KR102160691B1

KR102160691B1 - 수술 기구 매니퓰레이터 양태들

Info

Publication number: KR102160691B1
Application number: KR1020147035991A
Authority: KR
Inventors: 브루스 마이클 쉐나; 로만 엘 데벤젠조; 개리 씨 에팅거
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN104349741B; KR102222959B1; US20190328468A1; CN107049493B; EP3915504C0; US20130325032A1; KR20210128504A; JP2015519146A; CN111467038A; JP6411999B2; CN116492066A; EP3915504B1; EP3915504A1; JP2023083381A; CN104349741A; US20160346050A1; KR102396142B1; JP6907299B2; US9339344B2; JP6640947B2

Abstract

최소 침습 로봇 수술에서 사용하기 위한 원격 중심 매니퓰레이터는 환자에 대해 정지상태로 유지되어 있는 베이스 링크, 기구 홀더, 및 기구 홀더를 베이스 링크에 결합하는 링크장치를 포함한다. 링크장치의 제 1 링크 및 제 2 링크는, 제 2 링크의 운동을 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 제 1 축을 중심으로 하는 회전으로 한정하도록 결합된다. 링크장치의 평행사변형 링크장치 부분은 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 제 2 축 둘레에서 기구 홀더를 피칭운동시킨다. 제 2 축은 90도를 제외한 0이 아닌 각도만큼 제 1 축으로부터 각도상으로 오프셋되어 있다.

Description

수술 기구 매니퓰레이터 양태들{SURGICAL INSTRUMENT MANIPULATOR ASPECTS}

본 출원은 미국 특허출원 제61/654,377호(2012년 6월 1일자로 출원됨)의 이익을 주장하고, 그 전체내용은 본 명세서에 참조사항으로 통합되어 있다.

본 발명은 최소 침습 의료 기술 분야의 수술 기구 매니퓰레이터 양태들에 관한 것이다.

최소 침습 의료 기술은 진단 과정 또는 수술 과정 동안 손상되는 조직의 양을 축소하는 것이 의도되어 있고, 이로써 환자의 회복 기간, 불편 및 유해한 부작용을 감소시키는 것이 가능하다. 최소 침습 수술의 한가지 효과는, 예컨대 수술 후 병원에서의 회복 기간의 축소이다. 표준 개복 수술에 있어서의 평균 입원 기간이 유사한 최소 침습 수술에 있어서의 평균 입원 기간보다 상당히 장기간인 것이 통상적이기 때문에, 최소 침습 기술의 이용이 증가되면 매년 수백만 달러의 병원 비용을 절감할 수 있다. 미국 내에서 매년 행해지는 다수의 수술이 잠재적으로는 최소 침습 방식으로 행해질 수 있지만, 최소 침습 수술 기구들 및 이를 다루는데 숙달시키는 것과 관련된 부가적인 수술상 훈련의 한계들 때문에, 현재의 수술 중 일부만이 이러한 유리한 기술을 이용한다.

최소 침습 로봇 수술 시스템 또는 원격수술 시스템은, 외과의사의 숙련도를 향상시키면서 종래의 최소 침습 기술 상의 한계들 중 일부를 회피하도록 개발되어 왔다. 원격수술에서, 외과의사는 수술 기구를 직접 손으로 쥐거나 움직이지 않고 수술 기구의 움직임을 조작하는 원격 제어(예컨대 서보메커니즘 또는 이와 유사한 것)의 일부 형태를 이용한다. 원격수술 시스템에서, 외과의사에게는 수술 작업대의 수술 부위의 이미지가 제공될 수 있다. 외과의사는 디스플레이 상의 수술 부위의 2차원 내지 3차원 이미지를 관찰함과 동시에, 서보 메커니즘적으로 작동되는 종속 기구들의 운동을 차례로 제어하는 마스터 제어 장치들을 조작함으로써 환자에 대한 수술 과정들을 행한다.

원격수술에 사용되는 서보메커니즘은 2개의 마스터 컨트롤러들(각각의 외과의사의 손들을 위한 것)로부터 입력값을 종종 받아들일 수 있고, 2개 이상의 로봇 아암들을 포함할 수 있는데, 각각의 로봇 아암 상에는 수술 기구가 장착된다. 마스터 컨트롤러들과, 연계된 로봇 아암 및 기구 어셈블리들 사이의 작동 통신(operative communication)은 통상적으로 제어 시스템을 통해 달성된다. 제어 시스템은 통상적으로 적어도 하나의 프로세서를 포함하는데, 이 프로세서는 입력 명령들을 마스터 컨트롤러들로부터 연계된 로봇 아암 및 기구 어셈블리들에게 중계하고, 예컨대 포스 피드백 또는 이와 유사한 것이 있는 경우에는 입력 명령들을 기구 및 아암 어셈블리들로부터 연계된 마스터 컨트롤러들에게 다시 중계한다. 로봇 수술 시스템의 일 예시는 캘리포니아 써니베일에 있는 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드에 의해 상용화된 다빈치 시스템(DAVINCI^® system)이다.

다양한 구조적 장치(structural arragnement)는 로봇 수술 동안 수술 부위에 있는 수술 기구를 지지하는데 사용되어 왔다. 구동식 링크장치 또는 "종속장치(slave)"는 종종 로봇 수술 매니퓰레이터로 칭해지고, 최소 침습 로봇 수술 동안의 로봇 수술 매니퓰레이터로서 사용하기 위한 예시적인 링크 장치들은 미국 특허 제7,594,912호(2004년 9월 30일자로 출원됨), 제 6,758,843호(2002년 4월 26일자로 출원됨), 제6,246,200호(1999년 8월 3일자로 출원됨) 및 제5,800,423호(1995년 6월 20일자로 출원됨)에 설명되어 있고, 이들 전체 내용들은 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다. 이들 링크장치들은 종종 샤프트를 가지고 있는 기구가 장착되는 기구 홀더를 조작한다. 이러한 매니퓰레이터 구조는 기구 홀더의 동작을 발생시키는 평행사변형 링크장치 부분을 포함할 수 있는데, 기구 홀더의 동작은 기구 샤프트의 길이를 따라 위치된 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 피치 축을 중심으로 하는 회전으로 한정된다. 이러한 매니퓰레이터 구조는 기구 홀더의 동작을 발생시키는 요 조인트(yaw joint)를 포함할 수도 있는데, 기구 홀더의 동작은, 피치 축에 대해 수직하면서 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르기도 하는, 요 축(yaw axis)을 중심으로 하는 회전으로 한정된다. 매니퓰레이션의 원격 중심을 내부 수술 부위의 절개 지점(예컨대 복강경 수술 동안 복벽에 있는 트로카르(trocar) 또는 캐뉼라(cannula))과 정렬시킴으로써, 수술 기구의 엔드 이펙터는, 잠재적으로 위험한 힘을 복벽에 대하여 가하지 않으면서도 매니퓰레이터 링크장치를 사용하여 샤프트의 근위 단부를 움직임으로써 안전하게 포지셔닝될 수 있다. 대체 매니퓰레이터 구조들은, 예컨대 미국 특허 제6,702,805호(2000년 11월 9일자로 출원됨), 제6,676,669호(2002년 1월 16일자로 출원됨), 제5,855,583호(1996년 11월 22일자로 출원됨), 제5,808,665호(1996년 9월 9일자로 출원됨), 제5,445,466호(1994년 4월 6일자로 출원됨) 및 제5,184,601호(1991년 8월 5일자로 출원됨)에 설명되어 있고, 그 전체 내용들은 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.

새로운 원격수술 시스템 및 장치가 매우 효과적이면서 유리하다고 알려져 있지만, 더욱 추가적인 개선이 바람직할 수 있다. 일반적으로는, 최소 침습 로봇 수술을 행하는 개선된 구조들 및 시스템들을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 보다 상세하게는, 이들 시스템들의 사용의 효율성과 용이성을 향상시키는 것이 유익할 수 있다. 예를 들어, 잠재적으로 위험한 힘을 복벽에 대하여 가하지 않으면서도 로봇 수술 매니퓰레이터에 의해 제공되는 운동의 범위를 향상시키는 것이 특히 유익할 수 있다.

본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위하여 본 발명의 일부 실시예들에 관한 단순화된 요약이 다음에 나타나 있다. 이러한 요약은 본 발명의 광범위한 개관이 아니다. 본 발명의 핵심적인/중요한 요소들을 확인하는 것 또는 본 발명의 범위를 기술하는 것이 의도된 것은 아니다. 추후에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 전조로서 본 발명의 일부 실시예들을 단순화된 형태로 제공하는 것이 그 유일한 목적이다.

개선된 원격 중심 매니퓰레이터들은, 수술 기구를 지지하는 것으로 개시되어 있고, 그리고 임의의 베어링들 또는 기계적 지지부들로부터 원격에 있는 매니퓰레이션의 중심을 최소 침습 로봇 수술 동안 기구의 원하는 위치에 제공하는 것으로 개시되어 있다. 원격 중심 매니퓰레이터는, 바람직하게는 환자의 복벽과 같은 환자의 진입 절개부와 일치하는 매니퓰레이터의 원격 중심 둘레를 움직이는 기구를 제한한다. 개선된 원격 중심 매니퓰레이터들은 수술 기구 홀더를 마운팅 베이스에 결합하는 링크장치를 포함한다. 링크장치는 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 요 축을 중심으로 기구 홀더를 회전시키도록 작동가능하고, 매니퓰레이션의 원격 중심 역시 가로지르는 피치 축을 중심으로 기구 홀더를 회전(피칭운동)시키도록 작동가능하다. 피치 축은 요 축에 대해서는 횡단하지만 요 축에 대해서는 수직하지 않고, 이로써 개선된 매니퓰레이터들의 작동상 공간 엔벌로프(operational space envelope)를 축소하는데 이용할 수 있다. 다수의 실시예에서, 링크장치는 별개의 평면들에서의 운동으로 움직이는 링크들을 포함하고, 이로써 동일한 평면에서의 운동으로 움직이는 링크들에게 불가능한 자유도의 운동을 제공하는 것이 가능하다.

따라서, 일 양태에는, 최소 침습 로봇 수술 동안 수술기구의 포지션을 제한하기 위한 원격 중심 매니퓰레이터가 개시되어 있다. 수술 기구는 매니퓰레이션의 원격 중심을 지나서 환자의 체강 속으로 삽입하도록 구성된 원위 작업 단부를 가지는 기다란 샤프트를 포함한다. 원격 중심 매니퓰레이터는 마운팅 베이스, 수술 기구와 결합하도록 구성된 기구 홀더, 및 기구 홀더를 마운팅 베이스에 결합하는 링크장치를 포함한다. 링크장치의 제 1 링크 및 제 2 링크는 제 1 링크에 대한 제 2 링크 요소의 운동을, 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 요 축을 중심으로 하는 회전으로 한정하기 위해서 결합되어 있다. 링크장치는 링크장치의 제한된 평행사변형 운동을 발생시키도록 구성된 3개의 회전가능하게 결합된 조인트를 포함하고, 이 링크장치의 제한된 평행사변형 운동에 의하여 기구 홀더의 운동은 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 피치 축을 중심으로 하는 회전으로 한정된다. 피치 축은 90도를 제외한 0이 아닌 각도만큼 요 축으로부터 각도상으로 오프셋되어 있다.

다수의 실시예들에서, 요 축 및 피치 축은 요 축을 중심으로 하는 기구 홀더의 회전 동안 원격 중심 매니퓰레이터의 작동상 공간 엔벌로프를 최소화하는데 적합한 각도만큼 수직 상태로부터 벗어나 있다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 1.0도 내지 10.0도의 각도만큼 벗어나 있다. 다수의 실시예들에서, 요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 1.5도 내지 5.0도의 각도만큼 벗어나 있다. 그리고 다수의 실시예들에서, 요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 2.0도 내지 3.5도의 각도만큼 벗어나 있다.

다수의 실시예들에서, 원격 중심 매니퓰레이터는 요 축을 중심으로 하는 기구 홀더의 광범위한 운동을 제공하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 제 2 링크는 제 1 링크에 대해 적어도 540도에 걸쳐서 회전될 수 있다. 그리고 다수의 실시예들에서, 제 2 링크는 제 1 링크에 대해 적어도 600도에 걸쳐서 회전될 수 있다.

다수의 실시예들에서, 원격 중심 매니퓰레이터는 피치 축을 중심으로 하는 기구 홀더의 광범위한 운동을 제공하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 기구 홀더는 피치 축을 중심으로 적어도 140도에 걸쳐서 회전될 수 있다.

다른 양태에는, 최소 침습 로봇 수술 동안 수술 기구의 포지션을 제한하기 위한 원격 중심 매니퓰레이터가 개시되어 있다. 수술 기구는 매니퓰레이션의 원격 중심을 지나서 환자의 체강 속으로 삽입하도록 구성된 원위 작업 단부를 가지는 기다란 샤프트를 포함한다. 원격 중심 매니퓰레이터는 마운팅 베이스, 평행사변형 연결 베이스, 제 1 구동 모듈, 제 2 구동 모듈, 제 1 링크, 제 2 링크 및 기구 홀더를 포함한다. 평행사변형 연결 베이스는 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 요 축을 중심으로 하는 마운팅 베이스에 대한 회전을 위하여 마운팅 베이스에 결합된다. 제 1 구동 모듈은 평행사변형 연결 베이스를 마운팅 베이스에 구동가능하게 결합하여, 평행사변형 연결 베이스를 요 축을 중심으로 마운팅 베이스에 대해 선택적으로 회전시킨다. 제 2 구동 모듈은 평행사변형 연결 베이스에 회전가능하게 결합되어 있고, 제 2 구동 모듈 출력부를 가진다. 제 2 구동 모듈은 제 2 구동 모듈 출력부를 평행사변형 연결 베이스에 대해 선택적으로 회전시키도록 구성된다. 제 1 링크는 제 1 링크 근위 단부 및 제 1 링크 원위 단부를 가지고 있다. 제 1 링크 근위 단부는 제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 평행사변형 연결 베이스에 대해 회전하기 위하여 평행사변형 연결 베이스에 결합된다. 제 2 링크는 제 2 링크 근위 단부 및 제 2 링크 원위 단부를 가지고 있다. 제 2 링크 근위 단부는 제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 제 1 링크에 대해 회전하기 위하여 제 1 링크 원위 단부에 결합된다. 기구 홀더는 제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 제 2 링크에 대해 회전하기 위하여 제 2 링크 근위 단부에 결합된다. 제 2 구동 모듈 출력부의 회전은 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 피치 축을 중심으로 하는 회전으로 한정되는 기구 홀더의 운동을 발생시킨다. 피치 축은 90도를 제외한 0이 아닌 각도만큼 요 축으로부터 각도상으로 오프셋되어 있다. 공통 구동 모듈은 제 1 구동 모듈 및 제 2 구동 모듈 각각을 위하여 사용될 수 있다.

