KR102144799B1 - 관절연결식 기구가 바람직한 자세를 취하도록 오퍼레이터에게 명령을 촉구하기 위해 입력 장치에 힘 피드백을 가하는 방법 및 장치 - Google Patents

관절연결식 기구가 바람직한 자세를 취하도록 오퍼레이터에게 명령을 촉구하기 위해 입력 장치에 힘 피드백을 가하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

의료용 로봇 시스템은 엔트리 가이드의 원위 단부로부터 뻗어 나온 관절연결식 기구를 가진 엔트리 가이드를 포함하고 있다. 제어장치는 관절연결식 기구가 바람직한 자세를 취하게 명령하도록 오퍼레이터의 주의를 환기시키는 해당 입력 장치에 힘 명령을 발생시키면서 해당 입력 장치의 오퍼레이터 조작에 대응하여 관절연결식 기구를 조작하게 명령하도록 구성되어 있다. 제1 바람직한 자세와 제2 바람직한 자세 사이에서 전환이 일어날 때, 하나는 페이즈 인 상태로 되고 다른 하나는 페이즈 아웃 상태로 된다. 상기 관절연결식 기구가 바람직하지 않은 자세를 취하도록 명령을 받는 것을 방지하기 위해서 가상 장벽이 도입될 수 있다.

Description

관절연결식 기구가 바람직한 자세를 취하도록 오퍼레이터에게 명령을 촉구하기 위해 입력 장치에 힘 피드백을 가하는 방법 및 장치{APPLICATION OF FORCE FEEDBACK ON AN INPUT DEVICE TO URGE ITS OPERATOR TO COMMAND AN ARTICULATED INSTRUMENT TO A PREFERRED POSE}
본 출원은, 본 명세서에 참고문헌으로 포함된, 2010년 2월 12일자로 출원되고 발명의 명칭이 "관절연결식 기구의 명령지정 상태와 바람직한 자세 사이의 차이를 나타내는 감각 피드백을 제공하는 의료용 로봇 시스템(Medical Robotic System Providing Sensory Feedback Indicating a Difference Between a Commanded State and a Preferred Pose of an Articulated Instrument)" 인 미국 특허출원 제12/704,669호에 대한 일부 계속 출원이다.
본 출원은 또한, 본 명세서에 참고문헌으로 각각 포함된, 2009년 8월 15일자로 출원되고 발명의 명칭이 "상이한 작업 공간 조건을 가진 구역 전체에 걸친 관절연결식 기구의 원활한 제어(Smooth Control of an Articulated Instrument Across Areas with Different Work Space Conditions)" 인 미국 특허출원 제12/541,913호에 대한 일부 계속 출원인, 2009년 11월 5일자로 출원되고 발명의 명칭이 "엔트리 가이드의 진입 운동과 진출 운동 동안 관절연결식 기구의 제어장치 보조식 재구성(Controller Asisted Reconfiguration of an Articulated Instrument During Movement Into and Out of an Entry Guide)" 인 미국 특허출원 제12/613,328호에 대한 일부 계속 출원이다.
본 발명은 대체로 의료용 로봇 시스템에 관한 것이고, 특히, 관절연결식 기구가 바람직한 자세를 취하도록 오퍼레이터에게 명령을 촉구하기 위해 입력 장치에 힘 피드백을 가하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최소 침습 수술을 시행하는데 사용되는 원격수술 시스템과 같은 의료용 로봇 시스템은, 통증 경감, 짧은 병원 체류기간, 신속한 일상 생활로의 복귀, 최소한의 흉터, 회복 시간의 단축, 그리고 조직에 대한 손상의 감소를 포함하여, 종래의 개복 수술 기술에 비해 많은 장점을 제공한다. 따라서, 이러한 의료용 로봇 시스템에 대한 요구는 강화되고 있으며 증가하고 있다.
이러한 의료용 로봇 시스템의 한 예는 미국 캘리포니아 써니베일에 있는 인튜어티브 서지컬사(Intuitive Surgical, Inc.)의 최소 침습 로봇 수술 시스템인 DA VINCI® 수술 시스템이다. 상기 DA VINCI® 수술 시스템은, 수술 부위의 영상 포착 장치에 의해 포착된 영상을 관찰하는 외과의사에 의한 입력 장치의 움직임에 따라, 영상 포착 장치 및 인튜어티브 서지컬사의 등록상표가 붙은 ENDOWRIST® 손목관절이음 수술 기구와 같은 의료 장치를 부착한 상태로 움직이는 다수의 로봇 팔을 가지고 있다. 상기 의료 장치의 각각은 최소 침습 절개부를 통하여 환자 내부로 삽입되어 수술 부위에서 의료 시술을 수행하도록 위치된다. 상기 절개부는, 수술 기구들이 의료 시술을 협력하여 수행하도록 사용될 수 있게 그리고 의료 시술을 하는 동안 로봇 팔들이 충돌하지 않고 영상 포착 장치가 수술 부위를 볼 수 있도록 환자의 신체 여기 저기에 배치되어 있다.
특정 의료 시술을 수행하기 위해서는, 의료 시술을 수행하기 위해 환자 속으로 진입하기 위한 최소 침습 절개부 또는 원래의 신체 구멍과 같은 한 개의 출입 구멍을 이용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 먼저 엔트리 가이드가 삽입되고, 위치되어, 출입 구멍에서 제자리에 유지될 수 있다. 그 다음에, 의료 시술을 수행하기 위해 사용되는 관절연결식 카메라 기구 및 복수의 관절연결식 수술용 공구 기구와 같은, 관절연결식 기구가 엔트리 가이드의 원위 단부로부터 뻗어 나오도록 엔트리 가이드의 근위 단부로 삽입될 수 있다. 이와 같이, 엔트리 가이드는 복수의 기구를 작업 부위쪽으로 안내할 때 복수의 기구를 함께 묶음 상태로 유지하면서 복수의 기구에 대해 한 개의 출입 구멍을 제공한다.
하지만, 관절연결식 카메라 기구 및 관절연결식 수술용 공구 기구가 근접되어 있기 때문에, 이러한 묶음형 장치(bundled unit)를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 있어서 많은 어려운 문제가 발생한다. 예를 들면, 상기 관절연결식 카메라 기구는 원위 단부의 카메라 시야로부터 볼 수 없는 근위 관절(예를 들면, 조인트)을 가지고 있기 때문에, 외과의사는 상기 카메라를 이동시킬 때 상기 관절의 현재 상태를 놓칠 수 있고, 그 결과 상기 관절의 이용가능한 이동 범위를 놓칠 수 있다. 또한, 상기 관절연결식 카메라 기구 및 관절연결식 수술용 공구 기구의 상기 관절이 카메라의 시야를 벗어나고, 그 결과, 카메라의 포착된 영상을 통해서 외과의사가 상기 관절을 볼 수 없는 경우, 외과의사는 의료 시술을 수행하기 위해 원격로봇식으로 관절연결식 기구를 이동시키는 동안 무심코 수술 공구 및/또는 카메라 기구의 링크를 서로 충돌하게 할 수 있다. 어느 경우에나, 환자의 안전이 위태롭게 될 수 있고 의료 시술의 성공적인 및/또는 적시의 완료에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시형태의 한 가지 목적은, 관절연결식 기구의 정상 모드 작동(정상 모드 작동)에 대해 바람직한 자세를 명령하도록 오퍼레이터에게 촉구하는, 의료용 로봇 시스템 및 상기 시스템으로 실행되는 방법이고, 상기 바람직한 자세는 상기 관절연결식 기구의 정상 모드 작동 동안에 상기 관절연결식 기구의 오퍼레이터의 명령을 받은 움직임을 위한 편향점(biasing point)으로서 역할을 한다.
본 발명의 하나 이상의 실시형태의 다른 한 가지 목적은, 관절연결식 기구의 자세를 바람직한 자세로 순조롭게 변화하도록 바람직한 자세를 취하게 명령을 하도록 오퍼레이터에게 촉구하기 위해 입력 장치에 힘 피드백을 가하는, 의료용 로봇 시스템 및 상기 시스템으로 실행되는 방법이다.
본 발명의 하나 이상의 실시형태의 다른 한 가지 목적은, 관절연결식 기구의 자세를 제1 바람직한 자세를 취한 다음 활성화 신호에 따라 제2 바람직한 자세로 순조롭게 변화하게 명령을 하도록 오퍼레이터에게 촉구하기 위해 입력 장치에 힘 피드백을 가하는, 의료용 로봇 시스템 및 상기 시스템으로 실행되는 방법이다.
상기 목적 및 추가적인 목적은 본 발명의 다양한 실시형태에 의해 달성되는데, 간단히 언급하면, 한 가지 실시형태는 관절연결식 기구가 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법이고, 상기 방법은 입력 장치의 오퍼레이터 조작에 대응하여 관절연결식 기구의 명령지정 자세를 생성하는 것; 제1 바람직한 자세와 상기 명령지정 자세 사이의 차이를 나타내기 위해 복수의 자유도의 입력 장치에 대해 제1 힘 명령을 생성하는 것; 그리고 제1 활성화 신호에 따라 상기 제1 힘 명령의 작용을 단계적으로 도입함으로써 상기 제1 힘 명령을 복수의 자유도의 입력 장치에 작용시키는 것;을 포함하고 있다.
다른 실시형태는, 입력 장치; 관절연결식 기구; 그리고 상기 입력 장치의 오퍼레이터 조작에 대응하여 상기 관절연결식 기구의 명령지정 자세를 생성하고, 제1 바람직한 자세와 명령지정 자세 사이의 차이를 나타내기 위해 복수의 자유도의 상기 입력 장치에 대해 제1 힘 명령을 생성하고, 그리고 제1 활성화 신호에 따라 상기 제1 힘 명령의 작용을 단계적으로 도입하도록 복수의 자유도의 상기 입력 장치에 대해 상기 제1 힘 명령의 작용을 명령하도록 구성된 프로세서;를 포함하는 의료용 로봇 시스템이다.
본 발명의 다양한 실시형태의 부가적인 목적, 특징 및 장점은 본 발명의 바람직한 실시예의 아래의 설명에 의해 명확하게 될 것이며, 이 설명은 첨부된 도면과 함께 고려되어야 한다.
