 이펙터의 운동 중에 실질적으로 고정적으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 리스트는 상기 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방 중에 상기 제2 조 부재를 상기 제1 조 부재(고정적으로 유지될 수 있는)를 향해 운동시키도록 작동될 수 있다. 상기 제1 조 부재는 상기 엔드 이펙터의 폐쇄 중에 상기 제2 조 부재에 대해 폐쇄될 수 있다.
상기 제1 및 제2 조 부재는 임의의 적합한 방식으로 개폐되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 조 부재는 상기 제2 조 부재에 대해 폐쇄되기 위해 상기 힌지에서 피벗운동하도록 구성될 수 있고, 상기 제2 조 부재는 상기 힌지에서 피벗운동하지 않도록 구성될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 제1 및 제2 조 부재 모두가 상기 리스트에 연결되는 엔드 이펙터 베이스 부재에 대해 힌지에서 피벗운동하도록 구성될 수 있다.
상기 기기 샤프트는 상기 엔드 이펙터의 운동의 부분으로서 관절운동될 수 있다. 예를 들어, 상기 엔드 이펙터의 운동은 상기 힌지를 이동시키기 위해 상기 기기 샤프트를 관절운동시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 엔드 이펙터의 소정의 운동을 달성하기에 충분한 상기 리스트 및/또는 상기 기기 샤프트의 재구성이 가능한지를 판정하기 위해, 상기 리스트 및/또는 상기 기기 샤프트의 현재의 구성이 대응하는 운동 한계에 대해 평가될 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 상기 컨트롤러에 의해, 상기 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방 중에 상기 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키기 위한 상기 리스트 및/또는 상기 기기 샤프트의 재구성이 상기 리스트 및/또는 상기 기기 샤프트의 운동 한계를 초과하는지를 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 엔드 이펙터의 운동 중에 상기 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키기 위해 상기 엔드 이펙터를 상기 기기 샤프트에 대해 재방위결정시키기 위한 상기 리스트의 재구성이 상기 리스트 및/또는 상기 기기 샤프트의 운동 한계를 초과하는지의 판정에 기초하여 상기 엔드 이펙터의 운동을 제어한다.
상기 방법은 리스트를 재구성 및/또는 기기 샤프트를 관절운동시키지 않고 엔드 이펙터를 개방 및/또는 폐쇄하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 (a) 상기 컨트롤러에 의해, 상기 엔드 이펙터를 폐쇄 또는 개방하라는 제2 명령을 수신하는 단계; 및 (b) 상기 제2 명령에 응답하여 상기 컨트롤러에 의해, 상기 엔드 이펙터의 상기 기준 요소를 고정적으로 유지시키도록 상기 엔드 이펙터를 동시적으로 관절운동시키지 않고 상기 제1 조 부재를 상기 제2 조 부재에 대해 재방위결정시키도록 상기 엔드 이펙터의 운동을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 엔드 이펙터의 기준 요소의 사용자 지정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 상기 컨트롤러에 의해, 상기 엔드 이펙터의 기준 요소를 지정하는 입력값을 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
임의의 적합한 리스트가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 리스트는 상기 엔드 이펙터를 상기 기기 샤프트에 대해 요 축(yaw axis) 및 요 축에 수직인 피치 축(pitch axis)을 중심으로 재방위결정(reorienting)시키도록 재구성 가능할 수 있다.
또 다른 양태에 있어서, 로봇 수술 시스템이 제공된다. 상기 로봇 수술 시스템은 엔드 이펙터, 리스트, 기기 샤프트 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 엔드 이펙터는 제1 조 부재, 제2 조 부재 및 상기 제1 조 부재가 상기 제2 조 부재에 피벗식으로 연결되게 해주는 힌지를 포함한다. 상기 엔드 이펙터는 상기 리스트에 연결된다. 상기 리스트는 상기 엔드 이펙터를 상기 기기 샤프트에 대해 운동시키도록 재구성 가능하다. 상기 컨트롤러는 적어도 하나의 프로세서 및 메모리 장치를 포함하고 있고, 상기 메모리 장치가 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행가능한 명령어로서 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금 상기 제1 조 부재를 상기 제2 조 부재에 대해 운동시키라는 명령을 수신하게 만들고, 상기 명령에 응답하여, 상기 제1 조 부재를 상기 제2 조 부재에 대해 운동시키는 동작과, 상기 엔드 이펙터를 상기 기기 샤프트에 대해 방위결정시키도록 상기 리스트를 작동시키는 동작을 동시적으로 행하여, 상기 엔드 이펙터의 기준 요소의 위치 및 방위 중의 적어도 하나가 공간 내에서 실질적으로 유지되도록 상기 엔드 이펙터의 운동을 제어하게 만드는 명령어를 저장한다. 상기 로봇 수술 시스템은 본 명세서에 설명되는 엔드 이펙터의 운동을 제어하는 방법의 임의의 단계를 수행하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 특성들 및 장점들의 보다 완전한 이해를 위해, 이어지는 상세한 설명과 첨부도면의 참조가 이루어져야 한다. 본 발명의 다른 양태들, 목적들 및 장점들은 도면 및 이어지는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 다수의 실시예에 따른, 수술을 수행하는 데 사용되는 최소 침습 원격조작 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는 다수의 실시예에 따른 원격조작 수술 시스템용 외과의 제어 콘솔의 사시도이다.
도 3은 다수의 실시예에 따른 원격 조작 수술 시스템 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는 다수의 실시예에 따른 원격 조작 수술 시스템의 간략화된 개략도이다.
도 5a는 다수의 실시예에 따른 원격조작 수술 시스템의 환자측 카트의 정면도이다.
도 5b는 수술 툴의 정면도이다.
도 6은 다수의 실시예에 따른, 엔드 이펙터 바디를 기기 샤프트와 연결시키는 2 자유도 리스트의 사시도이다.
도 7은 다수의 실시예에 따른, 리스트의 중간 부재와 리스트의 지지 부재 사이 및 중간 부재와 엔드 이펙터 바디 사이의 회전 자유도를 예시하는, 도 6의 2 자유도 리스트의 사시도이다.
도 8은 다수의 실시예에 따른 수술 어셈블리의 간략화된 개략도이다.
도 9-13은 다수의 실시예에 따른, 여러 가지 작동 모드에 의한 수술 어셈블리의 간략화된 개략도이다.
도 14는 다수의 실시예에 따른, 엔드 이펙터를 작동시키는 방법의 간략화된 흐름도이다.
