KR20160073969A - 수술 기구용 손목 장치 - Google Patents
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Abstract
수술 기구용 손목 장치가 개시되어 있다. 일부 실시형태에서는, 수술 기구가 엔드 이펙터와 이 엔드 이펙터에 결합된 일체형 손목 장치를 포함하고 있고, 상기 손목 장치는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있다. 상기 손목 장치는 적어도 하나의 자유도를 엔드 이펙터에 제공하고, 하나 이상의 굴곡부뿐만 아니라 함께 연결된 복수의 링크 부재를 포함하고 있고, 상기 굴곡부 중의 적어도 하나는 일련의 연결된 복수의 세그먼트를 포함하고 있다. 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재들을 연결시키고 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재가 서로에 대해 회전할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 대체로 수술 기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 수술 기구를 관절연결시키는 손목 장치에 관한 것이다.
로봇 수술은 환자의 건강한 조직에 대한 손상을 최소화하는 최소 침습 수술을 수행하기 위해 다양한 종류의 의료 기구를 이용한다. 이러한 의료 기구는 의료 기구를 다양한 방식과 방향으로 원격으로 조종할 수 있게 하는 손목 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 손목 장치는 수술용 메스, 가위, 겸자(forceps), 파지 기구(grasping implements), 소작 도구, 이리게이션 도구, 석션 도구 등과 같은 엔드 이펙터를 가지는 수술 도구에 사용될 수 있다. 손목 장치는 상기 엔드 이펙터가 다양한 운동을 할 수 있게 하여 수술 집도의가 수술 공간에서 엔드 이펙터를 효과적으로 위치시키고 이용할 수 있도록 한다. 일부 실시형태는 엔드 이펙터의 움직에 대해서 원격 제어를 할 수 있도록 액추에이터 및 케이블과 같은 전달 장치를 사용할 수 있다.
일부 의료 기구에서는, 손목 장치가 함께 연결되거나 유지되어 있고 부착된 엔드 이펙터에 대해 운동을 가능하게 하기 위해서 서로에 대해 움직일 수 있는 복수의 연결된 스테이지(stage)를 포함하고 있다. 그러나, 이러한 손목 장치의 비용과 조립은 과도할 수 있다. 예를 들면, 일부 시스템은, 정확하고 복잡한 긴장상태(tensioning)를 필요로 하고 조립하는 작업을 조정하는, 복수의 손목 연결 스테이지(wrist linkage stage)를 함께 유지하고 팽팽하게 하기 위해서 케이블을 이용할 수 있다.
필요한 것은 수술 기구 엔드 이펙터에 대해 광범위한 움직임을 제공하고 감소된 생산 비용과 조립 비용을 가지는 수술 기구용 손목 장치이다.
본 출원의 여러 실시형태는 수술 기구용 손목 장치에 관한 것이다. 일부 실시형태에서는, 수술 기구가 엔드 이펙터와 이 엔드 이펙터에 결합된 일체형 손목 장치를 포함하고 있고, 상기 손목 장치는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있다. 상기 손목 장치는 적어도 하나의 자유도를 상기 엔드 이펙터에 제공하며, 하나 이상의 굴곡부 뿐만 아니라 함께 연결된 복수의 링크 부재를 포함하고 있다. 상기 굴곡부 중의 적어도 하나는 일련의 연결된 복수의 세그먼트를 포함하고 있다. 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 한다.
하나 이상의 실시형태는 추가적인 특징을 제공할 수 있다. 예를 들면, 각각의 링크 부재는 고리형상이고 형상이 대략 원통형이다. 상기 링크 부재는 순차적으로 연결될 수 있고, 각각의 원통형 링크 부재의 각각의 길이방향의 축은 하나 이상의 굴곡부의 펴진 상태에서 대략 정렬될 수 있다. 상기 손목 장치는 상기 엔드 이펙터에 적어도 두 개의 자유도를 제공할 수 있고, 상기 자유도 중의 제1 자유도는 피칭운동 축에 대한 자유도이고 상기 자유도 중의 제2 자유도는 상기 피칭운동 축과 평행하지 않으며 상기 손목 장치를 통하여 뻗어 있는 길이방향의 축과도 평행하지 않은 요잉운동 축에 대한 자유도이다. 관련된 링크 부재의 각각은 관련된 링크 부재들 사이에서 회전 운동을 가능하게 하기 위해 연결된 링크 부재로부터 멀어지는 방향으로 점점 가늘어지는 테이퍼형 단부 부분을 가질 수 있다. 각각의 링크 부재는 상기 하나 이상의 굴곡부의 적어도 하나에 의해 다른 링크 부재의 적어도 하나에 연결될 수 있다. 상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 두 개의 관련된 원통형 링크 부재의 대향하는 단부 측면들 사이에 결합될 수 있다. 상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 관련된 링크 부재들 중의 적어도 하나를 통하여 뻗어 있는 길이방향의 축과 대략 수직으로 뻗어 있는 회전축에 대해서 관련된 링크 부재들 사이의 상대 회전 운동을 가능하게 할 수 있다.
상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 굴곡부에 의해 연결된 관련된 링크 부재에 스프링력을 제공할 수 있다. 상기 복수의 세그먼트는 S-패턴으로 연결된 직선형 세그먼트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 두 개의 굴곡부는 관련된 원통형 링크 부재의 각각의 길이방향의 축의 대략 양 측면의 두 개의 링크 부재를 연결시킬 수 있다. 상기 손목 장치는 관련된 인접한 링크 부재들 사이에 링크 부재에 결합된 적어도 하나의 정지 부재를 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 정지 부재는 미리 정해진 각도 범위를 초과하는 관련된 링크 부재들 사이의 회전 운동을 방지한다. 예를 들면, 상기 적어도 하나의 정지 부재는 하나의 링크 부재에 제공될 수 있고 링크 부재들이 미리 정해진 양만큼 서로에 대해 회전하는 것에 대응하여 관련된 링크 부재의 대향하는 측면 단부의 수용 오목부와 결합될 수 있다.
상기 수술 기구는 적어도 하나의 링크 부재를 적어도 하나의 자유도로 회전시킴으로써 상기 엔드 이펙터를 활발하게 이동시킬 수 있도록 상기 손목 장치에 결합된 힘 전달 요소와 상기 힘 전달 요소에 결합된 액추에이터를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 힘 전달 요소는 하나 이상의 케이블 및/또는 상기 케이블용 가이드를 포함할 수 있다. 상기 수술 기구는 상기 손목 장치에 결합된 샤프트를 더 포함할 수 있다. 일부 실시형태는 상기 샤프트로 뻗어 있으며, 상기 손목 장치를 통하여, 상기 엔드 이펙터로 뻗어 있는 튜브를 포함할 수 있고, 상기 튜브는 상기 엔드 이펙터로 이동되거나 상기 엔드 이펙터로부터 이동될 물질을 위한 통로를 제공한다.
일부 실시형태에서는, 수술 기구용 손목 장치가 함께 연결된 복수의 링크 부재와 하나 이상의 굴곡부를 포함하고 있다. 상기 굴곡부 중의 적어도 하나는 일련의 연결된 복수의 세그먼트를 포함하고 있다. 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 한다. 상기 링크 부재와 굴곡부는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있고, 상기 손목 장치는 상기 손목 장치의 단부들 사이에 적어도 하나의 자유도를 제공한다. 일부 실시형태에서는, 각각의 링크 부재가 고리형상이고 대략 원통형으로 될 수 있고, 상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 관련된 링크 부재들 중의 적어도 하나를 통하여 뻗어 있는 길이방향의 축과 대략 수직으로 뻗어 있는 회전축에 대해서 관련된 링크 부재들 사이의 상대 회전 운동을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시형태는 상기 복수의 세그먼트를 S-패턴으로 연결된 직선형 세그먼트로서 제공할 수 있다.
일부 실시형태에서는, 수술 기구용 손목 장치를 제공하는 방법이 한 덩어리의 물질의 일부분을 절단함으로써 함께 연결된 복수의 링크 부재를 제공하는 단계 그리고 상기 한 덩어리의 물질의 일부분을 절단함으로써 하나 이상의 굴곡부를 제공하는 단계를 포함하고 있다. 상기 하나 이상의 굴곡부의 적어도 하나는 일련의 연결된 복수의 세그먼트를 포함하고 있다. 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 한다. 상기 손목 장치는 상기 손목 장치의 단부들 사이에 적어도 하나의 자유도를 제공한다.
일부 실시형태에서는, 수술 기구용 손목 장치가 함께 연결된 복수의 링크 부재와 하나 이상의 굴곡부를 포함하고 있다. 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 한다. 적어도 하나의 정지 부재가 관련된 인접한 링크 부재들 사이에서 링크 부재들 중의 하나에 결합되어 있고, 상기 적어도 하나의 정지 부재는 미리 정해진 각도 범위를 초과하는 관련된 링크 부재들 사이의 회전 운동을 방지한다. 상기 적어도 하나의 정지 부재는 하나의 링크 부재에 제공되어 있고 링크 부재들이 미리 정해진 양만큼 서로에 대해 회전하는 것에 대응하여 관련된 링크 부재의 대향하는 측면 단부의 수용 오목부와 결합된다. 상기 복수의 링크 부재, 상기 적어도 하나의 정지 부재, 그리고 상기 하나 이상의 굴곡부는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있고, 상기 손목 장치는 상기 손목 장치의 단부들 사이에 적어도 하나의 자유도를 제공한다.
도 1은 본 명세서에 기술된 손목 장치의 일부 실시형태에 적합한 수술 기구의 예시적인 실시형태의 사시도를 나타내고 있고;
도 2는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징을 포함하는 손목 장치의 하나의 예시적인 실시형태를 나타내고 있고;
도 3은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징을 포함하는 손목 장치의 다른 하나의 예시적인 실시형태를 나타내고 있고;
도 4는 도 3의 손목 장치와 엔드 이펙터를 포함하는 수술 기구의 예시적인 한 부분의 사시도를 나타내고 있고;
도 5A, 도 5B, 그리고 도 5C는 각각 도 4에 도시된 수술 기구의 한 부분의 평면도, 측면도, 그리고 정면도를 나타내고 있고;
도 6A 및 도 6B는 각각 도 4에 도시된 수술 기구의 한 부분의 회전된 자세의 평면도와 측면도를 나타내고 있고;
도 7A 및 도 7B는 본 명세서에 기술된 손목 장치에 사용될 수 있는 예시적인 굴곡부의 모습을 나타내고 있고; 그리고
도 8은 도 7A 및 도 7B의 굴곡부와 유사한 다른 실시형태의 굴곡부의 한 예를 나타내고 있다.
도 2는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징을 포함하는 손목 장치의 하나의 예시적인 실시형태를 나타내고 있고;
도 3은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징을 포함하는 손목 장치의 다른 하나의 예시적인 실시형태를 나타내고 있고;
도 4는 도 3의 손목 장치와 엔드 이펙터를 포함하는 수술 기구의 예시적인 한 부분의 사시도를 나타내고 있고;
도 5A, 도 5B, 그리고 도 5C는 각각 도 4에 도시된 수술 기구의 한 부분의 평면도, 측면도, 그리고 정면도를 나타내고 있고;
도 6A 및 도 6B는 각각 도 4에 도시된 수술 기구의 한 부분의 회전된 자세의 평면도와 측면도를 나타내고 있고;
도 7A 및 도 7B는 본 명세서에 기술된 손목 장치에 사용될 수 있는 예시적인 굴곡부의 모습을 나타내고 있고; 그리고
도 8은 도 7A 및 도 7B의 굴곡부와 유사한 다른 실시형태의 굴곡부의 한 예를 나타내고 있다.
