KR20090051029A - 직각풀리 구동기구를 갖는 수술조종장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조종 아암(408), 로봇 아암에 의해 지지된 선단부(428), 선단부(428)에 의해 지지되는 수술공구(430, 560, 630, 700) 및 조종 아암을 포함하는 수술조종장치(4000), 특히 일 축선에서의 회전운동을 수직한 축선으로 전달하여 컴팩트하고 경량의 수술조종장치를 제공할 수 있는 직각구동장치를 제공한다.

Description

직각풀리 구동기구를 갖는 수술조종장치{SURGICAL MANIPULATOR WITH RIGHT-ANGLE PULLEY DRIVE MECHANISMS}

관련 미합중국 특허출원들의 상호참조

본 특허출원은 2006년 6월 14일 영어로 수술 조종장치라는 명칭으로 출원된 미합중국 특허출원 제 60/813,353호에 관한 것으로서, 그 특허출원의 전체를 여기서 참조하여 채용한다.

본 발명은 조종 아암, 상기 조종 아암에 의해 지지되는 선단부, 상기 선단부에 의해 지지되는 수술도구 및 조종 조인트를 포함하는 수술 조종장치, 특히 일 축선에서의 회전운동을 수직한 축선으로 전달하기 위한 직각구동부에 관한 것이다.

수술 조종시스템의 목표는 로봇 및 센서 기술을 적용하여 환자의 수술결과 품질을 비용면에서 효율적인 방식으로 향상시키는 것이다. 수술 로봇공학은 외과의사에 의한 반복 가능한 향상된 공간분해능 및 수술도구의 위치결정에서의 양호한 기하학적 정밀도, 신속한 수술속도, 외과의사의 피로를 줄여줄 수 있는 양호한 작업능률연구, 및 외과의사의 훈련 및 교육을 위한 토대를 제공할 수 있는 능력을 통해 이 목표를 달성할 수 있다.

캘거리 대학교의 뉴로아암 자기공명단층촬영장치(NeuroArm Magnetic Resonance Imager; MRI) 호환 뇌신경수술로봇, 인튜이티브 서지칼(Intuitive Surgical)의 다빈치 및 제우스 수술로봇, 마이크로덱스터리티(Microdexterity) 및 젯트 프로펄션 래버러터리(Jet Propulsion Laboratory)의 RAMS 시스템, 마코(MAKO)의 햅팁 가이던스 시스템(Haptic Guidance System), 마조 서지칼 테크놀로지스(Mazor Surgical Technologies)의 스파인어시스트(SpineAssist), 및 인터그레이티드 서지칼 시스템즈(Integrated Surgical Systems)의 ROBODOC을 포함한 많은 상업적 수술로봇 시스템들이 현재 사용되고 있다.

캘거리 대학교의 뉴로아암 시스템은 MRI 환경에서 신경수술을 실시하도록 설계되어있다. 이 시스템은 이중 아암을 갖는데, 각 아암은 마스터-슬레이브 구조에서 6의 자유도를 갖는다. 이 로봇은 MR호환성을 가지므로 로봇 아암의 어떤 부분에 대해서도 자성재료가 사용되지 않는다. 또한 도구팁 힘을 감지하기 위한 촉각피이드백 능력도 갖는다. 수술도구의 변경은 수동으로 이루어지는데, 이에 대해서는 미합중국 특허 제 7,155,316호를 참조하라.

인튜이티브 서지칼의 다빈치 시스템은 복강경 수술용으로 설계되었다. 이 시스템은 마스터-슬레이브 제어구조에서 외과의사에 의해 제어되는 5개 이하의 아암을 가질 수 있다. 이 시스템은 크고 무거우며 1000파운드보다 무거운 중량을 갖는다. 촉감피이드백이 없으며 도구교체를 수동으로 실시한다. 제우스는 역시 복강경 수술용으로 설계된 단종된 제품이다. 다빈치보다 작고 가볍지만 제우스도 마스터-슬레이브 제어구조에서 5개이하의 아암을 가지며 촉각피이드백이 없으며 도구교체를 수동으로 실시한다(다빈치: 첨부목록을 참조; 제우스: 미합중국특허 제 05515478호, 미합중국 제 05553198호, 미합중국 제 05645520호, 미합중국 제 06646541호, 미합중국 제 06714841호 등).

JPL에 의해 최초로 개발된 로봇지원 마이크로수술(Robot-Assisted Micro-Surgery; RAMS) 시스템은 마이크로 덱스터리티(MicroDexterity)에 의해 시판되고 있다. 이 원격조작형로봇(telerobotic) 플랫폼은 뇌, 눈, 귀, 코, 목, 얼굴 및 손에 대한 초미세수술용으로 설계되었다. 신경수술 및 손 수술에서 임상실험을 실시하였다. 이중아암 시스템은 매우 컴팩트하며, 조종장치는 직경이 대략 25mm 길이가 250mm이다. 이 로봇은 마스터-슬레이브 구조를 가지며 10미크론의 높은 공간분해능을 나타낸다. 이 시스템은 조인트 인코더 정보를 사용하여 도구력을 감지하는 간접압력 및 조직을 갖는다. 수술도구는 수동으로 교체되는데, 이에 대해서는 미합중국 특허 제 6,702,805호를 참조하라.

마코(MAKO)의 햅틱 가이던스 시스템은 외과의사가 키홀 절개를 통해 관절성형술을 하는 것을 도와주는 로봇시스템에 의해 무릅교체수술을 하는 것을 대상으로 한다. 이 FDA에 인가된 시스템은 외과의사가 미리 동작 가능하게 무릎의 크기 및 정렬을 최적화할 수 있게 하며, 외과의사가 안내하는 무릎 조각 및 CT영상 안내에 의한 이식을 실행할 수 있게 하는데, 이에 대해서는 미합중국 특허 공보 제 20060142657호, 제 07206627호, 제 07139418호를 참조하라.

마조 서지칼 테크놀로지스는 페디클(pedicle) 나사삽입 및 그 외의 척추관련 과정에 필요한 침습이 적은 안내시스템으로서 스파인어시스트(SpineAssist)를 개발하였다. 탄산수 캔의 크기의 스파인어시스트는 환자의 척추나 극돌기에 장착된 평행 플랫폼 로봇이다. CT영상에 의한 예비수술 계획 후에는 자동 형광투시 또는 로봇에로의 CT영상 등록이 이루어지며, 그 후 위치결정장치가 자동적으로 외과의사가 설계한 궤도를 따라서 아암을 안내하는데, 그 정밀도가 1.5mm 미만이다.

1992년에 인터그레이티드 서지칼 시스템즈는 ROBODOC, 즉 기본적인 무접착제 인공고관절 전치술을 필요로 하는 환자에 사용하기 위한 대규모 정형외과수술 시스템을 소개하였다. 이 시스템은 예비 동작 가능하게 정의된 프로그램을 사용하여 자동적으로 동작하는 단일 6자유도의 아암을 갖는다. 이 시스템은 촉각 피이드백 능력을 갖지 않으며 도구교체가 수동으로 이루어지는데, 이에 대해서는 미합중국 특허공보 제 20040142803호, 제 05766126호, 제 06239874호, 제 06349245호를 참조하라.

전면적인 개선을 필요로 하는 수술로봇기술의 현재상태에는 많은 관점이 있다. 기민하고 정밀한 로봇아암의 개발은 어떻게 이들이 작업위치를 실현하는지 그리고 언제 이들이 체강 및 장기 속에 있는지에 대한 점에서 넓은 작업공간을 갖는다. 대부분의 현재의 시스템의 전체 크기, 중량 및 체적은 이들이 수술실 시설공간과 장비를 셋업하는 보조직원에게 크게 나쁜 영향을 준다는 점에서 큰 문제가 된다. 보다 작고, 가벼운 스토워블(stowable) 시스템이 필요하다. 예를 들어, 다빈치 수술조종장치는 중량이 1200파운드가 되며(조작자 인터페이스 제외) 높이가 대략 8피트가 된다. 제우스의 아암은 길이가 대략 2피트이며 무게가 40파운드이다. 로봇의 총중량은 120파운드이다(사용자 인터페이스 제외).

현재의 시스템의 대부분은 촉각 피이드백을 제공하지 않는다. 촉각 피이드백은 외과의사의 잊어버린 촉감을 복구시키며, 스피드의 관점과 측부조직의 손상의 위험을 줄인다는 관점에서 외과의사의 능력을 향상시킬 수 있다.

수동으로 수술도구를 교체하게 되면 수술작업시간이 증가되어, 마취상태에 환자가 있어야 하는 시간을 증가시키고 시설비용을 증대시킨다. 따라서 수술도구를 자동으로 교체시킬 수 있는 능력이 있다면 환자의 위험을 줄이고 수술비용을 낮출 것이다.

로봇 조종장치의 물리적 치수를 줄이기 위해서는 종래의 DC모터의 서보모터의 높은 기계력 밀도와 작은 직경이 바람직한 특성이 된다. 그러나, 많은 수술 로봇에서 현재 사용되고 있는 종래의 서보모터의 결점은 축방향으로의 길이가 길어서, 조종장치 아암 조인트의 과도한 측방향 연장을 피해야 하는 경우에 직각 전동수단이 필요하다는 것이다.

현재 이용 가능한 모든 직각 전동 구성부들 중에서, 베벨기어 쌍은 높은 토크와 역구동능력을 전달하지만, 통상적으로 백래시가 크고 좀처럼 작은 팩키지가 되지 않는다. 전통적인 표준 베벨기어박스는 전동과정에서 큰 백래시를 갖는데, 이는 양 동작방향으로 고정밀도가 필요한 용도에는 크게 바람직하지 않다.

몇몇 제조자는 워엄기어들을 스프링 부하 특성을 구비한 소형 팩키지로 제공하며, 기어박스는 백래시가 없고 정밀한 동작을 얻을 수 있지만, 효율이 낮고 이상한 표준기어비가 증가한다는 것은 보다 강력한 (따라서 크기가 대형) 모터가 필요할 것이다. 워엄기어박스는 백래시가 작은 구조를 가질 수 있지만 효율 대 기어비 사이의 간접비례 관계로 인해 전체장치가 커지고 무거워지는 한편 로봇 용도에 공통적인 크래시회복이나 교정(calibration)의 경우에 일반적인 역구동능력의 부족이 역시 바람직하지 못하다.

한편 조화구동부(harmonic drive)는 백래시가 없고, 재현정밀도가 높으며, 역구동능력, 고효율, 컴팩트한 사이즈 및 경량을 특징으로 한다. 그러나 불행하게도 이 메카니즘은 직각 구동변환을 허용하지 않는다. 현재 시장에서 구입 가능한 직각전동의 어느 것도 컴팩트한 인라인 팩키지에서 고효율 능력 및 백래시가 없지 않다.

따라서, 전술한 결점들을 회피할 수 있는 직각구동부를 이용하는 수술로봇 시스템을 제공하는 것이 매우 유리할 것이다.

본 발명의 실시예들은 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부도면을 참고하는 이후의 상세한 설명으로 보다 자세하게 이해될 것인데, 이들 도면에서:

도 1은 본 발명에 따라서 구성된 조립상태의 직각구동 시스템의 등각도이다;

도 2는 도 1의 직각구동 시스템의 분해도이다;

도 3a는 직각구동부의 일부를 구성하는 출력 샤프트의 등각도이다;

도 3b는 도 3a의 출력 샤프트의 측면도이다;

도 3c는 도 3b의 화살표(3c)를 따라서의 출력 샤프트의 도면이다;

도 4a는 직각구동부의 일부를 구성하는 중간 하우징의 등각도이다;

도 4b는 도 4a의 중간 하우징의 정면도이다;

도 4c는 도 4b의 선 A-A를 따라서의 단면도이다;

도 4d는 중간 하우징의 모든 표면특징을 보여주는 도 4c의 관찰방향에 대응하는 도면이다;

도 4e는 화살표(4e)를 따라서의 도 4b의 저면도이다;

도 4f는 도 4a의 중간 하우징 내에 장착된 도 3a의 출력 샤프트에 장착되는 베어링을 보여준다;

도 5a는 직각구동부의 일부를 구성하는 출력 풀리의 등각도이다;

도 5b는 도 5a의 출력 풀리의 정면도이다;

도 5c는 도 5b의 저면도이다;

도 5d는 도 5b의 선 A-A를 따라서의 단면도이다;

도 5e는 장력인가기구의 상세를 보여주는 도 5d의 상세도이다;

도 5f는 도 5b의 평면도이다;

도 6a는 직각구동부의 일부를 구성하는 입력 풀리의 등각도이다;

도 6b는 도 6a의 입력 풀리의 정면도이다;

도 6c는 도 6a의 평면도이다;

도 6d는 도 6b의 선 C-C를 따라서의 단면도이다;

도 6e는 도 6b의 선 B-B를 따라서의 단면도이다;

도 6f는 고리형 슬리브 주름결합구를 갖는 케이블 종단부 종속조립체의 도면이다;

도 6g는 케이블로 감싸이도록 홈이 형성된 입력 및 출력 풀리의 외주를 도시하는 도 5a 및 도 6a의 입력 및 출력 풀리의 단면도이다;

도 7a는 직각구동부의 일부를 구성하는 아이들러 샤프트의 등각도를 보여준다;

도 7b는 도 7a의 아이들러 샤프트의 정면도를 보여준다;

도 8은 서로 수직한 입력 및 출력 풀리와 입력 풀리의 회전운동을 입력 축선에 수직하게 배향된 출력 샤프트의 회전운동으로 변환하기 위한 구동 케이블 및 아이들러의 상대위치를 보여준다;

도 9a는 직각구동부의 일부를 구성하는 장력인가 나사의 등각도를 보여준다;

도 9b는 도 9d의 선 9b를 따라서의 단면도를 보여준다;

도 9c는 도 9a의 장력인가 나사의 측면도를 보여준다;

도 9d는 도 9a의 장력인가 나사의 정면도를 보여준다;

도 10a는 조립된 직각구동부의 정면도를 보여준다;

도 10b는 도 10a의 선 A-A를 따라서의 도 10a의 단면도를 보여준다;

도 10c는 아이들러 종속조립체에 대한 도 10b의 C부의 상세도를 보여준다;

도 11a는 출력 풀리 전방면을 갖는 직각구동부의 조립상태 측면도를 보여준다;

도 11b는 출력 요소에 대한 도 11a의 선 B-B를 따라서의 도 11의 단면도를 보여준다;

도 11c는 입력 요소 및 상단 아이들러 종속조립체에 대한 도 11a의 선 C-C를 따라서의 도 11a의 단면도를 보여준다;

도 12는 입력 요소의 측단면도를 보여준다;

도 13은 도 11a와 반대측의 조립상태 측면도를 보여준다;

도 14는 커버 및 아이들러 캡이 없는 도 1 및 도 2의 조립상태의 직각구동부의 상부-전방의 각도로 본 사시도를 보여준다;

도 15는 커버 및 아이들러 캡이 없는 조립상태의 직각구동부의 상부-후방의 각도로 본 사시도를 보여준다;

도 16a는 본 발명의 일부를 형성하는 수술용 로봇의 등각도이다;

도 16b는 도 16a의 화살표(b)를 따라서 본 측면도이다;

도 16c는 도 16a의 화살표(c)를 따라서 본 정면도이다;

도 16d는 도 16a의 화살표(d)를 따라서 본 평면도이다;

도 16e는 도 16a와 유사한 수술조종장치를 반대방향에서 본 다른 등각도이다;

도 17a 내지 도 17e는 어깨 로울 조인트 조립체를 구성하는 조종장치 베이스의 상세를 보여준다;

도 17a는 커버가 없는 조종장치 베이스의 등각도이다;

도 17b는 화살표(b)를 따라서 본 도 17a의 평면도이다;

도 17c는 어깨 로울 조인트의 작동 구성부품을 보여주는 선 c-c를 따라서의 도 17b의 정단면도이다;

도 17d는 어깨 로울 조인트의 작동 구성부품을 보여주는 선 d-d를 따라서의 도 17b의 측단면도이다;

도 17e는 어깨 로울 조인트의 작동 구성부품을 보여주고 커버(402)를 보여주는 선 e-e를 따라서의 도 17b의 정단면도이다;

도 18a 내지 도 18e는 어깨 피치 조인트 조립체를 구성하는 어깨 로울 피동 샤프트의 상단에 직각구동부가 장착된 조종장치 어깨의 상세를 보여준다;

도 18a는 조종장치 어깨의 등각도이다;

도 18b는 화살표(b)를 따라서의 도 18a의 정면도이다;

도 18c는 화살표(c)를 따라서의 도 18a의 평면도이다;

도 18d는 선 d-d를 따라서의 도 18c의 단면도이다;

도 18e는 화살표(e)를 따라서 본 도 18a의 측면도이다;

도 19a 내지 도 19e는 팔꿈치 피치 조인트 조립체를 구성하는 조종장치 하측아암의 전방에 장착된 직각구동부 및 조종장치 하측아암의 상세를 보여준다;

도 19a는 하측 조종장치 아암의 등각도이다;

도 19b는 화살표(b)를 따라서의 도 19a의 정면도이다;

도 19c는 화살표(c)를 따라서의 도 19a의 측면도이다;

도 19d는 화살표(d)를 따라서의 도 19a의 평면도이다;

도 19e는 선 e-e를 따라서의 도 19c의 단면도이다;

도 20a 내지 도 20e는 손목 피치 조인트 조립체를 구성하는 조종장치 상측아암의 전방에 장착된 직각구동부 및 조종장치 상측아암의 상세를 보여준다;

도 20a는 조종장치 전방아암의 등각도이다;

도 20b는 화살표(b)를 따라서의 도 20a의 측면도이다;

도 20c는 선 c-c를 따라서의 도 20b의 저면단면도이다;

도 20d는 화살표(d)를 따라서의 도 20a의 평면도이다;

도 20e는 선 e-e를 따라서의 도 20b의 배면단면도이다;

도 21a 내지 도 21e는 손목 로울 조인트 조립체를 구성하는 조종장치 손목의 상세를 보여준다;

도 21a는 손목의 등각도이다;

도 21b는 화살표(b)를 따라서의 도 21a의 평면도이다;

도 21c는 선 c-c를 따라서의 도 21b의 정면단면도이다;

도 21d는 화살표(d)를 따라서의 도 21a의 정면도이다;

도 21e는 선 e-e를 따라서의 도 21b의 측단면도이다;

도 22a 내지 도 25b는 수술 포르셉 공구의 상세를 보여준다;

도 22a는 수술공구의 제 1 실시예의 등각도이다;

도 22b는 도 22a의 수술공구의 측면도이다;

도 22c는 수술공구가 개방위치에 있는 도 22b의 선 c-c를 따라서의 저면단면도이다;

도 22d는 수술공구가 폐쇄위치에 있는 도 22b의 선 c-c를 따라서의 저면단면도이다;

도 22e는 도 22a의 선 e-e를 따라서의 배면단면도이다;

도 23a는 수술공구가 개방위치에 있는 다른 실시예의 등각도이다;

도 23b는 도 23a의 수술공구의 입면도이다;

도 24a는 수술공구가 폐쇄위치에 있는 수술공구의 다른 실시예의 등각도이다;

도 25a는 수술공구의 다른 실시예의 등각도이다;

도 25b는 도 25a의 수술공구의 입면도이다;

도 26a는 본 발명의 일부를 구성하는 수술공구를 지지하는 조립상태의 선단부의 등각도이다;

도 26b는 선단부 및 수술공구의 분해도이다;

도 26c는 도 26a의 정면도이다;

도 26d는 공구작동의 결과로서 핀치력의 경로를 보여주는 도 26a의 측면도이다;

도 26e는 힘-모멘트 센서에 의해 조정되는 팁력의 부하경로를 보여주는 도 26c의 선 c-c를 따라서 본 수술공구를 지지하는 조립상태의 선단부의 단면도이다;

도 27a는 공구요동 종속조립체의 평면도이다;

도 27b는 공구요동 종속조립체의 저면도이다;

도 27c는 조립상태의 선단부의 평면도이다;

도 27d는 조립상태의 선단부의 저면도이다;

도 27e는 메인 선단부 본체의 평면도이다;

도 27f는 힘-모멘트 센서에 의해 조정되는 팁력의 부하경로를 보여주는 선 f-f를 따라서의 도 27e의 단면도이다;

도 28a는 공구 액튜에이터의 평면도이다;

도 28b는 도 28a의 선 b-b를 따라서의 공구 액튜에이터의 단면도이다;

도 29a는 공구홀더의 정면도이다;

도 29b는 도 29a의 선 b-b를 따라서의 공구홀더의 단면도이다;

도 29c는 공구홀더의 등각도이다;

도 29d는 결합된 구조에서의 공구방출윙을 보여주는 공구홀더의 평면도이다;

도 29e는 방출된 구조에서의 공구방출윙을 보여주는 공구홀더의 평면도이다;

도 29f는 공구트레이에서 공구를 방출하는 선단부의 등각도이다;

도 30은 전형적인 수술실 내의 외과의사에 의해 제어되는 이중조종 원격조작로봇 시스템의 동작개념을 보여주는 개략도이다.

