KR102714284B1 - 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기 - Google Patents

Abstract

기구 장치 조작기(IDM)는 로봇 시스템의 수술 암에 부착되며 수술 도구 홀더와 외부 하우징을 포함한다. 수술 도구 홀더는 수술 도구를 프론트-마운트 구성(부착 인터페이스가 수술 도구의 세장형 본체의 반대쪽 면에 위치함) 또는 백-마운트 구성(부착 인터페이스가 수술 도구의 세장형 본체와 동일한 면에 위치함)으로 유지할 수 있는 부착 인터페이스를 포함한다. 수술 도구 홀더는 외부 하우징 내부에서 지속적으로 회전할 수 있다. 백-마운트 구성에서, 수술 도구 홀더는 도구의 세장형 본체를 수용하며 회전축에 대해 세장형 본체의 자유회전을 가능케 하는 통로를 포함할 수 있다. 수술용 드레이프는 IDM과 로봇암을 도구로부터 분리시켜주며 이와 동시에 이들 사이에 전력 및/또는 광학 신호가 전달될 수 있도록 해준다.

Description

수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기{INSTRUMENT DEVICE MANIPULATOR FOR A SURGICAL ROBOTICS SYSTEM}

본 설명은 일반적으로 수술 로봇에 관한 것이고, 특히 수술 도구에 부착되어 이를 회전시킬 수 있는 기구 장치 조작기(instrument device manipulator; IDM)에 관한 것이다.

관련 출원과의 상호 참조

본 출원은 2015년 9월 9일에 출원된 미국 특허 가출원 제 62/216,239호에 대한 이익을 주장하며, 상기 가출원은 그 전문이 참조로서 본 명세서에 병합된다.

본 출원의 주 기술적 사항은 2014년 10월 24일에 출원된 미국 특허 출원 제14/523,760호; 2014년 11월 14일에 출원된 미국 특허 출원 제14/542,403호 (이는 2013년 10월 24일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/895,315호의 이익을 주장함); 2014년 7월 1일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/019,816호, 2014년 8월 14일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/037,520호; 2014년 9월 30일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/057,936호; 2015년 3월 17일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/134,366호; 2015년 6월 25일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/184,741과 관련된다. 각각의 위 출원은 그 전문이 참조로서 본 명세서에 병합된다.

배경기술

로봇 기술은 다양하게 적용된다. 특히, 로봇 암(robotic arm)은 보통 사람이 수행하는 작업을 완료할 수 있도록 도와준다. 예를 들어, 공장에서는 로봇 암을 사용해서 자동차와 소비자 가전제품을 제조한다. 뿐만 아니라, 과학 시설에서는 로봇 암을 사용하여 마이크로플레이트(microplate)를 이동시키는 것과 같은 연구실의 공정을 자동화시킨다. 의료분야에서는 의사가 수술 절차 수행을 하는 것을 돕기 위해 로봇 암을 사용하기 시작했다.

수술 로봇 시스템에서 로봇 암은 기구 장치 조작기와 예컨대 로봇 암의 단부에 연결되어 기구 장치 조작기를 특정 작업공간 내 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 기구 장치 조작기는 내시경 적용을 위한 조향 가능한 카테터(catheter)와 같은 수술 도구 또는 모든 다양한 복강경 검사 도구와 탈착 가능하도록 결합될 수 있다. 기구 장치 조작기는 수술 도구의 위치를 제어하기 위해 로봇 암에 동작을 부여하며 또한 카테터를 조향하기 위해 풀 와이어(pull-wire)와 같은 도구의 제어를 작동시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 전력, 빛 또는 제어 신호를 제공하기 위해 기구 장치 조작기는 도구와 전기 및/또는 광학적으로 결합될 수 있으며 도구에 위치한 카메라를 통해 비디오 스트림과 같은 데이터를 도구로부터 수신할 수 있다.

내시경 또는 다른 세장형(elongate)의 수술 도구를 로봇식(robotically)으로 구동하기 위해서 원하는 선형 방향으로의 관절 연결(articulate) 및 원하는 각도의 방향으로 “롤(roll)”을 할 수 있는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 “롤”이란 관강 내(endoluminal) 또는 다른 세장형 수술 도구를 수술 도구의 길이방향 축을 중심으로 회전시키는 것을 의미한다. 현재의 세장형 의료 기기들은 기기의 샤프트(shaft)를 롤 시키기 위해 풀 케이블(pull-cable) 관리를 희생해야 하는 경우가 종종 있다. 예를 들어, 시중에 나와 있는 일부 복강경 검사 기기들은 작동 당김 와이어(actuation pull-wires; 기기의 엔드 이펙터(end-effector) 및/또는 손목 조작을 위해 사용됨)를 단순히 샤프트와 같은 속도로 서로 비틀어 기기의 샤프트를 롤링하는 효과를 얻을 수 있다. 어느 방향으로 공전하든 기계적인 제한 때문에, 케이블이 꼬여도 롤링이나 파지기(grasper) 조작에 미치는 부정적인 영향은 거의 없거나 매우 적다. 그럼에도 불구하고 풀 와이어 관리의 부재로 인해 샤프트가 회전하는 내내 매우 다양한 수준의 마찰이 발생한다. 풀 와이어가 쇠밧줄처럼 서로 단단히 꼬이고 마찰에 의해 기기의 엔드 이펙터 및/또는 손목에 가해지는 압박을 풀 와이어가 더 이상 감당하지 못할 때까지 누적된 마찰은 회전할 때마다 꾸준히 증가한다.

일부 제품들에서는, 로봇식 외부 “쉬스(sheath)”를 사용하여 연접과 롤이 분리되어 피치(pitch)와 요(yaw) 연접(articulation)을 가능하게 하고, 유연한 복강경 도구를 사용해서 삽입 롤과 엔드 이펙터 작동을 제어 한다. 그러나, 이는 서로 다른 자유도를 제어하는 두 개의 분리 모듈로 인해 불필요하게 큰 시스템을 야기한다. 분리된 모듈은 작동자가 환자에 대해 두 세트의 기기들을 등록해야 하기 때문에 수술 전 워크플로우를 복잡하게 만든다. 수동 조작 내시경에서는, 손잡이와 다이얼로 내시경의 원위 첨두(distal tip)를 작동시키고 동시에 도구의 근위 단부(proximal end) 전체를 비틀면서 샤프트를 회전시킨다. 그 결과, 내시경을 롤 할때, 작동자는 손잡이와 다이얼을 조작하기 위해 불편한 보상 자세를 취해야만 한다. 이러한 어색한 자세는 바람직하지 않으며 따라서 다른 접근방식이 요구된다.

수술 로봇 시스템의 사용 시, 수술 도구는 도구가 환자로부터 떨어져 있도록 기구 장치 조작기에 연결되어 있다가 로봇 암이 기구 장치 조작기와 이에 연결된 도구를 환자의 수술 부위로 전진시킨다. 수술 중 어떤 경우에는, 도구를 기구 장치 조작기로부터 신속하게 분리시켜 환자에게서 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 하지만, 도구가 기구 장치 조작기의 원위 면(distal face)에 연결되어 있을 때 도구를 기구 장치 조작기에서 제거하기 위해서는 도구가 기구 장치 조작기의 부착 메커니즘에서 떨어질 수 있도록 도구를 수술 부위 쪽으로 약간 이동시켜야 할 수도 있다. 수술 부위 쪽으로의 움직임은 아주 미세한 것조차도 환자에게 손상을 줄 수 있다. 대안적으로, 수술 도구는 기구 장치 조작기의 상면에 연결될 수도 있다. 이는 도구를 수술 부위 쪽으로 전진시키지 않고 도구를 기구 장치 조작기로부터 분리시킬 수 있도록 해주지만, 도구의 축에 대해 대칭적이지 않게 도구를 연결하게 되면 수술 암 및/또는 기구 장치 조작기가 도구에 부여할 수 있는 롤의 양이 제한 될 수 있다.

추가로, 환자가 있는 의료 환경에서 수술 로봇 시스템을 사용하기 전, 시스템의 부분들은 반드시 무균처리 하거나 무균 상태를 보호하기 위한 드레이프(drape)를 덮어야 한다. 수술 도구는 멸균처리 및 일회용 사용이 가능한 반면 로봇 암과 기구 장치 조작기는 그렇지 못하기 때문에 이와 수술 부위 간의 경계를 구별하기 위한 드레이프 처리를 해야 한다. 하지만 기구 장치 조작기와 도구의 다양한 구성으로 인해 기구 장치 조작기를 드레이프로 덮을 때 드레이프 처리 된 기구 장치 조작기와 그렇지 않은 도구 사이에 전기, 광학 및 그 외 연결 제공과 같은 어려움이 따른다. 뿐만 아니라, 도구는 기구 장치 조작기에 대해 회전할 수 있기 때문에 도구의 회전 시 드레이프가 엉키지 않도록 하는 것이 바람직하다.

선행기술의 문헌번호:

1: 미국 특허출원공보 US2014/0222019 A1호

2: 미국 특허출원공보 US2002/0045905 A1호

3: 미국 특허출원공보 US2006/0253108 A1호

4: 미국 특허출원공보 US2015/0119638 A1호

5: 미국 특허공보 US5,792,135 A호

따라서, 수술 도구를 기구 장치 조작기로부터 보다 용이하게 분리할 수 있고 더 적은 동작이 요구될 수 있도록 하는 메커니즘이 필요하다. 뿐만 아니라, 도구의 작동과 연접 기능을 유지하면서도 관강 내 및 다른 세장형 수술 도구를 “롤링”할 수 있는 수술 도구 조작기에 대한 필요성과, 이러한 조작기와 함께 할 수 있는 수술용 드레이프를 제공할 추가적인 필요성이 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 수술 도구를 수술 부위를 향해 전진시키지 않고 수술 도구가 수술 로봇 시스템의 로봇 암에 위치한 기구 장치 조작기(IDM)로부터 분리될 수 있도록 해 준다. 예를 들어, 부착 인터페이스는 IDM의 근위 면(환자에게서 떨어져 있는)에 포함되어 있어서 도구를 충분히 이동시켜 IDM의 부착 메커니즘을 제거하는데 요구되는 움직임은 수술 부위로부터 멀어지는 방향이며 그에 따라 도구의 원위 단부를 수술 부위로부터 멀어지도록 한다. 또한, IDM은 관통하는 통로(passage)를 포함할 수 있어 도구가 도구 축을 중심으로 일반적으로 대칭되는 방식으로 IDM에 부착될 수 있도록 해 준다. 측방-장착 방식(side-mounted scheme)과는 달리, 이 방식은 IDM이 더 많은 양(가능하게는 무한대)의 롤링을 도구에 부여할 수 있도록 해준다.

다양한 실시예에서, IDM은 수술 도구가 수술 도구의 축을 중심으로 지속적 회전 또는 “롤링”이 가능한 방식으로 로봇 수술 암에 수술 도구가 부착되도록 구성된다. IDM은 로봇 수술 암에 탈착 가능하도록 또는 고정적으로 부착될 수 있게 구성된 베이스와 베이스에 부착된 수술 도구 홀더 조립체(surgical tool holder assembly)로 구성된다. 수술 도구 홀더 조립체는 수술 도구 홀더 조립체 내에서 회전가능하게 유지된(secured) 수술 도구 홀더를 포함한다. 수술 도구 홀더는 부착 인터페이스를 통해 수술 도구가 수술 도구 홀더와 함께 회전할 수 있는 방식으로 수술 도구를 유지시킨다. 수술 도구 홀더는 또한 수술 도구의 근위 연장부를 수용하며 수술 도구가 베이스에 대해 자유 회전을 할 수 있도록 해주는 통로를 더 포함한다. 수술 도구 홀더는 베이스에 대해 수술 도구 홀더를 회전시키는데 필요한 한 개 이상의 구동 메커니즘을 포함한다. IDM은 하나 이상의 구동 메커니즘에 전력을 제공하기 위해 베이스를 수술 도구 홀더로 연통식(communicatively) 결합할 때 필요한 복수의 슬립 링(slip ring)을 더 포함한다.

부착 인터페이스는 수술 도구에 위치한 복수의 장치 입력(instrument inputs)과 맞물릴 수 있는 하나 이상의 토크 커플러(torque coupler)를 포함한다. 토크 커플러는 토크 커플러를 회전시키는 액추에이터로 구동되며 이로 인하여 복수의 장치 입력을 회전시키고 그 결과 수술 도구의 복수의 엔드 이펙터를 구동시킨다. 복수의 토크 커플러는 부착 인터페이스로부터 바깥쪽으로 돌출되어 있고, 각각의 토크 커플러는 부착 인터페이스에서 바깥쪽으로 돌출된 제1 상태와 하우징(housing) 안으로 수축되는 제2 상태 간에 전이가 가능하다. 제2 상태에서, 복수의 토크 커플러가 복수의 장치 입력으로부터 분리되면(de-articulated), 수술 도구가 수술 도구 홀더 조립체로부터 제거될 수 있다. 수술 도구 홀더 조립체는 제1 상태와 제2 상태 간의 전이를 제어할 수 있도록 구성된 작동 메커니즘을 더 포함하여 수술 도구는 수술 도구 홀더 조립체에 해제 가능하게(releasably) 유지된다. 특정 실시예에서, 수술 도구의 외부 하우징은 회전 가능하여 이를 통해 작동 메커니즘을 구동시킨다. 이러한 도구 분리 구성은 수술 도구가 수술 도구 홀더 조립체로부터 분리 및 제거될 때 환자의 원위 방향으로 이루어짐에 따라 수술 도구 제거 시 환자의 안전을 개선시킨다.

