KR102149008B1 - 수술용 로봇의 충돌을 완화시키는 방법 및 시스템 - Google Patents

수술용 로봇의 충돌을 완화시키는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 수술용 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키는 방법은, 상기 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하여 발생하는 외부 토크를 획득하는 제1 단계, 상기 슬레이브 로봇의 조인트 각도를 획득하는 제2 단계, 상기 획득한 외부 토크 및 상기 획득한 조인트 각도에 기초하여, 상기 발생한 외부 토크가 감쇄되도록 상기 슬레이브 로봇의 포지션을 변경하기 위한 목표 조인트 각도를 산출하는 제3 단계, 및 상기 슬레이브 로봇이 상기 획득된 조인트 각도에서 상기 산출된 목표 조인트 각도로 포지션을 변경하도록 제어하는 제4 단계를 포함한다.

Description

수술용 로봇의 충돌을 완화시키는 방법 및 시스템{Method and system for mitigating impact of a surgical robot}
수술용 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌한 경우, 충돌이 완화되도록 수술용 로봇을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.
이러한 수술용 로봇은 오퍼레이터의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 로봇과, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 구분될 수 있는데, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇은 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 별도의 장치로 구성되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.
마스터 로봇에는 오퍼레이터의 조작을 위한 디바이스가 설치되는데, 로봇 수술의 경우 오퍼레이터는 수술 도구를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 디바이스를 조작하여 슬레이브 로봇에 장착된 각종 수술 도구가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.
한편, 오퍼레이터는 수술 도구를 통해 촬영되는 영상이 디스플레이 부재에 디스플레이 되는 것을 보면서 디바이스를 조작할 수 있다. 이러한 경우, 오퍼레이터의 시야가 디스플레이 부재로 집중되어, 오퍼레이터가 슬레이브 로봇의 위치를 확인하지 못할 수 있다. 나아가, 오퍼레이터가 슬레이브 로봇이 다른 물체, 환자, 수술 보조자 등과 충돌하는 상황이 발생한 것을 인지하지 못할 수 있다. 오퍼레이터가 충돌이 발생한 상황을 인지하지 못하고 디바이스를 계속하여 조작하면, 슬레이브 로봇에 무리가 가거나 환자가 다칠 수 있다.
이에, 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌한 경우, 충돌이 완화되도록 제어하는 방법이 요구된다.
수술용 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌한 경우, 충돌이 완화되도록 슬레이브 로봇의 움직임을 제어하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따른 수술용 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키는 방법은, 상기 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하여 발생하는 외부 토크를 획득하는 제1 단계; 상기 슬레이브 로봇의 조인트 각도를 획득하는 제2 단계; 상기 획득한 외부 토크 및 상기 획득한 조인트 각도에 기초하여, 상기 발생한 외부 토크가 감쇄되도록 상기 슬레이브 로봇의 포지션을 변경하기 위한 목표 조인트 각도를 산출하는 제3 단계; 및 상기 슬레이브 로봇이 상기 획득된 조인트 각도에서 상기 산출된 목표 조인트 각도로 포지션을 변경하도록 제어하는 제4 단계를 포함한다.
상술한 방법에서, 상기 제1 단계는, 토크 센서가 상기 슬레이브 로봇에 장착된 모터의 토크를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 모터의 토크로부터 상기 외부 토크를 산출하는 단계를 포함한다.
상술한 방법에서, 상기 제1 단계는, 전류 센서가 상기 슬레이브 로봇에 장착된 모터에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전류 값으로부터 상기 외부 토크를 산출하는 단계를 포함한다.
상술한 방법에서, 상기 측정된 전류 값으로부터 상기 외부 토크를 산출하는 단계는, 상기 측정된 전류 값으로부터 상기 모터의 토크를 산출하는 단계; 상기 슬레이브 로봇에 작용하는 중력을 보상하기 위한 중력보상 토크를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 모터의 토크 및 상기 산출된 중력보상 토크에 기초하여 상기 외부 토크를 산출하는 단계를 포함한다.
상술한 방법에서, 상기 목표 조인트 각도는 상기 획득한 외부 토크 및 상기 획득한 조인트 각도의 일차결합(linear combination)에 의해 산출된다.
상술한 방법은, 상기 슬레이브 로봇이 상기 다른 물체 또는 사람과 충돌하는 것을 오퍼레이터에게 알리기 위한 알람을 출력하는 단계를 더 포함한다.