본 발명은 조종 아암, 상기 조종 아암에 의해 지지되는 수술도구, 및 조종 조인트를 포함하는 수술조종장치, 특히 일 축선에서의 회전운동을 수직 축선으로 전달하기 위한 직각구동부의 실시예들을 제공한다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 수술조종장치로서:

a) 베이스 및 상기 베이스에 장착된 제 1 직각구동기구, 상기 제 1 직각구동기구를 어깨 로울 축선을 중심으로 회전시키기 위해 상기 베이스에 위치하는 어깨 로울 구동기구, 상기 제 1 직각구동기구는 제 1 입력 풀리 및 상기 입력 풀리에 실질적으로 수직하게 장착된 제 1 출력 풀리를 포함함;

상기 제 1 직각구동기구는 상기 제 1 입력 풀리와 상기 제 1 출력 풀리를 연결하기 위한 양방향 연결기구, 상기 제 1 입력 풀리를 제 1 입력 축선을 중심으로 회전시키기 위한 제 1 구동기구를 포함하는데, 상기 제 1 입력 풀리의 회전은 상기 제 1 입력 축선에 실질적으로 수직한 어깨 피치 축선을 중심으로 상기 양방향 연결기구에 의해 이루어지는 상기 제 1 출력 풀리의 회전으로 변환됨;

b) 상기 제 1 출력 풀리가 회전할 때 상기 어깨 피치 축선을 중심으로 회전하도록 일단부가 상기 제 1 출력 풀리에 장착되는 하측 로봇아암;

c) 상기 하측 로봇아암에 장착된 제 2 직각구동기구, 상기 직각구동기구는 제 2 입력 풀리 및 상기 제 2 입력 풀리에 실질적으로 수직하게 장착된 제 2 출력 풀리를 포함함,

상기 제 2 직각구동기구는 상기 제 1 구동기구와, 상기 제 2 입력 풀리와 상기 제 2 출력 풀리를 연결하기 위한 상기 양방향 연결수단을 포함하는데, 제 2 입력 축선을 중심으로 하는 상기 제 2 입력 풀리의 회전은 상기 제 2 입력 축선에 실질적으로 수직한 팔꿈치 피치 축선을 중심으로 상기 양방향 연결기구에 의해 이루어지는 상기 제 2 출력 풀리의 회전으로 변환됨;

c) 상기 제 2 출력 풀리가 회전할 때 상기 팔꿈치 피치 축선을 중심으로 회전하도록 상기 제 2 직각구동기구의 상기 제 2 출력 풀리에 장착된 로봇 전방아암;

d) 상기 로봇 전방아암에 장착된 제 3 직각구동기구, 상기 제 3 직각구동기구는 제 3 입력 풀리 및 상기 제 2 입력 풀리에 실질적으로 수직하게 장착된 제 3 출력 풀리를 포함함,

상기 제 3 직각구동기구는 상기 제 1 구동기구와, 상기 제 3 입력 풀리와 상기 제 3 출력 풀리를 연결하기 위한 상기 양방향 연결기구를 포함하는데, 제 3 입력 축선을 중심으로 이루어지는 상기 제 3 입력 풀리의 회전은 상기 제 3 입력 축선에 실질적으로 수직한 손목 피치 축선을 중심으로 이루어지는 상기 양방향 연결기구에 의해 이루어지는 상기 제 3 출력 풀리의 회전으로 변환됨;

e) 상기 제 3 출력 풀리가 회전할 때 상기 손목 피치 축선을 중심으로 회전하도록 상기 제 3 직각구동기구의 상기 제 3 출력 풀리에 장착된 로봇 손목;

상기 로봇 손목은 상기 로봇 손목의 출력 샤프트를 손목 로울 축선을 중심으로 회전시키기 위해 손목 출력 샤프트에 연결된 작동기구를 포함함; 및

f) 상기 손목 출력 샤프트에 장착된 선단부를 포함하여 이루어지며, 상기 선단부는 수술공구를 착탈 가능하게 파지하기 위한 파지수단을 포함하는데, 상기 작동기구가 결합되었을 때 상기 선단부가 상기 손목 로울 축선을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치가 제공된다.

또한 본 발명은 수술조종 시스템으로서,

a) 서로 구조적으로 면대칭 상이 되도록 구성되는 적어도 제 1 및 제 2 수술조종장치를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 수술조종장치는 좌측 손으로 조작되도록 구성되고 상기 적어도 하나의 제 2 수술조종장치는 우측 손으로 조작되도록 구성되어 각각의 선단부에 부착된 수술공구가 환자의 수술위치에서 서로 가장 근접하게 하는 수술조종 시스템을 제공한다. 이 수술조종 시스템은 좌측 및 우측 핸드컨트롤러를 포함하는데, 우측 핸드컨트롤러는 제 1 수술조종장치와 관련되고 좌측 핸드컨트롤러는 제 2 수술조종장치와 관련되며, 상기 적어도 제 1 및 제 2 핸드컨트롤러는 외과의사에 의해 조작되도록 구성된다. 이 시스템은 상기 좌측 및 우측 핸드컨트롤러를 상기 적어도 제 1 및 제 2 수술조종장치에 연결하여 상기 좌측 및 우측 핸드컨트롤러의 움직임을 상기 적어도 제 1 및 제 2 수술조종장치의 일정 비율의 움직임으로 변환할 수 있게 하는 통신계를 포함한다.

또한 본 발명은 전통적인 기어보다는 케이블을 사용하여 일 축선에서의 회전운동을 수직한 축선으로 전달하는 백래시가 실질적으로 없는 컴팩트한 직각전동구동부의 실시예들을 제공한다. 본 발명의 이 관점에 따르면, 일 축선을 중심으로 이루어지는 회전운동을 다른 축선을 중심으로 이루어지는 회전운동으로 전달하는 구동장치로서,

a) 하우징 및 상기 하우징에 장착되어 제 1 회전축선을 중심으로 회전하도록 입력 풀리에 연결되는 조화구동부;

b) 제 2 회전축선을 갖는 출력 구동샤프트, 상기 출력샤프트는 상기 출력 풀리에 연결되며, 상기 출력 풀리는 상기 제 2 회전축선을 중심으로 회전하도록 상기 하우징에 장착되며, 상기 입력 및 출력 풀리는 상기 하우징 내에 장착되고 상기 제 1 및 제 2 회전축선 사이에 소정의 각도가 형성되도록 서로에 대하여 위치됨;

c) 상기 제 1 입력 풀리 및 상기 제 1 출력 풀리를 연결하기 위한 상기 양방향 연결기구를 포함하여 이루어지는데, 상기 양방향 연결기구는

상기 하우징 내에 장착된 케이블 구동부를 포함하며, 상기 케이블 구동부는

적어도 하나의 유연성 케이블, 상기 입력 및 출력 풀리는 각각 상기 적어도 하나의 유연성 케이블을 내부에 수용하기 위한 적어도 하나의 케이블 가이드를 포함함,

상기 입력 풀리와 상기 출력 풀리 사이에 상기 적어도 하나의 유연성 케이블을 안내하기 위한 아이들러 수단을 포함하며,

입력 풀리가 상기 제 1 회전축선을 중심으로 일 방향으로 회전할 때, 상기 적어도 하나의 유연성 케이블이 출력 풀리 및 출력 샤프트를 당겨서 상기 제 2 회전축선을 중심으로 일 방향으로 회전시키며, 입력 풀리가 상기 제 1 회전축선을 중심으로 타 방향으로 회전할 때, 상기 적어도 하나의 유연성 케이블이 출력 풀리 및 출력 샤프트를 당겨서 상기 제 2 회전축선을 중심으로 반대방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 구동장치가 제공된다.

본 발명의 기능적인 면 및 유리한 면은 이후의 상세한 설명 및 도면을 참조함으로써 더욱 이해할 수 있다.

일반적으로 말해서, 여기서 설명하는 시스템들은 수술조종장치에 관한 것이다. 필요에 따라서 본 발명의 실시예들을 여기서 개시한다. 그러나, 여기에 개시된 실시예들은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명은 많은 다양한 대체 형태로 구현될 수 있음을 이해하여야 한다. 도면들은 일정한 축척이 아니고 일부 기구들은 특정 요소들의 상세를 나타내도록 과장되거나 최소화되어 있는 한편 관련 요소들은 신규의 관점들을 애매하게 하지 않도록 제거될 수 있다. 따라서, 여기서 개시하는 특정 구조 및 기능의 상세는 한정적인 것으로 해석되어서는 안 되며 단지 특허청구범위의 기초로서 그리고 본 발명을 다양하게 이용할 수 있도록 당업자를 교시하기 위한 대표적인 기초로서 해석되어야 한다. 한정이 아니라 교시를 위해, 도시된 실시예들은 수술조종장치에 관한 것이다.

이 수술조종장치는 여러 가지 부움들이 직각구동부에 연결된 다관절 로봇아암과, 로봇 손목에 연결된 수술 선단부를 포함한다. 이들 구성부의 각각을 이하에 상세하게 설명한다.

1) 직각구동부

먼저 도 1을 참조하면, 조립상태의 직각구동 시스템의 등각도가 부호 10으로 도시되어 있는데, 이는 샤시(14) 및 커버(16)로 구성된 하우징을 포함한다. 특히 도 2를 참조하면, 직각구동 시스템(10)은 출력 풀리(20), 상면에 출력 풀리(20)가 장착된 출력 샤프트(26), 중간 하우징(22), 한 쌍의 아이들러부(78, 86, 84, 80a/b, 82a/b), 광학 인코더(46), 및 바람직하게는 조화구동부(56)를 포함하는 구동기구에 장착된 입력 풀리(54)를 포함한다.

도 2 및 도 3a, 3b를 참조하면, 광학 인코더(46)는 출력 샤프트(26)의 회전변위를 측정하기 위한 출력 샤프트(26)의 샤프트부(38)에 장착된다. 전형적인 광학 인코더(46) 측정시스템은 광원, 내측 또는 외측 정밀 볼베어링을 중심으로 회전하는 코드 디스크, 및 광학센서를 포함한다. 코드 디스크는 샤프트의 절대 또는 상대 각도위치를 제공하도록 구성될 수 있는 샤프트부(38)의 각도 위치를 공간적으로 기호화하는 일련의 불투명 및 투명 표시부를 갖는다. 광원은 코드 디스크를 통해 광학센서 상에 비추어진다. 모든 각도위치는 전자신호를 발생하는 광학센서상의 광선을 차단하는 코드 디스크 상에 기호화된 암점 및 명점들을 갖는다. 이 전자신호들은 증폭되어 각도위치/속도 데이터로 변환되며, 이 데이터들은 제어시스템에 의해 사용될 수 있다.

상대치 인코더(incremental encoder) 실시예에 있어서, 코드 디스크 상의 모든 표시들은 동일하며, 전기신호들은 펄스 형태로 발생되는데 이들은 상대위치를 결정하기 위해 컨트롤러에 의해 계수되거나 속도를 얻기 위해 시간에 대하여 미분된다. 절대 인코더를 사용하는 실시예에서, 코드 디스크 상의 각 표시는 일련의 선에 의해 구별되게 형성되며, 광학센서의 광검출에 의해 생긴 전자신호는 독특한 2진 코드이며 절대위치의 감지를 가능하게 한다.

조화구동부(56)는 샤시(14)에 장착되며, 조화구동부(56)의 출력 플랜지(98) 상에는 입력 풀리(54)가 장착되며 이 입력 풀리는 출력 풀리(20)의 축선에 수직한 회전축선을 갖는다. 조화구동부(56)는 높은 감속비를 전체 직각구동부(10)에 도입하는데 사용된다. 따라서, 케이블-풀리 시스템은 입력측으로부터 출력측으로의 운동의 각도전동을 담당할 뿐이므로 양방향 커플링 기구를 형성하게 되는데, 이는 입력 샤프트가 그 축선을 중심으로 일 방향으로 회전하면 출력 샤프트가 그 축선을 중심으로 일 방향으로 회전하게 되고 이 구동 기구에 의해 입력 샤프트가 다른 방향으로 회전하면 출력 샤프트가 그 축선을 중심으로 다른 방향으로 회전하게 되기 때문이다.

도 6a 내지 도 6e 및 도 12는 입력 풀리(54)의 상세를 보여준다. 입력 풀리(54)는 두 개의 부분, 즉 보조부분(130)과 메인부분(132)을 포함하는데, 보조부분(130)은 수직하게 위치하는 메인 아이들러(80a, 80b) 및 보조 아이들러(82a, 82b)를 수용할 수 있도록 메인부분(132)보다 큰 직경을 갖는다(도 1). 보조부분(130) 및 메인섹셕(132)은 케이블과 입력 풀리(54) 사이에 마찰을 제공하도록 표면에 나선형의 연속홈(160)(도 6g)을 갖는 원형의 홈형 외주(134, 136)를 가지므로 케이블에 의한 풀리의 구동토크가 풀리 주위로 균일하게 분포되며 포켓(138, 140) 내에 위치하는 고리형의 주름결합구(101)(도 6f)의 말단부에 전적으로 의존하지 않는다. 케이블들은 각각 대응하는 측면 억세스홀(141a, 141b, 141c, 141d) 속으로 그리고 포켓(140a, 138a, 140b, 138b)을 통해 꿰어서 입력 풀리(54)에서 끝이 난다.

케이블 제조자가 제공하는 고리형 주름결합구(101)들은 케이블의 끝에서 주름잡혀지며 각각은 도 6f에 도시한 바와 같이 결합구의 타단부에서 고리를 형성한다. 각 결합구는 고리와 함께 포켓(138a, 138b, 140a, 140b) 속에 숨겨지는데, 각 케이블이 인장상태에 있을 때 그 결합구는 포켓의 내측벽에 올라가서 케이블 장력을 유지할 것이다.

도 6a, 도 6g, 도 8 및 도 11c를 참조하면, 케이블(92b)(도 8)은 풀리의 회전중심을 따라서 원주면(136)에 나선경로로 기계가공된 원형홈부분(160)(도 6g)을 따라서 입력 풀리(54)의 메인부분(132)(도 6a)을 둘러싼다. 케이블(92b)이 표면(136)(도 6a) 주위로 감기는 방향은 고리형 슬리브 말단 포켓(138a) 위의 측면 억세스홀로부터 도 6b의 관찰방향으로 입력 풀리(54)를 보아서 반시계방향이다. 케이블(92b)이 홈(160)의 내부에 있을 때, 이 둘 사이의 표면마찰에 의해 입력 풀리(54)가 장력으로 케이블(92b)을 구동시키고 결국 출력 풀리(20)를 구동시키게 되며, 따라서 케이블이 끝나는 지점의 고리형 슬리브 결합구(101)(도 11c)에서 집중되는 응력의 일부를 경감시킨다. 케이블(92a)(도 8)로 시계방향으로 감겨진 인접한 홈부(161)(도 6g)는 메인 케이블부(132)의 축방향 길이에 따라서 홈부(160)에 이어지거나 이어지지 않을 수 있다. 동일한 관계가 보조케이블부분(130)에 적용되는데, 홈부(162)(도 6g)는 케이블(90b)(도 8)을 반시계방향으로 감기 위한 것이고 홈부(163)(도 6g)는 케이블(90a)(도 8)은 시계방향으로 감기 위한 것이다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 출력 샤프트(26)는 원통형 하우징(36)과 출력 샤프트(26)의 후면(40)으로부터 연장되는 샤프트(38)를 포함하며, 후면(40)은 원통형 하우징(36)의 직경보다 큰 직경을 갖는 원주 어깨(42)를 포함한다. 전방면(30)에는 출력 풀리(20)의 중심으로부터 돌출하는 도 1에 도시한 회전출력부를 형성하는 중심맞춤핀(32)를 수용하기 위해 중심홀(28)이 위치한다. 도 4f를 참조하면, 래이디얼 볼베어링(59)이 샤프트(38)에 장착되며 이와 출력 샤프트(40)의 어깨(42) 사이에는 인코더(46)가 개재된다.