본 발명의 실시예는 수술 로봇 시스템의 IDM을 위한 수술용 드레이프(drape)를 포함한다. 수술용 드레이프는 IDM과 수술용 암의 적어도 일부를 덮을 수 있도록 구성된 멸균 시트(steril sheet)를 포함한다. 제1 돌출부와 제2 돌출부는 멸균 시트에 부착되며, 각 돌출부는 IDM의 통로 안으로 삽입 가능하다. 제1, 제2 돌출부는 통로 안으로 삽입된 후 서로 결합하도록 구성된 유지 인터페이스를 각각 포함하고 있다. 제1, 제2 돌출부는 또한 수술 도구의 세장형 본체를 수용하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 제1 돌출부는 외륜(outer ring) 내부에 회전 가능하게 동축적으로 유지되어 있는 내부 디스크와 연결될 수 있다. 내부 디스크는 IDM의 부착 인터페이스를 덮도록 구성된다. 이런 구성을 통해 IDM이 수술 도구의 축을 중심으로 지속적인 회전 또는 롤링하도록 구성되어 있을 때 내부 디스크는 IDM에 부착된 수술 도구와 함께 자유롭게 회전할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 인터페이스는 또한 멸균 시트에 회전 가능하게 부착될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 위한 명령 콘솔을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기의 사시도를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 도 3의 기구 장치 조작기의 측면 뷰를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 도 3의 기구 장치 조작기에 유지된 수술 도구 예의 분해 조립도의 정면 사시도를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 도 3의 기구 장치 조작기에 유지된 수술 도구 예의 분해 조립도의 후면 사시도를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 수술 도구 홀더에 수술 도구가 결합 및 분리되는 작동 메커니즘을 확대한 사시도를 도시한다.
도 8A와 8B는 일 실시예에 따라 수술 도구를 멸균 어댑터로 부착 및 분리하는 과정을 도시한다.
도 9A와 9B는 추가적인 실시예에 따라 수술 도구를 멸균 어댑터로 부착 및 분리하는 과정을 도시한다.
도 10A는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기 내부에서 수술 도구 홀더를 롤링하는 메커니즘의 사시도를 도시한다.
도 10B는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기의 단면도를 도시한다.
도 11A와 11B는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기의 내부 요소와 그 요소의 특정 전기 부품의 부분적인 분해 사시도를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 수술 도구 홀더를 롤 색인(roll indexing) 하기 위한 기구 장치 조작기의 전기 부품의 확대된 사시도를 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템의 기구 장치 조작기를 위한 수술용 드레이프의 단면도를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 수술 도구 홀더의 수술용 드레이프의 상호 결합 인터페이스의 단면도를 도시한다.
도 15는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기를 위한 수술용 드레이프의 멸균 어댑터의 단면도를 도시한다.
도 16은 추가 실시예에 따른 기구 장치 조작기를 위한 수술용 드레이프의 단면도를 도시한다.
도 17은 일 실시예에 따른 수술 도구와 기구 장치 조작기 사이의 전력과 데이터 전송을 위한 광학적 인터페이스를 도시한다.
도면들은 단지 예시를 위해 본 발명의 실시예를 나타낸다. 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 명세서에 설명하는 구조와 방법의 대안적 실시예들이 본 명세서에 설명된 발명의 원리에서 벗어나지 않고 적용될 수 있다는 점을 후술된 내용을 통해 쉽게 이해할 것이다.

I. 수술 로봇 시스템

도 1은 수술 로봇 시스템(100)의 실시예를 도시한다. 수술 로봇 시스템(100)은 로봇 암(102)과 같은 한 개 이상의 로봇 암과 결합된 베이스(101)를 포함한다. 베이스(101)는 명령 콘솔과 연통식 연결되어 있으며 본 명세서에서 도 2와 관련하여 추가 설명 된다. 베이스(101)는 로봇 암(102)이 환자에게 수술 절차를 수행할 수 있도록 접근을 제공하며 이와 동시에 의사와 같은 사용자가 명령 콘솔을 사용해 수술 로봇 시스템(100)을 편리하게 제어할 수 있도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 베이스(101)는 환자를 눕힐 수 있는 수술대 또는 침대와 결합될 수 있다. 명확성을 위해 도 1에는 도시되지는 않았으나 베이스(101)는 제어 전자 기기, 공기압, 전력 공급원, 광학 공급원 및 이와 같은 서브시스템을 포함할 수 있다. 로봇 암(102)은 조인트(111)로 연결된 복수의 암 단편(arm segment)(110)을 포함하며, 예컨대 7개의 암 단편은 이에 대응하는 7 자유도가 있듯이, 로봇 암(102)에게 복수의 자유도를 제공한다. 베이스(101)는 전력 공급원(112), 공기압 (113), 중앙처리장치(CPU), 데이터 버스, 제어전자회로, 메모리와 같은 구성요소를 포함하는 제어 및 센서 전자기기(114) 및 로봇 암(102)을 움직이는 모터와 같은 관련 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있다. 베이스(101)에 있는 전자기기(114)는 명령 콘솔과 통신한 제어 시그널을 처리, 전송할 수 있다.

일부 실시예에서, 베이스(101)는 수술 로봇 시스템(100)을 이동하기 위한 바퀴(115)를 포함한다. 수술 로봇 시스템(100)의 이동성은 공간의 제약이 있는 수술실 환경에 적합할 뿐만 아니라 수술용 장치가 적절한 곳에 위치하고 이동 되도록 돕는다. 또한, 이동성을 통해 로봇 암(102)이 환자, 의사, 마취과 의사 또는 그 외 어떤 장치와도 방해되지 않도록 로봇 암(102)을 구성할 수 있다. 시술 동안에 사용자는 명령 콘솔과 같은 제어 기기를 사용해서 로봇 암(102)을 제어 할 수 있다.

일부 실시예에서, 로봇 암(102)은 로봇 암(102)의 위치를 그대로 유지하기 위해 브레이크 및 카운터-밸런스(counter-balance)의 조합을 사용하는 셋업 조인트(set up joint)를 포함한다. 카운터-밸런스는 가스 스프링 또는 코일 스프링으로 구성될 수 있다. 페일-세이프(fail safe) 브레이크와 같은 브레이크는 기계적 및/또는 전기적 부품으로 구성될 수 있다. 또한, 로봇 암(102)은 중력 보조식 수동 지원(gravity-assisted passive support) 타입의 로봇 암일 수 있다.

각 로봇 암(102)은 메커니즘 교환기 인터페이스(Mechanism Changer Interface, MCI)(116)를 통하여 기구 장치 조작기(Instrument Device Manipulator, IDM)(117)에 결합될 수 있다. IDM(117)은 예컨대, 내시경을 조작하는 제1 종류의 IDM이나 이와 달리 복강경을 조작하는 제2 종류의 IDM과 같이 다른 종류의 IDM으로 제거 및 교체 될 수 있다. MCI(116)는 공기압, 전력, 전기 신호 및 광학적 신호를 로봇 암(102)에서 IDM(117)으로 보내기 위한 커넥터를 포함한다. MCI(116)는 세트 스크류(set screw)나 베이스 플레이트 커넥터(base plate connector) 일 수 있다. IDM(117)은 다이렉트 드라이브(direct drive), 하모닉 드라이브(harmonic drive), 기어 드라이브(gear drive), 벨트 및 도르래, 자기 드라이브(magnetic drive) 등과 같은 기술을 사용해 내시경(118)과 같은 수술 기구를 조작한다. MCI(116)는 IDM(117)의 종류에 따라 교체될 수 있으며 특정 종류의 수술 절차에 맞춤화될 수 있다. 로봇 암(102)은 KUKA AG® LBR5 로봇 암과 같이 원위 단부에 조인트 레벨 토크 감지부와 손목을 포함할 수 있다.

내시경(118)은 (가령, 인체 조직과 같은) 해부구조의 영상을 촬영하기 위해 환자의 해부구조 내로 삽입되는 관 모양의 유연한 수술 기구이다. 특히, 내시경(118)은 (가령, 카메라 또는 센서와 같은) 한 개 이상의 촬상 기기를 포함하여 이미지를 촬영한다. 촬상 기기는 광섬유, 광섬유 배열 또는 렌즈와 같은 한 개 이상의 광학적인 구성요소를 포함할 수 있다. 광학적 구성요소는 내시경(118)의 선단의 움직임에 맞춰 촬상 기기의 촬영 이미지가 바뀔 수 있도록 내시경(118)의 선단을 따라 움직인다. 본 내용 전반에 걸쳐 내시경이 주요 사례로 사용되고 있지만, 수술 로봇 시스템(100)은 다양한 수술 기구들과 함께 사용될 수 있는 것을 이해할 수 있다.

일부 실시예에서, 수술 로봇 시스템(100)의 로봇 암(102)은 세장형 이동 부재를 사용하여 내시경(118)을 조작한다. 세장형 이동 부재는 푸쉬 또는 풀 와어어라고도 불리는 풀-와이어(pull-wires), 케이블, 섬유조직, 또는 유연한 샤프트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로봇 암(102)은 내시경(118)에 결합된 여러 개의 풀-와이어를 작동시켜서 내시경(118)의 선단의 방향을 바꾼다. 풀-와이어는 스테인리스강, 케블라(Kevelar), 텅스텐(tungsten), 탄소섬유 등과 같은 금속과 비금속 모두를 포함할 수 있다. 세장형 이동 부재에 의해 힘이 가해지면 내시경(118)은 비선형 행태를 보인다. 비선형 행태는 내시경(118)의 강성과 압축성뿐만 아니라 다른 세장형 이동 부재들 간의 느슨함 또는 강성에서의 가변성(variability)에 기인할 것이다.

수술 로봇 시스템(100)은 예를 들어 컴퓨터 프로세서와 같은 제어기(120)를 포함한다. 제어기(120)는 교정 모듈(125), 이미지 등록 모듈(130) 및 교정 저장부(135)를 포함한다. 교정 모듈(125)은 경사도, 이력현상 및 데드존값(dead zone values)과 같은 파라미터와 더불어 구분적 선형 반응(piecewise linear responses) 모델을 사용해서 비선형 행태를 특정 지을 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)이 파라미터 값을 정확하게 산정할 수록 내시경(118)을 보다 정확하게 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(120)의 일부 또는 전체 기능은 수술 로봇 시스템(100)의 외부에서 예를 들어, 수술 로봇 시스템(100)과 연통식 결합된 다른 컴퓨터 시스템이나 서버에서 수행된다.

II. 명령 콘솔

도 2는 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템(100)을 위한 명령 콘솔(200)을 도시한다. 명령 콘솔(200)은 콘솔 베이스(201), 모니터와 같은 디스플레이 모듈(202) 및 키보드(203)와 조이스틱(204)과 같은 제어 모듈을 포함한다. 일부 실시예에서, 한 개 이상의 명령 모듈(200) 기능은 수술 로봇 시스템(100) 또는 수술 로봇 시스템(100)과 연통식 결합된 다른 시스템의 베이스(101)에 통합될 수 있다. 의사와 같은 사용자(205)는 인체공학적인 자세로 명령 콘솔(200)을 사용해서 수술 로봇 시스템(100)을 원격 제어한다.

콘솔 베이스(201)는 예컨대 도 1에 도시된 내시경(118)으로부터 카메라 영상 데이터 및 트랙킹 센서 데이터와 같은 신호의 분석 및 처리를 책임지는 중앙 처리 장치, 메모리 장치, 데이터 버스, 관련 데이터 통신 포트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 부하 분산(load-balancing)을 위해 콘솔 베이스(201)와 베이스(101) 모두 신호 처리를 수행한다. 콘솔 베이스(201)는 또한 제어 모듈(203, 204)을 통해 사용자(205)로부터 입력된 명령과 지시를 처리할 수 있다. 제어 모듈은 도 2에 도시된 키보드(203)와 조이스틱(204)뿐만 아니라 컴퓨터 마우스, 트랙 패드, 트랙 볼 제어 패드, 비디오 게임 제어기 및 (가령, 동작 센서나 카메라와 같이) 손짓과 손가락 움직임을 캡쳐하는 센서 등과 같은 다른 기기 또한 포함할 수 있다.

사용자(205)는 속도 모드 또는 위치 제어 모드로 설정된 명령 콘솔(200)을 사용해서 내시경(118)과 같은 수술 기구를 제어할 수 있다. 속도 모드에서 사용자(205)는 직접 수동 제어를 기반으로 제어 모듈을 사용해 내시경(118)의 원위 단부의 피치, 요 움직임을 직접 제어한다. 예를 들어 조이스틱(204)의 움직임은 내시경(118)의 원위 단부의 요, 피치 움직임과 맵핑될 수 있다. 조이스틱(204)은 사용자(205)에게 햅틱 피드백을 전달한다. 예를 들어, 내시경(118)이 특정 방향으로 더 이상 이동 또는 회전할 수 없을 때 이를 나타내기 위해 조이스틱(204)에서 진동이 발생한다. 명령 콘솔(200)은 또한 내시경(118)이 이동 또는 회전의 최대치에 도달 했을 때 (팝업메시지와 같은) 시각 피드백 및/또는 (삐 소리와 같은) 오디오 피드백을 제공할 수 있다.

