KR102099143B1 - 스테디 핸드 현미조작 로봇 - Google Patents

스테디 핸드 현미조작 로봇 Download PDF

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케빈 씨. 올즈
러셀 에이치. 테일러
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더 존스 홉킨스 유니버시티
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Abstract

협력-제어 로봇은 베이스 컴포넌트, 상기 베이스 컴포넌트에 근접하여 배치된 이동식 플랫폼, 상기 베이스 컴포넌트 및 상기 이동식 플랫폼에 연결되고 상기 베이스 컴포넌트에 대한 회전 없이 병진 자유도들로 상기 이동식 플랫폼를 이동시키도록 구성된 병진 어셈블리, 상기 이동식 플랫폼에 연결된 도구 어셈블리, 및 협력-제어 로봇의 적어도 일 부분에 가하여진 사용자에 의한 힘에 응답하여 상기 이동식 플랫폼의 동작을 제어하기 위해서 상기 병진 어셈블리과 통신하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 상기 병진 어셈블리는 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들을 포함하고, 상기 액츄에이터 팔들 각각은 상기 이동식 플랫폼의 분리된 위치에 연결된다.

Description

스테디 핸드 현미조작 로봇{STEADY HAND MICROMANIPULATION ROBOT}
관련 출원의 상호 참조
참조에 의해 그 전체 내용이 본 출원에 통합되는 2011년 11월 4일 출원된 미국 특허 가출원 제61/555,780호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 로봇 시스템, 보다 구체적으로 협력-제어 로봇 및 시스템에 대한 것이다.
안과학, 이과학, 후두학, 신경 외과학, 성형 및 교정 수술과 같은 많은 수술 분야들은, 생의학 연구 및 극소 조립과 같은 비-수술적 분야들과 마찬가지로, 인간의 감각-운동 한계들을 밀어붙이는 현미 조작 컴포넌트들을 구비한다. 몇몇의 로봇식 해결책들이 수술에서의 유사한 문제들을 해결하기 위해서 제안되어 왔고, 그 중에는 Intuitive surgical 사의 다빈치 수술 로봇(도1)이 대표적이다. 다빈치 로봇은 최소한으로 침습하는 수술을 위해서 우선적으로 설계되었고, 원격 조종 양식을 사용한다. 이것은 제어 콘솔 및 로봇 자체가 장치의 독립된 부분들이라는 것을 의미하고, 외과의는 환자로부터 떨어져서 앉는다.
원격 조종 양식이 최소 침습 수술에서 많은 장점들을 보이고 있음에도 불구하고, 그것은 수많은 극소 수술 작업들에서는 이점이 별로 없다. 분리된 로봇과 콘솔은 전체 시스템이 더 큰 작업실 공간을 가지도록 하고, 수술 영역으로부터 외과의를 비정상적으로 떨어트린다. 시스템의 전체 규모는 셋업 및 해제에 시간을 소비하도록 만들고, 따라서 필요 시 작업실로 또는 작업실로부터 그것을 운반하는 것은 어렵다. 또한, 다빈치 로봇은 최소 침습 수술을 수행하는 외과의의 자연스런 손 위치를 모방하도록 설계되기 때문에, 후두 수술에서와 같이, 서로 평행한 기구 샤프트들로 수술하는데는 어려움이 존재한다. 이러한 한계들은 로봇을 수용하기 위해서 수술 훈련을 완전히 변화시킬 필요성을 또한 야기할 수 있다. 이러한 시스템의 또 다른 주요 단점은 비용이다. 다빈치 로봇은 높은 고정 비용(최초 로봇 가격은 ~2백만 달러) 및 높은 가변 비용(맞춤 일회용 수술 도구들, 다빈치 작동을 위한 수술 훈련)을 가진다.
다빈치 로봇은 최소 침습 수술에서 거의 대부분 사용되기 때문에, 작은 절개를 통해 수술하도록 설계된다. 이것은 절개 부분에 힘을 가하지 않도록 하기 위해서, 도구들이 환자 신체에 진입하는 포인트에 대해 회전할 것을 요구한다. 이것은, 도구가 로봇의 외부인 지점에 대해 회전하기 때문에, 원격 중심 운동(remote center of motion, RCM)으로 일컬어 진다. 다빈치 로봇은 회전 스테이지와 케이블 장치을 사용하여 원격 중심 운동에 대해서 두 회전 자유도들(기울임과 굴림)을 달성한다(도2). 이것은 또한 도구 축을 따라서 도구를 넣고 빼기 위한 병진(translational) 자유도를 가진다. 병진(translation) 장치는 팔의 단부에 존재하고, 그것은 상당한 규모를 더하고 매우 근접하게 서로 평행한 두개의 도구들로 로봇이 수술하는 것을 막는다(도3).
수술 상에서 인간의 감각운동 한계들을 극복하기 위한 또 다른 접근은 JHU Eye Robot 2에 의해 수행되어 왔다(도4). 이 시스템은 외과의가 환자 곁에 앉아 로봇과 함께 수술 도구를 잡는 협력 제어 양식을 사용한다. 로봇은 힘 센서를 통해 도구 상의 외과의의 압박을 감지하고, 그에 맞춰 움직인다. 이 시스템은 다빈치 로봇에 비해 소형이고 수술 절차 상의 변경을 덜 요구한다.
JHU Eye Robot 2는, 필요한 회전 자유도들을 제공하기 위한 회전 스테이지와 원격 중심 운동 링크2와 마찬가지로, x, y 그리고 z 병진 자유도들을 제공하기 위해서 세개의 병진 스테이지들을 사용한다. 만일 도구가 장치의 회전 중심과 서로 다른 포인트에 대해서 회전하는 것이 필요한 경우, 병진 스테이지들은 도구의 샤프트를 또 다른 포인트에 대해서 회전시키고 보상할 수 있다. 이 설계의 주요 한계는, 각각의 액츄에이터가 모든 후속 액츄에이터들의 무게를 견뎌야 할 것을 요구하는, 본질적으로 직렬형 장치에 의존한다는 것이다. 이것은 필요한 것보다 전체적인 시스템을 더욱 크고 무겁게 만든다. 로봇의 하중은 병진 스테이지들에 대한 속도 제한을 가하고, 이는 결국 빠른 수술 동작들을 추적하거나 또는 장치의 그것으로부터 멀리 떨어진 움직임의 중심들에 대해 보상하는 것을 결과적으로 막는다.
JHU Eye Robot 2의 이전 버전인 JHU Eye Robot 1은 원격 중심 운동 링크, 회전 스테이지 및 병진 스테이지들의 유사한 3개의 자유도(점) 세트보다 스탠다드 4-바 링크를 사용하였다(도5). 장치는 정상적인 RCM 포인트를 가지지 않고, 회전 관절들을 증가시키고 RCM 기능을 제공하기 위해서 병진 스테이지들을 사용한다. 직렬적인 설계에서 병진 스테이지들이 안과 수술에서 요구되는 RCM 포인트를 보상하기에 너무 느렸기 때문에 RCM 링크가 JHU Eye Robot 2에서 추가되었다.