도 4a 내지 도 4f를 참조하면, 중간하우징(22)은 도 1에 도시한 각도접촉 볼베어링(24)용으로 서로 완전한 동심상태를 이루도록 정합되게 기계가공된 한 쌍의 원형구멍(70, 72)을 포함한다. 원형 구멍(70, 72)의 직경보다 작은 직경(68)은 베어링 제조자가 규정한 권장 외측링 어깨 랜딩직경에 따라서 크기가 정해진다. 중간 하우징(22) 내부의 각도접촉 볼베어링 쌍(24)의 장착 및 예비부하의 상세는 나중에 설명한다. 중간하우징(22)은 두 개의 구멍(76)을 갖는 아이들러 지지부분(74)(도 4a)을 포함하는데, 도 2에 도시한 메인 아이들러 기구의 일부인 아이들러 샤프트(78)를 수용하기 위해 두 개의 구멍 중에 하나는 상면에 있고 다른 하나는 바닥면에 있다.

도 4f 및 도 11b를 참조하면, 두 개의 각도접촉 볼베어링(24)은 베어링 시트(70, 72) 내부에 연속구조로 장착된다(도 4f에 가장 잘 도시). 이들 베어링(24)은 각각의 외측링(139)이 동심구멍(72, 70) 내부에 위치하도록 장착된다. 록크너트(60)가 나사부분(43)(도 3a)을 개재하여 출력 샤프트(26) 상에서 회전하여 록크너트(60)로부터 출력 샤프트(26)를 통하여 록크너트(60)에 인접한 베어링의 내측링(142)에 부하를 제공한다(도 4f 참조). 이 부하는 점선으로 도시한 140을 따라서 그려진 부하경로를 따라서 내측링(142)으로부터 볼(143)을 통해 볼베어링의 외측링(139)으로 전달되고 최후로는 출력샤프트(26)로 전달되고 다시 플랜지(40)(도 3b)로 전달된다. 이 예비부하는 록크너트(60)의 회전의 결과로서 록크너트(60)가 출력샤프트(26)를 따라서 베어링 쌍측으로 움직임으로써 볼(143)과 내측링(142) 및 외측링(139) 사이의 베어링(24)의 궤도 내부의 내측갭이 없어질 때 완료된다. 이 과정은 토크렌치를 사용하여 베어링 제조자가 권장하는 설치시의 토크레벨을 이용하여 록크너트(60)를 출력 샤프트(26)에 조이는 것으로 실시된다.

도 5a 내지 도 5f는 출력 풀리(20)의 상세를 보여준다. 출력 풀리(20)는 두 개의 부분(110, 112)을 포함하는데, 보조부분(110)은 수직하게 위치한 메인 아이들러(80a, 80b) 및 보조 아이들러(82a, 82b)를 수용할 수 있도록 메인부분(112)보다 큰 직경을 갖는다. 보조부분(110) 및 메인부분(112)은 각각 외주(114) 및 (116)을 갖는데, 케이블이 출력 풀리(20) 사이에 마찰을 제공하여 풀리(20) 주위로 구동토크를 균일하게 분배하고 조임나사(94a, 94b 및 96a, 96b)에서의 종단부에서 응력을 경감시켜서 이탈 가능성을 줄일 수 있도록 상기 외주의 표면에는 연속 나선홈(160)(도 6g)이 구비된다. 도 11a는 조임나사를 구멍(114a, 144b, 146a, 146b) 속에 위치시키는 것을 보여주는 구동부의 정면도를 보여준다.

도 5a, 도 6g 및 도 8을 참조하면, 케이블(92b)(도 8)은 풀리(20)의 회전중심을 따라서 형성된 나선경로로 외주면(116)(도 5a)에 기계가공된 원형홈(160)(도 6g)을 따라서 출력 풀리(20)의 메인부분(112(도 5a 및 도 8) 주위로 감겨진다. 케이블(92b)이 외주면(116) 주위로 감기는 방향은 조임나사구멍(146a) 위의 측면 억세스홀로부터 시작하여 출력부하 인터페이스표면에서의 출력 풀리(20)를 볼 때 반시계방향이다. 케이블(92b)이 홈(16) 내부에 있을 때, 그 사이의 표면마찰로 인하여, 케이블(92b)이 장력상태에 있을 때 출력 풀리(20)를 구동하여 반시계방향으로 회전시키는 것을 도와주며, 따라서 케이블이 끝나는 지점의 조임나사구멍(146a) 내부의 조임나사(96b)에 집중되는 응력의 일부를 경감시킨다. 케이블(92a)(도 8)로 시계방향으로 감겨진 인접한 홈부분(161)(도 6g)은 메인부분(112)의 축방향 길이에 따라서 홈(160)에 이어지거나 이어지지 않을 수 있다. 동일한 관계가 보조부분(110)에 적용되는데, 홈부(162)(도 6g)는 케이블(90b)(도 8)을 반시계방향으로 감기 위한 것이고 홈부분(163)(도 6g)은 케이블(90a)(도 8)을 시계방향으로 감기 위한 것이다.

조임나사(96a)는 반시계방향의 보조케이블(90b)로부터의 부하상태에서 조임나사(96a)를 지지하는 어깨(145a)(도 5d)에 얹혀진 출력 풀리(20)의 구멍(144a) 속에 삽입된다. 케이블(90b)은 측면구멍(147)(도 5f)을 통해 출력 풀리(20)에 도달하며, 조임나사 주위로 3회 이하로 감기고 조임나사(94a)의 구멍(154)(도 9a)을 통과한다. 나사(94a, 94b, 96a, 96b) 사이의 유일한 차이점은 구멍(154)의 축방향 위치라는 것을 알 수 있다. 각 조임나사에서 출력 풀리(20)에 두 개의 측면구멍(147)이 있는데, 이 들 구멍 중에서의 선택에 따라서 조임나사를 감는 케이블의 방향 그리고 각 케이블을 조이기 위한 조임나사의 회전방향이 결정될 것이다. 조임나사의 나사구멍(159)(도 9b) 내에서 멈춤나사(97)(도 11b)를 회전시키면 케이블(90b)을 구속하여, 케이블(0b)의 선단을 구멍(154)의 내부에서 끼어서 멈춤나사(97)에 의해 고정될 때까지 변형시킨다. 케이블(90b)을 조종하기 위한 공간을 허용하기 위해, 조임나사(96a) 및 멈춤나사(97)의 전체 부분조립체를 출력 풀리(20)의 외부로 꺼내기 전에 케이블을 측면 억세스구멍(147)을 통해 꿰어서 케이블 권선 및 멈춤나사 고정을 완료한 후에 다시 구멍(144a)으로 복귀시킨다.

케이블(90b)과 조임나사(96a)가 일단 구멍(144a) 내부에 있게되면, 조임나사(도 9b)의 슬롯에 맞물리는 나사 드라이버를 이용하여 조임나사(96a)를 회전시킴으로써 케이블 장력을 조정할 수 있다. 소망의 케이블 장력에 도달한 후, 와셔(99)(도 1) 및 육각너트(100)(도 1)를 조임나사(96a)의 나사부분(156)(도 9b)에 놓아서 출력 풀리(20)에 대한 조임나사(96a)의 회전위치를 고정시킬 수 있게 된다. 이 케이블 장력은 육각너트를 푸르지 않고는 조임나사가 반시계방향으로 회전될 수 없는 경우에 보장될 수 있다. 이는 케이블 장력의 강화를 위해 조임나사를 항상 시계방향으로 회전시킬 필요가 있도록 출력 풀리(20)의 각 조임나사에 대하여 한 쌍 중에서 측면 억세스구멍(147)을 선택함으로써 달성된다.

구체적으로, 조임나사가 케이블 장력 때문에 반시계방향으로 회전하려고 하는 경우, 와셔 및 육각너트가 출력 풀리에 대하여 일체적으로 회전하려고 하지만 출력 풀리의 전방면에 대한 마찰이 회전에 저항하므로 조임나사(96a)의 모든 회전은 출력 풀리(20)에 대하여 정지상태를 유지하는 와셔(99) 및 육각너트(100)에 의해 이루어질 것이며, 결국 육각너트는 조임나사를 통해 출력 풀리를 가압하고 따라서 조임나사(96a)의 더 이상의 반시계방향 회전에 저항한다. 출력 풀리 전방면과 와셔(99) 및 육각너트(100) 사이의 마찰이 육각너트(100)의 내부나사와 조임나사(96a)(도 9a)의 외부나사부(156) 사이의 마찰보다 크다면, 케이블 장력이 스스로 완화될 것이다. 이는 평와셔(9)의 넓은 표면적에 의해 보장되는데, 이 넓은 표면적으로 인해 조임나사(96a), 와셔(99) 및 육각너트(100)가 일체로서 반시계방향으로 회전하며 따라서 특정 케이블 부분의 장력을 보장할 것이다. 직각구동부가 지탱하는 부하는 도 5a 및 도 5b에 도시한 볼트구멍(150) 및 타이밍 맞춤핀 구멍(151)을 통해 출력 풀리(20)의 전방면에 가해진다. 출력 풀리(20)의 회전중심을 위치시키기 위해, 부하는 도 1의 중심 맞춤핀(32)을 사용할 수 있다. 도 5e는 출력 풀리(20)에서의 장력부가 기구의 상세를 보여준다.

가요성 케이블(90b, 92b)은 저연신성/예비장력부가 케이블이 될 수 있는데, 이는 케이블의 탄성 연신에 의한 동력전달손실을 최소화하기 위해 금속이거나 금속이 아닐 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 아이들러 기구는 각각 메인 아이들러(80a, 80b)와 보조 아이들러(82a, 82b)를 포함하는데, 메인 아이들러(80a, 80b)와 보조 아이들러(82a, 82)는 입력 풀리(54) 및 출력 풀리(20)와 보조 아이들러 스페이서(84)에 대한 아이들러 샤프트(78)의 상대위치에 따라서 동일할 수도 있고 동일하지 않을 수도 있음을 알 수 있는데, 상기 보조 아이들러 스페이서(84)는 메인 아이들러(80a, 80b) 및 보조 아이들러(82a, 82b)와 두 개의 플랜지 래이디얼 볼베어링(86)을 분리시켜서 메인 아이들러(80a, 80b)와 보조 아이들러(82a, 82b)가 서로 독립적으로 자유롭게 회전할 수 있게 한다. 도 7a 및 도 7b는 샤프트(78)의 단부들 중에서 한 단부 근처에 위치하는 원주능선부(79)를 포함하므로 도 10c에 가장 잘 도시한 것처럼 두 개의 샤프트는 특정 단부로부터 원주능선부(79)까지의 거리와 동일한 거리만큼 구멍(76) 속으로 삽입된다. 출력 풀리(20)와 이 출력 풀리(20)에 가장 근접하게 위치하는 각도접촉 볼베어링(24) 사이에는 특정 베어링을 중간 하우징(22) 속에 유지하기 위해 록크너트(60)가 위치하는데, 이에 대해서는 도 4f를 참조하라.

도 8은 입력 풀리(54)와 출력 풀리(20)의 상대위치들을 보여준다. 도 2 및 도 4a에 가장 잘 볼 수 있는 것처럼, 아이들러 샤프트(78)들은 중간 하우징(22)의 부분(74)의 구멍(76) 속에 위치한다. 이 케이블구동형 직각구동부에서는, 조화구동부(56)(도 15 참조)에 의해 정해지는 입력축선(58)과 출력 샤프트(26)(도 11b)에 의해 정해지는 출력축선(180)은 서로 수직하게 정렬된다. 입력 풀리(54)와 출력 풀리(20) 사이의 전동은 입력 풀리(54) 및 출력 풀리(20), 메인 아이들러(80a, 80b) 및 보조 아이들러(82a, 82b) 및 케이블(90a, 90b, 92a, 92b)를 포함한 케이블-풀리 시스템에 의해 이루어지는데, 이들 2세트의 케이블은 두 개의 회전방향에 해당한다.

도 8(이후에 언급할 조임나사에 대해서는 도 11a)을 참조하면, 1) 보조 아이들러(82a) 및 보조 조임나사(94a)와 관련된 출력 풀리(20)의 시계방향 회전을 담당하는 보조 케이블(90a); 보조 아이들러(82b) 및 보조 조임나사(96a)와 관련된 출력 풀리(20)의 반시계방향 회전을 담당하는 보조 케이블(90b); 3) 메인 아이들러(80a) 및 메인 조임나사(94b)와 관련된 출력 풀리(20)의 시계방향 회전을 담당하는 메인 케이블(92a); 및 4) 메인 아이들러(80b) 및 메인 조임나사(96b)와 관련된 출력 풀리(20)의 반시계방향 회전을 담당하는 메인 케이블(92b)을 포함하는 총 4세트의 독립케이블이 있다. 각 케이블은 독립적으로 장력이 부가될 수 있지만, 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이에서 회전운동을 전달하는데 사용되는 경우에 메인 케이블 및 보조 케이블 쌍은 각 케이블 세트의 장력을 줄이기 위해 각 방향에서 함께 작용한다. 2세트의 케이블은 케이블 장력을 감소시켜서 케이블의 신뢰도를 향상시키며 여분의 케이블을 제공하여 한 케이블이 파손된 경우에 안전도를 향상시킨다.

다시 도 8을 참조하면, (조화구동부(56)의 후면에서 보았을 때) 조화구동부(56)의 출력 플랜지(98)에 의해 구동되는 입력 풀리(54)가 반시계 방향으로 회전할 때, 반시계방향 메인 케이블(92b) 및 보조 케이블(90b)은 각각 측면 억세스홀(141b, 141a)(도 6a)을 통해 단부로부터 장력을 받게 되는데 입력 풀리(54)의 포켓(138a, 140a)의 내부에 위치하는 주름 결합구(101)에서의 종단부가 메인 아이들러(80b) 및 보조 아이들러(82b)에 의해 방향이 직각으로 전환되며, 멈춤나사(97)에서 케이블의 타단부가 메인 조임나사(96b) 및 보조 조임나사(96a) 상의 종단부(도 5e)를 당겨서 출력 샤프트(26)에 연결된 결합핀(32) 및 출력 풀리(20)가 출력 풀리(20)의 전방면에서 보아서 반시계방향으로 회전하게 한다. 반면에 다른 세트의 케이블은 반대방향으로 풀리는데, 이는 시계방향 메인 케이블(92a) 및 보조 케이블(90a)이 각각 측면 억세스홀(141d, 141c)(도 6a)을 통한 주름결합구 종단부(101)에서의 입력 풀리(54)에서 시작하여 메인 아이들러(80a) 및 보조 아이들러(82a)에 의해 방향이 직각으로 전환되어 메인 조임나사(94b) 및 보조 조임나사(94a)의 멈춤나사(97)에서의 출력 풀리(20)에서 끝나기 때문이다.

케이블(90a, 90b, 92a, 92b)은 바람직하게는 장력을 받는 상태에서 케이블의 탄성변형에 의한 운동손실을 최소화하기 위해 저연신성/예비장력부가 상태의 케이블이다. 도 1, 도 2, 도 10a 및 도 10c를 참조하면, 조립되었을 때 아이들러 캡(62, 64)은 아이들러 샤프트(78) 중에서 중간 하우징(22)의 홀(76)에서의 단부의 반대측 자유단부를 지지하는 하우징 커버(16)의 상면 및 바닥에 볼트로 고정된다. 따라서 아이들러 샤프트에 장착된 아이들러(80a, 80b, 82a, 82b)는 케이블이 장력을 받고 있는 상태라도 입력 풀리(54) 및 출력 풀리(20)에 대하여 반경방향 위치를 유지할 수 있다.

도 13은 결합핀(32)이 돌출하는 출력면의 반대측의 구동부의 후면에서 본 도를 보여준다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이, 베어링(59)은 샤시(14)의 후방벽에 위치하는 구멍(61)(도 2) 속에서 회전한다.

도 14 및 도 15는 커버(16)가 없어서 여기서는 샤시(14) 내에 배치된 도 8에 도시한 케이블 구동 시스템의 배치를 보여주는 등각도를 보여준다. 도 1의 직각구동부(10)와 비교하여 도 14 및 도 15의 직각구동부의 출력 풀리(20)의 구조에는 약간의 차이가 있다. 도 14 및 도 15에서, 출력 풀리(20)는 풀리(20)의 외측면에 일체적으로 형성된 융기 가이드(21)를 포함한다. 도 14 및 도 15에 도시한 직각구동부는 도 1의 직각구동부(10)보다 큰데, 왜냐하면 직각구동부(406)로서의 어깨 피치 조인트와 직각구동부(410)로서의 팔꿈치 피치 조인트의 양쪽에서 사용되기 때문이다.

팔꿈치 피치 조인트 및 어깨 피치 조인트에서의 부하는 각 조인트가 지탱하는 성분중량의 차이 때문에 손목 피치 조인트에서의 부하보다 상당히 크며, 따라서 풀리(20, 54)가 높은 토크를 상쇄할 수 있도록 확대되어 구동 케이블 세트(90a, 90b, 92a, 92b)에서의 응력이 감소될 수 있도록 할 필요가 있다. 따라서, 손목 피치 조인트에 적용 가능한 도 1의 직각구동부(10)의 전체 크기는 팔꿈치 피치 조인트 및 어깨 피치 조인트가 도 14 및 도 15에 도시한 변형예가 되기 위한 결과로서 증대될 필요가 있다. 팔꿈치 피치 조인트에서의 부하와 비교하여 어깨 피치 조인트에서 과도한 부하가 부가되는 것은 도 18d에 도시한 바와 같이 균형 토션스프링(440)에 의해 일부 보상된다. 도 18d를 참조하면, 직각구동부(406)의 출력 풀리(20)의 융기가이드(21)는 어깨 지지대(439)의 내부 액슬(505)을 출력 풀리(20)와 결합되도록 안내하여 출력 브라켓(266)을 회전시키기 위한 조합 구동샤프트를 형성하기 위해 사용된다. 팔꿈치 피치 조인트용 직각구동부(410)의 출력 풀리(20)의 융기 가이드(21)는 사용되지 않는다(도 19e).