본 발명은 대체로 수술 기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 로봇 수술과 같은 수술을 수행하는데 사용되는 수술 기구의 손목 링크장치에 관한 것이다. 일부 실시형태에서는, 수술 기구가 엔드 이펙터와 이 엔드 이펙터에 결합된 일체형 손목 장치를 포함하고 있고, 상기 손목 장치는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있고 적어도 하나의 자유도를 엔드 이펙터에 제공한다. 상기 손목 장치는 함께 연결된 복수의 링크 부재와 하나 이상의 굴곡부를 포함하고 있다. 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재들을 연결시키고 관련된 링크 부재들의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 하여 관련된 자유도를 엔드 이펙터에 제공한다. 예를 들면, 링크 부재는 대략 원통형으로 될 수 있고 상기 손목 장치는, 피칭운동 축(pitch axis)과 요잉운동 축(yaw axis)에 대한 자유도와 같은, 적어도 두 개의 자유도를 엔드 이펙터에 제공할 수 있다. 굴곡부는 관련된 링크 부재의 양 단부 측면 사이에서 연결될 수 있고, 일부 실시형태에서는 굴곡부가 S-패턴으로 연결된 일련의 직선형 세그먼트(linear segment)를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 상기 손목 장치의 특징부는 수술 기구가 상당히 감소된 비용으로 하나 이상의 자유도를 엔드 이펙터에 제공할 수 있게 해준다. 예를 들면, 상기 손목 장치는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있으므로, 링크 장치의 따로따로 만들어진 복수의 스테이지를 조립하는 비용을 크게 감소시킨다. 상기 손목 장치의 링크 부재는, 장력이 링크 부재들을 함께 유지시키지 않기 때문에, 케이블이나 다른 힘줄 힘 전달 제어 장치에 사용되는 것만큼 정밀하거나 큰 장력을 필요로 하지 않는다. 상기 손목 장치 물질의 마모성은 상기 손목 장치의 구성요소의 강도나 기능이 감소되기 전에 상기 손목 장치를 많이 사용할 수 있게 해준다. 더욱이, 일부 실시형태에서 상기 손목 장치는 일부 수술 기구에서 일회용으로 사용할 정도로 충분히 비용이 낮아질 수 있어서, 수술을 위한 청소 비용을 절약할 수 있다.
본 명세서의 개시내용에서, 기계적인 구조, 구성요소, 또는 구성요소 조립체와 같은, 부분과 관련하여 "가요성"과 "굴곡" 이라는 표현은 넓게 해석되어야 한다. 본질적으로, 상기 표현은 상기 부분에 손상을 입지 않으면서 상기 부분이 반복적으로 구부러지고 원래의 형상으로 복원될 수 있는 것을 의미한다. 많은 "강성(rigid)" 물체는, 비록 이러한 물체들이 본 명세서에 상기 표현이 사용되는 것과 같이 "가요성" 인 것으로 간주되지는 않지만, 물질 특성으로 인해 약간의 고유의 탄성적인 "휨성(bendiness)"을 가지고 있다. 예를 들면, 가요성 부분 자체가 몇 개의 결합된 링크로 만들어진 연쇄(kinematic chain)가 될 수 있지만, 짧은 가요성 부분이 한 연쇄의 두 개의 링크 사이에 하나 이상의 자유도(DOF)를 제공하는 한 개의 기계적인 제한부(조인트)로서 기능할 수 있고 성형될 수 있다. "평행한", "수직", "정렬된" 이라는 표현이나, 본 명세서에서 사용된 것과 같은 도(degree) 또는 다른 단위로 된 특정 측정값은 정확할 필요는 없으며 통상적인 공학 공차(engineering tolerance)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 기술된 손목 장치의 일부 실시형태에 적합한 수술 기구(100)의 예시적인 한 실시형태의 사시도이다. 수술 기구(100)는 환자에 대해 수술을 하는데 사용되는 최소 침습 수술 기구의 한 예이다. 수동으로 작동되고 또한 로봇으로도 작동되는, 다양한 다른 종류의 수술 기구가 대체 실시형태로서 본 명세서에 기술된 손목 장치와 함께 사용될 수 있다. 도 1의 예에서, 수술 기구(100)는 근위 단부 장치(102), 기다란 샤프트(104), 손목 장치(106), 그리고 엔드 이펙터(108)를 포함하고 있다.
근위 단부 유닛(102)은, 일부 실시형태에서는, 수술 로봇 머니퓰레이터 아암에 탈착가능하게 연결될 수 있다. 이러한 머니퓰레이터 아암의 한 예가 캘리포니아 써니베일(Sunnyvale)에 있는 인튜어티브 서지컬사(Intuitive Surgical, Inc.)로부터 구할 수 있는 da Vinci® 수술 시스템 기구 머니퓰레이터 아암이다. 근위 단부 유닛(102)의 구성요소는 힘 전달 장치로서 기능하여 수술 로봇 머니퓰레이터로부터 원격조종식 서보 작동력(teleoperated servo actuation force)을 수용하고, 손목부(104)의 방향을 바꾸는 것 그리고 근위 단부 유닛(102)의 다른 구성요소를 작동시키는 것과 같이, 수술 기구(100)의 구성요소를 작동시키기 위해서 수용된 힘을 전송(redirect)할 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서는, 근위 단부 유닛(102)이, 예를 들면, 작동 입력(actuation input)의 갯수가 제어될 수술 기구(100) 특징부의 갯수에 의존하는, 관련된 로봇 머니퓰레이터로부터 복수의 별개의 작동 입력을 수용한다. 다른 예에서는, 근위 단부 유닛(102)이 관련된 수술 기구(100) 특징부를 작동시키는 하나 이상의 모터 또는 다른 액추에이터를 포함할 수 있고, 외부 액추에이터보다는 상기와 같은 모터가 관련된 특징부를 작동시키는 힘을 제공한다. 일부 수술 기구 특징부는 엔드 이펙터(108)의 피칭운동 및 요잉운동 방향을 제어하기 위해서 손목 장치(104)의 피칭운동 및 요잉운동 제어를 포함할 수 있다. 일부 실시형태는, 샤프트(104), 손목 장치(106), 그리고 엔드 이펙터(108)의 롤링운동(roll), 샤프트(104)를 통하여 엔드 이펙터(108)의 밖으로 전달된 물질(예를 들면, 액체 또는 다른 유체)의 배출, 엔드 이펙터(108)에 의해 제공된 흡입력, 및/또는 복수의 다른 엔드 이펙터 기능(예를 들면, 파지기(grasper)의 조(jaw)를 개방하는 것, 블레이드를 이동시키는 것 등.) 중의 임의의 기능과 같은, 다른 수술 기구 특징부를 제어할 수도 있다.
다른 실시형태에서는, 근위 단부 유닛(102)이 수술 기구(100) 특징부의 제어를 가능하게 하는 상이한 종류의 장치에 연결될 수 있거나, 근위 단부 유닛(102)이 오퍼레이터에 의해 수동으로 작동될 수 있다. 예를 들면, 근위 단부 유닛(102)에 (또는 상이한 연결된 장치에) 제공된 제어장치는 오퍼레이터가 손목 장치(106)와 엔드 이펙터(108)의 방향을 수동으로 제어하는 것을 가능하게 해 줄 수 있다.
기다란 샤프트(104)는 근위 단부 유닛(102)을 엔드 이펙터(108)에 결합시켜서, 근위 단부 유닛(102)이 환자의 외부에 남아있는 동안 엔드 이펙터(108)가 수술 부위에 도달하도록 환자의 체벽(body wall)을 통과하여 삽입될 수 있게 한다. 설명을 위해서, 길이방향의 축(110)은 수술 기구(100)용 샤프트(104)의 중심선을 따라서 뻗어 있는 것으로 정해진다. 예시적인 한 실시형태에서, 샤프트(104)의 외부 직경은 약 8mm이지만, 이 크기는 다른 실시형태에서는 바뀔 수 있다. 샤프트(104)는 실질적으로 강성으로 될 수 있지만, 다른 실시형태에서는 가요성으로 될 수 있다. 일부 실시형태에 따르면, 샤프트(104)는 샤프트를 따라서 물질 이동을 제공하는 튜브와 같은 공동을 포함할 수 있다. 예를 들면, 물질은 샤프트(104)의 원위 단부와 샤프트(104)의 근위 단부, 또는 샤프트(104)의 근위 단부 근처의 지점과 샤프트(104)의 원위 단부 근처의 지점의 사이에서 이동될 수 있다.
손목 장치(106)는 샤프트(104)의 원위 단부와 엔드 이펙터(108)의 사이에 결합되어 있다. 손목 장치(106)의 특징부는 아래에 보다 상세하게 설명되어 있다. 도시된 실시형태에서, 손목 장치(106)는 엔드 이펙터(108)가, 길이방향의 축(110)에 대해, 임의로 피칭운동과 요잉운동이라고 칭한, 두 개의 자유도(DOFs)로 방향을 바꿀 수 있게 해준다. 일부 실시형태에서는, 손목 장치(106)가 한 개의 자유도(DOF)(예를 들면, 피칭운동 또는 요잉운동)만 가능하게 할 수 있거나, 또는 다른 실시형태에서는, 예를 들면, 복합 곡선(compound curve)이 제어될 수 있도록, 손목 장치(106)가 두 개의 자유도(DOFs)보다 많은 자유도를 가능하게 할 수 있다.
엔드 이펙터(108)는 수술 기구(100)의 원위 단부에 위치되어 있다. 엔드 이펙터(108)는 임의의 다양한 기능을 제공하도록 사용될 수 있다. 본 명세서에 도시된 일부 예에서, 엔드 이펙터는 수술 부위에서 이리게이션 기능 및/또는 석션 기능을 제공하도록 구성되어 있다. 일부 예시적인 실시형태에서는, 루멘(lumen)을 형성하는 폐쇄형 채널(예를 들면, 튜브)이 엔드 이펙터(108)로부터, 손목 장치(106)와 샤프트(104)를 통하여, 근위 단부 유닛(102)까지 뻗을 수 있고, 상기 근위 단부 유닛(102)은 석션 기능 또는 이리게이션 기능이 수술 기구(100)에서 가능하게 되는지 여부를 제어할 수 있다. 다른 실시형태에서는, 엔드 이펙터(108)가, 수술용 메스 또는 컷팅 블레이드, 가위, 겸자, 견인기(retractor), 확장기(dilator), 클램프, 소작 도구, 니들, 니들 드라이버(needle driver), 스테이플러(stapler), 드릴, 프로브(probe), 스코프(scope), 광원, 가이드, 측정 장치, 혈관 봉합기(vessel sealer), 복강경 도구(laparoscopic tool), 또는 다른 팁, 기구 또는 장치와 같은 다른 기구 또는 부품(pieces)으로 되거나 이를 포함할 수 있다.
