KR102147826B1

KR102147826B1 - 로봇 암의 수동식 운동에 의해 제어되는 이동가능한 수술용 장착 플랫폼

Info

Publication number: KR102147826B1
Application number: KR1020157006548A
Authority: KR
Inventors: 폴 지 그리피쓰; 폴 더블유 모어; 니티시 스와럽; 마이클 코스타; 데이비드 큐 라킨; 토마스 지 쿠퍼
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2020-10-14
Also published as: CN104736095A; US20240245479A1; US20180263718A1; US9259281B2; US11974828B2; KR102184960B1; KR102328291B1; CN109009440A; JP2020163163A; JP6250673B2; US20200229883A1; JP7135027B2; KR20150045468A; CN113509271B; US20220183781A1; JP2022177041A; CN104736095B; KR20200134344A; EP3789164B1; EP3789164A1

Abstract

로봇 및/또는 수술 장치, 시스템 및 방법은 사용을 위한 시스템의 준비를 용이하게 해주도록 구성된 기구학적 링키지 구조와 연계된 제어 시스템을 포함한다. 하나 이상의 기구학적 링키지 서브시스템이 능동적으로 구동되거나, 피동형이거나 능동적 구동과 피동형의 혼합인 조인트들을 포함할 수 있고, 하나 이상의 조인트가 기구학적 체인의 하나 이상의 다른 조인트의 수동식 관절운동에 응답하여 능동적으로 구동되게 되는 셋업 모드를 채용할 수 있다. 하나의 예시의 실시형태에 있어서, 능동적으로 구동되는 조인트는 다수의 매니퓰레이터를 지지하는 플랫폼 구조부를 매니퓰레이터들 중의 하나의 운동에 응답하여 이동시켜, 다수의 매니퓰레이터들을 하나의 유닛으로서 작업 공간과의 정렬 상태로 이동시킴으로써 전체 시스템의 배열을 용이하게 해주고 촉진시킨다. 매니퓰레이터의 수동식의 독립적인 포지셔닝은 플랫폼에 대해 매니퓰레이터들을 지지하는 피동형 셋업 조인트 시스템을 통해 제공될 수 있다.

Description

로봇 암의 수동식 운동에 의해 제어되는 이동가능한 수술용 장착 플랫폼{MOVABLE SURGICAL MOUNTING PLATFORM CONTROLLED BY MANUAL MOTION OF ROBOTIC ARMS}

본 발명은 대체로 수술 시스템에 사용하기 위한 로봇 암의 수동식 운동(manual movement)에 의해 제어되는 이동가능한 수술용 장착 플랫폼에 관한 것이다.

최소 침습 의료 기술은 진단 또는 수술 과정 중에 손상되게 되는 무관한 조직의 양을 감소시킴으로써, 환자의 회복 시간, 불편함 및 유해한 부작용을 감소시키도록 의도되어 있다. 예컨대, 최소 침습 수술의 한 가지 효과는 감소된 수술 후의 병원내 회복 시간이다. 표준 수술의 평균 입원 기간이 일반적으로 유사한 최소 침습 수술의 평균 입원 기간보다 상당히 더 길기 때문에, 최소 침습 기술의 이용의 증가가 매년 수백만 달러의 병원 비용을 절감시킬 수 있을 것이다. 미국에서 매년 시행되는 수많은 수술들이 잠재적으로 최소 침습식으로 시행될 수 있겠지만, 한정된 최소 침습 수술 기구들과 그것들을 완전히 익히는 데 수반되는 추가적인 수술 훈련으로 인해, 현행 수술들의 일부만이 이 유리한 기술을 이용하고 있다.

최소 침습 로봇 수술 또는 원격 수술 시스템은 외과의의 조작술을 증대시키고 통상적인 최소 침습 기술 상의 어떤 한계를 회피하도록 개발되어 왔다. 원격 수술에 있어서, 외과의는 수술 기구 운동을 조작하기 위해 기구를 직접 손으로 파지하여 이동시키는 것이 아니라 어떤 형태의 원격 제어(예컨대, 서보기구 등)를 이용한다. 원격 수술 시스템에 있어서, 외과의는 수술용 워크스테이션에서 수술 부위의 영상을 제공받을 수 있다. 디스플레이 상의 수술 부위의 2차원 또는 3차원 영상을 보면서, 외과의는 마스터 제어 장치를 조작하고, 결과적으로 서보기구적으로 작동되는 기구들의 운동을 제어함으로써 환자에 대한 수술 과정을 수행한다.

원격 수술을 위해 사용되는 서보기구는 흔히 2개의 마스터 컨트롤러(외과의의 각각의 손마다 하나씩)로부터 입력을 수취하고, 각각에 수술 기구가 장착되는 2개 이상의 로봇 암을 구비할 수 있다. 마스터 컨트롤러와 연계된 로봇 암 및 기구 어셈블리 간의 작동 통신은 일반적으로 제어 시스템을 통해 성취된다. 제어 시스템은 일반적으로 마스터 컨트롤러로부터의 입력 명령을 연계된 로봇 암 및 기구 어셈블리로 전달하고, 예컨대 힘 피드백 등의 경우에 기구 및 암 어셈블리로부터 연계된 마스터 컨트롤러로 다시 전달하는 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 로봇 수술 시스템의 하나의 예는 미국 캘리포니아주 서니베일 소재의 인튜어티브 서지컬 인코포레이티드(Intuitive Surgical, Inc.)의 DA VINCI® 시스템이다.

다양한 구조 장치들이 로봇 수술 중에 수술 부위에 위치한 수술 기구를 지지하는 데 사용될 수 있다. 피구동 링키지(driven linkage) 또는 "슬레이브(slave)"는 흔히 로봇 수술용 매니퓰레이터라 불려지고, 최소 침습 로봇 수술 중에 로봇 수술용 매니퓰레이터로서 사용하기 위한 예시의 링키지 구성이 예시의 링키지 구성들이 미국 특허 제7,594,912호; 제6,758,843호; 제6,246,200호; 및 제5,800,423호에 개시되어 있으며; 이들의 전체 개시사항이 여기에 참조된다. 이들 링키지는 흔히 샤프트를 가진 기구를 유지하기 위한 샤프트를 가진 기구를 유지하기 위한 평행사변형 배열구조를 이용한다. 그러한 매니퓰레이터 구조는 기구가 강성 샤프트의 길이를 따른 공간 내에 포지셔닝된 조작의 원격 중심(remote center) 둘레로 피벗운동하도록 기구의 운동을 제한할 수 있다. 조작의 원격 중심을 내부 수술 부위로의 절개점과 정렬시킴으로써(예컨대, 복강경 수술 중에 복벽에 위치하는 트로카(trocar) 또는 캐뉼라(cannula)에 의해), 수술 기구의 엔드 이펙터는 매니퓰레이터 링키지를 이용하여 샤프트의 근위 단부를 이동시키는 것에 의해 복벽에 잠재적으로 위험한 힘을 강제하는 일 없이 안전하게 포지셔닝될 수 있다. 대안적인 매니퓰레이터 구조가 예컨대 미국 특허 제7,763,015호; 제6,702,805호; 제6,676,669호; 제5,855,583호; 제5,808,665호; 제5,445,166호; 및 제5,184,601호에 개시되어 있으며; 이들의 전체 개시사항이 여기에 참조된다.

다양한 구조적 배열들이 또한 로봇 수술 중에 로봇 수술용 매니퓰레이터 및 수술 부위에 위치한 수술 기구를 지지하고 포지셔닝시키는 데 사용될 수 있다. 종종 셋업 조인트(set-up joint) 또는 셋업 조인트 암이라고 불려지는 지지 링키지 기구들이 흔히 각각의 매니퓰레이터를 환자의 신체 내의 각각의 절개점에 대해 포지셔닝시키고 정렬시키는 데 사용된다. 지지 링키지 기구는 수술용 매니퓰레이터의 소정의 수술 절개점 및 목표한 인체 구조부와의 정렬을 용이하게 해준다. 예시적인 지지 링키지 기구가 미국 특허 제6,246,200호 및 제6,788,018호에 개시되어 있으며, 이들의 전체 개시사항이 여기에 참조된다.

이 신규한 원격 수술 시스템 및 장치들이 매우 효과적이고 유익한 것으로 판명되었지만, 여전히 추가적인 개선점들이 요망되고 있다. 전반적으로, 개선된 최소 침습 로봇 수술 시스템이 요망되고 있다. 이러한 개선된 기술들이 로봇 수술 시스템의 이용의 효율성 및 편이성을 향상시킨다면 특히 유익할 것이다. 예컨대, 기동성을 증대시키고, 수술실 내의 공간 활용을 개선시키고, 더 신속하고 더 쉬운 구성을 제공하고, 사용 중의 로봇 장치들 간의 충돌을 방지하고, 그리고/또는 이러한 신규한 수술 시스템의 기계적 복잡성 및 크기를 감소시키는 것이 특히 유익할 것이다.

이하 본 발명의 기초적 이해를 제공하기 위한 발명의 몇 가지 실시형태의 간략한 개요를 제시한다. 이 개요는 본 발명의 폭넓은 개관은 아니다. 이 개요는 발명의 주요한/결정적인 요소들을 확인하거나 본 발명의 범위를 기술하고자 하는 것은 아니다. 그 목적은 단지 본 발명의 몇 가지 실시형태를 추후에 제공될 보다 상세한 설명의 선도적인 간략한 형태로 제시하고자 하는 것일 뿐이다.

본 발명은 대체로 개선된 로봇 및/또는 수술 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 여기에 설명되는 기구학적 링키지 구조와 연계된 제어 시스템은 특히 시스템 사용자가 수술 과정을 준비하는 것을 포함하여 사용을 위한 준비에 있어 특정 환자에 대해 로봇 구조부를 배열하는 것을 도와주는 데 특히 유익하다. 여기에 설명되는 예시의 로봇 수술 시스템은 매니퓰레이터 구조부를 수술 작업 부위와 정렬시키는 것을 돕도록 구성되어 있는 하나 이상의 기구학적 링키지 서브시스템(sub-system)을 가질 수 있다. 이러한 셋업 시스템(set-up system)들의 조인트들은 능동적으로 구동될 수 있거나 피동형일 수 있으며(셋업 시스템들의 조인트들이 수동식으로 관절운동(articulation)된 다음 매니퓰레이터가 치료상으로 사용되는 동안 소정의 구성으로 잠금되도록), 또는 능동적 구동과 피동형의 혼합일 수 있다. 여기에 설명되는 로봇 시스템의 실시형태들은 하나 이상의 조인트가 기구학적 체인(kinematic chain)의 하나 이상의 다른 조인트의 수동식 관절운동에 응답하여 능동적으로 구동되게 되는 셋업 모드(set-up mode)를 채용할 수 있다. 다수의 예시의 실시형태에 있어서, 능동적으로 구동되는 조인트는 다수의 매니퓰레이터를 지지하는 플랫폼 구조부를 그들 매니퓰레이터들 중의 하나의 수동식 운동에 응답하여 이동시켜, 그들 다수의 매니퓰레이터를 하나의 유닛으로서 작업 공간과의 초기 배향(orientation) 및/또는 포지션(position) 정렬 상태로 이동시킴으로써 전체 시스템의 배열을 용이하게 해주고 촉진시킨다. 매니퓰레이터 운동의 입력과 플랫폼에 의해 지지되는 매니퓰레이터들 중의 하나, 일부 또는 전부의 독립적인 포지셔닝은 선택적으로 플랫폼에 대해 매니퓰레이터들 중의 하나, 일부 또는 전부를 지지하는 피동형 셋업 조인트 시스템을 통해 제공될 수 있다. 선택적으로, 매니퓰레이터와 플랫폼 사이에 배치되는 셋업 조인트 링키지의 수동식 운동은 플랫폼의 운동을 발생시킬 수 있으며, 플랫폼(및 그것에 의해 지지되는 다른 매니퓰레이터)은 리딩 어 호스 바이 드 노우즈(Leading a horse by the nose) (LHBN)와 유사한 운동에 의해 매니퓰레이터의 수동식 운동을 추종한다.

그에 따라, 제1 양태에 있어서, 로봇 수술을 준비하는 방법이 제공된다. 이 방법은 배향 플랫폼에 대한 초기 포지션으로부터 배향 플랫폼에 대한 변위된 포지션으로의 제1 로봇 매니퓰레이터의 제1 링크의 입력 변위를 감지하는 과정, 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크가 상기 초기 포지션을 향해 복귀하도록 상기 입력 변위에 응답하여 상기 셋업 구조부 링키지의 운동을 연산하는 과정, 상기 연산된 운동에 대해 상기 셋업 구조부 링키지를 구동시키는 과정을 포함한다. 상기 입력 변위는 상기 제1 링크가 수술 부위와의 소정의 정렬 상태를 향해 이동하도록 상기 제1 매니퓰레이터를 지지하는 셋업 조인트 링키지의 수동식 관절운동의 결과로 발생될 수 있다. 상기 셋업 구조부 링키지는 상기 배향 플랫폼을 지지할 수 있고, 상기 배향 플랫폼은 상기 셋업 조인트 링키지를 통해 상기 제1 매니퓰레이터를 지지할 수 있고 또한 제2 매니퓰레이터를 지지할 수 있다.

상기 로봇 수술을 준비하는 방법의 다수의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 상기 입력 변위 중에 상기 제1 매니퓰레이터가 사실상의 강체로서 이동하도록 상기 제1 매니퓰레이터의 고정된 자세를 유지시키는 과정을 포함할 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 상기 셋업 구조부는 사용자가 상기 제1 링크를 수술 부위와의 소정의 정렬 상태를 향해 수동식으로 이동시키는 동안에 구동될 수 있다.

상기 로봇 수술을 준비하는 방법의 추가적인 실시형태에 있어서, 상기 제1 링크는 상기 수동식 운동 전에 상기 배향 플랫폼에 대한 선호되는 포지션 관계를 가질 수 있다. 상기 셋업 구조부 링키지의 상기 연산된 운동은 그런 다음 상기 수동식 운동 중에 상기 선호되는 포지션 관계를 향해 복귀하도록 상기 배향 플랫폼을 이동시킬 수 있다. 상기 선호되는 포지션 관계는 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 매니퓰레이터의 소정의 운동의 범위를 유지시키는 것을 돕는 데 이용될 수 있다.

