KR101635339B1

KR101635339B1 - 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법

Info

Publication number: KR101635339B1
Application number: KR1020160003022A
Authority: KR
Inventors: 세바슈티안 로마이어; 티젠하우젠 시릴 폰
Original assignee: 쿠카 로보테르 게엠베하
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2016-06-30
Also published as: EP3045140A1; US20160199984A1; CN105773629B; CN105773629A; US9731415B2; DE102015200428B3

Abstract

입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법이 제공되고, 상기 입력장치는 상기 매니퓰레이터를 제어하기 위해 사용되고, 상기 방법은 상기 입력장치로 하나 이상의 기준운동을 실행하는 단계, 상기 매니퓰레이터로 하나 이상의 기준운동을 실행하는 단계, 상기 실행된 기준운동들을 검지하는 단계, 상기 검지된 기준운동들에 근거하여 변환행렬을 계산하는 단계, 및 상기 매니퓰레이터와 함께 상기 입력장치의 운동들을 정렬시키기 위해 상기 계산된 변환행렬을 적용하는 단계를 갖는다.

Description

입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법 {METHOD FOR ALIGNING A MULTIAXIAL MANIPULATOR WITH AN INPUT DEVICE}

본 발명은 일반적으로 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법에 관한 것이고, 특히 입력장치에 의해서 조작될 수 있는 매니퓰레이터의 좌표계에 대한 상기 입력장치의 기준좌표계의 용이한 정렬에 관한 것이다.

특히 다관절 로봇들과 같은 매니퓰레이터들은 예컨대 산업적 환경에서의 조립 또는 제조에서 여러 가지 작업과정을 위해 이용된다. 그 밖에도, 매니퓰레이터들은 특히 공구의 특히 정확한 핸들링을 필요로 하는 수술, 특히 작업들을 실행하고 지원하기 위해 의료적, 특히 외과적 환경에서 사용된다.

이때, 매니퓰레이터들은 움직일 수 있거나, 또는 고정된 장소에서 이용될 수 있다. 이때, 매니퓰레이터는 바람직하게는 3차원적으로 움직일 수 있는 다관절 로봇이고, 상기 다관절 로봇은 다수의 회전 관절들 및/또는 슬라이딩 관절들로 구성된다. 통례적으로 회전 관절들 또는 슬라이딩 관절들은 암 부재들 (arm members) 과 연결되고, 각각의 회전 관절 또는 슬라이딩 관절은 관절축을 통해 특징지어진다. 로봇 시스템은 하나 이상의 매니퓰레이터와 제어장치와 입력장치를 포함한다.

외과에서의 또는 방사선학 (interventional Radiology) 에서의 로봇 시스템들이 공지되어 있고, 상기 로봇 시스템들에 있어서 입력장치들은 컨트롤 콘솔에 고정된다. 상기 입력장치들의 상대적 정렬은 확정되어 있고, 변경될 수 없다. 이는 의사에 의한 사용을 어렵게 하는데, 왜냐하면 운동 자유도 및 환자에의 접근이 어려워지기 때문이다.

또한, 유연한 카테테르가 로봇에 의해 전진되고 제어되는 시스템들이 공지되어 있다. 입력장치는 이 시스템에 있어서 공간적으로 로봇으로부터 분리된다. 상기 입력장치는 각각 기구의 첨단부에 대해 상대적으로 정렬되고, 이때 상기 기구는 로봇암 (robot arm) 의 단부에 설치된다.

결국, 입력장치들이 공간적으로 매니퓰레이터의 작업장으로부터 분리되어 설치되는 로봇 시스템들, 이른바 원격 조작 시스템들이 공지되어 있다. 상기 입력장치들은 컨트롤 콘솔에 고정되어 있고, 상기 입력장치들은 스크린 상에 나타내진, 카메라에 근거를 둔, 예컨대 내시경 화상 디스플레이에 대해 상대적으로 정렬되고, 로봇 시스템의 매니퓰레이터에 대한 또는 매니퓰레이터들에 대한 그들의 정렬은 확정되어 있다.

US 특허출원들 US 2011/0 118 753 A1, US 2012/0 143 353 A1 및 US 2014/0 277 740 A1 은 예컨대 의료적 적용들에서의 매니퓰레이터의 제어를 위한 시스템들을 공개한다. 상기 US 특허출원들, US 2009/0 132 088 A1, 문헌들 DE 32 23 896 A1 및 DE 10 2004 020 099 A1 은 산업적 적용들에서의 매니퓰레이터의 제어를 위한 시스템들을 공개한다.