3개의 자유도 병진 동작을 제공하기 위한 대안적인 장치들이 존재하고, 대표적으로 델타 장치가 존재한다(도6). 이 장치는, 총 4개의 자유도를 위해, x, y 및 z 병진 자유도들을 제공하기 위한 병렬적인 3개의 평행사변형 링크들에 더하여 추가적인 회전 자유도를 제공하기 위한 두 개의 유니버셜 관절들로 확장된 샤프트를 사용한다. 이 장치의 장점은 액츄에이터들이 병렬적으로 동작한다는 것이고, 이는 액츄에이터들이 서로 다른 것의 질량을 부담할 필요가 없음을 의미한다. 이 때문에, 델타 장치는, 수술용 어플리케이션 및 햅틱 마스터 컨트롤에 더하여, 빠르게 집고 놓는 어플리케이션들을 위한 산업 로봇들에서 광범위하게 사용되어 왔다(도7).
델타 장치는 수술용 어플리케이션들에서 사용되어 왔고, 대표적으로 악안면 수술에서 사용되어 왔다(도8)6. 이 시스템, ISIS Surgiscope는, 수술용 현미경을 조작하기 위해서 설계된 대형의 머리 위로 세운 델타 로봇이고, 이것은 골천공기와 같은 수술용 도구들을 조작하기 위해 변형되었다. 이것은 도구들과 조직 사이의 간섭력(interaction forces)을 감지하기 위하여 힘 센서를 사용한다. 이 시스템은, 협력 제어 양식보다는, 로봇의 자유가 위치, 방향, 힘 그리고 토크에 대한 한계들을 사용하는 것이 제한되는 "상호 계획, 프로그래밍, 그리고 교육" 스킴을 사용한다. 이 시스템은 수술용 도구들을 컨트롤하기 위한 델타 로봇의 이동식 플랫폼(도6의 (8)) 상에 장착된 모터들을 사용한다.
이 시스템은 그 큰 크기 및 무게 때문에, 현미 수술에는 적합하지 않다. 또한, 이것은 크고 천장에 고정되었기 때문에, 두 손을 쓰는 수술에서 함께 동작하기 위한 2개의 시스템들에는 적합하지 않을 것이다. 이 시스템이 사용하는 대부분 계획되고 예정되는 동작 방법은 광범위한 수술 전 이미징, 등록, 그리고 엄격한 해부학이 없이는 수술에서 유용하지 않을 것이다.
델타 장치는 또한 팁(tip)에서 추가적인 자유도들을 작동시킬 목적으로 시스템의 팔들에 추가적인 액츄에이터들을 통합시키기 위해 변형되어 왔다(도9).7 선형 액츄에이터들을 사용하는 델타 로봇의 변형은 또한 본래의 델타 로봇에서 제안되었다(도10). 그러므로 향상된 로봇 및 로봇 시스템에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은 보다 향상된 로봇 및 로봇 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 협력-제어 로봇은 베이스 컴포넌트, 상기 베이스 컴포넌트에 근접하여 배치된 이동식 플랫폼, 상기 베이스 컴포넌트 및 상기 이동식 플랫폼에 연결되고 상기 베이스 컴포넌트에 대한 회전 없이 병진 자유도들로 상기 이동식 플랫폼를 이동시키도록 구성된 병진 어셈블리, 상기 이동식 플랫폼에 연결된 도구 어셈블리, 및 협력-제어 로봇의 적어도 일 부분에 가하여진 사용자에 의한 힘에 응답하여 상기 이동식 플랫폼의 동작을 제어하기 위해서 상기 병진 어셈블리과 통신하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 상기 병진 어셈블리는 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들을 포함하고, 상기 액츄에이터 팔들 각각은 상기 이동식 플랫폼의 분리된 위치에 연결된다.
본 발명의 실시 예에 따른 로봇 시스템은 서포트 구조, 상기 서포트 구조에 연결된 제1 및 제2 협력-제어 로봇들, 및 상기 제1 및 제2 협력-제어 로봇들과 통신하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 상기 제1 및 제2 협력-제어 로봇들 각각은, 상기 서포트 구조에 연결된 베이스 컴포넌트, 상기 베이스 컴포넌트에 근접하여 배치된 이동식 플랫폼, 상기 베이스 컴포넌트 및 상기 이동식 플랫폼에 연결되고 상기 베이스 컴포넌트에 대한 회전 없이 병진 자유도들로 상기 이동식 플랫폼를 이동시키도록 구성된 병진 어셈블리, 및 상기 이동식 플랫폼에 연결된 도구 어셈블리를 포함하고, 상기 제어 시스템은 상기 제1 및 제2 협력-제어 로봇들 중 대응하는 하나의 적어도 일 부분에 가하여진 사용자에 의한 힘에 응답하여 상기 이동식 플랫폼 각각의 동작을 제어하도록 구성되고, 그리고 상기 병진 어셈블리 각각은 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들을 포함하고, 상기 액츄에이터 팔들 각각은 상기 이동식 플랫폼의 분리된 위치에 연결된다.
본 발명은 보다 향상된 로봇 및 로봇 시스템을 제공할 수 있다.
발명의 목적 및 이점들은 상세한 설명, 도면 및 실시 예들을 통해 명백해질 것이다.
도1은 Intuitive Surgical 사의 다빈치 로봇 시스템을 예시적으로 도시한다.
도2는 다빈치 원격 중심 운동 장치1를 예시적으로 도시한다.
도3은 다빈치 자유도들을 예시적으로 도시한다. (밝은, 일직선인, 양방향 화살표: 삽입/추출 병진 스테이지. 그늘진, 아래의, 굽은 화살표: 기울임. 어두운, 위의, 굽은 화살표: 굴림)
도4는 JHU Eye Robot 2의 실시 예를 도시한다.
도5는 JHU Eye Robot 1의 실시 예를 도시한다.
도6은 델타 장치3를 도시한다.
도7은, 상단 좌측은 산업용 delta robot4, 상단 우측은 4 링크 델타 로봇인 Adept Quattro, 하단 좌측은 델타 장치를 사용하는 상업적 햅틱 마스터, 하단 우측은 6 자유도 햅틱 마스터의 실시 예들을 도시한다.5
도8은 악안면 수술을 위한 델타 로봇의 실시 예를 도시한다.
도9은 로봇의 다리에 장착된 3개의 액츄에이터들을 가진 변형된 델타 장치를 개략적으로 도시한다.
도10은 델타 로봇의 선형 변형을 예시적으로 도시한다.3
도11은 본 발명의 실시 예에 따른 협력-제어 로봇을 예시적으로 도시한 도면이다.
도12는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도13 내지 도15는 레고들로 제작된 도11의 실시 예의 원형을 도시한다.
도16 내지 도19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 협력-제어 로봇을 예시적으로 도시한다.
