KR20210010871A

KR20210010871A - 로봇식 원격작동 시스템을 위한 제어기

Info

Publication number: KR20210010871A
Application number: KR1020207034722A
Authority: KR
Inventors: 야난 후앙; 콜린 알렌 윌슨; 데이비드 스티븐 민츠; 제이슨 토마스 윌슨
Original assignee: 아우리스 헬스, 인코포레이티드
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2021-01-28
Also published as: EP3793465A1; US20190350662A1; WO2019222495A1; JP2021522894A; US11179213B2; EP3793465A4; US20220039896A1; US11918316B2; JP7314175B2; CN112218595A

Abstract

로봇식 원격작동 시스템이 제어기 및 제어기에 의한 조작이 가능한 기구를 포함할 수 있다. 기구는 의료 기구일 수 있다. 제어기는 조작자에 의한 작동을 위해 구성된 손잡이를 포함할 수 있다. 손잡이는 다중 회전 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성된 짐벌에 부착될 수 있다. 짐벌은 로드 셀을 포함할 수 있다. 짐벌은 임피던스 제어를 위해 구성될 수 있다. 제어기는 또한, 짐벌에 결합되고 다중 위치 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성된 위치설정 플랫폼을 포함할 수 있다. 제어기는 짐벌 내의 로드 셀의 출력 신호에 적어도 부분적으로 기초하는 어드미턴스 제어를 위해 구성될 수 있다.

Description

로봇식 원격작동 시스템을 위한 제어기

본 출원은 제어기에 관한 것으로, 특히 의료 시스템을 포함하는 로봇식 원격작동 시스템(robotically-enabled teleoperated system)을 위한 제어기에 관한 것이다.

복강경술과 같은 의료 절차는 환자의 내부 영역에 접근하고 시각화하는 것을 수반할 수 있다. 복강경술 절차에서, 의료 기구(medical instrument)가 복강경 접근 포트를 통해 내부 영역 내로 삽입될 수 있다.

소정 절차에서, 로봇식 의료 시스템이 기구 및 그의 엔드 이펙터(end effector)의 삽입 및/또는 조작을 제어하는 데 사용될 수 있다. 로봇식 의료 시스템은 로봇 아암(robotic arm), 또는 다른 기구 위치설정 장치를 포함할 수 있다. 로봇식 의료 시스템은 또한 절차 동안 기구의 위치설정을 제어하는 데 사용되는 제어기를 포함할 수 있다.

제1 태양에서, 로봇식 원격작동 시스템이 기술된다. 시스템은 제어기 및 제어기에 의한 조작이 가능한 로봇 도구(robotic tool)를 포함한다. 제어기는 조작자에 의한 작동을 위해 구성되는 손잡이; 손잡이에 결합되고 다중 자유도(multiple degrees of freedom)로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌(gimbal)로서, 손잡이의 조작이 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 임피던스 제어(impedance control)를 위해 구성되는, 짐벌; 및 짐벌에 결합되고 다중 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 위치설정 플랫폼(positioning platform)을 포함한다. 위치설정 플랫폼은 손잡이의 조작이 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 어드미턴스 제어(admittance control)를 위해 구성된다.

시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 로봇 도구는 의료 기구임; (b) 짐벌은 회전 조인트(rotational joint)를 통해 위치설정 플랫폼에 결합됨; (c) 짐벌은 적어도 3 회전 자유도(three rotational degrees of freedom)로의 손잡이의 조작을 허용함; (d) 위치설정 플랫폼은 적어도 3 위치 자유도(three positional degrees of freedom)로의 손잡이의 조작을 허용함; (e) 로봇 도구에 결합되는 로봇 아암으로서, 로봇 도구는 카테터(catheter), 스코프(scope), 파지기(grasper), 밀봉기(sealer), 또는 절단기(cutter) 중 적어도 하나를 포함함; (f) 짐벌 내에 위치되는 로드 셀(load cell); (g) 위치설정 플랫폼의 어드미턴스 제어는 로드 셀의 출력 신호에 기초함; (h) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크(link), 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 로드 셀은 제1 링크 내에 위치됨; (i) 조인트들은 회전형 조인트(revolute joint)들임; (j) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 로드 셀은 제2 조인트의 원위에 위치됨; (k) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 로드 셀은 제3 링크 내에 위치됨; (l) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 로드 셀은 제3 조인트의 근위에 위치됨; (m) 짐벌은, 로드 셀의 근위에 있는 구조물을 차폐시켜 로드 셀의 원위 단부와 차폐된 구조물 사이의 기계적 단락(mechanical short)을 방지하는, 로드 셀의 원위 단부에 부착되는 커버(cover)를 포함함; (n) 짐벌의 조인트를 제어하기 위해 짐벌 내에 위치되는 모터; (o) 모터는 케이블 구동장치(cable drive)에 의해 조인트에 연결됨; (p) 모터는 조인트의 근위에 위치됨; (q) 위치설정 플랫폼은 적어도 하나의 직선형 조인트(prismatic joint)를 포함함; (r) 직선형 조인트의 운동 축이 중력 방향과 정렬됨; 및/또는 (s) 짐벌은 조인트에 의해 위치설정 플랫폼에 결합되고, 조인트의 축이 중력 방향과 정렬됨.

다른 태양에서, 로봇식 원격작동 시스템이 제어기 및 제어기에 의한 조작이 가능한 로봇 도구를 포함한다. 제어기는 조작자에 의한 작동을 위해 구성되는 손잡이; 손잡이에 결합되고 다중 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌로서, 짐벌은 로드 셀을 포함하고, 짐벌의 적어도 2개의 축들의 운동이 로드 셀의 임의의 출력 신호에 기초하지 않는, 짐벌; 및 짐벌에 결합되고 다중 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 위치설정 플랫폼을 포함한다. 손잡이는 짐벌 내의 로드 셀의 출력 신호에 적어도 부분적으로 기초하는 어드미턴스 제어를 위해 구성된다.

시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 로드 셀은 제1 링크 내에 위치됨; (b) 로드 셀의 근위에 있는 구조물을 차폐시켜 로드 셀의 원위 단부와 차폐된 구조물 사이의 기계적 단락을 방지하는, 로드 셀의 원위 단부에 부착되는 커버; (c) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 로드 셀은 제2 조인트의 원위에 위치됨; (d) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 로드 셀은 제3 링크 내에 위치됨; (e) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 로드 셀은 제3 조인트의 근위에 위치됨; (f) 짐벌의 조인트를 제어하기 위해 짐벌 내에 위치되는 모터; (g) 모터는 케이블 구동장치에 의해 조인트에 연결됨; 및/또는 (h) 모터는 조인트의 근위에 위치됨.

다른 태양에서, 임피던스 제어를 통해 제어기의 회전을 구동시키는 단계; 어드미턴스 제어를 통해 제어기의 병진을 구동시키는 단계; 임피던스 및/또는 어드미턴스 제어에 기초하여 제어기로부터의 출력 신호를 전달하는 단계; 및 출력 신호에 기초하여 원격작동 도구의 운동을 구동시키는 단계를 수반하거나 포함하는 원격작동을 위한 방법이 제공된다.

방법은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 출력 신호는 제어기의 손잡이의 회전 및/또는 위치에 기초함; (b) 임피던스 제어를 통해 제어기의 회전을 구동시키는 단계는 제어기의 손잡이를 회전시키는 단계를 포함함; (c) 손잡이는 다중 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌에 부착됨; (d) 짐벌은 로드 셀을 포함함; (e) 어드미턴스 제어를 통해 제어기의 병진을 구동시키는 단계는 제어기의 손잡이를 병진시키는 단계를 포함하고, 어드미턴스 제어는 로드 셀의 출력에 기초함; (f) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 로드 셀은 제1 링크 내에 위치됨; (g) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 로드 셀은 제2 조인트의 원위에 위치됨; (h) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 로드 셀은 제3 링크 내에 위치됨; 및/또는 (i) 짐벌은 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 로드 셀은 제3 조인트의 근위에 위치됨.

다른 태양에서, 원격작동 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 제어기를 조작하는 단계를 포함하고, 제어기를 조작하는 단계는 원격작동 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 임피던스 제어를 통해 적어도 3 회전 자유도로 제어기의 손잡이를 조작하는 단계; 및 원격작동 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 어드미턴스 제어를 통해 적어도 3 위치 자유도로 제어기의 손잡이를 조작하는 단계를 포함하는, 원격작동을 위한 방법이 제공된다.

방법은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 적어도 3 회전 자유도로 손잡이를 조작하는 단계는 짐벌을 조작하는 단계를 포함함; (b) 적어도 3 회전 자유도로 손잡이를 조작하는 단계는 적어도 피치(pitch), 롤(roll), 및 요(yaw)로 손잡이를 조작하는 단계를 포함함; (c) 적어도 3 위치 자유도로 손잡이를 조작하는 단계는 위치설정 플랫폼을 조작하는 단계를 포함함; 및/또는 (d) 적어도 3 위치 자유도로 손잡이를 조작하는 단계는 적어도 x-방향, y-방향, 및 z-방향으로 손잡이를 조작하는 단계를 포함함.

다른 태양에서, 로봇식 원격작동 시스템이 원격작동 로봇 도구를 조작하기 위한 조작기(manipulator)를 포함하고, 조작기는 칼럼(column)에 작동식으로 결합되는 최근위 링크 및 최원위 링크를 포함하는 링크들에 의해 형성되는 복수의 조인트들을 포함하고, 최근위 링크는 최원위 링크보다 칼럼에 더 가깝게 위치된다. 시스템은 또한 복수의 링크들 중 적어도 하나 내에 위치되는 로드 셀을 포함한다. 복수의 조인트들의 제1 세트가 로드 셀의 근위에 위치되고 복수의 조인트들의 제2 세트가 로드 셀의 원위에 위치되고, 복수의 조인트들의 제2 세트는, 로드 셀로부터의 출력 신호에 기초하지 않고 이동하는 적어도 하나의 조인트를 포함한다.

시스템은 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 조작기는 직렬 링크 조작기(serial link manipulator)를 포함함; (b) 조작기는 병렬 링크 조작기(parallel link manipulator)를 포함함; (c) 조작기는 복수의 링크들에 의해 형성되는 손잡이, 짐벌 및 위치설정 플랫폼을 포함함; (d) 짐벌은 회전형 조인트에 의해 위치설정 플랫폼에 결합됨; (e) 로드 셀의 근위에 있는 복수의 조인트들의 제1 세트는 위치설정 플랫폼의 일부임; (f) 위치설정 플랫폼의 조작은 로드 셀의 출력에 기초함; 및/또는 (g) 로드 셀의 원위에 있는 복수의 조인트들의 제2 세트는 짐벌의 일부임.

다른 태양에서, 로봇식 시스템이 제어기를 포함하고, 제어기는 조작자에 의한 작동을 위해 구성되는 손잡이, 손잡이에 결합되고 다중 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌로서, 임피던스 제어를 위해 구성되는, 짐벌, 및 짐벌에 결합되고 다중 자유도로의 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 위치설정 플랫폼으로서, 어드미턴스 제어를 위해 구성되는, 위치설정 플랫폼을 포함한다. 일부 실시예에서, 제어기는 원격작동 로봇 도구를 조작한다. 일부 실시예에서, 제어기는 가상 환경에서 물체에서 조작한다.

개시된 태양은, 개시된 태양을 제한하지 않고 예시하기 위해 제공되는 첨부 도면과 함께 본 명세서에 후술될 것이며, 여기에서 유사한 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차(들)를 위해 배열된 카트(cart)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 시스템의 추가의 태양을 도시한 도면.
도 3은 요관경술을 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 4는 혈관 절차를 위해 배열된 도 1의 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 테이블(table)-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 6은 도 5의 로봇 시스템의 대안적인 도면을 제공한 도면.
도 7은 로봇 아암(들)을 적재하도록(stow) 구성된 예시적인 시스템을 예시한 도면.
도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 10은 피치 또는 틸트(tilt) 조절을 갖는 도 5 내지 도 9의 테이블-기반 로봇 시스템의 일 실시예를 예시한 도면.
도 11은 도 5 내지 도 10의 테이블-기반 로봇 시스템의 테이블과 칼럼 사이의 인터페이스(interface)의 상세한 예시를 제공한 도면.
도 12는 예시적인 기구 드라이버(instrument driver)를 예시한 도면.
도 13은 페어링된(paired) 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한 도면.
도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한 도면.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 13 및 도 14의 기구의 위치와 같은, 도 1 내지 도 10의 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(localization system)을 예시한 블록도를 도시한 도면.
도 16a는 로봇식 의료 기구를 위한 제어기를 포함하는 로봇식 의료 시스템의 일 실시예를 예시한 블록도.
도 16b는 하이브리드 임피던스 및 어드미턴스 제어를 위해 구성될 수 있는 도 16a의 제어기의 일 실시예를 예시한 블록도.
도 16c는 2개의 짐벌 및 위치설정 플랫폼을 포함하는 제어기의 일 실시예의 등각도.
도 17은 제어기를 위한 짐벌의 일 실시예의 등각도.
도 18은 제1 위치에 있는 로드 셀을 포함하는 짐벌의 제1 실시예의 등각 단면도.
도 19a는 제2 위치에 있는 로드 셀을 포함하는 짐벌의 제2 실시예의 등각 단면도.
도 19b는 케이블 구동 시스템의 일 실시예를 도시하기 위해 투명 커버로 예시된 도 19a의 제2 실시예의 등각도.
도 20a는 기계적 단락의 예를 예시한 도면.
도 20b는 기계적 단락의 가능성을 감소시키도록 구성된 짐벌을 위한 커버의 예를 예시한 도면.
도 20c는 일 실시예에 따른, 기계적 단락을 야기함이 없이 접촉될 수 있는 도 18의 짐벌의 제1 실시예의 커버의 크기를 예시한 도면.
도 20d는 일 실시예에 따른, 기계적 단락을 야기함이 없이 접촉될 수 있는 도 19a 및 도 19b의 짐벌의 제2 실시예의 커버의 크기를 예시한 도면.
도 21은 제어기 방법의 일 실시예를 예시한 흐름도.
도 22는 제어기 방법의 다른 실시예를 예시한 흐름도.

1. 개요.

본 개시의 태양은 복강경술과 같은 최소 침습 절차 및 내시경술과 같은 비-침습 절차 둘 모두를 비롯하여 다양한 의료 절차를 수행할 수 있는 로봇식 의료 시스템 내에 통합될 수 있다. 내시경술 절차 중에서, 시스템은 기관지경술, 요관경술, 위내시경술(gastroscopy) 등을 수행하는 것이 가능할 수 있다.

광범위한 절차를 수행하는 것에 더하여, 시스템은 의사를 보조하기 위한 향상된 이미징 및 안내와 같은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 다루기 어려운 아암 운동 및 위치에 대한 필요 없이 인체공학적 위치로부터 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다. 더욱이, 시스템은, 시스템의 기구들 중 하나 이상이 단일 사용자에 의해 제어될 수 있도록, 개선된 사용 용이성을 갖고서 절차를 수행하는 능력을 의사에게 제공할 수 있다.

다양한 실시예가 예시의 목적으로 도면과 함께 후술될 것이다. 개시된 개념의 많은 다른 구현예가 가능하고, 개시된 구현예로 다양한 이점이 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 참조를 위해 그리고 다양한 섹션을 찾는 데 도움을 주기 위해 표제가 본 명세서에 포함된다. 이들 표제는 그와 관련하여 기술되는 개념의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 그러한 개념은 전체 명세서 전반에 걸쳐 적용될 수 있다.

A. 로봇 시스템 - 카트.

로봇식 의료 시스템은 특정 절차에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1은 진단 및/또는 치료 기관지경술 절차를 위해 배열된 카트-기반 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 기관지경술 동안, 시스템(10)은 기관지경술을 위한 절차-특정적 기관지경일 수 있는, 조향가능 내시경(13)과 같은 의료 기구를 진단 및/또는 치료 도구를 전달하기 위한 자연 구멍 접근 지점(즉, 본 예에서 테이블 상에 위치된 환자의 입)으로 전달하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(12)을 갖는 카트(11)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 접근 지점에 대한 접근을 제공하기 위해 환자의 상체에 근접하게 위치될 수 있다. 유사하게, 로봇 아암(12)은 접근 지점에 대해 기관지경을 위치시키도록 작동될 수 있다. 도 1의 배열은 또한, 위장(gastro-intestinal, GI) 절차를 위한 전문화된 내시경인 위내시경으로 GI 절차를 수행할 때 이용될 수 있다. 도 2는 카트의 예시적인 실시예를 더 상세히 도시한다.

계속해서 도 1을 참조하면, 일단 카트(11)가 적절하게 위치되면, 로봇 아암(12)은 조향가능 내시경(13)을 로봇으로, 수동으로, 또는 이들의 조합으로 환자 내로 삽입할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조향가능 내시경(13)은 적어도 2개의 삽통 부품(telescoping part), 예컨대 내부 리더(leader) 부분 및 외부 시스(sheath) 부분을 포함할 수 있으며, 각각의 부분은 기구 드라이버들(28)의 세트로부터의 별개의 기구 드라이버에 결합되고, 각각의 기구 드라이버는 개별 로봇 아암의 원위 단부에 결합된다. 리더 부분을 시스 부분과 동축으로 정렬시키는 것을 용이하게 하는, 기구 드라이버(28)의 이러한 선형 배열은 하나 이상의 로봇 아암(12)을 상이한 각도 및/또는 위치로 조작함으로써 공간에서 재위치될 수 있는 "가상 레일(virtual rail)"(29)을 생성한다. 본 명세서에 기술되는 가상 레일은 파선을 사용하여 도면에 도시되어 있으며, 따라서 파선은 시스템의 임의의 물리적 구조를 도시하지 않는다. 가상 레일(29)을 따른 기구 드라이버(28)의 병진은 외부 시스 부분에 대해 내부 리더 부분을 삽통식으로 이동시키거나, 환자로부터 내시경(13)을 전진 또는 후퇴시킨다. 가상 레일(29)의 각도는 임상 적용 또는 의사 선호도에 기초하여 조절, 병진, 및 피봇될(pivoted) 수 있다. 예를 들어, 기관지경술에서, 도시된 바와 같은 가상 레일(29)의 각도 및 위치는 내시경(13)을 환자의 입 안으로 구부림으로써 발생하는 마찰을 최소화하면서 내시경(13)에 대한 의사 접근을 제공하는 것 사이의 절충을 나타낸다.