상기 로봇 수술을 준비하는 방법의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 셋업 구조부 링키지의 운동은 상기 입력 변위 중에 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 속도를 이용하여 연산될 수 있다. 상기 셋업 구조부 링키지의 구동은 이 속도를 감소시킬 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 속도가 포화 임계값(saturation threshold)을 초과할 때, 상기 포화 임계값에 의해 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 속도를 감소시키는 과정을 포함할 수 있다. 다른 예시의 실시형태에 있어서, 상기 연산된 운동은 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 속도가 상기 셋업 구조부를 바람직하지 않은 운동 제한 구성을 향해 이동시킬 때의 구성에서 벗어나게 상기 셋업 구조부를 탄성적으로 가압할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 셋업 구조부의 구동은 플랫폼 운동 모드에서 발생할 수 있다. 이 모드는 상기 셋업 링키지 구조부가 바람직하지 않은 운동 제한 구성에 접근 또는 도달할 때 시작될 수 있다.

다수의 실시형태에 있어서, 상기 로봇 수술을 준비하는 방법은 각각의 매니퓰레이터에 연결되는 기구 홀더를 구비할 수 있다. 상기 매니퓰레이터는 상기 기구 홀더에 장착된 연계된 수술 기구를 매니퓰레이터 베이스에 대해 지지하ㄷ도록 구성될 수 있다. 상기 매니퓰레이터는 연계된 수술 기구를 연계된 조작의 원격 중심(RC)을 통해 삽입 축선을 따라 환자 내로 삽입하도록 구성될 수 ㅇ있다. 또한 상기 매니퓰레이터는 상기 기구 홀더를 연계된 RC와 교차하는 하나 이상의 축선 둘레로 회전시키도록 구성될 수 있다. 상기 축선들은 상기 삽입 축선에 대해 횡단 방향일 수 있다. 예컨대, 제1 매니퓰레이터 축선 및 제2 매니퓰레이터 축선이 연계된 RC와 교차할 수 있고, 그 각각이 상기 삽입 축선에 대해 횡단 방향일 수 있다. 또한, 상기 제2 매니퓰레이터 축선은 상기 제1 매니퓰레이터 축선에 대해 횡단 방향일 수 있다.

다수의 실시형태에 있어서, 상기 셋업 구조부 링키지는 장착 베이스, 칼럼, 부재 및 확장가능한 붐을 포함할 수 있다. 상기 칼럼은 상기 장착 베이스에 슬라이드 가능하게 연결될 수 있다. 또한, 상기 칼럼은 상기 장착 베이스에 대해 수직방향으로 배향된 제1 지지 축선을 따라 선택적으로 포지셔닝될 수 있다. 상기 부재는 쇼울더 조인트를 통해 상기 칼럼에 회전가능하게 연결되는 붐 베시스 부재일 수 있다. 상기 부재는 상기 칼럼에 대해 수직방향으로 배향된 제2 지지 축선 둘레로 선택적으로 배향될 수 있다. 상기 확장가능한 붐은 당해 확장가능한 붐을 상기 부재에 대해 수평방향으로 배향된 제3 지지 축선을 따라 선택적으로 포지셔닝시키도록 상기 부재에 슬라이드 가능하게 연결될 수 있다. 상기 배향 플랫폼이 상기 확장가능한 붐에 회전가능하게 연결될 수 있다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 상기 제1 링크는 상기 기구 홀더이거나 상기 기구 홀더에 인접하고 있다. 상기 연산된 운동은 상기 셋업 구조부 링키지의 복수의 조인트의 운동을 포함하고, 상기 복수의 조인트는 상기 제1 매니퓰레이터가 양호하게 컨디셔닝되도록 상기 연산된 운동에 대해 구동될 수 있다. 다른 예시의 실시형태에 있어서, 상기 수동식 운동은 상기 제1 매니퓰레이터의 연계된 제1 RC를 수술 부위의 소정의 제1 RC와 정렬시킬 수 있다. 상기 셋업 구조부 링키지의 피구동 운동이 상기 제2 매니퓰레이터의 연계된 RC를 수술 부위의 제2 소정의 RC를 향해 이동시킬 수 있다.

또 다른 실시형태에 있어서, 상기 로봇 수술을 준비하는 방법은 상기 제1 링크에 인접하여 장착되는 배향 플랫폼 운동 입력부를 구비한 매니퓰레이터를 포함할 수 있다. 상기 운동 입력부는 통상 제1 상태에 있으면서 제2 상태로 수동식으로 작동가능할 수 있다. 상기 배향 플랫폼은 상기 운동 입력부가 제1 상태에 있을 때는 상기 제1 링크의 운동에 응답하여 이동하지 않을 수 있다. 또한, 상기 로봇 수술을 준비하는 방법은 상기 수동식 운동 후에 상기 제1 매니퓰레이터에 캐뉼라를 장착하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 캐뉼라는 상기 제1 매니퓰레이터에 의해 지지되는 수술 기구를 위해 내부 수술 부위로의 액세스를 제공할 수 있다. 이 예시의 실시형태는 또한 상기 캐뉼라의 장착에 응답하여 상기 배향 플랫폼의 운동을 방지하는 과정을 포함할 수 있다. 이 예시의 방법은 또한 상기 제1 상태에 있는 상기 운동 입력부에 응답하여 또는 상기 제1 매니퓰레이터에 장착되어 있는 캐뉼라에 응답하여 상기 셋업 구조부 링키지의 조인트를 따른 운동을 방지하기 위해 조인트 브레이크를 이용할 수 있다.

제2 양태에 있어서, 로봇 수술을 준비하는 또 다른 방법이 제공된다. 이 방법은 제1 매니퓰레이터의 제1 링크가 수술 부위와의 소정의 정렬 상태를 향해 이동하도록 상기 제1 매니퓰레이터를 수동식으로 이동시키는 과정, 플랫폼에 대한 초기 포지션으로부터 플랫폼에 대한 변위된 포지션으로의 상기 제1 링크의 입력 변위를 감지하는 과정, 상기 입력 변위에 응답하여 링키지의 운동을 연산하는 과정, 상기 플랫폼이 상기 제1 링크를 추종하도록 상기 연산된 운동에 대해 상기 링키지를 구동시키는 과정, 및 상기 제 1 매니퓰레이터 및 제2 매니퓰레이터를 구동시킴으로써 수술 부위의 조직을 치료하는 과정을 포함한다. 상기 연산된 운동은 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크가 상기 플랫폼에 대한 상기 초기 포지션 관계를 향해 복귀하도록 이루어지 질 수 있다. 상기 링키지는 상기 플랫폼을 지지할 수 있고, 상기 플랫폼은 상기 제1 매니퓰레이터 및 상기 제2 매니퓰레이터를 지지할 수 있다.

또 다른 양태에 있어서, 로봇 수술용 시스템이 제공된다. 이 로봇 수술 시스템은 매니퓰레이터들의 베이스들을 지지하는 플랫폼, 상기 플랫폼을 지지하는 지지 구조부 및 매니퓰레이터들을 상기 지지 구조부에 연결시키는 프로세서를 포함한다. 상기 플랫폼에 의해 지지되는 제1 로봇 매니퓰레이터 및 제2 로봇 매니퓰레이터가 제1 링크를 구비한 매니퓰레이터 링키지 및 수술 중에 상기 링크를 구동시키도록 상기 매니퓰레이터 링키지에 작동가능하게 연결된 구동 시스템을 가질 수 있다. 상기 지지 구조부는 베이스를 구비한 지지 링키지 및 상기 지지 구조부 베이스에 대해 상기 플랫폼을 구동시키도록 상기 지지 링키지에 연결된 구동 시스템을 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 플랫폼에 대한 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크의 수동식 운동에 응답하여 셋업 명령을 연산하게 되는 플랫폼 운동 모드를 가질 수 있다. 상기 프레세서는 그런 다음 상기 플랫폼 및 매니퓰레이터들을 이동시키도록 상기 지지 구조부에 플랫폼 운동 명령을 전달할 수 있다.

상기 로봇 수술용 시스템의 다수의 예시의 실시형태에 있어서, 상기 프로세서는 비일과성의 기기 판독가능한 코드를 포함하고 있고, 상기 비일과성의 기기 판독가능한 코드는 상기 플랫폼에 대한 제1 포지션으로부터 상기 플랫폼에 대한 제2 포지션으로의 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크의 입력 변위를 결정하기 위한 지렬을 구현하고 있다. 상기 입력 변위는 상기 제1 링크의 수동식 운동의 결과로 발생할 수 있다. 상기 비일과성의 기기 판독가능한 코드는 또한 상기 제1 링크를 수동식으로 이동시키는 동안에 상기 배향 플랫폼이 이동하도록 상기 입력 변위를 이용하여 상기 지지 구조부의 소정의 운동을 실행시키기 위한 운동 명령을 연산하기 위한 지령을 구현할 수 있다.

다른 예시의 실시형태에 있어서, 상시 시스템은 또한 상기 플랫폼과 상기 제1 매니퓰레이터 사이에 배치되는 수동식으로 관절운동 가능한 링키지를 포함한다. 상기 프로세서는, 상기 플랫폼 운동 모드에서, 상기 수동식으로 관절운동 가능한 링키지의 수동식 관절운동을 허용할 수 있고, 상기 제1 매니퓰레이터의 관절운동을 방지할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 제1 링크의 상기 수동식 운동 중에 상기 매니퓰레이터가 사실상의 강체로서 이동하고, 상기 플랫폼이 상기 제1 링크를 추종하도록 상기 지지 구조부를 구동시킬 수 있다.

또 다른 실시형태에 있어서, 상기 프로세서는 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 상대 속도를 사용하여 상기 링키지의 운동을 연산하도록 구성되어 있어, 상기 셋업 구조부의 상기 링키지의 구동이 상대 속도를 감소시킬 수 있다. 상기 프로세서는 또한 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 상대 속도가 포화 임계값(saturation velocity)을 초과할 때, 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 상대 속도가 포화 속도에 의해 감소되도록 상기 운동 명령을 연산하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 프로세서는 상기 배향 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 상대 속도가 상기 매니퓰레이터와 상기 배향 플랫폼 사이의 셋업 조인트 링키지의 바람직하지 않은 운동 제한 구성을 향해 셋업 구조부를 이동시킬 때, 상기 셋업 구조부의 운동이 상기 바람직하지 않은 구성에서 벗어나게 탄성적으로 가압되도록 상기 운동 명령을 연산하도록 구성될 수 있다. 상기 플랫폼 운동 모드는 상기 바람직하지 않은 구성에 접근 또는 도달하는 셋업 링키지 구조부에 응답하여 시작될 수 있다.

다수의 실시형태에 있어서, 상기 시스템은 각각의 매니퓰레이터에 연결되는 기구 홀더를 구비할 수 있다. 상기 매니퓰레이터는 상기 기구 홀더에 장착된 연계된 수술 기구를 매니퓰레이터 베이스에 대해 지지하ㄷ도록 구성될 수 있다. 상기 매니퓰레이터는 연계된 수술 기구를 연계된 조작의 원격 중심(RC)을 통해 삽입 축선을 따라 환자 내로 삽입하도록 구성될 수 ㅇ있다. 또한 상기 매니퓰레이터는 상기 기구 홀더를 연계된 RC와 교차하는 하나 이상의 축선 둘레로 회전시키도록 구성될 수 있다. 상기 축선들은 상기 삽입 축선에 대해 횡단 방향일 수 있다. 예컨대, 제1 매니퓰레이터 축선 및 제2 매니퓰레이터 축선이 연계된 RC와 교차할 수 있고, 그 각각이 상기 삽입 축선에 대해 횡단 방향일 수 있다. 또한, 상기 제2 매니퓰레이터 축선은 상기 제1 매니퓰레이터 축선에 대해 횡단 방향일 수 있다.

상기 시스템의 다수의 실시형태에 있어서, 상기 셋업 구조부 링키지는 장착 베이스, 칼럼, 부재 및 확장가능한 붐을 포함할 수 있다. 상기 칼럼은 상기 장착 베이스에 슬라이드 가능하게 연결될 수 있다. 또한, 상기 칼럼은 상기 장착 베이스에 대해 수직방향으로 배향된 제1 지지 축선을 따라 선택적으로 포지셔닝될 수 있다. 상기 부재는 쇼울더 조인트를 통해 상기 칼럼에 회전가능하게 연결되는 붐 베시스 부재일 수 있다. 상기 부재는 상기 칼럼에 대해 수직방향으로 배향된 제2 지지 축선 둘레로 선택적으로 배향될 수 있다. 상기 확장가능한 붐은 당해 확장가능한 붐을 상기 부재에 대해 수평방향으로 배향된 제3 지지 축선을 따라 선택적으로 포지셔닝시키도록 상기 부재에 슬라이드 가능하게 연결될 수 있다. 상기 배향 플랫폼이 상기 확장가능한 붐에 회전가능하게 연결될 수 있다. 몇몇의 실시형태에 있어서, 상기 제1 링크는 상기 기구 홀더이거나 상기 기구 홀더에 인접하고 있다. 상기 연산된 운동은 상기 셋업 구조부 링키지의 복수의 조인트의 운동을 포함하고, 상기 복수의 조인트는 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크가 상기 매니퓰레이터 베이스에 대한 선호되는 포지션 관계를 가지도록 상기 연산된 운동에 대해 구동될 수 있다.