여기서 개시하는 케이블 구동형 직각구동부(10)는 몇 가지 유리한 특징을 갖는다. 구체적으로 현존의 모듈러 로봇 아암 시스템의 조인트에 조립될 수 있는 저부하 내지 중부하의 경량 장치이다. 구동케이블(90a, 90b, 92a, 92b)을 사용하면 백래시가 없는 양방향 회전이 제공된다. 이 구동부는 조화구동부(56)를 채용함에 의해 백래시가 없는 모터 입력을 제공한다. 이 구동부는 컴팩트하고 경량이며, 인라인 구조 또는 옵셋 입력/출력 구조를 갖는다. 인라인 구조의 경우에, 입력축선과 출력축선은 동일평면상에 있는 반면 옵셋 구조의 경우에는 입력축선과 출력축선의 면이 평행하면서도 그 면에 수직한 방향으로 어긋나있다. 이 입력축선과 출력축선 사이의 상대정렬오차는 케이블의 장력 부가에 의해 보상될 수 있다. 이 구동부는 안전을 위해 여분의 케이블을 사용하고, 단순한 케이블 장력 부가기구를 사용하며, 이는 단순한 구조를 갖고 값비싼 기어장치 및 정렬을 필요로 하지 않기 때문에 대단히 비용 효율적이다.

풀리(20, 54)의 다른 실시예에서, 입력 풀리와 출력 풀리는 모두 본 설계용으로 도시한 두 개 이외에 어떤 수의 서로 다른 직경부분이라도 가질 수 있다. 한 쌍의 아이들러 풀리 종속조립체가 케이블 전동장치의 각 부분과 같이 한다면, 다른 물리적 제약조건이 만족되는 조건에서 더 많은 케이블 전동장치의 부분들이 입력 풀리 및 출력 풀리에 도입될 수 있다. 케이블의 추가 부분들은 전동장치의 종합적인 건전성에 더하여 보다 높은 안전성을 제공하겠지만 모듈의 사이즈는 불가피하게 증대될 것이다.

입력 풀리에 위치하는 소형 조화기어를 사용하여 기어비를 도입할 수 있으며, 부하는 출력 풀리의 전방면에 직접 가해진다. 컴팩트한 모듈을 만들기 위해서 각도운동 센서 및 모터 브레이크 등의 추가의 장치들을 출력 풀리 구동샤프트에 결합할 수 있다. 이 모듈은 다수의 공급자로부터 다양한 사이즈로 쉽게 구입할 수 있는 시판의 구성부품을 사용하여 대상 부하용량에 맞는 사이즈가 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 케이블-풀리 시스템과 조화 구동기술을 조합함으로써 컴팩트하면서도 고효율의 직각전동용 모듈을 제공한다. 이 케이블-풀리 구동시스템은 고충실도를 제공하는 한편 조화구동부는 고출력밀도 및 역구동성에 기여한다. 중간부하 용도를 고려하면, 이 모듈은 소형 액튜에이터 및 센서를 가능하게 하면서 종래의 베벨 또는 워엄 기어장치보다 성능이 뛰어나다. 이 기구 자체는 간단하면서도 튼튼하며, 높은 모듈성을 가지며 상호작용면에서 유연하다. 여분의 케이블은 설계에 안전성을 부가하며 입력 및 출력 전동축선의 접근성으로 인해 보조장치들을 컴팩트한 일체형 장치로 용이하게 일체화할 수 있다. 이 설계는 단순한 구성부들을 가지며 고비용의 기어절삭기술이 필요하지 않다. 현존하는 다른 어느 기술도 위치정밀도, 사이즈 및 중량, 효율, 모듈방식, 재구성의 용이성, 일체화 및 유지관리의 면에서 견줄 수 없다.

따라서, 본 발명은 직각구동부에 대하여 백래시가 거의 없거나 전혀 없으며, 단순하고 튼튼한 설계, 높은 재현정밀도, 고효율, 역구동성, 높은 기어비, 컴팩트한 사이즈 및 경량을 나타내는 직각구동부를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 입력 풀리(54) 및 출력 풀리(20)가 서로 수직한 면에서 회전하여 입력샤프트의 회전운동이 입력 회전축선에 수직한 축선을 중심으로 하는 회전운동으로 변환되는 직각구동부이지만, 다른 각도도 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 특히, 케이블 라우팅을 신용할 수 있다면 입력 축선과 출력 축선 사이의 어떠한 일정 각도도 수용할 수 있도록 하우징 샤시(14), 커버(16), 중간 하우징(22) 및 그 외의 구성부를 만들 수 있다. 따라서, 입력과 출력 사이의 바람직한 공칭 각도는 90도이지만, 다른 각도들도 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 장력을 조정할 수 있는 가요성 케이블이 사용되기 때문에, 사용자는 입력 축선과 출력 축선을 바람직한 각도로 조정할 수 있도록 하우징을 재구성할 수 있으므로, 입력 및 출력 풀리들이 소망의 각도를 제공하도록 제 위치에 록크되었을 때, 입력 풀리 및 출력 풀리를 서로에 대하여 재 위치시킴으로써 생기는 케이블의 느슨함을 팽팽하게 할 수 있도록 각 케이블의 케이블 장력이 이에 따라서 조정된다.

예를 들어, 여러 각도에서 나사의 장력부가를 용이하게 하는 한 가지 방법은 내장 스프링에 의해 연속적으로 토크를 받는 조임나사를 갖는 것이다. 이 나사는 또한 조임나사의 역회전을 방지하여 단일 방향으로 회전하게 하는 래칫을 가질 수 있다. 따라서, 케이블의 어떤 "느슨함"도 스프링으로 제거할 수 있으며, 래칫은 더 이상의 느슨해짐을 방지한다. 이 스프링은 케이블에 적절한 장력을 부가하는데 충분한 토크를 갇도록 선택된다. 스프링이나 래칫은 모두 입력 풀리 및 출력 풀리가 직각전동용으로 구성되던지 또는 그 외의 다른 각도용으로 구성되던지에 관계없이 케이블에 장력을 부가한다. 또한 래칫 기구도 일 방향 회전을 부여하는데, 즉 케이블의 장력을 더욱 팽팽하게 하는 방향으로의 회전을 부여하므로, 정상적인 환경에서는 어떤 케이블도 헐렁해지지 않는다는 것이 보장된다.

도 5e에 도시한 래칫 장력 기구와 케이블 장력 기구 사이의 차이점은 래칫 기구가 개별적인 시스템이라는 것인데, 이는 나사가 장착될 수 있는 "록킹"회전위치의 개수가 래칫의 기어치의 개수에 따라서 다른 반면, 도 5e에 도시한 나사/너트 장력 기구는 일단 케이블 장력이 설정되면 무한 개수의 "록킹" 목적이 가능한 위치를 갖는다는 것을 의미한다. 나사/너트 장력 부가는 수동 조정을 필요로 하는 반면 자동 장력 조정은 래칫 기구를 사용하여 가능하다. 따라서, 케이블 장력부가 장치의 실시예로서 스프링이나 래칫 또는 나사/너트 기구가 모두 가능하다.

2) 수술조정장치

도 16a 내지 도 21e는 수술조종 아암(400) 전체와 상기 아암을 구성하는 모든 다양한 구성부들을 보여준다. 도 16a는 본 발명의 일부를 형성하는 6자유도의 수술로봇(400)의 등각도를 보여준다. 도 16a 및 도 16e는 조종장치(400)의 두 가지 다른 등각도를 보여주는 한편, 도 16b, 도 16c 및 도 16d는 각각 조종장치(400)의 배면도, 측면도 및 평면도를 보여준다. 조종장치(400)의 기본적인 외부구조는 도 16a 내지 도 16e를 참조하여 언급할 것이며, 이들 구성부의 각각의 내부구조의 상세를 도 17a 내니 도 21e를 참조하여 언급할 것이다.

도 16a를 참조하면, 수술로봇(400)의 베이스(401)는 축선(414)을 갖는 어깨 로울 조인트 및 축선(422)을 갖는 어깨 피치 조인트의 일부를 구비한다. 도 17a 내지 도 17e를 참조하면, 조종장치 어깨 베이스(401)는 테이블탑 설치용 장착플레이트(200), 어깨 로울 조인트 및 어깨 피치 조인트용 베이스 플레이트에 장착된 지지하우징(202), 및 축선(414)(도 16a에도 도시)을 중심으로 회전하기 위한 피동 스퍼기어(204)를 포함하는데, 이들은 어깨 피치 하우징(252)(도 17c)과 함께 어깨 피치 조인트의 일부(다음 단락의 설명을 참조)를 형성한다. 어깨 피치 하우징(252)은 한 쌍의 각도접촉 볼베어링(500)에 의해 지지하우징(202)의 내부에 장착되며, 어깨 로울 조인트 출력 위치를 측정하기 위해 하우징(252)의 연장부(258)에 광학 인코더(503)가 연결된다. 직선형 기어치의 스퍼기어(204)는 이와 맞물리는 소형 피니언(206)에 의해 회전 가능하게 구동된다. 피니언(206)은 피동기어(204)와 맞물릴 때 대응 기어치 사이의 갭을 제거하는 스프링(216)을 갖는 백래시방지 기어이다. 기어(206)의 아래에 장착되어 하우징(202)에 고정된 모터에는 허브(214) 그리고 어깨 로울 구동샤프트(220)를 통하여 피니언(206)이 장착되어 구동된다. 기어(204)와 피니언(206) 사이에는 기어비가 존재하는데, 이는 각 직경의 차이에 따라서 달라진다. 모터(212)는 조화구동부, 광학 상대치 인코더(optical incremental encoder)(입력모터 위치를 측정) 및 DC 브러시리스 모터의 조합체이다. 조화구동부(56)는 모터(212) 입력 사이의 추가의 기어비를 구동샤프트(220)에서의 결과출력운동에 제공하여 기어(204)의 속도를 더욱 감소시킨다.

도 17c를 참조하면, 특히 이중안전 제동을 제공하기 위해 동력차단 브레이크(208)가 모터(212)에 연결되며, 여기서 브레이크(222)의 전기자가 모터(212)의 바로 아래의 어깨 로울 구동샤프트(220)에 연결된다. 브레이크(222)는 브레이크 지지대(210)에 장착된 후 다시 장착플레이트(200)에 고정된다. 제동 또는 비상정지 상황에서, 브레이크(208)에 공급되는 동력이 차단되며, 브레이크(208)의 전기자(222)가 브레이크(208) 내부에서 발생되는 자장에 의해 회전이 정지될 것이며, 따라서 구동샤프트(220)가 모든 동작을 중단하여 전체 어깨 로울 조인트가 그 결과로 정지될 수 있다.

모터(212)는 조화기어와 일체화된 서보모터와 상기 피니언 기어에 연결된 모터 샤프트(220)의 회전변위를 측정하는 각도인코더를 포함할 수 있다.

도 18a 내지 도 18e를 참조하면, 어깨 피치 조인트는 상부베이스(404)(도 16a)의 상면에 장착된 직각구동부(406)를 포함한다. 직각구동부의 어깨 피치 조인트(406)의 구조 및 동작은 직각구동부라는 명칭의 절에서 전술하였다. 스퍼 기어(204)와 어깨 피치 하우징(252)은 이전의 단락에서 설명한 바와 같이 어깨 로울 구조의 일부를 형성한다. 도 18d를 참조하면, 스퍼 기어(204)는 직각구동부(406)와 입력작동구성부 사이의 인터페이스로서 작용하는데, 상기 입력작동 구성부는 후면에 동력차단 전자 브레이크(254)가 부착되는 인터페이스 플레이트(253)를 갖는 브러시리스 모터(250)와 브레이크(254)에 직접 장착되어 모터입력 위치를 측정하는 상대치 광학인코더(256)를 포함한다.

제동시에 동력차단 브레이크(254)는 모터(250)의 회전이 모터출력 샤프트의 연결후방단부를 통하여 정지된다는 점에서 어깨 로울 조인트의 대응부와 유사한 방식으로 작용할 것이다. 직각구동부의 절에서 설명한 바와 같이, 모터(250)의 출력샤프트의 전방단부는 직각구동부(406)의 조화구동부(56)에 연결되며, 조화구동부는 입력 풀리(54) 및 출력 풀리(20)를 회전시킨다. 직각구동부(406)의 출력측에서는 어깨지지대(439)가 구동부(406)의 샤시에 장착되는데, 이는 한 쌍의 각도접촉 볼베어링(504)에 의해 지지되고 직각구동부(406)의 출력 풀리(20)와 연결되는 내부액슬(505)를 갖는다. 액슬(505)의 외측단부에는 장착브라켓(266)이 장착되는데, 여기에는 조종부(408)가 부착되어 결국 어깨 피치 축선(422)을 중심으로 회전하는 하측아암(408)(도 16a)이 된다.

모터(250)가 하측아암(408)과 그 위에 부착된 나머지 구성부들을 어깨 피치 조인트를 중심으로 중력에 대항하여 움직이게 하는 것을 도와주기 위해, 토션스프링(440)(도 16a, 도 18b, 도 18e)이 어깨지지대(439)와 하측아암(408)에 장착되는데 이는 하측아암(408)이 어깨 피치축선(422)을 중심으로 지시된 방향으로 회전할 때 균형추로서 작용한다. 도 18b, 특히 도 18e를 참조하면, 균형 스프링(440)은 브라켓(507)에 의해 지지되는 하나의 다리를 가지는 한편, 다른 다리는 하측아암(408)과 함께 회전한다(도 16a에서 볼 수 있음). 스프링(440)은 도 18e에서 화살표 방향을 따라서 예시한 바와 같이 하측아암(408)이 전방으로 회전할 때만 부하가 인가될 것이다. 브라켓(266)에 부착된 모든 구성부들은 어깨 로울 조인트용 축선(414)(도 16a에서 볼 수 있음)을 중심으로 일체로서 회전한다.

도 16a, 도 16e, 도 19a 내지 도 19e를 참조하면, 하측 조종 아암(408)의 상단부에는 이전의 단락에서 설명한 바와 같은 어깨 피치 조인트와 동일한 구조 및 동작의 팔꿈치 피치 직각구동부(410)가 부착된다. 팔꿈치 피치 조인트 직각구동부(410)의 출력 풀리(20)(도 19e)의 상단의 브라켓(282)에는 상측아암(412)이 장착되므로 입력 풀리(54)의 구동부(410)로의 회전운동이 팔꿈치 피치 축선(426)을 중심으로 하는 상측아암(412)의 회전운동으로 변환된다. 도 19e에서 볼 수 있듯이, DC 브러시리스 모터(46), 동력차단 브레이크(464)를 갖는 동력차단 브레이크(464), 및 하우징(28)의 내부에 위치하는 상대치 광학인코더(466)는 구조 및 동작의 면에서 어깨 피치 조인트(250, 253, 254, 256)의 대응부와 각각 동일하다.

도 16a, 도 16e, 도 20a, 도 20e를 참조하면, 조종 전방아암(412)의 상단부에는 팔꿈치 및 어깨 피치 조인트들과 유사한 구조 및 동작을 갖지만 사이즈가 작은 손목 피치 직각구동부(416)가 부착된다. 손목 피치 조인트 직각구동부(416)의 출력 풀리(20)(도 20c)의 상단의 브라켓(288)에는 손목(420)이 장착되므로, 입력 풀리(54)(도 20c)의 구동부(416)측으로의 회전동작이 손목 피치 축선(432)을 중심으로 하는 손목(420)의 회전운동으로 변환된다. 전방아암(412)의 내부구조는 하측아암(408)과 유사한데, DC 브러시리스 모터(470), 하우징(286)의 내부에 있는 동력차단 브레이크(471)를 갖는 인터페이스 플레이트(471)는 하측아암(408)의 대응부(460, 462, 464)와 유사하지만 사이즈가 작고 동일한 동작원리를 갖는다. 상대치 인코더(473)는 하측아암(408)의 인코더(466)와 동일하다.

이제 도 21a 내지 도 21e 그리고 특히 도 21e를 참조하면, 손목부(420)는 모터(302), 인터페이스 플레이트(480), 브레이크(304), 이전의 단락에서 설명한 손목 피치 조인트 조립체의 대응부(470, 471, 472, 473)와 동일한 방법으로 동작하도록 구성된 인코더(306)를 포함하는 작동기구를 구비하는 하우징(300)을 포함한다. 손목(420)내의 작동기구는 또한 손목 피치 직각구동부(416)와 동일한 조화구동부(482), 외측단부에 선단부(428)가 연결된 출력 샤프트(484) 및 손목 피치 직각구동부(416)에서 사용되는 도 20c의 인코더(46)와 동일한 상대치 인코더(483)를 둘러싸는 손목 출력 샤프트 하우징(424)을 포함한다. 선단부(428)는 작동기구, 구체적으로 모터(302)에 의해 구동되어 조화구동부(482)에 의한 기어감속을 통해 손목 로울 축선(438)을 중심으로 회전할 수 있게 된다.

따라서, 조종장치의 6자유도는 전부 어깨 로울 축선(414), 어깨 피치 축선(422), 팔꿈치 피치 축선(426), 손목 피치 축선(432), 손목 로울 축선(438) 및 도구요동 축선(441)이 담당하게 된다(이에 대해서는 후에 수술 선단부 절에서 상세하게 언급할 것이다). 조종장치의 연결부들은 어긋난 구조로 배열되는데 하측아암(408) 및 전방아암(412)은 둘 다 어깨 로울 축선(414) 및 손목 로울 축선(438)에 대하여 어깨 피치 축선(422) 및 팔꿈치 피치 축선(426)을 따라서 직렬로 이루어진다. 이 구조에 의해 조인트 대 조인트로부터의 어떤 소망의 연결길이를 고려하면 각 조인트에 대한 전체 작동부를 둘러싸는데 필요한 조종 아암(408, 412, 424, 428)의 최소길이를 수용할 때 모든 피치 조인트들이 이동하는 범위가 보다 넓어진다.

하측아암(408) 및 상측아암(412)의 정확한 옵셋량은 어깨 피치 축선(422)의 방향을 따라서 어깨지지대(439)의 부분(506)(도 18d)의 길이에 따라서 조정되며, 그 결과의 옵셋으로 인해 손목 로울 축선(438)이 어깨 로울 축선(414)과 일치하도록 손목(420)을 위치시킨다. 그 이유는 보다 직감적인 제어 및 간단한 운동학적 계산을 위한 직렬형 운동학적 사슬을 요구하는 운동학적 고찰에 있다. 손목 로울 축선(438) 및 어깨 로울 축선(414)을 일치시킴으로써, 물리적 조종장치가 어긋나게 정렬되더라도 직렬형 운동학적 구조가 얻어진다.