상술한 방법에서, 상기 알람은 시각적 알람, 청각적 알람, 및 촉각적 알람 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
상술한 방법은, 상기 획득한 외부 토크와 기준값을 비교하는 제5 단계; 상기 획득한 외부 토크가 기준값 이상인 경우, 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 실시하는 단계; 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 실시한 기간을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 기간이 미리 설정된 기간 이상인 경우, 상기 슬레이브 로봇이 움직이지 않도록 제어하는 단계를 더 포함한다.
상술한 방법에서, 상기 슬레이브 로봇은 마스터 콘솔을 통해 입력되는 오퍼레이터의 명령에 따라 원격으로 제어된다.
다른 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템은, 오퍼레이터에 의해 조작되는 마스터 콘솔; 상기 마스터 콘솔이 조작되는 것에 기초하여 움직이는 슬레이브 로봇; 및 상기 슬레이브 로봇와 다른 물체 또는 사람 간의 충돌이 완화되도록, 상기 슬레이브 로봇의 움직임을 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하여 발생하는 외부 토크를 획득하는 제1 단계; 상기 슬레이브 로봇의 조인트 각도를 획득하는 제2 단계; 상기 획득한 외부 토크 및 상기 획득한 조인트 각도에 기초하여, 상기 발생한 외부 토크가 감쇄되도록 상기 슬레이브 로봇의 포지션을 변경하기 위한 목표 조인트 각도를 산출하는 제3 단계; 및 상기 슬레이브 로봇이 상기 획득된 조인트 각도에서 상기 산출된 목표 조인트 각도로 포지션을 변경하도록 제어하는 제4 단계를 포함한다.
슬레이브 로봇의 충돌이 완화되도록 제어하여 슬레이브 로봇 또는 다른 물체가 파손되거나 사람에게 피해가 가는 것이 억제될 수 있다. 또한 슬레이브 로봇의 충돌 상황을 오퍼레이터에게 알림으로써, 오퍼레이터가 슬레이브 로봇을 무리하게 구동하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 수술용 로봇 시스템의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 2는 슬레이브 로봇의 충돌을 완화하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 3은 포지션 제어기의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 6b는 일 실시예에 따른 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키는 방법에 따라 슬레이브 로봇의 충돌이 완화된 실험 결과를 나타내는 도면들이다.
도 7은 일 실시예에 따른 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키는 방법을 실행시키기 위한 프로그램의 일 예를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
도 1은 수술용 로봇 시스템의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 수술용 로봇 시스템(1)은 수술대(2)에 누워있는 환자(P)에게 수술을 행하는 슬레이브 로봇(10)과, 슬레이브 로봇(10)을 오퍼레이터(O)가 원격 조종하도록 하는 마스터 콘솔(20)을 포함한다. 또한, 수술용 로봇 시스템(1)은 비전 카트(30)를 포함할 수 있다. 비전 카트(30)의 표시부(35)를 통해서, 보조자(A)가 수술의 진행 상황을 확인할 수 있다.
슬레이브 로봇(10)은 하나 이상의 슬레이브 암(11)을 포함할 수 있다. 일반적으로 로봇 암은 인간의 팔 및/또는 손목과 유사한 기능을 가지고 있으며 손목 부위에 소정의 도구를 부착시킬 수 있는 장치를 의미한다. 본 명세서에서 슬레이브 암(11)이란 상박, 하박, 손목, 팔꿈치 등의 구성 요소 및 상기 손목 부위에 결합되는 수술용 인스트루먼트 등을 모두 포괄하는 개념으로 정의할 수 있다. 이와 같은, 슬레이브 로봇(10)의 슬레이브 암(11)은 다자유도를 가지며 구동되도록 구현될 수 있다. 슬레이브 암(11)은 예를 들어 환자(P)의 수술 부위에 삽입되는 수술기구, 수술기구를 길이 방향으로 이동시키는 이송 구동부와, 수술기구를 회전시키는 회전 구동부, 수술기구의 끝단에 설치되어 수술 병변을 절개 또는 절단하는 수술기구 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 슬레이브 암(11)의 구성이 이에 제한되지는 않으며, 이러한 예시가 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
슬레이브 로봇(10)은 환자(P)를 수술하기 위하여 하나 이상으로 이용될 수 있으며, 수술 부위가 디스플레이 부재(미도시)를 통해 화상 이미지로 표시되 도록 하기 위한 수술 도구(12)는 독립된 슬레이브 로봇(10)으로 구현될 수도 있다.