다수의 실시예들에서, 평행사변형 링크 베이스는 요/피치 하우징을 포함한다. 다수의 실시예들에서, 제 1 구동 모듈 및 제 2 구동 모듈 각각은 요/피치 하우징 내부에 적어도 부분적으로 배치된다.

다수의 실시예들에서, 평행사변형 링크장치 베이스는 연장부 근위 단부 및 연장부 원위 단부를 가지고 있는 연장부를 포함한다. 연장부 근위 단부는 요/피치 하우징에 고정되게 부착된다. 제 1 링크 근위 단부는 제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 연장부에 대해 회전하기 위하여 연장부 원위 단부에 결합된다. 다수의 실시예들에서, 연장부는 제 2 링크의 회전을 제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 구동가능하게 결합하는 구동 결합장치(drive coupling)를 포함한다. 구동 결합장치는 연장부 근위 단부와 연장부 원위 단부 사이에 뻗어 있다. 다수의 실시예들에서, 구동 결합장치는 풀리들을 구동가능하게 결합하는 금속 벨트를 포함한다. 다수의 실시예들에서, 구동 결합장치는 사인 링크/코사인 링크들을 포함한다. 그리고 다수의 실시예들에서, 구동 결합장치는 배향된 만곡부들을 가진 사인 링크/코사인 링크들 포함한다.

원격 중심 매니퓰레이터는 하나 이상의 교체가능형 유닛(replaceable unit)으로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 원격 중심 매니퓰레이터는 별개의 제 1 내지 제 5의 현장 교체가능형 유닛(field replaceable unit)들을 포함할 수 있다. 제 1 현장 교체가능형 유닛은 요/피치 하우징, 제 1 구동 모듈, 제 2 구동 모듈 및 제 2 구동 모듈 출력부를 포함한다. 제 2 현장 교체가능형 유닛은 연장부를 포함한다. 제 3 현장 교체가능형 유닛은 제 1 링크를 포함한다. 제 4 현장 교체가능형 유닛은 제 2 링크를 포함한다. 그리고 제 5 교체가능 유닛은 기구 홀더를 포함한다.

다수의 실시예들에서, 원격 중심 매니퓰레이터는 매니퓰레이터의 구성요소들 사이의 간섭을 회피하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 연장부는 제 1 링크의 한쪽 측면에 대해 오프셋되어, 제 1 링크가 연장부와 정렬되어 이동가능할 수 있다. 그리고 제 2링크는 제 1 링크의 한쪽 측면에 대해 오프셋되어, 제 2 링크가 제 1 링크와 정렬되어 이동가능할 수 있다.

다수의 실시예들에서, 원격 중심 매니퓰레이터는 요 축 둘레에서의 기구 홀더의 광범위한 운동을 제공하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 평행사변형 베이스는 마운팅 베이스에 대해 적어도 540도에 걸쳐서 회전될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 평행사변형 베이스는 마운팅 베이스에 대해 적어도 600도에 걸쳐서 회전될 수 있다.

다수의 실시예들에서, 원격 중심 매니퓰레이터는 피치 축 둘레에서의 기구 홀더의 광범위한 운동을 제공하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 기구 홀더는 피치 축을 중심으로 적어도 140도에 걸쳐서 회전될 수 있다.

본 발명의 특질과 이점을 보다 완전히 이해하기 위하여, 다음의 발명의 상세한 설명과 첨부의 도면들이 참조될 것이다. 본 발명의 다른 양태들, 대상들 및 이점들은 다음에 오는 발명의 상세한 설명과 도면들로부터 자명할 것이다.

도 1은 다수의 실시예들에 따르는, 수술을 행하는데 사용되고 있는 최소 침습 로봇 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는 다수의 실시예들에 따르는 로봇 수술 시스템용 외과의사의 제어 콘솔에 관한 사시도이다.
도 3은 다수의 실시예들에 따르는 로봇 수술 시스템 전자장치 카트에 관한 사시도이다.
도 4에는 다수의 실시예들에 따르는 로봇 수술 시스템이 도식적으로 설명되어 있다.
도 5a는 다수의 실시예들에 따르는 로봇 수술 시스템의 환자 측 카트(수술 로봇)의 정면도이다.
도 5b는 다수의 실시예들에 따르는 로봇 수술 툴의 정면도이다.
도 6은 다수의 실시예들에 따르되 매니퓰레이션의 원격 중심을 이동시키지 않으면서 기구 홀더를 재배향하도록 작동가능한 원뿔형 스윕 조인트를 포함하는, 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다.
도 7은 다수의 실시예들에 따르되 매니퓰레이션의 원격 중심을 이동시키지 않으면서 매니퓰레이터의 바깥 부분을 재배향하도록 작동가능한 원뿔형 스윕 링크를 포함하는, 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다.
도 8은 다수의 실시예들에 따르되 도 6의 원뿔형 스윕 조인트와 도 7의 원뿔형 스윕 링크를 포함하는, 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다.
도 9는 다수의 실시예들에 따르되 매니퓰레이션의 원격 중심을 이동시키지 않으면서 매니퓰레이터의 바깥 부분을 재배향하도록 작동가능한 피치 링크장치를 포함하는, 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다.
도 10은 다수의 실시예들에 따르되 도 6의 원뿔형 스윕 조인트, 도 7의 원뿔형 스윕 링크 및 도 9의 피치 링크장치를 포함하는, 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다.
도 11에는, 매니퓰레이션의 원격 중심을 이동시키지 않으면서 매니퓰레이터의 링크장치 어셈블리들을 재배향하도록 작동가능한 원뿔형 스윕 링크를 포함하되 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터가 나타나 있다.
도 12에는, 매니퓰레이션의 원격 중심을 이동시키지 않으면서 기구 홀더를 재배향하도록 작동가능한 원뿔형 스윕 조인트를 포함하되 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터가 나타나 있다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c에는 기구 홀더가 다른 배향상태에 있는 도 8a의 원격 중심 매니퓰레이터가 나타나 있다.
도 14a에는 다수의 실시예들에 따르되 2개의 평행사변형 조인트를 도 8a의 원격 중심 매니퓰레이터 내에 회전가능하게 결합시키는데 사용될 수 있는 사인 링크/코사인 링크들이 도시되어 있다.
도 14b에는 다수의 실시예들에 따르는 배향된 만곡부들이 도시되어 있는데, 이 만곡부들은 2개의 평행사변형 조인트를 원격 중심 매니퓰레이터 내에 회전가능하게 결합하는데 사용되는 링크 내의 포스 파이트 유도 하중(force-fight induced load)을 완화하는데 이용된다.
도 15에는 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터가 나타나 있고, 원격 중심 매니퓰레이터는 매니퓰레이션의 원격 중심에 비해 일정한 곡률 반경을 가지는 곡선 부재를 포함하며, 이 곡선 부재를 따라 바깥쪽 링크장치가 리포지셔닝될 수 있다.
도 16에는 다수의 실시예들에 따르되 폐쇄형 루프 곡선 부재(closed-loop curved feature)를 포함하는 원격 중심 매니퓰레이터가 나타나 있는데, 바깥쪽 링크장치의 베이스 링크는 폐쇄형 루프 곡선 부재에 접속되어 있고(interfaced), 그 결과 베이스 링크는 폐쇄형 루프 곡선 부재를 따라 움직이도록 제한되어 있다.
도 17은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이고, 여기서 기구 홀더는 원격 중심을 지나는 피치 축 둘레에서 회전되고 원격 중심을 지나는 요 축 둘레에서 회전되며, 피치 축은 요 축에 대해 수직하지 않는다.
도 18은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이고, 여기서 도 17의 원격 중심 매니퓰레이터는 도 9의 피치 링크장치를 더 포함한다.
도 19는 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이고, 여기서 도 18의 원격 중심 매니퓰레이터는 도 6의 원뿔형 스윕 조인트를 더 포함한다.
도 20은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터의 측면도이다.
도 21은 도 20의 원격 중심 매니퓰레이터의 평면도이다.
도 22에는 피치 축을 기울임으로써 달성되는 도 20의 원격 중심 매니퓰레이터의 작동 공간 엔벌로프에 있어서의 축소가 도시되어 있다.
도 23은 다수의 실시예들에 따르되 조정의 원격 중심에 대해 기구 홀더가 최대 피치 후방에 있도록 구성되어 있는 도 20의 원격 중심 매니퓰레이터의 측면도이다.

다음에 오는 발명의 상세한 설명에서는, 본 발명의 여러 가지 실시예들이 설명될 것이다. 이를 설명하기 위하여, 특정 구성들과 세부사항들은 실시예들을 완전히 이해하도록 명시되어 있다. 그러나, 본 발명이 구체적인 세부사항없이도 실시될 수 있다는 점은 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게도 자명할 것이다. 더욱이, 공지의 부재들은 설명되고있는 실시예를 불분명하게 하지 않기 위하여 생략되거나 단순화될 수 있다.

최소 침습 로봇 수술

이어서 도면들을 참조하면, 여기서 유사한 부재번호들은 몇몇 도면들에 걸쳐 유사한 부품들을 표현한다. 도 1은, 수술대(14) 위에 누워있는 환자(12)에게 최소 침습 진단 또는 수술 과정을 행하는데 통상적으로 사용되는 최소 침습 로봇 수술(Minimally Invasive Robotic Surgical; MIRS) 시스템(10)이 도시되어 있는 평면도이다. 이 시스템은 수술 과정 동안 외과의사(18)가 사용하는 외과의사의 콘솔(16)을 포함할 수 있다. 한명 이상의 어시스턴트(20) 또한 수술 과정에 참여할 수 있다. MIRS 시스템(10)은 환자 측 카트(22)(수술 로봇)와 전자장치 카트(24)를 더 포함할 수 있다. 외과의사(18)가 콘솔(16)을 통해 수술 부위의 이미지를 관찰하는 동안, 환자 측 카트(22)는 환자(12)의 신체 내의 최소 침습 절개부를 통해 적어도 하나의 제거가능하게 결합된 툴 어셈블리(26)(이하에서는 "툴(tool)"로 지칭됨)를 조작할 수 있다. 수술 부위의 이미지는 입체 내시경(stereoscopic endoscope)과 같은 내시경(28)에 의해 획득될 수 있는데, 이 이미지는 내시경(28)을 포지셔닝하거나 배향하는 환자 측 카트(22)에 의해 조작될 수 있다. 전자장치 카트(24)는 외과의사의 콘솔(16)을 통해 외과의사(18)에게 연속적으로 디스플레이하기 위하여 수술 부위의 이미지들을 처리하는데 사용될 수 있다. 한번에 사용되는 수술용 툴(26)의 개수는 다른 요인들 중에서 진단이나 수술 과정, 및 수술실 내부의 공간 제약에 좌우되는 것이 일반적이다. 시술 동안 사용되고 있는 하나 이상의 수술용 툴(26)을 교체하는 것이 필요한 경우라면, 어시스턴트(20)는 환자 측 카트(22)로부터 수술용 툴(26)을 제거하여, 이 수술용 툴을 수술실 내부의 트레이(30)에 있는 다른 툴(26)과 교체할 것이다.

도 2는 외과의사의 콘솔(16)의 사시도이다. 외과의사의 콘솔(16)은 원근감을 느끼게 하는, 수술 부위의 통합 입체 관찰(coordinated stereo view)을 외과의사(18)에게 제공하는 좌안 디스플레이(32) 및 우안 디스플레이(34)를 포함한다. 콘솔(16)은, 환자 측 카트(22)(도 1에 도시됨)가 하나 이상의 툴을 차례로 조작하게 하는 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 더 포함한다. 입력 제어 장치(36)들은 연계된 툴(26)들(도 1에 도시됨)과 마찬가지로 동일한 자유도를 제공하여 원격현장감, 또는 입력 제어 장치(36)들이 툴(26)들과 일체를 이룬다는 인식을 외과의사에게 제공할 수 있고, 그 결과 외과의사는 툴(26)들을 직접 제어한다는 느낌을 강하게 받는다. 이를 위하여, 포지션 센서, 힘 센서 및 촉각 피드백 센서(미도시)는 입력 제어 장치(36)들을 통해 툴(26)들로부터 다시 외과의사의 손으로 포지션 감각, 힘 감각 및 촉감을 전달하는데 이용될 수 있다. 각각의 개별적인 입력 제어 장치(36)는, 대응하는 종속 수술용 툴을 제어하여 원격수술을 가능하게 하는 인간 제어식 마스터(human-controlled master)로서의 역할을 한다. 원격수술이, 3차원으로 인지되는 수술 부위, 및 수술 부위에서 관찰된 툴 이미지와 대응하는 포지션에서 마스터 상에 포지셔닝되는 외과의사의 손의 디스플레이와 결합될 때, 원격현장감의 감지가 가능하다.