이하의 설명에서, 본 발명의 여러 가지 실시예들이 설명될 것이다. 설명을 목적으로 하여, 특정 구성들 및 세부사항들이 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 기술된다. 하지만, 본 발명은 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것도 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 잘 알려진 피처(feature)들은 설명되는 실시예를 가리지 않기 위해 생략되거나 간략화될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적으로 수술대(14) 위에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술 절차를 수행하기 위해 사용되는 원격조작 수술 시스템(10)의 평면도이다. 이 시스템은 수술 절차 중에 외과의(18)에 의해 사용되는 외과의 콘솔(16)을 포함할 수 있다. 한 명 이상의 보조원(20)도 수술 절차에 참여할 수 있다. 원격조작 수술 시스템(10)은 또한 환자측 카트(22) 및 전자장치 카트(24)를 포함할 수 있다. 환자측 카트(22)는, 외과의(18)가 콘솔(16)을 통해 수술 부위를 보고 있는 중에, 환자(12)의 신체 내의 최소 침습 절개부를 통해 적어도 하나의 제거가능하게 결합된 툴 어셈블리(26)(이하 간단히 "툴(tool)"이라 함)를 조작할 수 있다. 방위결정(orienting)을 위해 환자측 카트(22)에 의해 조작될 수 있는 입체 내시경과 같은 내시경(28)에 의해 수술 부위의 영상이 얻어질 수 있다. 외과의 콘솔(16)을 통해 외과의(18)에게 제공되는 후속적인 화면표시를 위해, 수술 부위의 영상을 처리하는 데 전자장치 카트(24)가 사용될 수 있다. 한번에 사용되는 수술 툴(26)의 개수는 일반적으로 무엇보다 진단 또는 수술 절차 그리고 수술실 내의 공간 제약에 좌우된다. 절차 중에 사용되는 하나 이상의 툴(26)을 교체하는 것이 필요한 경우에는, 보조원(20)이 환자측 카트(22)로부터 툴(26)을 제거하고, 그것을 수술실 내의 트레이(30)로부터 가져온 또 다른 툴(26)로 교체할 수 있다.
도 2는 외과의 콘솔(16)의 사시도이다. 외과의 콘솔(16)은 외과의(18)에게 깊이 지각을 가능하게 해주는 수술 부위의 통합 입체 뷰(coordinated stereo view)를 제공하는 좌안 디스플레이(32) 및 우안 디스플레이(34)를 포함한다. 콘솔(16)은 또한 환자측 카트(22)(도 1에 도시됨)가 하나 이상의 툴을 조작하게 만드는 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 포함한다. 입력 제어 장치(36)는 외과의에게 원격 현장감(telepresence) 또는 외과의가 툴(26)을 직접 제어한다는 강한 느낌을 가지도록 입력 제어 장치(36)가 툴(26)과 일체라는 지각을 제공하기 위해 관련된 툴(26)(도 1 도시)과 동일한 자유도를 제공할 것이다. 이를 위해, 위치, 힘 및 촉각 피드백 센서들(도시 안됨)이 툴(26)로부터의 위치, 힘 및 촉각 감각을 입력 제어 장치(36)를 통해 다시 외과의의 손으로 전달하기 위해 채용될 수 있다.
외과의 콘솔(16)은 외과의가 절차를 직접 모니터하고, 필요한 경우 몸소 현장에 위치하고, 전화 또는 다른 통신 매체를 통하기보다 직접 보조원에게 이야기할 수 있도록 환자와 같은 공간에 배치된다. 그러나 외과의는 다른 방, 완전히 다른 건물 또는 원격조작 수술 절차(즉, 무균 영역 외부에서 작동)를 허용하는 환자의 다른 원격 위치에 배치될 수 있다.하지만, 외과의는 원격 수술 절차를 허용하는 다른 공간, 완전히 다른 건물 또는 환자로부터의 다른 원격지에 위치될 수도 있다(즉, 무균 영역 외부에서 시술함).
도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 내시경(28)과 연결될 수 있고, 외과의 콘솔 위에서의 또는 근처 및/또는 원격지에 배치되는 또 다른 적합한 디스플레이 상에서의 외과의 등에게로의 후속적인 화면표시를 위해 촬영된 영상을 처리하는 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 입체 내시경이 사용되는 경우, 전자장치 카트(24)는 외과의에게 수술 부위의 통합 입체 영상(coordinated stereo image)을 제공하도록 촬영된 영상을 처리할 수 있다. 이러한 입체 영상의 통합(coordination)은 양쪽 영상들 간의 정렬을 포함할 수 있고, 입체 내시경의 입체 작동 거리(stereo working distance)를 조절하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 영상 처리는 광학 수차와 같은 영상 촬영 장치의 촬영 오차를 보정하기 위한 선결정된 카메라 보정 파라미터의 이용을 포함할 수 있다.
도 4는 원격조작 수술 시스템(50)(도 1의 원격조작 수술 시스템(10)과 같은)을 다이어그램으로 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 외과의 콘솔(52)(도 1의 외과의 콘솔(16)과 같은)은 외과의에 의해 최소 침습 수술 절차 중에 환자측 카트(54)(도 1의 환자측 카트(22)와 같은)를 제어하도록 사용될 수 있다. 환자측 카트(54)는 수술 부위의 영상을 촬영하고 촬영된 영상을 전자장치 카트(56)(도 1의 전자장치 카트(24)와 같은)로 출력하기 위해 입체 내시경과 같은 촬영 장치를 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 전자장치 카트(56)는 임의의 후속적인 화면표시 전에 다양한 방법으로 촬영된 영상을 처리할 수 있다. 예컨대, 전자장치 카트(56)는 결합된 영상을 외과의 콘솔(52)을 통해 외과의에게 화면표시하기 전에 촬영된 영상들을 가상 제어 인터페이스로 중첩시킬 수 있다. 환자측 카트(54)는 촬영된 영상들을 전자장치 카트(56) 외부에서 처리하도록 출력할 수 있다. 예컨대, 환자측 카트(54)는 촬영된 영상들을 처리하기 위해 사용될 수 있는 프로세서(58)로 촬영된 영상들을 출력할 수 있다. 영상들은 또한 촬영된 영상들을 공동적으로, 순차적으로 그리고/또는 공동과 순차의 조합으로 처리하도록 함께 결합될 수 있는 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 조합에 의해 처리될 수도 있다. 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)가 또한 수술 부위의 영상이나 임의의 다른 관련 영상과 같은 영상의 현지 및/또는 원격 디스플레이를 위해 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 결합될 수도 있다.
도 5a 및 5b는 각각 환자측 카트(22) 및 수술 툴(62)을 도시하고 있다. 수술 툴(62)은 수술 툴(26)의 한 예이다. 도시된 환자측 카트(22)는 3개의 수술 툴(26) 및 수술 부위의 영상의 촬영을 위해 사용되는 입체 내시경과 같은 촬영 장치(28)의 조작을 제공한다. 조작은 다수의 조인트를 갖는 기구에 의해 제공된다. 촬영 장치(28) 및 수술 툴(26)은 절개부의 크기를 최소화하기 위해 기구학적 운동 원격 중심(kinematic remote center)이 절개부에 유지되도록 환자의 절개부를 통해 위치결정되어 조작될 수 있다. 수술 부위의 영상은 수술 툴(26)의 원위 단부가 촬영 장치(28)의 시계 내에 위치결정될 때는 수술 툴(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다.