3) 수술공구

로봇 손목(424)의 단부에 연결된 선단부(428)(도 16a)는 이 공구에 대한 언급 후에 언급할 방식으로 선단부(428)로부터 분리될 수 있는 수술공구(430)를 지지한다. 도 22a 내지 도 22e는 조종장치(400)(도 16a)에 부착된 선단부(428)에 착탈 가능하게 장착될 수 있는 수술공구(430)의 제 1 실시예를 보여준다. 도 22c 및 도 22d를 참조하며, 공구(430)는 메인하우징(500), 하우징(500)의 단부에 안착된 테프론 하우징(502), 테프론 부싱(502)을 통하여 하우징(500) 내에서 슬라이드하는 피스톤(504), 우측 포르셉 블레이드(506), 좌측 포르셉 블레이드(508), 및 포르셉 삽입체(510)를 포함한다. 두 개의 포르셉 블레이드는 통공을 가지며, 그 통공을 통해 결합핀(512)이 삽입되며, 피스톤(504)이 메인하우징(500)에 출입할 때 두 개의 블레이드는 이 결합핀(512)을 중심으로 피봇동작한다. 피스톤(504)은 피스톤의 외측단부에 위치하는 헤드부(514)와, 헤드부(514)와 피스톤(504)의 본체의 나머지부분 사이에 위치하는 좁은 목부(516)를 포함한다. 피스톤(504)은 결합핀(512) 위의 메인하우징(500) 내부에 위치하는 두 개의 포르셉 블레이드(506, 508)의 단부들 사이에서 상하로 슬라이드하는 소직경의 연장부(522)를 포함한다. 피스톤(504)의 대직경부의 단부에는 O링(520)이 안착된다. 공구(430)는 타이밍 풀리(528)를 포함한다.

도 23a 및 도 23b는 본체(562), 피스톤의 본체로부터 목부(568)에 의해 분리된 피스톤 헤드(566)를 갖는 피스톤(564)을 포함하는 수술공구(560)의 다른 실시예를 보여준다. 두 개의 포르셉 블레이드(570, 572)는 하우징(570)의 내부에 위치하는 공통피봇점을 중심으로 피봇동작하며 스프링(574)을 사용하여 블레이드(570, 572)를 개방위치로 복귀시킬 수 있다. 스프링(574)은 블레이드(570, 572)와 각각 연관된 하우징부(580, 582) 속에 구비된다. 이 공구는 내부 쐐기작용을 이용하여 블레이드(570, 572)를 폐쇄시킬 수 있다. 구동피스톤(564)은 피봇점 위의 블레이드의 상측 근접부를 분리하여 결국 수술 중에 조직과 맞물리는 말단 블레이드팁을 함께 압착시킨다.

도 24a 및 도 24b는 본체(632), 본체로부터 목부(638)에 의해 분리된 피스톤 헤드(636)를 포함하는 수술공구의 다른 실시예를 보여준다. 수술공구(632)는 가위동작을 만드는 4개 바의 연결체를 이용하여 포르셉 블레이드(640, 642)를 작동시킬 수 있다.

도 25a 및 도 25b는 역시 메인하우징(702), 중앙피스톤(704) 및 단일편으로 만들어진 포르셉 블레이드(708, 710)를 포함하는 수술공구(700)의 다른 실시예를 보여준다. 이 포르셉 블레이드(708, 710)는 단일편이나 또는 서로 융착된 두 개의 편으로 만들어지므로 두 개의 블레이드의 조인트에서의 스프링력에 의해 블레이드의 개방이 이루어진다. 이 블레이드를 폐쇄하기 위해서 피스톤(704)은 하방으로 이동하여 그 속에 끼어있는 쐐기에 의해 블레이드(708, 710)가 결합된 부위의 재료를 탄성변형시킴으로써 블레이드(708, 710)를 폐쇄시킨다.

선단부(428)에 장착될 수 있는 여러 가지 구조 및 기능의 공구부를 갖는 다양한 형태의 수술공구(예를 들어, 가위, 스칼펠(scalpels), 포르셉 등)가 있으며, 이들 여러 가지 공구부분의 구조나 기능에 관계없이 피스톤(504)이 상기 선단부(428)에 대하여 선형으로 수축되거나 신장할 때 수술공구(430)의 공구부가 작동할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도시한 포르셉은 단지 예시적인 것일 뿐 제한적인 것은 아니다.

4) 수술 선단부

전술한 바와 같이, 도 16a를 참조하면, 선단부(428)는 로봇 손목부(424)의 단부에 연결되며 교체형 수술공구(430)가 지지된다. 초미세수술 조종장치는 바람직하게는 소형 및 경량의 선단부를 필요로 하고, 신속하고 자동화된 공구교체를 가능하게 하며, 6자유도의 공구팁력을 감지하고, 공구파지력을 감지하며, 로봇과 공고 및/또는 환자사이에 살균장벽으로 유지하며, 조립하기가 쉽다.

선단부(428)는 살균 구성부품과 비살균 구성부품으로 구성된다. 살균 구성부품들은 수술작업위치의 작업환경에 노출되며, 선단부(428)의 비살균 구성부품 및 후속의 나머지 아암을 보호하는 박테리아 내성 백에 의해 보호되지 않는다. 따라서, 매 수술 후에 고압 및 고온 증기를 사용하는 오토클레이브 공정에 의해 오염되지 않게 할 필요가 있다. 수술환경( 및 수술공구(430))과 직접 접촉하는 선단부(428)의 구성부품들을 분리하기 위해서는 살균장벽을 설치할 필요가 있다.

선단부(428)의 사이즈 조건은 통상의 사람 손보다 작고 가능한 가벼워서 전체 아암의 전체 크기를 구동시키는 것이 바람직하다. 도 26a는 조립되어 수술공구(430)를 지지하는 선단부(428)의 등각도를 보여준다. 또한, 선단부(428)는 공구팁 및 작업위치에서의 최대 가시성을 제공할 수 있는 사이즈/배향을 갖는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해서는 공구의 작동을 담당하는 액튜에이터가 수술위치로부터 멀리 위치하는 것이 바람직하다. 이 불균형적인 배향으로 두 개의 선단부가 근접하게 배치되어 후술하는 이중 조종장치 작동 구조에서의 작은 작업공간이 가능해진다.

수술조종장치의 비제한적 실시예에서, 선단부(428)의 전체크기(수술공구는 포함하지 않음)는 길이, 폭 및 높이가 각각 70mm x 50mm x 80mm이고 무게가 240g이다. 이들 변수는 선단부(428)의 크기조건을 만족시키지만, 이는 예시적인 것일 뿐 한정하려는 것은 아니다.

현재 이용할 수 있는 수술 시스템은 많은 살균 종속구성부품을 가지며 복잡한 조립수단을 제공하여 길고 소모적인 셋업시간을 야기한다. 여기서 개시하는 선단부(428)는 유리하게도 최소의 조립체 구성부품을 제공하며 셋업타임을 몇 분 정도로 가능하게 한다.

도 26a, 도 26b, 도 26c, 도 26d, 도 26e 그 중에서도 도 26b를 참조하면, 선단부(428)는 비살균 부재를 구성하는 메인조립체(436)를 포함한다. 이는 보호용 백 또는 경질 보호부가 선단부(428)를 감싸는 경우이다. 선단부(428)는 또한 자기 공구홀더(450), 공구 액튜에이터(452) 및 공구요동기구(454)를 포함한 3개의 메인 종속구성부품을 포함한다. 이들 모든 종속조립체들은 간호사가 용이하게 셋업할 수 있도록 메인조립체(436)에 대한 단순한 인터페이스를 갖는다. 도 26b의 분해도는 살균 구성부품들을 어떻게 분해하는지를 보여줍니다. 이들 3개의 종속구성부품들, 즉 자기 공구홀더(450), 공구 액튜에이터(452), 및 공구요동기구(454)는 나사형 신속교체핀(458, 460, 462)에 의해 메인조립체(436)에 위치하여 착탈 가능하게 고정된다.

안전조건을 위해 수술공구(430)는 비상시에 위로부터 작업공간에서 수동으로 인출될 수 있는 능력을 가져야 한다. 이는 신속핀(458, 460)에 의해 각각 자기 공구홀더(450) 및 공구 액튜에이터(452)를 제거하고 공구 액튜에이터(452)를 외부로 슬라이드시킨 후에 수술공구(430)를 구비한 공구홀더(450)를 수직하게 제거함으로써 달성될 수 있다. 보다 신속한 다른 방법은 공구플랜지를 제거하고 공구(430)를 수술위치로부터 인출하기 위해 공구(430)를 공구홀더(450)로부터 (후술함) 수직선에서 약간의 각도로 방출시키는 것이 될 것이다.

메인조립체(436), 자기 공구홀더(450), 공구액튜에이터(452) 및 공구 액튜에이터(452)의 각각은 이하에 보다 상세하게 언급한다.

a) 메인조립체(436)

도 27e 및 도 27f를 참조하면, 선단부(428)의 메인조립체(436)는 모든 전자부품, 즉 공구요동모터(600), 공구작동모터(601), 공구팁력 모멘트 센서(608) 및 공구작동력 센서(604)를 포함하는데, 이들은 모두 선단부에 장착된다. 이는 선단부의 코어를 형성하는데 이들 구성부품들 및 그 인접한 지지구조는 비살균상태라고 생각되므로 주름백에 의해 보호될 필요가 있다. 이 주름백은 선단부 메인조립체의 전방면(611)까지 로봇의 베이스로부터 아암의 전체길이에 걸쳐서 커버할 필요가 있는 반면, 선단부의 나머지 종속조립체는 주름백을 통해 핀칭하는 대응 인터페이스를 통해 메인조립체에 부착될 것이다.

특히 도 27f를 참조하면, 공구요동모터(600)는 공구요동모터(600)의 양단부를 조이는 역C자 형상의 구조인 모터지지 브라켓(602)에 장착된다. 사각형 구동샤프트(609)는 모터지지 브라켓(602)의 바닥측으로부터 노출된 공구요동모터(600)의 출력샤프트에 부착되며, 이 지점에는 공구요동 종속조립체(454)의 구동타이밍 풀리(이후의 단락에서 언급)가 사각구동샤프트(609)에 연결되어 공구요동 축선(441)에 회전 전동을 가능하게 한다.

도 26e 및 도 27e를 참조하며, 공구작동모터(601)는 측방연장부에서 모터지지 브라켓(602)에 부착되어 모터(601)를 공구요동모터(600)에 평행하게 배치시킨다. 이 모터(601)는 선형 액튜에이터인데, 그 출력샤프트는 모터 자체의 장축선을 따라서 상하로 이동하며, 그 단부에는 경사각 액튜에이터바(603)가 연결된다. 따라서 이 바(603)는 수직운동을 바(603)의 타단부에 장착된 공구액튜에이터 종속조립체(452)에 전달할 수 있다. 액튜에이터 종속조립체(452)는 공구작동 인터페이스와 맞물릴 때(이후의 단락에서 언급) 선단부에 대한 동작의 공구작동축선을 제공한다.

도 27f를 참조하면, 공구팁력 모멘트 센서(608)는 로봇아암의 손목과 다시 상호 작용하는 베이스블록(605)과 모터지지 브라켓(602) 사이의 단일 기계적 연결체이다. 이는 상호작용력 전부를 확보하기 위한 것이며 공구팁에서의 모멘트는 다른 부하경로(이후의 단락에서 언급) 없이 센서(608)만을 통하여 다시 베이스블록(605)에 전달된다. 이 부하경로는 도 27a에서 화살표로 도시되어있다. 베이스블록(605)은 틈새구멍(612)을 갖는데, 이 구멍을 통해 공구요동모터(600)가 통과하는데 베이스블록(605)의 어떤 부분과도 물리적으로 접촉하지 않는다. 공구홀더 종속조립체(450) 이어서 공구(430)는 모터지지 브라켓(602)의 전방면(611)에 부착된다. 따라서 베이스블록(605)을 제외한 전체 선단부의 나머지 구성부품들이 힘-모멘트 센서(608)의 전방면에 단일 인터페이스에서 지지되는데, 이에 대해서는 도 26b를 참조하라.

다시 도 27f를 참조하면, 공구작동력 센서(604)는 바(603)가 수직가이드로드(606)에 의해 지지되는 지점과 공구작동 종속조립체(452)와의 인터페이스(607) 사이의 경사각 작동바(603)에 장착된다. 센서(604)는 변형게이지의 형태를 취하는데, 바(603)상의 지점에서 공구작동에 의한 탄성 수직편향이 측정될 수 있다(이후의 단락에서 언급).

b) 공구작동기구(452)

도 26d를 참조하면, 선단부(428)는 이후에 언급하는 공구요동기구(454)와는 완전히 독립적으로 작용하는 공구작동기구(452)를 포함한다. 이는 수술공구(430)의 피스톤(504)을 좁은 목부(516)를 통해 공구축선을 따라서 수직방향으로 이동시켜서 두 개의 블레이드(506, 508)(도 22c 및 도 22d) 사이에 파지작용을 제공하기 위해 선형 액튜에이터(601)에 연결된 선형 가이드지지대(606)를 사용하여 이루어진다. 선단부(428)의 이런 특징은 공구(430)가 공구요동축선(441)(도 16a)을 중심으로 회전하던지 또는 공구피스톤(504)의 원형 목부(516)에 의해 정지상태에 있던지에 관계없이 이용될 수 있다. 이는 또한 작동을 필요로 하지 않는 수술공구(예를 들어, 프로브, 스칼펠, 코터라이저(cauterizer) 등)를 사용하는 경우에 회피할 수 있는데, 유일한 조건은 공구가 포르셉 공구(430)의 피스톤처럼 작동 종속조립체(452)와 연결하기 위한 기계적 인터페이스를 전혀 갖지 않는 것이다.

도 28a 및 도 28b를 참조하면, 공구작동기구(452)는 크로스-로케이션 핀(460)에 의해 경사각 작동바(603)에 연결된다. 이 기구는 포르셉 수술공구(430)의 피스톤부재(504) 주위에 고정된 한 쌍의 피봇팅 핑거(614)를 포함한다. 이들 핑거들은 스프링(628)에 의해 결합상태로 스프링 부하가 인가되지만, 공구의 제거를 위해 수동적으로 개방될 수 있다.

도 26e 및 도 27f를 참조하면, 경사각 작동바(603)는 선형 볼베어링(615)에 의해 옵셋 작동위치로 안내된다. 경사각 작동바(603) 상에 위치하는 변형게이지(604)는 공구작동력을 감지할 수 있다. 브라켓의 외팔보 부분이 공구(430)의 피스톤(504)의 상하동작의 결과로서 반응에 의해 어느 방향으로도 편향되므로, 변형 게이지(604)는 전압신호를 발생할 것인데, 이 신호는 해석을 위해 컨트롤러로 피이드백될 것이다. 변형게이지 센서(604)의 적절한 조정에 의해, 공구를 작동시키는데 필요한 수직력을 결정할 수 있으며, 그 후 이 힘은 블레이드(506, 508) 사이에서의 피스톤(504)의 연장부(522)의 상방향 슬라이딩시에 블레이드(506, 508)의 폐쇄를 담당하는 블레이드(506, 508)의 캠부(510)의 기하학적 형상이 주어진다면 공구(430)의 블레이드(506, 508)의 팁(도 22c)에서 핀칭력으로 변환될 수 있다. 블레이드(506, 508)의 팁에서의 핀칭력을 어떻게 변형게이지(604)에 의해 검출하는지를 도시하는 도 26d의 화살표를 참조하라.

c) 자기 공구홀더(450)

자기 공구홀더(450)의 목적은 공구를 단단히 지지하면서도 공구가 쉽게 회전할 수 있게 하는 것이다. 이는 지지체(616) 내에 공구(430)를 구속시킴으로써 달성되는데, 이 지지체는 도 29c에 도시한 비제한적 실시예에서 수술공구(430)의 원통형 공구본체(500)를 내부에 수용하기에 적합한 크기를 갖는 기다란 채널을 갖는 ABS 플라스틱제의 V형상 블록으로서 공구(430)가 최소의 마찰로 지지체(616) 내에서 회전할 수 있게 한다. 도 26b, 29a, 도 20b를 참조하면, 수술공구(430)의 공구본체(500)는 바람직하게는 자성을 갖는 400시리즈 스텐레스강으로 만들어지는 것으로서 V블록(616)에 매립된 두 개의 희토류 포트(pot) 자석(618)에 의해 V블록에 안착된다. 샤프트에 접하는 V블록의 반작용력 및 자력에 의해 공구(430)가 반경방향으로 고정되는 반면, 수술공구(430)의 본체(500) 상의 플랜지(529)는 V블록체(616)와의 반경방향 밀접결합에 의해 공구를 축방향으로 위치시켜 구속한다(도 22a). 도 29c 내지 도 2e는 자기 공구홀더의 보다 상세한 도를 보여준다.

공구홀더(450)의 다른 능력은 자동 공구교체를 위한 수동적 공구교체가 가능하다는 것이다. 도 29c, 도 29d 및 도 29e를 참조하면, V블록(616)은 일단 압축되면 가위작용과 유사하게 공구본체(500)를 자석(618)으로부터 분리하고 공구(430)를 방출할 수 있도록 피봇동작하는 공구방출기구를 갖는 것을 특징으로 한다. 도 29d는 공구가 결합된 구조 또는 공구방출윙(617)이 폐쇄 위치에 있는 것을 보여준다. 한편 도 29e는 공구방출구조 또는 윙(617)이 개방위치에 있는 것을 보여준다. 공구를 방출한 후, 윙(617)은 각 윙(617)의 후면에 위치하는 압축스프링(619)에 의해 초기폐쇄위치로 복귀할 것이다(도 29b 및 도 29d에 가장 잘 도시).

도 29f는 자동공구교체용 공구트레이(911) 상의 수동적 공구교체기구를 보여준다. 공구트레이(911)에 고정된 정지핀(950)은 공구를 해제하기 위한 특유의 선단부 기구를 보장하도록 위치한다. 이들 기구로서 액튜에이터 종속조립체(452)의 피봇동작 핑거(614)와 공구요동 종속조립체(454)의 외측 아이들러풀리(438)가 포함되는데, 이들 양 요소는 공구(430)와 맞물려지며 해제될 필요가 있다. 그러나 실제의 방출특징은 공구홀더(450)에 있는데, 이 공구홀더로부터 방출윙(617)이 개방위치로 후방으로 가압되어 공구(430)를 방출시킬 필요가 있다. 이는 공구트레이(911) 상의 대응 방출래치(951)에 의해 이루어지는데, 이 방출래치들은 윙(617)과 정확히 맞으며, 쿠션성의 공구방출을 가능하게 하는 스프링부하형 플라이어형 기구를 갖는다.