상기 언급된 시스템들 모두에게는, 입력장치가 공간적으로 매니퓰레이터로부터 분리되어 있거나 또는 조작되어야 하는 매니퓰레이터에 대해 상대적인 입력장치의 정렬이 미리 정해져 있다는 점이 동일하다. 이는 상기 입력장치의 정렬이 사용 동안, 예컨대 수술 중에 간단히 변경될 수 없다는 단점을 갖는다. 상기 입력장치의 위치를 바꾸는 것이 가능하기는 하나, 하지만 이로 인해 매니퓰레이터에 대한 상기 입력장치의 위치도 바뀔 것이고, 이로 인해 로봇 시스템의 제어는 더 이상 직관적으로 실행될 수 없다. 예컨대, 입력장치들은 통례적으로, 예컨대 조이스틱 (joystick) 의 전진운동이 동일한 방향으로의 매니퓰레이터의 상응하는 전진운동을 초래하도록, 상기 조작되어야 하는 매니퓰레이터와 함께 정렬된다. 상기 입력장치를 예컨대 90°만큼 회전시키면, 조작자를 위해 직관적으로 간단한 이 커플링은 더 이상 주어지지 않는다.

상기 언급된 시스템들의 그 밖의 단점은 수동 (manual) 기구들 또는 공구들과 로봇에 의해 안내된 기구들 또는 공구들의 동시적 이용이 가능하지 않거나 또는 단지 힘들게 가능하다는 것인데, 왜냐하면 입력장치가 예컨대 매니퓰레이터의 작업장 근처에 있지 않거나, 특히 수술 테이블 근처에 있지 않거나 또는 입력장치의 배향이 설치 장소에 맞춰질 수 없기 때문이다.

또한, 상기 언급된 시스템들은 중력보상을 위한 또는 섬세한 수동 안내를 위한 모드를 제공하지 않는다는 단점을 갖는다.

상기 설명된 시스템과 관련하여, 본 발명의 목적은, 입력장치를 이용한 다축 매니퓰레이터의 간단한 정렬을 허용하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 이때, 로봇 시스템의 조작자가 가능한 한 직관적인 제어를 포기할 필요 없이, 특히 작업과정 동안, 예컨대 수술 동안 입력장치의 위치 또는 배향을 수술 중 변경하는 것이 가능해진다.

이 목적과 그 밖의 목적들은 주 청구항들의 대상을 통해 달성된다.

본 발명은 물체에 고정된 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법을 포함하고, 특히 입력장치에 의해서 조작될 수 있는 매니퓰레이터의 좌표계에 대해, 특히 공구 좌표계에 대해 상기 입력장치의 기준좌표계의 정렬에 관한 것이다. 바람직하게는, 상기 다축 매니퓰레이터는 다관절 로봇이다. 이때, 상기 입력장치는 상기 매니퓰레이터를 제어하기 위해 사용된다. 예컨대 매니퓰레이터의 작업영역으로 보다 양호하게 접근하도록, 예컨대 로봇의 도움을 받는 수술에 있어서 환자로 보다 양호허게 접근하도록, 조작자가 입력장치의 위치 또는 배향을 변경하는 경우에, 입력장치와 매니퓰레이터의 정렬은 필수적이고 유리하다. 입력장치와 매니퓰레이터의 이 (새로운) 정렬을 통해, 조작자의 요구에 따라 조작을 조절하는 것이 가능하다. 이로써, 유리하게는 매니퓰레이터의 보다 간단한 그리고 보다 직관적인 조작이 가능해진다.

본 발명에 따른 방법에서, 하나 이상의 기준운동은 입력장치로 실행된다. 이때, 예컨대 상기 입력장치의 X정렬 및 Y정렬을 새롭게 캘리브레이션하기 위해, 상기 입력장치 (예컨대 스페이스 컨트롤러, 접촉에 민감한 표면들, 예컨대 터치패드들 또는 터치 모니터들) 는 특정 방향들로 움직여진다.

다음 단계에서, 핸드에 의한 매니퓰레이터의 직접적인 안내를 통해 상기 매니퓰레이터로 하나 이상의 상응하는 기준운동이 실행된다. 이때, 상기 매니퓰레이터는 특정 방향들로 움직여지고, 바람직하게는 상기 매니퓰레이터의 기준운동들이 상기 입력장치로 실행된 기준운동들에 상응하는 식으로 움직여진다. 즉, 조작자는, 바람직하게는 상기 조작자가 그를 위해 원하는 매니퓰레이터와 입력장치의 정렬을 달성하도록 상기 매니퓰레이터의 상응하는 기준운동들을 실행한다. 이때, 조작자는, 그가 매니퓰레이터와 입력장치로 상응하는 기준운동들을 실행함으로써 바람직하게는 매니퓰레이터의 그리고 입력장치의 기준좌표계들 (RCS) 을 정의한다. 상기 기준운동들은 로봇 제어기에 의해 검지된다.