일부 실시형태는 근위 단부 유닛(102)에 연결된 예시적인 가요성 튜브(112a, 112b)와 같은 연결 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 가요성 튜브(112a)는, 이리게이션 유체가 이리게이션 유체 공급원으로부터 가요성 튜브(112a)를 통과하고, 근위 단부 유닛(102)을 통과하고, 샤프트(104)의 길이를 따라서 뻗어 있는 직선형 내측 튜브(도시되어 있지 않음)를 통과하고, 그리고 손목 장치(106)를 통과하여 엔드 이펙터(108)를 통하여 배출되도록, 수술용 이리게이션 유체(액체 또는 가스) 공급원(도시되어 있지 않음)을 수술 기구(100)에 결합시킬 수 있다. 유사하게, 가요성 튜브(112b)는, 수술 부위의 물질이 엔드 이펙터(108)로 흡입되어, 손목 장치(106)를 통과하고, 샤프트(104)의 튜브를 통과하여, 근위 단부 장치(102)를 통과하고, 그리고 가요성 튜브(112b)를 통과하여, 흡입력 발생원으로 흡입될 수 있도록, 수술용 흡입력 발생원(surgical suction source)(도시되어 있지 않음)을 수술 기구(100)에 결합시킬 수 있다. 다른 실시형태에서는 다른 종류의 연결 특징부가 제공될 수 있다.
다른 실시형태는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징을 포함하는 손목 장치를 포함하고 있는 다른 종류의 수술 기구를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상이한 폭 및/또는 길이의 샤프트(104)와 같은 상이한 크기의 구성요소, 또는 도시된 직선 형상이 아니라 만곡된 형상을 가지는 샤프트(104)와 같은 상이한 구성요소가 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서는 수술 기구를 수술 기구가 이동하는 통로(예를 들면, 캐뉼라 슬리브)의 형상이나 경로에 맞게 하기 위해서 샤프트(104) 대신에 가요성 샤프트가 제공될 수 있다.
도 2는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징을 포함하는 예시적인 한 실시형태의 손목 장치(200)의 사시도이다. 예를 들면, 손목 장치(200)는 수술 기구(100) 또는 유사한 기구에 손목 장치(106)로 사용될 수 있다.
상기 예시적인 손목 장치(200)는 링크 장치에서 함께 연결되어 있는 복수의 링크 부재를 포함하고 있다. 이 예에서는, 링크 부재들이 순차적으로 함께 연결되어 있다. 상기 손목 장치(200)는 링크 부재(204)에 결합된 링크 부재(202)를 포함하고 있고, 링크 부재(204)는 링크 부재(206)에 결합되어 있다.
상기 링크 부재들은 다양한 상이한 형상이나 구성 중의 임의의 형상이나 구성으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 링크 부재(202-206)는 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 원통의 양 단부에 만곡된 측벽과 그리고 단부 측면(또는 면)을 가지고 있는, 형상이 고리형상이고 원통형 또는 대략 원통형으로 될 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 링크 장치의 중립 상태에서는, 링크 장치의 링크 부재가 측벽과 평행한, 도 1의 예에서 길이방향의 축(110)이 될 수 있는, 길이방향의 축 A를 따라서 중심 또는 대략 중심에 위치하고 있다. 각각의 링크 부재의 단부 측면은, 단부 측면(208) 및 단부 측면(210)과 같이, 몇몇 원통 단부에서 길이방향의 축 A와 수직 또는 대략 수직으로 될 수 있다. 다른 링크 부재에 인접해 있는 다른 원통 단부에서는, 인접한 링크 부재들 사이에서 회전 운동이 가능하도록 단부 부분이 길이방향의 축 A와 수직인 방향에 대해 경사져 있거나 테이퍼형태로 될 수 있다. 예를 들면, 단부 측면(212)은 연결된 링크 부재(204)에 인접해 있으며, 원통형 링크 부재(206)의 길이(길이방향의 축 A을 따르는 길이)가 단부 측면(212)의 굴곡부(224, 226)로부터 가장 먼 지점에서 짧아지도록 연결된 링크 부재(204)로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼형태로 될 수 있다. 중간의 제2 링크 부재(204)는 두 개의 인접한 링크 부재를 가지고 있기 때문에 두 개의 이러한 테이퍼형 단부 부분(216, 218)을 포함할 수 있다. 다른 실시형태는 경사지지 않은 단부 부분 또는 다른 방향으로 경사진 측면을 제공할 수 있다.
다른 실시형태에서는, 링크 부재가 다른 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 평면, 직선 형상, 또는 다른 형상이 사용될 수 있고, 및/또는 링크 부재의 내부 표면 및/또는 외부 표면에 대해 상이한 형상 또는 형태가 사용될 수 있다. 일부 실시형태는 틈새가 있거나 원통의 일부분이 생략될 수 있는 부분적인 원통을 이용할 수 있다. 다른 실시형태는 다른 형태의 부재, 연장부, 또는 링크를 이용할 수 있다.
손목 장치(200)를 포함하는 수술 기구의 일부 예시적인 실시형태에서는, 링크 부재(202)가 제2 링크 부재(204)의 반대쪽에 있는 측면에서 엔드 이펙터에 결합된 원위 링크 부재가 될 수 있고, 링크 부재(206)가 제2 링크 부재(204)의 반대쪽에 있는 측면에서 수술 기구의 근위 부분에 결합되어 있는 근위 링크 부재가 될 수 있다. 예를 들면, 도 1의 예시적인 수술 기구(100)에서, 링크 부재(206)는 제2 링크 부재(204)의 반대쪽에 있는 측면(210)에서 샤프트(104)에 결합될 수 있고, 제3 링크 부재(202)는 제2 링크 부재(204)의 반대쪽에 있는 측면(208)에서 엔드 이펙터(108)에 결합될 수 있다.
손목 장치(200)의 링크 부재는 하나 이상의 굴곡부에 의해 서로 결합되어 있다. 각각의 굴곡부(또는 가요성 힌지)는 두 개의 다른 비교적 강성인 부재를 결합시키는 가요성 부재이다. 다른 실시형태에서는 상이한 갯수의 굴곡부가 사용될 수 있지만, 도 2의 예에서는, 각각의 링크 부재가 두 개의 굴곡부에 의해 인접한 링크 부재에 결합되어 있는 비교적 강성인 부재가 될 수 있다. 각각의 굴곡부는 굴곡부의 일부분을 통하여 뻗어 있는 회전축에 대해서 부착된 부재의 피벗운동 또는 회전이 가능하도록 구부러지는 한 덩어리의 물질이다. 예를 들면, 일부 실시형태에서는 상기 회전축이, 회전축 B 그리고 회전축 C와 같이, 굴곡부의 길이방향의 축에 대해 수직 또는 대략 수직으로 뻗어 있으며 그리고 대략 굴곡부의 중심을 지나서 뻗어 있다. 다른 실시형태에서는 상기 회전축이 상기 손목 장치에 가해진 힘에 기초하여 구부러지도록 구성되어 있는 굴곡부의 다른 부분을 지나서 뻗어 있다. 일부 예에서는, 굴곡부의 가장 얇은 부분이 가장 쉬운 굴곡 운동을 가능하게 할 수 있고 회전축은 굴곡부의 가장 얇은 부분의 중심에 놓일 수 있다. 일부 실시형태에서, 굴곡부가 하나의 자유도(예를 들면, 하나의 회전축)에서는 구부러질 수 있지만 다른 자유도(예를 들면, 다른 방향의 회전축)에서는 실질적으로 강성이므로, 다른 자유도에서의 구부러짐을 방지하거나 감소시킨다. 예를 들면, 굴곡부가 구부러짐을 원하는 부분에서는 얇게 만들어질 수 있고, 구부러짐과 회전을 원하지 않는 부분에서는 보다 두껍거나 보다 넓게 만들어질 수 있다.
도 2에 도시된 실시형태에서는, 굴곡부(220)가 원통형 링크 부재의 만곡된 측벽상의 한 위치에서 제1 링크 부재(202)와 제2 링크 부재(204)의 사이에 결합되어 있다. 예를 들면, 굴곡부(220)는 링크 부재(202)의 단부 측면(214)과 링크 부재(204)의 단부 측면(216)의 사이에 결합되어 있다. 굴곡부(222)는 링크 부재(202, 204)의 측벽을 따라서 굴곡부(220)로부터 약 180도 떨어져서 단부 측면(214)과 단부 측면(216)의 사이에 결합되어 있다. 마찬가지로, 굴곡부(224, 226)는 링크 부재(204)의 단부 측면(218)과 링크 부재(206)의 단부 측면(212)의 사이에서 약 180도 이격되어 결합되어 있다. 도시된 실시형태에서는, 굴곡부(224, 226)가 굴곡부(220, 222)에 대해 길이방향의 축 A의 둘레로 90도 떨어져서 위치될 수 있다(또는 대략 90도 떨어져서 위치될 수 있다).
손목 장치(200)의 굴곡부는 인접한 링크 부재들 사이에서 조인트로서 작용하도록 구부러져서, 상기 손목 장치의 링크 부재들 사이에서 특정 자유도를, 예를 들면, 엔드 이펙터와 같은 부착된 물체에 제공한다. 예를 들면, 두 개의 자유도가 상기 손목 장치의 단부(208)와 단부(210)의 사이에 제공된다. 하나의 회전 자유도가 굴곡부(220, 222)를 통과하여 뻗어 있는 축 B에 대해서 제공되고, 상기 축 B는 길이방향의 축 A와 평행하지 않고, 예를 들면, 길이방향의 축 A와 수직 또는 대략 수직이다. 이 자유도는 링크 부재(202)와 링크 부재(204)가 축 B에 대해서 서로에 대해 회전할 수 있게 해주고, 그리고 상기 링크 부재들 중의 어느 하나에 부착된 임의의 물체도 마찬가지로 회전할 수 있게 해준다. 다른 자유도가 굴곡부(224, 226)를 통과하여 뻗어 있는 축 C에 대해서 제공되고, 상기 축 C는 길이방향의 축 A와 평행하지 않고, 예를 들면, 길이방향의 축 A와 수직 또는 대략 수직이다. 이 자유도는 링크 부재(204)와 링크 부재(206)가 축 C에 대해서 서로에 대해 회전할 수 있게 해주고, 그리고 상기 링크 부재들 중의 어느 하나에 부착된 임의의 물체도 마찬가지로 회전할 수 있게 해준다. 이 예에서는, 축 B가 축 C와 평행하지 않고, 예를 들면, 축 C와 수직 또는 대략 수직이어서, 축 B와 축 C에 대해서 두 개의 횡단 자유도(transverse degrees of freedom)를 제공한다. 다른 실시형태는 서로에 대해 상이하게 위치 및/또는 배향되어 있는 축에 대한 자유도를 제공할 수 있다.
일부 실시형태에서, 굴곡부(220-226)는 굴곡부에 의해 연결된 관련된 링크 부재에 고유의 복원 스프링력(return spring force)을 제공(예를 들면, 탄성 변형)할 수도 있다. 예를 들면, 이 스프링력은 축 B와 축 C에 대한 링크 부재의 회전 위치를 도 2에 도시된 중립 위치로 치우치게 할 수 있다. 이 스프링력은, 아래에 기술되어 있는 것과 같은, 전달 시스템에 의해 상기 손목 장치에 전달된 힘에 의해 극복될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 복원 스프링력을 제공하지 않는(예를 들면, 소성 변형) 하나 이상의 굴곡부(220-226)에 대해 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.