조종장치(400)의 하향운동은 이 과정의 동적 성분일 뿐인데, 선단부(428)는 조종장치(400)가 공구트레이(911) 위로 하방으로 가압할 때 공구(430)가 수평하게 되도록 배향되어서 기구(614, 438)와 맞물린 선단부(428)가 공구트레이(911) 상의 핀(950)에 의해 열리게 하는 반면, 윙(617)이 방출래치(951)에 의해 작동되어 공구(430)를 공구트레이(911) 위로 완전히 해제한다. 공구를 집어들기 위해서는 이 과정이 거꾸로 된다. 조종장치(400)는 빈손의 선단부(428)를 트레이(911)상의 공구(430)의 상단위로 이동시키고, 선단부(428)를 하방으로 가압하여 결합기구(614, 438) 및 방출윙(617)을 열고, 선단부(428)의 공구홀더(450) 상의 자석(618)에 의해 공구(430)를 포획한다. 공구트레이(911)는 각 대응 수술공구에 대한 다수 셋트의 핀(950)을 가지며, 또한 공구식별 센서를 보유하는데, 이는 각 공구에 내장된 태그를 판독할 때 메인컨트롤러가 어떤 공구가 조종장치(400)에 의해 들어올려지는지를 등록할 수 있다. 공구 상의 식별태그는 공구트레이(911) 상의 대응 적외선 센서와 함께 작용하는 바코드나 적외선 태그일 수 있다.

d) 공구요동기구(454)

선단부(428)는 백래시방지 스퍼기어 헤드 및 상대치 인코더와 일체화된 서보모터에 의해 작동되는 공구요동 자유도를 포함한다. 도 26b를 참조하면, 모터기어 인코더 콤보(600)의 출력샤프트에는 공구요동 종속조립체(454)로부터 타이밍풀리(736)를 구동시키는 전술한 사각핀(609)이 결합된다. 공구요동기구(454)는 착탈형 살균 구성부품이기 때문에 비살균 서보액튜에이터 메인조립체(436)로부터 신속한 분리가 필요하다. 구동풀리(736)의 사각구멍에 정확히 맞추어지는 사각핀(609)은 토크가 공구요동기구(454)에 전달될 수 있게 하면서도 오토클레이빙을 위한 용이한 분리를 가능하게 한다.

도 27a 및 도 27b를 참조하면, 공구요동기구(454)는 프레임(442)을 포함하며, 여기에 장착된 한 쌍의 아이들러 풀리(438)를 통해 일회용 치형 벨트(540)가 풀리직경의 양측 단부 상에서 수술공구(430) 상의 대응 치형 풀리(528)와 맞물린다. 치형 풀리(540)의 라우팅은 외측 아이들러풀리(438)와 동일한 피치직경을 갖는 프레임(442)에 장착된 중간 아이들러풀리(620)에 의해 완료된다. 구동풀리(736)에 의해 구동되는 벨트(540)의 양방향 회전은 접선분력을 수술공구(430)의 회전운동으로 변환시킨다. 공구요동기구(454)가 나타내는 주요한 특성중의 하나는 여러 가지 수술공구(430)를 수동적으로 제거하고 교체하는 것이다. 개방된 전방프레임의 구조 및 벨트 구성으로 인해 공구(430)가 공구요동기구(454)의 전방으로부터 방출/교체될 수 있게 되어 벨트(540) 주위로 얽히는 것을 방지한다. 공구방출 과정은 공구를 완전히 분리시켜서 마찰영향을 완전히 제거하는 시트금속 굴곡부(621)에 의해 지지되는 외측 아이들러풀리(438)에 의해 더욱 도움을 받게 된다. 공구(430)와 결합되었을 때, 금속 굴곡부(621)는 공구요동 중에 타이밍벨트(540)에 일정한 예비부하가 인가되게 하면서도 공구가 존재하지 않을 때는 타이밍벨트의 교체를 용이하게 하기 위해 수동으로 접힐 수 있게 한다. 도 27c 및 도 27d는 선단부를 구성하는 구성부품들의 상세를 보여준다.

당업자라면 여기서 개시하는 선단부(428)를 어떤 로봇 아암조립체에도 다시 조립할 수 있으며 여기서 개시한 조종장치에 장착되는 것으로 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.

마찬가지로, 당업자라면 여기서 개시한 직각구동부(10)가 일 축선을 따라서의 회전운동을 다른 축선을 따라서의 회전운동으로 변환할 필요가 있는 어떤 용도에도 사용할 수 있으며 여기서 개시한 조종장치(400)에 장착되는 것에 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.

촉각 피이드백

외과의사가 원격조작형 운전 중에 핸드컨트롤러에서의 촉감을 유지하기 위해서는 촉각이 필요한데 이는 선단부가 공구팁에서의 현실적인 외력과 토크감을 제공하며 다시 핸드컨트롤러에 반영할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 정확한 촉각 피이드백을 얻기 위해서는 공구팁에서의 힘 및 토크(모멘트)가 대상 방향으로의 탄성편향을 통해 힘 및 모멘트를 측정하는 힘-모멘트 센서(608)에 의해 직접 등록되도록 선단부를 설계하는 것이 유리하다. 센서(608)는 6방향 전체 방향으로의 힘 및 모멘트를 측정할 필요가 있으므로, 완전한 6자유도 촉각 피이드백을 이룰 수 있다. 연조직 상호작용의 범위가 대략 1 내지 200g인 감지정밀도를 가질 필요가 있다. 센서(608)의 사이즈는 전체 선단부 사이즈를 원치 않는 크기로 확장시키지 않고서 선단부 설계에 채용될 수 있을 정도로 컴팩트한 것이 바람직하다. 이들 변수를 고려하면 본 조종장치에서 바람직한 최소의 힘-모멘트 센서는 전체 사이즈가 직경 ψ17mm x 길이 14.5mm의 ATI Industrial Automation의 Nano 17이다.

선단부(428) 내의 힘-모멘트 센서(608)의 위치는 촉각 피이드백의 최종적인 정밀도를 결정하므로 중요하다. 이상적으로는 센서(608)는 공구가 이물체와 접촉할 때 외력 및 모멘트가 작용되는 공구팁에서 가벼워야 한다. 실제로 이것은 살균용 오토클레이빙 사이클을 거칠 필요가 있는 수술공구에 내장된 정교한 전자구성부품을 갖는다는 것을 의미하므로 성취하기 어렵다. 또한, 다양한 공구들이 선단부(428)에 결합될 필요가 있으므로, 공구의 교체시에 전자인터페이스가 필요하게 되어 선단부 설계의 복잡성을 부가시킨다. 게다가 각 공구의 센서는 공구제조비용을 상당히 증대시키고 따라서 소비자에 의한 전체 시스템의 투자금을 증대시킬 것이다.

따라서, 소형 힘-모멘트 센서를 선단부 내에 수술공구에 근접시켜서 유지하는 것이 유리하다. 이렇게 하면 센서의 감지능력이 포화되는 것을 피하기 위해 센서의 자유단부상의 중량을 최소화시킬 것이다. 또한 공구팁과 감지점 사이의 물리적 거리를 줄임으로써 백래시, 순응(compliance) 및 진동 등의 기계적 불완전성에 의한 부하경로 전체에 걸친 신호왜곡이 최소화될 수 있다. 부하경로는 전기회로의 전류경로와 유사하다. 최적의 힘 및 모멘트 감지는 공구팁으로부터 생기는 모든 힘 및 모멘트가 센서만을 통해 다시 센서의 타단부의 지지구조, 또는 "기초"에 전달되므로, 힘 및 모멘트 신호를 해석을 위해 다시 컨트롤러로 전송하기 전에 모든 공구팁의 부하가 센서에 의해 모아지게 된다.

도 26e는 선단부(428)의 부하경로를 통한 단면도를 보여준다. 기초부는 힘-모멘트 센서(608)의 후단부만을 지지하는 베이스블록(605)으로 구성된다. 액튜에이터(600, 601), 공구작동센서(604) 및 그 대응지지구조의 모두는 센서(608)의 자유단부의 전방면에 장착된다. 센서(608)가 판독한 과중량은 공구(430)를 포함하여 센서(608)에 의해 측정된 중량에 기여하는 각 부분의 알고 있는 중량 및 질량중심 거리로 컨트롤러에서의 신호를 소거함으로써 보상할 수 있다. 이 능동적 중력보정법은 센서위치에서의 모든 부품들의 예상 자중을 조종장치의 능동방정식으로 계산함으로써 완성될 수 있는데, 이를 뺀 센서로부터의 필터링된 신호가 공구팁에 작용하는 순수 외력 및 모멘트이다.

공구팁력 및 모멘트 외에도 촉각 피이드백은 공구작동력 피이드백도 포함한다. 도 26d를 참조하면, 공구(430)의 블레이드(506, 508)의 개폐는 피스톤(504)의 수직운동에 의해 이루어진다. 피스톤(504)은 액튜에이터 종속조립체(452)에 의해 지탱되며, 종속조립체는 작동바(603)를 통해 다시 공구작동모터(601)에 연결된다. 따라서, 블레이드(506, 508)의 공구팁에서의 핀치력이 전술한 경로를 통해 수직하게 전달된다. 따라서, 바(603)의 탄성변형을 측정하여 공구작동력 피이드백을 컨트롤러에 제공하기 위해 작동부(603)의 외팔보부의 중간에는 변형게이지형 센서(604)가 위치한다. 발생된 전압신호는 공구작동을 위한 힘조절에 사용되거나 또는 적절한 인간-기계 인터페이스를 통해 공구-작동 촉각 피이드백용 핸드 컨트롤러에서 재생될 수 있다.

도 16a를 참조하면, 수술 조종장치(400)는 외과의사(960)의 직접 제어하에서 원격조작로봇 시스템에서의 수술작업에 사용되도록 설계되었다. 원격조작로봇 시스템에서 로봇과 핸드 컨트롤러는 수술자가 핸드 컨트롤러를 이동시킬 때 마스터-슬레이브 관계를 형성하거나, 또는 이 작용을 실시하기 위한 마스터와 로봇 또는 슬레이브는 수술자의 핸드동작을 따라감에 의해 출력으로서 실제의 작업을 실시한다. 도 30을 참조하면, 이 원격조작로봇 시스템은 두 개의 부분, 즉 두 개의 조종장치(900, 901)를 구비하는 이동플랫폼(906)인 슬레이브와, 하나 이상의 컴퓨터 모니터 및 두 개의 핸드컨트롤러로서의 촉각장치(903, 904)를 포함하는 워크스테이션 형태의 마스터로 구성되는데, 각 조종장치의 핸드컨트롤러 쌍은 양손 조작이 가능하도록 외과의사(960)의 좌우측 팔을 모방한다.

두 개의 조종장치(900, 901)는 서로 면대칭 구조를 가지며, 모든 구성부품들은 동일하다. 따라서, 수술 조종시스템은 서로 구조적 면대칭 상이 되도록 구성된 적어도 두 개의 수술조종장치(900, 901)를 포함하는데, 수술조종장치중의 하나는 좌측 손의 조작을 위해 구성되고 다른 하나는 우측 손의 조작을 위해 구성된다. 이 구조가 유리한 점은 각각의 선단부에 부착된 수술공구가 환자의 수술위치에서 서로 가장 근접하게 될 수 있다는 것이다.

좌우측 핸드 컨트롤러의 운동을 제 1 및 제 2 수술조종장치의 일정 비율의 운동으로 변환시키기 위한 각각의 수술조종장치에 좌우측 핸드 컨트롤러를 연결하는 통신계가 있다. 이 일정 비율의 운동은 소프트웨어에서 미리 결정할 수 있으며 1:1이 될 수 있는데, 컨트롤러에서의 외과의사 손의 움직임은 정확히 선단부의 동일한 움직임으로 변환된다. 그러나 이 비율은 수반되는 수술과정에 따라서 1:1이 될 필요는 없다.

각 조종장치(900, 901)에는 각 조종장치의 베이스 근처에 위치하는 공구트레이(911)가 있다. 공구트레이(911)는 다수의 수술공구를 지지하는데, 이들 수술공구들은 도 22a 내지 도 25에 도시한 공구들과 동일할 수도 있고 동일하지 않을 수도 있지만, 계획된 수술과정에 요구된다. 조종장치(900, 901)는 외과의사(960)의 단일 명령에 따라서 공구트레이(911)에서 자동적으로 공구를 교체하도록 프로그램되어있다. 조종장치(900, 901)는 둘 다 이동플랫폼(906)에 장착되는데, 이 이동플랫폼은 수술대(907)와 도킹하도록 그리고 수술이 완료되었을 때는 도킹해제 및 제거할 수 있도록 쉽게 운반될 수 있다. 이동플랫폼(906) 상에 장착되거나 수술실 내의 고정구로서 장착될 수 있는 현미경 및/또는 스테레오 카메라(909)는 수술위치 및/또는 공구가 추가된 조종장치의 개관을 환자(962)에 대하여 제공한다.

외과의사(960)가 위치하는 워크스테이션(908)과 조종장치 이동플랫폼(906) 사이의 신호 전송에는 통상의 네트워크 프로토콜을 사용하는 단일 케이블접속이 사용될 수 있다. 초기설정의 좌측 핸드 컨트롤러(903)는 좌측 조종장치(900)를 제어하며, 우측 핸드 컨트롤러는 우측 조종장치(901)를 제어하지만, 수술 중에 필요하다면 소프트웨어의 선택에 의해 외과의사(960)는 통신망을 양자 사이에서 전환할 수 있다.

촉각장치(903, 904)의 각각은 3D공간에서의 이동 및 회전의 모든 6방향으로의 외과의사의 손 운동을 측정할 수 있는 6자유도의 핸드 컨트롤러이다. 그 다음 이 운동신호는 외과의사의 입력이 재생될 운동 컨트롤러를 통해 원하는 조종장치에게 전송된다. 이들 신호들도 역시 일정 비율이 될 수 있으므로, 외과의사(960)는 조종장치에 의해 실시되기 전에 핸드컨트롤러(903, 904)에서의 손 운동을 축소시킴으로써 조종장치 운동의 최대 해상도를 완전히 이용할 수 있다. 핸드컨트롤러(903, 904)에서는, 외과의사(906)가 공구 작동, 사망자 스위치 및 자동공구교체 등의 조종장치의 다른 기능을 제어하기 위해 스위치들을 이용할 수 있다.

핸드컨트롤러(903, 904)는 또한 외과의사(960)에게 촉각 피이드백을 제공하기 위해 3개 내지 6개의 구동조인트를 갖는다. 워크스테이션에서의 핸드컨트롤러(903, 904)의 기본적인 위치는 외과의사(960)가 편안하도록 조정될 수 있으며, 팔베개를 추가함으로써 외과의사(960)에게 필요한 유일한 운동은 손목에서 이루어진다. 조종장치에 대한 핸드컨트롤러 운동의 절대참조가 없기 때문에 외과의사(960)는 다시 피로를 최소화하기 위해 편안한 자세에서 핸드컨트롤러(03, 904)의 핸들을 지지할 수 있으며 한편으로 조종장치(900, 901)는 적절한 위치에서 수술공구들을 지지하고 있다. 또한 워크스테이션(908)에는 임계시스템변수를 조정하기 위해 시스템 상태를 표시하고 또한 터치스크린 인터페이스를 환자(960) 및/또는 간호사에게 제공하는 하나 이상의 컴퓨터 모니터(905)가 있다.

외과의사(960)가 할 필요가 있는 가장 중요한 설정중의 하나는 조종장치의 가상경계이다. 조종장치에 등록된 수술전 화상을 사용하거나 카메라로 촬영한 실시간 수술전 화상으로 외과의사(960)는 수술공구(430)를 갖는 조종장치가 동작할 수 있는 수술위치에서의 영역을 스크린상에서 지정할 수 있다. 외과의사(960)가 조종장치에게 이들 경계 근처로 움직이도록 핸드컨트롤러를 통해 명령하였다면, 모션컨트롤러는 외과의사(960)가 그 움직임을 반전시키지 않는 한은 자동적으로 조종장치가 더 이상 움직이지 못하게 정지시킬 것이다. 이에 따라서 조종장치가 수술공구를 이동시킬 수 없는 금지구역이 설정될 것이므로, 외과의사(960)는 환자의 생체구조의 중요부위가 보호되도록 보장할 수 있다. 또한 모니터(905)는 현미경 및/또는 카메라(909)에 의해 촬영된 실시간 화상을 표시한다.

다른 방법으로서, 현미경/카메라(909) 화상신호는 외과의사(960)가 선호한다면 종래의 현미경의 접안렌즈를 모방한 디지털 접안렌즈(910)를 통해 표시될 수 있다. 외과의사(960)는 워크스테이션(908)과 함께 현미경 수술용 수술대(907)의 바로 옆에 있을 수 있는데, 이 경우 외과의사는 시각적 도움이 전혀 없이 환자(962)의 수술위치를 직접 관찰할 것이다. 원격조작의 경우, 외과의사(960)와 워크스테이션(908)은 네트워크접속기반에 의해서만 제한되는 수술대(907)로부터 물리적 거리를 두고 위치한다. 모니터(905)를 통한 시각적 피이드백과 핸드컨트롤러(903, 904)를 통한 촉각 피이드백은 그 물리적 거리에 걸쳐서 외과의사(960)의 시각 및 촉감을 보유하며, 이에 따라서 원격조작이 가능하게 되어 보다 미세하고 일관적인 손동작, 외과의사(960)의 피로를 줄이기 위한 보다 인간공학적인 사용자 인터페이스, 수술실에 대한 침입성 감소, 환자(962) 및 외과의사(960)를 보호하기 위한 내장 이중안전기구의 이점들을 갖는다.

원격조작 외에도, 조종장치는 미리 계획된 화상유도궤도를 사용하여 동작할 수 있다. 환자의 수술위치의 수술전 화상은 형광투시경 또는 CT스캐너 등의 외부 촬상장치로 촬영된다. 외과의사(960)는 이들 화상을 이용하여 문제점이 어디 존재하는지, 어느 부위로 조종장치가 갈 필요가 있는지 그리고 어느 수술공구를 이용할 것인지를 정할 수 있다. 그리고 외과의사(960)는 조종장치 좌표계에 등록된 내부 수술화상을 취하여 이를 계획된 목표를 갖는 수술전 화상으로 도표화할 수 있다. 그 다음 컨트롤 소프트웨어가 목표를 조종장치의 작업공간 좌표로 해석하여 외과의사(960)가 조종장치가 지지하는 수술공구의 환자(962)의 수술위치에 대한 완전한 궤도를 규정할 수 있을 것이다. 미리 계획된 궤도의 실행시에 외과의사(960)는 조종장치의 자율운동을 개시하여 워크스테이션 모니터에서 언제라도 정지시키거나 다시 감을 수 있거나 또는 핸드컨트롤러를 사용하여 규정된 궤도를 따라서의 운동을 제어할 수 있다.