도 1은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템 의료용 로봇 시스템의 블록도를 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 있어서 엔트리 가이드의 원위 단부로부터 뻗어 나온 복수의 관절연결식 기구를 가진 엔트리 가이드의 원위 단부의 사시도를 나타내고 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 있어서 엔트리 가이드의 원위 단부로부터 뻗어 나온 관절연결식 기구의 평면도와 우측면도를 각각 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 관절연결식 기구 매니퓰레이터와 관절연결식 기구의 상호작용하는 구성요소들의 블록도를 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 있어서 관절연결식 기구의 오퍼레이터 명령지정 운동을 위한 기구 제어장치의 블록도를 나타내고 있다.
도 7은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 정상적인 작동을 위한 바람직한 자세로 엔트리 가이드의 원위 단부로부터 뻗어 나온 관절연결식 기구의 측면도를 나타내고 있다.
도 8은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 엔트리 가이드속으로 후퇴하기 위한 바람직한 자세로 엔트리 가이드의 원위 단부로부터 뻗어 나온 관절연결식 기구의 측면도를 나타내고 있다.
도 9는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 도 6의 기구 제어장치의 시뮬레이션된 기구 블록의 블록도를 나타내고 있다.
도 10은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 도 6의 기구 제어장치의 자세 데이터 및 자세 너징 블록(pose nudging block)의 블록도를 나타내고 있다.
도 11은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 시간의 함수로서 정상 모드 작동 및 후퇴 모드 작동을 위한 활성화 신호를 나타내고 있다.
도 12는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 도 10의 후퇴 모드 너징 블록의 블록도를 나타내고 있다.
도 13은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 도 10의 정상 모드 너징 블록의 블록도를 나타내고 있다.
도 14는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은 도 12 및 도 13의 힘 변환기 블록의 블록도를 나타내고 있다.
도 15는 관절연결식 기구가 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법에 사용할 수 있는 제한으로서 가상 장벽을 적용하는 것에 의해서 관절연결식 기구의 명령지정 자세를 수정하는 방법의 흐름도를 나타내고 있다.
도 16은 관절연결식 기구가 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법에 사용할 수 있는 후퇴 모드 활성화 신호를 생성하는 방법의 흐름도를 나타내고 있다.
도 17은 관절연결식 기구가 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법에 사용할 수 있는 정상 모드 불활성화 신호를 생성하는 방법의 흐름도를 나타내고 있다.
도 18은 관절연결식 기구가 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법의 제1 실시예의 흐름도를 나타내고 있다.
도 19는 관절연결식 기구가 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법의 제2 실시예의 흐름도를 나타내고 있다.
도 20은 관절연결식 기구가 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법의 제3 실시예의 흐름도를 나타내고 있다.
도 21은 관절연결식 기구가 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해 입력 장치의 오퍼레이터 조작을 촉구하는 방법의 제4 실시예의 흐름도를 나타내고 있다.
도 22는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 있어서 관절연결식 기구의 오퍼레이터 명령지정 운동을 위한 대체 기구 제어장치의 블록도를 나타내고 있다.
도 23은 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은, 입력 제어 장치에 대해 가해질 힘으로서 단계적으로 도입되는 제1 너징 힘 명령을 제공하는 "페이즈-인(phase-in)" 너징 블록의 블록도를 나타내고 있다.
도 24는 본 발명의 여러 실시형태를 이용하는 의료용 로봇 시스템에 사용되는 것과 같은, 입력 제어 장치에 대해 가해질 힘으로서 단계적으로 사라지는 제2 너징 힘 명령을 제공하는 "페이즈-아웃(phase-out)" 너징 블록의 블록도를 나타내고 있다.
도 1은 의료용 로봇 시스템(100)의 블록도를 나타내고 있다. 엔트리 가이드(EG)(200)는 환자의 최소 침습 절개부 또는 자연상태의 신체의 구멍과 같은 출입 구멍을 통하여 삽입되도록 구성되어 있다. 제1 관절연결식 수술 공구(TOOL1)(231), 제2 관절연결식 수술 공구(TOOL2)(241), 그리고 관절연결식 스테레오 카메라(CAM)(211)와 같은 관절연결식 기구는 엔트리 가이드(200)의 원위 단부를 통하여 삽입될 수 있으며 엔트리 가이드(200)의 원위 단부로부터 뻗어 나와 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 관절연결식 스테레오 카메라(211)는 한 쌍의 스테레오 영상 포착 장치(311, 312) 및 카메라의 끝부분에 수용된 광섬유 케이블(313)(광섬유 케이블의 근위 단부는 광원에 결합되어 있음)을 가지고 있다. 상기 수술 공구(231, 241)는 엔드 이펙터(331, 341)를 가지고 있다. 두 개의 수술 공구(231, 241)만 도시되어 있지만, 상기 엔트리 가이드(200)는 환자의 작업 부위에서 의료 시술을 수행하는데 필요한 만큼 부가적인 공구를 가이드할 수 있다. 상기 관절연결식 기구(211, 231, 241)에 대한 부가적인 상세한 내용은 도 3 및 도 4와 관련하여 아래에 제공되어 있다.
상기 장치(231, 241, 211, 200)의 각각은 각각의 매니퓰레이터와 제어장치에 의해 조작되고 제어된다. 특히, 관절연결식 카메라 기구(211)는 카메라 기구 제어장치(CTRLC)(213)에 의해 제어되는 카메라 매니퓰레이터(ECM)(212)에 의해 조작되고, 제1 관절연결식 수술 공구(231)는 공구 기구 제어장치(CTRL1)(233)에 의해 제어되는 제1 공구 매니퓰레이터(PSM1)(232)에 의해 조작되고, 제2 관절연결식 수술 공구(241)는 공구 기구 제어장치(CTRL2)(243)에 의해 제어되는 제2 공구 매니퓰레이터(PSM2)(242)에 의해 조작되고, 그리고 엔트리 가이드(200)는 엔트리 가이드 제어장치(CTRLG)(203)에 의해 제어되는 엔트리 가이드 매니퓰레이터(EGM)(202)에 의해 조작된다. 상기 제어장치(203, 233, 243, 213)는 도 6과 관련하여 아래에 기술되어 있는 것과 같이 마스터/슬레이브 제어 시스템으로서 프로세서(102)에서 실행된다.
관절연결식 기구 매니퓰레이터(232, 242, 212)의 각각은 각각의 관절연결식 기구로 운동을 전달하기 위해 액추에이터를 가지고 있으며 기계적인 살균 접속기(mechanical sterile interface)를 제공하는 기계적인 조립체이다. 각각의 관절연결식 기구(231, 241, 211)는 각각의 매니퓰레이터로부터 운동을 받아서, 케이블 전송(cable transmission)에 의해, 이 운동을 원위 관절부(예를 들면, 조인트)로 전달하는 기계적인 조립체이다. 이러한 조인트는 각기둥 모양(prismatic)으로 되거나(예를 들면, 직선 운동) 또는 회전적인 형태(예를 들면, 상기 조인트가 기계적인 축을 중심으로 피벗운동하는 것)일 수 있다. 또한, 상기 기구는 복수의 조인트를 소정의 방식으로 함께 이동하게 하는 내부적인 기계적 제한(예를 들면, 케이블, 기어장치(gearing), 캠 그리고 벨트 등)을 가질 수 있다. 기계적으로 제한된 조인트들의 각 세트는 특정의 운동 축을 제공하고, 제한은 쌍 회전 조인트(pair rotational joint)(예를 들면, 조글 조인트)로 될 수 있다. 이러한 식으로 상기 기구는 이용가능한 액추에이터보다 많은 조인트를 가질 수 있다는 점도 주의해야 한다.
엔트리 가이드 매니퓰레이터(EGM)(202)는 로봇식으로 엔트리 가이드(200)를 출입 구멍속으로 삽입하고 출입 구멍으로부터 후퇴시키도록 사용될 수 있다. 엔트리 가이드 매니퓰레이터(EGM)(202)는 또한 엔트리 가이드(200)를 피벗점("원격 중심(RC)"이라고도 함)을 중심으로 엔트리 가이드(200)의 세로축에 대해 피칭운동(pitch), 롤링운동(roll) 및 요잉운동(yaw)으로 로봇식으로 피벗운동시키도록 사용될 수도 있다. 원격 중심(RC)이 출입 구멍에 위치되도록 엔트리 가이드(200)를 유지하고 위치시키기 위해서 설치 암(setup arm)이 사용될 수 있다.
외과의사에 의한 조작을 위한 두 개의 입력 장치(108, 109)가 제공되어 있다. 입력 장치(108, 109)의 각각은, 결합된 장치가 자신의 제어장치와 매니퓰레이터를 통하여 입력 장치에 의해 제어될 수 있도록 상기 장치(211, 231, 241, 200) 중의 하나와 선택적으로 결합될 수 있다. 외과의사(또는 보조자)는 이러한 선택을, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 메뉴와 상호작용하는 것, 음성 인식 시스템에 의해 인식된 음성 명령을 제공하는 것, 터치패드와 같은 입력 장치를 이용하여 상기와 같은 결합(association)을 시스템(100)에 입력하는 것, 또는 입력 장치(108, 109)에 제공된 특수 목적 버튼과 상호작용하는 것과 같은 종래의 방식으로 실행할 수 있다. 이러한 결합 메카니즘들 중의 임의의 하나를 이용하는 것에 의해, 선택 입력이 생성되어 멀티플렉서(MUX)(280)에 제공되고, 이는 프로세서(102)에서 실행된다. 선택 입력의 값(예를 들면, l과 0의 조합)은 상기 결합(다시 말해서, 크로스 스위칭(cross-switching))이 선택된 것을 나타낸다.
예를 들면, 멀티플렉서(280)로의 선택 입력을 위한 제1 값은 좌측 입력 장치 및 우측 입력 장치(108, 109)를 제1 수술 공구 및 제2 수술 공구(241, 231)와 각각 결합되는 "공구 추종 모드(tool following mode)"에 있게 하므로, 외과의사는 엔트리 가이드(200)가 제자리에 고정되어 있는 동안 환자에 대해 의료 시술을 수행할 수 있다. 이러한 구성에서는, 멀티플렉서(280)가 입력 장치(108)의 출력 및 입력(251, 252)을 공구 제어장치(243)의 입력 및 출력(260, 261)에 각각 연결시키고; 입력 장치(109)의 출력 및 입력(253, 254)을 공구 제어장치(233)의 입력 및 출력(268, 269)에 각각 연결시키도록 크로스 스위칭한다.