또 다른 예시의 실시형태에 있어서, 상기 시스템의 상기 제1 매니퓰레이터는 당해 제1 매니퓰레이터 상에 또는 당해 제1 매니퓰레이터에 인접하여 장착되는 배향 플랫폼 운동 입력부를 포함할 수 있다. 상기 운동 입력부는 통상 제1 상태에 있을 수 있고, 제2 상태로 수동식으로 작동할 수 있다. 상기 운동 입력부가 제1 상태에 있을 때, 상기 프로세서는 상기 제1 링크의 운동에 응답한 상기 배향 플랫폼의 운동을 방지하도록 구성되어 있다. 상기 시스템은 또한 상기 제1 매니퓰레이터에 장착되는 캐뉼라를 포함할 수 있고, 상기 프로세서는 상기 캐뉼라의 장착 시에 상기 배향 플랫폼의 운동을 방지하도록 구성될 수 있다. 다수의 예시의 실시형태에 있어서, 상기 지지 구조부 링키지는 복수의 조인트를 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 제1 상태에 있는 상기 운동 입력부에 응답하여 또는 상기 제1 매니퓰레이터에 장착되어 있는 캐뉼라에 응답하여 연계된 조인트 브레이크에 의해 상기 셋업 구조부 링키지의 각각의 조인트를 따른 운동을 방지하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 특성들 및 장점들의 보다 완전한 이해를 위해, 이어지는 상세한 설명과 첨부도면의 참조가 이루어져야 한다. 본 발명의 다른 양태들, 목적들 및 장점들은 도면 및 이어지는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 다수의 실시형태에 따르는, 수술을 수행하기 위해 사용되는 최소 침습 로봇 수술 시스템의 평면도이다.
도 2는 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템용 외과의 제어 콘솔의 사시도이다.
도 3은 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템 전자장치 카트의 사시도이다.
도 4는 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템을 다이어그램으로 도시하고 있다.
도 5a는 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템의 환자측 카트(수술 로봇)의 부분도이다.
도 5b는 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 툴의 정면도이다.
도 6은 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템의 사시 개략도이다.
도 7은 다수의 실시형태에 따르는 또 다른 로봇 수술 시스템의 사시 개략도이다.
도 8은 도 7의 개략도에 부합하는, 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템을 도시하고 있다.
도 9는 도 8의 로봇 수술 시스템의 배향 플랫폼에 대한 셋업 링키지들의 회전 배향 한계를 도시하고 있다.
도 10은 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템용 붐 어셈블리의 회전 한계와 관련된 무게 중심 도면이다.
도 11은 배향 플랫폼에 의해 지지되는 복수의 로봇 매니퓰레이터 암 중의 하나의 링크의 운동에 응답하여 배향 플랫폼을 구동시킴으로써 수술을 위해 로봇 수술 시스템을 준비하는 방법을 개략적으로 도시하고 있는 플로 차트이다.
도 12는 복수의 매니퓰레이터 암의 연계된 수술 액세스 부위와의 소정의 정렬을 제공하도록 카트 장착형 셋업 지지 구조부에 의해 지지되는 배향 플랫폼의 운동의 사시 개략도이다.
도 12a 및 도 12b는 배향 플랫폼 구동 시스템의 구성요소로서 사용되는 컨트롤러를 도시한 블록도로서, 특히 프로세서의 한 가지 예시의 소프트웨어 시스템 구성을 보여주는 도면이다.
도 12c 및 도 12d는 연계된 좌표계와 자유도를 보여주는 배향 플랫폼의 개략도와, 단일의 매니퓰레이터 암의 연계된 수술 액세스 부위와의 소정의 정렬을 제공하도록 천장 갠트리 셋업 지지 구조부에 의해 지지되는 배향 플랫폼의 사시도이다.
도 13은 피동형 조인트의 편향에 응답하여 구동형 조인트가 구동되게 되는 단순화된 4 조인트 평면 피동형/구동형 로봇 기구학적 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 14는 소정의 조인트 제어의 기구학적 분석을 설명하는 데 사용되는 단순화된 3 링크 평면 조인트 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 15는 조인트들 중의 하나 이상의 수동식 관절운동에 응답하여 수동식으로 관절운동 가능한 조인트 시스템을 지지하는 셋업 구조부의 피구동 운동을 설명하기 위해 영공간(null space)을 통한 단순화된 평면 기구학적 시스템의 운동을 그래프로 도시한 도면이다.

이하의 설명에서, 본 발명의 여러 가지 실시형태들이 설명될 것이다. 설명을 목적으로 하여, 특정 구성들 및 세부사항들이 실시형태들의 완전한 이해를 제공하기 위해 기술된다. 하지만, 본 발명은 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것도 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 잘 알려진 세부형상부들은 설명되는 실시형태를 불분명하게 만들지 않도록 하기 위해 생략되거나 단순화될 수 있을 것이다.

여기에 설명되는 기구학적 링키지 구조와 제어 시스템은 특히 시스템 사용자가 시술 로봇 구조부를 특정 환자에 대해 배열하는 것을 도와주는 데 특히 유익하다. 치료 중에 조직 등과 상호작용하도록 사용되는 능동적으로 구동되는 매니퓰레이터와 더불어, 로봇 수술 시스템은 매니퓰레이터 구조부를 지지하고 수술 작업 부위와 정렬시키는 것을 돕도록 구성되어 있는 하나 이상의 기구학적 링키지 시스템을 가질 수 있다. 이러한 셋업 시스템들은 능동적으로 구동될 수 있거나 셋업 시스템들이 수동식으로 관절운동된 다음 매니퓰레이터가 치료상으로 사용되는 동안 소정의 구성으로 잠금되도록 피동형일 수 있다. 피동형 셋업 기구학적 시스템은 치수, 중량, 복잡성 및 비용에 있어 장점을 가질 수 있다. 유감스럽게도, 각각의 환자의 조직들을 치료하기 위해서는 복수의 매니퓰레이터가 사용될 수 있으며, 복수의 매니퓰레이터 각각은 해당 매니퓰레이터에 의해 지지되는 기구가 그 작업 공간 전반에 걸쳐 소정의 운동을 가지도록 해주기 위한 정확한 포지셔닝에 의해 독립적으로 유용할 수 있고, 인접한 매니퓰레이터의 상대 위치에 있어서의 작은 변화가 매니퓰레이터 간의 상호 작용에 중대한 영향을 미칠 수 있다(불량하게 포지셔닝된 매니퓰레이터들은 잠재적으로 충돌하거나 그들의 운동의 범위 및/또는 용이성을 크게 감소시킬 수 있다). 따라서, 로봇 시스템을 수술을 위한 준비 상태로 신속하게 배열시키고자 하는 도전 과제가 중요할 수 있다.

한 가지 선택적 방법은 다수의 매니퓰레이터를 단일 플랫폼에 장착하는 것이며, 이 매니퓰레이터 지지 플랫폼은 종종 배향 플랫폼이라고 불려진다. 이 배향 플랫폼은 능동적으로 구동되는 지지 링키지(종종 여기에서 셋업 구조부라고 불려지며, 일반적으로 셋업 구조부 링키지 등을 가진다)에 의해 지지될 수 있다. 이 시스템은 또한 배향 플랫폼을 지지하는 로봇 셋업 구조부의 전동 축선들을 제공하고, 사용자가 그 축선들을 원하는 대로 독립된 형태로 능동적으로 구동시키는 것을 가능하게 해주는 몇 가지 종류의 조이스틱이나 버튼 세트에 의해 제어할 수 있다. 이러한 접근법은 일부의 상황에서는 유용하지만 여러 단점들에 의해 어려움을 겪을 수 있다. 첫째, 로봇, 기구학, 운동 한계의 범위 및 매니퓰레이터 간 충돌에 충분히 친숙하지 않은 사용자들은 양호한 셋업을 성취하기 위해 배향 플랫폼을 어디에 포지셔닝시켜야 하는지 알기 어렵다는 사실을 알게 될 것이다. 둘째, 시스템 내에 임의의 피동형 조인트가 존재한다는 것은 장치의 포지셔닝이 수동식 조절(피동형 자유도를 손으로 이동시킴)과 함께 구동형 자유도를 제어하는 것의 조합을 포함한다는 것을 의미하며, 이는 어렵고 시간 소모적인 반복적 작업일 수 있다.

로봇 매니퓰레이터들의 수동식 포지셔닝과 능동 구동식 포지셔닝의 양자 모두의 장점들을 유지시키기 위해, 여기에 설명되는 로봇 시스템의 실시형태들은 하나 이상의 조인트가 기구학적 체인(kinematic chain)의 하나 이상의 다른 조인트의 수동식 관절운동(manual articulation)에 응답하여 능동적으로 구동되게 되는 셋업 모드(set-up mode)를 채용할 수 있다. 다수의 실시형태에 있어서, 능동적으로 구동되는 조인트는 다수의 매니퓰레이터를 지지하는 플랫폼 지지 링키지 구조부를 이동시켜, 그 매니퓰레이터들을 하나의 유닛으로서 작업 공간과의 초기 배향 및/또는 포지션 정렬 상태로 이동시킴으로써 전체 시스템의 배열을 대단히 용이하게 해준다. 플랫폼에 의해 지지되는 매니퓰레이터들 중의 하나, 일부 또는 전부의 독립적인 포지셔닝은 선택적으로 플랫폼에 대해 매니퓰레이터들 중의 하나, 일부 또는 전부를 지지하는 피동형 셋업 조인트 시스템을 통해 제공될 수 있다.

최소 침습 로봇 수술

이제 동일한 도면부호가 여러 도면에 걸쳐 동일한 부분을 나타내고 있는 도면을 참조하면, 도 1은 일반적으로 수술대(14) 위에 누워 있는 환자(12)에 대해 최소 침습 진단 또는 수술 과정을 수행하기 위해 사용되는 최소 침습 로봇 수술(MIRS) 시스템(10)의 평면도이다. 이 시스템은 수술 과정 중에 외과의(18)에 의해 사용되는 외과의 콘솔(16)을 포함할 수 있다. 한 명 이상의 보조원(20)도 이 수술 과정에 참여할 수 있다. MIRS 시스템(10)은 또한 환자측 카트(22)(수술 로봇) 및 전자장치 카트(24)를 포함할 수 있다. 환자측 카트(22)는, 외과의(18)가 콘솔(16)을 통해 수술 부위를 보고 있는 동안에, 환자(12)의 신체 내의 최소 침습 절개부를 통해 적어도 하나의 제거가능하게 결합된 툴 어셈블리(26)(이하 간단히 "툴"이라 함)를 조작할 수 있다. 수술 부위의 영상이 환자측 카트(22)에 의해 배향 조작될 수 있는 입체 내시경과 같은 내시경(28)에 의해 얻어질 수 있다. 전자장치 카트(24)가 외과의 콘솔(16)을 통한 외과의(18)에게 제공되는 후속적인 화면표시를 위해 수술 부위의 영상을 처리하는 데 사용될 수 있다. 한번에 사용되는 수술 툴(26)의 개수는 일반적으로 무엇보다 진단 또는 수술 절차 및 수술실 내의 공간 제약에 좌우된다. 수술 과정 중에 사용되는 하나 이상의 툴(26)을 교체하는 것이 필요한 경우에는, 보조원(20)이 환자측 카트(22)로부터 툴(26)을 제거하고, 수술실 내의 트레이(30)로부터 또 다른 툴(26)로 교체할 수 있다.

도 2는 외과의 콘솔(16)의 사시도이다. 외과의 콘솔(16)은 외과의(18)에게 깊이 지각을 가능하게 해주는 수술 부위의 통합 입체 뷰(coordinated stereo view)를 제공하는 좌안 디스플레이(32) 및 우안 디스플레이(34)를 구비하고 있다. 콘솔(16)은 또한 환자측 카트(22)(도 1 도시)가 하나 이상의 툴을 조작하게 만드는 하나 이상의 입력 제어 장치(36)를 구비하고 있다. 입력 제어 장치(36)는 외과의에게 원격 현장감 또는 외과의가 툴(26)을 직접 제어한다는 강한 느낌을 가지도록 입력 제어 장치(36)가 툴(26)과 일체라는 지각을 제공하기 위해 연계된 툴(26)(도 1 도시)과 동일한 자유도를 제공할 수 있다. 이를 위해, 포지션, 힘 및 촉각 피드백 센서들(도시 안됨)이 툴(26)로부터의 포지션, 힘 및 촉각 감각을 입력 제어 장치(36)를 통해 외과의의 손으로 다시 전달하기 위해 채용될 수 있다.

외과의 콘솔(16)은 일반적으로 외과의가 수술 과정을 직접 모니터하고, 필요한 경우 직접 현장에 위치하고, 전화나 다른 통신 매체를 통하기보다 직접 보조원에게 이야기할 수 있도록 환자와 동일한 방에 배치된다. 하지만, 외과의는 원격 수술 과정을 허용하는 다른 방, 완전히 다른 건물 또는 환자로부터의 다른 원격지에 위치될 수도 있다.

도 3은 전자장치 카트(24)의 사시도이다. 전자장치 카트(24)는 내시경(28)과 결합될 수 있고, 외과의 콘솔 위의 외과의에게 제공되는 후속적인 화면표시, 또는 근처 및/또는 원격지에 배치되는 또 다른 적합한 디스플레이 상의 후속적인 화면표시 등을 위해 촬영된 영상을 처리하는 프로세서를 구비하고 있다. 예컨대, 입체 내시경이 사용되는 경우, 전자장치 카트(24)는 외과의에게 수술 부위의 통합 입체 영상(coordinated stereo image)을 제공하도록 촬영된 영상을 처리할 수 있다. 이러한 입체 영상의 통합(coordination)은 양쪽 영상들 간의 정렬을 포함할 수 있고, 입체 내시경의 입체 작동 거리를 조절하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 영상 처리는 광학 수차와 같은 영상 촬영 장치의 촬영 오차를 보정하기 위한 선결정된 카메라 보정 파라미터의 이용을 포함할 수 있다.

도 4는 로봇 수술 시스템(50)(도 1의 MIRS 시스템(10)과 같은)을 다이어그램으로 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 외과의 콘솔(52)(도 1의 외과의 콘솔(16)과 같은)은 외과의에 의해 최소 침습 수술 과정 중에 환자측 카트(수술 로봇)(54)(도 1의 환자측 카트(22)와 같은)를 제어하도록 사용될 수 있다. 환자측 카트(54)는 수술 부위의 영상을 촬영하고 촬영된 영상을 전자장치 카트(56)(도 1의 전자장치 카트(24)와 같은)로 출력하기 위해 입체 내시경과 같은 촬영 장치를 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 전자장치 카트(56)는 임의의 후속적인 화면표시 전에 다양한 방법으로 촬영된 영상을 처리할 수 있다. 예컨대, 전자장치 카트(56)는 결합된 영상을 외과의 콘솔(52)을 통해 외과의에게 화면표시하기 전에 촬영된 영상들을 가상 제어 인터페이스로 중첩시킬 수 있다. 환자측 카트(54)는 촬영된 영상을 전자장치 카트(56) 외부에서 처리하기 위해 출력할 수 있다. 예컨대, 환자측 카트(54)는 촬영된 영상을 처리하기 위해 사용될 수 있는 프로세서(58)로 촬영된 영상을 출력할 수 있다. 영상은 또한 촬영된 영상을 공동적으로, 순차적으로 그리고/또는 공동과 순차의 조합으로 처리하도록 함께 결합될 수 있는 전자장치 카트(56)와 프로세서(58)의 조합에 의해 처리될 수도 있다. 하나 이상의 별개의 디스플레이(60)가 또한 수술 부위의 영상이나 다른 관련 영상과 같은 영상의 현지 및/또는 원격 디스플레이를 위해 프로세서(58) 및/또는 전자장치 카트(56)와 결합될 수도 있다.