현재 시장에서 구입할 수 있는 다른 장치들과 비교하여, 여기서 설명한 수술 조종장치는 뇌수술, 척추수술 및 안과수술을 포함한 초미세수술 분야에서 몇 가지 이점을 갖는다. 무엇보다도 본 수술조종장치는 직각전동모듈에 의해 그리고 다른 작동구성부품의 컴팩트함에 의해 통상의 인간 팔보다 작으며, 이에 따라서 수술위치에 용이하게 접근할 수 있으며 수술실로의 침입정도를 최소화한다. 사이즈가 컴팩트하지만, 이 조종장치는 넓고 충분한 운동범위를 가지며 봉합 등의 큰 조종장치 작업공간이 필요한 일을 달성할 수 있다. 6자유도의 가용수단의 능숙한 운동은 어떤 방향으로도 가능하다. 각 조인트에서 배치된 고출력 브러시리스 서보모터에 의해 조직수축 및 페디클 나사용 골천공 등의 비교적 중요하고 의무적인 작업이 가능해진다. 직각전동 모듈과 고분해능 센서, 확대경 및 모션컨트롤러의 사용에 의해 공구팁에서 얻을 수 있는 최소의 단차 크기가 뛰어난 수외과의사의 핑거운동 분해능과 일치한다. 선단부 설계의 결과로서 자동공구교체 능력으로 공구교체시간과 사람의 실수가 줄어든다. 선단부 구조는 부하경로가 힘-모멘트를 받게 하며, 그 결과의 매우 충실한 촉각 피이드백은 외과의사의 촉감을 보유하게 되는데, 이 촉감이 없으면 외과의사는 상당량의 수술기술 및 노하우를 상실하게 될 것이다.

여기서 사용되는 용어 "포함하다(comprise)", "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "포함하다(include)"는 포괄적이고 제한이 없으며 배타적이 아닌 것으로서 해석되어야 한다. 구체적으로, 특허청구의 범위를 포함한 본 명세서에서 사용할 때, 용어 "포함하다(comprise)", "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "포함하다(include)" 와 그 변형용어는 지정된 특징, 단계 또는 구성부품들이 포함된다는 것을 의미한다. 이들 용어는 다른 특징, 단계 또는 구성부품의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명의 바람직한 실시예들의 상기 설명은 본 발명의 원리를 예시하기 위해 제시한 것으로서 본 발명을 예시한 특정 실시예에 한정하려고 제시한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 이후의 특허청구범위 내에 포함되는 모든 실시예 및 그 등가물에 의해 정해지는 것이다.

Claims (63)

1. 수술조종장치로서:

   a) 베이스 및 상기 베이스에 장착된 제 1 직각구동기구, 상기 제 1 직각구동기구를 어깨 로울 축선을 중심으로 회전시키기 위해 상기 베이스에 위치하는 어깨 로울 구동기구, 상기 제 1 직각구동기구는 제 1 입력 풀리 및 상기 입력 풀리에 실질적으로 수직하게 장착된 제 1 출력 풀리를 포함함;

   상기 제 1 직각구동기구는 상기 제 1 입력 풀리와 상기 제 1 출력 풀리를 연결하기 위한 양방향 연결기구, 상기 제 1 입력 풀리를 제 1 입력 축선을 중심으로 회전시키기 위한 제 1 구동기구를 포함하는데, 상기 제 1 입력 풀리의 회전은 상기 제 1 입력 축선에 실질적으로 수직한 어깨 피치 축선을 중심으로 상기 양방향 연결기구에 의해 이루어지는 상기 제 1 출력 풀리의 회전으로 변환됨;

   b) 상기 제 1 출력 풀리가 회전할 때 상기 어깨 피치 축선을 중심으로 회전하도록 일단부가 상기 제 1 출력 풀리에 장착되는 하측 로봇아암;

   c) 상기 하측 로봇아암에 장착된 제 2 직각구동기구, 상기 직각구동기구는 제 2 입력 풀리 및 상기 제 2 입력 풀리에 실질적으로 수직하게 장착된 제 2 출력 풀리를 포함함,

   상기 제 2 직각구동기구는 상기 제 1 구동기구와, 상기 제 2 입력 풀리와 상기 제 2 출력 풀리를 연결하기 위한 상기 양방향 연결수단을 포함하는데, 제 2 입력 축선을 중심으로 하는 상기 제 2 입력 풀리의 회전은 상기 제 2 입력 축선에 실질적으로 수직한 팔꿈치 피치 축선을 중심으로 상기 양방향 연결기구에 의해 이루어지는 상기 제 2 출력 풀리의 회전으로 변환됨;

   c) 상기 제 2 출력 풀리가 회전할 때 상기 팔꿈치 피치 축선을 중심으로 회전하도록 상기 제 2 직각구동기구의 상기 제 2 출력 풀리에 장착된 로봇 전방아암;

   d) 상기 로봇 전방아암에 장착된 제 3 직각구동기구, 상기 제 3 직각구동기구는 제 3 입력 풀리 및 상기 제 2 입력 풀리에 실질적으로 수직하게 장착된 제 3 출력 풀리를 포함함,

   상기 제 3 직각구동기구는 상기 제 1 구동기구와, 상기 제 3 입력 풀리와 상기 제 3 출력 풀리를 연결하기 위한 상기 양방향 연결기구를 포함하는데, 제 3 입력 축선을 중심으로 이루어지는 상기 제 3 입력 풀리의 회전은 상기 제 3 입력 축선에 실질적으로 수직한 손목 피치 축선을 중심으로 이루어지는 상기 양방향 연결기구에 의해 이루어지는 상기 제 3 출력 풀리의 회전으로 변환됨;

   e) 상기 제 3 출력 풀리가 회전할 때 상기 손목 피치 축선을 중심으로 회전하도록 상기 제 3 직각구동기구의 상기 제 3 출력 풀리에 장착된 로봇 손목;

   상기 로봇 손목은 상기 로봇 손목의 출력 샤프트를 손목 로울 축선을 중심으로 회전시키기 위해 손목 출력 샤프트에 연결된 작동기구를 포함함; 및

   f) 상기 손목 출력 샤프트에 장착된 선단부를 포함하여 이루어지며, 상기 선단부는 수술공구를 착탈 가능하게 파지하기 위한 파지수단을 포함하는데, 상기 작동기구가 결합되었을 때 상기 선단부가 상기 손목 로울 축선을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 구동기구는 상기 베이스에 장착되어 피동 기어와 맞물리는 피니언 백래시방지 기어를 포함하는 스퍼기어기구, 및 상기 피니언 기어를 회전시키고 결국 상기 피동기어 그리고 제 1 직각구동기구를 어깨 로울 축선을 중심으로 회전시키며 모터 브레이크를 포함하는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 모터는 조화기어와 일체화된 서보모터 및 상기 피니언기어에 연결된 모터 샤프트의 회전변위를 측정하는 각도 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
4. 제 1항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 선단부(428)는

   프레임(602), 상기 프레임(602)에 장착된 공구요동모터(600), 및 상기 프레임(602)에 장착된 공구작동모터(601)를 포함하는 본체부(436),

   상기 프레임(602)에 착탈 가능하게 장착되며 상기 수술공구(430)를 지지하도록 구성된 공구홀더(450),

   상기 프레임(602)에 착탈 가능하게 장착되며, 상기 수술공구(430)의 피스톤(504)과 결합하도록 구성되며 상기 공구작동모터(601)에 연결되는 공구작동기구(452), 및

   상기 프레임(602)에 착탈 가능하게 장착되며, 상기 공구요동모터(600)에 연결되는 공구요동구동기구(454)를 포함하는데, 상기 공구요동구동기구(454)의 동작시에 상기 수술공구(430)가 상기 공구요동 축선(441)을 중심으로 회전하며, 상기 공구작동기구(452)의 동작시에 상기 피스톤(504)이 상기 선단부(428)에 대하여 선형으로 수축 또는 신장되어 상기 수술공구(430)의 공구부(506, 508)를 동작시키는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 선단부(428)는 손목(420)과 상호 작용하는 베이스블록(605)을 포함하며, 상기 선단부(428)는 상기 모터지지 브라켓(602)과 상기 베이스블록(605) 사이의 단일 기계적 연결체인 공구팁력-모멘트 센서(608)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 공구작동모터(601)는 상기 모터(601)의 장축을 따라서 상하로 움직이는 출력샤프트를 갖는 선형 액튜에이터이며, 상기 출력샤프트의 말단부에는 액튜에이터바(603)의 제 1 단부가 연결되며, 상기 액튜에이터바(603)는 수직 가이드로드(606)에 의해 지지되는 제 2 단부를 가지며 상기 공구작동기구(452)에 연결되는 인터페이스(607)를 포함하는데, 상기 액튜에이터바(603)는 출력샤프트의 수직운동을 액튜에이터바(603)의 제 2 단부에 장착된 공구작동기구에 전달하여 상기 수직운동이 선단부(428)에 대한 운동의 공구작동 축선을 제공하도록 된 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 선단부(428)는 상기 작동바(603)가 수직 가이드로드(606)에 의해 지지되는 지점과 공구작동기구(452)와의 인터페이스(607) 사이에서 상기 작동바(603)에 장착된 공구작동력 센서(604)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 공구작동력 센서(604)는 변형게이지이며, 상기 공구작동력 센서(604)가 장착되는 바(603) 상의 지점에서 수술공구(430)의 작동에 의한 탄성적 수직편향이 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공구요동기구(454)는 한 쌍의 아이들러 풀리(438), 중간 아이들러 풀리(620) 및 구동풀리(736)가 장착된 프레임(442)을 포함하고 상기 아이들러 풀리(438), 상기 중간 아이들러 풀리(620) 및 상기 구동풀리(736)에 보내지는 치형 벨트(540)를 포함하며, 상기 치형 벨트(540)는 상기 수술공구(430) 상의 치형 풀리(528)와 상기 치형 풀리(528)의 직경의 양측 단부에서 결합되도록 구성되며, 구동풀리(736)에 의해 구동되는 치형 벨트(540)의 양방향 회전은 접선분력을 상기 수술공구(430)의 회전운동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 프레임(442)은 개방된 전방 프레임구조와 상기 아이들러 풀리(438) 상의 치형 벨트 발송구조를 가지며, 상기 중간 아이들러 풀리(620)는 상기 수술공구(430)가 선단부(428)의 개방된 전방부로부터 방출/교체될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

    상기 프레임(442)은 상기 외측 아이들러 풀리(438)를 지지하는 시트금속 굴곡부(621)를 포함하므로 상기 외측 아이들러 풀리(438)는 수술공구(430)를 완전히 해제시켜서 마찰 영향을 완전히 제거할 수 있을 정도로 충분히 수동적으로 전개될 수 있으며, 상기 수술공구(430)와 결합되었을 때 상기 금속 굴곡부(621)는 공구의 요동 중에 치형 벨트(540)에 일정한 예비부하를 제공하면서도 수술공구(430)가 존재하지 않을 때는 치형 벨트 교체를 용이하게 하기 위해 수동으로 접힐 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
12. 제 9 항, 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

    상기 프레임(602)에 장착된 상기 공구요동 모터(600)는 구동풀리(736)의 구멍 속으로 삽입되어 토크가 공구요동기구에 전달될 수 있게 하면서도 샤프트(609)가 구동풀리(736)로부터 쉽게 분리될 수 있게 하기 위해 상기 구멍의 형상과 대응하는 형상을 갖는 구동샤프트(609)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
13. 제 9 항, 제 10 항, 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

    백래시방지 스퍼기어헤드와 일체화된 서보모터와 상대치 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
14. 제 4 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 자기 공구홀더(450), 상기 공구 액튜에이터(452) 및 상기 공구요동기구(454)는 살균된 종속조립체로서, 이들을 상기 본체부(436)에 신속하게 부착 및 분리시키기 위한 신속착탈기구를 갖는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
15. 제 4 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공구요동모터(600), 상기 공구작동모터(601), 상기 공구팁력-모멘트 센서(608) 및 상기 공구작동력 센서(604)를 포함하는 상기 메인조립체(436)는 수술조종장치의 베이스로부터 로봇 전방아암, 하측 아암 및 로봇 손목을 통하여 선단부 메인조립체(436)의 전방면(611)까지 전부 덮는 보호용 주름백 속에 감싸여지는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
16. 제 4 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공구홀더(450)는 내부에 수술공구(430)의 원통형 공구체(500)를 수용하는데 적합한 크기를 갖는 기다란 채널을 갖는 지지체(616)를 포함하며, 상기 원통형 공구체(500)는 자성재료로 만들어지며, 상기 지지체(616)는 상기 자기 원통형 공구체(500)를 자기적으로 구속하기 위해 상기 홈에 인접하여 매립된 적어도 하나의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 지지체(616)는 상기 공구요동기구(454)에 의해 회전할 때 수술공구(430)가 지지체(616) 내에서 최소의 마찰로 회전할 수 있게 하는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,

    상기 수술공구(430)는 지지체(616)와의 축방향 끼워맞춤에 의해 수술공구(430)를 상기 지지체(616) 내의 상기 채널 내에서 축방향으로 위치시켜 구속하기 위해 수술공구(430)의 본체(500) 상에 플랜지(529)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
19. 제 16 항, 제 17 항 또는 18 항에 있어서,

    상기 공구홀더(450)는 지지체(616)에 피봇동작 가능하게 장착된 한 쌍의 공구방출윙(617)을 포함하는 공구해제기구를 포함하는데, 각 윙(617)의 일부는 상기 공구체(500) 뒤의 상기 채널 속에 위치하며, 그리고 상기 공구방출윙(617)의 외측면이 압축되면 공구방출윙(617)이 가위작용으로 피봇동작하여 공구체(500)를 적어도 하나의 자석(618)으로부터 분리시키고 따라서 상기 공구(430)를 상기 홀더(450)로부터 방출시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 공구작동기구(452)는 지지부재(613)에 피봇동작 가능하게 장착된 한 쌍의 피봇핑거(614)를 포함하며, 상호 일치하는 단부들은 그 사이에 수술공구(430)의 피스톤(504)을 결합시켜서 지지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 수술조종장치는 공구 저장체 및 공구교체 트레이(911)를 포함하는 공구교체기구를 포함하며, 상기 공구교체트레이(911)는 수술공구(430)를 지지하기 위한 지지구조를 포함하며 그리고 상기 공구교체트레이(911) 상에 배치된 결합기구를 포함하는데, 상기 공구교체트레이(911)는 상기 풀리(438)를 동시에 서로 멀리 전개시키고 상기 공구작동기구(452) 상에 위치하는 피봇핑거(614)와 결합되며 상기 공구홀더(45) 상에 위치하는 상기 방출윙(617)과 결합되므로 상기 수술공구(430)를 상기 선단부로부터 해제시키는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
22. 제 21 항에 있어서,

    수술공구(430)를 지지하기 위한 상기 지지구조 및 상기 공구교체트레이(911)에 배치된 상기 결합기구는 상기 공구트레이(911)에 수직한 배치로 고정되어 서로 이격되게 위치하는 제 1 및 제 2 쌍의 핀(950)을 포함하므로 수술공구를 집어들거나 수술공구를 해제할 때 상기 선단부가 상기 수동적 공구교체기와 결합하면 상기 핀들이 상기 공구요동기구(454) 상의 상기 풀리(438)와 결합하여 상기 풀리(438)들을 서로 이격하게 전개시키게 되며, 또한 상기 제 1 및 제 2 쌍의 핀(950)에 대하여 상기 공구교체트레이 상에 위치하는 제 3 쌍의 핀(950)을 포함하는데 상기 제 3 쌍의 핀(950)은 상기 공구작동기구(452) 상에 위치하는 피봇핑거(614)와 결합하여 상기 핑거(614)를 상기 수술공구(430) 상의 상기 피스톤(504)과의 결합으로부터 분리되게 피봇동작시키게 되어있으며, 상기 공구교체트레이(911)는 공구트레이(911) 상에 장착된 대응 방출래치(951)를 포함하는데, 이들 방출래치는 상기 공구홀더(450) 상에 위치하는 상기 방출윙(617)과 정확히 일치하며, 대응 방출래치(951)는 쿠션형 공구방출을 제공하도록 스프링부하가 인가된 플라이어형 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

    각 수술공구(430)는 식별수단이 장착되어있고, 상기 공구교체기는 상기 식별수단용 공구식별 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
24. 제 23 항에 있어서,

    상기 식별수단은 무선주파수(rf) 태그를 포함하며, 상기 판독수단은 무선주파수 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
25. 제 23 항에 있어서,

    상기 식별수단은 바코드를 포함하며, 상기 판독수단은 바코드 리더를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
26. 제 1 항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제 1, 제 2 및 제 3 직각구동기구는 각각

    a) 하우징, 상기 제 1 구동기구는 상기 제 1 회전축선을 중심으로 회전하도록 상기 입력 풀리에 연결되는 상기 하우징에 장착된 조화구동부를 포함함;

    b) 제 2 회전축선을 갖는 출력 구동샤프트, 상기 출력샤프트는 상기 출력 풀리에 연결되며, 상기 출력 풀리는 상기 제 2 회전축선을 중심으로 회전하도록 상기 하우징에 장착되며, 상기 입력 및 출력 풀리는 상기 하우징 내에 장착되고 상기 제 1 및 제 2 회전축선 사이에 소정의 각도가 형성되도록 서로에 대하여 위치됨;

    c) 상기 제 1 입력 풀리 및 상기 제 1 출력 풀리를 연결하기 위한 상기 양방향 연결기구를 포함하여 이루어지는데, 상기 양방향 연결기구는

    상기 하우징 내에 장착된 케이블 구동부를 포함하며, 상기 케이블 구동부는

    적어도 하나의 유연성 케이블, 상기 입력 및 출력 풀리는 각각 상기 적어도 하나의 유연성 케이블을 내부에 수용하기 위한 적어도 하나의 케이블 가이드를 포함함,