위치 제어 모드에서, 명령 콘솔(200)은 환자의 3차원(3D) 지도와 환자의 기 설정된 컴퓨터 모델을 사용해서 내시경(118)과 같은 수술 기구를 제어한다. 명령 콘솔(200)은 목표 위치까지 내시경(118)을 조작할 수 있도록 수술 로봇 시스템(100)의 로봇 암(102)으로 제어 시그널을 보낸다. 위치 제어 모드는 3차원 맵에 의존하고 있기 때문에 환자의 정확한 해부학적 맵핑 정보를 필요로 한다.

일부 실시예에서 사용자(205)는 명령 콘솔(200)을 사용하지 않고 수술 로봇 시스템(100)의 로봇 암(102)을 수동적으로 조작할 수 있다. 수술실을 세팅하는 동안 사용자(205)는 로봇 암(102), 내시경(118) 및 다른 수술 장비들이 환자에 접근할 수 있도록 이동 시킬 수 있다. 수술 로봇 시스템(100)은 로봇 암(102)과 장비를 적절하게 구성하기 위해 사용자(205)의 힘 피드백과 관성제어에 의존할 수 있다.

디스플레이 모듈(202)은 전자 모니터, 고글, 안경과 같은 가상 현실 관찰 장치 및/또는 다른 디스플레이 기기 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서 디스플레이 모듈(202)은 예를 들어 터치스크린이 있는 테블릿 기기와 같이 제어 모듈과 통합될 수 있다. 뿐만 아니라 사용자(205)는 통합된 디스플레이 모듈(202)과 제어 모듈을 사용하여 시각적 데이터를 볼 수도 있고 수술 로봇 시스템(100)에 명령을 입력할 수도 있다.

디스플레이 모듈(202)은 바이저(visor) 또는 고글과 같은 입체 장치를 사용해서 3차원 이미지를 보여 줄 수 있다. 환자의 해부학의 컴퓨터 3D 모델인 “엔도뷰(endo view)”, 즉 내시경 관점 사진을 3차원 이미지로 제공한다. “엔도뷰”는 환자의 몸 안의 가상 환경 및 환자 내부에서 내시경(118)의 예상 위치를 제공한다. 사용자(205)는 “엔도뷰” 모델과 실제 카메라 캡쳐 이미지를 비교함으로써 환경에 대해 적응하고 내시경(118)이 환자 내부에서 정확한 위치 또는 거의 정확한 위치에 있는지 여부를 확인할 수 있다. “엔도뷰”는 내시경(118)의 원위 단부 주변의 환자의 창자와 결장의 모양과 같은 해부학 구조에 대한 정보를 제공한다. 디스플레이 모듈(202)은 내시경(118)의 원위 단부 주변의 해부학적 구조에 대한 3D 모델과 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 동시에 보여줄 수 있다. 뿐만 아니라 디스플레이 모듈(202)은 내시경(118)의 기 결정된 최적의 항행(navigation) 경로를 3D 모델과 CT 스캔에 중첩(overlay)시켜 보여줄 수 있다.

일부 실시예에서, 내시경(118) 모델은 수술 절차의 상태를 나타내는데 도움을 주는 3D모델과 함께 보여진다. 예를 들어 CT스캔은 해부학 구조에서 생검(biopsy)이 필요할 수 있는 병변(lesion)을 확인해 준다. 수술이 진행되는 동안 디스플레이 모듈(202)은 내시경(118)의 현 위치에 대응하는 내시경(118)의 캡쳐 이미지를 참고로 보여줄 수 있다. 디스플레이 모듈(202)은 사용자 설정과 특정 수술 절차에 따라 자동으로 내시경(118) 모델의 다른 시야를 보여줄 수 있다. 예를 들어 내시경(118)이 환자의 수술 부위로 근접해 가는 항행 절차 중에 디스플레이 모듈(202)은 내시경(118)의 오버 헤드 형광투시 뷰(overhead fluoroscopic view)를 보여준다.

III. 기구 장치 조작기

도3은 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기(IDM)(300)의 사시도를 도시하며 도 4는 IDM(300)의 측면도를 도시한다. IDM(300)은 수술 도구가 수술 도구의 중심축을 중심으로 지속적으로 회전 또는 “롤” 가능한 방식으로 로봇 수술 암에 수술 도구를 부착하도록 구성된다. IDM(300)은 베이스(302)와 수술 도구 홀더 조립체(304)를 포함한다. 수술 도구 홀더 조립체(304)는 또한 외부 하우징(306), 수술 도구 홀더(308), 부착 인터페이스(310), 통로(312) 및 복수의 토크 커플러(314)를 포함한다. IDM(300)과 함께 사용되는 다양한 수술 도구(도 3에는 미도시)는 하우징과 세장형 본체를 갖을 수 있으며, 복강경, 내시경 또는 다른 종류의 수술 기구의 엔드 이펙터를 위한 도구일 수 있다.

베이스(302)는 IDM(300)을 수술 로봇 시스템의 수술 로봇 암에 탈착 가능하거나 고정적으로 탑재시킨다. 도 3의 실시예에서, 베이스(302)는 수술 도구 홀더 조립체(304)의 외부 하우징(306)에 고정적으로 부착되어 있다. 대안적인 실시예에서 베이스(302)는 수술 도구 홀더(308)를 회전 가능하게 수용하는데 적합한 플랫폼을 부착 인터페이스(310)의 반대 면에 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 플랫폼은 수술 도구의 세장형 본체를 수용할 수 있는 통로(312)와 정렬된 통로를 포함할 수 있으며 일부 실시예에서는 추가적인 제2 수술 도구의 세장형 본체가 제1 수술 도구와 동축 정렬되어 탑재될 수도 있다.

수술 도구 홀더 조립체(304)는 수술 도구를 IDM(300)에 유지시키고 수술 도구를 베이스(302)에 대해 회전하도록 구성할 수 있다. 수술 암에서부터 베이스(302) 그리고 수술 도구 홀더 조립체(304)로 이어지는 기계 및 전기적 연결을 통해 수술 도구 홀더(308)를 외부 하우징(306)에 상대적으로 회전시키고 수술 암에서 수술 도구 홀더(308) 그리고 최종적으로 수술 도구로 전력 및/또는 신호를 조작 및/또는 전달한다. 신호는 공기압, 전력, 전기 신호 및/또는 광 신호가 포함될 수 있다.

외부 하우징(306)은 수술 도구 홀더 조립체(304)에 베이스(302)에 대한 지지력을 제공한다. 외부 하우징(306)은 베이스(302)에 고정적으로 부착되어 베이스(302)에 부동의 상태를 유지하는 동시에 수술 도구 홀더(308)가 외부 하우징(306)에 대해 자유롭게 회전할 수 있도록 한다. 도 3의 실시예에서 외부 하우징(306)은 원통 모양으로 수술 도구 홀더(308)를 완전히 감싼다. 외부 하우징(306)은 금속이나 하드플라스틱과 같은 단단한 소재로 구성될 수 있다. 대안적 실시예에서 하우징의 모양은 다를 수 있다.

수술 도구 홀더(308)는 IDM(300)의 부착 인터페이스(310)를 통해 수술 도구를 유지시킨다. 수술 도구 홀더(308)는 외부 하우징(306)과 독립적으로 회전가능하다. 수술 도구 홀더(308)는 수술 도구가 수술 도구 홀더(308)와 함께 회전 할 수 있도록 수술 도구의 세장형 본체와 동축 정렬되는 회전축(316)을 중심으로 회전한다.

부착 인터페이스(310)는 수술 도구 홀더(308)에서 수술 도구와 부착하는 표면이다. 부착 인터페이스(310)는 부착 메커니즘의 제1 부분을 포함하고 있으며 이와 상호 정합하는 부착 메커니즘의 제2 부분은 수술 도구에 위치하며 도 8A와 8B와 관련하여 더 자세하게 후술된다. 부착 인터페이스(310)는 부착 인터페이스(310)로부터 밖으로 돌출되어 있으며 수술 도구의 장치 입력과 각각 결합하는 복수의 토크 커플러(314)를 포함한다. 일부 실시예에서, 멸균 어댑터와 결합된 수술용 드레이프는 IDM(300)과 수술 도구 사이에 멸균 경계를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이들 실시예에서 수술 도구가 IDM(300)에 유지되어 있을 때 멸균 어댑터는 부착 인터페이스(310)와 수술 도구 사이에 위치되어 수술용 드레이프가 수술 도구와 환자를 IDM(300)과 수술 로봇 시스템으로부터 분리시킨다

통로(312)는 수술 도구가 부착 인터페이스(310)에 유지되어 있을 때 수술 도구의 세장형 본체를 수용하도록 구성된다. 도 3의 실시예에서 통로(312)는 수술 도구의 세장형 본체의 세로축과 수술 도구 홀더(308)의 회전축(316)과 동축 정렬된다. 통로(312)는 수술 도구의 세장형 본체가 통로(312) 내에서 자유롭게 회전 할 수 있도록 한다. 상기 구성을 통해 수술 도구는 아무런 제약 없이 또는 최소한의 제약으로 회전축(316)을 중심으로 지속적인 양방향 회전 또는 “롤” 할 수 있다.

복수의 토크 커플러(314)는 수술 도구가 수술 도구 홀더(308)에 유지되어 있을 때 수술 도구의 구성요소를 결합하고 구동시키도록 구성된다. 각각의 토크 커플러(314)는 수술 도구에 위치한 장치 입력에 각각 삽입된다. 복수의 토크 커플러(314)는 수술 도구와 수술 도구 홀더(308) 간 회전 정렬을 유지하도록 하는 역할을 할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 토크 커플러(314)는 부착 인터페이스(310)로부터 바깥으로 돌출된 원통 모양의 돌출부이다. 노치(notch)(318)가 원통형 돌출부의 외부 표면을 따라 배열될 수 있다. 일부 실시예에서 노치(318)의 배열은 스플라인(spline) 인터페이스를 만든다. 수술 도구에 위치한 장치 입력은 토크 커플러(314)와 상보적 형태로 구성된다. 예를 들어, 도 3에는 도시되지는 않았으나, 수술 도구에 위치한 장치 입력은 원통형 모양으로 각각의 토크 커플러(314)에 위치한 복수의 노치와 서로 결합하는 복수의 융선(ridge)을 갖고 있으며 따라서 토크 노치(318)로 전달한다. 대안적 실시예에서 원통형 돌출부의 상부면은 복수의 노치(318)를 포함할 수 있고 이는 장치 입력의 복수의 융선들과 각각 결합되도록 구성된다. 이 구성에서 각각의 토크 커플러(314)는 각각의 장치 입력과 완전히 결합된다.

추가로 각각의 토크 커플러(314)는 토크 커플러가 이동하도록 돕는 스프링(spring)과 결합될 수 있다. 도3의 실시예에서 스프링으로 인해 각각의 토크 커플러(314)는 부착 인터페이스(310)로부터 바깥쪽으로 튕겨지는 편향을 갖는다. 스프링은 부착 인터페이스(310)로부터 연장됐다가 수술 도구 홀더(308) 쪽으로 수축되는 축 방향 이동을 하도록 구성된다. 일부 실시예에서 각각의 토크 커플러(314)는 수술 도구 홀더(308) 안쪽으로 부분적으로 수축될 수 있다. 다른 실시예에서 각각의 토크 커플러(314)는 수술 도구 홀더(308) 안쪽으로 완전히 수축되어 각각의 토크 커플러와 부착 인터페이스(310)의 상대적인 높이 차이가 0이 되도록 할 수 있다. 도 3의 실시예에서 각 토크 커플러(314)의 이동은 작동 메커니즘에 의해 구동되며 이는 도 7-8과 관련하여 더욱 자세히 설명된다. 다양한 실시예에서 각 토크 커플러(314)는 단일 스프링, 복수의 스프링 또는 각각의 토크 커플러를 위한 스프링과 결합될 수 있다.

뿐만 아니라 각각의 토크 커플러(314)는 토크 커플러를 양 방향으로 회전시키는 액추에이터에 의해 구동된다. 따라서 장치 입력과 결합되면 각 토크 커플러(314)는 전력을 전송해서 수술 도구 내에서 풀 와이어를 팽팽하게 또는 느슨하게 하여 수술 도구의 엔드 이펙터를 조작한다. 도 3의 실시예에서, IDM(300)은 5개의 토크 커플러(314)를 포함하고 있지만 이 개수는 다른 실시예에서 수술 도구의 엔드 이펙터의 원하는 자유도의 개수에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 멸균 어댑터와 결합된 수술용 드레이프는 IDM(300)과 수술 도구 사이에 멸균 경계를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이들 실시예에서 멸균 어댑터는 수술 도구가 IDM(300)에 유지되어 있을 때 부착 인터페이스(310)와 수술 도구 사이에 위치하여 멸균 어댑터가 토크 커플러(314)로부터 각각의 장치 입력으로 전력을 전송할 수 있도록 구성 될 수 있다.