도 6은 다수의 실시예에 따른, 엔드 이펙터 바디(72)를 기기 샤프트(74)와 연결시키는 2 자유도 리스트(two degree-of-freedom wrist)(70)의 사시도이다. 리스트(70)는 지지 부재(76), 제1 힌지점(78), 중간 부재(80), 제2 힌지점(82) 및 제3 힌지점(84)을 포함한다. 지지 부재(76)는 도시된 바와 같이 기기 샤프트(74)의 보어 내에 위치되도록 4개의 부착 피처(attachment feature)(예컨대, 기계식 파스너)를 통해 기기 샤프트(74)에 고정 장착된다. 중간 부재(80)는 중심에 배치된 제1 힌지점(78)을 통해 제1 축(88)을 중심으로 회전하도록 지지 부재(76)와 피벗식으로 연결된다. 엔드 이펙터 바디(72)는 외주에 배치된 제2 힌지점(82) 및 외주에 배치된 제3 힌지점(84)을 통해 제2 축(90)을 중심으로 회전하도록 중간 부재(80)와 피벗식으로 연결된다. 제2 힌지점(82) 및 제3 힌지점(84)은 제2 축(90)과 동축으로 정렬되어 있다. 제2 축(90)은 중간 부재와 함께 제1 축(88)을 중심으로 피벗운동한다.
제1 축(88) 및 제2 축(90)은 소정의 기구학적 운동 및/또는 공간적 특성을 갖는 콤팩트한 2 자유도 리스트를 제공하도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 제1 축(88) 및 제2 축(90)은 동일 평면상에 있고, 그에 의해 볼-조인트형 기구학적 운동을 갖는 콤팩트한 리스트 부재를 제공할 수 있다. 다수의 실시예에서, 제1 축(88)과 제2 축(90)은 기기 샤프트(74)의 길이방향을 따라 소정의 거리만큼 이격되어 있다. 이러한 이격은 2 자유도 리스트를 통해 엔드 이펙터 바디(72)를 기기 샤프트(74)에 대해 방위결정시키는 데 사용되는 작동 시스템 구성요소들의 기구학적 운동에 리스트 기구의 기구학적 운동을 근사화(approximation) 및/또는 정합(matching)시키도록 사용될 수 있다. 다수의 실시예에서, 제1 축(88)과 제2 축(90)은 엔드 이펙터 바디(72)를 기기 샤프트(74)에 대해 방위결정시키는 데 사용되는 작동 시스템 구성요소들의 기구학적 운동을 근사적으로 정합시키는 콤팩트성(compactness)과 기구학적 운동의 소정의 조합을 갖는 2 자유도 리스트를 제공하도록 기기 샤프트(74)의 길이방향을 따라 소정의 거리만큼 이격된다. 예를 들어, 제1 축(88)과 제2 축(90) 사이의 4 mm 이격이 사용된 작동 시스템 구성요소들의 기구학적 운동을 정합시킨다면, 2 자유도 리스트는 더 콤팩트한 리스트를 제공하도록 더 작은 이격(예컨대, 2 mm)을 갖고 구성될 수 있다. 다수의 실시예에서, 이러한 이격 거리 절충은 사용되는 작동 시스템 방위 구성요소들의 기구학적 운동을 정확하게 정합시키지 못하는 것으로부터 상당히 유해한 작동 특성을 유발하는 일 없이 채용될 수 있다. 제1 축(88)과 제2 축(90)은 소정의 공간적 특성을 갖는 콤팩트한 2 자유도 리스트를 제공하도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 제1 축(88)과 제2 축(90)은 작동 시스템 구성요소들 및 관련 부착 피처를 위한 추가적인 공간을 제공하도록 이격될 수 있다.
지지 부재(76)는 기기 샤프트(74)와 제1 힌지점(78) 사이의 전이적 연결구(transitional fitting)를 제공한다. 지지 부재(76)는 직사각형 주 부분(92) 및 외팔보형 원위 부분(100)을 포함한다. 직사각형 주 부분(92)은 기기 샤프트 보어의 내경보다 더 작은 두께를 가지며, 보어의 2개의 인접 영역을 관절운동 및/또는 작동 구성요소(도시되지 않음)의 경로지정(routing)을 위해 개방된 상태로 남겨 둔다. 지지 부재 주 부분(92)은 기기 샤프트 보어 내에 경로지정되는 엔드 이펙터 제어 케이블을 가이드하는 데 사용될 수 있는 2개의 내부 통로(94)를 포함한다. 내부 통로(94)는 주 부분(92)의 근위 단부(96)와 주 부분(92)의 원위 단부(98) 사이에 경로지정되며, 일반적으로 기기 샤프트(74)의 길이방향과 정렬된다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 다수의 실시예에서, 내부 통로(94)는 중간 부재의 케이블 가이드 표면들과 함께 작동하여, 제1 축 및 제2 축을 중심으로 한 피벗운동 시에 일정한 제어 케이블 경로 길이를 유지시킴으로써 제어 케이블 장력을 변경시키는 것을 방지하도록 구성된다. 외팔보형 원위 부분(100)은 제1 힌지점(78)의 단일 피벗 샤프트를 수용하는 부착 러그(attachment lug)를 갖는다. 단일 피벗 샤프트의 사용은 단지 예시적인 것이며, 다른 피벗 조인트 구성요소가 제1 힌지점(78) 대신으로 사용될 수 있으며, 예를 들어 동일한 축 상에 정렬되는 2개의 피벗 핀이 사용될 수 있다. 지지 부재(76)는 예를 들어 기기 샤프트(74)에 대한 엔드 이펙터 바디(72)의 소정의 범위의 재방위결정(reorienting)을 위해 필요한 엔드 이펙터 바디(72)와 기기 샤프트(74) 사이의 간극(clearance)을 제공하는 등을 위해 기기 샤프트(74) 및 엔드 이펙터 바디(72)에 대한 소정의 위치에 제1 힌지점(78)(및 그에 따른 제1 축(88))을 배치시키도록 구성된다.