상기 카메라(211)가 외과의사에 의해 재배치되면, 외과의사가 각각의 제어장치(213)와 매니퓰레이터(212)를 통하여 상기 카메라(211)를 이동시킬 수 있도록 좌측 입력 장치와 우측 입력 장치(108, 109) 중의 하나 또는 양측 모두가 선택 입력을 위한 제2 값을 이용하여 상기 카메라(211)와 결합될 수 있다. 마찬가지로, 엔트리 가이드(200)가 외과의사에 의해 재배치되면, 외과의사가 각각의 제어장치(203)와 매니퓰레이터(202)를 통하여 엔트리 가이드(200)를 이동시킬 수 있도록좌측 입력 장치와 우측 입력 장치(108, 109) 중의 하나 또는 양측 모두가 선택 입력을 위한 제3 값을 이용하여 엔트리 가이드(200)와 결합될 수 있다. 어떤 경우에도, 분리된 장치는 각각의 제어장치에 의해 제자리에 약하게 고정되어(soft-locked) 있다.
예를 들면, 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있는, 미국 특허 제6,671,581호 "최소 침습 수술 장치에서의 카메라 기준 제어(Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus)"에 기술되어 있는 것과 같이, 외과의사에게 원격현존감 경험(telepresence experience)을 제공하기 위해서 상기 카메라 기구(211)에 의해 포착된 영상은 영상 처리장치(214)에 의해 처리되고 디스플레이 스크린(104)에 표시된다. 따라서, 의료용 로봇 시스템(100)을 이용하는 외과의사는, 외과의사가 디스플레이 스크린(104)의 작업 부위의 영상을 관찰하면서 입력 장치(108, 109)를 조작하여 결합된 수술 공구(231, 241)의 대응하는 움직임을 초래하는 것에 의해서 환자에 대해 의료 시술을 수행할 수 있다.
비록 프로세서로 설명하였지만, 상기 프로세서(102)는 실제로 하드웨어, 소프트웨어 그리고 펌웨어의 임의의 조합형태로 실시될 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 본 명세서에 기술된 것과 같은 프로세서의 기능은 하나의 유닛에 의해 실행될 수 있거나 상기 시스템 전체에 걸쳐서 분포된 하드웨어, 소프트웨어 그리고 펌웨어의 임의의 조합형태로 차례로 각각 실행될 수 있는 상이한 구성요소들 사이에서 분담될 수 있다.
본 명세서에 기술된 것과 같은 의료용 로봇 시스템의 일반적인 측면의 구성 및 작동에 대한 부가적인 상세한 내용에 대해서는, 예를 들면, 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있는, 미국 특허 제6,493,608호 "최소 침습 수술 장치의 제어 시스템의 여러 측면(Aspects of a Control System of a Minimally Invasive Surgical Apparatus)", 그리고 미국 특허출원 공개공보 U.S.2008/007129호 "최소 침습 수술 시스템(Minimally Invasive Surgical System)" 를 참고하라.
도 3 및 도 4는 각각, 예로서, 관절연결식 카메라 기구(211)와 바깥쪽으로 뻗어 있는 관절연결식 수술용 공구 기구(231, 241)를 가진 엔트리 가이드(200)의 원위 단부의 평면도 및 우측면도를 나타내고 있다. 관절연결식 카메라(211)는 통로(321)를 통하여 뻗어 있고 관절연결식 수술 공구(231, 241)는 각각 엔트리 가이드(200)의 통로(431, 441)를 통하여 뻗어 있다. 상기 카메라(211)는 끝부분(311), 제1 링크, 제2 링크 및 제3 링크(322, 324, 326), 제1 조인트 조립체 및 제2 조인트 조립체(본 명세서에서 단순히 "조인트" 라고도 한다)(323, 325), 그리고 손목 조립체(327)를 포함하고 있다. 제1 링크(322)와 제3 링크(326)가 서로 평행하게 유지되어 있는 동안 제2 링크(324)가 제1 조인트 조립체(323)에 대해 피칭운동(pitch) 및 요잉운동(yaw)으로 피벗운동할 수 있도록 제1 조인트 조립체(323)는 제1 링크(322)와 제2 링크(324)를 결합시키고 제2 조인트 조립체(325)는 제2 링크(324)와 제3 링크(326)를 결합시킨다.
제1 조인트와 제2 조인트(323, 325Z)는 "조글 조인트"라고 하는데, 그 이유는 제1 링크와 제3 링크(322, 326)가 항상 서로 평행하게 유지되도록 제2 링크(324)가 제1 조인트(323)에 대해 피칭운동 및/또는 요잉운동으로 피벗운동할 때, 제3 링크(326)가 제2 조인트(325)에 대해 상호보완적인 방식으로 피벗운동하도록 상기 제1 조인트와 제2 조인트가 함께 협력하여 작동하기 때문이다. 제1 링크(322)는 또한 통로(321)를 통하여 진입 및 진출(예를 들면, 작업 부위 쪽으로 삽입 및 작업 부위로부터 후퇴) 이동하는 것뿐만 아니라 자신의 세로축 둘레로 롤링운동으로 회전할 수 있다. 카메라의 끝부분(311)이 위나 아래 그리고 우측이나 좌측으로, 그리고 이들의 조합형태로 향할 수 있도록 손목 조립체(327)는 또한 피칭 및 요잉 각운동 능력(pitch and yaw angular movement capability)을 가지고 있다.
상기 공구(231, 241)의 조인트 및 링크는 상기 카메라(211)의 조인트 및 링크와 구조 및 작동에 있어서 유사하다. 특히, 공구(231)는 도 5와 관련하여 기술된 것과 같은 액추에이터(더하기 엔드 이펙터(331)를 작동시키기 위한 부가적인 액추에이터)에 의해 구동되는 엔드 이펙터(331)(조(jaw)(338, 339)를 가지고 있는 것), 제1 링크, 제2 링크 및 제3 링크(332, 334, 336), 제1 조인트 조립체 및 제2 조인트 조립체(333, 335), 그리고 손목 조립체(337)를 포함하고 있다. 마찬가지로, 공구(241)는 도 5와 관련하여 기술된 것과 같은 액추에이터(더하기 엔드 이펙터(341)를 작동시키기 위한 부가적인 액추에이터)에 의해 또한 구동되는 엔드 이펙터(341)(조(348, 349)를 가지고 있는 것), 제1 링크, 제2 링크 및 제3 링크(342, 344, 346), 제1 조인트 조립체 및 제2 조인트 조립체(343, 345), 그리고 손목 조립체(347)를 포함하고 있다.
도 5는, 한 가지 예로서, 관절연결식 기구(예를 들어 관절연결식 카메라(211) 및 관절연결식 수술 공구(231, 241)와 같은 것) 및 관절연결식 기구의 대응하는 기구 매니퓰레이터(예를 들어 카메라 매니퓰레이터(212) 및 공구 매니퓰레이터(232, 242)와 같은 것)의 상호작용하는 부분의 블록도를 나타내고 있다. 상기 관절연결식 기구의 각각은 상기 기구(자신의 엔드 이펙터를 포함하는 것)의 운동을 초래하는 다수의 작동가능한 조립체(521-523, 531-533, 570)를 포함하고 있고, 상기 관절연결식 기구의 대응하는 매니퓰레이터는 상기 작동가능한 조립체를 작동시키기 위한 다수의 액추에이터(501-503, 511-513, 560)를 포함하고 있다.
부가적으로, 다수의 접속 기구가 또한 제공될 수 있다. 예를 들면, 피치/요 커플링 기구(pitch/yaw coupling mechanism)(540, 550)(각각 조글 조인트 피칭운동/요잉운동 및 손목 피칭운동/요잉운동을 위한 것) 및 기어 비(gear ratio)(545, 555)(각각 상기 기구 롤링운동 및 엔드 이펙터 작동을 위한 것)가 매니퓰레이터 액추에이터 공간에서의 압축성 제한(compactness constraint)을 충족시키고 살균 매니퓰레이터/기구 접속기를 가로질러서 운동의 정확한 전달(transmission)을 보존하면서 기구 조인트 공간에서의 기구 조인트의 운동의 요구 범위를 달성하기 위해서 살균 매니퓰레이터/기구 접속기에 제공되어 있다. 비록 한 개의 블록(540)으로 도시되어 있지만, 조글 조인트 액추에이터(501, 502)(#1과 #2로 구분되어 있음) 사이의 커플링과 조글 조인트 피치/요 조립체(joggle joint pitch/yaw assembly)(521, 522)는 한 쌍의 커플링 기구 - 상기 살균 접속기의 각 측면에 한 개씩(다시 말해서, 상기 살균 접속기의 매니퓰레이터 측에 한 개와 상기 살균 접속기의 기구 측에 한 개) - 를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 비록 한 개의 블록(550)으로 도시되어 있지만, 손목 액추에이터(512, 513)(#1과 #2로 구분되어 있음) 사이의 커플링과 손목 피치/요 조인트 조립체(wrist pitch/yaw joint assembly)(532, 533)는 또한 한 쌍의 커플링 기구 - 상기 살균 접속기의 각 측면에 한 개씩 - 를 포함할 수 있다.
조글 조인트 피치 조립체(521)와 조글 조인트 요 조립체(522)의 양 조립체는 제1 링크, 제2 링크 및 제3 링크(예를 들면, 관절연결식 카메라(211)의 링크(322, 324, 326) )와 제1 조인트 및 제2 조인트(예를 들면, 관절연결식 카메라(211)의 조인트(322, 325))를 공유하고 있다. 이러한 공유된 구성요소에 부가하여, 조글 조인트 피치 조립체(521)와 조글 조인트 요 조립체(522)는, 제2 링크가 제1 조인트를 통과하는 라인에 대해서 그리고 제1 링크(예를 들면, 관절연결식 카메라(211)의 링크(322))의 세로축에 대해 가로방향인 축을 따라서 제어가능하게 피벗운동할 수 있고 제2 링크가 제1 조인트를 통과하는 라인에 대해서 그리고 제1 링크의 가로축과 세로축의 양 축에 대해 수직인 축을 따라서 제어가능하게 피벗운동할 수 있도록 제1 조인트 및 제2 조인트(조글 커플링(540)을 통하여)를 조글 조인트 피치 액추에이터 및 요 액추에이터(501, 502)에 결합시키는 기계적인 커플링을 또한 포함하고 있다.