도 3에 도시된 IDM(300)의 실시예는 다양한 구성으로 수술 로봇 시스템과 사용될 수 있다. 원하는 구성은 환자에게 수행하는 수술 절차의 종류 또는 수술 절차 중 사용되는 수술 도구의 종류에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어 내시경 시술 시 원하는 IDM(300)의 구성은 복강경 시술을 위한 구성과 다를 수 있다.

제1 구성에서 IDM(300)은 수술용 암에 탈착 가능하게 또는 고정적으로 부착되어 수술 절차 동안 부착 인터페이스(310)는 환자의 근위부에 위치한다. 이하 “프론트-마운트 구성(front-mount configuration)”으로 지칭되는 이 구성에서 수술 도구는 IDM(300)의 환자의 근위면에 유지된다. 프론트-마운트 구성과 사용되는 수술 도구는 수술 도구의 세장형 본체가 수술 도구의 부착 인터페이스의 반대쪽 면으로부터 연장되도록 구성 된다. 프론트-마운트 구성에서 IDM(300)으로부터 수술 도구가 제거될 때 수술 도구는 환자와 근위 방향으로 제거될 것이다.

제2 구성에서 IDM(300)은 수술용 암에 탈착 가능하게 또는 고정적으로 부착되어 수술 절차 동안 부착 인터페이스(310)는 환자의 원위부에 위치한다. 이하 “백-마운트 구성(back-mount configuration)”으로 지칭되는 이 구성에서 수술 도구는 IDM(300)의 환자의 원위면에 유지된다. 백-마운트 구성과 사용되는 수술 도구는 수술 도구의 세장형 본체가 수술 도구의 부착 인터페이스로부터 연장되도록 구성된다. 이 구성을 통해 도구는 환자에게 보다 안전한 방식으로 IDM(300)에서 제거될 수 있다. 수술 도구가 백-마운트 구성의IDM(300)에서 제거될 때 수술 도구는 환자의 원위 방향으로 제거될 것이다.

수술 도구는 IDM의 프론트-마운트 구성 또는 백-마운트 구성 중 어느 것과도 함께 사용될 수 있도록 특정한 설정으로 구성될 수 있다. 이들 구성에서, 수술 도구는 수술 도구 양단부 모두 부착 인터페이스를 포함한다. 어떤 수술절차의 경우 의사는 수행하는 수술절차의 종류에 따라 IDM의 구성을 결정할 수 있다. 예를 들어 복강경 수술 도구는 다른 수술 도구들과 비교해서 특별히 길기 때문에 복강경 수술 시에는 백-마운트 구성이 이로울 수 있다. 의사가 폐 또는 혈관과 같이 환자의 원격지로 수술 도구의 원위 단부를 이동시켜야 하는 등 수술 절차 동안 수술 도구를 이동시킬 때 복강경 수술 도구는 길기 때문에 수술 암은 더 큰 호를 그리며 움직여야 한다. 유익하게는, 백-마운트 구성은 세장형 본체의 부분이 통로(312)를 통해 수용되기 때문에 수술 도구의 실질적인 도구 길이를 줄여주며 이에 따라 수술 암이 수술 도구를 위치시키기 위해 필요한 호의 길이를 줄여준다.

도 5-6은 일 실시예에 따른 도 3의 기구 장치 조작기(300)에 유지된 수술 도구(500) 예의 분해 사시도를 도시한다. 수술 도구(500)는 하우징(502), 세장형 본체(504) 및 복수의 장치 입력(600)을 포함한다. 상기 설명된 바와 같이 세장형 본체(504)는 복강경, 내시경 또는 엔드 이펙터를 갖춘 다른 수술 장치일 수 있다. 도시된 바와 같이 복수의 토크 커플러(314)는 부착 인터페이스(310)로부터 바깥쪽으로 돌출되어 수술 도구의 장치 입력(600)과 결합한다. 장치 입력(600)의 구조는 도 6에 도시되어 있으며 장치 입력(600)은 수술 도구와의 안정적인 결합하기 위해 토크 커플러(314)에 대응하는 형태를 갖는다.

수술 절차 동안 IDM(300)과 외부 환경(즉, 수술실) 간의 멸균 영역을 나누기 위해 수술용 드레이프가 사용될 수 있다. 도 5-6의 실시예에서 수술 드레이프는 멸균 어댑터(506), 제1 돌출부(508), 제2 돌출부(510)를 포함한다. 도 5-6에는 도시되지 않았지만 멸균 영역을 나누기 위해 멸균 시트는 멸균 어댑터와 제2 돌출부와 연결되어 있으며 IDM(300) 주변을 감싼다.

멸균 어댑터(506)는 IDM(300)에 유지되어 있을 때 IDM(300)과 수술 도구(500) 사이에 멸균 인터페이스를 조성하도록 구성된다. 도 5-6의 실시예에서, 멸균 어댑터(506)는 IDM(300)의 부착 인터페이스(310)을 덮기 위해 디스크 모양의 형태로 구성된다. 멸균 어댑터(506)는 수술 도구(500)의 세장형 본체(504)를 수용하도록 구성된 중앙 구멍(508)을 포함한다. 이 구성에서 멸균 어댑터(506)는 수술 도구(500)가 IDM(300)에 유지되어 있을 때 부착 인터페이스(310)와 수술 도구(500) 사이에 위치하여 수술 도구(500)와 IDM(300) 간의 멸균 경계를 생성하고 세장형 본체(504)가 통로(312)를 통과할 수 있도록 한다. 특정 실시예에서 멸균 어댑터(506)는 수술 도구 홀더(308)와 함께 회전가능하며, 복수의 토크 커플러(314)에서 수술 도구(500)로 회전토크를 전송할 수 있으며, IDM(300)과 수술 도구(500) 사이에 전기 신호를 전달할 수 있고 이 중 일부 기능의 조합도 가능하다.

도 5-6의 실시예에서 멸균 어댑터(506)는 또한 복수의 커플러(512)를 포함한다. 커플러(512)의 제1 면은 각각의 토크 커플러(314)와 결합하도록 구성되었고 커플러(512)의 제2면은 각각의 장치 입력(600)과 결합하도록 구성되었다. 복수의 토크 커플러(314)의 구조와 유사하게 각각의 커플러(512)는 복수의 노치를 포함하는 원통형 돌출부로 구성된다. 커플러(512)의 각 면은 각각의 토크 커플러(314) 및 장치 입력(600)와 완전히 결합되기 위한 상보적 형태로 구성된다. 커플러(512)는 각각의 토크 커플러(314)와 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하도록 구성된다. 이 구성은 각각의 커플러(512)가 IDM(300)의 복수의 토크 커플러(314)로부터 수술 도구(500)의 복수의 장치 입력(600)으로 회전토크를 전송하고 이에 따라 수술 도구(500)의 엔드 이펙터를 제어하도록 한다.

제1 돌출부(508)와 제2 돌출부(510)는 IDM(300)의 통로(312)를 통과하여 통로(312) 안에서 서로 결합되도록 구성되었다. 각각의 돌출부(508)(510)는 세장형 본체(504)가 돌출부를 통과하고 이에 따라 통로(312)를 통과할 수 있는 구조로 되어 있다. 제1 돌출부(508)와 제2 돌출부(510)의 연결은 IDM(300)과 외부 환경(즉 수술실) 사이에 멸균 경계를 생성한다. 수술용 드레이프는 도 13-16과 관련하여 더 자세히 후술된다.

IV. 수술 도구 분리

도7은 일 실시예에 따른 수술용 드레이프의 멸균 어댑터(506)으로부터 수술용 도구(500)의 결합 및 분리를 위한 작동 메커니즘의 확대된 사시도를 나타낸다. 도 3과 관련하여 설명된 IDM(300)의 구성으로 인하여 수술 절차 중 수술 도구가 환자 내 삽입되는 중심축과 수술 도구 제거의 중심축은 일치한다. 수술 도구 제거 시 환자의 안전을 보장하기 위해 수술 도구(500)는 수술 도구(500)를 제거하기 전 멸균 어댑터(506)와 IDM(300)으로부터 분리될 수 있다. 도 7의 실시예에서 복수의 커플러(512)는 멸균 어댑터(506)로부터 연장되거나 수축하는 축 방향 이동을 하도록 구성된다. 복수의 커플러(512) 이동은 복수의 커플러(512)를 각각의 장치 입력(600)로부터 분리시켜 수술 도구(500)를 분리시키는 작동 메커니즘에 의해 구동된다. 작동 메커니즘은 웨지(wedge)(702)와 푸셔 플레이트(pusher plate)(704)를 포함한다.

웨지(702)는 수술 도구 분리 과정 중 푸셔 플레이트(704)를 작동시키는 구성 요소이다. 도 7의 실시예에서 웨지(702)는 수술 도구(500)의 하우징(502) 안쪽에 하우징(502)의 외주를 따라 위치해 있다. 도시된 바와 같이, 수술 도구(500)의 하우징(502)이 멸균 어댑터(506)에 대해 시계방향으로 회전되면 웨지(702)는 푸셔 플레이트(704)와의 접촉을 통해 푸셔 플레이트(704)가 멸균 어댑터(506) 안쪽으로 눌려 들어가지도록 위치한다. 대안적 실시예에서 웨지(702)는 수술 도구(500)의 하우징(502)이 시계방향이 아닌 반시계방향으로 회전되도록 구성될 수 있다. 회전시 푸쉬 플레이트가 눌려 지는 효과만 얻을 수 있다면 웨지가 아닌 아치형의 램프(ramp)와 같은 다른 모양이 사용될 수 있다.

푸셔 플레이트(704)는 수술 도구(500)에서 복수의 커플러(512)를 분리하는 액추에이터다. 복수의 토크 커플러(314)와 유사하게 각각의 커플러(512)는 커플러(512)가 멸균 어댑터(506)로부터 바깥으로 튕겨지는 편향을 갖도록 하는 한 개 이상의 스프링과 결합될 수 있다. 복수의 커플러(512)는 또한 멸균 어댑터(506)로부터 연장 및 수축하는 축 방향 이동을 하도록 구성된다. 푸셔 플레이트(704)는 커플러(512)의 병진운동(translational movement)을 작동시킨다. 웨지(702)가 푸셔 플레이트(704)를 누르면 푸셔 플레이트(704)는 각 커플러(512)와 결합된 한 개 또는 복수의 스프링을 압축시키게 되고 그 결과 커플러(512)는 멸균 어댑터(506) 안쪽으로 수축한다. 도 7의 실시예에서 푸셔 플레이트(704)는 복수의 커플러(512)를 동시에 수축시키도록 구성된다. 대안적인 실시예에서 커플러(512)는 특정 순서에 따라 또는 무작위로 수축될 수 있다. 도 7의 실시예에서 푸셔 플레이트(704)는 복수의 커플러(512)가 멸균 어댑터(506) 안으로 부분적으로 수축되도록 한다. 상기 구성을 통해 수술 도구(500)는 수술 도구(500)가 제거되기 전에 멸균 어댑터(506)로부터 분리될 수 있다(de-articulated). 상기 구성은 또한 사용자가 수술 도구(500)를 제거하지 않고 언제든 원하는 시점에 수술 도구(500)를 멸균 어댑터(506)로부터 분리시킬 수 있다. 대안적 실시예에서 복수의 커플러(512)는 멸균 어댑터(506) 안쪽으로 완전히 수축되어 토크 크플러(512)의 유효 높이가 0이 되도록 할 수도 있다. 일부 실시예에서 푸셔 플레이트(704)는 복수의 토크 커플러(314)와 각각의 복수의 커플러(512)가 함께 동시에 수축되도록 할 수 있다.

도 8A와 8B는 일 실시예에 따라 수술 도구가 멸균 어댑터로부터 결합, 분리하는 과정을 도시한다. 도 8A는 멸균 어댑터(506)와 수술 도구 (500)의 유지된 상태, 즉, 두 구성 요소가 서로 유지되고 복수의 커플러(512)는 수술 도구(500)의 장치 입력(600)과 완전하게 결합된 상태를 도시한다. 도 8A에 도시된 바와 같은 유지된 상태가 되려면, 수술 도구(500)의 세장형 본체(504)(미도시)는 수술 도구(500)와 멸균 어댑터(506)의 결합 면이 접촉하고 수술 도구(500)와 멸균 어댑터(506)가 래칭(latching) 메커니즘에 의해 서로 유지될 때까지 멸균 어댑터(506)의 중앙 구멍(508)(미도시)을 통과한다. 도 8A, 8B 실시예에서 래칭 메커니즘은 레지(ledge)(802)와 래치(latch)(804)를 포함한다.

레지(802)는 유지된 상태에서 래치(804)를 유지시켜 주는 구성 요소이다. 도 8A의 실시예에서 레지(802)는 수술 도구(500)의 하우징(502) 안쪽에 하우징(502)의 외주를 따라 위치해 있다. 도 8A에서 도시된 바와 같이 레지(802)는 래치(804)의 돌출부 아래 위치하여 도7과 관련하여 설명되었듯 복수의 커플러(512)의 튕겨 올라오는 성향 때문에 래치(804)와 이에 따른 멸균 어댑터(506)가 수술 도구(500)로부터 밀려나는 것을 방지한다.