또한, 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 복강경 이외의 다양한 수술용 내시경(예를 들어, 흉강경, 관절경, 비경 등)이 이용되는 수술들에 범용적으로 사용될 수 있다.
마스터 콘솔(20)과 슬레이브 로봇(10)이 반드시 물리적으로 독립된 별도의 장치로 분리되어야 하는 것은 아니며, 하나로 통합되어 일체형으로 구성될 수 있다.
마스터 콘솔(20)은 마스터 암(미도시) 및 디스플레이 부재(미도시)를 포함한다. 또한, 마스터 콘솔(20)은 추가적으로 외측에 오퍼레이터(O)의 상태를 표시할 수 있는 외부의 디스플레이 장치(25)를 더 구비할 수 있다.
상세히, 마스터 콘솔(20)은 오퍼레이터(O)가 조작할 수 있도록 마스터 암을 구비한다. 오퍼레이터(O)가 마스터 암을 조작하면, 조작 신호가 유선 또는 무선 통신망을 통해 슬레이브 로봇(10)으로 전송되어 슬레이브 암(11)이 제어된다. 즉, 오퍼레이터(O)의 마스터 암 조작에 의해 슬레이브 암(11)의 위치 이동, 회전, 절단 작업 등의 수술 동작이 수행될 수 있다.
예를 들어, 오퍼레이터(O)는 핸들 형태의 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술 도구(12) 등을 조작 할 수 있다. 이와 같은 조작 레버는 그 조작방식에 따라 다양한 기구적 구성을 가질 수 있으며, 슬레이브 로봇 암(11)이나 수술 도구(12) 등의 동작을 조작하는 마스터 핸들과, 전체 시스템의 기능을 조작하기 위해 마스터 콘솔(20)에 부가된 조이스틱, 키패드, 트랙볼, 터치스크린과 같은 각종 입력도구와 같이, 슬레이브 로봇(10)의 로봇 암(11) 및/또는 기타 수술 장비를 작동시키기 위한 다양한 형태로 구비될 수 있다.
마스터 콘솔(20)의 디스플레이 부재에는 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상이 화상 이미지로 표시된다. 또한 디스플레이 부재에는 소정의 가상 조작판이 상기 수술 도구(12)를 통해 촬영되는 영상과 함께 표시되거나 또는 독립적으로 표시될 수 있다.
디스플레이 부재는 오퍼레이터(O)가 영상을 확인할 수 있는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 오퍼레이터(O)의 양안에 대응하도록 디스플레이 장치가 설치될 수 있다. 다른 예로, 하나 이상의 모니터들로 구성될 수 있으며, 각 모니터에 수술시 필요한 정보들이 개별적으로 표시되도록 할 수 있다. 디스플레이 부재의 수량은 표시를 요하는 정보의 유형이나 종류 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
비전 카트(30)는 슬레이브 로봇(10)이나 마스터 콘솔(20)에 이격되게 설치되고, 외부에서 수술의 진행상황을 표시부(35)를 통해서 확인할 수 있다.
표시부(35)에서 디스플레이되는 영상은 오퍼레이터(O)의 디스플레이 부재에서 디스플레이 되는 영상과 동일할 수 있다. 보조자(A)는 표시부(35)의 영상을 확인하면서, 오퍼레이터(O)의 수술 작업을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보조자(A)는 수술의 진행상태에 따라 수술 도구(12)를 인스트루먼트 카트(3)에서 교체할 수 있다.
중앙 제어부(40)는 슬레이브 로봇(10), 마스터 콘솔(20), 및 비전 카트(30)와 연결되어, 각각의 신호를 송수신 할 수 있다.
중앙 제어부(40)는 오퍼레이터(O)가 마스터 콘솔(20)을 조작하는 것에 기초하여 슬레이브 로봇(10)이 움직이도록 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 적어도 하나의 프로세서는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다.
적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇(10)이 다른 물체, 환자(P), 시술자(A) 등과 충돌한 경우, 충돌이 완화되도록 슬레이브 로봇(10)을 제어할 수 있다. 이하에서는, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 슬레이브 로봇(10)과 다른 물체 또는 사람의 충돌이 완화되도록, 슬레이브 로봇(10)의 움직임을 제어하는 방법에 대하여 살펴본다.
도 2는 슬레이브 로봇의 충돌을 완화하는 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.