프로세서(58)는 일반적으로 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 포함할 것이며, 소프트웨어는 여기에 기능적으로 설명되는 제어의 방법 단계들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독가능 코드 명령을 구현한 실감형 매체를 포함한다. 하드웨어는 일반적으로 같은 장소에 배치될 수 있지만 종종 구성요소들을 여기에 설명되는 로봇 구조부들 중에 분포시키는 하나 이상의 데이터 처리 보드를 포함한다. 소프트웨어는 종종 비휘발성 매체를 포함할 것이며, 또한 모놀리식 코드를 포함할 수도 있지만, 더 일반적으로는 다수의 서브루틴을 포함할 것이며, 다양한 분산된 데이터 처리 아키텍처들에서 선택적으로 운용된다.

도 5a 및 5b는 각각 환자측 카트(22) 및 수술 툴(62)을 도시하고 있다. 수술 툴(62)은 수술 툴(26)의 한 예이다. 도시된 환자측 카트(22)는 3개의 수술 툴(26) 및 수술 부위의 영상의 촬영을 위해 사용되는 입체 내시경과 같은 촬영 장치(28)의 조작을 제공한다. 조작은 다수의 로봇 조인트를 갖는 로봇 기구에 의해 제공된다. 촬영 장치(28) 및 수술 툴(26)은 절개부의 크기를 최소화하기 위해 기구학적 원격 중심이 절개부에 유지되도록 환자의 절개부를 통해 포지셔닝되고 조작될 수 있다. 수술 부위의 영상은 수술 툴(26)의 원위 단부가 촬영 장치(28)의 시계 내에 포지셔닝될 때는 수술 툴(26)의 원위 단부의 영상을 포함할 수 있다.

수술 툴(26)은 절개부, 자연적 인체 구멍, 경피적 침투공 등과 같은 최소 침습 액세스 구멍을 통해 튜브형 캐뉼라(64)를 삽입함으로써 환자 내부로 삽압된다. 캐뉼라(64)는 로봇 매니퓰레이터 암에 장착되고, 수술 툴(26)의 샤프트가 캐뉼라의 관강을 통과한다. 매니퓰레이터 암은 캐뉼라가 장착 완료되었다는 것을 지시하는 신호를 전달할 수 있다.

로봇 수술 시스템 및 모듈형 매니퓰레이터 지지부

도 6은 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템(70)의 사시 개략도이다. 수술 시스템(70)은 장착 베이스(72), 지지 링키지(74), 배향 플랫폼(76), 복수의 외측 셋업 링키지(78)(2개 도시됨), 복수의 내측 셋업 링키지(80)(2개 도시됨), 및 복수의 수술 기구 매니퓰레이터(82)를 포함하고 있다. 매니퓰레이터(82)의 각각은 매니퓰레이터(82)에 장착되어 삽입 축선을 따라 환자 내부로 삽입가능한 수술 기구를 선택적으로 관절운동시키도록 작동가능하다. 매니퓰레이터(82)의 각각은 셋업 링키지(78, 80) 중의 하나에 부착되어 지지된다. 외측 셋업 링키지(78)의 각각은 제1 셋업 링키지 조인트(84)에 의해 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 연결되어 지지된다. 내측 셋업 링키지(80)의 각각은 배향 플랫폼(76)에 고정 부착되어 지지된다. 배향 플랫폼(76)은 지지 링키지(74)에 회전가능하게 연결되어 지지된다. 또한, 지지 링키지(74)는 장착 베이스(72)에 고정 부착되어 지지된다.

다수의 실시형태에 있어서, 장착 베이스(72)는 이동가능하며 플로어에 지지되어, 예컨대 수술실 내에서의 전체 수술 시스템(70)의 선택적인 리포지셔닝을 가능하게 해준다. 장착 베이스(72)는 조향가능한 휠 어셈블리 및/또는 선택적인 리포지셔닝과 더불어 선택된 포지션으로부터의 장착 베이스(72)의 운동을 선택적으로 방지하는 것 모두를 제공하는 임의의 다른 적합한 지지 피처를 구비할 수 있다. 장착 베이스(72)는 또한 예컨대 천장 장착부, 고정된 플로어/받침대 장착부, 벽 장착부 또는 임의의 다른 적합한 장착 표면에 의해 지지되도록 형성된 인터페이스와 같은 다른 적합한 형태부를 가질 수 있다.

지지 링키지(74)는 장착 베이스(72)에 대해 배향 플랫폼(76)을 선택적으로 포지셔닝 및/또는 배향시키도록 작동가능하다. 지지 링키지(74)는 칼럼 베이스(86), 병진운동 가능한 칼럼 부재(88), 쇼울더 조인트(90), 붐 베이스 부재(92), 붐 제1단 부재(94), 붐 제2단 부재(96), 및 리스트 조인트(wrist joint)(98)를 포함하고 있다. 칼럼 베이스(86)는 장착 베이스(72)에 고정 부착된다. 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)는 칼럼 베이스(86)에 대한 병진운동을 위해 칼럼 베이스(86)에 슬라이드 가능하게 연결되어 있다. 다수의 실시형태에 있어서, 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)는 수직방향으로 배향된 축선을 따라 칼럼 베이스(86)에 대해 병진운동한다. 붐 베이스 부재(92)는 쇼울더 조인트(90)에 의해 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)에 회전가능하게 연결된다. 쇼울더 조인트(90)는 칼럼 베이스(86)와 장착 베이스(72)에 대해 고정된 각도 배향을 가지는 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)에 대해 수평방향 평면 내에서 붐 베이스 부재(92)를 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다. 붐 제1단 부재(94)는 붐 베이스 부재(92)에 대해 수평방향으로 선택적으로 병진운동 가능하고, 이 수평방향은, 다수의 실시형태에 있어, 붐 베이스 부재(92) 및 붐 제1단 부재(94)의 양자 모두와 정렬된다. 붐 제2단 부재(96)도 마찬가지로 붐 제1단 부재(94)에 대해 수평방향으로 선택적으로 병진운동 가능하고, 이 수평 방향은, 다수의 실시형태에 있어, 붐 제1단 부재(94) 및 붐 제2단 부재(96)와 정렬된다. 따라서, 지지 링키지(74)는 쇼울더 조인트(90)와 붐 제2단 부재(96)의 원위 단부 사이의 거리를 선택적으로 설정하도록 작동가능하다. 리스트 조인트(98)는 붐 제2단 부재(96)의 원위 단부를 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 연결시킨다. 리스트 조인트(98)는 장착 베이스(72)에 대한 배향 플랫폼(76)의 각도 배향을 선택적으로 설정하도록 작동가능하다.

셋업 링키지(78, 80)의 각각은 배향 플랫폼(76)에 대해 연계된 매니퓰레이터(82)를 선택적으로 포지셔닝 및/또는 배향시키도록 작동가능하다. 셋업 링키지(78, 80)의 각각은 셋업 링키지 베이스 링크(100), 셋업 링키지 확장 링크(102), 셋업 링키지 평행사변형 링키지부(104), 셋업 링키지 수직방향 링크(106), 제2 셋업 링키지 조인트(108), 및 매니퓰레이터 지지 링크(110)를 포함하고 있다. 외측 셋업 링키지(78)의 셋업 링키지 베이스 링크(100)의 각각은 제1 셋업 링키지 조인트(84)의 작동을 통해 배향 플랫폼(76)에 대해 선택적으로 배향될 수 있다. 도시된 실시형태에 있어서, 내측 셋업 링키지(80)의 셋업 링키지 베이스 링크(100)의 각각은 배향 플랫폼(76)에 고정 부착된다. 내측 셋업 링키지(80)의 각각은 외측 셋업 링키지와 마찬가지로 추가적인 제1 셋업 링키지 조인트(84)를 통해 배향 플랫폼(76)에 회전가능하게 부착될 수도 있다. 셋업 링키지 확장 링크(102)의 각각은 연계된 셋업 링키지 베이스 링크(100)에 대해 수평 방향으로 병진운동 가능하고, 이 수평방향은, 다수의 실시형태에 있어, 연계된 셋업 링키지 베이스 링크 및 셋업 링키지 확장 링크(102)와 정렬된다. 셋업 링키지 평행사변형 링키지부(104)의 각각은 셋업 링키지 수직방향 링크(106)를 수직방향으로 배향된 상태로 유지하면서 셋업 링키지 수직방향 링크(106)를 수직방향으로 선택적으로 병진운동시키도록 작동가능하게 형성되어 있다. 예시의 실시형태에 있어서, 셋업 링키지 평행사변형 링키지부(104)의 각각은 제1 평행사변형 조인트(112), 연결 링크(114), 및 제2 평행사변형 조인트(116)를 포함하고 있다. 제1 평행사변형 조인트(112)는 연결 링크(114)를 셋업 링키지 확장 링크(102)에 회전가능하게 연결시킨다. 제2 평행사변형 조인트(116)는 셋업 링키지 수직방향 링크(106)를 연결 링크(114)에 회전가능하게 연결시킨다. 제1 평행사변형 조인트(112)는, 셋업 링키지 확장 링크(102)에 대한 연결 링크(114)의 회전이 연결 링크(114)에 대한 셋업 링키지 수직방향 링크(106)의 대항하는 회전과 조화되어, 셋업 링키지 수직방향 링크(106)를 수직방향으로 배향된 상태로 유지하면서 셋업 링키지 수직방향 리크106)가 수직방향으로 선택적으로 병진운동되도록, 제2 평행사변형 조인트(116)에 회전가능하게 결속된다. 제2 셋업 링키지 조인트(108)는 셋업 링키지 수직방향 링크(106)에 대해 매니퓰레이터 지지 링크(110)를 선택적으로 배향시키도록 작동가능하고, 이에 의해 셋업 링키지 수직방향 링크(106)에 대해 연계된 매니퓰레이터(82)를 선택적으로 배향시킨다.

도 7은 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템(120))의 사시 개략도이다. 수술 시스템(120)은 도 6의 수술 시스템(70)의 구성요소들과 유사한 구성요소들을 포함하고 있기 때문에, 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되고, 전술한 유사한 구성요소의 대응하는 설명이 수술 시스템(120)에도 적용될 수 있어 반복을 피하기 위해 그 설명을 여기서는 생략하기로 한다. 수술 시스템(120)은 장착 베이스(72), 지지 링키지(122), 배향 플랫폼(124), 복수의 셋업 링키지(126)(4개가 도시됨), 및 복수의 수술 기구 매니퓰레이터(82)를 포함하고 있다. 매니퓰레이터(82)의 각각은 매니퓰레이터(82)에 장착된 수술 기구를 선택적으로 관절운동시키도록 작동가능하고, 삽입 축선을 따라 환자 내로 삽입가능하다. 매니퓰레이터(82)의 각각은 셋업 링키지(126) 중의 하나에 부착되어 지지된다. 셋업 링키지(126)의 각각은 제1 셋업 링키지 조인트(84)에 의해 배향 플랫폼(124)에 회전가능하게 연결되어 지지된다. 배향 플랫폼(124)은 지지 링키지(122)에 회전가능하게 연결되어 지지된다. 또한, 지지 링키지(122)는 장착 베이스(72)에 고정 부착되어 지지된다.

지지 링키지(122)는 장착 베이스(72)에 대해 배향 플랫폼(124)을 선택적으로 포지셔닝 및/또는 배향시키도록 작동가능하다. 지지 링키지(122)는 칼럼 베이스(86), 병진운동 가능한 칼럼 부재(88), 쇼울더 조인트(90), 붐 베이스 부재(92), 붐 제1단 부재(94), 및 리스트 조인트(98)를 포함하고 있다. 지지 링키지(122)는 쇼울더 조인트(90)와 붐 제1단 부재(94)의 원위 단부 사이의 거리를 선택적으로 설정하도록 작동가능하다. 리스트 조인트(98)는 붐 제1단 부재(94)의 원위 단부를 배향 플랫폼(124)에 회전가능하게 연결시킨다. 리스트 조인트(98)는 장착 베이스(72)에 대한 배향 플랫폼(124)의 각도 배향을 선택적으로 설정하도록 작동가능하다.

셋업 링키지(126)의 각각은 배향 플랫폼(124)에 대해 연계된 매니퓰레이터(82)를 선택적으로 포지셔닝 및/또는 배향시키도록 작동가능하다. 셋업 링키지(126)의 각각은 셋업 링키지 베이스 링크(100), 셋업 링키지 확장 링크(102), 셋업 링키지 수직방향 링크(106), 제2 셋업 링키지 조인트(108), 토네이도 기구 지지 링크(128), 및 토네이도 기구(tornado mechanism)(130)를 포함하고 있다. 셋업 링키지(126)의 셋업 링키지 베이스 링크(100)의 각각은 연계된 제1 셋업 링키지 조인트(84)의 작동을 통해 배향 플랫폼(124)에 대해 선택적으로 배향될 수 있다. 셋업 링키지 수직방향 링크(106)의 각각은 연계된 셋업 링키지 확장 링크(102)에 대해 수직방향으로 선택적으로 병진운동 가능하다. 제2 셋업 링키지 조인트(108)는 셋업 링키지 수직방향 링크(106)에 대해 토네이도 기구 지지 링크(128)를 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다.

토네이도 기구(130)의 각각은 토네이도 조인트(132), 연결 링크(134), 및 매니퓰레이터 지지부(136)를 포함하고 있다. 연결 링크(134)는 매니퓰레이터 지지부(136)를 토네이도 조인트(132)에 고정 연결시킨다. 토네이도 조인트(130)는 매니퓰레이터 지지부(136)를 토네이도 기구 지지 링크(128)에 대해 토네이도 축선(136) 둘레로 회전시키도록 작동가능하다. 토네이도 기구(130)는, 매니퓰레이터(82)의 조작의 원격 중심(RC)이 토네이도 축선(136)과 교차되도록, 매니퓰레이터 지지부(136)를 포지셔닝 및 배향시키도록 형성되어 있다. 따라서, 토네이도 조인트(132)의 작동은 환자에 대해 연계된 조작의 원격 중심(RC)을 이동시키는 일없이 연계된 매니퓰레이터(82)를 환자에 대해 재배향시키도록 이용될 수 있다.

도 8은 도 7의 로봇 수술 시스템(120)의 개략도에 부합하는, 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템(140)의 간략도이다. 수술 시스템(140)은 도 7의 로봇 수술 시스템(120)에 맞추어져 있기 때문에, 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되고, 전술한 유사한 구성요소의 대응하는 설명이 수술 시스템(140)에도 적용될 수 있어 반복을 피하기 위해 그 설명을 여기서는 생략하기로 한다.