래치(804)는 유지된 상태에서 레지(802)와 결합하는 구성요소이다. 도 8A의 실시예에서, 래치(804)는 멸균 어댑터(506)의 정합면으로부터 돌출되어 있다. 래치(804)는 수술 도구(500)가 멸균 어댑터(506)에 유지되어 있을 때 레지(802)에 대향하도록(rest against) 구성된 돌출부를 포함한다. 도 8A의 실시예에서, 수술 도구(500)의 하우징(502)은 수술 도구(500)의 나머지 부분들과는 독립적으로 회전할 수 있다. 이 구성은 하우징(502)이 멸균 어댑터(506)에 대해 회전할 때 레지(802)가 래치(804)에 유지되어 이에 따라 수술 도구(500)가 멸균 어댑터(502)에 유지될 수 있도록 한다. 도 8A의 실시예에서는 하우징(502)은 유지된 상태가 되기 위해 반시계방향으로 회전하지만 다른 실시예의 경우 시계방향으로 회전하도록 구성될 수도 있다. 대안적 실시예에서, 레지(802)와 래치(804)는 멸균 어댑터(506)와 수술 도구(500)를 유지된 상태로 교착시키기 위해 다양한 형태로 구성 될 수 있다.

도 8B 는 멸균 어댑터(506)와 수술 도구(500)의 비유지된 상태 즉, 수술 도구(500)가 멸균 어댑터(506)로부터 제거될 수 있는 상태를 도시한다. 상기 설명되었듯이 수술 도구(500)의 하우징(502)은 수술 도구(500)의 나머지 부분과 독립적으로 회전할 수 있다. 상기 구성은 복수의 커플러(512)가 수술 도구(500)의 장치 입력(600)과 결합되어 있을 때에도 하우징(502)은 회전할 수 있도록 한다. 유지된 상태에서 비유지된 상태로 전이하기 위해서 사용자는 수술 도구(500)의 하우징(502)을 멸균 어댑터(506)에 대해 시계방향으로 회전시킨다. 회전하는 동안 웨지(702)는 푸셔 플레이트(704)와 접촉하고 푸셔 플레이트(704)가 웨지(702)의 경사면에 밀려 지속적으로 눌러지면서 복수의 커플러(512)는 멸균 어댑터(506) 안쪽으로 수축해 들어가고 복수의 장치 입력(600)으로부터 분리된다. 추가적인 회전은 래치(804)가 웨지(702)와 유사한 구조의 축 캠(axial cam)(806)과 접촉되도록 한다. 래치(804)가 회전시 축 캠(806)과 접촉하면 축 캠(806)은 래치(804)가 수술 도구(500)의 바깥쪽으로 움직여서 레지(802)로부터 래치(804)가 분리되도록 한다. 도 8B의 실시예의 비유지 상태에서, 복수의 커플러(512)는 수축되며 수술 도구(500)는 멸균 어댑터(506)로부터 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 축 캠(806)은 회전시 래치(804)가 바깥쪽으로 움직일 수 있도록 하기 위한 다양한 형태로 구성될 수 있다.

대안적 실시예에서, 래치(804)를 레지(802)로부터 해제하기 위한 수술 도구(500)의 하우징(502)의 회전방향은 반시계방향이 되도록 구성할 수 있다. 추가로 대안적 실시예에서 유사한 구성요소가 포함될 수 있지만 구성요소의 위치는 멸균 어댑터(506)와 수술 도구(500) 간에 뒤바뀔 수 있다. 예를 들어 레지(802)는 멸균 어댑터(506) 위에 위치할 수 있으며 래치(804)는 수술 도구(500)에 위치할 수도 있다. 다른 실시예에서 멸균 어댑터(506)의 외부 부분은 수술 도구(500)의 하우징(502) 대신 복수의 커플러(512)에 대해 회전할 수 있다. 대안적인 실시예에서 하우징(502)이 장치 입력(600)에 대해 완전히 회전했을 때 수술 도구(500)의 하우징(502)의 회전을 잠그는(lock) 기능을 포함할 수 있다. 이 구성은 수술 도구가 장치 입력(600)이 커플러(512)로부터 분리되었을 때 회전되는 것을 방지한다. 일부 실시예에서, 커플러(512)의 수축 및 연장은 각각의 토크 커플러(314)의 수축 및 연장과 결합되어 있어서 토크 커플러(314)와 연결된 커플러(512)도 함께 이동한다.

도 9A와 9B는 추가 실시예에 따라 수술 도구가 멸균 어댑터로부터 수술 도구 결합 및 분리되는 과정을 도시한다. 도 9A와 9B의 실시예에서, 멸균 어댑터(900)는 수술 도구(904)를 멸균 어댑터(900)에 유지시키는 외부밴드(outer band)(902)를 포함할 수 있다. 도 9A와 9B에 도시된 바와 같이 수술 도구(904)는 하우징(908)의 외부 표면에 위치한 경사로(906)를 포함한다. 경사로(906)는 멸균 어댑터(900)의 외부 밴드(902)의 내부 표면에 위치한 원형의 돌출부(912)를 수용하도록 구성된 노치(910)을 포함한다. 외부 밴드(902)는 멸균 어댑터(900)와 수술 도구(904)에 대해 독립적으로 회전할 수 있다. 외부 밴드(902)가 제1 방향으로 회전할 때 원형의 돌출부(912)는 원형의 돌출부(912)가 노치(910) 안쪽에 끼워져 멸균 어댑터(900)와 수술 도구(904)를 함께 유지시킬 때까지 경사로(906) 표면을 따라 미끄러져 올라간다. 외부 밴드(902)가 제2 방향으로 회전 시 멸균 어댑터(900)와 수술 도구(904)는 서로 분리된다. 도 7-8과 관련하여 설명되었듯 특정 실시예에서 이러한 메커니즘은 멸균 어댑터(900)에 위치한 복수의 커플러(914)의 분리와 결합될 수 있다.

수술 도구 분리의 대안적 실시예로 임피던스(impedance) 모드와 같은 추가적인 기능을 포함할 수 있다. 임피던스 모드에서 수술 로봇 시스템은 수술 도구가 사용자에 의해 멸균 어댑터로부터 분리될 수 있는지의 여부를 제어할 수 있다. 사용자가 수술 도구의 외부 하우징을 회전하여 수술 도구를 멸균 어댑터로부터 해제시켜 분리 메커니즘을 가동시키더라도 수술 로봇 시스템은 장치 입력으로부터 커플러를 해제시키지 않을 수도 있다. 수술 로봇 시스템이 임피던스 모드로 전이되어야만 커플러가 해제되며 사용자는 수술용 도구를 제거할 수 있다. 수술 도구를 결부 상태로 유지함으로써 따르는 이점은, 수술 도구가 제거되기 전에 수술 로봇 시스템이 도구 제거를 위해 수술 도구의 엔드 이펙터를 제어해서 위치시킬 수 있기 때문에 수술 도구의 손상을 최소화 시킨다는 것이다. 임피던스 모드를 작동하려면 푸셔 플레이트(704)를 하드-스탑(hard-stop)시켜서 푸셔 플레이트가 특정 거리까지만 눌려지도록 할 수 있다. 일부 실시예에서 수술 도구의 하우징이 최대 회전 양에 도달하는 시점과 하드-스탑이 일치하도록 푸셔 플레이트의 하드-스탑을 조절할 수 있다. 따라서, 완전한 회전에 도달했을 때 하드-스탑 또한 푸셔 플레이트와 만나게 된다. 복수의 센서는 이러한 상황을 감지하고 임피던스 모드를 작동시킬 수 있다.

임피던스 모드가 바람직하지 않은 수술 절차 동안 특정 상황에서 긴급하게 도구를 제거해야 될 수도 있다. 일부 실시예에서 푸셔 플레이트의 하드-스톱은 컴플라이언스(compliance)를 갖을 수 있어서 긴급한 상황에서 하드-스톱이 양보할 수도 있다. 푸셔 플레이트의 하드-스탑은 스프링과 결합되어 추가 압력을 받으면 양보하게 할 수 있다. 다른 실시예에서, 푸셔 플레이트의 하드-스탑은 도구를 멸균 어댑터에 유지시켜주는 래치를 제거해 긴급하게 도구를 제거하는 유연하지 않은 방식으로 이뤄질 수도 있다.

V. 롤 메커니즘

도 10A는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기(300) 안에서 수술 도구 홀더(308)를 롤링하는 메커니즘의 사시도를 도시한다. 도 10A에 도시된 바와 같이 롤 메커니즘을 노출시키기 위해 부착 인터페이스(310)는 제거되었다. 이 메커니즘은 수술 도구 홀더(308)가 회전축(316)에 대해 지속적으로 양방향 회전 또는 롤링 할 수 있도록 한다. 롤 메커니즘은 고정자 기어(stator gear) (1002)와 회전자 기어(rotor gear)(1004)를 포함한다.

고정자 기어(1002)는 회전자 기어(1004)와 맞물리도록 구성된 부동의 기어다. 도 10A의 실시예에서 고정자 기어(1002)는 링의 내부 둘레를 따라 기어 이빨로 구성된 링 모양의 기어다. 고정자 기어(1002)는 부착 인터페이스(310) 뒤에 위치하여 외부 하우징(306)에 고정적으로 부착되어 있다. 고정자 기어(1002)는 회전자 기어(1004)와 동일한 이빨크기를 가지고 있어서 고정자 기어(1002)의 이빨은 회전자 기어(1004)의 이빨과 맞물리도록 구성된다. 고정자 기어(1002)는 금속이나 하드플라스틱과 같은 단단한 소재로 구성될 수 있다.

회전자 기어(1004)는 수술 도구 홀더(308)의 회전을 유도하도록 구성된 회전 기어다. 도 10A에 도시된 바와 같이 회전자 기어(1004)는 외부 둘레를 따라 기어 이빨로 구성된 원형 기어다. 회전자 기어(1004)는 부착 인터페이스(310) 뒤에 그리고 고정자 기어(1002)의 내부 둘레 안쪽에 위치하여 회전자 기어(1004)의 기어 이빨이 고정자 기어의 기어 이빨과 맞물린다. 앞서 설명되었듯이, 회전자 기어(1004)와 고정자 기어(1002)는 동일한 이빨 크기를 갖는다. 도 10A에 도시된 실시예에서 회전자 기어(1004)는 회전자 기어(1004)를 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하도록 하는 (가령, 모터 같은) 구동 메커니즘과 결합된다. 구동 메커니즘은 수술 도구 홀더 조립체(304) 내부에 위치한 통합 제어기로부터 신호를 수신할 수 있다. 구동 메커니즘에 의해 회전자 기어(1004)가 회전할 때 회전자 기어(1004)는 고정자 기어(1002)의 기어 이빨을 따라 이동하며 이로 인해 수술 도구 홀더(308)를 회전시킨다. 상기 구성에서 회전자기어(1004)는 지속적 양방향 회전이 가능하며 따라서 수술 도구 홀더(308)는 회전축(316)을 중심으로 무한 롤(infinite roll)을 가질 수 있다. 대안적 실시예에서 링 기어(ring gear) 및 피니언 기어(pinion gear) 구성과 같은 유사한 메커니즘을 사용하여 무한 롤을 제공할 수 있다.

도 10B는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기(300)의 단면도를 도시한다 도 10B에 도시된 바와 같이, 롤 메커니즘은 복수의 베어링(bearing)(1006)과 결합된다. 베어링은 기계적 구성요소로 움직이는 부분 간의 마찰을 줄여주며 고정 축에 대한 회전을 용이하게 한다. 한 개의 베어링만으로도 수술 도구 홀더(308)가 외부 하우징(306) 안에서 회전 시 발생하는 레이디얼(radial) 또는 비틀림 하중을 지탱할 수 있다. 도 10B의 실시예에서 IDM(300)은 수술 도구 홀더(308)에 고정적으로 부착된 두 개의 베어링(1006a, 1006b)을 포함하여 베어링(1006) 내부의 (볼 또는 실린더와 같은) 복수의 구성요소들이 외부 하우징(306)과 접촉한다. 제1 베어링(1006a)은 부착 인터페이스(310)의 제1 단부에 유지되어 있으며 제2 베어링(1006b)은 제2 단부에 유지되어 있다. 이 구성은 수술 도구 홀더(308)가 외부 하우징(306) 안에서 회전할 때 수술 도구 홀더(308)의 제1 단부와 제2 단부 사이의 강성과 지지력을 향상시킨다. 대안적 실시예에서 수술 도구 홀더의 길이를 따라 추가적인 지지력을 제공하는 추가 베어링을 포함할 수 있다.

도 10B는 또한 일 실시예에 따른IDM(300) 내부의 밀봉 구성요소를 도시한다. IDM(300)은 두 표면 사이의 접점을 봉하여 유체가 접점으로 들어가지 않도록 구성된 복수의 O링(1008)과 복수의 가스켓(1010)을 포함한다. 도 10B의 실시예에서 IDM은 외부 하우징의 접점 사이에 위치한 O링(1008a, 1008b, 1008c, 1008d, 1008e)과 수술 도구 홀더(308) 내부의 접점 사이 위치한 가스켓(1010a, 1010b)을 포함한다. 이 구성은 수술 절차 중에 IDM(300) 내부 구성요소의 멸균 상태를 유지할 수 있도록 돕는다. 가스켓과 O링은 보통 고무 같은 강력한 탄성중합체 소재로 구성된다.