외과의사의 콘솔(16)은 환자와 마찬가지로 동일한 수술실에 위치되는게 보통이어서, 외과의사는 수술 과정을 직접 모니터할 수도 있고, 필요한 경우에는 실제로 참석할 수도 있으며, 전화나 다른 통신 매체를 통하지 않고 직접 어시스턴트에게 말할 수 있다. 그러나, 외과의사는 다른 방, 또는 완전히 다른 건물, 또는 원격 수술 과정들을 허용하는 환자로부터의 다른 원격 장소에 위치될 수 있다.

도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 내시경(28)과 결합될 수 있고, 예컨대 외과의사의 콘솔에 있는 외과의사, 또는 국부적으로 그리고/또는 원격으로 위치된 다른 적합한 디스플레이에 있는 외과의사에게 연속적으로 디스플레이하기 위하여 캡쳐된 이미지들을 처리하는 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 입체 내시경이 사용되는 경우에, 전자장치 카트(24)는 캡쳐된 이미지들을 처리하여, 수술 부위의 통합 입체 이미지들을 외과의사에게 제공할 수 있다. 이러한 통합은 대비되는 이미지들 사이의 정렬을 포함할 수 있고, 입체 내시경의 입체 작업 거리를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예시와 마찬가지로, 이미지 처리과정은 광학 수차와 같은 이미지 캡쳐 장치의 촬상 에러들을 보정하기 위해서 미리 정해진 카메라 교정 파라미터들의 사용을 포함할 수 있다.

도 4에는 로봇 수술 시스템(50)(도 1의 MIRS 시스템(10)과 같은 것)이 도식적으로 도시되어 있다. 상술된 바와 같이, 외과의사의 콘솔(52)(도 1에서의 외과의사의 콘솔(16)과 같은 것)은 최소 침습 시술 동안 환자 측 카트(수술 로봇)(54)(도 1의 환자 측 카트(22)와 같은 것)를 제어하기 위해서 외과의사에 의해 사용될 수 있다. 환자 측 카트(54)는, 수술 부위의 이미지들을 캡쳐하고 캡쳐된 이미지들을 전자장치 카트(56)(도 1의 전자장치 카트(24)와 같은 것)에 출력하는, 입체 내시경과 같은 촬상 장치를 이용할 수 있다. 상술된 바와 같이, 전자장치 카트(56)는 연속적으로 디스플레이하기에 앞서, 다양한 방법들로 캡쳐된 이미지들을 처리할 수 있다. 예를 들어, 전자장치 카트(56)는 외과의사의 콘솔(52)을 통해 외과의사에게 결합된 이미지들을 디스플레이하기에 앞서, 캡쳐된 이미지들을 가상 제어 인터페이스와 중첩시킬 수 있다. 환자 측 카트(54)는 전자장치 카트(56) 외부에서 처리하기 위하여 캡쳐된 이미지들을 출력할 수 있다. 예를 들어, 환자 측 카트(54)는 캡쳐된 이미지들을 처리하는데 이용될 수 있는 프로세서(58)에 캡쳐된 이미지를 출력할 수 있다. 캡쳐된 이미지들은 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 조합에 의해 처리될 수도 있는데, 이 전자장치 카트와 프로세서는 캡쳐된 이미지들을 공동으로, 순차적으로 그리고/또는 이들을 조합하여 처리하기 위해서 함께 결합될 수 있다. 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)는 또한, 시술 부위의 이미지들 또는 다른 관련 이미지들과 같은 이미지들을 국부적으로 그리고/또는 원격으로 디스플레이하기 위하여 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 결합될 수 있다.

도 5a와 도 5b에는 환자 측 카트(22)와 수술용 툴(62)이 각각 나타나 있다. 수술용 툴(62)은 수술용 툴(26)들 중 일 예시이다. 나타나 있는 환자 측 카트(22)는 시술 부위의 이미지들을 캡쳐하는데 사용되는 입체 내시경과 같은 촬상 장치(28) 및 3개의 수술용 툴(26)의 매니퓰레이션을 제공한다. 매니퓰레이션은 다수의 로봇 조인트를 가지고 있는 로봇 메커니즘에 의해 제공된다. 촬상 장치(28)와 수술용 툴(26)은 환자의 절개부들을 통해 포지셔닝되고 조작될 수 있어서, 운동의 기구학적 원격 중심은 절개부의 크기를 최소화하기 위해서 절개부에 유지된다. 수술 부위의 이미지들은 촬상 장치(28)의 시야 내에 포지셔닝될 때 수술용 툴(26)들의 원위 단부들의 이미지들을 포함할 수 있다. 진단용 또는 치료용 엔드 이펙터(63)는 통상적으로 수술 기구의 긴 샤프트의 원위 단부에 있다.

하드웨어-제한 원격 중심 매니퓰레이터들(Hardware-Constrained Remote Center Manipulators)

도 6은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(70)가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(70)는 마운팅 베이스(72)에서 지지된다. 원격 중심 매니퓰레이터(70)는 마운팅 베이스(72)에 의해 지지되는 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 연장 링크(78), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제 1 평행사변형 링크(82), 제 1 평행사변형 조인트(84), 제 2 평행사변형 링크(86), 제 2 평행사변형 조인트(88), 원뿔형 스윕 메커니즘(90) 및 기구 홀더(82)를 포함한다. 기구 홀더(92)는 삽입 축(96)을 따라 수술 기구(94)를 지지하면서 병진운동시키도록 구성되어 있다(즉 기구 홀더(92)는, 삽입 축(96)을 따라 환자의 체벽이나 환자의 자연체(natural body) 오리피스에 있는 절개부를 들락날락하도록 수술 기구(94)를 이동시키는 적어도 하나의 프리즈메틱 조인트(prismatic joint)를 포함한다). 수술용 엔드 이펙터(95)는 수술 기구(94)의 원위 단부에 있다. 엔드 이펙터는 치료 장치, 진단 장치 또는 촬상 수술 장치를 포함하는 임의의 수술 기능을 위한 것일 수 있다. 엔드 이펙터 롤링운동은 여러 가지 공지의 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 기구 홀더(92) 또는 기구(94) 그 자체는 기구 샤프트가 삽입 축(96) 둘레에서 롤링운동하는 것을 허용하는 기구 샤프트 롤링운동 성능(instrument shaft roll capability)을 포함할 수 있다. 대체 실시예와 같이, 기구 샤프트는 롤링운동시 고정상태로 남아 있을 수 있고, 엔드 이펙터는 기구 샤프트의 단부에서 롤링운동한다.

마운팅 베이스(72)는 원격 중심 매니퓰레이터(70)가 카트 장착부, 천장 장착부, 바닥(floor)/기반(pedestal) 장착부 또는 다른 장착면(mounting surface)을 가진 셋업 아암들/조인트들에 의해 장착되면서 지지되는 것을 허용하고, 그 결과 마운팅 베이스는 지면 기준 좌표계(ground reference frame)에서 실질적인 정지상태로 남아 있다(지면 기호로 표현되어 있는 바와 같음). 원격 중심 매니퓰레이터(70)는, 수술 기구(94)가 조작될 때 매니퓰레이션의 원격 중심(remote center of manipulation; RC)이 마운팅 베이스(72)에 대해 움직이지 않도록 구성되어 있다. 환자에 대한 포지션 및 배향이 고정되어 있는 마운팅 베이스(72)를 지지함으로써, 조정의 원격 중심(RC)은 환자에 대해 고정되어 유지되고, 이로써 수술 기구(94)를 위한 진입 지점을 제공하는 것이 가능하다. 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)이 환자에 대해 고정된 상태에서, 수술 기구(94)의 매니퓰레이션은 수술 기구(94)의 진입 위치에서 환자 조직 상에 잠재적으로 위험한 힘이 가해지는 위험부담없이 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서는 캐뉼라가 선택적일지라도, 실시예들에서의 수술 기구 샤프트는 캐뉼라를 통과하고, 매니퓰레이션의 원격 중심은 통상적으로 캐뉼라의 중심선을 따르는 한 지점에서 정의된다.

요 조인트(76)는 연장 링크(78)의 근위 단부를 베이스 링크(74)의 원위 단부에 회전가능하게 결합한다. 요 조인트(76)는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 통해 뻗어 있는 요 축(98)을 중심으로 하는 연장 링크(78)의 제어된 회전(롤링운동)을 생성하도록 작동가능하다. 기구 홀더(92)가 원격 중심 매니퓰레이터(70)의 개재되어 있는 링크장치 구성요소들을 지나서 연장 링크(78)에 결합되기 때문에, 요 축(98)을 중심으로 하는 연장 링크(78)의 회전(롤링운동)은 요 축(98)을 중심으로 하는 기구 홀더(92)의 대응하는 회전을 발생시키고, 이로써 요 조인트(76)의 모든 각도 배향들을 위하여 마운팅 베이스(72)에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션 및 배향을 유지하는 것이 가능하다. "요(yaw)"라는 용어는 임의적이고, 이 용어에 따라 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)이 정지상태일 때의 요 축(98) 둘레에서의 회전이 수술 기구(94)의 원위 팁을 요로서 정의되는 방식으로 이동시킬 것이라는 것을 알 수 있다.

원격 중심 매니퓰레이터(70)의 평행사변형 링크장치 부분(100)은, 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 피치 축(102)을 중심으로 하는 회전으로 한정되는 기구 홀더(92)의 운동을 생성하도록 구성되어 있다. 기구 홀더(92)의 대응하는 운동을 피치 축(102)을 중심으로 하는 회전(피칭운동)으로 한정함으로써, 삽입 축(96)은 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 계속 가로지르고, 기구 홀더(92)와 매니퓰레이션의 원격 중심(RC) 사이의 거리는 유지된다. "피치(pitch)"라는 용어는 임의적이고, 이 용어에 따라 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)이 정지상태일 때의 피치 축(102) 둘레에서의 회전은 수술 기구(94)의 원위 팁을 피치로서 정의되는 방식으로 이동시킬 것이라는 것을 알 수 있다.

평행사변형 링크장치 부분(100)은 평행사변형 베이스 조인트(80), 제 1 평행사변형 링크(82), 제 1 평행사변형 조인트(84), 제 2 평행사변형 링크(86), 제 2 평행사변형 조인트(88), 원뿔형 스윕 메커니즘(90) 및 기구 홀더(92)를 포함한다. 베이스 평행사변형 조인트(80)는 제 1 평행사변형 링크(82)를 연장 링크(78)의 원위 단부에 회전가능하게 결합한다. 베이스 평행사변형 조인트(80)는 피치 축(102)에 평행한 베이스 조인트 축(104)을 중심으로 하는 제 1 평행사변형 링크(82)의 제어된 회전을 생성하도록 작동가능하다. 베이스 조인트 축(104)의 포지션 및 배향은 연장 링크(78)에 대해 고정된다. 피치 축(102)에 평행한 제 1 조인트 축(106)을 중심으로 하는 제 2 평행사변형 링크(86)의 회전을 위하여, 제 1 평행사변형 조인트(84)는 제 2 평행사변형 링크(86)의 근위 단부를 제 1 평행사변형 링크(82)의 원위 단부에 회전가능하게 결합한다. 제 2 조인트 축(108)의 포지션 및 배향은 제 2 평행사변형 링크(86)에 대해 고정된다. 기구 홀더(92)가 원뿔형 스윕 메커니즘(90)의 원위 단부에 결합되기 때문에, 기구 홀더(92)는 제 2 조인트 축(108)을 중심으로 회전하도록 제한된다.

제 1 평행사변형 조인트(84)와 제 2 평행사변형 조인트(88)는 베이스 평행사변형 조인트(80)에 회전가능하게 결합되고, 그 결과 베이스 평행사변형 조인트(80)의 작동은 평행사변형 링크장치 부분(100)을 작동시키고, 이로써 피치 축(102)을 중심으로 하는 회전으로 한정되는 기구 홀더(92)의 대응하는 운동을 발생시키는 것이 가능하다. 적합한 접근법은 베이스 평행사변형 조인트(80), 제 1 평행사변형 조인트(84) 및 제 2 평행사변형 조인트(88)를 회전가능하게 결합하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 베이스 평행사변형 조인트(80)는 베이스 풀리를 포함할 수 있는데, 베이스 풀리는 연장 링크(78)에 회전가능하게 고정되고 베이스 조인트 축(104) 둘레에서 제 1 평행사변형 링크(82)에 대해 회전하도록 장착된다. 제 1 평행사변형 조인트(84)는 제 1 풀리를 포함할 수 있는데, 제 1 풀리는 제 2 평행사변형 링크(86)에 회전가능하게 고정되고 제 1 조인트 축(106) 둘레에서 제 1 평행사변형 링크(82)에 대해 회전하도록 장착된다. 예컨대 하나 이상의 구동 벨트 또는 하나 이상의 링크에 의해 제 1 풀리의 회전을 제 2 풀리의 회전으로 결속함으로써, 제 1 평행사변형 링크(82)에 대한 제 2 평행사변형 링크(86)의 회전은 연장 링크(78)에 대한 제 1 평행사변형 링크(82)의 회전에 의해 구동될 수 있고, 그 결과 제 2 평행사변형 링크(86)와 연장 링크(78) 사이의 바로 그 상대적인 배향은 연장 링크(78)에 대한 제 1 평행사변형 링크(82)의 모든 각도 배향을 위하여 유지된다. 유사한 방식으로, 제 1 평행사변형 조인트(84)는 제 3 풀리를 포함할 수 있는데, 제 3 풀리는 제 1 평행사변형 링크(82)에 회전가능하게 고정되고 제 1 조인트 축(106) 둘레에서 제 2 평행사변형 링크(86)에 대해 회전하도록 장착된다. 제 2 평행사변형 조인트(88)는 제 4 풀리를 포함할 수 있는데, 제 4 풀리는 원뿔형 스윕 메커니즘(90)의 근위 단부에 회전가능하게 고정되고 제 2 조인트 축(108) 둘레에서 제 2 평행사변형 링크(86)에 대해 회전하도록 장착된다. 예컨대 하나 이상의 구동 벨트 또는 하나 이상의 링크에 의해 제 3 풀리의 회전을 제 4 풀리의 회전으로 결속함으로써, 제 2 평행사변형 링크(86)에 대한 원뿔형 스윕 메커니즘(90)의 회전은 제 1 평행사변형 링크(82)에 대한 제 2 평행사변형 링크(86)의 회전에 의해 구동될 수 있고, 그 결과 삽입 축(96)과 제 1 평행사변형 링크(82) 사이의 바로 그 상대적인 배향은 제 1 평행사변형 링크(82)에 대한 제 2 평행사변형 링크(86)의 모든 각도 배향을 위하여 유지된다.