내시경(13)은 표적 목적지 또는 수술 부위에 도달할 때까지 로봇 시스템으로부터의 정확한 명령을 사용하여 삽입 후 환자의 기관 및 폐를 따라 지향될 수 있다. 환자의 폐 네트워크(lung network)를 통한 내비게이션(navigation)을 향상시키고/시키거나 원하는 표적에 도달하기 위해, 내시경(13)은 향상된 관절운동 및 더 큰 굽힘 반경을 얻기 위해 외부 시스 부분으로부터 내부 리더 부분을 삽통식으로 연장시키도록 조작될 수 있다. 별개의 기구 드라이버(28)의 사용은 또한 리더 부분과 시스 부분이 서로 독립적으로 구동되도록 허용한다.

예를 들어, 내시경(13)은, 예를 들어 환자의 폐 내의 병변 또는 결절과 같은 표적에 생검 바늘을 전달하도록 지향될 수 있다. 바늘은 병리학자에 의해 분석될 조직 샘플을 얻기 위해 내시경의 길이를 따라 연장되는 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 병리학 결과에 따라, 추가의 도구가 추가의 생검을 위해 내시경의 작업 채널을 따라 전개될 수 있다. 결절을 악성으로 확인한 후에, 내시경(13)은 잠재적인 암 조직을 절제하기 위한 도구를 내시경으로 전달할 수 있다. 일부 경우에, 진단 및 치료 처치제(treatment)가 별개의 절차로 전달될 필요가 있을 수 있다. 그들 상황에서, 내시경(13)은 또한 표적 결절의 위치를 "표시"하기 위한 기준점을 전달하는 데에도 사용될 수 있다. 다른 경우에서, 진단 및 치료 처치제는 동일한 절차 동안 전달될 수 있다.

시스템(10)은 또한 이동가능 타워(tower)(30)를 포함할 수 있으며, 이는 카트(11)에 지지 케이블을 통해 연결되어 카트(11)에 제어부, 전자장치, 유체장치, 광학계, 센서, 및/또는 전력에 대한 지원을 제공할 수 있다. 그러한 기능을 타워(30) 내에 두는 것은 수술 의사 및 그/그녀의 스태프에 의해 더 용이하게 조절 및/또는 재위치될 수 있는 더 작은 형태 인자(form factor)의 카트(11)를 허용한다. 추가적으로, 카트/테이블과 지원 타워(30) 사이의 기능의 분할은 수술실의 어수선함을 감소시키고, 임상 작업흐름의 개선을 용이하게 한다. 카트(11)는 환자 가까이에 위치될 수 있지만, 타워(30)는 절차 동안 방해가 되지 않도록 원격 위치에 적재될 수 있다.

전술된 로봇 시스템을 지원하기 위해, 타워(30)는, 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브(persistent magnetic storage drive), 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive) 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장하는 컴퓨터-기반 제어 시스템의 구성요소(들)를 포함할 수 있다. 그들 명령어의 실행은, 실행이 타워(30)에서 이루어지든 또는 카트(11)에서 이루어지든 간에, 전체 시스템 또는 그의 서브-시스템(들)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령어는 로봇 시스템의 구성요소로 하여금 관련 캐리지(carriage) 및 아암 마운트(arm mount)를 작동시키고, 로봇 아암을 작동시키고, 의료 기구를 제어하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여, 로봇 아암의 조인트 내의 모터는 아암을 소정 자세로 위치시킬 수 있다.

타워(30)는 또한, 내시경(13)을 통해 전개될 수 있는 시스템에 제어된 관주 및 흡인 능력을 제공하기 위해 펌프, 유량계, 밸브 제어부, 및/또는 유체 접근부(fluid access)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 또한 타워(30)의 컴퓨터 시스템을 사용하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 관주 및 흡인 능력은 별개의 케이블(들)을 통해 내시경(13)으로 직접 전달될 수 있다.

타워(30)는 카트(11)에 필터링되고 보호된 전력을 제공하도록 설계되는 전압 및 서지(surge) 보호기를 포함하여, 그에 의해 카트(11) 내에 전력 변압기 및 다른 보조 전력 구성요소를 배치하는 것을 회피하여, 더 작고 더 이동가능한 카트(11)를 생성할 수 있다.

타워(30)는 또한 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 전개된 센서에 대한 지원 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타워(30)는 로봇 시스템(10) 전체에 걸쳐 광학 센서 또는 카메라로부터 수신된 데이터를 검출, 수신, 및 처리하기 위한 광-전자 장비를 포함할 수 있다. 제어 시스템과 조합하여, 그러한 광-전자 장비는 타워(30) 내를 비롯하여, 시스템 전체에 걸쳐 전개된 임의의 수의 콘솔(console)에 디스플레이하기 위한 실시간 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 타워(30)는 또한 전개된 전자기(electromagnetic, EM) 센서로부터 수신되는 신호를 수신하고 처리하기 위한 전자 서브시스템을 포함할 수 있다. 타워(30)는 또한 의료 기구 내의 또는 그 상의 EM 센서에 의한 검출을 위한 EM 필드 발생기(field generator)를 수용하고 위치시키는 데 사용될 수 있다.

타워(30)는 또한 시스템의 나머지 부분에서 이용가능한 다른 콘솔, 예컨대 카트의 상부에 장착된 콘솔에 더하여 콘솔(31)을 포함할 수 있다. 콘솔(31)은 의사 조작자를 위한 사용자 인터페이스 및 디스플레이 스크린, 예컨대 터치스크린을 포함할 수 있다. 시스템(10) 내의 콘솔은 일반적으로 로봇 제어뿐만 아니라 절차의 수술전 및 실시간 정보, 예컨대 내시경(13)의 내비게이션 및 위치결정 정보 둘 모두를 제공하도록 설계된다. 콘솔(31)이 의사가 이용가능한 유일한 콘솔이 아닐 때, 그것은 간호사와 같은 제2 조작자에 의해, 환자의 건강 또는 바이탈(vital) 및 시스템의 작동을 모니터링할 뿐만 아니라, 내비게이션 및 위치결정 정보와 같은 절차-특정적 데이터를 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 콘솔(30)은 타워(30)와 별개인 본체 내에 수용된다.

타워(30)는 하나 이상의 케이블 또는 연결부(도시되지 않음)를 통해 카트(11) 및 내시경(13)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 타워(30)로부터의 지원 기능은 단일 케이블을 통해 카트(11)에 제공되어, 수술실을 간소화하고 정리할 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 기능은 별개의 케이블류(cabling) 및 연결부로 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력은 단일 전력 케이블을 통해 카트에 제공될 수 있지만, 제어부, 광학계, 유체장치, 및/또는 내비게이션에 대한 지원은 별개의 케이블을 통해 제공될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 카트-기반 로봇식 시스템으로부터의 카트의 일 실시예의 상세한 예시를 제공한다. 카트(11)는 일반적으로 세장형 지지 구조물(14)(흔히 "칼럼"으로 지칭됨), 카트 기부(15), 및 칼럼(14)의 상부에 있는 콘솔(16)을 포함한다. 칼럼(14)은 하나 이상의 로봇 아암(12)(3개가 도 2에 도시됨)의 전개를 지원하기 위한 캐리지(17)(대안적으로 "아암 지지부")와 같은 하나 이상의 캐리지를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 환자에 대한 더 양호한 위치설정을 위해 로봇 아암(12)의 기부를 조절하도록 수직 축을 따라 회전하는 개별적으로 구성가능한 아암 마운트를 포함할 수 있다. 캐리지(17)는 또한 캐리지(17)가 칼럼(14)을 따라 수직으로 병진하도록 허용하는 캐리지 인터페이스(19)를 포함한다.

캐리지 인터페이스(19)는 캐리지(17)의 수직 병진을 안내하기 위해 칼럼(14)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치되는, 슬롯(slot)(20)과 같은 슬롯을 통해 칼럼(14)에 연결된다. 슬롯(20)은 캐리지를 카트 기부(15)에 대해 다양한 수직 높이에 위치시키고 유지시키기 위한 수직 병진 인터페이스를 포함한다. 캐리지(17)의 수직 병진은 카트(11)가 로봇 아암(12)의 도달범위를 조절하여 다양한 테이블 높이, 환자 크기, 및 의사 선호도를 충족시키도록 허용한다. 유사하게, 캐리지(17) 상의 개별적으로 구성가능한 아암 마운트는 로봇 아암(12)의 로봇 아암 기부(21)가 다양한 구성으로 경사지도록 허용한다.

일부 실시예에서, 슬롯(20)은 캐리지(17)가 수직으로 병진함에 따라 수직 병진 인터페이스 및 칼럼(14)의 내부 챔버 내로 먼지 및 유체가 유입되는 것을 방지하기 위해 슬롯 표면과 동일 평면상에 있고 그에 평행한 슬롯 커버로 보완될 수 있다. 슬롯 커버는 슬롯(20)의 수직 상부 및 저부 부근에 위치된 스프링 스풀(spring spool)들의 쌍을 통해 전개될 수 있다. 커버는 캐리지(17)가 상하로 수직으로 병진함에 따라 그들의 코일링된(coiled) 상태로부터 연장 및 후퇴되도록 전개될 때까지 스풀 내에 코일링된다. 스풀의 스프링-로딩(spring-loading)은 캐리지(17)가 스풀을 향해 병진할 때 커버를 스풀 내로 후퇴시키는 힘을 제공함과 동시에, 또한 캐리지(17)가 스풀로부터 멀어지게 병진할 때 밀폐 시일(tight seal)을 유지시킨다. 커버는 캐리지(17)가 병진함에 따라 커버의 적절한 연장 및 후퇴를 보장하기 위해, 예를 들어 캐리지 인터페이스(19) 내의 브래킷(bracket)을 사용하여 캐리지(17)에 연결될 수 있다.

칼럼(14)은 내부적으로, 사용자 입력, 예컨대 콘솔(16)로부터의 입력에 응답하여 생성된 제어 신호에 응답하여 기계화된 방식으로 캐리지(17)를 병진시키기 위해 수직으로 정렬된 리드 스크류(lead screw)를 사용하도록 설계되는, 기어 및 모터와 같은 메커니즘을 포함할 수 있다.

로봇 아암(12)은 일반적으로, 일련의 조인트(24)에 의해 연결되는 일련의 링크장치(linkage)(23)에 의해 분리되는 로봇 아암 기부(21) 및 엔드 이펙터(22)를 포함할 수 있으며, 각각의 조인트는 독립적인 액추에이터(actuator)를 포함하고, 각각의 액추에이터는 독립적으로 제어가능한 모터를 포함한다. 각각의 독립적으로 제어가능한 조인트는 로봇 아암이 이용가능한 독립적인 자유도를 나타낸다. 아암들(12) 각각은 7개의 조인트를 가지며, 따라서 7 자유도를 제공한다. 다수의 조인트는 다수의 자유도를 생성하여, "여분의(redundant)" 자유도를 허용한다. 여분의 자유도는 로봇 아암(12)이 상이한 링크장치 위치 및 조인트 각도를 사용하여 공간에서 특정 위치, 배향, 및 궤적으로 그들 각각의 엔드 이펙터(22)를 위치시키도록 허용한다. 이는 시스템이 의료 기구를 공간에서 원하는 지점으로부터 위치시키고 지향시키도록 허용함과 동시에, 의사가 아암 충돌을 회피하면서 더 우수한 접근을 생성하기 위해 아암 조인트를 환자로부터 떨어진 임상적으로 유리한 위치로 이동시키도록 허용한다.

카트 기부(15)는 바닥 위에서 칼럼(14), 캐리지(17), 및 아암(12)의 중량의 균형을 잡는다. 따라서, 카트 기부(15)는 전자장치, 모터, 전력 공급부와 같은 더 무거운 구성요소뿐만 아니라, 이동을 가능하게 하고/하거나 카트를 움직이지 못하게 하는 구성요소를 수용한다. 예를 들어, 카트 기부(15)는 절차 전에 카트가 수술실을 용이하게 돌아다니도록 허용하는 롤링가능 휠(rollable wheel)-형상의 캐스터(caster)(25)를 포함한다. 적절한 위치에 도달한 후에, 캐스터(25)는 절차 동안 카트(11)를 제위치로 유지시키기 위해 휠 로크(wheel lock)를 사용하여 움직이지 못하게 될 수 있다.

칼럼(14)의 수직 단부에 위치되어, 콘솔(16)은 사용자 입력을 수신하기 위한 사용자 인터페이스, 및 수술전 데이터 및 수술중 데이터 둘 모두를 의사 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이 스크린 둘 모두(또는 예를 들어 터치스크린(26)과 같은 이중-목적 장치)를 허용한다. 터치스크린(26) 상의 잠재적인 수술전 데이터는 수술전 계획, 수술전 컴퓨터 단층촬영(computerized tomography, CT) 스캔으로부터 도출된 내비게이션 및 매핑 데이터(mapping data), 및/또는 수술전 환자 인터뷰로부터의 기록을 포함할 수 있다. 디스플레이 상의 수술중 데이터는 도구, 센서로부터 제공되는 광학 정보 및 센서로부터의 좌표 정보뿐만 아니라, 호흡, 심박수, 및/또는 맥박과 같은 바이탈 환자 통계치를 포함할 수 있다. 콘솔(16)은 의사가 캐리지(17) 반대편에 있는 칼럼(14)의 측부로부터 콘솔에 접근하게 허용하도록 위치되고 틸팅될 수 있다. 이러한 위치로부터, 의사는 카트(11) 뒤로부터 콘솔(16)을 작동시키면서 콘솔(16), 로봇 아암(12), 및 환자를 관찰할 수 있다. 도시된 바와 같이, 콘솔(16)은 또한 카트(11)를 조작하고 안정시키는 것을 보조하기 위한 손잡이(27)를 포함한다.

도 3은 요관경술을 위해 배열된 로봇식 시스템(10)의 일 실시예를 예시한다. 요관경술 절차에서, 카트(11)는 환자의 요도 및 요관을 가로지르도록 설계된 절차-특정적 내시경인 요관경(32)을 환자의 하복부 영역으로 전달하도록 위치될 수 있다. 요관경술에서, 요관경(32)이 환자의 요도와 직접 정렬되어 그러한 영역 내의 민감한 해부학적 구조에 대한 마찰과 힘을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 요도에 대한 직접적인 선형 접근을 위해 요관경(32)을 위치시키게 허용하도록 테이블의 풋(foot)에 정렬될 수 있다. 테이블의 풋으로부터, 로봇 아암(12)은 요관경(32)을 가상 레일(33)을 따라 요도를 통해 환자의 하복부 내로 직접 삽입할 수 있다.

요도 내로의 삽입 후에, 기관지경술에서와 유사한 제어 기법을 사용하여, 요관경(32)은 진단 및/또는 치료 응용을 위해 방광, 요관, 및/또는 신장 내로 내비게이션될 수 있다. 예를 들어, 요관경(32)은 요관경(32)의 작업 채널을 따라 전개된 레이저 또는 초음파 쇄석술 장치를 사용하여 신장 결석 축적물을 부수기 위해 요관 및 신장 내로 지향될 수 있다. 쇄석술이 완료된 후에, 생성된 결석 파편은 요관경(32)을 따라 전개된 바스켓(basket)을 사용하여 제거될 수 있다.

도 4는 혈관 절차를 위해 유사하게 배열된 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 혈관 절차에서, 시스템(10)은 카트(11)가 조향가능 카테터(steerable catheter)와 같은 의료 기구(34)를 환자의 다리 내의 대퇴 동맥 내의 접근 지점으로 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 대퇴 동맥은 내비게이션을 위한 더 큰 직경뿐만 아니라 환자의 심장으로의 상대적으로 덜 우회하고 사행형인 경로 둘 모두를 나타내며, 이는 내비게이션을 단순화한다. 요관경술 절차에서와 같이, 카트(11)는 로봇 아암(12)이 환자의 대퇴부/둔부 영역 내의 대퇴 동맥 접근 지점에 대한 직접적인 선형 접근을 갖는 가상 레일(35)을 제공하게 허용하도록 환자의 다리 및 하복부를 향해 위치될 수 있다. 동맥 내로의 삽입 후에, 의료 기구(34)는 기구 드라이버(28)를 병진시킴으로써 지향되고 삽입될 수 있다. 대안적으로, 카트는, 예를 들어 어깨 및 손목 부근의 경동맥 및 상완 동맥과 같은 대안적인 혈관 접근 지점에 도달하기 위해 환자의 상복부 주위에 위치될 수 있다.

B. 로봇 시스템 - 테이블.

로봇식 의료 시스템의 실시예는 또한 환자의 테이블을 통합할 수 있다. 테이블의 통합은 카트를 제거함으로써 수술실 내의 자본 장비의 양을 감소시키며, 이는 환자에 대한 더 우수한 접근을 허용한다. 도 5는 기관지경술 절차를 위해 배열된 그러한 로봇식 시스템의 일 실시예를 예시한다. 시스템(36)은 바닥 위에서 플랫폼(38)("테이블" 또는 "베드(bed)"로 도시됨)을 지지하기 위한 지지 구조물 또는 칼럼(37)을 포함한다. 카트-기반 시스템에서와 매우 유사하게, 시스템(36)의 로봇 아암(39)의 엔드 이펙터는 기구 드라이버(42)를 포함하며, 이는 도 5의 기관지경(40)과 같은 세장형 의료 기구를 기구 드라이버(42)의 선형 정렬로부터 형성된 가상 레일(41)을 통해 또는 그를 따라 조작하도록 설계된다. 실제로, 형광투시 이미징(fluoroscopic imaging)을 제공하기 위한 C-아암이 방출기(emitter) 및 검출기(detector)를 테이블(38) 주위에 배치함으로써 환자의 상복부 영역 위에 위치될 수 있다.