도20은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 시스템을 예시적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일부 실시 예는 다음에 상세하게 기술된다. 기술된 실시 예에서, 특정 용어는 명료성을 위하여 채택된다. 그러나, 본 발명은 이렇게 선택된 특정 용어에 한정되도록 의도되지 않는다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 다른 등가의 구성 요소가 채택되고 본 발명의 넓은 개념으로부터 벗어남이 없이 다른 방법이 개발된다는 것을 인식할 것이다. 배경기술, 상세한 설명 부분을 포함하는 본 명세서에서 인용된 모든 도면 부호는 각각이 개별적으로 통합된 것처럼 참조에 의해 통합된다.
도11은 본 발명의 실시 예에 따른 협력-제어 로봇(100)을 개략적으로 도시한 도면이다. 협력-제어 로봇(100)은 베이스 컴포넌트(102), 이동식 플랫폼(104), 베이스 컴포넌트(102) 및 이동식 플랫폼(104)에 작동되게 연결된 병진 어셈블리(106)를 포함한다.
베이스 컴포넌트(102)는, 도11에 도시된 바와 같이, 협력-제어 로봇(100)의 부분이도록 의도된, 그리고 그것과 함께 운반되는 구조적인 요소일 수 있다. 그러나, 다른 실시 예들에서, 건물의 부분과 같은, 더 큰 구조의 일 부분일 수 있다. 예를 들어, 베이스 컴포넌트는 빌딩의 천장, 벽, 바닥 또는 기둥일 수 있다.
병진 어셈블리(106)는 또한, 베이스 컴포넌트(102)에 대한 회전은 실질적으로 없이, 오직 병진 자유도들로 이동식 플랫폼(104)을 이동시키도록 구성된다. 다른 말로 하면, 만일 이동식 플랫폼(104)이 베이스 컴포넌트(102)에 평행하게 방향 맞추어진 것으로 간주되는 경우, 그것은 다른 위치로 이동할 때 실질적으로 평행하게 남아있다. 실질적으로 평행하다는 용어는 가능한 제작 허용 오차의 정밀함 내에 있다는 것 그리고/또는 특정 어플리케이션에 대해 요구되는 정밀도까지라는 것을 의미한다. 이동식 플랫폼(104)은 베이스 컴포넌트(102)에 대해 기울거나 회전하지 않는다. 다른 말로 하면, 이것은 모든 회전 자유도들에서 강요된다. 몇몇 실시 예들에서, 이동식 플랫폼(104)은, 예를 들어, 서로 수직인 X, Y 그리고 Z 좌표들로 표현될 수 있는 3개의 병진 자유도들로 이동될 수 있다. 베이스 컴포넌트(102), 이동식 플랫폼(104) 및 병진 어셈블리(106)는 함께, 이에 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 상술된 델타 장치들 중 어느 것과 같은 델타 장치가 될 수 있다.
협력-제어 로봇(100)은 이동식 플랫폼(104)에 연결된 도구 어셈블리(108) 및 협력-제어 로봇(100)의 적어도 일 부분에 가하여진 사용자에 의한 힘에 응답하여 이동식 플랫폼(104)의 동작을 제어하기 위해서 병진 어셈블리(106)와 통신하도록 구성된 제어 시스템(110)을 더 포함할 수 있다. 제어 시스템(110)은 베이스 컴포넌트(102) 내에 적어도 일부로 포함된 것으로 개략적으로 도시된다. 제어 시스템(110)은 협력-제어 로봇(100)의 전반에 걸쳐 복수의 위치들에 배치될 수 있는 센서들 뿐만 아니라 베이스 컴포넌트(102)의 내부, 및/또는 센서들 및 병진 어셈블리(106)와 무선 통신하거나 하드 와이어드(hard wired)된 독립된 컴포턴트의 내부와 같이 협력-제어 로봇(100)에 통합될 수 있는 신호 처리 컴포넌트들을 포함한다.
병진 어셈블리(106)는 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들(112, 114, 116)을 포함하고, 액츄에이터 팔들 각각은 이동식 플랫폼(104)의 분리된 위치에 연결된다. 적어도 3개의 액츄에이터 팔들(112, 114, 116)은 논리적인 감각으로 (logical sense), 즉, 기하학적 감각(geometrical sense)보다는 병렬 회로와 같이 병렬적으로 동작하는 것으로 생각될 수 있다. 다른 말로 하면, 액츄에이터 팔들은 이동식 플랫폼(104) 주위에 간격을 두고 위치하고, Eye Robot 2의 병진 스테이지들과 같이 서로의 위에서 매달리지 않는다.
몇몇의 실시 예들에서, 병진 어셈블리(106)는 적어도 3개의 모터들(118, 120, 122)을 더 포함할 수 있고, 모터들 각각은 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들(112, 114, 116)의 각각의 하나에 작동되게 연결된다. 적어도 3개의 모터들(118, 120, 122)은 이동식 플랫폼(104)이 모터들(118, 120, 122)의 무게를 견디지 않고 움직이기에 자유롭도록 베이스 컴포넌트(102)에 의해 지지된다.
적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들(112, 114, 116) 각각은 작동 중 뒤틀림에 대해 변형될 수 있는 평행 사변형(예를 들어, 크로스 멤버(128, 130)와 함께)을 형성하도록 배치된 상호 연결된 구조적인 멤버들의 쌍(예를 들어, 액츄에이터 팔(114)의 쌍(124, 126))을 포함할 수 있다.
몇몇 실시 예들에서, 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들(112, 114, 116)은, 도11에 도시된 바와 같이, 연접식(articulated)인 팔들일 수 있다. 그러나, 모든 실시 예들이 연접식 엑츄에이터 팔들일 것을 요하지는 않는다. 이에 더하여, 액츄에이터 팔들은 다른 실시 예들에서 도11의 예시보다 많은 복수의 관절들을 가질 수 있다.
도구 어셈블리(108)는 도구 홀더(132) 및 도구 홀더(132)에 작동되게 연결된 도구 회전 어셈블리(134)를 포함할 수 있다. 도구(136)가 도구 홀더(132)에 고정될 때 도구 회전 어셈블리(134)는 도구(136)에 대해서 적어도 2개 그리고 선택적으로 3개의 회전 자유도들을 제공한다. 그러나, 본 발명의 넓은 개념들은 도11의 특정한 도구 어셈블리(108)에 제한되지 않는다. 도구(136)는 몇몇 실시 예들에서 무변형(unmodified) 도구일 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 협력-제어 로봇(100)은, 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니지만, 현미 수술 로봇과 같은 의료용 로봇일 수 있고, 도구(136)는, 예를 들어, 무변형 수술용 도구일 수 있다. 그러나, 본 발명의 넓은 개념들은 오직 수술용 로봇들로 제한되는 것은 아니고, 오직 무변형 도구들로 제한되는 것은 아니다.