중간 부재(80)는 제1 힌지점(78), 제2 힌지점(82) 및 제3 힌지점(84) 사이의 전이적 연결구를 제공한다. 중간 부재(80)는 기기 샤프트 보어의 내경보다 더 작은 두께(지지 부재(76)의 주 부분(92)의 두께와 유사한)를 가지며, 2개의 인접 영역을 관절운동 및/또는 작동 구성요소(도시되지 않음)의 경로지정을 위해 개방된 상태로 남겨 둔다. 중간 부재(80)는 지지 부재 원위 부분(100)의 부착 러그를 수용하도록 구성된 중심 슬롯(102)을 포함한다. 중심 슬롯(102)은 제1 축(88)을 중심으로 한 중간 부재(80)의 회전 범위에 걸쳐 원위 부분(100)의 부착 러그를 수용하도록 구성된다. 중심 슬롯(102)은 또한 지지 부재 내부 통로(94)를 통해 경로지정되는 엔드 이펙터 제어 케이블(도시되지 않음)을 수용하도록 구성될 수 있다. 중심 슬롯(102)은 또한 엔드 이펙터 제어 케이블을 가이드하도록 구성된 표면들을 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 다수의 실시예에서, 중심 슬롯 케이블 가이드 표면들은 제1 축 및 제2 축을 중심으로 한 피벗운동 시에 실질적으로 일정한 제어 케이블 경로 길이를 유지시킴으로써 제어 케이블 장력을 변경시키는 것을 방지하도록 구성된다. 다수의 실시예에서, 중심 슬롯 케이블 가이드 표면들은 지지 부재(76)의 내부 통로(94)와 함께 작동하여, 제1 축 및 제2 축을 중심으로 한 피벗운동 시에 일정한 제어 케이블 경로 길이를 유지시킨다. 중심 슬롯(102)은 또한 제1 힌지점(78)의 단일 피벗 샤프트를 수용하는 대향 부착 플랜지를 제공한다. 제2 힌지점(82)은 중간 부재(80)의 제1 단부로부터 외팔보형으로 설치된 피벗 샤프트를 포함한다. 제3 힌지점(84)은 중간 부재(80)의 반대쪽 제2 단부로부터 외팔보형으로 설치된 피벗 샤프트를 포함한다. 외팔보형 피벗 샤프트의 사용은 단지 예시적인 것이며, 다른 적절한 피벗 조인트가 사용될 수 있다. 다수의 실시예에서, 제2 및 제3 힌지점(82, 84)의 위치 및 방위(그리고 그에 따른 제2 축(90)의 위치 및 방위)는 제1 축(88)에 대한 제2 축(90)의 소정의 위치 및 방위를 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 다수의 실시예에서, 제1 축 및 제2 축은 동일 평면상에 있지 않다. 다수의 실시예에서, 제1 축 및 제2 축은 동일 평면상에 있다. 다수의 실시예에서, 제1 축(88)에 대한 제2 축(90)의 위치 및/또는 방위는 기기 샤프트(74)에 대한 엔드 이펙터 바디(72)의 운동을 위한 소정의 기구학적 운동을 제공하도록 선택된다.
도 7은 제1 축(88)을 중심으로 한 중간 부재(80)와 지지 부재(76) 사이의 회전 자유도 및 제2 축(90)을 중심으로 한 엔드 이펙터 바디(도시되지 않음)와 중간 부재(80) 사이의 회전 자유도를 예시하는, 도 6의 2 자유도 리스트(70)의 사시도이다. 지지 부재(76)는 예를 들어 엔드 이펙터 바디의 운동을 위한 공간을 제공하도록 엔드 이펙터 바디와 기기 샤프트 사이에 간극을 제공하는 등을 위해 기기 샤프트(74)의 원위 단부로부터 원위측인 소정의 위치에 제1 힌지점(78)를 위치결정시키도록 기기 샤프트(74)에 장착된다. 중간 부재 중심 슬롯(102)은 엔드 이펙터 제어 케이블(도시되지 않음)의 경로지정을 수용하도록 중간 부재(80)의 엔드 이펙터 바디에 가까운 쪽으로 개방되어 있다. 도 7의 관찰 방향에서는, 지지 부재(76)의 하나의 내부 통로(94)를 볼 수 있고, 다른 내부 통로(94)는 보이지 않는다. 다수의 실시예에서, 하나의 제어 케이블이 2개의 내부 통로(94)의 각각을 통해 경로지정된다. 이러한 2개의 제어 케이블의 각각은 또한 중간 부재 중심 슬롯(102)을 통해 제1 축(88)의 양측에 각각 하나씩 경로지정된다.
도 8은 다수의 실시예에 따른, 2 자유도 리스트(70)를 갖는 툴 어셈블리(104)의 간략화된 개략도이다. 툴 어셈블리(104)는 근위 작동 어셈블리(106), 메인 샤프트(108), 엔드 이펙터(110)의 관절운동형 엔드 이펙터 베이스 및 2 자유도 리스트(70)를 포함한다. 다수의 실시예에서, 근위 작동 어셈블리(106)는 엔드 이펙터 베이스를 메인 샤프트(108)에 대해 2차원적으로 선택적으로 재방위결정시키도록 엔드 이펙터 베이스와 작동적으로 연결되고, 하나 이상의 엔드 이펙터 피처(end effector feature)를 엔드 이펙터 베이스에 대해 관절운동시키도록 엔드 이펙터(110)와 작동적으로 연결된다. 예를 들어 제어 케이블, 케이블/하이포튜브(hypotube) 조합체, 드라이브 샤프트, 풀 로드(pull rod) 및 푸시 로드(push rod)와 같은 다양한 작동 구성요소가 작동 어셈블리(106)를 엔드 이펙터(110)와 연결시키는 데 사용될 수 있다. 다수의 실시예에서, 작동 구성요소들은 메인 샤프트(108)의 보어를 통해 작동 어셈블리(106)와 엔드 이펙터(110) 사이에서 경로지정된다. 이러한 연결의 세부 사항이 전술한 미국 특허공개 제20140183244호에서 찾아볼 수 있다.
툴 어셈블리(104)는 예를 들어 근위 작동 기구(106)에 사용되는 수동식 및/또는 자동화된 작동을 갖는 핸드헬드(handheld) 장치와 같은 다양한 적용예에 사용되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 툴 어셈블리(104)는 최소 침습 로봇 수술을 넘어, 예를 들어 비로봇식 최소 침습 수술, 비로봇식 비최소 침습 수술, 또한 2 자유도 리스트의 사용이 유리한 다른 적용예와 같은 적용예들을 가질 수 있다. 리스트(70)는 전술한 미국 특허공개 제20140183244호에 개시된 바와 같은 수술 스테이플링 장치(이에 한정되지 않음)를 포함하는 다양한 엔드 이펙터에 연결될 수 있다.