이때, 조작자에 의해 실행된 상기 기준운동들은 바람직하게는 두 기준좌표계의 정렬을 계산하는 데 적합할 수 있다. 예컨대 공구의 절대 위치 설정을 필요로 하지 않는 적용들을 위해서는, 두 기준좌표계의 배향만을 정의하는 것만으로 충분하다. 좌표원점 (Ｏ) 의 정의는 이 경우 반드시 필요한 것은 아니다.

좌표원점의 선택적인 사전 설정을 통해 기준좌표계는 완전히 정의될 수 있다. 예컨대 매니퓰레이터의 작업공간 안에서 환자 사진들 또는 환자 모델들을 디스플레이하기 위해, 영상화 방법과 연결되어 완전히 정의되는 것이 유리할 수 있다.

기준좌표계 (및 선택적으로 좌표원점) 는 바람직하게는 하기의 입력들로 정의될 수 있다:

a) 3개의 점을 이용해, 이때 선택적으로 이 점들 중 하나는 좌표원점으로서 정의될 수 있다;

b) 2개의 축을 이용해, 이때

i. 그렇지 않으면 임의로 공간 안에 정렬될 수 있는, 본질적으로 2개의 직교 직선들을 따른 운동들을 통해;

ii. 본질적으로 L 모양인 운동, 즉 2개의 직교 거리들로 이루어진 곡선 라인을 통해;

iii. 2개의 표면축을 통해 (이때 2개의 원형 운동들로부터 각각 운동에 대해 직교인 축들이 검출되고, 이때 상기 표면축들은 대안적으로 매니퓰레이터로 또는 입력장치로 실행된 2개의 회전을 통해서도 결정될 수 있다); 또는

iv. 1개의 점과 2개의 방향 또는 2개의 점과 2개의 방향을 통해;

선택적으로 좌표원점이 추가적으로 미리 정해질 수 있다,

c) 평면의 펼침, 이때

i. 본질적으로 L 모양인 운동을 통해

ii. 본질적으로 원형인 운동을 통해; 또는

iii. 일반적인, 본질적으로 평면적인 운동을 통해

선택적으로 좌표원점이 추가적으로 미리 정해질 수 있다.

상기 실행된 기준운동들은 예컨대 제어장치를 통해 검지되고, 즉 상기 입력장치로 실행되는 기준운동들 뿐만 아니라 상기 매니퓰레이터로 실행되는 기준운동들도 검지된다. 바람직하게는, 상기 실행된 기준운동들을 검지하는 것은 상기 매니퓰레이터의 제어장치이다.

운동들은 바람직하게는 각각 매니퓰레이터 안에 또는 입력장치 안에 통합된 위치 센서들로 검지되고, 바람직하게는 추후 처리를 위해 상기 제어장치로 전달되고, 그곳에서 추후 처리를 위해 적어도 일시적으로 저장된다. 하지만, 운동들의 검지는 매니퓰레이터의 그리고 입력장치의 작업공간 둘레에 있는 외부 내비게이션 시스템 (navigation system) 을 통해서도 실행될 수 있다. 이때, 예컨대 검지되어야 하는 마킹들 (markings) 은 매니퓰레이터 위에 또는 입력장치 위에 설치되고, 상기 외부 내비게이션 시스템을 통해 예컨대 광학적으로 검지된다.

다음 단계에서, 상기 검지된 기준운동들에 근거하여 변환행렬이 계산된다. 상기 변환행렬은, 상기 매니퓰레이터의 좌표계와 함께 상기 입력장치의 좌표계를 정렬시키기 위해 사용되는, 상기 기준운동들에 근거하여 산출된 값들을 포함한다. 이때, 입력장치의 좌표계와 매니퓰레이터의 좌표계 또는 상기 매니퓰레이터에 설치된 공구의 좌표계는 서로 맞춰진다. 상기 변환행렬은 바람직하게는 상기 제어장치 안에 저장된 하나 이상의 알고리즘에 근거하여 계산된다.

상기 변환행렬을 계산한 후, 조작자는 바람직하게는 상기 제어장치로부터 피드백을 얻고, 예컨대 시각적으로 모니터 상에 또는 음향적으로 피드백을 얻는다.