VI. 전기 구성요소

도 11A는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기의 특정 전기 구성요소와 내부 구성 요소의 부분적 분해 사시도를 도시한다. 수술 도구 홀더(308)의 내부 구성 요소는 복수의 액추에이터(1102), 모터, 기어헤드(미도시), 토크 센서(미도시), 토크 센서 증폭기(1110), 슬립 링(slip ring)(1112), 복수의 인코더 보드(1114), 복수의 모터 전력 보드(1116), 통합적인 제어기(1118)을 포함한다.

복수의 액추에이터(1102)는 복수의 토크 커플러(314)를 각각 회전하도록 구동시킨다. 도 11A의 실시예에서 1102a 또는 1102b와 같은 액추에이터는 모터 샤프트를 통해 토크 커플러(314)와 결합된다. 모터 샤프트는 키 샤프트(keyed shaft)로 복수의 그루브를 포함하여 모터 샤프트가 토크 커플러(314)와 고정적으로 정합되도록 한다. 액추에이터(1102)로 인해 모터 샤프트는 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하고 이에 따라 각각의 토크 커플러(314) 또한 같은 방향으로 회전한다. 일부 실시예에서 모터 샤프트는 비틀림 강성이면서 스프링 컴플라이언스 특성을 갖고 있어서 모터 샤프트와 이에 따라 토크 커플러(314)가 회전 및 축 방향으로 이동할 수 있게 한다. 해당 구성을 통해 복수의 토크 커플러(314)는 수술 도구 홀더(308) 내부에서 수축 및 연장될 수 있다. 각각의 액추에이터(1102)는 통합 제어기(1118)로부터 모터 샤프트의 회전 방향과 양을 나타내는 전기 신호를 수신할 수 있다. 도 11A의 실시예에서 수술 도구 홀더(308)는 5개의 토크 커플러(314)와 이에 따른 5개의 액추에이터(1102)를 포함한다.

모터는 외부 하우징(306) 안에서 수술 도구 홀더(308)의 회전을 구동한다. 모터는 수술 도구 홀더(308)를 외부 하우징(306)에 대해 회전시키기 위해 필요한 회전자 기어(1004)와 고정자 기어(1002) (도 10A참고)와 결합된 부분을 제외하고 구조적인 측면에서 하나의 액추에이터와 동일할 수 있다. 모터는 회전자 기어(1004)를 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 하여 회전자 기어(1004)가 고정자 기어(1002)의 기어 이빨에 맞물려 움직이게 한다. 상기 구성을 통해 수술 도구 홀더(308)는 케이블이나 풀 와이어가 감겨져는 것에 방해 받지 않고 지속적으로 롤 또는 회전할 수 있다. 모터는 통합 제어기(1118)로부터 모터 샤프트의 회전 방향과 양을 나타내는 전기 신호를 수신할 수 있다.

기어헤드는 수술 도구(500)에 전달되는 토크를 제어한다. 예를 들어 기어헤드는 수술 도구(500)의 장치 입력(600)으로 전달되는 토크의 양을 늘릴 수 있다. 대안적 실시예에서 기어헤드는 장치 입력(600)으로 전달되는 토크의 양을 줄일 수 있도록 구성될 수도 있다.

토크 센서는 수술 도구 홀더(308)의 회전으로 인해 발생한 토크의 양을 측정한다. 도 11A에 도시된 실시예에서 토크 센서는 시계방향 및 반시계방향의 토크를 측정할 수 있다. 토크 측정을 사용하여 수술 도구의 복수의 풀 와이어의 장력을 일정한 수치로 유지할 수 있다. 예를 들어, 일부 수술 로봇 시스템의 실시예는 자동 장력 조정 기능이 있어서 수술 로봇 시스템의 가동시 또는 수술 도구와 IDM의 결합시 수술 도구의 풀와이어의 장력이 미리 로드 되도록 할 수 있다. 각각의 풀 와이어의 장력은 풀 와이어가 팽팽해질 만큼의 한계점에 도달할 수 있다. 토크 센서 증폭기(1110)는 수술 도구 홀더(308)의 회전에서 발생한 토크의 양을 측정하는 신호를 증폭시키는데 필요한 전기회로망을 포함한다. 일부 실시예에서 토크 센서는 모터위에 장착될 수 있다.

슬립 링(1112)은 부동의 구조물에서 회전하는 구조물로 전력과 전기신호를 전달할 수 있다. 도 11A의 실시예에서 슬립 링(1112)은 링 형태로 수술 도구 홀더(308)의 통로(312)와 정렬되도록 구성된 중앙 구멍을 포함하며 이는 도 11B의 슬립 링(1112)의 추가 사시도에서 또한 도시된다. 슬립 링(1112)의 제1 면은 복수의 동심의 그루브(groove)(1120)를 포함하는 반면 슬립 링(1112)의 제2면은 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 수술 암과 베이스(302)로부터 제공되는 전기 연결을 위해 필요한 복수의 전기 구성요소를 포함한다. 이들 전기 연결을 위한 공간을 확보하기 위해 슬립 링(1112)은 외부 하우징(306)으로부터 특정 거리 떨어진 지점에 수술 도구 홀더(308)의 외부 하우징(306)에 유지된다. 복수의 동심의 홈(1120)은 통합 제어기에 부착된 복수의 브러쉬(1122)와 결합하도록 구성된다. 홈(1120)과 브러쉬(1122)간의 접촉을 통해 전력 및 전기 신호를 수술 암과 베이스에서 수술 도구 홀더로 전달할 수 있다.

복수의 인코더보드(1114)는 슬립 링을 통해 수술 로봇 시스템으로부터 수신한 신호를 판독하고 처리한다. 수술 로봇 시스템으로부터 수신하는 신호는 수술 도구의 회전 양과 방향을 나타내는 신호와 수술 도구의 엔드 이펙터 및/또는 손목의 회전 방향과 양을 나타내는 신호, 수술 도구의 광원을 작동하는 신호, 수술 도구의 영상과 촬상 장치를 작동하는 신호 및 수술 도구의 다양한 기능을 작동시키는 여러 신호들이 포함될 수 있다. 인코더 보드(1114)의 구성으로 인해 신호 처리 과정 전체가 수술 도구 홀더(308) 안에서 온전히 수행될 수 있다. 복수의 모터 전력 보드(1116)는 모터에 전력을 제공하는 각각의 전기회로망을 포함한다.

통합 제어기(1118)는 수술 도구 홀더(308) 내부에 위치한 컴퓨팅 장치이다. 도 11A의 실시예에서 통합 제어기(1118)는 링 형태로 수술 도구 홀더(308)의 통로(312)와 정렬되도록 구성된 중앙 구멍을 포함한다. 통합 제어기(1118)는 통합 제어기(1118)의 제1 면에 위치한 복수의 브러쉬(1122)를 포함한다. 브러쉬(1122)는 슬립 링(1112)과 접촉하며 수술 로봇 시스템으로부터 수술 암, 베이스(302) 그리고 최종적으로 슬립 링(1112)를 거쳐 통합 제어기(1118)까지 전달되는 신호를 수신한다. 신호를 수신하면, 통합 제어기(1118)는 수술 도구 홀더(308) 내부의 구성요소로 다양한 신호를 보내도록 구성된다. 일부 실시예에서 인코더 보드(1114)와 통합 제어기(1118)의 기능은 본 명세서에 개시된 내용과 다른 방식으로 분배될 수 있어서 인코더 보드(1114)와 통합 제어기(1118)가 동일한 기능 또는 일부 기능의 조합을 수행할 수 있다.

도 11B는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기의 내부 구성 요소의 부분적인 분해 사시도와 특정 전기 구성요소를 도시한다. 도 11B의 실시예는 두 개의 인코더 보드(1114a, 1114b)와 토크 센서 증폭기(1110) 및 3개의 모터 전력 보드(1116a, 1116b, 1116c)를 포함한다. 이 구성 요소들은 통합 제어기(1118)에 유지되어 있으며 통합 제어기(1118)에서 직각으로 연장되어 바깥으로 돌출되어 있다. 이러한 구성을 통해 복수의 액추에이터(1102)와 모터가 전기 보드 안에 위치할 수 있는 공간을 제공한다.

도 11A와 관련하여 설명된 바와 같이 슬립 링(1112)은 외부 하우징(306)에서 특정거리 떨어진 곳에 유지된다. 슬립 링(1112)과 외부 하우징(306) 사이에 수술 암 및 베이스(302)와 슬립 링(1112) 간의 전기 연결을 위해 필요한 정확한 공간을 할당하기 위해 도 11B의 실시예에서 슬립 링(1112)은 복수의 얼라인먼트 핀(alighment pin)과 복수의 코일 스프링(coil spring) 및 심(shim)으로 지탱된다. 슬립 링(1112)은 슬립 링(1112)의 중앙 구멍의 각 면에 얼라인먼트 핀의 제1면을 수용하는 구멍(1124)를 포함하고 얼라인먼트 핀의 제2 면은 외부 하우징(306)의 각각의 구멍에 삽입된다. 얼라인먼트 핀은 금속이나 하드플라스틱과 같은 단단한 소재로 구성될 수 있다. 복수의 코일 스프링은 슬립 링(1112)의 중앙 주변에 유지되어 슬립 링(1112)과 외부 하우징(306) 사이 공간을 이어주고 접촉을 유지해 주도록 구성된다. 코일 스프링은 IDM(300)에 대한 충격을 흡수하는 장점을 제공할 수 있다. 심은 링 모양의 스페이서(spacer)로 스립링(1112)의 중앙 구멍 주변에 위치하여 스립링(1112)과 외부 하우징(306) 사이의 추가적인 지지를 제공한다. 뿐만 아니라 이러한 구성요소는 통합 제어기(1118)에 위치한 복수의 브러쉬(1122)가 복수의 동심의 홈(1120)과 접촉하고 회전하면서 슬립 링(1112)에 안정성을 제공한다. 대안적 실시예에서 슬립 링(1112)과 외부 하우징(306) 사이에 원하는 만큼의 지지력을 얻을 때까지 얼라인먼트 핀, 코일 스프링, 심의 숫자는 다르게 적용될 수 있다.

도 12는 일 실시예에 따라 수술 도구 홀더(308)의 롤 색인을 위한 기구 장치 조작기(300)의 전기 구성요소의 확대된 사시도를 도시한다. 롤 색인은 수술 도구 홀더(308)의 외부 하우징(306)에 대한 위치를 모니터해서 수술 로봇 시스템이 수술 도구(500)의 위치와 방향을 지속적으로 알 수 있도록 한다. 도 12의 실시예는 마이크로 스위치(1202)와 보스(boss)(1204)를 포함한다. 마이크로 스위치(1202)와 보스(1204)는 수술 도구 홀더(308) 내부에 유지된다. 보스(1204)는 외부 하우징(306)에 위치한 구조물로 수술 도구 홀더(308)가 회전할 때 마이크로 스위치(1202)와 접촉하고 이에 따라 마이크로 스위치는 보스(1204)와 접촉이 발생할 때마다 작동된다. 도 12의 실시예에서 마이크로 스위치(1202)의 단일 참조 지점으로서의 역할을 하는 하나의 보스(1204)를 보여준다.

VII. 수술용 드레이프

도 13은 일 실시예에 따른 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기의 수술용 드레이프의 단면도를 도시한다. 수술용 드레이프(1300)는 수술 절차 중 IDM, 수술 암 및 다른 수술 로봇 시스템의 부분들을 위한 멸균 경계를 제공한다. 도 13의 실시예에서 수술용 드레이프(1300)는 수술 도구가 IDM(300)과 같은 IDM에 부착되어 있을 때 수술 도구의 세장형 본체를 수용하도록 구성된 통로를 포함하는 IDM과 함께 사용하도록 구성되었다. 수술용 드레이프(1300)는 멸균 시트(1302), 제1 돌출부(1304), 제2 돌출부(1306)를 포함한다.

멸균 시트(1302)는 수술 절차 중에 수술 로봇 시스템의 부분들을 위한 멸균 환경을 조성하고 유지시켜준다. 도 13의 실시예에서 멸균 시트(1302)는 IDM(300), 수술 암, 수술 로봇 시스템의 일부를 덮도록 구성된다. 멸균 시트(1302)는 폴리프로필렌과 같은 플라스틱, 종이 및 다른 유체저항 재료들과 같은 다양한 소재로 구성될 수 있다.

제1 돌출부(1304)는 수술 도구(500)의 세장형 본체(504)와 같은 수술 도구의 세장형 본체를 수용하도록 구성된 원통형 튜브이다. 도 13의 실시예와 같이 제1 돌출부(1304)는 멸균 시트(1302)의 제1 부분과 연결되고 제1 돌출부(1304)의 제1 단부는 통로(312)의 제1 단부 안으로 삽입되도록 구성되었다. 제1 돌출부(1304)의 제1 단부는 정합 인터페이스(1308)를 포함하며 이는 제2 돌출부(1306)의 상호 정합 인터페이스(1310)과 정합되도록 구성된다. 제1 돌출부(1304)는 (가령, 금속이나 하드플라스틱과 같은) 단단한 재료로 구성될 수 있다.