도 6은 논의 목적을 위해 환자 및 의료 기구가 없는 시스템(36)의 대안적인 도면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 칼럼(37)은 시스템(36) 내에 링(ring)-형상으로 도시된 하나 이상의 캐리지(43)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 로봇 아암(39)이 그로부터 기초할 수 있다. 캐리지(43)는 로봇 아암(39)이 그로부터 환자에게 도달하도록 위치될 수 있는 상이한 유리한 지점을 제공하기 위해 칼럼(37)의 길이를 따라 연장되는 수직 칼럼 인터페이스(44)를 따라 병진할 수 있다. 캐리지(들)(43)는, 로봇 아암(39)이 예를 들어 환자의 양쪽 측부와 같은 테이블(38)의 다수의 측부에 접근할 수 있도록 허용하기 위해, 칼럼(37) 내에 위치된 기계식 모터를 사용하여 칼럼(37)을 중심으로 회전할 수 있다. 다수의 캐리지를 갖는 실시예에서, 캐리지는 칼럼 상에 개별적으로 위치될 수 있고, 다른 캐리지와 독립적으로 병진 및/또는 회전할 수 있다. 캐리지(43)가 칼럼(37)을 둘러싸거나 심지어 원형일 필요는 없지만, 도시된 바와 같은 링-형상은 구조적 균형을 유지시키면서 칼럼(37)을 중심으로 하는 캐리지(43)의 회전을 용이하게 한다. 캐리지(43)의 회전 및 병진은 시스템이 내시경 및 복강경과 같은 의료 기구를 환자 상의 상이한 접근 지점으로 정렬시키도록 허용한다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 시스템(36)은 그 옆으로 연장되는 바아(bar) 또는 레일 형태의 조절가능 아암 지지부를 갖는 환자 테이블 또는 베드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 로봇 아암(39)은 (예컨대, 엘보우 조인트(elbow joint)를 갖는 쇼울더(shoulder)를 통해) 조절가능 아암 지지부에 부착될 수 있고, 이는 수직으로 조절될 수 있다. 수직 조절을 제공함으로써, 로봇 아암(39)은 유리하게는 환자 테이블 또는 베드 아래에 콤팩트하게 적재되고, 후속하여 절차 동안 상승될 수 있다.

아암(39)은 로봇 아암(39)에 추가의 구성가능성(configurability)을 제공하기 위해 개별적으로 회전하고/하거나 삽통식으로 연장될 수 있는 일련의 조인트를 포함하는 아암 마운트들(45)의 세트를 통해 캐리지 상에 장착될 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는, 캐리지(43)가 적절하게 회전될 때, 아암 마운트(45)가 (도 6에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 동일한 측부 상에, (도 9에 도시된 바와 같이) 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에, 또는 테이블(38)의 인접한 측부들 상에(도시되지 않음) 위치될 수 있도록 캐리지(43) 상에 위치될 수 있다.

칼럼(37)은 테이블(38)에 대한 지지, 및 캐리지의 수직 병진을 위한 경로를 구조적으로 제공한다. 내부적으로, 칼럼(37)은 캐리지의 수직 병진을 안내하기 위한 리드 스크류, 및 리드 스크류에 기초하여 상기 캐리지의 병진을 기계화하기 위한 모터를 구비할 수 있다. 칼럼(37)은 또한 캐리지(43) 및 그 상에 장착된 로봇 아암(39)에 전력 및 제어 신호를 전달할 수 있다.

테이블 기부(46)는 도 2에 도시된 카트(11) 내의 카트 기부(15)와 유사한 기능을 하여, 테이블/베드(38), 칼럼(37), 캐리지(43), 및 로봇 아암(39)의 균형을 잡기 위해 더 무거운 구성요소를 수용한다. 테이블 기부(46)는 또한 절차 동안 안정성을 제공하기 위해 강성 캐스터를 통합할 수 있다. 테이블 기부(46)의 저부로부터 전개되어, 캐스터는 기부(46)의 양쪽 측부 상에서 반대 방향들로 연장될 수 있고, 시스템(36)이 이동될 필요가 있을 때 후퇴될 수 있다.

계속해서 도 6을 참조하면, 시스템(36)은 또한 타워(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이는 테이블의 형태 인자 및 부피(bulk)를 감소시키기 위해 시스템(36)의 기능을 테이블과 타워 사이에서 분할한다. 이전에 개시된 실시예에서와 같이, 타워는 처리, 컴퓨팅, 및 제어 능력, 전력, 유체장치, 및/또는 광학 및 센서 처리와 같은 다양한 지원 기능을 테이블에 제공할 수 있다. 타워는 또한, 의사 접근을 개선하고 수술실을 정리하기 위해 환자로부터 멀리 위치되도록 이동가능할 수 있다. 추가적으로, 타워 내에 구성요소를 배치하는 것은 로봇 아암의 잠재적인 적재를 위한, 테이블 기부 내의 더 많은 보관 공간을 허용한다. 타워는 또한, 키보드 및/또는 펜던트(pendant)와 같은, 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스뿐만 아니라, 실시간 이미징, 내비게이션, 및 추적 정보와 같은 수술전 및 수술중 정보를 위한 디스플레이 스크린(또는 터치스크린) 둘 모두를 제공하는 마스터 제어기 또는 콘솔을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 타워는 또한 흡입법(insufflation)을 위해 사용될 가스 탱크를 위한 홀더를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 테이블 기부는 사용하지 않을 때 로봇 아암을 적재 및 보관할 수 있다. 도 7은 테이블-기반 시스템의 일 실시예에서 로봇 아암을 적재하는 시스템(47)을 예시한다. 시스템(47)에서, 캐리지(48)는 로봇 아암(50), 아암 마운트(51), 및 캐리지(48)를 기부(49) 내에 적재하기 위해 기부(49) 내로 수직으로 병진될 수 있다. 기부 커버(52)는 병진 및 후퇴되어 개방되어 캐리지(48), 아암 마운트(51), 및 아암(50)을 칼럼(53) 주위로 전개시킬 수 있고, 사용하지 않을 때 그들을 적재하여 보호하기 위해 폐쇄될 수 있다. 기부 커버(52)는 그의 개구의 에지를 따라 멤브레인(membrane)(54)으로 밀봉되어, 폐쇄될 때 먼지 및 유체 유입을 방지할 수 있다.

도 8은 요관경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 요관경술에서, 테이블(38)은 환자를 칼럼(37) 및 테이블 기부(46)로부터 벗어난 각도로 위치시키기 위한 스위블 부분(swivel portion)(55)을 포함할 수 있다. 스위블 부분(55)은 스위블 부분(55)의 저부 부분을 칼럼(37)으로부터 멀리 위치시키기 위해 피봇 지점(예컨대, 환자의 머리 아래에 위치됨)을 중심으로 회전 또는 피봇할 수 있다. 예를 들어, 스위블 부분(55)의 피봇팅(pivoting)은 C-아암(도시되지 않음)이 테이블(38) 아래의 칼럼(도시되지 않음)과 공간을 경합함이 없이 환자의 하복부 위에 위치되도록 허용한다. 캐리지(35)(도시되지 않음)를 칼럼(37)을 중심으로 회전시킴으로써, 로봇 아암(39)은 요관경(56)을 가상 레일(57)을 따라 환자의 서혜부 영역 내로 직접 삽입하여 요도에 도달하게 할 수 있다. 요관경술에서, 스터럽(stirrup)(58)이 또한 테이블(38)의 스위블 부분(55)에 고정되어, 절차 동안 환자의 다리의 위치를 지지하고 환자의 서혜부 영역에 대한 명확한 접근을 허용할 수 있다.

복강경술 절차에서, 환자의 복벽 내의 작은 절개부(들)를 통해, 최소 침습 기구가 환자의 해부학적 구조 내로 삽입될 수 있다. 일부 실시예에서, 최소 침습 기구는 환자 내의 해부학적 구조에 접근하는 데 사용되는, 샤프트와 같은 세장형 강성 부재를 포함한다. 환자의 복강의 팽창 후에, 기구는 파지, 절단, 절제, 봉합 등과 같은 수술 또는 의료 작업을 수행하도록 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 기구는 복강경과 같은 스코프를 포함할 수 있다. 도 9는 복강경술 절차를 위해 구성된 로봇식 테이블-기반 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(36)의 캐리지(43)는 로봇 아암들(39)의 쌍을 테이블(38)의 서로 반대편에 있는 측부들 상에 위치시키도록 회전되고 수직으로 조절될 수 있어서, 기구(59)가 환자의 양쪽 측부 상의 최소 절개부로 통과되어 그/그녀의 복강에 도달하도록 아암 마운트(45)를 사용하여 위치될 수 있게 한다.

복강경술 절차를 수용하기 위해, 로봇식 테이블 시스템은 또한 플랫폼을 원하는 각도로 틸팅되게 할 수 있다. 도 10은 피치 또는 틸트 조절을 갖는 로봇식 의료 시스템의 일 실시예를 예시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(36)은 테이블(38)의 틸트를 수용하여, 테이블의 하나의 부분을 다른 부분보다 바닥으로부터 더 큰 거리를 두고 위치시킬 수 있다. 추가적으로, 아암 마운트(45)는 틸트와 일치하도록 회전할 수 있어서, 아암(39)이 테이블(38)과 동일한 평면 관계를 유지시키게 한다. 더 급격한 각도를 수용하기 위해, 칼럼(37)은 또한, 칼럼(37)의 수직 연장이 테이블(38)이 바닥에 닿거나 기부(46)와 충돌하지 않게 하도록 허용하는 삽통 부분(60)을 포함할 수 있다.

도 11은 테이블(38)과 칼럼(37) 사이의 인터페이스의 상세한 예시를 제공한다. 피치 회전 메커니즘(61)은 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 피치 회전 메커니즘(61)은 칼럼-테이블 인터페이스에서의 직교 축(1, 2)의 위치설정에 의해 가능해질 수 있으며, 각각의 축은 전기 피치 각도 명령에 응답하여 별개의 모터(3, 4)에 의해 작동된다. 하나의 스크류(5)를 따른 회전은 하나의 축(1)에서의 틸트 조절을 가능하게 할 것인 한편, 다른 하나의 스크류(6)를 따른 회전은 다른 하나의 축(2)을 따른 틸트 조절을 가능하게 할 것이다. 일부 실시예에서, 볼 조인트(ball joint)가 다중 자유도로 칼럼(37)에 대한 테이블(38)의 피치 각도를 변경하도록 사용될 수 있다.

예를 들어, 피치 조절은, 하복부 수술을 위해, 테이블을 트렌델렌부르크 자세(Trendelenburg position)로 위치시키려고 할 때, 즉 환자의 하복부를 환자의 하복부보다 바닥으로부터 더 높은 위치에 위치시키려고 할 때 특히 유용하다. 트렌델렌부르크 자세는 환자의 내부 장기가 중력을 통해 그/그녀의 상복부를 향해 미끄러지게 하여, 최소 침습 도구가 들어가서 복강경 전립선절제술과 같은 하복부 수술 또는 의료 절차를 수행할 복강을 비운다.

C. 기구 드라이버 및 인터페이스.

시스템의 로봇 아암의 엔드 이펙터는 (i) 의료 기구를 작동시키기 위한 전기-기계 수단을 통합하는 기구 드라이버(대안적으로 "기구 구동 메커니즘" 또는 "기구 장치 조작기"로 지칭됨), 및 (ii) 모터와 같은 임의의 전기-기계 구성요소가 없을 수 있는 제거가능 또는 탈착가능 의료 기구를 포함한다. 이러한 이분법은 의료 절차에 사용되는 의료 기구를 멸균할 필요성, 및 그들의 복잡한 기계 조립체 및 민감한 전자장치로 인해 고가의 자본 장비를 적절하게 멸균할 수 없음에 의해 주도될 수 있다. 따라서, 의료 기구는 의사 또는 의사의 스태프에 의한 개별적인 멸균 또는 폐기를 위해 기구 드라이버(및 그에 따라 시스템)로부터 탈착, 제거, 및 교환되도록 설계될 수 있다. 대조적으로, 기구 드라이버는 변경 또는 멸균될 필요가 없고, 보호를 위해 드레이핑될(draped) 수 있다.

도 12는 예시적인 기구 드라이버를 예시한다. 로봇 아암의 원위 단부에 위치되어, 기구 드라이버(62)는 구동 샤프트(64)를 통해 의료 기구에 제어된 토크를 제공하기 위해 평행 축으로 배열되는 하나 이상의 구동 유닛(63)으로 구성된다. 각각의 구동 유닛(63)은 기구와 상호작용하기 위한 개별 구동 샤프트(64), 모터 샤프트 회전을 원하는 토크로 변환시키기 위한 기어 헤드(65), 구동 토크를 생성하기 위한 모터(66), 모터 샤프트의 속도를 측정하고 제어 회로부에 피드백을 제공하기 위한 인코더(encoder)(67), 및 제어 신호를 수신하고 구동 유닛을 작동시키기 위한 제어 회로부(68)를 포함한다. 각각의 구동 유닛(63)이 독립적으로 제어되고 동력화되기 때문에, 기구 드라이버(62)는 의료 기구에 다수의(도 12에 도시된 바와 같이 4개의) 독립적인 구동 출력을 제공할 수 있다. 작동 시에, 제어 회로부(68)는 제어 신호를 수신할 것이고, 모터(66)에 모터 신호를 전송할 것이며, 인코더(67)에 의해 측정된 바와 같은 생성된 모터 속도를 원하는 속도와 비교할 것이고, 모터 신호를 변조하여 원하는 토크를 생성할 것이다.

멸균 환경을 필요로 하는 절차의 경우, 로봇 시스템은 기구 드라이버와 의료 기구 사이에 있는, 멸균 드레이프(sterile drape)에 연결된 멸균 어댑터(sterile adapter)와 같은 구동 인터페이스를 통합할 수 있다. 멸균 어댑터의 주된 목적은 기구 드라이버의 구동 샤프트로부터 기구의 구동 입력부로 각도 운동을, 구동 샤프트와 구동 입력부 사이의 물리적 분리, 및 그에 따라 멸균을 유지시키면서, 전달하는 것이다. 따라서, 예시적인 멸균 어댑터는 기구 드라이버의 구동 샤프트 및 기구 상의 구동 입력부와 정합되도록 의도되는 일련의 회전 입력부 및 출력부로 구성될 수 있다. 멸균 어댑터에 연결되어, 투명 또는 반투명 플라스틱과 같은 얇은 가요성 재료로 구성된 멸균 드레이프는 기구 드라이버, 로봇 아암, (카트-기반 시스템 내의) 카트 또는 (테이블-기반 시스템 내의) 테이블과 같은 자본 장비를 덮도록 설계된다. 드레이프의 사용은 자본 장비가 멸균을 필요로 하지 않는 영역(즉, 비-멸균 영역) 내에 여전히 위치되면서 환자에게 근접하게 위치되도록 허용할 것이다. 멸균 드레이프의 다른 하나의 측부 상에서, 의료 기구는 멸균을 필요로 하는 영역(즉, 멸균 영역)에서 환자와 인터페이스할 수 있다.

D. 의료 기구.

도 13은 페어링된 기구 드라이버를 갖는 예시적인 의료 기구를 예시한다. 로봇 시스템과 함께 사용하도록 설계된 다른 기구와 마찬가지로, 의료 기구(70)는 세장형 샤프트(71)(또는 세장형 본체) 및 기구 기부(72)를 포함한다. 의사에 의한 수동 상호작용을 위한 그의 의도된 설계로 인해 "기구 손잡이"로 또한 지칭되는 기구 기부(72)는 일반적으로, 로봇 아암(76)의 원위 단부에서 기구 드라이버(75) 상의 구동 인터페이스를 통해 연장되는 구동 출력부(74)와 정합되도록 설계되는 회전가능 구동 입력부(73), 예컨대 리셉터클(receptacle), 풀리(pulley) 또는 스풀을 포함할 수 있다. 물리적으로 연결, 래칭(latched), 및/또는 결합될 때, 기구 기부(72)의 정합된 구동 입력부(73)는 기구 드라이버(75) 내의 구동 출력부(74)와 회전 축을 공유하여, 구동 출력부(74)로부터 구동 입력부(73)로의 토크의 전달을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 출력부(74)는 구동 입력부(73) 상의 리셉터클과 정합하도록 설계되는 스플라인(spline)을 포함할 수 있다.

세장형 샤프트(71)는, 예컨대 내시경술에서와 같이, 해부학적 개구 또는 내강, 또는 예컨대 복강경술에서와 같이, 최소 침습 절개부를 통해 전달되도록 설계된다. 세장형 샤프트(71)는 가요성(예컨대, 내시경과 유사한 특성을 가짐) 또는 강성(예컨대, 복강경과 유사한 특성을 가짐)이거나 가요성 부분 및 강성 부분 둘 모두의 맞춤형 조합을 포함할 수 있다. 복강경술을 위해 설계될 때, 강성의 세장형 샤프트의 원위 단부는, 적어도 1 자유도를 갖는 클레비스(clevis)로부터 형성되는 조인트식 리스트(jointed wrist)로부터 연장되는 엔드 이펙터, 및 구동 입력부가 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 응답하여 회전함에 따라 텐돈(tendon)으로부터의 힘에 기초하여 작동될 수 있는, 예를 들어 파지기 또는 가위와 같은 수술 도구 또는 의료 기구에 연결될 수 있다. 내시경술을 위해 설계될 때, 가요성의 세장형 샤프트의 원위 단부는 기구 드라이버(75)의 구동 출력부(74)로부터 수신된 토크에 기초하여 관절운동되고 구부러질 수 있는 조향가능 또는 제어가능 굽힘 섹션을 포함할 수 있다.

기구 드라이버(75)로부터의 토크는 샤프트(71)를 따른 텐돈을 사용하여 세장형 샤프트(71)를 따라 전달된다. 풀 와이어(pull wire)와 같은 이들 개별 텐돈은 기구 손잡이(72) 내의 개별 구동 입력부(73)에 개별적으로 고정될 수 있다. 손잡이(72)로부터, 텐돈은 세장형 샤프트(71)를 따른 하나 이상의 풀 루멘(pull lumen)을 따라 지향되고, 세장형 샤프트(71)의 원위 부분에, 또는 세장형 샤프트의 원위 부분에 있는 리스트 내에 고정된다. 복강경술, 내시경술 또는 하이브리드 절차와 같은 수술 절차 동안, 이들 텐돈은 리스트, 파지기, 또는 가위와 같은 원위에 장착된 엔드 이펙터에 결합될 수 있다. 그러한 배열 하에서, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈에 장력을 전달하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 일정 방식으로 작동하게 할 것이다. 일부 실시예에서, 수술 절차 동안, 텐돈은 조인트가 축을 중심으로 회전하게 하여, 그에 의해 엔드 이펙터가 하나의 방향 또는 다른 방향으로 이동하게 할 수 있다. 대안적으로, 텐돈은 세장형 샤프트(71)의 원위 단부에서 파지기의 하나 이상의 조오(jaw)에 연결될 수 있으며, 여기에서 텐돈으로부터의 장력은 파지기가 폐쇄되게 한다.