인/아웃(I/O) 조립체(523)는 제1 링크가 I/O 액추에이터(503)의 작동에 의해 제1 링크의 세로축을 따라서 선형으로(linearly) 제어가능하게 이동되도록 제1 링크(예를 들면, 관절연결식 카메라(211)의 링크(322)) 및 인/아웃(I/O) 액추에이터(503)를 제1 링크에 결합시키는 구동 트레인(drive train)을 통과하는 접속기(interface)를 포함하고 있다. 롤 조립체(roll assembly)(531)는 제1 링크가 롤 액추에이터(roll actuator)(511)의 작동에 의해 제1 링크의 세로축에 대해서 제어가능하게 회전되도록 제1 링크 및 롤 액추에이터(511)의 회전 요소(예를 들어, 모터의 회전자와 같은 것)를 제1 링크에 결합시키는 하나 이상의 기어(다시 말해서, 기어비 545를 가지고 있는 것)를 통과하는 접속기를 포함하고 있다.
상기 기구 매니퓰레이터(예를 들면, 카메라 매니퓰레이터(212))는, 기구의 끝부분(예를 들면, 카메라 끝부분(311))을 상기 손목 조립체에 대해서 상하(다시 말해서, 피치(pitch)) 방향 및 좌우(다시 말해서, 요(yaw)) 방향으로 제어가능하게 피벗운동시키기 손목 커플링(550)을 통하여 손목 조립체(예를 들면, 관절연결식 카메라(211)의 손목 조립체(327))의 피치 조인트 및 요 조인트(532, 533)를 작동시키는 손목 액추에이터(512, 513)를 포함하고 있다. 그립 조립체(570)는 엔드 이펙터(예를 들면, 수술 공구(231)의 엔드 이펙터(331)) 및 엔드 이펙터를 제어가능하게 작동시키기 위해서 그립 액추에이터(560)를 엔드 이펙터에 결합시키는 하나 이상의 기어(다시 말해서, 기어 비 555를 가지고 있는 것)를 통과하는 접속기를 포함하고 있다.
기구 조인트들의 그룹 500을 "병진운동 조인트(translational joint)" 라고 하는데, 그 이유는 이들 조인트의 조합체의 작동에 의해, 기구의 손목 조립체가 필요에 따라 원호 보상(arc compensation)을 이용하여 3차원 공간 내에서 병진운동으로 위치될 수 있기 때문이다. 기구 조인트들의 그룹 510을 "지향 조인트(orientational joint)" 라고 하는데, 그 이유는 이들 조인트의 작동에 의해, 기구의 끝부분이 손목 조립체에 대해 지향될 수 있기 때문이다.
의료 시술의 수행 전, 의료 시술의 수행 도중, 그리고 의료 시술의 수행 후의 다양한 단계에서, 그 때에 수행되는 작업을 가장 잘 완수하기 위해서 관절연결식 기구(211, 231, 241)에 대해 바람직한 자세가 있다. 예를 들면, 정상적인 수술 동안에는, 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 다른 기구들과의 예기치않은 충돌의 가능성을 최소화하면서 운동의 적절한 범위를 제공하기 위해서 수술 공구(231, 241)의 각각에 대한 바람직한 자세는 "팔꿈치 바깥쪽, 손목 안쪽(elbow out, wrist in)" 자세가 될 수 있다. 마찬가지로, 정상적인 수술 동안에는, 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 카메라 기구(211)에 대한 바람직한 자세는 카메라의 영상 포착 단부(image capturing end)에 수술용 공구 기구(231, 241)의 엔드 이펙터(331, 341)의 적절한 시야가 제공되는 "코브라(cobra)" 자세가 될 수 있다. 다른 예로서, 공구 교환(다시 말해서, 기구 또는 기구의 엔드 이펙터를 다른 기구 또는 엔드 이펙터로 교환하는 것)을 수행하거나 엔트리 가이드(200)를 엔트리 가이드의 원격 중심에 대해 피벗운동시킴으로써 엔트리 가이드(200)를 재배향시키기 위해서 기구를 엔트리 가이드(200)속으로 후퇴시키는 것이 바람직한 경우에, 기구를 엔트리 가이드(200) 속으로 후퇴시키기 전에 기구에 대한 바람직한 자세는 기구의 링크들이 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 직선으로 정렬되어 있는 "펴진(straightened)" 자세이다.
도 6은, 한 가지 예로서, 도 1과 관련하여 앞에서 기술한 것과 같이 입력 장치(108)가 멀티플렉서(280)를 통하여 카메라 기구(211)와 선택적으로 결합되어 있을 때, 외과의사에 의한 입력 장치(108)의 움직임에 의해 명령받은 대로 관절연결식 카메라 기구(211)의 자세(다시 말해서, 병진이동적으로 그리고 지향적으로(translationally and orientationally))를 제어하는, 카메라 기구 제어장치(CTRLC)(213)의 블록도를 나타내고 있다. 입력 장치(108)는 복수 자유도 운동을 가능하게 하기 위해서 조인트에 의해 연결된 다수의 링크를 포함하고 있다. 예를 들면, 외과의사/오퍼레이터가 입력 장치(108)를 한 위치에서 다른 위치로 이동시킬 때, 입력 장치(108)의 조인트와 결합된 센서가 샘플링 간격(sampling interval)(프로세서(102)의 처리 속력 및 카메라 제어 목적에 적절한)으로 상기 움직임을 감지하고 조인트 공간에서의 이러한 샘플링된 움직임을 나타내는 디지털 정보(631)를 입력 처리 블록(610)에 제공한다.
입력 처리 블록(610)은 입력 장치(108)의 조인트 센서로부터 수신된 정보(631)를 처리하여, 조인트 위치 정보로부터 조인트 속도를 산출하고 자코비안 행렬(Jacobian matrix) 및 잘 알려진 변환 기술을 이용하는 눈 관련 정보를 이용하여 변환을 수행함으로써 외과의사의 눈의 위치와 관련된 기준 프레임("눈 기준 프레임(eye reference frame)")에 대해 직교좌표 공간(Cartesian space)에서의 카메라 기구(211)에 대한 대응하는 바람직한 위치 및 속도로 상기 정보를 변환시킨다.
스케일 및 오프셋 처리 블록(Scale and offset processing block)(601)은, 카메라 기구(211)의 최종적인 움직임(resulting movement), 결과적으로, 디스플레이 스크린(104) 상에 보여지는 영상이 자연스럽고 입력 장치(108)의 오퍼레이터가 예상한 대로 나타나도록 입력 처리 블록(610)으로부터 처리된 정보(611)를 수신하여 상기 정보에 스케일 및 오프셋 조정을 한다. 카메라 기구가 작업 부위를 관찰할 때 카메라 기구(211)의 보다 정밀한 움직임을 가능하게 하기 위해서 입력 장치(108)의 큰 움직임에 대하여 카메라 기구(211)의 작은 움직임이 바람직한 경우에 스케일 조정이 유용하다. 또한, 외과의사가 입력 장치(108)를 조작하여 카메라 기구(211)의 움직임, 결과적으로 디스플레이 스크린(104)에 표시되고 있는 카메라 기구의 포착된 영상에 대해 명령을 할 때 외과의사의 눈에 대해 입력 장치(108)를 맞추도록 조정하기 위해서 오프셋 조정이 적용된다.
시뮬레이션된 기구 블록(604)은 역 운동학(inverse kinematics)을 이용하고, 환자의 조직이나 다른 부분과의 유해한 접촉을 피하는 것과 같은 물리적인 제한사항이나 다른 제약사항을 피하기 위해 명령지정 조인트 위치 및 속도를 제한하고, 그리고 의료용 로봇 시스템(100)을 이용하여 외과의사에 의해 수행되는 의료 시술의 성과를 향상시키도록 한정될 수 있는 가상 제한(virtual constraint)을 적용하여 카메라 기구(211)의 명령지정 자세(621)를 직교좌표 공간으로부터 조인트 공간으로 변환시킨다. 특히, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 명령지정 자세(621)는, 수정된 명령지정 자세(623)를 발생시키기 위해 명령지정 자세(621)에 대해 가상 제한을 실행하는 가상 장벽 로직(virtual barrier logic)(901)(도 15와 관련하여 아래에 보다 상세하게 기술되어 있음)에 의해 수정될 수 있다. 그 다음에 역 운동학 및 제한 블록(902)이 수정된 명령지정 자세(623)를 기구 직교좌표 공간(instrument Cartesian space)으로부터 기구 조인트 공간(instrument joint space)으로 변환시키고 조인트 위치 및/또는 속도를 관절연결식 카메라 기구(211)의 조인트와 관련되거나 부과된 물리적인 제한사항이나 다른 제약사항으로 제한한다.
시뮬레이션된 기구 블록(604)의 출력(622)(카메라 기구(211)의 각각의 조인트에 대한 명령지정 값을 포함한다)은 조인트 제어 블록(605) 및 순방향 운동학(forward kinematics) 블록(606)으로 제공된다. 조인트 제어장치 블록(605)은 카메라 기구(211)의 각각의 제어된 조인트(또는 "조글 조인트"와 같은 작동가능하게 결합된 조인트)에 대해 조인트 제어 시스템을 포함하고 있다. 피드백 제어 목적으로, 카메라 기구(211)의 제어된 조인트의 각각과 결합된 센서는 카메라 기구(211)의 각각의 조인트의 현재의 위치 및/또는 속도를 나타내는 조인트 제어 블록(605)으로 센서 데이터(632)를 제공한다. 상기 센서는 이 조인트 정보를 직접적으로(예를 들면, 카메라 기구(211)에 있는 조인트로부터) 또는 간접적으로(예를 들면, 조인트를 구동시키는 카메라 매니퓰레이터(212)의 액추에이터로부터) 감지할 수 있다. 그 다음에, 명령지정 값과 감지된 조인트 값 사이의 차이를 종래의 피드백 제어 시스템 방식으로 영(zero)으로 만들기 위해서 조인트 제어 블록(605)의 각각의 조인트 제어 시스템이 카메라 매니퓰레이터(212)의 각각의 액추에이터에 대해 토크 명령(633)을 발생시킨다.