손목 장치(200)는 굴곡 운동에 대한 정지나 제한, 링크 부재의 회전의 안내, 및/또는 원하지 않은 방향으로의 굴곡의 감소를 가능하게 하기 위해서 각각의 굴곡부와 관련된 정지 부재를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 정지 부재(230)는 링크 부재(204)의 단부 측면(218)으로부터 인접한 링크 부재(206)쪽으로 뻗어 나온 굴곡부(224)의 양 측면에 위치될 수 있다. 정지 부재(230)는 링크 부재(206)의 단부 측면(212)의 관련된 오목부(232)와 정렬되어 있다. 링크 부재(204)와 링크 부재(206)가 축 C를 중심으로 서로에 대해 회전하도록 만들어지면, 정지 부재(230)들 중의 하나는 자신의 관련된 오목부(232)와 결합될 것이다. 일부 실시형태에서는, 이러한 결합이, 정지 부재의 회전을 안내하기 위해, 정지 부재(230) 및 관련된 오목부(232)의 결합된 표면이 서로 접촉하고 서로에 대해 슬라이딩이동하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 결합이 관련된 오목부(232)와 마주 대하는 정지 부재(230)의 표면을 관련된 오목부의 표면에 근접하지만 접촉하지는 않도록 위치시킬 수 있다(그 자유도에서의 이동에 대한 한계에 도달할 때 정지 부재(230)의 선행 표면(leading surface)을 제외하고). 상기 결합은, 굴곡부의 일부 실시형태의 굴곡부에서 발생할 수 있는, 길이방향의 축 A에 대한 굴곡부(224, 226)의 원하지 않은 비틀림 굴곡(torsional flex)을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 더욱이, 정지 부재는 관련된 오목부(232) 및/또는 굴곡부(224)의 측면에 대해서 이동시킴으로써 링크 부재의 축 C에 대한 회전을 특정의 원하는 회전 각도 범위로 제한하는 정지부로서 작용할 수 있다. 이러한 특징은 도 7A 및 도 7B에 대해서 아래에 기술한 것과 유사하다. 굴곡부(224, 226)의 양 측면에 있는 정지 부재(230) 및 관련된 오목부(232)는 마찬가지로 축 C에 대한 반대쪽 회전 방향으로의 이동을 제한한다. 상기 손목 장치의 각각의 굴곡부는 마찬가지로 정지 부재 및 관련된 오목부를 포함할 수 있다.
상기 손목 장치가 중립 상태에 있을 때, 예를 들면, 상기 손목 장치의 굴곡부가 도 2에 도시된 것과 같은 중립의 펴진 상태에 있을 때 링크 부재(202-206)의 연결은 집합적으로 대략적인 직선형상의 원통형 샤프트를 형성한다. 예를 들면, 상기 손목 장치의 중립 상태에서 원통형 링크 부재의 측벽과 중심의 길이방향의 축은 평행하거나 대략 평행하다. 링크 부재들 중의 임의의 링크 부재가 축 B 및/또는 축 C에 대해서 회전하면, 링크 부재들은 서로에 대해서 회전하고 상기 길이방향의 축과 측벽은 더이상 서로 대략 평행하지 않을 수 있다.
상기 손목 장치(200)는 손목 장치의 링크 부재와 굴곡부가 한 덩어리의 물질로 형성되어 있는 일체형 장치이다. 예를 들면, 굴곡부(220, 222, 224, 226)는 링크 부재(202, 204, 206)가 형성되어 있는 것과 동일한 물질 덩어리에서 물질을 절단함으로써 형성될 수 있으므로 물질을 절단할 때 각각의 링크 부재에 이미 부착되어 있다. 한 덩어리의 물질로부터 손목 장치의 여러 구성요소들을 형성하기 위해서 레이저 절단과 같은, 다양한 절단 기술이 사용될 수 있다. 따라서, 손목 장치(200)의 구성요소들의 별도의 조립이 필요하지 않다; 예를 들면, 링크 부재와 굴곡부를 연결시키기 위해서 용접, 접착, 또는 고정 장치(예를 들면, 핀 또는 조인트 장치)가 사용될 필요가 없다. 이것은 상기 손목 장치(200)에 대한 조립 시간과 비용의 상당한 감소를 가져올 수 있다.
손목 장치(200)는 임의의 다양한 적절한 물질로 만들어질 수 있다. 예를 들면, 크롬 코발트(chromium cobalt)가 쉽게 구할 수 있고 비용이 저렴한 사용될 수 있는 물질의 한 예이다. 이러한 물질은 손목 장치의 굴곡부가 쉽게 구부러질 수 있게 하고 원하는 운동을 할 수 있게 하기에 충분한 가요성을 가지고 있다. 상기 물질은 또한 상기 손목 장치의 길이방향의 축 A에 대한 0 또는 매우 작은 축방향 (비틀림) 컴플라이언스(compliance)를 제공하기에 충분히 뻣뻣하기도 하다. 이러한 물질은 레이저 절단하기가 용이하고 높은 내구성과 내구력을 가지고 있으므로, 상기 손목 장치의 굴곡부는 그 구조가 손상되기 전에 많은 횟수의 구부러짐을 견딜 수 있다. 이러한 물질의 다른 예는 생체에 적합한(예를 들면, 환자 조직에 무독성인), 합성물을 포함하는, 다른 금속과 폴리머를 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서는 추가적인 링크 부재가 손목 장치(200)의 링크 장치에 제공될 수 있다. 이러한 추가적인 링크 부재는 링크 장치의 한 단부에 결합된 엔드 이펙터에 대해 추가적인 자유도와 보다 다양한 운동을 제공할 수 있다. 예를 들면, 추가적인 링크 부재는 링크 부재의 보다 긴 연쇄를 형성하기 위해서 단부 링크 부재(202)와 단부 링크 부재(206)의 사이에 결합될 수 있고, 링크 부재(204)와 유사하게 양 측면의 인접한 링크 부재에 형성되고 결합될 수 있다. 이러한 추가적인 링크 부재는 원하는 방향에 축 B 및 축 C와 유사한 회전축을 제공하도록 위치된 결합된 굴곡부를 가질 수 있다.
도 3은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징을 포함하는 다른 예시적인 실시형태의 손목 장치(300)의 사시도이다. 이 손목 장치(300)는, 도시된 실시형태에서 순차적으로 함께 연결될 수 있는, 결합된 링크 부재(302, 304, 306)를 포함하는 링크 장치를 포함하여, 상기한 손목 장치(200)와 유사한 몇 가지 특징을 포함하고 있다.
링크 부재(302)는 링크 장치의 한 단부에 제공되어 있으며, 예를 들면, 엔드 이펙터에 결합된 원위 링크 부재가 될 수 있다. 링크 부재(306)는 링크 장치의 다른 단부에 제공되어 있으며, 예를 들면, 수술 기구의 샤프트 또는 다른 부분에 결합될 수 있는 근위 링크 부재가 될 수 있다. 링크 부재(304)는 링크 부재(302)와 링크 부재(306)의 사이에 결합되어 있다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이 링크 장치의 중립의 펴진 상태에서는, 도 1의 예에서는 길이방향의 축(110)이 될 수 있는 길이방향의 축 D가 링크 장치의 길이방향으로 대략적인 중심을 통과하여 뻗어 있다.
손목 장치(300)의 링크 부재는 도 2에 대해서 상기한 손목 장치와 유사하게 다양한 상이한 형상 또는 구성 중의 임의의 형상 또는 구성으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 링크 부재(302-306)는 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 원통의 양 측면에 만곡된 측벽과 그리고 단부 측면을 가지고 있는, 형상이 고리형상이고 원통형 또는 대략 원통형으로 될 수 있다. 각각의 링크 부재의 단부 측면은, 단부 측면(308) 및 단부 측면(310)과 같이, 몇몇 원통 단부에서 길이방향의 축 D와 수직 또는 대략 수직으로 될 수 있다. 다른 링크 부재에 인접해 있는 다른 원통 단부에서는, 도 2에 대해서 상기한 것과 유사하게, 인접한 링크 부재들 사이에서 회전 운동이 가능하도록 단부 측면이 길이방향의 축 D와 수직인 방향에 대해 경사져 있거나 테이퍼형태로 될 수 있다. 상기 손목 장치가 중립 상태에 있을 때, 예를 들면, 상기 손목 장치의 굴곡부가 도 3에 도시된 것과 같은 중립의 펴진 상태에 있을 때 링크 부재(302-306)의 연결은 집합적으로 대략적인 직선형상의 원통형 샤프트를 형성한다. 다른 실시형태에서는 상기 링크 부재가 다른 형상으로 형성될 수 있다.
각각의 링크 부재는 하나 이상의 굴곡부, 예를 들면, 이 예에서는 두 개의 굴곡부에 의해 인접한 링크 부재에 결합되어 있다. 예를 들면, 굴곡부(320)는 링크 부재의 만곡된 측벽을 따라 놓인 한 위치에서 비교적 강성인 링크 부재(302)와 링크 부재(304)를 연결시키고, (부분적으로 도시된)유사한 굴곡부(322)는 굴곡부(320)의 반대쪽 또는 대략 반대쪽에 있는 측벽의 위치에서, 예를 들면, 길이방향의 축 D과 링크 부재의 측벽의 둘레로 굴곡부(320)로부터 약 180도 떨어진, 예를 들면, 굴곡부(320)에 대해 길이방향의 축 D의 반대쪽 측면에서, 링크 부재(302)와 링크 부재(304)를 연결시킨다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 굴곡부는 단부 측면으로부터 각각의 링크 부재의 물질 내로 깊숙한 오목부(321) 내의 한 위치에서 관련된 링크 부재에 결합될 수 있고, 그리고 상기 사항은 도 7A 및 도 7B과 관련하여 아래에 기술되어 있다. 마찬가지로, 굴곡부(324)는 링크 부재의 만곡된 측벽을 따라 놓인 한 위치에서 링크 부재(304)와 링크 부재(306)를 연결시키고, (부분적으로 도시된)유사한 굴곡부(326)는 굴곡부(324)에 대해 길이방향의 축 D의 반대쪽 또는 대략 반대쪽 측면의 측벽을 따라 놓인 한 위치에서, 링크 부재(304)와 링크 부재(306)를 연결시킨다. 이 예에서, 굴곡부(324, 326)는 굴곡부(320, 322)에 대해 길이방향의 축 D의 둘레로 90도 회전한 위치(또는 대략 90도 회전한 위치)에 위치되어 있다.