도구 회전 어셈블리(134)는 베이스 컴포넌트(102)로부터 동작 가능한 나사 로드(140)를 구비하는 기울임 어셈블리(138)를 포함할 수 있다. 나사 로드(140)가 회전되면, 도구 홀더(132)는 힌지(142)에 대하여 회전한다. 나사 로드(140)는 이동식 플랫폼(104)을 통과하고, 베이스 컴포넌트(102)에 접하는 각각의 단부에서 유니버셜 관절들로 내부에 위치한 확장된 스플라인 샤프트에 의해 구동될 수 있다. 추가적으로, 베이스 컴포넌트(102)로부터 동작 가능한 기어 장치(146)는 나사 로드(140) 그리고 기어(148) 그리고 로드(150)를 제외하고 도구 어셈블리(108) 전체를 회전시킨다. 기어(148)는 베이스 컴포넌트(102)에 접하는 각각의 단부에서 유니버셜 관절들로 측면으로(laterally) 위치한 확장된 스플라인 샤프트에 의해 구동될 수 있다. 이것은 도구 회전 어셈블리가 2개의 회전 자유도들을 제공하는 예시이다. 세번째 회전 자유도는, 예를 들어, 도구가 세로 축에 대해 회전하도록, 도구 홀더(132) 내에서 제공될 수 있다. 그러나, 본 발명의 넓은 개념들은 이러한 특정 예시들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 2개 또는 3개의 회전 자유도들의 다른 방식들이 제공될 수 있고 그리고/또는 3개 이상의 회전 자유도들이 본 발명의 다른 실시 예들에서 제공될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 적어도 3개의 연접식의 팔들 및 도구 회전 어셈블리는 베이스 컴포넌트에 연결된 각각의 모터에 의해서 각각 구동될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 도구가 도구 홀더에 의해 고정될 때 도구에 가하여진 적어도 하나의 힘 요소를 측정하기 위해서 로봇 도구 제어 어셈블리는 도구 홀더에 장착된 힘 센서를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 힘 센서는 6-자유도 힘 센서일 수 있다. 추가적인 힘 센서들 및/또는 대안적인 배치들이 본 발명의 다른 실시 예에서 제공될 수 있다.
작동 시, 사용자는 수술, 제조, 또는 그 밖의 적합한 조작 절차에서 조종하기 위해 도구(136)를 잡는다. 몇몇의 예시들은, 이에 제한되는 것은 아니나, 현미 수술 또는 극소 단위의 정밀 제조를 포함할 수 있다. 제어 시스템(110)이 이동식 플랫폼(104)과 도구 어셈블리(108)가 원하는 방향으로 이동되는 것을 유발하도록 하나 이상의 힘 센서들이 사용자에 의해 가하여진 힘을 감지하기 위해서 사용된다. 예를 들어, 움직임은 손 떨림의 영향을 줄이기 위해서 매끄러운 방식으로(in a smooth manner) 수행되는 것과 마찬가지로 현미조작을 허용하기 위해서 크기가 조정될(scaled) 수 있다. 제어 시스템(110)은, 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, 통과될 수 없는 안전 구역 또는 정의된 조작 영역과 같은, 사전 프로그램 기능들을 포함할 수 있다. 제어 시스템(110)은 또한, 예를 들어, 작업의 준-자동화 또는 자동화 정도를 포함할 수 있다.
이 실시 예는 어떤 모터도 다른 모터들의 무게를 견딜 필요가 없도록 로봇을 제어하는 모든 모터들이 베이스 내에 위치할 수 있다는 이점을 제공할 수 있다. 이것은 모터들 각각이 상당히 더 적은 질량을 움직이는데 책임이 있다는 것을 의미하고, 이것은 더 작은 모터들의 사용을 허용한다. 이것은 또한 도구 어셈블리를 움직이는 감소된 질량의 구조를 허용한다. 이것은 직렬형 장치가 사용될 경우보다 더 빠른 속도가 가능한 더 가벼운 로봇에 이르게 될 수 있다.
도12는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 시스템(200)을 개략적으로 도시한 도면이다. 로봇 시스템(200)은 서포트 구조(202), 서포트 구조(202)에 연결된 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(204, 206), 및 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(204, 206)과 통신하도록 구성된 제어 시스템(208)을 포함한다. 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(204, 206) 각각은, 본 발명에 따른 협력-제어 로봇들 중 어느 것일 수 있다. 도12의 예시에서, 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(204, 206)은 협력-제어 로봇(100)과 유사하거나 동일하다.
도12의 실시 예에서, 서포트 구조(202)는 제1 오버헤드 붐(210) 및 제1 오버헤드 붐(210)에 회전 가능하게 장착된 제2 오버헤드 붐(212)를 포함한다.
도12는, 예를 들어, 도구들이 함께 인접하여 그리고 실질적으로 평행한 배치로 사용될 수 있도록 2개의 협력-제어 로봇들이 어떤 방법으로 배치될 수 있는지를 보여준다. 로봇 시스템(200)은 2개의 협력-제어 로봇들을 도시하지만, 본 발명의 넓은 개념들은 2개의 협력-제어 로봇들을 가진 시스템으로만 제한되지 않는다. 예를 들어, 3개 이상의 협력-제어 로봇들을 가진 로봇 시스템들이 다른 실시 예들에 포함될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 예들에 따른 로봇 도구 제어 어셈블리들과 현미 수술 로봇들의 다른 실시 예들이 도13 내지 도15에 도시된다.
도16 내지 도19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 협력-제어 로봇(300)을 3개의 다른 시야로 바라본 도면들이다. 협력-제어 로봇(300)은 베이스 컴포넌트(302), 베이스 컴포넌트(302)에 근접하여 배치된 이동식 플랫폼(304), 및 베이스 컴포넌트(302) 및 이동식 플랫폼(304)에 작동되게 연결된 병진 어셈블리(306)를 포함한다.
베이스 컴포넌트(302)는, 도16 내지 도19에 도시된 바와 같이, 협력-제어 로봇(300)의 부분이도록 의도된, 그리고 그것과 함께 운반되는 구조적인 요소일 수 있다. 그러나, 다른 실시 예들에서, 건물의 부분과 같은, 더 큰 구조의 일 부분일 수 있다. 예를 들어, 베이스 컴포넌트는 빌딩의 천장, 벽, 바닥 또는 기둥일 수 있다.
병진 어셈블리(306)는 또한, 베이스 컴포넌트(302)에 대한 회전은 실질적으로 없이, 오직 병진 자유도들로 이동식 플랫폼(304)를 이동시키도록 구성된다. 다른 말로 하면, 만일 이동식 플랫폼(304)이 베이스 컴포넌트(302)에 평행하게 방향 맞추어진 것으로 간주되는 경우, 그것은 다른 위치로 이동할 때 실질적으로 평행하게 남아있다. 실질적으로 평행하다는 용어는 가능한 제작 허용 오차의 정밀함 내에 있다는 것 그리고/또는 특정 어플리케이션에 대해 요구되는 정밀도까지라는 것을 의미한다. 이동식 플랫폼(304)은 베이스 컴포넌트(302)에 대해 기울거나 회전하지 않는다. 다른 말로 하면, 이것은 모든 회전 자유도들에서 강요된다. 몇몇 실시 예들에서, 이동식 플랫폼(304)은, 예를 들어, 서로 수직인 X, Y 그리고 Z 좌표들로 표현될 수 있는 3개의 병진 자유도들로 이동될 수 있다.