다음 단계에서, 상기 계산된 변환행렬은, 상기 매니퓰레이터와 함께 상기 입력장치의 운동들을 정렬시키기 위해 적용된다. 이를 위해, 바람직하게는 상기 입력장치의 운동들은 상기 변환행렬의 도움으로 상기 매니퓰레이터로 디스플레이된다. 상기 정렬 후 상기 매니퓰레이터는 다시 직관적으로 상기 입력장치를 통하여 제어될 수 있다.

본 발명은 매니퓰레이터의 개선된, 보다 직관적인 그리고 보다 유연한 조작의 장점을 제공한다. 그 밖에, 상기 방법은, 조작자가 입력장치의 기준좌표계를 간단한 방식으로 매니퓰레이터의 (공구)좌표계에 대해 정렬시킬 수 있고, 이로써 상기 매니퓰레이터의 유연한, 빠른, 조작자에 따른 적응이 수행될 수 있도록 허용한다.

바람직하게는, 상기 기준운동들을 검지하는 단계와 상기 변환행렬을 계산하는 단계 사이에, 상기 검지된 기준운동들을 위한 보상 지오메트리 (compensation geometry) 가 제어장치를 통해 계산된다. 이를 위해, 전체 점군 (point cloud) 에서 검지된 기준운동들의 점들에 대해, 개별적인 직선들 및/또는 평면들에 대해 부분-점군들이 확인되고, 저장된다. 그 후, 부분-점군들 안으로 직선들 또는 평면들이 맞춰진다. 이는 일반적으로 보상 계산을 이용해 수행되고, 통례적으로 가장 작은 오차제곱들의 방법에 따라 수행된다. 예컨대, 보상 지오메트리는 (반드시 직선이 아닌) 기준운동에 근거하여 계산되는 직선 둘레이다. 예컨대 조작자가 매니퓰레이터의 기준운동을 실행할시 그를 직접 손으로 안내하면, 예컨대 상기 조작자에 의해 실행된 매니퓰레이터의 기준운동들이 전형적으로 이론적, 이상적 지오메트리로부터의 편차를 갖기 때문에, 보상 지오메트리의 계산이 필요할 수 있다.

또한, 바람직하게는 상기 보상 지오메트리를 계산한 후 타당성 검사가 상기 보상 지오메트리의 데이터를 근거로 수행된다. 이때, 보상 지오메트리들을 통해 나타내진 데이터는 타당성에 관해 검사된다. 완전성 및 일관성에 관한 검사 이외에, 타탕성 검사는 특히 보상 지오메트리들의 직교성 및/또는 기준운동들의 직선성 (선) 또는 기준운동의 평면성 (평면) 에 관한 검사들을 포함할 수 있다. 기준운동들의 직선성 (선) 또는 기준운동의 평탄 (평면) 의 평가를 위해, (계산된) 보상 지오메트리들과 (측정된) 부분-점군들과의 비교에 근거하는, 예컨대 계산된 지오메트리로부터의 측정점의 평균 또는 최대 편차에 근거하는 질 척도가 사용될 수 있다. 타당성 검사의 모든 상기 언급된 검사단계들을 위해, 선택적으로 적용 특유적으로 정의될 수 있는 상응하는 한계값들이 상기 제어장치 안에 저장된다.

또한, 상기 매니퓰레이터는 바람직하게는 힘들 및/또는 토크들을 검지하기 위한 수단들을 갖는 하나 이상의 축을 구비한다. 이 수단들은 예컨대, 바람직하게는 상기 매니퓰레이터의 하나 이상의 관절 안에 배치된 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 센서는 또한 예컨대 엔드 이펙터 (end effector), 매니퓰레이터 받침대 또는 매니퓰레이터를 따른 다른 부위에 배치될 수 있다. 힘들 및/또는 토크들을 검지하기 위한 수단들은 또한 바람직하게는 매니퓰레이터의 드라이브들 안의 전류값들의 측정에 근거를 둘 수 있다. 일례에서, 관절들 안의 그 밖의 힘 센서/모멘트 센서가 제공되지 않고 다축 힘 센서/모멘트 센서가 엔드 이펙터에 제공될 수 있다.

바람직하게는, 사용자 상호작용을 인식하기 위한 수단들, 예컨대 접촉에 민감한 센서들도 상기 매니퓰레이터 위에 배치될 수 있다.

또한, 상기 매니퓰레이터는 바람직하게는 그의 공구 좌표계를 근거로 제어된다.