각각의 굴곡부는 이 굴곡부에 비하여 강성인 인접한 링크 부재들 사이에서 조인트로서 작용하고 구부러지도록 형성되어 있는 한 덩어리의 물질이다. 도 3에 도시된 실시형태에서는, 굴곡부(320-326)의 각각이 도 2의 실시형태의 물질보다 더 뻣뻣한 물질에 의한 구부러짐이 가능하게 될 수 있는 S자 형상의 구조를 포함하고 있다. 이러한 구조는 도 7A 및 도 7B와 관련하여 아래에 보다 상세하게 기술되어 있다. 굴곡부의 굴곡 운동은 굴곡부의 일부분을 통하여 뻗어 있는 회전축에 대해서 부착된 부재의 피벗운동 또는 회전을 가능하게 한다. 예를 들면, 일부 실시형태에서는 상기 회전축이, 회전축 E 및 회전축 F와 같이, 굴곡부의 길이방향의 축에 대해 수직 또는 대략 수직으로 뻗어 있으며 그리고 대략 굴곡부의 중심을 지나서 뻗어 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 회전축이 굴곡부의 다른 부분보다 더 쉽게 구부러지도록 구성되어 있는 굴곡부의 다른 부분을 지나서 뻗을 수 있다. 일부 실시형태에서, 굴곡부가 하나의 자유도(예를 들면, 하나의 회전축)에서는 구부러질 수 있지만 다른 자유도(예를 들면, 다른 방향의 회전축)에서는 실질적으로 강성이므로, 다른 자유도에서의 구부러짐을 방지하거나 감소시킨다.
손목 장치(300)의 굴곡부는 엔드 이펙터와 같은 손목 장치(300)에 부착된 물체에 특정 자유도를 제공하도록 구부러진다. 하나의 회전 자유도가 굴곡부(320, 322)를 통과하여 뻗어 있는 축 E에 대해서 제공되고, 상기 축 E는 길이방향의 축 D와 평행하지 않고, 예를 들면, 길이방향의 축 D와 수직 또는 대략 수직이다. 이 자유도는 링크 부재(302)와 링크 부재(304)가 축 E에 대해서 서로에 대해 회전할 수 있게 해주고, 그리고 상기 링크 부재들 중의 어느 하나에 부착된 임의의 물체도 마찬가지로 회전할 수 있게 해준다. 다른 자유도가 굴곡부(324, 326)를 통과하여 뻗어 있는 축 F에 대해서 제공되고, 상기 축 F는 길이방향의 축 D와 평행하지 않고, 예를 들면, 길이방향의 축 D와 수직 또는 대략 수직이다. 이 자유도는 링크 부재(304)와 링크 부재(306)가 축 F에 대해서 서로에 대해 회전할 수 있게 해주고, 그리고 상기 링크 부재들 중의 어느 하나에 부착된 임의의 물체도 마찬가지로 회전할 수 있게 해준다. 이 예에서는, 축 E가 축 F와 평행하지 않고, 예를 들면, 축 F와 수직 또는 대략 수직이어서, 회전축 E와 회전축 F에 대해서 두 개의 횡단 자유도를 제공한다. 다른 실시형태는 서로에 대해 상이하게 위치 및/또는 배향되어 있는 축에 대한 자유도를 제공할 수 있다.
굴곡부(320-326)는 굴곡부에 의해 연결된 관련된 링크 부재에 고유의 스프링력을 제공할 수도 있다. 예를 들면, 이 스프링력은 축 E와 축 F에 대한 링크 부재의 회전 위치를 도 3에 도시된 중립 위치로 치우치게 할 수 있다. 이 스프링력은, 아래에 기술되어 있는 것과 같은, 전달 시스템에 의해 상기 손목 장치에 전달된 힘에 의해 극복될 수 있다. 다른 실시형태는 도 2에 대해서 상기한 것과 유사하게 이러한 스프링력을 제공하지 않을 수 있다.
손목 장치(300)는 각각의 굴곡부와 관련된 정지 부재를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 정지 부재(330)는 굴곡부(324)의 양 측면에 위치될 수 있으며 링크 부재(304)의 단부 측면(318)으로부터 인접한 링크 부재(306)쪽으로 뻗어 나올 수 있다. 정지 부재(330)는 인접한 링크 부재(306)의 오목부(332)와 결합될 수 있다. 상기 손목 장치(300)의 각각의 굴곡부는 마찬가지로 정지 부재 및 관련된 오목부를 포함할 수 있다. 이러한 정지 부재와 오목부는 도 7A 및 도 7B와 관련하여 아래에 보다 상세하게 기술되어 있다.
상기 손목 장치(300)는 손목 장치의 링크 부재가 한 덩어리의 물질로 형성되어 있는 일체형 장치이다. 예를 들면, 굴곡부(320, 322, 324, 326)는 링크 부재(302, 304, 306)가 형성되어 있는 것과 동일한 물질 덩어리에서 물질을 절단함으로써 형성될 수 있으므로 물질을 절단할 때 각각의 링크 부재에 이미 부착되어 있다. 한 덩어리의 물질로부터 손목 장치의 여러 구성요소들을 형성하기 위해서 다양한 절단 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 손목 장치의 물질을 정밀하게 절단내기 위해서 레이저 절단이 사용될 수 있다. 따라서, 손목 장치(300)의 구성요소들의 별도의 조립이 필요하지 않다. 이것은 상기 손목 장치(300)에 대한 조립 시간과 비용의 상당한 감소를 가져올 수 있다.
손목 장치(300)는 임의의 다양한 적절한 물질로 만들어질 수 있다. 예를 들면, Nitinol™이 쉽게 구할 수 있고 비용이 저렴한 사용될 수 있는 물질의 한 예이다. 상기 물질은 상기 손목 장치의 길이방향의 축 D에 대한 매우 작은 축방향 컴플라이언스(compliance)를 제공하기에 충분히 뻣뻣함을 제공하면서, 손목 장치의 굴곡부가 쉽게 구부러질 수 있게 하고 원하는 운동을 할 수 있게 하는 "초탄성(super-elastic)" 물질이다. 이러한 물질은 레이저 절단하기가 용이하고 높은 내구성과 내구력을 가지고 있으므로, 상기 손목 장치의 굴곡부는 그 구조가 손상되기 전에 많은 횟수의 구부러짐을 견딜 수 있다. 이러한 물질의 다른 예는 담금질한 스테인레스 강, 다른 탄소강, 크롬 코발트(chromium cobalt), 또는 탄성을 가지며 수술에 사용하기에 독성이 없는 다른 물질을 포함할 수 있다.
도 2의 손목 장치(200)에 대해서 위에서 설명한 것과 유사한 연쇄 구성으로 된 것과 같은, 다른 실시형태에서는 추가적인 링크 부재가 손목 장치(300)의 링크 장치에 제공될 수 있다. 이러한 추가적인 링크 부재는 링크 장치의 한 단부에 결합된 엔드 이펙터에 대해 추가적인 자유도 및/또는 보다 다양한 운동을 제공할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 손목 장치와 유사한 손목 장치(300)와 엔드 이펙터(402)를 포함하는 수술 기구의 예시적인 일부분(400)의 사시도이다. 예를 들면, 수술 기구의 일부분(400)은 도 1의 수술 기구(100)와 같은 기구의 원위 단부에 제공될 수 있다.
엔드 이펙터(402)는 상기 손목 장치(300)의 한 단부에 결합될 수 있다. 예를 들면, 링크 부재(302)는 엔드 이펙터(402)에 결합될 수 있고 링크 부재(306)는 샤프트(104)에 결합될 수 있다. 이 예에서는, 엔드 이펙터(402)가 수술 부위에서 이리게이션 및/또는 석션용으로 사용되는 도구이다. 예를 들면, 가요성 튜브(112a)를 통하여 수술 기구로 유입되는 유체는 샤프트(104)의 대략적인 중심을 따라서 뻗어 있는 중심 튜브(도 6 참고) 또는 다른 루멘 그리고 손목 장치(300)의 속인 빈 중심 부분에서 수술 기구(100)의 중앙으로 안내될 수 있고, 이 경우에 중심 튜브는 엔드 이펙터(402)에 연결되어 있다. 상기 중심 튜브는 손목 장치의 운동을 하나 이상의 자유도로 조절하기 위해서 적어도 상기 손목 장치(300)를 통하여 뻗어 있는 부분에서는 가요성을 가질 수 있다. 상기 유체는 엔드 이펙터(402)를 통하여, 예를 들면 엔드 이펙터의 하나 이상의 측면 구멍(406)을 통하여, 및/또는 엔드 이펙터의 끝부분에 있는 중심 구멍(408)을 통하여 유동하고 엔드 이펙터(402)에서 배출된다. 석션이 역방향으로 유사하게 사용될 수 있는데, 상기 측면 구멍(406) 및/또는 중심 구멍(408)을 통하고, 샤프트(104)를 통하여 중심 튜브로, 그리고 가요성 튜브(112b)를 통하여 수술 부위의 유체 또는 다른 물체를 흡입하기 위해서 에어 석션(air suction)이 사용될 수 있다. 상기한 바와 같이, 다른 실시형태에서는, 다른 종류의 엔드 이펙터가 상기 손목 장치(300)에 결합될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 하나 이상의 광섬유 케이블, 전기 케이블, 기계적인 푸시 로드, 마이크로-리벳(micro-rivet), 셀프 포밍 스테이플(self-forming staple) 등과 같은, 하나 이상의 상이한 또는 추가적인 기다란 부재, 연장부, 또는 구성요소가 샤프트(104)의 중심의 빈 공간, 손목 장치(300), 및/또는 엔드 이펙터(402)를 통하여 보내질 수 있다.
상기 손목 장치(300)는 회전축 E와 회전축 F에 대해서 두 개의 자유도로 이동하도록 제어될 수 있는데, 예를 들면, 각각의 자유도는 3차원 공간으로 배향된 평면내에서의 각운동을 제공한다. 임의의 적절한 형태의 힘 전달 장치가 사용자 또는 제어 장치로 하여 상기 축들에 대해서 손목 장치(300)의 운동을 개시시키고 제어할 수 있도록 하기 위해서 사용될 수 있다. 도 4의 예에서는, 힘줄이 힘 전달 장치에 사용된다. 예를 들면, 상기 힘줄은, 수술 기구의 근위측으로부터, 샤프트(104)를 통하고, 그리고 예를 들면, 엔드 이펙터의 종단 구멍(412)에서 엔드 이펙터(402)에 연결되도록, 상기 손목 장치(300)의 중심 구역을 통하여 뻗어 있는 케이블(410)이 될 수 있다. 도 4의 예에서는, 네 개의 케이블(410)이 도시되어 있는데, 각각의 케이블(410)은 굴곡부(320-326)들 중의 하나의 굴곡부 근처의 원통형 링크 부재의 내부를 따라서 뻗어 있고, 그리고 각각의 케이블은 길이방향의 축 D둘레로 약 90도만큼 두 개의 다른 케이블로부터 이격되어 있다. 상기 케이블(410) 중의 두 개의 케이블은 상기 손목 장치(300)의 하나의 자유도(예를 들면, 축 E에 대한 자유도, 또는 임의로 칭하자면 피칭운동 자유도)의 운동을 제어하는데 사용되고, 다른 두 개의 케이블(410)은 다른 자유도(예를 들면, 축 F에 대한 자유도, 또는 요잉운동 자유도)의 운동을 제어하는데 사용된다. 이 작동은 도 5A 및 도 5B와 관련하여 아래에 보다 상세하게 기술되어 있다. 일부 실시형태에서는 추가적인 자유도가 지원되고 제어될 수 있다. 예를 들면, 샤프트(104), 손목 장치(300), 그리고 엔드 이펙터(402)의 롤링 운동이 길이방향의 축 D에 대해서 실행될 수 있고, 이것은 수술 기구(104)의 근위측에서 유사하게 제어될 수 있다.