툴 어셈블리(104)는 툴 어셈블리를 제어하기 위한 적어도 하나의 프로세서 및 여기에 설명되는 방법 동작들을 수행하기 위해 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행가능한 비일시적 명령어를 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있는 제어 시스템(111)에 전자적으로 연결된다. 제어 시스템(111)은 툴 어셈블리의 임의의 부분과 같은 임의의 적합한 위치에 배치될 수 있으며, 또는 제어 시스템(111)은 환자측 카트(22/54)나 외과의 콘솔(16)의 서브시스템의 일부일 수 있다. 일반적으로, 제어 시스템(111)은 여기에 개시되는 방법들을 수행하기 위한 명령어를 실행하도록 구성된다.
도 9는 툴 어셈블리(104)의 개략도이다. 엔드 이펙터(110)는 힌지(116)에 의해 하부측 조 부분(lower jaw portion)(114)에 연결된 상부측 조 부분(upper jaw portion)(112)를 포함한다. 상부측 조 부분(112)은 힌지(116)에서의 상부측 조 부분(112)의 회전에 의해 하부측 조 부분(114)에 대해 개폐될 수 있다. 이 실시예에서, 하부측 조 부분(114)은 힌지를 지지하기 때문에 힌지(116)에서 작동할 수 없다. 하지만, 다른 실시예에서, 양측 조 부분 모두가 힌지(116)에서 작동할 수 있다. 하부측 조 부분(114)은 힌지(116)에서 상부측 조 부분(112)을 작동시키기 위한 하나 이상의 기구를 포함한다. 이러한 기구의 세부 사항은 전술한 미국 특허공개 제20140183244호에서 찾아볼 수 있다. 이와 같이, 하부측 조 부분(114)은 상부측 조 부분(112)을 지지하면서 리스트(70)에서 피치운동 및 요운동할 수 있다.
도 10은 하부측 조 부분(114)에 대한 상부측 조 부분(112)의 작동을 위한 툴 어셈블리(104)의 제1 작동 모드를 도시한다. 작동 시, 축 A-A 상의 상부측 조 부분(112)은 축 B-B 상의 하부측 조 부분(114)을 향해 상대 운동한다. 단순화를 위해, 메인 샤프트의 축 C-C는 축 B-B와 동일 선상이도록 도시되어 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 메인 샤프트(108)의 회전 및 리스트(70)에서의 하부측 조 부분(114)의 운동과 같은 툴 어셈블리(104)의 다른 작동들이 이 시간 동안 발생할 수 있지만, 일반적으로 축 B-B는 엔드 이펙터(110)의 보다 엄밀한 수술 작업을 위해 공간 내에서 고정적으로 유지될 수 있다.
도 11은 하부측 조 부분(114)에 대한 상부측 조 부분(112)의 작동을 위한 툴 어셈블리(104)의 제2 작동 모드를 도시한다. 경우에 따라서는, 카메라와 관련한 외과의의 관찰은 상부측 조 부분(112)이 힌지(116)에서 하부측 조 부분(114)에 대해 폐쇄되도록 작동되는 동안에 상부측 조 부분(112)의 축 A-A가 환자에 대해 상대적으로 고정적으로 유지되는 것을 바람직한 것으로 할 수 있다. 따라서, 제2 작동 모드에서는, 공간 내에서의 축 A-A의 고정적인 위치결정을 제공하기 위해, 상부측 조 부분(112)이 하부측 조 부분(114)을 향해 작동됨에 따라, 하부측 조 부분(114)이 재방위결정 및/또는 재위치결정될 수 있다(예를 들어, 리스트(70)의 관절운동을 통해). 하부측 조 부분(114)의 작동은 하부측 조 부분(114)이 상부측 조 부분(112)에 대해 재방위결정되는 동안 상부측 조 부분(112)이 공간 내에서 고정적으로 유지되도록 리스트(70) 및/또는 기기 샤프트(108)의 관절운동을 통해 달성될 수 있다.
도시된 실시예에서, 리스트(70)와 힌지(116) 사이의 공간적 이격으로 인해, 공간 내에서의 상부측 조 부분(112) 및 축 A-A의 위치는 항상 정밀하게 유지되는 것은 아닐 수도 있겠지만, 외과의의 목적을 위해서는 실질적으로 충분하게 유지될 수 있다. 다시 말해, 공간 내에서의 상부측 조 부분(112)의 위치는 다소 변동될 수도 있겠지만, 공간 내에서 하부측 조 부분(114)이 움직여지는 것보다는 실질적으로 더 적게 변동될 수 있다. 이는 환자측 카트(22)의 기구학적 제약 또는 경우에 따라서는 환자측 카트(22) 및/또는 툴 어셈블리(104)의 요소(aspect)들과의 잠재적 충돌 가능성으로 인해 소정의 조작을 막는 신체 장벽(복벽과 같은)에 기인한 것을 수 있다. 하지만, 경우에 따라서는, 조 부분들의 작동이 공간 내에서의 축 A-A 및 힌지(116)의 정확한 위치를 유지시키는 것을 돕도록 발생하는 동시에 리스트(70)의 위치를 이동시키도록 공간 내에서의 샤프트(108)의 운동이 수행될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 환자측 카트(22)의 암의 하나 이상의 가동 요소(moveable aspect)가 주위 공간 내에서의 상부측 조 부분(112) 및 축 A-A의 정확한 위치를 유지시키도록 조작될 수 있다. 경우에 따라서는, 이것은 툴 어셈블리(104)를 유지하는 암의 최대 7축의 운동의 협조 운동을 필요로 할 수 있다. 그와 같은 암 및 운동의 축의 예가 여기에 참조되는 미국 특허 제7,594,912호 및 미국 특허공개 제20130325032호에 개시되어 있다. 전술한 리스트(70)와 힌지(116)의 특별한 이격으로 인해, 도 11에 도시된 바와 같은 리스트(70)는 상부측 조 부분(112)의 위치를 정밀하게 유지시키기 위해, 환자측 카트(22)의 제어 및 툴 어셈블리(104)를 유지하는 암의 여러 가동 요소들의 조작을 통해 하향 운동될 수 있다.
도 11에 도시된 제2 작동 모드는 상부측 조 부분(112)의 하부측 조 부분(114)에 대한 관절운동에 리스트(70)의 동시적 관절운동이 동반되어, 상부측 조 부분(112)이 공간 내에서 실질적으로 고정적으로 유지된다는 점에서 도 10에 도시된 제1 작동 모드와 다르다. 이와 대조적으로, 도 10에 도시된 제1 작동 모드에서는, 상부측 조 부분(112)의 하부측 조 부분(114)에 대한 관절운동은 리스트(70)의 관절운동과 독립적으로 발생하여, 상부측 조 부분(112)이 공간 내에서 위치를 변경시킨다. 제2 작동 모드는 임의의 적합한 수술 툴의 작동을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 툴의 임의의 적합한 요소가 상부측 조 부분(112)의 하부측 조 부분(114)에 대한 작동 중에 고정적으로 유지되도록 선택될 수 있다.