순방향 운동학 블록(606)은 시뮬레이션된 기구 블록(604)의 출력(622)을 카메라 기구(211)의 순방향 운동학을 이용하여 눈 기준 프레임에 대해 카메라 기구의 조인트 공간으로부터 직교좌표 공간으로 변환시킨다. 순방향 운동학 블록(606)의 출력(641)은 내부적인 계산 목적을 위해 시뮬레이션된 기구 블록(604)에 뿐만아니라 스케일 및 오프셋 처리 블록(601)에 제공된다.
스케일 및 오프셋 처리 블록(601)은, 오류 값이 출력(611)과 입력(612) 사이에서 산출되는 입력 처리 블록(610)으로 스케일 및 오프셋 처리 블록(601)의 출력(612)을 전달하기 전에 순방향 운동학 블록(606)의 출력(641)에 대해 역 스케일 및 오프셋 작용(inverse scale and offset function)을 수행한다. 시뮬레이션된 기구 블록(604)으로의 입력(621)에 대해 어떠한 제한이나 제약이 부과되지 않았다면, 산출된 오류 값은 영으로 될 수 있다. 한편, 제한이나 제약이 부과되었다면, 산출된 오류 값은 영이 아니며 외과의사의 손에 의해 느껴지는 힘 피드백을 제공하기 위해서 입력 장치(108)의 액추에이터를 구동시키는 토크 명령(634)으로 전환된다. 따라서, 외과의사는, 외과의사가 입력 장치(108)의 외과의사의 움직임 방향에 대해 저항하는 것을 느끼는 힘에 의해 제한이나 제약이 부가되고 있다는 것을 알게 된다.
입력 처리 블록(610)으로 제공되는 너징 힘 명령(undging force command)(627)을 발생시키기 위해서 자세 너징 블록(pose nudging block)(625)이 제어장치(213)에 포함되어 있다. 카메라 기구(211)의 자세가 자세 데이터(626)에 제공된 바람직한 자세를 취하게 외과의사가 명령을 하도록 촉구하는 방식으로 명령지정 너징 힘이 입력 장치(108)에서 외과의사에 의해 느껴지도록 입력 처리 블록(610)은 너징 힘 명령(627)을 모터 토크로 전환시킨다.
카메라 기구(211)에 대해서, 적어도 두 가지 바람직한 자세가 있을 수 있다. 외과의사가 환자에 대해 의료 시술을 수행하고 있을 때와 같은, 정상 모드 작동 동안에, 카메라 기구(211)의 바람직한 자세는 도 3 및 도 4에 도시된 "코브라(cobra)" 자세이다. 도 3의 "코브라" 자세를 아래쪽으로 관찰하면, 카메라 기구(211)의 모든 링크(322, 324, 326)가 측방향 운동(lateral motion)의 최대 가용 범위를 가지고 카메라 기구(211)의 주 삽입 방향에 대해 기준을 제공하도록 제1 링크(322)의 세로축(401)과 정렬되어 있다. 또한, 조글 조인트(323, 325)는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 카메라가 바람직하게는 당시에 엔트리 가이드(200)의 원위 단부로부터 뻗어 나와 있는 공구 기구(231, 241)의 엔드 이펙터(331, 341)에 대한 작업 공간의 중심을 관찰하고 있도록 카메라 끝부분(311)이 일정 각도로 아래쪽으로 향해 있도록 제3 링크(326)가 세로축(401) 위로 일정 거리만큼 변위되고 손목 조립체(327)가 음의 피치각(negative pitch angle)으로 회전되어 있도록 "조글 업상태(joggled up)"로 되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 엔드 이펙터(331, 341)의 사용 동안 엔드 이펙터(331, 341)가 엔트리 가이드(200)의 원위 단부쪽으로부터 멀어지게 그리고 엔트리 가이드(200)의 원위 단부쪽으로 가까워지게 이동할 때 카메라(211)가 엔드 이펙터(331, 341)를 보다 잘 관찰할 수 있도록 외과의사는 바람직하게는 카메라(211)를 세로축(401)을 따라서 입력/출력(I/O) 방향으로 앞뒤로 자유롭게 이동시키도록 허용된다.
후퇴 모드 동안, 카메라 기구(211)의 바람직한 자세는 "펴진" 자세이다. 도 7 및 도 8은 각각 "코브라" 자세와 "펴진" 자세로 있는 카메라 기구(211)의 단순화된 측면도를 나타내고 있다. "코브라" 자세로부터 "펴진" 자세로 되기 위해서는, 조글 조인트(323, 325)가 링크(324)를 제1 링크(322)의 세로축(401)과 정렬될 때까지 회전시킨다. 링크(324)가 세로축(401)과 정렬되어 있을 때, 링크(326)는 조글 조인트(323, 325)의 회전으로 인해 항상 제1 링크(322)와 평행하므로, 링크(326)도 세로축(401)과 정렬되어 있다. 그 동안, 손목 조인트(327)는 손목 조인트(327)의 중심축이 세로축(401)과 정렬될 때까지 카메라 끝부분(311)을 또한 회전시킨다.
도 10은, 한 가지 예로서, 자세 너징 블록(625)의 블록도 및 자세 너징 블록(625)의 자세 데이터 블록(626)에 대한 결합상태를 나타내고 있다. 본 예에서, 자세 데이터 블록(626)은 프로세서(102)에 접속될 수 있는 비휘발성 메모리에 저장된 데이터를 포함하고 있다. 카메라 기구(211)에 대해 저장된 데이터는 카메라 기구(211)의 수축에 사용되는 "펴진" 자세(1001)에 대한 데이터 및 카메라 기구(211)의 정상 모드 작동 동안 사용되는 "코브라" 자세(1002)에 대한 데이터를 포함하고 있다.
자세 너징 블록(625)은 후퇴 모드 너징 블록(1003), 정상 모드 너징 블록(1004), 그리고 합산 노드(summing node)(1005)를 포함하고 있다. 후퇴 모드 너징 블록(1003)과 정상 모드 너징 블록(1004)의 주요 특징은 전환기 동안 후퇴 모드 너징 블록(1003)과 정상 모드 너징 블록(1004) 중의 하나로부터의 너징 힘 명령이 단계적으로 도입되는 동안 후퇴 모드 너징 블록(1003)과 정상 모드 너징 블록(1004) 중의 다른 하나로부터의 너징 힘 명령은 단계적으로 사라진다는 것이다. 후퇴 모드 너징 블록(1003)의 보다 상세한 설명은 도 12와 관련하여 아래에 기술되어 있고 정상 모드 너징 블록(1004)의 보다 상세한 설명은 도 13과 관련하여 아래에 기술되어 있다.
도 12는, 한 가지 예로서, 입력되는(incoming) 데이터를 연속적으로 처리하는 후퇴 모드 너징 블록(1003)의 블록도를 나타내고 있다. 합산 노드(1201)는 바람직한 "펴진" 자세(1001)(다시 말해서, 카메라 기구(211)의 후퇴 형태)와 기구 제어장치(213)의 시뮬레이션된 기구 블록(608)의 가상 장벽 로직(901)에 의해 생성되는 수정된 명령지정 자세(XSLV, VSLV)(623) 사이의 차이(XERR, VERR)를 계산한다. 본 명세서에 사용되어 있는 것과 같이, "자세(pose)" 라는 용어는 기구의 위치상의 속도(positional velocity) 및 회전 속도 뿐만아니라 기구의 위치 및 방향을 의미하므로, 명령지정 자세는 위치(XCMD) 성분 및 속도(VCMD) 성분을 포함할 수 있고, 수정된 명령지정 자세는 위치(XSLV) 성분 및 속도(VSLV) 성분을 포함할 수 있고, 바람직한 자세는 위치(XPP) 성분 및 속도(VPP) 성분을 포함할 수 있고, 그리고 바람직한 자세와 수정된 명령지정 자세 사이의 산출된 차이는 위치(XERR) 성분 및 속도(VERR) 성분을 포함할 수 있다. 그러나, 합산 노드(1201)에서 수행된 계산에서는, 바람직한 자세(VPP)의 속도(VPP) 성분은 전부가 영이 되는 것으로 간주된다.
수정된 명령지정 자세(XSLV, VSLV)가 생성되는 방법을 설명하기 위해서, 가상 장벽 로직(901)의 한 예가 도 15와 관련하여 기술되어 있다. 블록 1501에서는, 상기 가상 장벽 로직(901)이 스케일 및 오프셋 블록(621)으로부터 명령지정 자세(XCMD)(621)를 수용하고, 블록 1502에서는, 본 예에서는 카메라 기구(211)의 제1 링크(322)의 세로축(401)을 따르는 기구 후퇴 방향인 제1 방향으로의 명령지정 자세(621)의 추정치(projection)를 결정한다. 블록 1503에서는, 제1 방향을 따른 추정치가 카메라 기구(211)로 하여 가상 장벽 위치를 넘어서 이동하도록 명령을 할 것인지의 여부에 대한 결정이 이루어진다. 본 경우에 있어서 가상 장벽 위치는 엔트리 가이드(200)의 원위 단부로부터 한계 거리 또는 안전 여유(safety margin)인 세로축(401)을 따라 존재하는 위치이다. US 2011/0040305 Al에 기술되어 있는 것과 같이, 안전 여유의 목적은 관절연결식 기구(211)가 물리적으로 적합하지 않게 될 형태로 있을 때 관절연결식 기구(211)를 엔트리 가이드(200)속으로 밀어넣으려고 시도하는 경우에 엔트리 가이드(200)와 관절연결식 기구(211)의 어느 하나 또는 양자 모두에 손상이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다. 블록 1503에서의 결정이 "아니오"이면, 가상 장벽 로직(901)은 다음 프로세스 싸이클에 대한 데이터를 처리하기 위해서 블록 1501로 되돌아간다. 한편, 블록 1503에서의 결정이 "예"이면, 블록 1504에서, 대응하는 직교좌표 자세(Cartesian pose)를 결정하기 위해 순방향 운동학을 적용하고 카메라 기구의 조인트 위치를 감지하여 카메라 기구(211)의 현재의 자세가 결정된다. 블록 1505에서는, 카메라 기구(211)의 현재의 자세가 바람직한 자세(다시 말해서, 본 경우에서의 "펴진" 자세)인지의 여부에 대한 결정이 이루어진다. 블록 1505에서의 결정이 "예"이면, 가상 장벽 로직(901)은 명령지정 자세(XCMD)를 수정하지 않고 다음 프로세스 싸이클에 대한 데이터를 처리하기 위해 블록 1501로 되돌아 간다. 한편, 블록 1505에서의 결정이 "아니오"이면, 명령지정 자세(XCMD)는 카메라 기구(211)가 제1 방향으로 더 이동하는 것이 방지되도록 제한으로서 가상 장벽을 부가함으로써 수정된다. 그리고 나서 상기 방법은 다음 프로세스 싸이클에 대한 데이터를 처리하기 위해서 블록 1501로 되돌아 간다. 따라서, 카메라 기구(211)는 이런 식으로 현재의 자세가 카메라 기구(211)의 바람직한 후퇴 자세가 될 때까지 가상 장벽 위치를 넘어서 이동하는 것이 방지된다.