지지 링키지(122)는 다수의 셋업 구조부 축선을 따른 지지 링키지(122)의 링크들 간의 상대 운동을 통해 장착 베이스(72)에 대해 배향 플랫폼(124)을 선택적으로 포지셔닝 및 배향시키도록 구성되어 있다. 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)는 다수의 실시형태에 있어 수직방향으로 배향되는 제1 셋업 구조부(SUS) 축선(142)을 따라 칼럼 베이스(86)에 대해 선택적으로 리포지셔닝 가능하다. 쇼울더 조인트(90)는 다수의 실시형태에 있어 수직방향으로 배향되는 제2 SUS 축선(144) 둘레로 병진운동 가능한 칼럼 부재(88)에 대해 붐 베이스 부재(92)를 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다. 붐 제1단 부재(94)는 다수의 실시형태에 있어 수평방향으로 배향되는 제3 SUS 축선(146)을 따라 붐 베이스 부재(92)에 대해 선택적으로 리포지셔닝 가능하다. 또한, 리스트 조인트(98)는 다수의 실시형태에 있어 수직방향으로 배향되는 제4 SUS 축선(148) 둘레로 붐 제1단 부재(94)에 대해 배향 플랫폼(124)을 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다.

셋업 링키지(126)의 각각은 다수의 셋업 조인트(SUJ) 축선을 따른 셋업 링키지(126)의 링크들 간의 상대 운동을 통해 배향 플랫폼(124)에 대해 연계된 매니퓰레이터(82)를 선택적으로 포지셔닝 및 배향시키도록 구성되어 있다. 제1 셋업 링키지 조인트(84)의 각각은 다수의 실시형태에 있어 수직방향으로 배향되는 제1 SUJ 축선(150) 둘레로 배향 플랫폼(124)에 대해 연계된 셋업 링키지 베이스 링크(100)를 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다. 셋업 링키지 확장 링크(102)의 각각은 다수의 실시형태에 있어 수평방향으로 배향되는 제2 SUJ 축선(152)을 따라 연계된 셋업 링키지 베이스 링크(100)에 대해 선택적으로 리포지셔닝될 수 있다. 셋업 링키지 수직방향 링크(106)의 각각은 다수의 실시형태에 있어 수직방향으로 배향되는 제3 SUJ 축선(154)을 따라 연계된 셋업 링키지 확장 링크(102)에 대해 선택적으로 리포지셔닝될 수 있다. 제2 셋업 링키지 조인트(108)의 각각은 제3 SUJ 축선(154) 둘레로 셋업 링키지 수직방향 링크(106)에 대해 토네이도 기구 지지 링크(128)를 선택적으로 배향시키도록 작동가능하다. 토네이도 조인트(132)의 각각은 연계된 토네이도 축선(138) 둘레로 연계된 매니퓰레이터(82)를 회전시키도록 작동가능하다.

도 9는 다수의 실시형태에 따르는, 배향 플랫폼(124)에 대한 셋업 링키지(126)의 회전 배향 한계를 도시하고 있다. 셋업 링키지(126)의 각각은 배향 플랫폼(124)에 대해 시계방향 한계 배향된 상태로 도시되어 있다. 대응하는 반시계방향 한계 배향은 수직방향으로 배향되는 거울면에 대한 도 9의 거울상으로 나타난다. 도시된 바와 같이, 2개의 내측 셋업 링키지(126)의 각각은 수직방향 기준선(156)에서 한쪽 방향으로 5도로부터 시작하여 수직방향 기준선(156)에서 반대쪽 방향으로 75도까지 배향될 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 2개의 외측 셋업 링키지의 각각은 수직방향 기준선(156)에서 한쪽 방향으로 15도로부터 시작하여 반대쪽 방향으로 95도까지 배향될 수 있다.

도 10은 다수의 실시형태에 따르는 로봇 수술 시스템(160)용 지지 링키지의 회전 한계와 관련된 무게 중심 도면을 도시하고 있다. 로봇 수술 시스템(160)의 무게 중심(162)을 수술 시스템(160)의 지지 링키지(164)에 대해 최대한 한쪽으로 이동시키도록 로봇 수술 시스템(160)의 구성요소들이 포지셔닝 및 배향되어 있기 때문에, 지지 링키지(164)의 쇼울더 조인트는 장착 베이스의 소정의 안정성 한계를 초과하는 것을 방지하도록 셋업 구조부(SUS) 쇼울더 조인트 축선(166) 둘레로의 지지 구조부(164)의 회전을 제한하도록 구성될 수 있다.

배향 플랫폼에 의해 지지되는 기구학적 체인(kinematic chain)의 하나 이상의 조인트의 수동식 관절운동(manual articulation)에 응답한 배향 플랫폼의 포지셔닝

도 11 및 도 12는 사용을 위한 로봇 시스템의 셋업 중에 매니퓰레이터(82)의 링크(170)의 운동에 응답하여 배향 플랫폼을 구동시키는 방법을 개략적으로 도시하고 있다. 예시의 실시형태에 있어서, 운동의 기준 위치가 링크(170) 상에 위치되는 것이 아니라 그 대신 링크(170)에 대해 오프셋될 수 있다. 예컨대, 운동의 기준 위치는 매니퓰레이터 링키지의 베이스(또는 다른 구조부)로부터 오프셋된 원격 중심 위치, 특히 매니퓰레이터가 매니퓰레이터의 운동을 베이스에 대해 고정된 원격 중심 위치에서의 구면 운동으로 기구적으로 제한하는 곳에 배치될 수 있다. 따라서, 매니퓰레이터의 베이스(또는 다른 링키지 구조부)가 입력 링크(170)로서 기능할 수 있지만, 기준 위치는 링크 자체로부터 공간적으로 이격될 수 있으며, 종종 링크의 기준 프레임 내의 하나의 고정 위치에 위치될 수 있다.

배향 플랫폼의 구동 전, 플랫폼은 장착 베이스(72)에 대해 초기 포지션 및 배향을 가질 것이고(지지 링키지(70)의 조인트들의 상태에 따라), 매니퓰레이터는 각각이 배향 플랫폼에 대해 연계된 위치 및 배향을 가질 것이다(셋업 링키지(78, 80)의 조인트들의 상태에 따라). 마찬가지로, 매니퓰레이터(82)의 각각의 링크(170)(및/또는 그 링크에 연계된 기준 위치)는 매니퓰레이터 베이스(여기서는 박스(M)로 개략적으로 도시됨)와 플랫폼(76) 사이의 매니퓰레이터의 조인트들의 상태에 따르는 플랫폼(76)에 대한 포지션 및 배향을 가질 것이다. 링크(170)는 일반적으로 매니퓰레이터의 베이스를 포함하겠지만, 선택적으로 기구 홀더 즉 캐리지(carriage)와 같은, 수술 기구에 기구학적으로 가까운 즉 인접한 링크를 포함할 수도 있다. 매니퓰레이터의 조인트 상태는 대체로 자세 벡터(θ)에 의해 설명될 수 있다.

셋업 중에, 종종 복수의 링크(170) 중의 하나, 일부 또는 전부를 그 초기 포지션 및 배향으로부터 수술 부위와 정렬된 소정의 포지션 및 배향으로 이동시키는 것이 바람직할 것이다. 또한, 종종 외과의에게 폭 넓은 운동 범위를 제공하여 특이점(singularity)을 회피하는 것을 돕는 등을 위해 양호하게 컨디셔닝된 상태에서 매니퓰레이터에 의한 수술 절차를 시작하는 것이 바람직할 것이다. 다시 말해, 하나의 주어진 매니퓰레이터에 대해, 링크(170)와 수술 작업 부위 간의 소정의 정렬(매니퓰레이터의 원격 중심(RC)을 소정의 액세서 부위 위치(RC_D)에 또는 그 근방에 위치시키는 것을 포함)을 제공하는 것과, 매니퓰레이터를 소정의 매니퓰레이터 상태 즉 자세(θ_D)로 또는 그것에 가깝게 위치시키는 것의 모두가 유익할 것이다. 매니퓰레이터는 링크(170)의 운동 이전에 이미 소정의 매니퓰레이터 자세로 또는 그것에 가까운 자세로 있을 수도 있으며, 또는 양호하게 컨디셔닝된 자세와 크게 다른 초기 자세(θ_I)로 있을 수도 있다(θ_I≠θ_D)는 점에 유의해야 한다. 매니퓰레이터들의 서로에 대한 적합한 포지셔닝 및 구성은 또한 매니퓰레이터 충돌을 회피하는 것도 도와줄 수 있다. 매니퓰레이터가 수술 부위와 정렬되기 전에 양호하게 컨디셔닝된 자세에 있지 않은 경우에는, 매니퓰레이터의 자세는 배향 플랫폼을 이동시키기 전에, 배향 플랫폼을 이동시킨 후에 또는 배향 플랫폼을 이동시키는 동안에 선택적으로 양호하게 컨디셔닝된 자세로 변경될 수 있다. 초기 자세로부터 양호하게 컨디셔닝된 자세로 자세를 변경시키는 일은 매니퓰레이터의 조인트들을 수동식으로 관절운동시킴으로써 수행될 수 있다. 선택적으로, 매니퓰레이터를 초기 자세로부터 양호하게 컨디셔닝된 자세로 구동시키는 것이 유익할 수도 있다. 간략함을 위해, 이하의 설명은 플랫폼의 운동 개시 전에 매니퓰레이터들이 소정의 및/또는 양호하게 컨디셔닝된 자세에 있는 것을 가정한다. 여하튼, 다수의 매니퓰레이터(82)를 하나의 공통의 플랫폼(76)에 장착하는 것과, 플랫폼에 대해 매니퓰레이터들 중의 하나를 지지하는 조인트들 중의 하나의 링크의 운동에 응답한 플랫폼의 피동 운동이 매니퓰레이터들의 운동이 수술 공간과의 소정의 정렬 상태로 되는 것을 용이하게 해줄 수 있다.

매니퓰레이터의 조인트들은, 종종 배향 플랫폼의 운동 및/또는 셋업 링키지의 수동식 관절운동 중에, 선택적으로 임의의 수동식 관절운동에 대항하도록 매니퓰레이터의 조인트들의 각각의 모터를 구동시키는 것에 의해 또는 조인트 브레이크로 매니퓰레이터의 조인트 상태를 고정시키는 것에 의해 또는 전술의 모터 구동과 조인트 브레이크에 의한 고정의 양자의 조합에 의해 또는 기타의 방법에 의해, 고정된 구성으로 유지될 것이다. 따라서, 배향 플랫폼의 운동 및 셋업 링키지의 수동식 관절운동 중에 링크들의 약간의 휨과 조인트들의 작은 변위(excursion)는 있을 수 있겠지만, 매니퓰레이터들은 일반적으로 사실상의 하나의 강체로서 이동할 것이다. 더욱이, 사용자에 의해 조작되고 그리고/또는 운동의 기준으로서 사용되어질 링크(170)는 매니퓰레이터의(또는 매니퓰레이터에 기구학적으로 인접한) 임의의 하나 이상의 링크가 될 수 있다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 로봇 시스템 프로세서의 배향 플랫폼 운동 모드를 시작(180)하기 위해, 연계된 링크(170) 상의 또는 그것에 인접한 입력부(172)가 가동될 수 있다. 입력부(172)는 선택적으로 간단한 전용 입력 버튼 등으로 이루어질 수 있지만, 일부 실시형태는 대체성 사용자 인터페이스 접근법에 의한 이점을 취할 수도 있다. 하나의 예로서, 한 가지 예시의 입력부는 대신으로 셋업 조인트 작동에 응답하여 플랫폼 운동 모드를 시작함으로써 전용 버튼을 회피할 수 있다. 보다 상세하게는, 플랫폼 운동 모드는 먼저 연계된 매니퓰레이터를 지지하는 셋업 조인트를 해제하여 그 매니퓰레이터의 원격 중심(즉 "포트(port)") 위치가 수동식으로 리포지셔닝되는 것을 가능하게 해주는 것에 의해 시작될 수 있으며, 수동식 운동 모드는 종종 포트 클러칭(port clutching)이라고 불려진다. 매니퓰레이터가 수동식으로 해제된 셋업 조인트 링키지에 대한 운동 한계의 범위의 임계값 내로 이동되었을 때(또는 일부 실시형태에서 실질적으로 도달할 때), 시스템은 응답하여 플랫폼 후속 모드를 시작할 수 있다. 따라서, 셋업 조인트의 운동 한계의 범위에 도달(또는 접근)하는 것이 플랫폼 운동 모드의 시작을 위한 요청 및/또는 가동의 입력을 행하기 위한 방법이 된다. 입력부(172)는 선택적으로 간단한 통상 오프(OFF)된 입력부일 수 있다.

프로세서는 캐뉼라가 매니퓰레이터에(또는 배향 플랫폼에 의해 지지되는 임의의 다른 매니퓰레이터에) 장착된 경우에 입력부의 작동에도 불구하고 배향 플랫폼 운동 모드를 시작하지 않을 수 있다. 주어진 매니퓰레이터(82)의 입력부(172)가 작동되는 동안에 그리고/또는 입력부(172)의 작동에 응답하여, 그 매니퓰레이터와 배향 플랫폼 사이에 배치된 셋업 링키지(78, 80)는 종종 수동식 관절운동을 허용하도록 잠금해제될 것이다. 이 셋업 링키지(78, 80)의 관절운동은 감지되어 배향 플랫폼(76)을 이동시키기 위해 셋업 구조부의 조인트를 구동시키기 위한 입력으로서 사용될 수 있다. 시스템은 종종 사용자가 작동 플랫폼에 대해 매니퓰레이터를 쉽게 재배향 및/또는 리포지셔닝시킬 수 있도록 셋업 링키지들의 축선들을 중심으로 밸런싱될 것이며, 매니퓰레이터는 일반적으로 링크(172)가 시스템의 플랫폼 및 베이스(72)에 대해 이동될 때 비교적 강체로서 이동한다. 매니퓰레이터의 구동 시스템이 매니퓰레이터 변위의 조인트의 관절운동에 저항하도록 프로세서에 의해 동력 공급되어 제어될 수 있다는 점, 또는 매니퓰레이터의 조인트 브레이크가 관절운동을 방지할 수 있다는 점, 하지만 매니퓰레이터 링키지의 약간의 휨 및/또는 조인트 상태의 작은 변위가 여전히 링크(170)에 부여되는 힘에 의해 생길 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한 링크(170)와 배향 플랫폼 사이에서 관절운동하도록 허용되는 조인트들이 동력을 공급받게 되는 대안적인 실시형태에 있어서는(소프트웨어-센터 시스템에서와 같이), 그러한 조인트들은 매니퓰레이터의 조인트 상태 감지 시스템이 시스템 사용자로부터의 소정의 운동 입력 또는 명령을 쉽게 식별하기에 충분하게 링크가 수동식으로 이동되는 것을 허용할 만큼 충분히 경미한 운동 저항력을 제공하도록 동력 공급될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

여전히 도 11 및 도 12를 참조하면, 대체로 전술된 바와 같이, 일단 특정 매니퓰레이터(82)가 입력 장치(입력부(172)의 스위치를 누르는 등에 의해)로서 사용되는 것에 의해 배향 플랫폼 운동 모드가 시작되면, 그 매니퓰레이터의 링크(170)는 플랫폼에 대해 수동식으로 이동될 수 있다. 일반적으로, 셋업 조인트들 중의 하나 이상(선택적으로 전부)이 해제되어, 해제된 셋업 조인트의 수동식 관절운동을 통해 링크(170)의 입력 운동이 일어나는 것을 가능하게 해줄 수 있으며, 선택적으로 매니퓰레이터의 링키지의 관절운동이 방지된다(매니퓰레이터의 브레이크 시스템 등을 사용하여 운동을 회피하도록 매니퓰레이터를 구동시킴으로써). 따라서, 입력이 셋업 조인트 시스템의 하나 이상의 조인트의 관절운동으로서 적어도 부분적으로 감지될 수 있다. 매니퓰레이터의 하나 이상의 조인트와 셋업 조인트 시스템의 하나 이상의 조인트의 관절운동의 선택적인 조합을 통해 수동식 입력을 가능하게 해주는 등의 또 다른 선택적 방안이 채용될 수도 있다. 여하튼, 기구학적 분석을 용이하게 해주고, 유익한 변환을 위한 입력을 제공하는 등을 위해, 셋업 구조부(배향 플랫폼을 지지하는 조인트를 포함), 셋업 조인트 시스템 및 매니퓰레이터의 조인트 상태가 일반적으로 감지될 것이다(182).