제2 작동 모드는 다수의 상이한 방식으로 실행될 수 있다. 예를 들어, 제2 작동 모드는 콘솔(16)에서 제공되는 옵션일 수 있다. 다른 실시예들에서, 제2 작동 모드는 지정된 절차, 엔드 이펙터(110) 상에 배치된 물리적 선택 스위치 또는 엔드 이펙터(110) 내로 공급되는 스테이플러 카트리지(또는 다른 툴 인서트(tool insert)) 상에 배치된 전자 식별자의 결과로서의 디폴트(default)로 이루어질 수 있다. (카트리지는 사용자에 대한 식별력을 위해 컬러 기반과 같이 컬러 코드화된다.) 다른 실시예들에서, 제2 작동 모드는 리스트(70)가 특정 위치 또는 각도로 관절운동될 때 실행된다. 다른 실시예들에서, 제2 작동 모드의 각도 한계는 사용자에 의해 조정될 수 있다. 또한, 이러한 예들에서 상부측 조 부분(112)이 고정적으로 유지되는 엔드 이펙터의 기준 요소(reference aspect)로서 사용되고 있지만, 툴 어셈블리(104)의 임의의 적합한 요소가 그 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 상부측 조 부분(112)과 하부측 조 부분(114) 사이의 개방된 각도 사이의 축과 같은 가상의 기준 축이 선택되어 고정적으로 유지될 수 있다. 가상의 기준 축은 콘솔(16) 상에 적절한 화면표시 요소에 의해 표현될 수 있다. 또 다른 예로서, 툴의 임의의 적합한 부분이 선택되어 고정적으로 유지될 수 있다. 사용자는 툴 어셈블리(104)의 작동 전이나 작동 중에 툴 어셈블리(104)의 관절운동 중에 고정되도록 유지될 그러한 기준 축 또는 대상을 선택할 수 있다. 엔드 이펙터의 적합한 선택가능한 기준 요소들이 실시간 선택가능 옵션 리스트로서 콘솔(16) 상에 시각적으로 제공될 수 있다.
도 12는 하부측 조 부분(114)이 리스트(70)에 대해 기구학적 한계에 위치하고 있는 예를 도시한다. 여기서, 축 B-B와 축 C-C 사이의 각도(α)는 리스트(70) 및 하부측 조 부분(114)의 기구학적 제약으로 인해 최대이다. 이 위치는 상부측 조 부분(112)이 힌지(116)에서 자유롭게 피벗운동하기 때문에 도 10에 도시된 제1 작동 모드를 방해하지 않는다. 이 위치는 또한 각도(α)가 증가될 필요가 없고 감소되는 것만이 필요하기 때문에 하부측 조 부분(114)에 요구되는 상대 운동이 리스트(70)에 의해 방해되지 않기 때문에 도 11에 도시된 제2 작동 모드를 방해하지 않는다.
도 13은 하부측 조 부분(114)이 리스트(70)에 대해 기구학적 한계에 위치하고 있는 또 다른 예를 도시한다. 여기서, 축 B-B와 축 C-C 사이의 각도(α1)는 리스트(70) 및 하부측 조 부분(114)의 기구학적 제약으로 인해 최대이다. 이 위치는 상부측 조 부분(112)이 힌지(116)에서 자유롭게 피벗운동하기 때문에 도 10에 도시된 제1 작동 모드를 방해하지 않는다. 하지만, 이 위치는 각도(α1)가 더 이상 증가될 수 없기 때문에 하부측 조 부분(114)에 요구되는 상대 운동이 리스트(70)에 의해 방해되기 때문에 도 11에 도시된 제2 작동 모드를 방해한다.
제2 작동 모드가 요구되는 그러한 상황에서, 다수의 대안적인 모드가 일어날 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 작동 모드에서, 하부측 조 부분(114)의 피치 및 요가 전자적으로 (α1 - x)로 제한되고, 그 결과 각도(α1)가 필요한 경우에 x 크기만큼 증가될 수 있으며, 여기서 x는 제2 작동 모드를 제공하기 위한 최소 각도이다. 다른 실시예에서, 하부측 조 부분(114)의 피치 및 요는 제한되지 않으며, 콘솔(16)이 제2 작동 모드가 유효하지 않다는 표시를 외과의에게 제공하도록 구성된다. 또한 다른 실시예에서, 하부측 조 부분(114)의 피치 및 요는 제한되지 않으며, 그러한 상황에서 엔드 이펙터(110)의 운동이 자동적으로 제1 작동 모드로 전환된다. 일부 실시예에서, 각도(α1)는 엄격한 정지점(hard stop)에 있지 않을 수 있지만, 제2 작동 모드의 완전한 동작을 제공하기 위한 적절한 위치에 있지는 않다. 이러한 경우, 제2 작동 모드는 각도(α1)에 의해 제공되는 최대 크기까지 실행될 수 있고, 그 후에 제1 작동 모드가 조 부분들의 폐쇄를 완료하도록 실행될 수 있다. 따라서, 운동의 특정 부분은 상부측 조 부분(112)에 의해 수행될 수 있고, 운동의 특정 부분은 하부측 조 부분(114)에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 운동의 작은 부분만이 제2 작동 모드를 통해 성취될 수 있는 경우, 제1 작동 모드로의 전환이 자동적으로 수행될 수 있다.
도 14는 엔드 이펙터(110)와 같은 엔드 이펙터를 갖는 툴 어셈블리(104)와 같은 툴을 작동시키는 방법(120)을 도시한다. 방법(120)은 본 명세서에 설명되는 수술 시스템과 같은 임의의 적합한 수술 시스템을 사용하여 실시될 수 있다. 다수의 실시예에서, 방법(120)은 제어 시스템(111)의 프로세서와 같은 적어도 하나의 프로세서를 사용하여 수행된다.
방법(120)은 컨트롤러에 의해, 엔드 이펙터를 폐쇄 또는 개방하라는 명령을 수신하는 단계(단계 122)를 포함한다. 임의의 적합한 엔드 이펙터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 엔드 이펙터는 힌지에 의해 제2 조 부재에 연결된 제1 조 부재를 포함할 수 있다. 엔드 이펙터는 리스트에 의해 기기 샤프트에 연결될 수 있으며,리스트는 엔드 이펙터를 기기 샤프트에 대해 관절운동시켜 엔드 이펙터를 환자에 대해 재방위결정 및/또는 재위치결정시키도록 재구성(reconfiguration) 가능하다. 일부 실시예에서, 기기 샤프트도 공간 내에서 엔드 이펙터를 재방위결정 및/또는 재위치결정시키도록 관절운동될 수 있다.