단계 S210에서, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하여 발생하는 외부 토크를 획득할 수 있다.
슬레이브 로봇의 로봇 암은 링크 및 관절을 포함할 수 있고, 관절은 링크가 회전 구동할 수 있도록 모터를 포함할 수 있다.
슬레이브 로봇의 모터가 출력하는 토크 τ_act는 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
(수학식 1)
τ_act = τ_acc + τ_vel + τ_fric + τ_grav + τ_extern
여기서, τ_acc는 모터의 가속도에 의한 토크, τ_vel는 모터의 속도에 의한 토크, τ_fric는 모터에 작용하는 마찰력에 의한 토크, τ_grav는 모터에 작용하는 중력을 보상하기 위한 중력보상 토크, τ_extern은 모터에 작용하는 외력에 의한 외부 토크를 나타낸다. 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하여 발생하는 토크는 외부 토크 τ_extern에 해당한다.
모터가 저속 상태로 구동하는 경우, 상기 수학식 1은 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
(수학식 2)
τ_act = τ_grav + τ_extern
적어도 하나의 프로세서는 모터의 토크 τ_act를 획득할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 전류 측정 방식을 통해 모터의 토크 τ_act를 간접적으로 획득하거나, 토크 측정 방식을 통해 모터의 토크 τ_act를 직접적으로 획득할 수 있다.
일 예로, 적어도 하나의 프로세서는 모터에 흐르는 전류를 측정한 값으로부터 모터의 토크 τ_act를 산출할 수 있다. 모터에 흐르는 전류는 전류 센서를 통해 측정될 수 있다. 예를 들어, 모터에 장착된 저항에 인가된 전압 값을 저항 값으로 나누어 전류 값이 측정될 수 있다. 모터에 흐르는 전류 값이 측정되면, 적어도 하나의 프로세서는 모터의 토크 τ_act와 모터의 전류가 비례하는 것을 이용하여, 측정된 전류 값으로부터 모터의 토크 τ_act를 획득할 수 있다. 이와 같이, 전류 센서를 통해 추정하여 획득한 모터의 토크 τ_act는 어드미턴스 제어 형식으로 사용될 수 있다.
다른 예로, 적어도 하나의 프로세서는 토크 센서가 측정한 센싱 값으로부터 모터의 토크 τ_act를 획득할 수 있다. 토크 센서는 모터에 작용하는 3축 힘(Fx, Fy, Fz) 및 3축 모멘트(Mx, My, Mz)를 측정하는 센서일 수 있다. 또한, 토크 센서는 스트레인 게이지(strain gauge)식 센서, 광학식 센서 등일 수 있으나, 나열된 종류에 제한되지 않는다. 이와 같이, 토크 센서를 통해 획득한 모터의 토크 τ_act는 임피던스 제어 형식으로 사용될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 모터에 작용하는 중력을 보상하기 위한 중력보상 토크 τ_grav를 획득할 수 있다.
일 예로, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇의 포지션으로부터 중력보상 전류를 산출하고, 산출된 중력보상 전류로부터 중력보상 토크 τ_grav를 산출할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 획득한 모터의 토크 τ_act 및 중력보상 토크 τ_grav에 기초하여 외부 토크 τ_extern를 획득할 수 있다.
일 예로, 적어도 하나의 프로세서는 상기 수학식 2를 변형한 다음의 수학식 3을 이용하여 외부 토크 τ_extern를 산출할 수 있다.
(수학식 3)
τ_extern = τ_act - τ_grav
단계 S220에서, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇의 조인트 각도 θ_act를 획득할 수 있다. 상세하게, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇의 로봇 암의 조인트 각도 θ_act를 획득할 수 있다.
일 예로, 적어도 하나의 프로세서는 엔코더에 의해 측정된 값으로부터 슬레이브 로봇 암의 조인트 각도 θ_act를 획득할 수 있다. 조인트 각도 검출을 위해 증분형 인코더(Incremental Encoder), 절대형 인코더(Absolute Encoder), 자기식 인코더(Magnetic Encoder), 및 퍼텐쇼미터(Potentiometer) 등 다양한 종류의 엔코더가 사용될 수 있다.
단계 S230에서, 적어도 하나의 프로세서는 획득한 외부 토크 τ_extern 및 획득한 조인트 각도 θ_act에 기초하여, 외부 토크 τ_extern가 감쇄되도록 슬레이브 로봇의 포지션을 변경하기 위한 목표 조인트 각도 θ_des를 산출할 수 있다.