내시경술에서, 텐돈은 접착제, 제어 링, 또는 다른 기계적 고정을 통해 (예컨대, 원위 단부에서) 세장형 샤프트(71)를 따라 위치된 굽힘 또는 관절운동 섹션에 결합될 수 있다. 굽힘 섹션의 원위 단부에 고정식으로 부착될 때, 구동 입력부(73)에 가해진 토크는 텐돈을 따라 전달되어, 더 연질인 굽힘 섹션(때때로 관절운동가능 섹션 또는 영역으로 지칭됨)이 구부러지거나 관절운동하게 할 것이다. 비-굽힘 섹션을 따라, 내시경 샤프트의 벽을 따라(또는 그 내측에서) 개별 텐돈을 지향시키는 개별 풀 루멘을 나선형화 또는 나선화하여, 풀 와이어의 장력으로부터 발생하는 반경방향 힘의 균형을 잡는 것이 유리할 수 있다. 나선(spiraling)의 각도 및/또는 그들 사이의 간격은 특정 목적을 위해 변경 또는 조작될 수 있으며, 여기에서 더 조밀한 나선은 하중 힘 하에서의 더 작은 샤프트 압축을 나타내는 한편, 더 적은 양의 나선은 하중 힘 하에서의 더 큰 샤프트 압축을 가져오지만, 또한 한계 굽힘을 나타낸다. 스펙트럼의 다른 단부 상에서, 풀 루멘은 원하는 굽힘 또는 관절운동가능 섹션에서의 제어된 관절운동을 허용하기 위해 세장형 샤프트(71)의 길이방향 축에 평행하게 지향될 수 있다.

내시경술에서, 세장형 샤프트(71)는 로봇 절차를 보조하기 위한 다수의 구성요소를 수용한다. 샤프트는 샤프트(71)의 원위 단부에서 수술 영역에 수술 도구(또는 의료 기구), 관주, 및/또는 흡인을 전개시키기 위한 작업 채널로 구성될 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 광학 카메라를 포함할 수 있는, 원위 팁(distal tip)에 있는 광학 조립체로/그로부터 신호를 전달하기 위한 와이어 및/또는 광섬유를 수용할 수 있다. 샤프트(71)는 또한, 발광 다이오드와 같은 근위에 위치된 광원으로부터 샤프트의 원위 단부로 광을 전달하기 위한 광섬유를 수용할 수 있다.

기구(70)의 원위 단부에서, 원위 팁은 또한, 진단 및/또는 치료, 관주, 및 흡인을 위한 도구를 수술 부위로 전달하기 위한 작업 채널의 개구를 포함할 수 있다. 원위 팁은 또한, 내부 해부학적 공간의 이미지를 캡처하기 위한, 섬유경 또는 디지털 카메라와 같은 카메라를 위한 포트를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 원위 팁은 또한, 카메라를 사용할 때 해부학적 공간을 조명하기 위한 광원을 위한 포트를 포함할 수 있다.

도 13의 예에서, 구동 샤프트 축, 및 그에 따라 구동 입력부 축은 세장형 샤프트의 축에 직교한다. 그러나, 이러한 배열은 세장형 샤프트(71)에 대한 롤 능력을 복잡하게 한다. 구동 입력부(73)를 정적으로 유지시키면서 세장형 샤프트(71)를 그의 축을 따라 롤링시키는 것은 텐돈이 구동 입력부(73)로부터 연장되고 세장형 샤프트(71) 내의 풀 루멘에 들어감에 따라 텐돈의 바람직하지 않은 엉킴을 야기한다. 그러한 텐돈의 결과적인 엉킴은 내시경술 절차 동안 가요성의 세장형 샤프트의 이동을 예측하도록 의도된 임의의 제어 알고리즘을 방해할 수 있다.

도 14는 구동 유닛의 축이 기구의 세장형 샤프트의 축에 평행한 기구 드라이버 및 기구에 대한 대안적인 설계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 원형 기구 드라이버(80)는 그들의 구동 출력부(81)가 로봇 아암(82)의 단부에서 평행하게 정렬되는 4개의 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)는 기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83) 내에 수용되며, 이는 조립체(83) 내의 구동 유닛들 중 하나에 의해 구동된다. 회전 구동 유닛에 의해 제공되는 토크에 응답하여, 회전 조립체(83)는 회전 조립체(83)를 기구 드라이버의 비-회전 부분(84)에 연결하는 원형 베어링을 따라 회전한다. 전력 및 제어 신호가 기구 드라이버(80)의 비-회전 부분(84)으로부터, 브러시형 슬립 링 연결부(brushed slip ring connection)(도시되지 않음)에 의해 회전을 통해 유지될 수 있는 전기 접촉부를 통해 회전 조립체(83)로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 조립체(83)는, 비-회전가능 부분(84) 내에 통합되어, 그에 따라 다른 구동 유닛에 평행하지 않은 별개의 구동 유닛에 응답할 수 있다. 회전 메커니즘(83)은 기구 드라이버(80)가 구동 유닛, 및 그들 각각의 구동 출력부(81)를 단일 유닛으로서 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전시키도록 허용한다.

이전에 개시된 실시예와 마찬가지로, 기구(86)는 세장형 샤프트 부분(88), 및 기구 드라이버(80) 내의 구동 출력부(81)를 수용하도록 구성되는 (리셉터클, 풀리, 및 스풀과 같은) 복수의 구동 입력부(89)를 포함하는 기구 기부(87)(논의 목적을 위해 투명 외부 스킨으로 도시됨)를 포함할 수 있다. 이전에 개시된 실시예와 달리, 기구 샤프트(88)는 축이 도 13의 설계에서와 같이 직교하기보다는 구동 입력부(89)의 축에 실질적으로 평행한 상태로 기구 기부(87)의 중심으로부터 연장된다.

기구 드라이버(80)의 회전 조립체(83)에 결합될 때, 기구 기부(87) 및 기구 샤프트(88)를 포함하는 의료 기구(86)는 회전 조립체(83)와 조합하여 기구 드라이버 축(85)을 중심으로 회전한다. 기구 샤프트(88)가 기구 기부(87)의 중심에 위치되기 때문에, 기구 샤프트(88)는 부착될 때 기구 드라이버 축(85)과 동축이다. 따라서, 회전 조립체(83)의 회전은 기구 샤프트(88)가 그 자체의 길이방향 축을 중심으로 회전하게 한다. 더욱이, 기구 기부(87)가 기구 샤프트(88)와 함께 회전함에 따라, 기구 기부(87) 내의 구동 입력부(89)에 연결된 임의의 텐돈은 회전 동안 엉키지 않는다. 따라서, 구동 출력부(81), 구동 입력부(89), 및 기구 샤프트(88)의 축의 평행성은 임의의 제어 텐돈을 엉키게 하지 않고서 샤프트 회전을 허용한다.

E. 내비게이션 및 제어.

전통적인 내시경술은 (예컨대, C-아암을 통해 전달될 수 있는 바와 같은) 형광투시법 및 다른 형태의 방사선-기반 이미징 기법의 사용을 수반하여, 조작자 의사에게 관내 안내를 제공할 수 있다. 대조적으로, 본 개시에 의해 고려되는 로봇 시스템은 비-방사선-기반 내비게이션 및 위치결정 수단을 제공하여, 방사선에 대한 의사의 노출을 감소시키고 수술실 내의 장비의 양을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "위치결정"은 기준 좌표계에서 물체의 위치를 결정 및/또는 모니터링하는 것을 지칭할 수 있다. 수술전 매핑, 컴퓨터 비전(computer vision), 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터와 같은 기법은 방사선이 없는 수술 환경을 달성하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 방사선-기반 이미징 기법이 여전히 사용되는 다른 경우에, 수술전 매핑, 컴퓨터 비전, 실시간 EM 추적, 및 로봇 명령 데이터는 방사선-기반 이미징 기법만을 통해 획득된 정보를 개선하기 위해 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.

도 15는 예시적인 실시예에 따른, 기구의 위치와 같은, 로봇 시스템의 하나 이상의 요소의 위치를 추정하는 위치결정 시스템(90)을 예시한 블록도이다. 위치결정 시스템(90)은 하나 이상의 명령어를 실행하도록 구성되는 하나 이상의 컴퓨터 장치들의 세트일 수 있다. 컴퓨터 장치는 위에서 논의된 하나 이상의 구성요소 내의 프로세서(또는 프로세서들) 및 컴퓨터-판독가능 메모리에 의해 구현될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 컴퓨터 장치는 도 1에 도시된 타워(30), 도 1 내지 도 4에 도시된 카트, 도 5 내지 도 10에 도시된 베드 등 내에 있을 수 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 위치결정 시스템(90)은 의료 기구의 원위 팁에 대한 위치 데이터(96)를 생성하도록 입력 데이터(91 내지 94)를 처리하는 위치결정 모듈(95)을 포함할 수 있다. 위치 데이터(96)는 기준 프레임(frame of reference)에 대한 기구의 원위 단부의 위치 및/또는 배향을 나타내는 데이터 또는 논리일 수 있다. 기준 프레임은 환자의 해부학적 구조 또는 알려진 물체, 예컨대 EM 필드 발생기(EM 필드 발생기에 대해서는 아래의 논의 참조)에 대한 기준 프레임일 수 있다.

이제, 다양한 입력 데이터(91 내지 94)가 더 상세히 기술된다. 수술전 매핑은 저 선량 CT 스캔의 집합의 사용을 통해 달성될 수 있다. 수술전 CT 스캔은 3차원 이미지로 재구성되며, 이는, 예컨대 환자의 내부 해부학적 구조의 절결도의 "슬라이스(slice)"로서 시각화된다. 전체적으로 분석될 때, 환자 폐 네트워크와 같은 환자의 해부학적 구조의 해부학적 공동, 공간 및 구조에 대한 이미지-기반 모델이 생성될 수 있다. 중심선 기하학(center-line geometry)과 같은 기법이 CT 이미지로부터 결정되고 근사화되어, 모델 데이터(91)로 지칭되는(수술전 CT 스캔만을 사용하여 생성될 때 "수술전 모델 데이터"로 또한 지칭됨), 환자의 해부학적 구조의 3차원 볼륨(three-dimensional volume)을 개발할 수 있다. 중심선 기하학의 사용은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제14/523,760호에서 논의된다. 네트워크 위상 모델(network topological model)이 또한 CT-이미지로부터 도출될 수 있으며, 기관지경술에 특히 적절하다.

일부 실시예에서, 기구는 비전 데이터(92)를 제공하기 위한 카메라를 구비할 수 있다. 위치결정 모듈(95)은 하나 이상의 비전-기반 위치 추적을 가능하게 하도록 비전 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 수술전 모델 데이터는 비전 데이터(92)와 함께 사용되어 의료 기구의 컴퓨터 비전-기반 추적을 가능하게 할 수 있다(예컨대, 내시경 전진 또는 내시경의 작업 채널을 통한 기구 전진). 예를 들어, 수술전 모델 데이터(91)를 사용하여, 로봇 시스템은 내시경의 예상 이동 경로에 기초하여 모델로부터 예상 내시경 이미지의 라이브러리(library)를 생성할 수 있으며, 각각의 이미지는 모델 내의 일정 위치에 링크된다. 수술중에, 이러한 라이브러리는, 카메라(예컨대, 내시경의 원위 단부에 있는 카메라)에서 캡처된 실시간 이미지를 이미지 라이브러리 내의 이미지와 비교하여 위치결정을 보조하기 위해 로봇 시스템에 의해 참조될 수 있다.

다른 컴퓨터 비전-기반 추적 기법은 특징부 추적(feature tracking)을 사용하여 카메라, 및 그에 따라 내시경의 운동을 결정한다. 위치결정 모듈(95)의 일부 특징은 해부학적 내강에 대응하는 수술전 모델 데이터(91) 내의 원형 기하학적 구조를 식별하고 그들 기하학적 구조의 변화를 추적하여, 어느 해부학적 내강이 선택되었는지뿐만 아니라 카메라의 상대 회전 및/또는 병진 운동을 결정할 수 있다. 위상 맵(topological map)의 사용은 비전-기반 알고리즘 또는 기법을 추가로 향상시킬 수 있다.

다른 컴퓨터 비전-기반 기법인 광학 흐름(optical flow)은 비전 데이터(92) 내의 비디오 시퀀스에서 이미지 픽셀의 변위 및 병진을 분석하여 카메라 이동을 추론할 수 있다. 광학 흐름 기법의 예는 모션 검출(motion detection), 객체 분할 계산(object segmentation calculation), 휘도(luminance), 모션 보상 인코딩(motion compensated encoding), 스테레오 디스패리티 측정(stereo disparity measurement) 등을 포함할 수 있다.다수의 반복에 걸친 다수의 프레임의 비교를 통해, 카메라(및 그에 따라 내시경)의 이동 및 위치가 결정될 수 있다.

위치결정 모듈(95)은 수술전 모델에 의해 표현되는 환자의 해부학적 구조에 정합될 수 있는 전역 좌표계에서 내시경의 실시간 위치를 생성하기 위해 실시간 EM 추적을 사용할 수 있다. EM 추적에서, 의료 기구(예컨대, 내시경 도구) 내에 하나 이상의 위치 및 배향으로 내장된 하나 이상의 센서 코일로 구성되는 EM 센서(또는 추적기)가 알려진 위치에 위치된 하나 이상의 정적 EM 필드 발생기에 의해 생성되는 EM 필드의 변화를 측정한다. EM 센서에 의해 검출된 위치 정보는 EM 데이터(93)로서 저장된다. EM 필드 발생기(또는 전송기)는 내장된 센서가 검출할 수 있는 저 강도 자기장을 생성하기 위해 환자 가까이에 배치될 수 있다. 자기장은 EM 센서의 센서 코일에 소전류(small current)를 유도하며, 이는 EM 센서와 EM 필드 발생기 사이의 거리 및 각도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 이들 거리 및 배향은 좌표계 내의 단일 위치를 환자의 해부학적 구조의 수술전 모델 내의 위치와 정렬시키는 기하학적 변환을 결정하기 위해 수술중에 환자 해부학적 구조(예컨대, 수술전 모델)에 "정합될" 수 있다. 일단 정합되면, 의료 기구의 하나 이상의 위치(예컨대, 내시경의 원위 팁)에 있는 내장된 EM 추적기는 환자의 해부학적 구조를 통한 의료 기구의 진행의 실시간 표시를 제공할 수 있다.

로봇 명령 및 운동학(kinematics) 데이터(94)가 또한 위치결정 모듈(95)에 의해 사용되어, 로봇 시스템에 대한 위치결정 데이터(96)를 제공할 수 있다. 관절운동 명령으로부터 발생하는 장치 피치 및 요는 수술전 보정 동안 결정될 수 있다. 수술중에, 이들 보정 측정치는 알려진 삽입 깊이 정보와 조합하여 사용되어 기구의 위치를 추정할 수 있다. 대안적으로, 이들 계산치는 EM, 비전, 및/또는 위상 모델링과 조합하여 분석되어 네트워크 내의 의료 기구의 위치를 추정할 수 있다.

도 15가 도시하는 바와 같이, 다수의 다른 입력 데이터가 위치결정 모듈(95)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시되어 있지 않지만, 형상-감지 섬유를 이용하는 기구가, 위치결정 모듈(95)이 기구의 위치 및 형상을 결정하는 데 사용할 수 있는 형상 데이터를 제공할 수 있다.

위치결정 모듈(95)은 입력 데이터(91 내지 94)를 조합(들)으로 사용할 수 있다. 일부 경우에, 그러한 조합은 위치결정 모듈(95)이 입력 데이터(91 내지 94) 각각으로부터 결정된 위치에 신뢰 가중치(confidence weight)를 할당하는 확률적 접근법(probabilistic approach)을 사용할 수 있다. 따라서, (EM 간섭이 있는 경우 그러할 수 있는 바와 같이) EM 데이터가 신뢰가능하지 않을 수 있는 경우, EM 데이터(93)에 의해 결정된 위치의 신뢰도가 감소될 수 있고, 위치결정 모듈(95)은 비전 데이터(92) 및/또는 로봇 명령 및 운동학 데이터(94)에 더 많이 의존할 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 논의되는 로봇 시스템은 위의 기법들 중 하나 이상의 조합을 통합하도록 설계될 수 있다. 타워, 베드 및/또는 카트에 기반한 로봇 시스템의 컴퓨터-기반 제어 시스템은 예를 들어 영구 자기 저장 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브 등과 같은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 내에 컴퓨터 프로그램 명령어를 저장할 수 있으며, 이는, 실행 시에, 시스템으로 하여금 센서 데이터 및 사용자 명령을 수신 및 분석하고, 시스템 전체에 걸쳐 제어 신호를 생성하고, 전역 좌표계, 해부학적 맵 등 내에서의 기구의 위치와 같은 내비게이션 및 위치결정 데이터를 디스플레이하게 한다.

2. 로봇식 원격작동 시스템을 위한 제어기

전술된 시스템과 같은, 로봇식 원격작동 시스템은 조작자(예컨대, 로봇식 의료 절차를 수행하는 의사)가 하나 이상의 기구를 조작 및 제어하는 것을 허용하도록 구성되는 입력 장치 또는 제어기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 로봇식 원격작동 시스템은 하나 이상의 의료 도구를 작동시키기 위한 제어기를 포함한다. 당업자는 본 명세서에 기술된 제어기가 비-의료 상황에 또한 적용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 제어기는 유해 물질을 수반하는 도구를 조작하는 데 유용할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 제어기는 물리적 및/또는 가상 환경에서 물체를 잡는 데 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 인간 조작자와 상호작용하는 서비스 로봇으로서 자급적(self-sufficient)일 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 제어기의 조작이 기구의 대응하는 조작을 유발하도록 (예컨대, 의료 기구와 같은) 기구와 (예컨대, 통신가능하게, 전자적으로, 전기적으로, 무선으로, 그리고/또는 기계적으로) 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기와 기구는 마스터-슬레이브 쌍(master-slave pair)으로 배열된다. 일부 실시예에서, 제어기는 조작기, 에뮬레이터(emulator), 마스터, 인터페이스 등으로 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 병렬로 또는 직렬로 조립되는 복수의 링크를 포함할 수 있다.