원뿔형 스윕 메커니즘(90)은 근위 원뿔형 스윕 링크(110)과 원뿔형 스윕 조인트(112)를 포함한다. 원뿔형 스윕 조인트(112)는 기구 홀더(92)를 근위 원뿔형 스윕 링크(110)에 회전가능하게 결합하고, 그 결과 원뿔형 스윕 조인트(112)의 작동은 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 원뿔형 스윕 축(114)을 중심으로 근위 원뿔형 스윕 링크(110)에 대해 기구 홀더(92)를 재배향한다. 원뿔형 스윕 조인트(112)의 회전은 수술 기구(94)의 샤프트를, 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)에서 정점(vertex)을 가지고 있으면서 원뿔형 스윕 축(114)을 중심으로 하는 원뿔의 표면을 따라 스윕동작(sweep; 휩쓸고 지나가는 동작)하게 한다. 원뿔형 스윕 축(114)을 중심으로 하는 기구 홀더(92)의 재배향은, 인접한 수술 매니퓰레이터 및/또는 환자와의 충돌 회피와 같은 적합한 목적을 위하여, 또는 수술 인원이 기구가 체 내로 들어가는 살균 수술 영역에 엑세스하는 것을 허용하도록 증대된 공간을 체벽에 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 원뿔형 스윕 축(114)을 중심으로 하는 기구 홀더(92)의 재배향은 환자에 대한 기구 홀더(92)의 이용가능한 운동 범위를 확장하는데 사용될 수도 있다. 원뿔형 스윕 축(114)은 하나의 여유 축(redundant axis)을 제공하는데, 이 여유 축을 중심으로 하여 기구 홀더(92)는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC) 둘레에서 회전될 수 있다. 원뿔형 스윕 축(114)은 요 축(98), 피치 축(102) 또는 삽입 축(96) 중 어느 것과도 정렬되지 않는다. 그러나, 작동시, 원격 중심 매니퓰레이터(70)가 관절운동될 때, 원뿔형 스윕 축(114)과 요 축(98) 사이의 각도는 변할 수 있다. 원뿔형 스윕 메커니즘(90)은 선택적이어서, 본 명세서에 설명된 바와 같이 여러 가지 매니퓰레이터 실시예들과 함께 포함되거나 포함되지 않을 수도 있다. 이를 설명하기 위하여, 원뿔형 스윕 메커니즘(90)은 매니퓰레이터 내에 보다 근위에 위치되어 있는 다른 원뿔형 스윕 메커니즘들과 구별하기 위해서 원위 원뿔형 스윕 메커니즘으로 고려될 수 있다(예컨대 도 8에는 다른 "근위" 원뿔형 스윕 메커니즘이 나타나 있음을 참조).

도 7은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(120)가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(120)는 도 6의 원위 중심 매니퓰레이터(70)와 같은 동일한 구성요소들 중 일부를 포함할 수 있다. 공통된 구성요소들(shared components)은 마운팅 베이스(72), 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 연장 링크(78), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제 1 평행사변형 링크(82), 제 1 평행사변형 조인트(84), 제 2 평행사변형 링크(86), 제 2 평행사변형 조인트(88) 및 기구 홀더(92)를 포함한다. 원격 중심 매니퓰레이터(120)는 원뿔형 스윕 메커니즘(90)을 포함하지는 않는다. 그 대신, 제 2 평행사변형 조인트(88)는 제 2 조인트 축(108)을 중심으로 하는 제 2 평행사변형 링크(86)에 대한 기구 홀더(92)의 회전을 위하여 기구 홀더(92)를 제 2 평행사변형 링크(86)에 회전가능하게 결합한다.

원격 중심 매니퓰레이터(120)는 원뿔형 스윕 메커니즘(122)을 더 포함한다. 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 원뿔형 스윕 조인트(124), 및 원뿔형 스윕 조인트(124)에 의해 베이스 링크(74)에 회전가능하게 결합된 원뿔형 스윕 링크(126)를 포함한다. 원뿔형 스윕 조인트(124)는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 원뿔형 스윕 축(128) 둘레에서 원뿔형 스윕 링크(126)를 선택적으로 회전시키도록 작동가능하다. 원뿔형 스윕 링크(126)의 원위 단부는 요 조인트(76)를 지지한다. 원뿔형 스윕 링크(126)는, 요 축(98)이 원뿔형 스윕 축(128) 둘레에서의 원뿔형 스윕 링크(126)의 모든 배향들을 위하여 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르도록, 요 조인트(76)를 포지셔닝하고 배향하도록 구성되어 있다. 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 마운팅 베이스(72)에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션을 유지하면서 마운팅 베이스(72)에 대한 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 바깥쪽 링크장치를 재배향하도록 작동가능하다. 원뿔형 스윕 조인트(124)의 회전은 수술 기구(94)의 샤프트를, 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)에서 정점을 가지고 있으면서 원뿔형 스윕 축(128)을 중심으로 하는 원뿔의 표면을 따라 스윕동작하게 한다. 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은, 예컨데 셋업 조인트와 같이 적합한 방식으로 사용될 수 있는데, 이 셋업 조인트는 수술 과정 전에는 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 바깥 부분을 포지셔닝/배향하는데 사용되고 그리고/또는 수술 과정 동안에는 원격 중심 매니퓰레이터(120)의 바깥 부분을 능동적으로 포지셔닝/배향하는데 사용된다. 원뿔형 스윕 축(128)은 여유 자유도 축을 제공하고, 이 여유 자유도 축을 중심으로 기구 홀더(92)는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC) 둘레에서 회전될 수 있다. 원뿔형 스윕 축(128)은 요 축(92), 피치 축(102) 또는 삽입 축(96) 중 어느 것과도 정렬되지 않는다. 원뿔형 스윕 축(128)은 적합한 각도(예컨대 일 실시예에서는 15도)만큼 요 축(98)으로부터 오프셋될 수 있다. 도 6에 대해 다시 참조하면, 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 선택적이어서, 본 명세서에 설명된 바와 같이 여러 가지 매니퓰레이터 실시예들과 함께 포함되거나 포함되지 않을 수도 있다. 이를 설명하기 위하여, 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 매니퓰레이터 내의 보다 원위에 위치되어 있는 다른 원뿔형 스윕 메커니즘들과 구별하기 위해서 근위 원뿔형 스윕 메커니즘으로 고려될 수 있다(예컨대 도 8에는 다른 "원위" 원뿔형 스윕 메커니즘이 나타나 있음을 참조).

원뿔형 스윕 메커니즘(122)과 연계된 조인트는 동력식이거나 무동력식일 수 있어서, 동력식인 경우에는 원격수술 기능의 부분으로서 능동적인 외과의사 제어 하에 있을 수 있고 또는 수술실 내의 다른 사람에 의해 수동적으로 제어될 수도 있다. 외과의사 이외의 사람에 의해 수동적으로 제어되는 경우에, 원뿔형 스윕 메커니즘은 수술 과정 전 및/또는 수술 과정 동안 수술용 원격 중심 매니퓰레이터를 적절하게 포지셔닝하는 셋업 구조의 부분으로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치(누름버튼, 로커 등)는 원뿔형 스윕 메커니즘(122)의 운동을 제어하여, 매니퓰레이터의 보다 원위 부분들을 원하는 포지션으로 이동시킨다. 그리고, 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 완전히 360도로 또는 그 이상으로 회전할 수도 있고, 또는 그 회전이 360도 이하로 한정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 회전은 수직 상방(12시 방향) 포지션과 수직 하방(6시 방향) 포지션 사이의 대략 180도의 범위 내로 한정된다. 2개 이상의 유사하게 구성된 원격 중심 매니퓰레이터가 서로의 바로 옆에 위치되는 경우에, 각각의 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 충돌을 배제하는데 도움이 되는 유사한 원호를 통해 회전하도록 제한될 수 있다. 예를 들어, 각각의 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 12시 방향으로부터 3시 방향을 지나서 6시 방향으로 이어지는 원호 상의 임의의 포지션으로 회전하도록 제한될 수 있다. 다른 실시예들에서, 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 중력 보정 균형 부재(gravity compensation balance feature)가 제공되는데(예컨대 기계적 부하 포지션에 관한 기능으로서 모터 토크를 제어하기 위해서 전류를 이용함으로써 행해지거나, 기계적 부하를 균형잡기 위해서 스프링을 이용함으로써 행해짐), 이 중력 보정 균형 부재는 손으로 용이하게 포지셔닝하기 위하여 기계적 부하를 중량감이 없는 상태(weightless) 또는 중량감이 작은 상태(low weight)로 효과적으로 만든다. 중력 보정 균형 실시예들에서, 브레이크는 통상적으로, 해제될 때까지 매니퓰레이터를 일정한 포지션으로 유지하고, 이때 한 사람은 매니퓰레이터를 원하는 포지션으로 이동시키고, 그 후 매니퓰레이터를 새로운 포지션으로 유지하기 위해서 브레이크를 다시 사용한다.

원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 셋업 동작(set-up operation)을 위하여 사용하는 것뿐만 아니라, 외과의사가 수술 기구(94)를 능동적으로 원격수술 제어하는 것과 결부될 수도 있다. 따라서, 원뿔형 스윕 메커니즘의 운동은 외과의사의 제어 입력의 결과로서, 또는, 예컨대 제 2 매니퓰레이터, 환자 또는 다른 수술실 장비와 같은 근처의 대상과의 충돌 회피의 결과로서 자동으로 생길 수 있다.

본 명세서에 개시된 원격 중심 매니퓰레이터들의 여러 가지 양태들은 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 다수의 실시예들을 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(130)가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이고, 도 6의 원격 중심 매니퓰레이터(70)와 도 7의 원격 중심 매니퓰레이터(120) 모두의 양태들을 포함한다. 특히, 원격 중심 매니퓰레이터(130)는 원뿔형 스윕 메커니즘(122), 원뿔형 스윕 메커니즘(90) 및 평행사변형 링크장치 부분(100)을 포함한다. 결과적으로, 원격 중심 매니퓰레이터(130)는 2개의 여유 자유도 축, 특히 원뿔형 스윕 축(114)과 원뿔형 스윕 축(128)을 가지고, 이 축을 중심으로 하여 기구 홀더(92)는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC) 둘레에서 회전될 수 있다. 원뿔형 스윕 축(114)과 원뿔형 스윕 축(128) 각각은 요 축(98), 피치 축(102) 또는 삽입 축(96) 중 어느 것과도 정렬되지 않는다.

도 6 내지 도 8에 도시되어 있는 원격 중심 매니퓰레이터가 요 축, 및 각각 연계된 원뿔형 스윕 축을 가진 하나 이상의 원뿔형 스윕 메커니즘들을 포함하고 이 축들의 회전이 매니퓰레이션의 원격 중심과 모두 정렬되어 있기 때문에, 원격 중심 매니퓰레이터가 여러 가지 다른 구성들로 배치될 때, 그 결과 생기는 여유 자유도는 기구 샤프트가 공간(즉 베이스(72)와 연계된 지면 기준 좌표계)에서 정지상태로 남아 있는 것을 허용한다. 더욱이, 상술된 바와 같이 기구 엔드 이펙터가 롤링운동하는 상태에서, 기구 엔드 이펙터 배향이 삽입 축(96)과 정렬되지 않는 경우에는, 원격 중심 매니퓰레이터가 여러 가지 구성으로 배치될 때, 기구 엔드 이펙터 역시 공간에서 정지상태로 유지될 수 있다. 이러한 원격 중심 매니퓰레이터들은 하드웨어-제한 로봇 수술 매니퓰레이터에 관한 환자 안전상 이점을 유지하는데, 여기에서 하드웨어 구성은 매니퓰레이션의 원격 중심이 환자에 대하여 움직이는 것을 방지하고, 이러한 매니퓰레이터들은 다음과 같은 환자 안전상 이점들, 즉 인접한 매니퓰레이터들, 환자, 다른 설비 및 수술 인원과의 충돌을 회피하는데 유용한 부재, 및 개별적인 기구 포지션을 위한 여러 가지 구성들을 허용하는 이점, 매니퓰레이터와 환자 사이에 증가된 간극(clearance)을 제공하는 이점, 및 기구들이 환자 속으로 들어가는 수술 영역에 대한 증가된 엑세스를 제공하는 이점이 추가된다.

평행사변형 링크장치 부분(100)이 축(98)과 수직하지 않는 삽입 축(96)을 포지셔닝하고 나서 조인트(76)가 회전하는 경우에는, 원뿔형 스윕 메커니즘들이 상술된 바와 같이 회전할 때, 기구(94) 역시 기구(94) 동작과 유사한 방식으로 매니퓰레이션의 원격 중심에서 정점을 가진 축(96)을 중심으로 하는 원뿔의 표면을 따라 스윕한다는 것은 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이들 부재들은 회전 축이 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르기 때문에 임의로 지칭되는, 여유 "요-타입" 자유도를 제공한다. 그러나 본 발명의 양태들에 따르는 하드웨어 제한 원격 중심 매니퓰레이터들은 요-타입 여유 자유도로 한정되지 않는다.