    상기 입력 풀리와 상기 출력 풀리 사이에 상기 적어도 하나의 유연성 케이블을 안내하기 위한 아이들러 수단을 포함하며,

    입력 풀리가 상기 제 1 회전축선을 중심으로 일 방향으로 회전할 때, 상기 적어도 하나의 유연성 케이블이 출력 풀리 및 출력 샤프트를 당겨서 상기 제 2 회전축선을 중심으로 일 방향으로 회전시키며, 입력 풀리가 상기 제 1 회전축선을 중심으로 타 방향으로 회전할 때, 상기 적어도 하나의 유연성 케이블이 출력 풀리 및 출력 샤프트를 당겨서 상기 제 2 회전축선을 중심으로 반대방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 수술조종장치는 제 1 수술조종장치로서, 서로 구조적으로 면대칭 상이 되도록 구성된 적어도 하나의 제 2 수술조종장치(900, 901)를 포함하며, 상기 제 1 수술조종장치는 좌측 손으로 조작하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 제 2 수술조종장치는 우측 손으로 조작하도록 구성되어서 각 선단부에 부착된 수술공구가 환자의 수술위치에서 서로 가장 근접하게 되는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
28. 수술조종장치로서:

    a) 제 26 항에 따른 적어도 제 1 및 제 2 수술조종장치;

    b) 제 1 수술조종장치와 관련된 우측 핸드컨트롤러 및 제 2 수술조종장치와 관련된 좌측 핸드컨트롤러, 상기 적어도 제 1 및 제 2 핸드컨트롤러는 외과의사에 의해 동작하도록 구성됨; 및

    c) 상기 좌측 및 우측 핸드컨트롤러의 움직임을 상기 적어도 제 1 및 제 2 수술조종장치의 일정 비율의 움직임으로 변환하기 위해 상기 좌측 및 우측 핸드컨트롤러를 상기 적어도 제 1 및 제 2 수술조종장치에 연결하는 통신계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
29. 제 28 항에 있어서,

    수술할 환자의 부위를 포함한 작업부위에 초점이 맞추어지고 상기 적어도 두 개의 수술조종장치에 부착된 관련 수술공구 및 선단부에 초점이 맞추어진 카메라 시스템을 포함하는데, 상기 시각시스템은 상기 작업영역의 화상을 외과의사에게 표시하기 위한 디스플레이 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
30. 제 28 항 또는 제 28 항에 있어서,

    수술할 환자의 부위를 포함한 작업부위에 초점이 맞추어지고 상기 적어도 두 개의 수술조종장치에 부착된 관련 수술공구 및 선단부에 초점이 맞추어진 현미경 화상 시스템을 포함하는데, 상기 현미경 화상 시스템은 상기 작업영역의 화상을 외과의사에게 표시하기 위한 디스플레이 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
31. 제 28 항, 제 29 항 또는 제 30 항에 있어서,

    상기 수술조종장치는 원격조작용으로 구성되며, 상기 외과의사는 상기 환자로부터 멀리 떨어져서 위치하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
32. 제 28 항, 제 29 항, 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,

    상기 선단부(428)는 상기 선단부(428)에 장착되어 수술공구(430)의 팁에서 공구팁력 및 모멘트를 감지하도록 구성된 공구팁력-모멘트 센서(608)를 포함하며, 상기 선단부(428)는 상기 수술공구(4301)의 팁에서의 작동력을 측정하도록 장착된 공구작동력 센서(604)를 포함하며, 상기 좌측 및 우측 핸드컨트롤러를 상기 적어도 제 1 및 제 2 수술조종장치에 연결하는 상기 통신계는 상기 힘 및 모멘트를 상기 좌측 및 우측 핸드컨트롤러에 전달하여 상기 외과의사에게 촉각 피이드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
33. 제 32 항에 있어서,

    상기 공구작동력 센서(604)는 변형 게이지인 것을 특징으로 하는 수술조종장치.
34. 일 축선을 중심으로 이루어지는 회전운동을 다른 축선을 중심으로 이루어지는 회전운동으로 변환하는 구동장치로서:

    a) 하우징 및 상기 하우징에 장착되어 제 1 회전축선을 중심으로 회전하도록 입력 풀리에 연결되는 조화구동부;

    b) 제 2 회전축선을 갖는 출력구동샤프트, 상기 출력 샤프트는 출력 풀리에 연결되며, 상기 출력 풀리는 상기 제 2 회전축선을 중심으로 회전하도록 상기 하우징 내에 장착되며, 상기 입력 및 출력 풀리는 상기 하우징 내에 장착되며 상기 제 1 및 제 2 회전축선 사이에 소정의 각도가 형성되도록 서로에 대하여 위치함;

    c) 상기 제 1 입력 풀리 및 상기 제 1 출력 풀리를 연결하기 위한 양방향 연결기구를 포함하여 이루어지는데, 상기 양방향 연결기구는

    상기 하우징 내에 장착된 케이블 구동부를 포함하며, 상기 케이블 구동부는,

    적어도 하나의 유연성 케이블, 상기 입력 및 출력 풀리는 각각 상기 적어도 하나의 유연성 케이블을 내부에 수용하기 위한 적어도 하나의 케이블 가이드를 포함하며,

    상기 적어도 하나의 유연성 케이블을 상기 입력 및 출력 풀리 사이로 안내하는 아이들러 수단을 포함하며,

    입력 풀리가 상기 제 1 회전축선을 중심으로 일 방향으로 회전할 때, 상기 적어도 하나의 유연성 케이블은 출력 풀리 및 출력 샤프트를 당겨서 상기 제 2 회전축선을 중심으로 일 방향으로 회전시키며, 입력 풀리가 상기 제 1 회전축선을 중심으로 다른 방향으로 회전할 때, 상기 적어도 하나의 유연성 케이블은 출력 풀리 및 출력 샤프트를 당겨서 상기 제 2 회전축선을 중심으로 반대방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 구동장치.
35. 제 34 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 유연성 케이블은 한 쌍의 유연성 케이블이며, 상기 입력 풀리는 제 1 직경을 갖는 제 1 원형부와 적어도 제 2 직경을 가지며 상기 제 1 원형부에 견고하게 부착된 제 2 원형부를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 2 직경은 상기 제 1 직경보다 작으며, 상기 제 1 및 상기 적어도 하나의 제 2 원형부의 외주는 각각 홈을 갖는데, 제 1 원형부의 외주의 홈은 상기 한 쌍의 유연성 케이블 중의 제 1 유연성 케이블을 수용하고 적어도 하나의 제 2 원형부의 외주의 홈은 상기 한 쌍의 유연성 케이블 중의 제 2 유연성 케이블을 수용하며, 상기 아이들러 수단은 한 쌍의 아이들러를 포함하며, 각 아이들러는 아이들러 샤프트와 상기 하우징 내에 장착되어 상기 제 1 및 제 2 회전축선에 수직한 축선을 따라서 정렬된 제 1 및 적어도 하나의 제 2 아이들러 풀리를 가지며, 상기 제 1 아이들러 풀리는 상기 입력 및 출력 풀리의 제 1 원형부의 상기 홈들 사이에 상기 제 1 유연성 케이블을 안내하도록 구성되며, 상기 적어도 하나의 제 2 아이들러 풀리는 상기 입력 및 출력 풀리의 상기 적어도 제 2 원형부의 상기 홈들 사이에 상기 적어도 하나의 제 2 유연성 케이블을 안내하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구동장치.
36. 제 34 항 또는 제 35 항에 있어서,

    상기 케이블 구동부는 상기 적어도 하나의 유연성 케이블의 장력을 조정하는 케이블 장력 조정기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동장치.
37. 제 36 항에 있어서,

    상기 케이블 장력 조정기구는 상기 적어도 하나의 케이블의 느슨함을 제거하기 위해 수동으로 조작될 수 있는 것을 특징으로 하는 구동장치.
38. 제 36 항에 있어서,

    상기 케이블 장력 조정기구는 상기 적어도 하나의 케이블에 장력을 인가하여 상기 적어도 하나의 케이블의 느슨함을 제거하도록 구성된 자동 장력인가 스프링기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동장치.
39. 제 36 항에 있어서,

    상기 케이블 장력 조정기구는 상기 적어도 하나의 케이블을 래칫방식으로 움직여서 상기 적어도 하나의 케이블의 느슨함을 제거하도록 구성된 자동 장력인가 래칫기구를 포함하며 상기 자동 장력인가 래칫기구를 록크시키는 것을 특징으로 하는 구동장치.
40. 제 34 항, 제 35 항, 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 케이블은 4개의 케이블이며, 상기 케이블 구동부는 상기 적어도 하나의 유연성 케이블의 장력을 조정하는 케이블 장력 조정수단을 포함하며, 상기 케이블 장력 조정수단은 상기 출력 풀리에 연결된 적어도 4개의 장력인가 나사를 포함하고, 상기 적어도 4개의 케이블은 각각 두 개의 단부를 가지며 그 일단부가 상기 장력인가 나사에 연결되고 타단부가 상기 입력 풀리에서 종단부에 연결되며, 상기 각 케이블의 장력은 대응하는 상기 장력인가 나사를 회전시킴으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 구동장치.
41. 제 34 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 입력 풀리에 연결된 상기 조화구동부는 실질적으로 백래시가 없는 출력을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구동장치.
42. 제 34 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 입력 및 출력 풀리는, 상기 제 1 및 제 2 회전축선 사이에 형성된 상기 소정의 각도가 90도가 되어 상기 제 2 축선이 상기 제 1 축선에 수직하게 되도록 상기 하우징 내에 상기 소정의 위치에 장착되는 것을 특징으로 하는 구동장치.
43. 제 34 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 구동장치는 상기 제 1 및 제 2 회전축선 사이의 형성된 상기 각도를 조정할 수 있도록 상기 입력 풀리에 대하여 상기 출력 풀리의 위치를 조정하기 위해 상기 하우징 내에 장착된 위치조정기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동장치.
44. 제 34 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 유연성 케이블은 케이블의 탄성 연신에 의한 동력전달손실을 최소화하기 위해 저연신/예비장력인가의 케이블인 것을 특징으로 하는 구동장치.
45. 제 34 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 구동장치는 상기 출력 샤프트의 회전변위나 속도 또는 회전변위 및 속도를 측정하기 위해 상기 출력 샤프트와 결합된 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동장치.
46. 제 34 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 구동장치는 출력 샤프트에 기계적 제동작용을 제공하도록 상기 출력 샤프트와 결합되도록 구성된 브레이크를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동장치.
47. 수술용 선단부로서:

    로봇 아암에 부착되도록 구성된 인터페이스를 갖는 프레임(602), 상기 프레임(602)에 장착된 공구요동 모터(600), 및 상기 프레임에 장착된 공구작동 모터(601)를 포함하는 본체부(436);

    상기 프레임(602)에 착탈 가능하게 장착되며, 수술공구(430)를 지지하도록 구성된 공구홀더(450);

    상기 프레임(602)에 착탈 가능하게 장착되며, 상기 수술공구(430)의 피스톤(504)과 결합되도록 구성되며, 상기 공구작동 모터(601)에 연결되는 공구작동기구(452); 및

    상기 프레임(602)에 착탈 가능하게 장착되며, 상기 공구요동 모터(600)에 연결되는 공구요동 구동기구(454)를 포함하여 이루어지며, 상기 공구요동 구동기구(454)의 동작시에 상기 수술공구(430)가 상기 공구요동축선(441)을 중심으로 회전하며, 상기 공구작동기구(452)가 동작시에 상기 피스톤(504)이 상기 선단부(428)에 대하여 선형으로 수축되거나 신장되어 상기 수술공구(430)의 공구부(506, 508)를 동작시키는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
48. 제 47 항에 있어서,

    상기 인터페이스는 로봇 아암의 손목과 상호 작용하는 베이스 블록(605)을 포함하며, 상기 선단부(428)는 상기 모터지지 브라켓(602)과 상기 베이스 블록(605) 사이의 단일 기계적 연결체인 공구팁력-모멘트 센서(608)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
49. 제 47 항 또는 제 48 항에 있어서,

    상기 공구작동모터(601)는 모터(601)의 장축선을 따라서 상하로 움직이는 출력 샤프트를 갖는 선형 액튜에이터이며, 상기 출력 샤프트의 말단부에는 액튜에이터바(603)의 제 1 단부가 연결되며, 상기 액튜에이터바(603)는 수직 가이드로드(606)에 의해 지지되는 제 2 단부를 가지며 그리고 상기 공구작동기구(452)에 연결되는 인터페이스(607)를 포함하며, 상기 액튜에이터바(603)는 출력 샤프트의 수직운동을 액튜에이터바(603)의 제 2 단부에 장착된 공구작동기구(452)에 전달하는데 상기 수직운동이 선단부(428)에 대한 운동의 공구작동 축선을 제공하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
50. 제 49 항에 있어서,

    상기 수술용 선단부는 상기 액튜에이터바(603)가 수직 가이드로드(606)에 의해 지지되는 지점과 공구작동기구(452)에 대한 인터페이스(607) 사이의 상기 액튜에이터바(603)에 장착된 공구작동력 센서(604)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
51. 제 50 항에 있어서,

    상기 공구작동력 센서(604)는 변형 게이지이며, 상기 공구작동력 센서(604)가 장착되는 액튜에이터바(603) 상의 지점에서 수술공구(430)의 작동에 의한 탄성수직편향이 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
52. 제 47 항, 제 48 항, 제 49 항, 제 50 항 또는 제 51 항에 있어서,

    상기 공구요동기구(454)는 한 쌍의 아이들러 풀리(438), 중간 아이들러 풀리(620) 및 구동풀리(736)가 장착된 프레임(442)을 포함하고 상기 아이들러 풀리(438), 상기 중간 아이들러 풀리(620) 및 상기 구동풀리(736)에 보내지는 치형 벨트(540)를 포함하며, 상기 치형 벨트(540)는 상기 수술공구(430) 상의 치형 풀리(528)와 상기 치형 풀리(528)의 직경의 양측 단부에서 결합되도록 구성되며, 구동풀리(736)에 의해 구동되는 치형 벨트(540)의 양방향 회전은 접선분력을 상기 수술공구(430)의 회전운동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
53. 제 52 항에 있어서,

    상기 프레임(442)은 개방된 전방 프레임구조와 상기 아이들러 풀리(438) 상의 치형 벨트 발송구조를 가지며, 상기 중간 아이들러 풀리(620)는 상기 수술공구(430)가 선단부(428)의 개방된 전방부로부터 방출/교체될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
54. 제 52 항 또는 제 53 항에 있어서,

    상기 프레임(442)은 상기 외측 아이들러 풀리(438)를 지지하는 시트금속 굴곡부(621)를 포함하므로 상기 외측 아이들러 풀리(438)는 수술공구(430)를 완전히 해제시켜서 마찰 영향을 완전히 제거할 수 있을 정도로 충분히 수동적으로 전개될 수 있으며, 상기 수술공구(430)와 결합되었을 때 상기 금속 굴곡부(621)는 공구의 요동 중에 치형 벨트(540)에 일정한 예비부하를 제공하면서도 수술공구(430)가 존재하지 않을 때는 치형 벨트 교체를 용이하게 하기 위해 수동으로 접힐 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
55. 제 52 항, 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,

    상기 프레임(602)에 장착된 상기 공구요동 모터(600)는 구동풀리(736)의 구멍 속으로 삽입되어 토크가 공구요동기구에 전달될 수 있게 하면서도 샤프트(609)가 구동풀리(736)로부터 쉽게 분리될 수 있게 하기 위해 상기 구멍의 형상과 대응하는 형상을 갖는 구동샤프트(609)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
56. 제 52 항, 제 53 항, 제 54 항 또는 제 55 항에 있어서,

    백래시방지 스퍼기어헤드와 일체화된 서보모터와 상대치 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
57. 제 47 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 자기 공구홀더(450), 상기 공구 액튜에이터(452) 및 상기 공구요동기구(454)는 살균된 종속조립체로서, 이들을 상기 본체부(436)에 신속하게 부착 및 분리시키기 위한 신속착탈기구를 갖는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
58. 제 47 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공구요동모터(600), 상기 공구작동모터(601), 상기 공구팁력-모멘트 센서(608) 및 상기 공구작동력 센서(604)를 포함하는 상기 메인조립체(436)는 수술조종장치의 베이스로부터 로봇 전방아암, 하측 아암 및 로봇 손목을 통하여 선단부 메인조립체(436)의 전방면(611)까지 전부 덮는 보호용 주름백 속에 감싸여지는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
59. 제 47 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공구홀더(450)는 내부에 수술공구(430)의 원통형 공구체(500)를 수용하는데 적합한 크기를 갖는 기다란 채널을 갖는 지지체(616)를 포함하며, 상기 원통형 공구체(500)는 자성재료로 만들어지며, 상기 지지체(616)는 상기 자기 원통형 공구체(500)를 자기적으로 구속하기 위해 상기 홈에 인접하여 매립된 적어도 하나의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
60. 제 59 항에 있어서,

    상기 지지체(616)는 상기 공구요동기구(454)에 의해 회전할 때 수술공구(430)가 지지체(616) 내에서 최소의 마찰로 회전할 수 있게 하는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
61. 제 59 항 또는 제 60 항에 있어서,

    상기 수술공구(430)는 지지체(616)와의 축방향 끼워맞춤에 의해 수술공구(430)를 상기 지지체(616) 내의 상기 채널 내에서 축방향으로 위치시켜 구속하기 위해 수술공구(430)의 본체(500) 상에 플랜지(529)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
62. 제 59 항, 제 60 항 또는 제 61 항에 있어서,

    상기 공구홀더(450)는 지지체(616)에 피봇동작 가능하게 장착된 한 쌍의 공구방출윙(617)을 포함하는 공구해제기구를 포함하는데, 각 윙(617)의 일부는 상기 공구체(500) 뒤의 상기 채널 속에 위치하며, 그리고 상기 공구방출윙(617)의 외측면이 압축되면 공구방출윙(617)이 가위작용으로 피봇동작하여 공구체(500)를 적어도 하나의 자석(618)으로부터 분리시키고 따라서 상기 공구(430)를 상기 홀더(450)로부터 방출시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.
63. 제 62 항에 있어서,

    상기 공구작동기구(452)는 지지부재(613)에 피봇동작 가능하게 장착된 한 쌍의 피봇핑거(614)를 포함하며, 상호 일치하는 단부들은 그 사이에 수술공구(430)의 피스톤(504)을 결합시켜서 지지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수술용 선단부.