제어기는 내시경, 관내, 복강경, 또는 개복 수술 기구에서와 같이, 조작자가 의료 기구의 동작을 제어하기 위한 입력 장치로서의 역할을 할 수 있다. 조작자에 의한 제어기의 이동은 의료 기구의 이동을 지시할 수 있다. 예를 들어, 조작자가 제어기를 3차원 공간 내에서 (예컨대, 상향, 하향, 좌측, 우측, 후방, 전방으로) 병진시킬 때, 시스템은 의료 기구의 대응하는 병진을 유발할 수 있다. 유사하게, 조작자가 제어기를 (예컨대, 3개의 직교 축들 중 임의의 축을 중심으로) 회전시키는 경우, 시스템은 의료 기구의 대응하는 회전 이동을 유발할 수 있다. 제어기는 또한 조작자가 의료 기구를 작동시키도록 허용하는 입력부를 포함할 수 있다. 일례로서, 의료 기구가 파지기를 포함하는 경우, 제어기는 조작자가 파지기를 개방 및 폐쇄시키도록 허용하는 입력부를 포함할 수 있다.

제어기는 또한 조작자에게 햅틱 피드백(haptic feedback)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 의료 기구에 부여되는 힘 또는 토크가 제어기를 통해 다시 조작자에게 전달될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기를 통해 조작자에게 햅틱 피드백을 제공하는 것은 사용자에게 개선된 작동, 제어, 또는 구동 경험을 제공한다. 일부 실시예에서, 조작자가 제어기와 상호작용하고 시스템을 작동시키는 것을 더 용이하게 하기 위해, 명확한 햅틱 신호(crisp haptic cue)가 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기는 또한 예를 들어 의료 기구를 교체할 때 조작자의 손을 의료 기구의 배향과 정렬시키는 데 사용된다. 예를 들어, 의료 기구가 의료 절차 동안 환자 내에 위치되는 경우, 의료 기구가 예상외로 또는 의도하지 않게 이동하지 않는 것이 중요하다. 따라서, 조작자가 신체 내에 이미 위치된 의료 기구를 제어하기를 원할 때, 기구가 제위치로 유지되는 상태에서, 제어기가 먼저 의료 기구의 배향과 일치하도록 이동할 수 있다. 제어기가 의료 기구의 배향과 일치하도록 정확하게 배향되면, 조작자는 이어서 의료 기구를 조작하기 위해 제어기를 사용할 수 있다.

일부 실시예에서, 로봇식 의료 시스템은 조작자의 손 이동을 따르는 7 자유도를 가진 제어기를 포함하며, 이때 7 자유도는 3 위치 자유도(예컨대, x, y, z 공간 내에서의 병진 이동), 3 회전 자유도(예컨대, 피치, 롤, 및 요 축을 중심으로 하는 회전 이동), 및 1 (이상의) 기구 작동 자유도(예컨대, 각도 자유도)를 포함한다. 일부 실시예에서, 기구 작동 자유도는 물체를 보유하기 위한 그리퍼(gripper) 또는 파지기와 같은, 의료 기구의 엔드 이펙터의 개방 및 폐쇄를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 기구 작동 자유도는 생략될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 더 많거나 더 적은 수의 자유도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제어기는 1 이상의 여분의 자유도를 제공하기 위해 3 초과의 위치 자유도 또는 3 초과의 회전 자유도를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 여분의 자유도는 예를 들어 제어기의 기계적 구조에 의해 야기되는 특이성을 회피하기 위해 제어기에 대한 추가적인 기계적 유연성을 제공한다.

도 16a는 제어기(102)의 일 실시예의 개략적인 표현 및 로봇식 의료 기구(310)의 일 실시예의 개략적인 표현을 포함하는 로봇식 의료 시스템(100)의 일 실시예의 블록도를 예시한다. 위에서 간략히 언급된 바와 같이, 제어기(102)는, 제어기(102)의 조작이 로봇식 의료 기구(310)의 실질적으로 대응하는 이동을 유발하고, 로봇식 의료 기구(310)에 부여되는 힘이 다시 제어기로 전달되고 조작자에게 햅틱에 의해 전달될 수 있도록 로봇식 의료 기구(310)와 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(102)와 로봇식 의료 기구(310)는 마스터-슬레이브 구성으로 배열된다.

시스템(100)의 예시된 실시예에서, 제어기(102)는 손잡이(104), 짐벌(106), 및 위치설정 플랫폼(108)을 포함한다. 손잡이(104)는 조작자에 의해 보유되도록 구성될 수 있다. 예시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 손잡이(104)는 짐벌(106) 및 위치설정 플랫폼(108)에 결합된다. 위에서 언급된 바와 같이, 손잡이(104)는 기구를 작동시키기 위한 1 이상의 자유도를 포함할 수 있다. 짐벌(106)은 조작자가 손잡이(104)를 회전시키도록 허용하기 위해 1 이상의 회전 자유도를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 짐벌(106)은 적어도 3 회전 자유도를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 짐벌(106)은 조작자가 손잡이(104)를 피치, 롤, 및 요 축을 중심으로 회전시키는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 예시적인 짐벌(106)이 도 17 내지 도 19b에 도시되어 있으며 더 상세히 후술된다. 위치설정 플랫폼(108)은 조작자가 손잡이(104)를 병진시키도록 허용하기 위해 1 이상의 병진(본 명세서에서 위치로 또한 지칭됨) 자유도를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 위치설정 플랫폼(108)은 적어도 3 위치 자유도를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 위치설정 플랫폼(108)은 조작자가 손잡이(104)를 3차원 공간 내에서(예컨대, x-, y-, 및 z-방향) 병진시키는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 예시적인 위치설정 플랫폼(108)을 더 상세히 후술되는 도 16c에서 볼 수 있다. 이와 함께, 짐벌(106) 및 위치설정 플랫폼(108)은 사용자가 손잡이(104)를 조작하는 것을 가능하게 할 수 있다.

예시된 실시예에서, 로봇식 의료 기구(310)는 기구 또는 도구(312)(이는 엔드 이펙터를 포함할 수 있음), 기구 드라이버(314), 및 로봇 아암(316)(또는 다른 기구 위치설정 장치)을 포함한다. 의료 도구(312)는 예를 들어 위에서 도 9에 도시된 복강경 기구(59)뿐만 아니라, 본 출원 전반에 걸쳐 기술되는 바와 같은 그리고 당업자에게 명백할 바와 같은 다른 유형의 내시경 또는 복강경 의료 기구일 수 있다. 의료 도구(312)는 엔드 이펙터 또는 복수의 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 엔드 이펙터는 의료 도구(312)의 원위 단부 상에 위치될 수 있다. 엔드 이펙터는 환자의 신체 내로의 삽입을 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 엔드 이펙터는 많은 다른 것들 중에서, 파지기, 그리퍼, 절단기, 바스케팅 장치(basketing apparatus), 또는 가위일 수 있다. 일부 실시예에서, 의료 도구(312)는 스코프 또는 카메라를 포함할 수 있다.

의료 도구(312)는 기구 드라이버(314)에 부착될 수 있다. 기구 드라이버(314)는 전술된 바와 같이 의료 도구(312)를 작동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 기구 드라이버(314)는 의료 도구(312)를 작동시키기 위해 의료 도구(312)의 하나 이상의 풀 와이어를 당기도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 기구 드라이버(314)는 전술된 바와 같은 기구 구동 메커니즘일 수 있다. 기구 드라이버(314)는 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같이, 로봇 아암(316)에 부착될 수 있다. 로봇 아암(316)은 의료 도구(312)를 추가로 조작 및 위치시키기 위해 관절운동 또는 이동하도록 구성될 수 있다. 예시적인 의료 기구/도구, 기구 드라이버, 및 로봇 아암이 전술된 도 1 내지 도 15의 시스템에 도시되어 있다.

제어기(102)는, 손잡이(104)의 조작이 의료 도구(312)의 실질적으로 대응하는 이동을 유발하고 의료 도구(312)에 부여되는 힘이 손잡이(104)를 통해 조작자에게 햅틱에 의해 전달될 수 있도록 로봇식 의료 기구(310)에 결합될 수 있다. 손잡이(104)의 조작은 짐벌(106) 및 위치설정 플랫폼(108)의 힘 및 이동을 측정함으로써 측정되거나 결정될 수 있다. 의료 도구(312)의 이동은 기구 드라이버(314) 및/또는 로봇 아암(316)의 관절운동 및 이동에 의해 유발될 수 있다. 따라서, 손잡이(104)를 조작함으로써, 조작자는 의료 도구(312)를 제어할 수 있다.

많은 경우에, 제어기(102)는 조작자가 의료 도구(312)를 정밀하고 정밀하게 제어하고 과로하게(over-tired) 됨이 없이 제어기(102)를 사용할 수 있도록 조작자에 의해 용이하게 조작되는 것이 요구된다. 제어기의 조작의 용이성을 측정하기 위한 하나의 기준은 시스템의 인지 관성(perceived inertia) 및/또는 인지 질량(perceived mass)이다. 일부 실시예에서, 시스템의 인지 관성은 사용자가 손잡이(104)를 조작할 때 점 질량(point mass)인 것처럼 느끼는 시스템의 질량이다. 일반적으로, 더 낮은 인지 관성을 가진 제어기(102)가 작동시키기에 더 용이할 수 있다. 다른 실시예에서, 인지 관성은 사용자가 손잡이(104)를 조작할 때 느끼는 관성 모멘트를 포함한다.

후술될 바와 같이, 본 출원에 기술된 제어기는 기존 시스템에 비해 이점을 제공하는 여러 신규하고 비자명한 특징을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 제어기는 유리하게는 어드미턴스 및 임피던스 제어 둘 모두로 작동하도록 구성된다. 후술되는 바와 같이, 어드미턴스 및 임피던스 제어 둘 모두를 포함하는 하이브리드 제어기가 개선된 작동 경험을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 어드미턴스 및 임피던스 제어 둘 모두를 포함하는 하이브리드 제어기가 유리하게는 다른 제어기와 비교할 때 더 낮거나 감소된 인지 관성을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 하이브리드 제어기가 개선된 햅틱 피드백 및 응답을 제공할 수 있다. 또한, 후술되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 제어기는 불규칙하고 예측할 수 없는 이동을 야기할 수 있는 (후술되는) 기계적 단락의 가능성을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 본 출원에 기술된 제어기의 이들 및 다른 특징 및 이점은 하기 섹션에서 추가로 논의된다.

A. 하이브리드 제어기

도 16b는 임피던스 및 어드미턴스 제어 둘 모두를 사용하여 작동하도록 구성되는 제어기(102)의 일 실시예의 블록도이다. 그러한 제어기(102)는 하이브리드 제어기로 지칭될 수 있다.

임피던스 제어 및 어드미턴스 제어는 로봇 시스템을 제어하기 위한 2가지 제어 기법이다. 임피던스 제어 하에서, 시스템은 변위(예컨대, 위치 및 속도의 변화)를 측정하고 힘을 출력한다. 예를 들어, 임피던스 제어의 경우, 시스템은 조작자가 제어기를 얼마나 멀리 또는 빠르게 이동시키는지를 측정하고, 측정에 기초하여, (예컨대, 모터를 작동시킴으로써) 기구에 대한 힘을 발생시킬 수 있다. 임피던스 제어 하에서, 제어기의 조작자의 이동은 기구의 부분들을 역구동시킬 수 있다. 많은 경우에, 임피던스 제어의 사용은 큰 인지 관성을 생성할 수 있다. 이는 예를 들어 임피던스 제어가 제어기를 이동시키는 조작자에 의존하기 때문일 수 있다. 임피던스 제어 하에서, 조작자는 제어기를 이동시키기 위해 제어기의 인지 질량 또는 관성을 극복하여야 하고, 이는 제어기가 무겁게 느껴지게 할 수 있다. 임피던스 제어의 경우, 조작자는 제어기를 이동시키기 위해 시스템 내의 관성의 대부분 또는 전부를 물리적으로 극복하여야 한다. 다른 제어기는 오직 임피던스 제어에 의존하였고, 이는 본 명세서에 기술된 제어기와 비교할 때 시스템이 더 높은 인지 관성 또는 질량을 갖게 할 수 있다. 더 높은 인지 관성으로 인해, 조작자는 그러한 다른 제어기를 사용할 때 과로할 수 있다.

어드미턴스 제어 하에서, 시스템은 조작자에 의해 제어기에 부여되는 힘 및/또는 토크를 측정하고 제어기의 대응하는 속도 및/또는 위치를 출력한다. 일부 측면에서, 어드미턴스 제어는 임피던스 제어와 반대이다. 일부 실시예에서, 어드미턴스 제어의 사용은 유리하게는 시스템의 인지 관성 또는 질량의 감소를 생성할 수 있다. 어드미턴스 제어는 높은 질량 또는 관성을 갖는 것으로 인지되는 제어기의 동역학(dynamics)을 변화시키는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 어드미턴스 제어를 사용함으로써, 조작자는 제어기를 이동시키기 위해 시스템 내의 관성의 전부를 극복할 필요가 없다. 예를 들어, 어드미턴스 제어 하에서, 사용자가 제어기에 힘을 부여할 때, 시스템은 힘을 측정하고 제어기와 관련된 하나 이상의 모터를 구동시킴으로써 사용자가 제어기를 이동시키는 것을 보조하여, 그에 의해 제어기의 원하는 속도 및/또는 위치를 생성할 수 있다. 달리 말하면, 어드미턴스 제어의 경우, 힘 센서 또는 로드 셀이 조작자가 제어기에 인가하고 있는 힘을 측정하고 제어기뿐만 아니라 결합된 로봇식 의료 기구(310)를 가볍게 느껴지는 방식으로 이동시킨다. 어드미턴스 제어는 임피던스 제어보다 가볍게 느껴질 수 있는데, 그 이유는, 어드미턴스 제어 하에서, 제어기 내의 모터가 질량을 가속하는 데 도움을 줄 수 있으므로 제어기의 인지 관성을 숨길 수 있기 때문이다. 대조적으로, 임피던스 제어의 경우, 사용자는 모든 또는 실질적으로 모든 질량 가속을 전담한다.

도 16b의 예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 제어기(102)는 손잡이(104), 짐벌(106), 및 위치설정 플랫폼(108)을 포함한다. 전술된 바와 같이, 짐벌(106)은 1 이상의 회전 자유도(예컨대, 3 또는 4)를 제공하도록 구성될 수 있고, 위치설정 플랫폼(108)은 1 이상의 회전 자유도(예컨대, 3 또는 4)를 제공하도록 구성될 수 있다. 짐벌(106) 및 위치설정 플랫폼(108)은 사용자가 손잡이(104)를 3차원 공간 내에서 이동시키고 손잡이(104)를 피치, 롤, 및 요 축을 중심으로 회전시키도록 허용할 수 있다. 손잡이(104)의 조작은 대응하는 의료 기구의 이동을 생성한다. 또한, 손잡이(104), 짐벌(106), 및 위치설정 플랫폼(108)은 의료 기구에 부여되는 힘을 나타내는 햅틱 피드백을 조작자에게 제공하도록 구성될 수 있다.

도 16b의 파선 박스에 의해 예시된 바와 같이, 제어기(102)에서, 짐벌(106)은 임피던스 제어를 위해 구성되고 위치설정 플랫폼(108)은 어드미턴스 제어를 위해 구성된다. 따라서, 일부 실시예의 경우, 위치설정 플랫폼(108)의 병진 또는 위치 자유도는 어드미턴스 제어에 의존하는 한편, 짐벌(106)의 회전 자유도는 임피던스 제어에 의존한다. 추가로 후술되는 바와 같이, 이러한 유형의 하이브리드 제어기(102)는 여러 이점을 가질 수 있다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 짐벌(106)은 어드미턴스 제어를 위해 구성되고 위치설정 플랫폼(108)은 임피던스 제어를 위해 구성된다. 일부 실시예에서, 짐벌(106) 및 위치설정 플랫폼은 둘 모두 어드미턴스 제어를 위해 구성될 수 있거나, 둘 모두 임피던스 제어를 위해 구성될 수 있다.

어드미턴스 제어를 이용하기 위해, 제어기(102)는 적어도 하나의 힘 센서 또는 로드 셀(112)을 포함한다. 로드 셀(112)은 조작자에 의해 제어기(102)에 부여되는 힘(일반적으로, 손잡이(104)에 부여되는 힘)을 측정하도록 구성된다. 로드 셀(112)의 출력 신호(힘의 측정치)는 위치설정 플랫폼(108)과 같은 제어기(102)의 이동을 제어하는 제어 신호를 제공하기 위해 사용된다. 로봇식 의료 기구(310)는 (예컨대, 기구 드라이버(314) 또는 로봇 아암(316) 내의 하나 이상의 모터를 작동시킴으로써) 손잡이(104)의 운동을 따를 것이다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)은 3개의 방향으로 힘을 측정하는 3 자유도 로드 셀일 수 있다.

예시된 실시예에서, 로드 셀(112)은 짐벌(106) 내에 위치된다. 후술되는 도 18 및 도 19a는 로드 셀(112)이 짐벌(106) 내에 위치될 수 있는 2개의 상이한 실시예를 도시한다. 로드 셀(112)에 대한 다른 위치가 또한 가능하다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)은 위치설정 플랫폼(108) 내에 위치된다. 일부 실시예에서, 손잡이(104), 짐벌(106), 및/또는 위치설정 플랫폼(108) 내에 위치될 수 있는 하나 초과의 로드 셀(112)(예컨대, 2개, 3개, 4개, 또는 그보다 많은 로드 셀)이 포함된다.

일부 실시예에서, 로드 셀(112)은 유리하게는 제어기(102) 내에서 (손잡이(104)에 더 가깝게) 원위에 위치된다. 이는 일부 실시예에서, 어드미턴스 제어가 로드 셀(112)의 근위에 위치되는 제어기(102)의 부분들(예컨대, 손잡이(104)로부터 로드 셀(112)의 반대편 측부 상에 위치되는 제어기(102)의 부분들)의 인지 질량을 숨기는 데 사용될 수 있기 때문이다.