병진 어셈블리(306)는 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들(312, 314, 316)을 포함하고, 액츄에이터 팔들 각각은 이동식 플랫폼(304)의 분리된 위치에 연결된다. 적어도 3개의 액츄에이터 팔들(312, 314, 316)은 논리적인 감각으로 (logical sense), 즉, 기하학적 감각(geometrical sense)보다는 병렬 회로와 같이 병렬적으로 동작하는 것으로 생각될 수 있다. 다른 말로 하면, 액츄에이터 팔들은 이동식 플랫폼(304) 주위에 간격을 두고 위치하고, Eye Robot 2의 병진 스테이지들과 같이 서로의 위에서 매달리지 않는다.
몇몇의 실시 예들에서, 병진 어셈블리(306)는 적어도 3개의 선형 트랙들(307a, 307b, 307c)을 더 포함할 수 있고, 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들 각각이 적어도 3개의 선형 트랙들(307a, 307b, 307c)의 각각의 하나를 따라서 이동하도록 제한되는 단부를 구비하도록 적어도 3개의 선형 트랙들(307a, 307b, 307c)이 배치될 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 적어도 3개의 선형 트랙들(307a, 307b, 307c)은 베이스 컴포넌트(302)에 부착되는 것 또는 내장되는 것 중에 적어도 하나일 수 있다. 베이스 컴포넌트(302), 이동식 플랫폼(304) 및 병진 어셈블리(306)는 함께, 예를 들어, 선형 델타 장치를 형성할 수 있다.
협력-제어 로봇(300)은 이동식 플랫폼(304)에 연결된 도구 어셈블리(308), 및 협력-제어 로봇(300)의 적어도 일 부분에 가하여진 사용자에 의한 힘에 응답하여 이동식 플랫폼(304)의 동작을 제어하기 위해서 병진 어셈블리(306)와 통신하도록 구성된 제어 시스템(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이 실시 예에서 제어 시스템은 도11의 실시 예에서 도시된 것과 유사하거나 실질적으로 동일할 수 있다.
몇몇 실시 예들에서, 병진 어셈블리(306)는 적어도 3개의 모터들(미도시)을 더 포함할 수 있고, 모터들 각각은 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들(312, 314, 316)의 각각의 하나에 작동되게 연결될 수 있다. 적어도 3개의 모터들은 이동식 플랫폼(304)이 모터들의 무게를 견디지 않고 움직이기에 자유롭도록 베이스 컴포넌트(302)에 의해 지지된다.
적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들(312, 314, 316) 각각은 작동 중 뒤틀림에 대해 변형될 수 있는 평행 사변형(예를 들어, 크로스 멤버와 함께)을 형성하도록 배치된 상호 연결된 구조적인 멤버들의 쌍(예를 들어, 액츄에이터 팔(314)의 쌍(324, 326))을 포함할 수 있다.
도구 어셈블리(308)는 도구 홀더(332) 및 도구 홀더(332)에 작동되게 연결된 도구 회전 어셈블리(334)를 포함할 수 있다. 도구(336)가 도구 홀더(332)에 고정될 때 도구 회전 어셈블리(334)는 도구(336)에 대해서 적어도 2개 그리고 선택적으로 3개의 회전 자유도들을 제공한다. 그러나, 본 발명의 넓은 개념들은 도16 내지 도19의 특정한 도구 어셈블리(308)에 제한되지 않는다. 도구(336)는 몇몇 실시 예들에서 무변형 도구일 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 협력-제어 로봇(300)은, 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니지만, 현미 수술 로봇과 같은 의료용 로봇일 수 있고, 도구(336)는, 예를 들어, 무변형 수술용 도구일 수 있다. 그러나, 본 발명의 넓은 개념들은 오직 수술용 로봇들로 제한되는 것은 아니고, 오직 무변형 도구들로 제한되는 것은 아니다.
작동 시, 사용자는 수술, 제조, 또는 그 밖의 적합한 조작 절차에서 조종하기 위해 도구(336)을 잡는다. 몇몇의 예시들은, 이에 제한되는 것은 아니나, 현미 수술 또는 극소 단위의 정밀 제조를 포함할 수 있다. 제어 시스템이 이동식 플랫폼(304)과 도구 어셈블리(308)가 원하는 방향으로 이동되는 것을 유발하도록 하나 이상의 힘 센서들이 사용자에 의해 가하여진 힘을 감지하기 위해서 사용된다. 예를 들어, 움직임은 손 떨림의 영향을 줄이기 위해서 매끄러운 방식으로 수행되는 것과 마찬가지로 현미조작을 허용하기 위해서 크기가 조정될 수 있다. 제어 시스템은, 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, 통과될 수 없는 안전 구역 또는 정의된 조작 영역과 같은, 사전 프로그램 기능들을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 또한, 예를 들어, 작업의 준-자동화 또는 자동화 정도를 포함할 수 있다.
몇몇 실시 예들에서, 베이스 컴포넌트(302)는 서포트 구조에 부착되도록 구성될 수 있다. 서포트 구조는, 예를 들어, 도12에 도시된 실시 예의 서포트 구조(202)와 동일하거나 유사할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 서포트 구조는, 예를 들어, 하나 이상의 베드 레일들일 수 있다. 그러나, 본 발명의 넓은 개념들은 묘사된 서포트 구조들의 특정한 예시들로 제한되지 않는다.
도20은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 시스템(400)을 예시적으로 도시한 도면이다. 로봇 시스템(400)은 서포트 구조(402), 서포트 구조(402)에 연결된 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(404, 406), 및 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(404, 406)과 통신하도록 구성된 제어 시스템(미도시)을 포함한다. 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(404, 406) 각각은, 본 발명에 따른 협력- 제어 로봇들 중 어떤 것일 수 있다. 도20의 예시에서, 제1 및 제2 협력-제어 로봇들(404, 406)은 협력-제어 로봇(300)과 유사하거나 동일하다.
도20의 실시 예에서, 서포트 구조(402)는 제1 베드 레일(410) 및 제2 베드 레일(412)을 포함하는 수술용 베드이다.
도20은 함께 인접하여 그리고 실질적으로 평행한 배치로 사용될 수 있도록 배치된 2개의 협력-제어 로봇들의 다른 실시 예를 도시한다. 로봇 시스템(400)은 2개의 협력-제어 로봇들을 도시하지만, 본 발명의 넓은 개념들은 2개의 협력-제어 로봇들을 가진 시스템으로만 제한되지 않는다. 예를 들어, 3개 이상의 협력-제어 로봇들을 가진 로봇 시스템들이 다른 실시 예들에 포함될 수 있다.