도 12를 다시 참고하면, 블록 1202에서는, 산출된 차이(XERR, VERR)의 비-너징 성분(non-nudging component)이 제거된다. 특히, 제1 방향을 따르는 병진운동 성분 및 팁(tip)(310) 둘레의 롤링운동 회전 성분이 제거되는데, 그 이유는 이들 성분의 어느 것도 바람직한 자세에 영향을 미치지 않기 때문이다(다시 말해서, 그 값에 관계없이, 카메라 기구는 도 8에 도시되어 있는 바와 같은 "펴진" 자세로 배치될 수 있다). 블록 1203에서는, 블록 1202에서 발생된 수정된 차이(XERR', VERR')가, 외과의사에게 카메라 기구(211)가 바람직한 자세를 취하도록 명령을 하게 촉구하도록 입력 장치(108)에 가해지는 하나 이상의 힘을 초래할 수 있는 힘 명령을 발생시키도록 변환된다. 바람직하게는 상기와 같은 힘 명령이 입력 장치(108)의 대응하는 자유도에 가해질 수 있는 점탄성 6-자유도 힘(visco-elastic six degree-of-freedom force)이다.
힘 변환기 블록(1203)의 한 예가 도 14에 비례 미분(PD) 개루프(open loop) 시스템의 블록도로 도시되어 있다. 본 비례 미분(PD) 시스템에서는, 수정된 위치 차이(XERR')가 위치 게인(position gain)(KP)(1401)에 의해 곱해지고 리미터(1402)에 의해 제1 포화 값(SATP)으로 제한되어 제1 힘 명령 기여분(contribution)을 발생시킨다. 동시에, 수정된 속도 차이(VERR')가 디리버티브 게인(derivative gain)(KD)(1403)에 의해 곱해져서 제2 힘 명령 기여분을 발생시킨다. 합산 노드(1404)는 제1 힘 명령 기여분과 제2 힘 명령 기여분의 차이를 계산하고 리미터(1405)는 이 차이를 제2 포화 값(SATF)으로 제한한다. 따라서 제1 힘 명령 기여분과 제2 힘 명령 기여분의 제한된 차이는 바람직한 자세를 취하도록 명령하기 위해서 입력 장치(108)를 이동시키도록 외과의사를 촉구하는 점탄성 6-자유도 직교좌표 힘(visco-elastic six degree-of-freedom Cartesian force)을 발생시킨다. 입력 장치(108)의 모터에 대한 명령지정 모터 토크(commanded motor torque)가 정격 최대값(rated maximum value)을 초과하지 않도록 하기 위해서 제1 포화 값 및 제2 포화 값에 대한 값이 선택된다.
도 12를 다시 참고하면, 변조기(1207) 진폭이 힘 변환기 블록(1203)에 의해 생성된 점탄성 6-자유도 직교좌표 힘을 도 11의 곡선 1101과 유사한 후퇴 활성화 신호로 조절한다. 후퇴 활성화 신호를 생성하기 위해서는, 합산 노드(1204)가, 속도 기여분을 무시하고, 명령지정 자세(XCMD)와 수정된 명령지정 자세(XSLV)의 차이를 산출하고, 변조 계수(modulation coefficient) 생성기(1205)가 산출된 차이를 이용하여 변조 계수의 스트림(stream)을 생성하고, 그리고 로우패스필터(1206)가 변조 계수의 스트림을 필터링한다.
후퇴 모드 활성화 신호의 생성의 한 예가 도 16에 도시된 흐름도로 제공되어 있다. 블록 1601 및 블록 1602는 합산 노드(1204)에 의해 행해진 조치를 기술하고 있다. 특히, 블록 1601에서는, 명령지정 자세(XCMD) 및 수정된 명령지정 자세(XSLV)가 수용되고, 블록 1602에서는, 명령지정 자세(XCMD)와 수정된 명령지정 자세(XSLV)의 차이가 산출된다. 그 다음에 블록 1603 내지 블록 1607은 변조 계수 생성기(1205)에 의해 행해진 조치를 기술하고 있다. 블록 1603에서는, 산출된 차이의 제1 방향(다시 말해서, 세로축(401)을 따르는 후퇴 방향)으로의 추정치가 결정되고, 블록 1604에서는, 상기 추정치가 임계값을 초과하는지 여부의 결정이 이루어진다. 이 경우에 있어서 임계값은 외과의사가 실제로 카메라 기구(211)를 후퇴시키려고 하는 것을 보장하고 수전증(hand tremor)으로 초래될 수 있는 것과 같은 예기치않은 조치가 아닌 것을 보장할 정도로 충분히 큰 값이어야 한다. 블록 1604에서의 결정이 "예"이면, 블록 1605에서, 현재의 변조 계수가 정수 값 "1"로 설정된다. 한편, 블록 1604에서의 결정이 "아니오"이면, 블록 1606에서, 현재의 변조 계수가 정수 값 "0"으로 설정된다. 블록 1607에서는, 현재의 변조 계수가 이전 프로세스 기간에 생성된 변조 계수의 스트림에 첨가된다. 블록 1608은 로우패스필터(1206)에 의해 행해진 조치를 기술하고 있다. 특히, 블록 1608에서는, 변조 계수의 스트림을 로우패스필터(1206)를 통과시키는 것에 의해서 후퇴 활성화 신호가 생성되고, 다음 프로세스 싸이클을 위한 데이터를 처리하기 위해 프로세스가 블록 1601로 되돌아 간다.
도 13은, 한 가지 예로서, 입력되는(incoming) 데이터를 연속적으로 처리하는 정상 모드 너징 블록(1004)의 블록도를 나타내고 있다. 합산 노드(1301)는 바람직한 "코브라" 자세(1002)(다시 말해서, 카메라 기구(211)의 정상 모드 형태)와 기구 제어장치(213)의 시뮬레이션된 기구 블록(608)의 가상 장벽 로직(901)에 의해 생성되는 수정된 명령지정 자세(XSLV, VSLV)(623) 사이의 차이(XERR, VERR)를 산출한다.
블록 1302에서는, 산출된 차이(XERR, VERR)의 비-너징 성분이 제거된다. 특히, 제1 방향을 따르는 병진운동 성분 및 팁(311) 둘레의 롤링운동 회전 성분이 제거되는데, 그 이유는 이들 성분의 어느 것도 바람직한 자세에 영향을 미치지 않기 때문이다(다시 말해서, 그 값에 관계없이, 카메라 기구는 도 7에 도시되어 있는 바와 같은 "코브라" 자세로 배치될 수 있다). 블록 1303에서는, 블록 1302에서 발생된 수정된 차이(XERR', VERR')가, 외과의사에게 카메라 기구(211)가 바람직한 자세를 취하도록 명령을 하게 촉구하도록 입력 장치(108)에 가해지는 하나 이상의 힘을 초래할 수 있는 힘 명령을 발생시키도록 변환된다. 바람직하게는 상기와 같은 힘 명령이 입력 장치(108)의 대응하는 자유도에 가해질 수 있는 점탄성 6-자유도 힘이고, 이것의 발생은 도 14와 관련하여 앞에서 기술한 것과 유사하다.
그 다음에 변조기(1307) 진폭이 힘 변환기 블록(1303)에 의해 생성된 점탄성 6-자유도 직교좌표 힘을 도 11의 곡선 1102와 유사한 정상 모드 불활성화 신호로 조절한다. 정상 모드 불활성화 신호를 생성하기 위해서는, 합산 노드(1304)가, 속도 기여분을 무시하고, 명령지정 자세(XCMD)와 수정된 명령지정 자세(XSLV)의 차이를 산출하고, 변조 계수 생성기(1305)가 산출된 차이를 이용하여 변조 계수의 스트림(stream)을 생성하고, 그리고 로우패스필터(1306)가 변조 계수의 스트림을 필터링한다.
정상 모드 불활성화 신호의 생성의 한 예가 도 17에 도시된 흐름도로 제공되어 있다. 블록 1701 및 블록 1702는 합산 노드(1304)에 의해 행해진 조치를 기술하고 있다. 특히, 블록 1701에서는, 명령지정 자세(XCMD) 및 수정된 명령지정 자세(XSLV)가 수용되고, 블록 1702에서는, 명령지정 자세(XCMD)와 수정된 명령지정 자세(XSLV)의 차이가 산출된다. 그 다음에 블록 1703 내지 블록 1707은 변조 계수 생성기(1305)에 의해 행해진 조치를 기술하고 있다. 블록 1703에서는, 산출된 차이의 제1 방향(다시 말해서, 세로축(401)을 따르는 후퇴 방향)으로의 추정치가 결정되고, 블록 1704에서는, 상기 추정치가 임계값을 초과하는지 여부의 결정이 이루어진다. 이 경우에 있어서 임계값은 외과의사가 실제로 카메라 기구(211)를 후퇴시키려고 하는 것을 보장하고 수전증(hand tremor)으로 초래될 수 있는 것과 같은 예기치않은 조치가 아닌 것을 보장할 정도로 충분히 큰 값이어야 한다. 블록 1704에서의 결정이 "예"이면, 블록 1705에서, 현재의 변조 계수가 정수 값 "0"으로 설정된다. 한편, 블록 1704에서의 결정이 "아니오"이면, 블록 1706에서, 현재의 변조 계수가 정수 값 "1"로 설정된다. 변조 계수 값 할당이 후퇴 활성화 신호의 생성에서 사용된 것과 반대이고, 이는 후퇴 모드 활성화 신호와 정상 모드 활성화 신호 중의 하나가 단계적으로 도입되는 동안, 다른 하나는 단계적으로 사라지는 결과를 초래한다는 것을 주의해야 한다. 블록 1707에서는, 현재의 변조 계수가 이전 프로세스 기간에 생성된 변조 계수의 스트림에 첨가된다. 블록 1708은 로우패스필터(1306)에 의해 행해진 조치를 기술하고 있다. 특히, 블록 1708에서는, 변조 계수의 스트림을 로우패스필터(1306)를 통과시키는 것에 의해서 정상 모드 불활성화 신호가 생성된다. 그 다음에, 다음 프로세스 싸이클을 위한 데이터를 처리하기 위해 프로세스가 블록 1701로 되돌아 간다.