바람직하게는, 매니퓰레이터로 하나 이상의 상응하는 기준운동을 실행하는 상기 단계는 핸드에 의한 상기 매니퓰레이터의 직접적인 안내를 포함한다. 이를 위해, 상기 매니퓰레이터는 조작자에 의해 붙잡히거나 또는 움켜쥐어지고, 그 후 핸드에 의해 직접 안내되고, 즉 상기 매니퓰레이터는 간접적으로 명령버튼들 또는 그와 유사한 것을 통하여 안내되는 것이 아니다. 조작자가 미리 정해주는 것을 상기 매니퓰레이터가 정확히 행하도록, 핸드에 의한 상기 매니퓰레이터의 직접적인 안내는 조작자가 상기 매니퓰레이터를 간단히 붙잡을 수 있고, 그의 생각에 상응하여 움직일 수 있다는 장점을 갖는다. 이는 특히 유리한데, 왜냐하면 조작자에게 간단히 그리고 큰 번거로움 없이, 예컨대 작업과정 동안, 입력장치를 최적으로 그리고 직관적으로 상기 매니퓰레이터와 함께 정렬시키는 것이 가능해지기 때문이다. 이는 조작자의 부담 경감을 초래하는데, 왜냐하면 그에게, 입력장치의 최적의 정렬을 위해 장치들 및 유사한 것에서의 번거로운 입력들이 생략될 수 있고, 로봇 시스템의 작동방식에 관한 깊은 기술적 지식이 필요하지 않기 때문이다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 매니퓰레이터 위에 배치된 센서들을 갖는, 특히 통합된 모멘트 센서들을 갖는 상기 매니퓰레이터로 실행되기에 적합한데, 왜냐하면 이는 핸드에 의한 상기 매니퓰레이터의 직접적인 안내를 간단한 방식으로 허용하기 때문이다. 그러므로, 바람직하게는, 매니퓰레이터로 하나 이상의 상응하는 기준운동을 실행하는 상기 단계는 능동적 컴플라이언스 조절을 위한, 특히 중력보상을 위한 운전 모드에서의 상기 매니퓰레이터의 운전을 포함한다.

상기 매니퓰레이터에 바람직하게는 하나 이상의 공구가 설치되고, 따라서 상기 공구들은 상기 매니퓰레이터를 통해 움직여질 수 있다. 특히, 이 공구들은 의료용 기구들일 수 있고, 상기 의료용 기구들은 내시경, 초음파 헤드들, 개방 수술 또는 최소 침습적 수술을 위한 기구들, 천자 캐뉼라 (puncture cannular) 또는 생체 조직 검사 바늘들을 포함한다. 그 밖의 실시형태에서, 이 공구들은 특히 또한 예컨대 결합시키기 위한, 접착시키기 위한, 용접하기 위한, 시밍하기 위한, 천공하기 위한, 나사결합하기 위한, 기타 등등을 하기 위한, 산업적으로 사용되는 가공 공구들일 수 있다.

바람직하게는, 상기 입력장치는 햅틱 (haptic) 수동 컨트롤러 (hand controller), 조이스틱, 3-D 모션 컨트롤러, 정전식 (capacitive) 터치패드, 및/또는 상기 매니퓰레이터의 그리고/또는 상기 공구의 특별한 기능들 및/또는 사전 프로그래밍된 운동 시퀀스들 (motion sequences) 을 트리거하기 위한 다수의 스위치를 포함한다.

바람직하게는, 상기 입력장치는, 예컨대 탈착 가능하게, 관절식 홀딩암 (holding arm) 에 설치된다. 이로써, 상기 입력장치를 유연하게 새로운 위치로 움직이고, 필요하다면, 그의 현재의 설치 장소로부터 탈착하고, 다른 장소에 설치하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 상기 홀딩암의 관절들은 바람직하게는 상기 홀딩암의 관절위치들을 검지하기 위한 센서들을 구비한다. 이로써, 상기 제어장치는 매 시점에서, 어떤 위치에 상기 입력장치가 있는지를 결정할 수 있다. 그러면 이 측정값들은, 작업과정의 시작시 한 번만 상기 기술된 본 발명에 따른 방법에 따라 변환행렬을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 조작자가 상기 홀딩암을 본래의 위치로부터 이동시킬 때, 상기 변환행렬은 상기 제어장치에서 자동적으로 상기 측정된 위치값을 근거로 업데이트된다. 선택적으로, 조작자는 상기 변환행렬의 성공적인 업데이트 후 상기 제어장치로부터 피드백을 얻는다 (예컨대 시각적으로 모니터 상에, 신호 램프를 통해 그리고/또는 음향적으로).