사용자에 의한 수동식 입력 명령(링크(170)의 수동식 운동에 의해 시작되고 그 링크를 지지하는 조인트의 수동식 관절운동을 통해 감지되는)에 기초하여, 명령이 셋업 구조부를 이동시키기 위해 연산된다(183). 배향 플랫폼은 종종 사용자가 링크(170)를 계속해서 이동시키는 동안 연산된 명령마다 구동되어, 배향 플랫폼에 의해 지지되는 매니퓰레이터의 베이스가 수동식으로 이동하는 링크를 추종할 것이다. 제1 매니퓰레이터를 이동시켜 수술 부위와의 소정의 정렬 상태로 만드는 동안에, 다른 매니퓰레이터들은 각각 고정된 자세로 유지될 수 있다. 마찬가지로, 배향 플랫폼과 상기 다른 매니퓰레이터들 사이의 셋업 링키지도 플랫폼의 운동 중에 잠금된 상태로 유지될 수 있다(그리고/또는 다르게는 그들의 관절운동을 방지시킬 수 있다). 상기 다른 매니퓰레이터들의 링크(170)와 배향 플랫폼 사이의 모든 조인트들에 대해 관절운동이 방지될 수 있으므로, 모든 다른 입력 링크들(및 다른 매니퓰레이터들의 구조부들)은 입력부(172)가 작동되는 매니퓰레이터의 링크(170)를 추종한다.

배향 플랫폼은, 사용자가 연계된 링크(170)를 파지하여 작업 공간과의 소정의 정렬 상태로 이동시키는 동안에, 입력 매니퓰레이터(입력부(172)가 작동되는 것)를 지지하는 입력 셋업 링키지가 그 초기 구성을 유지하게 가압되도록(시스템이 배향 플랫폼 모드를 시작했을 때), 구동될 수 있다. 링크(170)의 포지션은 배향 플랫폼의 운동 중에 사용자에 의해 계속해서 수동식으로 제어될 수 있다. 다시 말해, 배향 플랫폼은, 셋업 링키지(78, 80)의 현재 자세(θ)와 입력 링크(170)의 현재 위치를 가정했을 때(배향 플랫폼의 운동 중에), 입력 셋업 링키지(78, 80)가 현재 자세로부터 초기 자세를 향해 관절운동하도록(θ→θi) 배향 플랫폼의 구동 시스템이 배향 플랫폼을 이동시키도록(185), 이동될 수 있다. 배향 플랫폼의 이 운동의 효과는 주로 입력 링크(170)와 배향 플랫폼의 초기 특수 관계를 유지시켜, 입력 링크가 사용자의 손에 의해 이동될 때, 배향 플랫폼(및 그것에 의해 유지되는 모든 매니퓰레이터)이 그 입력 링크를 추종한다. 배향 플랫폼 운동 모드는 입력부(172)를 해제시키는 것, 캐뉼라를 입력 매니퓰레이터에 장착시키는 것 등에 의해 종료될 수 있다(184). 캐뉼라는 그것이 환자 신체 내에 뻗어 있게 된 후까지 매니퓰레이터에 장착되어 있을 수 있어, 프로세서 시스템이 캐뉼라가 장착된 매니퓰레이터의 입력부(172)의 작동에 응답하여 배향 플랫폼 운동 모드를 시작하는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

배향 플랫폼(76)은 다수의 매니퓰레이터(82)를 다수의 과정에 대해 유리한 상대 포지션에서 지지할 수 있다. 따라서, 일단 제1 매니퓰레이터(82)의 링크(170)가 수술 작업 부위와의 소정의 정렬 상태로의 이동을 완료하면, 다른 매니퓰레이터들의 기구 홀더 등은 종종 그들의 연계된 수술 툴에 대한 연계된 소정의 초기 정렬 상태에 또는 그것에 가까운 상태에 있게 될 것이며, 매니퓰레이터의 단지 제한된 추가적인 리포지셔닝만 행하면 되는 것이 보장될 수 있다. 특정 매니퓰레이터 정렬 상태로의 작은 조절은 배향 플랫폼에 대해 매니퓰레이터를 지지하는 셋업 조인트 암의 브레이크 시스템을 해제하여 그 매니퓰레이터를 모든 다른 매니퓰레이터에 대해 원하는 대로 이동시킴으로써 충당될 수 있다. 예컨대, 일단 카메라 매니퓰레이터가 배향 플랫폼을 포지셔닝하고 모든 매니퓰레이터들을 초기 정렬시키기 위해 사용된다면, 각각의 기구 매니퓰레이터와 배향 플랫폼 사이의 셋업 링키지들이 해제될 수 있고, 해제된 매니퓰레이터 포지션이 필요에 따라 독립적으로 조절될 수 있다. 배향 플랫폼 운동 모드의 한 가지 예시의 실시형태에 있어서, 제1 입력 링크(170)의 수동식 운동의 감지 작업이 초기 원격 중심(RC)으로부터 소정의 원격 중심(RCd)으로의 매니퓰레이터의 운동을 효과적으로 감지한다. 배향 플랫폼의 운동은 다른 매니퓰레이터들의 초기 원격 중심(RC)을 그들의 연계된 소정의 원격 중심(RCd)을 향해 이동시킨다. 상기 다른 매니퓰레이터들의 원격 중심 위치의 추가적인 조절은 다음에 연계된 매니퓰레이터의 셋업 링키지의 각각을 순차적으로 해제하고, 해제된 매니퓰레이터를 해제된 매니퓰레이터의 초기 원격 중심(RC)과 소정의 원격 중심(RCd) 사이에 소정의 정렬을 제공하도록 이동시킴으로써 수행될 수 있다.

배향 플랫폼 운동 명령의 연산

이제 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 배향 플랫폼의 이동 명령을 연산하기 위한 한 가지 예시의 소프트웨어 구조 및/또는 프로세서 구성이 이해될 수 있다. 배향 플랫폼과 다른 매니퓰레이터들이 흔히 배향 운동 입력부(172)가 작동된 입력 링크(170)의 운동을 추종할 것이기 때문에, 전체 운동은 다소 "리드-드-호스-바이-드-노우즈(Lead-the-Horse-By-the-Nose)"(LHBN) 제어 모드와 유사하다(여기서 종종 LHBN 제어 모드라고 불려짐). LHBN 제어 모드는 사용자가 작동 플랫폼(76)을 이동시키고 부동하는 매니퓰레이터(82)의 원격 중심을 수동식으로 이동시킴으로써 셋업 구조부를 구동시키는 것을 가능하게 해준다. 한 가지 기본적인 형태에 있어서, 제어 목적은 매니퓰레이터(82) 원격 중심이 작동 플랫폼(76) 프레임 내의 소정의 위치에 유지되도록 작동 플랫폼(76)을 이동시키는 데 있다. 따라서, 사용자가 매니퓰레이터(82)를 세계 프레임 내에서 수동식으로 변위시킬 때, 컨트롤러는 작동 플랫폼(76)과 그 프레임을 실제 원격 중심과 소정의 원격 중심 간의 오차를 0이 되게 만들도록 동일한 변위를 통해 이동시킬 수 있다.

실제 원격 중심(RC) 위치와 소정의 원격 중심(RCd) 위치 간의 원시 오차(raw error)가 도 12a에 도시된 바와 같이 LHBN 컨트롤러에의 입력 명령(220)을 형성한다. 오차를 원시 속도 명령 내로 스케일링(scaling)하기 전에 작은 데드존(dead zone)(222)(10 cm 미만, 흔히 약 3 cm 이하)이 오차 신호에 적용된다. 로우 패스 필터(약 1 Hz와 10 Hz 사이, 일반적으로 대략 1 Hz의)가 대역 제한 속도 명령을 발생시킨다. 그런 다음 명령은 작동 플랫폼 프레임 내에서 속도 명령을 생성하도록 포화(saturation)된다(224). LHBN 모드가 시작될 때, 하프 코사인형 스케일링이 명령을 평활하게 램프업(ramp up)하기 위해 단구간 윈도우(short window)에 걸쳐 명령에 적용된다. 마찬가지로, 명령은 모드에서 빠져나갈 때 감속도를 평활화(smooth)시키기 위해 역방향으로 하프 코사인형 스케일링에 의해 스케일링된다. 스케일링 개시/정지 후에, 속도 명령은 셋업 구조부의 역기구학(inverse kinematics)에 제공된다. 이후의 속도 명령의 트리밍(trimming)이 조인트가 그 한계에 위치하거나 그것에 가깝게 위치될 때 역기구학 연산에서 일어날 수 있다.

여기서 앵커(anchor)라고도 불려지는 소정의 원격 중심 위치(RCd)는 LHBN 모드가 시작될 때 설정된다. LHBN 제어 모드가 개시될 때, 소정의 원격 중심(RCd)과 실제 원격 중심(RC)이 함께 배치되어, 0 오차로 모드를 시작한다(입력 링크(170)가 배향 플랫폼에 대해 이동하지 않는 한 또한 그 때까지는 플랫폼이 이동하지 않도록). LHBN 제어 모드 동안의 링크(170)의 수동식 운동은 실제 원격 중심(RC)이 대체로 작동 플랫폼의 프레임 내에서 소정의 원격 중심(RCd)에 유지되도록 플랫폼이 구동되게 만든다. 기본적인 LHBN 작동에 대한 여러 개선점들은 실제 원격 중심에 대한 앵커 즉 소정의 원격 중심(RCd)의 위치를 선택적으로 슬라이딩시키거나 변경시켜 그 거동을 수정한다. 앵커는 예컨대 도 12a에 지시된 바와 같이 일정 앵커 드래깅(dragging) 속도를 명령하고 적분함으로써 이동될 수 있다. 한 가지 앵커 속도 입력은 포화 속도 명령과 불포화 속도 명령 간의 차이일 수 있다(226). 이 특징의 목적은 큰 포화 속도 명령을 피하기 위함일 수 있다. 일단 속도 명령이 포화에 도달하면, 원격 중심의 임의의 추가적인 입력 운동은 앵커를 드래깅하여(또는 배향 플랫폼에 대해 RCd를 이동시켜), 명령을 포화 한계에 유지시킨다. 직관적으로, 앵커와 원격 중심 간의 오차는 구(ball)로서 시각화될 수 있고, 앵커를 드래깅한다는 것은 오차 벡터가 구의 반경에 도달했을 때는 언제든지 구의 중심을 드래깅한다는 것을 의미한다.

도 12b에 도시된 블록도 모델을 참조하여 이해될 수 있는 바와 같이, 셋업 링키지(78, 80)의 운동 한계의 범위 또는 하드 스톱(hard stop)에서 벗어난 운동도 앵커 드래깅을 통해 성취된다. 하드 스톱에서 벗어난 셋업 구조부(74)의 얼마간의 자동적인 운동이 바람직하다. 그 이유는 그러한 하드 스톱에서 벗어난 셋업 구조부(74)의 얼마간의 자동적인 운동이 없다면, 사용자가 소정의 셋업 구조부 운동을 쉽게 수동식으로 명령할 수 없기 때문이다. 하나의 실시형태에 있어서, 서브루틴(subroutine)이 셋업 링키지(78, 80)의 운동의 한계에 설치되는 스프링을 모사하는 플랫폼(76) 상에 작용하는 가상력을 연산할 수 있다(230). 이 힘은 포트 드래깅력(port-dragging force)이라고 불려질 수 있다. 가상력이 각각 구성된 매니퓰레이터(82)로부터 전달되어, 셋업 구조부 컨트롤러가 셋업 조인트 운동 한계의 범위에서 물러나는 것을 가능하게 해준다. LHBN 제어 모드 소프트웨어는 입력 매니퓰레이터(82)로부터의 포트 드래깅 가상력을 스케일링하여 이 수량을 앵커 드래깅 속도에 더할 수 있다. 그 효과는 셋업 구조부(74)를 셋업 링키지(78, 80)의 하드 스톱에서 벗어나게 이동하도록 구동시키는 명령(232)을 생성하는 것이다.

LHBN 제어 모드에 사용되는 게인, 포화 및/또는 데드존의 일부 또는 전부는 선택적으로 조정가능하다. 도 12a 및 도 12b에서의 각각의 파라미터를 아래의 표에 열거한다.