도 16c는 제어기(102)의 일 실시예의 사시도이다. 예시된 실시예에서, 제어기(102)는 하나 이상의 의료 기구의 조작을 허용하도록 구성된다. 예시된 바와 같이, 제어기(102)는 한 쌍의 손잡이들(104)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 손잡이들(104)의 쌍은 단일 기구를 작동시키는 한편, 다른 실시예에서, 손잡이들(104)의 쌍 각각은 그 자신의 대응하는 기구를 각각 작동시킨다. 각각의 손잡이(104)는 짐벌(106)에 연결된다. 각각의 짐벌은 위치설정 플랫폼(108)에 연결된다. 일부 실시예에서, 손잡이(104)는, 위치설정 플랫폼(108)의 원위에 있는 것으로 고려되는 짐벌(106)로부터 원위에 있는 것으로 고려된다. 손잡이(104) 및 짐벌(106)은 도 17에 더 상세히 도시되어 있으며, 후술될 것이다.

도 16c에 도시된 바와 같이, 예시된 실시예에서, 각각의 위치설정 플랫폼(108)은 직선형 조인트(116)에 의해 칼럼(114)에 결합되는 복수의 링크를 갖는 SCARA(선택적 순응형 조립 로봇 아암(selective compliance assembly robot arm)) 아암(118)을 포함한다. 직선형 조인트(116)는 손잡이(104)가 z-방향으로 병진되는 것을 허용하여 제1 자유도를 제공하기 위해 칼럼(114)을 따라(예컨대, 레일(117)을 따라) 병진하도록 구성된다. SCARA 아암(118)은 x-y 평면 내에서의 손잡이(104)의 운동을 허용하여, 2 추가 자유도를 제공하도록 구성된다. 따라서, 도 16c에 예시된 위치설정 플랫폼들(108) 각각은, 3 위치 또는 병진 자유도를 제공하고 조작자가 3차원(예컨대, x, y, z) 공간 내에서 (위치설정 플랫폼의 도달범위 내의) 임의의 위치에 손잡이(104)를 위치시키는 것을 허용하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 칼럼(114)(및 레일(117))은 중력 방향과 정렬될 수 있는, 작업공간의 수직 방향(예컨대, 예시된 바와 같은 z-방향)과 정렬되는 축을 따라 연장된다. 이러한 위치설정 플랫폼(108)의 이점은 그것이 중력 보상을 제공할 수 있다는 것이다. 다시 말하면, 위치설정 플랫폼(108)의 직선형 조인트(116)는 중력 힘에 대한 짐벌(106)의 일정한 배향을 유지시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 위치설정 플랫폼(108)은 다른 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 위치설정 플랫폼(108)은 모든 실시예에서 직선형 조인트 및/또는 SCARA 아암을 포함할 필요는 없다.

일부 실시예에서, (도 16c에 도시되지 않은) 로드 셀(112)이 (예컨대, 짐벌(106) 내와 같은) 제어기(102)의 일부분 내에 제공될 수 있다. 로드 셀(112)의 추가는 제어기가 임피던스 제어에 더하여 어드미턴스 제어를 갖는 것을 가능하게 한다. 어드미턴스 제어 하에서, 제어기(102)의 인지 관성은 감소될 수 있다. 이는 짐벌(106) 및/또는 위치설정 플랫폼의 질량이 로드 셀(112)을 통해 숨겨질 수 있기 때문이다. 이는, 로드 셀(112)이 제어기에 부여되는 힘을 측정하고 제어기(102)의 운동을 보조하기 위해 제어기(102) 내의 모터를 구동시키는 출력을 제공하는 데 사용될 수 있기 때문일 수 있다. 숨겨지는 질량의 양은 로드 셀(112)의 위치에 의존한다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)의 근위에 있는 질량은 부분적으로 또는 실질적으로 숨겨질 수 있는 한편, 로드 셀(112)의 원위에 있는 질량은 숨겨지지 않을 것이다.

일부 실시예에서, 로드 셀(112)을 제어기(102) 상에서 원위에(예컨대, 도 16c에 도시된 짐벌(106) 내에) 위치시킴으로써, 짐벌(106)의 질량은 제어기(102)를 작동시키는 동안 부분적으로 또는 실질적으로 숨겨질 수 있다. 마찬가지로, (짐벌(106)보다 상대적으로 더 높은 질량을 갖는) 위치설정 플랫폼(108)의 질량은 또한 제어기(102)를 작동시키는 동안 부분적으로 또는 실질적으로 숨겨질 수 있다. 숨겨진 질량은 유리하게는 임상의에 의한 더 낮은 인지 관성을 생성한다. 로드 셀(112)이 없는 경우, 손잡이(104)를 z-방향으로 이동시키기 위해, 조작자는 손잡이(104), 짐벌(106), 및 SCARA 아암(118)을 상향으로 들어올리기에 충분한 힘을 손잡이(104)에 공급할 필요가 있을 것이다. 또한, 손잡이를 z-방향으로 이동시키는 것보다 x-y 평면 내에서 이동시키는 데 더 작은 힘을 필요로 할 것임을 예상할 수 있다. 이러한 불일치는 제어기(102)를 사용하기에 어렵게 할 조작자에 대한 불균등한 작동 경험을 야기할 가능성이 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 로드 셀(112)을 포함함으로써, 제어기(102)는 사용자가 손잡이(104)를 x-, y-, 및 z-방향으로 병진시키는 것을 보조하고 훨씬 더 균등하고 제어된 작동 경험을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)은 위치설정 플랫폼(108)이 실질적으로 또는 완전하게 어드미턴스 제어 하에서 작동하는 것을 가능하게 한다. 위치설정 플랫폼(108)과 대조적으로, 짐벌(106)의 관성 모멘트는 상대적으로 더 낮을 수 있다. 이는 짐벌(106)이 일반적으로 위치설정 플랫폼(108)보다 훨씬 더 작기 때문일 수 있다. 이로 인해, 짐벌(106)의 적어도 일부 부분은 임피던스 제어에 적합할 수 있다.

본 명세서에 기술된 바와 같은 그러한 하이브리드 임피던스/어드미턴스 제어기(102)의 하나의 이점은 시스템의 인지 관성이 임피던스 제어에 완전히 의존하는 시스템보다 상대적으로 더 낮을 수 있다는 것이다. 또한, 하이브리드 제어기(102)의 기계적 구조는 더 단순할 수 있는데, 그 이유는 어드미턴스 제어가 시스템의 이동을 보완하고 균등하게 하는 데 사용될 수 있기 때문이다. 대조적으로, 임피던스 단독 시스템의 기계적 구조는 흔히 시스템을 상이한 방향으로 이동시키고 인지 관성을 최소화하는 데 요구되는 힘을 정규화하려는 노력으로 매우 복잡하다.

일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 하이브리드 제어기(102)를 사용함으로써, 짐벌(106)의 질량 및 관성이 실제로 임피던스 단독 제어기의 짐벌에 비해 증가될 수 있는 것이 가능한데, 그 이유는 제어기(102)의 총 질량 및 관성 중 상당 부분이 위치설정 플랫폼의 어드미턴스 제어에 의해 숨겨질 수 있기 때문이다. 짐벌의 크기를 증가시키는 것은, 일부 실시예에서, 더 큰 모터의 사용을 허용할 수 있으며, 이는 전체 질량 및 관성을 증가시키는 것을 회피하기 위해 경량 짐벌 및 모터의 사용을 필요로 하는 다른 시스템과 비교할 때 제어기가 더 강한 햅틱 피드백 힘을 제공하도록 허용할 수 있다.

도 16c에 도시된 바와 같이, 하이브리드 제어기(102)는 직렬인 복수의 링크 및 조인트로서, 예컨대 직렬 링크 조작기로서 고려될 수 있다. 손잡이(104), 짐벌(106) 및 위치설정 플랫폼(108)은 각각 작동가능하게 결합되는 하나 이상의 링크를 포함하며, 이때 최근위의 링크는 위치설정 플랫폼(108)의 칼럼(114)에 인접하고 최원위의 링크는 손잡이(104) 자체의 일부이다. 일부 실시예에서, (도 16c에 도시되지 않은) 하나 이상의 로드 셀(112)이 제어기(102)의 적어도 일부 부분의 어드미턴스 제어를 제공하기 위해 제어기(102) 내로 삽입될 수 있다. 제어기(102)의 다른 부분은 임상의 또는 조작자에 의해 임피던스 제어(또는 일부 경우에, 수동 제어(passive control))에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)의 근위에 있는 링크 및 조인트는 로드 셀(112)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 받을 수 있다. 따라서, 이들 근위 링크 및 조인트의 조작은 어드미턴스 제어에 의해 보조될 수 있다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)의 원위에 있는 링크 및 조인트는 로드 셀(112)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 받지 않을 수 있다. 따라서, 이들 원위 링크 및 조인트의 조작은 임피던스 제어에 의해 보조될 수 있다. 예를 들어, (아래에서 더 상세히 논의되는) 도 19a의 실시예에서, 로드 셀(112)은 원위 조인트(128, 130, 132)(도 17에 도시됨)가 로드 셀(112)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 받지 않을 수 있도록 짐벌(106) 내에 위치된다. 다시 말하면, 이들 조인트에서의 짐벌(106)의 축의 조작은 직접적으로 또는 간접적으로 로드 셀(112)의 출력에 기초하지 않는다. 이들 원위 링크 및 조인트는 임피던스 제어에 의해 이동될 수 있다. 대조적으로, (위치설정 플랫폼(108) 내에 있는 것과 같은) 로드 셀(112)의 근위에 있는 링크 및 조인트는 로드 셀(112)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 받을 수 있다. 다시 말하면, 이들 조인트에서의 축의 조작은 직접적으로 또는 간접적으로 로드 셀(112)의 출력에 기초한다. 이들 근위 링크 및 조인트는 어드미턴스 제어에 의해 이동될 수 있다.

B. 로드 셀 위치설정의 예

위에서 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 로드 셀(112)(또는 힘 센서)은 짐벌(106) 내에 위치된다. 일부 실시예에서, 짐벌(106)은 임피던스 제어에 의해 제어기(102)에 대한 회전 자유도를 제공하는 한편, 위치설정 플랫폼(108)은 (예컨대, 짐벌(106) 내에 위치된 로드 셀(112)의 출력에 기초하여) 어드미턴스 제어에 의해 제어기(102)에 대한 위치 자유도를 제공할 수 있다. 로드 셀(112)이 짐벌(106) 내에 위치될 수 있는 많은 방식이 있다. 제어기(102)의 인지 관성이 감소되는 정도는 짐벌(106) 내의 로드 셀(112)의 위치에 부분적으로 기초할 수 있다. 짐벌(106)의 2개의 상이한 부분 내에 위치된 로드 셀(112)을 도시하는 2개의 예시적인 실시예가 이 섹션에 기술된다. 다른 실시예가 또한 가능하다.

도 17은 짐벌(106)의 일 실시예의 등각도이다. 예시된 바와 같이, 일부 실시예의 경우, 짐벌(106)은 위치설정 플랫폼(108)의 원위 단부에 위치된다(위치설정 플랫폼(108)의 최종 링크만이 도 17에 예시됨). 본 출원에 사용되는 바와 같이, 제어기(102)와 관련하여, 용어 원위는 손잡이(104)를 향한 방향을 지칭하고(예컨대, 손잡이(104)는 제어기(102)의 최원위 구성요소임) 용어 근위는 반대 방향을 지칭한다(예컨대, 칼럼(114)을 향함, 도 16c 참조). 따라서, 짐벌(106)의 근위 단부가 위치설정 플랫폼(108)의 원위 단부에 부착될 수 있다. 또한, 손잡이(104)는 짐벌(106)의 원위 단부에 위치될 수 있다.

일부 실시예에서, 손잡이(104)는 조작자에 의해 보유되도록 구성된다. 손잡이(104)는 제어기(102)가 제어하기 위해 사용되는 의료 기구를 시뮬레이션 또는 모사하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 손잡이는 파지기 손잡이(예컨대, 반경방향으로 대칭인 파지기 손잡이), 스타일러스, 패들-유형 손잡이 등을 포함한다. 예시된 실시예에서, 손잡이(104)는 위에서 논의된 기구 작동 자유도를 제공하도록 구성되는 2개의 작동 아암(120)을 포함한다. 손잡이(104)를 보유한 상태에서, 조작자는 제어되는 의료 기구와 관련되는 대응하는 각도를 제어하기 위해 작동 아암들(120) 사이의 각도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 의료 기구가 파지기, 전단기 등인 경우에, 작동 아암들(120) 사이의 각도는 파지기의 2개의 조오들 사이의 각도를 제어하는 데 사용될 수 있다.

예시된 실시예에서, 짐벌(106)은 조인트에 의해 연결되는 3개의 아암 또는 링크를 포함한다. 원위에서 근위로 배열되어 그리고 도 17에 예시된 바와 같이, 짐벌(106)은 제1 링크(122), 제2 링크(124), 및 제3 링크(126)를 포함한다. 원위에서 근위로 배열되어 그리고 도 17에 예시된 바와 같이, 짐벌(106)은 또한 제1 조인트(128), 제2 조인트(130), 제3 조인트(132), 및 제4 조인트(134)를 포함한다. 조인트는 다양한 링크가 회전하도록 허용하여, 위에서 논의된 회전 자유도를 가진 짐벌(106)을 제공한다.

손잡이(104)는 제1 조인트(128)에 의해 제1 링크(122)의 원위 단부에 연결된다. 제1 조인트(128)는 손잡이(104)가 제1 링크(122)에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 제1 조인트(128)는 손잡이(104)가 롤 축(136)을 중심으로 회전하도록 허용한다. 일부 실시예에서, 롤 축(136)은 손잡이(104)의 길이방향 축과 정렬된다. 제1 조인트(128)는 회전형 조인트일 수 있다.

제1 링크(122)의 근위 단부는 제2 조인트(130)에 의해 제2 링크(124)의 원위 단부에 연결된다. 제2 조인트(130)는 손잡이(104) 및 제1 링크(122)가 제2 링크(124)에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 제2 조인트(130)는 손잡이(104) 및 제1 링크(122)가 요 축(138)을 중심으로 회전하도록 허용한다. 일부 실시예에서, 요 축(138)은 제2 조인트(130)를 통해 연장되고 손잡이(104)의 중심점에서 롤 축(136)과 교차한다. 제2 조인트(130)는 회전형 조인트일 수 있다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예의 경우, 제1 링크(122)는 L-형상을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 링크(122)는 제2 링크(124)를 수용하기 위해 그 내부에 형성된 리세스(recess)를 갖도록 그리고 제2 링크(124)가 제1 링크(122)에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성된다.

제2 링크(124)의 근위 단부는 제3 조인트(132)에 의해 제3 링크(126)의 원위 단부에 연결된다. 제3 조인트(132)는 손잡이(104), 제1 링크(122), 및 제2 링크(124)가 제3 링크(126)에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 제3 조인트(132)는 손잡이(104), 제1 링크(122), 및 제2 링크(124)가 피치 축(140)을 중심으로 회전하도록 허용한다. 일부 실시예에서, 피치 축(140)은 제3 조인트(132)를 통해 연장되고 손잡이(104)의 중심점에서 롤 축(136) 및 요 축(138)과 교차한다. 제3 조인트(132)는 회전형 조인트일 수 있다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예의 경우, 제2 링크(124)는 L-형상을 포함한다. 일부 실시예에서, L-형상의 제2 링크(124)는 (도 17에 도시된 바와 같이) L-형상의 제1 링크(122)의 리세스 내에 수용된다. 다른 실시예에서, L-형상의 제1 링크(122)는 L-형상의 제2 링크(124)의 리세스 내에 수용될 수 있다.

예시된 실시예에서, 제1 조인트(128), 제1 링크(122), 제2 조인트(130), 제2 링크(124), 및 제3 조인트(132)는 손잡이(104)의 회전이 피치, 롤 및 요로 조절되도록 허용하는 3 회전 자유도를 제공한다. 예시된 실시예에서, 짐벌(106)은 여분의 회전 자유도를 제공하는 제3 링크(126) 및 제4 조인트(134)를 추가로 포함한다. 이는 모든 실시예에 포함될 필요는 없지만, 짐벌(106)에 대해 더 큰 기계적 유연성을 제공할 수 있다.

도시된 바와 같이, 제3 링크(126)의 원위 단부는 제3 조인트(132)에 의해 제2 링크(124)의 근위 단부에 연결된다. 제3 링크(126)의 근위 단부는 제4 조인트(134)에 의해 위치설정 플랫폼(108)의 원위 단부에 연결된다. 제4 조인트(134)는 손잡이(104), 제1 링크(122), 제2 링크(124), 및 제3 링크(126)가 위치설정 플랫폼(108)에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 제4 조인트(134)는 손잡이(104), 제1 링크(122), 제2 링크(124), 및 제3 링크(126)가 축(142)을 중심으로 회전하도록 허용한다. 일부 실시예에서, 축(142)은 요 축(138)에 평행하다. 일부 실시예에서, 요 축(138) 및 축(142)은 동축이지만, 예시된 바와 같이, 이는 모든 실시예에서 그러할 필요는 없다. 축(142)(및 요 축(138))은 전술된 바와 같이 중력 방향에 대한 짐벌 배향을 유지시키기 위해 중력 방향에 평행할 수 있다. 제4 조인트(134)는 회전형 조인트일 수 있다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예의 경우, 제3 링크(126)는 L-형상을 포함한다.

도 18 및 도 19a는 짐벌(106)의 내부 구조 중 일부를 도시하기 위해 짐벌(106)의 링크의 단면도로 예시된 짐벌(106)의 2개의 실시예를 도시한다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 이들 2개의 실시예는 로드 셀(112)이 짐벌(106) 내에 위치될 수 있는 예를 제공한다. 2개의 예가 예시되지만, 로드 셀(112)에 대한 다른 배치가 가능하다. 일부 실시예에서, 용어 로드 셀(112)은 단일 로드 셀 또는 다수의 서브-로드 셀들을 포함할 수 있다.