도 9는 다수의 실시예들을 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(140)가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다. 원격 제어 매니퓰레이터(140)는 도 6의 원격 중심 매니퓰레이터(70)와 같이 동일한 구성요소들 중 일부를 포함한다. 공통된 구성요소들은 마운팅 베이스(72), 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 연장 링크(78), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제 1 평행사변형 링크(82), 제 1 평행사변형 조인트(84), 제 2 평행사변형 링크(86), 제 2 평행사변형 조인트(88) 및 기구 홀더(92)를 포함한다. 원격 중심 매니퓰레이터(140)는 도시된 바와 같이 원뿔형 스윕 메커니즘(90)을 포함하지 않는다. 그 대신, 제 2 평행사변형 조인트(88)는 제 2 조인트 축(108)을 중심으로 하는 제 2 평행사변형 링크(86)에 대한 기구 홀더(92)의 회전을 위하여 기구 홀더(92)를 제 2 평행사변형 링크(86)에 회전가능하게 결합한다. 원격 중심 매니퓰레이터(140)는, 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 축(144)을 중심으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터(140)의 바깥 부분을 재배향하도록 작동가능한, 재배향 메커니즘(142)을 더 포함한다. 재배향 메커니즘(142)은 베이스(146), 및 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)에 대해 일정한 반경을 가지는 곡선 경로를 따라 베이스(146)와 결합되면서 베이스(146)에 대해 리포지셔닝가능한 이동가능한 링크(148)를 포함하고, 이로써 기구 홀더(92)의 대응하는 운동을, 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 중심으로 하는 회전으로 한정하는 것이 가능하다. 나타나 있는 실시예에서, 축(144)은 피치 축(102)과 일치한다. 따라서, 나타나 있는 바와 같이, 평행사변형 링크장치 부분 및 재배향 메커니즘(142) 각각은 여유 자유도를 제공하기 위해서 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)에 있는 일치하는 축들(102, 144) 둘레어서 기구(94)를 독립적으로 회전시킨다. 그리고 원격 중심 매니퓰레이터(140)의 하드웨어 설계는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)에서 회전하는 기구(94)를 물리적으로 제한한다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면, 다른 기계적인 구조들이 재배향 메커니즘(142)을 위하여 설명되어 개략적으로 나타나 있는 기능을 제공하는데 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 나아가, 재배향 메커니즘(142)과 유사한 기능을 가지는 하나 이상의 부가적인 재배향 메커니즘들은 베이스(72)와 기구 홀더(92) 사이에 줄지어 삽입될 수 있고, 그 결과 원격 중심 매니퓰레이터(140)는 부가적인 여유 자유도를 가진다.

재배향 메커니즘(142)은 축(144)이 피치 축(102)과 정렬되지 않도록(일치하지 않도록) 구성될 수도 있다. 예를 들어, 재배치 메커니즘(142)은 축(144)이 삽입 축(96)과 정렬되도록 구성될 수 있고, 축(144)이 피치 축(102) 및/또는 삽입 축(96) 중 어느 하나에 대해 적합한 각도를 이루도록 구성될 수 있다.

재배향 메커니즘(142)와 연계된 조인트는 동력식 또는 무동력식일 수 있고, 동력식인 경우에는 외과의사의 능동 제어 하에 있을 수 있고, 또는 수술실 인원에 의한 수동 제어 하에 있을 수 있다. 수동 제어 하에 있는 경우에, 재배향 메커니즘(142)은 수술 과정 전에는 수술용 원격 중심 매니퓰레이터(140)를 적절하게 포지셔닝하기 위해서 셋업 조인트로서 사용될 수 있고, 그리고/또는 수술 과정 동안에는 마운팅 베이스(72)에 대한, 결과적으로는 기구(94)가 환자 속으로 들어가는 절개부와 환자에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션을 유지하면서 바깥쪽 링크장치를 능동적으로 재배향하기 위해서 사용될 수 있다. 일부 수동 제어 실시예들에서, 스위치(예컨대 온/오프 누름버튼, 스프링 로커 등)는 재배향 메커니즘(142) 운동을 제어하고, 그 결과 사람은 제어수단을 작동시켜서 원격 중심 매니퓰레이터를 원하는 포지션으로 이동시킨다. 다른 수동 제어 실시예들에서, 재배향 메커니즘은 중력 보정 균형 부재가 설치되어 있고(예컨대 기계적 부하 포지션에 따라 모터 전류를 제어함으로써 행해지는 보정임), 그 결과 매니퓰레이터는 중량감이 없는 상태로 효과적으로 느껴지고 손으로 용이하게 움직일 수 있다. 예를 들어, 브레이크는 해제될 때까지 재배향 메커니즘(142)을 일정한 포지션으로 유지할 수 있고, 이 지점에서 한 사람은 재배향 메커니즘을 용이하게 리포지셔닝할 수 있고, 그 후 매니퓰레이터를 일정한 포지션으로 유지하기 위해서 브레이크를 다시 사용한다.

도 10은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(150)가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(150)는 도 8의 원격 중심 매니퓰레이터(130)와 도 9의 원격 중심 매니퓰레이터(140) 모두의 양태들을 포함한다. 특히, 원격 중심 매니퓰레이터(150)는 재배향 메커니즘(142), 원뿔형 스윕 메커니즘(122)(선택적으로 포함되지 않을 수도 있음), 원뿔형 스윕 메커니즘(90)(선택적으로 포함되지 않을 수도 있음) 및 평행사변형 링크장치 부분(100)을 포함한다. 결과적으로, 원격 중심 매니퓰레이터(150)는 3개의 여유 자유도(원뿔형 스윕 메커니즘들 중 하나가 제거되는 경우에는 더 적을 수 있고, 부가적인 원뿔형 스윕 메커니즘이나 재배향 메커니즘이 추가되는 경우에는 더 많을 수 있음)를 가지고, 이들 자유도는, 축(144) 둘레에서 회전하거나(재배향 메커니즘(142)에 의해 구동됨) 원뿔형 스윕 축(114) 둘레에서 회전하거나(원뿔형 스윕 메커니즘(90)에 의해 구동됨) 또는 원뿔형 스윕 축(128) 둘레에서 회전하는(원뿔형 스윕 메커니즘(122)에 의해 구동됨) 능력으로부터 비롯된다. 원격 중심 매니퓰레이터(150)에서 축(144)은 피치 축(102)과 일치하지 않지만, 다른 실시예들에서 축(144)은 피치 축(102)과 일치할 수 있다.

재배향 매커니즘(142)과 원뿔형 스윕 메커니즘(122) 각각은 수술 과정 전에는 셋업 조인트로서 사용될 수 있고, 그리고/또는 수술 과정 동안에는 마운팅 베이스(72)에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션을 물리적으로 제한하면서, 결과적으로는 환자에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션을 유지하면서 바깥쪽 링크장치를 능동적으로 재배향하기 위해서 사용될 수 있다. 셋업 구조의 부분으로서의 재배향 메커니즘(142)의 사용은 상술되어 있고, 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 이와 유사하게 사용될 수 있다.

원격 중심 매니퓰레이터들의 여러 가지 실시예들이 각각 어느 정도 협소해서, 2 이상의 매니퓰레이터들이 수술 로봇 상에서 서로 바로 옆에 위치될 수 있을뿐만 아니라, 효과적인 수술 기구 배치를 위하여 각각의 매니퓰레이터가 다른 기구 근처의 기구를 제어하는 것을 허용하도록 인접한 매니퓰레이터들 사이의 공간배치가 축소될 수 있다는 점은 주의하여야 한다.

도 11에는 다수의 실시예들에 따르는 하드웨어 제한 원격 중심 매니퓰레이터(160)가 나타나 있다. 매니퓰레이터(160)는 베이스 링크(162), 원뿔형 스윕 링크(164), 평행사변형 베이스 링크(166), 평행사변형 제 1 링크(168), 평행사변형 제 2 링크(170), 분리가능한 수술 기구(미도시; 분리가능한 수술 기구 샤프트는 기구 홀더(172)의 원위 단부에서 결합되어 있는 것으로 나타나 있는 캐뉼라(173)를 통과함)를 지지하도록 구성된 기구 홀더(172) 및 원뿔형 스윕 조인트(174)를 포함한다. 다수의 실시예들에서, 베이스 링크(162)는 원격 중심 매니퓰레이터(160)를 통해 수술 중인 환자에 대한 포지션이 고정되어 있는 상태로 유지된다. 원뿔형 스윕 링크(164)는 원뿔형 스윕 링크 근위 단부(176)를 가지는데, 이 원뿔형 스윕 링크 근위 단부는 제 1 축(178)을 중심으로 하는 베이스 링크(162)에 대한 원뿔형 스윕 링크(164)의 회전을 위하여 베이스 링크(162)에 장착되고, 제 1 축은 기구 샤프트가 통과하는 캐뉼라의 중심선을 따라 형성된 운동의 원격 중심(RC)을 가로지른다. 원뿔형 스윕 링크(164)는 제 1 축(178)으로부터 오프셋되어 있는 원뿔형 스윕 링크 원위 단부(180), 및 원뿔형 스윕 링크 근위 단부(176)를 원뿔형 스윕 링크 원위 단부(180)에 연결하는 원뿔형 스윕 링크 바디부(182)를 가진다.

원뿔형 스윕 링크(164)의 바깥쪽에 있는(원위에 있는) 매니퓰레이터(160)의 링크장치는 원격 중심(RC)을 중심으로 하는 기구 홀더(172)의 2차원 회전으로 한정되는, 기구 홀더(172)의 선택적인 운동을 제공하도록 구성되어 있다(수술 기구는 미도시됨). 본 명세서에서는 요로서 지칭되는, 원격 중심(RC)을 중심으로 하는 기구 홀더(172)의 제 1 방향의 회전에 관하여, 평행사변형 베이스 링크(166)는 근위 단부(184)를 가지는데, 근위 단부는 원격 중심(RC)을 가로지르기도 하는 제 2 축(186)을 중심으로 하는, 원뿔형 스윕 링크 원위 단부에 대한 회전을 위하여 원뿔형 스윕 링크 원위 단부(180)에 장착된다. 평행사변형 베이스 링크(166)를 원뿔형 스윕 링크 원위 단부(180)에 대해 선택적으로 회전시킴으로써, 평행사변형 베이스 링크(166)의 바깥쪽에 있는 매니퓰레이터(160)의 링크장치는 또한 제 2 축(186) 둘레에서 선택적으로 회전되고, 이로써 제 2 축(186) 둘레에서 기구 홀더(172)를 선택적으로 회전시키는 것이 가능하다.

본 명세서에서 피치로 지칭되는, 원격 중심(RC)을 중심으로 하는 기구 홀더(172)의 제 2 방향의 회전에 관하여, 기구 홀더(172), 및 평행사변형 제 1 링크(168)와 제 2 링크(170)는 기구 홀더(172)의 운동을 제공하는 평행사변형 링크장치를 형성하도록 결합되는데, 기구 홀더의 운동은 제 2 축(186)뿐만 아니라 평행사변형 링크장치의 운동면에 대해 대체로 수직하는 축 둘레에서의 원격 중심(RC)을 중심으로 하는 회전으로 한정된다. 평행사변형 제 1 링크(168)는, 제 1 평행사변형 조인트(192)를 지나서 평행사변형 베이스 링크(166)의 원위 단부(190)와 회전가능하게 결합되는 근위 단부(188)를 가진다. 평행사변형 제 2 링크(170)는, 제 2 평행사변형 조인트(198)을 지나서 평행사변형 제 1 링크(168)의 원위 단부(196)와 회전가능하게 결합되는 근위 단부(194)를 가진다. 기구 홀더(172)는, 제 3 평행사변형 조인트(202)를 지나서 평행사변형 제 2 링크(170)의 원위 단부(200)와 결합된다. 제 2 평행사변형 조인트(198)와 제 3 평행사변형 조인트(202)는 제 1 평행사변형 조인트(192)의 회전에 의해 회전가능하게 구동되고, 그 결과 제 1 평행사변형 링크(168), 제 2 평행사변형 링크(170) 및 기구 홀더(172)는 평행사변형 링크장치를 형성한다. 나타나 있는 포지션에서, 제 1 평행사변형 링크(168)는 제 1 평행사변형 조인트(192)와 제 2 평행사변형 조인트(198) 사이에 뻗어 있는 제 1 평행사변형 측면(204)이 형성되어 있고, 제 2 평행사변형 링크(170)는 제 2 평행사변형 조인트(198)와 제 3 평행사변형 조인트(202) 사이에 뻗어 있는 제 2 평행사변형 측면(206)이 형성되어 있고, 기구 홀더(172)는 제 3 평행사변형 조인트(202)와 원격 중심(RC) 사이에 뻗어 있는 제 3 평행사변형 측면(208)이 형성되어 있다. 평행사변형 링크장치의 운동을 도시하기 위하여, 회전된 제 1 평행사변형 측면(204R)은 평행사변형 베이스 링크(166)에 대한 제 1 평행사변형 링크(168)의 대응하여 회전된 포지션을 표현하는 것으로 나타나 있고, 리포지셔닝된 제 2 평행사변형 측면(206R)과 제 3 평행사변형 측면(208R)은 제 1 평행사변형 링크(168)의 회전된 포지션에 각각 대응하는 제 2 평행사변형 링크(170)와 기구 홀더(172)의 포지션들을 표현하는 것으로 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 평행사변형 베이스 링크(166)에 대한 제 1 평행사변형 링크(168)의 회전은 기구 홀더(172)를 이동시키는데 이용되고, 그 결과 제 3 평행사변형 측면(208)의 원위 단부는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)과 일치한 상태로 남아 있고, 이로써 제 2 축(186)에 대해 대체로 수직하는 축을 중심으로 기구 홀더(172)를 피칭운동시키는 것이 가능하다.