몇몇 실시 예들에서, 본 발명에 따른 로봇 시스템들은 협력 제어를 중단시키기 또는 보충하기 중 적어도 하나를 위해서 제어 시스템과 통신하도록 구성된 사용자 입력 장치를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 로봇 시스템(400)은 몇몇 실시 예들에서 사용자 입력 장치(414)를 포함할 수 있다. 사용자 입력 장치(414)는, 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, 발 페달일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시 예들은 2개의 협력-제어 로봇들을 포함한다. 협력-제어 로봇들은 외과의가 양손으로 하나를 조작할 수 있고, 따라서 양손 수술 능력을 제공할 수 있도록 배치될 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 시스템은, JHU "스테디 핸드(steady hand)" 로봇들과 유사한, 수동(hands-on)의 협력 제어 양식을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 도구 홀더에, 또는 도구 홀더에 부착된 제어 핸들에, 또는 수술용 도구 자체에 부착된 힘 센서는 외과의에 의해서 도구에 가하여진 힘을 감지할 것이고, 로봇 컨트롤러는 로봇이 이러한 힘에 따르기 위해서 움직이도록 유발할 것이다. 이러한 경우, 외과의는 정상적인 수술에서와 거의 동일한 방법으로 도구를 조종하는 중이라는 느낌을 받을 수 있다. 하지만 로봇이 도구의 실제 움직임을 일으키고 있기 때문에, 손 떨림은 전혀 없거나, 또는 적어도 상당히 감소된만큼 존재할 것이다. 또한, 만일 외과의가 도구를 놓치는 경우, 도구는 정상적인 수술에서처럼 추락하기 보다는 단순하게 움직임을 멈출 수 있다.
몇몇의 실시 예들에 따른 로봇 시스템들은 또한 다빈치 수술 로봇을 제어하기 위해서 사용되는 것들과 같은 마스터 콘솔 팔들로부터, 또는 Sensable Technology Omni 팔들과 같은 보다 단순한 마스터 콘솔 팔들로부터, 또는 복수의 조이스틱들로부터, 또는 그 밖의 마스터 콘솔 팔들로부터 원격 조종될 수 있다. 이러한 경우, 힘 센서들에서 감지된 도구들에 가하여지는 힘들은 햅틱 피드백을 제공하기 위해서 또는 로봇의 움직임을 다르게 수정하기 위해서 마스터 콘솔 팔들로 피드백될 수 있다. 또한, 제어 모드들이 원격 제어와 수동 협력 제어 사이에서 혼합되거나 전환될 수 있다.
이에 더하여, 로봇들은 반자동 또는 감독 제어 하에서 단순한 동작들을 수행하도록 프로그램될 수 있다. 이러한 경우, 외과의는, 외과의가 감독하는 동안에, 제한된 용적 내에서, 원하는 도구-대-조직 관계를 이루기 위해서 그리고 자동적으로 로봇이 하나 또는 그 이상의 동작들을 수행하도록 지시하기 위해서 하나 또는 2개의 도구들을 조작할 것이다. 이러한 행동의 예시는, 센서가 문턱값을 초과하는 경우 정지하는, 조직으로 고정된(작은) 거리만큼 바늘 또는 주입 장치의 정확한 삽입일 수 있다.
협력 제어는 스테디 핸드 로봇들이 제어되는 방법을 의미한다. 외과의와 로봇 모두가 도구를 잡는다(또는 외과의가 도구 핸들에 부착된 핸들을 붙잡는다). 로봇은 외과의에 의해서 가하여진 힘을 감지하고 동작에 따르기 위해서 움직인다. 아래의 참조 자료들은 협력 제어의 몇몇의 일반적인 개념들을 서술하고 있고, 그 모든 내용은 참조로서 본 발명에 통합된다.
● R. Kumar, T. Goradia, A. Barnes, P. Jensen, L. Whitcomb, D. Stoianovici, L. Auer, and R. Taylor, "Performance of Robotic Augmentation in Microsurgery-Scale Motions", in 2nd Int. Symposium on Medical Image Computing and Computer-Assisted Surgery, Cambridge, England, September 19-22, 1999. pp. 1108-1115.
● R. H. Taylor, P. Jensen, L. L. Whitcomb, A. Barnes, R. Kumar, D. Stoianovici, P. Gupta, Z. X. Wang, E. deJuan, and L. R. Kavoussi, "A Steady-Hand Robotic System for Microsurgical Augmentation", International Journal of Robotics Research, vol. 18- 12, 1999.
● Kapoor, R. Kumar, and R. Taylor, "Simple Biomanipulation Tasks with a "Steady Hand" Cooperative Manipulator", in Proceedings of the Sixth International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention ~ MICCAI 2003, Montreal, Nov 15-18, 2003. pp. 141-148.
● Iordachita, A. Kapoor, B. Mitchell, P. Kazanzides, G. Hager, J. Handa, and R. Taylor, "Steady-Hand Manipulator for Retinal Surgery", in MICCAI Workshop on Medical Robotics, Copenhagen, October 5, 2006. pp. 66-73.
상술된 제어 모드들은 어느 것이라도 로봇들의 동작을 더욱 제한하기 위해서 “가상 장치(virtual fixtures)”들에 의해서 변형될 수 있다. 이 “가상 장치”들은 운동학적인 제한들로부터 비롯될 수 있다(예를 들어, 도구에 대한 “가상 원격-중심-운동”을 이행하기 위해서). 이러한 가상 장치들을 제공하기 위한 방법에 대한 추가적인 논의는 아래의 참조 자료들에서 찾을 수 있고, 그 모든 내용은 참조로서 본 발명에 통합된다.
● J. Funda, R. Taylor, B. Eldridge, S. Gomory, and K. Gruben, "Constrained Cartesian motion control for teleoperated surgical robots", IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 12- 3, pp. 453-466, 1996.
● United States Patent 5,887,121, J. Funda and R. H. Taylor, "Method of constrained Cartesian control of robotic mechanisms with active and passive joints", Filed Filed February 18, 1999, Issued May 1, 2001.
● M. Li and R. H. Taylor, "Spatial Motion Constraints in Medical Robots Using Virtual Fixtures Generated by Anatomy", in IEEE Conf. on Robotics and Automation, New Orleans, April, 2004. pp. 1270-1275.
● M. Li, A. Kapoor, and R. Taylor, "A Constrained Optimization Approach to Virtual Fixtures", in IEEE/RSJ Int Conf on Intelligent Robots and Systems (IROS), Edmonton, Alberta, Canada, 2005, pp. 2924-2929
● M. Li and R. H. Taylor, "Performance of Teleoperated and cooperatively controlled surgical robots with automatically generated spatial virtual　fixtures. ", in IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, 2005
● A. Kapoor, N. Simaan, and R. H. Taylor, "Telemanipulation of Snake-Like Robots for Minimally Invasive Surgery of the Upper Airway", in MICCAI Medical Robotics Workshop, Copenhagen, October, 2006. pp. 17-25.