일 예로, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇의 상태 방정식을 다음의 수학식 4와 같이 설정할 수 있다.
(수학식 4)
Figure 112018125425091-pat00001
여기서, θ_err = θ_des - θ_act이고, Md는 관성 행렬, Bd는 점성 행렬, Kd는 강성 행렬을 나타낸다.
적어도 하나의 프로세서는 강성 제어(stiffness control)를 수행하기 위해 수학식 4로 표현되는 상태 방정식을 다음의 수학식 5와 같이 정리할 수 있다.
(수학식 5)
τ_extern = Kd(θ_des - θ_act)
상기 수학식 5을 다음의 수학식 6과 같이 정리할 수 있으며, 적어도 하나의 프로세서는 목표 조인트 각도 θ_des를 다음의 수학식 6으로부터 산출할 수 있다.
(수학식 6)
θ_des = θ_act + (1/Kd)*τ_extern
단계 S240에서, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇이 획득된 조인트 각도 θ_act에서 산출된 목표 조인트 각도 θ_des로 포지션을 변경하도록 제어할 수 있다.
일 예로, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇이 추종하고자 하는 레퍼런스 조인트 각도를 목표 조인트 각도 θ_des로 설정하고, 목표 조인트 각도 θ_des를 포지션 제어기의 입력값으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 목표 조인트 각도 θ_des는 도 3에 도시된 포지션 제어기에 입력될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하는 것을 오퍼레이터에게 알리기 위한 알람을 출력할 수 있다. 알람은 시각적 알람, 청각적 알람, 및 촉각적 알람 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
일 예로, 알람은 마스터 콘솔(도 1의 20) 디스플레이 부재에 디스플레이될 수 있다. 오퍼레이터는 디스플레이 부재에 디스플레이되는 영상을 보며 수술을 집도하면서, 디스플레이 부재에 알람이 디스플레이되는 것을 통해 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌한 것을 인지할 수 있다.
다른 예로, 알람은 마스터 콘솔(도 1의 20)의 조작 레버에 발생하는 진동 형태로 오퍼레이터에게 전달될 수 있다. 오퍼레이터는 조작 레버를 이용하여 슬레이브 로봇을 제어하다가, 조작 레버에 진동이 발생하는 것을 통해 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌한 것을 인지할 수 있다.
또 다른 예로, 알람은 비전 카트의 표시부(도 1의 35)에 디스플레이될 수 있다. 보조자(도 1의 A)는 표시부에 디스플레이되는 알람을 통해 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌한 것을 인지할 수 있다.
슬레이브 로봇의 충돌 상황을 알람을 통해 오퍼레이터 또는 보조자에게 알림으로써, 오퍼레이터가 슬레이브 로봇을 무리하게 조작하는 것을 방지할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 외부 토크 τ_extern가 미리 설정된 기준값을 비교할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 외부 토크 τ_extern가 기준값 이하가 될 때까지 알람을 지속하여 출력할 수 있다. 오퍼레이터는 지속하여 울리는 알람을 통해, 슬레이브 로봇이 여전히 다른 물체 또는 사람과 충돌을 일으키고 있는 것을 인지할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 외부 토크 τ_extern가 기준값 이상인 경우, 단계 S210 내지 단계 S240을 반복하여 실시할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서는 단계 S210 내지 단계 S240을 반복하여 실시한 기간이 미리 설정된 기간 이상인 경우, 슬레이브 로봇이 움직이지 않도록 제어할 수 있다. 미리 설정된 기간 이상 동안 외부 토크 τ_extern가 기준값 이상인 것은, 슬레이브 로봇이 여전히 다른 물체 또는 사람과 충돌을 일으키고 있는 것이므로, 적어도 하나의 프로세서는 슬레이브 로봇이 움직이지 않도록 강제로 제어하여, 슬레이브 로봇 또는 다른 물체가 파손되거나 사람에게 피해가 가는 것이 방지될 수 있다.