케이블(410)은 수술 기구(100)와 같은, 손목 장치(300)를 포함하는 수술 기구에 설치 및/또는 결합된 제어 장치에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 상기 제어 장치가 축 E 및 축 F에 대한 자유도에 있어서의 원하는 운동을 제공하도록 적절하게 케이블(410)을 당기기 및/또는 밀기를 할 수 있는 서보모터와 같은 액추에이터를 제공하는 구동 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들면, 중심의 길이방향의 축 D의 양 측면에서 서로 대향하고 있는 상기 케이블(410) 중의 두 개의 케이블은 액추에이터에 의해 회전하도록 구동되는 풀리 또는 스핀들에 의해 결합되어 있는 한 개의 케이블의 두 단부가 될 수 있다. 다른 두 개의 케이블(410)은 유사하게 상이한 풀리와 액추에이터에 의해 독립적으로 제어되는 한 개의 케이블의 단부가 될 수 있다. 대체 실시형태로서, 케이블(410)은 한 개의 풀리 또는 서로 다른 풀리에 연결되어 있으며 독립적으로 제어가능한 별개의 케이블이 될 수 있다. 예를 들면, 이러한 풀리 및/또는 액추에이터는 도 1에 도시된 근위 단부 유닛(102)에, 또는 상이한 연결된 장치에 제공될 수 있다. 일부 실시례에서, 각각의 풀리는 로봇 수술 시스템에 의해 제어되는 서보모터에 의해 구동될 수 있다. 이러한 시스템의 몇 가지 예시적인 실시형태는, 전체 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있는, 미국 특허 공개공보 제2013/0046318호에 개시되어 있다. 다른 실시형태에서는, 전체 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있는, 미국 특허 제6,817,974호에 개시되어 있는 짐벌 장치(gimbal mechanism)와 같은, 다른 장치가 케이블(410)을 이동시키기 위해서 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서는, 케이블이 손목 장치를 통하여 엔드 이펙터에 연결되기 위해 프리텐션된(pretensioned) 상태가 될 수 있다. 이것은 축 D와 축 E에 대한 회전 자유도로 링크 부재의 운동에 대한 미세한 정도의 제어(a fine degree of control)를 가능하게 할 수 있고 덜 정확한 제어를 초래할 수 있는 케이블 늘어짐(cable stretch)을 보상할 수 있다. 하지만, 필요한 프리텐션(pretension)의 양은, 본 명세서에 기술된 실시형태와 달리, 케이블 인장력이 손목 장치의 링크 부재를 함께 유지시킨 종래의 링크 장치에서보다 상당히 작을 수 있다.
다른 실시형태에서는 다른 종류의 힘줄, 전달 장치, 및/또는 액추에이터가 사용될 수 있다. 예를 들면, 힘 전달 요소는 케이블, 와이어, 필라멘트, 또는 로드(rod), 및/또는 압축 요소(compression element), 예를 들면, 상기 전달 시스템에 있어서 손목 장치로 힘을 전달하는 부분의 케이블 대신에 사용될 수 있는 강성의 로드, 샤프트 또는 튜브가 될 수 있다.
도 5A와 도 5B는, 각각, 도 4에 도시된 수술 기구의 일부분(400)의 평면도와 측면도이다. 도 5A에서는, 상기 손목 장치(300)의 축 F에 대한 회전 운동을 포함하는 요잉운동 자유도가 도시되어 있다. 이 자유도는 길이방향의 축 D의 양 측면에 있으며 링크 부재(306)와 링크 부재(304)를 연결하고, 엔드 이펙터(402)가 축 F에 대해서 회전할 수 있게 하는 굴곡부(324)와 굴곡부(326)에 의해 허용된다.
도 5A에 도시된 운동은 케이블(410)의 운동에 의해 유발되고 제어될 수 있다. 이 예에서는, 케이블(410a)과 케이블(410b)(이 케이블(410a)과 케이블(410b)은 상기한 바와 같이 한 개의 케이블, 또는 두 개의 독립적인 케이블의 두 개의 단부가 될 수 있다)은 엔드 이펙터(402), 링크 부재(302), 그리고 링크 부재(304)를 링크 부재(306)와 링크 부재(306)에 연결된 수술 기구의 일부분에 대해서 축 F에 대해 굴곡시키도록 이동될 수 있다. 예를 들면, 케이블(410a)의 단부는 종단 구멍(412a)에서 엔드 이펙터에 연결될 수 있고 상기 케이블(410a)은 화살표 502로 표시된 것과 같이 수술 기구의 근위 단부쪽으로 당겨질 수 있다. 이러한 당기는 힘은 굴곡부(324, 322)를 굴곡시키고 엔드 이펙터와 링크 부재(302, 304)를 도 5A에서의 반시계 방향으로 축 F에 대해서 회전시킨다. 케이블(410b)이 케이블(410a)과 동일한 케이블의 일부분인 실시형태에서는, 케이블(410a)의 운동은 케이블(410b)의 엔드 이펙터(402)쪽으로의 반대방향의 운동을 수반한다. 이것은, 일부 실시형태에서는, 예를 들면, 종단 구멍(412b)에서 엔드 이펙터와의 케이블(410b)의 연결 지점에서 엔드 이펙터에 대해 미는 힘을 제공할 수 있고, 그리고 축 F에 대한 반시계방향의 운동에 기여할 수 있다. 일부 실시형태에서는, 케이블(410b)이 케이블(410a)의 당기는 운동을 수반하기 위해서 밀릴 수 있는 별개의 케이블이 될 수 있다.
유사하게, 케이블(410b)은 종단 구멍(412b)에서 엔드 이펙터에 연결될 수 있고 상기 케이블(410b)은 화살표 504로 표시된 것과 같이 수술 기구의 근위 단부쪽으로 당겨질 수 있다. 이러한 당기는 힘은 굴곡부(324, 322)를 굴곡시키고 엔드 이펙터와 링크 부재(302, 304)를 도 5A에서의 시계 방향으로 축 F에 대해서 회전시킨다. 엔드 이펙터에 대해 미는 힘을 제공할 수 있고 축 F에 대한 시계방향의 운동에 기여할 수 있는 일부 실시형태에서, 케이블(410b)의 운동은 케이블(410a)의 엔드 이펙터(402)쪽으로의 반대방향의 운동을 수반할 수 있다.
도 5B에는, 상기 손목 장치(300)의 축 E에 대한 회전 운동을 포함하는 피칭운동 자유도가 도시되어 있다. 이 자유도는 링크 부재(302)와 링크 부재(304)를 연결시키는 길이방향의 축 D의 양 측면의 굴곡부(320)와 굴곡부(322)에 의해 허용된다.
도 5B에 도시된 운동은 케이블(410c)과 케이블(410d)의 운동에 의해 유발되고 제어될 수 있고, 상기 케이블(410c)과 케이블(410d)은 상기한 바와 같이 한 개의 케이블, 또는 두 개의 독립적인 케이블의 단부가 될 수 있고, 엔드 이펙터(402)와 링크 부재(302)를 링크 부재(304, 306)와 링크 부재(306)에 연결된 수술 기구의 일부분에 대해서 축 E에 대해 굴곡시키도록 이동될 수 있다. 예를 들면, 케이블(410c)의 단부는 종단 구멍(412c)에서 엔드이펙터에 연결될 수 있고 상기 케이블(410c)은 화살표 506로 표시된 것과 같이 수술 기구의 근위 단부쪽으로 당겨질 수 있다. 이러한 당기는 힘은 굴곡부(320, 322)를 굴곡시키고 엔드 이펙터와 링크 부재(302)를 도 5B에서의 반시계 방향으로 축 E에 대해서 회전시킨다. 케이블(410c)의 운동은 축 E에 대해서 반시계방향의 운동에 기여할 수 있는 케이블(410d)의 엔드 이펙터(402)쪽으로의 반대방향의 운동을 수반할 수 있다.
케이블(410d)은 종단 구멍(412d)에서 엔드 이펙터에 연결될 수 있고 상기 케이블(410d)은 화살표 508로 표시된 것과 같이 수술 기구의 근위 단부쪽으로 당겨질 수 있다. 이러한 당기는 힘은 굴곡부(320, 322)를 굴곡시키고 엔드 이펙터와 링크 부재(302)를 도 5B에서의 시계 방향으로 축 E에 대해서 회전시킨다. 케이블(410d)의 운동은 케이블(410c)의 엔드 이펙터(402)쪽으로의 반대방향의 운동을 상응하게 수반할 수 있다.
도 5C는 도 4에 도시된 수술 기구의 일부분(400)의 정면도이다. 상기한 실시형태에서, 종단 구멍(412a-412d)은 길이방향의 축 D의 둘레로 엔드 이펙터(402)에 배치될 수 있고 케이블(410a-410d)의 단부를 각각 수용할 수 있다. 예를 들면, 케이블(410a-410d)은 종단 구멍(412a-412d)에 부착하기 위해 형철을 이용하여 구부려질 수 있거나(swaged), 다른 방식으로 상기 종단 구멍에 부착될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 케이블의 단부가 엔드 이펙터(108) 또는 손목 장치(106)의 일부분에 레이저 용접될 수 있다(또는 다른 기술을 이용하여 용접될 수 있다). 하나의 예에서는, 케이블이 종단 구멍(412a-412d)에서 끝을 이룰 필요가 없다. 예를 들면, 케이블이 링크에 부착될 수 있고, 이 경우 케이블은 케이블이 부착되어 있는 링크를 이동시키도록 작동될 수 있다. 일부 예에서는, 상기 손목 장치에 구멍이 만들어질 수 있고 케이블은 상기 구멍으로 진입 및/또는 상기 구멍으로부터 후퇴될 수 있다.
상기 일부분(400)의 일부 실시형태에서는, 케이블(410a-410d)이 추가적인 가이드나 다른 구조물 없이 상기 손목 장치(300)를 통하여 뻗어 있다. 다른 실시형태는 케이블(410a-410d)을 상기 손목 장치(300)를 통하여 다른 방식으로 안내할 수 있다. 예를 들면, 슬리브 또는 분리 채널이 케이블을 안내하기 위해서 각각의 링크 부재(302, 304, 306)의 일부로서 각각의 케이블에 대해 통합될 수 있다. 이러한 슬리브는 링크 부재의 내측 벽에 제공될 수 있다. 예를 들면, 케이블이 슬리브 내에서 자신의 길이방향의 축을 따라서 이동하는 것을 허용하도록 상기 슬리브가 길이방향의 축 D과 평행하게 종단 구멍(412a-412d)과 정렬되거나 대략 정렬될 수 있고, 폐쇄되거나 부분적으로 개방될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 상기 슬리브가 길이방향의 축 D과 평행한 링크 부재의 길이를 따라 연속적으로 이어질 수 있거나, 각각의 링크 부재의 길이의 일부에 대해서만 뻗을 수 있다. 예를 들면, 링크 부재보다 짧은 길이의 복수의 슬리브가, 예를 들면, 링크 부재(302, 304, 306)에 제공된 하나 이상의 슬리브 섹션이 각각의 케이블에 제공될 수 있다. 상기 슬리브는 손목 장치(300)의 일체형 물질 덩어리의 일부로서 포함될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 케이블(410a-410d)이 원통형 부재의 내측에, 예를 들면, 종단 구멍(412a-412d)과 정렬되어, 부착되어 있는 나노튜브(nanotube)와 같은 별개의 튜브에 의해 안내될 수 있다. 다른 예에서는, 복수의 케이블을 안내하기 위해서 멀티루멘 하이포튜브(multilumen hypotube)가 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 케이블-안내 슬리브가, 예를 들면, 일체형 물질과 통합되거나 또는 따로따로 부착된 상태로, 링크 부재의 측벽의 외측 표면에 위치될 수 있다.