조작된 수술 기구의 샤프트가 제 2 축(186)(요 축)과 일직선이 되는 경우, 원뿔형 스윕 링크(164)의 바깥쪽에 있는 매니퓰레이터(160)의 링크장치는 고유의 특이성(inherent singularity)을 가진다. 수술 기구 샤프트가 제 2 축(186)과 일직선이 되지 않는 경우라도, 수술 기구 샤프트와 제 2 축(186) 사이의 각도가 작은 경우에는(예컨대 15도 이하) 기구학적 상태(kinematic conditioning)는 양호하지 않다. 수술 기구 샤프트와 제 2 축(186)을 정렬시키는데 필요한 범위까지 평행사변형 링크장치를 연장시키는 것에 대한 다른 실질적인 한계는, 그 결과 생기는 매니퓰레이터(160)의 길이가 수술실 환경에서 사용하기에는 바람직하지 않게 길 수 있다는 것이다.

전술한 문제점들을 해결하기 위하여, 예컨대 제 2 축(186)에 대한 수술 기구 샤프트의 각도가 적어도 적합한 각도(예컨대 대략 15도)와 동일하게 제한되도록, 평행사변형 링크장치의 운동은 한정될 수 있다. 이러한 각도 한계 때문에, 제 2 축(186)의 임의의 특정 포지션 및 배향을 위한, 수술 기구 선단부가 도달할 수 없는 원뿔형 내부공간이 있다. 따라서, 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은, 엑세스불가능한 원뿔형 내부공간을 외과의사가 수술 중 관심을 두지않는 환자 내의 장소에 배치하도록 제 2 축(186)을 리포지셔닝하고 재배향하는 방법을 제공한다. 원뿔형 스윕 메커니즘(122)은 제 2 축(186) 둘레에서의 기구 홀더(172)의 회전에 대한 대안으로서 제 1 축(178) 둘레에서 기구 홀더(172)를 회전시키는데 사용될 수도 있다.

여유 축과, 하드웨어 제한 원격 중심 매니퓰레이터 상의 연계된 여유 자유도는 하나 이상의 가능성 있는 조인트 각도들의 조합들 중에서 하나를 이용하여, 매니퓰레이터가 개별적인 포지션으로 수술 기구를 포지셔닝하는 것을 허용한다. 여유 축(여유 자유도를 제공하는 조인트의 축)은 결과적으로 인접한 매니퓰레이터, 환자 해부체 또는 장비(수술대와 같은 것)와의 충돌을 회피하기 위해서 사용될 수 있다. 여유 축이 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 통과하도록 기계적으로 제한되는 경우에, 여유 축은 환자에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 이동시키는 위험이 없이 수술 동안 재배향될 수 있다.

원뿔형 스윕 조인트(174)는 제 2 평행사변형 링크(170)의 원위 단부(200)를 기구 홀더(172)에 결합한다. 원뿔형 스윕 조인트(174)는, 원격 중심(RC)을 가로지르는 제 3 축(210)을 중심으로 하는 제 2 평행사변형 링크(170)에 대한 기구 홀더(172)의 배향을 선택적으로 변경시키도록 작동가능하다. 제 2 평행사변형 링크(170)에 대한 기구 홀더(172)의 배향을 변경하는 성능은 기구 홀더(172)와 인접한 매니퓰레이터 사이의 간섭을 회피하기 위해서 이용될 수 있고, 기구 홀더(172)와 환자 사이의 간섭을 회피하기 위해서 이용될 수 있으며, 기구 홀더(172)의 운동 범위를 확대하기 위해서 이용될 수도 있다. 나타나 있는 실시예에서, 제 3 축(210)은 제 3 평행사변형 측면(208)과 일치하고, 이로써 제 3 평행사변형 측면(208)이 제 3 축(210)을 중심으로 하는 기구 홀더(172)의 회전에 응답하여 길이가 변하지 않는 것을 보장하는 것이 가능하다.

도 12에는 원뿔형 스윕 조인트(174)가 더 도시되어 있다. 나타나 있는 바와 같이, 중심선(228)을 따라 수술 기구가 삽입되거나 후퇴되고 중심선(228) 둘레에서 수술 기구 샤프트가 롤링운동하는데, 제 3 축(210)은 기구 홀더(172)에 의해 지지되는 수술 기구(미도시)의 중심선(228)과 정렬되어 있지 않다. 제 3 축(210)과 중심선(228) 사이의 각도 오프셋은 원뿔형 스윕 조인트(174)의 회전이 원격 중심(RC)에 대해 수술 기구를 재배향하는 것을 허용하고, 이로써 수술 기구가 환자 내부의 다른 영역들에 도달하는 것을 허용하는 것을 가능하게 한다. 상술된 바와 같이, 평행사변형 메커니즘의 피치 운동 기능과 결합하여, 원뿔형 스윕 조인트(174)의 회전은 운동의 원격 중심(RC)에 관한 수술 기구의 포지션 및 배향을 유지할 수 있고, 기구 홀더(172)의 리포지셔닝이 인접한 기구 홀더/수술 기구와의 간섭을 회피하는 것을 허용한다.

도 13a, 도 13b 및 도 13c에는 원뿔형 스윕 조인트(174)가 제공하는 운동의 범위가 도시되어 있다. 도 13a에서, 원뿔형 스윕 조인트(174)는 기구 홀더(172)가 제 2 평행사변형 링크(170)와 정렬되어 있는 중심 구성(centered configuration)으로 되어 있다. 도 13b에서, 원뿔형 스윕 조인트(174)는 한 방향으로 완전히 회전된 상태로 나타나 있고, 이로써 나타나 있는 방향으로 기구 홀더(172)를 배향하는 것이 가능하다. 그리고, 도 13c에서, 원뿔형 스윕 조인트(174)는 반대 방향으로 완전히 회전된 상태로 나타나 있고, 이로써 나타나 있는 반대 방향으로 기구 홀더(172)를 배향하는 것이 가능하다. 도시된 바와 같이, 원뿔형 스윕 조인트(174)에 의해 제공되는 기구 홀더(172)의 다른 가능성 있는 배향들은 기구 홀더(172)에 의해 지지되는 수술 기구(미도시)의 대응하는 다른 삽입 방향들을 제공하는데 이용된다. 이와 유사하게, 원뿔형 스윕 조인트(174)가 제공하는 여유 자유도는 각각의 개별적인 기구 포지션을 위하여 매니퓰레이터를 위한 일정한 범위의 조인트 포지션들을 허용한다. 도시되어 있지는 않지만, 도 11에 나타나 있는 근위 원뿔형 스윕 조인트가 유사한 기능을 제공한다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 기구가 정지상태로 남아 있는 동안, 함께 동작하는 2개의 원뿔형 스윕 조인트는 요 조인트와 평행사변형 메커니즘을 한쪽 측면이나 다른 측면으로 오프셋할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 기구 바디에 대해 엔드 이펙터를 롤링운동시키는 것(예컨대 샤프트 상에 엔드 이펙터를 롤링운동시키는 것, 또는 엔드 이펙터가 부착되어 있는 전체 샤프트를 롤링운동시키는 것)은 매니퓰레이터가 움직일 때 엔드 이펙터가 공간에서 정지상태로 남아 있는 것을 허용한다. 따라서, 원격수술 동안, 여유 자유도의 이점을 활용하는 매니퓰레이터 운동들은 대응하는 수술용 엔드 이펙터의 움직임을 인지하지 못하는 외과의사가 볼 수 있게 된다.

도 14a에는, 매니퓰레이터(160)의 제 2 평행사변형 조인트(198) 및 제 3 평행사변형 조인트(200)에 관한 일부 실시예들을 회전가능하게 결합하는, 제 1 사인/코사인 링크(228)와 제 2 사인/코사인 링크(230)가 나타나 있다. 제 1 사인/코사인 링크(228)와 제 2 사인/코사인 링크(230)는 링크들(228, 230)이 평행사변형 조인트들(198, 200)에 결합되는 방식을 반영하도록 명명된 것이다. 제 2 평행사변형 조인트(198)에 도시된 바와 같이, 제 1 사인/코사인 링크(228) 및 제 2 사인/코사인 링크(230)와 제 2 평행사변형 조인트(198) 사이의 연결들은 90도만큼 오프셋되어 있고, 제 1 사인/코사인 링크(228) 및 제 2 사인/코사인 링크(230)와 제 3 평행사변형 조인트(200) 사이의 연결은 이와 유사하게 구성되어 있다. 90도 연결 오프셋이 바람직하지만, 다른 오프셋 각도들도 사용될 수 있다. 연결 오프셋은, 링크들(228, 230) 중 적어도 하나가 제 2 평행사변형 조인트(198)와 제 3 평행사변형 조인트(200) 사이에 토크를 전달하는데 필요한 오프셋을 항상 가지도록, 제 1 평행사변형 조인트(198) 및 제 2 평행사변형 조인트(200) 모두를 통과하는 중심선(232)으로부터 항상 오프셋되어 있는 것을 보장한다. 각각의 제 1 사인/코사인 링크(228)와 제 2 사인/코사인 링크(230)의 각각의 단부를 동일한 각도 배향과 반경으로 평행사변형 조인트들(198, 200)에 연결함으로써, 제 2 평행사변형 조인트(198)와 제 3 평행사변형 조인트(200) 사이의 회전운동이나 전달은 확실하면서도 순조롭게 달성될 수 있다.

다수의 실시예들에서, 제 1 사인/코사인 링크(228)와 제 2 사인/코사인 링크(230)의 길이는 결합 지점들 사이의 길이를 제 2 평행사변형 조인트(198) 및 제 3 평행사변형 조인트(200)와 잘 매칭시키도록 조정가능하다. 링크장치가 기구학적으로 과도하게 제한되어 있기 때문에, 길이, 각도 또는 작동 반경과 같은 기계적인 구성요소들의 기하학적 편차는 구성요소들 모두 또는 그 중 일부에서의 하이 포스(high force) 및/또는 포스 파이트(force fight)의 개발을 야기할 수 있다. 제 1 사인/코사인 링크(228)는 제 1 링크 조인트(238)에서 함께 고정되는 제 1 링크 근위부(234)와 제 1 링크 원위부(236)를 포함한다. 마찬가지로, 제 2 사인/코사인 링크(230)는 제 2 링크 조인트(244)에서 함께 고정되는 제 2 링크 근위부(240)와 제 2 링크 원위부(242)를 포함한다. 제 1 링크 조인트(238)와 제 2 링크 조인트(244)는, 제 1 사인/코사인 링크(228)와 제 2 사인/코사인 링크(230) 각각의 길이가 링크들(228, 230)이 설치되는 제 2 평행사변형 링크(170)의 특정 길이에 매칭되게 변경될 수 있도록 구성되어 있다. 예를 들어, 제 1 링크 근위부(234)와 제 1 링크 원위부(236)는 우선 제 2 평행사변형 조인트(198)와 제 3 평행사변형 조인트(200)에 각각 연결되고 나서, 제 1 링크 조인트(238)를 통해 서로 결합되어 근위부(234)와 원위부(236)가 설치되는 제 2 평행사변형 링크(170)의 특정 길이에 매칭될 수 있다.

도 14b에는 매니퓰레이터(160)의 제 1 평행사변형 조인트(192)와 제 2 평행사변형 조인트(198)를 회전가능하게 결합하는 제 3 사인/코사인 링크(246)와 제 4 사인/코사인 링크(248)가 나타나 있다. 제 3 사인/코사인 링크(246)와 제 4 사인/코사인 링크(248)는 제 1 사인/코사인 링크(228)와 제 2 사인 코인/코사인 링크(230)과 유사하게 평행사변형 조인트들(192, 198)에 연결되도록 구성되어 있어서, 동일한 설명이 가해져서 여기에 반복되지는 않을 것이다. 도 14b에는 배향된 만곡부들(250, 252)이 도시되어 있는데, 이 만곡부들은 제 3 사인/코사인 링크(246)와 제 4 사인/코사인 링크(248)의 작동상 포스-파이트 레벨들을 감소시키도록 구성되어 있다(그리고 제 1 사인/코사인 링크(228)와 제 2 사인/코사인 링크(230)의 작동상 포스-파이트 레벨들을 감소시키는데 사용될 수도 있음). 배향된 만곡부들(250, 252) 각각은 강성인 배향(stiff orientation)과 유연한 배향(compliant orientation)을 가지는 외팔보로서 구성되어 있는데, 강성인 배향은 배향된 만곡부가 부착된 사인/코사인 링크와 정렬되어 있는 상태(제 4 사인/코사인 링크(248)가 제 2 평행사변형 조인트(198)에 연결되어 있는 것으로 나타나 있음)이고, 유연한 배향은 배향된 만곡부가 부착된 사인/코사인 링크와 수직하게 배향되어 있는 상태(제 3 사인/코사인 링크(246)가 제 1 평행사변형 조인트(192)에 연결되어 있는 것으로 나타나 있음)이다. 배향된 만곡부들(250, 252)은, 부착된 사인/코사인 링크가 토크의 전달을 위하여 최대한의 기계적 이점을 제공할 때에는 제공된 부하 경로의 강성이 최대가 되되 부착된 사인/코사인 링크가 토크의 전달을 위하여 최소한의 기계적 이점을 제공할 때에는 제공된 부하 경로의 강성이 최소가 되도록 구성되어 있다.

도 14a와 도 14b에 도시되어 있는 바와 같이 사인/코사인 링크들의 사용은 선택적이고, 상술된 바와 같이 다른 공지의 방법들(예컨대 기어, 벨트 등)은 평행사변형 메커니즘이 적절히 기능하도록 평행사변형 링크들을 결합하기 위해서 존재한다.