도 11에 도시되어 있는 것과 같은 전환기 동안에 "페이즈 인"이 진행되는 것과 "페이즈 아웃"이 진행되는 것이 일치하도록, 후퇴 모드 너징 블록(1003)에서의 로우패스필터(1206)와 정상 모드 너징 블록(1004)에서의 로우패스필터(1306)에 대한 시간 상수(time constant)는 동일한 것이 바람직하고, 도 11에서 시간 "t(k)"는 블록 1804와 블록 1704에서의 임계값 결정이 맨 먼저 "예" 라는 결정을 초래하는 시간을 나타내고, 시간 "t(k-m)"는 블록 1804와 블록 1704에서의 임계값 결정이 "아니오" 라는 결정을 초래하였을 때의 "t(k)"보다 앞선 시간을 나타내고, 그리고 시간 "t(k+m)"는 블록 1804와 블록 1704에서의 임계값 결정이 여전히 "예" 라는 결정을 초래할 때의 "t(k)" 후의 시간을 나타낸다.
도 18은 위에서 상세하게 기술한 본 발명의 제1 실시예를 요약하는 흐름도를 나타내고 있다. 블록 1801에서는, 자세를 취하도록 명령을 받은 관절연결식 기구와 결합된 입력 장치로부터 명령지정 자세(XCMD)가 수신된다. 블록 1802에서는, 상기 명령지정 자세가 가상 제한(예를 들면, 도 15와 관련하여 기술된 것과 같은 것)을 이용하여 수정된다. 블록 1803 내지 블록 1807에서, 제1(새로운) 바람직한 자세(예를 들면, 도 12와 관련하여 기술된 것과 같은 것)를 명령하도록 입력 장치의 오퍼레이터를 촉구하기 위해 단계적으로 도입되는 제1 힘 명령이 생성되는 동시에, 블록 1808 내지 블록 1812에서, 제2(현재의) 바람직한 자세(예를 들면, 도 13과 관련하여 기술된 것과 같은 것)를 명령하도록 입력 장치의 오퍼레이터를 촉구하기 위해 단계적으로 사라지는 제2 힘 명령이 생성된다. 블록 1813에서는, 처음에 입력 장치의 오퍼레이터가 제2 바람직한 자세를 명령하게 촉구되고 이어서 단계적으로 도입되고 단계적으로 사라지는 전환기 후에 상기 오퍼레이터가 제1 바람직한 자세를 명령하게 촉구되도록 제1 힘 명령과 제2 힘 명령이 입력 장치에 가해진다.
도 19 내지 도 21은 도 18과 관련하여 기술된 블록들의 전부가 아닌, 상기 블록들의 일부의 다양한 조합을 포함하는 본 발명의 부가적인 실시예를 나타내고 있다. 특히, 도 19는 제1 실시예에 대한 변형인 제2 실시예를 나타내고 있는데, 제2 실시예에서는 블록 1802를 삭제함으로써 명령지정 자세가 가상 제한을 이용하여 수정되는 것은 아니지만, 제1 실시예의 다른 모든 블록을 실행한다. 도 20은 제1 실시예에 대한 변형인 제3 실시예를 나타내고 있는데, 제3 실시예에서는 블록 808 내지 블록 812를 삭제함으로써 제2(현재의) 바람직한 자세가 활성화되지 않지만, 단계적으로 사라질 제2 힘 명령이 없기 때문에 수정된 블록 813을 가진 상태로 제1 실시예의 다른 모든 블록을 실행한다. 도 21은 제3 실시예에 대한 변형인 제4 실시예를 나타내고 있는데, 제4 실시예에서는 블록 1802를 삭제함으로써 명령지정 자세가 가상 제한을 이용하여 수정되는 것은 아니지만, 제3 실시예의 모든 다른 모든 블록을 실행한다.
도 22 내지 도 24는 상기한 실시예들 중의 몇 가지를 부연 설명하는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내고 있다. 특히, 이전 실시예들은 한 번에(전환기의 전후에) 한 개의 바람직한 자세가 활성화되는 것을 개시하고 있는 반면에, 도 22 내지 도 24에 도시된 실시예는 한 개 또는 몇 개가 다른 것들보다 훨씬 더 우세하게 될 수 있도록 활성화된 바람직한 자세가 가중치를 부여받은 상태로 한 번에 복수 개의 바람직한 자세가 활성화될 가능성을 고려하고 있다. 또한, 가중치는 부가적인 기구(mechanism)를 제공하고, 이 부가적인 기구를 통해서 각각의 가중치를 동적으로(dynamically) 변경가능하게 만드는 것에 의해서(예를 들면, 대응하는 바람직한 자세를 단계적으로 도입하기 위해서 "0"의 가중치로부터 "1"의 가중치로 점진적으로 변화시키고, 반대로, 대응하는 바람직한 자세를 단계적으로 사라지게 하기 위해서 "1"의 가중치로부터 "0"의 가중치로 점진적으로 변화시키는 것에 의해서) 바람직한 자세가 도입되고 사라지게 변화될 수 있다. 또한, 이전 실시예들은 상이한 작동 모드에 대해서 일정한 바람직한 자세를 개시하고 있는 반면에, 도 22 내지 도 24에 도시된 실시예는 다른 관절연결식 기구의 현재 자세 또는 명령지정 자세와 같은 시스템 데이터에 기초하여 바람직한 자세를 동적으로 변경시킬 가능성을 고려하고 있다. 예를 들면, 카메라 기구(211)의 바람직한 자세는, 엔드 이펙터(331, 341)가 카메라 기구(211)의 시야에 잘 위치된 상태로 유지되도록 공구 기구(231, 241)의 엔드 이펙터(331, 341)의 자세가 변화함에 따라 동적으로 변할 수 있다. 다른 예로서, 관절연결식 기구(211, 231, 241)를 이용하여 의료 시술을 수행하는 동안 관절연결식 기구(211, 231, 241)들 중의 다른 것과 충돌하는 것을 피하기 위해서 관절연결식 기구(211, 231, 241) 각각의 바람직한 자세는 동적으로 변할 수 있다.
도 22는, 예를 들면, 관절연결식 기구의 오퍼레이터 명령지정 운동(operator commanded movement)을 위한 대체형태의 기구 제어장치의 블록도를 나타내고 있다. 비록 본 예는 카메라 제어장치(213)에 대한 것이지만, 동일한 일반적인 구조가 의료용 로봇 시스템(100)의 다른 장치 제어장치(203, 233, 243)에 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 블록 610, 블록 601, 블록 605, 블록 606의 기능은 도 6과 관련하여 상기한 것과 동일하다. 시뮬레이션된 기구 블록 2204의 기능은 역 운동학과 제한사항에 대해서는 도 6의 블록 604와 대체로 동일하지만, 상이한 작동 모드 및/또는 바람직한 자세로 인해, 수정된 명령지정 자세(2205)를 발생시키기 위해 명령지정 자세(621)에 부과된 가상 제한에 대해서는 다를 수 있다. 마찬가지로, 자세 너징 블록 2201의 기능은 두 개의 자세 너징 기여분을 함께 합산하는 것에 대해서는 블록 625와 대체로 동일한데, 각각의 활성화 신호에 따라 제2(현재의) 바람직한 자세가 단계적으로 사라지는 동안 제1(새로운) 바람직한 자세는 단계적으로 도입된다.
적절한 때에 정적인(static) 바람직한 자세를 통과할 뿐만 아니라, 자세 너징 블록(2201)에 제공되는 하나 이상의 바람직한 자세를 동적으로 생성하기 위해서 자세 생성기 블록(2202)이 제어장치(213)에 포함되어 있다. 특히, 자세 데이터 블록(626)에 의해서 제공된 정적인 바람직한 자세는 보통 통과될 수 있지만, 관절연결식 카메라 기구(211)의 바람직한 자세는 관절연결식 카메라 기구 둘레의 다른 공구 기구(231, 241)의 자세와 같은, 조건이 변경될 때 정적인 바람직한 자세로부터 동적으로 변경될 수 있다. 한 가지 예로서, 카메라 기구(211)의 바람직한 자세는, 사용되고 있으며 따라서 환자 몸(anatomy)에 의료 시술을 수행할 때에 이동하는, 공구 기구(231, 241)와의 충돌을 피하기 위해 정상 작동 모드 동안 동적으로 변할 수 있다. 단계적으로 도입될 하나 이상의 바람직한 자세(예를 들면, 도 23의 바람직한 자세 2301, 2303, 2305)와 단계적으로 사라질 하나 이상의 바람직한 자세(예를 들면, 바람직한 자세 2401, 2403, 2405)를 동적으로 생성하기 위해서, 자세 생성기 블록(2202)은 동적으로 변경될 바람직한 자세의 각각에 대해서 상기 시스템의 하나 이상의 상태의 상이한 기능을 이용할 수 있다. 본 경우에 있어서 시스템 상태 정보는 시스템 데이터(2203)에 의해 제공된다. 한 가지 예로서, 시스템 데이터(2203)는 상기 의료용 로봇 시스템(100)의 다른 기구(231, 241)의 명령지정 자세를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 시스템 데이터(2203)는 감지된 조인트 위치에 순방향 운동학을 적용하는 것에 의해 결정된 것과 같이 다른 기구(231, 241)의 실제 자세를 포함할 수 있다.