바람직하게는, 상기 입력장치의 상기 하나 이상의 기준운동과 상기 매니퓰레이터의 상기 상응하는 하나 이상의 기준운동은 동시에 또는 순차적으로 검지된다. 상기 기준운동들을 기록하기 위해, 상기 제어장치는 예컨대 조작자에 의해 실행된 매니퓰레이터의 기준운동과 입력장치의 기준운동이 동시에 검지되도록 형성된다. 이는 본 경우 조작자가 필요한 운동들을 (하나 이상의 기준운동을) 매니퓰레이터 및 입력장치와 동시에 실행하는 것을 의미한다. 예컨대, 조작자는 왼쪽 손으로는 매니퓰레이터에 의한 운동을 실행하고, 오른쪽 손으로는 입력장치에 의한 운동을 실행한다 (또는 반대로). 대안적으로, 조작자가 모든 필요한 운동들을 잇달아 (순차적으로) 매니퓰레이터 및 입력장치에 의해 실행하는 것이 동등하게 가능하다. 이는 조작자가 우선 입력장치를 가지고 운동을 실행하고, 그 후 매니퓰레이터를 가지고 운동을 실행하는 것을 (또는 반대로) 의미한다.

다른 예에서, 조작자가 우선 전체 기준운동들을 입력장치에서 또는 매니퓰레이터에서 실행하고, 그 후 조작자가 입력장치에서 또는 매니퓰레이터에서 시작했는지에 따라, 상응하는 전체 기준운동들을 각각 다른 장치 (매니퓰레이터 또는 입력장치) 에서 실행하는 것이 동등하게 가능하다.

또한, 바람직하게는, 하나 이상의 외부 조작요소, 특히 상기 제어장치와 연결된 풋스위치 (foot switch) 는 운전 모드들 사이에서 전환하도록 또는 공구의 동작을 트리거하도록 셋업된다. 이 운전 모드들은 예컨대 상기 다축 매니퓰레이터와 함께 상기 입력장치의 정렬을 실행하기 위해 활성화될 수 있는 정렬 모드를 포함한다.

바람직하게는, 외부 모니터가 제공되고, 상기 외부 모니터는 카메라 사진들, 예컨대 내시경 사진들 및/또는 외부 영상화 시스템 (imaging system) 및/또는 내비게이션 시스템의 사진을 나타내도록 셋업된다.

또한, 본 발명에 따르면, 제어장치와 매니퓰레이터와 입력장치를 포함하는 로봇 시스템, 특히 모듈식 로봇 시스템이 제공된다. 바람직하게는, 상기 제어장치는, 그가 상기 입력장치의 실행된 기준운동들과 상기 매니퓰레이터의 상응하는 기준운동들을 검지하고, 상기 검지된 기준운동들에 근거하여 변환행렬을 계산하고, 상기 입력장치의 운동들을 정렬시키기 위해 상기 계산된 변환행렬을 상기 매니퓰레이터에 적용함으로써, 입력장치를 이용한 매니퓰레이터의 정렬을 허용하도록 셋업된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 기술된 방법의 사용은 사람의 수술 동안 또는 산업적 공정에서 제공된다.

상기 입력장치를 이용한 상기 매니퓰레이터의 (새로운) 정렬은 예컨대 정렬 모드의 선택을 통해 도입될 수 있다. 이 정렬 모드는 매니퓰레이터를 또는 로봇 제어기를 가동한 후 또는 리셋한 후 바로 활성적일 수 있고, 또는 사용자 입력을 통해 또는 프로그램 시퀀스를 통해 활성화될 수 있다.

바람직하게는, 조작자에 의해 실행된 기준운동은 입력장치와 매니퓰레이터 사이의 모션 스케일링을 위한 (근본적인) 사전 설정을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 검지된 기준운동들이 사용될 수 있거나 또는 별도의 운동들이 검지될 수 있다. 두 경우에 기준운동을 위해 사용된, 입력장치와 매니퓰레이터의 운동공간들의 비율이 상기 스케일링을 위해 결정적이다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면을 근거로 상세히 기술된다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 특히 모듈식 로봇 시스템에서의 이용을 위해 적합하다.

환자 (1) 는 검사 테이블 또는 수술 테이블 (2) 위에 누워 있다. 매니퓰레이터 (3) 는 관련 제어장치 (4) 와 함께, 주행 가능한 카트 (5) 안에 통합된다. 의료용 기구가 매니퓰레이터 (3) 를 통해 움직여질 수 있도록 매니퓰레이터 (3) 의 원위 단부에 상기 의료용 기구 (6) 가 설치된다. 또한, 입력장치 (7) 가 카트 (5) 에 설치되고, 조작자가 매니퓰레이터 (3) 의 운동을 제어할 수 있도록 상기 입력장치는 제어장치 (4) 와 연결된다. 조작자는 입력장치 (7) 를 관절식 홀딩암 (8) 을 이용해 인체공학적으로 그의 작업환경 안에서 정렬시킬 수 있다. 강성적으로 또는 관절식으로 디스플레이 (10) 가 상기 커트에 설치되고, 상기 디스플레이는 운전 파라미터들을 나타내기 위해 그리고/또는 시스템 상태를 나타내기 위해 선택적으로 접촉에 민감할 수 있다 (예컨대 터치스크린).