방법(120)은 컨트롤러에 의해, 엔드 이펙터의 기준 요소를 지정하는 입력값을 수신하는 단계(단계 124)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명되는 기준 요소들과 같은 임의의 적합한 실제적인 요소 또는 가상의 요소를 포함하는 엔드 이펙터의 임의의 적합한 기준 요소는 사용자 및 컨트롤러에 제공되는 대응하는 입력값에 의해 지정될 수 있다. 대안적으로, 엔드 이펙터의 디폴트 기준 요소(default reference aspect)가 사용될 수 있다. 엔드 이펙터의 기준 요소는 또한 엔드 이펙터의 현재의 방위 및/또는 위치와 같은 임의의 적합한 알려진 상태 정보에 기초하여 컨트롤러에 의해 선택될 수 있다. 예를 들어, 공간 내에서의 엔드 이펙터의 현재의 방위 및/또는 위치는 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방 중에 엔드 이펙터와 인접한 환자의 조직 사이의 원치 않는 접촉을 방지하도록 인접한 환자의 조직에 가장 근접하게 위치되는 기준 요소를 선택하는데 사용될 수 있다.
방법(120)은 또한 명령에 응답하여 컨트롤러에 의해, 공간 내에서의 엔드 이펙터의 기준 요소의 위치 및/또는 방위가 실질적으로 유지되도록 (a) 제1 조 부재를 제2 조 부재에 대해 운동시키는 동작과, (b) 엔드 이펙터를 기기 샤프트에 대해 방위결정시키도록 리스트를 작동시키는 동작을 동시적으로 행하도록 엔드 이펙터의 관절운동을 제어하는 단계(단계 126)를 포함한다. 엔드 이펙터의 임의의 적합한 동시적인 관절운동이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 조 부재가 제2 조 부재에 대해 재방위결정되는 동안에 엔드 이펙터의 기준 요소가 실질적으로 고정적으로 유지되도록, 리스트가 엔드 이펙터를 기기 샤프트에 대해 관절운동시키도록 재구성될 수 있다. 또한, 제1 부재가 제2 조 부재에 대해 운동하는 동안에 엔드 이펙터의 기준 요소가 실질적으로 고정적으로 유지되도록, 기기 샤프트가 공간 내에 엔드 이펙터를 방위결정시키도록 단독으로 또는 리스트의 관절운동과 조합하여 관절운동될 수 있다.
방법(120)은 컨트롤러에 의해, 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방 중에 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키기 위한 엔드 이펙터의 운동이 운동 한계를 초과하는지를 판정하는 단계(단계 128)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방 중에 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키기 위한 엔드 이펙터의 운동을 생성하는데 사용될 수 있는 리스트 및/또는 기기 샤프트의 재구성이 리스트 및/또는 기기 샤프트의 나머지 유효한 재구성과 비교될 수 있다. 컨트롤러가 리스트 및/또는 기기 샤프트의 현재의 구성으로부터 유효한 재구성이 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방의 전체에 걸쳐 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키기에 충분하다고 판정하면, 컨트롤러는 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방의 전체에 걸쳐 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키도록 엔드 이펙터의 관절운동을 제어하는 단계로 진행할 수 있다. 컨트롤러가 리스트 및/또는 기기 샤프트의 현재의 구성으로부터 유효한 재구성이 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방의 전체에 걸쳐 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키기에 불충분하다고 판정하면, 컨트롤러는 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방의 대응하는 부분에 걸쳐 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키도록 엔드 이펙터의 관절운동을 제어하는 단계로 진행할 수 있다.
또한, 컨트롤러는 엔드 이펙터의 폐쇄 또는 개방의 전체에 걸쳐 엔드 이펙터의 기준 요소를 고정적으로 유지시키도록 엔드 이펙터를 동시적으로 관절운동시키지 않고 엔드 이펙터를 폐쇄 또는 개방하는 것을 가능하게 해주도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 방법(120)은 컨트롤러에 의해, 엔드 이펙터를 폐쇄 또는 개방하라는 제2 명령을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 제2 명령의 수신에 응답하여, 컨트롤러는 공간 내에서의 엔드 이펙터의 기준 요소의 위치 및/또는 방위가 실질적으로 유지되도록 엔드 이펙터를 동시적으로 관절운동시키지 않고(예를 들어, 리스트 및/또는 기기 샤프트의 관절운동을 통한), 제1 조 부재를 제2 조 부재에 대해 재방위결정시키도록 엔드 이펙터의 관절운동을 제어할 수 있다(단계 130).
다른 변경예들도 본 발명의 기술사상 내에 있다. 기술된 실시예들의 다양한 양태, 실시예, 구현예 또는 특징은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 수술 툴의 작동과 관련된 기술된 실시예들의 다양한 양태는 소프트웨어, 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명이 다양한 수정 및 변경이 용이지만, 특정 실시예를 도면에 도시하여 상세히 설명하였다. 하지만, 본 발명을 개시한 특정 형태로 한정하고자 하는 것은 아니며, 그 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 한정된 바와 같은 발명의 범위에 속하는 모든 수정, 변경 구조 및 균등적 구성을 커버하고자 한다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 설명하는 문맥에서(특히 이하의 청구범위의 문맥에서)에서의 "하나의", "그 하나의" 및 이와 유사한 표현은, 달리 지시되지 않았거나 문장에서 명백하게 부정되지 않았다면, 단일 형태와 복수 형태를 모두 포괄하는 것을 해석되어야 한다. "포함하다", "가지다", "구비하다", "보유하다"의 상당 표현은, 달리 지시되지 않았다면, 개방형의 표현(즉, 구비하되 그것에 한정되지 않는다는 것을 의미)으로 해석되어야 한다. "연결되다"의 상당 표현은, 달리 지적되지 않았다면, 일부 또는 전체가 수용되거나, 부착되거나, 서로 결합되는 것으로 해석되어야 한다. 여기에서의 수치값의 범위의 기술은, 달리 지시되지 않았다면, 단지 그 범위 내에 속하는 각각의 개별의 수치값을 개별적으로 기술하는 것을 대신하는 방법으로 작용하며, 각각의 개별의 수치값은 마치 개별적으로 언급된 것처럼 본 명세서에 포함된다. 여기에 설명되는 모든 방법은, 달리 지시되지 않았거나 문장에서 명백하게 부정되지 않았다면, 임의의 적합한 순서로 실행될 수 있다. 실시예의 사용 또는 여기에 사용된 예시의 표현(예컨대, "와 같은")는 단지 발명을 더 명확하게 설명하기 위한 것으로, 달리 청구되지 않는다면 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서 내의 어떠한 표현도 본 발명의 실시예 필수적인 것으로 청구되지 않은 요소를 지시하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명자들에게 알려진 본 발명을 실시하기 위한 최적의 모드를 포함하여, 바람직한 실시예를 설명하였다. 그러한 바람직한 실시예의 변경은 이상의 설명으로부터 당업자에게 자명할 수 있다. 본 발명자들은 당업자가 그러한 변경을 적절히 채용할 것으로 기대하며, 본 발명자들은 본 발명이 여기에 특정적으로 설명된 것과 다른 방식으로 실시되는 것을 의도하고 있다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법에 의해 허용되는 것으로서 첨부의 청구범위에 기술된 청구대상의 모든 변경들 및 균등 사항들을 포함한다. 또한, 모든 가능한 변형에 있어 전술한 요소들의 임의의 조합도, 달리 지시되지 않았거나 문장에서 명백하게 부정되지 않았다면, 본 발명에 포함되는 것이다.