도 6A와 도 6B는 각각 링크 부재가 회전된 상태의 도 4에 도시된 수술 기구의 일부분(400)의 측면도와 평면도이다. 도 6A는 링크 부재(304, 302)와 엔드 이펙터(402)가 도 5A에 도시되어 있는 것과 같이 축 F에 대해서 요잉운동 방향으로 회전한 후의 상기 일부분(400)을 나타내고 있다. 굴곡부(324)는 링크 장치의 회전된 자세에 부응하기 위해 굴곡되어 있다. 추가적으로, 케이블(410a-410d)이 링크 장치와 함께 만곡되어 있다. 도시된 실시형태에서는, 케이블(410a-410d)이 링크 장치의 만곡부 전체에 걸쳐서 링크 부재의 내부 측벽에 근접하여 위치된 상태로 유지되어 있다. 일부 예에서, 도 1 및 도 4와 관련하여 상기한 중심 튜브와 유사하게, 이러한 케이블 배치상태(positioning)는 케이블을 도면에 도시되어 있는 것과 같이 분리되고 위치되도록 유지시키는 링크 장치의 내부로 뻗어 있는 중심 튜브(602)에 의해 초래될 수 있다. 대체 실시형태로서, 상기 케이블 배치상태는 상기한 것과 같은 케이블용 내부 가이드 또는 튜브에 의해서 초래될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 케이블이 내부 물체나 구조에 의해 안내되거나 이격되지 않고 엔드 이펙터(402)에 직접 연결될 수 있으므로, 케이블은 손목 장치(300)의 내부 공간을 통하여 똑바로 뻗을 수 있거나 링크 장치 만곡부 둘레로 만곡될 수 있다.
도 6B는 링크 부재(302)와 엔드 이펙터(402)가 도 5B에 도시되어 있는 것과 같이 축 E에 대해서 피칭운동 방향으로 회전한 후의 상기 일부분(400)을 나타내고 있다. 도 6A에 도시되어 있는 것과 유사하게, 회전된 자세에 부응하기 위해 굴곡부(320)는 굴곡되어 있고 케이블(410a-410d)은 만곡되어 있다.
도 7A 및 도 7B는 본 명세서에 기술된 손목 장치에 사용될 수 있는 굴곡부(700)의 예시적인 한 실시형태의 모습이다. 예를 들면, 굴곡부(700)는 도 4의 굴곡부(320-326) 중의 임의의 굴곡부에 대해 사용될 수 있다. 굴곡부(700)는, 도 4와 관련하여 상기한 바와 같이, 예를 들면, 인접한 링크 부재(302, 304), 또는 링크 부재(304, 306)가 될 수 있는, 링크 부재(702)와 링크 부재(704)의 사이에 연결되어 있다. 길이방향의 축 G는, 예를 들면, 특정 예에서 상기한 길이방향의 축 D가 될 수 있다. 굴곡부(700)는, 일부 예에서 상기한 것과 같은 축 E 또는 축 F가 될 수 있는, 축 H에 대해서 링크 부재(702)와 링크 부재(704) 사이의 회전 운동을 가능하게 한다.
도 7A는 링크 부재(702, 704)가 도 4에 도시되어 있는 것과 유사하게 길이방향의 축 G를 따라서 정렬되거나 대략 정렬된 중심의 길이방향의 축을 가지고 있는, 펴진 상태의 굴곡부(700)를 나타내고 있다. 도시된 예시적인 실시형태에서는, 굴곡부(700)가 길이방향의 축 G와 수직 또는 대략 수직인 차원에서 세로 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있는 복수의 직선형 세그먼트(710)를 포함하고 있고, 각각의 세그먼트는 동일하거나 대략 동일한 길이를 가지고 있다. 세그먼트(710)는 각각의 세그먼트(710)의 양 단부가 상이한 인접한 세그먼트의 단부 또는 그 근처에서 상이한 인접한 세그먼트에 연결되도록 S-패턴 또는 형태인 체인으로서 서로 연결되어 있다. 이 예에서, 세그먼트(710)는 길이방향의 축 G과 평행하거나 대략 평행하게 배향되어 있으며 세그먼트(710)의 단부를 연결시키는 링크 세그먼트(712)에 의해 연결될 수 있다. 예를 들면, 세그먼트(710)와 링크 세그먼트(712)는, 상기한 바와 같이, 링크 부재(702, 704)가 형성되어 있는 일체형인 한 덩어리의 물질로 형성될 수 있고, 예를 들면, 상기 일체형인 한 덩어리의 일부분이 세그먼트(710)와 링크 세그먼트(712)를 형성하기 위해서 S-패턴으로 절단된다.
굴곡부(700)의 각각의 단부는 굴곡부(700)의 마지막 링크 세그먼트(712a, 712b)에 의해 관련된 링크 부재(702, 704)에 각각 연결될 수 있다. 이 연결은, 굴곡부에 대한 연결 지점이 링크 부재의 단부측 표면(740)을 지나서 링크 부재 내에 있도록, 링크 부재(702)의 단부측의 오목부(714)와 링크 부재(704)의 단부측의 오목부(716) 내에 제공될 수 있다. 오목부(714)와 오목부(716)는 굴곡부(700)를 보다 길게 만들어질 수 있게 해주고, 이것은 보다 많은 수의 링크 세그먼트(710, 712)가 사용될 수 있게 해준다. 이것은 결합된 링크 부재의 완전히 회전된 자세에서 세그먼트(710)와 세그먼트(712) 중의 임의의 하나로부터 필요한 굴곡의 최대량을 줄일 수 있다. 다른 실시형태는 상이한 갯수의 세그먼트와 도시된 것과 다른 길이를 가지는 오목부(714) 및/또는 오목부(716)를 가지는, 상이한 길이의 굴곡부를 사용할 수 있다.
굴곡부(700)와 함께 사용하기 위해 정지 부재(720, 722)가 상기 손목 장치에 포함될 수도 있다. 이 예에서는, 정지 부재(720, 722)가 굴곡부(700)의 양 측면에 위치되어 있으며, 링크 부재(704)와 같은, 링크 부재들 중의 하나의 링크 부재의 단부 측면으로부터, 링크 부재(702)와 같은, 인접한 링크 부재쪽으로 뻗어 있다. 정지 부재는 관련된 링크 부재의 연장부가 될 수 있으며, 상기한 바와 같이, 링크 부재(702, 704)가 형성된 것과 동일한 일체형의 한 덩어리의 물질로 형성될 수 있다.
정지 부재(720, 722)는 대향하는 링크 부재(702)의 오목부(724, 726)와 각각 정렬되어 있다. 도 7B와 관련하여 아래에 기술되어 있는 것과 같이, 링크 부재(702, 704)가 서로에 대해 회전할 때, 상기 정지 부재 중의 하나는 자신의 대응하는 오목부와 결합된다. 상기한 실시형태에서, 만곡된 외부 측면(728)이 만곡된 오목부 표면(730)에 근접하게 이동하거나 만곡된 오목부 표면(730)에서 슬라이딩이동하도록, 정지 부재(720, 722)는 대향하는 링크 부재(702)의 만곡된 오목부 표면(730)과 정렬되어 있는 만곡된 외부 측면(728)을 가지고 있다. 일부 실시형태에서는, 만곡된 외부 측면(728)이 만곡된 오목부 표면(730)에 근접하여(예를 들면, 비제한적인 예로서 5 내지 10 미크론 이격되어) 위치되어 있지만 회전된 자세에서 만곡된 오목부 표면(730)과 접촉하거나 만곡된 오목부 표면(730)에서 슬라이딩이동하지 않는다. 다른 실시형태에서는, 만곡된 외부 측면(728)이 회전된 자세에서 대응하는 만곡된 오목부 표면(730)과 접촉하고 대응하는 만곡된 오목부 표면(730)에서 슬라이딩이동한다. 상기 결합 형태 중의 어느 한 형태는, 일부 실시형태에서, 길이방향의 축 G에 대한 관련된 링크 부재(702, 704)의 비틀림 굴곡(torsional flex)을 감소시키거나 방지하는데 도움을 줄 수 있는데, 예를 들면, 상기 만곡된 측면과 표면이 상기와 같은 비틀림 굴곡을 방지하거나 감소시키기 위해서 접촉할 수 있고, 및/또는 정지 부재와 오목부의 만곡된 표면(728, 730)의 위치에 기초하여 링크 부재의 회전을 안내하는 것을 도와줄 수 있다.
추가적으로, 수용 부재(734, 736)가 각각 오목부(724, 726) 내에서 링크 부재(702)에 부착될 수 있다. 수용 부재(734, 736)는 각각 정지 부재(720, 722)의 경로 내에 위치되어, 관련된 정지 부재(720, 722)의 선행 가장자리와 접촉하여 정지 부재의 운동을 정지시킨다. 따라서 각각의 정지 부재와 수용 부재는 연결된 링크 부재의 운동을 축 H에 대한 회전 자유도의 한 방향으로 제한한다. 다른 실시형태에서는, 정지 부재 및/또는 수용 부재가 상기 운동을, 예를 들면, 단부 표면(740)에서 축 H에 대한 회전 자유도로 유사하게 제한하기 위해서 상기 손목 장치의 상이한 위치에 위치되거나 상기 위치에 교대로 위치될 수도 있다. 예를 들면, 정지 부재 및/또는 수용 부재는 링크 부재(702, 704)와 굴곡부(700)를 형성하는 일체형 물질의 일부분, 예를 들면, 정지 부재 및/또는 수용 부재를 형성하기 위해서 절단된 일체형 물질의 부분으로 형성될 수 있다.
도 7B는 링크 부재(702, 704)가 축 H에 대해서 회전 자유도로 회전된 후의 도 7A의 링크 부재(702, 704)와 굴곡부(700)를 나타내고 있다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 굴곡부(700)는 상기 운동에 부응하기 위해서 구부러져 있고, 굴곡부의 세그먼트(710, 712)는 도 7A에 도시된 펴진 중립 상태에 대하여 위치 및/또는 방향이 변경되어 있다. 굴곡부(700)의 중심 부분(750)의 세그먼트(710, 712)는 굴곡부(700)의 두 개의 단부에 근접하여 배치된 세그먼트보다 더 많이 구부러져 있다. 링크 부재(702, 704)는 정지 부재(720)에 의해 허용된 만큼 도시된 방향으로 최대로 회전되었고, 여기에서 정지 부재(720)는 수용 부재(734)와 결합되어 있다.