상기 로봇 시스템은, 매니퓰레이터 (3) 의 동시에 높은 조작성으로 의료용 기구 (6) 가 환자 (1) 에서의 절제수술 장소 또는 검사 장소에 도달하도록, 그리고 또한 조작자 (12) 가 그리고 선택적으로 추가적인 의료 인원이 환자 (1) 에 충분히 접근 가능하도록 상기 의료 인원 또는 조작자에 의해 테이블 (2) 에 배치된다. 절제수술, 수술 또는 검사를 실행하기 전에, 입력장치 (7) 는 조작자에 의해 상기 조작자를 위해 편안한 위치에서 홀딩암 (8) 의 도움으로 정렬되고 또는 움직여진다. 이때, 입력장치 (7) 는 홀딩암 (8) 으로부터 선택적으로 탈착될 수 있고, 다른 물체에, 특히 테이블 (2) 에 고정될 수 있다. 이 설치 가능성은 도 1 에 입력장치 (7') 를 통해 도시된다.

상기 입력장치가 미리 상기 매니퓰레이터에 대한 특정 정렬로 위치되기 때문에 그리고 조작자가 이제 입력장치 (7) 를 예컨대 홀딩암 (8) 의 도움으로 옮기므로, 조작자는 이제 더 이상 무조건 상기 로봇 시스템을 직관적으로 그 자체로 이용할 수는 없을 것인데, 왜냐하면 입력장치 (7) 와 매니퓰레이터 (3) 가 더 이상 최적으로 서로 정렬되어 있지 않기 때문이다. 입력장치 (7) 와 매니퓰레이터 (3) 를 정렬시키기 위해, 조작자는 우선 모드를 활성화시켜 입력장치 (7) 의 좌표계와 매니퓰레이터 (3) 의 좌표계를 정렬시킨다 (정렬 모드). 이 모드는 상기 로봇 시스템을 또는 상기 제어장치를 가동한 후 또는 리셋 (Reset) 한 후 바로 활성적이거나 또는 사용자 입력 또는 프로그램 시퀀스를 통해 활성화된다. 후자의 경우는 예컨대 조작요소 (10), (접촉에 민감할 경우에는) 모니터 (11), 또는 카트 (5) 안에 통합된 다른 조작요소를 이용해 수행된다. 상기 정렬 모드의 활성화를 통해 매니퓰레이터 (3) 는 능동적 컴플라이언스 조절을 위한, 특히 중력보상을 위한 운전 모드에서 작동되고, 따라서 조작자 (12) 는 상기 매니퓰레이터를 자유로이 움직일 수 있다.

조작자는 우선 입력장치 (7) 로 기준운동을 실행하고, 그 후 매니퓰레이터 (3) 로 상응하는 기준운동을 실행한다. 상기 기준운동들을 실행한 후, 제어장치 (4) 는 이 기준운동들을 검지하고, 그들로부터 변환행렬을 계산하고, 상기 변환행렬을 입력장치 (7) 와 매니퓰레이터 (3) 를 정렬시키기 위해 적용한다. 이로써, 조작자는 매우 간단한 그리고 직관적인 방식으로, 그를 위해 최적인, 입력장치 (7) 의 그리고 매니퓰레이터 (3) 의 (새로운) 정렬을 달성했고, 이는 그에게 수술 동안 상기 로봇 시스템의 직관적인 적용을 가능하게 한다. 또한, 조작자에게 상기 로봇 시스템의 그리고 손으로 조작된 기구의 동시적 사용이 가능해지는데, 왜냐하면 상기 조작자가 상기 로봇 시스템과 함께 환자 옆에 있기 때문이다.