도 18은 짐벌(106)의 제1 실시예의 단면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 제1 실시예에서, 로드 셀(112)은 제1 링크(122) 내에 위치된다. 달리 말하면, 로드 셀(112)은 제1 조인트(128)와 제2 조인트(130) 사이에 위치된다. 짐벌(106)의 제1 실시예에서, 로드 셀(112)은 제어기(102)의 원위 단부 부근에 위치된다. 구체적으로, 이러한 실시예에서, 로드 셀(112)은 손잡이(104) 앞의 짐벌(106)의 최종 링크인 짐벌(106)의 최원위 링크 내에 위치된다. 로드 셀(112)의 원위 위치설정으로 인해, 이러한 실시예에서, 로드 셀(112)의 원위에 있는 질량이 거의 없다. 따라서, 짐벌(106)의 이러한 실시예를 포함하는 제어기(102)의 인지 관성은 크게 감소될 수 있다.

도 18의 예시된 실시예에서, 조인트와 관련된 모터를 볼 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 제1 모터(144)가 제1 조인트(128) 내에 위치되고, 제2 모터(146)가 제2 조인트(130) 내에 위치되고, 제3 모터(148)가 제3 조인트(132) 내에 위치되고, 제4 모터(150)가 제4 조인트(134) 내에 위치된다. 일부 실시예에서, 모터는 짐벌(106)을 통해 햅틱 피드백을 제공하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 모터와 공동으로 위치된 인코더가 짐벌(106)의 임피던스 제어를 위한 조인트의 이동의 측정(예컨대, 변위 및 위치)을 제공하도록 구성될 수 있다.

도 18에 도시된 바와 같이, 제2, 제3, 및 제4 모터(146, 148, 150)는 모두 로드 셀(112)에 대해 근위에 위치된다. 따라서, 일부 실시예에서, 이들 모터의 질량은 인지 관성이 감소될 수 있도록 숨겨질 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 짐벌(106)을 통해 더 강한 햅틱 피드백을 제공할 수 있는 더 큰 모터가 사용되도록 허용할 수 있다.

도 19a는 짐벌(106)의 제2 실시예의 단면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 제2 실시예에서, 로드 셀(112)은 제3 링크(126) 내에 위치된다. 달리 말하면, 로드 셀(112)은 제3 조인트(132)와 제4 조인트(134) 사이에 위치된다. 짐벌(106)의 제1 실시예(도 18)와 비교하여, 제2 실시예에서, 로드 셀(112)은 더 근위에 위치된다. 따라서, 제2 실시예에서, 로드 셀(112)의 원위에 더 많은 질량(예컨대, 손잡이(104), 제1 링크(122), 및 제2 링크(124)의 질량)이 있고, 이는 전체 시스템의 더 높은 인지 관성에 기여할 수 있으며, 따라서 짐벌(106)의 제2 실시예를 포함하는 제어기(102)가 짐벌(106)의 제1 실시예(도 18)를 포함하는 제어기(102)보다 더 무거운(더 높은 인지 관성) 것으로 인지될 수 있다. 그러나, 짐벌(106)의 제2 실시예가 전술된 바와 같이 하이브리드 제어기(102) 상에 포함될 수 있기 때문에, 임피던스 제어에 완전히 의존하는 다른 제어기와 비교할 때 인지 관성의 전체적인 감소가 여전히 달성된다. 또한, 일부 측면에서, 짐벌(106)의 제2 실시예는 여러 특유의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 짐벌(106)의 제2 실시예는 로드 셀(112)을 제3 링크(126) 내에 위치시킴으로써 짐벌(106)의 회전 관성을 감소시킨다. 하이브리드 제어기에서, 짐벌(106)은 임피던스 제어될 수 있기 때문에, 조작자는 짐벌(106)의 모든 회전 관성을 느낄 것이다. 따라서, 관성을 낮게 유지시키는 것이 사용자 경험에 유익할 수 있다. 또한, 도 18의 제1 실시예와 비교할 때, 짐벌(106)의 제2 실시예는 하기 섹션에서 논의되는 바와 같이 기계적 단락의 감소된 위험을 제공할 수 있다.

도 19a의 예시된 실시예에서, 조인트와 관련된 모터를 볼 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 제1 모터(144)가 제1 조인트(128) 내에 위치되고, 제3 모터(146)가 제3 조인트(132) 내에 위치되고, 제4 모터(150)가 제4 조인트(134) 내에 위치된다. 짐벌(106)은 또한 제2 조인트(130)의 회전과 관련되는 제2 모터(148)를 포함하지만; 도 19a에 도시된 바와 같이, 제2 모터(148)는 제2 조인트(130)에 위치되지 않는다. 오히려, 제2 모터(148)는 제3 조인트(132) 내에 위치되고 제2 조인트(130)에 기계적으로 연결될 수 있다. 이는 도 19b에서 가장 잘 볼 수 있다.

도 19b는 짐벌(106)의 제2 실시예의 추가 도면을 제공한다. 이러한 도면에서, 링크의 커버는 짐벌(106)의 내부 구성요소들 중 일부를 드러내기 위해 투명하게 예시되어 있다. 도시된 바와 같이, 제2 모터(148)는 제3 조인트(132) 내에 위치되고 신규한 케이블 구동 시스템(152)에 의해 제2 조인트(130)에 연결된다. 케이블 구동 시스템(152)은 유리하게는 제2 조인트(130)와 제2 모터(148) 사이의 전동장치(transmission)로서 작용한다. 케이블 구동 시스템은 짐벌(106)의 제2 링크(124) 내에서 하나 이상의 케이블 풀리를 통해 경로설정되는 하나 이상의 케이블을 포함할 수 있다.

이러한 실시예에서, 짐벌(106)은 원격으로 위치된 제2 모터(148)에 의해 제어되는 제2 조인트(130)를 갖는 추가 이점을 가진다. 원격으로 위치된 제2 모터(148)의 이점은 모터(148)가 제2 조인트(130) 자체 부근과는 대조적으로 짐벌(106)의 근위 부분 부근에 배치될 수 있다는 것이다. 제2 모터(146)를 (제2 링크(124)와 대조적으로) 제3 링크(126) 내에 위치시키는 것은 짐벌의 회전 관성을 감소시킨다. 위에서 언급된 바와 같이, 회전 관성을 감소시키는 것은 짐벌(106)이 임피던스 제어되어, 사용자가 제어기를 작동시키기 위해 짐벌(106)의 관성을 극복할 것을 필요로 하기 때문에 유익할 수 있다.

이전과 같이, 모터는 짐벌(106)을 통해 햅틱 피드백을 제공하는 데 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 모터는 짐벌(106)의 임피던스 제어를 위한 조인트의 이동의 측정(예컨대, 변위 및 위치)을 제공하도록 구성될 수 있다.

로드 셀(112)을 포함하는 짐벌(106)에 대한 2개의 실시예가 도 17 내지 도 19b를 참조하여 기술되었지만, 다른 실시예가 또한 가능하다. 다른 실시예에서, 짐벌(106)은 2개 이상의 로드 셀(112)을 포함할 수 있다.

C. 기계적 단락의 감소

임피던스 및 어드미턴스 제어 둘 모두를 포함하는 하이브리드 제어기(102)의 사용이 위에서 논의된 바와 같은 여러 주목할 만한 이점을 제공하지만(제어기의 인지 관성을 감소시키는 것 및 개선된 작동 경험을 제공하는 것을 포함함), 일부 실시예에서, 어드미턴스 제어의 사용은 힘을 측정하기 위한 로드 셀(112)의 사용을 포함한다. 로드 셀(112)을 포함하는 실시예를 구현할 때, 기계적 단락의 위험이 고려되어야 한다. 기계적 단락은 조작자의 손, 손목, 팔 또는 임의의 조합이 로드 셀(112)의 근위에 있는 제어기의 일부분과 로드 셀(112)의 원위에 있는 제어기의 일부분 사이에 강성 또는 물리적 브리지(bridge)를 형성할 때 발생할 수 있다. 기계적 단락의 영향은 조작자가 제어하기에 어려운 의도하지 않은 운동일 수 있다.

도 20a는 기계적 단락의 예를 예시한 이미지이다. 예시된 예에서, 조작자가 로드 셀(112)의 원위에 위치된 손잡이(104)를 보유하고 있다. 조작자는, 로드 셀(112)에 의해 측정되고 위치설정 플랫폼(도시되지 않음) 내의 어드미턴스 제어를 위해 사용되는 힘을 (예컨대, 손잡이(104)를 이동시킴으로써) 손잡이(104)에 부여한다. 그러나, 예시된 바와 같이, 조작자는 또한 로드 셀(112)에 대해 근위에 위치된 짐벌의 일부분(153)과 접촉하고 있어서 기계적 단락을 야기한다. 그러한 부분(153)에서 부여되는 힘은 또한 로드 셀(112)에 의해 측정되어, 의도하지 않은 그리고 제어가능하지 않은 운동을 야기한다.

일부 실시예에서, 기계적 단락은 바람직하지 않은 운동을 생성하는데, 그 이유는 예컨대 로드 셀(112)의 근위에서의 접촉으로 인해, 조작자가 모든 힘을 손잡이(104)에 부여하고 있는 것으로, 이것이 실제로는 그러하지 않을 때, 시스템이 추정하기 때문이다. 조작자는 로드 셀(112)의 원위에 위치된 제어기 또는 짐벌의 임의의 부분과 안전하게 접촉할 수 있다. 로드 셀(112)의 근위에 있는 제어기와의 접촉은 바람직하지 않은 기계적 단락을 야기할 수 있다.

기계적 단락의 위험을 감소시키고 기계적 단락을 야기함이 없이 조작자가 안전하게 접촉할 수 있는 제어기의 부분을 증가시키기 위해, 일부 실시예에서, 쉘(shell) 또는 커버가 로드 셀(112) 위에 제공될 수 있다. 예를 들어, 로드 셀(112)을 포함하는 링크의 경우, 커버는 로드 셀(112)의 원위에서만 링크에 부착되지만, 로드 셀(112)의 근위에 위치된 링크의 부분 위로 (접촉함이 없이) 연장될 수 있다. 커버가 로드 셀(112)의 원위에서만 연결되기 때문에, 커버와의 접촉은 가능하게는 기계적 단락을 야기하지 않을 것이다. 일부 실시예에서, 커버는 아래에 놓인 구성요소 위로 성형될 수 있다. 다른 실시예에서, 커버는 아래에 놓인 구성요소 위에 형성된 슬립(slip)일 수 있다.

도 20b는 로드 셀(112)을 포함하는 제3 링크(126)의 커버(154)의 절결된 헝태를 도시한 (예컨대, 도 19a 및 도 19b에 도시된 바와 같은) 짐벌(106)의 제2 실시예의 일 실시예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 로드 셀(112)은 제3 링크(126) 내에 위치된다. 따라서, 제3 링크(126)의 일부분이 로드 셀(112)의 원위에 위치되고, 제3 링크(126)의 일부분(126P)이 로드 셀(112)의 근위에 위치된다. 제3 링크(126)의 근위 부분(126P)과의 접촉은 기계적 단락을 야기할 것이다. 기계적 단락의 가능성을 감소시키기 위해, 커버(154)는 근위 부분(126P) 위로 연장되고 그것을 덮는다. 유사한 커버가 짐벌(106)의 제1 실시예(도 18)에 대해 제1 링크(122) 상에 구현될 수 있다.

도 20c 및 도 20d는 기계적 단락을 야기함이 없이 접촉될 수 있는 (각각 도 18 및 도 19a에 도시된) 짐벌(106)의 제1 실시예 및 제2 실시예의 부분을 예시한다. 이들 도면에서, 더 어두운 음영 부분은 기계적 단락을 야기함이 없이 접촉될 수 있다. 도 20c에 도시된 바와 같이, 짐벌(106)의 제1 실시예에서, 손잡이(104) 및 제1 링크(122)는 기계적 단락을 야기함이 없이 접촉될 수 있다. 이는 커버가 로드 셀(112)을 포함하는 제1 링크(122) 위로 연장될 수 있기 때문일 수 있다. 도 20d에 도시된 바와 같이, 짐벌(106)의 제2 실시예에서, 손잡이(104), 제1 링크(122), 제2 링크(124), 및 제3 링크(126)는 기계적 단락을 야기함이 없이 접촉될 수 있다. 이는 커버가 로드 셀(112)을 포함하는 제3 링크(123) 위로 연장될 수 있기 때문일 수 있다. 도 20c와 도 20d를 비교하면, 제2 실시예(도 20d)는 제1 실시예(도 20c)보다 기계적 단락에 대한 더 큰 보호 영역을 제공할 수 있다. 이는 2개의 설계들 사이의 절충을 반영할 수 있다. 제1 실시예(도 20d)는 (로드 셀(112)이 짐벌의 원위 링크에 가깝게 위치되기 때문에) 더 가볍게 인지될 수 있지만, 그것은 또한 단락되기 쉬울 수 있는 더 큰 영역을 가질 수 있다. 대조적으로, 제2 실시예(도 20d)는 (로드 셀(112)이 짐벌의 근위 링크에 가깝게 위치되기 때문에) 더 무겁게 인지될 수 있지만, 그것은 단락으로부터 더욱 보호되는 영역을 가질 수 있다. 여하튼, 이들 설계 둘 모두는 임피던스 제어에만 의존하는 것보다 더 가볍게 인지되는 제어기를 제공하고, 기계적 단락의 위험에 대해 보호하는 신규한 커버를 갖는다. 당업자는 둘 모두의 실시예가 특정 이점을 제공하고 다양한 상황에서 사용하기에 적합할 수 있다는 것을 인식할 것이다.

D. 예시적인 제어기 방법

도 21은 제어기(예컨대, 마스터)가 의료 기구(예컨대, 슬레이브)를 제어하는 예시적인 방법(210)을 예시한 흐름도이다. 방법(210)은 임피던스 및 어드미턴스 제어 둘 모두를 사용하는 하이브리드 제어를 위해 구성될 수 있다. 순차적으로 예시되어 있지만, 방법(210)의 블록들은 다른 순서로 삽입될 수 있거나, 하나 이상의 블록이 실질적으로 동시에 발생할 수 있다. 방법(210)은 사용자가 임피던스 제어를 통해 제어기의 회전을 구동시킬 수 있는 블록(212)에서 시작된다. 블록(214)에서, 사용자는 또한 어드미턴스 제어를 통해 제어기의 병진을 구동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 어드미턴스 제어는 제어기의 짐벌 내에 위치된 하나 이상의 로드 셀들을 통해 가능하게 될 수 있다.

블록(216)에서, 제어기로부터의 출력 신호가 프로세서를 통해 전달된다. 출력 신호는 제어기의 임피던스 및/또는 어드미턴스 제어에 기초할 수 있다. 블록(218)에서, 로봇 의료 기구의 운동은 출력 신호에 기초하여 구동된다.

도 22는 예시적인 제어기 방법(220)을 예시한 흐름도이다. 방법(220)은 임피던스 및 어드미턴스 제어 둘 모두를 사용하는 하이브리드 제어를 위해 구성될 수 있다. 순차적으로 예시되어 있지만, 방법(220)의 블록들은 역순으로 삽입될 수 있거나 실질적으로 동시에 발생할 수 있다. 방법(220)은 제어기의 손잡이가 로봇 의료 기구의 대응하는 조작을 유발하도록 임피던스 제어를 통해 조작되는 블록(222)에서 시작된다. 일부 실시예에서, 손잡이는 1 이상의 회전 자유도로 조작된다. 일부 실시예에서, 손잡이는 적어도 3 회전 자유도로 조작된다. 일부 실시예에서, 손잡이는 적어도 피치, 롤, 및 요로 조작된다. 일부 실시예에서, 손잡이를 조작하는 단계는 짐벌을 조작하는 단계를 포함한다.

블록(224)에서, 손잡이는 로봇 의료 기구의 대응하는 조작을 유발하도록 어드미턴스 제어를 통해 조작된다. 일부 실시예에서, 손잡이는 1 이상의 위치 또는 병진 자유도로 조작된다. 일부 실시예에서, 손잡이는 적어도 3 위치 또는 병진 자유도로 조작된다. 일부 실시예에서, 손잡이는 x-, y-, 및 z-방향으로 조작된다. 일부 실시예에서, 손잡이를 조작하는 단계는 위치설정 플랫폼을 조작하는 단계를 포함한다.

E. 자유도 제약을 가진 하이브리드 제어기

전술된 하이브리드 제어기는 일반적으로 임피던스 제어식 짐벌 및 어드미턴스 제어식 위치설정 플랫폼을 사용할 수 있다. 즉, 전술된 하이브리드 제어기의 경우, 짐벌의 모든 3 회전 자유도가 임피던스 제어를 사용할 수 있고, 위치설정 플랫폼의 모든 3 위치 자유도가 어드미턴스 제어를 사용할 수 있다.

이 섹션에서, (예컨대, 3 회전 자유도를 가진) 임피던스 제어식 짐벌 및 (예컨대, 수직 병진 축 상에서의) 1 자유도에 대해 어드미턴스 제어 그리고 다른 2 자유도에 대해 임피던스 제어 하에 있는 위치설정 플랫폼을 포함할 수 있는 추가 유형의 하이브리드 제어기가 기술된다. 따라서, 이러한 유형의 하이브리드 제어기의 경우, 어드미턴스 제어에 대해 1 자유도 제약이 있을 수 있다. 즉, 어드미턴스 제어는 수직 병진 자유도와 같은 1 자유도만으로 제한되거나 제약된다.

본 명세서에 기술된 바와 같이, 이는 (전술된 3 자유도 로드 셀(112)과는 대조적으로) 짐벌 내에 1 자유도 로드 셀을 제공함으로써 달성될 수 있다. 자유도 제약을 가진 하이브리드 제어기가 더 큰 안정성, 강건성, 및 감소된 비용과 같은 다수의 이점으로 이어질 수 있다.

일부 실시예에서, 1 자유도만으로 제약되는 하이브리드 제어기가 전술된 제어기(102)와 동일하거나 유사한 운동학적 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 1 자유도만으로 제약되는 하이브리드 제어기는 조인트에 의해 연결되는 복수의 링크를 포함하는, 위에서 도시된 바와 같은 짐벌(106) 및 위치설정 플랫폼(108)을 포함할 수 있다. 그러나, 1 자유도만으로 제약되는 하이브리드 제어기의 경우, 로드 셀(112)은 단일 방향으로만 힘을 측정하는 1 자유도 로드 셀일 것이다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)은 단지 중력 방향으로, 또는 칼럼(114)의 축(도 16c 참조)을 따라 힘을 측정하도록 구성된다.