XY_DEADZONE, x-y 평면 내에서의 입력 운동에 적용되는 데드존

Z_DEADZONE, z 방향에서의 입력 운동에 적용되는 데드존

ERR_SAT, 최대 오차 입력. 이 값을 넘은 오차는 포화된다

VFORCE_GAIN, 셋업 조인트로부터의 가상력의 앵커 드래깅 속도 내로의 스케일링

VFORCE_MAXVEL, 앵커 드래깅 속도의 포화

SHAPING_COEFF, 포화된 포지션 명령을 형상화하는 다항식의 계수

GAIN, 포지션 명령(데드존 및 포화 후의 오차 신호) 및 LBHN 속도 명령으로부터의 게인

MAX_XY, x-y 평면 내에서의 최대 속도 명령

MAX_Z, z 방향에서의 최대 속도 명령

VELCMD, 최종 속도 명령

VSPRING_DZ_FRAC, 각각의 셋업 조인트 운동의 범위의 데드존 부분

VSPRING_GAIN, 각각의 조인트의 데드존 외부에서의 가상 조인트 힘에 대한 포지션으로부터의 게인

RED_SUJ_JT_INV, 셋업 조인트 자코비안(Jacobian)의 역전치(inverse transpose)

VSPRING_FORCE, OP에 반영되는 최종 가상력

셋업 구조부 링키지를 셋업 조인트 링키지 하드 스톱에서 벗어나게 이동시키는 데 사용되는 가상 스프링력은 도 12b에 도시된 바와 같이 연산될 수 있으며, 데드존 부분은 얼마나 큰 운동의 범위가 아무런 가상력도 생성하지 않는지를 결정할 수 있다. 데드존 부분은 단위값(unity)보다 작아야 하며, 활성 부분은 각각의 조인트의 2개의 하드 스톱 간에 균등하게 나누어질 수 있다는 점에 유의해야 한다. 사용자가 셋업 조인트가 하드 스톱에 대항하도록 원격 중심을 이동시키는 경우, 앵커 드래깅은 하드 스톱에서 벗어나게 이동하도록 가상력을 적분하여 속도 명령을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 셋업 구조부를 셋업 조인트 운동 한계의 범위에서 벗어나게 이동시키는 평활하게 증가하는 속도 명령이 생성될 것이다. 속도 명령은 셋업 구조부의 정상 상태 속도가 유지되게 되는 지점인 포화에 도달할 때까지 증가할 것이다.

따라서 가상력에 대한 큰 게인이 강하게 오차를 포화로 만들 것이다. 가상력의 연산에 개입되는 핵심 요소들의 더 자세한 설명은 상기 표를 참조할 수 있다.

이제 도 12c를 참조하면, 셋업 구조부와 배향 플랫폼(124)을 위한 한 가지 선택적인 구동 시스템은 바람직하게 x 축선, y 축선 및 z 축선을 따른 운동이 매니퓰레이터 RC를 배향 플랫폼에 대한 소정의 포지션으로 구동시키는 것을 가능하게 해준다. 공간 내에서 매니퓰레이터(82)의 하나 이상의 링크를 수동식으로 이동시킴으로써(그리고 선택적으로 전체 매니퓰레이터를 이동시킴으로써), 사용자는 단지 소정의 매니퓰레이터 RC 포지션(배향 플랫폼 기준 프레임 내에서)과 실제 매니퓰레이터 RC 포지션 간의 오차 벡터를 연산하고 이 벡터를 이용하여 소정의 x, y, z 속도들을 생성하는 것에 의해 작동 플랫폼이 추종하도록 만들 수 있다.

이제 도 12c 및 도 12d를 참조하면, 배향 플랫폼의 x, y, z 및 θ 축선들을 이동시키기 위한 방법은 대체로 수술 과정을 시작했을 때 양호하게 컨디셔닝된 매니퓰레이터 자세를 제공하도록(매니퓰레이터의 여러 자유도가 바람직하게 운동의 범위의 중심 근방에 위치하는 동시에 툴이 수술 작업 공간의 소정의 위치에 있고, 매니퓰레이터 기구학이 운동을 방해하는 특이점 등에서 양호하게 벗어나 있는), 배향 플랫폼(124)과 그것에 장착되는 하나 이상의 매니퓰레이터(82)의 소정의 포지셔닝을 성취하는 것을 모색한다. 전술한 바와 같은 카트 장착형 셋업 구조부에 의해 지지되는 배향 플랫폼과 더불어, 천장 장착형 셋업 구조부(190)와 1, 2, 3, 4 또는 그보다 큰 자유도를 갖는 다른 피구동 로봇 링키지가 채용될 수 있다. 마찬가지로, 운동을 위한 입력은 선택적으로 피동형 조인트(전술한 셋업 조인트 구조부를 따른 조인트들 중의 하나와 같은) 및/또는 하나 이상의 능동적으로 구동되는 조인트(매니퓰레이터(80, 82)의 조인트와 같은)를 수동식으로 관절운동시킴으로써 입력될 수 있다. 따라서, 시스템이 몇 가지 예시의 로봇 기구학적 구조를 참조하여 설명될 수 있지만, 제어 기법은 여유 자유도 및/또는 많은 수의 조인트들을 갖는 다양한 다른 로봇 시스템들에도 양호하게 적용될 수 있고, 구동형 조인트와 피동형 조인트의 혼합을 가지는 시스템; 셋업 중에 구동되는 한 세트의 조인트와 수술 중에 구동되는 또 다른 세트의 조인트(일부 중첩되는 부재의 유무와 상관없이)를 구비하는 시스템; 개별의 매니퓰레이터 컨트롤러가 제한된 상태 정보만을 교환하게 되는 시스템; 등을 고려했을 때 특히 매력적이다.

셋업 중에 시스템의 로봇 성능을 이용하기 위해, 로봇 시스템의 프로세서는 로봇 구조부가 매니퓰레이터의 링크의 수동식 운동 중에 배향 플랫폼과 매니퓰레이터 원격 중심 사이의 소정의 관계 즉 자세를 위해 구동되며 그리고/또는 그 소정의 자세를 유지하게 되는 모드를 실시하는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이 알고리즘은 작동 중일 때 입력으로서 배향 플랫폼과 매니퓰레이터 원격 중심 사이의 실제 관계 및 소정의 관계를 취하고, 선택적으로 매니퓰레이터 원격 중심의 포지션과 배향을 교란시키는 일없이 실제 자세를 소정의 자세로 구동시킨다. 다시 말해, 사용자가 피동형 축선들을 이동시킬 때, 구동형 축선들은 선택적으로 특정 로봇 자세를 성취하거나 유지시키도록 추종할 수 있다.

도 13에 도시된 단순화된 4-링크 매니퓰레이터가 여기에 설명되는 제어 구조 및 방법의 하나의 실시형태를 설명하는 데 도움을 준다. 이 개략적인 매니퓰레이터에 있어서, 링크(191, 192)는 q₁ 및 q₂가 컨트롤러에 의해 제어되는 것을 의미하는 구동형인 한편, 링크(193, 194)는 피동형으로 손에 의해 이동될 수 있다. 지점(Q)은 사용자의 직접적 관심 대상인 로봇 상의 지점이며, 로봇 베이스에 대한 사용자 특정 목표 위치로 수동식으로 포지셔닝된다. 따라서, 지점(Q)은 매니퓰레이터의 원격 중심에 해당할 수 있으며, 사용자는 일반적으로 매니퓰레이터가 예컨대 이미 환자 내부에 설치되어 있을 수 있거나 로봇 구조부가 포지션으로 이동된 후에 환자 내부에 삽입될 수 있는 카메라 캐뉼라에 접속될 수 있도록 지점(Q)를 포지셔닝하게 될 것이다. 여러 가지 이유로(유용한 운동 범위를 최대화하고, 충돌을 최소화하는 등), 종종 P와 Q 사이에 특정 관계를 취득하는 것이 바람직하다. 조인트(q₃, q₄)가 자유로운 한, 충분한 운동의 범위가 존재하고, 매니퓰레이터는 특이점에 가깝지 않으며, P는 Q가 단순히 베이스에 대해 고정적으로 유지되는 경우에 컨트롤러가 자유롭게 소정의 관계를 설정하도록 Q에 독립적으로 병진운동할 수 있다. 이 원리는 사용자가 Q를 공간 내에 고정된 상태로 유지시키는 동안에 P 대 Q 관계를 자동적으로 설정하는 장점을 취할 수 있다. 또한, 이 자동 포지셔닝 알고리즘을 계속적으로 운용할 수도 있어, 사용자가 Q의 포지션을 수동식으로 조절할 때, 구동형 축선(q₁, q₂)은 소정의 P-Q 관계를 유지하는 방식으로 이동한다.

도 13의 단순화된 예에 있어서는, 2개의 구동형 자유도와 2개의 피동형 자유도가 도시되어 있으며, 유일한 관심 대상의 양은 P 및 Q의 평면 내에서의 상대 포지션이었다. 천장 및/또는 카트 장착형 로봇 수술 시스템은 흔히 더 복잡할 것이며; 도 12d의 실시형태에 있어서 7개의 구동형 자유도(갠트리에 대해 4개 그리고 전자 정류 모터(ECM)에 대해 3개의 관련 축선)와, 3개의 피동형 축선(배향 플랫폼(124)과 매니퓰레이터(82) 사이의 셋업 조인트(198)로 개략적으로 도시됨), 총 10개의 자유도가 존재한다. 매니퓰레이터 원격 중심 단부 지점 위치 및 배향을 유지하는 것에는 흔히 6개의 자유도 문제이며, 이 실시형태에서 내부 최적화를 실행하기 위한 4개의 여유 자유도가 남는다. 이 논의를 위해, 고려되어야 할 정확한 성질은 다수의 기준을 포함할 수 있고, 여기에 설명된 많은 개념은 최적의 목표 위치를 결정하는 데 사용되는 방법에 상관없이 적용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이러한 종류의 최적화를 수행하기 위한 한 가지 전략은 전체 시스템을 단일의 10 여유 자유도의 매니퓰레이터로서 간주하는 것이다. 그러면, 주요한 필수적인 목적에 비용 함수(cost function)를 최소화하는 소정의 보조적인 목적을 결합하여 제공하는 기법을 사용할 수 있다. 주요 목적은 수술실에 대한 매니퓰레이터 원격 중심의 포지션 및 배향을 유지시키는 것일 수 있으며, 보조적인 목적은 배향 플랫폼과 매니퓰레이터 간의 최적의 관계를 성취하는 것일 수 있다.

두번째 전략은 과제를 다음과 같이 2개의 부분으로 나누는 것이다.

1) 비용 함수를 최소화하는 것을 모색하는 셋업 구조부 최적화 과제. 이러한 비용 함수는 배향 플랫폼 포지션 및 배향이 매니퓰레이터 RC에 대한 최적의 또는 소정의 위치에 도달할 때 최소값을 성취하도록 구성된다.

2) 수술실에 대한 일정한 매니퓰레이터 배향을 유지시키는 것을 모색하는 매니퓰레이터 조절 과제.

이 두번째 전략은 전자 정류 모터(ECM)과 갠트리 매니퓰레이터 간에 공유될 필요가 있는 유일한 정보는 베이스와 각각의 팁의 위치이며 - 모든 조인트의 포지션을 알 필요가 없다는 사실에서 유익하다. 이는 이 특정 전략에 매니퓰레이터 간의 작은 통신 대역을 요구한다는 장점을 제공한다.

이제 원격 중심을 이동시킴이 없이 셋업 구조부를 이동시키는 데 필요한 수학적 구조(mathematical framework)를 제공한다. 이제 도 14 및 도 15를 참조하면, 단순화된 평면 셋업 구조부 링키지를 소정의 자세로 구성하면 매니퓰레이터를 영공간(null space)을 통해 이동시키는 것으로서 모델링될 수 있다(도 13의 상기 설명에 대하여, Q가 불변으로 남아 있는 한편, P는 공간 내에서 소정의 x 및 y 위치로 구동되도록). 수학적으로, 도 14에서 링크(1-3)의 길이가 l _1-3일 때, 자코비안 행렬(Jacobian matrix)과 조인트 포지션 벡터(q)는 다음과 같음을 알 수 있다.

다음은 엔드 이펙터 운동과 어떠한 엔드 이펙터 운동도 일으키지 않는 내부 조인트 운동의 합으로서의 조인트 속도의 분해식이다.

따라서, θ₁을 이동시킬 수 있고, 엔드 이펙터 포지션을 변경시키지 않는다면 영공간을 통해 매니퓰레이터를 이동시키는 데 θ₂ 및 θ₃를 특정할 필요는 없었다. 매트랩 시뮬레이션(Matlab simulation)에서도 마찬가지로, 다른 조인트를 특정할 필요 없이 영공간을 통해 축선을 이동시킬 수 있을 보았다. 상기 설명은 평면 셋업 조인트의 최적화를 보여주고 있지만, 수학적 구조는 배향으로까지 확장된다.

다른 변경예들도 본 발명의 기술사상 내에 있다. 따라서, 본 발명이 다양한 수정 및 변경이 용이지만, 특정 실시형태를 도면에 도시하여 상세히 설명하였다. 하지만, 본 발명을 개시한 특정 형태로 한정하고자 하는 것은 아니며, 그 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 한정된 바와 같은 발명의 범위에 속하는 모든 수정, 변경 구조 및 균등적 구성을 커버하고자 한다는 것을 이해해야 한다.

본 발명의 설명하는 문맥에서(특히 이하의 청구범위의 문맥에서)에서의 "하나의", "그 하나의" 및 이와 유사한 표현은, 달리 지시되지 않았거나 문장에서 명백하게 부정되지 않았다면, 단일 형태와 복수 형태를 모두 포괄하는 것을 해석되어야 한다. "포함하다", "가지다", "구비하다", "보유하다"의 상당 표현은, 달리 지시되지 않았다면, 개방형의 표현(즉, 구비하되 그것에 한정되지 않는다는 것을 의미)으로 해석되어야 한다. "연결되다"의 상당 표현은, 달리 지적되지 않았다면, 일부 또는 전체가 수용되거나, 부착되거나, 서로 결합되는 것으로 해석되어야 한다. 여기에서의 수치값의 범위의 기술은, 달리 지시되지 않았다면, 단지 그 범위 내에 속하는 각각의 개별의 수치값을 개별적으로 기술하는 것을 대신하는 방법으로 작용하며, 각각의 개별의 수치값은 마치 개별적으로 언급된 것처럼 본 명세서에 포함된다. 여기에 설명되는 모든 방법은, 달리 지시되지 않았거나 문장에서 명백하게 부정되지 않았다면, 임의의 적합한 순서로 실행될 수 있다. 실시예의 사용 또는 여기에 사용된 예시의 표현(예컨대, "와 같은")는 단지 발명을 더 명확하게 설명하기 위한 것으로, 달리 청구되지 않는다면 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서 내의 어떠한 표현도 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 청구되지 않은 요소를 지시하는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명자들에게 알려진 본 발명을 실시하기 위한 최적의 모드를 포함하여, 바람직한 실시형태를 설명하였다. 그러한 바람직한 실시형태의 변경은 이상의 설명으로부터 당업자에게 자명할 수 있다. 본 발명자들은 당업자가 그러한 변경을 적절히 채용할 것으로 기대하며, 본 발명자들은 본 발명이 여기에 특정적으로 설명된 것과 다른 방식으로 실시되는 것을 의도하고 있다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법에 의해 허용되는 것으로서 첨부의 청구범위에 기술된 청구대상의 모든 변경들 및 균등 사항들을 포함한다. 또한, 모든 가능한 변형에 있어 전술한 요소들의 임의의 조합도, 달리 지시되지 않았거나 문장에서 명백하게 부정되지 않았다면, 본 발명에 포함되는 것이다.