도 4a 내지 도 6b는 상술한 일 실시예에 따른 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키는 방법에 따라 슬레이브 로봇의 충돌이 완화된 실험 결과를 나타내는 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 슬레이브 로봇의 요(yaw)축 포지션으로 외력이 가해진 경우에 대한 실험 결과를 나타낸다. 도 4a는 슬레이브 로봇의 모터의 요축 각도를 측정한 엔코더의 출력을, 도 4b는 슬레이브 로봇의 모터에 흐르는 전류를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 약 0초~약 0.7초 사이에 외력이 가해짐에 따라, 슬레이브 로봇의 모터의 요축 각도 yaw_act가 목표 요축 각도 yaw_des에서 벗어나는 것을 알 수 있다. 또한, 모터에 흐르는 전류 i_act와 중력에 의한 전류 i_grav의 차이가 증가하는 것을 알 수 있다. 모터에 흐르는 전류 i_act는 모터 토크 τ_act를 나타내고, 중력에 의한 전류 i_grav는 중력보상 토크 τ_grav를 나타내므로, 모터에 흐르는 전류 i_act와 중력에 의한 전류 i_grav의 차이가 증가하는 것은 외부 토크 τ_extern가 증가하는 것을 의미한다.
적어도 하나의 프로세서는 상술한 단계 S210 내지 S240에 따라, 슬레이브 로봇이 목표 요축 각도 yaw_des로 포지션을 변경하도록 제어한다. 그 결과에 따라, 도 4a의 약 0.7초 이후의 구간에서 모터의 요축 각도 yaw_act가 목표 요축 각도 yaw_des와 유사해지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4b의 약 0.7초 이후의 구간에서 모터에 흐르는 전류 i_act와 중력에 의한 전류 i_grav의 차이가 일정 범위 이내로 감소한 것을 알 수 있다.
다음으로 도 5a 및 도 5b는 슬레이브 로봇의 피치(pitch)축 포지션으로 외력이 가해진 경우에 대한 실험 결과를 나타낸다. 도 5a는 슬레이브 로봇의 모터의 피치축 각도를 측정한 엔코더의 출력을, 도 5b는 슬레이브 로봇의 모터에 흐르는 전류를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 약 1초~약 1.5초 사이에 외력이 가해짐에 따라, 슬레이브 로봇의 모터의 피치축 각도 pitch_act가 목표 피치축 각도 pitch_des에서 벗어나는 것을 알 수 있다. 또한, 모터에 흐르는 전류 i_act와 중력에 의한 전류 i_grav의 차이가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 외부 토크 τ_extern가 증가하는 것을 의미한다.
적어도 하나의 프로세서는 상술한 단계 S210 내지 S240에 따라, 슬레이브 로봇이 목표 피치축 각도 pitch_des로 포지션을 변경하도록 제어한다. 그 결과에 따라, 도 5a의 약 1.5초 이후의 구간에서 모터의 피치축 각도 pitch_act가 목표 피치축 각도 pitch_des와 유사해지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5b의 약 1.5초 이후의 구간에서 모터에 흐르는 전류 i_act와 중력에 의한 전류 i_grav의 차이가 일정 범위 이내로 감소한 것을 알 수 있다.
다음으로 도 6a 및 도 6b는 슬레이브 로봇의 슬라이드(slide)축 포지션으로 외력이 가해진 경우에 대한 실험 결과를 나타낸다. 도 6a는 슬레이브 로봇의 모터의 슬라이드축 각도를 측정한 엔코더의 출력을, 도 6b는 슬레이브 로봇의 모터에 흐르는 전류를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 약 1.5초~약 2.2초 사이에 외력이 가해짐에 따라, 슬레이브 로봇의 모터의 슬라이드축 각도 slide_act가 목표 슬라이드축 각도 slide_des에서 벗어나는 것을 알 수 있다. 또한, 모터에 흐르는 전류 i_act와 중력에 의한 전류 i_grav의 차이가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 외부 토크 τ_extern가 증가하는 것을 의미한다.
적어도 하나의 프로세서는 상술한 단계 S210 내지 S240에 따라, 슬레이브 로봇이 목표 슬라이드축 각도 slide_des로 포지션을 변경하도록 제어한다. 그 결과에 따라, 도 6a의 약 2.2초 이후의 구간에서 모터의 슬라이드축 각도 slide_act가 목표 슬라이드축 각도 slide_des와 일치하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6b의 약 2.2초 이후의 구간에서 모터에 흐르는 전류 i_act와 중력에 의한 전류 i_grav의 차이가 일정 범위 이내로 감소한 것을 알 수 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
도 7은 상술한 방법을 실행시키기 위한 프로그램의 일 예를 나타내는 도면이다. 일 예에 따른 프로그램은, 사용자가 선택적으로 프로그램을 실행할 수 있도록 Mode ON 및 Mode OFF 기능을 포함할 수 있다. 사용자가 Mode ON으로 프로그램을 설정한 경우, 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키도록 자동으로 제어가 수행될 수 있다. 또는, 사용자가 Mode OFF로 프로그램을 설정한 경우, 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키는 제어 기능이 수행되지 않을 수 있다. 그 외에도, 일 예에 따른 프로그램은 알람의 출력 방식 등 상술한 방법을 실행시키기 위한 설정 기능을 포함할 수 있다.