자세 너징 블록(2201)은 "페이즈-인(phase-in)" 너징 블록과 "페이즈-아웃(phase-out)" 너징 블록을 포함하고 있고, 상기 페이즈-인 너징 블록과 페이즈-아웃 너징 블록은 도 10의 후퇴 모드 너징 블록(1003)과 정상 모드 너징 블록(1004)에 대해서 상기한 것과 유사한 방식으로 입력 장치(108)에서 페이즈-인 및 페이즈-아웃되도록 되어 있는 너징 힘(nudging force)을 각각 발생시킨다.
도 23은, 한 가지 예로서, "페이즈-인" 너징 블록의 블록도를 나타내고 있다. 바람직한 자세들의 각각이 가중치의 합이 "1"인 대응하는 가중치(예를 들면, 가중치 2302, 가중치 2304, 가중치 2306)로 곱해지도록 바람직한 자세 2320는 복수의 바람직한 자세(예를 들면, 바람직한 자세 2301, 바람직한 자세 2303, 바람직한 자세 2305)의 가중 평균에 의해 생성된다. 상기 가중치는 고정 값 또는 바람직하게는 동적인(dynamic) 값으로 될 수 있으므로, 바람직한 자세들 중의 하나 이상이 상이한 때에, 상이한 작동 모드에서 또는 상이한 시스템 조건하에서 우세하게 될 수 있다. 바람직한 자세(2320)와 수정된 명령지정 자세(2205) 사이의 차이는 합산 노드(2314)에 의해서 산출된다. 상기 차이의 비-너징 성분은 블록 2315에서 제거되고 결과는 도 12의 블록 1203과 관련하여 기술한 것과 같은 힘 명령을 발생시키는 힘 변환기 블록(2316)으로 제공된다. 페이즈-인 활성화 신호는 도 11의 후퇴 모드 활성화 신호(1101)와 유사하게 페이즈-인 신호 생성기 블록(2317)에 의해 생성된다. 그리고 나서, 입력 장치(108)에서 단계적으로 도입되게 되는, 진폭 변조된(amplitude modulated) 힘 명령이, 페이즈-인 활성화 신호와 함께 힘 변환기 블록(2316)에 의해 생성된 힘 명령을 진폭 변조시킴으로써 진폭 변조기(2318)에 의해 생성된다.
유사한 구성을 이용하여, 도 24는, 한 가지 예로서, "페이즈-아웃" 너징 블록의 블록도를 나타내고 있다. 본 경우에 있어서 바람직한 자세(2420)는, 바람직한 자세들의 각각이 가중치의 합이 "1"인 대응하는 가중치(예를 들면, 가중치 2402, 가중치 2404, 가중치 2406)로 곱해지도록 복수의 바람직한 자세(예를 들면, 바람직한 자세 2401, 바람직한 자세 2403, 바람직한 자세 2405)의 가중 평균에 의해 생성된다. 상기 가중치는 고정 값 또는 바람직하게는 동적인 값으로 될 수 있으므로, 바람직한 자세들 중의 하나 이상이 상이한 때에, 상이한 작동 모드에서 또는 상이한 시스템 조건하에서 우세하게 될 수 있다. 바람직한 자세(2420)와 수정된 명령지정 자세(2205) 사이의 차이는 합산 노드(2414)에 의해서 산출된다. 상기 차이의 비-너징 성분은 블록 2415에서 제거되고 결과는 도 12의 블록 1203과 관련하여 기술한 것과 같은 힘 명령을 발생시키는 힘 변환기 블록(2416)으로 제공된다. 페이즈-아웃 활성화 신호는 도 11의 정상 모드 활성화 신호(1102)와 유사하게 페이즈-아웃 신호 생성기 블록(2417)에 의해 생성된다. 그리고 나서, 입력 장치(108)로 제공되고 상기 입력 장치에서 단계적으로 사라지게 되는, 진폭 변조된 힘 명령이, 페이즈-아웃 활성화 신호와 함께 힘 변환기 블록(2416)에 의해 생성된 힘 명령을 진폭 변조시킴으로써 진폭 변조기(2418)에 의해 생성된다.
본 명세서에 기술된 실시예에 부가하여, 상기 실시예의 다양한 개시내용의 상이한 조합을 통하여, 다른 실시예가 구성될 수 있으며, 본 발명의 영역 내에 있도록 충분히 고려되어 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 특히, 본 발명의 다양한 실시형태가 바람직한 실시예 및 대체 실시예에 대해서 기술되어 있지만, 본 발명은 첨부된 청구항의 전체 범위 내에서 완전한 보호를 받을 수 있다는 것을 알게 될 것이다.

Claims (15)

  1. 로봇 시스템으로서,
    입력 장치;
    관절연결식 기구를 조작하도록 구성되는 매니퓰레이터; 및
    프로세서로서,
    상기 입력 장치의 오퍼레이터 조작에 응하여 상기 관절연결식 기구의 명령지정 자세를 생성하고,
    가상 장벽에 가장 근접해 있지만, 아직 가상 장벽과 접촉하지는 않은 상기 관절연결식 기구의 적어도 일부분이 제1 바람직한 자세와 합치될 때까지 상기 관절연결식 기구가 가상 장벽을 넘어서 이동하도록 명령받는 것을 방지하는 제한으로 가상 장벽을 적용함으로써 상기 명령지정 자세를 수정하고,
    상기 명령지정 자세와 수정된 명령지정 자세의 차이를 나타내는 변조 계수의 스트림을 생성하고,
    상기 변조 계수의 스트림을 처리함으로써 제1 활성화 신호를 생성하고,
    상기 제1 바람직한 자세와 상기 명령지정 자세 사이의 차이를 나타내기 위해 복수의 자유도의 상기 입력 장치에 대해 제1 힘 명령을 생성하고, 그리고
    상기 제1 활성화 신호에 따라 복수의 자유도의 상기 입력 장치에 대해 상기 제1 힘 명령의 작용을 단계적으로 도입하도록 구성되는 프로세서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 변조 계수의 스트림을 처리하는 것은 로우패스필터를 사용함으로써 상기 변조 계수의 스트림을 필터링하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 명령지정 자세와 상기 수정된 명령지정 자세 사이의 차이를 결정하는 것,
    상기 차이를 제1 방향을 따라서 추정하는 것, 및
    추정된 차이가 임계값보다 크면 현재의 변조 계수를 제1 값으로 설정하고 추정된 차이가 임계값보다 작거나 같으면 현재의 변조 계수를 제2 값으로 설정함으로써 추정된 차이를 2진 부호화하는 것에 의해서,
    상기 변조 계수의 스트림을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    직교좌표 위치 오류와 직교좌표 속도 오류를 생성하기 위해 상기 제1 바람직한 자세를 상기 수정된 명령지정 자세와 비교하는 것,
    제1 방향을 따르는 성분과 상기 관절연결식 기구의 피벗가능한 팁의 축 둘레의 성분을 제거함으로써 상기 직교좌표 위치 오류와 상기 직교좌표 속도 오류를 수정하는 것, 및
    수정된 직교좌표 위치 오류와 수정된 직교좌표 속도 오류를 사용하여 점탄성 6-자유도 힘 명령을 생성하는 것에 의해서,
    상기 제1 힘 명령을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    제1 결과를 생성하기 위해 위치 게인에 의해 상기 수정된 직교좌표 위치 오류를 증폭시키고 제2 결과를 생성하기 위해 상기 제1 결과를 위치 포화 한계로 제한하는 것,
    제3 결과를 생성하기 위해 속도 게인에 의해 상기 수정된 직교좌표 속도 오류를 증폭시키는 것,
    상기 제3 결과를 상기 제2 결과로부터 빼는 것에 의해서 임시적인 점탄성 6-자유도 힘 명령을 생성하는 것, 및
    상기 임시적인 점탄성 6-자유도 힘 명령을 힘 포화 한계로 제한함으로써 상기 점탄성 6-자유도 힘 명령을 생성하는 것에 의해서,
    상기 점탄성 6-자유도 힘 명령을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 제1 활성화 신호로 상기 점탄성 6-자유도 힘 명령을 진폭 변조시킴으로써 진폭 변조된 힘을 생성하는 것; 및
    상기 입력 장치에 대해 상기 진폭 변조된 힘의 작용을 명령하는 것;에 의해서,
    복수의 자유도의 상기 입력 장치에 대해 상기 제1 힘 명령의 작용을 단계적으로 도입하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    제2 바람직한 자세와 상기 명령지정 자세 사이의 차이를 나타내기 위해 복수의 자유도의 입력 장치에 대해 제2 힘 명령을 생성하고;
    상기 제1 힘 명령의 작용을 단계적으로 도입하기 전에 상기 제2 힘 명령을 복수의 자유도의 입력 장치에 작용시키고; 그리고
    제2 활성화 신호에 따라 상기 제2 힘 명령의 작용을 단계적으로 사라지게 하도록; 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 명령지정 자세와 상기 수정된 명령지정 자세 사이의 차이를 결정하는 것, 상기 차이를 제1 방향을 따라서 추정하는 것, 및 추정된 차이가 임계값보다 크면 현재의 변조 계수를 제2 값으로 설정하고 추정된 차이가 임계값보다 작거나 같으면 현재의 변조 계수를 제1 값으로 설정함으로써 추정된 차이를 2진 부호화하는 것에 의해서, 변조 계수의 제2 스트림을 생성하도록 구성되고, 그리고
    상기 프로세서는 상기 변조 계수의 제2 스트림을 필터링함으로써 상기 제2 활성화 신호를 생성하도록 프로그램되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제2 활성화 신호가 단계적으로 사라짐에 따라 상기 제1 활성화 신호가 단계적으로 도입되도록 상기 제1 활성화 신호와 상기 제2 활성화 신호는 상호보완적인 신호인 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는 제1 복수의 바람직한 자세의 가중 평균을 사용함으로써 상기 제1 바람직한 자세를 생성하도록 구성되고, 그리고
    상기 제1 복수의 바람직한 자세 중 적어도 하나는 상기 로봇 시스템의 적어도 하나의 상태의 함수인 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
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