Claims (23)

  1. 엔드 이펙터의 운동을 제어하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    컨트롤러에 의해, 상기 엔드 이펙터의 제2 조 부재에 대해 상기 엔드 이펙터의 제1 조 부재를 재방위결정시키라는 명령을 수신하는 단계로서, 상기 제2 조 부재는 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키도록 재구성 가능한 리스트(wrist)에 의해 기기 샤프트에 연결되고, 상기 제1 조 부재는 상기 제2 조 부재에 의해 지지되고 상기 리스트로부터 공간적으로 이격된 힌지에 의해 상기 제2 조 부재에 연결되는 단계; 및
    상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키라는 상기 명령에 응답하여 상기 컨트롤러에 의해, 동시적인 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정 및 상기 리스트의 재구성을 제어하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 조 부재는, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 단계 중에, 공간 내에서 실질적으로 고정적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 조 부재는, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 단계 중에, 상기 제1 조 부재를 향해 운동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 조 부재는, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 단계 중에, 상기 제2 조 부재에 대해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 조 부재는 상기 힌지에서 피벗운동하여 상기 제2 조 부재에 대해 폐쇄되도록 구성되고;
    상기 제2 조 부재는 상기 힌지에서 피벗운동하도록 구성되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 단계는 상기 기기 샤프트를 관절운동시켜 상기 힌지를 이동시키기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 컨트롤러에 의해, 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시켜 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정을 달성하기 위한 상기 리스트의 재구성이 상기 리스트의 기구학적 제약을 받는지를 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 것을 상기 기기 샤프트에 대한 상기 제2 조 부재의 재방위결정을 달성하기 위한 상기 리스트의 재구성이 상기 리스트의 기구학적 제약을 받는지 여부에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의해, 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키라는 제2 명령을 수신하는 단계; 및
    상기 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키라는 상기 제2 명령의 수신에 응답하여 상기 컨트롤러에 의해, 동시적인 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정 및 상기 리스트의 재구성을 제어하여, 상기 제2 조 부재를 고정적으로 유지하면서 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의해, 상기 엔드 이펙터의 기준 요소를 지정하는 입력값을 수신하는 단계; 및
    동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 단계 중에, 상기 엔드 이펙터의 기준 요소의 공간 내의 방위와 공간 내의 위치 중 적어도 하나를 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 리스트는 상기 제2 조 부재를 상기 기기 샤프트에 대해 요 축 및 상기 요 축에 수직인 피치 축을 중심으로 재방위결정시키도록 재구성 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 로봇 수술 시스템에 있어서,
    엔드 이펙터, 리스트 및 상기 리스트에 연결된 원위 단부를 갖는 기기 샤프트를 포함하는 로봇 암으로서, 상기 엔드 이펙터가 제1 조 부재, 제2 조 부재 및 상기 제1 조 부재가 상기 제2 조 부재에 피벗식으로 연결되게 해주는 상기 제2 조 부재에 의해 지지되는 힌지를 포함하고, 상기 엔드 이펙터는 상기 리스트에 연결되고, 상기 리스트는 상기 제2 조 부재를 상기 기기 샤프트에 대해 재방위결정시키도록 재구성 가능하고, 상기 힌지는 상기 리스트로부터 공간적으로 이격되는, 로봇 암; 및
    상기 로봇 암을 작동시키기 위한 컨트롤러로서, 적어도 하나의 프로세서 및 메모리 장치를 포함하고 있고, 상기 메모리 장치가 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행가능한 명령어로서 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금
    상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정을 달성하라는 명령을 수신하고,
    상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정을 달성하라는 상기 명령의 수신에 응답하여, 동시적인 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정 및 상기 리스트의 재구성을 제어하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키도록 만드는 명령어를 저장하게 되어 있는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 조 부재는, 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정 중에 고정적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제2 조 부재는, 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정 중에 상기 제1 조 부재를 향해 운동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 조 부재는, 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정 중에 상기 제2 조 부재에 대해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 조 부재는 상기 힌지에서 피벗운동하여 상기 제2 조 부재에 대해 폐쇄되도록 구성되고;
    상기 제2 조 부재는 상기 힌지에서 피벗운동하도록 구성되지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 것은 상기 기기 샤프트를 관절운동시켜 상기 힌지를 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시켜 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대한 상기 제2 조 부재의 재방위결정을 달성하기 위한 상기 리스트의 재구성이 상기 리스트의 기구학적 제약을 받는지를 판정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 것을 상기 기기 샤프트에 대한 상기 제2 조 부재의 재방위결정을 달성하기 위한 상기 리스트의 재구성이 상기 리스트의 기구학적 제약을 받는지 여부에 기초하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 12 항에 있어서, 상기 메모리 장치는 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행가능한 명령어로서 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금
    상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 제2 재방위결정을 달성하라는 제2 명령을 수신하고,
    상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 제2 재방위결정을 달성하라는 상기 제2 명령의 수신에 응답하여, 동시적인 상기 제2 조 부재에 대한 상기 제1 조 부재의 재방위결정 및 상기 리스트의 재구성을 제어하여, 상기 제2 조 부재를 고정적으로 유지하면서 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키도록 만드는 명령어를 저장하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 12 항에 있어서, 상기 메모리 장치는 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행가능한 명령어로서 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금 상기 엔드 이펙터의 기준 요소를 지정하는 입력값을 수신하게 만드는 명령어를 저장하고,
    동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 중에, 상기 엔드 이펙터의 기준 요소의 공간 내의 방위와 공간 내의 위치 중 적어도 하나가 유지되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 12 항에 있어서, 상기 리스트는 상기 제2 조 부재를 상기 기기 샤프트에 대해 요 축 및 상기 요 축에 수직인 피치 축을 중심으로 재방위결정시키도록 재구성 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 12 항에 있어서, 동시적으로 상기 제2 조 부재에 대해 상기 제1 조 부재를 재방위결정시키고 상기 리스트를 재구성하여 상기 기기 샤프트에 대해 상기 제2 조 부재를 재방위결정시키는 중에, 상기 엔드 이펙터의 기준 요소의 공간 내의 방위와 공간 내의 위치 중 적어도 하나가 유지되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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