일 실시예에서, 도 18에 예시된 로드 셀(112)은 1 자유도 로드 셀일 수 있다. 다른 실시예에서, 도 19a 및 도 19b에 예시된 로드 셀(112)은 1 자유도 로드 셀일 수 있다. 다른 실시예에서, 로드 셀(112)을 짐벌(106)의 제4 조인트(134) 뒤에(예컨대, 근위에) 배치하는 것이 가능하다(도 18 및 도 19a 참조). 이러한 실시예는 (전술된 실시예와 비교할 때) 로드 셀(112)의 원위에 증가된 질량을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 로드 셀(112)의 원위에 더 많은 질량이 있을수록, 그리고/또는 로드 셀(112)의 강직성이 더 낮을수록, 도입되는 기계적 진동 주파수가 더 낮아지고, 따라서 어드미턴스 제어 성능 및/또는 안정성이 더 나빠진다. 1 자유도 로드 셀(112)로 교체함으로써, 이러한 유형의 하이브리드 제어기는 로드 셀(112)의 강직성, 범위, 및 정확도를 증가시키면서, 패키징 크기, 질량, 및 비용을 감소시킬 가능성을 가지며, 이는 더 양호한 어드미턴스 성능 및/또는 안정성을 생성할 수 있다.

일부 실시예에서, 자유도 제약을 가진 하이브리드 제어기의 위치설정 플랫폼(108)은 도 16에 도시된 위치설정 플랫폼(102)과 유사할 수 있다. 예를 들어, 위치설정 플랫폼은 작업공간의 수직 방향과 정렬된 직선형 기부 축(prismatic base axis)을 포함할 수 있다. 위치설정 플랫폼은 또한 SCARA 구성으로 배열된 2개의 회전식 조인트를 포함하여 직선형 조인트에 수직인 평면 운동을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 직선형 축은 리드-스크류 액추에이터 또는 선형 액추에이터로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 선형 액추에이터의 사용은 백래시(backlash)를 이동시키고, 구동 동안 노이즈를 감소시키며, 더 작은 모터 관성을 가질 수 있다.

또한, 일부 실시예에서, 직접 구동 전류는 또한 더 정확한 수직력 측정 및/또는 추정을 위해 사용될 수 있다. 평면 SCARA 부분에 대한 임피던스 제어를 향상시키기 위해, SCARA 부분을 구동시키는 모터는 고도로 역-구동가능하게 될 수 있다. 일부 실시예에서, SCAR의 엘보우와 관련된 모터는 칼럼(114) 내에 원격으로 위치될 수 있다. 이들 개선은 임피던스-제어식 평면 위치설정 자유도에 대한 감소된 질량을 위해 위치설정 플랫폼의 평면 링크의 관성을 감소시킬 수 있다.

기계적 진동 주파수는 역시 수직 어드미턴스 제어의 개선된 성능 및/또는 안정성을 위해 감소된 관성 및 기어박스 컴플라이언스(gearbox compliance)의 제거 또는 감소로부터 향상된다. 인지 질량에 관하여, (예컨대, SCARA의) 위치설정 플랫폼의 평면 자유도에 대해, 그들은 유사하고 상대적으로 균일하며, 짐벌의 질량에 의해 좌우된다. 수직 축을 따른 원 질량(raw mass)은 더 높을 수 있지만, 어드미턴스 제어는 전체 작업공간 내에서의 더 균일한 성능을 위해 다른 자유도의 인지 질량과 일치하도록 조정될 수 있다. 전류-기반 힘 측정의 정확도가 충분하지 않을 때, 1 자유도 로드 셀(112)이 직선형 작동(prismatic actuation)의 위치에서 수직력을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 보정 및 짐벌 원위 힘 측정과 조합된 이러한 정보는 수직 작동에 대해 원위에 있는 임의의 지점에서 추가 수직 외력을 추정할 수 있다. 따라서, 모든 기계적 단락 및 예상외의 충돌이 향상된 안전성을 위해 검출되고 방지될 수 있다.

3. 구현 시스템 및 용어.

본 명세서에 개시된 구현예는 로봇식 의료 시스템을 위한 시스템, 방법 및 장치를 제공한다. 본 명세서에 기술된 다양한 구현예는 로봇식 의료 시스템을 위한 제어기를 포함한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "결합하다", "결합하는", "결합된" 또는 단어 결합하다의 다른 변형은 간접적인 연결 또는 직접적인 연결을 나타낼 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 "결합된" 경우, 제1 구성요소는 다른 구성요소를 통해 제2 구성요소에 간접적으로 연결되거나 제2 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있다.

본 명세서에 기술된 위치 추정 및 로봇 운동 작동 기능은 프로세서-판독가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령어로서 저장될 수 있다. 용어 "컴퓨터-판독가능 매체"는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체를 지칭한다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 전기적 소거가능 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 콤팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM) 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체는 유형적이고 비-일시적일 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "코드"는 컴퓨팅 장치 또는 프로세서에 의해 실행가능한 소프트웨어, 명령어, 코드 또는 데이터를 지칭할 수 있다.

본 명세서에 개시된 방법은 기술된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계 또는 동작을 포함한다. 방법 단계 및/또는 동작은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 서로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 기술되는 방법의 적절한 작동을 위해 특정 순서의 단계 또는 동작이 요구되지 않는 한, 특정 단계 및/또는 동작의 순서 및/또는 사용은 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 수정될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "복수"는 2개 이상을 나타낸다. 예를 들어, 복수의 구성요소는 2개 이상의 구성요소를 나타낸다. 용어 "결정하는"은 매우 다양한 동작을 포함하며, 따라서 "결정하는"은 계산, 컴퓨팅, 처리, 도출, 조사, 검색(예컨대, 테이블, 데이터베이스 또는 다른 데이터 구조에서의 검색), 확인 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 수신(예컨대, 정보를 수신함), 액세스(예컨대, 메모리의 데이터에 액세스함) 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하는"은 해석, 선택, 선정, 설정 등을 포함할 수 있다.

어구 "~에 기초한"은, 달리 명백히 명시되지 않는 한, "단지 ~에 기초한"을 의미하지는 않는다. 다시 말하면, 어구 "~에 기초한"은 "단지 ~에 기초한" 및 "적어도 ~에 기초한" 둘 모두를 기술한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "대략" 또는 "약"은 길이, 두께, 양, 기간, 또는 다른 측정가능 값의 측정 범위를 지칭한다. 그러한 측정 범위는 특정된 값의 그리고 특정된 값으로부터의 +/-10% 이하, 바람직하게는 +/-5% 이하, 더욱 바람직하게는 +/-1% 이하, 더욱 더 바람직하게는 +/-0.1% 이하의 변동을, 그러한 변동이 개시된 장치, 시스템, 및 기법에서 기능하기 위해 적절한 한에 있어서 포함한다.

개시된 구현예의 이전의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 이들 구현예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 용이하게 명백해질 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 예를 들어, 당업자가 다수의 대응하는 대안적인 그리고 동등한 구조적 상세사항, 예컨대 도구 구성요소를 체결, 장착, 결합, 또는 맞물리게 하는 동등한 방식, 특정 작동 운동을 생성하기 위한 동등한 메커니즘, 및 전기 에너지를 전달하기 위한 동등한 메커니즘을 채용할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 구현예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범주에 따른다.

Claims

로봇식 원격작동 시스템(robotically-enabled teleoperated system)으로서,
제어기 및 상기 제어기에 의한 조작이 가능한 로봇 도구(robotic tool)를 포함하고, 상기 제어기는,
조작자에 의한 작동을 위해 구성되는 손잡이;
상기 손잡이에 결합되고 다중 자유도(multiple degrees of freedom)로의 상기 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌(gimbal)로서, 상기 손잡이의 조작이 상기 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 임피던스 제어(impedance control)를 위해 구성되는, 상기 짐벌;
상기 짐벌에 결합되고 다중 자유도로의 상기 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 위치설정 플랫폼(positioning platform)으로서, 상기 손잡이의 조작이 상기 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 어드미턴스 제어(admittance control)를 위해 구성되는, 상기 위치설정 플랫폼을 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 로봇 도구는 의료 기구(medical instrument)인, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 짐벌은 회전 조인트(rotational joint)를 통해 상기 위치설정 플랫폼에 결합되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 짐벌은 적어도 3 회전 자유도(three rotational degrees of freedom)로의 상기 손잡이의 조작을 허용하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 위치설정 플랫폼은 적어도 3 위치 자유도(three positional degrees of freedom)로의 상기 손잡이의 조작을 허용하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 로봇식 원격작동 시스템은 상기 로봇 도구에 결합되는 로봇 아암(robotic arm)을 추가로 포함하고, 상기 로봇 도구는 카테터(catheter), 스코프(scope), 파지기(grasper), 밀봉기(sealer), 또는 절단기(cutter) 중 적어도 하나를 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 짐벌 내에 위치되는 로드 셀(load cell)을 추가로 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 위치설정 플랫폼의 상기 어드미턴스 제어는 상기 로드 셀의 출력 신호에 기초하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크(link), 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제1 링크 내에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제9항에 있어서, 상기 조인트들은 회전형 조인트(revolute joint)들인, 로봇식 원격작동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제2 조인트의 원위에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제3 링크 내에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제3 조인트의 근위에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 짐벌은, 상기 로드 셀의 근위에 있는 구조물을 차폐시켜 상기 로드 셀의 원위 단부와 상기 차폐된 구조물 사이의 기계적 단락(mechanical short)을 방지하도록 구성되는, 상기 로드 셀의 상기 원위 단부에 부착되는 커버(cover)를 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 짐벌의 조인트를 제어하기 위해 상기 짐벌 내에 위치되는 모터를 추가로 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제15항에 있어서, 상기 모터는 케이블 구동장치(cable drive)에 의해 상기 조인트에 연결되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제16항에 있어서, 상기 모터는 상기 조인트의 근위에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 위치설정 플랫폼은 적어도 하나의 직선형 조인트(prismatic joint)를 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제18항에 있어서, 상기 직선형 조인트의 운동 축이 중력 방향과 정렬되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제19항에 있어서, 상기 짐벌은 조인트에 의해 상기 위치설정 플랫폼에 결합되고, 상기 조인트의 축이 상기 중력 방향과 정렬되는, 로봇식 원격작동 시스템.
로봇식 원격작동 시스템으로서,
제어기 및 상기 제어기에 의한 조작이 가능한 로봇 도구를 포함하고, 상기 제어기는,
조작자에 의한 작동을 위해 구성되는 손잡이;
상기 손잡이에 결합되고 다중 자유도로의 상기 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌로서, 상기 짐벌은 로드 셀을 포함하고, 상기 짐벌의 적어도 2개의 축들의 운동이 상기 로드 셀의 임의의 출력 신호에 기초하지 않는, 상기 짐벌;
상기 짐벌에 결합되고 다중 자유도로의 상기 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 위치설정 플랫폼을 포함하고,
상기 손잡이는 상기 짐벌 내의 상기 로드 셀의 출력 신호에 적어도 부분적으로 기초하는 어드미턴스 제어를 위해 구성되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제21항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제1 링크 내에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제22항에 있어서, 상기 로드 셀의 근위에 있는 구조물을 차폐시켜 상기 로드 셀의 원위 단부와 상기 차폐된 구조물 사이의 기계적 단락을 방지하도록 구성되는, 상기 로드 셀의 상기 원위 단부에 부착되는 커버를 추가로 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제21항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제2 조인트의 원위에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제21항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제3 링크 내에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제21항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제3 조인트의 근위에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제21항에 있어서, 상기 짐벌의 조인트를 제어하기 위해 상기 짐벌 내에 위치되는 모터를 추가로 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제27항에 있어서, 상기 모터는 케이블 구동장치에 의해 상기 조인트에 연결되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제28항에 있어서, 상기 모터는 상기 조인트의 근위에 위치되는, 로봇식 원격작동 시스템.
원격작동 방법으로서,
임피던스 제어를 통해 제어기의 회전을 구동시키는 단계;
어드미턴스 제어를 통해 제어기의 병진을 구동시키는 단계;
임피던스 및/또는 어드미턴스 제어에 기초하여 상기 제어기로부터의 출력 신호를 전달하는 단계; 및
상기 출력 신호에 기초하여 원격작동 도구의 운동을 구동시키는 단계를 포함하는, 원격작동 방법.
제30항에 있어서, 상기 출력 신호는 상기 제어기의 손잡이의 회전 및/또는 위치에 기초하는, 원격작동 방법.
제30항에 있어서, 임피던스 제어를 통해 상기 제어기의 회전을 구동시키는 단계는 상기 제어기의 손잡이를 회전시키는 단계를 포함하는, 원격작동 방법.
제32항에 있어서, 상기 손잡이는 다중 자유도로의 상기 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌에 부착되는, 원격작동 방법.
제33항에 있어서, 상기 짐벌은 로드 셀을 포함하는, 원격작동 방법.
제34항에 있어서, 어드미턴스 제어를 통해 제어기의 병진을 구동시키는 단계는 상기 제어기의 상기 손잡이를 병진시키는 단계를 포함하고, 상기 어드미턴스 제어는 상기 로드 셀의 출력에 기초하는, 원격작동 방법.
제35항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제1 링크 내에 위치되는, 원격작동 방법.
제35항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제2 조인트의 원위에 위치되는, 원격작동 방법.
제35항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 조인트들에 의해 연결되는 적어도 제1 링크, 제2 링크, 및 제3 링크를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제3 링크 내에 위치되는, 원격작동 방법.
제35항에 있어서, 상기 짐벌은, 원위에서 근위로 배열되고 링크들에 의해 연결되는 적어도 제1 조인트, 제2 조인트, 및 제3 조인트를 포함하고, 상기 로드 셀은 상기 제3 조인트의 근위에 위치되는, 원격작동 방법.
원격작동 방법으로서,
원격작동 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 제어기를 조작하는 단계를 포함하고, 상기 제어기를 조작하는 단계는,
상기 원격작동 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 임피던스 제어를 통해 적어도 3 회전 자유도로 상기 제어기의 손잡이를 조작하는 단계; 및
상기 원격작동 로봇 도구의 대응하는 조작을 유발하도록 어드미턴스 제어를 통해 적어도 3 위치 자유도로 상기 제어기의 상기 손잡이를 조작하는 단계를 포함하는, 원격작동 방법.
제40항에 있어서, 상기 적어도 3 회전 자유도로 상기 손잡이를 조작하는 단계는 짐벌을 조작하는 단계를 포함하는, 원격작동 방법.
제40항에 있어서, 상기 적어도 3 회전 자유도로 상기 손잡이를 조작하는 단계는 적어도 피치(pitch), 롤(roll), 및 요(yaw)로 상기 손잡이를 조작하는 단계를 포함하는, 원격작동 방법.
제40항에 있어서, 상기 적어도 3 위치 자유도로 상기 손잡이를 조작하는 단계는 위치설정 플랫폼을 조작하는 단계를 포함하는, 원격작동 방법.
제40항에 있어서, 상기 적어도 3 위치 자유도로 상기 손잡이를 조작하는 단계는 적어도 x-방향, y-방향, 및 z-방향으로 상기 손잡이를 조작하는 단계를 포함하는, 원격작동 방법.
로봇식 원격작동 시스템으로서,
원격작동 로봇 도구를 조작하기 위한 조작기(manipulator)로서, 상기 조작기는 칼럼(column)에 작동식으로 결합되는 최근위 링크 및 최원위 링크를 포함하는 링크들에 의해 형성되는 복수의 조인트들을 포함하고, 상기 최근위 링크는 상기 최원위 링크보다 상기 칼럼에 더 가깝게 위치되는, 상기 조작기; 및
상기 복수의 링크들 중 적어도 하나 내에 위치되는 로드 셀로서, 상기 복수의 조인트들의 제1 세트가 상기 로드 셀의 근위에 위치되고 상기 복수의 조인트들의 제2 세트가 상기 로드 셀의 원위에 위치되고, 상기 복수의 조인트들의 상기 제2 세트는, 상기 로드 셀로부터의 출력 신호에 기초하지 않고 이동하는 적어도 하나의 조인트를 포함하는, 상기 로드 셀을 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제45항에 있어서, 상기 조작기는 직렬 링크 조작기(serial link manipulator)를 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제45항에 있어서, 상기 조작기는 병렬 링크 조작기(parallel link manipulator)를 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제45항에 있어서, 상기 조작기는 상기 복수의 링크들에 의해 형성되는 손잡이, 짐벌 및 위치설정 플랫폼을 포함하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제48항에 있어서, 상기 짐벌은 회전형 조인트에 의해 상기 위치설정 플랫폼에 결합되는, 로봇식 원격작동 시스템.
제45항에 있어서, 상기 로드 셀의 근위에 있는 상기 복수의 조인트들의 상기 제1 세트는 위치설정 플랫폼의 일부인, 로봇식 원격작동 시스템.
제50항에 있어서, 상기 위치설정 플랫폼의 조작은 상기 로드 셀의 출력에 기초하는, 로봇식 원격작동 시스템.
제45항에 있어서, 상기 로드 셀의 원위에 있는 상기 복수의 조인트들의 상기 제2 세트는 짐벌의 일부인, 로봇식 원격작동 시스템.
로봇식 시스템으로서,
제어기를 포함하고, 상기 제어기는,
조작자에 의한 작동을 위해 구성되는 손잡이;
상기 손잡이에 결합되고 다중 자유도로의 상기 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 짐벌로서, 임피던스 제어를 위해 구성되는, 상기 짐벌;
상기 짐벌에 결합되고 다중 자유도로의 상기 손잡이의 조작을 허용하도록 구성되는 위치설정 플랫폼으로서, 어드미턴스 제어를 위해 구성되는, 상기 위치설정 플랫폼을 포함하는, 로봇식 시스템.
제53항에 있어서, 상기 제어기는 원격작동 로봇 도구를 조작하는, 로봇식 시스템.
제53항에 있어서, 상기 제어기는 가상 환경에서 물체에서 조작하는, 로봇식 시스템.