여기에 인용된, 공보, 특허출원 및 특허를 포함한 모든 참고문헌들은 마치 각각의 참고문헌이 개별적이고 특정적으로 참고되는 것을 지시되어 있고 그 전체 내용이 기술된 것처럼 여기에 인용된다.

Claims

로봇 시스템을 준비하는 방법에 있어서,
플랫폼에 대한 초기 포지션 관계로부터 플랫폼에 대한 변위된 포지션 관계로의 제1 매니퓰레이터의 제1 링크의 입력 변위로서, 상기 제1 매니퓰레이터를 지지하는 셋업 조인트 링키지의 수동식 관절운동의 결과로 발생하게 되는 입력 변위를 감지하는 과정;
셋업 구조부 링키지가 상기 플랫폼을 지지하고 있고, 상기 플랫폼이 상기 셋업 조인트 링키지를 통해 상기 제1 매니퓰레이터를 지지하고 있는 상태에서, 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크가 상기 플랫폼에 대한 초기 포지션 관계를 향해 복귀하도록 상기 입력 변위에 응답하여 상기 셋업 구조부 링키지의 운동을 연산하는 과정; 및
상기 연산된 운동에 대해 상기 셋업 구조부 링키지를 구동시키는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템을 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입력 변위 중에 상기 제1 매니퓰레이터가 사실상의 강체로서 이동하도록 상기 제1 매니퓰레이터의 고정된 자세를 유지시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템을 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 셋업 구조부 링키지는 상기 수동식 관절운동이 상기 제1 링크를 이동시키는 동안에 구동되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템을 준비하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셋업 구조부 링키지의 운동은 상기 입력 변위 중에 상기 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 속도를 이용하여 연산되고, 상기 연산된 운동에 대한 상기 셋업 구조부 링키지의 구동은 상기 속도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템을 준비하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연산된 운동에 대한 상기 셋업 구조부 링키지의 구동은 플랫폼 운동 모드에서 발생하고, 상기 플랫폼 운동 모드는 바람직하지 않은 운동 제한 구성에 접근 또는 도달하는 셋업 구조부 링키지에 응답하여 시작되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템을 준비하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랫폼에 의해 지지되는 제2 매니퓰레이터를 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 매니퓰레이터의 각각의 매니퓰레이터마다:
매니퓰레이터는 기구 홀더를 구비하고 있고,
매니퓰레이터는:
상기 기구 홀더에 장착된 연계된 기구를 매니퓰레이터 베이스에 대해 지지하고,
연계된 기구를 연계된 조작의 원격 중심(RC)을 통해 삽입 축선을 따라 삽입하고,
상기 기구 홀더를 연계된 RC와 교차하는 제1 매니퓰레이터 축선 둘레로 회전시키고, 상기 기구 홀더를 연계된 RC와 교차하는 제2 매니퓰레이터 축선 둘레로 회전시키도록 구성되어 있고, 상기 제1 매니퓰레이터 축선 및 상기 제2 매니퓰레이터 축선의 각각은 상기 삽입 축선에 대해 횡단 방향이고, 상기 제2 매니퓰레이터 축선은 상기 제1 매니퓰레이터 축선에 대해 횡단 방향이고,
상기 셋업 조인트 링키지의 수동식 관절운동은 상기 제1 매니퓰레이터의 연계된 RC를 소정의 제1 RC와 정렬시키고, 상기 연산된 운동에 대한 상기 셋업 구조부 링키지의 구동이 상기 제2 매니퓰레이터의 연계된 RC를 제2 소정의 RC를 향해 이동시키는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템을 준비하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 매니퓰레이터에 대한 캐뉼라의 장착에 응답하여 상기 플랫폼의 운동을 방지하는 과정을 포함하고,
상기 캐뉼라는 상기 제1 매니퓰레이터에 의해 지지되는 기구를 위한 일정 부위로의 그것을 통한 액세스를 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템을 준비하는 방법.
로봇 시스템에 있어서,
플랫폼;
상기 플랫폼에 의해 지지되는 제1 매니퓰레이터로서, 상기 제1 매니퓰레이터가 제1 링크를 구비한 매니퓰레이터 링키지 및 구동 시스템을 가지고 있고, 상기 제1 매니퓰레이터의 구동 시스템이 상기 제1 링크를 구동시키도록 상기 매니퓰레이터 링키지에 작동가능하게 연결된, 제1 매니퓰레이터;
상기 플랫폼을 지지하는 지지 구조부로서, 상기 지지 구조부가 지지 링키지, 지지 구조부 베이스 및 구동 시스템을 포함하고 있고, 상기 지지 구조부의 구동 시스템이 상기 지지 구조부 베이스에 대해 상기 플랫폼을 구동시키도록 상기 지지 링키지에 작동가능하게 연결된, 지지 구조부; 및
플랫폼 운동 모드를 갖는 프로세서로서, 상기 프로세서가 상기 플랫폼 운동 모드에서, 상기 플랫폼에 대한 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크의 수동식 운동에 응답하여 운동 명령을 연산하고, 상기 플랫폼을 이동시키도록 상기 지지 구조부에 상기 운동 명령을 전달하도록 구성되어 있는, 프로세서;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 프로세서는:
상기 플랫폼에 대한 제1 포지션 관계로부터 상기 플랫폼에 대한 제2 포지션 관계로의 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 제1 링크의 입력 변위로서, 상기 제1 링크의 수동식 운동의 결과로 발생하게 되는 입력 변위를 결정하고,
상기 제1 링크의 수동식 운동 중에 상기 지지 구조부의 소정의 운동을 실행시키기 위해 상기 입력 변위를 이용하여 운동 명령을 연산하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 플랫폼과 상기 제1 매니퓰레이터 사이에 배치되는 수동식으로 관절운동 가능한 링키지를 포함하고 있고, 상기 프로세서는, 상기 플랫폼 운동 모드에서, 상기 제1 링크의 상기 수동식 운동 중에 상기 제1 매니퓰레이터가 사실상의 강체로서 이동하고, 상기 플랫폼이 상기 제1 링크를 추종하도록, 상기 수동식으로 관절운동 가능한 링키지의 수동식 관절운동을 허용함으로써 상기 제1 링크의 수동식 운동을 허용하고, 상기 제1 매니퓰레이터의 관절운동을 방지하고, 상기 지지 구조부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 플랫폼에 대한 상기 제1 링크의 상대 속도를 이용하여 상기 운동 명령을 연산하도록 구성되어 있어, 상기 운동 명령에 따른 상기 지지 구조부의 구동이 상기 상대 속도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 프로세서는 또한 바람직하지 않은 운동 제한 구성에 접근 또는 도달하는 상기 지지 링키지에 응답하여 상기 플랫폼 운동 모드를 시작하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 플랫폼에 의해 지지되는 제2 매니퓰레이터를 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 매니퓰레이터의 각각의 매니퓰레이터마다:
매니퓰레이터는 기구 홀더를 구비하고 있고,
매니퓰레이터는:
상기 기구 홀더에 장착된 연계된 기구를 매니퓰레이터 베이스에 대해 지지하고,
연계된 기구를 연계된 조작의 원격 중심(RC)을 통해 삽입 축선을 따라 환자 내로 삽입하고,
상기 기구 홀더를 연계된 RC와 교차하는 제1 매니퓰레이터 축선 둘레로 회전시키고,
상기 기구 홀더를 연계된 RC와 교차하는 제2 매니퓰레이터 축선 둘레로 회전시키도록 구성되어 있고, 상기 제1 매니퓰레이터 축선 및 상기 제2 매니퓰레이터 축선의 각각은 상기 삽입 축선에 대해 횡단 방향이고, 상기 제2 매니퓰레이터 축선은 상기 제1 매니퓰레이터 축선에 대해 횡단 방향이고,
상기 지지 링키지는:
장착 베이스;
상기 장착 베이스와 슬라이드 가능하게 연결되고, 수직방향으로 배향된 제1 지지 축선을 따라 상기 장착 베이스에 대해 선택적으로 포지셔닝 가능한 칼럼;
상기 칼럼에 회전가능하게 연결되는 붐 베이스 부재로서, 상기 붐 베이스부재를 수직방향으로 배향된 제2 지지 축선 둘레로 상기 칼럼에 대해 선택적으로 배향시키도록 작동가능한 쇼울더 조인트를 통해 상기 칼럼에 회전가능하게 연결되는 붐 베이스 부재;
상기 붐 베이스 부재에 슬라이드 가능하게 연결되는 확장가능한 붐 부재로서, 상기 확장가능한 붐 부재를 수평방향으로 배향된 제3 지지 축선을 따라 상기 붐 베이스 부재에 대해 선택적으로 포지셔닝시키도록 작동가능한 붐 조인트를 통해 상기 붐 베이스 부재에 슬라이드 가능하게 연결되고, 상기 플랫폼이 회전가능하게 연결되는 확장가능한 붐 부재;를 포함하고 있고,
상기 제1 링크는 상기 제1 매니퓰레이터의 상기 기구 홀더를 포함하고 있거나 상기 기구 홀더에 인접하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 제1 매니퓰레이터는 당해 제1 매니퓰레이터 상에 또는 당해 제1 매니퓰레이터에 인접하여 장착되는 플랫폼 운동 입력부를 가지고 있고, 상기 플랫폼 운동 입력부는 통상 제1 상태에 있으면서 제2 상태로 수동식으로 작동가능하고, 상기 프로세서는 상기 플랫폼 운동 입력부가 상기 제1 상태에 있을 때 상기 제1 링크의 운동에 응답하여 상기 플랫폼의 운동을 방지하도록 구성되어 있고, 상기 프로세서는 상기 제1 상태에 있는 플랫폼 운동 입력부에 응답하여 상기 지지 링키지의 운동을 방지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 제1 매니퓰레이터에 대한 캐뉼라의 장착에 응답하여 상기 플랫폼의 운동을 방지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
사용을 위해 시스템을 준비하는 방법에 있어서,
상기 시스템의 셋업 모드와 연계된 입력을 감지하는 것에 응답하여 상기 시스템의 셋업 모드를 시작하는 과정;
상기 시스템의 플랫폼에 대해 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치를 설정하는 과정;
상기 플랫폼과 상기 매니퓰레이터 사이의 제1 기구학적 구조부의 제1 링크의 수동식 운동에 기인하는, 상기 매니퓰레이터의 실제 운동의 원격 중심 위치와 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치 사이의 오차를 검출하는 과정; 및
상기 오차를 감소시켜 상기 매니퓰레이터의 실제 운동의 원격 중심 위치를 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치로 복귀시키도록 상기 플랫폼을 지지하는 제2 기구학적 구조부의 제2 링크를 구동시키는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용을 위해 시스템을 준비하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 시스템의 셋업 모드를 시작하는 과정 전에, 상기 제1 기구학적 구조부의 하나 이상의 조인트를 해제함으로써 상기 시스템의 포트 클러칭 모드를 시작하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용을 위해 시스템을 준비하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 매니퓰레이터에 대한 캐뉼라 부착을 감지하는 것에 응답하여 상기 시스템의 셋업 모드를 빠져나가는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용을 위해 시스템을 준비하는 방법.
제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 링크의 구동 중에 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치를 변경시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용을 위해 시스템을 준비하는 방법.
제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템의 셋업 모드를 시작하는 과정 전에, 상기 제2 링크의 운동 한계의 범위에서 벗어나게 상기 제2 링크를 이동시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용을 위해 시스템을 준비하는 방법.
로봇 시스템에 있어서,
플랫폼;
상기 플랫폼을 지지하고, 제1 링크를 포함하는 제1 기구학적 구조부; 및
상기 플랫폼과 매니퓰레이터 사이에 연결되고, 제2 링크를 포함하는 제2 기구학적 구조부;를 포함하고 있고,
상기 로봇 시스템은:
셋업 모드와 연계된 입력을 감지하는 것에 응답하여 셋업 모드를 시작하고;
상기 플랫폼에 대해 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치를 설정하고;
상기 제2 링크의 수동식 운동에 기인하는, 상기 매니퓰레이터의 실제 운동의 원격 중심 위치와 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치 사이의 오차를 검출하고;
상기 오차를 감소시켜 상기 매니퓰레이터의 실제 운동의 원격 중심 위치를 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치로 복귀시키도록 제2 링크를 구동시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 21 항에 있어서, 상기 입력은 상기 셋업 모드와 연계된 전용 입력 버튼의 가동을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 21 항에 있어서, 상기 셋업 모드를 시작하기 전에, 상기 로봇 시스템은 상기 제1 기구학적 구조부의 하나 이상의 조인트를 해제함으로써 포트 클러칭 모드를 시작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 21 항에 있어서, 상기 로봇 시스템은 또한 상기 매니퓰레이터에 대한 캐뉼라 부착을 감지하는 것에 응답하여 상기 셋업 모드를 빠져나가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로봇 시스템은 또한 상기 제1 링크의 구동 중에 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치를 변경시키록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치는 상기 제1 링크를 구동시키기 위해 사용되는 앵커 속도 명령에 기초하여 변경되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 26 항에 있어서, 상기 매니퓰레이터의 소정의 운동의 원격 중심 위치는 상기 앵커 속도 명령을 포화 한계에 유지시키도록 상기 플랫폼에 대한 상기 소정의 운동의 원격 중심 위치를 이동시킴으로써 변경되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로봇 시스템은 또한 상기 셋업 모드에 들어가기 전에 상기 제1 링크의 운동 한계의 범위에서 벗어나게 상기 제1 링크를 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
제 28 항에 있어서, 상기 제1 링크의 운동 한계의 범위에서 벗어나게 상기 제1 링크를 이동시키기 위해, 상기 로봇 시스템은:
상기 제1 링크의 운동 한계의 범위에 설치되는 스프링을 모사하는, 상기 제1 링크에 작용하는 가상력을 연산하고;
상기 제1 링크의 운동 한계의 범위에서 상기 제1 링크를 물러나게 하도록 상기 가상력을 적용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.