제2 돌출부(1306)는 수술 도구(500)의 세장형 본체(504)와 같은 수술 도구의 세장형 본체를 수용하도록 구성된 원통형 튜브이다. 도 13의 실시예에서 제2 돌출부(1306)는 멸균 시트(1302)의 제2 부분과 연결되며 제2 돌출부(1306)의 제1 단부는 통로(312)의 제2 단부 안으로 삽입되도록 구성되어 제1 돌출부(1304)와 제2 돌출부(1306)는 통로(312)의 양 반대쪽에서 삽입된다. 제2 돌출부(1306)의 제1 단부는 통로(312) 안쪽에서 제1 돌출부(1304)의 결합 인터페이스(1308)와 탈착가능하게 결합되도록 구성된 상호 정합 인터페이스(1310)를 포함한다. 서로 결합 시, 정합 인터페이스(1308)와 상호 정합 인터페이스(1310)는 멸균 접점을 조성한다. 제2 돌출부(1306)는 (가령, 금속이나 하드플라스틱과 같은) 단단한 소재로 구성 될 수 있다. 대안적 실시예에서, 커플링 메커니즘은 찍찍이(hook-and-loop fasteners), 마찰 결합 튜브(friction-fit tubes), 스레드 튜브(threaded tubes) 및 다른 적합한 결합 메커니즘을 포함할 수 있다.

도 14는 일 실시예에서 수술 도구 홀더를 위한 수술용 드레이프의 상호 정합 인터페이스의 단면도를 도시한다. 도 13과 관련하여 설명된 바와 같이 제1 돌출부(1304)의 제1 단부는 결합 인터페이스(1308)을 포함한다. 정합 인터페이스(1308)는 도 14의 단면도에 도시된 바와 같이 2개의 동심 튜브로 구성되어 동심 튜브 사이에 틈새는 링 모양으로 또 다른 튜브의 단부를 수용하도록 구성된다. 도 14의 실시예에서 제2 돌출부(1306)의 제1 단부에 위치한 상호 정합 인터페이스(1310)는 튜브로 구성되어 튜브의 제1 단부의 지름이 튜브의 나머지 부분에 대해서 좁아지는 테이퍼(taper) 모양이다. 테이퍼 모양의 단부는 상호 정합 인터페이스(1310)가 정합 인터페이스(1308)에 더 쉽게 삽입되도록 돕는다. 뿐만 아니라 제1 돌출부(1304)와 제2 돌출부(1306)의 내부 표면이 비멸균된 표면과 접촉될 수도 있지만 외부 표면은 멸균 상태를 유지할 수 있다. 정합 인터페이스(1308)와 상호 정합 인터페이스(1310)가 서로 유지될 때 발생하는 접점은 제2 돌출부(1306)의 제1 단부가 틈 사이로 감싸 들어가면서 나선형의 경로를 만든다. 이 구성을 통해 비멸균된 표면과 접촉된 제1 돌출부(1304) 또는 제2 돌출부(1306)의 표면은 접점 안쪽으로 확실하게 감싸져 들어가게 된다. 이 구성은 또한 내부 표면과 외부 표면 사이에 어떤 유체도 침투되지 않으며 IDM 및 수술 로봇 시스템의 다른 부분들이 멸균 상태를 유지하도록 보장해준다. 일부 실시예에서는 결합 인터페이스(1308)와 상호 결합 인터페이스(1310)사이 접점에 가스켓을 추가로 구성하여 유체가 접점을 침투하지 않도록 한다.

수술용 드레이프의 일부 실시예에서, 수술용 드레이프(1300)는 또한 복수의 멸균 어댑터(1400)를 포함하여 IDM과 외부 환경 및 수술 도구 사이에 멸균 영역을 나눠준다. 특정 실시예에서 멸균 어댑터(1400)는 IDM(300)과 같은 IDM의 회전 인터페이스를 수용하도록 구성된다. 도 14의 실시예에서 멸균 어댑터(1400)는 외륜(1402) 과 내부 디스크(1404)를 포함한다. 도 14에 도시된 바와 같이 외륜(1402)은 멸균 시트(1302)와 연결되어 있으며 내부 디스크(1404)는 제1 돌출부(1304)와 연결되어 있다. 내부 디스크(1404)는 외륜(1402) 안에 회전가능하게 유지되어 있다. 도 14의 실시예에서 멸균 어댑터(1400)는 IDM(300)의 부착 인터페이스(310)를 덮고 있어서 수술 도구(500)가 IDM(300)에 유지되어 있을 때 멸균 어댑터(1400)는 부착 인터페이스(310)와 수술 도구(500) 사이에 위치하게 된다. 이러한 멸균 어댑터(1400)의 구성은 내부디스크(1404) 또는 외륜(1402)이 IDM(300)과 수술 도구(500)가 회전할 때 함께 자유롭게 회전할 수 있도록 한다. 외륜(1402)과 내부디스크(1404)는 (가령, 금속이나 하드플라스틱과 같은) 단단한 소재로 구성될 수 있다. 대안적 실시예에서, 내부디스크의 일부는 IDM의 복수의 토크 커플러를 감싸는 멤브레인(membrane)일 수 있다.

도 15는 일 실시예에 따른 기구 장치 조작기를 위한 수술용 드레이프의 멸균 어댑터의 단면을 도시한다. 도 14와 관련하여 설명된 바와 같이 수술용 드레이프(1300)는 IDM(300)의 회전 인터페이스를 수용하도록 구성된 1400과 1406과 같은 복수의 멸균 어댑터를 포함할 수 있다. 도 15의 실시예에서 멸균 어댑터(1400, 1406)는 IDM(300)의 단부에 각각 위치해 있다. 부착 인터페이스(310)가 없는 IDM(300)의 단부를 덮도록 구성된 멸균 어댑터(1406)는 예컨대 복수의 토크 커플러(314)를 수용하는 구조가 필요없는 멸균 어댑터이기 때문에 부착 인터페이스(310)를 덮도록 구성된 멸균 어댑터(1400)의 구성과 다를 수 있다. 대안적 실시예에서 제1 돌출부(1304) 또는 제2 돌출부(1306)의 일부는 롤러 베어링(roller bearing) 또는 상기 설명된 것과 유사한 내부 디스크 및 외륜 메커니즘과 같은 회전가능한 구성요소를 포함할 수 있어서 회전은 멸균 어댑터가 아닌 통로(312) 안에서 이뤄진다. 상기 구성은 돌출부의 직경이 내부 디스크(1402)의 직경보다 비교적 더 작기 때문에 수술 도구 홀더(308)의 회전 시 안정성을 향상시킬 수 있다. 이 구성은 또한 부착 인터페이스(310)가 없는 IDM(300)의 단부를 위한 추가적인 멸균 어댑터(1406)의 필요성을 제거해 준다.

도 16은 추가적인 실시예에 따른 기구 장치 조작기를 위한 수술용 드레이프의 단면을 도시한다. 도 16에서 도시된 바와 같이 수술용 드레이프(1300)는 IDM과 수술 암에 대한 멸균 영역을 제공한다. 도 16의 실시예는 각각의 토크 커플러(314)가 돌출 되어 관통하는 내부 디스크(1404)를 도시한다.

VIII. 전력 및 데이터 전송

도 17은 일 실시예에 따라 수술 도구와 기구 장치 조작기 간의 전력 및 데이터 전송을 위한 광학적 인터페이스를 도시한다. 특정 실시예에서 수술 도구는 전력 및/또는 데이터 전송을 이 필요한 카메라 또는 광원과 같이 기능을 수술 도구의 세장형 본체의 근위단부에서 작동시킬 수 있다. 다른 기능으로는 추적 센서 또는 인장력 측정센서가 포함될 수 있다. 이러한 기능을 갖춘 수술 도구는 전력 및/또는 데이터 전송을 위해 플랫폼의 나머지 부분과 케이블 연결을 사용할 수도 있는데 이는 수술 도구의 롤 능력을 방해한다. 수술 도구의 무한 롤을 가능케 하려면 전력 및/또는 데이터 전송은 유도 전력과 광학적 인터페이스를 통해서 발생되어야 한다.

도 17의 실시예에서 IDM(1700)은 전력 송신기를 포함하며 수술 도구는 전력 수신기를 포함한다. 전력 송신기는 직접적인 연결을 할 필요 없이 유도방식으로 부착 인터페이스(310)를 통해 전력 수신기로 전력을 전송한다. 도 17의 실시예에서 복수의 코일은 부착 인터페이스(310)와 직각으로, IDM(1700)의 회전축을 중심으로 IDM(1700) 안쪽에 유지된다. 코일은 통합 제어기와 결합되며 전력 전송을 위한 신호를 수신하도록 구성된다. 코일은 IDM(1700)의 통로(312)를 중심으로 다양한 직경으로 이뤄질 수 있다. 직경이 넓으면 전력 전송 능력이 향상된다. 수술 도구(1704)는 무선 전력 전송의 끊김이 발생할 때 장치 작동을 지원할 수 있는 베터리를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서 전력 송신기는 주변 금속 부품으로 열이 전달되어 IDM(1700)의 모터를 방해하는 것을 방지하기 위한 차폐물을 포함할 수 있다. 가능한 차폐물 소재로 무 금속(mu-metal)이 포함된다.

도 17의 실시예에서 광학적 인터페이스는 IDM(1700)와 수술 도구(1704)의 결합 인터페이스 사이에 위치한다. IDM(1700)과 수술 도구(1704)는 1706a, 1706b와 같은 복수의 광학 송신기와 1708a, 1708b와 같은 복수의 광학 수신기를 각각 포함한다. 도 17의 실시예에서 화상 데이터와 같은 데이터를 전달하기 위해 수술 도구(1704)에서 IDM(1700)로 적어도 한 쌍의 연결과 IDM(1700)에서 수술 도구(1704)로 한 쌍의 연결이 있다. 뿐만 아니라 두 지점 간의 무선 데이터 연결은 IDM(1700)에서 수술 로봇 시스템으로의 고대역폭 통신을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 전력 송신기가 LED일 경우 부착 인터페이스를 감싸는 멸균 시트는 LED 불빛이 비칠 수 있는 소재로 구성되어야 할 필요가 있다. 대안적 실시예에서 데이터 전송을 위해 IDM(1700)과 수술 도구(1704)간의 RFID 기술이나 물리적인 연결을 사용 할 수도 있다.

일부 실시예에서 각각의 광학 송신기(1706)와 광학 수신기(1708)는 복수의 장치 입력(1710)과 복수의 토크 커플러(1712)에 대하여 대칭적으로 위치하여 수술 도구(1704)는 수술 도구 홀더(1702)에 어떤 방위로도 결합될 수 있다. 수술 도구(1704)가 수술 도구 홀더(1702)에 부착이 되면 수술 도구(1704)의 광학 송신기(1706)는 광학 수신기(1708)로 신호를 전송할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 신호는 수술 도구 홀더(1702)에 대한 수술 도구(1704)의 회전 방위를 결정하는데 사용될 수 있다. 수술 도구(1704)의 회전 방위가 정해지면 광학 데이터 흐름이 온전히 성립되고 토크 커플러(1712)를 위한 액추에이터가 정확하게 제어된다.

IX. 대안적 고려사항

당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 개시 내용을 읽고 추가적이며 대안적인 구조 및 기술적 설계가 가능하다는 것을 본 명세서에 개시된 원리를 통해 이해할 것이다. 따라서 특정 실시예와 적용이 도시되고 설명되었지만 개시된 실시예들은 본 개시물의 구체적인 구성 및 요소에 한정되지 않는다는 점을 이해할 것이다. 본 청구항에서 정의한 사상과 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 방법과 장치의 실시예, 작동 및 세부사항은 다양하게 수정, 변경, 변형하여 실시 가능하며 이는 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 당연히 이해할 것이다.

본 명세서에 사용될 때 “일 실시예” 또는 “실시예"라고 언급하는 것은 그 실시예와 관련한 특정 요소, 기능, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있음을 의미한다. 본 명세서 다양한 곳에서 등장하는 “일 실시예에서”라는 표현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.

일부 실시예는 “결합된”과 “연결된”이 그들의 파생어와 함께 사용되어 설명될 수 있다. 예를 들어 일부 실시예서 두 개 이상의 요소가 직접적인 물리적 또는 전기적 접촉하고 있음을 나타내기 위해 용어 “결합된”을 사용하여 설명될 수 있다. 그러나, 용어 “결합된”은 또한 두 개 이상의 요소가 서로 직접적인 접촉은 아니지만 여전히 협력하거나 상호작용 할 수 있음을 의미할 수도 있다. 실시예들은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 본 명세서에만 한정되지 않는다.

본 명세서에서 사용될 때 용어 “포함하다”, “포함하는”, “포괄한다”, “포괄하는”, “갖다”, “갖는” 또는 그의 기타 모든 변이는 비-배타적 포함(non-exclusive inclusion)을 나타낸다. 예를 들어 요소의 목록을 포함하는 공정, 방법, 물품, 또는 장치는 반드시 이들 요소로만 제한되는 것이 아니라, 명확하게 열거하지 않았거나 또는 상기 공정, 방법, 물품 또는 장치에 내제된 기타 요소들을 포함 할 수도 있다. 추가로, 달리 반대로 언급하지 않는 한, “또는”은 포함적인 ‘또는’을 지칭하는 것이지, 배타적 ‘또는’을 지칭하는 것은 아니다. 예를 들어, 조건 A 또는 B 는 다음 중 어느 하나에 의해 만족된다: A는 참이고(또는 존재하고) B는 거짓이며 (또는 존재하지 않으며), A는 거짓이고(또는 존재하지 않고) B는 참이며(또는 존재하며), A, B 둘 다가 참이다(또는 존재한다.)