또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 램, USB, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
1: 수술용 로봇 시스템 10: 슬레이브 로봇
11: 슬레이브 암 20: 마스터 콘솔
30: 비전 카트 40: 중앙 제어부

Claims (11)

  1. 수술용 슬레이브 로봇의 충돌을 완화시키는 방법에 있어서,
    상기 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하여 발생하는 외부 토크를 획득하는 제1 단계;
    상기 슬레이브 로봇의 조인트 각도를 획득하는 제2 단계;
    상기 획득한 외부 토크 및 상기 획득한 조인트 각도에 기초하여, 상기 발생한 외부 토크가 감쇄되도록 상기 슬레이브 로봇의 포지션을 변경하기 위한 목표 조인트 각도를 산출하는 제3 단계; 및
    상기 슬레이브 로봇이 상기 획득된 조인트 각도에서 상기 산출된 목표 조인트 각도로 포지션을 변경하도록 제어하는 제4 단계를 포함하고,
    상기 획득한 외부 토크와 기준값을 비교하는 제5 단계;
    상기 획득한 외부 토크가 기준값 이상인 경우, 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 실시하는 단계;
    상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 실시한 기간을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 기간이 미리 설정된 기간 이상인 경우, 상기 슬레이브 로봇이 움직이지 않도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    토크 센서가 상기 슬레이브 로봇에 장착된 모터의 토크를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 모터의 토크로부터 상기 외부 토크를 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    전류 센서가 상기 슬레이브 로봇에 장착된 모터에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전류 값으로부터 상기 외부 토크를 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측정된 전류 값으로부터 상기 외부 토크를 산출하는 단계는,
    상기 측정된 전류 값으로부터 상기 모터의 토크를 산출하는 단계;
    상기 슬레이브 로봇에 작용하는 중력을 보상하기 위한 중력보상 토크를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 모터의 토크 및 상기 산출된 중력보상 토크에 기초하여 상기 외부 토크를 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 목표 조인트 각도는 상기 획득한 외부 토크 및 상기 획득한 조인트 각도의 일차결합(linear combination)에 의해 산출되는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 슬레이브 로봇이 상기 다른 물체 또는 사람과 충돌하는 것을 오퍼레이터에게 알리기 위한 알람을 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 알람은 시각적 알람, 청각적 알람, 및 촉각적 알람 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 슬레이브 로봇은 마스터 콘솔을 통해 입력되는 오퍼레이터의 명령에 따라 원격으로 제어되는, 방법.
  10. 오퍼레이터에 의해 조작되는 마스터 콘솔;
    상기 마스터 콘솔이 조작되는 것에 기초하여 움직이는 슬레이브 로봇; 및
    상기 슬레이브 로봇와 다른 물체 또는 사람 간의 충돌이 완화되도록, 상기 슬레이브 로봇의 움직임을 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 수술용 로봇 시스템에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 슬레이브 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하여 발생하는 외부 토크를 획득하는 제1 단계;
    상기 슬레이브 로봇의 조인트 각도를 획득하는 제2 단계;
    상기 획득한 외부 토크 및 상기 획득한 조인트 각도에 기초하여, 상기 발생한 외부 토크가 감쇄되도록 상기 슬레이브 로봇의 포지션을 변경하기 위한 목표 조인트 각도를 산출하는 제3 단계; 및
    상기 슬레이브 로봇이 상기 획득된 조인트 각도에서 상기 산출된 목표 조인트 각도로 포지션을 변경하도록 제어하는 제4 단계를 포함하고,
    상기 획득한 외부 토크와 기준값을 비교하는 제5 단계;
    상기 획득한 외부 토크가 기준값 이상인 경우, 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 실시하는 단계;
    상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 실시한 기간을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 기간이 미리 설정된 기간 이상인 경우, 상기 슬레이브 로봇이 움직이지 않도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 수술용 로봇 시스템.
  11. 제1항 내지 제7항 및 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.
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