Claims

물체에 고정된 입력장치 (7) 로 다축 매니퓰레이터 (3) 를 정렬시키기 위한 방법으로서,
상기 입력장치는 상기 매니퓰레이터 (3) 를 직관적으로 제어하기 위해 사용되고,
상기 방법은:
a) 상기 입력장치 (7) 로 하나 이상의 기준운동들을 실행하는 단계;
b) 핸드에 의한 상기 매니퓰레이터의 직접적인 안내를 통해 상기 매니퓰레이터 (3) 로, 상기 입력장치 (7) 로 실행된 상기 기준운동들에 상응하는 하나 이상의 기준운동들을 실행하는 단계;
c) 실행된 상기 기준운동들을 검지하는 단계;
d) 검지된 상기 기준운동들에 근거하여 변환행렬을 계산하는 단계; 및
e) 상기 매니퓰레이터 (3) 와 함께 상기 입력장치 (7) 의 운동들을 정렬시키기 위해 계산된 상기 변환행렬을 적용하는 단계를 갖는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 단계 (c) 와 상기 단계 (d) 사이에, 상기 검지된 기준운동들을 위한 보상 지오메트리 (compensation geometry) 가 제어장치 (4) 를 통해 계산되고;
상기 보상 지오메트리를 계산한 후 타당성 검사가 상기 보상 지오메트리의 데이터를 근거로 수행되는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 매니퓰레이터 (3) 는 힘들 및 토크들을 검지하기 위한 수단들을 갖는 하나 이상의 축을 구비하는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 매니퓰레이터 (3) 는 사용자 상호작용을 검지하기 위한 수단들을 갖는 하나 이상의 축을 구비하는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 매니퓰레이터 (3) 는 공구 좌표계를 가지며, 상기 매니퓰레이터의 공구 좌표계를 근거로 제어되는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
핸드에 의한 상기 매니퓰레이터 (3) 의 직접적인 안내를 통해 상기 매니퓰레이터 (3) 로 하나 이상의 상응하는 기준운동을 실행하는 단계는 능동적 컴플라이언스 조절을 위한 운전 모드에서의 상기 매니퓰레이터 (3) 의 운전을 포함하는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 매니퓰레이터 (3) 에 적어도 하나의 공구가 설치되고, 따라서 의료용 기구는 상기 매니퓰레이터 (3) 를 통해 움직여질 수 있는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공구는 결합시키기 위한, 접착시키기 위한, 용접하기 위한, 시밍 (seaming) 하기 위한, 천공하기 위한 또는 나사결합하기 위한, 산업적으로 사용되는 가공 공구인, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 입력장치 (7) 는 다음의 것들 중 하나를 포함하는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법:
햅틱 (haptic) 수동 컨트롤러 (hand controller), 조이스틱, 3-D 모션 컨트롤러, 정전식 (capacitive) 터치패드, 상기 매니퓰레이터 (3) 의 특별한 기능들 또는 사전 프로그래밍된 운동 시퀀스들 (motion sequences) 을 작동시키기 위한 스위치, 키넥트 카메라 (kinect camera) 또는 립 장치 (Leap-Device) 와 같은 무접촉 센서들.
제 1 항에 있어서,
상기 입력장치 (7) 는 탈착 가능하게 관절식 홀딩암 (holding arm, 8) 에 설치되고;
상기 홀딩암 (8) 의 관절들은 상기 홀딩암 (8) 의 관절위치들을 검지하기 위한 센서들을 구비하는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 입력장치 (7) 는 탈착 가능하게 관절식 홀딩암 (8) 에 설치되고;
상기 홀딩암 (8) 의 위치 및/또는 상기 입력장치 (7) 의 위치는 외부 내비게이션 시스템 (navigation system) 으로 검지되는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 입력장치 (7) 의 상기 하나 이상의 기준운동과 상기 매니퓰레이터 (3) 의 상기 상응하는 하나 이상의 기준운동은 동시에 또는 순차적으로 검지되는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
하나 이상의 외부 조작요소 (9) 는 운전 모드들 사이에서 전환하도록 또는 공구의 동작을 트리거하도록 셋업되고;
외부 모니터 (11) 는 카메라 시스템의 사진을 나타내도록 셋업되는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.
제어장치 (4) 와 매니퓰레이터 (3) 와 입력장치 (7) 를 포함하는 로봇 시스템으로서,
상기 입력장치 (7) 의 실행된 기준운동들과 핸드에 의한 직접적인 안내를 통해 실행된 상기 매니퓰레이터 (3) 의 상응하는 기준운동들을 검지함으로써;
상기 검지된 기준운동들에 근거한 변환행렬을 계산함으로써; 및
상기 입력장치 (7) 의 운동들을 정렬시키기 위해 상기 계산된 변환행렬을 상기 매니퓰레이터 (3) 에 적용함으로써,
상기 제어장치 (4) 는 상기 입력장치 (7) 를 이용한 상기 매니퓰레이터 (3) 의 정렬을 허용하도록 셋업되는 로봇 시스템.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 사람의 수술 동안에 또는 산업적 공정에서 사용되는, 입력장치로 다축 매니퓰레이터를 정렬시키기 위한 방법.