● M. Li, M. Ishii, and R. H. Taylor, "Spatial Motion Constraints in Medical Robot Using Virtual Fixtures Generated by Anatomy", IEEE Transactions on Robotics, vol. 23- 1, pp. 4-19, 2007.
● M. Li, A. Kapoor, and R. H. Taylor, "Telerobot Control by Virtual Fixtures for Surgical Applications", in Advances in Telerobotics Human Interfaces, Bilateral Control and Applications, M. Ferre, M. Buss, R. Aracil, C. Melchiorri, and C. Balaguer, Eds. , 2007, pp. 381-401.
● A. Kapoor, Motion Constrained Control of Robots for Dexterous Surgical Tasks, Ph. D. thesis in Computer Science, Johns Hopkins University, Baltimore, 2007.
● A. Kapoor and R. Taylor, "A Constrained Optimization Approach to Virtual Fixtures for Multi-Handed Tasks", in IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Pasadena, May 19-23, 2008. pp. 3401- 3406.
● N. Simaan, K. Xu, A. Kapoor, W. Wei, P. Kazanzides, P. Flint, and R. Taylor, "Design and Integration of a Telerobotic System for Minimally Invasive Surgery of the Throat", Int. J. Robotics Research (special issue on medical robotics), vol. 28- 9, pp. 1134-1 153, June, 2009.
http://ijr. sagepub. eom/cgi/content/abstract/28/9/l 134 DOI
10. 1177/0278364908104278, PMC2772168.
표준 수술 기구들은 어댑터들이 갖추어져 있을 수 있고, 그 결과 로봇의 기구 홀더로부터 신속하게 삽입되고 제거될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시 예들은, 예를 들어, 탄소 섬유, 알루미늄, 그리고 그 밖의 딱딱하고 가벼운 물질들을 사용할 수 있다. 3개의 병진-구동 모터들은, 예를 들어, 백래시를 줄이기 위해서 광학식 인코더들과 하모닉 기어헤드들(harmonic gearheads)을 구비한 직류 서보모터들을 사용하여 실행될 수 있다. 기울임 자유도는 볼-스크류와 같은 작은 백래시 나사-기반 장치를 사용하여 실행될 수 있다. 굴림 자유도는, 예를 들어, 타이빙 벨트 또는 체인과 같은 작은 백래시 기어비 감소 장치를 사용하여 드라이브 샤프트에 결합될 수 있다. 만일 추가적인 감소가 요구된다면, 작은 하모닉 기어 박스가 드라이브 샤프트의 단부에 사용될 수 있다. 드라이브 샤프트들은 백래시를 줄이기 위해서 스플라인 커플링들 또는 볼 스플라인들을 사용하여 실행될 수 있다. 적어도 30도의 굴절각에서 동작할 수 있는 니들 베어링들을 가진 유니버셜 관절들은 드라이브 샤프트들의 단부들 상에서 사용될 수 있다.
다른 실시 예들에서, 다빈치 콘솔과 같은 마스터를 사용하여 시스템을 멀리서 원격 조종하는 것, 또는 Phantom Omni 또는 조이스틱과 같은 보다 단순한 장치들을 사용하여 시스템을 근처에서 원격 조종하는 것이 또한 가능할 수 있다. 이러한 경우에, 외과의에게 도구 힘의 힘 피드백을 제공하기 위해서 내장된 힘 센서를 사용하는 것이 가능할 수 있다.
다른 실시 예들에서, 존재하는 수술용 도구들보다, 다빈치 시스템이 사용하는 리스티드 도구들(wristed instruments)과 같은, 주문 제작된 좋은 손재주를 가진 도구들을 통합하는 것이 또한 가능할 수 있다.
다른 실시 예들에서, 더 많은 자유도들이, 예를 들어, 추가적인 드라이브 샤프트들, 엔드 이펙터 상의 작은 모터들, 또는 기력(pneumatics)과 같은 그 밖의 힘 전달 방법을 사용하여 추가될 수 있다.
드라이브 샤프트들은 기울임/굴림 장치들에 체인들, 벨트들, 또는 케이블들로 결합된 중심에서 떨어진 드라이브 샤프트들, 또는 2개의 동축 샤프트들과 같이 다른 방법들로 구성될 수 있다.
샤프트들로부터 기울임/굴림 장치들로의 다른 힘 전달 방법들이 사용될 수 있다(체인, 기어, 케이블, 벨트 등).
기울임 장치는, 도면들에서 도시된 것처럼 선형 액츄에이터에 의해 구동되는 4-바 링크, 회전 액츄에이터에 의해 구동되는 링크, 또는 체인, 케이블, 도르래, 또는 기타 커플링들을 사용하여 회전 액츄에이터에 의해 곧바로 구동되는 링크와 같이 다양한 방법들로 실행될 수 있다. Eye Robot 2에서와 같이 원격 중심 운동 연결이 또한 사용될 수 있다.
다른 실시 예들에서, 추가적인 로봇 도구 제어 어셈블리들이 1명 이상의 사용자에게 로봇에 의한 보조를 제공하기 위해서, 또는 1명의 사용자에 대한 더 많은 도구들의 제어를 제공하기 위해서 추가될 수 있다.
추가적인 로봇이 연성 또는 경성 내시경과 같은 시각화 장치의 제어를 위해서 추가될 수 있다.
경직성을 더하기 위해, Adept Quattro(도7의 중단 왼쪽)에서와 같이, 4 링크들을 가진 액츄에이터들에서 델타 장치를 실행하는 것이 또한 가능할 수 있다.
어플리케이션에 따라, 로봇들에서 델타 장치의 선형 변형을 사용하는 것이 기하학적으로 유리할 수 있다.