도 15에는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC) 및 연계된 기계적인 여유 자유도를 통과하는 여유 축의 구현을 위한 다른 접근법이 도시되어 있다. 도 15에는 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(260)가 나타나 있는데, 원격 중심 매니퓰레이터는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)에 대해 일정한 곡률 반경을 가지는 곡선 부재(264)를 포함하는 마운팅 베이스(262)를 포함하고, 매니퓰레이션의 원격 중심을 따라 매니퓰레이터(260)의 바깥쪽(근위) 연결장치의 베이스 링크(266)가 리포지셔닝될 수 있다. 바깥쪽 링크장치는 베이스 링크(266)에 장착되어 있는데, 베이스 링크는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 제 1 축(268)을 중심으로 하는 회전을 위하여 "요" 조인트 부재를 포함한다. 베이스 링크(266)는 곡선 부재(264)와 접속되어 있고, 그 결과 베이스 링크(266)는 곡선 부재(264)를 따라 선택적으로 리포지셔닝되도록 제한되며, 이로써 환자에 대한 포지션이 고정되어 있는 상태로 유지되는 마운팅 베이스(262)에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션을 유지하는 것이 가능하다. 곡선 부재(264)는 베이스 링크(266)의 움직임이 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 제 2 축(270)을 중심으로 하는 회전으로 한정되도록 구성되어 있다. 베이스 링크(266)의 포지션을 곡선 부재(264)를 따라 변경함으로써, 환자에 대한 매니퓰레이터(260)의 바깥쪽 링크장치의 배향은 변경될 수 있고, 이로써 원격 중심 매니퓰레이터(260)에 의해 조작되는 수술 기구의 증가된 범위의 운동을 제공하는 것이 가능하다. 평행사변형 메커니즘(272)은 축(274) 둘레에서의 회전을 제공한다. 전체 평행사변형 메커니즘이 축(268) 둘레에서 회전할 때, 축들(270, 274)이 일치하게 될 수 있다는 것을 알 수 있다. 평행사변형 메커니즘들(140, 272)이 유사하고 요 조인트들(76, 266)이 유사하기에, 도 15에 나타나 있는 실시예가 도 9에 나타나 있는 실시예의 구성과 유사하다는 것 또한 알 수 있다.

도 16에는 여유 축의 구현을 위한 다른 접근법이 도시되어 있는데, 여유 축은 연계된 여유 자유도를 제공하는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 통과한다. 도 16에는 다수의 실시예들에 따르되 마운팅 베이스(282)를 포함하는 원격 중심 매니퓰레이터(280)가 나타나 있는데, 마운팅 베이스는 매니퓰레이터(280)의 바깥쪽(원위) 링크장치의 베이스 링크(286)가 리포지셔닝될 수 있는 폐쇄형 루프 곡선 부재(284)를 내부에 포함한다. 나타나 있는 바와 같이, 중앙 장착 요소(285)는 폐쇄형 루프 곡선 부재(284) 내부에서 회전한다. 베이스 링크(286)는 매니퓰레이션의 원격 중심을 향하면서 다소 안쪽을 향하여 배향되어 있는 중앙 장착 요소(285) 상에 장착된다. 바깥쪽 링크장치는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 제 1 축(288)을 중심으로 하는 회전을 위하여 베이스 링크(286)에 장착된다. 폐쇄형 루프 곡선 부재(284)는 곡선 부재(284) 둘레에서의 베이스 링크(286)의 모든 포지션들을 위하여 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션이 환자에 대해 고정된 상태로 유지되는 마운팅 베이스(282)에 대해 고정된 상태로 남아 있도록 구성되어 있다. 폐쇄형 루프 곡선 부재(284)는 원형이고, 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 제 2 축(290)을 중심으로 하여 축방향으로 대칭된다. 폐쇄형 루프 곡선 부재(284) 둘레에서의 베이스 링크(286)의 포지션을 변경함으로써, 환자에 대한 매니퓰레이터(280)의 바깥쪽 링크장치의 배향은 변경될 수 있고, 이로써 증가된 범위의 운동, 아암 대 아암 또는 아암 대 주위의 충돌 회피 및/또는 원격 중심 매니퓰레이터(280)의 기구학적 특이성 회피를 제공하는 것이 가능하다. 마운팅 베이스가 단지 원의 일부를 횡단하는 "부분 원(partial circle)" 부재 또는 완전 원형(full circular) 부재가 사용될 수도 있다. 곡선 부재(284)와, 연계된 중앙 장착 부재(285)가 원뿔형 스윕 조인트로서의 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 16에 나타나 있는 실시예는 도 7에 나타나 있는 실시예와 유사하여, 원뿔형 스윕 조인트들(122, 284)이 유사하며 요 조인트들(76, 286)이 유사하다.

도 17은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(300)가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(300)는 도 6의 원격 중심 매니퓰레이터(70)와 같이 동일한 구성요소들 중 일부를 포함한다. 공통된 구성요소들은 마운팅 베이스(72), 베이스 링크(74), 요 조인트(76), 베이스 평행사변형 조인트(80), 제 1 평행사변형 링크(82), 제 1 평행사변형 조인트(84), 제 2 평행사변형 링크(86), 제 2 평행사변형 조인트(88) 및 기구 홀더(92)를 포함한다. 원격 중심 매니퓰레이터(300)는 원뿔형 스윕 어셈블리(90)(미도시)도 포함할 수 있다. 원격 중심 매니퓰레이터(300)는 요 축(98)으로부터 평행사변형 링크장치 부분(100)을 오프셋하는 오프셋 연장 링크(302)를 포함하고, 이로써 피치 축(102)을 요 축(98)에 대해 수직하지 않도록 배향하는 것이 가능하다. 요 축(98)으로부터 평행사변형 링크장치 부분(100)을 오프셋하는 것은, 요 조인트(76)의 작동에 의해 요 축(98) 둘레에서 회전될 때 원격 중심 매니퓰레이터(300)가 스윕동작하는 내부공간을 축소하는데 이용될 수 있고, 이로써 환자에 대한 간극을 증가시키는 것 및/또는 인접한 원격 중심 매니퓰레이터(들)에 대한 간극을 증가시키는 것이 가능하다. 제한없는 예로서, 오프셋 각도는 일부 실시예들에서는 12.7도이다. 오프셋에 의해 제공되는 부가적인 간극이 작은 것으로 보이지만, 이 간극은 수술 동안 중요할 수 있는데, 이는 이러한 몇몇 매니퓰레이터들이 환자에게 삽입되는 기구들을 제어하기 위해서 가깝게 포지셔닝되는 것이 통상적이기 때문이다. 보다 더 중요하게는, 환자로부터의 증가된 간극이 환자 내부의 기구 엔드 이펙터의 증가된 범위의 운동을 허용할 수 있고, 치료 목적으로 조직에 도달하는데 필요한 경우에는 외과의사가 단지 약간 더 멀리 도달하는 것을 허용한다.

도 18은 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(310)가 개략적으로 표현되어 있는 사시도이다. 원격 중심 매니퓰레이터(310)는 도 17의 원격 중심 매니퓰레이터(300)와 도 9의 원격 중심 매니퓰레이터(140) 모두의 양태들을 포함한다. 특히, 원격 중심 매니퓰레이터(310)는 재배향 메커니즘(142), 오프셋 연장 링크(302) 및 평행사변형 링크장치 부분(100)을 포함한다. 결과적으로, 원격 중심 매니퓰레이터(310)는 여유 축 및 연계된 여유 자유도를 가지고, 상세하게는 기구 홀더(92)가 매니퓰레이션의 원격 중심(RC) 둘레에서 회전될 수 있는 축(144)(나타나 있는 실시예에서는 피치 축(102)과 정렬되지 않음)을 가진다. 재배향 메커니즘(142)은, 수술 과정 전에는 셋업 조인트로서 사용될 수 있고, 그리고/또는 수술 과정 동안에는 마운팅 베이스(72)에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션을 유지하면서 바깥쪽(원위) 링크장치를 능동적으로 재배향하는데 사용될 수 있으며, 이로써 환자에 대한 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)의 포지션을 유지하는 것이 가능하다.

본 명세서에 개시되어 있는 원격 중심 매니퓰레이터 양태들의 적합한 조합이 이용될 수 있다. 예를 들어, 원격 중심 매니퓰레이터는 재배향 메커니즘(142), 원뿔형 스윕 메커니즘(122), 오프셋 연장 링크(302) 및 원뿔형 스윕 메커니즘(90)의 적합한 조합을 포함할 수 있다. 도 19에는 재배향 메커니즘(142), 오프셋 연장 링크(302), 평행사변형 링크장치 부분(100) 및 원뿔형 스윕 메커니즘(90)을 포함하는 원격 중심 매니퓰레이터(312)가 나타나 있다.

도 20에는 다수의 실시예들에 따르는 원격 중심 매니퓰레이터(320)가 나타나 있다. 매니퓰레이터(320)는 현장에서 교체가능하도록 구성되어 있는 5개의 유닛을 포함한다. 5개의 현장 교체가능형 유닛(field replaceable units; FRUs)은 요/피치 구동 어셈블리(322), 연장부 근위 단부(326)와 연장부 원위 단부(328)를 가지는 연장부(324), 제 1 링크 근위 단부(332)와 제 1 링크 원위 단부(334)를 가지는 제 1 평행사변형 링크(330), 제 2 링크 근위 단부(338)와 제 2 링크 원위 단부(340)를 가지는 제 2 평행사변형 링크(336) 및 기구 홀더(342)를 포함한다.

요/피치 구동 어셈블리(322)는 마운팅 베이스(344), 마운팅 베이스(344)와 결합되어 요 축(348) 둘레에서 회전하는 요/피치 하우징(346)을 포함하는데, 요 축은 마운팅 베이스(344)에 대해 고정된 포지션을 가지는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지른다. 마운팅 베이스(344)는 원격 중심 매니퓰레이터(320)가 카트 장착부, 천장 장착부, 바닥(floor)/기반(pedestal) 장착부 또는 다른 장착면을 가진 셋업 아암들/조인트들에 의해 장착되면서 지지되는 것을 허용한다. 환자에 대한 포지션 및 배향이 고정되어 있는 마운팅 베이스(344)를 지지함으로써, 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)은 환자에 대해 고정된 상태로 유지되고, 이로써 수술 기구의 진입 위치에서 환자 조직 상에 잠재적으로 위험한 힘이 가해지지 않으면서 조작되는 기구 홀더(342)에 의해 유지되는 수술 기구를 위한 진입 지점을 제공하는 것이 가능하다. 요/피치 구동 어셈블리(322)는 요/피치 하우징(346)을 마운팅 베이스(344)에 대해 선택적으로 회전시키도록 작동가능하고, 이로써 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 바깥 부분을 회전시키는 것이 가능하고, 그 결과 기구 홀더(342)는 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 마운팅 베이스(344)에 대해 이동시키지 않으면서 요 축(348) 둘레에서 회전된다(요잉운동된다).

연장부(324)는 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 평행사변형 링크장치 부분 중 베이스 조인트(350)에 대한 지지를 제공한다. 연장부 근위 단부(326)는 요/피치 하우징(346)에 고정되게 장착된다. 제 1 링크 근위 단부(332)는 베이스 조인트(350)를 통해 연장부 원위 단부(328)와 결합되어 있고, 그 결과 제 1 평행사변형 링크(330)는 연장부(324)에 대해 제 1 오프셋 피치 축(352) 둘레에서 회전한다. 제 1 평행사변형 링크(330)는 연장부(324)의 측면에 대해 오프셋되어 있고, 그 결과 제 1 평행사변형 링크(330)는 연장부(324)로부터 오프셋되어 있는 운동면에서 움직이므로, 연장부(324)와 간섭하지 않으면서 연장부(324)를 지나 정렬되어 회전할 수 있다.

원격 중심 매니퓰레이터(320)의 평행사변형 링크장치 부분은 제 1 평행사변형 링크(330), 제 2 평행사변형 링크(336) 및 기구 홀더(342)를 포함한다. 제 2 링크 근위 단부(338)는 제 1 중간 조인트(354)를 통해 제 1 링크 원위 단부(334)와 결합되어 있고, 그 결과 제 2 평행사변형 링크(336)는, 제 1 오프셋 피치 축(352)과 평행하면서 제 1 링크 원위 단부(334)에 대해 고정되어 있는, 제 2 오프셋 피치 축(356) 둘레에서 제 1 평행사변형 링크(330)에 대해 회전한다. 제 2 평행사변형 링크(336)는 제 1 평행사변형 링크(330)의 측면에 대해 오프셋되어 있고, 그 결과 제 2 평행사변형 링크(336)는 제 1 평행사변형 링크(330)로부터 오프셋되어 있는 운동면에서 움직이므로, 제 1 평행사변형 링크(330)와 간섭하지 않으면서 제 1 평행사변형 링크(330)를 지나 정렬되어 회전할 수 있다. 기구 홀더(342)는 제 2 중간 조인트(358)를 통해 제 2 링크 원위 단부와 결합되어 있고, 그 결과 기구 홀더(342)는, 제 1 오프셋 피치 축(352)과 평행하면서 제 2 링크 원위 단부(340)에 대해 고정되어 있는, 제 3 오프셋 피치 축(360) 둘레에서 제 2 평행사변형 링크(336)에 대해 회전한다. 제 1 중간 조인트(354)와 제 2 중간 조인트(358) 각각의 회전은 베이스 조인트(350)의 회전과 결부되어 있고, 그 결과 제 1 평행사변형 링크(330), 제 2 평행사변형 링크(336) 및 기구 홀더(342)는 평행사변형 링크장치로서 움직이도록 제한되고, 이로써 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 가로지르는 피치 축(362)을 중심으로 기구 홀더를 회전(피칭운동)시키는 것이 가능하다.

기구 홀더(342)는 수술 기구가 장착되는 캐리지 어셈블리(364)를 포함한다. 기구 홀더(342)는 삽입 축(366)을 따라 캐리지 어셈블리(364)를 병진운동시키도록 작동가능한 삽입 구동 메커니즘을 포함하고, 이로써 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)을 통해 수술 기구의 삽입을 제어하는 것이 가능하다. 수술 기구는 통상적으로 캐뉼라(368)를 통과하는데, 캐뉼라는 기구 홀더(342)의 원위 단부에 장착되고, 이를 위하여 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)은 축(366)과 일치하는 중심선을 따라 형성된다.