또한, “a” 와 “an”의 사용은 본 실시예의 성분 및 구성요소를 설명하기 위해 사용된다. 이는 단순한 편의성과 발명의 일반적인 느낌을 주기 위함이다. 이는 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 판독해야 하며 단수는 또한 명백한 다른 의미가 있지 않는 한 복수를 포함한다.

Claims (19)

1. 수술 도구 홀더 조립체로서,
   외부 하우징;
   상기 외부 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치되는 수술 도구 홀더로서, 상기 수술 도구 홀더는 수술 도구에 부착하도록 구성된 부착 인터페이스를 갖는, 상기 수술 도구 홀더;
   상기 수술 도구 홀더의 부착 인터페이스에 수직하게 연장하는 회전축을 중심으로 상기 외부 하우징에 대해 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 제1 액추에이터(actuator);
   상기 수술 도구 홀더의 회전축을 중심으로 배열된 상기 부착 인터페이스 상의 복수의 토크 커플러들; 및
   상기 수술 도구 홀더의 회전축과 평행한 축들을 중심으로 상기 복수의 토크 커플러들의 회전을 구동하도록 구성된 복수의 제2 액추에이터;를 포함하는, 수술 도구 홀더 조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외부 하우징에 고정된 링 기어; 및
   상기 제1 액추에이터에 결합되고 상기 링 기어의 기어 이빨과 맞물리는 피니언 기어;를 추가로 포함하고,
   상기 제1 액추에이터는 상기 피니언 기어가 상기 링 기어의 기어 이빨을 따라 이동하게 함으로써 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하는, 수술 도구 홀더 조립체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 외부 하우징에 고정된 슬립 링을 추가로 포함하고,
   상기 슬립 링은 상기 제1 액추에이터와 상기 복수의 제2 액추에이터에 전기 신호와 전력을 전송하도록 구성되는, 수술 도구 홀더 조립체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 액추에이터는 상기 수술 도구 홀더가 회전하게 하는 제1 모터를 포함하고;
   상기 복수의 제2 액추에이터들 각각은 복수의 제2 모터들 중 하나를 포함하고, 상기 복수의 제2 모터들 각각은 상기 복수의 토크 커플러들 중 대응하는 하나의 커플러와 관련되고 상기 부착 인터페이스에 대해 상기 대응하는 하나의 커플러의 회전을 독립적으로 구동하도록 구성된, 수술 도구 홀더 조립체.
5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 토크 커플러들은 상기 수술 도구 홀더의 회전축을 중심으로 링으로 배열되는, 수술 도구 홀더 조립체.
6. 제1항에 있어서, 상기 외부 하우징 내에서 상기 수술 도구 홀더를 위한 회전 지지를 제공하는 베어링을 추가로 포함하는, 수술 도구 홀더 조립체.
7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 토크 커플러들은 상기 수술 도구 홀더의 회전축과 평행한 축들을 따라 상기 수술 도구 홀더의 부착 인터페이스로부터 돌출하는, 수술 도구 홀더 조립체.
8. 제1항에 있어서, 상기 수술 도구는 내시경, 복강경(laparoscope), 또는 엔드 이펙터(end-effector) 중 적어도 하나를 포함하는, 수술 도구 홀더 조립체.
9. 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기(instrument device manipulator)로서,
   상기 기구 장치 조작기는:
   상기 수술 로봇 시스템의 로봇 아암에 장착하도록 구성된 베이스; 및
   상기 베이스에 대해 회전 가능하게 지지된 수술 도구 홀더를 포함하고,
   상기 수술 도구 홀더는:
   수술 도구에 부착되도록 구성된 부착 인터페이스;
   상기 수술 도구 상의 입력부들과 맞물리도록 구성된 복수의 토크 커플러들;
   상기 복수의 토크 커플러들의 회전을 구동하도록 구성된 복수의 액추에이터들; 및
   상기 베이스에 대해 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 모터;를 포함하고,
   상기 복수의 액추에이터들 각각은 복수의 각 구동 축들 중 대응하는 하나를 중심으로 상기 복수의 토크 커플러들 중 하나의 회전을 구동하도록 구성되고;
   상기 모터는 상기 복수의 토크 커플러들의 복수의 각 구동 축들과 평행한 회전축을 중심으로 상기 베이스에 대해 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성되는, 기구 장치 조작기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스에 고정된 외부 하우징을 추가로 포함하고,
    상기 모터는 상기 외부 하우징 내에서 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하는, 기구 장치 조작기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 외부 하우징에 고정된 고정자 기어(stator gear); 및
    상기 모터에 결합된 회전자 기어를 포함하고,
    상기 모터는 상기 회전자 기어를 구동하여, 상기 회전자 기어가 상기 고정자 기어의 기어 이빨을 따라 이동하여 상기 외부 하우징 내에서 상기 수술 도구 홀더의 회전을 야기하는, 기구 장치 조작기.
12. 제9항에 있어서,
    상기 수술 도구 홀더가 상기 베이스에 대해 회전할 때 상기 베이스로부터 상기 수술 도구 홀더로 전력 및 신호들을 전송하도록 구성된 슬립 링을 추가로 포함하는, 기구 장치 조작기.
13. 제9항에 있어서, 상기 모터는 상기 수술 도구 홀더를 통해 연장하는 회전축을 중심으로 상기 베이스에 대해 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하고;
    상기 복수의 토크 커플러들은 상기 회전축을 중심으로 배열되는, 기구 장치 조작기.
14. 로봇 시스템용 기구 장치 조작기로서,
    상기 기구 장치 조작기는:
    상기 로봇 시스템의 로봇 아암에 장착되는 베이스; 및
    상기 베이스에 대해 회전 가능하게 지지된 도구 홀더를 포함하고,
    상기 도구 홀더는:
    내시경에 부착되도록 구성된 부착 인터페이스;
    상기 내시경이 상기 부착 인터페이스에 부착될 때 상기 내시경 상에서 제1 기구 입력부와 맞물리도록 구성된 제1 토크 커플러;
    제1 구동 축을 중심으로 상기 제1 토크 커플러의 회전을 구동하도록 구성된 제1 액추에이터;
    상기 내시경이 상기 부착 인터페이스에 부착될 때 상기 내시경 상에서 제2 기구 입력부와 맞물리도록 구성된 제2 토크 커플러;
    제2 구동 축을 중심으로 상기 제2 토크 커플러의 회전을 구동하도록 구성된 제2 액추에이터; 및
    상기 제1 및 제2 구동 축들과 평행한 회전축을 중심으로 상기 베이스에 대해 상기 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 제3 액추에이터;를 포함하고,
    상기 부착 인터페이스, 상기 제1 토크 커플러, 상기 제1 액추에이터, 상기 제2 토크 커플러, 상기 제2 액추에이터, 및 상기 제3 액추에이터는 상기 제3 액추에이터가 상기 도구 홀더의 회전을 구동할 때 상기 회전축을 중심으로 함께 회전하는, 기구 장치 조작기.
15. 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기로서,
    상기 기구 장치 조작기는:
    상기 수술 로봇 시스템의 로봇 아암에 결합되도록 구성된 베이스; 및
    상기 베이스에 대해 회전 가능하게 지지된 수술 도구 홀더를 포함하고,
    상기 수술 도구 홀더는:
    수술 도구에 부착되도록 구성된 부착 인터페이스;
    상기 수술 도구 상의 입력부들과 맞물리도록 구성된 복수의 토크 커플러들;
    상기 복수의 토크 커플러들의 회전을 구동하도록 구성된 복수의 액추에이터들; 및
    상기 베이스에 대해 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 모터;를 포함하고,
    상기 모터는 상기 수술 도구 홀더를 통해 연장하는 회전축을 중심으로 상기 베이스에 대해 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하고,
    상기 복수의 토크 커플러들은 상기 회전축을 중심으로 배열되는, 기구 장치 조작기.
16. 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기로서,
    상기 기구 장치 조작기는:
    상기 수술 로봇 시스템의 로봇 아암에 결합되도록 구성된 베이스;
    상기 베이스에 고정된 외부 하우징;
    상기 외부 하우징에 고정된 고정자 기어; 및
    상기 베이스에 대해 회전 가능하게 지지된 수술 도구 홀더;를 포함하고,
    상기 수술 도구 홀더는:
    수술 도구에 부착되도록 구성된 부착 인터페이스;
    상기 수술 도구 상의 입력부들과 맞물리도록 구성된 복수의 토크 커플러들;
    상기 복수의 토크 커플러들의 회전을 구동하도록 구성된 복수의 액추에이터들;
    상기 외부 하우징 내에서 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 모터: 및
    상기 모터에 결합된 회전자 기어;를 포함하고,
    상기 모터는 상기 회전자 기어를 구동하여, 상기 회전자 기어가 상기 고정자 기어의 기어 이빨을 따라 이동하여 상기 외부 하우징 내에서 상기 수술 도구 홀더의 회전을 야기하는, 기구 장치 조작기.
17. 수술 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기로서,
    상기 기구 장치 조작기는:
    상기 수술 로봇 시스템의 로봇 아암에 결합되도록 구성된 베이스;
    상기 베이스에 대해 회전 가능하게 지지된 수술 도구 홀더로서,
    상기 수술 도구 홀더는:
    수술 도구에 부착되도록 구성된 부착 인터페이스;
    상기 수술 도구 상의 입력부들과 맞물리도록 구성된 복수의 토크 커플러들;
    상기 복수의 토크 커플러들의 회전을 구동하도록 구성된 복수의 액추에이터들; 및
    상기 베이스에 대해 상기 수술 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 모터;를 포함하는, 상기 수술 도구 홀더: 및
    상기 수술 도구 홀더가 상기 베이스에 대해 회전할 때 상기 베이스로부터 상기 수술 도구 홀더로 전력과 신호들을 전송하도록 구성된 슬립 링;을 포함하는, 기구 장치 조작기.
18. 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기로서,
    상기 기구 장치 조작기는:
    상기 로봇 시스템의 로봇 아암에 결합되도록 구성된 베이스;
    상기 베이스에 고정된 고정자 기어; 및
    상기 베이스에 대해 회전 가능하게 지지된 도구 홀더;를 포함하고,
    상기 도구 홀더는:
    내시경에 부착되도록 구성된 부착 인터페이스;
    상기 내시경이 상기 부착 인터페이스에 부착될 때 상기 내시경 상에서 제1 기구 입력부와 맞물리도록 구성된 제1 토크 커플러;
    제1 구동 축을 중심으로 상기 제1 토크 커플러의 회전을 구동하도록 구성된 제1 액추에이터;
    상기 내시경이 상기 부착 인터페이스에 부착될 때 상기 내시경 상에서 제2 기구 입력부와 맞물리도록 구성된 제2 토크 커플러;
    제2 구동 축을 중심으로 상기 제2 토크 커플러의 회전을 구동하도록 구성된 제2 액추에이터;
    상기 제1 및 제2 구동 축들과 평행한 회전축을 중심으로 상기 베이스에 대해 상기 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 제3 액추에이터; 및
    상기 제3 액추에이터에 결합된 회전자 기어;를 포함하고,
    상기 제3 액추에이터는 상기 고정자 기어에 대해 상기 회전자 기어의 회전을 구동하여 상기 도구 홀더의 회전을 구동하는, 기구 장치 조작기.
19. 로봇 시스템을 위한 기구 장치 조작기로서,
    상기 기구 장치 조작기는:
    상기 로봇 시스템의 로봇 아암에 결합되도록 구성된 베이스; 및
    상기 베이스에 대해 회전 가능하게 지지된 도구 홀더로서,
    상기 도구 홀더는:
    내시경에 부착되도록 구성된 부착 인터페이스;
    상기 내시경이 상기 부착 인터페이스에 부착될 때 상기 내시경 상에서 제1 기구 입력부와 맞물리도록 구성된 제1 토크 커플러;
    제1 구동 축을 중심으로 상기 제1 토크 커플러의 회전을 구동하도록 구성된 제1 액추에이터;
    상기 내시경이 상기 부착 인터페이스에 부착될 때 상기 내시경 상에서 제2 기구 입력부와 맞물리도록 구성된 제2 토크 커플러;
    제2 구동 축을 중심으로 상기 제2 토크 커플러의 회전을 구동하도록 구성된 제2 액추에이터; 및
    상기 제1 및 제2 구동 축들과 평행한 회전축을 중심으로 상기 베이스에 대해 상기 도구 홀더의 회전을 구동하도록 구성된 제3 액추에이터;를 포함하는, 상기 도구 홀더; 및
    상기 도구 홀더가 상기 베이스에 대해 회전할 때 상기 베이스로부터 상기 제1, 제2, 및 제3 액추에이터들로 전력 및 신호들을 전송하도록 구성된 슬립 링;을 포함하는, 기구 장치 조작기.