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본 명세서에서 설명 및 검토된 실시 예들은 통상의 기술자에게 본 발명을 어떻게 이루고 사용하는 지를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서, 특정의 용어가 명료성의 목적으로 이용된다. 그러나, 본 발명은 이와 같이 선택된 특정 용어로 제한되지 않는다. 본 발명의 전술한 실시 예들은 상기의 설명에 비추어 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경 또는 변화될 수 있다. 따라서, 특허청구범위 및 이의 균등물의 범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

Claims (29)

  1. 베이스 컴포넌트;
    상기 베이스 컴포넌트에 근접하여 배치된 이동식 플랫폼;
    상기 베이스 컴포넌트 및 상기 이동식 플랫폼에 연결되고 상기 베이스 컴포넌트에 대한 회전 없이 병진 자유도들로 상기 이동식 플랫폼를 이동시키도록 구성된 병진 어셈블리;
    상기 이동식 플랫폼에 연결된 도구 어셈블리; 및
    협력-제어 로봇의 적어도 일 부분에 가하여진 사용자에 의한 힘에 응답하여 상기 이동식 플랫폼의 동작을 제어하기 위해서 상기 병진 어셈블리과 통신하도록 구성된 제어 시스템을 포함하되,
    상기 병진 어셈블리는 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들을 포함하고, 상기 액츄에이터 팔들 각각은 상기 이동식 플랫폼의 분리된 위치에 연결되고,
    상기 병진 어셈블리는 적어도 3개의 선형 트랙들을 더 포함하고, 상기 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들 각각이 상기 적어도 3개의 선형 트랙들의 각각의 하나를 따라서 이동하도록 제한되는 단부를 구비하도록 상기 적어도 3개의 선형 트랙들이 배치되며,
    상기 사용자에 의한 힘에 응답하여, 상기 제어 시스템은 상기 이동식 플랫폼 및 상기 도구 어셈블리가 매끄러운 방식으로 움직이도록 하는 협력-제어 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 병진 어셈블리는 적어도 3개의 모터들을 더 포함하고, 상기 모터들 각각은 상기 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들의 각각의 하나에 작동되게 연결되고,
    상기 적어도 3개의 모터들 각각은 상기 이동식 플랫폼이 상기 모터들의 무게를 견디지 않고 움직이기에 자유롭도록 상기 베이스 컴포넌트에 의해서 지지되는 협력-제어 로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들 각각은 작동 중 뒤틀림에 대해 변형될 수 있는 평행 사변형을 형성하도록 배치된 상호 연결된 구조적인 멤버들의 쌍을 포함하는 협력-제어 로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들은 연접식(articulated) 팔들인 협력-제어 로봇.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들은 연접식(articulated) 팔들인 협력-제어 로봇.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 선형 트랙들은 상기 베이스 컴포넌트에 부착되는 것 또는 내장되는 것 중에 적어도 하나인 협력-제어 로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 컴포넌트는 오버헤드 붐에 장착 가능하도록 구성되는 협력-제어 로봇.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 컴포넌트는 베드레일에 장착 가능하도록 구성되는 협력-제어 로봇.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 베이스 컴포넌트는 오버헤드 붐에 장착 가능하도록 구성되는 협력-제어 로봇.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 베이스 컴포넌트는 베드레일에 장착 가능하도록 구성되는 협력-제어 로봇.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 도구 어셈블리는 도구 홀더 및 상기 도구 홀더에 연결된 도구 회전 어셈블리를 포함하고, 그리고
    상기 도구 회전 어셈블리는 도구가 상기 도구 홀더에 의해 고정될 때 상기 도구의 방향을 맞추기 위해서 적어도 2개의 회전 자유도들을 제공하는 협력-제어 로봇.
  13. 제12항에 있어서,
    도구가 상기 도구 홀더에 의해 고정될 때 상기 도구에 가하여진 적어도 하나의 힘 요소를 측정하기 위해서 상기 도구 홀더에 장착된 힘 센서를 더 포함하는 협력-제어 로봇.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 힘 센서는 6-자유도 힘 센서인 협력-제어 로봇.
  15. 서포트 구조;
    상기 서포트 구조에 연결된 제1 및 제2 협력-제어 로봇들; 및
    상기 제1 및 제2 협력-제어 로봇들과 통신하도록 구성된 제어 시스템을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 협력-제어 로봇들 각각은,
    상기 서포트 구조에 연결된 베이스 컴포넌트,
    상기 베이스 컴포넌트에 근접하여 배치된 이동식 플랫폼,
    상기 베이스 컴포넌트 및 상기 이동식 플랫폼에 연결되고 상기 베이스 컴포넌트에 대한 회전 없이 병진 자유도들로 상기 이동식 플랫폼를 이동시키도록 구성된 병진 어셈블리, 및
    상기 이동식 플랫폼에 연결된 도구 어셈블리를 포함하고,
    상기 제어 시스템은 상기 제1 및 제2 협력-제어 로봇들 중 대응하는 하나의 적어도 일 부분에 가하여진 사용자에 의한 힘에 응답하여 상기 이동식 플랫폼 각각의 동작을 제어하도록 구성되고, 그리고
    상기 병진 어셈블리 각각은 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들을 포함하고, 상기 액츄에이터 팔들 각각은 상기 이동식 플랫폼의 분리된 위치에 연결되고,
    상기 병진 어셈블리는 적어도 3개의 선형 트랙들을 더 포함하고, 상기 적어도 3개의 독립적으로 동작 가능한 액츄에이터 팔들 각각이 상기 적어도 3개의 선형 트랙들의 각각의 하나를 따라서 이동하도록 제한되는 단부를 구비하도록 상기 적어도 3개의 선형 트랙들이 배치되며,
    상기 사용자에 의한 힘에 응답하여, 상기 제어 시스템은 상기 이동식 플랫폼 및 상기 도구 어셈블리가 매끄러운 방식으로 움직이도록 하는 로봇 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 서포트 구조는 오버헤드 붐을 포함하는 로봇 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 서포트 구조는 제1의 상기 오버헤드 붐에 회전 가능하게 장착된 제2의 오버헤드 붐을 포함하는 로봇 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 서포트 구조는 베드레일을 포함하는 로봇 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 서포트 구조는 제2의 베드레일을 포함하고, 그리고
    상기 제1 협력-제어 로봇은 제1의 상기 베드레일에 연결되고 상기 제2 협력-제어 로봇은 상기 제2의 베드레일에 연결되는 로봇 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 사용자에 의해서 가하여진 상기 힘에 기인하여 협력 제어를 중단시키기 또는 보충하기 중 적어도 하나를 위해서 상기 제어 시스템과 통신하도록 구성된 사용자 입력 장치를 더 포함하는 로봇 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 사용자 입력 장치는 발 패달인 로봇 시스템.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 힘에 기인하는 협력 제어를 중단시키기 및 보충하기 중 적어도 하나를 위해서 상기 제어 시스템과 통신하는 사용자 입력 장치를 더 포함하는 협력-제어 로봇.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 사용자 입력 장치는 발 페달인 협력-제어 로봇.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 컴포넌트는 상기 협력-제어 로봇의 부분이고 상기 협력-제어 로봇과 함께 운반되는 구조적인 요소 (structural component)인 협력-제어 로봇.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 컴포넌트는 빌딩의 천장, 벽, 바닥 또는 기둥과 같은 더 큰 구조로 부착되거나, 상기 더 큰 구조와 통합되거나, 또는 상기 더 큰 구조의 일 부분인 협력-제어 로봇.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 매끄러운 방식은 적어도 손 떨림의 영향을 줄이는 것을 포함하는 협력-제어 로봇.
  27. 제12항에 있어서,
    상기 도구 홀더는 무변형 도구를 고정하고 풀어주는 협력-제어 로봇.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 사전 프로그램 기능, 작업의 자동화 정도 또는 상기 작업의 준-자동화 정도 중 적어도 하나를 포함하는 협력-제어 로봇.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 도구 어셈블리는 상기 베이스 컴포넌트로부터 바깥쪽으로 돌출된 팔을 포함하는 협력-제어 로봇.
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