도 21에는 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 평면도가 나타나 있다. 나타나 있는 바와 같이, 요축(348)과 피치 축(366)은 90도를 제외한 각도만큼 각도상으로 오프셋되어 있다. 나타나 있는 실시예에서, 요 축(348)과 피치 축(366)은 87.3도만큼 각도상으로 오프셋되어 있다. 요 축(348)과 피치 축(366)을 90도를 제외한 각도만큼 오프셋함으로써, 요 축(348)을 중심으로 하는 회전을 위한 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 작동상 공간 엔벌로프(스윕동작 공간(swept volume; 휩쓸고 지나가게 되는 내부공간))는 요 축(348)과 피치 축(366) 사이에서의 90도 각도 오프셋의 사용에 비해 축소되어 있다. 요 축(348)을 중심으로 하는 회전을 위한 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 스윕동작 공간의 축소는 도 22에 도시되어 있다. 나타나 있는 실시예에 있어서, 87.3도의 각도 오프셋은 7.95인치인 베이스 조인트(350)의 직경을 가지는 비교적 더 작은 스윕동작 공간(368)을 생성한다. 이에 비해, 피치 축(366)으로부터의 90도 각도 오프셋을 가지는 요 축(370)이 사용되는 경우에는, 8.98인치인 베이스 조인트(350)의 직경을 가지는 비교적 더 큰 스윕동작 공간(372)을 생성한다. 따라서, 87.3도 각도 오프셋의 사용은 상술된 바와 같이, 수술 성과를 위하여 중요할 수 있는 약 0.5인치의 부가적인 환자 간극을 생성한다.

도 23은 기구 홀더(342)가 후방으로 최대한 피칭운동되어 있는 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 측면도이다. 나타나 있는 구성에서, 제 1 평행사변형 링크(330)는 연장 링크(324)와 정렬되면서 막 지나는 포지션으로 선회되어 있고(swung), 제 2 평행사변형 링크(336)는 제 1 평행사변형 링크(330)와 정렬되면서 막 지나는 포지션으로 선회되어 있으며, 이로써 수직선(374)쪽으로부터 요 축(348)쪽으로 75도의 각도 오프셋으로 삽입 축(366)을 배향하는 것이 가능하다. 기구 홀더(342)가 요/피치 하우징(346)과 접촉하지 않도록 원격 중심 매니퓰레이터(320)가, 예컨대 연장 링크(324)의 길이를 증가시킴으로써 더욱 큰 최대 피치 후방 각도를 달성하도록 구성될 수는 있지만, 획득된 부가적인 피치 후방 각도는 실제 값이 아닐 수 있는데, 이는 삽입 축(366)과 요 축(348) 사이의 각도가 15도 이하로 축소될 때 매니퓰레이션의 원격 중심(RC)에 대한 기구 홀더(342)의 요잉운동에 관한 원격 중심 매니퓰레이터(320)의 기구학이 점점 열악한 상태로 된다라는 점을 고려할 때 그러하다.

다른 변경들은 본 발명의 사상의 범위 내에 있다. 따라서, 본 발명이 여러 가지 수정들 및 대체 구성들의 여지가 있지만, 도시되어 있는 특정 실시예들은 도면에 나타나 있으며 보다 상세하게 상술되어 있다. 그러나, 본 발명을 특정 형태나 개시된 형태들로 한정하려고 의도하지는 않았고, 오히려 첨부의 특허청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명이 모든 수정들, 대체 구성들, 및 본 발명의 사상과 범주 내에 속하는 균등물을 포함할 수 있다는 것은 이해되어야 한다.

"한(a)", "하나의(an)"와 "그(the)" 및 본 발명을 설명하는 문맥상의(특히 다음에 오는 특허청구범위의 문맥상의) 유사한 지시어(referent)들의 사용은 이와 다르게 본 명세서에서 지시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한, 단수와 복수 모두를 포함하는 것으로 해석될 수 있다. "구비하는(comprising)", "가지는(having)" 및 "포함하는(containing)"이라는 용어들은 이와 다르게 언급되지 않는 한, 제약을 두지않는(open-ended) 용어들(즉 "포함하되 한정되지 않는"을 의미함)로서 해석될 수 있다. "연결된(connected)"이라는 용어는 개재되어 있는 어떤 것이 존재하더라도 부분적으로 또는 전체적으로 그 내부에 포함되거나, 함께 부착되거나 결합되는 것으로 해석될 수 있다. 본 명세서에 열거되어 있는 값들의 범위는 본 명세서에서 달리 지시되지 않는 한, 그 범위에 속하는 각각의 별개의 값을 개별적으로 지칭하는 약식 방법(shorthand method)으로서 이용되도록 의도되어 있을 뿐이다. 본 명세서에서 설명된 모든 방법들은 이와 다르게 본 명세서에서 지시되거나 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한, 적합한 순서로 행하여 진다. 본 명세서에서 제공되는 일부 예시와 모든 예시들 또는 예시적인 용어(예컨대 "~와 같은(such as)")의 사용은 본 발명의 실시예들을 더욱 설명하도록 의도되었을 뿐이고 이와 달리 주장되지 않는 한, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 명세서에서의 용어는 주장되지 않는 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 지시하는 것처럼 해석되어서는 안된다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 본 명세서에 설명되어 있고, 본 발명을 실시하는 발명자들에게 알려진 최선의 실시예(best mode)를 포함한다. 이러한 바람직한 실시예들의 변경들은 전술된 설명을 읽는 즉시 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 발명자들은 통상의 기술자가 이러한 변경들을 적절한 정도로 이용하는 것을 예정하고 있으며, 그리고 발명자들은 본 발명이 본 명세서에서 특별히 설명되는 바와 달리 실시될 수 있다는 것을 의도하고 있다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법률에 의해 허용되는 정도로 본 명세서에 첨부된 특허청구범위에서 인용되는 대상에 관한 모든 수정과 균등물을 포함한다. 더욱이, 본 명세서의 모든 가능성 있는 변경들에 있어서의 상술된 요소들의 임의의 조합은 이와 다르게 본 명세서에서 지시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한, 본 발명에 포함되어 있다.

본 명세서에서 인용된 공보들, 특허 출원들 및 특허들을 포함하는 모든 참조문헌은, 각각의 참조문헌이 참조사항으로 통합되어 있는 것으로 개별적이면서도 특별히 지시되어 본 명세서에서 그 전체로 설명되어 있는 것과 같이 동일한 정도로 통합되어 있다.

Claims

최소 침습 로봇 수술 동안 수술 기구의 포지션을 제한하기 위한 원격 중심 매니퓰레이터로서,
수술 기구는 매니퓰레이션의 원격 중심을 통해 환자의 체강 속으로 삽입하도록 구성된 원위 작업 단부를 가지는 기다란 샤프트를 포함하고,
원격 중심 매니퓰레이터는:
마운팅 베이스;
수술 기구와 결합하도록 구성되어 있는 기구 홀더; 및
기구 홀더를 마운팅 베이스에 결합하는 링크장치;
를 구비하며,
링크장치의 제 1 링크 및 제 2 링크는, 제 1 링크에 대한 제 2 링크의 운동을 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 요 축을 중심으로 하는 회전으로 한정하도록 결합되고,
링크장치는, 3개의 회전가능하게 결합된 조인트를 포함하는 평행사변형 링크장치 부분을 포함하고,
3개의 회전가능하게 결합된 조인트는, 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 피치 축을 중심으로 기구 홀더를 회전시키는 평행사변형 링크장치 부분의 제한된 평행사변형 운동을 발생시키도록 구성되고,
링크장치는, 원뿔형 스윕 축을 중심으로 기구 홀더를 재배향하도록 구성된 원뿔형 스윕 조인트를 더 포함하는,
원격 중심 매니퓰레이터.
제 1 항에 있어서,
요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 1.0도 내지 10.0도의 각도만큼 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 2 항에 있어서,
요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 1.5도 내지 5.0도의 각도만큼 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 3 항에 있어서,
요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 2.0도 내지 3.5도의 각도만큼 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 1 항에 있어서,
제 2 링크는 제 1 링크에 대해 적어도 540도에 걸쳐서 회전될 수 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 5 항에 있어서,
제 2 링크는 제 1 링크에 대해 적어도 600도에 걸쳐서 회전될 수 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 1 항에 있어서,
기구 홀더는 피치 축을 중심으로 적어도 140도에 걸쳐서 회전될 수 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
최소 침습 로봇 수술 동안 수술 기구의 포지션을 제한하기 위한 원격 중심 매니퓰레이터로서,
수술 기구는 매니퓰레이션의 원격 중심을 통해 환자의 체강 속으로 삽입하도록 구성된 원위 작업 단부를 가지는 기다란 샤프트를 포함하고,
원격 중심 매니퓰레이터는:
마운팅 베이스;
평행사변형 링크장치 베이스;
마운팅 베이스에 결합되고, 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 원뿔형 스윕 축을 중심으로 평행사변형 링크장치 베이스를 재배향하도록 구성된 원뿔형 스윕 메커니즘;
평행사변형 링크장치 베이스를 원뿔형 스윕 메커니즘에 구동가능하게 결합하고, 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르고 원뿔형 스윕 메커니즘에 대해 경사진 요 축을 중심으로 마운팅 베이스에 대해 평행사변형 링크장치 베이스를 선택적으로 회전시키도록 작동가능한 제 1 구동 모듈;
평행사변형 링크장치 베이스에 회전가능하게 결합되고, 제 2 구동 모듈 출력부를 갖고, 평행사변형 링크장치 베이스에 대해 제 2 구동 모듈 출력부를 선택적으로 회전시키도록 구성되는 제 2 구동 모듈;
제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 평행사변형 링크장치 베이스에 대해 회전하기 위하여 평행사변형 링크장치 베이스에 결합되는 제 1 링크 근위 단부와, 제 1 링크 원위 단부를 갖는 제 1 링크;
제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 제 1 링크에 대해 회전하기 위하여 제 1 링크 원위 단부에 결합되는 제 2 링크 근위 단부와, 제 2 링크 원위 단부를 갖는 제 2 링크; 및
제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 제 2 링크에 대해 회전하기 위하여 제 2 링크 근위 단부에 결합되는 기구 홀더;
를 구비하고,
제 2 구동 모듈 출력부의 회전은, 매니퓰레이션의 원격 중심을 가로지르는 피치 축을 중심으로 하는 회전으로 한정되는 기구 홀더의 운동을 발생시키는,
원격 중심 매니퓰레이터.
제 8 항에 있어서,
평행사변형 링크장치 베이스는 제 1 구동 모듈 및 제 2 구동 모듈 각각이 적어도 부분적으로 배치되는 요/피치 하우징을 구비하는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 9 항에 있어서,
평행사변형 링크장치 베이스는 연장부 근위 단부 및 연장부 원위 단부를 가지고 있는 연장부를 구비하고, 연장부 근위 단부는 요/피치 하우징에 고정되게 부착되고, 제 1 링크 근위 단부는 제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 응답하여 연장부에 대해 회전하기 위하여 연장부 원위 단부에 결합되는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 10 항에 있어서,
연장부는 제 2 링크의 회전을 제 2 구동 모듈 출력부의 회전에 구동가능하게 결합하는 구동 결합장치를 구비하고, 구동 결합장치는 연장부 근위 단부와 연장부 원위 단부 사이에 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 11 항에 있어서,
구동 결합장치는 풀리들을 구동가능하게 결합하는 금속 벨트를 구비하는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 11 항에 있어서,
구동 결합장치는 사인/코사인 링크들을 구비하는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 11 항에 있어서,
구동 결합장치는 배향된 만곡부들을 가진 사인/코사인 링크들을 구비하는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
삭제
제 11 항에 있어서,
제 1 현장 교체가능형 유닛, 제 2 현장 교체가능형 유닛, 제 3 현장 교체가능형 유닛, 제 4 현장 교체가능형 유닛 및 제 5 현장 교체가능형 유닛을 구비하고,
제 1 현장 교체가능형 유닛은 요/피치 하우징, 제 1 구동 모듈, 제 2 구동 모듈 및 제 2 구동 모듈 출력부를 구비하고,
제 2 현장 교체가능형 유닛은 연장부를 구비하되, 제 1 현장 교체가능형 유닛과 상이하고,
제 3 현장 교체가능형 유닛은 제 1 링크를 구비하되, 제 1 현장 교체가능형 유닛 및 제 2 현장 교체가능형 유닛 각각과 상이하고,
제 4 현장 교체가능형 유닛은 제 2 링크를 구비하되, 제 1 현장 교체가능형 유닛, 제 2 현장 교체가능형 유닛 및 제 3 현장 교체가능형 유닛 각각과 상이하고,
제 5 현장 교체가능형 유닛은 기구 홀더를 구비하되, 제 1 현장 교체가능형 유닛, 제 2 현장 교체가능형 유닛, 제 3 현장 교체가능형 유닛 및 제 4 현장 교체가능형 유닛 각각과 상이한 것,
을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 11 항에 있어서,
연장부는 제 1 링크의 한쪽 측면에 대해 오프셋되어, 제 1 링크가 연장부와 정렬되어 이동가능한 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 17 항에 있어서,
제 2 링크는 제 1 링크의 한쪽 측면에 대해 오프셋되어, 제 2 링크가 제 1 링크와 정렬되어 이동가능한 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 8 항에 있어서,
요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 1.0도 내지 10.0도 사이의 각도만큼 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 19 항에 있어서,
요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 1.5도 내지 5.0도 사이의 각도만큼 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 20 항에 있어서,
요 축 및 피치 축은 수직 상태로부터 2.0도 내지 3.5도 사이의 각도만큼 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.
제 8 항에 있어서,
기구 홀더는 피치 축을 중심으로 적어도 140도에 걸쳐서 회전될 수 있는 것을 특징으로 하는 원격 중심 매니퓰레이터.