일부 실시형태에서, 링크 부재 및 굴곡부 세그먼트와 같은 상기 손목 장치의 요소는, 회전 자유도에 있어서 원하는 범위를 얻기 위해 그리고 굴곡부의 세그먼트에 있어서 원하는 양의 굴곡을 얻기 위해서 굴곡부(700)의 길이, 세그먼트(710, 712)의 크기 및 갯수, 그리고 굴곡부가 링크 부재(702, 704)의 오목부(714, 716)로 뻗어 있는 정도를 결정하기 위해 유한 요소 해석(finite element analysis)을 이용하여 성형될 수 있다. 세그먼트(710)의 갯수가 많을수록, 각각의 세그먼트를 개별적으로 굴곡시킬 필요는 작아지고 최대 굴곡의 중심 부분(750)에서 필요한 굴곡의 크기가 작이진다. 예를 들면, 일부 물질은 보다 작은 굴곡 능력을 가질 수 있거나 구부러지는 것에 의해 마모될 수 있고, 굴곡부가 이러한 물질로 만들어지면 보다 많은 개수의 세그먼트(710)(예를 들면, 보다 짧은 폭의 세그먼트)가 사용될 수 있다. 도시된 굴곡부 실시형태에서는, 상기 자유도에 있어서 회전 운동의 전체 범위는 약 44도이다. 이 범위는 다른 실시형태에서 정지 부재(720, 720) 및/또는 수용 부재(734, 736)의 위치, 크기 및/또는 형상을 변경시킴으로써 더 커거나 더 작게 될 수 있다.
링크 부재(702, 704)를 상기 회전 자유도로 이동시키면, 도 7B에서와 같이 정지 부재(720)의 만곡된 측면이 관련된 오목부(724)의 대응하는 측면과 결합된다. 이 결합은, 링크 부재의 회전 운동을 안내하는 것을 도와줄 수 있다. 추가적으로, 이 결합은, 결합된 정지 부재(720)와 오목부(724)의 표면이 접촉하여 상기 운동을 저지하거나 감소시킬 수 있기 때문에 길이방향의 축 G에 대한 링크 부재(702, 704)의 원하지 않은 비틀림 굴곡을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 이것은, 추가적인 연결, 링크 장치, 또는 안정성을 위한 장력(tension for stability)을 필요로 하지 않고, 링크 부재(702, 704)를 굴곡부, 예를 들면, 굴곡부(700)에 의해 함께 연결될 수 있게 한다.
일부 실시형태에서는, 정지 부재(720, 722)의 만곡된 표면(728)과 오목부(724)의 대응하는 오목부 표면(730)이 원통형 링크 부재의 중심쪽으로, 예를 들면, 대략 길이방향의 축 G쪽으로 정렬되도록 정지 부재(720, 722)의 만곡된 표면(728)과 오목부(724)의 대응하는 오목부 표면(730)이 절단될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 표면들이 다른 방향으로 절단될 수 있다. 예를 들면, 상기 만곡된 표면(728)과 상기 대응하는 오목부 표면(730)이 길이방향의 축 G과 평행하거나 대략 평행하도록 축외 절단부(off-axis cut)가 만들어질 수 있다. 일부 실시형태는 상기 만곡된 표면(728)과 상기 대응하는 오목부 표면(730)이 절단 위치로부터 길이방향의 축 G쪽으로 직선 방향에 대해 경사지도록 상기 표면의 경사진 절단부를 제공할 수 있다. 상기 만곡된 표면(728)과 상기 대응하는 오목부 표면(730)은 서로 결합될 때 비틀림 굴절(torsional deflection)에 대해 더욱 강하게 함께 고정될 수 있기 때문에, 일부 실시형태에서는 상기와 같은 축외 및/또는 경사진 측 표면이 길이방향의 축 G에 대하여 서로에 대해 링크 부재(702, 704)의 비틀림 굴절을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 8은 도 7A 및 도 7B의 굴곡부(700)와 유사한 다른 실시형태의 굴곡부(800)의 예이다. 굴곡부(800)는 세그먼트(802)의 S-구성에서 유사하게 구성되어 있다. 이 예에서, 세그먼트(802)는 도 7A 및 도 7B에 도시된 것보다 짧은 길이의 간격(804)만큼 분리되어 있고 손목 장치 물질에서 정확하게 레이저 절단되어 있다.
비록 본 실시례들은 도시된 예에 따라 기술되어 있지만, 상기 실시례에 대해 다양한 변형이 이루어질 수 있고 이러한 변형은 본 발명의 기술사상과 범위 내에 있다는 것을 당업자는 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구항의 기술사상과 범위를 벗어나지 않고서 당업자에 의해 많은 수정이 이루어질 수 있다.
Claims (21)
- 수술 기구로서,
엔드 이펙터; 그리고
상기 엔드 이펙터에 결합되어 있고, 한 덩어리의 물질로 형성되어 있으며 상기 엔드 이펙터에 적어도 하나의 자유도를 제공하는 일체형 손목 장치;
를 포함하고 있고,
상기 일체형 손목 장치는
복수의 연결된 링크 부재; 및
하나 이상의 굴곡부를 포함하고 있고, 상기 굴곡부 중의 적어도 하나는 일련의 연결된 복수의 세그먼트를 포함하고 있고, 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 수술 기구. - 제1항에 있어서, 각각의 링크 부재는 고리형상이고 대략 원통형인 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제2항에 있어서, 상기 링크 부재는 순차적으로 연결되어 있고, 각각의 원통형 링크 부재의 각각의 길이방향의 축은 하나 이상의 굴곡부의 펴진 상태에서 대략 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제2항에 있어서, 상기 손목 장치는 상기 엔드 이펙터에 적어도 두 개의 자유도를 제공하고, 상기 자유도 중의 제1 자유도는 피칭운동 축에 대한 자유도이고 상기 자유도 중의 제2 자유도는 상기 피칭운동 축과 평행하지 않으며 상기 손목 장치를 통하여 뻗어 있는 길이방향의 축과도 평행하지 않은 요잉운동 축에 대한 자유도인 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서, 각각의 링크 부재는 상기 하나 이상의 굴곡부의 적어도 하나에 의해 다른 링크 부재의 적어도 하나에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 두 개의 관련된 원통형 링크 부재의 대향하는 단부 측면들 사이에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 관련된 링크 부재들 중의 적어도 하나를 통하여 뻗어 있는 길이방향의 축과 대략 수직으로 뻗어 있는 회전축에 대해서 관련된 링크 부재들 사이의 상대 회전 운동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 굴곡부에 의해 연결된 관련된 링크 부재에 스프링력을 제공하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 세그먼트는 S-패턴으로 연결된 직선형 세그먼트인 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 굴곡부는 링크 부재들 중의 두 개를 연결시키는 두 개의 굴곡부를 포함하고 있고, 상기 두 개의 굴곡부는 관련된 원통형 링크 부재의 각각의 길이방향의 축의 대략 양 측면의 관련된 링크 부재를 연결시키는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서, 관련된 링크 부재의 각각은 관련된 링크 부재들 사이에서 회전 운동을 가능하게 하기 위해 연결된 링크 부재로부터 멀어지는 방향으로 점점 가늘어지는 테이퍼형 단부 부분을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서, 상기 손목 장치는 관련된 인접한 링크 부재들 사이에 링크 부재들 중의 하나에 결합된 적어도 하나의 정지 부재를 더 포함하고 있고, 상기 적어도 하나의 정지 부재는 미리 정해진 각도 범위를 초과하는 관련된 링크 부재들 사이의 회전 운동을 방지하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 정지 부재는 하나의 링크 부재에 제공되어 있고 링크 부재들이 미리 정해진 양만큼 서로에 대해 회전하는 것에 대응하여 관련된 링크 부재의 대향하는 측면 단부의 수용 오목부와 결합되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서,
적어도 하나의 링크 부재를 적어도 하나의 자유도로 회전시킴으로써 상기 엔드 이펙터를 활발하게 이동시킬 수 있도록 상기 손목 장치에 결합된 힘 전달 요소; 그리고
상기 힘 전달 요소에 결합된 액추에이터;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 기구. - 제14항에 있어서, 상기 힘 전달 요소는 하나 이상의 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
- 제1항에 있어서,
상기 손목 장치에 결합된 샤프트; 그리고
상기 샤프트로 뻗어 있으며, 상기 손목 장치를 통하여, 상기 엔드 이펙터로 뻗어 있는 튜브를 더 포함하고 있고, 상기 튜브는 상기 엔드 이펙터로 이동되거나 상기 엔드 이펙터로부터 이동될 물질을 위한 통로를 제공하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 수술 기구. - 수술 기구용 손목 장치로서,
함께 연결된 복수의 링크 부재; 그리고
하나 이상의 굴곡부;
를 포함하고 있고, 상기 굴곡부 중의 적어도 하나는 일련의 연결된 복수의 세그먼트를 포함하고 있고, 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 하고,
상기 복수의 링크 부재와 하나 이상의 굴곡부는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있고, 상기 손목 장치는 상기 손목 장치의 단부들 사이에 적어도 하나의 자유도를 제공하는 것을 특징으로 하는 수술 기구용 손목 장치. - 제17항에 있어서, 각각의 링크 부재는 고리형상이고 대략 원통형이며, 상기 하나 이상의 굴곡부의 각각은 관련된 링크 부재들 중의 적어도 하나를 통하여 뻗어 있는 길이방향의 축과 대략 수직으로 뻗어 있는 회전축에 대해서 관련된 링크 부재들 사이의 상대 회전 운동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 수술 기구용 손목 장치.
- 제17항에 있어서, 상기 복수의 세그먼트는 S-패턴으로 연결된 직선형 세그먼트인 것을 특징으로 하는 수술 기구용 손목 장치.
- 수술 기구용 손목 장치를 제공하는 방법으로서,
한 덩어리의 물질의 일부분을 절단함으로써 함께 연결된 복수의 링크 부재를 제공하는 단계; 그리고
상기 한 덩어리의 물질의 일부분을 절단함으로써 하나 이상의 굴곡부를 제공하는 단계;
를 포함하고 있고,
상기 하나 이상의 굴곡부의 적어도 하나는 일련의 연결된 복수의 세그먼트를 포함하고 있고, 각각의 굴곡부는 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 하고,
상기 손목 장치가 상기 손목 장치의 단부들 사이에 적어도 하나의 자유도를 제공하는 것을 특징으로 하는 수술 기구용 손목 장치를 제공하는 방법. - 수술 기구용 손목 장치로서,
함께 연결된 복수의 링크 부재;
각각의 굴곡부가 관련된 인접한 링크 부재를 연결시키고 상기 엔드 이펙터에 관련된 자유도를 제공하기 위해서 관련된 링크 부재의 서로에 대한 회전 운동을 가능하게 하는, 하나 이상의 굴곡부; 그리고
관련된 인접한 링크 부재들 사이에서 링크 부재들 중의 하나에 결합된 적어도 하나의 정지 부재;
를 포함하고 있고,
상기 적어도 하나의 정지 부재는 미리 정해진 각도 범위를 초과하는 관련된 링크 부재들 사이의 회전 운동을 방지하고, 상기 적어도 하나의 정지 부재는 하나의 링크 부재에 제공되어 있고 링크 부재들이 미리 정해진 양만큼 서로에 대해 회전하는 것에 대응하여 관련된 링크 부재의 대향하는 측면 단부의 수용 오목부와 결합되고,
상기 복수의 링크 부재, 상기 적어도 하나의 정지 부재, 그리고 상기 하나 이상의 굴곡부는 한 덩어리의 물질로 형성되어 있고, 상기 손목 장치는 상기 손목 장치의 단부들 사이에 적어도 하나의 자유도를 제공하는 것을 특징으로 하는 수술 기구용 손목 장치.
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